JP2013194556A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】触媒の暖機性の低下が抑制されたエンジンシステムを提供することを課題とする。
【解決手段】本実施例のエンジンシステムは、排気ガスの流れ方向に沿って延びた冷却フィンが内部に形成された排気ポート、前記排気ポートの周りに設けられたウォータジャケット、を有したエンジンと、前記排気ポートに接続された排気マニホールドと、前記排気マニホールドに接続された排気通路に配置された触媒と、前記排気マニホールドよりも上流側であり前記冷却フィンより下流側で前記排気ポート内に二次空気を供給する二次空気供給部と、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンシステムに関する。

特許文献１には、排気ポートに冷却フィンを設け、冷却フィン付近にウォータジャケットが設けられたエンジンが開示されている。

特開平１０−３１７９９５号公報

このようなエンジンでは、例えば冷間時などでは、排気ガスが冷却フィンにより過冷却されて、触媒の暖機性を低下させるおそれがある。

そこで、触媒の暖機性の低下が抑制されたエンジンシステムを提供することを目的とする。

上記目的は、排気ガスの流れ方向に沿って延びた冷却フィンが内部に形成された排気ポート、前記排気ポートの周りに設けられたウォータジャケット、を有したエンジンと、前記排気ポートに接続された排気マニホールドと、前記排気マニホールドに接続された排気通路に配置された触媒と、前記排気マニホールドよりも上流側であり前記冷却フィンより下流側で前記排気ポート内に二次空気を供給する二次空気供給部と、を備えたエンジンシステムによって達成できる。

排気マニホールドよりも上流側であり冷却フィンより下流側で排気ポート内に二次空気を供給することにより、排気マニホールドと冷却フィンとの間には、両者間の熱の移動を抑制する空気の層が形成される。これにより、排気ガスの温度の低下が抑制される。よって、触媒の暖機性の低下が抑制される。

触媒の暖機性の低下が抑制されたエンジンシステムを提供できる。

図１は、本実施例のエンジンシステムの構成図である。 図２は、排気ポートの説明図である。 図３Ａ、３Ｂは、冷却フィンの説明図である。 図４Ａは、排気ポートの壁面近傍での排気ガスの流速を示したグラフであり、図４Ｂは、排気ポートの壁面の熱流速を示したグラフである。 図５Ａは、排気ガスの冷却代と排気ポートの濡れ面積との関係を示したグラフであり、図５Ｂは、冷却フィンの有無と冷却フィンの面積の大きさと排気ガスの温度との関係を示したグラフである。 図６は、排気ガスの流速と熱流速の関係を示したグラフである。 図７は、ＥＣＵが実行する二次空気供給処理の一例を示したフローチャートである。 図８は、バルブオーバラップ量を拡大させた場合でのバルブリフト量とクランク角度との関係を示したグラフである。

以下、実施形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、エンジンシステムの構成を示した模式図である。図１には、自動車に搭載された多気筒の筒内噴射型ガソリンエンジン（以下「エンジン」と略す）２及びその電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と称す）４の概略構成が示されている。図１では１つの気筒の構成を中心として示している。

ＥＣＵ４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成され、エンジンシステム全体の作動を制御する。ＥＣＵ４は、制御部の一例である。詳しくは後述する。エンジン２には、燃焼室１０内に燃料を直接噴射する燃料噴射バルブ１２と、この噴射された燃料に点火する点火プラグ１４とがそれぞれ設けられている。エンジン２は、例えば直列式４気筒のガソリンエンジンである。

燃焼室１０に接続している吸気ポートＰ１は吸気弁Ｖ１の駆動により開閉される。燃焼室１０に接続している排気ポートＰ２は排気弁Ｖ２の駆動により開閉される。吸気弁Ｖ１及び排気弁Ｖ２は気筒毎に設けられている。吸気弁Ｖ１、排気弁Ｖ２はそれぞれ、クランク軸５４の回転が伝達されて回転する吸気カム軸Ｓ１、排気カム軸Ｓ２によって作動する。尚、吸気ポートＰ１、排気ポートＰ２は、エンジン２のシリンダヘッドに形成されている。

本実施形態では、吸気弁Ｖ１、排気弁Ｖ２の作動タイミングのそれぞれをクランク軸５４の角度に対して変更できる可変動弁装置Ｄ１、Ｄ２が設けられている。可変動弁装置Ｄ１、Ｄ２は、ＥＣＵ４からの指令に基づいて、それぞれ、吸気弁Ｖ１、排気弁Ｖ２の開閉タイミングを制御する。これにより、吸気弁Ｖ１と排気弁Ｖ２との双方が吸気ポートＰ１、排気ポートＰ２を開いた状態になるバルブオーバラップ量を変更することができる。

吸気ポートＰ１に接続された吸気通路２０の途中にはサージタンク２２が設けられ、サージタンク２２の上流側にはスロットルモータ２４によって開度が調節されるスロットル弁２６が設けられている。このスロットル弁２６の開度により吸気量が調整される。スロットル開度はスロットル開度センサ２８により検出され、サージタンク２２内の吸気圧は、吸気圧センサ３０により検出される。また、吸気通路２０にはエアフロメータ２１が配置されて、吸入空気量に応じた検出値をＥＣＵ４に出力する。

排気ポートＰ２に接続された排気通路３６には、排気ガス中の未燃成分（ＨＣ，ＣＯ）の酸化と窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元とを行い、酸素吸蔵、放出機能を有する三元触媒であるスタートキャタリスト３８が設けられている。また、排気通路３６には、スタートキャタリスト（以下、単に「触媒」という。）３８の下流に三元触媒４０が設けられている。また、排気通路３６には、触媒３８の上流側に、第１酸素センサ６４が、触媒３８と三元触媒４０との間に第２酸素センサ７０が配置されている。

スロットル開度センサ２８及び吸気圧センサ３０以外に、エンジン２の冷却水の温度を検出する水温センサ４１、アクセルペダル４４の踏み込み量（アクセル開度ＡＣＣＰ）を検出するアクセル開度センサ５６、クランク軸５４の回転からエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ５８、第１酸素センサ６４、第２酸素センサ７０は、それぞれの検出値をＥＣＵ４へ出力する。ＥＣＵ４は、上述した各種センサからの検出内容に基づいて、エンジン２の燃料噴射時期、燃料噴射量、及びスロットル開度を適宜制御する。

ＥＣＵ４は、触媒３８の酸化・還元能力を高めるために、触媒３８に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比になるように、燃料噴射量を、第１酸素センサ６４の出力、或いはその出力と第２酸素センサ７０の出力とに基づいて空燃比フィードバック制御する。空燃比フィードバック制御とは、排気ガスの空燃比が目標空燃比になるように、第１酸素センサ６４により検出された検出空燃比と目標空燃比との偏差をなくするように、燃料噴射量等を調整する制御である。

本実施例のエンジンシステムには、二次空気供給装置が設けられている。二次空気供給装置は、二次空気供給路８１、エアポンプ８２、エアスイッチングバルブ８３、圧力センサ８５などから構成される。エアポンプ８２は、外気を吸引して、二次空気供給路８１を通じてエンジン２の排気系に、外気を二次空気として吐出する。エアポンプ８２は、ＥＣＵ４から制御信号を受けて駆動する。二次空気供給路８１は、エンジン２の排気系における触媒３８より上流側に接続され、二次空気を供給可能に構成されている。

二次空気供給路８１には、エアフィルタ８８、エアポンプ８２、エアスイッチングバルブ８３が外気吸入側からエンジン排気系側に向けて順次配設されている。エアスイッチングバルブ８３は、二次空気供給路８１を開閉する機能を有する。開状態時に二次空気の流通を許容し、閉状態時に二次空気の流通を禁止する。エアスイッチングバルブ８３の開閉制御は、例えば電磁弁８７の開閉を通じて行われる。

電磁弁８７は、吸気管２０とエアスイッチングバルブ８３との間を接続する配管８６上に配設されている。この電磁弁８７が開状態となることにより、配管８６を通じてエアスイッチングバルブ８３がエア吸引される。このエア吸引により、エアスイッチングバルブ８３が開状態となる。一方、電磁弁８７が閉状態となることにより、エアスイッチングバルブ８３のエア吸引が停止する。これにより、エアスイッチングバルブ８３が閉状態となる。このエアスイッチングバルブ８３には、エンジン排気系側からエア吸入側へのエアの逆流を防止するエア逆止弁８４が内蔵されている。二次空気供給路８１におけるエアポンプ８２とエアスイッチングバルブ８３の間には、圧力センサ８５が設けられている。圧力センサ８５は、エアポンプ８２の吐出圧を検出する。

二次空気供給装置における二次空気供給処理の基本動作について説明する。二次空気供給装置は、例えば、車両の冷間始動時等の燃料濃度が高く、空燃比（Ａ／Ｆ）が小さく、かつ、触媒３８が充分に昇温しておらずその機能が充分に発揮されにくい状態において、電磁弁８７を開くことで吸気管２０内の負圧をエアスイッチングバルブ８３に導いてエアスイッチングバルブ８３の開制御を行う。

その際、エアポンプ８２を駆動させることでエアフィルタ８８を通過した外気を二次空気として二次空気供給路８１を介し排気通路３６内に導く。これにより、排気中の酸素濃度が上昇し、その空燃比が上がり、排気中のＨＣ、ＣＯの排気通路３６における二次燃焼が促進される。従って、排気ガスの浄化向上が図れる。また、排気温度を上昇させることで触媒３８の昇温を促進することによりエミッションの悪化が抑制できる。

次に、排気ポートＰ２について説明する。図２は、排気ポートＰ２の説明図である。尚、図１では示していないが、排気ポートＰ２には、排気マニホールドＥＭを介して排気通路３６が接続されている。排気ポートＰ２には、複数の冷却フィンＦが設けられている。冷却フィンＦは排気ガスの流れる方向に沿って延びている。冷却フィンＦは排気ポートＰ２の上部側に設けられている。また、冷却フィンＦと対向するように冷却水が流通するウォータジャケットＷ１が設けられている。また、ウォータジャケットＷ１とで排気ポートＰ２を挟むようにウォータジャケットＷ２が設けられている。換言すれば、排気ポートＰ２の周りにウォータジャケットが設けられている。これらウォータジャケットＷ１、Ｗ２は、シリンダヘッドに形成されている。冷却フィンＦの近傍にウォータジャケットＷ１が設けられていることにより、冷却フィンＦが冷却され、冷却フィンＦ周辺を流れる排気ガスの温度を低下させることができる。また、二次空気供給路８１のノズル８１Ｐは、排気ポートＰ２内に突出するように設けられている。詳細には、冷却フィンＦよりも下流側であり排気マニホールドＥＭよりも上流側にノズル８１Ｐが接続されている。

図３Ａ、３Ｂは、冷却フィンＦの説明図である。図３Ａは、排気ポートＰ２の軸方向からみた冷却フィンＦを示している。冷却フィンＦは３つ設けられているがこれに限定されない。図３Ｂは、排気ポートＰ２の底面側から見た排気ポートＰ２の上面側である３つのノズル８１Ｐは、略平行に並んだ３つの冷却フィンＦの下流側の端部のそれぞれに対向するように位置している。換言すれば、ノズル８１Ｐは、冷却フィンＦの下流側の端部に設けられている。ノズル８１Ｐは、二次空気供給路８１から途中で分岐した先端部である。冷却フィンＦの下流側の端部は、排気ポートＰ２の軸方向に対して略垂直に形成されている。尚、ノズル８１Ｐは、冷却フィンＦの数と同じ数だけ設けられているが、これに限定されない。二次空気供給路８１は、二次空気供給部の一例である。

ここで、冷却フィンＦによる排気ガスの温度の冷却効果について説明する。図４Ａは、排気ポートＰ２の壁面近傍での排気ガスの流速を示したグラフである。図４Ｂは、排気ポートＰ２の壁面の熱流速を示したグラフである。図４Ａは、排気ポートＰ２の上側及び下側の壁面の熱流速を示し、図４Ｂは、排気ポートＰ２の上側及び下側の壁面側を流れる排気ガスの流速を示している。燃焼室１０から排出された排気ガスは、排気ポートＰ２の上側に流れる傾向がある。このため、排気ポートＰ２の上側を流れる排気ガスの流速のほうが排気ポートＰ２の下側を流れる排気ガスの流速よりも大きくなる。この結果、排気ポートＰ２の上側の壁面の熱流速のほうが排気ポートＰ２の下側の壁面の熱流速よりも大きくなる。従って、効率的に排気ガスを冷却するために冷却フィンＦは排気ポートＰ２の上側に設けられている。

図５Ａは、排気ガスの冷却代と排気ポートＰ２の濡れ面積（表面積）との関係を示したグラフである。図５Ａに示すように、冷却フィンＦがない場合よりもある場合の方が排気ガスを冷却することができる。

ここで、排気ガスの温度の冷却フィンとの関係について説明する。図５Ｂでは、冷却フィンＦが設けられていない場合、面積の小さい冷却フィンＦが設けられている場合、面積の大きい冷却フィンＦが設けられている場合とについて比較したグラフである。図５Ｂに示すように、排気ガスの温度は、冷却フィンＦの面積が大きいほど低くなる。しかしながら、例えば冷間始動時に排気ガスの温度が過冷却されると、触媒３８に低温の排気ガスが流れ込み触媒３８を早期に活性化させることができないおそれがある。

また、このような冷却フィンＦを排気ポートＰ２に設けた場合に、あわせて排気ポートＰ２内に排気絞り弁を設ける場合が考えられる。例えば、排気絞り弁により排気ポートＰ２を流れる排気ガスの流速を絞ることにより、排気ガスの熱量を冷却フィンＦに移動させてエンジン２の暖機を向上させることが考えられる。しかしながら、このような排気絞り弁は高温の排気ガスにさらされる。また、排気ポートＰ２内は、冷間時には凝縮水やカーボンが発生し、高負荷運転領域では高温、高圧となる。このため、排気絞り弁の耐久性の確保や開度の制御などが困難になるおそれがある。これにより、排気絞り弁の動作タイミングの制御が困難となり、排気ガスの温度もばらつくおそれがある。このため、触媒３８に流入する排気ガスの温度にもばらつきが生じて、触媒３８を適切に活性化することができないおそれもある。また、排気絞り弁を設けたことにより、排気絞り弁前後での圧力損失が大きくなり、エンジン２の出力そのものに影響を与えるおそれがある。

図６は、排気ガスの流速と熱流速の関係を示したグラフである。図６に示すように、排気ガスの流速が大きいほど、排気ガスから排気ポートＰ２の壁面に移動する熱の熱流速が大きくなる。このため、排気絞り弁によって排気ガスの流速が大きく調整されると、触媒に導入される排気ガスの温度も大きくばらつくおそれがある。本実施例のエンジンシステムでは、このような排気絞り弁は設けられていない。このため排気ガスが過冷却されて触媒３８の暖機性が低下することが抑制されている。

また、上述したように本実施例では二次空気供給装置が設けられている。二次空気供給通路８１のノズル８１Ｐは、排気マニホールドＥＭよりも上流側であり冷却フィンＦより下流側で排気ポートＰ２内に二次空気を供給する。これにより、排気マニホールドＥＭと冷却フィンＦとの間には、両者間の熱の移動を抑制する空気の層が形成される。これにより、排気マニホールドＥＭ側の熱が排気ポートＰ２側に流れることが抑制される。これにより排気マニホールドＥＭが低温になることが抑制される。これにより、排気マニホールドＥＭを通過する排気ガスが低温になることが抑制される。よって、排気ガスが過冷却されて触媒３８の暖機性が低下することが抑制されている。また、冷却フィンＦは、排気マニホールドＥＭ側に形成されていないため、排気マニホールドＥＭの温度の低下が抑制されている。

また、図３Ｂに示すように、冷却フィンＦの下流側の端部付近では、冷却フィンＦの一方の側面に沿って流れる排気ガスと他方の側面に沿って流れる排気ガスとが合流する。この排気ガスが合流する部分に二次空気が供給される。このため、排気ガスと二次空気とが十分に攪拌される。これにより、例えば排気ガス中の未燃燃料の酸化反応を促進させることができ、これにより排気ガスの温度が上昇される。よって、触媒３８の暖機性の低下が抑制される。

また、図２に示すように、冷却フィンＦの下流側の端部は、排気ポートＰ２の軸心方向に対して垂直である。また、図３Ｂに示すように、冷却フィンＦの下流側の端部は、流線形ではない。図３Ｂに示すように、冷却フィンＦの下流側の端部の端面は、排気の流れる方向に対して垂直である。このため、冷却フィンＦの下流側の端部付近での排気ガスの乱れが促進される。これにより、二次空気と排気ガスとが十分に攪拌される。

次に、ＥＣＵ４が実行する二次空気供給処理について説明する。図７は、ＥＣＵ４が実行する二次空気供給処理の一例を示したフローチャートである。尚、この処理は、一定周期で繰り返し実行される。図７に示すように、ＥＣＵ４は、各種センサからの出力信号に基づいてエンジン２の運転状態を検出する（ステップＳ１）。例えば、エンジン回転数センサ５８に基づいてエンジン回転数等を検出し、水温センサ４１に基づいて冷却水温を検出する。次に、ＥＣＵ４は、エンジン２の運転状態が始動時であるか否かを判定する（ステップＳ２）。例えば、スタータ駆動後の所定期間内におけるエンジン回転数が所定回転数を超えた場合には、ＥＣＵ４は肯定判定する。または、水温センサ４１に基づいて冷却水温が所定値以下の場合には、ＥＣＵ４は肯定判定する。否定判定の場合には本処理を終了する。

ステップＳ２で肯定判定の場合、ＥＣＵ４は、二次空気を供給するための条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ３）。例えば、冷却水温が所定値以下であるか否かに基づいて冷間始動時であるか否かを判定し、その他、外気温、始動経過時間、バッテリー電圧、負荷条件、二次空気供給路８１内の圧力等の情報を考慮して判定する。

ステップＳ３で否定判定の場合には、ＥＣＵ４は、可変動弁装置Ｄ１、Ｄ２を制御して吸気弁Ｖ１、排気弁Ｖ２のバルブオーバラップ量を定常運転時の量に制御する（ステップＳ７）。定常運転時のバルブオーバラップ量は、例えばゼロ度であるがこれに限定されず、エンジン２の回転数や吸入空気量等に応じて変更されるものであってもよい。

ステップＳ３で肯定判定の場合には、例えばエンジン２は冷間始動時であると判定された場合には、ＥＣＵ４は、二次空気を排気ポートＰ２に供給する（ステップＳ４）。次にＥＣＵ４は、空燃費がリッチ補正中であるか否かを判定する（ステップＳ５）。このリッチ補正は、供給される二次空気と未燃燃料との反応による排気ガスの温度上昇を期待しておこなわれるものである。リッチ補正は、スロットル弁２６の開度に応じた空気量と燃焼室１０内に供給される燃料量との比が、理論空燃比よりも大きくする制御である。否定判定の場合には、ＥＣＵ４は、ステップＳ７の処理を実行する。

ステップＳ５で肯定判定の場合には、ＥＣＵ４は、バルブオーバラップ量を、定常運転時に設定されるオーバラップ量よりも拡大する（ステップＳ６）。図８は、バルブオーバラップ量を拡大させた場合でのバルブリフト量とクランク角度との関係を示したグラフである。図８では、ＥＣＵ４が可変動弁装置Ｄ２を制御して排気弁Ｖ２を遅角している例を示しているが、これに限定されない。例えば、可変動弁装置Ｄ１を制御して吸気弁Ｖ１を進角させてバルブオーバラップ量を増大させてもよいし、可変動弁装置Ｄ１、Ｄ２の双方を制御してバルブオーバラップ量を増大させてもよい。バルブオーバラップ量は、例えばクランク角度で２０度であるがこれに限定されない。

オーバラップ量を拡大すると、吸気弁Ｖ１が開いた後に吸気負圧による排気ガスの引き戻し効果と、二次空気を排気ポートＰ２に供給することとの相乗効果により、二次空気が燃焼室１０側に吸引されて冷却フィンＦ周辺が二次空気に覆われる。これにより、排気ガスが冷却フィンＦによって冷却されることが抑制される。また、オーバラップ量を増大させることにより、燃焼室１０内に残留する排気ガスの量が増大するとともに、二次空気の一部も燃焼室１０内に導入される。これにより、燃焼室１０内で排気ガスと二次空気が攪拌され、排気ガス中の未燃燃料が再燃焼され、排気ガスの温度が上昇する。これによっても、排気ガスの温度が上昇する。従って、触媒３８の暖機性の低下が抑制される。また、未燃燃料の排出も抑制できる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

上記実施例においては、排気ポートＰ２内に突出したノズル８１Ｐから二次空気が供給されるが、このようなノズル形状のものに限定されない。例えば、排気ポートＰ２の上側の壁面に形成された開口を介して二次空気を供給してもよい。

上記実施例においては、冷間始動時に二次空気を供給するが、始動時以外であり排気ガスの温度が低下した場合に二次空気を供給してもよい。

Ｐ２ 排気ポート
ＥＭ 排気マニホールド
Ｖ２ 排気弁
Ｄ１、Ｄ２ 可変動弁装置
Ｗ１ ウォータジャケット
Ｆ 冷却フィン
４ ＥＣＵ
１０ 燃焼室
３８ 触媒
８１ 二次空気供給路
８１Ｐ ノズル

Claims (4)

1. 排気ガスの流れ方向に沿って延びた冷却フィンが内部に形成された排気ポート、前記排気ポートの周りに設けられたウォータジャケット、を有したエンジンと、
   前記排気ポートに接続された排気マニホールドと、
   前記排気マニホールドに接続された排気通路に配置された触媒と、
   前記排気マニホールドよりも上流側であり前記冷却フィンより下流側で前記排気ポート内に二次空気を供給する二次空気供給部と、を備えたエンジンシステム。
2. 前記二次空気供給部は、前記冷却フィンの下流側の端部に設けられた、請求項１のエンジンシステム。
3. 前記二次空気供給部により前記排気ポートに二次空気が供給されている場合に、定常運転時よりもバルブオーバラップ量を増大させる可変動弁機構を備えた、請求項１又は２のエンジンシステム。
4. 前記エンジンが冷間時の場合に前記二次空気供給部により前記排気ポートに二次空気を供給するための処理を実行する制御部を備えた請求項１乃至３の何れかのエンジンシステム。

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