JP6032802B2 - Ｅｇｒ装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気の一部を燃焼室内に還流させて再燃焼させるＥＧＲ（排気再循環）装置に関する。

内燃機関からの排気を浄化して大気汚染の拡大を抑制することは重要な課題であるが、このためのシステム（装置）の一つとして、内燃機関からの排気の一部を燃焼室内に還流させて再燃焼させることで燃焼温度を下げ、排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）の濃度（排出量）を低減するための所謂ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）システムが知られている。

ここで、ディーゼルエンジン等において、エミッション（ＮＯｘ、黒煙）の一層の低減のためには、過給圧（排気ターボチャージャ等の過給機による給気の圧力）とＥＧＲ率（＝ＥＧＲガス量／（新気量＋ＥＧＲガス量）×１００（％））を同時に高めることが重要である。

しかし、より高い過給圧やＥＧＲ率を実現しようとすると、常に排気マニホールド内圧（ＥＧＲガスをＥＧＲ通路へ取り出す部位の圧力）を吸気マニホールド内圧（ＥＧＲ通路からＥＧＲガスが流れ込む部位の圧力）よりも高く維持しなければならず、ポンプ仕事（ポンピングロス）の増加に繋がっていた。

このようなことから、従来は、例えば、排気マニホールド内圧と吸気マニホールド内圧の全気筒平均圧力（全気筒が集合された集合管の圧力）のバランスを調整することにより、過給圧とＥＧＲ率を両立させていた。

このため、ＥＧＲ率を高めるために排気エネルギをＥＧＲ装置にて減じながらも、高過給圧のために過給機を一層余計に回さなければならず、燃費の向上は困難であった。

過給機に限らず、ＥＧＲガスを多量に燃焼室に押し込むための方策として、ＥＧＲ通路における管内脈動を利用することも考えられるが、ＥＧＲ通路にはＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラが介装されるため、該ＥＧＲクーラによって管内脈動の振幅が減じられてしまうと共に、同調点以外では脈動効果が少なく、ある特定のエンジン回転速度領域以外では、良好なＥＧＲ率を確保することは難しいといった実情がある。

また、例えば、特許文献１には、過給機付きエンジンにおいて、コントロールユニットで制御される動バルブ機構により、少なくとも排気行程開始時期を含む所定期間に補助吸気ポートを開く第３バルブを、吸気ポートを開閉する吸気バルブとは別に設けるようにしたものが記載されている。

特開平０９−２５８５３号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものでも、既に４つのバルブ（２つの吸気バルブと２つの排気バルブ）が設けられていると共に、高い燃焼圧および燃焼熱に晒されるため高強度が要求されるシリンダヘッドの燃焼室に臨む部分に穴を開けて、別個新たに第３バルブを設けることは、レイアウト的にも信頼性の面でも、簡単には採用することができないといった実情がある。

本発明は、このような実情に鑑みなされたもので、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、ポンピングロス等を増大させずに、高いＥＧＲ率での運転を実現することができ、以って燃費を良好に維持しつつ、排出黒煙濃度（パティキュレート）及びＮＯｘ排出量を効果的に低減することができるＥＧＲ装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係るＥＧＲ装置は、
内燃機関の排気の一部をＥＧＲガスとして燃焼室に還流させるＥＧＲ装置であって、
内燃機関は、
１気筒に第１排気バルブ及び第２排気バルブと、
該１気筒に第１吸気バルブ及び第２吸気バルブと、
前記第１排気バルブに対応して設けられた第１排気ポートと、
前記第２排気バルブに対応して設けられた第２排気ポートと、
前記第１吸気バルブに対応して設けられた第１吸気ポートと、
前記第２吸気バルブに対応して設けられた第２吸気ポートと、
を備えて構成され、
各気筒の前記第１排気ポートに接続される第１排気通路と、
各気筒の前記第２排気ポートに接続される第２排気通路と、
各気筒の前記第１吸気ポートに接続される第１吸気通路と、
各気筒の前記第２吸気ポートに接続される第２吸気通路と、
前記第１排気通路と、前記第１吸気通路と、を接続する吸排気間通路と、
該吸排気間通路に介装されて開閉路する吸排気間バルブと、
前記第１吸気通路への吸気の流れ込みを許可する状態と、該流れ込みを止める状態と、を切り替え可能な切替バルブと、
を含んで構成されると共に、
（１）吸気行程開始の際に、先に第２吸気バルブのみを開弁して、遅れて第１吸気バルブを開弁し、
（２）第２吸気バルブを先に閉弁した後、流路切替バルブを吸気の流れ込みを止める状態に切り換えると共に、吸排気間バルブを開弁し、
（３）その後において、第１吸気バルブを閉じ、流路切替バルブを吸気の流れ込みを許可する状態に切り換えると共に、
（４）排気行程では、第１排気バルブを先ず開弁し、遅れて第２排気バルブを開弁する
ことを特徴とする。

本発明において、
前記第１排気通路と、前記第２排気通路と、を接続する排気間通路と、
該排気間通路に介装されて開閉路する排気間バルブと、
を含んで構成されることを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、ポンピングロス等を増大させずに、高いＥＧＲ率での運転を実現することができ、以って燃費を良好に維持しつつ、排出黒煙濃度（パティキュレート）及びＮＯｘ排出量を効果的に低減することができるＥＧＲ装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る内燃機関の一構成例を概略的に示す全体構成図である。 同上実施の形態に係る隣接する２気筒分の吸気通路及び排気通路部分（本実施の形態に係るＥＧＲ装置２００）を抜き出して示した斜視図（図１のエンジンの吸気側の上方から見た斜視図）である。 同上実施の形態に係る隣接する２気筒分の吸気通路及び排気通路部分（本実施の形態に係るＥＧＲ装置２００）を抜き出して示した斜視図（図１のエンジンの排気側の上方から見た斜視図）である。 同上実施の形態に係る隣接する２気筒分の吸気通路及び排気通路部分（本実施の形態に係るＥＧＲ装置２００）の接続状態を説明する模式図である。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

図１に示すように、本実施の形態に係る内燃機関１においては、従来同様、図示しないエアクリーナ等を介して外気（新気）が吸入されるが、該新気は吸気通路を介して過給機３のコンプレッサ（インペラ）３Ａに導かれて所定に圧縮された後、吸気通路２に介装されるインタークーラ４を介して所定に冷却されて、燃焼室（シリンダ、筒）５内に導かれる。

そして、燃焼室５から排出される燃焼後のガスは、燃焼室５に臨んで開口される排気ポートを介して排気通路（排気マニホールド部分）に導かれ、その後、過給機３の排気タービン３Ｂに回転エネルギを供給した後、排気通路６の下流に配設されている図示しない排気処理装置（酸化触媒、ＮＯｘ低減触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタなど）において所定の処理を受けて浄化され、大気中に排出される。

また、本実施の形態に係る内燃機関１では、燃焼後のガス（すなわち、排気）の一部を吸気（新気）と共に燃焼室５に再び導くことで、燃焼温度を低下させてＮＯｘの低減を図るためのＥＧＲ装置１００が設けられている。かかるＥＧＲ装置１００は、従来同様のものである。

かかるＥＧＲ装置１００は、排気タービン３Ｂの上流側において排気通路（排気マニホールド部分）６に連通されるＥＧＲ通路（排気還流通路）１０１を含んで構成され、該ＥＧＲ通路１０１には当該ＥＧＲ通路１０１を流れる排気（ＥＧＲガス：還流排気）を所定に冷却するためのＥＧＲクーラ１１０が介装されている。そして、ＥＧＲクーラ１１０のＥＧＲガス流れ下流側において、ＥＧＲ通路１０１は、ＥＧＲバルブ１２０が介装されると共に吸気通路２に接続されている。

ここにおいて、既述したように、エミッション（ＮＯｘ、黒煙）の一層の低減のためには、過給圧（過給機３による過給圧力）とＥＧＲ率を同時に高めることが重要であるが、より高い過給圧やＥＧＲ率を実現しようとすると、常に排気マニホールド内圧（排気圧）を吸気マニホールド内圧（過給圧）よりも高く維持しなければならず、ポンプ仕事（ポンピングロス）の増加に繋がってしまうといった実情がある。

例えば、低速低負荷領域では、排気ガス量が少なく、過給圧のほうが排気圧力より高いくなり易いため、ＮＯｘ低減を図りたいものの高いＥＧＲ率を実現することが難しいといった実情がある。このため、可変ノズル式ターボチャージャ（ＶＮＴ）などを採用して、無理に排気圧力を上げることで対応していたが、これではポンピングロスが大きくなって燃費の悪化を招くこととなっていた。

このようなことから、本実施の形態に係る内燃機関１では、以下のような構成を備えて、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、ポンピングロス等を増大させずに、高いＥＧＲ率での運転を実現することができ、以って燃費を良好に維持しつつ、排出黒煙濃度（パティキュレート）及びＮＯｘ排出量を効果的に低減することができるようにした。

図２、図３に、本実施の形態に係る内燃機関１のＥＧＲ装置２００（吸気或いは排気の通路）に関連する部分を抜き出して示す。

なお、図２、図３では、燃焼室に臨んで設けられる第１吸気ポート１０、第２吸気ポート２０、第１排気ポート３０、第２排気ポート４０に関連する部分を、２気筒分だけ抜き出して示している。なお、直列に４つの気筒或いは６つの気筒を備えた内燃機関に適用されることができる。従って、Ｖ型や水平対向レイアウトの８気筒、１２気筒などにも適用可能である。

図２、図３に示すように、第１吸気ポート１０、第２吸気ポート２０には、吸気側カムシャフトにより所定のタイミングでそれぞれ開閉されて、燃焼室５と吸気系とを連通・遮断する第１吸気バルブ１１、第２吸気バルブ２１が設けられている。

また、第１排気ポート３０、第２排気ポート４０には、排気側カムシャフトにより所定のタイミングでそれぞれ開閉されて、燃焼室（図示せず）と排気系とを連通・遮断する第１排気バルブ３１、第２排気バルブ４１が設けられている。

ところで、これらの第１吸気ポート１０、第２吸気ポート２０、第１排気ポート３０、第２排気ポート４０は、シリンダヘッドに設けられる既設（従来同様）のポートである。また、第１吸気バルブ１１、第２吸気バルブ２１、第１排気バルブ３１、第２排気バルブ４１についても、シリンダヘッドに設けられる既設（従来同様）のバルブである。

なお、第１吸気バルブ１１、第２吸気バルブ２１、第１排気バルブ３１、第２排気バルブ４１の開閉動作が、動作回転数（エンジン回転数）に応じて動作タイミングや位相差を最適化することができる可変動弁機構により構成されることができるものである。

また、本実施の形態に係る第１吸気ポート１０、第２吸気ポート２０、第１排気ポート３０、第２排気ポート４０は、それぞれ独立して燃焼室に接続される構成となっていると共に、それぞれが独立した吸気若しくは排気通路（第１吸気通路１２、第２吸気通路２２、第１排気通路３２、第２排気通路４２）に接続される構成となっている。

なお、第１吸気通路１２、第２吸気通路２２、第１排気通路３２、第２排気通路４２は、シリンダヘッドとは別個独立の部品であり、比較的簡単かつ低コストで製造可能であるマニホールドにより形成しても、第１吸気ポート１０、第２吸気ポート２０、第１排気ポート３０、第２排気ポート４０と共にシリンダヘッド内部で形成してもよい。

すなわち、図２〜図４に示すように、第１吸気通路１２には各第１吸気ポート１０が接続され、第２吸気通路２２には各第２吸気ポート２０が接続されていると共に、第１排気通路３２には各排気ポート３０が接続され、第２排気通路４２には各第２排気ポート４０が接続されている。

また、図２〜図４に示すように、本実施の形態に係る第１吸気通路１２には、吸気通路２側からの吸気（新気＋ＥＧＲガス）の流れ込みを止める状態（閉状態）と、吸気通路２側からの吸気（新気＋ＥＧＲガス）の流れ込みを許可する（開状態）と、の間で流路を切り替えることが可能な流路切替バルブ１３が設けられている。

更に、本実施の形態においては、第１排気通路３２と、第２排気通路４２と、を接続する排気間通路５０と、この排気間通路５０を開閉路する排気間バルブ５１が備えられている。

また、本実施の形態においては、第１吸気通路１２と、第１排気通路３２と、を接続する吸排気間通路６０と、この吸排気間通路６０を開閉路する吸排気間バルブ６１が備えられている。

以上のような、第１吸気通路１２、第２吸気通路２２、第１排気通路３２、第２排気通路４２、排気間通路５０、排気間バルブ５１、吸排気間通路６０、吸排気間バルブ６１、更には、第１吸気バルブ１１、第２吸気バルブ２１、第１排気バルブ３１、第２排気バルブ４１、第１吸気ポート１０、第２吸気ポート２０、第１排気ポート３０、第２排気ポート４０などが本実施の形態に係るＥＧＲ装置２００を構成している。

このような構成の本実施の形態に係る内燃機関１では、以下のように動作されることで、所定にＥＧＲガスを燃焼室５へ還流させることができるようになっている。なお、特に説明のない状態（通常の状態）では、排気間バルブ５１は閉じた状態とされている。

すなわち、
（１）ある気筒（燃焼気筒：吸排気が行なわれる気筒）における吸気行程開始時は、先ず、第２吸気バルブ２１のみを開弁して、遅れて第１吸気バルブ１１を開弁する。

（２）第２吸気バルブ２１を先に閉弁した後、流路切替バルブ１３を吸気の流れ込みを止める状態（閉状態）に切り換えると共に、吸排気間バルブ６１を開弁する。

これにより、他の気筒の排気行程で生じた排気パルスが、吸排気間バルブ６１が開弁されているので、吸排気間通路６０を介して、第１吸気通路１２の過給分容積１２Ａ（図２参照）に伝わり、未だ閉じていない第１吸気バルブ１１から燃焼室５内（筒内）に排気（ＥＧＲガス）を吸気と共に押し込むことになる。

なお、例えば、４気筒エンジンの場合、ここでのある気筒（燃焼気筒：吸排気が行われる気筒）を１番気筒とすると、燃焼順序は、１番気筒→４番気筒→３番気筒→２番気筒であり、ここでの他の気筒は４番気筒である。従って、１番気筒の吸気行程において４番気筒での排気パルスが利用されることになる。なお、前記４気筒エンジンは等間隔で燃焼が行なわれる場合についての動作を示す。

（３）その後、第１吸気バルブ１１を閉じ、流路切替バルブ１３を吸気の流れ込みを許可する状態（開状態）に切り換える。このとき、流路切替バルブ１３は、吸排気間通路６０を閉塞するので、第１吸気マニホールド１２に不要なボリュームができることを防止できるので、吸気行程において従来同様の良好な吸気を達成させることができる。

このように、流路切替バルブ１３、吸排気間バルブ６１の各バルブを所定タイミングで動作させることで、本実施の形態では、それぞれの気筒で生じる排気パルスを最短でロスなく利用して、他の気筒の吸気行程において排気（ＥＧＲガス）を各燃焼室に効果的に押し込むことができることになる。

（４）排気行程では、第１排気バルブ３１を先ず開弁し、遅れて第２排気バルブ４１を開弁する。
これにより、他の気筒の過給に用いることができる強い排気パルスを生成することができる。このとき、排気間バルブ５１は閉じた状態である（これにより、排気間バルブ５１は開けた場合の不要なボリュームができることが抑制されるので排気パルスの減衰を抑制して良好な利用を図ることができる）。

そして、特にＥＧＲ率も過給圧も、燃費の悪化なく十分賄える運転条件（エンジン回転速度、負荷）では、排気間バルブ５１を開いた状態とし排気効率を高めるようにして燃費改善に貢献すると共に、流路切替バルブ１３を吸気の流れ込みを許可する状態（開状態）に維持し、かつ、吸排気間バルブ６１も閉じた状態（閉状態）に維持することで、本実施の形態に係るＥＧＲ装置２００を動作させないようにして、吸気スワールなどを高めることを優先して燃焼改善に貢献することができる。

但し、本発明において、排気間通路５０、排気間バルブ５１は省略することも可能である。

以上のように、本実施の形態によれば、過給機だけを備えた場合のように、過給圧とＥＧＲ率の両立が難しい領域において、既設の吸排気系のバルブ（第１吸気バルブ１１、第２吸気バルブ２１）と、第１吸気バルブ１１に連通する第１吸気通路１２と、第２吸気バルブ２１に連通する第２吸気通路２２と、第１排気バルブ３１に連通する第１排気通路３２と、第２排気バルブ４１に連通する第２排気通路４２と、を備え、第１吸気通路１２と、第１排気通路３２と、を連通する吸排気間通路６０と、これに介装される吸排気間バルブ６１と、を備え、排気パルスを利用して吸排気間通路６０から良好に排気ガスを燃焼室に導入できるようにしたので、ＥＧＲ量を増大させることができ、以ってポンピングロス等を増大させずに、高いＥＧＲ率での運転を実現することができ、延いては燃費を良好に維持しつつ、排出黒煙濃度（パティキュレート）及びＮＯｘ排出量を効果的に低減することができる。

すなわち、本実施の形態によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、ポンピングロス等を増大させずに、高いＥＧＲ率での運転を実現することができ、以って燃費を良好に維持しつつ、排出黒煙濃度（パティキュレート）及びＮＯｘ排出量を効果的に低減することができるＥＧＲ装置を提供することができる。

ところで、本実施の形態では、ＥＧＲ装置１００や過給機３を備えた内燃機関について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＥＧＲ装置１００及び過給機３の一方或いは両方を備えない内燃機関にも適用可能である。

また、過給機３は、排気ターボチャージャに限定されるものではなく、スーパーチャージャなどの他の過給機とすることができる。

ところで、本発明に係る内燃機関は、特に限定されるものではなく、例えば、車両に搭載されるものに限らず定置式のものにも本発明は適用可能であり、またディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、その他の燃料を燃焼方式に関わらず燃焼させる内燃機関に適用可能である。

また、本発明に係る内燃機関は、１気筒に２つの吸気バルブ、２つの排気バルブを備える場合に限定されるものではなく、本発明は、例えば、３以上の吸気バルブ、排気バルブを備え、その複数の吸気バルブ、排気バルブの中のうち、本発明に係る第１吸気バルブ、第２吸気バルブ、第１排気バルブ、第２排気バルブに相当するものが含まれている場合には、本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 内燃機関
５ 燃焼室
１０ 第１吸気ポート
１１ 第１吸気バルブ
１２ 第１吸気通路
２０ 第２吸気ポート
２１ 第２吸気バルブ
２２ 第２吸気通路
３０ 第１排気ポート
３１ 第１排気バルブ
３２ 第１排気通路
４０ 第２排気ポート
４１ 第２排気バルブ
４２ 第２排気通路
５０ 排気間通路
５１ 排気間バルブ
６０ 吸排気間通路
６１ 吸排気間バルブ
２００ ＥＧＲ装置

Claims (2)

1. 内燃機関の排気の一部をＥＧＲガスとして燃焼室に還流させるＥＧＲ装置であって、
   内燃機関は、
   １気筒に第１排気バルブ及び第２排気バルブと、
   該１気筒に第１吸気バルブ及び第２吸気バルブと、
   前記第１排気バルブに対応して設けられた第１排気ポートと、
   前記第２排気バルブに対応して設けられた第２排気ポートと、
   前記第１吸気バルブに対応して設けられた第１吸気ポートと、
   前記第２吸気バルブに対応して設けられた第２吸気ポートと、
   を備えて構成され、
   各気筒の前記第１排気ポートに接続される第１排気通路と、
   各気筒の前記第２排気ポートに接続される第２排気通路と、
   各気筒の前記第１吸気ポートに接続される第１吸気通路と、
   各気筒の前記第２吸気ポートに接続される第２吸気通路と、
   前記第１排気通路と、前記第１吸気通路と、を接続する吸排気間通路と、
   該吸排気間通路に介装されて開閉路する吸排気間バルブと、
   前記第１吸気通路への吸気の流れ込みを許可する状態と、該流れ込みを止める状態と、を切り替え可能な切替バルブと、
   を含んで構成されると共に、
   （１）吸気行程開始の際に、先に第２吸気バルブのみを開弁して、遅れて第１吸気バルブを開弁し、
   （２）第２吸気バルブを先に閉弁した後、流路切替バルブを吸気の流れ込みを止める状態に切り換えると共に、吸排気間バルブを開弁し、
   （３）その後において、第１吸気バルブを閉じ、流路切替バルブを吸気の流れ込みを許可する状態に切り換えると共に、
   （４）排気行程では、第１排気バルブを先ず開弁し、遅れて第２排気バルブを開弁する
   ことを特徴とするＥＧＲ装置。
2. 前記第１排気通路と、前記第２排気通路と、を接続する排気間通路と、
   該排気間通路に介装されて開閉路する排気間バルブと、
   を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ装置。