JP7272328B2

JP7272328B2 - 内燃機関

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Publication number: JP7272328B2
Application number: JP2020122194A
Authority: JP
Inventors: 敦岡崎
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2020-07-16
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2040-07-16
Also published as: CN115768975A; WO2022014407A1; JP2022018820A

Description

本発明は、内燃機関に関する。

内燃機関には、排気ガスの流れを利用して内燃機関本体へ吸入される吸気を圧縮する過給機を有するものがある。過給機は、例えば、排気通路に設けられたタービンを有する。

特開２０１７－３１９３０号公報

ところで、タービンは、排気通路を流れる排気ガスの熱によって高温になりやすい。このため、タービンの損傷を防ぐ観点から排気ガスが高温になることを抑制するために、内燃機関本体への燃料の噴射を抑制する方策が考えうる。
一方で、タービンの上流の排気ガスの温度を精度良く検出することが困難であった。このため、温度を精度良く検出できない状態で燃料噴射を抑制してしまうと、内燃機関の出力を低下させるおそれがある。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、排気ガスの熱によるタービンへの悪影響を抑制すると共に、内燃機関の高出力を実現することを目的とする。

本発明の一の態様においては、内燃機関本体から発生する排気ガスが流れる排気通路に設けられた過給機のタービンと、前記排気ガスの一部を前記内燃機関本体へ還流させるためのＥＧＲ装置と、前記ＥＧＲ装置に設けられ、還流する前記排気ガスの温度を検出する温度センサと、前記ＥＧＲ装置の動作の有無を判定する動作判定部と、前記動作判定部によって前記ＥＧＲ装置が動作していると判定された場合には、前記温度センサが検出した温度に基づいて前記内燃機関本体への燃料噴射を制御し、前記ＥＧＲ装置が動作していないと判定された場合には、前記タービンへ向かう前記排気ガスの温度が予め定まった閾値を超えないように前記燃料噴射を制御する噴射制御部と、を備える、内燃機関を提供する。

また、前記噴射制御部は、前記ＥＧＲ装置が動作していると判定された場合には、前記温度センサが検出した温度が所定の上限温度を超えないように前記燃料噴射を制御し、前記ＥＧＲ装置が動作していないと判定された場合には、前記上限温度よりも低い温度である前記閾値を超えないように前記燃料噴射を制御することとしてもよい。

また、前記ＥＧＲ装置は、前記内燃機関本体へ向かう吸気が流れる吸気通路と前記排気通路とを繋いているＥＧＲ通路を有し、前記温度センサは、前記ＥＧＲ通路において前記吸気通路よりも前記排気通路側に位置していることとしてもよい。

また、前記内燃機関は、前記排気通路に設けられ、前記排気ガスを浄化する後処理装置を更に備え、前記タービンは、前記排気通路において前記後処理装置よりも前記内燃機関本体側に位置していることとしてもよい。

また、前記ＥＧＲ装置は、還流する前記排気ガスの流量を調整するための開閉可能なＥＧＲ弁を有し、前記動作判定部は、前記ＥＧＲ弁が開状態である場合に前記ＥＧＲ装置が動作していると判定し、前記ＥＧＲ弁が閉状態である場合に前記ＥＧＲ装置が動作していないと判定することとしてもよい。

本発明によれば、排気ガスの熱によるタービンへの悪影響を抑制すると共に、内燃機関の高出力を実現できるという効果を奏する。

一の実施形態に係る内燃機関１の構成を説明するための模式図である。制御装置１００の詳細構成を説明するための模式図である。内燃機関１の動作例を説明するためのフローチャートである。

＜内燃機関の構成＞
本発明の一の実施形態に係る内燃機関の構成について、図１を参照しながら説明する。

図１は、一の実施形態に係る内燃機関１の構成を説明するための模式図である。内燃機関１は、例えば、トラック等の車両に搭載された多気筒エンジンである。内燃機関１は、ディーゼルエンジンであるが、これに限定されず、例えばガソリンエンジンであってもよい。内燃機関１は、図１に示すように、エンジン本体１０と、燃料噴射装置１５と、吸気通路２０と、排気通路３０と、ターボチャージャ４０と、ＥＧＲ装置５０と、制御装置１００とを有する。

エンジン本体１０は、ここでは４つのシリンダ１２を有するが、これに限定されない。各シリンダ１２内には、ピストン、クランクシャフト等の可動部品が設けられている。

燃料噴射装置１５は、エンジン本体１０内の燃焼室に燃料を噴射する噴射装置である。燃料噴射装置１５は、ここではコモンレール式燃料噴射装置であり、インジェクタ１６とコモンレール１７を有する。インジェクタ１６は、各シリンダ１２内の燃焼室に燃料を噴射する。コモンレール１７は、インジェクタ１６から噴射される燃料を高圧状態で貯留する。

吸気通路２０は、エンジン本体１０に吸入する吸気が流れる通路である。吸気通路２０は、エンジン本体１０に接続された吸気マニホールド２２と、吸気マニホールド２２の上流端に接続された吸気管２３とを有する。吸気マニホールド２２は、吸気管２３から送られてきた吸気を各気筒の吸気ポートに分配供給する。吸気管２３には、エアクリーナ２４、エアフローメータ２５、ターボチャージャ４０のコンプレッサ４２Ｃ、インタークーラ２７、吸気絞り弁２８が設けられている。エアフローメータ２５は、内燃機関１の単位時間当たりの吸入空気量すなわち吸気流量を検出する。

排気通路３０は、エンジン本体１０から発生する排気ガスが流れる通路である。排気通路３０は、エンジン本体１０に接続された排気マニホールド３２と、排気マニホールド３２の下流端に接続された排気管３３とを有する。排気マニホールド３２は、各気筒の排気ポートから送られてきた排気ガスを集合する。排気管３３には、ターボチャージャ４０のタービン４２Ｔ、後処理装置３５が設けられている。後処理装置３５は、排気ガスを浄化するための装置であり、例えば、酸化触媒、ＤＰＦ、ＳＣＲ、アンモニア酸化触媒を含む。

ターボチャージャ４０は、排気通路３０を流れる排気ガスの流れを利用して、吸気通路２０を流れる吸気を圧縮する過給機である。ターボチャージャ４０は、排気通路３０に設けられたタービン４２Ｔと、吸気通路２０に設けられたコンプレッサ４２Ｃとを有する。タービン４２Ｔは、排気通路３０において後処理装置３５よりもエンジン本体１０側に位置している。

ＥＧＲ装置５０は、排気ガスの一部をエンジン本体１０へ還流させる。具体的には、ＥＧＲ装置５０は、排気通路３０内（ここでは、排気マニホールド３２内）の排気ガスの一部（以下、ＥＧＲガスと呼ぶ）を、吸気通路２０内（ここでは、吸気マニホールド２２内）に還流させる。ＥＧＲ装置５０は、ＥＧＲ通路５２と、ＥＧＲクーラ５３と、ＥＧＲ弁５４と、温度センサ５５とを有する。

ＥＧＲ通路５２は、ＥＧＲガスが流れる流路である。ＥＧＲ通路５２は、吸気通路２０（ここでは、吸気マニホールド２２）と排気通路３０（ここでは、排気マニホールド３２）とを繋いでいる。ＥＧＲクーラ５３は、ＥＧＲ通路５２に設けられ、ＥＧＲガスを冷却する。
ＥＧＲ弁５４は、ＥＧＲクーラ５３の下流側に設けられた開閉可能な弁であり、ＥＧＲガスの流量を調整する。なお、ＥＧＲ弁５４が閉じている場合には、ＥＧＲ通路５２をＥＧＲガスが流れない。
温度センサ５５は、ＥＧＲ通路５２を流れるＥＧＲガスの温度を検出するセンサである。温度センサ５５は、ＥＧＲクーラ５３の上流側に設けられており、ＥＧＲ通路５２において吸気通路２０よりも排気通路３０側に位置している。

制御装置１００は、内燃機関１全体の動作を制御する。本実施形態では、制御装置１００は、詳細は後述するが、排気通路３０を流れる排気ガスの温度に応じて、燃料噴射装置１５による燃料噴射を制御する。これにより、排気ガスの熱によるタービン４２Ｔへの悪影響を抑制すると共に、内燃機関１の高出力を実現できる。

＜制御装置の詳細構成＞
制御装置１００の詳細構成について、図２を参照しながら説明する。

図２は、制御装置１００の詳細構成を説明するための模式図である。制御装置１００は、記憶部１１０と、制御部１２０とを有する。

記憶部１１０は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。記憶部１１０は、制御部１２０が実行するためのプログラムや各種データを記憶する。

制御部１２０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）である。制御部１２０は、記憶部１１０に記憶されたプログラムを実行することにより、内燃機関１の動作を制御する。本実施形態では、制御部１２０は、弁制御部１２２、動作判定部１２３、温度取得部１２４及び噴射制御部１２５として機能する。

弁制御部１２２は、ＥＧＲ弁５４の開閉を制御する。弁制御部１２２がＥＧＲ弁５４を開状態にすることで、排気ガスの一部がＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路５２内を流れる。一方で、弁制御部１２２がＥＧＲ弁５４を閉状態にすることで、ＥＧＲガスがＥＧＲ通路５２内を流れない。弁制御部１２２は、ＥＧＲ弁５４の開閉状態を示す情報を、動作判定部１２３に出力する。

動作判定部１２３は、ＥＧＲ装置５０の動作の有無を判定する。例えば、動作判定部１２３は、弁制御部１２２が制御したＥＧＲ弁５４の開閉状態に基づいて、ＥＧＲ装置５０の動作の有無を判定する。具体的には、動作判定部１２３は、ＥＧＲ弁５４が開状態である場合にＥＧＲ装置５０が動作していると判定し、ＥＧＲ弁５４が閉状態である場合にＥＧＲ装置５０が動作していないと判定する。

温度取得部１２４は、ＥＧＲ装置５０の温度センサ５５が検出したＥＧＲガスの温度を取得する。ここで、温度取得部１２４は、温度センサ５５が検出した温度を、排気通路３０においてタービン４２Ｔの上流の排気ガスの温度（以下、タービン上流温度と呼ぶ）と推定して取得する。具体的には、温度取得部１２４は、ＥＧＲ装置５０が動作している場合に、ＥＧＲ装置５０の温度センサ５５が検出した温度を、タービン上流温度と推定して取得する。

本実施形態では、排気通路３０において排気マニホールド３２とタービン４２Ｔの間に、排気ガスの温度を検出する温度センサは設けられていない。このため、ＥＧＲ通路５２に設けられた温度センサ５５が、タービン４２Ｔの上流に最も近くに配置された温度センサである。また、温度センサ５５のエンジン本体１０からの距離は、タービン４２Ｔのエンジン本体１０からの距離に近い大きさである。このため、温度センサ５５が検出するＥＧＲガスの温度は、タービン上流温度とほぼ同じである。

噴射制御部１２５は、燃料噴射装置１５によるエンジン本体１０への燃料噴射を制御する。例えば、噴射制御部１２５は、燃料の噴射量を設定し、設定した噴射量に応じた噴射タイミングで燃料を噴射させる。

噴射制御部１２５は、ＥＧＲ装置５０の動作の有無に基づいて、燃料噴射を制御する。例えば、噴射制御部１２５は、動作判定部１２３によってＥＧＲ装置５０が動作していると判定された場合には、温度センサ５５が検出した温度に基づいてエンジン本体１０への燃料噴射を制御する。すなわち、噴射制御部１２５は、タービン上流温度に基づいて、エンジン本体１０への燃料噴射を制御する。例えば、噴射制御部１２５は、温度センサ５５が検出した温度が上限温度を超えないように、エンジン本体１０への燃料噴射を制御する。ここで、上限温度は、排気ガスの熱によってタービン４２Ｔが損傷するおそれが無い温度であり、例えば１５０℃である。

一方で、噴射制御部１２５は、ＥＧＲ装置５０が動作していないと判定された場合には、タービンへ向かう排気ガスの温度が予め定まった閾値を超えないように燃料噴射を制御する。すなわち、噴射制御部１２５は、排気ガスの温度が閾値を超えないように、燃料の噴射量を制限する。排気ガスの温度は、例えば、後処理装置３５に設けられた温度センサで検出しうる。閾値は、上述した上限温度よりも低い温度であり、例えば１４０℃である。これにより、排気ガスの温度が高温になることを抑制できるので、排気ガスの熱によってタービン４２Ｔが損傷することを防止できる。なお、上限温度及び閾値は、例えば記憶部１１０に記憶されている。

本実施形態では、ＥＧＲ装置５０が動作している場合には、温度センサ５５の検出結果を利用してタービン上流温度を精度良く推定して上限温度を超えないように燃料を噴射することで、過度に燃料の噴射量を制限することを抑制できるので、内燃機関１の高出力を実現できる。また、ＥＧＲ装置５０が動作していない場合には、ＥＧＲ通路５２内をＥＧＲガスが流れないので、温度センサ５５が検出した温度が、実際のタービン上流温度と乖離しているおそれがある。このため、ＥＧＲ装置５０が動作していない場合には、温度センサ５５の検出結果を利用しないことで、噴射量を誤って制御することを防止できる。

＜内燃機関の動作例＞
内燃機関１の動作例について、図３を参照しながら説明する。

図３は、内燃機関１の動作例を説明するためのフローチャートである。本フローチャートは、内燃機関１が動作を行っているところから開始される。これに伴い、エンジン本体１０から発生した排気ガスが、排気通路３０を流れている。

まず、制御装置１００の動作判定部１２３は、ＥＧＲ弁５４が開状態か否かを判定する（ステップＳ１０２）。例えば、動作判定部１２３は、弁制御部１２２によるＥＧＲ弁５４の制御状態から、ＥＧＲ弁５４が開状態か否かを判定する。

ステップＳ１０２でＥＧＲ弁５４が開状態であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、動作判定部１２３は、ＥＧＲ装置５０が動作していると判定する（ステップＳ１０４）。すなわち、動作判定部１２３は、ＥＧＲ通路５２内をＥＧＲガスが流れていると判定する。

次に、温度取得部１２４は、ＥＧＲ通路５２内を流れるＥＧＲガスの温度を、タービン４２Ｔの上流の排気ガスの温度であるタービン上流温度として取得する（ステップＳ１０６）。例えば、温度取得部１２４は、所定間隔で、タービン上流温度を取得する。

次に、噴射制御部１２５は、温度取得部１２４が取得したタービン上流温度が上限温度を超えないように、燃料噴射装置１５に燃料を噴射させる（ステップＳ１０８）。すなわち、噴射制御部１２５は、ＥＧＲ装置５０が動作している場合には、タービン４２Ｔが損傷するおそれがない上限温度を超えないように、燃料噴射装置１５に燃料を噴射させる。

一方で、ステップＳ１０２でＥＧＲ弁５４が閉状態であると判定した場合には（Ｎｏ）、動作判定部１２３は、ＥＧＲ装置５０が動作していないと判定する（ステップＳ１１０）。すなわち、動作判定部１２３は、ＥＧＲ通路５２内をＥＧＲガスが流れていないと判定する。

次に、噴射制御部１２５は、排気ガスの温度が閾値を超えないように、燃料噴射装置１５に燃料を噴射させる（ステップＳ１１２）。すなわち、噴射制御部１２５は、ＥＧＲ装置５０が動作していない場合には、排気ガスの温度が上限温度よりも低い閾値を超えないように、燃料噴射装置１５に燃料を噴射させる。

＜本実施形態における効果＞
上述した実施形態の内燃機関１の制御装置１００は、ＥＧＲ装置５０が動作していると判定された場合には、ＥＧＲ装置５０に設けられた温度センサ５５が検出した温度に基づいてエンジン本体１０への燃料噴射を制御する。一方で、内燃機関１は、ＥＧＲ装置５０が動作していないと判定された場合には、タービン４２Ｔへ向かう排気ガスの温度が予め定まった閾値を超えないように燃料噴射を制御する。
これにより、ＥＧＲ装置５０が動作している場合には、ＥＧＲ装置５０の温度センサ５５が検出したＥＧＲガスの温度によってタービン４２Ｔの上流の排気ガスの温度（タービン上流温度）を精度良く推定できるので、タービン４２Ｔを損傷させることを抑制しつつ、内燃機関１を高出力にできる。一方で、ＥＧＲ装置５０が動作していない場合には、温度センサ５５が検出した温度を用いずに、排気ガスの温度が所定の閾値を超えないように燃料噴射させることで、タービン上流温度を誤って推定することに起因する燃料噴射の誤制御を防止できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１内燃機関
１０エンジン本体
１５燃料噴射装置
２０吸気通路
３０排気通路
３５後処理装置
４２Ｔタービン
５０ＥＧＲ装置
５２ＥＧＲ通路
５４ＥＧＲ弁
５５温度センサ
１２３動作判定部
１２５噴射制御部

Claims

内燃機関本体から発生する排気ガスが流れる排気通路に設けられた過給機のタービンと、
前記排気ガスの一部を前記内燃機関本体へ還流させるためのＥＧＲ装置と、
前記ＥＧＲ装置に設けられ、還流する前記排気ガスの温度を検出する温度センサと、
前記ＥＧＲ装置の動作の有無を判定する動作判定部と、
前記動作判定部によって前記ＥＧＲ装置が動作していると判定された場合には、前記温度センサが検出した温度に基づいて前記内燃機関本体への燃料噴射を制御し、前記ＥＧＲ装置が動作していないと判定された場合には、前記タービンへ向かう前記排気ガスの温度が予め定まった閾値を超えないように前記燃料噴射を制御する噴射制御部と、
前記温度センサが検出した温度を、前記排気通路において前記タービンの上流の排気ガスの温度と推定して取得する温度取得部と、
を備え、
前記噴射制御部は、前記ＥＧＲ装置が動作していると判定された場合には、前記温度取得部によって推定された前記タービンの上流の排気ガスの温度が所定の上限温度を超えないように前記燃料噴射を制御する、内燃機関。
前記噴射制御部は、
前記ＥＧＲ装置が動作していないと判定された場合には、前記上限温度よりも低い温度である前記閾値を超えないように前記燃料噴射を制御する、
請求項１に記載の内燃機関。
前記ＥＧＲ装置は、前記内燃機関本体へ向かう吸気が流れる吸気通路と前記排気通路とを繋いているＥＧＲ通路を有し、
前記温度センサは、前記ＥＧＲ通路において前記吸気通路よりも前記排気通路側に位置している、
請求項１又は２に記載の内燃機関。
前記排気通路に設けられ、前記排気ガスを浄化する後処理装置を更に備え、
前記タービンは、前記排気通路において前記後処理装置よりも前記内燃機関本体側に位置している、
請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関。
前記ＥＧＲ装置は、還流する前記排気ガスの流量を調整するための開閉可能なＥＧＲ弁を有し、
前記動作判定部は、前記ＥＧＲ弁が開状態である場合に前記ＥＧＲ装置が動作していると判定し、前記ＥＧＲ弁が閉状態である場合に前記ＥＧＲ装置が動作していないと判定する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関。