(57)【要約】【課題】レゾネータを有する構成において触媒装置の暖機性を向上できる内燃機関を提供すること。【解決手段】この内燃機関１は、エンジン２の排気通路４１上に配置されて排気を浄化する触媒装置４２と、排気通路４１に開口するレゾネータ５とを備えている。この内燃機関１では、レゾネータ５が排気通路４１への開口部の開口面積を調整する開閉バルブ５２を有している。そして、触媒装置４２の暖機状態に基づいて、開閉バルブ５２の開閉制御が行われている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路上に配置されて排気を浄化する触媒装置と、前記排気通路に開口するレゾネータとを備える内燃機関であって、
前記レゾネータが前記排気通路への開口部の開口面積を調整する開閉バルブを有し、且つ、前記触媒装置の暖機状態に基づいて前記開閉バルブの開閉制御が行われることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記触媒装置の暖機が完了していないときに、前記開閉バルブが開弁する請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
エンジンの運転領域が排気脈動によるエンジントルクの減少が発生し得る領域にあるときに、前記開閉バルブが開弁する請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
エンジンの定常運転時にて、前記開閉バルブが開弁する請求項１〜３のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項５】
排気の一部を吸気ポートに供給してエンジンに再循環させる排気再循環装置を有するときに、排気再循環時にて前記開閉バルブが開弁する請求項１〜４のいずれか一つに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関に関し、さらに詳しくは、レゾネータを有する構成において触媒装置の暖機性を向上できる内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の内燃機関は、エンジンの排気通路上に配置されて排気を浄化する触媒装置を備えている。このような内燃機関では、排気の浄化性能を高めるために、触媒装置の暖機性を向上すべき課題がある。また、近年の内燃機関は、レゾネータを備えている。レゾネータは、ヘルムホルツの共鳴原理を利用して特定周波数の音を低減させる消音器である。かかるレゾネータを有する従来の内燃機関として、特許文献１に記載される技術が知られている。
【０００３】
【特許文献１】実開平７−１０４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明は、レゾネータを有する構成において触媒装置の暖機性を向上できる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、この発明にかかる内燃機関は、エンジンの排気通路上に配置されて排気を浄化する触媒装置と、前記排気通路に開口するレゾネータとを備える内燃機関であって、前記レゾネータが前記排気通路への開口部の開口面積を調整する開閉バルブを有し、且つ、前記触媒装置の暖機状態に基づいて前記開閉バルブの開閉制御が行われることを特徴とする。
【０００６】
この内燃機関では、レゾネータの開閉バルブの開閉動作により、排気通路における排気脈動の圧力が変化する。また、触媒装置の暖機は、排気脈動による排気の撹拌作用によって影響を受ける。したがって、触媒装置の暖機状態に応じてレゾネータの開閉バルブを開閉制御することにより、触媒装置の暖機性を向上させ得る利点がある。
【０００７】
また、この発明にかかる内燃機関は、前記触媒装置の暖機が完了していないときに、前記開閉バルブが開弁する。
【０００８】
この内燃機関では、レゾネータにより排気脈動の振幅が減少して、脈動による排気の撹拌作用が抑制される。すると、排気から排気マニホールドへの熱伝達が抑制されて排気の熱損失が減少するので、触媒装置の暖機が促進される利点がある。
【０００９】
また、この発明にかかる内燃機関は、エンジンの運転領域が排気脈動によるエンジントルクの減少が発生し得る領域にあるときに、前記開閉バルブが開弁する。
【００１０】
この内燃機関では、レゾネータの開閉バルブが開弁すると、排気通路内の圧力波がレゾネータに入り込むことにより、排気脈動の影響が緩和される。これにより、エンジントルクの減少が抑制されて、エンジンの全開高性能が向上する利点がある。
【００１１】
また、この発明にかかる内燃機関は、エンジンの定常運転時にて、前記開閉バルブが開弁する。
【００１２】
この内燃機関では、レゾネータの開閉バルブが開弁すると、排気通路内の圧力波がレゾネータに入り込むことにより、排気脈動による排気の撹拌作用が緩和される。すると、触媒と排気との反応が抑制されて、触媒の床温の上昇が抑制される。これにより、触媒の劣化が抑制されて、触媒の寿命が維持される利点がある。
【００１３】
また、この発明にかかる内燃機関は、排気の一部を吸気ポートに供給してエンジンに再循環させる排気再循環装置を有するときに、排気再循環時にて前記開閉バルブが開弁する。
【００１４】
この内燃機関では、レゾネータの開閉バルブが開弁すると、排気通路内の圧力波がレゾネータに入り込むことにより、排気脈動の振幅が緩和される。すると、排気通路内の排気流れが安定化して、再循環ガス量が均一化される。これにより、排気再循環装置が適正に機能して、燃費が向上する利点がある。
【発明の効果】
【００１５】
この発明にかかる内燃機関では、レゾネータの開閉バルブの開閉動作により、排気通路における排気脈動の圧力が変化する。また、触媒装置の暖機は、排気脈動による排気の撹拌作用によって影響を受ける。したがって、触媒装置の暖機状態に応じてレゾネータの開閉バルブを開閉制御することにより、触媒装置の暖機性を向上させ得る利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施例に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。
【実施例】
【００１７】
図１は、この発明の実施例にかかる内燃機関を示す構成図である。図２および図３は、図１に記載した内燃機関のレゾネータを示す配置構成図（図２）および拡大断面図（図３）である。図４〜図６は、図１に記載した内燃機関の作用を示すフローチャート（図４）ならびに説明図（図５および図６）である。図７および図８は、図１に記載した内燃機関の変形例を示すフローチャートである。
【００１８】
［内燃機関］
内燃機関１は、エンジン２と、吸気系統３と、排気系統４と、レゾネータ５と、制御系統６とを有し、車両に搭載されて動力を発生する（図１参照）。
【００１９】
エンジン２は、ピストン（図示省略）と、ピストンを収容するシリンダボア２１と、ピストンに連結されるクランクシャフトと、シリンダボア２１（燃焼室）に接続される吸気ポート２２および排気ポート２３と、外気に燃料を添加する燃料供給装置２４と、点火プラグ（図示省略）とを有する。このエンジン２では、導入された外気に燃料が添加されて、混合気が形成される。そして、この混合気が吸気ポート２２からシリンダボア２１内に吸入されて圧縮される。次に、この混合気が点火プラグにより点火されてシリンダボア２１内で燃焼し、その燃焼エネルギーによりピストンが駆動されてシリンダボア２１内を往復運動する。すると、このピストンの往復運動がクランクシャフトの回転運動に変換されて動力が発生する。また、シリンダボア２１内の燃焼ガスが排気ポート２３を介してシリンダボア２１の外部に排出される。
【００２０】
吸気系統３は、吸気通路３１と、エアフィルタ３２と、スロットルバルブ３３と、サージタンク３４とを有する。吸気通路３１は、吸気をエンジン２に導入するための通路である。エアフィルタ３２は、吸気通路３１の入口部に配置されて吸入空気中のゴミや塵などを除去する。スロットルバルブ３３は、吸気通路３１の流路断面積を調整する流量調整弁である。サージタンク３４は、吸入空気を一時的に溜めて吸気脈動を抑制するタンクである。この吸気系統３では、エアフィルタ３２を通過した吸気がスロットルバルブ３３およびサージタンク３４を通過し、エンジン２の吸気ポート２２に供給される。
【００２１】
排気系統４は、排気通路（排気管）４１と、この排気通路４１上に配置される触媒装置４２とを有する。排気通路４１は、エンジン２からの排気を外部に排出するための通路であり、排気マニホールドを介してエンジンの排気ポート２３に接続される。触媒装置４２は、排気中の有害ガス（ＣＯ、ＣＨ、ＮＯｘ）を無害なガス（ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｎ２）に浄化するための触媒（例えば、三元触媒）を有する。この排気系統４では、エンジン２からの排気が排気通路４１に流入し、触媒装置４２にて浄化されて外部に排出される。
【００２２】
レゾネータ５は、ヘルムホルツの共鳴原理を利用して特定周波数の音を低減させる消音器であり、排気通路４１上に配置される（図１〜図３参照）。このレゾネータ５は、レゾネータ本体５１と、開閉バルブ５２とを有する。レゾネータ本体５１は、筒状あるいは容器状の中空部材から成り、所定の消音周波数を有するレゾネータ室を構成する。また、レゾネータ本体５１は、排気通路４１に開口する。例えば、この実施例では、レゾネータ本体５１が排気マニホールドの下流側かつ触媒装置４２の上流側にて排気通路４１に開口している（図２参照）。開閉バルブ５２は、レゾネータ本体５１の開口部に配置される。この開閉バルブ５２の開閉制御により、排気通路４１に対するレゾネータ本体５１の開口面積が調整される。なお、この実施例では、開閉バルブ５２としてバタフライ弁が採用されている。このレゾネータ５では、開閉バルブ５２が開弁すると、レゾネータ本体５１と排気通路４１とが連通して排気の圧力波がレゾネータ本体５１に入り込む。これにより、排気の圧力波が緩和されて排気騒音が低減される。
【００２３】
制御系統６は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６１と、各種センサとを有する。各種センサは、例えば、空燃比センサあるいは酸素濃度センサ（Ｏ２センサ）などのガスセンサ６２、エンジン回転数を検出する回転数センサおよびエンジントルクを検出するトルクセンサ（図示省略）、アクセル開度センサおよび車速センサ、などにより構成される。この制御系統６では、ＥＣＵ５１が各種センサの計測結果に基づいてレゾネータ５の開閉バルブ５２を制御する。
【００２４】
［レゾネータの開閉バルブの制御］
この内燃機関１では、暖機運転時にて、触媒装置４２の暖機状態に基づいて開閉バルブ５２の開閉制御が行われる（図４参照）。具体的には、まず、イグニッション・スタート後に、触媒装置４２の暖機が完了しているか否かの判定が行われる（ＳＴ１１）。この判定ステップＳＴ１１は、ガスセンサ６２の出力値に基づいてＥＣＵ６１により行われる。そして、触媒装置４２の暖機が完了していると判定されなかった場合（否定判定の場合）には、レゾネータ５の開閉バルブ５２が開弁する（ＳＴ１２）。すると、排気通路４１内の圧力波がレゾネータ５に入り込むことにより、排気通路４１における排気脈動の振幅が減少する。すると、脈動による排気の撹拌作用が減少するので、排気から排気マニホールドへの熱伝達が抑制される。これにより、排気の熱損失が減少して、触媒装置４２の暖機が促進される（レゾネータ５による触媒装置４２の暖機促進作用）。
【００２５】
ところで、エンジンのクランク角［ｄｅｇ］と排気脈動の圧力［ｋＰａ］とは、例えば、図５に示す関係を有する。同図に示すように、排気脈動の圧力の極大値がエンジンの排気行程と吸気行程とのラップ時に現れると、排気脈動の影響によりエンジンの全開性能（エンジントルク）が低下する（図５の破線参照）。一方、排気脈動の圧力分布は、レゾネータ５の開閉バルブ５２の開閉制御により変化させ得る。したがって、レゾネータ５の開閉バルブ５２を開閉制御して排気脈動の圧力分布を調整することにより、排気脈動の圧力の極大値を排気行程と吸気行程とのラップ時から外れた位置に移動させ得る（図５の実線参照）。これにより、エンジンの全開性能を向上させ得る。
【００２６】
また、暖機完了後の定常運転時には、所定の運転領域にて、排気脈動によるエンジントルクの減少が発生し得る（図６参照）。例えば、図６に示す例において、レゾネータ５の開閉バルブ５２が常時閉弁しているとき（非作動時）には、所定の運転領域Ｘ１、Ｘ２にて排気脈動に起因するエンジントルクの減少が発生している（図６の破線参照）。一方、レゾネータ５の開閉バルブ５２が開弁しているとき（作動時）は、排気通路４１内の圧力波がレゾネータ５に入り込むことにより、排気通路４１における排気脈動の振幅が減少する。すると、排気脈動の影響が緩和されてエンジントルクの減少が抑制される。したがって、レゾネータ５の開閉バルブ５２を開閉制御して排気脈動を調整することにより、エンジンの全開性能が向上する（図６の実線参照）。なお、排気脈動によるエンジントルクの減少が発生し得る領域Ｘ１、Ｘ２は、例えば、所定の適合試験により取得されたエンジン回転数とエンジントルクとの関係に基づいて規定され得る。
【００２７】
上記の観点から、判定ステップＳＴ１１にて触媒装置４２の暖機が完了していると判定された場合には、エンジンの運転領域が排気脈動によるエンジントルクの減少が発生し得る領域Ｘ１、Ｘ２にあるか否かが判定される（ＳＴ１３）。すなわち、暖機完了後におけるエンジンの運転領域が、排気脈動の調整を必要とする領域にあるか否かが判定される。そして、判定ステップＳＴ１３にて、エンジンの運転領域が領域Ｘ１、Ｘ２にあると判定された場合には、レゾネータ５の開閉バルブ５２が開閉制御されて開弁する（ＳＴ１４）。これにより、排気脈動の影響が緩和されてエンジントルクの減少が抑制される。一方、判定ステップＳＴ１３にて、エンジンの運転領域が領域Ｘ１、Ｘ２にあると判定されなかった場合（否定判定の場合）には、レゾネータ５の開閉バルブ５２が閉弁する（ＳＴ１５）。
【００２８】
［効果］
以上説明したように、この内燃機関１では、レゾネータ５が排気通路への開口部の開口面積を調整する開閉バルブ５２を有し、触媒装置４２の暖機状態に基づいて開閉バルブ５２の開閉制御が行われる（図１〜図４参照）。かかる構成では、レゾネータ５の開閉バルブ５２の開閉動作により、排気通路における排気脈動の圧力が変化する。また、触媒装置４２の暖機は、排気脈動による排気の撹拌作用によって影響を受ける。したがって、触媒装置４２の暖機状態に応じてレゾネータ５の開閉バルブ５２を開閉制御することにより、触媒装置４２の暖機性を向上させ得る利点がある。
【００２９】
例えば、この実施例では、触媒装置４２の暖機が完了していないときに、レゾネータ５の開閉バルブ５２が開弁する（ＳＴ１１、ＳＴ１２）（図４参照）。かかる構成では、レゾネータ５により排気脈動の振幅が減少して、脈動による排気の撹拌作用が抑制される。すると、排気から排気マニホールドへの熱伝達が抑制されて排気の熱損失が減少するので、触媒装置４２の暖機が促進される利点がある。
【００３０】
なお、この実施例では、レゾネータ本体５１の開口面積が排気通路４１の流路断面積よりも極めて小さく設定されている（図２および図３参照）。このため、開閉バルブ５２の開弁時にて、主として排気の圧力波のみがレゾネータ本体５１内に入るため、排気自体の流入量は少ない。したがって、触媒装置４２の暖機において、レゾネータ５の設置による悪影響は少ないと考えられる。
【００３１】
また、この内燃機関１では、エンジン２の運転領域が排気脈動によるエンジントルクの減少が発生し得る領域Ｘ１、Ｘ２にあるときに、レゾネータ５の開閉バルブ５２が開弁する（ＳＴ１３およびＳＴ１４）（図４および図６参照）。かかる構成では、レゾネータ５の開閉バルブ５２が開弁すると、排気通路４１内の圧力波がレゾネータ５に入り込むことにより、排気脈動の影響が緩和される。これにより、エンジントルクの減少が抑制されて、エンジンの全開高性能が向上する利点がある。
【００３２】
［変形例］
一般に、触媒装置の暖機が完了して定常運転になり、排気マニホールドの温度が排気温度に対して平衡状態まで上昇すると、排気マニホールドの熱容量ならびに排気マニホールドと外気との熱伝達率が一定となる。すると、排気脈動の有無にかかわらず、排気から排気マニホールドへの移動熱量がほぼ一定となる。しかしながら、排気脈動があると排気が撹拌されて、触媒装置４２の触媒に触れる排気が増加する。すると、触媒と排気との反応が促進されて触媒の床温が上昇し、触媒への熱負荷が増加して触媒の寿命が短くなるという問題がある。
【００３３】
そこで、この内燃機関１では、エンジン２の定常運転時にて、レゾネータ５の開閉バルブ５２が開弁することが好ましい（図７参照）。かかる構成では、レゾネータ５の開閉バルブ５２が開弁すると、排気通路４１内の圧力波がレゾネータ５に入り込むことにより、排気脈動による排気の撹拌作用が緩和される。すると、触媒と排気との反応が抑制されて、触媒の床温の上昇が抑制される。これにより、触媒の劣化が抑制されて、触媒の寿命が維持される利点がある。
【００３４】
例えば、この実施例の変形例では、まず、イグニッション・スタート後に、エンジン２が定常運転状態にあるか否かが判定される（ＳＴ２１）（図７参照）。この判定ステップＳＴ２１では、例えば、アクセル開度（アクセル開度センサの出力値）および車速（車速センサの出力値）が所定の範囲内にあるときに、エンジン２が定常運転状態にあると判定される。そして、エンジン２が定常運転状態にあると判定された場合には、レゾネータ５の開閉バルブ５２が開弁する（ＳＴ２２）。これにより、排気脈動による排気の撹拌作用が緩和されて、触媒の劣化が抑制される。なお、エンジン２が定常運転状態にあると判定されなかった場合には、レゾネータ５の開閉バルブ５２が現在の開閉状態のまま維持される。
【００３５】
［排気再循環装置］
また、この内燃機関１は、例えば、排気再循環装置７を有するディーゼルエンジンに適用されることが好ましい（図１参照）。排気再循環装置７は、再循環ガス管７１と、酸化触媒７２と、冷却装置７３と、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）バルブ７４とを有する。再循環ガス管７１は、エンジン２の排気ポート２３と吸気ポート２２とを連通するＥＧＲ通路を構成する。酸化触媒７２は、再循環ガス管７１上であって冷却装置７３よりも排気ポート２３側（再循環ガスの流れ方向上流側）に配置され、再循環ガスに含まれる可溶性有機物質（ＳＯＦ）等を酸化して浄化する。冷却装置７３は、再循環ガス管７１上に配置されて、排気ポート２３から再循環ガス管７１に流入する再循環ガスを冷却する。ＥＧＲバルブ７４は、吸気ポート２２への再循環ガスの供給量を調整するバルブである。この排気再循環装置７では、排気の一部（再循環ガス）を排気ポート２３から取り出して浄化および冷却し、この排気を吸気ポート２２に供給してエンジン２に再循環させる。これにより、ＮＯｘ排出量が抑制される。
【００３６】
一般に、排気再循環装置では、排気脈動が再循環ガス量のバラつきを大きくする原因の一つとなっている。
【００３７】
そこで、この内燃機関１では、排気再循環時にて開閉バルブ５２が開弁することが好ましい（図１および図８参照）。かかる構成では、レゾネータ５の開閉バルブ５２が開弁すると、排気通路４１内の圧力波がレゾネータ５に入り込むことにより、排気脈動の振幅が緩和される。すると、排気通路４１内の排気流れが安定化して、再循環ガス量が均一化される。これにより、排気再循環装置７が適正に機能して、燃費が向上する利点がある。
【００３８】
例えば、この実施例では、まず、イグニッション・スタート後に、エンジン２の運転領域が排気再循環が行われる領域にあるか否かが判定される（ＳＴ３１）（図７参照）。この判定ステップＳＴ２１では、例えば、排気再循環が行われる領域が所定の適性試験により規定されており、この領域にエンジンの運転領域があるときに、エンジン２の運転領域が排気再循環が行われる領域にあると判定される。そして、エンジン２の運転領域が排気再循環が行われる領域にあると判定された場合には、レゾネータ５の開閉バルブ５２が開弁する（ＳＴ３２）。これにより、排気脈動の振幅が緩和されて、再循環ガス量が均一化される。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上のように、この発明にかかる内燃機関は、レゾネータを有する構成において触媒装置の暖機性を向上できる点で有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の実施例にかかる内燃機関を示す構成図である。
【図２】図１に記載した内燃機関のレゾネータを示す配置構成図である。
【図３】図１に記載した内燃機関のレゾネータを示す拡大断面図である。
【図４】図１に記載した内燃機関の作用を示すフローチャートである。
【図５】図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。
【図６】図１に記載した内燃機関の作用を示す説明図である。
【図７】図１に記載した内燃機関の変形例を示すフローチャートである。
【図８】図１に記載した内燃機関の変形例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１     内燃機関
２     エンジン
２１   シリンダボア
２２   吸気ポート
２３   排気ポート
２４   燃料供給装置
３     吸気系統
３１   吸気通路
３２   エアフィルタ
３３   スロットルバルブ
３４   サージタンク
４     排気系統
４１   排気通路
４２   触媒装置
５     レゾネータ
５１   レゾネータ本体
５２   開閉バルブ
６     制御系統
６１   ＥＣＵ
６２   ガスセンサ
７     排気再循環装置
７１   再循環ガス管
７２   酸化触媒
７３   冷却装置
７４   バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010031648.tif 000009
【図８】
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