JP2015034494A - 過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンハウジング内におけるデポジットの付着を抑えることのできる過給機付き内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】エンジン１は、タービンハウジング７２を備えるターボチャージャ７０と、燃料添加が行われるフィルタ５０と、複数の気筒＃１〜＃４と、各気筒毎に設けられた排気ポート＃１ＥＸ〜＃４ＥＸと、各排気ポート＃１ＥＸ〜＃４ＥＸから排出された排気をタービンハウジング７２に導入する第１排気通路４５及び第２排気通路４６とを備えている。制御装置１００は、各排気ポート＃１ＥＸ〜＃４ＥＸからそれぞれ排出される排気のうちで、タービンハウジング７２に流入するまでの間における流勢方向の変化が最も大きい排気への燃料添加量を、他の排気への燃料添加量よりも多くする。【選択図】図２

Description

本発明は、過給機付き内燃機関の制御装置に関するものである。

タービンハウジング内に設けられたタービンを排気で回転させることにより吸気を過給する過給機を備える内燃機関が知られている。
また、特許文献１に記載の内燃機関では、過給機のタービンよりも排気下流側に排気浄化部材としてのフィルタを備えるようにしている。このフィルタでは、排気中の微粒子が捕集される。そして、フィルタに堆積した微粒子の量が許容値を超えると、排気系に燃料が添加され、この添加された燃料によってフィルタに堆積した微粒子が燃焼除去される。

特開２００５−５４７７１号公報

ところで、過給機のタービンハウジングよりも排気上流側から燃料添加が行われると、タービンハウジング内には、添加された燃料が付着しやすくなる。そして、こうした添加燃料の付着により、タービンハウジング内には、粘度の高いデポジットが付着しやすくなり、例えば過給機に設けられた可動部（タービンなど）の摺動不良による過給効率低下などがおきるおそれがある。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、タービンハウジング内におけるデポジットの付着を抑えることのできる過給機付き内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決する過給機付き内燃機関の制御装置は、タービンハウジング内に設けられたタービンを排気で回転させることにより吸気を過給する過給機と、タービンハウジングの排気下流側に設けられており燃料添加が行われる排気浄化部材と、複数の気筒と、各気筒毎に設けられた排気ポートと、各排気ポートから排出された排気をタービンハウジングに導入する排気通路とを備え、各排気ポートから排出される排気のうちの少なくとも１つに燃料を添加する制御を行う。そして、この制御装置は、各排気ポートからそれぞれ排出される排気のうちで、タービンハウジングに流入するまでの間における流勢方向の変化が最も大きい排気への燃料添加量を、他の排気への燃料添加量よりも多くするようにしている。

各排気ポートから排出された排気がタービンハウジングに流入するまでの間は、排気ポートとタービンハウジングとを繋ぐ排気通路の形状に応じて、各排気ポートから排出された排気の流勢方向は変化する。そして、そうした流勢方向の変化が最も大きくなる排気に添加された燃料は、排気通路内において好適に攪拌されることにより霧化が促進される。そのため、添加された燃料はタービンハウジング内に付着しにくくなり、同タービンハウジング内におけるデポジットの付着を抑えることができる。そこで、同構成では、排気ポートからそれぞれ排出される排気のうちで、タービンハウジングに流入するまでの間における流勢方向の変化が最も大きい排気への燃料添加量を、他の排気への燃料添加量よりも多くするようにしている。従って、排気ポートに添加された燃料の霧化が促進されるようになり、タービンハウジング内におけるデポジットの付着が抑えられるようになる。

一実施形態での過給機付き内燃機関の排気構造を模式的に示す平面図。 同実施形態の内燃機関の排気構造を模式的に示す正面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 同実施形態における各排気ポートへの燃料添加量を示すグラフ。 同実施形態の変形例における各排気ポートへの燃料添加量を示すグラフ。

以下、過給機付き内燃機関の制御装置を具体化した一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
図１に示すように、エンジン１には、第１気筒＃１、第２気筒＃２、第３気筒＃３、及び第４気筒＃４の４つの気筒が直列に設けられている。なお、エンジン１の気筒数は適宜変更することができる。

第１気筒＃１には、同気筒からの排気が排出される第１排気ポート＃１ＥＸが設けられている。第２気筒＃２には、同気筒からの排気が排出される第２排気ポート＃２ＥＸが設けられている。第３気筒＃３には、同気筒からの排気が排出される第３排気ポート＃３ＥＸが設けられている。そして、第４気筒＃４には、同気筒からの排気が排出される第４排気ポート＃４ＥＸが設けられている。

エンジン１には、気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射型の燃料噴射弁が各気筒＃１〜＃４毎に設けられている。またエンジン１には、各気筒＃１〜＃４に吸気を導入する吸気通路が接続されている。

各排気ポート＃１ＥＸ〜＃４ＥＸには、分岐通路４５ａがそれぞれ接続されており、それら各分岐通路４５ａは、第１排気通路４５に接続されている。第１排気通路４５は、エンジン１の気筒配列方向に延びた管形状をなしており、第４排気ポート＃４ＥＸに接続された分岐通路４５ａとの接続部よりも排気下流側は、エンジン側に向かって湾曲されている。

図２に示すように、第１排気通路４５においてエンジン側に向かって湾曲した部分よりも排気下流側には、エンジン１の下方に向かって延びる管形状の第２排気通路４６が接続されている。なお、第１排気通路４５においてエンジン側に向かって湾曲した部分は、各排気ポート＃１ＥＸ〜＃４ＥＸから排出された排気の全てが集合する部分となっており、以下、この湾曲した排気の集合部を、排気集合部ＥＸＣという（図２、図３、図４において一点鎖線で囲む部分）。

エンジン１には、排気を利用して吸気を過給する過給機としてのターボチャージャ７０が設けられている。このターボチャージャ７０のコンプレッサを内部に収容しているコンプレッサハウジング７１は、吸気通路の途中であってエンジン１のスロットルバルブよりも吸気上流の部位に接続されている。

また、ターボチャージャ７０のタービンを内部に収容しているタービンハウジング７２は、その排気入口７２ａが上記第２排気通路４６に接続されている。
タービンハウジング７２の排気出口には、第３排気通路４７が接続されている。この第３排気通路４７の途中には、各種の排気浄化部材が設けられている。例えば、本実施形態では、排気中のＰＭ（微粒子物質）を捕集する排気浄化部材であって燃料添加が行われるフィルタ５０が設けられている。

フィルタ５０に堆積したＰＭの量が予め定められた堆積量判定値を超えると、フィルタ再生処理が開始される。このフィルタ再処理が開始されると、燃料噴射弁の噴射時期が制御されて、ポスト噴射が実行される。メイン噴射に対して大きく遅角した時期に燃料を噴射するポスト噴射が実行されると、エンジン１の排気ポートから排出される排気には燃料が添加される。そして、この添加燃料を利用してフィルタ５０に堆積したＰＭが燃焼処理されることによりフィルタ５０の再生が図られる。そして、ＰＭの堆積量が所定の再生終了値以下にまで減少すると、フィルタ再生処理は終了される。

エンジン１には、機関運転状態等を検出するための各種センサ等が取り付けられており、それら各種センサ等の出力は制御装置１００に入力される。この制御装置１００は、中央処理制御装置（ＣＰＵ）、各種プログラムやマップ等を予め記憶した読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵの演算結果等を一時記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、タイマカウンタ、入力インターフェース、出力インターフェース等を備えたマイクロコンピュータを中心に構成されている。そして、この制御装置１００により、例えば燃料噴射弁の噴射制御等、エンジン１の各種制御が行われる。

ところで、フィルタ再生処理が実行されると、ポスト噴射が行われることにより、ターボチャージャ７０のタービンハウジング７２よりも排気上流側から燃料添加が行われることになり、タービンハウジング７２内には、添加された燃料が付着しやすくなる。そして、こうした添加燃料の付着により、タービンハウジング７２内には、粘度の高いデポジットが付着しやすくなり、例えばターボチャージャ７０に設けられた可動部（タービンなど）の摺動不良による過給効率低下などがおきるおそれがある。

そこで、本実施形態では、以下のようにして、タービンハウジング７２内におけるデポジットの付着を抑えるようにしている。
図３及び図４に、第１排気通路４５及び第２排気通路４６内での排気の流れ方向に沿った同第１排気通路４５及び第２排気通路４６の断面を示す。なお、図３には、第１排気ポート＃１ＥＸ、第２排気ポート＃２ＥＸ、及び第３排気ポート＃３ＥＸからそれぞれ排出された排気の流動態様を示し、図４には、第４排気ポート＃４ＥＸから排出された排気の流動態様を示す。

図３に示すように、第１排気ポート＃１ＥＸ、第２排気ポート＃２ＥＸ、及び第３排気ポート＃３ＥＸは、第４排気ポート＃４ＥＸに比べて排気集合部ＥＸＣからの位置が遠くなっている。従って、第１排気ポート＃１ＥＸ、第２排気ポート＃２ＥＸ、及び第３排気ポート＃３ＥＸからそれぞれ排出された排気は、第１排気通路４５内を排気下流側に向かって流れていく過程で整流される。そのため、それら第１排気ポート＃１ＥＸ、第２排気ポート＃２ＥＸ、及び第３排気ポート＃３ＥＸからそれぞれ排出された排気は、湾曲した排気集合部ＥＸＣや、第２排気通路４６内を流れていく過程においても流勢方向が大きく乱されることなく、第２排気通路４６の延設方向に沿って比較的スムーズに流れていく。

一方、図４に示すように、第４排気ポート＃４ＥＸは、第１排気ポート＃１ＥＸや、第２排気ポート＃２ＥＸ、あるいは第３排気ポート＃３ＥＸに比べて排気集合部ＥＸＣからの位置が近くなっている。従って、第４排気ポート＃４ＥＸから排出された排気は、第１排気ポート＃１ＥＸや第２排気ポート＃２ＥＸ、あるいは第３排気ポート＃３ＥＸからそれぞれ排出された排気と比較して、それほど整流されることなく、第１排気通路４５内を排気下流側に向かって流れていく。そのため第４排気ポート＃４ＥＸから排出された排気は、湾曲した排気集合部ＥＸＣを通過する過程で流勢方向が大きく変化し、スワール流（排気通路の延設方向に対して斜め方向に回転しながら進む排気の流れ）となって第２排気通路４６内を流れ、その後タービンハウジング７２内に流入する。

このように各排気ポートから排出された排気がタービンハウジング７２に流入するまでの間は、各排気ポート＃１ＥＸ〜＃４ＥＸとタービンハウジング７２とを繋ぐ排気通路（つまり分岐通路４５ａ、第１排気通路４５、排気集合部ＥＸＣ、第２排気通路４６）の形状に応じて、各排気ポートから排出された排気の流勢方向は変化する。そして、そうした流勢方向の変化が最も大きくなる排気に添加された燃料は、排気通路内において好適に攪拌されることにより霧化が促進される。そのため、添加された燃料はタービンハウジング７２内に付着しにくくなり、同タービンハウジング７２内におけるデポジットの付着を抑えることができる。

そこで、制御装置１００は、ポスト噴射の実行に際して、各排気ポート＃１ＥＸ〜＃４ＥＸからそれぞれ排出される排気のうち、タービンハウジング７２に流入するまでの間における流勢方向の変化が最も大きい排気に対する燃料添加量を、他の排気ポートから排出される排気に対する燃料添加量よりも多くしている。つまり本実施形態では、先の図４に示したように、スワール流になる第４排気ポート＃４ＥＸからの排気に対する燃料添加量を、他の排気ポートから排出される排気に対する燃料添加量よりも多くしている。

図５に示すように、より詳細には、フィルタ再生処理の実行時には、第４気筒＃４においてのみポスト噴射を実行し、他の気筒、つまり第１気筒＃１及び第２気筒＃２及び第３気筒＃３では、ポスト噴射を実行しない。

すなわちタービンハウジング７２に流入するまでの間において流勢方向の変化が最も大きくなる第４気筒＃４からの排気に対してのみ燃料添加を行い、他の気筒から排出される排気に対しては燃料添加量を「０」にしている。こうした添加態様によって、第４排気ポート＃４ＥＸからの排気に対する燃料添加量を、他の排気ポートから排出される排気に対する燃料添加量よりも多くしている。なお、第４気筒＃４以外の気筒から排出される排気に対しては燃料添加量を「０」にしている。

こうした燃料添加を行う本実施形態では、次の作用が得られる。
まず、フィルタ再生処理の実行時には、第４気筒＃４においてのみポスト噴射を実行する。これにより、第４排気ポート＃４ＥＸから排出される排気に対してのみ燃料添加が行われる。そして、第４排気ポート＃４ＥＸから排出された排気は、排気集合部ＥＸＣや第２排気通路４６を流れる過程でスワール流となり、タービンハウジング７２に流れ込むまでの間に、添加された燃料の霧化が促進される。

また、先の図４に示すように、第２排気通路４６の径方向とスワール流の流れ方向とがなす角度をスワール角度αとし、排気集合部ＥＸＣからタービンハウジング７２の排気入口７２ａまでの排気通路の長さを距離Ｌとする。この場合、スワール流が発生すると、排気は第２排気通路４６内をその軸線方向に対して平行ではなく、斜め方向に回転しながら進むようになる。従って、スワール流が発生すると、整流された排気が第２排気通路４６内をその軸線方向に対して平行に進む場合と比較して、排気が第２排気通路４６内を進む距離は長くなる。例えば、スワール角度αの平均値をαＡＶとした場合、排気がスワール流にのって排気集合部ＥＸＣからタービンハウジング７２の排気入口７２ａまで進むときの距離は、「Ｌ／ｓｉｎ（αＡＶ）」となる。ここで、「ｓｉｎ（αＡＶ）」は、「０」よりも大きく「１」よりも小さいため、「Ｌ／ｓｉｎ（αＡＶ）」は「距離Ｌ」よりも長くなる。従って、スワール流にのって排気が排気集合部ＥＸＣからタービンハウジング７２の排気入口７２ａまで進むときには、整流された排気が排気集合部ＥＸＣから同排気入口７２ａまで進むときに比べて、概ね「｛Ｌ／ｓｉｎ（αＡＶ）｝−距離Ｌ」の分だけ、排気が進む距離は長くなる。そのため、第４排気ポート＃４ＥＸから排出された排気が、第２排気通路４６等から受ける熱量は、第１排気ポート＃１ＥＸ〜第３排気ポート＃３ＥＸから排出された排気が受ける熱量に比べて多くなる。

以上説明したように、本実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
（１）各排気ポート＃１ＥＸ〜＃４ＥＸからそれぞれ排出される排気のうちで、タービンハウジング７２に流入するまでの間における流勢方向の変化が最も大きい排気への燃料添加量を、他の排気への燃料添加量よりも多くしている。

より具体的には、第４気筒＃４においてのみポスト噴射を実行し、第１気筒＃１及び第２気筒＃２及び第３気筒＃３では、ポスト噴射を実行しない。そのため、スワール流が発生する第４排気ポート＃４ＥＸからの排気に対してのみ燃料添加が行われて、添加された燃料の霧化が促進されるようになり、タービンハウジング７２内におけるデポジットの付着が抑えられるようになる。

（２）スワール流が発生する第４排気ポート＃４ＥＸからの排気に対してのみ燃料添加を行うことにより、第４排気ポート＃４ＥＸから排出された排気が、第２排気通路４６等から受ける熱量は、第１排気ポート＃１ＥＸ〜第３排気ポート＃３ＥＸから排出された排気が受ける熱量に比べて多くなる。このようにして、第４排気ポート＃４ＥＸから排出された排気は、他の排気ポートから排出された排気よりも受熱量が多くなるため、第４排気ポート＃４ＥＸからの排気に含まれる燃料の温度も高くなる。こうして燃料の温度が高くなると、タービンハウジング７２内に付着するデポジットの粘度は高い状態から低い状態に変化する。従って、粘度の高いデポジットによる悪影響（例えば上述したようなターボチャージャ７０の可動部における摺動不良等の発生）が抑えられるようになる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・フィルタ再生処理の実行時には、全ての気筒においてポスト噴射を実行する。ただし、第４気筒＃４以外の気筒では、ポスト噴射による燃料添加量を、第４気筒＃４での燃料添加量よりも十分に少なくするようにしてもよい。この場合でも、各排気ポート＃１ＥＸ〜＃４ＥＸからそれぞれ排出される排気のうちで、タービンハウジング７２に流入するまでの間における流勢方向の変化が最も大きい排気、つまり第４排気ポート＃４ＥＸから排出される排気への燃料添加量が、他の排気ポートから排出される排気への燃料添加量よりも多くされる。従って、上記実施形態に準じた作用効果を得ることができる。

・図６に示すように、フィルタ再生処理の実行時には、全ての気筒においてポスト噴射を実行する。そして、排気集合部ＥＸＣからの距離が近い気筒ほど、ポスト噴射実行時の燃料添加量を多くするようにしてもよい。つまり、ポスト噴射実行時の燃料添加量が、「第４気筒＃４＞第３気筒＃３＞第２気筒＃２＞第１気筒＃１」の順で多くなるように、各気筒でのポスト噴射量を調整するようにしてもよい。この場合でも、各排気ポート＃１ＥＸ〜＃４ＥＸからそれぞれ排出される排気のうちで、タービンハウジング７２に流入するまでの間における流勢方向の変化が最も大きい排気、つまり第４排気ポート＃４ＥＸから排出される排気への燃料添加量が、他の排気ポートから排出される排気への燃料添加量よりも多くされる。従って、上記実施形態に準じた作用効果を得ることができる。また、第４気筒＃４以外の気筒でもポスト噴射が行われるため、上記実施形態と比較してより多くの燃料を添加することができる。

・排気ポートから排出される排気に対して燃料添加を行うために、ポスト噴射を行うようにした。この他、メイン噴射等での燃料噴射量を増量して空燃比をリッチ化することにより、排気ポートから排出される排気に対して未燃燃料を添加するようにしてもよい。

・排気ポートから排出される排気に対して燃料添加を行うために、燃料添加用の添加弁を排気通路に設けるようにしてもよい。この場合には、例えば第４排気ポート＃４ＥＸに接続された分岐通路４５ａに燃料添加用の添加弁を設けることにより、スワール流が発生する第４排気ポート＃４ＥＸからの排気に対して燃料添加を行うことができ、上記実施形態に準じた作用効果を得ることができる。

・第１排気通路４５、排気集合部ＥＸＣ、あるいは第２排気通路４６の形状や配設位置は、適宜変更することができる。要は、そうした排気系の形状によらず、各排気ポートからそれぞれ排出される排気のうちで、タービンハウジング７２に流入するまでの間における流勢方向の変化が最も大きくなる排気への燃料添加量を、他の排気への燃料添加量よりも多くするようにすれば、上記実施形態に準じた作用効果を得ることができる。

・フィルタ再生処理のために燃料添加を行うようにしたが、この他の用途で燃料添加を行うようにしてもよい。

１…エンジン 、４５…第１排気通路、４５ａ…分岐通路、４６…第２排気通路、４７…第３排気通路、５０…フィルタ、７０…ターボチャージャ、７１…コンプレッサハウジング、７２…タービンハウジング、７２ａ…排気入口、１００…制御装置、＃１…第１気筒、＃２…第２気筒、＃３…第３気筒、＃４…第４気筒、＃１ＥＸ…第１排気ポート、＃２ＥＸ…第２排気ポート、＃３ＥＸ…第３排気ポート、＃４ＥＸ…第４排気ポート、ＥＸＣ…排気集合部。

Claims (1)

1. タービンハウジング内に設けられたタービンを排気で回転させることにより吸気を過給する過給機と、前記タービンハウジングの排気下流側に設けられており燃料添加が行われる排気浄化部材と、複数の気筒と、各気筒毎に設けられた排気ポートと、各排気ポートから排出された排気を前記タービンハウジングに導入する排気通路とを備え、各排気ポートから排出される排気のうちの少なくとも１つに燃料を添加する制御を行う過給機付き内燃機関の制御装置であって、
   各排気ポートからそれぞれ排出される排気のうちで、前記タービンハウジングに流入するまでの間における流勢方向の変化が最も大きい排気への燃料添加量を、他の排気への燃料添加量よりも多くする
   ことを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。