JP6548571B2 - 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。

気筒における混合気の燃焼温度を低下させてＮＯ_xの排出量を削減しつつ、ポンピングロスの低減を図る排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が周知である。ＥＧＲ装置は、気筒で発生する燃焼ガス即ち排気ガスをＥＧＲ通路経由で吸気通路に還流させて吸気に混交するものである。

近時、燃費性能のより一層の向上を目論み、内燃機関が包有する気筒のうちの特定の気筒をＥＧＲ専用の気筒とし、当該気筒の排気ポートと吸気通路とをＥＧＲ通路により接続して、当該気筒から排出される排気ガスの全量を吸気通路に還流させることが試みられている（例えば、下記特許文献を参照）。

米国特許第８２９１８９１号明細書

多気筒かつ大排気量の内燃機関にあっては、特定の気筒をＥＧＲ専用の気筒としたとしても、他の気筒から排出される排気ガスを利用して排気ターボ過給機を稼働させ、十分な出力を得ることが可能である。

しかしながら、小排気量の三気筒エンジン等では、特定の気筒をＥＧＲ専用の気筒とすることで、高負荷運転時ないし全負荷（Ｗｉｄｅ Ｏｐｅｎ Ｔｈｒｏｔｔｌｅ）運転時に排気ターボ過給機が必要十分に機能せず、要求される出力性能を達成できない懸念が生じる。

以上の点に初めて着目してなされた本発明は、特定の気筒をＥＧＲ専用の気筒としながらも、必要時には高い出力を得られるような内燃機関を実現することを所期の目的とする。

本発明では、特定の一または複数の気筒の排気ポートと吸気通路とを接続し当該気筒から排出される排気ガスの全量をＥＧＲガスとして吸気通路に還流させることのできるＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路を開閉することのできるＥＧＲバルブと、前記特定の気筒以外の気筒の排気ポートと排気ターボ過給機の排気タービンとを接続し当該気筒から排出される排気ガスを排気タービンに流入させることのできる排気通路と、前記ＥＧＲ通路と前記排気通路とを接続する連絡通路と、前記連絡通路を開閉することのできる制御バルブとを備えており、前記特定の気筒の排気バルブの開弁期間の長さまたはバルブリフト量が、前記特定の気筒以外の気筒の排気バルブの開弁期間の長さまたはバルブリフト量よりも小さく、中負荷の運転領域において、制御バルブを全閉するとともにＥＧＲバルブを開弁し、高負荷ないし全負荷の運転領域において、ＥＧＲバルブの開度を中負荷の運転領域よりも縮小または全閉して制御バルブを開弁し、低負荷の運転領域において、制御バルブを開弁するとともにＥＧＲバルブを全閉する内燃機関。

本発明によれば、特定の気筒をＥＧＲ専用の気筒としながらも、必要時には高い出力を得られるような内燃機関を実現することができる。

本発明の一実施形態の内燃機関の構成を模式的に示す図。 同実施形態の内燃機関における各気筒の排気バルブの開度の推移を示す図。 同実施形態の内燃機関における各気筒の排気バルブを駆動する排気カムのカムプロフィールを示す図。

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。本実施形態の内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１１、１２、１３を具備する。図示例の内燃機関は、三気筒エンジンである。各気筒１１、１２、１３の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するためのインジェクタ（図示せず）を設けている。また、各気筒１１、１２、１３の燃焼室の天井部に、点火プラグ（図示せず）を取り付けてある。点火プラグは、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。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

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１１、１２、１３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、排気ターボ過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３５、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３及び吸気マニホルド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１２、１３内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を、各気筒１２、１３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、排気ターボ過給機５の排気タービン５２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

本実施形態の内燃機関が包有する気筒１１、１２、１３のうちの特定の気筒１１は、吸気に混交するべきＥＧＲガスを供給するＥＧＲ専用の気筒である。この気筒１１には、排気通路４を接続せず、代わりにＥＧＲ通路２を接続している。ＥＧＲ通路２は、ＥＧＲ専用である特定の気筒１１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を、当該気筒１１の排気ポートから吸気通路３へと導く。ＥＧＲ通路２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に接続する。ＥＧＲ通路２上には、ＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲバルブ２２を設ける。ＥＧＲクーラ２１には、酸及びアルカリ対策を施しておくことが好ましい。ＥＧＲバルブ２２は、ＥＧＲ通路２を開閉し、当該ＥＧＲ通路２を流れるＥＧＲガスの流量を制御する。

加えて、本実施形態の内燃機関にあっては、ＥＧＲ通路２と排気通路４とを接続する連絡通路６を設けるとともに、この連絡通路６上に制御バルブ６１を設置している。制御バルブ６１は、連絡通路６を開閉し、当該連絡通路６を流れる排気ガスの流量を制御する。

排気ターボ過給機５は、排気タービン５２とコンプレッサ５１のインペラとをシャフト５３を介して同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、排気通路４から排気タービン５２に流れ込む排気ガスのエネルギを利用して、タービン５２及びコンプレッサ５１のインペラを回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１１、１２、１３に送り込む。

本実施形態の内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０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またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求されるエンジン負荷）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、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号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（過給圧）を検出する吸気温・吸気圧センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の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、車載のバッテリの端子電流及び／または端子電圧を検出するセンサから出力されるバッテリ電流／電圧信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグのイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ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２２に対して開度操作信号ｌ、制御バルブ６１に対して開度操作信号ｍ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１１、１２、１３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、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）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を出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態において、ＥＧＲ専用である特定の気筒１１に供給する混合気の空燃比は、理論空燃比よりもリッチとする。これに対し、それ以外の気筒１２、１３に供給する混合気の空燃比は、理論空燃比またはその近傍（ＥＧＲ専用の気筒１１に供給する混合気の空燃比と比較してリーン）に制御する。そのために、ＥＧＲ専用の気筒１１に付随するインジェクタから噴射する燃料の量を、他の気筒１２、１３に付随するインジェクタから噴射する燃料の量よりも多くする。

さらに、図２に示すように、ＥＧＲ専用の気筒１１の排気バルブの開弁期間（破線で表す）を、それ以外の気筒１２、１３の排気バルブの開弁期間（実線で表す）よりも短くする。そのために、図３に示すように、ＥＧＲ専用の気筒１１の排気バルブを駆動する排気カム（破線で表す）のカム作動角θを、それ以外の気筒１２、１３の排気バルブを駆動する排気カム（実線で表す）のカム作動角θ’よりも狭角とする。

以上の結果、ＥＧＲ専用の気筒１１からＥＧＲ通路２に排出される排気ガスが、それ以外の気筒１２、１３から排気通路４に排出される排気ガスよりも高温かつ高圧となる。従って、制御バルブ６１を開弁して連絡通路６を開通させると、ＥＧＲ通路２から排気通路４に排気ガスが流入することとなる。

本実施形態のＥＣＵ０は、できるだけ多くの量のＥＧＲガスを吸気に混入してＥＧＲ率を高めるべき状況、例えば中負荷の運転領域において、制御バルブ６１を全閉するとともにＥＧＲバルブ２２を開弁し、ＥＧＲ専用の気筒１１から排出される排気ガスを全量、ＥＧＲ通路２経由で吸気通路３に流入させる。これにより、燃料消費量を削減でき、かつポンピングロスも低減する。

他方、ＥＧＲ率を低下させるべき状況、例えば高負荷ないし全負荷の運転領域においては、制御バルブ６１を開弁し、必要であればＥＧＲバルブ２２の開度を縮小または全閉して、ＥＧＲ専用の気筒１１から排出される排気ガスの一部または全部を、ＥＧＲ通路２、連絡通路６及び排気通路４経由で排気タービン５２に流入させる。これにより、必要とされるエンジン出力を達成することが可能となる。

また、低負荷の運転領域やアイドル運転中は、制御バルブ６１を開弁するとともにＥＧＲバルブ２２を全閉して、吸気通路３を流れる吸気にＥＧＲガスが混入しないようにする。

本実施形態では、特定の気筒１１の排気ポートと吸気通路３とを接続し当該気筒１１から排出される排気ガスの全量をＥＧＲガスとして吸気通路３に還流させることのできるＥＧＲ通路２と、前記特定の気筒１１以外の気筒１２、１３の排気ポートと排気ターボ過給機５の排気タービン５２とを接続し当該気筒１２、１３から排出される排気ガスを排気タービン５２に流入させることのできる排気通路４と、前記ＥＧＲ通路２と前記排気通路４とを接続する連絡通路６と、前記連絡通路６を開閉することのできる制御バルブ６１とを備えており、前記特定の気筒１１の排気バルブの開弁期間の長さが前記特定の気筒１１以外の気筒１２、１３の排気バルブの開弁期間の長さよりも小さい内燃機関を構成した。

本実施形態によれば、特定の気筒をＥＧＲ専用の気筒としながらも、必要時には高い出力を得られるような内燃機関を実現することができる。本実施形態の内燃機関の構成は、小排気量または少数気筒のエンジンに特に適している。

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。例えば、上記実施形態では、ＥＧＲ専用の気筒１１が単一であったが、ＥＧＲ専用の気筒が二以上存在していてもよい。この場合にも、ＥＧＲ専用の二以上の気筒の排気ポートと吸気通路とをＥＧＲ通路を介して接続し、それ以外の気筒の排気ポートと排気タービンとを排気通路を介して接続するとともに、それらＥＧＲ通路と排気通路とを連絡通路６を以て接続する。

ＥＧＲ専用の気筒１１の排気バルブの開弁期間をそれ以外の気筒１２、１３の排気バルブの開弁期間よりも短くすることに代えて、またはこれとともに、図２に示すように、ＥＧＲ専用の気筒１１の排気バルブのバルブリフト量（即ち、開度。鎖線で表す）をそれ以外の気筒１２、１３の排気バルブのバルブリフト量（実線で表す）よりも小さくすることもできる。そのためには、図３に示すように、ＥＧＲ専用の気筒１１の排気バルブを駆動する排気カム（鎖線で表す）のカムリフトＬを、それ以外の気筒１２、１３の排気バルブを駆動する排気カム（実線で表す）のカムリフトＬよりも小さくする。

ＥＧＲ専用の気筒１１の排気バルブ及び／またはそれ以外の気筒１２、１３の排気バルブが、排気カムによって開閉駆動されるとは限らない。排気バルブとして電磁ソレノイドバルブが実装されている内燃機関であれば、その開弁期間及び／またはバルブリフト量をＥＣＵ０により直接制御することが可能である。

その他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に適用することができる。

１…特定の気筒
１…特定の気筒以外の気筒
２…ＥＧＲ通路
３…吸気通路
４…排気通路
５…排気ターボ過給機
５２…排気タービン
６…連絡通路
６１…制御バルブ

Claims (1)

1. 特定の一または複数の気筒の排気ポートと吸気通路とを接続し当該気筒から排出される排気ガスの全量をＥＧＲガスとして吸気通路に還流させることのできるＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路を開閉することのできるＥＧＲバルブと、
   前記特定の気筒以外の気筒の排気ポートと排気ターボ過給機の排気タービンとを接続し当該気筒から排出される排気ガスを排気タービンに流入させることのできる排気通路と、
   前記ＥＧＲ通路と前記排気通路とを接続する連絡通路と、
   前記連絡通路を開閉することのできる制御バルブとを備えており、
   前記特定の気筒の排気バルブの開弁期間の長さまたはバルブリフト量が、前記特定の気筒以外の気筒の排気バルブの開弁期間の長さまたはバルブリフト量よりも小さく、
   中負荷の運転領域において、制御バルブを全閉するとともにＥＧＲバルブを開弁し、
   高負荷ないし全負荷の運転領域において、ＥＧＲバルブの開度を中負荷の運転領域よりも縮小または全閉して制御バルブを開弁し、
   低負荷の運転領域において、制御バルブを開弁するとともにＥＧＲバルブを全閉する内燃機関。

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