(57)【要約】【課題】排気エミッションを向上させつつ、排気効率の低下を抑制する。【解決手段】本発明は、吸気行程及びその他のタイミングでも開弁可能な吸気弁３５と、排気行程で開弁する排気弁３６と、を備えるエンジンの排気浄化装置であって、排気行程で排気弁３６を開いて排気を排気通路３３に排出する直前に、吸気弁３５を一時的に開いて排気の一部を吸気通路３２に導入する排気行程吸気弁開弁手段と、排気行程における吸気弁３５の開弁期間又は開閉時期を、点火時期に応じて変化させる排気行程吸気弁開閉制御手段と、を備えることを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気行程及びその他のタイミングでも開弁可能な吸気弁と、
排気行程で開弁する排気弁と、
を備えるエンジンの排気浄化装置であって、
前記排気行程で前記排気弁を開いて排気を排気通路に排出する直前に、前記吸気弁を一時的に開いて排気の一部を吸気通路に導入する排気行程吸気弁開弁手段と、
前記排気行程における前記吸気弁の開弁期間又は開閉時期を、点火時期に応じて変化させる排気行程吸気弁開閉制御手段と、
を備えることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
前記吸気弁及び排気弁を駆動する電磁式又は油圧式のアクチュエータを備え、
前記排気行程吸気弁開閉制御手段は、点火時期を進角させたときほど、前記排気行程における前記吸気弁の開弁期間を長くする
ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
クランクシャフトに連動して回転する吸気カムシャフトと、
前記吸気カムシャフトに設けられ、前記吸気弁の開閉時期を連続的に変化させる可変動弁機構と、
一端部が支点として支持され、他端部が前記吸気弁のステムエンドに当接するロッカーアームと、
前記吸気カムシャフトに設けられ、前記ロッカーアームを介して前記吸気行程に前記吸気弁を駆動する第１カムと、
前記吸気カムシャフトに設けられ、前記排気行程で前記排気弁を開く直前に前記ロッカーアームを介して前記吸気弁を駆動する第２カムと、
を備え、
前記排気行程吸気弁開閉制御手段は、点火時期を進角させたときほど、前記吸気弁の開閉時期を遅角させる
ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
前記排気行程吸気弁開弁手段は、燃焼室の排気弁近傍に存在する未燃ハイドロカーボンを含む排気を吸気通路に導入する
ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項５】
前記排気行程中の気筒の前記吸気通路に導入した排気を、前記吸気行程中の気筒に導入するように、異なった気筒の吸気マニホールドを互いに接続する連通管を備える
ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項６】
前記吸気マニホールドは、各気筒にそれぞれ２つずつ設けた前記吸気弁に対応する２つの通路を備え、
前記連通管は、前記吸気マニホールドのそれぞれ一方の前記通路を互いに接続し、
前記連通管が接続する前記通路の上流には、それぞれ排気導入時に閉じられる流動制御弁が設けられる
ことを特徴とする請求項５に記載のエンジンの排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンの排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のエンジンの排気浄化装置として、排気行程において、排気弁を開くタイミングに同期して吸気弁をわずかに開くものがある。これにより、排気系へ排出されていた未燃ハイドロカーボンを吸気側に戻し、排気系へ排出されるのを防止していた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−１４００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前述した従来のエンジンの排気浄化装置は、排気行程において開かれる吸気弁の開閉時期が一定であった。そのため、多量のハイドロカーボンを含む排気を吸気系へ導入する前に吸気弁が閉じられ、排気エミッションが悪化するという問題点があった。一方で、多量のハイドロカーボンを含む排気を吸気系へ導入した後も、吸気弁が開かれたたままの状態が続き、排気効率が低下するという問題点があった。
【０００４】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、排気エミッションを向上させるとともに、排気効率の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００６】
本発明は、吸気行程及びその他のタイミングでも開弁可能な吸気弁（３５）と、排気行程で開弁する排気弁（３６）と、を備えるエンジン（１）の排気浄化装置であって、前記排気行程で前記排気弁（３６）を開いて排気を排気通路（３３）に排出する直前に、前記吸気弁（３５）を一時的に開いて排気の一部を吸気通路（３２）に導入する排気行程吸気弁開弁手段と、前記排気行程における前記吸気弁（３５）の開弁期間又は開閉時期を、点火時期に応じて変化させる排気行程吸気弁開閉制御手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
排気行程初期に排気ポートから排出されていた高濃度のハイドロカーボンを含む排気を吸気側に戻して再燃焼させることで、ハイドロカーボンの排出濃度を減少させることができる。
【０００８】
また、点火時期に応じて吸気弁の開弁期間又は開閉時期を最適化した。そのため、排気行程初期の排気に含まれる多量のハイドロカーボンを吸気系へ導入でき、その後の排気については排気系から排出できる。これにより、排気エミッションを向上させつつ、排気効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるエンジン１の要部断面図である。
【００１１】
エンジン１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２の頂部を覆うシリンダヘッド３とを備える。
【００１２】
シリンダブロック２には、複数のシリンダ２１が形成される。シリンダ２１には、ピストン２２が摺動自在に嵌合する。
【００１３】
シリンダヘッド３には、燃焼室３１の頂壁に開口する吸気ポート３２と排気ポート３３とが形成され、燃焼室３１の頂壁中心に点火栓３４が設けられる。また、シリンダヘッド３には、吸気ポート３２の開口を開閉する一対の吸気弁３５と、排気ポート３３の開口を開閉する一対の排気弁３６とが設けられる。図１では図面の煩雑を防止するため、一方の吸気弁及び排気弁のみを記載してある。さらに、シリンダヘッド３には、吸気弁３５及び排気弁３６を任意の時期に開閉駆動が可能な電磁アクチュエータ３７が設けられる。なお電磁アクチュエータ３７の代わりに油圧アクチュエータを用いてもよい。
【００１４】
図２は、排気ポート３３から排出される排気中のハイドロカーボンの濃度特性を示した図である。
【００１５】
図２に示すように、排気ポート３３から排出される排気中のハイドロカーボンの濃度は、排気行程の初期に１回目のピーク（以下「１次ピーク」という）を迎え、排気行程の末期に２回目のピーク（以下「２次ピーク」という）を迎える。
【００１６】
１次ピークは、燃焼室３１の排気弁近傍に存在していた未燃ハイドロカーボンが排気弁３６の開弁の瞬間に排気ポート３３へ流出することで発生する。
【００１７】
２次ピークは、ピストン冠面やシリンダ２１の壁面に付着していた燃料がピストン２２の上昇によって押し出されることで発生する。
【００１８】
図３は、点火時期と１次ピーク時に排出されるハイドロカーボンの濃度と排出期間との関係を示した図である。図３において、実線が点火時期を遅角側に設定したときの１次ピークであり、破線が点火時期を進角側に設定したときの１次ピークである。
【００１９】
図３に示すように、１次ピーク時に排出されるハイドロカーボンの濃度は、基本的に点火時期を遅角させるほど低くなり、また排出期間も短くなる。これは、点火時期を遅角させるほど排気温度が高くなるので、２次燃焼によって消費される未燃ハイドロカーボンの量が増加するためである。
【００２０】
図２及び図３を参照して説明したように、排気ポート３３から排出される排気中のハイドロカーボンの濃度には、１次ピークと２次ピークとがあり、さらに１次ピークの特性は点火時期によって変化する。排気エミッションを向上させるには、１次ピーク時に多量に発生するハイドロカーボンを吸気側に戻し、再度燃焼室３１で燃焼させることが有効である。
【００２１】
そこで、本実施形態では、１次ピークの区間において、排気弁３６を閉じたまま吸気弁３５を開くとともに、点火時期に応じて吸気弁３５の開弁期間を変更する。
【００２２】
以下、図４及び図５を参照して、この点について詳細に説明する。
【００２３】
図４は、本実施形態による吸気弁３５及び排気弁３６の開弁タイミングを示す図である。
【００２４】
図４（Ａ）に示すように、ハイドロカーボンの排出濃度の１次ピークに併せて、排気弁３６を閉じたまま吸気弁３５を開く。そして、図４（Ｂ）に示すように、１次ピークが経過したタイミングで吸気弁３５を閉じて排気弁３６を開く。これにより、図４（Ｃ）に破線で示したように、１次ピークの排気は吸気側に戻されるので、排気ポート３３から排出されない。
【００２５】
なお、吸気弁３５の開弁期間は、以下に説明する図５のテーブルによって決定する。
【００２６】
図５は、点火時期から吸気弁３５の開弁期間を決定するテーブルである。
【００２７】
図５に示すように、点火時期が進角するほど、吸気弁３５の開弁期間が長くなるように設定する。なお、具体的な吸気弁３５の開弁期間の長さは、エンジン１の種類に応じて予め実験に基づいて決定すればよい。
【００２８】
これにより、１次ピークの区間において、従来では排気ポート３３から排出されていたハイドロカーボンを吸気側に戻して再燃焼させることで、ハイドロカーボンの排出濃度を大幅に減少させることができる。
【００２９】
また、点火時期によって変化する１次ピークの濃度特性に応じて吸気弁３５の開弁期間を変更し、吸気弁３５の開弁期間を最適化できる。そのため、１次ピークが終わらないうちに吸気弁３５を閉じて、排気弁３６を開くことを防止できるので、多量のハイドロカーボンを含んだ排気を排出するのを防止できる。また、１次ピークが終わっているにもかかわらず、排気弁３６を閉じたままにすることを防止でき、排気効率を向上させることができる。
【００３０】
このように、吸気弁３５の開弁期間を最適化することで、排気エミッションを確実に向上させつつ、排気効率を向上させることができる。
【００３１】
また、高温の排気を吸気側に戻すので、冷機時において、排気ポート３３を素早く暖めることができる。そのため、吸気ポート３２に付着する燃料（壁流）が減少するので、冷機時における未燃ハイドロカーボンの排出量を抑制することができる。
【００３２】
（第２実施形態）
次に、図６および図７を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、吸排気弁３５，３６をカムで開閉駆動する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００３３】
図６は、本発明の第２実施形態によるエンジン１の要部断面図である。
【００３４】
本発明の第２実施形態によるエンジン１のシリンダヘッド３には、吸気弁３５を開閉駆動する吸気弁駆動機構４０と、排気弁３６を開閉駆動する排気弁駆動機構５０とが設けられる。
【００３５】
吸気弁駆動機構４０は、吸気カムシャフト４１とロッカーアーム４２とを備える。
【００３６】
吸気カムシャフト４１は、ベルト等でクランクシャフト（図示せず）に連係され、クランクシャフトに連動して回転する。吸気カムシャフト４１には、吸気弁３５ごとに第１カム４３及び第２カム４４が設けられる。
【００３７】
第１カム４３は、吸気行程中にロッカーアーム４２を押圧する。
【００３８】
第２カム４４は、排気行程の初期にロッカーアーム４２を押圧する。第２カム４４のカムプロフィールは、遅角時の１次ピークの排出期間に併せて設定する。
【００３９】
ロッカーアーム４２は、一端部がロッカシャフト４５によって回転自在に支持され、他端部が吸気弁３５のステムエンド３５ａに当接する。ロッカーアーム４２は、第１カム４３又は第２カム４４によって押圧されるとロッカシャフト４５を支点に上下に揺動して吸気弁３５を開閉駆動する。
【００４０】
排気弁駆動機構５０は、排気カムシャフト５１とタペット５２とを備える。
【００４１】
排気カムシャフト５１は、ベルト等でクランクシャフトに連係され、クランクシャフトに連動して回転する。排気カムシャフト５１には、排気弁３６ごとにカム５３が設けられる。
【００４２】
カム５３は、排気行程中にタペット５２を押圧する。タペット５２がカム５３によって押圧されると、タペット５２を介して排気弁３６が押圧されて排気弁３６が開閉駆動する。
【００４３】
図７は、吸気弁駆動機構４０の平面図である。
【００４４】
図７に示すように、第１カム４３及び第２カム４４は、吸気カムシャフト４１に対して軸方向に並んで設けられる。また、吸気カムシャフト４１の一端部には、吸気カムシャフト４１の回転位相を変化させて、吸気弁３５のバルブタイミング（開閉時期）を連続的に変化させる可変動弁機構（Variable valve Timing Control；以下「ＶＴＣ」という）４７が設けられる。
【００４５】
ロッカーアーム４２は、第１カム４３によって押圧される第１ロッカーアーム４２ａと、第２カム４４によって押圧される第２ロッカーアーム４２ｂとを備える。第１ロッカーアーム４２ａと第２ロッカーアーム４２ｂとは、連結ピン４６（図６参照）で連結される。
【００４６】
これにより、第１カム４３によって第１ロッカーアーム４２ａが押圧されると、ロッカーアーム全体が上下に揺動し、吸気行程中に吸気弁３５が開閉駆動される。また、第２カム４４によって第２ロッカーアーム４２ｂが押圧されると、同じくロッカーアーム全体が上下に揺動し、排気行程中に吸気弁３５が開閉駆動される。
【００４７】
ここで、本実施形態では、第１実施形態と異なり、排気行程において吸気弁３５の開弁期間の変更はできない。そこで本実施形態では、第２カム４４のカムプロフィールを、図３に示す遅角時の１次ピークの排出期間に一致させて、点火時期に応じて吸気弁３５の開閉時期を変化させることとした。具体的には、進角時においては、吸気弁３５のリフト中心角が図３で示した進角時の１次ピークの最高点に一致するように、吸気弁３５のバルブタイミングを遅角させることとした。
【００４８】
これにより、遅角時においては、１次ピークの排気の大部分を吸気側に戻すことができる。また、進角時においても、排出濃度が最も高くなる進角時の１次ピークの最高点近傍の排気を吸気側に戻すことができる。したがって、ハイドロカーボンの排出濃度を大幅に減少させることができる。
【００４９】
（第３実施形態）
次に、図８を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、１次ピークの区間に開いた吸気弁３５を介して吸気側に戻した排気を、他の気筒であって、吸気行程中の気筒に導入する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００５０】
図８は、本実施形態によるエンジン１の吸気系の概略図である。
【００５１】
エンジン１は、４気筒エンジンであり、＃１気筒→＃３気筒→＃４気筒→＃２気筒の順番で点火が行われる。
【００５２】
＃１から＃４の各気筒の吸気ポート３２には、吸気マニホールド６０が接続される。吸気マニホールド６０は、各気筒に対応するように４本に分岐し、それぞれが各気筒に２つずつ設けた吸気弁３５にそれぞれ対応するように２本の通路６０ａ，６０ｂを有する。
【００５３】
また、吸気マニホールド６０は、流動制御弁６１と、連通管６２ａ，６２ｂと、を備える。
【００５４】
流動制御弁６１は、吸気マニホールド６０の一方の通路６０ａに設けられ、シリンダ内にスワール流又はタンブル流を発生させる。流動制御弁６１は、連通管６２ａ，６２ｂが連通する位置の上流側に設けられる。
【００５５】
連通管６２ａは、＃１気筒と＃４気筒とを連通する。連通管６２ｂは、＃２気筒と＃３気筒とを連通する。これにより、膨張行程中の気筒と吸気行程中の気筒とが連通する。
【００５６】
一般的に、吸気弁３５の閉時期は、吸気の慣性を利用するために下死点後３０°〜５０°に設定される。また、排気弁３６の開時期は、排気効率を高めて残留ガスを減らすため下死点前５０°前後に設定される。
【００５７】
つまり、１次ピークに併せて開かれる一の気筒の吸気弁３５は、膨張行程の後半に開かれる。一方で、その一の気筒が膨張行程のときに吸気行程中の他の気筒の吸気弁３５は、圧縮行程の前半まで開かれる。
【００５８】
そのため、本実施形態の構成とすることで、膨張行程中の気筒（＃１気筒）から吸気側に戻された１次ピークの排気を、直接吸気行程中の気筒（＃４気筒）に導入して、その排気中に含まれる多量の未燃ハイドロカーボンを燃焼させることができる。なお、膨張行程中の気筒から吸気行程中の気筒へと１次ピークの排気を導入するときは、膨張行程中の気筒及び吸気行程中の気筒に対応する各流動制御弁６１は閉弁される。
【００５９】
なお、吸気行程中の気筒には、流動制御弁６１の設けられていない吸気マニホールド６０の片方の通路から新気が導入される。
【００６０】
このように、排気を吸気行程中の気筒に導入した場合に、排気を導入しないときと同等の酸素を供給するためには供給する空気量が増加させる必要がある。そうすると、スロットル開度が増加するので、部分負荷時において吸気時のポンピングロスを低下させることができる。よって燃料消費率が向上する。
【００６１】
なお、以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることは明白である。
【００６２】
例えば、上記各実施形態では吸気弁３５及び排気弁３６をそれぞれ２弁ずつ備えたエンジンで説明したが、それに限らず、吸気弁３５及び排気弁３６をそれぞれ１弁ずつ備えたエンジンであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】第１実施形態によるエンジンの要部断面図である。
【図２】排気ポートから排出される排気中のハイドロカーボンの濃度特性を示した図である。
【図３】点火時期と１次ピーク時に排出されるハイドロカーボンの濃度と排出期間との関係を示した図である。
【図４】吸気弁及び排気弁の開弁タイミングを示す図である。
【図５】点火時期から吸気弁の開弁期間を決定するテーブルである。
【図６】第２実施形態によるエンジンの要部断面図である。
【図７】吸気弁駆動機構の平面図である。
【図８】第３実施形態による４気筒エンジンの吸気系の概略図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  エンジン
３２  吸気ポート（吸気通路）
３３  排気ポート（排気通路）
３５  吸気弁
３６  排気弁
３７  電磁アクチュエータ
６０  吸気マニホールド
６２  連通管
【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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