JP5712561B2

JP5712561B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5712561B2
Application number: JP2010242539A
Authority: JP
Inventors: 直樹石橋; 知宏菅野; 義幸阿部; 治世木村; 由加利水島; 飯島　章; 章飯島; 功橘川; 朝幸伊藤; 翔吾坂下
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: JP2012092798A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に電動機付きターボチャージャを有する内燃機関の制御装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関（以下、エンジンという）においては、排気中のＮＯｘを低減させるべく、エンジンから排出される排気の一部を吸気系に還流させるＥＧＲ装置が知られている。このＥＧＲ装置は、エンジンの筒内に不活性ガスを含む排気を還流させて酸素濃度を下げることで、ＮＯｘ排出量の低減を図っている。

一方、エンジンの出力を確保するためには、エンジンの筒内に燃料噴射量に応じた酸素の絶対量を確保する必要がある。そのため、エンジンの筒内に、燃料を燃焼する新気（以下、吸入空気という）及びＮＯｘ排出量を低減する還流排気（以下、ＥＧＲガスという）を確保すべく、吸入空気を過給するターボチャージャが一般的に用いられている。

例えば、特許文献１には、排気中の煤やＮＯｘの排出量を低減するシステムとして、ディーゼルエンジンに高圧ＥＧＲ装置と低圧ＥＧＲ装置とターボ過給機とを備えたシステムが開示されている。

特開２０１０−２０３２８２号公報

ところで、ターボチャージャを有するエンジンでは、例えば、エンジンの運転状態が排気エネルギーの少ない低負荷運転時やターボチャージャの回転が直ぐに上がらない過渡運転時等には、吸入空気の過給が難しくなる。そのため、かかる運転状態においては、エンジンの筒内にＥＧＲガスを十分に確保することができず、ＮＯｘ排出量が十分に低減できない可能性がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、エンジンの運転領域全域で必要なＥＧＲガスを確保することで、ＮＯｘ排出量を効果的に低減することにある。

上記目的を達成するための本発明は、内燃機関の排気通路に設けられたタービン及び該内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサを有するターボチャージャと、前記タービン及び前記コンプレッサを回転させる電動機と、前記吸気通路に設けられて吸入空気量を調整するスロットルバルブと、前記タービンよりも上流側の排気通路と前記コンプレッサよりも下流側の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路及び該ＥＧＲ通路を流れて前記内燃機関の吸気系に還流される排気の還流量を調節するＥＧＲバルブを有するＥＧＲ装置と、前記排気通路に設けられ排気のＮＯ_X濃度を検出するＮＯ_X濃度検出手段と、前記ＮＯ_X濃度検出手段の検出値が上限閾値を超えると、該検出値が上限閾値以下になるまで排気の還流量を増加させるべく、前記ＥＧＲバルブを開き、且つ前記スロットルバルブを閉じるとともに前記電動機を前記タービンよりも上流側の排気通路の圧力が前記コンプレッサよりも下流側の吸気通路の圧力よりも高くなるように駆動させる制御部と、を備える内燃機関の制御装置である。

また、前記タービンよりも下流側の排気通路に設けられた低圧段タービン及び前記コンプレッサよりも上流側の吸気通路に設けられた低圧段コンプレッサを有する低圧段ターボチャージャをさらに備え、前記ターボチャージャは高圧段ターボチャージャであってもよい。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、エンジンの運転領域全域で必要なＥＧＲガスを確保することで、ＮＯｘ排出量を効果的に低減することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す模式的な全体構成図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置の目標ＮＯｘマップを示す模式的な図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置による制御内容を示すフローである。

以下、図１〜３に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置１について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置１は、図１に示すように、ディーゼルエンジン等の内燃機関（以下、エンジンという）２と、電動機付き高圧段ターボチャージャ（ターボチャージャ）２０と、電動機付き高圧段ターボチャージャ２０よりも大容量の低圧段ターボチャージャ３０と、排気の一部を還流するＥＧＲ装置４０と、ＮＯｘセンサ（ＮＯｘ濃度検出手段）５０と、ＥＣＵ（制御部）６０とを備える。

エンジン２には、図１に示すように、吸気マニホールド３と排気マニホールド４とが設けられている。また、吸気マニホールド３には、吸気弁２ａの開弁により電動機付き高圧段ターボチャージャ２０から送出される高圧吸気を導入する高圧吸気通路５が接続され、排気マニホールド４には、排気弁２ｂの開弁により排気を排出する第１排気通路６が接続されている。また、高圧吸気通路５には、吸入空気を冷却するインタークーラ７と、吸入空気量を調整するスロットルバルブ８が設けられている。スロットルバルブ８は電気配線を介してＥＣＵ６０に接続されており、ＥＣＵ６０から出力される制御信号に応じてバルブ開度が調整されるように構成されている。

電動機付き高圧段ターボチャージャ２０は、図１に示すように、高圧吸気通路５の上流側に設けられた高圧段コンプレッサ２１と、第１排気通路６の下流側に設けられた高圧段タービン２２とを有する。高圧段タービン２２の下流側には第２排気通路９が設けられている。また、高圧段コンプレッサ２１と高圧段タービン２２とは回転軸２３で接続され、回転軸２３には電動機２４が取り付けられている。

電動機２４は、回転軸２３に設けられた図示しないロータと、ロータの周囲に配設された図示しないステータとを備え構成されている。また、電動機２４は、電気配線を介してＥＣＵ６０に接続されており、ＥＣＵ６０から出力される制御信号に応じて駆動がコントロールされるように構成されている。

すなわち、本実施形態の電動機付き高圧段ターボチャージャ２０は、排気エネルギーのみで過給を行う通常の過給機としても機能し、電動機２４を駆動させてさらなる過給を行うこともでき、さらに、排気エネルギーで高圧段タービン２２を介して電動機２４を回転させることで回生発電を行うことも可能である。

低圧段ターボチャージャ３０は、図１に示すように、高圧段コンプレッサ２１に低圧吸気通路１０で接続された低圧段コンプレッサ３１と、第２排気通路９の下流側に設けられた低圧段タービン３２とを有する。また、低圧段コンプレッサ３１と低圧段タービン３２とは、回転軸で接続されている。また、低圧段コンプレッサ３１の上流側には吸気通路１１を介してエアクリーナ１３が接続され、低圧段タービン３２の下流側には第３排気通路１２が接続されている。すなわち、低圧段ターボチャージャ３０は、エンジン２の排気エネルギーで低圧段タービン３２が駆動するとともに、同軸に設けられた低圧段コンプレッサ３１によりエアクリーナ１３を介して導入される吸入空気を圧縮して高圧段コンプレッサ２１に送出するように構成されている。

ＥＧＲ装置４０は、図１に示すように、第１排気通路６と高圧吸気通路５とを接続するＥＧＲ通路４１と、ＥＧＲ通路４１を流れてエンジン２に還流される排気（以下、ＥＧＲガスという）を冷却するＥＧＲクーラ４２と、ＥＧＲガス量を調整するＥＧＲバルブ４３とを有する。このＥＧＲバルブ４３は、電気配線を介してＥＣＵ６０に接続されており、ＥＣＵ６０から出力される制御信号に応じてバルブ開度が調整されるように構成されている。

ＮＯｘセンサ５０は、排気中のＮＯｘ濃度を検出するもので、図１に示すように第３排気通路１２に設けられている。また、ＮＯｘセンサ５０は、電気配線を介してＥＣＵ６０に接続されている。

ＥＣＵ（電子制御ユニット）６０は、エンジン２の運転状態に応じて燃料噴射期間や燃料噴射量等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うために、ＥＣＵ６０には、エンジン回転センサ５１、アクセル開度センサ５２、ＮＯｘセンサ５０等の各種センサの出力信号がＡ／Ｄ変換された後に入力される。

また、ＥＣＵ６０は、目標ＮＯｘ値設定部６１と、ＥＧＲ増加判定部６２と、ＥＧＲ量調整部６３とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ６０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

目標ＮＯｘ値設定部６１は、エンジン２の運転状態に基づいて、エンジン２から排出される排気に含まれるＮＯｘ濃度の目標値（上限閾値）を設定する。この目標ＮＯｘ値設定部６１には、予め実験等で作成したエンジン回転数とトルク（アクセル開度）とをパラメータとする目標ＮＯｘマップ（図２参照）が記憶されている。そして、目標ＮＯｘ値設定部６１は、エンジン回転センサ５１の検出値（以下、エンジン回転数Ｎｅという）とアクセル開度センサ５２の検出値（以下、アクセル開度Ｑという）とに基づいて、目標ＮＯｘマップからエンジン２の運転状態に応じたＮＯｘ値を読み取とって目標値（以下、目標ＮＯｘ値という）に設定するように構成されている。

ＥＧＲ増加判定部６２は、ＮＯｘセンサ５０の検出値（以下、実ＮＯｘ値という）と目標ＮＯｘ値とを比較し、ＥＧＲガスの増加が必要であるか否かを判定する。例えば、実ＮＯｘ値が目標ＮＯｘ値よりも大きい場合（実ＮＯｘ値＞目標ＮＯｘ値）は、ＥＧＲガスの増加を必要と判定する。一方、実ＮＯｘ値が目標ＮＯｘ値以下の場合（実ＮＯｘ値≦目標ＮＯｘ値）は、ＥＧＲガスの増加を不要と判定する。

ＥＧＲ量調整部６３は、ＥＧＲ増加判定部６２によりＥＧＲガスの増加が必要と判定された場合に、スロットルバルブ８のバルブ開度及びＥＧＲバルブ４３のバルブ開度を調整しつつ、電動機２４を駆動させることでＥＧＲガスを増加させる。具体的には、ＥＧＲ量調整部６３には、ＮＯｘセンサ５０の検出値である実ＮＯｘ値が常時入力されている。そして、ＥＧＲ量調整部６３は、実ＮＯｘ値が目標ＮＯｘ値以下になるまで、スロットルバルブ８とＥＧＲバルブ４３とを最適なバルブ開度に調整する制御信号を出力するとともに、電動機２４を駆動させる制御信号を出力するように構成されている。例えば、スロットバルブ８を閉側に絞り、かつ、ＥＧＲバルブ４３を開側に調整する制御信号を出力するととともに、実ＮＯｘ値が目標ＮＯｘ値以下になるまで電動機２４を駆動させる制御信号を出力する。なお、これらＥＧＲガスを増加させる制御を効率よく行うべく、スロットルバルブ８のバルブ開度と吸入空気量との関係、ＥＧＲバルブ４３のバルブ開度とＥＧＲガス量との関係及び、電動機２４の回転数と圧縮吸気量との関係をモデル化しておくことが好ましい。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置１は、以上のように構成されているので、例えば図３に示すフローに従って以下のような制御が行われる。

ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、目標ＮＯｘ値設定部６１に、エンジン回転センサ５１の検出値（エンジン回転数Ｎｅ）とアクセル開度センサ５２の検出値（アクセル開度Ｑ）とが読み込まれる。

Ｓ１１０では、目標ＮＯｘ値設定部６１により、Ｓ１００で読み込んだエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ｑとに基づいて、目標ＮＯｘマップ（図２参照）からエンジン２の運転状態に応じた目標ＮＯｘ値が読み取られる。

Ｓ１２０では、ＥＧＲ増加判定部６２により、ＮＯｘセンサ５０の検出値（実ＮＯｘ値）と目標ＮＯｘ値とが比較され、ＥＧＲガスの増加が必要であるか否かが判定される。実ＮＯｘ値が目標ＮＯｘ値よりも大きい場合（実ＮＯｘ値＞目標ＮＯｘ値）は、ＥＧＲガスの増加が必要と判定されてＳ１３０へと進む。一方、実ＮＯｘ値が目標ＮＯｘ値以下の場合（実ＮＯｘ値≦目標ＮＯｘ値）は、ＥＧＲガスの増加は不要と判定されて本制御はリターンされる。

Ｓ１３０では、ＥＧＲ量調整部６３により、ＥＧＲガスを増加させて実ＮＯｘ値が目標ＮＯｘ値以下となるように、スロットルバルブ８とＥＧＲバルブ４３とが最適なバルブ開度に調整されるとともに電動機２４が駆動される。

Ｓ１４０では、ＥＧＲ増加判定部６２により、ＮＯｘセンサ５０の検出値（実ＮＯｘ値）と目標ＮＯｘ値とが再度比較される。実ＮＯｘ値が目標ＮＯｘ値よりも大きい場合（実ＮＯｘ値＞目標ＮＯｘ値）は、ＥＧＲガスのさらなる増加が必要と判定されてＳ１３０に戻される。一方、実ＮＯｘ値が目標ＮＯｘ値以下になった場合（実ＮＯｘ値≦目標ＮＯｘ値）は、ＥＧＲガスのさらなる増加は不要と判定されて本制御はリターンされる。

以上のような構成により、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置１によれば以下のような作用効果を奏する。

排気中のＮＯｘ値（実ＮＯｘ値）が、エンジン２の運転状態に応じて設定された目標ＮＯｘ値を超えると、実ＮＯｘ値が目標ＮＯｘ値以下となるように、スロットルバルブ８とＥＧＲバルブ４３とが最適なバルブ開度に調整されるとともに電動機２４が駆動される。すなわち、電動機２４の駆動により高圧段ターボチャージャ２０が圧縮吸気（高圧吸気）をエンジン２に送出することでＥＧＲガスは増加され、エンジン２の筒内の酸素濃度は低下する。その後、電動機２４の駆動は実ＮＯｘ値が目標ＮＯｘ値以下になるまで継続される。

したがって、エンジン２の運転領域全域で必要に応じてＥＧＲガスを増加させることが可能となり、運転領域全域でＮＯｘ排出量を効果的に低減することができる。また、ＮＯｘ排出量が低減されることで、ＮＯｘ後処理装置を簡略化、もしくは省略することが可能となり、生産コストの上昇も効果的に抑制することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上述の実施形態において、本発明は電動機付き高圧段ターボチャージャ２０と低圧段ターボチャージャ３０とを有する二段過給システムに適用されるものとして説明したが、電動機付きターボチャージャを一段のみ備える一段過給システムに適用してもよい。この場合も上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、ＮＯｘセンサ５０は、第３排気通路１２に設けられるものとして説明したが、ＮＯｘセンサ５０が耐熱性を備えるものであれば、例えばエンジン２の直下流の第１排気通路６に設けられてもよい。

２エンジン（内燃機関）
５高圧吸気通路（吸気通路）
６第１排気通路（排気通路）
２０電動機付き高圧段ターボチャージャ（ターボチャージャ）
２１高圧段コンプレッサ（コンプレッサ）
２２高圧段タービン（タービン）
２４電動機
３０低圧段ターボチャージャ
３１低圧段コンプレッサ
３２低圧段タービン
４０ＥＧＲ装置
４１ＥＧＲ通路
４３ＥＧＲバルブ
５０ＮＯｘセンサ（ＮＯｘ濃度検出手段）
６０ＥＣＵ（制御部）

Claims

内燃機関の排気通路に設けられたタービン及び該内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサを有するターボチャージャと、
前記タービン及び前記コンプレッサを回転させる電動機と、
前記吸気通路に設けられて吸入空気量を調整するスロットルバルブと、
前記タービンよりも上流側の排気通路と前記コンプレッサよりも下流側の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路及び該ＥＧＲ通路を流れて前記内燃機関の吸気系に還流される排気の還流量を調節するＥＧＲバルブを有するＥＧＲ装置と、
前記排気通路に設けられ排気のＮＯ_X濃度を検出するＮＯ_X濃度検出手段と、
前記ＮＯ_X濃度検出手段の検出値が上限閾値を超えると、該検出値が上限閾値以下になるまで排気の還流量を増加させるべく、前記ＥＧＲバルブを開き、且つ前記スロットルバルブを閉じるとともに前記電動機を前記タービンよりも上流側の排気通路の圧力が前記コンプレッサよりも下流側の吸気通路の圧力よりも高くなるように駆動させる制御部と、
を備える
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記タービンよりも下流側の排気通路に設けられた低圧段タービン及び前記コンプレッサよりも上流側の吸気通路に設けられた低圧段コンプレッサを有する低圧段ターボチャージャをさらに備え、
前記ターボチャージャは高圧段ターボチャージャである
ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。