JP2836398B2

JP2836398B2 - 内燃機関の排気還流制御装置

Info

Publication number: JP2836398B2
Application number: JP4212939A
Authority: JP
Inventors: 茂樹宮下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-08-10
Filing date: 1992-08-10
Publication date: 1998-12-14
Anticipated expiration: 2013-12-14
Also published as: JPH0658208A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排気還流制御
装置に係り、特に内燃機関の失火時に排出される未燃焼
ガスを吸気通路に還流して排気エミッションの向上を図
った内燃機関の排気還流制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、内燃機関の排気ガスの一部を
吸気通路に還流させ、内燃機関から発生する有毒ガスの
一つである窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減させる方法が広
く知られている（特開昭６２−１３７６７号公報）。

【０００３】上記公報記載の方法では、排気通路と吸気
通路とを接続する排気還流通路の導通を制御する排気還
流弁を、内燃機関の運転状態に応じて開閉させている。
このため、吸気通路に還流される排気ガスの流量は、内
燃機関の運転状態に応じた適宜量とされる。

【０００４】このように、吸気通路内に排気ガスの１部
を還流させると、内燃機関に供給される燃料中に排気ガ
スが混入することになる。また、排気ガス中には、水蒸
気（Ｈ₂Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ₂）のような不活性ガ
スが多量に含まれている。このため、排気ガスの混入し
た燃料は、そうでないものに比べて燃焼速度が遅い上
に、不活性ガスの分だけ熱容量も大きくなる。従って、
吸気通路に排気を還流させると、内燃機関の燃焼室内に
おける燃焼温度が下がることになる。

【０００５】一般にＮＯｘは燃焼室内の温度が高いほど
多量に発生する。つまり、発生量を抑制するためには、
燃焼温度を下げればよく、上記したように排気ガスを吸
気通路に還流させることにより目的が達成できる。

【０００６】一方、内燃機関に供給される燃料の燃焼速
度が遅い、つまり燃料の燃焼性が悪いと、内燃機関の出
力特性が悪化することになる。このため、上記の方法に
おいては、内燃機関のクランキング中及び暖機中のよう
に運転状態が不安定な場合や、燃料増量補正中のように
内燃機関に高出力が要求されている場合には排気ガスの
還流を停止している。従って、効果的にＮＯｘの排出量
を削減と、内燃機関の安定した運転状態の維持が両立さ
れる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、内燃機関が
クランキング中である場合、燃焼室内で点火不良による
失火が発生すると、排気通路には未燃焼ガスが排出され
る。すなわち、内燃機関の始動前においては、内燃機関
の暖機がされていないため、燃料の霧化の悪化や燃料の
壁面への付着等が現象が発生し、燃焼室内において失火
が起こりやすい状態となっている。

【０００８】このように、燃焼室内に初爆が発生し、内
燃機関が正常運転に移行するまで、排気通路には未燃焼
ガスが排出されることになる。また、上記従来の方法で
は、上記したように内燃機関がクランキング中である場
合、排気ガスの還流が行われていない。

【０００９】従って、上記従来の方法には、内燃機関の
クランキング中において、炭化水素（ＨＣ）を多量に含
む未燃焼ガスを排出して、排気エミッションを悪化させ
るという問題点があった。

【００１０】本発明は、上述の点に鑑みてなされたもの
であり、内燃機関が不安定な運転状態にある場合に、失
火により未燃焼ガスが排出された際には、その未燃焼ガ
スを吸気通路に還流して、常に良好なＨＣエミッション
の確保を可能とする内燃機関の排気還流制御装置を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、図１の原
理図に示すように、内燃機関Ｍ１の吸気通路Ｍ２と排気
通路Ｍ３とを排気還流通路Ｍ４で接続し、該排気還流通
路Ｍ４に排気還流弁機構Ｍ５を設け、前記排気還流弁機
構Ｍ５を、前記内燃機関Ｍ１の運転状態に基づいて制御
手段Ｍ６により開閉する内燃機関の排気還流制御装置に
おいて、前記制御手段Ｍ６が、始動時に前記内燃機関Ｍ
１から前記排気通路Ｍ３に排出された未燃焼ガスが前記
排気還流通路Ｍ４の接続部に到達したら前記排気還流弁
機構Ｍ５を開弁させ、燃焼ガスが前記排気還流弁機構Ｍ
５に到達するまで前記排気還流弁機構５を開弁状態で維
持することにより解決される。

【００１２】

【作用】本発明においては、前記内燃機関から前記排気
通路に排出された未燃焼ガスが、前記排気通路と前記排
気還流通路との接続部に到達したら、前記排気還流弁機
構が開弁し、以後、前記内燃機関に供給された燃料が燃
焼して、燃焼ガスが排気還流弁に到達するまで還流が行
われる。

【００１３】このため、前記排気通路に排出された未燃
焼ガスは前記排気還流通路を介して前記吸気通路に還流
され、排出された未燃焼ガスが前記排気通路から大気中
に排出されることはない。

【００１４】また、前記排気還流弁機構は、前記内燃機
関から排出された燃焼ガスがこの排気還流弁機構に到達
すると閉弁する。すなわち、前記排気還流弁機構は、未
燃焼ガスを通過させ、燃焼ガスを遮断するように作用す
る。

【００１５】従って、前記内燃機関が不安定な運転状態
であっても、排気ガスの還流により更に運転状態が不安
定になることはない。

【００１６】

【実施例】次に、本発明係る内燃機関の排気還流制御装
置の構成を一層明らかにするために、適切な実施例に沿
って説明を行う。図２は、本発明に係る内燃機関の排気
還流制御装置の一実施例の構成図を示す。

【００１７】同図中、符号１は内燃機関を示す。内燃機
関１の吸気ポートは、吸気バルブ２を介して吸気通路３
と連通している。また、その排気ポートは、排気バルブ
４を介して排気通路５と連通している。

【００１８】また、内燃機関１の燃焼室６内には、ピス
トン７が配設されている。このピストン７は、コンロッ
ド８により、図示されないクランクシャフトに連結され
ている。このため、燃焼室６内での爆発力はクランクシ
ャフトで回転力に変換されて取り出される。

【００１９】排気通路５は、排気ガス中からＮＯｘ、Ｈ
Ｃ、ＣＯといった有毒成分を触媒作用により低減させる
三元触媒コンバータ（ＴＷＣ）９に連接されている。こ
のＴＷＣ９は、理想空燃比の燃料が燃焼した場合に最も
効率良く上記３種の有毒成分を減少させる。

【００２０】また、排気通路５の、内燃機関１とＴＷＣ
９との間には、排気還流通路１０が連通している。ま
た、排気還流通路１０の他方の端部は、吸気通路３に連
通している。更に、この排気還流通路１０の途中には、
排気還流弁機構１１が設けられており、これにより通路
１０の導通が制御される。

【００２１】排気還流弁機構１１は、排気還流弁（ＥＧ
Ｒバルブ）１２、負圧作動弁（ＶＳＶ）１３、ＥＧＲバ
キュームモジュレータ１４で構成されている。以下、各
部の構成について説明する。

【００２２】ＥＧＲバルブ１２は、ダイアフラム１２
ａ、スプリング１２ｂ、弁体１２ｃで構成される。ダイ
アフラム１２ａは、ＥＧＲバルブ１２内部を２つの空間
に仕切り、スプリング１２ｂにより常に下向きに付勢さ
れている。また、弁体１２ｃはダイアフラム１２ａに固
定されており、通常の状態においては、排気還流通路１
０の導通を遮断するように作用する。

【００２３】ダイアフラム１２ａの上部空間は、それぞ
れ負圧通路１５、１６を介してＶＳＶ１３及びＥＧＲバ
キュームモジュレータ１４に連通している。従って、負
圧通路１５から１６に至る系内が負圧になると、ダイア
フラム１２ａはスプリング１２ｂのバネ力に抗って上向
きに移動し、排気還流通路１０が導通することになる。

【００２４】ＶＳＶ１３は、フィルタ１３ａ、大気孔１
３ｂ、ダイアフラム１３ｃ、スプリング１３ｄ、負圧孔
１３ｅ及び電磁弁１３ｆで構成されている。フィルタ１
３ａと大気孔１３ｂとは連通しており、大気孔１３ｂの
内部は常に大気圧に保たれている。また、ダイアフラム
１３ｃは、スプリング１３ｄにより常に大気孔１３ｂ向
きに付勢されており、通常状態では大気孔１３ｂと上記
の負圧通路１５とは遮断された状態となっている。

【００２５】ダイアフラム１３ｃを挟んで大気孔１３ｂ
の反対側に設けられている負圧孔１３ｅは、電磁弁１３
ｆを介して吸気通路３に通じる負圧通路１７に連通して
いる。この電磁弁１３ｆには、制御装置１８が接続され
ており、この制御装置の駆動信号に基づいて開閉する。

【００２６】ここで、電磁弁１３ｆが開弁すると、吸気
通路１７を介して負圧孔１３ｅに吸気負圧が供給され、
ダイアフラム１３ｃが負圧孔１３ｅ側に移動する。この
ため、大気孔１３ｂの閉塞が解除され、上記の負圧通路
１５内圧は大気に開放される。つまり、負圧通路１５
は、電磁弁１３ｆの状態により、遮断されるかまたは大
気に開放されるか何れかの状態となる。

【００２７】尚、制御装置１８には、クランク角センサ
１９で検出したクランク角検出信号が供給され、制御装
置１８はこのクランク角検出信号から機関回転数を算出
している。そして、後述するように、内燃機関１の回転
数が所定の回転数以上となったときに、クランキング終
了を判断する。

【００２８】他方、ＥＧＲバルブ１２に連通する上記の
負圧通路１６は、ＥＧＲバキュームモジュレータ１４を
介して負圧通路２０と導通している。このため、吸気通
路３内に吸気負圧が生じている場合、常にＥＧＲバルブ
１２ｂには負圧が供給されることになる。

【００２９】このため、ＶＳＶ１３から大気が導入され
ていなければＥＧＲバルブ１２の弁体１２ｃは、ダイア
フラム１２ａと共に上向きに移動し、排気還流通路１０
が導通状態となる。

【００３０】ところで、ＥＧＲバキュームモジュレータ
１４は、分岐管２１により排気還流通路１０に通じてい
る。この分岐管２１は、ＥＧＲバキュームモジュレータ
１４内のダイアフラム１４ａの下方空間に通じている。
このダイアフラム１４ａはスプリング１４ｂにより常時
上向きに付勢され、負圧通路１６に通じる負圧孔１４ｃ
を閉塞している。また、ダイアフラム１４ａの上方空間
には、吸気通路３に通じている負圧通路２２が連通され
ている。

【００３１】すなわち、分岐管２１にダイアフラム１４
ａを下向きに移動させるのに十分な負圧が発生すると、
負圧孔１４ｃが開口し、負圧通路２２が負圧通路１６と
導通する。

【００３２】この場合、ＥＧＲバルブ１２のダイアフラ
ム１２ａ上方空間には、より大きな負圧が供給されるこ
とになり、ダイアフラム１２ａが更に上向きに移動す
る。このため、弁体１２ｃが上向きに移動し、排気還流
通路１０の径が広がり通気抵抗が低減する。従って、排
気還流通路１０を還流する排気ガスの流量が増加する。

【００３３】つまり、本実施例装置によれば、ＶＳＶ１
３が負圧通路１５を遮断している場合、常に排気ガスの
還流が行われ、内燃機関の負荷に伴って吸気負圧が所定
の負圧より大きくなると、還流する流量が増加する。従
って、内燃機関の負荷の高低によらず効果的に排気ガス
を燃焼室６に導入することができる。

【００３４】図３は、本実施例装置において、制御装置
１８が実行する処理の一例のフローチャートを示す。以
下、同図、及び図４に示すタイムチャートに沿って、本
実施例装置の動作について説明する。イグニッションス
イッチがオンとなると、一定時間毎、例えば１０〜２０
mmSec 毎に以下の処理が実行される。

【００３５】ステップ１０１では、スタータモータが始
動状態であるかをみる。まだ始動されていなければ、燃
料の噴射もされておらず、何ら処理を行う必要がないた
め、そのまま処理を終了する。尚、このとき、例えば、
内燃期間が４００rpm 以下で回転している場合を始動時
と判定してもよい。

【００３６】ステップ１０１で始動状態であると判別さ
れたら（図４中、時刻ｔ₀）、クランク角センサ１９の
出力信号に基づいて、燃焼室内に失火が生じているか否
かをみる（ステップ１０２）。通常、スタータモータに
よる内燃機関の回転数は２００〜３００rpm 程度であ
り、例えば３００rpm 以下の回転数であれば、燃焼室内
で失火が発生していると判断することができる。

【００３７】ここで、燃焼室６内に噴射された燃料が十
分に霧化されていなかったり、吸気ポート周辺に付着し
て燃焼に十分な量が供給されなかったりして、ステップ
１０２において失火発生と判別されると、本実施例の要
部である排気還流処理が開始される。

【００３８】すなわち、ステップ１０３では、燃焼室６
から排出された未燃焼ガスが、排気還流通路１０の接続
部に到達したかをみて、到達するまで上記の処理を繰り
返し実行する。

【００３９】ここで、排気通路５の、排気ポートから排
気還流通路１０の接続部までの体積をＶ_EX、燃焼室６の
排気量をＶ_Cとすると、燃料の噴射が開始されてから
（図４中、時刻ｔ₁）、ピストン７がＶ_EX／（ｋ・
Ｖ_c）回往復運動する期間（図４中、機関）の経過後
に、排出されたガスがちょうど排気還流通路１０の接続
部に到達することになる。尚、ｋは往復運動一回当たり
の排気回数を示し、４サイクルエンジンの場合は０．
５、２サイクルエンジンの場合は１．０となる。

【００４０】このようにして、機関回転計クランク角セ
ンサ１９の出力信号に基づいて、未燃焼ガスが排気還流
通路１０の接続部に到達する時期をカウントし、その時
期になったら（図４中、時刻ｔ₂）ステップ１０４に進
み、排気還流弁１１を開とする。つまり、電磁弁１３ｆ
を遮断して、ＥＧＲバルブ１２のダイアフラム１２ａ上
方空間を負圧に保持する。

【００４１】すると、上記したように、弁体１２ｃが上
方に移動し、排気還流弁１０の遮断が解除される。この
ため、排気通路３には排気還流通路１０を介して吸気負
圧が供給され、まさにＴＷＣ９に向けて排出されようと
していた未燃焼ガスが吸気通路３に還流される。

【００４２】ステップ１０５では、排気還流弁１１の入
口に燃焼ガスが到達したか否かの判別がおこなわれてい
る。このため、燃焼室６内に初爆が起こり、その際に排
出された燃焼ガスが排気還流弁１１の入口に到達するま
では、上記のステップ１０１〜１０４が繰り返し実行さ
れる。

【００４３】この際、上記したようにスタータモータの
駆動力だけでは、機関回転数は２００〜３００_rpm程度
であるため、クランク角センサ１９で、４００_rpm程度
の回転が検出された場合、内燃機関１に初爆が起こった
と判別することができる（図４中、時刻ｔ₃）。

【００４４】また、燃料の燃焼後の体積変化率をα、排
気還流通路１０の、排気通路３から排気還流弁１１（Ｅ
ＧＲバルブ１２）の入口までの体積をＶ_EGRとすると、
ピストン７が、Ｖ_EX／（ｋ・Ｖ_c・α）＋Ｖ_EGR／（ｋ
・Ｖ_c・α・ＥＧＲ率）回だけ往復運動する期間（図４
中、期間）の経過後に、燃焼ガスが排気還流弁１１の
入口に到達したと判別することができる。

【００４５】尚、ここで、ＥＧＲ率とは、排気通路３を
流れるガスのうち、排気還流通路１０内に吸い込まれて
吸気通路３に還流するガスの割合のことである。

【００４６】このようにして、燃焼ガスが排気還流弁の
入口に到達する時期を計算して、その時期に達したら、
ステップ１０６に進み、排気還流弁１１を閉弁、つまり
電磁弁１３ｆを開弁させて、負圧通路１５を大気に開放
する（図４中、時刻ｔ₄）。

【００４７】以上でクランキング時の未燃焼ガスの吹き
抜けを防止する排気還流制御（図４中、期間）を終了
する。これにより、従来の装置では大気中に排出されて
いたクランキング中の未燃焼ガスを、吸気通路３に還流
させ、排気エミッションの向上が図れると共に、燃料の
更なる有効利用が可能となる。

【００４８】図５は、本発明に係る内燃機関の排気還流
制御装置の他の実施例の構成図を示す。尚、同図におい
て、図２と同一の部分には、同一の符号を付してその説
明を省略する。

【００４９】同図において、符号３０は本実施例装置の
排気還流通路を示す。また、符号３１は、排気還流弁機
構を示す。この排気還流弁機構３１は、排気通路５を、
ＴＷＣ９または排気還流通路３０に選択的に導通させる
ように働く。つまり、本実施例装置においては、ＥＧＲ
率が常に１００％となる。

【００５０】尚、排気還流弁機構３１の制御は、上記の
実施例と同様に制御装置１８により行われる。この場
合、図３中、ステップ１０３、及び１０５におけるガス
到達時期の計算は、排気通路の体積をＶＥＸとすると、
それぞれ下記に示す式で表される。

【００５１】ステップ１０３（還流通路入口に未燃焼ガ
スが到達するまでの期間）；ピストン７がＶＥＸ／（ｋ・Ｖ_c）回往復運動する期間ステップ１０５（還流弁入口に燃焼ガスが到達するまで
の期間）；ピストン７がＶＥＸ／（ｋ・Ｖ_c・α）回往復運動する
期間このように、本実施例装置においては、クランキング中
に失火があった場合、１００％未燃焼ガスが還流され
る。従って、図示されないスロットルバルブの開度によ
らず、吸気抵抗が極めて低く抑えられ、ポンピングロス
がほとんど無い状態になる。

【００５２】また、還流されてきた未燃焼ガスは、クラ
ンキング初期において燃焼室６に供給された燃料と異な
り、十分に混合されて霧化が促進されている。このた
め、再吸入時には、良好な混合気を形成し燃焼性のよい
燃料となる。

【００５３】このように、本実施例装置によれば、未燃
焼ガスの排出を皆無にすることができることに加えて、
クランキング中の吸気抵抗によるロスが抑制されると共
に、燃料の燃焼性が向上し、良好な始動性を得ることが
できる。

【００５４】

【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、内燃機関
の燃焼室内で失火が生じて未燃焼ガスが排出された際
に、その未燃焼ガスが排気還流通路を介して吸気通路に
還流される。このため、大気中に放出される未燃焼ガス
の量が抑制され、排気エミッションの向上が図れると共
に、燃料の有効利用を可能とする。

【００５５】また、燃焼室から排出された燃焼ガスは、
吸気通路に還流されてこないため、内燃機関の運転状態
を悪化させることがない。このため、従来の装置では、
実行できなかったクランキング中等の不安定運転時にも
運転性を悪化させることなく実行することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内燃機関の排気還流制御装置の原
理図である。

【図２】本発明に係る内燃機関の排気還流制御装置の一
実施例の構成図である。

【図３】本実施例装置が実行する処理に一例のフローチ
ャトである。

【図４】本実施例装置の動作を説明するためのタイムチ
ャートである。

【図５】本発明に係る内燃機関の排気還流制御装置の他
の実施例の構成図である。

【符号の説明】

Ｍ１、１内燃機関Ｍ２、３吸気通路Ｍ３、５排気通路Ｍ４、１０、３０排気還流通路Ｍ５、１１、３１排気還流弁機構Ｍ６、１８制御装置６燃焼室１２排気還流弁（ＥＧＲバルブ）１３負圧作動弁（ＶＳＶ）１３ｆ電磁弁１４排気還流バキュームモジュレータ（ＥＧＲバキュ
ームモジュレータ）１５、１６、１７、２０、２２負圧通路１９クランク角センサ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の吸気通路と排気通路とを排気
還流通路で接続し、該排気還流通路に排気還流弁機構を
設け、該排気還流弁機構を、前記内燃機関の運転状態に
基づいて制御手段により開閉する内燃機関の排気還流制
御装置において、前記制御手段は、始動時に前記内燃機関から前記排気通
路に排出された未燃焼ガスが前記排気還流通路の開口部
に到達したとき前記排気還流弁機構を開弁させ、燃焼ガ
スが前記排気還流弁機構に到達するまで開弁状態を維持
することを特徴とする内燃機関の排気還流制御装置。