JP2010229923A - 内燃機関の排気再循環を制御する方法およびそのシステム - Google Patents

内燃機関の排気再循環を制御する方法およびそのシステム Download PDF

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Abstract

【課題】 燃料カット中の低圧EGR通路を流通する排気ガスによる排気浄化装置の温度低下を抑制する。
【解決手段】 排気通路12に配置されたタービン20aと吸気通路14に配置されたコンプレッサ20bとでなる排気ターボ過給機20と、タービン20aの下流側の排気通路12とコンプレッサ20bの上流側の吸気通路14とを連通するEGR通路18と、吸気弁10cおよび排気弁10dのリフト量を調節するリフト量調節手段10eとを有する圧縮着火式の内燃機関10の排気再循環を制御する方法であって、所定の条件の成立中は内燃機関10の燃焼室10aへの燃料供給を中断し、燃料供給を中断している間は、リフト量調節手段10eを介して吸気弁10cまたは排気弁10dの少なくとも一方のリフト量を燃料供給を中断していない場合に比べて小さくすることにより、吸気通路14、排気通路12およびEGR通路18内の排気ガスの流れを制限する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、排気通路から吸気通路へ還流する排気ガス量を制御して内燃機関の燃焼室内の酸素濃度を調節し、NOxの発生を抑制する内燃機関の排気再循環を制御する方法およびそのシステムに関し、排気浄化技術の分野に属する。
従来より、排気ガスの一部を排気通路からEGR通路を介して吸気通路に還流し、それにより燃焼室内の酸素量をエンジンの要求出力が達成できかつスモークが基準値よりも悪化しない範囲で最低限まで減少するEGR制御が知られている。これにより、必要以上の酸素濃度での燃焼によって燃焼室内が過剰に高温・高圧になることを原因とするNOxの発生が抑制される。
また、燃料の消費を抑えるために、所定の条件が成立している間、例えばエンジン回転数が所定回転数以上であってアクセルペダルの踏込み量がゼロである間、燃料の供給を中断する燃料カット制御が知られている。
そして、近年の車両用内燃機関では、これらの制御が同時に実行されるのが通例であるが、その場合、以下の問題が生じることがある。
EGR通路を介して排気ガスを吸気通路に還流してNOxの発生を抑制しているときに燃料供給が中断すると、当然ながら排気ガスの発生も中断し、排気通路には新気が排出されることになる。そして、EGR通路内の排気ガスは、時間の経過とともに吸気通路、燃焼室、排気通路と順に介して外部に流出し、最終的には新気に置換される。
このようにしてEGR通路内に排気ガスがなくなった状態で燃料供給が再開されると、その再開直後はEGR通路内の新気が燃焼室に還流され、排気ガスは、燃料供給の再開に遅れて燃焼室に還流される。そのため、排気ガスが燃焼室に到着するまでの間は、NOxの発生を抑制できないという問題が発生する。
また、燃料噴射時期を早めて燃料と空気を十分にミキシングした後に所定のタイミングで圧縮着火する予混合燃焼式の内燃機関の場合、その着火タイミングは燃焼室に還流する排気ガス量によって制御されるが、上述のように燃料供給の再開後に排気ガスの還流が遅れると、いわゆる過早着火が起こり、異音の発生や出力の低下などの問題が発生することがある。
これらの問題に対処するものとして、例えば特許文献1に記載された発明がある。この発明は、排気通路に配置されるタービンと吸気通路に配置されるコンプレッサとからなるターボ過給機と、該過給機のコンプレッサより下流側の吸気通路とタービンより上流側の排気通路とを連通するEGR通路と、コンプレッサより下流側であって前記EGR通路の合流部より上流側の吸気通路に設けられた吸気絞り弁と、タービンより下流側の排気通路に設けられた排気絞り弁とを有し、燃料供給の中断中、排気ガスが外部に流出しないように、吸気絞り弁と排気絞り弁とを絞るように構成されている。
また、吸気絞り弁をインタークーラより下流側の吸気通路に、排気絞り弁を排気浄化用触媒の下流側の排気通路にそれぞれ配置することにより、閉じ込めている排気ガスの温度を低下させずに維持し、その排気ガスにより触媒の温度の低下も抑制している。
特開2007−138810号公報
以上のように、特許文献1に記載された発明によれば、燃料供給を中断している間、排気ガスの外部への排出が制限され、その排気ガスが燃料供給の再開とともに燃焼室に還流される。このような内燃機関を車両に搭載した場合、燃料供給を中断している間も、車輪側からの駆動力によって吸気弁、排気弁、およびピストンが作動し、内燃機関がポンプの役割をして吸気通路から燃焼室を介して排気通路へ空気を送り出す。しかし、排気通路に設けられた排気絞り弁が絞られ、該排気通路内の排気ガスの流れが制限されているから、排気ガスがタービン上流の排気通路からコンプレッサ下流の吸気通路へと還流する。
ところで、コンプレッサ上流の吸気通路とタービンより更に下流の排気浄化装置の下流の排気通路とを連通するいわゆる低圧EGR通路を設けて、より低温の排気ガスを吸気通路に還流させることが知られている。この低圧EGR通路に特許文献1の発明を適用した場合、燃料供給を中断している間に、排気ガスが、排気浄化装置下流の排気通路から低圧EGR通路を通ってコンプレッサ上流の吸気通路に還流し、更に燃焼室を通って再び排気浄化装置下流の排気通路へと流通し続けることになる。
そのため、燃料供給を停止している間、排気ガスが、排気浄化装置を常に流通して、排気浄化装置から熱を奪うことになる。その結果として、燃料供給停止中に排気浄化装置の温度が低下して、燃料供給再開時に、排気浄化性能が低下するという問題が懸念される。
そこで、本発明は、排気ターボ過給機と、排気浄化装置下流の排気通路を流れる排気ガスの一部を吸気通路に還流するEGR通路を備え、所定の条件が成立している間は燃料供給を中断するとともに排気ガスの外部への流出を制限する内燃機関において、燃料供給を中断している間に排気浄化装置の温度低下を抑制しながら、燃料供給の再開後、即座に排気ガスを燃焼室に還流することを課題とする。
上述の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、排気通路に配置されたタービンと吸気通路に配置されたコンプレッサとでなる排気ターボ過給機と、前記タービンの下流側の前記排気通路に配置された排気浄化装置と、該排気浄化装置の下流側の排気通路と前記コンプレッサの上流側の吸気通路とを連通するEGR通路と、吸気弁および排気弁のリフト量を調節するリフト量調節手段とを有する圧縮着火式の内燃機関の排気再循環を制御する方法であって、
所定の条件の成立中は前記内燃機関の燃焼室への燃料供給を中断する燃料供給制御工程と、
前記燃料供給制御工程で燃料供給を中断している間は、前記リフト量調節手段を介して吸気弁または排気弁の少なくとも一方のリフト量を燃料供給を中断していない場合に比べて小さくすることにより、吸気通路、排気通路および前記EGR通路内の排気ガスの流れを制限する排気ガス制御工程とを含むことを特徴とする。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の内燃機関の排気再循環を制御する方法であって、
前記EGR通路より上流側の吸気通路に、新気の該吸気通路への流入量を調節するスロットル弁が設けられており、
前記燃料供給制御工程で燃料供給を中断している間は、前記スロットル弁の開度量を燃料供給を中断していない場合に比べて小さくするスロットル弁制御工程を含むことを特徴とする。
さらに、請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の内燃機関の排気再循環を制御する方法であって、
前記EGR通路を流れる排気ガスの還流量を調節するEGR弁が設けられており、
前記燃料供給制御工程で燃料供給を中断している間は、前記EGR弁の開度量を燃料供給を中断していない場合に比べて小さくするEGR弁制御工程を含むことを特徴とする。
さらにまた、請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれか1項に記載の内燃機関の排気再循環を制御する方法であって、
前記排気ガス制御工程は、吸気弁または排気弁のいずれか一方を全閉状態で停止させることを特徴とする。
加えて、請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の内燃機関の排気再循環を制御する方法であって、
前記タービンの上流側の排気通路と前記コンプレッサの下流側の吸気通路とを連通する第2のEGR通路と、前記第2のEGR通路を流れる排気ガスの還流量を調節する第2のEGR弁とが設けられており、
前記燃料供給制御工程で燃料供給を中断している間は、前記第2のEGR弁の開度量を燃料供給を中断していない場合に比べて大きくする第2のEGR弁制御工程を含み、
前記排気ガス制御工程では、吸気弁を停止することを特徴とする。
加えてまた、請求項6に記載の発明は、請求項4または5に記載の内燃機関の排気再循環を制御する方法であって、
前記タービンへの排気の流速を調節する排気流速調節手段が設けられており、
前記燃料供給制御工程で燃料供給を中断している間は、前記排気流速調節手段を介してタービンへの排気の流速を燃料供給を中断していない場合に比べて低くする排気流速制御工程を含み、
前記排気ガス制御工程では、吸気弁を停止することを特徴とする。
一方、請求項7に記載の発明は、排気通路に配置されたタービンと吸気通路に配置されたコンプレッサとでなる排気ターボ過給機と、前記タービンの下流側の前記排気通路に配置された排気浄化装置と、該排気浄化装置の下流側の排気通路と前記コンプレッサの上流側の吸気通路とを連通するEGR通路と、吸気弁および排気弁のリフト量を調節するリフト量調節手段とを有する圧縮着火式の内燃機関の排気再循環を制御するシステムであって、
所定の条件の成立中は前記内燃機関の燃焼室への燃料供給を中断する燃料供給制御手段と、
前記燃料供給制御手段が燃料供給を中断している間は、前記リフト量調節手段を介して吸気弁または排気弁の少なくとも一方のリフト量を燃料供給を中断していない場合に比べて小さくすることにより、吸気通路、排気通路および前記EGR通路内の排気ガスの流れを制限する排気ガス制御手段とを有することを特徴とする。
また、請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の内燃機関の排気再循環を制御するシステムであって、
前記EGR通路より上流側の吸気通路に設けられて新気の該吸気通路への流入量を調節するスロットル弁と、
前記燃料供給制御手段が燃料供給を中断している間は、前記スロットル弁の開度量を燃料供給を中断していない場合に比べて小さくするスロットル弁制御手段とを有することを特徴とする。
さらに、請求項9に記載の発明は、請求項7または8に記載の内燃機関の排気再循環を制御するシステムであって、
前記EGR通路を流れる排気ガスの還流量を調節するEGR弁と、
前記燃料供給制御手段が燃料供給を中断している間は、前記EGR弁の開度量を燃料供給を中断していない場合に比べて小さくするEGR弁制御手段とを有することを特徴とする。
さらにまた、請求項10に記載の発明は、請求項7から9のいずれか1項に記載の内燃機関の排気再循環を制御するシステムであって、
前記排気ガス制御手段は、吸気弁または排気弁のいずれか一方を全閉状態で停止させることを特徴とする。
加えて、請求項11に記載の発明は、請求項10に記載の内燃機関の排気再循環を制御するシステムであって、
前記タービンの上流側の排気通路と前記コンプレッサの下流側の吸気通路とを連通する第2のEGR通路と、
前記第2のEGR通路を流れる排気ガスの還流量を調節する第2のEGR弁と、
前記燃料供給制御手段が燃料供給を中断している間は、前記第2のEGR弁の開度量を燃料供給を中断していない場合に比べて大きくする第2のEGR弁制御手段とを有し、
前記排気ガス制御手段は、吸気弁を停止することを特徴とする。
加えてまた、請求項12に記載の発明は、請求項10または11に記載の内燃機関の排気再循環を制御するシステムであって、
前記タービンへの排気の流速を調節する排気流速調節手段と、
前記燃料供給制御手段が燃料供給を中断している間は、前記排気流速調節手段を介してタービンへの排気の流速を燃料供給を中断していない場合に比べて低くする排気流速制御手段とを有し、
前記排気ガス制御手段は、吸気弁を停止することを特徴とする。
請求項1に記載の発明によれば、燃料供給が中断している間、内燃機関の吸気弁または排気弁の少なくとも一方のリフト量を燃料供給を中断していない場合に比べて小さくすることにより、吸気通路から燃焼室を経て排気通路に至る排気ガスの流れが制限され、これに伴い、EGR通路内のガスの流れも抑制される。そのため、燃料供給を中断する直前に燃焼室から排気通路、EGR通路および吸気通路を経て燃焼室に戻る排気ガスの還流経路にあった排気ガスが、燃料供給の中断中、該経路内に滞留する。
そして、EGR通路が排気浄化装置下流側の排気通路とコンプレッサ上流側の吸気通路との間に設けられているので、燃料供給の中断中における排気浄化装置を通る排気ガスの流量を制限することができる。したがって、燃料供給の中断中における排気浄化装置の温度低下を抑制して、燃料供給の再開後の排気浄化性能を維持することができる。
また、吸気通路から燃焼室を経て排気通路に至る排気ガスの流れを制限するものの、排気通路内の排気ガスはEGR通路を介して吸気通路に流れることが可能であるので、前記特許文献1に記載するように排気絞り弁を設ける場合に比べて排気通路内に生じる圧力の脈動が小さい。したがって、タービンに逆回転させる大きな力が作用することがない。その結果、ターボ過給機の信頼性は維持される。
また、請求項2に記載の発明によれば、EGR通路より上流側の吸気通路に、新気の該吸気通路への流入量を調節するスロットル弁が設けられ、該スロットル弁は、燃料供給を中断している間は、その開度量が燃料供給を中断していない場合に比べて小さくされる。これにより、新気が流入せず、吸気通路、排気通路およびEGR通路内の排気ガスの希釈が抑制される。その結果、燃料供給の再開後、適切な濃度の排気ガスが十分に供給され、NOxの発生を確実に抑制できる。
さらに、請求項3に記載の発明によれば、EGR通路を流れる排気ガスの還流量を調節するEGR弁が設けられ、該EGR弁は、燃料供給を中断している間は、その開度量が燃料供給を中断していない場合に比べて小さくされる。これにより、EGR通路内の排気ガスの流れがより制限される。
さらにまた、請求項4に記載の発明によれば、燃料供給を中断している間、エンジンの吸気弁または排気弁のいずれか一方が全閉状態で停止される。これにより、燃料供給を中断している間、両方の弁がリフト量がそのままで作動している場合に比べて大きなエンジンブレーキを得ることができる。
具体的に説明すると、吸気弁が全閉状態で停止するときは、吸気行程では空気が導入されずに燃焼室内に負圧が発生して走行に対する抵抗力が発生し、圧縮行程ではその負圧でピストンを引き上げることによる走行駆動力が発生し、膨張行程では再び負圧が発生して走行に対する抵抗力が発生し、排気行程では、排気弁が開くので、抵抗力も駆動力も発生しない。したがって、トータルとして走行に対する抵抗力が発生する。すなわち大きなエンジンブレーキが発生する。
一方、排気弁が全閉状態で停止するときは、吸気行程では吸気弁が開くので、抵抗力も駆動力も発生せず、圧縮行程では空気を圧縮することにより抵抗力が発生し、膨張行程では圧縮行程で圧縮した空気によりピストンが押下げられて駆動力が発生し、排気行程では、空気を十分に排出できずに、空気を圧縮することにより抵抗力が発生する。したがって、トータルとして走行に対する抵抗力が発生する。すなわち大きなエンジンブレーキが発生する。
加えて、請求項5に記載の発明によれば、タービンの上流側の排気通路とコンプレッサの下流側の吸気通路とを連通する第2のEGR通路と、この第2のEGR通路を流れる排気ガスの還流量を調節する第2のEGR弁とが設けられ、燃料供給を中断している間は、第2のERG弁は、その開度量が燃料供給を中断していない場合に比べて大きくされるとともに、エンジンの吸気弁がリフト量が小さい状態(例えば全閉状態)で停止される。これにより、タービンの上流側で排気ガスが第2のEGR通路を介して排気通路から吸気通路に流れ、すなわち排気弁の作動による排気通路内の圧力脈動が第2のEGR通路に伝達されて減衰するので、タービンに作用する圧力脈動が抑制される。その結果、タービンの逆回転がより抑制され、ターボ過給機の信頼性がより維持される。
加えてまた、請求項6に記載の発明によれば、タービンへの排気の流速を調節する排気流速調節手段が設けられ、燃料供給を中断している間は、該排気流速調節手段がタービンへの排気の流速を燃料供給を中断していない場合に比べて低くするとともに、エンジンの吸気弁がリフト量が小さい状態(例えば全閉状態)で停止される。これにより、タービンに作用する圧力脈動が抑制される。その結果、タービンの逆回転がより抑制され、ターボ過給機の信頼性がより維持される。
一方、請求項7に記載の発明によれば、燃料供給制御手段が燃料供給を中断している間、排気ガス制御手段が内燃機関の吸気弁または排気弁の少なくとも一方のリフト量を燃料供給を中断していない場合に比べて小さくすることにより、吸気通路から燃焼室を経て排気通路に至る排気ガスの流れが制限され、これに伴い、EGR通路内のガスの流れも抑制される。そのため、燃料供給を中断する直前に燃焼室から排気通路、EGR通路および吸気通路を経て燃焼室に戻る排気ガスの還流経路にあった排気ガスが、燃料供給の中断中、該経路内に滞留する。
そして、EGR通路が排気浄化装置下流側の排気通路とコンプレッサ上流側の吸気通路との間に設けられているので、燃料供給の中断中における排気浄化装置を通る排気ガスの流量を制限することができる。したがって、燃料供給の中断中における排気浄化装置の温度低下を抑制して、燃料供給の再開後の排気浄化性能を維持することができる。
また、吸気通路から燃焼室を経て排気通路に至る排気ガスの流れを制限するものの、排気通路内の排気ガスはEGR通路を介して吸気通路に流れることが可能であるので、前記特許文献1に記載するように排気絞り弁を設ける場合に比べて排気通路内に生じる圧力の脈動が小さい。したがって、タービンに逆回転させる大きな力が作用することがない。その結果、ターボ過給機の信頼性は維持される。
また、請求項8に記載の発明によれば、EGR通路より上流側の吸気通路に設けられて新気の該吸気通路への流入量を調節するスロットル弁を有し、該スロットル弁は、燃料供給制御手段が燃料供給を中断している間は、スロットル弁制御手段により、その開度量が燃料供給を中断していない場合に比べて小さくされる。これにより、新気が流入せず、吸気通路、排気通路およびEGR通路内の排気ガスの希釈が抑制される。その結果、燃料供給の再開後、適切な濃度の排気ガスが十分に供給され、NOxの発生を確実に抑制できる。
さらに、請求項9に記載の発明によれば、EGR通路を流れる排気ガスの還流量を調節するEGR弁を有し、該EGR弁は、燃料供給制御手段が燃料供給を中断している間は、EGR弁制御手段により、その開度量が燃料供給を中断していない場合に比べて小さくされる。これにより、EGR通路内の排気ガスの流れがより制限される。
さらにまた、請求項10に記載の発明によれば、燃料供給制御手段が燃料供給を中断している間、排気ガス制御手段により、エンジンの吸気弁または排気弁のいずれか一方が全閉状態で停止される。これにより、燃料供給を中断している間、両方の弁がリフト量がそのままで作動している場合に比べて大きなエンジンブレーキを得ることができる。
具体的に説明すると、吸気弁が全閉状態で停止するときは、吸気行程では空気が導入されずに燃焼室内に負圧が発生して走行に対する抵抗力が発生し、圧縮行程ではその負圧でピストンを引き上げることによる走行駆動力が発生し、膨張行程では再び負圧が発生して走行に対する抵抗力が発生し、排気行程では、排気弁が開くので、抵抗力も駆動力も発生しない。したがって、トータルとして走行に対する抵抗力が発生する。すなわち大きなエンジンブレーキが発生する。
一方、排気弁が全閉状態で停止するときは、吸気行程では吸気弁が開くので、抵抗力も駆動力も発生せず、圧縮行程では空気を圧縮することにより抵抗力が発生し、膨張行程では圧縮行程で圧縮した空気によりピストンが押下げられて駆動力が発生し、排気行程では、空気を十分に排出できずに、空気を圧縮することにより抵抗力が発生する。したがって、トータルとして走行に対する抵抗力が発生する。すなわち大きなエンジンブレーキが発生する。
加えて、請求項11に記載の発明によれば、タービンの上流側の排気通路とコンプレッサの下流側の吸気通路とを連通する第2のEGR通路と、この第2のEGR通路を流れる排気ガスの還流量を調節する第2のEGR弁とを有し、燃料供給制御手段が燃料供給を中断している間は、第2のERG弁は、第2のEGR弁制御手段により、その開度量が燃料供給を中断していない場合に比べて大きくされるとともに、排気ガス制御手段により、エンジンの吸気弁がリフト量が小さい状態(例えば全閉状態)で停止される。これにより、タービンの上流側で排気ガスが第2のEGR通路を介して排気通路から吸気通路に流れ、すなわち排気弁の作動による排気通路内の圧力脈動が第2のEGR通路に伝達されて減衰するので、タービンに作用する圧力脈動が抑制される。その結果、タービンの逆回転がより抑制され、ターボ過給機の信頼性がより維持される。
加えてまた、請求項12に記載の発明によれば、タービンへの排気の流速を調節する排気流速調節手段を有し、燃料供給制御手段が燃料供給を中断している間は、排気流速制御手段が、該排気流速調節手段を介してタービンへの排気の流速を燃料供給を中断していない場合に比べて低くするとともに、排気ガス制御手段により、エンジンの吸気弁がリフト量が小さい状態(例えば全閉状態)で停止される。これにより、タービンに作用する圧力脈動が抑制される。その結果、タービンの逆回転がより抑制され、ターボ過給機の信頼性がより維持される。
本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンおよびその吸排気系の概略的な構成図である。 本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの制御装置を含む制御系の概略図である。 エンジン回転数とエンジン負荷との基づいて使用するEGR通路を決定するためのマップを示す図である。 燃料カットに基づく各弁の開度量の変化のタイムチャートを示す図である。 燃料カットに基づく、各弁の制御の流れのフローを示す図である。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図1は本発明の一実施形態に係る、ディーゼルエンジンおよびその吸排気系の構成を簡略的に示している。また、図2は、ディーゼルエンジンの制御系を示している。
図1に示すディーゼルエンジン10は、排気ガスの一部が排気通路12から吸気通路14に還流されるエンジンであって、排気ガスを還流するために、高圧EGR通路16(請求の範囲に記載の「第2のEGR通路」に対応。)と低圧EGR通路18とが設けられている。
また、ディーゼルエンジン10は、排気ターボ過給機20を有し、そのタービン20aが排気通路12に、コンプレッサ20bが吸気通路14に配置されている。
高圧EGR通路16は、このターボ過給機20のタービン20aの上流側の排気通路12部分と、コンプレッサ20bの下流側の吸気通路14部分とを連通している。また、高圧EGR通路16には、該通路16を通過する排気ガスの還流量(EGR量)を調節する高圧EGR弁16aが設けられている。
低圧EGR通路18は、ターボ過給機20のタービン20aの下流側の排気通路12部分と、コンプレッサ20bの上流側の吸気通路14部分とを連通している。また、低圧EGR通路18には、該通路18を通過する排気ガスのEGR量を調節する低圧EGR弁18aと、還流排気ガスを冷却するEGRクーラ18bとが設けられている。
また、ディーゼルエンジン10は、その排気通路12に、具体的にはターボ過給機20のタービン20aと低圧EGR通路18との間の排気通路12部分に、排気ガス中の煤を捕集するパティキュレートフィルタ22と、パティキュレートフィルタ22の上流側に設けられて排気ガス中の炭化水素等を排気ガス中の酸素に酸化させる酸化触媒23と、低圧EGR通路18の下流側の排気通路12部分に、排気ガス中のNOxを処理(トラップ)して、NOxの外部への排出を抑制するリーンNOxトラップ触媒(以下、「NOx触媒」と称する。)24とを備える。なお、パティキュレートフィルタ22と酸化触媒23とが、請求の範囲に記載の「排気浄化装置」を構成する。
さらに、ディーゼルエンジン10は、吸気を冷却するインタークーラ26を、ターボ過給機20のコンプレッサ20bと高圧EGR通路16との間の吸気通路14部分に備えるとともに、吸気を清浄化するエアクリーナ28を、低圧EGR通路18の上流側の吸気通路14部分に備える。
さらにまた、ディーゼルエンジン10は、低圧EGR通路18とエアクリーナ28との間の吸気通路14部分に負圧スロットル弁30を備えるとともに、高圧EGR通路16とインタークーラ26との間の吸気通路14部分にアクセルスロットル弁32とを備える。また、ターボ過給機20のタービン20aへの排気ガスの流速を調節する絞り弁(以下、「VGT絞り弁」と称する。)34を備える。
負圧スロットル弁30は、吸気通路14のコンプレッサ20bの上流側の圧力を調節する弁であって、その開度量を制御することにより新気の吸気通路14への流入を調節する。負圧スロットル弁30の開度量を調節すると、この弁30とコンプレッサ20bとの間の吸気通路14部分の負圧が調節され、その負圧調整により低圧EGR通路18を介して排気通路12から吸気通路14に向かって流れる排気ガス量が調節される。
アクセルスロットル弁32は、ディーゼルエンジン10の燃焼室10aに供給する吸気量を調節する弁であって、乗員のアクセルペダルの踏込み量が増加するとその開度が大きくなる。その開度量は、ディーゼルエンジン10の負荷に対応している。
VGT絞り弁34は、タービン20aの上流側の排気通路12部分に設けられており、その開度量(絞り量)を調節することにより、タービン20aへの排気ガスの流速を調節する、すなわちタービン20aの回転速度、さらに言えばターボ過給機20のコンプレッサの圧力比を調節する。
加えて、ディーゼルエンジン10は、吸気弁10cおよび排気弁10dのリフト量を調節する可変バルブリフト機構(以下、「VVL」と称する。)10eを装備している。このVVL10eは、吸気弁10cおよび排気弁10dを、全閉状態または略全閉状態になるように、それぞれのリフト量を調節することができる。
このようなディーゼルエンジン10の制御装置50は、図2に示すように、アクセルスロットル弁32の開度量を検出するアクセル開度センサ52と、ディーゼルエンジン10の回転数を検出するエンジン回転数センサ54からの信号に基づいて、高圧EGR弁16a、低圧EGR弁18a、負圧スロットル弁30、VGT絞り弁34、燃料噴射ノズル10b、及びVVL10eに対して種々の制御を実行するように構成されている。
まず、制御装置50は、エンジン回転数センサ54とアクセル開度センサ52からの信号に基づいて、すなわちエンジン回転数Nとエンジン負荷Lとに基づいて、ディーゼルエンジン10の燃焼室10aに還流する総EGR量(高圧EGR通路16によるEGR量と低圧EGR通路18によるEGR量の和)を決定するように構成されている。
具体的には、図3に示すマップによって総EGR量を決定する。エンジン回転数Nが規定回転数Npを超える場合、制御装置50は、ディーゼルエンジン10の燃焼室10aに排気ガスを還流しない(高圧EGR弁16aと低圧EGR弁18aとを閉じる。)。このNpを超えるエンジン回転数であるときに排気ガスを燃焼室10aに還流すると、燃焼室10a内の酸素量が減少して、スモークが基準値よりも悪化するからである。
エンジン回転数NがNpを超えず、エンジン負荷Lが低い場合、制御装置50は、高圧EGR通路16のみを介して排気ガスをディーゼルエンジン10の燃焼室10aに還流し(低圧EGR弁18aを閉じる。)、一方エンジン負荷Lが高い場合は低圧EGR通路18のみを介して排気ガスを還流する(高圧EGR弁16aを閉じる。)。なお、その間のエンジン負荷である場合(過渡領域の場合)、両方のEGR通路を介して排気ガスを還流する。
説明すると、低圧EGR通路18を介して燃焼室10aに還流される排気ガスは、EGRクーラ18bとインタクーラ26によって冷却されるため、高圧EGR通路16を介して還流される排気ガスに比べて、その温度は低い、すなわち酸素密度が高い。したがって、エンジン負荷Lが高負荷であるときは、その負荷での出力を達成するために、すなわち燃焼室10a内の酸素量を多くするために低圧EGR通路18を介する排気ガスを燃焼室10aに還流する。一方、エンジン負荷Lが低負荷であるときは、燃焼室10a内の酸素量が高負荷の場合に比べて少なくてもすむので、高圧EGR通路16を介する排気ガスを燃焼室10aに還流する。
高圧EGR通路16または低圧EGR通路18のいずれかによって排気ガスを還流する場合、制御装置50は、エンジン回転数Nとエンジン負荷Lとに基づいて、すなわちディーゼルエンジン10の出力に基づいて、その総EGR量を算出する。言い換えるとその出力を達成しかつスモークを基準値よりも悪化させない最低限の燃焼室10a内の酸素量を算出する。そして、算出した酸素量になるようにEGR弁16aおよび/または18aの開度量を制御する。これにより、燃焼室10a内の酸素濃度を低下させてNOxの発生を抑制しつつ、必要なディーゼルエンジン10の出力を確保する。
また、制御装置50は、エンジン回転数Nとエンジン負荷Lとに基づいて、すなわちディーゼルエンジン10の出力に基づいて、負圧スロットル弁30の開度量とVGT絞り弁34の開度量を制御するように構成されている。例えば、エンジン負荷Lが高負荷であるときは、燃焼室10a内の酸素量を多くするために、負圧スロットル弁30の開度量を大きくするとともに、VGT絞り弁34の開度量を小さくして(絞り量を大きくして)、ターボ過給機20のタービン30aの回転数を上げ、ターボ過給機20のコンプレッサ20bによる圧縮比を大きくする。
さらに、制御装置50は、アクセル開度センサ52が検出するアクセル開度がゼロであって(エンジン負荷Lがゼロであって)、エンジン回転数センサ54が検出するエンジン回転数Nが所定の回転数Nfc以上であるとき、燃料カットの条件(請求の範囲に記載の「所定の条件」に対応。)が成立したとして、燃料噴射ノズル10bによる燃焼室10aへの燃料供給を中断するように構成されている。これにより、燃料の消費を抑制する。
この燃料供給の中断中(燃料カット中)、制御装置50は、燃料供給が再開されたときに、すぐに排気ガスを燃焼室10aに還流できるようにVVL10e、低圧EGR弁18a、負圧スロットル弁30、高圧EGR弁16a、VGT絞り弁34を制御する。
具体的に説明すると、制御装置50は、燃料カット中、VVL10eを制御して、吸気弁10cを全閉状態で停止させる。なお、排気弁10dは、燃料カット前の状態のまま作動させる。
これにより、吸気通路14から燃焼室10aを経て排気通路12に至る排気ガスの流れが制限される(停止する。)。それとともに、排気通路12、低圧EGR通路18、吸気通路14内の排気ガスの流れ、すなわち低圧の排気ガスの還流経路内において該ガスの流れが制限される。その結果、燃料カット中、排気通路12、低圧EGR通路18、吸気通路14内の排気ガスが滞留し続ける。そして、燃料供給が再開されると、排気通路12、低圧EGR通路18、吸気通路14内で滞留していた排気ガスが燃焼室10aにすぐに還流される。
燃料カット中、制御装置50はまた、図4に示すように、低圧EGR弁18aを全閉状態に制御する。なお、図4は、図3の低圧EGR領域での走行中に燃料カットが実行されたときの高圧EGR弁16a、低圧EGR弁18a、負圧スロットル弁30、VGT絞り弁34の開度量の変化を示すタイムチャートである。燃料カット中に低圧EGR弁18aを全閉状態にすることにより、低圧EGR通路18内の排気ガスの流れが制限される。
燃料カット中、制御装置50はさらに、図4に示すように、負圧スロットル弁30を全閉状態に制御する。燃料カット中に、負圧スロットル弁30を全閉状態にすると、新気の流入がなくなり、吸気通路14内の排気ガスの希釈が抑制される。厳密には後述するように高圧EGR弁16aが全開状態であるので、高圧EGR通路16、排気通路12、低圧EGR通路18内の排気ガスの希釈も抑制される。その結果、燃料供給の再開後、適切な濃度の排気ガスが十分に供給され、NOxの発生を確実に抑制できる。
燃料カット中、制御装置50は加えて、図4に示すように、高圧EGR弁16aを全開状態にするとともに、VGT絞り弁34を全開状態(絞り量ゼロ)に制御する。これは、ターボ過給機20のタービン20aの逆回転を抑制するためである。
説明すると、燃料カット中、ディーゼルエンジン10は排気弁10eのみが作動するので、排気通路12内に圧力脈動が発生する。排気通路12内に圧力脈動が発生すると、燃焼室10aから外部(排気口)に向かう方向の流れによって回転するように構成されているタービン20aが、周期的に逆回転し、その結果、ターボ過給機20の信頼性が低下する。
この対処として、高圧EGR弁18aを全開状態にすると、タービン20aの上流側で排気ガスが高圧EGR通路16を介して吸気通路14に流れ、すなわち排気通路12内の圧力脈動が高圧EGR通路16に伝達されて減衰するので、タービン20aに作用する圧力脈動が抑制される。
また、VGT絞り弁34を全開状態にすると、タービン20aを回転させる排気ガスの流速が低くなるので、該タービン20aに作用する圧力脈動が抑制される。
これらにより、ターボ過給機20の信頼性が維持される。
なお、上述で記載したように、燃料カット中、吸気弁10cを全閉状態で停止させ、排気弁10dを燃料カット前の状態のまま作動させると、副次的な効果として、エンジンブレーキが高まる(大きなエンジンブレーキが発生する。)。
説明すると、吸気弁10cが全閉状態で停止すると、吸気行程では空気が導入されずに燃焼室10a内に負圧が発生して走行に対する抵抗力が発生し、圧縮行程ではその負圧でピストン10fを引き上げることによる走行駆動力が発生し、膨張行程では再び負圧が発生して走行に対する抵抗力が発生し、排気行程では、排気弁10dが開くので、抵抗力も駆動力も発生しない。したがって、トータルとして走行に対する抵抗力が発生する。すなわち大きなエンジンブレーキが発生する。
ここからは、制御装置50が実行する制御の流れを、図5に示すフローを参照しながら説明する。
まず、ステップS100において、制御装置50は、アクセル開度センサ52とエンジン回転数センサ54からの信号に基づいて、ディーゼルエンジン10のエンジン回転数Nとエンジン負荷Lとを取得する。
ステップS110において、制御装置50は、ステップS100で取得したエンジン回転数Nとエンジン負荷Lとに基づいて、燃料をカットする条件が成立しているか否か、すなわちエンジン回転数Nが所定の回転数Nfc以上であってエンジン負荷Lがゼロであるか否かを判定する。燃料カット条件が成立しているときは、ステップS120に進む。そうでない場合はステップS200に進む。
ステップS120において、制御装置50は、燃料噴射ノズル10bを制御して、燃焼室10aへの燃料供給を中断する。
ステップS130において、制御装置50は、VVL10eを制御して、吸気弁10cを全閉状態で停止させる。
ステップS140において、制御装置50は、低圧EGR弁18aを全閉状態に制御する。
ステップS150において、制御装置50は、負圧スロットル弁30を全閉状態に制御する。
ステップS160において、制御装置50は、高圧EGR弁18aを全開状態に制御する。
ステップS170において、制御装置50は、VGT絞り弁34を全開状態(絞り量をゼロ)に制御する。そして、リターンに進み、スタートに戻る。
一方、ステップS110で燃料カット条件が成立していないと判定した場合、ステップS200において、制御装置50は、エンジン回転数Nとエンジン負荷Lとに基づいて、燃料供給を制御する。
ステップS210において、制御装置50は、VVL10eを制御して、吸気弁10cおよび排気弁10dのリフト量を通常に設定する(吸気弁10cおよび排気弁10dが通常のリフト量で作動させる。)。
ステップS220において、制御装置50は、エンジン回転数Nとエンジン負荷Lとに基づいて、低圧EGR弁18a、負圧スロットル弁30、高圧EGR弁16a、VGT絞り弁34を制御する。そして、リターンに進み、スタートに戻る。
本実施形態によれば、燃料カット中、ディーゼルエンジン10の吸気弁10cの全閉状態にすることにより、吸気通路14から燃焼室10aを経て排気通路12に至る排気ガスの流れが制限され、これに伴い、低圧EGR通路18内のガスの流れも抑制される。そのため、燃料カット直前に燃焼室10aから排気通路12、低圧EGR通路18および吸気通路14を経て燃焼室10aに戻る排気ガスの還流経路にあった排気ガスが、燃料カット中、該経路内に滞留する。
したがって、パティキュレートフィルタ22と酸化触媒23を流通する排気ガスの流量が制限される。結果として、燃料カット中のこれら排気浄化装置からの放熱量が低減し、排気浄化装置の温度が維持され、燃料供給再開時の排気浄化性能が維持される。
そして、低圧EGR通路18がターボ過給機20のタービン20a下流側の排気通路12とコンプレッサ20b上流側の吸気通路14との間に設けられているので排気ガスの還流経路が長く、それにより燃料カット中における排気ガスの滞留量が多いので、燃料供給の再開時から長い間、尽きることなく排気ガスを燃焼室10aに還流することができる。したがって、燃料供給の再開後に一時的に排気ガスが燃焼室10aに還流されない期間の発生が抑制される。
また、吸気通路14から燃焼室10aを経て排気通路12に至る排気ガスの流れを制限するものの、排気通路12内の排気ガスは低圧EGR通路18を介して吸気通路14に流れることが可能であるので、排気通路12内に生じる圧力の脈動が小さい。したがって、タービン20aに逆回転させる大きな力が作用することがない。その結果、ターボ過給機20の信頼性は維持される。
以上、上述の実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、上述の実施形態の場合、燃料カット中、全閉状態で停止する弁は吸気弁10cであったが、排気弁10dであってもよい。排気弁10dが全閉状態で停止しても、吸気通路14から燃焼室10aを経て排気通路12に至る排気ガスの流れを制限することができる。また、大きなエンジンブレーキを発生させることもできる。
ただし、大きなエンジンブレーキの発生メカニズムが異なる。
説明すると、排気弁10dが全閉状態で停止するときは、吸気行程では吸気弁10cが開くので、抵抗力も駆動力も発生せず、圧縮行程では空気を圧縮することにより抵抗力が発生し、膨張行程では圧縮行程で圧縮した空気によりピストン10fが押下げられて駆動力が発生し、排気行程では、空気を排出できずに、空気を圧縮することにより抵抗力が発生する。したがって、トータルとして走行に対する抵抗力、すなわち大きなエンジンブレーキが発生する。
また、上述の実施形態の場合、燃料カット中、吸気弁10cを全閉状態で停止させているが、これに限定せず、燃料カットをしていない場合に比べて吸気弁10cまたは排気弁10dの少なくとも一方のリフト量を小さくするだけでもよい。同様に、燃料カット中に吸気通路14から燃焼室10aを経て排気通路12に至る排気ガスの流れを制限することができる。
さらに、上述の実施形態の場合、図4に示すように、燃料カット中、低圧EGR弁18aは全閉状態に制御されるが、これに限定せず、燃料カットをしていない場合に比べてその開度量を小さくするだけでもよい。同様に、低圧EGR通路18内の排気ガスの流れを制限することができる。
さらにまた、上述の実施形態の場合、図4に示すように、燃料カット中、負圧スロットル弁30は全閉状態に制御されるが、これに限定せず、燃料カットをしていない場合に比べてその開度量を小さくするだけでもよい。ただし、全閉状態にする方が、新気の吸気通路14への流入による排気ガスの希釈を抑制できるので好ましい。
加えて、上述の実施形態の場合、図4に示すように、燃料カット中、高圧EGR弁16aは全開状態に制御されるが、これに限定せず、燃料カットをしていない場合に比べてその開度量を大きくするだけでもよい。ただし、全開状態する方が、ターボ過給機20のタービン20aに作用する圧力脈動が抑制されるので好ましい。
加えてまた、上述の実施形態の場合、図4に示すように、燃料カット中、VGT絞り弁34は、全開状態(絞り量ゼロ)に制御されるが、これに限定せず、燃料カットをしていない場合に比べてその開度量を大きく(絞り量を小さく)するだけでもよい。ただし、全開状態(絞り量ゼロ)にする方が、ターボ過給機20のタービン20aに作用する圧力脈動が抑制されるので好ましい。
以上述べたように、本発明は、ディーゼルエンジンを搭載した車両の分野において好適に利用される可能性がある。
10 内燃機関(ディーゼルエンジン)
10a 燃焼室
10c 吸気弁
10d 排気弁
10e リフト量調節手段(VVL)
12 排気通路
14 吸気通路
18 EGR通路(低圧EGR通路)
20 排気ターボ過給機
20a タービン
20b コンプレッサ
22 排気浄化装置(パティキュレートフィルタ)
23 排気浄化装置(酸化触媒)

Claims (12)

  1. 排気通路に配置されたタービンと吸気通路に配置されたコンプレッサとでなる排気ターボ過給機と、前記タービンの下流側の前記排気通路に配置された排気浄化装置と、該排気浄化装置の下流側の排気通路と前記コンプレッサの上流側の吸気通路とを連通するEGR通路と、吸気弁および排気弁のリフト量を調節するリフト量調節手段とを有する圧縮着火式の内燃機関の排気再循環を制御する方法であって、
    所定の条件の成立中は前記内燃機関の燃焼室への燃料供給を中断する燃料供給制御工程と、
    前記燃料供給制御工程で燃料供給を中断している間は、前記リフト量調節手段を介して吸気弁または排気弁の少なくとも一方のリフト量を燃料供給を中断していない場合に比べて小さくすることにより、吸気通路、排気通路および前記EGR通路内の排気ガスの流れを制限する排気ガス制御工程とを含むことを特徴とする内燃機関の排気再循環を制御する方法。
  2. 請求項1に記載の内燃機関の排気再循環を制御する方法であって、
    前記EGR通路より上流側の吸気通路に、新気の該吸気通路への流入量を調節するスロットル弁が設けられており、
    前記燃料供給制御工程で燃料供給を中断している間は、前記スロットル弁の開度量を燃料供給を中断していない場合に比べて小さくするスロットル弁制御工程を含むことを特徴とする内燃機関の排気再循環を制御する方法。
  3. 請求項1または2に記載の内燃機関の排気再循環を制御する方法であって、
    前記EGR通路を流れる排気ガスの還流量を調節するEGR弁が設けられており、
    前記燃料供給制御工程で燃料供給を中断している間は、前記EGR弁の開度量を燃料供給を中断していない場合に比べて小さくするEGR弁制御工程を含むことを特徴とする内燃機関の排気再循環を制御する方法。
  4. 請求項1から3のいずれか1項に記載の内燃機関の排気再循環を制御する方法であって、
    前記排気ガス制御工程は、吸気弁または排気弁のいずれか一方を全閉状態で停止させることを特徴とする内燃機関の排気再循環を制御する方法。
  5. 請求項4に記載の内燃機関の排気再循環を制御する方法であって、
    前記タービンの上流側の排気通路と前記コンプレッサの下流側の吸気通路とを連通する第2のEGR通路と、前記第2のEGR通路を流れる排気ガスの還流量を調節する第2のEGR弁とが設けられており、
    前記燃料供給制御工程で燃料供給を中断している間は、前記第2のEGR弁の開度量を燃料供給を中断していない場合に比べて大きくする第2のEGR弁制御工程を含み、
    前記排気ガス制御工程では、吸気弁を停止することを特徴とする内燃機関の排気再循環を制御する方法。
  6. 請求項4または5に記載の内燃機関の排気再循環を制御する方法であって、
    前記タービンへの排気の流速を調節する排気流速調節手段が設けられており、
    前記燃料供給制御工程で燃料供給を中断している間は、前記排気流速調節手段を介してタービンへの排気の流速を燃料供給を中断していない場合に比べて低くする排気流速制御工程を含み、
    前記排気ガス制御工程では、吸気弁を停止することを特徴とする内燃機関の排気再循環を制御する方法。
  7. 排気通路に配置されたタービンと吸気通路に配置されたコンプレッサとでなる排気ターボ過給機と、前記タービンの下流側の前記排気通路に配置された排気浄化装置と、該排気浄化装置の下流側の排気通路と前記コンプレッサの上流側の吸気通路とを連通するEGR通路と、吸気弁および排気弁のリフト量を調節するリフト量調節手段とを有する圧縮着火式の内燃機関の排気再循環を制御するシステムであって、
    所定の条件の成立中は前記内燃機関の燃焼室への燃料供給を中断する燃料供給制御手段と、
    前記燃料供給制御手段が燃料供給を中断している間は、前記リフト量調節手段を介して吸気弁または排気弁の少なくとも一方のリフト量を燃料供給を中断していない場合に比べて小さくすることにより、吸気通路、排気通路および前記EGR通路内の排気ガスの流れを制限する排気ガス制御手段とを有することを特徴とする内燃機関の排気再循環を制御するシステム。
  8. 請求項7に記載の内燃機関の排気再循環を制御するシステムであって、
    前記EGR通路より上流側の吸気通路に設けられて新気の該吸気通路への流入量を調節するスロットル弁と、
    前記燃料供給制御手段が燃料供給を中断している間は、前記スロットル弁の開度量を燃料供給を中断していない場合に比べて小さくするスロットル弁制御手段とを有することを特徴とする内燃機関の排気再循環を制御するシステム。
  9. 請求項7または8に記載の内燃機関の排気再循環を制御するシステムであって、
    前記EGR通路を流れる排気ガスの還流量を調節するEGR弁と、
    前記燃料供給制御手段が燃料供給を中断している間は、前記EGR弁の開度量を燃料供給を中断していない場合に比べて小さくするEGR弁制御手段とを有することを特徴とする内燃機関の排気再循環を制御するシステム。
  10. 請求項7から9のいずれか1項に記載の内燃機関の排気再循環を制御するシステムであって、
    前記排気ガス制御手段は、吸気弁または排気弁のいずれか一方を全閉状態で停止させることを特徴とする内燃機関の排気再循環を制御するシステム。
  11. 請求項10に記載の内燃機関の排気再循環を制御するシステムであって、
    前記タービンの上流側の排気通路と前記コンプレッサの下流側の吸気通路とを連通する第2のEGR通路と、
    前記第2のEGR通路を流れる排気ガスの還流量を調節する第2のEGR弁と、
    前記燃料供給制御手段が燃料供給を中断している間は、前記第2のEGR弁の開度量を燃料供給を中断していない場合に比べて大きくする第2のEGR弁制御手段とを有し、
    前記排気ガス制御手段は、吸気弁を停止することを特徴とする内燃機関の排気再循環を制御するシステム。
  12. 請求項10または11に記載の内燃機関の排気再循環を制御するシステムであって、
    前記タービンへの排気の流速を調節する排気流速調節手段と、
    前記燃料供給制御手段が燃料供給を中断している間は、前記排気流速調節手段を介してタービンへの排気の流速を燃料供給を中断していない場合に比べて低くする排気流速制御手段とを有し、
    前記排気ガス制御手段は、吸気弁を停止することを特徴とする内燃機関の排気再循環を制御するシステム。
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