JP2008169744A

JP2008169744A - 内燃機関の排気異音抑制装置

Info

Publication number: JP2008169744A
Application number: JP2007003223A
Authority: JP
Inventors: Isamu Nakada; 勇中田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2027-01-11
Also published as: JP4661792B2

Abstract

【課題】早期の触媒暖機を行なうべく点火時期を遅角させた場合でも、排気異音の発生を抑制することのできる内燃機関の排気異音抑制装置を提供する。
【解決手段】排気通路に配設された触媒７を備えると共に、触媒暖機のために点火時期を所定量遅角させる点火時期遅角制御手段を備える内燃機関において、前記点火時期遅角制御手段により点火時期が遅角されたとき、遅角された点火時期に起因する筒内圧に対応させて、排気弁３０の開タイミングを変更する排気弁開タイミング変更手段を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気系に排気浄化用の触媒を備える内燃機関の排気異音抑制装置に関する。

一般に、内燃機関においては、排気系に排気浄化用の触媒を備えている場合、機関の冷間時における始動後は、触媒の暖機が完了しておらずその処理能力が十分でないことが知られている。すなわち、触媒の暖機が完了していない場合には、機関の冷間時に発生し易い未燃ＨＣが処理されずにそのまま排出され、エミッションを悪化させるおそれがあるのである。このようなエミッションの悪化を軽減するためには、触媒の暖機を早期に行なうことはもちろん、機関そのものにおいての未燃ＨＣの発生を低減させることが要求されている。

このような要求を満たすために、冷間始動直後において点火時期を遅角させることにより排気ガス温度を上昇させ、排気系に配置された排気浄化用の触媒の早期暖機を図る技術が提案されている（例えば、特許文献１等参照)。

また、特許文献２には、点火時期を遅角させて排気ガス温度を高めた成層燃焼を実施するようにした筒内噴射式火花点火内燃機関において、内部的な排気ガス再循環による成層燃焼の不安定化をもたらすことなく、さらに排気ガス温度を高めるために、可変バルブタイミング機構によって、バルブオーバラップ期間を大きくすることなく、成層燃焼時の排気弁開弁時期を遅角させるようにした技術が開示されている。

特開平１１−３２４７６５号公報特開２００５−１０５８７４号公報

ところで、上述のように、機関の冷間時における始動後において、点火時期を遅角させることによる排気ガスの昇温制御を行うと、その点火時期の遅角分だけ燃焼室内での燃焼が排気弁の開弁時期に近付く結果、排気弁の開弁時期における筒内圧が、通常の点火時期における燃焼によるものに比べ高くなる。換言すると、閉弁状態にある排気弁の前後流における圧力差が大きくなるのである。これにより、排気弁が開弁した瞬間に燃焼室内の排気ガスが排気弁の後流の排気通路へ急激に流れ、排気騒音の原因となる排気脈動も大きくなる。その結果として、排気管への加振力が増加すると共に、波動が衝撃的になり易く、異音が発生するという問題があった。

本発明はかかる事情に鑑みなされたもので、その目的は、早期の触媒暖機を行なうべく点火時期を遅角させた場合でも、排気異音の発生を抑制することのできる内燃機関の排気異音抑制装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の一形態に係る内燃機関の排気異音抑制装置は、排気通路に配設された触媒を備えると共に、触媒暖機のために点火時期を所定量遅角させる点火時期遅角制御手段を備える内燃機関において、前記点火時期遅角制御手段により点火時期が遅角されたとき、遅角された点火時期に起因する筒内圧に対応させて、排気弁の開タイミングを変更する排気弁開タイミング変更手段を備えることを特徴とする。

ここで、前記排気弁開タイミング変更手段は、点火時期が通常の進角状態にあるときの点火時期に起因する筒内圧と、前記点火時期遅角制御手段により遅角された点火時期に起因する筒内圧とがほぼ等しくなるタイミングに、排気弁の開タイミングを変更することが好ましい。

本発明の一形態に係る内燃機関の排気異音抑制装置によれば、点火時期遅角制御手段により点火時期が遅角されたときに、遅角された点火時期に起因する筒内圧に対応させて、排気弁開タイミング変更手段により排気弁の開タイミングが変更される。従って、この筒内圧に対応させて、排気弁の開タイミングが変更されるので、排気弁の前後流における圧力差が小さくなるタイミングで排気弁を開くことにより、排気異音の発生を抑制することができる。

また、前記排気弁開タイミング変更手段が、点火時期が通常の進角状態にあるときの点火時期に起因する筒内圧と、前記点火時期遅角制御手段により遅角された点火時期に起因する筒内圧とがほぼ等しくなるタイミングに、排気弁の開タイミングを変更するようにした形態によれば、点火時期が遅角されたときであっても、通常の進角状態にあるときに比べ、排気管への加振力が増加することがなく排気異音の発生を確実に抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。まず、図１及び図２を参照するに、１０は機関本体であり、吸気マニホル１を介して吸気管２に接続されると共に、排気マニホルド３を介して排気管４に接続されている。吸気管２には、アクセルペダルの踏み込み量とは独立して不図示のモータ等により駆動され、後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０により開度を制御可能ないわゆる電制スロットル弁５が配設されている。吸気管２の上流にはエアフローメータ６が設けられ、さらに、エアクリーナに連通されている。また。排気通路を形成する排気管４には排気浄化用の触媒、例えば三元触媒７が配設されている。さらに、三元触媒７の上流の排気管４には、拡張室８が開閉弁９を介して連通されている。

機関本体１０はシリンダブロック１２と、このシリンダブロック１２内で往復動するピストン１４と、シリンダブロック１２に取付けられたシリンダヘッド１６とを具備する。また、シリンダヘッド１６には点火プラグ１８が設けられている。機関本体１０内にはシリンダブロック１２、ピストン１４、シリンダヘッド１６によって画成される複数（本実施の形態では３つ）の燃焼室２２が形成されている。

各燃焼室２２はシリンダヘッド１６内に形成された吸気ポート２４および排気ポート２６に通じている。燃焼室２２と吸気ポート２４との間には吸気弁２８が配置され、吸気弁２８は燃焼室２２と吸気ポート２４との問の流路を開閉している。一方、燃焼室２２と排気ポート２６との間には排気弁３０が配置され、排気弁３０は燃焼室２２と排気ポート２６との間の流路を開閉している。また、本実施の形態では、シリンダヘッド１６に、燃焼室２２に直接に燃料を供給するための燃料噴射弁３２が設けられている。

また、吸気弁２８および排気弁３０は、それぞれ、吸気バルブ可変動弁機構３４および排気バルブ可変動弁機構３６に連係されている。吸気バルブ可変動弁機構３４および排気バルブ可変動弁機構３６は、吸気弁２８、排気弁３０をそれぞれ進退駆動する吸気カム、排気カムが形成された吸気カムシャフト、排気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を不図示の油圧駆動機構により変更可能に構成され、ＥＣＵ５０の信号に基づき、吸気弁２８、排気弁３０の開閉のタイミングが任意に制御可能に構成されている。従って、例えばＥＣＵ５０からの信号に基づいて吸気バルブ可変動弁機構３４および／または排気バルブ可変動弁機構３６が作動されると、吸気弁２８および／または排気弁３０の開閉タイミングが基準角位置から進角および／または遅角制御されることになる。なお、吸気バルブ可変動弁機構３４および排気バルブ可変動弁機構３６の構造は周知であるので、その詳細な説明は省略する。ここで、油圧駆動機構は、油圧が供給されていない初期状態において、吸気弁２８では最遅角位置および排気弁３０では最進角位置でロックピンにより固定されており、この位置が初期基準角位置として油圧駆動機構が構成されている。なお、このようにすれば、構造および制御が簡略化される。そして、この吸気バルブ可変動弁機構３４および排気バルブ可変動弁機構３６についても、運転状態に応じて適正な進角度や遅角度が上述のＥＣＵ５０のＲＯＭに予めマップ化されて保管されている。

ＥＣＵ５０は、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）、入力ポート、出カポートを相互に双方向性バスで接続した公知の構成のマイクロコンピュータから構成される。ＥＣＵ５０には、機関１０の冷却水温度センサ２１やエアフローメータ６の他、アクセルペダルの踏込み量に比例した出力電圧を発生する不図示のアクセル開度センサやスロットル開度センサおよびクランクシャフトが所定角度回転する毎に出カパルスを発生するクランク角センサ、さらには燃焼ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ等の各種センサが接続されている。

また、電制スロットル弁５、開閉弁９、点火プラグ１８、燃料噴射弁３２および吸気バルブ可変動弁機構３４および排気バルブ可変動弁機構３６の油圧駆動機構等もＥＣＵ５０に接続され、その作動が制御される。本実施の形態において、スロットル弁５の開度はアクセル踏込み量とは無関係に変更することができ、スロットル弁開度を調整することで吸気圧が制御される。ＥＣＵ５０のＲＯＭには、上述のアクセル開度センサおよびクランク角センサにより得られる機関負荷および機関回転数に基づき、運転状態に対応させて設定されている燃料噴射量や点火時期の基準値および機関冷却水温等に基づく補正値等が予めマップ化されて記憶されている。

ここで、上記構成になる本実施形態の制御手順の一例を、図３のフローチャートを参照しつつ説明する。まず、制御がスタートされると、ステップＳ３０１において、触媒７の暖機のための点火時期遅角制御実行中か否かが判定される。暖機のための点火時期遅角制御実行中でないときは、この制御は終了される。

なお、この触媒７の暖機のための点火時期遅角制御は、図３のフローチャートとは別に実行されている制御ルーチンにおいて、所定の周期で読込まれる、例えば、機関回転数Ｎｅおよび機関冷却水温Ｔｈｗに基づいて行なわれている。すなわち、機関冷却水温Ｔｈｗが所定値以下のときは触媒７の暖機が完了していないと推定され、この機関冷却水温Ｔｈｗの高さに応じて、予め実験などにより求められてＥＣＵ５０のＲＯＭでマップに保管されている遅角量が基準値に付加され、点火時期が遅角されている。

そこで、ステップＳ３０１における判定で、点火時期遅角制御実行中であるとされたときにはステップＳ３０２に進み、そのときの遅角量Ａｄが確認される。そして、次のステップＳ３０３において、排気弁３０の開タイミングがこの確認された遅角量Ａｄに対応しているか否かが判定される。換言すると、遅角量Ａｄだけ遅角された点火時期に起因する筒内圧に対応させた開タイミングで、排気弁３０が開弁されているか否かが判定される。このステップＳ３０３における判定で、排気弁３０の開タイミングが遅角量Ａｄに対応していないとされたときは、ステップＳ３０４に進み、排気弁開タイミング変更手段により、排気弁３０の開タイミングが変更される。すなわち、排気バルブ可変動弁機構３６の油圧駆動機構が制御され、排気弁３０の開タイミングが変更されるのである。なお、ステップＳ３０３における判定で、排気弁３０の開タイミングが遅角量Ａｄに対応しているとされたときには、ステップＳ３０１に戻り、上述の制御手順が繰り返されることになる。

なお、この排気弁３０の開タイミングは、遅角量と筒内圧との関係を予め実験的に求めて前述のようにマップに保管しておき、所定の筒内圧となる開タイミングで排気弁３０が開弁されるようにしてもよい。また、図示はしないが、筒内圧センサを用いて筒内圧を検出し、この検出された筒内圧が所定の筒内圧となる開タイミングで排気弁３０が開弁されるようにフィードバック制御するようにしてもよい。

ここで、上述の制御の内容を図４および図５を参照して、より詳細に説明する。図４は、横軸にクランク角（°ＣＡ）を取って、排気弁３０が所定のクランク角ＥＶＯｎで開かれる場合、点火時期が通常の進角状態にあるときの点火時期に起因する筒内圧と、点火時期遅角制御手段により遅角量Ａｄだけ遅角された点火時期に起因する筒内圧の変化の様子、および、これらに起因する排気脈動圧の変化の様子を示すタイムチャートである。図４において、上側のグラフは筒内圧（ＭＰa）の変化の様子を、下側のグラフは排気脈動圧の変化の様子をそれぞれ示しており、曲線Ａは点火時期が通常の進角状態にあるとき、曲線Ｂは遅角された点火時期にあるときである。通常の進角状態にあるときの点火時期に起因する筒内圧は、そのピークが上死点（ＴＤＣ）後の約６０°ＣＡ付近であるのに対し、遅角された点火時期に起因する筒内圧は、そのピークが上死点（ＴＤＣ）後の約８０°ＣＡ付近であることが分かる。

そして、図５は、図４において破線で囲まれた領域を拡大して示すタイムチャートである。このタイムチャートの曲線Ａおよび曲線Ｂから明らかなように、排気弁３０が所定のクランク角ＥＶＯｎで開かれ点火時期が通常の進角状態にあるとき（曲線Ａ）は、筒内圧がＭＰaｎであるのに対し、同じく、排気弁３０が所定のクランク角ＥＶＯｎで開かれ点火時期が遅角されたとき（曲線Ｂ）は、筒内圧がＭＰaｄとなる。そこで、本実施の形態では、排気弁開タイミング変更手段が、点火時期が通常の進角状態にあるときの点火時期に起因する筒内圧ＭＰaｎと、点火時期遅角制御手段により遅角された点火時期に起因する筒内圧とがほぼ等しくなるタイミングＥＶＯｄに、排気弁３０の開タイミングをｄだけ遅らせて変更するようにしている。

この結果、触媒７の暖機のために点火時期が遅角された場合でも、点火時期が通常の進角状態にあるときの点火時期に起因する筒内圧ＭＰaｎの状態で、換言すると、排気弁３０の前後流における圧力差が小さくなるタイミングで排気弁３０が開かれるので、排気異音の発生が抑制されることになる。

なお、本実施の形態では、上述の触媒７の暖機のために点火時期が遅角された場合には、開閉弁９を開き、三元触媒７の上流の排気管４と拡張室８とを連通させて容量を増加するようにしている。このようにすると、排気弁３０の遅角制御のみでは異音抑制に十分には対応することができないような場合にも、排気弁３０の直後の排気マニホルド３を含む排気管４の容量増加により、排気騒音の原因となる排気脈動や排気管４への加振力が減衰されるので、排気異音の発生を確実に抑制することができる。なお、開閉弁９は、触媒７の暖機が完了し点火時期の遅角制御が終了した後は、排気音と性能との関係で最適となるように開度を制御するようにしてもよい。

本発明に係る内燃機関の排気異音抑制装置の概略を示す平面模式図である。本発明に係る内燃機関の排気異音抑制装置の概略を示す側断面模式図である。本発明係る内燃機関の排気異音抑制装置の制御手順の一例を示すフローチャートである。排気弁が所定のクランク角で開かれる場合、点火時期が通常の進角状態にあるときの点火時期に起因する筒内圧と、点火時期遅角制御手段により遅角された点火時期に起因する筒内圧の変化の様子、および、これらに起因する排気脈動圧の変化の様子を示すタイムチャートである。図４において破線で囲まれた領域を拡大して示すタイムチャートである。

符号の説明

４排気管
７三元触媒
８拡張室
９開閉弁
１０機関本体
１８点火プラグ
３０排気弁
３２燃料噴射弁
３６排気バルブ可変動弁機構
５０ＥＣＵ

Claims

排気通路に配設された触媒を備えると共に、触媒暖機のために点火時期を所定量遅角させる点火時期遅角制御手段を備える内燃機関において、
前記点火時期遅角制御手段により点火時期が遅角されたとき、遅角された点火時期に起因する筒内圧に対応させて、排気弁の開タイミングを変更する排気弁開タイミング変更手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気異音抑制装置。
前記排気弁開タイミング変更手段は、点火時期が通常の進角状態にあるときの点火時期に起因する筒内圧と、前記点火時期遅角制御手段により遅角された点火時期に起因する筒内圧とがほぼ等しくなるタイミングに、排気弁の開タイミングを変更することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気異音抑制装置。