JP5712561B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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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NOX濃度を検出するNOX濃度検出手段と、前記NOX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
40 EGR装置
41 EGR通路
43 EGRバルブ
50 NOxセンサ(NOx濃度検出手段)
60 ECU(制御部)

Claims (2)

  1. 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NOX濃度を検出するNOX濃度検出手段と、
    前記NOX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。
  2. 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。
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