(57)【要約】【課題】エンジンの運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を変更できる内部ＥＧＲ機構を簡単かつ低コストの構造で実現すること。【解決手段】内部ＥＧＲ機構を備えたエンジン（１）に用いられる排気カム（１３）のカムプロファイル設計方法であって、排気カム（１３）のカムプロファイル（１４）は、吸入行程中に排気バルブをリフトする吸入行程カムプロファイル（１４ｂ）を含み、エンジンの運転状態を複数の運転領域に区分する運転領域区分工程と、複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ）のクランク角度に対する位相を算出する位相算出工程と、複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動のクランク角度に対する位相と、複数の運転領域の夫々における内部ＥＧＲ率の目標値との関係から、吸入行程カムプロファイル（１４ｂ）を設計するカムプロファイル設計工程と、を有する。【選択図】図４
2013133818.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入行程中に排気バルブを所定量リフトすることで、排気ガスの一部を燃焼室に還流する内部ＥＧＲ機構を備えたエンジンに用いられる排気カムのカムプロファイル設計方法であって、前記排気カムのカムプロファイルは、排気行程中に排気バルブをリフトする排気行程カムプロファイルと、吸入行程中に排気バルブをリフトする吸入行程カムプロファイルとを含み、
前記エンジンの運転状態を複数の運転領域に区分する運転領域区分工程と、前記複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動のクランク角度に対する位相を算出する位相算出工程と、前記複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動のクランク角度に対する位相と、前記複数の運転領域の夫々における内部ＥＧＲ率の目標値との関係から、前記吸入行程カムプロファイルを設計するカムプロファイル設計工程と、を有することを特徴とする排気カムのカムプロファイル設計方法。
【請求項２】
前記カムプロファイル設計工程において、前記複数の運転領域の内、内部ＥＧＲ率の目標値が最も大きい運転領域に対応する排気脈動のピークと、前記排気カムの吸入行程カムプロファイルの頂部とが、前記クランク角度に対して略同位相となるように、前記吸入行程カムプロファイルを設計することを特徴とする請求項１に記載の排気カムのカムプロファイル設計方法。
【請求項３】
前記エンジンの運転状態は、エンジン回転数によって把握されることを特徴とする請求項１または２に記載の排気カムのカムプロファイル設計方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のカムプロファイル設計方法によって設計されたカムプロファイルを有する排気カムを備えたことを特徴とするエンジン。
【請求項５】
排気行程中に吸気バルブを所定量リフトするカムプロファイルを有する吸気カムを備えたことを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
【請求項６】
前記吸入行程カムプロファイルの期間を除き、前記排気バルブと同時に開弁しないように構成されたカムプロファイルを有する吸気カムを備えたことを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気カムのカムプロファイル設計方法、及び該カムプロファイルを有する排気カムを備えたエンジンに関し、詳しくは、吸入行程中に排気バルブを所定量リフトさせることで、排気ガスの一部を燃焼室に還流させる内部ＥＧＲ機構を備えたエンジンにつき、該エンジンに用いられる排気カムのカムプロファイル設計方法、及び該カムプロファイルを有する排気カムを備えたエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＥＧＲ（Exhaust
Gas Recirculation）とは、内燃機関において燃焼後の排気ガスの一部を取り出し、吸気側へ再循環させる技術であり、主として排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減や部分負荷時の燃費向上を目的として行われる。
【０００３】
内部ＥＧＲは、吸入行程中に排気バルブを所定量リフトさせ、排気ポートから排気ガスの一部を燃焼室へ還流させる技術である。内部ＥＧＲは、外部ＥＧＲのように再循環する排気ガスを冷却できないため、外部ＥＧＲと比べてＮＯＸ低減効果に劣るものの、排気カムのカムプロファイルを変更するだけの簡単な機構で実現できることから、多くのエンジンで採用されている。
図７は、このような内部ＥＧＲを説明するための説明図であって、図７（ａ）は、吸気バルブおよび排気バルブのバルブリフトプロファイル（カムプロファイル）を示した図、図７（ｂ）は、図７（ａ）の各位相α、β、γにおけるバルブ開閉状態を示した図である。
【０００４】
図７（ａ）に説明するように、内部ＥＧＲ機構を備えたエンジン１００は、排気バルブ１２０のバルブリフトプロファイル１１４において、排気行程中に排気バルブ１１０を開弁するバルブリフトプロファイル１１４ａと、吸入行程中に排気バルブ１１０を開弁するバルブリフトプロファイル１１４ｂとが形成されている。
【０００５】
そして、図７（ｂ）の［γ］に示したように、吸入行程中に排気バルブ１１０が開弁すると、吸気ポート１２２から燃焼室１０６に吸気ガスｉが供給されるとともに、排気ポート１１２から排気ガスｅの一部が燃焼室１０６に還流する内部ＥＧＲ機構が構成される。なお、図７の符号１０２はピストン、１０４はシリンダである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１２０３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した内部ＥＧＲ機構の場合、内部ＥＧＲ率（シリンダ内に流入するガス中に占める内部ＥＧＲガスの割合）は、基本的に、上述した排気バルブ１１０のバルブリフトプロファイル１１４に依存する。このバルブリフトプロファイル１１４は、排気バルブをリフトする排気カム（不図示）のカムプロファイルと等しい。そして、排気カムのカムプロファイル（バルブリフトプロファイル１１４）は、図７（ａ）に示した如く、クランク角度に対して固定である。すなわち、内部ＥＧＲ機構では、排気カムのカムプロファイルによって内部ＥＧＲ率が決定されるため、外部ＥＧＲ機構のように、エンジン１００の運転状態（エンジン回転数およびエンジン負荷等）に応じて、目標ＥＧＲ率を変更するということが困難である。
【０００８】
特許文献１には、３次元カムを用いた可変バルブ機構において、エンジンの運転状態に応じて３次元カムの軸方向移動量を制御し、バルブリフト量を調整することで、エンジンの運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を変更する技術が開示されている。しかしながら、かかる可変バルブ機構は、構造および制御が複雑で、動弁系の重量も大きくなるなど、コストがかかるものである。
【０００９】
このような従来における技術背景の下、エンジンの運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を変更できる内部ＥＧＲ機構を簡単かつ低コストの構造で実現すべく本発明者らが鋭意検討したところ、エンジンの運転状態と排気脈動との関係に着目し、排気脈動に応じて排気カムのカムプロファイルを設計することでエンジンの運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を変更できることを見出して、本発明を完成させた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上述したような従来技術における課題および目的を達成するために発明されたものであって、
本発明の排気カムのカムプロファイル設計方法は、
吸入行程中に排気バルブを所定量リフトすることで、排気ガスの一部を燃焼室に還流する内部ＥＧＲ機構を備えたエンジンに用いられる排気カムのカムプロファイル設計方法であって、前記排気カムのカムプロファイルは、排気行程中に排気バルブをリフトする排気行程カムプロファイルと、吸入行程中に排気バルブをリフトする吸入行程カムプロファイルとを含み、
前記エンジンの運転状態を複数の運転領域に区分する運転領域区分工程と、前記複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動のクランク角度に対する位相を算出する位相算出工程と、前記複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動のクランク角度に対する位相と、前記複数の運転領域の夫々における内部ＥＧＲ率の目標値との関係から、前記吸入行程カムプロファイルを設計するカムプロファイル設計工程と、を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の排気カムのカムプロファイル設計方法は、排気脈動のクランク角度に対する位相がエンジンの運転状態に応じて変化することに着目し、この排気脈動の位相の変化（位相差）を利用して、排気カムのカムプロファイルを設計するものである。排気脈動とは、排気ポートから排出される排気ガスによって圧力波が生じ、排気管内の圧力が周期的に変動する現象をいう。排気脈動は、図６（ａ）に示したように、エンジンが高回転数の場合（符号１８ａ）と、低回転数の場合（符号１８ｂ）との間で、クランク角度に対して位相差が生ずる。
【００１２】
よって、エンジンの運転状態を複数の運転領域に区分し（運転領域区分工程）、この複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動のクランク角度に対する位相を算出し（位相算出行程）、この複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動のクランク角度に対する位相と、複数の運転領域の夫々における内部ＥＧＲ率の目標値との関係から、吸入行程カムプロファイルを設計することで（カムプロファイル設計行程）、エンジンの運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を変更できる排気カムを設計することができる。
【００１３】
また上記発明において、前記カムプロファイル設計工程において、前記複数の運転領域の内、内部ＥＧＲ率の目標値が最も大きい運転領域に対応する排気脈動のピークと、前記排気カムの吸入行程カムプロファイルの頂部とが、前記クランク角度に対して略同位相となるように、前記吸入行程カムプロファイルを設計することが望ましい。
【００１４】
すなわち、高回転数領域における内部ＥＧＲ率の目標値が高い場合は、図６（ｂ）のバルブリフトプロファイル１４ｂ（吸入行程カムプロファイル）に示したように、高回転数領域の排気脈動１８ａのピークと、吸入行程カムプロファイル１４ｂの頂部とが略同位相（クランク角度αｈ）となるように吸入行程カムプロファイル１４ｂを設計することで、高回転数領域において、排気管の圧力が高い時に排気バルブのリフト量が大きくなり、高い内部ＥＧＲ率となる。
【００１５】
また例えば、低回転数領域における内部ＥＧＲ率の目標値が高い場合は、図６（ｂ）のバルブリフトプロファイル１４ｂ´（吸入行程カムプロファイル）に示したように、低回転数領域の排気脈動１８ｂのピークと、吸入行程カムプロファイル１４ｂ´の頂部とが略同位相（クランク角度αｌ）となるように吸入行程カムプロファイル１４ｂ´を設計することで、低回転数領域において、排気管の圧力が高い時に排気バルブのリフト量が大きくなり、高い内部ＥＧＲ率となる。
【００１６】
上述したエンジンの運転状態は、エンジン回転数だけでなく、エンジン負荷（負荷トルクや燃料噴射量）やエンジン回転数とエンジン負荷との組み合わせによっても把握できるが、エンジン回転数でエンジンの運転状態を把握した方が、運転状態の違いによる排気脈動の位相の変化が明確に表れるため望ましい。
【００１７】
また、本発明のエンジンは、上述したカムプロファイル設計方法によって設計されたカムプロファイルを有する排気カムを備えている。
このようなカムプロファイルを有する排気カムを備えた本発明のエンジンでは、エンジンの運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を変更できる内部ＥＧＲ機構を簡単かつ低コストの構造で実現することができる。
【００１８】
また、上述した本発明にあっては、部分的にバルブリフト（カムリフト）量の小さい部分ができることがあり、従来と比べて内部ＥＧＲ率が全体的に小さくなる傾向にある。よって、全体的な内部ＥＧＲ率を高めるために、排気行程中に吸気バルブを所定量リフトするカムプロファイルを有する吸気カムを備えるように本発明のエンジンを構成することもできる。
【００１９】
また、全体的な内部ＥＧＲ率を高めるために、前記吸入行程カムプロファイルの期間を除き、前記排気バルブと同時に開弁しないように構成されたカムプロファイルを有する吸気カムを備えるように本発明のエンジンを構成することもできる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、エンジンの運転状態と排気脈動との関係に着目し、排気脈動に応じて排気カムのカムプロファイルを設計することで、エンジンの運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を変更できる内部ＥＧＲ機構を簡単かつ低コストの構造で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の排気カムを備えたエンジンを示した概略断面図である。
【図２】本発明の排気バルブおよび吸気バルブのバルブリフトプロファイルを示した図である。
【図３】本発明の排気カムを示した断面図である。
【図４】本発明の排気カムのカムプロファイル設計方法を説明する説明図である。
【図５】本発明の排気バルブおよび吸気バルブのバルブリフトプロファイルの変形例を示した図である。
【図６】本発明の排気カムのカムプロファイル設計方法を説明するための概要図である。
【図７】内部ＥＧＲを説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいてより詳細に説明する。
ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限り、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２３】
図１は、本発明の内部ＥＧＲ機構を備えたエンジン１を示した概略断面図である。
図１に示したように、燃焼室６の上方にはシリンダヘッド８が配置されており、該シリンダヘッド８には、排気ポート１２および吸気ポート２２が形成され、燃焼室６と連通している。これら排気ポート１２および吸気ポート２２は、夫々、排気バルブ１０および吸気バルブ２０によって開閉される。また、排気バルブ１０および吸気バルブ２０は、不図示のバルブスプリングによって、夫々、閉弁方向に付勢されている。
【００２４】
また、排気バルブ１０の基端部には排気バルブリフタ１５が接続しており、該排気バルブリフタ１５には、排気カムシャフト１３ａに軸支された排気カム１３が当接している。そして、排気カムシャフト１３ａの回転に伴って排気カム１３も回転し、排気バルブリフタ１５をバルブスプリングの付勢力に抗して押し下げることで、排気バルブ１０が開弁するようになっている。
【００２５】
また、吸気バルブ２０についても、上述した排気バルブ１０と同様の構成となっている。すなわち、吸気バルブ２０の基端部には吸気バルブリフタ２５が接続しており、該吸気バルブリフタ２５には、吸気カムシャフト２３ａに軸支された吸気カム２３が当接している。そして、吸気カムシャフト２３ａの回転に伴って吸気カム２３も回転し、吸気バルブリフタ２５をバルブスプリングの付勢力に抗して押し下げることで、吸気バルブ２０が開弁するようになっている。
【００２６】
すなわち、排気バルブ１０および吸気バルブ２０のバルブリフトプロファイルは、夫々、排気カム１３のカムプロファイルおよび吸気カム２３のカムプロファイルにより決定される。
【００２７】
また、本発明の内部ＥＧＲ機構を備えたエンジン１は、吸入行程中に排気バルブ１０を所定量リフトすることで、排気ガスの一部を燃焼室６に還流するように構成されている。すなわち、図２に示したように、排気バルブ１０のバルブリフトプロファイル１４には、排気行程中に排気バルブ１０をリフトするバルブリフトプロファイル１４ａとともに、吸入行程中に排気バルブをリフトするバルブリフトプロファイル１４ｂが形成されている。
【００２８】
上述した排気バルブ１０のバルブリフトプロファイル１４は、排気バルブ１０をリフトする排気カム１３のカムプロファイルと等しい。すなわち、図３に示したように、排気カム１３には、上述したバルブリフトプロファイル１４に対応した位置にカム山１４ａ、１４ｂが形成されている。以下の説明では、バルブリフトプロファイル１４を排気カム１３のカムプロファイルと、バルブリフトプロファイル１４ａを排気行程カムプロファイル１４ａと、バルブリフトプロファイル１４ｂを吸入行程カムプロファイル１４ｂと、それぞれ呼ぶことがある。
【００２９】
本発明の排気カム１３を備えたエンジン１において、上述した吸入行程カムプロファイル１４ｂは、以下に説明するように、運転領域区分行程、位相算出工程、およびカムプロファイル設計工程を経て設計される。
【００３０】
まず、運転領域区分行程として、エンジン１の運転状態を複数の運転領域に区分する。ここでエンジン１の運転状態は、エンジン回転数や、エンジン負荷（負荷トルクや燃料噴射量）、およびエンジン回転数とエンジン負荷との組み合わせ等によっても把握することができる。しかしながら、エンジン回転数でエンジンの運転状態を把握した方が、運転状態の違いによる排気脈動の位相の変化が明確に表れるため望ましい。本実施形態では、エンジン回転数を高回転時、中回転時、および低回転時の３つに区分している。
【００３１】
次に、位相算出行程として、運転領域区分行程にて区分した複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動のクランク角度に対する位相を算出する。具体的には、図４（ａ）に示したように、エンジン回転数の高回転時、中回転時、低回転時の３つの運転領域の夫々に対して、クランク角度に対する排気脈動１８ａ、１８ｂ、１８ｃの位相を算出する。なお、排気脈動１８ａ、１８ｂ、１８ｃの位相は、排気バルブ１０開弁時のシリンダ４内の圧力、排気管の形状および長さ、エンジン回転数等から算出することができる。
【００３２】
そして最後に、カムプロファイル設計工程として、複数の運転領域の夫々に対応する排気脈動のクランク角度に対する位相と、複数の運転領域の夫々における内部ＥＧＲ率の目標値との関係から、吸入行程カムプロファイル１４ｂを設計する。具体的には、図４に示したように、高回転時の内部ＥＧＲ率の目標値が８％、中回転時および低回転時の内部ＥＧＲ率の目標値が３％である場合に、目標値が最も高い高回転時において内部ＥＧＲ率が高まるように、高回転時の排気脈動１８ａのピークと、排気カム１３の吸入行程カムプロファイル１４ｂの頂部とが、クランク角度に対して例えば略同位相（クランク角度αｈ）となるように設計する。また、目標値が３％である中回転時において内部ＥＧＲ率を目標値に抑えるように、中回転時の排気脈動１８ｂのピークと同位相（クランク角度αｍ）におけるバルブリフト量が低くなるように、吸入行程カムプロファイル１４ｂを設計する。また同様に、目標値が３％である低回転時において内部ＥＧＲ率を目標値に抑えるように、低回転時の排気脈動１８ｃのピークと同位相（クランク角度αｌ）におけるバルブリフト量が低くなるように、吸入行程カムプロファイル１４ｂを設計する。
【００３３】
以上のとおり、上述したカムプロファイル設計方法によって設計された吸入行程カムプロファイル１４ｂを有する排気カム１３によれば、固定バルブ機構であるにも関わらず、エンジン１の運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を変更することができるようになっている。よって、簡単かつ低コストの構造で、運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を変更できる内部ＥＧＲ機構を実現することができるようになっている。
【００３４】
なお、上述したカムプロファイル設計方法によって設計される吸入行程カムプロファイル１４ｂにあっては、部分的にカムリフト量の小さい部分ができることがあり、またカムプロファイル１４の変化率には限界があることから、従来と比べて内部ＥＧＲ率が全体的に小さくなる傾向にある。このため、全体的な内部ＥＧＲ率を高めるために、図５（ａ）に示したように、排気行程中に吸気バルブ２０を所定量リフトするカムプロファイル２４ｂを有する吸気カム２３を備えるように本発明のエンジン１を構成することもできる。
【００３５】
また、全体的な内部ＥＧＲ率を高めるために、図５（ｂ）のＡ部に示したように、排気バルブ１０および吸気バルブ２０が、吸入行程カムプロファイルの期間を除いて、同時に開弁しないように構成してもよい（ネガティブオーバーラップ化）。
【００３６】
以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、吸入行程中に排気バルブを所定量リフトさせることで、排気ガスの一部を燃焼室に還流させる内部ＥＧＲ機構を備えたエンジンにつき、該エンジンに用いられる排気カムのカムプロファイル設計方法として利用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１          エンジン
２          ピストン
４          シリンダ
８          シリンダヘッド
１０        排気バルブ
１３        排気カム
１３ａ      排気カムシャフト
１４        排気カムのバルブリフトプロファイル（排気カムプロファイル）
１４ａ      バルブリフトプロファイル（排気行程カムプロファイル）
１４ｂ      バルブリフトプロファイル（流入行程カムプロファイル）
１５        排気バルブリフタ
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ      排気脈動
２０        吸気バルブ
２３        吸気カム
２３ａ      吸気カムシャフト
２４        吸気カムのバルブリフトプロファイル（吸気カムプロファイル）
２５        吸気バルブリフタ
【図１】
2013133818.tif 000003
【図２】
2013133818.tif 000004
【図３】
2013133818.tif 000005
【図４】
2013133818.tif 000006
【図５】
2013133818.tif 000007
【図６】
2013133818.tif 000008
【図７】
2013133818.tif 000009