JP3791318B2 - 過給機付き内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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を有する過給機と、前記タービン下流の排気通路と前記吸気通路とを接続して排気ガスの一部を内燃機関の吸気系に再循環せしめる排気再循環装置とを備えたた過給機付き内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気系には、排気ガスのＮＯx 低減手段として、触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、触媒付きフィルタと略す）や排気再循環装置（以下、ＥＧＲと略す）を配置したものがある。
【０００３】
そして、触媒付きフィルタは、選択還元型ＮＯx 触媒や吸蔵還元型ＮＯx 触媒などのリーンＮＯx 触媒を用いて、発生してしまったＮＯx を大気に放出する前に浄化するものである。
【０００４】
また、ＥＧＲは、排気ガスの一部を排気環流管（ＥＧＲ管）を介して再度吸気系に戻し、不活性ガスの導入により燃焼室内ガスの熱容量を増大させ、最高燃焼温度を下げることによってＮＯx の発生を低減するものである。これは、触媒付きフィルタのようにＮＯx を大気に放出する前に浄化するものではなく、ＮＯx の発生そのものを抑制する技術である。
【０００５】
また、内燃機関の排気系には、過給機としてターボチャージャを配置したものもある。このターボチャージャは、排気ガスをターボチャージャのタービンに導くことでタービンを駆動し、このタービンに連結されたコンプレッサを駆動して内燃機関の吸気系に導入されるエアを昇圧して出力を高めるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＥＧＲは、排気マニホールドにＥＧＲ管の始端を直接接続する構成のものが一般的であるが、この構成では、排気マニホールドからタービンに導入されるべき排気ガスの一部がＥＧＲ管を介して再度吸気系に戻ることになって、吸気管に流れる排気ガスはタービンを駆動する側には回って来ないので、タービンの駆動力が十分得られない場合があり、コンプレッサによる吸気の昇圧が十分得られないことがある。
【０００７】
そこで、ＥＧＲ管の始端を排気マニホールドに直接接続するのではなくタービンの下流側の排気管に設け、ＥＧＲ管の終端である導入口をコンプレッサの上流側に配置する試みがなされている（特開平６−２５７５１８号公報参照）。
【０００８】
この試みの場合、ＥＧＲ管の始端をタービンの下流側の排気管に設けることで、排気マニホールドから排気ガスが全てタービンに導入されてタービンの駆動力が十分得られる。また、ＥＧＲ管の導入口をコンプレッサの上流側に配置することで、新気の空気に加えて再度導入する排気ガスをも混合したガスとしてコンプレッサの回転により吸気系へ昇圧して詰め込むことができるといった利点がある。
【０００９】
しかし、特開平６−２５７５１８号公報の発明では、吸気系に導入される排気環流量をＥＧＲ弁の開度制御により調節しているが、新気の空気はエアクリーナ側から規制なく導入されており、新気の空気の流量を調節する試みはなされていない。すなわち、吸気系に導入される吸気ガスのうち新気の空気と排気環流ガスとの混合ガスの比を運転状態に応じて適切に調節する試みはなされていない。
【００１０】
そこで、新気の空気が導入されるエアクリーナ側とＥＧＲ管の導入口との間にスロットル弁を設けて、吸気系に導入される吸気ガスの混合比を運転状態に応じて適切に調節する構成が考えられる。
【００１１】
しかしながら、コンプレッサの上流側の吸気通路にスロットル弁を設けると、スロットル弁が誤動作で全閉のままとなった場合、下記のような不具合が生じる。すなわち、コンプレッサの上流側のスロットル弁が全閉となると、コンプレッサ近傍の吸気通路が過度な負圧（真空に近い）状態となる。すると、コンプレッサに連結するタービンが排気圧を受けて回転する一方で、コンプレッサが昇圧作業を行わずに無抵抗回転するので、ターボチャージャが過回転状態となってしまう。このため、スロットル弁の誤動作がターボチャージャ用ベアリングの破損を招くおそれがある。
【００１２】
以上から本発明は、前記問題点に鑑みなされたものであり、コンプレッサ上流側にＥＧＲガスの導入口を設け、このＥＧＲガスの導入口の上流側に新気及びＥＧＲガスの混合比を調節するスロットル弁を配置する過給機付き内燃機関の排気浄化装置において、スロットル弁に誤動作が生じてもコンプレッサ上流側が過度な負圧とならないフェイルセーフ手段を設けた過給機付き内燃機関の排気浄化装置を提供することを技術的課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を達成するために、本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置は、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を有する過給機と、前記タービン下流の排気通路と前記吸気通路とを接続して排気ガスの一部を内燃機関の吸気系に再循環せしめる排気再循環装置とを備え、前記コンプレッサ上流側の吸気通路に、前記排気ガスの一部を再循環せしめるための導入口と、前記吸気通路を開閉自在とするスロットル弁とを順に配置した過給機付き内燃機関の排気浄化装置であって、吸気における新気とＥＧＲガスとの混合比を調節すべく前記スロットル弁の開度を制御しているときに前記スロットル弁が誤動作により全閉動作した時、前記コンプレッサに対し前記過給機が不具合を起こさない程度の回転数を確保できる所定流量の吸気を流して負圧を与えるフェイルセーフ手段を前記コンプレッサ上流側の吸気通路に設けたことを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、新気の空気が導入されるエアクリーナ側と排気ガスの一部を再循環せしめるための導入口との間にスロットル弁を設け、エンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）でスロットル弁を開度制御することで、吸気系に導入される吸気混合ガスの混合比を運転状態に応じて適切に調節できる。また、スロットル弁が誤動作で全閉となった場合であっても、フェイルセーフ手段によりコンプレッサに対し所定流量の吸気を流して負圧を与え吸気通路が過度に負圧となることを回避できるので、コンプレッサが無抵抗回転とならず、過給機の過回転を防止することができる。
【００１５】
ここでいう「過度に負圧となること」とは、コンプレッサが昇圧作業を行わずに無抵抗回転となることである。この場合、コンプレッサに連結するタービンは、排気圧を受けるだけで過回転となり、ベアリングの焼き付き等不具合を起こす。従って、「コンプレッサに対し所定流量の吸気を流して負圧を与える」とは、過給機が不具合を起こさない程度の回転数を確保できる吸気抵抗をコンプレッサ上流側の吸気通路に与えることをいう。
【００１６】
また、本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置は、前記フェイルセーフ手段を、全閉動作時における前記スロットル弁の開閉角度を所定角度開口した状態に規制する開度規制手段とした構成のものを例示できる。この例示によれば、開度規制手段により全閉動作時であっても、スロットル弁が所定角度開口した状態に規制され、この開口部位より最小流量の吸入空気を導入して過給機が不具合を起こさない程度の吸気抵抗を確保し、過給機の過回転を防止する。
【００１７】
ここでいう「開度規制手段」とは、スロットル弁の最小開度リミッターを過給機が過回転とならないように最小開度（所定角度）をあけておき、吸気流量をコンプレッサ上流側の吸気通路に与える手段をいう。「最小開度」とは、過給機が焼き付き等異常が発生しない程度の吸気抵抗をコンプレッサに与え、許容回転数を確保するための吸入空気を導入できる弁開度をいう。
【００１８】
更に、本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置は、前記コンプレッサ下流の吸気通路内に内燃機関の始動及び停止時において全閉制御される制御弁を設けるように構成してもよい。なお、「全閉制御」とは、圧縮比が高いディーゼルエンジンを始動あるいは停止する際に、制御弁を絞ってやることで、燃焼室内に入る空気を少なくし、内燃機関内の圧縮比を小さくして回転し易くし、振動を抑制する制御をいう。すなわち、制御弁を閉弁すると、圧縮始めの燃焼室内の圧力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が小さくなるとピストンによる圧縮仕事が小さくなるために内燃機関の振動が小さくなる。従って、この制御弁を設けた構成によれば、コンプレッサ上流側への吸入空気が確保されるフェイルセーフ作用に加えて、振動騒音が抑制できる。
【００１９】
更にまた、本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置は、前記スロットル弁及び前記制御弁の開閉動作を同作動態様とするように構成してもよい。スロットル弁と制御弁の開閉動作タイミングは共に内燃機関の要求負荷（アクセルの踏み込み量）に関連して作動するので、開閉動作を同差動態様とする構成にすることにより、エンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）が出力する開閉動作の制御指令信号の共通化や、この制御指令信号に基づきスロットル弁及び制御弁を開閉動作させる作動アクチュエータの共通化を図ることができる。
【００２０】
更にまた、本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置において、前記フェイルセーフ手段が、前記スロットル弁を迂回して前記所定流量の吸気を流すバイパス通路であるとした構成のものを例示できる。この例示によれば、バイパス通路により最小流量の吸入空気を導入して過給機が不具合を起こさない程度の吸気抵抗を確保し、過給機の過回転を防止する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る過給機付き内燃機関の排気浄化装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を内燃機関としての車両駆動用ディーゼルエンジンに適用した態様である。
【００２２】
［実施の形態１］
初めに、実施の形態１における過給機付き内燃機関の排気浄化装置を図１〜図６に基づいて説明する。
エンジン１は、図１の全体構成に示すように、直列４気筒ディーゼルエンジンであり、各気筒の燃焼室には吸気マニホールド２および吸気管３を介して吸気が導入される。吸気管３の始端にはエアクリーナ４が設けられ、吸気管３の途中には、エアフロメータ５、スロットル弁２０、ターボチャージャ（過給機）６のコンプレッサ６ａ、インタークーラ７が設けられている。
【００２３】
エアフロメータ５は、エアクリーナ４を介して吸気管３に流入する新気の空気量に応じた出力信号をエンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）９に出力し、ＥＣＵ９はエアフロメータ５の出力信号に基づいて吸気系に導入する混合ガスの流量を演算する。
【００２４】
インタークーラ７は、ターボチャージャ６と吸気マニホールド２間の吸気管３の周りに配置され、吸気管３を流れる混合ガスを冷却する装置である。このインタークーラ７には、走行風が導かれ、走行風によって混合ガスが冷却される。
【００２５】
また、エンジン１の各気筒の燃焼室にはそれぞれ燃料噴射弁１０から燃料（軽油）が噴射される。この燃料は図示しない燃料タンクから燃料ポンプ１２によってポンプアップされ、コモンレール１１を介して燃料噴射弁１０に供給されたものである。なお、燃料ポンプ１２は、エンジン１の図示しないクランクシャフトによって駆動される。各燃料噴射弁１０の開弁時期および開弁期間は、後述するようにエンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ９によって制御される。
【００２６】
また、エンジン１の各気筒の燃焼室で生じた排気ガスは、各気筒の排気ポート１３から排気マニホールド１４に排出される。排気マニホールド１４には、排気ガスをターボチャージャ６のタービン６ｂに導く排気集合管１５が接続されている。タービン６ｂは排気ガスによって駆動され、タービン６ｂに連結されたコンプレッサ６ａを駆動して吸気を昇圧する。
【００２７】
排気ガスはタービン６ｂから排気管１６に排出され、図示しないマフラーを介して大気に排出される。排気管１６の途中には、触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、触媒付きフィルタと略す）１７を収容したケーシング１８が設けられている。
【００２８】
触媒付きフィルタ１７は、選択還元型ＮＯx 触媒や吸蔵還元型ＮＯx 触媒などのリーンＮＯx 触媒を用いて、発生してしまったＮＯx を大気に放出する前に浄化するものである。
【００２９】
この触媒付きフィルタ１７は、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてなる。
【００３０】
この触媒付きフィルタ１７は、流入排気ガスの空燃比（以下、排気空燃比と略す）が理論空燃比よりもリーンのときはＮＯx を吸収し、排気空燃比が理論空燃比あるいはそれよりもリッチになって流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると、吸収したＮＯxをＮＯ2またはＮＯとして放出するＮＯx の吸放出作用を行う。そして、触媒付きフィルタ１７から放出されたＮＯx（ＮＯ2またはＮＯ）は直ちに排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯと反応してＮ2 に還元せしめられる。従って、排気空燃比を適宜に制御すれば排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯx を浄化することができることになる。
【００３１】
なお、排気空燃比とは、ここでは触媒付きフィルタ１７の上流側の排気通路やエンジン燃焼室、吸気通路等にそれぞれ供給された空気量の合計と燃料（炭化水素）量の合計の比を意味するものとする。従って、触媒付きフィルタ１７よりも上流の排気通路内に燃料あるいは空気が供給されない場合には、排気空燃比はエンジン燃焼室内に供給される混合気の空燃比に一致する。
【００３２】
触媒付きフィルタ１７の下流側の排気管１６には、排気ガスの一部を吸気系に戻すための排気環流管（以下、ＥＧＲ管と略す）２３の一端が接続されており、ＥＧＲ管２３の他端（ＥＧＲ導入口２３ａ）はコンプレッサ６ａの上流側の吸気管３に接続されている。ＥＧＲ管２３の途中にはＥＧＲクーラ２４とＥＧＲ弁２５が設けられている。このように、ＥＧＲ管２３とＥＧＲクラーク２４とＥＧＲ弁２５は排気再循環装置（ＥＧＲ）を構成する。
【００３３】
このＥＧＲは、排気ガスの一部をＥＧＲ管２３を介して再度吸気系に戻し、不活性ガスの導入により燃焼室内ガスの熱容量を増大させ、最高燃焼温度を下げることによってＮＯx の発生を低減するものである。これは、触媒付きフィルタ１７のようにＮＯx を大気に放出する前に浄化するものではなく、ＮＯx の発生そのものを抑制する技術である。
【００３４】
そして、ＥＧＲクーラ２４はＥＧＲ管２３周りに配置されＥＧＲ管２３を流れるＥＧＲガス（排気ガス）を冷却する装置である。このＥＧＲクーラ２４には、機関冷却水が導かれ、機関冷却水によって排気ガスが冷却される。
【００３５】
ＥＧＲ弁２５は、再度吸気系に戻す排気ガスの環流量を調節する装置であり、後述するように、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ９によってＥＧＲ弁開度が制御される。
【００３６】
スロットル弁２０は、コンプレッサ６ａの上流側の吸気管３に設けられ、より詳しくはエアクリーナ４とＥＧＲ導入口２３ａ間の吸気管３に設けられている。このスロットル弁２０は、バキュームレギュレーテッドバルブ（ＶＲＶ；負圧調節弁）２８を介してＥＣＵ９に接続されている。スロットル弁２０は、後述するように、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ９によってスロットル弁開度が制御され、新気の吸気量と排気環流量との混合ガスの比を調節する。ＶＲＶ２８は別に設けたバキュームポンプにより発生した負圧を用いて、スロットル弁２０に設定する負圧値をデューティ制御する。これによりスロットル弁２０を作動させる負圧を自由に変更することができ、スロットル弁２０の開度をＥＣＵ９の指令に基づき制御する。
【００３７】
スロットル弁２０は、図２に示すように、開度規制手段２１によって全閉動作時の開閉角度が所定角度α開口した状態となるように規制されている。換言すれば、この開度規制手段２１は、スロットル弁２０が全閉動作状態にあってもスロットル弁２０の開閉角度を最小開度（所定角度α）だけ開口した状態に規制しておく最小開度リミッターといえる。
【００３８】
すなわち、開度規制手段２１は、吸気管３に斜めに穿設された斜孔３ａと、この斜孔３ａと同軸となるように吸気管３外側に固設したナット部２１ａと、このナット部２１ａと螺合すると共に斜孔３ａに挿入されてその頂部が吸気管３の内壁より覗く長さを有するネジ棒２１ｂとから構成される。そして、スロットル弁２０が全閉動作状態にあっても弁がネジ棒２１ｂの頂部に係止され、所定角度α開くように規制される。なお、ネジ棒２１ｂの頂部が吸気管３の内壁から覗く寸法はナット部２１ａとの螺合関係により調節可能となっている。また、斜孔３ａとナット部２１ａ及びネジ棒２１ｂ間はシールされており、吸気管３内のガスが開度規制手段２１から外部に漏れることはない。
【００３９】
所定角度αは、吸入空気をコンプレッサ６ａ側に常時導入できる最小開度をいい、この吸入空気の導入により負荷をコンプレッサ６ａに与え（即ち、より正圧にすることでコンプレッサ６ａに仕事を与え）、ターボチャージャ６のベアリングが焼き付く等異常が発生しない程度の回転数を確保するものである。この所定角度αは、実験結果に基づき決定されたものであり、全閉動作時の弁の角度が所定角度αとなるようにネジ棒２１ｂの頂部の進退位置が調整されている。
【００４０】
ＥＣＵ９は、デジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（中央処理装置）、入力ポート、出力ポートを具備し、エンジン１の燃料噴射量制御等の基本制御やスロットル弁２０及びＥＧＲ弁２５の開度制御を行う。
【００４１】
［燃料噴射量制御］
燃料噴射量制御のために、ＥＣＵ９の入力ポートには、アクセル開度センサ２６からの入力信号と、クランク角センサ２７からの入力信号と、エアフロメータ５からの入力信号が入力される。
【００４２】
アクセル開度センサ２６はスロットル弁２０の開度に比例した出力電圧をＥＣＵ９に出力し、ＥＣＵ９はアクセル開度センサ２６の入力信号に基づいてエンジン負荷を演算する。また、クランク角センサ２７はクランクシャフトが一定角度回転する毎に出力パルスをＥＣＵ９に出力し、ＥＣＵ９はこの出力パルスに基づいてエンジン回転数を演算する。そして、これらエンジン負荷とエンジン回転数によってエンジン状態が判別され、ＥＣＵ９はエンジン状態に応じて燃料噴射弁１０の開弁時期、開弁期間を制御する。
【００４３】
例えば、燃料噴射弁制御では、ＥＣＵ９は、燃料噴射弁１０から噴射される燃料量を決定し、次いで燃料噴射弁１０から燃料を噴射する時期を決定する。燃料噴射量を決定する場合は、ＥＣＵ９はＲＡＭに記憶されている機関回転数とアクセル開度センサ２６の出力信号（アクセル開度）とを読み出す。ＥＣＵ９は、例えば燃料噴射量を制御するマップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料噴射量（基本燃料噴射時間）を算出する。ＥＣＵ９は、エアフロメータ５の出力信号値や吸気温度等のデータに基づいて前記基本燃料噴射時間を補正し、最終的な燃料噴射時間を決定する。
【００４４】
燃料噴射時間と燃料噴射時期とが決定されると、ＥＣＵ９は、例えば前記燃料噴射時期とクランク角センサ２７の出力信号とを比較し、クランク角センサ２７の出力信号が前記燃料噴射時期と一致した時点で燃料噴射弁１０に対する駆動電力の印加を開始する。ＥＣＵ９は、燃料噴射弁１０に対する駆動電力の印加を開始した時点からの経過時間が前記燃料噴射時間に達した時点で燃料噴射弁１０に対する駆動電力の印加を停止する。
【００４５】
次に、燃料ポンプの制御では、ＥＣＵ９は、例えばＲＡＭに記憶されている機関回転数とアクセル開度とを読み出す。ＥＣＵ９は、コモンレール圧を制御するマップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した目標圧力を算出する。続いて、ＥＣＵ９は、燃料吐出圧力を制御するマップへアクセスし、前記目標圧力に対応した燃料ポンプ１２の吐出圧力を算出し、その吐出圧力となるように燃料ポンプ１２を制御する。
【００４６】
［スロットル弁２０及びＥＧＲ弁２５の開度制御］
まず、スロットル弁２０及びＥＧＲ弁２５の開度制御した時、空燃比Ａ／Ｆ（図の横軸）の変化に応じて出力トルク、スモーク、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx の排出量がどのように変化するかを、図３の機関低負荷運転時の実験例に基づき説明する。
【００４７】
図３において、ＥＧＲ率が４０％付近で空燃比Ａ／Ｆが３０程度のとき、スモークの発生が始まる。そこで、ＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると、今度はスモークが急激に低下する。そして、ＥＧＲ率を６５％以上とし、空燃比Ａ／Ｆが１５．０付近になるとほぼ零となる。即ち、微粒子がほとんど発生しなくなる。このとき、機関の出力トルクは若干低下し、ＮＯx の発生量はかなり低くなる。これに対し、ＨＣ及びＣＯの発生量は増大し始める。
【００４８】
従って、図３の実験結果から、次のことが言える。すなわち、まず第１に空燃比Ａ／Ｆが１５．０以下でスモークの発生量がほぼ零のときにはＮＯx の発生量がかなり低下する。ＮＯx の発生量が低下したということは、燃焼室内の温度が低下していることを示しており、従って、微粒子がほとんど発生しないときには燃焼室内の温度が低くなっていると言える。
【００４９】
第２にスモークの発生量、即ち微粒子の発生量がほぼ零になると、図３に示すようにＨＣ及びＣＯの排出量が増大する。このことは炭化水素ＨＣが微粒子まで成長せずに排出されることを意味している。
【００５０】
実験結果に基づくこれらの考察をまとめると燃焼室内の温度が低いときには微粒子の発生率がほぼ零になり、このとき炭化水素が燃焼室から排出されることになる。
【００５１】
すなわち、多量の不活性ガスと少量の空気の混合ガス中に燃料が存在する場合には、蒸発燃料は周囲に拡散して不活性ガス中に混合する酸素と反応し、燃焼することになる。この場合には燃焼熱は周りの不活性ガスに吸収されるために燃焼温度はさほど上昇しなくなる。即ち、燃焼温度を低く抑えることができることになる。
【００５２】
この場合、燃料およびその周囲のガス温度を微粒子が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそうするのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量が必要となる。従って燃料量が増大すれば、必要となる不活性ガス量はそれに伴って増大することになる。なお、この場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用が強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが好ましいことになる。この点、ＣＯ2 やＥＧＲガスは比較的比熱が大きいので不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いることは好ましいと言える。
【００５３】
次に、不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いた場合、燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を微粒子が生成される温度よりも低い温度にするために必要なＥＧＲガスと空気の混合ガス量、及びこの混合ガス量中の空気の割合、及びこの混合ガス中のＥＧＲガスの割合を図４に基づいて説明する。
【００５４】
なお、図４において、縦軸は燃焼室内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Ｙは過給が行われないときに、燃焼室内に進入しうる全吸入ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示しており、Ｚ１は低負荷運転領域を示している。更に、空気の割合（混合ガス中の空気量）は、噴射された燃料を完全に燃焼せしめるのに必要な空気量を示している。すなわち、空気量と燃料噴射量との比は理論空燃比となっている。更にまた、ＥＧＲガスの割合（混合ガス中のＥＧＲガス量）は、噴射燃料が燃焼せしめられたときに燃料及びその周囲のガス温度を微粒子が形成される温度よりも低い温度にするのに必要最低限のＥＧＲガス量を示している。このＥＧＲガス量はＥＧＲ率で表すとほぼ７０％以上である。
【００５５】
すなわち、燃焼室内に吸入された全吸入ガス量を図４において実線Ｘとし、この全吸入ガス量Ｘのうちの空気量とＥＧＲガス量との割合を図に示すような割合とすると燃料及びその周囲のガス温度は微粒子が生成される温度よりも低い温度となり、微粒子が全く発生しなくなる。また、このときのＮＯx 発生量は１０p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従ってＮＯx 発生量は極めて少量となる。
【００５６】
燃料噴射量が増大すれば燃料が燃焼した際の発熱量が増大するので燃料及びその周囲のガス温度を微粒子が生成される温度よりも低い温度に維持するためにはＥＧＲガスによる熱の吸収量を増大しなければならない。従ってＥＧＲガス量は燃料噴射量が増大するにつれて増大せしめなければならない。即ち、ＥＧＲガス量は要求負荷が高くなるにつれて増大する必要がある。
【００５７】
一方、図４の負荷領域Ｚ２では、微粒子の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘが吸入しうる全吸入ガス量Ｙを越えてしまう。従ってこの場合、微粒子の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘを燃焼室内に供給するにはＥＧＲガス及び吸入空気の双方、或いはＥＧＲガスを過給又は加圧する必要がある。ＥＧＲガス等を過給又は加圧しない場合には負荷領域Ｚ２では全吸入ガス量Ｘは吸入しうる全吸入ガス量Ｙに一致する。従ってこの場合、微粒子の発生を阻止するためには空気量を若干減少させてＥＧＲガス量を増大すると共に空燃比がリッチのもとで燃料を燃焼せしめることになる。
【００５８】
図４は理論空燃比のもとで燃焼させる場合を示しているが、低負荷運転領域Ｚ１において空気量を図に示される空気量よりも少なくても、即ち空燃比をリッチにしても微粒子の発生を阻止しつつＮＯx の発生量を１０p.p.m 前後又はそれ以下にすることができる。また、空気量を図に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を１７から１８のリーンにしても微粒子の発生を阻止しつつＮＯx の発生量を１０p.p.m 前後又はそれ以下にすることができる。
【００５９】
即ち、空燃比はリッチにされると、燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑えられているために過剰な燃料は微粒子まで成長せず、微粒子が成長されることがない。また、このときＮＯx も極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば、少量の微粒子が生成されるが、燃焼温度が低い温度に抑制されているので微粒子は全く生成されない。更に、ＮＯx も極めて少量しか発生しない。このように、機関低負荷運転領域Ｚ１では空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーンであろうと、微粒子が発生されず、ＮＯx の発生量が極めて少量となる。従って、燃料消費率の向上を考えるとこのとき平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【００６０】
ところで燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に制御しうるのは燃焼による発熱量が少ない比較的機関負荷が低いときに限られる。従ってこの実施の形態１では機関負荷が比較的低いときには燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制して第一燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関負荷が比較的高いときには第二燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしている。なお、ここで第一燃焼（低温燃焼）とは微粒子の発生量が最大となる最悪不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く微粒子がほとんど発生しない燃焼のことを言い、第二燃焼（普通の燃焼）とは微粒子の発生量が最大となる最悪不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない燃焼のことを言う。
【００６１】
この実施の形態１のディーゼルエンジンでは、アクセルペダルの踏み込み量（要求負荷Ｌ）及び機関回転数Ｎとに基づき、第一燃焼（低温燃焼）と、第二燃焼（普通の燃焼）とが切り替えられ、各燃焼において、アクセルペダルの踏み込み量（要求負荷Ｌ）及び機関回転数Ｎとに基づき、スロットル弁２０及びＥＧＲ弁２５の開度制御が実施される。
【００６２】
なお、空燃比を目標空燃比とするのに必要なスロットル弁２０の目標開度ＳＴが図５（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ内に記憶されている。また、空燃比を目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ弁２５の目標開度ＳＥが図５（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ内に記憶されている。
【００６３】
そして、ＥＣＵ９は、要求負荷Ｌに応じてマップに基づきスロットル弁２０及びＥＧＲ弁２５の開度制御を実施する。
すると、要求負荷Ｌの低い第１の運転領域Ｉでは、図６に示すように、スロットル弁２０の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから半開き程度まで徐々に増大せしめられ、ＥＧＲ弁２５の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから全開まで徐々に増大せしめられる。なお、このとき、第１の運転領域Ｉでは、ＥＧＲ率がほぼ７０％に維持され、空燃比はわずかばかりリーンなリーン空燃比に維持される。
【００６４】
言い換えると、第１の運転領域Ｉでは、ＥＧＲ率がほぼ７０％となり、空燃比が僅かばかりリーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁２０の開度およびＥＧＲ弁２５の開度が制御される。なお、このとき空燃比は空燃比センサ等の出力信号に基づいてＥＧＲ弁２５の開度を補正することによって目標リーン空燃比に制御される。また、第１の運転領域Ｉでは圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時期θＳは要求負荷Ｌが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θＥも噴射開始時期θＳが遅くなるにつれて遅くなる。
【００６５】
一方、機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２の運転領域IIに変わると、スロットル弁２０の開度が半開状態から全開方向へステップ状に増大せしめられる。このとき図に示す例では、ＥＧＲ率がほぼ７０％から４０％以下までステップ状に減少せしめられ、空燃比がステップ状に大きくされる。即ち、ＥＧＲ率が多量のスモークを発生するＥＧＲ率範囲を飛び越えるので機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２の運転領域IIに変わるときに多量のスモークが発生することがない。
【００６６】
第２の運転領域IIでは従来から行われている燃焼が行われる。この燃焼方法では、微粒子及びＮＯx が若干発生するが、低温燃焼に比べて熱効率は高く、従って機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２の運転領域IIに変わると、噴射量がステップ状に低減せしめられる。
【００６７】
第２の運転領域IIではスロットル弁２０は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ弁２５の開度は要求負荷Ｌが高くなると次第に小さくされる。この運転領域IIではＥＧＲ率は要求負荷Ｌが高くなるほど低くなり、空燃比は要求負荷Ｌが高くなるほど小さくなる。但し、空燃比は要求負荷Ｌが高くなってもリーン空燃比とされる。また、第２の運転領域IIでは噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とされる。
【００６８】
第１の運転領域Ｉでは要求負荷Ｌが低くなるほど空燃比Ａ／Ｆがリーンとされる。即ち、要求負荷Ｌが低くなるほど燃焼による燃焼量が小さくなる。従って要求負荷Ｌが低くなるほどＥＧＲ率を低下させても低温燃焼を行うことができる。ＥＧＲ率を低下させると空燃比は大きくなり、要求負荷Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。空燃比Ａ／Ｆが大きくなるほど燃料消費率は向上し、従ってできる限り空燃比をリーンにするために要求負荷Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。
【００６９】
次に、本発明の実施の形態１係る過給機付き内燃機関の排気浄化装置の作用を説明する。
スロットル弁２０が誤動作で全閉となった場合、スロットル弁２０は開度規制手段２１によって全閉開度を所定角度α開口した状態（図２参照）に規制される。そして、この開口部より吸入空気がコンプレッサ６ａ側に常時導入される。そして、この吸入空気の導入により負荷をコンプレッサ６ａに与えることができ、この負荷によってコンプレッサ６ａが無抵抗回転することはなく、ターボチャージャ６のベアリングが焼き付く等異常が発生しない程度の回転数を確保することができる。従って、スロットル弁２０が誤動作で全閉となった場合であっても、ターボチャージャ６が過回転することはない。
【００７０】
［実施の形態２］
次に、実施の形態２における過給機付き内燃機関の排気浄化装置を図７及び図８に基づいて説明する。なお、この実施の形態２は、圧縮比が高いディーゼルエンジンの振動・騒音を防止するために、前述の実施の形態１の排気浄化装置を更に発展させたものである。
【００７１】
実施の形態２に係る過給機付き内燃機関の排気浄化装置は、エンジン１の振動・騒音を防止するために、コンプレッサ６ａの下流側の吸気管３に、制御弁８を設けたことを特徴とし、実施の形態１の構成との違いは、コンプレッサ６ａの下流側の吸気管３に制御弁８を設け、この制御弁８を始動時あるいは停止時において全閉制御することのみである。従って、図７に使用されている符号のうち、図１に使用された符号と同一符号を有するものは、実施の形態１で説明した機能と同様の機能を有するものなので、その詳細な説明は省略する。
【００７２】
制御弁８は、図８に示すように、インタークーラ７と吸気マニホールド２間の吸気管３に設けられ、吸気管３を開閉自在とする絞り弁である。この制御弁８は、ＶＲＶ2 ２９を介してＥＣＵ９に接続されている。また、制御弁８は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ９によって制御弁８の開度が制御される。この制御弁８の開度の制御は、スロットル弁２０とほぼ同様である。ＶＲＶ2 ２９は、制御弁８の作動アクチュエータへ作用させる負荷値をデューティ制御する負荷調節弁であり、ＥＣＵ９の指令に基づき制御弁８の開度を調節することで、吸気管３の吸気量を調節する。
【００７３】
すなわち、ＥＣＵ９は、アクセル開度センサ２６からの入力信号に基づいてエンジン負荷を演算する。また、ＥＣＵ９は、クランク角センサ２７が出力する出力パルスに基づいてエンジン回転数を演算する。そして、これらエンジン負荷とエンジン回転数によってエンジン状態が判別され、ＥＣＵ９はエンジン状態に応じて燃料噴射弁１０の開弁時期、開弁期間を制御し、また、制御弁８及びスロットル弁２０のそれぞれの弁開度を制御する。
【００７４】
ところで、始動時、停止時、あるいはアイドリング運転時において、ＥＣＵ９は、制御弁８およびスロットル弁２０を全閉制御する。このとき、ＥＧＲ弁２５も全閉制御される。なお、「全閉制御」とは、圧縮比が高いディーゼルエンジンを始動時、停止時及びアイドル運転時において、一時的に制御弁８を全閉することで、燃焼室内に入る空気を少なくし、燃焼室内の圧縮比を小さくして回転し易くし、振動あるいは騒音を抑制する制御をいう。
【００７５】
そして、制御弁８を全閉近くまで閉弁すると、燃焼室内に入る空気が少なくなり、圧縮始めの燃焼室内の圧力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が小さくなるとピストンによる圧縮仕事が小さくなるためにピストンの回転がし易くなり、機関本体の振動が小さくなる。即ち、始動時、停止時、あるいはアイドリング運転時には機関本体の振動あるいは振動より発生する騒音を抑制することができる。
【００７６】
なお、全閉制御時に、スロットル弁２０は開度規制手段２１によって全閉開度を所定角度α開口した状態（図２参照）に規制される。そして、この開口部より吸入空気がコンプレッサ６ａ側に常時導入される。
【００７７】
［実施の形態３］
次に、実施の形態３における過給機付き内燃機関の排気浄化装置を図９に基づいて説明する。なお、上述の実施の形態２では、制御弁８とスロットル弁２０がそれぞれ別の負圧調節弁（ＶＲＶ，ＶＲＶ2 ）２８，２９によって制御弁８及びスロットル弁２０へ導く負圧値を制御する場合を説明したが、制御弁８とスロットル弁２０の開閉動作はほぼ同じ開閉動作を行うので、実施の形態３では、前述の実施の形態２の排気浄化装置を更に発展させ、制御弁８及びスロットル弁２０の開閉動作を同作動態様としたものである。また、図９に使用されている符号のうち、図１及び図７に使用された符号と同一符号を有するものは、実施の形態１あるいは実施の形態２で説明した機能と同様の機能を有するものなので、その詳細な説明は省略する。
【００７８】
実施の形態３において、過給機付き内燃機関の排気浄化装置は、図９に示すように、制御弁８及びスロットル弁２０は、共にＶＲＶ２８ａに接続し、このＶＲＶ２８ａを介してＥＣＵ９に結線している。このＶＲＶ２８ａは、制御弁８及びスロットル弁２０の作動アクチュエータへ作用させる負荷値をデューティ制御する負荷調節弁であり、ＥＣＵ９の指令に基づき制御弁８及びスロットル弁２０の開度を調節することで、吸気管３の吸気量を調節する。
【００７９】
すなわち、ＥＣＵ９は、アクセル開度センサ２６からの入力信号に基づいてエンジン負荷を演算する。また、ＥＣＵ９は、クランク角センサ２７が出力する出力パルスに基づいてエンジン回転数を演算する。そして、これらエンジン負荷とエンジン回転数によってエンジン状態が判別され、ＥＣＵ９はエンジン状態に応じて燃料噴射弁１０の開弁時期、開弁期間を制御し、また制御弁８及びスロットル弁２０の開度をＶＲＶ２８ａを介して同作動態様に制御する。
【００８０】
この実施の形態３の場合、作動アクチュエータの設置が１つで済み、ＥＣＵ９が出力する作動指令信号の共通化でき、システムを簡素化することができる。なお、電気モータにより制御弁８及びスロットル弁２０を駆動する構成の場合、ＥＣＵ９は制御弁８及びスロットル弁２０の開度特性が同作動態様となるように電気モータを制御する。
【００８１】
［実施の形態４］
次に、実施の形態４における過給機付き内燃機関の排気浄化装置を図１０に基づいて説明する。なお、この実施の形態４は、フェイルセーフ手段として実施の形態１〜３のように開度規制手段２１を用いるのではなく、吸気管３の外壁にスロットル弁２０ａを跨ぐバイパス管２１ｃを設けてフェイルセーフ手段としたものである。従って、実施の形態４と実施の形態１〜３との違いは、フェイルセーフ手段のみの違いなので、実施の形態４では、このフェイルセーフ手段のみを説明し、他の詳細な説明は省略する。
【００８２】
すなわち、実施の形態４のフェイルセーフ手段は、図１０に示すように、吸気管３の外壁にスロットル弁２０ａを跨ぐように設けたバイパス管２１ｃである。このバイパス管２１ｃは、スロットル弁２０ａを跨いで吸入空気をコンプレッサ６ａ側に常時導入できる。なお、バイパス管２１ｃが導入する吸気流量は、スロットル弁２０ａが全閉した場合、導入される吸入空気がコンプレッサ６ａに負荷を与えることによってターボチャージャ６のベアリングが焼き付く等異常が発生しない程度の回転数を確保するものであればよい。
【００８３】
この実施の形態４の場合、スロットル弁２０ａはＥＣＵ９の制御により吸気管３を全閉動作する。そして、スロットル弁２０ａが全閉動作しても、バイパス管２１ｃから吸入空気をコンプレッサ６ａ側に常時導入できるので、スロットル弁２０とコンプレッサ６ａ間の吸気管３が過度に負圧となることを回避することができる。
【００８４】
【発明の効果】
本発明によれば、スロットル弁が誤動作で全閉となった場合であっても、フェイルセーフ手段により吸気通路の過度に負圧となることを回避できるので、コンプレッサが無抵抗回転とならず、過回転を防止することができる。従って、過給機の過回転が防止できるので、ベアリングの焼き付き等の不具合を起こすことはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置を適用した実施の形態１にかかる内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】スロットル弁及び開度規制手段の拡大図である。
【図３】スロットル弁の開度状態及びＥＧＲ率とＮＯx 等の発生量との関係を示す図である。
【図４】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図５】スロットル弁及びＥＧＲ弁の目標開度のマップを示す図であり、図５（Ａ）はスロットル弁の目標開度のマップを示し、図５（Ｂ）はＥＧＲ弁の目標開度のマップを示す。
【図６】スロットル弁及びＥＧＲ弁の開度状態とＮＯx 等の発生量との関係を示す図である。
【図７】本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置を適用した実施の形態２にかかる内燃機関の概略構成を示す図である。
【図８】制御弁の拡大図である。
【図９】本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置を適用した実施の形態３にかかる内燃機関の概略構成を示す図である。
【図１０】実施の形態４にかかるスロットル弁及びフェイルセーフ手段の拡大図である。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
２ 吸気マニホールド（吸気系）
３ 吸気管
４ エアクリーナ
５ エアフロメータ
６ ターボチャージャ（過給機）
６ａ コンプレッサ
６ｂ タービン
７ インタークーラ
８ 制御弁
９ ＥＣＵ（エンジンコントロール用電子制御ユニット）
１０ 燃料噴射弁
１１ コモンレール
１２ 燃料ポンプ
１３ 排気ポート
１４ 排気マニホールド
１５ 排気集合管
１６ 排気管
１７ 触媒付きフィルタ
１８ ケーシング
２０ スロットル弁
２１ 開度制御手段（フェイルセーフ手段）
２３ ＥＧＲ管
２４ ＥＧＲクーラ
２５ ＥＧＲ弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、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を有する過給機と、前記タービン下流の排気通路と前記吸気通路とを接続して排気ガスの一部を内燃機関の吸気系に再循環せしめる排気再循環装置とを備えたた過給機付き内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気系には、排気ガスのＮＯx 低減手段として、触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、触媒付きフィルタと略す）や排気再循環装置（以下、ＥＧＲと略す）を配置したものがある。
【０００３】
そして、触媒付きフィルタは、選択還元型ＮＯx 触媒や吸蔵還元型ＮＯx 触媒などのリーンＮＯx 触媒を用いて、発生してしまったＮＯx を大気に放出する前に浄化するものである。
【０００４】
また、ＥＧＲは、排気ガスの一部を排気環流管（ＥＧＲ管）を介して再度吸気系に戻し、不活性ガスの導入により燃焼室内ガスの熱容量を増大させ、最高燃焼温度を下げることによってＮＯx の発生を低減するものである。これは、触媒付きフィルタのようにＮＯx を大気に放出する前に浄化するものではなく、ＮＯx の発生そのものを抑制する技術である。
【０００５】
また、内燃機関の排気系には、過給機としてターボチャージャを配置したものもある。このターボチャージャは、排気ガスをターボチャージャのタービンに導くことでタービンを駆動し、このタービンに連結されたコンプレッサを駆動して内燃機関の吸気系に導入されるエアを昇圧して出力を高めるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＥＧＲは、排気マニホールドにＥＧＲ管の始端を直接接続する構成のものが一般的であるが、この構成では、排気マニホールドからタービンに導入されるべき排気ガスの一部がＥＧＲ管を介して再度吸気系に戻ることになって、吸気管に流れる排気ガスはタービンを駆動する側には回って来ないので、タービンの駆動力が十分得られない場合があり、コンプレッサによる吸気の昇圧が十分得られないことがある。
【０００７】
そこで、ＥＧＲ管の始端を排気マニホールドに直接接続するのではなくタービンの下流側の排気管に設け、ＥＧＲ管の終端である導入口をコンプレッサの上流側に配置する試みがなされている（特開平６−２５７５１８号公報参照）。
【０００８】
この試みの場合、ＥＧＲ管の始端をタービンの下流側の排気管に設けることで、排気マニホールドから排気ガスが全てタービンに導入されてタービンの駆動力が十分得られる。また、ＥＧＲ管の導入口をコンプレッサの上流側に配置することで、新気の空気に加えて再度導入する排気ガスをも混合したガスとしてコンプレッサの回転により吸気系へ昇圧して詰め込むことができるといった利点がある。
【０００９】
しかし、特開平６−２５７５１８号公報の発明では、吸気系に導入される排気環流量をＥＧＲ弁の開度制御により調節しているが、新気の空気はエアクリーナ側から規制なく導入されており、新気の空気の流量を調節する試みはなされていない。すなわち、吸気系に導入される吸気ガスのうち新気の空気と排気環流ガスとの混合ガスの比を運転状態に応じて適切に調節する試みはなされていない。
【００１０】
そこで、新気の空気が導入されるエアクリーナ側とＥＧＲ管の導入口との間にスロットル弁を設けて、吸気系に導入される吸気ガスの混合比を運転状態に応じて適切に調節する構成が考えられる。
【００１１】
しかしながら、コンプレッサの上流側の吸気通路にスロットル弁を設けると、スロットル弁が誤動作で全閉のままとなった場合、下記のような不具合が生じる。すなわち、コンプレッサの上流側のスロットル弁が全閉となると、コンプレッサ近傍の吸気通路が過度な負圧（真空に近い）状態となる。すると、コンプレッサに連結するタービンが排気圧を受けて回転する一方で、コンプレッサが昇圧作業を行わずに無抵抗回転するので、ターボチャージャが過回転状態となってしまう。このため、スロットル弁の誤動作がターボチャージャ用ベアリングの破損を招くおそれがある。
【００１２】
以上から本発明は、前記問題点に鑑みなされたものであり、コンプレッサ上流側にＥＧＲガスの導入口を設け、このＥＧＲガスの導入口の上流側に新気及びＥＧＲガスの混合比を調節するスロットル弁を配置する過給機付き内燃機関の排気浄化装置において、スロットル弁に誤動作が生じてもコンプレッサ上流側が過度な負圧とならないフェイルセーフ手段を設けた過給機付き内燃機関の排気浄化装置を提供することを技術的課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を達成するために、本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置は、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を有する過給機と、前記タービン下流の排気通路と前記吸気通路とを接続して排気ガスの一部を内燃機関の吸気系に再循環せしめる排気再循環装置とを備え、前記コンプレッサ上流側の吸気通路に、前記排気ガスの一部を再循環せしめるための導入口と、前記吸気通路を開閉自在とするスロットル弁とを順に配置した過給機付き内燃機関の排気浄化装置であって、吸気における新気とＥＧＲガスとの混合比を調節すべく前記スロットル弁の開度を制御しているときに前記スロットル弁が誤動作により全閉動作した時、前記コンプレッサに対し前記過給機が不具合を起こさない程度の回転数を確保できる所定流量の吸気を流して負圧を与えるフェイルセーフ手段を前記コンプレッサ上流側の吸気通路に設けたことを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、新気の空気が導入されるエアクリーナ側と排気ガスの一部を再循環せしめるための導入口との間にスロットル弁を設け、エンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）でスロットル弁を開度制御することで、吸気系に導入される吸気混合ガスの混合比を運転状態に応じて適切に調節できる。また、スロットル弁が誤動作で全閉となった場合であっても、フェイルセーフ手段によりコンプレッサに対し所定流量の吸気を流して負圧を与え吸気通路が過度に負圧となることを回避できるので、コンプレッサが無抵抗回転とならず、過給機の過回転を防止することができる。
【００１５】
ここでいう「過度に負圧となること」とは、コンプレッサが昇圧作業を行わずに無抵抗回転となることである。この場合、コンプレッサに連結するタービンは、排気圧を受けるだけで過回転となり、ベアリングの焼き付き等不具合を起こす。従って、「コンプレッサに対し所定流量の吸気を流して負圧を与える」とは、過給機が不具合を起こさない程度の回転数を確保できる吸気抵抗をコンプレッサ上流側の吸気通路に与えることをいう。
【００１６】
また、本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置は、前記フェイルセーフ手段を、全閉動作時における前記スロットル弁の開閉角度を所定角度開口した状態に規制する開度規制手段とした構成のものを例示できる。この例示によれば、開度規制手段により全閉動作時であっても、スロットル弁が所定角度開口した状態に規制され、この開口部位より最小流量の吸入空気を導入して過給機が不具合を起こさない程度の吸気抵抗を確保し、過給機の過回転を防止する。
【００１７】
ここでいう「開度規制手段」とは、スロットル弁の最小開度リミッターを過給機が過回転とならないように最小開度（所定角度）をあけておき、吸気流量をコンプレッサ上流側の吸気通路に与える手段をいう。「最小開度」とは、過給機が焼き付き等異常が発生しない程度の吸気抵抗をコンプレッサに与え、許容回転数を確保するための吸入空気を導入できる弁開度をいう。
【００１８】
更に、本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置は、前記コンプレッサ下流の吸気通路内に内燃機関の始動及び停止時において全閉制御される制御弁を設けるように構成してもよい。なお、「全閉制御」とは、圧縮比が高いディーゼルエンジンを始動あるいは停止する際に、制御弁を絞ってやることで、燃焼室内に入る空気を少なくし、内燃機関内の圧縮比を小さくして回転し易くし、振動を抑制する制御をいう。すなわち、制御弁を閉弁すると、圧縮始めの燃焼室内の圧力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が小さくなるとピストンによる圧縮仕事が小さくなるために内燃機関の振動が小さくなる。従って、この制御弁を設けた構成によれば、コンプレッサ上流側への吸入空気が確保されるフェイルセーフ作用に加えて、振動騒音が抑制できる。
【００１９】
更にまた、本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置は、前記スロットル弁及び前記制御弁の開閉動作を同作動態様とするように構成してもよい。スロットル弁と制御弁の開閉動作タイミングは共に内燃機関の要求負荷（アクセルの踏み込み量）に関連して作動するので、開閉動作を同差動態様とする構成にすることにより、エンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）が出力する開閉動作の制御指令信号の共通化や、この制御指令信号に基づきスロットル弁及び制御弁を開閉動作させる作動アクチュエータの共通化を図ることができる。
【００２０】
更にまた、本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置において、前記フェイルセーフ手段が、前記スロットル弁を迂回して前記所定流量の吸気を流すバイパス通路であるとした構成のものを例示できる。この例示によれば、バイパス通路により最小流量の吸入空気を導入して過給機が不具合を起こさない程度の吸気抵抗を確保し、過給機の過回転を防止する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る過給機付き内燃機関の排気浄化装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を内燃機関としての車両駆動用ディーゼルエンジンに適用した態様である。
【００２２】
［実施の形態１］
初めに、実施の形態１における過給機付き内燃機関の排気浄化装置を図１〜図６に基づいて説明する。
エンジン１は、図１の全体構成に示すように、直列４気筒ディーゼルエンジンであり、各気筒の燃焼室には吸気マニホールド２および吸気管３を介して吸気が導入される。吸気管３の始端にはエアクリーナ４が設けられ、吸気管３の途中には、エアフロメータ５、スロットル弁２０、ターボチャージャ（過給機）６のコンプレッサ６ａ、インタークーラ７が設けられている。
【００２３】
エアフロメータ５は、エアクリーナ４を介して吸気管３に流入する新気の空気量に応じた出力信号をエンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）９に出力し、ＥＣＵ９はエアフロメータ５の出力信号に基づいて吸気系に導入する混合ガスの流量を演算する。
【００２４】
インタークーラ７は、ターボチャージャ６と吸気マニホールド２間の吸気管３の周りに配置され、吸気管３を流れる混合ガスを冷却する装置である。このインタークーラ７には、走行風が導かれ、走行風によって混合ガスが冷却される。
【００２５】
また、エンジン１の各気筒の燃焼室にはそれぞれ燃料噴射弁１０から燃料（軽油）が噴射される。この燃料は図示しない燃料タンクから燃料ポンプ１２によってポンプアップされ、コモンレール１１を介して燃料噴射弁１０に供給されたものである。なお、燃料ポンプ１２は、エンジン１の図示しないクランクシャフトによって駆動される。各燃料噴射弁１０の開弁時期および開弁期間は、後述するようにエンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ９によって制御される。
【００２６】
また、エンジン１の各気筒の燃焼室で生じた排気ガスは、各気筒の排気ポート１３から排気マニホールド１４に排出される。排気マニホールド１４には、排気ガスをターボチャージャ６のタービン６ｂに導く排気集合管１５が接続されている。タービン６ｂは排気ガスによって駆動され、タービン６ｂに連結されたコンプレッサ６ａを駆動して吸気を昇圧する。
【００２７】
排気ガスはタービン６ｂから排気管１６に排出され、図示しないマフラーを介して大気に排出される。排気管１６の途中には、触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、触媒付きフィルタと略す）１７を収容したケーシング１８が設けられている。
【００２８】
触媒付きフィルタ１７は、選択還元型ＮＯx 触媒や吸蔵還元型ＮＯx 触媒などのリーンＮＯx 触媒を用いて、発生してしまったＮＯx を大気に放出する前に浄化するものである。
【００２９】
この触媒付きフィルタ１７は、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてなる。
【００３０】
この触媒付きフィルタ１７は、流入排気ガスの空燃比（以下、排気空燃比と略す）が理論空燃比よりもリーンのときはＮＯx を吸収し、排気空燃比が理論空燃比あるいはそれよりもリッチになって流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると、吸収したＮＯxをＮＯ2またはＮＯとして放出するＮＯx の吸放出作用を行う。そして、触媒付きフィルタ１７から放出されたＮＯx（ＮＯ2またはＮＯ）は直ちに排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯと反応してＮ2 に還元せしめられる。従って、排気空燃比を適宜に制御すれば排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯx を浄化することができることになる。
【００３１】
なお、排気空燃比とは、ここでは触媒付きフィルタ１７の上流側の排気通路やエンジン燃焼室、吸気通路等にそれぞれ供給された空気量の合計と燃料（炭化水素）量の合計の比を意味するものとする。従って、触媒付きフィルタ１７よりも上流の排気通路内に燃料あるいは空気が供給されない場合には、排気空燃比はエンジン燃焼室内に供給される混合気の空燃比に一致する。
【００３２】
触媒付きフィルタ１７の下流側の排気管１６には、排気ガスの一部を吸気系に戻すための排気環流管（以下、ＥＧＲ管と略す）２３の一端が接続されており、ＥＧＲ管２３の他端（ＥＧＲ導入口２３ａ）はコンプレッサ６ａの上流側の吸気管３に接続されている。ＥＧＲ管２３の途中にはＥＧＲクーラ２４とＥＧＲ弁２５が設けられている。このように、ＥＧＲ管２３とＥＧＲクラーク２４とＥＧＲ弁２５は排気再循環装置（ＥＧＲ）を構成する。
【００３３】
このＥＧＲは、排気ガスの一部をＥＧＲ管２３を介して再度吸気系に戻し、不活性ガスの導入により燃焼室内ガスの熱容量を増大させ、最高燃焼温度を下げることによってＮＯx の発生を低減するものである。これは、触媒付きフィルタ１７のようにＮＯx を大気に放出する前に浄化するものではなく、ＮＯx の発生そのものを抑制する技術である。
【００３４】
そして、ＥＧＲクーラ２４はＥＧＲ管２３周りに配置されＥＧＲ管２３を流れるＥＧＲガス（排気ガス）を冷却する装置である。このＥＧＲクーラ２４には、機関冷却水が導かれ、機関冷却水によって排気ガスが冷却される。
【００３５】
ＥＧＲ弁２５は、再度吸気系に戻す排気ガスの環流量を調節する装置であり、後述するように、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ９によってＥＧＲ弁開度が制御される。
【００３６】
スロットル弁２０は、コンプレッサ６ａの上流側の吸気管３に設けられ、より詳しくはエアクリーナ４とＥＧＲ導入口２３ａ間の吸気管３に設けられている。このスロットル弁２０は、バキュームレギュレーテッドバルブ（ＶＲＶ；負圧調節弁）２８を介してＥＣＵ９に接続されている。スロットル弁２０は、後述するように、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ９によってスロットル弁開度が制御され、新気の吸気量と排気環流量との混合ガスの比を調節する。ＶＲＶ２８は別に設けたバキュームポンプにより発生した負圧を用いて、スロットル弁２０に設定する負圧値をデューティ制御する。これによりスロットル弁２０を作動させる負圧を自由に変更することができ、スロットル弁２０の開度をＥＣＵ９の指令に基づき制御する。
【００３７】
スロットル弁２０は、図２に示すように、開度規制手段２１によって全閉動作時の開閉角度が所定角度α開口した状態となるように規制されている。換言すれば、この開度規制手段２１は、スロットル弁２０が全閉動作状態にあってもスロットル弁２０の開閉角度を最小開度（所定角度α）だけ開口した状態に規制しておく最小開度リミッターといえる。
【００３８】
すなわち、開度規制手段２１は、吸気管３に斜めに穿設された斜孔３ａと、この斜孔３ａと同軸となるように吸気管３外側に固設したナット部２１ａと、このナット部２１ａと螺合すると共に斜孔３ａに挿入されてその頂部が吸気管３の内壁より覗く長さを有するネジ棒２１ｂとから構成される。そして、スロットル弁２０が全閉動作状態にあっても弁がネジ棒２１ｂの頂部に係止され、所定角度α開くように規制される。なお、ネジ棒２１ｂの頂部が吸気管３の内壁から覗く寸法はナット部２１ａとの螺合関係により調節可能となっている。また、斜孔３ａとナット部２１ａ及びネジ棒２１ｂ間はシールされており、吸気管３内のガスが開度規制手段２１から外部に漏れることはない。
【００３９】
所定角度αは、吸入空気をコンプレッサ６ａ側に常時導入できる最小開度をいい、この吸入空気の導入により負荷をコンプレッサ６ａに与え（即ち、より正圧にすることでコンプレッサ６ａに仕事を与え）、ターボチャージャ６のベアリングが焼き付く等異常が発生しない程度の回転数を確保するものである。この所定角度αは、実験結果に基づき決定されたものであり、全閉動作時の弁の角度が所定角度αとなるようにネジ棒２１ｂの頂部の進退位置が調整されている。
【００４０】
ＥＣＵ９は、デジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（中央処理装置）、入力ポート、出力ポートを具備し、エンジン１の燃料噴射量制御等の基本制御やスロットル弁２０及びＥＧＲ弁２５の開度制御を行う。
【００４１】
［燃料噴射量制御］
燃料噴射量制御のために、ＥＣＵ９の入力ポートには、アクセル開度センサ２６からの入力信号と、クランク角センサ２７からの入力信号と、エアフロメータ５からの入力信号が入力される。
【００４２】
アクセル開度センサ２６はスロットル弁２０の開度に比例した出力電圧をＥＣＵ９に出力し、ＥＣＵ９はアクセル開度センサ２６の入力信号に基づいてエンジン負荷を演算する。また、クランク角センサ２７はクランクシャフトが一定角度回転する毎に出力パルスをＥＣＵ９に出力し、ＥＣＵ９はこの出力パルスに基づいてエンジン回転数を演算する。そして、これらエンジン負荷とエンジン回転数によってエンジン状態が判別され、ＥＣＵ９はエンジン状態に応じて燃料噴射弁１０の開弁時期、開弁期間を制御する。
【００４３】
例えば、燃料噴射弁制御では、ＥＣＵ９は、燃料噴射弁１０から噴射される燃料量を決定し、次いで燃料噴射弁１０から燃料を噴射する時期を決定する。燃料噴射量を決定する場合は、ＥＣＵ９はＲＡＭに記憶されている機関回転数とアクセル開度センサ２６の出力信号（アクセル開度）とを読み出す。ＥＣＵ９は、例えば燃料噴射量を制御するマップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料噴射量（基本燃料噴射時間）を算出する。ＥＣＵ９は、エアフロメータ５の出力信号値や吸気温度等のデータに基づいて前記基本燃料噴射時間を補正し、最終的な燃料噴射時間を決定する。
【００４４】
燃料噴射時間と燃料噴射時期とが決定されると、ＥＣＵ９は、例えば前記燃料噴射時期とクランク角センサ２７の出力信号とを比較し、クランク角センサ２７の出力信号が前記燃料噴射時期と一致した時点で燃料噴射弁１０に対する駆動電力の印加を開始する。ＥＣＵ９は、燃料噴射弁１０に対する駆動電力の印加を開始した時点からの経過時間が前記燃料噴射時間に達した時点で燃料噴射弁１０に対する駆動電力の印加を停止する。
【００４５】
次に、燃料ポンプの制御では、ＥＣＵ９は、例えばＲＡＭに記憶されている機関回転数とアクセル開度とを読み出す。ＥＣＵ９は、コモンレール圧を制御するマップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した目標圧力を算出する。続いて、ＥＣＵ９は、燃料吐出圧力を制御するマップへアクセスし、前記目標圧力に対応した燃料ポンプ１２の吐出圧力を算出し、その吐出圧力となるように燃料ポンプ１２を制御する。
【００４６】
［スロットル弁２０及びＥＧＲ弁２５の開度制御］
まず、スロットル弁２０及びＥＧＲ弁２５の開度制御した時、空燃比Ａ／Ｆ（図の横軸）の変化に応じて出力トルク、スモーク、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx の排出量がどのように変化するかを、図３の機関低負荷運転時の実験例に基づき説明する。
【００４７】
図３において、ＥＧＲ率が４０％付近で空燃比Ａ／Ｆが３０程度のとき、スモークの発生が始まる。そこで、ＥＧＲ率を高め、空燃比Ａ／Ｆを小さくすると、今度はスモークが急激に低下する。そして、ＥＧＲ率を６５％以上とし、空燃比Ａ／Ｆが１５．０付近になるとほぼ零となる。即ち、微粒子がほとんど発生しなくなる。このとき、機関の出力トルクは若干低下し、ＮＯx の発生量はかなり低くなる。これに対し、ＨＣ及びＣＯの発生量は増大し始める。
【００４８】
従って、図３の実験結果から、次のことが言える。すなわち、まず第１に空燃比Ａ／Ｆが１５．０以下でスモークの発生量がほぼ零のときにはＮＯx の発生量がかなり低下する。ＮＯx の発生量が低下したということは、燃焼室内の温度が低下していることを示しており、従って、微粒子がほとんど発生しないときには燃焼室内の温度が低くなっていると言える。
【００４９】
第２にスモークの発生量、即ち微粒子の発生量がほぼ零になると、図３に示すようにＨＣ及びＣＯの排出量が増大する。このことは炭化水素ＨＣが微粒子まで成長せずに排出されることを意味している。
【００５０】
実験結果に基づくこれらの考察をまとめると燃焼室内の温度が低いときには微粒子の発生率がほぼ零になり、このとき炭化水素が燃焼室から排出されることになる。
【００５１】
すなわち、多量の不活性ガスと少量の空気の混合ガス中に燃料が存在する場合には、蒸発燃料は周囲に拡散して不活性ガス中に混合する酸素と反応し、燃焼することになる。この場合には燃焼熱は周りの不活性ガスに吸収されるために燃焼温度はさほど上昇しなくなる。即ち、燃焼温度を低く抑えることができることになる。
【００５２】
この場合、燃料およびその周囲のガス温度を微粒子が生成される温度よりも低い温度に抑制するにはそうするのに十分な熱量を吸収しうるだけの不活性ガス量が必要となる。従って燃料量が増大すれば、必要となる不活性ガス量はそれに伴って増大することになる。なお、この場合、不活性ガスの比熱が大きいほど吸熱作用が強力となり、従って不活性ガスは比熱の大きなガスが好ましいことになる。この点、ＣＯ2 やＥＧＲガスは比較的比熱が大きいので不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いることは好ましいと言える。
【００５３】
次に、不活性ガスとしてＥＧＲガスを用いた場合、燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を微粒子が生成される温度よりも低い温度にするために必要なＥＧＲガスと空気の混合ガス量、及びこの混合ガス量中の空気の割合、及びこの混合ガス中のＥＧＲガスの割合を図４に基づいて説明する。
【００５４】
なお、図４において、縦軸は燃焼室内に吸入される全吸入ガス量を示しており、鎖線Ｙは過給が行われないときに、燃焼室内に進入しうる全吸入ガス量を示している。また、横軸は要求負荷を示しており、Ｚ１は低負荷運転領域を示している。更に、空気の割合（混合ガス中の空気量）は、噴射された燃料を完全に燃焼せしめるのに必要な空気量を示している。すなわち、空気量と燃料噴射量との比は理論空燃比となっている。更にまた、ＥＧＲガスの割合（混合ガス中のＥＧＲガス量）は、噴射燃料が燃焼せしめられたときに燃料及びその周囲のガス温度を微粒子が形成される温度よりも低い温度にするのに必要最低限のＥＧＲガス量を示している。このＥＧＲガス量はＥＧＲ率で表すとほぼ７０％以上である。
【００５５】
すなわち、燃焼室内に吸入された全吸入ガス量を図４において実線Ｘとし、この全吸入ガス量Ｘのうちの空気量とＥＧＲガス量との割合を図に示すような割合とすると燃料及びその周囲のガス温度は微粒子が生成される温度よりも低い温度となり、微粒子が全く発生しなくなる。また、このときのＮＯx 発生量は１０p.p.m 前後、又はそれ以下であり、従ってＮＯx 発生量は極めて少量となる。
【００５６】
燃料噴射量が増大すれば燃料が燃焼した際の発熱量が増大するので燃料及びその周囲のガス温度を微粒子が生成される温度よりも低い温度に維持するためにはＥＧＲガスによる熱の吸収量を増大しなければならない。従ってＥＧＲガス量は燃料噴射量が増大するにつれて増大せしめなければならない。即ち、ＥＧＲガス量は要求負荷が高くなるにつれて増大する必要がある。
【００５７】
一方、図４の負荷領域Ｚ２では、微粒子の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘが吸入しうる全吸入ガス量Ｙを越えてしまう。従ってこの場合、微粒子の発生を阻止するのに必要な全吸入ガス量Ｘを燃焼室内に供給するにはＥＧＲガス及び吸入空気の双方、或いはＥＧＲガスを過給又は加圧する必要がある。ＥＧＲガス等を過給又は加圧しない場合には負荷領域Ｚ２では全吸入ガス量Ｘは吸入しうる全吸入ガス量Ｙに一致する。従ってこの場合、微粒子の発生を阻止するためには空気量を若干減少させてＥＧＲガス量を増大すると共に空燃比がリッチのもとで燃料を燃焼せしめることになる。
【００５８】
図４は理論空燃比のもとで燃焼させる場合を示しているが、低負荷運転領域Ｚ１において空気量を図に示される空気量よりも少なくても、即ち空燃比をリッチにしても微粒子の発生を阻止しつつＮＯx の発生量を１０p.p.m 前後又はそれ以下にすることができる。また、空気量を図に示される空気量よりも多くしても、即ち空燃比の平均値を１７から１８のリーンにしても微粒子の発生を阻止しつつＮＯx の発生量を１０p.p.m 前後又はそれ以下にすることができる。
【００５９】
即ち、空燃比はリッチにされると、燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑えられているために過剰な燃料は微粒子まで成長せず、微粒子が成長されることがない。また、このときＮＯx も極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば、少量の微粒子が生成されるが、燃焼温度が低い温度に抑制されているので微粒子は全く生成されない。更に、ＮＯx も極めて少量しか発生しない。このように、機関低負荷運転領域Ｚ１では空燃比にかかわらずに、即ち空燃比がリッチであろうと、理論空燃比であろうと、或いは平均空燃比がリーンであろうと、微粒子が発生されず、ＮＯx の発生量が極めて少量となる。従って、燃料消費率の向上を考えるとこのとき平均空燃比をリーンにすることが好ましいと言える。
【００６０】
ところで燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に制御しうるのは燃焼による発熱量が少ない比較的機関負荷が低いときに限られる。従ってこの実施の形態１では機関負荷が比較的低いときには燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制して第一燃焼、即ち低温燃焼を行うようにし、機関負荷が比較的高いときには第二燃焼、即ち従来より普通に行われている燃焼を行うようにしている。なお、ここで第一燃焼（低温燃焼）とは微粒子の発生量が最大となる最悪不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が多く微粒子がほとんど発生しない燃焼のことを言い、第二燃焼（普通の燃焼）とは微粒子の発生量が最大となる最悪不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない燃焼のことを言う。
【００６１】
この実施の形態１のディーゼルエンジンでは、アクセルペダルの踏み込み量（要求負荷Ｌ）及び機関回転数Ｎとに基づき、第一燃焼（低温燃焼）と、第二燃焼（普通の燃焼）とが切り替えられ、各燃焼において、アクセルペダルの踏み込み量（要求負荷Ｌ）及び機関回転数Ｎとに基づき、スロットル弁２０及びＥＧＲ弁２５の開度制御が実施される。
【００６２】
なお、空燃比を目標空燃比とするのに必要なスロットル弁２０の目標開度ＳＴが図５（Ａ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ内に記憶されている。また、空燃比を目標空燃比とするのに必要なＥＧＲ弁２５の目標開度ＳＥが図５（Ｂ）に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ内に記憶されている。
【００６３】
そして、ＥＣＵ９は、要求負荷Ｌに応じてマップに基づきスロットル弁２０及びＥＧＲ弁２５の開度制御を実施する。
すると、要求負荷Ｌの低い第１の運転領域Ｉでは、図６に示すように、スロットル弁２０の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから半開き程度まで徐々に増大せしめられ、ＥＧＲ弁２５の開度は要求負荷Ｌが高くなるにつれて全閉近くから全開まで徐々に増大せしめられる。なお、このとき、第１の運転領域Ｉでは、ＥＧＲ率がほぼ７０％に維持され、空燃比はわずかばかりリーンなリーン空燃比に維持される。
【００６４】
言い換えると、第１の運転領域Ｉでは、ＥＧＲ率がほぼ７０％となり、空燃比が僅かばかりリーンなリーン空燃比となるようにスロットル弁２０の開度およびＥＧＲ弁２５の開度が制御される。なお、このとき空燃比は空燃比センサ等の出力信号に基づいてＥＧＲ弁２５の開度を補正することによって目標リーン空燃比に制御される。また、第１の運転領域Ｉでは圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴射が行われる。この場合、噴射開始時期θＳは要求負荷Ｌが高くなるにつれて遅くなり、噴射完了時期θＥも噴射開始時期θＳが遅くなるにつれて遅くなる。
【００６５】
一方、機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２の運転領域IIに変わると、スロットル弁２０の開度が半開状態から全開方向へステップ状に増大せしめられる。このとき図に示す例では、ＥＧＲ率がほぼ７０％から４０％以下までステップ状に減少せしめられ、空燃比がステップ状に大きくされる。即ち、ＥＧＲ率が多量のスモークを発生するＥＧＲ率範囲を飛び越えるので機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２の運転領域IIに変わるときに多量のスモークが発生することがない。
【００６６】
第２の運転領域IIでは従来から行われている燃焼が行われる。この燃焼方法では、微粒子及びＮＯx が若干発生するが、低温燃焼に比べて熱効率は高く、従って機関の運転領域が第１の運転領域Ｉから第２の運転領域IIに変わると、噴射量がステップ状に低減せしめられる。
【００６７】
第２の運転領域IIではスロットル弁２０は一部を除いて全開状態に保持され、ＥＧＲ弁２５の開度は要求負荷Ｌが高くなると次第に小さくされる。この運転領域IIではＥＧＲ率は要求負荷Ｌが高くなるほど低くなり、空燃比は要求負荷Ｌが高くなるほど小さくなる。但し、空燃比は要求負荷Ｌが高くなってもリーン空燃比とされる。また、第２の運転領域IIでは噴射開始時期θＳは圧縮上死点ＴＤＣ付近とされる。
【００６８】
第１の運転領域Ｉでは要求負荷Ｌが低くなるほど空燃比Ａ／Ｆがリーンとされる。即ち、要求負荷Ｌが低くなるほど燃焼による燃焼量が小さくなる。従って要求負荷Ｌが低くなるほどＥＧＲ率を低下させても低温燃焼を行うことができる。ＥＧＲ率を低下させると空燃比は大きくなり、要求負荷Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。空燃比Ａ／Ｆが大きくなるほど燃料消費率は向上し、従ってできる限り空燃比をリーンにするために要求負荷Ｌが低くなるにつれて空燃比Ａ／Ｆが大きくされる。
【００６９】
次に、本発明の実施の形態１係る過給機付き内燃機関の排気浄化装置の作用を説明する。
スロットル弁２０が誤動作で全閉となった場合、スロットル弁２０は開度規制手段２１によって全閉開度を所定角度α開口した状態（図２参照）に規制される。そして、この開口部より吸入空気がコンプレッサ６ａ側に常時導入される。そして、この吸入空気の導入により負荷をコンプレッサ６ａに与えることができ、この負荷によってコンプレッサ６ａが無抵抗回転することはなく、ターボチャージャ６のベアリングが焼き付く等異常が発生しない程度の回転数を確保することができる。従って、スロットル弁２０が誤動作で全閉となった場合であっても、ターボチャージャ６が過回転することはない。
【００７０】
［実施の形態２］
次に、実施の形態２における過給機付き内燃機関の排気浄化装置を図７及び図８に基づいて説明する。なお、この実施の形態２は、圧縮比が高いディーゼルエンジンの振動・騒音を防止するために、前述の実施の形態１の排気浄化装置を更に発展させたものである。
【００７１】
実施の形態２に係る過給機付き内燃機関の排気浄化装置は、エンジン１の振動・騒音を防止するために、コンプレッサ６ａの下流側の吸気管３に、制御弁８を設けたことを特徴とし、実施の形態１の構成との違いは、コンプレッサ６ａの下流側の吸気管３に制御弁８を設け、この制御弁８を始動時あるいは停止時において全閉制御することのみである。従って、図７に使用されている符号のうち、図１に使用された符号と同一符号を有するものは、実施の形態１で説明した機能と同様の機能を有するものなので、その詳細な説明は省略する。
【００７２】
制御弁８は、図８に示すように、インタークーラ７と吸気マニホールド２間の吸気管３に設けられ、吸気管３を開閉自在とする絞り弁である。この制御弁８は、ＶＲＶ2 ２９を介してＥＣＵ９に接続されている。また、制御弁８は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ９によって制御弁８の開度が制御される。この制御弁８の開度の制御は、スロットル弁２０とほぼ同様である。ＶＲＶ2 ２９は、制御弁８の作動アクチュエータへ作用させる負荷値をデューティ制御する負荷調節弁であり、ＥＣＵ９の指令に基づき制御弁８の開度を調節することで、吸気管３の吸気量を調節する。
【００７３】
すなわち、ＥＣＵ９は、アクセル開度センサ２６からの入力信号に基づいてエンジン負荷を演算する。また、ＥＣＵ９は、クランク角センサ２７が出力する出力パルスに基づいてエンジン回転数を演算する。そして、これらエンジン負荷とエンジン回転数によってエンジン状態が判別され、ＥＣＵ９はエンジン状態に応じて燃料噴射弁１０の開弁時期、開弁期間を制御し、また、制御弁８及びスロットル弁２０のそれぞれの弁開度を制御する。
【００７４】
ところで、始動時、停止時、あるいはアイドリング運転時において、ＥＣＵ９は、制御弁８およびスロットル弁２０を全閉制御する。このとき、ＥＧＲ弁２５も全閉制御される。なお、「全閉制御」とは、圧縮比が高いディーゼルエンジンを始動時、停止時及びアイドル運転時において、一時的に制御弁８を全閉することで、燃焼室内に入る空気を少なくし、燃焼室内の圧縮比を小さくして回転し易くし、振動あるいは騒音を抑制する制御をいう。
【００７５】
そして、制御弁８を全閉近くまで閉弁すると、燃焼室内に入る空気が少なくなり、圧縮始めの燃焼室内の圧力が低くなるために圧縮圧力が小さくなる。圧縮圧力が小さくなるとピストンによる圧縮仕事が小さくなるためにピストンの回転がし易くなり、機関本体の振動が小さくなる。即ち、始動時、停止時、あるいはアイドリング運転時には機関本体の振動あるいは振動より発生する騒音を抑制することができる。
【００７６】
なお、全閉制御時に、スロットル弁２０は開度規制手段２１によって全閉開度を所定角度α開口した状態（図２参照）に規制される。そして、この開口部より吸入空気がコンプレッサ６ａ側に常時導入される。
【００７７】
［実施の形態３］
次に、実施の形態３における過給機付き内燃機関の排気浄化装置を図９に基づいて説明する。なお、上述の実施の形態２では、制御弁８とスロットル弁２０がそれぞれ別の負圧調節弁（ＶＲＶ，ＶＲＶ2 ）２８，２９によって制御弁８及びスロットル弁２０へ導く負圧値を制御する場合を説明したが、制御弁８とスロットル弁２０の開閉動作はほぼ同じ開閉動作を行うので、実施の形態３では、前述の実施の形態２の排気浄化装置を更に発展させ、制御弁８及びスロットル弁２０の開閉動作を同作動態様としたものである。また、図９に使用されている符号のうち、図１及び図７に使用された符号と同一符号を有するものは、実施の形態１あるいは実施の形態２で説明した機能と同様の機能を有するものなので、その詳細な説明は省略する。
【００７８】
実施の形態３において、過給機付き内燃機関の排気浄化装置は、図９に示すように、制御弁８及びスロットル弁２０は、共にＶＲＶ２８ａに接続し、このＶＲＶ２８ａを介してＥＣＵ９に結線している。このＶＲＶ２８ａは、制御弁８及びスロットル弁２０の作動アクチュエータへ作用させる負荷値をデューティ制御する負荷調節弁であり、ＥＣＵ９の指令に基づき制御弁８及びスロットル弁２０の開度を調節することで、吸気管３の吸気量を調節する。
【００７９】
すなわち、ＥＣＵ９は、アクセル開度センサ２６からの入力信号に基づいてエンジン負荷を演算する。また、ＥＣＵ９は、クランク角センサ２７が出力する出力パルスに基づいてエンジン回転数を演算する。そして、これらエンジン負荷とエンジン回転数によってエンジン状態が判別され、ＥＣＵ９はエンジン状態に応じて燃料噴射弁１０の開弁時期、開弁期間を制御し、また制御弁８及びスロットル弁２０の開度をＶＲＶ２８ａを介して同作動態様に制御する。
【００８０】
この実施の形態３の場合、作動アクチュエータの設置が１つで済み、ＥＣＵ９が出力する作動指令信号の共通化でき、システムを簡素化することができる。なお、電気モータにより制御弁８及びスロットル弁２０を駆動する構成の場合、ＥＣＵ９は制御弁８及びスロットル弁２０の開度特性が同作動態様となるように電気モータを制御する。
【００８１】
［実施の形態４］
次に、実施の形態４における過給機付き内燃機関の排気浄化装置を図１０に基づいて説明する。なお、この実施の形態４は、フェイルセーフ手段として実施の形態１〜３のように開度規制手段２１を用いるのではなく、吸気管３の外壁にスロットル弁２０ａを跨ぐバイパス管２１ｃを設けてフェイルセーフ手段としたものである。従って、実施の形態４と実施の形態１〜３との違いは、フェイルセーフ手段のみの違いなので、実施の形態４では、このフェイルセーフ手段のみを説明し、他の詳細な説明は省略する。
【００８２】
すなわち、実施の形態４のフェイルセーフ手段は、図１０に示すように、吸気管３の外壁にスロットル弁２０ａを跨ぐように設けたバイパス管２１ｃである。このバイパス管２１ｃは、スロットル弁２０ａを跨いで吸入空気をコンプレッサ６ａ側に常時導入できる。なお、バイパス管２１ｃが導入する吸気流量は、スロットル弁２０ａが全閉した場合、導入される吸入空気がコンプレッサ６ａに負荷を与えることによってターボチャージャ６のベアリングが焼き付く等異常が発生しない程度の回転数を確保するものであればよい。
【００８３】
この実施の形態４の場合、スロットル弁２０ａはＥＣＵ９の制御により吸気管３を全閉動作する。そして、スロットル弁２０ａが全閉動作しても、バイパス管２１ｃから吸入空気をコンプレッサ６ａ側に常時導入できるので、スロットル弁２０とコンプレッサ６ａ間の吸気管３が過度に負圧となることを回避することができる。
【００８４】
【発明の効果】
本発明によれば、スロットル弁が誤動作で全閉となった場合であっても、フェイルセーフ手段により吸気通路の過度に負圧となることを回避できるので、コンプレッサが無抵抗回転とならず、過回転を防止することができる。従って、過給機の過回転が防止できるので、ベアリングの焼き付き等の不具合を起こすことはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置を適用した実施の形態１にかかる内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】スロットル弁及び開度規制手段の拡大図である。
【図３】スロットル弁の開度状態及びＥＧＲ率とＮＯx 等の発生量との関係を示す図である。
【図４】噴射燃料量と混合ガス量との関係を示す図である。
【図５】スロットル弁及びＥＧＲ弁の目標開度のマップを示す図であり、図５（Ａ）はスロットル弁の目標開度のマップを示し、図５（Ｂ）はＥＧＲ弁の目標開度のマップを示す。
【図６】スロットル弁及びＥＧＲ弁の開度状態とＮＯx 等の発生量との関係を示す図である。
【図７】本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置を適用した実施の形態２にかかる内燃機関の概略構成を示す図である。
【図８】制御弁の拡大図である。
【図９】本発明の過給機付き内燃機関の排気浄化装置を適用した実施の形態３にかかる内燃機関の概略構成を示す図である。
【図１０】実施の形態４にかかるスロットル弁及びフェイルセーフ手段の拡大図である。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
２ 吸気マニホールド（吸気系）
３ 吸気管
４ エアクリーナ
５ エアフロメータ
６ ターボチャージャ（過給機）
６ａ コンプレッサ
６ｂ タービン
７ インタークーラ
８ 制御弁
９ ＥＣＵ（エンジンコントロール用電子制御ユニット）
１０ 燃料噴射弁
１１ コモンレール
１２ 燃料ポンプ
１３ 排気ポート
１４ 排気マニホールド
１５ 排気集合管
１６ 排気管
１７ 触媒付きフィルタ
１８ ケーシング
２０ スロットル弁
２１ 開度制御手段（フェイルセーフ手段）
２３ ＥＧＲ管
２４ ＥＧＲクーラ
２５ ＥＧＲ弁
Claims (5)
- 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を有する過給機と、前記タービン下流の排気通路と前記吸気通路とを接続して排気ガスの一部を内燃機関の吸気系に再循環せしめる排気再循環装置とを備え、前記コンプレッサ上流側の吸気通路に、前記排気ガスの一部を再循環せしめるための導入口と、前記吸気通路を開閉自在とするスロットル弁とを順に配置した過給機付き内燃機関の排気浄化装置であって、吸気における新気とＥＧＲガスとの混合比を調節すべく前記スロットル弁の開度を制御しているときに前記スロットル弁が誤動作により全閉動作した時、前記コンプレッサに対し前記過給機が不具合を起こさない程度の回転数を確保できる所定流量の吸気を流して負圧を与えるフェイルセーフ手段を前記コンプレッサ上流側の吸気通路に設けたことを特徴とする過給機付き内燃機関の排気浄化装置。
- 前記フェイルセーフ手段は、全閉動作時における前記スロットル弁の開閉角度を所定角度開口した状態に規制する開度規制手段である請求項１記載の過給機付き内燃機関の排気浄化装置。
- 前記コンプレッサ下流の吸気通路に、前記内燃機関の始動時あるいは停止時において全閉制御される制御弁を設けた請求項２記載の過給機付き内燃機関の排気浄化装置。
- 前記スロットル弁及び前記制御弁の開閉動作を同作動態様とした請求項３記載の過給機付き内燃機関の排気浄化装置。
- 前記フェイルセーフ手段は、前記スロットル弁を迂回して前記所定流量の吸気を流すバイパス通路である請求項１記載の過給機付き内燃機関の排気浄化装置。
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