説明

内燃機関

【課題】EGRバルブと吸気絞りバルブ又は排気絞りバルブとの制御を、簡単な構造で的確に行う。
【解決手段】EGRバルブ15は、モータ27とこれで駆動される主動プーリ29とを有する。吸気絞りバルブ13(及び/又は排気絞りバルブ)は弁体18と一緒に回転する従動プーリ30を有する。主動プーリ29と従動プーリ30とは、弛み部32aを有するワイヤー32で接続されている。モータ27が正転すると主動プーリ29は正転して弁体18は開き動する。主動プーリ29がある程度開いてから従動プーリ30に回転トルクが付与されて、吸気絞りバルブ13が閉じ始める。これにより、1つのモータ27で両バルブ13,15を的確に制御できる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、EGR通路を備えた内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年の内燃機関では、排気ガス中の窒素酸化物排出抑制等のため、排気ガスの一部を吸気通路に戻すEGR装置を備えている。EGR装置は必須要素としてEGR通路を備えており、EGR通路は、吸気通路のうちエアクリーナと吸気絞りバルブ(スロットルバルブ)との間に接続されており、清浄空気と排気ガスとの混合ガスが機関に供給される。排気ガスの還流量は内燃機関の運転状況に応じて制御する必要があり、そこで、EGR通路にはEGRバルブを設けている。
【0003】
他方、排気ガスの還流効率は排気圧と密接に関連しており、そこで、排気通路のうちEGR通路の接続部より下流側に排気バルブを設けて、排気通路から大気に放出される排気ガスの量を制御できるようにしている。そして、各バルブは開度を調節する必要があり、そこで、従来は、各バルブを電動アクチェータ(モータ)で個別に駆動している(例えば特許文献1)。
【0004】
他方、特許文献2では、吸気絞り弁の開き度とEGRバルブの開き度とが関連性を有することに着目し、吸気絞りバルブ(スロットルバルブ)の開き度とEGRバルブとをワイヤーによって連結し、両者を、吸気絞りバルブの開度が増加するに従って排気絞りバルブの開度が拡大するように関連させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2007−303380号公報
【特許文献2】実開平6−43254号のCD−ROM
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1のように各バルブを個別に電動アクチェータ(モータ)で制御する構成では設置コストやメンテナンスコストが嵩む問題や、制御システムが複雑化する問題がある。また、排気絞りバルブを設けた部分は高温の環境になるため、排気絞りバルブの電動アクチェータは故障しやすいと言える。
【0007】
他方、特許文献2は吸気絞りバルブ(スロットルバルブ)の動きにEGRバルブを連動させるものであるためコスト面では有利であるが、EGRバルブは吸気絞りバルブの動きに追従して常に動いているため、排気ガスの還流が不要であるにもかかわらず排気ガスが還流するという現象が発生し、排気ガスの的確な還流制御を行い難い問題がある。
【0008】
本願発明はこのように現状を改善すべく成されたものであり、低いコストで的確な排気ガス還流制御を実現すること等を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本願発明に係る内燃機関は、ピストンが摺動自在に嵌まったシリンダボアを有する機関本体と、前記シリンダボアに空気を供給する吸気通路と、前記シリンダボアで発生した排気ガスを排出する排気通路と、排気ガスの一部を吸気通路に還流するために前記排気通路と吸気通路とに接続されたEGR通路とを有しており、
更に、前記吸気通路のうち前記EGR通路の接続部より上流側に位置する吸気絞りバルブと、前記排気通路のうち前記EGR通路の接続部よりも下流側に位置する排気絞りバルブとのうち少なくともいずれか一方を備えると共に、前記EGR通路には排気ガスの還流量制御用のEGRバルブを設けている、という基本構成である。
【0010】
そして、上記基本構成において、前記吸気絞りバルブと排気絞りバルブとのうちいずれか一方又は両方と前記EGRバルブとの開閉制御を行う1つのアクチェータと、前記アクチェータでEGRバルブ及びいずれか一方又は両方の絞りバルブを駆動する連動手段を有しており、前記連動手段は、前記EGRバルブが所定開度以上に開くと前記いずれか一方又は両方の絞りバルブが閉じ方向に動くように設定されている。
【0011】
本願発明の連動手段は、例えばワイヤー、リンク機構、ギア機構などの様々な態様を含んでいる。この場合、アクチェータの回転の度合いとバルブの開き度合いとは単純な比例関係とすることもできるし、カム等を併用することにより、アクチェータの回転の度合いに対してバルブの開き度合いを変えることも可能ある。
【0012】
本願発明は請求項2の構成も含んでいる。この請求項2の発明は、請求項1において、前記アクチェータを一方方向に駆動すると、前記連動手段により、前記EGRバルブが所定開度以上に開くと少なくとも前記排気絞りバルブが閉じ方向に動くように設定されており、かつ、前記EGRバルブが全開になった状態から更に前記アクチェータを一方方向に駆動すると、前記EGRバルブは閉じ方向に移行すると共に前記排気絞りバルブは更に閉じ方向に移行するように設定されている。
【発明の効果】
【0013】
さて、EGRバルブと排気絞りバルブとの関係を見ると、EGRバルブを開いて排気ガスを吸気通路に還流させると大気に放出される排気ガスの量は低下するので、EGR通路の圧力を高めて排気ガスを吸気通路に還流しやすくするという意味からは、排気絞りバルブは閉じ方向に動かす(開度を小さくする)のが好ましいが、EGRバルブの開度がある程度まで小さい状態では、例えば吸気抵抗の増大を防止するため、排気絞りバルブは閉じ動させる必要はなくて全開のままであるのが好ましい場合が多い。
【0014】
同様に、EGRバルブと吸気絞りバルブとの関係を見ると、EGRバルブを開いて排気ガスを吸気通路に還流させると、基本的には、吸気絞りバルブは閉じ方向に動かす(開度を小さくする)のが好ましいが、EGRバルブの開度がある程度まで小さい状態では、充填効率低下防止や機関温度アップ等のため、吸気絞りバルブは全開のままにしておくのが好ましいことが多い。
【0015】
そして、本願発明は、EGRバルブと排気絞りバルブ又は吸気絞りバルブとを単純に連動させるのではなく、EGRバルブがある程度の範囲まで開いてから排気絞りバルブ又は(/及び)吸気絞りバルブを閉じ方向に動かすものであるため、排気ガスの還流に伴う不具合を防止して円滑な運転を実現できる。
【0016】
更に、本願発明では、EGRバルブと排気絞りバルブ又は(/及び)吸気絞りバルブとはアクチェータで駆動するものであるため、これらEGRバルブと排気絞りバルブ又は(/及び)吸気絞りバルブとの駆動制御を必要なときにだけ行うことができるのであり、その結果、内燃機関を最適な状態で運転することができる。加えて、本願発明は、EGRバルブと絞りバルブとを1つのアクチェータで駆動するものであるため、設置コストやメンテナンスコストを抑制できると共に、複雑な制御システムは不要であるため、制御システム構築に要する手間と費用を抑制できると共に、ソフトや制御回路のトラブルを回避して動きも確実化できる。
【0017】
請求項2の構成を採用すると、シリンダボアから排出される排気ガスの量を抑制する内部EGRの効果が発揮されて、燃焼を安定させることができる。つまり、請求項2の構成では、EGRバルブは閉じ方向に動くと共に排気絞りバルブが更に閉じ方向に動くため、シリンダボアから排出される排気ガスの流れ抵抗が大きくなり、その結果、排気ガスの一部がシリンダボアの内部に残ったままになる内部EGR現象が生じ、これにより、シリンダボアの内部に熱が籠もった状態になって燃料の着火性・燃焼性が向上して、安定した燃焼を実現できるのである。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本願発明を適用した内燃機関の模式的な平面図である。
【図2】要部の平面図である。
【図3】(A)は図2の部分の平断面図、(B)は(A)のB−B視断面図、(C)は(A)のC−C視断面図である。
【図4】(A)はEGRバルブと吸気絞りバルブとの開度の関係を示すグラフ、(B)はEGRバルブと排気絞りバルブとの開度の関係を示すグラフである。
【図5】EGRバルブと吸気絞りバルブとの動きの関係を示す模式図である。
【図6】第2実施形態を示す図である。
【図7】第3実施形態を示す図である。
【図8】第4実施形態を示す図である。
【図9】第5実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
次に、本願発明の実施形態に基づいて説明する。本実施形態は車両用内燃機関(ガソリンエンジン)に適用している。まず、図1〜図5に示す第1実施形態から説明する。
【0020】
(1).第1実施形態の概略
図1に示すように、本実施形態の内燃機関は3気筒縦型のタイプであり、車両のエンジンルームの前部に設けたエンジンルームに、クランク軸を左右方向に向けた姿勢で搭載されている。内燃機関はシリンダブロックやシリンダヘッドを主要要素とする機関本体1を有しており、機関本体1には、ピストンが嵌まった3つのシリンダボア2が左右方向に並んで形成されている。
【0021】
また、機関本体1の一方の面(車両の前進方向に向かって後ろの面)には吸気マニホールド3が装着されており、機関本体1の他方の面(車両の前進方向に向かって前の面)には排気マニホールド4が装着されている。吸気マニホールド3には吸気通路5が接続されており、吸気通路5のうち上流部にエアクリーナ6が配置され、それより下流側にはインタークーラ7が介挿されている。
【0022】
排気マニホールド4には排気通路8が接続されており、この排気通路8に触媒方式等の排気浄化装置9を介挿している。排気通路8の下流側の末端には消音器(図示せず)を接続しており、排気ガスは最終的には大気に放出される。本実施形態の内燃機関は排気ターボ過給機10を有しており、排気ターボ過給機10のタービン10aに排気通路8のうち排気浄化装置9よりも上流側の部位を接続し、排気ターボ過給機10の圧縮室10bに、吸気通路5のうちアクリーナ6とインタークーラ7との間の部位が接続されている。
【0023】
排気通路8のうち排気浄化装置9よりも下流側の部位と、吸気通路5のうちインタークーラ7と排気ターボ過給機10との間の部位とは、EGR通路11で接続されている。換言すると、排気通路8と吸気通路5とがEGR通路11を介して連通している。EGR通路11には水冷式のEGRクーラ12が介挿されている。
【0024】
吸気通路5のうちEGR通路11の接続部よりも上流側の部位には、吸気量を制御するための吸気絞りバルブ(吸気絞り弁)13を設けており、排気通路8のうちEGR通路11の接続部よりも下流側の部位には、排気量を制御するための排気絞りバルブ(吸気絞り弁)14を設けている。更に、EGR通路11のうちEGRクーラ12よりも下流側の部位には、排気ガスの還流量を制御するためのEGRバルブ15を設けている。従って、本実施形態では、EGRバルブ15と吸気絞りバルブ13とがかなり近い位置に配置されている。アクセルペダルに連動したスロットルバルブ13′は、吸気通路5のうちインタークーラ7の下流側に設けている。
【0025】
なお、EGRバルブ15はEGRクーラ12より上流側の部位に設けることも可能である。この場合は、EGRバルブ15と排気絞りバルブ14とがかなり近い位置に配置される。図1では、清浄空気の流れは白抜き矢印で示し、排気ガスの流れは黒抜き矢印で示し、清浄空気と排気ガスとの混合ガスの流れは網かけ矢印で表示している。
【0026】
(2).各バルブの構造
次に、各バルブ13,14,15の構造と相互関係を図2,3に基づいて説明する。各バルブ13,14,15はバタフライバルブ方式であり、各通路5,8,11と同じ内径の筒部を有するハウジング17と、ハウジング17に内蔵された円盤状の弁体18とを有している。ハウジング17の両端にはフランジ19を設けており、ハウジング17のフランジ19が各通路5,8,11に設けた端板20にボルト21で固定されている。
【0027】
弁体18は、ハウジング17の軸心と直交した軸心回りに回転するように、中心軸22でハウジング17に取り付けられている。ハウジング17には、その軸心と平行に広がるベース板23が設けられており、ベース板23には複数個のカラー24を介して軸受け板25がボルト26で固定されている。
【0028】
EGRバルブ15の軸受け板25には、アクチェータの一例としての電動式のモータ27がビス(ボルト)で固定されている(軸受け板25がモータ27の一部になっている場合もある。)。モータ27は回転を自在に制御できるステップモータであり、その主軸28が中心軸22と同心になるように配置されており、主軸28に設けた穴に中心軸22を相対回転不能に嵌め込んでいる。従って、モータ27を駆動すると弁体18が回転する。なお、主軸28と中心軸22とはカップリングのような継手で接続してもよいし、直結方式でなく、主軸28と中心軸22との間にギア群を介在させてもよい。
【0029】
モータ16の主軸28には、請求項に記載した連動手段の一部を構成する主動プーリ29を固定している。主動プーリ29の外周には溝が形成されている。また、主動プーリ29はベース板と軸受け板25との間に配置されている。他方、吸気絞りバルブ13は、ベース板と軸受け板25とで回転自在に指示されると共に中心軸22と相対回転不能に保持された従動軸30′を有しており、この従動軸30′に、外周に溝を有する従動プーリ30と、これより小径で同じく外周に溝が形成された補助プーリ31とを固定している。
【0030】
従動プーリ30はベース板と軸受け板25との間に配置して、補助プーリ31は軸受け板25の外側に配置しているが、補助プーリ31もベース板と軸受け板25との間に配置することは可能である。また、軸受け板25を設けずに、従動軸30′を単にベース板から突出させて、これに両プーリ30,31を設けることも可能である。従動プーリ30は、請求項に記載した連動手段の一部を構成している。
【0031】
図2に示すように、EGRバルブ15の主動プーリ29と吸気絞りバルブ13の従動プーリ30とは、連動手段を構成するワイヤー32で接続されている。この場合、ワイヤー32はある程度の弛み部32aを有していると共に、弛み部32aの存在にかかわりなくワイヤー32を張った状態に保持するため、弛み部32aの両端にはテンション保持用ばね(引っ張りコイルばね)33が接続されている。図面では便宜的に弛み部32aをテンション保持用ばね33の外側に露出させているが、実際には、弛み部32aはテンション保持用ばね33の内部に配置するのが好ましい。
【0032】
吸気絞りバルブ13の補助プーリ31には補助ワイヤー34を巻き掛けており、補助ワイヤー34の一端に戻し用ばね(引っ張りコイルばね)35の一端を接続している。戻し用ばね35の他端は吸気通路5を構成するパイプ等の適当な部材に係止している。戻し用ばね35のばね力はテンション保持用ばね33のばね力よりも強く設定している。図では表示していないが、排気絞りバルブ14も吸気絞りバルブ13と同じ構造になっており、排気絞りバルブ14の従動プーリ30とEGRバルブ15の主動プーリ29とがワイヤー32で接続されている。なお、ワイヤー32に代えて紐類を使用することも可能である。
【0033】
(3).第1実施形態のまとめ
以上の構成において、吸気絞りバルブ13と排気絞りバルブ14とは全開状態を出発点としており、EGRバルブ15は全閉状態を出発点としている。そして、EGRバルブ15のモータ27に通電して正転させると、弁体18が開き方向に回転すると共に主動プーリ29が回転し、これに伴ってワイヤー32が引っ張られる。
【0034】
この場合、ワイヤー32には弛み部32aが存在していると共に、戻し用ばね35のばね力がテンション保持用ばね33のばね力よりも強いため、弛み部32aがピンと張るまでは従動プーリ31は回転せず、EGRバルブ15がある程度まで開いて弛み部32aがピンと張ってから初めて従動プーリ31が回転し始めて、吸気絞りバルブ13と排気絞りバルブ14とが閉じ始める。EGRバルブ15が逆転すると、吸気絞りバルブ13と排気絞りバルブ14の弁体18は戻し用ばね35によって開き方向に逆回転する。
【0035】
このように、EGRバルブ15が開いていると共に、吸気絞りバルブ13及び排気絞りバルブ14とが全開状態の範囲が存在している。図5に模式的に示すように、EGRバルブ15は全閉状態から全開状態まで変化し得るが、吸気絞りバルブ13及び排気絞りバルブ14は全閉状態までは移行せず、ある程度開いた状態で最小開度(最大閉度)になる。EGRバルブ15と吸気絞りバルブ13及び排気絞りバルブ14との開度の好適な関係を図4のグラフで示している。このような状態が実現するように、ワイヤー32の弛み部32aの長さや各プーリ29,30の半径R1,R2を設定したらよい。なお、図4のグラフに表示している吸気絞りバルブ及び排気絞りバルブに関する「閉度100%」とは、通路を完全に遮蔽するという意味ではなく、最大閉度という意味である。
【0036】
請求項2においては、EGRバルブ15の弁体18を90度以上に開く態様に設定したらよい。すなわち、EGRバルブ15の弁体18が90度まで回転して全開状態になっても、排気絞りバルブ14の弁体18は全閉状態までは移行していないので、EGRバルブ15を全開せさせた状態からモータ27を更に正転させてEGRバルブ15の弁体18を正回転させると、EGRバルブ15は閉じ方向に移行すると共に、排気絞りバルブ14の弁体18は更に閉じ方向に移行していく。すると、排気ガスの流れ抵抗が大きくなるため、シリンダボア2からの排気ガスの排出が悪くなり、その結果、排気ガスがシリンダボア2に籠もる内部EGR現象が発生し、これによって燃料への着火性を向上させて安定した燃焼状態を実現できる。
【0037】
(4).他の実施形態
図6に示す第2実施形態は、第1実施形態におけるEGRバルブ15と吸気絞りバルブ13及び排気絞りバルブ14との関係をより明確に表示したものであり、EGRバルブ15に設けた主動プーリ29の回転により、吸気絞りバルブ13及び排気絞りバルブ14の従動プーリ30が回転する状態を明確に表示している。
【0038】
この実施形態では、吸気絞りバルブ13の従動プーリ30は排気絞りバルブ14の従動プーリ30よりも大径になっており、このため、EGRバルブ15の開きの度合いに対する吸気絞りバルブ13の閉じ度合いは、EGRバルブ15の開きの度合いに対する排気絞りバルブ14の閉じ度合いよりも小さくなっている。なお、連動手段としてワイヤー32を使用する場合、ワイヤー32は直線状に配置する必要はないのであり、アイドルプーリ等のガイド部材を配置することにより、様々な張り姿勢を得ることができる。これにより、主動プーリ29と従動プーリ30との間に障害物があっても、これを迂回して連動関係を確保できる。
【0039】
図7(A)に示す第3実施形態では、各バルブ13,14,15とは異なる独立した場所にモータ27を配置して、モータ27の主軸28に3つの主動プーリ29を固定している。このように構成すると、空きスペースにモータ27を配置できるため、部材配置の自由性が向上する利点がある。
【0040】
図7(B)に示す第4実施形態では、連動手段として従動円盤(回転板)37とリンク38とを使用している。すなわち、従動円盤37とリンク38とをピン39で連結するにおいて、リンク38のピン連結穴40を長穴とすすることにより、従動円盤37の回転開始タイミングがEGRバルブ15の開き動よりもずるように設定している。従動円盤37がばねで全開方向に付勢されているのは第1実施形態と同じである。
【0041】
図8に示す第5実施形態では、EGRバルブ15の開き動に排気絞りバルブ14のみを連動させている。また、この実施形態では、EGRバルブ15は、EGR通路11のうち排気通路8に近い部位(EGRクーラよりも上流側)に設けている。
【0042】
図9に示す第6実施形態では、主動プーリ29を、回転軸心から外周面までの距離が周方向に向かって相違する周面カムと成している。このように従動プーリ29に周面カムを使用すると、吸気絞りバルブ13及び排気絞りバルブ14の閉じ度合いをきめ細かく制御できる利点がある。従動プーリ30をカム形式としてもよいし、主動プーリ29と従動プーリ30との両方をカム形式することも可能である。周面カムを使用する場合、外周面は滑らかな曲面でなく多角形の状態にすることも可能である。
【0043】
(5).その他
本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、バルブの流量調節構造はバタフライ弁方式には限らないのであり、例えばニードル方式やシャッター方式などの各種の方式を採用できる。また、アクチェータとしては電動モータに限らず、他の駆動手段も採用できる。連動手段としては、例えば欠歯歯車なども使用できる。
【産業上の利用可能性】
【0044】
本願発明は内燃機関に実際に適用できる。従って、産業上、利用できる。
【符号の説明】
【0045】
1 機関本体
2 シリンダボア
3 吸気マニホールド
4 排気マニホールド
5 吸気通路
8 排気通路
10 排気ターボ過給機
11 EGR通路
13 吸気絞りバルブ
14 排気絞りバルブ
15 EGRバルブ
18 弁体
27 アクチェータの一例としての電動モータ
28 主軸
29 連動手段を構成する主動プーリ
30 連動手段を構成する従動プーリ
32 連動手段を構成するワイヤー
32a ワイヤーの弛み部(バッファ手段)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ピストンが摺動自在に嵌まったシリンダボアを有する機関本体と、前記シリンダボアに空気を供給する吸気通路と、前記シリンダボアで発生した排気ガスを排出する排気通路と、排気ガスの一部を吸気通路に還流するために前記排気通路と吸気通路とに接続されたEGR通路とを有しており、
更に、前記吸気通路のうち前記EGR通路の接続部より上流側に位置する吸気絞りバルブと、前記排気通路のうち前記EGR通路の接続部よりも下流側に位置する排気絞りバルブとのうち少なくともいずれか一方を備えると共に、前記EGR通路には排気ガスの還流量制御用のEGRバルブを設けている構成であって、
前記吸気絞りバルブと排気絞りバルブとのうちいずれか一方又は両方と前記EGRバルブとの開閉制御を行う1つのアクチェータと、前記アクチェータでEGRバルブ及びいずれか一方又は両方の絞りバルブを駆動する連動手段を有しており、前記連動手段は、前記EGRバルブが所定開度以上に開くと前記いずれか一方又は両方の絞りバルブが閉じ方向に動くように設定されている、
内燃機関。
【請求項2】
前記アクチェータを一方方向に駆動すると、前記連動手段により、前記EGRバルブが所定開度以上に開くと少なくとも前記排気絞りバルブが閉じ方向に動くように設定されており、かつ、前記EGRバルブが全開になった状態から更に前記アクチェータを一方方向に駆動すると、前記EGRバルブは閉じ方向に移行すると共に前記排気絞りバルブは更に閉じ方向に移行するように設定している、
請求項1に記載した内燃機関。

【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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【図9】
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【公開番号】特開2013−96266(P2013−96266A)
【公開日】平成25年5月20日(2013.5.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−238178(P2011−238178)
【出願日】平成23年10月31日(2011.10.31)
【出願人】(000002967)ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【Fターム(参考)】