JP2016121633A

JP2016121633A - 排気ガス昇温方法及び排気ガス昇温装置

Info

Publication number: JP2016121633A
Application number: JP2014262594A
Authority: JP
Inventors: 飯島　章; Akira Iijima; 章飯島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2014-12-25
Publication date: 2016-07-07

Abstract

【課題】排気弁開時期を早めたときであっても燃費の悪化を抑えることができる排気ガス昇温方法を提供する。【解決手段】内燃機関１にクランク角に対する吸排気弁１２、１５の開閉時期を進角又は遅角させる可変バルブタイミング機構を設け、内燃機関１が低回転かつ低負荷状態にあるとき、排気弁１５の開閉タイミングを進角させると共に、吸気弁１２の開閉タイミングを遅角させて、膨張行程で生じた燃焼ガスの一部を排気管２に排気すると共に内燃機関１のシリンダ７内に残った燃焼ガスで吸気行程のポンプ損失を抑えるようにしたものである。【選択図】図１

Description

内燃機関が低回転かつ低負荷のとき後処理装置への排気ガスの温度を昇温させる排気ガス昇温方法及び排気ガス昇温装置に関するものである。

近年のディーゼルエンジンでは排気通路に、ススの除去のためにディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦ）や、ＮＯｘの除去のために選択的還元触媒（以下、ＳＣＲ触媒）等の後処理装置を設けている。

これら後処理装置での反応（ススの燃焼、ＮＯｘの還元）には、ある程度の排気ガス温度が必要である。そこで、図５及び図６に示すように、排気ガス温度が低くなる低回転、低負荷時に、排気弁の開時期を早めて膨張行程中のディーゼルエンジンから高圧高温の排気ガスを排気させ、排気ガス温度を上昇させる方法が知られている。

特開２００８−２８０９１５号公報特開昭６１−１８５６２８号公報特開昭６２−０２９７１８号公報特開２０１１−０５８３７２号公報

しかしながら、この方法ではかなりの燃費悪化となるという課題があった。例えば、膨張行程途中のｂ点で排気弁が開くことで排気管に温度が高い排気ガスを流すことができるものの、排気行程途中のｃ点で排気弁が閉じ、ピストン上昇中に吸気弁が通常タイミングのｅ点で開くことからポンプ損失の領域Ｂがハッチングで示す領域分だけ増加してしまい、その分燃費が悪化していた。

本発明の目的は、排気弁開時期を早めたときであっても燃費の悪化を抑えることができる排気ガス昇温方法及び排気ガス昇温装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明は、内燃機関の排気管に後処理装置が接続され内燃機関の低回転かつ低負荷時に前記後処理装置への排気ガスの温度を昇温させるための排気ガス昇温方法において、内燃機関にクランク角に対する吸排気弁の開閉時期を進角又は遅角させる可変バルブタイミング機構を設け、内燃機関が低回転かつ低負荷状態にあるとき、排気弁の開閉タイミングを進角させると共に、吸気弁の開閉タイミングを遅角させて、膨張行程で生じた燃焼ガスの一部を前記排気管に排気すると共に前記内燃機関のシリンダ内に残った燃焼ガスで吸気行程のポンプ損失を抑えるようにしたものである。

本発明によれば、排気弁開時期を早めたときであっても燃費の悪化を抑えることができる。

本発明の一実施の形態に係る排気ガス昇温方法における吸排気弁の開閉タイミングを示す図である。本実施の形態に係る排気ガス昇温方法のＰＶ線図である。本実施の形態に係る排気ガス昇温装置の説明図である。内燃機関と後処理装置の説明図である。従来の排気ガス昇温方法における吸排気弁の開閉タイミングを示す図である。従来の排気ガス昇温方法のＰＶ線図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図４に示すように、内燃機関１の排気管２には、排気ガスの後処理装置としてＤＦＰ３とＳＣＲ触媒４とが順に設けられている。ＤＰＦ３はＤＰＦ３内の排気ガスが所定温度以上となることで捕集したススを燃焼するようになっている。ＳＣＲ触媒４は、ＳＣＲ触媒４内の排気ガスが所定温度以上となることで活性化され、ＮＯｘの還元がなされるようになっている。また、内燃機関１は、エンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵ）５によって制御されるようになっている。

図３に示すように、内燃機関１は、ディーゼルエンジンからなる。内燃機関１は、動力を出力するためのクランクシャフト６と、クランクシャフト６の上方に形成されたシリンダ７と、シリンダ７内に往復動可能に設けられたピストン８と、ピストン８とクランクシャフト６とを連結するコネクティングロッド９と、シリンダ７とピストン８によって形成される燃焼室１０内に吸気を供給するための吸気ポート１１と、吸気ポート１１を開閉自在に塞ぐ吸気弁１２と、吸気弁１２を駆動するための吸気カム１３と、燃焼室１０内のガスを排気するための排気ポート１４と、排気ポート１４を開閉自在に塞ぐ排気弁１５と、排気弁１５を駆動するための排気カム１６と、燃焼室１０内に燃料を噴射するインジェクタ１７とを備える。

吸気弁１２及び排気弁１５はそれぞれスプリング１８によって常時閉弁方向に付勢されており、回転する吸気カム１３及び排気カム１６によって開弁方向に押されて開弁するようになっている。

吸気カム１３は、水平方向に延びる吸気カムシャフト１９に一体に設けられており、排気カム１６は、水平方向に延びる排気カムシャフト２０に一体に設けられている。吸気カムシャフト１９及び排気カムシャフト２０は、クランクシャフト６に図示しない減速機を介して接続されており、クランクシャフト６と同期して回転（クランクシャフト１回転に対して半回転）するようになっている。また、内燃機関１には、クランクシャフト６に対する吸気カムシャフト１９の回転位相を変化させる吸気側可変バルブタイミング機構２１が設けられると共に、クランクシャフト６に対する排気カムシャフト２０の回転位相を変化させる排気側可変バルブタイミング機構２２が設けられている。

ＥＣＵ５には、内燃機関１が低回転かつ低負荷状態にあるとき、排気側可変バルブタイミング機構２２を制御して排気弁１５の開閉タイミングを進角させる排気弁進角制御部２３と、排気弁進角制御部２３によって排気弁１５の開閉タイミングが進角されたとき、吸気側可変バルブタイミング機構２１を制御して吸気弁１２の開閉タイミングを遅角させる吸気弁遅角制御部２４とが形成されている。

排気弁進角制御部２３は、排気弁１５の開閉タイミングを進角させることにより膨張行程中の内燃機関１から膨張行程で生じた燃焼ガスの一部を排気管２に排気する。

吸気弁遅角制御部２４は、吸気弁１２の開閉タイミングを遅角させることにより排気行程の終わり間近に内燃機関１のシリンダ７内に残って密閉された燃焼ガスで吸気行程のポンプ損失を抑える。

図１に示すように、例えば、吸気弁１２の開弁期間ａ_iは、クランク角で２３０°に設定されており、排気弁１５の開弁期間ａ_oは、クランク角で２３０°に設定されている。また、排気弁１５の開閉タイミングを進角させる排気ガス昇温モードでの排気弁１５の進角量ｘ_oは、クランク角で約５０°に設定されており、吸気弁１２の遅角量ｘ_iは、クランク角で約４０°に設定されている。またさらに、排気ガス昇温モードでは、排気弁１５の閉弁時期が上死点から３０°以上４０°以下早い角度ｂ_o（クランク角）に設定されており、吸気弁１２の開弁時期が上死点から３０°以上４０°以下遅い角度ｂ_i（クランク角）に設定されている。

次に排気ガスの昇温方法について述べる。

図３に示すように、ＥＣＵ５の排気弁進角制御部２３及び吸気弁遅角制御部２４は、図示しないセンサから入力されるエンジン回転数、燃料噴射量等から内燃機関１が低回転かつ低負荷状態であることを検出すると、排気側可変バルブタイミング機構２２を制御して排気カムシャフト２０をクランク角で約５０°進角側に回動させると共に、吸気側可変バルブタイミング機構２１を制御して吸気カムシャフト１９をクランク角で約４０°遅角側に回動させる。これにより、排気弁１５の開閉タイミングが進角されると共に、吸気弁１２の開閉タイミングが遅角され、内燃機関１は排気ガス昇温モードになる。

図２は排気ガス昇温モードになった内燃機関１のＰＶ線図であり、縦軸が燃焼室１０内の圧力、横軸が燃焼室１０内の体積である。図中実線は本実施の形態にかかる排気ガス昇温方法（排気弁早開き＋吸気弁遅開き）を表し、破線は従来の排気ガス昇温方法（排気弁早開き）を表す。また、圧縮行程から膨張行程を経て排気行程途中までの線で囲まれる領域Ａが仕事を表し、排気行程から吸気行程を経て圧縮行程の途中までの線で囲まれる領域Ｂがポンプ損失を表す。

図２及び図３に示すように、例えば、実線において圧縮行程が終了し、ピストン８が上死点に至ったａ点から排気ガス昇温モードが開始された場合、着火・燃焼によってさらに燃焼室１０内の圧力Ｐが上昇したのち、膨張行程に移る。膨張行程では、ピストン８が下降して燃焼室１０の体積Ｖが大きくなると共に、燃焼室１０内の圧力Ｐが下がる。このとき、燃焼室１０内の温度は、圧力Ｐが下がるにつれて下がる。膨張行程の途中のｂ点に至ると、開閉タイミングが進角された排気弁１５が開弁され、膨張行程中の内燃機関１から通常より高圧・高温の排気ガスが排気管２に供給される。これにより、ＤＰＦ３内のススが燃焼され、ＳＣＲ触媒４にてＮＯｘが良好に還元される。

この後、排気行程に移り、開閉タイミングが進角された排気弁１５が排気行程途中のｃ点で閉じる。ｃ点以降の排気行程ではピストン８の上昇に伴って燃焼室１０内の圧力は上昇するが、吸気弁１２は開閉タイミングが遅角されているため、排気行程中に開くことはなく、上昇した燃焼室１０内の圧力が吸気ポート１１から燃焼室１０外に逃げることはない。ピストン８が上死点を過ぎると、吸気行程に移るが、吸気弁１２は吸気行程途中のｄ点に至るまで閉じている。このため、ピストン８は、ｃ点から上死点に至るまでの間燃焼室１０内の圧力を上昇させ続けるものの、上死点からｄ点に至るまでの間ピストン８は燃焼室１０内の圧力を受け続けることとなり、ＰＶ線図では上死点付近の吸気行程と排気行程とが同じ経路をたどることとなる。すなわち、上死点付近でポンプ損失を表す領域Ｂの面積が大きくなることはなく、上死点付近でのポンプ損失は僅かとなる。

ここで、破線で示される従来の排気ガスの昇温方法と比較すると、従来の方法では、吸気弁１２の開閉タイミングは通常通りであるため、排気行程のｃ点で排気弁１５が閉じられたのち、排気行程途中のｅ点で吸気弁１２が開弁されることとなり、ｃ点以降で上昇した燃焼室１０内の圧力がｅ点で吸気側に逃げ始め、その後、吸気行程に移って燃焼室１０内が負圧になるまでの間にポンプ損失領域Ｂが図中左側に大きく膨らんでしまっていた。これに対し、本実施の形態では排気行程のｃ点以降、上死点を過ぎてｄ点に至るまで吸気弁１２及び排気弁１５の双方が閉じたままであるので、燃焼室１０内の圧力が外部に逃げることはなく、ｃ点から上死点までの間で高めた燃焼室１０内の圧力は上死点からｄ点までの間でピストン８を押し下げる力として利用され、図中斜線で示す面積の分だけ図中左側への膨らみが小さくなり、ポンプ損失を抑えることができる。

なお、ＥＣＵ５は、エンジン回転数、燃料噴射量等から内燃機関１が低回転かつ低負荷状態であることを検出するものとしたが、図４に示すように、ＤＰＦ３及びＳＣＲ触媒４の入口に設けた温度センサ２５の検出値を用いて内燃機関１が低回転かつ低負荷状態であることを検出するものとしてもよい。

１内燃機関
２排気管
３ＤＰＦ（後処理装置）
４ＳＣＲ触媒（後処理装置）
７シリンダ
１２吸気弁
１５排気弁
２１吸気側可変バルブタイミング機構（可変バルブタイミング機構）
２２排気側可変バルブタイミング機構（可変バルブタイミング機構）

Claims

内燃機関の排気管に後処理装置が接続され内燃機関の低回転かつ低負荷時に前記後処理装置への排気ガスの温度を昇温させるための排気ガス昇温方法において、
内燃機関にクランク角に対する吸排気弁の開閉時期を進角又は遅角させる可変バルブタイミング機構を設け、内燃機関が低回転かつ低負荷状態にあるとき、排気弁の開閉タイミングを進角させると共に、吸気弁の開閉タイミングを遅角させて、膨張行程で生じた燃焼ガスの一部を前記排気管に排気すると共に前記内燃機関のシリンダ内に残った燃焼ガスで吸気行程のポンプ損失を抑えるようにしたことを特徴とする排気ガス昇温方法。
前記吸気弁の開閉タイミングの遅角量は、クランク角で約４０°である請求項１に記載の排気ガス昇温方法。
内燃機関の排気管に後処理装置が接続され内燃機関の低回転かつ低負荷時に前記後処理装置への排気ガスの温度を昇温させるための排気ガス昇温装置において、
内燃機関に設けられクランク角に対する吸排気弁の開閉時期を進角又は遅角させる可変バルブタイミング機構と、内燃機関が低回転かつ低負荷状態にあるとき排気弁の開閉タイミングを進角させる排気弁進角制御部と、前記排気弁進角制御部によって排気弁の開閉タイミングが進角されたとき吸気弁の開閉タイミングを遅角させる吸気弁遅角制御部とを備え、膨張行程で生じた燃焼ガスの一部を前記排気管に排気すると共に前記内燃機関のシリンダ内に残った燃焼ガスで吸気行程のポンプ損失を抑えるようにしたことを特徴とする排気ガス昇温装置。
前記吸気弁のバルブタイミングの遅角量は、クランク角で約４０°である請求項３に記載の排気ガス昇温装置。