JP2006057570A

JP2006057570A - 内燃機関の過給システム

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Publication number: JP2006057570A
Application number: JP2004241988A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Oki; 久大木; Kiyoshi Fujiwara; 清藤原; Takashi Matsumoto; 崇志松本; Yusuke Hoki; 雄介伯耆; Tsugufumi Aikawa; 嗣史藍川; Takashi Koyama; 崇小山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2004-08-23
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2024-08-23
Also published as: JP4561236B2

Abstract

【課題】ＥＧＲの応答性に優れ、かつ過給性能を損なうことなくＥＧＲを実行することができる内燃機関の過給システムを提供する。
【解決手段】低圧ターボ過給機４と、低圧ターボ過給機４のタービン４ｂよりも排気通路３の上流に配置されたタービン５ｂ及び低圧ターボ過給機４のコンプレッサ４ａよりも吸気通路２の下流に配置されたコンプレッサ５ａをそれぞれ有し、低圧ターボ過給機４よりも容量が小さい高圧ターボ過給機５と、高圧ターボ過給機５のタービン５ｂと低圧ターボ過給機４のタービン４ｂとの間に設定されたＥＧＲ取出位置と、低圧ターボ過給機４のコンプレッサ４ａと高圧ターボ過給機５のコンプレッサ５ａとの間に設定されたＥＧＲ導入位置とを結ぶＥＧＲ通路１６と、を内燃機関の過給システムに設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のターボ過給機を組み合わせた内燃機関の過給システムに関する。

内燃機関の過給システムとして、低圧ターボ過給機と高圧ターボ過給機とを使用し、高圧ターボ過給機のタービンを低圧ターボ過給機のそれよりも排気通路の上流側に、高圧ターボ過給機のコンプレッサを低圧ターボ過給機のそれよりも吸気通路の下流側にそれぞれ配置した二段過給システムが知られている。この種の過給システムが設けられた内燃機関のＥＧＲ装置としては、タービン間の排気通路からＥＧＲガスを取り出して低圧ターボ過給機のコンプレッサの上流にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ装置（特許文献１参照）、高圧ターボ過給機のタービンの上流からＥＧＲガスを取り出して高圧ターボ過給機のコンプレッサの下流にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ装置（特許文献２参照）がそれぞれ知られている。二段過給システムにおいて、タービン間の排気通路からＥＧＲガスを取り出してコンプレッサ間の吸気通路にＥＧＲガスを導入する構成も提案されている（特許文献３参照）。但し、特許文献３において、後段のターボ過給機の容量は前段のターボ過給機のそれよりも大きく示されている。
実用新案登録第２５２２４８２号公報特許第２７５９３７５号公報特開２０００−２２０４８０号公報

ＥＧＲガスを前段（低圧段）のコンプレッサの上流に導入した場合（特許文献１）には、ＥＧＲガスが燃焼室に達するまでの流路容積が大きくなり、ＥＧＲの応答遅れが大きい。ＥＧＲガスを高圧ターボ過給機のタービンの上流から取り出す場合（特許文献２）には、ＥＧＲガスの取り出しによって高圧ターボ過給機のタービンに導かれる排気エネルギが減少して過給効果が損なわれる。特許文献３の構成では、後段のターボ過給機の容量が前段のターボ過給機のそれよりも大きいのでＥＧＲの流路容積が大きくなり、ＥＧＲの応答性に関して懸念がある。

本発明は、ＥＧＲの応答性に優れ、かつ過給効果を損なうことなくＥＧＲを実行することができる内燃機関の過給システムを提供することを目的とする。

本発明は、低圧ターボ過給機と、前記低圧ターボ過給機のタービンよりも排気通路の上流に配置されたタービン及び前記低圧ターボ過給機のコンプレッサよりも吸気通路の下流に配置されたコンプレッサをそれぞれ有し、前記低圧ターボ過給機よりも容量が小さい高圧ターボ過給機と、前記高圧ターボ過給機のタービンと前記低圧ターボ過給機のタービンとの間に設定されたＥＧＲ取出位置と、前記低圧ターボ過給機のコンプレッサと前記高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間に設定されたＥＧＲ導入位置とを結ぶＥＧＲ通路と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この発明の過給システムによれば、吸気通路に対するＥＧＲ通路の接続位置であるＥＧＲ導入位置が低圧ターボ過給機及び高圧ターボ過給機のそれぞれのコンプレッサの間に設定されているため、低圧ターボ過給機のコンプレッサの上流にＥＧＲ通路を接続する場合と比較してＥＧＲの流路容積が小さくなる。従って、ＥＧＲの応答性が向上し、ＥＧＲの制御精度が向上する。しかも、高圧ターボ過給機のコンプレッサの容量が低圧ターボ過給機のコンプレッサの容量よりも小さく設定されているため、高圧ターボ過給機を低圧ターボ過給機よりも大容量に設定した場合と比べてＥＧＲの流路容積が小さく、ＥＧＲの応答性に優れる。ＥＧＲ通路の排気通路に対する接続位置であるＥＧＲ取出位置が低圧ターボ過給機及び高圧ターボ過給機のそれぞれのタービンの間に設定されているので、ＥＧＲ取出位置を高圧ターボ過給機のタービンの上流に設定した場合と比較して高圧ターボ過給機のタービンにより大きな排気エネルギを与えることができる。それにより過給効果を損なうことなくＥＧＲを実行することができる。

本発明の一形態において、前記排気通路には、前記高圧ターボ過給機のタービンを経由して排気を導く主通路と、前記高圧ターボ過給機のタービンを迂回して前記低圧ターボ過給機のタービンの上流で前記主通路と合流する排気バイパス通路と、前記排気バイパス通路を通過する排気流量を調整する排気バイパス弁とが設けられ、前記ＥＧＲ取出位置は前記主通路と前記排気バイパス通路との合流部よりも排気通路の下流に設定されてもよい（請求項２）。

この形態によれば、高圧ターボ過給機に十分な排気エネルギを与えつつ、排気の一部を高圧ターボ過給機のタービンを迂回してＥＧＲ取出位置に導くことにより、高圧ターボ過給機による過給効果を十分に引き出しつつ、吸気通路に対して十分な量のＥＧＲガスを導入することができる。

本発明の一形態において、前記高圧ターボ過給機のコンプレッサの下流において前記吸気通路を分岐するように設けられた主通路及び吸気バイパス通路と、前記吸気通路の主通路に設けられたインタークーラと、吸気を前記インタークーラ又は前記吸気バイパス通路のいずれに導くかを選択する流路選択手段と、前記ＥＧＲ通路を通過するＥＧＲ量を調整するＥＧＲ弁と、内燃機関の運転状態に応じたＥＧＲ量が得られるように前記ＥＧＲ弁を制御するＥＧＲ弁制御手段と、前記ＥＧＲ弁が開いているときは前記インタークーラへの吸気の導入が阻止されて吸気が前記吸気バイパス通路へ導かれるように前記流路選択手段による流路の切り替えを制御する吸気バイパス制御手段と、をさらに備えてもよい（請求項３）。

この形態によれば、ＥＧＲ弁を開いてＥＧＲガスを吸気通路に導入しているときは、そのＥＧＲガスを含んだ吸気がインタークーラを迂回して吸気バイパス通路から内燃機関のシリンダに導かれる。吸気バイパス通路の流路容積はインタークーラを有する主通路のそれよりも小さくでき、それによりＥＧＲの応答性を高めることができる。また、ＥＧＲガスの通過によるインタークーラの汚れ、及びその汚れに伴う冷却効率の悪化も抑制できる。

流路選択手段及び吸気バイパス制御手段を備えた上記の形態においては、前記吸気バイパス通路の前記主通路に対する合流部の近傍に設けられて当該吸気バイパス通路を開閉する第１切替弁と、前記主通路の前記インタークーラよりも上流に設けられて当該主通路を開閉する第２切替弁と、を前記流路選択手段として備えるとともに、前記吸気バイパス制御手段は、前記ＥＧＲ弁が開いている場合は前記第１切替弁が開き、前記第２切替弁が閉じる一方で、ＥＧＲ弁が閉じている場合は前記第１切替弁が閉じ、前記第２切替弁が開くように前記第１及び第２の切替弁を制御してもよい（請求項４）。

この形態によれば、第１切替弁を合流部近傍の吸気バイパス通路に設けているので、第１切替弁を閉じることによって吸気バイパス通路からのＥＧＲガスの導入を直ちに停止させることができる。また、第２切替弁がインタークーラの上流に配置されているので、ＥＧＲガスを含んだ吸気がインタークーラに滞留するおそれがない。そのため、ＥＧＲ弁が閉じられたときに第２切替弁を開く一方で第１切替弁を閉じることにより、ＥＧＲガスを含まない空気を内燃機関のシリンダに迅速に送り込むことができる。従って、ＥＧＲガスを含んだ吸気がシリンダに導入されることに起因するスモークの発生を抑制することができる。

本発明の一形態においては、前記ＥＧＲ通路を通過するＥＧＲ量を調整するＥＧＲ弁と、内燃機関の運転状態に応じたＥＧＲ量が得られるように前記ＥＧＲ弁を制御するＥＧＲ弁制御手段と、前記排気通路の前記ＥＧＲ導入位置の下流に設けられ、開度調整が可能な可変絞り手段と、前記可変絞り手段の開度を制御する絞り制御手段と、前記吸気通路に導入されているＥＧＲ量を検出するＥＧＲ量検出手段と、を備え、前記ＥＧＲ弁制御手段は、前記ＥＧＲ量検出手段によるＥＧＲ量の検出値を帰還量として、前記目標ＥＧＲ量に対する前記検出値の偏差が減少するように前記ＥＧＲ弁をフィードバック制御し、前記絞り制御手段は、前記ＥＧＲ弁のフィードバック制御が所定の限界を超えているか否か判断し、前記限界を超えている場合に前記偏差が減少する方向に前記可変絞り手段の開度を変化させてもよい（請求項５）。

この形態によれば、ＥＧＲ弁のフィードバック制御によりＥＧＲ量を高精度に制御しつつ、その制御が限界に達したときには可変絞り手段を操作してＥＧＲ量を変化させ、それによりＥＧＲ弁のフィードバック制御を限界内に戻すことができる。

絞り制御手段を備える上記の形態においては、前記低圧ターボ過給機として、タービンの入口部分の流路断面積を変更可能な可変ノズル式ターボ過給機が設けられることにより、該低圧ターボ過給機が前記可変絞り手段として機能し、前記絞り制御手段は、予め用意されたマップに基づいて前記低圧ターボ過給機のノズル開度の変更幅を取得し、その取得された変更幅に従って前記低圧ターボ過給機のノズル開度をオープンループ制御することにより、前記ＥＧＲ量の前記偏差を減少させてもよい（請求項６）。

可変ノズル式ターボ過給機によるＥＧＲの制御精度はＥＧＲ弁によるＥＧＲ量の制御精度と比較して劣るため、ノズル開度の調整によるＥＧＲ量の制御をオープンループ制御としてＥＧＲ量の目標ＥＧＲ量に対するずれ量を所定の制御範囲内に抑制しつつ、ＥＧＲ量のずれを解消するようにＥＧＲ弁をフィードバック制御することにより、ＥＧＲ調整手段としての可変ノズルとＥＧＲ弁とを合理的に使い分けてＥＧＲ量を効率よくかつ高精度に目標ＥＧＲ量へと制御することができる。

本発明の一形態において、前記吸気通路の前記ＥＧＲ導入位置の上流に吸入空気量を調整するスロットル弁が設けられてもよい（請求項７）。この形態によれば、スロットル弁の開度を減らしてＥＧＲ導入位置へ導かれる空気量（新気量）を減らすことにより、吸気に占めるＥＧＲ量を増加させることができる。従って、ＥＧＲ弁のフィードバック制御のみでは調整できないＥＧＲ量の目標値からのずれ、あるいは、低圧ターボ過給機のタービンのノズル開度といった排気絞り手段の開度調整を加えても調整できないＥＧＲ量の目標値からのずれを解消させる手段としてスロットル弁を利用することができる。

本発明の一形態において、前記排気通路の前記ＥＧＲ導入位置の上流に、排気中の粒子状物質を低減する排気浄化装置が設けられてもよい（請求項８）。この形態によれば、ＥＧＲ通路へ流入する排気中の粒子状物質を削減することができるので、ＥＧＲ通路や吸気通路のＥＧＲ導入位置よりも下流の領域に設けられる各種の装置類のＥＧＲガスによる汚れを抑えることができる。

本発明の一形態において、前記ＥＧＲ通路に設けられた水冷式のＥＧＲクーラと、内燃機関の冷却水を放熱させる機関冷却用ラジエータとは別に用意されたＥＧＲ用ラジエータと、ＥＧＲクーラとＥＧＲ用ラジエータとの間で冷却水を循環させるウォーターポンプとを含む冷却系が、前記機関冷却用ラジエータを含む冷却系とは分離して設けられてもよい（請求項９）。

この形態によれば、機関冷却系の冷却条件に制限されることなくＥＧＲクーラの冷却水を十分に放熱させることができる。これより、ＥＧＲ通路から吸気通路に導入されるＥＧＲガスの温度を十分に低下させ、高圧ターボ過給機のコンプレッサの熱負荷を軽減してその信頼性を向上させることができる。また、ＥＧＲ取出位置の上流に酸化能を有する排気浄化装置が設けられる場合においては、排気中のＨＣやＣＯの酸化熱でＥＧＲガスの温度が上昇しても、ＥＧＲ用ラジエータを利用してＥＧＲガスを十分に冷却すれば、酸化熱による温度上昇分に相当する熱をＥＧＲガスから奪って、吸気通路に導入されるＥＧＲガスの温度を十分に低下させることができる。

以上に説明したように、本発明によれば、低圧ターボ過給機のコンプレッサの上流にＥＧＲ通路を接続する場合と比較してＥＧＲの流路容積を小さく構成してＥＧＲの応答性を向上させ、ＥＧＲの制御精度を高めることができる。しかも、高圧ターボ過給機のコンプレッサの容量が低圧ターボ過給機のコンプレッサの容量よりも小さく設定されているため、高圧ターボ過給機を低圧ターボ過給機よりも大容量に設定した場合と比べてＥＧＲの流路容積が小さくなり、ＥＧＲの応答性に優れる。ＥＧＲ取出位置を高圧ターボ過給機のタービンの上流に設定した場合と比較して高圧ターボ過給機のタービンにより大きな排気エネルギを与え、それにより過給効果を損なうことなくＥＧＲを実行することができる。

［第１の形態］
図１は本発明の過給システムの一形態を示している。本過給システムは、内燃機関としてのディーゼルエンジン（以下、エンジンと称することがある。）に適用される。エンジン１は吸気通路２と排気通路３とを備えており、それらの通路２、３の間には低圧ターボ過給機４及び高圧ターボ過給機５が設けられている。これらのターボ過給機４、５は、排気通路３に配置されるタービン４ｂ、５ｂにて排気エネルギを回収し、そのエネルギで吸気通路２に配置されるコンプレッサ４ａ、５ａを駆動して吸気を圧縮する周知の装置である。高圧ターボ過給機５はのタービン５ｂは低圧ターボ過給機４のタービン４ｂよりも排気通路３の上流に配置され、コンプレッサ５ａは低圧ターボ過給機４のコンプレッサ４ａよりも吸気通路２の下流に配置される。従って、低圧ターボ過給機４にて圧縮された吸気は高圧ターボ過給機５にてさらに圧縮されてエンジン１のシリンダ（不図示）内に送り込まれる。高圧ターボ過給機５の容量は低圧ターボ過給機４の容量よりも小さい。すなわち、高圧ターボ過給機５のコンプレッサ５ａ及びタービン５ｂの容量は低圧ターボ過給機４のコンプレッサ４ａ及びタービン４ｂの容量よりもそれぞれ小さい。

コンプレッサ４ａの上流には吸気を濾過するためのエアクリーナ６、及び吸入空気量に対応した信号を出力するエアフローメータ７が設けられている。また、コンプレッサ４ａ、５ａの間には吸入空気量を変化させるスロットル弁８が設けられている。一方、高圧ターボ過給機５のコンプレッサ５ａの下流と吸気マニホールド９との間において、吸気通路２は主通路２ａと吸気バイパス通路２ｂとに分岐されている。主通路２ａにはターボ過給機４、５にて圧縮された吸気を冷却するインタークーラ１０が設けられている。吸気をインタークーラ１０又は吸気バイパス通路２ｂのいずれに導くかを選択する流路選択手段として、吸気バイパス通路２ｂの主通路２ａに対する合流部の近傍には第１切替弁１１が設けられ、かつインタクーラ１０の上流でかつ吸気バイパス通路２ｂの分岐部の下流の主通路２ａには第２切替弁１２が設けられている。第１切替弁１１は可能な限り合流部に近付けて配置することが望ましく、第２切替弁１２は可能な限り分岐部に近付けて配置することが望ましい。

主通路２ａと吸気バイパス通路２ｂとの間で、これらの分岐部から合流部までの流路長を比較した場合、吸気バイパス通路２ｂの流路長は、インタークーラ１０の内部通路が省略されることにより、主通路２ａの流路長と比較して十分に短い。また、吸気バイパス通路２ｂはＥＧＲ実行中にのみ使用され、急加速時のように吸入空気量が大きい場合にはＥＧＲが禁止されて吸気バイパス通路２ｂは閉じられる。従って、吸気バイパス通路２ｂの断面積はＥＧＲの実行中における最大吸入空気量に合わせて設定すればよく、主通路２ａの断面積よりも小さくてよい。これにより、吸気バイパス通路２ｂの流路容積は主通路２ａ（分岐部から合流部まで）のそれと比して十分に小さくなる。

一方、排気通路３には、排気マニホールド１３の排気を高圧ターボ過給機５のタービン５ｂに導く主通路３ａと、排気マニホールド１３からタービン５ｂを迂回してタービン５ｂの下流で主通路３ａに合流する排気バイパス通路３ｂとが設けられている。排気バイパス通路３ｂにはその排気バイパス通路３ｂを通過する排気の流量を調整するための排気バイパス弁１４が設けられている。排気バイパス弁１４は最小開度と最大開度との間で開度調整が可能である。排気バイパス弁１４を最小開度に設定した場合には排気バイパス通路３ｂが閉じられて排気マニホールド１３の排気ガスの全量が主通路３ａに導かれる。

排気通路３のタービン４ｂ、５ｂの間には、排気を浄化するための排気浄化装置１５が設けられている。排気浄化装置１５は主通路３ａと排気バイパス通路３ｂとの合流位置よりも下流に配置されている。従って、高圧ターボ過給機５のタービン５ｂ又は排気バイパス通路３ｂのいずれを通過した排気も排気浄化装置１５を通過する。なお、排気浄化装置１５としては、排気中の粒子状物質を捕捉するパティキュレートフィルタ、酸化能を有する触媒を単独で又は組み合わせて用いることができる。酸化能を有する触媒は、酸化触媒でもよいし、ＮＯｘ吸蔵還元触媒でもよい。これらのパティキュレートフィルタに酸化能を有する触媒物質を担持させて排気浄化装置１５を構成してもよい。

排気通路３と吸気通路２とはＥＧＲ通路１６にて接続されている。ＥＧＲ通路１６は、排気通路３の排気浄化装置１５の下流でかつターボ過給機４のタービン４ｂの上流に設定されたＥＧＲ取出位置と、吸気通路２のスロットル弁８の下流でかつ高圧ターボ過給機５のコンプレッサ５ａの上流に設定されたＥＧＲ導入位置とを結ぶように設けられている。ＥＧＲ通路１６にはＥＧＲガスを冷却する水冷式のＥＧＲクーラ１７と、ＥＧＲ通路１６を通過するガス流量を調整するＥＧＲ弁１８とが設けられている。ＥＧＲクーラ１７の冷却水としてはエンジン１の冷却水が導かれる。ＥＧＲ弁１８は最小開度と最大開度との間で開度調整が可能である。ＥＧＲ弁１８を最小開度に設定した場合にはＥＧＲ通路１６が閉じられて吸気通路２へのＥＧＲガスの導入が阻止される。

以上の過給システムにおいて、第１切替弁１１、第２切替弁１２、排気バイパス弁１４及びＥＧＲ弁１８の動作はエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）２０によって制御される。ＥＣＵ２０はエンジン１に対する燃料噴射等を制御するコンピュータユニットとして設けられるものであり、本発明の過給システムを制御するために用意された特定のプログラムを実行することにより、各弁１１、１２、１４及び１８の動作を制御する手段として機能する。なお、ＥＣＵ２０にはエンジン１の運転状態を判別するためにエアフローメータ７の他に、吸気圧センサ２１等の各種のセンサの出力信号が入力されるが、それらの詳細は省略した。

図２はＥＧＲ弁１８を制御するためにＥＣＵ２０が一定周期で繰り返し実行するＥＧＲ弁制御ルーチンを示している。このＥＧＲ制御ルーチンを実行することによりＥＣＵ２０はＥＧＲ弁制御手段として機能する。図２のＥＧＲ弁制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ２０はまずステップＳ１で各種のセンサの信号を参照してエンジン１の運転状態を識別する。続くステップＳ２で、ＥＣＵ２０はＥＧＲ実行条件が成立しているか否か判別する。この判別は公知のＥＧＲ弁制御と同様の手法で行えばよい。例えばエンジン１に始動時や加速時のように出力が要求される場合にはＥＧＲ実行条件の成立が否定される。大量のＥＧＲガスを必要とする予混合圧縮着火モードで運転可能なエンジンにおいては、その予混合圧縮着火モードが選択された場合にＥＧＲ実行条件が成立する。

ＥＧＲ実行条件の成立が否定された場合、ＥＣＵ２０はステップＳ３でＥＧＲ実行フラグを０にリセットし、続くステップＳ４でＥＧＲ弁１８を閉じてＥＧＲ通路１６を締め切る。一方、ＥＧＲ実行条件が成立している場合、ＥＣＵ２０はステップＳ５に進んでＥＧＲ実行フラグに１をセットし、続くステップＳ６で運転状態に対応した目標ＥＧＲ量を取得する。目標ＥＧＲ量は例えばＥＣＵ２０に設けられたＲＯＭに運転状態と目標ＥＧＲ量とを対応付けたマップを予め記憶させ、そのマップを利用して特定することができる。続くステップＳ７において、ＥＣＵ２０はＥＧＲ量（ＥＧＲガス量）を検出する。ＥＧＲ量は種々の手段によって取得することができる。一例として、吸気圧センサ２１が取得した吸気圧力に基づいて特定した吸入空気量と不図示の吸気温センサの検出する吸気温度とから吸入空気量を算出し、その値からエアフローメータ７が検出する吸入空気量を差し引くことによりＥＧＲ通路１６を介して吸気通路２に流入しているＥＧＲガスの量を求めることができる。ステップＳ７の処理を行うことにより、ＥＣＵ２０はエアフローメータ７及び吸気圧センサ２１と協働してＥＧＲ量検出手段として機能する。

ＥＧＲ量の検出後、ＥＣＵ２０はステップＳ８に進んでＥＧＲ量の検出値の目標ＥＧＲ量からの偏差を特定する。続くステップＳ９において、ＥＣＵ２０はＥＧＲ量の偏差に基づいてＥＧＲ弁１８の開度を設定する。この場合、目標ＥＧＲ量に対してＥＧＲ量の検出値が不足しているときはＥＧＲ弁１８の開度を開き側に変更し、目標ＥＧＲ量に対してＥＧＲ量の検出値が過剰なときはＥＧＲ弁１８の開度を閉じ側に変更する。ＥＧＲ弁１８の開度変更幅は、一回のルーチンで一定幅としてもよいし、偏差が大きいほど開度変更幅をより大きく設定してもよい。

ステップＳ４又はステップＳ９でＥＧＲ弁１８を操作した後、ＥＣＵ２０は今回のＥＧＲ弁制御ルーチンを終了する。以上の制御が繰り返し実行されることにより、ＥＧＲ量の検出値を帰還量として、その検出値の目標ＥＧＲ量に対する偏差が減少するようにＥＧＲ弁１８の開度がフィードバック制御される。なお、ここでいうＥＧＲ量は所定時間当りにＥＧＲ通路１６から吸気通路２に導入されるＥＧＲガスの量であり、流量として把握されるべき物理量である。

上述したＥＧＲ弁制御ルーチンと並行して、ＥＣＵ２０は図３の吸気バイパス制御ルーチンを繰り返し実行する。この吸気バイパス制御ルーチンを実行することにより、ＥＣＵ２０は吸気バイパス制御手段として機能する。図３の吸気バイパス制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ２０はまずステップＳ１１でＥＧＲ実行フラグに１がセットされているか否か判断する。１がセットされていない場合、ＥＣＵ２０はステップＳ１２へ進んで第１切替弁１１を閉じ、続くステップＳ１３で第２切替弁１２を開く。従って、ＥＧＲ弁１８が閉じられている状態、すなわちＥＧＲが禁止されている場合には吸気バイパス通路２ｂが閉じられ、吸気通路２を通過する吸気はインタークーラ１０を経て吸気マニホールド９へ導かれる。一方、ＥＧＲ実行フラグに１がセットされている場合、ＥＣＵ２０はステップＳ１４に進んで第１切替弁１１を開き、続くステップＳ１５で第２切替弁１２を閉じる。これによりＥＧＲの実行中は、ＥＧＲガスを含んだ吸気がインタークーラ１０を迂回して吸気バイパス通路２ｂから吸気マニホールド９へと導かれる。

ＥＣＵ２０は、上述した図２及び図３のルーチンと並行して、図４の排気バイパス弁制御ルーチンを所定の周期で繰り返し実行する。図４の排気バイパス弁制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ２０は、まずステップＳ２１で排気ガスの流量（排気流量）を取得する。排気流量は、例えばエンジン１の回転数と吸気圧センサ２１の出力に基づいて特定した吸入空気量とから求めることができる。続くステップＳ２２にて、ＥＣＵ２０は排気流量に応じた排気バイパス弁１４の開度を例えばＲＯＭが記憶するマップから取得する。例えば、高圧ターボ過給機５のタービン５ｂが受入可能な排気ガスの限界量を超える流量の排気が排気マニホールドに排出されている場合に、その限界量を超える排気ガスが排気バイパス通路３ｂに導かれるように排気バイパス弁１４の開度が定められる。続くステップＳ２３において、ＥＣＵ２０は排気バイパス弁１４の開度をステップＳ２２で取得した開度に設定し、その後に排気バイパス弁制御ルーチンを終える。

以上の過給システムによれば、吸気通路２に対するＥＧＲ通路１６の接続位置（ＥＧＲ導入位置）が低圧ターボ過給機４及び高圧ターボ過給機５のそれぞれのコンプレッサ４ａ、５ａの間に設定されているため、低圧ターボ過給機４のコンプレッサ４ａの上流にＥＧＲ通路１６を接続する場合と比較してＥＧＲの流路容積が小さくなる。従って、ＥＧＲの応答性が向上し、ＥＧＲの制御精度が向上する。しかも、高圧ターボ過給機５のコンプレッサ５ａの容量が低圧ターボ過給機４のコンプレッサ４ａの容量よりも小さく設定されているため、高圧ターボ過給機５を低圧ターボ過給機４よりも大容量に設定した従来例と比べてＥＧＲの流路容積が小さく、ＥＧＲの応答性に優れる。ＥＧＲ通路１６の排気通路３に対する接続位置（ＥＧＲ取出位置）が低圧ターボ過給機４及び高圧ターボ過給機５のそれぞれのタービン４ｂ、５ｂの間に設定されているので、ＥＧＲ取出位置をタービン５ｂの上流に設定した場合と比較して高圧ターボ過給機５のタービン５ｂにより大きな排気エネルギを与えることができ、それにより過給性能を損なうことなくＥＧＲを実行することができる。

また、上記の過給システムによれば、ＥＧＲ弁１８が開いている間は第１切替弁１１が開き、第２切替弁１２が閉じられてＥＧＲガスを含む全ての吸気がインタークーラ１０を迂回して吸気バイパス通路２ｂから吸気マニホールド９に導かれる。上記のように吸気バイパス通路２ｂの流路容積は主通路２ａのそれと比較して十分に小さいため、ＥＧＲの応答性がさらに改善される。ＥＧＲガスによるインタークーラ１０の汚れ、及びその汚れに伴うインタークーラ１０の冷却効率の悪化を防止することができる。さらに、第２切替弁１２がインタークーラ１０の上流に配置されているので、ＥＧＲガスを含んだ吸気がインタークーラ１０に滞留するおそれがない。従って、急加速等によりＥＧＲ実行条件が成立しなくなった場合に、第２切替弁１２を開く一方で第１切替弁１１を閉じることにより、ＥＧＲガスを含まない空気をエンジン１に迅速に送り込むことができる。このため、ＥＧＲガスを含んだ吸気がエンジン１に導入されることに起因するスモークの発生を抑制することができる。第１切替弁１１が吸気バイパス通路２ｂの終端部、すなわち主通路２ａに対する合流部の近傍に設けられているため、第１切替弁１１を閉じることによって吸気バイパス通路２ｂから吸気マニホールド９へのＥＧＲガスの導入を直ちに停止させることができる。これによってもスモークの発生を抑制することができる。

一方、排気通路３に関しては、高圧ターボ過給機５のタービン５ｂの容量を超える流量の排気ガスが排気マニホールド１３に排出される場合、仮に排気バイパス通路３ｂが存在しなければタービン５ｂが排気絞りとして作用し、ＥＧＲ通路１６の接続位置に導かれる排気ガスの量がタービン５ｂを通過可能な限界量に制限される。これに対して、上記の過給システムでは、排気バイパス通路３ｂに設けられた排気バイパス弁１４を開くことにより、タービン５ｂの限界量を超える流量の排気ガスをＥＧＲ通路１６の接続位置へと導くことができる。このため、大量のＥＧＲガスを吸気通路２に導入することができる。特に予混合圧縮着火モードで運転可能なエンジン１の場合には、吸気通路２に導入可能なＥＧＲガス量の最大値を増加させ、それによりＥＧＲガスの不足による過早着火を抑え、予混合圧縮着火モードに適したエンジン１の運転領域を高負荷側に拡大することができる。

また、タービン５ｂの限界量を超える流量の排気ガスを排気バイパス通路３ｂに流すことにより、排気マニホールド１３の圧力（排気背圧）の上昇を抑え、それによりエンジン１の吸気充填効率の悪化を防止してエンジン１の出力を確実に上昇させることができる。さらに、排気バイパス弁１４を開いて排気ガスの圧力の一部をＥＧＲ取出位置に導くことにより、ＥＧＲ通路１６のＥＧＲ取出位置の圧力を上昇させ、それにより、ＥＧＲ通路１６の排気通路３との接続位置（ＥＧＲ取出位置）の圧力をＥＧＲ通路１６の吸気通路２との接続位置（ＥＧＲ導入位置）の圧力に対してより大きく上昇させ、ＥＧＲの効率を高めることができる。さらに、高圧ターボ過給機５のタービン５ｂ又は排気バイパス通路３ｂのいずれを通過した排気も排気浄化装置１５を通過してからＥＧＲ取出位置へ導かれるため、ＥＧＲ通路１６に導入される粒子状物質の量が減少し、それによりＥＧＲ通路１６、ＥＧＲクーラ１７、ＥＧＲ弁１８、高圧ターボ過給機５のタービン５ｂといったＥＧＲガスが通過する各種の装置類の汚れを抑えることができる。

以上の形態において、ＥＧＲ弁１８の開度制御によっては目標ＥＧＲ量を達成できない場合、スロットル弁８の開度を閉じ側に変化させてＥＧＲ通路１６のＥＧＲ導入位置に導かれる新気量（エアクリーナ６を経由して取り込まれる外気の量）を絞り込み、それによりＥＧＲ量を増加させて目標ＥＧＲ量を確保するようにしてもよい。もっとも、本発明においてスロットル弁８は必ずしも設けなくてもよく、他の手段によって吸入空気量を調整してもよい。

［第２の形態］
図５は本発明の第２の形態に係る過給システムを示している。本形態は、低圧ターボ過給機４が、タービン４ｂの入口部分の流路断面積を変更可能ないわゆる可変ノズル式ターボ過給機とされることにより、低圧ターボ過給機を可変絞り手段として機能させる点が図１の形態と相違する。また、ＥＧＲクーラ１７の冷却水は、機関冷却用のラジエータ（不図示）とは別に設けられたＥＧＲ用ラジエータ３１に導かれる。そのＥＧＲ用ラジエータ３１とＥＧＲクーラ１７とを結ぶ冷却系は機関冷却用ラジエータを含む機関冷却系とは分離されている。すなわち、両冷却系の冷却水循環経路は互いに交わることなく分離されている。そして、ＥＧＲクーラ１７とラジエータ３１とを結ぶ流路（往路又は復路の何れでもよい）には冷却水の循環用のウォーターポンプ３２が接続されている。過給システムのその余の構成は図１の形態と同じである。従って、図５において上述した図１の形態と共通する部分には同一の参照符号を付し、それらの説明は省略する。

ＥＣＵ２０はエンジン１の運転状態に応じた過給効果が得られるように低圧ターボ過給機４のノズル開度を制御する。目標過給圧に対するノズル開度の制御は可変ノズル式ターボ過給機を利用する公知の過給システムと同様の手順で行えばよく、ここでは詳細を省略する。また、ＥＣＵ２０は図２〜図４に示した各ルーチンを所定の周期で繰り返し実行するとともに、それらの制御と並行して、図６に示したノズル開度補正制御ルーチンを所定の周期で繰り返し実行することにより、本発明の絞り制御手段として機能する。このノズル開度補正制御ルーチンは、ＥＧＲ弁１８によるＥＧＲ量の制御を補うために実行されるものである。最初のステップＳ３１において、ＥＣＵ２０はＥＧＲ弁１８の開度の基準開度からのずれ量が限界に達しているか否かを判断する。ＥＧＲ弁１８の開度のずれ量は、例えばエンジン１の始動時にＥＧＲ弁１８の開度を基準開度に初期化し、図２のステップＳ９が実行される毎に基準開度からのずれ量を演算することにより識別することができる。ずれ量の限界はＥＧＲ弁１８の開度制御のみでＥＧＲ量を制御できる範囲として、基準開度から開方向及び閉方向にそれぞれ適当に定めておけばよい。

ステップＳ３１にてずれ量が限界以内と判断した場合、ＥＣＵ２０は今回の制御ルーチンを終了する。一方、ずれ量が限界を超えた場合、ＥＣＵ２０はステップＳ３２へ進み、基準開度からのずれ量に応じたノズル開度の補正量をそのＲＯＭに予め記録されたマップから取得する。このマップは、ＥＧＲ弁１８の開度のずれ量とノズル開度の補正量との対関係を記述したものであり、ベンチ適合試験あるいはシミュレーションにより作成することができる。ＥＧＲ弁１８の開度のずれ量とノズル開度の補正量との関係は次の通りである。

ＥＧＲ弁１８の開度が基準開度に対してＥＧＲ弁１８を開く方向にずれている場合には、ＥＧＲ弁１８によるＥＧＲ量の制御限界を超えてＥＧＲ量を増加させる必要があることから、ノズル開度の補正量は低圧ターボ過給機４のノズルを閉じる方向に与えられる。低圧ターボ過給機４のノズル開度を閉側に変化させると低圧ターボ過給機４の上流のＥＧＲ取出位置の圧力が上昇して、ＥＧＲ弁１８の開度が一定のままでもより多くのＥＧＲガスがＥＧＲ通路１６を介して吸気通路２に導入される。一方、ＥＧＲ弁１８の開度が基準開度に対してＥＧＲ弁１８を閉じる方向にずれている場合には、ＥＧＲ弁１８によるＥＧＲ量の制御限界を超えてＥＧＲ量を減少させる必要があることから、ノズル開度の補正量は低圧ターボ過給機４のノズルを開く方向に与えられる。低圧ターボ過給機４のノズル開度を開側に変化させると低圧ターボ過給機４の上流のＥＧＲ取出位置の圧力が低下し、ＥＧＲ弁１８の開度が一定のままでもＥＧＲ通路１６を介して吸気通路２に導入されるＥＧＲガス量が減少する。

ステップＳ３２でノズル開度の補正量を取得した後、ＥＣＵ２０はステップＳ３３へ進み、取得した補正量に従って低圧ターボ過給機４のノズル開度を補正する。この後、ＥＣＵ２０は今回のルーチンを終了する。なお、ここで行われるノズル開度の補正は、マップで特定された補正量相当だけノズルのアクチュエータを駆動するオープンループ制御である。

図７は上述したノズル開度補正制御が実行された場合のＥＧＲ弁開度とノズル開度（ＶＮ開度）との対応関係の一例を示している。この例では、図２に示すフィードバック制御の結果としてＥＧＲ弁１８の開度が基準開度に対して開側に徐々に変化している。ＥＧＲ弁開度が上限（開側の限界）を超えると、図６のルーチンによって低圧ターボ過給機４のノズル開度が閉側に所定の補正量だけ変更される。それによりＥＧＲ通路１６を介して吸気通路２に導かれるＥＧＲガス量が増加するため、ＥＧＲ弁１８の開度は図２のフィードバック制御によって減少方向に制御され、再び基準開度付近で調整されるようになる。

このように、本形態によれば、ＥＧＲ弁１８の開度を所定範囲（図７の上限〜下限の間）でフィードバック制御する限りはＥＧＲ量を目標ＥＧＲ量に制御できない場合に、ＥＧＲ弁１８のフィードバック制御が所定の限界を超えたものとみなして低圧ターボ過給機４のノズル開度を補正してＥＧＲ弁１８の開度を基準開度に対する所定範囲に戻している。タービン４ｂのノズル開度の制御によるＥＧＲ量の制御精度は、ＥＧＲ弁１８のフィードバック制御によるＥＧＲ量の制御精度と比較して劣るため、本形態のような制御を実行することにより、ＥＧＲ弁１８の開度の基準開度からの偏りに起因する制御不能状態の発生を避けつつＥＧＲ量を目標ＥＧＲ量に向って高精度に制御することができる。

また、本形態ではＥＧＲクーラ１７の冷却水の熱をＥＧＲクーラ１７に対する専用品として設けられたラジエータ３１から放出させることにより、ＥＧＲクーラ１７による冷却効率をエンジン１の冷却水を使用した場合と比較して顕著に増加させることができる。これにより、ＥＧＲ通路１６から吸気通路２に導入されるＥＧＲガスの温度を十分に低下させ、高圧ターボ過給機５のコンプレッサ５ａの熱負荷を軽減してその信頼性を向上させることができる。また、排気浄化装置１５が酸化能を有する場合には、排気中のＨＣやＣＯの酸化熱でＥＧＲガスの温度が上昇するが、ラジエータ３１を利用してＥＧＲガスを十分に冷却すれば、酸化熱による温度上昇分に相当する熱をＥＧＲガスから奪って、吸気通路２に導入されるＥＧＲガスの温度を十分に低下させることができる。

本発明は上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。図１及び図５に示した吸気通路２及び排気通路３の各種の機器の配置や通路構成は本発明の一例に過ぎず、これらは種々の変更が可能である。例えば、吸気バイパス通路２ｂ及びこれに伴って設けられた第１切替弁１１及び第２切替弁１２、並びに、排気バイパス通路３ｂ及び排気バイパス弁１４は本発明において必ずしも設けなくてもよい。本発明の最も簡素な形態としては、ＥＧＲ通路１６のＥＧＲ取出位置がタービン４ｂ、５ｂ間に設定され、ＥＧＲ導入位置がコンプレッサ４ａ、５ａ間に設定され、かつ高圧ターボ過給機５の容量が低圧ターボ過給機４の容量よりも小さく設定されていればよい。吸気バイパス通路２ｂを設ける場合、その吸気バイパス通路２ｂを経由する流路の容積が主通路２ａを経由する流路の容積よりも小さく維持される限り、吸気バイパス通路２ｂにＥＧＲクーラ等の吸気冷却手段を設けてもよい。吸気通路２の流路選択手段としては、第１切替弁１１及び第２切替弁１２の組み合わせに限らず、各種の弁手段を利用してよい。

図８に示すように、吸気通路２における低圧ターボ過給機４のコンプレッサ４ａの下流でかつＥＧＲ通路１６との接続位置よりも上流にインタークーラ３３をさらに設けてもよい。これにより低圧ターボ過給機４で圧縮された吸気を冷却して過給効率を高めることができる。インタークーラ３３をＥＧＲ通路１６の接続位置よりも上流に配置すれば、ＥＧＲガスの流路容積がそのインタークーラ３３の影響を受けることなく小さく維持されてＥＧＲの応答性は何ら損なわれない。なお、吸気通路２にスロットル弁８が設けられる場合には、そのスロットル弁８よりも上流にインタークーラ３３を配置することができる。

第２の形態では、排気通路３のＥＧＲ取出位置より下流に設けられる可変絞り手段として低圧ターボ過給機４のノズルを利用したが、排気絞り弁その他の各種の可変絞り手段を利用してＥＧＲ弁１８のフィードバック制御を補うようにしてもよい。排気バイパス弁１４の制御は必ずしも排気流量に基づいて行わなくてもよい。エンジン１の運転状態、要求出力に応じて排気バイパス弁１４の開度を適宜に調整してもよい。エンジン１の運転状態に応じて排気バイパス弁１４を全閉状態と全開状態の二位置間で切り替え制御してもよい。

本発明の第１の形態に係る過給システムの構成を示す図。ＥＧＲ弁を制御するためにＥＣＵが実行するＥＧＲ弁制御ルーチンを示すフローチャート。吸気バイパス通路を開閉するためのＥＣＵが実行する吸気バイパス制御ルーチンを示すフローチャート。排気バイパス通路を通過する排気ガス量を調整するためにＥＣＵが実行する排気バイパス弁制御ルーチンを示すフローチャート。本発明の第２の形態に係る過給システムの構成を示す図。図５のＥＣＵが低圧ターボ過給機の可変ノズルの開度を制御するために実行するノズル開度補正制御ルーチンを示すフローチャート。ＥＧＲ弁の開度の制御状態と、図６のルーチンによって制御される可変ノズル開度との関係の一例を示す図。本発明のさらなる形態に係る過給システムの構成を示す図。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
２吸気通路
２ａ主通路
２ｂ吸気バイパス通路
３排気通路
３ａ主通路
３ｂ排気バイパス通路
４低圧ターボ過給機
４ａコンプレッサ
４ｂタービン
５高圧ターボ過給機
５ａコンプレッサ
５ｂタービン
８スロットル弁
１０インタークーラ
１１第１切替弁（流路選択手段）
１２第２切替弁（流路選択手段）
１４排気バイパス弁
１５排気浄化装置
１６ＥＧＲ通路
１７ＥＧＲクーラ
１８ＥＧＲ弁
３１ＥＧＲ用ラジエータ
３２ウォーターポンプ
３３インタークーラ

Claims

低圧ターボ過給機と、
前記低圧ターボ過給機のタービンよりも排気通路の上流に配置されたタービン及び前記低圧ターボ過給機のコンプレッサよりも吸気通路の下流に配置されたコンプレッサをそれぞれ有し、前記低圧ターボ過給機よりも容量が小さい高圧ターボ過給機と、
前記高圧ターボ過給機のタービンと前記低圧ターボ過給機のタービンとの間に設定されたＥＧＲ取出位置と、前記低圧ターボ過給機のコンプレッサと前記高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間に設定されたＥＧＲ導入位置とを結ぶＥＧＲ通路と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の過給システム。
前記排気通路には、前記高圧ターボ過給機のタービンを経由して排気を導く主通路と、前記高圧ターボ過給機のタービンを迂回して前記低圧ターボ過給機のタービンの上流で前記主通路と合流する排気バイパス通路と、前記排気バイパス通路を通過する排気流量を調整する排気バイパス弁とが設けられ、
前記ＥＧＲ取出位置は前記主通路と前記排気バイパス通路との合流部よりも排気通路の下流に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の過給システム。
前記高圧ターボ過給機のコンプレッサの下流において前記吸気通路を分岐するように設けられた主通路及び吸気バイパス通路と、
前記吸気通路の主通路に設けられたインタークーラと、
吸気を前記インタークーラ又は前記吸気バイパス通路のいずれに導くかを選択する流路選択手段と、
前記ＥＧＲ通路を通過するＥＧＲ量を調整するＥＧＲ弁と、
内燃機関の運転状態に応じたＥＧＲ量が得られるように前記ＥＧＲ弁を制御するＥＧＲ弁制御手段と、
前記ＥＧＲ弁が開いているときは前記インタークーラへの吸気の導入が阻止されて吸気が前記吸気バイパス通路へ導かれるように前記流路選択手段による流路の切り替えを制御する吸気バイパス制御手段と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の過給システム。
前記吸気バイパス通路の前記主通路に対する合流部の近傍に設けられて当該吸気バイパス通路を開閉する第１切替弁と、前記主通路の前記インタークーラよりも上流に設けられて当該主通路を開閉する第２切替弁と、を前記流路選択手段として備えるとともに、
前記吸気バイパス制御手段は、前記ＥＧＲ弁が開いている場合は前記第１切替弁が開き、前記第２切替弁が閉じる一方で、ＥＧＲ弁が閉じている場合は前記第１切替弁が閉じ、前記第２切替弁が開くように前記第１及び第２の切替弁を制御する、
ことを特徴とする請求項３に記載の過給システム。
前記ＥＧＲ通路を通過するＥＧＲ量を調整するＥＧＲ弁と、
内燃機関の運転状態に応じたＥＧＲ量が得られるように前記ＥＧＲ弁を制御するＥＧＲ弁制御手段と、
前記排気通路の前記ＥＧＲ導入位置の下流に設けられ、開度調整が可能な可変絞り手段と、
前記可変絞り手段の開度を制御する絞り制御手段と、
前記吸気通路に導入されているＥＧＲ量を検出するＥＧＲ量検出手段と、を備え、
前記ＥＧＲ弁制御手段は、前記ＥＧＲ量検出手段によるＥＧＲ量の検出値を帰還量として、前記目標ＥＧＲ量に対する前記検出値の偏差が減少するように前記ＥＧＲ弁をフィードバック制御し、
前記絞り制御手段は、前記ＥＧＲ弁のフィードバック制御が所定の限界を超えているか否か判断し、前記限界を超えている場合に前記偏差が減少する方向に前記可変絞り手段の開度を変化させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の過給システム。
前記低圧ターボ過給機として、タービンの入口部分の流路断面積を変更可能な可変ノズル式ターボ過給機が設けられることにより、該低圧ターボ過給機が前記可変絞り手段として機能し、
前記絞り制御手段は、予め用意されたマップに基づいて前記低圧ターボ過給機のノズル開度の変更幅を取得し、その取得された変更幅に従って前記低圧ターボ過給機のノズル開度をオープンループ制御することにより、前記ＥＧＲ量の前記偏差を減少させる、
ことを特徴とする請求項５に記載の過給システム。
前記吸気通路の前記ＥＧＲ導入位置の上流に吸入空気量を調整するスロットル弁が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の過給システム。
前記排気通路の前記ＥＧＲ導入位置の上流に、排気中の粒子状物質を低減する排気浄化装置が設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の過給システム。
前記ＥＧＲ通路に設けられた水冷式のＥＧＲクーラと、内燃機関の冷却水を放熱させる機関冷却用ラジエータとは別に用意されたＥＧＲ用ラジエータと、ＥＧＲクーラとＥＧＲ用ラジエータとの間で冷却水を循環させるウォーターポンプとを含む冷却系が、前記機関冷却用ラジエータを含む冷却系とは分離して設けられている、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の過給システム。