JP2014125974A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】低温環境下でもＥＧＲ装置を早期に機能させ得る内燃機関を提供する。
【解決手段】吸気の温度ＴもＥＧＲガス温度も時間と共に昇温していくが、吸気の温度ＴがＥＧＲ作動基準値Ｔ０より低くてＥＧＲガス温度Ｋが設定基準度Ｋ０より低い場合は、ＥＧＲバルブ１５を要求開度より小さい補正開度で開く。ＥＧＲガスの還流量は要求量より少ないため温度が低くても燃焼の不安定化は招かず、ＥＧＲガスはＥＧＲ通路を通っているため、ＥＧＲ通路の早期暖機によりＥＧＲガスの早期昇温も実現できる。
【選択図】図２

Description

本願発明は、排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲ装置を備えた内燃機関に関するもので、特に車両用内燃機関を好適な対象としている。

ＥＧＲ装置は、燃焼温度を下げて排気ガスの有害成分を抑制したり、ポンピングロス抑制によって燃費を向上させたりできる利点があり、車両用内燃機関に広く普及しているが、ＥＧＲガスを還流させると出力は低下するため、アイドリング回転数のような低回転・低負荷域や坂道走行のような高負荷領域ではＥＧＲガスの還流は行わずに、主として中回転域・中負荷域で活用されている。

また、外気温が低くて燃焼室の昇温が不十分な状態でＥＧＲガスを還流させると、燃焼が不安定になりやすい。そこで、特許文献１には、機関が温まっていない状態で機関の回転数の低下率が設定値を超えた場合にはＥＧＲバルブの開弁速度を低下させて、機関の回転数の更なる低下を防止することが記載されている。

特開２００９−２７０４５４号公報

特許文献１は始動時からＥＧＲガスを還流させることを想定しているようであるが、機関の回転数が低下してからＥＧＲバルブの開度を下げるのは対症療法と云わざるを得ず、応答性が悪いのみならず、過度に冷却されたＥＧＲガスが燃焼室に大量に供給されることで、ＥＧＲバルブの開度低下の効果が現れる前に燃焼の不安定化によってエンジンストールが発生する可能性もある。

本願発明はかかる現状に鑑み成されたものであり、機関全体が温まる前に冷却されたＥＧＲガスが燃焼室に還流することによる不具合を的確に防止せんとするものである。

本願発明の内燃機関は、排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲ通路を備えており、機関回転数と負荷とから前記ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲバルブの要求開度を設定している構成であって、吸気の温度及びＥＧＲガスの温度のうち片方又は両方が設定値よりも低い場合は、前記ＥＧＲバルブが要求開度よりも小さい開度で開くように制御される。

本願発明において、吸気の温度とＥＧＲガスの温度とは、それぞれ実測値と推測値との両方を含んでいる。吸気の温度の推測値としては、例えば外気温度で代替することも可能である。或いは、外気温度が低いと、始動と同時にヒータも使用することも多いので、ヒータのスイッチのＯＮを吸気の温度に代替することも可能である。

外気温度は、ＥＧＲガスの温度の推測値として使用することも可能である。このようにＥＧＲガスの温度の推測値として外気温度を使用する場合は、ＥＧＲガスの還流量と併用することで信頼性が高くなると云える。すなわち、ＥＧＲガスの積算還流量が多くなると機関も始動から時間が経過していてかなり昇温していると共に、ＥＧＲ通路もかなり昇温していてＥＧＲガスの温度も高くなっているのが普通なので、ＥＧＲバルブの開度と時間からＥＧＲガスの積算還流量を演算して、このＥＧＲガスの積算還流量と外気温度とを変数としてＥＧＲガスを要求とおりに還流させ得るか否かのマップを作成し、このマップに基づいてＥＧＲバルブの開度を制御することも可能である。

また、ＥＧＲガスの温度として冷却水温度やオイル温度で代替し、ＥＧＲガスの還流量で補正した値をＥＧＲガスの推測値として使用することも可能である。

本願発明におけるＥＧＲバルブの開度制御については、吸気の温度又はＥＧＲガスの温度が基準温度以下の場合は同率の割合でＥＧＲバルブの開度を一律に低下させてもよいし、吸気の温度又はＥＧＲガスの温度の高さに応じて開度を段階的又は無段階的に変えてもよい。吸気の温度又はＥＧＲガスの温度の上昇率に基づいて、ＥＧＲバルブの開度を変えることも可能である（すなわち、上昇率が高い場合は開度が大きくなるように設定する。）。

本願発明では、所定温度まで昇温していないＥＧＲガスが燃焼室に大量に流入することを防止できるため、燃焼が不安定になることを防止できる。その結果、回転変動を防止又は著しく抑制してエンジンストールも防止できる。

また、ＥＧＲバルブを全閉するのではなく、ＥＧＲガスはＥＧＲ通路を流れているため、ＥＧＲガスによるＥＧＲ通路の昇温はなされており、このため、ＥＧＲガスを迅速に昇温させてＥＧＲバルブを要求値とおりに開く定常運転に早く到達できる。その結果、排気ガスの改善や燃費の向上に貢献できる。

内燃機関の構成を示す模式図である。 制御態様の基本を示すグラフである。 制御の一例を示すフロフーチャートである。

(1).構造の発明
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、構造を説明する。本実施形態は車両用３気筒内燃機関に適用しており、機関本体の主要部として、シリンダブロック１とその上面に重なったシリンダヘッド２とを備えており、シリンダブロック１の下面にはオイルパン（図示せず）が固定されている。シリンダブロック１及びシリンダヘッド２の一側面には動弁機構駆動用チェンを覆うチェンカバー３が固定されている一方、シリンダブロック１の他側面にはＣＶＴ方式等のトランスミッション４を取り付けている。チェンカバー３も機関本体の一部を構成している。

本実施形態の内燃機関は、クランク軸を車両の進行方向に向いて横向きにした横置き式であり、シリンダヘッド２の後面に吸気マニホールド５を固定し、シリンダヘッド２の前面には排気マニホールド６を固定している。吸気マニホールド５にはエアクリーナ７を始端とする吸気通路８が接続されており、吸気通路８には、スロットルバルブ９とその下流側に位置したサージタンク１０とを設けている。吸気通路８と吸気マニホールド５とで、請求項に記載した吸気系が構成されている。

他方、排気マニホールド６には排気通路１１が接続されており、排気通路１１には、触媒方式の排気ガス浄化装置１２や排気ターボ過給機（図示せず）、消音器（図示せず）等を設けている。また、排気通路１１と吸気通路８とはＥＧＲ通路１３で接続されており、ＥＧＲ通路１３には水冷式のＥＧＲクーラ１４と流量調整用のＥＧＲバルブ１５を設けている。

本実施形態では、ＥＧＲ通路１３を排気通路１１のうち浄化装置１２より上流側に接続しているが、浄化装置１２の下流側に接続してもよい。また、ＥＧＲ通路１３は機関本体から離れた管路として表示しているが、その一部又は大部分若しくは全部を排気マニホールド６やシリンダヘッド２に組み込むこと（すなわち、排気マニホールド６やシリンダヘッド２にＥＧＲ通路１３を形成すること）も可能である。

図示のＥＧＲバルブ１５はＥＧＲクーラ１４の下流側で吸気通路８に近い部位に設けているが、ＥＧＲクーラ１４よりも上流側に設けることも可能である。ＥＧＲ通路１３のうちＥＧＲバルブ１５の近傍部に、ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温度センサ１６を設けている。なお、ＥＧＲガスの温度をガス温度センサー１６で直接に検知することに代えて、ＥＧＲ通路１３の温度を検出して、これをＥＧＲガスの温度に代替することも可能である。

シリンダブロック１及びシリンダヘッド２には冷却水通路１８，１９を設けており、冷却水通路１８，１９には、クランク軸で駆動されるウォータポンプ２０から冷却水が圧送される。シリンダヘッド２の一側部には、当該シリンダヘッド２の冷却水１９に連通したサーモ弁２１を設けており、冷却水は、温度が所定の高さになるとサーモ弁２１を介してラジェータ２２に循環する。

ＥＧＲクーラ１４もシリンダヘッド２の冷却水通路１９から出た冷却水で冷却されるが、ラジェータ２２と同様に冷却水が所定の温度に昇温しないとＥＧＲクーラ１４には通水されない。機関本体で温められた冷却水は常にヒータ２３を循環する。機関本体のうち適宜部位に、冷却水の温度を検知する水温センサ２４を設けている。また、サージタンク１０には吸気の温度を検知する吸気温度センサ２５を設けている。なお、吸気温センサ２５は吸気通路８の他の部位に設けてもよい。

内燃機関は、制御装置の中枢であるＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）２６を備えている。敢えて説明するまでもないが、ＥＣＵ２２は記憶装置や演算装置（ＣＰＵ）等を備えており、既述のガス温度センサ１６や水温センサ２４や吸気温センサ２５はＥＣＵ２２に結線されている。また、ＥＣＵ２６には、クランク軸の回転数を検知する回転センサ２７や、クランク軸に作用している負荷を検知する負荷センサ（トルクセンサ）２８、外気温度（エンジンルームの温度）を検知する外気温センサ２９も接続されている。敢えて説明は要しないであろうが、スロットルバルブ９やＥＧＲバルブ１５はＥＣＵ２６からの指示によって開度が制御される。

(2).制御態様
次に、図２，３を参照してＥＧＲバルブ１５の制御態様を説明する。図２（Ａ）は、吸気温度ＴとＥＧＲガス温度ＫとＥＧＲ領域との関係を示すグラフである。ＥＧＲバルブ１５は機関の回転数と負荷（車速）との関係で開度が設定されるようになっており、予め設定した回転域（中回転域）でかつ予め設定した負荷（車速で代替する場合は中速度域）で作動し、回転数と負荷との関係により、予め設定したマップに基づいて開度が設定される。

しかし、回転数と負荷とが予め設定した値を超えてＥＧＲ領域に達しても、吸気の温度Ｔが予め設定した基準値Ｔ０より低いか、ＥＧＲガスの温度Ｋが予め設定した基準値Ｋ０より低いかのいずれか一方又は両方である場合は、ＥＧＲバルブ１５は要求値どおりには開かずに、要求値よりも低い開度で開く。そして、吸気の温度Ｔが予め設定した基準値Ｔ０より高いと共にＥＧＲガスの温度Ｋが予め設定した基準値Ｋ０より高い場合には、ＥＧＲバルブ１５は要求値どおりに開く。

吸気の温度Ｔが基準値Ｔ０より低いかＥＧＲガスの温度Ｋが基準値Ｋ０より低いかのいずれか一方又は両方である場合は、ＥＧＲバルブ１５の開度が要求値より小さい不完全ＥＧＲ領域であるが、実際の開度と要求開度との関係は、図２（Ｂ）に実線で示すように、吸気温度ＴとＥＧＲガス温度Ｋとのうちいずれか一方又は両方に比例して無段階的に開度が大きくなる態様と、一点鎖線で示すように、吸気温度ＴとＥＧＲガス温度Ｋとのうちいずれか一方又は両方に比例して開度が段階的に高くなる態様と、図示してないが、吸気温度ＴとＥＧＲガス温度Ｋとのうちいずれか一方又は両方が基準値より低い場合は固定された１つの開度で開く場合との３つの態様が有り得る。

ＥＧＲガス温度Ｋは時間の経過と共に上昇するが、冬季や寒冷地で使用する場合のように外気温が低い場合は、ＥＧＲ通路１３の昇温が遅くなるため、ＥＧＲガスがＥＧＲ通路１３で冷やされて、そのまま燃焼室に入ると燃焼の不安定化を招く場合がある。この点、本実施形態では、ＥＧＲガスの温度が燃焼に影響する程に低い場合は、還流量が要求値より低い量に抑制されるため、燃焼の安定化を確保できると共にＥＧＲ通路１３も昇温させることができる。

図３では、制御の実例をフローチャートで示している。制御システムは例えば機関の始動と共にスタートし、まず、機関の回転数が基準値以上か否かが判断され（Ｓ１）、これがＹＥＳの場合は、機関の負荷が基準値以下か否かが判断される（Ｓ２）。アイドリング状態の低回転域ではＥＧＲガスの還流は行われず、また、上り坂の走行や積載量が多い状態での走行のような高負荷走行でも、ＥＧＲガスの還流は行われない。回転数による判断と負荷による判断とは順序を変えてもよい。既述のように、負荷は車速に代替させてもよい。

Ｓ１及びＳ２ともＹＥＳの場合は、予め定められた制御マップに基づいて、ＥＧＲバルブ１５の要求開度が演算される（Ｓ３）。次いで、ＥＧＲガスの温度Ｋが基準値Ｋ０より低いか否かが判断され（Ｓ４）、ＫがＫ０より低い場合（Ｋ−Ｋ０が負の場合）は、吸気の温度Ｔが基準値Ｔ０よりより低いか否かが判断される（Ｓ５）。Ｓ４とＳ５は順序を入れ換えてもよい。

Ｓ４及びＳ５ともＹＥＳの場合は、予め定めたマップに基づき、ＥＧＲバルブ１５の要求開度に例えば０．０５や０．１というような係数が乗じられて、実際の補正開度が設定される（Ｓ６）。次いで、ＥＧＲバルブ１５のアクチェータが駆動されて、ＥＧＲバルブ１５が補正開度のとおりに開く。これにより、燃焼室には要求量より少ないＥＧＲガスが還流する。

そして、ＥＧＲ通路１３をＥＧＲガスが通ることで、当該ＥＧＲ通路１３の昇温が促進されて完全ＥＧＲ領域への移行が促進されると共に、燃焼室へのＥＧＲの還流量は僅かであるので、燃焼が不安定化する不具合は生じない。Ｓ４及びＳ５がＮＯの場合は、ＥＧＲバルブ１５は要求値どおりに開く。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば寒冷地や冬季では吸気温度が低いままであることがあるので、ＥＧＲガスの温度のみを要素してＥＧＲバルブの開度を補正したり、始動してから予め設定した時間のみ吸気の温度をＥＧＲバルブ開度補正要素して、予め設定した時間を経過した後はＥＧＲガスの温度のみを要素としてＥＧＲバルブの開度を補正することも可能である。

本願発明は実際に内燃機関に適用できる。従って、産業上利用できる。

１ 機関本体を構成するシリンダブロック
２ 機関本体を構成するシリンダヘッド
５ 吸気マニホールド
６ 排気マニホールド
８ 吸気系を構成する吸気通路
９ スロットルバルブ
１１ 排気通路
１３ ＥＧＲ通路
１５ ＥＧＲバルブ
１６ ガス温度センサ
２４ 水温センサ
２５ 吸気温センサ
２６ 制御手段としてのＥＣＵ
２７ 回転センサ
２８ 負荷センサ

Claims (1)

1. 排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲ通路を備えており、機関回転数と負荷とから前記ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲバルブの要求開度を設定している構成であって、
   吸気の温度及びＥＧＲガスの温度のうち片方又は両方が設定値よりも低い場合は、前記ＥＧＲバルブが要求開度よりも小さい開度で開くように制御される、
   内燃機関。

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