JP4727606B2 - 内燃機関及び内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、過給機及び排気還流通路を備える内燃機関、及びその制御装置に関する。

特許文献１には、ターボチャージャのタービンの下流側であってかつ排気浄化用触媒下流の排気通路から、ターボチャージャのコンプレッサの上流の吸気通路に排気の一部を還流する低圧ＥＧＲ通路と、タービンの上流の排気通路からコンプレッサの下流の吸気通路に排気の一部を還流する高圧ＥＧＲ通路とを備える内燃機関が示されている。この内燃機関では、機関回転数及び機関負荷に応じて、低圧ＥＧＲ通路と高圧ＥＧＲ通路の何れか一方のみを使用した排気還流、または何れか一方を主として使用し、他方を補助的に使用した排気還流が行われる。

特開２００４−１５０３１９号公報

内燃機関の排気系には、排気浄化用の触媒や排気中のすすを捕捉するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）が設けられるが、触媒に堆積したＳＯｘ（硫黄酸化物）の量が多くなった場合、あるいはＤＰＦに堆積したすすの量が多くなった場合には、堆積したＳＯｘやすすを除去するための、いわゆる再生制御が行われる。この再生制御では、排気の温度を高めるために、例えば通常の燃料噴射後にポスト噴射が実行される。このとき、高圧ＥＧＲ通路を使用して、タービンの上流の排気通路から排気を吸気通路に還流すると、還流排気中に含まれる未燃燃料成分により、排気還流通路の有効断面積の減少や排気還流制御弁の固着を起こす可能性が高くなる。

また機関の高負荷運転状態において、低圧ＥＧＲ通路を使用して、触媒下流側から排気を吸気通路に還流すると、還流する排気の温度が高くなり、コンプレッサの故障を招くおそれが高くなる。

本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、吸気通路に還流される排気中の未燃燃料成分を減少させるとともに、還流される排気の温度を低下させることができる内燃機関及びその制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、タービン（９ａ）及びコンプレッサ（９ｂ）を有する過給機（９）と、吸気通路（７）の前記コンプレッサ（９ｂ）の下流側に設けられたインタークーラ（２１）と、排気通路（８）に設けられた排気浄化装置（３１，３２）とを備える内燃機関であって、前記排気通路の前記排気浄化装置（３１，３２）の下流側と、前記吸気通路の前記コンプレッサ（９ｂ）上流側とを接続する排気還流通路（４１）と、前記吸気通路の前記インタークーラ（２１）下流側と、前記排気還流通路（４１）とを接続する空気供給通路（４３）とを備えることを特徴とする内燃機関を提供する。

請求項２に記載の発明は、タービン（９ａ）及びコンプレッサ（９ｂ）を有する過給機（９）と、吸気通路（７）の前記コンプレッサ（９ｂ）の下流側に設けられたインタークーラ（２１）と、排気通路（８）に設けられた排気浄化装置（３１，３２）とを備える内燃機関であって、前記排気通路の前記排気浄化装置（３１，３２）の下流側と、前記吸気通路の前記コンプレッサ（２１）上流側とを接続する排気還流通路（４１）と、空気を加圧する加圧装置（４５）と、該加圧装置とから前記排気還流通路（４１）に空気を供給する空気供給通路（４３ａ）とを備えることを特徴とする内燃機関を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置であって、前記空気供給通路（４３，４３ａ）に設けられた制御弁（４４，４４ａ）と、前記排気浄化装置の再生制御を行うときに、前記制御弁を開弁し、前記排気還流通路に空気を供給する弁制御手段とを備えることを特徴とする制御装置を提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置であって、前記空気供給通路に設けられた制御弁（４４，４４ａ）と、前記機関の高負荷運転時に、前記制御弁を開弁し、前記排気還流通路に空気を供給する弁制御手段とを備えることを特徴とする制御装置を提供する。

請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置であって、前記空気供給通路に設けられた制御弁（４４，４４ａ）と、前記機関の排気の温度（ＴＥＸ）が所定排気温度（ＴＥＸＴＨ）より高いときに、前記制御弁を開弁し、前記排気還流通路に空気を供給する弁制御手段とを備えることを特徴とする制御装置を提供する。

請求項１に記載の発明によれば、排気通路の排気浄化装置の下流側と、吸気通路のコンプレッサ上流側とを接続する排気還流通路に、空気供給通路を介して、吸気通路のインタークーラ下流側から空気が供給される。排気浄化装置の下流側から排気を吸気通路に還流することにより、排気浄化装置の再生制御実行時に排気中の未燃燃料成分が還流されることを防止することができる。また、インタークーラ下流側から排気還流通路に空気を供給することにより、例えば高負荷運転時において還流する排気の温度を低下させることができる。その結果、排気還流通路の有効断面積の減少や排気還流制御弁の固着及びコンプレッサの故障を防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、排気通路の排気浄化装置の下流側と、吸気通路のコンプレッサ上流側とを接続する排気還流通路に、空気供給通路を介して、加圧装置により加圧された空気が供給される。したがって、請求項１の発明と同様の効果を奏する。

請求項３に記載の発明によれば、排気浄化装置の再生制御を行うときに、空気供給通路に設けられた制御弁が開弁され、排気還流通路に空気が供給される。したがって、排気浄化装置の再生制御中においても比較的多量の排気を吸気通路に還流することが可能となり、再生制御中のＮＯｘ排出量を低減することができる。

請求項４に記載の発明によれば、機関の高負荷運転時に、空気供給通路に設けられた制御弁が開弁され、排気還流通路に空気が供給される。したがって、高負荷運転時において吸気通路に還流される排気の温度を低下させることができる。その結果、コンプレッサの故障を防止するとともに、比較的多量の排気を吸気通路に還流することが可能となり、ＮＯｘ排出量を低減することができる。

請求項５に記載の発明によれば、排気温度が所定排気温度より高い時に、空気供給通路に設けられた制御弁が開弁され、排気還流通路に空気が供給される。したがって、排気温度が高いときに吸気通路に還流される排気の温度を低下させることができる。その結果、コンプレッサの故障を防止するとともに、比較的多量の排気を吸気通路に還流することが可能となり、ＮＯｘ排出量を低減することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁６が設けられている。燃料噴射弁６は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）４に電気的に接続されており、燃料噴射弁６の開弁時期及び開弁時間は、ＥＣＵ４により制御される。

エンジン１は、吸気管（吸気通路）７，排気管（排気通路）８、及びターボチャージャ９を備えている。ターボチャージャ９は、排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービン９ａと、タービン９ａとシャフトを介して連結されたコンプレッサ９ｂとを備えている。ターボチャージャ９は、エンジン１に吸入される空気の加圧（圧縮）を行う。

吸気管７のコンプレッサ９ｂの上流側にはインテークシャッタ２２が設けられている。インテークシャッタ２２は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４によりその開度が制御される。吸気管７のコンプレッサ９ｂの下流側にはインタークーラ２１、インタークーラ２１をバイパスするバイパス通路２３、及び空気の吸入経路をバイパス通路２３側と、インタークーラ２１側とに切り換える切換弁２４とが設けられている。

排気管８のタービン９ａの上流側と、吸気管７のインタークーラ２１の下流側との間には、排気の一部を吸気管７に還流する第１排気還流通路２５が設けられている。第１排気還流通路２５には、排気還流量を制御するための第１排気還流制御弁（以下「第１ＥＧＲ弁」という）２６が設けられている。第１ＥＧＲ弁２６は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はＥＣＵ４により制御される。

吸気管７には、コンプレッサ９ｂの下流側の吸気圧（過給圧）ＰＢを検出する過給圧センサ５１、及び吸気温ＴＩを検出する吸気温センサ５２が設けられている。これらのセンサ５１，５２は、ＥＣＵ４と接続されており、センサ５１，５２検出信号は、ＥＣＵ４に供給される。

排気管８の、タービン９ａの下流側には、排気中に含まれる炭化水素（未燃燃料成分）及び一酸化炭素の酸化、並びにＮＯｘの還元を行う三元触媒３１と、排気中の粒子状物質（主としてすすからなる）を捕集するＤＰＦ（ディーゼルパーティキュレートフィルタ）３２と、排気中のＮＯｘの捕集及び還元を行うＮＯｘ浄化触媒３３とが設けられている。

排気管８の、ＤＰＦ３２とＮＯｘ浄化触媒３３との間の部分と、吸気管７のコンプレッサ９ｂの上流側とを接続する第２排気還流通路４１が設けられており、第２排気還流通路４１には、第１ＥＧＲ弁と同様の電磁弁である第２排気還流制御弁（以下「第２ＥＧＲ弁」という）が設けられている。また、吸気管７のインタークーラ２１の下流側と、第２排気還流通路４１との間には、吸気管７から空気（加圧後に冷却された空気）を供給する空気供給通路４３が設けられている。空気供給通路４３には、第２排気還流通路４１に供給する空気の流量を制御する流量制御弁４４が設けられている。流量制御弁４４は、第１ＥＧＲ弁２６と同様の電磁弁である。第２ＥＧＲ弁４２及び流量制御弁４４は、ＥＣＵ４に接続されており、その弁開度はＥＣＵにより制御される。

ＥＣＵ４には、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの操作量ＡＰを検出するアクセルセンサ５３、エンジン１の冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ５４、及びエンジン回転数ＮＥを検出するエンジン回転数センサ５５が接続されており、これらのセンサの検出信号がＥＣＵ４に供給される。

ＥＣＵ４は、エンジン１の各気筒の燃焼室に設けられた燃料噴射弁６に接続されており、ＥＣＵ４から駆動信号が燃料噴射弁６に供給される。
ＥＣＵ４は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット(以下 「ＣＰＵ」という)、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁６、ＥＧＲ弁２６，４２、流量制御弁４４などに制御信号を供給する出力回路から構成される。

図２は、流量制御弁４４の開閉制御を行う処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ４のＣＰＵで所定時間毎に実行される。
ステップＳ１１では、ＤＰＦ再生制御フラグＦＤＰＦＲが「１」であるか否かを判別する。ＤＰＦ再生制御フラグＦＤＰＦＲは、ＤＰＦ３２に堆積したすすを除去する再生制御（以下「ＤＰＦ再生制御」という）を実行するとき「１」に設定される。ＤＰＦ再生制御では、通常の燃料噴射の後にポスト噴射を実行し、三元触媒３１においてポスト噴射した燃料を燃焼させて排気温度を上昇させ、ＤＰＦに堆積したすすを燃焼させる。

ステップＳ１１でＦＤＰＦＲ＝０であってＤＰＦ再生制御を実行していないときは、ＣＡＴ再生制御フラグＦＣＡＴＲが「１」であるか否かを判別する（ステップＳ１２）。ＣＡＴ再生制御フラグＦＣＡＴＲは、ＮＯｘ浄化触媒３３に堆積したＳＯｘを除去する再生制御（以下「ＣＡＴ再生制御」という）を実行するとき「１」に設定される。ＣＡＴ再生制御では、ＤＰＦ再生制御と同様に、ポスト噴射を実行し、三元触媒３１においてポスト噴射した燃料を燃焼させて排気温度を上昇させ、ＮＯｘ浄化触媒に吸着されたＳＯｘを脱離させる。

ステップＳ１２の答が否定（ＮＯ）、すなわちＤＰＦ再生制御及びＣＡＴ再生制御のいずれも実行されていないときは、流量制御弁４４を閉弁する（ステップＳ１５）。

一方、ステップＳ１１またはＳ１２の答が肯定（ＹＥＳ）であって、ＤＰＦ再生制御またはＣＡＴ再生制御が実行されているときは、エンジン回転数ＮＥに応じて図３に示すＴＲＱＴＨテーブルを検索し、トルク判定閾値ＴＲＱＴＨを算出する（ステップＳ１３）。ＴＲＱＴＨテーブルは、エンジン回転数ＮＥが高くなるほどトルク判定閾値ＴＲＱＴＨが減少するように設定されている。

ステップＳ１４では、アクセルペダル操作量ＡＰに応じて算出されるエンジンの要求トルクＴＲＱが、トルク判定閾値ＴＲＱＴＨより大きいか否かを判別する。その答が否定（ＮＯ）であって、エンジン負荷が比較的低いときは、前記ステップＳ１５に進み、流量制御弁４４の閉弁状態を維持する。ステップＳ１４で、ＴＲＱ＞ＴＲＱＴＨであるときは、流量制御弁４４を開弁し、第２排気還流通路４１に、インタークーラ２１で冷却された空気を供給し、還流排気温度を低下させる。これにより、ＤＰＦ３２またはＮＯｘ浄化触媒３３の再生制御中に高負荷運転が行われたときは、流量制御弁４４が開弁され、還流排気温度が下げられるので、コンプレッサ９ｂに高温の排気が還流されることを防止することができる。

なお、ＤＰＦ再生制御またはＣＡＴ再生制御実行時は、第１ＥＧＲ弁２６は閉弁され、第２ＥＧＲ弁４２のみが開弁される。また、切換弁２４は、エンジン１で失火が発生しない限り、インタークーラ２１側に制御される。

以上のように本実施形態では、ＤＰＦ３２の下流側からコンプレッサ９ｂの上流側に排気を還流する第２排気還流通路４１を設け、ＤＰＦ３２またはＮＯｘ浄化触媒３３の再生制御実行時には、第２排気還流通路４１を介した排気還流のみ実行される。すなわち、排気中の未燃燃料成分は三元触媒３１で燃焼し、三元触媒３１から流出した排気が還流されるので、未燃燃料成分が還流されることを防止することができる。したがって、排気還流通路２５，４１の有効断面積の減少やＥＧＲ弁２６，４２の固着を防止することができる。

また、ＤＰＦ再生制御またはＣＡＴ再生制御を行うときに、空気供給通路４３に設けられた流量制御弁４４が開弁され、第２排気還流通路４１に空気が供給される。したがって、ＤＰＦ３１またはＮＯｘ浄化触媒３３の再生制御中においても比較的多量の排気を吸気管７に還流することが可能となり、再生制御中のＮＯｘ排出量を低減することができる。

［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。図４に示す構成は、図１に示す構成における空気供給通路４３及び流量制御弁４４を削除し、空気供給通路４３ａ、加圧装置４５、クーラ４６、及び流量制御弁４４ａを設けたものである。空気供給通路４３ａは、一端が大気に開放され、他端が第２排気還流通路４１に接続されている。加圧装置４５は、ＥＣＵ４に接続されており、ＥＣＵ４によりその動作が制御される。加圧装置４５により、空気が第２排気還流通路４１内の排気の圧力と同程度の圧力まで加圧される。クーラ４６は、加圧された空気の冷却を行う。

流量制御弁４４ａは、第１の実施形態における流量制御弁４４と同様に開閉制御される。すなわち、ＤＰＦ３２またはＮＯｘ浄化触媒３３の再生制御中に高負荷運転が行われたときは、流量制御弁４４ａが開弁され、加圧された空気が第２排気還流通路４１に供給される。その結果、還流排気温度が下げられるので、コンプレッサ９ｂに高温の排気が還流されることを防止することができる。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、第２排気還流通路４１は、図５（ａ）に示すように、排気管８の三元触媒３１とＤＰＦ３２の間の部分から排気を吸気管７に還流する第２排気還流通路４１ａに代えててもよい。あるいは、図５（ｂ）に示すように、ＮＯｘ浄化触媒３３の下流側から排気を吸気管７に環流する第２排気還流通路４１ｂに代えてもよい。また三元触媒３１は、ディーゼル酸化触媒に代えてもよい。

また図２に示す処理は、図６〜８に示すように変形してもよい。図６の処理は、図２のステップＳ１３及びＳ１４を削除し、ＤＰＦ再生処理またはＣＡＴ再生処理が実行されているときは、流量制御弁４４を開弁するようにしたものである。また図７の処理は、図２のステップＳ１１及びＳ１２を削除し、エンジン運転状態が高負荷運転状態にあるとき（ステップＳ１４の答が肯定（ＹＥＳ）であるとき）、流量制御弁４４を開弁するようにしたものである。図８の処理は、図７のステップＳ１３を削除し、ステップＳ１４をステップＳ１４ａに代えたものである。

図８に示す変形例では、第２排気還流通路４１を介して還流される排気の温度ＴＥＸを検出し、ステップＳ１４ａでは、還流排気温度ＴＥＸが所定閾値ＴＥＸＴＨを超えているか否かを判別する。ステップＳ１４ａの答が肯定（ＹＥＳ）、すなわち還流排気温度ＴＥＸが所定閾値ＴＥＸＴＨを超えたとき、流量制御弁４４が開弁される。

なお、図２のステップＳ１３及びＳ１４に代えて、ステップＳ１４ａを適用してもよい。その場合には、ＤＰＦ再生処理またはＣＡＴ再生処理が実行されているときに、還流排気温度ＴＥＸが所定閾値ＴＥＸＴＨを超えているか否かが判別され、還流排気温度ＴＥＸが所定閾値ＴＥＸＴＨを超えたとき、流量制御弁４４が開弁される。

また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどにも適用が可能である。

本発明の第１の実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 図１に示す流量制御弁の制御を行う処理のフローチャートである。 図２に示す処理で参照されるテーブルを示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 図１または図４に示す構成の変形例を説明するための図である。 図２に示す処理の変形例を示すフローチャートである。 図２に示す処理の変形例を示すフローチャートである。 図７に示す処理の変形例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
４ 電子制御ユニット
７ 吸気管（吸気通路）
８ 排気管（排気通路）
９ ターボチャージャ
９ａ タービン
９ｂ コンプレッサ
２１ インタークーラ
２５ 第１排気還流通路
３１ 三元触媒（排気浄化装置）
３２ ディーゼルパティキュレートフィルタ（排気浄化装置）
３３ ＮＯｘ浄化触媒（排気浄化装置）
４１ 第２排気還流通路
４３，４３ａ 空気供給通路
４４，４４ａ 流量制御弁

Claims (5)

1. タービン及びコンプレッサを有する過給機と、吸気通路の前記コンプレッサの下流側に設けられたインタークーラと、排気通路に設けられた排気浄化装置とを備える内燃機関であって、
   前記排気通路の前記排気浄化装置の下流側と、前記吸気通路の前記コンプレッサ上流側とを接続する排気還流通路と、前記吸気通路の前記インタークーラ下流側と、前記排気還流通路とを接続する空気供給通路とを備えることを特徴とする内燃機関。
2. タービン及びコンプレッサを有する過給機と、吸気通路の前記コンプレッサの下流側に設けられたインタークーラと、排気通路に設けられた排気浄化装置とを備える内燃機関であって、
   前記排気通路の前記排気浄化装置の下流側と、前記吸気通路の前記コンプレッサ上流側とを接続する排気還流通路と、空気を加圧する加圧装置と、該加圧装置から前記排気還流通路に空気を供給する空気供給通路とを備えることを特徴とする内燃機関。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記空気供給通路に設けられた制御弁と、前記排気浄化装置の再生制御を行うときに、前記制御弁を開弁し、前記排気還流通路に空気を供給する弁制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記空気供給通路に設けられた制御弁と、前記機関の高負荷運転時に、前記制御弁を開弁し、前記排気還流通路に空気を供給する弁制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記空気供給通路に設けられた制御弁と、前記機関の排気の温度が所定排気温度より高いときに、前記制御弁を開弁し、前記排気還流通路に空気を供給する弁制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

Images