JP2012002094A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、タービンをバイパスするバイパス通路から排出される排気の流量を調節するバイパス弁を備えた内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine including a bypass valve that adjusts the flow rate of exhaust gas discharged from a bypass passage that bypasses a turbine.
過給機のタービンを備えた内燃機関において、内燃機関の排気通路の排気にタービンをバイパスさせるバイパス通路を備える技術が開示されている(例えば特許文献1参照)。特許文献1の技術では、タービンよりも下流の排気通路に設けられた排気浄化触媒が早期暖機の必要な温度領域にあるときは、バイパス通路へ排気を流すことにより、排気の熱がタービンで奪われることなく排気が排気浄化触媒に流入し、排気浄化触媒の早期昇温を図ることができる。
In an internal combustion engine provided with a turbocharger turbine, a technology is disclosed that includes a bypass passage that bypasses the turbine to the exhaust passage of the internal combustion engine (see, for example, Patent Document 1). In the technique of
上記した特許文献1では、バイパス通路から高温の排気を供給して排気浄化触媒の暖機を図ることができる。しかし、排気浄化触媒が過昇温するおそれがある場合、例えば、過給状態で且つスロットル全開の高負荷領域で長時間走行した場合には、バイパス通路を閉じてタービンに排気を通過させても、タービンが高温になっておりタービンが排気の熱を奪えないので排気が冷却されないため、排気浄化触媒に冷却した排気を供給することはできない。
In
本発明は上記問題点に鑑みたものであり、本発明の目的は、内燃機関において、排気浄化触媒の暖機が必要な場合には、排気浄化触媒の早期昇温を図る一方、排気浄化触媒が過昇温するおそれがある場合には、排気浄化触媒の過昇温を回避する技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to quickly raise the temperature of an exhaust purification catalyst when the exhaust purification catalyst needs to be warmed up in an internal combustion engine. In the case where there is a risk of overheating of the exhaust gas, it is an object to provide a technique for avoiding overheating of the exhaust purification catalyst.
本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、本発明は、
内燃機関の排気通路に設けられる過給機のタービンと、
前記タービンよりも下流の前記排気通路に設けられる排気浄化触媒と、
前記タービンよりも上流の前記排気通路の排気に前記タービンをバイパスさせるバイパス通路と、
前記バイパス通路から排出される排気の流量を調節するバイパス弁であって、前記排気浄化触媒が過昇温するおそれがある場合には、前記バイパス通路から排出される排気を通路壁面へ衝突させる開度に制御されるバイパス弁と、
を備えたことを特徴とする内燃機関である。
In the present invention, the following configuration is adopted. That is, the present invention
A turbocharger turbine provided in an exhaust passage of the internal combustion engine;
An exhaust purification catalyst provided in the exhaust passage downstream of the turbine;
A bypass passage for bypassing the turbine to the exhaust of the exhaust passage upstream of the turbine;
A bypass valve that adjusts the flow rate of the exhaust gas discharged from the bypass passage, and when the exhaust purification catalyst may be overheated, the exhaust valve that collides the exhaust gas discharged from the bypass passage with the passage wall surface. A bypass valve controlled at a time,
An internal combustion engine characterized by comprising:
本発明では、排気浄化触媒が過昇温するそれがある場合には、バイパス弁を、バイパス通路から排出される排気を通路壁面へ衝突させる開度に制御する。ここで、通路壁面は熱容量が大きく放熱し易い。これによると、バイパス通路から排出される排気は、バイパス
弁によって通路壁面に衝突し、排気の熱が熱容量の大きい通路壁面に伝わり放熱され、排気が冷却される。よって、排気浄化触媒には冷却された排気が流入するので、排気浄化触媒の過昇温を回避することができる。
In the present invention, when the exhaust purification catalyst is excessively heated, the bypass valve is controlled to an opening degree at which the exhaust discharged from the bypass passage collides with the passage wall surface. Here, the passage wall surface has a large heat capacity and easily dissipates heat. According to this, the exhaust discharged from the bypass passage collides with the passage wall surface by the bypass valve, and the heat of the exhaust is transmitted to the passage wall surface having a large heat capacity to be dissipated to cool the exhaust. Therefore, since the cooled exhaust gas flows into the exhaust purification catalyst, it is possible to avoid overheating of the exhaust purification catalyst.
前記バイパス弁は、前記排気浄化触媒の暖機が必要な場合には、前記バイパス通路から排出される排気を通路壁面へ衝突させない開度に制御されるとよい。ここでは、排気浄化触媒の暖機が必要な場合には、バイパス弁を、バイパス通路から排出される排気を通路壁面へ衝突させない開度に制御する。これによると、バイパス通路から排出される排気は通路壁面に衝突せず、排気の熱が熱容量の大きい通路壁面に伝わらないので、排気が高温に維持される。よって、排気浄化触媒には高温の排気が流入するので、排気浄化触媒の早期昇温を図ることができる。 When the exhaust purification catalyst needs to be warmed up, the bypass valve may be controlled to an opening degree that does not cause the exhaust discharged from the bypass passage to collide with the passage wall surface. Here, when the exhaust purification catalyst needs to be warmed up, the bypass valve is controlled to an opening degree at which the exhaust discharged from the bypass passage does not collide with the passage wall surface. According to this, the exhaust discharged from the bypass passage does not collide with the passage wall surface, and the exhaust heat is not transmitted to the passage wall surface having a large heat capacity, so that the exhaust is maintained at a high temperature. Therefore, since high-temperature exhaust gas flows into the exhaust purification catalyst, the exhaust purification catalyst can be raised in temperature early.
前記バイパス弁は、前記タービンから排出される排気の流量を調節できる開度に制御されるとよい。これによると、バイパス弁一つで、バイパス通路及びタービンから排出される排気の流量を調節できるので、弁を複数設ける必要が無く、低コスト化を図ることができる。 The bypass valve may be controlled to an opening degree capable of adjusting a flow rate of exhaust gas discharged from the turbine. According to this, since the flow rate of the exhaust gas discharged from the bypass passage and the turbine can be adjusted with one bypass valve, it is not necessary to provide a plurality of valves, and the cost can be reduced.
前記バイパス弁は、前記排気浄化触媒の暖機が必要な場合には、前記タービンから排気を排出させない開度に制御されるとよい。これによると、排気浄化触媒の暖機が必要な場合には、タービンから排気を排出させず、バイパス通路から排気の全量を排出させることにより、排気の温度低下を最小限にすることができる。よって、排気浄化触媒には最小限の温度低下しかしていない排気が流入するので、排気浄化触媒の早期昇温を行うことができる。 When the exhaust purification catalyst needs to be warmed up, the bypass valve may be controlled to an opening degree that does not exhaust exhaust from the turbine. According to this, when the exhaust purification catalyst needs to be warmed up, exhaust temperature is not exhausted from the turbine, but exhaust gas is exhausted from the bypass passage, thereby minimizing the temperature drop of the exhaust. Therefore, since the exhaust gas having a minimum temperature drop flows into the exhaust purification catalyst, the exhaust purification catalyst can be raised in temperature early.
本発明によると、内燃機関において、排気浄化触媒の暖機が必要な場合には、排気浄化触媒の早期昇温を図ることができ、排気浄化触媒が過昇温するおそれがある場合には、排気浄化触媒の過昇温を回避することができる。 According to the present invention, in the internal combustion engine, when the exhaust purification catalyst needs to be warmed up, the exhaust purification catalyst can be quickly heated, and when the exhaust purification catalyst may overheat, An excessive temperature rise of the exhaust purification catalyst can be avoided.
以下に本発明の具体的な実施例を説明する。 Specific examples of the present invention will be described below.
<実施例1>
図1は、本発明の実施例1に係る内燃機関の概略構成を示す図である。図1に示す内燃機関1は、気筒を4つ備える4ストロークサイクルのディーゼルエンジンである。内燃機関1には、ターボチャージャ等の過給機2が搭載される。過給機2は、内燃機関1の排気通路3を流通する排気のエネルギを用いてタービン4を回転させ、タービン4の回転力を
コンプレッサ5に伝達し、内燃機関1の吸気通路6を流通する吸気をコンプレッサ5で過給する。
<Example 1>
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine according to
タービン4よりも下流の排気通路3には、排気浄化触媒7が配置される。排気浄化触媒7としては、例えば、酸化触媒、吸蔵還元型NOx触媒、選択還元型NOx触媒等があり、所定温度領域でその機能を発揮する。このため、冷間時等の排気浄化触媒7が所定温度領域よりも低温の場合には、機能を発揮させるために暖機が必要となる。一方、過昇温時といった排気浄化触媒7が所定温度領域よりも高温の場合には、熱劣化を引き起こすので、過昇温を回避する必要がある。
An
タービン4は、タービンハウジング内に備えられる。タービンハウジングも排気通路3の一部である。このタービンハウジングには、タービン4よりも上流の排気通路3の排気にタービン4をバイパスさせてタービン4よりも下流の排気通路3へ流すバイパス通路8が設けられている。バイパス通路8及びタービン4よりも下流の排気通路3の排気流通方向は、バイパス通路8から排出された排気がそのまま下流の排気浄化触媒7へ向かう方向に設定されている。タービンハウジングには、バイパス通路8に並列してタービン4から排出される排気を流通させるタービン出口通路9が設けられる。
The
バイパス通路8の下流端開口には、バイパス通路8から排出される排気の流量を調節可能なバイパス弁10が設けられる。なお、バイパス弁10とは、一般的なウェイストゲートバルブを示す。バイパス弁10は、板状であり、バイパス通路8の下流端開口とタービン出口通路9の下流端開口との間に軸支されて回動可能となっている。このため、バイパス弁10は、ECU11からの指令によって、バイパス通路8の下流端開口を塞ぐ状態(閉弁状態:開度0°)から、タービン出口通路9の下流端開口を塞ぐ状態(開度略180°)まで開度を制御可能である。バイパス弁10は、バイパス通路8の下流端開口を塞ぐ面を表面とすると、タービン出口通路9の下流端開口を塞ぐ面が表面の真裏の裏面となる。
A
このように本実施例のバイパス弁10は、バイパス通路8及びタービン出口通路9のどちらかから排出される排気の流量を調節できる開度に制御される。これによると、バイパス弁一つで、バイパス通路8及びタービン4から排出される排気の流量を調節できるので、弁を複数設ける必要が無く、低コスト化を図ることができる。
Thus, the
図2は、本実施例に係るバイパス弁10の開度を制御した様子を示す図である。図2(a)は、バイパス弁10がバイパス通路8の下流端開口を塞いだ開度0°の閉弁状態を示す図である。図2(a)に示す閉弁状態にバイパス弁10の開度を制御すると、排気はバイパス通路8を流通できないので、排気の全量でタービン4を駆動することになる。タービン4を駆動した排気は、タービン出口通路9から下流の排気通路3へ排出される。
FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which the opening degree of the
図2(b)は、バイパス弁10がバイパス通路8から排出される排気を通路壁面へ衝突させる開度の状態を示す図である。図2(b)に示す状態にバイパス弁10の開度を制御すると、バイパス弁10からの排気が通路壁面へ向い、排気浄化触媒7が過昇温するおそれがある場合に、バイパス通路8から排出される排気をタービンハウジング等の排気通路3の通路壁面へ衝突させることができる。ここで、通路壁面は熱容量が大きく放熱し易い。これによると、バイパス通路8から排出される排気は、バイパス弁10によって通路壁面に衝突し、排気の熱が熱容量の大きい通路壁面に伝わり放熱され、排気が冷却される。よって、排気浄化触媒7には、冷却された排気が流入するので、排気浄化触媒7の過昇温を回避することができる。
FIG. 2B is a view showing a state of the opening degree at which the
図2(c)は、バイパス弁10がバイパス通路8及びタービン出口通路9の両方を塞が
ない開度の状態を示す図である。図2(c)に示す状態にバイパス弁10の開度を制御すると、排気はバイパス通路8及びタービン4の両方に流れ、タービン4を予回転させ加速に備えつつ、排気がバイパス通路8を流れることからタービン4での背圧を下げて内燃機関1のポンプ損失を減らして燃費を向上することができる。図3は、バイパス弁10の開度に対する背圧を示す図である。図3に示すように、図2(c)に示す状態であると、後述する図2(d)に示す状態よりも背圧が低く背圧が最も低下する。
FIG. 2C is a view showing a state where the
図2(d)は、バイパス弁10がタービン出口通路9を塞いだ開度の状態を示す図である。この状態は、バイパス通路8から排出される排気を通路壁面へ衝突させない開度の状態である。図2(d)に示す状態にバイパス弁10の開度を制御すると、排気をタービン4から排出できなくなるので、排気の全量がバイパス通路8を流通することになる。これによると、排気浄化触媒7の暖機が必要な場合には、タービン4から排気を排出させず、バイパス通路8から排気の全量を排出させることにより、排気の温度低下を最小限にすることができる。またこのとき、バイパス通路8から排出される排気は、その排気流通方向がそのまま下流の排気浄化触媒7へ向かう方向であるので、通路壁面に衝突せず、排気の熱が通路壁面に奪われ難い。よって、排気浄化触媒7には、最小限の温度低下しかしていない排気、すなわち高温の排気が流入するので、排気浄化触媒7の早期昇温を行うことができる。
FIG. 2 (d) is a view showing a state of the opening degree where the
図4は、機関負荷及び機関回転速度に応じたバイパス弁10の開度制御を示す図である。図1に示すアクセルポジションセンサ12及びクランクポジションセンサ13の検出値をECU11に取り込み、ECU11は機関負荷及び機関回転速度に応じて図4に示す領域A〜Eでバイパス弁10の開度を切り替えて制御する。図4に示す触媒昇温域である領域A及び機関冷却水が低温の領域Bでは、排気浄化触媒7の暖機が必要であるので、バイパス弁10を図2(d)に示す状態に制御する。非過給域である領域Cでは、バイパス弁10を図2(c)に示す状態に制御する。これにより、領域Cでは燃費も向上する。過給域である領域Dでは、バイパス弁10を図2(a)に示す状態に制御する。ウェイストゲート域(過給圧調整域)である領域Eでは、排気浄化触媒7が過昇温するおそれがあるので、バイパス弁10を図2(b)に示す状態に制御する。これにより、排気浄化触媒7に流入させる排気を冷却する。
FIG. 4 is a diagram showing the opening degree control of the
なお、バイパス弁10は必ずしも図2に示す4つの開度の状態だけに制御されるものではない。図5は、バイパス弁10の開度と排気流量との関係を示す図である。図5に示すように、機関負荷が高負荷の時は、タービン4を流通する排気流量を、バイパス通路8を流通する排気流量よりも多くする領域Xのように、バイパス弁10の開度を制御してもよい。一方、冷間時等の機関負荷が低負荷の時は、バイパス通路8を流通する排気流量を、タービン4を流通する排気流量よりも多くする領域Yのように、バイパス弁10の開度を制御してもよい。
The
<実施例2>
図6は、実施例2に係るバイパス弁10aの開度を制御した様子を示す図である。本実施例のバイパス弁10aは、実施例1と同じ作用を奏するが、構成が異なる。バイパス弁10aは、中間に屈曲部10a1を有し、先端部10a2が根元部10a3からバイパス通路8側に屈曲している。バイパス弁10aは、バイパス通路8の下流端開口を塞ぐ面を先端部10a2の表面とすると、タービン出口通路9の下流端開口を塞ぐ面が根元部10a3の裏面となる。このため、バイパス弁10aの回動角が小さくて済む。
<Example 2>
FIG. 6 is a diagram illustrating a state in which the opening degree of the
図6(a)は、図2(a)に対応し、バイパス弁10aが先端部10a2の表面でバイパス通路8の下流端開口を塞いだ開度0°の閉弁状態を示す図である。図6(b)は、図2(b)に対応し、バイパス弁10aがバイパス通路8から排出される排気を通路壁面へ
衝突させる開度の状態を示す図である。図6(c)は、図2(c)に対応し、バイパス弁10aがバイパス通路8及びタービン出口通路9の両方を塞がない開度の状態を示す図である。図6(d)は、図2(d)に対応し、バイパス弁10aが根元部10a3の裏面でタービン出口通路9を塞いだ開度の状態を示す図である。この状態は、バイパス通路8から排出される排気を通路壁面へ衝突させない開度の状態である。
FIG. 6 (a) corresponds to FIG. 2 (a), and shows a closed state of 0 ° opening degree in which the
<実施例3>
図7は、実施例3に係るバイパス弁10bの開度を制御した様子を示す図である。本実施例のバイパス弁10bは、実施例1,2と異なりタービン出口通路9を塞ぐことができない。バイパス弁10bは、バイパス通路8を塞ぐ部位(弁部10b1)が断面半円形状をしており、少なくとも1つのリンク機構10b2を有しており、上下に移動可能である。
<Example 3>
FIG. 7 is a diagram illustrating a state in which the opening degree of the
図7(a)は、図2(a)に対応し、バイパス弁10bがバイパス通路8の下流端開口を塞いだ開度の閉弁状態を示す図である。図7(b)は、図2(b)に対応し、バイパス弁10bが下方へ回動してバイパス通路8から排出される排気を通路壁面へ衝突させる開度の状態を示す図である。図7(c)は、図2(c)に対応し、バイパス弁10bが上方へ回動してバイパス通路8及びタービン出口通路9の両方を塞がない開度の状態を示す図である。
FIG. 7A corresponds to FIG. 2A and is a diagram showing a closed state of the opening degree in which the
<実施例4>
図8は、実施例4に係るバイパス弁10cの開度を制御した様子を示す図である。本実施例のバイパス弁10cは、実施例1,2と異なりタービン出口通路9を塞ぐことができない。バイパス弁10cは、バイパス通路8を塞ぐ部位(弁部10c1)が断面半円形状をしており、水平に動くことができるリンク機構10c2及び弁部10c1を上下に動かせるリンク機構10c3を有しており、開弁時は閉弁時よりもバイパス通路8の下流端開口から離れることができる。
<Example 4>
FIG. 8 is a diagram illustrating a state in which the opening degree of the
図8(a)は、図2(a)に対応し、バイパス弁10cがバイパス通路8の下流端開口を塞いだ開度の閉弁状態を示す図である。図8(b)は、図2(b)に対応し、バイパス弁10cが下方へ回動してバイパス通路8から排出される排気を通路壁面へ衝突させる開度の状態を示す図である。図8(c)は、図2(c)に対応し、バイパス弁10cが上方へ回動してバイパス通路8及びタービン出口通路9の両方を塞がない開度の状態を示す図である。
FIG. 8A corresponds to FIG. 2A and is a diagram showing a closed state of the opening degree in which the
<実施例5>
図9は、実施例5に係るバイパス弁10dの開度を制御した様子を示す図である。本実施例のバイパス弁10dは、実施例1,2と異なりタービン出口通路9を塞ぐことができない。バイパス通路8は上下に2分割され、バイパス弁10dも上下に弁部10d1,10d2を2つ有し、2つの弁部10d1,10d2がU字型の部材10d3に取り付けられ、水平に動くことができるリンク機構10d4及び2つの弁部10d1,10d2を傾かせるように動かせるリンク機構10d5を有しており、開弁時は上下方向のどちらかに排気流れを向かわせるようにバイパス弁10dを傾けることができる。
<Example 5>
FIG. 9 is a diagram illustrating a state in which the opening degree of the
図9(a)は、図2(a)に対応し、バイパス弁10dがバイパス通路8の下流端開口を塞いだ開度の閉弁状態を示す図である。図9(b)は、図2(b)に対応し、バイパス弁10dが上方側を広く空けるように傾いてバイパス通路8から排出される排気を通路壁面へ衝突させる開度の状態を示す図である。図8(c)は、図2(c)に対応し、バイパス弁10dが下方側を広く空けるように傾いてバイパス通路8及びタービン出口通路9の両方を塞がない開度の状態を示す図である。
FIG. 9A corresponds to FIG. 2A, and shows a closed state of the opening degree in which the
<実施例6>
図10は、実施例6に係るバイパス弁10eの開度を制御した様子を示す図である。本実施例のバイパス弁10eは、実施例1,2と異なりタービン出口通路9を塞ぐことができない。バイパス通路8は上下に2分割され、バイパス弁10eも上下に2つの弁部10e1,10e2を有し、2つの弁部10e1,10e2が夫々独立して動くことができる。2つの弁部10e1,10e2の両方とも、バイパス通路8を2分割する中間の仕切部に軸支されている。
<Example 6>
FIG. 10 is a diagram illustrating a state in which the opening degree of the
図10(a)は、図2(a)に対応し、バイパス弁10eがバイパス通路8の下流端開口を塞いだ開度の閉弁状態を示す図である。この状態では、2つの弁部10e1,10e2が閉弁している。図10(b)は、図2(b)に対応し、上側の弁部10e1が幾分開度を少なめに開いてバイパス通路8から排出される排気を通路壁面へ衝突させる開度の状態を示す図である。この状態では、下側の弁部10e2は閉じたままである。図10(c)は、図2(c)に対応し、2つの弁部10e1,10e2の両方が広く開いてバイパス通路8及びタービン出口通路9の両方を塞がない開度の状態を示す図である。上記のような状態に制御できるように、弁部10e1だけが中間開度に制御でき、弁部10e2は開閉だけの2開度のみに制御されるものでもよい。または、2つの弁部10e1,10e2の両方とも、細かく中間開度にまで制御できるものでもよい。
FIG. 10A corresponds to FIG. 2A and is a view showing a closed state of the opening degree in which the
<その他>
本発明に係る内燃機関は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。上記実施例では、各センサで機関負荷及び機関回転速度といった内燃機関1の運転状態を検知して排気浄化触媒7の、過昇温のおそれや暖機が必要な場合を推定していたがこれに限られない。例えば、排気浄化触媒7の床温を温度センサで直接検知してもよいし、排気温度等から推定してもよい。
<Others>
The internal combustion engine according to the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the gist of the present invention. In the above-described embodiment, the operation state of the
1:内燃機関、2:過給機、3:排気通路、4:タービン、5:コンプレッサ、6:吸気通路、7:排気浄化触媒、8:バイパス通路、9:タービン出口通路、10,10a〜10e:バイパス弁、10a1:屈曲部、10a2:先端部、10a3:根元部、10b1:弁部、10b2:リンク機構、10c1:弁部、10c2:リンク機構、10c3:リンク機構、10d1,10d2:弁部、10d3:U字型の部材、10d4:リンク機構、10d5:リンク機構、10e1,10e2:弁部、12:アクセルポジションセンサ、13:クランクポジションセンサ 1: internal combustion engine, 2: supercharger, 3: exhaust passage, 4: turbine, 5: compressor, 6: intake passage, 7: exhaust purification catalyst, 8: bypass passage, 9: turbine outlet passage, 10, 10a to 10e: bypass valve, 10a1: bent portion, 10a2: tip portion, 10a3: root portion, 10b1: valve portion, 10b2: link mechanism, 10c1: valve portion, 10c2: link mechanism, 10c3: link mechanism, 10d1, 10d2: valve Part, 10d3: U-shaped member, 10d4: link mechanism, 10d5: link mechanism, 10e1, 10e2: valve part, 12: accelerator position sensor, 13: crank position sensor
Claims (4)
前記タービンよりも下流の前記排気通路に設けられる排気浄化触媒と、
前記タービンよりも上流の前記排気通路の排気に前記タービンをバイパスさせるバイパス通路と、
前記バイパス通路から排出される排気の流量を調節するバイパス弁であって、前記排気浄化触媒が過昇温するおそれがある場合には、前記バイパス通路から排出される排気を通路壁面へ衝突させる開度に制御されるバイパス弁と、
を備えたことを特徴とする内燃機関。 A turbocharger turbine provided in an exhaust passage of the internal combustion engine;
An exhaust purification catalyst provided in the exhaust passage downstream of the turbine;
A bypass passage for bypassing the turbine to the exhaust of the exhaust passage upstream of the turbine;
A bypass valve that adjusts the flow rate of the exhaust gas discharged from the bypass passage, and when the exhaust purification catalyst may be overheated, the exhaust valve that collides the exhaust gas discharged from the bypass passage with the passage wall surface. A bypass valve controlled at a time,
An internal combustion engine comprising:
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