JP6355452B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に関する。

内燃機関を高回転ないし高負荷で運転すると、高温の排気ガスが多量に排気通路に流れ込み、排気浄化用の三元触媒が過熱されて触媒の溶損を招くおそれがある。そこで、従来より、触媒に対する熱害が懸念される状況下において燃料噴射量を増量し、燃料の気化熱を利用して排気の温度を低下させることで、触媒の保護を図る制御が実施されている（例えば、下記特許文献を参照）。

しかしながら、触媒の保護を目的とした燃料噴射量の増量は、燃費性能の低下につながる上、空燃比のリッチ化により有害物質の排出量が増大する可能性も否定できない。故に、そのような燃料噴射量の増量によらずに触媒の熱害を防止することが望ましい。

排気マニホルドの表面積を大きくしたり、排気ポートから触媒までの管路長を長くしたりして、触媒に流入する排気ガスの温度降下を促すことは、触媒の溶損防止の面では有効である。だが、冷間始動の際に触媒を早期に活性化（昇温）させるためには不利となる。

他の方法として、排気ガスと冷媒との間で熱交換して排気ガスを冷却する熱交換器を排気通路に付設することも考えられるものの、内燃機関全体が肥大化してエンジンルーム内の限られた空間を圧迫してしまうきらいがある。無論、熱交換器を実装することに伴う構造の複雑化、そしてコストの増加も見過ごせない。

特開２０１３−１３６９４６号公報

本発明は、内燃機関の排気通路に装着される排気浄化用の触媒が受ける熱害を燃料噴射量の増量によらずに抑制するとともに、冷間始動時には当該触媒を速やかに昇温させることができるようにすることを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、排気通路における排気浄化用の触媒よりも下流に排気絞り手段（バルブ、可変絞り等）を設け、始動直後の時期において、前記排気絞り手段を絞られた第一の開度に操作するとともに、始動直後以外の時期において、中回転または中負荷の運転領域では前記排気絞り手段を前記第一の開度よりも大きい第二の開度に操作し、高回転または高負荷の運転領域では前記排気絞り手段を前記第二の開度よりもさらに大きい第三の開度に操作する内燃機関を構成した。

内燃機関の始動直後の時期には、排気絞り手段を第一の開度まで絞ることにより、排気絞り手段の上流に所在する排気通路内の排気ガスの圧力及び温度を高め、触媒の早期の昇温を促す。そして、始動直後以外の時期において、触媒に対する熱害が懸念される運転領域では、排気絞り手段を第三の開度まで大きく拡開することで、排気絞り手段の上流に所在する排気通路内の排気ガスの圧力及び温度を低下させ、触媒の溶損その他の熱害を回避する。

前記始動直後の時期において、前記第一の開度を、冷却水温または触媒温の高低に応じて調節するものとしてもよい。さすれば、冷却水温または触媒温が比較的高いときに、排気絞り手段の開度をより拡大してポンピングロス（圧力損失）を低減させることができる。

前記始動直後以外の時期において、前記第二の開度を、気筒に充填される吸気に混交するべきＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガスの量に係る要求ＥＧＲ量（吸気中に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率であることがある）が高いほど小さくするものとしてもよい。さすれば、要求ＥＧＲ量が比較的高いときに、排気絞り手段の開度をより縮小して背圧を増大させ、外部ＥＧＲガス及び／または内部ＥＧＲガスを必要十分に増量することが可能となる。前記要求ＥＧＲ量は、中負荷の運転領域において最も高く、そこからアクセル開度が縮小するほど低下し、またアクセル開度が拡大するほど低下する。

本発明によれば、内燃機関の排気通路に装着される排気浄化用の触媒が受ける熱害を燃料噴射量の増量によらずに抑制するとともに、冷間始動時には当該触媒を速やかに昇温させることができるようになる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の構成を示す図。 同実施形態の内燃機関に付随する可変バルブタイミング機構を示す図。 同実施形の内燃機関の要求負荷と要求ＥＧＲ量との関係を示す図。 同実施形の内燃機関の始動直後の時期における排気絞り手段の開度の推移を示す図。 同実施形の内燃機関の始動直後以外の時期における、運転領域と排気絞り手段の開度との関係を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、吸気絞りバルブたる電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び複数の排気浄化用触媒４０、４１を配置している。そして、触媒４０、４１の下流（特に、排気通路４の最後尾にあるマフラーの直上流）に、排気絞り手段として排気バルブ４３を設置している。排気バルブ４３は、内燃機関の運転制御を司る制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０からの制御信号ｎの入力を受けてその開度を変化させる、電磁ソレノイドまたはモータ駆動のバルブである。

本実施形態の内燃機関には、排気通路４を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路３に還流させ吸気に混交することのできる排気ガス再循環装置２が付帯している。この外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４０、４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。このＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気バルブ４３よりも上流に位置する。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

図２に示すように、本実施形態の内燃機関では、クランクスプロケット７１、吸気側スプロケット７２及び排気側スプロケット７３にタイミングチェーン７４を巻き掛け、このタイミングチェーン７４により、クランクシャフトからもたらされる回転駆動力を吸気側スプロケット７２を介して吸気カムシャフトに、排気側スプロケット７３を介して排気カムシャフトに、それぞれ伝達している。

その上で、吸気側スプロケット７２と吸気カムシャフトとの間に、可変バルブタイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構６を介設している。本実施形態におけるＶＶＴ機構６は、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの回転位相を変化させることにより吸気バルブの開閉タイミングを変化させるものである。

ＶＶＴ機構６のハウジング６１は、吸気側スプロケット７２に固着しており、吸気側スプロケット７２とハウジング６１とは一体となってクランクシャフトに同期して回転する。これに対し、吸気カムシャフトの一端部に固着したロータ６２は、ハウジング６１内に収納され、吸気側スプロケット７２及びハウジング６１に対して相対的に回動することが可能である。ハウジング６１の内部には、作動液が流出入する複数の流体室が形成され、各流体室は、ロータ６２の外周部に成形されたベーン６２１によって進角室６１２と遅角室６１１とに区画されている。

ＶＶＴ機構６の液圧（特に、油圧）回路には、オイルパン８１内に蓄えられた作動液が液圧ポンプ８２より供給される。液圧ポンプ８２は、内燃機関からの動力で駆動される。液圧ポンプ８２とＶＶＴ機構６との間には、切換制御弁であるＯＣＶ（Ｏｉｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ）９を設けている。作動液の流量及び方向をこのＯＣＶ９を介して操作することで、オイルパン８１から汲み上げた作動液を進角室６１２または遅角室６１１に選択的に供給することができる。さすれば、ハウジング６１がロータ６２に対して相対回動し、吸気バルブの開閉タイミングを進角または遅角させることができる。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量をアクセル開度（運転者が要求する機関出力、いわば要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、外気温を検出する気温センサから出力される外気温信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタ１３に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＯＣＶ９に対して制御信号ｍ、排気バルブ４３に対して開度操作信号ｎ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、要求ＥＧＲ量（または、要求ＥＧＲ率）、点火タイミング、吸気バルブタイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎを出力インタフェースを介して印加する。

図３に示すように、気筒１に充填される吸気に混交するべきＥＧＲガスの量に係る要求ＥＧＲ量（吸気中に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率であることがある）は、原則として、アクセル開度が中程度の中負荷運転領域において最も高く、そこからアクセル開度が縮小するほど低下し、またアクセル開度が拡大するほど低下する。

ＥＧＲ量は、外部ＥＧＲ装置２によって実現される外部ＥＧＲガス量と、ＶＶＴ機構６によって実現される内部ＥＧＲガス量との総和である。吸気バルブの開弁タイミングを進角し、吸気バルブ及び排気バルブがともに開くバルブオーバラップ期間を延長するほど、気筒１に残留する排気ガスの量即ち内部ＥＧＲガス量が増加する。アクセル開度が全閉または全閉に近いアイドリングないし低負荷運転領域や、アクセル開度が全開または全開に近い全負荷運転領域では、要求ＥＧＲ量（要求ＥＧＲ率）は０となることから、ＥＧＲバルブ２３を全閉するとともに、吸気バルブタイミングを十分に遅角してバルブオーバラップ期間をほぼ０とする。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドルストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータモータまたはモータジェネレータ。図示せず）に制御信号ｏを入力し、電動機によりクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

しかして、本実施形態の内燃機関では、始動直後の時期において、排気バルブ４３を絞られた第一の開度に操作するとともに、始動直後以外の時期において、中回転または中負荷の運転領域では排気バルブ４３を第一の開度よりも大きい第二の開度に操作し、高回転または高負荷の運転領域では排気バルブ４３を第二の開度よりもさらに大きい第三の開度に操作することとしている。

排気バルブ４３の開度を縮小すると、排気バルブ４３の上流に所在する排気通路４内の排気ガスの圧力が増大し、排気ガスの温度が上昇する。同時に、背圧が高まるために、外部ＥＧＲ通路２１経由で排気通路４から吸気通路３に向かって流れる外部ＥＧＲガスの量が増加し、及び／または、気筒１に残留する内部ＥＧＲガスの量が増加する。翻って、排気バルブ４３の開度を拡大すると、排気バルブ４３の上流に所在する排気通路４内の排気ガスの圧力が減少し、排気ガスの温度が低下する。

そこで、内燃機関の始動直後の時期には、排気バルブ４３の開度を十分に縮小し、触媒４０、４１に流入する排気ガスの温度を高めて、触媒４０、４１の早期の昇温ひいては活性化を促進する。同時期における排気バルブ４３の開度である第一の開度は、内燃機関の温度（冷却水温）が高いほど大きく設定し、及び／または、触媒４０、４１の温度（触媒作用を営む貴金属類を担持する担体の床温）が高いほど大きく設定する。これにより、図４に示すように、内燃機関の始動当初は排気バルブ４３の開度が顕著に小さく、その後内燃機関及び触媒４０、４１の暖機が進行するにつれて排気バルブ４３の開度が徐々に拡がってゆく。

触媒４０、４１の現在温度は、例えば、内燃機関の始動時点の冷却水温及び始動時点から現時点までの間に触媒４０、４１に流入した排気ガスの総量（始動時点から現時点までの気筒１に充填された吸気量の積算（時間積分）値）に基づいて推定することができる。始動時点の冷却水温は、始動時点の触媒４０、４１の温度を示唆する。また、触媒４０、４１に流入した排気ガスの総量は、始動時点から現時点までの間における触媒４０、４１の温度の上昇量を示唆する。なお、触媒４０、４１の温度を検出する温度センサが実装されているならば、当該温度センサを介して触媒４０、４１の現在温度を実測すればよい。

内燃機関の始動後、触媒４０、４１の温度が十分に高まったならば、排気バルブ４３の開度を第一の開度よりも高い第二の開度まで拡大する。より具体的には、冷却水温が所定値まで上昇し、触媒４０、４１の温度が所定値まで上昇し、または内燃機関の始動時点から所定の時間が経過したときに、触媒４０、４１の温度が十分に高まったと見なして、排気バルブ４３を第一の開度から第二の開度に操作する。排気バルブ４３を第二の開度に操作することで、触媒４０、４１に流入する排気ガスの温度が低下する。また、背圧が低下することで、内燃機関のポンピングロスが低減される。

内燃機関の始動直後以外の時期、即ち触媒４０、４１の温度が十分に高まった後の時期においては、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，要求負荷（または、吸気圧、気筒１に充填される吸気量若しくは燃料噴射量）］に従って排気バルブ４３の開度を操作する。図５に、同時期における内燃機関の運転領域と排気バルブ４３の開度との関係を示している。エンジン回転数が所定値よりも高い、顕著な高回転領域では、要求負荷如何によらず触媒４０、４１に多量の排気ガスが流入し、触媒４０、４１が過熱されて熱害を受けるリスクが高い。エンジン回転数が上記の所定値よりは低くとも、エンジン回転数及び要求負荷がともにある程度以上高ければ、やはり触媒４０、４１が過熱されて熱害を受けるリスクがある。そのような状況下では、排気バルブ４３の開度を第二の開度よりも大きい第三の開度に操作して、触媒４０、４１に流入する排気ガスの温度を十分に低下させる。第三の開度は、全開（排気バルブ４３の機械的な限界開度）またはこれに近い開度とすることが望ましい。

他方、エンジン回転数及び要求負荷がともに高くなく、触媒４０、４１が過熱されて熱害を受けるリスクが乏しい状況下では、排気バルブ４３の開度を第三の開度よりも小さい第二の開度に操作する。ＥＣＵ０のメモリには予め、内燃機関の運転領域［エンジン回転数，要求負荷（または、吸気圧、気筒１に充填される吸気量若しくは燃料噴射量）］と、排気バルブ４３の開度（特に、第二の開度をとるか第三の開度をとるか）との関係を規定したマップデータまたは関数式が格納されている。ＥＣＵ０は、現在の運転領域をキーとして当該マップを検索するか、現在の運転領域を表すパラメータを当該関数式に代入して、当該マップまたは関数式で規定された排気バルブ４３の開度を知得し、排気バルブ４３をその開度に操作する。

また、排気バルブ４３を第二の開度に操作する際、その第二の開度は、要求ＥＧＲ量（要求ＥＧＲ率）が高いほど小さく設定する。これにより、要求ＥＧＲ量が比較的高い場合において、排気バルブ４３の開度を縮小して背圧を増大させ、ＥＧＲ通路２１を還流する外部ＥＧＲガス量及び／または気筒１に残留する内部ＥＧＲガス量を増加させることができる。

本実施形態では、排気通路４における排気浄化用の触媒４０、４１よりも下流に排気絞り手段４３を設け、始動直後の時期において、前記排気絞り手段４３を絞られた第一の開度に操作するとともに、始動直後以外の時期において、中回転または中負荷の運転領域では前記排気絞り手段４３を前記第一の開度よりも大きい第二の開度に操作し、高回転または高負荷の運転領域では前記排気絞り手段４３を前記第二の開度よりもさらに大きい第三の開度に操作する内燃機関を構成した。

本実施形態によれば、内燃機関の始動直後の時期において、排気絞り手段４３を第一の開度まで絞ることにより、排気絞り手段４３の上流に所在する排気通路４内の排気ガスの圧力及び温度を高め、触媒４０、４１の早期の昇温を促すことができる。並びに、始動直後以外の時期において、触媒４０、４１に対する熱害が懸念される運転領域では、排気絞り手段４３を第三の開度まで大きく拡開することで、排気絞り手段４３の上流に所在する排気通路４内の排気ガスの圧力及び温度を低下させ、触媒４０、４１の溶損その他の熱害を回避することができる。

また、排気絞り手段４３の開度を三段階以上に変化させることとしたため、高回転域または高負荷域にあっては排気絞り手段４３を第三の開度に操作して触媒４０、４１の溶損を確実に阻止できる。触媒４０、４１に流入する排気ガスの温度降下を目的として、排気通路４における排気ポートから触媒４０、４１までの間の管路長を徒に長くしたり、排気通路４の構造を徒に複雑化したりせずに済むことから、コストの低廉化にも寄与し得る。

加えて、前記始動直後の時期において、前記第一の開度を、冷却水温または触媒温の高低に応じて調節するものとしている。これにより、触媒４０、４１の暖機がある程度以上進行した後や、元々触媒４０、４１の温度が高いアイドルストップからの再始動後に、排気絞り手段４３の開度をより拡大して内燃機関のポンピングロスを低減させることができる。

さらには、前記始動直後以外の時期において、前記第二の開度を、気筒１に充填される吸気に混交するべきＥＧＲガスの量に係る要求ＥＧＲ量（要求ＥＧＲ率）の多寡に応じて調節するものとしているため、要求ＥＧＲ量が比較的高いときに、排気絞り手段４３の開度をより縮小して背圧を増大させ、外部ＥＧＲガス及び／または内部ＥＧＲガスを必要十分に増量することが可能となっている。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関として利用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
２…排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置
２１…ＥＧＲ通路
２３…ＥＧＲバルブ
３…吸気通路
４…排気通路
４０、４１…触媒
４３…排気絞り手段（排気バルブ）

Claims (3)

1. 排気通路における排気浄化用の触媒よりも下流に排気絞り手段を設け、
   始動直後の時期において、前記排気絞り手段を絞られた第一の開度に操作するとともに、
   始動直後以外の時期において、中回転または中負荷の運転領域では前記排気絞り手段を前記第一の開度よりも大きい第二の開度に操作し、高回転または高負荷の運転領域では前記排気絞り手段を前記第二の開度よりもさらに大きい第三の開度に操作する内燃機関。
2. 前記始動直後の時期において、前記第一の開度を、冷却水温または触媒温の高低に応じて調節する請求項１記載の内燃機関。
3. 前記始動直後以外の時期において、前記第二の開度を、気筒に充填される吸気に混交するべきＥＧＲガスの量に係る要求ＥＧＲ量が高いほど小さくすることとし、
   前記要求ＥＧＲ量が、中負荷の運転領域において最も高く、そこからアクセル開度が縮小するほど低下し、またアクセル開度が拡大するほど低下する請求項１または２記載の内燃機関。

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