JP2002227630A - 内燃機関の排気微粒子除去装置 - Google Patents
内燃機関の排気微粒子除去装置Info
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Abstract
ィルタを備えた内燃機関の排気微粒子除去装置におい
て、内燃機関に作用する背圧を過剰に上昇させることな
く、フィルタの捕集能力を再生可能な技術を提供するこ
とを課題とする。 【解決手段】 本発明の内燃機関の排気微粒子除去装置
は、内燃機関の排気通路の途中に設けられ排気中の粒子
状物質を捕集する捕集手段と、内燃機関の排気弁の開閉
タイミングを変更可能とする可変動弁機構と、捕集手段
の捕集能力を再生させるときに排気弁の開弁時期を進角
させるよう可変動弁機構を制御する動弁機構制御手段と
を備え、内燃機関から燃焼直後又は燃焼途中の高温の排
気を排出させ、捕集手段に捕集されている粒子状物質を
燃焼及び除去することを特徴としている。
Description
質を捕集するフィルタを備えた内燃機関の排気微粒子除
去技術に関し、特に吸気弁と排気弁の少なくとも一方の
開閉タイミングおよびまたはリフト量を変更可能とする
可変動弁機構を備えた内燃機関の排気微粒子除去技術に
関するものである。
は、該内燃機関から排出される排気を大気中に放出する
前に、排気中に含まれる一酸化炭素(CO)、炭化水素
(HC)、窒素酸化物(NOx)等の有害ガス成分を浄
化又は除去することにより排気エミッションを向上させ
ることが要求されている。
ーゼル機関では、一酸化炭素(CO)、炭化水素(H
C)、窒素酸化物(NOx)等に加え、排気中に含まれ
る煤やSOF(Soluble Organic Fraction)等の粒子状
物質(PM:Particulate Matter)と呼ばれる排気微粒
子を浄化もしくは除去することも重要である。
非常に小さい細孔を多数備えた多孔質の基材からなるパ
ティキュレートフィルタを排気通路に配置し、そのパテ
ィキュレートフィルタの細孔に排気を流すことにより、
排気中の微粒子を捕集する方法が知られている。
集される排気微粒子量が過剰に増加すると、パティキュ
レートフィルタ内の排気流路の断面積が減少し、排気の
流れが妨げられるようになる。
れが妨げられると、パティキュレートフィルタ上流の排
気通路において排気圧力が高まり、その排気圧力が背圧
として内燃機関に作用してしまう。
集された排気微粒子量が過剰に増加する前に、パティキ
ュレートフィルに捕集された排気微粒子を浄化してパテ
ィキュレートフィルタを再生させる必要がある。
としては、例えば、特開平3−271515号公報に記
載されたような「ディーゼルエンジンの排気微粒子除去
装置」が知られている。
除去装置は、ディーゼルエンジンの排気系に設けられた
フィルタと、フィルタより下流側に設けられてフィルタ
再生時に絞り作動する排気絞り弁と、排気絞り弁が絞り
作動するときの内部EGR量を抑制する抑制手段を備
え、フィルタ再生時には、排気絞り弁を絞り作動させる
とともに内部EGR量の増大を抑制することにより、排
気圧及び排気温度を高めつつ排気中の酸素濃度低下を抑
制し、以てフィルタに捕集された排気微粒子の燃焼を促
進させようとするものである。
ィーゼルエンジンの排気微粒子除去装置のように、フィ
ルタ再生時に排気温度を高めるべく排気絞り弁が絞り作
動すると、排気絞り弁より上流の排気通路における排気
圧力が上昇するため、それに応じて内燃機関に作用する
背圧が過剰に上昇してしまう虞がある。
なされたものであり、排気中の粒子状物質を捕集するフ
ィルタを備えた内燃機関の排気微粒子除去装置におい
て、内燃機関に作用する背圧を過剰に上昇させることな
く、フィルタの捕集能力を再生可能な技術を提供するこ
とを目的とする。
を解決するために以下のような手段を採用した。すなわ
ち、本発明に係る内燃機関の排気微粒子除去装置は、内
燃機関の排気通路の途中に設けられ、排気中の粒子状物
質を捕集する捕集手段と、前記内燃機関の排気弁の開閉
タイミングを変更可能とする可変動弁機構と、前記捕集
手段の捕集能力を再生させるときに前記排気弁の開弁時
期を進角させるよう前記可変動弁機構を制御する動弁機
構制御手段と、を備えることを特徴としている。
子除去装置では、捕集手段の捕集能力を再生するとき
に、動弁機構制御手段が排気弁の開弁時期を進角させる
よう可変動弁機構を制御する。排気弁の開弁時期が進角
された場合には、内燃機関で燃焼中又は燃焼直後の比較
的高温のガスが排気として排出される。内燃機関から排
出された高温の排気は、排気通路を流れ、該排気通路の
途中に設けられた捕集手段に流入する。このようにして
高温の排気が捕集手段に流入すると、捕集手段に捕集さ
れていた粒子状物質が燃焼及び除去され、捕集手段の捕
集能力が再生されることになる。
除去装置は、捕集手段の捕集能力を再生すべく排気弁の
開弁時期が進角されるときに、内燃機関に対する燃料噴
射量を増加させる燃料噴射量増加手段を更に備えるよう
にしてもよい。この場合、内燃機関で燃焼中又は燃焼直
後のガスが排気として排出されても、内燃機関で燃焼に
供される燃料量が増加するため、内燃機関のトルク低下
が抑制される。
除去装置において、可変動弁機構は、排気弁及び吸気弁
の開閉タイミングおよびまたはリフト量を変更可能と
し、動弁機構制御手段は、捕集手段の捕集能力を再生さ
せるときに排気弁の開弁時期を進角させるとともに内燃
機関の吸入空気量を増加させるべく可変動弁機構を制御
するようにしてもよい。この場合、内燃機関で燃焼中又
は燃焼直後のガスが排気として排出されても、内燃機関
で燃焼に供される空気量が増加するため、内燃機関のト
ルク低下が抑制される。
除去装置は、内燃機関の排気通路の途中に設けられ、排
気中の粒子状物質を捕集する捕集手段と、前記内燃機関
の吸気弁と排気弁との少なくとも一方の開閉タイミング
およびまたはリフト量を変更可能とする可変動弁機構
と、前記捕集手段の捕集能力を再生させる場合に、排気
が前記内燃機関へ逆流する行程を追加すべく前記可変動
弁機構を制御する動弁機構制御手段と、を備えるように
してもよい。
子除去装置では、捕集手段の捕集能力を再生するとき
に、動弁機構制御手段は、排気が内燃機関へ逆流する行
程を追加すべく可変動弁機構を制御する。内燃機関の排
気が該内燃機関へ逆流する行程が追加されると、捕集手
段に捕集されていた粒子状物質が排気の逆流によって該
捕集手段から離脱し、排気とともに内燃機関へ流れ込
む。内燃機関に流れ込んだ粒子状物質は、該内燃機関に
おいて再度燃焼されることになる。この結果、捕集手段
の捕集能力が再生される。
燃機関の排気行程後に吸気弁が閉弁し且つ排気弁が開弁
する行程を追加すべく可変動弁機構を制御するようにし
てもよい。
電磁力を利用して吸気弁およびまたは排気弁を開閉駆動
する電磁駆動式の動弁機構を例示することができる。
気微粒子除去装置の具体的な実施態様について図面に基
づいて説明する。
機関の排気微粒子除去装置の第1の実施態様について図
1〜図6に基づいて説明する。
関とその吸排気系の一実施態様を示す図である。図1及
び図2に示す内燃機関1は、4つの気筒21を備えた4
ストローク・サイクルの水冷式ディーゼルエンジンであ
る。
路1cが形成されたシリンダブロック1bと、このシリ
ンダブロック1bの上部に固定されたシリンダヘッド1
aとを備えている。
軸たるクランクシャフト23が回転自在に支持され、こ
のクランクシャフト23は、各気筒21内に摺動自在に
装填されたピストン22とコネクティングロッド19を
介して連結されている。
に複数の歯が形成されたタイミングロータ51aが取り
付けられ、そのタイミングロータ51a近傍のシリンダ
ブロック1bには電磁ピックアップ51bが取り付けら
れている。これらタイミングロータ51aと電磁ピック
アップ51bは、クランクポジションセンサ51を構成
する。
水路1c内を流れる冷却水の温度に対応した電気信号を
出力する水温センサ52が取り付けられている。
トン22の頂面とシリンダヘッド1aの壁面とに囲まれ
た燃焼室24が形成されている。前記シリンダヘッド1
aには、各気筒21の燃焼室24に臨むよう燃料噴射弁
25が取り付けられ、この燃料噴射弁25には、該燃料
噴射弁25に駆動電流を印加するための駆動回路25a
が電気的に接続されている。
1の燃焼室24に臨む部位には、吸気ポート26の開口
端が2つ形成されるとともに、排気ポート27の開口端
が2つ形成されている。そして、前記シリンダヘッド1
aには、前記吸気ポート26の各開口端を開閉する吸気
弁28と、前記排気ポート27の各開口端を開閉する排
気弁29とが進退自在に設けられている。
印加されたときに発生する電磁力を利用して前記吸気弁
28を進退駆動する電磁駆動機構30(以下、吸気側電
磁駆動機構30と称する)が吸気弁28と同数設けられ
ている。各吸気側電磁駆動機構30には、該吸気側電磁
駆動機構30に励磁電流を印加するための駆動回路30
a(以下、吸気側駆動回路30aと称する)が電気的に
接続されている。
印加されたときに発生する電磁力を利用して前記排気弁
29を進退駆動する電磁駆動機構31(以下、排気側電
磁駆動機構31と称する)が排気弁29と同数設けられ
ている。各排気側電磁駆動機構31には、該排気側電磁
駆動機構31に励磁電流を印加するための駆動回路31
a(以下、排気側駆動回路31aと称する)が電気的に
接続されている。
動回路31a、吸気側電磁駆動機構30、及び排気側電
磁駆動機構31は、本発明に係る可変動弁機構を示す例
である。
側電磁駆動機構31の具体的な構成について述べる。
尚、吸気側電磁駆動機構30と排気側電磁駆動機構31
とは同様の構成であるため、吸気側電磁駆動機構30の
みを例に挙げて説明する。
示す断面図である。図3において内燃機関1のシリンダ
ヘッド1aは、シリンダブロック1bの上面に固定され
るロアヘッド10と、このロアヘッド10の上部に設け
られたアッパヘッド11とを備えている。
2つの吸気ポート26が形成され、各吸気ポート26の
燃焼室24側の開口端には、吸気弁28の弁体28aが
着座するための弁座12が設けられている。
6の内壁面から該ロアヘッド10の上面にかけて断面円
形の貫通孔が形成され、その貫通孔には筒状のバルブガ
イド13が挿入されている。前記バルブガイド13の内
孔には、吸気弁28の弁軸28bが貫通し、前記弁軸2
8bが軸方向へ摺動自在となっている。
ガイド13と軸心が同一となる部位には、第1コア30
1及び第2コア302が嵌入される断面円形のコア取付
孔14が設けられている。前記コア取付孔14の下部1
4bは、その上部14aに比して径大に形成されてい
る。以下では、前記コア取付孔14の下部14bを径大
部14bと称し、前記コア取付孔14の上部14aを径
小部14aと称する。
環状の第1コア301と第2コア302とが所定の間隙
303を介して軸方向に直列に嵌挿されている。これら
の第1コア301の上端と第2コア302の下端には、
それぞれフランジ301aとフランジ302aが形成さ
れており、第1コア301は上方から、また第2コア3
02は下方からそれぞれコア取付孔14に嵌挿され、フ
ランジ301aとフランジ302aがコア取付孔14の
縁部に当接することにより第1コア301と第2コア3
02の位置決めがされて、前記間隙303が所定の距離
に保持されるようになっている。
ッパプレート318が配置され、そのアッパプレート3
18の上部には、筒状体の下端に前記アッパプレート3
18と略同径の外径を有するフランジ305aが形成さ
れた形成されたアッパキャップ305が配置されてい
る。
プレート318は、アッパキャップ305のフランジ3
05a上面からアッパプレート318を介してアッパヘ
ッド11の内部へ貫通するボルト304によりアッパヘ
ッド11の上面に固定されている。
パプレート318は、フランジ305aを含むアッパキ
ャップ305の下端がアッパプレート318の上面に当
接すると同時に、アッパプレート318の下面が第1コ
ア301の上面周縁部に当接した状態でアッパヘッド1
1に固定されることになり、その結果、第1コア301
がアッパヘッド11に固定されることになる。
孔14の径大部14bと略同径の外径を有する環状体か
らなるロアプレート307が設けられている。このロア
プレート307は、該ロアプレート307の下面からア
ッパヘッド11へ貫通するボルト306により、前記径
小部14aと径大部14bの段部における下向きの段差
面に固定されている。この場合、ロアプレート307が
第2コア302の下面周縁部に当接した状態で固定され
ることになり、その結果、第2コア302がアッパヘッ
ド11に固定されることになる。
面に形成された溝部には、第1の電磁コイル308が把
持されており、前記第2コア302の間隙303側の面
に形成された溝部には第2の電磁コイル309が把持さ
れている。その際、第1の電磁コイル308と第2の電
磁コイル309とは、前記間隙303を介して向き合う
位置に配置されるものとする。そして、第1及び第2の
電磁コイル308、309は、前述した吸気側駆動回路
30aと電気的に接続されている。
より径小な外径を有する環状体からなるアーマチャ31
1が配置されている。このアーマチャ311は、例え
ば、軟磁性体で形成されている。
第1コア301及び前記第2コア302の中空部より径
小な外径を有する円柱状の非磁性体からなるアーマチャ
シャフト310が前記アーマチャ311の軸心に沿って
上下方向に延出するよう固定されている。
は、その上端が前記第1コア301の中空部を通ってそ
の上方のアッパキャップ305内まで至るとともに、そ
の下端が第2コア302の中空部を通ってその下方の径
大部14b内に至るよう形成されるものとする。
空部の上端と前記第2コア302の中空部の下端との各
々には、前記アーマチャシャフト310の外径と略同径
の内径を有する環状のアッパブッシュ319とロアブッ
シュ320とが設けられ、これらアッパブッシュ319
とロアブッシュ320とにより前記アーマチャシャフト
310が軸方向へ摺動自在に保持されている。
ーマチャシャフト310の上端部には、円板状のアッパ
リテーナ312が接合されるとともに、前記アッパキャ
ップ305の上部開口部にはアジャストボルト313が
螺着され、これらアッパリテーナ312とアジャストボ
ルト313との間には、アッパスプリング314が介在
している。また、前記アジャストボルト313と前記ア
ッパスプリング314との当接面には、前記アッパキャ
ップ305の内径と略同径の外径を有するスプリングシ
ート315が介装されている。
シャフト310の下端部には、吸気弁28の弁軸28b
の上端部が当接している。前記弁軸28bの上端部の外
周には、円盤状のロアリテーナ28cが接合されてお
り、そのロアリテーナ28cの下面とロアヘッド10の
上面との間には、ロアスプリング316が介在してい
る。
30では、吸気側駆動回路30aから第1の電磁コイル
308及び第2の電磁コイル309に対して励磁電流が
印加されていないときは、アッパスプリング314から
アーマチャシャフト310に対して下方向(すなわち、
吸気弁28を開弁させる方向)への付勢力が作用すると
ともに、ロアスプリング316から吸気弁28に対して
上方向(すなわち、吸気弁28を閉弁させる方向)への
付勢力が作用し、その結果、アーマチャシャフト310
及び吸気弁28が互いに当接しつつ所定の位置に弾性支
持された状態、いわゆる中立状態に保持されることにな
る。
ング316の付勢力は、前記アーマチャ311の中立位
置が前記間隙303において前記第1コア301と前記
第2コア302との中間の位置となるよう設定されてお
り、構成部品の初期公差や経年変化等によってアーマチ
ャ311の中立位置が前記した中間位置からずれた場合
には、アーマチャ311の中立位置が前記した中間位置
と一致するようアジャストボルト313によって調整す
ることが可能になっている。
軸28bの軸方向の長さは、前記アーマチャ311が前
記間隙303の中間位置に位置するときに前記弁体28
aが開弁側変位端と閉弁側変位端との中間の位置(以
下、中開位置と称する)となり、且つ、前記アーマチャ
311が第1コア301に当接したときに前記弁体28
aが弁座12に着座するように設定されている。
気側駆動回路30aから第1の電磁コイル308に対し
て励磁電流が印加されている時は、第1コア301と第
1の電磁コイル308とアーマチャ311との間に、ア
ーマチャ311を第1コア301側へ変位させる方向の
電磁力が発生するため、アーマチャ311がアッパスプ
リング314の付勢力に抗して第1コア301に当接し
た状態となる。
した状態にあると、吸気弁28は、ロアスプリング31
6の付勢力を受けて退行し、該吸気弁28の弁体28a
が弁座12に着座した状態、すなわち全閉状態となる。
は、吸気側駆動回路30aから第2の電磁コイル309
に対して励磁電流が印加されている時は、第2コア30
2と第2の電磁コイル309とアーマチャ311との間
に、アーマチャ311を第2コア302側へ変位させる
方向の電磁力が発生するため、アーマチャ311がロア
スプリング316の付勢力に抗して第2コア302に当
接した状態となる。
した状態にあると、アーマチャシャフト310がロアス
プリング316の付勢力に抗して弁軸28bを開弁方向
へ押圧することになり、その押圧力によって吸気弁28
が全開状態に保持される。
は、全閉状態にある吸気弁28を開弁させる場合は、先
ず吸気側駆動回路30aが第1の電磁コイル308に対
する励磁電流の印加を停止する。
イル308とアーマチャシャフト310との間でアーマ
チャ311を第1コア301に引き付ける電磁力が消滅
するため、アーマチャ311及び吸気弁28がアッパス
プリング314の付勢力を受けて開弁方向へ変位する。
1がアッパスプリング314の付勢力を受けて第2コア
302の近傍まで変位した時点で、第2の電磁コイル3
09に対して励磁電流を印加することにより、第2コア
302と第2の電磁コイル309とアーマチャ311と
の間にアーマチャ311を第2コア302に引き付ける
電磁力を発生させる。この電磁力によりアーマチャ31
1が第2コア302と当接する位置(開弁側変位端)ま
で変位し、その結果、吸気弁28が全開状態となる。
は、全開状態にある吸気弁28を閉弁させる場合は、先
ず吸気側駆動回路30aが第2の電磁コイル309に対
する励磁電流の印加を停止する。
イル309とアーマチャシャフト310との間でアーマ
チャ311を第2コア302に引き付ける電磁力が消滅
するため、アーマチャ311及び吸気弁28がロアスプ
リング316の付勢力を受けて閉弁方向へ変位する。
1がロアスプリング316の付勢力を受けて第1コア3
01の近傍まで変位した時点で、第1の電磁コイル30
8に対して励磁電流を印加することにより、第1コア3
01と第1の電磁コイル308とアーマチャ311との
間に、アーマチャ311を第1コア301へ引き付ける
電磁力を発生させる。この電磁力によりアーマチャ31
1が第1コア301と当接する位置(閉弁側変位端)ま
で変位し、その結果、吸気弁28の弁体28aが弁座1
2に着座する。
電磁コイル308と第2の電磁コイル309とに対して
所定のタイミングで交互に励磁電流を印加することによ
り、アーマチャ311が閉弁側変位端と開弁側変位端と
の間で進退動作し、それに伴って弁軸28bが進退駆動
されると同時に弁体28aが開閉動作することになる。
従って、吸気側駆動回路30aが第1の電磁コイル3
08及び第2の電磁コイル309に対する励磁電流の印
加タイミングを変更することにより、吸気弁28の開閉
タイミングを任意に制御することが可能となる。
は、吸気弁28の変位を検出するバルブリフトセンサ3
17が取り付けられている。このバルブリフトセンサ3
17は、アッパリテーナ312の上面に取り付けられた
円板状のターゲット317aと、アジャストボルト31
3における前記アッパリテーナ312と対向する部位に
取り付けられたギャップセンサ317bとから構成され
ている。
317では、前記ターゲット317aが前記吸気側電磁
駆動機構30のアーマチャ311と一体的に変位し、前
記ギャップセンサ317bが該ギャップセンサ317b
と前記ターゲット317aとの距離に対応した電気信号
を出力することになる。
るときのギャップセンサ317bの出力信号値を予め記
憶しておき、その出力信号値と現時点におけるギャップ
センサ317bの出力信号値との偏差を算出することに
より、アーマチャ311及び吸気弁28の変位を特定す
ることが可能となる。
シリンダヘッド1aには、4つの枝管からなる吸気枝管
33が接続され、前記吸気枝管33の各枝管は、各気筒
21の吸気ポート26と連通している。
るためのサージタンク34に接続されている。前記サー
ジタンク34には、吸気管35が接続され、吸気管35
は、吸気中の塵や埃等を取り除くためのエアクリーナボ
ックス36と接続されている。
れる空気の質量(吸入空気質量)に対応した電気信号を
出力するエアフローメータ44が取り付けられている。
前記吸気管35において前記エアフローメータ44より
下流の部位には、該吸気管35内を流れる吸気の流量を
調整するスロットル弁39が設けられている。
タ等からなり印加電力の大きさに応じて前記スロットル
弁39を開閉駆動するスロットル用アクチュエータ40
と、前記スロットル弁39の開度に対応した電気信号を
出力するスロットルポジションセンサ41とが取り付け
られている。
aには、4本の枝管が内燃機関1の直下流において1本
の集合管に合流するよう形成された排気枝管45が接続
され、前記排気枝管45の各枝管が各気筒21の排気ポ
ート27と連通している。
やSOF(Soluble Organic Fraction)等の粒子状物質
(PM:Particulate Matter)と呼ばれる排気微粒子を
捕集するパティキュレートフィルタ49を介して排気管
47に接続され、排気管47は、下流にて図示しないマ
フラーに接続されている。前記パティキュレートフィル
タ49は、本発明に係る捕集手段の一実施態様である。
尚、本実施の形態では、排気枝管45の下流にパティキ
ュレートフィルタ49が配置されているが、排気枝管4
5の各枝管の各々にパティキュレートフィルタが配置さ
れるようにしてもよく、各気筒21の排気ポート27の
各々にパティキュレートフィルタが配置されるようにし
てもよい。
46が設けられ、この排気浄化触媒46より上流の排気
管47には、該排気管47内を流れる排気、言い換えれ
ば、排気浄化触媒46に流入する排気の空燃比に対応し
た電気信号を出力する空燃比センサ48が取り付けられ
ている。
は、例えば、該排気浄化触媒46に流入する排気の空燃
比が理論空燃比近傍の所定の空燃比であるときに排気中
に含まれる炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、窒
素酸化物(NOx)を浄化する三元触媒、該排気浄化触
媒46に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であると
きは排気中に含まれる窒素酸化物(NOx)を吸蔵する
とともに該排気浄化触媒46に流入する排気の空燃比が
理論空燃比もしくはリッチ空燃比であるときは吸蔵して
いた窒素酸化物(NOx)を放出しつつ還元・浄化する
吸蔵還元型NOx触媒、該排気浄化触媒46に流入する
排気の空燃比が酸素過剰状態にあり且つ所定の還元剤が
存在するときに排気中の窒素酸化物(NOx)を還元・
浄化する選択還元型NOx触媒、もしくは上記した各種
の触媒を適宜組み合わせてなる触媒である。
は、該内燃機関1の運転状態を制御するための電子制御
ユニット(Electronic Control Unit:ECU)20が
併設されている。
ルポジションセンサ41、エアフローメータ44、空燃
比センサ48、クランクポジションセンサ51、水温セ
ンサ52、バルブリフトセンサ317に加え、内燃機関
1を搭載した車両の室内に配置されたアクセルペダル4
2に取り付けられ、該アクセルペダル42の操作量に対
応した電気信号を出力するアクセルポジションセンサ4
3が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出
力信号がECU20に入力されるようになっている。
気側駆動回路30a、排気側駆動回路31a、スロット
ル用アクチュエータ40等が電気配線を介して接続さ
れ、ECU20は、上記した各種センサの出力信号値を
パラメータとして、駆動回路25a、吸気側駆動回路3
0a、排気側駆動回路31a、或いはスロットル用アク
チュエータ40を制御することが可能になっている。
に、双方向性バス400によって相互に接続されたCP
U401とROM402とRAM403とバックアップ
RAM404と入力ポート405と出力ポート406と
を備えるとともに、前記入力ポート405に接続された
A/Dコンバータ(A/D)407を備えている。
ョンセンサ41、アクセルポジションセンサ43、エア
フローメータ44、空燃比センサ48、水温センサ5
2、バルブリフトセンサ317等のようにアナログ信号
形式の信号を出力するセンサと電気配線を介して接続さ
れている。このA/D407は、上記した各センサの出
力信号をアナログ信号形式からデジタル信号形式に変換
した後に前記入力ポート405へ送信する。
トルポジションセンサ41、アクセルポジションセンサ
43、エアフローメータ44、空燃比センサ48、水温
センサ52、バルブリフトセンサ317等のようにアナ
ログ信号形式の信号を出力するセンサと前記A/D40
7を介して接続されるとともに、クランクポジションセ
ンサ51のようにデジタル信号形式の信号を出力するセ
ンサと接続されている。
力信号を直接又はA/D407を介して入力し、それら
の出力信号を双方向性バス400を介してCPU401
やRAM403へ送信する。
a、吸気側駆動回路30a、排気側駆動回路31a、ス
ロットル用アクチュエータ40等と電気配線を介して接
続されている。前記出力ポート406は、CPU401
から出力された制御信号を双方向性バス400を介して
入力し、その制御信号を駆動回路25a、吸気側駆動回
路30a、排気側駆動回路31a、又はスロットル用ア
クチュエータ40へ送信する。
るための燃料噴射量制御ルーチン、燃料噴射時期を決定
するための燃料噴射時期制御ルーチン、吸気弁28の開
閉タイミングを決定するための吸気弁開閉タイミング制
御ルーチン、排気弁29の開閉タイミングを決定するた
めの排気弁開閉タイミング制御ルーチン、吸気側電磁駆
動機構30に印加すべき励磁電流量を決定するための吸
気側励磁電流制御ルーチン、排気側電磁駆動機構31に
印加すべき励磁電流量を決定するための排気側励磁電流
量制御ルーチン、スロットル弁39の開度を決定するた
めのスロットル開度制御ルーチン等のアプリケーション
プログラムに加え、パティキュレートフィルタの捕集能
力を再生するためのパティキュレートフィルタ再生制御
ルーチンを記憶している。
ションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶して
いる。前記した制御マップは、例えば、内燃機関1の運
転状態と燃料噴射量との関係を示す燃料噴射量制御マッ
プ、内燃機関1の運転状態と燃料噴射時期との関係を示
す燃料噴射時期制御マップ、内燃機関1の運転状態と吸
気弁28の開閉タイミングとの関係を示す吸気弁開閉タ
イミング制御マップ、内燃機関1の運転状態と排気弁2
9の開閉タイミングとの関係を示す排気弁開閉タイミン
グ制御マップ、内燃機関1の運転状態と吸気側電磁駆動
機構30に印加すべき励磁電流量との関係を示す吸気側
励磁電流量制御マップ、内燃機関1の運転状態と排気側
電磁駆動機構31に印加すべき励磁電流量との関係を示
す排気側励磁電流量制御マップ、内燃機関1の運転状態
とスロットル弁39の開度との関係を示すスロットル開
度制御マップ等である。
やCPU401の演算結果等を記憶する。前記演算結果
は、例えば、クランクポジションセンサ51の出力信号
に基づいて算出される機関回転数等である。前記RAM
403に記憶される各種のデータは、クランクポジショ
ンセンサ51が信号を出力する度に最新のデータに更新
される。
関1の運転停止後もデータを保持する不揮発性のメモリ
であり、各種制御に係る学習値や、異常を発生した箇所
を特定する情報等を記憶する。
記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作
し、燃料噴射制御、吸気弁開閉制御、排気弁開閉制御、
スロットル制御等の周知の制御に加え、本発明の要旨と
なるパティキュレートフィルタ再生制御を実行する。
トフィルタ再生制御について述べる。パティキュレート
フィルタ49は、排気中に含まれる煤やSOF等の粒子
状物質(PM)を捕集するが、その捕集能力には限りが
あるため、捕集能力以上のPMがパティキュレートフィ
ルタ49に堆積すると、パティキュレートフィルタ49
内の排気流路が目詰まりを起こし、内燃機関1に作用す
る背圧が過剰に上昇する等の不具合が発生する虞があ
る。
00℃〜700℃の高温下で燃焼(酸化)されるため、
内燃機関1の排気温度が高くなる高負荷運転領域ではP
Mが高温の排気中で燃焼されてパティキュレートフィル
タ49に堆積し難くなるが、内燃機関1の排気温度が低
くなる低負荷運転領域ではPMが燃焼されずにパティキ
ュレートフィルタ49に堆積され易くなる。このため、
内燃機関1が連続して低負荷運転されると、パティキュ
レートフィルタ49のPM捕集能力が飽和し、前述した
ような不具合を発生する虞がある。従って、内燃機関1
が連続して低中負荷運転される場合は、適当な時期にパ
ティキュレートフィルタ49の温度を500℃〜700
℃の高温域まで昇温させるとともに、パティキュレート
フィルタ49内を酸化雰囲気にする必要がある。
エンジンは、大部分の運転領域においてリーン空燃比で
運転され、それに伴って内燃機関1から排出される排気
の空燃比も大部分の運転領域においてリーン空燃比とな
るため、パティキュレートフィルタ49のPM捕集能力
再生に当たり、排気の空燃比をリーン空燃比とするため
の特別な制御は必要ないと言える。
運転)される内燃機関については、パティキュレートフ
ィルタ49のPM捕集能力を再生する場合に、パティキ
ュレートフィルタ49より上流の排気中に二次空気を添
加する等の手段を用いることにより、パティキュレート
フィルタ49に流入する排気の空燃比をリーン空燃比と
する必要がある。
あるときに、パティキュレートフィルタ49の温度を5
00℃〜700℃の温度域まで昇温させる方法として
は、パティキュレートフィルタ49に電気式のヒータを
取り付け、PM捕集能力を再生させるときに前記ヒータ
によってパティキュレートフィルタ49を加熱する、あ
るいは、パティキュレートフィルタ49より下流の排気
通路に排気絞り弁を設け、PM捕集能力を再生させると
きに前記排気絞り弁の開度を絞ることにより排気絞り弁
より上流の排気圧力及び排気温度を高める等の方法が考
えられる。
49にヒータを取り付ける場合は、ヒータの取り付けス
ペースを確保する必要があり、パティキュレートフィル
タ49の車両搭載性が悪化する等の問題がある。
下流の排気通路に設けられた排気絞り弁を利用して排気
を昇温させる場合は、排気絞り弁の開度を絞ることによ
り排気温度を高めることが可能となるが、排気温度とと
もに排気圧力も上昇するため、内燃機関1に作用する背
圧が不要に高くなる虞がある。
再生制御では、CPU401は、パティキュレートフィ
ルタ49のPM捕集能力を再生するときに、少なくとも
1つの気筒21の排気弁29の開弁時期を通常時より進
角させるべく排気側駆動回路31aを制御するようにし
た。
ときは、排気弁29の開弁時期は、燃焼圧力を利用して
排気効率を向上させるべく、図5の(a)に示されるよ
うに排気行程下死点(膨張行程下死点)の直前に設定さ
れるが、PM捕集能力を再生するときは、少なくとも1
つの気筒21の排気弁29の開弁時期が図5の(b)に
示されるように排気行程の半ばまで進角され、前記気筒
21内で燃焼直後の極めて高温なガス、好ましくは前記
気筒21内で燃焼途中のガスを排気として排出されるよ
うにする。
極めて高温のガスが排出されると、そのガスの熱によっ
て内燃機関1の排気温度が高められる。この高温の排気
がパティキュレートフィルタ49に流入すると、パティ
キュレートフィルタ49に捕集されていたPMが燃焼
(酸化)されて該パティキュレートフィルタ49から除
去されることになる。
ときは、排気弁29の閉弁時期は、排気の慣性効果によ
る吸気の充填効率向上を目的として、図5の(a)に示
されるように排気行程上死点(吸気行程上死点)後に設
定されるが、PM捕集能力を再生するときには、排気弁
29の閉弁時期は、図5の(b)に示されるように排気
行程上死点(吸気行程上死点)の前まで進角され、気筒
21内に多少の排気が残留するようにした。
ると、排気行程に続く吸気行程において気筒21内に吸
入された新気が残留排気の熱を受けて昇温することにな
り、それに応じて前記気筒21内の燃焼温度が高めら
れ、以て前記気筒21から排出される排気の温度を一層
高めることができるからである。
弁時期が排気行程の半ばまで進角されると、混合気の燃
焼によって発生した熱エネルギの一部が排気とともに排
出されるため、内燃機関1のトルクが低下することが予
想される。これに対し、本実施の形態に係るPM捕集能
力再生制御では、CPU401は、排気弁29の開弁時
期を進角させる気筒21に対する燃料噴射量を増量させ
るべく駆動回路25aを制御するようにした。
筒21の吸気弁28の開閉タイミングを、該気筒21の
吸入空気量が最大となる開閉タイミング(例えば、図5
の(b)に示されるように、吸気弁28が吸気行程上死
点で開弁し、且つ、吸気行程下死点で閉弁するタイミン
グ)に設定する。
れる気筒21の燃料噴射量及び吸入空気量が増量される
と、該気筒21で燃焼に供される燃料噴射量及び酸素量
が増加し、それに応じて該気筒21で発生する熱エネル
ギが増加するため、一部の熱エネルギが排気とともに排
出されても内燃機関1のトルク低下が抑制されることに
なる。
が増加すると、該気筒21から排出される排気の温度も
高くなるため、排気温度を一層高めることも可能とな
る。
再生制御について図6に沿って具体的に説明する。
示すフローチャート図である。このPM捕集能力再生制
御ルーチンは、予めROM402に記憶されているルー
チンであり、CPU401によって所定時間毎(例え
ば、クランクポジションセンサ51がパルス信号を出力
する度)に繰り返し実行されるルーチンである。
U401は、先ずS601において、パティキュレート
フィルタ49のPM捕集能力再生条件が成立しているか
否かを判別する。ここで、PM捕集能力再生条件が成立
する場合としては、(1)内燃機関1が低負荷運転状態
にある、(2)内燃機関1が所定時間以上連続して低負
荷運転されている、(3)低負荷運転時間の積算値から
高負荷運転時間の積算値を減算して得られた値が所定値
以上である、(4)パティキュレートフィルタ49の流
入排気に含まれるPM量の積算値が所定量以上である、
あるいは、(5)パティキュレートフィルタ49より上
流の排気通路(排気枝管45)における排気圧力が所定
圧以上である、等の条件を例示することができる。
捕集能力再生条件が不成立であると判定された場合は、
CPU401は、S604へ進み、通常の吸気弁開閉制
御及び排気弁開閉制御を実行する。
再生条件が成立していると判定された場合は、CPU4
01は、S602へ進み、内燃機関1の運転状態が高負
荷運転状態にあるか否かを判別する。
態が高負荷運転状態にあると判定された場合は、CPU
401は、PM捕集能力再生制御を実行する必要がない
とみなし、S604へ進む。S604では、CPU40
1は、通常の吸気弁開閉制御及び排気弁開閉制御を実行
する。これは、内燃機関1が高負荷運転状態にあるとき
は、前述したように、内燃機関1から比較的高温の排気
が排出されるため、そのような高温の排気がパティキュ
レートフィルタ49に流入すれば該パティキュレートフ
ィルタ49に捕集されていたPMが燃焼されることにな
るからである。
運転状態が高負荷運転状態にないと判定された場合は、
CPU401は、内燃機関1から比較的低温の排気が排
出されるため、パティキュレートフィルタ49のPM捕
集能力を再生すべく排気温度を昇温させる必要があると
みなしてS603へ進む。
1の少なくとも1つの気筒21について、前述の図5の
(b)の説明で述べたように、排気弁29の開弁時期が
排気行程の半ばまで進角し且つ排気弁29の閉弁時期が
排気行程上死点の前まで進角するよう排気側駆動回路3
1aを制御するとともに、吸気弁28の開閉タイミング
を前記気筒21の吸入空気量が最大となるタイミングと
すべく吸気側駆動回路30aを制御し、更に燃料噴射量
を増加させるべく駆動回路25aを制御する。
で進角された気筒21では、該気筒21内で燃焼途中の
極めて高温なガスが排気として排出されることになる。
更に、前記気筒21の排気弁29の閉弁時期が排気行程
上死点前まで進角されると、排気の一部が気筒21内に
残留することになり、その残留した排気の熱によって吸
入空気が暖められるため、それに応じて前記気筒21に
おける燃焼温度が高められ、以て前記気筒21から排出
されるガスの温度が一層高くなる。
排気として排出されると、前記ガスの燃焼によって発生
する熱エネルギの一部が排気とともに排出されるため、
内燃機関1のトルクが低下することになるが、前記気筒
21の吸入空気量及び燃料噴射量が増加されることによ
り、該気筒21で燃焼に供される燃料量及び酸素量が増
加するため、内燃機関1のトルクが低下することがな
い。また、燃料噴射量及び吸入空気量の増加により前記
気筒21で発生する熱エネルギが増加すると、それに伴
って前記気筒21から排出される排気の温度も一層高く
なることになる。
極めて高温な排気が排出されると、その排気が持つ熱に
より内燃機関1全体の排気が好適に昇温し、その昇温し
た排気が排気枝管45を経てパティキュレートフィルタ
49に流入することになる。この結果、パティキュレー
トフィルタ49内の温度が高められ、該パティキュレー
トフィルタ49に捕集されていたPMが燃焼することに
なる。
して実行される。前記の所定時間は、予め設定された固
定値であってもよく、あるいは、パティキュレートフィ
ルタ49に捕集されたPM量やそれに相当するパラメー
タに応じて変更される可変値であってもよい。そして、
CPU401は、上記したS603の処理を所定時間連
続して実行した後に、通常の燃料噴射制御、通常の吸気
弁開閉制御、及び通常の排気弁開閉制御を実行し、内燃
機関1の運転状態を通常の運転状態に復帰させる。
生制御ルーチンを実行することにより、内燃機関1に作
用する背圧を高めることなく、パティキュレートフィル
タ49のPM捕集能力を再生することが可能となる。
チンによれば、排気弁29の進角に伴って燃料噴射量及
び吸入空気量も増加されるため、内燃機関1のトルク変
動を誘発することなくパティキュレートフィルタ49へ
高温の排気を供給することが可能となる。
制御ルーチンを実行することにより、本発明に係る動弁
機構制御手段及び燃料噴射量増加手段が実現されること
になり、内燃機関1に作用する背圧を上昇させることな
くパティキュレートフィルタ49のPM捕集能力を再生
することができる。
動弁機構として、電磁駆動式動弁機構を例に挙げたが、
これに限られるものではないことは勿論であり、例え
ば、少なくとも排気弁29の開閉タイミングおよびまた
はリフト量を変更可能とする可変動弁機構であればよ
い。
機関の排気微粒子除去装置の第2の実施態様について図
7に基づいて説明する。ここでは、前述の第1の実施の
形態と異なる構成について説明し、同様の構成について
は説明を省略するものとする。
能力再生制御において、内燃機関1の少なくとも1つの
気筒21について排気弁29の開弁時期を進角させるこ
とにより内燃機関1の排気温度を高める例について述べ
たが、本実施の形態では、PM捕集能力再生制御におい
て、内燃機関1の一部の気筒21を高負荷運転させると
ともに残りの気筒21の運転を休止させることにより排
気温度を高める例について述べる。
御では、CPU401は、図7に示されるようなPM捕
集能力再生制御ルーチンを実行することになる。
U401は、先ずS701において、パティキュレート
フィルタ49のPM捕集能力再生条件が成立しているか
否かを判別する。
件が不成立であると判定された場合は、CPU401
は、S704へ進み、通常の吸気弁開閉制御及び排気弁
開閉制御を実行する。
再生条件が成立していると判定された場合は、CPU4
01は、S702へ進み、内燃機関1の運転状態が高負
荷運転状態にあるか否かを判別する。
態が高負荷運転状態にあると判定された場合は、CPU
401は、PM捕集能力再生制御を実行する必要がない
とみなし、S704へ進む。CPU401は、S704
において通常の吸気弁開閉制御及び排気弁開閉制御を実
行する。
運転状態が高負荷運転状態にないと判定された場合は、
CPU401は、内燃機関1から比較的低温の排気が排
出されるため、パティキュレートフィルタ49のPM捕
集能力を再生すべく排気温度を昇温させる必要があると
みなし、S703へ進む。
1の4つの気筒21のうち一部の気筒21を高負荷運転
させて、それらの気筒21から排出される排気の温度を
高めるとともに、残りの気筒21の運転を休止させて、
内燃機関1のトルクが不要に増加することを抑制する。
その際、CPU401は、高負荷運転気筒21の排気弁
29の開弁時期を膨張行程下死点の前へ進角させること
により、それら高負荷運転気筒21から燃焼途中又は燃
焼直後の極めて高温な排気を排出させるとともに、休止
気筒21の少なくとも吸気弁28を閉弁状態に保持する
ことにより、吸気系を流れる低温の新気が休止気筒21
を介して排気系へ進入することを防止することが好まし
い。
気筒21が高負荷運転されるとともに残りの気筒21の
運転が休止されることにより、内燃機関1のトルクを変
動させることなく排気温度を高めることが可能となる。
更に、休止気筒21の少なくとも吸気弁28が閉弁状態
に保持されることにより、低温の新気が排気系へ進入す
ることがないので、高負荷運転気筒21から排出された
高温の排気が低温の新気によって冷却されることもな
い。この結果、パティキュレートフィルタ49には、極
めて高温な排気が流入することになり、該パティキュレ
ートフィルタ49に捕集されていたPMが速やかに燃焼
されることになる。
れると、CPU401は、内燃機関1の全ての気筒21
について、通常の燃料噴射制御、通常の吸気弁開閉制
御、及び通常の排気弁開閉制御を実行し、内燃機関1の
運転状態を通常の運転状態に復帰させる。
生制御ルーチンを実行することにより、前述した第1の
実施の形態と同様の効果を得ることが可能となる。
機関の排気微粒子除去装置の第3の実施態様について図
8に基づいて説明する。ここでは、前述した第1の実施
の形態と異なる構成について説明し、同様の構成につい
ては説明を省略するものとする。
力再生制御において、パティキュレートフィルタ49に
流入する排気の温度を高めることにより、パティキュレ
ートフィルタ49に捕集されているPMを燃焼及び除去
する例について述べたが、本実施の形態では、PM捕集
能力再生制御において、パティキュレートフィルタ49
に捕集されたPMを各気筒21の燃焼室24に再度吸入
させることにより、パティキュレートフィルタ49に捕
集されているPMを該パティキュレートフィルタ49か
ら除去する例について述べる。
1では、図8の(a)に示されるように、吸気行程、圧
縮行程、膨張行程、及び排気行程の4つの行程を1サイ
クルとして運転されるようになっている。
ュレートフィルタ49のPM捕集能力を再生するとき
に、各気筒21の排気行程終了時に排気弁29が開弁し
且つ吸気弁28が閉弁する行程を追加するようにした。
に、排気行程終了後の上死点から下死点までの期間を、
排気弁29が開弁し且つ吸気弁28が閉弁する再吸入行
程とし、この再吸入行程後の下死点から上死点までの期
間を、排気弁29が開弁し且つ吸気弁28が閉弁する再
排気行程とすることにより、吸気行程と圧縮行程と膨張
行程と排気行程と再吸入行程と再排気行程との6つの行
程を1サイクルとして内燃機関1が運転されるようにす
る。
弁し且つ吸気弁28が閉弁した状態でピストン22が下
降動作するため、直前の排気行程において気筒21内か
ら排出された排気が再度気筒21内へ吸入されるように
なる。この場合、内燃機関1の排気系では、排気が内燃
機関1に向かって逆流することになる。
流すると、パティキュレートフィルタ49に捕集されて
いるPMが該パティキュレートフィルタ49から離脱し
て、排気とともに気筒21内へ再吸入される。
気(以下、再吸入排気)は、次の再排気行程におけるピ
ストン22の上昇動作に伴って気筒21内から再び排出
されることになるが、図8の(b)に示されるように再
排気行程の半ばで排気弁29を閉弁させることにより、
再吸入排気の一部が気筒21内に残留することになる。
は、次の吸気行程で吸入される新気とともに燃焼に供さ
れることになる。この結果、パティキュレートフィルタ
49に捕集されていたPMは、再吸入排気とともに内燃
機関1で燃焼されることになり、以てパティキュレート
フィルタ49のPM捕集能力を再生することが可能とな
る。
生制御では、再吸入排気の一部が気筒21内に残留する
ことにより、吸気行程において気筒21内に吸入される
新気の量が減少し、その結果、膨張行程において燃焼に
供される酸素量が不足する可能性があるため、排気中に
残存する酸素が比較的多くなるとき、例えば、内燃機関
1がリーン空燃比で運転される低負荷運転領域において
PM捕集能力再生制御が実行されることが好ましい。
施の形態では、本発明に係る可変動弁機構として電磁駆
動式動弁機構を例に挙げたが、これに限られないことは
勿論であり、例えば、油圧を利用して吸気弁およびまた
は排気弁を開閉駆動する油圧式の動弁機構であってもよ
く、又は、クランクシャフト23の回転トルクを利用し
てカムシャフトを回転駆動させることにより吸排気弁を
開閉駆動する動弁機構であって吸排気弁の少なくとも開
閉タイミングを可変とする動弁機構であってもよい。
捕集する捕集手段を備えた内燃機関の排気微粒子除去装
置において、可変動弁機構を利用して捕集手段の捕集能
力を再生することが可能となるため、内燃機関に作用す
る背圧を過剰に上昇させることなく捕集手段の捕集能力
を再生することができる。
図
図
イミングを示す図 (b)PM捕集能力再生制御実行時における吸排気弁の
開閉タイミングを示す図
制御ルーチンを示す図
制御ルーチンを示す図
開閉タイミングを示す図 (b)PM捕集能力再生制御実行における行程と吸排気
弁の開閉タイミングを示す図
Claims (5)
- 【請求項1】 内燃機関の排気通路の途中に設けられ、
排気中の粒子状物質を捕集する捕集手段と、 前記内燃機関の排気弁の開閉タイミングを変更可能とす
る可変動弁機構と、 前記捕集手段の捕集能力を再生させるときに前記排気弁
の開弁時期を進角させるよう前記可変動弁機構を制御す
る動弁機構制御手段と、を備えることを特徴とする内燃
機関の排気微粒子除去装置。 - 【請求項2】 前記捕集手段の捕集能力を再生すべく排
気弁の開弁時期が進角されるときに、前記内燃機関に対
する燃料噴射量を増加させる燃料噴射量増加手段を更に
備えることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排
気微粒子除去装置。 - 【請求項3】 前記可変動弁機構は、排気弁及び吸気弁
の開閉タイミングおよびまたはリフト量を変更可能と
し、 前記動弁機構制御手段は、前記捕集手段の捕集能力を再
生させるときに前記排気弁の開弁時期を進角させるとと
もに、前記内燃機関の吸入空気量を増加させるべく前記
可変動弁機構を制御することを特徴とする請求項1又は
請求項2に記載の内燃機関の排気微粒子除去装置。 - 【請求項4】 内燃機関の排気通路の途中に設けられ、
排気中の粒子状物質を捕集する捕集手段と、 前記内燃機関の吸気弁と排気弁との少なくとも一方の開
閉タイミングおよびまたはリフト量を変更可能とする可
変動弁機構と、 前記捕集手段の捕集能力を再生させる場合に、排気が前
記内燃機関へ逆流する行程を追加すべく前記可変動弁機
構を制御する動弁機構制御手段と、を備えることを特徴
とする内燃機関の排気微粒子除去装置。 - 【請求項5】 前記動弁機構制御手段は、前記内燃機関
の排気行程後に吸気弁が閉弁し且つ排気弁が開弁する行
程を追加すべく前記可変動弁機構を制御することを特徴
とする請求項4に記載の内燃機関の排気微粒子除去装
置。
Priority Applications (1)
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