JP3951089B2 - 過給機付きエンジンのｅｇｒ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変ノズルベーンにより過給圧を調整可能な可変容量型の過給機を備えたエンジンのＥＧＲ装置に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
周知のようにＮＯｘ（窒素酸化物）を低減する手法の１つとして、エンジンから排出された排ガスの一部を吸気側に還流して燃焼温度を低下させるＥＧＲ制御が実施されている。このＥＧＲの還流は、排気通路と吸気通路との圧力差を利用して行われるため、吸気を過給する過給機付きのエンジンでは、エンジンの運転領域によっては吸気通路の圧力が排気通路の圧力より高くなって、ＥＧＲを還流不能となる場合がある。
【０００３】
その対策として、例えば特公平６−４７９３４号公報に記載の技術では、可変ノズルベーン装置で過給圧を調整可能な可変容量型の過給機を備えたエンジンにおいて、上記ＥＧＲを還流不能な領域ではベーンを閉側に制御することにより、排気通路の圧力を高めてＥＧＲの還流を図っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本来の可変ノズルベーン装置の機能は過給圧制御にあり、例えば、エンジンが低回転域で排ガス流量が少ないときには、可変ノズルベーンを閉側に制御して排ガスを絞ることでタービンに衝突するガス流速を高めて、過給圧の上昇により低速トルクを確保する等の役割を奏する。つまり、可変ノズルベーン装置は、過給圧の調整に適するようにベーン形状や制御内容等が設定されている上に、膨張後の流速の高い排ガスを狭い通路内で制御することから、僅かにベーンを閉じただけで排気側の圧力が急増してラフな調整しかできない結果となる。従って、排気側と吸気側との差圧を目標差圧に正確に制御できず、ＥＧＲ制御の精度が低下してしまうという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、ＥＧＲ制御の精度を低下させることなく、運転領域に関わらず確実にＥＧＲを還流させることができる過給機付きエンジンのＥＧＲ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、過給機のタービン上流側の排気通路と過給機のコンプレッサ下流側の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、タービンの流入口に備えられて、排ガスが流通するベーン開度を変更可能な可変ノズルベーン装置と、コンプレッサの流入口に備えられて、コンプレッサへの吸入空気の流入角度を変更可能な可変案内翼装置と、機関のＥＧＲ情報を含む運転状態を検出する運転状態検出手段と、タービン上流側の圧力とコンプレッサ下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出手段と、運転状態検出手段により検出された運転状態に応じて、可変ノズルベーン装置のベーン開度を設定するベーン開度設定手段と、機関の運転状態に応じてタービン上流側の圧力とコンプレッサ下流側の圧力との目標差圧を設定する目標差圧設定手段と、ベーン開度設定手段の情報を基に可変ノズルベーン装置を駆動制御すると共に、差圧検出手段により検出された差圧が目標差圧設定手段により設定された目標差圧となるように可変案内翼装置を駆動制御する駆動制御手段とを備えた。
【０００７】
従って、可変ノズルベーン装置のベーン開度が機関の運転状態に応じて制御されて、排ガスの流通状態が変化してタービン上流側の圧力が調整され、そのタービン上流側の圧力とコンプレッサ下流側の圧力との差圧が目標差圧となるように可変案内翼装置の作動状態が制御される。これによりコンプレッサへの吸入空気の流入角度と共にコンプレッサ効率が変化して、コンプレッサ下流側の圧力が調整され、結果として吸排気差圧を調整してＥＧＲを還流可能となる。
【０００８】
そして、膨張後の流速の高い排ガスを制御する可変ノズルベーン装置に比較して、比較的流速の遅い吸入空気を制御する可変案内翼装置では、より緻密な圧力調整が可能であることから、結果としてエンジンの運転領域（過給機の過給状態）に関わらず、差圧を目標差圧に確実に保持可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を過給機付きディーゼルエンジンのＥＧＲ装置に具体化した一実施形態を説明する。
図１の全体構成図に示すように、エンジン１の吸気通路２には過給機としてのターボチャージャ３のコンプレッサ３ａが設けられると共に、その下流側にはインタクーラ４が設けられ、コンプレッサ３ａにより過給された吸入空気がインタクーラ４により冷却された後に、吸気通路２を経てエンジン１の図示しない燃焼室内に導入される。コンプレッサ３ａの上流側の吸気通路には、可変案内翼装置５が設けられている。この可変案内翼装置５の一対のベーン６は吸気通路２内でコンプレッサ３ａの回転軸線を中心として対向配置され、これらのベーン６は吸気通路２外に設置されたステップモータ８にそれぞれ連結されている。
【００１０】
ステップモータ８によりベーン６は、吸入空気の流通方向に沿った姿勢（ベーン角度＝０°）からコンプレッサ３ａの回転方向に向けて回動した姿勢（ベーン角度＝６０°）の間で回動され、ベーン角度の増加に伴って吸入空気には旋回流が与えられて、コンプレッサ３ａに対して所定の角度をもって流入する。尚、この可変案内翼装置５は、例えば特開平１０−３３９１５２号公報に記載されているものと同一構成であり、詳細は同公報を参照されたい。
【００１１】
一方、エンジン１の排気通路１０には、前記コンプレッサ３ａと同軸上に結合されたターボチャージャ３のタービン３ｂが設けられ、燃焼室内で燃焼後の排ガスは排気通路１０を経てタービン３ｂを回転駆動した後に外部に排出される。タービン３ｂの上流側の排気通路１０には可変ノズルベーン装置１１が設けられている。この可変ノズルベーン装置１１の多数のベーン１２はタービン３ｂの外周を取り巻くように環状に配設され（図では１つのベーン１２のみを図示）、これらのベーン１２は空圧式のベーン開閉アクチュエータ１３に連結されている。ベーン開閉アクチュエータ１３は圧縮エアを貯留するエアタンク１５にソレノイド弁１４を介して接続され、ソレノイド弁１４の開閉に応じてエアタンク１５から供給される圧縮エアを利用して各ベーン１２の開度を一斉に変更する。
【００１２】
吸気通路２のインタクーラ４の下流側と排気通路１０のタービン３ｂの上流側とはＥＧＲ通路１６により接続され、このＥＧＲ通路１６にはＥＧＲ弁１７が設けられている。ＥＧＲ弁１７はソレノイド弁１８を介して前記エアタンク１５に接続され、ソレノイド弁１８の開閉に応じてエアタンク１５から供給される圧縮エアを利用して、その開度が変更される。
【００１３】
車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＢＵＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ２１（電子制御ユニット）が設置されており、このＥＣＵ２１はＥＧＲ制御やターボチャージャ３の制御を含めたエンジン１の総合的な制御を行う。ＥＣＵ２１の入力側には、運転者によるアクセル操作量ＡＰＳを検出するアクセルセンサ２２、エンジン１の回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ２３、吸気通路２のインタクーラ下流側の圧力（以下、過給圧という）を検出する差圧検出手段としての過給圧センサ２４、排気通路４のタービン上流側の圧力（以下、排気圧という）を検出する差圧検出手段としての排気圧センサ２５等の各種センサが接続され、ＥＣＵ２１の出力側には、前記ステップモータ８、及びソレノイド弁１４，１８等の各種アクチュエータが接続されている。
【００１４】
本実施例のディーゼルエンジン１は、図示しない燃料噴射ポンプのスリーブ位置をアクチュエータで駆動して燃料噴射量を制御する電子制御式として構成されている。ＥＣＵ２１はアクセル操作量ＡＰＳ及びエンジン回転速度Ｎeに基づいて、予め設定されたマップから燃料噴射量Ｑを決定し、その燃料噴射量Ｑが達成されるように燃料噴射ポンプのスリーブ位置をアクチュエータにて調整する。
【００１５】
次に、以上のように構成された過給機付きエンジン１のＥＧＲ装置により実施されるＥＧＲ制御について説明する。
ＥＧＲ弁１７の制御は一般的なＥＧＲ制御と同じく、燃料噴射量Ｑ（エンジン負荷に相当する）及びエンジン回転速度Ｎeに基づいて予め設定されたマップに従って実施される。このマップでは、ＥＧＲの実行域と非実行域とが設定されると共に、実行域では燃料噴射量Ｑとエンジン回転速度Ｎeに応じた適切な目標ＥＧＲ量が設定されており、ＥＣＵ２１はこのマップから目標ＥＧＲ量を決定し、その目標ＥＧＲ量が達成されるようにソレノイド弁１８によりＥＧＲ弁１７の開度を調整する。このＥＧＲ制御により、排気通路１０の排ガスがＥＧＲ通路１６を経てＥＧＲとして吸気通路２へと還流されて、燃焼温度の低下によりＮＯｘの排出が低減される。
【００１６】
そして、このときのＥＧＲ弁１７の開度に対するＥＧＲ量は、排気通路１０と吸気通路２との差圧（以下、吸排気差圧という）の影響を受けることから、本実施形態では、上記可変ノズルベーン装置１１のベーン開度及び可変案内翼装置５のベーン角度を制御することにより、エンジン１の運転状態に応じた所定の吸排気差圧を保持し、その吸排気差圧を前提として上記目標ＥＧＲ量マップを設定してＥＧＲ制御を実施している。
【００１７】
そこで、この可変ノズルベーン装置１１及び可変案内翼装置５を利用して行われる吸排気差圧の制御について説明する。ここで、両装置１１，５は共に、ターボチャージャ３の過給圧が高い運転領域にあっても、所定の吸排気差圧を確保してＥＧＲの還流を可能とする機能を奏するが、双方の特性は大きく異なる。従って、まず、両装置１１，５の特性の相違を述べる。
【００１８】
可変ノズルベーン装置１１については、従来と同じくベーン開度を小として排ガスを絞るほどタービン上流側の排気通路１０の圧力が高まるため、結果として吸排気差圧を増加させる作用を奏することになる。
一方、可変案内翼装置５については、図２に示すような影響を及ぼす。この図では、ベーン角度０〜２０°付近でコンプレッサ効率が最良となるエンジン１の運転状態において、ベーン角度を変更したときの各パラメータの変化を示しており、ベーン角度を増加させるほど、過給機回転速度が増加すると共にコンプレッサ効率が低下し、それに伴って過給圧及び排気圧が低下し、排気圧に比較して過給圧の低下幅が大であることから、吸排気差圧が増加するのがわかる。
【００１９】
図３の試験結果は以下のように説明できる。上記したＥＧＲを還流させない非ＥＧＲ実行域ではベーン開度は０〜２０°付近に制御され、このときのベーン６により吸入空気にはコンプレッサ３ａの回転方向の旋回流が与えられる（０°のときは発生せず）。旋回流がない場合には、コンプレッサ３ａの回転が増加するほど吸入空気が反回転方向の角度をもってコンプレッサ３ａに流入して効率を低下させるが、このように旋回流が与えられることで吸入空気はコンプレッサ３ａに対して理想的な角度で流入し、良好なコンプレッサ効率が実現される。
【００２０】
そして、この状態からベーン角度を増加させると、吸入空気はコンプレッサ３ａの回転に対して急角度過ぎる不適切な角度で流入するようになり、当然ながらコンプレッサ効率が低下して過給圧も低下することになる。また、このように吸入空気の流入角度が急になることでコンプレッサ３ａの負荷が軽減されることから、排ガスはより円滑にタービン３ｂを通過してタービン上流側の排気圧は低下する。
【００２１】
上記のように過給圧はベーン角度の変更に直接的に影響されるが、排気圧は間接的にしか影響されないため、給気圧の低下に比較して排気圧の低下は小さく、結果として両者の差である吸排気差圧は増加することになる。よって、可変ノズルベーン装置１１と同様に可変案内翼装置５のベーン角度を変更しても吸排気差圧を調整できることがわかる。
【００２２】
ここで、図１の構成からもわかるように、可変ノズルベーン装置１１は、膨張後の流速の高い排ガスを狭い通路内で制御するため、僅かなベーン開度の変化で排気圧が大きく変化することになり、排気圧に対する制御範囲は広いがラフな調整しかできない。これに対して可変案内翼装置５は、比較的流速の遅い吸入空気を広い通路内で制御する構成であることから、ベーン角度の変化に対する過給圧の変化が小さくて、過給圧の制御範囲は狭いものの緻密な調整が可能であるという特性を有する。
【００２３】
一方、ＥＣＵ２１は図３に示す吸排気差圧制御ルーチンを所定の制御インターバルで実行する。まず、ステップＳ２で目標吸排気差圧ΔＰtgtを設定する。この目標吸排気差圧ΔＰtgtは、現在のエンジン１の運転状態を前提として効率良くＥＧＲを還流可能な差圧として、例えばエンジン回転速度Ｎe、アクセル操作量ＡＰＳ、燃料噴射量Ｑ、過給圧Ｐb等に応じて予めマップ化されており、ステップＳ２ではこれらのパラメータに基づいてマップから目標吸排気差圧ΔＰtgtを設定する（運転状態検出手段、目標差圧設定手段）。尚、ＥＧＲの還流を行わないＥＧＲ非実行域では、ここで設定された目標吸排気差圧ΔＰtgtは利用されない。
【００２４】
続くステップＳ４では可変ノズルベーン装置１１のベーン開度θOUTvaneを設定する（ベーン開度設定手段）。この設定処理は、例えばエンジン回転速度Ｎe、アクセル操作量ＡＰＳ、燃料噴射量Ｑ等に従って設定されたマップに基づき行われるが、上記したＥＧＲ非実行域では、可変ノズルベーン装置１１の本来の機能である過給圧の制御を目的としてベーン開度θOUTvaneが設定され、ＥＧＲ実行域では目標吸排気差圧ΔＰtgtの達成を目的としたベーン開度θOUTvaneが設定される。ＥＧＲ実行域のベーン開度θOUTvaneは、次に述べる可変案内翼装置５による吸排気差圧の調整代を残す意味で、目標吸排気差圧ΔＰtgtより若干小さい差圧に対応するベーン開度がベーン開度θOUTvaneとして設定される。
【００２５】
更にステップＳ６で可変案内翼装置５のベーン角度θINvaneを設定する。この設定処理はステップＳ４の可変ノズルベーン装置１１の場合と同じく、エンジン回転速度Ｎe、アクセル操作量ＡＰＳ、燃料噴射量Ｑ等に従って設定されたマップに基づき行われるが、ＥＧＲ非実行域では、ターボチャージャ３のコンプレッサ効率が最良となるようにベーン角度θINvaneが設定され、ＥＧＲ実行域では、目標吸排気差圧ΔＰtgtの達成を目的としたベーン角度θINvaneが設定される。ＥＧＲ実行域では、上記した可変ノズルベーン装置１１による不足分（可変ノズルベーン装置１１のベーン開度θOUTvaneにより達成される吸排気差圧と目標吸排気差圧ΔＰtgtとの差）に相当するベーン角度がベーン角度θINvaneとして設定される。
【００２６】
続くステップＳ８では可変ノズルベーン装置１１のソレノイド弁１４を駆動して、前記ステップＳ４で設定したベーン開度θOUTvaneに基づいて実際のベーン開度を制御し、同様にステップＳ１０でステップモータ８を駆動して、前記ステップＳ６で設定したベーン角度θINvaneに基づいて可変案内翼装置５のベーン角度を制御する。更にステップＳ１２で、過給圧センサ２４にて検出された過給圧、及び排気圧センサ２５にて検出された排気圧から実際の吸排気差圧ΔＰを算出し、ステップＳ１４で、吸排気差圧ΔＰが前記ステップＳ２で設定した目標吸排気差圧ΔＰtgtを基準とした所定の範囲内（ΔＰtgt＋α＞ΔＰ＞ΔＰtgt−α：αは所定値）か否かを判定する。
【００２７】
ステップS１４の判定がＹＥＳのとき、つまり吸排気差圧ΔＰが目標吸排気差圧ΔＰtgt付近に制御されており、ＥＧＲ制御側で目標ＥＧＲ量を達成可能と推測されるときには、ルーチンを終了する。又、ステップＳ１４でのＮＯの判定を下したときには、ステップＳ１６で吸排気差圧ΔＰを目標吸排気差圧ΔＰtgtに接近させる方向に補正、即ち、ΔＰ≦ΔＰtgt−αのときには、可変案内翼装置５のベーン角度θINvaneを増加設定して吸排気差圧ΔＰを増加させ、逆にΔＰ≧ΔＰtgt＋αのときには、ベーン角度θINvaneを減少設定して吸排気差圧ΔＰを減少させて、吸排気差圧ΔＰを目標吸排気差圧ΔＰtgt付近に収束させる（駆動制御手段）。
【００２８】
以上のように本実施形態の過給機付きエンジンのＥＧＲ装置では、吸排気差圧ΔＰに対する制御幅が比較的広い可変ノズルベーン装置１１と緻密に制御可能な可変案内翼装置５とを併用して吸排気差圧ΔＰを制御し、可変ノズルベーン装置１１のベーン開度を制御して吸排気差圧ΔＰの大まかな調整を行い、このときの吸排気差圧ΔＰと目標吸排気差圧ΔＰtgtとに基づいて、可変案内翼装置５のベーン角度をフィードバックして、吸排気差圧ΔＰを目標吸排気差圧ΔＰtgt付近（所定値αの範囲内）に収束させている。
【００２９】
従って、可変ノズルベーン装置１１側のベーン開度により吸排気差圧ΔＰを制御する際の応答性を確保した上で、可変案内翼装置５側のベーン角度により吸排気差圧ΔＰを微調整して高い精度で制御可能となる。その結果、例えば可変ノズルベーン装置１１のベーン開度のみを利用した特公平６−４７９３４号公報に記載の従来技術に比較して、吸排気差圧ΔＰを目標吸排気差圧ΔＰtgt付近に確実に保持して、ひいては、その吸排気差圧ΔＰを前提として実施されるＥＧＲ制御の精度が向上させることができる。よって、本実施形態の過給機付きエンジンのＥＧＲ装置によれば、ＥＧＲ制御の精度を低下させることなく、エンジン１の運転領域（換言すれば、ターボチャージャ３の過給状態）に関わらず確実にＥＧＲを還流させることができる。
【００３０】
又、高回転で運転されるターボチャージャ３では、タービン３ｂの形状誤差や軸受部の僅かなガタ等が大きな個体差の要因となり、結果として吸排気差圧ΔＰの制御にもかなりの影響を及ぼすが、上記のように可変案内翼装置５側のベーン角度θINvaneにより微調整することで、これらの固体差に起因して発生する吸排気差圧ΔＰの制御誤差も解消することができる。
【００３１】
一方、上記のように可変案内翼装置５のベーン角度θINvaneを変更してコンプレッサ３の効率を変化させることは、サージングライン（圧力比πcと空気流量Ｑとから規定される周知のコンプレッサ効率マップ上において、運転可能な上限圧力比を規定したもの）を変更可能なことを意味している。よって、このような可変案内翼装置５の機能を利用して、可変ノズルベーン装置１１のみではサージングが発生して排気圧を十分に増加できない運転領域でも、要求される吸排気差圧ΔＰを確保可能となる。
【００３２】
以下、この場合を説明すると、例えば可変ノズルベーン装置１１のベーン開度を閉側に制御したときにサージングが発生して、十分に排気圧を上昇できずに必要なＥＧＲ量（目標ＥＧＲ量）を確保できない場合、可変案内翼装置５のベーン角度を変更して、サージングラインが圧力比増加側に変更されるように、コンプレッサ効率の特性を変更する。結果として現在の圧力比に対するサージングラインの余裕が生じ、可変ノズルベーン装置１１のベーン開度を更に閉側に制御して排気圧を増加し、もって、必要なＥＧＲ量を確保してＮＯｘ低減を達成できる。つまり、このように可変案内翼装置５のベーン角度を制御すれば、ＥＧＲ制御可能な運転領域を拡大することができる。尚、言うまでもなく、以上の制御と図３に基づいて説明した制御とを組み合わせてもよい。
【００３３】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ディーゼルエンジン１用のＥＧＲ装置に具体化したが、適用するエンジンの種別はこれに限定されるものではなく、例えばガソリンエンジン用のＥＧＲ装置に具体化してもよい。
又、上記実施形態では、一対のベーンの角度をステップモータ８にて変更するように構成された可変案内翼装置５を備えたが、コンプレッサ３ａへの吸入空気の流入角度を変更可能なものであれば、その構造は限定されず、例えばベーンの枚数を変更したり、駆動手段を空圧式のアクチュエータに変更したりしてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の過給機付きエンジンのＥＧＲ装置によれば、ＥＧＲ制御の精度を低下させることなく、運転領域に関わらず確実にＥＧＲを還流させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の過給機付きディーゼルエンジンのＥＧＲ装置を示す全体構成図である。
【図２】可変案内翼装置のベーン角度を変更したときのターボチャージャの特性変化を示す説明図である。
【図３】ＥＣＵが実行する吸排気差圧制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 吸気通路
３ ターボチャージャ（過給機）
３ａ コンプレッサ
３ｂ タービン
５ 可変案内翼装置
１０ 排気通路
１１ 可変ノズルベーン装置
１２ ベーン
１６ ＥＧＲ通路
２１ ＥＣＵ（運転状態検出手段、ベーン開度設定手段、目標差圧設定手段、駆動制御手段）
２４ 過給圧センサ（差圧検出手段）
２５ 排気圧センサ（差圧検出手段）

Claims (1)

1. 過給機のタービン上流側の排気通路と該過給機のコンプレッサ下流側の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
   上記タービンの流入口に備えられて、排ガスが流通するベーン開度を変更可能な可変ノズルベーン装置と、
   上記コンプレッサの流入口に備えられて、該コンプレッサへの吸入空気の流入角度を変更可能な可変案内翼装置と、
   機関のＥＧＲ情報を含む運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   上記タービン上流側の圧力と上記コンプレッサ下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出手段と、
   上記運転状態検出手段により検出された運転状態に応じて、上記可変ノズルベーン装置のベーン開度を設定するベーン開度設定手段と、
   上記機関の運転状態に応じて上記タービン上流側の圧力と上記コンプレッサ下流側の圧力との目標差圧を設定する目標差圧設定手段と、
   上記ベーン開度設定手段の情報を基に上記可変ノズルベーン装置を駆動制御すると共に、上記差圧検出手段により検出された差圧が上記目標差圧設定手段により設定された目標差圧となるように上記可変案内翼装置を駆動制御する駆動制御手段と
   を備えたことを特徴とする過給機付きエンジンのＥＧＲ装置。

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