| 【発明の名称】 |
過給機付き筒内直噴エンジン |
| 【発明者】 |
【氏名】馬▲崎▼ 政俊
【氏名】斎藤 公孝
【氏名】加納 政雄
【氏名】古野 志健男
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| 【要約】 |
【課題】過給機付き筒内直噴エンジンにおいて大量のＥＧＲを可能にする。
【解決手段】ガソリンのような燃料を筒内へ直接に噴射する筒内直噴エンジンにおいては、希薄な混合気を燃焼させるためにＮＯx の後処理が困難となり、ＮＯx 低減のために大量のＥＧＲを行う必要がある。他方、出力を増大させるために筒内直噴エンジンに過給機を設けると、吸気通路の圧力が排気通路の圧力よりも高くなってＥＧＲが不可能になる。そこで、吸気弁や排気弁のバルブタイミングを変化させるとか、排気通路に排気シャッタを設けて、筒内や吸気通路内に排ガスを残留させることにより内部ＥＧＲを行う。また、外部ＥＧＲを行う場合は、外部ＥＧＲパイプの末端のＥＧＲポートを過給機とその上流側に設けられた圧力制御バルブとの間に開口させると共に、過給機の下流側に通常のスロットルバルブを設ける。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 筒内へ燃料を直接に噴射する筒内直噴エンジンにおいて、吸気通路に過給機を設けると共に、吸気バルブタイミング可変手段及び排気バルブタイミング可変手段の少なくとも一方を設けて、そのバルブタイミングを制御することにより大量の排ガスを筒内で再循環させて、内部ＥＧＲを行うようにしたことを特徴とする過給機付き筒内直噴エンジン。
【請求項２】 筒内へ燃料を直接に噴射する筒内直噴エンジンにおいて、吸気通路に過給機を設けると共に、排気通路内に排気シャッタを設けて排気圧力を制御することにより、大量の排ガスを筒内へ再循環させて、内部ＥＧＲを行うようにしたことを特徴とする過給機付き筒内直噴エンジン。
【請求項３】 筒内へ燃料を直接に噴射する筒内直噴エンジンにおいて、吸気通路に過給機を設けると共に、前記過給機の上流側の吸気通路に圧力制御バルブと、前記過給機の下流側の吸気通路にスロットルバルブと、前記過給機の上流側で前記圧力制御バルブの下流側の吸気通路とエンジンの下流側の排気通路とを接続する外部ＥＧＲ通路と、前記外部ＥＧＲ通路においてＥＧＲ量を調整するためのバルブとを設けて、外部ＥＧＲを行うようにしたことを特徴とする過給機付き筒内直噴エンジン。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンの筒内へ直接にガソリンのような燃料を噴射すると共に、吸気通路に過給機を備えている、過給機付き筒内噴射エンジンに係り、特にそのＥＧＲシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ガソリンエンジンにおいて、筒内へ直接に燃料としてのガソリンを噴射すると共に火花点火をして燃焼させるもの（これを筒内直噴エンジンと呼ぶことにする）の量産が開始されている。筒内直噴エンジンにおいては、従来のポート噴射式のエンジンに比べて遙に希薄な燃料空気混合気の燃焼を行うために、エミッション（特にＮＯx ）を低減させる必要から、大量のＥＧＲ（排気還流）を行うのが通例である。実用化されている筒内直噴エンジンは自然吸気式のものが多いが、出力を増大させるために今後は筒内直噴エンジンにおいても過給機付きのものが量産される可能性が高い。
【０００３】しかしながら、例えば特開平１０−２７４０６９号公報に記載されているような過給機付きの筒内直噴エンジンにおいては、自然吸気式の筒内直噴エンジンに比べて燃焼温度が上昇することによって更にＮＯx の発生量の増加が懸念されるので、その低減手段が重要となる。従来の過給機を設けない筒内直噴エンジンにおいては、図９に示すように、吸気管内の圧力（負圧）と排気管内の圧力（正圧）との差圧を利用して大量の排ガスを排気管から吸気管へ循環させるバイパス通路を設ける、いわゆる外部ＥＧＲ方式をとるものが多い。また、可変バルブタイミング機構を用いて、吸気バルブと排気バルブとのバルブオーバラップ期間を大きくすることにより、内部ＥＧＲ量を増加させるという試みもなされている。
【０００４】しかし、一般的に過給機付きエンジンでは、吸気管内圧力が正圧（最大約０．１６〜０．１８MPa ）となるため、通常のＥＧＲシステムのように、吸気管内圧力と排気管内圧力との差圧を利用してＥＧＲを行うことは不可能である。つまり、過給によって排気管内圧力よりも吸気管内圧力の方が高くなるために、吸気側から排気側への流れが生じる結果、バルブオーバラップ期間中においては吸気管→筒内→排気管という方向の流れによって筒内の内部ＥＧＲガスが掃気されてしまうので、実質的にＥＧＲを行うことができない。この理由から、実用化されている従来の過給機付きエンジンにおいては、外部ＥＧＲは採用されておらず、内部ＥＧＲも困難となっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】前述のような筒内直噴エンジンの現状に鑑み、本発明は筒内直噴エンジンに過給機を設けることによって出力を向上させると共に、そのような過給機付き筒内直噴エンジンにおいて大量ＥＧＲを可能とすることによって、排ガス中のＮＯxを大巾に低減させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された過給機付き筒内直噴エンジンを提供する。請求項１に記載された過給機付き筒内直噴エンジンによれば、筒内直噴エンジンの出力を増大させるために過給機を設けることによって、吸気通路の圧力が排気通路の圧力よりも高くなり、通常はＥＧＲが不可能となるにもかかわらず、吸気弁および排気弁の少なくとも一方のバルブタイミングを調整することにより、有効に内部ＥＧＲを実行することができる。
【０００７】即ち、排気弁のバルブタイミングを進角させて早閉じさせることにより筒内に大量の排ガスを残留させるか、或いは吸気弁を吸気行程の他に、エンジンの燃焼（膨張）行程の終期にも短期間だけ開弁させて、排ガスの一部を筒内から吸気通路へ一時的に逆流させて貯溜する。それによって吸気行程において多量の排ガスを内部ＥＧＲガスとして筒内へ取り込むことができるので、希薄な混合気の燃焼を行う筒内直噴エンジンにおいて、ＮＯx を効果的に減少させ得る。
【０００８】また、請求項２に記載された過給機付き筒内直噴エンジンにおいては、排気通路に排気シャッタを設けて、排ガスの流れに適度な抵抗を加えることにより、筒内に残留する排ガスの量を増加させる。それによって過給機付き筒内直噴エンジンにおいても内部ＥＧＲを実行することができる。更に、請求項３に記載された過給機付き筒内直噴エンジンにおいては、吸気通路の上流側に圧力制御バルブを設けると共に、外部ＥＧＲ通路の一端のＥＧＲポートを、過給機の上流側で且つ圧力制御バルブの下流側に開口させる。それによって吸気通路の比較的低圧の部分へ排ガスを還流させることができるので、過給機付き筒内直噴エンジンにおいても外部ＥＧＲが可能になる。それに加えて過給機の下流側に圧力制御バルブとは別のスロットルバルブを設けるので、エンジンの出力の調整は圧力制御バルブと関係なく行うことができる。
【０００９】なお、本発明において「過給機」というのは、排ガスのエネルギを利用するターボチャージャのみならず、ルーツ式のような機械式過給機をも含む。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１の（ａ）に本発明の過給機付き筒内直噴エンジンの第１実施例を示す。第１実施例の筒内直噴エンジン１０においては、過給機１１、吸気弁１７および排気弁１６の少なくとも一方のバルブタイミングを変化させることができる可変バルブタイミング制御機構１２、過給機１１の下流側の吸気通路２０に設けられたスロットルバルブ１３、エンジン回転数を検出するためにクランク軸近傍に設けられた回転角センサ（１４）、運転状態を検出するためのアクセル開度センサ１８、これらセンサ類の信号によりバルブタイミング等を制御する電子式制御装置（ＥＣＵ）１５等から構成されている。
【００１１】ここではまず、排気弁１６のバルブタイミングを制御することによって大量内部ＥＧＲを可能とするシステムについて説明する。前述のように過給機付きエンジンにおいては、バルブオーバラップによる内部ＥＧＲは実施が困難である。そこで、本発明の第１実施例は、図１の（ｂ）に示すように、排気弁１６の正規のバルブタイミング１ｂに対して閉じ時期を進角させて、１ｃのように早閉じさせることにより、正規の開弁期間の一部１ｄにおいて排出されるべき排ガスを筒内１９に閉じ込めて、大量内部ＥＧＲを図るものである。
【００１２】この制御を図２に示すフローチャートによって説明する。この制御は、例えばＥＣＵ１５に設けられたＣＰＵのルーチンプログラムに対して一定時間毎に割り込むことによって実行される（ステップ２１）。前述の大量ＥＧＲが必要とされる運転条件は、機関暖機後の部分負荷時が主となる。冷間時には、燃焼変動を抑制するために理論空燃比による運転となるので、ＮＯx の後処理は容易になる。また、高負荷域では大きな出力を必要とするため、新気吸入空気量を増すように制御されるから、ＥＧＲは不要となる。従って、図２のフローチャートにおけるステップ２２では水温を読み込み、ステップ２３において暖機状態を把握する。水温が所定値（水温ｍｉｎ）以上であれば、ステップ２４へ進んで、エンジン回転数（ＮＥ）、アクセル開度（ＡＣ）の読み込みを行う。また、ステップ２３において水温が所定値以下であれば、この制御は終了する。
【００１３】次に、ステップ２５においては、ＮＥが所定の回転数（ＮＥｍｉｎ）以下であるか否か、また、アクセル開度（負荷）が所定値（ＡＣｍｉｎ）以下であるか否かを判定し、ＥＧＲ実行の必要性を判断する。ここで、それぞれのＥＧＲ量はエンジン回転数とアクセル開度とのマップにより予め設定されている。特に第１実施例の制御においては、ＥＧＲ量の制御は排気弁１６の閉じ時期を進角させて行うため、排気弁進角量、エンジン回転数、およびアクセル開度により、図３に例示するようなマップが設定されている。
【００１４】従って、大量ＥＧＲが必要である運転条件と判断された時は、図２のステップ２６において図３のようなマップから排気弁進角量が読み込まれ、ステップ２７において可変バルブタイミング制御機構１２に対して制御指令が出された後に、この制御を終了することとなる。第１実施例においては、排気弁１６のバルブタイミングを制御することによって大量の内部ＥＧＲを行う場合について説明したが、次に本発明の第２実施例として、吸気弁１７のバルブタイミング制御による大量内部ＥＧＲのシステム及び制御の手法について、図４を用いて説明する。
【００１５】図４（ｂ）に示す筒内直噴エンジン１０’の吸気弁１７が、可変バルブタイミング制御機構１２’によって任意のタイミングにおいて開弁および閉弁が可能な動弁系を構成している場合は、図４（ａ）に６３として示すように燃焼（膨張）行程の後期に吸気弁１７を一時的に開弁させることによって、内部ＥＧＲが可能となる。その際に排気弁１６を図４（ａ）に６１として示すように閉弁状態におくと、さらに大量の内部ＥＧＲが可能である。この場合は、過給されている吸気通路２０内の圧力よりも燃焼圧力の方が高いところで、吸気弁１７が図４（ａ）に６２として示すように開くことにより、吸気通路２０内へＥＧＲガスを一時的に逆流させ、次の吸気行程において再吸入させることによってＥＧＲを可能としたものである。
【００１６】また、本発明の第３実施例として図５に示すシステムについて説明する。第３実施例のシステムは、図１に示す第１実施例のシステムを更に発展させて、より大量の内部ＥＧＲを実現するものである。図５に示す筒内直噴エンジン１０”の特徴は、排気通路８２内に排気シャッタ８１が設けられていることである。大量ＥＧＲが必要とされる運転条件においてこの排気シャッタ８１を閉じ側へ制御することにより、排気行程中に排出される排ガスが排出されにくくなるので、大量の内部ＥＧＲが可能となる。図５には、排気シャッタ８１と可変バルブタイミング制御機構１２の双方を備える筒内直噴エンジン１０”を示したが、可変バルブタイミング制御機構１２を備えない筒内直噴エンジンにおいて、排気シャッタ８１のみの制御によっても大量の内部ＥＧＲが可能となる。
【００１７】第１実施例〜第３実施例（図１〜図５）においては、吸気弁または排気弁のバルブタイミングを制御することによって、或いは排気シャッタを開閉制御することにより内部ＥＧＲガス量を増加させる手法を示した。これに対して、次の第４実施例では、過給機付き筒内直噴エンジンに外部ＥＧＲシステムを用いた場合の大量ＥＧＲについて述べる。図６に外部ＥＧＲシステムを備えている筒内直噴エンジン４０を示す。
【００１８】前述のように、過給機付き筒内直噴エンジンにおいては、過給機１１の下流側の吸気通路２０の圧力が排気通路４３の圧力よりも高くなるため、吸気通路２０→筒内１９→排気通路４３という流れが生じる結果、排ガスの再循環は不可能である。第４実施例の筒内直噴エンジン４０においては通常の過給機付きエンジンと同様に、過給機１１の下流側の吸気通路２０にスロットルバルブ１３が設けられているが、それに加えて、過給機１１の上流側の吸気通路４４に外部ＥＧＲパイプ４１のＥＧＲポート４８を開口させると共に、更にそれよりも上流側の吸気通路４４内に、ＥＣＵ１５’によって開度を制御される圧力制御バルブ４５を設けていることに特徴がある。
【００１９】いうまでもなく、外部ＥＧＲパイプ４１の他端は排気通路４３内に開口していて、そこから排ガスを取り入れるようになっており、パイプ４１の途中にはＥＧＲバルブ４２が設けられていて、ＥＣＵ１５’の指令によって開閉し、通過する排ガスの量、すなわちＥＧＲ量を調整することができる。このように過給機１１の上流側にＥＧＲポート４８を設けると共に、更に上流側に圧力制御バルブ４５を設けて、通常は新気（空気）のみが吸入される過給機１１と圧力制御バルブ４５との間の吸気通路４４を、圧力制御バルブ４５を閉じ側に制御することにより負圧とし、排気通路４３の排気圧力（正圧）との間に差圧を生じさせるので、外部ＥＧＲパイプ４１による排ガスの再循環を実現することが可能となる。しかも、圧力制御バルブ４５とは独立しているスロットルバルブ１３が設けられていることによって、エンジン１１への総吸気量を調整して出力を容易に制御することができる。
【００２０】第４実施例の筒内直噴エンジン４０の制御を図７に示すフローチャートによって説明する。図７において、大量ＥＧＲが必要であるか否かの判定ステップ５１〜５５は、図２において説明したフローチャートのステップ２１〜２５と同様である。ステップ５５において大量ＥＧＲが必要であると判定されると、ステップ５６へ進んで圧力制御バルブ４５のバルブ開度を読み込み、ステップ５７において圧力制御バルブ４５を閉じ側へ制御する指令を出す。なお、圧力制御バルブ４５の初期値は全開である。また、これと同時に、外部ＥＧＲパイプ４１の途中に設けられたＥＧＲバルブ４２の開度を読み込み、ステップ５９においてＥＧＲバルブ４２を開弁するよう指令を出して、外部ＥＧＲを実行する。この間にも、スロットルバルブ１３によるエンジン４０の出力調整が行われる。
【００２１】ここでＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）の調整は圧力制御バルブ４５とＥＧＲバルブ４２によって行われることになるが、例えば、圧力制御バルブ４５の閉弁による新気吸入量の減少分をＥＧＲガスによって補うように、ＥＧＲバルブ４２の開度を設定しておくことにより、運転領域の全域において外部ＥＧＲが可能となり、十分なエミッション抑制の性能が得られることになる。また、これら圧力制御バルブ４５とＥＧＲバルブ４２の開度は、例えば、それぞれの運転条件において予め設定しておく。
【００２２】これらの実施例の筒内直噴エンジンを制御するための図２や図７に示された制御プログラムは、ＥＣＵ１５（または１５’）の中に組み込まれている。図８にＥＣＵ１５の構成例を示す。図示例のＥＣＵ１５はマイクロコンピュータシステムを中心にして構成されており、Ａ／Ｄコンバータ７１、入出力インターフェース７２、ＣＰＵ７３、ＲＯＭ７４、ＲＡＭ７５、バックアップＲＡＭ７６、クロックパルス発生器７７等を備えている。油温センサ、水温センサ、燃圧センサ等によって検出されたアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換された後にバスライン７７を介してＣＰＵ７３に入力される。また、クランク軸の付近に設けられたクランク角センサ１４のパルス信号等は、入出力インターフェース７２を通り、バスライン７７を介してＣＰＵ７３に入力される。これらの信号に基づいて運転状態が判定され、前述のバルブタイミング進角量やＥＧＲバルブ開度等の指令が出されることとなる。
【００２３】なお、従来技術の説明のために図９に示す従来の外部ＥＧＲシステムを有する無過給式筒内直噴エンジン３０の構成は、図６に示す本発明の第４実施例としての過給式筒内直噴エンジン４０において、過給機１１を取り除いて単なる吸気通路４６とし、圧力制御バルブ４５の位置にスロットルバルブ１３を設けたものに相当するので、対応する部位に図６と同様な参照符号を付すことにより詳細な説明は省略する。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４６９５
【氏名又は名称】株式会社日本自動車部品総合研究所
【識別番号】０００００３２０７
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年２月２日（２０００．２．２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７７５１７
【弁理士】
【氏名又は名称】石田 敬 （外３名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２１４８１２（Ｐ２００１−２１４８１２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年８月１０日（２００１．８．１０） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−３０２６１（Ｐ２０００−３０２６１） |
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