JP5596303B2

JP5596303B2 - エンジンの吸入空気量調整装置

Info

Publication number: JP5596303B2
Application number: JP2009128928A
Authority: JP
Inventors: 隆行坂本; 達夫益子
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2029-05-28
Also published as: JP2010275921A

Description

本発明は、吸入空気通路に吸気スロットル弁としてバタフライ弁を配設したエンジンの吸入空気量調整装置に関するものである。

ＬＮＴ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元触媒）を使用した後処理装置によって、軽油やガソリンを燃料とするエンジンからの排ガス中のＮＯｘを浄化する技術が広く知られている。この触媒を使用してＮＯｘを浄化する場合、触媒の浄化性能維持のために、還元処理や脱硫処理が必要である（例えば、特許文献１参照）。これら還元処理や脱硫処理では、供給する燃料量の制御に加え、触媒に入る酸素濃度の制御も重要であり、燃料と酸素の割合、すなわちλ制御を正確に行う必要がある。

ところで、エンジンから排出されるＮＯｘは、エンジンへの吸入空気流量が増えて、エンジン燃焼室内での燃焼が活発なほど多くなる。そこで燃料と反応する酸素の割合を下げるために、吸入空気にエンジンからの排ガスを還流させる方法（ＥＧＲ法）を採り入れることも広く行われている。従って一般的には、エンジン回転数や負荷に応じ、ＥＧＲ率も併せて、最適な吸入空気流量となるよう、ディーゼルエンジンにおいても、吸入空気通路に吸気スロットル弁を設けて、吸気スロットル弁の開度を調整している。

この場合、吸気スロットル弁として、一般的には図５に示すように吸入空気通路１にバタフライ弁２を設け、バタフライ弁２の開度（弁開度）θを調節することで、エンジンに導入する吸入空気流量を制御していることが多い（例えば、特許文献２参照）。ここで、バタフライ弁２の開度は、吸入空気通路１を全閉する角度位置を０度、吸入空気通路１を全開する角度位置を９０度としている。このことは、以下の説明においても共通である。

特開２００７−７１１００号公報特開２００４−２５７２７０号公報

ところが、吸入空気流量の制御をバタフライ弁の開度調整で行う場合、開度を小さくして空気量を減らそうとすると、空気流量は開度の関数となって減少するものの、要求開度が小さい領域では、開度が変化しても流量の変化は小さくなるので、必要な吸入空気流量まで減らせない場合が生じやすく、その場合には、酸素量が要求値よりも多い過剰供給状態となるので、燃焼が活発となって、エンジンから排出されるＮＯｘ濃度が増えてしまい、ＬＮＴ触媒で処理すべきＮＯｘ排出量も増えるという問題がある。

また、ＬＮＴ触媒のＮＯｘ浄化反応を用いるシステムでは、定期的に燃料過多のリッチ状態にして（λ＜１）、触媒上に吸着したＮＯｘ化合物を除去して浄化性能を維持する還元処理操作を行っているので、その際に吸入空気流量が予定通りに減らないと、その分だけ、結果的に燃料供給量を増やさざるを得なくなる。

一方、細かな制御ができずに吸入空気流量を減らし過ぎた（酸素濃度を減らし過ぎた）場合には、エンジンからの出力が減り、ドライバビリティに影響することも有り得る。また、ＰＭ（粒子状物質）の排出量も増える。また、ＥＧＲを実施する場合は、バタフライ弁の開度が小さいほど流量減少量が少なくなると同時に、ＥＧＲの排気ガス流によって、弁体に作用する力も大きくなるので、弁の開度調整が困難になるという問題もある。

図６は従来の１枚構造のバタフライ弁のデータを示すグラフで、（ａ）は弁開度に応じた流量変化、（ｂ）は弁開度に応じた流量変化の割合を調べた結果を示している。（ａ）のグラフの縦軸である「弁開度９０度に対する流量の割合％」とは、開度９０度（全開）のときの空気流量を１００％としたときの割合である。また、「幾何学的計算」とは、流れと直角方向に投影された弁の面積を吸入空気通路の流路断面積から差し引き、この値を空気通過可能流路面積として流量を算出し、この算出値を弁開度９０度のときの値で除した値である。また、（ｂ）のグラフの縦軸である「単位時間あたりの流量変化の割合％」とは、一定速で弁開度を変化させた場合に、実測流量値が時間に対してどのように変化するか示すものであり、弁開度９０度（全開状態）での空気流量を１００％として比較してある。

これらのグラフから分かるように、幾何学的計算値に比べ、実測値の流量は、各開度で少なくなっている。例えば、弁開度７０度では、おおよそ２０％も低い流量となっている。これは、流量を絞るときに、圧力の損失が大きくなるためと推定することができる。この結果から、以下のことが言える。

（１）開度を９０度から減らす場合には、その流量低下は、幾何学的形状による流量減少以上に起こる。

（２）開度を減らし、例えば４０度の弁開度から流量を減らす場合には、その流量は、幾何学的形状にくらべ減少割合が少ない。

以上のことより、従来の１枚構造のバタフライ弁を使用した場合、開度調整による流量制御が有効な範囲と、流量を減らし難い領域のあることが判る。

本発明は、上記事情を考慮し、吸入空気流量の微調整が可能であり、それにより従来のバタフライ弁では解消できなかった種々の問題を解消することのできるエンジンの吸入空気量調整装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンの吸入空気通路に吸気スロットル弁としてのバタフライ弁を配設し、このバタフライ弁の弁体の開度を開から閉に制御することにより、エンジンの吸入空気流量を調整する装置において、前記バタフライ弁の弁体が、前記吸入空気通路の通路断面を塞ぐ大きさの外形寸法を有すると共に中央に貫通した開口を有し回動操作されることにより開度制御される主調整弁体と、該主調整弁体の前記開口に嵌まる大きさの外形寸法を有し前記開口を開閉可能であり前記主調整弁体と独立して回動操作されることにより開度制御される微調整弁体とを有し、これら主調整弁体と微調整弁体の開度をそれぞれ制御可能な制御手段を設け、該制御手段は、前記微調整弁体と前記主調整弁体をエンジンの状態に応じて予めマップ化された要求指示開度になるよう、前記微調整弁体と前記主調整弁体の開度をそれぞれ開度センサで検出して、前記微調整弁体次に前記主調整弁体の順にそれぞれの弁体の開度を閉方向に制御した後、実際の吸入空気流量をマスフローセンサで測定し、その測定値が要求指示値に対する閾値内に入るよう、前記微調整弁体の開度を前記開度センサで検出してフィードバック制御するものである。

好ましくは、前記主調整弁体の駆動軸が中空構造とされ、その中に前記微調整弁体の駆動軸が相対回転自在に挿通され、これら各駆動軸にそれぞれ主調整弁体駆動機構と微調整弁体駆動機構とが連結されたものである。

好ましくは、前記微調整弁体は、前記主調整弁体に対する面積の比が１以下に設定されたものである。

本発明によれば、吸入空気流量の微調整が可能であるという優れた効果を発揮するものである。

本発明の実施形態の吸入空気調整装置の概略説明図で、（ａ）は全体構成を示す斜視図、（ｂ）は主調整弁体の駆動軸と微調整弁体の駆動軸の関係を示す図である。本発明の実施形態の吸入空気調整装置の制御動作を示すフローチャートである。微調整弁体面積／主調整弁体面積≒０．３のときの弁開度と流量の関係を示す図で、（ａ）は弁開度に対する流量変化の割合を示すグラフ、（ｂ）は弁開度に対する単位時間あたりの流量変化の割合を示すグラフである。微調整弁体面積／主調整弁体面積≒１．０のときの弁開度と流量の関係を示す図で、（ａ）は弁開度に対する流量変化の割合を示すグラフ、（ｂ）は弁開度に対する単位時間あたりの流量変化の割合を示すグラフである。バタフライ弁の開度の定義の説明図である。従来の１枚構造のバタフライ弁の弁開度と流量の関係を示す図で、（ａ）は弁開度に対する流量変化の割合を示すグラフ、（ｂ）は弁開度に対する単位時間あたりの流量変化の割合を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は実施形態の吸入空気調整装置の概略説明図で、（ａ）は全体構成を示す斜視図、（ｂ）は主調整弁体の駆動軸と微調整弁体の駆動軸の関係を示す図である。

この吸入空気調整装置は、エンジンのシリンダ内に空気を導入する吸入空気通路１に吸気スロットル弁としてのバタフライ弁１０を配設し、このバタフライ弁１０の開度を制御することによりエンジンの吸入空気流量を調整するものであり、バタフライ弁１０が、それぞれ独立して回動調節できる外周側の主調整弁体１１と内周側の微調整弁体１２との２枚構造になっていることを特徴としている。図１（ａ）中の白抜き矢印Ｆは空気の流れ方向を示している。

外周側の主調整弁体１１は、円形のドーナツ型のもので、吸入空気通路１の通路断面を塞ぐ大きさの外径（外形寸法）を有すると共に、中心部に外周輪郭と同芯の貫通した円形の開口１１ａを有しており、駆動軸２１の軸線周りに回動操作されることにより、開度制御されるようになっている。また、内周側の微調整弁体１２は、主調整弁体１１の中央の開口１１ａに嵌まる大きさの直径（外形寸法）を有した円板状のもので、開口１１ａを開閉可能に配設されており、駆動軸２２の軸線周りに主調整弁体１１と独立して回動操作されることにより、開度制御されるようになっている。

主調整弁体１１の駆動軸２１は中空構造とされ、その中空孔２１ａの内部に微調整弁体１２の駆動軸２２が相対回転自在に挿通されている。そして、各駆動軸２１、２２にそれぞれ主調整弁体駆動モータ（主調整弁体駆動機構）３１と微調整弁体駆動モータ（微調整弁体駆動機構）３２とが連結され、これらモータ３１、３２を駆動することによって、主調整弁体１１と微調整弁体１２を独立して開度制御できるようになっている。なお、主調整弁体駆動モータ３１と駆動軸２１との間には、減速用の駆動ギヤ２４、２５が介在されている。微調整弁体１２は、主調整弁体１１に対する面積の比（微調整弁体１２の面積／主調整弁体１１の面積）が１以下に設定されている。

また、この吸入空気調整装置では、主調整弁体１１の開度を検出する開度センサ１６と微調整弁体１２の開度を検出する開度センサ１７とが設けられている。これらの開度センサ１６、１７は、例えば、相対回転する対向部位の一方に設けられた磁気センサと磁石１６ａ、１７ａの組み合わせによって構成されており、主調整弁体１１および微調整弁体１２の各開度位置（絶対回動角度位置）を検出できるようになっている。また、バタフライ弁１０よりも吸入空気通路１の下流側の位置には、通過流量を検出するマスフローセンサ４０が設けられている。これら開度センサ１６、１７やマスフローセンサ４０の検出信号は制御手段（電子制御ユニット）５０に入力され、制御手段５０はこれらのデータに基づいて駆動モータ３１、３２に駆動信号を送ることにより、主調整弁体１１の開度および微調整弁体１２の開度をフィードバック制御する。

図２は制御手段５０の動作内容の一例を示すフローチャートであり、このフローチャートに従って動作の流れを説明する。

吸入空気流量の制御動作がスタートすると、まずステップＳ１でエンジンが始動されている上で冷却水温が８０℃を超えるか否かを判断する。Ｎｏの場合は、この判断を繰り返し行う。Ｙｅｓの場合は、次のステップＳ２で、予めマップ化されている吸入スロットル開度の読み込みを行う。次のステップＳ３で読み込んだデータに基づく微調整弁体１２の制御動作を実施し、その次のステップＳ４で読み込んだデータに基づく主調整弁体１１の制御動作を実施する。

ステップＳ３およびステップＳ４で大まかな制御を行ったら、その後のステップＳ５で実際にマスフローセンサ４０が検出する吸入空気流量が要求指示値より小さいかどうかを判断し、Ｎｏの場合はステップＳ５の判断を繰り返す。また、Ｙｅｓの場合は、ステップＳ６で微調整弁体１２の開度を増やす方向の制御動作を実施する。その結果をステップＳ７でチェックし、ときに微調整域を越えるほど要求値とのズレを生じていると判断した場合（Ｎｏの場合、つまり実測した吸入空気流量が閾値Ａ未満または閾値Ｂを超える場合）は、ステップＳ５に戻り、一連の動作を再度繰り返す。また、Ｙｅｓの場合は、主調整弁体１１の制御動作の実施ステップＳ４に戻る。

次に、微調整弁体面積／主調整弁体面積≒０．３に設定した場合と、微調整弁体面積／主調整弁体面積≒１．０に設定した場合の各性能について検討してみた結果について述べる。

図３は微調整弁体面積／主調整弁体面積≒０．３に設定した場合の弁開度と流量の関係を示す図で、（ａ）は弁開度に対する流量変化の割合を示すグラフ、（ｂ）は弁開度に対する単位時間あたりの流量変化の割合を示すグラフである。また、図４は微調整弁体面積／主調整弁体面積≒１．０に設定した場合の弁開度と流量の関係を示す図で、（ａ）は弁開度に対する流量変化の割合を示すグラフ、（ｂ）は弁開度に対する単位時間あたりの流量変化の割合を示すグラフである。

図３と図４のグラフにおける主調整弁体１１による流量の変化曲線は、微調整弁体１２の開度を９０度にしたときの値である。また、微調整弁体１２による流量の変化曲線は、主調整弁体１１の開度を０度にしたときの値である。グラフ中の調整弁１枚の場合とは、従来のバタフライ弁と同様の場合のことである。また、主調整弁体１１の外径は、調整弁１枚の場合と同一の条件である。またこの例は、調整弁１枚の場合で、弁開度７０度にしたときに、流量が約５０％に絞られるものを示している。

なお、各図（ａ）のグラフの縦軸である「弁開度９０度に対する流量の割合％」とは、開度９０度（全開）のときの空気流量を１００％としたときの割合である。また、各図（ｂ）のグラフの縦軸である「単位時間あたりの流量変化の割合％」とは、一定速で弁開度を変化させた場合に、実測流量値が時間に対してどのように変化するか示すものであり、弁開度９０度（全開状態）での空気流量を１００％として比較した割合である。

これらの図から分かるように、弁開度が８５度〜９０度の範囲で急激な変化を示している。また、微調整弁体１２は、開度変化に応じた流量変化（絞り効果）が調整弁１枚の場合よりも小さい（曲線が緩やかである）。そのため、先のフローチャートに示すように、主調整弁体１１よりも先に必要開度まで絞ることに意義があると言うことができる。

図３の微調整弁体面積／主調整弁体面積≒０．３の例において、例えば、流量を５０％まで絞ろうとすると、主調整弁体１１だけを開度９０度から開度７０度に絞ると、実質流量を約６０％までしか絞れない（このとき微調整弁体１２は開度９０度）。そこで、微調整弁体１２を使って残りの１０％を絞るには、主調整弁体１１を７０度に固定した状態で、微調整弁体１２を９０度から約８０度まで１０度ほど絞れば、調整弁１枚の場合の５０％の流量調節を達成できることになる。この場合、最後の１０％の流量調整を、開度変化に対する流量変化の割合の小さな微調整弁体１２の開度制御で行うので、調整弁１枚を操作した場合よりも高精度に流量制御を行うことができる。

同様に、図４の微調整弁体面積／主調整弁体面積≒１．０の例について見てみると、例えば、流量を５０％まで絞ろうとすると、主調整弁体１１を開度９０度から開度７０度に絞った後で、微調整弁体１２を開度９０度から７５度まで絞ればよいことが分かる。つまり、微調整弁体１２を開度７０度まで絞らずとも、７５度までの絞り状態で同じ絞り効果を得られることが分かる。この場合も、最後の段階の流量調整を、開度変化に対する流量変化の割合の小さな微調整弁体１２の開度制御で行うので、調整弁１枚を操作した場合よりも高精度に流量制御を行うことができる。

これらのグラフから、有効流量制御範囲は最小値を５０％程度とし、流量を半分まで絞る場合に、主調整弁体面積／微調整弁体面積が０．３から１．０の範囲とすることで有効であると言える。

以上のように、本実施形態では、主調整弁体１１の中央の開口１１ａに微調整弁体１２を配設し、微調整弁体１２と主調整弁体１１を互いに独立して開度制御できるようにしているので、主調整弁体１１では調整できない範囲の吸入空気流量を微調整弁体１２で微調整することができ、吸入空気流量を要求指示値に精度よく近づけることができる。すなわち、吸入空気通路１中に吸気スロットル弁として設けられたバタフライ弁１０を、従来の１枚構造のものではなく、主調整弁体１１と微調整弁体１２を有した２枚構造のものとして構成しているので、従来の１枚構造のバタフライ弁では吸入空気流量の細かい調整が難しかった領域においても、微調整弁体１２による微調整ができるようになり、吸入空気流量を本当はもっと減らしたいのに要求指示どおりに減らせず、その結果、エンジンから排出するＮｏｘ濃度が増加してしまうことを有効に抑制することができる。

また、吸入空気流量を要求指示値よりも減らし過ぎてドライバビリティが悪化するようなことも抑制することができる。また、吸入空気流量が要求指示値以上に減ることによって、ＰＭの排出量が増加し、ＤＰＦ（フィルタ）の再生間隔が短くなることをも抑制することができる。そしてその結果として、Ｎｏｘ浄化性能の再生のために必要な燃料の供給量を減らして燃料消費量の増加を抑えることができる。また、ＬＮＴ触媒の還元処理や脱硫処理時のλ制御を精度良く行うことができて、触媒上のＮｏｘ化合物や硫黄酸化物の十分な除去が可能となる。また、λ制御の実施、すなわちＮｏｘ還元処理制御や脱硫処理制御時のリッチλへの到達時間を短くすることができ、リッチ化に必要な燃料供給量の低減が可能となる。

なお、２つの弁（主調整弁体１１と微調整弁体１２）の開度についてエンジン運転状態に応じた開度データ制御情報として電子制御ユニット５０（ＥＣＵ）に持たせ、各弁の開度調整動作を同時に行えば、単一弁と同じ作動時間で高精度を維持することも可能である。

また、主調整弁体１１と微調整弁体１２とは、微調整弁体１２の面積を主調整弁体１１の面積で割った値が１以下となるように形状（各弁体１１、１２や開口１１ａの径など）を設定しているので、微調整弁体１２の微調整能力を有効に発揮することができる。また、ＥＧＲ（吸入空気にエンジンからの排ガスを還流させる方式）を実施する場合、微調整弁体１２の制御動作時に還流排ガスからの力が微調整弁体１２の駆動軸２２に制御動作を妨げる力（トルク）として作用するが、微調整弁体１２の面積を主調整弁体１１と同じ面積以下に小さく制限したことにより、このトルクを半分以下に減らせることになり、微調整弁体１２の制御動作を容易にすることができる。

また、微調整弁体１２と主調整弁体１１をエンジンの運転状態に応じて予めマップ化された要求指示開度にそれぞれ制御した後、実際の吸入空気流量をマスフローセンサ４０で測定し、その測定値に基づいて微調整弁体１２の開度をフィードバック制御するので、流量の微調整を効果的に行うことができる。

１吸入空気通路
１０バタフライ弁
１１主調整弁体
１１ａ開口
１２微調整弁体
２１主調整弁体の駆動軸
２２微調整弁体の駆動軸
３１主調整弁体の駆動モータ（駆動機構）
３２微調整弁体の駆動モータ（駆動機構）
４０マスフローセンサ

Claims

エンジンの吸入空気通路に吸気スロットル弁としてのバタフライ弁を配設し、このバタフライ弁の弁体の開度を開から閉に制御することにより、エンジンの吸入空気流量を調整する装置において、
前記バタフライ弁の弁体が、前記吸入空気通路の通路断面を塞ぐ大きさの外形寸法を有すると共に中央に貫通した開口を有し回動操作されることにより開度制御される主調整弁体と、該主調整弁体の前記開口に嵌まる大きさの外形寸法を有し前記開口を開閉可能であり前記主調整弁体と独立して回動操作されることにより開度制御される微調整弁体とを有し、
これら主調整弁体と微調整弁体の開度をそれぞれ制御可能な制御手段を設け、
該制御手段は、前記微調整弁体と前記主調整弁体をエンジンの状態に応じて予めマップ化された要求指示開度になるよう、前記微調整弁体と前記主調整弁体の開度をそれぞれ開度センサで検出して、前記微調整弁体次に前記主調整弁体の順にそれぞれの弁体の開度を閉方向に制御した後、実際の吸入空気流量をマスフローセンサで測定し、その測定値が要求指示値に対する閾値内に入るよう、前記微調整弁体の開度を前記開度センサで検出してフィードバック制御することを特徴とするエンジンの吸入空気量調整装置。
前記主調整弁体の駆動軸が中空構造とされ、その中に前記微調整弁体の駆動軸が相対回転自在に挿通され、これら各駆動軸にそれぞれ主調整弁体駆動機構と微調整弁体駆動機構とが連結されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの吸入空気量調整装置。
前記微調整弁体は、前記主調整弁体に対する面積の比が１以下に設定されたことを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの吸入空気量調整装置。