(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各気筒に第１および第２の複数の排気弁を有すると共に、吸入空気を過給する過給機を備えた多気筒エンジンのＥＧＲ装置であって、
各気筒の上記第１の排気弁と連通する排気ポートを接続集合し、該集合部が上記過給機と接続された第１の排気マニホールドと、
各気筒の上記第２の排気弁と連通する排気ポートを接続集合し、該集合部が上記過給機より上流位置で上記第１の排気マニホールドの集合部と接続された第２の排気マニホールドと、
上記第２の排気マニホールドの集合部に開閉可能に装着された制御弁と、
上記第２の排気マニホールドの集合部の制御弁より上流位置と上記エンジンの吸気通路とを接続し、ＥＧＲ弁により開閉されるＥＧＲ通路と、
上記第２の排気弁の開閉時期を制御可能とする可変バルブタイミング手段と、
上記ＥＧＲ弁が開作動され、且つ上記ＥＧＲ通路の吸気側圧力が排気側圧力を上回るエンジンの運転状態のときに、上記制御弁を閉作動させると共に、上記可変バルブタイミング手段により上記第２の排気弁を上記第１の排気弁より早期に開弁させる制御手段と
を備えたことを特徴とする過給機付きエンジンのＥＧＲ装置。
【請求項２】
上記制御手段は、上記ＥＧＲ弁が開作動され、且つ上記ＥＧＲ通路の吸気側圧力が排気側圧力を上回るエンジンの運転状態のときに、上記制御弁を閉作動させると共に、上記可変バルブタイミング手段により、上記第２の排気弁の開弁タイミングを上記第１の排気弁の開弁タイミングより進角させると共に、上記第２の排気弁の閉弁タイミングを上記第１の排気弁の閉弁タイミングより進角させることを特徴とする請求項１に記載の過給機付きエンジンのＥＧＲ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過給機付きエンジンのＥＧＲ装置に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
周知のようにＮＯｘ（窒素酸化物）を低減する手法の１つとして、エンジンから排出された排ガスの一部を吸気側に還流して燃焼温度を低下させるＥＧＲ制御が実施されている。このＥＧＲの還流は、排気通路と吸気通路との圧力差を利用して行われるため、吸気を過給する過給機付きのエンジンでは、エンジンの運転領域によっては吸気通路の圧力が排気通路の圧力より高くなって、ＥＧＲが不能となる場合がある。
【０００３】
排気圧を増加させる手法として、例えば特開平６−３３８０３号公報に記載の技術を挙げることができる。このＥＧＲ装置は、過給機を備えたエンジンを想定したものではないが、排気系に設けた制御弁を閉操作して排気圧を増加させ、もってＥＧＲの還流を図っている。詳述すると、このエンジンでは、各気筒に通常の吸排弁に加えて補助的な吸気弁であるタイミング弁を設け、各タイミング弁をそれぞれの気筒の排気ポートに対して混合気供給ポートおよび連通路を介して接続すると共に、排気ポート内の接続箇所より下流側に制御弁を設けている。
【０００４】
エンジンからの排気ポートに排出された排ガスの一部は、連通路から混合気供給ポートへと案内され、この混合気供給ポートに設けられた燃料噴射弁からの噴射燃料を混合された後に、タイミング弁の開弁に伴って燃焼室内に導入され、これによりＥＧＲの還流が実現される。そして、制御弁を閉側に操作して排ガスを絞ると、排気圧が増加することから必要なＥＧＲ量を確保可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報記載のＥＧＲ装置は、各気筒の排気ポート内に制御弁を設けていることから、制御弁および開閉駆動用のアクチュエータを気筒分だけ必要として、製造コストを高騰させてしまう不具合がある。また、燃焼室に近接した排気ポートに制御弁を設けているため、排出直後の流速が高い排ガスを制御弁で絞ることになり、大きな排気抵抗を生じてエンジンの効率を低下させてしまうという不具合もある。
【０００６】
本発明の目的は、構成を簡略化して製造コストを低減できると共に、排気抵抗の増加によるエンジンの効率低下を引き起こすことなく確実にＥＧＲを還流させることができる過給機付きエンジンのＥＧＲ装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、各気筒に第１および第２の複数の排気弁を有すると共に、吸入空気を過給する過給機を備えた多気筒エンジンのＥＧＲ装置であって、各気筒の第１の排気弁と連通する排気ポートを接続集合し、集合部が過給機と接続された第１の排気マニホールドと、各気筒の第２の排気弁と連通する排気ポートを接続集合し、集合部が過給機より上流位置で第１の排気マニホールドの集合部と接続された第２の排気マニホールドと、第２の排気マニホールドの集合部に開閉可能に装着された制御弁と、第２の排気マニホールドの集合部の制御弁より上流位置とエンジンの吸気通路とを接続し、ＥＧＲ弁により開閉されるＥＧＲ通路と、第２の排気弁の開閉時期を制御可能とする可変バルブタイミング手段と、ＥＧＲ弁が開作動され、且つＥＧＲ通路の吸気側圧力が排気側圧力を上回るエンジンの運転状態のときに、制御弁を閉作動させると共に、可変バルブタイミング手段により第２の排気弁を第１の排気弁より早期に開弁させる制御手段とを備えたものである。
【０００８】
従って、ＥＧＲ通路の吸気側圧力が排気側圧力を上回ってＥＧＲが不能なときには、制御弁が閉作動されて排ガスが絞られて、制御弁より上流側の排気圧が増加すると共に、第２の排気弁を早期に開弁させることにより、ブローダウンによる高い圧力を有する排ガスが排出されて排気圧はより増加され、ＥＧＲが確実に可能となる。
【０００９】
そして、第２の排気マニホールドの集合部に設けた単一の制御弁により排気圧を増加させることから、その製造コストが低減され、且つ、制御弁が燃焼室から離間しているため、十分に流速が低下した排ガスを制御弁で絞ることになり、排気抵抗がほとんど増加しない。
また、請求項２の発明は、制御手段を、ＥＧＲ弁が開作動され、且つＥＧＲ通路の吸気側圧力が排気側圧力を上回るエンジンの運転状態のときに、制御弁を閉作動させると共に、可変バルブタイミング手段により、第２の排気弁の開弁タイミングを第１の排気弁の開弁タイミングより進角させると共に、第２の排気弁の閉弁タイミングを第１の排気弁の閉弁タイミングより進角させるようにしたものである。
【００１０】
従って、第１の排気弁の開弁に伴って排ガスが排出され始めると、ブローダウンで高められた排気圧が急激に低下するが、第２排気弁が早期に閉弁されるため、第２排気マニホールドの集合部内を常に高い排気圧に保持可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
以下、本発明を過給機付きディーゼルエンジンのＥＧＲ装置に具体化した第１実施形態を説明する。
図１は本実施形態の過給機付きディーゼルエンジンのＥＧＲ装置を示す全体構成図、図２は吸排気弁周辺と弁駆動装置の構成を示す詳細図、図３は吸排気弁の開閉タイミングを示す説明図である。図１および図２に示すように、本実施形態のエンジン１は４弁式の動弁機構を備えている。シリンダヘッド２には各気筒に一対の吸気ポート３が形成され、これらの吸気ポート３に設けられた吸気弁４は図示しないカムシャフトにより、エンジン１のクランク角に同期して図３に示すタイミングＩＮで開閉駆動される。各気筒の吸気ポート３は吸気マニホールド５にて集合されて共通の吸気通路６と連通し、この吸気通路６には過給機としてのターボチャージャ７のコンプレッサ７ａおよびインタクーラ９が設けられている。図示しないエアクリーナから吸入された空気はコンプレッサ７ａにて圧縮された後にインタークーラ９にて冷却され、吸気弁４の開弁に伴って図示しない燃焼室内に導入される。
【００１２】
また、シリンダヘッド２には各気筒に一対の排気ポート１０ａ，１０ｂが形成され、これらの排気ポート１０ａ，１０ｂには排気弁１１ａ，１１ｂが設けられている。以下、説明の便宜上、一方を第１の排気ポート１０ａおよび第１の排気弁１１ａとし、他方を第２の排気ポート１０ｂおよび第２の排気弁１１ｂとする。各気筒の第１の排気弁１１ａは上記した吸気弁４と同様に、カムシャフトにより図３に示すタイミングＥＸ１で開閉駆動され、各気筒の第２の排気弁１１ｂは、後述するように可変バルブタイミング手段としての弁駆動装置１２により開閉駆動される。
【００１３】
各気筒の第１の排気ポート１０ａには第１の排気マニホールド１３が接続され、この第１の排気マニホールド１３の集合部１３ａは、前記コンプレッサ７ａと同軸上に連結されたタービン７ｂを介して図示しない排気通路と接続されている。また、各気筒の第２の排気ポート１０ｂには第２の排気マニホールド１４が接続され、この第２の排気マニホールド１４の集合部１４ａは、前記第１の排気マニホールド１３の集合部１３ａと接続されている。図示しない燃料噴射弁からの噴射燃料により燃焼後の排ガスは、燃焼室から第１の排気ポート１０ａおよび第１の排気マニホールド１３を経て集合部１３ａに案内される一方で、第２の排気ポート１０ｂおよび第２の排気マニホールド１４を経て集合部１４ａに案内されて、相互に合流してタービン７ｂを駆動した後に排気通路を経て外部に排出される。
【００１４】
第２の排気マニホールド１４側の集合部１４ｂには制御弁１５が設けられ、この制御弁１５はステップモータ１６により開閉駆動される。集合部１４ｂの制御弁１５より上流側にはＥＧＲ通路１７の一端が接続され、このＥＧＲ通路１７の他端は前記吸気通路６に接続されている。ＥＧＲ通路１７には図示しないアクチュエータにて開閉されるＥＧＲ弁１８が設けられると共に、ＥＧＲクーラ１９が設けられている。
【００１５】
一方、前記した弁駆動装置１２は、図２に示すように、第２の排気弁１１ｂを閉弁側に付勢するバルブスプリング２０と、そのバルブスプリング２０の付勢力に抗して第２の排気弁１１ｂを開弁側に駆動するソレノイド２１から構成されている。ソレノイド２１を励磁する電流値やデューティ率に応じて第２の排気弁１１ｂのリフト量が変化し、その電流値やデューティ率をエンジン１のクランク角に同期して制御することにより、第２の排気弁１１ｂを任意のタイミングで開閉駆動し得るようになっている。
【００１６】
車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えた制御手段としてのＥＣＵ３１（電子制御ユニット）が設置されており、このＥＣＵ３１はＥＧＲ制御を含めたエンジン１の総合的な制御を行う。ＥＣＵ３１の入力側には、運転者によるアクセル操作量ＡＰＳを検出するアクセルセンサ３２、エンジン１の回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ３３等の各種センサが接続され、ＥＣＵ３１の出力側には、前記制御弁１５のステップモータ１６、ＥＧＲ弁１８、各気筒の弁駆動装置１２のソレノイド２１等の各種アクチュエータが接続されている。
【００１７】
本実施例のディーゼルエンジン１は、図示しない燃料噴射ポンプのスリーブ位置をアクチュエータで駆動して燃料噴射量を制御する電子制御式として構成されている。ＥＣＵ３１はアクセル操作量ＡＰＳ及びエンジン回転速度Ｎeに基づいて、予め設定されたマップから燃料噴射量Ｑを決定し、その燃料噴射量Ｑが達成されるように燃料噴射ポンプのスリーブ位置をアクチュエータにて調整する。このときの燃料噴射量Ｑはエンジン回転速度Ｎeと共にＥＧＲ制御に利用され、予め燃料噴射量Ｑ（エンジン負荷に相当する）及びエンジン回転速度Ｎeに基づいてマップとして設定された目標ＥＧＲ量に基づいて、アクチュエータによりＥＧＲ弁１８の開度が調整されてＥＧＲ制御が行われる。
【００１８】
また、目標ＥＧＲ量マップには、ターボチャージャ７の過給により吸気マニホールド５内の圧力（過給圧）が第２の排気マニホールド１４内の圧力（排気圧）を上回ってＥＧＲが不能となる運転領域（つまり、目標ＥＧＲ量マップから求めたＥＧＲ量を達成できない領域）が設定されている。このＥＧＲ不能領域は、主に過給圧が上昇する高負荷域に設定されているのであるが、本実施形態では、このＥＧＲ不能領域において、ＥＧＲを還流させるべく排気圧を増加させる制御が行われる。そこで、この排気圧増加制御の詳細を説明する。
【００１９】
まず、通常の運転領域、つまり、過給圧が排気圧を下回ってＥＧＲを還流可能な運転領域では、ＥＣＵ３１にて制御されたステップモータ１６により制御弁１５が全開状態に保持されると共に、ＥＣＵ３１により弁駆動装置１２が制御されて、図３に示す第１の排気弁１１ａと同一のタイミングＥＸ１で第２の排気弁１１ｂが開閉駆動される。従って、第２の排気ポート１０ｂからは、第１の排気ポート１０ａと同様のタイミングで排ガスが排出される。この場合には排気圧の増加作用は奏されないものの、本来、過給圧より高い十分な排気圧が発生していることから、ＥＧＲ弁１８の開度に応じてＥＧＲが還流されて目標ＥＧＲ量が達成される。
【００２０】
また、上記したＥＧＲ不能領域では、ステップモータ１６により制御弁１５が所定の閉側位置に制御されると共に、弁駆動装置１２により図３に示す第１の排気弁１１ａより早いタイミングＥＸ２で第２の排気弁１１ｂが開閉駆動される。詳しくは、このときの第２の排気弁１１ｂの開閉タイミングＥＸ２は、第１の排気弁１１ａの開閉タイミングＥＸ１を基準として、開弁および閉弁タイミングが共に進角されると共に、開弁タイミングに対して閉弁タイミングをより進角させることで、その開弁時間が短縮化されている。開閉タイミングＥＸ１においても開弁は膨張行程の下死点以前に行われるが、このときの開閉タイミングＥＸ２ではさらに早期の燃焼ガスの膨張中に開弁される。
【００２１】
以上の制御により、第２の排気ポート１０ｂから排出された排ガスは、以下に述べるように排気圧を増加させる作用を奏する。まず、制御弁１５の閉操作により第２の排気マニホールド１４の集合部１４ａを流通する際に排ガスが絞られることから、その上流側の排気圧は増加することになる。さらに、第２の排気弁１１ｂを早期に開弁させることにより、膨張中の高い圧力を有する排ガスが排出される所謂ブローダウンが生じることから、制御弁１５上流の排気圧はより増加される。
【００２２】
第２の排気弁１１ｂに続く第１の排気弁１１ａの開弁に伴って、第１の排気ポート１０ａからも排ガスが排出され始めると、ブローダウンで高められた排気圧が急激に低下するが、第２の排気弁１１ｂが早期に閉弁されるため、第２の排気マニホールド１４の集合部１４ａ内は常に高い排気圧に保持される。よって、このＥＧＲ不能領域においても排気圧は過給圧を上回り、その圧力差によりＥＧＲが確実に還流されて目標ＥＧＲ量が達成される。
【００２３】
なお、本実施形態では、ＥＧＲ不能領域における制御弁１５の開度や第２の排気弁１１ｂの開閉タイミングＥＸ２を予め設定された固定値に制御したが、例えばエンジン負荷、或いは過給圧と排気圧との差圧などに応じて、予め最適な制御弁開度や開閉タイミングＥＸ２を設定しておき、その設定値に基づいて制御を実施してもよい。
【００２４】
そして、以上の説明から明らかなように本実施形態では、各気筒の排ガスが集合する第２の排気マニホールド１４の集合部１４ａに制御弁１５を設けている。従って、単一の制御弁１５により排気圧を増加可能であり、その製造コストを低減できる上に、制御弁１５が燃焼室から離間しているため、十分に流速が低下した排ガスを制御弁１５で絞ることになり、排気抵抗はほとんど増加しない。
【００２５】
よって、本実施形態のＥＧＲ装置によれば、構成を簡略化して製造コストを低減できると共に、排気抵抗の増加によるエンジン１の効率低下を引き起こすことなく確実にＥＧＲを還流させることができるという優れた効果を奏する。
［第２実施形態］
以下、本発明を過給機付きディーゼルエンジンのＥＧＲ装置に具体化した第２実施形態を説明する。ここで、本実施形態のＥＧＲ装置では、第１実施形態で用いた第２の排気弁１１ｂに代えて専用のブローダウン弁４３を備えていることが主な相違点である。そこで、相違点を重点的に説明する。
【００２６】
図４は本実施形態の過給機付きディーゼルエンジンのＥＧＲ装置における吸排気弁周辺と弁駆動装置の構成を示す詳細図である。本実施形態のエンジン１では、第１の排気弁としての一対の排気弁４１（第１実施形態の第１および第２排気弁１１ａ，１１ｂに相当）は共にカムシャフトにより開閉駆動されると共に、これらの排気弁４１の開弁により排出された排気ガスは、共通の排気ポート４２および排気マニホールドを経てタービンへと案内されるようになっている。つまり、以上の構成は通常のエンジンの排気系と同様である。
【００２７】
そして、各気筒には排気弁４１と共に第２の排気弁としての１本のブローダウン弁４３が設けられ、これらのブローダウン弁４３が設けられたブローダウンポート４４は、図示しない共通のブローダウンマニホールドに接続されている。ブローダウンマニホールドは、第１実施形態で図１に基づいて説明した第２の排気マニホールド１４と同一構成であり、その集合部には第１実施形態の制御弁１５と同様の制御弁が備えられると共に、制御弁の上流側にＥＧＲ通路１７の一端が接続され、集合部の下流側は上記した排気マニホールドの集合部と接続されている。従って、ブローダウン弁４３の開弁に伴って排出された排ガスは、ブローダウンポート４４を経てブローダウンマニホールドの集合部で集合された後に、排気マニホールド側の排ガスと合流してタービンへと案内される。
【００２８】
ブローダウン弁４３の上端には被動ピストン４５が固定され、この被動ピストン４５は油路４６を介して駆動ピストン４７と接続されている。油路４６には逆止弁４８ａを介してポンプ４８からの作動油が常時供給されると共に、油路４６に介装されたソレノイド弁４９が閉弁されてドレン側と連通すると、油路４６内の油圧がドレン側にリリーフされるようになっている。前記駆動ピストン４７は、エンジン１の動弁機構のカムシャフト上に形成されたブローダウン用のカム５０上に配設され、このカム５０により駆動ピストン４７は上下動して、油路４６内にエンジン１のクランク角に同期した油圧を発生させる。
【００２９】
本実施形態では、以上の被動ピストン４５、油路４６、駆動ピストン４７、ポンプ４８、ソレノイド弁４９、およびカム５０により、可変バルブタイミング手段としての弁駆動装置５１が構成されている。
ソレノイド弁４９はＥＣＵ３１により制御され、ＥＧＲの非実行域では閉弁状態に保持される。ブローダウン用のカム５０により駆動ピストン４７は上下動されるものの、ソレノイド弁４９により油路４６内の油圧がリリーフされることから被動ピストン４５が作動せず、ブローダウン弁４３は図示しないバルブスプリングにより閉弁状態に保持される。従って、この場合の排ガスは、排気弁４１の開弁に伴って排気ポート４２および排気マニホールドを経て通常通りの経路で排出され、ＥＧＲの還流は行われない。なお、ブローダウン弁４３を閉じているため、このときの制御弁はどのような開度に制御してもよい。
【００３０】
また、ＥＧＲの実行域では、制御弁が閉側制御されると共に、ソレノイド弁４９が開弁状態に保持されて上記した油圧のリリーフを停止する。従って、駆動ピストン４７の上下動により発生した油圧が油路４６を経て被動ピストン４５側に伝達されて、被動ピストン４５と共にブローダウン弁４３がエンジン１のクランク角に同期して開閉される。ここで、ブローダウン用のカム５０の形状は、第１実施形態の図３に示す第２の排気弁１１ｂの進角側の開閉タイミングＥＸ２と同様のタイミングでブローダウン弁４３を開閉するように設定されている。その結果、制御弁による排ガスの絞りに加えて、膨張中のブローダウンの排ガスを利用して高い排気圧が確保され、ＥＧＲ通路を経て排ガスが確実に還流される。
【００３１】
なお、このときの制御弁の開度制御としては、例えば、上記したＥＧＲ不能領域では開度を小として排気圧の十分な増加を図り、負荷の低下と共にＥＧＲの還流が容易になると開度を次第に開方向に変化させる。
そして、上記のようにブローダウンマニホールドおよび制御弁の構成は、第１実施形態の第２の排気マニホールド１４および制御弁１５の構成（図１に示す）と同一であるため、本実施形態においても、単一の制御弁により構成を簡略化して製造コストを低減できると共に、燃焼室から制御弁を離間させて、排ガスを絞る際の排気抵抗によりエンジン１の効率が低下する事態を防止することができる。
【００３２】
なお、この第２実施形態においては、ＥＧＲ実行域では常にブローダウン弁４３を開閉させる構成としたが、ＥＧＲ不能領域でのみ開閉させてもよい。この場合、ＥＧＲが容易に可能な領域では制御弁１５を開状態とすることにより、排気マニホールドからブローダウンマニホールドの集合部を経てＥＧＲガスがＥＧＲ通路１７に導入される。
【００３３】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記各実施形態では、ディーゼルエンジン１用のＥＧＲ装置に具体化したが、適用するエンジンの種別はこれに限定されるものではなく、例えばガソリンエンジン用のＥＧＲ装置に具体化してもよい。また、エンジン１の動弁機構についても４弁式に限ることはなく、例えば３弁としてもよい。
【００３４】
又、上記第１実施形態では、排ガスのブローダウンを利用するために第２の排気弁１１ｂの開弁タイミングを進角させると共に、第１の排気弁１１ａの開弁に伴う排気圧の低下を防止するために、第２の排気弁１１ｂの閉弁タイミングも進角させており、第２実施形態でも、同様のタイミングでブローダウン弁４３を開閉させたが、閉弁タイミングについては、必ずしも進角させる必要はなく、例えば第１の排気弁１１ａと同時に閉弁させてもよい。この場合には、第１の排気弁１１ａの開弁に伴いある程度の圧力低下は生じるものの、ブローダウンの有効利用により通常の場合に比較して十分に高い排気圧を得ることができる。
【００３５】
又、上記各実施形態では、過給機として排ガスを利用するターボチャージャ７を備えたエンジン１のＥＧＲ装置として具体化したが、過給機の種類は限定されず、例えばエンジン１のクランク軸により駆動されるルーツ式やスパイラル式の過給機を備えたエンジン用のＥＧＲ装置としてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の過給機付きエンジンのＥＧＲ装置によれば、構成を簡略化して製造コストを低減できると共に、排気抵抗の増加によるエンジンの効率低下を引き起こすことなく確実にＥＧＲを還流させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の過給機付きディーゼルエンジンのＥＧＲ装置を示す全体構成図である。
【図２】吸排気弁周辺と弁駆動装置の構成を示す詳細図である。
【図３】吸排気弁の開閉タイミングを示す説明図である。
【図４】第２実施形態の過給機付きディーゼルエンジンのＥＧＲ装置における吸排気弁周辺と弁駆動装置の構成を示す詳細図である。
【符号の説明】
１              エンジン
７              ターボチャージャ（過給機）
１０ａ          第１の排気ポート
１０ｂ          第２の排気ポート
１１ａ          第１の排気弁
１１ｂ          第２の排気弁
１２，５１      弁駆動装置（可変バルブタイミング装置）
１３            第１の排気マニホールド
１４            第２の排気マニホールド
１３ａ，１４ａ  集合部
１５            制御弁
１７            ＥＧＲ通路
１８            ＥＧＲ弁
３１            ＥＣＵ（制御手段）
４１            排気弁（第１の排気弁）
４３            ブローダウン弁（第２の排気弁）
４４            ブローダウンポート
【図１】
0003783765.tif 000002
【図２】
0003783765.tif 000003
【図３】
0003783765.tif 000004
【図４】
0003783765.tif 000005