| 【発明の名称】 |
内燃機関の排気還流装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】小林 茂己
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| 【要約】 |
【課題】吸気流の乱れ，コスト上昇及び吸気抵抗の増大を抑制しつつ、低負荷運転時における窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減する。
【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上流側の排気通路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上流側に配設され、吸気通路１２を介して導入される吸気を絞る吸気絞り弁３４と、機関運転状態としての負荷Ｌ及び機関回転速度Ｎを夫々検出する負荷センサ３８及び回転速度センサ４０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、吸気絞り弁３４により吸気を絞る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。 |
【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、前記コンプレッサ上流側に配設され、前記吸気通路を介して導入される吸気を絞る吸気絞り手段と、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、前記吸気絞り手段により吸気を絞る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】前記吸気絞り手段は、前記コンプレッサ上流側に介装された吸気絞り弁である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】前記吸気絞り手段は、前記コンプレッサに設けられた可変ノズルベーンである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。
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【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、低負荷運転時における窒素酸化物（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】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ため、ターボチャージャを搭載した内燃機関では、吸気通路内の負圧の低下（即ち、吸気圧力の上昇）により、ＥＧＲ率が低下してしまう。このため、例えば、特開平１０−２６６８６６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を行なうときには、絞り弁を閉じることで、吸気通路内の負圧を上昇（即ち、吸気圧力の低下）させ、ＥＧＲ率を向上させる技術が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、コンプレッサ下流側に吸気絞り弁がある構成では、低負荷運転時におけるＥＧＲ率を向上できる反面、次のような不具合が発生するおそれがあることに気が付いた。即ち、吸気絞り弁によりコンプレッサ下流側の吸気流に乱れが生じ、気筒間のＥＧＲ率にバラツキが生じてしまう。また、コンプレッサ下流側では、断熱圧縮により吸気が高温・高圧になるため、吸気絞り弁の軸封を高温・高圧に耐え得る構造とする必要があり、コスト上昇を来してしまう。さらに、一般的にＥＧＲを行なわない運転領域である高回転速度域又は高負荷運転域において、吸気絞り弁が開状態となっていても、吸気抵抗の増大を避けられない。
【０００６】そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、吸気流の乱れ，コスト上昇及び吸気抵抗の増大を抑制しつつ、低負荷運転時における窒素酸化物の排出量を低減することができる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、前記コンプレッサ上流側に配設され、前記吸気通路を介して導入される吸気を絞る吸気絞り手段と、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、前記吸気絞り手段により吸気を絞る制御を行なう制御手段と、を含んで内燃機関の排気還流装置を構成し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とを連通する排気還流通路が開かれると共に、機関運転状態に基づいて吸気通路を介して導入される吸気が絞られる。そして、吸気が絞られると、吸気絞り手段下流側の吸気通路内に負圧が生じて吸気圧力が低下する一方、その吸気圧力の低下ほど排気通路内の排圧が低下しないため、吸気通路と排気通路との差圧が大きくなる。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、排気還流率が向上して、ＮＯｘの排出量が低減する。
【０００９】また、排気還流率を向上させるための差圧を、吸気を絞ることで生じさせているため、単位時間当りの吸気量が減少し、その結果、単位時間当りの排気量も減少する。このため、ＮＯｘの総排出量も低減する。
【００１０】この場合、吸気通路内に負圧を発生させる吸気絞り手段は、コンプレッサ上流側の吸気通路に配設されているため、次のような利点がある。即ち、コンプレッサ下流側の吸気通路には、吸気流に乱れを生じさせる弁等が介装されていないため、気筒間の排気還流率のバラツキが小さくなり、ＮＯｘ排出量のさらなる低減が期待できる。また、コンプレッサにより圧縮された吸気の吸気抵抗が増大しないため、特に、排気還流を行なわないときの機関出力の低下が防止される。さらに、コンプレッサ上流側では、吸気が断熱圧縮されて高温・高圧となっていないため、吸気絞り手段の軸封を高温・高圧に耐え得る構造にする必要がなく、例えば、安価なスロットル弁を流用することで、コスト低減を図ることができる。この他には、吸気絞り手段から内燃機関の燃焼室までの距離が大きくなり、その間の吸気通路の容量が大きくなるため、吸気絞り手段の作動速度が多少遅くとも、機関のレスポンスに対する影響が少ない。このため、吸気絞り手段の開閉機構に対する要求が緩和され、コスト低減が図られる。
【００１１】請求項２記載の発明は、前記吸気絞り手段を、前記コンプレッサ上流側に介装された吸気絞り弁としたことを特徴とする。かかる構成によれば、簡易な構造からなる吸気絞り弁により、吸気通路を介して導入される吸気が絞られるので、信頼性及び耐久性が向上する。
【００１２】請求項３記載の発明は、前記吸気絞り手段を、前記コンプレッサに設けられた可変ノズルベーンとしたことを特徴とする。かかる構成によれば、コンプレッサに設けられた可変ノズルベーンにより、吸気通路を介して導入される吸気が絞られるので、吸気通路内には吸気を絞る弁等が介装されず、吸気流の乱れ、吸気抵抗の増大が確実に防止される。また、可変ノズルベーンの開度は多段階に制御されるため、機関運転状態に応じた最適な排気還流率をもって排気還流が行なわれることとなり、ＮＯｘ排出量がさらに低減する。
【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（通路開閉手段）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。
【００１６】さらに、コンプレッサ１６上流側の吸気通路１２には、通路断面積を変化させることで、吸気通路１２を介して導入される吸気を絞る吸気絞り弁３４（吸気絞り手段）が介装される。吸気絞り弁３４は、例えば、図２に示すように、通路断面積を変化させるバタフライ弁３４ａと、エアにより駆動されるアクチュエータ３４ｂと、アクチュエータ３４ｂの直線運動をバタフライ弁３４ａの回動運動に変換するリンク機構３４ｃと、を含んで構成される。アクチュエータ３４ｂには、コントロールユニット３０により駆動制御される制御ソレノイドバルブ３６を介して、エアリザーバタンクからエアが供給される。即ち、制御ソレノイドバルブ３６がＯＮになると、エアリザーバタンクからアクチュエータ３４ｂにエアが供給され、バタフライ弁３４ａが閉方向に回動される。一方、制御ソレノイドバルブ３６がＯＦＦになると、エアリザーバタンクからアクチュエータ３４ｂに供給されるエアが遮断され、アクチュエータに内蔵されたバネの付勢力によりバタフライ弁３４ａが開方向に回動される。
【００１７】なお、吸気絞り弁３４において、吸気通路の通路断面積を変化させるのに、バタフライ弁３４ａに代えてスライド弁等を使用してもよい。また、本実施形態では、吸気絞り弁３４の制御簡略化を目的として、バタフライ弁３４ａは全開及び全閉の２位置に制御される構成が採用されている。さらに、バタフライ弁３４ａが全閉となったときには、吸気通路が完全に閉じるわけではなく、バタフライ弁３４ａと吸気通路１２内壁との隙間から吸気が導入されるようになっている。
【００１８】ＥＧＲ装置の制御を行なうために、運転状態検出手段としての機関負荷Ｌを検出する負荷センサ３８及び機関回転速度Ｎを検出する回転速度センサ４０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信号に基づいて、後述する処理に従って、ＥＧＲ装置の制御としてのＥＧＲ制御ソレノイドバルブ３２及び制御ソレノイドバルブ３６の駆動制御を行なう。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的に実現させる。
【００１９】図３は、コントロールユニット３０において、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。
【００２０】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４０及び負荷センサ３８により、夫々、機関回転速度Ｎ及び機関負荷Ｌが検出される。
【００２１】ステップ２では、図４に示すようなマップが参照され、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。なお、図４に示すマップでは、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。
【００２２】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。
【００２３】ステップ４では、ＥＧＲを行なう制御が実行される。即ち、吸気絞り弁３４を閉方向に回動すべく、制御ソレノイドバルブ３６がＯＮ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、かかる処理が、制御手段に該当する。
【００２４】ステップ５では、ＥＧＲを中止する制御が実行される。即ち、吸気絞り弁３４を開方向に回動すべく、制御ソレノイドバルブ３６がＯＦＦ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。
【００２５】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、吸気絞り弁３４により吸気が絞られる。そして、吸気が絞られると、吸気絞り弁３４下流側の吸気通路１２内に負圧が生じて吸気圧力が低下する一方、その吸気圧力の低下ほど排気通路１４内の排圧が低下しないため、吸気通路１２と排気通路１４との差圧が大きくなる。このため、多量の排気がＥＧＲ通路２６を介して吸気通路１２に還流され、ＥＧＲ率が向上して、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を、吸気絞り弁３４を閉じることで生じさせているため、単位時間当りの吸気量が減少し、単位時間当りの排気量も減少する。このため、ＮＯｘの総排出量も低減することができる。
【００２６】かかる効果は、特に、低負荷時に顕著に表れる。即ち、低負荷時には、機関に導入される吸気量が少なく、吸気通路１２と排気通路１４との差圧が小さいため、ＥＧＲ率の向上が困難であり、ＮＯｘ排出量の低減ができなかった。しかし、吸気通路１２に介装された吸気絞り弁３４により吸気を絞ることで、吸気通路１２内に強制的に負圧を発生させて吸気圧力を低下させるため、低負荷時であっても、ＥＧＲ率を向上させることが可能となった。
【００２７】この場合、吸気通路１２内に負圧を発生させる吸気絞り弁３４は、コンプレッサ１６上流側の吸気通路１２に介装されるため、従来技術に比べて、次のような利点を有している。即ち、コンプレッサ１６下流側の吸気通路１２には、吸気流に乱れを生じさせる弁等が介装されていないため、気筒間のＥＧＲ率のバラツキが少なくなり、ＮＯｘ排出量のさらなる低減が期待できる。また、コンプレッサ１６により圧縮された吸気の吸気抵抗が増大しないため、特に、ＥＧＲを行なわないときの機関出力の低下を防止することができる。さらに、コンプレッサ１６上流側では、吸気が断熱圧縮されて高温・高圧となっていないため、吸気絞り弁３４の軸封を高温・高圧に耐え得る構造にする必要がなく、例えば、スロットル弁を流用することで、コスト低減を図ることができる。この他には、吸気絞り弁３４からディーゼル機関１０の燃焼室までの距離が大きくなり、その間の吸気通路１２の容量が大きくなるため、吸気絞り弁３４の開閉速度が多少遅くとも、機関のレスポンスに対する影響が少ない。このため、吸気絞り弁３４の開閉機構に対する要求が緩和され、コスト低減を図ることができる。
【００２８】そして、かかる構成によるＥＧＲ装置によれば、図５に示すように、吸気絞り弁を設けることにより、粒状物質（ＰＭ）の排出量がほとんど変わらず、ＮＯｘ排出量を約９％低減することができる。
【００２９】なお、以上説明した実施形態では、ＥＧＲバルブ２８及び吸気絞り弁３４は、夫々、全開及び全閉の２位置に制御される構成であるが、ＥＧＲバルブ２８及び吸気絞り弁３４の開度を他段階に制御するようにしてもよい。この場合、機関運転状態に応じた最適なＥＧＲ率及び吸気量とすることができ、ＮＯｘ排出量をより低減することが可能となる。
【００３０】次に、他の実施形態として、吸気絞り弁３４に代えて、コンプレッサ１６に設けられた吸気絞り手段としての可変ノズルベーンにより吸気を絞る実施形態について説明する。
【００３１】ターボチャージャの構成を示す図６において、コンプレッサホイール１６ａの周囲には、周方向に所定間隔を隔てて複数の可変ノズルベーン１６ｂが配設される。そして、これらの可変ノズルベーン１６ｂの角度は、アクチュエータ１６ｃにより作動されるリンク機構１６ｄによって連動して変更され、コンプレッサホイール１６ａに対する入口面積が変化するようになっている。
【００３２】図７は、かかる可変ノズルベーン１６ｂを備えたターボチャージャを用いて実行される、ＥＧＲ装置の制御内容を示す。ステップ１１では、回転速度センサ４０及び負荷センサ３８により、夫々、機関回転速度Ｎ及び機関負荷Ｌが検出される。
【００３３】ステップ１２では、図４に示すようなマップが参照され、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１６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及びステップ１５では、ＥＧＲを行なう制御が実行される。即ち、ステップ１４において、図８に示すようなマップが参照され、機関運転状態に応じた可変ノズルベーン１６ｂの開度が演算される。なお、可変ノズルベーン１６ｂの開度は、低負荷のときに全閉に設定され、高負荷になるに従って徐々に全開方向になるように設定される。そして、ステップ１５において、演算された可変ノズルベーン１６ｂの開度に基づいてアクチュエータ１６ｃが駆動制御されると共に、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１４及びステップ１５の処理が、制御手段に該当する。
【００３６】ステップ１６では、ＥＧＲを中止する制御が実行される。即ち、可変ノズルベーン１６ｂの開度を全開にすべく、アクチュエータ１６ｃが駆動制御されると共に、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。なお、ＥＧＲを中止するときに可変ノズルベーン１６ｂの開度を全開にするのは、中〜高負荷時におけるターボチャージャにより機関出力向上を担保するためである。
【００３７】以上説明したステップ１１〜ステップ１６の処理によれば、コンプレッサ１６に設けられた可変ノズルベーン１６ｂにより吸気通路１２内の吸気が絞られ、その結果、吸気通路１２内に負圧が発生する。そして、吸気通路１２内に発生する負圧は、可変ノズルベーン１６ｂの開度に応じて多段階に制御されるため、機関運転状態に応じた最適なＥＧＲ率でもってＥＧＲが行なわれることとなり、ＮＯｘ排出量をさらに低減することができる。この場合、吸気通路１２内には、先の実施形態のような吸気絞り弁が介装されていないため、吸気流の乱れ、吸気抵抗の増大を招くことはない。他の作用・効果に関しては、先の実施形態と同様であるので、その説明は省略する。
【００３８】なお、以上の実施形態では、ＥＧＲ装置をディーゼル機関に適用した例を説明したが、本発明に係るＥＧＲ装置は、例えば、筒内直接噴射式内燃機関のような吸気通路にスロットル弁を有しない内燃機関にも適用可能である。
【００３９】
【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、吸気流の乱れ，コスト上昇及び吸気抵抗の増大を防止しつつ、低負荷運転時におけるＮＯｘ排出量を低減することができる。
【００４０】請求項２記載の発明によれば、装置の信頼性及び耐久性を向上することができる。請求項３記載の発明によれば、吸気流の乱れ、吸気抵抗の増大を防止することができる。また、機関運転状態に応じた最適な排気還流率をもって排気還流が行なわれることとなり、ＮＯｘ排出量をさらに低減することができる。
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| 【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
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| 【出願日】 |
平成１２年２月１日（２０００．２．１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７８３３０
【弁理士】
【氏名又は名称】笹島 富二雄
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２１４８１４（Ｐ２００１−２１４８１４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年８月１０日（２００１．８．１０） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−２３６５５（Ｐ２０００−２３６５５） |
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