JP4069657B2 - 過給機付き内燃機関 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、過給機付き内燃機関に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、内燃機関、特にディーゼル機関では、排気に含まれるすすを減少させるための対策が望まれている。そして、この要望に応えるものとして、例えば特開2001−152832号公報等に記載の内燃機関が知られている。
【0003】
この内燃機関では、いわゆる低温燃焼によってすすの発生を抑制するようにしている。すなわち、周知の排気再循環装置(EGR装置)により多量のEGRガスを燃焼室内に導入して燃焼温度を低下させることによって、すすの発生を抑制するようにしている。ちなみに、燃焼室内の燃料に由来するHC(炭化水素)は様々な化学反応を経てすすになることが知られているが、この化学反応が進行するにはある程度の温度が必要になる。逆に言えば、このある程度の温度が確保されなければすすは生成されない。そこで、上記公報に記載の内燃機関では、多量のEGRガスを燃焼室に導入し、燃焼温度をすすの生成温度よりも低くすることで、すすの生成を抑制するようにしている。
【0004】
ところで、一般に、内燃機関の気筒に吸入することのできる全吸入ガス量には限界がある。従って、機関負荷が増大して燃料噴射量が増大すると、この燃料を完全燃焼させるためには空気量も増大させる必要があり、自ずとEGRガス量の方は減少させざるを得なくなる。このため、前記低温燃焼は機関負荷が低い領域でのみしか行うことができない。
【0005】
一方、この低温燃焼を行うことのできる運転領域を拡大させるには、内燃機関の気筒に吸入することのできる全吸入ガス量そのものを増大させるといった方法が有効である。そこで、前記公報に記載の内燃機関では、排気圧を利用して吸入空気を過給する、いわゆるターボチャージャ(過給機)を備えることにより、こうした全吸入ガス量の増大を図るようにしている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このように、低温燃焼を行う内燃機関では、ターボチャージャを備えることによって、低温燃焼を行うことのできる運転領域を拡大することができるようになる。そして、前記公報に記載のターボチャージャには、タービンに流入する排気の流速、換言すればタービン容量を調整する機構が特に設けられていないが、通常は、このようなタービン容量を調整できる機構を備えることで、内燃機関の各種の運転に対するターボチャージャの適用範囲も更に拡大されるようになる。なお、このタービン容量を調整することのできる機構としては、ターボチャージャの排気通路内に可動式のノズルベーンを設け、このノズルベーンと前記排気通路内の壁面とで形成されるノズル部の通路断面積を変化させることによって排気流速を調整する、いわゆる可変ノズルベーン式のものが一般によく知られている。
【0007】
しかしながら、上記低温燃焼が行われる内燃機関にこうした可変ノズルベーン式のターボチャージャを備える場合には、新たに以下のような問題が生じるおそれがある。
【0008】
すなわち、前述した低温燃焼では、すすまで成長しなかった多量のHCが排気通路に排出される。そして、この排出されるHCの一部が前記ノズル部に付着するようになる。このノズル部に付着したHCは、通常燃焼による運転状態であれば、高温の排気によってそのほとんどが焼却される。ところが、排気温度の低い低温燃焼による運転状態では、こうしてノズル部に付着したHCも、焼却されずにそのまま残ることが多くなる。しかも、このときの排気は、温度が低いとはいっても燃焼ガスであるために、ある程度の温度にはなっている。そのため、前記ノズル部に付着したHCはこの排気熱によって変質し、通常は粘度の高い液状物質(以下、デポジットという)になってしまう。そして、この付着、堆積したデポジットが、ノズルベーンの駆動を妨げる抵抗として作用するようになり、ひいては同ノズルベーンの駆動不良を引き起こすようになる。
【0009】
この発明はこうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、可変ノズルベーン式の過給機を備える内燃機関にあって、その運転状態によることなくノズルベーンの駆動不良を好適に抑制することのできる過給機付き内燃機関を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための手段及びその作用効果について以下に記載する。
請求項1に記載の発明は、排気通路に設けられた可変ノズルベーン式のタービンを通じて吸気の過給を行う過給機と前記排気通路に排出された排気を吸気通路に再循環させる排気再循環装置とを備え、機関運転状態を通常運転と該通常運転よりも前記排気再循環装置による排気の再循環量を増大させた状態で燃焼を行う低温燃焼運転とに切替可能な過給機付き内燃機関において、前記低温燃焼運転時に前記タービンの可変ノズル部に堆積するデポジットの量を推定する推定手段と、この推定されるデポジットの量が所定の量に達することに基づいて機関運転状態を前記低温燃焼運転から前記通常運転に切り替える制御手段とを備えることをその要旨とする。
【0011】
排気再循環装置による排気の再循環量を増大させた状態で燃焼を行う低温燃焼運転時には、すすまで成長しなかった多量のHCが排気通路に排出されるとともに排気温度も低くなる。このため、低温燃焼運転時には、タービンの可変ノズル部にデポジットが堆積しやすくなり、ノズルベーンの駆動不良が生じやすくなる。
この点、上記請求項1に記載の構成では、ノズルベーンの駆動不良が生じやすい低温燃焼運転時において、タービンの可変ノズル部に堆積するデポジットの量が所定の量に達したと推定される場合には、機関運転状態を低温燃焼運転から通常運転に切り替えて排気温度を上昇させるようにしている。この排気温度の上昇により、タービンの可変ノズル部に堆積したデポジットは焼却され、その量は減少するようになる。このため、デポジットの堆積に起因するノズルベーンの駆動不良が生じやすい低温燃焼運転時にあっても、この駆動不良を抑制することができるようになる。
【0015】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の過給機付き内燃機関において、前記低温燃焼運転時、前記排気通路における前記タービンの上流に燃料を添加する燃料添加手段を更に備えることをその要旨とする。
【0016】
一般に、低温燃焼時には、排気温度が低くなることに起因して排気通路に設けられる排気浄化用触媒の活性も低下してしまう。そこで、この触媒の上流側に燃料を添加し、同燃料を触媒上で燃焼させることによって触媒の温度を上昇させることが行われる場合がある。しかしながら、上記過給機付きの内燃機関では、この燃料添加に伴って以下のような問題が生じるおそれもある。
【0017】
すなわち、上記添加される燃料は、その燃焼が可能となるある程度の温度を有する排気中にあってはじめて上記触媒の温度上昇に寄与することができる。一方で、前記ターボチャージャを通過した排気は、タービンを回転させることによってその熱エネルギーが消費される。また、ターボチャージャの構成部材によっても熱量が吸収されるため、ターボチャージャを通過した排気の温度は低下している。従って、上記燃料は、ターボチャージャの下流側ではなく、上流側に添加する必要がある。しかしこの場合には、前記ノズル部にこの添加された燃料が付着し、前述したデポジットの堆積を助長することともなってしまう。
【0018】
この点、上記請求項2に記載の構成では、触媒の活性低下を抑制しつつ、デポジットの堆積に起因するノズルベーンの駆動不良を抑制することができるようになる。すなわち、排気通路におけるタービンの上流に燃料が添加されることで、この燃料は好適に触媒上で燃焼され、同触媒の温度を上昇させることができるようになる。また、たとえタービンの可変ノズル部にこの添加された燃料が付着しても、同可変ノズル部に堆積するデポジットの量が所定の量に達したと推定される場合には、運転状態を通常運転に切り替えて排気温度を上昇させるようにしている。この排気温度の上昇により、タービンの可変ノズル部に堆積したデポジットは焼却され、その量は減少するようになる。このため、上記の燃料添加が行われる場合であっても、デポジットの堆積に起因するノズルベーンの駆動不良を抑制することができるようになる。
【0019】
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の過給機付き内燃機関において、前記可変ノズルベーンはモータを駆動源とする電動式のベーンであり、前記推定手段は、前記モータに流れる過電流を検出し、この検出した過電流に基づいて前記デポジットの量を推定することをその要旨とする。
【0020】
可変ノズル部に堆積するデポジットは粘度が高いため、この堆積したデポジットはノズルベーンの駆動を妨げる抵抗として作用する。このため、可変ノズルベーンがモータを駆動源とする電動式のベーンである場合に、前記ノズル部に堆積するデポジットの量が増加すると、前記モータに流れる電流は過電流となりやすくなる。この可変ノズル部に堆積するデポジットの量と前記過電流との関係に着目した請求項3に記載の構成によれば、可変ノズル部に堆積するデポジットの量を的確に推定することができるようになる。
【0021】
請求項4に記載の発明は、請求項1又は2に記載の過給機付き内燃機関において、前記排気通路における前記タービンの上流と下流との圧力差を検出する差圧センサを備え、前記推定手段は、前記検出される圧力差に基づいて前記デポジットの量を推定することをその要旨とする。
【0022】
タービンの可変ノズル部に堆積するデポジットは、同ノズル部において凸部となるため排気抵抗になる。このため、可変ノズル部にデポジットが堆積すると、排気通路におけるタービン上流の圧力が高くなり、同タービンの下流の圧力との圧力差が大きくなる。この可変ノズル部に堆積するデポジットに起因する前記圧力差の増大に着目した請求項4に記載の構成によっても、可変ノズル部に堆積するデポジットの量を的確に推定することができるようになる。
【0023】
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれかに記載の過給機付き内燃機関において、前記制御手段は、前記推定されるデポジットの量が所定の量に達したとき、同デポジットを焼却し得る所定の時間だけ、当該機関の運転状態を前記通常運転に切り替えることをその要旨とする。
【0024】
同構成によれば、前記制御手段による通常運転への切り替えは、可変ノズル部に付着したデポジットを焼却し得る所定の時間だけ変更される。このため、必要以上に長い時間にわたって低温燃焼が中断されることはなく、もって、排気エミッションの悪化を必要最小限に抑えることができるようになる。
【0025】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下、この発明にかかる過給機付き内燃機関を自動車に搭載されるコモンレール式4気筒ディーゼル機関に具体化した第1の実施形態について、図1〜図6に基づき詳細に説明する。
【0026】
図1は、本実施形態にかかる過給機付き内燃機関、並びにそれらの周辺構成を示す概略構成図である。
内燃機関1には複数の気筒#1〜#4が設けられている。シリンダヘッド2には前記各気筒毎に燃料噴射弁4a〜4dが取り付けられている。これら燃料噴射弁4a〜4dは各気筒#1〜#4の気筒内に燃料を噴射する。また、シリンダヘッド2には、外気を気筒内に導入するための吸気ポート(図示略)と燃焼ガスを気筒外へ排出するための排気ポート6a〜6dとが各気筒#1〜#4に対応して設けられている。
【0027】
燃料噴射弁4a〜4dは、高圧燃料を蓄圧するコモンレール9に接続されている。コモンレール9はサプライポンプ10に接続されている。サプライポンプ10は燃料タンク(図示略)内の燃料を吸入するとともにコモンレール9に高圧燃料を供給する。コモンレール9に供給された高圧燃料は、各燃料噴射弁4a〜4dの開弁時に同燃料噴射弁4a〜4dから気筒内に噴射される。
【0028】
吸気ポート(図示略)にはインテークマニホールド7が接続されている。インテークマニホールド7は吸気通路3に接続されている。この吸気通路3内には吸入空気量を調整するためのスロットル弁16が設けられている。
【0029】
排気ポート6a〜6dにはエキゾーストマニホールド8が接続されている。このエキゾーストマニホールド8は後述するターボチャージャ11を介して排気通路26に接続されている。排気通路26の途中には、排気中の有害成分を酸化還元して浄化するための触媒12が設置されている。
【0030】
内燃機関1には、機関運転状態を検出するための各種センサが取り付けられている。例えば、エアフロメータ19は吸気通路3内の吸入空気量を検出する。スロットル開度センサ20はスロットル弁16の開度を検出する。排気温度センサ29は触媒12下流側の排気温度を検出する。気筒判別センサ22は特定気筒の圧縮上死点を検出する。クランク角センサ23はクランクシャフト(図示略)の回転角度を検出する。また、気筒判別センサ22とクランク角センサ23との出力値により、任意の気筒のクランクシャフト角度が検出される。アクセル開度センサ24はアクセルペダル(図示略)の開度を検出する。
【0031】
これら各種センサの出力は制御装置(以下、ECUと記載する)25に入力される。このECU25は、中央処理制御装置(CPU)、各種プログラムやマップ等を予め記憶した読出専用メモリ(ROM)、CPUの演算結果等を一時記憶するランダムアクセスメモリ(RAM)、入力インターフェース、出力インターフェース等を備えたマイクロコンピュータを中心として構成されている。そして、このECU25により、例えば、燃料噴射弁4a〜4dの燃料噴射量や燃料噴射時期、サプライポンプ10の吐出圧力、スロットル弁16を開閉するアクチュエータ17の駆動量、内燃機関1の各種制御が行われる。
【0032】
この他、内燃機関1にはEGR装置28が備えられている。このEGR装置28は、吸入空気に排気の一部を導入することで気筒内の燃焼温度を低下させてNOxやすすの発生量を低減させる装置である。このEGR装置28は吸気通路3とエキゾーストマニホールド8とを連通するEGR通路13、同EGR通路13に設けられたEGR弁15、EGRクーラ14により構成されている。EGR弁15はECU25によりその開度が調整され、その結果、エキゾーストマニホールド8から吸気通路3に導入される排気の量(EGR量)が調整される。EGRクーラ14はEGR通路13内を流れる排気の温度を低下させる。
【0033】
また、内燃機関1には、排気圧を利用して気筒に導入される吸入空気を過給する、可変ノズルベーン式のターボチャージャ(過給機)11が備えられている。このターボチャージャ11の構造及び動作態様は、大きくは、以下のようになっている。
【0034】
図2はターボチャージャ11について、そのロータシャフト43の軸方向における断面を示している。このターボチャージャ11は、センタハウジング40、タービンハウジング42、コンプレッサハウジング41を備えている。タービンハウジング42の外周部に設けられる開口部には、エキゾーストマニホールド8が接続され、同タービンハウジング42の中心部に設けられる開口部には、排気通路26が接続される。また、コンプレッサハウジング41の中心部に設けられる開口部には、エアクリーナ(図示略)側の吸気通路3が接続され、同コンプレッサハウジング41の外周部に設けられる開口部には、燃焼室側の吸気通路3が接続される。
【0035】
タービンハウジング42内には、エキゾーストマニホールド8から送り込まれる排気によって回転するタービンホイール45が備えられている。また、コンプレッサハウジング41内には、吸気通路3内の空気を強制的に燃焼室へ送り込むコンプレッサホイール44が備えられている。これらタービンホイール45とコンプレッサホイール44とは、ロータシャフト43を介して一体回転可能に連結されている。そして、タービンホイール45に排気が吹き付けられて同タービンホイール45が回転すると、その回転はロータシャフト43を介してコンプレッサホイール44に伝達される。こうしてコンプレッサホイール44が回転することにより、吸気通路3内の空気が強制的に燃焼室に送り込まれるようになる。
【0036】
更に、上記ターボチャージャ11には、タービンホイール45に吹き付けられる排気が通過する排気流路49が設けられており、同排気流路49はタービンホイール45の外周を囲うようにその回転方向に沿って形成される。従って、排気流路49を通過した排気は、タービンホイール45の外周から回転中心側に向かって吹き付けられることになる。このような排気流路49には、タービンホイール45に吹き付けられる排気の流速を調整するための複数のノズルベーン53が設けられている。これらノズルベーン53は、タービンホイール45の軸線を中心として等角度毎に位置し、前記排気流路49の壁面とともに可変ノズル部54を形成している。そして、前記複数のノズルベーン53は互いに同期した状態で駆動源である電動式モータ30により駆動される。
【0037】
タービンホイール45に吹き付けられる排気の流速は、上記ノズルベーン53を開閉して前記可変ノズル部54の通路断面積を変化させることによって調整される。こうしてノズルベーン53を駆動して上記排気の流速調整を行うことにより、タービンホイール45の回転速度が調整され、ひいては燃焼室に強制的に送り込まれる空気の量が調整される。こうした燃焼室への吸入空気量の調整を行うことにより内燃機関の出力向上等が図られるようになる。なお、前記電動式モータ30は、例えばステッピングモータやサーボモータ等であって、ECU25から出力される制御信号に基づいて前記ノズルベーン53の開度を制御する。
【0038】
また、ECU25と電動式モータ30との間には電流検出器31が設けられている。この電流検出器31は、電動式モータ30の駆動負荷、すなわち電動式モータ30に流れる電流値Imを検出して、その値をECU25に出力する。
【0039】
その他、コンプレッサハウジング41とスロットル弁16との間の吸気通路3には、前記ターボチャージャ11の過給により温度が上昇する吸入空気の温度を低下させるためのインタークーラ18が備えられている。
【0040】
また、前記エキゾーストマニホールド8には、低温燃焼が実行されるときに燃料を触媒12の排気上流側に供給するための燃料添加手段を構成する噴射ノズル5が取り付けられている。この噴射ノズル5とサプライポンプ10とは燃料供給管27によって接続されており、軽油が供給されるようになっている。なお、この噴射ノズル5はECU25によってその噴射量及び噴射時期等が制御される。そして、噴射ノズル5から供給される軽油は排気とともに触媒12に到達し、同触媒12上で燃焼する。こうして、排気温度が低くなる低温燃焼時であっても触媒12の温度を上昇させてその排気浄化作用を維持することができるようにしている。なお、この噴射ノズル5は、EGR通路13よりも排気下流側に設けられることにより、同噴射ノズル5から排気系に燃料が供給されてもその燃料が吸気通路3内に導入されないようになっている。また、同噴射ノズル5は、ターボチャージャ11よりも上流側に設けられており、高温の排気に燃料を添加することができるようになっている。このため、同噴射ノズル5から排気系に供給される燃料の温度を好適に上昇させることができ、ひいては触媒12の温度についてもこれを好適に上昇させることができるようになっている。
【0041】
なお、本実施の形態にかかる内燃機関1では、前述した低温燃焼が行われるようになっている。この低温燃焼は、EGR弁15の開度を大きくして多量のEGRガスを燃焼室に導入して、同燃焼室内の燃焼温度を低下させることで行われ、これによりすすの前駆物質であるHCをすすまで成長させないようにしている。
【0042】
ところで、内燃機関1がこうした低温燃焼を行うときには、燃焼室から多量のHCが排出される。この排出されたHCは、ターボチャージャ11の可変ノズル部54に付着すると排気熱によってデポジットとなり、ノズルベーン53の駆動不良を引き起こすおそれがある。そこで本実施の形態では、以下の態様をもって、このような不具合を抑制するようにしている。
【0043】
図3は、ECU25から出力される制御信号によって電動式モータ30が駆動される場合において、その駆動開始から終了までの間に電流検出器31によって検出される電流値Imの変化態様を示す図である。この図3に実線で示す電流値変化は、ターボチャージャ11の可変ノズル部54にデポジットの堆積がないときの電流値Imの変化態様を例示している。また、同図3に破線で示す電流値変化は、ターボチャージャ11の可変ノズル部54にデポジットの堆積があるときの電流値Imの変化態様を例示している。デポジットは粘度の高い液状物質であるため、これが可変ノズル部54に堆積するとノズルベーン53の開閉動作が阻害される。すなわち、可変ノズル部54にデポジットが堆積するにつれて、ノズルベーン53の駆動抵抗が増大するようになる。従って、このときには図3に破線で示すように、電動式モータ30の駆動負荷を表す電流値Imについて、駆動開始時の立ち上がり電流値、及びその後の電流値も高くなる傾向にある。すなわち過電流が流れる傾向にある。そのため、可変ノズル部54にデポジットの堆積があるときは、可変ノズル部54にデポジットの堆積がないときと比較して、所定値α以上の過電流が検出される時間ITは長くなる。
【0044】
そこで、本実施の形態では、こうした可変ノズル部54に堆積したデポジットに起因して変化する電動式モータ30の電流値に着目している。そして、推定手段によりターボチャージャ11の可変ノズル部54に堆積したデポジット量が所定量以上であると推定されるときには、制御手段により機関運転状態を変更して堆積したデポジットを焼却させ、デポジットの堆積に起因するノズルベーン53の駆動不良を抑制するようにしている。
【0045】
以下、こうしたデポジット量の推定及びデポジットの焼却にかかる処理手順について、図4〜図6を併せ参照して説明する。
図4は、後述するデポジット量の推定及びデポジットの焼却処理に使用する低温燃焼フラグFLの設定手順を示すフローチャートであり、このフローチャートに示される一連の処理は、ECU25によって所定時間毎の割り込みで実行される。
【0046】
この設定に際しては、まず、アクセル開度センサ24により検出されるアクセル開度ACCPとクランク角センサ23により検出される機関回転速度NEとがECU25に読み込まれる(ステップS110)。
【0047】
次に、図5に例示するマップを参照し、読み込まれたアクセル開度ACCPと機関回転速度NEとに基づいて、現在の機関運転状態が低温燃焼を行うことのできる領域の運転状態であるか否かが判定される(ステップS120)。このマップはECU25のROM内に記憶されており、アクセル開度や機関回転速度が大きい運転状態では通常燃焼を行い、アクセル開度や機関回転速度が小さい運転状態では低温燃焼を行うように設定されている。
【0048】
このステップS120において、現在の運転状態が低温燃焼実行領域の運転状態であると判定されると(ステップS120でYES)、ECU25は低温燃焼フラグFLを「1」に設定した後(ステップS130)、本ルーチンの処理を一旦終了する。ここで、低温燃焼フラグFLが「1」に設定されているときには、ECU25は、多量のEGRガスが燃焼室内に導入されるようにEGR弁15の開度を制御して、低温燃焼を実施させる。
【0049】
一方、ステップS120において、現在の運転状態が通常燃焼実行領域の運転状態であると判定される、すなわち低温燃焼実行領域の運転状態ではないと判定されると(ステップS120でNO)、ECU25は低温燃焼フラグFLを「0」に設定した後(ステップS140)、本ルーチンの処理を一旦終了する。ここで、低温燃焼フラグFLが「0」に設定されているときには、低温燃焼を実施せず、通常燃焼を行うように、EGR弁15の開度制御が行われる。
【0050】
次に、図6のフローチャートに示す処理手順により、可変ノズル部54に堆積したデポジット量の推定及びデポジットの焼却が行われる。このフローチャートに示される一連の処理は、ECU25によって所定時間毎の割り込み処理で実行される。
【0051】
この処理に際しては、まず、先の図4に示した一連の処理によって設定される低温燃焼フラグFLの値がECU25に読み込まれ、この低温燃焼フラグFLの値が「1」であるか否かが判定される(ステップS210)。
【0052】
そして、読み込まれた低温燃焼フラグFLが「1」ではない場合には(ステップS210でNO)、一旦、本処理を終了する。
一方、読み込まれた低温燃焼フラグFLが「1」である場合には(ステップS210でYES)、電流検出器31により検出される電流値Imが上記割り込み周期に対応してサンプリングされる(ステップS220)。
【0053】
次に、前記サンプリングされた電流値Imが所定値α以上の過電流となっていた時間ITを算出し、この算出される過電流時間ITが所定時間β以上であるか否かが判定される(ステップS230)。なお、この所定値α及び所定時間βは、可変ノズル部54にデポジットが堆積し、ノズルベーン53の駆動不良が生じることを判定することのできる値であって、予め実験等により求められている値である。なお、ノズルベーン53の駆動量が少ない場合には同ノズルベーン53の駆動時間も短くなり、過電流時間ITも短くなる。従って、ノズルベーン53の駆動量、或いは駆動時間に基づいて所定時間βを可変設定するようにしてもよい。このようにすることで、ステップS230における判定精度をより向上させることができるようになる。
【0054】
この算出される過電流時間ITが所定時間βに満たない場合には(ステップS230でNO)、一旦本処理を終了する。
一方、算出される過電流時間ITが所定時間β以上である場合には(ステップS230でYES)、可変ノズル部54にデポジットが堆積しており、ノズルベーン53の駆動不良が生じるおそれがあるとして、焼き切り運転が所定時間実行される。この焼き切り運転は、いわゆる通常燃焼(通常運転)であって、EGR弁15の開度を低温燃焼用の高開度から通常燃焼用の低開度に変更し、燃焼室に導入されるEGR量を減少させることによって行われる。この場合には、燃焼室内のEGR量が減少することによって燃焼温度が上昇し、高温の排気が排出されるようになる。そして、この高温の排気により可変ノズル部54に堆積したデポジットが焼却される。また、この焼き切り運転が行われる所定時間とは、可変ノズル部54に堆積したデポジットを焼却し得る程度の時間であって、予め実験などにより求められている値である。
【0055】
以後、図4及び図6に示す処理手順が繰り返し実行される。
以上説明したように、本実施の形態における過給機付き内燃機関によれば、次のような効果が得られるようになる。
【0056】
(1)ターボチャージャ11の可変ノズル部54にデポジットが堆積しやすい低温燃焼時には、電動式モータ30の駆動負荷を表す電流値Imが所定値α以上の過電流となっていた時間ITに基づき、可変ノズル部54に堆積したデポジット量が所定量以上であるか否かを推定するようにしている。この過電流時間ITは、電流検出器31及びECU25により算出することができる。そのため、ターボチャージャ11の可変ノズル部54に堆積したデポジット量が所定量以上であることを的確に推定することができるようになる。
【0057】
(2)可変ノズル部54に堆積したデポジットの量が所定量以上であると推定されるときには、内燃機関1の運転を低温燃焼による運転から焼き切り運転に変更するようにしている。この焼き切り運転では排気温度が上昇するため、可変ノズル部54に堆積したデポジットは焼却され、その堆積量は減少するようになる。このため、デポジットの堆積に起因するノズルベーンの駆動不良を抑制することができるようになる。
【0058】
(3)焼き切り運転の実行時間は、可変ノズル部54に堆積したデポジットを焼却し得る程度の時間が設定される。このため、必要以上に長い時間の間、低温燃焼が中断されることはなく、もって、排気エミッションの悪化を必要最小限に抑えることができるようになる。
【0059】
(4)低温燃焼時には、排気温度の高いターボチャージャ11の上流に軽油を添加するようにしている。このため、排気温度が低く、触媒12の活性が低下しやすい低温燃焼時であっても、触媒12の温度を上昇させることができ、触媒12の排気浄化作用を好適に得ることができるようになる。ここで、前記添加される軽油はターボチャージャ11の可変ノズル部54に付着し、デポジットになるおそれがある。しかしながら、本実施の形態では、可変ノズル部54に堆積したデポジットの量が所定量以上であると推定されるときには、内燃機関1の排気温度が昇温されるため、可変ノズル部54に堆積したデポジットの量は減少するようになる。このため、上記の燃料添加が行われるときであってもデポジットの堆積に起因するノズルベーン53の駆動不良を抑制することができるようになる。
【0060】
(第2の実施形態)
次に、本発明にかかる過給機付き内燃機関の第2の実施形態について説明する。
【0061】
前記第1の実施形態における推定手段では、電動式モータ30の駆動負荷を表す電流値Imが所定値α以上の過電流となっていた時間ITに基づき、可変ノズル部54に堆積したデポジット量が所定量以上であるか否かを推定するようにしていた。
【0062】
これに対し、本実施の形態における推定手段では、タービンホイール45の上流と下流との圧力差に基づき、可変ノズル部54に堆積したデポジット量が所定量以上であるか否かを推定するようにしている点のみが前記第1の実施形態と異なっている。
【0063】
すなわち、可変ノズル部54に堆積したデポジットは同可変ノズル部54で凸部となるため排気抵抗になる。このため、可変ノズル部54にデポジットが堆積すると、排気通路におけるタービンホイール45の上流の圧力は高くなる。ここで、タービンホイール45の上流の圧力は、触媒12やその下流に設けられる消音器(図示略)等の目詰まりによっても高くなる。そこで、本実施の形態では、排気通路におけるタービンホイール45の上流と下流との圧力差を検出することで、可変ノズル部54へのデポジットの堆積に起因する排気圧の変化を検出するようにしている。そして、前記可変ノズル部54にデポジットが堆積すると前記差圧が大きくなるため、この差圧に基づいて可変ノズル部54に堆積したデポジット量が所定量以上であるか否かを推定することができる。
【0064】
以下、こうした第2の実施形態について図7〜図9を併せ参照し、第1の実施形態との違いを中心に説明する。
図7は、本実施の形態にかかる過給機付き内燃機関、並びにそれらの周辺構成を示す概略構成図である。なお、先の図1に示した部材と同一の部材には、同一の符号を付している。
【0065】
本実施の形態では、先の図1に示した電流検出器31を省略している。また、排気通路においてタービンホイール45の上流に連通する通路34、タービンホイール45の下流に連通する通路35、及び差圧センサ33を備えている。そして、ターボチャージャ11のノズルベーン53を駆動するアクチュエータとして空気式アクチュエータ32を備えている。
【0066】
差圧センサ33は、第1圧力ポートと第2圧力ポートとを備えており、それぞれの圧力ポートに入力される圧力間の差圧に応じた出力が得られるセンサである。また、差圧センサ33の出力はECU25に入力される。
【0067】
そして、通路34の一方端は、ターボチャージャ11近傍のエキゾーストマニホールド8に接続され、他端は差圧センサ33の第1圧力ポートに接続されている。
【0068】
また、通路35の一方端は、ターボチャージャ11と触媒12との間を接続する排気通路26に接続され、他端は差圧センサ33の第2圧力ポートに接続されている。
【0069】
こうして、タービンホイール45の上流と下流との圧力差である差圧ΔPが検出される。
図8は、空気式アクチュエータ32の概略構造を示す図である。同図に示されるように、空気式アクチュエータ32の内部は、ダイヤフラム88によって負圧室32aと大気室32bとに区画されている。この負圧室32aには負圧通路89が接続されている。また、大気室32bの内部は、空気式アクチュエータ32の外部と連通して大気圧となっている。一方、負圧室32a内には、ダイヤフラム88と直交する方向に伸縮するコイルスプリング88aが設けられている。ダイヤフラム88には、コイルスプリング88aの伸縮方向へ延びて空気式アクチュエータ32の外部に突出するロッド88bが設けられている。このロッド88bは、前記ノズルベーン53を開閉動作させるための駆動機構に連結されている。
【0070】
また、空気式アクチュエータ32の負圧室32aに接続された負圧通路89は、内燃機関1のクランクシャフト(図示略)に連結されたバキュームポンプ91に接続されている。また、負圧通路89の途中にはエレクトリック・バキューム・レギュレーティング・バルブ(EVRV)90が設けられている。そして、クランクシャフトの回転により駆動される上記バキュームポンプ91は、EVRV90との間に位置する負圧通路89内の負圧(大気圧よりも低い圧力)が一定値となるように同負圧通路89内の空気を吸引する。
【0071】
一方、上記EVRV90は、電磁ソレノイド(図示略)を備えている。同電磁ソレノイドの消磁状態においては、EVRV90は負圧室32aと空気式アクチュエータ32の外部とが連通する状態に保持される。この状態にあっては、空気式アクチュエータ32のロッド88bは、コイルスプリング88aの付勢力により最も突出した状態に保持され、ターボチャージャ11のノズルベーン53は例えば全閉とされるようになる。
【0072】
また、EVRV90の電磁ソレノイドの励磁状態においては、EVRV90は負圧室32aとバキュームポンプ91とを連通する状態に保持される。この状態にあっては、負圧室32a内の空気がバキュームポンプ91へ向けて吸引されることで、ダイヤフラム88がコイルスプリング88aの付勢力に抗して変位する。こうしたダイヤフラム88の変位により、ロッド88bは空気式アクチュエータ32に対して最も没入した状態に保持され、ターボチャージャ11のノズルベーン53は例えば全開とされるようになる。
【0073】
更に、電磁ソレノイドへの印加電圧をECU25によりデューティ制御した場合には、負圧室32aからバキュームポンプ91へ向けて吸引される空気の量を調節すべくEVRV90の開度が調節される。このEVRV90の開度調節により、空気式アクチュエータ32におけるロッド88bの突出位置が適宜に変更され、ターボチャージャ11におけるノズルベーン53の開度が連続的あるいは段階的に調整される。
【0074】
次に、可変ノズル部54に堆積したデポジット量の推定、及びデポジットの焼却にかかる処理手順について、図9を併せ参照して説明する。
図9は、前記デポジット量の推定、及び同デポジットの焼却にかかる処理手順を示すフローチャートであり、このフローチャートに示される一連の処理は、ECU25によって所定時間毎の割り込み処理で実行される。
【0075】
この処理に際しては、まず、低温燃焼フラグFLの値がECU25に読み込まれ、この低温燃焼フラグFLの値が「1」であるか否かが判定される(ステップS310)。なお、この低温燃焼フラグFLの設定にかかる処理は、前記第1の実施形態において図4に示した処理と同様である。
【0076】
そして、読み込まれた低温燃焼フラグFLが「1」ではない場合には(ステップS310でNO)、本処理を終了する。
一方、読み込まれた低温燃焼フラグFLが「1」である場合には(ステップS210でYES)、差圧センサ33により検出される差圧ΔPを読み込む(ステップS320)。
【0077】
次に、読み込まれた差圧ΔPが所定値Pa以上であるか否かが判定される(ステップS330)。なお、この所定値Paは、可変ノズル部54にデポジットが堆積し、ノズルベーン53の駆動不良が生じることを判定することのできる値であって、予め実験などにより求められている値である。また、差圧ΔPは機関運転状態によって変化するため、所定値Paは機関回転速度やノズルベーン53の開度など、差圧ΔPに影響を与える機関パラメータに基づいて可変設定される値である。
【0078】
この差圧ΔPが所定値Paに満たない場合には(ステップS330でNO)、本処理を終了する。
一方、差圧ΔPが所定値Pa以上である場合には(ステップS330でYES)、可変ノズル部54にデポジットが堆積しており、ノズルベーン53に駆動不良が生じるおそれがあるとして、焼き切り運転が所定時間実行される。この焼き切り運転は前述のように、いわゆる通常燃焼(通常運転)であって、EGR弁15の開度を低温燃焼用の高開度から通常燃焼用の低開度に変更して、燃焼室に導入されるEGR量を減少させることによって行われる。この場合には、燃焼室内のEGR量が減少することによって燃焼温度が上昇し、高温の排気が排出されるようになる。そして、この高温の排気により前記可変ノズル部54に堆積したデポジットが焼却される。また、この焼き切り運転が行われる所定時間とは、可変ノズル部54に堆積したデポジットを焼却し得る程度の時間であって、予め実験などにより求められている値である。
【0079】
以後、前記第1の実施形態における図4、及び本実施の形態における図9に示す処理手順が繰り返し実行される。
以上説明したように、本実施の形態にかかる過給機付き内燃機関によっても、前記第1の実施形態に準ずる効果が得られるようになる。
【0080】
(その他の実施形態)
なお、上記各実施形態は以下のように変更してもよく、その場合でもそれら各実施形態に準じた作用及び効果を得ることができる。
【0081】
・上記第1の実施形態において、図6のフローチャートに示した一連の処理は、ECU25によって所定時間毎の割り込み処理で実行されるようにしていた。しかしながら、ノズルベーン53の駆動要求、換言すれば電動式モータ30の駆動要求がなされる期間に限って実行されるようにしてもよい。
【0082】
・上記第2の実施形態では、空気式アクチュエータ32によってノズルベーン53を開閉するようにしていた。しかしながら、第1の実施形態と同様、ステッピングモータやサーボモータ等の電動式モータでこのノズルベーン53を開閉するようにしてもよい。この場合にも上記第2の実施形態に準じた効果が得られる。
【0083】
・上記第2の実施形態では、差圧センサ33によってタービンホイール45の上流と下流との圧力差である差圧ΔPを検出するようにしていた。これに対して、ターボチャージャ11近傍のエキゾーストマニホールド8、及びターボチャージャ11と触媒12との間を接続する排気通路26にそれぞれ圧力センサを設け、これら圧力センサの出力から差圧ΔPを算出するようにしてもよい。この場合にも上記第2の実施形態に準じた効果が得られる。
【0084】
・上記各実施形態では、噴射ノズル5から内燃機関1自体の燃料である軽油を噴射して排気中に同軽油を添加するようにしていた。しかしながら、この添加される液状物質は、触媒12の温度を昇温させることができるものであればどのようなものでもよい。この場合にも上記各実施形態に準じた効果が得られる。
【0085】
・上記各実施形態では、内燃機関1が低温燃焼運転時であることを条件に可変ノズル部54へのデポジットの堆積量を推定することしたが、この推定時期は必ずしもこの低温燃焼運転時である必要はない。すなわち、該低温燃焼運転時も含めて、一般に排気温度がそれほど高くならない低負荷運転時に、こうしたデポジットの堆積量の推定を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態にかかる過給機付き内燃機関、並びにそれらの周辺構成を示す概略構成図。
【図2】上記過給機(ターボチャージャ)の断面構造を示す断面図。
【図3】ノズルベーンの駆動源である電動式モータの電流特性を示すグラフ。
【図4】低温燃焼フラグを設定する手順を示すフローチャート。
【図5】低温燃焼フラグを設定するためのマップ例を示すグラフ。
【図6】同第1の実施形態でのデポジット量の推定及びデポジットの焼却にかかる処理手順を示すフローチャート。
【図7】第2の実施形態にかかる過給機付き内燃機関、並びにそれらの周辺構成を示す概略構成図。
【図8】ノズルベーンの駆動源である空気式アクチュエータの概略構造を示す図
【図9】同第2の実施形態でのデポジット量の推定及びデポジットの焼却にかかる処理手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
1…内燃機関、2…シリンダヘッド、3…吸気通路、4a〜4d…燃料噴射弁、5…噴射ノズル、6a〜6d…排気ポート、7…インテークマニホールド、8…エキゾーストマニホールド、9…コモンレール、10…サプライポンプ、11…ターボチャージャ、12…触媒、13…EGR通路、14…EGRクーラ、15…EGR弁、16…スロットル弁、17…アクチュエータ、18…インタークーラ、19…エアフロメータ、20…スロットル開度センサ、22…気筒判別センサ、23…クランク角センサ、24…アクセル開度センサ、25…制御装置(ECU)、26…排気通路、27…燃料供給管、28…排気再循環装置(EGR装置)、29…排気温度センサ、30…電動式モータ、31…電流検出器、32…空気式アクチュエータ、32a…負圧室、32b…大気室、33…差圧センサ、34、35…通路、40…センタハウジング、41…コンプレッサハウジング、42…タービンハウジング、43…ロータシャフト、44…コンプレッサホイール、45…タービンホイール、49…排気流路、53…ノズルベーン、54…可変ノズル部、88…ダイヤフラム、88a…コイルスプリング、88b…ロッド、89…負圧通路、90…エレクトリック・バキューム・レギュレーティング・バルブ(EVRV)、91…バキュームポンプ、#1…第1気筒、#2…第2気筒、#3…第3気筒、#4…第4気筒。
Claims (5)
- 排気通路に設けられた可変ノズルベーン式のタービンを通じて吸気の過給を行う過給機と前記排気通路に排出された排気を吸気通路に再循環させる排気再循環装置とを備え、機関運転状態を通常運転と該通常運転よりも前記排気再循環装置による排気の再循環量を増大させた状態で燃焼を行う低温燃焼運転とに切替可能な過給機付き内燃機関において、
前記低温燃焼運転時に前記タービンの可変ノズル部に堆積するデポジットの量を推定する推定手段と、この推定されるデポジットの量が所定の量に達することに基づいて機関運転状態を前記低温燃焼運転から前記通常運転に切り替える制御手段とを備える
ことを特徴とする過給機付き内燃機関。 - 請求項1に記載の過給機付き内燃機関において、
前記低温燃焼運転時、前記排気通路における前記タービンの上流に燃料を添加する燃料添加手段を更に備える
ことを特徴とする過給機付き内燃機関。 - 前記可変ノズルベーンはモータを駆動源とする電動式のベーンであり、前記推定手段は、前記モータに流れる過電流を検出し、この検出した過電流に基づいて前記デポジットの量を推定する
請求項1又は2に記載の過給機付き内燃機関。 - 前記排気通路における前記タービンの上流と下流との圧力差を検出する差圧センサを備え、前記推定手段は、前記検出される圧力差に基づいて前記デポジットの量を推定する
請求項1又は2に記載の過給機付き内燃機関。 - 前記制御手段は、前記推定されるデポジットの量が所定の量に達したとき、同デポジットを焼却し得る所定の時間だけ、機関運転状態を前記通常運転に切り替える
請求項1〜4のいずれかに記載の過給機付き内燃機関。
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