WO2001090554A1

WO2001090554A1 - Dispositif et procede pour la circulation des gaz d'echappement de moteur a combustion interne

Info

Publication number: WO2001090554A1
Application number: PCT/JP2001/002820
Authority: WO
Inventors: Nobuhiro Kobayashi; Shigemi Kobayashi; Takaaki Matsumoto; Nozomi Kaise
Original assignee: Nissan Diesel Motor Co., Ltd.
Priority date: 2000-05-24
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2001-11-29
Also published as: US6945240B2; CA2380419A1; KR20020019559A; US20030000507A1; CN1380937A; EP1205655A4; EP1205655A1; CN1249336C; JP2001329879A

Description

明細書内燃機関の排気還流装置及び排気還流方法技術分野

本発明は、内燃機関の排気還流装置及び排気還流方法に関し、特に、窒素酸化物（以下「N〇x」という）排出量を低減させる技術に関する。背景技術

従来から、内燃機関の排気の一部を吸気系に戻し、これを一種の不活性気体として燃焼温度を下げることで、 N O X排出量を低減させる排気還流（以下「E G R」という）装置が広く採用されている。

また、近年の車両の軽量化，燃費向上及び性能向上の要請から、過給機の一種であるターボチャージャを搭載した内燃機関も多く見られるようになってきている。特に、ディーゼル機関は、ガソリン機関に比べて燃費が良い反面、機関出力が低く、高速回転にも弱いため、これらの欠点をカバーするには、夕一ポチヤージャの搭載によって得られる高トルクを利用することが非常に有益である。

ところで、 E G R装置は、排気通路内の排圧と吸気通路内の負圧との差圧を利用して、排気の一部を吸気系に還流する構成であるため、ターボチャージャを搭載した内燃機関では、次のような問題点を抱えていた。即ち、ターボチャージャの効率が高い場合には、吸気通路に介装されたコンプレッサの出口圧力（負圧）が、排気通路に介装されたタービンの入口圧力（排圧）より高くなつてしまい、差圧により排気の一部を吸気系に還流することができなくなってしまう。このため、例えば、特開平 1 0— 2 6 6 8 6 6号公報に開示されるように、コンプレツサ下流側に吸気絞り弁を設け、低負荷運転時に吸気絞り弁を閉じることで、吸気通路内の負圧を上昇（即ち、吸気圧力を低下）させ、 E G R率を向上させる技術が提案されている。

しかしながら、かかる従来技術においては、吸気絞り弁により差圧を増大させることができるが、機関運転状態によっては吸気絞り弁の開度が極めて小さくなり、機関出力低下及び排気性状低下等の性能上の問題が発生してしまうおそれがあった。また、コンプレッサ出口圧力とタービン入口圧力との差圧を十分に確保できる運転領域が狭いため、排気中の N O Xを現状以上に低減させることは、極めて困難でもあった。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、排気通路内の排圧と吸気通路内の負圧との差圧を増大させることで、 E G R率の向上を通して、 N O x排出量を低減させた内燃機関の排気還流装置及び排気還流方法を提供することを目的とする。発明の開示

上記目的達成のため、装置の発明にあっては、排気通路にタービンが介装されると共に、吸気通路にコンプレッサが介装されるターボチャージャを搭載した内燃機関の排気還流装置であって、前記タービン上流側の排気通路と前記コンプレッサ下流側の吸気通路とを連通する排気還流通路を開閉する通路開閉装置と、前記コンプレツサ下流側の吸気通路に形成された開口を開閉する開口開閉装置と、機関運転状態を検出する運転状態検出装置と、マイクロコンピュータを内蔵したコントロールユニットと、を含んで構成され、前記コントロールユニットは、前記運転状態検出装置により検出された機関運転状態に基づいて、排気還流を行なうか否かを判定し、該排気還流を行なうと判定されたときに、前記通路開閉装置により前記排気還流通路を開くと共に、前記開口開閉装置により前記開口を開く制御を行なうことを特徴とする。

一方、装置の発明にあっては、排気通路にタービンが介装されると共に、吸気通路にコンプレッサが介装されるターボチャージャを搭載した内燃機関の排気還流方法であって、機関運転状態に基づいて、排気還流を行なうか否かを判定する判定ステップと、該判定ステップにより排気還流を行なうと判定されたときに、前記タービン上流側の排気通路と前記コンプレッサ下流側の吸気通路とを連通する排気還流通路を開くと共に、前記コンプレッサ下流側の吸気通路に形成された開口を開く開閉ステップと、を備えたことを特徴とする。

かかる構成によれば、機関運転状態に基づいて排気還流を行なうか否かが判定され、排気還流を行なうと判定されると、タービン上流側の排気通路とコンプレッサ下流側の吸気通路とを連通する排気還流通路が開かれると共に、コンプレツサ下流側の吸気通路に形成された開口が開かれる。そして、開口が開かれると、コンプレッサ下流側の吸気が大気中に放出されて吸気通路内の負圧が低下する一方、排気通路内の排圧はさほど低下しないため、排気通路内の排圧と吸気通路内の負圧との差圧が増大する。このため、多量の排気が排気還流通路を介して吸気通路に還流されることとなり、排気還流率の向上を通して、 N O x排出量を低減することができる。

ここで、前記開口から取り出された吸気を、前記コンプレッサ上流側の通気通路に戻す吸気通路を形成することが望ましい。

かかる構成によれば、吸気通路に形成された開口から取り出された吸気は、吸気戻し通路を通ってコンプレッサ上流側の吸気通路に戻されるので、コンプレツサにより圧縮された吸気が再利用されることとなる。このため、ターボチャージャの効率が低下されることが防止され、機関出力低下を抑制することができる。また、低負荷領域での燃費改善効果が得られ、他の領域においても燃費低下を抑制することができる。

また、前記開口の開度は、機関運転状態に基づいて多段階に制御されることが望ましい。

かかる構成によれば、吸気通路に形成された開口の開度は、機関運転状態に基づいて多段階に制御されるので、排気通路内の排圧と吸気通路内の負圧との差圧を適切に制御でき、機関運転性及び排気性状の低下を防止しつつ、排気還流を効果的に行なうことができる。

さらに、前記開口は、シャツ夕，バタフライ弁及びポペット弁の少なくとも 1 つから構成される開口開閉装置により開閉されることが望ましい。

かかる構成によれば、開口開閉装置は、一般的なシャツ夕，バタフライ弁及びポぺット弁の少なくとも 1つから構成されるので、信頼性及び耐久性を確保しつつ、コスト上昇を極力抑制することができる。

この発明の他の目的と諸相とは、添付図面に関連する実施態様についての次の説明で明白になるであろう。図面の簡単な説明

図 1は、本発明に係る E G R技術を具現化したディーゼル機関の全体構成図である。

図 2は、ブーストリターンバルブの第 1実施例を示す構成図である。

図 3は、ブーストリターンバルブの第 2実施例を示す構成図である。

図 4は、ブーストリターンバルブの第 3実施例を示す構成図である。

図 5は、ブーストリターンバルブの第 4実施例を示す構成図である。

図 6は、 E G R装置の制御内容の第 1実施例を示すフローチヤ一トである。図 7は、 E G R制御マップの説明図である。

図 8は、ブーストリターンによる負圧低下の説明図である。

図 9は、ブーストリターンによる N O X及び実測燃費改善の説明図である。図 10は、ブーストリターンによる N O X及び粒状物質改善の説明図である。図 1 1は、 E G R装置の制御内容の第 2実施例を示すフローチャートである。図 12は、目標差圧制御マップの説明図である。発明を実施するための最良の形態

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。

図 1は、本発明に係る E G R技術を具現化したディーゼル機関の全体構成を示す。

ディーゼル機関 1 0の吸気通路 1 2及び排気通路 1 4には、夫々、ターボチヤ一ジャを構成するコンプレッサ 1 6及び夕一ビン 1 8が介装される。夕一ビン 1 8は、排気通路 1 4を流通する排気エネルギーを吸収し、シャフト 2 0を介して一体的に連結されるコンプレッサ 1 6を駆動する。そして、エアクリーナ 2 2により埃等の不純物が除去された吸気は、吸気通路 1 2に介装されたコンプレッサ 1 6により圧縮されて過給状態となり、ディーゼル機関 1 0の燃焼室に導入される。このとき、コンプレッサ 1 6により圧縮された吸気は、断熱圧縮によりその吸気温度が上昇して充填効率が低下するため、圧縮後の吸気温を低下させる目的で、コンプレッサ 1 6下流側の吸気通路 1 2にインタークーラ 2 4が介装される。

また、タービン 18上流側の排気通路 14とインタークーラ 24下流側の吸気通路 12 (即ち、コンプレッサ 16下流側の吸気通路 12) とは、 EGR通路 2 6を介して連通される。 EGR通路26には、 EGR量を制御すべく、 EGR通路 26を開閉する EG Rバルブ 28が介装される。 EGRバルブ28は、マイク口コンピュータを内蔵したコントロールュニット 30により駆動制御される EG R制御ソレノィドバルブ 32を介して、図示しないエアリザーバタンクから供給されるエアにより開閉駆動される。即ち、 EGR制御ソレノイドバルブ 32が O Nになると、エアリザーバタンクから EGRバルブ 28にエアが供給され、 EG R通路 26が開き、 EGRが行なわれる。一方、 EGR制御ソレノイドバルブ 3 2が OFFになると、エアリザーバタンクから EGRバルブ 28に供給されるェァが遮断され、 £〇1^通路26が閉じ、 EGRが中止される。なお、 EGRバルブ 28及び EGR制御ソレノィドバルブ 32により、通路開閉装置が構成される。さらに、吸気通路 12に介装されたコンプレッサ 16の上流側と下流側とは、吸気戻し通路としての連通路 34を介して連通される。連通路 34には、少なくとも、その開度を全開と全閉とに切替可能なブーストリターンバルブ 36が介装される。ブーストリ夕一ンバルブ 36は、コントロールユニット 30により制御されるァクチユエ一夕 38を介して、その開度が制御される。なお、ブーストリターンバルブ 36及びァクチユエ一夕 38により、開口開閉装置が構成される。ブーストリターンバルブ 36としては、種々の構成が採用可能であるため、以下にその具体的構成をいくつか例示する。なお、ブーストリターンバルブ 36は、以下の構成に限定されるものではない。

図 2に示す第 1実施例では、コンプレッサ 16下流側を臨む連通路 34端部に、吸気通路 12の周壁に形成された開口（図示せず）を開閉するシャツ夕 40が介装される。シャツ夕 40は、少なくとも、その開度が全開と全閉、望ましくは、全開と全閉との間を多段階に制御可能なように、ァクチユエ一夕 38により駆動制御される。また、図 3に示す第 2実施例のように、シャツ夕 40に代えて、連通路 34の中間にバタフライ弁 42を介装し、第 1実施例と同様に、ァクチユエ —夕 38によりこれを駆動制御するようにしてもよい。さらに、第 1実施例におけるシャツ夕 4 0を全開と全閉とに制御する場合には、図 4に示す第 3実施例のように、シャツ夕 4 0に加えて、連通路 3 4の中間にバタフライ弁 4 2を介装するようにしてもよい。この場合には、シャツ夕 4 0は、ァクチユエ一夕 3 8 aにより全開又は全閉に駆動制御される一方、バタフライ弁 4 2は、ァクチユエ一夕 3 8 bにより全開と全閉との間で多段階に駆動制御される。即ち、第 3実施例では、連通路 3 4の開閉はシャツ夕 4 0により行なわれ、その開度制御はバタフライ弁 4 2により行なわれる。従って、バタフライ弁 4 2 のみによって連通路 3 4を開閉する構成に比べて、連通路 3 4及びバタフライ弁 4 2の加工精度要求が低くなる結果、ブーストリターンバルブ 3 6を安価に構成することが可能となる。

この他には、図 5に示す第 4実施例のように、コンプレッサ 1 6下流側を臨む連通路 3 4端部に、ポペット弁 4 4を介装し、例えば、 E G Rバルブ2 8のょぅに、デューティ制御によりその開度を多段階に制御するようにしてもよい。

このように、ブーストリターンバルブ 3 6として、一般的なシャツ夕 4 0，ノタフライ弁 4 2及びポぺッ卜弁 4 4を使用すれば、信頼性及び耐久性を確保しつつ、コスト上昇を極力抑制することができる。

そして、ブーストリターンバルブ 3 6は、 E G Rバルブ 2 8と連動して制御される。即ち、 E G Rが行なわれるときには、コンプレッサ 1 6により圧縮されて過給状態となった吸気は、連通路 3 4を介してコンプレッサ 1 6の上流側に戻される。このため、吸気通路 1 2内の負圧が低下し、排気通路 1 4内の排圧と吸気通路 1 2内の負圧との差圧が増大する。以下、この動作を「ブーストリターン」という。

E G R装置の制御を行なうために、運転状態検出装置として、機関負荷 Lを検出する負荷センサ 4 6と、機関回転速度 Nを検出する回転速度センサ 4 8と、コンプレッサ 1 6下流側の負圧 P bを検出する負圧センサ 5 0と、タービン 1 8上流側の排圧 P eを検出する排圧センサ 5 2と、の出力が夫々コントロールュニット 3 0に入力される。そして、コントロールユニット 3 0では、これらセンサからの各信号に基づいて、後述する処理に従って、 E G Rバルブ 2 8及びブーストリターンバルブ 3 6の制御が行なわれる。なお、コントロールユニット 3 0では、判定ステップ及び開閉ステップがソフトウェアにより実現される。

図 6は、ブーストリターンバルブ 36を全開又は全閉に制御するために、コントロールュニッ卜 30において、ソフトウェア的に実行される EGR装置の制御内容を示す。なお、かかる制御は、所定時間毎に繰り返し実行される。

ステップ 1 (図では「S 1」と略記する。以下同様）では、回転速度センサ 4

8及び負荷センサ 46から、夫々、機関回転速度 N及び機関負荷 Lが読み込まれる。

ステップ 2では、図 7に示すような EG R制御マップが参照され、機関回転速度 N及び機関負荷 Lによって定まる機関運転状態が、 EGRを行なう領域（以下「EGR領域」という）にあるか否かが判定される。なお、図 7に示す EG R制御マップでは、 EGR制御ソレノイドバルブ 32の制御内容（ONZOFF) を介して、機関運転状態が EG R領域にあるか否かが判定される。

ステップ 3では、機関運転状態に応じた分岐処理が行なわれ、機関運転状態が EGR領域にあればステップ 4へと進み（Ye s) 、機関運転状態が EGR領域になければステップ 5へと進む（No) 。なお、ステップ 2及びステップ 3の処理が、判定ステップに該当する。

ステップ 4では、 EGRを行なう制御が実行される。即ち、連通路 34を開くベく、ァクチユエ一夕 38が制御されると共に、 EGRバルブ 28により EGR 通路 26を開くべく、 EGR制御ソレノイドバルブ 32が ONされる。なお、ステツプ 4の処理が、開閉ステップに該当する。

ステップ 5では、 EGRを中止する制御が実行される。即ち、連通路 34を閉じるべく、ァクチユエ一夕 38が制御されると共に、 EGRバルブ 28にょり5 GR通路 26を閉じるべく、 EGR制御ソレノィドバルブ 32が OFFされる。以上説明したステップ 1〜ステップ 5の処理によれば、機関運転状態が EG R 領域にあれば、 EGR通路 26が開かれると共に、ブーストリターンバルブ 36 により連通路 34が開かれる。そして、連通路 34が開かれると、図 8に示すように、コンプレッサ 16下流側の吸気がその上流側に戻されて負圧 P bが低下する一方、その負圧 P bの低下ほど排気通路 14内の排圧 P eが低下しないため、負圧 P bと排圧 P eとの差圧 Δ Pが大きくなる。このため、従来の EG R装置に比べて、 EGR率及び EGRの可能領域が拡大すると共に、多量の排気が EG R 通路 26を介して吸気通路 12に還流することとなり、 EGR率の向上を通して、 NO X排出量が低減される。また、 EGR率を向上させるための差圧 ΔΡをブ一ストリターンにより生じさせているため、単位時間当りの吸気量が減少し、燃料噴射時期の進角により燃費も改善できるようになる。

そして、かかる構成からなる EGR装置によれば、図 9及び図 10に示すように、 13モードにおいて、 NOx排出量を約 26 %低減できるだけではなく、低負荷時における実測燃費（BSFC) も改善しつつ、粒状物質（PM) の排出量を約 56%低減することもできる。

図 1 1は、ブ一ストリターンバルブ 36を全開と全閉との間で多段階に制御するために、コントロールユニット 30において、ソフトウェア的に実行される E GR装置の制御内容を示す。

ステップ 1 1では、回転速度センサ 48及び負荷センサ 46から、夫々、機関回転速度 N及び機関負荷 Lが読み込まれる。

ステップ 12では、図 7に示すような EGR制御マップが参照され、機関回転速度 N及び機関負荷 Lによって定まる機関運転状態が、 EGR領域にあるか否かが判定される。

ステップ 13では、機関運転状態に応じた分岐処理が行なわれ、機関運転状態が EGR領域にあればステップ 14へと進み（Ye s) 、機関運転状態が EGR 領域になければステップ 23へと進む（No) 。なお、ステップ 12及びステツプ 13の処理が、判定ステップに該当する。

ステップ 14では、 EGRが開始される。即ち、 EGRバルブ 28により EG R通路 26を開くべく、 EGR制御ソレノィドバルブ 32が ONされる。

ステップ 15では、図 12に示すような目標差圧制御マップが参照され、機関回転速度 N及び機関負荷 Lに基づいて目標差圧 P r及び最低負圧 Pwが設定される。

ステップ 16では、負圧センサ 50及び排圧センサ 52から、夫々、負圧 Pb 及び排圧 P eが読み込まれる。

ステップ 17では、読み込まれた負圧 P b及び排圧 P eに基づいて、次式により差圧 ΔΡが演算される。

△ P = P e -P b

ステップ 18では、差圧 ΔΡが目標差圧 P r以上であるか否かが判定される。そして、差圧 ΔΡが目標差圧 P r以上であればステップ 19へと進み（Ye s) 、差圧 ΔΡが目標差圧 P r未満であればステップ 21へと進む（No) 。

ステップ 19では、差圧 ΔΡが目標差圧 P rと許容値 Wとの加算値以下であるか否かが判定される。ここで、許容値 Wは、差圧 ΔΡが必要以上に大きくならないようにするいわゆるリミッ夕であって、これにより排気性状の低下を防止することができる。そして、差圧 ΔΡが加算値以下であれば、差圧 ΔΡは適正値に制御されていると判断して、ステップ 1 1へと戻る（Ye s) 。一方、差圧 ΔΡが加算値より大きければ、差圧 ΔΡは大きすぎると判断して、ステップ 20へと進む（No) 。

ステップ 20では、差圧 Δ Pを低下させるベく、ブーストリターンバルブ 36 の開度が一段階小さくされる。その後、ステップ 16へと戻り、差圧制御が続行される。

差圧 ΔΡが目標差圧 P r未満であるときの処理が実行されるステップ 2 1では、負圧 P bが最低負圧 Pw以上であるかであるか否かが判定される。そして、負圧 P bが最低負圧 Pw以上であればステップ 22へと進み（Ye s) 、負圧 Pb が最低負圧 Pw未満であればステップ 1 1へと戻る（No) 。

ステップ 22では、差圧 ΔΡを上昇させるベく、ブーストリターンバルブ 36 の開度が一段階大きくされる。その後、ステップ 16へと戻り、差圧制御が続行される。

なお、ステップ 14〜ステップ 22の処理が、開閉ステップに該当する。

機関運転領域が E G R領域にないときの処理が実行されるステップ 23では、

EGRを中止する制御が実行される。即ち、連通路 34を全閉にすべく、ァクチユエ一夕 38が制御されると共に、 EGRバルブ 28により EGR通路 26を閉じるべく、 EGR制御ソレノィドバルブ 32が OFFされる。

以上説明したステップ 1 1〜ステップ 23の処理によれば、図 6に示す EGR 制御による作用及び効果に加え、機関運転状態に応じて差圧 ΔΡを適切に制御できる。即ち、差圧 ΔΡは、次式のような範囲に制御されるので、機関運転性及び排気性状の低下を防止しつつ、 EGRを効果的に行なえるようになり、 ΝΟχ排出量を効果的に低下することが可能となる。

P r (目標差圧） ≤ΔΡ (差圧） ≤P r+W (目標差圧 +許容値）また、負圧 Pbが機関運転状態に応じて設定される最低負圧未満であれば、差圧制御が行なわれないため、機関から排出される粒状物質（PM) の排出量が増大することも防止される。

なお、以上の実施形態では、 EGRを行なうときに、コンプレッサ 16下流側の吸気をその上流側に戻したが、コンプレッサ 16下流側の吸気を大気中に放出するようにしてもよい。この場合には、コンプレッサ 16下流側の吸気を大気中に放出することで、吸気通路 12の負圧が低下し、排気通路 14内の排圧 P eと吸気通路 12内の負圧との差圧 ΔΡが増大し、先の実施形態と同様な効果が奏されることとなる。即ち、かかる構成が、本発明の最小構成となる。

さらに、本発明に係る EGR装置及び EGR方法は、ガソリン機関等にも適用可能であることはいうまでもない。産業上の利用可能性

以上説明したように、本発明に係る EG R装置及び EG R方法は、排気通路内の排圧と吸気通路内の負圧との差圧を増大させることで、 EGR率の向上を通して NO X排出量を低減させることができ、極めて有用なものである。

Claims

請求の範囲

1 . 排気通路に夕一ビンが介装されると共に、吸気通路にコンプレッサが介装されるターボチャージャを搭載した内燃機関の排気還流装置であって、

前記タービン上流側の排気通路と前記コンプレッサ下流側の吸気通路とを連通する排気還流通路を開閉する通路開閉装置と、前記コンプレッサ下流側の吸気通路に形成された開口を開閉する開口開閉装置と、機関運転状態を検出する運転状態検出装置と、マイクロコンピュータを内蔵したコントロールユニットと、を含んで構成され、

前記コントロールュニットは、前記運転状態検出装置により検出された機関運転状態に基づいて、排気還流を行なうか否かを判定し、該排気還流を行なうと判定されたときに、前記通路開閉装置により前記排気還流通路を開くと共に、前記開口開閉装置により前記開口を開く制御を行なうこと

を特徴とする内燃機関の排気還流装置。

2 . 前記開口から取り出された吸気を、前記コンプレッサ上流側の吸気通路に戻す吸気戻し通路が形成されたことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の内燃機関の排気還流装置。

3 . 前記コントロールュニットは、前記運転状態検出装置により検出された機関運転状態に基づいて、前記開口の開度を多段階に制御することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の内燃機関の排気還流装置。

4. 前記開口開閉装置は、シャツ夕，バタフライ弁及びポペット弁の少なくとも 1つから構成されることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の内燃機関の排気還流装置。

5 . 排気通路にタービンが介装されると共に、吸気通路にコンプレッサが介装されるターボチヤ一ジャを搭載した内燃機関の排気還流方法であって、

機関運転状態に基づいて、排気還流を行なうか否かを判定する判定ステップと、該判定ステップにより排気還流を行なうと判定されたときに、前記タービン上流側の排気通路と前記コンプレッサ下流側の吸気通路とを連通する排気還流通路を開くと共に、前記コンプレッサ下流側の吸気通路に形成された開口を開く開閉ステップと、

を備えたことを特徴とする内燃機関の排気還流方法。

6 . 前記開口から取り出された吸気を、前記コンプレッサ上流側の吸気通路に戻す吸気戻し通路が形成されたことを特徴とする請求の範囲第 5項記載の内燃機関の排気還流方法。

7 . 前記開口の開度は、機関運転状態に基づいて多段階に制御されることを特徴とする請求の範囲第 5項記載の内燃機関の排気還流方法。

8 . 前記開口は、シャツ夕，バタフライ弁及びポペット弁の少なくとも 1つから構成される開口開閉装置により開閉されることを特徴とする請求の範囲第 5項記載の内燃機関の排気還流方法。