JP3821391B2 - 排気ガスターボチャージャと二次空気噴射装置を備えた内燃機関、及び二次空気噴射を監視する方法 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガス流内の燃焼生成物の後処理のため内燃機関の排気系統内に二次空気噴射装置を備えた内燃機関に関する。さらに、本発明は、二次空気噴射を監視する方法、及び二次空気噴射の診断の可能性に関する。

内燃機関からの排気ガスの、今や通例となった触媒後処理に至る途中、熱的再燃焼法により排出物質を削減することが試みられた。熱的再燃焼法は、排気ガス内に尚も存在する未燃焼成分を高温で一定の残留時間だけ再燃焼させる。内燃機関がリッチ動作モードで運転されると、いわゆる二次空気噴射がこの目的のため必要となる。内燃機関がリーン動作モードで運転されると、再燃焼が、排気ガス内に尚も存在している残留酸素によって行われる。触媒コンバータ技術の使用は、熱的再燃焼が内燃機関の暖気段階中に限り尚も必要とされたことを意味した。熱的再燃焼法は、触媒コンバータがその動作温度に達するまで動作段階での炭化水素及び一酸化炭素の排出が抑制されるようにする。ゆえに、触媒後処理と組み合わせての内燃機関の暖気段階中の二次空気噴射装置での熱的後処理の使用は、触媒コンバータの動作温度に達するのに要する加熱時間を著しく短縮させることで厳しい排出規制に準拠させる重要な働きをする。

二次空気噴射を監視する一般タイプの内燃機関および一般タイプの方法は、例えば、国際特許出願の特許文献１に記載されている。この出願は、内燃機関の排気系統内に噴射される二次空気の流量を監視および判定する方法及び装置を含む。この場合、二次空気は、二次空気噴射装置の流路内のコンプレッサを使用して圧縮され、その流量は、スロットル弁、制御弁及びコンプレッサのパワーコントロールを使用して制御される。この場合、二次空気の分配量は、温度センサ、及び温度上昇が二次空気コンプレッサで圧縮された空気内に記録されるという事実を利用する測定原理を使用して測定および監視される。この状況において、圧縮過程に起因する温度上昇とコンプレッサによって分配された二次空気量の間に直接の因果関係がある。測定された温度値は、ゆえに、二次空気コンプレッサの分配容量に関して評価され、このようにして後者のオープンループ又はクローズドループ制御を可能にする。これにより都合良く、通例使用される空気流量センサを省くことができる。例えば熱膜歪みゲージをベースにした空気流量センサは、高価であり、かつ汚れに反応しやすい。

国際公開第０２ ０５２１３０ Ａ１号パンフレット

上述の先行技術に基づいて取り組み、本発明は、可能な限り温度センサ又は空気流量センサを使用しないで済む二次空気噴射の監視及び制御の代替形式を備えた内燃機関を提供することを目的とする。

この目的は実質的には、噴射された二次空気の量が排気ガスターボチャージャの回転速度に影響を与えるように、その流路が選択される排気ガスターボチャージャ及び二次空気噴射装置による給気過給を有する内燃機関によって達成される。二次空気噴射に起因する回転速度の増加は、ターボチャージャの回転速度を監視することで判定され、かつ噴射された二次空気の量は回転速度の増加から算出される。

これは、通例使用されているような複雑な温度測定法が不要となる利点がある。回転速度測定は、非接触的に、特に誘導回転速度センサを使用して全く摩耗することなく実行できる。さらに、これらの誘導回転速度センサは、小型化でき、かつ非常に低コストで製造できる。

本発明の１つの好ましい実施形態において、二次空気噴射は、圧縮された二次空気によってもたらされる。この目的のため、モータ駆動又はタービン駆動を有するコンプレッサが二次空気の流路内に配置される。

好ましい実施形態において、給気を同時に圧縮する内燃機関の排気ガスターボチャージャは、二次空気を圧縮するために使用できる。二次空気を圧縮するために独立コンプレッサが使用される場合、内燃機関の過給及び二次空気の圧縮の２つの圧縮過程は、排気ガスターボチャージャのコンプレッサの上流で始まる給気と二次空気との２つの流路のため分離できる。本発明による解決法は、二次空気噴射を監視する有利な方法ともなる。これは、二次空気噴射に帰因する排気ガスターボチャージャの回転速度の変化が、供給された二次空気の量を判定および制御するために使用されるからである。さらに、排気ガスターボチャージャの回転速度を監視することによって、排気ガスターボチャージャの測定回転速度を内燃機関の動作ポイントに対応する予想所望回転速度と比較し、その予想所望回転速度からの逸脱がある場合、二次空気噴射が不良であると結論付けることで二次空気噴射を診断することが可能となる。

本発明の例証的な実施形態を、図面を参照し、本発明の要領を制限することなく以下で詳細に説明する。

図１は、破線で示された吸気セクション３を介して給気が供給される複数の燃焼シリンダ２を有する内燃機関１を示し、燃料は、内部又は外部混合形態で給気に加えられる。この発火可能な混合物は燃焼シリンダ２内で着火され、燃焼生成物は、実線で示される排気系統４を介して燃焼シリンダから排出され、触媒後処理用触媒コンバータ５に送られる。排気ガスターボチャージャ６は、そのタービン７を排気系統の流路内に、およびそのコンプレッサ８を吸気の流路内に有する。圧縮された吸気は、随意に給気クーラ９を使用して冷却されうる。給気制御には、スロットル弁１０が給気コンプレッサ８及び給気クーラ９の下流に提供される。二次空気ライン１１は給気コンプレッサ８の下流の吸気セクションから分岐し、制御弁１２を経て、排気系統のマニフォルドに至る。二次空気ライン１１は、出口弁１３の下流、及び排気ガスターボチャージャ６のタービン７の上流に開いている。排気ガスターボチャージャ６のタービン側は、制御可能なバイパス１４によって迂回させることができる。高ブースト圧力を低エンジン速度でも設定できるように排気ガスターボチャージャが設計されるのが通例である。但し、これは、内燃機関が過負荷となる上方速度範囲でのブースト圧力の急激な上昇の原因となる。従って、特に広い速度範囲を有する内燃機関の場合、タービンはウェイストゲートとして知られるものを介して迂回させなければならないが、これは排気ガスエネルギーが失われる原因となる。制御弁１５は、そのウェイストゲートを制御するために使用できる。ターボチャージャ６の回転速度は、回転速度判定用装置Ｓを使用して監視される。この装置は、従来式の誘導回転速度センサであっても良い。排気ガス流自体の組成は、それ自体が周知である方法でラムダセンサ１６を使用して触媒コンバータ５の下流で分析され、かつ監視される。内燃機関１内の燃焼過程を操作および監視するために、制御及び調節部材の全て及び測定値を記録する装置の全ては、好ましくは内燃機関制御ユニットである制御ユニット１７と連通されている。制御ユニット１７は、燃焼過程を制御し、給気誘導を制御し、および排気セクション及び二次空気噴射を制御する応用プログラムの全てを実行する。出口弁１３の下流の二次空気噴射は、例えば、内燃機関が暖機運転している間に触媒コンバータ５を早く加熱させるために使用される。この加熱過程に要するエネルギーは、発熱反応によってリッチ運転内燃機関の酸化的排気ガス成分と反応する二次空気噴射の酸素によって実現される。この手法は、例えばディーゼル粒子フィルタ内の粒状物質の燃焼に必要な他の加熱ステップにも使用できる。排気ガスターボチャージャの回転速度は、出口弁と排気ガスターボチャージャのタービンとの間の二次空気の導入によって増加される。回転速度のこの増加は、噴射された二次空気流量に直接関連している、すなわち噴射される二次空気流量がより高くなればなるほど、排気ガスターボチャージャの回転速度も高くなる。二次空気噴射に帰因する回転速度の増加は、例えば一定内燃機関速度又は内燃機関の速度の変化の記録、一定内燃機関負荷又は内燃機関の負荷変化の記録、及び可能な限り一定に保たれる排気ガス温度のような、内燃機関の動作ポイントに対し明確な安定条件下で判定される。排気ガスの量がラムダセンサを使用して測定されるときと違って、噴射された二次空気流量は、内燃機関の低温始動の最初の数秒以内で判定でき、ゆえに排気ガスターボチャージャの回転速度を監視することによって診断できる。これは、二次空気流量の判定が、達せられた触媒コンバータ５の動作温度によって拘束されないという利点がある。

図２は図１で示された内燃機関と実質上同じ装置特徴を示す。図１で示された典型的実施形態に加えて、図２で示された典型的実施形態は、二次空気噴射装置の流路内の二次空気チャージャとしてのモータ駆動コンプレッサ１８をも含む。コンプレッサの動力は、この場合、制御ユニット１７を介して制御可能なモータ１９によって制御できる。二次空気ライン１１内の制御弁１２の関数は、コンプレッサの動力が制御される場合、二次空気ライン１１のオン及びオフの切り換えに削減できる。二次空気過給での二次空気噴射は、二次空気ライン１１内の圧力を内燃機関の全動作ポイントにおいて確実に排気系統４内の圧力よりも大きくすることができる利点を有する。

図３は、図１で示された典型的実施形態と実質上同じ装置特徴を再度示す。但し、図１や図２の２つの先の典型的実施形態と違い、図３で示された典型的実施形態は、二次空気噴射装置の改造した流路ルーティングを有する。この例証的な実施形態では、二次空気ライン１１は、給気過給用排気ガスターボチャージャのコンプレッサ８の上流の吸気セクション３から分岐する。従って、二次空気噴射は、給気過給から完全に分断できる。二次空気を圧縮する二次空気チャージャもこの分断された二次空気噴射で使用できる。適当な二次空気チャージャは、図２で示された例証的な実施形態で示されるような、モータ駆動コンプレッサ、又はそのタービン２１が排気系統の流路内に配置され、そのコンプレッサ２２が二次空気噴射装置の流路内に配置される第２の他の排気ガスターボチャージャ２０である。この第２の排気ガスターボチャージャは、その開口部断面が制御弁２４を使用して調節および制御されうる動力制御用バイパス２３をも有する。

例証的な実施形態の全てに共通する特徴は、供給された二次空気の量が判定される方法である。供給された二次空気の量の判定は、図４に提示された線図で説明される。本発明によれば、二次空気噴射の二次空気ライン１１は、排気ガスターボチャージャ６のタービンの上流の排気セクション内に開いている。従って、排気系統内の二次空気噴射は、排気ガスターボチャージャの回転速度を増す。内燃機関の一定動作条件下で、回転速度のこの増加は、噴射された二次空気の量の直接測定となる。排気ガスターボチャージャの回転速度は、説明のため、図４で提示された線図に内燃機関のエンジン速度に対しプロットされる。排気ガスターボチャージャの回転速度と内燃機関のエンジン速度との両方共、この場合最大速度を基礎にして正常化される。エンジン速度は、内燃機関によって供給された動力を判定する最重要動作パラメータの１つである。他の重要な動作パラメータは、特にトルク、給気の流量、エンジン温度及び他を含む。説明目的のため、可能な限り簡単に図４に示された線図を作成するためにエンジン速度だけが採用された。当然、上に挙げた動作パラメータをも含む多次元特性線図を、供給された二次空気の量を判定するために使用することも可能である。いずれにせよ、二次空気噴射無しでの排気ガスターボチャージャの回転速度は、それによって内燃機関の所定動作ポイントにおいて既知であり、ゆえに回転速度センサによって確定された排気ガスターボチャージャの回転速度の増加が、二次空気噴射に帰因して分配された二次空気の量を判定することが可能となる基本原理は不変である。二次空気噴射無しの排気ガスターボチャージャの回転速度曲線は、図４の連続線で示される。二次空気噴射付き排気ガスターボチャージャの回転速度曲線は、一点破線で示されている。２本の回転速度曲線は、基本的には既知であり、内燃機関の動力を制御するため、及び二次空気での排気ガスの熱的後処理のための制御ユニット１７内に所望ガイド変数として記憶される。排気ガスターボチャージャの実回転速度は、回転速度監視ユニットを使用して判定および監視される。二次空気噴射が必要な場合、噴射された二次空気の量は、排気ガスターボチャージャの回転速度が、内燃機関の対応動作ポイントにおいて、二次空気噴射を用いた回転速度曲線の所望特性曲線（一点破線）に接近するまで増加される。このタイプの回転速度の所定の増加が成功した場合、二次空気噴射は正常である。所望特性曲線への回転速度の増加が成功しなかった場合、二次空気流路内に不具合がある可能性が非常に高い。これは、制御ユニット内の評価プログラムを使用して確立され、対応する警告指示が発せられうる。これは、二次空気噴射の簡易診断を可能にする。従って、回転速度記録装置からの測定信号を、二次空気噴射の診断及び制御の両方に使用できる、すなわち内燃機関の動作ポイント及び温度に応じていかなる所望量の二次空気も排気系統内に噴射、かつ制御できる。

さらに、設定および制御された弁がチェックされ、それらの妥当性がラムダセンサ信号を評価することによって確実にされうる。ラムダセンサは、排気ガス内の残留酸素含有量を測定する。従って、このセンサからの信号は、二次空気噴射があるかどうかに関する妥当性チェックを可能にする。

排気ガスターボチャージャ及び二次空気噴射装置による給気過給を有する内燃機関を示す。 排気ガスターボチャージャによる給気過給及び二次空気噴射用二次空気チャージャを有する内燃機関を示す。 排気ガスターボチャージャと二次空気過給用の第２の独立排気ガスターボチャージャとによる給気過給を有する内燃機関を示す。 二次空気噴射に帰因する排気ガスターボチャージャの回転速度の変化の評価の概略線図を示す。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 燃焼シリンダ
３ 吸気セクション
４ 排気系統
５ 触媒コンバータ
６ 排気ガスターボチャージャ
７ タービン
８ 給気コンプレッサ
９ 給気クーラ
１０ スロットル弁
１１ 二次空気ライン
１２ 制御弁
１３ 出口弁
１４ バイパス
１５ 制御弁
１６ ラムダセンサ
１７ 制御ユニット
１８ モータ駆動コンプレッサ
１９ 制御可能なモータ
２０ 排気ガスターボチャージャ
２１ タービン
２２ コンプレッサ
２３ 動力制御用バイパス
２４ 制御弁

Claims (13)

1. 吸気のための吸気セクション（３）及び内燃機関の燃焼生成物のための排気系統（４）、ならびに前記燃焼生成物の後処理のための前記排気系統内の二次空気噴射装置（１１、１２、１８、２２）、及び分配された二次空気の量を判定する測定装置を有する内燃機関（１）であって、
   − 排気ガスターボチャージャ（６）のタービン（７）は前記排気系統の流路内に配置され、前記排気ガスターボチャージャのコンプレッサ（８）は、前記吸気系統の流路内に配置され、前記吸気を圧縮する働きをし、
   − 前記排気系統の流路内での前記二次空気噴射は前記ターボチャージャのタービンの上流で行われ、
   − 分配された二次空気の量を判定する前記測定装置（Ｓ）は前記ターボチャージャの回転速度を判定する装置であることを特徴とする内燃機関（１）。
2. 前記二次空気ライン（１１）内に設けられるモータ駆動コンプレッサ（１８）は前記二次空気を圧縮する働きをすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記二次空気ライン（１１）内に設けられる排気ガスターボチャージャ（２０）のコンプレッサ（２２）は、前記二次空気を圧縮する働きをすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
4. 前記二次空気ライン（１１）は、前記排気ガスターボチャージャ（６）の前記コンプレッサ（８）の下流の前記吸気セクション内で分岐し、前記排気ガスターボチャージャ（６）の前記タービン（７）の上流の前記排気系統内に開いていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関。
5. 前記二次空気ライン（１１）は、前記排気ガスターボチャージャ（６）の前記コンプレッサ（８）の上流の前記吸気セクション内で分岐し、前記排気ガスターボチャージャ（６）の前記タービン（７）の上流の前記排気系統内に開いていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関。
6. 制御弁（１２）は前記二次空気噴射装置の流路内に配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関。
7. 分配された二次空気の量が測定装置（Ｓ）を用いて判定され、制御可能な分配装置（１２、１８、１９、２０、２３、２４）を用いて設定される、内燃機関の排気系統内での二次空気噴射を監視する方法であって、
   − 排気ガスターボチャージャ（６）のタービン（７）は前記排気系統の流路内に配置され、前記排気ガスターボチャージャ（６）のコンプレッサ（８）は、吸気セクションの流路内に配置され、吸気を圧縮し、
   − 前記二次空気噴射装置（１１、１２、１８、２２）は前記排気ガスターボチャージャ（６）の回転速度に影響を与え、前記二次空気噴射によって影響を受けた回転速度の変化が、分配された二次空気の量を判定する前記測定装置（Ｓ）により記録されることを特徴とする方法。
8. 分配された二次空気の量は、前記二次空気ライン（１１）内の制御弁（１２）により影響が与えられることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 分配された二次空気の量は前記二次空気ライン（１１）内のターボ機（１８、２２）の送りラインによって影響が与えられることを特徴とする請求項７あるいは８に記載の方法。
10. 前記内燃機関からの排気ガスの流量が既知である場合、分配された二次空気の量は、二次空気噴射を用いた場合と二次空気噴射を用いなかった場合の前記排気ガスターボチャージャの回転速度差から判定されることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記二次空気噴射に起因する前記排気ガスターボチャージャの回転速度の変化は前記二次空気噴射を制御するために使用されることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記排気ガスターボチャージャの回転速度の記録は前記二次空気噴射を診断するために使用されることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記二次空気噴射の診断は、前記内燃機関の動作ポイントから既知である所望回転速度からの前記排気ガスターボチャージャの測定回転速度の偏差に基づいて行われることを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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