JP4793103B2

JP4793103B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP4793103B2
Application number: JP2006153001A
Authority: JP
Inventors: 俊輔山名; 先基李; 健一佐藤; 公良西沢
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2026-06-01
Also published as: JP2007321652A

Description

本発明は、排気系の比較的上流に触媒コンバータを備えたバイパス流路側に流路切換弁により排気を案内するようにした内燃機関に関し、特に、その流路切換弁切換時の燃料噴射量に関する。

従来から知られているように、車両の床下などの排気系の比較的下流側にメイン触媒コンバータを配置した構成では、内燃機関の冷間始動後、触媒コンバータの温度が上昇して活性化するまでの間、十分な排気浄化作用を期待することができない。また一方、触媒コンバータを排気系の上流側つまり内燃機関側に近付けるほど、触媒の熱劣化による耐久性低下が問題となる。

そのため、特許文献１に開示されているように、メイン触媒コンバータを備えたメイン流路の上流側部分と並列にバイパス流路を設けるとともに、このバイパス流路に、別のバイパス触媒コンバータを介装し、両者を切り換える切換弁によって、冷間始動直後は、バイパス流路側に排気を案内するようにした排気装置が、従来から提案されている。この構成では、バイパス触媒コンバータは排気系の中でメイン触媒コンバータよりも相対的に上流側に位置しており、相対的に早期に活性化するので、より早い段階から排気浄化を開始することができる。
特開平５−３２１６４４号公報

しかしながら上記のような構成においては、メイン触媒コンバータの暖機が完了してメイン流路側へ排気が流れるように切換弁が切り換えられたときに、通路抵抗となるバイパス触媒コンバータを通らずに排気が流れることから、排圧が急激に低下し、トルク段差（具体的にはトルクの上昇）が発生する。

そこで、本発明は、メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列に総断面積が上記メイン通路の総断面積に比べて相対的に小さなバイパス通路が設けられると共に、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路のうち上記バイパス通路にバイパスされる上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関において、
上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わる際には、流路切換弁の切り換えに基づくスロットル弁の開度制御を行い、このスロットル弁の弁開度に基づいて算出された吸入空気量に応じて燃料噴射量が決定されていることを特徴としている。これにより、流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わる際に、排圧の急激な低下に伴い吸入空気量が一時的に増大するが、このときの燃料噴射量はスロットル開度に基づいて算出されているので、空燃比は結果的にリーン側にシフトする。

本発明によれば、流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わる際に、吸入空気量が一時的に増大するが、空燃比はリーン側にシフトするためトルク段差の発生が防止される。

以下、この発明を直列４気筒内燃機関の排気装置として適用した一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この排気装置の配管レイアウトを模式的に示した説明図であり、始めに、この図１に基づいて、排気装置全体の構成を説明する。

内燃機関１００には、スロットル弁２０によって調節された供給量で吸気が供給され、エアフローメータ２１で検出された実吸気量に基づく供給量でインジェクタ２２から燃料が供給される。

シリンダヘッド１には、直列に配置された♯１気筒〜♯４気筒の各気筒の排気ポート２がそれぞれ側面に向かって開口するように形成されており、この排気ポート２のそれぞれに、メイン通路３が接続されている。♯１気筒〜♯４気筒の４本のメイン通路３は、１本の流路に合流しており、その下流側に、メイン触媒コンバータ４が配置されている。このメイン触媒コンバータ４は、車両の床下に配置される容量の大きなものであって、触媒としては、例えば、三元触媒とＨＣトラップ触媒とを含んでいる。上記のメイン通路３およびメイン触媒コンバータ４によって、通常の運転時に排気が通流するメイン流路が構成される。また、各気筒からの４本のメイン通路３の合流点には、流路切換手段として各メイン通路３を一斉に開閉する流路切換弁５が設けられている。

一方、バイパス流路として、各気筒のメイン通路３の各々から、該メイン通路３よりも通路断面積の小さなバイパス通路７がそれぞれ分岐している。各バイパス通路７の上流端となる分岐点６は、メイン通路３のできるだけ上流側の位置に設定されている。４本のバイパス通路７は、下流側で１本の流路に合流しており、その合流点の直後に、三元触媒を用いたバイパス触媒コンバータ８が介装されている。このバイパス触媒コンバータ８は、メイン触媒コンバータ４に比べて容量が小さな小型のものであり、望ましくは、低温活性に優れた触媒が用いられる。バイパス触媒コンバータ８の出口側から延びるバイパス通路７の下流端は、メイン通路３におけるメイン触媒コンバータ４上流側に合流点１２において（流路切換弁５が合流点１２より上流側となるように）接続されている。

尚、メイン触媒コンバータ４の入口部およびバイパス触媒コンバータ８の入口部には、それぞれ空燃比センサ１０，１１が配置されている。

また、本実施形態において、排気弁を駆動する排気弁側動弁機構は、図示せぬ排気弁側カムシャフトの前端部に設けられた図示せぬ排気弁側スプロケットと、この排気弁側スプロケットと上記排気弁側カムシャフトとを所定の角度範囲内において相対的に回転させる図示せぬ排気弁側位相制御用アクチュエータと、から構成されている。つまり、上記排気弁側動弁機構は、位相可変手段を包含するものである。上記排気弁側スプロケットは、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、図示せぬクランクシャフトに連動している。上記排気弁側位相制御用アクチュエータは、例えば油圧式の回転型アクチュエータからなっている。この排気弁側位相制御用アクチュエータの作用によって、上記排気弁側スプロケットと上記排気弁側カムシャフトとが相対的に回転し、排気弁のバルブリフトにおけるリフト中心角が遅進する。つまり、排気弁のリフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。

このような構成において、冷間始動後の機関温度ないしは排気温度が低い段階では、適宜なアクチュエータを介して流路切換弁５が閉じられ、メイン通路３が遮断される。そのため、各気筒から吐出された排気は、その全量が分岐点６からバイパス通路７を通してバイパス触媒コンバータ８へと流れる。バイパス触媒コンバータ８は、排気系の上流側つまり排気ポート２に近い位置にあり、かつ小型のものであるので、速やかに活性化し、早期に排気浄化が開始される。

一方、機関の暖機が進行して、機関温度ないしは排気温度が十分に高くなったら、流路切換弁５が開放される。これにより、各気筒から吐出された排気は、主に、メイン通路３からメイン触媒コンバータ４を通過する。このときバイパス通路７側は特に遮断されていないが、バイパス通路７側の方がメイン通路３側よりも通路断面積が小さく、かつバイパス触媒コンバータ８が介在しているので、両者の通路抵抗の差により、排気流の大部分はメイン通路３側を通り、バイパス通路７側には殆ど流れない。従って、バイパス触媒コンバータ８の熱劣化は十分に抑制される。

ここで、上記のように流路切換弁５がメイン通路３を開放したときに、メイン通路３の通路抵抗が小さいことから、排圧が急激に低下し、気筒内の残留ガス量も急激に減少してしまい、そのままでは瞬間的にトルクが上昇してトルク段差が発生する。

そこで、本発明では、流路切換弁５を開くときに、内燃機関１００の空燃比フィードバック制御が実施されないようにし、さらにエアフローメータ２１で検出された実空気量に基づく燃料供給を一旦止めて、吸気通路に配置されたスロットル弁２０の弁開度に基づいて算出された吸入空気量に応じて燃料噴射量を決定することで、メイン通路３内の圧力降下が急激に起こり、吸入空気量が増加するような場合であっても、瞬間的なトルクの上昇を防止する。

上記の空燃比フィードバック制御は、排気空燃比が理論空燃比を中心とするいわゆるウィンドウの範囲内で一定の周期をもって振れるようにするものである。これは、メイン触媒コンバータ４及びバイパス触媒コンバータ８に用いられる三元触媒は、理論空燃比を中心とするいわゆるウィンドウに空燃比がある場合に、最大の転化効率でもって排気中のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを同時に浄化できるためである。

尚、この空燃比フィードバック制御は、本実施形態においては、空燃比センサ１０、１１のセンサ素子（図示せず）が活性化した時点から実施されるものとする。空燃比センサ１０、１１は、内燃機関１００の暖機完了前に、そのセンサ素子の活性化が完了するものとする。

図２は、本発明の第１実施形態における種々の動作を説明するためのタイミングチャートを示している。尚、この図２においては、流路切換弁５の切り換えの前後でアクセル開度（ＡＰＯ）は一定である。

暖機が完了した段階で、流路切換弁５に対する制御指令は全閉指令から全開指令に切り換わり、この切り換わりのタイミングで流路切換弁５が開き始める。

流路切換弁５が開き始めると排圧が減少し、気筒内の残留ガス量が急激に減少する。また、排圧の減少に伴い吸入空気量は相対的に増加する。

そこで、流路切換弁５が開き始めると、空燃比フィードバック制御（λコントロール）が実施されないようにし（クランプして）、スロットル弁２０の弁開度（ＴＶＯ）を閉弁方向に徐々に減少させる。本実施形態では、流路切換弁５が開き始めてからしばらくの間は、吸入空気量が流路切換弁５が閉弁状態のときの吸入空気量と略同量となるように流路切換弁５の開弁速度が設定されている。そしてさらに、本実施形態においては、閉弁状態の流路切換弁５が全開指令により開き始めると、排圧が抜ける過程で一時的に増大する吸入空気量（図２中の実線）に応じて燃料噴射量（図２中の破線）が決定されるのではなく、排圧を定常状態としてスロットル弁２０の弁開度に基づいて算出された吸入空気量（図２中の破線）に応じて燃料噴射量（図２中の実線）が決定される。換言すれば、流路切換弁５を閉状態から開状態に切換るときには、λ（空気過剰率）＝１となる燃料噴射量を演算する際に用いる空気量を、スロットル弁２０よりも上流側の吸気通路内に配置されたエアフローメータ２１の検出値に基づいて算出するのではなく、排圧を定常状態としてスロットル弁２０の弁開度に基づいて算出する。

これにより、実空気量（実際の吸入空気量）は、排圧が抜ける過程で一時的に増大するが、燃料噴射量はこの実空気量に応じて増大しないので、実空燃比（実際の空燃比）はリーンとなり、内燃機関１００の発生トルクの増大を抑制することができる。つまり、排圧が抜ける時の吸入空気量の増大に伴うトルク増大とバランスする。換言すれば、気筒内の残留ガス量の減少に伴う吸入空気量の増加分だけ空燃比がリーン側にシフトすることとなり、内燃機関１００の発生トルクは抑制されてトルク段差のない平坦な特性を得ることができる。

尚、図２において、破線で示すＡ／Ｆは、図２中の実線で示す吸入空気量に対して図２中の破線で示す燃料噴射量で燃料噴射を行った場合を示している。また、図２において、破線で示す発生トルクは、図２に破線で示すＡ／Ｆの場合（λ＝１の場合）を示している。

次に、図３及び図４は、図２と同様のタイムチャートであるが、流路切換弁５が全閉状態から全開状態に切り換えられている際に、アクセル開度が変化した場合のタイミングチャートを示しており、図３はアクセル開度が減少した場合であり、図４はアクセル開度が増加した場合である。

図３に示すように、流路切換弁５が全閉状態から全開状態へ切り換えられている際にアクセル開度が減少する場合には、アクセル開度の変化に追従させてスロットル弁２０の弁開度を漸次減少させているため、吸入空気量も減少する。そして、燃料噴射量は、アクセル開度の変化に追従させて減少させたスロットル弁２０の弁開度に基づいて算出された吸入空気量に応じて決定される。

つまり、流路切換弁５が全閉状態から全開状態へ切り換えられている際にアクセル開度が減少する場合には、アクセル開度の減少に伴い内燃機関１００の発生トルクが減少するので、アクセル開度に対応した要求トルクを発生させることができ、運転者に違和感を与えてしまうこともない。

また、図４に示すように、流路切換弁５が全閉状態から全開状態へ切り換えられている際にアクセル開度が増加する場合には、アクセル開度の変化に追従させてスロットル弁２０の弁開度を漸次増加させているため、吸入空気量も増大する。そして、燃料噴射量は、アクセル開度の変化に追従させて増加させたスロットル弁２０の弁開度に基づいて算出された吸入空気量に応じて決定される。

つまり、流路切換弁５が全閉状態から全開状態へ切り換えられている際にアクセル開度が増加する場合には、アクセル開度の増加に伴い内燃機関１００の発生トルクが増大するので、アクセル開度に対応した要求トルクを発生させることができ、運転者に違和感を与えてしまうこともない。

上記実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

（１）メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列に総断面積が上記メイン通路の総断面積に比べて相対的に小さなバイパス通路が設けられると共に、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路のうち上記バイパス通路にバイパスされる上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関において、上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わる際には、流路切換弁の切り換えに基づくスロットル弁の開度制御を行い、このスロットル弁の弁開度に基づいて算出された吸入空気量に応じて燃料噴射量が決定されている。これによって、流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わる際に、吸入空気量が一時的に増大するが、空燃比はリーン側にシフトするためトルク段差の発生が防止される。

（２）上記（１）に記載の内燃機関は、具体的には、上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わる際に、上記流路切換弁が開状態に切り換わるまで上記スロットル弁の弁開度を漸次減少させている。

（３）上記（１）または（２）に記載の内燃機関は、具体的には、上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わる際には、空燃比フィードバック制御が実施されないよう設定されている。

（４）上記（１）〜（３）のいずれかに記載の内燃機関は、上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わる際にアクセル開度が変化する場合には、アクセル開度の変化の方向と同じ方向に、アクセル開度の変化量に応じて上記スロットル弁の弁開度が変更され、かつアクセル開度の変化に対応して変更された上記スロットル弁の弁開度に基づいて算出された吸入空気量に応じて燃料噴射量が決定されている。これによって、アクセル開度に対応した要求トルクを発生させることができ、運転者に違和感を与えてしまうこともない。

本発明に係る内燃機関の排気装置の全体の配管レイアウトを示す構成説明図。定常運転中に流路切換弁が開く場合における種々の動作を説明するためのタイミングチャート。流路切換弁の切り換え中にアクセル開度が減少した場合の種々の動作を説明するためのタイミングチャート。流路切換弁の切り換え中にアクセル開度が減少した場合の種々の動作を説明するためのタイミングチャート。

符号の説明

３…メイン通路
４…メイン触媒コンバータ
５…流路切換弁
６…分岐点
７…バイパス通路
８…バイパス触媒コンバータ
１２…合流点

Claims

メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列に総断面積が上記メイン通路の総断面積に比べて相対的に小さなバイパス通路が設けられると共に、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路のうち上記バイパス通路にバイパスされる上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関において、
上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わる際には、流路切換弁の切り換えに基づくスロットル弁の開度制御を行い、このスロットル弁の弁開度に基づいて算出された吸入空気量に応じて燃料噴射量が決定されていることを特徴とする内燃機関。
上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わる際には、上記流路切換弁が開状態に切り換わるまで上記スロットル弁の弁開度を漸次減少させていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わる際には、空燃比フィードバック制御が実施されないよう設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わる際にアクセル開度が変化する場合には、アクセル開度の変化の方向と同じ方向に、アクセル開度の変化量に応じて上記スロットル弁の弁開度が変更され、かつアクセル開度の変化に対応して変更された上記スロットル弁の弁開度に基づいて算出された吸入空気量に応じて燃料噴射量が決定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関。