JP2017115811A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両等に搭載される内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine mounted on a vehicle or the like.
気筒における混合気の燃焼温度を低下させてNOxの排出量を削減しつつ、ポンピングロスの低減を図る排気ガス再循環(Exhaust Gas Recirculation)装置が周知である。EGR装置は、気筒で発生する燃焼ガス即ち排気ガスをEGR通路経由で吸気通路に還流させて吸気に混交するものである。 While reducing the emissions of the combustion temperature to reduce the by NO x of the mixture in the cylinders, exhaust gas recirculation to reduce the pumping loss (Exhaust Gas Recirculation) is a device known. In the EGR device, combustion gas generated in a cylinder, that is, exhaust gas, is recirculated to an intake passage via an EGR passage and mixed with intake air.
近時、燃費性能のより一層の向上を目論み、内燃機関が包有する気筒のうちの特定の気筒をEGR専用の気筒とし、当該気筒の排気ポートと吸気通路とをEGR通路により接続して、当該気筒から排出される排気ガスの全量を吸気通路に還流させることが試みられている(例えば、下記特許文献を参照)。 Recently, with the aim of further improving fuel efficiency, a specific cylinder of the cylinders included in the internal combustion engine is used as a dedicated EGR cylinder, and the exhaust port of the cylinder and the intake passage are connected by an EGR passage. Attempts have been made to recirculate the entire amount of exhaust gas discharged from the cylinders to the intake passage (see, for example, the following patent document).
多気筒かつ大排気量の内燃機関にあっては、特定の気筒をEGR専用の気筒としたとしても、他の気筒から排出される排気ガスを利用して排気ターボ過給機を稼働させ、十分な出力を得ることが可能である。 In a multi-cylinder and large-displacement internal combustion engine, even if a specific cylinder is a cylinder dedicated to EGR, the exhaust turbocharger is operated using exhaust gas exhausted from other cylinders. It is possible to obtain a simple output.
しかしながら、小排気量の三気筒エンジン等では、特定の気筒をEGR専用の気筒とすることで、高負荷運転時ないし全負荷(Wide Open Throttle)運転時に排気ターボ過給機が必要十分に機能せず、要求される出力性能を達成できない懸念が生じる。 However, in a three-cylinder engine with a small displacement and the like, a specific cylinder is a cylinder dedicated to EGR, so that the exhaust turbocharger can function sufficiently and sufficiently during a high load operation or a full load (Wide Open Throttle) operation. Therefore, there is a concern that the required output performance cannot be achieved.
以上の点に初めて着目してなされた本発明は、特定の気筒をEGR専用の気筒としながらも、必要時には高い出力を得られるような内燃機関を実現することを所期の目的とする。 The present invention, which has been focused on for the first time, aims at realizing an internal combustion engine that can obtain a high output when necessary while a specific cylinder is a cylinder dedicated to EGR.
本発明では、特定の一または複数の気筒の排気ポートと吸気通路とを接続し当該気筒から排出される排気ガスの全量をEGRガスとして吸気通路に還流させることのできるEGR通路と、前記特定の気筒以外の気筒の排気ポートと排気ターボ過給機の排気タービンとを接続し当該気筒から排出される排気ガスを排気タービンに流入させることのできる排気通路と、前記EGR通路と前記排気通路とを接続する連絡通路と、前記連絡通路を開閉することのできる制御バルブとを備えており、前記特定の気筒の排気バルブの開弁期間の長さまたはバルブリフト量が、前記特定の気筒以外の気筒の排気バルブの開弁期間の長さまたはバルブリフト量よりも小さい内燃機関を構成した。 In the present invention, an EGR passage that connects an exhaust port of one or more cylinders to an intake passage and can recirculate the entire amount of exhaust gas discharged from the cylinder as EGR gas to the intake passage; An exhaust passage that connects an exhaust port of a cylinder other than the cylinder and an exhaust turbine of the exhaust turbocharger and allows exhaust gas discharged from the cylinder to flow into the exhaust turbine, and the EGR passage and the exhaust passage A communication passage to be connected and a control valve capable of opening and closing the communication passage, and the length of the valve opening period or the valve lift amount of the specific cylinder is a cylinder other than the specific cylinder The internal combustion engine is configured to be smaller than the length of the exhaust valve opening period or the valve lift amount.
本発明によれば、特定の気筒をEGR専用の気筒としながらも、必要時には高い出力を得られるような内燃機関を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize an internal combustion engine that can obtain a high output when necessary while a specific cylinder is a cylinder dedicated to EGR.
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図1に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、火花点火式の4ストロークエンジンであり、複数の気筒11、12、13を具備する。図示例の内燃機関は、三気筒エンジンである。各気筒11、12、13の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するためのインジェクタ(図示せず)を設けている。また、各気筒11、12、13の燃焼室の天井部に、点火プラグ(図示せず)を取り付けてある。点火プラグは、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an outline of an internal combustion engine for a vehicle in the present embodiment. The internal combustion engine of the present embodiment is a spark ignition type four-stroke engine and includes a plurality of cylinders 11, 12, and 13. The internal combustion engine in the illustrated example is a three-cylinder engine. An injector (not shown) for injecting fuel is provided in the vicinity of the intake port of each cylinder 11, 12, 13. A spark plug (not shown) is attached to the ceiling of the combustion chamber of each cylinder 11, 12, 13. The spark plug causes spark discharge between the center electrode and the ground electrode in response to application of the induced voltage generated by the ignition coil. The ignition coil is integrally incorporated in a coil case together with an igniter that is a semiconductor switching element.
吸気を供給するための吸気通路3は、外部から空気を取り入れて各気筒11、12、13の吸気ポートへと導く。吸気通路3上には、エアクリーナ31、排気ターボ過給機5のコンプレッサ51、インタクーラ35、電子スロットルバルブ32、サージタンク33及び吸気マニホルド34を、上流からこの順序に配置している。
The intake passage 3 for supplying intake air takes in air from the outside and guides it to the intake ports of the cylinders 11, 12, 13. On the intake passage 3, an
排気を排出するための排気通路4は、気筒12、13内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を、各気筒12、13の排気ポートから外部へと導く。この排気通路4上には、排気マニホルド42、排気ターボ過給機5の排気タービン52及び排気浄化用の三元触媒41を配置している。
The exhaust passage 4 for discharging the exhaust guides the exhaust generated as a result of burning the fuel in the cylinders 12 and 13 from the exhaust ports of the cylinders 12 and 13 to the outside. An
本実施形態の内燃機関が包有する気筒11、12、13のうちの特定の気筒11は、吸気に混交するべきEGRガスを供給するEGR専用の気筒である。この気筒11には、排気通路4を接続せず、代わりにEGR通路2を接続している。EGR通路2は、EGR専用である特定の気筒11内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を、当該気筒11の排気ポートから吸気通路3へと導く。EGR通路2の出口は、吸気通路3におけるスロットルバルブ32の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク33に接続する。EGR通路2上には、EGRクーラ21及びEGRバルブ22を設ける。EGRクーラ21には、酸及びアルカリ対策を施しておくことが好ましい。EGRバルブ22は、EGR通路2を開閉し、当該EGR通路2を流れるEGRガスの流量を制御する。
A specific cylinder 11 among the cylinders 11, 12, and 13 included in the internal combustion engine of the present embodiment is a cylinder dedicated to EGR that supplies EGR gas to be mixed with intake air. The cylinder 11 is not connected to the exhaust passage 4 but is connected to the EGR passage 2 instead. The EGR passage 2 guides exhaust generated as a result of burning fuel in a specific cylinder 11 dedicated to EGR from the exhaust port of the cylinder 11 to the intake passage 3. The outlet of the EGR passage 2 is connected to a predetermined location downstream of the
加えて、本実施形態の内燃機関にあっては、EGR通路2と排気通路4とを接続する連絡通路6を設けるとともに、この連絡通路6上に制御バルブ61を設置している。制御バルブ61は、連絡通路6を開閉し、当該連絡通路6を流れる排気ガスの流量を制御する。
In addition, in the internal combustion engine of the present embodiment, a communication passage 6 that connects the EGR passage 2 and the exhaust passage 4 is provided, and a
排気ターボ過給機5は、排気タービン52とコンプレッサ51のインペラとをシャフト53を介して同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、排気通路4から排気タービン52に流れ込む排気ガスのエネルギを利用して、タービン52及びコンプレッサ51のインペラを回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ51にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮(過給)して気筒11、12、13に送り込む。
The exhaust turbo supercharger 5 is configured such that the
本実施形態の内燃機関の運転制御を司るECU(Electronic Control Unit)0は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。 An ECU (Electronic Control Unit) 0 that controls the operation of the internal combustion engine of this embodiment is a microcomputer system having a processor, a memory, an input interface, an output interface, and the like.
入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号a、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号b、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ32の開度をアクセル開度(いわば、要求されるエンジン負荷)として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号c、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号d、吸気通路3(特に、サージタンク33)内の吸気温及び吸気圧(過給圧)を検出する吸気温・吸気圧センサから出力される吸気温・吸気圧信号e、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号f、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号g、車載のバッテリの端子電流及び/または端子電圧を検出するセンサから出力されるバッテリ電流/電圧信号h等が入力される。
The input interface includes a vehicle speed signal a output from a vehicle speed sensor that detects the actual vehicle speed of the vehicle, a crank angle signal b output from an engine rotation sensor that detects the rotation angle and engine speed of the crankshaft, and depression of an accelerator pedal. An accelerator opening signal c output from a sensor that detects the amount or the opening of the
出力インタフェースからは、点火プラグのイグナイタに対して点火信号i、インジェクタに対して燃料噴射信号j、スロットルバルブ32に対して開度操作信号k、EGRバルブ22に対して開度操作信号l、制御バルブ61に対して開度操作信号m等を出力する。
From the output interface, an ignition signal i for the ignition plug igniter, a fuel injection signal j for the injector, an opening operation signal k for the
ECU0のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ECU0は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報a、b、c、d、e、f、g、hを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒11、12、13に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング(一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む)、燃料噴射圧、点火タイミング、要求EGR率(または、EGR量)等といった各種運転パラメータを決定する。ECU0は、運転パラメータに対応した各種制御信号i、j、k、l、mを出力インタフェースを介して印加する。 The processor of the ECU 0 interprets and executes a program stored in the memory in advance, calculates operation parameters, and controls the operation of the internal combustion engine. The ECU 0 acquires various information a, b, c, d, e, f, g, and h necessary for controlling the operation of the internal combustion engine through the input interface, knows the engine speed, and cylinders 11, 12, 13. Estimate the amount of intake air to be filled. Based on the engine speed, the intake air amount, etc., the required fuel injection amount, fuel injection timing (including the number of times of fuel injection for one combustion), fuel injection pressure, ignition timing, required EGR rate (or EGR rate) Various operating parameters such as volume). The ECU 0 applies various control signals i, j, k, l and m corresponding to the operation parameters via the output interface.
本実施形態において、EGR専用である特定の気筒11に供給する混合気の空燃比は、理論空燃比よりもリッチとする。これに対し、それ以外の気筒12、13に供給する混合気の空燃比は、理論空燃比またはその近傍(EGR専用の気筒11に供給する混合気の空燃比と比較してリーン)に制御する。そのために、EGR専用の気筒11に付随するインジェクタから噴射する燃料の量を、他の気筒12、13に付随するインジェクタから噴射する燃料の量よりも多くする。 In the present embodiment, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the specific cylinder 11 dedicated to EGR is made richer than the stoichiometric air-fuel ratio. On the other hand, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the other cylinders 12 and 13 is controlled to the stoichiometric air-fuel ratio or in the vicinity thereof (lean compared to the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the cylinder 11 dedicated to EGR). . Therefore, the amount of fuel injected from the injector attached to the cylinder 11 dedicated to EGR is made larger than the amount of fuel injected from the injector attached to the other cylinders 12 and 13.
さらに、図2に示すように、EGR専用の気筒11の排気バルブの開弁期間(破線で表す)を、それ以外の気筒12、13の排気バルブの開弁期間(実線で表す)よりも短くする。そのために、図3に示すように、EGR専用の気筒11の排気バルブを駆動する排気カム(破線で表す)のカム作動角θを、それ以外の気筒12、13の排気バルブを駆動する排気カム(実線で表す)のカム作動角θ’よりも狭角とする。 Further, as shown in FIG. 2, the opening period of the exhaust valve of the cylinder 11 dedicated for EGR (represented by a broken line) is shorter than the opening period of the exhaust valves of the other cylinders 12 and 13 (represented by the solid line). To do. Therefore, as shown in FIG. 3, the cam operating angle θ of the exhaust cam (represented by a broken line) that drives the exhaust valve of the cylinder 11 dedicated to EGR is set to the exhaust cam that drives the exhaust valves of the other cylinders 12 and 13. The angle is narrower than the cam operating angle θ ′ (represented by a solid line).
以上の結果、EGR専用の気筒11からEGR通路2に排出される排気ガスが、それ以外の気筒12、13から排気通路4に排出される排気ガスよりも高温かつ高圧となる。従って、制御バルブ61を開弁して連絡通路6を開通させると、EGR通路2から排気通路4に排気ガスが流入することとなる。
As a result, the exhaust gas discharged from the EGR dedicated cylinder 11 to the EGR passage 2 becomes higher in temperature and pressure than the exhaust gas discharged from the other cylinders 12 and 13 to the exhaust passage 4. Therefore, when the
本実施形態のECU0は、できるだけ多くの量のEGRガスを吸気に混入してEGR率を高めるべき状況、例えば中負荷の運転領域において、制御バルブ61を全閉するとともにEGRバルブ22を開弁し、EGR専用の気筒11から排出される排気ガスを全量、EGR通路2経由で吸気通路3に流入させる。これにより、燃料消費量を削減でき、かつポンピングロスも低減する。
The ECU 0 of the present embodiment fully closes the
他方、EGR率を低下させるべき状況、例えば高負荷ないし全負荷の運転領域においては、制御バルブ61を開弁し、必要であればEGRバルブ22の開度を縮小または全閉して、EGR専用の気筒11から排出される排気ガスの一部または全部を、EGR通路2、連絡通路6及び排気通路4経由で排気タービン52に流入させる。これにより、必要とされるエンジン出力を達成することが可能となる。
On the other hand, in a situation where the EGR rate should be reduced, for example, in a high load or full load operation region, the
また、低負荷の運転領域やアイドル運転中は、制御バルブ61を開弁するとともにEGRバルブ22を全閉して、吸気通路3を流れる吸気にEGRガスが混入しないようにする。
Further, during the low-load operation region or idling operation, the
本実施形態では、特定の気筒11の排気ポートと吸気通路3とを接続し当該気筒11から排出される排気ガスの全量をEGRガスとして吸気通路3に還流させることのできるEGR通路2と、前記特定の気筒11以外の気筒12、13の排気ポートと排気ターボ過給機5の排気タービン52とを接続し当該気筒12、13から排出される排気ガスを排気タービン52に流入させることのできる排気通路4と、前記EGR通路2と前記排気通路4とを接続する連絡通路6と、前記連絡通路6を開閉することのできる制御バルブ61とを備えており、前記特定の気筒11の排気バルブの開弁期間の長さが前記特定の気筒11以外の気筒12、13の排気バルブの開弁期間の長さよりも小さい内燃機関を構成した。
In the present embodiment, an EGR passage 2 that connects an exhaust port of a specific cylinder 11 and the intake passage 3 and can recirculate the entire amount of exhaust gas discharged from the cylinder 11 to the intake passage 3 as EGR gas; Exhaust gas that can connect exhaust ports of the cylinders 12 and 13 other than the specific cylinder 11 and the
本実施形態によれば、特定の気筒をEGR専用の気筒としながらも、必要時には高い出力を得られるような内燃機関を実現することができる。本実施形態の内燃機関の構成は、小排気量または少数気筒のエンジンに特に適している。 According to the present embodiment, it is possible to realize an internal combustion engine that can obtain a high output when necessary while a specific cylinder is a cylinder dedicated to EGR. The configuration of the internal combustion engine of the present embodiment is particularly suitable for a small displacement or a small cylinder engine.
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、EGR専用の気筒11が単一であったが、EGR専用の気筒が二以上存在していてもよい。この場合にも、EGR専用の二以上の気筒の排気ポートと吸気通路とをEGR通路を介して接続し、それ以外の気筒の排気ポートと排気タービンとを排気通路を介して接続するとともに、それらEGR通路と排気通路とを連絡通路6を以て接続する。 The present invention is not limited to the embodiment described in detail above. For example, in the above embodiment, the EGR dedicated cylinder 11 is single, but there may be two or more EGR dedicated cylinders. In this case as well, the exhaust ports and intake passages of two or more cylinders dedicated to EGR are connected via the EGR passage, and the exhaust ports and exhaust turbines of the other cylinders are connected via the exhaust passage. The EGR passage and the exhaust passage are connected by a communication passage 6.
EGR専用の気筒11の排気バルブの開弁期間をそれ以外の気筒12、13の排気バルブの開弁期間よりも短くすることに代えて、またはこれとともに、図2に示すように、EGR専用の気筒11の排気バルブのバルブリフト量(即ち、開度。鎖線で表す)をそれ以外の気筒12、13の排気バルブのバルブリフト量(実線で表す)よりも小さくすることもできる。そのためには、図3に示すように、EGR専用の気筒11の排気バルブを駆動する排気カム(鎖線で表す)のカムリフトLを、それ以外の気筒12、13の排気バルブを駆動する排気カム(実線で表す)のカムリフトLよりも小さくする。 As shown in FIG. 2, instead of or together with making the opening period of the exhaust valve of the cylinder 11 dedicated for EGR shorter than the opening period of the exhaust valves of the other cylinders 12 and 13, The valve lift amount of the exhaust valve of the cylinder 11 (that is, the opening degree, represented by a chain line) can be made smaller than the valve lift amount (represented by the solid line) of the other exhaust valves of the cylinders 12 and 13. For this purpose, as shown in FIG. 3, the cam lift L of the exhaust cam (represented by a chain line) that drives the exhaust valve of the cylinder 11 dedicated for EGR is replaced with the exhaust cam ( Smaller than the cam lift L (shown by a solid line).
EGR専用の気筒11の排気バルブ及び/またはそれ以外の気筒12、13の排気バルブが、排気カムによって開閉駆動されるとは限らない。排気バルブとして電磁ソレノイドバルブが実装されている内燃機関であれば、その開弁期間及び/またはバルブリフト量をECU0により直接制御することが可能である。 The exhaust valve of the cylinder 11 dedicated to EGR and / or the exhaust valves of the other cylinders 12 and 13 are not always opened and closed by the exhaust cam. In the case of an internal combustion engine in which an electromagnetic solenoid valve is mounted as an exhaust valve, the valve opening period and / or the valve lift amount can be directly controlled by the ECU 0.
その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。 Other specific configurations of each part can be variously modified without departing from the spirit of the present invention.
本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。 The present invention can be applied to an internal combustion engine mounted on a vehicle or the like.
1…特定の気筒
1…特定の気筒以外の気筒
2…EGR通路
3…吸気通路
4…排気通路
5…排気ターボ過給機
52…排気タービン
6…連絡通路
61…制御バルブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Specific cylinder 1 ... Cylinders other than a specific cylinder 2 ... EGR passage 3 ... Intake passage 4 ... Exhaust passage 5 ...
Claims (1)
前記特定の気筒以外の気筒の排気ポートと排気ターボ過給機の排気タービンとを接続し当該気筒から排出される排気ガスを排気タービンに流入させることのできる排気通路と、
前記EGR通路と前記排気通路とを接続する連絡通路と、
前記連絡通路を開閉することのできる制御バルブとを備えており、
前記特定の気筒の排気バルブの開弁期間の長さまたはバルブリフト量が、前記特定の気筒以外の気筒の排気バルブの開弁期間の長さまたはバルブリフト量よりも小さい内燃機関。 An EGR passage which connects an exhaust port of one or more cylinders and an intake passage and can recirculate the entire amount of exhaust gas discharged from the cylinder as an EGR gas to the intake passage;
An exhaust passage for connecting an exhaust port of a cylinder other than the specific cylinder and an exhaust turbine of an exhaust turbocharger and allowing exhaust gas discharged from the cylinder to flow into the exhaust turbine;
A communication passage connecting the EGR passage and the exhaust passage;
A control valve capable of opening and closing the communication passage,
An internal combustion engine in which a length or valve lift amount of an exhaust valve of the specific cylinder is smaller than a length or valve lift amount of an exhaust valve of a cylinder other than the specific cylinder.
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