JP2008309133A - 内燃機関の排気還流システム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気還流システムにおいて、内燃機関の停止時のＥＧＲ通路内のＥＧＲガスの残留量を低減することができる技術を提供する。
【解決手段】可変容量型ターボチャージャ５と、タービン５ｂよりも下流の排気通路４とコンプレッサ５ａよりも上流の吸気通路３とを接続するＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ弁３２と、コンプレッサ５ａよりも内燃機関１側の吸気通路３とＥＧＲ弁３２よりも排気通路４側のＥＧＲ通路３１とを接続する連通路６１と、連通路６１の通路断面積を調節する連通路開閉弁６２と、内燃機関１が停止されることが推定されるときであって該内燃機関１が停止する前にノズルベーンの開度を小さくすることにより過給圧を上昇させ、内燃機関１の停止中にＥＧＲ弁３２を閉じ側とし且つ連通路開閉弁６２を開き側とする送風手段２０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気還流システムに関する。

排気通路にタービンを有し且つ吸気通路にコンプレッサを有するターボチャージャを備え、タービンよりも下流の排気通路とコンプレッサよりも上流の吸気通路とを接続し内燃機関からの排気の一部を吸気通路に還流させる低圧ＥＧＲ通路を備える内燃機関の排気還流システムが知られている。低圧ＥＧＲ通路には、タービンや触媒を通過した排気が導入されるため、該低圧ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの温度が低い。そのため、この低圧ＥＧＲ通路に入り込んだ排気がＥＧＲクーラで冷却されると、該ＥＧＲクーラにおいて水の凝縮が起こり、該ＥＧＲクーラや低圧ＥＧＲ通路に水が溜まる。ここで、排気中には硫黄成分等が含まれているため、凝縮水中にもこれらの成分が含まれている。これらの成分はＥＧＲクーラや低圧ＥＧＲ通路を腐食させるため、ＥＧＲ装置の性能を低下させる。

また、気温が低いときには凝縮水が凍ってしまい、次回の内燃機関の冷間始動時に氷の塊が吸気通路へ入り込むと、ターボチャージャが故障するおそれがある。

さらに、ＥＧＲガス中の粒子状物質が低圧ＥＧＲガス通路、ＥＧＲクーラ、またはＥＧＲ弁等に付着すると、ＥＧＲガスの流量低下やＥＧＲクーラの冷却効率の低下が起こるおそれがある。

ここで、排気通路にタービンを有し且つ吸気通路にコンプレッサを有するターボチャージャを備え、タービンよりも上流の排気通路とコンプレッサよりも下流の吸気通路とを接続し内燃機関からの排気の一部を吸気通路に還流させる高圧ＥＧＲ通路を備える内燃機関の排気還流システムにおいて、高圧ＥＧＲ通路に新気を導入することにより凝縮水の発生を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−９３７８１号公報 特開平９−２５６９１５号公報

しかし、低圧ＥＧＲ通路に備わるＥＧＲ弁は、吸気通路の近くに設けられることが多いため、従来技術のような構成をとるのが困難な場合がある。また、低圧ＥＧＲ通路はコンプレッサよりも上流の吸気通路に接続されるため、凝縮水が凍ることによりコンプレッサが故障するおそれがある。そのため、低圧ＥＧＲ通路からＥＧＲガスをより確実に除去する要求がある。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気還流システムにおいて、内燃機関の停止時のＥＧＲ通路内のＥＧＲガスの残留量を低減することができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気還流システムは、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関の排気還流システムは、
内燃機関の排気通路にタービンを有し且つ吸気通路にコンプレッサを有しノズルベーンの開度を調節することにより過給圧を調節する可変容量型ターボチャージャと、
前記タービンよりも下流の排気通路と前記コンプレッサよりも上流の吸気通路とを接続
し内燃機関からの排気の一部を還流させるＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路の通路断面積を調節するＥＧＲ弁と、
前記コンプレッサよりも内燃機関側の吸気通路と、前記ＥＧＲ弁よりも排気通路側のＥＧＲ通路と、を接続する連通路と、
前記連通路の通路断面積を調節する連通路開閉弁と、
前記内燃機関が停止することを推定する推定手段と、
前記推定手段により前記内燃機関が停止されることが推定されるときであって該内燃機関が停止する前に前記ノズルベーンの開度を小さくすることにより過給圧を上昇させ、前記内燃機関の停止中に前記ＥＧＲ弁を閉じ側とし且つ前記連通路開閉弁を開き側とする送風手段と、
を備えることを特徴とする。

可変容量型ターボチャージャは、ノズルベーンを閉じることによりタービンの回転数を上昇させて過給圧を上昇させる。

推定手段は、内燃機関が作動しているときに、該内燃機関が停止することを推定する。この推定は、内燃機関が近いうちに停止される状態であるか否かを判定することによりなされる。また内燃機関がいつ停止されるのかを推定してもよい。

ここで、内燃機関の停止前にノズルベーンの開度を小さくすることによりタービンの回転数が上昇するため、コンプレッサよりも下流側の吸気通路内の圧力を上昇させることができる。その後に内燃機関が停止したとしても、タービンの回転数は直ぐには低下しない。つまり、内燃機関の停止後であっても、コンプレッサより下流の吸気通路内の圧力を高く保つことができる。そして、内燃機関の停止時には、ＥＧＲ通路の排気通路側の圧力は大気圧に近くなっている。このときに連通路開閉弁の開度を大きくすると、連通路を吸気通路からＥＧＲ通路へ向かって高圧の空気が流れる。これにより、ＥＧＲ通路内に残留していたＥＧＲガスまたは凝縮水が排気通路に押し戻される。また、このときにＥＧＲ弁の開度を小さくするとＥＧＲガスが吸気通路へ押し流されることを抑制できる。

つまり、機関停止時にＥＧＲ通路内に残留しているＥＧＲ量を減少させることができるため、ＥＧＲ通路内で凝縮水が発生したり、腐食が起こったりすることを抑制できる。

なお、内燃機関の作動時には連通路開閉弁は全閉とすることができる。また、内燃機関の停止中には、ＥＧＲ弁は全閉としてもよく、連通路開閉弁は全開としてもよい。

さらに、内燃機関の停止中にＥＧＲ弁が閉じ側となり且つ連通路開閉弁が開き側となっていればよい。つまり、内燃機関の停止前からＥＧＲ弁を閉じ側とし且つ連通路開閉弁を開き側とし、その状態が内燃機関の停止後まで続いていてもよい。

本発明に係る内燃機関の排気還流システムによれば、内燃機関の停止時のＥＧＲ通路内のＥＧＲガスの残留量を低減することができる。

以下、本発明に係る内燃機関の排気還流システムの具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の排気還流システムを適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式
の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、吸気通路３および排気通路４が接続されている。この吸気通路３の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動するターボチャージャ５のコンプレッサハウジング５ａが設けられている。また、コンプレッサハウジング５ａよりも上流の吸気通路３には、該吸気通路３内を流通する吸気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ７が設けられている。このエアフローメータ７により、内燃機関１の吸入空気量が測定される。

コンプレッサハウジング５ａよりも下流の吸気通路３には、吸気と大気とで熱交換を行うインタークーラ８が設けられている。また、エアフローメータ７よりも下流で且つコンプレッサハウジング５ａよりも上流の吸気通路３には、該吸気通路３内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁９が設けられている。

一方、排気通路４の途中には、前記ターボチャージャ５のタービンハウジング５ｂが設けられている。また、タービンハウジング５ｂよりも下流の排気通路４には、パティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという。）１０が設けられている。このフィルタ１０にはＮＯx触媒が担持されている。このフィルタ１０よりも下流の排気通路４には、該
排気通路４内を流通する排気の流量を調節する排気絞り弁１１が設けられている。

そして、内燃機関１には、排気通路４内を流通する排気の一部を吸気通路３へ再循環させるＥＧＲ装置３０が備えられている。このＥＧＲ装置３０は、ＥＧＲ通路３１、ＥＧＲ弁３２、およびＥＧＲクーラ３３を備えて構成されている。

ＥＧＲ通路３１は、フィルタ１０と排気絞り弁１１との間の排気通路４と、コンプレッサハウジング５ａと吸気絞り弁９との間の吸気通路３と、を接続している。このＥＧＲ通路３１を通って、排気が再循環される。また、ＥＧＲ弁３２は、ＥＧＲ通路３１の通路断面積を変更することにより、該ＥＧＲ通路３１を流れるＥＧＲガスの量を変更する。さらに、ＥＧＲクーラ３３は、ＥＧＲ弁３２よりも排気通路４側に備えられ、該ＥＧＲクーラ３３を通過するＥＧＲガスと、内燃機関１の冷却水とで熱交換をして、該ＥＧＲガスの温度を低下させる。

また本実施例では、ターボチャージャ５により圧縮された空気をＥＧＲ通路３１に供給する送風装置６０が備えられている。この送風装置６０は、連通路６１及び連通路開閉弁６２を備えて構成されている。

連通路６１は、コンプレッサハウジング５ａとインタークーラ８との間の吸気通路３と、ＥＧＲ弁３２とＥＧＲクーラ３３との間のＥＧＲ通路３１と、を接続している。そして、吸気通路３内の空気が連通路６１を通ってＥＧＲ通路３１へ供給される。また、連通路開閉弁６２は、連通路６１の通路断面積を変更することにより、該連通路６１を流れる空気の量を変更する。なお、連通路開閉弁６２は全開及び全閉のみが可能な弁であってもよい。

なお、本実施例では、前記ターボチャージャ５に可変容量型ターボチャージャを採用している。図２は、可変容量型ターボチャージャの構成を示す断面図である。図２（Ａ）はノズルベーン５１が開いている場合を示し、図２（Ｂ）はノズルベーン５１が閉じている場合を示している。

可変容量型ターボチャージャは、図に示すように、タービンハウジング５ｂ内に設けられたタービンインペラ５ｃの周囲に複数のノズルベーン５１を備えて構成されている。こ
のノズルベーン５１は、アクチュエータ５２により開閉される。このノズルベーン５１を閉じ側へ回動させると、隣接するノズルベーン５１間の間隙が狭くなり、ノズルベーン５１間の流路が閉じられることになる。一方、ノズルベーン５１を開き側へ回動すると、隣接するノズルベーン５１間の間隙が広くなり、ノズルベーン５１間の流路が開かれることになる。

このように構成された可変容量型ターボチャージャでは、アクチュエータ５２によってノズルベーン５１の回動方向と回動量とを調節することにより、ノズルベーン５１間の流路の向き、及びノズルベーン５１間の間隙を変更することが可能となる。即ち、ノズルベーン５１の回動方向と回動量とを制御することにより、タービンインペラ５ｃに吹き付けられる排気の方向、流速、量が調節されることになる。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

また、ＥＣＵ２０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１４を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出可能なアクセル開度センサ１５、機関回転数を検出するクランクポジションセンサ１６、及びキースイッチ１７が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ２０に入力されるようになっている。運転者によりキースイッチ１７がＯＮとされると内燃機関１が作動し、ＯＦＦとされると内燃機関１が停止する。

一方、ＥＣＵ２０には、吸気絞り弁９、排気絞り弁１１、ＥＧＲ弁３２、アクチュエータ５２、及び連通路開閉弁６２が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ２０によりこれらの機器が制御される。

そして本実施例では、内燃機関１が停止すると推定されるときに、該内燃機関１の停止前にノズルベーン５１を閉じてタービンインペラ５ｃの回転数を上昇させる。内燃機関１が停止するとの推定は、キースイッチ１７の状態を検出することにより行うことができる。つまり、キースイッチがＯＦＦとされると、その後に燃料の供給が停止されるので、内燃機関１が停止すると推定できる。なお、内燃機関１の停止前とは、キースイッチ１７がＯＦＦとされてから内燃機関１への燃料の供給が停止するまでとしてもよい。他にも、例えばハイブリッド車両において内燃機関の負荷が規定値以下となったときに該内燃機関が停止されるため、該内燃機関の負荷が規定値以下となったときに内燃機関が停止すると推定できる。さらに、車両停止時に自動的に内燃機関を停止させる車両においては、車両が停止したときに内燃機関が停止すると推定できる。

次いで、過給圧が規定値まで上昇した時点で内燃機関１への燃料の供給を停止する。ここで、内燃機関１への燃料の供給を停止してもタービンインペラ５ｃは慣性で回転するため、該タービンインペラ５ｃよりも下流側の吸気通路３内の圧力は高い状態で維持される。このときに、連通路開閉弁６２を開弁することにより、吸気通路３内の空気が連通路６１を流れてＥＧＲ通路３１へ流入する。そして、ＥＧＲ通路３１内に滞留していたＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路３１へ流入した空気により押されて排気通路４へ戻される。このときにＥＧＲ弁３２を全閉としておくことにより、ＥＧＲガスが吸気通路３に流されるのを抑制できる。

すなわち、フィルタ１０よりも下流の排気通路４内の圧力は、排気がタービンハウジング５ｂ及びフィルタ１０を通過することにより低くなっている。一方、コンプレッサハウジング５ａとインタークーラ８との間の吸気通路３内の圧力は、ノズルベーン５１を閉じ
ることにより高くなっている。これにより、ＥＧＲ通路３１の排気通路４側の圧力よりも、連通路６１の吸気通路３側の圧力のほうが高くなる。このような状態で連通路開閉弁６２を開くと、吸気通路３側から排気通路４側へ空気が流れる。これにより、内燃機関１の停止時にＥＧＲガスがＥＧＲ通路３１内に残留することを抑制できる。

次に、本実施例に係る送風制御について説明する。図３は、本実施例に係る送風制御のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、キースイッチ１７がＯＦＦとされたか否か判定される。つまり、内燃機関１が停止すると推定されるか否か判定される。ここで、キースイッチ１７がＯＦＦとされていても、内燃機関１は直ぐには停止しない。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。なお、本実施例ではステップＳ１０１を処理するＥＣＵ２０が、本発明における推定手段に相当する。

ステップＳ１０２では、ノズルベーン５１が閉じられる。このときには内燃機関１が作動しているため、タービンインペラ５ｃの回転数が上昇する。つまり、過給圧を上昇させる。このときのノズルベーン５１の開度は予め実験等により求めておく。また、ノズルベーン５１の開度を可及的に小さくしてもよい。

ステップＳ１０３では、過給圧が規定値に到達したか否か判定される。この規定値とは、ＥＧＲ通路３１内のＥＧＲガスを排気通路４に押し戻すことができる圧力として予め実験等により求めておく。ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０３が繰り返し実行される。

ステップＳ１０４では、内燃機関１への燃料の供給が停止されて該内燃機関１が停止される。なお、内燃機関１が停止しても、タービンインペラ５ｃは慣性で回転する。そして、機関回転数が０となったときに内燃機関１が停止されたと判定してもよい。

ステップＳ１０５では、ＥＧＲ弁３２が全閉とされ、連通路開閉弁６２が全開とされる。このように連通路開閉弁６２を全開とすることによりＥＧＲ通路３１内に空気が導入される。また、ＥＧＲ弁３２を全閉とすることにより、空気及びＥＧＲガスがＥＧＲ通路３１からコンプレッサハウジング５ａよりも上流側の吸気通路３へ流入することを防止できる。

このようにして、ＥＧＲ通路３１内からＥＧＲガスを排除することができる。なお、本実施例ではステップＳ１０２からステップＳ１０５を処理するＥＣＵ２０が、本発明における送風手段に相当する。

なお、内燃機関１を停止させるときには内燃機関１はアイドリング状態となっているので、ノズルベーン５１を閉じることにより発生トルクが変動したとしても、その影響は小さい。

そして、内燃機関１の停止時にＥＧＲガスがＥＧＲ通路３１内に残留しないため、ＥＧＲ装置３０の腐食を抑制できる。また、ＥＧＲ通路３１内での凝縮水の発生を抑制できるため、氷によるターボチャージャ５の破損を抑制できる。

なお、ＥＧＲ弁３２は、ＥＧＲ通路３１の吸気通路３側に近づけるほど効果が高くなる。また、連通路６１は、ＥＧＲ通路３１のＥＧＲ弁３２側に近づけるほど効果が高くなる
。

実施例に係る内燃機関の排気還流システムを適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。 可変容量型ターボチャージャの構成を示す断面図である。図２（Ａ）はノズルベーンが開いている場合を示し、図２（Ｂ）はノズルベーンが閉じている場合を示している。 実施例に係る送風制御のフローを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 吸気通路
４ 排気通路
５ ターボチャージャ
５ａ コンプレッサハウジング
５ｂ タービンハウジング
５ｃ タービンインペラ
７ エアフローメータ
８ インタークーラ
９ 吸気絞り弁
１０ パティキュレートフィルタ
１１ 排気絞り弁
１４ アクセルペダル
１５ アクセル開度センサ
１６ クランクポジションセンサ
１７ キースイッチ
２０ ＥＣＵ
３０ ＥＧＲ装置
３１ ＥＧＲ通路
３２ ＥＧＲ弁
３３ ＥＧＲクーラ
５１ ノズルベーン
５２ アクチュエータ
６０ 送風装置
６１ 連通路
６２ 連通路開閉弁

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路にタービンを有し且つ吸気通路にコンプレッサを有しノズルベーンの開度を調節することにより過給圧を調節する可変容量型ターボチャージャと、
   前記タービンよりも下流の排気通路と前記コンプレッサよりも上流の吸気通路とを接続し内燃機関からの排気の一部を還流させるＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路の通路断面積を調節するＥＧＲ弁と、
   前記コンプレッサよりも内燃機関側の吸気通路と、前記ＥＧＲ弁よりも排気通路側のＥＧＲ通路と、を接続する連通路と、
   前記連通路の通路断面積を調節する連通路開閉弁と、
   前記内燃機関が停止することを推定する推定手段と、
   前記推定手段により前記内燃機関が停止されることが推定されるときであって該内燃機関が停止する前に前記ノズルベーンの開度を小さくすることにより過給圧を上昇させ、前記内燃機関の停止中に前記ＥＧＲ弁を閉じ側とし且つ前記連通路開閉弁を開き側とする送風手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気還流システム。

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