(57)【要約】【課題】ターボチャージャを備えた内燃機関の排気温度を抑制する装置において、ターボラグを抑制する。【解決手段】排気通路中であってターボチャージャ１６よりも上流側に水を供給するように、水インジェクタ２０を設置し、所定条件下で水を噴射する。供給された水の蒸発に伴う膨張により、ターボチャージャ１６の回転が促進され、これによってターボラグを抑制することができる。【選択図】図１
2008008223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室からの排気通路中にターボチャージャを備えた内燃機関における排気温度抑制装置であって、
前記燃焼室または前記排気通路中であって前記ターボチャージャよりも上流側に液体を供給する液体供給手段を更に備えたことを特徴とする排気温度抑制装置。
【請求項２】
請求項１に記載の排気温度抑制装置であって、
前記液体供給手段は、前記内燃機関の排気ポートに液体を供給することを特徴とする排気温度抑制装置。
【請求項３】
請求項２に記載の排気温度抑制装置であって、
前記液体供給手段は、前記内燃機関の排気弁に向けて液体を供給することを特徴とする排気温度抑制装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の排気温度抑制装置であって、
前記液体供給手段を制御する制御手段を更に備えたことを特徴とする排気温度抑制装置。
【請求項５】
請求項４に記載の排気温度抑制装置であって、
前記制御手段は、加速要求量に基づいて前記液体供給手段を制御することを特徴とする排気温度抑制装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の排気温度抑制装置であって、
前記制御手段は、前記ターボチャージャのタービン回転数に基づいて前記液体供給手段を制御することを特徴とする排気温度抑制装置。
【請求項７】
請求項４に記載の排気温度抑制装置であって、
前記制御手段は、加速要求量が所定の基準加速要求量より大であり且つタービン回転数が所定の基準タービン回転数より小である場合に、前記液体供給手段に液体を供給させることを特徴とする排気温度抑制装置。
【請求項８】
請求項４ないし７のいずれかに記載の排気温度抑制装置であって、
前記制御手段は、タービン回転数が大であるほど前記液体の供給量を漸減させることを特徴とする排気温度抑制装置。
【請求項９】
請求項４ないし８のいずれかに記載の排気温度抑制装置であって、
前記制御手段は、加速要求量が大であるほど前記液体の供給量を漸増させることを特徴とする排気温度抑制装置。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載の排気温度抑制装置であって、
排気温度を上昇させる排気温度上昇手段を更に備え、
前記排気温度上昇手段は、前記液体供給手段による液体の供給中に排気温度を上昇させることを特徴とする排気温度抑制装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の排気温度抑制装置であって、
前記排気温度上昇手段は、点火時期を常用点火時期よりも遅角させる遅角手段であることを特徴とする排気温度抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャを備えた内燃機関の排気温度を抑制する装置に関し、特にいわゆるターボラグの抑制が考慮されたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気温度を抑制する目的から、排気系に水等の液体を噴射する装置が提案されている（例えば特許文献１、特許文献２）。このような装置によれば、液体の気化潜熱によって排気温度を抑制することができる。また、ターボチャージャを備えた内燃機関に同様の技術を適用した装置も提案されている（特許文献３）。この装置では、ターボチャージャよりも下流の排気経路中に液体を噴射している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−８３０２７号公報
【特許文献２】特開２００４−３００９２０号公報
【特許文献３】特開昭４９−４０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献３の装置では、加速操作に対するターボチャージャの応答遅れ、いわゆるターボラグの問題は考慮されていない。
【０００５】
そこで本発明の目的は、ターボチャージャを備えた内燃機関の排気温度を抑制する装置において、ターボラグを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃焼室からの排気通路中にターボチャージャを備えた内燃機関における排気温度抑制装置であって、前記燃焼室または前記排気通路中であって前記ターボチャージャよりも上流側に液体を供給する液体供給手段を更に備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明では、液体供給手段を燃焼室または排気通路中であってターボチャージャよりも上流側に液体を供給するように配置したので、供給された液体の蒸発に伴う膨張により、ターボチャージャの回転が促進され、これによってターボラグが抑制される。
【０００８】
液体供給手段による液体の供給点は、燃焼室内、または排気経路中であってターボチャージャよりも上流側であれば任意の位置を選定しうるが、内燃機関の排気ポートとするのが特に好適である。液体を内燃機関の排気ポートに供給する場合には、燃焼室内に供給する場合に比べ、供給のタイミングの自由度が高く、また排気ポート外の排気管内に供給する場合に比べ、高い排気温度を利用できる。
【０００９】
液体の供給は、排気弁に向けて行うこととすれば、排気弁の温度を抑制でき好適である。
【００１０】
また、液体供給手段を制御する制御手段を更に備えてもよい。制御手段は、加速要求量および／またはターボチャージャのタービン回転数に基づいて前記液体供給手段を制御するのが好適である。この場合には、加速要求量およびタービン回転数に応じたフレキシブルな運転を行うことが可能となる。
【００１１】
制御手段は、加速要求量が所定の基準加速要求量より大であり且つタービン回転数が所定の基準タービン回転数より小である場合に、前記液体供給手段に液体を供給させるのが好適である。この場合には、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。
【００１２】
制御手段は、タービン回転数が大であるほど液体の供給量を漸減させてもよい。また、制御手段は、加速要求量が大であるほど液体の供給量を漸増させてもよい。これらの場合には、よりフレキシブルな運転を行うことが可能となる。
【００１３】
液体供給手段による液体の供給中に、排気温度を上昇させる排気温度上昇手段を更に備えてもよい。この場合には、排気温度の上昇によって液体の気化を促進でき、タービンの回転を更に促進することができる。好適には、排気温度上昇手段は、点火時期を常用点火時期よりも遅角させる遅角手段である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の好適な実施形態につき、以下に説明する。図１において、本発明の実施形態に係るエンジン１は、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射式の４気筒ガソリン内燃機関であり、１つの気筒のみが示されている。シリンダブロック２の内部にシリンダが形成され、その中にピストン３が摺動可能に挿入されている。
【００１５】
ピストン３は不図示のコンロッドにより不図示のクランクシャフトに連結されている。シリンダヘッド４は全気筒に共通とされており、その内部には気筒ごとに、吸気ポート５および排気ポート６が形成され、また吸気弁７および排気弁８が、不図示のバルブスプリングを介してセットされている。シリンダヘッド４の燃焼室の頂面には点火プラグ９が設けられている。
【００１６】
吸排気弁７，８を駆動するカムシャフトには、バルブタイミング可変機構（Variable Valve Timing system;以下ＶＶＴという）１０が設けられている。ＶＶＴ１０は、クランクシャフトの回転に対するカムシャフトの回転の位相を変化させて、吸排気弁７，８の開閉タイミングを連続的に変更するための機構であり、油圧によって駆動される。吸気ポート５には、燃焼室１１に燃料を供給するための燃料噴射弁１２が設けられている。
【００１７】
排気ポート６には排気マニホールド１４が接続され、この排気マニホールド１４の集合部よりも下流側の排気管には、ターボチャージャ１６、触媒装置１７、および消音器１８がこの順に直列に設けられている。ターボチャージャ１６は周知のものであり、排気経路中に設置された不図示のタービンロータによって、吸気経路中に設置された不図示のコンプレッサロータを駆動することで過給を行う。触媒装置１７は、例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む。
【００１８】
排気ポート６には、排気通路内に水を供給するための水インジェクタ２０が設けられている。水インジェクタ２０は、水タンク２１から供給され水ポンプ２２によって加圧された水を微粒化して噴射するためのバルブであって、ソレノイドまたは圧電素子の作用によって開閉動作する。水インジェクタ２０は、排気ポート６内に且つ排気弁８に向けて水を噴射するように、上流側に向けて配置されている。
【００１９】
電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）３０は、その詳細は図示しないが、各種演算処理を行うＣＰＵ、制御プログラム、関数、各制御変数の基準値および初期値などを格納したＲＯＭ、制御プログラムやデータを一時的に保持するＲＡＭ、入出力ポート、Ａ／ＤおよびＤ／Ａ変換器ならびに記憶装置等を含んで構成されている。
【００２０】
ＥＣＵ３０には、各種センサ類からの出力信号が入力される。そのような各種センサ類は、不図示のクランクシャフトの一部に対向して設けられたクランク角センサ３１、不図示のアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ３２、ターボチャージャ１６のタービンロータの回転数を検出するタービン回転センサ３３、吸気ポート５の上流側の吸気通路に設けられたエアフローメータ３４、シリンダブロック２のウォータジャケットに設けられた水温センサ３５、および排気マニホールド１４の集合部に設けられた排気温度センサ３６を含む。
【００２１】
ＥＣＵ３０からの制御信号によって、前述のＶＶＴ１０、燃料噴射弁１２、水インジェクタ２０、水ポンプ２２、スロットル弁等が制御されるようになっており、点火プラグ９の放電時期も決定されるようになっている。ＥＣＵ３０では、エアフローメータ３４およびクランク角センサ３１からの検出信号に基づいて燃料の基本噴射量が算出され、さらに水温センサ３５・スロットル開度センサ等からの検出信号に基づいて基本噴射量が補正されて、一行程あたりの燃料噴射量が算出されるようになっている。
【００２２】
以上のとおり構成された本実施形態の動作について、以下に説明する。図２の処理ルーチンはＥＣＵ３０により、クランク角に応じた所定のタイミングで繰り返し実行される。
【００２３】
図２において、まずＥＣＵ３０は、上述した各種センサ類の検出値を読み込む（Ｓ１０）。次に、ＥＣＵ３０は、排気温度センサ３６によって検出された現在の排気温度が、予め定められた高温基準値Ｔａよりも大であるかを判定する（Ｓ２０）。
【００２４】
排気温度が高温基準値Ｔａよりも大である場合には、水噴射実行フラグが１にセットされ（Ｓ３０）、処理がリターンされる。この水噴射実行フラグは、ＥＣＵ３０によって別途に実行される水噴射ルーチンにおいて参照され、該フラグがセットされている場合に、ＥＣＵ３０によって水インジェクタ２０が駆動され、排気ポート６内に水が噴射される。水噴射実行フラグは水噴射の終了を条件に０にリセットされる。
【００２５】
ステップＳ２０において否定、すなわち排気温度が高温基準値Ｔａ以下である場合には、次にＥＣＵ３０は、加速要求量が所定値より大であるか、およびタービン回転数が所定値より小であるかを判定する（Ｓ４０）。加速要求量はアクセルペダルセンサ３２の検出値が用いられ、タービン回転数はタービン回転センサ３３の検出値が用いられる。加速要求量が大でない、および／またはタービン回転数が小でない場合には、処理がステップＳ５０に進み、上述した水噴射実行フラグが０にリセットされる。したがって、この場合には水インジェクタ２０による水噴射は行われない。
【００２６】
ステップＳ４０において肯定、すなわち加速要求量が大であり、且つタービン回転数が小である場合には、上述した水噴射実行フラグが１にセットされ（Ｓ６０）、また大幅遅角実行フラグが１にセットされる（Ｓ７０）。この大幅遅角実行フラグは、ＥＣＵ３０によって別途に実行される点火ルーチンにおいて参照され、該フラグがセットされている場合に、ＥＣＵ３０によって点火時期が、常用点火時期よりも遅角側（例えば、冷間始動時の触媒暖機に用いられる点火時期と同等の値である５〜１０°ＡＴＤＣ）に設定されて点火が実行される。大幅遅角フラグは点火の終了を条件に０にリセットされる。したがって、この場合には水インジェクタ２０による水噴射が実行され、且つ大幅遅角すなわち常用点火時期よりも遅角されたタイミングでの点火が実行される。
【００２７】
以上の処理の結果、本実施形態では、排気温度が高温基準値Ｔａよりも大である場合には（Ｓ２０）、水インジェクタ２０からの水噴射が実行されるため（Ｓ３０）、排気系が冷却される。また本実施形態では、排気温度が高温基準値Ｔａ以下である場合において（Ｓ２０）、加速要求量が所定値より大であり且つタービン回転数が所定値より小である場合には（Ｓ４０）、水噴射と大幅遅角の両者が実行される（Ｓ６０，Ｓ７０）。大幅遅角が行われると、排気通路における未燃燃料のいわゆる後燃えが促進され、排気温度を上昇させることができる。したがって水の蒸発に要する熱量が確保され、水の蒸発に伴う膨張によってタービンロータの回転が促進されて、ターボラグが抑制されることになる。なお、ステップＳ４０において加速要求量が大でないか、またはタービン回転数が小でない場合には、ターボラグ抑制の必要が乏しいため、水噴射を実行しなくても不都合は些少である（Ｓ５０）。
【００２８】
以上のとおり、本実施形態では、排気通路中であってターボチャージャ１６よりも上流側に水を供給するように水インジェクタ２０を設置したので、供給された水の蒸発に伴う膨張により、ターボチャージャ１６の回転が促進され、これによってターボラグが抑制される。
【００２９】
本発明における水の供給点は、燃焼室１１内、または排気経路中であってターボチャージャ１６よりも上流側であれば任意の位置を選定しうる。しかしながら、燃焼室１１内に供給する場合には燃焼温度への影響を考慮すると、水噴射のタイミングは排気行程中に限られる。これに対し、排気ポート６・排気マニホールド１４または排気管内に供給する場合には、水噴射のタイミングは排気弁８の閉弁から次サイクルでの開弁までの間の任意のタイミングとすることができる。すなわち、本実施形態では水を排気ポート６に供給するように構成したので、燃焼室１１内に供給する場合に比べ、供給のタイミングの自由度が高いということができる。また本実施形態のように水を排気ポート６に供給する場合には、排気ポート外の排気マニホールド１４や排気管内に供給する場合に比べ、高い排気温度を利用できる利点もある。
【００３０】
また本実施形態では、水を排気弁８に向けて供給することとしたので、排気弁８の温度を抑制することができる。さらに本実施形態では、水を上流側に向けて噴射することとしたので、水の気化を促進できる。
【００３１】
また本実施形態では、水インジェクタ２０を制御するＥＣＵ３０を更に備え、加速要求量およびタービン回転数に基づいて水インジェクタ２０を制御することとしたので（Ｓ４０〜Ｓ６０）、加速要求量およびタービン回転数に応じたフレキシブルな運転を行うことが可能となる。
【００３２】
また本実施形態では、加速要求量が所定の基準加速要求量より大であり且つタービン回転数が所定の基準タービン回転数より小である場合に（Ｓ４０）、水インジェクタに水を供給させることとしたので（Ｓ６０）、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。
【００３３】
また本実施形態では、液体供給手段による液体の供給中に、排気温度を上昇させる手段を更に備えたので、排気温度が低い場合であっても、排気温度の上昇によってタービンの回転を更に促進することができる（Ｓ７０）。
【００３４】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態は、排気通路の温度が高温基準値Ｔａより小であっても、所定の低温基準値Ｔｂより大である場合には、排気温度を上昇させないこととしたものである。なお、第２実施形態は制御処理において以下のとおり異なるのみであって機械的構成は上記第１実施形態と同様であるため、その説明は省略する。
【００３５】
第２実施形態の動作について、以下に説明する。図３の処理ルーチンはＥＣＵ３０により、クランク角に応じた所定のタイミングで繰り返し実行される。図３の処理ルーチンにおけるステップＳ１１０〜Ｓ１７０の処理は、上記第１実施形態（図２）におけるステップＳ１０〜Ｓ７０のものと同様である。ステップＳ１６５において、排気温度が予め定められた低温基準値Ｔｂと比較される。この低温基準値Ｔｂは、上述した高温基準値Ｔａよりも小さい値である。ステップＳ１６５で否定、すなわち排気温度が低温基準値Ｔｂ以上である場合には、第１実施形態と同様に、大幅遅角実行フラグが１にセットされる（Ｓ１７０）。他方、ステップＳ１６５で肯定、すなわち排気温度が低温基準値Ｔｂより小さい場合には、ステップＳ１７０がスキップされ、大幅遅角実行フラグはセットされない。
【００３６】
以上の処理の結果、第２実施形態では、排気温度が冷却を要するほど高くはない場合（高温基準値Ｔａ以下の場合）には、排気温度が昇温を要するほど低い場合（低温基準値Ｔｂ以下の場合）に限って、温度が上昇させられる。したがって、排気温度が基準値Ｔａ，Ｔｂの中間の領域にある場合に排気温度上昇手段による昇温が抑制され、昇温処理に伴うデメリット、例えば大幅遅角の場合における燃費悪化などを抑制することができる。
【００３７】
なお、上記各実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。例えば、上記各実施形態では、加速要求量とタービン回転数との両者を考慮して水噴射および昇温処理の有無を決定したが、加速要求量とタービン回転数とのいずれか一方を考慮することとしてもよい。
【００３８】
また、上記各実施形態では水噴射量および遅角量を固定値としたが、これを連続的または離散的に設定または補正してもよい。例えば、タービン回転数・加速要求量および水噴射量の関係を定めたマップ（図４）、および水噴射量と遅角量との関係を定めたマップ（図５）を予めＥＣＵのＲＯＭに保持させておき、両マップをタービン回転数および加速要求量で参照することによって、水噴射量および遅角量を可変に設定することができる。この例では、タービン回転数が大であるほど液体の供給量を漸減させており、加速要求量が大であるほど液体の供給量を漸増させている。なお、両マップで平坦な部分が設けられている理由は、遅角量に上限があるためである。このような構成とした場合には、よりフレキシブルな運転を行うことが可能となる。
【００３９】
また、上記各実施形態では、排気温度上昇手段として点火時期の遅角を利用したが、本発明における排気温度上昇手段としては、他の手段を採用することもできる。そのような他の排気温度上昇手段としては、例えば、［１］スワールコントロールバルブを有するエンジンにおける吸気流抑制制御、［２］筒内噴射弁とポート噴射弁とを有するエンジンにおける筒内噴射比率の増加制御、［３］バルブリフト量可変機構および噴孔径可変機構を備えた筒内噴射弁を有するエンジンにおける単位時間噴射量減少制御、および［４］筒内噴射弁を有するエンジンにおける噴射時期の進角制御がある。これらの排気温度上昇手段は、それぞれを単独で用いてもよく、また複数種類を組み合わせて用いてもよい。
【００４０】
［１］スワールコントロールバルブを利用した吸気流抑制制御は、スワールコントロールバルブを全開（または所定角度の半開）にすることにより、燃焼室内の吸気流の速度を低下させて気流による筒内乱れ（スワール流）を弱め、排気ポート内の未燃燃料のいわゆる後燃えを促進することで、排気温度を上昇させるものである。
【００４１】
［２］筒内噴射比率の増加制御は、ポート噴射弁と筒内噴射弁との両者を用いた運転において、噴射量について後者の比率を高めることによって、筒内噴射用インジェクタの噴射時間を増大してその噴射時間の終期を遅延させ、排気ポート内の未燃燃料のいわゆる後燃えを促進することで、排気温度を上昇させるものである。
【００４２】
［３］単位時間噴射量減少制御は、筒内噴射弁のバルブリフト量の減少および噴孔径の縮小によって、筒内噴射弁の単位時間あたりの燃料噴射量を減少させ、噴射時間を増大してその噴射時間の終期を遅延させ、排気ポート内の未燃燃料のいわゆる後燃えを促進することで、排気温度の上昇によって排気エネルギを増大させるものである。
【００４３】
［４］筒内噴射弁の噴射時期の進角制御は、筒内噴射弁の噴射時期を吸気上死点の近傍にすることによって、液相の燃料をピストンの頂面に付着させ、その気化の遅れから、排気ポート内の未燃燃料のいわゆる後燃えを促進することで、排気エネルギを増大させるものである。
【００４４】
また、上記各実施形態では、タービンロータの回転を促進するために用いられる液体として水を用いたが、本発明においては他の液体、例えばエンジン冷却水（ＬＬＣ）や、走行用燃料を用いてもよい。これらの場合には他の用途で車載されている液体を本発明に係る制御において利用できる利点がある。なお、走行用燃料を本発明の媒体として用いる場合には、酸素量が不足した状態で供給することにより、その燃焼を回避することができる。
【００４５】
また、上記各実施形態では本発明を筒内直噴式の４サイクルガソリンエンジンに適用した例について説明したが、本発明はディーゼル燃料などの他の液体燃料や気体燃料をエネルギ源とするエンジン等の他の形式の内燃機関について適用することも可能であって、いずれも本発明の範疇に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態における処理例を示すフロー図である。
【図３】第２実施形態における処理例を示すフロー図である。
【図４】第１・第２実施形態の変形例における水噴射量マップの設定を示すグラフである。
【図５】第１・第２実施形態の変形例における遅角量マップの設定を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
７      吸気弁
８      排気弁
１１    燃焼室
１２    燃料噴射弁
１４    排気マニホールド
１５    排気管
１６    ターボチャージャ
２０    水インジェクタ
２１    水タンク
２２    水ポンプ
３０    ＥＣＵ
【図１】
2008008223.tif 000003
【図２】
2008008223.tif 000004
【図３】
2008008223.tif 000005
【図４】
2008008223.tif 000006
【図５】
2008008223.tif 000007