JP4595849B2 - 内燃機関 - Google Patents

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Description

本発明は、排気浄化触媒及びパルス過給弁を備えている内燃機関に関する。より詳細には、パルス過給弁を用いて排気通路に配置した排気浄化触媒を再生処理する内燃機関に関する。
排気ガス中に含まれる有害物質を浄化してから機外に排出するため、内燃機関の排気通路には排気浄化触媒が配備されている。このような排気浄化触媒では例えばNOx、PM(Particulate Matter 微粒子状排出物質)などが蓄積してしまうと機能が低下してしまう。そこで、触媒が活性化する温度(ライトオフ(light off)温度と称される)まで排気ガス温度を昇温させることにより、上記物質を燃焼させて無毒化する被毒解消処理(以下、再生処理)を行うことが必要である。そこで、従来から排気浄化触媒の再生処理が必要となったときに排気ガス温度を上昇させる技術について複数の提案がある。
アイドル運転領域などのように内燃機関の負荷が軽い運転領域では一般に排気ガス温度が低い。そのために触媒床温度の十分な上昇が期待できず円滑な再生処理が困難である場合が多い。そこで、例えば特許文献1で開示する排気浄化触装置は再生処理を行う際に触媒温度が低い場合には、添加噴射(ポスト噴射)をして燃料を増量すると共に、吸気絞り弁及び排気絞り弁を絞っている。これにより、内燃機関の負荷を増量させ、通過する排気ガス量を低減することで熱量の低下を抑制して排気ガス温度の上昇を図っている。
特開2003−193824号公報
しかしながら、排気ガスの流量を低減させるため排気弁を絞り背圧を高めた状態で、更に燃焼に寄与しない燃料を噴射すると筒内の残留ガスが増加してしまう。このような状態になると筒内での燃焼が不安定になってしまう。さらに、背圧の上昇によって筒内の残留ガスが増加するとオイル希釈などの問題も発生する。なお、オイル希釈はポスト噴射された燃料の一部が未燃のままシリンダ内壁に付着し、ピストンリングで掻き落とされてエンジンオイルに混入して希釈してしまう現象である。
したがって、本発明の目的は、排気ガス温度の上昇のため背圧を高めた場合でも、筒内の安定燃焼を図りながら触媒の再生処理を行える内燃機関を提供することである。
上記目的は、吸気弁より上流側に配置されて吸気通路を開閉するパルス過給弁と、排気通路に配置されて排気ガスを浄化する排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒の上流に配置され前記排気通路内を流れる排気ガス流を調整する排気流調整弁と、前記排気浄化触媒の再生処理を開始して前記排気流調整弁を絞った後の吸気工程で、前記吸気弁の閉弁後に前記パルス過給弁を閉弁させる作動制御手段とを備えた内燃機関により達成される。
本発明によると、作動制御手段が排気流調整弁を絞った後の吸気工程で、吸気弁の閉弁後に前記パルス過給弁を閉弁させる。このような順序で閉弁操作をすると吸気弁とパルス過給弁との間に高圧の吸入空気を蓄えることができる。この吸入空気は吸気弁と排気弁とが同時に開弁するオーバーラップのときに筒内に供給される。よって、排気ガス温度を高めるために背圧を増加させた場合でも、筒内の残留ガスを排気通路側へ排出することができるので燃焼の安定性を確保できる。また、オイル希釈の発生も防止できる。
また、前記作動制御手段は、筒内の状態に応じて前記パルス過給弁の閉弁時を変更できるように構成しておくことが望ましい。このようにパルス過給弁の閉弁時を変更すると、筒内の残留ガス量に応じて吸入空気量を供給できるので燃焼の安定化をより確実に図ることができる。
また、前記排気通路内の排気ガスの一部を前記吸気通路に還流する排気ガス再循環装置を更に備え、前記作動制御手段は、前記パルス過給弁の閉弁時期を固定し、筒内の状態に応じて前記排気ガス再循環装置の循環流調整弁の開度を変更できるように構成してもよい。この場合には、排気ガス再循環装置の循環流調整弁の開度を変更することにより、筒内の残留ガス量に応じて還流させるガス量を調整できるので燃焼の安定化をより確実に図ることができる。
本発明によると、排気ガス温度の上昇のため背圧を高めた場合でも、筒内の安定燃焼を図りながら触媒の再生処理を行える内燃機関を提供できる。
以下、図面を参照して本発明に係る実施例を説明する。
図1は、実施例1に係る排気浄化触媒及びパルス過給弁を備えた内燃機関1Aについて示した図である。内燃機関1Aは、通常の内燃機関と同様にシリンダ2内にピストン3を備えている。ピストン3の上部に燃焼室4が形成されている。燃焼室4に吸入空気を供給する吸気通路5と燃焼後のガスを排気する排気通路6とが設けられている。そして、吸気通路5側には燃焼室4への吸入空気の流れを調整する吸気弁7が配置されている。同様に排気通路6側には燃焼室4からの排気ガスの流れを調整する排気弁8が配置されている。さらに、燃焼室4内に燃料を噴射するインジェクタ9が配備されている。
吸入空気は吸気通路5の上流側に配置したエアークリーナ10を介して、燃焼室4に供給されている。また、排気通路6の下流側には排気浄化触媒11が配備されている。この排気浄化触媒11は、従来において一般的なものを採用することができる。すなわち、排気浄化触媒11として例えば三元触媒を採用してもよいし、酸化触媒とPMを捕捉する触媒担持型のパーティキュレートフィルタとを組合せたものなどを採用することができる。
そして、吸気通路5の途中にパルス過給弁12が配置されている。このパルス過給弁12の構造については特に限定するものではないが、一般的なスロットルバルブ或いは電子制御スロットルバルブなどと比較して、短時間にて吸気通路5を開き、また閉じることができる開閉弁装置を採用することが好ましい。
また、排気通路6の排気浄化触媒11より上流側には排気ガス流を調整する排気流調整弁として排気絞り弁16が配備されている。この排気絞り弁16は排気浄化触媒11を再生処理するときに、ガス流量を絞って排気ガス温度を昇温させるために配置されている。この排気絞り弁16の構造についても特に限定するものではないが、例えば図示のようにバタフラ型の弁体を備えた開閉弁装置を採用できる。
上記パルス過給弁12はECU(Electronic Control Unit:電子制御装置)20により駆動制御されている。ECU20は内燃機関を制御するECUと兼用することができる。ECU20は、後述する各センサからの信号に基づいて内燃機関全体の制御及びパルス過給弁12の作動制御を実行する。排気浄化触媒11の再生処理時に、ECU20により実行される触媒再生処理のための制御については後述する。なお、ECU20は、図示しないROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)等のメモリを備えている。ROMには、内燃機関の駆動制御に関するプログラムや排気浄化触媒11の再生処理時における各弁の開閉プログラム、並びにこれらの制御で使用する一連のデータ等が格納されている。また、RAMは制御を実行する際の処理領域を提供する。
さらに、内燃機関1Aが備えている他の構成について説明する。吸気通路5には、エアークリーナ10とパルス過給弁12との間に、上流側から吸入空気量を検出するエアフロメータ21、吸入空気圧を検出する吸気圧センサ22、及び吸入空気の温度を検出する吸気温センサ23などが配備されている。これらセンサからの出力信号は上記ECU20に供給されている。
内燃機関のヘッド部にはシリンダ内の圧力を検出するための筒内圧センサ24が配備されている。また、排気通路6には排気ガス圧を検出するための排気圧センサ25や、排気浄化触媒11の下流側で排気ガス中の酸素濃度と未燃ガス濃度から内燃機関の燃焼空燃比(A/F)を検出するA/Fセンサ29が配備されている。これら排気ガスの状態を検出するセンサからの出力信号もECU20に供給されている。
また、クランクシャフト13の周辺には、循環させている冷却水の温度を検出している水温センサ26、循環させている潤滑オイルの温度を検出している油温センサ27、及びクランク角の回転数を検出しているクランク角センサ28が配備されている。これらセンサからの出力信号もECU20に供給されている。また、アクセル14の踏込み量を検出するアクセルセンサ15からの出力信号についてもECU20へ供給されている。
上記のようにECU20は、複数箇所に配置した種々のセンサから検出信号を受けるので内燃機関の状態を正確に確認できる。ただし、図1で示した複数のセンサ及びその配置は内燃機関の駆動制御に好ましいものとして例示してある。後述する排気浄化触媒11の再生処理のための制御では、ここで図示した全てのセンサからの信号を利用することを必須とするものではない。すなわち、後述するようにECU20が作動制御手段として機能し、排気浄化触媒11の再生処理の際に筒内の残留ガス量を減少させる際には、上記複数のセンサからの信号を選択して利用する。
さて、本実施例は上記のようにパルス過給弁12を備えている。このパルス過給弁12は、吸気弁7が開弁してピストン3が下がる吸気行程のときにパルス過給弁12を閉に維持することで、これより下流側に負圧を形成できる。この負圧形成後の所定時期にパルス過給弁12を開くと下流側の空気を一気に燃焼室4に流れ込ませることができる。よって、内燃機関の加速時のように負荷が増加するときに空気充填量を増大させて出力を高めることができる。このようにパルス過給弁12は、内燃機関の運転状態に応じて筒内への吸入空気量を増加させるために配備される装置であるが、本実施例ではパルス過給弁12を触媒再生の際に利用する。以下で示すような概念に基づいてパルス過給弁12を活用する。図2及び図3を参照してこの点について説明する。
図2は、シリンダ2の周辺とパルス過給弁12とを模式的に示した図である。図2(A)は吸気行程で吸気弁7及びパルス過給弁12が開弁して筒内に吸入空気NAを導入する様子を示している。なお、この動作の直前に前述したパルス過給の動作、すなわちパルス過給弁12を一旦閉として下流側に負圧を形成してから開いて吸入空気NAを勢い良く流しておくことが好ましい。
図2(B)は、吸気弁7を閉弁した後にパルス過給弁12を閉弁したときの様子を示している。このような順序で閉弁操作を行うと、この図で示しているように吸気弁7とパルス過給弁12との間に高圧の吸入空気CAを溜めることができる。
さらに、図3(A)は燃料が爆発した後の排気行程で排気弁8が開いて筒内のガスを排出する様子を示している。ここで、触媒の再生処理のため排気絞り弁16が絞られていると、通常の場合よりも背圧増となるの多量の残留ガスRGが筒内に残る状態が形成されてしまう。この残留ガスRGが前述した問題発生の原因となる。しかし、本実施例の内燃機関はこれに対処できる。この様子を示したのが図3(B)である。図3(B)は排気行程の終期を示している。この終期では、排気弁8及び吸気弁7が同時に開弁する状態(以下、オーバーラップ状態)が短時間存在する。
上記オーバーラップ状態について、図4を参照して説明する。図4(A)は吸気弁7の開閉期間、(B)は排気弁8の開閉期間を示している。そして、(C)は吸気弁7と排気弁8の開弁時期が重なるオーバーラップ時期DPを示している。この図4で示すように、排気行程の終期ではTDC(上死点)を過ぎても排気弁8が所定時間開いており、一方、これに続く吸気行程では吸気弁7がTDCよりも前の所定時間に開くようになっている。よって、一時的に吸気弁7及び排気弁8が同時に開弁しているオーバーラップ状態が形成される。
そして、上記オーバーラップ状態のときに、図3(B)で示すようにパルス過給弁12の下流に閉じ込めた吸入空気CAが筒内に勢い良く流れ込むことになる。これにより筒内の残留ガスRGを排気通路6側に追い出して減少させることができる。なお、上記吸入空気CAを閉じ込めの動作を行う際の吸入空気の流速やパルス過給弁12の閉弁時を調整することでガス圧及び容量を変更できる。これにより、残留ガスRGを追い出す能力を調整できる。
本実施例の内燃機関は上記のように触媒の再生処理時にパルス過給弁12を制御し、筒内の残留ガスを減少させることにより燃焼の安定化を図る。図5はパルス過給弁12の作動時期の一例を示した図である。この図5は、好ましい例として、パルス過給と同様の動作を行って吸入空気を勢い良く流してから溜めるときの動作例を示している。
吸気弁(ITV)7が開きピストン3が下がる吸気行程のときにパルス過給弁12を閉弁して維持する。これにより、パルス過給弁12よりも下流側に大気圧より吸入空気量が少ない状態(負圧状態)を形成する。なお、このような負圧状態を長く形成する程、ポンプロスの発生を増加させて排気ガス温度の昇温を促進することもできる。
そして、上記負圧形成後のTDC前で吸気弁7が開状態にあるときにパルス過給弁12を開くことで下流側の空気を一気に燃焼室4に流れ込む状態を形成する。この状態はパルス過給を行った状態と同様である。そして、吸気弁(ITV)7が閉弁した後の所定時間EXだけ開いた状態を維持して、閉弁する。この閉弁したときの状態が図2(B)に相当しており、吸気弁7とパルス過給弁12との間に高圧の吸入空気を閉じ込める状態を形成できる。なお、パルス過給弁12の閉弁時CPは筒内の残留ガス量に応じて変更するのが好ましい。例えばパルス過給弁12の閉弁時CPを遅らせることで、吸気弁7とパルス過給弁12間に留める吸入空気を増加できる。よって、筒内に多量の残留ガスが存在する場合には、パルス過給弁12の閉弁時CPを遅らせる補正を行って残留ガスの排出を促進する。このような補正は上記ECU20が実行するプログラムに設定しておけばよい。
図6は、内燃機関1AのECU20がアイドル運転領域で実行する触媒再生処理のルーチンを示したフローチャートである。このルーチンは、例えばイグニッションキーがオンされたときに起動される。
ECU20は、アイドル運転状態にあり排気浄化触媒11の再生処理要求があるか否かを監視する(S11)。ECU20は再生処理要求があったことを確認すると、排気絞り弁16を閉じて排気浄化触媒11を通過するガス量を低減させ熱容量低下を抑制して、排気ガス温度の上昇を図る(S12)。さらに、前述したように吸気行程で吸気弁7の閉弁後にパルス過給弁12を閉弁して、吸気弁7とパルス過給弁12との間に高圧の吸入空気を閉じ込める。さらに予め定めた標準動作時期に基づいてパルス過給弁12を作動させる。そして、吸気弁7と排気弁8の開弁のオーバーラップ時に吸入空気を筒内に流し込むことで、残留ガスの排出を促進する(S13)。このような閉弁操作を行うことで、前述したように筒内の残留ガスを減少させて燃焼の安定性を高めることができる。
さらに、ECU20は筒内のA/F値を確認してより確実に燃焼の安定化を図る。このときに、ECU20は前述した複数のセンサからの出力と予めROMに準備した内燃機関の回転数−燃料噴射量マップなどを用いて第1の目標A/F値を求める。この第1の目標A/F値は、筒内がリッチとなり過ぎないように設定した閾値である。さらに、ECU20は排気浄化触媒11の下流に配置したA/Fセンサ29の出力値や他のセンサの出力値に基づいて筒内の実際のA/F値(実A/F値)を算出する。そして、この第1の目標A/F値と実A/F値とを比較する(S14)。こときに、実A/F値が第1の目標A/F値を下回っている、すなわち筒内のガス状態がリッチに過ぎると判断した場合にはパルス過給弁12の閉弁時を遅らせる補正を実行する。これにより筒内に送り込む吸入空気量を増して残留ガス量を減少させる(S15)。
さらに、ECU20は次のステップS16で、実A/F値が第2の目標A/F値以下となっているか否かを確認する。第2の目標A/F値は筒内がリーンとなり過ぎないように設定した閾値である。ここで実A/F値が第2の目標A/F値を上回っている、すなわち筒内の状態がリーンに過ぎると判断した場合にはパルス過給弁12の閉弁時を早める補正を実行する。これにより筒内に送り込む吸入空気量を減少させて残留ガスを増加させる(S17)。ECU20は、実A/F値が第1の目標A/F値と第2の目標A/F値の間に収まるように調整して本ルーチンによる処理を終了する。
以上で説明したように、ECU20がパルス過給弁12を制御して筒内の残留ガスをオーバーラップ時に排出されることができる。よって、この内燃機関1Aは、アイドル運転時などの排気ガス温度が低いときに暖機促進のため排気絞り弁16を絞って背圧が高くなっている状況でも、残留ガスの排出を促進して安定な燃焼を確保できる。これに伴ってオイル希釈の問題の発生も防止できる。さらに、ECU20は筒内のガス状態に応じて、パルス過給弁12の閉弁時を変更することでより確実に内燃機関の安定燃焼を図ることができる。
以下、更に実施例2について説明する。実施例1の内燃機関1Aはパルス過給弁12の閉弁時を変更することにより、筒内に送り込む吸入空気量を適切に増減して燃焼安定性を向上していた。これに対して、実施例2の内燃機関1Bは排気ガス再循環装置(Exhaust Gas Recirculation装置、以下、単にEGR装置と称す)のEGR弁の開度を変更することにより、筒内の燃焼安定性を向上させる。なお、EGR装置は、排気ガスの一部を吸気側に取り入れる(再循環させる)ことで、吸入空気の酸素濃度を低下させ、不活性ガスの導入により燃焼温度や燃焼速度を低減してNOxの排出量を減少させる装置である。
図7は、実施例2に係る排気浄化触媒及びパルス過給弁を備えた内燃機関1Bについて示した図である。内燃機関1Bは新たにEGR装置30が付加されている。EGR装置30は、例えば上記パルス過給弁12よりも上流側の吸気通路5と、排気浄化触媒11より上流側の排気通路6とを接続するEGR通路31を備えている。このEGR通路31によって排気ガスの一部を吸気側に還流する。EGR通路31の途中には、この通路31の開度を調整して流量を制御する循環流調整弁としてEGRバルブ32が配備されている。EGRバルブ32の開度によってEGR率が調整される。EGRバルブ32の開度を大きくした場合には、EGR通路31内を還流する排気ガス(EGRガス)量を増加させてEGR率を上げることができる。
図2で示す内燃機関1Bの他の構成は図1に示した実施例1の内燃機関1Aと同様である。よって、同一の部位については、図1の符号を流用して同様に説明する。
上記実施例1は、実A/F値が第1の目標A/F値と第2の目標A/F値の間に収まるように、ECU20がパルス過給弁12の閉弁時を補正していた。これに対して、本実施例2のECU20はパルス過給弁12を標準動作させオーバーラップ時に筒内の残留ガスの排出を促進する。その後は、ECU20がEGRバルブ32の開度を変更することにより、実A/F値を第1の目標A/F値と第2の目標A/F値との間に収束させる。図8は本実施例2におけるパルス過給弁12の作動時期の一例を示した図である。閉弁時CPが実施例1の場合とは異なり一定に固定されている。
図9は、実施例2の内燃機関1BのECU20が、アイドル運転領域で実行する触媒再生処理のルーチンを示したフローチャートである。ECU20はアイドル領域で再生処理要求があったことを確認すると(S21)、排気絞り弁16を閉じて排気浄化触媒11を通過するガス量を低減させ熱容量低下を抑制して、排気ガス温度の上昇を図る(S22)。さらに、吸気弁7の閉弁後にパルス過給弁12を閉弁して、吸気弁7とパルス過給弁12の間に高圧の吸入空気を閉じ込める。更に、オーバーラップ状態のときに吸入空気を筒内に供給する。この一連の動作で吸気弁7と排気弁8との間に高圧の吸入空気を閉じ込め、オーバーラップ時に吸入空気を筒内に流し込んで残留ガスの排出を促進する(S23)。
そして、実A/F値が第1の目標A/F値を下回っていないか、を確認する(S24)。ここまでは、前述した実施例1における処理と同様であるが、ステップS24で実A/F値が第1の目標A/F値を下回り、筒内がリッチに過ぎるとECU20が判断した場合はこの後の処理が異なる。ECU20は通常よりEGRバルブ32を閉じる側に変更することによりEGR率を下げて筒内の残留ガスの発生を抑制する(S25)。
その後、実A/F値が第2の目標A/F値を上回っていないかを確認する(S26)。このときに実A/F値が第2の目標A/F値を上回り、筒内がリーンに過ぎると判断した場合には、ECU20は通常よりEGRバルブ32を開く側に変更することによりEGR率を上げて筒内の残留ガスの発生を増加させる(S27)。
以上で説明した実施例2の内燃機関1Bは、アイドル運転時などの排気ガス温度が低いときに暖機促進のため排気絞り弁を絞って背圧が高くなっている場合でも、残留ガスの排出を促進して安定な燃焼を確保できる。これに伴ってオイル希釈の問題の発生も防止できる。さらに、ECU20が筒内状態に応じて、EGRバルブ32の開度を変更することでより確実に安定燃焼を図ることができる。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
実施例1に係る排気浄化触媒及びパルス過給弁を備えた内燃機関1Aについて示した図である。 (A)は吸気行程で吸気弁及びパルス過給弁が開弁して筒内に吸入空気を導入する様子を示した図、(B)は吸気弁を閉弁した直後にパルス過給弁を閉弁したときの様子を示した図である。 (A)は燃料が爆発した後の排気行程で排気弁が開いて筒内のガスを排出する様子を示している図、(B)は排気行程の終期を示している図である。 (A)は吸気弁の開閉期間、(B)は排気弁の開閉期間、(C)は吸気弁と排気弁との開弁期間のオーバーラップ時期について示した図である。 パルス過給弁の作動時期の一例を示した図である。 内燃機関1AのECUがアイドル運転領域で実行する触媒再生処理のルーチンを示したフローチャートである。 実施例2に係る排気浄化触媒及びパルス過給弁を備えた内燃機関1Bについて示した図である。 パルス過給弁の作動時期の一例を示した図である。 内燃機関1BのECUがアイドル運転領域で実行する触媒再生処理のルーチンを示したフローチャートである。
符号の説明
1(1A、1B) 内燃機関
5 吸気通路
6 排気通路
7 吸気弁
8 排気弁
11 排気浄化触媒
12 パルス過給弁
16 排気絞り弁(排気流調整弁)
20 ECU(作動制御手段)
30 EGR(排気ガス再循環装置)
31 EGR通路
32 EGRバルブ(循環流調整弁)

Claims (3)

  1. 吸気弁より上流側に配置されて吸気通路を開閉するパルス過給弁と、排気通路に配置されて排気ガスを浄化する排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒の上流に配置され前記排気通路内を流れる排気ガス流を調整する排気流調整弁と、前記排気浄化触媒の再生処理を開始して前記排気流調整弁を絞った後の吸気工程で、前記吸気弁の閉弁後に前記パルス過給弁を閉弁させる作動制御手段とを備えた、ことを特徴とする内燃機関。
  2. 前記作動制御手段は、筒内の状態に応じて前記パルス過給弁の閉弁時を変更する、ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
  3. 前記排気通路内の排気ガスの一部を前記吸気通路に還流する排気ガス再循環装置を更に備え、
    前記作動制御手段は、前記パルス過給弁の閉弁時期を固定し、筒内の状態に応じて前記排気ガス再循環装置の循環流調整弁の開度を変更する、ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
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