(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給機を備える一方、エンジンの幾何学的圧縮比を８．５以上とし、かつ、吸気弁閉時期を遅くして、有効圧縮比が膨張比よりも小さくなるように設定したエンジンにおいて、
少なくとも低速域においてトルク０から最大トルクまでの範囲のうちの１／３以上を過給機が占めるように吸気弁閉時期を下死点後６５°〜１００°とし、かつ、該過給域で排気圧力が吸気圧力よりも高くなるように上記過給機にターボ過給機を用い、該低速域において吸気弁をＴＤＣより前に開弁させて吸・排気弁の開弁オーバラップによる内部ＥＧＲを行なわせつつ、該開弁オーバラップを２０°以下に設定したことを特徴とするターボ過給機付エンジン。
【請求項２】
少なくとも低速域で作動する低速用ターボ過給機と、高速域で作動する高速用ターボ過給機とを備えた請求項１記載のターボ過給機付エンジン。
【請求項３】
吸・排気弁の開弁オーバラップを、高速域では低速域と比べて大きくした請求項１または２記載のターボ過給機付エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ターボ過給機とを備えるとともに、幾何学的圧縮比が高く、かつ、吸気弁閉時期が遅くされたエンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、機械式過給機やターボ過給機によって吸気を過給することにより、吸気の充填量を増大し、エンジンのトルクを高めるようにした過給機付エンジンは一般に知られている。とくに、最近、吸気弁を遅閉じとすることによりノッキングを抑制した状態で過給によりトルクアップを図るようにした技術が提案されている。
【０００３】
例えば特開昭６３−１９５３２５号公報には、過給機およびインタークーラを備えたエンジンにおいて、エンジンの幾何学的圧縮比を８．５以上の高圧縮比とするとともに、吸気弁の閉時期を下死点から所定値以上遅らせることにより、熱効率を良くし、かつ膨張比を稼ぎつつ、有効圧縮比を膨張比よりも小さくして圧縮上死点温度を引き下げることにより、低速高負荷域等におけるノッキングを抑制し、この状態で、過給機の過給作用を高めてトルクアップを図るようにした過給機付エンジンが示されている。この過給機付エンジンにおいて、過給機にはターボ過給機、機械式過給機のいずれを用いることもできる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、低速高負荷域等においてノッキング抑制作用を高めて有効にトルクアップを図るためには、吸気弁の遅閉じの度合を大きくすることが望ましいが、このようにすると過給域が常用運転域側へ拡大する。そして、過給機として機械式過給機を用いた場合、過給域では吸気圧力が排気圧力より高くなって内部ＥＧＲが得られないので、過給域が常用運転域へ拡大すると常用運転域でのＮＯｘ増大の問題が生じる。これと比べ、ターボ過給機を用いた場合は、過給域でも排気圧力が高くなって内部ＥＧＲが生じるのでＮＯｘ低減の面では有利となるが、吸・排気弁の開弁オーバラップ中に排気の逆流が増大すると、トルク的に不利となる。
【０００５】
本発明は上記の事情に鑑み、少なくとも低速域で吸気弁の遅閉じによるノッキング抑制作用を高めた状態で、過給よるトルクアップを有効に達成し、しかも常用回転数域でのＮＯｘの低減を図り、かつ排気の逆流の増大を防止することができるターボ過給機付エンジンを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、過給機を備える一方、エンジンの幾何学的圧縮比を８．５以上とし、かつ、吸気弁閉時期を遅くして、有効圧縮比が膨張比よりも小さくなるように設定したエンジンにおいて、少なくとも低速域においてトルク０から最大トルクまでの範囲のうちの１／３以上を過給域が占めるように吸気弁閉時期を下死点後６５°〜１００°とし、かつ、該過給域で排気圧力が吸気圧力よりも高くなるように上記過給機にターボ過給機を用い、該低速域において吸気弁をＴＤＣより前に開弁させて吸・排気弁の開弁オーバラップによる内部ＥＧＲを行なわせつつ、該開弁オーバラップを２０°以下に設定したものである。
【０００７】
このターボ過給機付エンジンにおいて、少なくとも低速域で作動する低速用ターボ過給機と、高速域で作動する高速用ターボ過給機とを備えることが好ましい。
【０００８】
また、吸・排気弁の開弁オーバラップを、高速域では低速域と比べて大きくすることが好ましい。
【０００９】
なお、上記構成における吸気弁閉時期および開弁オーバラップは、０mmリフトを基準としたものであって、吸気弁がリフト量０mmまで閉じた時点を吸気弁閉時期とし、吸気弁がリフト量０mmから開き始める時点と排気弁がリフト量０mmまで閉じる時点との間を開弁オーバラップとしている。
【００１０】
【作用】
本発明のターボ過給機付エンジンによると、幾何学的圧縮比が高圧縮比とされることで熱効率が高められ、かつ膨張比が稼がれるとともに、吸気弁閉時期が大きく遅らされることで有効圧縮比が適度に下げられ、これによりノッキングが抑制されつつ、過給によるトルクアップが図られる。そして、少なくとも低速域で、上記のような状態とされることで過給域が常用運転域まで拡大されるが、ターボ過給機が用いられていることにより過給域でも内部ＥＧＲが得られ、かつ、排気の逆流が増大しないように吸・排気弁の開弁オーバラップが調整される。
【００１１】
ターボ過給機として低速用と高速用の両ターボ過給機が用いられると、低速域での過給レスポンスが高められることにより、上記作用が良好に発揮される。
【００１２】
吸・排気弁の開弁オーバラップを低速域と比べて高速域で大きくすると、高速域でのトルクアップ等に有利となる。
【００１３】
【実施例】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施例によるターボ過給機付エンジンを示す。この図において、１は複数の気筒２を備えたエンジン本体であり、その幾何学的圧縮比は８．５以上の高圧縮比となっている。このエンジン本体１に対し、吸気通路３および排気通路４が配設されるとともに、ターボ過給機が設けられている。とくに当実施例では、少なくとも低速域で作動するプライマリターボ過給機（低速用ターボ過給機）５と、高速域で作動するセカンダリターボ過給機（高速用ターボ過給機）６とが設けられている。上記各ターボ過給機５，６は、それぞれ、吸気通路中のコンプレッサ５ａ，６ａと排気通路中のタービン５ｂ，６ｂとを有し、排気ガスによるタービン５ｂ，６ｂの駆動に伴ってコンプレッサ５ａ，６ａが回転することにより吸気を過給するものである。上記プライマリターボ過給機５には、低速域での過給レスポンスの高いものが用いられている。そして、低速域ではプライマリターボ過給機５のみ作動され、高速域では両ターボ過給機５，６が作動されるようになっている。
【００１４】
すなわち、吸気通路３の上流側部分には、プライマリターボ過給機５のコンプレッサ５ａを通るプライマリ吸気通路７と、セカンダリターボ過給機６のコンプレッサ６ａを通るセカンダリ吸気通路８とが形成され、これらの吸気通路７，８はコンプレッサ５ａ，６ａの下流で合流している。この合流部より下流の吸気通路３にインタークーラ９およびスロットル弁１０が介設され、さらにその下流に、気筒別の独立吸気通路１２を有する吸気マニホールド１１が形成されている。一方、排気通路４には、排気マニホールド１３の下流に、プライマリターボ過給機５のタービン５ｂに排気を導くプライマリ排気通路１４と、セカンダリターボ過給機６のタービン６ｂに排気を導くセカンダリ排気通路１５とが並列的に形成され、これらの排気通路１４，１５はタービン５ｂ，６ｂの下流で合流している。
【００１５】
上記セカンダリ吸気通路８およびセカンダリ排気通路１５にはそれぞれシャッター弁１６，１７が設けられ、これらのシャッター弁１６，１７は後記コントロールユニット３０により図外の駆動手段により作動される。そして、低速域では、シャッター弁１６，１７が閉じられることにより、セカンダリターボ過給機６が停止されてプライマリターボ過給機５のみ作動され、高速域では、上記シャッター弁１６，１７が開かれることにより、両ターボ過給機５，６が作動される。１８はタービン５ｂをバイパスするウエストゲート通路、１９は過給圧が所定値以上のときにこのウエストゲート通路１８を開いて過給圧を調整するウエストゲートバルブである。
【００１６】
上記吸気マニホールド１１の各独立吸気通路１２の下流側には、燃焼室に開口する吸気ポートが形成されている。当実施例では、燃焼室に対して第１，第２の２つの吸気ポート２１，２２が形成され、独立吸気通路１２がこれらの吸気ポート２１，２２に連なる第１通路１２ａと第２通路１２ｂとに分けられている。上記両吸気ポート２１，２２にはそれぞれ吸気弁２３，２４が設けられている。また、上記第２通路に１２ｂ、アクチュエータ２６により作動されてこの通路１２ｂを開閉する開閉弁２５が設けられている。
【００１７】
なお、吸気ポート近傍の独立吸気通路１２には、燃料を噴射供給するインジェクタ２７が設けられている。また、燃焼室には、上記各吸気ポート２１，２２とともに排気ポート２８が開口し、この排気ポート２８に排気弁２９が設けられている。
【００１８】
３０は制御手段としてのコントロールユニット（ＥＣＵ）であり、マイクロコンピュータ等からなっている。このコントロールユニット３０には、スロットル弁の開度を検出するスロットル開度センサ３１、エンジン回転数を検出する回転数センサ３２、吸気負圧を検出する負圧センサ３３等からの信号が入力されている。そしてコントロールユニット３０は、上記各センサによって検出される運転状態に応じ、上記各シャッター弁１６，１７を開閉作動する信号を出力することにより、過給機作動状態をプライマリターボ過給機５のみ作動する状態と両ターボ過給機５，６が作動する状態とに切換えるとともに、上記開閉弁２５のアクチュエータ２６に制御信号を出力して、低速域では開閉弁２５を閉じ、高速域では開閉弁２５を開くようにしている。
【００１９】
図２は、上記第１吸気弁および第２吸気弁２３，２４の各バルブリフト特性ＩＶＬ１，ＩＶＬ２を排気弁のバルブリフト特性ＥＶＬとともに示し、この図のように、両吸気弁２３，２４のバルブリフト特性は互いに異なっている。上記第１吸気弁２３のバルブリフト特性ＩＶＬ１は、吸気弁閉時期ＩＣがＢＤＣ（下死点後）６０°〜１００°の範囲内で、かつ排気弁２９との開弁オーバラップＯＬ１が２０°以下となるように設定されている。上記第２吸気弁２４のバルブリフト特性ＩＶＬ２は、第１吸気弁２３のバルブリフト特性ＩＶＬ１と比べ、吸気弁開時期が早くされることによって排気弁２９との開弁オーバラップＯＬ２が大きく、例えば３５°程度に設定されている。
【００２０】
そして、上記のような開閉弁２５の制御により、開閉弁２５が閉じられる低速域では、吸気弁閉時期および開弁オーバラップが実質的に上記第１吸気弁２３のバルブリフト特性ＩＶＬ１によるものとなり、開閉弁２５が開かれる高速域では、実質的に開弁オーバラップが上記第２吸気弁２４のバルブリフト特性ＩＶＬ２による値にまで大きくされるようになっている。
【００２１】
このような当実施例のターボ過給機付エンジンの作用を、図３乃至図６を参照しつつ次に説明する。
【００２２】
幾何学的圧縮比が８．５以上の高圧縮比とされると熱効率が高められ、またこのような高圧縮比とされた上で吸気弁の閉時期が下死点から大きく遅らされることにより、上記幾何学的圧縮比に相当する膨張比は稼がれつつ、これと比べて有効圧縮比が小さくなり、気筒内での圧縮仕事が減少するので圧縮上死点温度が引き下げられる。これによってノッキングが抑制される。そしてこのような吸気弁遅閉じ状態とされることにより吸気の吹き戻しが生じても、ターボ過給機による過給作用を高めることで充填量を増加させることができるので、ノッキングが抑制されれば、ノッキングにより制限されていた最大トルクが高められる。
【００２３】
このような作用から、最大トルク時と吸気圧力０mmHgのときとにおける平均有効圧力Ｐｅが、吸気弁閉時期によって図３に示すように変化する。つまり、吸気弁閉時期が遅くなるにつれ、上記作用で最大トルクは高くなる一方、部分負荷域では吸気の吹き戻しによる充填量の低下が過給により補われるので過給域の下限（０mmHgのライン）は低負荷側に下がる。従って、吸気弁閉時期の遅れが大きくなるほど過給域が広がる。トルクアップのため吸気弁閉時期をＡＢＤＣ６５°以上に遅く設定すると、上記過給域が最大トルクまでの全域のうちの１／３以上に大きくなる。なお、吸気弁閉時期がＡＢＤＣ１００°よりも遅れると、圧縮上死点温度が始動限界を下回って始動困難となる。
【００２４】
図４は、横軸をエンジン回転数、縦軸をトルクとして、上記のような設定とした場合につき、吸気圧力０mmHg以上の過給領域を斜線を付して示している。この図において、Ａは４速定常走行のラインである。
【００２５】
この図のように、少なくとも低速域において、トルクが０から最大トルクまでの範囲をＴ、吸気圧力０mmHgから最大トルクまでの過給域の範囲をＴｃとすると、上記のように吸気弁閉時期が十分に遅らされることでＴｃ＞(１／３)×Ｔとなるように設定され、過給域は常用運転域にまで拡大している。
【００２６】
そして、このように過給領域は広がるが、過給機としてターボ過給機５，６が用いられることにより、常用運転域でのＮＯｘ低減作用が有効に得られる。つまり、機械式過給機であれば、過給域になると排気圧力より吸気圧力が高くなって内部ＥＧＲが得られないが、ターボ過給機を用いると、過給域でも排気圧力が高くなることで内部ＥＧＲが得られる。このため、過給域が常用運転域まで広がっても、その常用運転域で内部ＥＧＲによるＮＯｘ低減作用が確保されることとなる。
【００２７】
また、低速域では吸・排気弁の開弁オーバラップが２０°以下に小さくされ、一方、高速域では吸・排気弁の開弁オーバラップが低速域と比べて大きくされることにより、後に実験データに基づいて説明するように、排気ガス逆流抑制作用等でトルクが高められる。
【００２８】
さらに当実施例では、プライマリ，セカンダリの両ターボ過給機５，６を有して、低速域ではプライマリターボ過給機５のみ作動することにより過給レスポンスが高められるようにしているので、低速高負荷の領域で十分に過給性能が得られ、上記のように吸気弁遅閉じによりノッキングを抑制しつつ過給によりトルクアップを図る作用が、有効に達成される。
【００２９】
図５は、ＮＯｘ抑制、トルクアップ等の作用を満足する吸気弁閉時期および開弁オーバラップの設定範囲を示しており、この図中の斜線部分が低速域での設定範囲であり、既に述べたように、図３に示すような過給領域を確保してトルクアップを図る一方、始動性を満足するために、吸気弁閉時期がＡＢＤＣ６５°〜１００°の範囲とされ、また排気ガス逆流抑制のため開弁オーバラップが２０°以下とされる。そして、高速域では、開弁オーバラップが３５°程度までの範囲で大きくされる。
【００３０】
図６は、有効平均圧力および過給圧とエンジン回転数との関係を、吸・排気弁の開弁オーバラップを変更した２例について示している。この図において、実線でつないだ第１例の実験データは、吸気弁開時期をＢＴＤＣ３０°、吸気弁閉時期をＡＢＤＣ６０°、排気弁開時期をＢＢＤＣ５５°、排気弁閉時期をＡＴＤＣ５°とすることにより、開弁オーバラップを３５°とした場合のものである。また、一点鎖線でつないだ第２例の実験データは、排気弁開閉時期は第１例と同じで、吸気弁開時期をＢＴＤＣ１５°、吸気弁閉時期をＡＢＤＣ６５°とすることにより、開弁オーバラップを２０°とした場合のものである。
【００３１】
このデータに示されるように、低速域では、上記第１例のように開弁オーバラップを大きくすると排気ガスの逆流が増大することでトルクが低下し、第２例のように開弁オーバラップを２０°程度に小さくする方がトルクが高められる。また、エンジン回転数が２０００ｒｐｍ程度以上の高速側になると、吸気流の慣性の影響等で開弁オーバラップを３５°程度にまで大きくする方がトルクが高められることとなる。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明の過給機付エンジンは、幾何学的圧縮比を８．５以上の高圧縮比とし、過給機にターボ過給機を用い、吸気弁閉時期を下死点後６５°〜１００°とし、少なくとも低速域において最大トルクまでの範囲のうちの１／３以上を過給域が占めるようにするとともに、吸・排気弁の開弁オーバラップを２０°以下に設定しているため、膨張比に対して有効圧縮比が小さくされて圧縮上死点温度が引き下げられることによりノッキングが抑制されつつ、過給によるトルクアップが図られ、またこれによって過給域が常用運転域まで拡大されるが、この領域でも適度に内部ＥＧＲが得られることにより、ＮＯｘを低減することができる。しかも、排気の逆流が増大しないように吸・排気弁の開弁オーバラップが調整され、低速域でのトルクアップが有効に達成される。
【００３３】
この発明において、ターボ過給機として少なくとも低速域での作動する低速用ターボ過給機と、高速域で作動する高速用ターボ過給機とを備えると（請求項２）、低速域での過給レスポンスが高められることにより、上記のように低速域でノッキングを抑制しつつトルクアップを図る等の効果が、有効に発揮される。
【００３４】
また、吸・排気のオーバラップを、高速域では低速域と比べて大きくすると（請求項３）、上記効果に加え、吸気流の慣性等の影響で高速域でのトルクが高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のよるターボ過給機付エンジンの全体構造を示す概略図である。
【図２】バルブタイミングを示す説明図である。
【図３】吸気弁閉時期と平均有効圧力との関係を示す図である。
【図４】バルブタイミングの制御および過給状態の制御のマップを示す図である。
【図５】吸気弁閉時期および開弁オーバラップの範囲を示す図である。
【図６】平均有効圧力および過給圧の、エンジン回転数に応じた変化を、２種類のバルブタイミングについて調べたデータを示すグラフである。
【符号の説明】
１  エンジン本体
３  吸気通路
４  排気通路
５  プライマリターボ過給機
６  セカンダリターボ過給機
２３，２４  吸気弁
３０  コントロールユニット（制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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