JP2008267285A - バタフライ型排気絞り弁の冷却制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温の排気ガスに曝された場合にあっても正常な挙動が阻害されることのないバタフライ型排気絞り弁の冷却制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路１２２に設置された排気浄化フィルタ１３２と、その下流側に配設されたバタフライ型排気絞り弁１３４を備える内燃機関の排気浄化装置において、排気絞り弁の弁軸１３４Ｂに形成された貫通孔１３４Ｃに連通され、内燃機関の冷却水を循環させる循環経路１４０と、循環経路に設けられた水量調整弁１４２とを備える。そして、排気浄化フィルタの再生時に貫通孔１３４Ｂに所定量の冷却水を流すべく、水量調整弁１４２の開度を制御する制御手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、バタフライ型排気絞り弁の冷却制御装置、特に、内燃機関の排気通路に設置された排気浄化フィルタと、該排気浄化フィルタの下流側に配設されたバタフライ型排気絞り弁を備える内燃機関の排気浄化装置におけるバタフライ型排気絞り弁の冷却制御装置に関する。

一般に、内燃機関、特にディーゼルエンジンにおいては、排気中に含まれる粒子状物質（パティキュレートマター、以下、ＰＭと称す）の除去が重要な課題となっている。このため大気中に粒子状物質が放出されないように内燃機関の排気系に粒子状物質の捕集を行う排気浄化フィルタ(例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ、以下、ＤＰＦとも称す）を設ける技術が存在する。

このＤＰＦでは、ＰＭの堆積量が過大となるとフィルタに目詰まりを生じ、これに起因する出力低下により燃費の悪化を招いたり、フィルタの毀損を生じるおそれがある。そこで、このような目詰まりを解除する技術として、内燃機関の排気通路にバタフライ型排気絞り弁を設け、排気の流量を絞って背圧を上昇させることにより排気温度を上昇させ、ＤＰＦを再生する技術が知られている。

ところで、このようなバタフライ型排気絞り弁は高温の排気ガスによる熱負荷を受けることから、その弁軸を支持するブッシュなどが耐熱限度を超えバタフライ型排気絞り弁の正常な動作が困難となるおそれがある。

これに対処して、特許文献１には、高温流体が流通する管体に設置され、弁シャフト（弁軸）を備えた弁体と、管体の側方に配置されて弁軸を支持するブッシュとを有する開閉弁構造であって、管体とブッシュとの間に空気や冷却水などの冷媒を流通させる冷媒通路を形成する技術が開示されている。

特開２００６−７７９０１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、管体内を流通する高温の排気ガスの熱がブッシュに伝わるのを抑制し、破損するおそれを軽減することはできるが、再生燃焼用の燃料が添加される排気浄化フィルタの再生時のように、排気絞り弁周りを流通する排気ガスの温度がさらに高温になる場合には、ブッシュへの熱の伝わりを抑制するのみでは十分ではなく、排気絞り弁の開度または閉度の制御にバラツキが生ずる。これは、バタフライ型排気絞り弁の弁軸に歪などが生じ、弁の正常な挙動が阻害されることによるものと推測される。この結果、排気浄化フィルタ内での温度や圧力の制御が不安定となることから内燃機関の燃費の悪化やトルク変動をもたらすことが判明した。

本発明はかかる事情に鑑みなされたもので、その目的は、高温の排気ガスに曝された場合にあっても正常な挙動が阻害されることのないバタフライ型排気絞り弁の冷却制御装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の一形態に係るバタフライ型排気絞り弁の冷却制御装置は、内燃機関の排気通路に設置された排気浄化フィルタと、該排気浄化フィルタの下流側に配設されたバタフライ型排気絞り弁を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記排気絞り弁の弁軸に形成された貫通孔に連通され、前記内燃機関の冷却水を循環させる循環経路と、該循環経路に設けられた水量調整弁と、前記排気浄化フィルタの再生時に前記貫通孔に所定量の冷却水を流すべく、前記水量調整弁の開度を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

上記構成によれば、排気浄化フィルタの再生時には、バタフライ型排気絞り弁の弁軸に形成された貫通孔に連通された循環経路から内燃機関の冷却水がその貫通孔に循環される。そして、その循環される冷却水は循環経路に設けられた水量調整弁の開度が制御手段により制御されて、所定量とされる。したがって、弁軸に形成された貫通孔に所定量の冷却水が循環されることから、弁軸に歪などが生ずるのが防止され、弁の正常な挙動が阻害されることがない。かくて、内燃機関の燃費の悪化が抑制され、トルクの安定性も向上する。

ここで、前記制御手段は、前記冷却水の温度が所定値を超えるときは、その温度に対応させて、前記水量調整弁の開度を絞るように制御することが好ましい。

この構成によれば、循環量が制限されるので、冷却水の温度が上昇し過ぎることによる内燃機関のオーバーヒートを回避することができる。

また、前記制御手段は、前記内燃機関の低温始動時に、前記水量調整弁の開度を全開とするように制御するようにしてもよい。

このようにすると、内燃機関の低温始動時には、弁軸に形成された貫通孔に循環される冷却水量が増大され、それが排気ガスにより加熱されるので、内燃機関の暖機が促進される。かくて、エミッションの低減や失火が抑制される。

さらに、前記制御手段は、前記内燃機関の高地始動時に、前記水量調整弁の開度を全開とするように制御するようにしてもよい。

このようにすると、内燃機関の高地始動時には、弁軸に形成された貫通孔に循環される冷却水量が増大され、それが排気ガスにより加熱されるので、内燃機関の暖機が促進される。かくて、エミッションの低減や失火が抑制される。

以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明を自動車用ディーゼルエンジンに適用した実施形態の概略構成を説明する模式図である。

図１において、１００はディーゼルエンジン本体、１０２はエンジン１００の吸気通路、１０４は吸気通路１０２に設けられたサージタンク、１０６はサージタンク１０４と各気筒の吸気ポートとを接続する吸気枝管である。

本実施形態では、吸気通路１０２には吸気通路１０２を流れる吸入空気の流量を絞る吸気絞り弁１０８、および吸気を冷却するインタクーラ１１０が設けられている。吸気絞り弁１０８はソレノイド、バキュームアクチュエータ等の適宜な形式のアクチュエータ１０８Ａを備え、後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ）２００からの制御信号に応じた開度をとる。本実施形態では、吸気絞り弁１０８は、例えば機関低回転時等に吸気圧力を低下させて、後述するＥＧＲ通路１５２を通ってサージタンク１０４に還流する排気（ＥＧＲガス）量を増大させるために用いられる。

図１に１１２で示すのは、吸気通路１０２の吸気入口近傍に設けられたエアフローメータである。本実施形態では、エアフローメータ１１２は熱線式流量計等のように、吸気通路１０２を流れる吸入空気の質量流量を測定可能な形式のものが使用されている。吸気通路１０２に流入した大気は、エアフローメータ１１２を通過した後、ターボチャージャ１３０のタービン１３０Ｔで駆動されるコンプレッサ１３０Ｃにより昇圧され、吸気通路１０２に設けられたインタクーラ１１０により冷却された後サージタンク１０４、枝管１０６を経て各気筒に吸入される。

図１に１１４で示すのは、各気筒内に燃料を直接に噴射する燃料噴射弁である。燃料噴射弁１１４は、高圧燃料を貯留する共通の蓄圧室（コモンレール）１１６に接続されている。機関１００の燃料は不図示の高圧燃料ポンプにより昇圧されてコモンレール１１６に供給され、コモンレール１１６から各燃料噴射弁１１４を介して直接各気筒内に噴射される。

また、図１に１２０で示すのは各気筒の排気ポートと排気通路１２２とを接続する排気マニホルドであり、その後流に上述のターボチャージャ１３０が配置されている。ターボチャージャ１３０は排気通路１２２の排気により駆動される排気タービン１３０Ｔと、この排気タービン１３０Ｔにより駆動される吸気コンプレッサ１３０Ｃとを備えていること前述の通りである。

また、本実施形態では、ターボチャージャ１３０下流側の排気通路１２２に、触媒（例えば、三元触媒）を含むＤＰＦ１３２が配置されると共に、その下流に排気通路１２２を流れる排気流量を制御するためのバタフライ型の排気絞り弁１３４が配置されている。この排気絞り弁１３４は、吸気絞り弁１０８と同様にアクチュエータ１３４Ａを備え、ＥＣＵ２００からの制御信号に応じて全開位置と所定の開度の閉弁位置とをとる。本実施形態では排気絞り弁１３４は、触媒の早期活性化やＤＰＦ１３２の再生のために排気温度を上昇させる際に用いられる。

さらに、本実施形態では、図２に示すように、バタフライ型の排気絞り弁１３４の弁軸１３４Ｂにその軸線に沿って貫通形成された貫通孔１３４Ｃに連通され，エンジン１００の冷却水を循環させる循環経路１４０が設けられている。この循環経路１４０は、エンジン１００の、例えば、シリンダヘッド内の冷却通路から分岐されて、シリンダブロック内の冷却通路に戻されるべく接続されており、その途中に水量調整弁１４２が設けられている。そして、水量調整弁１４２もアクチュエータ１３４Ａを備え、ＥＣＵ２００からの制御信号に応じてその開度が制御される。

また、本実施形態では、エンジン排気の一部を吸気系に還流させるＥＧＲ装置１５０が設けられている。ＥＧＲ装置１５０は、排気マニホルド１２０と吸気サージタンク１０４とを連通する前述のＥＧＲ通路１５２、およびＥＧＲ通路１５２に配置されたＥＧＲ制御弁(以下、ＥＧＲ弁という)１５４、およびＥＧＲ弁１５４の上流側のＥＧＲ通路１５２に設けられたＥＧＲクーラ１５６を備えている。ＥＧＲ弁１５４は図示しないステッパモータ、ソレノイドアクチュエータ等のアクチュエータを備え、ＥＣＵ２００からの制御信号に応じた開度をとり、ＥＧＲ通路１５２を通って吸気サージタンク１０４に還流されるＥＧＲガス流量を制御する。なお、ＥＧＲガスは気筒から排出された高温の排気であるため、多量のＥＧＲガスを吸気に還流させると吸気温度が上昇してしまい、エンジンの吸気体積効率が低下することになる。本実施形態では、これを防止するために、ＥＧＲ弁１５４上流側のＥＧＲ通路１５２には水冷または空冷のＥＧＲクーラ１５６が設けられている。本実施形態では、ＥＧＲクーラ１５６を用いて吸気系に還流するＥＧＲガス温度を低下させることにより、エンジンの吸気体積効率の低下を抑制して比較的多量のＥＧＲガスを還流させることが可能となっている。

さらに、本実施形態のＥＣＵ２００は、公知の構成のマイクロコンピュータとして構成され、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入力ポート、出力ポートを双方向性バスで相互に接続した構成とされている。ＥＣＵ２００はエンジン１００の燃料噴射制御、回転数制御等の基本制御を行うほか、本実施形態では後述するように、排気絞り弁１３４の冷却制御を行なう。

これらの制御を行うため、ＥＣＵ２００の入力ポートには、エンジン１００のクランク軸近傍に配置された回転数センサからエンジン回転数に対応する信号が入力されている他、エアフローメータ１１２からエンジン吸入空気量に相当する信号が、また、不図示のアクセルペダル近傍に配置されたアクセル開度センサから運転者のアクセルペダル踏み込み量（アクセル開度）に対応する信号とＥＧＲ弁１５４に配置されたＥＧＲ弁開度センサからＥＧＲ弁開度を表す信号および不図示の水温センサからの冷却水温信号、同じく不図示の高度センサからの車両の位置高度を表す信号等が、それぞれ入力されている。

ＥＣＵ２００の出力ポートは、図示しない燃料噴射回路を介してエンジン１００の燃料噴射弁１１４に接続され、燃料噴射弁１１４からの燃料噴射量と燃料噴射時期とを制御している。また、ＥＣＵ２００の出力ポートは図示しない駆動回路を介してＥＧＲ弁１５４、吸気絞り弁１０８、排気絞り弁１３４および水量調整弁１４２のアクチュエータに接続され、それぞれの弁開度を制御している。

前述したように、ＤＰＦ１３２にはエンジン運転中排気中のＰＭが捕集され、徐々にＤＰＦ１３２のＰＭ捕集量が増大する。本実施形態では、エンジン１００に吸入された吸入空気量の前回再生時からの積算値に基づいて、ＤＰＦ１３２のＰＭ捕集量を推定し、それが所定値に到達したときに、排気絞り弁１３４を閉弁して機関吸気量を低下させると共に、排気系に燃料を添加して排気温度を上昇させることによりＤＰＦ１３２の再生操作を行なうようにしている。なお、上述の吸入空気量の積算値に基づく推定による他に、不図示の差圧センサによりＤＰＦ１３２の前後差圧を計測し、この差圧が大きくなったことでもってＰＭ捕集量の増大を検出することによってもよい。

以下、上記構成になる本実施形態の排気絞り弁１３４の冷却制御の処理手順について図３のフローチャートを参照して説明する。

そこで、ＥＣＵ２００において制御がスタートすると、この制御ルーチンのステップＳ３０１において、ＤＰＦ１３２の再生が開始されたか否かが判定される。そして、再生開始が判定されるまで待機した後、再生開始と判定されるとステップＳ３０２に進み、水量調整弁１４２が全開にされる。

そして、次のステップＳ３０３において、不図示の水温センサからの冷却水温信号に基づき冷却水の温度が所定値（例えば、８０℃）を超えているか否か、換言すると、所定値以内か否かが判定される。冷却水の温度が所定値以内のときは、この制御ルーチンは一旦終了される。すなわち、ステップＳ３０２における水量調整弁１４２の全開状態がそのまま維持される。したがって、排気絞り弁１３４の弁軸１３４Ｂに形成された貫通孔１３４Ｃに循環経路１４０を介してエンジン１００の冷却水が循環される。かくて、弁軸１３４Ｂは貫通孔１３４Ｃに循環される冷却水により効果的に冷却されるので、弁軸１３４Ｂに歪などが生ずるのが防止され、排気絞り弁１３４の正常な挙動が阻害されることがない。

一方、ステップＳ３０３における判定で、冷却水の温度が所定値を超えているときはステップＳ３０４に進み、水量調整弁１４２の開度が冷却水温に応じて制御され、水量が調整される。このようにすると、冷却水の循環量が制限されるので、冷却水の温度が上昇し過ぎることによるエンジン１００のオーバーヒートを回避することができる。

次に、上述の実施形態に付加的に実行される機関始動時の制御の処理手順について図４のフローチャートを参照して説明する。ＥＣＵ２００において制御がスタートすると、この制御ルーチンのステップＳ４０１において、エンジン１００の低温始動時であるか、又は、高地始動時であるかが判定される。いずれもが否定のときは、この制御ルーチンは終了される。

そして、ステップＳ４０１において、いずれかが肯定のときはステップＳ４０２に進み、水量調整弁１４２が全開にされる。かくて、エンジン１００の低温始動時、又は高地始動時には、水量調整弁１４２の開度が全開にされるので、弁軸１３４Ｂに形成された貫通孔１３４Ｃに循環される冷却水量が増大され、それが排気通路１２２を通過する排気ガスにより加熱されるので、エンジン１００の暖機が促進される。かくて、低温始動時及び高地始動時におけるエミッションの低減や失火が抑制される。

本発明に係る排気絞り弁の冷却制御装置の実施形態の概略を示す模式図である。 本発明に係る排気絞り弁の冷却制御装置における排気絞り弁部位の実施形態を示す部分断面図である。 本発明に係る排気絞り弁の冷却制御装置における制御手順の一例を示すフローチャートである。 本発明に係る排気絞り弁の冷却制御装置における付加的な制御手順の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１００ エンジン本体
１２２ 排気通路
１３４ バタフライ型排気絞り弁
１３４Ｂ 弁軸
１３４Ｃ 貫通孔
１３６ 排気浄化フィルタ（ＤＰＦ）
１４０ 循環経路
１４２ 水量調整弁
２００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設置された排気浄化フィルタと、該排気浄化フィルタの下流側に配設されたバタフライ型排気絞り弁を備える内燃機関の排気浄化装置において、
   前記排気絞り弁の弁軸に形成された貫通孔に連通され、前記内燃機関の冷却水を循環させる循環経路と、
   該循環経路に設けられた水量調整弁と、
   前記排気浄化フィルタの再生時に前記貫通孔に所定量の冷却水を流すべく、前記水量調整弁の開度を制御する制御手段と
   を備えることを特徴とするバタフライ型排気絞り弁の冷却制御装置。
2. 前記制御手段は、前記冷却水の温度が所定値を超えるときは、その温度に対応させて、前記水量調整弁の開度を絞るように制御することを特徴とする請求項１に記載のバタフライ型排気絞り弁の冷却制御装置。
3. 前記制御手段は、前記内燃機関の低温始動時に、前記水量調整弁の開度を全開とするように制御することを特徴とする請求項１に記載のバタフライ型排気絞り弁の冷却制御装置。
4. 前記制御手段は、前記内燃機関の高地始動時に、前記水量調整弁の開度を全開とするように制御することを特徴とする請求項１に記載のバタフライ型排気絞り弁の冷却制御装置。

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