JP2010133286A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】排気温度の上昇抑制が必要となる場合に、効率よくＥＧＲガスの導入を行うことができる内燃機関を提供することを課題とする。
【解決手段】内燃機関１は、排気ガスを貯留する蓄圧タンク１３と、排気マニホールド４から蓄圧タンク１３へ導入される排気ガスの流通を制御する第１の制御弁１４と、蓄圧タンク１３内の排気ガスを吸気マニホールド３へ導入する蓄圧排気ガス導入管２０と、この蓄圧排気ガス導入管２０に設けられた第２の制御弁１５と、触媒温度を取得する温度センサ１８を有する。ＥＣＵ１９は、温度センサにより取得された温度Ｔｅが予め定めた温度Ｔｏよりも高くなったときに前記蓄圧タンク１３内の排気ガスを吸気マニホールド３へ導入するように第１の制御弁１４及び第２の制御弁１５を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス再循環を行う内燃機関に関する。

従来、内燃機関の排気通路を流れる排気ガスの一部を該内燃機関の吸気通路へ再循環させる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）装置が用いられることがある。

排気ガス再循環装置については、従来、種々の提案がされている。排気の一部を予め蓄えておき、従来のＥＧＲ流路を還流して吸気系に供給されるＥＧＲ量では、目標のＥＧＲ量を達成できない場合に、予め蓄えた排気を吸気系に供給する手段を備える内燃機関が知られている（特許文献１参照）。

特開２００５−６９１４３号公報

ところで、従来の内燃機関において、触媒に導入される排気温度が高くなるＯＴ（Overtemperature Protection）領域に入ったときに、空燃比Ａ／Ｆを増量するいわゆるＯＴ増量によって対応することがある。ＯＴ増量を行うことにより、触媒の加熱による溶損や破損等を抑制することができる。
しかしながら、ＯＴ増量を行うと、燃費の悪化を招く。また、領域によっては出力Ａ／Ｆから外れ、出力低下を招くおそれもある。
図５は、従来の内燃機関における内燃機関負荷と燃料消費率、Ａ／Ｆ増量値、排気温度との関係を示すグラフである。このグラフから明らかなように、内燃機関負荷が増大すると、触媒に導入される排気温度が上昇する。排気温度が上昇して、ＯＴ領域に達すると、Ａ／Ｆ増量制御、すなわち、ＯＴ増量が行われる。この結果、排気温度の許容上限値の超越は回避されるが、その一方で、Ａ／Ｆ増量制御が行われた後の燃料消費率が増加し、燃費が悪化する。

排気温度の低減対策として、ＯＴ領域に入ったときにＥＧＲを導入することによって温度の低下を図ることもある。しかしながら、従来のＥＧＲ装置では、例えば、吸気側と排気側の差圧が小さい領域では、ＥＧＲの導入が困難である。特に、高圧ループ（ＨＰＬ）式のＥＧＲでは、ＥＧＲガス取り出し側となる排気側と、ＥＧＲガス導入側となる吸気側の差圧を利用してＥＧＲ運転を行うため、過給エンジンなどの高負荷運転時やアトキンソンサイクルなどでは、吸気圧力≧排気圧力が成立する状態になり、ＥＧＲガスが導入できない。
図６は、内燃機関負荷と吸排気圧との関係を示すグラフである。内燃機関負荷が増大すると、吸気圧力≧排気圧力となる領域がみられ、このような領域では、ＥＧＲガスの導入ができないことになる。

また、差圧のある状態であっても、過給域などではタービンの上流側からＥＧＲガスを取り出すことでタービン上流側の圧力低下を引き起し、その結果、過給圧の低下、ひいては、機関出力の低下を引き起こす。

前記従来の内燃機関のように、目標のＥＧＲ量を達成できない場合に、予め蓄えた排気を吸気系に供給するものであれば、吸気圧力と排気圧力との差圧が小さい場合であっても、ＥＧＲガスを導入することが可能であり、ＯＴ増量を抑制することができる。また、過給機の過給圧力の低下という問題も改善されることが期待される。

しかしながら、前記従来の内燃機関では、ＯＴ領域を考慮した制御はなされておらず、この点において改善の余地を有していた。

そこで、本発明は、排気温度の上昇抑制が必要となる場合に、効率よくＥＧＲガスの導入を行うことができる内燃機関を提供することを課題とする。

かかる課題を解決するための本発明の内燃機関は、内燃機関の排気ガスを貯留する蓄圧タンクと、排気マニホールドから前記蓄圧タンクへ導入される排気ガスの流通を制御する第１の制御弁と、前記蓄圧タンク内の排気ガスを吸気マニホールドへ導入する蓄圧排気ガス導入管と、当該蓄圧排気ガス導入管に設けられた第２の制御弁と、触媒温度を取得する触媒温度取得手段と、当該触媒温度取得手段により取得された温度が予め定めた温度よりも高くなったときに前記蓄圧タンク内の排気ガスを前記吸気マニホールドへ導入するように前記第１の制御弁及び前記第２の制御弁を制御する制御手段と、を、備えたことを特徴とする。

このような内燃機関は、排気温度の上昇抑制が必要となる場合に、吸気圧と排気圧とがどのような関係になっているかにかかわらずＥＧＲガスを吸気マニホールドへ導入することができる。この結果、従来、ＯＴ増量が必要となる状況において、ＯＴ増量を行うことなく触媒に導入される排気の排気温度の抑制を図ることができる。そして、燃費の悪化を抑制することができる。

本発明によれば、排気温度の上昇抑制が必要となる場合に、効率よくＥＧＲガスの導入を行うことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、実施例の内燃機関１の概略構成を模式的に示した説明図である。内燃機関１は、シリンダブロックとシリンダヘッドを有する本体２を備えている。本体２は、吸気マニホールド３と排気マニホールド４とを備えている。排気マニホールド４には、排気管６が接続されている。排気管６には、ターボチャージャー７のタービン７ａが配置されている排気管６のタービン７ａの下流側には、触媒１６が配置されている。触媒１６とタービン７ａとの間には、排気遮断弁８が設置されている。この排気遮断弁８は、電磁弁であり、ＥＣＵ（Electronic control unit）１９に電気的に接続されている。このＥＣＵ１９は、本発明における制御手段の機能を有するものであり、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、中央演算装置（ＣＰＵ）、入出力ポート、デジタルアナログコンバータ（ＤＡコンバータ）、アナログデジタルコンバータ（ＡＤコンバータ）等を双方向バスで接続した公知の構成のマイクロコンピュータとして構成されている。

触媒１６の上流側には、温度センサ１８が装着されている。この温度センサ１８は、本発明における触媒温度取得手段に相当するものである。なお、温度センサ１８は、触媒温度を評価することができる値を取得することができれば、その装着位置は、限定されない。また、排気温度等、他の測定値やデータ等、触媒温度を評価することができる手段、触媒温度を推定することができる手段に置き換えることも可能である。

吸気マニホールド３には、吸気管９が接続されている。吸気管９には、ターボチャージャー７のコンプレッサ７ｂが配置されている。また、コンプレッサ７ｂと吸気マニホールド３との間には、インタークーラー９ａが装着されている。

内燃機関１は、排気マニホールド４と吸気マニホールド３とを接続するＥＧＲ管１０を備えている。ＥＧＲ管１０には、ＥＧＲクーラー１０ａが装着されており、また、ＥＧＲバルブ１１が装着されている。ＥＧＲバルブ１１は、ＥＣＵ１９と電気的に接続されおり、ＥＣＵ１９により、開閉制御がされている。

内燃機関１は、排気ガスを貯留する蓄圧タンク１３を有している。蓄圧タンク１３は、排気マニホールド４と接続管１２を介して接続されている。接続管１２には、排気マニホールド４から蓄圧タンク１３へ導入される排気ガスの流通を制御する第１の制御弁１４が装着されている。この第１の制御弁は、電磁弁であり、ＥＣＵ１９に電気的に接続されている。蓄圧タンク１３は、また、蓄圧排気ガス導入管２０を介してＥＧＲ管１０に接続されている。蓄圧排気ガス導入管２０は、蓄圧タンク１３内の排気ガスを吸気マニホールド３へ導入する。この蓄圧排気ガス導入管２０には、第２の制御弁１５が装着されている。この第２の制御弁１５は、電磁弁であり、ＥＣＵ１９に電気的に接続されている。

以上説明した内燃機関１は、ＥＣＵ１９により、温度センサ１８により取得された温度Ｔｏが予め定めた温度Ｔｅよりも高くなったときに蓄圧タンク１３内の排気ガスを吸気マニホールド３へ導入するように第１の制御弁１４及び第２の制御弁１５が制御される。

なお、蓄圧タンク１３内の高圧の排気ガスは、ターボチャージャー７のタービン７ａの駆動に導入される。すなわち、蓄圧タンク１３は、ターボチャージャー７とともに、ＡＡＴ（Air Assist Turbo）を構成している。このような内燃機関１は、排気遮断弁８、第１の制御弁１４、第２の制御弁１５の開閉状態によって、蓄圧タンク１３への蓄圧状態、ＡＡＴ作動状態、ＥＧＲ導入状態の３態様を実現している。
表１は、内燃機関１の状態別の排気遮断弁８、第１の制御弁１４、第２の制御弁１５の開閉状態を状態毎にまとめたものである。
表１

すなわち、蓄圧タンク１３に排気ガスを貯留する蓄圧状態のときは、排気遮断弁８を閉弁状態とし、第１の制御弁１４を開弁状態とし、第２の制御弁１５を閉弁状態とする。これにより、排気ガスは、蓄圧タンク１３内に貯留される。ＡＴＴ作動状態のときは、排気遮断弁８を開弁状態とし、第１の制御弁１４を開弁状態とし、第２の制御弁１５を閉弁状態とする。これにより、蓄圧タンク１３内に蓄圧状態で貯留された排気ガスが、排気マニホールド４を経由してタービン７ａに供給され、吸気が加給される。また、ＥＧＲガスを吸気マニホールド３へ導入するＥＧＲ導入状態のときは、排気遮断弁８を開弁状態とし、第１の制御弁１４を閉弁状態とし、第２の制御弁１５を開弁状態とする。これにより、蓄圧タンク１３内に蓄圧状態で貯留された排気ガスが、蓄圧排気ガス導入管２０、ＥＧＲ管１０を通じて吸気マニホールド３へ導入される。なお、ＥＧＲガスが導入されるときは、ＥＧＲ弁１１も開弁状態とされる。

以上のような内燃機関１における制御の方針を、図２を参照しつつ説明する。図２は、従来行われているＯＴ増量制御と比較しつつ本実施例の制御の方針を示している。
内燃機関１の出力が上昇し、ＯＴ温度、すなわち、予め設定した温度Ｔｏを越えるようになると、ＯＴ防止制御を開始する。本実施例では、表１における「ＥＧＲ導入状態」となるように各弁の開閉状態が制御される。これにより、ＥＧＲガスが導入される。このとき、仮に、吸気圧力≧排気圧力の状態であっても、蓄圧タンク１３内に貯留され、高圧となった排気ガスがＥＧＲ管１０内に導入されるので、排気ガス、すなわち、ＥＧＲガスを吸気マニホールド３へ導入することができ、ＥＧＲガスを増量することができる。これにより、排気温度、触媒温度を低下させることができる。なお、ＥＧＲガス量を増加可能となったことにより、点火時期の進角も可能となる。

一方、従来行われているＯＴ増量制御を行うと、Ａ／Ｆが増量されることになり、燃料消費率が増し、燃費が悪化する。これに対し、本実施例の制御によれば、燃料消費率を低下させ、燃費の向上を図ることができる。

図３は、本実施例の内燃機関１における制御の一例を示すフロー図である。また、図４は、内燃機関負荷と、Ａ／Ｆ増量値、燃料消費率、ＥＧＲガス量、排気温度との関係を示したグラフである。図４には、図３に示したフロー図に基づく制御を行った場合の結果が実線で示され、制御なしの場合の結果が破線で示されている。

まず、ＥＣＵ１９は、ステップＳ１において、温度センサ１８により取得した温度Ｔｅが予め定めたＴｏよりも高いか否かを判断する。このＴｏは、ＯＴ制御をそのまま温度上昇が継続すれば、排気温度許容上限を越えてしまうと予測される温度に設定されている。このステップＳ１でＹｅｓと判断した置きは、ステップＳ２へ進む。一方、ステップＳ１でＮｏと判断したときは、再び、ステップＳ１の処理を繰り返す。

ステップＳ２では、蓄圧タンク１３内の蓄圧された排気ガスを吸気マニホールド３へ導入するように各弁を制御する。すなわち、表１に示すように、排気遮断弁８を開弁状態とし、第１の制御弁１４を閉弁状態とし、第２の制御弁１５を開弁状態とする。これにより、高圧の排気ガスをＥＧＲガスとして吸気マニホールド３へ導入し、燃焼温度を低下させることができる。この結果、排気温度がその上限温度を越えないようにすることができる。これにより、触媒１６の溶損や破損を抑制することができる。

なお、本実施例では、蓄圧ＥＧＲの導入とともにＡ／Ｆ増量制御も実施している。但し、蓄圧ＥＧＲの導入により、燃焼温度、排気温度を低下させることができるので、本実施例の制御を行わないときと比較してＡ／Ｆ増量値は少なくてよい。この結果、燃料消費率の上昇を抑制し、燃費を向上させることができる。

以上説明したように、本実施例の内燃機関１によれば、ＥＧＲガスの導入により、Ａ／Ｆ増量を抑制しても排気温度許容上限を越えることが回避される。また、ＥＧＲガスの導入に際し、高圧に蓄圧された蓄圧タンク１３内の排気ガスが導入されるので、仮に、吸気圧力≧排気圧力の状態であっても、ＥＧＲガスの導入が効率よく行われる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

図１は、実施例の内燃機関１の概略構成を模式的に示した説明図である。 図２は、実施例の内燃機関において行われる制御の方針を示す説明図である。 図３は、本実施例の内燃機関において行われる制御の一例を示したフロー図である。 図４は、本実施例の内燃機関における内燃機関負荷とＡ／Ｆ増加値、燃料消費率、ＥＧＲガス量、排気温度との関係を示したグラフである。 図５は、従来の内燃機関における内燃機関負荷と燃料消費率、Ａ／Ｆ増量値、排気温度との関係を示すグラフである。 図６は、内燃機関負荷と吸排気圧との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…内燃機関
２…本体
３…吸気マニホールド
４…排気マニホールド
６…排気管
７…ターボチャージャー
７ａ…タービン
７ｂ…コンプレッサ
８…排気遮断弁
９…吸気管
１０…ＥＧＲ管
１０ａ…ＥＧＲクーラー
１１…ＥＧＲバルブ
１２…接続管
１３…蓄圧タンク
１４…第１の制御弁
１５…第２の制御弁
１６…触媒
１８…温度センサ
１９…ＥＣＵ
２０…蓄圧排気ガス導入管

Claims (2)

1. 内燃機関の排気ガスを貯留する蓄圧タンクと、
   排気マニホールドから前記蓄圧タンクへ導入される排気ガスの流通を制御する第１の制御弁と、
   前記蓄圧タンク内の排気ガスを吸気マニホールドへ導入する蓄圧排気ガス導入管と、
   当該蓄圧排気ガス導入管に設けられた第２の制御弁と、
   触媒温度を取得する触媒温度取得手段と、
   当該触媒温度取得手段により取得された温度が予め定めた温度よりも高くなったときに前記蓄圧タンク内の排気ガスを前記吸気マニホールドへ導入するように前記第１の制御弁及び前記第２の制御弁を制御する制御手段と、
   を、備えたことを特徴とした内燃機関。
2. 前記蓄圧タンク内の排気ガスがターボチャージャーのタービンの駆動に導入されることを特徴とした請求項１記載の内燃機関。

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