JP2012036746A - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気通路に配置された着火装置に燃料を供給する構成において、排気中の酸素濃度の低下に起因する着火性の悪化を抑制する。
【解決手段】グロープラグ１６の近傍の酸素濃度が予め定められた基準値を上回るように酸素濃度を制御する。排気中の酸素濃度の低下に起因する着火性の悪化を抑制することができる。エンジン本体１の燃焼室２から排出される排気の酸素濃度を制御するので、排気通路に二次空気を導入するための専用のエアポンプを設置する必要がない。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられて排気に燃料を供給する燃料添加弁を有する排気装置に関する。

排気を浄化することを目的として、内燃機関の排気通路に燃料を供給するようにした排気装置が広く用いられている。

特許文献１が開示する装置では、排気通路に設けられた燃料添加弁からの燃料が直接接触する位置に、グロープラグなどの着火手段を配置し、これら燃料添加弁及びグロープラグの下流側に触媒コンバータを配置している。燃料は着火手段によって着火され、その火炎によって触媒コンバータが昇温される。

特許文献２が開示する装置では、昇温の目的で設けられた燃焼用触媒に、排気通路に設けられた燃料添加弁から燃料を供給すると共に、点火プラグで着火させ、その際にエアポンプで新気を導入している。

特開２００６−１１２４０１号公報 特開２００７−０３２３９８号公報

しかしながら、特許文献１の装置では、排気の酸素濃度が低い場合には着火性が低下するおそれがある。特許文献２の装置では、二次空気を導入するためのエアポンプを設置しているが、高温、振動、スペース的制約などの理由から、排気通路に二次空気を導入するための専用のエアポンプの設置が必ずしも適切でない場合がある。

本発明は、排気通路に配置された着火装置に燃料を供給する構成において、排気中の酸素濃度の低下に起因する着火性の悪化を抑制するための新規な手段を提供することを目的とする。

本発明の１態様は、
内燃機関の排気通路に配置された燃料添加弁と、前記燃料添加弁から添加された燃料に着火させる着火装置と、を備えた内燃機関の排気装置において、
前記内燃機関の燃焼室から排出される排気の酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段を更に備え、
前記酸素濃度制御手段は、前記着火装置の近傍の酸素濃度が予め定められた基準値を上回るように前記酸素濃度を制御することを特徴とする内燃機関の排気装置である。

この態様では、酸素濃度制御手段が、着火装置の近傍の酸素濃度が予め定められた基準値を上回るように、排気の酸素濃度を制御するので、排気中の酸素濃度の低下に起因する着火性の悪化を抑制することができる。また、酸素濃度制御手段は、内燃機関の燃焼室から排出される排気の酸素濃度を制御するので、排気通路に二次空気を導入するための専用のエアポンプを設置する必要がない。

好適には、前記酸素濃度制御手段は、前記内燃機関の排気弁を制御する排気弁制御手段を備え、前記排気弁制御手段は、前記内燃機関の圧縮行程中に前記排気弁を開かせる。この態様では、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。

好適には、前記排気弁制御手段は、前記排気弁の開弁タイミングを制御する可変バルブタイミング機構を含む。この態様によれば、走行用の排気弁を利用して本発明に所期の効果を得ることができる。

好適には、前記内燃機関は、走行用の吸気弁とは別途に設けられ前記内燃機関の燃焼室と排気通路とを選択的に連通する空気供給用排気弁を更に備え、前記酸素濃度制御手段は、前記空気供給用排気弁を制御することによって前記酸素濃度を制御する。この態様によれば、空気供給タイミングの自由度を一層高めることができる。空気供給用排気弁は、吸排気弁のバルブオーバーラップを増大するために用いてもよく、また圧縮行程排気のために用いてもよい。

なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。

本発明によれば、排気経路中に着火装置を設ける構成において、着火装置の失火の判定を容易にすることができる。

本発明の第１実施形態の概念図である。 排気昇温装置を正面視した断面図である。 排気昇温装置を軸方向視した断面図である。 動弁機構を示す断面図である。 吸気弁及び排気弁の開度を示すタイミング図である。 第１実施形態における排気弁制御に係る処理ルーチンを示すフローチャートである。 第２実施形態に用いられるカムシャフトの要部を示す正面図である。 第３実施形態における吸気弁及び排気弁の配置を示す平面図である。 第３実施形態における吸気弁及び排気弁の配置を示すＡ−Ａ線断面図である。

＜第１実施形態＞
本発明の好適な実施形態について、以下に詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態を示す。図１において、エンジン本体１は、軽油を燃料とする圧縮点火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であるが、他の形式の内燃機関であってもよい。エンジン本体１は、４つの気筒のそれぞれに燃焼室２を有する。各燃焼室２には、燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３が配置されている。各燃焼室２には、吸気マニホールド４および排気マニホールド５が接続されている。吸気マニホールド４は、吸気管６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結されている。コンプレッサ７ａの入口は、エアフローメータ８を介してエアクリーナ９に連結されている。

吸気管６内には、ステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置されている。吸気管６の周りには、吸気管６内を流れる吸入空気を冷却するためのインタークーラ１１が配置されている。インタークーラ１１内に機関冷却水が導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結されている。排気タービン７ｂの出口は、排気管１２を介して、排気浄化触媒１３に連結されている。この排気浄化触媒１３上流の機関排気通路内、即ち排気管１２内には、前処理触媒１４が配置されている。

前処理触媒１４は、排気浄化触媒１３よりも体積が小さく、かつ排気浄化触媒１３に流入する排気の一部が流通する。図２に示されるように、前処理触媒１４は、円筒形の外枠１４ａ内に保持されており、外枠１４ａ内に流入した排気はその全量が前処理触媒１４に供給される。外枠１４ａの外径は、排気管１２の内径よりも小さい。したがって、前処理触媒１４が排気管１２に収容されると、前処理触媒１４の外周面と排気管１２の内周面との隙間である触媒迂回路１２ａに、排気が通過することが可能になる。外枠１４ａは、概ね放射状に配置された複数のステー１４ｂによって排気管１２内に支持されている。前処理触媒１４は、ステー１４ｂを除く実質的に全周にわたって、触媒迂回路１２ａに囲まれている。触媒迂回路１２ａは、排気通路における第１の分岐路を構成する。これに対し、前処理触媒１４を通る外枠１４ａ内の経路は、排気通路における第２の分岐路を構成する。触媒迂回路１２ａは、外枠１４ａを介して前処理触媒１４と熱交換可能にされている。

排気浄化触媒１３は、例えば酸化触媒、三元触媒又はＮＯｘ触媒から構成されている。前処理触媒１４は酸化触媒から構成されており、触媒物質としては例えばＰｔ／ＣｅＯ₂、Ｍｎ／ＣｅＯ₂、Ｆｅ／ＣｅＯ₂、Ｎｉ／ＣｅＯ₂、Ｃｕ／ＣｅＯ₂等を用いることができる。触媒１３，１４の基材には、コージェライトあるいはメタルが用いられている。排気浄化触媒１３の基材は、多数のセルのうち上流側が栓詰されたセルと、下流側が栓詰されたセルとが互いに隣接するように配置された所謂ウォールフロー型である。前処理触媒１４の基材は、個々のセルが上流から下流へと連通した所謂ストレートフロー型である。

前処理触媒１４の上流の排気管１２内には、前処理触媒１４に燃料を供給するための燃料添加弁１５が、その噴孔１５ａ（図２参照）を排気管１２内部に臨ませて配置される。燃料添加弁１５には、燃料タンク４４内の燃料が燃料ポンプ４３を介して供給される。

燃料添加弁１５よりも下流側の排気管１２内には、供給された燃料に着火させるためのグロープラグ１６が設けられている。グロープラグ１６には、これに給電するための直流電源及び昇圧回路（いずれも不図示）が接続されている。着火するための手段としては、グロープラグに代えてセラミックヒータやスパークプラグなど他の種類の着火装置を用いることができ、とくに電熱式の装置が好適である。

燃料の微粒化を促進するために、燃料添加弁１５から噴射された燃料を衝突させるための衝突板１７が排気管１２内に配置されている。燃料添加弁１５の軸心１５ｂは、衝突板１７の中心１７ａに向けられているが、噴射された燃料が排気流に流されることを考慮して中心１７ａよりも上流側に向けられていてもよい。燃料添加弁１５の噴孔１５ａから衝突板１７までの排気管横断方向の距離ｄは、燃料添加弁１５から噴射され衝突板１７に衝突した燃料が、拡散してその一部がグロープラグ１６の発熱部１６ａによって着火され、他の部分が前処理触媒１４に供給されるように選択される。前処理触媒１４、燃料添加弁１５、グロープラグ１６および衝突板１７は、排気昇温装置４０を構成し、この排気昇温装置４０は、後述するＥＣＵ５０によって制御される。排気昇温装置４０におけるグロープラグ１６の近傍には、Ｏ２センサ３０が配置されている。

各燃焼室２に配置された排気弁の開閉タイミングを制御するために、可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）５５が設けられている。ＶＶＴ５５は、単一の排気弁に適用される２種類のカムを、油圧によって切り替えることによって、カムシャフトのカムプロフィール及びバルブタイミングを任意に変更することができる。ＶＶＴ５５は、吸気弁と排気弁とが同時に開くバルブオーバーラップ（図５におけるｔ１−ｔ２）を実現可能である。

エンジン本体１は更に、圧縮行程中に排気弁を開弁させる機能を有する。図４において、エンジン本体１は、各燃焼室２に配置された排気弁６１を駆動するためのロッカーアーム６２、及び当該ロッカーアームを駆動するカムシャフト６３を備えている。ロッカーアーム６２はローラ式である。ロッカーアーム６２の基端部には、油圧式のラッシュアジャスタ６４が配置されている。ロッカーアーム６２の先端部の近傍に、ロッカーアーム６２を駆動する補助アクチュエータ６５が設置されている。補助アクチュエータ６５の可動子は、油圧により突出または後退させられ、この可動子はロッカーアーム６２の先端部を押し下げることが可能であり、これによって補助アクチュエータ６５は、カムシャフト６３の動作から独立して排気弁６１を開弁させることが可能にされている。補助アクチュエータ６５に接続された油路６６には、油圧制御弁５６（図1参照）が接続されており、この油圧制御弁５６はＥＣＵ５０によって任意のタイミングで動作する。これによって、排気弁６１を圧縮行程中に開弁（図５におけるｔ４−ｔ５）させることが可能にされている（図５において縦軸は排気弁６１の開度を示す）。この態様によれば、圧縮行程排気の際の排気弁６１の駆動をカムシャフト６３によらずに行うため、排気タイミングの自由度を高めることができる。

再び図１において、排気マニホールド５と吸気マニホールド４は、ＥＧＲ通路１８を介して互いに接続されている。ＥＧＲ通路１８は、排気管１２におけるタービン７ｂよりも上流側の部分と、吸気管６におけるコンプレッサ７ａの下流側の部分とを接続している。ＥＧＲ通路１８内には、電子制御式のＥＧＲ制御弁１９が配置される。ＥＧＲ通路１８の周りには、ＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２０が配置される。機関冷却水がＥＧＲクーラ２０内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。

各燃料噴射弁３は、燃料供給管４１を介してコモンレール４２に連結され、このコモンレール４２は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ４３を介して燃料タンク４４に連結される。燃料タンク４４内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ４３によってコモンレール４２内に供給され、コモンレール４２内に供給された燃料は各燃料供給管４１を介して燃料噴射弁３に供給される。

コントローラである電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０は、周知のデジタルコンピュータからなり、双方向性バスによって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）、入力ポートおよび出力ポートを具備する。

アクセルペダル５１には、アクセルペダル５１の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５２が接続され、負荷センサ５２の出力電圧は、対応するＡＤ変換器を介して入力ポートに入力される。更に入力ポートには、エンジン本体１のクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５３が接続される。更に入力ポートには、上述したエアフローメータ８、Ｏ２センサ３０、及びスロットル弁１０の近傍に設置された吸気温度センサ５４が接続される。

他方、ＥＣＵ５０の出力ポートは、対応する各駆動回路を介して、スロットル弁１０、およびＥＧＲ制御弁１９の駆動用の各ステップモータに接続されている。ＥＣＵ５０の出力ポートはまた、ＶＶＴ５５を駆動するためのソレノイドバルブおよび補助アクチュエータ６５を駆動するための油圧制御弁５６に接続されている。出力ポートはさらに、対応する各駆動回路を介して燃料噴射弁３、燃料添加弁１５及び燃料ポンプ４３に接続される。これらアクチュエータ類の動作は、ＥＣＵ５０によって制御される。ＥＣＵ５０のＲＯＭには、制御のための各種プログラム及び基準値・初期値が格納されている。

ＥＣＵ５０は、エアフローメータ８、負荷センサ５２、クランク角センサ５３及び吸気温度センサ５４を含む車両の状態とくにエンジンの動作状態を示すパラメータに基づいて、燃料供給指示量を算出し、指示量に応じた時間だけ燃料噴射弁３を開くべく制御信号を出力する。この制御信号に従って、燃料供給指示量に応じた量の燃料が燃料噴射弁３及び燃料添加弁１５からそれぞれ供給される。また、ＥＣＵ５０は、例えば機関負荷率ＫＬ及び機関回転数Ｎｅにより定まる機関運転状態に応じて、ＥＧＲ制御弁１９を開いて吸気通路にＥＧＲガスを供給する。

また、ＥＣＵ５０は、排気昇温装置４０を制御して、燃料の供給及び着火を行い、これにより前処理触媒１４を昇温させる。ＥＣＵ５０は、エアフローメータ８、負荷センサ５２、クランク角センサ５３及び吸気温度センサ５４を含む車両の状態とくにエンジンの動作状態を示すパラメータに基づいて、燃料供給指示量を算出し、指示量に応じた時間だけ燃料添加弁１５を開くべく制御信号を出力する。燃料添加弁１５から供給された燃料の一部は、グロープラグ１６により着火され、これによって排気が昇温される。また供給された燃料の他の部分は、前処理触媒１４に供給され、触媒物質の反応による昇温及び燃料の改質が行われる。なお、ＥＣＵ５０は必要に応じて、前処理触媒１４の必要量よりも多くの燃料を噴射することで、排気浄化触媒１３に対する燃料の供給を行い、これにより、堆積した粒子状物質（ＰＭ）の酸化及び燃焼、並びに排気浄化触媒１３がＮＯｘ吸蔵還元触媒である場合には、排気浄化触媒１３に対するＮＯｘ還元処理及びＳＯｘ被毒回復処理を実施することも可能である。

以上のとおり構成された第１実施形態の動作について説明する。図６に示される処理ルーチンは、エンジン本体１が動作している間にわたって所定時間ごとに繰返し実行される。まずＥＣＵ５０は、Ｏ２センサ３０によって検出された酸素濃度の現在値を読み込む（Ｓ１０）。次にＥＣＵ５０は、酸素濃度が所定の基準値以上であるかを判断する(Ｓ２０）。肯定すなわち酸素濃度が基準値以上である場合には、排気弁６１の圧縮行程開弁（図５における楕円ａで囲まれた時刻ｔ４−ｔ５の領域）は行われず、通常の運転が行われる(Ｓ３０）。

ステップＳ２０で否定、すなわち酸素濃度が所定の基準値より低い場合には、排気弁６１の圧縮行程開弁（図５における時刻ｔ４−ｔ５の領域）が行われる(Ｓ４０）。この場合にはＥＣＵ５０によって油圧制御弁５６が開かれ、補助アクチュエータ６５の可動子が時刻ｔ４−ｔ５にわたって突出し、これによって排気弁６１が開かれることになる。なお、圧縮行程開弁が行われた燃焼サイクルでは、燃料噴射弁３からの燃料供給を休止するのが好適である。

以上の処理の結果、本実施形態では、グロープラグ１６の近傍の酸素濃度が所定の基準値よりも低い場合に、排気弁６１の圧縮行程開弁が行われる。その結果、グロープラグ１６の近傍の酸素濃度が、所定の基準値を上回るように上昇させられ、着火性が向上して良好な燃焼が行われることになる。

以上のとおり、本実施形態では、エンジン本体１の排気通路に配置された燃料添加弁１５と、燃料添加弁１５から添加された燃料に着火させるグロープラグ１６と、を備えた排気装置において、エンジン本体１の燃焼室２から排出される排気の酸素濃度を制御するＥＣＵ５０を更に備え、ＥＣＵ５０は、グロープラグ１６の近傍の酸素濃度が予め定められた基準値を上回るように酸素濃度を制御する。したがって本実施形態では、排気中の酸素濃度の低下に起因する着火性の悪化を抑制することができる。また、エンジン本体１の燃焼室２から排出される排気の酸素濃度を制御するので、排気通路に二次空気を導入するための専用のエアポンプを設置する必要がない。

また本実施形態では、エンジン本体１の圧縮行程中に排気弁６１を開かせることとしたので、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができ、また、短時間で大量の酸素を供給することができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態は、圧縮行程における排気弁６１の開弁を、可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）５５によって実行するものである。本実施形態におけるＶＶＴ５５は、図７に示される単一のカムシャフト１６３に、カムプロファイルの異なる複数のカム１６３ａ，１６３ｂを形成して、両者を切り替えて使用するもの（いわゆるカム切り替え型）である。第１のカム１６３ａは、圧縮行程排気のための山（図５における楕円ａで囲まれた時刻ｔ４−ｔ５の領域に対応するもの）を有せず、第２のカム１６３ｂは、圧縮行程排気のための山を有する。第２実施形態の残余の構成は、上記第１実施形態と同様であるため、同一符号を付してその詳細の説明を省略する。

以上のとおり構成された第２実施形態では、ＥＣＵ５０の制御により、Ｏ２センサ３０によって検出されるグロープラグ１６近傍の酸素濃度が基準値以上である場合には、第１のカム１６３ａが選択され、酸素濃度が基準値未満である場合には、第２のカム１６３ｂが選択される。その結果、第２のカム１６３ｂが選択された場合には、図５の時刻ｔ４−ｔ５間で排気弁６１が開弁される。この態様によれば、上述した第１実施形態における補助アクチュエータ６５を設ける必要がないという利点がある。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。図８及び図９において、第３実施形態の排気装置におけるエンジン本体は、小型の空気供給用排気弁７３を備えたものである。空気供給用排気弁７３は、走行用の排気弁７１とは別途に設けられたポペット弁であり、燃焼室２と排気ポート７２とを選択的に連通することができる。空気供給用排気弁７３は、ピストン７４が上死点にある場合に開弁（燃焼室内に突出）してもピストンヘッドに干渉しないように、走行用の排気弁７１よりも小型に構成され、且つその開弁時（突出時）に傘部７５がピストンリセス７６内に収まるように寸法が定められている。空気供給用排気弁７３は、ソレノイドによって駆動され、当該ソレノイドはＥＣＵ５０によって制御される。第３実施形態の残余の構成は、上記第１実施形態と同様であるため、同一符号を付してその詳細の説明を省略する。

以上のとおり構成された第３実施形態では、ＥＣＵ５０は、Ｏ２センサ３０によって検出されるグロープラグ１６の近傍の酸素濃度が所定値以下のときに、空気供給用排気弁７３を開くことによって、吸気弁７７と排気弁７１，７３とが共に開かれている期間すなわち吸排気弁のオーバーラップ量を増大させ、これによってグロープラグ１６に供給される空気量を増大させる。

この態様によれば、ピストン７４の位置による機械的制約を考慮することなく任意のタイミングで排気弁７３を開弁できるので、空気供給タイミングの自由度を一層高めることができる。なお、空気供給用排気弁７３は、例えばエンジン本体１の圧縮行程中の所定のタイミング（例えば図５における楕円ａで囲まれた時刻ｔ４−ｔ５の領域）に開かせることによって、圧縮行程排気のために用いてもよい。

以上、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、クレームされた発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。

例えば、上記実施形態では動弁機構をロッカーアーム式としたが、動弁機構はロッカーアームを有しない直打式でも良く、またソレノイド式でもよい。また本発明は、ターボチャージャを有しない自然吸気式の内燃機関に適用できる。また本発明はハイブリッド車に適用することも可能である。

１ エンジン本体
２ 燃焼室
７ ターボチャージャ
１２ 排気管
１３ 排気浄化触媒
１４ 前処理触媒
１７ 燃料添加弁
４０ 排気昇温装置
５０ ＥＣＵ
６１ 排気弁
６５ 補助アクチュエータ
７３ 空気供給用排気弁

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に配置された燃料添加弁と、前記燃料添加弁から添加された燃料に着火させる着火装置と、を備えた内燃機関の排気装置において、
   前記内燃機関の燃焼室から排出される排気の酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段を更に備え、
   前記酸素濃度制御手段は、前記着火装置の近傍の酸素濃度が予め定められた基準値を上回るように前記酸素濃度を制御することを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の排気装置であって、
   前記酸素濃度制御手段は、前記内燃機関の排気弁を制御する排気弁制御手段を備え、
   前記排気弁制御手段は、前記内燃機関の圧縮行程中に前記排気弁を開かせることを特徴とする内燃機関の排気装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の排気装置であって、
   前記排気弁制御手段は、前記排気弁の開弁タイミングを制御する可変バルブタイミング機構を含むことを特徴とする内燃機関の排気装置。
4. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関は、走行用の吸気弁とは別途に設けられ前記内燃機関の燃焼室と排気通路とを選択的に連通する空気供給用排気弁を更に備え、
   前記酸素濃度制御手段は、前記空気供給用排気弁を制御することによって前記酸素濃度を制御することを特徴とする内燃機関の排気装置。

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