JP7209501B2

JP7209501B2 - 排気装置

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Publication number: JP7209501B2
Application number: JP2018176615A
Authority: JP
Inventors: 陽介齊藤; 昌美志岐; 祥太戸邊; 直之細野
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2023-01-20
Anticipated expiration: 2038-09-20
Also published as: JP2020045874A

Description

本発明は、排気装置に関する。

エンジンから排出された排気ガスには、炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物および煤等の粒子状物質が含まれている。これらの粒子状物質が、排気管内に設けられたセンサに付着した場合、センサの性能に影響を及ぼす場合がある。特許文献１には、排気管の内部におけるセンサの上流側に、排気ガスの一部がセンサに対して斜めに当たるように、排気ガスを整流するための整流板を備える技術が開示されている。

特開２００７－３２１５９３号公報

しかしながら、特許文献１では、整流板によって、排気管内の排気ガスの流通を常に制限することになり、センサへの粒子状物質の堆積を効率よく抑制できないといった問題があった。

そこで、本発明は、排気管内のセンサに煤等の粒子状物質が堆積することを効率的に抑制することができる排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、本発明の排気装置は、エンジンに接続され、エンジンから排出される排気ガスが流通する排気管と、排気管内に設けられたセンサと、排気管におけるセンサよりも上流側に設けられ、排気管の流路を縮径する絞り機構と、センサの検出値に基づき、センサの応答遅れを判定する判定部と、判定部によりセンサの応答遅れが判定された場合に、排気管の流路を縮径するように絞り機構を制御する駆動制御部と、を備え、絞り機構は、排気管の流路を縮径した際に、排気ガスの風向がセンサに向かうように配置される。

また、判定部は、エンジン回転数とエンジン負荷とを参照して閾値を決定し、センサの検出値に基づき導出される値と閾値とを比較して、センサの応答遅れを判定するとよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の排気装置は、エンジンに接続され、エンジンから排出される排気ガスが流通する排気管と、排気管内に設けられたセンサと、排気管におけるセンサよりも上流側に設けられ、排気管の流路を縮径する絞り機構と、エンジンの始動から所定時間に亘って、排気管の流路を縮径するように絞り機構を制御する駆動制御部と、を備え、絞り機構は、排気管の流路を縮径した際に、排気ガスの風向がセンサに向かうように配置される。

また、センサは、Ａ／Ｆセンサであるとよい。

また、駆動制御部は、エンジン回転数およびエンジン負荷を参照して、予め設定された解除条件が成立した場合に、排気管の流路の縮径を解除するように絞り機構を制御するとよい。

本発明によれば、排気管内のセンサに煤等の粒子状物質が堆積することを効率的に抑制することができる。

排気装置を備えたエンジンの概略図である。絞り機構の概略図である。Ａ／Ｆセンサの応答遅れを説明するための概略図である。絞り機構の制御処理の流れを示す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、排気装置２００を備えたエンジン１０２の概略図である。図１に示すように、エンジン１０２は、例えば、水平対向４気筒エンジンである。エンジン１０２では、クランクシャフト２を挟んで２つのシリンダブロック３が配される。シリンダブロック３は、シリンダボア３ａがそれぞれ２つ設けられており、各シリンダブロック３のシリンダボア３ａが対向する。ここでは、水平対向４気筒エンジンを例示するが、エンジン１０２の種類は問わない。なお、図１中、信号の流れを破線の矢印で示す。

シリンダブロック３には、クランクケース４が一体形成される。シリンダブロック３のうち、クランクケース４とは反対側には、シリンダヘッド５が固定されている。クランクシャフト２は、クランク室６内に回転自在に支持される。クランク室６は、クランクケース４によって形成される。

クランクシャフト２には、コネクティングロッド７を介してピストン８が連結される。ピストン８は、シリンダボア３ａに摺動可能に収容されている。燃焼室９は、シリンダボア３ａと、シリンダヘッド５と、ピストン８の冠面とによって囲まれた空間である。

シリンダヘッド５には、吸気ポート１０および排気ポート１１が燃焼室９に連通するように形成される。吸気ポート１０と燃焼室９との間には、吸気弁１２の先端（傘部）が位置する。排気ポート１１と燃焼室９との間には、排気弁１３の先端（傘部）が位置する。

シリンダヘッド５およびヘッドカバー１４に囲まれた空間がカム室である。カム室内には、吸気弁用カム１５および排気弁用カム１６が設けられる。吸気弁用カム１５は、吸気弁１２の他端に当接する。吸気弁用カム１５が回転することで、吸気弁１２が軸方向に移動する。これにより、吸気弁１２は、吸気ポート１０と燃焼室９との間を開閉する。排気弁用カム１６は、排気弁１３の他端に当接する。排気弁１３が回転することで、排気弁１３が軸方向に移動する。これにより、排気弁１３は、排気ポート１１と燃焼室９との間を開閉する。

吸気ポート１０の上流側には、インテークマニホールド１７が設けられる。インテークマニホールド１７は、吸気ポート１０に連通する。インテークマニホールド１７は、吸気が流通する吸気管１８の一部を構成する。吸気管１８は、インテークマニホールド１７および吸気管上流部１８ａによって構成される。

インテークマニホールド１７は、集合部２１と、吸気管下流部２２とを有している。集合部２１は、吸気管上流部１８ａに連通する。集合部２１は、吸気管上流部１８ａから吸気が流入するタンクである。吸気管下流部２２は、集合部２１から分岐して下流端が吸気ポート１０に接続される。

吸気管上流部１８ａには、上流側からエアクリーナ２３およびスロットルバルブ２４が順に設けられる。エアクリーナ２３は、吸気に含まれる塵や埃などの異物を除去する。スロットルバルブ２４は、インテークマニホールド１７に供給する吸気の流量を可変する。スロットルバルブ２４の開度は、不図示のアクチュエータによって調整される。なお、スロットルバルブ２４の開度は、予め設定されている所定のマップを参照して決定される。この所定のマップには、アクセル開度と、エンジン回転数に対してスロットルバルブ２４の開度が予め設定される。

ＥＣＵ２０１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構成され、エンジン１０２全体を統括制御する。ＥＣＵ２０１は、アクセル開度センサ２２０やクランク角センサ２２１からエンジン１０２の運転状況（エンジン回転数およびエンジン負荷）を取得する。また、ＥＣＵ２０１は、Ａ／Ｆセンサ２２２から排気管２０中の排気ガスの空燃比の情報を取得する。また、ＥＣＵ２０１は、アクチュエータ２１１を制御する駆動制御部２０３として機能する。

スロットルバルブ２４により流量が調整された吸気は、インテークマニホールド１７の集合部２１に流入する。集合部２１に流入した吸気は、吸気管下流部２２へ分配され、吸気ポート１０を介して燃焼室９へ導かれる。燃焼室９に導かれた空気は、不図示のインジェクタから噴射された燃料と混合する。そして、吸気と燃料との混合気は、シリンダヘッド５に設けられた不図示の点火プラグによって点火される。

混合気の燃焼により、ピストン８がシリンダボア３ａ内で往復運動を行う。ピストン８の往復運動の動力は、コネクティングロッド７を通じてクランクシャフト２の回転運動の動力に変換される。排気ガスは、燃焼室９から、排気ポート１１を介して排気装置２００に導かれる。エキゾーストマニホールド１９は、排気ポート１１の下流側に設けられる。エキゾーストマニホールド１９は、排気ポート１１に連通する。エキゾーストマニホールド１９は、排気ガスが流通する排気管２０の一部を構成する。

排気装置２００は、排気管２０と、ＥＣＵ２０１と、絞り機構２１０と、アクセル開度センサ２２０と、クランク角センサ２２１と、Ａ／Ｆ（Air By Fuel）センサ２２２と、触媒２５とを備える。排気ガスは、触媒２５で浄化された後、車外へ排出される。

絞り機構２１０は、Ａ／Ｆセンサ２２２よりも上流側に設けられる。絞り機構２１０は、複数枚の板状部材から形成される絞り部２１０ａ（図２参照）と、絞り部２１０ａが固定される絞り基板２１０ｂ（図２参照）によって構成される。絞り機構２１０は、アクチュエータ２１１によって絞り部２１０ａが移動され、絞り部２１０ａが排気管２０を開閉するように動作する。以下では、排気管２０が閉じられているときの絞り部２１０ａを閉状態と称し、排気管２０が開かれているときの絞り部２１０ａを閉状態と称する。

Ａ／Ｆセンサ２２２は、排気管２０内における触媒２５の上流に設けられている。Ａ／Ｆセンサ２２２は、排気ガスの空燃比を検出する。Ａ／Ｆセンサ２２２によって検出された空燃比を示す信号は、ＥＣＵ２０１に送信される。ＥＣＵ２０１は、Ａ／Ｆセンサ２２２から取得した空燃比を示す信号に基づいて現時点の空燃比を導出する。

また、ＥＣＵ２０１は、エンジン１０２で燃焼される混合気の空燃比を制御する空燃比制御部２０４として働く。空燃比制御部２０４は、現時点の空燃比に基づいて、エンジン１０２の燃焼室に供給する燃料の量と空気の量とを、例えば理論空燃比となるようにフィードバック制御する。

また、ＥＣＵ２０１は、Ａ／Ｆセンサ２２２から取得した空燃比を示す信号に応答遅れが生じているか否かを判定する判定部２０２として働く。判定部２０２は、ＥＣＵ２０１によって導出されたアクセル開度に基づいて、Ａ／Ｆセンサ２２２において応答遅れが生じているかを判定する。判定部２０２が、Ａ／Ｆセンサ２２２において応答遅れが生じていると判定した場合、駆動制御部２０３は、絞り部２１０ａを閉状態とするようにアクチュエータ２１１を作動させて絞り制御を実行する。また、駆動制御部２０３は、エンジン１０２の始動時においても同様に、絞り部２１０ａを閉状態とするようにアクチュエータ２１１を作動させて絞り制御を実行する。ただし、絞り制御の実行中において、予め設定された所定の解除条件が成立したと判定部２０２によって判定された場合には、駆動制御部２０３は、絞り部２１０ａを開状態とするようにアクチュエータ２１１を作動させて絞り制御を終了する。

図２は、絞り機構２１０の概略図である。図２中、排気ガスの流れを実線矢印で示す。図２（ａ）、（ｂ）は、駆動制御部２０３が絞り部２１０ａを開状態とするようにアクチュエータ２１１を作動させている場合の概略図である。図２（ａ）に示すように、絞り部２１０ａが開状態に制御されている場合には、絞り部２１０ａは大きく開口しており、絞り機構２１０の上流側と下流側とでは、排気ガスの流速に大きな変化は生じない。そのため、例えば、排気管２０内を流通する排気ガスの流速が遅い場合、図２（ｂ）に示すように、排気ガスに含まれる煤等の粒子状物質３００がＡ／Ｆセンサ２２２に堆積する場合がある。Ａ／Ｆセンサ２２２に粒子状物質３００が堆積すると、Ａ／Ｆセンサ２２２に堆積した粒子状物質３００の影響により、Ａ／Ｆセンサ２２２の応答遅れが生じることとなる。

図２（ｃ）は、駆動制御部２０３が絞り部２１０ａを閉状態とするようにアクチュエータ２１１を作動させている場合の概略図である。本実施形態では、Ａ／Ｆセンサ２２２に堆積した粒子状物質３００の影響により、Ａ／Ｆセンサ２２２に、予め設定した閾値以上の応答遅れが生じた場合、駆動制御部２０３が絞り部２１０ａを閉状態とするようにアクチュエータ２１１を作動させる。図２（ｃ）に示すように、絞り部２１０ａが閉状態に制御されている場合、絞り部２１０ａの開口が小さくなるため、絞り機構２１０の上流側よりも下流側の排気ガスの流速が早くなる。また、絞り機構２１０は、絞り部２１０ａが閉状態に制御されている場合に、排気ガスの風向がＡ／Ｆセンサ２２２に向かうように配置されている。これにより、図２（ｃ）に示すように、流速が増大した排気ガスがＡ／Ｆセンサ２２２に衝突して、Ａ／Ｆセンサ２２２に堆積した粒子状物質３００を吹き飛ばすことが可能となる。

また、エンジン１０２の始動直後は、排気ガス中に含まれる水分量が比較的多い。排気ガス中に含まれる水分がＡ／Ｆセンサ２２２の表面に付着して、Ａ／Ｆセンサ２２２の表面が濡れている状態だと、Ａ／Ｆセンサ２２２に粒子状物質３００が堆積（付着）しやすくなってしまう。そこで、本実施形態では、エンジン１０２の始動から所定時間が経過するまでの間についても、駆動制御部２０３が絞り部２１０ａを閉状態とするようにアクチュエータ２１１を作動させる。これにより、排気ガス中に含まれる水分量が比較的多いエンジン１０２の始動直後であっても、排気ガス中に含まれる水分がＡ／Ｆセンサ２２２の表面に付着することを抑制することができる。そのため、Ａ／Ｆセンサ２２２に粒子状物質３００が堆積することを抑制することが可能となる。

ただし、絞り部２１０ａが閉状態に制御されている場合であっても、エンジン１０２の運転状況（エンジン回転数およびエンジン負荷）が、予め設定した所定の解除条件を満たしていると判定部２０２によって判断された場合には、駆動制御部２０３が絞り部２１０ａを開状態とするようにアクチュエータ２１１を作動させる。例えば、エンジン回転数が所定値以上となる高回転時、かつ、エンジン負荷が所定値以上となる高負荷時を所定の解除条件として設定している。高回転時、かつ、高負荷時においては、排気管２０内における圧力が上昇しているため、絞り部２１０ａを開状態とすることで、エンジン１０２に必要以上の圧力がかかることを抑制することが可能となる。また、高回転時、かつ、高負荷時においては、絞り部２１０ａが開状態であったとしても、排気管２０内を流通する排気ガスの流速が高いため、Ａ／Ｆセンサ２２２に粒子状物質３００が堆積するおそれは低い。

図３は、Ａ／Ｆセンサ２２２の応答遅れを説明するための概略図である。図３（ａ）は、ＥＣＵ２０１によって導出されたアクセル開度と、ＥＣＵ２０１によって導出されたＡ／Ｆ値（空燃比）との関係を示すグラフである。図３中のＡ／Ｆ値は、実線を正常時の値、破線を応答遅れ時の値を示している。

Ａ／Ｆ値の変化は、車両の加減速時に生じる。図３では、加速時におけるＡ／Ｆ値の変化を示している。例えば、Ａ／Ｆセンサ２２２において応答遅れが生じていない正常時の場合に、加速が終了した時点から、図３（ｂ）に示すように、Ａ／Ｆ値が所定の値ａ（例えば、理論空燃比）へと収束する時点までの間の時間Ｔ１が予め設定されている。そして、実際にＥＣＵ２０１によって導出されたＡ／Ｆ値において、Ａ／Ｆ値が所定の値ａへと収束する際に、時間Ｔ２がかかったとする。判定部２０２は、時間Ｔ１に対する時間Ｔ３の割合が閾値以上である場合に応答遅れが発生していると判定し、時間Ｔ１に対する時間Ｔ３の割合が閾値未満である場合に、応答遅れが発生していないと判定する。

このとき、応答遅れの判定に用いる閾値としては、固定値であってもよいし、エンジン１０２の運転状況（エンジン回転数およびエンジン負荷）と、応答遅れの判定に用いる閾値とが対応付けられたマップを参照して、閾値を決定してもよい。

以下では、ＥＣＵ２０１による絞り機構２１０の制御処理の流れについて説明する。図４は、絞り機構２１０の制御処理の流れを示すフローチャートである。絞り機構２１０の制御処理は、エンジン１０２が駆動しているときに実行される。

絞り機構２１０の制御処理が開始されると、判定部２０２は、エンジン１０２の始動時であるか否か判定する（Ｓ１０）。その結果、エンジン１０２が始動時であれば（ステップＳ１０におけるＹＥＳ）、駆動制御部２０３は、絞り部２１０ａを閉状態とするようにアクチュエータ２１１を作動させる絞り制御を実行する（Ｓ１２）。その後、判定部２０２は、エンジン１０２の始動から所定時間が経過したか否かを判定する（Ｓ１４）。

そして、エンジン１０２の始動から所定時間が経過していなければ（ステップＳ１４のＮＯ）、判定部２０２は、エンジン１０２の運転状況（エンジン回転数およびエンジン負荷）を取得する（ステップＳ１６）。判定部２０２は、上記ステップＳ１６において取得したエンジン１０２の運転状況（エンジン回転数およびエンジン負荷）に基づいて、絞り制御の解除条件が成立するか否かを判定する（ステップＳ１８）。判定部２０２は、エンジン１０２の始動から所定時間が経過する（ステップＳ１４のＹＥＳ）か、または、絞り制御の解除条件が成立する（ステップＳ１８のＹＥＳ）までの間、ステップＳ１２～１６の処理を繰り返し、絞り制御の実行を継続する。エンジン１０２の始動から所定時間が経過した場合（ステップＳ１４のＹＥＳ）、および、絞り制御の解除条件が成立した場合（ステップＳ１８のＹＥＳ）、駆動制御部２０３は、絞り部２１０ａを開状態とするようにアクチュエータ２１１を作動させ（絞り制御を終了する：Ｓ２０）、当該絞り機構２１０の制御処理を終了する。

一方、エンジン１０２が始動時でなければ（ステップＳ１０におけるＮＯ）、ＥＣＵ２０１は、エンジン１０２の運転状況（エンジン回転数およびエンジン負荷）およびＡ／Ｆセンサ２２２の検出値を取得する（ステップＳ２２）。判定部２０２は、上記ステップＳ２２において取得したエンジン１０２の運転状況（エンジン回転数およびエンジン負荷）およびＡ／Ｆセンサ２２２の検出値に基づいて、Ａ／Ｆセンサ２２２の応答遅れが閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２４）。その結果、Ａ／Ｆセンサ２２２の応答遅れが閾値以上であれば（ステップＳ２４のＹＥＳ）、駆動制御部２０３は、絞り部２１０ａを閉状態とするようにアクチュエータ２１１を作動させる（絞り制御を実行する：Ｓ２６）。ＥＣＵ２０１は、上記ステップＳ２２において取得したエンジン１０２の運転状況（エンジン回転数およびエンジン負荷）に基づいて、絞り制御の解除条件が成立するか否かを判定する（ステップＳ２８）。その後、ＥＣＵ２０１は、Ａ／Ｆセンサ２２２の応答遅れが閾値未満となる（ステップＳ２４のＮＯ）か、または、絞り制御の解除条件が成立する（ステップＳ２８のＹＥＳ）までの間、ステップＳ２２～２８を繰り返し、絞り制御の実行を継続する。Ａ／Ｆセンサ２２２の応答遅れが閾値未満となった場合（ステップＳ２４のＮＯ）、および、絞り制御の解除条件が成立した場合（ステップＳ２８のＹＥＳ）、駆動制御部２０３は、絞り部２１０ａを開状態とするようにアクチュエータ２１１を作動させ（絞り制御を終了する：Ｓ２０）、当該絞り機構２１０の制御処理をリターンする。

このように、本実施形態では、絞り機構２１０の駆動を限定的にすることで、排気管２０内のＡ／Ｆセンサ２２２に煤等の粒子状物質が付着することを効率的に抑制することができる。

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、排気管２０内にＡ／Ｆセンサ２２２が設けられる場合について示したが、排気管２０内に設けられるセンサは、特に限定されない。例えば、排気管２０内に設けられるＯ_２センサや、圧力センサ、ＮＯｘセンサ等に対して本発明を適用してもよい。

本発明は、排気装置に利用できる。

１０２エンジン
２０排気管
２０２判定部
２１０絞り機構
２２２Ａ／Ｆセンサ

Claims

エンジンに接続され、前記エンジンから排出される排気ガスが流通する排気管と、
前記排気管内に設けられたセンサと、
前記排気管における前記センサよりも上流側に設けられ、前記排気管の流路を縮径する絞り機構と、
前記センサの検出値に基づき、前記センサの応答遅れを判定する判定部と、
前記判定部により前記センサの応答遅れが判定された場合に、前記排気管の流路を縮径するように前記絞り機構を制御する駆動制御部と、
を備え、
前記絞り機構は、前記排気管の流路を縮径した際に、前記排気ガスの風向がセンサに向かうように配置される排気装置。
前記判定部は、エンジン回転数とエンジン負荷とを参照して閾値を決定し、前記センサの検出値に基づき導出される値と前記閾値とを比較して、前記センサの応答遅れを判定する請求項１に記載の排気装置。
エンジンに接続され、前記エンジンから排出される排気ガスが流通する排気管と、
前記排気管内に設けられたセンサと、
前記排気管における前記センサよりも上流側に設けられ、前記排気管の流路を縮径する絞り機構と、
前記エンジンの始動から所定時間に亘って、前記排気管の流路を縮径するように前記絞り機構を制御する駆動制御部と、
を備え、
前記絞り機構は、前記排気管の流路を縮径した際に、前記排気ガスの風向がセンサに向かうように配置される排気装置。
前記センサは、Ａ／Ｆセンサである請求項１から３のいずれか一項に記載の排気装置。
前記駆動制御部は、エンジン回転数およびエンジン負荷を参照して、予め設定された解除条件が成立した場合に、前記排気管の流路の縮径を解除するように前記絞り機構を制御する請求項１から４のいずれか一項に記載の排気装置。