JP4449511B2

JP4449511B2 - 内燃機関

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Publication number: JP4449511B2
Application number: JP2004076174A
Authority: JP
Inventors: 太郎青山; 寛真西岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2024-03-17
Also published as: JP2005264781A

Description

本発明は、内燃機関に関する。

近年、エンジンの他に電動機を追加することにより、エンジン出力および／または電動機出力により走行可能としたハイブリッド車両が公知となっている。また、エンジンの作動が不要のとき（例えば、信号待ち、電車通過待ち、人待ちをしているときの車両停止時）にはエンジンを停止して、エンジン作動が必要になったときに再びエンジンを始動（再始動）する自動停止走行モードの車両（エコラン車両）も開発されている。このようなハイブリッド車両およびエコラン車両では、エンジンは必要に応じて間欠的に運転されると共に、効率の高い運転領域を選択して運転することが可能であるため、燃費及び排気浄化性能に優れている。

また、従来より内燃機関、例えばディーゼル機関においてはＮＯｘの発生を抑制するために機関排気通路と機関吸気通路とを排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路により連結し、このＥＧＲ通路を介して排気ガス、即ちＥＧＲガスを機関吸気通路内に再循環させるようにしている。この場合、ＥＧＲガスは比較的比熱が高く、従って多量の熱を吸収することができるので、ＥＧＲガス量を増大するほど、即ちＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（ＥＧＲガス量＋吸入空気量））を増大するほど燃焼室内における燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下するとＮＯｘの発生量が低下し、従ってＥＧＲ率を増大すればするほどＮＯｘの発生量は低下することになる。

ところがディーゼル機関の燃焼の研究の過程においてＥＧＲ率を最大許容限界よりも大きくすれば上述の如くスモークが急激に増大するがこのスモークの発生量にはピークが存在し、このピークを越えてＥＧＲ率を更に大きくすると今度はスモークが急激に減少しはじめ、アイドリング運転時においてＥＧＲ率を７０パーセント以上にすると、またＥＧＲガスを強力に冷却した場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にするとスモークがほとんど零になる、即ち煤がほとんど発生しないことが見い出されたのである。また、このときにはＮＯｘの発生量が極めて少量となることも判明している。この後この知見に基づいて煤が発生しない理由について検討が進められ、その結果これまでにない煤およびＮＯｘの同時低減が可能な新たな燃焼（低温燃焼）システムが構築されるに至ったのである。この新たな燃焼（低温燃焼）システムについては後に詳細に説明するが簡単に言うと炭化水素（以下、適宜「ＨＣ」と称する）が煤に成長するまでの途中の段階において炭化水素の成長を停止させることを基本としている。

即ち、実験研究を重ねた結果判明したことは燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以下のときには炭化水素の成長が煤に至る前の途中の段階で停止し、燃料およびその周囲のガス温度が或る温度以上になると炭化水素は一気に煤まで成長してしまうということである。この場合、燃料およびその周囲のガス温度は燃料が燃焼した際の燃料周りのガスの吸熱作用が大きく影響しており、燃料燃焼時の発熱量に応じて燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって燃料およびその周囲のガス温度を制御することができる。

従って、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制すれば煤が発生しなくなり、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制することは燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって可能となる。一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素は酸化触媒等を用いた後処理によって容易に浄化することができる。このような新たな低温燃焼システムの基本的な考え方が存在している。

ところで、煤および窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」と称する）を同時に低減することのできる新たな低温燃焼システムの他に、一酸化炭素（以下、「ＣＯ」と称する）、ＨＣ、ＮＯｘなどの排気ガス中のエミッションを低減できる他の解決法も提案されている。

例えば、内燃機関の排気通路にゼオライトを配置して、排気ガス中のエミッション、特にＮＯｘをトラップすることが提案されている。ところが、ＮＯｘは、ゼオライトにトラップされた後であっても、トラップ時よりも高い温度になればゼオライトから脱離する性質を有している。このため、特許文献１および特許文献２においては内燃機関の排気通路に設けられたゼオライトよりも下流に流れる排気ガスを捕集タンクに一時的に捕集することが提案されている。この場合には、ゼオライトよりも下流の排気通路と捕集タンクとが分岐通路によって接続されると共に、捕集タンクが別の通路によって内燃機関の吸気通路まで接続されている。従って、一旦はゼオライトにトラップされたエミッション、特にＮＯｘがゼオライトから脱離する条件が成立した場合には排気ガスを分岐通路に通して捕集タンクに捕集すると共に、所定の条件が成立したときには捕集タンク内の排気ガスを吸気通路に通している。このように排気ガスを捕集タンクに捕集することにより、エミッションを含む排気ガスを内燃機関の外部に流出するのを防止することができる（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
特開２００２−７０５３９号公報特開２００２−１４７２２７号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載されるような内燃機関においては、排気ガスを捕集するための捕集タンクおよびこの捕集タンクに排気ガスを導くためのポンプを別途設ける必要がある。そして、この捕集タンクの容量は一時的な排気ガスの全量を捕集するのに十分な容量である必要があるために、捕集タンクは比較的大型である。従って、これら捕集タンクおよびポンプはかなりのスペースを必要とすることとなり、車両搭載性が極めて悪化する。

前述した目的を達成するために１番目に記載の発明によれば、燃焼室から排出された排気通路内の排気ガスを内燃機関のスロットル弁よりも下流の吸気通路に再循環させる排気ガス再循環通路と、前記排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を制御可能な再循環排気ガス制御弁と、前記排気通路に設けられた酸化機能を有する触媒または該触媒を担持したフィルタとを具備し、前記排気ガス再循環通路が前記触媒またはフィルタの下流から前記スロットル弁よりも下流の前記吸気通路まで延びており、前記内燃機関の始動から前記内燃機関のサイクル数が第一のサイクル数を越える前においては、燃料噴射量が一定であるときの前記内燃機関の動作時よりも始動増量分だけ多くの燃料を前記内燃機関の燃料噴射弁から燃焼室内に噴射しつつ、前記スロットル弁を閉鎖すると共に前記再循環排気ガス制御弁を開放し、前記内燃機関の始動後に前記内燃機関のサイクル数が前記第一のサイクル数を越えた場合には前記始動増量分を除いた量の燃料を前記燃焼室内に噴射するようにし、前記内燃機関のサイクル数が前記第一のサイクル数よりも大きい第二のサイクル数を越えた場合には、前記スロットル弁を開放すると共に前記再循環排気ガス制御弁を閉鎖するようにした内燃機関が提供される。

すなわち１番目の発明においては、内燃機関の始動時にスロットル弁を閉鎖すると共に再循環排気ガス制御弁を開放しているときには、スロットル弁の下流における吸気通路と内燃機関の機関本体と排気ガス再循環通路までの排気通路と排気ガス再循環通路とによって閉ループが形成され、この閉ループ内において空気または未燃成分を含んだ排気ガスが循環するようになる。機関始動時の排気ガスにはエミッションが比較的多く含まれているものの、前述した閉ループ内において空気および未燃成分を含んだ排気ガスを循環させることによって、捕集タンク等を必要とすることなしに、これらエミッションを含む排気ガスが機関始動時に内燃機関から外部に流出するのを抑制することが可能となる。さらに、閉ループ内の空気または未燃成分を含んだ比較的高温の排気ガスを循環させることにより可燃混合気を容易に形成できるので、実際に噴射する燃料を従来の場合よりも低減するようにしてもよい。さらに、再循環排気ガスが触媒または触媒を担持したフィルタを通過する際に排気ガス内のエミッション、特にＨＣ、ＣＯなどを酸化により浄化すると共に、これら触媒の暖機を行うことも可能となる。触媒は酸化触媒またはＮＯｘ触媒を採用することができる。

２番目の発明によれば、１番目の発明において、さらに、ターボチャージャを具備し、前記排気ガス再循環通路は前記ターボチャージャの排気タービンの下流側と前記ターボチャージャのコンプレッサの上流側とを接続している。
すなわち２番目の発明においては、前述した閉ループがターボチャージャの分だけ大きくなり、エミッションを含んださらに多量の排気ガスが内燃機関から外部に流出するのを抑制することができる。また、多量の排気ガスによって触媒を容易に暖機することができる。

３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記内燃機関は、所定の条件が満たされた時に停止されると共に、前記所定の条件が満たされなくなったときに再始動されるようにした。
すなわち３番目の発明においては、いわゆるエコラン車両またはハイブリッド車両の場合であっても排気ガスが内燃機関から外部に流出するのを防止することができる。また、閉ループ内において空気および未燃成分を含んだ排気ガスを循環させて触媒暖機を行うことは、エコラン車両またはハイブリッド車両の内燃機関のように比較的頻繁に停止されて触媒温度が低下しやすい場合には特に有利である。

４番目の発明によれば、１番目の発明において、前記内燃機関の始動後に前記内燃機関のサイクル数が所定の別のサイクル数を越えた場合には、前記触媒を昇温させる昇温制御を行うようにした。
すなわち４番目の発明においては、所定の触媒昇温制御を行うことにより、前述した閉ループの内壁などに付着したエミッションを除去することが可能となる。

各発明によれば、エミッションを含む排気ガスが機関始動時に内燃機関から外部に流出するのを抑制することができるという共通の効果を奏しうる。

さらに、排気ガス内のエミッションを酸化により浄化すると共に、これら触媒の暖機を行うことができるという効果を奏しうる。
さらに、２番目の発明によれば、さらに多量の排気ガスが内燃機関から外部に流出するのを抑制することができるという効果を奏しうる。
さらに、３番目の発明によれば、いわゆるエコラン車両またはハイブリッド車両の場合であっても排気ガスが内燃機関から外部に流出するのを防止することができるという効果を奏しうる。
さらに、４番目の発明によれば、所定の触媒昇温制御を行うことにより、前述した閉ループの内壁などに付着したエミッションを除去することができるという効果を奏しうる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同一の部材には同一の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。

図１および図２は本発明を筒内噴射式圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示しているが本発明は筒内噴射式火花点火ガソリン機関にも適用することができる。図１および図２を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３およびインタークーラ１４を介して過給機、例えば排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１６の出口部に連結される。コンプレッサ１６の入口部は吸気ダクト１７およびエアフローメータ１８を介してエアクリーナ１９に連結され、吸気ダクト１７内にはステップモータ２０により駆動されるスロットル弁２１が配置される。

一方、排気ポート１０は排気マニホルド２２を介して排気ターボチャージャ１５の排気タービン２３の入口部に連結され、排気タービン２３の出口部は排気管２６を介してパティキュレートフィルタ（以下、適宜「フィルタ」と称する）２４を内臓したケーシング２５に連結される。フィルタ２４下流の排気管２６とスロットル弁２１下流の吸気ダクト１７とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２７を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２７内にはステップモータ２８により駆動されるＥＧＲ制御弁２９が配置される。また、ＥＧＲ通路２７内にはＥＧＲ通路２７内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ３０が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水がＥＧＲクーラー３０内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。

一方、燃料噴射弁６は燃料供給管３１を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール３２に連結される。このコモンレール３２内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３３から燃料が供給され、コモンレール３２内に供給された燃料は各燃料供給管３１を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール３２にはコモンレール３２内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３４が取付けられ、燃料圧センサ３４の出力信号に基づいてコモンレール３２内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ３３の吐出量が制御される。

一方、図１に示される実施例では機関の出力軸に変速機３５が連結され、変速機３５の出力軸３６に電気モータ３７が連結される。この場合、変速機３５としては、トルクコンバータを具えた通常の自動変速機、各種の無段変速機、或いはクラッチを具えた手動変速機におけるクラッチ操作および変速操作を自動的に行うようにした形式の自動変速機等を用いることができる。

また、変速機３５の出力軸３６に連結された電気モータ３７は機関の駆動力とは別個に駆動力を発生する駆動力発生装置を構成している。図１に示される実施例ではこの電気モータ３７は変速機３５の出力軸３６上に取付けられかつ外周面に複数個の永久磁石を取付けたロータ３８と、回転磁界を形成する励磁コイルを巻設したステータ３９とを具備した交流同期電動機からなる。ステータ３９の励磁コイルはモータ駆動制御回路４０に接続され、このモータ駆動制御回路４０は直流高電圧を発生するバッテリ４１に接続される。このため、図示される内燃機関をハイブリッドエンジンとして使用することが可能である。

電子制御ユニット５０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス５１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）５２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）５４、入力ポート５５および出力ポート５６を具備する。エアフローメータ１８および燃料圧センサ３４の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。フィルタ２４を内臓したケーシング２５にはフィルタ２４の温度を検出するための温度センサ４３が取付けられ、この温度センサ４３の出力信号は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。なお、このような温度センサ４３を設けることなく、機関の運転状態とフィルタ２４の温度との関係を示すモデルを用いてフィルタ２４の温度を推定することもできる。このケーシング２５にはフィルタ２４の上流側と下流側との圧力差を検出するための差圧センサ６１が設けられている。差圧センサ６１の出力信号は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。また、入力ポート５５には変速機３５の変速比又は変速段、および出力軸３６の回転数等を表わす種々の信号が入力される。

一方、アクセルペダル４４にはアクセルペダル４４の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４５が接続され、負荷センサ４５の出力電圧は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。更に入力ポート５５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ（いわゆる回転数センサ）４６が接続される。一方、フィルタ２４を内臓したケーシング２５の入口部には排気ガス中に炭化水素、例えば燃料を供給するための炭化水素供給弁４２が配置され、出力ポート５６は対応する駆動回路５８を介して燃料噴射弁６、ステップモータ２０および２８、燃料ポンプ３３、変速機３５、モータ駆動制御回路４０および炭化水素供給弁４２に接続される。

電気モータ３７のステータ３９の励磁コイルへの電力の供給は通常停止せしめられており、このときロータ３８は変速機３７の出力軸３６と共に回転している。一方、電気モータ３７を駆動せしめるときにはバッテリ４１の直流高電圧がモータ駆動制御回路４０において周波数がｆｍで電流値がＩｍの三相交流に変換され、この三相交流がステータ３９の励磁コイルに供給される。この周波数ｆｍは励磁コイルにより発生する回転磁界をロータ３８の回転に同期して回転させるのに必要な周波数であり、この周波数ｆｍは出力軸３６の回転数に基づいてＣＰＵ５４で算出される。モータ駆動制御回路４０ではこの周波数ｆｍが三相交流の周波数とされる。

一方、電気モータ３７の出力トルクは三相交流の電流値Ｉｍにほぼ比例する。この電流値Ｉｍは電気モータ３７の要求出力トルクに基づきＣＰＵ５４において算出され、モータ駆動制御回路４０ではこの電流値Ｉｍが三相交流の電流値とされる。また、車両減速時などにおいては電気モータ３７は発電機として作動し、このとき発生した電力がバッテリ４１に回生される。電気モータ３７を発電機として作動させるべきか否かはＣＰＵ５４において判断され、電気モータ３７を発電機として作動させるべきであると判別されたときにはモータ制御回路４０により電気モータ３７に発生した電力がバッテリ４１に回生されるように制御される。

図３に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実施例では機関の出力軸４７に電気モータ３７が連結され、電気モータ３７の出力軸に変速機３５が連結される。この実施例では電気モータ３７のロータ３８は機関の出力軸４７上に取付けられており、従ってロータ３８は常時機関の出力軸４７と共に回転する。また、この実施例においても変速機３５としては、トルクコンバータを具えた通常の自動変速機、各種の無段変速機、或いはクラッチを具えた手動変速機におけるクラッチ操作および変速操作を自動的に行うようにした形式の自動変速機等を用いることができる。

本発明による実施例では空燃比を目標空燃比とするのに必要な目標吸入空気量ＧＡＯが図４（Ａ）に示されるように要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されている。また、スロットル弁２１の目標開度ＳＴが図４（Ｂ）に示されるように要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されている。一方、ＥＧＲ制御弁２９の開度はエアフローメータ１８により検出された吸入空気量が目標吸入空気量ＧＡＯとなるように制御される。また、正常時、即ちフィルタ２４が目詰まりをしていないときにとるであろうＥＧＲ制御弁２９の予想基準開度ＳＥＯが図５に示されるように要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されている。

ところで本発明ではフィルタ２４上にはＮＯｘ吸蔵剤が担持されている。このＮＯｘ吸蔵剤は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少くとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。機関吸気通路、燃焼室５およびフィルタ２４上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称するとこのＮＯｘ吸蔵剤は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸蔵し、排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを放出するＮＯｘの吸放出作用を行う。

このＮＯｘ吸蔵剤を担持したフィルタ２４を機関排気通路内に配置すればＮＯｘ吸蔵剤は実際にＮＯｘの吸放出作用を行うがこの吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作用は図６に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズムについて担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。

図１から図３に示される内燃機関は変速機３５、電気モータ３７およびバッテリ４１を有しているが、以下、これらを有していない一般的な内燃機関の動作について説明する。図６は一般的な内燃機関についての本発明に基づく動作を示すフローチャートである。図６のステップ１０１においては内燃機関のイグニッションスイッチがＯＮ状態になったか否かが判定される。イグニッションスイッチがＯＮ状態になっている場合にはステップ１０２に進む。ステップ１０２においては、図１に示されるＥＧＲ制御弁２９が開放される。次いで、ステップ１０３に進んで、図１に示されるスロットル弁２１が閉鎖される。これにより、ＥＧＲ通路２７と、スロットル弁２１の下流に位置する吸気ダクト１７と、コンプレッサ１６と、吸気ダクト１３と、サージタンク１２と、機関本体１と、排気マニホルド２２と、排気タービン２３と、ＥＧＲ通路２７までの排気管２６とによって閉ループが形成される。そして、スロットル弁２１が閉鎖されているために新規の空気は機関本体１に流入せず、始動時に閉ループ内に残存していた空気または未燃成分を含んだ排気ガスのみが機関本体１に流入するようになる。ここで、機関本体１への流入量と機関本体１からの流出量とが同じであるために、排気タービン２３から排気管２６に流入した排気ガスは排気管２６からほとんど流出しない。そして、機関本体１が作動しているために空気および排気ガスは閉ループを繰り返し循環するようになる。

機関本体１には通常は内燃機関が前回始動したときに形成された排気ガスが機関本体１または排気マニホルド２２、排気管２６などに残存しており、またＥＧＲ制御を行った場合には、ＥＧＲ通路２７および機関の吸気系にも排気ガスが残存している。これら排気ガスはエミッション、例えばＣＯ、ＣＨ、ＮＯｘなどを含んでいる。通常の内燃機関の機関始動時にはフィルタ２４に担持された触媒は触媒固有の活性温度に到達していないので、機関本体１を通過した排気ガスがフィルタ２４を通過してもエミッションはあまり低下せず、エミッションを含んだ排気ガスは排気管２６から外部に流出される。ところが、本発明においては、前述した閉ループにおいて空気または排気ガスの循環を行っているので、このようなエミッションを含んだ排気ガスが排気管２６から外部に流出することはほとんどない。また、図１から分かるように前述した閉ループ内にはフィルタ２４も含まれているので、機関本体１から流出した比較的高温の排気ガスがフィルタ２４を通過するようにもなる。このため、フィルタ２４に担持された触媒は通常の場合よりも早期に活性温度に到達し、排気ガス内のエミッションを酸化により低減することができる。

なお、前述したように機関本体１への流入量と機関本体１からの流出量とは同じであるので、図示されるようにＥＧＲ通路２７よりも下流の排気管２６が開放していたとしても、空気または排気ガスが排気管２６から外部に流出することはほとんどない。ただし、空気または排気ガスが流出するのを完全に防止するために、ＥＧＲ通路２７よりも下流の排気管２６に排気管用開閉弁（図示しない）を設け、排気ガスなどが前述した閉ループを循環するときにこの排気管用開閉弁を閉鎖するようにしてもよい。

ところで、図１などに示されるような内燃機関においては燃料が燃料噴射弁６から燃焼室５内に噴射されている。噴射される燃料は内燃機関が安定動作しているときには一定量である。ところが、機関始動時には燃焼室５などの温度が低いために噴射した燃料の全てが可燃混合気になって燃焼するわけではない。このため、通常は機関始動時における可燃混合気量を維持するために、機関始動時に噴射される燃料の量を安定動作時の燃料の量よりも多くすることが行われている。つまり、機関始動時における燃料の量は始動増量分だけ安定動作時よりも多い。そして、この始動増量分の燃料は、機関本体で全て燃焼することなく、未燃成分として排気ガスと共に排気管２６から排出されている。そして、通常の内燃機関の場合には、これら未燃成分によってエミッションは増大している。図示しないガソリンエンジンの場合も同様に、機関始動時には燃料が始動増量分だけ多く吸気ポートに噴射されており、同様にエミッションの増大につながっている。

一方、本発明においては、機関始動時に機関本体１から排出された未燃成分を比較的多く含む排出ガスは、排気マニホルド２２、排気タービン２３、排気管２６、およびＥＧＲ通路２７を通過して吸気系に再び流入している。そして、未燃成分を多く含んだ排気ガスが閉ループを通って機関本体１への循環を繰り返すと、これら未燃成分の多くは可燃混合気となるので、始動増量分の燃料が無くても十分な量の可燃混合気が得られるようになる。機関始動後に機関本体１から排出されて未燃成分を多く含んだ排気ガスの多くが可燃混合気になったか否かを例えば内燃機関のサイクル数Ｋによって判断することができる。

ここで再び図６を参照すると、ステップ１０４において内燃機関のサイクル数Ｋを電子制御ユニット５０を通じてクランク角センサ４６から取得する。このサイクル数Ｋは機関回転数Ｎに応じて定まり、例えば内燃機関が図示されるような四気筒内燃機関である場合には、機関回転数Ｎの半分の値がサイクル数Ｋに相当する。次いで、ステップ１０５に進み、取得したサイクル数Ｋが所定のサイクル数ＫＡよりも大きいか否かが判定される。サイクル数ＫＡは、機関始動後に機関本体１から排出された排気ガスが循環して可燃混合気になりうるのに十分な時間に相当するサイクル数である。図７（ａ）に示されるように、サイクル数ＫＡは、例えば要求負荷Ｌおよび機関冷却水温度Ｔなどの関数としてマップの形で予め求められ、電子制御ユニット５０のＲＯＭ５２などに記憶されている。図７（ａ）においては、要求負荷Ｌと機関冷却水温度Ｔとの関数としてサイクル数ＫＡを求めているが、他のパラメータ、例えば温度センサ４３により検出されるフィルタ２４の温度、および前回機関停止からの経過時間などをパラメータとして採用してもよい。また、サイクル数ＫＡとして、スタータを起動していれば機関本体１の複数の燃焼室５内において爆発が連続的に起こるのに十分な時間に相当するサイクル数を採用することもできる。

ステップ１０５においてサイクル数Ｋが所定のサイクル数ＫＡよりも大きくないと判定された場合には、ステップ１０４に進んで処理を繰り返す。一方、サイクル数Ｋが所定のサイクル数ＫＡよりも大きいと判定された場合には、ステップ１０６に進む。このときには、十分な量の可燃混合気が気筒内で形成されていると判断されるので、始動増量分の燃料がなくてもよい。従って、ステップ１０６において燃料弱噴射制御を行い、始動増量分を除いた量の燃料を噴射するようにする。これにより、本発明においては始動増量分の燃料の噴射量を低減することもできる。

さらに、ステップ１０７に進んで、サイクル数Ｋを再度取得する。次いで、ステップ１０８に進んで、このサイクル数Ｋが所定のサイクル数ＫＢよりも大きいか否かが判定される。サイクル数ＫＢは前述したサイクル数ＫＡよりも大きな値であり、サイクル数ＫＡと同様に、例えば要求負荷Ｌおよび機関冷却水温度Ｔなどの関数としてマップの形で予め求められ、電子制御ユニット５０のＲＯＭ５２などに記憶されている（図７（ｂ）を参照されたい）。サイクル数ＫＢは、例えば前述した閉ループ内の未燃成分が消費されうる時間に相当するサイクル数である。ステップ１０８においてサイクル数Ｋが所定のサイクル数ＫＢよりも大きいと判定された場合にはステップ１０９に進む。一方、サイクル数が所定のサイクル数ＫＢよりも大きくないと判定された場合には、ステップ１０７に進み、処理を繰り返す。次いで、ステップ１０９においてスロットル弁２１を開放し、さらにステップ１１０おいてＥＧＲ制御弁２９を閉鎖する。これにより、内燃機関は通常の制御で作動するようになる。

なお、図６においてはＥＧＲ制御弁２９を開放した後にスロットル弁２１を閉鎖する（ステップ１０２およびステップ１０３）と共に、スロットル弁２１を開放した後にＥＧＲ制御弁２９を閉鎖している（ステップ１０９およびステップ１１０）が、これらスロットル弁２１およびＥＧＲ制御弁２９の閉鎖および開放の順番が逆であってもよく、また例えばＥＧＲ制御弁２９の開放とスロットル弁２１の閉鎖とを同時に行うようにしてもよい。

図８は触媒昇温制御を行うためのフローチャートである。図８のフローチャートに示される制御は図６の全てのステップが完了した後に行われるが、図８に示される制御自体を行わないようにしてもよい。図８のステップ１１１においては、サイクル数Ｋを再び取得し、ステップ１１２においてこのサイクル数が所定のサイクル数ＫＣよりも大きいか否かが判定される。サイクル数ＫＣは前述したサイクル数ＫＢよりもさらに大きな値であり、サイクル数ＫＡおよびサイクル数ＫＢと同様に、例えば要求負荷Ｌおよび機関冷却水温度Ｔなどの関数としてマップの形で予め求められ、電子制御ユニット５０のＲＯＭ５２などに記憶されている（図７（ｃ）を参照されたい）。サイクル数ＫＣは、例えば内燃機関が完爆（スタータがＯＦＦ状態であっても燃焼室５内における爆発が連続的に起こる状態）するのに十分な時間に相当するサイクル数である。ステップ１１２においてサイクル数Ｋが所定のサイクル数ＫＣよりも大きい場合にはステップ１１３に進む。サイクル数Ｋが所定のサイクル数ＫＣよりも大きくない場合にはステップ１１１に進んで処理を繰り返す。

ステップ１１３からステップ１１５において行われる触媒昇温制御は例えば低温燃焼である。ここで、低温燃焼とは、内燃機関の排気側から吸気側へ極めて大量の排気ガスを再循環させることにより、煤の発生量がピークとなる再循環ガス（ＥＧＲガス）量よりも燃焼室内のＥＧＲガス量が多く煤がほとんど発生しない燃焼のことをいう。つまり、例えば図１に示されるように排気管２６内の排気ガスをＥＧＲ通路２７に通して吸気ダクト１７まで再循環させることにより低温燃焼が行われている。ステップ１１３においては図４（Ｂ）に示すマップからスロットル弁２１の目標開度ＳＴが算出され、スロットル弁２１の開度がこの目標開度とされる。次いでステップ１１４においては図５に示すマップからＥＧＲ制御弁２９の目標開度ＳＥＯが算出され、ＥＧＲ制御弁２９の開度がこの目標開度ＳＥＯとされる。次いで、ステップ１１５において燃焼室５内がリーン雰囲気となるように燃料の噴射制御が行われ、これにより低温燃焼が行われる。なお、燃料噴射量は図４（Ｂ）および図５と同様な燃料噴射量に関するマップから算出される。低温燃焼下ではＥＧＲガスの導入により、ケーシング２５内のフィルタ２４の温度を例えば約５００℃から約６００℃程度にまで上昇させられる。これにより、前述した閉ループ、特に排気管２６およびＥＧＲ通路２７等の内壁に付着していたＨＣなどの未燃成分を燃焼により除去することができる。

次いで、ステップ１１６に進んで補助噴射制御を行う。なお、この補助噴射制御はステップ１１３からステップ１１５までの処理で未燃成分の除去が十分である場合には行わなくてもよい。ステップ１１６に示される補助噴射制御を行うか否かは、差圧センサ６１により検出される圧力変化から判断するようにしてもよい。例えば差圧センサ６１により検出されるフィルタ２４の上流側と下流側との圧力差が所定の値よりも大きい場合には、ＰＭがフィルタ２４に堆積しているものと判断して、補助噴射制御を行う。また、ステップ１１６に示される補助噴射制御を行うか否かは、温度センサ４３により検出される温度変化から判断するようにしてもよい。例えばステップ１１５の前後において温度センサ４３により検出された温度変化が所定の値よりも小さいときには、ステップ１１５における噴射制御による昇温効果が小さかったと判断して、補助噴射制御を行う。

ステップ１１６において行われる補助噴射制御は、燃料噴射弁６により行う燃料噴射のメイン噴射Ｑｍを圧縮上死点（ＴＤＣ）よりもわずかながら遅らせる、つまり遅角側で行う制御、メイン噴射Ｑｍよりも後における排気弁９が開弁する直前の膨張行程で行われるポスト噴射Ｑｐなどが含まれる。メイン噴射Ｑｍの遅れまたはポスト噴射Ｑｐのうちのどちから一方、もしくはメイン噴射Ｑｍの遅れおよびポスト噴射Ｑｐの両方を行うようにしてもよい。いずれの場合にも、フィルタ２４の温度を上昇させられ、結果的に閉ループの内壁に付着していたＨＣなどの未燃成分を燃焼により除去することができる。当然のことながら、他の触媒昇温制御を行うようにしてもよい。また、内燃機関が図１などには示さないガソリンエンジンである場合には、点火時期を遅角側にずらすようにしてもよい。

図９および図１０は、図１などに示されるハイブリッドエンジンとしての機能を有する内燃機関をエコラン車両に搭載した場合の動作を示すフローチャートである。これら図面に示されるフローチャートの処理は繰り返し行われるものとする。図９のステップ１０２０において入力信号の処理をおこなう。次いで、ステップ１０３０においてはエコラン中であるか否か、すなわち、停止中であるか否かが判定される。なお、エコラン中とは、内燃機関が停止されているために該内燃機関を搭載した車両が完全に停止している場合、および内燃機関は停止されているものの変速機３５の変速比設定を通じてバッテリ４１により車両自体は電気モータ３７からの駆動で進行している場合の両方を含むものとする。そして、ステップ１０３０においてエコラン中でないと判定された場合にはステップ１０４０に進み、エコラン条件が成立したか否かを判定する。

ステップ１０４０におけるエコラン条件とは、車速が０に近い所定値以下であること（車速センサの信号で判定）、フットブレーキがＯＮであること（フットブレーキセンサの信号で判定）、アクセルＯＦＦであること（アクセル開度センサの信号で判定）、内燃機関水温が所定値以上であること（水温センサの信号で判定）等が並列的に成立していることである。

ステップ１０４０においてエコラン条件が成立していないと判定された場合はステップ１０５０に進んで、内燃機関の駆動継続を行う。一方、ステップ１０４０において肯定判定された場合には、ステップ１０７０に進んで内燃機関を停止する。

一方、ステップ１０３０においてエコラン中であると判定された場合には、ステップ１０８０に進んで、エコラン復帰条件、すなわち内燃機関の再始動条件が成立しているか否かが判定される。そして、エコラン復帰条件が成立していない場合にはステップ１１１０に進んで、内燃機関を停止したままにする。ステップ１０８０において、エコラン復帰条件が成立していると判定された場合には、ステップ１０９０に進んでスタータを用いて内燃機関を始動する。次いで、ステップ１１００に進む。

ステップ１１００に記載される処理Ｘの詳細は図１０に示されている。図１０に示されるステップのうちの一部のステップは図６に示されるステップと同一であるので説明を簡略する。図６を参照して説明したのと同様に、ステップ１１０１においてＥＧＲ制御弁２９を開放すると共にステップ１１０２においてスロットル弁２１を閉鎖する。次いで、ステップ１１０３において変速機３５の変速比を調整して、内燃機関の負荷が所定の低負荷にされる。そして、ステップ１１０４においてバッテリ４１を用いて電気モータ３７を駆動し、内燃機関の元の負荷と所定の低負荷との間の差分を補助する制御が行われる。このため、機関始動時であっても、内燃機関を搭載した車両が所望の速度まで迅速に到達することができる。

ステップ１１０５からステップ１１０９までの制御は図６のステップ１０４から１０８と同様である。そして、ステップ１１１０においてスロットル弁２１を開放すると共にステップ１１１１においてＥＧＲ制御弁２９を閉鎖し、内燃機関を通常制御にする。さらに、ステップ１１１２において変速機３５の変速比を調整して、内燃機関の負荷を所定の低負荷から元負荷まで高くする。このときには、内燃機関のみで所望の速度を維持することができるので、次いでステップ１１１３において適宜、バッテリ４１を充電する制御を行うようにして、図９に示されるフローに戻る。

図９および図１０を参照して分かるように、エコラン車両に内燃機関が搭載されている場合には、内燃機関が頻繁に停止（ステップ１０７０）および始動（ステップ１０９０）される。このため、従来技術の内燃機関であれば、エミッションの多い排気ガスが比較的頻繁に排出されることとなる。ところが本発明においてはステップ１１０１においてＥＧＲ制御弁２９を開放すると共にステップ１１０２においてスロットル弁２１を閉鎖しているので、排気ガスは前述した閉ループを循環して、外部に排出されないようになる。従って、本発明の内燃機関をエコラン車両に搭載することは極めて有利である。

また、機関の停止および始動が頻繁に行われることに伴い、パティキュレートフィルタ２４に担持される触媒の温度も上昇および下降を頻繁に繰り返している。従って、触媒が固有の活性温度以下となる状態も多いものの、機関始動時にＥＧＲ制御弁２９を開放する（ステップ１１０１）と共にスロットル弁２１を閉鎖する（ステップ１１０２）処理を行っているために、図６を参照して説明したのと同様な理由から触媒は通常の場合よりも早期に活性温度に到達し、これによっても排気ガス内のエミッションを低減することが可能となる。

図１１は、他の実施形態の圧縮着火式内燃機関の全体図である。図１および図２で用いられた参照番号と図１１において同一の参照番号に対応する部材は図１および図２の場合と同一であるので説明を省略する。図１１に示される内燃機関においては、ＥＧＲ通路の配設構造またはその位置が異なっている。そして、図１１においては、排気マニホルド２２とインタークーラ１４よりも下流の吸気ダクト１３とを接続するＥＧＲ通路６７が設けられており、ＥＧＲ通路６７に設けられたＥＧＲ制御弁６９はステップモータ６８によって作動する。また、インタークーラ７０がＥＧＲ通路６７に設けられている。図１１から分かるように、このＥＧＲ通路６７を流れる排気ガスは、排気ターボチャージャ１５の排気タービン２３を通過していない。このため、図１１に示されるＥＧＲ通路６７内の圧力は図１に示されるＥＧＲ通路２７内の圧力よりも高くなっている。

図１１に示されるようなＥＧＲ通路６７を備える内燃機関において、図８を参照して前述したように機関始動時にＥＧＲ制御弁６９を開放すると共にスロットル弁２１を閉鎖する。これにより、機関本体１と、排気マニホルド２２と、ＥＧＲ通路６７と、スロットル弁２１より下流の吸気ダクト１３とによって閉ループが形成され、空気または排気ガスがこの閉ループ内を循環するようになる。従って、前述した実施形態の場合と同様に、エミッションを比較的多く含んだ排気ガスが排気管２６から外部に排出されるのを抑制することができる。

なお、図１を参照して説明した閉ループは排気ターボチャージャ１５を経由してるので図１１の閉ループよりも長く、従って、閉ループの容積は図１の場合の方が大きい。このため、閉ループ内のエミッションの量も図１の場合の方が多くなっている。従って、図１に示される実施形態の方が、図１１に示される実施形態よりも多量のエミッションが内燃機関から外部に流出することが抑制される。また、当然のことながら、図１の閉ループ全体における残存酸素量および排気ガスの未燃成分の量はどちらも図１１の場合の酸素量および未燃成分の量よりも多いので、図１に示される実施形態においてはＥＧＲ制御弁２９の開放およびスロットル弁２１の閉鎖を行う時間（サイクル数に対応する）を図１１の場合よりも長くするのが好ましい。

なお、図１１に示される排気ターボチャージャ１５が存在しない場合、また図１１においてフィルタ２４と同等のフィルタ（図示しない）がＥＧＲ制御弁６９よりも上流のＥＧＲ通路６７に別途設けられている場合であっても、本発明の範囲に含まれるのは明らかである。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。機関本体の側断面図である。圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。目標吸入空気量等のマップを示す図である。ＥＧＲ制御弁の予測基準開度のマップを示す図である。一般的な内燃機関についての本発明に基づく動作を示すフローチャートである。目標サイクル数のマップを示す図である。触媒昇温制御を行うためのフローチャートである。エコラン車両の本発明に基づく動作を示すフローチャートである。エコラン車両の本発明に基づく動作を示すフローチャートである。他の実施形態の圧縮着火式内燃機関の全体図である。

符号の説明

１…機関本体
５…燃焼室
１３…吸気ダクト
１５…ターボチャージャ
１６…コンプレッサ
１７…吸気通路
２１…スロットル弁
２３…排気タービン
２４…パティキュレートフィルタ
２６…排気管
２７、６７…ＥＧＲ通路（排気ガス再循環通路）
２９、６９…ＥＧＲ制御弁（再循環排気ガス制御弁）

Claims

燃焼室から排出された排気通路内の排気ガスを内燃機関のスロットル弁よりも下流の吸気通路に再循環させる排気ガス再循環通路と、
前記排気ガス再循環通路を流れる再循環排気ガスの量を制御可能な再循環排気ガス制御弁と、
前記排気通路に設けられた酸化機能を有する触媒または該触媒を担持したフィルタとを具備し、前記排気ガス再循環通路が前記触媒またはフィルタの下流から前記スロットル弁よりも下流の前記吸気通路まで延びており、
前記内燃機関の始動から前記内燃機関のサイクル数が第一のサイクル数を越える前においては、燃料噴射量が一定であるときの前記内燃機関の動作時よりも始動増量分だけ多くの燃料を前記内燃機関の燃料噴射弁から燃焼室内に噴射しつつ、前記スロットル弁を閉鎖すると共に前記再循環排気ガス制御弁を開放し、
前記内燃機関の始動後に前記内燃機関のサイクル数が前記第一のサイクル数を越えた場合には前記始動増量分を除いた量の燃料を前記燃焼室内に噴射するようにし、
前記内燃機関のサイクル数が前記第一のサイクル数よりも大きい第二のサイクル数を越えた場合には、前記スロットル弁を開放すると共に前記再循環排気ガス制御弁を閉鎖するようにした内燃機関。
さらに、ターボチャージャを具備し、前記排気ガス再循環通路は前記ターボチャージャの排気タービンの下流側と前記ターボチャージャのコンプレッサの上流側とを接続している請求項１に記載の内燃機関。
前記内燃機関は、所定の条件が満たされた時に停止されると共に、前記所定の条件が満たされなくなったときに再始動されるようにした請求項１または２に記載の内燃機関。
前記内燃機関の始動後に前記内燃機関のサイクル数が所定の別のサイクル数を越えた場合には、前記触媒を昇温させる昇温制御を行うようにした請求項１に記載の内燃機関。