JP4574700B2 - 過給機制御装置および排気絞り弁制御装置を備える内燃機関 - Google Patents

過給機制御装置および排気絞り弁制御装置を備える内燃機関 Download PDF

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本発明は、過給圧を制御する過給圧制御部材を制御する過給機制御装置と、排気浄化装置の温度を制御するために排気絞り弁を制御する排気絞り弁制御装置とを備える内燃機関に関する。
排気通路に配置される排気浄化装置および排気絞り弁を備える内燃機関において、排気絞り弁を閉じ側の開度に制御することにより、排気ガスの圧力を高めることで排気ガスの温度が上昇することを利用して、排気浄化装置が早期に活性温度に達するようにしたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、排気ガスの運動エネルギを利用して吸入空気を加圧する過給機と、排気通路に配置された排気浄化装置および排気絞り弁とを備える内燃機関において、排気絞り弁を閉じ側の開度に制御したときに、背圧が所定圧力以上となる場合、内燃機関のポンプ損失の過剰な増加を抑制するために、過給圧を低下させるものが知られている(例えば、特許文献2参照)。
特許第2817852号公報 特開2008−63987号公報
排気浄化装置を早期に活性温度まで高めるために、排気絞り弁の開度を小さくすることにより、排気浄化装置の加熱が促進される一方で、排気ガスの運動エネルギを利用して過給を行う過給機では、排気ガスの運動エネルギが小さくなって、所望の過給圧を得ることが困難になり、また内燃機関のポンプ損失が増大して、燃費性能や出力性能が低下する。
一方で、ポンプ損失の増加を抑制するために、過給圧を低下させると、内燃機関の加速性などの過渡応答性が低下し、運転性が低下する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、請求項1〜7記載の発明は、過給機、排気浄化装置および排気絞り弁を備える内燃機関において、排気絞り弁の開度を制御することにより、排気浄化装置の目標温度への早期到達を図りながら、高い過給圧の確保による運転性の向上を図ることを目的とする。そして、請求項2記載の発明は、さらに、排気絞り弁の開度を温度用開度よりも大きくすることにより、排気絞り弁により過給圧の上昇を図ることを目的とし、請求項3,4記載の発明は、さらに、排気絞り弁の制御により過給圧を上昇させながら、排気絞り弁の閉じ側開度による加熱促進の低下を抑制することを目的とし、請求項7記載の発明は、さらに、排気浄化装置の目標温度を安定して維持することを目的とする。
請求項1記載の発明は、排気通路(6)を流れる排気ガスの運動エネルギを利用して吸入空気を加圧する吸気加圧部(11)と、過給圧を制御する過給圧制御部材(13)とを備える過給機(10)と、前記過給圧制御部材(13)を制御する過給機制御装置(C2)と、前記排気通路(6)に配置されて排気ガスを浄化する排気浄化装置(7)と、前記排気通路(6)に配置されての排気ガスの流量を制御する排気絞り弁(8)と、前記排気絞り弁(8)の開度を制御する排気絞り弁制御装置(C3)と、機関状態を検出する状態検出手段(30)とを備える内燃機関において、前記状態検出手段(30)は、前記過給圧を実過給圧(P)として検出する過給圧検出手段(33)と、前記排気浄化装置(7)の温度を実温度(T)として検出する温度検出手段(35)と、前記過給圧制御部材(13)の作動状態を実作動状態(S)として検出する作動状態検出手段(34)とを備え、前記過給機制御装置(C2)は、目標過給圧算出手段(45)により算出された目標過給圧(Po)と前記実過給圧(P)との圧力差(ΔP)に基づいて前記作動状態を制御し、前記排気絞り弁制御装置(C3)は、前記排気浄化装置(7)が活性状態にあるときの温度または再生可能状態にあるときの温度である目標温度(To)と前記実温度(T)との温度差(ΔT)に基づいて前記排気絞り弁(8)の温度用開度(Dt)を設定する温度用開度設定手段(51)を備え、前記排気絞り弁制御装置(C3)は、前記実温度(T)が前記目標温度(To)よりも低く、かつ前記実作動状態(S)は前記過給圧制御部材(13)が前記過給圧を高めるときの限界となる限界作動状態でないとき、前記排気絞り弁(8)を、前記実温度(T)が前記目標温度(To)であるときの基準開度(Dc)に比べて閉じ側の前記温度用開度(Dt)に制御し、前記排気絞り弁制御装置(C3)は、前記実温度(T)が前記目標温度(To)よりも低く、かつ前記実過給圧(P)が前記目標過給圧(Po)よりも低く、かつ前記圧力差(ΔP)が許容圧力差(ΔPo)を超えており、かつ前記実作動状態(S)が前記限界作動状態であるとき、前記排気絞り弁(8)を前記温度用開度(Dt)よりも開き側の圧力用開度(Dp)に制御する内燃機関である。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の内燃機関であって、前記圧力用開度(Dp)は前記基準開度(Dc)よりも閉じ側の開度であるものである。
請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の内燃機関であって、も前記排気絞り弁制御装置(C3)は、前記温度用開度(Dt)と、前記圧力差(ΔP)に基づいて算出された開度増分(ΔD)とを加算することにより前記圧力用開度(Dp)を設定する圧力用開度設定手段(55)を備え、前記開度増分(ΔD)は、同じ前記圧力差(ΔP)に対して、前記温度用開度(Dt)が小さいときほど小さいものである。
請求項4記載の発明は、請求項1〜3記載のいずれか1項記載の内燃機関であって、前記排気絞り弁制御装置(C3)は、前記実過給圧(P)が前記目標過給圧(Po)を超えているとき、前記排気絞り弁(8)を前記温度用開度(Dt)に制御するものである。
請求項5記載の発明は、請求項1〜4記載のいずれか1項記載の内燃機関であって、前記実過給圧(P)が前記目標過給圧(Po)よりも低く、かつ前記圧力差(ΔP)が許容圧力差(ΔPo)を超えており、かつ前記過給圧制御部材(13)が前記限界作動状態にないとき、前記過給機制御装置(C2)は前記圧力差(ΔP)に応じて前記過給圧制御部材(13)の前記作動状態を制御し、かつ前記排気絞り弁制御装置(C3)は前記排気絞り弁(8)を前記温度用開度(Dt)に制御するものである。
請求項6記載の発明は、請求項1〜5のいずれか1項記載の内燃機関であって、前記温度用開度設定手段(51)は、前記温度差(ΔT)と、前記排気通路(6)内の排気ガス流量を検出する排気流量検出手段(36)により検出される排気流量(Qe)とに基づいて前記温度用開度(Dt)を設定するものである。
請求項1記載の発明によれば、目標温度未満の温度にある排気浄化装置では、排気絞り弁が温度用開度に制御されて基準開度よりも閉じ側の開度となることで、排気浄化装置の加熱が促進されて、活性温度または再生温度である目標温度に早期に到達することが可能になり、排気浄化性能または浄化性能を回復するための再生処理の効率が向上する。しかも、過給圧に関しては、過給圧制御部材による過給圧の上昇が可能であるので、該過給圧制御部材の制御により過給圧を目標過給圧にすることができることから、所望の過給圧を得ることができて、内燃機関の運転性が向上する。さらに、実過給圧が目標過給圧よりも許容圧力差を超えて低いにも拘わらず、かつ過給機の過給圧制御部材が限界作動状態にあるために、過給圧制御部材の制御による過給圧の上昇が不可能である場合に、排気絞り弁の開度を大きくすることにより、排気ガスの運動エネルギを増加させて、過給圧を上昇させて目標過給圧に近づけることができるので、運転性が向上する。
請求項2記載の事項によれば、排気絞り弁の圧力用開度は基準開度よりも小さいので、排気絞り弁の制御による排気浄化装置の加熱促進の低下を抑制できる。この結果、過給圧の上昇による良好な運転性を確保しながら、排気浄化装置の温度を目標温度へ早期に到達させることが可能になる。
請求項3記載の事項によれば、温度用開度に加算される開度増分は、温度用開度が小さいほど小さいので、排気浄化装置の加熱の必要性が大きいときほど、該加熱の抑制度合いが小さくなる。この結果、過給圧の上昇による良好な運転性を確保しながら、排気浄化装置の温度を目標温度へ早期に到達させることが可能になる。
請求項4記載の事項によれば、過給圧が目標過給圧を超えたときには、排気浄化装置の加熱を優先するので、排気浄化装置の温度を目標温度へ一層早く到達させることが可能になる。
請求項5記載の事項によれば、実過給圧が目標過給圧よりも小さい場合にも、過給圧制御部材が限界作動状態にないときは、過給圧制御部材の制御により過給圧が目標過給圧に近づくように制御されるので、良好な運転性が確保される。そして、排気浄化装置においては、排気絞り弁が温度用開度に制御されることで、排気浄化装置の温度の目標温度へ早期到達が可能になる。
請求項6記載の事項によれば、排気絞り弁の温度用開度が、温度差のほかに、排気流量検出手段により検出された排気流量にも基づいて制御されるので、排気浄化装置の温度が速やかに目標温度に達するようにでき、しかも排気浄化装置の温度が目標温度に対してオーバシュートすることが抑制されて、目標温度を安定して維持できる。この結果、排気浄化性能や再生処理の効率の向上が可能になり、さらに、排気浄化装置の過度の温度上昇が防止されて、その耐久性を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態を図1〜図9を参照して説明する。
図1を参照すると、本発明が適用された内燃機関Eは、車両に搭載される1以上の気筒、ここでは複数の気筒を有するディーゼル機関である。
内燃機関Eは、燃焼室と該燃焼室内の燃焼ガスの圧力により駆動されてクランク軸を回転駆動するピストンとが設けられる機関本体1と、空気を取り入れるエアクリーナ2aを備えると共に吸入空気を前記燃焼室に導く吸気通路3を形成する吸気装置2と、エアクリーナ2aからの吸入空気を加圧する過給機としての排気ターボ過給機10と、前記燃焼室内の吸入空気に燃料を噴射して混合気を形成する燃料噴射弁4と、前記燃焼室内での前記混合気の燃焼により発生した燃焼ガスを排気ガスとして内燃機関Eの外部に導く排気通路6を形成する排気装置5とを備える。
排気装置5は、排気通路6に配置されて排気ガスを浄化する排気浄化装置としての触媒装置であるリーンNOx触媒装置7と、排気通路6を流れる排気ガスの流量を制御する排気絞り弁8とを備える。蝶形弁から構成される排気絞り弁8は、排気通路6において触媒装置7の下流に配置される。触媒装置7は、例えば白金などを担体に担持させた触媒装置、または金属炭化物または金属窒化物からなる担体にイリジウムおよびアルカリ土類金属を担持させた選択還元型触媒装置である。
過給機10は、吸入空気を加圧するコンプレッサ11と、排気ガスにより駆動されてコンプレッサ11を駆動する排気駆動部としてのタービン12と、タービン12に流入する排気ガスの流れを制御することでコンプレッサ11により加圧された吸入空気の過給圧を制御する過給圧制御部材としての可変ベーン13とを備える。コンプレッサ11は、吸気通路3においてエアクリーナ2aの下流に配置され、タービン12は、排気通路6において触媒装置7および排気絞り弁8の上流に配置される。
コンプレッサ11は、排気ガスの運動エネルギにより回転駆動されるタービン12と一体に回転する駆動軸14を介して該タービン12により回転駆動されることから、排気ガスの運動エネルギを利用して吸入空気を加圧する吸気加圧部である。
可変ベーン13は、排気通路6においてタービン12への排気ガスの入口通路に配置された1以上の、ここでは複数の揺動可能な可動ベーンから構成されて、該入口通路の通路面積を変更することにより、タービン12に流入する排気ガスの流速を変更可能である。そのため、可変ベーン13は、予め設定された作動範囲において、排気ガスの流速を増加させて過給圧を上昇させるときの限界の作動位置である低圧側限界作動位置としての最小開度位置と、排気ガスの流速を減少させて過給圧を低下させるときの限界の作動位置である高圧側限界作動位置としての最大開度位置とにより規定される前記作動範囲で、その作動状態としての作動位置が変更され、したがって可変ベーン13の開度が変更される。
そして、可変ベーン13が最小開度位置を占めている状態は、前記入口通路の通路面積が最小になって、過給圧を上昇させるときの低圧側限界作動状態であり、可変ベーン13が最大開度位置を占めている状態は、前記入口通路の通路面積が最大になって、過給圧を低下させるときの高圧側限界作動状態である。
内燃機関Eは、該内燃機関Eの運転状態を制御する運転制御装置20と、可変ベーン13を駆動してその作動位置を変更可能な駆動手段であるアクチュエータ22と、排気絞り弁8を駆動してその開度を変更可能な駆動手段であるアクチュエータ23とを備える。
図2を併せて参照すると、運転制御装置20は、内燃機関Eの機関運転状態を含む機関状態を検出する状態検出手段30と、状態検出手段30により検出された機関状態に応じて燃料噴射弁4および各アクチュエータ22,23の動作を制御する電子制御ユニット(以下、「ECU」という。)21とを備える。
ECU21は、入出力インターフェース、中央演算処理装置、各種の制御プログラムおよび各種のマップなどが記憶された記憶装置を備えるコンピュータから構成される。そして、前記マップには、後述するマップM,M,M,M(図7,図8参照)が含まれる。
ECU21は、燃料噴射弁4、可変ベーン13および排気絞り弁8を、状態検出手段30により検出される機関状態に応じてそれぞれ制御する燃焼制御手段41、過給制御手段42および開度制御手段43を備える。
ここで、燃焼制御手段41および燃料噴射弁4は、内燃機関Eの燃焼状態を機関状態に応じて制御する燃焼制御装置C1を構成し、過給制御手段42およびアクチュエータ22は、機関状態に応じて制御する過給機制御装置C2を構成し、開度制御手段43およびアクチュエータ23は、排気絞り弁8の開度を機関状態に応じて制御する排気絞り弁制御装置C3を構成する。
状態検出手段30は、内燃機関Eの機関回転速度Neを検出する回転速度検出手段31と、アクセル操作量Aを検出するアクセル操作量検出手段32、吸気通路3においてコンプレッサ11よりも下流の吸入空気の過給圧を実過給圧Pとして検出する過給圧検出手段33と、可変ベーン13の作動位置を実作動位置Sとして検出する作動状態検出手段としての位置検出手段34と、触媒装置7の温度を実温度Tとして検出する温度検出手段35と、排気通路6を流れる排気ガスの流量である排気流量Qeを検出する排気流量検出手段36と、吸気通路3に配置されて吸入空気量Qaを検出する吸入空気量検出手段37と、燃料噴射弁4から噴射される燃料量Qfを検出する燃料量検出手段38とを備える。
ここで、これら検出手段31〜38のそれぞれの一部または全部、および、各制御手段41〜43は、ECU21の機能として、該ECU21に備えられる。
触媒装置7の温度には、触媒装置7における触媒自体の温度、または該触媒を担持する担体の温度、または該触媒または該担体の温度の指標となる温度を有する排気ガスの温度が含まれる。
排気流量検出手段36は、吸入空気量検出手段37により検出された吸入空気量Qaおよび燃料量検出手段38により検出された燃料量Qfに基づいて排気流量Qeを算出する。
燃焼制御手段41は、機関回転速度Neおよびアクセル操作量Aに基づいて燃料噴射弁4から噴射される燃料量Qfおよびその噴射時期を設定し、燃焼制御装置C1は、機関回転速度Neおよびアクセル操作量Aに応じた燃料量Qfおよび前記噴射時期で燃料噴射弁4を制御する。
過給機制御装置C2は、実過給圧Pと、目標過給圧Poと実過給圧Pとの絶対値である圧力差ΔP(図8参照)と、実作動位置Sとに応じてアクチュエータ22を介して可変ベーン13の作動位置を制御することにより、実過給圧Pが目標過給圧Poになるようにフィードバック制御で過給圧を制御する。以下、過給機制御装置C2によるこの過給圧制御を「過給機側過給圧制御」という。
ここで、目標過給圧Poは、ECU21が備える目標過給圧算出手段45により、いずれも機関状態である機関回転速度Neおよびアクセル操作量Aに基づいて算出される。
前記過給機側過給圧制御において、過給機制御装置C2は、実過給圧Pが目標過給圧Poよりも低いとき、可変ベーン13を最小開度位置に向けて移動させることにより、過給圧を上昇させて目標過給圧Poに近づける一方、実過給圧Pが目標過給圧Poを超えているとき、可変ベーン13を最大開度位置に向けて移動させることにより、過給圧を低下させて目標過給圧Poに近づける。そして、実過給圧Pが目標過給圧Poに等しいとき、過給機制御装置C2は、可変ベーン13の作動位置を変更することなく維持する。
また、過給機制御装置C2は、圧力差ΔPが許容圧力差ΔPoを超えており、かつ位置検出手段34により検出される可変ベーン13の実作動状態としての実作動位置Sが最小開度位置であるとき、可変ベーン13の作動位置を該最小開度位置に維持する。
この許容圧力差ΔPoは、過給圧の変動による内燃機関Eの出力変動を抑制する観点から設定される。
排気絞り弁制御装置C3は、実温度Tと温度差ΔT(図7参照)と排気流量Qeとに応じて、さらに、実過給圧Pと圧力差ΔPと実作動位置Sとに応じて、アクチュエータ23を介して排気絞り弁8の開度を制御する。
ここで、温度差ΔTは、触媒装置7が活性状態にあるときの温度である目標温度To(図9参照)と実温度Tとの差の絶対値である(図7参照)。予め定められる目標温度Toは、触媒装置7の活性温度Ta(図9参照)よりも所定温度だけ高い温度であり、活性温度Taは触媒装置7が活性状態にあるときの最低温度である。したがって、活性温度Taおよび目標温度Toは、いずれも触媒装置7が活性状態にあるとき温度である。また、前記所定温度は、排気ガスの温度変動により触媒装置7の温度が活性温度Ta未満になることなく良好な浄化性能を維持する観点から、浄化率が最も高くなる温度またはその近傍の温度に設定される。
開度制御手段43は、実温度T、温度差ΔTおよび排気流量Qeに基づいて排気絞り弁8の温度用開度Dtを設定する温度用開度設定手段51と、実過給圧P、圧力差ΔPおよび温度用開度Dtに基づいて排気絞り弁8の圧力用開度Dpを設定する圧力用開度設定手段55と、圧力差ΔPおよび実作動位置Sに基づいて排気絞り弁8の開度を決定する開度決定手段59とから構成される。
ここで、温度用開度設定手段51および圧力用開度設定手段55は、開度制御手段43において開度設定手段を構成する。また、温度用開度Dtは、触媒装置7の温度を制御して目標温度Toにするための開度であり、圧力用開度Dpは、過給圧を制御して目標過給圧Poに近づけるための開度である。
そして、排気絞り弁8がより閉じ側の開度(すなわち、より小さい開度)に制御されることにより、排気ガスの運動エネルギが減少する一方で、触媒装置7の背圧(触媒装置7の下流側の排気ガスの圧力)が上昇し、排気絞り弁8の上流で排気ガスの温度が上昇して、該排気ガスによる触媒装置7の加熱が促進される。
また、排気絞り弁8がより開き側の開度(すなわち、より大きい開度)に制御されることにより、排気ガスの運動エネルギが増加する一方で、触媒装置7の背圧が低下し、排気絞り弁8の上流で排気ガスの温度が下降して、排気ガスによる触媒装置7の加熱が抑制され、または冷却される。そして、排気絞り弁8がより開き側の開度に制御されるとき、タービン12の背圧(タービン12の下流側の排気ガスの圧力)が低下し、タービン12に流入する排気ガスの流速が上昇する。このため、タービン12の回転速度が上昇するため、タービン12により回転駆動されるコンプレッサ11の回転速度が上昇して過給圧が上昇する。
温度用開度設定手段51は、実温度T、温度差ΔTおよび排気流量Qeに基づいて触媒装置7の温度の温度変更量Tcを算出する温度変更量算出手段52と、温度変更量Tcに基づいて排気絞り弁8の温度用開度Dtを算出する温度用開度算出手段53とから構成される。
図2,図3,図4,図7を参照すると、温度変更量算出手段52は、目標温度Toと実温度Tとの差の絶対値である温度差ΔTを算出し、さらに該温度差ΔTおよび排気流量Qeを変数とする3次元マップであるマップM,Mを検索することにより、温度差ΔTおよび排気流量Qeに基づいた温度変更量Tcを算出する。この温度変更量Tcは、触媒装置7の温度を上昇させる温度上昇量Tuと、触媒装置7の温度を下降させる温度下降量Tdとからなる。
具体的には、図3に示されるように、実温度Tが目標温度To以下のときに検索される温度上昇量マップMにおいて、温度変更量Tcである温度上昇量Tuは、温度差ΔTが低温側の所定温度差ΔT以上であるときに最大値Tumとなり、温度差ΔTが所定値ΔT未満であるときに温度差ΔTの減少に応じて温度上昇量Tuが連続的に減少する値となるように設定されている。
また、図4に示されるように、実温度Tが目標温度Toを超えるときに検索される温度下降量マップMにおいて、温度変更量Tcである温度下降量Tdは、温度差ΔTが高温側の所定値ΔT以上であるときに最大値Tdmとなり、温度差ΔTが所定値ΔT未満であるときに温度差ΔTの減少に応じて温度下降量Tdが連続的に減少する値となるように設定されている。
各所定値ΔT,ΔTは、目標温度Toに向けての温度上昇時のオーバシュートおよび温度下降時のオーバシュートを抑制する観点から、実験等により適宜設定される。
そして、排気ガスの流量が多いときは、排気ガスと触媒装置7(図1参照)との間での単位時間当たりの熱の移動量が大きくなるので、図3,図4に破線で排気流量Qe1、Qe2により例示されるように、排気流量Qeの増加に応じて各所定温度差ΔT,ΔTが増加するように、該所定温度差ΔT,ΔTが排気流量Qeに応じて変更される。
なお、図3,図4において、実線で示される特性は、排気流量Qe1、Qe2よりも小さい排気流量Qでの温度差ΔTと温度上昇量Tu、温度下降量Tdとの関係を示している。また、排気流量Qe2は排気流量Qe1よりも大きい。
このように、所定値ΔT,ΔTは、排気流量Qeが増加するに応じて増加することにより、排気流量Qeが増加するときに、温度差ΔTが比較的大きい時期から温度変更量Tcが減少し始めるので、目標温度Toに対するオーバシュートを一層抑制できる。
図5を併せて参照すると、温度用開度算出手段53は、温度変更量算出手段52で算出された温度変更量Tcを変数とする2次元のマップである開口率マップMを検索することにより、温度変更量Tcに対応する開口率α(図5参照)を算出し、該開口率αに相当する排気絞り弁8(図1参照)の温度用開度Dtを算出する。マップMにおいて、開口率αは、温度上昇量Tuの減少(または増加)および温度下降量Tdの増加(または減少)に応じて連続的に増加(または減少)するように設定されている。
ここで、開口率αは、排気絞り弁8の全開時の開口面積に対する全開時以外での開度の開口面積の比であり、最小開度と全開と間で連続した値を有する。該最小開度は、内燃機関Eの運転を可能にする排気ガスの排出を許容するための開度である。
このような温度差ΔTと温度変更量Tcとの関係により、触媒装置7の温度を目標温度Toまで上昇させるときに、温度差ΔTが所定値ΔT未満となって小さくなるとき、連続的に減少する温度上昇量Tuと共に排気絞り弁8の温度用開度Dtが連続的に増加するので、触媒装置7の温度上昇時における目標温度Toに対するオーバシュートを効果的に抑制でき、また、触媒装置7の温度を目標温度Toまで下降させるときに、目標温度Toと実温度Tとの温度差ΔTが所定値ΔT未満となって小さくなるとき、連続的に減少する温度下降量Tdと共に排気絞り弁8の温度用開度Dtも連続的に減少するので、排気絞り弁8の温度用開度Dtが大きくなる温度下降時における目標温度Toに対するオーバシュートを効果的に抑制できる。
図2を参照すると、圧力用開度設定手段55は、圧力差ΔPおよび温度用開度Dtに基づいて、温度用開度Dtに対して排気絞り弁8を開き側に制御する開度増分ΔDを算出する開度増分算出手段56と、開度増分ΔDに基づいて排気絞り弁8の圧力用開度Dpを算出する圧力用開度算出手段57とから構成される。
併せて図6,図8を参照すると、開度増分算出手段56は、圧力差ΔPおよび温度用開度Dtを変数とする3次元マップである開度増分マップMを検索することにより、圧力差ΔPおよび温度用開度Dtに基づいた圧力用開度Dpを算出する。
開度増分マップMにおいて、開度増分ΔDは、圧力差ΔPの減少に応じて連続的に減少する値となり、圧力差ΔPが許容圧力差ΔPoに等しいときにゼロとなるように設定されている。そして、触媒装置7の温度が目標温度Toよりも低いときほど、触媒装置7の浄化性能を高めるために触媒装置7の温度の極力早期に目標温度Toに近づけることが好ましいことから、図6に破線で示される温度用開度Dt1,Dt2により例示されるように、同じ圧力差ΔPに対して、温度用開度Dtが小さいときほど開度増分ΔDが小さくなるように、開度増分ΔDが温度用開度Dtに応じて変更される。
なお、図6において、実線で示される特性は、温度用開度Dt1,Dt2よりも小さい温度用開度Dtでの圧力差ΔPと開度増分ΔDとの関係を示している。また、温度用開度Dt1は温度用開度Dt2よりも小さい。
圧力用開度算出手段57は、温度用開度Dtと開度増分ΔDとを加算することにより、圧力用開度Dpを算出する。この圧力用開度Dpは、この実施形態では、実温度Tが目標温度Toであるときの排気絞り弁8の開度である基準開度Dc(図5参照)よりも閉じ側の開度となるように設定される。
そして、排気絞り弁8が、温度用開度Dtに対して開度増分ΔDだけ開き方向に移動してその開度が増加することにより、排気通路6において排気絞り弁8よりも上流の排気ガスの圧力が低下して、タービン12の下流の排気ガスの圧力が低下する。このため、可変ベーン13を通過する排気ガスの流速が増加して、タービン12の回転速度が上昇するので、過給圧が上昇する。
図2,図8を参照すると、開度決定手段59は、温度用開度Dtおよび圧力用開度Dpのいずれか一方の開度のみを設定開度Dとして選択し、該設定開度Dに対応する制御信号をアクチュエータ23に出力して、排気絞り弁8を設定開度Dに制御する。
具体的には、開度決定手段59は、可変ベーン13の作動位置が前記最小開度位置を占めていないとき(または、実作動位置Sが最小開度位置でないとき)に、および、実過給圧Pが目標過給圧Poを超えるときに、温度用開度Dtを選択する一方、圧力差ΔPが許容圧力差ΔPoを超えており、かつ実作動位置Sが最小開度位置であるときに、圧力用開度Dpを選択する。
図2,図7〜図9を参照して、過給機制御装置C2および排気絞り弁制御装置C3ついて説明する。
先ず、図2を参照しながら図7を主に参照して、温度用開度設定手段51による温度用開度Dtの算出する手順および温度用開度設定手段51の機能について説明する。
内燃機関Eの運転開始後、ステップS1で、温度検出手段35により検出された触媒装置7(図1参照)の実温度Tおよび排気流量検出手段36により検出された排気流量Qeが読み込まれる。次いで、ステップS2で、触媒装置7の目標温度Toと実温度Tとが比較されて、ステップS2での判定が肯定されて実温度Tが目標温度To以下であるとき、ステップS3に進んで、目標温度Toと実温度Tとの差の絶対値である温度差ΔTが算出される。
その後、ステップS4で、温度差ΔTと排気流量Qeとに基づいてマップM(図3参照)が検索されて、温度差ΔTおよび排気流量Qeに応じた温度上昇量Tuが算出される。
次いで、ステップS5に進んで、ステップS4で得られた温度変更量Tc(図5参照)である温度上昇量Tuを実現するための排気絞り弁8の開口率αがマップM(図5参照)を検索することにより算出され、該開口率αが温度用開度Dtに換算されて、排気絞り弁8の温度用開度Dtが算出される。
一方、ステップS2での判定が否定されて実温度Tが目標温度Toを超えるとき、ステップS6に進んで目標温度Toと実温度Tとの差の絶対値である温度差ΔTが算出される。その後、ステップS7で、温度差ΔTと排気流量Qeとに基づいてマップM(図4参照)が検索されて、温度差ΔTおよび排気流量Qeに応じた温度下降量Tdが算出される。
次いで、ステップS5に進んで、ステップS7で得られた温度下降量Tdを実現するための排気絞り弁8の開口率αがマップM(図5参照)を検索することにより算出され、該開口率αに基づいて温度用開度Dtが算出される。
それゆえ、このステップS3,S4,S6,S7に関するECU21の機能が、温度変更量算出手段52を構成し、ステップS5に関するECU21の機能が温度用開度算出手段53を構成する。
図2を参照しながら図8を主に参照して、過給機制御装置C2および排気絞り弁制御装置C3により実行される可変ベーン13および排気絞り弁8の制御手順、過給機制御装置C2および排気絞り弁制御装置C3の機能について説明する。
内燃機関Eの運転開始後、ステップS11で、過給圧検出手段33により検出された実過給圧P、温度用開度設定手段51により算出された温度用開度Dtおよび機関状態に応じて目標過給圧算出手段45により算出された目標過給圧Poが読み込まれる。次いで、ステップS12で、目標過給圧Poと実過給圧Pとが比較され、実過給圧Pが目標過給圧Po以下であるとき、ステップS13に進んで、目標過給圧Poと実過給圧Pとの差の絶対値である圧力差ΔPが算出される。
その後、ステップS14で、圧力差ΔPが許容圧力差ΔPoと比較され、圧力差ΔPが許容圧力差ΔPo以下であるとき、ステップS15に進んで、過給圧に関して、過給機制御装置C2により可変ベーン13の作動位置が制御されることで、タービン12を介してコンプレッサ11の回転速度が制御されて、過給圧が目標過給圧Poになるように前記過給機側過給圧制御が実行され、また触媒装置7の温度に関して、排気絞り弁制御装置C3により排気絞り弁8を温度用開度Dtにする制御が実行される。
そして、排気絞り弁8の開度が温度用開度Dtに制御されるとき、排気絞り弁8の開度が基準開度Dc(すなわち基準開口率αc)(図5参照)に制御されると、触媒装置7(図1参照)の温度が目標温度To(図7参照)に維持される。このため、該基準開度Dc(基準開口率αc)を境に、排気絞り弁8が閉じ側に移動して開口率αが減少することにより、触媒装置7の背圧が上昇して、排気ガスの温度が上昇することで触媒装置7の温度が上昇する。一方、該基準開度Dc(基準開口率αc)を境に、排気絞り弁8が開き側に移動して開口率αが増加することにより、触媒装置7の背圧が下降して、排気ガスの温度が下降することで、触媒装置7の温度が下降し、さらにポンプ損失が減少する。
この排気絞り弁制御装置C3による触媒装置7の温度制御により、図9に示されるように、実温度Tが目標温度To以下の場合である触媒装置7の昇温過程では、温度差ΔTが大きいときには、排気絞り弁8の温度用開度Dtが最小開度(図5参照)に維持されて、触媒装置7の温度が速やかに上昇して、活性温度Taおよび目標温度Toへの早期到達を実現し、温度差ΔTの減少に応じて排気絞り弁8の開度の温度用開度Dtが連続的に増加されて、目標温度Toに達した後のオーバシュートが抑制される。また、触媒装置7の温度が目標温度Toに達した後の目標温度維持過程では、目標温度Toに対する温度下降時および温度上昇時のオーバシュートが抑制される。
一方、ステップS14での判定が否定されて圧力差ΔPが許容圧力差ΔPoを超えるとき、ステップS16に進んで位置検出手段34により検出される可変ベーン13の実作動位置Sが最小開度位置であるか否かが判定される。ステップSの判定が否定されて、実作動位置Sが最小開度位置でないとき(すなわち最小開度位置以外の作動位置であるとき)は、可変ベーン13の作動位置の制御により過給圧を上昇させることが可能であるので、ステップSに進んで前記過給機側過給圧制御が実行され、排気絞り弁8については、可変ベーン13の作動位置および過給圧に無関係に温度用開度Dtによる制御が実行される。
また、ステップS16での判定が否定されて、実作動位置Sが最小開度位置であるとき、可変ベーン13の作動位置を制御することにより過給圧を上昇させることができないので、排気絞り弁8の開度を制御することにより過給圧の上昇が図られる。そのため、ステップS17では、圧力差ΔPと温度用開度Dtとに基づいてマップM(図6参照)が検索されて、圧力差ΔPおよび温度用開度Dtに応じた開度増分ΔDが算出される。
次いで、ステップS18に進んで、温度用開度Dtと開度増分ΔDとが加算されて、圧力用開度Dpが算出される。そして、ステップS19において、過給機制御装置C2により可変ベーン13の作動位置が最小開度位置に維持された状態で、排気絞り弁制御装置C3により、排気絞り弁8が、温度用開度Dtよりも開度増分ΔDだけ開き側の開度(すなわち、大きな開度)である圧力用開度Dpに制御されて、排気絞り弁8の開度制御による過給圧制御が実行される。このため、タービン12の背圧が低下して、タービン12の回転速度が増加することで、コンプレッサ11の回転速度が増加し、過給圧が上昇して目標過給圧Poに近づく。
また、ステップS12で実過給圧Pが目標過給圧Poを超えるとき、ステップS15に進んで、可変ベーン13の作動位置の制御による過給機側過給圧制御が実行され、触媒装置7の温度について、温度用開度Dtによる排気絞り弁8の開度制御が実行される。
それゆえ、ステップS12〜14,16、ステップS15での可変ベーン13による過給圧制御、および、ステップS19での可変ベーン13の制御に関するECU21の機能が過給制御手段42を構成する。
また、ステップS17に関するECU21の機能が開度増分算出手段56を構成し、ステップS18に関するECU21の機能が圧力用開度算出手段57を構成する。そして、ステップS14,16、ステップS15での排気絞り弁8の制御、および、ステップS19での排気絞り弁8の制御に関するECU21の機能が開度決定手段59を構成する。
次に、前述のように構成された実施形態の作用および効果について説明する。
排気ターボ過給機10と浄化装置7と排気絞り弁8とを備える内燃機関Eにおいて、過給機制御装置C2は目標過給圧Poと実過給圧Pとの圧力差ΔPに基づいて可変ベーン13の作動位置を制御し、排気絞り弁制御装置C3は、触媒装置7が活性状態にあるときの温度である目標温度Toと実温度Tとの温度差ΔTに基づいて排気絞り弁8の温度用開度Dtを設定する温度用開度設定手段51を備え、排気絞り弁制御装置C3は、実温度Tが目標温度Toよりも低く、かつ可変ベーン13が過給圧を高めるときの限界となる限界作動状態である最小開度位置を占めていないとき、触媒装置7の温度を上昇させるために、排気絞り弁8を基準開度Dcに比べて閉じ側の温度用開度Dtに制御する。これにより、目標温度To未満の温度にある触媒装置7では、排気絞り弁8が温度用開度Dtに制御されて基準開度Dcよりも閉じ側の開度となることで、触媒装置7の加熱が促進されて、目標温度Toに早期に到達することが可能になり、排気浄化性能が向上する。しかも、過給圧に関しては、可変ベーン13による過給圧の上昇が可能であるので、該可変ベーン13の制御により過給圧を目標過給圧Poにすることができることから、所望の過給圧を得ることができて、内燃機関Eの運転性が向上する。
排気絞り弁制御装置C3は、実温度Tが目標温度Toよりも低く、かつ実過給圧Pが目標過給圧Poよりも低く、かつ圧力差ΔPが許容圧力差ΔPoを超えており、かつ位置検出手段34で検出される可変ベーン13の実作動位置Sが最小開度位置であるとき、排気絞り弁8を温度用開度Dtよりも開き側の圧力用開度Dpに制御することにより、実過給圧Pが目標過給圧Poよりも許容圧力差ΔPoを超えて低いにも拘わらず、かつ過給機10の可変ベーン13が限界作動状態にあるために、可変ベーン13の制御による過給圧の上昇が不可能である場合に、排気絞り弁8の開度を大きくすることにより、排気ガスの運動エネルギを増加させて、過給圧を上昇させて目標過給圧Poに近づけることができるので、運転性が向上する。
排気絞り弁制御装置C3は、温度用開度Dtと、圧力差ΔPに基づいて算出された開度増分ΔDとを加算することにより圧力用開度Dpを設定する圧力用開度設定手段55を備え、開度増分ΔDは、同じ圧力差ΔPに対して、温度用開度Dtが小さいときほど小さいことにより、温度用開度Dtに加算される開度増分ΔDは、温度用開度Dtが小さいほど小さいので、排気浄化装置の加熱の必要性が大きいときほど、該加熱の抑制度合いが小さくなる。この結果、過給圧の上昇による良好な運転性を確保しながら、排気浄化装置の温度を目標温度Toへ早期に到達させることが可能になる。
排気絞り弁制御装置C3は、実過給圧Pが目標過給圧Poを超えているとき、排気絞り弁8を温度用開度Dtに制御することにより、過給圧が目標過給圧Poを超えたときには、触媒装置7の加熱を優先するので、触媒装置7の温度を目標温度Toへ一層早く到達させることが可能になる。
実過給圧Pが目標過給圧Poよりも低く、かつ圧力差ΔPが許容圧力差ΔPoを超えており、かつ可変ベーン13が最小開度位置にないとき、過給機制御装置C2は圧力差ΔPに応じて可変ベーン13を制御し、かつ排気絞り弁制御装置C3は排気絞り弁8を温度用開度Dtに制御することにより、実過給圧Pが目標過給圧Poよりも小さい場合にも、可変ベーン13が最小開度位置にないときは、可変ベーン13の制御により過給圧が目標過給圧Poに近づくように制御されるので、良好な運転性が確保される。そして、触媒装置7においては、排気絞り弁8が温度用開度Dtに制御されることで、触媒装置7の温度の目標温度Toへ早期到達が可能になる。
温度用開度設定手段51は、温度差ΔTと、排気通路6内の排気ガス流量を検出する排気流量検出手段36により検出される排気流量Qeとに基づいて温度用開度Dtを設定することにより、排気絞り弁8の温度用開度Dtが、目標温度Toと温度検出手段35により検出された実温度Tとの温度差ΔTのほかに、排気流量検出手段36により検出された排気流量Qeにも基づいて制御されるので、触媒装置7の温度が速やかに目標温度Toに達するようにでき、しかも触媒装置7の温度が目標温度Toに対してオーバシュートすることが抑制されて、目標温度Toを安定して維持できる。この結果、排気浄化性能の向上が可能になり、さらに、過度の温度上昇が防止されて、触媒装置7の耐久性を向上させることができる。
以下、前述した実施形態の一部が変更された形態について、変更された部分を中心に説明する。
圧力用開度Dpは、基準開度Dcよりも閉じ側の開度となるように設定されてもよい。このように、圧力用開度Dpが基準開度Dcよりも閉じ側の開度であることにより、排気絞り弁8の圧力用開度Dpは基準開度Dcよりも小さいので、排気絞り弁8の開度制御による触媒装置7の加熱促進の低下を抑制できる。この結果、過給圧の上昇による良好な運転性を確保しながら、触媒装置7の温度を目標温度Toへ早期に到達させることが可能になる。
過給圧制御部材は、タービン12に流入する排気ガスの流量を制御する流量制御弁(例えば排気バイパス弁)、コンプレッサ11により加圧された吸入空気を放出する放出するリリーフ弁、コンプレッサ11を回転駆動する補助アクチュエータ(例えば電動モータ)であってもよい。
排気絞り弁8は、前記実施形態では触媒装置7(つまり排気浄化装置)の下流に配置されたが、排気通路6において触媒装置7の上流で、かつタービン12の下流に配置されてもよい。すなわち、排気絞り弁8が触媒装置7よりも上流に配置された場合、排気絞り弁8の開度が小さいときは、排気通路6と排気絞り弁8との隙間を通ることで増速された排気ガスが触媒装置7を流れる位置に該触媒装置7を配置することにより、排気ガスから触媒装置7への単位時間当たりの熱の移動量が増加して、触媒装置7の温度上昇を促進することができる。
排気浄化装置は、SOx(硫黄酸化物)の付着による浄化性能の低下が生じるNOx触媒装置、または排気微粒子の付着による浄化性能の低下が生じるフィルタ装置であってもよく、これらの場合には、目標温度Toは、浄化性能を回復すべく付着したSOxの還元や排気微粒子の燃焼が可能な再生温度、すなわち排気浄化装置が再生可能状態にあるときの温度である。そして、このときの温度制御装置により、浄化性能を回復するための再生処理の効率の向上が可能になり、さらに、過度の温度上昇が防止されて、排気浄化装置の耐久性を向上させることができる。
排気浄化装置は、触媒装置としての酸化触媒であってもよい。
内燃機関は、火花点火式内燃機関であってもよく、排気浄化装置は、触媒装置としての三元触媒装置であってもよい。
目標温度Toは活性温度Taであってもよい。
本発明の実施形態を示し、本発明が適用された内燃機関の模式図である。 図1の内燃機関の運転制御装置のブロック図である。 図2の運転制御装置の温度用開度設定手段において、温度上昇量の算出に使用されるマップを説明する図である。 図2の運転制御装置の温度用開度設定手段において、温度下降量の算出に使用されるマップを説明する図である。 図2の運転制御装置の温度用開度設定手段において、排気絞り弁の開口率の算出に使用されるマップを説明する図である。 図2の運転制御装置の圧力用開度設定手段において、開度増分の算出に使用されるマップを説明する図である。 図2の運転制御装置の温度用開度設定手段において、排気絞り弁の温度用開度の設定手順および機能を説明するフローチャートである。 図2の運転制御装置の過給機制御装置および排気絞り弁制御装置の制御手順および機能を説明するフローチャートである。 図2の運転制御装置の排気絞り弁制御装置による排気絞り弁の開度および触媒装置の温度の変化を説明する図である。
符号の説明
6…排気通路、7…触媒装置、8…排気絞り弁、10…排気ターボ過給機、13…可変ベーン、20…運転制御装置、30…状態検出手段、33…過給圧検出手段、34…位置検出手段、35…温度検出手段、36…排気流量検出手段、42…過給制御手段、43…開度制御手段、45…目標過給圧算出手段、51…温度用開度設定手段、55…圧力用開度設定手段、
C2…過給機制御装置、C3…排気絞り弁制御装置、P…実過給圧、Po…目標過給圧、ΔP…圧力差、S…実作動位置、T…実温度、To…目標温度、Dt…温度用開度、Dp…圧力用開度、ΔD…開度増分。

Claims (6)

  1. 排気通路を流れる排気ガスの運動エネルギを利用して吸入空気を加圧する吸気加圧部と、過給圧を制御する過給圧制御部材とを備える過給機と、
    前記過給圧制御部材を制御する過給機制御装置と、
    前記排気通路に配置されて排気ガスを浄化する排気浄化装置と、
    前記排気通路に配置されての排気ガスの流量を制御する排気絞り弁と、
    前記排気絞り弁の開度を制御する排気絞り弁制御装置と、
    機関状態を検出する状態検出手段とを備える内燃機関において、
    前記状態検出手段は、前記過給圧を実過給圧として検出する過給圧検出手段と、前記排気浄化装置の温度を実温度として検出する温度検出手段と、前記過給圧制御部材の作動状態を実作動状態として検出する作動状態検出手段とを備え、
    前記過給機制御装置は、目標過給圧算出手段により算出された目標過給圧と前記実過給圧との圧力差に基づいて前記作動状態を制御し、
    前記排気絞り弁制御装置は、前記排気浄化装置が活性状態にあるときの温度または再生可能状態にあるときの温度である目標温度と前記実温度との温度差に基づいて前記排気絞り弁の温度用開度を設定する温度用開度設定手段を備え、
    前記排気絞り弁制御装置は、前記実温度が前記目標温度よりも低く、かつ前記実作動状態は前記過給圧制御部材が前記過給圧を高めるときの限界となる限界作動状態でないとき、前記排気絞り弁を、前記実温度が前記目標温度であるときの基準開度に比べて閉じ側の前記温度用開度に制御し、
    前記排気絞り弁制御装置は、前記実温度が前記目標温度よりも低く、かつ前記実過給圧が前記目標過給圧よりも低く、かつ前記圧力差が許容圧力差を超えており、かつ前記実作動状態が前記限界作動状態であるとき、前記排気絞り弁を前記温度用開度よりも開き側の圧力用開度に制御することを特徴とする内燃機関。
  2. 前記圧力用開度は前記基準開度よりも閉じ側の開度であることを特徴とする請求項1記載の内燃機関。
  3. 前記排気絞り弁制御装置は、前記温度用開度と、前記圧力差に基づいて算出された開度増分とを加算することにより前記圧力用開度を設定する圧力用開度設定手段を備え、
    前記開度増分は、同じ前記圧力差に対して、前記温度用開度が小さいときほど小さいことを特徴とする請求項1または2記載の内燃機関。
  4. 前記排気絞り弁制御装置は、前記実過給圧が前記目標過給圧を超えているとき、前記排気絞り弁を前記温度用開度に制御することを特徴とする請求項1〜3記載のいずれか1項記載の内燃機関。
  5. 前記実過給圧が前記目標過給圧よりも低く、かつ前記圧力差が許容圧力差を超えており、かつ前記過給圧制御部材が前記限界作動状態にないとき、前記過給機制御装置は前記圧力差に応じて前記過給圧制御部材の前記作動状態を制御し、かつ前記排気絞り弁制御装置は前記排気絞り弁を前記温度用開度に制御することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載の内燃機関。
  6. 前記温度用開度設定手段は、前記温度差と、前記排気通路内の排気ガス流量を検出する排気流量検出手段により検出される排気流量とに基づいて前記温度用開度を設定することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項記載の内燃機関。
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