(57)【要約】【課題】吸気弁と排気弁とがオーバーラップして開いて状態で機関が停止することによって排気ガスが吸気通路に逆流することを、簡単な構造で防止する。【解決手段】スロットルバルブ２２は水滴凍結による作動不良防止等のため、運転停止中でも僅かに開いた状態を基準状態にしている。吸気弁１１と排気弁１２とが開いた状態で運転停止して排気通路２６に風が吹き込むと、触媒ケース２５に設けた酸素濃度検出センサ２７が酸素濃度の低下又は乱れを検知して、その検知信号に基づいてスロットルバルブ２２が全閉される。すると、吸気通路２０に溜まっていた新気の逃げ場がなくなるため、排気ガスが吸気ポート９や吸気通路２０に逆流することはない。このため、次の始動は問題なく行われる。スロットルバルブ２２は所定時間が経過すると基準状態に戻る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路の開度を調節する弁手段と、排気通路に溜まっていた排気ガスの逆流を検知する逆流検知手段とを有しており、運転停止状態でも前記吸気通路を僅かに開いた状態を基準状態にしている構成であって、
前記運転停止時に前記逆流検知手段が排気ガスの逆流を検知すると前記弁手段によって吸気通路が全閉される、
車両用内燃機関。
【請求項２】
前記弁手段で吸気通路を全閉してから予め設定した所定時間が経過すると、前記弁手段が僅かに開いた前記基準状態に戻るように制御される、
請求項１に記載した車両用内燃機関。
【請求項３】
前記逆流検知手段による排気ガスの検知状態に基づいて前記所定時間が設定される、
請求項２に記載した車両用内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、車両用内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関は排気ガスが排出される排気通路を有しており、車両用内燃機関の場合はその長さがかなり長くなる。特に、大半の車両が採用しているフロントエンジン方式では排気通路の長さは相当に長くなってその容積もかなりの大きさになるが、機関の運転を停止すると排気通路に相当の量の排気ガスが残存したままになり、この排気ガスはかなりの時間が経過しないと抜け切らない。
【０００３】
そして、吸気通路の終端は車両の後方に向けて開口させているのが多いが、すると、車両が停止している状態で風が車両の後ろから吹くと、風が排気通路に入り込んで排気ガスを吸気通路の側に押しやるように作用することになる。
【０００４】
他方、４サイクル内燃機関では、排気行程から吸気行程に移行する段階で排気弁と吸気弁とが同時に開いているオーバーラップ状態が存在しており、多気筒内燃機関ではいずれかの気筒がオーバーラップ状態になっていることがある。すると、排気通路に溜まっていた排気ガスが、排気弁と吸気弁とがオーバーラップしている気筒を介して吸気通路に押し込まれることがある。
【０００５】
すると、次の運転の始動は吸気通路に新気が殆ど存在しない状態で行われるため、クランキングに長い時間が掛かってバッテリーの負担が増えたり、燃焼せずに気筒内面に付着していた燃料が新気の供給によって一気に燃焼して吹き上がり現象が発生したり、或いは、甚だしい場合は、点火プラグの燃料被りによって始動できなくなるといった不具合が生じる。
【０００６】
そこで、特許文献１では、排気ガスの逆流は容認して、始動時における排気ガスの影響を防止する手段として、排気通路に上流側に位置した第１酸素濃度検出手段と上流側に位置した第１酸素濃度検出手段とを設けて、これら２つの酸素濃度検出手段の値から排気ガスの逆流の有無を検知し、逆流有りと判断した場合は、燃料を供給せずにクランキングして吸気通路から排気ガスを排除することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２３９５７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１は排気ガスが吸気通路に逆流することはできないとして、いわば、対症療法として始動時に機関をカラ回ししているのであるが、この対応では、バッテタリーに負担がかかるのみならず、イグニッションキーを回してから機関が始動するまでに通常よりも長い時間がかかるため、運転者に、故障ではないかと違和感や不安感を抱かせるおそれがある。
【０００９】
本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、吸気通路への排気ガスの逆流自体を阻止することで始動性悪化を防止せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
さて、吸気通路には出力を制御するためのスロットルバルブ等の弁手段が介在しており、イグニッションキーをＯＦＦにして機関を運転停止すると吸気通路は弁手段で閉じられるが、低温環境下での水分の凍結による開き不良を防止したり、微細な異物の噛み込みによる開き不良を防止したりするため、吸気通路を僅かながら開いた状態にしており、このため、排気ガスが容易に逆流している。本願発明はかかる知見を基にして成されたものである。
【００１１】
本願発明は、請求項１に記載のとおり、吸気通路の開度を調節する弁手段と、排気通路に溜まっていた排気ガスの逆流を検知する逆流検知手段とを有しており、運転停止状態でも前記吸気通路を僅かに開いた状態を基準状態にしている構成であって、前記運転停止時に前記逆流検知手段が排気ガスの逆流を検知すると前記弁手段によって吸気通路が全閉されるようになっている。
【００１２】
本願発明は様々に展開できる。その例として請求項２の発明では、前記弁手段で吸気通路を全閉してから予め設定した所定時間が経過すると、前記弁手段が僅かに開いた前記基準状態に戻るように制御されるようになっている。また、請求項３の発明は請求項２を展開したもので、この請求項３では、前記逆流検知手段による排気ガスの検知状態に基づいて前記所定時間が設定される。
【発明の効果】
【００１３】
本願発明では、逆流検知手段で排気ガスの逆流を検知すると吸気通路が全閉することにより、排気ガスが吸気通路に向けて逆流しようとしても、吸気通路のうち弁手段よりも下流側に溜まっている新気が抵抗として作用することで逆流が阻止される（排気通路の終端部で多少の逆流現象が生じるかもしれないが、排気通路には触媒など流れに対して抵抗になる部分が多く存在するため、吸気通路を全閉すると逆流は排気通路の途中で停止し、排気ガスがオーバーラップしている気筒から吸気通路に逆流することはないと言える。）。
【００１４】
従って、運転停止中に排気通路の出口に風が吹いてきても、次の始動は吸気通路の全体に新気が存在する状態で行われる。よって、クランキングに長い時間が掛かってバッテリーの負担が増えたり、運転者に不安や違和感を与えたりすることはない。
【００１５】
また、吸気通路の全閉状態を基準状態にするのではなく、吸気通路は僅かに開いた状態を基準状態にしているから、請求項２のように所定時間を経過したら初期状態に戻すことで、低温環境下で水の凍結により弁手段が開き不能になるような不具合を防止できる。つまり、排気通路に排気ガスが溜まっていても、排気通路の終端は大気に開口しているため時間の経過に連れて少しずつ抜けていき、ある程度の時間が経過すると逆流しても燃焼に影響しない濃度に低下するため、その時間を見越して所定時間を設定しておいて基準状態に戻すことで、トラブルなく始動できるのである。
【００１６】
排気通路への風の吹き込みは自然任せであり、機関の運転を停止してから直ぐに吹き込む場合もあるし、数時間を経過してから吹き込む場合もある。従って、風が排気通路に吹き込んだときの排気ガスの濃度はまちまちであり、吸気通路を全閉しておくべき時間も排気ガスの濃度によってまちまちである。この点、請求項３の構成を採用すると、排気ガスの濃度等の値によって適切な全閉時間を維持できるため、必要以上に吸気通路を閉じ続けることを防止できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（Ａ）は実施形態に係る内燃機関の模式図、（Ｂ）（Ｃ）はスロットルバルブの動きの説明図である。
【図２】３気筒内燃機関における運転停止のオーバーラップ状態を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
(1).内燃機関の概要
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１に基づいて内燃機関の概要を説明する。
【００１９】
実施形態の内燃機関は車両に搭載される４サイクル３気筒タイプであり、内燃機関は、シリンダブロック１とその上面に重ね固定されたシリンダヘッド２、及び、シリンダヘッド２の上面に固定されたヘッドカバー３を備えている。
【００２０】
シリンダブロック１にはシリンダボア４が形成されてこれにピストン５が摺動自在に嵌まっており、ピストン５の往復動は連接棒６を介してクランク軸（図示せず）の回転に変換される。シリンダヘッド２にはシリンダボア４に向けて開口した台錘状の凹所７が開口しており、凹所７の頂面に点火プラグ８の先端が露出している。
【００２１】
更に、シリンダヘッド２の凹所７には、一対ずつの吸気ポート９と排気ポート１０とがクランク軸の軸心を挟んだ両側に振り分けて開口しており、シリンダヘッド２には、吸気ポート９を開閉する吸気弁１１と排気ポート１０を開閉する排気弁１２とが摺動自在に保持されている。吸気弁１１及び排気弁１２はそれぞればね１３，１４で閉じ方向に付勢されており、これらをばね１３，１４に抗して弁１１，１２をカム１５，１６で押すことで弁１３，１４が開く。
【００２２】
シリンダヘッド２の一側面には各吸気ポート１０に連通した吸気マニホールド１８が固定されており、吸気マニホールド１８に、エアクリーナ１９を始端とする吸気通路２０が接続されている。吸気通路２０には、吸気マニホールド１８に接続されたサージタンク２１と、その上流側に位置したスロットルバルブ２２とが介挿されている。サージタンク２１には燃料噴射ノズル２３を設けている。なお、燃料を燃焼室に噴出させる直噴式とすることも可能である。当然ながら、ディーゼル機関にも適用できる。
【００２３】
シリンダヘッド２の他側面には各排気ポート１１に連通した排気マニホールド２４が固定されており、排気マニホールド２４に、触媒ケース２５を有する排気通路２６が接続されている。触媒ケース２５は排気マニホールド２４の集合部に接続されており、その内部には三元触媒が内蔵されている。また、触媒ケース２５には酸素濃度検出センサ２７を設けている。
【００２４】
内燃機関は車両の前部に設けたエンジンルームに搭載しており、排気通路２６は車体の下面に沿って後ろに向けて延びており、終端２６ａは車体の後端寄りに位置して後ろ向きに開口している。排気通路２６のうち終端寄りの部位には消音器２８を設けている。
【００２５】
内燃機関は制御装置としてのＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）２９を設けており、点火プラグ８、スロットルバルブ２２、燃料噴射ノズル２３、酸素濃度検出センサ２７が電気的に接続されている。また、ＥＣＵ２９には、キー３０でＯＮ・ＯＦＦされるイグニッションスイッチ３１も接続される。本実施形態のスロットルバルブ２２は、その開度がＥＣＵ２９によって電子的に制御される電子スロットルである。スロットルバルブ２２は、機関の運転が停止しても完全には閉じ切らず、図１（Ｂ）のように僅かに開いた状態に保持されている。すなわち、機関の運転停止状態では、スロットルバルブ２２が少し開いた状態が基準状態になっている。
【００２６】
なお、スロットルバルブ２２とは別にアイドル・スピード・コントロール（ＩＳＣ）バルブを設けることもあるが、ＩＳＣバルブも本願発明の弁手段に含まれる。また、本願発明の弁手段は、アクセルペダルに連動した機械的なスロットルバルブも含んでいる。
【００２７】
(2).吸排気弁のオーバーラップの説明
４サイクルの内燃機関では、排気行程から吸気行程に移行するとき、排気弁と吸気弁とが少し開いたオーバーラップ状態が存在する。そして、多気筒内燃機関では、機関停止によっていずれかの気筒がオーバーラップ状態のままになることがあるが、３気筒内燃機関の場合、構造的な原因により、いずれかの気筒がオーバーラップして停止することが多い。この点を図２に基づいて説明する。
【００２８】
図２のうち（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）はそれぞれ気筒の往復動サイクルを示しており、丸つき数字の１は膨張行程（爆発行程）、丸つき数字の２は排気行程、丸つき数字の３は吸気行程、丸つき数字の４は圧縮行程を示している。カーブの上端は上死点、下端は下死点である。
【００２９】
４サイクル３気筒では、各気筒のピストン５の位相は２４０°だけずれているが、各吸気弁１１と排気弁１２とを見ると、カム軸の１回転がクランク軸の２回転に相当しているため、吸気弁用のカム１５の位相と排気弁用のカム１６の位相とはそれぞれ１２０度ずつずれている。
【００３０】
そして、（Ａ１）（Ａ２）のように１つの気筒の吸気弁１１と排気弁１２とが開いたオーバーラップ状態では、他の２つの気筒は爆発行程と圧縮行程にあって（Ｂ１）（Ｂ２）（Ｃ１）（Ｃ２）のように吸気弁１１も排気弁１２も閉じているが、吸気弁１１及び排気弁１２は閉じた状態ではばね１３，１４に押されていて安定した姿勢にある。
【００３１】
このときの全体のばね力を見ると、オーバーラップ状態にある弁１１，１２を押している２個のばね１３，１４のばね力よりも、他の２つの気筒の弁１１，１２を押している４個のばね１３，１４のばね力が大きく、従って、１つの気筒の弁１１，１２がオーバーラップして開いた状態は、最も安定した状態になっている。
【００３２】
そして、３つの気筒のピストン５がどのような位置で停止するかは一定していないが、３つの気筒のうち２つの気筒の吸気弁１１及び排気弁１２は閉じて他の１つの気筒の弁１１，１２は開いた状態が安定しているため、４個のばね１３，１４の付勢力がカム軸及びタイミングチェーンを介してクランク軸に伝わって、各ピストン５も動き、その結果、図２のように１つの気筒の弁１１，１２が開いた安定状態に移行するのである。
【００３３】
(3).制御の態様
上記のように、３気筒の４サイクル内燃機関ではいずれか１つの気筒の弁１１，１２が開いた状態に停止する確率が高いが、イグニッションスイッチ３１をＯＦＦにした運転停止状態で排気通路２６の終端２６ａに向けて風が吹き込むと、排気通路２６や気筒に溜まっていた排気ガスが吸気ポートや９に吸気通路２０に流入して、次の始動時にトラブルが発生するおそれがある。
【００３４】
他方、機関の運転を停止させると排気ガスは時間の経過と共に自然に抜けていくため、ある程度の時間（安全時間）が経過すると、排気通路２６の排気ガスの濃度は逆流しても始動に影響がない程度まで低下する。従って、イグニッションスイッチ３１をＯＦＦにしてから安全時間が経過している場合は、特段の対応を採る必要はない。
【００３５】
そこで、本実施形態では、イグニッションスイッチ３１がＯＦＦでかつスイッチＯＦＦから安全時間が経過していな状態で排気ガスの逆流を検知したら、図２（Ｃ）のようにスロットルバルブ２２を全閉する。すると、吸気通路２０に溜まっていた新気は逃げ場所がなくその場に留まるため、排気ガスが風に押されて吸気通路２０の方に逆流しようとしても、排気ガスか吸気ポート９から吸気通路２０に流れ込むようなことはない。このため、次の始動をトラブルなく行える。
【００３６】
排気ガスの逆流検知手段として本実施形態では、触媒ケース７に設けた酸素濃度検出センサ２７を利用している。すなわち、内燃機関はイグニッションスイッチ３１をＯＦＦにしても多少は惰性回転するため、排気ガスは各気筒及び触媒ケース７から下流側に抜けて、触媒ケース７は新気で満たされていることが多いことから、酸素濃度検出センサ２７による酸素濃度の検出値が予め設定した値よりも低くなると、排気ガスの逆流があったものと判断してスロットルバルブ２２を全閉させる。
【００３７】
排気ガスの逆流によって酸素濃度が低くなったり数値に乱れが発生したりすることもあるので、酸素濃度検出センサ２７による酸素濃度検出値が基準変化率を超えて低下したり、基準範囲以上に乱れたりすると、これを排気ガスの逆流として判断してスロットルバルブ２２を全閉させることも可能である。
【００３８】
機関の運転を停止した後、触媒ケース７の内部の酸素濃度が低いまであることも有り得る。この場合は、例えば図１（Ａ）に一点鎖線で示すように排気通路２６の終端部近傍等に風検知センサ３６を設けて、風検知センサ３６がＯＮになるとスロットルバルブ２２を全閉させてもよい。或いは、風検知センサ３６がＯＮでかつ酸素濃度検出センサ２７による酸素濃度の検出値が予め設定した基準値より低い場合に、スロットルバルブ２２を全閉させることも可能である。
【００３９】
風検知センサ３６は排気通路２６の外側に設けてもよいし、排気通路２６の内部に設けてもよい。図示のものはヒンジを有する回動式になっているが、風車式や振動式とすることも可能である。また、風検知センサ２６では、風に反応して動く可動体の動きを圧電素子によって電気信号に変換する構成を採用すると、待機電流が不要になるためバッテリーの負担を軽減できる利点がある。
【００４０】
特許文献１と同様に排気通路２６の内部に間隔を隔てて２つの酸素濃度検出センサを設けて、２つのセンサによる酸素濃度検出値の変化から排気ガスの逆流を検知することも可能である。スロットルバルブ２２が全閉になってからある程度の時間が経過すると、排気ガスの濃度は始動に問題がないレベルまで低下する。従って、所定時間が経過したらスロットルバルブ２２をある程度開いた基準状態に戻す。
【００４１】
この場合、排気ガスの濃度は時間の経過と共に徐々に低下するので、イグニッションスイッチ３１がＯＦＦになってからの経過時間に基づいて、スロットルバルブ２２の全閉が維持される所定時間を決定するのが合理的である。実施形態のように酸素濃度検出センサ２７を備えている場合は、酸素濃度が予め設定した所定値まで高くなったらスロットルバルブ２２を基準状態に戻す、という制御を採用することも可能である。
【００４２】
スロットルバルブ２２の全閉状態である程度の時間ごとに酸素濃度を検出して、酸素濃度が危険状態より高くなったらスロットルバルブ２２を元に戻すことも可能である。また、風が吹き続ける時間が何時間にも及ぶことは少ないことや、風が吹き込むとその動圧の反流によって排気ガスが排気通路２６の終端２６ａから押し出されることも多いので、酸素濃度検出センサ２７による酸素濃度低下を始期として、例えば１時間や２時間というように所定時間を定め、所定時間が経過したらスロットルバルブ２２を元に戻すことも可能である。
【００４３】
本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば弁手段としてはＩＳＣバルブを制御することも可能である。スロットルバルブが電子制御でない場合は、スロットルバルブを全閉するための電磁ソレノイド等のアクチュエータを設けたらよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本願発明は、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。
【符号の説明】
【００４５】
１  シリンダブロック
２  シリンダヘッド
４  シリンダボア
５  ピストン
９  吸気ポート
１０  排気ポート
１１  吸気弁
１２  排気弁
１３，１４  ばね
１５，１６  カム
２０  吸気通路
２２  スロットルバルブ
２４  排気マニホールド
２５  触媒ケース
２６  排気通路
２７  酸素濃度検出センサ
２９  ＥＣＵ
３１  イグニッションスイッチ
【図１】
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【図２】
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