(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関運転状態により定まる必要燃料噴射量に対して目標空燃比が実現されるように、ターボチャージャ及び排気再循環装置を制御する内燃機関において、実際の空燃比が前記目標空燃比よりリッチである時には、前記ターボチャージャによる過給圧を高める制御を実施して所定時間経過後に前記排気再循環装置による再循環排気ガス量を減少させる制御を実施するか、又は、前記排気再循環装置の制御速度を前記ターボチャージャの制御速度より小さくして前記排気再循環装置による再循環排気ガス量を減少させる制御及び前記ターボチャージャによる過給圧を高める制御を実施することを特徴とするターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関。
【請求項２】
実際の空燃比が前記目標空燃比よりリーンである時には、前記排気再循環装置による再循環排気ガス量を増加させる制御を実施して所定時間経過後に前記ターボチャージャによる過給圧を下げる制御を実施するか、又は、前記ターボチャージャの制御速度を前記排気再循環装置の制御速度より小さくして前記ターボチャージャによる過給圧を下げる制御及び前記排気再循環装置による再循環排気ガス量を増加させる制御を実施することを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気ガスの一部を気筒内へ再循環させることにより、排気ガスの主成分である不活性ガスの有する大きな熱容量によって燃焼温度を低下させ、ＮＯx の発生量を低減する排気再循環が公知である。再循環させる排気ガス量が多ければ、ＮＯx の発生量を大幅に低減することができるが、その一方で新気が気筒内へ流入し難くなって新気量が減少するために、多量の燃料を燃焼させることができず、大きな機関出力を得ることができない。排気再循環を実現するための排気再循環装置は、機関排気系と機関吸気系とを連通する連通路と、この連通路に配置された再循環排気ガス量を制御するための制御弁とを具備している。
【０００３】
特開平２−６１３４７号公報には、各機関運転状態において必要とされる機関出力を得るための必要燃料噴射量を決定し、この時の機関運転状態における目標空燃比を実現するために、制御弁の開度制御により再循環排気ガス量を調整して必要新気量が気筒内へ供給されるようにすることが開示されている。ここで、空燃比とは新気量／燃料噴射量である。
【０００４】
また、実開平３−６１１２７号公報には、過給器タービンへ提供される排気ガス圧力を可変とするための可変ノズルを具備して過給器コンプレッサによる過給圧を制御する可変ノズル式ターボチャージャを備える内燃機関において、機関運転状態毎の目標空燃比を実現するために、可変ノズルの開度制御により過給圧を調整して、必要燃料噴射量に対する必要新気量が気筒内へ供給されるようにすることが開示されている。
また、一般にターボチャージャを備える内燃機関の過給圧は、ターボチャージャをバイパスするバイパス通路に設けられたウエストゲートバルブの開度を調整することでも調整可能であることが知られている。
【０００５】
排気再循環装置の制御弁の開度制御及びターボチャージャの可変ノズル又はウエストゲートバルブの開度制御は、一般的に、早期に目標空燃比を実現するために、実際の空燃比と目標空燃比との差が大きいほど開閉速度が大きくされる。内燃機関がこのような排気再循環装置とターボチャージャとを備える場合に、目標空燃比を実現するために前述した制御弁及び可変ノズル又はウエストゲートバルブの開度制御をそのまま実施すると、実際の空燃比が目標空燃比よりリッチである時には、新気量を増加するために、排気再循環装置の制御弁は、実際の空燃比と目標空燃比との差に基づく開閉速度で閉側に制御されて再循環排気ガス量が減少されると共に、ターボチャージャの可変ノズル又はウエストゲートバルブは、実際の空燃比と目標空燃比との差に基づく開閉速度で閉側に制御されて過給圧が増加されることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、排気再循環装置に関しては、制御弁の開度に比較的良好に追従して再循環排気ガス量が変化するが、可変ノズル又はウエストゲートバルブを備えたターボチャージャに関しては、タービン及びコンプレッサの比較的大きな慣性力が存在するために、可変ノズル又はウエストゲートバルブの開度が変化してから実際に過給圧が変化するまでに比較的大きなタイムラグが発生する。それにより、前述の制御では新気量を増加させる際には、再循環排気ガス量が大幅に減少し、十分なＮＯx 低減を実現することができない。
【０００７】
従って、本発明の目的は、ターボチャージャ及び排気再循環装置を備え、機関運転状態により定まる必要燃料噴射量に対して目標空燃比が実現されるように、ターボチャージャ及び排気再循環装置を制御する内燃機関において、実際の空燃比が目標空燃比よりリッチで新気量を増加させる際にＮＯx 発生量を十分に低減させることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載のターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関は、機関運転状態により定まる必要燃料噴射量に対して目標空燃比が実現されるように、ターボチャージャ及び排気再循環装置を制御する内燃機関において、実際の空燃比が前記目標空燃比よりリッチである時には、前記ターボチャージャによる過給圧を高める制御を実施して所定時間経過後に前記排気再循環装置による再循環排気ガス量を減少させる制御を実施するか、又は、前記排気再循環装置の制御速度を前記ターボチャージャの制御速度より小さくして前記排気再循環装置による再循環排気ガス量を減少させる制御及び前記ターボチャージャによる過給圧を高める制御を実施することを特徴とする。
【０００９】
本発明による請求項２に記載のターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関は、請求項１に記載のターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関において、実際の空燃比が前記目標空燃比よりリーンである時には、前記排気再循環装置による再循環排気ガス量を増加させる制御を実施して所定時間経過後に前記ターボチャージャによる過給圧を下げる制御を実施するか、又は、前記ターボチャージャの制御速度を前記排気再循環装置の制御速度より小さくして前記ターボチャージャによる過給圧を下げる制御及び前記排気再循環装置による再循環排気ガス量を増加させる制御を実施することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明によるターボチャージャ及び排気再循環装置を備えた内燃機関を示す概略図である。同図において、１はディーゼル機関本体、２は機関吸気系、３は機関排気系である。機関吸気系２は、最も下流側に位置するインテークマニホルド２ａと、インテークマニホルド２ａの直上流側に位置するサージタンク２ｂと、サージタンク２ｂに接続された吸気通路２ｃとを有している。
【００１１】
機関排気系３は、最も上流側に位置するエキゾーストマニホルド３ａと、エキゾーストマニホルド３ａに接続された排気通路３ｂとを有している。吸気通路２ｃと排気通路３ｂとは、排気再循環通路４ａによって接続され、この排気再循環通路４ａには再循環排気ガス量を制御するための制御弁４ｂが設けられている。こうして、排気再循環通路４ａと制御弁４ｂとによって排気再循環装置が構成される。また、吸気通路２ｃにおける排気再循環通路４ａの接続部より上流側には、可変ノズル式過給器５のコンプレッサ５ａが配置され、排気通路３ｂの排気再循環通路４ａの接続部より下流側には、可変ノズル式過給器５のタービン５ｂが配置されている。この可変ノズル式過給器５は、タービンへ流入する排気ガスの圧力を制御するための可変ノズル５ｃを有している。
【００１２】
６は各気筒毎の燃焼室内へ燃料を噴射するための燃料噴射弁である。２０は、燃料噴射弁６における燃料噴射量制御、排気再循環装置４における制御弁４ｂの開度制御、及び可変ノズル式過給器５における可変ノズル５ｃの開度制御を担当する制御装置である。この制御装置２０には、機関回転数を検出するための回転センサ２１、アクセルペダルの踏み込み量を検出するためのアクセルペダルストロークセンサ２２、新気量を検出するためのエアフローメータ２３、及び排気通路３ｂに配置され排気ガス中の酸素濃度に基づき混合気空燃比を検出するための空燃比センサ２４等が接続されている。
【００１３】
制御装置２０による前述の制御は、できるだけＮＯx を発生させないようにして各機関運転状態における所望の機関出力を得るためのものであり、図２に示す第１フローチャートに従って実行される。まず、ステップ１０１において、回転センサ２１及びアクセルペダルストロークセンサ２２によって現在の機関回転数ＮＥ及び現在の機関負荷としてのアクセルペダルの踏み込み量Ｌが検出される。
【００１４】
次に、ステップ１０２において、機関回転数ＮＥ及び機関負荷Ｌとに基づき必要燃料噴射量Ｑが決定される。この決定には図示せぬマップ等が使用され、機関回転数ＮＥ及び機関負荷Ｌが高いほど必要燃料噴射量Ｑは多く決定される。次に、ステップ１０３に進み、機関回転数ＮＥ及び機関負荷Ｌに基づく現在の機関運転状態に適した目標空燃比λｔが決定される。このマップにおいて、目標空燃比λｔは、全体的に機関負荷Ｌが高いほど小さく、すなわち、リッチ側となるように設定されている。
【００１５】
次に、ステップ１０４において、エアフローメータ２３により検出される新気量と必要燃料噴射量Ｑとによって実際の空燃比λ（新気量／必要燃料噴射量）が算出される。このような算出に換えて、空燃比センサ２４によって実際の空燃比λを検出しても良い。
【００１６】
次に、ステップ１０５に進み、目標空燃比λｔと実際の空燃比λとの差ａが算出される。次に、ステップ１０６において、この差ａに基づき図５に示すマップから可変ノズル式過給器５の可変ノズル５ｃ及び排気再循環装置４の制御弁４ｂの開閉速度ｖが決定される。この開閉速度ｖは、例えば、単位時間当たりの開閉度（％／ｓ）である。図５に示すマップにおいて、この開閉速度ｖは、差ａが正値である場合、すなわち、実際の空燃比λが目標空燃比λｔよりリーンである場合には、開速度として正値となり、実際の空燃比λの目標空燃比λｔに対するリーン程度が大きいほど、その絶対値は大きく、すなわち、早い開速度が設定されている。また、差ａが負値である場合、すなわち、実際の空燃比λが目標空燃比λｔよりリッチである場合には、閉速度として負値となり、実際の空燃比λの目標空燃比λｔに対するリッチ程度が大きいほど、その絶対値は大きく、すなわち、早い閉速度が設定されている。
【００１７】
次に、ステップ１０７において、差ａがほぼゼロであるか否かが判断される。この判断が肯定される時には、ほぼ目標空燃比λｔが実現されており、可変ノズル式過給器５の可変ノズル５ｃ及び排気再循環装置４の制御弁４ｂの開度を特に変更する必要はなく、そのまま終了する。
【００１８】
一方、ステップ１０７における判断が否定される時には、ステップ１０８に進み、差ａが正であるか否かが判断される。機関加速時等において必要燃料噴射量Ｑに対して新気量が不足し、実際の空燃比λが目標空燃比λｔに対してリッチとなっている時には、ステップ１０６において決定された開閉速度ｖは、負値の閉速度とされており、可変ノズル式過給器５の可変ノズル５ｃは閉側に制御されて過給圧が高められ、排気再循環装置４の制御弁４ｂは閉側に制御されて再循環排気ガス量が減少され、新気量を増大させるようになっている。この時には、ステップ１０８における判断は否定され、ステップ１０９に進み、所定時間、排気再循環装置４の制御弁４ｂの閉側への制御が中止される。それにより、当初、可変ノズル式過給器５の可変ノズル５ｃだけが閉側に閉速度ｖ（負値）で制御され、過給圧が高められて新気量が増大される。所定時間経過後、排気再循環装置４の制御弁４ｂが閉側に閉速度ｖ（負値）で制御され、再循環排気ガス量が減少されて新気量が増大される。
【００１９】
こうして、実際の空燃比λが目標空燃比λｔに対してリッチであるために新気量を増大させる時には、所定時間の間は、応答良く再循環排気ガス量を減少させる排気再循環装置４の制御弁４ｂの閉制御を中止して、過給圧を高めるのにある程度のタイムラグが必要な可変ノズル式過給器５の可変ノズル５ｃの閉制御だけを実行するために、すなわち、可変ノズル５ｃを制御弁４ｂに比較して優先的に閉制御するために、目標空燃比λｔを実現するために大幅に再循環排気ガス量が減少され、ＮＯx が多量に発生することは防止される。
【００２０】
一方、機関減速時等において必要燃料噴射量Ｑに対して新気量が過剰となり、実際の空燃比λが目標空燃比λｔに対してリーンとなっている時には、ステップ１０６において決定された開閉速度ｖは、正値の開速度とされており、可変ノズル式過給器５の可変ノズル５ｃは開側に制御されて過給圧が下げられ、排気再循環装置４の制御弁４ｂは開側に制御されて再循環排気ガス量が増加され、新気量を減少させるようになっている。この時には、ステップ１０８における判断は肯定され、ステップ１１０に進み、所定時間、可変ノズル式過給器５の可変ノズル５ｃの開側への制御が中止される。それにより、当初、排気再循環装置４の制御弁４ｂだけが開側に開速度ｖ（正値）で制御され、再循環排気ガス量が増加されて新気量が減少される。所定時間経過後、可変ノズル式過給器５の可変ノズル５ｃが開側に開速度ｖ（正値）で制御され、過給圧が下げられて新気量が減少される。
【００２１】
こうして、実際の空燃比λが目標空燃比λｔに対してリーンであるために新気量を減少させる時には、所定時間の間は、過給圧を下げるのにある程度のタイムラグが必要な可変ノズル式過給器５の可変ノズル５ｃの開制御を中止して、応答良く再循環排気ガス量を増加させる排気再循環装置４の制御弁４ｂの開制御だけを実行するために、すなわち、制御弁４ｂを可変ノズル５ｃに比較して優先的に開制御するために、目標空燃比λｔを実現するために比較的多量の再循環排気ガスが供給され、ＮＯx 発生量を十分に低減することができると共に、可変ノズル式過給器５のタービン５ａ及びコンプレッサ５ｂは高回転に維持され、次の機関加速に対して良好に新気量を増大させることができる。
【００２２】
図３は、制御装置２０による前述の制御のための第１フローチャートとは異なる第２フローチャートである。第１フローチャートとの違いについてのみ以下に説明する。本フローチャートでは、ステップ２０５において、実際の空燃比λと目標空燃比λｔとの差ａが算出された後に、ステップ２０６に進み、図６に示す点線及び一点鎖線のマップからそれぞれ排気再循環装置４の制御弁４ｂの開閉速度ｖ１と可変ノズル式過給器５の可変ノズル５ｃの開閉速度ｖ２とを決定するようになっている。
【００２３】
図５に示したマップでは、差ａに基づき決定される開閉速度ｖは、制御弁４ｂと可変ノズル５ｃとで同じ値とされている。しかしながら、図６に示す本マップでは、実際の空燃比λが目標空燃比λｔに対してリーンである場合には、制御弁４ｂの開速度ｖ１は可変ノズル５ｃの開速度ｖ２より大きく設定されており、実際の空燃比λが目標空燃比λｔに対してリッチである場合には、制御弁４ｂの閉速度ｖ１は可変ノズル５ｃの閉速度ｖ２より小さく設定されている。
【００２４】
このようにしても、実際の空燃比λが目標空燃比λｔに対してリッチであるために新気量を増大させる時には、応答良く再循環排気ガス量を減少させる排気再循環装置４の制御弁４ｂを遅い速度で閉制御して、過給圧を高めるのにある程度のタイムラグが必要な可変ノズル式過給器５の可変ノズル５ｃを速い速度で閉制御するために、すなわち、第１フローチャートと同様に、可変ノズル５ｃを制御弁４ｂに比較して優先的に閉制御するために、目標空燃比λｔを実現するために大幅に再循環排気ガス量が減少され、ＮＯx が多量に発生することは防止される。
【００２５】
また、実際の空燃比λが目標空燃比λｔに対してリーンであるために新気量を減少させる時には、過給圧を下げるのにある程度のタイムラグが必要な可変ノズル式過給器５の可変ノズル５ｃを遅い速度で開制御して、応答良く再循環排気ガス量を増加させる排気再循環装置４の制御弁４ｂを速い速度で開制御するために、すなわち、第１フローチャートと同様に、制御弁４ｂを可変ノズル５ｃに比較して優先的に開制御するために、目標空燃比λｔを実現するために比較的多量の再循環排気ガスが供給され、ＮＯx 発生量を十分に低減することができると共に、可変ノズル式過給器５のタービン５ａ及びコンプレッサ５ｂは高回転に維持され、次の機関加速に対して良好に新気量を増大させることができる。本実施形態の内燃機関は、ディーゼル機関としたが、これは本発明を限定するものではなく、火花点火内燃機関にも本発明は適用可能である。また、ターボチャージャとして可変ノズル式過給器としたが、可変ノズルの代わりにウエストゲートバルブを制御すればウエストゲートバルブを備えた一般のターボチャージャにも本発明は適用可能である。
【００２６】
【発明の効果】
このように、本発明による請求項１に記載のターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関によれば、実際の空燃比が目標空燃比よりリッチであるために新気量を増加させる際には、ターボチャージャによる過給圧を高める制御を実施して所定時間経過後に排気再循環装置による再循環排気ガス量を減少させる制御を実施するか、又は、前記排気再循環装置の制御速度を前記ターボチャージャの制御速度より小さくして前記排気再循環装置による排気ガス量を減少させる制御及び前記ターボチャージャによる過給圧を高める制御を実施するようになっているために、応答性の良好な排気再循環装置によって再循環排気ガス量が大幅に減少してＮＯＸ発生量が増大することは防止される。
【００２７】
また、本発明による請求項２に記載のターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関によれば、請求項１に記載のターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関と同様な効果に加えて、実際の空燃比が目標空燃比よりリーンであるために新気量を減少させる際には、排気再循環装置による再循環排気ガス量を増加させる制御を実施して所定時間経過後にターボチャージャによる過給圧を下げる制御を実施するか、又は、前記ターボチャージャの制御速度を前記排気再循環装置の制御速度より小さくして前記ターボチャージャによる過給圧を下げる制御及び前記排気再循環装置による再循環排気ガス量を増加させる制御を実施するようになっているために、応答性の良好な排気再循環装置によって再循環排気ガス量が大幅に増加してＮＯＸ発生量を良好に低減することができると共に、応答性が良好でないターボチャージャのタービン及びコンプレッサは高回転に維持され、それにより、次回の新気量の増加を良好に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるターボチャージャ過給器及び排気再循環装置を備えた内燃機関の概略図である。
【図２】燃料噴射量制御、排気再循環装置の制御弁の開度制御、及び可変ノズル式過給器の可変ノズルの開度制御のための第１フローチャートである。
【図３】燃料噴射量制御、排気再循環装置の制御弁の開度制御、及び可変ノズル式過給器の可変ノズルの開度制御のための第２フローチャートである。
【図４】第１及び第２フローチャートで使用される目標空燃比決定のためのマップである。
【図５】第１フローチャートで使用される排気再循環装置の制御弁及び可変ノズル式過給器の可変ノズルの同じ開閉速度を決定するためのマップである。
【図６】第２フローチャートで使用される排気再循環装置の制御弁の開閉速度及び可変ノズル式過給器の可変ノズルの開閉速度を決定するためのマップである。
【符号の説明】
１…ディーゼル機関本体
２…機関吸気系
３…機関排気系
４…排気再循環装置
４ａ…排気再循環通路
４ｂ…制御弁
５…可変ノズル式過給器
５ａ…コンプレッサ
５ｂ…タービン
５ｃ…可変ノズル
２０…制御装置
【図１】
0003752774.tif 000002
【図２】
0003752774.tif 000003
【図３】
0003752774.tif 000004
【図４】
0003752774.tif 000005
【図５】
0003752774.tif 000006
【図６】
0003752774.tif 000007