流路切替弁、内燃機関、及び内燃機関のＥＧＲ方法
【課題】比較的高圧の駆動用ガスを用いて、複数の入口側流路を高速で選択的に切り替えて出口側流路に連通させることができると共に、流路をシールするシール部材の破損を防止できる流路切替弁、内燃機関及び内燃機関のＥＧＲ方法を提供する。
【解決手段】複数の入口側流路５１ａ、５１ｂのいずれか一つ又は複数を選択的に単数又は複数の出口側流路５２ａに連通させたり、遮断したりする流路切替弁５０Ａにおいて、ケース５４内に設けられた入口側流路５１ａ、５１ｂ側と、出口側流路５２ａ側との間でスライドするシャッター部材５５を設け、出口側流路５２ａのシールのためにシャッター部材５５とケース５４の間にシール部材を配置し、更に、シャッター部材５５をケース５４の出口側流路側５２ａの内壁面から浮かせてスライドさせるための案内部材５３を設けて、シャッター部材５５と内壁面との間に隙間Ｐを形成する。
【解決手段】複数の入口側流路５１ａ、５１ｂのいずれか一つ又は複数を選択的に単数又は複数の出口側流路５２ａに連通させたり、遮断したりする流路切替弁５０Ａにおいて、ケース５４内に設けられた入口側流路５１ａ、５１ｂ側と、出口側流路５２ａ側との間でスライドするシャッター部材５５を設け、出口側流路５２ａのシールのためにシャッター部材５５とケース５４の間にシール部材を配置し、更に、シャッター部材５５をケース５４の出口側流路側５２ａの内壁面から浮かせてスライドさせるための案内部材５３を設けて、シャッター部材５５と内壁面との間に隙間Ｐを形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動用の高圧ガスを用いて、高圧側ガスの流路と低圧側ガスの流路とを高速で切り替えることができる流路切替弁、それを備えた内燃機関、及び内燃機関のＥＧＲ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低減するＥＧＲ（排気再循環）においては、過給システムを備えた内燃機関では、高圧ＥＧＲ方式と低圧ＥＧＲ方式とがある。この高圧ＥＧＲ方式では、例えば、図２９に示すように、高圧ＥＧＲシステムを備えた内燃機関１Ｘでは、ターボ式過給機１４よりもエンジン本体１１側にＥＧＲ通路１７が設けられており、エンジン本体１１の排気マニホールド１１ｂから吸気マニホールド１１ａにＥＧＲ通路１７経由でＥＧＲガスＧｅを還流している。また、低圧ＥＧＲ方式では、例えば、図３０に示すように、低圧ＥＧＲシステムを備えた内燃機関１Ｙでは、ターボ式過給機１４よりもエンジン本体１１とは反対側にＥＧＲ通路１７が設けられており、タービン１４ｂの下流側からコンプレッサ１４ａの上流側にＥＧＲ通路１７経由でＥＧＲガスＧｅを還流している。
【０００３】
これらのいずれのＥＧＲ方式でも、ＥＧＲガス量の制御には、ＭＡＦ制御方式が一般的に使用されている。このＭＡＦ制御方式では、ＥＧＲ無しでエンジンのシリンダ内に吸入される新気量（空気量）をＭｏとし、ＥＧＲを行うことでシリンダ内に吸入される新気量をＭｅとすると、還流されるＥＧＲガス量のＭｅｇｒがＭｅｇｒ＝Ｍｏ−Ｍｅとなるので、これに基づいて、ＥＧＲ弁２１の弁開度により新気量Ｍｅを制御することで、ＥＧＲガス量Ｍｅｇｒを制御している。
【０００４】
つまり、エンジンの回転速度Ｎｅと燃料負荷Ｑをパラメータにして、各エンジンの運転状態に対する新気量Ｍｅを予め設定して作成した新気量Ｍｅのデータマップを基に、実際のエンジン運転時の回転速度Ｎｅと燃料負荷Ｑから目標の新気量Ｍｅｔを算出して、実際の新気量Ｍｅをこの目標の新気量Ｍｅｔになるように制御することで、ＥＧＲガス量Ｍｅｇｒを制御している。
【０００５】
しかしながら、ターボ式過給機を使用する場合には排気ガスのエネルギー（エンタルピ）を用いて過給を行うため、ターボ式過給機の応答遅れ（ターボラグ）を無くすことは不可能であり、このＭＡＦ制御方式では、このターボラグに起因する次のような問題がある。ターボラグにより負荷が急激に増加する過渡運転状態では、過給圧が定常運転時に設定した圧力まで上昇しないため、エンジンの吸入空気量が低下する。つまり、ターボ式過給機付きエンジンでも無過給エンジンと同程度の吸気量となってしまう。
【０００６】
従って、定常運転条件で設定した目標のＥＧＲ量に達成することができず、図３１に示すように、急激な過渡運転を行う際にＮＯｘの排出量が増加する。また、煤の発生量を制限するために、過給圧があるレベルより上がらない場合には燃料の投入量が煤が増加しない領域内に抑えられるというスモークリミット制御が行われる。その結果、図３２及び図３３に示すように、燃料噴射量Ｑと空気量（Ｍｏ、Ｍｅ）が共に点線で示されるように抑えられ、加速時のパワーが抑えられてしまうという問題がある。そのために、加速時等の負荷が急激に増加する過渡運転時には、ＮＯｘ排出量の増加や燃費の悪化が発生する。
【０００７】
一方、エンジンのクランクシャフト等によって、過給機を直接駆動して過給を行う機械式過給装置を使用する場合では、過給の応答遅れをなくす事ができるが、エンジンの回転速度が決まると燃料量の多少に関わらず、過給量が決まるために、また、駆動に要する仕事量が大きいために、燃費が悪化するという問題がある。
【０００８】
この対策として、近年では、図３４に示すような蓄ガス供給システムを備えた内燃機関１Ｚが研究されており、この蓄ガス供給システムでは、内燃機関１Ｚから排出される排気ガスＧの一部Ｇｐを空気Ａａと混合した混合ガスＣを容積型コンプレッサ（排気圧縮器）２５で圧縮して高圧化し、この高圧化した混合ガスＣを蓄ガス容器（圧力容器）２７内に溜め込み、過渡時に放出電磁弁３６を開弁して混合ガスＣを調圧弁２９経由で吸気弁（吸気スロットル）３５の下流の吸気通路１２に放出し、これにより、内燃機関１Ｚのシリンダ内への吸気量を過給機付きエンジン並みに増加させると共に、ＥＧＲの効果によるＮＯｘの低減を図り、ターボラグの問題を解消している過給制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
この蓄ガス供給システムを採用した場合は、過渡時に加圧された混合ガスＣをエンジン１Ｚの吸気通路１２内に放出することで過給圧を上げて、シリンダ内への空気量を増加させることができるので燃料量も増やすことができる。その結果、加速性能が向上し、煤の排出も抑えることができる。また、過給圧は排気マニホールド１１ｂの内圧よりも高くなるので、内燃機関１Ｚのポンピング損失が低下し燃費の向上を図ることができる。
【００１０】
この蓄ガス供給システムにおける技術的に最も重要な点の一つに、蓄ガス供給通路側と吸気通路との合流部で、蓄ガス供給通路側と吸気通路の下流側との連通から、吸気通路の上流側と吸気通路の下流側との連通へ、または、逆に、切り替えるための流路切替弁がある。
【００１１】
この流路切替弁では、蓄ガス容器からエンジンのシリンダ内へ加圧されたガスを供給する場合には、吸気通路の上流側を確実に閉じる必要があり、蓄ガス供給通路側の弁が開き出したときに吸気通路の上流側の弁が高速で閉まらないと、つまり、二箇所の弁が同時に開いている時間が長い程、加圧されたガスが吸気通路の上流側の弁の隙間を通じて大気側に逃げてしまうので、エンジンの吸気通路の下流側の過給圧が上がらなくなってしまう。
【００１２】
また、蓄ガス容器のガスを用いた過給条件が解除されて、通常の吸気通路の上流側と吸気通路の下流側を連通させた状態に戻る場合には、蓄ガス供給通路側の弁が閉じたときに吸気通路の上流側の弁がまだ全開にならないと、吸気通路の上流側の吸気抵抗が増加してエンジンの吸気量が大幅に低下するので、エンジンのパワー、燃費、排ガス等に関するエンジン性能が悪化する。
【００１３】
流路切替弁でこれらの状態が、車両が他の車線に合流するために加速したときに発生すると、車両の加速性能が低下してしまうので、これを回避する必要がある。このように、蓄ガス供給通路側と吸気通路の上流側のラインを遮断する二箇所の弁の切替を高速で行うことが重要な課題となっている。
【００１４】
なお、三方切替弁として、例えば、一つの駆動手段と複数の三方切替手段の弁体を連結し、駆動手段により複数の弁体を連動して動かす一体式切替弁がある（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１１−２１５５８号公報
【特許文献２】特開２０００−１９３１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
一方、本発明者は、次のような知見を得た。つまり、実際の車両に、蓄ガス供給システムを搭載する場合に、流路切替弁の駆動を高速で行うためには、圧縮空気等の比較的高圧のガスを用いることが有効であり、駆動源となるガスとして過給に用いる蓄ガス容器内に蓄圧されたガスを用いることが有効である。
【００１７】
この場合に、蓄ガス供給通路からガスをエンジンのシリンダ内に供給するときには蓄ガス容器内は高圧であるが、このガスの供給を終了するときには蓄ガス容器内のガスがシリンダ内に供給された後であり、相当量のガスが消費されているので、蓄ガス容器内の圧力は降下して比較的低圧になっている。
【００１８】
従って、この低圧のガスでも二箇所の連通と閉鎖を行う切替部材を高速で作動させる必要がある。なお、ここで述べる高速作動とは、二箇所の連通と閉鎖の切替開始から切替完了までの時間が約３０／１０００秒（３０ｍｓ）程度の短時間で完了することをいう。
【００１９】
この流路切替弁に関して、本発明者は、本発明に関する技術の一環として、第１流路と第２流路を切り替えて、第１流路側のガスと第２流路側のガスのいずれか一方を第３流路に流す流路切替弁において、前記第１流路と前記第２流路をケース内の一方側に設け、前記第３流路を前記第１流路と前記第２流路の両方に対向して前記ケース内の他方側に設けると共に、前記第１流路と前記第３流路との間と、前記第２流路と前記第３流路との間を交互に連通及び閉鎖するようにスライドするシャッター部材を設け、前記シャッター部材を駆動用ガスで駆動するピストンでスライドさせるように構成される流路切替弁を考えた。
【００２０】
しかしながら、ケースに挿入されたシャッター部材を高速で移動させ、二つ以上の入口側流路（ポート）の切り替えを同時に切り替えるシャッター部材を用いた構造で一つ以上の入口側流路に高圧が付加されるような場合には、シャッター部材は片側に押し付けられた状態で静止し、この静止状態からシャッター部材が高速で動きだすと、高圧を受けるシャッター部材は、図３５〜図３７に示すように、ケース５４の一方側の内壁部５４ｇに押し付けられたままであるので、シャッター部材５５の端部が同じ一方側の内壁部５４ｇのＯリング等のシール部材５４ｆの部分を通過する際に、シール部材５４ｆを噛み込んで破損させる可能性が生じる。
【００２１】
このＯリング等のシール部材の破損は、蓄ガス供給システムの場合では、高圧の蓄ガス容器からエンジンのシリンダ内に吸入されるべきガスが吸気系通路から大気側へ漏れ出ることに繋がるため、過給補助の機能が失われる。更に、破損したシール部材の断片はエンジンの吸気バルブの破損の原因になる。また、蓄ガス供給通路がターボ式過給機のコンプレッサの上流側に接続されている場合には、このコンプレッサの翼を破損させる原因にもなる。
【００２２】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、複数の入口側流路を高速で選択的に切り替えて出口側流路に連通させることができると共に、流路をシールするシール部材の破損を防止でき、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる蓄圧ガス供給システムを備えた内燃機関等で使用できる流路切替弁を提供することにある。
【００２３】
本発明の更なる目的は、蓄圧ガス供給システムを備えた内燃機関において、急加速時においてターボラグに起因する加速性能の低下を防止し、ＰＭ（粒子状物質）とＮＯｘ（窒素酸化物）の低減が可能となると共に、上記の流路切替弁を備えて、流路切替弁の損傷、及び、この損傷に起因する吸気弁やコンプレッサの故障を回避できる内燃機関及び内燃機関のＥＧＲ方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記の目的を達成するための本発明の流路切替弁は、複数の入口側流路のいずれか一つ又は複数を選択的に単数又は複数の出口側流路に連通させたり、遮断したりする流路切替弁において、前記入口側流路をケース内の一方側に設け、前記入口側流路の一部又は全部に対向して前記出口側流路を前記ケース内の他方側に設けると共に、前記入口側流路と前記出口側流路との間でスライドして、前記入口側流路と前記出口側流路との間の連通及び遮断を選択的に行うシャッター部材を設け、駆動用ガスで駆動するピストンで前記シャッター部材をスライドさせるように構成すると共に、前記出口側流路のシールのために前記シャッター部材と前記ケースの間にシール部材を配置し、更に、前記シャッター部材を前記ケースの前記出口側流路側の内壁面から浮かせてスライドさせるための案内部材を設けて、前記シャッター部材と前記内壁面との間に隙間を形成する。
【００２５】
この構成によれば、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、複数の入口側流路を高速で選択的に切り替えて出口側流路に連通されることができる。しかも、複数の入口側流路を一つのシャッター部材で交互に開閉するので、高速で且つ両方の開閉が同期した動きを与えることができる。その結果、複数の入口側流路を切り替える条件下で、この流路切替弁を備えた装置の性能悪化を防止することができる。
【００２６】
従って、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる蓄圧ガス供給システムを備えた内燃機関等で使用できる。
【００２７】
更に、案内部材を設けているので、シャッター部材とケースの内壁面との接触が無くなり、摩擦が減少し、より少ない力でシャッター部材の高速移動が可能になると共に、Ｏリング等のシール部材が損傷するのを防止できる。
【００２８】
そして、上記の流路切替弁のより具体的な形状の流路切替弁は、前記入口側流路を第１入口側流路と第２入口側流路で形成すると共に、前記出口側流路を第１出口側流路で形成し、第１流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間を連通すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を遮断し、第２流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間を遮断すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を連通するように構成される。
【００２９】
あるいは、前記入口側流路を第１入口側流路と第２入口側流路と第３入口側流路で形成すると共に、前記出口側流路を第１出口側流路で形成し、第１流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間と前記第３入口側流路と前記第１出口側流路の間を連通すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を遮断し、第２流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間と前記第３入口側流路と前記第１出口側流路の間を遮断すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を連通するように構成される。
【００３０】
あるいは、前記入口側流路を第１入口側流路と第２入口側流路と第３入口側流路で形成すると共に、前記出口側流路を第１出口側流路と第２出口側流路で形成し、第１流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間と前記第３入口側流路と前記第２出口側流路の間を連通すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を遮断し、第２流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間と前記第３入口側流路と前記第２出口側流路の間を遮断すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を連通するように構成される。
【００３１】
そして、上記の目的を達成するための内燃機関は、内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、該蓄ガス容器と吸気系通路を接続する蓄ガス供給通路を備えた内燃機関において、上記の流路切替弁の前記第１入口側流路に前記吸気系通路の上流側を接続し、前記第２入口側流路に前記蓄ガス供給通路を接続し、前記第１出口側流路に前記吸気系通路の下流側を接続して、前記流路切替弁を介して前記吸気系通路と前記蓄ガス供給通路とを接続し、内燃機関が過渡運転でないときは、前記吸気系通路の新気と前記ＥＧＲガス通路のＥＧＲガスを前記吸気系通路に供給し、内燃機関が過渡運転であるときは、前記蓄ガス供給通路の前記ガスを前記吸気系通路に一時的に供給するように構成される。
【００３２】
この構成によれば、流路切替弁で、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、上流側の吸気通路に接続する第１入口側流路と蓄ガス供給通路に接続する第２入口側流路とを、高速で選択的に切り替えて、下流側の吸気通路に接続する第１出口側流路に連通させることができる。更に、上記の流路切替弁を備えることで、流路切替弁の損傷、及び、この損傷に起因する吸気弁やコンプレッサの故障を回避できる。
【００３３】
また、上記の流路切替弁において、前記流路切替弁の前記ピストンの駆動用ガスとして、前記蓄ガス容器の前記ガスを用いると、ピストンの駆動用ガスを供給するための装置が不要になり、内燃機関の構造が複雑化するのを防止できる。
【００３４】
そして、上記の目的を達成するための内燃機関のＥＧＲ方法は、内燃機関の排気系通路の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮して貯蓄すると共に、ＥＧＲでは、内燃機関が過渡運転でないときには、内燃機関の排気ガスの一部をＥＧＲ通路を経由してシリンダ内に再循環し、内燃機関が過渡運転であるときには、前記ガスを一時的に蓄ガス供給通路から吸気系通路に供給する内燃機関のＥＧＲ方法において、上記の流路切替弁を用いて、内燃機関が過渡運転でないときには、前記流路切替弁の第１流路切替で、前記ガスを前記流路切替弁で遮断して、新気とＥＧＲガスを前記吸気系通路に供給し、内燃機関が過渡運転であるときには、前記流路切替弁の第２流路切替で、新気とＥＧＲガスを前記流路切替弁で遮断して、前記ガスのみを前記吸気系通路に一時的に供給することを特徴とする方法である。
【００３５】
この方法によれば、流路切替弁で、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、上流側の吸気通路に接続する第１入口側流路と蓄ガス供給通路に接続する第２入口側流路とを、高速で選択的に切り替えて、下流側の吸気通路に接続する第１出口側流路に連通させることができる。
【００３６】
従って、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させることができる。更に、上記の流路切替弁を用いることで、流路切替弁の損傷、及び、この損傷に起因する吸気弁やコンプレッサの故障を回避できる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明に係る流路切替弁によれば、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、複数の入口側流路を高速で選択的に切り替えて出口側流路に連通させることができると共に、流路をシールするシール部材の破損を防止できる。
【００３８】
また、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる蓄圧ガス供給システムを備えた内燃機関等で使用できる。
【００３９】
また、本発明に係る内燃機関及び内燃機関のＥＧＲ方法によれば、急加速時等の過渡運転において、ターボラグに起因する加速性能の低下を防止することができ、ＰＭ（粒子状物質）とＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量の低減が可能となると共に、流路切替弁の損傷、及び、この損傷に起因する吸気弁やコンプレッサの故障を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の流路切替弁の構成を示す図で、第１入口側流路が第１出口側流路に連通している状態を示す図である。
【図２】図１の流路切替弁で、第２入口側流路が第１出口側流路に連通している状態を示す図である。
【図３】図１の流路切替弁のケースの図１のＸ１−Ｘ１断面を示す平断面図である。
【図４】案内部材の構成を示す、図３のＺ１−Ｚ１断面におけるＹ１−Ｙ１側の部分の側断面図である。
【図５】案内部材の別の構成を示す、図３のＺ１−Ｚ１断面におけるＹ１−Ｙ１側の部分の側断面図である。
【図６】流路切替弁のシャッター部材の構成を示す平面図である。
【図７】流路切替弁のシャッター部材の構成を示す図６のＹ２−Ｙ２断面図である。
【図８】第１入口側流路が連通する場合のシャッター部材とケースの位置関係を示す横断面図である。
【図９】第２入口側流路が連通する場合のシャッター部材とケースの位置関係を示す横断面図である。
【図１０】ピストンとシリンダの構成を示す横断面図である。
【図１１】緩衝部材の構成を示す図である。
【図１２】ピストンの駆動を説明するための図である。
【図１３】本発明に係る第２の実施の形態の流路切替弁の構成を示す図で、第１入口側流路と第３入口側流路が第１出口側流路に連通している状態を示す図である。
【図１４】図１３の流路切替弁で、第２入口側流路が第１出口側流路に連通している状態を示す図である。
【図１５】図１３の流路切替弁のケースの図１３のＸ２−Ｘ２断面を示す平断面図である。
【図１６】図１５の流路切替弁のケースにおける、第１入口側流路と第３入口側流路が連通する場合のシャッター部材とケースの位置関係を示す横断面図である。
【図１７】図１５の流路切替弁のケースにおける、第２入口側流路が連通する場合のシャッター部材とケースの位置関係を示す横断面図である。
【図１８】本発明に係る第３の実施の形態の流路切替弁の構成を示す図で、第１入口側流路が第１出口側流路に連通し、第３入口側流路が第２出口流路に連通している状態を示す図である。
【図１９】図１８の流路切替弁で、第２入口側流路が第１出口側流路に連通している状態を示す図である。
【図２０】シャッター部材の端部とシール部材が離間している状態を示す図である。
【図２１】シャッター部材の端部とシール部材が接近している状態を示す図である。
【図２２】シャッター部材の端部とシール部材が接触している状態を示す図である。
【図２３】本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図２４】蓄ガス用のガス圧縮装置の駆動を説明するための図である。
【図２５】本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図２６】本発明に係る第３の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図２７】本発明に係る第４の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図２８】本発明に係る第５の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図２９】従来技術の高圧ＥＧＲ方式の内燃機関の構成を示す図である。
【図３０】従来技術の低圧ＥＧＲ方式の内燃機関の構成を示す図である。
【図３１】車速の変化と瞬時ＮＯｘ排出量の関係を示す図である。
【図３２】全負荷における燃料噴射量の特性と過渡時の動きを示す図である。
【図３３】過渡時のターボ式過給機の応答遅れとＥＧＲの関係を示す図である。
【図３４】先行技術の内燃機関の構成を示す図である。
【図３５】先行技術の流路切替弁におけるシャッター部材の端部とシール部材が離間している状態を示す図である。
【図３６】先行技術の流路切替弁におけるシャッター部材の端部とシール部材が接近している状態を示す図である。
【図３７】先行技術の流路切替弁におけるシャッター部材の端部とシール部材が接触している状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明に係る実施の形態の流路切替弁、内燃機関及び内燃機関のＥＧＲ方法について、図面を参照しながら説明する。
【００４２】
最初に、本発明に係る実施の形態の流路切替弁について３つの実施の形態で説明する。本発明に係る第１の実施の形態の流路切替弁５０Ａは、図１及び図２に示すように、入口側流路を第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂで形成し、出口側流路を第１出口側流路５２ａで形成する。
【００４３】
そして、第１流路切替で、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間を連通すると共に第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を遮断し、第２流路切替で、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間を遮断すると共に第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を連通するように構成される。 つまり、この第１の実施形態の流路切替弁５０Ａは、第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂを切り替えて、第１入口側流路５１ａ側のガス（吸気）Ａと第２入口流路５１ｂ側のガスＣのいずれか一方を第１出口側流路５２ａに流す流路切替弁である。
【００４４】
この第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂをケース５４内の一方側に設け、第１出口側流路５２ａを第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂの両方に対向してケース５４内の他方側に設ける。それと共に、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間と、第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を交互に連通及び閉鎖するようにスライドするシャッター部材５５を設ける。このシャッター部材５５を駆動用ガスＡｐで駆動するピストン５６でスライドさせるように構成する。更に、ピストン５６を収納し、ピストン５６を駆動させるための第１ガス室５７ａと第２ガス室５７ｂを有するシリンダ５７を有して、ピストン駆動部を構成する。
【００４５】
そして、図１に示すように、第１圧力の駆動用ガスＡｐを第２ガス室５７ｂに供給すると共に第１ガス室５７ａのガスＡｅを抜くことで、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間を連通し、第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を遮断する第１切替操作を行うように構成する。また、図２に示すように、第１圧力より高い第２圧力の駆動用ガスＡｐを第１ガス室５７ａに供給すると共に第２ガス室５７ｂのガスＡｅを抜くことで、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間を遮断し、第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を連通する第２切替操作を行うように構成する。
【００４６】
図３に示すように、この流路切替弁５０Ａのケース５４は、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとを連通するための第１孔５４ａと、第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとを連通するための第２孔５４ｂを設けて形成する。これらの第１孔５４ａの周囲と第２孔５４ｂの周囲にはＯリング溝５４ｄと必要に応じてグリス溜り５４ｅが設けられ、組み付け時にはそのリング溝５４ｅにＯリング５４ｆを挿入する。つまり、第１出口側流路５２ａのシールのためにシャッター部材５５とケース５４の間にシール部材であるＯリング５４ｆを配置する。
【００４７】
更に、図３、図４及び図５に示すように、シャッター部材５５をケース５４の第１出口側流路５２ａ側の壁５４ｇの内表面（内壁面）から浮かせてスライドさせるための案内部材５３、５３Ａを設けて、シャッター部材５５と壁５４ｇの内表面との間に隙間Ｐを形成する。
【００４８】
図４の構成では、シャッター部材５５のスライド方向に対して垂直な方向の隅部に帯状の案内部材５３を設けて、この上面をシャッター部材５５が摺動するように構成する。また、図５の他の構成では、シャッター部材５５のスライド方向に対して垂直な方向の壁部５４ｈにレール状の案内部材５３Ａを設けて、シャッター部材５５の溝部がこの案内部材５３Ａと係合して摺動するように構成する。
【００４９】
この流路切替弁５０Ａでは、図６及び図７に示すように、シャッター部材５５は、貫通孔５５ａを設けて形成される。このシャッター部材５５は、図８及び図９に示すようにケース５４の間に挿入され、図８に示すように、シャッター部材５５がスライドして第１流路切替の状態になったときには、シャッター部材５５の端部が第１入口側流路５１ａに接続される第１孔５４ａから外れて第１孔５４ａを連通すると共に、シャッター部材５５が第２入口側流路５２ｂに接続される第２孔５４ｂを遮断し、また、図９に示すように、シャッター部材５５が逆方向にスライドして第２流路切替の状態になったときには、シャッター部材５５が第１孔５４ａを遮断すると共に、シャッター部材５５の貫通孔５５ａが第２孔５４ｂに重なり、第２孔５４ｂを連通するように構成される。
【００５０】
ピストン駆動部は、シャッター部材５５の高速移動を行うためのものであり、図１０に示すように、ピストン５６、第１ガス室５７ａと第２ガス室５７ｂを有するシリンダ５７を有して構成される。ピストン５６はピストンロッド５６ａと受圧部５６ｂを一体化して形成し、この受圧部５６ｂをシリンダ５７内を摺動可能に構成する。また、第１ガス室５７ａと第２ガス室５７ｂとの間のシールを行うために、受圧部５６ｂにはＯリング溝５６ｃを設け、Ｏリング５６ｄを挿入する。
【００５１】
また、ピストン５６が高速で移動するとピストン５６の移動先のガス室５７ｂ（又は５７ａ）ではガス室５７ｂ（又は５７ａ）内のガスＡｅが圧縮されて、ピストン５６の動きを阻害するので、圧力抜きの経路として、第１ガス室５７ａには第１連通路５７ｃを、第２ガス室５７ｂには第２連通路５７ｄをそれぞれ形成する。
【００５２】
ピストン５６が高速で移動することで大きな慣性力が生じ、ロッド５６ａを必要なストローク動かした後に停止させるためには大きな制動力が必要になり、機械的に止めることは難しくなる。そのため、緩衝部材５７ｅをストッパーとして、第１ガス室５７ａの内側と第２ガス室５７ｂの内側にそれぞれ配設する。この緩衝部材５７ｅにピストン５６の受圧部５６ｂを衝突させることで、ピストン５６の制動に必要なエネルギーを緩衝部材５７ｅで吸収して強制停止させる。
【００５３】
つまり、高速で動くシャッター部材５５を必要量動かした後では、ピストン５６とシャッター部材５５に大きな慣性力が付くので、非駆動側にゴム等の柔らかい衝突部となる緩衝部材５７ｅを設けて、流路切替弁５０Ａが破損しないように、緩衝部材５７ｅに受圧部５６ｂを衝突させて停止させる。
【００５４】
この緩衝部材５７ｅは、ゴム等の軟質材で形成し、図１１に示すようにリング形状に形成する。また、この緩衝部材５７ｅには、第１連通路５７ｃ、又は、第２連通路５７ｄに対向する部分に切り欠き５７ｅａを設ける。なお、この緩衝部材５７ｅに使用するゴム等軟質材の厚さは実験的に設定する。
【００５５】
更に、ピストン５６を第１ガス室５７ａ側に移動するように付勢するスプリング（弾性体）５８を設けて、第１切替操作をする際に、ピストン５６の移動を助ける方向に弾性力を付勢する。これにより、比較的低い圧力の駆動用ガスＡｐで第１切替操作をする際に、比較的高い圧力の駆動用ガスＡｐで第２切替操作をする際と同様な速度で、シャッター部材５５をスライドさせて、流路を切り替えることができるようになる。
【００５６】
また、シャッター部材５５とピストン５６等の可動部分に、ジュラルミン、超ジュラルミン、超超ジュラルミン、窒素ケイ素等の低比重で強度の高い材料を用いると、シャッター部材５５を軽量に形成できるので、小さい駆動力で、且つ、高速でシャッター部材５５をスライドさせて、高速で流路を切り替えることができるようになる。
【００５７】
図１２に示すように、このピストン５６を駆動させる駆動システム６０は、駆動用ガスＡｐを貯蔵する蓄ガス容器６１を設けて構成する。更に、第２切替操作時に駆動用ガスＡｐを第１ガス室５７ａに供給するために、第１駆動用ガス供給路６２と第１三方弁６３と第１駆動用ガス供給補助路６２ａと第１大気解放補助路６２ｂを設ける。また、第１切替操作時に駆動用ガスＡｐを第２ガス室５７ｂに供給するために、第２駆動用ガス供給路６４と第２三方弁６５と第２駆動用ガス供給補助路６４ａと第２大気解放補助路６４ｂを設ける。
【００５８】
次に、本発明に係る第２の実施の形態の流路切替弁について説明する。この第２の実施の形態の流路切替弁５０Ｂは、図１３及び図１４に示すように、入口側流路を第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂと第３入口側流路５１ｃで形成し、出口側流路を第１出口側流路５２ａで形成する。
【００５９】
そして、第１流路切替で、図１３に示すように、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間と第３入口側流路５１ｃと第１出口側流路５２ａとの間を連通すると共に第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を遮断し、第２流路切替で、図１４に示すように、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間と第３入口側流路５１ｃと第１出口側流路５２ａとの間を遮断すると共に第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を連通するように構成される。
【００６０】
図１５に示すように、この流路切替弁５０Ｂのケース５４は、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとを連通するための第１孔５４ａと、第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとを連通するための第２孔５４ｂと第３入口側流路５１ｃと第１出口側流路５２ａとを連通するための第３孔５４ｃを設けて形成する。これらの第１孔５４ａ、第２孔５４ｂ、第３孔５４ｃの各周囲にはＯリング溝５４ｄと必要に応じてグリス溜り５４ｅが設けられ、組み付け時にはそのリング溝５４ｅにＯリング５４ｆを挿入する。つまり、第１出口側流路５２ａのシールのためにシャッター部材５５とケース５４の間にシール部材であるＯリング５４ｆを配置する。
【００６１】
この流路切替弁５０Ｂでは、シャッター部材５５は、第１の実施の形態の流路切替弁５０Ａと同じく、図６及び図７に示すように、貫通孔５５ａを設けて形成される。このシャッター部材５５は、図１６及び図１７に示すようにケース５４の間に挿入され、図１６に示すように、シャッター部材５５がスライドして第１流路切替の状態になったときには、シャッター部材５５の端部が第１入口側流路５１ａに接続される第１孔５４ａから外れて第１孔５４ａを連通すると共に、シャッター部材５５が第２入口側流路５２ｂに接続される第２孔５４ｂを遮断し、更に、シャッター部材５５の第１孔５５ａが第３入口側流路５２ｃに接続される第３孔５４ｃに重なり、第３孔５４ｃを連通するように構成される。
【００６２】
また、図１７に示すように、シャッター部材５５が逆方向にスライドして第２流路切替の状態になったときには、シャッター部材５５が第１孔５４ａを遮断すると共に、シャッター部材５５の貫通孔５５ａが第２孔５４ｂに重なり、第２孔５４ｂを連通し、更に、シャッター部材５５が第３孔５４ｃを遮断するように構成される。
【００６３】
上記の構成以外は、第１の実施の形態の流路切替弁５０Ａと同じ構成をしており、同じ作用効果を奏することができる。
【００６４】
次に、本発明に係る第３の実施の形態の流路切替弁について説明する。この第３の実施の形態の流路切替弁５０Ｃは、図１８及び図１９に示すように、入口側流路を第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂと第３入口側流路５１ｃで形成し、出口側流路を第１出口側流路５２ａと第２出口側流路５２ｂで形成する。
【００６５】
この第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂと第３入口側流路５１ｃをケース５４内の一方側に設け、第１出口側流路５２ａを第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂの両方に対向してケース５４内の他方側に設け、更に、第２出口側流路５２ｂを第３入口側流路５１ｃに対向してケース５４内の他方側に設ける。
【００６６】
そして、第１流路切替で、図１８に示すように、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間と第３入口側流路５１ｃと第２出口側流路５２ｂとの間を連通すると共に第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を遮断し、第２流路切替で、図１９に示すように、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間と第３入口側流路５１ｃと第２出口側流路５２ｂとの間を遮断すると共に第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を連通するように構成される。
【００６７】
つまり、この第３の実施形態の流路切替弁５０Ｃは、第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂを切り替えて、第１入口側流路５１ａ側のガス（吸気）Ａと第２入口流路５１ｂ側のガスＣのいずれか一方を第１出口側流路５２ａに流すと共に、第３入口側流路５１ｃのガス（ＥＧＲガス）Ｇｅの連通と遮断を行う流路切替弁である。
【００６８】
上記の構成以外は、第２の実施の形態の流路切替弁５０Ｂと同じ構成をしており、同じ作用効果を奏することができる。
【００６９】
上述したように、本発明に係る実施の形態の流路切替弁は、上記の第１〜第３の実施の形態の流路切替弁５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ（以下５０ｉとする）であり、複数の入口側流路５１ａ、５１ｂ（又は、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ：以下５１ｉとする）のいずれか一つ又は複数を選択的に単数又は複数の出口側流路５２ａ（又は、５２ａ、５２ｂ、以下５２ｉとする）に連通させたり、遮断したりする流路切替弁である。
【００７０】
これらの流路切替弁５０ｉでは、入口側流路５１ｉをケース５４内の一方側に設け、入口側流路５１ｉの一部又は全部に対向して出口側流路５２ｉをケース５４内の他方側に設ける。それと共に、入口側流路５１ｉと出口側流路５２ｉとの間でスライドして、入口側流路５１ｉと出口側流路５２ｉとの間の連通及び遮断を選択的に行うシャッター部材５５を設け、駆動用ガスＡｐで駆動するピストン５８でシャッター部材５５をスライドさせるように構成する。
【００７１】
そして、出口側流路５２ｉのシールのためにシャッター部材５５とケース５４の間にシール部材５４ｆを配置し、更に、シャッター部材５５をケース５４の出口側流路５２ｉ側の壁５４ｇの内表面（内壁面）から浮かせてスライドさせるための案内部材５３（又は、５３Ａ）を設けて、シャッター部材５５と壁５４ｇの内表面との間に隙間Ｐを形成する。
【００７２】
そして、この案内部材５３（又は、５３Ａ）を設けた構成により、ケース５４に挿入されたシャッター部材５５を高速で移動させ、二つ以上の入口側流路（ポート）５１ｉの切り替えを同時に切り替えるシャッター部材５５を用いた構造で一つ以上の入口側流路５１ｉに高圧が付加されるような場合には、図２０に示すように、シャッター部材５５は片側に押し付けられた状態で静止するが、案内部材５３により隙間Ｐがあるので、図２１に示すように、この静止状態からシャッター部材が高速で動きだしても、高圧を受けるシャッター部材は、ケース５４の一方側の壁５４ｇの内表面との間に隙間Ｐがあるまま移動するので、摩擦が非常に少ないと共に、図２２に示すように、シャッター部材５５の端部が同じ一方側の壁５４ｇの内表面に配置されるＯリング等のシール部材５４ｆの部分を通過してもシール部材５４ｆを噛み込まなくなり、シール部材５４ｆの破損を防止できる。
【００７３】
次に、上記の本発明に係る実施の形態の流路切替弁５０ｉを備えたエンジン（内燃機関）１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅについて図２３〜図２８を参照しながら説明する。図２３に示すように、この第１の実施の形態のエンジン１Ａは、第１の実施の形態の流路切替弁５０Ａを備えたエンジンであり、エンジン本体１１と吸気マニホールド１１ａに接続する吸気通路１２と排気マニホールド１１ｂに接続する排気通路１３を有して構成する。この吸気マニホールド１１ａと吸気通路１２とで吸気系通路を形成し、排気マニホールド１１ｂと排気通路１３とで排気系通路を形成する。
【００７４】
吸気通路１２には、ターボ式過給機１４のコンプレッサ１４ａを設け、排気通路１３には、ターボ式過給機１４のタービン１４ｂと、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）装置１５とＮＯｘ吸蔵還元型触媒等で形成されるＮＯｘ浄化触媒１６を設ける。
【００７５】
また、タービン１４ｂの上流側の排気通路１３からＥＧＲ通路１７を分岐し、コンプレッサ１４ａの上流側の吸気通路１２にＥＧＲ合流部１８で合流させる。このＥＧＲ通路１７に、上流側から、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）装置１９とＥＧＲクーラ２０とＥＧＲ弁２１を設ける。
【００７６】
更に、ＮＯｘ浄化触媒１６の下流側の排気通路１３から分岐して、排気ガス導入通路２２を設ける。この排気ガス導入通路２２にはＥＧＲクーラ２３と三方弁２４を設け、この排気ガス導入通路２２を機械式の容積型過給機（往復動式が望ましい）等で形成されるガス圧縮装置２５に接続する。このガス圧縮装置２５を、圧縮ガス供給通路２６で圧力容器等で形成される蓄ガス容器２７に接続する。また、この蓄ガス容器２７を蓄ガス供給通路２８で吸気通路１２に接続する。この排気ガス導入通路２２と圧縮ガス供給通路２６と蓄ガス供給通路２８で蓄圧ガス系通路を形成する。
【００７７】
図２４に示すように、このガス圧縮装置２５は、エンジン１を搭載した車両の車軸３１から歯車３２、３３と、電磁クラッチ３４を経由してガス圧縮装置２５の駆動軸に動力を伝達する。この電磁クラッチ３４をＯＮにして接続することにより、ガス圧縮装置２５を駆動して、排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを、圧縮して高圧化して蓄ガス容器２７に供給し、貯蔵する。
【００７８】
なお、図２３に示すように、蓄ガス供給通路２８には、調圧弁２９を配置し、流路切替弁５０Ａに供給されるガスＣの圧力を調整する。このとき、三方弁２４で、排気ガスＧの一部Ｇｐの量と空気Ａａの量を調整して、蓄ガス容器２７で貯蔵されるガスＣにおける酸素濃度を略一定に保つことが好ましく、これにより、ＥＧＲを行うときの制御を単純化することができる。
【００７９】
そして、上記の機器類の制御を行うために、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と呼ばれるエンジン１の運転の全般を制御する制御装置４０を設け、図２４に示すように、この制御装置４０で蓄ガス容器２７内の圧力Ｐ０やエンジン回転速度Ｎｅやアクセル開度Ａｃ等を検出して、その結果に基づいて電磁クラッチ３４や三方弁２４を制御して、蓄ガス容器２７内のガスＣの量（圧力）と排気ガスＧｐと空気Ａａの混合比率を調整制御する。
【００８０】
なお、図２３に示すように、この蓄ガス容器２７の内部の最大圧を調整する調整弁２７ａを、蓄ガス容器２７に設けて、ガス圧縮装置２５を駆動している時には、常に仕事が発生するように調整弁２７ａを調整する。なお、図２３では、調整弁２７ａを蓄ガス容器２７に設けているが、調整弁２７ａを蓄ガス容器２７とガス圧縮装置２５の間の圧縮ガス供給通路２６に設けてもよい。
【００８１】
つまり、エンジン１は、排気ガスＧの一部Ｇｅをシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路１７と、エンジン１の排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを圧縮するガス圧縮装置２５と、このガス圧縮装置２５で圧縮されたガスＣを貯蓄する蓄ガス容器２７と、この蓄ガス容器２７と吸気通路１２を接続する蓄ガス供給通路２８を備えて構成される。
【００８２】
そして、吸気通路１２と蓄ガス供給通路２８を、上記の第１の実施の形態の流路切替弁５０Ａを介して接続する。この流路切替弁５０Ａでは、吸気通路１２の上流側の通路が第１入口側流路５１ａに、蓄ガス供給通路２８が第２入口側流路５１ｂに、吸気通路１２の下流側の通路側が第１出口側流路５２ａにそれぞれ接続され、吸気通路１２の下流側の通路側を開放したまま、蓄ガス供給通路２８側と吸気通路１２の上流側の通路側とを切り替えるように構成される。
【００８３】
この流路切替弁５０Ａの図１２に示す蓄ガス容器６１を図２３に示す蓄ガス容器２７で兼用して、第１ガス室５７ａと第２ガス室５７ｂを第１駆動用ガス供給路６２等と第２駆動用ガス供給路６４等で接続する。これにより、蓄ガス容器２７からのガスＣを、駆動用ガスＡｐとして使用する。なお、詳細は図１２のような構成になるが、図２３では、図面が複雑になるのを避けるため、簡略化して示してある。
【００８４】
また、図２５に示すように、第２の実施の形態のエンジン１Ｂは、第１の実施の形態の流路切替弁５０Ａを備えたエンジンであり、ＥＧＲ通路１７が排気通路１３のタービン１４ｂより下流側のＮＯｘ浄化触媒１６よりも下流側から分岐している点が第１の実施の形態のエンジン１Ａと異なるだけで他の構成は同じである。
【００８５】
また、図２６に示すように、第３の実施の形態のエンジン１Ｃは、第２の実施の形態の流路切替弁５０Ｂを備えたエンジンであり、第１の実施の形態の流路切替弁５０Ａの代わりに第２の実施の形態の流路切替弁５０Ｂを備えている点と、第１の実施の形態のエンジン１Ａでは、ＥＧＲ通路１７が流路切替弁５０Ａよりも上流側の吸気通路１２に接続しているのに対して、ＥＧＲ通路１７が流路切替弁５０Ｂの第３入口側流路５１ｃに接続している点が、第１の実施の形態のエンジン１Ａと異なるだけで他の構成は同じである。
【００８６】
また、図２７に示すように、第４の実施の形態のエンジン１Ｄは、第２の実施の形態の流路切替弁５０Ｂを備えたエンジンであり、ＥＧＲ通路１７が排気通路１３のタービン１４ｂより下流側のＮＯｘ浄化触媒１６よりも下流側から分岐している点が、第３の実施の形態のエンジン１Ｃと異なるだけで他の構成は同じである。
【００８７】
また、図２８に示すように、第５の実施の形態のエンジン１Ｅは、第３の実施の形態の流路切替弁５０Ｃを備えたエンジンであり、第２の実施の形態の流路切替弁５０Ｂの代わりに第３の実施の形態の流路切替弁５０Ｃを備えている点と、ＥＧＲ通路１７が流路切替弁５０Ｃで終了せず、コンプレッサ１４ａより下流側の吸気通路１２に接続している点が、第３の実施の形態のエンジン１Ｃと異なるだけで他の構成は同じである。
【００８８】
次に、本発明に係る内燃機関のＥＧＲ方法について説明する。このＥＧＲ方法は、上記の構成のエンジン（内燃機関）１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ（以下１ｉとする）で実施できる方法である。このＥＧＲ方法は、エンジン１ｉの排気通路（排気系通路）１３の排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを圧縮して貯蓄する。
【００８９】
それと共に、ＥＧＲでは、エンジン１ｉの過渡運転でないときには、エンジン１ｉの排気ガスＧの一部Ｇｅを、ＥＧＲ通路１７を経由してシリンダ内に再循環し、過渡運転であるときには、ガスＣを一時的に蓄ガス供給通路２８から吸気通路（吸気系通路）１２に供給する。
【００９０】
また、上記の第１〜第３の実施の形態の流路切替弁５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ（以下、５０ｉとする）を用いて、エンジン１ｉが過渡運転でないときには、流路切替弁５０ｉの第１流路切替で、ガスＣを流路切替弁５０ｉで遮断して、新気ＡとＥＧＲガスＧｅを吸気系通路１２、１１ａに供給し、エンジン１ｉが過渡運転であるときには、流路切替弁５０ｉの第２流路切替で、新気ＡとＥＧＲガスＧｅを流路切替弁５０ｉで遮断して、ガスＣのみを吸気系通路１２、１１ａに一時的に供給する。
【００９１】
これらの制御においては制御装置４０で、エンジン回転速度Ｎｅ、エンジン空気量Ｍｏ、エンジン燃料量（燃料噴射量）Ｑ、蓄ガス容器２７の内部の圧力等の検出値等に基づいて、調圧弁２９とＥＧＲ弁２１と流路切替弁５０ｉを制御する。
【００９２】
上記のエンジン（内燃機関）１ｉ及び上記の内燃機関のＥＧＲ方法によれば、急加速等の過渡運転時においてターボラグに起因するＥＧＲ不足を解消し、過渡運転時のＮＯｘ排出を低減することができると共に加速性能の向上とＰＭの低減を図ることができる。更に、上記の流路切替弁５０ｉを備えることで、流路切替弁５０ｉの損傷、及び、この損傷に起因する吸気弁やコンプレッサ１４ａの故障を回避できる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明の流路切替弁は、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、入口側流路を高速で選択的に切り替えて出口側流路に連通させることができるので、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給するような、トラックやバスや乗用車等に搭載する内燃機関で利用できる。
【００９４】
また、本発明の流路切替弁を備えた内燃機関及び内燃機関のＥＧＲ方法によれば、急加速時等の過渡運転において、ターボラグに起因する加速性能の低下を防止することができ、ＰＭ（粒子状物質）とＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量の低減が可能となると共に、流路切替弁の損傷、及び、この損傷に起因する吸気弁やコンプレッサの故障を回避できるので、トラックやバスや乗用車等に搭載する内燃機関及び内燃機関のＥＧＲ方法として利用できる。
【符号の説明】
【００９５】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｘ、１Ｙ、１Ｚ エンジン（内燃機関）
１１ エンジン本体
１１ａ 吸気マニホールド（吸気系通路）
１１ｂ 排気マニホールド（排気系通路）
１２ 吸気通路（吸気系通路）
１３ 排気通路（排気系通路）
１４ ターボ式過給機
１４ａ コンプレッサ
１４ｂ タービン
１７ ＥＧＲ通路
２１ ＥＧＲ弁
２２ 排気ガス導入通路
２４ 三方弁
２５ ガス圧縮装置
２６ 圧縮ガス供給通路
２７、６１ 蓄ガス容器
２８ 蓄ガス供給通路
４０ 制御装置
５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ 流路切替弁
５１ａ 第１入口側流路
５１ｂ 第２入口側流路
５１ｃ 第３入口側流路
５２ａ 第１出口側流路
５２ｂ 第２出口側流路
５３、５３Ａ 案内部材
５４ ケース
５４ｇ 内壁面
５４ｆ、５６ｄ Ｏリング（シール部材）
５５ シャッター部材
５６ ピストン
５７ シリンダ
５７ａ 第１ガス室
５７ｂ 第２ガス室
５７ｃ 第１連通路
５７ｄ 第２連通路
５７ｅ 緩衝部材
５８ スプリング（弾性体）
６０ 駆動システム
Ａ 新気
Ａａ 空気
Ａｅ 抜きガス
Ａｐ 駆動用ガス
Ｃ ガス
Ｇ 排気ガス
Ｇｅ ＥＧＲガス
Ｇｐ 排気ガスの一部
Ｐ 隙間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動用の高圧ガスを用いて、高圧側ガスの流路と低圧側ガスの流路とを高速で切り替えることができる流路切替弁、それを備えた内燃機関、及び内燃機関のＥＧＲ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低減するＥＧＲ（排気再循環）においては、過給システムを備えた内燃機関では、高圧ＥＧＲ方式と低圧ＥＧＲ方式とがある。この高圧ＥＧＲ方式では、例えば、図２９に示すように、高圧ＥＧＲシステムを備えた内燃機関１Ｘでは、ターボ式過給機１４よりもエンジン本体１１側にＥＧＲ通路１７が設けられており、エンジン本体１１の排気マニホールド１１ｂから吸気マニホールド１１ａにＥＧＲ通路１７経由でＥＧＲガスＧｅを還流している。また、低圧ＥＧＲ方式では、例えば、図３０に示すように、低圧ＥＧＲシステムを備えた内燃機関１Ｙでは、ターボ式過給機１４よりもエンジン本体１１とは反対側にＥＧＲ通路１７が設けられており、タービン１４ｂの下流側からコンプレッサ１４ａの上流側にＥＧＲ通路１７経由でＥＧＲガスＧｅを還流している。
【０００３】
これらのいずれのＥＧＲ方式でも、ＥＧＲガス量の制御には、ＭＡＦ制御方式が一般的に使用されている。このＭＡＦ制御方式では、ＥＧＲ無しでエンジンのシリンダ内に吸入される新気量（空気量）をＭｏとし、ＥＧＲを行うことでシリンダ内に吸入される新気量をＭｅとすると、還流されるＥＧＲガス量のＭｅｇｒがＭｅｇｒ＝Ｍｏ−Ｍｅとなるので、これに基づいて、ＥＧＲ弁２１の弁開度により新気量Ｍｅを制御することで、ＥＧＲガス量Ｍｅｇｒを制御している。
【０００４】
つまり、エンジンの回転速度Ｎｅと燃料負荷Ｑをパラメータにして、各エンジンの運転状態に対する新気量Ｍｅを予め設定して作成した新気量Ｍｅのデータマップを基に、実際のエンジン運転時の回転速度Ｎｅと燃料負荷Ｑから目標の新気量Ｍｅｔを算出して、実際の新気量Ｍｅをこの目標の新気量Ｍｅｔになるように制御することで、ＥＧＲガス量Ｍｅｇｒを制御している。
【０００５】
しかしながら、ターボ式過給機を使用する場合には排気ガスのエネルギー（エンタルピ）を用いて過給を行うため、ターボ式過給機の応答遅れ（ターボラグ）を無くすことは不可能であり、このＭＡＦ制御方式では、このターボラグに起因する次のような問題がある。ターボラグにより負荷が急激に増加する過渡運転状態では、過給圧が定常運転時に設定した圧力まで上昇しないため、エンジンの吸入空気量が低下する。つまり、ターボ式過給機付きエンジンでも無過給エンジンと同程度の吸気量となってしまう。
【０００６】
従って、定常運転条件で設定した目標のＥＧＲ量に達成することができず、図３１に示すように、急激な過渡運転を行う際にＮＯｘの排出量が増加する。また、煤の発生量を制限するために、過給圧があるレベルより上がらない場合には燃料の投入量が煤が増加しない領域内に抑えられるというスモークリミット制御が行われる。その結果、図３２及び図３３に示すように、燃料噴射量Ｑと空気量（Ｍｏ、Ｍｅ）が共に点線で示されるように抑えられ、加速時のパワーが抑えられてしまうという問題がある。そのために、加速時等の負荷が急激に増加する過渡運転時には、ＮＯｘ排出量の増加や燃費の悪化が発生する。
【０００７】
一方、エンジンのクランクシャフト等によって、過給機を直接駆動して過給を行う機械式過給装置を使用する場合では、過給の応答遅れをなくす事ができるが、エンジンの回転速度が決まると燃料量の多少に関わらず、過給量が決まるために、また、駆動に要する仕事量が大きいために、燃費が悪化するという問題がある。
【０００８】
この対策として、近年では、図３４に示すような蓄ガス供給システムを備えた内燃機関１Ｚが研究されており、この蓄ガス供給システムでは、内燃機関１Ｚから排出される排気ガスＧの一部Ｇｐを空気Ａａと混合した混合ガスＣを容積型コンプレッサ（排気圧縮器）２５で圧縮して高圧化し、この高圧化した混合ガスＣを蓄ガス容器（圧力容器）２７内に溜め込み、過渡時に放出電磁弁３６を開弁して混合ガスＣを調圧弁２９経由で吸気弁（吸気スロットル）３５の下流の吸気通路１２に放出し、これにより、内燃機関１Ｚのシリンダ内への吸気量を過給機付きエンジン並みに増加させると共に、ＥＧＲの効果によるＮＯｘの低減を図り、ターボラグの問題を解消している過給制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
この蓄ガス供給システムを採用した場合は、過渡時に加圧された混合ガスＣをエンジン１Ｚの吸気通路１２内に放出することで過給圧を上げて、シリンダ内への空気量を増加させることができるので燃料量も増やすことができる。その結果、加速性能が向上し、煤の排出も抑えることができる。また、過給圧は排気マニホールド１１ｂの内圧よりも高くなるので、内燃機関１Ｚのポンピング損失が低下し燃費の向上を図ることができる。
【００１０】
この蓄ガス供給システムにおける技術的に最も重要な点の一つに、蓄ガス供給通路側と吸気通路との合流部で、蓄ガス供給通路側と吸気通路の下流側との連通から、吸気通路の上流側と吸気通路の下流側との連通へ、または、逆に、切り替えるための流路切替弁がある。
【００１１】
この流路切替弁では、蓄ガス容器からエンジンのシリンダ内へ加圧されたガスを供給する場合には、吸気通路の上流側を確実に閉じる必要があり、蓄ガス供給通路側の弁が開き出したときに吸気通路の上流側の弁が高速で閉まらないと、つまり、二箇所の弁が同時に開いている時間が長い程、加圧されたガスが吸気通路の上流側の弁の隙間を通じて大気側に逃げてしまうので、エンジンの吸気通路の下流側の過給圧が上がらなくなってしまう。
【００１２】
また、蓄ガス容器のガスを用いた過給条件が解除されて、通常の吸気通路の上流側と吸気通路の下流側を連通させた状態に戻る場合には、蓄ガス供給通路側の弁が閉じたときに吸気通路の上流側の弁がまだ全開にならないと、吸気通路の上流側の吸気抵抗が増加してエンジンの吸気量が大幅に低下するので、エンジンのパワー、燃費、排ガス等に関するエンジン性能が悪化する。
【００１３】
流路切替弁でこれらの状態が、車両が他の車線に合流するために加速したときに発生すると、車両の加速性能が低下してしまうので、これを回避する必要がある。このように、蓄ガス供給通路側と吸気通路の上流側のラインを遮断する二箇所の弁の切替を高速で行うことが重要な課題となっている。
【００１４】
なお、三方切替弁として、例えば、一つの駆動手段と複数の三方切替手段の弁体を連結し、駆動手段により複数の弁体を連動して動かす一体式切替弁がある（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１１−２１５５８号公報
【特許文献２】特開２０００−１９３１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
一方、本発明者は、次のような知見を得た。つまり、実際の車両に、蓄ガス供給システムを搭載する場合に、流路切替弁の駆動を高速で行うためには、圧縮空気等の比較的高圧のガスを用いることが有効であり、駆動源となるガスとして過給に用いる蓄ガス容器内に蓄圧されたガスを用いることが有効である。
【００１７】
この場合に、蓄ガス供給通路からガスをエンジンのシリンダ内に供給するときには蓄ガス容器内は高圧であるが、このガスの供給を終了するときには蓄ガス容器内のガスがシリンダ内に供給された後であり、相当量のガスが消費されているので、蓄ガス容器内の圧力は降下して比較的低圧になっている。
【００１８】
従って、この低圧のガスでも二箇所の連通と閉鎖を行う切替部材を高速で作動させる必要がある。なお、ここで述べる高速作動とは、二箇所の連通と閉鎖の切替開始から切替完了までの時間が約３０／１０００秒（３０ｍｓ）程度の短時間で完了することをいう。
【００１９】
この流路切替弁に関して、本発明者は、本発明に関する技術の一環として、第１流路と第２流路を切り替えて、第１流路側のガスと第２流路側のガスのいずれか一方を第３流路に流す流路切替弁において、前記第１流路と前記第２流路をケース内の一方側に設け、前記第３流路を前記第１流路と前記第２流路の両方に対向して前記ケース内の他方側に設けると共に、前記第１流路と前記第３流路との間と、前記第２流路と前記第３流路との間を交互に連通及び閉鎖するようにスライドするシャッター部材を設け、前記シャッター部材を駆動用ガスで駆動するピストンでスライドさせるように構成される流路切替弁を考えた。
【００２０】
しかしながら、ケースに挿入されたシャッター部材を高速で移動させ、二つ以上の入口側流路（ポート）の切り替えを同時に切り替えるシャッター部材を用いた構造で一つ以上の入口側流路に高圧が付加されるような場合には、シャッター部材は片側に押し付けられた状態で静止し、この静止状態からシャッター部材が高速で動きだすと、高圧を受けるシャッター部材は、図３５〜図３７に示すように、ケース５４の一方側の内壁部５４ｇに押し付けられたままであるので、シャッター部材５５の端部が同じ一方側の内壁部５４ｇのＯリング等のシール部材５４ｆの部分を通過する際に、シール部材５４ｆを噛み込んで破損させる可能性が生じる。
【００２１】
このＯリング等のシール部材の破損は、蓄ガス供給システムの場合では、高圧の蓄ガス容器からエンジンのシリンダ内に吸入されるべきガスが吸気系通路から大気側へ漏れ出ることに繋がるため、過給補助の機能が失われる。更に、破損したシール部材の断片はエンジンの吸気バルブの破損の原因になる。また、蓄ガス供給通路がターボ式過給機のコンプレッサの上流側に接続されている場合には、このコンプレッサの翼を破損させる原因にもなる。
【００２２】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、複数の入口側流路を高速で選択的に切り替えて出口側流路に連通させることができると共に、流路をシールするシール部材の破損を防止でき、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる蓄圧ガス供給システムを備えた内燃機関等で使用できる流路切替弁を提供することにある。
【００２３】
本発明の更なる目的は、蓄圧ガス供給システムを備えた内燃機関において、急加速時においてターボラグに起因する加速性能の低下を防止し、ＰＭ（粒子状物質）とＮＯｘ（窒素酸化物）の低減が可能となると共に、上記の流路切替弁を備えて、流路切替弁の損傷、及び、この損傷に起因する吸気弁やコンプレッサの故障を回避できる内燃機関及び内燃機関のＥＧＲ方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記の目的を達成するための本発明の流路切替弁は、複数の入口側流路のいずれか一つ又は複数を選択的に単数又は複数の出口側流路に連通させたり、遮断したりする流路切替弁において、前記入口側流路をケース内の一方側に設け、前記入口側流路の一部又は全部に対向して前記出口側流路を前記ケース内の他方側に設けると共に、前記入口側流路と前記出口側流路との間でスライドして、前記入口側流路と前記出口側流路との間の連通及び遮断を選択的に行うシャッター部材を設け、駆動用ガスで駆動するピストンで前記シャッター部材をスライドさせるように構成すると共に、前記出口側流路のシールのために前記シャッター部材と前記ケースの間にシール部材を配置し、更に、前記シャッター部材を前記ケースの前記出口側流路側の内壁面から浮かせてスライドさせるための案内部材を設けて、前記シャッター部材と前記内壁面との間に隙間を形成する。
【００２５】
この構成によれば、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、複数の入口側流路を高速で選択的に切り替えて出口側流路に連通されることができる。しかも、複数の入口側流路を一つのシャッター部材で交互に開閉するので、高速で且つ両方の開閉が同期した動きを与えることができる。その結果、複数の入口側流路を切り替える条件下で、この流路切替弁を備えた装置の性能悪化を防止することができる。
【００２６】
従って、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる蓄圧ガス供給システムを備えた内燃機関等で使用できる。
【００２７】
更に、案内部材を設けているので、シャッター部材とケースの内壁面との接触が無くなり、摩擦が減少し、より少ない力でシャッター部材の高速移動が可能になると共に、Ｏリング等のシール部材が損傷するのを防止できる。
【００２８】
そして、上記の流路切替弁のより具体的な形状の流路切替弁は、前記入口側流路を第１入口側流路と第２入口側流路で形成すると共に、前記出口側流路を第１出口側流路で形成し、第１流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間を連通すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を遮断し、第２流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間を遮断すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を連通するように構成される。
【００２９】
あるいは、前記入口側流路を第１入口側流路と第２入口側流路と第３入口側流路で形成すると共に、前記出口側流路を第１出口側流路で形成し、第１流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間と前記第３入口側流路と前記第１出口側流路の間を連通すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を遮断し、第２流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間と前記第３入口側流路と前記第１出口側流路の間を遮断すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を連通するように構成される。
【００３０】
あるいは、前記入口側流路を第１入口側流路と第２入口側流路と第３入口側流路で形成すると共に、前記出口側流路を第１出口側流路と第２出口側流路で形成し、第１流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間と前記第３入口側流路と前記第２出口側流路の間を連通すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を遮断し、第２流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間と前記第３入口側流路と前記第２出口側流路の間を遮断すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を連通するように構成される。
【００３１】
そして、上記の目的を達成するための内燃機関は、内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、該蓄ガス容器と吸気系通路を接続する蓄ガス供給通路を備えた内燃機関において、上記の流路切替弁の前記第１入口側流路に前記吸気系通路の上流側を接続し、前記第２入口側流路に前記蓄ガス供給通路を接続し、前記第１出口側流路に前記吸気系通路の下流側を接続して、前記流路切替弁を介して前記吸気系通路と前記蓄ガス供給通路とを接続し、内燃機関が過渡運転でないときは、前記吸気系通路の新気と前記ＥＧＲガス通路のＥＧＲガスを前記吸気系通路に供給し、内燃機関が過渡運転であるときは、前記蓄ガス供給通路の前記ガスを前記吸気系通路に一時的に供給するように構成される。
【００３２】
この構成によれば、流路切替弁で、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、上流側の吸気通路に接続する第１入口側流路と蓄ガス供給通路に接続する第２入口側流路とを、高速で選択的に切り替えて、下流側の吸気通路に接続する第１出口側流路に連通させることができる。更に、上記の流路切替弁を備えることで、流路切替弁の損傷、及び、この損傷に起因する吸気弁やコンプレッサの故障を回避できる。
【００３３】
また、上記の流路切替弁において、前記流路切替弁の前記ピストンの駆動用ガスとして、前記蓄ガス容器の前記ガスを用いると、ピストンの駆動用ガスを供給するための装置が不要になり、内燃機関の構造が複雑化するのを防止できる。
【００３４】
そして、上記の目的を達成するための内燃機関のＥＧＲ方法は、内燃機関の排気系通路の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮して貯蓄すると共に、ＥＧＲでは、内燃機関が過渡運転でないときには、内燃機関の排気ガスの一部をＥＧＲ通路を経由してシリンダ内に再循環し、内燃機関が過渡運転であるときには、前記ガスを一時的に蓄ガス供給通路から吸気系通路に供給する内燃機関のＥＧＲ方法において、上記の流路切替弁を用いて、内燃機関が過渡運転でないときには、前記流路切替弁の第１流路切替で、前記ガスを前記流路切替弁で遮断して、新気とＥＧＲガスを前記吸気系通路に供給し、内燃機関が過渡運転であるときには、前記流路切替弁の第２流路切替で、新気とＥＧＲガスを前記流路切替弁で遮断して、前記ガスのみを前記吸気系通路に一時的に供給することを特徴とする方法である。
【００３５】
この方法によれば、流路切替弁で、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、上流側の吸気通路に接続する第１入口側流路と蓄ガス供給通路に接続する第２入口側流路とを、高速で選択的に切り替えて、下流側の吸気通路に接続する第１出口側流路に連通させることができる。
【００３６】
従って、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させることができる。更に、上記の流路切替弁を用いることで、流路切替弁の損傷、及び、この損傷に起因する吸気弁やコンプレッサの故障を回避できる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明に係る流路切替弁によれば、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、複数の入口側流路を高速で選択的に切り替えて出口側流路に連通させることができると共に、流路をシールするシール部材の破損を防止できる。
【００３８】
また、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる蓄圧ガス供給システムを備えた内燃機関等で使用できる。
【００３９】
また、本発明に係る内燃機関及び内燃機関のＥＧＲ方法によれば、急加速時等の過渡運転において、ターボラグに起因する加速性能の低下を防止することができ、ＰＭ（粒子状物質）とＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量の低減が可能となると共に、流路切替弁の損傷、及び、この損傷に起因する吸気弁やコンプレッサの故障を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の流路切替弁の構成を示す図で、第１入口側流路が第１出口側流路に連通している状態を示す図である。
【図２】図１の流路切替弁で、第２入口側流路が第１出口側流路に連通している状態を示す図である。
【図３】図１の流路切替弁のケースの図１のＸ１−Ｘ１断面を示す平断面図である。
【図４】案内部材の構成を示す、図３のＺ１−Ｚ１断面におけるＹ１−Ｙ１側の部分の側断面図である。
【図５】案内部材の別の構成を示す、図３のＺ１−Ｚ１断面におけるＹ１−Ｙ１側の部分の側断面図である。
【図６】流路切替弁のシャッター部材の構成を示す平面図である。
【図７】流路切替弁のシャッター部材の構成を示す図６のＹ２−Ｙ２断面図である。
【図８】第１入口側流路が連通する場合のシャッター部材とケースの位置関係を示す横断面図である。
【図９】第２入口側流路が連通する場合のシャッター部材とケースの位置関係を示す横断面図である。
【図１０】ピストンとシリンダの構成を示す横断面図である。
【図１１】緩衝部材の構成を示す図である。
【図１２】ピストンの駆動を説明するための図である。
【図１３】本発明に係る第２の実施の形態の流路切替弁の構成を示す図で、第１入口側流路と第３入口側流路が第１出口側流路に連通している状態を示す図である。
【図１４】図１３の流路切替弁で、第２入口側流路が第１出口側流路に連通している状態を示す図である。
【図１５】図１３の流路切替弁のケースの図１３のＸ２−Ｘ２断面を示す平断面図である。
【図１６】図１５の流路切替弁のケースにおける、第１入口側流路と第３入口側流路が連通する場合のシャッター部材とケースの位置関係を示す横断面図である。
【図１７】図１５の流路切替弁のケースにおける、第２入口側流路が連通する場合のシャッター部材とケースの位置関係を示す横断面図である。
【図１８】本発明に係る第３の実施の形態の流路切替弁の構成を示す図で、第１入口側流路が第１出口側流路に連通し、第３入口側流路が第２出口流路に連通している状態を示す図である。
【図１９】図１８の流路切替弁で、第２入口側流路が第１出口側流路に連通している状態を示す図である。
【図２０】シャッター部材の端部とシール部材が離間している状態を示す図である。
【図２１】シャッター部材の端部とシール部材が接近している状態を示す図である。
【図２２】シャッター部材の端部とシール部材が接触している状態を示す図である。
【図２３】本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図２４】蓄ガス用のガス圧縮装置の駆動を説明するための図である。
【図２５】本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図２６】本発明に係る第３の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図２７】本発明に係る第４の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図２８】本発明に係る第５の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図２９】従来技術の高圧ＥＧＲ方式の内燃機関の構成を示す図である。
【図３０】従来技術の低圧ＥＧＲ方式の内燃機関の構成を示す図である。
【図３１】車速の変化と瞬時ＮＯｘ排出量の関係を示す図である。
【図３２】全負荷における燃料噴射量の特性と過渡時の動きを示す図である。
【図３３】過渡時のターボ式過給機の応答遅れとＥＧＲの関係を示す図である。
【図３４】先行技術の内燃機関の構成を示す図である。
【図３５】先行技術の流路切替弁におけるシャッター部材の端部とシール部材が離間している状態を示す図である。
【図３６】先行技術の流路切替弁におけるシャッター部材の端部とシール部材が接近している状態を示す図である。
【図３７】先行技術の流路切替弁におけるシャッター部材の端部とシール部材が接触している状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明に係る実施の形態の流路切替弁、内燃機関及び内燃機関のＥＧＲ方法について、図面を参照しながら説明する。
【００４２】
最初に、本発明に係る実施の形態の流路切替弁について３つの実施の形態で説明する。本発明に係る第１の実施の形態の流路切替弁５０Ａは、図１及び図２に示すように、入口側流路を第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂで形成し、出口側流路を第１出口側流路５２ａで形成する。
【００４３】
そして、第１流路切替で、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間を連通すると共に第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を遮断し、第２流路切替で、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間を遮断すると共に第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を連通するように構成される。 つまり、この第１の実施形態の流路切替弁５０Ａは、第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂを切り替えて、第１入口側流路５１ａ側のガス（吸気）Ａと第２入口流路５１ｂ側のガスＣのいずれか一方を第１出口側流路５２ａに流す流路切替弁である。
【００４４】
この第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂをケース５４内の一方側に設け、第１出口側流路５２ａを第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂの両方に対向してケース５４内の他方側に設ける。それと共に、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間と、第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を交互に連通及び閉鎖するようにスライドするシャッター部材５５を設ける。このシャッター部材５５を駆動用ガスＡｐで駆動するピストン５６でスライドさせるように構成する。更に、ピストン５６を収納し、ピストン５６を駆動させるための第１ガス室５７ａと第２ガス室５７ｂを有するシリンダ５７を有して、ピストン駆動部を構成する。
【００４５】
そして、図１に示すように、第１圧力の駆動用ガスＡｐを第２ガス室５７ｂに供給すると共に第１ガス室５７ａのガスＡｅを抜くことで、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間を連通し、第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を遮断する第１切替操作を行うように構成する。また、図２に示すように、第１圧力より高い第２圧力の駆動用ガスＡｐを第１ガス室５７ａに供給すると共に第２ガス室５７ｂのガスＡｅを抜くことで、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間を遮断し、第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を連通する第２切替操作を行うように構成する。
【００４６】
図３に示すように、この流路切替弁５０Ａのケース５４は、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとを連通するための第１孔５４ａと、第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとを連通するための第２孔５４ｂを設けて形成する。これらの第１孔５４ａの周囲と第２孔５４ｂの周囲にはＯリング溝５４ｄと必要に応じてグリス溜り５４ｅが設けられ、組み付け時にはそのリング溝５４ｅにＯリング５４ｆを挿入する。つまり、第１出口側流路５２ａのシールのためにシャッター部材５５とケース５４の間にシール部材であるＯリング５４ｆを配置する。
【００４７】
更に、図３、図４及び図５に示すように、シャッター部材５５をケース５４の第１出口側流路５２ａ側の壁５４ｇの内表面（内壁面）から浮かせてスライドさせるための案内部材５３、５３Ａを設けて、シャッター部材５５と壁５４ｇの内表面との間に隙間Ｐを形成する。
【００４８】
図４の構成では、シャッター部材５５のスライド方向に対して垂直な方向の隅部に帯状の案内部材５３を設けて、この上面をシャッター部材５５が摺動するように構成する。また、図５の他の構成では、シャッター部材５５のスライド方向に対して垂直な方向の壁部５４ｈにレール状の案内部材５３Ａを設けて、シャッター部材５５の溝部がこの案内部材５３Ａと係合して摺動するように構成する。
【００４９】
この流路切替弁５０Ａでは、図６及び図７に示すように、シャッター部材５５は、貫通孔５５ａを設けて形成される。このシャッター部材５５は、図８及び図９に示すようにケース５４の間に挿入され、図８に示すように、シャッター部材５５がスライドして第１流路切替の状態になったときには、シャッター部材５５の端部が第１入口側流路５１ａに接続される第１孔５４ａから外れて第１孔５４ａを連通すると共に、シャッター部材５５が第２入口側流路５２ｂに接続される第２孔５４ｂを遮断し、また、図９に示すように、シャッター部材５５が逆方向にスライドして第２流路切替の状態になったときには、シャッター部材５５が第１孔５４ａを遮断すると共に、シャッター部材５５の貫通孔５５ａが第２孔５４ｂに重なり、第２孔５４ｂを連通するように構成される。
【００５０】
ピストン駆動部は、シャッター部材５５の高速移動を行うためのものであり、図１０に示すように、ピストン５６、第１ガス室５７ａと第２ガス室５７ｂを有するシリンダ５７を有して構成される。ピストン５６はピストンロッド５６ａと受圧部５６ｂを一体化して形成し、この受圧部５６ｂをシリンダ５７内を摺動可能に構成する。また、第１ガス室５７ａと第２ガス室５７ｂとの間のシールを行うために、受圧部５６ｂにはＯリング溝５６ｃを設け、Ｏリング５６ｄを挿入する。
【００５１】
また、ピストン５６が高速で移動するとピストン５６の移動先のガス室５７ｂ（又は５７ａ）ではガス室５７ｂ（又は５７ａ）内のガスＡｅが圧縮されて、ピストン５６の動きを阻害するので、圧力抜きの経路として、第１ガス室５７ａには第１連通路５７ｃを、第２ガス室５７ｂには第２連通路５７ｄをそれぞれ形成する。
【００５２】
ピストン５６が高速で移動することで大きな慣性力が生じ、ロッド５６ａを必要なストローク動かした後に停止させるためには大きな制動力が必要になり、機械的に止めることは難しくなる。そのため、緩衝部材５７ｅをストッパーとして、第１ガス室５７ａの内側と第２ガス室５７ｂの内側にそれぞれ配設する。この緩衝部材５７ｅにピストン５６の受圧部５６ｂを衝突させることで、ピストン５６の制動に必要なエネルギーを緩衝部材５７ｅで吸収して強制停止させる。
【００５３】
つまり、高速で動くシャッター部材５５を必要量動かした後では、ピストン５６とシャッター部材５５に大きな慣性力が付くので、非駆動側にゴム等の柔らかい衝突部となる緩衝部材５７ｅを設けて、流路切替弁５０Ａが破損しないように、緩衝部材５７ｅに受圧部５６ｂを衝突させて停止させる。
【００５４】
この緩衝部材５７ｅは、ゴム等の軟質材で形成し、図１１に示すようにリング形状に形成する。また、この緩衝部材５７ｅには、第１連通路５７ｃ、又は、第２連通路５７ｄに対向する部分に切り欠き５７ｅａを設ける。なお、この緩衝部材５７ｅに使用するゴム等軟質材の厚さは実験的に設定する。
【００５５】
更に、ピストン５６を第１ガス室５７ａ側に移動するように付勢するスプリング（弾性体）５８を設けて、第１切替操作をする際に、ピストン５６の移動を助ける方向に弾性力を付勢する。これにより、比較的低い圧力の駆動用ガスＡｐで第１切替操作をする際に、比較的高い圧力の駆動用ガスＡｐで第２切替操作をする際と同様な速度で、シャッター部材５５をスライドさせて、流路を切り替えることができるようになる。
【００５６】
また、シャッター部材５５とピストン５６等の可動部分に、ジュラルミン、超ジュラルミン、超超ジュラルミン、窒素ケイ素等の低比重で強度の高い材料を用いると、シャッター部材５５を軽量に形成できるので、小さい駆動力で、且つ、高速でシャッター部材５５をスライドさせて、高速で流路を切り替えることができるようになる。
【００５７】
図１２に示すように、このピストン５６を駆動させる駆動システム６０は、駆動用ガスＡｐを貯蔵する蓄ガス容器６１を設けて構成する。更に、第２切替操作時に駆動用ガスＡｐを第１ガス室５７ａに供給するために、第１駆動用ガス供給路６２と第１三方弁６３と第１駆動用ガス供給補助路６２ａと第１大気解放補助路６２ｂを設ける。また、第１切替操作時に駆動用ガスＡｐを第２ガス室５７ｂに供給するために、第２駆動用ガス供給路６４と第２三方弁６５と第２駆動用ガス供給補助路６４ａと第２大気解放補助路６４ｂを設ける。
【００５８】
次に、本発明に係る第２の実施の形態の流路切替弁について説明する。この第２の実施の形態の流路切替弁５０Ｂは、図１３及び図１４に示すように、入口側流路を第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂと第３入口側流路５１ｃで形成し、出口側流路を第１出口側流路５２ａで形成する。
【００５９】
そして、第１流路切替で、図１３に示すように、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間と第３入口側流路５１ｃと第１出口側流路５２ａとの間を連通すると共に第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を遮断し、第２流路切替で、図１４に示すように、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間と第３入口側流路５１ｃと第１出口側流路５２ａとの間を遮断すると共に第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を連通するように構成される。
【００６０】
図１５に示すように、この流路切替弁５０Ｂのケース５４は、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとを連通するための第１孔５４ａと、第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとを連通するための第２孔５４ｂと第３入口側流路５１ｃと第１出口側流路５２ａとを連通するための第３孔５４ｃを設けて形成する。これらの第１孔５４ａ、第２孔５４ｂ、第３孔５４ｃの各周囲にはＯリング溝５４ｄと必要に応じてグリス溜り５４ｅが設けられ、組み付け時にはそのリング溝５４ｅにＯリング５４ｆを挿入する。つまり、第１出口側流路５２ａのシールのためにシャッター部材５５とケース５４の間にシール部材であるＯリング５４ｆを配置する。
【００６１】
この流路切替弁５０Ｂでは、シャッター部材５５は、第１の実施の形態の流路切替弁５０Ａと同じく、図６及び図７に示すように、貫通孔５５ａを設けて形成される。このシャッター部材５５は、図１６及び図１７に示すようにケース５４の間に挿入され、図１６に示すように、シャッター部材５５がスライドして第１流路切替の状態になったときには、シャッター部材５５の端部が第１入口側流路５１ａに接続される第１孔５４ａから外れて第１孔５４ａを連通すると共に、シャッター部材５５が第２入口側流路５２ｂに接続される第２孔５４ｂを遮断し、更に、シャッター部材５５の第１孔５５ａが第３入口側流路５２ｃに接続される第３孔５４ｃに重なり、第３孔５４ｃを連通するように構成される。
【００６２】
また、図１７に示すように、シャッター部材５５が逆方向にスライドして第２流路切替の状態になったときには、シャッター部材５５が第１孔５４ａを遮断すると共に、シャッター部材５５の貫通孔５５ａが第２孔５４ｂに重なり、第２孔５４ｂを連通し、更に、シャッター部材５５が第３孔５４ｃを遮断するように構成される。
【００６３】
上記の構成以外は、第１の実施の形態の流路切替弁５０Ａと同じ構成をしており、同じ作用効果を奏することができる。
【００６４】
次に、本発明に係る第３の実施の形態の流路切替弁について説明する。この第３の実施の形態の流路切替弁５０Ｃは、図１８及び図１９に示すように、入口側流路を第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂと第３入口側流路５１ｃで形成し、出口側流路を第１出口側流路５２ａと第２出口側流路５２ｂで形成する。
【００６５】
この第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂと第３入口側流路５１ｃをケース５４内の一方側に設け、第１出口側流路５２ａを第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂの両方に対向してケース５４内の他方側に設け、更に、第２出口側流路５２ｂを第３入口側流路５１ｃに対向してケース５４内の他方側に設ける。
【００６６】
そして、第１流路切替で、図１８に示すように、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間と第３入口側流路５１ｃと第２出口側流路５２ｂとの間を連通すると共に第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を遮断し、第２流路切替で、図１９に示すように、第１入口側流路５１ａと第１出口側流路５２ａとの間と第３入口側流路５１ｃと第２出口側流路５２ｂとの間を遮断すると共に第２入口側流路５１ｂと第１出口側流路５２ａとの間を連通するように構成される。
【００６７】
つまり、この第３の実施形態の流路切替弁５０Ｃは、第１入口側流路５１ａと第２入口側流路５１ｂを切り替えて、第１入口側流路５１ａ側のガス（吸気）Ａと第２入口流路５１ｂ側のガスＣのいずれか一方を第１出口側流路５２ａに流すと共に、第３入口側流路５１ｃのガス（ＥＧＲガス）Ｇｅの連通と遮断を行う流路切替弁である。
【００６８】
上記の構成以外は、第２の実施の形態の流路切替弁５０Ｂと同じ構成をしており、同じ作用効果を奏することができる。
【００６９】
上述したように、本発明に係る実施の形態の流路切替弁は、上記の第１〜第３の実施の形態の流路切替弁５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ（以下５０ｉとする）であり、複数の入口側流路５１ａ、５１ｂ（又は、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ：以下５１ｉとする）のいずれか一つ又は複数を選択的に単数又は複数の出口側流路５２ａ（又は、５２ａ、５２ｂ、以下５２ｉとする）に連通させたり、遮断したりする流路切替弁である。
【００７０】
これらの流路切替弁５０ｉでは、入口側流路５１ｉをケース５４内の一方側に設け、入口側流路５１ｉの一部又は全部に対向して出口側流路５２ｉをケース５４内の他方側に設ける。それと共に、入口側流路５１ｉと出口側流路５２ｉとの間でスライドして、入口側流路５１ｉと出口側流路５２ｉとの間の連通及び遮断を選択的に行うシャッター部材５５を設け、駆動用ガスＡｐで駆動するピストン５８でシャッター部材５５をスライドさせるように構成する。
【００７１】
そして、出口側流路５２ｉのシールのためにシャッター部材５５とケース５４の間にシール部材５４ｆを配置し、更に、シャッター部材５５をケース５４の出口側流路５２ｉ側の壁５４ｇの内表面（内壁面）から浮かせてスライドさせるための案内部材５３（又は、５３Ａ）を設けて、シャッター部材５５と壁５４ｇの内表面との間に隙間Ｐを形成する。
【００７２】
そして、この案内部材５３（又は、５３Ａ）を設けた構成により、ケース５４に挿入されたシャッター部材５５を高速で移動させ、二つ以上の入口側流路（ポート）５１ｉの切り替えを同時に切り替えるシャッター部材５５を用いた構造で一つ以上の入口側流路５１ｉに高圧が付加されるような場合には、図２０に示すように、シャッター部材５５は片側に押し付けられた状態で静止するが、案内部材５３により隙間Ｐがあるので、図２１に示すように、この静止状態からシャッター部材が高速で動きだしても、高圧を受けるシャッター部材は、ケース５４の一方側の壁５４ｇの内表面との間に隙間Ｐがあるまま移動するので、摩擦が非常に少ないと共に、図２２に示すように、シャッター部材５５の端部が同じ一方側の壁５４ｇの内表面に配置されるＯリング等のシール部材５４ｆの部分を通過してもシール部材５４ｆを噛み込まなくなり、シール部材５４ｆの破損を防止できる。
【００７３】
次に、上記の本発明に係る実施の形態の流路切替弁５０ｉを備えたエンジン（内燃機関）１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅについて図２３〜図２８を参照しながら説明する。図２３に示すように、この第１の実施の形態のエンジン１Ａは、第１の実施の形態の流路切替弁５０Ａを備えたエンジンであり、エンジン本体１１と吸気マニホールド１１ａに接続する吸気通路１２と排気マニホールド１１ｂに接続する排気通路１３を有して構成する。この吸気マニホールド１１ａと吸気通路１２とで吸気系通路を形成し、排気マニホールド１１ｂと排気通路１３とで排気系通路を形成する。
【００７４】
吸気通路１２には、ターボ式過給機１４のコンプレッサ１４ａを設け、排気通路１３には、ターボ式過給機１４のタービン１４ｂと、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）装置１５とＮＯｘ吸蔵還元型触媒等で形成されるＮＯｘ浄化触媒１６を設ける。
【００７５】
また、タービン１４ｂの上流側の排気通路１３からＥＧＲ通路１７を分岐し、コンプレッサ１４ａの上流側の吸気通路１２にＥＧＲ合流部１８で合流させる。このＥＧＲ通路１７に、上流側から、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）装置１９とＥＧＲクーラ２０とＥＧＲ弁２１を設ける。
【００７６】
更に、ＮＯｘ浄化触媒１６の下流側の排気通路１３から分岐して、排気ガス導入通路２２を設ける。この排気ガス導入通路２２にはＥＧＲクーラ２３と三方弁２４を設け、この排気ガス導入通路２２を機械式の容積型過給機（往復動式が望ましい）等で形成されるガス圧縮装置２５に接続する。このガス圧縮装置２５を、圧縮ガス供給通路２６で圧力容器等で形成される蓄ガス容器２７に接続する。また、この蓄ガス容器２７を蓄ガス供給通路２８で吸気通路１２に接続する。この排気ガス導入通路２２と圧縮ガス供給通路２６と蓄ガス供給通路２８で蓄圧ガス系通路を形成する。
【００７７】
図２４に示すように、このガス圧縮装置２５は、エンジン１を搭載した車両の車軸３１から歯車３２、３３と、電磁クラッチ３４を経由してガス圧縮装置２５の駆動軸に動力を伝達する。この電磁クラッチ３４をＯＮにして接続することにより、ガス圧縮装置２５を駆動して、排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを、圧縮して高圧化して蓄ガス容器２７に供給し、貯蔵する。
【００７８】
なお、図２３に示すように、蓄ガス供給通路２８には、調圧弁２９を配置し、流路切替弁５０Ａに供給されるガスＣの圧力を調整する。このとき、三方弁２４で、排気ガスＧの一部Ｇｐの量と空気Ａａの量を調整して、蓄ガス容器２７で貯蔵されるガスＣにおける酸素濃度を略一定に保つことが好ましく、これにより、ＥＧＲを行うときの制御を単純化することができる。
【００７９】
そして、上記の機器類の制御を行うために、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と呼ばれるエンジン１の運転の全般を制御する制御装置４０を設け、図２４に示すように、この制御装置４０で蓄ガス容器２７内の圧力Ｐ０やエンジン回転速度Ｎｅやアクセル開度Ａｃ等を検出して、その結果に基づいて電磁クラッチ３４や三方弁２４を制御して、蓄ガス容器２７内のガスＣの量（圧力）と排気ガスＧｐと空気Ａａの混合比率を調整制御する。
【００８０】
なお、図２３に示すように、この蓄ガス容器２７の内部の最大圧を調整する調整弁２７ａを、蓄ガス容器２７に設けて、ガス圧縮装置２５を駆動している時には、常に仕事が発生するように調整弁２７ａを調整する。なお、図２３では、調整弁２７ａを蓄ガス容器２７に設けているが、調整弁２７ａを蓄ガス容器２７とガス圧縮装置２５の間の圧縮ガス供給通路２６に設けてもよい。
【００８１】
つまり、エンジン１は、排気ガスＧの一部Ｇｅをシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路１７と、エンジン１の排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを圧縮するガス圧縮装置２５と、このガス圧縮装置２５で圧縮されたガスＣを貯蓄する蓄ガス容器２７と、この蓄ガス容器２７と吸気通路１２を接続する蓄ガス供給通路２８を備えて構成される。
【００８２】
そして、吸気通路１２と蓄ガス供給通路２８を、上記の第１の実施の形態の流路切替弁５０Ａを介して接続する。この流路切替弁５０Ａでは、吸気通路１２の上流側の通路が第１入口側流路５１ａに、蓄ガス供給通路２８が第２入口側流路５１ｂに、吸気通路１２の下流側の通路側が第１出口側流路５２ａにそれぞれ接続され、吸気通路１２の下流側の通路側を開放したまま、蓄ガス供給通路２８側と吸気通路１２の上流側の通路側とを切り替えるように構成される。
【００８３】
この流路切替弁５０Ａの図１２に示す蓄ガス容器６１を図２３に示す蓄ガス容器２７で兼用して、第１ガス室５７ａと第２ガス室５７ｂを第１駆動用ガス供給路６２等と第２駆動用ガス供給路６４等で接続する。これにより、蓄ガス容器２７からのガスＣを、駆動用ガスＡｐとして使用する。なお、詳細は図１２のような構成になるが、図２３では、図面が複雑になるのを避けるため、簡略化して示してある。
【００８４】
また、図２５に示すように、第２の実施の形態のエンジン１Ｂは、第１の実施の形態の流路切替弁５０Ａを備えたエンジンであり、ＥＧＲ通路１７が排気通路１３のタービン１４ｂより下流側のＮＯｘ浄化触媒１６よりも下流側から分岐している点が第１の実施の形態のエンジン１Ａと異なるだけで他の構成は同じである。
【００８５】
また、図２６に示すように、第３の実施の形態のエンジン１Ｃは、第２の実施の形態の流路切替弁５０Ｂを備えたエンジンであり、第１の実施の形態の流路切替弁５０Ａの代わりに第２の実施の形態の流路切替弁５０Ｂを備えている点と、第１の実施の形態のエンジン１Ａでは、ＥＧＲ通路１７が流路切替弁５０Ａよりも上流側の吸気通路１２に接続しているのに対して、ＥＧＲ通路１７が流路切替弁５０Ｂの第３入口側流路５１ｃに接続している点が、第１の実施の形態のエンジン１Ａと異なるだけで他の構成は同じである。
【００８６】
また、図２７に示すように、第４の実施の形態のエンジン１Ｄは、第２の実施の形態の流路切替弁５０Ｂを備えたエンジンであり、ＥＧＲ通路１７が排気通路１３のタービン１４ｂより下流側のＮＯｘ浄化触媒１６よりも下流側から分岐している点が、第３の実施の形態のエンジン１Ｃと異なるだけで他の構成は同じである。
【００８７】
また、図２８に示すように、第５の実施の形態のエンジン１Ｅは、第３の実施の形態の流路切替弁５０Ｃを備えたエンジンであり、第２の実施の形態の流路切替弁５０Ｂの代わりに第３の実施の形態の流路切替弁５０Ｃを備えている点と、ＥＧＲ通路１７が流路切替弁５０Ｃで終了せず、コンプレッサ１４ａより下流側の吸気通路１２に接続している点が、第３の実施の形態のエンジン１Ｃと異なるだけで他の構成は同じである。
【００８８】
次に、本発明に係る内燃機関のＥＧＲ方法について説明する。このＥＧＲ方法は、上記の構成のエンジン（内燃機関）１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ（以下１ｉとする）で実施できる方法である。このＥＧＲ方法は、エンジン１ｉの排気通路（排気系通路）１３の排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを圧縮して貯蓄する。
【００８９】
それと共に、ＥＧＲでは、エンジン１ｉの過渡運転でないときには、エンジン１ｉの排気ガスＧの一部Ｇｅを、ＥＧＲ通路１７を経由してシリンダ内に再循環し、過渡運転であるときには、ガスＣを一時的に蓄ガス供給通路２８から吸気通路（吸気系通路）１２に供給する。
【００９０】
また、上記の第１〜第３の実施の形態の流路切替弁５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ（以下、５０ｉとする）を用いて、エンジン１ｉが過渡運転でないときには、流路切替弁５０ｉの第１流路切替で、ガスＣを流路切替弁５０ｉで遮断して、新気ＡとＥＧＲガスＧｅを吸気系通路１２、１１ａに供給し、エンジン１ｉが過渡運転であるときには、流路切替弁５０ｉの第２流路切替で、新気ＡとＥＧＲガスＧｅを流路切替弁５０ｉで遮断して、ガスＣのみを吸気系通路１２、１１ａに一時的に供給する。
【００９１】
これらの制御においては制御装置４０で、エンジン回転速度Ｎｅ、エンジン空気量Ｍｏ、エンジン燃料量（燃料噴射量）Ｑ、蓄ガス容器２７の内部の圧力等の検出値等に基づいて、調圧弁２９とＥＧＲ弁２１と流路切替弁５０ｉを制御する。
【００９２】
上記のエンジン（内燃機関）１ｉ及び上記の内燃機関のＥＧＲ方法によれば、急加速等の過渡運転時においてターボラグに起因するＥＧＲ不足を解消し、過渡運転時のＮＯｘ排出を低減することができると共に加速性能の向上とＰＭの低減を図ることができる。更に、上記の流路切替弁５０ｉを備えることで、流路切替弁５０ｉの損傷、及び、この損傷に起因する吸気弁やコンプレッサ１４ａの故障を回避できる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明の流路切替弁は、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、入口側流路を高速で選択的に切り替えて出口側流路に連通させることができるので、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給するような、トラックやバスや乗用車等に搭載する内燃機関で利用できる。
【００９４】
また、本発明の流路切替弁を備えた内燃機関及び内燃機関のＥＧＲ方法によれば、急加速時等の過渡運転において、ターボラグに起因する加速性能の低下を防止することができ、ＰＭ（粒子状物質）とＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量の低減が可能となると共に、流路切替弁の損傷、及び、この損傷に起因する吸気弁やコンプレッサの故障を回避できるので、トラックやバスや乗用車等に搭載する内燃機関及び内燃機関のＥＧＲ方法として利用できる。
【符号の説明】
【００９５】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｘ、１Ｙ、１Ｚ エンジン（内燃機関）
１１ エンジン本体
１１ａ 吸気マニホールド（吸気系通路）
１１ｂ 排気マニホールド（排気系通路）
１２ 吸気通路（吸気系通路）
１３ 排気通路（排気系通路）
１４ ターボ式過給機
１４ａ コンプレッサ
１４ｂ タービン
１７ ＥＧＲ通路
２１ ＥＧＲ弁
２２ 排気ガス導入通路
２４ 三方弁
２５ ガス圧縮装置
２６ 圧縮ガス供給通路
２７、６１ 蓄ガス容器
２８ 蓄ガス供給通路
４０ 制御装置
５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ 流路切替弁
５１ａ 第１入口側流路
５１ｂ 第２入口側流路
５１ｃ 第３入口側流路
５２ａ 第１出口側流路
５２ｂ 第２出口側流路
５３、５３Ａ 案内部材
５４ ケース
５４ｇ 内壁面
５４ｆ、５６ｄ Ｏリング（シール部材）
５５ シャッター部材
５６ ピストン
５７ シリンダ
５７ａ 第１ガス室
５７ｂ 第２ガス室
５７ｃ 第１連通路
５７ｄ 第２連通路
５７ｅ 緩衝部材
５８ スプリング（弾性体）
６０ 駆動システム
Ａ 新気
Ａａ 空気
Ａｅ 抜きガス
Ａｐ 駆動用ガス
Ｃ ガス
Ｇ 排気ガス
Ｇｅ ＥＧＲガス
Ｇｐ 排気ガスの一部
Ｐ 隙間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入口側流路のいずれか一つ又は複数を選択的に単数又は複数の出口側流路に連通させたり、遮断したりする流路切替弁において、
前記入口側流路をケース内の一方側に設け、前記入口側流路の一部又は全部に対向して前記出口側流路を前記ケース内の他方側に設けると共に、前記入口側流路と前記出口側流路との間でスライドして、前記入口側流路と前記出口側流路との間の連通及び遮断を選択的に行うシャッター部材を設け、駆動用ガスで駆動するピストンで前記シャッター部材をスライドさせるように構成すると共に、前記出口側流路のシールのために前記シャッター部材と前記ケースの間にシール部材を配置し、
更に、前記シャッター部材を前記ケースの前記出口側流路側の内壁面から浮かせてスライドさせるための案内部材を設けて、前記シャッター部材と前記内壁面との間に隙間を形成したことを特徴とする流路切替弁。
【請求項２】
前記入口側流路を第１入口側流路と第２入口側流路で形成すると共に、前記出口側流路を第１出口側流路で形成し、第１流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間を連通すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を遮断し、第２流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間を遮断すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を連通することを特徴とする請求項１記載の流路切替弁。
【請求項３】
前記入口側流路を第１入口側流路と第２入口側流路と第３入口側流路で形成すると共に、前記出口側流路を第１出口側流路で形成し、第１流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間と前記第３入口側流路と前記第１出口側流路の間を連通すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を遮断し、第２流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間と前記第３入口側流路と前記第１出口側流路の間を遮断すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を連通することを特徴とする請求項１記載の流路切替弁。
【請求項４】
前記入口側流路を第１入口側流路と第２入口側流路と第３入口側流路で形成すると共に、前記出口側流路を第１出口側流路と第２出口側流路で形成し、第１流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間と前記第３入口側流路と前記第２出口側流路の間を連通すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を遮断し、第２流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間と前記第３入口側流路と前記第２出口側流路の間を遮断すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を連通することを特徴とする請求項１記載の流路切替弁。
【請求項５】
内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、
内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、
該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、
該蓄ガス容器と吸気系通路を接続する蓄ガス供給通路を備えた内燃機関において、 請求項２〜４のいずれか１項に記載の流路切替弁の前記第１入口側流路に前記吸気系通路の上流側を接続し、前記第２入口側流路に前記蓄ガス供給通路を接続し、前記第１出口側流路に前記吸気系通路の下流側を接続して、前記流路切替弁を介して前記吸気系通路と前記蓄ガス供給通路とを接続し、
内燃機関が過渡運転でないときは、前記吸気系通路の新気と前記ＥＧＲガス通路のＥＧＲガスを前記吸気系通路に供給し、内燃機関が過渡運転であるときは、前記蓄ガス供給通路の前記ガスを前記吸気系通路に一時的に供給することを特徴とする内燃機関。
【請求項６】
前記流路切替弁の前記ピストンの駆動用ガスとして、前記蓄ガス容器の前記ガスを用いることを特徴とする請求項５記載の内燃機関。
【請求項７】
内燃機関の排気系通路の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮して貯蓄すると共に、ＥＧＲでは、内燃機関が過渡運転でないときには、内燃機関の排気ガスの一部をＥＧＲ通路を経由してシリンダ内に再循環し、内燃機関が過渡運転であるときには、前記ガスを一時的に蓄ガス供給通路から吸気系通路に供給する内燃機関のＥＧＲ方法において、
請求項２〜４のいずれか１項に記載の流路切替弁を用いて、
内燃機関が過渡運転でないときには、前記流路切替弁の第１流路切替で、前記ガスを前記流路切替弁で遮断して、新気とＥＧＲガスを前記吸気系通路に供給し、内燃機関が過渡運転であるときには、前記流路切替弁の第２流路切替で、新気とＥＧＲガスを前記流路切替弁で遮断して、前記ガスのみを前記吸気系通路に一時的に供給することを特徴とする内燃機関のＥＧＲ方法。
【請求項１】
複数の入口側流路のいずれか一つ又は複数を選択的に単数又は複数の出口側流路に連通させたり、遮断したりする流路切替弁において、
前記入口側流路をケース内の一方側に設け、前記入口側流路の一部又は全部に対向して前記出口側流路を前記ケース内の他方側に設けると共に、前記入口側流路と前記出口側流路との間でスライドして、前記入口側流路と前記出口側流路との間の連通及び遮断を選択的に行うシャッター部材を設け、駆動用ガスで駆動するピストンで前記シャッター部材をスライドさせるように構成すると共に、前記出口側流路のシールのために前記シャッター部材と前記ケースの間にシール部材を配置し、
更に、前記シャッター部材を前記ケースの前記出口側流路側の内壁面から浮かせてスライドさせるための案内部材を設けて、前記シャッター部材と前記内壁面との間に隙間を形成したことを特徴とする流路切替弁。
【請求項２】
前記入口側流路を第１入口側流路と第２入口側流路で形成すると共に、前記出口側流路を第１出口側流路で形成し、第１流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間を連通すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を遮断し、第２流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間を遮断すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を連通することを特徴とする請求項１記載の流路切替弁。
【請求項３】
前記入口側流路を第１入口側流路と第２入口側流路と第３入口側流路で形成すると共に、前記出口側流路を第１出口側流路で形成し、第１流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間と前記第３入口側流路と前記第１出口側流路の間を連通すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を遮断し、第２流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間と前記第３入口側流路と前記第１出口側流路の間を遮断すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を連通することを特徴とする請求項１記載の流路切替弁。
【請求項４】
前記入口側流路を第１入口側流路と第２入口側流路と第３入口側流路で形成すると共に、前記出口側流路を第１出口側流路と第２出口側流路で形成し、第１流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間と前記第３入口側流路と前記第２出口側流路の間を連通すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を遮断し、第２流路切替で、前記第１入口側流路と前記第１出口側流路との間と前記第３入口側流路と前記第２出口側流路の間を遮断すると共に前記第２入口側流路と前記第１出口側流路との間を連通することを特徴とする請求項１記載の流路切替弁。
【請求項５】
内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、
内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、
該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、
該蓄ガス容器と吸気系通路を接続する蓄ガス供給通路を備えた内燃機関において、 請求項２〜４のいずれか１項に記載の流路切替弁の前記第１入口側流路に前記吸気系通路の上流側を接続し、前記第２入口側流路に前記蓄ガス供給通路を接続し、前記第１出口側流路に前記吸気系通路の下流側を接続して、前記流路切替弁を介して前記吸気系通路と前記蓄ガス供給通路とを接続し、
内燃機関が過渡運転でないときは、前記吸気系通路の新気と前記ＥＧＲガス通路のＥＧＲガスを前記吸気系通路に供給し、内燃機関が過渡運転であるときは、前記蓄ガス供給通路の前記ガスを前記吸気系通路に一時的に供給することを特徴とする内燃機関。
【請求項６】
前記流路切替弁の前記ピストンの駆動用ガスとして、前記蓄ガス容器の前記ガスを用いることを特徴とする請求項５記載の内燃機関。
【請求項７】
内燃機関の排気系通路の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮して貯蓄すると共に、ＥＧＲでは、内燃機関が過渡運転でないときには、内燃機関の排気ガスの一部をＥＧＲ通路を経由してシリンダ内に再循環し、内燃機関が過渡運転であるときには、前記ガスを一時的に蓄ガス供給通路から吸気系通路に供給する内燃機関のＥＧＲ方法において、
請求項２〜４のいずれか１項に記載の流路切替弁を用いて、
内燃機関が過渡運転でないときには、前記流路切替弁の第１流路切替で、前記ガスを前記流路切替弁で遮断して、新気とＥＧＲガスを前記吸気系通路に供給し、内燃機関が過渡運転であるときには、前記流路切替弁の第２流路切替で、新気とＥＧＲガスを前記流路切替弁で遮断して、前記ガスのみを前記吸気系通路に一時的に供給することを特徴とする内燃機関のＥＧＲ方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【公開番号】特開２０１２−２５１６１５（Ｐ２０１２−２５１６１５Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２５４３４（Ｐ２０１１−１２５４３４）
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
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