(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ラインに設けたタービンで駆動するブロワで給気ラインの給気を加圧する過給機を設け、前記排気ラインのタービン前に、該排気ラインの排気から一部の排気を取り出して再循環排気とする再循環排気ラインを設け、該再循環排気ラインの排気を排気通路に導く再循環排気通路をシリンダ出口に設け、ピストンが下降する給気行程の後半に、給気弁を早閉じしてシリンダ内を断熱膨張させることによりシリンダ内圧力を給気圧から排気圧まで低下させ、ほぼ排気圧となったら排気弁を開けて排気側からシリンダ内に再循環排気を吸い込んだ後、ピストンが下死点付近に達したら排気弁を閉じることにより、ピストンの下降によって排気側から再循環排気をシリンダ内に吸い込むバルブ機構を設け、前記再循環排気の吸い込み時に排気ラインから高温の排気をシリンダ内に吸い込むことを防止するために、排気通路に圧力差により開閉する逆止弁を設けると共に、排気行程時に再循環排気ラインに高温の排気が入ることを防止するために、再循環排気通路に圧力差により開閉する逆止弁を設けた内燃機関の排気再循環装置。
【請求項２】
再循環排気ラインに再循環排気を冷却する冷却器を設けたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気再循環装置。
【請求項３】
再循環排気量を調整するために、給気ラインと再循環排気ラインとの間に流量調整部材を有する再循環排気量調整ラインを設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の排気再循環装置。
【請求項４】
バルブ機構に、給排気弁の開閉タイミング調整手段を設けて再循環排気量の調整を行えるようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気再循環装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、過給機付の内燃機関において、再循環させる排気を給気ラインを通さずにシリンダ内に導入することができるようにした排気再循環装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、内燃機関の出力とトルクを上げる手段として、吸入空気の密度を高めると共に量を増やす過給機を設ける場合があり、この過給機によって内燃機関の出力とトルクの向上を計っている。
【０００３】
図３は、このような過給機付内燃機関の一例を示す構成図であり、図示するように、シリンダヘッド５１の給気通路５２に接続された給気ライン５３と、排気通路５４に接続された排気ライン５５との間に過給機５６が設けられている。この過給機５６は、排気によって駆動されるタービン５７でブロワ５８が駆動され、給気圧を高めてシリンダ５９内に給気するように構成されている。６０は給気弁であり、６１は排気弁、６２はピストンである。また、給気ライン５３には空気冷却器６３が設けられている。
【０００４】
このような構成の場合、図４に示す同過給機付内燃機関における給排気弁タイミング図のように給排気弁が開閉され、シリンダ内圧も変化する。このタイミング図では、圧縮行程と燃焼膨張行程を省略した排気行程と給気行程の間の３６０°の範囲のみを示している。
【０００５】
ピストン下死点前から排気弁をリフトして排気ガスを排出すると、シリンダ内圧力は下降し排気圧Ｐｅとなる。その状態でピストン上死点前に達すると、給気弁がリフトすると共に排気弁が閉じて、給気弁が開きながら排気弁が閉じるオーバーラップ期間がある。その後、ピストンが下降することにより給気弁から給気がシリンダ内に吸い込まれる。この給気行程時のシリンダ内圧力は給気圧Ｐｓとなる。このようなタイミングで給排気弁６０，６１を開閉することによって、シリンダ５９内の給排気がなされる。
【０００６】
そして、ピストン下死点から圧縮され、燃焼、膨張行程を経て、排気弁を開放する排気行程へと繰り返される。なお、図示するように、過給機付の内燃機関の場合、通常の負荷では排気圧Ｐｅよりも給気圧Ｐｓの方が高くなる。
【０００７】
一方、内燃機関において、排気の一部を給気と共にシリンダ内に再循環させて燃焼させる排気再循環は、窒素酸化物（ＮＯｘ  ）低減のために有効であり、特に再循環排気を冷却した場合の効果が大きいことは広く知られている。この排気を再循環させる方法として、通常、排気の一部を給気側へ戻して通常の給気と共に再循環させるような方法が採用されている。しかし、過給機付内燃機関の場合、前記したように給気圧Ｐｓが排気圧Ｐｅよりも高い運転条件となることから、再循環排気を給気側へ直接導入することができない。
【０００８】
そこで、例えば、特開平９−１４４６１０号公報記載の過給機を備えた内燃機関の排気ガス再循環装置では、給気によって駆動される昇圧機を設けて再循環排気を昇圧して給気ラインに導入するようにしている。この場合には、給気圧が排気圧よりも高い運転条件であっても、排気を再循環させることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した特開平９−１４４６１０号公報記載の排気ガス再循環装置の場合、特殊機械である昇圧機を設けるための構造上の加工や、そのための費用が必要となると共に、その昇圧機の駆動用に圧縮空気のエネルギーが消費されるため、過給機の効率が下がってしまう。そのため、一部の用途に限られてしまう。
【００１０】
また、再循環排気を給気ラインに導入するものであるため、排気によって昇圧機のコンプレッサーや給気ラインや空気冷却器等に汚れを生じると共に、排気ガス中のイオウ分等で給気系に腐食の問題を生じてしまう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで、前記課題を解決するために、本願発明の排気再循環装置は、排気ラインに設けたタービンで駆動するブロワで給気ラインの給気を加圧する過給機を設け、前記排気ラインのタービン前に、該排気ラインの排気から一部の排気を取り出して再循環排気とする再循環排気ラインを設け、該再循環排気ラインの排気を排気通路に導く再循環排気通路をシリンダ出口に設け、ピストンが下降する給気行程の後半に、給気弁を早閉じしてシリンダ内を断熱膨張させることによりシリンダ内圧力を給気圧から排気圧まで低下させ、ほぼ排気圧となったら排気弁を開けて排気側からシリンダ内に再循環排気を吸い込んだ後、ピストンが下死点付近に達したら排気弁を閉じることにより、ピストンの下降によって排気側から再循環排気をシリンダ内に吸い込むバルブ機構を設け、前記再循環排気の吸い込み時に排気ラインから高温の排気をシリンダ内に吸い込むことを防止するために、排気通路に圧力差により開閉する逆止弁を設けると共に、排気行程時に再循環排気ラインに高温の排気が入ることを防止するために、再循環排気通路に圧力差により開閉する逆止弁を設けている。このように給気行程の後半で、給気弁を早閉じした後に排気弁を開けて排気側から再循環排気を吸い込むようにしているので、給気圧が排気圧よりも高い運転条件であっても、ピストンの運動により再循環排気をシリンダ内に吸い込むようにできる。従って、過給機付の内燃機関において、再循環排気を給気系を通すことなくシリンダ内に導入して再循環させることができるので、汚れた排気で給気系を汚すことなく排気を再循環させることができる。また、再循環排気による給気系の腐食も生じない。
【００１２】
また、このように過給機を有する内燃機関において、排気ラインから一部の排気を再循環排気として取り出し、給気行程の後半に排気弁を開いてシリンダ内に吸い込むようにしているので、排気を給気系に通すことなく再循環させることができるので、給気系を排気で汚すことのない排気再循環装置を構成することができる。しかも、再循環排気を吸込むために給気時に排気弁を開けても、シリンダ内に排気ライン側から高温の排気を吸込むことがないようにできるとともに、排気行程中に高温の排気が再循環排気通路側へ流れることを防止することができる。
【００１３】
前記再循環排気ラインに再循環排気を冷却する冷却器を設ければ、冷却した再循環排気で排気弁を冷却することができる。
【００１６】
また、再循環排気量を調整するために、給気ラインと再循環排気ラインとの間に流量調整部材を有する再循環排気量調整ラインを設ければ、流量調整部材の調整により再循環させる排気量を任意に調整することができる。この流量調整部材としては、例えば、絞り弁が用いられ、この絞り弁の開度調整によって再循環させる排気に混合する給気量を調整し、これにより再循環させる排気量を調整することができる。
【００１７】
さらに、バルブ機構に、給排気弁の開閉タイミング調整手段を設けて再循環排気量の調整を行えるようにすれば、給排気弁の開閉時間調整によって機械的に給気量と再循環排気量とを調整するようにできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本願発明における排気再循環装置の一実施形態を示す構成図である。なお、上述した従来の構成と同一の構成には、同一符号を付して説明する。
【００１９】
図示するように、シリンダヘッド５１の給気通路５２に接続された給気ライン５３と、排気通路５４に接続された排気ライン５５との間に過給機５６が設けられており、排気ライン５５に設けられたタービン５７が排気ガスで駆動され、給気ライン５３に設けられたブロワ５８を回転させて給気圧を高めるように構成されている。
【００２０】
シリンダヘッド５１に設けられたシリンダ５９のガス出口である排気通路５４には、排気通路５４側から排気ライン５５側へのみ開放する排気逆止弁１が設けられている。この実施形態の排気逆止弁１は、圧力差により開閉する逆止弁であり、排気通路５４側の圧力が排気ライン５５側の圧力よりも高い時に開放するように構成されている。この排気逆止弁１としては、耐熱材等を使用した簡便な構造が適用できる。
【００２１】
また、排気ライン５５には、排気の一部を再循環させる再循環排気ライン２が設けられている。この実施形態では、再循環排気ライン２に冷却器３が設けられており、再循環排気を所定温度まで冷却して再循環させるように構成されている。
【００２２】
そして、排気ガスを排出するシリンダ出口の排気通路５４には、再循環排気ライン２の排気をシリンダ内に導入するための再循環排気通路４が設けられている。この再循環排気通路４には、再循環排気ライン２側から排気通路５４側へのみ開放する再循環排気逆止弁５が設けられている。この再循環排気逆止弁５も、この実施形態では圧力差により開閉する逆止弁であり、再循環排気ライン２側の圧力が排気通路５４側の圧力よりも高い時に開放するように構成されている。この再循環排気逆止弁５も耐熱材等を使用した簡便な構造が適用できる。
【００２３】
一方、再循環させる排気量を調整するための再循環排気量調整ライン６が、給気ライン５３と再循環排気ライン２との間に設けられている。この再循環排気量調整ライン６には、流量調整部材である絞り弁７が設けられており、この絞り弁７の開度調整によって給気ライン５３から再循環排気ライン２へ流す給気量が調整できるようになっている。この実施形態では、給排気弁６０，６１の開閉タイミングを変更することなく、再循環させる排気に給気を混合させる量を調整することによって再循環させる排気量を調整できるようにしている。
【００２４】
図２は図１に示す排気再循環装置における給排気弁タイミング図である。このタイミング図に示すように、給排気弁が開閉されてシリンダ内圧力が変化する。このタイミング図では、圧縮行程と燃焼膨張行程を省略した排気行程と給気行程の間の３６０°の範囲のみを示している。
【００２５】
図示するように、ピストン下死点前から排気弁をリフトして燃焼ガスを排出すると、シリンダ内圧力は下降し排気圧Ｐｅとなる。その状態でピストン上死点前に達すると、給気弁が開きながら排気弁が閉じるオーバーラップ期間がある。その後、ピストンが下降することにより給気弁から給気がシリンダ内に吸込まれる。この給気行程時のシリンダ内圧力は、給気圧Ｐｓとなる。このように給排気弁６０，６１を作動させてシリンダ５９内に給排気する流れは従来と同様である。
【００２６】
そして、この給気行程において、ピストン６２が下死点に達する前に給気弁６１が早閉じされ、その給気弁６１を閉じた状態でピストン６２が所定期間下降させられる。これが断熱膨張期間である。これにより、シリンダ５９内を断熱膨張させて排気圧Ｐｅよりも高い圧力の給気圧Ｐｓとなっているシリンダ５９内の圧力をほぼ排気圧Ｐｅまで下げる。その後、排気弁６１をリフトさせてピストン６２を下降させることにより、下降するピストン６２によって圧力が下がるシリンダ５９内に排気側から再循環排気が吸い込まれる。この吸い込まれる再循環排気は、再循環排気通路４の逆止弁５が開いて再循環排気ライン２から所定量の再循環排気がシリンダ内に吸込まれる。この再循環排気を吸い込む時は、排気通路５４は給気圧Ｐｓ以下となるため排気逆止弁１は閉じた状態であり、排気通路５４からの逆流はない。この吸い込まれる再循環排気圧Ｐｒは、排気圧Ｐｅと同じである。そして、ピストン５９が下死点に達すると排気弁６１が閉じられる。この排気弁６１を２回開閉させる手段としては、２山のカムを用いることによって達成することができる。なお、弁の開閉手段は他の手段であってもよい。
【００２７】
このように給気行程の前半から後半にかけて給気を吸込み、給気行程の後半に再循環排気を吸込むようにしている。つまり、このタイミングで給排気弁６０，６１を開閉することによって、シリンダ５９内の排気が排出された後の給気行程において、加圧された通常の給気が吸込まれた後に再循環排気が吸込まれる。その後は、ピストン下死点から圧縮され、燃焼行程と膨張行程を経て、排気弁を開放する排気行程へと移り、以後、これらの行程が繰り返される。
【００２８】
以上のように、再循環排気は全く給気ライン５３を通らないため、排気を再循環させることによる給気ライン５３の汚れ、腐食の問題は発生しない。しかも、再循環排気が導かれる排気通路５４は、元々排気による汚れ、腐食（イオウ分等）に対応できるように設計されているため、排気側に再循環排気の通過に対する特殊な対策を必要としない。
【００２９】
その上、上述したように、給気行程における前半はきれいな給気のみを吸込み、後半の最後にシリンダ上部に再循環排気を吸込むので、再循環排気はシリンダ内の上部に溜まり、その状態で、圧縮、爆発、膨張が行われることとなるため、圧縮行程中にピストンリングとシリンダとの摺動面からクランクケース内に排気が漏れるのを効果的に抑止することができ、排気がクランクケース内に漏れることによる排気微粒子の潤滑油への混入を抑制することができる。
【００３０】
また、このように排気ライン５５から取り出した再循環排気を排気通路５４からシリンダ５９内に戻すようにしているので、新たに再循環排気ライン２と、排気通路５４と再循環排気通路４の逆止弁１，５を設け、給排気弁６０，６１を開閉させるカム（図示略）を交換すれば、少ない加工部品数で排気再循環装置を構成することができる。
【００３１】
さらに、給気弁６０，６１の早閉じによる給気の断熱膨張でシリンダ内の圧力が下がり温度も低下するため、エンジンの熱効率が改善するミラーサイクル効果を奏することもできる。
【００３２】
なお、上述した実施形態は一実施形態であり、本願発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本願発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【００３３】
【発明の効果】
本願発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載するような効果を奏する。
【００３４】
給気圧が排気圧よりも高い運転条件であっても、再循環排気を給気系を通さずにシリンダ内に導入して再循環させることができるので、再循環排気で給気ラインを汚すことのない排気再循環装置を構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明における排気再循環装置の一実施形態を示す構成図である。
【図２】図１に示す排気再循環装置における給排気弁タイミング図である。
【図３】従来の過給機付内燃機関の一例を示す構成図である。
【図４】図３に示す過給機付内燃機関における給排気弁タイミング図である。
【符号の説明】
１…排気通路逆止弁
２…再循環排気ライン
３…冷却器
４…再循環排気通路
５…再循環排気ライン逆止弁
６…調整ライン
７…絞り弁
５１…シリンダヘッド
５２…給気通路
５３…給気ライン
５４…排気通路
５５…排気ライン
５６…過給機
５７…タービン
５８…ブロワ
５９…シリンダ
６０…吸気弁
６１…排気弁
６２…ピストン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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