(57)【要約】【課題】比較的簡易な構成で吸気充填率および排気還流率を改善可能な排気還流システムを備えた内燃機関を提供する。【解決手段】ＥＧＲ通路４６と、排気側ＥＧＲ弁５０および吸気側ＥＧＲ弁９６と、ＥＧＲ弁の開度を制御するＥＣＵ６０とを有し、吸気系とＥＧＲ通路との吸気合流部から吸気弁までの吸気通路長さと吸気合流部から排気側ＥＧＲ弁までのＥＧＲ通路長さとが、排気側ＥＧＲ弁を全閉した際に気柱共鳴が得られるように設定され、所定のエンジン回転数域における部分負荷運転時には、排気ガスが前記吸気系へ還流されるように排気側ＥＧＲ弁および吸気側ＥＧＲ弁の開度を制御し、部分負荷運転から加速して非ＥＧＲ運転へ移行する際に、吸気側ＥＧＲ弁を一時的に閉弁するとともに排気側ＥＧＲ弁を全閉し、当該排気側ＥＧＲ弁の全閉の直後に吸気側ＥＧＲ弁を全開する。【選択図】図１
2012251463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が排気系に接続され他端が吸気系に接続されたＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路の排気系側および吸気系側にそれぞれ設けられた排気側ＥＧＲ弁および吸気側ＥＧＲ弁と、前記排気側ＥＧＲ弁および吸気側ＥＧＲ弁の開度を制御する制御手段と、を有し、前記吸気系と前記ＥＧＲ通路との吸気合流部から吸気弁までの吸気通路長さと前記吸気合流部から前記排気側ＥＧＲ弁までのＥＧＲ通路長さとが、前記排気側ＥＧＲ弁を全閉した際に気柱共鳴が得られるように設定された内燃機関であって、
前記制御手段は、負荷の増加に応じて、排気ガスが前記吸気系へ還流されるように前記排気側ＥＧＲ弁および吸気側ＥＧＲ弁の開度を制御するＥＧＲ運転から、排気ガスを前記吸気系へ還流させない非ＥＧＲ運転へ移行する際に、前記吸気側ＥＧＲ弁を一時的に全閉又は全閉近くまで閉弁するとともに前記排気側ＥＧＲ弁を全閉し、当該排気側ＥＧＲ弁の全閉の直後に前記吸気側ＥＧＲ弁を全開する、ことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記吸気系と前記ＥＧＲ通路との吸気合流部から吸気弁までの吸気通路長さと前記吸気合流部から前記排気側ＥＧＲ弁までのＥＧＲ通路長さとが、略等しく設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記排気系からの排気エネルギーにより過給する可変ノズル付き過給機をさらに有し、
前記制御手段は、前記ＥＧＲ運転から非ＥＧＲ運転へ切り替える際に、前記可変ノズル付き過給機のノズルを閉じる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気通路を流れる排気の一部を吸気通路に導く排気還流システムを備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気還流（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）システムとして、ＥＧＲ通路を介して排気系から吸気系へ排気の一部を還流させるものが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１は、各吸気マニホールドの集合部と吸気管の分岐部との間に設置され吸気共鳴管、この吸気共鳴管の下流端部と排気マニホールドの集合部との間を接続するＥＧＲ通路、および、このＥＧＲ通路に設けられた逆止弁を備え、吸気脈動の振幅および位相を制御して逆止弁前後の差圧を瞬間的に拡大し、吸気充填率および排気還流率（ＥＧＲ率）を改善する技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２６３０１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、吸気共鳴管が必要であるため、吸気系が長くなり、配管レイアウトが複雑になりやすい。また、過給機付きの内燃機関においては、低負荷側のＥＧＲ領域から加速して低回転高負荷の非ＥＧＲ領域に移行する際に、特に、吸気充填率が低いため過給応答性が低いという問題もある。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、比較的簡易な構成で吸気充填率および排気還流率（ＥＧＲ率）を改善可能な排気還流システムを備えた内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、一端が排気系に接続され他端が吸気系に接続されたＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路の排気系側および吸気系側にそれぞれ設けられた排気側ＥＧＲ弁および吸気側ＥＧＲ弁と、前記排気側ＥＧＲ弁および吸気側ＥＧＲ弁の開度を制御する制御手段と、を有し、前記吸気系と前記ＥＧＲ通路との吸気合流部から吸気弁までの吸気通路長さと前記吸気合流部から前記排気側ＥＧＲ弁までのＥＧＲ通路長さとが、前記排気側ＥＧＲ弁を全閉した際に気柱共鳴が得られるように設定された内燃機関であって、前記制御手段は、負荷の増加に応じて、排気ガスが前記吸気系へ還流されるように前記排気側ＥＧＲ弁および吸気側ＥＧＲ弁の開度を制御するＥＧＲ運転から、排気ガスを前記吸気系へ還流させない非ＥＧＲ運転へ移行する際に、前記吸気側ＥＧＲ弁を一時的に全閉又は全閉近くまで閉弁するとともに前記排気側ＥＧＲ弁を全閉し、当該排気側ＥＧＲ弁の全閉の直後に前記吸気側ＥＧＲ弁を全開する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ＥＧＲ通路を利用して共鳴過給が可能なので、比較的簡易な構成で吸気充填率および排気還流率を改善可能である。また、ＥＧＲ運転から共鳴過給に移行する際に、吸気側ＥＧＲ弁を一時的に全閉又は全閉近くまで閉弁することで、ＥＧＲ通路内の脈動を抑制して排気側ＥＧＲ弁の前後に大きな差圧が発生するのを防ぐことができるので、排気側ＥＧＲ弁の作動を安定化できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関システムの概略図である。
【図２】ＥＧＲ通路に発生する気柱共鳴の振動モードを説明するための図である。
【図３】ＥＧＲ運転から非ＥＧＲ運転へ移行する際の制御フローの一例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態に係る、ＥＧＲ運転から非ＥＧＲ運転へ移行するためのＥＧＲ弁の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】ＥＧＲ運転から非ＥＧＲ運転へ移行するためのＥＧＲ弁の動作の他の例を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１１】
本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る車両の内燃機関システムの概念図である。内燃機関１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１２から燃焼室内に直接噴射することにより自然着火させる内燃機関（ディーゼル機関）である。
【００１２】
気筒１４の燃焼室に臨むと共に吸気通路１６の一部を区画形成する吸気ポートは、シリンダヘッドに形成されていて、吸気弁（不図示）によって開閉される。シリンダヘッドには、吸気通路１６の一部を区画形成する吸気マニホールド１８が接続され、さらにその上流側には同じく吸気通路１６の一部を区画形成する吸気管２０が接続されている。吸気管２０の上流端側には、吸気通路１６に導かれる空気中の塵埃などを除去するべくエアクリーナ２２が設けられている。また、スロットルアクチュエータ２４によって開度が調整されるスロットル弁２６が、吸気通路１６の途中に設けられている。
【００１３】
気筒１４の燃焼室に臨むと共に排気通路２８の一部を区画形成する排気ポートは、シリンダヘッドに形成されていて、排気弁（不図示）によって開閉される。シリンダヘッドには、排気通路２８の一部を区画形成する排気マニホールド３０が接続され、さらにその下流側には同じく排気通路２８の一部を区画形成する排気管３２が接続されている。そして、排気浄化装置３４が排気通路２８の途中に設けられている。排気浄化装置３４内には、ここでは、上流側から順に、酸化触媒、ＤＰＦが設置されているが、他の触媒やフィルタが備えられることができる。
【００１４】
吸気弁および上記排気弁の動作は動弁機構によって制御される。動弁機構は、吸気弁および排気弁を、コンロッドを介してピストンが連結されているクランクシャフトの回転に同期して、個別に任意の開度およびタイミングで制御することが可能な機構である。具体的には、動弁機構は、吸気弁と排気弁とにそれぞれ個別に設けられたソレノイドを含んでいる。動弁機構は、吸気弁と排気弁とが同時に開くバルブオーバーラップを実現可能であり、そのオーバーラップ量を変えることができる。なお、バルブタイミングを可変とする動弁機構は吸気弁および排気弁の少なくとも一方に対してのみ設けられてもよい。また、このような構成に代えて、動弁機構として、他の種々の機構を採用することが可能である。
【００１５】
排気により回転駆動されるタービンホイールを含むタービン３６が排気通路２８の途中に設けられている。タービン３６は、排気浄化装置３４よりも上流側に配置されている。これに対応して、タービンホイールに同軸で連結され、タービンホイールの回転力で回転するようにしたコンプレッサホイールを含むコンプレッサ３８が吸気通路１６の途中に設けられている。すなわち、内燃機関１０には、排気エネルギーを取り出すタービン３６と、タービン３６により取り出された排気エネルギーによって内燃機関１０に過給するコンプレッサ３８とを有するターボチャージャ４０が設けられている。ターボチャージャ４０は、可変ノズル付きターボチャージャである。コンプレッサ３８により圧縮された空気を冷却すべく、インタークーラ４２がコンプレッサ３８よりも下流側に設けられている。
【００１６】
内燃機関１０には、排気通路２８を流れる排気の一部を吸気通路１６に導く排気ガス還流（ＥＧＲ）システム４４が設けられている。ＥＧＲシステム４４は、一端が排気通路２８に接続され他端が吸気通路１６に接続されたＥＧＲ通路４６、ＥＧＲ通路４６の排気通路２８側に設けられた排気側ＥＧＲ弁５０、および、ＥＧＲ通路４６の吸気通路１６側に設けられた吸気側ＥＧＲ弁５４を有する。ＥＧＲ通路４６の上流側の一端は排気マニホールド３０に接続され、下流側の他端は各気筒１４にそれぞれ連通する吸気枝通路の集合部よりも上流側の吸気通路１６の部分に接続されている。なお、ＥＧＲ通路４６の下流端は複数の吸気枝通路の集合部に接続されていてもよく、該集合部はサージタンクとして構成され得る。排気側ＥＧＲ弁５０は、排気通路２８の近傍に配置され、アクチュエータ５２により開閉される。吸気側ＥＧＲ弁５４は、吸気通路１６の近傍に配置され、アクチュエータ５６により開閉される。排気側ＥＧＲ弁５０および吸気側ＥＧＲ弁５４の開度は、ＥＣＵ６０によりコントロールされる。排気側ＥＧＲ弁５０および吸気側ＥＧＲ弁５４には、例えば、ポペット式弁が用いられる。
【００１７】
上記したＥＧＲ通路４６と吸気通路１６とは、吸気通路１６とＥＧＲ通路４６との吸気合流部Ｃから吸気弁までの吸気通路長さＬａと吸気合流部Ｃから排気側ＥＧＲ弁５０までのＥＧＲ通路長さＬｂとが、排気側ＥＧＲ弁５０を全閉した際に気柱共鳴が得られるように設定されている。具体的には、吸気通路長さＬａとＥＧＲ通路長さＬｂとが略等しく、かつ、吸気通路長さＬａおよびＥＧＲ通路長さＬｂが低速域のエンジン回転数で共鳴効果が得られるように設定されている。なお、低速域のエンジン回転数は、例えば、例えば、１０００ｒｐｍ〜２０００ｒｐｍの回転速度域であるが、これらの回転速度域に限定されず、適宜設定できる。このような構成により、気中振動が発生した際には、図２に示すように、吸気合流部Ｃの付近に気柱振動Ｗの節Ｗｃが形成され、気筒１４および排気側ＥＧＲ弁５０付近で気柱振動Ｗの腹が形成される。
【００１８】
内燃機関１０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）６０に、各種値を検出（推定を含む）するための信号を電気的に出力する各種センサ類を備えている。吸入空気量を検出するためのエアフローメーター６２が吸気通路１６に備えられている。また、エアフローメーター６２近傍に吸入空気の温度を検出するための吸気温度センサ６４が、そしてインタークーラ４２下流側にも温度を検出するための吸気温度センサ６６が備えられている。また、過給圧を検出するための圧力センサ６８が吸気通路１６の途中に設けられている。ドライバーによって操作されるアクセルペダルの踏み込み量に対応する位置、すなわちアクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ７０が備えられている。スロットル弁２６の開度を検出するためのスロットルポジションセンサ７２も備えられている。ピストンが往復動する、シリンダブロックには、クランクシャフトのクランク回転信号を検出するためのクランクポジションセンサ７４が取り付けられている。ここでは、このクランクポジションセンサ７４はエンジン回転数（エンジン回転速度）を検出するためのエンジン回転速度センサとしても利用される。
【００１９】
ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、入力インタフェース、出力インタフェース等のハードウエアと所用のソフトウエアにより構成されている。入力インタフェースには、各種センサ類が電気的に接続されている。これら各種センサ類からの出力信号（検出信号）に基づき、予め設定されたプログラムにしたがって円滑な内燃機関１０の運転がなされるように、ＥＣＵ６０は出力インタフェースから電気的に作動信号（駆動信号）を出力する。これにより、燃料噴射弁１２の作動、スロットル弁２６、排気側ＥＧＲ弁５０および吸気側ＥＧＲ弁５４の各開度、動弁機構の動作などが制御される。ＥＣＵ６０は、スロットル弁２６、排気側ＥＧＲ弁５０および吸気側ＥＧＲ弁５４の各開度を制御するため、各アクチュエータ２４、５２、５６に作動信号を出力する。具体的には、内燃機関１０では、エアフローメーター６２からの出力信号に基づいて求められる吸入空気量、クランクポジションセンサ７４からの出力信号に基づいて求められるエンジン回転速度など、すなわちエンジン負荷およびエンジン回転速度で表される運転状態に基づいて燃料噴射量（燃料量）、燃料噴射時期が設定される。そして、それら燃料噴射量、燃料噴射時期に基づいて、燃料噴射弁１２からの燃料の噴射が行われる。そして、概してＥＧＲ通路４６を流通する排気（ＥＧＲガス）の流量が多い程燃焼室での燃焼が生じ難いので、内燃機関１０では、ＥＧＲ通路４６を流通する排気の量が多いとき程、燃料噴射時期を早める（進角する）ように燃料噴射制御が実行される。
【００２０】
また、上記各種センサ類からの出力信号に基づいて定まる内燃機関１０の運転状態に基づいて、排気側ＥＧＲ弁５０および吸気側ＥＧＲ弁５４の開度は制御される。例えば、エンジン回転数が低回転数又は中回転数域において部分負荷の状態では、排気ガスを還流させるＥＧＲ運転が行われ、排気側ＥＧＲ弁５０および吸気側ＥＧＲ弁５４の開度が調整される。そして、エンジン回転数が低又は中回転数域において、部分負荷から全負荷状態になった移行する際には、排気ガスを還流させない非ＥＧＲ運転が行われる。このときの、排気側ＥＧＲ弁５０および吸気側ＥＧＲ弁５４の制御について、以下において詳述する。
【００２１】
ＥＧＲ運転から非ＥＧＲ運転へ移行する際の制御フローについて、図３のフローチャートを参照して説明する。図３に示す処理ルーチンは、運転中に所定時間毎にＥＣＵ６０において実行される。
【００２２】
図３のステップＳ１では、ＥＧＲ運転が行われる部分負荷状態から、アクセルペダルが踏み込まれて全負荷状態になったかを判断する。アクセルペダルが十分に踏み込まれていない場合には、処理を終了する。
【００２３】
例えば、エンジン回転数が低、中回転数域になるようなアクセル開度でＥＧＲ運転が行われていると、図４の時間ｔより前に示すように、排気側ＥＧＲ弁５０は全開され、吸気側ＥＧＲ弁５４は、ある開度に調整された状態にある。この状態で、アクセルペダルが十分に踏み込まれ、全負荷状態が要求されたと判断すると、非ＥＧＲ運転に移行するために、ステップＳ２に示す処理が実行される。具体的には、図４に示すように、吸気側ＥＧＲ弁５４を一時的に全閉するとともに排気側ＥＧＲ弁５０を全閉する。このとき、ターボチャージャ４０の可変ノズルも閉じるとともに、スロットル弁２６も全開にする。そして、排気側ＥＧＲ弁５０の全閉の直後に吸気側ＥＧＲ弁５４を速やかに全開する。
【００２４】
ＥＧＲ通路４６に発生する脈動による圧力変動は、図２に示したように、吸気側ＥＧＲ弁５４（吸気側合流部Ｃ）の付近で小さく、排気側ＥＧＲ弁５０付近で大きい。このため、吸気側ＥＧＲ弁５４を一時的に全閉したとしても、圧力変動が小さいので吸気側ＥＧＲ弁５４は容易に閉じる。吸気側ＥＧＲ弁５４を一時的に全閉すると、ＥＧＲ通路４６内の脈動が抑制される。ＥＧＲ通路４６内の脈動が抑制された状態で、排気側ＥＧＲ弁５０を閉じることで、排気側ＥＧＲ弁５０の前後における圧力差が低く抑えられ、排気側ＥＧＲ弁５０が振動するのを抑制できる。なお、排気側ＥＧＲ弁５０を閉じるタイミングと、吸気側ＥＧＲ弁５４を閉じるタイミングは、排気側ＥＧＲ弁５０が全閉されるまでに、ＥＧＲ通路４６内の脈動が抑制された状態になるように適宜選択できる。すなわち、吸気側ＥＧＲ弁５４を先に閉じてから、排気側ＥＧＲ弁５０を閉じてもよいし、吸気側ＥＧＲ弁５４と排気側ＥＧＲ弁５０の閉じ方向への駆動開始を同時にしてもよい。また、本実施形態では、吸気側ＥＧＲ弁５４を一時的に全閉する場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、ＥＧＲ通路４６内の脈動が抑制できる程度に、全閉近くまで閉弁する構成としてもよい。吸気側ＥＧＲ弁５４を全閉しないことで、その分応答性を改善できる。
【００２５】
例えば、図５に示すように、非ＥＧＲ運転に移行するために、排気側ＥＧＲ弁５０を閉じるとともに、吸気側ＥＧＲ弁５４を全開した場合には、ＥＧＲ通路４６内の脈動が抑制されず、排気側ＥＧＲ弁５０の前後の圧力変動により、排気側ＥＧＲ弁５０がバルブシート上で振動し、弁の寿命が短くなるなどの不具合が発生する可能性がある。一方、本実施形態にように、吸気側ＥＧＲ弁５４を一時的に全閉又は開度を狭めてＥＧＲ通路４６内の脈動を抑制することで、排気側ＥＧＲ弁５０の全閉時の振動抑制が可能になる。
【００２６】
排気側ＥＧＲ弁５０を全閉し、吸気側ＥＧＲ弁５４を全開すると、ＥＧＲ通路４６がブランチ管の役割を果たし、気柱共鳴が発生し、共鳴過給される。すなわち、吸気行程後半における吸気ポートの圧力が上昇し、充填効率が高まる。これにより、過給圧の立ち上がり特性が改善し、ＥＧＲ運転から非ＥＧＲ運転への過渡時のトルクレスポンスが改善する。
【００２７】
上記実施形態では、部分負荷運転から全負荷運転に移行する際に本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、部分負荷運転からより高負荷な運転に移行する際にも、適用可能である。
【００２８】
また、上記実施形態では、ディーゼル機関に本発明を適用した場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、火花点火式の内燃機関にも適用可能である。
【符号の説明】
【００２９】
４６…ＥＧＲ通路
５０…排気側ＥＧＲ弁
５４…吸気側ＥＧＲ弁
Ｃ…吸気合流部
４０…ターボチャージャ
６０…ＥＣＵ
【図１】
2012251463.tif 000003
【図２】
2012251463.tif 000004
【図３】
2012251463.tif 000005
【図４】
2012251463.tif 000006
【図５】
2012251463.tif 000007