JP5107296B2 - 排気バルブ昇降用カム、過給機付き４サイクルエンジン - Google Patents

排気バルブ昇降用カム、過給機付き４サイクルエンジン Download PDF

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Description

本発明は、排気ガスを環流させてＮＯｘの低減を行う排気環流装置及びこれを備える４サイクルエンジンに関する。特に、陸用発電機や船舶などに用いられる大型の４サイクルディーゼルエンジンに関する。
従来、排気ガスの一部をシリンダ内に環流させると、酸素濃度の低減、比熱比の増加により排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度が低減することが知られている。ＮＯｘは光化学スモッグの原因となるため、ＮＯｘの発生を抑えることが環境上、好ましい。このため、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを変更し、最適なバルブタイミングにして排気ガスの環流量を目的に合致するように制御することが行われている。
気筒内部の酸素濃度を低下させることにより、発生するＮＯｘの濃度を低減させる排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）は広く知られているが、これは一般的に排気マニホルドの排気ガスを給気マニホルドに送り込み、気筒内部の酸素濃度を低下させるものであり、排気側と給気側との関係でＥＧＲ装置が成立している。
しかし、陸用発電機や船舶などに使用される大型過給機付き４サイクルディーゼルエンジンでは、排気マニホルドの排気ガスの圧力より給気マニホルドの給気ガスの圧力の方が高く、排気ガスを給気側に循環させる一般的な排気ガス再循環（ＥＧＲ）を大量に行うことが困難であった。
そこで、一の気筒の排気ポートから排気された排気ガスを他の気筒の排気ポートに直接送り込む排気ガス環流技術が開発された（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に開示の４サイクルディーゼルエンジンでは、組をなす３気筒又はその組の倍数としての気筒が設けられ、さらに、排気マニホルドに接続された過給機と、同過給機の新気吸入系に接続された給気マニホルドとが設けられている。そして、上記３気筒の吸気バルブ及び排気バルブについて、第１気筒，第２気筒及び第３気筒の順にバルブ・タイミング・ダイヤグラムが２４０度ずつ位相差を有している。そして、第１気筒の排気バルブからの排気の一部を排気マニホルドを通じて第３気筒の排気バルブを通じ同第３気筒内へ導入すべく、第１気筒の排気バルブが開き始めた状態で第３気筒の排気バルブが未だ閉じ終わらないように排気バルブ開閉のタイミングが設定されている。
なお、従来、４サイクルディーゼルエンジンでは、非特許文献１に示すようなタイミングでのバルブの開閉が一般的に行われていた。このバルブ開閉タイミングについては、特許文献１では具体的には開示されていなかった。
例えば、６気筒の４サイクルディーゼルエンジンの場合、特許文献１の排気環流作用が行われるには、次のようなバルブ開閉動作が必要とされる。これを図１０を用いて説明する。図１０では、第１気筒の排気バルブが閉じるころ第５気筒と第３気筒の排気バルブは開いている。第３気筒の排気マニホルドへの吹出し圧力は、第３気筒の排気バルブ開き始めは十分に高い。この圧力を利用して、特許文献１では、第３気筒のシリンダ内から第３気筒の排気ポート及び第１気筒の排気ポートを介して第１気筒のシリンダ内に排気ガスを逆流させることが意図されている。この排気ガスの逆流ガス量をなるべく多く、低い温度にした方が、排気ガス中のＮＯｘ濃度の観点から好ましい。排気ガス中の酸素濃度が燃焼により低くなっているからである。
なお、第５気筒からの排気マニホルドへの吹出し圧力は、第５気筒のバルブが開いてから十分な時間が経過しているため、低くなっており、第５気筒のシリンダ内から第５気筒の排気ポート及び第１気筒の排気ポートを介して第１気筒のシリンダ内に逆流する排気ガス量は少なく、実質的な排気ガス逆流効果は小さい。なお、逆流は、図１０中のＡ部で示される時期に行われる。図１０では、横軸のクランク角が７２０°進むと排気バルブの昇降動作が１回行われているが、この理由は、このエンジンは４サイクルディーゼルエンジンであり、ピストンが２往復することにより、吸入、圧縮、爆発及び排気が行われ、１巡するからである。
しかし、第３気筒から第１気筒への環流が行われる期間は、第１気筒の上死点（ＴＤＣ）通過後６０°程度であるが、第１気筒の排気バルブを、上死点通過後６０°で弁座に着座させ排気ポートを閉じるように設計すると、第１気筒の排気バルブは上死点で開いており、且つ上死点でピストンが最も上昇しているため、排気バルブとピストンとが干渉する可能性がある（図１１参照）。
そこで、この干渉を避けるために、対策の１つとして、シリンダヘッドと、上死点に位置するピストンとで形成されるいわゆる燃焼室を大きくする方法が挙げられる。しかし、燃焼室を大きくすると熱効率が低下する。この熱効率の低下を避けるためには、例えば、ピストン頂面にバルブリセスを形成しピストンとバルブとの干渉を防止するとよい（例えば、特許文献２参照）。しかし、バルブリセスが大きいと主燃焼室の容積が減少し、排気ガス中の炭化水素及び黒煙の濃度が上昇する（例えば、特許文献２参照）。そのため、バルブリセスを大きくする設計変更を行わないで、ピストンとバルブとの干渉を避け、且つ、一の気筒の排気ポートから他の気筒の排気ポートへ排気ガスを環流させることが好ましい。
なお、６気筒の４サイクルエンジンの着火順序としては、第１気筒、第４気筒、第２気筒、第６気筒、第３気筒、第５気筒の順、又は第１気筒、第３気筒、第５気筒、第６気筒、第４気筒、第２気筒の順で行われる旨が開示されている（非特許文献２参照）。
ここで、本願により排気ガスの環流が可能であることを明確にするため、従来のマニホルド内の経時的な圧力変化について説明する。図１２は、従来のクランク角と、排圧・ブースト圧・筒内圧との関係などをグラフで示している。この図は、第１〜３気筒のみを示しており、第４〜６気筒は省略している。第１〜３気筒の排圧は、２４０°周期で同期して振幅している。この波形は、脈動状である。脈動の振幅は、概ね６０〜２５０ｋＰａの範囲に収まる。これは、櫛歯状の排気マニホルド（図１参照）内の圧力変動は、気筒により大小があるが、同様な傾向を示す。また、ブースト圧は１５０ｋＰａ程度で安定している。第１気筒の筒内圧力はクランク角が３６０°をやや過ぎたところでピークを迎え、次いでクランクシャフトが７２０°回転すると次のピークを迎えている。
ここで、例えば、第３気筒から第１気筒への環流について着目すると、クランク角が７２０°の上死点付近で環流を行わせることが望まれるが、従来型エンジンでは第１気筒付近の排気マニホルド内の排気圧は第３気筒付近の給気マニホルド内の給気圧に比べて低く、 環流は困難であった。しかし、第１気筒の排気バルブの閉じるタイミングを遅らせて環流時の第１気筒の排気ポートの開口面積を拡げたり、第３気筒の排気バルブの開き始めの時期を早めて第３気筒の排気ポートの開口面積を拡げたりすることで、第３気筒から第１気筒への排気ガスの環流が可能となる。この具体的な技術については、上述したように特許文献１には開示されていない。
なお、バルブの開閉タイミングを変更する方法としては、いわゆるバルブ可変タイミング機構を用いたＥＣＵ制御が行われているが、機構が複雑化し、計算の負担が増加し、またプログラムが複雑化するため、コスト面で不利であった。
特許第３９４０７９９号公報 特開昭５８−１１０８０９号公報
国産エンジンデータブック’９４／’９５、発行人，石川悌二、編者，国産エンジンデータブック編集委員会、発行所，株式会社山海堂、印刷所，新日本印刷株式会社、平成６年８月１５日発行 改著内燃機関講義、上巻、著作者，長尾不二夫、発行者，株式会社養賢堂、印刷者，図書印刷株式会社、昭和３５年３月２０日発行，第２次第６版発行
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、ピストンと排気バルブとが接触することなく、電子制御によらずに、他の気筒から一の気筒へなるべく多くの排気ガスを環流させることができる排気バルブ昇降用カム及び過給機付き４サイクルエンジンを提供することを目的とする。
本発明はかかる課題を解決する手段としてなされたものである。
本発明の排気バルブ昇降用カムは、他の気筒の排気ポートから排気された排気ガスを一の気筒の排気ポートを介して該一の気筒のシリンダ内に環流させる排気環流装置であって、一の気筒用の排気バルブ押圧カムは、排気ガスをシリンダ内から排気するための排気主リフト部と、他の気筒から一の気筒の排気ポートへ流入する排気ガス環流量を増加させるために前記排気バルブ押圧カムの回転方向ダウン側に形成され排気バルブの閉時期を遅らせ又はリフト量を高く維持する環流用リフト部とが、排気バルブとピストンとの接触を回避しつつ他の気筒の排気バルブとのオーバーラップ量を増加させるように、基礎円から盛り上げられて形成され、さらに、前記還流用リフト部は一の気筒から他の気筒の排気ポートへ流出する排気ガス環流量を増加させるようにカム回転方向上流側にも形成されて左右対称形状に形成されていることを特徴とする。
かかる発明では、排気バルブ押圧カムに排気用主リフト部と環流用リフト部とが形成され、排気バルブとピストンとの接触を避けるように排気バルブを昇降させることができる。環流用リフト部としては、排気用主リフト部より小さい盛り上がり部を形成したり、直線上の外形線を形成したり、等リフトや等速リフト期間を設けたりすることが行われる。これにより本発明では、従来の通常のバルブリフトライン図（クランク角とバルブリフト量との関係図）においてバルブリフト量とクランク角の幅との積、すなわち、排気ポートの経時的累積開口面積を増加させることが行われる。これにより、排気ポートの開口面積と時間との積が増加する。そして、この環流用リフト部の存在により、上死点後に排気ポートから流入する環流排気ガスの量が増加する。
なお、本発明では、一の気筒に着目した場合に、排気ガスが環流される気筒を一の気筒と称し、この気筒以外を他の気筒と称している。
本発明の一形態として、前記環流用リフト部は、排気バルブのリフト量が所定期間一定となる等リフト部を有していることが好ましい。
このようにすると、排気バルブが所定期間下降しなくなるので、その分、バルブリフト量とクランク角の幅との積（ポートの経時的累積開口面積）が増加し、他の気筒からの環流排気ガスの量を増加させることができる。
又は、本発明の一形態として、前記一の気筒の給気圧力より他の気筒の排気圧力が高くなる期間、一の気筒の排気バルブを開状態にするために、前記一の気筒の排気バルブの閉じるタイミングが圧縮上死点後２４°〜１３０°に設定され、前記一の気筒内での給気エアと前記他の気筒から環流させた排気ガスとの混合を促進させるために、前記一の気筒の吸気バルブの開くタイミングが圧縮上死点前５５°〜５°に設定されていることが好ましい。
この設定では、一の気筒の排気バルブと吸気バルブとの開期間のオーバーラップ量がなるべく長期間に渡って取られているので、吸気ポートからのエアと排気ポートからの排気ガスとが十分に混合する。この混合があると、燃焼行程において酸素濃度の濃淡が生じ難く、混合気は均質化されるので、燃焼後のすすの発生やＮＯｘの発生が低減される。特に、本実施形態の環流を行わせるタイミングで排気ガスが環流されると、実際の燃焼までエンジンがほぼ１回転する時間的余裕があるから、混合気中のガスの拡散や混合気の均質化が十分に行われる。なお、排気バルブが１回の４サイクルにおいて、２回着座するカム形状にされているものが知られているが、この場合、混合気を均質化させるミキシング時間を十分に確保することができない。
そして、酸素濃度の濃淡があると、酸素濃度の低いところで黒鉛の発生が多く、酸素濃度の高いところでＮＯｘの発生が多いため、好ましくない。酸素濃度の濃淡を防止するためにはシリンダ内のスワール比を大きくする方法があるが、スワール比を大きくすると一般的にはエアの吸入量の低下を伴うので、排気を新気と衝突させて攪拌させる方がエアの吸入量の低下もなく好適である。
又は、本発明の一形態として、前記環流用リフト部では、排気バルブのリフト速度が一定となる等速リフト部を有していることが好ましい。
このように等速リフト部を設けると、その分、環流排気ガス量が増加する。また、基礎円から盛り上がった部分を３段階に分ける形状であるので、設計の自由度が高く、なるべくピストン頂面に一の気筒の排気バルブを近づけるように設計することができ、環流ガス量を大幅に増加させることが可能である。
また、通常各気筒に用いるカムプロフィールは同一であるが、本発明の一形態として還流量の違いに応じてカムプロフィールを複数組み合わせることが好ましい。
排気圧力が給気圧力（ブースト圧力）より大きくなる期間が長くなる、第２、第３気筒の排気バルブの閉じタイミングはより遅くなるプロフィールとし、排気圧力が給気圧力（ブースト圧力）より大きくなる期間が短い、第１気筒の排気バルブの閉じタイミングは第２、第３気筒に比べ早く閉じるプロフィールとする。還流量をできるだけ多くするためには排気バルブの開いている期間を長くしたいが、全気筒共通で長くすると、第１気筒では排気圧力が給気圧力に負け、給気が吹き抜けてしまい効果を減ずる。
このように排気脈動にそれぞれ合わせたプロフィールを選定すると、その分、環流排気ガス量を相対的に増加させることが可能である。
本発明の過給機付き４サイクルエンジンは、他の気筒の排気ポートから排気された排気ガスを一の気筒の排気ポートを介して該一の気筒のシリンダ内に環流させる排気環流装置を備え、一の気筒用の排気バルブ押圧カムは、排気ガスをシリンダ内から排気するための排気主リフト部と、他の気筒から一の気筒の排気ポートへ流入する排気ガス環流量を増加させるために前記排気バルブ押圧カムの回転方向ダウン側に形成され排気バルブの閉時期を遅らせ又はリフト量を高く維持する環流用リフト部とが、排気バルブとピストンとの接触を回避しつつ他の気筒の排気バルブとのオーバーラップ量を増加させるように、基礎円から盛り上げられて形成され、エンジン排気側には、各気筒から排気される排気ガスが流入する過給機に接続される排気マニホルドが設けられ、さらに、前記環流される排気ガス量の低い気筒においては他の気筒に比べて吸気バルブと排気バルブとのオーバーラップ量を小さくし、若しくは減筒運転するように構成されることを特徴とする。
上述した構成の過給機付き４サイクルエンジンでは、バルブタイミングをメカニカル的に適切に調整したので、例えば、６気筒であれば、排気マニホルドの共通部分を用いて第１気筒に第３気筒の排気ガスが、第６気筒に第４気筒の排気ガスが環流させることができ、ＮＯｘ低減に大きく寄与する。また、本発明の適用に当たり、カムの形状を変更するだけでよいので、機構が複雑化することがなく、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）での演算負担が増加することもなく、また、プログラムが複雑化することもない。要するに、従来の量産品に対して軽微な設計変更で本発明を適用することができる。
本発明は大型のディーゼルエンジンに好適に適用される。例えば、陸用発電機、船舶及びトラックに適用可能である。
前記排気マニホルドは、多気筒の各気筒から排気される排気ガスが流入する排気側第１配管と、該排気側第１配管の中央部に接続され前記過給機のタービンに接続される排気側第２配管と、を備えていることが好ましい。
このような構成にすると、例えば、６気筒の場合、第１気筒に第３気筒の排気ガスを、第２気筒に第１気筒の排気ガスを、第３気筒に第２気筒の排気ガスを、第４気筒に第５気筒の排気ガスを、第５気筒に第６気筒の排気ガスを、第６気筒に第４気筒の排気ガスを環流させることができる。
上記排気環流可能な過給機付き４サイクルエンジンにおいて、６気筒からなり、第１気筒及び第６気筒では、排気バルブと吸気バルブとのオーバーラップ量を第２〜第５気筒のオーバーラップ量より小さくするとよい。
排気マニホルドを流れる長さが、第１気筒と第３気筒、及び第４気筒と第５気筒との間では、２気筒分あり、第１気筒と第６気筒への排気ガスの吸入が他の気筒への排気ガスの吸入に比べて行い難い。そのため、本発明のように、第１気筒及び第６気筒の排気バルブと吸気バルブのオーバーラップ量を減らしても、ＮＯｘ低減効果にあまり影響しない。排気ガスの還流量が過剰に増加すると、ディーゼルエンジン特有の黒煙が増加するため、むしろ、第１気筒と第６気筒とのオーバーラップ量を減らして黒煙の発生を抑える方が好ましい。
勿論、本発明は、６気筒エンジンだけでなく、６〜１６気筒のうちの偶数気筒からなるエンジンにも適用可能である。
また、６気筒エンジンにおいて、第１気筒と第６気筒での吸気バルブと排気バルブとのオーバーラップ量を小さくするのでなく、気筒自体を減筒運転してもよい。言い換えれば、環流される排気ガスの吸入量の低い気筒から優先的に減筒運転するようにしてもよい。これは、６気筒エンジンに限定されない。
天然ガスを主燃料として少量パイロットした軽油を着火源とする軽油−天然ガスデュアルフューエルエンジンでは、天然ガスの予混合気が低負荷時に希薄化するため燃焼が低下することが確認されている。そこで、運転する気筒を減らし、１気筒当たりの負荷を増大させることで、天然ガス濃度を高めて酸素濃度を減らし、低負荷時のＮＯｘの低減及び熱効率の向上などを図ることができる。
本発明の排気バルブ昇降用カム及び過給機４サイクルエンジンでは、ピストンと排気バルブとが接触することなく、電子制御によらずに、他の気筒から一の気筒へなるべく多くの排気ガスを他の気筒へ環流させることができる。特に、本発明の構成を備えるエンジンでは、バルブタイミングをメカニカル的に適切に調整したので、例えば、着火順序が第１気筒、第５気筒、第３気筒、第６気筒、第２気筒、第４気筒の順で行われる６気筒４サイクルエンジンでは、第１気筒に第３気筒の排気ガスを、第２気筒に第１気筒の排気ガスを、第３気筒に第２気筒の排気ガスを、第４気筒に第５気筒の排気ガスを、第５気筒に第６気筒の排気ガスを、第６気筒に第４気筒の排気ガスを環流させることができる。
図１は、本発明の過給機付き４サイクルエンジンの概要を示す説明図である。 図２は、本発明の過給機付き４サイクルエンジンの第１実施形態におけるクランク角とバルブリフト量との関係を示すグラフである。 図３は、本発明の過給機付き４サイクルエンジンの第１実施形態に用いられるカム形状を示す説明図である。 図４は、図１の過給機付き４サイクルエンジンの変形例を示す説明図である。 図５は、本発明の過給機付き４サイクルエンジンの第２実施形態に適用されるバルブ・タイミング・ダイヤグラムである。 図６は、本発明の過給機付き４サイクルエンジンの第３実施形態におけるクランク角とバルブリフト量との関係を示すグラフである。 図７は、本発明の過給機付き４サイクルエンジンの第３実施形態に用いられるカム形状を示す説明図である。 図８は、本発明の過給機付き４サイクルエンジンの第４実施形態におけるクランク角とバルブリフト量との関係を示すグラフである。 図９は、本発明の過給機付き４サイクルエンジンの第４実施形態に用いられるカム形状を示す説明図である。 図１０は、６気筒エンジンの各排気バルブの開閉タイミングを示すタイミング線図である。 図１１は、従来の過給機付き４サイクルディーゼルエンジンのクランク角とバルブリフト量との関係を示すグラフである。 図１２は、従来のクランク角と、排圧・ブースト圧・筒内圧との関係を示すグラフである。
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対位置などは特に記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
（第１実施形態）
図１は、本発明の過給機付き４サイクルエンジンの概要を示している。本実施形態の４サイクルエンジンは、ディーゼルエンジンを想定している。そして、本実施形態のエンジンの排気装置１の給気側は、６気筒の各気筒に吸入される給気エアが流入する櫛歯状の給気側第１配管Ｋ１と、ターボ過給機２のコンプレッサ２１と給気側第１配管Ｋ１の中央部とに接続された１本の給気側第２配管Ｋ２と、を備えている。給気側第１配管Ｋ１と給気側第２配管Ｋ２とで給気マニホルドＫＭが構成されている。
また、４サイクルエンジンの排気側は、６気筒の各気筒から排気される排気ガスが流入する櫛歯状の排気側第１配管Ｈ１と、該排気側第１配管Ｈ１の中央部に接続されターボ過給機２のタービン２２に接続される１本の排気側第２配管Ｈ２と、を備えている。排気側第１配管Ｈ１と排気側第２配管Ｈ２とで排気マニホルドＨＭが構成されている。
また、各気筒には、吸気バルブ３Ａと排気バルブ３Ｂが設けられている。例えば、１気筒毎に２本ずつの吸気バルブ３Ａと排気バルブ３Ｂが設けられる。この場合、気筒毎の２本の吸気バルブ３Ａと排気バルブ３Ｂとは、それぞれ同期して昇降する。
なお、本実施形態では、排気装置内の圧力変化が排気ガスの環流方向を決定するため、ターボ過給機２のタービン２２内の圧力も環流の勢いや方向に影響を与える。
図中、一側から他側に向けて、第１気筒（図中、♯１と表示）ないし第６気筒（図中、♯６と表示）が順に配置され、第１気筒に第３気筒の排気ガスが、第２気筒に第１気筒の排気ガスが、第３気筒に第２気筒の排気ガスが、第４気筒に第５気筒の排気ガスが、第５気筒に第６気筒の排気ガスが、第６気筒に第４気筒の排気ガスが環流するバルブタイミングにされている。このバルブタイミングは後述するようにカムの形状を工夫してなされている。これが、本発明の最大の特徴部分である。
本実施形態の着火順序は第１気筒、第５気筒、第３気筒、第６気筒、第２気筒、第４気筒の順である。そのため、第１気筒に対して、第２気筒は４８０°、第３気筒は２４０°、第４気筒は６００°、第５気筒は１２０°、第６気筒は３６０°のクランク角の位相差がある。このため、第３気筒から第１気筒への排気ガスの環流と、第４気筒から第６気筒への排気ガス環流は、３６０°の位相差を持って行われる。また、第１気筒から第２気筒への排気ガスの環流と、第６気筒から第５気筒への排気ガスの環流は、３６０°の位相差を持って行われる。さらに、第２気筒から第３気筒への排気ガスの環流と、第５気筒から第４気筒への排気ガスの環流は、３６０°の位相差を持って行われる。この６気筒エンジンでは、クランクシャフトが１２０°回転する毎に、いずれかのシリンダ内で１回の爆発が行われる。
なお、着火順序が例えば、第１気筒、第４気筒、第２気筒、第６気筒、第３気筒、第５気筒の順である場合であって、上記と同様に１２０°ずつのクランク角の位相差があるときは、第２気筒から第１気筒へ、第３気筒から第２気筒へ、第１気筒から第３気筒へ、第４気筒から第５気筒へ、第６気筒から第４気筒へ、第５気筒から第６気筒へ環流が行われる。要するに、吸入、圧縮、爆発、排気を４サイクルとしてこれを１巡とした場合であって、巡回を区切らずに連続的に着火順序を並べたときに、第１〜３気筒が、第１気筒、第２気筒、第３気筒の順、第２気筒、第１気筒、第３気筒の順、第１気筒、第３気筒、第２気筒の順、又は第２気筒、第３気筒、第１気筒の順に並べ、第１〜３気筒の間に第４〜６気筒を１気筒ずつ任意に挿入する順序であればよい。
図２は、本発明の過給機付き４サイクルエンジンの第１実施形態におけるクランク角とバルブリフト量との関係を示している。図３は、本第１実施形態に用いられるカムの形状を示している。
図中、実線で示すグラフは、図中、１点鎖線で示す従来のバルブリフト量のグラフをエリアＬ１とエリアＬ２とに２分割し、このエリア間を一定リフト量が継続するエリアＬ３で接続したものである。この際、グラフをスムーズにするために、排気バルブ下降開始後は、従来よりもバルブリフト量の減少速度が僅かに速く、上死点（クランク角７２０°）付近で、逆転し、エリアＬ３に進む。
図中、太実線は、ピストン頂面の位置を示しており、太実線の内側のエリアにバルブの傘部が入ると、ピストンとバルブとが抵触するため、これを避けるように設計されている。
上述したように、図中、１点鎖線は従来の排気バルブのバルブリフト量のグラフであるが、これは、図中、破線で示す吸気バルブのグラフと同じ形状となっている。すなわち、従来は通常、吸気バルブと排気バルブとで同一形態のカムが用いられている。
本実施形態の排気バルブのリフト量変化は、上述したように図中、実線に示すようになる。同図では、クランク角７２０°より手間から、１点鎖線（従来品）よりも実線（本願発明品）のバルブリフト量が大きくなっている。そして、本願発明品では、７４０°〜７５５°程度でバルブリフト量が一定となる。この部分は、図３で示す等リフト部４ｂ１に相当する。この部分は、基礎円Ｒより少し大きめの同心円の一部である円弧部に相当する。
等リフト部４ｂ１の後、実線で示すバルブリフト量は、なだらかに単調減少する。この実線のグラフによれば、ピストン頂面の高さが最も高くなるクランク角７２０°が上死点（ＴＤＣ）であり、この上死点付近から下流のバルブリフト量が従来品より大きくなり、より多くのガスが排気ポートからシリンダ内に環流する。
このように、排気バルブ押圧カム４の回転方向ダウン側に形成された環流用リフト部４ｂは、排気バルブ３Ｂのリフト量が所定期間一定となる等リフト部４ｂ１を有しているため、その間、排気バルブ３Ｂが下降しなくなるので、その分、バルブリフト量とクランク角の幅との積、すなわち、排気ポートの経時的累積開口面積が増加し、他の気筒からの環流排気ガスの量が増加する。なお、所定期間とは排気バルブ３Ｂが下降し始めてから着座するまでにおける一部の期間をいう。バルブリフト量が所定期間一定となると、横軸と平行になる。すなわち、一定とはバルブリフト量が変化しないことをいう。もし、この横軸に対して傾きを持った直線になると、等リフト部ではなく、等速リフト部になる。
本実施形態の排気バルブ押圧カム４は、排気バルブとピストンとの接触を回避しつつ他の気筒の排気バルブとのオーバーラップ量を増加させるように基礎円Ｒから盛り上げられた排気主リフト部４ａを有している。この排気主リフト部４ａは、排気ガスをシリンダ内から排気するために形成されている。また、この排気バルブ押圧カム４の回転方向下流側には、排気ガスの給気側への環流量を増加させるための環流用リフト部４ｂが形成されている。この環流用リフト部４ｂの存在により、排気バルブ３Ｂの閉時期を遅らせ且つリフト量をなるべく高く維持することができる。この環流用リフト部４ｂの中に等リフト部４ｂ１が含まれる。なお、基本的構成は、排気主リフト部４ａの円弧状の盛り上がり部と、環流用リフト部４ｂの円弧状の盛り上がり部とを重ね合わせてカムの外形曲線が決定され、この結果、等リフト部４ｂ１や後述する等速リフト部が形成される。勿論、駱駝の瘤状のカム外形線が形成されるようにしてもよい。この場合、ピストンとバルブとの接触を避けつつ、２つの瘤の間にピストンの上死点がくるようにしてもよい。
また、図３では、環流用リフト部４ｂは排気主リフト部４ａのカム回転方向下流側にのみ形成しているが、カム形状は左右対称形状にしてもよい。第１気筒の排気バルブ３Ｂの閉じるタイミングを遅らせて環流時の第１気筒の排気ポートの開口面積を拡げても、第３気筒の排気バルブ３Ｂの開き始めの時期を早めて第３気筒の排気ポートの開口面積を拡げても、第３気筒から第１気筒への排気ガスの環流に寄与するからである。
本実施形態の排気バルブ押圧カム４は、回転中心を中心とする基礎円Ｒに対して、環流用リフト部４ｂや排気主リフト部４ａが形成されており、これらは複数の盛り上がり部が重ね合わされて形成されているため、厳密なエリアＬ１〜Ｌ３の区分はなされていない。従って、図２のグラフのエリアＬ１〜Ｌ３の位置も多少の誤差を含む。要するに、本実施形態では、従来品のエリアＬ１とエリアＬ２の間に等リフト部（エリアＬ３）を設けた点が特徴であり、これによりクランク角とバルブリフト量との積が多くなり、他の気筒からの排気ガスの環流量が多くなればよい。
また、バルブの昇降機構は、タペット、プッシュロッド、ロッカーアームを介して行ってもよいし、カムとバルブの間にカップ状のバルブリフターを挟み、バルブリフターをカムの盛り上がり部で直接叩いてもよいが、この機構は特に限定されることはない。また、カムは、カムシャフトに一体形成され、各気筒間の位相のずれに合わせて、気筒毎にカムシャフト周りの角度が変更されている。
上述した構成の排気環流可能な過給機付きエンジン１では、バルブタイミングを適切に調整したので、第１気筒に第３気筒の排気ガスを、第２気筒に第１気筒の排気ガスを、第３気筒に第２気筒の排気ガスを、第４気筒に第５気筒の排気ガスを、第５気筒に第６気筒の排気ガスを、第６気筒に第４気筒の排気ガスを環流させることができる。また、本実施形態の適用に当たり、カムの形状を変更するだけでよいので、機構が複雑化することがなく、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）での演算負担が増加することもなく、また、プログラムが複雑化することもない。すなわち、従来の量産品に対して軽微な設計変更で本実施形態を適用することができる。
また、上記エンジンの排気装置１では、エリアＬ１〜Ｌ３のクランク角の幅を調整して、第１気筒及び第６気筒での排気バルブ３Ｂと吸気バルブ３Ａとのオーバーラップ量を第２〜第５気筒のオーバーラップ量より小さくするとよい。排気マニホルドＨＭを流れる長さが、第１気筒と第３気筒、及び第４気筒と第６気筒との間では、２気筒分あり、第１気筒と第６気筒への排気ガスの吸入が他の気筒への排気ガスの吸入に比べて行い難い。そのため、本実施形態のように、第１気筒及び第６気筒の排気バルブ３Ｂと吸気バルブ３Ａのオーバーラップ量を減らしても、ＮＯｘ低減効果にあまり影響しない。還流させる量を過剰に増加させると、ディーゼルエンジン特有の黒煙が増加するため、むしろ、第１気筒と第６気筒とのオーバーラップ量を減らして黒煙の発生を抑える方が好ましい。
勿論、本発明は、６気筒エンジンだけでなく、６気筒以上の偶数気筒からなるエンジンにも適用可能である。
また、第１気筒と第６気筒での吸気バルブと排気バルブとのオーバーラップ量を小さくするのでなく、気筒自体を減筒運転してもよい。言い換えれば、環流排気ガスの吸入量の低い気筒から優先的に減筒運転するようにしてもよい。
天然ガスを主燃料として少量パイロットした軽油を着火源とする軽油−天然ガスデュアルフューエルエンジンでは、天然ガスの予混合気が低負荷時に希薄化するため燃焼が低下することが確認されている。そこで、運転する気筒を減らし、１気筒当たりの負荷を増大させることで、天然ガス濃度を高めて酸素濃度を減らし、低負荷時のＮＯｘの低減及び熱効率の向上などを図ることができる。
また、本発明は、上記構成の過給機付き４サイクルエンジンにおいて、上記排気マニホルドＨＭを、次のように変更してもよい。すなわち、図４に示すように、各気筒から排気される排気ガスが流入し、ターボ過給機２のタービン２２に接続される共通排気部を有する排気マニホルドＨＨを備える構成にしてもよい。この構成では、第１気筒に第３気筒の排気ガスが、第６気筒に第４気筒の排気ガスが環流するバルブタイミングにされている。この構成でも上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、上述した第１実施形態では、等リフト部４ｂ１を１つ形成した例について説明したが、複数設けて段階的に排気バルブ３Ｂを下降させるようにしてもよい。
また、上述した第１実施形態では、過給機としてターボ過給機２を用いた例について説明したが、スーパーチャージャーなどの他の過給機であってもよい。要するに、何らかの負荷装置が接続されていれば本発明の排気環流によるＮＯｘ低減効果を得ることが可能であり、排気環流によるＮＯｘ低減効果を得ることができる限りにおいて、本発明の技術的範囲に含まれる。
（第２実施形態）
図５は、本発明の過給機付き４サイクルエンジンの第２実施形態に適用されるバルブ・タイミング・ダイヤグラムを示している。なお、本第２実施形態では、第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
この第２実施形態では、第１実施形態と同様に、一の気筒用の排気バルブ押圧カム４は、排気バルブ３Ｂとピストンとの接触を回避しつつ他の気筒の排気バルブ３Ｂのオーバーラップ量を増加させるように基礎円Ｒから盛り上げられた、排気ガスをシリンダ内から排気するための排気主リフト部４ａと、排気ガスの他の気筒の排気ポートへの環流量を増加させるための環流用リフト部４ｂと、を有している。
そして、この第２実施形態では、一の気筒の給気圧力より他の気筒の排気圧力が高くなる期間、一の気筒の吸気バルブ３Ａ及び排気バルブ３Ｂを開状態にするために、一の気筒の排気バルブ３Ｂの閉じるタイミングが圧縮上死点後２４°〜１３０°に設定されている。また、一の気筒内での給気エアと環流させた排気ガスとの混合を促進させるために、一の気筒の吸気バルブ３Ａの開くタイミングが圧縮上死点前５５°〜５°に設定されている。このような設定になるように、一の気筒用の排気バルブ押圧カム４に、排気ガスをシリンダ内から排気するための排気主リフト部４ａと、排気ガスの給気側への環流量を増加させるための環流用リフト部４ｂと、が形成されている。これらリフト部４ａ，４ｂは、排気バルブ３Ｂとピストンとの接触を回避しつつ他の気筒の排気バルブ３Ｂのオーバーラップ量を増加させるように基礎円Ｒから盛り上げられている。
この設定では、一の気筒の排気バルブ３Ｂと吸気バルブ３Ａとの開期間のオーバーラップ量がなるべく長期間に渡って取られているので、吸気ポートからのエアと排気ポートからの排気ガスとが十分に混合する。この混合があると、燃焼行程において酸素濃度の濃淡が生じ難く、混合気は均質化されるので、燃焼後のすすの発生やＮＯｘの発生が低減される。特に、本実施形態の環流を行わせるタイミングで排気ガスが環流されると、実際の燃焼までエンジンがほぼ１回転する時間的余裕があるから、混合気中のガスの拡散や混合気の均質化が十分に行われる。なお、排気バルブ３Ｂが１回の４サイクルにおいて、２回着座するカム形状にされているものが知られているが、この場合、混合気を均質化させるミキシング時間を十分に確保することができない。
そして、酸素濃度の濃淡があると、酸素濃度の低いところで黒鉛の発生が多く、酸素濃度の高いところでＮＯｘの発生が多いため、好ましくない。酸素濃度の濃淡を防止するためにはシリンダ内のスワール比を大きくする方法があるが、スワール比を大きくすると一般的にはエアの吸入量の低下を伴うので、排気を新気と衝突させて攪拌させる方がエアの吸入量の低下もなく好適である。
（第３実施形態）
図６は、本発明の過給機付き４サイクルエンジンの第３実施形態におけるクランク角とバルブリフト量との関係を示している。図７は、本第３実施形態に用いられるカムの形状を示している。なお、本第３実施形態では、第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図６中、実線で示すグラフは、１点鎖線で示す従来のバルブリフト量のグラフをエリアＬ１とエリアＬ２とに２分割し、エリアＬ２において排気バルブが等速リフトするように変更したグラフである。
図７に示すように、排気バルブ押圧カム４の環流用リフト部４ｂは、排気バルブ３Ｂが等速リフトする等速リフト部４ｂ２に相当する。この排気バルブ押圧カム４を用いてクランク角とバルブリフト量との関係をグラフにすると、図６に示すようになる。すなわち、図中、実線の山形部分が排気主リフト部４ａに相当し、この排気主リフト部４ａに続く上死点の手前（クランク角７１０°程度）からの直線部分が等速リフト部４ｂ２に相当する。
等速リフト部４ｂ２の傾きは、なるべく緩やかにされ、従来品よりもバルブリフト量とクランク角の幅との積、すなわちポートの経時的累積開口面積を多くすることができる。すなわち、経時的な環流ガス量をより多くすることが可能である。
この等速リフト部４ｂ２の直線は、そのままバルブリフト０の横軸とぶつかる。クランク角の軸に至る。すなわち、等速リフト部４ｂ２の終端で排気バルブが丁度、着座しクローズする。この等速リフト部４ｂ２の存在により、図６中、１点鎖線で示す従来品と比べて、排気バルブ３Ｂの閉時期を遅らせ且つリフト量を高く維持することができる。
（第４実施形態）
図８は、本発明の過給機付き４サイクルエンジンの第４実施形態におけるクランク角とバルブリフト量との関係を示している。図８は、本第４実施形態に用いられるカムの形状を示している。なお、第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図８中、実線で示すグラフは、図中、１点鎖線で示す従来のバルブリフト量のグラフをエリアＬ１とエリアＬ２とに２分割し、エリアＬ１とエリアＬ２との間を等速でリフト量が減少するエリアＬ３で接続するように描かれている。
この第４実施形態では、環流用リフト部４ｂは、排気バルブ３Ｂのリフト速度が一定となる等速リフト部４ｂ２を有している。第３実施形態と異なる点は、第３実施形態では等速リフト部４ｂ２の終端でバルブがクローズするが、本実施形態では、図９に示すように、等速リフト部４ｂ２の後、なだらかなカーブでバルブリフト量が減少する点である。
このように等速リフト部４ｂ２を設けると、バルブリフト量の閉時期が遅れ且つリフト量が高く維持される。その分、環流ガス量が増加する。また、３段階に渡って基礎円Ｒから盛り上がった部分を形成することができるので、設計の自由度が高く、なるべくピストン頂面に一の気筒の排気バルブを近づけるようにして環流ガス量を大幅に増加させることが可能である。
なお、上述した実施形態では、等速リフト部４ｂ２を１つ形成した例について説明したが、複数形成して、段階的に排気バルブ３Ｂを下降させてもよい。
（第５実施形態）
気筒ごとに異なる排気脈動にそれぞれ合わせたプロフィールを気筒ごとに選定すると、その分、環流排気ガス量を相対的に増加させることが可能である。
以上、本発明を説明してきたが、本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、その本質を逸脱しない範囲で、他の種々の変形が可能であることはいうまでもない。
本発明の排気バルブ昇降用カム及び過給機付き４サイクルエンジン並びにバルブタイミング制御方法では、ピストンと排気バルブとが接触することなく、なるべく多くの排気ガスを他の気筒へ環流させることができる。本発明は、陸用発電機、舶用エンジンなどに適用することができる。
１ 排気装置
２ タービン過給機
２１ コンプレッサ
２２ タービン
３Ａ 吸気バルブ
３Ｂ 排気バルブ
４ 排気バルブ押圧カム
４ａ 排気主リフト部
４ｂ 環流用リフト部
４ｂ１ 等リフト部
４ｂ２ 等速リフト部
ＨＭ，ＨＨ 排気マニホルド
Ｈ１ 排気側第１配管
Ｈ２ 排気側第２配管
ＫＭ 給気マニホルド
Ｋ１ 給気側第１配管
Ｋ２ 給気側第２配管
Ｌ１〜Ｌ３ エリア
Ｒ 基礎円

Claims (12)

  1. 他の気筒の排気ポートから排気された排気ガスを一の気筒の排気ポートを介して該一の気筒のシリンダ内に環流させる排気環流装置に使用される一の気筒用の排気バルブ昇降用カムであって、
    排気ガスをシリンダ内から排気するための排気主リフト部と、他の気筒から一の気筒の排気ポートへ流入する排気ガス環流量を増加させるために前記排気バルブ押圧カムの回転方向ダウン側に形成され排気バルブの閉時期を遅らせ又はリフト量を高く維持する環流用リフト部とが、排気バルブとピストンとの接触を回避しつつ他の気筒の排気バルブとのオーバーラップ量を増加させるように、基礎円から盛り上げられて形成され、
    さらに、前記還流用リフト部は一の気筒から他の気筒の排気ポートへ流出する排気ガス環流量を増加させるようにカム回転方向上流側にも形成されて左右対称形状に形成されていることを特徴とする排気バルブ昇降用カム。
  2. 前記環流用リフト部は、排気バルブのリフト量が所定期間一定となる等リフト部を有していることを特徴とする請求項１に記載の排気バルブ昇降用カム。
  3. 前記一の気筒の給気圧力より他の気筒の排気圧力が高くなる期間、一の気筒の排気バルブを開状態にするために、
    前記一の気筒の排気バルブの閉じるタイミングが圧縮上死点後２４°〜１３０°に設定され、
    前記一の気筒内での給気エアと前記他の気筒から環流させた排気ガスとの混合を促進させるために、前記一の気筒の吸気バルブの開くタイミングが圧縮上死点前５５°〜５°に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の排気バルブ昇降用カム。
  4. 前記環流用リフト部では、排気バルブのリフト速度が一定となる等速リフト部を有していることを特徴とする請求項１に記載の排気バルブ昇降用カム。
  5. 一の気筒の排気カムプロフィールと、他の気筒の排気カムプロフィールを異ならせ、排気脈動に応じたバルブタイミングで閉じることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の排気バルブ昇降用カム。
  6. 他の気筒の排気ポートから排気された排気ガスを一の気筒の排気ポートを介して該一の気筒のシリンダ内に環流させる排気環流装置を備え、
    一の気筒用の排気バルブ押圧カムは、
    排気ガスをシリンダ内から排気するための排気主リフト部と、他の気筒から一の気筒の排気ポートへ流入する排気ガス環流量を増加させるために前記排気バルブ押圧カムの回転方向ダウン側に形成され排気バルブの閉時期を遅らせ又はリフト量を高く維持する環流用リフト部とが、排気バルブとピストンとの接触を回避しつつ他の気筒の排気バルブとのオーバーラップ量を増加させるように、基礎円から盛り上げられて形成され、
    エンジン排気側には、各気筒から排気される排気ガスが流入する過給機に接続される排気マニホルドが設けられ、
    さらに、前記環流される排気ガス量の低い気筒においては他の気筒に比べて吸気バルブと排気バルブとのオーバーラップ量を小さくし、若しくは減筒運転するように構成されることを特徴とする過給機付き４サイクルエンジン。
  7. 前記排気マニホルドは、多気筒の各気筒から排気される排気ガスが流入する排気側第１配管と、該排気側第１配管の中央部に接続され前記過給機に接続される排気側第２配管と、を備えていることを特徴とする請求項６に記載の過給機付き４サイクルエンジン。
  8. 前記環流用リフト部は、排気バルブのリフト量が所定期間一定となる等リフト部を有していることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の過給機付き４サイクルエンジン。
  9. 前記一の気筒の給気圧力より他の気筒の排気圧力が高くなる期間、一の気筒の排気バルブを開状態にするために、前記一の気筒の排気バルブの閉じるタイミングが圧縮上死点後２４°〜１３０°に設定され、前記一の気筒内での給気エアと前記他の気筒から環流させた排気ガスとの混合を促進させるために、前記一の気筒の吸気バルブの開くタイミングが圧縮上死点前５５°〜５°に設定されていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の過給機付き４サイクルエンジン。
  10. 前記環流用リフト部では、排気バルブは等速リフトし、そのまま排気バルブがクローズすることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の過給機付き４サイクルエンジン。
  11. 前記環流用リフト部では、排気バルブのリフト速度が一定となる等速リフト部を有していることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の過給機付き４サイクルエンジン。
  12. ６〜１６気筒のうちの偶数気筒からなる請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の排気バルブ昇降用カムを用いた排気環流装置を備えている過給機付き４サイクルエンジン。
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