JP4955020B2

JP4955020B2 - ４サイクルエンジン

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Publication number: JP4955020B2
Application number: JP2008557133A
Authority: JP
Inventors: 耕一畑村
Original assignee: 耕一畑村
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2008-02-06
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2028-02-06
Also published as: EP2116705A4; EP2116705B1; WO2008096774A1; JPWO2008096774A1; US20100116255A1; EP2116705A1; US8468800B2

Description

本発明は、シリンダ内に新気（二次空気）及びＥＧＲガスを導入するように構成された４サイクルエンジンに関し、詳細には、簡単な構成により新気導入量の減少を二次空気で補いつつＥＧＲガスの導入量を確保できるようした４サイクルエンジンに関する。なお、本願明細書では、吸気ポートを通してシリンダ内に導入される空気を新気と称し、排気ポートを通してシリンダ内に導入される空気を二次空気と称する。

ディーゼルエンジンの排気ガスについては窒素酸化物（ＮＯｘ）と煤（Ｓｏｏｔ）の低減が最重要課題である。中負荷運転（加速）時のＮＯｘ対策のためにＥＧＲガスの導入が効果的であるが、通常のＥＧＲでは新気が減少してＳｏｏｔが増大する。この問題を解決可能の従来技術として、一方の気筒の膨張行程下死点付近における排気ブローダウン圧力を利用して、該一方の気筒と燃焼タイミングの異なる他方の気筒にＥＧＲガスを過給するようにしたもの（特許文献１参照）、あるいは排気絞りによる排気圧を利用してＥＧＲガスを過給するようにしたものがある（非特許文献１参照）。
特公昭５１−３４５２６号公報ＡＳＭＥ８０−ＤＧＰ−８

上記特許文献１のエンジンは、排気ロータリバルブ等の複雑な機構が必要とされるため、実用化されていない。また上記非特許文献１のエンジンでは、ＥＧＲガス量を増加できるものの、新気吸入量の減少は避けられない。

本発明は、ＥＧＲガスの一部を二次空気で置き換えることにより、無過給ガソリンＨＣＣＩエンジンや機械過給ＨＣＣＩエンジンの場合は運転領域を高負荷側に拡げることができ、ターボ過給ＨＣＣＩガソリン又はディーゼルエンジンの場合は過渡トルクを増大できる４サイクルエンジンを提供することを課題としている。

なお、本願明細書においてＨＣＣＩエンジンとは、予混合圧縮着火エンジンを意味している。通常のディーゼルエンジンが圧縮上死点付近で燃料を噴射供給するのに対し、ＨＣＣＩエンジンは、燃焼室内に燃料を早期噴射し、あるいは吸気ポート内で燃料と空気を混合し、圧縮温度による燃焼反応によって圧縮上死点付近で予混合気を自己着火させるエンジンである。

課題を解決するための手段及びその効果

請求項１の発明は、気筒内に新気及びＥＧＲガスを導入するように構成された４サイクルエンジンにおいて、第１気筒の膨張行程の排気弁開時期の燃焼室内圧力（排気ブローダウン圧力）を利用して、該第１気筒と燃焼タイミングの異なる第２気筒の吸気行程から圧縮行程の下死点付近においてＥＧＲガスを該第２気筒内に導入するブローダウン過給機構と、上記排気ブローダウン圧力の上記第２気筒への到達に先立って該第２気筒の排気ポートに二次空気を供給する二次空気供給機構とを備え、上記第１気筒からの排気ブローダウン圧力により上記排気ポート内の二次空気及びＥＧＲガスを上記第２気筒内に過給することを特徴としている。

ここで本発明において、「吸気行程から圧縮行程の下死点付近においてＥＧＲガスを該第２気筒内に導入する」とは、吸気行程の下死点付近から圧縮行程の下死点付近の少なくとも一部期間においてＥＧＲガスを導入する場合を含む。

請求項１の発明では、第２気筒の排気ポートに二次空気が供給された状態で第１気筒からの排気ブローダウン圧力が該第２気筒の排気ポートに到達する。従って、ＥＧＲガスが、これの一部と置き換えられた二次空気と共に第２気筒内に過給されることとなり、新気導入量の減少を二次空気によって補いつつＥＧＲガス量を確保できる。

請求項２の発明は、請求項１において、上記二次空気供給機構は、吸気系と各気筒の上記排気ポートとを連通接続する二次空気供給通路と、該二次空気供給通路に介設された二次空気制御弁と、該二次空気供給通路の二次空気制御弁より上流側に介設され、電動モータ又はエンジン出力で駆動される補助過給機とを備えていることを特徴としている。

請求項２の発明を、例えば無過給ガソリンＨＣＣＩエンジンに適用した場合には、例えば中負荷運転域において、二次空気が補助過給機により二次空気供給通路を通って排気ポートに供給され、該排気ポート内の二次空気がＥＧＲガスとともに過給される。即ち、新気に二次空気を加えた分低温空気の量が増加し、該低温空気の温度を高めるのに見合うよう高温のＥＧＲガス量を増やすこととなるので、気筒内に導入される混合気の質量（熱容量）が増加する。その結果、燃焼温度が低下してＮＯｘ発生量が抑えられるので、ＨＣＣＩ運転領域をさらに高負荷側に拡げることができる。上記二次空気供給通路に介設された二次空気制御弁が電子制御式である場合には、ＨＣＣＩのシリンダ毎、サイクル毎に二次空気の導入量を制御することができ、もってシリンダ毎、サイクル毎に燃焼時期を制御することができる。

請求項３の発明は、請求項１において、上記エンジンは、電動モータ又はエンジン出力で駆動される主過給機が介設された吸気系を備え、大気圧以上の加圧新気を各気筒内に供給するように構成されており、上記二次空気供給機構は、上記吸気系から供給された加圧新気を、排気弁及び吸気弁の両方が開いているオーバーラップ期間に排気ポート側に吹き抜けさせて排気ポート内に供給するように構成されていることを特徴としている。

ここで本発明において「排気弁及び吸気弁の両方が開いているオーバーラップ期間」とは、排気行程終期から吸気行程初期において排気弁と吸気弁が共に開いている期間と、吸気行程の終期において吸気弁が開いており、かつ排気弁がＥＧＲガスを導入するために開いている期間の両方を含む。

請求項３の発明を、例えば中負荷はＨＣＣＩ運転、高負荷はＳＩ（火花点火）運転を行うＨＣＣＩ機械過給エンジンに適用した場合には、吸気系から吸気弁を介して第１気筒内に導入された新気の一部が上記オーバーラップ期間中にシリンダ内を経由して排気弁から該第１気筒の排気ポート内に供給される。この排気ポート側に供給された二次空気は、第２気筒からの排気ブローダウン圧力によってＥＧＲガスと共に第１気筒内に過給されることとなる。これによりシリンダ内混合気の質量が、単に主過給機により新気が吸気系から過給される単純な過給エンジンの場合の同一過給圧運転時より増加し、機械損失を抑えながらＨＣＣＩ運転領域を拡大できる。即ち、過給圧が同じで新気量が増加するので、高負荷限界での新気量では過給圧を低下でき、その結果、機械過給機駆動による機械損失の増加を抑えることが可能となる。

請求項４の発明は、請求項１において、上記エンジンは、該エンジンからの排気ガスで駆動されるターボ過給機が介設された吸気系を備え、少なくとも定常運転域では大気圧以上の加圧新気を各気筒内に供給するように構成されており、上記二次空気供給機構は、吸気系と各気筒の上記排気ポートとを連通接続する二次空気供給通路と、該二次空気供給通路に介設された二次空気制御弁と、該二次空気供給通路の二次空気制御弁より上流側に介設され、電動モータ又はエンジン出力で駆動される補助過給機とを備えていることを特徴としている。

ターボ過給式のエンジンの場合、ターボ過給機の回転速度が十分でないターボラグの期間には、吸気ポート内圧力の上昇が遅れるため、吸気量増加に遅れが発生するだけでなく、排気圧力が吸気圧力より高くなり、残留ガスの増加，ポンプ損失増加によりさらにトルク発生が遅れる。請求項４の発明では、補助過給機により二次空気を排気ポートに供給し、該二次空気と共にＥＧＲガスを排気ブローダウン圧力により過給するようにしたので、二次空気が増加した分燃料噴射量を増加して過渡トルクを増大でき、その結果ターボ過給機に供給されるタービン過給エネルギが増加し、ターボ過給機の回転上昇速度が速くなり、それだけターボ過給の応答性を向上できる。

請求項５の発明は、請求項１ないし４の何れかにおいて、上記ブローダウン過給機構は、第１気筒の排気ブローダウン圧力が第２気筒の排気ポートに該第２気筒の吸気行程下死点付近において到達するよう上記第１気筒の排気タイミングと該第１気筒から上記第２気筒までの排気管長が設定され、該第２気筒の排気弁が該第２気筒の吸気行程下死点付近において開弁されるよう構成されていることを特徴としている。

請求項５の発明では、第１気筒の排気ブローダウン圧力が第２気筒の排気ポートに該第２気筒の吸気行程下死点付近において到達し、また該第２気筒の排気弁が該第２気筒の吸気行程下死点付近において開弁されるので、排気ポートに供給されている二次空気と共にＥＧＲガスを上記排気ブローダウン圧力により第２気筒内に過給でき、上述の効果が実現される。

本発明の第１実施形態によるエンジンの模式構成図である。上記第１実施形態エンジンの断面側面図である。上記第１実施形態エンジンの動弁装置の模式平面図である。上記第１実施形態エンジンの切換機構の断面模式図である。上記第１実施形態エンジンの吸気弁，排気弁及び二次空気制御弁の開閉タイミングを示す図である。上記第１実施形態エンジンの各種圧力，流量特性図である。上記第１実施形態エンジンの各種圧力，流量特性図である。本発明の第２実施形態エンジンの模式構成図である。上記第２実施形態エンジンの各種圧力，流量特性図である。本発明の第３実施形態エンジンの模式特性図である。上記第３実施形態エンジンの動弁装置の模式平面図である。上記第３実施形態エンジンの断面側面図である。上記第３実施形態エンジンの排気ポート形状を示す模式図である。上記第３実施形態エンジンの各種圧力，流量特性図である。

符号の説明

１ａシリンダボア（気筒）
１ｅ排気ポート
２ａ，２ｄ排気管
２０二次空気供給機構
２１二次空気供給通路
２２ａ〜２２ｄ二次空気制御弁
２３補助過給機
３１主過給機
３６ターボ過給機
４０ブローダウン過給機構
ＩＮ吸気弁
ＥＸ排気弁
♯１気筒（第２気筒）
♯４気筒（第１気筒）

以下本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１〜図７は本発明の第１実施形態による４サイクルエンジンを説明するための図であり、図１は全体構成図、図２は該エンジンの断面側面図、図３は動弁機構の平面模式図、図４は切換機構の模式図、図５〜図７は動作説明図である。

図において、１は４気筒４バルブＤＯＨＣガソリンエンジンをベースとしたＨＣＣＩエンジンである。該エンジン１は、♯１気筒〜♯４気筒を備えており、該♯１〜♯４気筒は、それぞれ２本ずつの吸気弁IN１，IN２と、２本ずつの排気弁EX１，EX２の合計４本の弁を備えている。また、該エンジン１はガソリン筒内噴射弁１３を備え、圧縮比は火花点火燃焼に最適な１２に設定されている。

上記エンジン１の点火順序は♯１−♯３−♯４−♯２気筒となっている。該各気筒間の位相（点火間隔）はクランク軸角度で１８０度であり、従って♯１気筒と♯４気筒の位相、及び♯２気筒と♯３気筒の位相はそれぞれ３６０度である。なお、♯１気筒と♯４気筒のピストン位置、及び♯２気筒と♯３気筒のピストン位置は常に同じであり、♯１気筒及び♯４気筒のピストン位置と♯２気筒及び♯３気筒のピストン位置は１８０度異なる。

上記エンジン１の具体的構造を説明する。上記♯１〜♯４気筒の各シリンダボア１ａ内には、ピストン１ｂが摺動自在に挿入され、該ピストン１ｂはコンロッド１ｆでクランク軸（図示せず）に連結されている。上記シリンダボア１ａの上側に位置する燃焼室１ｃには、吸気ポート１ｄの吸気弁開口１ｄ′、排気ポート１ｅの排気弁開口１ｅ′が２つずつ開口しており、該各開口を上記吸気弁IN１，２、排気弁EX１，２が開閉するようになっている。

上記吸気弁IN１，２、排気弁EX１，２は、動弁装置４により開閉駆動される。この動弁装置４は、上記吸気弁ＩＮ１，２の開期間及びリフト量を連続的に変化可能とする吸気弁駆動機構７と、上記排気弁ＥＸ１，２を開閉する排気弁駆動機構８とを備えている。

上記排気弁駆動機構８は、クランク軸と平行に配置された排気カム軸６，排気ロッカ軸８ｃと、該排気ロッカ軸８ｃにより揺動可能に軸支された排気ロッカアーム８ａ，８ａと、該各ロッカアーム８ａの先端部に軸支されたローラ８ｂとを備えている。上記排気カム軸６には、ベース円部６ｂとリフト部６ｃとを有する排気カムノーズ６ａが上記各排気弁に対応するように形成されている。

上記排気カム軸６の回転により上記排気カムノーズ６ａが上記ローラ８ｂを介して上記ロッカアーム８ａを上下揺動させ、該ロッカアーム８ａの先端部８ｄが上記排気弁ＥＸを開方向に押し下げる。

上記吸気弁駆動機構７は、クランク軸と平行に配置された吸気カム軸５，吸気ロッカ軸７ｅ，及び支持軸７ｄと、該支持軸７ｄに揺動可能に支持された揺動カム７ａと、該揺動カム７ａにより吸気コントロールアーム７ｃを介して揺動駆動される吸気ロッカアーム７ｂとを備えている。上記吸気カム軸５には、各気筒毎に各吸気弁に対応するように吸気カムノーズ５ａが形成されている。該各吸気カムノーズ５ａはベース円部５ｂと、リフト部５ｃとを有する。

上記吸気ロッカアーム７ｂのリング状の基端部７ｂ′は上記吸気ロッカ軸７ｅにより軸支されている。上記吸気コントロールアーム７ｃのリング状の基端部７ｃ′は、上記吸気ロッカ軸７ｅの軸心から偏心するアーム支持軸７ｅ′により軸支されている。上記吸気ロッカ軸７ｅを回動させると、吸気コントロールアーム７ｃは前後に進退し、先端部のローラ７ｆの上記揺動カム７ａとの摺接開始位置が変化し、もって吸気弁の開期間，リフト量が変化する。

上記吸気カム軸５を回転させると、該吸気カム軸５の吸気カムノーズ５ａが上記揺動カム７ａ，吸気コントロールアーム７ｃを介して上記吸気ロッカアーム７ｂを上下に揺動させ、該吸気ロッカアーム７ｂの先端部が吸気弁IN１，２を開方向に押し下げる。

ここで上記吸気ポート１ｄは、図２に太実線で示すように、吸入空気流（新気流）が、気筒軸Ａを越えて排気弁側に流入し、該排気弁側を気筒軸Ａに沿うように流下し、ピストン頂面で反転して吸気弁側を上昇する新気タンブル流Ｂが生成されるように、その形状等が設定されている。具体的には、吸気ポート１ｄは、カム軸方向に見たとき、略直線状に形成され、かつその中心軸１ｋがシリンダボア１ａ内周面の上記気筒軸Ａを越えた排気弁開口に近い部分１ｋ′に向かっており、このようにして新気流を排気弁側に方向付けするようになっている。

一方、上記排気ポート１ｅは、図２に太破線で示すように、排気ガス逆流（ＥＧＲガス流）が、排気弁側にて気筒軸Ａに沿うように流下し、ピストン頂面で反転して吸気弁側を上昇する排気タンブル流Ｃが生成されるようにその形状等が設定されている。具体的には、上記排気ポート１ｅの排気弁開口１ｅ′に近い部分である排気弁開口近傍部分１ｅ′′は、気筒軸Ａに沿うように屈曲されている。詳細には、カム軸方向に見たとき、上記排気弁開口近傍部分１ｅ′′は、これの中心軸１ｍが下死点に位置するピストン１ｂの頂面より下方で気筒軸Ａと交差する程度に屈曲されている。

上記エンジン１に接続された吸気装置３は、所定の容積を有するサージタンク３ｅと、該サージタンク３ｅから分岐して上記♯１気筒〜♯４気筒のそれぞれの吸気ポート１ｄに接続された分岐管３ａ〜３ｄとを有する。上記サージタンク３ｅの一端に形成された吸入口３ｆには吸気絞り弁３ｇが配設され、該吸気絞り弁３ｇの上流側にはエアクリーナ（図示せず）が接続されている。

また、上記エンジン１に接続された排気装置２は、各気筒毎の枝管２ａ，２ｄ，２ｂ，２ｃの長さが比較的長く設定され、位相（点火間隔）が３６０度の上記♯１気筒と♯４気筒を連結して排気する第１の排気系２′と、同じく位相３６０度の♯２気筒と♯３気筒を連結して排気する第２の排気系２′′とを備えたいわゆる４−２−１排気系となっており、高負荷運転領域において排気干渉が避けられるので出力向上に適している。

上記第１の排気系２′は、♯１気筒，♯４気筒の排気ポート１ｅに接続された第１，第４枝管２ａ，２ｄと、該両枝管２ａ，２ｄを合流させる第１合流管２ｅを有する。上記第２の排気系２′′は、♯２気筒，♯３気筒の排気ポート１ｅに接続された第２，第３枝管２ｂ，２ｃと、該両枝管２ｂ，２ｃを合流させる第２合流管２ｆを有する。そして上記第１，第２合流管２ｅ，２ｆはメイン管２ｇに合流している。

また上記第１，第２合流管２ｅ，２ｆには、上流側触媒２ｉ，２ｉが介設され、上記メイン管２ｇには下流側触媒２ｊが介設されている。さらにまた、上記第１，第２合流管２ｅ，２ｆの上流側触媒２ｉより上流側には、排気通路面積を可変制御する排気絞り弁２ｈ，２ｈが介設されている。

本実施形態エンジンは、♯４気筒（第１気筒）の膨張行程下死点付近の燃焼室内圧力（排気ブローダウン圧力）を利用して、該♯４気筒と燃焼タイミングが３６０度異なる♯１気筒（第２気筒）の吸気行程下死点付近においてＥＧＲガスを該♯１気筒内に導入するブローダウン過給機構４０と、上記排気ブローダウン圧力の上記♯１気筒への到達に先立って該♯１気筒の排気ポート１ｅに二次空気を供給し貯留する二次空気供給機構２０とを備えており、上記♯４気筒からの排気ブローダウン圧力により上記排気ポート１ｅ内に貯留している二次空気及びＥＧＲガスを上記♯１気筒内に過給するように構成されている。

なお、上記ブローダウン過給機構４０及び二次空気供給機構２１は、上記♯１気筒からの排気ブローダウン圧力を利用して二次空気及びＥＧＲガスを♯４気筒に過給するように構成されており、さらに♯２気筒からの排気ブローダウン圧力を利用してと♯３気筒に二次空気とＥＧＲガスを過給し、逆に♯３気筒からの排気ブローダウン圧力を利用して♯２気筒に二次空気とＥＧＲガスを過給するように構成されている。以下、上記♯１気筒と♯４気筒との関係について詳述する。

上記ブローダウン過給機構４０は、上記♯１気筒と♯４気筒との燃焼タイミングを３６０度ずらすとともに、♯４気筒からの排気ブローダウン圧力が♯１気筒の吸気行程下死点付近で該♯１気筒の排気ポートに到達するように両気筒間の排気枝管２ａ，２ｄの長さを設定し、さらに吸気カム軸５により♯１気筒の排気弁EX１，２を、図５にリフトカーブＣ１に示すように、該♯１気筒の吸気行程の下死点付近で再度開くＥＧＲ開弁機構９を備えることにより実現されている。

上記ＥＧＲ開弁機構９は、上記吸気カム軸５に形成されたＥＧＲカムノーズ５ａ′と、上記支持軸７ｄに軸支された排気ロッカカム１０と、上記排気ロッカ軸８ｃに軸支された中間レバー１１と、該排気ロッカ軸８ｃの軸心から偏心するアーム支持軸８ｃ′により軸支された排気コントロールアーム１３と、上記排気カム軸６に形成されたＥＧＲガイドカム６ｂ′とを備えている。

上記吸気カム軸５側のＥＧＲカムノーズ５ａ′は、上記吸気カム軸５の２つの吸気カムノーズ５ａ，５ａ間に形成されている。このＥＧＲカムノーズ５ａ′は、上記吸気側のベース円部５ｂと同一径のＥＧＲベース円部５ｂ′と、上記吸気側のリフト部５ｃよりリフト量の小さいＥＧＲリフト部５ｃ′とを有する。

また上記排気カム軸６側のＥＧＲガイドカム６ｂ′は、上記排気カムノーズ６ａのベース円部６ｂと同一径を有する。なお、このＥＧＲガイドカム６ｂ′は、ベース円部のみからなり、リフト部は有しない。

上記排気ロッカカム１０の上記支持軸７ｄを挟んだ一側にはローラ１０ａが配設され、また他側にはカム面１０ｂが形成されている。上記ローラ１０ａは上記ＥＧＲカムノーズ５ａ′に転接しており、上記カム面１０ｂには排気コントロールアーム１３のローラ１３ｂが転接している。

上記中間レバー１１は、概ね三角形状をなし、該三角形の頂角部が上記排気ロッカ軸８ｃにより揺動可能に支持されている。また上記三角形の一方の底角部にはローラ８ｂが軸支され、他方の底角部に続く斜辺部にはカム面１１ａが形成されている。上記ローラ８ｂは上記ＥＧＲガイドカム６ｂ′に転接し、上記カム面１１ａには上記排気コントロールアーム１３の先端に形成された押圧部１３ａが摺接している。

ここで、上記中間レバー１１と２つの排気ロッカレバー８ａ，８ａとの間には、該中間レバー１１の揺動を該排気ロッカレバー８ａ，８ａに伝達するＥＧＲ開弁オン状態と上記揺動を伝達しないＥＧＲ開弁オフ状態との何れかに切替え可能の切替機構１２が形成されている。

上記切替機構１２は、図４に示すように、上記中間レバー１１の先端部及び排気ロッカレバー８ａ，８ａの先端部に同軸をなすように連結穴１２ａを形成し、該連結穴１２ａ内に連結ピストン１２ｂ，１２ｃを軸方向に摺動可能に、かつ軸直角方向に相対移動可能に配置した構造のものである。

また上記連結ピストン１２ｂの一端面と連結穴１２ａの一端とで油圧室１２ｅが形成され、連結ピストン１２ｃの他端面と連結穴１２ａの他端との間にはストッパ１２ｄを介在させてリターンスプリング１２ｆが配設されている。上記油圧室１２ｅには、上記ロッカ軸８ｃに形成された油圧通路８ｄを介して油圧を供給可能となっている。

油圧が上記油圧室１２ｅに供給されると、上記連結ピストン１２ｃ，１２ｂが中間レバー１１と排気ロッカレバー８ａとの境界を跨ぐ位置（図４（ａ））に位置し、上記ＥＧＲ開弁オン状態となる。そして上記油圧が開放されると、上記連結ピストン１２ｃと上記連結ピストン１２ｂ及びストッパ１２ｄとの接触部が上記境界に一致し（図４（ｂ））上記ＥＧＲ開弁オフ状態となる。

さらにまた上記吸気カム軸５は、該吸気カム軸５の位相を自由に制御可能の吸気カム位相可変機構１５を備えている。吸気カム軸５の位相を変化させると、吸気弁IN１，２の吸気行程における開閉時期が変化すると同時に、排気弁EX１，２のＥＧＲ開弁動作における開閉時期も同じ位相だけ変化する。また上記排気カム軸６は、該排気カム軸６の位相を自由に制御可能の排気カム位相可変機構１６を備えている。

上記二次空気供給機構２０は、上記サージタンク３ｅと各気筒の上記排気ポート１ｅとを連通接続する二次空気供給通路２１と、該二次空気供給通路２１に介設された二次空気制御弁２２ａ〜２２ｄと、該二次空気供給通路２１の二次空気制御弁より上流側に介設された電動モータ駆動式の補助過給機２３とを備えている。なお、２３ａ駆動モータであり、また２４は加圧により温度上昇した新気を冷却するインタクーラである。

上記二次空気供給通路２１は、各気筒の配置方向に延びるヘッダ部２１ａと、該ヘッダ部２１ａから各気筒の排気ポート１ｅ内に開口するよう配置された分岐管２１ｂとを備え、該各分岐管２１ｂに上記二次空気制御弁２２が介設されている。

上記♯１気筒（本発明の第２気筒に相当する）に、♯４気筒（本発明の第１気筒に相当する）からの排気ブローダウン圧力を利用して二次空気及びＥＧＲガスが過給される場合について詳細に説明する。

図５は、♯１気筒と♯４気筒の排気弁，吸気弁のリフトカーブＥＸ，ＩＮ、ＥＧＲ開弁機構９による排気弁の再度の開時のリフトカーブＣ１、及び二次空気制御弁のリフトカーブＳＡを示す。図５に示すように、二次空気制御弁は、各気筒の吸気行程において開となり、また排気弁は、ＥＧＲ開弁機構により、各気筒の吸気行程下死点付近において開となる。

また図６，図７は、ＥＧＲガスのシリンダボア内への流量megr（二次空気の排気ポート側からのシリンダボア内への流量を含む）、二次空気の排気ポートへの流量msa，排気ガスの排気ポートへの流出量mex，新気（吸気）のシリンダボア内への流量minのクランク角度に応じた変化、及びシリンダ内圧力pcy，排気ポート内圧力pex，吸気ポート内圧力pinのクランク角度に応じた変化を示す特性図である。図６は、上記二次空気制御弁２２ａ〜２２ｄが閉状態に保持されている時の特性を、図７は上記二次空気制御弁が上述のタイミングで開閉される特性を示す。

本実施形態エンジン１では、ＥＧＲガスの過給を行うべき所定の運転域（ＨＣＣＩ運転域）にあっては、上述の切替機構１２の油圧室１２ｅに油圧が供給され、連結ピストン１２ｂ，１２ｃが図４（ａ）の位置に移動し、これにより吸気カム軸５のＥＧＲカムノーズ５ａ′によって排気弁EX１，２が開閉駆動される。詳細には、ＥＧＲカムノーズ５ａ′のリフト部５ｃ′がローラ１０ａを介して排気ロッカカム１０を揺動させると、この揺動がローラ１３ｂを介して中間レバー１１に伝達され、該中間レバー１１と共に排気ロッカレバー８ａが揺動し、これにより排気弁EX１，２は図５に示すＥＧＲ開弁リフトカーブＣ１に沿って開閉する。

なお、ＥＧＲガスの過給を行わない運転領域にあっては、上記油圧の供給が停止され、連結ピン１２ｂが図４（ｂ）の位置に移動し、中間レバー１１の揺動は排気ロッカレバー８ａには伝達されず、従って排気弁はＥＧＲ開弁動作を行なわない。

本実施形態では、上記ＥＧＲ開弁機構９は、高回転領域においては、常時不作動とされる。そのためＥＧＲカム５ａ′によるバルブ加速度を高く設定することができ、ＥＧＲカム５ａ′は開度が狭いにもかかわらず比較的高いリフトが設定されており、短時間で多くのＥＧＲガスを導入できるようにしている。

本実施形態では、二次空気が補助過給機２３により大気圧より高い圧力、例えば１．２〜１．８barで上記ヘッダ部２１ａに供給されている。そしてＥＧＲガスの過給を行うＨＣＣＩ運転域にあっては、図５に二次空気制御弁ＳＡで示すように、上記♯１気筒の二次空気制御弁２２ａが、該♯１気筒の吸気行程において開き、上記加圧された二次空気が該♯１気筒の排気ポート１ｅに供給され（図７の二次空気流量ｍｓａ参照）、該排気ポート１ｅ内に二次空気が貯留される。この場合、該♯１気筒が吸気下死点に近づくと、♯４気筒の排気弁が膨張行程下死点付近で開き始め、該♯４気筒からの排気ブローダウン圧力が排気系に排出され、該排気ブローダウン圧力は、上記特定長さに設定された排気枝管２ｄ，２ａを経て♯１気筒側に向かう（図５参照）。このとき♯１気筒では、吸気行程下死点付近において上記ＥＧＲ開弁機構９が排気弁をＥＧＲ開弁Ｃ１に示すように再度開く。この排気弁の再度の開にタイミングを合わせて上記排気ブローダウン圧力が、図７の排気ポート内圧力pexのポイントａに示すように、該♯１気筒の排気ポートに到達し、この排気ブローダウン圧力により上記排気ポートに貯留されていた二次空気及びＥＧＲガスが♯１気筒のシリンダボア１ａ内に押し込まれ、該♯１気筒の圧縮行程開始時のシリンダボア１ａ内圧力は吸気ポート１ｄ内圧力より高くなる。

図６に示すように、吸気弁と排気弁のＥＧＲ開弁とのオーバーラップ期間中に、吸排気管の動的効果によって吸気ポート内圧力pinが排気ポート内圧力pexよりわずかに高い（図６のポイントｄ参照）ので、少量の新気がシリンダボアを介して排気ポートに供給される（図６のＥＧＲ流量megrのポイントｂ参照）。なお、ＥＧＲ流量megrではポイントｂのような正側部分はシリンダ側から排気ポートに流出することを示し、ポイントｅのような負側部分は、排気ポートからシリンダボア内に流入することを示している。

また、図７に示すように、♯１気筒の二次空気制御弁２２ａが吸気行程において開かれることにより二次空気が♯１気筒の排気ポート１ｅに導入され貯留される（同図の二次空気流量msaの吸気行程参照)。これに続くＥＧＲ開弁機構９による排気弁の再度の開により上記二次空気がＥＧＲガスと共にシリンダボア内に導入される(同図のＥＧＲガス流量megr参照)。このように新気に二次空気が加わることから低温空気の量が増加し、この増えた低温空気を圧縮着火に対応した温度となるよう高温のＥＧＲガスを増加させることとなるので、二次空気を導入しない場合（図６参照）に比較して、気筒内混合気の質量（熱容量）が増加し、Ｇ／Ｆが大きくなる。その結果、ＮＯｘ抑制のために制限されている燃料噴射量を増量できるので、トルクを増大できる。なお、圧縮着火に必要な高温ＥＧＲガス量を確保するために、排気絞り弁２ｈにより排気通路を、例えば断面積で１／２程度に絞ることにより、高温ＥＧＲ量を増加することが望ましい。但し、排気通路面積を絞るとわずかにポンプ損失が増加するので、排気弁のＥＧＲ開期間を長くする等の、バルブタイミングの工夫により高温ＥＧＲガス量を確保するのがより望ましい。

図８〜図９は本発明の第２実施形態に係る４サイクルエンジンを説明するための図である。上記第１実施形態では、二次空気を補助過給機で加圧してヘッダ部に供給し、二次空気制御弁の開閉により各気筒の排気ポートに供給するようにしたが、本第２実施形態は、新気をシリンダを経由して排気ポートに供給するようにした例である。図中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。

本第２実施形態エンジン１のサージタンク３ｅに接続された空気導入通路３０の途中には、電動モータ又はエンジン出力で駆動される主過給機（スーパーチャージャ）３１が介設されており、所定圧力に加圧された新気を該エンジン１に供給するようになっている。なお、３０ａは主過給機３１をバイパスするバイパス通路、３０ｂは該バイパス通路３０ａを開閉するバイパス弁、３２は加圧された新気の温度を低減するインタークーラ、３３はエアクリーナである。

上記主過給機３１からの加圧新気は、♯１気筒の吸気行程において、吸気弁が開くことにより吸気ポート１ｄから該♯１気筒のシリンダボア内に導入される。この吸気行程終期付近においては、吸気弁が開いており、かつ排気弁がＥＧＲ開弁により開いているオーバーラップ期間があり、しかも上記導入された新気が加圧状態にあることも起因して、該新気の一部はシリンダ内を経由して排気弁開口から該♯１気筒の排気ポート１ｅに吹き抜け、この吹き抜けた新気は、二次空気として排気ポート内に貯留されることとなる(図９のＥＧＲ流量megrの正側部分ｃ参照)。

このように♯1気筒の排気ポート１ｅ内に二次空気が貯留されている状態で♯４気筒の排気弁が膨張行程下死点付近で開き始めることにより、該♯４気筒内の排気ブローダウン圧力が上記所定長さに設定された排気管２ｄ，２ａを介して♯１気筒の排気ポート１ｅに、上記排気弁がＥＧＲ開弁状態にある間に到達する。この排気ブローダウン圧力により、上記♯１気筒の排気ポート１ｅ内に貯留されていた二次空気がＥＧＲガスとともに♯１気筒の♯ボア内に押し込まれる。

本第２実施形態では、上記二次空気の導入により、シリンダ内混合気の質量が、単に主過給機３１により新気を吸気系から過給する単純な過給エンジンの場合より増加し、機械損失を抑えながらＨＣＣＩ運転領域を拡大できる。

また機械式の主過給機３１により新気をシリンダボア内を経由して排気ポート１ｅ側に吹き抜けさせ、該吹き抜けた新気を二次空気として排気ポート１ｅ内に貯留するようにしたので、二次空気を排気ポートに予め供給するための特別な機構を必要としない。

図１０〜図１３は本発明の第３実施形態を説明するための図であり、図中、図１，図８と同一符号は同一又は相当部分を示す。

本第３実施形態のエンジン１では、第１の排気系２′の合流管２ｅと第２の排気系２′′の合流管２ｇが１つの共通の可変ノズルタービンを備えたターボ過給機３６に接続されている。該ターボ過給機３６の空気吐出口とサージタンク３ｅとを接続する空気通路３４にはインタークーラ３５が介設されている。また排気枝管２ａには圧力センサ２ｒが配設されている。

また本第３実施形態エンジン１は、上述の第１実施形態と同じ構成の二次空気供給機構２０を備えている。この二次空気供給機構２０は、サージタンク３ｅと排気ポート１ｅとを接続する二次空気供給通路２１と、該二次空気供給通路２１に介設された補助過給機２３及びインタークーラ２４と、二次空気制御弁２２ａ〜２２ｄを備えている。

また上記エンジン１の動弁装置４′の、吸気弁駆動機構７′，排気弁駆動機構８′及びＥＧＲ開弁機構１０′はそれぞれ以下の構造となっている。

上記吸気弁駆動機構７′は、吸気ロッカ軸７ｈで揺動可能に支持された吸気ロッカアーム７ｇの先端部に配設されたローラ７ｉを吸気カムノーズ５ａで押圧することにより、吸気弁を開閉駆動する。

また上記排気弁駆動機構８′は、排気ロッカ軸８ｈで揺動可能に支持された排気ロッカアーム８ｇの先端部に配設されたローラ８ｉを排気カムノーズ６ａで押圧することにより、排気弁を開閉駆動する。

上記ＥＧＲ開弁機構１０′は、上の吸気ロッカ軸７ｈに揺動可能に支持された駆動レバー１０ｇの中間部に配設されたローラ１０ｉをＥＧＲカムノーズ５ａ′で押圧駆動するようになっている。上記駆動レバー１０ｇは、二股状の押圧片１０ｈ，１０ｈを有し、該押圧片１０ｈ，１０ｈに軸方向位置調整可能に螺挿された押圧ピン１０ｊ，１０ｊにより排気ロッカレバー８ｇ，８ｇの前端部８ｋ，８ｋを押圧するようになっている。

ターボ過給式のエンジンの場合、ターボ過給機の回転速度が十分でないターボラグの期間には、吸気ポート内圧力の上昇が遅れるため、吸気量増加に遅れが発生するだけでなく、排気圧力が吸気圧力より高くなり、残留ガスの増加，ポンプ損失増加によりさらにトルク発生が遅れる。

本第３実施形態では、図１４に二次空気ヘッダ内圧力psaで示すように、補助過給機２３により二次空気を、例えば1.5bar程度の圧力で排気ポート１ｅに供給し、該二次空気と共にＥＧＲガスを排気ブローダウン圧力により過給するようにした。特に上記ターボラグの期間においては、排気圧力が比較的に高いので、より効果的に排気ブローダウン圧力を利用して二次空気を排気ポート側からシリンダボア内に過給できる。

このようにして二次空気が増加した分、燃料噴射量を増加して過渡トルクを増大できる。その結果ターボ過給機３６に供給されるタービン過給エネルギが増加し、該ターボ過給機３６の回転上昇速度が速くなり、それだけターボ過給の応答性を向上できる。

なお、ターボ過給機の回転速度が十分に高い定常運転状態では、上記補助過給機２３の駆動を停止してしても良い。定常運転状態では、吸気ポート圧力が排気ポート圧力より高くなるので、新気が補助過給機２３を空転させながら二次空気導入通路２１を介して排気ポート１ｅに供給される。その結果、補助過給機２３を駆動停止しても上述のトルク増大効果が得られ、低速トルクが増大する。

また、本第３実施形態エンジンでは、上記第１，第２の排気系２′，２′′の排気管長を、一方の気筒からのブローダウンガスの一次圧力波が他方の気筒の排気ポートに所定タイミングで到着する長さに設定する必要があるが、特に第２排気系２′′については必要な長さを確保するのは困難な場合がある。そこでＥＧＲガス過給を行う運転領域では、上記排気カム位相可変機構１６により排気カム軸６の位相を通常より大きく遅角させることが望ましい。なお、吸気カム軸５のカム位相可変機構を設けても良い。

上述のように、本第３実施形態におけるターボ過給機３６は、加速開始時のような過渡運転時には、タービン回転が低いために自動的に排気圧が吸気圧より高くなる。そしてこのような加速中において、上記可変ノズルを閉方向に制御すれば、上記排気圧がより一層高くなる。タービン回転が上昇して定常状態に近づけば、吸気圧力が上昇するとともに可変ノズルを開方向に制御するので、ＥＧＲ導入量が減少して出力を増加しやすくなる。また始動時や暖機運転時には、上記可変ノズルは略全閉まで絞られ、排気絞り弁の代用とされる。

また本実施形態の排気ポート１ｅは、図１３に示すように、ＥＧＲガスのシリンダ内流入時に気筒軸回りに流れるスワール流Ｅを生成するタンジェンシャルポートとなっている。排気ガスの流出時の抵抗損失低減とＥＧＲガス逆流時での弱スワールの両立を考えると、ヘリカルポートよりもタンジェンシャルポートが望ましい。またＥＧＲガスによるスワール流Ｅの旋回方向は吸気弁からの新気流によって生成されるスワール流Ｆの旋回方向と同じとなっている。

さらにまた本実施形態エンジン１では、始動と暖機運転時にはタービンノズルを絞ることで排気圧力を高めてＥＧＲガス過給を行って燃焼に必要な圧縮温度と圧力を確保することができ、ＨＣＣＩ運転に有利な低圧縮比化を可能にしている。上記タービンノズルの絞り量は、エンジン水温に応じた目標値になるように上記圧力センサ２ｒの信号に基づいて排気管圧力をフィードバック制御することにより制御される。

なお、上記各実施形態では複雑な動弁機構とその可変機構を設定したが、多少の性能低下を許容すれば、通常の動弁機構の排気カムにＥＧＲ開弁カムを追加するだけの簡単な機構でも本発明の目的を達成することができる。

また、上記第１，第３実施形態では、二次空気制御弁を設け、該制御弁を吸気行程で開弁するように設定したが、補助過給機の流量に余裕がある場合は、上記制御弁に代えて単純な一方向制御弁（チェックバルブ）を使用することも可能である。

Claims

気筒内に新気及びＥＧＲガスを導入するように構成された４サイクルエンジンにおいて、
第１気筒の膨張行程の排気弁開時期の燃焼室内圧力（以下、排気ブローダウン圧力、と記す）を利用して、該第１気筒と燃焼タイミングの異なる第２気筒の吸気行程から圧縮行程の下死点付近においてＥＧＲガスを該第２気筒内に導入するブローダウン過給機構と、
上記排気ブローダウン圧力の上記第２気筒への到達に先立って該第２気筒の排気ポートに二次空気を供給する二次空気供給機構とを備え、
上記第１気筒からの排気ブローダウン圧力により上記排気ポート内の二次空気及びＥＧＲガスを上記第２気筒内に過給することを特徴とする４サイクルエンジン。
請求項１において、上記二次空気供給機構は、吸気系と各気筒の上記排気ポートとを連通接続する二次空気供給通路と、該二次空気供給通路に介設された二次空気制御弁と、該二次空気供給通路の二次空気制御弁より上流側に介設され、電動モータ又はエンジン出力で駆動される補助過給機とを備えていることを特徴とする４サイクルエンジン。
請求項１において、上記エンジンは、電動モータ又はエンジン出力で駆動される主過給機が介設された吸気系を備え、大気圧以上の加圧新気を各気筒内に供給するように構成されており、
上記二次空気供給機構は、上記吸気系から供給された加圧新気を、排気弁及び吸気弁の両方が開いているオーバーラップ期間に排気ポート側に吹き抜けさせて排気ポート内に供給するように構成されていることを特徴とする４サイクルエンジン。
請求項１において、上記エンジンは、該エンジンからの排気ガスで駆動されるターボ過給機が介設された吸気系を備え、少なくとも高負荷運転域では大気圧以上の加圧新気を各気筒内に供給するように構成されており、
上記二次空気供給機構は、吸気系と各気筒の上記排気ポートとを連通接続する二次空気供給通路と、該二次空気供給通路に介設された二次空気制御弁と、該二次空気供給通路の二次空気制御弁より上流側に介設され、電動モータ又はエンジン出力で駆動される補助過給機とを備えていることを特徴とする４サイクルエンジン。
請求項１ないし４の何れかにおいて、上記ブローダウン過給機構は、第１気筒の排気ブローダウン圧力が第２気筒の排気ポートに該第２気筒の吸気行程下死点付近において到達するよう上記第１気筒の排気タイミングと該第１気筒から上記第２気筒までの排気管長が設定され、該第２気筒の排気弁が該第２気筒の吸気行程下死点付近において開弁されるよう構成されていることを特徴とする４サイクルエンジン。