JP6222563B2

JP6222563B2 - エンジンの排気装置

Info

Publication number: JP6222563B2
Application number: JP2013268833A
Authority: JP
Inventors: 田辺　幹雄; 幹雄田辺; 村田　真一; 真一村田; 貴晴山本
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: JP2015124667A

Description

本発明は、複数の気筒を有するエンジンの排気装置に関するもので、特に、排気通路が集合する排気集合部に空燃比センサを備えたエンジンの排気装置に関する。

自動車のエンジンルームに設置されるエンジンには、複数の気筒と、気筒ごとに設けられた排気通路と、排気通路が集合する排気集合部と、が設けられている。また、排気集合部には、空燃比センサが設置され、複数の気筒から排出された排ガスは、排気順に空燃比センサに当たり、排ガスの空燃比が気筒ごとに求められる。

特許文献１には、排気行程にある気筒の排気弁の開弁タイミングを吸気行程にある気筒の吸気弁の開弁タイミングから遅らせたエンジンが記載されている。このエンジンによれば、排気行程にある気筒の排気開始タイミングが吸気行程にある気筒の吸気タイミングよりも遅れることになり、排気行程にある気筒の吸気効率が向上してエンジンの出力が増大する。

特許文献２には、１番気筒の排気通路と２番気筒の排気通路とが集合した第１の排気系と、３番気筒の排気通路と４番気筒の排気通路とが集合した第２の排気系とを有するエンジンにおいて、１番気筒及び４番気筒の排気弁の開閉タイミングを進ませるとともに、２番気筒及び３番気筒の開閉タイミングを遅らせることが提案されている。このエンジンによれば、排気量が少ない低速時にも排気脈動を強めることができる。

特開２０００−２４８９４８号公報特公平７−１０９１７２号公報

ところで、上述したように、複数の気筒１３１から排出された排ガスが排出順（点火順）に空燃比センサ１４７に当たるためには、図５に示すように、排気集合部１４５３の容積を小さく設定することが好ましい。しかしながら、このように排気集合部１４５３の容積を小さく設定すると、排ガスの圧力損失が増大するので、エンジン性能の低下を招くことになる。

一方、図６に示すように、排気集合部２４５３の容積を大きく設定すると、排気順が前の気筒から排出された排ガスが空燃比センサ２４３のまわりに残り、検出された排ガスがどの気筒２３１から排出されたものか判別できなくなる。

本発明は、上記実情に鑑みて、排ガスの圧力損失を抑制しつつ、複数の気筒から排出された排ガスの空燃比を気筒ごとに検出できるエンジンの排気装置を提供することを目的とする。

本発明は、複数気筒を有し、排気集合部に近接して空燃比センサが設置され、前記気筒ごとの空燃比を検出するエンジンの排気装置において、排気期間が重なる二つの気筒間で、後から排気する気筒の排気弁の開弁タイミングを先に排気する気筒の排気弁の開弁タイミングよりも早くするとともに、前記後から排気する気筒の排気弁のリフト量の変化率を前記先に排気する気筒の排気弁のリフト量の変化率よりも小さくする。
本発明によれば、排気期間が重なる二つの気筒間で、後から排気する気筒から排出される排ガスにより、先に排気する気筒から排出される排ガスの流れが変更される。また、後から排気する気筒から排出される排ガスの初期流れが抑制される。これにより、先に排気する気筒から排出された排ガスと後から排気する気筒から排出された排ガスとを区別することができ、気筒ごとに、排ガスの空燃比を検出できる。

また、本発明の一態様では、前記排気集合部がシリンダヘッドに形成されることが好ましい。
このようにすれば、エンジンに触媒を近接配置することができる。そして、エンジンに触媒を近接配置すれば、触媒はエンジンの始動後早期に暖められ、触媒の活性が高められる。これにより、エンジンの始動後早期から排ガスが浄化され、排ガスを良化できる。

また、本発明の一態様では、前記エンジンは、４つの気筒が長手方向に並んで配され、外側気筒と前記外側気筒に隣接する内側気筒を備え、排気期間が重なる二つの気筒は前記内側気筒と前記外側気筒であり、前記内側気筒の排気通路に対し前記外側気筒の排気通路は長く、前記外側気筒の排気弁の開弁タイミングを前記内側気筒に対する開弁タイミングよりも早くするとともに前記外側気筒の排気弁のリフト量の変化率を前記内側気筒の排気弁のリフト量の変化率よりも小さくすることが好ましい。
このようにすれば、内側気筒から排出される排ガスと外側気筒から排出される排ガスとを区別することができ、内側気筒から排出される排ガスの空燃費と外側気筒から排出される排ガスの空燃費を区別して検出できる。

以上説明したように、本発明によれば、先に排気する気筒から排出された排ガスと後から排気する気筒から排出される排ガスとを区別することができ、気筒ごとに、排ガスの空燃比を検出できる。

本発明の実施の形態に係るエンジンの構成を示す模式図である。従来のエンジンのクランク角と排気弁のリフト量及び排気流量との関係を示す図である。本発明の実施の形態に係るエンジンのクランク角と排気弁のリフト量及び排気流量との関係を示す図であって、４番気筒の前側排気弁の開弁タイミングと開弁速度を調整したものを示す図である。本発明の実施の形態に係るエンジンの排ガスの流れを示す模式図であって、４番気筒の前側排気弁の開弁タイミングと開弁速度を調整したものを示す図である。排気集合部の容積を小さく設定したエンジンの排ガスの流れを示す模式図である。排気集合部の容積を大きく設定したエンジンの排ガスの流れを示す模式図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るエンジンの排気装置の実施の形態を詳細に説明する。尚、この実施の形態により、この発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係るエンジンの構成を示す模式図である。本発明の実施の形態に係るエンジンは、自動車のエンジンルームに設置される直列四気筒のエンジンであって、図１に示すように、エンジン本体２、可変バルブタイミング機構５、燃料噴射装置６、ＥＣＵ７を備えている。

エンジン本体２は、シリンダブロック３とシリンダブロック３の上に固定されたシリンダヘッド４とにより構成されている。シリンダブロック３には、一列に四つのシリンダ３１が形成され、これらの下方域に四つのシリンダ３１に共通する一つのクランクシャフト３２が回転可能に支承されている。シリンダ３１は、円筒形に形成され、その内部には、ピストン３３が上下方向に往復動可能に収容されている。ピストン３３は、頭部が閉塞された円筒形に形成され、その胴部には径方向に貫通するピン孔３３ａが設けられている。また、ピストン３３の胴部には、コネクティングロッド３４の一端（スモール・エンド）が収容され、ピン孔３３ａを挿通するピストンピン３５により、コネクティングロッド３４の一端がピストン３３に連結されている。

クランクシャフト３２は、コネクティングロッド３４とともに、ピストン３３の往復運動（下降運動）を回転運動に変換するもので、クランクシャフト３２の回転中心を通る軸線に対して平行にクランクピン３２１を有している。そして、クランクピン３２１には、コネクティングロッド３４の他端（ラージエンド）が連結されている。これにより、ピストン３３の往復運動は、回転運動に変換される。

シリンダヘッド４には、シリンダブロック３に形成されたシリンダ３１と対応する位置に燃焼室４１が形成されている。また、シリンダヘッド４には、燃焼室４１ごとに、吸気ポート４２Ｆ，４２Ｒ、排気ポート４３Ｆ，４３Ｒが形成されている。本発明の実施の形態では、燃焼室４１ごとに二つの吸気ポート４２Ｆ，４２Ｒと二つの排気ポート４３Ｆ，４３Ｒが形成され、これらは、それぞれ、気筒の配列方向に一列に整列する。

また、シリンダヘッド４には、吸気ポート４２Ｆ，４２Ｒに連通する吸気通路４４と、排気ポート４３Ｆ，４３Ｒに連通する排気通路４５とが形成されている。排気通路４５は、排気ポート４３Ｆ，４３Ｒに連通する枝通路４５１と、枝通路４５１が合流する幹通路４５２とを有し、燃焼室４１ごとに合流した後、排気集合部４５３（図４及び図６参照）で集合する。

排気集合部４５３には、触媒４６（図４及び図６参照）が設けられている。これにより、排気通路４５を通り排気集合部４５３で集合した排ガスは、触媒４６を通り浄化され、外部に排出される。また、触媒の上流側には、空燃比センサ４７（図４及び図６参照）が設けられている。空燃比センサ４７は、排ガスの空燃比（空気に対する燃料の比率）を検出するもので、排気集合部４５３の略中央に設けられている。尚、本実施の形態では、空燃比センサ４７に連続的な空燃比の変化を検出することができるＬＡＦＳ（ＬｉｎｅａｒＡｉｒ−Ｆｕｅｌｒａｔｉｏｓｅｎｓｏｒ）が用いられる。

また、吸気ポート４２Ｆ，４２Ｒごとに、吸気ポート４２Ｆ，４２Ｒを開閉する吸気弁４８Ｆ，４８Ｒが取り付けられている。吸気ポート４２Ｆ，４２Ｒは、吸入行程において開放され、吸気ポート４２Ｆ，４２Ｒから空気の吸入が可能となり、圧縮行程、膨張行程、排気行程において閉鎖される。同様に、排気ポート４３Ｆ，４３Ｒごとに、排気ポート４３Ｆ，４３Ｒを開閉する排気弁４９Ｆ，４９Ｒが取り付けられている。排気ポート４３Ｆ，４３Ｒは、排気行程において開放され、排気ポート４３Ｆ，４３Ｒから排ガスの排出が可能となり、吸入行程、圧縮行程、膨張行程において閉鎖される。これにより、燃焼室４１は、圧縮行程と膨張行程において閉鎖される。

可変バルブタイミング機構５は、吸気側に設置される吸気側可変バルブタイミング機構５１と、吸気弁４８Ｆ，４８Ｒを駆動する吸気カムシャフト５１１と、排気側に設置される排気側可変バルブタイミング機構５２と、排気弁４９Ｆ，４９Ｒを駆動する排気カムシャフト５２１と、で構成される。カムシャフト５１１，５２１は、各吸排気弁（４８Ｆ，４８Ｒ，４９Ｆ，４９Ｒ）に対応してカム部が設けられ、カム部のプロフィールにより吸気弁（４８Ｆ，４８Ｒ）や排気弁（４９Ｆ，４９Ｒ）の各弁のリフト量および閉弁タイミングを設定できる。可変バルブタイミング機構５１，５２は、クランクシャフト３２に対するカムシャフト５１１，５２１の位相を可変させるものであり、カムシャフト５１１，５２１の位相を可変させることで、吸気弁４８Ｆ，４８Ｒや排気弁４９Ｆ，４９Ｒの開閉タイミングを可変とするもので、本発明の実施の形態では、吸気側と排気側とに設けられている。すなわち、吸気側可変バルブタイミング機構５１は、吸気弁４８Ｆ，４８Ｒの開閉タイミングを任意に設定可能である。同様に、排気側に設けられた排気側可変バルブタイミング機構５２は、排気弁４９Ｆ，４９Ｒの開閉タイミングを任意に設定可能である。これにより、各弁４８Ｆ，４８Ｒの開閉タイミング、リフト量、開閉速度をカムシャフトのプロフィールで設定し、吸気ポート４２Ｆ，４２Ｒごと又は燃焼室４１ごとに設定することができる。同様に、排気弁４９Ｆ，４９Ｒの開閉タイミング、リフト量、開閉速度（クランク角に対するリフト量の変化率）は、排気ポート４３Ｆ，４３Ｒごと又は燃焼室４１ごとに設定することができる。

燃料噴射装置６は、加圧した燃料をシリンダ内に噴射するためのもので、燃料ポンプ６１、インジェクタ６２を備えている。燃料ポンプ６１には、燃圧センサ６１１が設けられ、燃料ポンプ６１の圧力を監視する。インジェクタ６２は、吸気ポート４２Ｆ，４２Ｒに配置され、燃料の噴射量や燃料の噴射タイミングを細かく制御する。

ＥＣＵ（ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）７は、エンジンを総合的に制御する制御装置であって、本実施の形態では、上述した可変バルブタイミング機構５（吸気側可変バルブタイミング機構５１、排気側可変バルブタイミング機構５２）、燃料噴射装置６を総合的に制御する。具体的には、吸気側に設置された吸気側可変バルブタイミング機構５１を制御することにより、吸気弁４８Ｆ，４８Ｒの開閉タイミングを制御し、排気側に設置された排気側可変バルブタイミング機構５２を制御することにより、排気弁４９Ｆ，４９Ｒの開閉タイミングを制御する。

図２は、従来のエンジンのクランク角と排気弁のリフト量及び排気流量との関係を示す図である。図３は、本発明の実施の形態に係るエンジンのクランク角と排気弁のリフト量及び排気流量との関係を示す図であって、４番気筒の排気弁の開弁タイミングと開弁速度を調整したものを示す図である。図４は、本発明の実施の形態に係るエンジンの排ガスの流れを示す模式図であって、４番気筒の排気弁の開弁タイミングと開弁速度を調整したものを示す図である。

図４に示すように、本発明の実施の形態であるエンジンは、シリンダ３１が車両前後方向に並ぶように、自動車のエンジンルーム（図示せず）に設置される。エンジンのシリンダ３１は、以下の説明において、車両前方から車両後方に向けて、それぞれ、１番気筒＃１、２番気筒＃２、３番気筒＃３、４番気筒＃４と称する。また、図２に示すように、ここで説明するエンジンは、点火順序が１番気筒＃１、３番気筒＃３、４番気筒＃４、２番気筒＃２の順であり、排気順序も１番気筒＃１、３番気筒＃３、４番気筒＃４、２番気筒＃２の順である。

また、上述したように、本発明の実施の形態であるエンジンは、シリンダ（気筒）３１ごとに二つの排気ポート４３Ｆ，４３Ｒが設けられ、これらは、車両前方から車両後方に向けて一列に整列している。また、上述したように、排気ポート４３Ｆ，４３Ｒには、それぞれ排気弁４９Ｆ，４９Ｒが取り付けられる。

また、図２及び図３に示すとおり、１番気筒＃１の吸気行程における上死点（ＴＤＣ（ＴｏｐＤｅａｄＣｅｎｔｅｒ））を基準（クランクアングルで０度）とした場合に、１番気筒＃１はクランクアングルで−１８０度から０度までが排気行程であり、０度から１８０度までが吸気行程、１８０度から３６０度までが圧縮行程、３６０度から５４０度までが膨張行程となる。同様に、３番気筒＃３はクランクアングルで、−１８０度から０度までが膨張行程であり、０度から１８０度までが排気行程、１８０度から３６０度までが吸気行程、３６０度から５４０度までが圧縮行程となる。また、４番気筒＃４はクランクアングルで、−１８０度から０度までが圧縮行程であり、０度から１８０度までが膨張行程、１８０度から３６０度までが排気行程、３６０度から５４０度までが吸気行程となる。また、２番気筒＃２はクランクアングルで−１８０度から０度が吸気行程であり、０度から１８０度までが圧縮行程、１８０度から３６０度までが膨張行程、３６０度から５４０度までが排気行程となる。

図２に示すように、本発明の実施の形態であるエンジンは、すべての気筒において、排気弁４９Ｆ，４９Ｒの開閉タイミング、排気弁４９Ｆ，４９Ｒの開弁速度、排気弁４９Ｆ，４９Ｒのリフト量を同一に設定する。この状態で、エンジンを駆動すると、排気通路４５の形状、排気経路の長さ等により、排気が混ざったり、排気が空燃比センサ４７を迂回したりすることがある。この場合には、空燃比センサ４７で検出された排ガスがどの気筒から排出されたものか判別できない。

例えば、３番気筒＃３から排出された排ガスが空燃比センサ４７のまわりに残る特性を有するエンジンでは、空燃比センサ４７は３番気筒＃３から排出された排ガスを検出しているのか、４番気筒＃４から排出された排ガスを検出しているのか判別できない。この場合には、４番気筒＃４から排出された排ガスが空燃比センサ４７を迂回していることも想定される。

この場合には、点火が連続する気筒であって、排気期間が重なる二つの気筒間で、後から排気する気筒の下死点（ＢＤＣ（ＢｏｔｔｏｍＤｅａｄＣｅｎｔｅｒ））に対する排気弁４９Ｆ，４９Ｒの開弁タイミングを先に排気する気筒の下死点（ＢＤＣ）に対する排気弁４９Ｆ，４９Ｒの開弁タイミングよりも早めるとともに、後から排気する気筒の排気弁４９Ｆ，４９Ｒの開弁速度を先に排気する気筒の排気弁４９Ｆ，４９Ｒの開弁速度よりも遅くする。

上述した例では、図３に示すように、４番気筒＃４の排気弁４９Ｆ，４９Ｒの排気タイミングを排気カムシャフトのプロフィールを調整することにより、図３において二点鎖線で示す従来のものよりも５°〜１０°早めるとともに、４番気筒＃４の開弁速度を従来のものよりも遅くする。このようにすれば、４番気筒＃４の下死点（ＢＤＣ）に対する排気弁４９Ｆ，４９Ｒの排気タイミングは３番気筒＃３の下死点（ＢＤＣ）に対する排気タイミングよりも早くなり、４番気筒＃４の開弁速度は３番気筒＃３の開弁速度よりも遅くなる。これにより、４番気筒の排気弁４９Ｆ，４９Ｒのリフト量の立ち上がり角度が３番気筒の排気弁４９Ｆ，４９Ｒのリフト量の立ち上がり角度よりも緩くなる。

例えば、３番気筒＃３では下死点前（ＢＢＤＣ（ＢｅｆｏｒｅＢｏｔｔｏｍＤｅａｄＣｅｎｔａｅｒ））３〜６０°で排気弁４９Ｆ，４９Ｒの開放を開始するとすれば、４番気筒＃４は下死点前（ＢＢＤＣ）８〜６５°（５°早めた場合）で排気弁４９Ｆ，４９Ｒの開放を開始することになる。これにより、４番気筒＃４の排気弁４９Ｆ，４９Ｒは、３番気筒＃３の排気弁４９Ｆ，４９Ｒよりもゆっくり開くことができる。このように設定すれば、図４に示すように、３番気筒＃３から排出された排ガスＥ３が空燃比センサ４７のまわりに残る特性を有するエンジンであっても、４番気筒＃４から排出された排ガスＥ４が空燃比センサ４７のまわりに残る排ガス（３番気筒＃３から排出された排ガスＥ３）を払い除けることができる。これにより、４番気筒＃４から排出された排ガスＥ４が空燃比センサ４７に当たることになり、４番気筒＃４から排出された排ガスを確実に検出することができる。

また、上述の実施の形態では排気カムシャフトのプロフィールを調整することで３番気筒＃３の開弁タイミングを図３の二点鎖線で示す従来のものよりも５°〜１０°早めるが、例えば、３番気筒＃３の排気行程において、排気側の可変バルブタイミング機構５２を用いて排気カムシャフトの位相を５°〜１０°早めることで、気筒毎にカムのプロフィールを変えることなく排気抵抗を減らすことも可能であるし、カムのプロフィールによる開弁タイミングの調整と上述の可変バルブタイミング機構５１と両方を用いて排気弁４１Ｆ，４１Ｒの開弁特性を変えることも考えられる。

以上説明したように、本発明の実施の形態であるエンジンは、点火が連続する気筒であって、排気期間が重なる二つの気筒間で、後から排気する気筒（上述の例では、４番気筒＃４）から排出された排ガスの流れが先に排気する気筒（上述の例では、３番気筒＃３）から排出された排ガスの流れを変更する。これにより、先に排気する気筒から排出された排ガスが空燃比センサ４７のまわりに残る特性を有するエンジンであっても、先に排気する気筒から排出された排ガスと後から排気する気筒から排出された排ガスとを区別することができるようになり、気筒ごとに、排ガスの空燃比を検出できる。

また、後から排気する気筒（上述の例では、４番気筒＃４）の排気弁４９Ｆ，４９Ｒの開弁速度を先に排気する気筒（上述の例では、３番気筒＃３）の排気弁４９Ｆ，４９Ｒの開弁速度よりも遅くするので、後に排気する気筒（上述の例では、４番気筒＃４）から排出される排ガスの初期流れが抑制され、先に排気する気筒（上述の例では、３番気筒＃３）から排出される排ガスの流れへの影響を小さくできる。

また、排気通路４５の排気集合部４５３がシリンダヘッド４に形成されるので、エンジン本体２に触媒４６を近接配置することができる。そして、上述したように、エンジン本体２に触媒４６を近接配置すれば、触媒はエンジンの始動後早期に暖められ、触媒４６の活性が高められる。これによりエンジンの始動後早期から排ガスが浄化され、排ガスを良化できる。

本発明は、排ガスの圧力損失を抑制しつつ、複数の気筒から排出された排ガスの空燃比を気筒ごとに検出できるので、自動車のエンジンの排気装置に好適である。

２エンジン本体
３シリンダブロック
３１シリンダ
３２クランクシャフト
３３ピストン
４シリンダヘッド
４１燃焼室
４２Ｆ，４２Ｒ吸気ポート
４３Ｆ，４３Ｒ排気ポート
４４吸気通路
４５排気通路
４５１枝通路
４５２幹通路
４５３排気集合部
４６触媒
４７空燃比センサ
４８Ｆ，４８Ｒ吸気弁
４９Ｆ，４９Ｒ排気弁
５可変バルブタイミング機構
５１吸気側可変バルブタイミング機構
５２排気側可変バルブタイミング機構
６燃料噴射装置
７ＥＣＵ
＃１１番気筒
＃２２番気筒
＃３３番気筒
＃４４番気筒

Claims

複数気筒を有し、排気集合部に近接して空燃比センサが設置され、前記気筒ごとの空燃比を検出するエンジンの排気装置において、
排気期間が重なる二つの気筒間で、後から排気する気筒の排気弁の開弁タイミングを先に排気する気筒の排気弁の開弁タイミングよりも早くするとともに、前記後から排気する気筒の排気弁のリフト量の変化率を前記先に排気する気筒の排気弁のリフト量の変化率よりも小さくすること特徴とするエンジンの排気装置。
前記排気集合部がシリンダヘッドに形成されたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気装置。
前記エンジンは、４つの気筒が長手方向に並んで配され、外側気筒と前記外側気筒に隣接する内側気筒を備え、
排気期間が重なる二つの気筒は前記内側気筒と前記外側気筒であり、
前記内側気筒の排気通路に対し前記外側気筒の排気通路は長く、
前記外側気筒の排気弁の開弁タイミングを前記内側気筒に対する開弁タイミングよりも早くするとともに前記外側気筒の排気弁のリフト量の変化率を前記内側気筒の排気弁のリフト量の変化率よりも小さくすることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載のエンジンの排気装置。