(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＥＧＲ装置付エンジンにおいて、
タービン(12)にノズル面積を可変とする可動ベーン(13)を備えた可変容量ターボチャージャ(10)と、
排気管(23)の管路に設けたＮＯｘ還元触媒(25)を有する排気後処理手段(24)と、
前記可動ベーン(13)の開度制御による、吸気マニホールド(2)内圧力と排気マニホールド(3)内圧力との圧力差制御と、ＥＧＲ量を制御するＥＧＲバルブ(3)の開度制御によるＥＧＲ量制御とにより、前記排気後処理手段(24)の入口ガス温度がＮＯｘ還元触媒(25)の活性温度域に入るように、前記排気後処理手段(24)の入口ガス温度がＮＯｘ還元触媒(25)の活性温度域に対して高いか低いかを判断し、高い場合には、タービン(12)のノズル面積が最小か否かを判定し、最小であれば、ＥＧＲバルブ開度を低減し、最小でなければ、可変容量ターボチャージャ(10)の回転数が許容値以下か否か判断し、許容値以下であれば、可動ベーン(13)の開度を低減し、許容値以下でなければ、ＥＧＲバルブ開度を低減し、前記入口ガス温度が活性温度域に対して低い場合には、タービン(12)のノズル面積が最大か否かを判定し、最大であれば、ＥＧＲバルブ開度を増大し、最大でなければ、可動ベーン(13)の開度を増大する排気浄化制御手段(40)とを有する
ことを特徴とするＥＧＲ装置付エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＥＧＲ装置付エンジンに関し、特には可変ターボチャージャを備えたＥＧＲ装置付エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関が発生する排気ガスの有害成分を低減するために、排気ガスの一部を吸気側に還流させて未燃成分を含む排気ガスの再燃焼を図って、排気エミッションを改善する排気再循環（以下ＥＧＲと称す）装置が知られている。ＥＧＲ装置はターボチャージャ付きエンジンにおいては、ターボチャージャのコンプレッサの下流側と、排圧が高圧に維持される排気タービンの上流側とを連通するのが一般的である。また、更に排気ガスを浄化するために、排気管路に排気後処理装置を設けたものもある。
【０００３】
エンジン低負荷領域においては排気温度が低いため、ＥＧＲ量を多くして有害排気ガスを低減することが可能である。しかしながら、ターボチャージャ付エンジンの低負荷域においては、多量の吸気量が供給されるためターボチャージャは正ブースト（コンプッレサ出口圧が、タービンに供給される排圧より高い状態を言う）になり、ＥＧＲが不可能な場合がある。そのために、ターボチャージャを可変容量型とし、逆ブースト（タービンに供給される排圧が、コンプレッサ出口圧より高い状態を言う）になるようにターボチャージャの可変ベーンの開度を制御する方法が取られている。一般に逆ブーストにするには、可変容量ターボチャージャのノズル面積を変える可動ベーンを閉じ、ノズル面積を小さくしてエンジン排気マニホールド内の排圧を高くすることが行われている。この制御を行う方法としてはいくつかの提案がなされているが、その一例として特願平８−２７０４５４号公報に開示されたものがある。
【０００４】
特願平８−２７０４５４号公報に開示されたものは、排気再循環装置と、可変容量ターボチャージャとを備えたエンジンにおいて、エンジンの運転状態検出手段を備えている。また、エンジンの運転状態と、エンジンの運転状態に応じた適切な排気還流量を実現する、可変容量ターボチャージャの可変ベーンの開度との関係を記憶するベーン開度記憶手段を備えている。そして、ベーン開度記憶手段の記憶内容、及び運転状態検出結果に基づいて、可変ベーンの開閉制御を行う。その結果、精度良く、エンジンの運転状態に対して要求される排気還流量を実現することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記制御においては、排気還流を行うために逆ブーストにする場合、低負荷域においては可変容量ターボチャージャの可変ベーンを絞ってノズル面積を小さくし、排圧をコンプレッサ出口圧より高圧にしている。そのため、排気タービン内の排圧は高圧となり、コンプレッサの空気排出量は増大する。したがって、エンジンの吸入空気は多量になり、ＥＧＲを行っても効果が少なくなるとともに、排圧が高圧であるためポンピングロスが増大し、エンジン効率が低下するという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、エンジンの通常運転全域において、エンジン効率を低下させることなく、排気ガス清浄化機能を十分に発揮可能な、可変ターボチャージャを備えたＥＧＲ装置付エンジンを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】

【０００９】
上記の目的を達成するために、第１発明は、ＥＧＲ装置付エンジンにおいて、タービンにノズル面積を可変とする可動ベーンを備えた可変容量ターボチャージャと、排気管の管路に設けたＮＯｘ還元触媒を有する排気後処理手段と、前記可動ベーンの開度制御による、吸気マニホールド内圧力と排気マニホールド内圧力との圧力差制御と、ＥＧＲ量を制御するＥＧＲバルブの開度制御によるＥＧＲ量制御とにより、前記排気後処理手段の入口ガス温度がＮＯｘ還元触媒の活性温度域に入るように、前記排気後処理手段の入口ガス温度がＮＯｘ還元触媒の活性温度域に対して高いか低いかを判断し、高い場合には、タービンのノズル面積が最小か否かを判定し、最小であれば、ＥＧＲバルブ開度を低減し、最小でなければ、可変容量ターボチャージャの回転数が許容値以下か否か判断し、許容値以下であれば、可動ベーンの開度を低減し、許容値以下でなければ、ＥＧＲバルブ開度を低減し、前記入口ガス温度が活性温度域に対して低い場合には、タービンのノズル面積が最大か否かを判定し、最大であれば、ＥＧＲバルブ開度を増大し、最大でなければ、可動ベーンの開度を増大する排気浄化制御手段とを有する構成としている。
【００１０】
第１発明によると、排気管路にＮＯｘ還元触媒を有する排気後処理手段を設け、可動ベーン開度とＥＧＲ量とを制御することにより、排気後処理手段の入口ガス温度をＮＯｘ還元触媒の活性温度域に入るようにすることができる。したがって、ＮＯｘ還元触媒が有効に働く、効率の良い状態で使用でき、排気ガスは効率的に浄化される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るＥＧＲ装置付エンジンの実施形態について、図面を参照して詳述する。
【００１２】
図１は、排気浄化制御手段４０を備えたＥＧＲ装置付エンジン１の概略構成図である。図１において、エンジン１はコンプレッサ１１と図示しない可動ベーンを有するタービン１２とよりなる可変容量ターボチャージャ１０を備えている。コンプレッサ１１の吸入口には吸気管２０が接続され、コンプレッサ１１の吐出口とエンジン１の吸気マニホールド２とは、供給管２１によりアフタークーラ２２を介して接続されている。エンジン１の排気マニホールド３にはタービン１２の吸入口が接続され、タービン１２の吐出口には排気管２３が接続されている。排気管２３には排気後処理手段２４である、炭化水素を還元剤とするＮＯｘ還元触媒２５が設けられている。なお、還元剤は尿素系のものであってもよい。これらＮＯｘ還元触媒２５は十分な働きをするための活性温度域を有している。また、酸素濃度が１０％以下になるとＮＯｘ還元触媒は有効に働く。供給管２１と排気マニホールド３とは再循環回路３１によりＥＧＲクーラ３２を介して接続され、再循環回路３１にはＥＧＲバルブ３３が介装され、ＥＲＧ装置３０を構成している。
【００１３】
次に排気浄化制御装置４０の構成について説明する。コントローラ４１はエンジン１の燃料噴射ポンプ４に設けられた燃料噴射量検出器５、エンジン回転数検出器６、ラジエータ７に設けられた水温検出器８、排気管２３に設けられた温度検出器２６、及びＯ2 センサ２７、可変容量ターボチャージャ１０に設けられたターボ回転数検出器１７、及び可動ベーンの開度を検出するベーン開度検出器１８に接続し、それぞれから検出値を入力する。そして、タービン１２に設けられた図示しない可動ベーン駆動装置、及びＥＧＲバルブ３３に接続し、それぞれに制御信号を出力するようになっている。
【００１４】
排気浄化制御装置４０はベーン開度制御手段４０ａと、ＥＧＲ量制御手段４０ｂとを有している。ベーン開度制御手段４０ａは、コントローラ４１と、燃料噴射量検出器５と、エンジン回転数検出器６と、タービン１２の可動ベーン駆動装置と、ベーン開度検出器１８とで構成されている。ＥＧＲ量制御手段４０ｂは、コントローラ４１と、燃料噴射量検出器５と、エンジン回転数検出器６と、ＥＧＲバルブ３３と、図示しないＥＧＲバルブ駆動手段、図示しないＥＧＲバルブ開度検出手段とで構成されている。
【００１５】
図２はタービン１２に設けられた可動ベーン１３の回動状態を示す概略図であり、図７に示す従来のものと比較しながら説明する。図２、図７において、複数個の可動ベーン１３は、タービン翼１５の外周に所定の間隔で、駆動軸１４を中心として回動可能に取付けられている。各駆動軸１４は、コントローラ４０からの制御信号により、図示しない駆動装置によって連動して回動される。２点鎖線は全閉状態、すなわちノズル１６の開口面積最少、実線は全開状態、すなわちノズル１６の開口面積最大の状態を示している。タービン翼１５に流入する排気ガスは、図示しないタービンハウジングのスクロールによって決まる、矢印に示す一定方向から流入する。図７において、従来のものの可動ベーン１３の回動角度βは例えば１５°であり、全閉と全開との中間状態では排気ガスの流れは可動ベーン１３にほぼ平行で、タービン効率は最も良い。全閉、全開位置では排気ガスの流れは乱され、僅かに剥離現象を発生するため、タービン効率はやや低下する。
【００１６】
図２において、本発明の可動ベーン１３の回動角度αは例えば３０°で、開側の角度が従来のものより大きくなっている。そのため、全開位置においては可動ベーン１３の背面側に剥離現象ａが発生し、タービン効率が大幅に低下する。
【００１７】
図３は本発明の可動ベーン１３を回動させた場合のノズル開度と、タービン効率との関係を示すグラフである。図３において、縦軸はタービン効率、横軸はノズル開度であり、開度０％は可動ベーン全閉状態、開度１００％は可動ベーン全開状態である。図に示すように、図２の２点鎖線に示すノズル開度０％では、前述のように排気ガスの流れを僅かに乱すため、タービン効率は少し低下する。ノズル開度ほぼ６０％ではタービン効率は最大となり、ノズル開度１００％では前述のように剥離現象によりタービン効率は大幅に低下する。ノズル開度がほぼ１００％の状態ではタービン効率が極端に悪いため、コンプレッサ１１の排出空気量は少なくなり、コンプレッサ１１の出口圧は排圧より低くなって逆ブーストになる。
【００１８】
図４は、エンジン負荷とノズル開度との関係を示す可変ターボベーン開度マップであり、縦軸は負荷、横軸はエンジン回転数を示し、図中の％は可動ベーン１３の開度を示し、０％は全閉、１００％は全開である。図４に示すように、エンジン低負荷域においてはノズル開度をほぼ１００％にして逆ブースト状態になるように設定されている。エンジン高負荷域においては、排圧が高いため、ノズル開度を小さくしてタービン仕事を上昇させ、コンプレッサ１１の排出空気量を増大させる。
【００１９】
図５は、エンジン負荷とＥＧＲバルブ開度との関係を示すＥＧＲバルブ開度マップである。縦軸は負荷、横軸はエンジン回転数を示し、図中の％はＥＧＲバルブ３３の開度を示す。図５に示すように、エンジン低負荷域においては、ＥＧＲバルブ開度をほぼ１００％にしてＥＧＲ量を増大し、排気エミッションを改善するとともに排気温度を上昇させる。
【００２０】
以下にＥＲＧによる排気ガス清浄化制御について説明する。
１）ベーン開度制御手段４０ａによる制御
コントローラ４０は燃料噴射量検出器５からの検出信号を入力してエンジン負荷を演算し、エンジン回転数検出器６からエンジン回転数検出値を入力して可変ターボベーン開度マップからベーン開度を設定する。
２）ＥＧＲ量制御手段４０ｂによる制御
コントローラ４０は燃料噴射量検出器５からの検出信号を入力してエンジン負荷を演算し、エンジン回転数検出器６からエンジン回転数検出値を入力してＥＧＲバルブ開度マップからＥＧＲバルブ開度を設定する。
図４の可変ターボベーン開度マップ及び図５のＥＧＲバルブ開度マップに示すように、エンジン低負荷時にはベーン開度及びＥＧＲバルブ開度はほぼ１００％に設定される。その結果、タービン効率は低下し、コンプレッサ１１の出口圧は低下するため逆ブーストになり、ＥＧＲが十分に行われ、排気ガスは浄化される。エンジン負荷が増大するに従い、可変ターボベーン開度マップに基づいてノズル開度を小さくしてタービン仕事を上昇させ、コンプレッサ１１から多量の空気をエンジンに供給させる。同時にＥＧＲバルブ開度マップに基づいてＥＧＲバルブ開度を低減し、排気温度の過大な上昇やスモークの発生を防止する。エンジン高負荷域においてはノズル閉側でタービン効率を低下させ、逆ブースト状態にしてＥＧＲを行う。したがって、通常運転全域にわたり適切なＥＧＲが行われ、排気ガスは確実に浄化される。
【００２１】
次に、ＮＯＸ還元触媒２５の入口温度を活性温度域に保持するための制御方法について、図６のフローチャートを参照して詳述する。
１）ステップ５１でコントローラ４０は、可変ターボベーン開度マップを読み込む。
２）ステップ５２でコントローラ４０は、ＥＧＲバルブ開度マップを読み込む。
３）ステップ５３でコントローラ４０は、ＮＯＸ還元触媒２５の活性温度域を記憶する。
４）ステップ５４でコントローラ４０は、燃料噴射量検出器５及びエンジン回転数検出器６から検出値を入力し、エンジン負荷を演算する。
５）ステップ５５でコントローラ４０は、エンジン負荷とエンジン回転数に基づき、図５のＥＧＲバルブ開度マップからＥＧＲバルブ開度を設定する。
６）ステップ５６でコントローラ４０は、エンジン負荷とエンジン回転数に基づき、図４の可変ターボベーン開度マップからノズル開度を設定する。
７）ステップ５７でコントローラ４０は、温度検出器７が検出したＮＯｘ還元触媒２５入口温度を入力する。
８）ステップ５８でコントローラ４０は、ＮＯｘ還元触媒２５入口温度が活性温度域内に有るか否かを判定し、ＹＥＳの場合にはステップ５４の前に戻る。
９）ステップ５８でＮＯの場合にはステップ５９に進み、コントローラ４０はＮＯｘ還元触媒２５入口温度が活性温度域に対して高いか否かを判定し、ＹＥＳの場合にはステップ６０に進む。
１０）ステップ６０でコントローラ４０は、ベーン開度検出器１８からの検出値を入力してノズル面積が最小か否かを判定し、ＹＥＳの場合にはステップ６１に進む。
１１）ステップ６１でコントローラ４０はＥＧＲバルブ３３に制御信号を出力し、ＥＧＲバルブ開度を低減する。その結果、ＥＧＲ量は減少して排気温度は低下する。その後ステップ５４の前に戻る。
１２）ステップ５９でＮＯの場合には、ＮＯｘ還元触媒２５入口温度は活性温度域より低いのでステップ６２に進み、コントローラ４０はベーン開度検出器１８からの検出値を入力してノズル面積が最大か否かを判定し、ＹＥＳの場合にはステップ６３に進む。
１３）ステップ６３でコントローラ４０はＥＧＲバルブ３３に制御信号を出力し、ＥＧＲバルブ開度を増大する。その結果、ＥＧＲ量は増大して排気温度は上昇する。その後ステップ５４の前に戻る。
１４）ステップ６２でＮＯの場合にはステップ６４に進み、コントローラ４０は可変容量ターボチャージャ１０に制御信号を出力し、可動ベーン１３の開度を増大する。その結果、タービン効率が低下してコンプレッサ１１の排出空気量が減少し、相対的にＥＧＲ量が増大して排気温度は上昇する。その後ステップ５４の前に戻る。
１５）ステップ６０でＮＯの場合にはステップ６５に進み、コントローラ４０はターボ回転検出器１７から検出値を入力し、可変容量ターボチャージャ１０の回転数が許容値以下か否かを判定する。ＹＥＳの場合にはステップ６６に進む。
１６）ステップ６６でコントローラ４０は、可変容量ターボチャージャ１０に制御信号を出力し、可動ベーン１３の開度を低減する。その結果、タービン仕事が増大してコンプレッサ１１の排出空気量が増大し、排気温度は低下する。その後ステップ５４の前に戻る。
１７）ステップ６５でＮＯの場合にはステップ６１に進み、コントローラ４０はＥＧＲバルブ３３に制御信号を出力し、ＥＧＲバルブ開度を低減する。その結果、ＥＧＲ量は減少して排気温度は低下する。その後ステップ５４の前に戻る。
【００２２】
上記の制御以外に、コントローラ４０はＯ2 センサ８の検出値を入力し、Ｏ2 濃度を算出してＯ2 濃度が１０％以下になるように、可動ベーン１３の開度を制御して吸気マニホールド２内の圧力と、排気マニホールド３内の圧力との圧力差を制御するとともに、ＥＧＲバルブ３３の開度を制御する。これによりＮＯｘ還元触媒２５を有効に働かせることができる。
【００２３】
また、コントローラ４０は水温検出器８の検出値を入力し、エンジン水温が所定の値より低い場合には可動ベーン１３の開度を全閉に近い所定の開度にし、エンジン水温の上昇に応じて可動ベーン１３の開度を開く。その結果、始動時に可動ベーン１３の開度をより閉じ側にセットするので排気絞りの効果があり、冷たい空気流量を少なくできると共に、暖かい排気ガスをシリンダ内に残し易く、エンジンの始動性を向上することができる。また、水温の上昇に合わせて可動ベーン１３の開度を開くので、暖機条件を最適にすることができる。
【００２４】
本発明のＥＧＲ装置付エンジンは上記のような構成にしたため、以下のような効果が得られる。
１）エンジン低負荷域において、タービン効率を低下することにより逆ブーストにして確実にＥＧＲを行うことができ、良好な排気エミッションが得られる。また、エンジン低負荷域において逆ブーストにするために排気圧を高圧にする必要が無いため、ポンピングロスが少なく、エンジン効率を向上することができる。
２）通常運転全域において排気処理手段入口の排気ガス温度を常にＮＯｘ還元触媒の活性温度内に入るように制御できるため、排気ガスの浄化が適切に行われる。
３）排気ガスのＯ2 濃度を１０％以下になるように制御することにより、ＮＯｘ触媒を有効に作用させ、排気ガス中のＮＯｘを低減できる。
４）エンジン水温に応じて可変ターボチャージャの可動ベーン開度を制御することにより、エンジンの始動性及び暖機条件を最適にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排気浄化制御手段を備えたＥＧＲ装置付エンジンの構成図である。
【図２】本発明のＥＧＲ装置付エンジンの、可変容量ターボチャージャの、可動ベーンの作動状況の説明図である。
【図３】本発明のＥＧＲ装置付エンジンの、可変容量ターボチャージャのタービン効率のグラフである。
【図４】本発明のＥＧＲ装置付エンジンの、排気浄化制御のための、エンジン負荷とノズル開度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明のＥＧＲ装置付エンジンの、排気浄化制御のための、エンジン負荷とＥＧＲバルブ開度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の排気後処理手段入口ガス温度制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図７】従来の可変容量ターボチャージャの、可動ベーンの作動状況の説明図である。
【符号の説明】
１…エンジン、２…吸気マニホールド、３…排気マニホールド、４…燃料噴射ポンプ、５…燃料噴射量検出器、６…エンジン回転数検出器、１０…可変容量ターボチャージャ、１１…コンプレッサ、１２…タービン、１３…可動ベーン、１７…ターボ回転数検出器、１８…ベーン開度検出器、２４…排気後処理手段、２５…ＮＯｘ還元触媒、２６…温度検出器、２７…Ｏ2 センサ、３０…ＥＧＲ装置、３１…再循環回路、３３…ＥＧＲバルブ、４０…排気浄化制御手段、４０ａ…ベーン開度制御手段、４０ｂ…ＥＧＲ量制御手段、４１…コントローラ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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