JP2007085198A - 内燃機関の過給圧制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 過給機を有する内燃機関の過給圧制御システムにおいて、過給圧をより速やかに上昇させることが可能な技術を提供することを課題とする。
【解決手段】 コンプレッサ４ａの下流側の吸気通路２とタービン４ｂの上流側の排気通路３とを連通する連通路１１を備え、内燃機関１の運転状態が過給圧を上昇させる過渡運転状態となったときに、排気の脈動によって排気圧力が吸気圧力よりも低下したときは連通路１１を開通させ、排気の脈動によって排気圧力が吸気圧力よりも上昇したときは連通路１１を遮断する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の過給圧制御システムに関し、特に、排気エネルギによって吸気を過給する過給機を有する内燃機関の過給圧制御システムに関する。

排気によって吸気を過給する過給機（以下、単に過給機と称する）を有する内燃機関において、空燃比をリッチとすると共に、吸気弁と排気弁とが共に開弁状態となっているバルブオーバーラップ期間を増大させて排気通路への吸気の吹き抜けを誘引することにより、排気中の未燃ＨＣを再燃焼させて排気エネルギを増加させてターボラグを改善する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−２４５１０４号公報

本発明は、過給機を有する内燃機関の過給圧制御システムにおいて、過給圧をより速やかに上昇させることが可能な技術を提供することを課題とする。

本発明は、過給機を有する内燃機関において、該内燃機関の運転状態が過給圧を上昇させる過渡運転状態となった場合、吸気の一部を内燃機関をバイパスさせて過給機のタービンより上流側の排気通路に流れ込ませると共に、排気の一部が内燃機関をバイパスしてコンプレッサより下流側の吸気通路に流入することを抑制するものである。

より詳しくは、本発明に係る内燃機関の過給圧制御システムは、
内燃機関の排気通路を流れる排気によって駆動されるタービンと該タービンと共に回転して前記内燃機関の吸気通路を流れる吸気を過給するコンプレッサとを有する過給機と、
前記コンプレッサの下流側の前記吸気通路と前記タービンの上流側の前記排気通路とを連通し、吸気もしくは排気が流れる連通路と、
該連通路の流路面積を変更する流路面積変更手段と、
を備え、
吸気圧力が排気圧力の平均値以上であり、前記内燃機関の運転状態が過給圧を上昇させる過渡運転状態となった場合、排気の脈動によって排気圧力が吸気圧力よりも低下したときは前記流路面積変更手段によって前記連通路の流路面積を比較的大きくし、排気の脈動によって排気圧力が吸気圧力よりも上昇したときは前記流路面積変更手段によって前記連通路の流路面積を比較的小さくする。

ここで、吸気圧力とはコンプレッサより下流側の吸気通路における圧力である。また、排気圧力とはタービンより上流側の排気通路における圧力である。排気圧力は排気の脈動によって変動する。そのため、内燃機関の運転状態が、吸気圧力が排気圧力の平均値以上となる領域にある場合であっても、排気圧力が吸気圧力よりも上昇する場合がある。

本発明では、吸気圧力が排気圧力の平均値以上であり、内燃機関の運転状態が過給圧を上昇させる過渡運転状態となった場合において、排気の脈動によって排気圧力が吸気圧力よりも低下したときは流路面積変更手段によって連通路の流路面積を比較的大きくする。これにより、連通路を介して吸気がタービンの上流側の排気通路へ流れ込み易くなる。その結果、該排気通路における空気量が増加することになる。

さらに、本発明では、吸気圧力が排気圧力の平均値以上であり、内燃機関の運転状態が過給圧を上昇させる過渡運転状態となった場合において、排気の脈動によって排気圧力が吸気圧力よりも上昇したときは流路面積変更手段によって連通路の流路面積を比較的小さくする。排気圧力が吸気圧力よりも上昇した場合、連通路を介して排気が吸気通路に流れ込み易くなる。しかしながら、上記のように連通路の流路面積を比較的小さくするよって、排気が吸気通路へ流れ込むことを抑制することが出来る。

つまり、本発明においては、吸気圧力が排気圧力の平均値以上であり、内燃機関の運転状態が過給圧を上昇させる過渡運転状態となった場合、タービンの上流側の排気通路における空気量が増加すると共に、吸気通路への排気の流入が抑制される。タービンの上流側の排気通路における空気量が増加することによって、該排気通路における排気中の未燃ＨＣの燃焼が促進されることになる。これにより、排気エネルギが増加する。また、吸気通路への排気の流入が抑制されることによって内燃機関におけるトルクの低下が抑制されることになる。この結果、本発明によれば、より速やかに過給圧を上昇させることが出来る。

また、本発明によれば、排気通路に排出された排気中の未燃ＨＣがより燃焼し易くなることで、該未燃ＨＣが大気中に放出され難くなる。そのため、燃費や排気エミッションの悪化を抑制することが出来る。

本発明においては、前記流路面積変更手段が、前記連通路を遮断または開通させる開閉弁であってもよい。このとき、吸気圧力が排気圧力の平均値以上であって、前記内燃機関の運転状態が過給圧を上昇させる過渡運転状態となった場合において、排気の脈動によって排気圧力が吸気圧力よりも低下したときは前記開閉弁によって前記連通路を開通させてもよい。また、吸気圧力が排気圧力の平均値以上であって、前記内燃機関の運転状態が過給圧を上昇させる過渡運転状態となった場合において、排気の脈動によって排気圧力が吸気圧力よりも上昇したときは前記開閉弁によって前記連通路を遮断してもよい。

上記のような場合、排気圧力が吸気圧力よりも低下したときは開閉弁によって連通路が開通されるため、該連通路を介して吸気の一部がタービンの上流側の排気通路に流れ込むことになる。一方、排気圧力が吸気圧力よりも上昇したときは開閉弁によって連通路が遮断されるため、排気が吸気通路へ流れ込むことを抑制することが出来る。

本発明においては、前記連通路が、前記排気通路を流れる排気の一部を前記吸気通路へ還流させるＥＧＲ通路であり、前記流路面積変更手段が、前記ＥＧＲ通路に設けられ前記吸気通路へ還流される排気の流量を制御するＥＧＲ弁であってもよい。

この場合には、ＥＧＲ通路を介して吸気を排気通路に流入させることが出来る。また、排気通路に流入させる吸気の流量をＥＧＲ弁によって制御することが出来る。そのため、ＥＧＲ通路およびＥＧＲ弁の他に連通路および流路面積変更手段を設ける必要がない。

本発明によれば、過給機を有する内燃機関の過給圧制御システムにおいて、過給圧をより速やかに上昇させることが出来る。

以下、本発明についての具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

＜内燃機関とその吸排気系の概略構成＞
本実施例では、本発明を車両駆動用エンジンに適用した場合について説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関及びその吸排気系の概略構成を示す図である。

内燃機関１は、４つの気筒を有する４気筒エンジンである。内燃機関１には、吸気通路２及び排気通路３が接続されている。

吸気通路２の途中には、ターボチャージャ（過給機）４のコンプレッサ４ａが設置されている。一方、排気通路３の途中には、ターボチャージャ４のタービン４ｂが設置されている。タービン４ｂは、排気通路３を流れる排気によって駆動されるものであり、コンプレッサ４ａは、駆動されたタービン４ｂと共に回転して吸気通路２を流れる吸気を過給するものである。

また、コンプレッサ４ａより上流側の吸気通路２には、エアフロメータ５が設けられており、コンプレッサ４ａより下流側の吸気通路２には、該吸気通路２内の圧力（吸気圧力）に対応した電気信号を出力する吸気圧力センサ６が設けられている。一方、タービン４ｂより上流側の排気通路３には、該排気通路３内の圧力（排気圧力）に対応した電気信号を出力する排気圧力センサ７が設けられている。

さらに、内燃機関１には、アクセル開度に対応した電気信号を出力するアクセル開度センサ８、及び、クランクシャフトの回転角に対応した電気信号を出力するクランクポジションセンサ９が設けられている。

また、内燃機関１はＥＧＲ装置１０を備えている。該ＥＧＲ装置１０は、排気通路３と吸気通路２とを連通するＥＧＲ通路１１と、該ＥＧＲ通路１１に設けられ該ＥＧＲ通路１１を流通するＥＧＲガスの量を調整するＥＧＲ弁１２と、を含んで構成されている。尚、本実施例においては、ＥＧＲ通路１１が本発明に係る連通路を構成し、ＥＧＲ弁１２が本発明に係る流路面積変更手段を構成する。

本実施例においては、内燃機関１の運転状態が、排気圧力の平均値が吸気圧力よりも高い所定の運転領域にあるときに、ＥＧＲ弁１２を開弁状態とすることで、ＥＧＲ通路１１を介して排気の一部を吸気通路２に導入する。これにより、内燃機関１における燃焼温度を低下させてＮＯｘの生成を抑制する。以下、このような制御をＥＧＲ制御と称する。該ＥＧＲ制御が実行される所定の運転領域は予め実験等によって定められている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、内燃機関１を制御するためのＥＣＵ１３が併設されている。ＥＣＵ１３は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

ＥＣＵ１３には、エアフロメータ５、吸気圧力センサ６、排気圧力センサ７、アクセル開度センサ８、クランクポジションセンサ９が電気的に接続されている。そして、これらの出力信号がＥＣＵ１３に入力される。

また、ＥＣＵ１３には、内燃機関１の燃料噴射弁、ＥＧＲ弁１２が電気的に接続されている。そして、ＥＣＵ１３によってこれらが制御される。

＜吸気バイパス制御＞
本実施例においては、吸気圧力が排気圧力の平均値以上であり、内燃機関１の運転状態が過給圧を上昇させる過渡運転状態となった場合、ＥＧＲ通路１１を介して吸気通路２に流れる吸気を排気通路３へ流れ込ませる吸気バイパス制御が実行される。吸気バイパス制御によって、吸気の一部を内燃機関１をバイパスさせて排気通路３に導入することで、該
排気通路３における空気量を増加させることが出来る。これにより、排気通路３における排気中の未燃ＨＣの燃焼を促進することが出来、以って、排気エネルギを増加させることが出来る。本実施例に係る吸気バイパス制御は、ＥＧＲ装置１０をＥＧＲ制御とは異なる使用方法で用いて行われる。

ここで、吸気バイパス制御におけるＥＧＲ弁１２の制御について図２に基づいて説明する。図２（ａ）において、実線は排気圧力を示しており、一点鎖線は吸気圧力を示している。また、図２（ｂ）はＥＧＲ弁１２への開弁および閉弁信号を示している。

図２（ａ）に示すように、吸気圧力センサ６によって検出される吸気圧力はほぼ一定の値となっている。しかしながら、内燃機関１におけるそれぞれの気筒が排気行程となったときに排出される排気によって、タービン４ｂより上流側の排気通路３における排気は脈動するため、排気圧力センサ７によって検出される排気圧力は図２（ａ）に示すように変動する。そして、排気圧力の平均値とは、このように変動する排気圧力の所定期間における平均を示す値である。

つまり、内燃機関１の運転状態が、吸気圧力が排気圧力の平均値以上となる領域にある場合であっても、排気の脈動により排気圧力が吸気圧力よりも上昇することがある。従って、内燃機関１の運転状態が上記のような領域にある場合であっても、ＥＧＲ弁１２を開弁することでＥＧＲ通路１１を常時開通した状態とすると、排気圧力が吸気圧力よりも低下したときは吸気通路２に流れる吸気が排気通路３へ流れ込むが、排気圧力が吸気圧力よりも上昇したときは排気通路３に流れる排気が吸気通路２へ流れ込むという吸気バイパス制御における逆流が生じてしまう。

そこで、本実施例では、図２（ｂ）に示すようにＥＧＲ弁１２の開閉時期を制御する。つまり、排気の脈動によって排気圧力が吸気圧力よりも低下したときはＥＧＲ弁１２によってＥＧＲ通路１１を開通させ、排気の脈動によって排気圧力が吸気圧力よりも上昇したときはＥＧＲ弁１２によってＥＧＲ通路１１を遮断する。

このような制御により、排気圧力が吸気圧力よりも低下したときはＥＧＲ通路１１を介して吸気通路２を流れる吸気が排気通路３へ流れ込み、排気通路３における空気量を増加することが出来る。また、排気圧力が吸気圧力よりも上昇したときはＥＧＲ通路１１を介して排気通路３を流れる排気が吸気通路２へ流れ込むことを抑制することが出来る。

つまり、本発明によれば、吸気圧力が排気圧力の平均値以上であり、内燃機関１の運転状態が過給圧を上昇させる過渡運転状態となった場合、タービン４ｂの上流側の排気通路３における空気量が増加すると共に、吸気通路２への排気の流入が抑制される。これにより、タービン４ｂの上流側の排気通路３における空気量を増加させることが出来ると共に、吸気通路２への排気の流入が抑制されることによって内燃機関１におけるトルクの低下を抑制することが出来る。従って、より速やかに過給圧を上昇させることが出来る。

また、本実施例に係る吸気バイパス制御によれば、排気通路３に排出された排気中の未燃ＨＣがより燃焼し易くなることで、該未燃ＨＣが大気中に放出され難くなる。そのため、燃費や排気エミッションの悪化を抑制することが出来る。

加えて、本実施例によれば、既存のＥＧＲ装置１０を用いて、吸気バイパス制御を実行することが出来る。そのため、吸気バイパス制御のための新たな構成が必要なく、コストを削減することが出来る。

なお、吸気バイパス制御は、吸気圧力が排気圧力の平均値以上であり、内燃機関１の運
転状態が過給圧を上昇させる過渡運転状態となった場合に行うものである。図３は、本実施例における制御領域を示す図である。図３において、領域Ｋが吸気バイパス制御領域を表し、領域ＥがＥＧＲ制御領域を表す。このように、吸気バイパス制御領域とＥＧＲ制御領域とは重なっておらず、吸気バイパス制御とＥＧＲ制御はそれぞれ個別に行われるものである。

＜吸気バイパス制御の制御ルーチン＞
以下、本実施例に係る吸気バイパス制御の制御ルーチンについて図４に示すフローチャートに基づいて説明する。本ルーチンは、ＥＣＵ１３に予め記憶されており、内燃機関１の運転中、規定間隔で繰り返されるルーチンである。

本ルーチンでは、ＥＣＵ１３は、先ずＳ１０１において、アクセル開度が増加したか否かをアクセル開度センサ８の検出値に基づいて判別する。Ｓ１０１において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１３は、過給圧の上昇要求があると判断し、Ｓ１０２に進む。一方、Ｓ１０１において、否定判定された場合、ＥＣＵ１３は本ルーチンの実行を一旦終了する。

Ｓ１０２において、ＥＣＵ１３は、吸気バイパス制御の実行条件を満たすか否かを判別する。ここで、吸気バイパス制御の実行条件は、吸気圧力が排気圧力の平均値以上、かつ、内燃機関１の運転状態が図３に示す領域Ｋにあるときに満たされる。Ｓ１０２において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１３はＳ１０３に進む。一方、Ｓ１０２において、否定判定された場合、ＥＣＵ１３は本ルーチンの実行を一旦終了する。

次に、ＥＣＵ１３は、Ｓ１０３に進み、上記したような吸気バイパス制御を行い、排気の脈動に合わせてＥＧＲ弁１２を開閉制御する。

ここで、排気の脈動によって排気圧力が吸気圧力より上昇または下降するタイミングは、内燃機関１の機関回転数および吸入空気量に応じて変化する。そこで、ＥＧＲ弁１２の開弁および閉弁のタイミングを、内燃機関１の機関回転数及びエアフロメータ５によって検出される吸入空気量によるマップに基づいて設定しても良い。

ＥＣＵ１３は、Ｓ１０３の後、本ルーチンの実行を一旦終了する。

なお、上記実施例では、ＥＧＲ装置１０を用いて本発明を実施していたが、これに限られるものではない。例えば、ＥＧＲ通路１１の他に、コンプレッサ４ａの下流側の吸気通路２とタービン４ｂの上流側の排気通路３とを連通し、吸気もしくは排気が流れる連通路を設けてもよい。この場合、連通路の流路面積を変更する開閉弁を設け、この開閉弁を上記ＥＧＲ弁１２と同様に制御してもよい。また、吸気バイパス制御においては、排気圧力が吸気圧力よりも上昇した場合、ＥＧＲ弁１２や開閉弁によってＥＧＲ通路１１や連通路を遮断せずとも、排気圧力が吸気圧力よりも低下した場合に比べてＥＧＲ弁１２や開閉弁の開度を小さくしてもよい。

本発明の実施例に係る内燃機関及びその吸排気系の概略構成を示す図。 本発明の実施例に係る吸気圧力及び排気圧力並びにＥＧＲ弁の開閉時期を示す図。 本発明の実施例に係る吸気バイパス制御領域を示す図。 本発明の実施例に係る吸気バイパス制御の制御ルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１・・内燃機関
２・・吸気通路
３・・排気通路
４・・ターボチャージャ
４ａ・・コンプレッサ
４ｂ・・タービン
５・・エアフロメータ
６・・吸気圧力センサ
７・・排気圧力センサ
８・・アクセル開度センサ
９・・クランクポジションセンサ
１０・・ＥＧＲ装置
１１・・ＥＧＲ通路
１２・・ＥＧＲ弁
１３・・ＥＣＵ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路を流れる排気によって駆動されるタービンと該タービンと共に回転して前記内燃機関の吸気通路を流れる吸気を過給するコンプレッサとを有する過給機と、
   前記コンプレッサの下流側の前記吸気通路と前記タービンの上流側の前記排気通路とを連通し、吸気もしくは排気が流れる連通路と、
   該連通路の流路面積を変更する流路面積変更手段と、
   を備え、
   吸気圧力が排気圧力の平均値以上であり、前記内燃機関の運転状態が過給圧を上昇させる過渡運転状態となった場合、排気の脈動によって排気圧力が吸気圧力よりも低下したときは前記流路面積変更手段によって前記連通路の流路面積を比較的大きくし、排気の脈動によって排気圧力が吸気圧力よりも上昇したときは前記流路面積変更手段によって前記連通路の流路面積を比較的小さくすることを特徴とする内燃機関の過給圧制御システム。
2. 前記流路面積変更手段が、前記連通路を遮断または開通させる開閉弁であり、
   吸気圧力が排気圧力の平均値以上であって、前記内燃機関の運転状態が過給圧を上昇させる過渡運転状態となった場合、排気の脈動によって排気圧力が吸気圧力よりも低下したときは前記開閉弁によって前記連通路を開通させ、排気の脈動によって排気圧力が吸気圧力よりも上昇したときは前記開閉弁によって前記連通路を遮断することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の過給圧制御システム。
3. 前記連通路が、前記排気通路を流れる排気の一部を前記吸気通路へ還流させるＥＧＲ通路であり、
   前記流路面積変更手段が、前記ＥＧＲ通路に設けられ前記吸気通路へ還流される排気の流量を制御するＥＧＲ弁であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の過給圧制御システム。

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