JP2018141404A - 内燃機関 - Google Patents

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（ＮＯ_ｘ）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。

特開２０１０−９０７５２号公報

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。

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。

実施形態に係る内燃機関の概略構成図である。

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。

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。

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。

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

Claims (1)

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。

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