(57)【要約】【課題】高負荷・高回転域への移行のために燃料をリッチ化して空燃比をパワー空燃比に移行させるにおいて、出力の低下を防止しつつ、燃費低下を抑制する。【解決手段】アクセルペダルの踏み込みによって高負荷・高回転の危険燃焼モードに移行した場合、排気系部材の温度を実測又は推測して、部材温度が危険温度まで上昇しておらずに上昇代（余裕）がある場合は、空燃比Ｋを出力空燃比Ｋ１に抑え、それからある程度の時間をおいて燃料をリッチ化してパワー空燃比Ｋｍに移行する。排気系部材の温度が危険領域まで上昇していないのに燃料を無駄に消費することを抑制できるため、燃費悪化を抑制できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め設定した運転条件で空燃比を出力空燃比からパワー空燃比にリッチ化させるようにしている構成であって、
排気系部材の温度の実測値又は推測値が予め設定した基準温度よりも低い場合は、前記予め設定した運転条件になると、空燃比を、前記パワー空燃比よりはリーンで理論空燃比よりはリッチな中間空燃比に移行させて、その後にパワー空燃比に移行させるように設定されている、
自動車用内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、乗用車やトラックのような自動車に搭載される内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車に搭載した内燃機関の温度が温度や道路状態、或いは運転時間等によって機関温度が大きく異なるが、燃焼ガスの温度が高くなり過ぎると、ピストンの焼き付きやオイルの燃焼を発生させたり、排気マニホールドやターボ過給機、或いは排気ガス浄化用触媒のような排気系の部材を損傷させたりするおそれがある。特に、排気浄化用触媒は過剰な高温に晒されると劣化が進む性質があるため、排気ガスの異常高温化は防止する必要である。
【０００３】
そこで特許文献１には、触媒の温度が予め設定した基準温度以上になると、燃料を過剰に供給して燃焼室を冷却することにより、排気ガス（或いは燃焼ガス）の温度が危険温度まで上昇しないようにすることが開示されている。また、アクセルの踏み込み量や回転数、吸入空気量（又は吸気圧）から機関温度を推定して、これらアクセルの開度や回転数、吸入空気量（又は吸気圧）が所定の値になると燃料をリッチ化されたパワー空燃比とすることで、気筒内を冷却して燃焼温度を抑制することも従来から行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−６５３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ある程度以上の出力を保持しつつ気筒内を冷却する手段は燃料のリッチ化しかないため、機関温度が高くて負荷が高い運転領域で燃料をリッチ化することは必要であるが、燃料のリッチ化は当然ながら燃費悪化を招来する。
【０００６】
本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、排気ガスの異常高温化（或いは燃焼温度の異常高温化）による排気系部材の損傷等は防止しつつ、できるだけ燃料を節約して燃費の悪化を抑制することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願発明の内燃機関は、予め設定した運転条件で空燃比を出力空燃比からパワー空燃比にリッチ化させるようにしている構成において、排気系部材の温度の実測値又は推測値が予め設定した基準温度よりも低い場合は、前記予め設定した運転条件になると、空燃比を、前記パワー空燃比よりはリーンで理論空燃比よりはリッチな中間空燃比に移行させて、その後にパワー空燃比に移行させるように設定されている。
【０００８】
空燃比をパワー空燃比に設定するための「予め設定した運転状態」は、上記のとおり、アクセルベダルの踏み込み量（或いは踏み込み加速度）や機関回転数、吸気量（スロットル開度）、吸気圧などに基づいて設定される。基準温度の推測値としては、冷却水の温度やオイルの温度が挙げられる。冷却水の温度の二次的利用として、ラジェータへの冷却水の通水の有無や、ラジェータのファンの駆動の有無から判断することも可能である。更に、冷却水の温度や外気温等の複数の要素（因子）を併用することも可能である。
【０００９】
なお、最大出力を得る空燃比は出力空燃比であるが、理論空燃比と出力空燃比とパワー空燃比とは、理論空燃比＞出力空燃比＞パワー空燃比の関係になっており、通常の走行モード（燃料節約モード）では、空燃比は理論空燃比よりもリーン化させている。
【発明の効果】
【００１０】
さて、上記のとおり、通常の走行モードでの空燃比からのパワー空燃比への切り換えは、アクセルの開度や機関回転数、吸気量又は吸気圧等の値に基づいて行われているが、これらの値は、実際に内燃機関を運転して排気ガス温度や各部材温度を計測することで引き出している。つまり、理論的な計算値ではなく、スロットル開度や回転数等がこの程度の数値であれば燃焼ガス（排気ガス）が危険な温度まで上昇するであろうと、実際の運転に基づいて演繹的に引き出された数値である。
【００１１】
そして、異常高温化に至る条件（数値）の引き出しは、所定の温度（例えば２０℃程度）の下で暖機運転が終わった後の定常状態での運転に基づいて行っているため、例えば冬季のように外気温度が低い場合や、始動してさほど時間が経過していない暖機運転状態では、回転数やスロットル開度等の個別要素がパワー空燃比への移行条件を満たしていても、実際には、排気系部材等の機関の温度は危険域まで高くなっていない場合も多い。
【００１２】
本願発明はこのような知見に基づいて成されたものであり、排気系部材の温度の実測値又は推測値が基準値に至っていない場合は、混合気をパワー空燃比よりも高いリーン化空燃比にリーン化することで、燃料が無駄に消費されることを防止して燃費の悪化を抑制できる。
【００１３】
この場合、出力空燃比よりもリーン化すると自動車の速度低下や加速不良等の問題が生じる虞があるので、中間空燃比を出力空燃比として運転するのが好ましい。つまり、出力空燃比を超えて燃料をリッチ化しても、出力は変わらずに燃料が無駄に消費されるだけであるため、出力空燃比で運転することにより、出力低下をもたらすことなく燃費悪化を抑制できるのである。
【００１４】
また、排気ターボ過給機は排気ガスの温度が低いとタービンの駆動能力が低くて過給の応答性が悪くなる現象が見られるが、本願発明では、中間空燃比での運転状態では燃料による気筒の冷却が無くて（又は少なくて）排気ガスの温度が高くなるため、排気ターボ過給機のタービンに強い運動エネルギを与えて、過給性能と応答性と向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】内燃機関の模式図である。
【図２】各要素（因子）の関係を示す図である。
【図３】制御の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
(1).内燃機関の概略
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を参照として内燃機関の概略を説明する。
【００１７】
内燃機関は、シリンダブロック１とこれに固定されたシリンダヘッド２、シリンダヘッド２に固定されたシリンダヘッドカバー３を有しており、シリンダブロック１のうちクランクケースの開口縁にはオイルパン４を固定している。シリンダブロック１には、ピストン５が摺動自在に嵌まったシリンダボア６が形成されていると共に、連接棒７を介してピストン５で回転駆動されるクランク軸８が回転自在に保持されている。
【００１８】
シリンダブロック１及びシリンダヘッド２の一側面にはチェーンケース９が固定されており、シリンダブロック１及びシリンダヘッド２の一側面とチェーンケース９との間に形成された空間に、カム軸を駆動するタイミングチェーンが配置されている。クランク軸８の一端部はチェーンケース９の外側に突出しており、この突出部に補機駆動プーリ１０を固定し、これでオルタネータ１１とウォータポンプ１２とを駆動している。
【００１９】
クランク軸８の一端部のうち、チェーンケース９と補機駆動プーリ１０との間の部分には、外周に多数の突起を設けた回転数検知ロータ１３が固定されており、チェーンケース９には、回転数検知ロータ１３の外周の突起を検知する回転センサ１４が固定されている。
【００２０】
内燃機関は、潤滑油を各部位に送り出すオイルポンプ（トロコイドポンプ）１５を備えている。本実施形態のオイルポンプ１５は、チェーンケース９をホンプハウジングに兼用して、ロータがクランク軸８に固定されている。チェーンケース９の内面にはポンプカバーが固定されており、チェーンケース９とポンプカバーとの間に、ロータ（インナーロータとアウターロータ）が回転するポンプ室やオイル通路が形成されている。オイルポンプ１３にはオイルパン４に接続された吸引通路１６と、各潤滑部にオイルを送り出す送油通路１７が接続されており、チェーンケース９に、送油通路１７の油温を検知するオイル温度センサ１８を設けている。
【００２１】
シリンダヘッド２には、シリンダボア６に向けて開口した凹所が形成されており、凹所の中央部には点火プラグ２０の先端が露出している。また、シリンダヘッド２には、吸気弁２１で開閉される吸気ポート２２と排気弁２３が開閉される排気弁２４とが、クランク軸８の軸心を挟んだ両側に配置されている。吸気ポート２２はシリンダヘッド２の一側面に開口しており、これに吸気マニホールド２５が連通している。排気ポート２４はシリンダヘッド２の他側面に開口しており、これに排気マニホールド２６が連通している。
【００２２】
吸気マニホールド２６には、エアクリーナ２７を始端とする吸気通路２８が接続されており、吸気通路２８には、スロットルバルブ２９とその下流側に位置したサージタンク３０とが介挿されている。なお、サージタンク３０を吸気マニホールド２６に一体化したり、スロットルバルブ２９をサージタンク３０に一体化したりすることも多い。吸気マニホールド２６の各枝部又は各吸気ポート２２の集合部には、燃料噴射ノブル３１を設けている。
【００２３】
排気マニホールド２６には、排気ターボ過給機３２が接続されている。排気ターボ過給機３２はタービン室とコンプレッサ室とを有しており、本実施形態では、回転軸が紙面と直交した姿勢になっており、コンプレッサ室が紙面に向かって手前側に位置している。コンプレッサ室の吸気入口３３は手前に開口し、吸気出口３４はコンプレッサ翼の接線方向に開口している。コンプレッサ室の吸気入口３３と吸気出口３４は吸気通路２８が接続されている。
【００２４】
また、排気ターボ過給機３２におけるタービン室の排気入口は、タービン翼の接線方向に開口していて、これが排気マニホールド２６の集合部に接続されている。タービン室の排気出口は紙面と直交した奥方向に開口しており、排気出口にＬ形継手を介して上下長手の触媒ケース３５が接続されている。触媒ケース３５の上部と下部とは台錘状の形態を成しており、下端には排気管３６が接続されて、排気管３６の終端寄り部位に消音器３７を設けている。
【００２５】
シリンダヘッド２のうち紙面に向かって奥側の部位には、冷却水の流れを水温に応じて切り換えるサーモスタット弁３８を設けており、サーモスタット弁３８に冷却水の温度を検知する水温センサ３９を設けている。なお、サーモスタット弁３８の働きにより、ラジェータへの通水が自動制御される。
【００２６】
内燃機関は制御装置の一例としてＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）４０を備えており、ＥＣＵ４０に、水温センサ３９や点火プラグ２０、スロットルバルブ２９、燃料噴射ノブル３１、回転センサ１４、オイル温度センサ１８が電気的に接続されている。また、アクセルペダル４１の踏み込み量及び踏み込み速度はポテンショメータ（角度センサ）４２で検知できるが、ポテンショメータ４２もＥＣＵ４０に接続されている。エンジンルーム等に設けた外気温センサ４３もＥＣＵ４０に接続されている。更に、サージタンク３０等に設けた吸気圧センサ４４もＥＣＵ４０に接続されている。
【００２７】
(2).制御態様
図２では、排気系部材の温度Ｔ（Ｉ）と空燃比Ｋ（II）とトルクＲ（III）とスロットル開度Ｑ（IV) とアクセルペダル踏み込み量Ａ（Ｖ）との関係を示している。図にも表示しているが、（Ｉ）（II）（III)では本願の実施形態を実線で示し、従来例は点線で表示している。
【００２８】
さて、登り坂への移行や追い越し等において、アクセルペダル４１が踏み込まれてスロットルバルブ２９が全開又はこれに近くなると、回転数は急激に上昇する。この場合の、アクセルペダル４１の踏み込み量（又は踏み込み加速度）が予め設定した基準値を超えると共に機関回転数が設定した基準値を超えると、内燃機関は、排気系部材高温化モードになる。
【００２９】
そして、従来は、排気系部材高温化モードに入ると、空燃比Ｋが直ちにパワー空燃比Ｋｍになるように燃料を一気にリッチ化して燃焼温度の異常上昇防止を図っていたが、本実施形態では、排気系部材の現実の温度Ｔ１を実測又は推測し、Ｔ１が基準温度Ｔｍより低いと判断した場合は、空燃比Ｋを出力空燃比Ｋ１に設定して運転する（従って、図示の例では、出力空燃比Ｋ１が請求項に移載した中間空燃比になっている。）。これにより、最高出力を確保しつつ、燃料の過剰消費を防止して燃費悪化を抑制できる。
【００３０】
また、機関温度が排気系部材を異常高温化させる温度まで高くなっていないのにパワー空燃比Ｋｍで燃料が供給されると、燃焼温度が低下することでトルクが低下するが、本実施形態では、空燃比Ｋがパワー空燃比Ｋｍより高い出力空燃比Ｋ１にリーン化しているため、（III)に示すように、燃焼温度を高くしてトルクＲを従来よりも高くすることができる。燃焼ガスの温度が高くなることで、排気ターボ過給機３２の能力及び応答性も向上できる。
【００３１】
アクセルペダル４１の踏み込み開始時点で排気系部材温度Ｔが基準温度Ｔｍより低くても、出力空燃比Ｋ１での燃焼によって排気系部材温度Ｔが急激に高まることが予想されるため、出力空燃比Ｋ１への移行からある程度の設定時間ｔ１が経過したら、空燃比Ｋをパワー空燃比Ｋｍに移行させる。
【００３２】
設定時間ｔ１は、現実の排気系部材温度Ｔ１と基準温度Ｔｍとの乖離度合いや外気温度などに基づいて設定される。すなわち、現実の部材温度Ｔ１と基準温度Ｔｍとの乖離度合が大きい場合は、部材温度Ｔの上昇に大きな余裕があるため、設定時間ｔ１を長くとることができる。
【００３３】
また、冬季での運転や寒冷地での運転のように外気温度が低くて機関の温度上昇が緩慢である場合も部材温度Ｔの上昇に大きな余裕があるため、設定時間ｔ１を長くとることができる。始動してからの運転経過時間を設定因子としてプログラムに組み込んで、始動経過時間が短い場合は設定時間ｔ１を長くとるように補正することも可能である。
【００３４】
図２の（III)では設定時間ｔ１が経過してから、ある程度の時間ｔ２をかけて空燃比Ｋをパワー空燃比Ｋｍに向けて徐々に低下させているが、設定時間ｔ１の経過と共に瞬時にパワー空燃比Ｋｍに切り換えることも可能である。また、危険燃焼モードに移行したら、空燃比Ｋを（ｔ１＋ｔ２）の時間をかけて出力空燃比Ｋ１からパワー空燃比Ｋｍに向けて徐々に低下させることも可能である。この場合も、従来に比べて燃料を節約できる。つまり、請求項に記載した中間空燃比は固定的な値ではなく、変化してもよいのである。
【００３５】
アクセルペダル４１の踏み込み加速度が正になる態様として、図２（Ｖ）に例示しているように、ゼロからスタートする場合と、ある程度踏んでいる状態から更に踏み込み込む場合とがある。図では表示していないが、ゼロから１００％まで一気に踏み込むこともよく経験することである。なお、アクセルペダル４１の踏み込み加速度が正になってからスロットル開度Ｑや空燃比Ｋに繁栄されるには、若干のタイムラグがある。
【００３６】
(3).フローチャート
図３では、制御のフローチャートの一例を示している。本実施形態ではプログラムは始動と同時にスタートし、まず、アクセルペダル４１の踏み込みの有無（ΔＡが正）か否かが判断される（Ｓ１）。アクセルペダル４１の踏み込みがあった場合は、回転センサ１４で検知した実際の回転数と予め設定している上限回転数（排気系部材高温化回転数）との差が比較回路によって演算され（Ｓ２）、回転数が上限値を超えている場合は、スロットル開度Ｑが予め設定した基準開度Ｑ０よりも大きいか否かが判断される（Ｓ３）。この場合の基準開度Ｑ０は１００％でもよいし、例えば９０％程度でもよい。
【００３７】
本例では、現実の排気系の部材温度に代替する推測温度としての冷却水温度を代替しており、スロットル開度Ｑが注意開度Ｑ０を超えている場合は、冷却水温度が予め設定している基準温度を超えているか否かが判断され（Ｓ４）。冷却水温度が基準温度を超えている場合は、部材温度の上昇代が存在しないと見なして、空燃比Ｋをパワー空燃比Ｋｍにリッチ化させる。
【００３８】
冷却水温度が基準温度を超えていない場合は、部材温度の上昇代が存在するため、空燃比Ｋを出力空燃比Ｋ１に変更する（Ｓ５）と共に、実際の冷却水温度と基準温度との差から、出力空燃比Ｋ１を維持する時間が演算される（Ｓ６）。次いで、短いインターバルで維持時間が経過したか否かが判断されて（Ｓ７）、維持時間が経過すると、空燃比Ｋを出力空燃比Ｋ１から低下させる燃料リッチ化が開始され（Ｓ８）、ごく短いインターバルで空燃比Ｋがパワー空燃比Ｋｍに到達したか否かが判断されて（Ｓ９）、空燃比Ｋはパワー空燃比Ｋｍに維持される。
【００３９】
空燃比Ｋがパワー空燃比Ｋｍに維持された状態でアクセルペダル４１の踏み込み量が一定である場合（ΔＡ＝０の場合）は、パワー空燃比Ｋｍはそのまま維持される。他方、パワー空燃比Ｋｍでの運転中にアクセルペダル４１の開度が低下すると（ΔＡがマイナスになると）、プログラムはリセットされて、スロットル開度Ｑと空燃比Ｋ（燃料噴射量）とは通常モード（燃費節約モード）に戻る。プログラムの進行途中でアクセルペダル４１が戻されてΔＡがマイナスになった場合も、プログラムはリセットされてスタートに戻る。
【００４０】
本例では排気系部材の温度の推測代替手段として冷却水の温度のみを使用したが、外気温度や始動後の運転時間、オイルの温度とを使用したり、これらのうち複数を組み合わせたりすることも可能である。空燃比Ｋの演算は吸入空気量と燃料噴射量とに基づいて成されるが、吸入空気量の算定手段としては、スロットル開度Ｑを使用することに代えて、又はこれに加えて、吸気負圧の値を使用することも可能である。
【００４１】
また、始動してから危険燃焼モード運転があったか否かを記憶させておいて、危険燃焼モード運転があった場合は、仮に部材温度が低くても出力空燃比Ｋ１の維持時間を短くするというように補正することも可能である。出力空燃比Ｋ１の維持時間の設定は、冷却水温度等の因子の値に基づいて無段階に設定してもよいし、幾つかの時間ゾーンを設定しておいて、冷却水温度等の因子の値がある範囲に入ったらその範囲に基づいて時間ゾーンを設定したりすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本願発明は実際に自動車用内燃機関に適用できる。従って、産業上利用できる。
【符号の説明】
【００４３】
１  シリンダブロック
２  シリンダヘッド
５  ピストン
８  クランク軸
１４  回転センサ
１８  オイル温度センサ
２５  吸気マニホールド
２６  排気マニホールド
３０  サージタンク
３１  燃料噴射ノブル
３２  排気ターボ過給機
３５  触媒ケース
３６  排気管
３９  冷却水温度センサ
４０  制御手段の一例としてのＥＣＵ
４１  アクセルペダル
４２  アクセル開度センサの一例としてのポテンショメータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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