JP5118265B2 - 内燃機関の給気制御装置及び給気制御方法 - Google Patents

内燃機関の給気制御装置及び給気制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、内燃機関の給気制御装置及び給気制御方法に関する。
ブルドーザや大型ダンプトラックのような建設機械用内燃機関では、中高速域、且つ、中高負荷域で運転している状態から急減速する場合がある。具体的には、ブルドーザでいえば、中高速での押土作業中にデクセルペダルを踏み込んだ場合であり、ダンプトラックでいえば、土砂を積載した状態での中高速による登坂中にアクセルペダルを不意に戻した場合である。
このような場合において、内燃機関に排気タービン過給機が搭載されている場合には、図９に示すように、排気タービン過給機の作動点Ｍ１は、中高速域、中高負荷域側から低速域側へと実線の軌跡を通って作動点Ｍ２に移行し、この作動点Ｍ２にてエンジンとのマッチングが図られるようになる。なお、排気タービン過給機とは、内燃機関から排出される排気ガス利用してタービンを回転させ、タービンの回転力によってコンプレッサを駆動して内燃機関に給気過給を行うものである。また、図９の横軸は排気タービン過給機の給気流量を示し、図９の縦軸はコンプレッサの圧力比を示す。
しかしながら、急減速によって作動点が作動点Ｍ１から作動点Ｍ２に移行する途中では、作動点が一旦サージラインを越えてサージ領域内に入り込むために、給気圧が振動して排気タービン過給機の動作が不安定になるサージングが生じる。これは、デクセルペダルの踏み込みやアクセルペダルの不意な戻し操作によって、エンジンの回転数が一気に下がって吸気をあまり必要としないのにも係わらず、排気タービン過給機側の回転がその慣性によって依然として高速に維持されるためである。そして、このサージングによって、コンプレッサ側で激しい自励振動が生じ、場合によっては破損が生じたりする。
このような背景から、内燃機関が中高速域、且つ、中高負荷域で運転している状態から急減速した場合には、排気再循環通路を通常とは逆に使い、排気再循環通路の開閉弁を全閉状態から全開状態に制御することによって、コンプレッサの出口通路側からタービンの入口通路側に給気を送り込み、コンプレッサの出口通路側の給気の流入抵抗を小さくする給気制御装置が提案されている（特許文献１参照）。このような給気制御装置によれば、排気タービン過給機の作動点がサージング領域に入り込むことを抑制できるので、排気タービン過給機の作動点は例えば図９に示す二点鎖線で示す作動点の軌跡を通るようになり、排気タービン過給機にサージングが生じることを抑制できる。
国際公開第０６／０１１５５３号
ところで、排気ガス中に含まれるＰＭを低減するため、排気タービンの後段に接続される排気管路にＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）が設けられている。このＤＰＦは、排気ガス中に含まれるススなどの粒子状物質（ＰＭ）を低減した後、排気ガスを外気に排出する。このＤＰＦで捕集したＰＭが多くなるとフィルタ機能が低下し、さらにＰＭが多くなると排気管路が閉塞されてしまう。このため、ＤＰＦでは捕集したＰＭを燃焼させる再生処理を行う。この再生処理には、負荷の増加に応じて排気ガスの温度が上がりＰＭが自然に燃焼する自然再生処理と、強制再生処理とがあり、ＰＭが多くなると強制再生処理を行う。この強制再生処理では、排気温度を高め、さらにＤＰＦ前段で燃料を噴射するドージングを行うことによって、ＰＭを強制的に燃焼させる。この強制再生処理には、さらに自動強制再生処理と手動強制再生処理とがあり、ＰＭ量が非常に多くなって、ＤＰＦが閉塞される可能性がある場合には、警告にしたがった手動指示による手動強制再生処理が行われる。この手動強制再生処理では、車両を停止させ、排気再循環通路を全閉にして排気温度を高め、さらに排気ガスによるタービン翼車に対する仕事を小さくして排気温度を高め、上述したドージングを行うことによってＰＭを強制的に燃焼させる。
ここで、この手動強制再生処理中であっても法面作業や吊り作業などの軽負荷作業を行いたいという要望がある。この手動強制再生処理中に軽負荷作業を行う場合、手動強制再生処理中であることから、排気再循環通路は全閉状態となっており、さらに可変ターボノズルを全閉状態とし、バイパス路を介してタービン翼車に対する仕事を小さくしているため、軽負荷作業中に、急激に燃焼噴射量が減少した場合、回転するタービンの慣性によってコンプレッサからの給気が行われ、軽負荷作業であってもサージングが発生してしまうという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、手動強制再生処理中に軽負荷作業を行う場合であっても、手動強制再生処理の実行とサージングの抑制との制御が可能な内燃機関の給気制御装置及び給気制御方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、内燃機関から排出された排気ガスの一部を抽出し、前記内燃機関の給気通路側に再循環させる排気再循環通路と、前記排気再循環通路に設けられ、当該排気再循環通路を循環する排気ガスの流量を制御する開閉弁と、前記内燃機関に対する燃料噴射量を検出する燃料噴射量検出手段と、前記内燃機関から排出された排気ガスによって回転するタービンと、前記タービンが回転することによって駆動され、外気を吸入、加圧して前記内燃機関に供給するコンプレッサと、前記タービンに供給される排気ガスの流速をスライド機構のノズル開度調整によって制御するとともに該スライド機構の全閉時に該スライド機構を介して排気ガスの流出方向をタービン翼車の軸方向にして前記タービンへの仕事を小さくするバイパス路を形成する可変ターボノズルと、ディーゼルエンジンから排出された排出ガスに含まれる粒子状物質の量を低減するディーゼルパティキュレートフィルタの手動強制再生処理を実行しつつ軽負荷作業を行う場合、前記開閉弁を全閉状態にするとともに前記可変ターボノズルを全閉状態にして前記バイパス路を形成し、前記燃料噴射量検出手段により検出された燃料噴射量が０になった場合、前記開閉弁を全閉状態から全開状態にするとともに前記可変ターボノズルを全閉状態から全開状態にする制御を行う開度制御手段と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、内燃機関から排出された排気ガスの一部を抽出し、前記内燃機関の給気通路側に再循環させる排気再循環通路と、前記排気再循環通路に設けられ、当該排気再循環通路を循環する排気ガスの流量を制御する開閉弁と、前記内燃機関から排出された排気ガスによって回転するタービンと、前記タービンが回転することによって駆動され、外気を吸入、加圧して前記内燃機関に供給するコンプレッサと、前記タービンに供給される排気ガスの流速をスライド機構のノズル開度調整によって制御するとともに該スライド機構の全閉時に該スライド機構を介して排気ガスの流出方向をタービン翼車の軸方向にして前記タービンへの仕事を小さくするバイパス路を形成する可変ターボノズルと、を備える内燃機関の給気制御方法において、ディーゼルエンジンから排出された排出ガスに含まれる粒子状物質の量を低減するディーゼルパティキュレートフィルタの手動強制再生処理の指示を検出する検出ステップと、前記検出ステップによって手動強制再生処理の指示を検出した場合、前記開閉弁を全閉状態にするとともに前記可変ターボノズルを全閉状態にして前記バイパス路を形成する全閉制御ステップと、燃料噴射量が０になった場合、前記開閉弁を全閉状態から全開状態にするとともに前記可変ターボノズルを全閉状態から全開状態にする制御を行う全開制御ステップと、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、ディーゼルエンジンから排出された排出ガスに含まれる粒子状物質の量を低減するディーゼルパティキュレートフィルタの手動強制再生処理を実行しつつ軽負荷作業を行う場合、排気再循環路に設けれた開閉弁を全閉状態にするとともにタービンの可変ターボノズルを全閉状態にして前記タービンに排気ガスを供給しないバイパス路を形成し、燃料噴射量が０になった場合、前記開閉弁を全閉状態から全開状態にするとともに前記可変ターボノズルを全閉状態から全開状態にする制御を行うようにしているので、手動強制再生処理時に軽負荷作業を行っても、サージングの発生を抑制することができる。
図１は、本発明の一実施形態である内燃機関の構成を示す模式図である。 図２Ａは、可変ターボノズルが全開状態のときの可変ターボノズル近傍の構成を示す断面図である。 図２Ｂは、可変ターボノズルが全閉状態のときの可変ターボノズル近傍の構成を示す断面図である。 図３は、手動強制再生処理と内燃機関の運転状態との関係を示すマップである。 図４は、アクチュエータコントローラによる給気制御処理手順を示すフローチャートである。 図５は、アクチュエータコントローラによる給気制御処理を示すタイミングチャートである。 図６は、手動強制再生中かつ軽負荷作業中に、建設機械が急減速した場合にＥＧＲバルブの開度を制御しない場合における、燃料噴射量，ＥＧＲバルブの開度，可変ターボノズルのノズル開度，給気圧，及びＰＭ量の経時変化を示す図である。 図７は、手動強制再生中かつ軽負荷作業中に、建設機械が急減速した場合にＥＧＲバルブの開度を全閉状態から全開状態に制御した場合における、燃料噴射量，ＥＧＲバルブの開度，可変ターボノズルのノズル開度，給気圧，及びＰＭ量の経時変化を示す図である。 図８は、本実施形態の給気制御装置における建設機械が急減速した場合の燃料噴射量，ＥＧＲバルブの開度，可変ターボノズルの開度，給気圧，及びＰＭ量の経時変化を示す図である。 図９は、中高速域、且つ、中高負荷域で運転している状態、および低中速域、且つ、低中負荷域で運転している状態から急減速した時の排気タービン過給機の作動点の変化を説明するための図である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である内燃機関の構成及びその給気制御方法について説明する。
〔内燃機関の構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である内燃機関の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態である内燃機関の構成を示す模式図である。図１に示すように、内燃機関１は、ディーゼルエンジンにより構成され、内部に複数（本実施形態では４つ）の燃焼室が形成されたエンジン本体２と、エンジン本体２内部の各燃焼室に給気を供給する給気管路３と、エンジン本体２内部の各燃焼室から排出された排気ガスを排出する排気管路４と、冷却機構５と、排気タービン過給機６と、ＤＰＦ７と、排気再循環システム８とを備える。
エンジン本体２と給気管路３との間には、給気管路３からの給気がエンジン本体２内部の各燃焼室に分配されるように、給気マニホールド３Ａが取り付けられている。エンジン本体２と排気管路４との間には、エンジン本体２内部の各燃焼室から排出された排気ガスがまとめて排気管路４に流入するように、排気マニホールド４Ａが取り付けられている。
給気管路３には、排気タービン過給機６によって圧縮された空気を冷却するためのアフタークーラ１１が設けられている。冷却機構５は、エンジン本体２内に収められた図示しないクランクシャフト等により駆動されるポンプ１２を備える。ポンプ１２によって圧送された冷却水は、エンジン本体２，排気タービン過給機６，図示しないオイルクーラ等の冷却が必要な部位を冷却した後、冷却機構５に設けられたラジエータ１３によって空冷されるようになっている。アフタークーラ１１とラジエータ１３とは、エンジン本体２に設けられ、且つ、図示しないクランクシャフト等によって回転駆動されるファン１４によって、その冷却作用が促進されるようになっている。
排気タービン過給機６は、排気管路４の途中に設けられたタービン２１と、給気管路３の途中に設けられ、タービン２１に連結されて駆動されるコンプレッサ２２と、タービン２１に供給される排気ガスの流速を制御するために可変ターボノズル２３と、可変ターボノズル２３のノズル開度を制御する可変ターボアクチュエータ２３ａとを備える。排気タービン過給機６は、可変ターボアクチュエータ２３ａによって可変ターボノズル２３の開度を制御することにより、タービン２１の回転数を制御する。タービン２１の回転によってコンプレッサ２２が駆動し、エンジン本体２への給気過給が行われる。なお、可変ターボノズル２３は、全閉時には、パイパス路２４を介してＤＰＦ７側に排気するようにしている。すなわち、可変ターボノズル２３が開時には、排気ガスをタービン翼車２１ａに供給して仕事をさせ、可変ターボノズル２３が全閉時には、排気ガスを、パイパス路２４を介してＤＰＦ７側に出力してタービン翼車２１ａへの仕事を小さくして排気温度を高めるようにしている。
ここで、図２Ａおよび図２Ｂを参照して、可変ターボノズル２３の一例について説明する。図２Ａは、可変ターボノズル２３が全開状態のときの可変ターボノズル２３近傍の構成を示す断面図である。また、図２Ｂは、可変ターボノズル２３が全閉状態のときの可変ターボノズル２３近傍の構成を示す断面図である。タービン２１は、スライド機構によってノズルの開口面積を変える可変ターボノズル２３を用いて、排気ガス流速を可変にするものである。図２Ａおよび図２Ｂにおいて、排気管路４に接続される入口チャンバ１０４とタービン翼車２１ａが配置される出口通路１０５との間には、環状の入口通路１０６が形成される。この入口通路１０６は、スライド機構としての環状のノズルリング１０８が軸方向（図上、左右方向）にスライドすることによって入口通路１０６の開度が調整される。ノズルリング１０８は、半径方向に延びる環状の半径方向壁１０７と、環状キャビティ１２２側に延びる内側環状フランジ１２０と、外側環状フランジ１２１とを有する。なお、入口通路１０６には、タービン翼車２１ａの外周方向に沿ってノズルベーン１１０が配置されている。そして、半径方向壁１０７は、ノズルベーン１１０に対応するスリットが形成されており、ノズルベーン１１０は、このスリットに挿通される。また、案内ロッド１３０は、連結板１３１を介してノズルリング１０８に結合される。案内ロッド１３０は、可変ターボアクチュエータ２３ａによって軸方向（図上左右方向）への移動が制御される。したがって、可変ターボアクチュエータ２３ａを制御することによって、ノズルリング１０８が軸方向にスライドすることによって、入口通路１０６の開度が調整され、入口チャンバ１０４からタービン翼車２１ａに流入する排気ガス量に応じてタービン翼車２１ａが回転する。
さらに、外側環状フランジ１２１には、周方向に配列された開口１３２が形成されている。一方、外側環状フランジ１２１に接するタービンハウジング１０３には、環状の溝が形成され、この溝にリングシール１２６が設けられている。そして、開口１３２は、図２Ａに示すように、ノズルリング１０８が全開時には、リングシール１２６よりも案内ロッド１３０側に位置し、図２Ｂに示すように、ノズルリング１０８が全閉時には、リングシール１２６よりも入口通路１０６側に位置するように形成されている。したがって、図２Ｂに示すように、ノズルリング１０８が全閉時には、半径方向壁１０７とタービンハウジング１０３側の半径方向壁１０９とが接して入口通路１０６が塞がれるが、排気ガスは、開口１３２を通って環状キャビティ１２２に流入する。ここで、内側環状フランジ１２０とタービンハウジング１０３との間にはリングシールが配置されていないため、環状キャビティ１２２内の排気ガスは、この内側環状フランジ１２０とタービンハウジング１０３とのクリアランスを介して出口通路１０５に流出する。ここで、内側環状フランジ１２０とタービンハウジング１０３との間から流出する排気ガスの流出方向は、タービン翼車１２ａの軸方向となるため、排気ガスは、タービン翼車１２ａに対する仕事が小さくなり、高温状態の排気ガスとして出口通路１０５に流出する。このノズルリング１０８の全閉時における排気ガスの迂回路２４ａは、図１に示したバイパス路２４である。なお、開口１３２の数、寸法、形状、および位置を変更することによって、排気タービン過給機６の効率の低下を変えることができる。
さて、図１に戻り、タービン２１とＤＰＦ７との間には、ドージング燃料供給装置２６から供給されるドージング燃料を噴射するドージングノズル２５が配置される。このドージング燃料の噴射は、強制再生処理が指示された場合に行われる。
ＤＰＦ７は、排気管路４から排出された排気ガス中に含まれるＰＭの量を低減した後、排気ガスを外気に排出する。ＤＰＦ７内部にはＰＭが堆積するが、過剰な堆積状態をなくすため、上述した強制再生処理などが行われる。
排気再循環システム８は、排気マニホールド４Ａと給気管路３とを連通する排気再循環通路３１を備える。排気再循環通路３１は、排気マニホールド４Ａから排気ガスの一部を抽出して給気管路３に再循環させる。排気再循環通路３１には、排気再循環通路３１を開閉する開閉弁としてのＥＧＲバルブ３２と、ＥＧＲバルブ３２の開度を制御するＥＧＲバルブアクチュエータ３２ａと、排気マニホールド４Ａからの排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ３３とが設けられている。排気再循環システム８は、排気再循環通路３１を介して排気ガスの一部を給気マニホールド３Ａに還流させることによって、給気中の酸素濃度を低下させ、エンジン本体２の燃焼温度を下げる。これにより、排気ガス中に含まれる窒素酸化物の量を低減させることができる。
内燃機関１は、制御系として、エンジン回転速度センサ４１と、燃料噴射量センサ４２と、給気圧センサ４３と、排気圧センサ４４と、タービン回転速度センサ４５，ＤＰＦ再生指示部４６と、エンジンコントローラ４７と、アクチュエータコントローラ４８と、を備える。エンジン回転速度センサ４１は、エンジン本体２の図示しないクランクシャフトの回転速度を検出し、図示しないクランクシャフトの回転速度を示す信号をエンジンコントローラ４７に入力する。
燃料噴射量センサ４２は、図示しない燃料噴射ポンプのガバナの位置を検出したり、コモンレールが設けられている時にはコモンレールの燃料圧や燃料噴射ノズルの電磁弁の開放時間等から燃料噴射量を算出したりすることによって、エンジン本体２内部の燃焼室への燃料噴射量を検出する。燃料噴射量センサ４２は、燃料噴射量を示す信号をエンジンコントローラ４７に入力する。燃料噴射量センサ４２は、本発明に係る燃料噴射量検出手段として機能する。
給気圧センサ４３は、コンプレッサ２２の出口通路と給気マニホールド３Ａとの間の給気圧力を検出し、給気圧力を示す信号をアクチュエータコントローラ４８に入力する。排気圧センサ４４は、排気マニホールド４Ａとタービン２１の入口通路との間の排気圧力を検出し、排気圧力を示す信号をアクチュエータコントローラ４８に入力する。タービン回転速度センサ４５は、タービン２１の回転速度を検出し、タービン２１の回転速度を示す信号をアクチュエータコントローラ４８に入力する。ＤＰＦ再生指示部４６は、オペレータ又は制御装置からの指示に応じて、ＤＰＦ７に対する強制再生処理（自動強制再生処理および手動強制再生処理）の実行を指示するものである。
エンジンコントローラ４７は、ＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭ，入出力回路等を含むマイクロコンピュータによって実現される。エンジンコントローラ４７内のＣＰＵは、ＲＯＭ内に格納されている制御プログラムをＲＡＭ内にロードし、ＲＡＭ内にロードされた制御プログラムを実行することによって、内燃機関１の動作を制御する。具体的には、エンジンコントローラ４７は、エンジン回転速度センサ４１，燃料噴射量センサ４２，図示されていないデセルペダル，及びアクセルペダルからの信号に基づいて減速動作等の内燃機関１の運転状態を判定し、判定された運転状態に応じてエンジン本体２内部の燃焼室への燃料噴射量や燃料噴射タイミング等を制御する。また、エンジンコントローラ４７は、エンジン回転速度センサ４１と燃料噴射量センサ４２からの信号をアクチュエータコントローラ４８に転送する。なお、エンジンコントローラ４７は、ＤＰＦ再生指示部４６から手動強制再生指示があった場合、低エンジン回転数および低エンジントルクとなるように強制制御する。エンジンコントローラ４７は、本発明に係る減速動作検知手段として機能する。なお、内燃機関１の運転状態を判定する際であっても、エンジンコントローラ４７を本発明に係る燃料噴射量検出手段として機能させてもよい。
アクチュエータコントローラ４８は、ＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭ，入出力回路等を含むマイクロコンピュータによって実現され、入力部５１，制御部５２，及び出力部５３を備える。入力部５１は、エンジン回転速度センサ４１，燃料噴射量センサ４２，給気圧センサ４３，排気圧センサ４４，及びタービン回転速度センサ４５から出力された信号を受信し、受信した信号を制御部５２に入力する。制御部５２は、入力部５１から入力された信号に基づいて、可変ターボアクチュエータ２３ａにより可変ターボノズル２３の開度を制御し、ＥＧＲバルブアクチュエータ３２ａによりＥＧＲバルブ３２の開度を制御する。出力部５３は、制御部５２からの開度制御信号を可変ターボアクチュエータ２３ａ及びＥＧＲバルブアクチュエータ３２ａに出力する。アクチュエータコントローラ４８は、本発明に係る開度制御手段として機能する。また、アクチュエータコントローラ４８は、ＤＰＦ再生指示部４６から強制再生処理の実行指示を受けた場合、ドージング燃料供給装置２６に対して、ドージングノズル２５から燃料を噴射させる指示を出力する。
ここで、図３を用いて、ＤＰＦ７の手動強制再生処理と内燃機関１の運転状態とについて説明する。ＤＰＦ７の手動強制再生処理時には、従来、車両を停止させて手動強制処理のみを行って負荷をかけないようにしていた。ここで、本実施の形態では、手動強制処理時においても、図３の領域Ａ２に示す軽負荷作業、すなわち、内燃機関１の負荷及び回転数が低い領域での作業を、サージングの生起を抑えて実行可能としている。図３は、内燃機関１の運転状態を示すマップＭである。図３中、符号Ｎｍは、低中速域と中高速域との境として予め設定された内燃機関１の回転速度（エンジン回転速度）を示す。具体的には、符号Ｎｍは、低アイドリング回転数及び高アイドリング回転数をそれぞれＮＬ（例えば８００ｒｐｍ），ＮＨ（例えば２１００ｒｐｍ）とした時、数式：｛（ＮＨ−ＮＬ）／２｝＋ＮＬによって算出されるエンジン回転速度（例えば１４５０ｒｐｍ）を示す。すなわち、低中速域とは、エンジン回転速度Ｎが低アイドリング回転数ＮＬ以上エンジン回転速度Ｎｍ未満の範囲を意味し、中高速域とは、エンジン回転速度Ｎがエンジン回転速度Ｎｍ以上高アイドリング回転速度ＮＨ未満の範囲を意味する。
また、図３中、符号Ｆｉはアイドリング噴射量を示す。また、符号１／２Ｆｍａｘは、低中負荷域と中高負荷域との境として予め設定された内燃機関１の燃料噴射量を示し、内燃機関１の最大燃料噴射量Ｆｍａｘの１／２の値を示す。すなわち、低中負荷域とは、燃料噴射量Ｆがアイドリング噴射量Ｆｉ以上燃料噴射量１／２Ｆｍａｘ未満の範囲を意味し、中高負荷域とは、燃料噴射量Ｆが燃料噴射量１／２Ｆｍａｘ以上最大燃料噴射量Ｆｍａｘ未満の範囲を意味する。以上のことから、図３に示す領域Ａ１における内燃機関１の運転状態は中高速域、且つ、中高負荷域にある。また、図３に示す領域Ａ２における内燃機関１の運転状態は、低中速域、且つ、低中負荷域にある。そして、上述したように、本実施の形態では、手動強制再生処理を行っていても、サージングを生起させずに、領域Ａ２における軽負荷作業を行えるようにするものである。
〔給気制御処理〕
このような構成を有する内燃機関１では、アクチュエータコントローラ４８が以下に示す給気制御処理を実行することにより、手動強制再生処理中に領域Ａ２での軽負荷作業を行っても、排気タービン過給機６にサージングが発生することを抑制する。なお、この手動強制再生処理中では、軽負荷作業のみが可能であり、上述したように、手動強制再生処理中では、エンジンコントローラ４７は、強制的に、低エンジン回転数および低エンジントルクとなるように制御している。以下、図４に示すフローチャートを参照して、アクチュエータコントローラ４８による給気制御処理手順について説明する。
図３は、アクチュエータコントローラ４８による給気制御処理手順を示すフローチャートである。アクチュエータコントローラ４８による給気制御処理は、内燃機関１が搭載された建設機械のイグニッションスイッチがオフ状態からオン状態に切り替えられたタイミングで開始となり、給気制御処理はステップＳ１の処理に進む。この給気制御処理は、建設機械のイグニッションスイッチがオン状態である間、所定の制御周期毎に繰り返し実行される。
ステップＳ１の処理では、アクチュエータコントローラ４８の制御部５２が、入力部５１を介して入力されたＤＰＦ再生指示部４６からの入力信号に基づいて、ＤＰＦ７の手動強制再生処理の実行指示があったか否かを判断する。この判断の結果、ＤＰＦ７の手動強制再生処理の実行指示がない場合（ステップＳ１，Ｎｏ）、制御部５２は、一連の給気制御処理を終了する。一方、ＤＰＦ７の手動強制再生処理の実行指示がある場合には（ステップＳ１，Ｙｅｓ）、制御部５２は、給気制御処理をステップＳ２の処理に進める。
ステップＳ２の処理では、アクチュエータコントローラ４８の制御部５２が、可変ターボアクチュエータ２３ａとＥＧＲバルブアクチュエータ３２ａとを制御することによって、可変ターボノズル２３のノズル開度とＥＧＲバルブ３２の開度とを全閉状態に制御する。この場合、バイパス路２４は、閉状態から開状態になる。可変ターボノズル２３のノズル開度とＥＧＲバルブ３２の開度とを全閉状態に制御することによって、排気ガスはパイパス路２４を介してＤＰＦ７側に直接に供給されるようになる。この結果、排気ガスは、タービン翼車２１ａに対する仕事が小さくなるので、ＤＰＦ７に供給される排気ガスの温度は高温状態となる。また、ＥＧＲバルブ３２が全閉状態となることによって、エンジン本体１からの排気ガスも高温状態となる。従って、ＤＰＦ７に供給される排気ガスの温度が所定温度以上になることによって、ドージング燃料供給装置２６から供給されるドージング燃料が燃焼し、さらに高温状態となることによってＰＭ、特にススが燃焼されるという手動強制再生処理が実行される。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、給気制御処理はステップＳ３の処理に進む。
ステップＳ３の処理では、アクチュエータコントローラ４８の制御部５２が、燃料噴射量センサ４２からの入力信号に基づいて燃料噴射量が０になったか否かを判断する。なお、ステップＳ３の処理は、燃料噴射量が０になる状態の起因である、内燃機関１の急減速があったか否かを判断するようにしてもよい。ここで、制御部５２は、エンジン回転速度の低下，デセルペダルのオン，アクセルペダルのオフ等が検出された場合に、内燃機関１が急減速したと判断してもよい。燃料噴射量が０になった場合（ステップＳ３，Ｙｅｓ）、制御部５２は給気制御処理をステップＳ４の処理に進める。一方、燃料噴射量が０にならなかった場合には（ステップＳ３，Ｎｏ）、制御部５２は一連の給気制御処理を終了する。
ここで、図５を用いてステップＳ３の処理について具体的に説明する。なお、図５に示す横軸は時間Ｔを示す。また、図５に示すグラフの左側の縦軸は燃料噴射量Ｆを示し、実線Ｌ１は燃料噴射量Ｆの時間変化を示す。また、図５に示すグラフの右側の縦軸は可変ターボノズル２３のノズル開度を示し、一点鎖線Ｌ２は可変ターボノズル２３のノズル開度の時間変化を示す。内燃機関１が急減速した場合、燃料噴射量Ｆは、図５に実線Ｌ１で示すように、エンジンコントローラ４７によって一旦カットされ、時間Ｔ＝Ｔ１で０となり、時間Ｔ＝Ｔ２で燃料噴射を開始し、アイドリング噴射量Ｆｉに回復する。従って、アクチュエータコントローラ４８は、図５に示す時刻Ｔ＝Ｔ１、すなわち燃料噴射量Ｆがゼロになったタイミングで内燃機関１が急減速したと判定する。そして、燃料噴射量Ｆがゼロになった場合、制御部５２は給気制御処理をステップＳ４の処理に進める。一方、燃料噴射量が０にならなかった場合には、制御部５２は一連の給気制御処理を終了する。なお、可変ターボノズル２３のノズル開度が全閉になっているときは、手動強制再生処理中である。
ステップＳ４の処理では、アクチュエータコントローラ４８の制御部５２が、可変ターボアクチュエータ２３ａとＥＧＲバルブアクチュエータ３２ａとを制御することによって、可変ターボノズル２３のノズル開度とＥＧＲバルブ３２の開度とを全開状態に制御する。具体的には、アクチュエータコントローラ４８の制御部５２が、図５に一点鎖線Ｌ２で示すように、可変ターボアクチュエータ２３ａとＥＧＲバルブアクチュエータ３２ａとを制御することによって、可変ターボノズル２３のノズル開度とＥＧＲバルブ３２の開度とを全開状態に制御する。可変ターボノズル２３のノズル開度を全開状態に制御することによって、タービン２１に供給される排気ガスの流速が低下する。また、ＥＧＲバルブ３２の開度を全開状態に制御することによって、給気通路３内の給気が排気再循環通路３１を介してコンプレッサ２２の出口通路側からタービン２１の入口通路側にバイパスする。これにより、コンプレッサ２２の出口通路側の給気の流入抵抗が小さくなる。このため、図９に示すように、排気タービン過給機６の作動点は作動点Ｍ０から二点鎖線の軌跡を通って作動点Ｍ２に移行することになるので、作動点がサージング領域に入り込むことによる排気タービン過給機６のサージング発生を抑制できる。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、給気制御処理はステップＳ５の処理に進む。
ステップＳ５の処理では、アクチュエータコントローラ４８の制御部５２が、燃料噴射量センサ４２からの入力信号に基づいて燃料噴射量が０でなくなったか否かを判断する。そして、アクチュエータコントローラ４８の制御部５２は、燃料噴射量が０でなくなった場合（図４に示す時刻Ｔ＝Ｔ２）、給気制御処理をステップＳ６の処理に進める。
ステップＳ６の処理では、アクチュエータコントローラ４８の制御部５２が、燃料噴射量センサ４２からの入力信号に基づいて、可変ターボアクチュエータ２３ａとＥＧＲバルブアクチュエータ３２ａとを制御することによって、図５に波形Ｌ２で示すように、燃料噴射量の増加に応じて可変ターボノズル２３のノズル開度とＥＧＲバルブ３２の開度とを全開状態から全閉状態に向けて減少させる。具体的には、アクチュエータコントローラ４８は、燃料噴射量と可変ターボノズル２３のノズル開度及びＥＧＲバルブ３２の開度とが反比例関係を示す、又は、燃料噴射量の増加に応じて可変ターボノズル２３のノズル開度及びＥＧＲバルブ３２の開度が所定の指数関数に従って減少するように、燃料噴射量の増加に応じて可変ターボノズル２３のノズル開度とＥＧＲバルブ３２の開度とを全開状態から全閉状態に向けて減少させる。このような処理によれば、燃料噴射量の増加に応じてエンジン本体２への給気が増加し、燃焼室内で燃料が完全燃焼するようになるので、排気ガス中に含まれるＰＭの量が増加することを抑制しつつ、手動強制再生処理を行うことができる。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、給気制御処理はステップＳ７の処理に進む。
ステップＳ７の処理では、アクチュエータコントローラ４８の制御部５２が、可変ターボノズル２３のノズル開度とＥＧＲバルブ３２の開度とが共に全閉状態であるか否かを判断する。この判断の結果、可変ターボノズル２３のノズル開度とＥＧＲバルブ３２の開度とが共に全閉状態でない場合（ステップＳ７，Ｎｏ）、制御部５２は給気制御処理をステップＳ６の処理に戻す。一方、可変ターボノズル２３のノズル開度とＥＧＲバルブ３２の開度とが共に全閉状態である場合には（ステップＳ７，Ｙｅｓ）、制御部５２は一連の給気制御処理を終了する。そして、上述した処理を、所定の制御周期毎に繰り返し実行する。これにより、手動強制再生処理中であっても、サージングを発生させずに軽負荷作業を行うことができる。
図６は、手動強制再生中かつ軽負荷作業中に、建設機械が急減速した場合にＥＧＲバルブ３２の開度を制御しない場合における、燃料噴射量，ＥＧＲバルブ３２の開度，可変ターボノズル２３のノズル開度，給気圧，及びＰＭ量の経時変化を示す図である。図６に示すように、建設機械が急減速した場合にＥＧＲバルブ３２の開度を制御しない場合には、給気圧が振動して排気タービン過給機６にサージングが発生する。
図７は、手動強制再生中かつ軽負荷作業中に、建設機械が急減速した場合にＥＧＲバルブ３２の開度を全閉状態から全開状態に制御した場合における、燃料噴射量，ＥＧＲバルブ３２の開度，可変ターボノズル２３のノズル開度，給気圧，及びＰＭ量の経時変化を示す図である。図７に示すように、建設機械が急減速した場合にＥＧＲバルブ３２を全閉状態から全開状態に制御した場合には、給気圧が振動して排気タービン過給機６にサージングが発生することを抑制できる。しかしながら、図７に示す制御では、ＥＧＲバルブ３２は、燃料噴射量が０からアイドリング噴射量に回復するまでの間、全開状態に維持される。このため、ＥＧＲバルブ３２が全開状態から全閉状態に戻るまでの間、給気量が少ない状態でエンジン本体２に燃料が噴射されることによって、燃料が不完全燃焼し、排気ガス中に含まれるスス量が増加している。
図８は、本実施形態の給気制御装置における建設機械が急減速した場合の燃料噴射量，ＥＧＲバルブ３２の開度，可変ターボノズル２３のノズル開度，給気圧，及びＰＭ量の経時変化を示す図である。図８に示すように、本実施形態における給気制御装置では、燃料噴射量が０になった場合、可変ターボノズル２３のノズル開度とＥＧＲバルブ３２の開度とを全閉状態から全開状態に制御することによって、給気圧が振動して排気タービン過給機６にサージングが発生することを抑制している。さらに、本実施形態における給気制御装置は、燃料噴射量が０でなくなった場合、燃料噴射量の増加に応じて可変ターボノズル２３のノズル開度とＥＧＲバルブ３２の開度とを全開状態から全閉状態に向けて減少させている。すなわち、本実施形態の給気制御装置は、燃料噴射量の増加に応じてエンジン本体２への給気量を増加させている。従って、本実施形態における給気制御装置によれば、燃料噴射量の増加に応じてエンジン本体２への給気が増加し、燃焼室内で燃料が完全燃焼するようになるので、排気ガス中に含まれるＰＭ量が増加することを抑制できる。
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、上記実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち上記実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例、及び運用技術等は、全て本発明の範疇に含まれる。
１ 内燃機関
２ エンジン本体
３ 給気管路
４ 排気管路
５ 冷却機構
６ 排気タービン過給機
７ ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）
８ 排気再循環システム
２１ タービン
２１ａ タービン翼車
２２ コンプレッサ
２３ 可変ターボノズル
２３ａ 可変ターボアクチュエータ
２４ バイパス路
２５ ドージングノズル
２６ ドージング燃料供給装置
３１ 排気再循環通路
３２ ＥＧＲバルブ
３２ａ ＥＧＲバルブアクチュエータ
３３ ＥＧＲクーラ
４１ エンジン回転速度センサ
４２ 燃料噴射量センサ
４３ 給気圧センサ
４４ 排気圧センサ
４５ タービン回転速度センサ
４６ ＤＰＦ再生指示部
４７ エンジンコントローラ
４８ アクチュエータコントローラ
５１ 入力部
５２ 制御部
５３ 出力部

Claims (4)

  1. 内燃機関から排出された排気ガスの一部を抽出し、前記内燃機関の給気通路側に再循環させる排気再循環通路と、
    前記排気再循環通路に設けられ、当該排気再循環通路を循環する排気ガスの流量を制御する開閉弁と、
    前記内燃機関に対する燃料噴射量を検出する燃料噴射量検出手段と、
    前記内燃機関から排出された排気ガスによって回転するタービンと、
    前記タービンが回転することによって駆動され、外気を吸入、加圧して前記内燃機関に供給するコンプレッサと、
    前記タービンに供給される排気ガスの流速をスライド機構のノズル開度調整によって制御するとともに該スライド機構の全閉時に該スライド機構を介して排気ガスの流出方向をタービン翼車の軸方向にして前記タービンへの仕事を小さくするバイパス路を形成する可変ターボノズルと、
    ディーゼルエンジンから排出された排出ガスに含まれる粒子状物質の量を低減するディーゼルパティキュレートフィルタの手動強制再生処理を実行しつつ軽負荷作業を行う場合、前記開閉弁を全閉状態にするとともに前記可変ターボノズルを全閉状態にして前記バイパス路を形成し、前記燃料噴射量検出手段により検出された燃料噴射量が０になった場合、前記開閉弁を全閉状態から全開状態にするとともに前記可変ターボノズルを全閉状態から全開状態にする制御を行う開度制御手段と、
    を備えたことを特徴とする内燃機関の給気制御装置。
  2. 前記開度制御手段は、ディーゼルエンジンから排出された排出ガスに含まれる粒子状物質の量を低減するディーゼルパティキュレートフィルタの手動強制再生処理を実行しつつ軽負荷作業を行う場合、前記開閉弁を全閉状態にするとともに前記可変ターボノズルを全閉状態にして前記バイパス路を形成し、前記前記燃料噴射量検出手段により検出された燃料噴射量が０になった場合、前記開閉弁を全閉状態から全開状態にするとともに前記可変ターボノズルを全閉状態から全開状態にし、その後前記燃料噴射量検出手段により検出された燃料噴射量の増加に応じて前記開閉弁および前記可変ターボノズルの開度を減少させる制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の給気制御装置。
  3. 内燃機関から排出された排気ガスの一部を抽出し、前記内燃機関の給気通路側に再循環させる排気再循環通路と、
    前記排気再循環通路に設けられ、当該排気再循環通路を循環する排気ガスの流量を制御する開閉弁と、
    前記内燃機関から排出された排気ガスによって回転するタービンと、
    前記タービンが回転することによって駆動され、外気を吸入、加圧して前記内燃機関に供給するコンプレッサと、
    前記タービンに供給される排気ガスの流速をスライド機構のノズル開度調整によって制御するとともに該スライド機構の全閉時に該スライド機構を介して排気ガスの流出方向をタービン翼車の軸方向にして前記タービンへの仕事を小さくするバイパス路を形成する可変ターボノズルと、
    を備える内燃機関の給気制御方法において、
    ディーゼルエンジンから排出された排出ガスに含まれる粒子状物質の量を低減するディーゼルパティキュレートフィルタの手動強制再生処理の指示を検出する検出ステップと、
    前記検出ステップによって手動強制再生処理の指示を検出した場合、前記開閉弁を全閉状態にするとともに前記可変ターボノズルを全閉状態にして前記バイパス路を形成する全閉制御ステップと、
    燃料噴射量が０になった場合、前記開閉弁を全閉状態から全開状態にするとともに前記可変ターボノズルを全閉状態から全開状態にする制御を行う全開制御ステップと、
    を含むことを特徴とする内燃機関の給気制御方法。
  4. 前記全開制御ステップによって前記開閉弁および前記可変ターボノズルを全開状態に制御した後、燃料噴射量の増加に応じて前記開閉弁および前記可変ターボノズルの開度を減少させる開度制御ステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の給気制御方法。
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