JP5948897B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、吸気弁の開閉タイミングに応じて吸気通路を開閉する圧力制御弁及び排気の一部を燃焼室に導入する排気再循環装置を備える内燃機関に関する。

内燃機関の出力向上を図るために、吸気通路に吸気弁の開閉タイミングに応じて開閉する圧力制御弁を配置し、吸気弁の開弁タイミングでは圧力制御弁を閉じておき、吸気弁の開弁タイミングから所定期間経過後に圧力制御弁を開くよう制御する技術が知られている。これは、吸気弁が開いた後も圧力制御弁を閉じておくことによって燃焼室から圧力制御弁までを負圧状態にし、圧力調整弁を開いたときに、圧力調整弁の上下流の差圧によって燃焼室へより多量の空気を吸い込ませ、出力を向上させるものである。特に、低回転高負荷域のように吸入空気の流速が低い領域での出力向上に効果的である。

一方、内燃機関の排気性能を向上させるために、排気ガスの一部を吸気通路へ還流させる、いわゆるＥＧＲ装置が知られている。

これら圧力制御弁及びＥＧＲ装置を備える内燃機関が、特許文献１に開示されている。

特開２００６−２８３６３８号公報

しかしながら、特許文献１では、圧力制御弁より下流側にＥＧＲ通路を接続する構成となっているので、ＥＧＲ実行時に圧力制御弁を閉じたまま吸気弁を開くと、圧力制御弁下流側の吸気通路にはピストン下降に伴ってＥＧＲガスが引き込まれる。ＥＧＲガスが引き込まれることによって圧力制御弁下流側の負圧が発達しなくなるので、圧力制御弁の上下流の差圧を利用した出力向上の効果は小さくなる。換言すると、負荷が高くなるほど、還流可能なＥＧＲガス量は少なくなる。

そこで、本発明では、より多くのＥＧＲガスを還流させつつ高負荷運転し得る内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関は、吸気通路の燃焼室側開口部を開閉する吸気弁と、吸気通路の吸気弁より上流側に設けられ、吸気通路を開閉する圧力制御弁とを備える。そして、吸気行程開始後も圧力制御弁を閉じておくことにより、圧力制御弁より下流側の吸気通路内を負圧とし、その後圧力制御弁を開いて、圧力制御弁の上流と下流との差圧を利用した慣性過給を行なう。さらに、燃焼室から排出された排気の一部を圧力制御弁より上流側の吸気通路へ還流させる排気還流通路を備える。この内燃機関は、平均有効圧が予め設定した所定値以上で、かつ排気還流率を一定に維持した状態でも当該負荷を実現するために必要な新気と排気還流ガスとを燃焼室へ導入可能な負荷の最大値を上限とする所定負荷範囲で、排気還流率を一定に維持しつつ、圧力制御弁の開閉時期を変化させることで機関負荷を制御し、所定負荷範囲よりさらに高負荷側で、かつ所定負荷範囲と連続する領域では、排気還流率を所定負荷範囲よりも低下させることにより機関負荷を増大させる。

本発明によれば、新気とＥＧＲガスの混合ガスを慣性過給により燃焼室へ供給できるので、吸気通路内の負圧が小さくなる高負荷領域においても、より多くのＥＧＲガスを還流させることが可能である。

本発明の実施形態に係るシステムの概略構成図である。 ＥＣＵが実行する圧力制御弁６の制御ルーチンを示すフローチャートである。 目標ＥＧＲ率マップである。 目標ブースト圧マップである。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るシステムの概略構成図である。

内燃機関１００は、燃料噴射弁１３及び点火プラグ１４が燃焼室１０１に臨むように設置された、いわゆる筒内直噴式内燃機関である。

内燃機関１００の吸気通路２１には、吸気流れ上流側から順に、エアクリーナ３、エアフロメータ１７、電子制御スロットル４、コレクタタンク５、圧力制御弁６が設置されている。一方、排気通路２２には、排気流れの上流側から順に、空燃比センサ１８、排気浄化触媒９が設置されている。また、内燃機関１００は、排気通路２２とコレクタタンク５を連通するＥＧＲ通路１０と、ＥＧＲ通路１０を開閉するＥＧＲ弁１２と、ＥＧＲ通路１０を通過する排気を冷却するＥＧＲクーラ１１を備える。なお、ＥＧＲクーラ１１は必須の構成要素ではない。

電子制御スロットル４及び圧力制御弁６は、いずれも後述するコントロールユニット（ＥＣＵ）１５により開閉制御される。圧力制御弁６は、吸気通路２１を開閉できればよく、例えば、バタフライ式の弁を用いる。ただし、圧力制御弁６は電子制御スロットル４よりも高速で開閉動作できるものを用いる。

内燃機関１００のシリンダブロック１には、クランクシャフト２４の回転速度を検出するクランク角センサ２０と、冷却水の温度を検出する水温センサ１９が設置されている。

エアフロメータ１７、空燃比センサ１８、水温センサ１９、クランク角センサ２０の各検出値はＥＣＵ１５に読み込まれる。ＥＣＵ１５には、この他にもアクセル開度を検出するアクセル開度センサ１６の検出値も読み込まれる。

ＥＣＵ１５は、これらの検出値に基づいて電子制御スロットル４の開度、ＥＧＲ弁１２の開度、圧力制御弁６の開閉、燃料噴射量、点火時期等を制御する。

なお、ＥＣＵ１５は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＥＣＵ１５を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

ここで、圧力制御弁６の基本的な開閉動作について説明する。

吸気弁７が開いて吸気行程が始まっても、圧力制御弁６は閉じている。これにより、ピストン２３の下降に伴って燃焼室１０１及び圧力制御弁６より下流側の吸気通路２１では負圧が発生する。つまり、圧力制御弁６の上下流で差圧（以下、上下流差圧という）が発生する。

そして、負圧が発達したら圧力制御弁６を開く。具体的な開タイミングについては後述する。圧力制御弁６が開くと、圧力制御弁６の上流側の空気は、上下流差圧によって急速に燃焼室１０１へ引き込まれる。つまり、空気にはより大きな慣性が働くので、圧力制御弁６が無い場合に比べて多くの空気が燃焼室１０１へ供給される。つまり、慣性による過給効果が得られる。

その後、吸気脈動によって空気が燃焼室１０１から吸気通路２１へ逆流しないように圧力制御弁６を閉じる。つまり、吸気弁７が開いてから閉じるまでの吸気行程のうち、実際に吸気を行なうのは、圧力制御弁が開いてから閉じるまでということになる。

なお、圧力制御弁６を開いていても、吸気弁７が閉じれば吸気工程は終了するので、圧力制御弁６の閉弁タイミングは、最も遅い場合で吸気弁７の閉弁タイミングと同時となる。

上記のような、圧力制御弁６の上下流差圧を利用した慣性過給を、インパルス過給と称する。インパルス過給は、吸気流速が低い低回転領域での出力を向上させるのに特に効果的である。

インパルス過給時の吸入空気量は、圧力制御弁６の開弁タイミングにおける上下流差圧と、圧力制御弁６の開弁期間により定まる。

圧力制御弁６の開弁タイミングが遅くなるほど上下流差圧が大きくなり、圧力制御弁６を開いたときに引き込まれる空気量は多くなる。しかし、圧力制御弁６の開弁タイミングが遅くなるほど圧力制御弁６の開弁期間が短くなる。このため、上下流差圧によって引き込んだ空気のすべてが燃焼室１０１に流入する前に圧力制御弁６を閉じることになるおそれがある。

すなわち、エンジン回転速度を一定とした場合の、吸入空気量が最大となる圧力制御弁６の開弁タイミング（以下、最適開弁タイミングという）及び閉弁タイミング（以下、最適閉弁タイミングという）が、上下流差圧と開弁期間との関係に基づいて定まる。なお、圧力制御弁６を開閉するクランク角度が同じでも、エンジン回転速度が高くなるほど圧力制御弁６が開弁している時間は短くなる。したがって、吸入空気量の目標値が同じでも、エンジン回転速度が高くなるほど最適開弁タイミングは早くなる。

そして、圧力制御弁６の開閉タイミングを、最適開弁タイミングまたは最適閉弁タイミングからずらすことで、吸入空気量を制御することができる。

なお、最適開弁タイミング及び最適閉弁タイミングは、吸気通路２１の径や圧力制御弁６より下流側の吸気通路２１の容積等によって異なる。

ところで、圧力制御弁６を、吸気通路２１のＥＧＲ通路１０が接続される位置よりも下流側に設置してインパルス過給を行なうと、より広い領域でＥＧＲが実行可能になるという効果も得られる。以下、ＥＧＲ実行可能領域を拡大する効果について説明する。なお、以下の説明におけるＥＧＲは、ＥＧＲ通路１０等を介して排気通路２２から吸気通路２１へ還流させる外部ＥＧＲを意味する。

図１の構成から圧力制御弁６を除いた構成（以下、一般的な構成と称する。）では、電子制御スロットル４より下流側の吸気通路２１の圧力と排気通路２２の圧力との差圧を利用して、ＥＧＲガスを排気通路２２から吸気通路２１へ還流させる。このようなＥＧＲガスの還流は、平均有効圧が３００−７００[ｋＰａ]程度のアイドル−低負荷領域であれば有効に機能する。

しかし、平均有効圧が７００[ｋＰａ]を超えるような高負荷領域になると、電子制御スロットル４の開度が大きくなるため吸気通路２１で負圧が発達しなくなり、還流可能なＥＧＲガス量が大幅に減少してしまう。つまり、高負荷領域においては、ＥＧＲガス導入による燃焼温度の低下が望めない。そこで、高負荷領域でのノッキング対策として、圧縮比を低下させる等の方策をとる必要があり、結果的に燃焼効率を低下させることとなる。

これに対して、図１に示すように圧力制御弁６を設けると、上下流差圧によって空気が引き込まれる際に、ＥＧＲガスも引き込まれる。したがって、より高負荷領域までＥＧＲガスを還流させることが可能となる。

次に圧力制御弁６の開閉制御について、具体的に説明する。

図２は、ＥＣＵ１５が実行する圧力制御弁６の制御ルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ１００で、ＥＣＵ１５はエンジン回転速度Ｎｅが所定の低回転域であるか否かを判定する。これは、インパルス過給を実施する領域か否かを判断するためである。所定の低回転域は、インパルス過給でなければ達成できないような高トルクが要求される可能性があり、かつインパルス過給を実行可能な低回転域である。本実施形態では、例えば１２００−２４００[ｒｐｍ]に設定する。

クランク角センサ２０で検出したエンジン回転速度が所定の低回転域内であればステップＳ１１０の処理を実行する。所定の低回転域外であれば本ルーチンを終了し、圧力制御弁６を常時開弁状態として、一般的な内燃機関制御を実行する。

ステップＳ１１０で、ＥＣＵ１５はアクセル開度ＡＰＯ及びエンジン回転速度Ｎｅに基づいて目標トルクＴｅ[Ｎｍ]を算出する。目標トルクＴｅ[Ｎｍ]の具体的な算出方法は、一般的な内燃機関制御における目標トルクの算出方法と同様で、例えば、目標トルクＴｅ[Ｎｍ]をアクセル開度ＡＰＯ[％]及びエンジン回転速度Ｎｅ[ｒｐｍ]に割り付けたマップをＥＣＵ１５に格納しておき、これを検索する。

ステップＳ１２０で、ＥＣＵ１５は目標トルクＴｅ[Ｎｍ]及びエンジン回転速度Ｎｅ[ｒｐｍ]に基づいて目標ＥＧＲ率ｔＥＧＲＲ[％]、目標ブースト圧ｔＢｏｏｓｔ[ｋＰａ]を算出する。

目標ＥＧＲ率ｔＥＧＲＲ[％]は、図３（Ａ）のマップを検索することにより算出する。図３（Ａ）は縦軸を目標トルクＴｅ[Ｎｍ]、横軸をエンジン回転速度Ｎｅ[ｒｐｍ]とする目標ＥＧＲ率マップの一例を示している。

目標トルクＴｅ[Ｎｍ]がＴｅ１[Ｎｍ]からＴｅ２[Ｎｍ]の範囲が目標ＥＧＲ率ｔＥＧＲＲ＝２５％で最高の目標ＥＧＲ率であり、目標トルクＴｅ[Ｎｍ]がＴｅ１[Ｎｍ]より低くなるほど、及び目標トルクＴｅ[Ｎｍ]がＴｅ２[Ｎｍ]より高くなるほど、目標ＥＧＲ率ｔＥＧＲＲ[％]が低くなっている。なお、Ｔｅ１[Ｎｍ]は、例えば、平均有効圧が７００[ｋＰａ]になる場合のトルクである。また、Ｔｅ２[Ｎｍ]は、２５％のＥＧＲ率でも当該トルクを実現するために必要な新気とＥＧＲガスを燃焼室１０１へ導入可能なトルクの最大値である。したがって、Ｔｅ２[Ｎｍ]を超えると、ＥＧＲ率が２５％のままでは新気とＥＧＲガスのすべてを燃焼室１０１へ導入することが物理的に不可能になるので、目標ＥＧＲ率ｔＥＧＲＲ[％]は徐々に小さくなっている。

目標ブースト圧ｔＢｏｏｓｔ[ｋＰａ]は、図３（Ｂ）のマップを検索することにより算出する。図３（Ｂ）は縦軸を目標トルクＴｅ[Ｎｍ]、横軸をエンジン回転速度Ｎｅ[ｒｐｍ]とする目標ブースト圧マップの一例を示している。目標ブースト圧ｔＢｏｏｓｔは目標トルクＴｅが最大のときに最大で、目標トルクＴｅが低くなるほど目標ブースト圧ｔＢｏｏｓｔも低くなる。そして、目標トルクＴｅ[Ｎｍ]がＴｅ１[Ｎｍ]からＴｅ２[Ｎｍ]の範囲で、目標ブースト圧ｔＢｏｏｓｔは９０[ｋＰａ]となっている。

本実施形態では、目標トルクＴｅ[Ｎｍ]がＴｅ１[Ｎｍ]からＴｅ２[Ｎｍ]の範囲を、インパルス過給適用領域とする。

ステップＳ１３０で、ＥＣＵ１５は目標ブースト圧ｔＢｏｏｓｔ[ｋＰａ]に基づいて目標スロットル開度ｔＴＶＯ[°]を算出する。目標スロットル開度ｔＴＶＯ[°]は、目標ブースト圧ｔＢｏｏｓｔ[ｋＰａ]が高いほど大きくなる。

ステップＳ１４０で、ＥＣＵ１５は目標ＥＧＲ率ｔＥＧＲＲ[％]及び目標ブースト圧ｔＢｏｏｓｔ[ｋＰａ]に基づいて目標ＥＧＲ弁開度ｔＥＧＲ[°]を算出する。目標ＥＧＲ弁開度ｔＥＧＲ[°]は、目標ブースト圧ｔＢｏｏｓｔ[ｋＰａ]が一定であれば、目標ＥＧＲ率ｔＥＧＲＲ[％]が大きいほど大きくなり、目標ＥＧＲ率ｔＥＧＲＲ[％]が一定であれば、目標ブースト圧ｔＢｏｏｓｔ[ｋＰａ]が高いほど大きくなる。そこで、これらの特性に基づいて目標ＥＧＲ弁開度ｔＥＧＲ[°]を算出する。

ステップＳ１５０で、ＥＣＵ１５は目標トルクＴｅ[Ｎｍ]及び目標ＥＧＲ率ｔＥＧＲＲ[％]に基づいて、目標トルクＴｅ[Ｎｍ]を実現するために必要な新気量と、目標ＥＧＲ率ｔＥＧＲＲ[％]を実現する為に必要なＥＧＲガス量とを合わせた総ガス量ｔＧＡＳ[ｍ^３]を算出する。新気量及びＥＧＲガス量はともに一般的な内燃機関制御と同様の方法で算出することができる。

ステップＳ１６０で、ＥＣＵ１５は目標トルクＴｅ[Ｎｍ]及び目標総ガス量ｔＧＡＳ[ｍ^３]に基づいて圧力制御弁６の開閉タイミングを設定する。すなわち、目標トルクＴｅ[Ｎｍ]がＴｅ１[Ｎｍ]より小さければ圧力制御弁６を開弁状態に維持し、Ｔｅ１[Ｎｍ]より大きければ目標総ガス量ｔＧＡＳ[ｍ^３]を燃焼室１０１へ供給し得る開閉タイミングを設定する。

目標トルクＴｅ[Ｎｍ]がＴｅ１[Ｎｍ]より大きい場合は、例えば、まず、予め作成しておいたマップ等に基づいて、当該エンジン回転数Ｎｅ[ｒｐｍ]におけるインパルス過給による最適開弁タイミング、最適閉弁タイミング、及び最大吸入空気量を算出する。そして、最大吸入空気量と目標総ガス量ｔＧＡＳ[ｍ^３]の差に基づいて、開弁タイミングまたは閉弁タイミングのいずれか一方または両方を、最適開弁タイミングまたは最適閉弁タイミングからずらす。

次に、上述した構成及び制御による作用、効果について説明する。

一般的な構成の内燃機関の場合、排気通路２２と吸気通路２１の差圧を利用してＥＧＲを実行するので、吸気通路２１の負圧が小さくなるほど、つまり負荷が高くなるほど、還流可能なＥＧＲガス量は低下する。

これに対して、本実施形態ではインパルス過給を利用してＥＧＲガスを吸気通路２１に引き込むので、高負荷域でも高いＥＧＲ率（例えば２５[％]）を維持することが可能である。その結果、高負荷域においてもＥＧＲによって燃費の向上を図ることができる。

また、目標ＥＧＲ率ｔＥＧＲＲ[％]を一定に維持したまま、圧力制御弁６の開閉タイミングにより総ガス量ｔＧＡＳを制御するので、目標トルクＴｅ[Ｎｍ]と目標ＥＧＲ率ｔＥＧＲＲ[％]を両立することができる。つまり、高負荷域においても、ＥＧＲによって燃焼温度を低下させ、ノッキングの発生を抑制することができる。

また、総ガス量ｔＧＡＳが、インパルス過給により燃焼室１０１へ送り込むことができる最大値を超える場合は、目標ＥＧＲ率ｔＥＧＲＲ[％]を低下させるので、吸入空気量を確保して目標トルクＴｅを実現することができる。

なお、ＥＧＲ率が低下するとノッキング抑制効果が小さくなるので、ＥＧＲ率の低下に応じて燃料噴射量を増量して、ノッキングの発生を抑制するようにしてもよい。または、内燃機関１００の最大トルクを、図３（Ａ）のＴｅ２のように最大ＥＧＲ率を維持できる上限のトルクに制限してもよい。

また、所定の負荷範囲（例えば、図３（Ａ）、（Ｂ）のＴｅ１[Ｎｍ]からＴｅ２[Ｎｍ]の範囲）より低負荷側では、圧力制御弁６を開いた状態に維持し、インパルス過給を行なわない。すなわち、インパルス過給を行なわなくても目標トルクＴｅを実現できる領域では、圧力制御弁６は開いた状態に維持する。これにより、圧力制御弁６の作動頻度を低下させて、圧力制御弁６の劣化を抑制することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
３ エアクリーナ
４ 電子制御スロットル
５ コレクタタンク
６ 圧力制御弁
７ 吸気弁
８ 排気弁
９ 排気浄化触媒
１０ ＥＧＲ通路
１１ ＥＧＲクーラ
１２ ＥＧＲ制御弁
１３ 燃料噴射弁
１４ 点火プラグ
１５ コントロールユニット（ＥＣＵ）
１６ アクセル開度センサ
１７ エアフロメータ
１８ 空燃比センサ
１９ 水温センサ
２０ クランク角センサ
２１ 吸気通路
２２ 排気通路
２３ ピストン
２４ クランクシャフト
１００ 内燃機関

Claims (2)

1. 吸気通路の燃焼室側開口部を開閉する吸気弁と、
   前記吸気通路の前記吸気弁より上流側に設けられ、前記吸気通路を開閉する圧力制御弁と、
   を備え、
   吸気行程開始後も前記圧力制御弁を閉じておくことにより、前記圧力制御弁より下流側の前記吸気通路内を負圧とし、その後前記圧力制御弁を開いて、前記圧力制御弁の上流と下流との差圧を利用した慣性過給を行なう内燃機関であって、
   前記燃焼室から排出された排気の一部を前記圧力制御弁より上流側の前記吸気通路へ還流させる排気還流通路を備え、
   前記内燃機関の平均有効圧が予め設定した所定値以上で、かつ排気還流率を一定に維持した状態でも当該負荷を実現するために必要な新気と排気還流ガスとを燃焼室へ導入可能な負荷の最大値を上限とする所定負荷範囲で、排気還流率を一定に維持しつつ、前記圧力制御弁の開閉時期を変化させることで機関負荷を制御し、
   前記所定負荷範囲よりさらに高負荷側で、かつ前記所定負荷範囲と連続する領域では、排気還流率を前記所定負荷範囲よりも低下させることにより機関負荷を増大させることを特徴とする内燃機関。
2. 前記所定負荷範囲より低負荷側で、かつ前記所定負荷範囲と連続する領域では、吸気行程中に前記圧力制御弁を開弁状態に維持する請求項１に記載の内燃機関。

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