JP4665845B2

JP4665845B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4665845B2
Application number: JP2006171262A
Authority: JP
Inventors: 節志村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2026-06-21
Also published as: JP2008002316A

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関のクランクケース内は、燃焼室からピストンとシリンダ間を通って漏洩したブローバイガスと、導入された外気とにより満たされており、クランクケース内のエンジンオイルはブローバイガス中に含まれている未燃ＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘや外気中に含まれているＯ_２によって窒化劣化や酸化劣化することが従来より知られている。

そこで、機関排気通路内に排気浄化用触媒を配置すると共にこの触媒下流の機関排気通路を連通路を介して機関のクランクケース内に連結し、排気浄化用触媒により浄化された排気ガス、すなわち未燃ＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘやＯ_２をあまり含まずしたがってエンジンオイルに対する不活性度が高い排気ガスを連通路を介しクランクケース内に導入することによりエンジンオイルの劣化を抑制するようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。

特開平９−７９０２２号公報

しかしながら排気浄化用触媒下流における背圧は低く、したがって排気浄化用触媒下流における背圧とクランクケース内の圧力との圧力差が小さいために排気通路内の排気ガスを良好にクランクケース内に送り込めないという問題がある。

一方、排気浄化用触媒上流における背圧は高く、したがって排気浄化用触媒上流の機関排気通路を連通路を介しクランクケース内に連結すれば排気ガスを良好にクランクケース内に送り込むことができる。しかしながら、排気浄化用触媒上流の排気ガス中には比較的多量の未燃ＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘやＯ_２が含まれており、エンジンオイルに対する不活性度が低い排気ガスがクランクケース内に導入されることになるので、エンジンオイルの劣化を十分に抑制することができない。

すなわち、クランクケース内に排気浄化用触媒上流のみから排気ガスを導入し又は排気浄化用触媒下流のみから排気ガスを導入している限りは何らかの問題が生じうる。

前記問題点を解決するために本発明の一観点によれば、機関排気通路内に排気浄化用触媒を配置し、該触媒上流の機関排気通路を上流側連通路を介して機関のクランクケース内に連結すると共に該触媒下流の機関排気通路を下流側連通路を介して該クランクケース内に連結し、上流側連通路を介してクランクケース内に導入される排気ガス量と下流側連通路を介してクランクケース内に導入される排気ガス量との割合を機関運転状態に応じて変更する手段を設けている。

前記問題点を解決するために本発明の別観点によれば、機関排気通路内に排気浄化用触媒を配置し、該触媒上流の機関排気通路を上流側連通路を介して機関のクランクケース内に連結すると共に該触媒下流の機関排気通路を下流側連通路を介して該クランクケース内に連結し、該触媒上流の機関排気通路内の排気ガスと該触媒下流の機関排気通路内の排気ガスとの両方をクランクケース内に導入するようにしている。

エンジンオイルの劣化を抑制しつつ機関排気通路内の排気ガスをクランクケース内に良好に送り込むことができる。

図１を参照すると、１はシリンダブロック、２はシリンダ、３はピストン、４はシリンダヘッド、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気マニホルド、８は排気弁、９は排気マニホルド、１０はクランクケースをそれぞれ示す。図１に示されるように排気マニホルド９は排気再循環（以下、ＥＧＲと称する）通路１１を介して吸気マニホルド７に連結され、ＥＧＲ通路１１内にはＥＧＲ通路１１内を流通するＥＧＲガス量を制御するためのＥＧＲ制御弁１２が配置される。一方、排気マニホルド９の出口は排気浄化用の補助触媒１３に連結され、補助触媒１３の出口は排気管１４を介して排気浄化用の主触媒１５に連結され、主触媒１５の出口は排気管１６に連結されている。

主触媒１５は、理論空燃比のもとで排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘを同時に浄化しうる三元触媒、空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチになると吸蔵したＮＯｘを放出し還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒、排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタ、あるいはＮＯｘ吸蔵還元触媒を担持したパティキュレートフィルタ等からなる。一方、補助触媒１３は、三元触媒、酸化触媒、ＮＯｘ吸蔵還元触媒、あるいは排気ガス中のＮＯｘを吸着しうるＮＯｘ吸着触媒からなる。

図１に示されるように排気管１４内、すなわち主触媒１５の上流であってかつ補助触媒１３下流の機関排気通路は上流側連通路１７ｕ、導入制御弁１８、及び共通の連通路１９を順次介してクランクケース内２０に連結され、排気管１６内、すなわち主触媒１５下流の機関排気通路は下流側連通路１７ｄ、導入制御弁１８、及び共通の連通路１９を順次介してクランクケース内２０に連結される。共通の連通路１９内には導入制御弁１８からクランクケース内２０に向けてのみ流通可能な逆止弁２１が配置されている。

導入制御弁１８は例えば図２に示されるような三方弁から構成される。図２に示されるように導入制御弁１８は弁体１８ａを具備し、この弁体１８ａが図２にＵで示される位置に制御されると上流側連通路１７ｕが開放され、下流側連通路１７ｄが閉鎖され、したがって排気管１４内すなわち主触媒１５の上流であってかつ補助触媒１３下流の機関排気通路内の排気ガスのみがクランクケース内２０に導入される。これに対し、弁体１８ａが図２にＤで示される位置に制御されると上流側連通路１７ｕが閉鎖され、下流側連通路１７ｄが開放され、したがって排気管１６内すなわち主触媒１３下流の機関排気通路内の排気ガスのみがクランクケース内２０に導入される。

また、弁体１８ａが図２にＵ及びＤで示される二位置間の中間位置に制御されると、上流側連通路１７ｕ及び下流側連通路１７ｄ双方が開放され、排気管１４内の排気ガス及び排気管１６内の排気ガス双方がクランクケース内２０に導入される。この場合、弁体１８ａが例えば図２にＵで示される位置からＤで示される位置に向け移動されるにつれて、上流側連通路１７ｕを介し導入される排気ガス量が少なくなり、下流側連通路１７ｄを介し導入される排気ガス量が多くなる。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。図示しないセンサの出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４０が接続され、負荷センサ４０の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル３９の踏み込み量は機関負荷Ｌを表している。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４１が接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４１の出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介してＥＧＲ制御弁１２及び導入制御弁１８に接続される。

さて、図１からわかるように補助触媒１３の容積は主触媒１５の容積に比べてかなり小さく、したがって補助触媒１３の流れ抵抗は主触媒１５の流れ抵抗に比べてかなり小さい。したがって主触媒１５上流の排気管１４内における背圧はかなり高く、これに対し主触媒１５下流の排気管１３内の背圧はかなり低くなっている。上述したように排気管１４内の背圧はかなり高く、したがって導入制御弁１８により上流側連通路１７ｕが開放されると排気管１４内の排気ガスがクランクケース内２０に良好に導入される。このとき、クランクケース内２０を満たしているブローバイガス等は図示しない通気路を介して機関吸気通路内に押し出される。

一方、排気ガスが主触媒１５内に流入すると主触媒１５内において排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘが浄化され、あるいは排気ガス中のＯ_２が消費され、あるいは排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘが浄化されると共に排気ガス中のＯ_２が消費され、その結果主触媒１５下流の排気管１６内の排気ガス中には未燃ＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘやＯ_２がほとんど含まれていない。したがって、導入制御弁１８により下流側連通路１７ｄが開放されるとエンジンオイルに対する不活性度が低い排気ガスが排気管１６からクランクケース内２０に導入されることになる。

ところが、冒頭で述べたように、主触媒１５上流の排気管１４内の排気ガス中には比較的多量の未燃ＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘやＯ_２が含まれており、この排気ガスのエンジンオイルに対する不活性度は比較的低く、エンジンオイルの劣化を十分に抑制できないおそれがある。一方、主触媒１５下流の排気管１６内の背圧は低く、排気管１６内の排気ガスを良好にクランクケース内２０に送り込むことができない。

そこで本発明では、上流側連通路１７ｕを介して排気ガスを導入すると共に下流側連通路１７ｄを介して排気ガスを導入し、これら排気ガス量の割合を機関運転状態に応じて変更するようにしている。

クランクケース内２０に導入される全排気ガス量に対する、上流側連通路１７ｕを介し排気管１４内から導入される排気ガス量の割合を上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕと称すると、上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕは次式で表すことができる。

Ｒｅｘｕ＝Ｑｅｘｕ／（Ｑｅｘｕ＋Ｑｅｘｄ）
ここで、Ｑｅｘｕは上流側連通路１７ｕを介し排気管１４内から導入される排気ガス量を、Ｑｅｘｄは下流側連通路１７ｄを介し排気管１６内から導入される排気ガス量をそれぞれ表している。

上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕが小さくなると上流側連通路１７ｕを介しクランクケース内２０に導入される排気ガス量Ｑｅｘｕが少なくなり下流側連通路１７ｄを介し導入される排気ガス量Ｑｅｘｕが多くなり、Ｒｅｘｕ＝０になると下流側連通路１７ｄのみを介して排気ガスが導入される。一方、上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕが大きくなると上流側連通路１７ｕを介し導入される排気ガス量Ｑｅｘｕが多くなり下流側連通路１７ｄを介し導入される排気ガス量Ｑｅｘｕが少なくなり、Ｒｅｘｕ＝１になると上流側連通路１７ｕのみを介して排気ガスが導入される。

次に本発明による第１実施例を説明する。

図３は、燃焼室５内に供給された全ガス量に対するＥＧＲガス量の割合であるＥＧＲ率Ｒｅｇｒと、燃焼室５から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯ量及びＮＯｘ量との関係を示す実験結果である。図３からわかるようにＥＧＲ率Ｒｅｇｒが低くなると未燃ＨＣ，ＣＯ量が減少し、ＮＯｘ量が増大する。これに対してＥＧＲ率Ｒｅｇｒが高くなると未燃ＨＣ，ＣＯ量が増大し、ＮＯｘ量が減少する。ここで、エンジンオイルに対する活性度はＮＯｘよりも未燃ＨＣ，ＣＯのほうが高く、したがってＥＧＲ率Ｒｅｇｒが低いときには高いときに比べて、排気ガスのエンジンオイルに対する不活性度が高くなる。

そうすると、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒが低いときには、上流側連通路１７ｕを介して排気ガスをクランクケース内２０に導入してもエンジンオイルの劣化を抑制することができ、このとき高い背圧でもって排気ガスをクランクケースない２０に良好に導入することができる。

そこで本発明による第１実施例では、図４に示されるようにＥＧＲ率Ｒｅｇｒが低いときには高いときに比べて高くなるように上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕを定めている。その結果、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒが低いときには高いときに比べて上流側連通路１７ｕを介して導入される排気ガス量が多くなり、エンジンオイルの劣化を抑制しつつ排気ガスをクランクケース内２０に良好に送り込むことができる。

上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕを図５に示されるように設定することもできる。すなわち、図５に示される例ではＥＧＲ率Ｒｅｇｒがしきい値ＲＸ以下のときには上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕを１にして上流側連通路１７ｕのみを介してクランクケース内２０に排気ガスを導入し、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒがしきい値ＲＸよりも高いときには上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕをゼロにして下流側連通路１７ｕのみを介してクランクケース内２０に排気ガスを導入するようにしている。この場合、しきい値ＲＸをゼロに設定すると、ＥＧＲガス供給作用が停止されているときには上流側連通路１７ｕのみを介してクランクケース内２０に排気ガスが導入され、ＥＧＲガス供給作用が行われているときには下流側連通路１７ｕのみを介してクランクケース内２０に排気ガスが導入されるということになる。

図６は本発明による第１実施例を実行するためのルーチンを示している。

図６を参照するとまず初めにステップ１００ではＥＧＲ率Ｒｅｇｒが算出される。続くステップ１０１では図４又は図５のマップから上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕが算出される。続くステップ１０２では実際の上流側排気ガス割合がステップ１０１で算出された上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕに一致するように導入制御弁１８が制御される。

次に本発明による第２実施例を説明する。

機関背圧が高いときには低いときに比べて、主触媒１５下流の排気管１６内の圧力とクランクケース内２０の圧力差が大きくなるので、下流側連通路１７ｄを介して排気ガスをクランクケース内２０に良好に送り込むことができ、このときエンジンオイルに対する不活性度の高い排気ガスをクランクケース内２０に送り込むことができる。

そこで本発明による第２実施例では、図７に示されるように機関背圧を表す機関負荷Ｌが高いときには低いときに比べて低くなるように上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕを定めている。その結果、機関背圧が高いときには低いときに比べて下流側連通路１７ｄを介して導入される排気ガス量が多くなり、エンジンオイルの劣化を抑制しつつ排気ガスをクランクケース内２０に良好に送り込むことができる。

上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕを図８に示されるように設定することもできる。すなわち、図８に示される例では機関負荷Ｌがしきい値ＬＸ以下のときには上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕを１にして上流側連通路１７ｕのみを介してクランクケース内２０に排気ガスを導入し、機関負荷Ｌがしきい値ＬＸよりも高いときには上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕをゼロにして下流側連通路１７ｕのみを介してクランクケース内２０に排気ガスを導入するようにしている。

図９は本発明による第２実施例を実行するためのルーチンを示している。

図９を参照するとまず初めにステップ２００では機関負荷Ｌが検出される。続くステップ２０１では図７又は図８のマップから上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕが算出される。続くステップ２０２では実際の上流側排気ガス割合がステップ２０１で算出された上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕに一致するように導入制御弁１８が制御される。

なお、補助触媒１３の代わりに又は補助触媒１３に加えて、上流側連通路１７ｕ内又は共通の連通路１９内に補助触媒を配置することもできる。補助触媒内に流入した排気ガスは補助触媒内において排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘが浄化され、あるいは排気ガス中のＯ_２が消費され、あるいは排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘが浄化されると共に排気ガス中のＯ_２が消費され、その結果未燃ＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘやＯ_２が低減された排気ガスがクランクケース内２０に送り込まれる。その結果、クランクケース内２０のエンジンオイルが窒化劣化や酸化劣化するのをさらに抑制することができる。

内燃機関の全体図である。導入制御弁の詳細図である。ＥＧＲ率と未燃ＨＣ，ＣＯ量及びＮＯｘ量の関係を示す図である。本発明による第１実施例の上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕを示す図である。本発明による第１実施例の変形例の上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕを示す図である。本発明による第１実施例の導入制御弁制御を実行するためのフローチャートある。本発明による第２実施例の上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕを示す図である。本発明による第２実施例の変形例の上流側排気ガス割合Ｒｅｘｕを示す図である。本発明による第２実施例の導入制御弁制御を実行するためのフローチャートある。

符号の説明

７吸気マニホルド
９排気マニホルド
１０クランクケース
１１ＥＧＲ通路
１４，１６排気管
１５主触媒
１７ｕ上流側連通路
１７ｄ下流側連通路
１８導入制御弁
１９共通の連通路
２０クランクケース内

Claims

機関排気通路内に排気浄化用触媒を配置し、該触媒上流の機関排気通路を上流側連通路を介して機関のクランクケース内に連結すると共に該触媒下流の機関排気通路を下流側連通路を介して該クランクケース内に連結し、上流側連通路を介してクランクケース内に導入される排気ガス量と下流側連通路を介してクランクケース内に導入される排気ガス量との割合を機関運転状態に応じて変更する手段を設けた内燃機関の制御装置であって、機関排気通路が再循環排気ガス通路を介し機関吸気通路に連結されると共に該再循環排気ガス量又は再循環排気ガス率を制御可能になっており、クランクケース内に導入される全排気ガス量に対する、上流側連通路を介してクランクケース内に導入される排気ガス量の割合である上流側排気ガス割合を、再循環排気ガス量又は再循環排気ガス率が小さいときには大きいときに比べて、高くなるように設定した内燃機関の制御装置。
機関排気通路内に排気浄化用触媒を配置し、該触媒上流の機関排気通路を上流側連通路を介して機関のクランクケース内に連結すると共に該触媒下流の機関排気通路を下流側連通路を介して該クランクケース内に連結し、上流側連通路を介してクランクケース内に導入される排気ガス量と下流側連通路を介してクランクケース内に導入される排気ガス量との割合を機関運転状態に応じて変更する手段を設けた内燃機関の制御装置であって、クランクケース内に導入される全排気ガス量に対する、上流側連通路を介してクランクケース内に導入される排気ガス量の割合である上流側排気ガス割合を、機関排圧が高いときには低いときに比べて、低くなるように設定した内燃機関の制御装置。