JP4155397B2 - 過給機付エンジンの排気還流制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、過給機付エンジンの排気を吸気系に還流して、排気中のNOxの発生を抑制する排気還流装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
排気中のNOxの発生を抑制するために、排気を吸気系に戻す「排気還流」、所謂「EGR」が有効な手段として用いられている。
EGRを行うためには、排気系のEGRガス取り出し部の圧力が吸気系のEGR導入部圧力を上回ることが必要条件となるが、過給機を装備したエンジンにおいては、過給機効率の高い主として高速高負荷運転条件では過給圧力が排気圧力より高くなるために、EGRガス取り出し部の圧力(排気圧力)がEGR導入部圧力(吸気圧力)を下回ってしまいEGRは機能しなくなる。
【0003】
上述の問題を解決するために、図6に示すように、吸気系、若しくは排気系に絞り弁を介装し、EGRを行いたい運転条件の場合に当該絞り弁を作動させたり、吸気系統として過給機のコンプレッサを通す系統と、コンプレッサを通さない系統の2系統を設けることにより、排気系のEGRガス取り出し部の圧力が吸気系のEGR導入部圧力を上回るように操作する方法(例えば、特許文献1参照)等が採られている。
【0004】
しかし、上述したような方法では、絞りによるポンピングロスにより燃費の悪化を伴う、或いは、可変翼過給機、所謂「VGT」で生じる絞り作用によるEGRガスの増圧により、筒内圧力が上昇することが考えられ、そのためにエンジンの各部を強化する必要が生じる、又は過給機付エンジンが本来有している特徴を生かすことが出来なくなる、等のデメリットが生じる。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、過給機(4)のコンプレッサ(4c)後流の吸気系(2)には排気系(3)からの排気還流管(5)が連通され、その排気還流管(5)には吸気系との接続部(2a)近傍に開度調節可能なEGRバルブ(7)が介装されている過給機付エンジン(1)の排気還流装置において、前記コンプレッサ(4c)を迂回しその前後を連通する新気循環経路(8)を設けて、その新気循環経路(8)に新気循環流量調節バルブ(9)を介装し、エンジン回転数検出手段(12)とエンジン負荷検出手段(14)に接続して前記新気循環流量調節バルブ(9)および前記EGRバルブ(7)を制御する制御手段(10)を設け、その制御手段(10)は横軸にエンジン回転数、縦軸にエンジントルクをとったときに、EGR時にエンジントルクが1つの線(a)以下では、新気循環流量調節バルブ(9)を閉じ、その線(a)以上では新気循環流量調節バルブ(9)を開くように制御するためのEGR制御マップ(AMap、BMap)を有しており、そしてその制御手段(10)は、エンジン回転数およびエンジン負荷を検出し、その検出値から排気系のEGRガス取り出し部(3a)の圧力が吸気系の排気環流管接続部(2a)の圧力より高い運転領域であるか否かの判断を行い、排気系(3a)の圧力が吸気系(2a)の圧力より低い領域であれば新気循環流量調節バルブ(9)を開き通常のEGR制御をマップ(BMap)に基づいて行い、排気系(3a)の圧力が吸気系(2a)の圧力より高い領域であれば通常のEGR制御をマップ(AMap)に基づいて行う機能を有している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、EGRガスの増圧を不要とし、高圧力比対応の過給機を用いることなく高EGR率での運転時の過給機のサージング現象を防止し、エンジンの運転条件の如何、すなわちエンジン回転数・エンジン負荷の大小に関わらず燃費の悪化を抑制出来る過給機付エンジンの排気還流制御装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の過給機付エンジンの排気還流制御装置は、過給機(4)のコンプレッサ(4c)後流の吸気系(2)には排気系(3)からの排気還流管(5)が連通され、その排気還流管(5)には吸気系との接続部(2a)近傍に開度調節可能なEGRバルブ(7)が介装されている過給機付エンジン(1)の排気還流装置において、前記コンプレッサ(4c)を迂回しその前後を連通する新気循環経路(8)を設けて、その新気循環経路(8)に新気循環流量調節バルブ(9)を介装し、エンジン回転数検出手段(12)とエンジン負荷検出手段(14)に接続して前記新気循環流量調節バルブ(9)および前記EGRバルブ(7)を制御する制御手段(10)を設け、その制御手段(10)は、エンジン回転数およびエンジン負荷を検出し(S1、S2)、その検出値から排気系のEGRガス取り出し部(3a)の圧力が吸気系の排気環流管接続部(2a)の圧力より高い運転領域であるか否かの判断を行い(S3)、排気系(3a)の圧力が吸気系(2a)の圧力より低い領域であれば新気循環流量調節バルブ(9)を開き通常のEGR制御をマップ(BMap)に基づいて行い(S5)、排気系(3a)の圧力が吸気系(2a)の圧力より高い領域であれば通常のEGR制御をマップ(AMap)に基づいて行う(S4)機能を有している。
【0010】
また本発明によれば、過給機(4)のコンプレッサ(4c)後流の吸気系(2)には排気系(3)からの排気還流管(5)が連通され、その排気還流管(5)には吸気系との接続部(2a)近傍に開度調節可能なEGRバルブ(7)が介装されている過給機付エンジン(1)の排気還流装置において、前記コンプレッサ(4c)を迂回しその前後を連通する新気循環経路(8)を設けて、その新気循環経路(8)に新気循環流量調節バルブ(9)を介装し、エンジン回転数検出手段(12)とエンジン負荷検出手段(14)に接続して前記新気循環流量調節バルブ(9)および前記EGRバルブ(7)を制御する制御手段(10)を設け、その制御手段(10)は横軸にエンジン回転数、縦軸にエンジントルクをとったときに、EGR時にエンジントルクが1つの線(a)以下では、新気循環流量調節バルブ(9)を閉じ、その線(a)以上では新気循環流量調節バルブ(9)を開くように制御するためのEGR制御マップ(AMap、BMap)を有しており、そしてその制御手段(10)は、エンジン回転数およびエンジン負荷を検出し、その検出値から排気系のEGRガス取り出し部(3a)の圧力が吸気系の排気環流管接続部(2a)の圧力より高い運転領域であるか否かの判断を行い、排気系(3a)の圧力が吸気系(2a)の圧力より低い領域であれば新気循環流量調節バルブ(9)を開き通常のEGR制御をマップ(BMap)に基づいて行い、排気系(3a)の圧力が吸気系(2a)の圧力より高い領域であれば所定のEGR率に達しているか否かの判断をし、所定EGR率に達していなければ前記新気循環流量調節バルブ(9)を開いて通常のEGR制御をマップ(BMap)に基づいて行い、達していれば通常のEGR制御をマップ(AMap)に基づいて行う機能を有している。
【0011】
また、前記排気還流管(5)には、EGRクーラ(6)が介装されている。
排気系(3)から排気還流管(5)内を流過し、吸気系(2)に再循環させられるEGRガスはかなりな高温となっており、そのまま吸気系(2)に流入すると吸気が暖められ、空気の充填効率が低下する。充填効率の低下はエンジン出力の低下となるため、排気還流管(5)にEGRクーラ(6)を介装し、管内を流れるEGRガスを冷却することが好ましい。
【0012】
かかる構成の本発明の過給機付エンジンの排気還流制御装置によれば、吸気系(2)に新気循環流量制御バルブ(9)を介装し、過給機(4)のコンプレッサ(4c)の前後を迂回する新気循環経路(8)を設け、運転状況によって新気循環流量制御バルブ(9)の開度を調節することにより、コンプレッサ(4c)の前後で新気が循環するためにシリンダへの新気供給流量が減少する。その結果過給圧力が低下するため、排気還流管(5)の排気系(3)のEGRガス取り出し部(3a)の圧力が吸気系(2)のEGR導入部圧力(2a)を上回りEGRが可能となる。
この時、過給機(4)の仕事はコンプレッサ(4c)の前後で新気が循環するために、新気循環経路(8)の損失のほかにはポンピングロスは発生しない。
したがって、従来技術で行っていたように吸気系、若しくは排気系に絞り弁を介装することもなく、絞り弁介装によるコスト上昇を抑制出来、絞りが原因のポンピングロスによる燃費の悪化も発生しない。
【0013】
また、排気還流管(5)に開度調節可能なEGRバルブ(7)を介装しており、前記制御手段(10)が、エンジン(1)の運転状況を判断してEGRバルブ(7)を、低負荷低回転領域の小開度からエンジン回転速度及びエンジン負荷が所定値の全開状態まで徐々に開度を増加させるように制御することにより、排気還流管(5)の排気系(3)のEGRガス取り出し部の圧力が吸気系(2)のEGR導入部圧力を下回ることはない。すなわち、EGRを常に機能させることが出来る。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
【0015】
図1〜図4を参照して実施形態を説明する。
図1において、過給機4を装備したエンジン1はその過給機4のタービン4tが排気管(特許請求の範囲では排気系、以降排気系を排気管と言う)3を流過する排気の運動エネルギによって回転させられ、タービン4tと同軸のコンプレッサ4cがタービン4tの回転エネルギで回転させられる。
【0016】
前記排気管3の過給機4のタービン4tに連通する位置からエキゾーストマニフォルド1eの間の領域に排気を取り出すための連通部3aが設けられている。一方、吸気管(特許請求の範囲では吸気系、以降吸気系を吸気管と言う)2のインテークマニフォルド20近傍には、前記取り出された排気を吸気管2に再循環させるための連通部2aが設けられている。
【0017】
前記2箇所の連通部3a、2aはEGRクーラ6を介装した排気還流管5によって接続されており、その排気還流管5のEGRクーラ6と前記連通部2aとの間の領域には還流ガスの流量を制御するEGRバルブ7が介装されている。
【0018】
吸気管2において、過給機4のコンプレッサ4cの前後の連通部(分岐点)2b、2cに連通し、コンプレッサ4cを迂回するように新気循環経路8が設けられており、その経路8の途中には新気循環流量調節バルブ9が介装されている。又、エンジン1にはコントローラ(特許請求の範囲では制御手段、以降制御手段をコントローラと言う)10と、エンジン回転数センサ12及びエンジン負荷センサが14装備されている。
尚、図中符号16は燃料噴射ポンプを示し、符号Li1からLi3は入力信号ライン、Lo1及びLo2は出力信号ラインを示す。
【0019】
前記新気循環流量調節バルブ9は、コントローラ10がエンジン回転数センサ12によって検出されるエンジン回転数と、エンジン負荷センサ14によって検出される負荷情報とに基づき運転状況を把握して発信する制御信号によってバルブ開度が制御されるように構成されている。
【0020】
次に、図2、図3のフローチャート、図4の制御特性図及び図5の運転状態マップを参照してEGR率を制御する場合の態様について説明する。
【0021】
図4の制御特性図は、横軸に負荷及び/又はエンジン回転数を目盛ってあり、EGR率(E線)を一定にしたい場合の各制御バルブ7、9の開度を示したもので、上から順に、
新気循環流量調節バルブ9を閉状態とした場合(或いは、従来技術で新気循環経路を設けていないシステムにおいて)の排気還流管5の排気管側の接続部3aでの圧力(Pje線)と吸気管側の接続部2aでの圧力(Pja線)を比較して表したもの、
制御されるべきEGRバルブ7の開度を示したEGRバルブ制御開度線(β線)、
制御されるべき新気循環流量調節バルブ9の開度を示した新気循環流量調節バルブ制御開度線(α線)、
及び、EGRバルブ7と新気循環流量調節バルブ9の開度を同時に制御した場合の排気還流管5の排気管側の接続部3aでの圧力(Pe線)と吸気管側の接続部2aでの圧力(Pa線)を比較して表したものである。
尚、図中、β線の中央から右方においてバルブ開度が全閉状態まで落ちたβj線は、従来技術において、高負荷域では、EGRを停止するために、EGRバルブを閉じた例。
【0022】
図5は、横軸にエンジン回転数、縦軸にエンジントルクが目盛られており、図中b線は全負荷時のトルクカーブを示し、a線より下方の領域はEGR時トルクがこの領域内である場合に新気循環流量調節バルブ9を閉じるように制御し(AMap制御)、b線とa線で囲まれた領域は、この領域内ではEGR時に新気循環流量調節バルブ9を開くように制御する(BMap制御)ための制御マップである。
【0023】
図2及び図4、図5を参照してEGRの制御の一例の流れを説明する。
先ずエンジン回転数センサ12によってエンジン回転数を検出し(ステップS1)、エンジン負荷センサ14によってエンジン負荷を検出する(ステップS2)。
【0024】
コントローラ10は検出されたエンジン回転数及びエンジン負荷情報に基づいてエンジン1の運転状態を把握し、EGRガス取り出し部3aでの圧力(排気圧)がEGR導入部2aでの圧力(吸気圧)よりも大きいか否かを判断する(ステップS3)。
【0025】
EGRガス取り出し部3aでの圧力がEGR導入部2aでの圧力よりも大きければ(ステップS3のYES)、低負荷及び/又は低回転であるので、新気循環流量調節バルブ9を図4のα線の低負荷領域(図中中央から左方)のように全閉状態とし、通常のEGR制御モードであるAMapによる運転を行い(ステップS4)、ステップS1に戻る。
【0026】
一方、EGRガス取り出し部3aでの圧力がEGR導入部2aでの圧力よりも小さければ(ステップS3のNO)、新気循環流量調節バルブ9を図4のα線の高負荷領域(図中中央から右方)のように開き、通常のEGR制御モードであるBMapによる運転を行い(ステップS5)、ステップS1に戻る。
尚、その際は、EGRバルブ7を図4のβ線の中央より右に示すように、全開状態としておけば良い。ただし、EGR率の制御上、必要があれば、両バルブの開度を調整することにより、目標とするEGR率を得る。
【0027】
次に、他の応用例として、低負荷においても目標とするEGRが稼げない場合には、新気循環流量調節バルブ9を開くことにより、EGRの取り出し部3aと導入部2aの圧力差を大きくすることにより、EGR量を増加させる制御例(図3)がある。
図3のフローチャートでは、図2のフローチャートに対して運転状態の判断工程(ステップS3)と、AMapによる運転(ステップS4)工程の間に「所定のEGRに達しているか」と言う論理工程(ステップS34)を挿入したもので、その工程を挿入したこと以外は上述の一例(図2)と同様の制御が行われる。なお、所定のEGRに達していない場合(ステップS34)は、ステップS5において新気循環流量調節バルブ9を開いてEGRの取り出し部3aと導入部2aの圧力差を大きくする。
【0028】
係る制御方法及び装置を具備する本実施形態によれば、吸気管2に新気循環流量制御バルブ9を介装し、コンプレッサ4cの前後を迂回する新気循環経路8を設け、運転状況によって新気循環流量制御バルブ9の開度を調節することにより、コンプレッサ4cの前後で新気が循環するためにシリンダへの新気供給流量が減少する。
その結果過給圧力が低下するため、排気還流管5の排気管3のEGRガス取り出し部3aの圧力が吸気管2のEGR導入部2aの圧力を上回りEGRが可能となる。
この時、過給機4の仕事はコンプレッサ4cの前後で新気が循環するために、新気循環経路8の損失のほかにはポンピングロスは発生しない。
したがって、従来技術で行っていたように吸気系、若しくは排気系に絞り弁を介装することもなく、絞り弁介装によるコスト上昇を抑制出来、絞りが原因のポンピングロスによる燃費の悪化も発生しない。
【0029】
また、排気還流管5に開度調整可能なEGRバルブ7を介装しており、前記コントローラ10が、エンジン1の運転状況を判断してEGRバルブ7を、低負荷低回転領域の小開度からエンジン回転速度及びエンジン負荷が所定値の全開状態まで徐々に開度を増加させるように制御することにより、排気還流管5の排気管3のEGRガス取り出し部の圧力が吸気管2のEGR導入部圧力を下回ることはない。すなわち、EGRを常に機能させることが出来る。
【0030】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付言する。
例えば、図示の例では、運転状況の判断手段としてエンジン回転センサ及び負荷センサを用いているが、例えば排気系のEGR還流管連通部の上流の至近位置及び吸気管のEGR還流管連通部の上流の至近位置に介装した圧力センサの圧力差及び圧力の大小によって、新気循環流量制御バルブの開度を制御することも可能である。
【0031】
【発明の効果】
本発明の作用効果を、以下に列挙する。
(1) 吸気系に新気循環流量制御バルブを介装し、コンプレッサの前後を迂回する新気循環経路を設け、運転状況によって新気循環流量制御バルブの開度を調節することにより、コンプレッサの前後で新気が循環するためにシリンダへの新気供給流量が減少し、その結果、過給圧力が低下するため、排気還流管の排気系のEGRガス取り出し部の圧力が吸気系のEGR導入部の圧力を上回りEGRが可能となる。
(2) 過給機の仕事はコンプレッサの前後で新気が循環するために、新気循環経路の損失のほかにはポンピングロスは発生しない。したがって、従来技術で行っていたように吸気系、若しくは排気系に絞り弁を介装することもなく、絞り弁介装によるコスト上昇を抑制出来、絞りが原因のポンピングロスによる燃費の悪化も発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の構成を示すブロック図。
【図2】本発明の実施形態の制御の流れの一例を示すフローチャート。
【図3】本発明の実施形態の制御の流れの他の例を示すフローチャート。
【図4】本発明の実施形態における制御特性をしめす制御特性図
【図5】本発明の実施形態において、新気循環流量調整バルブを開いた状体と閉じた状態に制御を対応させるため二つの運転領域に区画したエンジン特性マップ図。
【図6】従来技術における過給機付エンジンの排気還流装置の構成を示す構成図。
【符号の説明】
1・・・エンジン
2・・・吸気管
3・・・排気管
4・・・過給機
4c・・・コンプレッサ
4t・・・タービン
5・・・排気還流管
6・・・EGRクーラ
7・・・EGRバルブ
8・・・新気循環経路
9・・・新気循環流量調節バルブ
10・・・コントローラ/制御手段
12・・・エンジン回転数センサ
14・・・エンジン負荷センサ
16・・・燃料噴射ポンプ
Claims (3)
- 過給機(4)のコンプレッサ(4c)後流の吸気系(2)には排気系(3)からの排気還流管(5)が連通され、その排気還流管(5)には吸気系との接続部(2a)近傍に開度調節可能なEGRバルブ(7)が介装されている過給機付エンジン(1)の排気還流装置において、前記コンプレッサ(4c)を迂回しその前後を連通する新気循環経路(8)を設けて、その新気循環経路(8)に新気循環流量調節バルブ(9)を介装し、エンジン回転数検出手段(12)とエンジン負荷検出手段(14)に接続して前記新気循環流量調節バルブ(9)および前記EGRバルブ(7)を制御する制御手段(10)を設け、その制御手段(10)は横軸にエンジン回転数、縦軸にエンジントルクをとったときに、EGR時にエンジントルクが1つの線(a)以下では、新気循環流量調節バルブ(9)を閉じ、その線(a)以上では新気循環流量調節バルブ(9)を開くように制御するためのEGR制御マップ(AMap、BMap)を有しており、そしてその制御手段(10)は、エンジン回転数およびエンジン負荷を検出し、その検出値から排気系のEGRガス取り出し部(3a)の圧力が吸気系の排気環流管接続部(2a)の圧力より高い運転領域であるか否かの判断を行い、排気系(3a)の圧力が吸気系(2a)の圧力より低い領域であれば新気循環流量調節バルブ(9)を開き通常のEGR制御をマップ(BMap)に基づいて行い、排気系(3a)の圧力が吸気系(2a)の圧力より高い領域であれば通常のEGR制御をマップ(AMap)に基づいて行う機能を有していることを特徴とする過給機付エンジンの排気還流制御装置。
- 過給機(4)のコンプレッサ(4c)後流の吸気系(2)には排気系(3)からの排気還流管(5)が連通され、その排気還流管(5)には吸気系との接続部(2a)近傍に開度調節可能なEGRバルブ(7)が介装されている過給機付エンジン(1)の排気還流装置において、前記コンプレッサ(4c)を迂回しその前後を連通する新気循環経路(8)を設けて、その新気循環経路(8)に新気循環流量調節バルブ(9)を介装し、エンジン回転数検出手段(12)とエンジン負荷検出手段(14)に接続して前記新気循環流量調節バルブ(9)および前記EGRバルブ(7)を制御する制御手段(10)を設け、その制御手段(10)は横軸にエンジン回転数、縦軸にエンジントルクをとったときに、EGR時にエンジントルクが1つの線(a)以下では、新気循環流量調節バルブ(9)を閉じ、その線(a)以上では新気循環流量調節バルブ(9)を開くように制御するためのEGR制御マップ(AMap、BMap)を有しており、そしてその制御手段(10)は、エンジン回転数およびエンジン負荷を検出し、その検出値から排気系のEGRガス取り出し部(3a)の圧力が吸気系の排気環流管接続部(2a)の圧力より高い運転領域であるか否かの判断を行い、排気系(3a)の圧力が吸気系(2a)の圧力より低い領域であれば新気循環流量調節バルブ(9)を開き通常のEGR制御をマップ(BMap)に基づいて行い、排気系(3a)の圧力が吸気系(2a)の圧力より高い領域であれば所定のEGR率に達しているか否かの判断をし、所定EGR率に達していなければ前記新気循環流量調節バルブ(9)を開いて通常のEGR制御をマップ(BMap)に基づいて行い、達していれば通常のEGR制御をマップ(AMap)に基づいて行う機能を有していることを特徴とする過給機付エンジンの排気還流制御装置。
- 前記排気還流管(5)には、EGRクーラ(6)が介装されている請求項1または2に記載の過給機付エンジンの排気還流制御装置。
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