JP5930288B2

JP5930288B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP5930288B2
Application number: JP2012040469A
Authority: JP
Inventors: 寛司三原
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2032-02-27
Also published as: JP2013174219A

Description

本発明は、ＥＧＲ装置を備えた内燃機関に関し、特に、排気ガスが排気ターボ過給機や触媒式浄化装置よりも下流側から吸気通路に還流する低圧ループ方式の内燃機関を好適な対象にしている。

排気ガスを吸気通路に還流させるＥＧＲ装置には、気筒から排出された直後の高温高圧の排気ガスを吸気通路に還流させる高圧ループ方式と、排気ターボ過給機や触媒式排気ガス浄化装置よりも下流側から排気ガスを還流させる低圧ループＥＧＲ方式とがあり、後者の低圧ループＥＧＲ方式は、還流する排気ガスが低圧低温になっているため、充填効率を高くして排気ガスの混入割合を高くできる利点がある。

他方、車両の運転においてアクセルペダルを急激に戻してスロットルバルブが急閉動した場合、要求ＥＧＲ率も急減するためＥＧＲバルブが閉作動して排気ガスの還流がカット又は抑制されるが、吸気通路にはある程度の量の排気ガスが残留しているため、例えば、アクセルペダルを急激に戻してからすぐに踏み込んだときに、新気の供給がおいつかずに応答性が悪くなる問題や、ＥＧＲ率が必要以上に高くなって減速時失火を引き起こしやすくなる問題がある。

特に、低圧ループ方式のＥＧＲ装置では、ＥＧＲ通路の接続部が吸気マニホールド（或いはサージタンク）から離れているため、吸気通路に排気ガスが溜まることに起因した問題が顕著に表れる。

そこで、吸気通路のうち、スロットルバルブよりも下流側の部位と、ＥＧＲ通路の接続部よりも上流側の部位とを流量調整弁付き新気バイパス通路で接続し、スロットルバルブ及びＥＧＲバルブが閉じ作動したら新気バイパス通路から新気を供給することで、吸気通路に排気ガスが溜まることによる悪影響を防止することが提案されている（例えば特許文献１）。

特開２０１２−７５４７号公報

特許文献１は原理的には優れているが、本願発明者が検討したところ、改善すべき点が見られた。例えば、スロットルバルブ及びＥＧＲバルブの閉じ動作に応じて新気バイパス通路から新気を供給する場合、排気ガスが抜け切っているにもかかわらず新気バイパス通路から新気が供給されてスロットルバルブに対する応答性が緩慢になったり、新気の量が多くなり過ぎてトルクが急変動したりするおそれが懸念される。

また、車両が減速してから下り坂に移行する場合など、アクセルペダルを急激に戻した後にアクセル踏み込み量が０となって燃料供給がカットされる場合があるが、このように燃料カット状態で新気バイパス通路が開いたままであると、機関から排出される排気ガスの温度が低下し過ぎて触媒による浄化が不完全になるおそれもある（触媒式排気ガス浄化装置は、排気ガスの温度が低いと浄化性能が悪くなる性質がある。）。

本発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、新気バイパス通路を備えたＥＧＲ装置付き内燃機関において、新気バイパス通路の機能を的確に発揮させることを目的とするものである。

本願発明の内燃機関は、
スロットルバルブを有する吸気通路と、前記吸気通路のうち前記スロットルバルブよりも上流側に接続されたＥＧＲ通路と、前記吸気通路のうち前記ＥＧＲ通路の接続部よりも上流側の部位と前記スロットルバルブよりも下流側の部位とに接続された新気バイパス通路とを備えており、
前記ＥＧＲ通路には排気ガスの還流量を調節するＥＧＲバルブが設けられて、前記新気バイパス通路には新気の供給量を調節するバイパスバルブが設けられており、前記ＥＧＲバルブの閉作動に応じて前記バイパスバルブが開作動する、
という基本構成になっている。

そして、本願発明では、上記基本構成において、前記ＥＧＲバルブの閉じ動作にて排気ガスの混入割合が減少した新気が吸気通路のうち新気バイパス通路の接続部に到達するタイミングで前記バイパスバルブを閉じ作動させる制御手段が備えられている。

本発明によると、排気ガスが吸気通路から抜け切るのに合わせて新気バイパス通路による新気供給をカットできるため、トルク変動を防止して滑らかな運転状態を確保することができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の模式図である。作用と制御態様とを説明するための図である。制御態様を説明するための模式図である。

(1).構造の説明
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１に基づいて構造を説明する。内燃機関は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３とを主要要素とする機関本体１を備えており、シリンダブロック２には３つのシリンダボア４が直列に並べて形成されている。シリンダヘッド３には、吸気マニホールド５と排気マニホールド６が接続されている。

吸気マニホールド５には吸気通路７が接続されている。吸気通路７には、上流から順に、エアクリーナ８、吸気絞り弁９、インタークーラ１０、スロットルバルブ１１、サージタンク１２が介挿されている。シリンダヘッド３には、各シリンダボア４に対応して燃料噴射ノズル１３を設けている。また、吸気通路７には、新気バイパス通路１４が接続されている。すなわちこの新気バイパス通路１４は、吸気通路７のうち、エアクリーナ８の下流で吸気絞り弁９より上流側の部位と、スロットルバルブ１１よりも下流でサージタンク１２よりもやや上流側の部位とに接続されており、その終端部には新気の流量を調節するためのバイパスバルブ１５が設けられている。

排気マニホールド６には排気通路１７が接続されており、この排気通路１７には、上流から順に排気ターボ過給機１８のタービン室１８ａと触媒式排気ガス浄化装置１９とが介挿されており、図示していないが、終端部には消音器を設けている。排気通路１７のうちタービン室１８ａの上流側と下流側とは排気バイパス通路２０で接続されており、排気バイパス通路２０を通過する排気ガスの量はウエストゲートバルブ２１で調節される。

排気ターボ過給機１８のコンプレッサ室１８ｂは、吸気通路７のうち吸気絞り弁９とインタークーラ１０との間の部位に介挿されている。また、排気通路１７と吸気通路７とにはＥＧＲ通路２２が接続されている。

ＥＧＲ通路２２の始端（一端）は、排気通路１７のうち触媒式排気ガス浄化装置１９よりも下流側の部位に接続され、ＥＧＲ通路２２の終端（他端）は、吸気通路７のうち吸気絞り弁９と排気ターボ過給機１８との間の部位に接続されている。従って本実施形態のＥＧＲ装置は低圧ループ方式になっている。ＥＧＲ通路２２には水冷式のＥＧＲクーラ２３が介挿されており、また、ＥＧＲ通路２２のうち吸気通路７に近い終端部には、排気ガスの還流量を調節するためのＥＧＲバルブ２４を設けている。

内燃機関は、制御手段としてのＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）２５を備えている。ＥＣＵ２５はＣＰＵやメモリー等を備えており、燃料噴射ノズル１３からの燃料の噴射量や各バルブ９，１１，１５，２１，２４の開閉制御は、ＥＣＵ２５の指令で行われる。また、ＥＣＵ２５には、吸気通路７のうち吸気絞り弁９とエアクリーナとの間の部位の圧力を検知する第１吸気圧センサ２６、吸気通路７のうちスロットルバルブ１１よりもやや上流側の部位の圧力を検知する第２吸気圧センサ２７、サージタンク１２の内圧を検知するサージ圧センサ２８が電気的に接続されている。

更に、ＥＣＵ２５には、アクセルペダル２９の踏み込み量を検出するアクセルセンサ（ポテンショメータ）３０や、クランク軸の回転速度を検出する回転センサ３１、ＥＧＲ通路２２のうちＥＧＲバルブ２４のやや上流側の部位の排気ガス圧を検知するＥＧＲ圧力センサ３２も電気的に接続されている。敢えて述べるまでもないが、ＥＣＵ２５には、他の各種のセンサ類が接続されている。

(2).第１の制御方法
図２では、スロットルバルブ１１及びＥＧＲバルブ２４の開度と、シリンダヘッド３への接続部分における吸気通路７でのＥＧＲ濃度等との関係を示している。この図２に示すように、スロットルバルブ１１が閉じ作動するとＥＧＲバルブ２４も殆ど同時に閉じ作動するが、ＥＧＲガスが吸気通路７を流れる経路は長いため、吸気通路７の下流側（シンダヘッドへの接続部分）におけるＥＧＲガスの濃度低下にはタイムラグがあり、ＥＧＲバルブ２４が閉じ作動開始してからある程度の時間Ｔ１を経過してから濃度低下が始まって、ＥＧＲバルブ２４が目標閉度に閉じ切ってからある程度の時間Ｔ２を経過してから、吸気通路に残留していたＥＧＲガスが抜けきって、ＥＧＲガスの濃度がゼロになるかまたは目標とするＥＧＲガス濃度になる。

（Ｃ）の点線３３はＥＧＲガスの濃度が遅れて変化する仮想濃度を示しており、この仮想濃度線３３と実線で示した実際の濃度（目標とするＥＧＲ濃度）との乖離範囲の面積Ｓが、ＥＧＲバルブ２４が閉じた後の余剰な残留ＥＧＲガス量に相当する。そこで、図２（Ｅ）に示すように、新気バイパス通路１４から吸気通路７の下流側に新気を補充して、ＥＧＲガス濃度を速やかに低下させる（希釈する）ことで、機関に目標ＥＧＲ濃度となった吸入空気を供給する。これにより、機関を滑らかに減速できると共に、ＥＧＲガスの過多による失火を防止する。

そして、バイパスバルブ１５はスロットルバルブ１１の開閉動作及びＥＧＲバルブ２４の閉動作と同時に開き動作を開始するが、開度の制御と閉じタイミングの適切な制御は、吸気通路７での複数部位の圧力差を検知することで実現できる。

すなわち、まず、前提として、図３（Ａ）に示すように、第２吸気圧センサ２７及びサージ圧センサ２８から読み込んだスロットルバルブ１１の上流側の圧力Ｐ２及び下流側の圧力Ｐ３と、スロットルバルブ１１の開度（開口面積）とから、スロットルバルブ１１を通過する吸入空気量（Ｑ）を算出できる。

そこで、図３（Ｂ）に示すように、ＥＧＲバルブ２４が閉じ作動した時点からスロットルバルブ１１を通過した吸入空気量の積算値Ｑ１を演算し、この吸入空気量の積算値Ｑ１が、ＥＧＲバルブ２４を閉じ作動したときに吸気通路７のうちＥＧＲ通路２２の終端が接続される箇所から新気バイパス通路１４の終端が接続される箇所までに存在していた吸入空気量Ｑ２と等しくなったら、その時点でバイパスバルブ１５を閉じる。

これにより、吸気通路７に存在していたＥＧＲガス濃度の高い吸入空気３４が、新気バイパス通路１４の終端が接続された箇所を通過し終わるタイミングにて、バイパスバルブ１５を閉じることができる。その結果、急激なトルク変動を生じさせることなく滑らかな運転状態を実現できる。

制御のバリエーションとして、吸気絞り弁９を具備しない場合は、第２吸気圧センサ２７を設けずに、第１吸気圧センサ２６とサージ圧センサ２８のみを利用して制御することも可能である。これら第１吸気圧センサ２６とサージ圧センサ２８とは従来から設けられているため、既存の部品をそのまま利用することができて、それだけコストを抑制できる利点がある。

他のバリエーションとして、吸気通路７内での圧力差に比例してバイパスバルブ１５の開度を大きくすることや、バイパスバルブ１５の開度をスロットルバルブ９の開度に反比例をさせること、或いは、バイパスバルブ１５の開度をＥＧＲバルブ２４の開度に比例させることも可能である。

(3).第２の制御方法
図２（Ｆ）では、（Ｅ）とは異なる参考制御方法を示している。この制御方法は、スロットルバルブ９の閉じ作動によってＥＧＲバルブ２４が閉じ作動すると共にバイパスバルブ１５が開き作動した場合において、燃料噴射がカットされた場合は、バイパスバルブ１５を強制的に閉じ作動するものである。これにより、排気ガスの温度低下を抑制して触媒式排気ガス浄化装置１９の性能を維持できるとともに、吸気通路に不要なＥＧＲガスが残留している不安定な運転時間を短縮することができる。

上記の実施形態では残留排気ガスの抜けを検知する手段として圧力差を利用したが、例えば新気バイパス通路の接続部（新気放出口）に排気ガス濃度センサを設けて、この濃度センサの検出値に基づいて、検出値が正のときはバイパスバルブを開いて検出値がゼロ又は設定した低い数値になるとバイパスバルブを閉じるというようにして、バイパスバルブの開度を制御することも可能である。

本発明は、車両用内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１機関本体
５吸気マニホールド
６排気マニホールド
７吸気通路
８エアクリーナ
９スロットルバルブ
１１吸気絞り弁
１２サージタンク
１３燃料噴射ノズル
１４新気バイパス通路
１５バイパスバルブ
１７排気通路
１８排気ターボ過給機
１９触媒式排気ガス浄化装置
２２ＥＧＲ通路
２４ＥＧＲバルブ
２５制御手段としてのＥＣＵ
２６第１吸気圧センサ
２７第２吸気圧センサ
２９サージ圧センサ

Claims

スロットルバルブを有する吸気通路と、前記吸気通路のうち前記スロットルバルブよりも上流側に接続されたＥＧＲ通路と、前記吸気通路のうち前記ＥＧＲ通路の接続部よりも上流側の部位と前記スロットルバルブよりも下流側の部位とに接続された新気バイパス通路とを備えており、
前記ＥＧＲ通路には排気ガスの還流量を調節するＥＧＲバルブが設けられて、前記新気バイパス通路には新気の供給量を調節するバイパスバルブが設けられており、前記ＥＧＲバルブの閉作動に応じて前記バイパスバルブが開作動する構成であって、
前記ＥＧＲバルブの閉じ動作にて排気ガスの混入割合が減少した新気が吸気通路のうち新気バイパス通路の接続部に到達するタイミングで前記バイパスバルブを閉じ作動させる制御手段が備えられている、
内燃機関。