JP2018141404A - 内燃機関 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡易な構成で、EGR率の上昇による失火を抑制できる内燃機関を提供する。【解決手段】燃焼室10に繋がる吸気通路3と、吸気通路3に設けられ、燃焼室10に吸気させる空気量を調整するスロットルバルブ4と、吸気通路3におけるスロットルバルブ4よりも燃焼室10側の下流側空間30に連通され、燃焼室10に排気ガスを吸気させるEGR通路6と、EGR通路6に設けられ、排気ガスの還流量を調整するEGRバルブ7と、空気量に対する排気ガス量の割合をEGR率とするとき、EGRバルブ7の開度が所定値以上であるときからのEGR率の上昇率が所定値以上であることを検知したときに、圧縮行程から膨張行程にかけて複数回の点火を行う点火制御部100iとを備える。【選択図】図1
Description
本発明は、燃焼室に排気ガスを吸気させるEGR通路を備える内燃機関に関する。
自動車には、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)の低減や低燃費化を図るために、燃焼室から排気された排気ガスを再度燃焼室に吸気させる排気ガス再循環装置(Exhaust gas recirculation:EGR)が設けられているものがある(例えば、特許文献1)。EGRは、排気通路と吸気通路とを連通するEGR通路と、EGR通路の途中に設けられて、排気ガスの還流量を調整するEGRバルブとを備え、EGR通路を介して排気ガスを燃焼室に吸気させる。
吸気通路には、運転席に配置されたアクセルペダルの操作に応じて開閉され、この開閉度合(開度)によって燃焼室に吸気させる空気量を調整するスロットルバルブを備える。スロットルバルブの開度とEGRバルブの開度とによって、燃焼室に吸気させる空気量に対する排気ガス量の割合(以下、EGR率と呼ぶ)が変わる。このEGR率が過度に上昇すると、吸気中の酸素濃度が低下して燃焼室において失火が発生する等の問題が生じる。例えば、運転者が急激なスロットルバルブの閉弁駆動を伴うアクセルペダルの操作を行った場合、吸気中の空気量が急激に減少する一方、EGRバルブの駆動による排気ガス量の減少が空気量の減少に対して遅れ、EGR率が上昇することがある。この原因として、一般的にEGRバルブはスロットルバルブに対して応答性が低いため、EGRバルブの開閉がスロットルバルブの開閉と同期し難いことや、EGRバルブを閉状態としたとしても、EGR通路のうちEGRバルブよりも吸気通路側に残留する排気ガスが、スロットルバルブの閉状態の後に燃焼室に吸気されること等が挙げられる。
そこで、特許文献1には、吸気通路においてスロットルバルブよりも燃焼室側に吸気流制御弁と、この吸気流制御弁の制御を行う制御装置とを備えるEGRが開示されている。上記吸気流制御弁は、吸気通路におけるEGR通路の開口部と最も近接した箇所に位置し、これにより吸気通路に吸気上流側と吸気下流側を形成する。上記制御装置は、排気ガス量の減少要求があった場合、吸気流制御弁の弁先端部をEGR通路の開口部から離間させる方向に吸気流制御弁を駆動する。吸気流制御弁の弁先端部がEGR通路の開口部に近接している場合、吸気通路の通路面積が絞られ、上記開口部付近の圧力がその吸気上流側及び吸気下流側の圧力と比較して低くなるため、排気ガスを大量導入でき、吸気流制御弁の弁先端部がEGR通路の開口部から離間している場合、吸気通路の通路面積が最大となり上記開口部付近の圧力がその吸気上流側及び吸気下流側の圧力と同等となるため、排気ガスの導入を抑制できる。つまり、スロットルバルブの開度に応じて吸気流制御弁の開度を制御装置により制御することで、好適なEGR率の維持を実現している。
しかし、特許文献1に記載の技術では、EGR通路の開口部付近の圧力を調整するために、吸気流制御弁を設ける必要があり、大掛かりな上にコストの増加を招く。
そこで、本発明の目的の一つは、簡易な構成で、EGR率の上昇による失火を抑制できる内燃機関を提供することにある。
本発明の一態様に係る内燃機関は、
燃焼室に繋がる吸気通路と、
前記吸気通路に設けられ、前記燃焼室に吸気させる空気量を調整するスロットルバルブと、
前記吸気通路における前記スロットルバルブよりも前記燃焼室側の下流側空間に連通され、前記燃焼室に排気ガスを吸気させるEGR通路と、
前記EGR通路に設けられ、前記排気ガスの還流量を調整するEGRバルブと、
前記空気量に対する前記排気ガス量の割合をEGR率とするとき、前記EGRバルブの開度が所定値以上であるときからの前記EGR率の上昇率が所定値以上であることを検知したときに、圧縮行程から膨張行程にかけて複数回の点火を行う点火制御部とを備える。
燃焼室に繋がる吸気通路と、
前記吸気通路に設けられ、前記燃焼室に吸気させる空気量を調整するスロットルバルブと、
前記吸気通路における前記スロットルバルブよりも前記燃焼室側の下流側空間に連通され、前記燃焼室に排気ガスを吸気させるEGR通路と、
前記EGR通路に設けられ、前記排気ガスの還流量を調整するEGRバルブと、
前記空気量に対する前記排気ガス量の割合をEGR率とするとき、前記EGRバルブの開度が所定値以上であるときからの前記EGR率の上昇率が所定値以上であることを検知したときに、圧縮行程から膨張行程にかけて複数回の点火を行う点火制御部とを備える。
上記内燃機関は、EGR率の上昇率が所定値以上であることを検知したときに、圧縮行程から膨張行程にかけて複数回の点火を行うことで、EGR率の上昇による失火を抑制できる。それは、複数回の点火のうち、初期の点火によって燃焼室の燃焼圧を高めることができ、その燃焼圧が高い状態で再度点火を行うことで、確実に着火できるからである。EGR率の上昇率が所定値以上であっても失火を抑制できるため、通常運転時に、EGRバルブの開度を所定値以上と大きくすることができ、燃費を向上できる。上記内燃機関は、複数回の点火をEGR率の上昇率によって制御しているため、既存の内燃機関を利用でき、簡易な構成で構築できる。また、上記内燃機関は、複数回の点火をEGR率の上昇率によって制御しているため、不必要に複数回の点火が行われることがなく、点火プラグの消耗を最小限に抑えることができる。
本発明の内燃機関の実施形態を以下に図1を参照しつつ説明する。図中、白抜き矢印は空気の流れを示し、黒抜き矢印は排気ガスの流れを示す。
〔全体構成〕
内燃機関1は、吸気と燃料との混合気を燃焼させる燃焼室10と、燃焼室10に混合気を導入する吸気通路3と、燃焼室10内の混合気に点火する点火プラグ2と、燃焼室10から排気ガスを排出する排気通路5とを備える。内燃機関1は、燃焼室10を形成するシリンダ8を複数備える(図1では、そのうちの一つを図示している)。内燃機関1は、吸気、圧縮、膨張、排気の4サイクル運転を行うことで、シリンダ8内でピストン9を往復動させ、そのピストン9の往復運動をクランクシャフト(図示せず)で回転運動に変換する。吸気行程では、ピストン9の上死点付近で吸気バルブ32が開かれ、吸気通路3から空気と、インジェクタ(図示せず)から噴射された燃料とが燃焼室10内に吸い込まれると同時に、ピストン9が下降する。圧縮行程では、ピストン9の下死点で吸気バルブ32が閉じられ、ピストン9の上昇によって燃焼室10内で混合気が圧縮される。膨張行程では、ピストン9の上死点付近で点火プラグ2が点火されて爆発・燃焼し、ピストン9が下降する。排気行程では、ピストン9の下死点付近で排気バルブ52が開かれ、ピストン9の上昇によって燃焼室10内で生じた排気ガスが排気通路5へ排出される。クランクシャフトの回転軸には、ピストン9の上死点を基準としたクランクシャフトの回転角(クランク角)を検出するクランク角センサ110が設けられている。
内燃機関1は、吸気と燃料との混合気を燃焼させる燃焼室10と、燃焼室10に混合気を導入する吸気通路3と、燃焼室10内の混合気に点火する点火プラグ2と、燃焼室10から排気ガスを排出する排気通路5とを備える。内燃機関1は、燃焼室10を形成するシリンダ8を複数備える(図1では、そのうちの一つを図示している)。内燃機関1は、吸気、圧縮、膨張、排気の4サイクル運転を行うことで、シリンダ8内でピストン9を往復動させ、そのピストン9の往復運動をクランクシャフト(図示せず)で回転運動に変換する。吸気行程では、ピストン9の上死点付近で吸気バルブ32が開かれ、吸気通路3から空気と、インジェクタ(図示せず)から噴射された燃料とが燃焼室10内に吸い込まれると同時に、ピストン9が下降する。圧縮行程では、ピストン9の下死点で吸気バルブ32が閉じられ、ピストン9の上昇によって燃焼室10内で混合気が圧縮される。膨張行程では、ピストン9の上死点付近で点火プラグ2が点火されて爆発・燃焼し、ピストン9が下降する。排気行程では、ピストン9の下死点付近で排気バルブ52が開かれ、ピストン9の上昇によって燃焼室10内で生じた排気ガスが排気通路5へ排出される。クランクシャフトの回転軸には、ピストン9の上死点を基準としたクランクシャフトの回転角(クランク角)を検出するクランク角センサ110が設けられている。
吸気通路3には、運転席に配置されたアクセルペダルの操作に応じて開閉され、この開閉度合(開度)によって各燃焼室10に吸気させる空気量を調整するスロットルバルブ4を備える。本例では、スロットルバルブ4は、吸気通路3内に回転軸で軸支された弁体を有するバタフライバルブである。スロットルバルブ4の回転軸には、スロットルバルブ4の開度を検出するスロットルポジションセンサ120が設けられている。
内燃機関1は、燃焼室10から排気通路5に排出された排気ガスの一部を燃焼室10に還流させる排気ガス再循環装置(EGR)を備える。EGRは、排気通路5と吸気通路3とを連通するEGR通路6と、EGR通路の途中に設けられ、排気ガスの還流量を調整するEGRバルブ7とを備える。EGR通路6は、吸気通路3におけるスロットルバルブ4よりも燃焼室10側の下流側空間30に連通している。EGRバルブ7は、スロットルバルブ4の開度に応じて制御される。具体的には、燃焼室10に吸気させる空気量に対する排気ガス量の割合(EGR率)が好適な値となるように、スロットルバルブ4の開度に応じて、EGRバルブ7の開度が制御される。EGRバルブ7には、EGRバルブ7の開度を検出するEGR開度センサ130が設けられている。
上述した各種センサ(クランク角センサ110、スロットルポジションセンサ120、EGR開度センサ130)の検出結果は、適宜ECU(Engine Control Unit)100に送られる。
本実施形態の内燃機関1は、EGRバルブ7の開度が所定値以上であるときからのEGR率の上昇率が所定値以上であることを検知したときに、圧縮行程から膨張行程にかけて複数回の点火を行う点火制御部100iを備える点を特徴の一つとする。EGRバルブ7の開度は、EGR開度センサ130により検出できる。吸気通路3における下流側空間30には、吸気圧センサ140が設けられており、EGR率の上昇率は、その吸気圧センサ140により検出される吸気圧によって判断できる。以下、まず内燃機関1における吸気の流れについて説明し、その後に点火制御部100iについて詳細を説明する。
〔吸気の流れ〕
スロットルバルブ4が開状態のときには、吸気通路3を流れる空気は、そのまま燃焼室10に吸気される。このとき、吸気通路3におけるスロットルバルブ4よりも下流側空間30の圧力は大気圧である。スロットルバルブ4が開状態のときは、EGRバルブ7も開状態に駆動されている。EGR通路6を通って吸気通路3へ還流された排気ガスは、吸気通路3を流れる空気と共に、燃焼室10に吸気される。EGRバルブ7の開度は、EGR率が好適な値となるように制御されている。
スロットルバルブ4が開状態のときには、吸気通路3を流れる空気は、そのまま燃焼室10に吸気される。このとき、吸気通路3におけるスロットルバルブ4よりも下流側空間30の圧力は大気圧である。スロットルバルブ4が開状態のときは、EGRバルブ7も開状態に駆動されている。EGR通路6を通って吸気通路3へ還流された排気ガスは、吸気通路3を流れる空気と共に、燃焼室10に吸気される。EGRバルブ7の開度は、EGR率が好適な値となるように制御されている。
スロットルバルブ4が開状態から急閉されると、燃焼室10に吸気される空気量は激減する。なお、スロットルバルブ4が閉状態の場合でも、完全に内燃機関1が止まらないように、最低限の空気が燃焼室10に吸気されるようになっている。このとき、吸気通路3における下流側空間30の圧力は負圧である。スロットルバルブ4が閉状態となると、EGRバルブ7も閉状態に駆動される。ただし、一般的にEGRバルブ7はスロットルバルブ4に対して応答性が低いため、吸気中の空気量が急激に減少する一方、EGRバルブ7の駆動による排気ガス量の減少が空気量の減少に対して遅れることがある。また、スロットルバルブ4が閉状態となった後に、EGR通路6のうちEGRバルブ7よりも吸気通路3側に排気ガスが残留することがある。そのため、EGR率が急激に上昇することがある。EGR率が急激に上昇すると、燃焼室10において失火する虞がある。
〔点火制御部〕
点火制御部100iは、EGRバルブ7の開度が所定値以上であるか否かを判定するEGR開度判定部100xと、EGR率の上昇率が所定値以上であるか否かを判定するEGR上昇率判定部100yとを備える。EGR率の上昇率は、単位時間当たりのEGR率の上昇率である。点火制御部100iは、EGR開度判定部100x及びEGR上昇率判定部100yにより、EGRバルブ7の開度が所定値以上であるときからスロットルバルブ4が急閉されて、EGR率の上昇率が所定値以上であることを検知したときに、圧縮行程から膨張行程にかけて複数回の点火を行う。上述したように、EGR率が急激に上昇すると、燃焼室10において失火する虞があるが、点火制御部100iにより複数回の点火を行うことで、その失火を抑制できる。点火制御部100iは、ECU100を利用できる。
点火制御部100iは、EGRバルブ7の開度が所定値以上であるか否かを判定するEGR開度判定部100xと、EGR率の上昇率が所定値以上であるか否かを判定するEGR上昇率判定部100yとを備える。EGR率の上昇率は、単位時間当たりのEGR率の上昇率である。点火制御部100iは、EGR開度判定部100x及びEGR上昇率判定部100yにより、EGRバルブ7の開度が所定値以上であるときからスロットルバルブ4が急閉されて、EGR率の上昇率が所定値以上であることを検知したときに、圧縮行程から膨張行程にかけて複数回の点火を行う。上述したように、EGR率が急激に上昇すると、燃焼室10において失火する虞があるが、点火制御部100iにより複数回の点火を行うことで、その失火を抑制できる。点火制御部100iは、ECU100を利用できる。
EGR開度判定部100xは、EGR開度センサ130から検出されるEGRバルブ7の開度を取得して判定を行う。EGR上昇率判定部100yは、スロットルポジションセンサ120から検出されるスロットルバルブ4の開度、及び吸気圧センサ140から検出される下流側空間30の吸気圧を取得して判定を行う。EGR上昇率判定部100yは、具体的に、以下のように判定を行う。
一つ目として、スロットルポジションセンサ120から検出されるスロットルバルブ4の開度が所定値以下(閉じ量が所定値以上)であるときを基準として、吸気圧センサ140から検出される吸気圧の低下量で判定を行う。スロットルバルブ4が急激に閉じた場合、EGRバルブ7はスロットルバルブ4に追随できずに閉弁駆動が遅れる。よって、スロットルバルブ4の閉弁に伴い吸気通路3における下流側空間30の圧力が急激に低下したにもかかわらず、排気ガスが還流することになる。特に、下流側空間30の圧力が低下するため、排気通路5と吸気通路3との圧力差により、排気ガスが吸気通路3側に短時間で還流され易く、EGR率が急激に上昇する。
二つ目として、スロットルバルブ4が急激に閉じたときに、EGRバルブ7がスロットルバルブ4に追随して閉弁駆動できると仮定したときの、吸気通路3における下流側空間30の吸気圧の推移を基準圧とし、この基準圧と、実際に検出した吸気圧との乖離から判定を行う。なお、基準圧は、4サイクルの各行程で変動するため、クランク角に応じた吸気圧のデータを予め記憶しておく。そして、実際に検出した吸気圧と、その吸気圧を測定した際のクランク角に対応する基準圧とを比較する。スロットルバルブ4が閉状態の場合、下流側空間30には空気が意図的に流れないため、排気ガスが還流されていなければほぼ一定の基準圧となるはずである。もし、スロットルバルブ4が閉状態にもかかわらず、排気ガスが還流されると、下流側空間30の吸気圧は、基準圧に比較して高くなる。特に、吸気圧の推移が基準圧に比較して急激に高くなれば、EGR率が急激に上昇することになる。この形態では、基準圧と、実際に検出した吸気圧との乖離が所定値以上の大きさであるか否かを判定する。
EGR開度判定部100xによって、EGRバルブ7の開度が所定値以上であると判定し、かつEGR上昇率判定部100yによって、EGR率の上昇率が所定値以上であると判定した場合にのみ、点火制御部100iは、複数回の点火を行う。つまり、EGR開度判定部100x及びEGR上昇率判定部100yの少なくとも一方が、上記判定を満たさい場合には、点火制御部100iは、複数回の点火を行わず、1サイクルに1回の点火を行う。
点火制御部100iによる複数回の点火は、例えば、クランク角が上死点前15°から上死点後15°の間に複数回行うことが挙げられる。特に、クランク角が上死点から上死点前15°の上死点前領域で1回以上行い、クランク角が上死点から上死点後15°の上死点後領域で1回以上行うことが挙げられる。上死点前領域で行う点火は、主に予燃焼であり、燃焼室10の燃焼圧を高めるために行うものである。この予燃焼は、EGR率の過度の上昇による失火を許容するものである。上死点後領域で行う点火は、主に本燃焼であり、確実に着火するために行うものである。本燃焼では、予燃焼によって燃焼室10の圧力が高められているため、この圧力と点火エネルギーとで着火の確実性を向上できる。
EGR率がより高い場合、上死点前領域で行う点火と、上死点後領域で行う点火との間隔を広げることが好ましい。EGR率が高過ぎると、上死点前領域での点火では、燃焼が緩慢となり易く、その点火に起因する燃焼圧の上昇も緩慢となり易いからである。例えば、上死点前領域で1回点火し、上死点後領域で1回点火する場合、上死点前領域で行う点火を大きく進角し、上死点後領域で行う点火を小さく進角することが挙げられる。そうすることで、上死点前領域で行う点火による燃焼圧が最適なときに、上死点後領域での点火を行うことができ、着火し易くなる。
上死点前領域で行う点火の回数、及び上死点後領域で行う点火の回数は、適宜選択できる。上死点前領域で行う点火回数を増やすことで、燃焼圧をより高められ、上死点後領域で行う点火回数を増やすことで、着火の確実性をより高められる。上死点前領域での点火回数と、上死点後領域での点火回数とは、同じでも異なっていてもよい。もちろん、各領域に1回ずつ行うこともできる。その場合、クランク角が上死点前15°付近で1回点火し、上死点後15°付近で1回点火することが挙げられる。
〔効果〕
上述した内燃機関1は、点火制御部100iを備えるため、EGR率の上昇による失火を抑制できる。点火制御部100iは、EGR率の上昇率によって制御しているため、不必要に複数回の点火が行われることはなく、点火プラグ2の寿命の低下を抑制できる。EGR率の上昇率が所定値以上であっても失火を抑制できるため、通常運転時に、EGRバルブ7の開度を所定値以上と大きくすることができ、燃費を向上できる。
上述した内燃機関1は、点火制御部100iを備えるため、EGR率の上昇による失火を抑制できる。点火制御部100iは、EGR率の上昇率によって制御しているため、不必要に複数回の点火が行われることはなく、点火プラグ2の寿命の低下を抑制できる。EGR率の上昇率が所定値以上であっても失火を抑制できるため、通常運転時に、EGRバルブ7の開度を所定値以上と大きくすることができ、燃費を向上できる。
本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 内燃機関
10 燃焼室
2 点火プラグ
3 吸気通路
30 下流側空間
32 吸気バルブ
4 スロットルバルブ
5 排気通路
52 排気バルブ
6 EGR通路
7 EGRバルブ
8 シリンダ
9 ピストン
100 ECU
100i 点火制御部
100x EGR開度判定部
100y EGR上昇率判定部
110 クランク角センサ
120 スロットルポジションセンサ
130 EGR開度センサ
140 吸気圧センサ
10 燃焼室
2 点火プラグ
3 吸気通路
30 下流側空間
32 吸気バルブ
4 スロットルバルブ
5 排気通路
52 排気バルブ
6 EGR通路
7 EGRバルブ
8 シリンダ
9 ピストン
100 ECU
100i 点火制御部
100x EGR開度判定部
100y EGR上昇率判定部
110 クランク角センサ
120 スロットルポジションセンサ
130 EGR開度センサ
140 吸気圧センサ
Claims (1)
- 燃焼室に繋がる吸気通路と、
前記吸気通路に設けられ、前記燃焼室に吸気させる空気量を調整するスロットルバルブと、
前記吸気通路における前記スロットルバルブよりも前記燃焼室側の下流側空間に連通され、前記燃焼室に排気ガスを吸気させるEGR通路と、
前記EGR通路に設けられ、前記排気ガスの還流量を調整するEGRバルブと、
前記空気量に対する前記排気ガス量の割合をEGR率とするとき、前記EGRバルブの開度が所定値以上であるときからの前記EGR率の上昇率が所定値以上であることを検知したときに、圧縮行程から膨張行程にかけて複数回の点火を行う点火制御部とを備える内燃機関。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017036002A JP2018141404A (ja) | 2017-02-28 | 2017-02-28 | 内燃機関 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017036002A JP2018141404A (ja) | 2017-02-28 | 2017-02-28 | 内燃機関 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018141404A true JP2018141404A (ja) | 2018-09-13 |
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ID=63527943
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017036002A Pending JP2018141404A (ja) | 2017-02-28 | 2017-02-28 | 内燃機関 |
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2018141404A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2020159247A (ja) * | 2019-03-25 | 2020-10-01 | ダイハツ工業株式会社 | 内燃機関の制御装置 |
-
2017
- 2017-02-28 JP JP2017036002A patent/JP2018141404A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2020159247A (ja) * | 2019-03-25 | 2020-10-01 | ダイハツ工業株式会社 | 内燃機関の制御装置 |
JP7251900B2 (ja) | 2019-03-25 | 2023-04-04 | ダイハツ工業株式会社 | 内燃機関の制御装置 |
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