(57)【要約】【課題】吸気通路が互いに独立している２つの気筒群（第１気筒群と第２気筒群）を有し、一方の第１気筒群の吸気通路にのみ、第１気筒群からの排気ガスによって駆動される過給機が配置されている内燃機関において、過給器を備えない第２気筒群においても、過給機を備える第１気筒群における強リーン燃焼と同等の低ＮＯｘ燃焼を実現可能にする。【解決手段】第１気筒群２の排気通路１２における過給機２０の上流側から排気ガスを取り出して第２気筒群３２へ供給する。好ましくは、第１気筒群２の排気通路１２における過給機２０の上流側と第２気筒群３２の各気筒の燃焼室とを連通管６０によって直接連通させるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路が互いに独立している第１気筒群と第２気筒群とを有し、前記第１気筒群の吸気通路には前記第１気筒群からの排気ガスによって駆動される過給機が配置されている内燃機関において、
前記第１気筒群の排気通路における前記過給機の上流側から排気ガスを取り出して前記第２気筒群へ供給する排気ガス供給装置を備えたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記排気ガス供給装置は、前記第１気筒群の排気通路における前記過給機の上流側と前記第２気筒群の各気筒の燃焼室とを直接連通させる連通管を含むことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記排気ガス供給装置は、前記連通管を流れる排気ガスの流量を調整するバルブを含むことを特徴とする請求項２記載の内燃機関。
【請求項４】
前記排気ガス供給装置は、前記連通管を流れる排気ガスの流量又は圧力に応じた信号を出力するセンサを含み、前記センサの信号に基づいて前記バルブを制御することを特徴とする請求項３記載の内燃機関。
【請求項５】
前記排気ガス供給装置は、前記第２気筒群の吸気管圧力又は空気流量が所定値以下のときには、前記バルブを閉弁することを特徴とする請求項３又は４記載の内燃機関。
【請求項６】
前記排気ガス供給装置は、前記第２気筒群の吸気管圧力又は空気流量が所定値以上のときには、前記バルブによる排気ガス流量の調整によって前記第２気筒群のガス燃料比率を制御することを特徴とする請求項３又は４記載の内燃機関。
【請求項７】
前記排気ガス供給装置は、前記第２気筒群の吸気通路に配置されるスロットルを固定した状態で、前記バルブによる排気ガス流量の調整によって前記第２気筒群のガス燃料比率を制御することを特徴とする請求項６記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、特に、吸気通路が互いに独立している２つの気筒群を有し、一方の気筒群の吸気通路にのみ、その気筒群からの排気ガスによって駆動される過給機（ターボチャージャ）が配置されている内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に開示されるように、ターボチャージャ付きの内燃機関において排気通路から吸気通路へ排気ガスの一部を還流するＥＧＲ装置を備えたものが知られている。特許文献１に開示された従来技術では、排気通路からの排気ガスの取り出し口をタービンの上流側と下流側のそれぞれに設け、吸気管圧力を急変させることになる燃料噴射モードの切り替えに同期して、排気ガスの取り出し口を切り替えることが行われている。
【特許文献１】特開２００２−１８８５２２号公報
【特許文献２】特開平５−８６９４９号公報
【特許文献３】特公平７−１２２４０９号公報
【特許文献４】特公平１−２７２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、冷間始動時における排気エミッションの悪化を防止するための方策として、十分な容量を有する通常の触媒とは別に、暖まりやすい小型の触媒（始動時用触媒）を内燃機関の近傍に配置することが知られている。しかし、ターボチャージャ付きの内燃機関の場合には、始動時用触媒はターボチャージャのタービンの下流側に配置されるため、排気ガスの熱がタービンによって奪われてしまい、その分、始動時用触媒が活性化するまでに時間を要してしまう。
【０００４】
そこで、２つの気筒群を有する内燃機関において、各気筒群のそれぞれに独立した吸気通路を備え、片方の気筒群のみターボチャージャ付きとし、もう片方の気筒群は自然吸気とすることが提案されている。この場合、各気筒群の排気通路のそれぞれに始動時用触媒が配置され、三元触媒やＮＯｘ触媒等の通常の触媒は各気筒群の排気通路が合流する合流部よりも下流側に配置される。ターボチャージャ付き気筒群（過給気筒群）の排気通路においては、始動時用触媒はタービンの下流側に配置されるが、自然吸気の気筒群（ＮＡ気筒群）の排気通路においては、始動時用触媒は内燃機関に近接して配置される。したがって、ＮＡ気筒群の始動時用触媒は過給気筒群のそれよりも早期の活性化が可能であり、冷間始動時にはＮＡ気筒群の運転を優先してＮＡ気筒群の始動時用触媒に排気ガスを流すことで、冷間始動時における排気エミッションの悪化を防止することができる。
【０００５】
しかしながら、上記のような過給気筒群とＮＡ気筒群とを有する内燃機関においては、ＮＯｘ低減のためのリーン運転の際に新たな課題が生じる。つまり、過給気筒群では、吸入空気の過給によって極めて高い空燃比でのリーン燃焼（強リーン燃焼）を実現可能であるのに対し、ＮＡ気筒群では、過給気筒群とのトルク差を考慮すると、過給気筒群のような強リーン燃焼を行うことは困難である。燃費を向上させつつ排気エミッションの悪化を防止するためには、過給気筒群において低ＮＯｘ燃焼である強リーン燃焼を行う場合、ＮＡ気筒群でも過給気筒群と同等の低ＮＯｘ燃焼を実現することが求められる。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、吸気通路が互いに独立している２つの気筒群を有し、一方の気筒群の吸気通路にのみ、その気筒群からの排気ガスによって駆動される過給機が配置されている内燃機関において、過給器を備えない気筒群においても、過給機を備える気筒群における強リーン燃焼と同等の低ＮＯｘ燃焼を実現可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、
吸気通路が互いに独立している第１気筒群と第２気筒群とを有し、前記第１気筒群の吸気通路には前記第１気筒群からの排気ガスによって駆動される過給機が配置されている内燃機関において、
前記第１気筒群の排気通路における前記過給機の上流側から排気ガスを取り出して前記第２気筒群へ供給する排気ガス供給装置を備えたことを特徴としている。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記排気ガス供給装置は、前記第１気筒群の排気通路における前記過給機の上流側と前記第２気筒群の各気筒の燃焼室とを直接連通させる連通管を含むことを特徴としている。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明において、
前記排気ガス供給装置は、前記連通管を流れる排気ガスの流量を調整するバルブを含むことを特徴としている。
【００１０】
第４の発明は、第３の発明において、
前記排気ガス供給装置は、前記連通管を流れる排気ガスの流量又は圧力に応じた信号を出力するセンサを含み、前記センサの信号に基づいて前記バルブを制御することを特徴としている。
【００１１】
第５の発明は、第３又は第４の発明において、
前記排気ガス供給装置は、前記第２気筒群の吸気管圧力又は空気流量が所定値以下のときには、前記バルブを閉弁することを特徴としている。
【００１２】
第６の発明は、第３又は第４の発明において、
前記排気ガス供給装置は、前記第２気筒群の吸気管圧力又は空気流量が所定値以上のときには、前記バルブによる排気ガス流量の調整によって前記第２気筒群のガス燃料比率を制御することを特徴としている。
【００１３】
第７の発明は、第６の発明において、
前記排気ガス供給装置は、前記第２気筒群の吸気通路に配置されるスロットルを固定した状態で、前記バルブによる排気ガス流量の調整によって前記第２気筒群のガス燃料比率を制御することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、第１気筒群の過給機上流側の高い背圧を利用した排気ガスの還流によって、自然吸気となる第２気筒群に通常の自然吸気内燃機関で得られる量以上の排気ガス（ＥＧＲガス）を供給することができる。これにより、第２気筒群では、弱リーンながらも高ＥＧＲによって、過給機を備える第１気筒群と同等の筒内ガス量を確保することが可能になり、第１気筒群における強リーン燃焼と同等の低ＮＯｘ燃焼を実現することができる。また、過給機の上流側から排気ガスを取り出すことで、排気ガスによる過給機の汚損を低減できるという効果もある。
【００１５】
第２の発明によれば、第１気筒群の過給機上流側が取り出される高圧力の排気ガスを燃焼室内に直接供給することで、還流された排気ガスが吸気通路を逆流することを容易に防止することができる。
【００１６】
第３の発明によれば、バルブの開度調整によって第２気筒群への排気ガスの供給量を容易に制御することができる。
【００１７】
第４の発明によれば、連通管を流れる排気ガスの流量又は圧力が測定されることで、第２気筒群への排気ガスの供給量を正確に制御することが可能になる。
【００１８】
第５の発明によれば、吸気管圧力又は空気流量が所定値以下となる比較的低負荷運転時には、バルブを閉弁して第２気筒群への排気ガスの供給を停止することで、筒内ガスの比熱比を確保して燃費の悪化を防止することができる。
【００１９】
第６の発明によれば、吸気管圧力又は空気流量が所定値以上となる比較的高負荷運転時には、バルブの操作により第２気筒群のガス燃料比率（筒内ガス量と燃料との比率）を積極的に制御することで、燃焼限界までリーン化することが可能になる。
【００２０】
第７の発明は、スロットルを固定して制御対象を簡素化することで、第２気筒群のガス燃料比率をより正確に制御することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図１乃至図５を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態としての内燃機関（以下、エンジンという）の概略構成図である。本実施形態では、Ｖ型６気筒の火花点火式直噴エンジン（例えば、直噴ガソリンエンジン）に本発明を適用している。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態のエンジンは、それぞれ３つの気筒からなる２つのバンク２，３２を備えている。ここでは、図１において左側のバンク２をＬバンクと呼び、右側のバンク３２をＲバンクと呼ぶ。図では省略しているが、各バンク２，３２の気筒毎に点火プラグが備えられ、また、気筒毎に筒内インジェクタが備えられている。筒内インジェクタには、高圧ポンプで加圧された高圧燃料が供給されている。本実施形態のエンジンは、筒内インジェクタによる圧縮行程噴射によって成層燃焼を実現することができ、これにより理論空燃比よりもリーンな空燃比で運転することができる。
【００２３】
Ｌバンク２とＲバンク３２は、互いに独立した吸気通路４，３４を備えている。Ｌバンク２の吸気通路４には、その上流側からエアクリーナ６、エアフローメータ８、ターボチャージャ（過給機）２０のコンプレッサ２０ａ、インタークーラ２４、そして、スロットルバルブ１０が設けられている。ターボチャージャ２０のタービン２０ｂは、Ｌバンク２の排気通路１２に設けられてＬバンク２からの排気ガスのみによって駆動されるようにっている。つまり、Ｌバンク２は、ターボチャージャ２０で吸入空気を過給するターボ（過給）エンジンとして構成されている。
【００２４】
一方、Ｒバンク３２の吸気通路３４には、その上流側からエアクリーナ３６、エアフローメータ３８、そして、スロットルバルブ４０が設けられている。つまり、Ｒバンク３２は、Ｌバンク２とは異なり、過給器を備えない自然吸気（ＮＡ）エンジンとして構成されている。したがって、本実施形態においては、Ｌバンク２を構成する気筒群が本発明にかかる「第１気筒群」に相当し、Ｒバンク３２を構成する気筒群が本発明にかかる「第２気筒群」に相当している。
【００２５】
各バンク２，３４の排気通路１２，４２には、それぞれ小型の始動時用触媒１４，４４が配置されている。ただし、Ｒバンク３２の排気通路４４においては、始動時用触媒４４はＲバンク３２に近接して配置されるのに対し、Ｌバンク２の排気通路４においては、始動時用触媒１４はタービン２０ｂの下流側に配置される。なお、Ｌバンク２の排気通路４には、タービン２０ｂをバイパスするウエストゲート２２も設けられている。各バンク２，３４の排気通路１２，４２は始動時用触媒１４，４４の下流において集合し、１本の排気通路５０となる。この集合排気通路５０には、十分な容量を有する三元触媒５２とＮＯｘ触媒５４とが設けられている。これら触媒５２，５４は、例えば、車両のフロア下に配置される。
【００２６】
また、本実施形態のエンジンは、Ｌバンク２の排気通路４において、タービン２０ｂの上流から分岐するＥＧＲ管６０を備えている。このＥＧＲ管６０はＲバンク２まで延び、そして、図では省略しているが途中で気筒毎の枝管に分岐し、各枝管が燃焼室に直接接続されている。つまり、ＥＧＲ管６０は、Ｌバンク２の排気通路４におけるタービン２０ｂ上流とＲバンク３２の各燃焼室とを連通させている。ＥＧＲ管６０の各枝管には、それぞれＥＧＲバルブ６４とエアフローメータ６２が配置されている。図では代表して１つの枝管とそこに配置されるＥＧＲバルブ６４及びエアフローメータ６２のみ示している。ＥＧＲバルブ６４は、燃焼室内に供給するＥＧＲガス量を調整するためのバルブであり、そのＥＧＲガス量はエアフローメータ６２によって計測することができる。
【００２７】
図１に示す構成によれば、Ｌバンク２から排出されたタービン２０ｂを通過する前の排気ガスをＥＧＲガスとしてＲバンク３２に導入することができる。このＥＧＲガスは、ターボチャージャ２０による過給空気の燃焼ガスであり、しかも、タービン２０ｂを通過して減圧される前に排気通路１２から取り出されるので極めて高圧になっている。この高圧のＥＧＲガスをＲバンク３２に導入することで、ＮＡエンジンであるＲバンク３２においても、過給エンジンであるＬバンク２と同様、高いガス充填効率を実現することが可能になる。
【００２８】
なお、Ｌバンク２から導入されるＥＧＲガスは、吸気通路３４を通って吸入される空気よりも高圧であるので、通常のＥＧＲのように吸気通路３４に導入しようとすると、ＥＧＲガスが吸気通路３４を大気側に逆流してしまう。しかし、上記の構成によれば、高圧のＥＧＲガスを燃焼室内に直接導入することができ、さらに、Ｒバンク３２の各気筒において、吸気弁及び排気弁がともに閉弁しているときに当該気筒に対応するＥＧＲバルブ６４を開くようにすることで、ＥＧＲガスが燃焼室から吸気通路３４に逆流することは防止される。
【００２９】
本実施形態のエンジンでは、Ｌバンク２からＲバンク３２へのＥＧＲガスの導入をリーン運転時に用いる。過給エンジンであるＬバンク２では、ターボチャージャ２０による過給によって空気の充填効率を高めることができ、それにより、トルクを低下させることなく強リーン燃焼（極めて高い空燃比でのリーン燃焼）を実現することができる。一方、ＮＡエンジンであるＲバンク３２では、吸気通路３４から吸入される空気（新規ガス）のみで高空燃比を実現するためには、燃料噴射量を大幅に減量せざるを得ず、安定した燃焼を維持することが難しい。しかし、前述のように高圧のＥＧＲガスを導入することで、燃料噴射量に対する空気の量は少ないながらも、大量のＥＧＲガスの導入によって、燃料噴射量に対する筒内ガス全体の量は多くすることができる。このように弱リーンながらも高ＥＧＲとすることで、トルク低下を招くことなく高いガス燃料比率による燃焼を実現することができる。
【００３０】
以上のように、本実施形態のエンジンによれば、Ｌバンク２ではターボチャージャ２０による吸入空気の過給により、Ｒバンク３２ではＬバンク２からの高圧ＥＧＲガスの導入により、それぞれ極めて高いガス燃料比率での燃焼を実現することができる。このような高ガス燃料比率による燃焼によれば、燃費を向上させつつＮＯｘの発生量を抑制することができる。また、本実施形態のエンジンによれば、タービン２０ｂの上流側から排気ガスを取り出すことで、タービン２０ｂに流れる排気ガスの量を少なくし、排気ガスによるタービン２０ｂの汚損を低減できるという付随的な効果もある。
【００３１】
次に、本実施形態のエンジンにおいて実施されるリーン運転時の制御について、図２を参照しながら具体的に説明する。図２は、本実施形態においてエンジンの制御装置（図１では省略）により実行されるリーン運転時の制御のルーチンをフローチャートで示したものである。
【００３２】
図２に示すルーチンの最初のステップＳ１００では、エンジン回転数及びトルクから決まるエンジンの運転ポイントがリーン領域にあるか否か判定される。図３は、エンジン回転数及びトルクと運転領域との関係を示すマップである。図３に示すように、エンジンの運転領域は低トルク側から順に、第１リーン領域、第２リーン領域、ストイキ領域に区分されている。第１リーン領域及び第２リーン領域はともにリーン空燃比で運転を行う運転領域であり、ストイキ領域は理論空燃比で運転を行う運転領域である。低トルク側の第１リーン領域は、Ｒバンク３２の吸気管圧力（吸気通路３４におけるスロットル４０の下流の圧力）が負圧となる運転領域であり、高トルク側の第２リーン領域は、Ｒバンク３２の吸気管圧力が大気圧となる運転領域（若しくはＷＯＴ時の運転領域）である。エンジンの運転ポイントが第１リーン領域或いは第２リーン領域にあれば、ステップＳ１００の判定結果はＹｅｓとなって次のステップＳ１０２の処理が実行される。
【００３３】
ステップＳ１０２では、マップから空燃比の指示値（Ａ／Ｆ指示値）が読み出される。そして、Ａ／Ｆ指示値にしたがい各バンク２，３２においてＡ／Ｆ制御が実施される。このＡ／Ｆ制御は、エンジンの運転ポイントが第１リーン領域にあるか、第２リーン領域にあるかで異なった制御となる。図４は、エンジンの運転ポイントが第１リーン領域にある場合のＡ／Ｆ制御を示す図であり、図５は、エンジンの運転ポイントが第２リーン領域にある場合のＡ／Ｆ制御を示す図である。
【００３４】
エンジンの運転ポイントが第１リーン領域にある場合は、図４に示すように、Ｌバンク２、Ｒバンク３２ともにそれぞれのスロットル１０，４０の開度によってＡ／Ｆが制御される。この場合、ＥＧＲバルブ６４は完全に閉じられており、Ｌバンク２からＲバンク３２へのＥＧＲガスの導入は行われない。第１リーン領域は低トルク領域であるので、Ａ／Ｆ指示値の実現に必要な空気量は比較的に少なく、スロットル４０による吸入空気量の制御のみで指示値通りのＡ／Ｆを実現できるからである。また、このように必要の無いときにはＥＧＲガスの導入を停止することで、筒内ガスの比熱比を確保して燃費の悪化を防止することができる。
【００３５】
エンジンの運転ポイントが第２リーン領域にある場合は、図５に示すように、Ｌバンク２に関しては第１リーン領域と同様、スロットル１０の開度によってＡ／Ｆが制御される。一方、Ｒバンク３２に関しては、ＥＧＲバルブ６４の開度によってＧ／Ｆが制御される。Ｇ／Ｆは、新規ガスにＥＧＲガスを加えた筒内ガス全体量と燃料量との比率（ガス燃料比率）である。新規ガス量は、吸気通路３４のエアフローメータ３８によって測定することができ、ＥＧＲガス量は、ＥＧＲ管６０のエアフローメータ６２によって測定することができる。第２リーン領域は高トルク領域であるので、スロットル４０による吸入空気量の制御によって実現可能なＡ／Ｆには限界がある。そこで、Ｒバンク３２に関しては、Ａ／Ｆ指示値の代わりにＧ／Ｆ指示値を設定し、指示値どおりのＧ／Ｆを実現するようにＥＧＲバルブ６４が制御されるのである。その際、スロットル４０は吸入空気量が最大となるように全開に固定される。スロットル４０を固定することで制御対象を簡素化することができ、Ｒバンク３２のＧ／Ｆをより正確に制御することが可能になる。
【００３６】
次のステップＳ１０４では、Ａ／Ｆ制御に続いてリーンリミット制御が実施される。このリーンリミット制御は、指示値通りのＡ／Ｆ或いはＧ／Ｆの実現後においてトルク変動の大きさが燃焼限界に対して余裕が有る場合、燃焼限界に達するまでＡ／Ｆ或いはＧ／Ｆをさらに増大させることで、さらなる低ＮＯｘ化と燃費向上とを狙った制御である。リーンリミット制御は、Ａ／Ｆ制御と同じく、エンジンの運転ポイントが第１リーン領域にあるか、第２リーン領域にあるかで異なった制御となる。
【００３７】
エンジンの運転ポイントが第１リーン領域にある場合は、図４に示すように、Ｌバンク２、Ｒバンク３２ともにそれぞれのスロットル１０，４０の開度が少しずつ増大側に制御されていき、トルク変動の大きさが燃焼限界に達するまで各バンク２，３２のＡ／Ｆは増大される。この場合もＥＧＲバルブ６４は閉じられており、Ｌバンク２からＲバンク３２へのＥＧＲガスの導入は行われない。
【００３８】
エンジンの運転ポイントが第２リーン領域にある場合は、図５に示すように、Ｌバンク２に関しては、スロットル１０の開度が少しずつ増大側に制御されていき、トルク変動の大きさが燃焼限界に達するまでＡ／Ｆが増大される。一方、Ｒバンク３２に関しては、スロットル４０は全開のままでＥＧＲバルブ６４の開度が少しずつ増大側に制御されていき、トルク変動の大きさが燃焼限界に達するまでＧ／Ｆが増大される。
【００３９】
次のステップＳ１０６では、リーンリミット制御が完了したか否か判定される。トルク変動の大きさが燃焼限界に達するまでは、ステップＳ１０４の処理が繰り返し実施される。そして、トルク変動の大きさが燃焼限界に達したとき、リーンリミット制御が完了したと判断され、本ルーチンは終了する。
【００４０】
本実施形態においては、ＥＧＲ装置と上記ルーチンを実行するエンジンの制御装置とにより、本発明にかかる「排気ガス供給装置」が実現されている。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上記実施の形態では、本発明を火花点火式のエンジンに適用しているが、圧縮点火式のエンジン（例えば、ディーゼルエンジン）にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態としての内燃機関の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態において実施されるリーン運転時の制御のルーチンを示すフローチャートである。
【図３】エンジン回転数及びトルクと運転領域との関係を示すマップである。
【図４】エンジンの運転ポイントが図３に示す第１リーン領域にある場合のＡ／Ｆ制御について説明する図である。
【図５】エンジンの運転ポイントが図３に示す第２リーン領域にある場合のＡ／Ｆ制御について説明する図である。
【符号の説明】
【００４３】
２  Ｌバンク（過給バンク）
４  吸気通路
８  エアフローメータ
１０  スロットル
１２  排気通路
１４  始動時用触媒
２０  ターボチャージャ
２０ａ  コンプレッサ
２０ｂ  タービン
３２  Ｒバンク（ＮＡバンク）
３４  吸気通路
３８  エアフローメータ
４０  スロットル
４２  排気通路
４４  始動時用触媒
５０  集合排気通路
５２  三元触媒
５４  ＮＯｘ触媒
６０  ＥＧＲ管
６２  エアフローメータ
６４  ＥＧＲ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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