JP3966243B2 - 内燃機関 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関、特には理論空燃比よりも空気対燃料の比率が大きいリーン空燃比で運転される内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
理論空燃比よりも空気対燃料の比率が大きいリーン空燃比で運転される内燃機関が開発され、既に実用化もされている。
例えば、特許文献１に記載の装置がある。同公報の装置では、加速検出手段によって加速状態にあることが検出された場合には、空燃比をリーンにしたままで過給圧を高めることが開示されている。しかし、同公報に記載の装置ではリーン空燃比で運転されるのは同公報の図６において領域２で示されている範囲であって、高速、高負荷では、リーン空燃比では運転されない。
また、特許文献２に記載の装置は、高速、高負荷でリーン空燃比で運転する内燃機関を開示しているが、同公報の図５に示されるように低中速、低中負荷の領域では理論空燃比で運転するようにされている。
【０００３】
一方、省エネルギの観点から、より燃料消費量が少ない内燃機関が望まれている。しかしながら、上記特許文献１の内燃機関では高速、高負荷の運転領域ではリーン空燃比で運転されないための高速、高負荷の運転領域での燃料消費量が大きい。一方、上記特許文献２の内燃機関では低中速、低中負荷の領域では理論空燃比で運転するようにされており低中速、低中負荷の運転領域での燃料消費量が多い。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−１５８４６２号公報
【特許文献２】
特開平３−２３３２７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題に鑑み、広範な運転域でリーン空燃比で運転可能な燃料消費量が少ない内燃機関を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、吸入空気量が所定値以下の運転領域では予め定めた固定空燃比で運転し、吸入空気量が前記所定値を超えた運転領域では吸入空気量の増大に応じて前記固定空燃比から増大する可変リーン空燃比で運転することにより、吸入空気量が前記所定値を超えた運転領域での排気温度の増大とＮＯ X 発生量の増大とを抑制した、内燃機関が提供される。
このように構成される内燃機関では、吸入空気量が所定の空気量以下の運転領域では予め定めた固定空燃比で運転され、吸入空気量が前記所定の空気量を超えた運転領域では吸入空気量の増大に応じて前記固定空燃比から増大する可変リーン空燃比で運転されるので燃料消費量が少ない。また、吸入空気量の増大に応じて空燃比を増大することによりＮＯｘも増えない。
【０００７】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、吸入空気量の制御を吸入空気量制御手段でおこない、
吸入空気量制御手段はアクセルペダルの踏み込み量に対応して吸入空気量を調整するものであって、
アクセルペダルの踏み込み量とスロットル弁の開度との対応比をアクセル対応比としたときに、空燃比の増大に応じてアクセル対応比が大きくなるようにした、内燃機関が提供される。
このように構成される内燃機関では可変リーン空燃比での運転領域においては固定空燃比での運転領域よりも増大された吸入空気量で運転されポンピングロスが減り燃費が向上する。
【０００８】
請求項３の発明によれば、請求項２の発明において、吸入空気量制御手段は電気信号によりスロットル弁の開度を制御する電子スロットル弁であって、
アクセルペダルにアクセルペダル踏み込み量を検出するペダル踏み込み量検出手段が付設されていて、電子スロットル弁がペダル踏み込み量検出手段からの電気信号にもとづいてスロットル弁の開度を制御するようにした、内燃機関が提供される。
【０００９】
請求項４の発明によれば、請求項１から３のいずれか一つの発明において、吸入空気を加圧する過給機を備え、少なくとも可変リーン空燃比での運転領域では、過給機によって吸入空気量を増大するようにした、内燃機関が提供される。
このように構成される内燃機関では可変空燃比での運転領域では、過給機によって吸入空気量が増大される。
【００１０】
請求項５の発明によれば、請求項４の発明において、過給機により加圧された吸入空気を冷却する加圧空気冷却手段と、該加圧空気冷却手段による加圧された吸入空気の冷却度合いを制御する加圧空気冷却制御手段とを備え、
可変リーン空燃比での運転領域では、空燃比の増大に応じて吸入空気の温度が高くなるように吸入空気の温度を制御するようにした、内燃機関が提供される。
このように構成される内燃機関では可変空燃比での運転領域では、空燃比の増大に応じて吸入空気の温度が高くなるようにされ燃料の微粒化を促進する。
【００１１】
請求項６の発明によれば、請求項５の発明において、加圧された吸入空気を、加圧空気冷却手段を通さずにバイパスせしめるバイパス吸気通路を備え、加圧空気冷却制御手段はバイパス吸気通路を通過する吸入空気の量を制御して加圧された吸入空気の温度を制御するようにした、内燃機関が提供される。
【００１２】
請求項７の発明によれば、請求項５の発明において、加圧空気冷却手段は冷媒を流す冷媒流路を有し、加圧空気冷却制御手段は冷媒の流量を制御して加圧された吸入空気の温度を制御するようにした、内燃機関が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１が本発明の制御装置の全体の構成を示す図である。内燃機関１は、Ｖ型６気筒タイプのガソリン機関であって、各気筒に対して、燃料噴射弁１ａおよび点火栓１ｂが取り付けられている。また、内燃機関１には吸気マニホールド１０と排気マニホールド２０が取り付けられている。
【００１４】
エアクリーナ３の出口が吸入空気量を測定するエアフローメータ４が介装された第１吸気管１１を介してターボチャージャー２のコンプレッサ室２ｂの入口に接続されている。ターボチャージャー２のコンプレッサ室２ｂの出口は第２吸気管１２を介してインタークーラー通過空気量制御弁５の第１ポート５ａに接続されている。
【００１５】
インタークーラー通過空気量制御弁５の第２ポート５ｂは第３吸気管１３を介してインタークーラー６の入口に接続されている。インタークーラー６の出口には吸気管圧力センサ８、吸気温センサ９が取り付けられた第４吸気管１４を介してスロットルボデー７に接続されている。また、第５吸気管１５によって、インタークーラー通過空気量制御弁５の第３ポート５ｃと第４吸気管１４がインタークーラー６をバイパスして接続されている。
【００１６】
インタークーラー６は水冷式であって、内部に図示しない冷却水回路を有し、第１冷却水パイプ６ａを介して内燃機関１から冷却水が送られ、第２冷却水パイプ６ｂを介して内燃機関１へ冷却水が還流される。なお、本実施の形態ではインタークーラー６は上述のように水冷式とされているが、空冷式のものでもかまわない。
【００１７】
一方、排気マニホールド２０はターボチャージャー２のタービン室２ａの入口に接続されている。ターボチャージャー２のコンプレッサ室２ｂの出口は空燃比センサ２６が取り付けられた第１排気管２１を介して第１触媒２４の入口に接続されている。第１触媒２４の出口は第１Ｏ2センサ２７が取り付けられた第２排気管２２を介して第２触媒２５に接続されている。第２触媒２５の出口は第２Ｏ2センサ２８が取り付けられた第３排気管２３を介して図示しないマフラーに接続されている。
【００１８】
排気ガスの浄化方法はすでに実用化されているものであるので詳細は省略するが、第１触媒２４は三元触媒であって、第２触媒２５はＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒とされていて、空燃比センサ２６や第１Ｏ2センサ２７、第２Ｏ2センサ２８の信号にもとづき空燃比が後述するような目標値になるようにフィードバック制御をおこなう。
【００１９】
また、アクセルペダル１６にはアクセルペダル踏み込み量を検出するペダル踏み込み量センサ１７が取り付けられている。ペダル踏み込み量センサ１７が検出したペダル踏み込み量はＥＣＵ（電子制御ユニット）３０に送られる。ＥＣＵ３０はアクセルペダル踏み込み量に対応した信号を生成してスロットルボデー７に送出し、この信号によってスロットル弁７ａが駆動される。
【００２０】
ＥＣＵ３０には、本発明に関して、上述のペダル踏み込み量センサ３１の他、エアフローメータ４、吸気温度センサ８、空燃比センサ２６、第１Ｏ2センサ２７、第２Ｏ2センサ２８、からの信号が入力され、インタークーラー通過空気量制御弁５へインタークーラー通過空気量を制御する信号を送出する。
ＥＣＵ３０には、その他、多くのセンサ、アクチュエータ類が接続されているが本発明に関係ないものは省略してある。
【００２１】
上記のような構成にもとづきＥＣＵ３０によってＮＯｘの発生を押さえつつリーン空燃比運転をおこなうが、初めに、空燃比の設定について説明する。
図３は、空燃比を一定のリーン空燃比にして、吸入空気量を増加した場合の、排ガス温度の変化と、排ガスのＮＯｘの排出量の変化を示す図であって、吸入空気量が増大すると排ガス温度が上昇し、排気ガスのＮＯｘ排出量も増大することが示されている。
そして、図４に示されるように第２触媒はある温度以上になると浄化率が低下する。
【００２２】
一方、図５は、リーン空燃比域において、等トルク時の空燃比の変化に対する吸入空気量、排気ガス温度、排気ガスのＮＯｘ排出量、を示す図であって、空燃比を増大させるほど排気ガス温度、ＮＯｘの排出量が減少することを示している。
【００２３】
そこで、本実施の形態においては、図６に示すように、吸入空気量の増大に対して、あるところまでは、固定の空燃比（リーンの空燃比）とするが、それ以上、吸入空気量が増大したら、吸入空気量の増大に対応して空燃比も増大させる可変空燃比とする。この実施の形態では、固定空燃比の値は、例えば、２５前後にされている。
【００２４】
図７はこのような設定とすることによる効果を示す図であって、固定空燃比のままでは吸入空気量が増大するとＮＯｘの排出量が急増するのに対して、図７に示されるように吸入空気量が増大してもＮＯｘは微増にとどまっている。その結果、第２触媒２５の容量を大きくする必要がない。
【００２５】
吸入空気量は回転数とアクセルペダル開度によって決定されるので、実際は図８に示すようなマップに示されるように決定される。したがって、この図８のマップに対応して、図９に示すように回転数とアクセルペダル開度に対して空燃比が設定されており、図８に示される吸入空気量と図９に示される空燃比の関係が、図６に示されるような関係にされているということである。
【００２６】
さらに、図８の吸入空気量に対応して、燃料噴射量TAUが図１０に示すようなマップに設定され、燃料噴射タイミングITが図１１に示すようなマップに設定されている。燃料は、これらのマップにしたがって燃料噴射弁１ａ噴射される。また、点火時期SAは、図１２に示すようなマップに設定され、このマップにしたがって点火栓１ｂは点火をおこなう。
【００２７】
また、スロットル弁開度THAが図１３に示すようなマップに設定されている。
図１４は、ペダル踏み込み量PAと吸入空気量GAとの調整比、すなわち、アクセル対応比を説明する図である。横軸がペダル踏み込み量PAを表わし、縦軸が吸入空気量GAを表わしており、図中に示される線の傾きが、アクセル対応比を表わしている。図示されるように複数の線が示されており、空燃比が大きくなるにつれて、アクセル対応比が大きくなるようにされている。
このようにすることによって、空燃比が大きくなるにつれてより大量の吸入空気量が機関１の各気筒内に供給されポンピングロスが減り、その結果、燃焼効率が上がり、燃費が向上する。
なお、吸入空気量の調整するものとしては、スロットル弁の開度を調整するものの外、ＩＳＣ（アイドルスピードコントロール）装置のような空気バイパス量を調整するもの、可変動弁装置のような動弁の開弁を調整するもの等、吸入空気量が調整できるものであれば、どのようなものでも使用できる。
【００２８】
上記のように、空燃比、および、その他の各種運転パラメータが設定されている。そして、上記のような設定のもとで、図１５のフローチャートにしたがって以下のような制御をおこなう。
まず、ステップ１では吸入空気量GAをもとめる。これは、そのときのアクセルペダル開度PAと回転数NEから図８のマップからもとめる。ステップ２ではステップ１でもとめた吸入空気量GAが予め定めた所定値GATより大きいか否かを判定する。
【００２９】
ステップ２で肯定判定された場合は、吸入空気量GAが所定値GATより大きく、吸入空気量に応じて大きな空燃比で運転される場合である。
この場合は、ステップ３に進んで、吸気管圧力センサ８が検出した吸気管圧力によって過給機２によって過給されているか否かを判定する。そして、ステップ３で肯定判定された場合、すなわち過給されている場合には、ステップ４に進み吸気温度センサ９が検出した吸気温度TAを読み込む。さらに、ステップ５に進んで要求吸気温度TARを読み込む。ここで、要求吸気温度TARは図９に示した空燃比に対応して図１７に示すようにマップに記憶されている。
【００３０】
そして、ステップ６に進んで吸気温度TAが要求吸気温度TARより低いか、否か、を判定する。ステップ６で肯定判定された場合、すなわち、吸気温度TAが要求吸気温度TARよりも低い場合は、ステップ７に進む。ステップ７では、インタークーラー通過空気量制御弁５を制御して、第１ポート５ａから第３ポート５ｃに向かう流量を増大し第１ポート５ａから第３ポート５ｂに向かう流量を減少し、第５吸気通路１５を通る空気量を増大して吸気温度を上昇せしめる。
【００３１】
ステップ７の終了後はステップ６の手前まで戻るようにされており、ステップ６で否定判定される、すなわち、吸気温度TAが要求吸気温度TARよりも高くなるまでステップ６，７を繰り返す。ステップ６で否定判定されたら、ステップ８に進んで終了する。また、ステップ２で否定判定された場合、ステップ３で否定判定された場合はステップ８に飛んで何もせずに終了する。
【００３２】
第１の実施の形態は上記のように構成され作用し、吸入空気量が所定値以上であれば、吸入空気量の増大に対応して空燃比を増大していく可変空燃比による運転がおこなわれ、過給がされていれば吸気温度が要求吸気温度になるようにされる。したがって、大きな空燃比で運転することにより、排気ガス温度が下がり、ＮＯｘの発生を抑制できる。また、過給されている場合には、吸気温度が適温に保たれ、燃料の微粒化が抑制されることがないので燃焼も安定する。
【００３３】
次に、第２の実施の形態について説明する。図２が第２の実施の形態の構成を示す図であって、図１に示した第１の実施の形態に比して、バイパス制御弁５、および、第５吸気管１５が除去され、そのかわりに、インタークーラー６から内燃機関１へもどる冷却水流路６ｂの途中に冷却水量制御弁６ｃが設けられている。
【００３４】
そして、図１６に示されるフローチャートにしたがって制御される。このフローチャートは図１５に示した第１の実施の形態のフローチャートのステップ７を上記の構成の変更に合わせて、インタークーラーの冷却水量減少をおこなうステップ７Aに変更したものである。その他の点は図１５のフローチャートと変わらない。したがって、吸気温度TAが要求吸気温度TARよりも低い場合は、ステップ７Aで、冷却水量制御弁６ｃを制御してインタークーラーによる吸気温度の冷却度合いを抑制して吸気温度を上昇せしめるが、その他の点は第１の実施の形態と変わらず、第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
【００３５】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明による内燃機関では、吸入空気量が所定値以下の運転領域では予め定めた固定リーン空燃比で運転され、吸入空気量が前記所定値を超えた運転領域では吸入空気量の増大に応じて前記固定リーン空燃比から増大する可変リーン空燃比で運転され、全域でリーン運転されるので燃料消費量が少ない。また、吸入空気量の増大に応じて空燃比を増大することによりＮＯｘも増えない。
特に請求項２のようにすれば、可変空燃比での運転領域においては固定空燃比での運転領域よりもスロットル弁が開いた状態で運転されポンピングロスが減り燃費が向上する。
特に請求項６のようにすれば、可変空燃比での運転領域では、過給機によって吸入空気量を増大され、過給機により加圧された吸入空気を加圧空気冷却手段で冷却するが、加圧空気冷却制御手段で空燃比の増大に応じて吸入空気の温度が高くなるように制御され空燃比の増大に応じて吸入空気の温度が高くなるようにされ燃料の微粒化が促進される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の構成を示す図である。
【図２】第２の実施の形態の構成を示す図である。
【図３】空燃比を一定にして吸入空気量を増大した時の排ガスのＮＯｘ排出量、排ガス温度を示す図である。
【図４】排ガスの温度とＮＯｘ浄化率の関係を示す図である。
【図５】リーン領域において、同じトルクのときの、空燃比に対する吸入空気量、排気ガス温度、ＮＯｘ排出量を示す図である。
【図６】本発明における吸入空気量に対する空燃比の設定を示す図である。
【図７】図６のような空燃比の設定をおこなった場合の吸入空気量に対するＮＯｘ排出量の変化を示す図である。
【図８】回転数とアクセルペダル踏み込み量に対する吸入空気量のマップである。
【図９】図８に対応した、回転数とアクセルペダル踏み込み量に対する空燃比のマップである。
【図１０】図８に対応した、回転数とアクセルペダル踏み込み量に対する燃料噴射量のマップである。
【図１１】図８に対応した、回転数とアクセルペダル踏み込み量に対する燃料噴射時期のマップである。
【図１２】図８に対応した、回転数とアクセルペダル踏み込み量に対する点火時期のマップである。
【図１３】図８に対応した、回転数とアクセルペダル踏み込み量に対するスロットル弁開度のマップである。
【図１４】アクセル対応比、すなわち、アクセルペダル踏み込み量とスロットル弁開度の関係を示す図である。
【図１５】第１の実施の形態における制御のフローチャートである。
【図１６】第２の実施の形態における制御のフローチャートである。
【図１７】要求空気温度のマップである。
【符号の説明】
１…内燃機関
２…ターボチャージャー
３…エアクリーナー
４…エアフローメータ
５…インタークーラー通過空気量制御弁
６…インタークーラー
６ａ…インタークーラー冷却水量制御弁
７…スロットルボデー
８…吸気管圧力センサ
９…吸気温度センサ
１０…吸気マニホールド
１１…第１吸気管
１２…第２吸気管
１３…第３吸気管
１４…第４吸気管
１５…第５吸気管
１６…アクセルペダル
１７…ペダル踏み込み量センサ
２０…排気マニホールド
２１…第１排気管
２２…第２排気管
２３…第３排気管
２４…第１触媒
２５…第２触媒
２６…空燃比センサ
２７…第１Ｏ2センサ
２８…第２Ｏ2センサ
３０…ＥＣＵ

Claims (7)

  1. 吸入空気量が所定値以下の運転領域では予め定めた固定空燃比で運転し、吸入空気量が前記所定値を超えた運転領域では吸入空気量の増大に応じて前記固定空燃比から増大する可変リーン空燃比で運転することにより、吸入空気量が前記所定値を超えた運転領域での排気温度の増大とＮＯ X 発生量の増大とを抑制したことを特徴する内燃機関。
  2. 吸入空気量の制御を吸入空気量制御手段でおこない、
    吸入空気量制御手段はアクセルペダルの踏み込み量に対応して吸入空気量を調整するものであって、
    アクセルペダルの踏み込み量と吸入空気量の調整比をアクセル対応比としたときに、
    空燃比の増大に応じてアクセル対応比が大きくなるようにされている、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
  3. 吸入空気量制御手段は電気信号によりスロットル弁の開度を制御する電子スロットル弁であって、
    アクセルペダルにアクセルペダル踏み込み量を検出するペダル踏み込み量検出手段が付設されていて、電子スロットル弁がペダル踏み込み量検出手段からの電気信号にもとづいてスロットル弁の開度を制御する、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
  4. 吸入空気を加圧する過給機を備え、少なくとも可変リーン空燃比での運転領域では、過給機によって吸入空気量を増大する、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関。
  5. 過給機により加圧された吸入空気を冷却する加圧空気冷却手段と、該加圧空気冷却手段による加圧された吸入空気の冷却度合いを制御する加圧空気冷却制御手段とを備え、
    可変リーン空燃比での運転領域では、空燃比の増大に応じて吸入空気の温度が高くなるように吸入空気の温度を制御する、ことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
  6. 加圧された吸入空気を、加圧空気冷却手段を通さずにバイパスせしめるバイパス吸気通路を備え、加圧空気冷却制御手段はバイパス吸気通路を通過する吸入空気の量を制御して加圧された吸入空気の温度を制御する、ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
  7. 加圧空気冷却手段は冷媒を流す冷媒流路を有し、加圧空気冷却制御手段は冷媒の流量を制御して加圧された吸入空気の温度を制御する、ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
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