JP2013002377A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気絞り弁の故障が走行不能に直結せず、圧力センサの汚損も少ない、好適な低圧ループＥＧＲシステムを実現する。
【解決手段】吸気通路３におけるコンプレッサの上流側の領域において、吸気通路３を一旦複数の流路３８、３９に分岐させた後コンプレッサの手前で再び合流させる構造とし、これら流路３８、３９のうちの一の流路３８にＥＧＲ通路２１の出口をエゼクタ６を介して接続する一方、他の流路３９に吸気絞り弁３５及び圧力センサ３７を設けた。仮に、吸気絞り弁３５が故障し、吸気絞り弁３５を設けている側の流路３９が遮断されたとしても、エゼクタ６を設けている側の流路３８を介して新気を導入することができる。また、圧力センサ３７がＥＧＲ通路２１の出口が接続していない側の流路３９に存在していることから、ＥＧＲガスに含まれる煤等による圧力センサ３７の汚損が少なくなり、その性能を長期間に亘り維持できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置を付帯させた内燃機関に関する。

気筒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ＥＧＲ装置が周知である。ＥＧＲ装置は、排気経路と吸気経路とをＥＧＲ通路を介して接続し、気筒で発生する燃焼ガスの一部をＥＧＲ通路経由で吸気経路に還流させて吸気に混入するものである。

排気ターボ過給機のタービン及び排気ガス浄化用の触媒を通過した排気ガスを吸気通路に還流するものが、低圧ループＥＧＲである（例えば、下記特許文献１を参照）。低圧ループＥＧＲは、大量のＥＧＲガスを吸気に混入できる点で有利である。一方で、低圧ループＥＧＲガスは大気圧に近い低圧低温のガスであり、吸気通路内の新気の圧力が高い時期にはＥＧＲガスの還流が困難になる。そこで、吸気通路における、ＥＧＲ通路の出口よりも上流側に吸気絞り弁を設け、この吸気絞り弁を絞ることでＥＧＲ通路の出口周辺に負圧を作り出し、ＥＧＲガスの還流を促すようにしている。

ところが、吸気絞り弁が全閉若しくは全閉に近い状態で固着し、または吸気絞り弁を操作するモータが作動不良に陥る等の故障が発生してしまうと、吸気通路が遮断されることになり、最早走行運転できない状況となってしまう。

また、吸気絞り弁の開度は、ＥＧＲ通路の出口周辺の圧力の高低に応じて制御する。そのために、吸気絞り弁の下流に圧力センサ（Ｐセンサ）を設置しているのであるが、この圧力センサにＥＧＲガスに含まれる煤等が付着して圧力センサを汚損することがあった。

特開２０１１−０８９４７０号公報

本発明は、吸気絞り弁の故障が走行不能に直結せず、圧力センサの汚損も少ない、好適な低圧ループＥＧＲシステムを実現しようとするものである。

本発明では、排気通路に設けられたタービンと、吸気通路に設けられ前記タービンにより駆動されるコンプレッサと、排気通路における前記タービンの下流側と吸気通路における前記コンプレッサの上流側とを連通するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁とを具備する排気ガス再循環装置が付帯した内燃機関であって、吸気通路における前記コンプレッサの上流側の領域において、吸気通路を一旦複数の流路に分岐させた後コンプレッサの手前で再び合流させる構造とし、前記複数の流路のうちの一の流路に前記ＥＧＲ通路の出口をエゼクタを介して接続する一方、他の流路に吸気絞り弁及びこの吸気絞り弁の下流の圧力を検出する圧力センサを設けていることを特徴とする内燃機関を構成した。

本発明に係る内燃機関では、仮に吸気絞り弁が故障し、吸気絞り弁を設けている側の流路が遮断されたとしても、エゼクタを設けている側の流路を介して新気を流通させることができるので、吸気絞り弁の故障が走行不能に直結しない。また、圧力センサは、ＥＧＲ通路の出口が接続していない側の流路に存在していることから、従前のＥＧＲシステムに比べ、ＥＧＲガスに含まれる煤等による圧力センサの汚損が少なくなる。よって、圧力センサの性能を長期間に亘り維持できる。

本発明によれば、吸気絞り弁の故障が走行不能に直結せず、圧力センサの汚損も少ない、好適な低圧ループＥＧＲシステムを実現できる。

本発明の一実施形態における内燃機関の全体構成を示す図。 同実施形態の内燃機関のコンプレッサの上流側の構造を示す拡大図。

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、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）と、各気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１１と、各気筒１に吸気を供給するための吸気通路３と、各気筒１から排気を排出するための排気通路４と、吸気通路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気通路４から吸気通路３に向けてＥＧＲガスを還流させる外部ＥＧＲ装置２とを具備している。

本実施形態における内燃機関は、二気筒の４サイクルエンジンであり、第一気筒１の行程と第二気筒１の行程との間には３６０°ＣＡ（クランク角度）の位相差が存在する。つまり、第一気筒１のピストン１２と第二気筒１のピストン１２とは同時に上昇し、また同時に下降する。

吸気通路３は、外部から空気を取り入れて気筒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、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、電子スロットル弁３３、サージタンク３４及び吸気マニホルド３６を、上流からこの順序に配置している。

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、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパス弁であるウェイストゲート弁４４を設けてある。ウェイストゲート弁４４は、アクチュエータに制御信号ｌを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲート弁であり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを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、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、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１に送り込む。

外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる低圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４におけるタービン５２の下流側と吸気通路３におけるコンプレッサ５１の上流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２及びＥＧＲ弁２３とを要素とする。低圧ループＥＧＲ通路２１の圧力損失は、数百Ｐａ程度と非常に小さい。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における三元触媒４１の下流の所定箇所に接続している。

ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるエアクリーナ３１の下流かつコンプレッサ５１の上流の所定箇所に接続する。図１及び図２に示しているように、本実施形態では、吸気通路３の当該領域を、一旦複数の流路３８、３９に分岐させた後コンプレッサ５１の手前で再び合流させる構造とし、そのうちの一方の流路３８にＥＧＲ通路２１の出口を接続している。

前記流路３８とＥＧＲ通路２１との間には、ＥＧＲガスをＥＧＲ通路２１から流路３８へと吸引するためのエゼクタ（ジェットポンプ）６を介設している。エゼクタ６は、その入口方に設けたノズル６１と、その出口方に設けたディフューザ６２と、ディフューザ６２に連なる減圧室６３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の出口は、減圧室６３に連接する。エゼクタ６の入口の圧力が出口の圧力よりも高いとき、流路３８を流通する新気がノズル６１からディフューザ６２に向けて噴出され、減圧室６３に負圧が発生して、ＥＧＲガスがＥＧＲ通路２１から減圧室６３、ディフューザ６２ひいては流路３８に向けて吸い出される。

そして、他方の流路３９に、吸気絞り弁３５及び圧力センサ（Ｐセンサ）３７を設けている。吸気絞り弁３５は、開度を絞ることでその下流側（流路３８と流路３９との合流部分等を含む）に負圧を発生させ、ＥＧＲガスの吸気通路３への還流を促すことができる。圧力センサ３７は、吸気絞り弁３５の下流側の圧力を計測する。吸気絞り弁３５の下流側の圧力は、吸気絞り弁３５の開度を決定するために参照される。

エゼクタ６の絞り部であるノズル６１の開口断面積（または、開口径）と、吸気絞り弁３５を所定開度（特に、全開または全開に近い開度）としたときの実効的な流路断面積（または、開口径）との和は、コンプレッサ５１の直前の吸気通路３の開口断面積（または、開口径）に略等しくする。これは、ＥＧＲを行わない高回転高負荷等の運転領域において必要十分な新気量を確保できるようにするためである。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（電子制御装置）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、車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、エンジン回転数を検出する回転数センサから出力される回転数信号ｂ、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気温及び吸気圧（過給圧）を検出する温度・圧力センサから出力される温度・圧力信号ｄ、吸気絞り弁３５の下流の圧力を検出する圧力センサ３７から出力される圧力信号ｅ、吸気カムシャフトの端部にあるタイミングセンサから出力されるクランク角度信号及び気筒判別用信号ｆ、排気カムシャフトの端部にあるタイミングセンサから所定クランク角度の回転毎に出力される排気カム信号ｇ等が入力される。出力インタフェースからは、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｈ、点火プラグ（のイグニッションコイル）に対して点火信号ｉ、ＥＧＲ弁２３に対して開度操作信号ｊ、スロットル弁３３に対して開度操作信号ｋ、ウェイストゲート弁４４に対して開度操作信号ｌ、吸気絞り弁３５に対して開度操作信号ｍ等を出力する。アクセルペダルの踏込量は、運転者が指令する要求負荷（エンジン出力）と捉えることができる。

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を入力インタフェースを介して取得し、それらに基づいて吸気量や要求燃料噴射量、点火時期、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）等を演算する。そして、演算結果に対応した各種制御信号ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。上記制御入力ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍの算定手法は、既知の内燃機関の運転制御と同様とすることができるので、詳細な解説は割愛する。

本実施形態では、排気通路４に設けられたタービン５２と、吸気通路３に設けられ前記タービン５２により駆動されるコンプレッサ５１と、排気通路４における前記タービン５２の下流側と吸気通路３における前記コンプレッサ５１の上流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、前記ＥＧＲ通路２１に設けられたＥＧＲ弁２３とを具備するＥＧＲ装置２が付帯した内燃機関であって、吸気通路３における前記コンプレッサ５１の上流側の領域において、吸気通路３を一旦複数の流路３８、３９に分岐させた後コンプレッサ５１の手前で再び合流させる構造とし、前記複数の流路３８、３９のうちの一の流路３８に前記ＥＧＲ通路２１の出口をエゼクタ６を介して接続する一方、他の流路３９に吸気絞り弁３５及びこの吸気絞り弁３５の下流の圧力を検出する圧力センサ３７を設けていることを特徴とする内燃機関を構成した。

本実施形態によれば、仮に吸気絞り弁３５が故障し、吸気絞り弁３５を設けている側の流路３９が遮断されたとしても、エゼクタ６を設けている側の流路３８を介して新気を導入することができるので、吸気絞り弁３５の故障が走行不能に直結しない。

分岐流路３８、３９及びエゼクタ６の作用により、新気とＥＧＲガスとの混ざり具合もよくなり、気筒１毎の吸気のＥＧＲ量またはＥＧＲ率のばらつきも小さくなる。さらに、圧力センサ３７が、ＥＧＲ通路２１の出口が接続していない側の流路３９に存在していることから、圧力センサ３７がＥＧＲガスに直接曝されにくく、ＥＧＲガスに含まれる煤等による圧力センサ３７の汚損が少なく済む。故に、圧力センサ３７の性能を長期間に亘り維持できる。総じて、ＥＧＲ量またはＥＧＲ率の制御の精度が向上することから、安全マージンを加味したＥＧＲ量またはＥＧＲ率の上限を引き上げることができ、燃費の改善及び排気ガスの清浄化に資する。

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に利用することができる。

２…排気ガス再循環装置
２１…ＥＧＲ通路
２３…ＥＧＲ弁
３…吸気通路
３５…吸気絞り弁
３７…圧力センサ
３８…一の流路
３９…他の流路
４…排気通路
５１…コンプレッサ
５２…タービン
６…エゼクタ

Claims (1)

1. 排気通路に設けられたタービンと、
   吸気通路に設けられ前記タービンにより駆動されるコンプレッサと、
   排気通路における前記タービンの下流側と吸気通路における前記コンプレッサの上流側とを連通するＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁と
   を具備する排気ガス再循環装置が付帯した内燃機関であって、
   吸気通路における前記コンプレッサの上流側の領域において、吸気通路を一旦複数の流路に分岐させた後コンプレッサの手前で再び合流させる構造とし、
   前記複数の流路のうちの一の流路に前記ＥＧＲ通路の出口をエゼクタを介して接続する一方、他の流路に吸気絞り弁及びこの吸気絞り弁の下流の圧力を検出する圧力センサを設けている
   ことを特徴とする内燃機関。

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