JP6172044B2 - 機関システムの制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、タービンホイールに吹き付けられる排気の流速を調整するための可変ノズル機構を備えたターボチャージャと、機関排気通路に設けられた排気浄化装置の機能回復を図るべく排気への燃料添加を行う燃料添加装置と、を有する機関システムの制御装置に関するものである。
従来、可変ノズル機構を備えたターボチャージャが実用されている(特許文献1参照)。可変ノズル機構は、排気タービン内で排気が通過する流路(排気流路)におけるタービンホイールの周囲に、その回転軸周りにおいて所定間隔置きに配設された複数のノズルベーンを備えている。これらノズルベーンは、排気流路に隣接するリンク室内のリンク機構によって連結されており、互いに同期した状態で開閉動作するようになっている。上記ターボチャージャでは、可変ノズル機構の作動制御を通じて、各ノズルベーンを一斉に開閉駆動して隣り合うノズルベーン同士の間隔を変更することにより、ノズルベーン間を通過してタービンホイールに吹き付けられる排気の流速が変更されて、吸気の圧送量が調節される。
また、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置(排気浄化触媒やフィルタなど)の機能回復を図るために、定期的に排気への燃料添加を実行する燃料添加装置が提案されている。特許文献1の装置では、排気通路におけるタービンより排気上流側に燃料を添加する燃料添加弁が設けられており、この燃料添加弁からの燃料噴射を通じて排気に燃料が添加される。
特開2006−152948号公報
ここで、可変ノズル機構を備えたターボチャージャは、排気流路内に配設されるノズルベーンと排気流路外(詳しくは、リンク室内)に設けられるリンク機構とが連結される構造であり、排気流路とリンク室との隔壁に隙間が形成されることがある。そして、そうしたターボチャージャでは、排気流路内の圧力が高いときに、排気流路を通過する排気の一部が上記隙間を介してリンク室内に流入することがある。
こうしたターボチャージャにおいて、排気タービンより排気上流側で排気への燃料添加が行われると、燃料を含む排気が排気タービンを通過するようになるため、排気の一部が燃料とともに上記隙間を介してリンク室内に侵入してしまう。この場合、リンク室内に侵入した燃料が変質して堆積物(デポジット)になるおそれがあり、これはリンク機構、ひいては可変ノズル機構の作動不良を招く一因になるため好ましくない。
本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ターボチャージャのリンク室内におけるデポジットの堆積を抑えることのできる機関システムの制御装置を提供することにある。
上記課題を達成するための機関システムの制御装置は、排気タービンにおける排気流路の内部に設けられる複数のノズルベーンと前記排気流路に隣接するリンク室内に設けられて前記複数のノズルベーンを連結するリンク機構とからなる可変ノズル機構を有するターボチャージャと、を備える。また上記制御装置は、内燃機関の排気通路における前記排気タービンより排気下流側に設けられて排気を浄化する排気浄化装置と、前記排気タービンより排気上流側において前記排気浄化装置の機能回復を図るべく前記内燃機関の排気に燃料を添加する燃料添加装置と、前記リンク室を加熱する加熱部と、を備える。そして、その制御部は、前記加熱部による加熱を実行する期間が前記燃料添加装置による燃料の添加を実行する期間の少なくとも一部に重複する態様で、前記加熱部による加熱を開始するとともに同加熱を停止する。
上記機関システムでは、ターボチャージャのリンク室内に液状の燃料が付着するとともに、燃料が付着した状態が続くことにより、付着燃料が徐々に変質してデポジットになる。そのため、リンク室内の温度が十分に高ければ、仮にリンク室内に燃料が侵入したとしても、同燃料の液化が抑えられてリンク室内での燃料の付着が抑えられるため、デポジットの堆積も抑えられるようになる。ただし、ターボチャージャを常時加熱して高温状態に保つことは、同ターボチャージャの過熱による信頼性の低下を招くおそれがあるために好ましくない。
上記制御装置によれば、排気浄化装置の機能回復のための燃料添加装置による燃料添加を実行する際に、加熱部による加熱を通じてリンク室内を高温にすることができる。そのため、リンク室内に燃料が侵入した場合であっても、同燃料を気化させてリンク室内を乾燥した状態にすることができる。内燃機関の排気は排気流路内を高速で流れるため、同排気の流れによって前記隙間を通じてリンク室の内部の排気はリンク室の外部に排出される。そのため、リンク室内で気化した燃料も、そうした排気の流れに乗ってリンク室内から排気流路へと排出される。したがって、リンク室内に液状燃料が付着した状態になることを抑えることができ、同燃料がデポジットになることを抑えることができる。しかも、燃料添加装置による燃料添加が実行されないためにリンク室内に燃料が侵入する可能性がごく低いときには、同リンク室の加熱を停止することができ、これによりターボチャージャの温度を低くすることができる。したがって上記制御装置によれば、リンク室内のデポジット堆積を抑えるべくターボチャージャが一時的に加熱されるとはいえ、ターボチャージャが常時加熱されるものと比較して、ターボチャージャの温度上昇を抑えることができ、ターボチャージャの過熱による信頼性の低下を抑えることができる。
上記制御装置において、前記制御部は、前記加熱部による加熱を開始するタイミングを、前記燃料添加装置による燃料添加を開始するタイミングより前のタイミングにすることが好ましい。
上記制御装置によれば、燃料添加装置による排気への燃料添加を開始する際に、予めリンク室内の温度を上昇させておくことができる。そのため、リンク室内に侵入する燃料の液化を好適に抑えることができ、リンク機構へのデポジットの付着を好適に抑えることができる。
上記制御装置において、前記制御部は、前記加熱部による加熱を停止するタイミングを、前記燃料添加装置による燃料添加を停止するタイミングと同時あるいは同タイミングよりも後のタイミングにすることが好ましい。
上記制御装置によれば、燃料添加装置による燃料添加が終了するまで、リンク室内の温度を高いままで維持することができる。そのため、リンク室内に侵入した燃料の液化を好適に抑えることができるようになり、リンク機構へのデポジットの付着を好適に抑えることができるようになる。
上記制御装置において、前記ターボチャージャを、前記内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサと前記排気タービンとそれらコンプレッサ及び排気タービンを連結するセンターハウジングとを有するものにすることができる。また前記リンク室を前記排気タービンと前記センターハウジングとの間に設けられるものにし、前記センターハウジングを、その内部に、水が循環するハウジング水路が設けられたものにすることができる。そして、前記加熱部を、前記ハウジング水路に高温の水を導入することによって前記リンク室を加熱するものにすることができる。
上記制御装置によれば、高温の水をハウジング水路に導入してセンターハウジングを加熱することにより、センターハウジングと排気タービンとの間に配置されたリンク室を加熱することができる。なお、ハウジング水路を予め備えたターボチャージャに上記制御装置を適用する場合には、そのハウジング水路を利用することにより、ターボチャージャの構造を変更することなく加熱部を設けることができる。
上記制御装置において、前記排気タービンを、その内部に、水が循環するタービン水路が設けられたものにすることができる。また、前記制御装置を、前記タービン水路の排出口と前記ハウジング水路の導入口とを連通する連通路、及び、前記連通路に設けられた流路切替弁を備えたものにすることができる。そして、前記制御部を、前記流路切替弁の作動制御を通じて、前記タービン水路の排出口から前記ハウジング水路の導入口への前記連通路を介した水の流入を許容することによって前記加熱部による加熱を実行し、前記タービン水路の排出口から前記ハウジング水路の導入口への前記連通路を介した水の流入を禁止することによって前記加熱部による加熱を停止するものにすることができる。
上記制御装置によれば、流路切替弁の作動制御を通じて、排気タービン内のタービン水路を通過して高温になった水を上記連通路を介してセンターハウジング内のハウジング水路に導入することができ、これによりリンク室を加熱することができる。また、流路切替弁の作動制御を通じて、そうした高温の水のハウジング水路への流入を禁止して前記導入路内の比較的低温の水のみをハウジング水路に流入させることができるため、リンク室の加熱が停止した状態にすることができる。
上記制御装置を、前記タービン水路の導入口と前記ハウジング水路の導入口とを並列接続する導入路、及び、前記タービン水路の排出口と前記ハウジング水路の排出口とを並列接続する排出路を備えたものにすることができる。また前記制御部を、前記ハウジング水路と前記タービン水路とを直列接続することによって前記加熱部による加熱を実行し、前記ハウジング水路と前記タービン水路とを並列接続することによって前記加熱部による加熱を停止するものにすることができる。
上記制御装置によれば、加熱部による加熱を実行する際には、タービン水路を通過して高温になった水のみが前記連通路を介してハウジング水路に流入するため、同水を利用して効率よくリンク室を加熱することができる。しかも、加熱部による加熱を停止する際には、タービン水路を通過して高温になった水はハウジング水路に流入させずに、タービン水路を通過していない導入路内の比較的低温の水のみをハウジング水路に流入させることができ、センターハウジングの温度を低くすることができる。
上記制御装置において、前記制御部は、前記燃料添加装置による燃料添加の実行時であっても、前記内燃機関の排気温度が所定温度以上であるときには、前記加熱部による加熱を禁止することが好ましい。
内燃機関の排気温度が高いときには、ターボチャージャの温度が高くなり易く、リンク室内の温度も高くなり易い。そして、内燃機関の排気からの受熱によってリンク室内の温度が十分に高くなるのであれば、前記加熱部による加熱を行わなくても、リンク室内に侵入した燃料が気化してリンク室内が乾燥した状態になるため、同燃料がデポジットになることが抑えられる。
この点、上記制御装置によれば、リンク室内の温度が十分に高くなるために同リンク室内におけるデポジットの堆積が抑えられるときに、加熱部による加熱の無駄な実行を抑えることができる。そのため、ターボチャージャの過熱による信頼性の低下を好適に抑えることができる。
機関システムの制御装置の一実施形態についてその概略構成を示す略図。 ターボチャージャの断面図。 (A)は可変ノズル機構の断面図、(B)は側面図。 ターボチャージャにおける可変ノズル機構、及びその周辺部分の拡大断面図。 機関冷却系及びターボ冷却系の冷却水回路を示す略図。 ターボ冷却系における第1の流通態様での冷却水の流通経路を示す略図。 ターボ冷却系における第2の流通態様での冷却水の流通経路を示す略図。 加熱制御処理の実行手順を示すフローチャート。 加熱制御処理の実行態様の一例を示すタイミングチャート。 加熱制御処理の実行態様の一例を示すタイミングチャート。 加熱制御処理の実行態様の一例を示すタイミングチャート。 加熱制御処理の実行態様の一例を示すタイミングチャート。 加熱制御処理の実行態様の一例を示すタイミングチャート。 変形例のターボ冷却系の冷却水回路を示す略図。
以下、機関システムの制御装置の一実施形態について説明する。
図1に示すように、内燃機関11は、吸気通路12、燃焼室13、及び排気通路14を備えている。吸気通路12の最上流部には、同吸気通路12に吸入された空気を浄化するエアクリーナ15が設けられている。また吸気通路12には、エアクリーナ15から吸気下流側に向けて順に、ターボチャージャ16のコンプレッサ17、インタークーラ18、及び吸気絞り弁19が配設されている。吸気通路12は、吸気絞り弁19の吸気下流側に設けられた吸気マニホールド21において分岐されており、この分岐部分を通じて、内燃機関11の気筒毎の燃焼室13に接続されている。
内燃機関11には、気筒毎に、燃焼室13内での燃焼に供される燃料を噴射する燃料噴射弁22が設けられている。各燃料噴射弁22には、高圧燃料を蓄圧するコモンレール23が接続されている。コモンレール23には、燃料ポンプ24から吐出された高圧燃料が供給される。
排気通路14の各燃焼室13との接続部分は排気ポート25となっている。排気通路14には、各燃焼室13から排気ポート25を通じて排出された排気を集合させるための排気マニホールド26、及びターボチャージャ16の排気タービン27が設けられている。
内燃機関11では、吸気通路12に吸入された空気が、エアクリーナ15で浄化された後、ターボチャージャ16のコンプレッサ17に導入される。コンプレッサ17では、その内部で回転するコンプレッサホイール17Aにより、導入された空気が圧縮されてインタークーラ18に吐出される。圧縮によって高温となった空気は、インタークーラ18にて冷却された後、吸気絞り弁19及び吸気マニホールド21を介して各気筒の燃焼室13に分配供給される。こうした吸気通路12内の空気の流量は吸気絞り弁19の開度制御を通じて調整される。
空気の導入された燃焼室13では、各気筒の圧縮行程において燃料噴射弁22から燃料が噴射される。そして、吸気通路12を通じて導入された空気と燃料噴射弁22から噴射された燃料との混合気が燃焼室13内で燃焼される。このときに生じた高温高圧の燃焼ガスによりピストン(図示略)が往復動され、出力軸であるクランクシャフト20が回転されて、内燃機関11の駆動力(出力トルク)が得られる。
各燃焼室13での燃焼により生じた排気は、排気マニホールド26を通じてターボチャージャ16の排気タービン27に導入される。この導入された排気の流勢によって排気タービン27内のタービンホイール27Aが回転駆動されると、吸気通路12に設けられたコンプレッサ17内のコンプレッサホイール17Aが連動して回転駆動され、上記空気の圧縮が行われる。
上記ターボチャージャ16は、タービンホイール27Aに吹付けられる排気の流速を調整するための可変ノズル機構34を備えている。以下、ターボチャージャ16の具体的な構成について説明する。
図2に示すように、ターボチャージャ16のセンターハウジング35には、ロータシャフト36がその軸線37を中心に回転可能に支持されている。ロータシャフト36の両端部には、コンプレッサホイール17A及びタービンホイール27Aが取り付けられている。また、ロータシャフト36の軸線37に沿う方向(軸方向)における上記センターハウジング35の一方の端部にはコンプレッサ17のコンプレッサハウジング38が取り付けられており、他方の端部には排気タービン27のタービンハウジング39が取り付けられている。このようにターボチャージャ16では、コンプレッサ17と排気タービン27とがセンターハウジング35によって連結されている。
コンプレッサハウジング38における上記軸線37上には吸気入口41が開口されている。また、コンプレッサハウジング38の内部において、上記コンプレッサホイール17Aの周りには、渦巻き状に延びて前記吸気通路12(図1参照)に連通するコンプレッサ渦室42が設けられている。そのため、コンプレッサハウジング38内では、ロータシャフト36の回転に基づきコンプレッサホイール17Aが軸線37を中心に回転すると、空気が吸気入口41及びコンプレッサ渦室42を順に通って吸気通路12へ強制的に送り出される。
タービンハウジング39の内部において、上記タービンホイール27Aの周りには、渦巻き状に延びるタービン渦室44が設けられている。タービン渦室44は、前記内燃機関11の排気通路14(図1参照)に連通しており、内燃機関11の排気が排気通路14を通ってタービン渦室44に送り込まれる。この排気は、タービン渦室44の出口である内周部44Aからタービンホイール27Aに吹付けられる。この吹付けにより、タービンホイール27Aが軸線37を中心に回転する。タービンハウジング39における軸線37上には排気出口46が開口されており、上記タービンホイール27Aに吹付けられた後の排気は、この排気出口46を通じて排気通路14の排気下流側へ送り出される。
次に、上記可変ノズル機構34について詳しく説明する。
図3(A)、図3(B)及び図4のいずれかに示すように、可変ノズル機構34は、センターハウジング35とタービンハウジング39との間において、タービン渦室44の内周部44Aに面した状態で固定されたノズルリング47を備えている。ノズルリング47には、複数の軸48が同ノズルリング47の円心を中心として等角度毎に設けられている。各軸48は、ノズルリング47に対し、その厚み方向に貫通して回動可能に支持されている。各軸48のタービン渦室44側の端部には、ノズルベーン49が可変ノズルとして固定されている。
可変ノズル機構34は、上記複数のノズルベーン49を同期して回動させるためのリンク機構51を備えている。前記ノズルリング47を挟んでタービン渦室44の内周部44Aとは反対側(図4の左側)にはリンク室52が形成されており、リンク機構51はリンク室52内に組み込まれている。
このリンク機構51の詳細について説明すると、各軸48のタービン渦室44とは反対側の端部(図4の左端部)には、同軸48と直交してノズルリング47の外縁部に向けて延びるノズルアーム53が固定されている。ノズルアーム53の先端には、二股に分岐した一対の挟持部53Aが形成されている。
一方、ノズルアーム53及びノズルリング47間であって、そのノズルリング47と同軸上にはユニゾンリング54が回動可能に設けられている。ユニゾンリング54には、その円心を中心として等角度毎に複数のピン55が設けられており、それらピン55が各ノズルアーム53の両挟持部53Aによって挟持されている。このようにして、複数のノズルベーン49及びユニゾンリング54が、そのノズルベーン49毎の軸48、ノズルアーム53等によって連結されている。
そして、ユニゾンリング54がその円心を中心に回動されると、各ピン55が各ノズルアーム53の挟持部53Aをユニゾンリング54の回動方向へ押す。その結果、それらノズルアーム53は軸48を回動させることとなり、軸48の回動に伴い各ノズルベーン49は同軸48を中心にして各々同期した状態で開閉動作する。
さらに、ターボチャージャ16には、上記リンク機構51を作動させるべくユニゾンリング54を回動させるための駆動機構が設けられている。詳しくは、ユニゾンリング54の外縁部(図4の下端部)にはピン56が設けられている。一方、センターハウジング35には支軸57が回動可能に挿通されており、その支軸57のリンク室52側(図4の右側)の端部に連結部材58が固定され、反対側の端部にレバー59が固定されている。そして、連結部材58が上記ピン56に回動可能に連結されている。また、レバー59には電動モータ等のアクチュエータ61が連結されている。
そのため、アクチュエータ61の駆動によりレバー59が操作されて支軸57が回動すると、その支軸57の回動に伴い連結部材58が支軸57を中心に回動する。その結果、ユニゾンリング54が、連結部材58によりピン56を介して周方向に押され、軸線37を中心に回動する。このユニゾンリング54の回動により、隣合うノズルベーン49間の隙間が、各ノズルベーン49の回動角度(ノズル開度)に応じた大きさとなり、同間隙を通ってタービンホイール27Aに吹付けられる排気の流速が調整される。
このようにして排気の流速を調節することにより、タービンホイール27A、ロータシャフト36及びコンプレッサホイール17Aの回転速度が適宜に調節され、ひいては過給圧が調整される。こうした過給圧の調整を行うことにより、内燃機関11の出力向上と燃焼室13内の過剰圧防止との両立が図られる。
図2に示すように、ターボチャージャ16は、内燃機関11の冷却水が循環する水路として、タービンハウジング39の内部に形成されたタービン水路39Aと、センターハウジング35の内部に形成されたハウジング水路35Aとを備えている。このターボチャージャ16は、基本的に、タービン水路39A及びハウジング水路35Aに内燃機関11の冷却水が供給されることにより、タービンハウジング39及びセンターハウジング35が冷却される構造になっている。
図5に示すように、内燃機関11を冷却するための機関冷却系は、内燃機関11の内部に形成されたウォータジャケット63と熱交換器であるラジエータ64とを備えている。また機関冷却系は、ウォータジャケット63から流出する冷却水をラジエータ64に案内する機関冷却水路65や、ラジエータ64から流出する冷却水をウォータジャケット63に戻す機関冷却水路66を備えている。さらに機関冷却系には、内部の冷却水を圧送するウォータポンプ67が設けられている。
ターボチャージャ16を冷却するためのターボ冷却系は、同ターボチャージャ16に冷却水を案内する水路として、上記ウォータジャケット63から分岐して延びるターボ供給水路68を備えている。またターボ冷却系は、ターボ供給水路68内の冷却水をタービン水路39Aに案内する第1供給水路69や、ターボ供給水路68内の冷却水をハウジング水路35Aに案内する第2供給水路71が設けられている。なお本実施形態では、ターボ供給水路68、第1供給水路69、及び第2供給水路71が、タービン水路39Aの導入口とハウジング水路35Aの導入口とを並列接続する導入路に相当する。
また、ターボ冷却系は、ターボチャージャ16から排出される冷却水をラジエータ64に案内する水路として、機関冷却水路65に合流するターボ排出水路72を備えている。さらにターボ冷却系は、タービン水路39Aから排出される冷却水をターボ排出水路72に案内する第1排出水路73や、ハウジング水路35Aから排出される冷却水をターボ排出水路72に案内する第2排出水路74を備える。本実施形態では、ターボ排出水路72、第1排出水路73、及び第2排出水路74が、タービン水路39Aの排出口とハウジング水路35Aの排出口とを並列接続する排出路に相当する。
さらに、ターボ冷却系は、タービン水路39Aの排出口(具体的には、第1排出水路73)とハウジング水路35Aの導入口(具体的には、第2供給水路71)とを連通する連通路75を備える。また、連通路75と第1排出水路73との分岐部分に第1流路切替弁76が設けられ、第2供給水路71の途中に第2流路切替弁77が設けられている。このターボ冷却系では、第1流路切替弁76及び第2流路切替弁77の作動制御を通じて、冷却水の流通態様を2つの流通態様(第1の流通態様、及び第2の流通態様)のいずれかに切替可能になっている。
図6に示すように、第1の流通態様では、ハウジング水路35Aとタービン水路39Aとが並列接続される。なお図6中の矢印は冷却水の流れを示している。この第1の流通態様では、第1流路切替弁76の作動状態が、第1排出水路73を通じてタービン水路39Aとターボ排出水路72とを連通する状態になるとともに、連通路75によるタービン水路39Aとハウジング水路35Aとの連通を遮断した状態になる。また、第2流路切替弁77の作動状態が、第2供給水路71を通じてターボ供給水路68とハウジング水路35Aとを連通する状態になる。
また図7に示すように、第2の流通態様では、ハウジング水路35Aとタービン水路39Aとが直列接続される。なお図7中の矢印は冷却水の流れを示している。この第2の流通態様では、第1流路切替弁76の作動状態が、第1排出水路73を通じたタービン水路39Aとターボ排出水路72との連通を遮断する状態になるとともに、連通路75を通じてタービン水路39Aとハウジング水路35Aとを連通する状態になる。また、第2流路切替弁77の作動状態が、第2供給水路71を通じたターボ供給水路68とハウジング水路35Aとの連通を遮断する状態になる。
図1に示すように、内燃機関11の排気通路14には、排気を浄化するための排気浄化装置81が設けられている。排気浄化装置81は、排気に燃料を添加するための燃料添加弁82を備えるほか、排気中のHC(炭化水素)を酸化処理する酸化触媒83と排気中のPM(粒子状物質)を捕集するフィルタ84とを備えている。
酸化触媒83は、排気通路14における排気タービン27の排気下流側に設けられており、排気中のHC及びCO(一酸化炭素)の酸化を通じて排気の浄化を行う触媒が担持されている。フィルタ84は、排気通路14における上記酸化触媒83より排気下流側に設けられている。このフィルタ84は、排気中のガス成分の通過を許容し、かつ同排気中のPMの通過を阻止する多孔質材によって形成されており、PMの酸化を促進させるための触媒が担持されている。燃料添加弁82は、排気通路14における上記排気タービン27よりも排気上流側(詳しくは、排気マニホールド26)に設けられている。燃料添加弁82は、燃料通路82Aを通じて上記燃料ポンプ24に接続されており、同燃料ポンプ24から供された燃料を排気中に噴射(添加)する。
内燃機関11を中心に構成される機関システムには、同内燃機関11の運転状態を検出するための各種センサが設けられている。各種センサとしては、例えばクランクシャフト20の回転速度(機関回転速度NE)を検出するためのクランクセンサ91や、内燃機関11の冷却水の温度(冷却水温度THW)を検出するための水温センサ92が設けられている。その他、排気通路14におけるフィルタ84の排気上流と排気下流との排気圧力の差(圧力差ΔP)を検出するための差圧センサ93なども設けられている。
また機関システムは、例えばマイクロコンピュータを中心に構成される電子制御装置90を備えており、この電子制御装置90には各種センサの出力信号が取り込まれている。電子制御装置90は、各種センサの出力信号をもとに各種の演算を行い、その演算結果に基づいて内燃機関11の運転にかかる各種制御を実行する。各種制御としては、燃料噴射弁22の作動制御や、吸気絞り弁19の作動制御、燃料ポンプ24の作動制御、可変ノズル機構34(詳しくは、アクチュエータ61)の作動制御などが挙げられる。
電子制御装置90は、各種制御として、フィルタ84の機能回復を図るための燃料添加弁82の作動制御(PM再生制御)を実行する。このPM再生制御では、燃料添加弁82を間欠的に開弁駆動することにより、内燃機関11の排気に燃料が添加される。こうしたPM再生制御が実行されると、添加燃料が排気中やフィルタ84内で酸化することにより、同フィルタ84の温度が高くなる。PM再生制御では、フィルタ84が所定の高温状態(例えば600℃以上)になるように、燃料添加弁82の間欠的な開弁駆動が繰り返し実行される。これにより、フィルタ84内に堆積したPMが酸化してCO2(二酸化炭素)及びH2O(水)になって排出されるといったように、PMが酸化処理されて同フィルタ84の再生が図られる。
本実施形態では、以下に記載する実行フラグの操作を通じて、PM再生制御の実行が制御される。なお実行フラグがオン操作されているときにはPM再生処理の実行が許可される一方、実行フラグがオフ操作されているときにはPM再生制御の実行が禁止される。
実行フラグは、PM再生制御が実行されていないときに、以下の[条件A]及び[条件B]が共に満たされるとオン操作される。
[条件A]PM堆積量PMsmが予め定められた堆積量判定値A以上であること。
[条件B]冷却水温THWが水温判定値B以上であること。
なお、上記PM堆積量PMsmは、フィルタ84に捕集されて堆積しているPMの量の推定値であり、上記圧力差ΔP等といった内燃機関11の運転状態に基づく周知の手法で逐次算出されている。
そして、[条件A]及び[条件B]が共に満たされるときには、PM堆積量PMsmがPM再生制御の実行が必要な量に達しており、且つPM再生制御の実行を通じて排気温度を十分に高めることの可能な程度に内燃機関11の温度が高いとして、PM再生制御の実行フラグがオン操作されて、PM再生処理の実行が許可される。一方、[条件A]が満たされないときには、PM堆積量PMsmは再生処理が必要な量に達していないとして、実行フラグがオン操作されず、PM再生制御の実行が許可されない。また、[条件B]が満たされないときには、内燃機関11の温度が低く、PM再生処理を行っても排気温度を十分に高めることはできないとして、実行フラグがオン操作されず、このときにもPM再生処理の実行が許可されない。
また本実施形態では、PM再生制御が実行されているときに、以下の[条件C]が満たされると、フィルタ84に捕集されて堆積しているPMの量が十分に少なくなったとして、実行フラグがオフ操作されて、PM再生制御の実行が停止される。
[条件C]PM堆積量PMsmが所定の再生終了値PMe以下であること。
ところで、上記ターボチャージャ16では、排気流路としてのタービン渦室44の内周部44Aとリンク室52との隔壁(具体的には、タービンハウジング39とノズルリング47との間)に隙間62(図4)が存在する。そのため、タービン渦室44内の排気の圧力が高いと、その排気の一部が、タービン渦室44からタービンホイール27Aに向う途中で上記隙間62を通り、リンク室52内に侵入するおそれがある。また、燃料添加弁82から添加された燃料は、排気温度が低いと十分気化しなかったり、タービンハウジング39が低温であるとその表面で凝集したりする。そして、そうした気化の不十分な燃料や凝集した燃料(以下、これらの燃料を液状燃料という)が、上記排気に乗って、タービン渦室44から上記隙間62を通りリンク室52に入り込むと、リンク室52の壁面やリンク機構51の各部に付着してしまう。このときリンク室52内の温度が低いと、リンク機構51に付着した上記燃料はすぐに気化することなく液状のまま残る。リンク機構51に液状燃料が付着した状態が続くと、付着燃料に排気中の煤が付着したり同燃料が徐々に変質したりしてデポジットになってしまう。
そこで本実施形態では、PM再生制御の実行に合わせて、リンク室52を加熱するようにしている。
以下、リンク室52を加熱する制御にかかる処理(加熱制御処理)について説明する。
図8は、加熱制御処理の実行手順を示している。同図のフローチャートに示される一連の処理は、所定周期毎の割り込み処理として、電子制御装置90により実行される。
図8に示すように、この処理では先ず、PM再生制御の実行フラグがオン操作されているか否かが判断される(ステップS11)。
そして、上記実行フラグがオン操作されている場合には(ステップS11:YES)、第1流路切替弁76及び第2流路切替弁77の作動が制御されて、冷却水の流通態様が第2の流通態様にされる(ステップS12)。このときタービン水路39A(図7参照)とハウジング水路35Aとが直列接続されるため、排気タービン27内のタービン水路39Aを通過して高温になった冷却水がセンターハウジング35内のハウジング水路35Aに流入するようになる。このようにしてハウジング水路35A内に導入される高温の冷却水によって、センターハウジング35や、同センターハウジング35に隣接する位置に配置されたリンク室52が加熱されるようになる。
一方、上記実行フラグがオフ操作されている場合には(ステップS11:NO)、第1流路切替弁76及び第2流路切替弁77の作動が制御されて、冷却水の流通態様が第1の流通態様にされる(ステップS13)。このときタービン水路39A(図6参照)とハウジング水路35Aとが並列接続されるため、ターボ供給水路68内の比較的低温の冷却水がタービン水路39Aとハウジング水路35Aとにそれぞれ流入するようになる。このときには、タービン水路39Aを通過した高温の冷却水のハウジング水路35Aへの流入が停止されるため、同冷却水によるセンターハウジング35及びリンク室52の加熱も停止される。
以下、こうした加熱制御処理を実行することによる作用について説明する。
ターボチャージャ16では、そのリンク室52内に液状の燃料が付着するとともに、燃料が付着した状態が続くことにより、付着燃料が徐々に変質してデポジットになる。そのため、リンク室52内の温度が十分に高ければ、仮にリンク室52内に燃料が侵入したとしても、同燃料の液化が抑えられてリンク室52内での燃料の付着が抑えられるため、デポジットの堆積も抑えられるようになる。ただし、ターボチャージャ16を常時加熱して高温状態に保つことは、同ターボチャージャ16の過熱による信頼性の低下を招くおそれがあるために好ましくない。なお発明者による各種実験の結果、リンク室52内に燃料が侵入した場合であっても、リンク室52内の温度を十分に高くして内部の燃料を一旦気化させれば、リンク室52内における液状燃料の付着が殆ど生じず、デポジットの堆積が適正に抑えられることが確認された。
本実施形態では、PM再生制御を実行する際に、タービン水路39Aを通過した高温の冷却水によってリンク室52の内部を加熱して高温にすることができる。そのため、リンク室52内に燃料が侵入した場合であっても、同燃料を気化させてリンク室52内を乾燥した状態にすることができる。ここで内燃機関11の排気はタービン渦室44の内部を高速で流れるため、同タービン渦室44の内周部44Aとリンク室52との隔壁の隙間62(図4)を通じてリンク室52の内部の排気はリンク室52の外部に排出されるようになる。そのため、リンク室52内で気化した燃料も、そうした排気の流れに乗ってリンク室52内からタービン渦室44内へと排出される。このようにして、リンク室52内に侵入した燃料をタービン渦室44に排出して処理することにより、リンク室52内に液状燃料が付着した状態になることが抑えられるため、同燃料がデポジットになることを抑えることができる。したがって、デポジットの堆積に起因する可変ノズル機構34の作動不良の発生を抑えることができる。
しかも、PM再生制御が実行されないためにリンク室52内に燃料が侵入する可能性がごく低いときに、同リンク室52の加熱を停止することができ、これによりターボチャージャ16の温度が低くすることができる。そのため、ターボチャージャ16が常時加熱されるものと比較して、ターボチャージャ16の温度上昇を抑えることができ、ターボチャージャ16の過熱による信頼性の低下を抑えることができる。
本実施形態では、センターハウジング35の冷却のために設けられるハウジング水路35Aを利用して、センターハウジング35及びリンク室52が加熱される。そのため、ターボチャージャ16の構造の複雑化を招くことなく、センターハウジング35及びリンク室52を加熱する構造を実現することができる。
また本実施形態では、リンク室52の加熱を実行する際に、第1流路切替弁76及び第2流路切替弁77の作動制御を通じて冷却水の流通態様が第2の流通態様になると、ハウジング水路35Aとタービン水路39Aとが直列接続される(図7参照)。これにより、タービン水路39Aを通過して高温になった冷却水のみをハウジング水路35Aに流入させることができるため、同冷却水を利用して効率よくリンク室52を加熱することができるようになる。しかも、リンク室52の加熱を停止する際には、第1流路切替弁76及び第2流路切替弁77の作動制御を通じて冷却水の流通態様が第1の流通態様になり、ハウジング水路35Aとタービン水路39Aとが並列接続される(図6参照)。そのため、タービン水路39Aを通過して高温になった冷却水をハウジング水路35Aに流入させずに、タービン水路39Aを通過していない比較的低温の冷却水のみをハウジング水路35Aに流入させることができ、同冷却水によってセンターハウジング35を適正に冷却することができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られる。
(1)PM再生制御が実行されてリンク室52内に燃料が侵入した場合であっても、同燃料がデポジットになることを抑えることができる。しかも、リンク室52内のデポジット堆積を抑えるべくターボチャージャ16が一時的に加熱されるとはいえ、ターボチャージャ16が常時加熱されるものと比較して、ターボチャージャ16の温度上昇を抑えることができ、ターボチャージャ16の過熱による信頼性の低下を抑えることができる。
(2)センターハウジング35の冷却のために設けられるハウジング水路35Aを利用して、センターハウジング35及びリンク室52を加熱することができる。そのため、ターボチャージャ16の構造の複雑化を招くことなく、センターハウジング35及びリンク室52を加熱する構造を実現することができる。
(3)タービン水路39Aの排出口とハウジング水路35Aの導入口とを連通する連通路75、及び、同連通路75に設けられた第1流路切替弁76を備える。
そして、第1流路切替弁76の作動制御を通じて、タービン水路39Aの排出口からハウジング水路35Aの導入口への連通路75を介した水の流入を許容することによって、リンク室52の加熱を実行するようにした。そのため、タービン水路39Aを通過して高温になった冷却水を上記連通路75を介してセンターハウジング35内のハウジング水路35Aに導入することができ、これによりセンターハウジング35に隣接する位置に配置されたリンク室52を加熱することができる。
また、第1流路切替弁76の作動制御を通じて、タービン水路39Aの排出口からハウジング水路35Aの導入口への連通路75を介した冷却水の流入を禁止することにより、リンク室52の加熱を停止するようにした。これにより、タービン水路39Aを通過して高温になった冷却水の上記ハウジング水路35Aへの流入を禁止して、第2供給水路71内の比較的低温の冷却水のみをハウジング水路35Aに流入させることができるため、リンク室52の加熱が停止した状態にすることができる。
(4)リンク室52の加熱を実行する際には、ハウジング水路35Aとタービン水路39Aとが直列接続されるため、タービン水路39Aを通過して高温になった冷却水を利用して効率よくリンク室52を加熱することができる。しかも、リンク室52の加熱を停止する際には、ハウジング水路35Aとタービン水路とが並列接続されるため、タービン水路39Aを通過していない比較的低温の冷却水によってセンターハウジング35を適正に冷却することができる。
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・リンク室52を加熱するべく冷却水の流通態様を第2の流通態様(図7参照)に切り替える期間は、PM再生制御が実行される期間の少なくとも一部と重複していればよい。なお、PM再生制御の実行を開始するタイミングや第2の流通態様に切り替えるタイミングは、実行フラグのオン操作と同一のタイミングでもよいし、実行フラグのオン操作から若干の時間を置いたタイミングでもよい。また、PM再生制御の実行を停止するタイミングや第1の流通態様に切り替えるタイミングは、実行フラグのオフ操作と同一のタイミングでもよいし、実行フラグのオフ操作から若干の時間を置いたタイミングでもよい。以下、上記各期間の設定例(例1〜例5)を記載する。
(例1)図9に示すように、時刻t11においてPM再生制御の実行開始と同時に前記第2の流通態様への切り替えを実行するとともに、その後の時刻t12においてPM再生制御の実行停止と同時に前記第1の流通態様への切り替えを実行する。
(例2)図10に示すように、時刻t21において第2の流通態様への切り替えを実行し、若干の時間を置いた時刻t22においてPM再生制御の実行を開始するといったように、PM再生制御の実行開始に先立ち第2の流通態様への切り替えを実行する。
本例のように、リンク室52の加熱を開始するタイミングをPM再生制御による燃料添加を開始するタイミングより前のタイミングにすることにより、PM再生制御による排気への燃料添加を開始する際に、予めリンク室52内の温度を上昇させておくことができる。そのため、リンク室52内に侵入する燃料の液化を好適に抑えることができ、リンク機構51へのデポジットの付着を好適に抑えることができる。
(例3)図11に示すように、時刻t31においてPM再生制御の実行を停止し、若干の時間を置いた時刻t32において第1の流通態様への切り替えを実行するといったように、PM再生制御の実行停止後に若干の時間を置いて第1の流通態様への切り替えを実行する。
本例のように、リンク室52の加熱を停止するタイミングをPM再生制御による燃料添加を停止するタイミングよりも後のタイミングにすることにより、PM再生制御による燃料添加が終了するまで、リンク室52内の温度を高いままで維持することができる。そのため、リンク室52内に侵入した燃料の液化を好適に抑えることができ、リンク機構51へのデポジットの付着を好適に抑えることができる。
(例4)図12に示すように、時刻t41においてPM再生制御の実行を開始し、若干の時間を置いた時刻t42において第2の流通態様への切り替えを実行する。
(例5)図13に示すように、時刻t51において第1の流通態様への切り替えを実行し、若干の時間を置いた時刻t52においてPM再生制御の実行を停止する。
・ターボ冷却系における流路切替弁の配設態様は、冷却水の流通態様を2つの流通態様(第1の流通態様、及び第2の流通態様)のいずれかに切替可能な態様であれば、任意に変更することができる。
例えば図14に示すように、第2供給水路71と連通路75との分岐部分に第3流路切替弁106を設けるとともに、第1排出水路73の途中に第3流路切替弁106を設けることができる。本例において、第1の流通態様では、第3流路切替弁106の作動状態を、第2供給水路71を通じてターボ供給水路68とハウジング水路35Aとを連通する状態にするとともに、連通路75によるタービン水路39Aとハウジング水路35Aとの連通を遮断した状態にすればよい。また、第1の流通態様における第4流路切替弁107の作動状態を、第1排出水路73を通じてタービン水路39Aとターボ排出水路72とを連通する状態にすればよい。一方、第2の流通態様では、第3流路切替弁106の作動状態を、第2供給水路71を通じたハウジング水路35Aとターボ供給水路68との連通を遮断する状態にするとともに、連通路75を通じてタービン水路39Aとハウジング水路35Aとを連通する状態にすればよい。また、第2の流通態様における第4流路切替弁107の作動状態を、第1排出水路73を通じたタービン水路39Aとターボ排出水路72との連通を遮断する状態にすればよい。
・PM再生制御の実行時に、タービン水路39A内で加熱された冷却水をハウジング水路35A内に導入することができるのであれば、ハウジング水路35Aとタービン水路39Aとを直列接続しなくてもよい。例えば、連通路75に代えて、ハウジング水路35Aの途中とタービン水路39Aの導入口とを接続する連通路を設けたり、ハウジング水路の排出口とタービン水路39Aの途中とを接続する連通路を設けたりすることができる。また、第2流路切替弁77を省略することなども可能である。
・タービン水路39A内で加熱された冷却水をハウジング水路35A内に導入することによってリンク室52を加熱することに代えて、機関冷却系の中でも高温になる部分(例えば、燃焼室13の周囲で延びる部分)の冷却水をハウジング水路35Aに導入することによってリンク室52を加熱するようにしてもよい。その他、センターハウジング35に電熱式のヒータを取り付けるとともに同ヒータに通電することによってリンク室52を加熱すること等も可能である。
・内燃機関11の排気温度が高いときには、ターボチャージャ16の温度が高くなり易く、リンク室52内の温度も高くなり易い。そして、内燃機関11の排気からの受熱によってリンク室52内の温度が十分に高くなるのであれば、リンク室52を高温の冷却水やヒータ等によって加熱しなくても、リンク室52内に侵入した燃料が気化して同リンク室52内が乾燥した状態になるため、同燃料がデポジットになることが抑えられる。
そうした機関システムにおいて、PM再生制御が実行されているときであっても、リンク室52の温度がデポジットの堆積が適度に抑えられる程度に高いときには、高温の冷却水やヒータ等によるリンク室52の加熱を禁止するようにしてもよい。こうした装置によれば、リンク室52内の温度が十分に高くなるために同リンク室52内におけるデポジットの堆積が抑えられるときに、高温の冷却水やヒータ等による加熱の無駄な実行を抑えることができるため、ターボチャージャ16の過熱による信頼性の低下を好適に抑えることができる。なお、リンク室52の温度がデポジットの堆積が適度に抑えられる程度に高いことは、「内燃機関11の排気温度が所定温度以上であること」や、「内燃機関11の運転状態が所定の高負荷運転領域であること」、あるいは「内燃機関11の運転状態から推定されるリンク室52内の温度が所定温度以上であること」などをもって判断することができる。
・上記実施形態の制御装置は、フィルタ84に捕集されたPMを酸化処理するべく排気への燃料添加を実行する機関システムに限らず、排気浄化装置(例えば排気浄化触媒)の機能回復を図るために排気への燃料添加を実行する機関システムであれば適用することができる。そうした機関システムとしては、例えばNOx吸蔵還元触媒がSOx(硫黄酸化物)によって被毒されてNOx(窒素酸化物)の吸蔵能力が低下した場合に、NOx吸蔵還元触媒からSOxを放出させるために、排気への燃料添加を実行するシステムがある。
・上記実施形態の制御装置は、燃料添加弁82からの燃料噴射を通じて燃料添加を行う機関システムに限らず、燃焼室13内での燃焼に供される燃料噴射がなされた後の膨張行程中や排気行程中に行う燃料噴射弁22からの燃料噴射(いわゆるアフター噴射や、ポスト噴射)を通じて排気への燃料添加を行う機関システムにも適用することができる。
11…内燃機関、12…吸気通路、13…燃焼室、14…排気通路、15…エアクリーナ、16…ターボチャージャ、17…コンプレッサ、17A…コンプレッサホイール、18…インタークーラ、19…吸気絞り弁、21…吸気マニホールド、22…燃料噴射弁、23…コモンレール、24…燃料ポンプ、25…排気ポート、26…排気マニホールド、27…排気タービン、27A…タービンホイール、34…可変ノズル機構、35…センターハウジング、35A…ハウジング水路、36…ロータシャフト、37…軸線、38…コンプレッサハウジング、39…タービンハウジング、39A…タービン水路(加熱部)、41…吸気吸入口、42…コンプレッサ渦室、44…タービン渦室、44A…内周部、46…排気出口、47…ノズルリング、48…軸、49…ノズルベーン、51…リンク機構、52…リンク室、53…ノズルアーム、53A…挟持部、54…ユニゾンリング、55,56…ピン、57…支軸、58…連結部材、59…レバー、61…アクチュエータ、62…隙間、63…ウォータジャケット、64…ラジエータ、65…機関冷却水路、66…機関冷却水路、67…ウォータポンプ、68…ターボ供給水路、69…第1供給水路、71…第2供給水路、72…ターボ排出水路、73…第1排出水路、74…第2排出水路、75…連通路、76…第1流路切替弁、77…第2流路切替弁、81…排気浄化装置、82…燃料添加弁、82A…燃料通路、83…酸化触媒、84…フィルタ、90…電子制御装置(制御部)、91…クランクセンサ、92…水温センサ、93…差圧センサ、106…第3流路制御弁、107…第4流路制御弁。

Claims (6)

  1. 排気タービンにおける排気流路の内部に設けられる複数のノズルベーンと前記排気流路に隣接するリンク室内に設けられて前記複数のノズルベーンを連結するリンク機構とからなる可変ノズル機構を有するターボチャージャと、
    内燃機関の排気通路における前記排気タービンより排気下流側に設けられて排気を浄化する排気浄化装置と、
    前記排気タービンより排気上流側において前記排気浄化装置の機能回復を図るべく前記内燃機関の排気に燃料を添加する燃料添加装置と、
    前記リンク室を加熱する加熱部と、
    前記加熱部による加熱を実行する期間が前記燃料添加装置による燃料の添加を実行する期間の少なくとも一部に重複する態様で、前記加熱部による加熱を開始するとともに同加熱を停止する制御部と
    を備え
    前記ターボチャージャは、前記内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサと前記排気タービンとそれらコンプレッサ及び排気タービンを連結するセンターハウジングとを有し、
    前記リンク室は前記排気タービンと前記センターハウジングとの間に設けられ、
    前記センターハウジングは、その内部に、水が循環するハウジング水路が設けられ、
    前記加熱部は、前記ハウジング水路に高温の水を導入することにより、前記リンク室を加熱するものである機関システムの制御装置。
  2. 請求項1に記載の機関システムの制御装置において、
    前記制御部は、前記加熱部による加熱を開始するタイミングを、前記燃料添加装置による燃料添加を開始するタイミングより前のタイミングにする
    ことを特徴とする機関システムの制御装置。
  3. 請求項1または2に記載の機関システムの制御装置において、
    前記制御部は、前記加熱部による加熱を停止するタイミングを、前記燃料添加装置による燃料添加を停止するタイミングと同時あるいは同タイミングよりも後のタイミングにする
    ことを特徴とする機関システムの制御装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の機関システムの制御装置において、
    前記排気タービンは、その内部に、水が循環するタービン水路が設けられ、
    前記制御装置は、前記タービン水路の排出口と前記ハウジング水路の導入口とを連通する連通路、及び、前記連通路に設けられた流路切替弁を備え、
    前記制御部は、前記流路切替弁の作動制御を通じて、前記タービン水路の排出口から前記ハウジング水路の導入口への前記連通路を介した水の流入を許容することによって前記加熱部による加熱を実行し、前記タービン水路の排出口から前記ハウジング水路の導入口への前記連通路を介した水の流入を禁止することによって前記加熱部による加熱を停止する
    ことを特徴とする機関システムの制御装置。
  5. 請求項に記載の機関システムの制御装置において、
    当該制御装置は、前記タービン水路の導入口と前記ハウジング水路の導入口とを並列接続する導入路、及び、前記タービン水路の排出口と前記ハウジング水路の排出口とを並列接続する排出路を備え、
    前記制御部は、前記ハウジング水路と前記タービン水路とを直列接続することによって前記加熱部による加熱を実行し、前記ハウジング水路と前記タービン水路とを並列接続することによって前記加熱部による加熱を停止する
    ことを特徴とする機関システムの制御装置。
  6. 請求項1〜のいずれか一項に記載の機関システムの制御装置において、
    前記制御部は、前記燃料添加装置による燃料添加の実行時であっても、前記内燃機関の排気温度が所定温度以上であるときには、前記加熱部による加熱を禁止する
    ことを特徴とする機関システムの制御装置。
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