JP2006322398A - 内燃機関 - Google Patents

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Yutaka Tauchi
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崇志 松本
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Abstract

【課題】 本発明の目的は、EGR機構を利用して構造を複雑化させることなく、過給機の性能を有効に利用し得る内燃機関を提供すること。
【解決手段】 本発明の内燃機関1は、排気通路6から吸気通路5に燃焼後ガスを還流させるEGR機構24,25と、吸入空気を過給する過給機11とを備えており、所定条件が成立する場合に、吸入空気が吸気通路5から排気通路6に流れるように、EGR機構24,25のEGRバルブ25を開制御することを特徴としている。本発明によれば、EGR機構を用いて、所定条件下で吸入空気を排気通路にバイパスさせることができ、過給機の上流側と下流側における圧力比を最適化することができる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、排気通路から吸気通路に燃焼後ガスを還流させるEGR機構と、吸入空気を過給する過給機とを備えた内燃機関に関する。
内燃機関においては、従来から、排気ガス(燃焼後ガス)の一部を吸気側に還流させることで、排出NOx低減を図るEGR(Exhaust Gas Recirculation)機構が利用されている。不活性ガスである二酸化炭素を含む排気ガスを吸気側に還流させると、最高燃焼温度が低下するのでNOxの排出量が減る。EGR機構は、排気通路から吸気通路にかけて還流路を配設し、還流路両端の圧力差によって排気ガスを還流させる外部EGR機構と、吸排気バルブの開閉タイミングによって排気ガスを還流させる内部EGR機構とが利用されている。以下、本発明においてEGR機構という場合は、外部EGR機構を指す。外部EGR機構においては、排気ガス還流量を調節するために還流路上にEGRバルブが設けられる。
一方、過給機によって吸入空気量を増大させ、さらなる出力向上や低燃費化を行おうとする試みも従来から行われている。このような過給機としては、内燃機関の出力の一部を利用して過給を行う、いわゆるスーパーチャージャや、排気流を利用するターボチャージャなどがある。下記[特許文献1]には、内燃機関の出力を利用して過給を行うものが記載されている。
特開2000−328950号公報
上述した[特許文献1]に記載の内燃機関は、過給機のサージ領域一杯までを有効に利用して高出力を得ようとするものである。具体的には、過給機の下流から上流にかけて吸入空気を還流させるバイパス通路を新たに設けると共にこの通路上に開閉バルブを設け、過給機の運転状態に応じてこのバルブの開度制御を行う。しかし、この構成では、新たにバイパス通路やこの通路上にバルブを設ける必要があり、コストアップや構造的複雑化は避けられないものであった。従って、本発明の目的は、EGR機構を利用して構造を複雑化させることなく、過給機の性能を有効に利用し得る内燃機関を提供することにある。また、本発明のもう一つの目的は、EGR機構を利用して排気浄化触媒の性能を有効に利用し得る内燃機関を提供することにある。
請求項1に記載の内燃機関は、排気通路から吸気通路に燃焼後ガスを還流させるEGR機構と、吸入空気を過給する過給機とを備えており、所定条件が成立する場合に、吸入空気が吸気通路から排気通路に流れるように、EGR機構のEGRバルブを開制御することを特徴としている。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の内燃機関において、所定条件が、過給機のサージ領域近傍で、かつ、少なくとも下記(i)〜(iii)の何れか一つの条件が成立する場合であることを特徴としている。(i)吸気通路内圧力が排気通路内圧力よりも高い。(ii)過給機がモータを備えており、該モータによる過給促進が行われている。(iii)アクセルペダルの急閉時。
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の内燃機関において、排気通路上に排気浄化触媒を備えており、所定条件が、排気浄化触媒の冷却要求時であることを特徴としている。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の内燃機関において、排気浄化触媒が、粒子状物質の捕集機能を備えており、所定条件が、捕集機能によって捕集した粒子状物質を燃焼させて該捕集機能を再生する再生時で、かつ、排気浄化触媒の通過ガス量が所定値以下の場合であることを特徴としている。
請求項1に記載の内燃機関によれば、EGR機構を用いて、所定条件下で吸入空気を排気通路にバイパスさせることができ、過給機の上流側と下流側における圧力比を最適化することができる。この結果、過給機をより適切な運転状態におくことができ、より効果的な過給効果を得ることができる。また、EGR機構を用いて、所定条件下で吸入空気を排気通路にバイパスさせることができ、排気通路内のガス量などを制御して内燃機関自体を最適な運転状態にすることもできる。これらの効果は、既存のEGR機構を利用して行うため、新たな機構を付加することなく実現される。
また、吸入空気を吸気通路から排気通路にバイパスさせる(通常のEGR機構における流れ方向に対して逆流)際には、EGR機構に堆積したデポジットや煤などを除去できる。この結果、EGR通路やEGRバルブ、あるいは、EGRクーラーが設けられている場合にはEGRクーラなどの詰まりを回復させることもできる。
請求項2に記載の内燃機関によれば、吸気通路から排気通路に吸入空気が流れるようにして吸気抵抗を低減し、より多くの吸入空気が流れるようにして過給機のサージを効果的に回避すると共に、より大きな圧力比を得ることでさらなる高出力を得ることができる。(i)では、EGRバルブを開制御することで、圧力差を利用して吸気通路から排気通路に吸入空気を容易に導入することができる。(ii)では、モータ付き過給機を用いて、モータで過給を行うことで、吸気通路から排気通路に吸入空気を容易に導入することができる。(iii)では、アクセルペダル急閉によってエンジン回転数が急激に低下した場合、モータ付き過給機を作動させることによる過給促進でコンプレッサへの吸入空気量の導入を促し、過給のサージを回避することができる。
請求項3に記載の内燃機関によれば、EGRバルブを開制御することで、吸気通路から排気通路に吸入空気を導入して、排気浄化触媒の過熱を防止することができる。また、請求項4に記載の内燃機関によれば、捕集フィルタ再生時に触媒通過ガス量が所定値以下であると粒子状物質(PM:PaticulateMatter)の燃焼に伴う過熱が生じやすいので、これを抑制してフィルタを熱で破損させることなく、正常なフィルタ再生を行うことができる。
本発明の内燃機関(エンジン)の一実施形態について以下に説明する。本実施形態のエンジン1を図1に示す。本実施形態で説明するエンジン1は、ターボチャージャ11付の多気筒ディーゼルエンジンであるが、ここではそのうちの一気筒のみが断面図として示されている。エンジン1は、吸入空気圧縮後にインジェクタ2によってシリンダ3内のピストン4の上面に燃料を噴射して自然着火させて出力を得るディーゼルエンジンである。図示されていないが、インジェクタ2はコモンレール式のものである。このエンジン1は、後述するターボチャージャによってより多くの吸入空気を過給して、高出力化(あるいは、低燃費化)を実現し得るものである。
なお、エンジン1は、吸気通路5を介してシリンダ3内に吸入した空気をピストン4によって圧縮し、インジェクタ2によって燃料を噴射して燃料を自然着火させて燃焼させる。シリンダ3の内部と吸気通路5との間は、吸気バルブ8によって開閉される。燃焼後の排気ガスは排気通路6に排気される。シリンダ3の内部と排気通路6との間は、排気バルブ9によって開閉される。バルブタイミングは、カムシャフト回転センサ7によって検出される。
また、吸気通路5上には、上流側からエアクリーナ10、エアフロメータ20、ターボユニット11、インタークーラー12、吸気絞り弁13などが配置されている。エアクリーナ10は、吸入空気中のゴミや塵などを取り除くフィルタである。エアフロメータ20は、吸入空気量を質量流量として検出するセンサである。
ターボユニット11は、吸気通路5と排気通路6との間に配され、過給を行う過給機である。本実施形態のターボユニット11においては、タービン側インペラーとコンプレッサ側インペラーとが回転軸で連結されている(以下、この部分を単にタービン/コンプレッサと言うこととする)。本実施形態のターボチャージャは、タービン/コンプレッサの回転軸が出力軸となるようにモータ11aが組み込まれているモータ付ターボチャージャである。また、ターボユニット11には、可変ノズル機構も内蔵されている。
なお、モータ11aは、交流モータであり、発電機としても機能し得る。ターボユニット11は、排気エネルギーによってのみ過給を行う通常の過給機としても機能し得るが、モータ11aによってタービン/コンプレッサを強制的に駆動することでさらなる過給を行うこともできる。また、排気エネルギーを利用して、タービン/コンプレッサを介してモータ11aを回転させることで回生発電させ、発電された電力を回収することもできる。
モータ11aは、タービン/コンプレッサの回転軸に固定されたロータと、その周囲に配置されたステータとを主たる構成部分として有している。吸気通路5上のターボユニット11の下流側には、ターボユニット11による過給で圧力上昇に伴って温度が上昇した吸入空気の温度を下げる空冷式インタークーラ12が配されている。インタークーラー12によって吸入空気の温度を下げ、充填効率を向上させる。
インタークーラー12の下流側には、吸入空気量を調節する吸気絞り弁13が配されている。通常、ディーゼルエンジンでは吸入空気量を制限していないため、空燃比は理論空燃比よりもリーンとなっている。これを完全燃焼を妨げない程度に制限することによって排ガス温度を上げて後述するPMの再生を促進させる目的で、吸気絞り弁13が設けられている。また、吸気絞り弁13には、吸気管5内の圧力を低下させEGRガス導入を促進する役割もある。
アクセルペダル14の操作量は、アクセルポジショニングセンサ15で検出され、これに応じて燃料噴射量が決定される。吸気絞り弁13の開度は、アクセルポジショニングセンサ15で検出されたアクセル開度(開度時間変化量)やエアフロメータ20によって検出された吸入空気量や他の情報量とに基づいてECU16が決定する。吸気絞り弁13は、これに付随して配設されたモータ17によって開閉される。この吸気絞り弁13は電子制御式であるので、後述するECU16によって制御することによって、任意のタイミングで任意の開度に設定することが可能である。
吸気絞り弁13の下流側には、吸気通路5内の圧力(吸気圧)を検出する圧力センサ19が配設されている。これらのセンサ類はECU16に接続されており、その検出結果をECU16に送出している。ECU16は、CPU,ROM,RAM等からなる電子制御ユニットである。ECU16には、上述したインジェクタ2やターボユニット11のモータ11a等も接続されており、これらはECU16からの信号によって制御されている。d
ECU16には、このほかにも、モータ11aと接続されたコントローラ21、バッテリ22なども接続されている。また、さらに、エンジン1のクランクシャフト近傍には、エンジン回転数を検出する回転数センサ18が取り付けられており、これもECU16に接続されている。コントローラ21は、モータ11aの駆動を制御するだけでなく、モータ11aが回生発電した電力の電圧変換を行うインバータとしての機能も有している。回生発電による電力は、コントローラ21によって電圧変換された後にバッテリ22に充電される。
一方、排気通路6上には、排気ガスを浄化する排気浄化触媒23がターボユニット11の下流側に取り付けられている。この排気浄化触媒23は、いわゆるNOx吸蔵還元型の触媒である。また、排気浄化触媒23は、ディーゼルエンジンの燃焼後ガスに含まれるPM捕集機構も内蔵されている。PMは、捕集フィルタによって捕集され、排気ガス温度や、排気ガス中の炭化水素HCの酸化反応熱を利用して燃焼される(これを捕集フィルタあるいは捕集機能の再生と呼ぶ)。排気浄化触媒23には、その温度を検出する温度センサ26が取り付けられており、温度センサ26は、ECU16に接続されている。
さらに、排気通路6(ターボユニット11の上流部)から吸気通路5(圧力センサ19の下流側に形成されたサージタンク部)にかけて排気ガスを還流させるためのEGR24が配設されている。EGR通路24上には、排気ガス還流量を調節するEGRバルブ25や、EGR通路24によって吸気通路に還流される燃焼後ガスを冷却するEGRクーラ26が取り付けられている。後述するが、本発明ではこのEGR通路24などを用いて、吸入空気を排気通路6に導入することも行う。EGRバルブ25の開度制御(Duty制御)も上述したECU16によって行われる。
上述した構成のエンジン1における、EGR機構を用いた吸入空気の排気通路6への供給制御の第一実施形態について、図2のフローチャートを元に説明する。ここで、それに先だって、図3を用いてターボチャージャにおけるサージについて簡単に説明する。上述したように、本実施形態のターボユニット11にはモータ11aが内蔵されており、モータ11aを駆動することで過給アシストを行える。
しかし、ターボユニット11のコンプレッサホイールに流入する吸入空気の流速に対してコンプレッサホイールの回転速度が高くなりすぎると、回転するコンプレッサホイールのブレードに対して流入する吸入空気が剥離し、吸入空気が円滑に下流に流れなくなるサージング(サージ)という現象が生じる。このサージ限界を、コンプレッサへの流入空気の体積流量とコンプレッサ上下流の圧力比との関係で示した図が図2である。ここで、サージを回避するためには、流入空気の体積流量を増加させればよく、そうすれば圧力比を上げてさらなる過給アシストに対する余裕も生まれる。本実施形態では、EGR機構を用いて、通常とは逆方向に、即ち、吸入空気を排気通路6に流れるようにして吸気抵抗を低減し、より多くの吸入空気がコンプレッサに流れるようにすることでサージを回避する。
このためには、まず、図3に示されるように、過給圧が目標過給圧を下回っているか否かを判定する(ステップ300)。ステップ300が肯定される場合は、さらなる過給アシストが必要であるため、次に、モータ11aによる過給アシストが既に実行されているか否かを判定する(ステップ305)。なお、ステップ300が否定される場合は、さらなる過給は不要であり、そのまま図3のフローチャートの制御を抜ける。なお、ステップ300が肯定される場合は、エンジン1が低負荷領域で運転されていることが多い。
ステップ305が肯定される場合は、モータ11aによる過給アシストを開始し(ステップ310)、否定される場合は、さらなる過給アシスト効果を得るように、既に実行中のモータ11aによる過給アシストの制御を変更する(ステップ315)。そして、モータ11aによる過給アシスト制御によって過給状態がサージ限界近傍にあるか否かを判定する(ステップ320)。ステップ320が否定される場合は、サージ回避の必要ないため、そのまま図3のフローチャートの制御を抜ける。
一方、ステップ320が肯定される場合は、吸気通路5(インテークポート)内圧力が排気通路6(エグゾーストポート)内圧力よりも高いか否かを判定する(ステップ325)。吸気通路5内の圧力は圧力センサ19によって検出でき、排気通路6内の圧力はエンジン1の運転状態を上述した各種センサ類で検出し、この検出結果から推定する。具体例としては、エアフロセンサ20による吸入空気量検出値、筒内燃料噴射量、ターボユニット11の可変ノズル機構のノズル開度を引数とする実験式などから推定できる。なお、排気通路6内の圧力検出のためにセンサを設けても良いが、その分コストアップとなるため、上述したような手法をとることが好ましい。
ステップ325が肯定される場合は、EGRバルブ25を開く(ステップ330)ことによって、その圧力差によって、吸入空気が排気通路6側に導入され、その分、ターボユニット11のコンプレッサに流入する吸入空気の体積流量が増加し、サージが回避される。ステップ325が否定される場合は、EGRバルブ25を開いても、排気通路6側から吸気通路5側に燃焼後ガスが還流されてしまい、サージ回避には寄与しないため、そのまま図3のフローチャートの制御を抜ける。ここでは、既存のEGR機構を利用してサージ回避を行えるため、新たなバイパス路やバルブなどを設ける必要がない。
ここでは、過給圧がサージ限界近傍であり、かつ、吸気通路5(インテークポート)内圧力が排気通路6(エグゾーストポート)内圧力よりも高い場合にEGRバルブ25を開制御してサージ回避を行ったが、他の方法もある。例えば、過給状態がサージ限界近傍であり、かつ、モータ11aによる過給アシストが既に行われている場合は、すぐにEGRバルブ25を開制御することでサージ回避を行ってもよい。これは、モータ11aによる過給アシストが既に行われている場合は、吸気通路5(インテークポート)内圧力が排気通路6(エグゾーストポート)内圧力よりも高くなっていると判断してEGRバルブ25を開制御している。これは、図3のフローチャートにおけるステップ325を省略することに相当する。
あるいは、過給状態がサージ限界近傍であり、かつ、アクセルペダル14が急閉された場合は、すぐにEGRバルブ25を開制御することでサージ回避を行ってもよい。これは、アクセルペダル14の急閉によってエンジン回転数が急激に低下した場合、ターボユニット11のモータ11aを作動させることによる過給促進でコンプレッサへの吸入空気量の導入を促し、過給のサージを回避することができると判断してEGRバルブ25を開制御する。
次に、EGR機構を用いた吸入空気の排気通路6への供給制御の第二実施形態について、図2のフローチャートを元に説明する。上述した第一実施形態は、サージ回避のために吸入空気の排気通路6への供給を行ったが、本実施形態では、排気浄化触媒23を冷却するために、吸入空気の排気通路6への供給を行う。この制御のフローチャートを図4に示す。この図4の例では、上述したPM捕集フィルタの再生時に、排気浄化触媒23を通過するガス量が低下すると、再生によって発生する熱の持ち去り量が減って排気浄化触媒の劣化や溶損が懸念される。このため、このようなとき(排気浄化触媒23の冷却要求時)に吸入空気を排気通路6に導入し、排気浄化触媒23の通過ガス量を増加させる。
図4に示されるように、まず、PM捕集フィルタの再生中であるか否かを判定する(ステップ400)。フィルタ再生中でなければ、そのまま図4のフローチャートの制御を抜ける。ステップ400が肯定される場合は、続いて触媒通過空気流量が目標以下であるか否かを判定する(ステップ405)。この触媒通過空気流量は、エアフロメータ20によって検出された吸入空気量に基づいて、エアフロメータ20から排気浄化触媒23までの距離やエアフロメータ20の応答遅れなどを考慮して算出される。
ステップ405が否定される場合は、十分な触媒通過空気流量が確保されていると判断できるので、そのまま図4のフローチャートの制御を抜ける。一方、ステップ405が肯定される場合は、上述したようにPMフィルタ再生による排気浄化触媒23の過熱が懸念されるため、まず、モータ11aによる過給アシストを開始する(ステップ410)。このようにすることで、EGR通路24を介して、吸気通路5から排気通路6への吸入空気の供給を行えるようにする(吸気通路5と排気通路6との間に圧力差を設ける)。その後、吸気通路5(インテークポート)内圧力が排気通路6(エグゾーストポート)内圧力よりも高いか否かを判定する(ステップ415)。
ステップ415が肯定される場合は、EGRバルブ25を開く(ステップ420)ことによって、吸気通路5と排気通路6との間の圧力差により吸入空気が排気通路6側に導入され、その分、排気浄化触媒23を通過するガス量が増加する。この結果、排気浄化触媒23(捕集フィルタ)から持ち去られる熱量が増加し、排気浄化触媒23が冷却されて劣化などが防止される。時に、ここでEGR通路24を介して排気通路6に導入されるのは新気であり、燃焼後のガスではない。このため、温度が低く、排気浄化触媒23の冷却には適している。また、新気には酸素が多く含まれており、PM捕集フィルタの再生には都合がよい。
ステップ415が否定される場合は、EGRバルブ25を開いても、排気通路6側から吸気通路5側に燃焼後ガスが還流されてしまい、排気浄化触媒23の冷却には寄与しないため、そのまま図4のフローチャートの制御を抜ける。ここでも、既存のEGR機構を利用して排気浄化触媒23の冷却を行えるため、新たなバイパス路やバルブなどを設ける必要がない。
図5に、上述した第二実施形態の変形例(第三実施形態)を示す。上述した第二実施形態は、PM捕集フィルタの再生時で、かつ、排気浄化触媒23の通過空気流量が所定値以下であるときであり、この状況が排気浄化触媒23の冷却要求時であった。しかし、その他の排気浄化触媒23の冷却要求時にEGRバルブ25を開制御して吸入空気を排気通路6に導入しても良い。この場合、単純に温度センサ26によって排気浄化触媒23の温度を検出し、これに基づいて制御を行っても良い。本実施形態は、このような場合の制御であり、そのフローチャートを図5に示す。
図5に示されるように、まず、排気浄化触媒23の温度が目標温度を超えているか否かを判定する(ステップ500)。ステップ500が否定される場合は、そのまま図5のフローチャートの制御を抜ける。ステップ500が肯定される場合は、排気浄化触媒23を冷却すべく、モータ11aによる過給アシストを開始する(ステップ505)。このようにすることで、EGR通路24を介して、吸気通路5から排気通路6への吸入空気の供給を行えるようにする(吸気通路5と排気通路6との間に圧力差を設ける)。その後、吸気通路5(インテークポート)内圧力が排気通路6(エグゾーストポート)内圧力よりも高いか否かを判定する(ステップ510)。
ステップ510が肯定される場合は、EGRバルブ25を開く(ステップ515)ことによって、吸気通路5と排気通路6との間の圧力差により吸入空気が排気通路6側に導入され、その分、排気浄化触媒23を通過するガス量が増加する。この結果、排気浄化触媒23(捕集フィルタ)から持ち去られる熱量が増加し、排気浄化触媒23が冷却される。排気浄化触媒23の冷却要求時としては、高負荷運転からの減速時やエンスト時などがある。このような状況は、上述した第二実施形態で排気浄化触媒23の通過区流量が所定値を下回るような場合を生成する状況でもある。
一方、ステップ510が否定される場合は、EGRバルブ25を開いても、排気通路6側から吸気通路5側に燃焼後ガスが還流されてしまい、排気浄化触媒23の冷却には寄与しないため、そのまま図5のフローチャートの制御を抜ける。ここでも、既存のEGR機構を利用して排気浄化触媒23の冷却を行えるため、新たなバイパス路やバルブなどを設ける必要がない。なお、上述した場合と同様に、モータ11aの駆動によって、ステップ510が成立するものとして、ステップ510を省略する制御方法も可能である。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、内燃機関をディーゼルエンジンとしたが、ガソリンエンジンに対しても本発明は適用可能である。この際、排気ガス中のNOx量の増加が懸念されるようであれば、排気浄化触媒としてNOx吸蔵還元型のものを用いればよい。
本発明の内燃機関の一実施形態の断面図である。 サージ限界と、圧力比及び体積流量との関係を示すグラフである。 図1の内燃機関による制御(第一実施形:サージ回避)のフローチャートである。 図1の内燃機関による制御(第二実施形:触媒冷却)のフローチャートである。 図1の内燃機関による制御(第三実施形:触媒冷却)のフローチャートである。
符号の説明
1…エンジン(内燃機関)、2…インジェクタ、5…吸気通路、6…排気通路、11…ターボユニット、11a…モータ(過給機)、19…圧力センサ、20…エアフロメータ、23…排気浄化触媒、24…EGR通路(EGR機構)、25…EGRバルブ(EGR機構)、26…温度センサ。

Claims (4)

  1. 排気通路から吸気通路に燃焼後ガスを還流させるEGR機構と、吸入空気を過給する過給機とを備えた内燃機関において、
    所定条件が成立する場合に、吸入空気が前記吸気通路から前記排気通路に流れるように、前記EGR機構のEGRバルブを開制御することを特徴とする内燃機関。
  2. 前記所定条件が、前記過給機のサージ領域近傍で、かつ、少なくとも下記(i)〜(iii)の何れか一つの条件が成立する場合であることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
    (i)吸気通路内圧力が排気通路内圧力よりも高い
    (ii)過給機がモータを備えており、該モータによる過給促進が行われている
    (iii)アクセルペダルの急閉時。
  3. 前記排気通路上に排気浄化触媒を備えており、前記所定条件が、前記排気浄化触媒の冷却要求時であることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
  4. 前記排気浄化触媒が、粒子状物質の捕集機能を備えており、前記所定条件が、前記捕集機能によって捕集した粒子状物質を燃焼させて該捕集機能を再生する再生時で、かつ、前記排気浄化触媒の通過ガス量が所定値以下の場合であることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関。
JP2005146881A 2005-05-19 2005-05-19 内燃機関 Pending JP2006322398A (ja)

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WO2009092075A1 (en) * 2008-01-17 2009-07-23 Basf Catalysts Llc Apparatus and control method for avoiding thermal shock in diesel filters
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