JP2013133818A

JP2013133818A - Design method of cam profile of exhaust cam, and engine equipped with exhaust cam having the cam profile

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Publication number: JP2013133818A
Application number: JP2011286964A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Imamori; 祐介今森
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-07-08

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve a simple and inexpensive structure of an internal EGR mechanism capable of altering an internal EGR rate according to operation conditions of an engine.SOLUTION: This design method of a cam profile of an exhaust cam (13) used in an engine (1) equipped with the internal EGR mechanism includes: an operation range dividing step to divide the operation conditions of the engine into a plurality of operation ranges in which the cam profile (14) of the exhaust cam (13) contains a suction stroke cam profile (14b) to lift an exhaust valve during a suction stroke; a phase calculating step to calculate a phase of a crank angle of an exhaust pulsation (18a, 18b, 18c) corresponding to the plurality of operation ranges, respectively; and a cam profile designing step to design the suction stroke cam profile (14b) according to a relation between the phase of the crank angle of the exhaust pulsation corresponding to each of the plurality of operation ranges and a target value of the internal EGR rate in each of the plurality of operation ranges.

Description

本発明は、排気カムのカムプロファイル設計方法、及び該カムプロファイルを有する排気カムを備えたエンジンに関し、詳しくは、吸入行程中に排気バルブを所定量リフトさせることで、排気ガスの一部を燃焼室に還流させる内部ＥＧＲ機構を備えたエンジンにつき、該エンジンに用いられる排気カムのカムプロファイル設計方法、及び該カムプロファイルを有する排気カムを備えたエンジンに関する。 The present invention relates to a cam profile design method for an exhaust cam and an engine equipped with an exhaust cam having the cam profile. More specifically, the present invention relates to combustion of a part of exhaust gas by lifting a predetermined amount of an exhaust valve during an intake stroke. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for designing a cam profile of an exhaust cam used for an engine having an internal EGR mechanism for returning to the chamber, and an engine having an exhaust cam having the cam profile.

ＥＧＲ（Exhaust
Gas Recirculation）とは、内燃機関において燃焼後の排気ガスの一部を取り出し、吸気側へ再循環させる技術であり、主として排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減や部分負荷時の燃費向上を目的として行われる。 EGR (Exhaust
Gas recirculation) is a technology that extracts part of the exhaust gas after combustion in an internal combustion engine and recirculates it to the intake side, mainly reducing nitrogen oxide (NOx) in the exhaust gas and improving fuel efficiency at partial load. It is done for the purpose.

内部ＥＧＲは、吸入行程中に排気バルブを所定量リフトさせ、排気ポートから排気ガスの一部を燃焼室へ還流させる技術である。内部ＥＧＲは、外部ＥＧＲのように再循環する排気ガスを冷却できないため、外部ＥＧＲと比べてＮＯ_Ｘ低減効果に劣るものの、排気カムのカムプロファイルを変更するだけの簡単な機構で実現できることから、多くのエンジンで採用されている。
図７は、このような内部ＥＧＲを説明するための説明図であって、図７（ａ）は、吸気バルブおよび排気バルブのバルブリフトプロファイル（カムプロファイル）を示した図、図７（ｂ）は、図７（ａ）の各位相α、β、γにおけるバルブ開閉状態を示した図である。 The internal EGR is a technique in which an exhaust valve is lifted by a predetermined amount during the intake stroke and a part of the exhaust gas is recirculated from the exhaust port to the combustion chamber. Internal EGR, since it can not cool the exhaust gases to be recirculated as external EGR, inferior to the NO _X reduction effect compared to the external EGR, since it can be realized with a simple mechanism of simply changing the cam profile of the exhaust cam, Used in many engines.
FIG. 7 is an explanatory view for explaining such an internal EGR. FIG. 7A is a view showing valve lift profiles (cam profiles) of the intake valve and the exhaust valve, and FIG. 7B. These are the figures which showed the valve opening-and-closing state in each phase (alpha), (beta), and (gamma) of Fig.7 (a).

図７（ａ）に説明するように、内部ＥＧＲ機構を備えたエンジン１００は、排気バルブ１２０のバルブリフトプロファイル１１４において、排気行程中に排気バルブ１１０を開弁するバルブリフトプロファイル１１４ａと、吸入行程中に排気バルブ１１０を開弁するバルブリフトプロファイル１１４ｂとが形成されている。 As shown in FIG. 7A, the engine 100 having the internal EGR mechanism includes a valve lift profile 114a for opening the exhaust valve 110 during the exhaust stroke and a suction stroke in the valve lift profile 114 of the exhaust valve 120. A valve lift profile 114b for opening the exhaust valve 110 is formed therein.

そして、図７（ｂ）の［γ］に示したように、吸入行程中に排気バルブ１１０が開弁すると、吸気ポート１２２から燃焼室１０６に吸気ガスｉが供給されるとともに、排気ポート１１２から排気ガスｅの一部が燃焼室１０６に還流する内部ＥＧＲ機構が構成される。なお、図７の符号１０２はピストン、１０４はシリンダである。 Then, as shown in [γ] in FIG. 7B, when the exhaust valve 110 is opened during the intake stroke, the intake gas i is supplied from the intake port 122 to the combustion chamber 106 and from the exhaust port 112. An internal EGR mechanism in which a part of the exhaust gas e is returned to the combustion chamber 106 is configured. In FIG. 7, reference numeral 102 denotes a piston, and 104 denotes a cylinder.

特開２００３−１２０３４９号公報JP 2003-120349 A

ところで、上述した内部ＥＧＲ機構の場合、内部ＥＧＲ率（シリンダ内に流入するガス中に占める内部ＥＧＲガスの割合）は、基本的に、上述した排気バルブ１１０のバルブリフトプロファイル１１４に依存する。このバルブリフトプロファイル１１４は、排気バルブをリフトする排気カム（不図示）のカムプロファイルと等しい。そして、排気カムのカムプロファイル（バルブリフトプロファイル１１４）は、図７（ａ）に示した如く、クランク角度に対して固定である。すなわち、内部ＥＧＲ機構では、排気カムのカムプロファイルによって内部ＥＧＲ率が決定されるため、外部ＥＧＲ機構のように、エンジン１００の運転状態（エンジン回転数およびエンジン負荷等）に応じて、目標ＥＧＲ率を変更するということが困難である。 Incidentally, in the case of the internal EGR mechanism described above, the internal EGR rate (the ratio of the internal EGR gas in the gas flowing into the cylinder) basically depends on the valve lift profile 114 of the exhaust valve 110 described above. The valve lift profile 114 is equal to the cam profile of an exhaust cam (not shown) that lifts the exhaust valve. The cam profile (valve lift profile 114) of the exhaust cam is fixed with respect to the crank angle, as shown in FIG. That is, in the internal EGR mechanism, since the internal EGR rate is determined by the cam profile of the exhaust cam, the target EGR rate is determined according to the operating state of the engine 100 (engine speed, engine load, etc.) as in the external EGR mechanism. It is difficult to change.

特許文献１には、３次元カムを用いた可変バルブ機構において、エンジンの運転状態に応じて３次元カムの軸方向移動量を制御し、バルブリフト量を調整することで、エンジンの運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を変更する技術が開示されている。しかしながら、かかる可変バルブ機構は、構造および制御が複雑で、動弁系の重量も大きくなるなど、コストがかかるものである。 In Patent Document 1, in a variable valve mechanism using a three-dimensional cam, the amount of axial movement of the three-dimensional cam is controlled in accordance with the operating state of the engine, and the valve lift amount is adjusted so that the engine operating state is achieved. A technique for changing the internal EGR rate accordingly is disclosed. However, such a variable valve mechanism is costly because the structure and control are complicated and the weight of the valve operating system is increased.

このような従来における技術背景の下、エンジンの運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を変更できる内部ＥＧＲ機構を簡単かつ低コストの構造で実現すべく本発明者らが鋭意検討したところ、エンジンの運転状態と排気脈動との関係に着目し、排気脈動に応じて排気カムのカムプロファイルを設計することでエンジンの運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を変更できることを見出して、本発明を完成させた。 Under such a conventional technical background, the present inventors have intensively studied to realize an internal EGR mechanism that can change the internal EGR rate according to the operating state of the engine with a simple and low-cost structure. Focusing on the relationship between the state and the exhaust pulsation, the inventors have found that the internal EGR rate can be changed according to the operating state of the engine by designing the cam profile of the exhaust cam according to the exhaust pulsation.

本発明は、上述したような従来技術における課題および目的を達成するために発明されたものであって、
本発明の排気カムのカムプロファイル設計方法は、
吸入行程中に排気バルブを所定量リフトすることで、排気ガスの一部を燃焼室に還流する内部ＥＧＲ機構を備えたエンジンに用いられる排気カムのカムプロファイル設計方法であって、前記排気カムのカムプロファイルは、排気行程中に排気バルブをリフトする排気行程カムプロファイルと、吸入行程中に排気バルブをリフトする吸入行程カムプロファイルとを含み、
前記エンジンの運転状態を複数の運転領域に区分する運転領域区分工程と、前記複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動のクランク角度に対する位相を算出する位相算出工程と、前記複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動のクランク角度に対する位相と、前記複数の運転領域の夫々における内部ＥＧＲ率の目標値との関係から、前記吸入行程カムプロファイルを設計するカムプロファイル設計工程と、を有することを特徴とする。 The present invention has been invented in order to achieve the problems and objects in the prior art as described above,
The cam profile design method of the exhaust cam according to the present invention includes:
A cam profile design method for an exhaust cam used in an engine having an internal EGR mechanism that recirculates a part of exhaust gas to a combustion chamber by lifting a predetermined amount of an exhaust valve during an intake stroke. The cam profile includes an exhaust stroke cam profile that lifts the exhaust valve during the exhaust stroke, and an intake stroke cam profile that lifts the exhaust valve during the intake stroke,
An operation region dividing step of dividing the operation state of the engine into a plurality of operation regions; a phase calculation step of calculating a phase with respect to a crank angle of exhaust pulsation corresponding to each of the plurality of operation regions; A cam profile design step for designing the intake stroke cam profile from the relationship between the phase of the exhaust pulsation corresponding to each crank angle and the target value of the internal EGR rate in each of the plurality of operation regions. Features.

本発明の排気カムのカムプロファイル設計方法は、排気脈動のクランク角度に対する位相がエンジンの運転状態に応じて変化することに着目し、この排気脈動の位相の変化（位相差）を利用して、排気カムのカムプロファイルを設計するものである。排気脈動とは、排気ポートから排出される排気ガスによって圧力波が生じ、排気管内の圧力が周期的に変動する現象をいう。排気脈動は、図６（ａ）に示したように、エンジンが高回転数の場合（符号１８ａ）と、低回転数の場合（符号１８ｂ）との間で、クランク角度に対して位相差が生ずる。 The cam profile design method of the exhaust cam of the present invention pays attention to the fact that the phase of the exhaust pulsation with respect to the crank angle changes according to the operating state of the engine, and uses the change (phase difference) of the phase of the exhaust pulsation, Design the cam profile of the exhaust cam. Exhaust pulsation is a phenomenon in which pressure waves are generated by the exhaust gas discharged from the exhaust port, and the pressure in the exhaust pipe fluctuates periodically. As shown in FIG. 6A, the exhaust pulsation has a phase difference with respect to the crank angle between when the engine has a high speed (reference 18a) and when the engine has a low speed (reference 18b). Arise.

よって、エンジンの運転状態を複数の運転領域に区分し（運転領域区分工程）、この複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動のクランク角度に対する位相を算出し（位相算出行程）、この複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動のクランク角度に対する位相と、複数の運転領域の夫々における内部ＥＧＲ率の目標値との関係から、吸入行程カムプロファイルを設計することで（カムプロファイル設計行程）、エンジンの運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を変更できる排気カムを設計することができる。 Therefore, the operating state of the engine is divided into a plurality of operation regions (operation region division step), and the phase with respect to the crank angle of the exhaust pulsation corresponding to each of the plurality of operation regions is calculated (phase calculation process). By designing the intake stroke cam profile from the relationship between the phase of the exhaust pulsation corresponding to each of the operation regions with respect to the crank angle and the target value of the internal EGR rate in each of the plurality of operation regions (cam profile design step), An exhaust cam that can change the internal EGR rate according to the operating state of the engine can be designed.

また上記発明において、前記カムプロファイル設計工程において、前記複数の運転領域の内、内部ＥＧＲ率の目標値が最も大きい運転領域に対応する排気脈動のピークと、前記排気カムの吸入行程カムプロファイルの頂部とが、前記クランク角度に対して略同位相となるように、前記吸入行程カムプロファイルを設計することが望ましい。 In the above invention, in the cam profile design step, an exhaust pulsation peak corresponding to an operation region in which the target value of the internal EGR rate is the largest among the plurality of operation regions, and a top portion of the intake stroke cam profile of the exhaust cam It is desirable to design the intake stroke cam profile such that the intake stroke cam profile is substantially in phase with the crank angle.

すなわち、高回転数領域における内部ＥＧＲ率の目標値が高い場合は、図６（ｂ）のバルブリフトプロファイル１４ｂ（吸入行程カムプロファイル）に示したように、高回転数領域の排気脈動１８ａのピークと、吸入行程カムプロファイル１４ｂの頂部とが略同位相（クランク角度αｈ）となるように吸入行程カムプロファイル１４ｂを設計することで、高回転数領域において、排気管の圧力が高い時に排気バルブのリフト量が大きくなり、高い内部ＥＧＲ率となる。 That is, when the target value of the internal EGR rate in the high engine speed region is high, as shown in the valve lift profile 14b (intake stroke cam profile) in FIG. 6B, the peak of the exhaust pulsation 18a in the high engine speed region. And the top of the intake stroke cam profile 14b are designed to have substantially the same phase (crank angle αh), so that the exhaust valve pressure is high when the exhaust pipe pressure is high in the high speed range. The lift amount increases and the internal EGR rate becomes high.

また例えば、低回転数領域における内部ＥＧＲ率の目標値が高い場合は、図６（ｂ）のバルブリフトプロファイル１４ｂ´（吸入行程カムプロファイル）に示したように、低回転数領域の排気脈動１８ｂのピークと、吸入行程カムプロファイル１４ｂ´の頂部とが略同位相（クランク角度αｌ）となるように吸入行程カムプロファイル１４ｂ´を設計することで、低回転数領域において、排気管の圧力が高い時に排気バルブのリフト量が大きくなり、高い内部ＥＧＲ率となる。 Further, for example, when the target value of the internal EGR rate in the low rotational speed region is high, as shown in the valve lift profile 14b ′ (intake stroke cam profile) in FIG. 6B, the exhaust pulsation 18b in the low rotational speed region. By design the intake stroke cam profile 14b 'so that the peak of the intake stroke and the top of the intake stroke cam profile 14b' have substantially the same phase (crank angle αl), the pressure of the exhaust pipe is high in the low rotation speed region. Sometimes the lift amount of the exhaust valve increases, resulting in a high internal EGR rate.

上述したエンジンの運転状態は、エンジン回転数だけでなく、エンジン負荷（負荷トルクや燃料噴射量）やエンジン回転数とエンジン負荷との組み合わせによっても把握できるが、エンジン回転数でエンジンの運転状態を把握した方が、運転状態の違いによる排気脈動の位相の変化が明確に表れるため望ましい。 The engine operating state described above can be grasped not only by the engine speed, but also by the engine load (load torque and fuel injection amount) and the combination of the engine speed and the engine load. It is desirable to grasp this because a change in the phase of exhaust pulsation due to a difference in operating state appears clearly.

また、本発明のエンジンは、上述したカムプロファイル設計方法によって設計されたカムプロファイルを有する排気カムを備えている。
このようなカムプロファイルを有する排気カムを備えた本発明のエンジンでは、エンジンの運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を変更できる内部ＥＧＲ機構を簡単かつ低コストの構造で実現することができる。 Further, the engine of the present invention includes an exhaust cam having a cam profile designed by the above-described cam profile design method.
In the engine of the present invention including the exhaust cam having such a cam profile, an internal EGR mechanism that can change the internal EGR rate in accordance with the operating state of the engine can be realized with a simple and low-cost structure.

また、上述した本発明にあっては、部分的にバルブリフト（カムリフト）量の小さい部分ができることがあり、従来と比べて内部ＥＧＲ率が全体的に小さくなる傾向にある。よって、全体的な内部ＥＧＲ率を高めるために、排気行程中に吸気バルブを所定量リフトするカムプロファイルを有する吸気カムを備えるように本発明のエンジンを構成することもできる。 Further, in the present invention described above, there may be a portion where the amount of valve lift (cam lift) is partially small, and the internal EGR rate tends to become smaller overall as compared with the conventional case. Therefore, in order to increase the overall internal EGR rate, the engine of the present invention can be configured to include an intake cam having a cam profile that lifts the intake valve by a predetermined amount during the exhaust stroke.

また、全体的な内部ＥＧＲ率を高めるために、前記吸入行程カムプロファイルの期間を除き、前記排気バルブと同時に開弁しないように構成されたカムプロファイルを有する吸気カムを備えるように本発明のエンジンを構成することもできる。 Further, in order to increase the overall internal EGR rate, the engine of the present invention is provided with an intake cam having a cam profile configured not to open simultaneously with the exhaust valve except for the period of the intake stroke cam profile. Can also be configured.

本発明によれば、エンジンの運転状態と排気脈動との関係に着目し、排気脈動に応じて排気カムのカムプロファイルを設計することで、エンジンの運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を変更できる内部ＥＧＲ機構を簡単かつ低コストの構造で実現することができる。 According to the present invention, the internal EGR rate can be changed according to the engine operating state by paying attention to the relationship between the engine operating state and the exhaust pulsation and designing the cam profile of the exhaust cam according to the exhaust pulsation. The EGR mechanism can be realized with a simple and low-cost structure.

本発明の排気カムを備えたエンジンを示した概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an engine provided with an exhaust cam of the present invention. 本発明の排気バルブおよび吸気バルブのバルブリフトプロファイルを示した図である。It is the figure which showed the valve lift profile of the exhaust valve of this invention, and an intake valve. 本発明の排気カムを示した断面図である。It is sectional drawing which showed the exhaust cam of this invention. 本発明の排気カムのカムプロファイル設計方法を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the cam profile design method of the exhaust cam of this invention. 本発明の排気バルブおよび吸気バルブのバルブリフトプロファイルの変形例を示した図である。It is the figure which showed the modification of the valve lift profile of the exhaust valve of this invention, and an intake valve. 本発明の排気カムのカムプロファイル設計方法を説明するための概要図である。It is a schematic diagram for demonstrating the cam profile design method of the exhaust cam of this invention. 内部ＥＧＲを説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating internal EGR.

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいてより詳細に説明する。
ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限り、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail based on the drawings.
However, the scope of the present invention is not limited to the following embodiments. The dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in the following embodiments are merely illustrative examples and are not intended to limit the scope of the present invention only unless otherwise specified.

図１は、本発明の内部ＥＧＲ機構を備えたエンジン１を示した概略断面図である。
図１に示したように、燃焼室６の上方にはシリンダヘッド８が配置されており、該シリンダヘッド８には、排気ポート１２および吸気ポート２２が形成され、燃焼室６と連通している。これら排気ポート１２および吸気ポート２２は、夫々、排気バルブ１０および吸気バルブ２０によって開閉される。また、排気バルブ１０および吸気バルブ２０は、不図示のバルブスプリングによって、夫々、閉弁方向に付勢されている。 FIG. 1 is a schematic sectional view showing an engine 1 having an internal EGR mechanism of the present invention.
As shown in FIG. 1, a cylinder head 8 is disposed above the combustion chamber 6, and an exhaust port 12 and an intake port 22 are formed in the cylinder head 8 and communicated with the combustion chamber 6. . The exhaust port 12 and the intake port 22 are opened and closed by the exhaust valve 10 and the intake valve 20, respectively. The exhaust valve 10 and the intake valve 20 are urged in the valve closing direction by valve springs (not shown).

また、排気バルブ１０の基端部には排気バルブリフタ１５が接続しており、該排気バルブリフタ１５には、排気カムシャフト１３ａに軸支された排気カム１３が当接している。そして、排気カムシャフト１３ａの回転に伴って排気カム１３も回転し、排気バルブリフタ１５をバルブスプリングの付勢力に抗して押し下げることで、排気バルブ１０が開弁するようになっている。 An exhaust valve lifter 15 is connected to the base end portion of the exhaust valve 10, and the exhaust cam 13 supported by the exhaust camshaft 13 a is in contact with the exhaust valve lifter 15. As the exhaust camshaft 13a rotates, the exhaust cam 13 also rotates, and the exhaust valve lifter 15 is pushed down against the urging force of the valve spring, whereby the exhaust valve 10 is opened.

また、吸気バルブ２０についても、上述した排気バルブ１０と同様の構成となっている。すなわち、吸気バルブ２０の基端部には吸気バルブリフタ２５が接続しており、該吸気バルブリフタ２５には、吸気カムシャフト２３ａに軸支された吸気カム２３が当接している。そして、吸気カムシャフト２３ａの回転に伴って吸気カム２３も回転し、吸気バルブリフタ２５をバルブスプリングの付勢力に抗して押し下げることで、吸気バルブ２０が開弁するようになっている。 Also, the intake valve 20 has the same configuration as the exhaust valve 10 described above. That is, the intake valve lifter 25 is connected to the base end portion of the intake valve 20, and the intake cam lifted on the intake cam shaft 23a is in contact with the intake valve lifter 25. As the intake camshaft 23a rotates, the intake cam 23 also rotates, and the intake valve lifter 25 is pushed down against the urging force of the valve spring, whereby the intake valve 20 is opened.

すなわち、排気バルブ１０および吸気バルブ２０のバルブリフトプロファイルは、夫々、排気カム１３のカムプロファイルおよび吸気カム２３のカムプロファイルにより決定される。 That is, the valve lift profiles of the exhaust valve 10 and the intake valve 20 are determined by the cam profile of the exhaust cam 13 and the cam profile of the intake cam 23, respectively.

また、本発明の内部ＥＧＲ機構を備えたエンジン１は、吸入行程中に排気バルブ１０を所定量リフトすることで、排気ガスの一部を燃焼室６に還流するように構成されている。すなわち、図２に示したように、排気バルブ１０のバルブリフトプロファイル１４には、排気行程中に排気バルブ１０をリフトするバルブリフトプロファイル１４ａとともに、吸入行程中に排気バルブをリフトするバルブリフトプロファイル１４ｂが形成されている。 The engine 1 having the internal EGR mechanism of the present invention is configured to recirculate a part of the exhaust gas to the combustion chamber 6 by lifting the exhaust valve 10 by a predetermined amount during the intake stroke. That is, as shown in FIG. 2, the valve lift profile 14 of the exhaust valve 10 includes a valve lift profile 14b for lifting the exhaust valve 10 during the exhaust stroke and a valve lift profile 14b for lifting the exhaust valve during the intake stroke. Is formed.

上述した排気バルブ１０のバルブリフトプロファイル１４は、排気バルブ１０をリフトする排気カム１３のカムプロファイルと等しい。すなわち、図３に示したように、排気カム１３には、上述したバルブリフトプロファイル１４に対応した位置にカム山１４ａ、１４ｂが形成されている。以下の説明では、バルブリフトプロファイル１４を排気カム１３のカムプロファイルと、バルブリフトプロファイル１４ａを排気行程カムプロファイル１４ａと、バルブリフトプロファイル１４ｂを吸入行程カムプロファイル１４ｂと、それぞれ呼ぶことがある。 The above-described valve lift profile 14 of the exhaust valve 10 is equal to the cam profile of the exhaust cam 13 that lifts the exhaust valve 10. That is, as shown in FIG. 3, cam peaks 14 a and 14 b are formed in the exhaust cam 13 at positions corresponding to the above-described valve lift profile 14. In the following description, the valve lift profile 14 may be called the cam profile of the exhaust cam 13, the valve lift profile 14a may be called the exhaust stroke cam profile 14a, and the valve lift profile 14b may be called the suction stroke cam profile 14b.

本発明の排気カム１３を備えたエンジン１において、上述した吸入行程カムプロファイル１４ｂは、以下に説明するように、運転領域区分行程、位相算出工程、およびカムプロファイル設計工程を経て設計される。 In the engine 1 provided with the exhaust cam 13 of the present invention, the intake stroke cam profile 14b described above is designed through an operation region segmentation stroke, a phase calculation step, and a cam profile design step, as will be described below.

まず、運転領域区分行程として、エンジン１の運転状態を複数の運転領域に区分する。ここでエンジン１の運転状態は、エンジン回転数や、エンジン負荷（負荷トルクや燃料噴射量）、およびエンジン回転数とエンジン負荷との組み合わせ等によっても把握することができる。しかしながら、エンジン回転数でエンジンの運転状態を把握した方が、運転状態の違いによる排気脈動の位相の変化が明確に表れるため望ましい。本実施形態では、エンジン回転数を高回転時、中回転時、および低回転時の３つに区分している。 First, as the operation region dividing process, the operation state of the engine 1 is divided into a plurality of operation regions. Here, the operating state of the engine 1 can also be grasped by the engine speed, the engine load (load torque or fuel injection amount), the combination of the engine speed and the engine load, and the like. However, it is preferable to grasp the operating state of the engine based on the engine speed because a change in the phase of the exhaust pulsation due to a difference in the operating state appears clearly. In the present embodiment, the engine speed is divided into three at high speed, medium speed, and low speed.

次に、位相算出行程として、運転領域区分行程にて区分した複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動のクランク角度に対する位相を算出する。具体的には、図４（ａ）に示したように、エンジン回転数の高回転時、中回転時、低回転時の３つの運転領域の夫々に対して、クランク角度に対する排気脈動１８ａ、１８ｂ、１８ｃの位相を算出する。なお、排気脈動１８ａ、１８ｂ、１８ｃの位相は、排気バルブ１０開弁時のシリンダ４内の圧力、排気管の形状および長さ、エンジン回転数等から算出することができる。 Next, as the phase calculation process, the phase with respect to the crank angle of the exhaust pulsation corresponding to each of the plurality of operation areas divided in the operation area division process is calculated. Specifically, as shown in FIG. 4A, the exhaust pulsations 18a and 18b with respect to the crank angle for each of the three operation regions at the time of high engine speed, medium engine speed, and low engine speed. , 18c is calculated. The phases of the exhaust pulsations 18a, 18b, and 18c can be calculated from the pressure in the cylinder 4 when the exhaust valve 10 is opened, the shape and length of the exhaust pipe, the engine speed, and the like.

そして最後に、カムプロファイル設計工程として、複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動のクランク角度に対する位相と、複数の運転領域の夫々における内部ＥＧＲ率の目標値との関係から、吸入行程カムプロファイル１４ｂを設計する。具体的には、図４に示したように、高回転時の内部ＥＧＲ率の目標値が８％、中回転時および低回転時の内部ＥＧＲ率の目標値が３％である場合に、目標値が最も高い高回転時において内部ＥＧＲ率が高まるように、高回転時の排気脈動１８ａのピークと、排気カム１３の吸入行程カムプロファイル１４ｂの頂部とが、クランク角度に対して例えば略同位相（クランク角度αｈ）となるように設計する。また、目標値が３％である中回転時において内部ＥＧＲ率を目標値に抑えるように、中回転時の排気脈動１８ｂのピークと同位相（クランク角度αｍ）におけるバルブリフト量が低くなるように、吸入行程カムプロファイル１４ｂを設計する。また同様に、目標値が３％である低回転時において内部ＥＧＲ率を目標値に抑えるように、低回転時の排気脈動１８ｃのピークと同位相（クランク角度αｌ）におけるバルブリフト量が低くなるように、吸入行程カムプロファイル１４ｂを設計する。 Finally, as a cam profile design process, the intake stroke cam profile is calculated from the relationship between the phase of the exhaust pulsation corresponding to the crank angle of each of the plurality of operation regions and the target value of the internal EGR rate in each of the plurality of operation regions. 14b is designed. Specifically, as shown in FIG. 4, when the target value of the internal EGR rate at the time of high rotation is 8% and the target value of the internal EGR rate at the time of middle rotation and low rotation is 3%, The peak of the exhaust pulsation 18a at the time of high rotation and the top of the intake stroke cam profile 14b of the exhaust cam 13 are, for example, substantially in phase with respect to the crank angle so that the internal EGR rate is increased at the time of high rotation with the highest value. It is designed to be (crank angle αh). Further, the valve lift amount in the same phase (crank angle αm) as the peak of the exhaust pulsation 18b during the middle rotation is reduced so that the internal EGR rate is suppressed to the target value during the middle rotation where the target value is 3%. The intake stroke cam profile 14b is designed. Similarly, the valve lift amount in the same phase (crank angle αl) as that of the peak of the exhaust pulsation 18c during low rotation is reduced so that the internal EGR rate is suppressed to the target value during low rotation where the target value is 3%. Thus, the intake stroke cam profile 14b is designed.

以上のとおり、上述したカムプロファイル設計方法によって設計された吸入行程カムプロファイル１４ｂを有する排気カム１３によれば、固定バルブ機構であるにも関わらず、エンジン１の運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を変更することができるようになっている。よって、簡単かつ低コストの構造で、運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を変更できる内部ＥＧＲ機構を実現することができるようになっている。 As described above, according to the exhaust cam 13 having the intake stroke cam profile 14b designed by the cam profile design method described above, the internal EGR rate is set in accordance with the operating state of the engine 1 despite the fixed valve mechanism. It can be changed. Therefore, it is possible to realize an internal EGR mechanism that can change the internal EGR rate according to the operating state with a simple and low-cost structure.

なお、上述したカムプロファイル設計方法によって設計される吸入行程カムプロファイル１４ｂにあっては、部分的にカムリフト量の小さい部分ができることがあり、またカムプロファイル１４の変化率には限界があることから、従来と比べて内部ＥＧＲ率が全体的に小さくなる傾向にある。このため、全体的な内部ＥＧＲ率を高めるために、図５（ａ）に示したように、排気行程中に吸気バルブ２０を所定量リフトするカムプロファイル２４ｂを有する吸気カム２３を備えるように本発明のエンジン１を構成することもできる。 In addition, in the intake stroke cam profile 14b designed by the cam profile design method described above, there may be a portion where the cam lift amount is partially small, and the rate of change of the cam profile 14 is limited. The internal EGR rate tends to be smaller as a whole than in the past. For this reason, in order to increase the overall internal EGR rate, as shown in FIG. 5 (a), the intake cam 23 having a cam profile 24b for lifting the intake valve 20 by a predetermined amount during the exhaust stroke is provided. The engine 1 of the invention can also be configured.

また、全体的な内部ＥＧＲ率を高めるために、図５（ｂ）のＡ部に示したように、排気バルブ１０および吸気バルブ２０が、吸入行程カムプロファイルの期間を除いて、同時に開弁しないように構成してもよい（ネガティブオーバーラップ化）。 Further, in order to increase the overall internal EGR rate, the exhaust valve 10 and the intake valve 20 do not open at the same time except for the period of the intake stroke cam profile, as shown in part A of FIG. (Negative overlap).

以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。 As mentioned above, although the preferable form of this invention was demonstrated, this invention is not limited to said form, A various change in the range which does not deviate from the objective of this invention is possible.

本発明は、吸入行程中に排気バルブを所定量リフトさせることで、排気ガスの一部を燃焼室に還流させる内部ＥＧＲ機構を備えたエンジンにつき、該エンジンに用いられる排気カムのカムプロファイル設計方法として利用することができる。 The present invention relates to an engine having an internal EGR mechanism that recirculates a part of exhaust gas to a combustion chamber by lifting a predetermined amount of an exhaust valve during an intake stroke, and a cam profile design method for an exhaust cam used in the engine Can be used as

１エンジン
２ピストン
４シリンダ
８シリンダヘッド
１０排気バルブ
１３排気カム
１３ａ排気カムシャフト
１４排気カムのバルブリフトプロファイル（排気カムプロファイル）
１４ａバルブリフトプロファイル（排気行程カムプロファイル）
１４ｂバルブリフトプロファイル（流入行程カムプロファイル）
１５排気バルブリフタ
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ排気脈動
２０吸気バルブ
２３吸気カム
２３ａ吸気カムシャフト
２４吸気カムのバルブリフトプロファイル（吸気カムプロファイル）
２５吸気バルブリフタ 1 Engine 2 Piston 4 Cylinder 8 Cylinder Head 10 Exhaust Valve 13 Exhaust Cam 13a Exhaust Cam Shaft 14 Exhaust Cam Valve Lift Profile (Exhaust Cam Profile)
14a Valve lift profile (exhaust stroke cam profile)
14b Valve lift profile (inflow stroke cam profile)
15 Exhaust valve lifter 18a, 18b, 18c Exhaust pulsation 20 Intake valve 23 Intake cam 23a Intake cam shaft 24 Intake cam valve lift profile (intake cam profile)
25 Intake valve lifter

Claims

吸入行程中に排気バルブを所定量リフトすることで、排気ガスの一部を燃焼室に還流する内部ＥＧＲ機構を備えたエンジンに用いられる排気カムのカムプロファイル設計方法であって、前記排気カムのカムプロファイルは、排気行程中に排気バルブをリフトする排気行程カムプロファイルと、吸入行程中に排気バルブをリフトする吸入行程カムプロファイルとを含み、
前記エンジンの運転状態を複数の運転領域に区分する運転領域区分工程と、前記複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動のクランク角度に対する位相を算出する位相算出工程と、前記複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動のクランク角度に対する位相と、前記複数の運転領域の夫々における内部ＥＧＲ率の目標値との関係から、前記吸入行程カムプロファイルを設計するカムプロファイル設計工程と、を有することを特徴とする排気カムのカムプロファイル設計方法。 A cam profile design method for an exhaust cam used in an engine having an internal EGR mechanism that recirculates a part of exhaust gas to a combustion chamber by lifting a predetermined amount of an exhaust valve during an intake stroke. The cam profile includes an exhaust stroke cam profile that lifts the exhaust valve during the exhaust stroke, and an intake stroke cam profile that lifts the exhaust valve during the intake stroke,
An operation region dividing step of dividing the operation state of the engine into a plurality of operation regions; a phase calculation step of calculating a phase with respect to a crank angle of exhaust pulsation corresponding to each of the plurality of operation regions; A cam profile design step for designing the intake stroke cam profile from the relationship between the phase of the exhaust pulsation corresponding to each crank angle and the target value of the internal EGR rate in each of the plurality of operation regions. A cam profile design method for exhaust cams.

前記カムプロファイル設計工程において、前記複数の運転領域の内、内部ＥＧＲ率の目標値が最も大きい運転領域に対応する排気脈動のピークと、前記排気カムの吸入行程カムプロファイルの頂部とが、前記クランク角度に対して略同位相となるように、前記吸入行程カムプロファイルを設計することを特徴とする請求項１に記載の排気カムのカムプロファイル設計方法。 In the cam profile design step, an exhaust pulsation peak corresponding to an operation region in which the target value of the internal EGR rate is the largest among the plurality of operation regions and a top portion of the intake stroke cam profile of the exhaust cam are 2. The cam profile design method for an exhaust cam according to claim 1, wherein the intake stroke cam profile is designed to have substantially the same phase with respect to an angle.

前記エンジンの運転状態は、エンジン回転数によって把握されることを特徴とする請求項１または２に記載の排気カムのカムプロファイル設計方法。 The cam profile design method for an exhaust cam according to claim 1 or 2, wherein the operating state of the engine is grasped by an engine speed.

請求項１乃至３のいずれかに記載のカムプロファイル設計方法によって設計されたカムプロファイルを有する排気カムを備えたことを特徴とするエンジン。 An engine comprising an exhaust cam having a cam profile designed by the cam profile design method according to any one of claims 1 to 3.

排気行程中に吸気バルブを所定量リフトするカムプロファイルを有する吸気カムを備えたことを特徴とする請求項４に記載のエンジン。 5. The engine according to claim 4, further comprising an intake cam having a cam profile that lifts the intake valve by a predetermined amount during an exhaust stroke.

前記吸入行程カムプロファイルの期間を除き、前記排気バルブと同時に開弁しないように構成されたカムプロファイルを有する吸気カムを備えたことを特徴とする請求項４に記載のエンジン。 The engine according to claim 4, further comprising an intake cam having a cam profile configured not to open simultaneously with the exhaust valve except during the period of the intake stroke cam profile.