JP2005214115A - ディーゼル機関のｅｇｒシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 複数気筒を有するディーゼル機関において、機関周りの配管を複雑化することなく、運転状況に応じて最適なＥＧＲ量を確保する。
【解決手段】 複数の気筒を備えると共に排気マニホールド３０に可変絞り機構３３を備え、各気筒には吸気弁７と排気弁８の開閉タイミングを変更可能な可変動弁装置１５，１７を備えたディーゼル機関に適用される。要求ＥＧＲ量の増加に応じて、排気弁開期間と吸気弁開期間とのオーバーラップ期間を短くすると共に、可変絞り機構の開度を小さくするように制御する。たとえば、負荷と機関回転数を検知し、検出された負荷及び機関回転数での運転領域の要求ＥＧＲ量に応じてオーバーラップ期間と可変絞り機構の開度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数気筒を備えたディーゼル機関のＥＧＲシステムに関する。

排気ガスを燃焼に再利用するＥＧＲは、排気管内の排気ガスを、一旦ＥＧＲ管を介して吸気管へ導き、吸気と混合して再び燃焼室に供給する外部ＥＧＲと、燃焼後の排気ガスの一部を燃焼室に残留させ、またはこれに加えて排気口近傍から燃焼室内に還流させる内部ＥＧＲとがある。

前記内部ＥＧＲを備えた機関としては、ガソリン機関ではあるが排気管に排気絞り弁を設け、大きいＥＧＲ量が要求される運転領域で絞り弁の開度を小さくすることにより、大容量のＥＧＲを実現した機関もある（特許文献１等参照）。
特開平５−８６９０８号公報。

前記外部ＥＧＲでは、排気管から吸気管へ排気の一部を導くためのＥＧＲ管が必要になり、エンジン周りの配管構造が複雑になると共に、製造及び組み立てコストも高くなる。また、ＥＧＲ管を通過する間に排気ガスの温度が低下するため、燃料中の硫黄分がサルフェートとなって析出し、機関耐久性に悪影響を及ぼす。

排気管に絞り弁を備えた前記内部ＥＧＲにおいて、排気絞り弁の開度調節により各運転領域に応じてＥＧＲ量を増大させる場合、運転条件の急激な変化に応じて即座にＥＧＲ量を増加させるのが困難な場合もある。すなわち、ＥＧＲ制御の応答が遅いことがある。

（発明の目的）
本発明の目的は、複数気筒を有するディーゼル機関において、排気通路に可変絞り機構を配置し、排気断面積を変更調節すると同時に、排気弁開期間と吸気弁開期間とのオーバーラップ期間を変更調節することにより、各運転領域に応じて、迅速かつ的確に所望の内部ＥＧＲ量を確保できるようにすることである。

前記課題を解決するため、本願請求項１記載の発明は、複数の気筒を備えると共に排気集合部に可変絞り機構を備え、各気筒には吸気弁と排気弁の開閉タイミングを変更可能な可変動弁装置を備え、要求ＥＧＲ量の増加に応じて、排気弁開期間と吸気弁開期間とのオーバーラップ期間を短くすると共に、可変絞り機構の開度を小さくするように制御するこことを特徴とするディーゼル機関のＥＧＲシステムである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のディーゼル機関のＥＧＲシステムにおいて、負荷と機関回転数を検知し、検出された負荷及び機関回転数での運転領域の要求ＥＧＲ量に応じてオーバーラップ期間と可変絞り機構の開度を制御する。

請求項３記載の発明は、請求項１記載のディーゼル機関のＥＧＲシステムにおいて、冷却水温度センサーを備え、該冷却水温度センサーにより機関冷態状態を検知している時には、可変絞り機構の開度を最小にすると共に、オーバーラップ期間を０又は負とするように制御する。

請求項４記載の発明は、ディーゼル機関のＥＧＲシステムにおいて、複数の気筒を備えると共に排気集合部に可変絞り機構を備え、各気筒には吸気弁と排気弁の開閉タイミングを変更可能な可変動弁装置を備え、要求ＥＧＲ量が所定以上の時には、可変絞り機構の開度を最小とし、排気弁の弁閉時期を、吸気行程中に排気が燃焼室内へ再還流する時期まで遅れさせる。

（１）排気集合部に設けた可変絞り機構による排気断面積の調節と共に、排気弁開期間と吸気弁開時期とのオーバーラップ期間の調節により、各運転領域の要求ＥＧＲ量に応じて内部ＥＧＲ量（残留排気ガス）を制御するので、外部ＥＧＲに比べると、ＥＧＲ管等の配管が省略できることにより、エンジン周りの配管を簡素化できると共にコストを低減でき、また、前述の排気絞り弁のみで内部ＥＧＲ量を調節する内部ＥＧＲに比べ、必要に応じて迅速かつ的確にＥＧＲ量を調節できる。

（２）複数気筒を有するディーゼル機関において、排気集合部に可変絞り機構を配置し、各気筒の排気系の圧力をまとめて制御することにより、可変絞り機構を気筒毎に配置する場合に比べ、部品コストを低減できると共に組立も簡素化でき、しかも、１つの可変絞り機構を制御するだけでよいので、制御も簡単である。

（３）機関負荷と機関回転数を検知し、検出された機関負荷及び機関回転数での運転領域の要求ＥＧＲ量に応じてオーバーラップ期間と可変絞り機構の開度を制御すると、実際の運転状況に応じて的確にＥＧＲ量を調節することができ、無駄なくＥＧＲ制御を行うことができる。

（４）冷却水温度センサーにより機関冷態状態を検知し、機関冷態時に可変絞り機構の開度を最小にすると共に、オーバーラップ期間を０又は負とするように制御すると、機関冷態始動直後等において、自動的に大量のＥＧＲ量を確保でき、機関冷態始動性能が向上する。

（５）要求ＥＧＲ量が所定以上の時に、可変絞り機構の開度を最小とし、オーバーラップ期間を短縮する代わりに、排気弁の弁閉時期を、吸気行程中で排気が燃焼室内へ再還流する時期まで遅れさせるように制御すると、燃焼室排気ガスばかりでなく、排気集合部の近傍の排気ガスまで燃焼室に還流することが可能となり、吸気弁の開時期を制御することなく、ＥＧＲを増加させることができる。

[発明の第１の実施の形態]
図１は本発明によるＥＧＲシステムを適用するディーゼル機関の概略図であり、１つの気筒のみを記載してあるが、複数気筒のディーゼル機関であり、他の気筒を省略してある。気筒の燃焼室１は、シリンダ２と、ピストン３の頂壁と、シリンダヘッド５の燃焼室形成面により囲まれており、シリンダヘッド５には燃焼室１に開口する吸気孔７及び排気孔８が形成されると共に、燃料噴射弁９が装着されている。吸気孔７に配置された吸気弁１０は、吸気弁用可変動弁装置１５に連動連結し、排気孔８に配置された排気弁１１は、排気弁用可変動弁装置１６に連動連結しており、いずれの可変動弁装置１５、１６もエンジンコントローラ２０に接続し、エンジンコントローラ２０からの指令により、各弁１０、１１の開閉時期をそれぞれ独立に変更調節できるようになっている。

吸気孔７は各気筒の吸気通路２１を介して吸気マニホールド２２に集合し、吸気マニホールド２２は吸気冷却器２３及び吸気管２５を介してエアクリーナ等の空気取入装置２６に接続している。吸気管２５の途中には吸気流量センサー２７が配置され、該吸気流量センサー２７はエンジンコントローラ２０に接続している。

排気孔８は各気筒の排気通路２９を介して排気マニホールド（排気集合部）３０に集合し、該排気マニホールド３０は排気マフラー３１等に接続している。排気マニホールド３０には排気集合部の排気断面積を変更調節する排気可変絞り機構３３が配置され、該排気可変絞り機構３３はエンジンコントローラ２２に接続し、エンジンコントローラ２２からの指令により、その開度を変更調節できるようになっている。

エンジンコントローラ２０の入力部には、前述のように前記流量センサー２７が接続すると共に、負荷センサー４１及び機関回転数センサー４２が接続しており、負荷センサー４１はたとえばスロットル装置（アクセル装置）４４に連結し、スロットルレバー（又はアクセルレバー）の開度（燃料噴射量）を検知し、負荷としてエンジンコントローラ２０に入力する。機関回転センサー４２はたとえばクランク軸４５に配置され、クランク軸回転数を検出し、機関回転数としてエンジンコントローラ２０に入力する。

エンジンコントローラ２０には、記憶手段及び演算手段等を有するＣＰＵが内蔵されており、記憶手段には、トルクと機関回転数により決められる各運転領域における要求ＥＧＲ量が記憶されると共に、各要求ＥＧＲ量に対応するように予め算出されたオーバーラップ期間及び可変絞り機構３３の開度（排気絞り開度）がマップとして記憶されている。すなわち、エンジンコントローラ２０は、検出された負荷及び機関回転数が入力されると、上記マップに基づいて要求ＥＧＲ量に対応したオーバーラップ期間及び排気絞り開度を読み出し、両可変動弁装置１５、１６及び可変絞り機構３３に指令を出すようにプログラムされている。

図２は吸気弁７と排気弁８の各開期間がオーバーラップした状態を示しており、吸気弁１０及び排気弁１１が共に開状態となっている。

図３は、短縮及び延長制御されるオーバーラップ期間の変化を示す図であり、Ｅは排気弁リフト、Ｓは吸気弁リフトを示し、実線のＥ1、Ｓ1で形成される期間ＯＬ1は基準のオーバーラップ期間、仮想線のＥ2、Ｓ2で形成される期間ＯＬ2は短縮されたオーバーラップ期間、破線のＥ3-Ｓ3で形成される期間ＯＬ3は延長されたオーバーラップ期間である。いずれのオーバーラップ期間ＯＬ1、ＯＬ2、ＯＬ3も、吸気弁開時期θS1、θS2、θS3と排気弁閉時期θE1、θE2、θE3は、それぞれ上死点（ＴＤＣ）に対して概ね対称になっている。

上短縮オーバーラップ期間ＯＬ2は、基準のオーバーラップ期間ＯＬ1に対し、排気弁閉時期がθE１からθE2まで進み、吸気弁開時期がθS1からθS2まで遅れた状態である。反対に、延長されたオーバーラップ期間ＯＬ3は、基準のオーバーラップ期間ＯＬ1に対し、排気弁閉時期がθE１からθE3まで遅れ、吸気弁開時期がθS1からθS3まで進んだ状態である。

[オーバーラップ期間及び可変絞り機構の開度の設定]
図４は、オーバーラップ期間とＥＧＲ量の関係を示す図であり、オーバーラップ期間が基準の期間ＯＬ1からたとえば期間ＯＬ2まで短縮されると、ＥＧＲ量は急激に増加し、反対にオーバーラップ期間が基準の期間ＯＬ1から期間ＯＬ3まで延長されると、ＥＧＲ量は減少することを示している。

図５は、運転領域の変化に対して、本発明に従ったオーバーラップ期間及び排気絞り開度の制御の一例を示している。運転領域の変化としては、横軸に機関回転数、縦軸にトルク（負荷）を適用している。

この図５において、領域Ａ1は高トルク（高負荷）、高回転数の定格運転領域であり、この領域Ａ1では要求ＥＧＲ量は小さいので、オーバーラップ期間は長く（図３のＯＬ3)、排気絞り開度は大きくなるように設定しており、ＥＧＲ量を小さな値に抑制できるようになっている。

領域Ａ2はアイドリング等のように低トルク（低負荷）、低回転数の運転領域であり、この領域Ａ2では要求ＥＧＲ量はきわめて大きいので、オーバーラップ期間は短く（図３のＯＬ2)、排気絞り開度は小さくなるように設定しており、これによりきわめて大きなＥＧＲ量が得られるようになっている。

領域Ａ3は、中トルク（中負荷）、中回転数の運転領域であり、この領域Ａ3では、要求ＥＧＲ量は、ある程度大きいので、オーバーラップ期間は短く（図３のＯＬ2)設定するが、排気絞り開度は大きくなるように設定しており、オーバーラップ期間短縮だけの効果により、ある程度のＥＧＲ量が得られるようになっている。

領域Ａ4は、高トルク（高負荷）、中回転数の運転領域であり、この領域Ａ4では、高トルクのために要求ＥＧＲ量はかなり低いので、領域Ａ1と同様、オーバーラップ期間は長く（図３のＯＬ3)、排気絞り開度は大きくなるように設定し、ＥＧＲ量を小さな値に抑制できるようになっている。

領域Ａ5は、低トルク（低負荷）、高回転数の運転領域であり、この領域Ａ4では、低トルクのために要求ＥＧＲ量はかなり大きいので、領域Ａ2と同様、オーバーラップ期間は短く（図３のＯＬ2)、排気絞り開度は小さくなるように設定し、かなり大きなＥＧＲ量が得られるようになっている。

(ＥＧＲ制御）
図１において、機関運転時、負荷センサー４１及び機関回転数センサー４２からエンジンコントローラ２０に検出負荷及び検出機関回転数が入力されると、予めエンジンコントローラ２０の記憶手段に書き込まれた前記マップに基づき、各運転状態の要求ＥＧＲ量に対応するオーバーラップ期間及び排気絞り開度が読み出され、読み出された値により各可変動弁機構１５、１６及び可変絞り機構３３に指令が出され、各可変動弁機構１５、１６及び可変絞り機構３３を、前記マップに基づいたオーバーラップ期間に調節すると共に排気絞り開度に調節する。

具体的には、図５で説明したように、アイドリング時のように低トルク、低回転数領域Ａ2で運転する場合には、オーバーラップ期間を短縮すると共に排気絞り開度を小さくし、かなり大きな値までＥＧＲ量を増加させる。

領域Ａ1のように高トルク、高回転数の定格運転の場合には、オーバーラップ期間を長くすると共に排気絞り開度を大きくし、それによりＥＧＲ量を極めて小さい値に抑制する。

領域Ａ3のように中トルク、中回転数で運転している場合には、オーバーラップ期間を短くすると共に排気絞り開度を大きくし、ある程度大きなＥＧＲ量を得る。

領域Ａ4のようには、高トルク、中回転数で運転している場合には、トルクが大きいので、前記定格運転領域Ａ1と同様に、オーバーラップ期間を長くすると共に、排気絞り開度を大きくし、ＥＧＲ量を極めて小さい値に抑制する。

領域Ａ5のように、高回転数ではあるが、低トルクで運転している場合は、オーバーラップ期間を短くすると共に、排気絞り開度を小さくし、かなり大きなＥＧＲ量を得る。

[発明の第２の実施の形態]
図１に仮想線で示すように、冷却水の温度を検知する冷却水温度センサー６１を冷却水通路６２等に配置し、エンジン冷態時のような一定温度以下の冷却水温度を検知しているときには、可変絞り機構３３の開度を最小とし、オーバーラップ期間を短く（図３のＯＬ2)するように、設定しておく。

したがって機関冷態始動時には、排気絞り開度が最小になると共に、オーバーラップ期間が短く（図３のＯＬ2)なることにより、極めて大きなＥＧＲ量を得ることができ、シリンダ内ガスの温度を上げることによって、冷態始動を行うことができる。

[発明の第３の実施の形態]
前記図４において、オーバーラップ期間とＥＧＲ量（残留ガス割合）の関係は、一定のオーバーラップ期間ＯＬ4までは、オーバーラップ期間が長くなるほどＥＧＲ量（残留ガス割合)が減少しており、前述の各実施の形態ではＥＧＲ量の減少を利用したが、図１の排気可変絞り機構３３の開度を最小に示している状態で、図４の仮想線で示すようにオーバーラップ期間を一定の期間ＯＬ4より長くすると、排気通路内の排気ガスが燃焼室に還流して、急激に残留ガスが増加する現象が生じる。

本実施の形態は、要求ＥＧＲ量が一定以上の時に、前述の第１、第２の実施の形態のようにオーバーラップ期間を短くする代わりに、図６に仮想線で示すように排気弁閉時期をクランク角度θE4まで吸気行程内に大きく延ばし、かつ、排気可変絞り機構３３の開度を最小に維持することにより、ＥＧＲ量を増加させようとするものである。

すなわち本実施の形態は、排気絞り開度を最小に保ちつつ、オーバーラップ期間を前記図４のオーバーラップ期間Ｓ4よりも延長することにより、還流排気ガスを内部ＥＧＲとして利用する。

図８は燃焼室の容積と圧力の変化を示す図であり、実線が通常の運転状態であり、仮想線で示す部分が、排気絞り開度を最小として、オーバーラップ期間を図４の期間ＯＬ4よりも大きく、還流可能範囲まで延長した場合の変化である。

本発明は、産業用の大型又は小型の各種ディーゼル機関に利用可能であるが、車両用のディーゼル機関にも適用可能である。

本発明よるＥＧＲシステムを適用するディーゼル機関の概略図である。 オーバーラップ期間におけるディーゼル機関の概略図である。 クランク角度の変化に対する排気弁リフトと吸気弁リフトの変化を示す図である。 オーバーラップ期間の変化に対するＥＧＲ量の変化を示す図である。 機関トルク（機関負荷）と機関回転数の変化に対し、本発明にしたがったオーバーラップ期間及び排気絞り開度の制御内容を示す図である。 本発明の別のＥＧＲシステムにおける排気弁リフト及び吸気弁リフトを示す図である。 図６に対応する燃焼室の容積と圧力の変化を示す機関サイクル図である。

符号の説明

１ 燃焼室
５ シリンダヘッド
７ 吸気孔
８ 排気孔
１０ 吸気弁
１１ 排気弁
１５ 吸気弁用可変動弁装置
１６ 排気弁用可変動弁装置
２０ エンジンコントローラ
３０ 排気集合部
３３ 排気可変絞り機構
４１ 負荷センサー
４２ 機関回転数センサー
６１ 冷却水温度センサー

Claims (4)

1. 複数の気筒を備えると共に排気集合部に可変絞り機構を備え、各気筒には吸気弁と排気弁の開閉タイミングを変更可能な可変動弁装置を備え、
   要求ＥＧＲ量の増加に応じて、排気弁開期間と吸気弁開期間とのオーバーラップ期間を短くすると共に、可変絞り機構の開度を小さくするように制御することを特徴とするディーゼル機関のＥＧＲシステム。
2. 負荷と機関回転数を検知し、検出された負荷及び機関回転数での運転領域の要求ＥＧＲ量に応じてオーバーラップ期間と可変絞り機構の開度を制御することを特徴とする請求項１記載のディーゼル機関のＥＧＲシステム。
3. 冷却水温度センサーを備え、該冷却水温度センサーにより機関冷態状態を検知している時には、可変絞り機構の開度を最小にすると共に、オーバーラップ期間を０又は負とするように制御することを特徴とする請求項１記載のディーゼル機関のＥＧＲシステム。
4. 複数の気筒を備えると共に排気集合部に可変絞り機構を備え、各気筒には吸気弁と排気弁の開閉タイミングを変更可能な可変動弁装置を備え、
   要求ＥＧＲ量が所定以上の時には、可変絞り機構の開度を最小とし、排気弁の弁閉時期を、吸気行程中に排気が燃焼室内へ再還流する時期まで遅れさせることを特徴とするディーゼル機関のＥＧＲシステム。
   

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