JP2010249019A

JP2010249019A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2010249019A
Application number: JP2009099229A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Tanaka; 英之田中; Tomoyuki Inoue; 知之井上; Yohei Akashi; 陽平明石
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2010-11-04
Also published as: DE102009053705B4; US20100263374A1; DE102009053705A1; US8601810B2

Abstract

【課題】電動過給機により過給が必要な場合も必要ない場合でも燃費性能を向上させる内燃機関を提供する。
【解決手段】内燃機関は、排気通路上に配される排気タービン、上記排気タービンと回転軸を介して連結される過給機、上記回転軸に連結される電動機および上記電動機を制御する制御装置を備え、排気エネルギーによる上記排気タービンの回転に伴う上記過給機の回転により吸入空気を圧縮して過給を行うとともに、電動機による動力アシストで上記過給機を回転駆動する電動過給機を具備する内燃機関において、上記排気タービンをバイパスするように設けられた排気バイパス通路と、上記排気バイパス通路を開閉する手段と、を具備し、上記排気バイパス通路を開閉する手段は、上記電動過給機により過給が開始するまでは、上記排気バイパス通路を開放する。
【選択図】図１

Description

この発明は、吸気通路通路上に電動機で電動アシストされる過給機を備えた内燃機関に関する。

自動車の低燃費を目的とし、エンジン（内燃機関）の出力を増加させるために吸気通路上に電動機で駆動する過給機を設ける技術が知られている。この電動機はタービンとコンプレッサ軸上に配設され、過給必要時に排気ガスが不足し所望の過給圧が得られない場合や低回転時に回転し、排気ガスによりタービンが回され所望の過給圧が得られる場合は排気ガスにより回転する特徴を有する。

一方、排気通路上にタービンを有する機構は、過給必要時には排気ガスエネルギーをタービンで回転エネルギーに変換し、タービンと回転軸を介して連結されるコンプレッサを駆動することで過給仕事を行うが、過給不要時や高負荷時はタービンが排気抵抗となり燃費性能を悪化させている。

また、一般的にターボチャージャーにはエンジン高負荷運転時に排気ガスにより高負荷になりすぎないように、ウェストゲートバルブという排気ガスをバイパスさせる弁を備え高負荷時は排気ガスがタービンをバイパスする流路を備えている。そして、排気抵抗増加を抑制するために、過給圧が立ち上がるまでタービンホイールをバイパスさせて排気抵抗を抑制するものである（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１７１８９６号公報

しかし、過給圧が立ち上がるまで排気バイパス路を開放し排気流がタービンホイールをバイパスするので排気抵抗はないが、その間電動機の回転により過給圧を高める必要があり多大な電力を消費するため、結果的に燃費性能を悪化させる可能性があるという課題がある。

この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、電動過給機により過給が必要な場合も必要ない場合でも燃費性能を向上させる内燃機関を提供するが目的である。

この発明に係る内燃機関は、排気通路上に配される排気タービン、上記排気タービンと回転軸を介して連結される過給機、上記回転軸に連結される電動機および上記電動機を制御する制御装置を備え、排気エネルギーによる上記排気タービンの回転に伴う上記過給機の回転により吸入空気を圧縮して過給を行うとともに、電動機による動力アシストで上記過給機を回転駆動する電動過給機を具備する内燃機関において、上記排気タービンをバイパスするように設けられた排気バイパス通路と、上記排気バイパス通路を開閉する手段と、を具備し、上記排気バイパス通路を開閉する手段は、上記電動過給機により過給が開始するまでは、上記排気バイパス通路を開放する。

この発明に係る内燃機関は、電動過給機により過給が必要ない場合には排気流が排気タービンをバイパスさせることで排気抵抗を低減し燃費性能を向上させ、電動過給機により過給が必要な場合には速やかに排気ガスにより排気タービンが回転されるように排気バイパス通路を閉鎖し、排気ガスエネルギーと電動機のエネルギーの２つのエネルギーを併せて過給機を回転させ目標とする過給圧に制御することで、燃費性能を向上させることが可能になるという効果を奏す。

この発明の実施の形態１に係るエンジンの全体構成を示す図である。この発明の実施の形態１による電動過給機の制御装置の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態１に係る内燃機関の動作点を示す図である。この発明の実施の形態１に係る具体的動作を説明するためのタイムチャートである。

以下、この発明の内燃機関の制御装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電動過給機を具備する内燃機関の概略構成図である。
この発明の内燃機関、すなわちエンジン１は、多気筒エンジンであるが、ここではそのうちの一気筒のみを断面図として図１に示してある。
エンジン１は、インジェクタ１２によってシリンダ１８内に燃料を噴射するタイプのエンジンである。後述する電動機１４の電動アシストにより過給機（コンプレッサインペラ）１３がより多くの吸入空気を過給して、高出力化だけでなく低燃費化をも実現し得るものである。

なお、適用するエンジン１はシリンダ１８内に燃料を噴射する直墳エンジンだけでなく、スロットルバルブ８の下流側の吸気通路１７に燃料を噴射するポート噴射エンジンに適用することも可能である。

電動機１４は排気ガスにより駆動される排気タービン（タービンホイール）１５と過給機１３の軸上にある。そして、過給機１３、電動機１４および排気タービン１５により電動過給機（電動アシストターボチャージャー）が構成される。

エンジン１において、吸入空気はまずエアクリーナ３でゴミや塵などを取り除かれたあと、過給機１３の配置される下流通路２に通じる。過給機１３で過給された空気は上流通路４からインタークーラ７に入る。
インタークーラ７は過給による圧力上昇に伴って温度が上昇した吸入空気の温度を下げ充填効率を向上させる。更にスロットルバルブ８を通じ過給された空気はシリンダ１８に吸入される。

吸入弁９が開き過給された空気がシリンダ１８内に充填され点火プラグ１０により燃料に点火され燃料が燃焼する。燃料が燃えたとき発生する排気ガスは排気弁１１から排気される。ここで排気通路は排気タービン１５へ通ずる排気通路２２と排気バイパス通路５の二股に分かれる。排気バイパス通路５上には排気バイパス通路５の排気ガス流量を調整可能な排気ガス流量調整手段６がある。排気ガス流量調整手段６は電動過給機の制御装置１６より信号を受け取り排気ガス流量を調整する。この発明の特徴は排気ガス流量調整手段６にあるので、詳細に関しては後述する。また排気ガスを浄化する排気浄化触媒２１が取り付けられている。

次に、電動過給機の制御装置１６より信号を受け取り排気ガス流量を調整する排気ガス流量調整手段６と電動機１４に関して説明する。
電動過給機の制御装置１６はエンジン回転数・アクセル開度・電動過給機供給電力・吸入圧・吸入空気量などの指令値を受け電動機１４を駆動する。具体的には供給される電流を検出することができれば電圧値との掛け算により電動過給機供給電力が演算可能となる。
吸入圧に関しては例えばスロットルバルブ８の下流の吸気通路１７内に圧力センサなどを設け吸入圧を得ることが可能である。
吸入空気量に関しては例えばエアクリーナ３の下流側にエアーフローセンサなどを設けることにより検出が可能である。

次に、電動機１４の動作に関して説明する。
電動過給機の制御装置１６は例えばエンジンコンピュータから過給指令値を受け取る。このとき必要過給圧に達していない状態の場合に電動機１４を動作して過給圧を助成し、エンジン排気ガスにより十分な回転数が得られる場合は発電機として作用してよい。

次に、図２のフローチャートを用いて具体的な動作に関して説明する。
図２はＳＴＡＲＴとＥＮＤの間にステップＳ２０１からステップＳ２０５の５つのステップを含んでいる。
まず、ステップＳ２０１において、電動過給機の制御装置１６はエンジン回転数、アクセル開度、エンジントルク、吸入圧、吸入空気量を読み込みマイクロコンピュータのメモリ（図示しない）に記憶する。
次に、ステップＳ２０２において、エンジン回転数、アクセル開度、エンジントルクより電動過給機による目標過給圧を演算する。本動作では例えば、エンジン回転数、アクセル開度とエンジントルクから必要な過給アシスト量をマップなどに予め記憶しておき演算すればよい。より具体的な動作を図３を用いて説明する。

図３は内燃機関の出力特性図を示す図であり、内燃機関の回転数と出力トルク、過給圧の関係を示す図である。例えば内燃機関がＡ地点で運転されている間は過給を必要としないのでＳ２０２の目標過給圧は大気圧を１とすると１になる。図３のようなＡ地点で内燃機関が運転されている場合は過給が必要ないため、排気通路として排気バイパス通路５も使用し排気タービン１５をバイパスさせることで排気抵抗を低減し燃費性能を向上させる効果がある。
一方、図３のＡ地点からＢ地点に内燃機関の運転状態が変更される場合は過給が必要な領域であるため速やかに排気ガス流量調整手段６にて排気バイパス通路５を閉鎖し、排気ガスエネルギーで排気タービン１５を回転させる必要がある。

このときの具体的動作を図４を用いて説明する。図４は図３においてＡ地点からＢ地点に内燃機関の運転状態が推移する際のタイムチャートを示す。
時刻ｔ０では、ドライバによるアクセル操作により加速が開始される。時刻ｔ１ではアクセル開度の上昇に伴い、吸気管圧力が上昇し始める。このとき過給が必要と判断される場合は図示するように排気バイパス通路５を閉鎖する。また、このとき加速度合に応じて電動アシストを行うかどうか判断され、電動アシストが必要な場合は電気エネルギーでアシストを行う。

時刻ｔ２になり吸気管圧力が目標過給圧に達するとともに、排気ガスエネルギーが十分得られる場合は電動機１４のアシスト力を吸気管圧力が低下しないように減少させる。
時刻ｔ３では、排気ガスエネルギーのみで目標とする吸気管圧力を維持することが可能と判断されたら、電動機１４への通電を停止し排気ガスのエネルギーのみで過給を行う。

再び図２のフローチャートで動作の説明を行う。
Ｓ２０３において、エンジン１の運転状態から過給が必要かどうか判断する。この動作に関しては前述したとおりである。過給が必要ない場合はステップＳ２０５に進み、過給が必要な場合はステップＳ２０４に進む。
ステップＳ２０４において、排気ガスが排気タービン１５へ流れるように排気バイパス通路５を速やかに閉鎖し、排気ガスエネルギーを用いて電動過給機が過給可能なように動作する。
ステップＳ２０５において、排気バイパス通路５を開放し、排気タービン１５が排気抵抗にならないように動作させる。

この他に、例えば、ドライバのスロットルポジションを検出するスロットルポジション検出手段を備え、スロットルポジションの出力に応じて電動機１４によるアシスト量を決定し、且つ排気バイパス通路５を閉鎖してもよい。

この他にも、例えば、大気圧を検出する大気圧検出手段および吸気管圧力を検出する吸気管圧検出手段を備え、吸気管圧力と大気圧の出力に応じて、排気バイパス通路５を閉鎖してもよい。

この他にも、例えば、内燃機関の高負荷状態を検出する内燃機関高負荷状態検出手段を備え、エンジン１が高負荷状態で運転される際、排気バイパス通路５を閉じた状態では背圧が過度に高まる状態では背圧低減目的で排気バイパス通路５を開放してもよい。

この他にも、例えば、内燃機関の暖気状態を検出する内燃機関暖気状態検出手段を備え、エンジン１が始動直後で暖気が必要な場合は排気バイパス通路５を閉じてあえて排気抵抗を増加させることで早期に内燃機関の暖気を行うことが可能であり、暖気必要時は結果的に排気抵抗を増加させるほうが燃費性能の向上を図れる場合もある。このように内燃機関が暖気を必要とする場合などは過給不要時でも排気バイパス通路５を閉鎖してもよい。

以上のように様々な状況に応じて排ガス流量調整手段６を制御することにより最適な過給圧を得ることが可能となるとともに、過給不要時は排気バイパス通路５を通過させることで排気タービン１５による排気抵抗を低減することで燃費性能を向上することが可能である。

なお、排気ガス流量調整手段６は例えば電気的に駆動される電磁バルブ、逆止弁などで実現可能となる。

以上本実施の形態によると、電動過給機により過給が必要ない場合には排気流が排気タービン１５をバイパスさせることで排気抵抗を低減し燃費性能を向上させ、電動過給機により過給が必要な場合には速やかに排気ガスにより排気タービン１５が回転されるように排気バイパス通路５を閉鎖し、排気ガスエネルギーと電動機１４のエネルギーの２つのエネルギーを併せて過給機１３を回転させ目標とする過給圧に制御することで、燃費性能を向上させることが可能になる。

なお、本実施の形態では、電動過給機の制御装置１６で動作を説明したが例えばエンジンコンピュータなどに機能を集約できる場合は電動過給機の制御装置は電動機１４を駆動する単純なドライバとして機能しても同様の効果を得ることが可能となる。

また、本実施の形態では、排気バイパス通路５は過給が必要時に速やかに閉じるとしたが、排気タービンの回転数を検出する排気タービン回転数検出手段を備え、電動過給機の回転数に応じて排気バイパス通路５を流れる排気ガス流量を調整してもよい。このように電動過給機の回転数に応じて排気バイパス通路５の排気ガス流量を調整することで排気抵抗にならない程度に排気タービン１５を回転させておく（例えば回転速度２万ｒｐｍ一定）ことで過給の立上がりを速やかにし、ドライバの運転快適性を向上させる効果もある。

また、本実施の形態では、排気バイパス通路５はそのまま排気ガスとして触媒を通過後大気中に放出されるが、ＥＧＲ通路とＥＧＲ弁を用いて本発明を実施することも可能である。このほかにも従来からあるウェストゲートバルブでも実施することが可能であり、排気タービン１５をバイパスする排気バイパス通路を構築可能な公知な構成で実現できる。

この他にも例えば電動過給機後に機械式ターボチャージャーを備える構成、いわゆるツインターボの構成にしても同様の効果が得られる。

以上、本発明をいくつかに実施の形態に関して説明したが、本発明はこれらの実施の形態のみに限られるものではなく、本発明の範囲内においてほかに種々の実施の形態が可能であることは当業者にとって明らかである。

１エンジン、２下流通路、３エアクリーナ、４上流通路、５排気バイパス通路、６排気ガス流量調整手段、７インタークーラ、８スロットルバルブ、９吸入弁、１０点火プラグ、１１排気弁、１２インジェクタ、１３過給機、１４電動機、１５排気タービン、１６電動過給機の制御装置、１７スロットルバルブ後の吸気通路、１８シリンダ、２１排気浄化触媒、２２排気通路。

Claims

排気通路上に配される排気タービン、上記排気タービンと回転軸を介して連結される過給機、上記回転軸に連結される電動機および上記電動機を制御する制御装置を備え、排気エネルギーによる上記排気タービンの回転に伴う上記過給機の回転により吸入空気を圧縮して過給を行うとともに、電動機による動力アシストで上記過給機を回転駆動する電動過給機を具備する内燃機関において、
上記排気タービンをバイパスするように設けられた排気バイパス通路と、
上記排気バイパス通路を開閉する手段と、
を具備し、
上記排気バイパス通路を開閉する手段は、上記電動過給機により過給が開始するまでは、上記排気バイパス通路を開放することを特徴とする内燃機関。
上記制御手段は、ドライバのスロットルポジションを検出するスロットルポジション検出手段を備えるとともに、上記スロットルポジションの出力に応じて上記電動機によるアシスト量を決定し、且つ上記排気バイパス通路を閉鎖することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
上記制御手段は、大気圧を検出する大気圧検出手段および吸気管圧力を検出する吸気管圧検出手段を備えるとともに、上記吸気管圧力と上記大気圧の出力に応じて、上記排気バイパス通路を閉鎖す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。
上記制御手段は、上記排気タービンの回転数を検出する排気タービン回転数検出手段を備えるとともに、上記排気タービン回転数に応じて上記排気バイパス通路を閉鎖することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関。
上記制御手段は、上記内燃機関の暖気状態を検出する内燃機関暖気状態検出手段を備えるとともに、上記内燃機関の暖気が完了していないと判定される場合には上記排気バイパス通路を閉鎖することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関。
上記制御手段は、上記内燃機関の高負荷状態を検出する内燃機関高負荷状態検出手段を備えるとともに、上記内燃機関が高負荷状態であり、且つ上記内燃機関の温度を低下させる必要がある場合には上記排気バイパス通路を開放することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内燃機関。