(57)【要約】【課題】製造コストを過大に増加させることなく、燃費の向上と排ガス中のＮＯｘの低減とを達成できるエンジンを提供する。【解決手段】クランクシャフト１４に連動して回転するカムシャフト１４に、吸気弁１０を操作する通常のカム３２に隣接して、ノーズ部４１の回転方向と反対側の面４５ａが膨出する形状を有する延長カム４２を取り付けて、ＥＣＵ４３はディーゼルエンジン１の運転状態が、暖機運転時を除く定常運転時であってエンジンの負荷が５０％以下になったと判断したときに、アクチュエータ４４を作動してカムシャフト３１を長手方向にスライドさせることにより、通常のカム３２を延長カム４２に切り替えて、吸気弁１０が吸気口１１を閉止する時期を遅延させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの吸入空気が流入する気筒の吸気口を閉止する方向に常時付勢された吸気弁を、カムシャフトに取り付けたカムで前記吸気口を開放する方向に押圧する動弁機構と、前記シリンダーから排気される排ガスにより一対の同軸ブレードを回転させて前記吸入空気を加圧するターボチャージャーとを備えたエンジンにおいて、
前記カムシャフトに、前記カムで押圧したときよりも前記吸気口の閉止時期が遅延するノーズ形状を有する延長カムを取り付けて、
前記エンジンの暖機運転時を除く定常運転時であって該エンジンの負荷が５０％以下になったときに、前記カムを前記延長カムに切り替えることを特徴とするエンジン。
【請求項２】
前記エンジンの負荷が５０％超になったときに、前記延長カムを前記カムに再び切り替える請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記カムシャフトを軸方向にスライドさせることで、前記カムと前記延長カムとを切り替えるようにした請求項１又は２に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンに関し、更に詳しくは、製造コストを過大に増加させることなく、燃費の向上と排ガス中のＮＯｘの低減とを達成できるエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常の車両用のエンジンにおいては、クランクシャフトに連動して回転するカムシャフトに取り付けられたカムにより、気筒の頂部に配置された吸排気弁を操作する動弁機構が採用されている（例えば、特許文献１を参照）。この動弁機構においては、吸気弁が閉止する時期が固定されているため、吸気弁が閉止してからのガスの圧縮量と、排気弁が開放するまでのガスの膨張量とが同一になる。
【０００３】
従って、エンジンの熱効率を改善して燃費を向上するためにガスの圧縮比を高くすると、燃焼時の最大筒内圧力が高くなるため、エンジン本体の強度の増加が必要となり、製造コストの過大な増加を招くことになる。更に、圧縮終了時における筒内のガス温度が高くなるため、排ガス中のＮＯｘ濃度が高くなってしまうという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１３７９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、製造コストを過大に増加させることなく、燃費の向上と排ガス中のＮＯｘの低減とを達成できるエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成する本発明のエンジンは、エンジンの吸入空気が流入する気筒の吸気口を閉止する方向に常時付勢された吸気弁を、カムシャフトに取り付けたカムで前記吸気口を開放する方向に押圧する動弁機構と、前記シリンダーから排気される排ガスにより一対の同軸ブレードを回転させて前記吸入空気を加圧するターボチャージャーとを備えたエンジンにおいて、前記カムシャフトに、前記カムで押圧したときよりも前記吸気口の閉止時期が遅延するノーズ形状を有する延長カムを取り付けて、前記エンジンの暖機運転時を除く定常運転時であって該エンジンの負荷が５０％以下になったときに、前記カムを前記延長カムに切り替えることを特徴とするものである。
【０００７】
上記のエンジンにおいては、エンジンの負荷が５０％超になったときに、延長カムをカムに再び切り替えるようにする。また、カムシャフトを軸方向にスライドさせることで、カムと延長カムとを切り替えるようにすることが望ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のエンジンによれば、カムシャフトに、通常のカムで押圧したときよりも吸気弁による吸気口の閉止時期が遅延するノーズ形状を有する延長カムを取り付けて、エンジンの暖機運転時を除く定常運転時であって、そのエンジンの負荷が５０％以下になったときに、通常のカムを延長カムに切り替えるようにしたので、気筒内での空気の圧縮量が減少して、圧縮行程の終了時におけるガス温度が低下するため、ＮＯｘの生成を低減することができる。また、エンジンの吸入空気量が低下して、エンジンの低負荷時においてターボチャージャーに流入する排ガス量が減少するので、気筒における吸排気圧力差が減少し、ポンピングロスが低下するため、燃費を向上することができる。更に、本発明のエンジンは簡易な構成であるため、製造コストが過大に増加することはない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態からなるエンジンの構成図である。
【図２】吸気弁に係る動弁機構の構成図である。
【図３】クランクシャフトの構成を示す斜視図である。
【図４】延長カムの形状を示す平面図である。
【図５】延長カムへの切り替えを行う運転条件を示すグラフである。
【図６】延長カムに切り替えたときの吸気弁に係る動弁機構の構成図である。
【図７】延長カムによる吸気弁の動作を説明するグラフである。
【図８】ＥＣＵの機能を説明するフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態からなるエンジンの構成図を示す。
【００１２】
このディーゼルエンジン１では、吸入口２から吸気管３内へ吸入された吸入空気４は、エアクリーナー５を通過してから可変容量型ターボチャージャー６の吸気側ブレード６Ａにより圧縮され、インタークーラー７で冷却された後に、スロットル８からインテークマニホールド９を経て、吸気弁１０が吸気口１１を開放したときに４つの気筒１２内にそれぞれに供給される。そして、各気筒１２において噴射燃料と混合されて燃焼・膨張し、気筒１２内に配置されたピストン１３を往復動させてクランクシャフト１４を回転駆動する。
【００１３】
燃焼ガス１５は排気弁１６が排気口１７を開放したときに気筒１２から排気され、エキゾーストマニホールド１８を経て排気管１９へ流れるが、その一部はインタークーラー７の下流側の吸気管３に接続するＥＧＲ通路２０にＥＧＲガス２１となって分流する。ＥＧＲ通路２０には、水冷式のＥＧＲクーラー２２と、ＥＧＲガス２１の流量を調整するＥＧＲ弁２３とが、排気管１９側から順に配置されている。ＥＧＲ通路２０に分流しなかった燃焼ガス１５は、吸気側ブレード６Ａと同軸で対となる排気側ブレード６Ｂを回転駆動させた後に、排出口２４から外部へ放出される。
【００１４】
また、各気筒１２における燃料の燃焼によるディーゼルエンジン１の温度上昇を抑制するために、ディーゼルエンジン１の外部のラジエータ２５に通じる密閉管路２６内を、冷却水２７がウォータポンプ２８により強制的に循環されている。この冷却水２７の温度は、密閉管路２６に介設されたサーモスタット２９の開度により適温に調整される。例えば、暖機運転時には、短時間に冷却水２７の温度を上昇させるため、ディーゼルエンジン１からの冷却水２７をラジエータ２５へ流さずにバイパス流路３０を通じて直接にウォータポンプ２８に戻すようにする。一方、通常運転時には、冷却水２７の温度を下げるため、冷却水２７をラジエータ２５へ流して車速風で冷却してからウォータポンプ２８に戻す。
【００１５】
このディーゼルエンジン１において、気筒１２の頂部に取り付けられた吸気弁１０は、図２に示す動弁機構により操作される。この動弁機構は、クランクシャフト１４と連動して回転するカムシャフト３１に取り付けられた略卵形のカム３２と、一端部がロッカシャフト３３に回動可能に支持され、かつ他端部にロックナット３４により伸縮可能な調節スクリュ３５からなる駆動部３６が設けられたロッカーアーム３７と、シリンダヘッド３８に形成された吸気口１１を閉止するように略キノコ形の吸気弁１０を上方へ向けて常時付勢する弁スプリング３９とから主に構成されている。ロッカーアーム３１の駆動部３０の調節スクリュ２９は、吸気弁１０の上端部に当接している。また、ロッカーアーム３１の中間部に回転可能に設置されたローラー４０は、カムシャフト３１のカム３２に下方から摺接している。
【００１６】
このような動弁機構においては、カム３２のノーズ部４１以外の部分がローラー４０に摺接しているときは、吸気弁１０は弁スプリング３９の弾性力により上方へ押し上げられて吸気口１１を閉止している。そして、カムシャフト３１が回転してカム３２のノーズ部４１がローラー４０に摺接すると、ロッカーアーム３７の駆動部３６が下方へ回動し、調節スクリュ３５を介して吸気弁１０を弁スプリング３９の弾性力に抗して押し下げてリフトさせることで吸気口１１が開放されるようになっている。
【００１７】
このようなディーゼルエンジン１において、図３に示すように、カムシャフト３１には通常のカム３２に隣接して延長カム３６が取り付けられている。また、カムシャフト３１は、ＥＣＵ４３に制御される油圧式のアクチュエータ４４により長手方向にスライド可能になっている。延長カム４２は、図４に示すように、そのノーズ部４５における回転方向と反対側の面４５ａのプロファイルが、通常のカム３２の当該箇所のプロファイル４１ａよりも外側に膨出した非対称の形状となっている。具体的には、右回りに回転するカムシャフト３１の中心Ｏとノーズ部４５の頂点Ｃとを結ぶ線Ｓに対して、ノーズ部４５の左半分の面４５ａの少なくとも一部が膨出している。
【００１８】
本実施形態のディーゼルエンジン１においては、ＥＣＵ４３はディーゼルエンジン１のの運転状態が、図５に示すような、暖機運転時を除く定常運転時であって、かつ燃料噴射量が低くエンジンの負荷が５０％以下になる低負荷状態になったと判断したときには、アクチュエータ４４を作動させて、図６に示すように、通常のカム３２の代わりに延長カム４２がロッカーアーム３７のローラ４０に摺接するように、カムシャフト３１を長手方向にスライドさせる（図６では、カムシャフト３１は紙面に対して垂直方向に移動する。）。そのように延長カム４２に切り替えると、吸気弁１０が吸気口１１を開放する時期は変わらないが、ノーズ部４５の膨出面４５ａとローラ４０とが摺接する時間が長くなるため、図７に示すように、吸気弁１０により吸気口１１が閉止する時期が、通常のカム３２を用いた場合よりも遅延することになる。なお、図７においては、横軸にクランクシャフト１４の角度を、縦軸には図２、６に示す吸気弁１０のリフト量Ｌ１、Ｌ２を、それぞれ示している。
【００１９】
このように、吸気弁１０の開閉パターンを、吸気弁１０が吸気口１１を閉止する時期が従来よりも遅延する遅閉じパターンに切り替えることにより、気筒１２内での空気の圧縮量が減少して、圧縮行程の終了時における燃焼ガス１５の温度が低下するため、ＮＯｘの生成を低減することができる。また、ピストン１３が圧縮行程を開始しても、吸気弁１０が開放したままとなる期間が長くなるため、気筒１２に吸入される吸入空気４の量が低下して、エンジンの低負荷時において可変容量型ターボチャージャー６に流入する燃焼ガス１５の量が減少する。そのため、気筒１２における吸排気圧力差が減少し、ポンピングロスが低下するので、燃費を向上することができる。更に、カムシャフト３１に延長カム４２を取り付けて、通常のカム３２と切替可能にするだけの簡易な構成であるため、エンジンの製造コストが過大に増加することはない。
【００２０】
なお、吸気弁１０が吸気口１１を閉止する時期が過度に遅延すると、燃焼が悪化し未燃物質（ＨＣ、ＣＯなど）の排出が増加して燃費が悪化するおそれがある。そのため実用上は、ディーゼルエンジン１の仕様や運転条件などを考慮して、あらかじめ最適な吸気弁１０の開閉パターンを設定し、延長カム４２の形状を決定することになる。
【００２１】
ディーゼルエンジン１の負荷が５０％超になったときや、暖機運転状態になったときには、ＥＣＵ４３はアクチュエータ４４を作動させて、延長カム４２から通常のカム３２に再び切り替えることになる。
【００２２】
ディーゼルエンジン１の低負荷状態（図５参照）の判断も含めた具体的な制御方法を、図８に基づいて以下に説明する。この例では、ディーゼルエンジン１に、エンジンの回転速度を検知する回転センサ４６と、密閉管路２６に設置されディーゼルエンジン１内を流れた冷却水２７の出口温度を測定するエンジン出口温度計４１と、アクセル開度を検知するアクセル開度センサ４８とを設置しており、前出のアクチュエータ４４とともにそれぞれＥＣＵ４３に信号線（一点鎖線で示す）で接続している。回転センサ４０としては、ホール素子や電磁ピックアップにより、フライホイール４９の表面に刻まれた凹凸やリングギア５０の歯数を検出するものを例示することができる。また、ＥＣＵ４３には、エンジン回転数とアクセル開度に対して、予め燃料噴射量を指示するデータマップが格納されている。
【００２３】
まず、ＥＣＵ４３は、エンジン出口温度計４７の測定結果と所定値（例えば、暖機運転が終了する温度である６０℃など）とを比較して（Ｓ１０）、エンジン出口温度の方が低い場合には、ディーゼルエンジン１が暖機運転状態であると判断して、通常のカム３２を使用する（Ｓ５０）。
【００２４】
次に、エンジン出口温度が所定温度Ｔ以上である場合には、アクセル開度センサ４８の検知値から算出したアクセル開度の変化率を所定値（例えば、急加速状態となる２０％／秒など）と比較して（Ｓ２０）、算出した変化率の方が大きい場合には、ディーゼルエンジン１の燃料噴射量が急激に増加する加速状態にあると判断して、通常のカム３２を使用する（Ｓ５０）。
【００２５】
更に、アクセル開度の変化率が所定値以下である場合には、回転センサ４６の検知値から算出したエンジン回転速度を所定値と比較し、かつアクセル開度センサ４８の検知値から算出したアクセル開度を用いて、ＥＣＵ４３内のデータマップを参照して運転時の燃焼噴射量を算出し、アクセル開度が１００％時の燃料噴射量と比較する（Ｓ３０）。なお、アクセル開度が１００％時の燃料噴射量は、エンジン毎に異なる値である。エンジン回転速度が所定値以上であって、燃焼噴射量がアクセル開度が１００％時の燃料噴射量以上である場合には、ディーゼルエンジン１の負荷が５０％超であると判断して、通常のカム３２を使用する（Ｓ５０）。
【００２６】
しかし、エンジン回転速度が所定値未満であって、燃焼噴射量がアクセル開度が１００％時の燃料噴射量未満である場合には、ディーゼルエンジン１が低負荷状態であると判断して、アクチュエータ４４を作動させて延長カム４２に切り替える（Ｓ４０）。以上のような制御を所定の間隔をおいて繰り返し実施する。
【００２７】
このように、エンジン出口温度、アクセル開度及びエンジン回転速度に基づいて、ディーゼルエンジン１の運転状態を判断することで、本発明を効果的に実施することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１  ディーゼルエンジン
３  吸気管
４  吸入空気
６  可変容量型ターボチャージャー
１０  吸気弁
１１  吸気口
１２  気筒
１４  クランクシャフト
２２  ＥＧＲクーラー
２３  ＥＧＲ弁
３１  カムシャフト
３２  カム
３９  弁スプリング
４１  （通常のカムの）ノーズ部
４２  延長カム
４３  ＥＣＵ
４４  アクチュエーター
４５  （延長カムの）ノーズ部
【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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【図７】
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【図８】
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