JP2006233803A - 電動機付き過給機を有する内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は電動機付き過給機を有する内燃機関に関し、電動機付き過給機によって過給された空気を冷却空気として利用することで、内燃機関の被冷却部を効率的に冷却できるようにする。
【解決手段】 過給機１４により過給された空気の一部を触媒４８等の内燃機関の被冷却部に導入する冷却空気導入路５２を設ける。被冷却部の冷却の必要性を判定し、判定結果から冷却の必要有りと判断した場合には、切替弁１８を操作して冷却空気導入路５２を開くとともに、電動機１４ｃを作動させて過給機１４の過給圧を上昇させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動機による駆動が可能な電動機付き過給機を備えた内燃機関に関し、特に、過給機により過給された空気を有効利用するための内燃機関の制御技術に関する。

従来、例えば特許文献１に記載されているように、回転軸に電動機が取り付けられた電動機付きターボチャージャが知られている。この電動機付きターボチャージャによれば、電動機を作動させてコンプレッサを回転駆動することで、内燃機関から供給される排気エネルギの大小によらず、必要なときに必要な大きさの過給圧を得ることができる。
特開平８−１８２３８２号公報

ところで、内燃機関の排気通路には各種の触媒が配置されている。例えば、ディーゼル機関やリーンバーン式のガソリン機関の場合、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するためのＮＯｘ触媒が配置される場合がある。このＮＯｘ触媒には、排気ガス中に含まれる硫黄酸化物（ＳＯｘ）も吸蔵され、その吸蔵量に応じてＮＯｘ触媒の浄化能力は低下する。このため、ＮＯｘ触媒を備えたディーゼル機関では、排気ガス中に燃料を添加することによってＮＯｘ触媒に還元剤を供給するとともに、燃料の酸化反応によって触媒床温を上昇させ、それにより吸蔵したＳＯｘを放出させてＮＯｘ触媒を再生する制御（Ｓ再生制御という）が実施されている。

また、ディーゼル機関の場合、排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）や、ＮＯｘ触媒とＤＰＦの両機能を備えたＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOx Reduction system）が配置される場合もある。これら触媒の捕集能力を維持するためには、捕集したＰＭを定期的に燃焼させて触媒を再生する必要がある（ＰＭ再生制御という）。例えば、ＤＰＦを備えたディーゼル機関では、ＰＭ再生制御として、空燃比をリーンに維持した状態で通常の燃料噴射に加えて排気行程での燃料噴射が行われる。排気行程で噴射された燃料は燃焼によって排気ガスの温度を上昇させ、ＤＰＦ上でのＰＭの燃焼を促進させる。また、ＤＰＮＲを備えたディーゼル機関では、ＰＭ再生制御として、前述のＮＯｘ触媒におけるＳ再生制御と同様、排気ガス中に燃料を添加することが行われる。添加された燃料は還元剤となってＤＰＮＲに吸蔵されたＮＯｘを還元するともに、酸化反応によって触媒床温を上昇させる。そして、ＮＯｘの還元時に発生する酸素によってＰＭが酸化浄化される。

上記のＳ再生制御とＰＭ再生制御の何れの制御でも、制御中は触媒床温が上昇するが、触媒床温が上昇しすぎると触媒の成分の劣化を招いてしまう。このため、Ｓ再生制御やＰＭ再生制御の実施中は、触媒床温が上昇しすぎないように適宜、触媒を冷却することが要求される。

また、ディーゼル機関の場合、排気ガス中に燃料を添加する手段として、排気マニホールド内に排気燃料添加インジェクタが設けられる場合がある。排気マニホールド内は非常に高温であるため、排気燃料添加インジェクタの先端温度も高温になりやすい。しかし、先端温度があまりにも高くなると、燃料が霧化せずにデポジットとなって堆積してしまったり、燃料の焼きつきによってインジェクタが詰まったりしてしまう可能性がある。したがって、排気燃料添加インジェクタを備える場合には、その先端温度が高温にならないように、適宜に冷却することも求められる。

さらに、コモンレール式のディーゼル機関の場合、コモンレールからインジェクタに供給された高圧燃料のうち、インジェクタから噴射されなかった燃料は、リターン流路を通って燃料タンクに戻される。圧縮された燃料は高温になっているため、そのまま燃料タンクに戻すとタンク内の燃料温度が上昇し、燃料タンクからコモンレールへ燃料を圧送するサプライポンプのポンプ効率が低下してしまう。したがって、インジェクタで残った燃料を燃料タンクへ戻す場合には、タンク内温度が上昇しないように、燃料を冷却してから燃料タンクへ戻すことが求められる。

以上の例のように、内燃機関には、適宜の冷却が必要となる部位が多数存在する。これら被冷却部を冷却する方法としては、冷却水や冷却空気を用いることが考えられるが、特許文献１に記載されるような電動機付き過給機を有する内燃機関であれば、過給された空気をバイパスして被冷却部に冷却空気として供給することができる。電動機付き過給機は、電動機によって過給圧を制御することができるので、過給された空気の一部をバイパスしても内燃機関の運転に支障をきたすことはない。

本発明の目的は、電動機付き過給機によって過給された空気を冷却空気として利用することで、内燃機関の被冷却部を効率的に冷却できるようにした電動機付き過給機を有する内燃機関を提供することにある。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、電動機付き過給機を有する内燃機関であって、
内燃機関の吸気通路に配置され、電動機によって駆動可能な過給機と、
前記過給機により過給された空気の一部を前記内燃機関の被冷却部に導入する冷却空気導入路と、
前記冷却空気導入路を開閉する開閉弁と、
前記被冷却部の冷却の必要性を判定し、判定結果から冷却の必要有りと判断した場合には、前記開閉弁を開弁するとともに、前記電動機を作動させて前記過給機の過給圧を上昇させる制御手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、前記過給器の過給圧を検出する過給圧検出手段を備え、
前記制御手段は、前記開閉弁の開弁後、前記過給圧検出手段により検出される実過給圧が目標過給圧よりも低下したら、実過給圧を目標過給圧まで上昇させるように前記電動機を作動させることを特徴としている。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記内燃機関が所定の高回転且つ高負荷領域で運転されているときには、前記開閉弁の開弁を禁止する禁止手段を備えることを特徴としている。

また、第４の発明は、電動機付き過給機を有する内燃機関であって、
内燃機関の吸気通路に配置され、電動機によって駆動可能な過給機と、
前記過給機により過給された空気の一部を前記内燃機関の被冷却部に導入する冷却空気導入路と、
前記冷却空気導入路を開閉する開閉弁と、
前記過給機のサージ状態を判定し、判定結果からサージ回避を行うべきであると判断した場合には、前記開閉弁を開弁する制御手段と、
を備えることを特徴としている。

第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、前記被冷却部は、排気ガス中に燃料を添加する燃料添加インジェクタであることを特徴としている。

第６の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、前記被冷却部は、排気通路に配置された触媒であることを特徴としている。

第７の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、前記被冷却部は、筒内に燃料を噴射する筒内インジェクタと燃料タンクとを接続し、前記筒内インジェクタから噴射されなかった燃料を前記燃料タンクに戻すための燃料流路であることを特徴としている。

第８の発明は、第１乃至第７の何れか１つの発明において、前記過給機により過給された空気を冷却するインタークーラを備え、
前記冷却空気導入路は前記インタークーラにより冷却された空気の一部を前記被冷却部に導入することを特徴としている。

第１の発明によれば、内燃機関の被冷却部を冷却する必要がある場合には、開閉弁が開弁することで、過給機により過給された空気の一部が冷却空気導入路を通って被冷却部に供給される。また、電動機が作動して過給機が駆動されることで、過給空気の一部が冷却空気としてバイパスされることによる過給圧の低下が補償される。これにより、内燃機関の運転に支障をきたすことなく、内燃機関の被冷却部を効率的に冷却することができる。

特に、第２の発明によれば、電動機は過給圧が目標過給圧になるように過給機を駆動するので、過給空気の一部を冷却空気として用いながら、過給圧を目標過給圧に維持することができる。

また、第３の発明によれば、内燃機関が高回転高負荷領域で運転されているときには、過給された空気はバイパスされることなく、そのまま内燃機関に供給されるので、内燃機関がトルク不足になることを防止することができる。

なお、電動機付き過給機は、空気量が少ない低回転時でも高過給圧を実現できる反面、過給機のサージ限界を超えやすい。第４の発明によれば、過給機のサージ回避が必要な場合には、開閉弁が開弁することで、過給機により過給された空気の一部は内燃機関ではなく、冷却空気導入路を通って被冷却部に供給される。これにより、内燃機関への空気供給量が少ない場合でも、過給機を通過する空気量を確保することができ、サージの発生を抑制することができる。さらに、バイパスした過給空気を被冷却部に供給することで、被冷却部を冷却することができる。

第５の発明によれば、燃料添加インジェクタの先端温度の上昇を防止することができ、デポジットの堆積や、燃料の焼きつきによる詰まりを防止することができる。

第６の発明によれば、触媒の温度上昇を抑制して触媒の成分の劣化を防止することができる。

第７の発明によれば、燃料タンク内の燃料温度の上昇を抑制し、筒内インジェクタに燃料を圧送するポンプのポンプ効率の低下を防止することができる。

第８の発明によれば、被冷却部にはインタークーラにより冷却された空気が供給されるので、被冷却部をより効率的に冷却することができる。

実施の形態１．
以下、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は本発明の実施の形態１としての電動機付き過給器を有する内燃機関の概略構成図である。本実施形態では、電動機付きターボチャージャ（モータアシストターボチャージャ、略してＭＡＴとも言う）を有するディーゼル機関に本発明を適用している。ディーゼル機関は、複数の気筒（図１では４つの気筒）を有するエンジン本体２、エンジン本体２に燃料を供給する燃料供給系、エンジン本体２に空気を供給する吸気系、エンジン本体２から排気ガスを排出する排気系、そして、ディーゼル機関全体の運転を制御する制御系から構成されている。

本ディーゼル機関の燃料供給系には、燃料を燃焼室内に直接噴射するための筒内インジェクタ３２が備えられる。筒内インジェクタ３２は気筒毎に設けられ、それぞれコモンレール３４に接続されている。つまり、本ディーゼル機関は、コモンレール式のディーゼル機関として構成されている。燃料タンク３８に貯留された燃料は、サプライポンプ３６によって汲み上げられ、所定の燃圧まで圧縮されてコモンレール３４へ供給される。サプライポンプ３６は、図では省略するが、低圧ポンプと高圧ポンプとからなっている。コモンレール３４から筒内インジェクタ３２に供給された高圧燃料のうち、筒内インジェクタ３２で噴射されずに残った燃料は、リターン流路４２を通って燃料タンク３８へ戻されるようになっている。

さらに、本ディーゼル機関の燃料供給系には、燃料を排気ガス中に添加するための排気燃料添加インジェクタ４０が備えられる。排気燃料添加インジェクタ４０は、後述する排気系の排気マニホールド６に設けられ、サプライポンプ３６から燃料の供給を受けている。ディーゼル機関では酸素過剰状態の混合気を燃焼させるため、エンジン本体２から排出される排気ガスの空燃比はリーンであるが、排気燃料添加インジェクタ４０から排気ガス中に燃料を噴射することによって、排気ガスの空燃比を瞬間的にリッチにすることができる。

本ディーゼル機関の排気系には、エンジン本体２に接続される排気マニホールド６と、排気マニホールド６に接続される排気管１０が備えられる。エンジン本体２の各気筒から排出される排気ガスは排気マニホールド６に集められ、排気マニホールド６を介して排気管１０へ排出される。排気管１０の途中には、触媒容器３０が設けられている。触媒容器３０内には、ＮＯｘ触媒、ＤＰＦ、或いはＤＰＮＲ等の触媒４８が配置される。本実施形態では、触媒４８としてＤＰＦが配置されているものとする。触媒容器３０には、触媒床温を測定するための触媒床温センサ７２が取り付けられている。

本ディーゼル機関の吸気系には、エンジン本体２に接続される吸気マニホールド４と、吸気マニホールド４に接続される吸気管８が備えられる。空気は大気中から吸気管８に取り込まれ、吸気マニホールド４を介して各気筒の燃焼室に分配される。吸気管８の入口には、エアクリーナ１２が取り付けられている。エアクリーナ１２の下流近傍には、吸気管８に吸入される空気の流量（吸入空気量）を測定するエアフローメータ７６が設けられている。また、吸気マニホールド４の上流には、吸気絞り弁２２が設けられている。

エアフローメータ７６から吸気絞り弁２２に至る吸気管８の途中には、電動機付きターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａが設けられている。電動機付きターボチャージャ１４は、コンプレッサ１４ａ、タービン１４ｂ、そして、コンプレッサ１４ａとタービン１４ｂとの間に配置される電動機１４ｃから構成されている。タービン１４ｂは、前述の排気系において、排気マニホールド６から触媒容器３０に至る排気管１０の途中に設けられている。コンプレッサ１４ａとタービン１４ｂとは連結軸によって一体に連結され、コンプレッサ１４ａはタービン１４ｂに入力される排気ガスの排気エネルギによって回転駆動される。また、連結軸は電動機（交流モータ）１４ｃのロータにもなっており、電動機１４ｃを作動させることで、コンプレッサ１４ａを強制駆動することもできる。

コンプレッサ１４ａの下流には、コンプレッサ１４ａによって過給された空気の圧力を測定する過給圧センサ７４と、過給された空気を冷却するインタークーラ１６が設けられている。コンプレッサ１４ａからインタークーラ１６に至る吸気管８の途中には、２つのバイパス管５０，５２が同一箇所に接続されている。一方のバイパス管５０は、逆側の端部を吸気管８におけるコンプレッサ１４ａの上流側に接続されている。もう一方のバイパス管５２は、逆側の端部を触媒容器３０に接続されている。吸気管８における両バイパス管５０，５２の接続部には、空気の流路を切替える切替弁１８が配置されている。この切替弁１８は、一方のバイパス管５０の入口を開閉する開閉弁と、もう一方のバイパス管５２の入口を開閉する開閉弁とを兼ねている。切替弁１８を操作してバイパス管５０の入口を開くことで、コンプレッサ１４ａにより過給された空気の一部は再びコンプレッサ１４ａの吸気側に戻される。一方、バイパス管５２の入口を開いた場合には、過給空気の一部はバイパス管（冷却空気導入路）５２に流れ、冷却空気として触媒容器３０内に供給される。

さらに、インタークーラ１６から吸気絞り弁２２に至る吸気管８の途中にも、別のバイパス管５４が接続されている。このバイパス管５４は排気マニホールド６に接続され、その端部は排気燃料添加インジェクタ４０の先端部近傍に配置されている。吸気管８におけるバイパス管５４の接続部には、バイパス管５４の入口を開閉する開閉弁２０が設けられている。開閉弁２０を開くことで、インタークーラ１６により冷却された過給空気の一部はバイパス管（冷却空気導入路）５４に流れ、冷却空気として排気燃料添加インジェクタ４０の先端に供給される。

また、吸気絞り弁２２から吸気マニホールド４に至る吸気管８の途中には、ＥＧＲ管２４が接続されている。ＥＧＲ管２４の逆側の端部は排気マニホールド６に接続され、排気ガスの一部がＥＧＲ管２４を通って吸気管８に導入される。ＥＧＲ管２４の途中には、内部を流れる排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２６が設けられている。また、ＥＧＲ管２４におけるＥＧＲクーラ２６の下流には、吸気管８に導入する排気ガスの量（ＥＧＲ量）を制御するためのＥＧＲ弁２８が設けられている。空気に比較して比熱が高く酸素量の少ない排気ガスを吸気管８に導入することで、筒内の燃焼温度を低下させ、ＮＯｘの生成量を低減することができる。

本ディーゼル機関の制御系には、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）７０とモータコントローラ６０が備えられる。モータコントローラ６０は、ターボチャージャ１４の電動機１４ｃに電力を供給してコンプレッサ１４ａの回転を制御する装置である。ＥＣＵ７０は、ディーゼル機関全体を総合制御する制御装置である。ＥＣＵ７０の出力側には、モータコントローラ６０の他、筒内インジェクタ３２，排気燃料添加インジェクタ４０，吸気絞り弁２２，ＥＧＲ弁２８，切替弁１８，開閉弁２０等の種々の機器が接続され、ＥＣＵ７０の入力側には、エアフローメータ７６，過給圧センサ７４，触媒床温センサ７２の他、クランク角センサ７８等の種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ７０には、これらの機器やセンサ以外にも複数の機器やセンサが接続されているが、ここではその説明は省略する。ＥＣＵ７０は、各センサの出力に基づき、所定の制御プログラムにしたがって各機器を駆動するようになっている。

制御装置としてのＥＣＵ７０の機能の一つとして、触媒（本実施形態ではＤＰＦ）４８に捕集されたＰＭを燃焼させて触媒４８を再生させるＰＭ再生制御がある。このＰＭ再生制御では、全体の空燃比をリーンに維持しながら、圧縮行程での通常の燃料噴射に加えて排気行程での燃料噴射が行われる。排気行程で噴射された燃料は、燃焼により排気ガスの温度を上昇させる。高温で且つリーンな排気ガスが触媒４８に供給されることで、触媒４８上での酸素とＰＭの酸化反応が促進され、ＰＭは燃焼して触媒４８内から除去される。

ところで、上記のＰＭ再生制御中、エンジン本体２から高温の排気ガスが供給され続けることによって触媒床温は上昇する。触媒４８には耐用温度があり、触媒床温がこの耐用温度を超えてしまうと、触媒４８の劣化が進んでしまう。触媒４８の劣化を防止するためには、触媒床温が耐用温度を超えないように何等かの処置を施す必要がある。ＥＣＵ７０は、ＰＭ再生制御の実施中、以下に説明する触媒冷却制御を実施することにより、触媒床温が耐用温度を超えて上昇することを防止している。

図２のフローチャートは、ＰＭ再生制御の実施中、ＥＣＵ７０によって並行して実施される触媒冷却制御のルーチンを示している。本ルーチンの最初のステップ１００では、ＰＭ再生制御の実施中か否か判定される。本ルーチンと並行してＰＭ再生制御が実施されている場合には、ＰＭ再生制御の実施中を示すフラグが立つようになっている。本ステップでは、このフラグのオン／オフを検出することにより、ＰＭ再生制御の実施状況を判断する。ＰＭ再生制御が実施されていない場合には、本ルーチンは終了する。

ＰＭ再生制御の実施中の場合、次のステップ１０２では、触媒床温センサ７２により検出される触媒床温が所定のＯＴ温度を超えているか否か判定される。ＯＴ温度は、触媒４８を冷却する必要があるかどうか判定するための基準温度である。ＯＴ温度は、触媒４８の耐用温度に対してある程度の余裕をもって設定されている。触媒床温がＯＴ温度を超えていない場合には、本ルーチンは終了する。

触媒床温がＯＴ温度を超えている場合には、さらにステップ１０４の判定が実施される。ステップ１０４では、本ディーゼル機関が運転されている運転領域が所定の高回転高負荷域に入っているか否か判定される。本ディーゼル機関の回転数は、クランク角センサ７８から出力されるクランク角信号を用いて算出できる。また、本ディーゼル機関の負荷は、エアフローメータ７６により測定される吸入空気量から求めることができる。判定の結果、本ディーゼル機関が高回転高負荷域外で運転されている場合に、次のステップ１０６の処理が実施される。

ステップ１０６では、触媒容器３０につながるバイパス管５２が吸気管８に連通するように切替弁１８が操作される。これにより、コンプレッサ１４ａにより過給された空気の一部がバイパス管５２を通過し、冷却空気として触媒容器３０内に供給される。冷却空気が触媒容器３０内を流れることによって触媒４８は冷却され、触媒床温の上昇が防止される。

一方、ステップ１０４の判定の結果、本ディーゼル機関が高回転高負荷域で運転されている場合には、ステップ１０６の処理は行われずに本ルーチンは終了する。つまり、多量の空気が必要となる高回転高負荷域では、過給空気のバイパスは禁止され、全ての過給空気がエンジン本体２に供給される。これにより、空気量不足に陥ることは防止され、所望のトルクを得ることができる。なお、冷却空気の供給が禁止されることによる触媒床温の上昇は、例えばＰＭ再生制御を一時的に中止する等、他の方法によって防止することができる。

ステップ１０６の処理により過給空気が触媒４８にバイパスされる場合には、次のステップ１０８の判定が実施される。ステップ１０８では、過給圧センサ７４により検出される過給圧が所定の目標過給圧と比較される。目標過給圧は、ディーゼル機関の回転数及び負荷に応じて決定される。比較の結果、過給圧が目標過給圧以上の場合には本ルーチンは終了するが、過給圧が目標過給圧に達しない場合には、次のステップ１１０の処理が実施される。

ステップ１１０では、モータコントローラ６０から電動機１４ｃに電力が供給され、電動機１４ｃによってターボチャージャ（ＭＡＴ）１４が強制駆動される（ＭＡＴオン）。電動機１４ｃによる強制駆動により、コンプレッサ１４ａの回転数は排気エネルギのみで回転駆動される場合よりも上昇する。その結果、過給空気の一部がバイパスされることで低下した過給圧は、再び目標過給圧に向けて上昇することになる。

以上説明したように、上記の触媒冷却制御ルーチンによれば、ＰＭ再生制御の実施に伴い触媒４８を冷却する必要が生じた場合には、切替弁１８が操作され、ターボチャージャ１４により過給された空気の一部がバイパス管５２を通って触媒４８に供給される。その際、過給圧が目標過給圧よりも低下した場合には、電動機１４ｃが作動してターボチャージャ１４が強制駆動されることで、過給空気の一部が冷却空気としてバイパスされることによる過給圧の低下が補償される。これにより、エンジン本体２の運転に支障をきたすことなく、触媒４８を効率的に冷却することができる。

本実施形態では、ＥＣＵ７０により上記の触媒冷却制御ルーチンが実行されることで、第１の発明の「制御手段」が実現されている。なお、上記の触媒冷却制御ルーチンは、ＤＰＦのＰＭ再生制御中における触媒冷却のみならず、ＤＰＮＲのＰＭ再生制御中における触媒冷却にも適用できる。また、ＮＯｘ触媒やＤＰＮＲのＳ再生制御中における触媒冷却にも適用できる。

実施の形態２.
次に、図３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態の電動機付き過給器を有する内燃機関は、図１に示す構成において、ＥＣＵ７０に、図３のルーチンを実行させることにより実現することができる。

本実施形態では、触媒４８としてＮＯｘ触媒が備えられているものとする。この場合、触媒４８に吸蔵されたＳＯｘを放出させて触媒４８を再生させるＳ再生制御を行う必要がある。排気燃料添加インジェクタ４０により排気ガス中に燃料を添加することによって触媒４８に還元剤を供給するとともに、燃料の酸化反応によって触媒床温を上昇させることで、触媒４８に吸蔵されたＳＯｘは放出される。しかし、排気ガス中に燃料を添加し続けると、触媒床温が触媒４８の耐用温度を超えて過度に上昇してしまう。また、触媒４８からＳＯｘが離脱される際には、還元反応によって強い臭気を有する硫化水素が発生する。そこで、Ｓ再生制御では、触媒床温の過度な上昇を防止することと、硫化水素の発生速度を抑えることを目的として、燃料の添加を断続的に行い、触媒４８に供給する排気ガスの空燃比をリーンとリッチとに断続的に切替えることが行われている。

ところで、上記のＳ再生制御において、エンジン本体２から排出される排気ガスの温度がもともと高い場合、排気燃料添加インジェクタ４０による燃料の添加を停止しても、触媒床温は直ちには低下しない。触媒床温が十分に低下するまでは燃料の添加は行えず、触媒４８に吸蔵されたＳＯｘを放出させることができない。Ｓ再生制御を早期に完了して通常の運転を可能にするためには、燃料の添加を停止している間に触媒床温を効率的に低下させることが必要である。ＥＣＵ７０は、Ｓ再生制御の実施中、以下に説明する触媒冷却制御を実施することにより、Ｓ再生制御に要する時間の短縮を図っている。

図３のフローチャートは、Ｓ再生制御の実施中、ＥＣＵ７０によって並行して実施される触媒冷却制御のルーチンを示している。本ルーチンの最初のステップ２００では、Ｓ再生制御の実施中か否か判定される。本ルーチンと並行してＳ再生制御が実施されている場合には、Ｓ再生制御の実施中を示すフラグが立つようになっている。本ステップでは、このフラグのオン／オフを検出することにより、Ｓ再生制御の実施状況を判断する。Ｓ再生制御が実施されていない場合には、本ルーチンは終了する。

Ｓ再生制御の実施中の場合、次のステップ２０２では、リッチ制御中か否か、つまり、排気燃料添加インジェクタ４０による燃料の添加が行われているか否か判定される。燃料の添加が行われている間は触媒床温を保つ必要があり、触媒４８を冷却する必要はない。このため、リッチ制御中の場合には、本ルーチンは終了する。

リッチ制御中でない場合、次のステップ２０４では、触媒床温センサ７２により検出される触媒床温が所定の目標床温を超えているか否か判定される。目標床温は、触媒４８上でのＳＯｘの還元反応を維持するのに必要な最低温度である。リッチ制御、つまり、燃料の添加は、触媒床温がこの目標床温まで低下することを条件として再開される。触媒床温が既に目標床温まで低下している場合には、それ以上、触媒４８を冷却する必要がないので、本ルーチンは終了する。

一方、触媒床温が目標床温まで低下していない場合は、さらにステップ２０６の判定が実施される。ステップ２０６では、本ディーゼル機関が運転されている運転領域が所定の高回転高負荷域に入っているか否か判定される。判定の結果、本ディーゼル機関が高回転高負荷域外で運転されている場合に、次のステップ２０８の処理が実施される。

ステップ２０８では、触媒容器３０につながるバイパス管５２が吸気管８に連通するように切替弁１８が操作される。これにより、コンプレッサ１４ａにより過給された空気の一部がバイパス管５２を通過し、冷却空気として触媒容器３０内に供給される。冷却空気が触媒容器３０内を流れることによって触媒４８は冷却され、触媒床温の低下が促進される。

一方、ステップ２０６の判定の結果、本ディーゼル機関が高回転高負荷域で運転されている場合には、ステップ２０８及びその後のステップ２１０，２１２の処理はキャンセルされる。これにより、過給空気のバイパスは禁止され、全ての過給空気がエンジ本体２に供給されることになり、多量の空気が必要となる高回転高負荷域において空気量不足に陥ることは防止される。

ステップ２０８の処理により過給空気が触媒４８にバイパスされる場合には、次のステップ２１０の判定が実施される。ステップ２１０では、過給圧センサ７４により検出される過給圧が所定の目標過給圧と比較される。比較の結果、過給圧が目標過給圧に達していない場合には、次のステップ２１２の処理が実施される。

ステップ２１２では、モータコントローラ６０から電動機１４ｃに電力が供給され、電動機１４ｃによってターボチャージャ１４が強制駆動される。電動機１４ｃによりターボチャージャ１４が強制駆動されることで、過給空気の一部がバイパスされることで低下した過給圧は、再び目標過給圧に向けて上昇することになる。なお、ステップ２１０の判定の結果、過給圧が目標過給圧に達している場合には、ステップ２１２の処理はキャンセルされる。

次のステップ２１４では、触媒床温と目標床温を超えているか否か再び判定される。判定の結果、触媒床温が目標床温まで低下するまでの間、ステップ２０６乃至２１４の一連の処理が繰り返し実行される。そして、触媒床温が目標床温まで低下したら、本ルーチンは終了する。

以上説明したように、上記の触媒冷却制御ルーチンによれば、Ｓ再生制御において燃料の添加が一時的に停止すると、切替弁１８が操作され、ターボチャージャ１４により過給された空気の一部がバイパス管５２を通って触媒４８に供給される。その際、過給圧が目標過給圧よりも低下した場合には、電動機１４ｃが作動してターボチャージャ１４が強制駆動されることで、過給空気の一部が冷却空気としてバイパスされることによる過給圧の低下が補償される。これにより、エンジン本体２の運転に支障をきたすことなく、触媒４８を効率的に冷却し、触媒床温を目標床温まで速やかに低下させることができる。

本実施形態では、ＥＣＵ７０により上記の触媒冷却制御ルーチンが実行されることで、第１の発明の「制御手段」が実現されている。

実施の形態３.
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
本実施形態の電動機付き過給器を有する内燃機関は、図１に示す構成において、ＥＣＵ７０に、図４のルーチンを実行させることにより実現することができる。

電動機付きターボチャージャ１４は、電動機１４ｃによる強制駆動によって空気量が少ない低回転時でも高過給圧を実現できる反面、コンプレッサ１４ａのサージ限界を超えやすいという特徴がある。サージを回避する手法としては、過給された空気の一部を吸気管８外に取り出し、コンプレッサ１４ａを通過する空気量を確保することが有効である。この場合、過給に要したエネルギを無駄にしないように、取り出した過給空気を有効に利用できるようにしたい。本実施形態では、サージ回避のために取り出した過給空気をディーゼル機関の被冷却部の冷却に用いることで、エネルギの有効利用を図っている。

本実施形態では、ディーゼル機関の被冷却部として排気燃料添加インジェクタ４０を冷却する。排気燃料添加インジェクタ４０は、排気マニホールド６内に配置されるために先端温度が高温になりやすい。先端温度が高温になると、燃料が霧化せずにデポジットとなって堆積する可能性や、燃料の焼きつきによって詰まりが発生する可能性がある。そこで、サージ回避のために取り出した過給空気を排気燃料添加インジェクタ４０の先端に吹き付けることで、先端温度が過度に上昇することを防止する。なお、本実施形態では、触媒４８としてＮＯｘ触媒が備えられており、定期的にＮＯｘ放出制御やＳ再生制御が実施されているものとする。

図４のフローチャートは、ＥＣＵ７０によって実施されるサージ回避制御のルーチンを示している。本ルーチンの最初のステップ３００では、コンプレッサ１４ａの作動状態がサージ限界に達しているか否か判定される。サージ限界に達しているか否かは、過給圧センサ７４により測定される過給圧と大気圧との圧力比、及びエアフローメータ７６により測定される吸入空気量から、小流量高圧縮比と判定される場合に、サージ限界に達していると判定される。サージ限界に達していない場合には、過給空気を取り出す必要はないので、本ルーチンは終了する。

サージ限界に達している場合、次のステップ３０２では、ＮＯｘ放出制御、或いはＳ再生制御（以下、ＮＯｘ放出制御等）の実施中か否か判定される。本ルーチンと並行してＮＯｘ放出制御等が実施されている場合には、制御の実施中を示すフラグが立つようになっている。本ステップでは、このフラグのオン／オフを検出することにより、各制御の実施状況を判断する。これら制御が実施されているか否かにより、取り出した過給空気の供給先が異なってくる。

ＮＯｘ放出制御等が実施されていない場合には、排気マニホールド６につながるバイパス管５４が吸気管８に連通するように開閉弁２０が開かれる（ステップ３０４）。これにより、インタークーラ１６により冷却された過給空気の一部がバイパス管５４を通過し、冷却空気として排気燃料添加インジェクタ４０の先端へ供給される。冷却空気が供給されることで排気燃料添加インジェクタ４０は冷却され、その先端温度の上昇が抑制される。また、コンプレッサ１４ａを通過する空気の流量が確保されることで、コンプレッサ１４ａのサージも回避される。

一方、ＮＯｘ放出制御等が実施されている場合には、排気燃料添加インジェクタ４０への過給空気の供給は行われない。ＮＯｘ放出制御等では、触媒４８に供給される排出ガスの空燃比を厳密に制御する必要があるからである。したがって、この場合は、コンプレッサ１４ａの吸気側につながるバイパス管５０に過給空気を流すように切替弁１８が操作される（ステップ３０６）。これにより、コンプレッサ１４ａの排気側と吸気側とを結ぶ空気の循環路ができ、コンプレッサ１４ａを通過する空気の流量が確保される。なお、ＮＯｘ放出制御等の実施中は、排気燃料添加インジェクタ４０から燃料が噴射されており、排気燃料添加インジェクタ４０は内部を通過する燃料によって冷却されている。

以上説明したサージ回避制御ルーチンによれば、サージ回避が必要な場合には、開閉弁２０が開弁することで、過給空気の一部はエンジン本体２ではなく、バイパス管５４を通って排気燃料添加インジェクタ４０の先端に供給される。これにより、エンジン本体２への空気供給量が少ない場合でも、コンプレッサ１４ａを通過する空気量を確保することができ、サージの発生を抑制することができる。さらに、バイパスした過給空気を排気燃料添加インジェクタ４０に供給することで、排気燃料添加インジェクタ４０の先端温度の上昇を抑制することができる。

本実施形態では、ＥＣＵ７０により上記のサージ回避制御ルーチンが実行されることで、第４の発明の「制御手段」が実現されている。

実施の形態４.
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。
本実施形態の電動機付き過給器を有する内燃機関は、図１に示す構成において、ＥＣＵ７０に、図５のルーチンを実行させることにより実現することができる。

実施の形態４では、排気燃料添加インジェクタ４０を冷却しているが、実施の形態１，２と同様に、触媒４８を冷却してもよい。本実施の形態では、ディーゼル機関の被冷却部として排気燃料添加インジェクタ４０と触媒４８とを冷却する。なお、本実施形態では、触媒４８としてＤＰＦが備えられ、定期的にＰＭ放出制御が実施されているものとする。

図５のフローチャートは、ＥＣＵ７０によって実施されるサージ回避制御のルーチンを示している。本ルーチンの最初のステップ４００では、過給圧センサ７４により測定される過給圧と大気圧との圧力比、及びエアフローメータ７６により測定される吸入空気量から、コンプレッサ１４ａの作動状態がサージ限界に達しているか否か判定される。サージ限界に達していない場合には、過給空気をバイパスして取り出す必要はないので、本ルーチンは終了する。

サージ限界に達している場合、次のステップ４０２では、ＰＭ再生制御の実施中か否か判定される。本ルーチンと並行してＰＭ再生制御が実施されている場合には、制御の実施中を示すフラグが立つようになっている。本ステップでは、このフラグのオン／オフを検出することにより、ＰＭ再生制御の実施状況を判断する。ＰＭ再生制御が実施されているか否かにより、取り出した過給空気の供給先が異なってくる。

ＰＭ再生制御が実施されていない場合には、排気マニホールド６につながるバイパス管５４が吸気管８に連通するように開閉弁２０が開かれる（ステップ４０６）。これにより、インタークーラ１６により冷却された過給空気の一部がバイパス管５４を通過し、冷却空気として排気燃料添加インジェクタ４０の先端へ供給される。冷却空気が供給されることで排気燃料添加インジェクタ４０は冷却され、その先端温度の上昇が抑制される。また、コンプレッサ１４ａを通過する空気の流量が確保されることで、コンプレッサ１４ａのサージも回避される。

ＰＭ再生制御が実施されている場合には、ステップ４０４の判定が行われる。ステップ４０４では、触媒床温がＯＴ温度を超えているか否か判定される。触媒床温がＯＴ温度を超えている場合には、触媒４８の熱劣化を防止するため、触媒容器３０につながるバイパス管５２が吸気管８に連通するように切替弁１８が操作される（ステップ４０８）。これにより、過給空気の一部がバイパス管５２を通過し、冷却空気として触媒容器３０内に供給される。冷却空気が触媒容器３０内を流れることによって触媒４８は冷却され、触媒床温の上昇が防止される。また、コンプレッサ１４ａを通過する空気の流量が確保されることで、コンプレッサ１４ａのサージも回避される。

一方、触媒床温がＯＴ温度以下の場合には、触媒４８を冷却する必要がない。この場合は、コンプレッサ１４ａの吸気側につながるバイパス管５０に過給空気を流すように切替弁１８が操作される（ステップ４１０）。これにより、コンプレッサ１４ａの排気側と吸気側とを結ぶ空気の循環路ができ、コンプレッサ１４ａを通過する空気の流量が確保される。

以上説明したサージ回避制御ルーチンによれば、実施の形態３と同様、エンジン本体２への空気供給量が少ない場合でも、コンプレッサ１４ａを通過する空気量を確保することができ、サージの発生を抑制することができる。さらに、ＰＭ再生制御が実施されていないときは、バイパスした過給空気を排気燃料添加インジェクタ４０に供給することで、排気燃料添加インジェクタ４０の先端温度の上昇を抑制することができ、ＰＭ再生制御の実施中であって触媒床温が上昇しているときは、バイパスした過給空気を触媒容器３０内に供給することで、触媒床温の上昇を抑制することができる。

本実施形態では、ＥＣＵ７０により上記のサージ回避制御ルーチンが実行されることで、第４の発明の「制御手段」が実現されている。なお、触媒４８がＮＯｘ触媒である場合には、上記のサージ回避制御ルーチンにおけるＰＭ再生制御中か否かの判定をＳ再生制御中か否かの判定に変更すればよい。これによれば、サージ回避のためにバイパスした過給空気をＮＯｘ触媒のＳ再生制御中における触媒冷却に利用することができる。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

実施の形態１，２では過給空気を触媒４８の冷却に利用しているが、他の被冷却部の冷却に利用してもよい。例えば、排気燃料添加インジェクタ４０の冷却に利用してもよく、筒内インジェクタ３２と燃料タンク３８とを結ぶリターン流路４２の冷却に利用してもよい。リターン流路４２を冷却することで、燃料タンク３８の内部温度の上昇を抑制することができ、サプライポンプ３６のポンプ効率の低下を防止することができる。この場合も、過給空気のバイパスによって過給圧が低下したときには、過給圧の低下を補うように電動機１４ｃによりターボチャージャ１４を強制駆動すればよい。

また、実施の形態３，４において、サージ回避のためにバイパスした過給空気の供給先は、排気燃料添加インジェクタ４０や触媒４８以外の被冷却部でもよい。例えば、上記のように、筒内インジェクタ３２と燃料タンク３８とを結ぶリターン流路４２の冷却に用いてもよい。

図１の構成では、切替弁１８をインタークーラ１６の上流に配置しているが、開閉弁２０と同様にインタークーラ１６の下流に配置してもよい。これによれば、インタークーラ１６により冷却された空気を触媒４８に供給することができ、触媒４８をより効率的に冷却することができる。その場合、切替弁１８と開閉弁２０を一体化して１つの切替弁として構成してもよい。

また、図１の構成では、電動機付き過給器として電動機付きターボチャージャを用いているが、本発明においては、電動機付き過給器は、電動機のみによってコンプレッサを駆動する電動コンプレッサであってもよい。コンプレッサは遠心圧縮機でも、軸流圧縮機でもよい。また、図１の構成では、本発明をディーゼル機関に適用しているが、被冷却部を有する内燃機関であれば、ガソリン機関等の他の内燃機関にも適用することができる。

本発明の実施の形態１としての電動機付き過給器を有する内燃機関の概略構成図である。 本発明の実施の形態１において実施される触媒冷却制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２において実施される触媒冷却制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３において実施されるサージ回避制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態４において実施されるサージ回避制御ルーチンのフローチャートである。

符号の説明

２ エンジン本体
４ 吸気マニホールド
６ 排気マニホールド
８ 吸気管
１０ 排気管
１２ エアクリーナ
１４ 電動機付きターボチャージャ（ＭＡＴ）
１４ａ コンプレッサ
１４ｂ タービン
１４ｃ 電動機
１６ インタークーラ
１８ 切替弁
２０ 開閉弁
２２ 吸気絞り弁
２４ ＥＧＲ管
２６ ＥＧＲクーラ
２８ ＥＧＲ弁
３０ 触媒容器
３２ 筒内インジェクタ
３４ コモンレール
３６ サプライポンプ
３８ 燃料タンク
４０ 排気燃料添加インジェクタ
５０ バイパス管（吸気側）
５２ バイパス管（触媒側）
５４ バイパス管（添加インジェクタ側）
７２ リターン流路
４８ 触媒
６０ モータコントローラ
７０ ＥＣＵ
７２ 触媒床温センサ
７４ 過給圧センサ
７６ エアフローメータ
７８ クランク角センサ

Claims (8)

1. 内燃機関の吸気通路に配置され、電動機によって駆動可能な過給機と、
   前記過給機により過給された空気の一部を前記内燃機関の被冷却部に導入する冷却空気導入路と、
   前記冷却空気導入路を開閉する開閉弁と、
   前記被冷却部の冷却の必要性を判定し、判定結果から冷却の必要有りと判断した場合には、前記開閉弁を開弁するとともに、前記電動機を作動させて前記過給機の過給圧を上昇させる制御手段と、
   を備えることを特徴とする電動機付き過給機を有する内燃機関。
2. 前記過給器の過給圧を検出する過給圧検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記開閉弁の開弁後、前記過給圧検出手段により検出される実過給圧が目標過給圧よりも低下したら、実過給圧を目標過給圧まで上昇させるように前記電動機を作動させることを特徴とする請求項１記載の電動機付き過給機を有する内燃機関。
3. 前記内燃機関が所定の高回転且つ高負荷領域で運転されているときには、前記開閉弁の開弁を禁止する禁止手段を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の電動機付き過給機を有する内燃機関。
4. 内燃機関の吸気通路に配置され、電動機によって駆動可能な過給機と、
   前記過給機により過給された空気の一部を前記内燃機関の被冷却部に導入する冷却空気導入路と、
   前記冷却空気導入路を開閉する開閉弁と、
   前記過給機のサージ状態を判定し、判定結果からサージ回避を行うべきであると判断した場合には、前記開閉弁を開弁する制御手段と、
   を備えることを特徴とする電動機付き過給機を有する内燃機関。
5. 前記被冷却部は、排気ガス中に燃料を添加する燃料添加インジェクタであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電動機付き過給機を有する内燃機関。
6. 前記被冷却部は、排気通路に配置された触媒であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電動機付き過給機を有する内燃機関。
7. 前記被冷却部は、筒内に燃料を噴射する筒内インジェクタと燃料タンクとを接続し、前記筒内インジェクタから噴射されなかった燃料を前記燃料タンクに戻すための燃料流路であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電動機付き過給機を有する内燃機関。
8. 前記過給機により過給された空気を冷却するインタークーラを備え、
   前記冷却空気導入路は前記インタークーラにより冷却された空気の一部を前記被冷却部に導入することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の電動機付き過給機を有する内燃機関。
   

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