JP2012041840A - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気触媒を保護するためのバイパス通路の開閉と、所望の量の排気を再循環させるための排圧調整を、簡便な構成で実現し得る排気装置を提供する。
【解決手段】排気触媒９を迂回して排気通路７の上下流を連通させるバイパス通路８と、排気通路７から分岐して吸気通路５に合流する排気還流通路１０とを備える。そして、バイパス通路８を開閉する第１弁体１３ａと排気通路７及びバイパス通路８を開閉する第２弁体１３ｂが一体として作動する流路切り替えバルブ１３が、排気通路７とバイパス通路８の分岐部または合流部に設けられ、排気還流通路１０が流路切り替えバルブ１３より上流側で排気通路７から分岐する。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気浄化装置及び排気再循環装置を備える内燃機関の排気装置に関する。

内燃機関の排気通路に排気浄化用触媒を設けることが一般的に行われている。そして、冷間始動時の排気性能の悪化を防止するために、排気浄化用触媒が早期に活性化させるべく内燃機関から排気浄化用触媒までの排気通路長を短くする傾向がある。

しかし、内燃機関から排気浄化用触媒までの排気通路長を短くすると、高負荷運転時等のように排気温度が高い運転状態では、排気浄化用触媒が過剰に昇温するおそれがある。

そこで、排気浄化用触媒をバイパスするバイパス通路を設け、運転状態に応じて排気浄化用触媒をバイパスするように排気を流す構成が特許文献１に開示されている。

より具体的には、排気の一部を吸気系に再循環させるための排気還流装置を有し、バイパス通路と排気浄化用触媒下流の排気通路との合流部には、バイパス通路を開閉するバイパス制御弁が備えられ、排気還流用通路は排気通路の排気浄化用触媒より下流かつ合流部より上流の部位に接続されている。そして、バイパス制御弁は、合流部のバイパス通路開口部を全閉する第１状態と、バイパス通路開口部を開放し排気通路の流路を絞る第２状態とを選択し得る構成となっている。運転状態に応じて第１状態または第２状態を選択することにより、排気浄化用触媒が過剰に昇温することを防止している。

特開２００５−３５１０９５号公報

ところで、再循環させる排気の量は、排気通路内の圧力（以下、排圧という）と、吸気通路の排気還流用通路が接続された部位の圧力との差圧に依存する。このため、低負荷運転時のように吸気通路内の負圧が発達している場合には、差圧が大きくなるので多量の排気を再循環させることができる。しかし、高負荷運転時のように吸気通路内が大気圧に近づくと、差圧が小さくなるため、所望の量の排気を再循環させることができないおそれがある。この場合、排圧を高めて差圧を大きくすればよいが、特許文献１の構成において排圧を高めるためには、バイパス制御弁の他に、さらに排圧増大用のバルブを設けることが必要となり、部品点数の増大を招くことになる。

そこで、本発明では排気浄化用触媒を保護するためのバイパス通路の開閉と、所望の量の排気を再循環させるための排圧調整を、簡便な構成で実現し得る排気装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気装置は、排気触媒を備える排気通路と、排気触媒の上流側で排気通路から分岐し排気触媒の下流側で排気通路に合流するバイパス通路と、排気通路から分岐して吸気通路に合流する排気還流通路と、を備える。そしてバイパス通路を開閉する第１弁体と、排気通路及びバイパス通路を開閉する第２弁体とが一体として作動する流路切り替えバルブと、流路切り替えバルブの動作を制御するコントローラとを備える。さらに、流路切り替えバルブが排気通路とバイパス通路の分岐部または合流部に設けられ、排気還流通路が流路切り替えバルブより上流側で排気通路から分岐する。

本発明によれば、バイパス通路を開閉する第１弁体と排気通路及びバイパス通路を開閉する第２弁体を有する流路切り替え弁を備えるので、バイパス通路の開閉及び排圧調整を簡便な構成で実現することができる。

本発明を適用する排気装置を含む内燃機関システムの構成図である。 流路切り替えバルブの構成を示す図である。 シャフトの回転角とバイパス通路及び排気通路の流路開口面積の関係を示す図である。 ＥＣＵが実行するバルブ角度制御ルーチンの内容を示すフローチャートである。 （Ａ）は第１状態のバルブ角度、（Ｂ）は第２状態のバルブ角度、（Ｃ）は第２状態のバルブ角度のその他の例、（Ｄ）は第３状態のバルブ角度を示す図である。 コントローラに格納された、運転領域とＥＧＲ率との関係を示すマップである。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明を適用する排気装置を含む内燃機関システムの構成図である。

内燃機関１の吸入空気量は、吸気マニホールド２の入口に設置したスロットルチャンバ３により調整される。スロットルチャンバ３より上流側の吸気通路４には、ターボ式過給機１４のコンプレッサ１４ａが介装されている。

一方、排気マニホールドの出口には、ターボ式過給機１４のタービン１４ｂが接続されている。タービン１４ｂが内燃機関１の排気エネルギにより駆動されると、シャフトを介して連結されているコンプレッサ１４ａが回転し、ターボ式過給機１４より上流の吸気通路５を流れてきた吸気を加圧する。

排気通路７には排気浄化用の触媒９が介装されている。そして、触媒９より上流側で分岐し、触媒９より下流側で合流するバイパス通路８が設けられている。排気通路７とバイパス通路８の合流部には、流路切り替えバルブ１３が設けられている。この流路切り替えバルブ１３の詳細については後述する。

なお、排気通路７のバイパス通路８との合流部より下流側には、図示しないが排気浄化用の触媒が設けられており、触媒９をバイパスした排気を浄化する。バイパス通路８及び合流部以降の排気通路７を通過する間に排気の温度が低下するので、この下流側の触媒が排気の熱により劣化することはない。

また、排気通路７の触媒９より下流かつバイパス通路８との合流部より上流側の部位からは、排気還流用の通路（以下、ＥＧＲ通路という）１０が分岐している。ＥＧＲ通路１０はコンプレッサ１４ａより上流側の吸気通路５に合流する。なお、ＥＧＲ通路１０には排気還流ガス（以下、ＥＧＲガスという）を冷却するＥＧＲクーラ１１及びＥＧＲガスの流量を調節するＥＧＲバルブ１２が介装されている。なお、ＥＧＲ通路１０の分岐部は触媒９の上流側であっても構わない。

スロットルチャンバ３、流路切り替えバルブ１３、及びＥＧＲバルブ１２の制御は、コントローラ（ＥＣＵ）１５により行われる。ＥＣＵ１５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＥＣＵ１５を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

ＥＣＵ１５は、クランク角センサ１６の検出値に基づいてエンジン回転速度を、アクセル開度センサ１７の検出値に基づいて負荷を、それぞれ読み込み、これらに基づいてスロットルチャンバ３等の制御を行う。

図２は、流路切り替えバルブ１３の構成を示す図である。

流路切り替えバルブ１３は、バイパス通路８を開閉する第１弁体１３ａと排気通路７を開閉する第２弁体１３ｂとがシャフト１３ｃに所定の角度をもって取り付けられており、シャフト１３ｃを軸として回転するよう駆動される。なお、流路切り替えバルブ１３の駆動は、シャフト１３ｃを電動モータ等で回転させることにより行う。

シャフト１３ｃは、バイパス通路８と排気通路７の合流部の壁面近傍に、バイパス通路８と排気通路７のいずれに対しても直交するように設置される。

バイパス通路８の合流部付近の壁面には、第１弁体１３ａの先端の軌跡よりも外周側に張り出した拡径部２２と、拡径部２２のバイパス通路上流側で第１弁体１３ａの先端の軌跡に沿った円弧部２１が設けられている。第１弁体１２ａの先端部が円弧部２１のいずれかの部分、つまり上流側端部２１ａから下流側端部２１ｂの間にあるときは、バイパス通路８は第１弁体１３ａによって閉鎖される。そして、第１弁体１３ａの先端部が拡径部２２にあるときは、第１弁体１３ａと拡径部２２の壁面との間に流路となる隙間が生じる。

一方、排気通路７の壁面には、第２弁体１３ｂの先端の軌跡に沿った円弧部２３が設けられている。第２弁体１３ｂの先端が円弧部２３のいずれかの部分、つまり円弧部２３の上流側端部２３ａから下流側端部２３ｂの間にあるときは、排気通路７は第２弁体１３ｂによって閉鎖される。

また、第２弁体１３ｂは拡径部２２を閉鎖し得る形状となっており、第２弁体１３ｂの先端が排気通路７の円弧部２３と対向する壁面にあるときに、バイパス通路８は第２弁体１３ｂに閉鎖される。つまり、第２弁体１３ｂがバイパス通路８を閉鎖することで、排気通路７と拡径部２２の連通が遮断されるので、拡径部２２が排気流路の凹部となって排気の淀みや乱流が発生することを防止できる。

そして、第２弁体１３ｂの先端部が円弧部２３の下流側端部より下流側にあるときは、第２弁体１３ｂと排気通路７の壁面との間に流路となる隙間が生じる。

第１弁体１３ａと第２弁体１３ｂは、第１弁体１３ａがバイパス通路８を閉鎖する状態のときには第２弁体１３ｂは排気通路７を閉鎖せず、第２弁体１３ｂが排気通路７を閉鎖する状態のときには第１弁体１３ａがバイパス通路８を閉鎖しないようにシャフト１３ｃに取り付けられる。例えば、図２においては、第１弁体１３ａの先端が円弧部２１の上流側端部にあるときに、第２弁体１３ｂの先端はバイパス通路８を閉鎖する。

この状態からシャフト１３ｃが図中時計回りに回転すると、第１弁体１３ａの先端が円弧部２１の下流側端部２１ｂに来るまでは、バイパス通路８は第１弁体１３ａに閉鎖されたままで、排気通路７は第２弁体１３ｂにより流路面積が徐々に絞られる。このようにバイパス通路８が閉鎖された状態で排気通路７の流路面積が絞られると排圧が上昇し、ＥＧＲバルブ１２が開いていれば排気通路７と吸気通路５との差圧によって排気の一部が吸気通路５に還流し易くなる。

一方、第２弁体１３ｂの先端が円弧部２３の下流側端部２３ｂから上流側端部２３ａの間にあるときは、排気通路７は第２弁体１３ｂに閉鎖されたままで、第１弁体１３ａと拡径部２２との間に隙間が生じるので、バイパス通路８は排気通路７と連通する。

なお、第１弁体１３ａの先端が円弧部２１の下流側端部２１ｂを通過してから、第２弁体１３ｂの先端が円弧部２３の下流側端部２３ｂに到達するまでには、バイパス通路８及び排気通路７の両方が閉鎖されない期間がある。これは、両方を同時に閉鎖すると排圧が過剰に上昇して内燃機関１が停止してしまうからである。

図３は、シャフト１３ｃの回転角（以下、バルブ角度という）とバイパス通路８及び排気通路７の流路開口面積の関係を示す図である。横軸はバルブ角度、縦軸はバイパス通路８、排気通路７の流路開口面積である。横軸の角度Ａ１は、第１弁体１３ａの先端が円弧部２１の上流側端部２１ａにあるとき、角度Ａ３は同じく下流側端部２１ｂにあるとき、角度Ａ４は第２弁体１３ｂの先端が円弧部２３の上流側端部２３ａにあるとき、角度Ａ２は角度Ａ１と角度Ａ３の中間にあるときである。図３に示すように、角度Ａ１のとき、排気通路７の流路開口面積は最大となり、そこからシャフト１３ｃが回転するのに伴って徐々に流路開口面積が減少する。この間、第１弁体１３ａの先端は円弧部２１にあるので、バイパス通路８の流路開口面積はゼロのままである。バルブ角度が角度Ａ３を過ぎると、バイパス通路８の流路開口面積が増大し始め、排気通路７の流路開口面積はゼロになる。そして、シャフト１３ｃが回転するのに伴って、排気通路７の流路開口面積はゼロのまま、バイパス通路８の流路開口面積は増大し、バルブ角度が角度Ａ４になると、バイパス通路８の流路開口面積は最大となる。このように、バルブ角度を変化させるだけで、バイパス通路８及び排気通路７の流路開口面積を変更することができる。

次に、バルブ角度の制御について説明する。

図４は、ＥＣＵ１５が実行するバルブ角度制御ルーチンの内容を示すフローチャートである。図５（Ａ）−図５（Ｄ）は後述する第１状態から第３状態でのバルブ角度を示す図である。

ＥＣＵ１５は、内燃機関１の負荷及び回転速度等の運転状態に応じて、ＥＧＲを実行するか否かを判定し、さらに、ＥＧＲを実行する場合には新気量に対するＥＧＲガスの導入割合（以下、ＥＧＲ率）を決定する。例えば、コントローラ１５に格納された図６の運転領域とＥＧＲ率との関係を示すマップに示すように、低負荷低回転領域等では燃焼安定性確保のためにＥＧＲを実行せず、中負荷中回転領域等では燃費性能向上のためにＥＧＲを実行し、高負荷高回転領域等では出力性能を優先するためにＥＧＲを実行しない。以下、フローチャートのステップに従って説明する。

ステップＳ１００で、ＥＣＵ１５は運転状態として負荷及びエンジン回転速度を読み込む。

ステップＳ１１０で、ＥＣＵ１５は運転状態に基づいて、現在の運転状態が第１状態か否かを判定する。第１状態とは、低負荷低回転領域で燃焼安定性を確保するためにＥＧＲが禁止される領域であり、例えば図６の低負荷低回転領域側の禁止領域である。ＥＣＵ１５は、第１状態の場合にはステップＳ１２０の処理を実行し、そうでない場合はステップＳ１３０の処理を実行する。

ステップＳ１２０で、ＥＣＵ１５はバルブ角度をゼロ、つまり図５（Ａ）に示すように第１弁体１３ａがバイパス通路８を閉鎖し、かつ第２弁体１３ｂもバイパス通路８を閉鎖して排気通路７の流路開口面積が最大となる状態にする。これにより、内燃機関１から排出される排気はバイパス通路８を通ることなく、すべて排気通路７を流れる。そして、排気通路７の流路開口面積は最大となるので、排気通路７を流れる際の流路抵抗を低減することができる。

ステップＳ１３０で、ＥＣＵ１５は運転状態に基づいて、現在の運転状態が第２状態か否かを判定する。第２状態とは、運転状態に応じたＥＧＲ率でＥＧＲを実行する領域である。

ステップＳ１４０で、ＥＣＵ１５は目標バルブ角度を算出する。具体的には、図６に示すようなＥＧＲ率マップを用いてＥＧＲ率を決定し、決定したＥＧＲ率となるようなバルブ角度を算出する。

例えば、ＥＧＲを実行する領域内で相対的に負荷が小さい領域では、図６に示すようにＥＧＲ率は相対的に高く設定されるが、負荷が小さいのでスロットルチャンバ３の開度が相対機に小さく、吸気負圧が発達しているので排気通路７と吸気通路４との差圧が確保できる。よって、図５（Ｂ）に示すように相対的に小さいバルブ角度となる。

また、ＥＧＲを実行する領域内で相対的に負荷が大きい領域では、図６に示すようにＥＧＲ率は相対的に低く設定されるが、負荷が大きいのでスロットルチャンバ３の開度が相対的に大きく、吸気マニホールド２内が大気圧に近づく。よって、ＥＧＲを実行するためには排圧を上昇させて排気通路７と吸気マニホールド２の差圧を確保する必要があり、図５（Ｃ）に示すように相対的に大きいバルブ角度となる。

ＥＧＲ率に応じたバルブ角度は、内燃機関１の仕様等によって異なるので、内燃機関１ごとに実験等によってＥＧＲ率とバルブ角度との関係を予め調べてマップ化等しておき、これをステップＳ１４０で検索する。

ステップＳ１５０で、ＥＣＵ１５は目標バルブ角度となるように、シャフト１３ｃを回転駆動するアクチュエータを駆動する。
ステップＳ１６０で、ＥＣＵ１５は第３状態であると判定する。第３状態とは、出力性能を優先させるためにＥＧＲを禁止する高負荷高回転領域であり、例えば図６の高負荷高回転領域側の禁止領域である。

ステップＳ１７０で、ＥＣＵ１５は目標バルブ角度を最大に設定する。つまり、図５（Ｄ）に示すように、排気通路７が第２弁体１３ｂに閉鎖され、バイパス通路８が開口した状態となるようなバルブ角度を設定する。図５（Ｄ）に示す状態にすると、触媒９より下流側で排気通路７が閉鎖されるので、バイパス通路８との分岐部より下流側の排気通路７には排気が流れない。つまり、すべての排気は触媒９を通過せずにバイパス通路８を通る。これにより、高温の排気が触媒９を通過しなくなるので、触媒９の熱劣化を抑制することができ、また、ＥＧＲが行われることもない。

ステップＳ１８０で、ＥＣＵ１５は目標バルブ角度となるようにシャフト１３ｃを回転駆動するアクチュエータを駆動する。

上述したように、バイパス通路８を閉鎖する状態と排気通路７を閉鎖する状態の切り替え、及びバイパス通路８を閉鎖した状態での排気通路７の流路開口面積の調整を、シャフト１３ｃを回転させるだけで、つまり一つの流路切り替えバルブ１３だけで実現できる。なお、ＥＧＲ通路１０を排気通路７とバイパス通路８の分岐部より上流側で分岐させ、流路切り替えバルブ１３を排気通路７とバイパス通路８の分岐部に設けても同様の作用、効果が得られる。

以上にように本実施形態によれば、次の効果が得られる。

（１）流路切り替えバルブ１３は、バイパス通路８を開閉する第１弁体１３ａと、排気通路７及びバイパス通路８を開閉する第２弁体１３ｂが一体として作動し、排気通路７とバイパス通路８の分岐部または合流部に設けられる。そして、ＥＧＲ通路１０が流路切り替えバルブ１３より上流側で排気通路７から分岐する。これにより、流路切り替えバルブ１３だけで、つまり部品点数を増大させることなく、バイパス通路８の開閉と排気通路７の流路開口面積の絞りを行うことができる。

（２）流路切り替えバルブ１３は、シャフト１３ｃの回転角が変化することで、バイパス通路８が閉鎖される状態と、バイパス通路８を閉鎖したまま排気通路７の流路開口面積の絞り量を変化させ得る状態と、バイパス通路８が開放され排気通路７が閉鎖される状態と、を切り替え得る。すなわち、上記各状態を切り替える場合の制御対象はシャフト１３ｃの回転角だけとなるので、制御の複雑化等を招くことがない。

（３）コントローラ１５は、目標ＥＧＲ率を実現し得る排圧になるようにシャフト１３ｃの回転角を制御するので、確実に目標ＥＧＲ率を達成することができる。

（４）コントローラ１５は、触媒９が劣化する程度に排気が高温になる場合には、排気通路７が閉鎖されてバイパス通路８が開放される状態となるようにシャフト１３ｃの回転角を制御するので、高温の排気による触媒９の劣化を防止することができる。

（５）コントローラ１５は、ＥＧＲを実行しない場合、又は排気通路７の流路開口面積を絞らなくても目標ＥＧＲ率を実現し得る場合には、排気通路７が開放されてバイパス通路８が閉鎖されるようシャフト１３ｃの回転角を制御する。したがって、不必要に排気の流路抵抗を増大させることを防止できる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ 内燃機関
２ 吸気マニホールド
３ スロットルチャンバ
４ スロットルチャンバより上流側の吸気通路
５ ターボ式過給機より上流の吸気通路
６ 排気マニホールド
７ 排気通路
８ バイパス通路
９ 触媒
１０ ＥＧＲ通路
１１ ＥＧＲクーラ
１２ ＥＧＲバルブ
１３ 流路切り替えバルブ
１３ａ 第１弁体
１３ｂ 第２弁体
１３ｃ シャフト
１４ ターボ式過給機
１５ コントローラ（ＥＣＵ）
１６ クランク角センサ
１７ アクセル開度センサ
２１ 円弧部
２２ 拡径部
２３ 円弧部

Claims (6)

1. 排気触媒を備える排気通路と、
   前記排気触媒の上流側で前記排気通路から分岐し前記排気触媒の下流側で前記排気通路に合流するバイパス通路と、
   前記排気通路から分岐して吸気通路に合流する排気還流通路と、
   を備える内燃機関の排気装置において、
   前記バイパス通路を開閉する第１弁体と、前記排気通路及び前記バイパス通路を開閉する第２弁体とが一体として作動する流路切り替えバルブと、
   前記流路切り替えバルブの動作を制御するコントローラと、
   を備え、
   前記流路切り替えバルブが前記排気通路と前記バイパス通路の分岐部または合流部に設けられ、前記排気還流通路が前記流路切り替えバルブより上流側で前記排気通路から分岐することを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 前記流路切り替えバルブは、前記第１弁体及び前記第２弁体が前記バイパス通路を閉鎖する通常状態と、前記第１弁体が前記バイパス通路を閉鎖したまま前記第２弁体によって前記排気通路の流路開口面積の絞り量を変化させ得る排圧調整状態と、前記第１弁体が前記バイパス通路を開放し前記第２弁体が前記排気通路を閉鎖するバイパス状態と、を切り替え得る請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
3. 前記流路切り替えバルブは、前記第１弁体及び前記第２弁体が一のシャフトに固定され、前記シャフトの回転角が変化することで、前記通常状態と前記排圧調整状態と前記バイパス状態とを切り替える請求項２に記載の内燃機関の排気装置。
4. 前記コントローラは、前記排圧調整状態では運転状態に応じて定まる目標排気還流率を実現し得る排圧になるように前記シャフトの回転角を制御する請求項３に記載の内燃機関の排気装置。
5. 前記コントローラは、前記排気触媒が劣化する程度に排気が高温になる場合には、前記バイパス状態となるように前記シャフトの回転角を制御する請求項３または４に記載の内燃機関の排気装置。
6. 前記コントローラは、排気還流を実行しない場合、又は前記排気通路の流路開口面積を絞らなくても目標排気還流率を実現し得る場合には、前記通常状態となるように前記シャフトの回転角を制御する請求項３から５のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。

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