JP5730056B2

JP5730056B2 - 内燃機関の排気ガス再循環システム

Info

Publication number: JP5730056B2
Application number: JP2011030804A
Authority: JP
Inventors: 内田　克己; 克己内田; 高明武本
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2031-02-16
Also published as: JP2012167639A

Description

本発明は、過給機を備える内燃機関において排気ガスの一部を吸気通路に還流させる内燃機関の排気ガス再循環システムに関するものである。

従来、例えば車両に搭載される内燃機関にあっては、排気ガス中の大気汚染物質の低減及び燃費の向上を図るために、排気ガスの一部を吸気通路に還流する排気ガス再循環システムを備えるものが知られている。例えば、特許文献１に記載のものでは、ターボチャージャのコンプレッサ下流側に吸気絞り弁を設け、低負荷運転時に排気ガスを還流する場合、吸気絞り弁を閉じることで吸気通路内の圧力を低下させ、タービン上流側とコンプレッサ下流側とを連通するＥＧＲ通路の吸気通路側と排気通路側との差圧を増大し、排気ガスを吸気通路内に還流させる構成である。

上記構成にあって、吸気絞り弁を閉じることで、前記差圧を増大することはできるが、内燃機関の運転状態によっては前記差圧を増大するまで吸気絞り弁を閉じると、吸気絞り弁の開度がきわめて小さくなる場合がある。このような場合、吸気絞り弁の開度が小さくなることで、吸気絞り弁が吸気抵抗を生み出すことになり、ポンピングロスが増加することになる。

このような事情に鑑みて、吸気絞り弁を開いた状態で排気ガスを吸気通路内に還流させようとすると、内燃機関の運転状態によっては排気ガスの圧力よりコンプレッサで圧縮された吸入空気となる新気の圧力の方が高くなり、排気ガスを還流できない場合が生じる。つまり、前記差圧が発生せず、しかも排気ガスの圧力が新気の圧力より低いために、新気がＥＧＲ通路を介して排気通路に流れ込むことがある。この場合、新気が触媒に達すると、触媒内の雰囲気が排気ガスの浄化に必要な酸素量より過剰な状態となって、排気ガス浄化能力が低下する可能性がある。

特開平１０‐２６６８６６号公報

そこで本発明は以上の点に着目し、圧縮された吸入空気となる新気の圧力が排気ガスの圧力を上回る内燃機関の運転領域にあっても排気ガスの一部を還流して、燃費の向上及びノッキングの抑制によるトルクの向上を図ることを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の排気ガス再循環システムは、吸入空気を過給するための過給機及び吸気通路におけるコンプレッサの下流に接続する排気ガス再循環管路を有し排気ガスの一部を吸気通路に還流する排気ガス再循環装置を備える内燃機関の排気ガス再循環システムであって、吸気通路におけるコンプレッサの下流に接続する管部及び管部に連通し所定容量の気体を貯留し得る容器からなり、排気ガス再循環装置により排気ガスの一部を吸気通路に還流している状態でコンプレッサ下流の吸気圧が排気圧より高くなる可能性がある運転領域において、吸気脈動と異なる位相の脈動を出力し吸気脈動に干渉することによりコンプレッサ下流の吸気圧を排気圧よりも低下させる位相変更手段と、位相変更手段と吸気通路との連通状態を制御する開閉弁と、排気ガス再循環装置による排気ガスの還流を検知する還流検知手段と、排気ガス再循環装置により排気ガスの一部を吸気通路に還流している状態でコンプレッサ下流の吸気圧が排気圧より高くなる可能性がある運転領域において、開閉弁を開いて位相変更手段を作動させる弁制御手段とを備えてなることを特徴とする。

このような構成によれば、排気ガス再循環装置により排気ガスの一部を吸気通路に還流している運転状態を還流検知手段により検知した場合、弁制御手段が開閉弁を開くことにより吸気通路から位相変更手段の管部に吸入空気が流入出し、容器内の気体に作用して吸入空気の脈動と１／２波長異なる位相で容器内の気体が吸気通路の吸入空気に作用する。これにより、吸入空気の圧力を排気ガスの圧力より低くすることが可能になる。

本発明は、以上説明したような構成であり、排気ガス再循環装置が作動している運転状態において、吸入空気の圧力が排気ガスの圧力を上回るような運転状態であっても、吸入空気つまり新気が排気ガス再循環装置を介して排気通路に逆流することを抑制することができる。このため、より多量の排気ガスを吸気通路に還流することができ、燃費を向上させることができるとともに、ノッキングを抑制することでトルクを向上させることができる。加えて、新気により空燃比がリーン側に変化した排気ガスが触媒に流入することを抑制できるので、排出物質の浄化性能が低下することを防止することができる。

本発明の実施形態のエンジンの概略構成説明図。同実施形態の作用を説明するための吸気圧と排圧との変化を示すグラフ。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

このエンジン１００は、二気筒３６０°位相のもので、シリンダ１と、各シリンダ１に吸入空気を供給するための吸気通路２と、排気ガスを排出するための排気通路３と、排気通路３に配置されるタービン４ａ及び吸気通路２に配置されるコンプレッサ４ｂを備える排気タービン式のターボチャージャ４とを基本的に備えている。

吸気通路２には、コンプレッサ４ｂ以外に、エアクリーナ７、エアフロメータ６、吸気絞り弁８、インタークーラ９及び電子制御式スロットル弁（以下、電子スロットル弁と称する）１０を、吸気通路２の上流から下流に向かってこの順に配置している。すなわち、エアクリーナ７の下流、したがって吸気絞り弁８の上流に、空気流量を検出するためのエアフロメータ６を配置する。このように、吸気通路２は、エアクリーナ７の下流に、エアフロメータ６、吸気絞り弁８、インタークーラ９及び電子スロットル弁１０を配置しているので、その全長が長くなる。

また、エアフロメータ６と吸気絞り弁８との間の吸気通路２には、スロットルバルブ１０の上流でインタークーラ９の下流に通じる吸気バイパス通路２４ａと吸気バイパス通路２４ａを開閉する吸気バイパス弁２４ｂとからなる過給圧迂回機構２４が設けてある。

各シリンダ１に対して、点火プラグ１５及び燃料噴射弁１６が取り付けてある。燃料噴射弁１６には、デリバリパイプ１７を介して高圧燃料ポンプ１８から燃料が供給される。

排気通路３には、タービン４ａ以外に、空燃比センサ２０、三元触媒２１及びリアＯ₂センサ２２を、排気通路３の上流から下流に向かってこの順に配置している。すなわち、タービン５の下流に空燃比センサ２０が配置され、その空燃比センサ２０の下流に三元触媒２１が、さらに三元触媒２１の下流にリアＯ₂センサ２２が配置される構成である。空燃比センサ２０及びリアＯ₂センサ２２は、後述する電子制御装置３３に電気的に接続される。

ターボチャージャ４は、この分野でよく知られたものを適用することができ、過給圧を制御するために、タービン４ａの上流と下流とを連通可能にする排気バイパス通路２３ａを備え、その排気バイパス通路２３ａを開閉するウェイストゲート弁２３ｂを備えている。

エンジン１００は、吸気通路２と排気通路３との間に、エアクリーナ７を介して吸気通路２に流入する新気に排気ガスを混合するための、いわゆる高圧ループ式の排気ガス再循環装置（以下、ＥＧＲ装置と称する）２５を備えている。吸気通路２と排気通路３とを連通する排気ガス再循環管路（以下、ＥＧＲ管路と称する）２６と、ＥＧＲ管路２６に設けられてＥＧＲ管路２６を通過する排気ガスの一部つまりＥＧＲガスの量を制御する排気ガス再循環制御弁（以下、ＥＧＲ弁と称する）２７とを備えている。ＥＧＲ管路２６は、その一端が吸気通路２を構成する吸気マニホルド２ａに接続され、かつその他端が排気通路３を構成する排気マニホルド３ａに接続される。

このＥＧＲ装置２５に加えて、電子スロットル弁１０の下流で、かつ吸気マニホルド２ａの上流には、吸気通路２に連通する管部４０及び管部４０に連通し所定容量の気体を貯留し得る容器４１からなり吸気脈動の位相を変更する位相変更手段４２と、吸気通路２と管部４０との間に設けられ位相変更手段４２と吸気通路２との連通状態を制御する開閉弁４３とが取り付けてある。位相変更手段４２は、いわゆるヘルムホルツの共振の原理を用いるレゾネータである。位相変更手段４２は、開閉弁４３を開いている間に、管部４０が吸気マニホルド２ａの上流位置の吸気通路２部分と連通し、ヘルムホルツの共振の原理により、吸入空気の脈動の位相と半波長異なる位相の脈動を生成する。これにより、吸入空気の脈動が低減される。

以上に説明した位相変更手段４２と、後述する還流検知手段及び弁制御手段と、ＥＧＲ装置２５とにより、排気ガス再循環システムが構成される。

電子制御装置３３は、プロセッサ３３ａ、メモリ３３ｂ、入力インターフェース３３ｃ、出力インターフェース３３ｄなどを備えるコンピュータシステムである。入力インターフェース３３ｃには、エアフロメータ６から出力される空気流量信号ａ、車速を検出する車速センサから出力される車速信号ｂ、エンジン回転数を検出する回転数センサから出力される回転数信号ｃ、スロットルバルブ１０の開度すなわちスロットル開度を検出するスロットルセンサから出力されるスロットル開度信号ｄ、吸気マニホルド２ａの上流に吸気マニホルド２ａと一体であるサージタンク（図示しない）に取り付けられて吸気圧を検出する吸気圧センサから出力される吸気圧信号ｅ、冷却水温を検出する水温センサから出力される水温信号ｆ、空燃比センサ２０から出力される第一空燃比信号ｇ、リアＯ₂センサから出力される第二空燃比信号ｈなどが入力される。また出力インターフェース３３ｄからは、吸気絞り弁８に対して絞り弁開度信号ｋ、スロットルバルブ１０に対して弁駆動信号ｍ、ＥＧＲ弁２７に対してＥＧＲ弁開度信号ｎ、燃料噴射弁１５に対して燃料噴射信号ｏ、点火プラグ１６に対して点火信号ｐ、開閉弁４３に対して開閉信号ｑなどが出力される。

この電子制御装置３３は、還流検知手段及び弁制御手段としても機能する。還流検知手段は、ＥＧＲ装置２５により排気ガスの一部が吸気通路２に還流されていることを検知するもので、この実施形態にあっては、ＥＧＲ装置２５のＥＧＲ弁２７のＥＧＲ弁開度信号ｓに基づいてＥＧＲ弁２７の弁開度を推定し、その弁開度によりＥＧＲ装置２５が排気ガスの一部を還流していることを検知するものである。そして、この還流を検知することで、電子制御装置３３は開閉弁４３に対して、開弁するための開閉信号ｑを出力する。したがって、電子制御装置３３が還流検知手段及び弁制御手段として機能するものである。

このような構成において、運転状態に応じてＥＧＲ装置２５により排気ガスの一部を吸気通路２に還流している低回転中高負荷運転領域において、図２に示すように、ターボチャージャ４により新気を過給しているために、吸入空気の圧力つまり吸気圧が排気ガスの圧力つまり排圧より高くなる場合がある（図中の区間Ａ、Ｂ）。この場合に、還流検知手段が排気ガスのＥＧＲ装置２５による還流を検知し、弁制御手段が開閉弁４３を開くと、吸気圧の脈動に対して位相変更手段が作動し、吸気圧の脈動とは異なる位相で位相変更手段から脈動が出力される。つまり、位相変更手段４２の管部４０に流入出した吸入空気により容器４１内の気体が圧縮と膨張を繰り返し、吸気圧の脈動とは異なる位相で振動する。これにより、吸気圧の脈動が干渉され、吸気圧が低下し、排圧を下回るものとなる。

その結果、吸気マニホルド２ａにおいて排圧が吸気圧を上回ることになるので、ＥＧＲ装置２５のＥＧＲ管路２６及びＥＧＲ弁２７を介して排気ガスの一部が吸入空気に混合されることになる。したがって、このように吸気圧が排圧を上回るような運転状態であっても、排気ガスの還流を行うことができ、燃費及びトルクの向上を図ることができる。又、排圧が吸気圧より高くなっているので、吸入空気がＥＧＲ管路２６を介して排気マニホルド３ａに吹き抜けることを抑制することができる。このため、排気ガスの酸素濃度が高くなることを抑制でき、三元触媒２１内の空燃比がリーンになることを抑制することができる。したがって、三元触媒２１の排気ガス浄化性能が低下することを防ぐことができる。

以上のようにして、開閉弁４３を開いた運転状態にあって、例えば電子スロットル弁１０を全開にするあるいは全閉にするような運転状態になり、ＥＧＲ弁２７を閉じる制御をする、つまりＥＧＲ装置２５により排気ガスの還流を行わない場合は、還流検知手段がＥＧＲ弁２７の開度に基づいて排気ガスを還流していないことを検知する。この結果、弁制御手段は、開閉弁４３に対して所定の遅延時間の後に閉弁するための開閉信号ｑを出力する。所定の遅延時間は、排圧が吸気圧を上回っている状態で排気ガスの還流を完了するべくＥＧＲ弁２７を閉じるに要する十分な時間に設定する。このように、開閉弁４３の閉弁のための開閉信号ｑを出力して開閉弁４３を閉じることで、確実に新気が排気通路３に吹き抜けることを防止するものである。したがって、上記したように、三元触媒２１の排気ガス浄化性能が低下することを防ぐことができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

還流検知手段としては、エンジン回転数と負荷とにもとづいて演算される要求ＥＧＲ率又は要求ＥＧＲ量が、所定のＥＧＲ率又はＥＧＲ量以上となることを検知することで、ＥＧＲ装置２５による排気ガスの還流を検知するものであってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の活用例として、ターボチャージャを備え、例えば２気筒あるいは３気筒のように吸気脈動が大きなガソリン及びディーゼルエンジンが挙げられる。

２…吸気通路
３…排気通路
４…ターボチャージャ
２５…排気ガス再循環装置
３３…電子制御装置
４０…管部
４１…容器
４２…位相変更手段
４３…開閉弁

Claims

吸入空気を過給するための過給機及び吸気通路におけるコンプレッサの下流に接続する排気ガス再循環管路を有し排気ガスの一部を吸気通路に還流する排気ガス再循環装置を備える内燃機関の排気ガス再循環システムであって、
吸気通路におけるコンプレッサの下流に接続する管部及び管部に連通し所定容量の気体を貯留し得る容器からなり、排気ガス再循環装置により排気ガスの一部を吸気通路に還流している状態でコンプレッサ下流の吸気圧が排気圧より高くなる可能性がある運転領域において、吸気脈動と異なる位相の脈動を出力し吸気脈動に干渉することによりコンプレッサ下流の吸気圧を排気圧よりも低下させる位相変更手段と、
位相変更手段と吸気通路との連通状態を制御する開閉弁と、
排気ガス再循環装置による排気ガスの還流を検知する還流検知手段と、
排気ガス再循環装置により排気ガスの一部を吸気通路に還流している状態でコンプレッサ下流の吸気圧が排気圧より高くなる可能性がある運転領域において、開閉弁を開いて位相変更手段を作動させる弁制御手段と
を備えてなる内燃機関の排気ガス再循環システム。