(57)【要約】【課題】予混合燃焼させるべく燃料噴射時期を制御する手段を備える高圧縮比エンジンにおいて、排気特性の良好な予混合燃焼を実現するため、同一のデバイスにより、実圧縮比の可変機能とスワール比の可変機能を合理的に処理しえるシステムを提供する。【解決手段】気筒毎にスワールポート２６ｂおよびこれを開閉する吸気バルブ２５ｂと、ストレートポート２６ａおよびこれを開閉する吸気バルブ２５ａと、を設ける一方、これら吸気バルブ２５ａ，２５ｂを個別に開閉させる可変バルブリフト機構（油圧シリンダ３０ａ，３０ｂおよび流量調整弁）と、予混合燃焼時に各吸気バルブ２５ａ，２５ｂの可変バルブリフト機構を対象にスワール比を高めるとともに実圧縮比を下げるように吸気バルブのリフト量および閉弁時期を制御する手段（ＥＣＵ１５）と、を備える。【選択図】        図２
2004278339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予混合燃焼させるべく燃料噴射時期を制御する手段を備える高圧縮比エンジンにおいて、気筒毎にスワールポートおよびこれを開閉する吸気バルブと、ストレートポートおよびこれを開閉する吸気バルブと、を設ける一方、これら吸気バルブを個別に開閉させる可変バルブリフト機構と、予混合燃焼時に各吸気バルブの可変バルブリフト機構を対象にスワール比を高めるとともに実圧縮比を下げるように吸気バルブのリフト量および閉弁時期を制御する手段と、を備えることを特徴とする高圧縮比エンジン。
【請求項２】
排気の一部を吸気系へ環流させるＥＧＲ装置と、予混合燃焼させるべく燃料噴射時期を制御する手段と、を備える高圧縮比エンジンにおいて、気筒毎にスワールポートおよびこれを開閉する吸気バルブと、ストレートポートおよびこれを開閉する吸気バルブと、を設ける一方、これら吸気バルブを個別に開閉させる可変バルブリフト機構と、予混合燃焼時に各吸気バルブの可変バルブリフト機構を対象にスワール比を高めるとともに実圧縮比を下げるように吸気バルブのリフト量および閉弁時期を制御する手段と、予混合燃焼時にＥＧＲ率を高めるように制御する手段と、を備えることを特徴とする高圧縮比エンジン。
【請求項３】
吸気を過給する可変ノズル式ターボチャージャと、排気の一部を吸気系へ環流させるＥＧＲ装置と、予混合燃焼させるべく燃料噴射時期を制御する手段と、を備える高圧縮比エンジンにおいて、気筒毎にスワールポートおよびこれを開閉する吸気バルブと、ストレートポートおよびこれを開閉する吸気バルブと、を設ける一方、これら吸気バルブを個別に開閉させる可変バルブリフト機構と、予混合燃焼時に各吸気バルブの可変バルブリフト機構を対象にスワール比を高めるとともに実圧縮比を下げるように吸気バルブのリフト量および閉弁時期を制御する手段と、予混合燃焼時にＥＧＲ量を増加させるべくタービンの入口圧をコンプレッサの出口圧よりも高くなるように可変ノズルを制御する手段と、を備えることを特徴とする高圧縮比エンジン。
【請求項４】
吸気を過給する可変ノズル式ターボチャージャと、排気の一部を吸気系へ環流させるＥＧＲ装置と、予混合燃焼させるべく燃料噴射時期を制御する手段と、を備える高圧縮比エンジンにおいて、気筒毎にスワールポートおよびこれを開閉する吸気バルブと、ストレートポートおよびこれを開閉する吸気バルブと、を設ける一方、これら吸気バルブを個別に開閉させる可変バルブリフト機構と、予混合燃焼時に各吸気バルブの可変バルブリフト機構を対象にスワール比を高めるとともに実圧縮比を下げるように吸気バルブのリフト量および閉弁時期を制御する手段と、過給気を冷却するインタクーラと、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、予混合燃焼時にＥＧＲ量を増加させるべくタービンの入口圧をコンプレッサの出口圧よりも高くなるように可変ノズルを制御する手段と、を備えることを特徴とする高圧縮比エンジン。
【請求項５】
スワールポートはヘリカル型吸気ポート、ストレートポートはタンジェンシャル型吸気ポート、に設定されることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１つに係る高圧縮比エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ディーゼルエンジンに代表される、高圧縮比エンジンの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンにおいては、圧縮行程の上死点（ＴＤＣ）付近において、燃料噴射が行われ、燃料噴射と略同時に燃焼が開始される、いわゆる拡散燃焼主体の燃焼形態となるが、煤およびＮＯｘの排出量を低減するため、予混合燃焼させるべく燃料の噴射時期を制御する手段と、実圧縮比（有効圧縮比）を下げるように吸気バルブの閉弁時期を制御する手段と、を備えるものが開示される（特許文献１，特許文献２、参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１３０２００号
【特許文献２】
特開平８−２５４１３４号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図９において、通常燃焼▲１▼（拡散燃焼）の燃料噴射時期を▲２▼または▲３▼のように制御すると、燃料噴射の終了から圧縮着火へ至る前に予混合化期間（着火遅れ期間）θｍｉｘが与えられ、その間に燃料と空気が混合される。しかしながら、▲２▼の場合、早期着火により、燃料騒音（ノッキング）を発生しやすい。▲３▼の場合、燃焼期間が圧縮行程の上死点付近から大きく遅れるので、熱効率の低下を招いてしまう。また、▲２▼においても、▲３▼においても、未燃の燃料量が多くなりやすく、燃費が悪い。
【０００５】
そのため、圧縮比を下げることにより、筒内温度を下げると、▲４▼のように予混合化期間θｍｉｘを確保しつつ、▲２▼の燃焼期間を圧縮行程の上死点付近へ近づけられるようになる。ピストン変更などにより、圧縮比を低く設定すると、出力の確保が図れないので、ミラーサイクル運転を行うべく、可変バルブタイミング機構を設け、吸気バルブの閉弁時期を制御することにより、実圧縮比を下げるのである。また、未燃の燃料量を低減するため、スワールを最適化するべく、スワール比可変機構を吸気ポートや吸気マニホールドに組み付けることも考えられる。
【０００６】
この発明は、排気特性の良好な予混合燃焼を実現するため、同一のデバイスにより、実圧縮比の可変機能とスワール比の可変機能を合理的に処理しえるシステムの提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、予混合燃焼させるべく燃料噴射時期を制御する手段を備える高圧縮比エンジンにおいて、気筒毎にスワールポートおよびこれを開閉する吸気バルブと、ストレートポートおよびこれを開閉する吸気バルブと、を設ける一方、これら吸気バルブを個別に開閉させる可変バルブリフト機構と、予混合燃焼時に各吸気バルブの可変バルブリフト機構を対象にスワール比を高めるとともに実圧縮比を下げるように吸気バルブのリフト量および閉弁時期を制御する手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、排気の一部を吸気系へ環流させるＥＧＲ装置と、予混合燃焼させるべく燃料噴射時期を制御する手段と、を備える高圧縮比エンジンにおいて、気筒毎にスワールポートおよびこれを開閉する吸気バルブと、ストレートポートおよびこれを開閉する吸気バルブと、を設ける一方、これら吸気バルブを個別に開閉させる可変バルブリフト機構と、予混合燃焼時に各吸気バルブの可変バルブリフト機構を対象にスワール比を高めるとともに実圧縮比を下げるように吸気バルブのリフト量および閉弁時期を制御する手段と、予混合燃焼時にＥＧＲ率を高めるように制御する手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、吸気を過給する可変ノズル式ターボチャージャと、排気の一部を吸気系へ環流させるＥＧＲ装置と、予混合燃焼させるべく燃料噴射時期を制御する手段と、を備える高圧縮比エンジンにおいて、気筒毎にスワールポートおよびこれを開閉する吸気バルブと、ストレートポートおよびこれを開閉する吸気バルブと、を設ける一方、これら吸気バルブを個別に開閉させる可変バルブリフト機構と、予混合燃焼時に各吸気バルブの可変バルブリフト機構を対象にスワール比を高めるとともに実圧縮比を下げるように吸気バルブのリフト量および閉弁時期を制御する手段と、予混合燃焼時にＥＧＲ量を増加させるべくタービンの入口圧をコンプレッサの出口圧よりも高くなるように可変ノズルを制御する手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、吸気を過給する可変ノズル式ターボチャージャと、排気の一部を吸気系へ環流させるＥＧＲ装置と、予混合燃焼させるべく燃料噴射時期を制御する手段と、を備える高圧縮比エンジンにおいて、気筒毎にスワールポートおよびこれを開閉する吸気バルブと、ストレートポートおよびこれを開閉する吸気バルブと、を設ける一方、これら吸気バルブを個別に開閉させる可変バルブリフト機構と、予混合燃焼時に各吸気バルブの可変バルブリフト機構を対象にスワール比を高めるとともに実圧縮比を下げるように吸気バルブのリフト量および閉弁時期を制御する手段と、過給気を冷却するインタクーラと、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、予混合燃焼時にＥＧＲ量を増加させるべくタービンの入口圧をコンプレッサの出口圧よりも高くなるように可変ノズルを制御する手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、第１の発明〜第４の発明の何れか１つに係る高圧縮比エンジンにおいて、スワールポートはヘリカル型吸気ポート、ストレートポートはタンジェンシャル型吸気ポート、に設定されることを特徴とする。
【００１２】
【発明の効果】
第１の発明〜第５の発明においては、予混合燃焼させるべく燃料噴射時期が制御されると、燃料噴射の終了から圧縮着火へ至る前に予混合化期間が与えられ、燃料と空気との混合気が生成される。スワール比が高められ、燃料と空気との混合が促進される一方、実圧縮比が下げられ、筒内温度が低められる。その結果、予混合化期間を確保しつつ、燃焼期間が圧縮行程の上死点付近へ近づけられ、未燃の燃料量を低減しつつ、煤やＮＯｘの低減も十分に図れるようになる。
【００１３】
この場合、同一のデバイス（可変バルブリフト機構）により、スワール比と実圧縮比との２つの制御を合理的に処理できる。つまり、制御毎に異なるデバイスを備える必要がなく、システムの構成が簡略化され、コストの低下も促進できるのである。
【００１４】
第２の発明においては、ＥＧＲ率を高めることにより、燃焼温度が下げられ、ＮＯｘを低減できるほか、実圧縮比の低下およびスワールの最適化により、燃料噴射の終了から圧縮着火へ至る前の予混合期間が稼げるようになり、未燃の燃料量の低減も促進される。
【００１５】
第３の発明においては、可変ノズルの制御により、ＥＧＲ量の増加が補償され、燃料噴射の終了から圧縮着火へ至る前の予混合期間が確実に稼げるようになり、予混合燃焼の実現および排ガスの低減が可能となる。
【００１６】
第４の発明においては、インタクーラおよびＥＧＲクーラにより、実圧縮比の低下が確保され、ＥＧＲ量の増加により、筒内温度が高まるのも避けられる。予混合燃焼させるべく燃料噴射時期が制御されると、同時に各デバイスも制御され、スワール比が高められ、実圧縮比が下げられ、ＥＧＲおよび過給の効果も生かされ、良好な排気特性の予混合燃焼が実現できることになる。
【００１７】
第５の発明においては、ヘリカル型吸気ポートとタンジェンシャル型吸気ポートとの組み合わせにより、吸気ポートどうしが錯綜しないようなレイアウトに設定しやすくなる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１において、１０はエンジンであり、燃料噴射装置１１と、スワール比および実圧縮比を制御するシステム１２と、ＥＧＲ装置１３および可変ノズル式ターボチャージャ１４と、これらの各デバイスを運転状態に応じて制御するコントロールユニット１５（ＥＣＵ）と、が備えられる。
【００１９】
図２の場合、燃料噴射装置１１は、コモンレール式が採用される。各気筒毎に燃料噴射弁２０（インジェクタ）が配置される。インジェクタ２０は、コモンレール２１（蓄圧器）に接続され、ＥＣＵの制御に基づいてコモンレール２１に蓄える高圧燃料を燃焼室１０ａへ噴射する。２２はコモンレール２１へ高圧燃料を供給する高圧ポンプであり、図示しないが、燃料タンクの燃料を高圧ポンプ２２へ供給する低圧ポンプ（フィードポンプ）を備える。
【００２０】
スワール比および実圧縮比を制御するシステム１２については、各気筒毎に２個の吸気バルブ２５ａ，２５ｂが配置される。図３のように、吸気ポート２６は、２系統に分割される。２系統の一方は、タンジェンシャル型のストレートポート２６ａ、もう一方は、ヘリカル型のスワールポート２６ｂ、に形成される。２８は排気ポートであり、上流側が２個の排気バルブ２９ａ，２９ｂ（カム式の動弁機構に駆動される）への分岐部に形成され、これらは下流側に合流部に接続される。
【００２１】
各吸気バルブ２５ａ，２５ｂに可変バルブリフト機構が設けられる。可変バルブリフト機構は、図２の場合、油圧式が採用される。３０ａ，３０ｂは吸気バルブ２６ａ，２６ｂに連結する油圧シリンダ３０ａ，３０ｂであり、油圧シリンダ３０ａ，３０ｂ毎に作動圧を給排する流量調整弁（図示せず）が備えられる。油圧シリンダ３０ａ，３０ｂは、流量調整弁から油圧（作動圧）を受けると、その供給量に応じたリフト量に吸気バルブ２５ａ，２５ｂを開弁させる一方、流量調整弁から供給圧が開放（排出）されると、バルブスプリングの付勢力に押され、吸気バルブ２５ａ，２５ｂを閉弁させるのである。
【００２２】
図４は、スワール比と吸気バルブ２５ａ，２５ｂのリフト量との関係を説明するものであり、吸気バルブ２５ａのリフト量が小さくなり、吸気バルブ２５ｂのリフト量が相対的に大きくなる程、スワール比は、高くなり、その逆の場合、低くなる、ように制御される。吸気バルブ２５ａ，２５ｂの閉弁時期については、図６において、充填効率の最良点「通常閉じ」に対し、予混合燃焼の場合、実圧縮比を下げるため、「早閉じ」または「遅閉じ」に制御される。
【００２３】
ＥＧＲ装置１３は、吸気系と排気系を連絡するＥＧＲ通路３４と、ＥＧＲ率を制御するＥＧＲバルブ３５と、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３６と、ＥＧＲバルブ３５をＥＣＵ１５の指令に応じた開度に調整するアクチュエータ（図示せず）と、を備える。可変ノズル式ターボチャージャ１４は、タービンとコンプレッサとからなり、タービンの可変ノズルをＥＣＵ１５の指令に応じた開度に調整するアクチュエータ（図示せず）が設けられる。なお、過給気を冷却するインタクーラ（図示せず）が可変ノズル式ターボチャージャ１４の下流に介装される。
【００２４】
ＥＣＵ１５は、予混合燃焼の運転領域と通常燃焼の運転領域を設定するマップ（図７、参照）のほか、予混合燃焼を制御するマップおよび通常燃焼を制御するマップが格納される。運転状態を検出するため、クランク角を検出するクランク角センサ１６（エンジン回転速度を検出するエンジン回転センサを兼ねる）と、エンジン負荷を検出するアクセル開度センサ１７と、が設けられる。図７のマップにおいては、高速高負荷域が通常燃焼の運転領域、それを除く領域が予混合燃焼の運転領域、に設定される。
【００２５】
図８は、ＥＣＵ１５の制御内容を説明するフローチャートであり、Ｓ１においては、クランク角センサ１６の検出信号およびアクセル開度センサ１７の検出信号を読み込む。Ｓ２においては、これらの検出信号に基づいて、図７のマップから予混合燃焼の運転領域かどうかを判定する。Ｓ２の判定がｙｅｓのときは、Ｓ３へ進み、予混合燃焼のマップに基づく制御を選択する。Ｓ２の判定がｎｏのときは、Ｓ４へ進み、通常燃焼のマップに基づく制御を選択する。
【００２６】
予混合燃焼のマップに基づく制御の場合、燃料噴射装置１１のインジェクタ２０は、燃料噴射時期に所定の進角度を加えるように制御される。吸気バルブ２５ａ，２５ｂのリフト量は、スワールポート２６ｂ側が全開状態、ストレートポート２６ａ側が半開状態、を基準に制御される（図５、参照）。吸気バルブ２５ａ，２５ｂの閉弁時期は、実圧縮比を下げるべく、図６の「早閉じ」または「遅閉じ」を基準に制御されるのである。
【００２７】
燃料噴射時期の進角により、燃料噴射の終了から圧縮着火へ至る前に予混合化期間θｍｉｘ（図９、参照）が与えられ、燃料と空気との混合気が生成される。スワール比が高められ、燃料と空気との混合が促進される一方、実圧縮比が下げられ、筒内温度が低められる。その結果、予混合化期間を確保しつつ、燃焼期間が圧縮行程の上死点付近へ近づけられ、未燃の燃料量を低減しつつ、煤やＮＯｘの低減も十分に図れるようになる。
【００２８】
ＥＧＲバルブ３５は、ＥＧＲ率を高めるように制御され、ターボチャージャ１４の可変ノズルは、タービンの入口圧がコンプレッサの出口圧よりも高くなるように制御される。高ＥＧＲ率により、燃焼温度が下げられ、ＮＯｘを低減できるほか、燃料噴射の終了から圧縮着火へ至る前の予混合期間θｍｉｘが稼げるようになり、可変ノズルの制御により、ＥＧＲ量の増加が補償され、未燃の燃料量の低減も大いに促進される。インタクーラにより、過給気が冷却され、ＥＧＲクーラ３６により、ＥＧＲガスが冷却され、ＥＧＲ量の増加により、筒内温度が高まるのも避けられる。
【００２９】
このように予混合させるべく燃料噴射時期が制御されると、スワール比が高められ、実圧縮比が下げられ、ＥＧＲ量が増加され、インタクーラおよびＥＧＲクーラ３６により、ＥＧＲおよび過給の効果も生かされ、高速高負荷域を除く運転領域において、良好な排気特性の予混合燃焼が実現できることになる。
【００３０】
通常燃焼のマップに基づく制御の場合、インジェクタ２０の燃料噴射時期は、圧縮行程の上死点付近に制御される。吸気バルブ２５ａ，２５ｂのリフト量は、スワールポート２６ｂ側が半開状態、ストレートポート２６ａ側が全開状態、を基準に制御される（図５、参照）。吸気バルブ２５ａ，２５ｂの閉弁時期は、図６の「通常閉じ」を基準に制御されるのである。ＥＧＲバルブ３５は、所定の低ＥＧＲ率に制御され、可変ノズルを利用するＥＧＲ量の補償制御も積極的に行われない。
【００３１】
圧縮行程の上死点付近において、燃料噴射が開始されると、燃料噴射の終了前に圧縮着火する、拡散燃焼主体の燃焼形態となり、実圧縮比が下げられず、高圧縮比に維持されるので、燃費や出力を十分に確保することができる。この通常燃焼は、高速高負荷の運転領域において、行われるので、低温始動性の改善も得られるのである。
【００３２】
システム１２においては、各吸気バルブ２５ａ，２５ｂの可変バルブリフト機構がＥＣＵ１５の制御対象となるので、スワール比と実圧縮比との２つの制御を合理的に処理できる。つまり、制御毎に異なるデバイスを備える必要がなく、システムの構成が簡略化され、コストの低下も促進できるのである。スワール比の可変についても、吸気バルブ２５ａ，２５ｂのリフト量に依存するのであり、吸気ポートや吸気マニホールドの内部（吸気の通路）に特別な可変手段を持たないので、応答よく正確に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態を表す全体的な構成図である。
【図２】同じく一部の構成図である。
【図３】同じく吸気ポートの構成を説明する概要図である。
【図４】同じくスワール比の制御に係るバルブリフトの特性図である。
【図５】同じくスワール比の制御に係る説明図である。
【図６】同じく実圧縮比の制御に係るバルブタイミングの特性図である。
【図７】同じく予混合燃焼領域と通常燃焼領域との設定を説明するマップである。
【図８】コントロールユニットの制御内容を説明するフローチャートである。
【図９】通常燃焼状態および予混合燃焼状態に係る説明図である。
【符号の説明】
１０  エンジン
１１  燃料噴射装置
１２  スワール比＆実圧縮比の可変システム
１３  ＥＧＲ装置
１４  可変ノズル式ターボチャージャ
１５  コントロールユニット（ＥＣＵ）
２５ａ，２５ｂ  吸気バルブ
２６ａ  ストレートポート
２６ｂ  スワールポート
３０ａ，３０ｂ  油圧シリンダ
【図１】
2004278339.tif 000003
【図２】
2004278339.tif 000004
【図３】
2004278339.tif 000005
【図４】
2004278339.tif 000006
【図５】
2004278339.tif 000007
【図６】
2004278339.tif 000008
【図７】
2004278339.tif 000009
【図８】
2004278339.tif 000010
【図９】
2004278339.tif 000011