JP4396487B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

この発明は、排気系に触媒装置を備えた内燃機関に関し、特に、排気弁の可変制御により触媒装置の早期昇温を実現する技術に関する。

排気系に設けられた排気浄化用の触媒装置を機関の始動後に早期に活性化させるために、排気弁のバルブリフト特性を可変制御し、排気温度を上昇させるようにした技術が、特許文献１および特許文献２に開示されている。特許文献１の技術は、排気弁を電磁駆動機構によって開閉駆動する構成であり、冷機時には、排気弁の開時期を下死点よりも遅角させて、排気ガスを圧縮したときの圧縮温度によって排気温度を上昇させ、触媒温度の早期昇温を図っている。また特許文献２の技術は、排気弁の可変動弁機構として、バルブリフト特性の作動角とその中心角とを可変制御し得る機構を備えており、冷機時には、作動角を小さくするとともに中心角の位相を進角させて、排気弁開時期および排気弁閉時期の双方を進角させるようになっている。これにより、排気温度を上昇させるとともに機関温度も上昇させるという構成となっている。
特開２００１−２８９０７５号公報 特開２００１−３５５４６９号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、排気弁の開時期をリタードすることによって排気温度を上昇させているが、排気弁として電磁弁を使用しているため、バルブリフト量は常に大きく、排気の押出損失は増大しない。そのため、特にアイドル状態において、機関回転速度を上昇させることなくエンジン負荷を上昇させることができないため、排気温度の上昇幅は、それほど大きなものとはならない。

このようにリフト量が大きい電磁弁からなる排気弁を用いて、その可変制御によってエンジン負荷を増大させるためには、排気弁の開弁期間（作動角）を短縮して排気の押出損失を増大させる必要がある。しかし適切な排気弁開時期に設定するためには排気弁閉時期が上死点前に設定されてしまうことになるので、残留ガス増加による燃焼悪化によって未燃ＨＣの排出量が増加するという問題が生じる。一方、残留ガスを低減するために排気弁閉時期を上死点近傍に設定すると、排気弁開時期も上死点近傍に設定されることになるため、既燃ガスを再圧縮した後の高圧下で排気弁を開くことになり、電磁弁を作動させるためのアクチュエータ容量を大きくする必要が生じるといった新たな問題が生じる。

また特許文献２の技術では、冷機時に排気弁閉時期を上死点前に進角させるため、残留ガス量増加による燃焼安定性の悪化によって点火時期を大きくリタードすることができず、排気温度を効果的に上昇させることができない。また、冷機時の排気弁開時期が暖機状態における排気弁開時期よりも進角しているため、下死点後にリタードする場合に比べて、排気の圧縮仕事が行われず、また排気の押出損失が減少するため、軸トルクを一定に維持しつつエンジン負荷を大きくすることができず、排気温度を効果的に上昇させることができない。

本発明は、請求項１に記載のように、排気系に設けられた排気浄化用の触媒装置と、排気弁のリフト量および開閉時期を変更する排気弁リフト特性変更手段と、吸気弁のリフト量および開閉時期を変更する吸気弁リフト特性変更手段と、機関の冷機状態を検出する冷機検出手段と、を有し、機関の冷機時に、暖機時に比べて排気弁リフト量が小さくかつ排気弁開時期が下死点よりも大幅に遅延化するように設定して再圧縮仕事を行わせることで、燃料量および吸入空気量から定まるエンジン負荷が、実際に出力される軸トルクよりも大きくなるように排気弁のリフト特性を制御するとともに、要求軸トルクを満たすに必要な上記エンジン負荷に対応する吸入空気量が得られるように吸気弁のリフト特性を制御して、排気温度を上昇させる内燃機関において、冷機時アイドリング状態から加速開始するときに、軸トルクが増大するように、吸気弁のリフト特性を保持しつつ排気弁の開時期を進角させるとともにそのリフト量を大きくして上記再圧縮仕事を減少させることを特徴としている。

例えば、機関が冷機状態かつアイドリング状態にあるときには、排気弁のリフト特性として、排気弁リフト量が暖機時に比べて小さくかつ排気弁開時期が大幅に遅延化するように設定される。これにより、膨張行程後に既燃焼ガスが再度圧縮されてから排気弁が開き排気行程が始まることになるため、再圧縮仕事が行われ、また、排気弁リフト量が小さい状態で排気ガスが排出されることによって押出損失が増大するので、エンジン負荷（燃料量、吸入空気量）に比較して、実際に出力される軸トルクが減少する。一方、吸気弁のリフト特性は、アイドル回転速度の維持に必要な要求軸トルクを満たすように、暖機後の状態よりも吸入空気量が増大する特性となる。従って、軸トルクに比較してエンジン負荷が大幅に大きくなり、排気ガス温度も暖機時に比べて大幅に上昇する。

このような冷機時アイドリング状態から加速を開始するときに、本発明では、吸気弁のリフト特性は冷機時の大きなエンジン負荷を維持するように保ちつつ、排気弁のリフト特性を優先的に可変制御し、実際に出力される軸トルクを増大させる。これにより、高温の排気ガスとして排出されるエネルギとエンジン軸トルクとなるエネルギとの配分を適切に制御でき、要求された軸トルクを発生しつつ、そのときに可能な最大限の排気ガス上昇効果が得られる。

図１は、本発明の基本的な説明図であって、例えば、暖機後であれば、アイドリング状態のときに、排気弁および吸気弁は、符号１０１で示すリフト特性であり、軸トルクの増加に伴い、特性１０２さらには特性１０３のようにリフト特性が変化していく。なお、各々のリフト特性は、円の上方が上死点、円の下方が下死点の一般的なバルブタイミングチャートとして示したものであり、周知のように、図左側の円弧が排気弁、図右側の円弧が吸気弁の開弁期間である。また、この例では、後述するように、リフト量と作動角が同時に増減変化する機構を用いたものとしており、従って作動角が大であるほどリフト量も大となる。そして、図１は、縦軸を軸トルク、横軸をエンジン負荷として、各々の円の位置が、そのときの軸トルクおよびエンジン負荷を表している。

これに対し、機関が冷機状態であると、アイドリング状態のときに、排気弁および吸気弁のリフト特性は、特性１０４や特性１０５のように制御される。つまり、軸トルクは低く、かつエンジン負荷は大となる。そして、このようなアイドリング状態から加速を開始する際に、本発明では、排気弁のリフト特性が優先的に変化する。例えば、アイドリング状態のときに特性１０４の状態にあれば、特性１０４→特性１０２（厳密には暖機後の特性１０２とは異なる）のように変化する。アイドリング状態のときに特性１０５の状態にあれば、特性１０５→特性１０６（同じく厳密には暖機後の特性１０６とは異なる）のように変化する。

より具体的には、本発明においては、冷機状態の排気弁リフト量が、暖機後の排気弁リフト量よりも小さく、かつ冷機状態の排気弁開時期が、暖機後の排気弁開時期よりも遅い。図２は、その説明図であって、特性２０２あるいは特性２０３として例示する冷機時のリフト特性では、特性２０１として例示する暖機後のリフト特性に比較して、排気弁のリフト量（換言すれば作動角）が相対的に小さなものとなっており、さらに、排気弁開時期が相対的に遅角している。なお、特性２０１〜２０３は、いずれもアイドリング状態のときのリフト特性の例である。

このように冷機時の排気弁リフト量を暖機後の排気弁リフト量よりも小さくすることで、高温・高圧の排気ガスが、わずかに開いた排気弁の隙間からピストンの上昇によって強制的に排出されるため、排気行程における排気ガスの押出損失が大幅に増加する。そのため、暖機後と同等の軸トルクを維持するためには、吸入空気量および燃料の増量が必要となり、エンジン負荷が増加する。従って、より大量でかつ高温の排気ガスが排出され、触媒の早期活性化を行うことが可能となる。しかも排気弁の開時期を下死点以降にまで遅らせるようにすると、膨張行程で燃焼した既燃ガスが下死点後に再度圧縮されて高温・高圧となり、排気の押出仕事がリフト量の小リフト化のみの場合よりもさらに増加する。そのため、さらに高温の排気ガスが排出されるようになり、排気系における触媒装置の温度が急速に上昇する。

請求項２に係る発明は、冷機時に非アイドリング状態から減速するときに、軸トルクが減少するように、吸気弁のリフト特性よりも排気弁のリフト特性を優先的に可変制御する。つまり、吸気弁のリフト特性を保持しつつ排気弁の開時期を遅角させるとともにそのリフト量を小さくして上記再圧縮仕事を増加させることを特徴とする。図３は、この請求項２の発明の説明図であって、特性３０１は暖機後のアイドリング状態のときのリフト特性の例を、特性３０２、３０３は、冷機時のアイドリング状態のときのリフト特性の例を、それぞれ示している。特性３０４および特性３０５は、冷機時の非アイドリング状態のときの特性例であって、この状態から減速したときに、排気弁のリフト特性を、特性３０２、３０３へ近づくように優先的に変化させる。例えば、排気弁のリフト量を小さくし、かつ開時期を遅角させる。

このように減速時に排気弁のリフト特性を優先的に可変制御することで、基本的に、吸気弁のリフト特性は吸入空気量が減少しないようにそのまま維持され、エンジン負荷が減少せずに軸トルクが抑制されることになる。従って、排気ガス温度上昇効果が増大する。

また請求項３に係る発明は、冷機時かつ非アイドリング状態からの減速時に燃料カットが行われるときに、急減速時の排気弁開時期の方が緩減速時の排気弁開時期よりも相対的に遅角側となるように制御することを特徴としている。

図４は、この請求項３の発明の説明図であって、減速開始前には特性４０１の状態にあり、この状態から最終的に特性４０２へと変化するが、その過程において、急減速であれば特性４０３のようになり、緩減速であれば、特性４０４のようになる。このように急減速時に排気弁開時期をより大きく遅角させることで、膨張行程終了後の再圧縮仕事が大となり、エンジンブレーキ作用を増大することができる。

また請求項４に係る発明は、冷機時かつ非アイドリング状態からの減速時に燃料カットが行われるときに、急減速時の排気弁リフト量・作動角の方が緩減速時の排気弁リフト量・作動角よりも相対的に小さくなるように制御することを特徴としている。

図５は、この請求項４の発明の説明図であって、減速開始前には特性５０１の状態にあり、この状態から最終的に特性５０２へと変化するが、その過程において、急減速であれば特性５０３のようになり、緩減速であれば、特性５０４のようになる。このように急減速時にリフト量を小さくすることで、膨張行程終了後の既燃ガス排出時に排気弁開口面積が小さくなるため、排気ガス押出損失が増大し、エンジンブレーキ作用を増大することができる。

さらに請求項５に係る発明は、冷機時かつ非アイドリング状態からの減速時に燃料カットが行われるときに、急減速時の吸気弁リフト量・作動角の方が緩減速時の吸気弁リフト量・作動角よりも相対的に大きくなるように制御することを特徴としている。

図６は、この請求項５の発明の説明図であって、減速開始前には特性６０１の状態にあり、この状態から最終的に特性６０２へと変化するが、その過程において、急減速であれば特性６０３のようになり、緩減速であれば、特性６０４のようになる。このように急減速時に吸気弁のリフト量および作動角を大きくすることで、吸入空気量が増大し、排気弁のリフト量の縮小および排気弁開時期の遅角化によるエンジンブレーキ作用がさらに増大する。

請求項６に係る発明は、冷機時急減速時に燃料カットが行われるときに、排気弁リフト量・作動角を、冷機時アイドリング時の排気弁リフト量・作動角と同じに制御することを特徴としている。

図７は、この請求項６の発明の説明図であって、減速開始前には特性７０１の状態にあり、この状態から最終的に特性７０２へと変化するが、その過程において、特性７０３のようになる。このように制御することによって、燃料カット後、エンジン回転速度が急速に低下して燃料噴射が再開され、アイドル時の機関回転速度・軸トルク状態に復帰しようとするときに、失火したり機関回転速度が変動することなく、ただちにアイドル状態に復帰することができる。

請求項７に係る発明は、冷機時アイドリング時の方が暖機後アイドリング時よりも、吸気弁リフト量・作動角が大きく、かつ排気弁リフト量・作動角が小さいことを特徴としている。図８は、この請求項７の発明の説明図であって、特性８０１が暖機後アイドリング状態のときの特性例、特性８０２が冷機時アイドリング状態のときの特性例、である。このように、冷機時アイドリング時の方が暖機時アイドリング時よりも吸気弁リフト量・作動角が大きくなるようにすることによって、冷機時アイドリング時の方が暖機時アイドリング時よりもエンジン負荷が増大する。さらに冷機時アイドリング時の方が暖機時アイドリングよりも排気弁リフト量・作動角が小さくなるようにすることによって、冷機時アイドリング時のエンジン負荷の方が大きいにもかかわらず軸トルクは暖機時アイドリング時と同等にすることができ、かつエンジン負荷が大きいことによって排気ガス温度を暖気時アイドリング時よりも上昇させることができる。

請求項８に係る発明は、冷機時アイドリング状態から加速開始するときに、急加速要求であれば、吸気弁のリフト特性と排気弁のリフト特性の双方を同時に可変制御することを特徴とする。図９は、この請求項８の発明の説明図であって、冷機時アイドリング状態では、特性９０１もしくは特性９０２のような設定となり、例えば特性９０１の状態から加速したときに、緩減速であれば、排気弁のリフト特性を優先的に可変制御することで、特性９０１→特性９０３→特性９０４のように変化する。これに対し、急加速であれば、排気弁のリフト特性および吸気弁のリフト特性の双方を同時に可変制御することで、特性９０１→特性９０５→特性９０４のように変化する。このように制御することによって、急速に軸トルクが増大するため、急加速要求に応じることができる。

請求項９に係る発明は、機関の温度もしくは触媒の温度の少なくとも一方を検出し、これらの暖機状態に対応する所定の設定値と検出温度との乖離量が大きいほど、同じ軸トルクに対しエンジン負荷がより大きくなるように排気弁のリフト特性を制御することを特徴としている。

図１０は、この請求項９の発明の説明図であって、図の上段は、触媒温度および機関温度（例えば潤滑油温度や冷却水温度）の暖機時の温度に対する乖離量を示しており、この乖離量に応じて、図の下段に示すように、冷機時のエンジン負荷が異なるものとなる。軸トルクは、基本的に一定であり、従って、乖離量が大きいほど、軸トルクに対するエンジン負荷の比率が大となる。このように制御することにより、機関温度もしくは触媒温度が低いほどエンジン負荷が増大され、触媒を急速に活性化することができる。

この発明によれば、冷機時にエンジン負荷の高い状態で内燃機関が運転されることにより、高温の排気ガスが大量に得られ、触媒装置が早期に活性化する。そして、冷機時アイドリング状態から加速開始するときに、排気弁のリフト特性を優先的に可変制御して、エンジン負荷に対する軸トルクの比率を高めるので、良好な加速応答性を確保できるとともに、触媒の早期活性化を可能な範囲で継続することができる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１１は、この発明に係る内燃機関１のシステム構成を示す構成説明図であって、内燃機関１は、吸気弁３と排気弁４とを有し、かつ吸気弁３および排気弁４の双方に、可変動弁機構５，６が設けられている。これらの可変動弁機構５，６は、基本的に同一の構成であって、吸気弁３もしくは排気弁４のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小させることが可能な第１可変動弁機構（ＶＥＬ）５ａ，６ａおよび作動角の中心角を連続的に遅進させることが可能な第２可変動弁機構（ＶＴＣ）５ｂ，６ｂをそれぞれ備えている。また、吸気通路７には、モータ等のアクチュエータにより開度が制御される電子制御スロットル弁２が設けられているとともに、その上流側に、吸入空気流量を検出するエアフロメータ８が設けられ、かつ下流の吸気コレクタ７ａに、吸気圧センサ９が設けられている。そして、各気筒の吸気ポートへ向かって燃料を噴射するように、燃料噴射弁１０が各気筒毎に設けられている。燃焼室中心には点火栓１５が配置されている。

ここで、上記スロットル弁２は、吸気通路７内に、ブローバイガスの処理などのために必要な僅かな負圧（例えば−５０ｍｍＨｇ）を発生させるためだけに用いられており、吸入空気量の調整は、可変動弁機構５により吸気弁３のリフト特性を変更することで行われる。すなわち、吸入空気量の調整をスロットル弁開度に依存しない実質的なスロットルレス運転が実現される。そして、上記のように吸気弁３により調整された吸入空気量に応じた量の燃料が、上記燃料噴射弁１０から噴射される。

また、排気通路１１には、例えば三元触媒を用いた触媒装置１２が介装されており、その上流側に、空燃比センサ１３が配置されている。上記触媒装置１２は、その温度を検出する触媒温度センサ１４を備えている。また、内燃機関１には、冷却水温を検出する水温センサ１６が設けられている。さらに、運転者により操作されるアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ１７と、車速を検出する車速センサ１８と、を備えており、これらのセンサ類の検出信号は、それぞれコントロールユニット１９に入力されている。

上記のコントロールユニット１９は、これらのセンサ類から入力された信号に基づいて、燃料噴射量、点火時期、スロットル弁２のスロットル開度、吸気弁３のリフト・作動角および中心角、排気弁４のリフト・作動角および中心角、などをそれぞれ制御する。

なお、上記第１可変動弁機構５ａ，６ａおよび第２可変動弁機構５ｂ，６ｂを組み合わせた可変動弁機構５，６は、例えば、特開２００２−２５６９０５号公報、特開２００２−８９３４１号公報等に開示された公知のものと同一の構成である。このものでは、第１可変動弁機構５ａ，６ａによって、リフト量と作動角が同時にかつ連続的に増減変化し、第２可変動弁機構５ｂ，６ｂによって、作動角の中心角の位相が連続的に遅進する。従って、両者の組み合わせによって、弁の開閉時期およびリフト量を運転条件に応じて可変制御することができる。これにより、前述した図１〜図９の排気弁４や吸気弁３の種々のリフト特性が実現される。

例えば、図１の暖機後の特性１０１と冷機時の特性１０４との対比から明らかなように、冷機時には、排気弁開時期が下死点よりも遅角し、かつ排気弁リフト量が小となる。このように排気弁開時期が遅角することで、排気ガスがシリンダ内で圧縮され、排気通路１１に排出される際の温度が上昇する。そして、排気弁４のリフト量を小さくすることで押出損失が増加し、仮にエンジン負荷つまり燃料量や吸入空気量が同一であれば、外部へ出力される軸トルクは低下する。これに対し、吸気弁３は、アイドリング時には基本的に小作動角となっているが、暖機後アイドリング状態に比較して、冷機時には、吸気弁閉時期を下死点側に近付けることで、エンジン負荷の増大（吸入空気量の増大およびこれに伴う燃料量の増加）を行う。このエンジン負荷の増大は、押出損失の増加等による軸トルクの低下と相殺され、外部へ出力される軸トルクは一定に保持される。なお、この吸気弁３の作動角の拡大と併せて、スロットル弁２の開度の増加により、冷機時のエンジン負荷の増大を行うようにしてもよい。

請求項１の発明の説明図。 請求項１の発明の説明図。 請求項２の発明の説明図。 請求項３の発明の説明図。 請求項４の発明の説明図。 請求項５の発明の説明図。 請求項６の発明の説明図。 請求項７の発明の説明図。 請求項８の発明の説明図。 請求項９の発明の説明図。 この発明に係る内燃機関のシステム構成を示す構成説明図。

２…スロットル弁
３…吸気弁
４…排気弁
５，６…可変動弁機構
１２…触媒装置
１４…触媒温度センサ

Claims (9)

1. 排気系に設けられた排気浄化用の触媒装置と、排気弁のリフト量および開閉時期を変更する排気弁リフト特性変更手段と、吸気弁のリフト量および開閉時期を変更する吸気弁リフト特性変更手段と、機関の冷機状態を検出する冷機検出手段と、を有し、
   機関の冷機時に、暖機時に比べて排気弁リフト量が小さくかつ排気弁開時期が下死点よりも大幅に遅延化するように設定して再圧縮仕事を行わせることで、燃料量および吸入空気量から定まるエンジン負荷が、実際に出力される軸トルクよりも大きくなるように排気弁のリフト特性を制御するとともに、要求軸トルクを満たすに必要な上記エンジン負荷に対応する吸入空気量が得られるように吸気弁のリフト特性を制御して、排気温度を上昇させる内燃機関において、
   冷機時アイドリング状態から加速開始するときに、軸トルクが増大するように、吸気弁のリフト特性を保持しつつ排気弁の開時期を進角させるとともにそのリフト量を大きくして上記再圧縮仕事を減少させることを特徴とする内燃機関。
2. 冷機時に非アイドリング状態から減速するときに、軸トルクが減少するように、吸気弁のリフト特性を保持しつつ排気弁の開時期を遅角させるとともにそのリフト量を小さくして上記再圧縮仕事を増加させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 冷機時かつ非アイドリング状態からの減速時に燃料カットが行われ、冷機時アイドリング状態に至る過程で、急減速時の排気弁開時期の方が緩減速時の排気弁開時期よりも相対的に遅角側となるように制御することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 冷機時かつ非アイドリング状態からの減速時に燃料カットが行われ、冷機時アイドリング状態に至る過程で、急減速時の排気弁リフト量・作動角の方が緩減速時の排気弁リフト量・作動角よりも相対的に小さくなるように制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関。
5. 冷機時かつ非アイドリング状態からの減速時に燃料カットが行われ、冷機時アイドリング状態に至る過程で、急減速時の吸気弁リフト量・作動角の方が緩減速時の吸気弁リフト量・作動角よりも相対的に大きくなるように制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関。
6. 冷機時急減速時に燃料カットが行われ、冷機時アイドリング状態に至る過程で、排気弁リフト量・作動角を、冷機時アイドリング時の排気弁リフト量・作動角と同じに制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関。
7. 冷機時アイドリング時の方が暖機後アイドリング時よりも、吸気弁リフト量・作動角が大きく、かつ排気弁リフト量・作動角が小さいことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関。
8. 冷機時アイドリング状態から加速開始するときに、急加速要求であれば、吸気弁のリフト特性と排気弁のリフト特性の双方を同時に可変制御することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関。
9. 機関の温度もしくは触媒の温度の少なくとも一方を検出し、これらの暖機状態に対応する所定の設定値と検出温度との乖離量が大きいほど、同じ軸トルクに対しエンジン負荷がより大きくなるように排気弁のリフト特性を制御することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の内燃機関。

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