| 【発明の名称】 |
内燃機関の排気還流装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】小林 信裕
【氏名】小林 茂己
【氏名】松本 貴晃
【氏名】貝瀬 望
|
| 【要約】 |
【課題】排気通路内の排圧と吸気通路内の負圧との差圧を増大させることで、ＥＧＲ率の向上を通して、ＮＯｘ排出量を低減する。
【解決手段】コンプレッサ１６下流側の吸気通路１２とタービン１８上流の排気通路１４とを連通するＥＧＲ通路２６を開閉するＥＧＲバルブ２８と、コンプレッサ１６の下流側と上流側とを連通する連通路３４を開閉するブーストリターンバルブ３６と、機関運転状態を検出する負荷センサ４６及び回転速度センサ４８と、検出された機関運転状態がＥＧＲ領域にあるとき、ＥＧＲバルブ２８によりＥＧＲ通路２６を開くと共に、ブーストリターンバルブ３６により連通路３４を開く制御をソフトウエア的に行なうコントロールユニット３０と、を含んで内燃機関の排気還流装置を構成する。そして、ＥＧＲを行なう際に、コンプレッサ１６下流側の吸気をその上流側に戻すことで、吸気通路１２内の負圧を低下させて差圧を増大させる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】排気通路にタービンが介装されると共に、吸気通路にコンプレッサが介装されるターボチャージャを搭載した内燃機関の排気還流装置であって、前記タービン上流側の排気通路とコンプレッサ下流側の吸気通路とを連通する排気還流通路を開閉する通路開閉手段と、前記コンプレッサ下流側の吸気通路に形成された開口部を開閉する開口部開閉手段と、機関運転状態を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段により検出された機関運転状態に基づいて、排気還流を行なうか否かを判定する判定手段と、該判定手段により排気還流を行なうと判定されたときに、前記通路開閉手段により排気還流通路を開くと共に、前記開口部開閉手段により吸気通路に形成された開口部を開く制御を行なう制御手段と、を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
【請求項２】前記開口部を介して取り出された吸気をコンプレッサ上流側の吸気通路に戻す吸気戻し通路が形成されたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気還流装置。
【請求項３】前記制御手段は、前記運転状態検出手段により検出された機関運転状態に基づいて、前記開口部開閉手段により吸気通路に形成された開口部の開度を多段階に制御する構成であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気還流装置。
【請求項４】前記開口部開閉手段は、シャッタ，バタフライ弁又はポペット弁の少なくとも１つから構成されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気還流装置。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気還流（以下「ＥＧＲ」という）装置に関し、特に、窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という）の排出量を低減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、内燃機関の排気の一部を吸気系に戻し、これを一種の不活性気体として燃焼温度を下げることで、ＮＯｘの低減を図るＥＧＲ装置が広く採用されている。
【０００３】また、近年の車両の軽量化，燃費向上及び性能向上の要請から、過給機の一種であるターボチャージャを搭載した内燃機関も多く見られるようになってきている。特に、ディーゼル機関は、ガソリン機関に比べて燃費が良い反面、機関出力が低く、高速回転にも弱いため、これらの欠点をカバーするには、ターボチャージャの搭載によって得られる高トルクを利用することが非常に有益である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ＥＧＲ装置は、排気通路内の排圧と吸気通路内の負圧との差圧を利用して、排気の一部を吸気系に還流する構成であるため、ターボチャージャを搭載した内燃機関では、次のような問題点を抱えていた。即ち、ターボチャージャの効率が高い場合には、吸気通路に介装されたコンプレッサの出口圧力（負圧）が、排気通路に介装されたタービンの入口圧力（排圧）より高くなってしまい、差圧により排気の一部を吸気系に還流することができなくなってしまう。このため、例えば、特開平１０−２６６８６６号号に開示されるように、ターボチャージャのコンプレッサ下流側に吸気絞り弁を設け、低負荷運転時にＥＧＲを行なうときに、吸気絞り弁を閉じることで、吸気通路内の負圧を上昇（即ち、吸気圧力を低下）させ、ＥＧＲ率を向上させる技術が提案されている。
【０００５】しかしながら、かかる従来技術においては、吸気絞り弁により差圧を増大させることはできるが、機関運転状態によっては吸気絞り弁の開度が極めて小さくなり、機関出力低下及び排気性状低下等の性能上の問題が発生してしまうおそれがあった。また、コンプレッサ出口圧力とタービン入口圧力との差圧を十分に確保できる運転領域が狭いため、排気中のＮＯｘを現状以上に低減させることは、極めて困難でもあった。
【０００６】そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、排気通路内の排圧と吸気通路内の負圧との差圧を増大させることで、ＥＧＲ率の向上を通して、ＮＯｘ排出量の低減を図った内燃機関の排気還流装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】このため、請求項１記載の発明では、排気通路にタービンが介装されると共に、吸気通路にコンプレッサが介装されるターボチャージャを搭載した内燃機関の排気還流装置であって、前記タービン上流側の排気通路とコンプレッサ下流側の吸気通路とを連通する排気還流通路を開閉する通路開閉手段と、前記コンプレッサ下流側の吸気通路に形成された開口部を開閉する開口部開閉手段と、機関運転状態を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段により検出された機関運転状態に基づいて、排気還流を行なうか否かを判定する判定手段と、該判定手段により排気還流を行なうと判定されたときに、前記通路開閉手段により排気還流通路を開くと共に、前記開口部開閉手段により吸気通路に形成された開口部を開く制御を行なう制御手段と、を含んで構成されたことを特徴とする。
【０００８】かかる構成によれば、機関運転状態に基づいて排気還流を行なうか否かが判定され、排気還流を行なうと判定されると、タービン上流側の排気通路とコンプレッサ下流側の吸気通路とを連通する排気還流通路が開かれると共に、コンプレッサ下流側の吸気通路に形成された開口部が開かれる。そして、開口部が開かれると、コンプレッサ下流側の吸気が大気中に放出されて吸気通路内の負圧が低下する一方、排気通路内の排圧はさほど低下しないため、排気通路内の排圧と吸気通路内の負圧との差圧が増大する。このため、多量の排気が排気還流通路を介して吸気通路に還流され、排気還流効率の向上を通して、ＮＯｘ排出量が低減する。
【０００９】請求項２記載の発明では、前記開口部を介して取り出された吸気をコンプレッサ上流側の吸気通路に戻す吸気戻し通路が形成されたことを特徴とする。かかる構成によれば、吸気通路に形成された開口部から取り出された吸気は、吸気戻し通路を介してコンプレッサ上流側の吸気通路に戻されるので、コンプレッサにより圧縮された吸気が再利用されることとなる。このため、ターボチャージャの効率が低下することが防止され、機関出力低下が抑制される。また、低負荷領域での燃費改善効果が得られ、他の領域においても燃費低下が抑制される。
【００１０】請求項３記載の発明では、前記制御手段は、前記運転状態検出手段により検出された機関運転状態に基づいて、前記開口部開閉手段により吸気通路に形成された開口部の開度を多段階に制御する構成であることを特徴とする。
【００１１】かかる構成によれば、吸気通路に形成された開口部の開度は、機関運転状態に基づいて多段階に制御されるので、排気通路内の排圧と吸気通路内の負圧との差圧を機関運転状態に応じて適切に制御でき、機関運転性及び排気性状の低下を防止しつつ、排気還流が効果的に行なわれるようになる。
【００１２】請求項４記載の発明では、前記開口部開閉手段は、シャッタ，バタフライ弁又はポペット弁の少なくとも１つから構成されることを特徴とする。かかる構成によれば、開口部開閉手段は、一般的なシャッタ，バタフライ弁及びポペット弁の少なくとも１つから構成されるので、信頼性及び耐久性を確保しつつ、コスト上昇が極力抑制されることとなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。図１は、本発明に係るＥＧＲ装置を備えたディーゼル機関の全体構成を示す。
【００１４】ディーゼル機関１０の吸気通路１２及び排気通路１４には、夫々、ターボチャージャを構成するコンプレッサ１６及びタービン１８が介装される。タービン１８は、排気通路１４を流通する排気エネルギーを吸収し、シャフト２０を介して一体的に連結されるコンプレッサ１６を駆動する。そして、エアクリーナ２２により埃等の不純物が除去された吸気は、吸気通路１２に介装されたコンプレッサ１６により圧縮されて過給状態となり、ディーゼル機関１０の燃焼室に導入される。このとき、コンプレッサ１６により圧縮された吸気は、断熱圧縮によりその吸気温度が上昇して充填効率が低下するため、圧縮後の吸気温度を低下させる目的で、コンプレッサ１６下流側の吸気通路１２にインタークーラ２４が介装される。
【００１５】また、タービン１８上流側の排気通路１４とインタークーラ２４下流側の吸気通路１２（即ち、コンプレッサ１６下流側の吸気通路１２）とは、ＥＧＲ通路２６を介して連通される。ＥＧＲ通路２６には、ＥＧＲ量を制御すべく、ＥＧＲ通路２６を開閉するＥＧＲバルブ２８が介装される。ＥＧＲバルブ２８は、マイクロコンピュータを内蔵したコントロールユニット３０により駆動制御されるＥＧＲ制御ソレノイドバルブ３２を介して、図示しないエアリザーバタンクから供給されるエアにより開閉駆動される。即ち、ＥＧＲ制御ソレノイドバルブ３２がＯＮになると、エアリザーバタンクからＥＧＲバルブ２８にエアが供給され、ＥＧＲ通路２６が開き、ＥＧＲが行なわれる。一方、ＥＧＲ制御ソレノイドバルブ３２がＯＦＦになると、エアリザーバタンクからＥＧＲバルブ２８に供給されるエアが遮断され、ＥＧＲ通路２６が閉じ、ＥＧＲが中止される。なお、ＥＧＲバルブ２８及びＥＧＲ制御ソレノイドバルブ３２により、通路開閉手段が構成される。
【００１６】さらに、吸気通路１２に介装されたコンプレッサ１６の上流側と下流側とは、吸気戻し通路としての連通路３４を介して連通される。連通路３４には、少なくとも、その開度を全開と全閉とに切り替えるブーストリターンバルブ３６が介装される。ブーストリターンバルブ３６は、コントロールユニット３０により制御されるアクチュエータ３８を介して、その開度が制御される。なお、ブーストリターンバルブ３６及びアクチュエータ３８により、開口部開閉手段が構成される。
【００１７】ブーストリターンバルブ３６としては、種々の構成が採用可能であるため、以下にその具体的構成をいくつか例示する。なお、ブーストリターンバルブ３６は、以下の構成に限定されるものではない。
【００１８】図２に示す第１実施例では、コンプレッサ１６下流側を臨む連通路３０端部に、吸気通路１２の周壁に形成された開口部（図示せず）を開閉するシャッタ４０が介装される。シャッタ４０は、少なくとも、その開度が全開と全閉、望ましくは、全開と全閉との間を多段階に制御可能なように、アクチュエータ３８により駆動制御される。また、図３に示す第２実施例のように、シャッタ４０に代えて、連通路３０の中間にバタフライ弁４２を介装し、第１実施例と同様に、アクチュエータ３８により駆動制御するようにしてもよい。
【００１９】さらに、第１実施例におけるシャッタ４０を全開と全閉とに制御する場合には、図４に示す第３実施例のように、シャッタ４０に加えて、連通路３０の中間にバタフライ弁４２を介装するようにしてもよい。この場合には、シャッタ４０は、アクチュエータ３８ａにより全開又は全閉に駆動制御される一方、バタフライ弁４２は、アクチュエータ３８ｂにより全開と全閉との間で多段階に駆動制御される。即ち、第３実施例では、連通路３０の開閉はシャッタ４０により行われ、その開度制御はバタフライ弁４２により行なわれる。従って、バタフライ弁４２のみによって連通路３０を開閉する構成に比べて、連通路３０及びバタフライ弁４２の加工精度要求が低くなる結果、ブーストリターンバルブ３６を安価に構成することが可能となる。
【００２０】この他には、図５に示す第４実施例のように、コンプレッサ１６下流側を臨む連通路３０端部に、ポペット弁４４を介装し、例えば、ＥＧＲバルブ２８のように、デューティ制御によりその開度を多段階に制御するようにしてもよい。
【００２１】このように、ブーストリターンバルブ３６として、一般的なシャッタ４０，バタフライ弁４２及びポペット弁４４を使用すれば、信頼性及び耐久性を確保しつつ、コスト上昇を極力抑制することができる。
【００２２】そして、ブーストリターンバルブ３６は、ＥＧＲバルブ２８と連動して制御される。このため、ＥＧＲが行なわれるときには、コンプレッサ１６により圧縮されて過給状態となった吸気は、連通路３４を介してコンプレッサ１６の上流側に戻されて、吸気通路１２内の負圧が低下し、排気通路１４内の排圧と吸気通路１２の負圧との差圧が増大する。以下、この動作を「ブーストリターン」という。
【００２３】ＥＧＲ装置の制御を行なうために、運転状態検出手段として、機関負荷Ｌを検出する負荷センサ４６と、機関回転速度Ｎを検出する回転速度センサ４８と、コンプレッサ１６下流側の負圧Ｐｂを検出する負圧センサ５０と、タービン１８上流側の排圧Ｐｅを検出する排圧センサ５２と、の出力が夫々コントロールユニット３０に入力される。そして、コントロールユニット３０は、これらのセンサからの各信号に基づいて、後述する処理に従って、ＥＧＲバルブ２８及びブーストリターンバルブ３６の制御を行なう。なお、コントロールユニット３０は、判定手段及び制御手段をソフトウエアにより実現させる。
【００２４】図６は、コントロールユニット３０において、ブーストリターンバルブ３６を全開又は全閉に制御するために、ソフトウエア的に実行されるＥＧＲ装置の制御内容を示す。なお、かかる制御は、所定時間毎に繰り返し実行される。
【００２５】ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、回転速度センサ４８及び負荷センサ４６から、夫々、機関回転速度Ｎ及び機関負荷Ｌが読み込まれる。
【００２６】ステップ２では、図７に示すようなＥＧＲ制御マップが参照され、機関回転速度Ｎ及び機関負荷Ｌによって定まる機関運転状態が、ＥＧＲを行なう領域（以下「ＥＧＲ領域」という）にあるか否かが判定される。なお、図７に示すＥＧＲ制御マップでは、ＥＧＲ制御ソレノイドバルブ３２の制御内容（ＯＮ／ＯＦＦ）を介して、機関運転状態がＥＧＲ領域にあるか否かが判定される。
【００２７】ステップ３では、機関運転状態に応じた分岐処理が行なわれ、機関運転状態がＥＧＲ領域にあればステップ４へと進み（Ｙｅｓ）、機関運転状態がＥＧＲ領域になければステップ５へと進む（Ｎｏ）。なお、ステップ２及びステップ３の処理が、判定手段に該当する。
【００２８】ステップ４では、ＥＧＲを行なう制御が実行される。即ち、連通路３４を開くべく、アクチュエータ３８が制御されると共に、ＥＧＲバルブ２８によりＥＧＲ通路２６を開くべく、ＥＧＲ制御ソレノイドバルブ３２がＯＮされる。なお、ステップ４の処理が、制御手段に該当する。
【００２９】ステップ５では、ＥＧＲを中止する制御が実行される。即ち、連通路３４を閉じるべく、アクチュエータ３８が制御されると共に、ＥＧＲバルブ２８によりＥＧＲ通路を閉じるべく、ＥＧＲ制御ソレノイドバルブ３２がＯＦＦされる。
【００３０】以上説明したステップ１〜ステップ５の処理によれば、機関運転状態がＥＧＲ領域にあれば、ＥＧＲ通路２６が開かれると共に、ブーストリターンバルブ３６により連通路３４が開かれる。そして、連通路３４が開かれると、図８に示すように、コンプレッサ１６下流側の吸気がその上流側に戻されて負圧Ｐｂが低下する一方、その負圧Ｐｂの低下ほど排気通路１４内の排圧Ｐｅが低下しないため、負圧Ｐｂと排圧Ｐｅとの差圧ΔＰが大きくなる。このため、従来のＥＧＲ装置に比べて、ＥＧＲ率及びＥＧＲの可能領域が拡大すると共に、多量の排気がＥＧＲ通路２６を介して吸気通路１２に還流することとなり、ＥＧＲ率の向上を通して、ＮＯｘ排出量が低減される。また、ＥＧＲ率を向上させるための差圧ΔＰをブーストリターンにより生じさせているため、単位時間当りの吸気量が減少し、燃料噴射時期の進角により燃費も改善できるようになる。
【００３１】そして、かかる構成からなるＥＧＲ装置によれば、図９及び図１０に示すように、１３モードにおいて、ＮＯｘ排出量を約２６％低減できるだけではなく、低負荷時における実測燃費（ＢＳＦＣ）も改善しつつ、粒状物質（ＰＭ）の排出量を約５６％低減することもできる。
【００３２】図１１は、コントロールユニット３０において、ブーストリターンバルブ３６を全開と全閉との間で多段階に制御するために、ソフトウエア的に実行されるＥＧＲ装置の制御内容を示す。
【００３３】ステップ１１では、回転速度センサ４８及び負荷センサ４６から、夫々、機関回転速度Ｎ及び機関負荷Ｌが読み込まれる。ステップ１２では、図７に示すようなＥＧＲ制御マップが参照され、機関回転速度Ｎ及び機関負荷Ｌによって定まる機関運転状態が、ＥＧＲ領域にあるか否かが判定される。
【００３４】ステップ１３では、機関運転状態に応じた分岐処理が行なわれ、機関運転状態がＥＧＲ領域にあればステップ１４へと進み（Ｙｅｓ）、機関運転状態がＥＧＲ領域になければステップ２３へと進む（Ｎｏ）。なお、ステップ１２及びステップ１３の処理が、判定手段に該当する。
【００３５】ステップ１４では、ＥＧＲが開始される。即ち、ＥＧＲバルブ２８によりＥＧＲ通路２６を開くべく、ＥＧＲ制御ソレノイドバルブ３２がＯＮされる。ステップ１５では、図１２に示すような目標差圧制御マップが参照され、機関回転速度Ｎ及び機関負荷Ｌに基づいて目標差圧Ｐｒ及び最低負圧Ｐｗが設定される。
【００３６】ステップ１６では、負圧センサ５０及び排圧センサ５２から、夫々、負圧Ｐｂ及び排圧Ｐｅが読み込まれる。ステップ１７では、読み込まれた負圧Ｐｂ及び排圧Ｐｅに基づいて、次式により差圧ΔＰが演算される。
【００３７】ΔＰ＝Ｐｅ−Ｐｂステップ１８では、差圧ΔＰが目標差圧Ｐｒ以上であるか否かが判定される。そして、差圧ΔＰが目標差圧Ｐｒ以上であればステップ１９へと進み（Ｙｅｓ）、差圧ΔＰが目標差圧Ｐｒ未満であればステップ２１へと進む（Ｎｏ）。
【００３８】ステップ１９では、差圧ΔＰが目標差圧Ｐｒと許容値Ｗとの加算値以下であるか否かが判定される。ここで、許容値Ｗは、差圧ΔＰが必要以上に大きくならないようにするいわゆるリミッタであって、これにより排気性状の低下を防止することができる。そして、差圧ΔＰが加算値以下であれば、差圧ΔＰは適正値に制御されていると判断して、ステップ１１へと戻る（Ｙｅｓ）。一方、差圧ΔＰが加算値より大きければ、差圧ΔＰは大きすぎると判断して、ステップ２０へと進む（Ｎｏ）。
【００３９】ステップ２０では、差圧ΔＰを低下させるべく、ブーストリターンバルブ３６の開度が一段階小さくされる。その後、ステップ１６へと戻り、差圧制御が続行される。
【００４０】差圧ΔＰが目標差圧Ｐｒ未満であるときの処理が実行されるステップ２１では、負圧Ｐｂが最低負圧Ｐｗ以上であるかであるか否かが判定される。そして、負圧Ｐｂが最低負圧Ｐｗ以上であればステップ２２へと進み（Ｙｅｓ）、負圧Ｐｂが最低負圧Ｐｗ未満であればステップ１１へと戻る（Ｎｏ）。
【００４１】ステップ２２では、差圧ΔＰを上昇させるべく、ブーストリターンバルブ３６の開度が一段階大きくされる。その後、ステップ１６へと戻り、差圧制御が続行される。
【００４２】なお、ステップ１４〜ステップ２２の処理が、制御手段に該当する。機関運転領域がＥＧＲ領域にないときの処理が実行されるステップ２３では、ＥＧＲを中止する制御が実行される。即ち、連通路３４を全閉にすべく、アクチュエータ３８が制御されると共に、ＥＧＲバルブ２８によりＥＧＲ通路２６を閉じるべく、ＥＧＲ制御ソレノイドバルブ３２がＯＦＦされる。
【００４３】以上説明したステップ１１〜ステップ２３の処理によれば、図６に示すＥＧＲ制御による作用及び効果に加え、機関運転状態に応じて差圧ΔＰを適切に制御できる。即ち、差圧ΔＰは、次式のような範囲に制御されるので、機関運転性及び排気性状の低下を防止しつつ、ＥＧＲを効果的に行なえるようになり、ＮＯｘ排出量を効果的に低下することが可能となる。
【００４４】Ｐｒ（目標差圧）≦ΔＰ（差圧）≦Ｐｒ＋Ｗ（目標差圧＋許容値）
また、負圧Ｐｂが機関運転状態に応じて設定される最低負圧未満であれば、差圧制御が行なわれないため、機関から排出される粒状物質（ＰＭ）の排出量が増大することも防止される。
【００４５】なお、以上の実施形態では、ＥＧＲを行なうときに、コンプレッサ１６下流側の吸気をその上流側に戻したが、コンプレッサ１６下流側の吸気を大気中に放出するようにしてもよい。この場合には、コンプレッサ１６下流側の吸気を大気中に放出することで、吸気通路１２の負圧が低下し、排気通路１４内の排圧Ｐｅと吸気通路１２内の負圧との差圧ΔＰが増大し、先の実施形態と同様な効果が奏されることとなる。即ち、かかる構成が、本発明の最小構成となる。
【００４６】さらに、本発明に係るＥＧＲ装置は、ガソリン機関等にも適用可能であることはいうまでもない。
【００４７】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、排気通路内の排圧と吸気通路内の負圧との差圧が増大し、多量の排気が排気還流通路を介して吸気通路に還流されることとなり、排気還流効率の向上を通して、ＮＯｘ排出量を低減することができる。
【００４８】請求項２記載の発明によれば、コンプレッサにより圧縮された吸気が再利用されることとなり、ターボチャージャの効率が低下することが防止され、機関出力低下を抑制することができる。また、低負荷領域での燃費改善効果が得られ、他の領域においても燃費低下を抑制することができる。
【００４９】請求項３記載の発明によれば、排気通路内の排圧と吸気通路内の負圧との差圧を機関運転状態に応じて適切に制御でき、機関運転性及び排気性状の低下を防止しつつ、排気還流を効果的に行なうことができる。
【００５０】請求項４記載の発明によれば、信頼性及び耐久性を確保しつつ、コスト上昇を極力抑制することができる。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３９０８
【氏名又は名称】日産ディーゼル工業株式会社
|
| 【出願日】 |
平成１２年５月２４日（２０００．５．２４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７８３３０
【弁理士】
【氏名又は名称】笹島 富二雄
|
| 【公開番号】 |
特開２００１−３２９８７９（Ｐ２００１−３２９８７９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１１月３０日（２００１．１１．３０） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１５２６３４（Ｐ２０００−１５２６３４） |
|