JP2009221996A - ディーゼルエンジンの過給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンの始動時に燃料の着火性を高めることを可能にし、未燃焼燃料がエンジン外に排出されるのを防止又は抑制することを可能にする手段を提供する。
【解決手段】エンジンＤＥにおいては、排気ターボ過給機１９のタービン１９ｂの下流で共通排気通路２６に第２電動過給機２９が配設されている。第２電動過給機２９は、共通排気通路２６内に配置された翼形状がアキシャル型のコンプレッサ２９ａと、該コンプレッサ２９ａを回転駆動するモータ２９ｂとを備えている。コンプレッサ２９ａは正回転するときにはそれより下流側の排気ガスを加圧し、逆回転するときには上流側の排気ガスを加圧する。エンジンＤＥの冷間始動時には、コンプレッサ２９ａが逆回転させられ、これにより排気圧力が高くなり、燃料の着火性が高められ、かつ未燃焼燃料がエンジン外に排出されるのが防止又は抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動過給機を備えた圧縮自己着火式のディーゼルエンジンの過給装置に関するものである。

ディーゼルエンジンは、熱効率が高く燃費性能が高いので、地球温暖化の一因である二酸化炭素の排出量を少なくすることができ、また耐久性及び信頼性が高いので、自動車用のエンジンとして広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。そして、ディーゼルエンジンでは、燃料室内に吸入した空気をピストンで断熱圧縮してこの空気を燃料の着火温度以上に昇温させ、燃料をこの高温の空気中に噴射し、自己着火により燃焼させるようにしている。
特開２００３−２６９２０３号公報（段落［００１９］、図１）

しかしながら、かかるディーゼルエンジンでは、エンジン始動時、とくに冷機状態からのエンジン始動時すなわち冷間始動時には、燃焼室の周囲が低温であるので、燃焼室内で断熱圧縮された高温の空気の熱エネルギの一部が周囲に逃げ、燃焼室内の空気の温度が燃料の着火温度まで上昇せず、燃料が自己着火しないことがある。この場合、未燃焼燃料がエンジン外に排出されて大気汚染の原因となり、また燃料の逸失により燃費性が低下するといった問題が生じる。とくに、近年、ディーゼルエンジンは、その軽量化を図るために圧縮比が比較的低く設定される傾向があるが、圧縮比を低くすると、断熱圧縮による燃焼室内の空気の温度上昇幅が小さくなるので、エンジン始動時における燃料の着火性がさらに悪くなる。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、ディーゼルエンジンの始動時、とくに冷間始動時に、燃料の着火性を高めることを可能にし、あるいは未燃焼燃料がエンジン外に排出されるのを防止又は抑制することを可能にし、ひいてはエミッション性能及び燃費性能を高めることを可能にする手段を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る圧縮自己着火式のディーゼルエンジンの過給装置は、排気通路に配設され、排気ガスの流れ方向にみて上流側（以下「排気上流側」という。）を加圧することが可能な電動過給機と（下流側を加圧することができるか否かは問わない）、エンジン始動時に電動過給機を、排気上流側を加圧するように作動させて排気圧力を上昇させる電動過給機制御手段とを備えていることを特徴とするものである。

本発明に係るディーゼルエンジンの過給装置においては、電動過給機は、正回転したときに排気ガスの流れ方向にみて下流側（以下「排気下流側」という。）を加圧する一方、逆回転したときに排気上流側を加圧するコンプレッサを有するアキシャル型の電動過給機であるのが好ましく、この場合電動過給機制御手段が、エンジン始動時にコンプレッサを逆回転させるよう構成されているのが好ましい。

本発明に係るディーゼルエンジンの過給装置においては、エンジン始動時のエンジン回転数を検出する回転数検出手段が設けられ、電動過給機制御手段が、エンジン始動時に、回転数検出手段によって検出されたエンジン回転数の上昇に応じて電動過給機の作動回転数を上昇させるよう構成されているのが好ましい。

本発明に係るディーゼルエンジンの過給装置においては、エンジン温度を検出するエンジン温度検出手段が設けられ、電動過給機制御手段が、エンジン始動時に、エンジン温度検出手段によって検出されたエンジン温度が低い時（冷間始動時）にのみ電動過給機を作動させるよう構成されているのが好ましい。

本発明に係るディーゼルエンジンの過給装置においては、排気ターボ過給機が設けられ、電動過給機が、排気ガスの流れ方向にみて排気ターボ過給機のタービンより下流側の排気通路に配設されているのが好ましい。

本発明に係るディーゼルエンジンの過給装置においては、電動過給機より排気上流側の排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、該ＥＧＲ通路に配設されたＥＧＲ制御弁とが設けられ、電動過給機制御手段が、エンジン始動時にＥＧＲ制御弁を開弁させるよう構成されているのが好ましい。

本発明に係るディーゼルエンジンの過給装置によれば、エンジン始動時に電動過給機の加圧により排気圧力が上昇するので、燃焼室内（気筒内）の圧縮圧力ひいては燃料噴射時における燃焼室内の空気の温度を高めることができ、燃料の着火性を高めることができる。また、エンジン始動時に燃料が着火しなかったときでも、排気圧力が高いので、未燃焼燃料を含む空気が燃焼室から排気通路に排出されるのが抑制され、また一旦は排気通路に排出された未燃焼燃料を含む空気が燃焼室に押し戻される。このため、未燃焼燃料のエンジン外への排出を防止又は抑制することができる。かくして、ディーゼルエンジンのエミッション性能及び燃費性能を高めることができる。

本発明に係るディーゼルエンジンの過給装置において、電動過給機としてアキシャル型の電動過給機が用いられている場合は、エンジン始動後に、適宜にコンプレッサを正回転させることにより下流側を加圧することができる。したがって、例えば下流側に配設されたパティキュレートフィルタが高温となった場合、コンプレッサを正回転させることによりパティキュレートフィルタを流れる排気ガスの量を多くして、該パティキュレートフィルタを冷却することができる。なお、エンジン始動時には、コンプレッサが逆回転させられ、排気圧力が高くなり、燃料の着火性が高められ、かつ、未燃焼燃料のエンジン外への排出が防止又は抑制される。

本発明に係るディーゼルエンジンの過給装置において、エンジン始動時に、エンジン回転数の上昇に応じて電動過給機の作動回転数が上昇させられる場合は、クランキング回転数の上昇に伴い、燃焼室内の圧力（気筒内圧力）の上昇に応じて排気圧力を上昇させることができる。このため、電動過給機の電気エネルギの消費量を抑制しつつ、燃料の着火性を高めることができ、かつ、未燃焼燃料のエンジン外への排出を防止又は抑制することができる。

本発明に係るディーゼルエンジンの過給装置において、エンジン始動時におけるエンジン温度が低い時にのみ、すなわち冷間始動時にのみ電動過給機が作動させられる場合は、電動過給機の不必要な駆動を回避して電気エネルギの消費量を抑制しつつ、燃料の着火性を高めることができ、かつ、未燃焼燃料のエンジン外への排出を防止又は抑制することができる。

本発明に係るディーゼルエンジンの過給装置において、電動過給機が排気ターボ過給機のタービンより排気下流側の排気通路に配設されている場合は、タービンによって温度が低下させられた排気ガスが電動過給機に流入するので、電動過給機にかかる熱負荷が低減されてその過熱が防止され、電動過給機の耐久性が高められる。

本発明に係るディーゼルエンジンの過給装置において、エンジン始動時に、電動過給機により排気圧力が高められ、かつＥＧＲ制御弁が開弁される場合は、排気通路に排出された未燃焼燃料を、ＥＧＲ通路を介して吸気系に流入させ、この未燃焼燃料を燃焼室で燃焼させることができる。このため、未燃焼燃料のエンジン外への排出を、より有効に抑制することができる。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を具体的に説明する。図１は、本発明に係る過給装置を備えた直噴式のディーゼルエンジンＤＥ（以下、略して「エンジンＤＥ」という。）のシステム構成を示している。なお、エンジンＤＥは多気筒（例えば、４気筒、６気筒…）エンジンであるが、図１では１つの気筒のみを示し、他の気筒の図示は省略している。

図１に示すように、エンジンＤＥにおいては、吸気弁１が開かれたときに、吸気ポート２から燃焼室３内に燃料燃焼用の空気が吸入される（以下、この空気を「吸入空気」という。）。この燃焼室３内の吸入空気は、ピストン４によって断熱圧縮されて高圧状態となり、かつ、通常は燃料の着火温度より高温となる。そして、圧縮行程上死点付近で、燃料噴射弁５から燃焼室３内に燃料（軽油等）が噴射され、この燃料は自己着火して燃焼する。燃焼により生じたガスすなわち排気ガスは、排気弁６が開かれたときに排気ポート７に排出される。なお、図示していないが、燃料は、燃料タンクからコモンレールを介して高圧で燃料噴射弁５に供給される。

これらの一連の動作が繰り返され、ピストン４はシリンダ８内でシリンダ軸方向に往復運動を繰り返す。このピストン４の往復運動は、コネクチングロッド９、クランクアーム（図示せず）、クランクピン（図示せず）等を備えたリンク機構により、クランクシャフト１０の回転運動（トルク）に変換される。クランクシャフト１０の回転運動は、エンジン出力として取り出され、図示していないが、エンジンＤＥを搭載している車両を駆動するとともに、オルタネータやエアコンなどの補機を駆動する。エンジンＤＥは、イグニッションスイッチ６２（図３参照）の操作ないしは出力信号に従って始動されるときには、エンジンスタータ１１によって駆動（クランキング）される。なお、図示していないが、クランクシャフト１０の駆動力は、変速機、ファイナルギヤ等を介して駆動輪に伝達される。

エンジンＤＥにおいて、吸気弁１は、吸気弁開閉カム機構１２によって所定のタイミングで開閉される。そして、吸気弁開閉カム機構１２に対して、電磁式の吸気弁カム制御装置１３（ＶＶＴ：可変バルブタイミング制御装置）が設けられている。この吸気弁カム制御装置１３は、コントロールユニットＣからの制御信号に従って、吸気弁開閉カム機構１２を介して、吸気弁１の開閉タイミングを進角させ又は遅角させることができる。

他方、排気弁６は、排気弁開閉カム機構１４によって所定のタイミングで開閉される。そして、排気弁開閉カム機構１４に対して、電磁式の排気弁カム制御装置１５（ＶＶＴ）が設けられている。この排気弁カム制御装置１５は、コントロールユニットＣからの制御信号に従って、排気弁開閉カム機構１４を介して、排気弁６の開閉タイミングを進角させ又は遅角させることができる。

エンジンＤＥの各気筒の燃焼室３に吸入空気を供給する吸気系（吸気システム）には、全気筒に共通な単一の共通吸気通路１６が設けられている。共通吸気通路１６の先端（上流端）は大気に開放され、その先端部近傍には、吸入空気の流れ方向にみて上流側から順に、吸入空気中のダスト等を除去するエアクリーナ（図示せず）と、吸入空気の流量を検出するエアフローセンサ１７（図３参照）とが設けられている。

さらに、共通吸気通路１６には、吸入空気の流れ方向にみて上流側から順に、コントロールユニットＣによって弁開度（すなわち、共通吸気通路１６の流路断面積）が制御される電磁式の吸気制御弁１８と、排気ターボ過給機１９のブロワ１９ａ（コンプレッサ）と、空冷式のインタークーラ２０とが設けられている。ここで、ブロワ１９ａ（排気ターボ過給機１９）は、吸入空気を加圧・圧縮してエンジンＤＥを過給する。また、インタークーラ２０は、ブロワ１９ａの加圧・圧縮（ほぼ断熱圧縮）により温度が上昇した吸入空気を冷却する。

共通吸気通路１６は、インタークーラ２０の下流側で第１分岐吸気通路１６ａと第２分岐吸気通路１６ｂとに分岐し、分岐部よりやや下流で両分岐吸気通路１６ａ、１６ｂは集合して再び単一の共通吸気通路１６となっている。そして、第１分岐吸気通路１６ａには第１電動過給機２１が設けられている。この第１電動過給機２１は、第１分岐吸気通路１６ａ内に配設されたコンプレッサ２１ａと、バッテリ（図示せず）又はオルタネータ（図示せず）から電力が供給されコンプレッサ２１ａを回転駆動するモータ２１ｂ（電動機）とを有している。他方、第２分岐吸気通路１６ｂには、該第２分岐吸気通路１６ｂを開閉する逆止弁２２が設けられている。ここで、逆止弁２２は、第１電動過給機２１（コンプレッサ２１ａ）が駆動されているときには第２分岐吸気通路１６ｂを閉じ、第１電動過給機２１が停止しているときには第２分岐吸気通路１６ｂを開く。

第１電動過給機２１は、主として加速時における排気ターボ過給機１９の動作遅れすなわちターボラグを補って、エンジンＤＥないしはこれを搭載している車両の加速性を高めるために設けられている。しかしながら、第１電動過給機２１はエンジンＤＥにとって必須のものではなく、省略してもよい。なお、第１電動過給機２１を省略する場合は、第１分岐吸気通路１６ａ、第２分岐吸気通路１６ｂ及び逆止弁２２を設ける必要はない。

第１分岐吸気通路１６ａと第２分岐吸気通路１６ｂとの集合部より下流側において、共通吸気通路１６の下流端は、吸入空気の脈動を減衰させてその流れを安定させるサージタンク２３に接続されている。サージタンク２３には、各気筒の燃焼室３に個別に吸入空気を供給する複数の独立吸気通路２４が接続され、これらの独立吸気通路２４の下流端は、それぞれ対応する気筒の吸気ポート２に接続されている。なお、サージタンク２３には、吸入空気の圧力を検出する吸気圧センサ２５が設けられている。

また、エンジンＤＥには、各燃焼室３から排出された排気ガスを大気中に排出する排気系（排気システム）が設けられ、この排気系には、各気筒に共通な単一の共通排気通路２６が設けられている。ただし、排気ガスの流れ方向にみて、上流端近傍部（排気マニホールド）では、排気系は気筒毎に分岐して、対応する気筒の排気ポート７に接続されている。そして、共通排気通路２６には、排気ガスによって駆動される排気ターボ過給機１９のタービン１９ｂが設けられている。

排気ターボ過給機１９は、多数の可動ベーン２７によりタービン１９ｂへの排気ガスの通路断面積を変化させることができる可変容量機構を備えた可変容量式過給機（ＶＧＴ）である。これらの可動ベーン２７の角度ないし向きは、可動ベーンアクチュエータ２８によって制御される。そして、コントロールユニットＣは、可動ベーンアクチュエータ２８と可動ベーン２７とを介して、排気ガスの通路断面積を変化させ、タービン１９ｂ（排気ターボ過給機１９）の回転数すなわちブロワ１９ａの回転数、ひいては過給圧を制御する。なお、排気ターボ過給機１９の可変容量機構の具体的な構造及び機能は、後で説明する（図２参照）。

排気ガスの流れ方向にみてタービン１９ｂのやや下流側において、共通排気通路２６にはアキシャル型の第２電動過給機２９が設けられている。この第２電動過給機２９は、共通排気通路２６内に配設されたコンプレッサ２９ａと、バッテリ（図示せず）又はオルタネータ（図示せず）から電力が供給されコンプレッサ２９ａを回転駆動するモータ２９ｂ（電動機）とを備えている。モータ２９ｂは、その電力入力端子に印加する電圧の極性（正負）を切り替えることにより、回転方向を正回転方向と逆回転方向とに切り替えることができるようになっている。したがって、モータ２９ｂによって回転駆動されるコンプレッサ２９ａも、その回転方向を正回転方向と逆回転方向とに切り替えることができる。

第２電動過給機２９のコンプレッサ２９ａは、翼形状がアキシャル型であるコンプレッサであり、その回転方向を正方向と逆方向に切り替えることにより、双方向の加圧ないしは過給を行うことができる。したがって、第２電動過給機２９は、モータ２９ｂ及びコンプレッサ２９ａが正回転しているときには、排気ガスの流れ方向にみてコンプレッサ２９ａより下流側の排気ガスを加圧（過給）し、逆回転しているときには排気ガスの流れ方向にみてコンプレッサ２９ａより上流側の排気ガスを加圧（過給）する。つまり、第２電動過給機２９は、モータ２９ｂへの印加電圧の極性を切り替えることにより、排気ガスを加圧ないしは吐出する方向を切り替えることができるようになっている。

このように、第２電動過給機２９（コンプレッサ２９ｂ）が排気ターボ過給機１９のタービン１９ｂより下流側で共通排気通路２６に配設されているので、タービン１９ｂによって温度が低下させられた排気ガスが第２電動過給機２９に流入する。このため、第２電動過給機２９ないしそのコンプレッサ２９ａにかかる熱負荷が低減されてその過熱が防止される。したがって、第２電動過給機２９ないしはそのコンプレッサ２９ａの耐久性が高められる。

共通排気通路２６には、排気の流れ方向にみて第２電動過給機２９のコンプレッサ２９ａより下流側に、排気ガスを浄化する排気ガス浄化触媒３０と、煤（パティキュレート）を捕集するパティキュレートフィルタ３１（ＤＰＦ）とを備えた排気ガス浄化装置３２が設けられている。なお、排気ガス浄化触媒３０は、ＨＣ及びＣＯを酸化して浄化する酸化触媒（例えば、白金、ロジウム、パラジウム等からなる触媒）と、ＮＯｘを還元して浄化する還元触媒（白金、バリウム等からなる触媒）とが、例えばゼオライト等からなるサポート材に担持されたものである。また、パティキュレートフィルタ３１に捕集された煤は、適宜に、例えばパティキュレートフィルタ３１の前後の差圧が設定値を超えたときに、排気ガス浄化触媒３１が高温化する運転状態とすることにより、例えば膨張行程で燃料噴射を行うことにより、燃焼させられて除去される。

排気ガスの流れ方向にみて、排気ガス浄化触媒３０とパティキュレートフィルタ３１との間の部位と、パティキュレートフィルタ３１より下流側の部位とには、それぞれ、第１温度センサ３３と第２温度センサ３４とが設けられている。ここで、第１温度センサ３３は、排気ガス浄化触媒３０を出た排気ガスすなわちパティキュレートフィルタ３１に入る排気ガスの温度を検出する。また、第２温度センサ３４は、パティキュレートフィルタ３１を出た排気ガスの温度を検出する。

さらに、共通排気通路２６には、パティキュレートフィルタ３１ないしは第２温度センサ３４より下流側に、該共通排気通路２６を開閉する排気開閉弁３５が設けられている。なお、排気開閉弁３５の弁開度（すなわち、共通排気通路２６の通路断面積）は、コントロールユニットＣによって制御される。

また、エンジンＤＥには、燃料の燃焼に起因するＮＯｘの発生量を低減することを主な目的として、共通排気通路２６のタービン上流の比較的高圧の排気ガスの一部を、ＥＧＲガスとして吸気系に還流させる高圧ＥＧＲ装置３６が設けられている。この高圧ＥＧＲ装置３６には、ＥＧＲガス流路となる高圧ＥＧＲ通路３７が設けられている。ここで、ＥＧＲガスの流れ方向にみて高圧ＥＧＲ通路３７の上流端は、排気ガスの流れ方向にみてタービン１９ｂより上流側の部位で共通排気通路２６に接続されている。他方、ＥＧＲガスの流れ方向にみて高圧ＥＧＲ通路３７の下流端はサージタンク２３に接続されている。そして、高圧ＥＧＲ通路３７には、ＥＧＲガスの流れ方向にみて上流側から順に、高温（例えば、６００〜８００℃）のＥＧＲガスを冷却する水冷式の高圧ＥＧＲクーラ３８と、ＥＧＲガスの供給量を制御する高圧ＥＧＲ制御弁３９とが設けられている。

さらに、エンジンＤＥには、燃料の燃焼に起因するＮＯｘの発生量を低減することを主な目的として、共通排気通路２６のパティキュレートフィルタ３１下流の比較的低圧かつ低温の排気ガスの一部を、ＥＧＲガスとして吸気系に還流させる低圧ＥＧＲ装置４１が設けられている。この低圧ＥＧＲ装置４１には、ＥＧＲガスの流路となる低圧ＥＧＲ通路４２が設けられている。ここで、ＥＧＲガスの流れ方向にみて低圧ＥＧＲ通路４２の上流端は、パティキュレートフィルタ３１と排気開閉弁３５との間の部位で共通排気通路２６に接続されている。他方、ＥＧＲガスの流れ方向にみて低圧ＥＧＲ通路４２の下流端は、吸気制御弁１８とブロワ１９ａとの間の部位で共通吸気通路１６に接続されている。そして、低圧ＥＧＲ通路４２には、ＥＧＲガスの流れ方向にみて上流側から順に、ＥＧＲガスを冷却する空冷式の低圧ＥＧＲクーラ４３と、ＥＧＲガスの供給量を制御する低圧ＥＧＲ制御弁４４とが設けられている。

次に、図２を参照しつつ、可変容量式過給機（ＶＧＴ）である排気ターボ過給機１９の可変容量機構の具体的な構造及び機能を説明する。図２は、排気ターボ過給機１９のタービン１９ｂの断面図である。図２に示すように、タービン１９ｂは、タービン室５２を有し、このタービン室５２内には、矢印Ｄで示す方向に排気ガスが流入する。タービン室５２内において、排気ガスが流入する側、すなわち排気入口側には、タービン翼５３を取り囲むように複数の可動ベーン２７が配置されている。これらの可動ベーン２７は、それぞれ、軸５５の回りに回動可能であり、これらの可動ベーン２７はその回動により角度ないし向きが変化するようになっている。

ここで、図２中に実線で示されているように、可動ベーン２７を、互いに近接するように、すなわち可動ベーン２７がタービン翼５３の円周方向により近い向きで延びるようにすれば、各可動ベーン２７間に形成されるノズル５４の開度（以下「ベーンノズル開度」という。）が小さくなる。とくに、エンジン回転数が低いときにベーンノズル開度を小さくすると、排気ガスの流速が高くなり、さらに排気ガスの流れがタービン１９ｂの接線方向（円周方向）に向くので、過給効率が高くなる。ただし、この場合、エンジンＤＥの排圧（排気ガスの圧力）は上昇する。

また、図２中に仮想線（二点鎖線）で示されているように、可動ベーン２７を、互いに離反するように、すなわち可動ベーン２７がタービン翼５３の半径方向により近い向きで延びるようにすれば、ベーンノズル開度が大きくなる。とくに、エンジン回転数が高いときに開度を大きくすると、排気ガスの流量をより大きくすることができるので、過給効率が高くなる。コントロールユニットＣは、これらの可動ベーン２７の角度ないし向きすなわちベーンノズル開度を、可動ベーンアクチュエータ２８を介して、全閉から全開まで制御するようになっている。

以下、エンジンＤＥの制御システムを説明する。
図３に示すように、エンジンＤＥには、その運転状態に関する各種情報を収集するために種々のセンサが設けられている。すなわち、前記のエアフローセンサ１７、吸気圧センサ２５、第１温度センサ３３及び第２温度センサ３４のほかに、さらに、クランクシャフト１０の回転数（エンジン回転数）を検出するエンジン回転数センサ５６、クランク角を検出するクランク角センサ５７、エンジンＤＥの冷却水温度（エンジン水温）を検出するエンジン水温センサ５８、アクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ５９、吸入空気の温度を検出する吸気温センサ６０及び燃焼室３内の圧力（気筒内圧力）を検出する気筒内圧力センサ６１が設けられている。これらの各センサの検出信号は、エンジンＤＥ等の制御情報としてコントロールユニットＣに入力される。

コントロールユニットＣは、課題を解決するための手段の欄に記載された「電動過給機制御手段」を含む、エンジンＤＥないしはその付属機器の総合的な制御手段である。詳しくは図示していないが、コントロールユニットＣは、制御信号の入出力を行う入出力部（インターフェース）、データや制御情報等を記憶する記憶部（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、各種演算処理を行う中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマ、カウンタ等を備えたコンピュータである。

そして、コントロールユニットＣは、前記各センサによって検出された各種データとイグニッションスイッチ６２の出力信号とに基づいて、燃料噴射弁５、吸気弁カム制御装置１３、排気弁カム制御装置１５、吸気制御弁１８、第１電動過給機２１、逆止弁２２、可動ベーンアクチュエータ２８、第２電動過給機２９、排気開閉弁３５、高圧ＥＧＲ制御弁３９、低圧ＥＧＲ制御弁４４等を制御ないしは駆動することにより、燃料噴射制御、ＥＧＲ制御、過給圧制御、パティキュレートフィルタ３１の再生制御等の普通のエンジン制御を行うようになっている。

さらにコントロールユニットＣは、主としてエンジンＤＥの冷間始動時に燃料の着火性を高め、あるいは未燃焼燃料の排出を防止又は抑制するための第２電動過給機２９並びに高圧ＥＧＲ制御弁３９及び低圧ＥＧＲ制御弁４４の制御（以下「電動過給機制御」という。）を行うようになっている。しかしながら、普通のエンジン制御については、その制御手法は当業者にはよく知られており、またこのような普通のエンジン制御は本発明の要旨とするところでもないので、その説明を省略する。

以下、図４に示すフローチャートに従って、コントロールユニットＣによって実行される、本発明に係る電動過給機制御の制御手順を具体的に説明する。図４に示すように、この電動過給機制御においては、制御が開始されると（スタート）、まずステップＳ１で、各センサ１７、２５、３３、３４、５６〜６１によって検出された物性値ないしは検出値に対応する各種信号が読み込まれる。

次に、ステップＳ２で、イグニッションスイッチ６２の出力信号に基づいて、エンジンＤＥが始動中であるか否か、すなわちクランキング中であるか否かが判定される。ここで、エンジンＤＥが始動中であると判断された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ３で、エンジン水温に基づいて、エンジンＤＥが冷機状態（冷間）であるか否か、すなわち冷間始動時であるか否かが判定される。例えば、エンジン水温が２０℃以下、あるいは３０℃以下であればエンジンＤＥが冷機状態であると判定される。

そして、エンジンＤＥが冷機状態であると判定された場合、すなわち冷間始動時であると判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ４〜Ｓ９で、エンジン始動時における燃料の着火性の向上ないしは未燃焼燃料の排出の防止又は抑制を図るための制御ルーチン（以下「エンジン始動時制御ルーチン」という。）が実行される。また、ステップＳ２でエンジンＤＥが始動中でないと判定された場合（ＮＯ）、又はステップＳ３でエンジンＤＥが冷機状態でないと判定された場合は（ＮＯ）、ステップＳ１０〜Ｓ１５で通常時用の制御ルーチン（以下「通常時制御ルーチン」という。）が実行される。

エンジン始動時制御ルーチンが実行される場合は、まずステップＳ４で、エンジン始動時におけるエンジン回転数すなわちクランキング回転数に応じた回転数で、第２電動過給機２９のコンプレッサ２９ａが逆回転させられる。なお、第２電動過給機２９がすでに逆回転している場合は、逆回転状態が維持される。この場合、コンプレッサ２９ａは、排気ガスの流れ方向にみてコンプレッサ２９ａより上流側の排気ガスを加圧ないしは過給する。これにより排気圧力が上昇し、この高い排気圧力は排気弁６が開かれたときに燃焼室３内に作用する。このため、排気行程において、燃焼室３内の排気ガスの共通排気通路２６への排出が抑制又は抑止され、排気ガスの一部又は全部が燃焼室３内に留められる。したがって、エンジンＤＥの圧縮比が比較的低く設定されていても（例えば、１５〜１７）、排気側からの過給により、理論圧縮比を高くすることができる。

かくして、燃焼室３内の圧縮圧力ひいては燃料噴射時における燃焼室内の空気の温度が高められ、燃料の着火性が高められる。また、たとえ燃料が着火しなかったときでも、排気圧力が高いので、未燃焼燃料を含む吸入空気（ないしは、燃焼していない排気ガス）が燃焼室３から共通排気通路２６に排出されるのが抑制され、あるいは一旦は共通排気通路２６に排出された未燃焼燃料を含む吸入空気ないしは排気ガスの一部が燃焼室３内に押し戻されるので、未燃焼燃料を含む吸入空気ないしは排気ガスの共通排気通路２６への排出を抑制することができる。

なお、第２電動過給機２９の制御は、モデルベース制御と指圧フィードバック制御とによって行われる。ここで、共通排気通路２６（排気マニホールド）内の圧力の算出は、モデルにより各気筒内のκ（カッパ）を算出することにより行われる。この制御では、気筒内残留燃料の燃焼に必要な空気量を確保するとともに、未着火時における不要燃料噴射を抑制するようにしている。

続いて、ステップＳ５で高圧ＥＧＲ制御弁３９が開かれるとともに、ステップＳ６で低圧ＥＧＲ制御弁４４が閉じられる。このように、高圧ＥＧＲ制御弁３９が開かれるので、第２電動過給機２９のコンプレッサ２９ａによって加圧されたコンプレッサ上流の共通排気通路２６内の排気ガスは、高圧ＥＧＲ通路３７を通ってサージタンク２３に流入し、コンプレッサ２９ａより下流側へは流れない。このため、たとえ燃料が着火しなかったときでも、未燃焼燃料を含んでいる吸入空気ないしは排気ガスはサージタンク２３に流入した後、再び燃焼室３に供給され、未燃焼燃料は燃焼室３内で燃焼する。したがって、未燃焼燃料を含む吸入空気ないしは排気ガスが、コンプレッサ２９ａより下流側に排出されるのをほぼ防止することができる。なお、この場合、低圧ＥＧＲ制御弁４４が閉じられているので、低圧ＥＧＲ装置４１による排気ガスの還流（ＥＧＲガスの供給）は行われない。

次に、ステップＳ７で、気筒内圧力センサ６１によって検出される燃焼室３内の圧力（気筒内圧力）に基づいて、燃焼室３内に噴射された燃料が着火したか否かが判定される。燃料が着火して燃焼すれば、燃焼室３内の圧力が急上昇するので、例えば、燃焼室３内の圧力が圧縮上死点における吸入空気の圧縮圧よりやや高いしきい値を超えれば、燃料が着火したと判定することができる。なお、燃料の着火を、気筒内圧力センサ６１以外のセンサ、例えば光センサを用いて検出するようにしてもよい（火炎の発生を検出する）。

ステップＳ７で、燃焼室３内に噴射された燃料が着火していると判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ８で第２電動過給機２９が停止させられるとともに、ステップＳ９で高圧ＥＧＲ制御弁３９が閉じられる。つまり、エンジン始動時制御ルーチンが終了する。燃料が一旦着火すれば、その燃焼熱により燃焼室３の周囲の温度が上昇し、次のサイクルでは、燃焼室３に噴射される燃料はほぼ確実に自己着火すると予測されるので、このように燃料が着火していると判定された場合は、エンジン始動時制御ルーチンを終了するようにしている。この後、ステップＳ１に復帰する（リターン）。なお、ステップＳ７で、燃焼室３内に噴射された燃料が着火していないと判定された場合は（ＮＯ）、まだエンジン始動時制御ルーチンを終了することはできないので、ステップＳ８〜Ｓ９をスキップして、ステップＳ１に復帰する（リターン）。

このように、このエンジン始動時制御ルーチンでは、第２電動過給機２９の作動はクランキング時のみとし、初爆が確認されれば停止するようにしている。また、逆回転時の圧力の制御は、基本的に排気ターボ過給機１９のタービン１９ｂが逆回転しない程度、すなわち排気を抑制する程度で十分であり、極冷間時（例えば、−３０℃以下）でない限り、極端な加圧は不要である。すなわち、通常のエンジン始動時に排気ターボ過給機１９が仕事をすることはないので、排気ターボ過給機１９が停止状態を保持することができれば、吸気に関して何ら不具合は発生しない。また、第２電動過給機２９の電力消費量（作動時間）も最小限で済む。

他方、通常時制御ルーチンが実行される場合は、ますステップＳ１０で、パティキュレートフィルタ３１（ＤＰＦ）の温度が、予め設定された過熱基準温度α以上であるか否かが判定される。この過熱基準温度αは、これ以上の温度ではパティキュレートフィルタ３１が熱劣化を起こすなどして不具合が生じるおそれのある温度、例えば７００℃あるいは７５０℃に設定される。

ステップＳ１０でパティキュレートフィルタ３１の温度が過熱基準温度α以上であると判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ１１で第２電動過給機２９のコンプレッサ２９ａが所定の回転数、例えば最大回転数（例えば、５００００ｒｐｍ）で正回転させられる。なお、第２電動過給機２９がすでに正回転している場合は、正回転状態が維持される。このとき、コンプレッサ２９ａは、排気ガスの流れ方向にみてコンプレッサ２９ａより上流側の排気ガスを吸引して下流側に吐出する。したがって、パティキュレートフィルタ３１を流れる排気ガスの流量が増加し、これによりパティキュレートフィルタ３１が冷却されてその過熱が防止される。このため、パティキュレートフィルタ３１の耐久性が高められる。他方、ステップＳ１０でパティキュレートフィルタ３１の温度が過熱基準温度α未満であると判定された場合は（ＮＯ）、パティキュレートフィルタ３１を冷却する必要はないので、ステップＳ１２で第２電動過給機２９の作動が停止させられる。なお、第２電動過給機２９が元々停止している場合は、停止状態が維持される。

このようにステップＳ１１０又はステップＳ１２で、第２電動過給機２９が作動又は停止させられた後、ステップＳ１３でエンジンＤＥが冷機状態（冷間）であるか否かが判定される。そして、エンジンＤＥが冷機状態（冷間）であると判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ１４で高圧ＥＧＲ制御弁３９を制御することにより、高圧ＥＧＲ装置３６によって吸気系への排気ガスの還流すなわちＥＧＲガスの供給が行われる。このように、冷間時に高圧ＥＧＲ装置３６によりＥＧＲガスを供給するのは、冷間時には比較的高温のＥＧＲガスを吸気系に供給して、エンジンＤＥの昇温を高め、あるいは燃焼室３内における燃料の分散及び燃焼を促進するためである。この後、ステップＳ１に復帰する（リターン）。

他方、エンジンＤＥが冷機状態（冷間）でないと判定された場合（ＮＯ）、すなわち温間時には、ステップＳ１５で低圧ＥＧＲ制御弁４４を制御することにより、低圧ＥＧＲ装置４１によって吸気系への排気ガスの還流すなわちＥＧＲガスの供給が行われる。このように、温間時に低圧ＥＧＲ装置４１によりＥＧＲガスを供給するのは、比較的低温でありかつインタークーラ２０によって冷却されたＥＧＲガスを吸気系に供給して、エンジンＤＥの出力を高めるためである。この後、ステップＳ１に復帰する（リターン）。

以上、本発明に実施の形態に係るエンジンＤＥの過給装置によれば、エンジン始動時に第２電動過給機２９の加圧ないしは過給により、燃焼室３内の圧縮圧力ひいては燃料噴射時における燃焼室３内の空気の温度を高めることができ、燃料の着火性を高めることができる。また、エンジン始動時に燃料が着火しなかったときでも、未燃焼燃料を含む吸入空気ないしは排気ガスのエンジン外への排出を防止又は抑制することができ、エンジンＤＥのエミッション性能及び燃費性能を高めることができる。

本発明の実施の形態に係るディーゼルエンジンのシステム構成を示す模式図である。 図１に示すエンジンの排気ターボ過給機のタービンの側面断面図である。 図１に示すエンジンの制御システムの構成を示すブロック図である。 図１に示すエンジンの電動過給機制御の制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

ＤＥ ディーゼルエンジン、Ｃ コントロールユニット、１ 吸気弁、２ 吸気ポート、３ 燃焼室、４ ピストン、５ 燃料噴射弁、６ 排気弁、７ 排気ポート、８ シリンダ（気筒）、９ コネクチングロッド、１０ クランクシャフト、１１ エンジンスタータ、１２ 吸気弁開閉カム機構、１３ 吸気弁カム制御装置、１４ 排気弁開閉カム機構、１５ 排気弁カム制御装置、１６ 共通吸気通路、１６ａ 第１分岐吸気通路、１６ｂ 第２分岐吸気通路、１７ エアフローセンサ、１８ 吸気制御弁、１９ 排気ターボ過給機、１９ａ ブロワ、１９ｂ タービン、２０ インタークーラ、２１ 第１電動過給機、２１ａ コンプレッサ、２１ｂ モータ、２２ 逆止弁、２３ サージタンク、２４ 独立吸気通路、２５ 吸気圧センサ、２６ 共通排気通路、２７ 可動ベーン、２８ 可動ベーンアクチュエータ、２９ 第２電動過給機、２９ａ コンプレッサ、２９ｂ モータ、３０ 排気ガス浄化触媒、３１ パティキュレートフィルタ、３２ 排気ガス浄化装置、３３ 第１温度センサ、３４ 第２温度センサ、３５ 排気開閉弁、３６ 高圧ＥＧＲ装置、３７ 高圧ＥＧＲ通路、３８ 高圧ＥＧＲクーラ、３９ 高圧ＥＧＲ制御弁、４１ 低圧ＥＧＲ装置、４２ 低圧ＥＧＲ通路、４３ 低圧ＥＧＲクーラ、４４ 低圧ＥＧＲ制御弁、５２ タービン室、５３ タービン翼、５４ ノズル、５５ 可動ベーンの軸、５６ エンジン回転数センサ、５７ クランク角センサ、５８ エンジン水温センサ、５９ アクセル開度センサ、６０ 吸気温センサ、６１ 気筒内圧力センサ、６２ イグニッションスイッチ。

Claims (6)

1. 圧縮自己着火式のディーゼルエンジンの過給装置であって、
   排気通路に配設され、排気ガスの流れ方向にみて上流側を加圧することが可能な電動過給機と、
   エンジン始動時に上記電動過給機を、排気ガスの流れ方向にみて上流側を加圧するように作動させて排気圧力を上昇させる電動過給機制御手段とを備えていることを特徴とするディーゼルエンジンの過給装置。
2. 上記電動過給機は、排気ガスの流れ方向にみて、正回転したときに下流側を加圧する一方、逆回転したときに上流側を加圧するコンプレッサを有するアキシャル型の電動過給機であって、
   上記電動過給機制御手段は、エンジン始動時に上記コンプレッサを逆回転させるよう構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のディーゼルエンジンの過給装置。
3. エンジン始動時のエンジン回転数を検出する回転数検出手段が設けられていて、
   上記電動過給機制御手段は、エンジン始動時に、上記回転数検出手段によって検出されたエンジン回転数の上昇に応じて上記電動過給機の作動回転数を上昇させるよう構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のディーゼルエンジンの過給装置。
4. エンジン温度を検出するエンジン温度検出手段が設けられていて、
   上記電動過給機制御手段は、エンジン始動時に、上記エンジン温度検出手段によって検出されたエンジン温度が低い時にのみ上記電動過給機を作動させるよう構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のディーゼルエンジンの過給装置。
5. 排気ターボ過給機が設けられていて、
   上記電動過給機は、排気ガスの流れ方向にみて、上記排気ターボ過給機のタービンより下流側の排気通路に配設されていることを特徴とする、請求項１に記載のディーゼルエンジンの過給装置。
6. 排気ガスの流れ方向にみて上記電動過給機より上流側の排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、上記ＥＧＲ通路に配設されたＥＧＲ制御弁とが設けられていて、
   上記電動過給機制御手段は、エンジン始動時に上記ＥＧＲ制御弁を開弁させるよう構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のディーゼルエンジンの過給装置。

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