JP2012007545A

JP2012007545A - 内燃機関

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Publication number: JP2012007545A
Application number: JP2010144700A
Authority: JP
Inventors: Tadao Ogawa; 忠男小川; Yukimare Morinaga; 幸希森永
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2030-06-25
Also published as: JP5610873B2

Abstract

【課題】構造の複雑化及び部品点数の増加を招くことなく、２つの方式の排気ガス再循環装置を併用又は切換えする以上の効果を得ることができる内燃機関を提供する。
【解決手段】吸気弁と排気弁との少なくとも１つの開閉時期を可変に制御できる可変バルブタイミング装置（ＶＶＴ２９）と、排気通路３に設けられたタービン５と、前記タービン５により駆動される吸気通路２のコンプレッサ６と、前記タービン５下流側の排気の一部を前記コンプレッサ６上流に再循環させる低圧ループ式の排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置２５）とを備えたターボチャージャー付き内燃機関たるエンジン１００において、前記ＶＶＴ２９が、高負荷領域において吸気弁と排気弁との少なくとも一方の開閉タイミングを運転状態に対応するように進角し、低負荷領域において吸気弁と排気弁との少なくとも一方の開閉タイミングを運転状態に対応するように遅角する構成を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス再循環装置を備えたターボチャージャー付き内燃機関に関する。

従来、この種の内燃機関として、タービン上流側の排気の一部をコンプレッサ下流に再循環させるいわゆる高圧ループ（以下「ＨＰＬ」という）式の排気ガス再循環（以下「ＥＧＲ」という）装置を備えたものや、タービン下流側の排気の一部をコンプレッサ上流に再循環させるいわゆる低圧ループ（以下「ＬＰＬ」という）式のＥＧＲ装置を備えたものが知られている。

ＨＰＬ式のＥＧＲ装置を備えたものは、低負荷条件では、ターボチャージャーの効率が低い条件でタービン上流の排気ガスを抜くことにより、エンジン排気側圧力を下げると同時に排気ガス再循環により吸気側圧力を上昇させてポンプ損失を低減させることができる。

ところが、このようなＨＰＬ式のものは、ノッキングの抑制を図りたい低速高負荷領域で排気ガス再循環を行うことができないという欠点があった。また、ウェイストゲートバルブが開く中速高負荷領域では、高温の排気ガスが再循環されることになり、ノッキングを抑制する効果を十分に得ることができないという問題もあった。

一方、ＬＰＬ式のＥＧＲ装置を備えたものは、中速高負荷領域においては、インタークーラにより、エアクリーナを通して外部から導入した新気と前記排気ガス再循環装置を通して吸気通路に導入された排気ガスとの混合空気を冷却するので、ノッキングを抑制する効果を十分に得ることができる。

ところが、低速高負荷領域では、新気と排気ガスとの混合空気をコンプレッサで過給することになるため、新気の絶対量が不足する。そのため、排気ガス再循環時にはスロットルバルブが全開傾向になり、排気ガス再循環量を減少させることのみで負荷向上が達成できる。よって、低速高負荷領域で排気ガス再循環量を確保するには、新気量を増加させることが必須となるという問題がある。また、低中速低負荷領域では、新気に排気ガスを混合した空気をコンプレッサで過給することになるため、コンプレッサが行う仕事量が増加し、ポンプ損失の低減効果が十分に得られなくなるという問題もある。

このような事情に鑑みて、ＨＰＬ式とＬＰＬ式とを併用して互いの欠点を補い合うようにしたものも知られている（例えば、特許文献１を参照）。

ところが、このような構成のものでは、２つの方式のＥＧＲ装置を組み込む必要があるため、構造の複雑化及び部品点数の増加を招く。

特開２００７−２５５３２３号公報

本発明は以上のような点に着目してなされたもので、構造の複雑化及び部品点数の増加を招くことなく、２つの方式のＥＧＲ装置を併用又は切換えする以上の効果を得ることができる内燃機関を提供することを目的とする。

すなわち本発明に係る内燃機関は、吸気弁と排気弁との少なくとも１つの開閉時期を可変に制御できる可変バルブタイミング装置と、排気通路に設けられたタービンと、前記タービンにより駆動される吸気通路のコンプレッサと、前記タービン下流側の排気の一部を前記コンプレッサ上流に再循環させるＬＰＬ式のＥＧＲ装置とを備えたターボチャージャー付き内燃機関において、前記可変バルブタイミング装置が、高負荷領域において吸気弁と排気弁との少なくとも一方の開閉タイミングを運転状態に対応するように進角し、低負荷領域において吸気弁と排気弁との少なくとも一方の開閉タイミングを運転状態に対応するように遅角するものであることを特徴とする。

このような構成のものであれば、低速高負荷領域では、吸気弁と排気弁との少なくとも一方の開閉タイミングを進角し、シリンダ内に導入できる新気の量を増加させることができ、これに対応してＥＧＲ装置を介して排気ガスを再循環させ新気に混合させる量を増加させることができる。従って、低速高負荷領域においてより一層のノッキングの抑制を図ることができる。

また、低負荷領域では、吸気弁と排気弁との少なくとも一方の開弁タイミングを遅角することにより、ポンプ損失の低減を図ることができる。また、吸気弁と排気弁との少なくとも一方の閉弁タイミングを遅角することにより、アトキンソンサイクル効果を得ることもできる。従って、燃費の向上を図ることができる。

そして、このような構成であれば、ＨＰＬ式のＥＧＲ装置を別途設けることによる構造の複雑化及び部品点数の増加を招くことなく、ＬＰＬ式のＥＧＲ装置の欠点を解消できるので、軽量化を図ることができ、この点からも燃費の向上を図ることができる。

ＨＰＬ式のＥＧＲ装置とＬＰＬ式のＥＧＲ装置との双方を搭載することによる構造の複雑化及び部品点数の増加を招くことなく、２つの方式のＥＧＲ装置を併用又は切換えする以上の効果を得ることができる内燃機関を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの概略構成説明図。同実施形態の電子制御装置の概略構成説明図。同実施形態の制御手順を示すフローチャート。同実施形態の燃焼室内の圧力−体積サイクル図。同実施形態の開閉タイミング制御量マップを概略的に示す図。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１に構成を概略的に示した内燃機関であるエンジン１００は、２つのシリンダ１を有するもので、各シリンダ１に吸入空気を供給するための吸気通路２と、排気ガスを排出するための排気通路３と、排気通路３上に配設されたタービン５及び吸気通路２上に配設されたコンプレッサ６を有するターボチャージャ４とを少なくとも具備してなるものである。前記吸気通路２には、エアクリーナ７、吸気絞り弁８、コンプレッサ６、インタークーラ９、及び電子制御式スロットルバルブ（以下、スロットルバルブ１０と称する）を上流からこの順で配設している。また、本実施形態では、前記インタークーラ９の上流側の部位と下流側の部位とを連通するインタークーラバイパス通路１１ａ、及びこのインタークーラバイパス通路１１ａ中に設けてなるインタークーラバイパス弁１１ｂを配設している。加えて本実施形態では、吸気絞り弁８より上流側の部位とスロットルバルブ１０より下流側の部位との間を連通する新気バイパス通路１２ａ、及びこの新気バイパス通路１２ａ中に設けてなる新気バイパス弁１２ｂを配設している。減速時においては、内部ＥＧＲを最小限にすべく後述する連続可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ２９）を制御すると同時に、前記新気バイパス通路１２ａから新気を導入することにより、過剰のＥＧＲによる失火を防止するようにしている。前記スロットルバルブ１０は、図示しないアクセルペダルの操作量に応じて開閉する。そして、図示しない燃料タンク内に発生した燃料蒸発ガスはキャニスタ１３に吸着され、エンジン１００が始動された後にパージバキュームスイッチングバルブ１４（パージＶＳＶ）を介して吸気通路２に導入されるように構成してある。

前記各シリンダ１には、点火プラグ１５及び燃料噴射弁１６を配設している。前記燃料噴射弁１６は、デリバリパイプ１７を介して高圧燃料ポンプ１８に接続している。また、前記シリンダ１には、燃料噴射弁１６から燃料を噴射する際に旋回流を発生させるべく、吸気ポートにスワールコントロールバルブ１９（ＳＣＶ）を設けている。

前記排気通路３上には、タービン５、三元触媒２０、及び図示しない排気マフラを上流からこの順で配設している。三元触媒２０より上流側には、三元触媒２０の上流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を電子制御装置（以下ＥＣＵ３３と称する）に出力する空燃比センサ２１を設けている。一方、三元触媒２０より下流側には、三元触媒２０中の酸素濃度に応じた信号をＥＣＵ３３に出力するリアＯ₂センサ２２を設けている。

前記ターボチャージャ４は、この分野でよく知られたものを使用することができるもので、過給圧を制御するために、タービン５の上流と下流とを連通可能にする排気バイパス通路２３ａを備え、その排気バイパス通路２３ａを開閉するウェイストゲート弁２３ｂを備えている。このウェイストゲート弁２３ｂは、低速走行時にはより多くの排気ガスをタービン５に導くことにより、より多くの新気をシリンダ１内に過給するようにすべく閉じられ、中高速走行時には過過給によるノッキングの発生を防ぐべく開かれる。また、ターボチャージャ４のコンプレッサ６側においては、コンプレッサ６を迂回する過給圧迂回機構２４が設けてある。この過給圧迂回機構２４は、コンプレッサ６の上流と下流とを連通可能にする吸気バイパス通路２４ａと、その吸気バイパス通路２４ａを開閉する吸気バイパス弁たるＡＢＶ２４ｂ（エアバイパスバルブ）とを備えている。減速時には、過給圧を下げるとともに、ＥＧＲ率を下げて失火を防止するようにしている。

また、本実施形態では、エアクリーナ７を介して吸気通路２に流入する新気に排気ガスを混合するためのＥＧＲ装置２５を、吸気通路２と排気通路３との間に連通させて設けている。すなわち、ＥＧＲ装置２５は、吸気通路２と排気通路３とが選択的に連通される排気ガス再循環管路（以下、ＥＧＲ管路２６と称する）と、そのＥＧＲ管路２６に設けられてＥＧＲ管路２６を通過するか、または再循環させる排気ガス（ＥＧＲガス）の量を制御する排気ガス再循環制御弁（以下、ＥＧＲ弁２７と称する）と、このＥＧＲ弁２７の上流に設けられＥＧＲガスを水冷するＥＧＲクーラ２８とを備えて構成される。ＥＧＲ管路２６は、排気通路３の三元触媒２０より下流の部位と、吸気通路２の吸気絞り弁８より下流でコンプレッサ６より上流の部位とを連通する。すなわち、このＥＧＲ装置２５は、ＬＰＬ式のものである。ＥＧＲ弁２７は、ＥＣＵ３３により制御されている。

さらに本実施形態では、連続可変バルブタイミング機構（以下、ＶＶＴ２９と称する）を具備する。このＶＶＴ２９は、図示しないクランクシャフトの回転に対して排気弁を常に一定のタイミングで開閉させつつ、吸気弁のバルブタイミングを変化させて、排気弁のバルブタイミングと吸気弁のバルブタイミングとの相対位相差を所定角度範囲内で自在に変化させることができる。低中速低負荷域においてはＶＶＴ２９が、ピストンが下死点を通過して所定の遅角閉止位置に達した時点で吸気弁を閉止するタイミングを遅角させる遅角制御を行うようにしているとともに、低中速高負荷域においてはＶＶＴ２９が、ピストンが下死点の手前の所定の進角閉止位置に達した時点で吸気弁を閉止するタイミングを進角させる進角制御を行うようにしている。ＶＶＴ２９の制御は、ＥＣＵ３３により行う。その詳細については後述する。

加えて、本実施形態では、エンジン１００のクランクケース内のクランク室及びシリンダヘッドカバー内のカム室で発生するブローバイガスを吸気通路２に送り出すためのブローバイガス還流装置３０も備えている。このブローバイガス還流装置３０は、ＰＣＶ通路３１と、ブローバイ通路３２とを要素とする。ＰＣＶ通路３１は、クランクケース内のクランク室を、吸気通路２に連通せしめる。本実施形態では、ＰＣＶ通路３１の一端を、吸気通路２のスロットルバルブ１０より下流の部位に接続している。ブローバイ通路３２は、シリンダヘッドカバー内のカム室を、吸気通路２に連通せしめる。図示はしないが、カム室は、内部通路を介してクランク室と繋がっており、相互にブローバイガスや新気を行き来させることができる。本実施形態では、ブローバイ通路３２の一端を、吸気通路２におけるコンプレッサ６の上流側、より正確には吸気絞り弁８の上流側の所定箇所に接続している。

ＥＣＵ３３は、図２に概略的に示すように、ＣＰＵ３３ａ、ＲＡＭ３３ｂ、ＲＯＭ３３ｃ、フラッシュメモリ３３ｄ、Ｉ／Ｏインタフェース３３ｅ等を包有するマイクロコンピュータシステムである。Ｉ／Ｏインタフェース３３ｅには、空気流量を検出するためのエアフローメータ３４から出力される空気流量信号ａ、車速を検出する車速センサ３５から出力される車速信号ｂ、エンジン回転数を検出する回転数センサ３６から出力される回転数信号ｃ、スロットルバルブ開度を検出するスロットルポジションセンサ３７から出力されるスロットル開度信号ｄ、吸気通路２内の吸気圧（過給圧）を検出する圧力センサ３８から出力される吸気圧信号ｅ、吸気通路２内の吸気温を検出する吸気温センサ３９から出力される吸気温信号ｆ、冷却水温を検出する水温センサ４０から出力される水温信号ｇ、燃圧を検出する燃圧センサ４１から出力される燃圧信号ｈ、空燃比センサ２１から出力される空燃比信号ｉ、リアＯ₂センサ２２から出力される電圧信号ｊ等が入力される。また、Ｉ／Ｏインタフェース３３ｅからは、燃料噴射弁１６に対して燃料噴射信号ｐ、点火プラグ１５（のイグニッションコイル）に対して点火信号ｑ、ＶＶＴ２９（のオイルコントロールバルブ）に対して開閉タイミング信号ｒ等を出力する。

各種制御用のプログラムは、ＲＯＭ３３ｃ又はフラッシュメモリ３３ｄに格納されており、そのプログラムがＲＡＭ３３ｂに読み込まれＣＰＵ３３ａによって解読される。ＣＰＵ３３ａは、エンジン１００の運転制御に必要な各種信号ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ，ｉ，ｊをＩ／Ｏインタフェース３３ｅを介して取得し、それら信号が示す情報に基づいて吸入空気量や要求燃料噴射量、点火時期、開閉弁時期、ＥＧＲ弁２５ｂの開度等を演算する。そして、演算結果に対応した各種制御信号ｐ，ｑ，ｒをＩ／Ｏインタフェース３３ｅを介して印加する。

しかして本実施形態では、ＥＣＵ３３は、高負荷領域において吸気弁と排気弁との少なくとも一方の開閉タイミングを運転状態に対応するように進角し、低負荷領域において吸気弁の開閉タイミングを運転状態に対応するように遅角するようＶＶＴ２９を制御する。

ここで、前記運転状態として、ＥＧＲ導入時のノッキングを、ノッキング検知手段により検知する。ノッキング検知手段としては、イオン電流センサからの出力信号を利用するものや、別途設けたノッキングセンサからの出力信号を利用するものが考えられる。また、吸気弁の開弁タイミングの進角量又は遅角量は、前記吸気圧信号ｅが示す吸気圧及びノッキング検知手段から出力される信号が示すノッキング強度を運転状態を示すパラメータとして、ＲＯＭ３３ｃ又はフラッシュメモリ３３ｄの所定領域に格納した図５に概略的に示すような開閉タイミング制御量マップを参照して決定する。この進角量マップにおいては、前記図５に示すように、吸気圧が高くなるほど、すなわち負荷が高くなるほど吸気弁の開閉タイミングを進角側に設定している。また、ノッキング強度が大きくなるほど、吸気弁の開閉タイミングを遅角側に設定している。

以下、図３に示すフローチャートを参照しつつ、ＥＣＵ３３がプログラムに従い実行する処理の手順を述べる。なお、車速が高速域である場合は、このプログラムは実行しない。

まず、車速及び吸気圧を検出し（ステップＳ１）、吸気圧が示すエンジン負荷が低負荷域にあるか否かを判定する（ステップＳ２）。エンジン負荷が低負荷域である場合には、ＥＧＲ弁２７の開度及び吸気弁の開閉タイミングの進角量を決定する（ステップＳ３）。ここで、吸気弁の開閉タイミングは、高負荷であるほど、すなわち吸気圧が高くなるほど進角側に設定している。換言すれば、低負荷であるほど、すなわち吸気圧が低くなるほど遅角側に設定している。また、エンジン負荷が高負荷域である場合には、次いで、車速が低速域にあるか否かを判定する（ステップＳ４）。車速が低速域にある場合には、ＥＧＲ弁２７の開度及び吸気弁の開閉タイミングの進角量を決定する（ステップＳ５）。一方、車速が低速域にない場合、すなわち車速が中速域にある場合には、ＥＧＲ弁２７の開度のみを決定し、吸気弁の開閉タイミングは通常のタイミングに設定する（ステップＳ６）。

このような制御を行うと、低速高負荷領域では、吸気弁の開弁タイミングが進角する。このとき、排気弁と吸気弁との開弁時期のオーバーラップが発生し、吸気弁からの気流を利用してシリンダ１の燃焼室内の掃気が行われる。また、吸気弁の閉弁タイミングも進角するので、燃焼室内に閉じ込める空気量が増加する。これらにより、ＥＧＲ量を確保しつつ、燃焼室内に導入される新気の量を増加させることができる。従って、低速高負荷領域においてより一層のノッキングの抑制を図ることができる。

一方、低中速低負荷領域では、吸気弁の開弁タイミングを遅角することにより、吸気容量が減少する。すなわち、燃焼室内の圧力−体積サイクル図である図４における破線に示すように、同図における実線で示す従来の構成と比較して、ピストンのポンプとしての仕事量が減少する。このことにより、ポンピングロスが減少する。また、吸気弁の閉弁タイミングを遅角することにより、アトキンソンサイクル効果を得ることもできる。従って、燃費の向上を図ることができる。

そして、このような構成であれば、ＨＰＬ式のＥＧＲ装置を別途設けることによる構造の複雑化及び部品点数の増加を招くことなく、ＬＰＬ式のＥＧＲ装置２５の欠点を解消できるので、軽量化を図ることができ、この点からも燃費の向上を図ることができる。

なお、本発明は以上に述べた実施の形態に限らない。

例えば、吸気ポートにスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）を設ける代わりに、タンブリングコントロールバルブ（ＴＣＶ）を設けてもよい。また、ＳＣＶ及びＴＣＶの双方を設けてももちろんよい。

また、吸気弁だけでなく排気弁の開閉弁タイミングを制御するようにしてもよく、また、開弁タイミングと閉弁タイミングとを別個に制御するようにしてもよい。

さらに、燃料を吸気ポート内に噴射するタイプのエンジンに本発明を適用してもよい。このようなエンジンに本発明を適用する場合、吸気弁又は排気弁の開閉タイミングの進角幅を、燃料の吹き抜けが起こらない範囲に設定する必要がある。

その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変形してよい。

２…給気通路
３…排気通路
５…タービン
６…コンプレッサ
２５…ＥＧＲ装置（排気ガス再循環装置）
２９…ＶＶＴ（可変バルブタイミング装置）

Claims

吸気弁と排気弁との少なくとも１つの開閉時期を可変に制御できる可変バルブタイミング装置と、
排気通路に設けられたタービンと、
前記タービンにより駆動される吸気通路のコンプレッサと、
前記タービン下流側の排気の一部を前記コンプレッサ上流に再循環させる低圧ループ式の排気ガス再循環装置とを備えたターボチャージャー付き内燃機関において、
前記可変バルブタイミング装置が、高負荷領域において吸気弁と排気弁との少なくとも一方の開閉タイミングを運転状態に対応するように進角し、低負荷領域において吸気弁と排気弁との少なくとも一方の開閉タイミングを運転状態に対応するように遅角するものであることを特徴とする内燃機関。