(57)【要約】【課題】機関始動時の排気エミッションを極めて良好に低減させることができる内燃機関および内燃機関の運転方法の提供を目的とする。【解決手段】内燃機関１は、モータ・ジェネレータＭＧ１およびＭＧ２と組み合わされてハイブリッド動力装置を構成するものであり、各燃焼室２内で燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する。内燃機関１は、各燃焼室２からの排気ガスを流通させる排気マニホールド５と、排気マニホールド５に二次空気を供給するための電動エアポンプＡＰとを備えており、電動エアポンプＡＰは、機関始動に先立って起動される。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内で燃焼成分を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、
前記燃焼室からの排気ガスを流通させる排気系統と、
前記排気系統に二次空気を供給するための二次空気供給手段とを備え、当該二次空気供給手段が機関始動に先立って起動されることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記二次空気供給手段は、電動ポンプであると共に、この電動ポンプを駆動するためのバッテリを更に備え、前記二次空気供給手段の起動から前記機関始動までの時間が前記バッテリの出力電圧に応じて決定されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記二次空気供給手段による二次空気の供給量が所定値以上になると前記機関始動がなされることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項４】
電動機と組み合わされてハイブリッド動力装置を構成することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関。
【請求項５】
燃焼室内で燃焼成分を燃焼させて動力を発生可能であると共に、前記燃焼室からの排気ガスを流通させる排気系統に二次空気を供給することができる内燃機関の運転方法において、
機関始動に先立って、前記排気系統に二次空気を供給することを特徴とする内燃機関の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関および内燃機関の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、内燃機関の排気ガスは、ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等の有害物質を除去すべく三元触媒等の触媒を用いて浄化処理される。この種の触媒は、その温度が活性温度以上となっている場合に本来の浄化性能を発揮するものであり、いわゆる冷間始動時等、触媒が十分に暖機されていない場合、内燃機関の燃焼室から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ等を良好に浄化できないことがある。このため、従来から、排気系統や触媒における排気ガス中の未燃ＨＣ等の燃焼を促進させる技術として、機関始動後に、電動ポンプ等を用いて排気系統に、いわゆる二次空気を供給する手法が知られている（例えば、特許文献１および２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−７４０２８号公報
【特許文献２】
特開平７−１１９４８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、未燃ＨＣ等は、機関始動直後の極く短時間のうちに最も多く排出されるものであることから、従来の内燃機関のように、機関始動後に二次空気を排気系統に供給したとしても、排気系統や触媒における排気ガス中の未燃ＨＣ等の燃焼を十分に促進させることが困難となっている。この点で、従来の内燃機関では、近年の排気ガス規制の強化に伴って、ますます重要となっている機関始動時における排気エミッションの低減化を十分に達成できてはいない。
【０００５】
そこで、本発明は、機関始動時の排気エミッションを極めて良好に低減させることができる内燃機関および内燃機関の運転方法の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による内燃機関は、燃焼室内で燃焼成分を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、燃焼室からの排気ガスを流通させる排気系統と、排気系統に二次空気を供給するための二次空気供給手段とを備え、当該二次空気供給手段が機関始動に先立って起動されることを特徴とする。
【０００７】
この内燃機関では、イグニッションスイッチがオンされると、機関始動（スタータ始動）に先立って、排気系統に二次空気を供給するための二次空気供給手段が起動される。これにより、内燃機関の燃焼室から未燃ＨＣ等を含む排気ガスが排気系統へと流出する前に、排気系統に十分な量の二次空気を供給しておくことが可能となる。この結果、本発明によれば、機関始動直後の極く短時間のうちに最も多く排出される未燃ＨＣ等の排気系統や触媒における燃焼を良好に促進させることが可能となるので、機関始動時の排気エミッションを極めて効果的に低減させることができる。
【０００８】
この場合、二次空気供給手段は、電動ポンプであると共に、この電動ポンプを駆動するためのバッテリを更に備え、二次空気供給手段の起動から機関始動までの時間がバッテリの出力電圧に応じて決定されると好ましい。
【０００９】
また、二次空気供給手段による二次空気の供給量が所定値以上になると機関始動がなされてもよい。
【００１０】
更に、本発明の内燃機関は、電動機と組み合わされてハイブリッド動力装置を構成すると好ましい。すなわち、内燃機関と電動機とを組み合わせたハイブリッド動力装置では、ハイブリッド動力装置全体の始動と、それを構成する内燃機関の始動とは同時に行なわれなくてもよい。従って、かかる構成によれば、排気系統に十分な量の二次空気が供給されるようになった段階で内燃機関を始動させることが可能となるので、ハイブリッド動力装置を構成する内燃機関の始動時の排気エミッションを極めて良好に低減させることができる。
【００１１】
本発明による内燃機関の運転方法は、燃焼室内で燃焼成分を燃焼させて動力を発生可能であると共に、燃焼室からの排気ガスを流通させる排気系統に二次空気を供給することができる内燃機関の運転方法において、機関始動に先立って、排気系統に二次空気を供給することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による内燃機関および内燃機関の運転方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明による内燃機関を備えた車両を示す概略構成図である。同図に示される車両Ｃは、いわゆるハイブリッド車両として構成されており、内燃機関１に加えて、モータ・ジェネレータＭＧ１およびＭＧ２を有する。そして、車両Ｃでは、内燃機関１およびモータ・ジェネレータＭＧ２が主に走行用駆動源として用いられる一方、モータ・ジェネレータＭＧ１が内燃機関１により駆動され、主に発電機として機能する。
【００１４】
ここでは、まず、車両Ｃに含まれる内燃機関１について説明する。この内燃機関１は、燃焼室２における燃料と空気との混合気の燃焼によってピストン３を往復移動させることにより、クランクシャフトＳを回転させて動力を発生するものである。なお、図１には１気筒のみが示されるが、内燃機関１は多気筒エンジンとして構成されると好ましく、本実施形態の内燃機関１は、例えば４気筒エンジンとして構成される。
【００１５】
各燃焼室２の吸気ポートは、吸気マニホールド４を構成する吸気管４ａにそれぞれ接続され、各燃焼室２の排気ポートは、排気マニホールド５を構成する排気管５ａにそれぞれ接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが各燃焼室２ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構６によって開閉させられる。更に、内燃機関１のシリンダヘッドには、複数の点火プラグ７が各燃焼室２内に臨むように配設されている。各点火プラグ７は、イグナイタ８からディストリビュータ９を介して印加された高電圧によって電気火花を形成し、混合気を点火させる。
【００１６】
吸気マニホールド４（各吸気管４ａ）は、図１に示されるように、サージタンク１０を介して給気ライン１１に接続されており、給気ライン１１の中途には、スロットルバルブ１２が組み込まれている。本実施形態では、スロットルバルブ１２として、アクチュエータ（スロットルモータ）１３およびスロットル開度センサ１４を含む電子制御スロットルが採用されている。また、各吸気管４ａには、図示されない燃料ポンプを介して燃料タンクに接続された燃料噴射弁１５が設置されている。各燃料噴射弁１５は、ガソリン等の燃料を対応する吸気管４ａの内部に噴射可能であり、各燃料噴射弁１５により噴射された燃料は、サージタンク１０からの空気と混ざり合って混合気として各燃焼室２に吸入される。
【００１７】
一方、排気マニホールド５は、図１に示されるように、触媒装置（三元触媒）１６に接続されている。触媒装置１６としては、任意のものを採用可能であり、通電加熱式の触媒装置が排気マニホールド５に接続されてもよい。また、排気マニホールド５には、各排気管５ａの合流部よりも下流側の部位であって、かつ、触媒装置１６よりも上流側の部位に、二次空気供給管１７が接続されている。二次空気供給管１７は、電動エアポンプ（エアインジェクタ）ＡＰの吐出口に接続されており、これにより、内燃機関１では、排気マニホールド５（排気系統）に、いわゆる二次空気を供給することができる。また、二次空気供給管１７には、図１に示されるように、圧力センサ２３と、逆止弁２８とが設けられている。逆止弁２８は、圧力センサ２３と、排気マニホールド５と二次空気供給管１７との合流部との間に配置され、排気マニホールド５から二次空気供給管１７へと排気が逆流することを防止する。なお、逆止弁２８の代わりに、二次空気供給管１７に制御弁が備えられてもよい。
【００１８】
電動エアポンプＡＰは、吐出口および吸込口を含むケーシング、インペラ、インペラを回転駆動する電気モータ（ＤＣモータ）等を有する（何れも図示省略）。電動エアポンプＡＰは、図１に示されるように、補機用バッテリ１８に接続されている。また、電動エアポンプＡＰのプラス端子と補機用バッテリ１８のプラス端子との間には、電動エアポンプＡＰに対する通電を制御するためのリレー１９が介設されている。リレー１９が「オン」されると、補機用バッテリ１８から電動エアポンプＡＰに電力が供給される。そして、電動エアポンプＡＰに補機用バッテリ１８から電力が供給されると、インペラが回転駆動され、フィルタＦを介して吸い込まれた外気が吐出口から吐出される。
【００１９】
図１に示されるように、内燃機関１は、制御手段として機能するエンジン用電子制御ユニット（以下「エンジンＥＣＵ」という）２０を含み、このエンジンＥＣＵ２０には、上述の動弁機構６、イグナイタ８、スロットルバルブ１２（アクチュエータ１３）、各燃料噴射弁１５等が接続されている。エンジンＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。更に、エンジンＥＣＵ２０には、内燃機関１の運転状態を検出する各種センサ等が接続されている。エンジンＥＣＵ２０に接続されるセンサ等には、スロットル開度センサ１４、エンジン負荷を検出する吸気管負圧センサ２１、エンジン水温を検出する水温センサ２２、ディストリビュータ９に備えられている回転数センサ９ａおよび回転角度センサ９ｂ等が含まれる。
【００２０】
また、エンジンＥＣＵ２０には、電動エアポンプＡＰに対する通電を制御するためのリレー１９および二次空気供給管１７の内部圧力を検出する圧力センサ２３が接続されている。そして、リレー１９のオンオフ制御は、エンジンＥＣＵ２０により実行される。更に、エンジンＥＣＵ２０には、内燃機関１を始動させるためのセルモータ（スタータモータ）２４が接続されており、セルモータ２４の制御もエンジンＥＣＵ２０により実行される。
【００２１】
さて、上述の内燃機関１のクランクシャフトＳは、図１に示されるように、ねじり振動を減衰するダンパ２５と、遊星歯車機構３０とを介してモータ・ジェネレータＭＧ１およびＭＧ２と結合されている。そして、これらの内燃機関１、遊星歯車機構３０、モータ・ジェネレータＭＧ１およびＭＧ２は、ハイブリッド動力装置を構成する。遊星歯車機構３０は、中心に位置するサンギヤ３１と、サンギヤ３１の外側に同心円状に設けられたリングギヤ３２と、サンギヤ３１およびリングギヤ３２の双方と噛み合ってサンギヤ３１の外周を自転しながら公転する複数のプラネタリピニオンギヤ３３と、各プラネタリピニオンギヤ３３の軸を回転自在に支持するプラネタリキャリア３４とを含む。
【００２２】
サンギヤ３１は、中空のサンギヤ軸Ｓ１を介してモータ・ジェネレータＭＧ１に連結されており、リングギヤ３２は、リングギヤ軸Ｓ２を介してモータ・ジェネレータＭＧ２に連結されている。また、プラネタリキャリア３４には、伝達シャフトＳ３が固定されている。伝達シャフトＳ３は、サンギヤ軸Ｓ１の内部に挿通されると共に、ダンパ２５を介して内燃機関１のクランクシャフトＳと連結されている。更に、リングギヤ３２は、チェーンベルト３５および動力伝達ギヤ２６を介して、ディファレンシャルギヤ２７に連結されている。
【００２３】
このように構成される遊星歯車機構３０は、動力の入出力軸としてクランクシャフトＳ（伝達シャフトＳ３）、サンギヤ軸Ｓ１およびリングギヤ軸Ｓ２という３本の軸を有し、これら３軸のうちの何れか２軸に入出力される動力が定まると、残りの軸に入出力される動力が他の２軸に入出力される動力に基づいて定まる。そして、遊星歯車機構３０は、モータ・ジェネレータＭＧ２の出力をチェーンベルト３５、動力伝達ギヤ２６、ディファレンシャルギヤ２７等を介して駆動輪Ｗに伝達する役割と、内燃機関１の出力をモータ・ジェネレータＭＧ１と駆動輪Ｗとに振り分ける動力分割機構としての役割と、モータ・ジェネレータＭＧ２や内燃機関１の回転速度を減速あるいは増速して駆動輪Ｗに伝達する変速機としての役割とを果たす。
【００２４】
モータ・ジェネレータＭＧ１およびＭＧ２は、電動機および発電機の双方として作動可能な交流同期電動機として構成されており、外周面に複数の永久磁石４１を有するロータ４２と、回転磁界を形成する三相コイル４４が巻回されたステータ４５とをそれぞれ含む。モータ・ジェネレータＭＧ１のロータ４２は、遊星歯車機構３０のサンギヤ軸Ｓ１に固定されており、モータ・ジェネレータＭＧ２のロータ４２は、遊星歯車機構３０のリングギヤ軸Ｓ２に固定されている。一方、モータ・ジェネレータＭＧ１およびＭＧ２のステータ４５は、モータ・ジェネレータＭＧ１およびＭＧ２ならびに遊星歯車機構３０により共用されるケーシング４０の内周面にそれぞれ固定されている。更に、サンギヤ軸Ｓ１には、モータ・ジェネレータＭＧ１のロータ４２の回転角度を検出するレゾルバＲ１が設けられており、リングギヤ軸Ｓ２には、モータ・ジェネレータＭＧ２のロータ４２の回転角度を検出するレゾルバＲ２が設けられている。
【００２５】
モータ・ジェネレータＭＧ１は、インバータ５１を介してモータ用電子制御ユニット（以下「モータＥＣＵ」という）５０に接続されており、モータ・ジェネレータＭＧ２は、インバータ５２を介してモータＥＣＵ５０に接続されている。モータＥＣＵ５０は、図示されないＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を有し、インバータ５１および５２を制御することによって、走行用バッテリ５５から各モータ・ジェネレータＭＧ１および／またはＭＧ２の三相コイル４４に所定周波数で適切な電流値をもった交流電流を供給して、モータ・ジェネレータＭＧ１およびＭＧ２の動作を制御する。なお、車両Ｃでは、内燃機関１を始動させるためのセルモータ２４に対して、走行用バッテリ５５から電力が供給される。
【００２６】
そして、車両Ｃは、その全体の制御手段として機能するハイブリッドＥＣＵ１００を備えている。ハイブリッドＥＣＵ１００も、図示されないＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を有し、その入出力ポートには、アクセルポジションセンサ５６、ブレーキポジションセンサ５７、シフトポジションセンサ５８、更には、イグニッションスイッチ５９等が接続されている。ハイブリッドＥＣＵ１００は、上述のエンジンＥＣＵ２０およびモータＥＣＵ５０との間で各種情報の受け渡しを行ないながら、車両Ｃの全体を制御する。
【００２７】
次に、図２を参照しながら、上述の車両Ｃ（ハイブリッド動力装置）の始動手順について説明する。
【００２８】
図２における時刻ｔ０において、車両Ｃを始動させるべく、ユーザによってイグニッションスイッチ５９がオンされると、その旨を示す信号がイグニッションスイッチ５９からハイブリッドＥＣＵ１００に伝えられる。ハイブリッドＥＣＵ１００は、イグニッションスイッチ５９からの信号を受け取ると、モータＥＣＵ５０に所定の指令信号を与えると共に、エンジンＥＣＵ２０に、イグニッションスイッチ５９がオンされた旨を瞬時に伝える。そして、モータＥＣＵ５０は、走行用バッテリ５５からインバータ５１を介して交流電力がモータ・ジェネレータＭＧ２に供給されるようにして、当該モータ・ジェネレータＭＧ２を電動機として始動させる一方、エンジンＥＣＵ２０は、リレー１９をオンする。
【００２９】
この結果、車両Ｃでは、イグニッションスイッチ５９がオンされると、モータ・ジェネレータＭＧ２が走行用駆動源として始動されると共に、補機用バッテリ１８から二次空気供給手段としての電動エアポンプＡＰに電力が供給され、電動エアポンプＡＰが起動されることになる。すなわち、内燃機関１においては、イグニッションスイッチ５９がオンされると、セルモータ２４の始動（機関始動）に先立って、排気マニホールド５内（触媒装置１６の前段）に二次空気を供給するための電動エアポンプＡＰが起動される。
【００３０】
電動エアポンプＡＰの起動後、エンジンＥＣＵ２０は、二次空気供給管１７に設けられている圧力センサ２３の検出値をモニタする。そして、エンジンＥＣＵ２０は、圧力センサ２３によって検出される二次空気供給管１７の内部圧力が所定の値を上回ると（図２における時刻ｔ１）、電動エアポンプＡＰによる二次空気の供給量（単位時間あたりの吐出空気量）が予め定められた目標値に達したと判断し、走行用バッテリ５５からセルモータ２４に電力が供給されるようにして内燃機関１を始動させる。これにより、車両Ｃでは、内燃機関１の各燃焼室２から未燃ＨＣやＣＯ等を含む排気ガスが排気マニホールド５へと流出する前に、排気マニホールド５の内部に十分な量の二次空気（酸素）を供給しておくことが可能となる。
【００３１】
図２における時刻ｔ１以降、エンジンＥＣＵ２０は、予め定められているマップに基づいて、スロットルバルブ１２および各燃料噴射弁１５を操作し、内燃機関１を理想空燃比よりも燃料過剰な状態（リッチ状態）で稼動させる。これにより、各燃焼室２から排出される高温の排気ガスに対して電動エアポンプＡＰによって昇圧させられた空気（二次空気）が吹き込まれることにより、排気ガス中の未燃ＨＣおよびＣＯが排気マニホールド５内または触媒装置１６において、次の（１）式および（２）式のように反応する。
ＨＣ＋Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２  …（１）
ＣＯ＋Ｏ２  →  ＣＯ２          …（２）
【００３２】
この結果、本発明によれば、機関始動直後の極く短時間のうちに最も多く排出される未燃ＨＣ等の排気マニホールド５や触媒装置１６における燃焼を良好に促進させることが可能となるので、機関始動時の排気エミッションを極めて効果的に低減させることができる。なお、エンジンＥＣＵ２０は、内燃機関１の始動後、触媒装置１６が十分に暖機された時点（図２における時刻ｔ２）で、リレー１９をオフし、電動エアポンプＡＰを停止させる。
【００３３】
上述のように、内燃機関１とモータ・ジェネレータＭＧ１およびＭＧ２とを組み合わせたハイブリッド動力装置を備える車両Ｃでは、ハイブリッド動力装置全体の始動と、それを構成する内燃機関１の始動とは同時に行なわれなくてもよいことから、排気マニホールド５に十分な量の二次空気が供給されるようになった段階で内燃機関１を始動させることが可能である。この点から、本発明は、上述のようなハイブリッド動力装置およびそれを備えた車両Ｃに適用されると有利であるが、これに限られるものではない。すなわち、本発明は、単独の内燃機関およびそれを備えた車両に適用されてもよい。このような場合、電動エアポンプＡＰおよびセルモータ２４の双方は補機用バッテリ１８によって駆動されることになるので、補機用バッテリ１８として十分な容量を有するものを用いると好ましい。
【００３４】
また、上述の車両Ｃでは、二次空気供給管１７の内部圧力に基づいて電動エアポンプＡＰによる二次空気の供給量（吐出空気量）を推定することにより、内燃機関１の始動タイミングが決定されているが、これに限られるものではない。すなわち、二次空気供給管１７に流量計を設けて、二次空気の供給量（吐出空気量）を直接計測してもよい。また、電動エアポンプＡＰによる二次空気の供給量（吐出空気量）は、電動エアポンプＡＰに印加される補機用バッテリ１８の出力電圧にほぼ比例して増加するので、電動エアポンプＡＰを起動させてから、電動エアポンプＡＰによる二次空気の供給量（吐出空気量）が目標値に達したものとして内燃機関１を始動させる（セルモータ２４を作動させる）までの時間（ｔ１−ｔ０）は、補機用バッテリ１８の出力電圧に応じて決定されてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明によれば、機関始動時の排気エミッションを極めて良好に低減させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内燃機関を備えた車両を示す概略構成図である。
【図２】図１の車両の始動手順を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
１  内燃機関
２  燃焼室
５  排気マニホールド
１７  二次空気供給管
１８  補機用バッテリ
１９  リレー
２０  エンジンＥＣＵ
２３  圧力センサ
２４  セルモータ
３０  遊星歯車機構
５９  イグニッションスイッチ
ＡＰ  電動エアポンプ
Ｃ  車両
ＭＧ１，ＭＧ２  モータ・ジェネレータ
【図１】
2004308571.tif 000003
【図２】
2004308571.tif 000004