JP6799472B2 - エンジンの吸気装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸気の酸素濃度を上昇させるエンジンの吸気装置に関する。

従来、ゼオライトで構成された酸素富化デバイスを用い、吸気中の酸素濃度を上昇させて燃焼室に供給する技術が開発されている（例えば、特許文献１）。このような酸素富化デバイスを用いた吸気装置では、吸気中の酸素濃度を上昇させることで、排気ガスの温度を上昇させることができるので、触媒の暖機を早期に行うことが可能となる。

特表２０１２−５３３０２７号公報

しかし、吸気中の酸素濃度を常時上昇させると、運転条件によっては、エンジンに不具合が生じるおそれがある。

そこで、本発明は、触媒を早期に暖機しつつ、エンジンの不具合を抑制することが可能なエンジンの吸気装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のエンジンの吸気装置は、エンジンの燃焼室に空気を導く吸気流路から分岐されるとともに、該吸気流路における分岐箇所の下流側に再接続されるバイパス路と、前記バイパス路に設けられた酸素富化ユニットと、前記燃焼室から排出された排気ガスが導かれる排気流路と、前記酸素富化ユニットとを接続する窒素排出路と、前記窒素排出路に設けられたバルブと、所定の開条件が成立すると前記バルブを開弁し、該バルブが開いている状態で所定のフェイル制御条件が成立すると該バルブを閉弁するバルブ制御部と、を備え、前記開条件の成立は、前記エンジンを冷却する冷却水の水温が所定の水温閾値未満であること、該エンジンの回転数が所定の回転数閾値未満であること、該エンジンが搭載される車両の速度が所定の車速閾値未満であること、前記吸気流路の圧力が所定の吸気圧力閾値未満であることのいずれか１または複数である。

また、前記バルブ制御部は、前記冷却水の水温が前記水温閾値以上になると、該水温の上昇に伴って前記バルブの開度を小さくしてもよい。

また、前記バルブ制御部は、前記エンジンの回転数が前記回転数閾値以上になると、該回転数の上昇に伴って前記バルブの開度を小さくしてもよい。

また、前記バルブ制御部は、前記車両の速度が前記車速閾値以上になると、該車両の速度の上昇に伴って前記バルブの開度を小さくしてもよい。

また、前記バルブ制御部は、前記吸気流路の圧力が前記吸気圧力閾値以上になると、該吸気流路の圧力の上昇に伴って前記バルブの開度を小さくしてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の他のエンジンの吸気装置は、エンジンの燃焼室に空気を導く吸気流路から分岐されるとともに、該吸気流路における分岐箇所の下流側に再接続されるバイパス路と、前記バイパス路に設けられた酸素富化ユニットと、前記燃焼室から排出された排気ガスが導かれる排気流路と、前記酸素富化ユニットとを接続する窒素排出路と、前記窒素排出路に設けられたバルブと、所定の開条件が成立すると前記バルブを開弁し、該バルブが開いている状態で所定のフェイル制御条件が成立すると該バルブを閉弁するバルブ制御部と、を備え、前記フェイル制御条件の成立は、ノッキングが発生したこと、前記排気流路の排気ガスの温度が所定の排気温度閾値以上であること、空燃比が所定の空燃比範囲外であること、該排気流路の圧力が所定の排気圧力閾値以上であることのいずれか１または複数である。

本発明によれば、触媒を早期に暖機しつつ、エンジンの不具合を抑制することができる。

実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示す概略図である。 バルブ制御部によるバルブ開度調整処理の流れを説明するフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態にかかるエンジンシステム１００の構成を示す概略図である。図１に示すように、車両に搭載されるエンジンシステム１００には、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータでなるＥＣＵ（Engine Control Unit）１０が設けられ、ＥＣＵ１０によりエンジンＥ全体が統括制御される。ただし、以下では、本実施形態に関係する構成や処理について詳細に説明し、本実施形態と無関係の構成や処理については説明を省略する。

エンジンシステム１００を構成するエンジンＥは、シリンダブロック１０２と、クランクケース１０４と、シリンダヘッド１０６と、ヘッドカバー１０８と、オイルパン１１０とを含んで構成される。クランクケース１０４は、シリンダブロック１０２と一体形成されている。シリンダヘッド１０６は、シリンダブロック１０２におけるクランクケース１０４とは反対側に接合される。ヘッドカバー１０８は、シリンダヘッド１０６におけるシリンダブロック１０２とは反対側に接合される。オイルパン１１０は、クランクケース１０４におけるシリンダブロック１０２とは反対側に接合される。

シリンダブロック１０２には、複数のシリンダボア１１２が形成されており、複数のシリンダボア１１２には、それぞれピストン１１４が摺動可能にピストンロッド１１６に支持されている。そして、エンジンＥでは、シリンダボア１１２と、シリンダヘッド１０６と、シリンダボア１１２内で摺動可能に支持されているピストン１１４の冠面とによって囲まれた空間が燃焼室１１８として形成される。

また、エンジンＥでは、クランクケース１０４およびオイルパン１１０に囲まれた空間がクランク室１２０として形成される。クランク室１２０内には、クランクシャフト１２２が回転可能に支持されており、ピストン１１４がピストンロッド１１６を介してクランクシャフト１２２に連結される。

シリンダヘッド１０６には、吸気ポート１２４および排気ポート１２６が燃焼室１１８に連通するように設けられる。吸気ポート１２４と燃焼室１１８との間には、吸気弁１２８の先端が位置し、排気ポート１２６と燃焼室１１８との間には、排気弁１３０の先端が位置している。

また、エンジンＥでは、シリンダヘッド１０６およびヘッドカバー１０８に囲まれた空間がカム室１３２として形成されており、カム室１３２内には、吸気弁用カム１３４および排気弁用カム１３６が設けられる。吸気弁用カム１３４は、吸気弁１２８の他端に当接されており、回転することで吸気弁１２８を吸気ポート１２４のバルブシートに対して当接および離隔させる。これにより、吸気弁１２８は、吸気ポート１２４と燃焼室１１８との間を開閉する。排気弁用カム１３６は、排気弁１３０の他端に当接されており、回転することで排気弁１３０を排気ポート１２６のバルブシートに対して当接および離隔させる。これにより、排気弁１３０は、排気ポート１２６と燃焼室１１８との間を開閉する。

吸気ポート１２４の上流側には、吸気マニホールドを含む吸気流路１４０が連通される。吸気流路１４０内には、スロットル弁１４２、および、スロットル弁１４２より上流側にインタークーラ１４４、インタークーラ１４４より上流側にエアクリーナ１４６が設けられる。スロットル弁１４２は、アクセル（図示せず）の開度に応じてアクチュエータにより開閉駆動される。インタークーラ１４４は、後述するコンプレッサ１８４によって圧縮された空気を冷却する。エアクリーナ１４６にて浄化された空気は、吸気流路１４０、吸気ポート１２４を通じて燃焼室１１８に吸入される。

シリンダヘッド１０６には、燃料噴射口が燃焼室１１８に開口するようにインジェクタ１５０が設けられるとともに、先端が燃焼室１１８内に位置するように点火プラグ１５２が設けられる。インジェクタ１５０から燃焼室１１８に噴射された燃料は、吸気ポート１２４から燃焼室１１８に供給された空気と混ざり混合気となる。そして、所定のタイミングで点火プラグ１５２が点火され、燃焼室１１８内で生成された混合気に含まれる燃料が燃焼される。かかる燃焼により、ピストン１１４が往復運動を行い、その往復運動が、ピストンロッド１１６を通じてクランクシャフト１２２の回転運動に変換される。

排気ポート１２６の下流側には、排気マニホールドを含む排気流路１６０が連通され、排気流路１６０内に触媒１６２が設けられる。燃焼室１１８で生じた燃焼後の排気ガスは、排気ポート１２６、排気流路１６０を通じて外部へ排出される。したがって、排気ガスは、排気流路１６０の通過過程で、触媒１６２によって浄化された後、不図示のマフラを通じて外部に排出されることとなる。

ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）流路１７０は、排気流路１６０における触媒１６２の上流側の流路と、吸気流路１４０におけるスロットル弁１４２の下流側の流路とを連通させる流路である。ＥＧＲ流路１７０は、排気流路１６０を流通する排気ガスの一部を吸気流路１４０に還流させる（以下、還流させた排気ガスを「ＥＧＲガス」と称する）。

ＥＧＲ流路１７０には、ＥＧＲクーラ１７２が設けられており、ＥＧＲクーラ１７２で冷却されたＥＧＲガスは、吸気流路１４０、吸気ポート１２４を通じて燃焼室１１８に還流する。ＥＧＲバルブ１７０ａは、ＥＧＲ流路１７０におけるＥＧＲクーラ１７２の下流側に設けられ、ＥＧＲ流路１７０の流路幅を調整することで、ＥＧＲ流路１７０を流れるＥＧＲガスの流量を制御する。

過給機１８０は、タービン１８２と、コンプレッサ１８４と、タービン１８２およびコンプレッサ１８４を一体回転可能に接続するタービンシャフト１８６とを含んで構成される。タービン１８２は、排気流路１６０における触媒１６２の上流側に設けられ、排気ポート１２６から排出される排気ガスによって回転する。コンプレッサ１８４は、吸気流路１４０におけるエアクリーナ１４６と、インタークーラ１４４との間に設けられ、タービン１８２の回転に伴って回転し、エアクリーナ１４６で塵や埃などの不純物（ダスト）が除去された吸気を圧縮して下流に供給する。過給機バイパス路１８８は、排気流路１６０におけるタービン１８２の上流側から分岐され、タービン１８２の下流側に再接続される流路である。過給機バイパス路１８８には、ウェイストゲートバルブ１８８ａが設けられる。

また、クランクケース１０４には、クランク室１２０に連通するオイルセパレータ１９０ａ、１９０ｂが設けられる。オイルセパレータ１９０ａ、１９０ｂは、シリンダボア１１２およびピストン１１４の隙間を介してクランク室１２０に流出したブローバイガスから、混入したオイルを分離する。

また、エンジンシステム１００には、オイルセパレータ１９０ａと、吸気流路１４０における吸気ポート１２４およびスロットル弁１４２間とを連通する第１ブローバイガス流路１９２ａが設けられる。また、エンジンシステム１００には、オイルセパレータ１９０ｂと、吸気流路１４０におけるエアクリーナ１４６と、コンプレッサ１８４との間を連通する第２ブローバイガス流路１９２ｂが設けられる。第１ブローバイガス流路１９２ａ、第２ブローバイガス流路１９２ｂは、ブローバイガスを吸気流路１４０へ還流させる。

過給機１８０が駆動していない場合、吸気流路１４０におけるスロットル弁１４２の下流側はクランク室１２０に対して負圧になる。このため、ブローバイガスは、オイルセパレータ１９０ａ、第１ブローバイガス流路１９２ａを通じて吸気流路１４０に還流されることとなる。一方、過給機１８０が駆動している場合、コンプレッサ１８４より上流側が負圧になる。このため、ブローバイガスは、コンプレッサ１８４の負圧によって、オイルセパレータ１９０ｂ、第２ブローバイガス流路１９２ｂから吸引されて、吸気流路１４０に還流されることとなる。なお、第１ブローバイガス流路１９２ａには、逆止弁（ＰＣＶバルブ）１９２ｃが設けられ、吸気流路１４０からオイルセパレータ１９０ａへの吸気の逆流を防止している。

また、エンジンシステム１００には、カム室１３２と、吸気流路１４０におけるインタークーラ１４４およびスロットル弁１４２間とを連通する掃気流路１９４が設けられる。さらに、シリンダブロック１０２およびシリンダヘッド１０６には、クランク室１２０とカム室１３２とを連通する通気孔１９６が形成される。掃気流路１９４に流入した空気は、カム室１３２および通気孔１９６を介してクランク室１２０に導かれ、クランク室１２０に溜まったブローバイガスを掃気する。

また、本実施形態のエンジンシステム１００には、バイパス路１４８と、酸素富化ユニット２００と、窒素排出路２４０と、バルブ２４２とを含んで構成される吸気装置が設けられている。バイパス路１４８は、吸気流路１４０から分岐されるとともに、分岐箇所Ａの下流側の接続箇所Ｂに再接続される流路である。そして、バイパス路１４８には、酸素富化空気および窒素富化空気を生成する酸素富化ユニット２００が設けられている。

酸素富化ユニット２００は、エアウォーマ２１０と、酸素富化デバイス２２０と、断熱部２３０とを含んで構成される。エアウォーマ２１０は、エアクリーナ１４６で浄化された空気を加熱するとともに、空気から水（水蒸気）を除去する。本実施形態において、エアウォーマ２１０は、酸素富化デバイス２２０を構成する酸素富化膜の適用温度範囲（酸素と窒素との分離を効率的に行うことができる温度範囲）内となるように空気を加熱するとともに、適用湿度範囲（酸素と窒素との分離を効率的に行うことができる湿度範囲）内となるように空気から水を除去する。エアウォーマ２１０を備える構成により、酸素富化デバイス２２０において効率よく酸素富化空気を生成することができる。

酸素富化デバイス２２０は、中空糸状のポリイミド樹脂で構成され、空気から酸素を選択的に分離する酸素富化膜と、酸素富化膜に空気を導入する空気導入部２２２と、酸素富化膜から酸素富化空気を送出する酸素送出部２２４と、酸素富化膜から窒素富化空気を送出する窒素送出部２２６とを含んで構成される。酸素富化デバイス２２０の空気導入部２２２はバイパス路１４８の上流側（分岐箇所Ａ側）に接続され、酸素送出部２２４はバイパス路１４８の下流側（接続箇所Ｂ側）に接続される。また、酸素富化ユニット２００の窒素送出部２２６は後述する窒素排出路２４０に接続される。したがって、酸素富化空気は、酸素送出部２２４からバイパス路１４８（吸気流路１４０、燃焼室１１８）に導かれ、窒素富化空気は、窒素送出部２２６から窒素排出路２４０（排気流路１６０）に導かれることとなる。

酸素富化膜をポリイミド樹脂で構成することにより、空気中の酸素濃度を９９％以上とすることができる。このように、酸素富化デバイス２２０によって分離された酸素富化空気（酸素濃度９９％以上）は、バイパス路１４８を通じて吸気流路１４０に供給される。

したがって、エンジンシステム１００では、酸素濃度が高い空気が燃焼室１１８に供給されることとなる。このため、エンジンＥの燃焼効率が向上して、燃焼室１１８における燃焼温度を上昇させることができる。これにより、触媒１６２の暖機を早期に行うことができ、触媒１６２の活性温度への到達時間を短縮することが可能となる。また、燃焼室１１８における燃焼温度を上昇させることができるため、同一の温度の排気ガスを得るために必要な燃料を削減することが可能となる。したがって、燃費を向上させることができる。さらに、酸素富化デバイス２２０が、酸素濃度が９９％以上の酸素富化空気を生成することができる。酸素濃度が８０％を超えると、空気中の窒素量が酸化反応の支配要因となり、ＮＯｘ生成反応が抑制されるため、燃焼室１１８におけるＮＯｘの増加を抑制することが可能となる。

断熱部２３０は、酸素富化デバイス２２０を囲繞するとともに、少なくとも酸素富化デバイス２２０から外部への熱の流出を抑制する。断熱部２３０を備える構成により、外部への放熱による温度低下を抑制し、酸素富化デバイス２２０を適用温度範囲に維持することが可能となる。

また、本実施形態において、バイパス路１４８は、吸気流路１４０におけるエアクリーナ１４６（詳細には、インタークーラ１４４）の下流側であってスロットル弁１４２の上流側から分岐される。つまり分岐箇所Ａはエアクリーナ１４６とスロットル弁１４２との間に配される。また、バイパス路１４８は、吸気流路１４０におけるスロットル弁１４２の下流側であってＥＧＲ流路１７０、第１ブローバイガス流路１９２ａの上流側に再接続される。つまり、接続箇所Ｂは、スロットル弁１４２とＥＧＲ流路１７０との間に配される。

このように、バイパス路１４８が、スロットル弁１４２の上流側から分岐されるとともに、スロットル弁１４２の下流側に再接続される構成により、分岐箇所Ａと接続箇所Ｂとの間に差圧を生じさせることができる。具体的に説明すると、アイドル時または低負荷時等、過給機１８０が実質的に吸気を過給していないときは、スロットル弁１４２の下流側が負圧になる。このため、分岐箇所Ａをスロットル弁１４２の上流側とし、接続箇所Ｂをスロットル弁１４２の下流側とすることにより、ポンプ等の吸引装置を備えずとも、酸素富化デバイス２２０の空気導入部２２２（バイパス路１４８）に空気を導くとともに、酸素送出部２２４を通じて酸素富化空気を吸引することができる。

さらに、バイパス路１４８が、吸気流路１４０におけるエアクリーナ１４６とスロットル弁１４２との間から分岐される構成により、酸素富化ユニット２００にダストが混入する事態を回避することができ、酸素富化デバイス２２０の破損を防止することが可能となる。

また、バイパス路１４８が、第１ブローバイガス流路１９２ａの上流側に再接続される構成により、酸素富化ユニット２００にオイルやダストが混入する事態を回避することができ、酸素富化デバイス２２０の破損を防止することが可能となる。

さらに、バイパス路１４８は、ＥＧＲ流路１７０の上流側に再接続される。これにより、酸素富化ユニット２００にオイルやダストが混入する事態を回避することができ、酸素富化デバイス２２０の破損を防止することが可能となる。

窒素排出路２４０は、酸素富化ユニット２００の窒素送出部２２６に接続されるとともに、排気流路１６０における触媒１６２の下流側に接続される。これにより、分岐箇所Ａと接続箇所Ｃ（窒素排出路２４０における排気流路１６０との接続箇所）との間に差圧を生じさせることができる。具体的に説明すると、排気流路１６０は、排気動圧により負圧が発生する環境下にある。また、負圧が発生しない環境下であっても、排気流動による吸引力が生じる。このため、分岐箇所Ａをスロットル弁１４２の上流側とし、接続箇所Ｃを排気流路１６０とすることにより、ポンプ等の吸引装置を備えずとも、酸素富化デバイス２２０の空気導入部２２２（バイパス路１４８）に空気を導くとともに、窒素送出部２２６を通じて窒素富化空気を吸引することができる。

バルブ２４２は、窒素排出路２４０に設けられており、後述するバルブ制御部１６によって開度が調整される。バルブ制御部１６によるバルブ２４２の開度調整については、後に詳述する。

また、エンジンシステム１００には、スロットル弁１４２と吸気弁１２８の間に吸入空気圧（吸気流路１４０の圧力）を検出する吸気圧センサ２５０が設けられる。また、エンジンシステム１００には、シリンダヘッド１０６から排出された冷却水の水温を検出する水温センサ２５２が設けられる。さらに、エンジンシステム１００には、クランクシャフトのクランク角を検出するクランク角センサ２５４が設けられる。また、エンジンシステム１００には、シリンダブロック１０２の側面にノックの有無を検出するノックセンサ２５６が設けられる。さらに、エンジンシステム１００には、窒素排出路２４０におけるバルブ２４２の下流側に、排気圧（排気流路１６０の圧力）を検出する排気圧センサ２５８が設けられる。また、エンジンシステム１００には、排気流路１６０におけるタービン１８２と触媒１６２との間に、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ２６０、排気ガスの温度を検出する排気温度センサ２６２が設けられる。さらに、エンジンシステム１００には、車両の速度を検出する車速センサ２６４が設けられる。

これら各センサ２５０〜２６４は、ＥＣＵ１０に接続されており、検出値を示す信号をＥＣＵ１０に出力する。

ＥＣＵ１０は、各センサ２５０〜２６４から出力された信号を取得してエンジンＥを制御する。ＥＣＵ１０は、エンジンＥを制御する際、信号取得部１２、駆動制御部１４、バルブ制御部１６として機能する。なお、バルブ制御部１６は、上記吸気装置の一部として機能する。

信号取得部１２は、各センサ２５０〜２６４が検出した値を示す信号を取得する。駆動制御部１４は、信号取得部１２が取得した信号に基づいて、スロットル弁用アクチュエータ（図示せず）、インジェクタ１５０、点火プラグ１５２、ウェイストゲートバルブ１８８ａを制御する。

バルブ制御部１６は、水温センサ２５２から取得した冷却水の水温を示す信号、クランク角センサ２５４から取得したクランク角を示す信号、車速センサ２６４から取得した車両の速度（車速）を示す信号、吸気圧センサ２５０から取得した吸気流路１４０の圧力を示す信号、ノックセンサ２５６から取得したノックの発生有無を示す信号、排気温度センサ２６２から取得した排気ガスの温度を示す信号、空燃比センサ２６０から取得した排気ガスの空燃比を示す信号、排気圧センサ２５８から取得した排気流路１６０の圧力を示す信号に基づいて、バルブ２４２の開度を調整する。

図２は、バルブ制御部１６によるバルブ開度調整処理の流れを説明するフローチャートである。なお、本実施形態において、このバルブ開度調整処理は、所定の時間間隔毎に生じる割込によって繰り返し遂行される。

（開条件成立判定処理：ステップＳ１１０）
バルブ制御部１６は、所定の開条件が成立しているか否かを判定する。その結果、開条件が成立していると判定した場合にはステップＳ１２０に処理を移し、開条件が不成立である（成立していない）と判定した場合にはステップＳ１３０に処理を移す。

ここで、開条件の成立は、エンジンＥを冷却する冷却水の水温が所定の水温閾値未満であり、クランク角を示す信号に基づいて導出されるエンジンＥの回転数が所定の回転数閾値未満であり、エンジンＥが搭載される車両の速度が所定の車速閾値未満であり、吸気流路１４０の圧力が所定の吸気圧力閾値未満であることである。なお、水温閾値は、例えば５０℃である。また、回転数閾値は、例えば２０００ｒｐｍである。また、車速閾値は、例えば１５ｋｍ／ｈである。また、吸気圧力閾値は、例えば−０ｍｍＨｇである。

開条件成立判定処理ステップＳ１１０を遂行することにより、エンジンＥの温度が低く、かつ、エンジンＥが低負荷であるか否か、つまり、触媒１６２の温度が活性温度未満であり、かつ、触媒１６２を活性温度まで上昇させるために時間がかかるか否かを判定することができる。

（バルブ開弁処理：ステップＳ１２０）
バルブ制御部１６は、バルブ２４２を開弁する（開度を最大にする）。これにより、酸素富化ユニット２００の酸素富化膜に空気（吸気）が導かれ、酸素送出部２２４、バイパス路１４８を介して、酸素富化ガスが燃焼室１１８（吸気流路１４０）に供給されることになる。したがって、燃焼室１１８における燃焼温度を上昇させることができ、触媒１６２の暖機を早期に行うことが可能となる。

（バルブ開閉判定処理：ステップＳ１３０）
バルブ制御部１６は、バルブ２４２が開弁しているか否かを判定する。その結果、開弁していると判定した場合にはステップＳ１４０に処理を移し、開弁していない（閉弁している）と判定した場合には当該バルブ開度調整処理を終了する。

（フェイル制御条件成立判定処理：ステップＳ１４０）
バルブ制御部１６は、所定のフェイル制御条件が成立しているか否かを判定する。その結果、フェイル制御条件が成立していると判定した場合にはステップＳ１５０に処理を移し、フェイル制御条件が不成立である（成立していない）と判定した場合にはステップＳ１６０に処理を移す。

ここで、フェイル制御条件の成立は、ノッキングが発生したこと、排気流路１６０の排気ガスの温度が所定の排気温度閾値以上であること、排気ガスの空燃比が所定の空燃比範囲外であること、および、排気流路１６０の圧力が所定の排気圧力閾値以上であることのうち、少なくともいずれか１である。なお、排気温度閾値は、例えば９５０℃である。また、空燃比範囲は、例えば理論空燃比である。排気圧力閾値は、例えば０ＭＰａＧ（大気圧）である。

フェイル制御条件成立判定処理ステップＳ１４０を遂行することにより、酸素富化空気を燃焼室１１８に供給したことに基づいて生じるエンジンＥの不具合の発生有無を判定することができる。

（バルブ閉弁処理：ステップＳ１５０）
バルブ制御部１６は、バルブ２４２を閉弁して（開度を０にして）、当該バルブ開度調整処理を終了する。これにより、酸素富化ユニット２００の酸素富化膜への空気の供給が遮断され、燃焼室１１８への酸素富化ガスの供給が停止される。したがって、酸素富化空気が燃焼室１１８に供給されることによって生じる燃焼温度の上昇を回避することができ、エンジンＥの不具合を抑制することが可能となる。

例えば、酸素富化空気が燃焼室１１８に供給されると、燃焼室１１８内において自己着火が促進されて、ノッキングが発生するおそれがある。ノッキングが発生すると、騒音が生じたり、エンジンＥが破損したりするおそれがある。このため、上記フェイル制御条件成立判定処理ステップＳ１４０において、ノッキングが発生したことをフェイル制御条件の成立とする。そして、フェイル制御条件が成立した場合にバルブ２４２を閉弁することにより、酸素富化空気が燃焼室１１８に供給されたことに基づいて生じるノッキングを防止することができる。

また、例えば、酸素富化空気が燃焼室１１８に供給されると、燃焼室１１８において燃焼温度が上昇し、排気ガスの温度が上昇する。排気ガスの温度が高すぎると、排気流路１６０を構成する部品や触媒１６２が溶損してしまうおそれがある。このため、上記フェイル制御条件成立判定処理ステップＳ１４０において、排気ガスの温度が排気温度閾値以上であることをフェイル制御条件の成立とする。そして、フェイル制御条件が成立した場合にバルブ２４２を閉弁することにより、燃焼室１１８への酸素富化空気の供給を停止することができる。これにより、燃焼室１１８の燃焼温度を低減することができ、排気ガスの温度を低下させることが可能となる。したがって、排気流路１６０を構成する部品や触媒１６２が溶損してしまう事態を回避することができる。

また、例えば、酸素富化空気が燃焼室１１８に供給されると、余剰の酸素が排気流路１６０に流出する。そうすると、排気ガス中に残留した燃料が、排気流路１６０や触媒１６２において燃焼してしまう場合がある（アフターファイヤー）。この場合、排気流路１６０を構成する部品や触媒１６２が溶損してしまうおそれがある。このため、上記フェイル制御条件成立判定処理ステップＳ１４０において、排気ガスの空燃比が空燃比範囲外である（排気ガスの空燃比が空燃比範囲（例えば、理論空燃比）よりもリッチまたはリーンである）ことをフェイル制御条件の成立とする。そして、フェイル制御条件が成立した場合にバルブ２４２を閉弁することにより、燃焼室１１８への酸素富化空気の供給を停止することができる。これにより、排気流路１６０への余剰の酸素の流出を防止することができ、排気流路１６０や触媒１６２における残留した燃料の燃焼を抑制することが可能となる。したがって、排気流路１６０を構成する部品や触媒１６２が溶損してしまう事態を回避することができる。

また、アフターファイヤーが生じると、排気流路１６０の圧力が上昇する。そうすると、排気流路１６０から窒素排出路２４０に排気ガスが逆流し、酸素富化デバイス２２０が破損（熱害により溶損）するおそれがある。このため、上記フェイル制御条件成立判定処理ステップＳ１４０において、排気流路１６０の圧力が排気圧力閾値以上であることをフェイル制御条件の成立とする。そして、フェイル制御条件が成立した場合にバルブ２４２を閉弁することにより、燃焼室１１８への酸素富化空気の供給を停止することができる。これにより、排気流路１６０への余剰の酸素の流出を防止することができ、排気流路１６０の想定外の圧力上昇（アフターファイヤー）を防止することが可能となる。したがって、排気流路１６０から窒素排出路２４０（酸素富化デバイス２２０）への排気ガスの逆流を防止することができ、酸素富化デバイス２２０の破損を回避することが可能となる。

（バルブ開度調整処理：ステップＳ１６０）
バルブ制御部１６は、冷却水の水温、エンジンＥの回転数、車速、吸気圧力に基づいて、バルブ２４２の開度を調整し、当該バルブ開度調整処理を終了する。具体的に説明すると、バルブ制御部１６は、水温センサ２５２によって検出された冷却水の水温が上記水温閾値以上になると、水温の上昇に伴ってバルブ２４２の開度を小さくする。また、バルブ制御部１６は、エンジンＥの回転数が上記回転数閾値以上になると、回転数の上昇に伴ってバルブ２４２の開度を小さくする。さらに、バルブ制御部１６は、車速センサ２６４によって検出された車速が上記車速閾値以上になると、車速の上昇に伴ってバルブ２４２の開度を小さくする。また、バルブ制御部１６は、吸気流路１４０の圧力が上記吸気圧力閾値以上になると、吸気流路１４０の圧力の上昇に伴ってバルブ２４２の開度を小さくする。

バルブ開度調整処理ステップＳ１６０を遂行することにより、燃焼室１１８内の酸素濃度を、運転に適した濃度に制御することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態にかかる吸気装置によれば、上記開条件が成立した場合に、バルブ制御部１６がバルブ２４２を開弁することにより、触媒１６２を早期に暖機することができる。また、上記フェイル制御条件が成立した場合に、バルブ制御部１６がバルブ２４２を閉弁することにより、エンジンＥの不具合を抑制することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、バルブ制御部１６が判定する開条件の成立が、エンジンＥを冷却する冷却水の水温が所定の水温閾値未満であり、エンジンＥの回転数が所定の回転数閾値未満であり、エンジンＥが搭載される車両の速度が所定の車速閾値未満であり、吸気流路１４０の圧力が所定の吸気圧力閾値未満であることである場合を例に挙げて説明した。しかし、開条件の成立は、エンジンＥを冷却する冷却水の水温が所定の水温閾値未満であること、エンジンＥの回転数が所定の回転数閾値未満であること、エンジンＥが搭載される車両の速度が所定の車速閾値未満であること、および、吸気流路１４０の圧力が所定の吸気圧力閾値未満であることのうち、いずれか１であってもよい。

また、上記実施形態において、バルブ制御部１６が判定するフェイル制御条件の成立が、ノッキングが発生したこと、排気流路１６０の排気ガスの温度が所定の排気温度閾値以上であること、排気ガスの空燃比が所定の空燃比範囲外であること、および、排気流路１６０の圧力が所定の排気圧力閾値以上であることのうち、少なくともいずれか１である場合について説明した。しかし、フェイル制御条件の成立は、ノッキングが発生したこと、排気流路１６０の排気ガスの温度が所定の排気温度閾値以上であること、排気ガスの空燃比が所定の空燃比範囲外であること、および、排気流路１６０の圧力が所定の排気圧力閾値以上であることのうち、いずれか複数であってもよい。

また、上記実施形態において、バルブ制御部１６がバルブ開度調整処理ステップＳ１６０を遂行する構成を例に挙げて説明した。しかし、バルブ制御部１６は、バルブ開度調整処理ステップＳ１６０を遂行せずともよい。また、バルブ制御部１６は、冷却水の水温の上昇、エンジンＥの回転数の上昇、車速の上昇、および、吸気流路１４０の圧力の上昇のいずれか１または複数に伴ってバルブ２４２の開度を小さくしてもよい。

また、上記実施形態において、吸気装置が吸気圧センサ２５０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、吸気圧センサ２５０は必須の構成ではない。吸気圧センサ２５０を備えない場合、バルブ制御部１６は、例えば、ウェイストゲートバルブ１８８ａが全開の場合（つまり、過給していない場合）に、吸気流路の圧力が所定の吸気圧力閾値未満であると判定してもよい。

また、上記実施形態において、吸気装置が空燃比センサ２６０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、空燃比センサ２６０に代えて、酸素センサを排気流路１６０に設けるとしてもよい。この場合、インジェクタ１５０から噴射される燃料の噴射量と、酸素センサが検出した排気ガス中の酸素量とに基づいて、排気ガスの空燃比を導出するとよい。

また、上記実施形態において、酸素富化ユニット２００の酸素富化膜が中空糸状のポリイミド樹脂で構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、酸素富化ユニット２００は、空気から酸素富化空気を生成することができれば、構成や材質に限定はない。例えば、酸素富化ユニットは、ゼオライトを含んで構成されるとしてもよい。

また、上記実施形態において、酸素富化ユニット２００がエアウォーマ２１０を備える構成を例に挙げて説明したが、エアウォーマ２１０は必須の構成ではない。例えば、エアウォーマ２１０に代えて、水除去装置と、酸素富化デバイス２２０を加熱するヒータを備えてもよい。

また、上記実施形態において、バイパス路１４８が、スロットル弁１４２の上流側であってエアクリーナ１４６の下流側から分岐されるとともに、スロットル弁１４２の下流側であって第１ブローバイガス流路１９２ａおよびＥＧＲ流路１７０の上流側に再接続される構成を例に挙げて説明した。しかし、バイパス路１４８は、吸気流路１４０から分岐されるとともに、分岐箇所Ａの下流側に再接続されれば、分岐箇所および接続箇所に限定はない。例えば、空気導入部２２２に空気を送り込む装置や、酸素送出部２２４から酸素富化空気を吸引する装置を備える場合、バイパス路１４８は、少なくとも吸気流路１４０から分岐されるとともに、分岐箇所Ａの下流側に再接続されればよい。

また、例えば、空気導入部２２２の上流側、酸素送出部２２４、窒素送出部２２６の下流側にフィルタを備える場合、バイパス路１４８の分岐箇所Ａおよび接続箇所Ｂに限定はなく、バイパス路１４８は、少なくとも吸気流路１４０から分岐されるとともに、分岐箇所Ａの下流側に再接続されればよい。

また、上記実施形態において、酸素富化ユニット２００が断熱部２３０を備える構成を例に挙げて説明したが、断熱部２３０は必須の構成ではない。

本発明は、吸気の酸素濃度を上昇させるエンジンの吸気装置に利用できる。

Ａ 分岐箇所
Ｅ エンジン
１６ バルブ制御部
１１８ 燃焼室
１４０ 吸気流路
１４８ バイパス路
１６０ 排気流路
２００ 酸素富化ユニット
２４０ 窒素排出路
２４２ バルブ

Claims (6)

1. エンジンの燃焼室に空気を導く吸気流路から分岐されるとともに、該吸気流路における分岐箇所の下流側に再接続されるバイパス路と、
   前記バイパス路に設けられた酸素富化ユニットと、
   前記燃焼室から排出された排気ガスが導かれる排気流路と、前記酸素富化ユニットとを接続する窒素排出路と、
   前記窒素排出路に設けられたバルブと、
   所定の開条件が成立すると前記バルブを開弁し、該バルブが開いている状態で所定のフェイル制御条件が成立すると該バルブを閉弁するバルブ制御部と、
   を備え、
   前記開条件の成立は、前記エンジンを冷却する冷却水の水温が所定の水温閾値未満であること、該エンジンの回転数が所定の回転数閾値未満であること、該エンジンが搭載される車両の速度が所定の車速閾値未満であること、前記吸気流路の圧力が所定の吸気圧力閾値未満であることのいずれか１または複数であるエンジンの吸気装置。
2. 前記バルブ制御部は、前記冷却水の水温が前記水温閾値以上になると、該水温の上昇に伴って前記バルブの開度を小さくする請求項１に記載のエンジンの吸気装置。
3. 前記バルブ制御部は、前記エンジンの回転数が前記回転数閾値以上になると、該回転数の上昇に伴って前記バルブの開度を小さくする請求項１または２に記載のエンジンの吸気装置。
4. 前記バルブ制御部は、前記車両の速度が前記車速閾値以上になると、該車両の速度の上昇に伴って前記バルブの開度を小さくする請求項１から３のいずれか１項に記載のエンジンの吸気装置。
5. 前記バルブ制御部は、前記吸気流路の圧力が前記吸気圧力閾値以上になると、該吸気流路の圧力の上昇に伴って前記バルブの開度を小さくする請求項１から４のいずれか１項に記載のエンジンの吸気装置。
6. エンジンの燃焼室に空気を導く吸気流路から分岐されるとともに、該吸気流路における分岐箇所の下流側に再接続されるバイパス路と、
   前記バイパス路に設けられた酸素富化ユニットと、
   前記燃焼室から排出された排気ガスが導かれる排気流路と、前記酸素富化ユニットとを接続する窒素排出路と、
   前記窒素排出路に設けられたバルブと、
   所定の開条件が成立すると前記バルブを開弁し、該バルブが開いている状態で所定のフェイル制御条件が成立すると該バルブを閉弁するバルブ制御部と、
   を備え、
   前記フェイル制御条件の成立は、ノッキングが発生したこと、前記排気流路の排気ガスの温度が所定の排気温度閾値以上であること、空燃比が所定の空燃比範囲外であること、該排気流路の圧力が所定の排気圧力閾値以上であることのいずれか１または複数であるエンジンの吸気装置。

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