WO2019135297A1 - 内燃機関 - Google Patents

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WO2019135297A1
WO2019135297A1 PCT/JP2018/029520 JP2018029520W WO2019135297A1 WO 2019135297 A1 WO2019135297 A1 WO 2019135297A1 JP 2018029520 W JP2018029520 W JP 2018029520W WO 2019135297 A1 WO2019135297 A1 WO 2019135297A1
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exhaust
valve
intake
intake valve
port
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PCT/JP2018/029520
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English (en)
French (fr)
Inventor
祐介 今森
山田　哲
和郎 堀田
Original Assignee
三菱重工エンジン＆ターボチャージャ株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/08—Shape of cams
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/02—Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00—Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/11—Thermal or acoustic insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/01—Internal exhaust gas recirculation, i.e. wherein the residual exhaust gases are trapped in the cylinder or pushed back from the intake or the exhaust manifold into the combustion chamber without the use of additional passages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/50—Arrangements or methods for preventing or reducing deposits, corrosion or wear caused by impurities

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • NOx nitrogen oxides
  • EGR there are external EGR which connects an exhaust path and an intake path by piping etc., and internal EGR which introduces the exhaust gas discharged from a combustion chamber directly into a combustion chamber.
  • Internal EGR has the advantage of being a simple structure and eliminating the need for additional cost since piping is not required compared to external EGR.
  • an exhaust resumption system for introducing exhaust gas from the exhaust port into the combustion chamber by temporarily opening the exhaust valve during the intake stroke, and temporarily opening the intake valve during the exhaust stroke, the intake port
  • an intake resumption system in which the exhaust gas is discharged and the air containing the exhaust gas is introduced into the combustion chamber in the intake stroke.
  • Patent Document 1 describes a technique related to the intake resumption method of internal EGR, and in the operating state in which the exhaust gas is recirculated, the valve opening timing of the exhaust valve is the valve opening timing of the exhaust valve in the operating state in which the exhaust gas is not recirculated It is disclosed to set later than later.
  • the pressure in the combustion chamber varies due to the influence of the number of revolutions of the engine and the like. Therefore, when the pressure in the combustion chamber is low and the opening period of the intake valve in the exhaust stroke is short in the intake resumption system, the amount of exhaust gas discharged from the combustion chamber to the intake port is not sufficiently ensured, and the amount of EGR is insufficient. Do.
  • internal EGR since the internal EGR has a higher gas temperature in the combustion chamber (in the cylinder) than the external EGR, the amount of NOx reduction is small. Therefore, internal EGR may require tuning with fuel efficiency deterioration, such as delaying the fuel injection timing, in order to suppress the generation amount of NOx. Therefore, in internal EGR, it is desirable to reduce the NOx reduction amount by increasing the amount of exhaust gas discharged to the intake port as much as possible.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and in the intake EGR type internal EGR, the amount of exhaust gas discharged from the combustion chamber to the intake port is increased, and the amount of exhaust gas introduced again into the combustion chamber
  • An object of the present invention is to provide an internal combustion engine which can be reliably secured.
  • an internal combustion engine of the present invention adopts the following means. That is, in the internal combustion engine according to the first aspect of the present invention, an intake port for supplying air to the combustion chamber, an intake valve for opening and closing the intake port, and exhaust gas produced by combustion of fuel gas from the combustion chamber to the outside
  • the exhaust valve includes an exhaust port for exhausting, an exhaust valve for opening and closing the exhaust port, and an intake valve cam for driving the intake valve, and the intake valve cam has the exhaust valve after the compression top dead center.
  • the valve is configured to open before the valve and to have a period in which the intake valve is opened during an exhaust stroke for exhausting the exhaust gas from the exhaust port.
  • An internal combustion engine exhausts an exhaust gas generated by combustion of a fuel gas from the combustion chamber to the outside through an intake port for supplying air to the combustion chamber, an intake valve that opens and closes the intake port.
  • the intake valve is configured to have a period that is open during an exhaust stroke that exhausts the exhaust gas from the exhaust port, and the intake valve opens less than 150 ° after compression top dead center, It is configured to close after 250 ° after compression top dead center.
  • the amount of exhaust gas discharged through the intake port is constant because the open period of the intake valve is long during the exhaust stroke. More than the amount can be secured. As a result, the desired amount of EGR to be reintroduced into the combustion chamber can be secured, and the robustness of the EGR can be enhanced.
  • the surface of the intake port connected to the intake port or the intake valve may be heat-insulated.
  • the decrease in the surface temperature of the intake port or the intake valve can be suppressed, and the condensation of moisture in the exhaust gas can be avoided.
  • the intake port connected to the intake port may have a material thickness such that condensed water does not adhere to the inner surface by heat conduction from the low temperature portion side.
  • the amount of heat transfer from the low temperature portion such as the circulating portion of the cooling water can be reduced, the decrease in the surface temperature of the intake port or the intake valve can be suppressed, and the condensation of water in the exhaust gas can be avoided.
  • valve seat installed in the intake port and on which the intake valve is seated, or the intake valve may be a material having corrosion resistance.
  • the amount of exhaust gas discharged from the combustion chamber to the intake port can be increased, and the amount of exhaust gas reintroduced into the combustion chamber can be reliably ensured.
  • the engine 1 according to an embodiment of the present invention is a reciprocating engine (a positive displacement internal combustion engine), which is a four-stroke engine.
  • the engine 1 is used, for example, to drive a stationary generator.
  • the application of the engine 1 is not limited to this.
  • a supercharger is connected to the engine 1.
  • a combustion chamber 3 is formed below a cylinder head 2 made of cast iron or aluminum.
  • the piston 4 reciprocates in the combustion chamber 3.
  • An intake port 5 and an exhaust port 6 through which air and exhaust gas flow are formed in the cylinder head 2.
  • One end of each of the intake port 5 and the exhaust port 6 is connected to the combustion chamber 3, and air and exhaust gas flow in and out through the intake port 7 or the exhaust port 8 which is an opening.
  • a valve seat 9 is press-fit into the intake port 7 or the exhaust port 8.
  • the valve seat 9 is a member on which the intake valve 10 or the exhaust valve 11 is seated when the intake valve 10 or the exhaust valve 11 closes the intake port 7 or the exhaust port 8.
  • the valve seat 9 is, for example, a sintered material having heat resistance and wear resistance.
  • a through hole 12 is formed in the cylinder head 2, and as shown in FIG. 2, a cylindrical valve guide 13 is press-fit into the through hole 12.
  • the valve shaft 14 of the intake valve 10 or the exhaust valve 11 is inserted into the valve guide 13, and the valve guide 13 slidably supports the valve shaft 14.
  • the valve guide 13 is formed of a sintered material.
  • the intake valve 10 and the drive mechanism for driving the intake valve 10 will be described below with reference to FIG. Since the intake valve 10, the exhaust valve 11, and their drive mechanisms have the same configuration, the description of the exhaust valve 11 and the drive mechanism of the exhaust valve 11 will be omitted.
  • the intake valve 10 includes a cylindrical valve shaft 14 having a constant diameter, and a valve head 15 having a shape in which the lower end of the valve shaft 14 is expanded in the radial direction.
  • the valve shaft 14 and the valve head 15 are integrally formed.
  • the intake valve 10 slides between the valve closing position C indicated by a solid line and the valve opening position O indicated by an imaginary line by an amount corresponding to the opening / closing stroke S.
  • the intake valve 10 or the exhaust valve 11 is always biased toward the valve closing position C by the valve lifter 16.
  • the valve lifter 16 includes, for example, a valve spring 17, a valve retainer 18, a valve cotter 19, a rocker arm 20, a lash adjuster 21, and the like.
  • the example of the valve lifter 16 is not limited to this example.
  • the rocker arm 20 opens the intake valve 10.
  • a pivot 20 a provided at one end of the rocker arm 20 is rotatably fitted on the spherical top of the lash adjuster 21 loaded on the cylinder head 2.
  • a tappet portion 20 b provided at the other end of the rocker arm 20 is mounted on the upper end of the valve shaft 14 of the exhaust valve 11 so as to be relatively slidable.
  • a camshaft 22 is pivotally supported above the cylinder head 2.
  • the cam 23 is formed on the outer peripheral surface of the camshaft 22.
  • the cam 23 is disposed to press the cam follower 20 c provided at the middle portion of the rocker arm 20.
  • the lash adjuster 21 is supplied with oil pressure from the oil pressure passage 24 and extends to minimize the gap between the cam follower 20 c and the cam 23.
  • the cam 23A is formed with the main lift portion 25 and the sub lift portion 26 with respect to the base circle of the cam 23A centered on the rotation center of the camshaft 22.
  • the main lift portion 25 is formed with a diameter larger than the radius of the base circle at the timing when the intake valve 10 is pushed down in order to realize an intake stroke for supplying air to the combustion chamber 3.
  • the secondary lift portion 26 is formed at a position different from that of the primary lift portion 25.
  • the secondary lift portion 26 is formed with a diameter larger than the radius of the base circle, and is formed with a diameter smaller than the maximum radius of the main lift portion 25.
  • the lift amount of the intake valve 10 by the sublift portion 26 is smaller than the lift amount of the intake valve 10 in the intake stroke. Exhaust gas is discharged into the intake port 5 through the intake port 7 by opening the intake valve 10 during the exhaust stroke.
  • the main lift portion 27 is formed with respect to a base circle of the cam 23 centered on the rotation center of the camshaft 22.
  • the main lift portion 27 is formed with a diameter larger than the radius of the base circle at the timing when the exhaust valve 11 is pushed down in order to discharge the exhaust gas from the combustion chamber 3.
  • a period during which the intake port 7 is opened during the exhaust stroke is set by the shape of the cam 23A.
  • the variable valve timing mechanism as in Patent Document 1 above, when internal EGR of the intake resumption system is performed, the period during which the intake port is opened during the exhaust stroke is determined and limited according to the period of the intake stroke. It will be done.
  • the period during which the intake port 7 is opened during the exhaust stroke regardless of the period of the intake stroke, it is possible to appropriately set the period during which the intake port 7 is opened during the exhaust stroke, and it is also possible to make the period longer than in the case of the variable valve timing mechanism.
  • the intake valve reopening method is implemented to exhaust the exhaust gas from the combustion chamber 3 to the intake port 5 by opening the intake valve 10 during the exhaust stroke in relation to the internal EGR.
  • air including exhaust gas is introduced into the combustion chamber 3 in the intake stroke.
  • the compression top dead center (TDC) is 0 °.
  • the combustion is started at or near the compression top dead center.
  • the exhaust valve 11 starts to open the exhaust port 8 at a position of about 150 ° after compression top dead center (ATDC) for the exhaust stroke, as shown in FIG.
  • ADC compression top dead center
  • the intake valve 10 starts opening the intake port 7 at about 340 ° after compression top dead center, and reaches the maximum open at about 450 ° through the state shown in FIG. 5C.
  • the air inlet 7 is completely closed at a position of about 560 °.
  • the crank rotates twice and the cam rotates once between 0 ° and 720 °. This cycle is one cycle, and this cycle is repeated on both the intake valve 10 side and the exhaust valve side.
  • the intake valve 10 is opened not only in the intake stroke but also before the exhaust valve 11 after compression top dead center (ATDC), and as shown in FIG. Have a period during which the exhaust stroke is open.
  • the intake valve 10 closes the intake port 5 during the exhaust stroke.
  • the exhaust gas is discharged from the combustion chamber 3 to the intake port 5 while the intake valve 10 is lifted.
  • the intake valve 10 opens the intake port 5 before the exhaust valve 11 at a position where the crank angle is about 150 ° after compression top dead center, and intake is performed within the exhaust stroke period. Close port 5 Therefore, as shown in FIG. 4, the pressure in the combustion chamber 3 immediately after the start of the exhaust stroke is relatively high, and the intake valve 10 restarts in a period in which the differential pressure between the combustion chamber 3 and the intake port 5 is relatively large.
  • the intake valve 10 since the intake valve 10 starts to open before the exhaust valve 11 for EGR, the intake valve 10 is restarted for a relatively long time. As a result, more exhaust gas can be discharged to the intake port 5, and a desired amount of EGR can be secured. Therefore, even if the pressure in the combustion chamber 3 varies, the robustness of the EGR can be enhanced.
  • the intake valve 10 restarts in a period in which the differential pressure between the combustion chamber 3 and the intake port 5 is relatively large. It is desirable to do.
  • the exhaust valve 11 starts to open the exhaust port 8 at a position less than 150 ° after compression top dead center (ATDC) for the exhaust stroke, and is about 270 °
  • the position is maximally open and the exhaust 8 is completely closed at a position of approximately 380 °.
  • the intake valve 10 starts to open the intake port 7 at about 340 ° after compression top dead center and reaches maximum opening at about 450 °, and the intake port 7 at about 560 °. Completely shut.
  • the crank rotates twice and the cam rotates once between 0 ° and 720 °. This cycle is one cycle, and this cycle is repeated on both the intake valve 10 side and the exhaust valve 11 side.
  • the intake valve 10 is opened not only in the intake stroke but also opens the intake port 5 at the same time as the exhaust valve 11 opens the exhaust port 6 after compression top dead center (ATDC). It has a period open in it.
  • the intake valve 10 is closed at a position after 250 ° after compression top dead center during the exhaust stroke. Thus, the exhaust gas is discharged from the combustion chamber 3 to the intake port 5 while the intake valve 10 is lifted.
  • the intake valve 10 opens the intake port 5 at the same time when the exhaust valve 11 opens the exhaust port 6 at a position where the crank angle is less than 150 ° after compression top dead center. Close the intake port 5 after 250 ° within the stroke period. Therefore, the pressure in the combustion chamber 3 immediately after the start of the exhaust stroke is relatively high, and the intake valve 10 restarts in a period in which the differential pressure between the combustion chamber 3 and the intake port 5 is relatively large. Also, the intake valve 10 is restarted for a relatively long period of time when the crank angle is less than 150 ° and after 250 °. As a result, more exhaust gas can be discharged to the intake port 5, and a desired amount of EGR can be secured. Therefore, even if the pressure in the combustion chamber 3 varies, the robustness of the EGR can be enhanced.
  • the exhaust gas in the combustion chamber 3 is discharged from both the intake valve 10 side and the exhaust valve 11 side during the exhaust stroke. Therefore, the time required for the pressure drop of the combustion chamber 3 can be shortened, and the period of the exhaust stroke can be shortened. Therefore, unlike the case where the internal EGR for reactivating the intake valve 10 is not performed in the exhaust stroke, the opening timing of both the opening start timing (EVO) of the exhaust valve 11 and the reopening start timing (IVsO) of the intake valve 10 is It is possible to make it as late as possible. The timing for completely closing the exhaust valve 11 is not changed.
  • the cylinder head 2 in which the intake port 5 is formed is cooled by the flow of water or the like. Therefore, if the exhaust gas is discharged to the intake port 5 by the internal EGR according to the present embodiment, condensation may occur on the inner surface of the intake port 5. Condensed water causes sulfuric acid corrosion due to the sulfur component contained in the exhaust gas.
  • the surface of the intake port 5 and the intake valve 10 be heat-insulated in the range where the exhaust gas in the combustion chamber 3 is discharged.
  • Thermal insulation treatment is a thermal barrier coating applied to a metal surface.
  • the intake port 5 is set to have a material thickness such that condensed water does not adhere to the inner surface by heat conduction from the low temperature portion side. That is, the material thickness (thickness) of the intake port 5 in the range where the exhaust gas in the combustion chamber 3 is discharged is increased.
  • the side closer to the intake port 7 may be formed thicker than the position away from the intake port 7. Thereby, the amount of heat transfer from the low temperature part such as the circulating part of the cooling water is reduced. As a result, it is possible to suppress a decrease in the surface temperature of the intake port 5 and the intake valve 10, and it is possible to avoid condensation and condensation of water in the exhaust gas.
  • a material having high corrosion resistance such as a stainless steel alloy, may be used for parts that require high processing accuracy such as the valve seat 9 on the intake valve 10 side and the intake valve 10 and the like.
  • a material having high corrosion resistance such as a stainless steel alloy
  • parts that require high processing accuracy such as the valve seat 9 on the intake valve 10 side and the intake valve 10 and the like.
  • Valve seat 10 Intake valve 11: Exhaust valve 12: Through hole 13: Valve guide 14: valve shaft 15: valve umbrella portion 16: valve lifter 17: valve spring 18: valve retainer 19: valve cotter 20: rocker arm 20a: pivot portion 20b: tappet portion 20c: cam follower 21: lash adjuster 22: camshaft 23, 23A, 23B: cam 24: hydraulic pressure passage 25, 27: main lift portion 26: secondary lift portion

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Abstract

吸気再開方式の内部ＥＧＲにおいて、燃焼室から吸気ポートへ排出される排ガス量を増やし、燃焼室へ再び導入される排ガス量を確実に確保することを目的とする。エンジン（１）は、燃焼室（３）へ空気を供給する吸気口（７）と、吸気口（７）を開閉する吸気バルブ（１０）と、燃料ガスの燃焼によって生じた排ガスを燃焼室（３）から外部へ排出する排気口（８）と、排気口（８）を開閉する排気バルブ（１１）と、吸気バルブ（１０）を駆動する吸気バルブ用カム（２３Ａ）とを備え、吸気バルブ用カム（２３Ａ）は、吸気バルブ（１０）が、圧縮上死点後、排気バルブ（１１）よりも前に開き、かつ、吸気バルブ（１０）が、排気口（８）から排ガスを排出する排気行程中に開放される期間を有するように構成されている。

Description

内燃機関
　本発明は、内燃機関に関するものである。
　内燃機関では、燃料の燃焼によって生じる排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するため、排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust　Gas　Recirculation）（以下「ＥＧＲ」という。）が用いられる場合がある。ＥＧＲでは、排ガスの一部が燃焼前の空気に戻され、再び燃焼室へ供給される。これにより、吸気中の酸素濃度が大気よりも低減され、ＥＧＲを行わない場合に比べて燃焼温度が低下するため、ＮＯｘの発生が抑制される。
　ＥＧＲには、排気経路と吸気経路を配管等で接続する外部ＥＧＲと、燃焼室から排出された排ガスを直接燃焼室へ導入する内部ＥＧＲがある。内部ＥＧＲは、外部ＥＧＲと比べて配管が不要であるため、簡潔な構成であり追加コストが不要になるという長所がある。
　また、内部ＥＧＲには、吸気行程中に排気バルブを一時的に開くことによって、排気ポートから燃焼室へ排ガスを導入する排気再開方式と、排気行程中に吸気バルブを一時的に開き、吸気ポートへ排ガスを排出し、吸気行程で排ガスを含む空気を燃焼室へ導入する吸気再開方式がある。
　下記の特許文献１では、内部ＥＧＲの吸気再開方式に関する技術であって、排気ガスを還流させる運転状態において、排気弁の開弁時期を、排気ガスを還流させない運転状態における排気弁の開弁時期よりも遅い時期に設定することが開示されている。
特開２０１３－１３３７２５号公報
　レシプロエンジン（容積型内燃機関）の４ストローク機関において、排気行程の間に吸気バルブを開く吸気再開方式の内部ＥＧＲでは、排気行程において、吸気ポートと排気ポートの両方が開放される。しかし、排気行程の間、排気ポート側に比べて吸気ポートの圧力が高いため、燃焼室から吸気ポート側へ排ガスが供給されづらい。また、燃焼室内の圧力は、膨張行程の間、低下し続ける。そのため、図８に示すように、吸気再開方式において、吸気バルブ再開始め時期（ＩＶｓＯ）によっては、燃焼室と吸気ポートとの差圧が小さい。その結果、燃焼室から吸気ポートへ排出される排ガス量を十分に確保できない場合があり、燃焼室へ再び導入される排ガス量（ＥＧＲ量）が不足する可能性がある。
　また、燃焼室内の圧力は、エンジンの回転数などの影響によってばらつきが生じる。そのため、吸気再開方式において、燃焼室内の圧力が低い場合、排気行程中の吸気バルブの開放期間が短いと、燃焼室から吸気ポートへ排出される排ガス量が十分に確保されず、ＥＧＲ量が不足する。
　さらに、内部ＥＧＲは、外部ＥＧＲと比べて、燃焼室内（筒内）のガス温度が高くなるため、ＮＯｘ低減量が少ない。そのため、内部ＥＧＲは、ＮＯｘの発生量を抑制するため、燃料の噴射タイミングを遅らせるなど、燃費率悪化を伴うチューニングが必要になる場合がある。したがって、内部ＥＧＲにおいて、吸気ポートへ排出される排ガス量を可能な限り増やして、ＮＯｘ低減量を減らすことが望ましい。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、吸気再開方式の内部ＥＧＲにおいて、燃焼室から吸気ポートへ排出される排ガス量を増やし、燃焼室へ再び導入される排ガス量を確実に確保することが可能な内燃機関を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の内燃機関は以下の手段を採用する。
　すなわち、本発明の第１態様に係る内燃機関は、燃焼室へ空気を供給する吸気口と、前記吸気口を開閉する吸気バルブと、燃料ガスの燃焼によって生じた排ガスを前記燃焼室から外部へ排出する排気口と、前記排気口を開閉する排気バルブと、前記吸気バルブを駆動する吸気バルブ用カムとを備え、前記吸気バルブ用カムは、前記吸気バルブが、圧縮上死点後、前記排気バルブよりも前に開き、かつ、前記吸気バルブが、前記排気口から前記排ガスを排出する排気行程中に開放される期間を有するように構成されている。
　この構成によれば、燃焼室内の圧力が高低し、ばらつく場合であっても、排気行程中において、吸気バルブが開いている期間が長いため、吸気口を通過する排ガス量を一定量以上確保することができる。その結果、燃焼室へ再び導入される所望のＥＧＲ量を確保でき、ＥＧＲのロバスト性を高めることができる。
　本発明の第２態様に係る内燃機関は、燃焼室へ空気を供給する吸気口と、前記吸気口を開閉する吸気バルブと、燃料ガスの燃焼によって生じた排ガスを前記燃焼室から外部へ排出する排気口と、前記排気口を開閉する排気バルブと、前記吸気バルブを駆動する吸気バルブ用カムとを備え、前記吸気バルブ用カムは、前記吸気バルブが、圧縮上死点後、前記排気バルブと同時に開き、前記吸気バルブが、前記排気口から前記排ガスを排出する排気行程中に開放される期間を有するように構成され、かつ、前記吸気バルブが、圧縮上死点後１５０°未満で開き、圧縮上死点後２５０°以降に閉じるように構成されている。
　この構成によれば、燃焼室内の圧力が高低し、ばらつく場合であっても、排気行程中において、吸気バルブが開いている期間が長いため、吸気口を通過して排出される排ガス量を一定量以上確保することができる。その結果、燃焼室へ再び導入される所望のＥＧＲ量を確保でき、ＥＧＲのロバスト性を高めることができる。
　上記態様において、前記吸気口に接続される吸気ポート、又は、前記吸気バルブは、表面に断熱処理が施されてもよい。
　この構成によれば、吸気ポートや吸気バルブの表面温度の低下を抑制でき、排ガス中の水分が凝縮し結露することを回避できる。
　上記態様において、前記吸気口に接続される吸気ポートは、低温部側からの熱伝導によって内面に凝縮水が付着しないような材料厚さを有してもよい。
　この構成によれば、冷却水の流通部分など低温部からの伝熱量が低減し、吸気ポートや吸気バルブの表面温度の低下を抑制でき、排ガス中の水分が凝縮し結露することを回避できる。
　上記態様において、前記吸気口に設置され、前記吸気バルブが着座するバルブシート、又は、前記吸気バルブは、耐食性を有する材料でもよい。
　この構成によれば、結露水によって硫酸が発生した場合であっても、部品の腐食を防ぐことができる。また、材料を変更する部品を限定することで、従来の鋳鉄等の比較的安価な材料のみからなるシリンダーヘッドに比べて、コストアップの幅を抑えられる。
　本発明によれば、吸気再開方式の内部ＥＧＲにおいて、燃焼室から吸気ポートへ排出される排ガス量を増やし、燃焼室へ再び導入される排ガス量を確実に確保することができる。
本発明の一実施形態に係るエンジンを示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの吸気バルブ及び吸気バルブの駆動機構を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの吸気バルブ用カムを示す正面図である。 第２実施例における圧力とクランク角度の関係を示すグラフ、及び、バルブリフト量とクランク角度の関係を示すグラフである。 吸気再開方式の内部ＥＧＲに関し、吸気バルブ、排気バルブ及びピストンの動作を示す説明図である。 吸気再開方式の内部ＥＧＲに関し、吸気バルブ、排気バルブ及びピストンの動作を示す説明図である。 吸気再開方式の内部ＥＧＲに関し、吸気バルブ、排気バルブ及びピストンの動作を示す説明図である。 第２実施例におけるバルブリフト量とクランク角度の関係を示すグラフである。 燃焼室圧力と燃焼室容積の関係を示すグラフである。 従来における圧力とクランク角度の関係を示すグラフ、及び、バルブリフト量とクランク角度の関係を示すグラフである。
　以下に、本発明の一実施形態に係るエンジン１について、図面を参照して説明する。
　本実施形態に係るエンジン１は、レシプロエンジン（容積型内燃機関）であって、４ストローク機関である。エンジン１は、例えば定置用発電機の駆動に用いられる。なお、エンジン１の用途はこれに限定されない。また、エンジン１には、過給機が接続される。
　エンジン１は、図１に示すように、鋳鉄製又はアルミニウム製のシリンダーヘッド２の下方に燃焼室３が形成される。ピストン４は、燃焼室３の内部を往復動する。シリンダーヘッド２の内部には、空気及び排ガスが流通する吸気ポート５及び排気ポート６が形成されている。吸気ポート５と排気ポート６は、いずれも一端側が燃焼室３に接続されており、開口部である吸気口７又は排気口８を介して、空気及び排ガスが出入する。
　吸気口７又は排気口８には、図２に示すように、バルブシート９が圧入されている。バルブシート９は、吸気バルブ１０又は排気バルブ１１が吸気口７又は排気口８を閉鎖するとき、吸気バルブ１０又は排気バルブ１１が着座する部材である。バルブシート９は、例えば、耐熱性及び耐摩耗性を有する焼結材料である。
　シリンダーヘッド２には、貫通孔１２が形成され、図２に示すように、貫通孔１２には筒状のバルブガイド１３が圧入されている。バルブガイド１３の内部には、吸気バルブ１０又は排気バルブ１１のバルブ軸１４が挿通され、バルブガイド１３は、バルブ軸１４を摺動可能に支持する。バルブガイド１３は焼結材料で形成される。
　以下、図２を参照して、吸気バルブ１０及び吸気バルブ１０を駆動する駆動機構について説明する。吸気バルブ１０と排気バルブ１１、及びこれらの駆動機構は、同一の構成を有するため、排気バルブ１１及び排気バルブ１１の駆動機構についての説明は省略する。
　吸気バルブ１０は、直径一定な円柱状のバルブ軸１４と、バルブ軸１４の下端が径方向に拡開された形状を有するバルブ傘部１５とを備える。バルブ軸１４とバルブ傘部１５は、一体構造である。
　吸気バルブ１０は、実線で示す閉弁位置Ｃと、想像線で示す開弁位置Ｏとの間を、開閉ストロークＳ分だけ摺動する。吸気バルブ１０又は排気バルブ１１は、バルブリフタ１６によって閉弁位置Ｃ側に常時付勢されている。
　バルブリフタ１６は、例えば、バルブスプリング１７、バルブリテーナ１８、バルブコッタ１９、ロッカーアーム２０及びラッシュアジャスタ２１などから構成される。なお、バルブリフタ１６の例は、この例に限定されない。ロッカーアーム２０は、吸気バルブ１０を開弁させる。ロッカーアーム２０の一端に設けられたピボット部２０ａが、シリンダーヘッド２に装填されたラッシュアジャスタ２１の球面状の頂部に回動自在に嵌合されている。ロッカーアーム２０の他端に設けられたタペット部２０ｂが、排気バルブ１１のバルブ軸１４上端に相対摺動自在に載置されている。
　シリンダーヘッド２の上方には、カムシャフト２２が軸支されている。カム２３は、カムシャフト２２の外周面に形成される。図２に示す例では、カム２３は、ロッカーアーム２０の中間部に設けられたカムフォロア２０ｃを押圧するように配置される。ラッシュアジャスタ２１は、油圧通路２４から油圧を供給されて伸長し、カムフォロア２０ｃとカム２３との間隙を最小にする。
　カムシャフト２２が回転すると、カム２３がカムフォロア２０ｃを押し下げ、ロッカーアーム２０のタペット部２０ｂが排気バルブ１１のバルブ軸１４を押し下げる。その結果、排気バルブ１１が閉弁位置Ｃから開弁位置Ｏまで押し下げられる。これにより、吸気バルブ１０側では、空気が吸気ポート５から燃焼室３へ供給され、排気バルブ１１側では、燃焼室３内での燃焼によって生成された排ガスが排気ポート６から排出される。
　吸気バルブ１０の場合、図３に示すように、カム２３Ａは、カムシャフト２２の回転中心を中心とするカム２３Ａの基礎円に対して、主リフト部２５と、副リフト部２６が形成されている。主リフト部２５は、空気を燃焼室３へ供給する吸気行程を実現するため、吸気バルブ１０を押し下げるタイミングで、基礎円の半径よりも大きい径で形成されている。
　副リフト部２６は、主リフト部２５とは異なる位置に形成される。副リフト部２６は、吸気バルブ１０が、圧縮上死点後、排気バルブ１１と同時、又は、排気バルブ１１よりも前に開き、吸気バルブ１０が、排気口８から排ガスを排出する排気行程中に開放される期間を有するように構成される。副リフト部２６は、基礎円の半径よりも大きい径で形成され、かつ、主リフト部２５の最大半径よりも小さい径で形成される。副リフト部２６による吸気バルブ１０のリフト量は、吸気行程における吸気バルブ１０のリフト量よりも小さい。排気行程中に吸気バルブ１０が開くことによって、吸気口７を介して吸気ポート５内へ排ガスが排出される。
　排気バルブ１１の場合、カム２３Ｂは、カムシャフト２２の回転中心を中心とするカム２３の基礎円に対して、主リフト部２７が形成されている。主リフト部２７は、燃焼室３から排ガスを排出するため、排気バルブ１１を押し下げるタイミングで、基礎円の半径よりも大きい径で形成されている。
　本実施形態の場合、カム２３Ａの形状によって、排気行程中に吸気口７を開く期間が設定される。これに対し、上記特許文献１のように、可変バルブタイミング機構の場合、吸気再開方式の内部ＥＧＲを行うと、吸気行程の期間に応じて、排気行程中に吸気口を開く期間が決定され制限されてしまう。一方、本実施形態の場合、吸気行程の期間に関わらず、排気行程中に吸気口７を開く期間を適切に設定でき、可変バルブタイミング機構の場合よりも期間を長くすることも可能である。
　本実施形態に係るエンジン１では、内部ＥＧＲに関し、排気行程中に吸気バルブ１０を開いて、排ガスを燃焼室３から吸気ポート５に排出する吸気再開方式が実現される。吸気再開方式では、排気行程の後、吸気行程で排ガスを含む空気が燃焼室３へ導入される。
　以下、図４～図８を参照して、本実施形態に係る吸気再開方式の内部ＥＧＲに関し、吸気バルブ１０の開閉タイミングについて、第１実施例及び第２実施例を用いて説明する。
　クランク角度について、圧縮上死点（ＴＤＣ）を０°とする。燃焼は、圧縮上死点又はその前後で開始される。
　第１実施例では、図４に示すように、排気バルブ１１は、排気行程のため、圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）後、約１５０°の位置で、排気口８を開き始め、図５Ａ及び図５Ｂに示した状態を経て、約２７０°の位置で最大開放となり、約３８０°の位置で排気口８を完全に閉鎖する。
　また、吸気バルブ１０は、吸気行程のため、圧縮上死点後、約３４０°の位置で吸気口７を開き始め、図５Ｃに示した状態を経て、約４５０°の位置で最大開放となり、約５６０°の位置で吸気口７を完全に閉鎖する。０°から７２０°までの間にクランクが２回転、カム２３が１回転する。これを１サイクルとし、吸気バルブ１０側と排気バルブ側のいずれも、このサイクルを繰り返す。
　さらに、吸気バルブ１０は、吸気行程に開放されるだけでなく、圧縮上死点（ＡＴＤＣ）後、排気バルブ１１よりも前に開き、かつ、図５Ａに示した状態のように、吸気ポート５が排気行程中に開放される期間を有する。吸気バルブ１０は、排気行程の期間において吸気ポート５を閉じる。これにより、吸気バルブ１０がリフトしている間、排ガスが燃焼室３から吸気ポート５に排出される。
　以上、第１実施例によれば、吸気バルブ１０が、圧縮上死点後、クランク角度が約１５０°の位置で排気バルブ１１よりも前に吸気ポート５を開き、排気行程の期間内に吸気ポート５を閉じる。したがって、図４に示すように、排気行程開始直後の燃焼室３の圧力が比較的高く、燃焼室３と吸気ポート５との差圧が比較的大きい期間において、吸気バルブ１０が再開する。
　また、吸気バルブ１０は、ＥＧＲのため、排気バルブ１１よりも前に開き始めるため、比較的長い期間、吸気バルブ１０が再開される。その結果、より多くの排ガスを吸気ポート５に排出することができ、所望のＥＧＲ量を確保できる。したがって、燃焼室３内の圧力がばらつく場合であっても、ＥＧＲのロバスト性を高めることができる。
　エンジン１が発電機用である場合、自動車用よりも大型であり、その結果、過給機の隙間漏れが相対的に少ない。そのため、過給機効率が高いことから、吸気側の圧力が高い傾向にある。したがって、ＥＧＲのロバスト性を高めるため、本実施形態のように、図８に示した従来例と異なり、燃焼室３と吸気ポート５との差圧が比較的大きい期間において、吸気バルブ１０が再開することが望ましい。
　第２実施例では、図６に示すように、排気バルブ１１は、排気行程のため、圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）、１５０°未満の位置で、排気口８を開き始め、約２７０°の位置で最大開放となり、約３８０°の位置で排気口８を完全に閉鎖する。
　また、吸気バルブ１０は、吸気行程のため、圧縮上死点後、約３４０°の位置で吸気口７を開き始め、約４５０°の位置で最大開放となり、約５６０°の位置で吸気口７を完全に閉鎖する。０°から７２０°までの間にクランクが２回転、カム２３が１回転する。これを１サイクルとし、吸気バルブ１０側と排気バルブ１１側のいずれも、このサイクルを繰り返す。
　さらに、吸気バルブ１０は、吸気行程に開放されるだけでなく、圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）、排気バルブ１１が排気ポート６を開くタイミングと同時に吸気ポート５を開き、吸気ポート５が排気行程中に開放される期間を有する。吸気バルブ１０は、排気行程の期間において、圧縮上死点後、２５０°以降の位置で閉じる。これにより、吸気バルブ１０がリフトしている間、排ガスが燃焼室３から吸気ポート５に排出される。
　以上、第２実施例によれば、吸気バルブ１０が、圧縮上死点後、クランク角度が１５０°未満の位置で排気バルブ１１が排気ポート６を開くタイミングと同時に吸気ポート５を開くとともに、排気行程の期間内の２５０°以降に吸気ポート５を閉じる。したがって、排気行程開始直後の燃焼室３の圧力が比較的高く、燃焼室３と吸気ポート５との差圧が比較的大きい期間において、吸気バルブ１０が再開する。また、クランク角度が１５０°未満から２５０°以降の比較的長い期間、吸気バルブ１０が再開される。その結果、より多くの排ガスを吸気ポート５に排出することができ、所望のＥＧＲ量を確保できる。したがって、燃焼室３内の圧力がばらつく場合であっても、ＥＧＲのロバスト性を高めることができる。
　また、上記第１及び第２実施例において、排気行程の期間、吸気バルブ１０側と排気バルブ１１側の両方から、燃焼室３内の排ガスが排出される。したがって、燃焼室３の圧力下降に要する時間を短縮化でき、排気行程の期間を短くできる。そのため、排気行程において吸気バルブ１０を再開する内部ＥＧＲを行わない場合と異なり、排気バルブ１１の開き始め時期（ＥＶＯ）と、吸気バルブ１０の再開始め時期（ＩＶｓＯ）の両方の開放のタイミングを、可能な範囲で遅いタイミングとすることができる。なお、排気バルブ１１を完全に閉鎖させるタイミングは、変化させない。
　その結果、圧縮上死点以降、排気バルブ１１の開き始め時期（ＥＶＯ）と、吸気バルブ１０の再開始め時期（ＩＶｓＯ）までの膨張行程においてピストン４が得るエネルギーが大きくなる。したがって、排気行程において吸気バルブ１０を再開する内部ＥＧＲを行わない場合（図７の一点鎖線）に比べて、図７の破線で示すように、サイクル効率が向上する。
　さらに、吸気ポート５が形成されたシリンダーヘッド２は、水等が流通することによって冷却されている。したがって、本実施形態に係る内部ＥＧＲによって、吸気ポート５に排ガスが排出されると、吸気ポート５の内面で結露が生じるおそれがある。結露水は、排ガス中に含まれる硫黄成分によって硫酸腐食を発生させる。
　これに対し、燃焼室３内の排ガスが排出される範囲における吸気ポート５や吸気バルブ１０の表面へ断熱処理を施すことが望ましい。断熱処理は、金属表面に施す遮熱コーティングなどである。これにより、吸気ポート５や吸気バルブ１０の表面温度の低下を抑制でき、排ガス中の水分が凝縮し結露することを回避できる。
　または、吸気ポート５は、低温部側からの熱伝導によって内面に凝縮水が付着しないような材料厚さを有するように設定される。すなわち、燃焼室３内の排ガスが排出される範囲における吸気ポート５の材料厚さ（肉厚）を増大させる。特に吸気ポート５において、吸気口７から離れた位置よりも吸気口７側の方が肉厚に形成されるとよい。これにより、冷却水の流通部分など低温部からの伝熱量が低減する。その結果、吸気ポート５や吸気バルブ１０の表面温度の低下を抑制でき、排ガス中の水分が凝縮し結露することを回避できる。
　さらには、吸気バルブ１０側のバルブシート９や、吸気バルブ１０などの高い加工精度が必要な部品に対して、耐食性の高い材料、例えばステンレス合金などを用いてもよい。これにより、結露水によって硫酸が発生した場合であっても、部品の腐食を防ぐことができる。また、材料を変更する部品を限定することで、従来の鋳鉄等の比較的安価な材料のみからなるシリンダーヘッド２に比べて、コストアップの幅を抑えつつ、硫酸腐食の発生を回避できる。
１　　　：エンジン
２　　　：シリンダーヘッド
３　　　：燃焼室
４　　　：ピストン
５　　　：吸気ポート
６　　　：排気ポート
７　　　：吸気口
８　　　：排気口
９　　　：バルブシート
１０　　：吸気バルブ
１１　　：排気バルブ
１２　　：貫通孔
１３　　：バルブガイド
１４　　：バルブ軸
１５　　：バルブ傘部
１６　　：バルブリフタ
１７　　：バルブスプリング
１８　　：バルブリテーナ
１９　　：バルブコッタ
２０　　：ロッカーアーム
２０ａ　：ピボット部
２０ｂ　：タペット部
２０ｃ　：カムフォロア
２１　　：ラッシュアジャスタ
２２　　：カムシャフト
２３，２３Ａ，２３Ｂ　　：カム
２４　　：油圧通路
２５，２７　　：主リフト部
２６　　：副リフト部

Claims (5)

  1. 　燃焼室へ空気を供給する吸気口と、
    　前記吸気口を開閉する吸気バルブと、
    　燃料ガスの燃焼によって生じた排ガスを前記燃焼室から外部へ排出する排気口と、
    　前記排気口を開閉する排気バルブと、
    　前記吸気バルブを駆動する吸気バルブ用カムと、
    を備え、
    　前記吸気バルブ用カムは、前記吸気バルブが、圧縮上死点後、前記排気バルブよりも前に開き、かつ、前記吸気バルブが、前記排気口から前記排ガスを排出する排気行程中に開放される期間を有するように構成されている内燃機関。
  2. 　燃焼室へ空気を供給する吸気口と、
    　前記吸気口を開閉する吸気バルブと、
    　燃料ガスの燃焼によって生じた排ガスを前記燃焼室から外部へ排出する排気口と、
    　前記排気口を開閉する排気バルブと、
    　前記吸気バルブを駆動する吸気バルブ用カムと、
    を備え、
    　前記吸気バルブ用カムは、前記吸気バルブが、圧縮上死点後、前記排気バルブと同時に開き、前記吸気バルブが、前記排気口から前記排ガスを排出する排気行程中に開放される期間を有するように構成され、かつ、前記吸気バルブが、圧縮上死点後１５０°未満で開き、圧縮上死点後２５０°以降に閉じるように構成されている内燃機関。
  3. 　前記吸気口に接続される吸気ポート、又は、前記吸気バルブは、表面に断熱処理が施されている請求項１又は２に記載の内燃機関。
  4. 　前記吸気口に接続される吸気ポートは、低温部側からの熱伝導によって内面に凝縮水が付着しないような材料厚さを有する請求項１又は２に記載の内燃機関。
  5. 　前記吸気口に設置され、前記吸気バルブが着座するバルブシート、又は、前記吸気バルブは、耐食性を有する材料である請求項１又は２に記載の内燃機関。
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