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

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弁開度は、前記基本低圧ＥＧＲ弁開度に、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。

Images