JP4765966B2 - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の排気還流装置に関する。
ターボチャージャのタービンより下流の排気通路から排気の一部をEGRガスとして取り込みターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気通路へ当該EGRガスを還流させる低圧EGR通路と、タービンより上流の排気通路から排気の一部をEGRガスとして取り込みコンプレッサより下流の吸気通路へ当該EGRガスを還流させる高圧EGR通路とを備え、これら低圧EGR通路及び高圧EGR通路を効果的に併用して、動力性能やEGR制御の制御性及び応答性を損なうことなく広い運転領域で排気エミッションの低減を図る技術が知られている(特許文献1参照)。
特開2004−150319号公報
高圧EGR装置及び低圧EGR装置を併用するEGR装置では、低圧EGR通路を通過する低圧EGRガス量を調節する低圧EGR弁の開度を、機関運転状態ごとに予め定められた規定値に従ってオープンループ制御する。一方、高圧EGR通路を通過する高圧EGRガス量を調節する高圧EGR弁の開度を、エアフローメータが測定した新気量に応じてトータルのEGRガス量が目標EGRガス量となるようフィードバック制御する。
ここで、内燃機関の運転状態が高負荷側に移行する過渡運転時には、排気エミッションの悪化を抑制するため、上記制御の更なる改善が望まれていた。
本発明の目的は、内燃機関の排気還流装置において、内燃機関の過渡運転時に、排気エミッションを低減する技術を提供することにある。
本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、
内燃機関の排気通路に配置されたタービン及び内燃機関の吸気通路に配置されたコンプレッサを有するターボチャージャと、
前記タービンより下流の排気通路から排気の一部をEGRガスとして取り込み前記コンプレッサより上流の吸気通路へ当該EGRガスを還流させる低圧EGR通路と、
前記低圧EGR通路に設けられ当該低圧EGR通路の流路断面積を変更する低圧EGR弁と、
内燃機関の過渡運転時において、前記低圧EGR弁の開度を一時的に開き側に制御するEGR制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気還流装置である。
ここで、内燃機関の過渡運転時とは、内燃機関の運転状態がある運転状態から当該運転状態より高負荷側の運転状態に移行する加速運転(加速過渡運転)時をいう。
この発明では、内燃機関の過渡運転時において、低圧EGR弁の開度を一時的に開き側に制御する。
この発明によると、内燃機関の過渡運転時に、低圧EGRガス量が増量される。このため、ターボチャージャのタービンを通過する排気量が増量されることになる。すると、タ
ービン回転数が増加しこれに伴いコンプレッサ回転数が増加し、過給圧を高めることができる。過給圧が高まると、内燃機関の吸入空気量が増量され、内燃機関で燃料が好適に燃焼されるため、内燃機関から炭化水素(HC)の排出が低減でき、排気エミッションを低減できる。
また、内燃機関の過渡運転時に、低圧EGRガス量が増量されると、低圧EGRガスは低温のため内燃機関に吸入される吸気の温度が低下する。このため、内燃機関では比較的低温で燃焼が行われNOxの生成が低減されるため、内燃機関からNOxの排出が低減でき、排気エミッションを低減できる。
前記EGR制御手段は、
内燃機関の定常運転時において、前記低圧EGR弁の開度を内燃機関の運転状態に応じて予め定められる基本低圧EGR弁開度に制御しており、
内燃機関の過渡運転時において、前記低圧EGR弁の開度を一時的に前記基本低圧EGR弁開度よりも開き側の補正低圧EGR弁開度に制御するとよい。
ここで、基本低圧EGR弁開度とは、内燃機関の定常運転時の低圧EGRガス量が所定の基本低圧EGRガス量となるように予め求められる低圧EGR弁の開度の規定値であり、内燃機関の運転状態に応じて定まる。
この発明によると、内燃機関の過渡運転時において、低圧EGR弁の開度を一時的に開き側に制御できる。
前記補正低圧EGR開度は、前記基本低圧EGR開度に、燃料噴射量を時間微分した値に応じて予め定められる補正開度を加えて算出されるとよい。
この発明によると、内燃機関の過渡運転時において、低圧EGR弁の開度を一時的に基本低圧EGR弁開度よりも開き側に制御できる。
前記タービンより上流の排気通路から排気の一部をEGRガスとして取り込み前記コンプレッサより下流の吸気通路へ当該EGRガスを還流させる高圧EGR通路と、
前記高圧EGR通路に設けられ当該高圧EGR通路の流路断面積を変更する高圧EGR弁と、
を備え、
前記EGR制御手段は、内燃機関の過渡運転時において、前記低圧EGR弁の開度を一時的に開き側に制御する場合に、前記高圧EGR弁の開度を一時的に閉じ側に制御するとよい。
この発明によると、内燃機関の過渡運転時において、低圧EGR弁の開度を一時的に開き側に制御したことにより、低圧EGRガス量が増量されても、高圧EGR弁の開度を一時的に閉じ側に制御して、高圧EGRガス量を減量するので、トータルのEGRガス量は所望の目標EGRガス量に維持できる。このため、内燃機関の燃焼状態を良好な状態に維持できる。
前記EGR制御手段は、前記低圧EGR弁の開度を内燃機関の運転状態に応じてオープンループ制御すると共に前記高圧EGR弁の開度を新気量に応じてフィードバック制御するとよい。
この発明によると、内燃機関の過渡運転時において、低圧EGR弁の開度を一時的に開き側に制御する場合に、トータルのEGRガス量が所望の目標EGRガス量となるように
高圧EGR弁の開度を一時的に閉じ側に制御できる。
本発明によると、内燃機関の排気還流装置において、内燃機関の過渡運転時に、排気エミッションを低減できる。
以下に本発明の具体的な実施例を説明する。
<実施例1>
図1は、本実施例に係る内燃機関の排気還流装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。
図1に示す内燃機関1は、ピストンと共に燃焼室を形成する気筒2を4つ有する水冷式の4ストロークサイクル・ディーゼルエンジンである。内燃機関1は、車両に搭載されている。内燃機関1には、吸気通路3及び排気通路4が接続されている。
内燃機関1に接続された吸気通路3の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動するターボチャージャ5のコンプレッサハウジング5aが配置されている。また、コンプレッサハウジング5aよりも上流の吸気通路3には、該吸気通路3内を流通する吸気の流量を調節する第1スロットル弁6が配置されている。この第1スロットル弁6は、電動アクチュエータにより開閉される。第1スロットル弁6よりも上流の吸気通路3には、該吸気通路3内を流通する新気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ7が配置されている。このエアフローメータ7により、内燃機関1の吸入空気量(新気量)が測定される。
コンプレッサハウジング5aよりも下流の吸気通路3には、吸気と外気とで熱交換を行うインタークーラ8が配置されている。そして、インタークーラ8よりも下流の吸気通路3には、該吸気通路3内を流通する吸気の流量を調整する第2スロットル弁9が設けられている。この第2スロットル弁9は、電動アクチュエータにより開閉される。
一方、内燃機関1に接続された排気通路4の途中には、ターボチャージャ5のタービンハウジング5bが配置されている。また、タービンハウジング5bよりも下流の排気通路4には、排気浄化装置10が配置されている。
排気浄化装置10は、酸化触媒と当該酸化触媒の後段に配置されたパティキュレートフィルタ(以下単にフィルタという)とを有して構成されている。フィルタには吸蔵還元型NOx触媒(以下単にNOx触媒という)が担持されている。
また、排気浄化装置10よりも下流の排気通路4には、該排気通路4内を流通する排気の流量を調節する排気絞り弁11が設けられている。この排気絞り弁11は、電動アクチュエータにより開閉される。
そして、内燃機関1には、排気通路4内を流通する排気の一部を低圧で吸気通路3へ還流(再循環)させる低圧EGR装置30が備えられている。この低圧EGR装置30は、低圧EGR通路31、低圧EGR弁32、及び低圧EGRクーラ33を備えて構成されている。
低圧EGR通路31は、排気浄化装置10よりも下流且つ排気絞り弁11よりも上流側の排気通路4と、コンプレッサハウジング5aよりも上流且つ第1スロットル弁6よりも
下流側の吸気通路3と、を接続している。この低圧EGR通路31を通って、排気が低圧で内燃機関1へ送り込まれる。そして、本実施例では、低圧EGR通路31を流通して還流される排気を低圧EGRガスと称している。
また、低圧EGR弁32は、低圧EGR通路31の通路断面積を調整することにより、該低圧EGR通路31を流れる低圧EGRガスの量を調節する。なお、低圧EGRガス量の調節は、低圧EGR弁32の開度の調整以外の方法によって行うこともできる。例えば、第1スロットル弁6の開度を調整することにより低圧EGR通路31の上流と下流との差圧を変化させ、これにより低圧EGRガスの量を調節することができる。
さらに、低圧EGRクーラ33は、該低圧EGRクーラ33を通過する低圧EGRガスと、内燃機関1の機関冷却水とで熱交換をして、該低圧EGRガスの温度を低下させる。
一方、内燃機関1には、排気通路4内を流通する排気の一部を高圧で吸気通路3へ還流させる高圧EGR装置40が備えられている。この高圧EGR装置40は、高圧EGR通路41、及び高圧EGR弁42を備えて構成されている。
高圧EGR通路41は、タービンハウジング5bよりも上流側の排気通路4と、コンプレッサハウジング5aよりも下流側の吸気通路3と、を接続している。この高圧EGR通路41を通って、排気が高圧で内燃機関1へ送り込まれる。そして、本実施例では、高圧EGR通路41を流通して還流される排気を高圧EGRガスと称している。
また、高圧EGR弁42は、高圧EGR通路41の通路断面積を調整することにより、該高圧EGR通路41を流れる高圧EGRガスの量を調節する。なお、高圧EGRガス量の調節は、高圧EGR弁42の開度の調整以外の方法によって行うこともできる。例えば、第2スロットル弁9の開度を調整することにより高圧EGR通路41の上流と下流との差圧を変化させ、これにより高圧EGRガスの量を調節することができる。また、ターボチャージャ5が可変容量型の場合には、タービンの流量特性を変更するノズルベーンの開度を調整することによっても高圧EGRガスの量を調節することができる。
以上述べたように構成された内燃機関1には、該内燃機関1を制御するための電子制御ユニットであるECU12が併設されている。このECU12は、内燃機関1の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関1の運転状態を制御するユニットである。
ECU12には、エアフローメータ7、及び機関回転速度を検出するクランクポジションセンサ13が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がECU12に入力されるようになっている。
一方、ECU12には、第1スロットル弁6、第2スロットル弁9、排気絞り弁11、低圧EGR弁32、及び高圧EGR弁42の各アクチュエータが電気配線を介して接続されており、該ECU12によりこれらの機器が制御される。
そして、本実施例では、低圧EGR弁32を用い低圧EGRガス量を内燃機関1の運転状態に応じてオープンループ制御し、高圧EGR弁42を用い高圧EGRガス量をエアフローメータ7が測定する新気量に応じてフィードバック制御する。
ここで、内燃機関1の運転状態が高負荷側に移行する加速過渡運転時には、排気エミッションの悪化を抑制するため、上記制御の更なる改善が望まれていた。
そこで、本実施例では、内燃機関1の加速過渡運転時において、低圧EGR弁32の開
度を一時的に開き側に制御する。
具体的には、内燃機関1の加速過渡運転時において、低圧EGR弁32の開度を一時的に基本低圧EGR弁開度よりも開き側の補正低圧EGR弁開度に制御する。
ここで、基本低圧EGR弁開度とは、低圧EGR弁32をオープンループ制御する場合に、内燃機関1の定常運転時の低圧EGRガス量が所定の基本低圧EGRガス量となるように予め求められる低圧EGR弁32の開度の規定値であり、内燃機関1の運転状態、特に燃料噴射量Qと機関回転数に応じて定まり、予めマップ化してECUに記憶されている。また、補正低圧EGR開度は、図2に示すように前記基本低圧EGR開度に、燃料噴射量Qを時間微分した値(dQ/dt)に応じて予め定められる補正開度(ΔL)を加えて算出される開度である。
図3は本実施例における内燃機関1の加速過渡運転時の低圧EGR弁開度、過給圧、吸気の温度の時間推移を示すタイムチャートである。
本実施例では、図3(a)に示すように、内燃機関1の加速過渡運転時に低圧EGR弁32の開度を一時的に開き側に制御する。このように低圧EGR弁32の開度を一時的に開き側に制御すると、内燃機関1の加速過渡運転時に、低圧EGRガス量が増量される。
内燃機関1の加速過渡運転時に、低圧EGRガス量が増量されると、ターボチャージャ5のタービンを通過する排気量が増量されることになる。すると、タービン回転数が増加しこれに伴いコンプレッサ回転数が増加し、図3(b)に示すように過給圧を高めることができる。過給圧が高まると、内燃機関1の吸気量が増量され、内燃機関で燃料が好適に燃焼されるため、内燃機関1からHCの排出が低減でき、排気エミッションを低減できる。
また、内燃機関1の加速過渡運転時に、低圧EGRガス量が増量されると、低圧EGRガスは低温のため、図3(c)に示すように内燃機関1に吸入される吸気の温度が低下する。このため、内燃機関1では比較的低温で燃焼が行われNOxの生成が低減されるため、内燃機関1からNOxの排出が低減でき、排気エミッションを低減できる。
なお、内燃機関1の加速過渡運転時において、低圧EGR弁32の開度を一時的に開き側に制御する場合には、エアフローメータ7が測定する新気量に応じてフィードバック制御されている高圧EGR弁42の開度は一時的に閉じ側に制御される。
これは、低圧EGRガス量が増加したことに伴い新気量が少なくなるために、新気量に応じてフィードバック制御される高圧EGR弁42が閉じ側に制御されるためである。
このため、内燃機関1の加速過渡運転時において、低圧EGR弁32の開度を一時的に開き側に制御したことにより、低圧EGRガス量が増量されても、高圧EGR弁の開度を一時的に閉じ側に制御して、高圧EGRガス量を減量するので、トータルのEGRガス量は所望の目標EGRガス量に維持できる。このため、内燃機関1の燃焼状態を良好な状態に維持できる。
次に、本実施例による低圧EGR弁32及び高圧EGR弁42の制御ルーチンについて説明する。図4は、本実施例による低圧EGR弁32及び高圧EGR弁42の制御ルーチンを示したフローチャートである。本制御ルーチンは、所定の時間ごとに繰り返し実行される。ここで、本制御ルーチンが、本発明のEGR制御手段に相当する。
ステップS101において、ECU12は、内燃機関1の運転状態を検出する。具体的には、クランクポジションセンサ13によって検出されるクランク角度から機関回転数を算出すると共に、ECU12の指令値から内燃機関1の気筒2内の燃料噴射量を得る。
ステップS102において、ECU12は、ステップS101において検出した内燃機関1の運転状態に応じた基本低圧EGR開度を読み込む。基本低圧EGR開度は、予め求めたマップにおいて、機関回転数と燃料噴射量Qをパラメータとして代入すると求めることができる。
ステップS103において、ECU12は、内燃機関1が加速過渡運転時か否かを判定する。具体的には、ステップS101において検出した内燃機関1の運転状態までの運転履歴に基づいて現時点において内燃機関1が加速過渡運転時か否かを判定する。
ステップS103において肯定判定された場合には、ステップS104へ移行する。ステップS103において否定判定された場合には、基本低圧EGR弁開度を最終開度としてステップS105へ移行する。
ステップS104において、ECU12は、補正低圧EGR弁開度を算出する。具体的には、補正低圧EGR弁開度は、図2に示すようにステップS102で求めた基本低圧EGR弁開度に、燃料噴射量Qを時間微分した値(dQ/dt)に応じて予め定められる補正開度(ΔL)を加えて算出される。補正開度(ΔL)は、予め求めたマップにおいて、燃料噴射量Qを時間微分した値(dQ/dt)をパラメータとして代入すると求めることができる。ここで、最終開度は補正低圧EGR弁開度とされる。
ステップS105において、ECU12は、低圧EGR弁32を最終開度にオープンループ制御すると共に、高圧EGR弁42をエアフローメータ7が測定する新気量に応じてフィードバック制御する。
以上の制御ルーチンを実行することにより、内燃機関1の加速過渡運転時に、排気エミッションを低減できる。
本発明に係る内燃機関の排気還流装置は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。
実施例1に係る内燃機関とその吸・排気系を示す図である。 実施例1に係る補正低圧EGR弁開度の求め方を示す図である。 実施例1に係る内燃機関の加速過渡運転時の低圧EGR弁開度、過給圧、吸気の温度の時間推移を示すタイムチャートである。 実施例1に係る低圧EGR弁及び高圧EGR弁の制御ルーチンを示したフローチャートである。
符号の説明
1 内燃機関
2 気筒
3 吸気通路
4 排気通路
5 ターボチャージャ
5a コンプレッサハウジング
5b タービンハウジング
6 第1スロットル弁
7 エアフローメータ
8 インタークーラ
9 第2スロットル弁
10 排気浄化装置
11 排気絞り弁
12 ECU
13 クランクポジションセンサ
30 低圧EGR装置
31 低圧EGR通路
32 低圧EGR弁
33 低圧EGRクーラ
40 高圧EGR装置
41 高圧EGR通路
42 高圧EGR弁

Claims (3)

  1. 内燃機関の排気通路に配置されたタービン及び内燃機関の吸気通路に配置されたコンプレッサを有するターボチャージャと、
    前記タービンより下流の排気通路から排気の一部をEGRガスとして取り込み前記コンプレッサより上流の吸気通路へ当該EGRガスを還流させる低圧EGR通路と、
    前記低圧EGR通路に設けられ当該低圧EGR通路の流路断面積を変更する低圧EGR弁と、
    前記タービンより上流の排気通路から排気の一部をEGRガスとして取り込み前記コンプレッサより下流の吸気通路へ当該EGRガスを還流させる高圧EGR通路と、
    前記高圧EGR通路に設けられ当該高圧EGR通路の流路断面積を変更する高圧EGR弁と、
    内燃機関の過渡運転時において、前記低圧EGR弁の開度を一時的に開き側に制御するEGR制御手段と、
    を備え
    前記EGR制御手段は、内燃機関の過渡運転時において、前記低圧EGR弁の開度を一時的に開き側に制御する場合に、前記高圧EGR弁の開度を一時的に閉じ側に制御し、
    前記EGR制御手段は、前記低圧EGR弁の開度を内燃機関の運転状態に応じてオープンループ制御すると共に前記高圧EGR弁の開度を新気量に応じてフィードバック制御することを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
  2. 前記EGR制御手段は、
    内燃機関の定常運転時において、前記低圧EGR弁の開度を内燃機関の運転状態に応じて予め定められる基本低圧EGR弁開度に制御しており、
    内燃機関の過渡運転時において、前記低圧EGR弁の開度を一時的に前記基本低圧EGR弁開度よりも開き側の補正低圧EGR弁開度に制御することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気還流装置。
  3. 前記補正低圧EGR開度は、前記基本低圧EGR開度に、燃料噴射量を時間微分した値に応じて予め定められる補正開度を加えて算出されることを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排気還流装置。
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