JP3791318B2 - 過給機付き内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【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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