JP4769566B2

JP4769566B2 - エンジンシステム

Info

Publication number: JP4769566B2
Application number: JP2005361286A
Authority: JP
Inventors: 守良粟坂; 淳一高梨; 正信高沢; 泰弘浦田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2025-12-15
Also published as: JP2007162600A

Description

本発明は、予混合圧縮着火モード等で他気筒ＥＧＲを行うエンジンシステムに関する。

近年、熱効率の向上や有害排出ガス成分の減少等を図るべく、予混合圧縮着火（Homogeneous Charged Compression Ignition：以下、ＨＣＣＩと記す）モードでの運転を行う内燃機関の開発が進められている。ＨＣＣＩモードは、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）やｎ−ブタン等の燃料と空気とを均一に混合した予混合気を燃焼室に導入した後、ピストンにより圧縮することで高温・高圧にして多点同時的に予混合気を自己着火させるものであるが、着火時期の制御が難しいことから、運転状況に応じてＨＣＣＩモードと火花点火（Spark Ignition: 以下、ＳＩと記す）モードと切り換えて行うことが一般的である。なお、ＨＣＣＩモードでの運転では、着火に至るまでピストンによる圧縮によってのみ混合気の温度が上昇するため、着火時期の制御には圧縮開始時の筒内ガス温度が重要なファクターとなる。

そこで、ＨＣＣＩモードで運転される内燃機関では、圧縮開始時の筒内ガス温度を高めるべく、ある気筒の排気ガスをＥＧＲ（Exhaust gas recirculation：排気ガス再循環）ガスとして他の気筒に導入する他気筒ＥＧＲが一般に採用されている。他気筒ＥＧＲとしては、排気行程と吸気行程とが互いにラップする気筒（４気筒の場合には、第１気筒−第４気筒、第２気筒−第３気筒）のＥＧＲポートをＥＧＲ配管で連通させるとともに、ＥＧＲポートに可変動弁機構によって駆動されるＥＧＲ弁を設置し、ＨＣＣＩモード時にのみＥＧＲ配管を連通させるようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。また、ＳＩモードでのみ運転される内燃機関の他気筒ＥＧＲとしては、各気筒に一対の排気ポートを設けるとともに、これら排気ポートに接続される排気マニホールド内に２つのフラップバルブを配置し、運転状態に応じてこれらフラップバルブの開度を変化させることで他気筒ＥＧＲ時のＥＧＲガス量を制御するもの（特許文献２参照）が提案されている。
特開２００５−６１３２４号公報特開２００４−１２４７５８号公報

上述した特許文献１の他気筒ＥＧＲには、排気マニホールドとＥＧＲ配管とが個別に設けられ、ＥＧＲ弁の駆動に可変動弁機構が用いられることから、他気筒ＥＧＲを行わない場合の排気効率を高めることが難しくなる他、排気装置も大型かつ複雑なものとなって重量や製造コストが増大するという問題があった。また、特許文献２の他気筒ＥＧＲには、ＨＣＣＩモードで運転される内燃機関に適用した場合、フラップバルブの作動を監視していないことから、ＥＧＲガスの導入がＨＣＣＩモードでの運転時に失火等が生じる虞があった。例えば、フラップバルブのアクチュエータが故障した場合、制御装置がアクチュエータに閉弁指令を出力しても、フラップバルブが完全に閉鎖しなくなることがある。すると、排気マニホールドの内圧が上昇しなくなり、他気筒ＥＧＲが円滑に行えなくなって、ＨＣＣＩモードで要求される圧縮開始時の筒内ガス温度が得られなくなるのである。

本発明は、このような背景に鑑みなされたもので、比較的簡易かつ安価な構成を採りながら、確実な他気筒ＥＧＲを実現したエンジンシステムを提供することを目的とする。

請求項１の発明に係るエンジンシステムは、第１排気ポートと第２排気ポートとを各気筒に有する多気筒内燃機関を中核とし、当該多気筒内燃機関の運転情報に基づいて、高負荷運転領域では火花点火モードによる運転制御を行い、低負荷運転領域では予混合圧縮着火モードによる運転制御を行うエンジンシステムであって、前記各気筒の第１排気ポートに接続され、当該第１排気ポートから排出された排気を集合させる第１排気マニホールドと、前記各気筒の第２排気ポートに接続され、当該第２排気ポートから排出された排気を集合させて排気管側に排出する第２排気マニホールドと、前記第１排気マニホールドと前記第２排気マニホールドとを接続する接続通路と、前記接続通路の開閉に供され、開放時に前記第１排気マニホールドと前記第２排気マニホールドとを連通させることで、前記第１排気ポートからの排気ガスを前記第１排気マニホールドおよび前記第２排気マニホールドを介して前記排気管側に排出させ、閉鎖時に前記第１排気マニホールドを他気筒ＥＧＲ通路として各気筒にＥＧＲガスを導入させる排気制御弁と、前記排気制御弁を開閉駆動するアクチュエータとを有する排気装置と、前記排気制御弁が完全閉鎖したか否かを判定する完全閉鎖判定手段とを備え、前記火花点火モードにおいて、前記排気制御弁を開放させて前記第１排気ポートからの排気ガスを前記排気管側に排出させ、前記予混合圧縮着火モードにおいて、前記排気制御弁を閉鎖させて各気筒に所定量のＥＧＲガスを導入させ、前記花点火モードから前記予混合圧縮着火モードへの切り換えは、前記完全閉鎖判定手段によって前記排気制御弁が完全閉鎖状態にあると判定された場合にのみ行うことを特徴とする。

また、請求項２の発明に係るエンジンシステムは、請求項１に記載のエンジンシステムにおいて、前記アクチュエータまたは前記排気制御弁の作動状態を検出する作動状態検出手段を更に備え、前記完全閉鎖判定手段は、前記排気制御弁が完全閉鎖したか否かの判定を前記作動状態検出手段の検出結果に基づき行うことを特徴とする。

また、請求項３の発明に係るエンジンシステムは、請求項１に記載のエンジンシステムにおいて、前記第２排気マニホールド内の排気ガス温度を検出する第１温度検出手段と、前記接続通路内の排気ガス温度を検出する第２温度検出手段とを更に備え、前記完全閉鎖判定手段は、前記排気制御弁が完全閉鎖したか否かの判定を前記第１温度検出手段の検出結果と前記第２温度検出手段の検出結果とに基づき行うことを特徴とする。

請求項１のエンジンシステムによれば、何らかの原因でアクチュエータが失陥しても、付勢手段により排気制御弁が閉鎖されるため、他気筒ＥＧＲが行われてＨＣＣＩモードでの運転が可能となる。また、請求項２〜請求項３のエンジンシステムによれば、排気制御弁が完全閉鎖状態にあることを検出した後にＨＣＣＩモードに切り換えるため、排気制御弁の不完全閉鎖等に起因する失火が起こり難くなる。

以下、図面を参照して、本発明を適用したエンジンシステムの２つの実施形態を詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は第１実施形態に係るエンジンシステムの模式的構成図であり、図２は第１実施形態に係る排気装置の斜視図であり、図３は第１実施形態に係る排気装置の正面図であり、図４は第１実施形態に係る排気制御弁の内部構造を示す斜視図であり、図５は第１実施形態に係るアクチュエータの縦断面図である。

＜第１実施形態の構成＞
図１に示すエンジンシステムは、多気筒内燃機関である直列４気筒内燃機関（以下、エンジンと記す）１を中核に、エアクリーナ２やサージタンク３、吸気マニホールド４等からなる吸気系と、排気装置５や排気管６、キャタライザ７、マフラー８等からなる排気系と、各種制御プログラムや運転情報に基づきエンジン制御を行うＥＣＵ（エンジン制御ユニット）９とを備えている。

エンジン１のシリンダヘッド１０には、各気筒ごとに、吸気ポート１１や、第１排気ポート１２、第２排気ポート１３、筒内噴射用燃料噴射弁１４、点火プラグ１５が設けられている。また、吸気マニホールド４には、各気筒ごとに、吸気管噴射用燃料噴射弁１６が設けられている。

図２にも示すように、排気装置５は、各気筒の第１排気ポート１２に接続される第１マニホールド２１と、第１マニホールド２１の下方に位置して各気筒の第２排気ポート１３に接続される第２マニホールド２２と、第１マニホールド２１の集合部２１ａの側面に接続された略Ｌ字形状の接続管２３と、接続管２３の下端と第２マニホールド２２との間に介装された排気制御弁２４と、排気制御弁２４を開閉駆動するアクチュエータ２５とを主要構成要素としている。なお、図３に示すように、第２マニホールド２２は、その集合部２２ａの直下に排気管６が接続されるとともに、集合部２２ａの直上に排気制御弁２４が接続される接続管部２２ｂを有している。なお、図１中の符号２６は、アクチュエータ駆動用の負圧や正圧を供給制御するための電磁弁を示す。

図４に示すように、排気制御弁２４は鋳造品のバルブボディ３１を外殻とし、バルブボディ３１における第２マニホールド２２側の開口３１ａを閉鎖する円板状の弁体３２と、バルブボディ３１に回動自在に支持されたシャフト３３と、弁体３２とシャフト３３とを連結するアーム３４とを有している。シャフト３３の端部にはアクチュエータ２５のロッド４５（後述）が連結されるレバー３５が固着されており、シャフト３３が図４中で反時計回りに回動することによって弁体３２が全閉位置から全開位置に駆動される。

図５に示すように、アクチュエータ２５は、円筒状のアクチュエータボディ４１と、アクチュエータボディ４１内を負圧室４２と正圧室４３とに画成するダイヤフラム４４と、ダイヤフラム４４の中央に連結されたロッド４５と、ロッド４５をアクチュエータボディ４１内に引き込む（すなわち、弁体３２を閉鎖方向に常時付勢する）圧縮コイルばね（付勢手段）４６とを備えている。アクチュエータボディ４１には、負圧室４２にバキュームチューブ５１を接続する負圧パイプ４７と、正圧室４３にエアチューブ５２を接続する正圧パイプ４８とが設けられており、バキュームチューブ５１からの負圧やエアチューブ５２からの正圧が供給されることにより、圧縮コイルばね４６の付勢力に打ち勝ってロッド４５がアクチュエータボディ４１から突出する。また、アクチュエータボディ４１には、ロッド４５の作動量（すなわち、弁体３２の開弁量）を検出するリフトセンサ（作動状態検出手段）４９が設置されている。

ＥＣＵ９は、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）や、中央処理装置（ＣＰＵ）等から構成されており、筒内噴射用燃料噴射弁１４や点火プラグ１５、吸気管噴射用燃料噴射弁１６、アクチュエータ２５等を駆動制御する。また、ＥＣＵ９には、図示しないエアフローセンサやＯ２センサ、エンジン回転速度センサ、アクセル開度センサ等からの運転情報の他、上述したリフトセンサ４９の検出信号が入力する。

＜第１実施形態の作用＞
エンジンシステムが起動すると、ＥＣＵ９は、各種センサから入力した運転情報に基づき、例えば、アイドル運転領域や高負荷運転領域ではＳＩモードとし、中低負荷運転領域ではＨＣＣＩモードとして運転制御を行う。ＳＩモードにおいて、ＥＣＵ９は、排気制御弁２４を開放することにより、第１マニホールド２１と第２マニホールド２２とを共に排気管６に連通させて排気効率の向上を図る。また、ＨＣＣＩモードにおいて、ＥＣＵ９は、アクチュエータ２５に負圧や正圧を供給することによって排気制御弁２４を閉鎖させ、第１マニホールド２１を他気筒ＥＧＲ通路として吸気行程にある気筒に所定量のＥＧＲガスを導入させる。これにより、高負荷運転領域における排気効率が向上して、出力や燃費の向上が図られる一方、中低負荷運転領域における燃焼効率の向上や有害排出ガス成分の削減が実現される。

第１実施形態では、エンジンシステムの運転領域が高負荷運転領域から中低負荷運転領域に変化した場合、ＥＣＵ９は、先ずアクチュエータ２５に負圧や正圧を供給して排気制御弁２４を閉弁させ、リフトセンサ４９の出力信号に基づき排気制御弁２４が完全に閉鎖したことを認識した場合にのみ、運転モードをＳＩモードからＨＣＣＩモードに移行させる。これにより、エンジンシステムは、排気制御弁２４の閉鎖が不完全な状態ではＨＣＣＩモードに移行しなくなるため、筒内ガス温度の低下に起因する予期しない失火の発生が抑制される。

一方、第１実施形態では、何らかの原因でアクチュエータ２５に負圧や正圧が供給できなくなったり、ダイヤフラムの破損等によってアクチュエータ２５が作動しなくなったりした場合、圧縮コイルばね４６の付勢力によりロッド４５がアクチュエータボディ４１内に引き込まれ、排気制御弁２４の弁体３２が常に閉鎖状態となる。これにより、アクチュエータ２５の失陥時においても、第１マニホールド２１が他気筒ＥＧＲ通路として機能することになり、エンジンシステムをＨＣＣＩモードで運転することが可能となる。なお、ＳＩモードにおいては、排気が第２マニホールド２２からのみ排気管６に排出されることになるが、全開加速走行時等を除く通常の高負荷運転領域では十分な排気効率を確保できる。

［第２実施形態］
図６は第２実施形態に係る排気装置の正面図であり、図７は第２実施形態に係る排気制御弁の全閉状態判定マップである。
第２実施形態は、上述した第１実施形態と略同様の全体構成を採っているが、排気制御弁２４の閉鎖状態を検出する形態が異なっている。第２実施形態の場合、図６に示すように、第２マニホールド２２には、集合部２２ａでの排気ガス温度Ｔｅｘ１を検出する第１温度センサ（第１温度検出手段）５５と、接続管部２２ｂでの排気ガス温度Ｔｅｘ２を検出する第２温度センサ（第２温度検出手段）５６とが設置され、両温度センサ５５，５６の検出結果がＥＣＵ９に出力されるようになっている。

第２実施形態では、エンジンシステムの運転領域が高負荷運転領域から中低負荷運転領域に変化した場合、ＥＣＵ９は、先ずアクチュエータ２５に負圧や正圧を供給して排気制御弁２４を閉弁させた後、第１温度センサ５５から入力した排気ガス温度Ｔｅｘ１と第２温度センサ５６から入力した排気ガス温度Ｔｅｘ２とに基づいて排気制御弁２４の閉鎖状態を検出する。

すなわち、排気制御弁２４が完全に閉鎖した場合、接続管２３から接続管部２２ｂに至る部位に排気ガスが滞留するため、排気ガス温度Ｔｅｘ２は、接続管部２２ｂ表面の熱放射等によって急速に低下し、排気ガス温度Ｔｅｘ１に対して有意に低くなる。ところが、排気制御弁２４が閉鎖が不完全であった場合、第１マニホールド２１からの排気が通過することから、排気ガス温度Ｔｅｘ２の低下は殆ど起こらない。ＥＣＵ９は、図７のマップにおいて、排気ガス温度Ｔｅｘ１と排気ガス温度Ｔｅｘ２とが完全閉弁領域（図７中にハッチングで示す）にあるか否かを判定し、この判定がＹＥＳであった場合にのみ、エンジンシステムの運転モードをＳＩモードからＨＣＣＩモードに移行させる。第２実施形態においても、エンジンシステムは、排気制御弁２４の閉鎖が不完全な状態ではＨＣＣＩモードに移行しなくなるため、筒内ガス温度の低下に起因する予期しない失火の発生が抑制される。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態はＳＩモードとＨＣＣＩモードとで運転を行う直列４気筒内燃機関に本発明を適用したものであるが、本発明は、ＳＩモードのみで運転を行う多気筒内燃機関や、３気筒内燃機関や５気筒以上の気筒を有する多気筒内燃機関等にも適用できる。また、上記第２実施形態では、第２温度検出手段を第２マニホールドの接続管部に設置したが、接続管や排気制御弁に設置してもよい。また、排気制御弁としてバタフライ弁やロータリ弁等を採用してもよいし、アクチュエータとしてバキュームアクチュエータや電動アクチュエータ、電磁アクチュエータ等を採用してもよい。また、排気制御弁を閉鎖方向に付勢する付勢手段として、捻りコイルばねや引張コイルばね等を弁体に付設してもよいし、排気制御弁が閉鎖状態にあることの検出を排気制御弁に設置したセンサによって行うようにしてもよい。その他、エンジンシステムや排気装置の具体的構成等についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

第１実施形態に係るエンジンシステムの模式的構成図である。第１実施形態に係る排気装置の斜視図である。第１実施形態に係る排気装置の正面図である。第１実施形態に係る排気制御弁の内部構造を示す斜視図である。第１実施形態に係るアクチュエータの縦断面図である。第２実施形態に係る排気装置の正面図である。第２実施形態に係る排気制御弁の全閉状態判定マップである。

符号の説明

１エンジン（多気筒内燃機関）
５排気装置
６排気管
９ＥＣＵ
１０シリンダヘッド
１２第１排気ポート
１３第２排気ポート
２１第１マニホールド
２２第２マニホールド
２２ｂ接続管部（接続通路）
２４排気制御弁
２５アクチュエータ
３１バルブボディ
４６圧縮コイルばね（付勢手段）
４９リフトセンサ（作動状態検出手段）
５５第１温度センサ（第１温度検出手段）
５６第２温度センサ（第２温度検出手段）

Claims

第１排気ポートと第２排気ポートとを各気筒に有する多気筒内燃機関を中核とし、当該多気筒内燃機関の運転情報に基づいて、高負荷運転領域では火花点火モードによる運転制御を行い、低負荷運転領域では予混合圧縮着火モードによる運転制御を行うエンジンシステムであって、
前記各気筒の第１排気ポートに接続され、当該第１排気ポートから排出された排気を集合させる第１排気マニホールドと、
前記各気筒の第２排気ポートに接続され、当該第２排気ポートから排出された排気を集合させて排気管側に排出する第２排気マニホールドと、
前記第１排気マニホールドと前記第２排気マニホールドとを接続する接続通路と、
前記接続通路の開閉に供され、開放時に前記第１排気マニホールドと前記第２排気マニホールドとを連通させることで、前記第１排気ポートからの排気ガスを前記第１排気マニホールドおよび前記第２排気マニホールドを介して前記排気管側に排出させ、閉鎖時に前記第１排気マニホールドを他気筒ＥＧＲ通路として各気筒にＥＧＲガスを導入させる排気制御弁と、
前記排気制御弁を開閉駆動するアクチュエータと
を有する排気装置と、
前記排気制御弁が完全閉鎖したか否かを判定する完全閉鎖判定手段と
を備え、
前記火花点火モードにおいて、前記排気制御弁を開放させて前記第１排気ポートからの排気ガスを前記排気管側に排出させ、
前記予混合圧縮着火モードにおいて、前記排気制御弁を閉鎖させて各気筒に所定量のＥＧＲガスを導入させ、
前記花点火モードから前記予混合圧縮着火モードへの切り換えは、前記完全閉鎖判定手段によって前記排気制御弁が完全閉鎖状態にあると判定された場合にのみ行うことを特徴とするエンジンシステム。
前記アクチュエータまたは前記排気制御弁の作動状態を検出する作動状態検出手段を更に備え、
前記完全閉鎖判定手段は、前記排気制御弁が完全閉鎖したか否かの判定を前記作動状態検出手段の検出結果に基づき行うことを特徴とする、請求項１に記載のエンジンシステム。
前記第２排気マニホールド内の排気ガス温度を検出する第１温度検出手段と、前記接続通路内の排気ガス温度を検出する第２温度検出手段とを更に備え、
前記完全閉鎖判定手段は、前記排気制御弁が完全閉鎖したか否かの判定を前記第１温度検出手段の検出結果と前記第２温度検出手段の検出結果とに基づき行うことを特徴とする、請求項１に記載のエンジンシステム。