JP2011069305A - 内燃機関及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過給システムを備えた内燃機関において、ＥＧＲガスをシリンダに十分供給できて排ガス性能を悪化させることがないと共に、吸気及び排気ポンピングロスを効率よく低減させることができて、排ガス性能及び燃費性能を向上することができる内燃機関及びその制御方法を提供する。
【解決手段】排気通路１６の最下流に設けたターボチャージャ１４のタービン１４ｂの下流側と、吸気通路１１の最上流に設けたターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａの上流側とを接続するＥＧＲガス用通路２２を設け、該ＥＧＲガス用通路２２にＥＧＲガス調整弁２４を設けると共に、排気通路１６に設けられたターボチャージャ１４のタービン１４ａを迂回する排気バイパス通路１５を設け、該排気バイパス通路２５に排気バイパス弁２６を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給システムを備えた内燃機関及びその制御方法に関し、より詳細には、内燃機関の排ガス性能を悪化させることなく、燃費性能を向上することができる内燃機関及びその制御方法に関する。

近年、自動車の内燃機関の排ガス規制は年々厳しくなっており、これに対応するための技術開発が進んでいる。一般的なＮＯｘ低減技術としては、ＥＧＲ（排気ガス再循環装置）システムがあり、その他の技術として、排気ガスの低減と同時に高出力及び低燃費を狙った過給システムがある。

このＥＧＲシステムは、排気ガスをエンジンに再循環させるシステムであり、ＮＯｘを低減させるのに有効なシステムである。一般に使用されているＥＧＲシステムには大きく分けて２種類あり、図１０に示すような、ターボチャージャ（過給器）１４のタービン１４ｂの上流の排気マニホールドや排気通路１６等から比較的高圧の排気ガスＧｅを取り込んで、内燃機関（エンジン）１Ｘの吸気通路１１へ導入して再循環する高圧ＥＧＲシステムと、図１１に示すような、ターボチャージャ１４のタービン１４ｂの下流から比較的低圧の排気ガスＧｅを、エアクリーナ（図示しない）前後の周辺からターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａまでの間で取り込んで、コンプレッサ１４ａを利用して、吸気通路１１へ過給して再循環する低圧ＥＧＲシステムとがある。

しかしながら、これらのＥＧＲシステムにおいては、次のような問題がある。一般的な高圧ＥＧＲシステムの場合は、排気ガスの導入を一番上流側に配置されたターボチャージャのタービンの上流側から（例えば、排気マニホールドから）取り込んでいる。このため、ＥＧＲガスを多量に導入する場合に、タービンを回転させる排気エネルギーが減少し、コンプレッサで過給する新空気量が低下するので、排気ガス中のＰＭが増加し、燃費が悪化する。

また、内燃機関から排気された直後の燃焼ガスを導入するため、非常に高温なＥＧＲガスをエンジン入口で吸気温度(常温)程度まで下げる必要が有り、吸気通路に導入する前に大型のＥＧＲクーラで冷却する必要がある。そのため、この冷却によるエネルギー損失が大きく、燃費が悪化する。

一方、低圧ＥＧＲシステムは、これらの問題を改善するための一つのＥＧＲシステムであるが、この低圧ＥＧＲシステムにも、導入するＥＧＲガスが低圧で大気圧との差圧が少ないため大量にＥＧＲガスを吸入させるのが難しく、特に、エンジン低負荷運転領域のような排気圧力が低い場合には圧力差が少ないので、高いＥＧＲ率を確保することが難しいという問題がある。

この改善策として、吸入通路に取り付けた吸気絞り弁や、排気通路に取り付けた排気絞り弁をそれぞれ閉弁操作することが考えられるが、この場合には、吸気及び排気ポンピングロスを増加させるので、燃費が大きく悪化してしまう。

なお、この内燃機関の低負荷運転領域において、充分なＥＧＲ率を確保できないのは高圧ＥＧＲシステムでも同様で、これを改善するためには低圧ＥＧＲシステムと同様に吸気絞り弁や排気絞り弁を使用するか、又は、ターボに取り付けてある可変翼（ＶＧＴ）を閉じる。しかし、これらの場合は、低圧ＥＧＲシステムと同様に燃費の悪化が大きくなる。

一方、過給システムは、投入燃料に対する理論上で必要な空気量に対して新規空気の過剰率を高めるシステムであり、一般的には過給装置としてターボチャージャを取り付けており、ディーゼルエンジンの排ガス性能及びエンジン性能を大きく向上させている。また、近年では、更に高過給化、高出力化及び低燃費化を図るために、一つの内燃機関に２つ以上の過給装置を備えた多段過給システムが開発されている。

しかし、この多段過給システムにおいても、過給装置を増加させる毎に過給後の空気温度が上昇するため、過給により昇温した空気を冷却するためのクーラの設置が必要となるという問題がある。

また、この過給システムでは、過給装置が十分な排気エネルギーをもらえる内燃機関の運転領域においては高い効果を発揮できるが、低負荷運転領域においては、過給装置は全く仕事をしない。この場合には、ピストンの下降により吸入空気を引き込むときに、増加したクーラや吸気配管などに配置された多数の部品により、吸気ポンピングロスが大きくなり、結果として燃費性能を悪化させる。

また、一方で、シングルターボ及び多段ターボにおいて、低負荷運転領域においても過給装置に十分に仕事をさせて、吸気量を増加させることにより、排ガス中のＮＯｘやＰＭを改善することを狙って、ダウンサイズ化が進んでいる。

しかし、このターボチャージャの小型化により、タービンハウジングの入口や出口の寸法が小さくなり、排気通路上の断面積の小さい部分が更に縮小されることになる。そのため、過給装置が全く運転しないアイドル運転領域等では、排気出口を絞るのと同じことになるため、排気ポンピングロスが大きくなり、結果として燃費が悪化する。

また、過給装置が効率よく作動する高負荷領域でも、最近のターボチャージャに取り付けられているターボ絞り弁としての可変翼(ＶＧＴ)を最大まで広げても、高過給高ＥＧＲのコンセプトによって吸入空気量が増加して排気圧力が高くなるので、排気ポンピングロスが大きくなり、燃費が悪化する。

この排気ポンピングロスは、低圧ＥＧＲシステムの場合では、ＥＧＲ率の変化にかかわらず、コンプレッサが常に一定のガス量（新規空気量＋ＥＧＲガス流量）を過給しているので、更に悪化する。

このポンピングロスに対する対策として、ターボチャージャを備える多気筒エンジンにおいて、排気対策および出力・燃費の向上を図るべく、広い運転領域において、ポンピングロスを抑えつつ、高過給・大量ＥＧＲを実現しえるように、排気マニホールドを排気行程のオーバラップしない気筒群毎に分割する一方、これらの排気マニホールドの集合部下流をターボチャージャのタービン入口に向けて先細形状に絞る排気エゼクタと、排気エゼクタの有効ノズル面積を変化させる可動ベーンを備えた多気筒エンジンが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００７−２３１９０６号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、過給システムと備えた内燃機関において、ＥＧＲガスをシリンダに十分供給できて排ガス性能を悪化させることがないと共に、吸気及び排気ポンピングロスを効率よく低減させることができて、排ガス性能及び燃費性能を向上することができる内燃機関及びその制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、過給システムを備えた内燃機関において、排気通路の最下流に設けたターボチャージャのタービンの下流側と、吸気通路の最上流に設けたターボチャージャのコンプレッサの上流側とを接続するＥＧＲガス用通路を設け、該ＥＧＲガス用通路にＥＧＲガス調整弁を設けると共に、排気通路に設けられたターボチャージャのタービンを迂回する排気バイパス通路を設け、該排気バイパス通路に排気バイパス弁を設けて構成する。

この構成によれば、内燃機関の過給システムに設けたターボチャージャが作動しない低負荷運転領域において、ＥＧＲガス調整弁を開いてＥＧＲガスの流量と調整しながら、内燃機関の吸気口の近くの吸気通路に接続するＥＧＲガス用通路からＥＧＲガスを供給することで、吸気絞り弁や排気絞り弁を使用することなく、大量のＥＧＲガスを吸気通路に導入することが可能となるので、高ＥＧＲ率でＮＯｘ発生を抑制できる。そのため、排ガス性能を悪化させることない。また、吸気絞り弁や排気絞り弁を使用しないので、吸気ポンピングロスを低減させることができて、燃費の改善を図ることができる。

また、排気バイパス通路を用いて、低負荷運転領域、アイドル運転領域、及び、高負荷運転領域（全負荷運転領域）において、ターボチャージャのタービンの上流の排気ガスをタービンの下流へ迂回させて流すことにより、排気ポンピングロスを低下させて、燃費を改善することができる。

上記の内燃機関において、前記内燃機関が、最上流に設けたターボチャージャのタービンの上流側と、最下流に設けたターボチャージャのコンプレッサの下流側を接続する高圧ＥＧＲ通路を有する高圧ＥＧＲシステムを備えて構成すると、高圧ＥＧＲ通路の高圧ＥＧＲ弁を開弁操作することにより、排気ポンピングロスを低減できる。

上記の内燃機関において、前記ＥＧＲガス調整弁と前記排気バイパス弁を制御する弁制御装置を設けると共に、該弁制御装置が、内燃機関の運転が低負荷運転領域にある場合には、ＥＧＲガス調整弁を開いてＥＧＲガスの流量を調整しながら、ＥＧＲガスを前記吸気通路に供給すると共に、前記排気バイパス弁を開いて前記タービンを迂回する排気ガスの流量を調整しながら、排気ガスの一部又は全部を前記タービンを迂回させる制御を行い、内燃機関の運転が低負荷運転領域又はアイドル運転領域又は高負荷運転領域にある場合は、前記ＥＧＲガス調整弁を調整すると共に、前記排気バイパス弁を開いて前記タービンを迂回する排気ガスの流量を調整しながら、排気ガスの一部又は全部を前記タービンを迂回させる制御を行い、内燃機関の運転が前記運転領域以外の運転領域にある場合は、前記ＥＧＲガス調整弁を調整し前記排気バイパス弁を閉じる制御を行うように構成する。

この構成によれば、低負荷運転領域において、ＥＧＲガス用通路からＥＧＲガスを吸気通路に供給してＥＧＲ率を高めることができるので、排ガス性能を悪化させることなく、吸気ポンピングロスを低減でき、燃費を向上することができる。

また、低負荷運転領域又はアイドル運転領域又は高負荷運転領域（全負荷運転領域）において、排気バイパス通路を用いて、ターボチャージャのタービンの上流の排気ガスをタービンの下流へ迂回させて流すことにより、排気ポンピングロスを低下させて、燃費を改善することができる。

その上、前記運転領域以外の運転領域にある場合は、排気バイパス弁を閉じる制御を行うことにより、従来どおりのＥＧＲ制御を行うことができる。

そして、上記の目的を達成するための内燃機関の制御方法は、過給システムを備え、排気通路の最下流に設けたターボチャージャのタービンの下流側と、吸気通路の最上流に設けたターボチャージャのコンプレッサの上流側とを接続するＥＧＲガス用通路を設け、該ＥＧＲガス用通路にＥＧＲガス調整弁を設けると共に、排気通路に設けられたターボチャージャのタービンを迂回する排気バイパス通路を設け、該排気バイパス通路に排気バイパス弁を設けた内燃機関の制御方法において、内燃機関の運転が低負荷運転領域にある場合には、ＥＧＲガス調整弁を開いてＥＧＲガスの流量を調整しながら、ＥＧＲガスを前記吸気通路に供給すると共に、前記排気バイパス弁を開いて前記タービンを迂回する排気ガスの流量を調整しながら、排気ガスの一部又は全部を前記タービンを迂回させ、内燃機関の運転が低負荷運転領域又はアイドル運転領域又は高負荷運転領域にある場合は、前記ＥＧＲガス調整弁を調整すると共に、前記排気バイパス弁を開いて前記タービンを迂回する排気ガスの流量を調整しながら、排気ガスの一部又は全部を前記タービンを迂回させ、内燃機関の運転が前記運転領域以外の運転領域にある場合は、前記ＥＧＲガス調整弁を調整し前記排気バイパス弁を閉じる制御を行うことを特徴とする方法である。

この方法によれば、上記と同様に、低負荷運転領域において、排ガス性能を悪化させることなく、吸気ポンピングロスと排気ポンピングロスを低減でき、燃費を向上することができる。更に、アイドル運転領域と高負荷運転領域（全負荷運転領域）において、排気ポンピングロスを低下させて、燃費を改善することができる。その上、前記運転領域以外の運転領域にある場合は、ＥＧＲガス調整弁を調整し前記排気バイパス弁を閉じる制御を行うことにより、従来どおりのＥＧＲ制御を行うことができる。

本発明に係る内燃機関及びその制御方法によれば、ディーゼルエンジン等の内燃機関で、低負荷運転領域において、ＥＧＲガス用通路からＥＧＲガスを吸気通路に供給してＥＧＲ率を高めることができるので、排ガス性能を悪化させることなく、吸気ポンピングロスを低減でき、燃費を向上することができる。

また、低負荷運転領域、アイドル運転領域、及び、高負荷運転領域において、排気バイパス通路を用いて、ターボチャージャのタービンの上流の排気ガスをタービンの下流へ迂回させて流すことにより、タービンによる排気抵抗にも関わらず、排気ポンピングロスを低下させて、燃費を改善することができる。

本発明の第１の実施の形態の内燃機関の構成を示した図である。 本発明の第２の実施の形態の内燃機関の構成を示した図である。 本発明の第３の実施の形態の内燃機関の構成を示した図である。 排気システムの作動線を示した図である。 基本の制御フローを示した図である。 ＥＧＲ制御の制御フローを示した図である。 排気バイパス弁の制御の制御フローを示した図である。 ＥＧＲガス調整弁の制御のための基本マップデータの一例を示した図である。 排気ガスバイパス弁の制御のための基本マップデータの一例を示した図である。 高圧ＥＧＲシステムの構成を示した図である。 低圧ＥＧＲシステムの構成を示した図である。 内燃機関の運転領域と全負荷作動線を示した図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関及びその制御方法について、図面を参照しながら説明する。なお、ここでは、ターボチャージャが１台として説明するが、本発明は、多段ターボ過給システムの場合にも適用でき、同様な作用効果を奏することができる。

図１〜図３に、本発明の第１〜第３の実施の形態の内燃機関（エンジン）１、１Ａ、１Ｂの構成を示す。この内燃機関１、１Ａ、１Ｂは、吸気通路１１と排気通路１６とＥＧＲ通路１９を備えている。エンジン本体１０の吸気マニホールド１０ａに接続される吸気通路１１は、上流側から順に、エアクリーナ１２と吸気絞り弁１３とターボチャージャ（過給器）１４のコンプレッサ１４ａとインタークーラ１５を備えている。

また、排気マニホールド１０ｂに接続される排気通路１６は、上流側から順に、ターボチャージャ１４のタービン１４ｂと、排気ガス浄化装置（後処理装置）１７と、排気絞り弁１８を備えている。排気ガス浄化装置１７は、図１〜図３の構成では、ＤＰＦ装置（ディーゼルパティキュレートフィルタ装置）のみとしているが、酸化触媒装置、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置、触媒付きフィルタ装置等で構成してもよい。

ＤＰＦ装置は、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を備えた装置であり、通常は触媒付きＤＰＦで構成される。この触媒付きＤＰＦは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタ等で形成される。このフィルタの部分に白金や酸化セリウム等の触媒を担持する。

過給システムは、図１〜図３の構成ではシングルターボであり、一つのターボチャージャ１４が設けられ、コンプレッサ１４ａが吸気通路１１に、タービン１４ｂが排気通路１６に配置される。

更に、ＥＧＲシステムとして、図１に示す第１の実施の形態の内燃機関１は、高圧ＥＧＲシステムであり、ＥＧＲ通路１９が、ターボチャージャ１４のタービン１４ｂの上流と、インタークーラ１５の下流を接続して設けられる。このＥＧＲ通路１９に、上流側から順に、ＥＧＲクーラ２０とＥＧＲ弁２１が配設される。このＥＧＲシステムでは、ターボチャージャ１４のタービン１４ｂの上流からＥＧＲガスＧｅを取り込み、このＥＧＲガスＧｅを、ＥＧＲ通路１９に配置したＥＧＲクーラ２０で冷却し、ＥＧＲ弁２１でそのガス量を調整して、コンプレッサ１４ａの上流に供給する。

また、図２に示す第２の実施の形態の内燃機関１Ａは、低圧ＥＧＲシステムであり、ＥＧＲ通路１９が、排気ガス浄化装置１７の下流でかつ排気絞り弁１８の上流とターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａの上流を接続して設けられる。このＥＧＲ通路１９に、上流側から順に、ＥＧＲクーラ２０とＥＧＲ弁２１が配設される。このＥＧＲシステムでは、ターボチャージャ１４のタービン１４ｂの下流の排気ガス浄化装置１７の下流の排気通路１６よりＥＧＲガスＧｅを取り込み、このＥＧＲガスＧｅを、ＥＧＲ通路１９に配置したＥＧＲクーラ２０で冷却し、ＥＧＲ弁２１でそのガス量を調整して、コンプレッサ１４ａの下流に供給する。

また、図３に示す第３の実施の形態の内燃機関１Ｂでは、ＥＧＲ通路１９が、排気ガス浄化装置１７の下流でかつ排気絞り弁１８の上流と、インタークーラ１５の下流を接続して設けられる。このＥＧＲ通路１９に、上流側から順に、ＥＧＲクーラ２０とＥＧＲ弁２１が配設される。このＥＧＲシステムでは、ターボチャージャ１４のタービン１４ｂの下流からＥＧＲガスＧｅを取り込み、このＥＧＲガスＧｅを、ＥＧＲ通路１９に配置したＥＧＲクーラ２０で冷却し、ＥＧＲ弁２１でそのガス量を調整して、コンプレッサ１４ａの上流に供給する。

本発明においては、更に、排気通路１６の最下流に設けたターボチャージャ１４のタービン１４ｂの下流側と、吸気通路１１の最上流に設けたターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａの上流側とを接続するＥＧＲガス用通路２２を設け、このＥＧＲガス用通路２２に、上流側から順にＥＧＲガス用クーラ２３とＥＧＲガス調整弁２４を設ける。図１〜図３の構成では、ＥＧＲガス調整弁２４が２つ配設されている。

それと共に、排気通路１９に設けられたターボチャージャ１４のタービン１４ａを迂回する排気バイパス通路２５を設け、この排気バイパス通路２５に排気バイパス弁２６を設ける。この排気バイパス通路２５により、エンジン本体１０に取り付けられたターボチャージャ１４と並列に配置され、エンジン本体１０の排気マニホールド１０ｂからターボチャージャ１４のタービン１４ａの下流へ排気ガスを迂回することが可能となり、この迂回する排気ガスの量を排気バイパス弁２６の弁開度の制御により最適化することで、燃費の改善を図る。この排気バイパス通路２５は、高負荷運転領域において、ターボチャージャ１４による過過給状態により排気圧力が上昇するのを抑制するために、又は、低負荷運転領域でターボチャージャ１４が作動しない運転領域で開放側に調整することにより排気ポンピングロスを低減するために設けられる。

更に、空気量センサ２７が吸気絞り弁１３の下流側に、第１吸気圧（ブースト）センサ２８がインタークーラ１５の下流側に、第２吸気圧センサ２９が吸気マニホールド１０ａの入口近傍又は内部に、排気圧センサ３０が排気マニホールド１０ｂの出口近傍又は内部にそれぞれ設けられる。

また、これらのセンサ２７〜３０等の測定値と内燃機関１、１Ａ、１Ｂの運転制御に必要なデータを入力して内燃機関１、１Ａ、１Ｂの運転制御、ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁２１の弁操作、過給システムのターボチャージャ１４の可変翼（ＶＧＴ）の操作、排気ガス浄化装置１７の排気ガス浄化制御や再生制御等を行う制御装置（図示しない）が設けられている。この制御装置はＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれており、ＥＧＲガス調整弁２４と排気バイパス弁２６を制御する弁制御装置もこの制御装置に組み込こむ。そして、この制御装置は、内燃機関１、１Ａ、１Ｂからのデータと空気量センサ２７等の各種センサからの検出値に基づいて、吸気絞り弁１３、排気絞り弁１７、ＥＧＲ弁２１、ＥＧＲガス調整弁２４、排気バイパス弁２６等を制御する。

次に、上記の構成の内燃機関の制御方法について、ＥＧＲガス調整弁２４、排気バイパス弁２に関する部分について、図５〜図７に示す制御フローを参照しながら説明する。図５〜図７の制御フローは、内燃機関の始動開始と共に、上級の制御フローから呼ばれてスタートし、ＥＧＲ制御と排気バイパス弁の制御をしては、上級の制御フローに戻り、また、上級の制御フローから呼ばれて、内燃機関の運転中は繰り返し実施されるものとして示してある。そして、内燃機関の停止と共に、上級の制御フローが停止し、この図５〜図７の制御フローも停止する。

この図５の制御フローが上級の制御フローから呼ばれて、スタートすると、ステップＳ１１でエンジン回転数とエンジン負荷を入力し、次のステップのＳ１２で燃料噴射量を算出する。

次のステップＳ２０では、図６に示すような制御フローに従って、ＥＧＲ通路１９に設けたＥＧＲ弁２１と、ＥＧＲガス用通路２２に設けたＥＧＲガス調整弁２４の制御を行う。ステップＳ２１で、ＥＧＲ弁２１の基本操作量をＥＧＲ弁の制御用マップデータを参照して算出し、ステップＳ２２で、ＥＧＲ弁２１の弁開度を操作する。

次に、ＥＧＲガス調整弁２４の操作を行うが、ステップＳ２３で、ＥＧＲガス調整弁２４の基本操作量をＥＧＲガス調整弁の制御用マップデータを参照して算出し、ステップＳ２４で、ＥＧＲガス調整弁２４の弁開度を操作する。

このＥＧＲガス調整弁の制御用マップデータの一例を図８に示す。横軸はエンジン回転数を示し、縦軸は燃料流量を示す。表中の数値は基本とするＥＧＲガス調整弁の目標開度を示す。この制御用マップデータは、エンジンが定常状態のときに計測した必要なデータをもとに、目標とする排ガス規制に適合させ、なおかつ、低燃費になるように作成したものである。

このＥＧＲガス用通路２２は、基本的にはターボチャージャ１４による過給が実施されていない状態で使用するため、図１〜図３に示す第１吸気圧センサ２８の検出値が予め設定された閾値を超えていない場合に、ＥＧＲガス調整弁２４を開弁させる。また、図１〜図３に示すＥＧＲガスＧａの導入量が多くなってシリンダに入る混合気中の酸素濃度が低下し過ぎないように、空気量センサ２７で検出される吸入空気量が予め設定された閾値より低い時は、図８に示す制御用マップデータに修正係数を掛けて、ＥＧＲガス調整弁２４を適切な開度に調整する。このＥＧＲガス調整弁２４は、エンジンの全運転領域又は一部の運転領域で開弁される。

内燃機関１が定常状態である場合には、図８に示した基本マップデータに従って、ＥＧＲガス調整弁２４は制御される。なお、その他のターボチャージャ１４のターボ可変翼やシリンダ内の燃料噴射における噴射タイミング等も最適化した状態を選定して、設定したマップデータに基づいて制御される。

一方、内燃機関１が過渡状態である場合には、定常状態とは状態（コンディション）が異なるため、各センサ２７〜３０の検出値に基づいてフィードバック制御をする。図６のステップＳ２５の給気圧（ブースト圧）のチェックとステップＳ２６の吸気量のチェックとステップＳ２７の操作量の補正がこのフィードバック制御に対応し、夫々、目標の給気圧と吸気量になるようにＥＧＲ弁２１とＥＧＲガス調整弁２４を制御する。この給気圧は、第１吸気圧センサ２８と第２吸気圧センサ２９で、吸気量は空気量センサ２７で計測される。

次のステップＳ３０では、図７に示すような制御フローに従って、排気バイパス通路５に設けた排気バイパス弁２６の制御を行う。ステップＳ３１で、排気バイパス弁２６の基本操作量を排気バイパス弁の制御用マップデータを参照して算出し、ステップＳ３２で、排気バイパス弁２６の弁開度を操作する。

この排気バイパス弁の制御用マップデータの一例を図９に示す。横軸はエンジン回転数を示し、縦軸は燃料流量を示す。表中の数値は基本とする排気バイパス弁の目標開度を示す。この制御用マップデータは、エンジンが定常状態のときに計測した必要なデータをもとに、目標とする排ガス規制に適合させ、なおかつ、低燃費になるように作成したものである。

この排気バイパス弁２６を開弁する運転領域としては、ターボチャージャ１４が作動しないような低負荷運転領域、アイドル運転領域と、非常に負荷の高い全負荷運転領域とがある。

内燃機関１、１Ａ、１Ｂが低負荷運転領域の場合は、基本的にターボチャージャ１４による過給が行われていない状態であり、この状態で排気バイパス弁２６を開弁することで、排気ポンピングロスを低減する。

一方、内燃機関１、１Ａ、１Ｂの排気圧力が非常に高い全負荷領域の場合には、排気バイパス弁２６の基本の開弁制御は、低速回転運転領域や低負荷運転領域と同様に基本の制御用マップデータをベースとして制御する。なお、その他のターボチャージャ１４のターボ可変翼やシリンダ内の燃料噴射における噴射タイミング等も最適化した状態を選定して、設定したマップデータに基づいて制御される。

また、内燃機関１、１Ａ、１Ｂが、過渡状態である場合には、定常状態とは状態（コンディション）が異なるため、各センサ２７〜３０の検出値に基づいてフィードバック制御をする。図７のステップＳ３３の排気圧のチェックとステップＳ３４の給気圧のチェックとステップＳ３５の吸気量のチェックとステップＳ３６の操作量の補正がこのフィードバック制御に対応し、夫々、目標の排気圧と給気圧と吸気量になるように排気バイパス弁２６を制御する。この排気圧は、排気圧センサ３０で、給気圧は、第１吸気圧センサ２８と第２吸気圧センサ２９で、吸気量は空気量センサ２７で計測される。

この過渡状態の制御では、内燃機関１、１Ａ、１Ｂがそのような状態にあることを判断する必要がある。定常運転状態と異なり、過渡状態ではターボチャージャ１４の回転が十分に上がらずに排気圧力が低いので、図１〜図３に示す排気圧センサ３０の値と、制御用マップデータ上に持っている閾値により、排気バイパス弁２６は適切な開度に調整される。

また、同じく、図１〜図３に示す第２給気圧センサ２９（又は、第１給気圧センサ２８）の値が閾値を超えていない場合や、図１〜図３に示す空気量センサ（ＭＡＦ）２７によって吸入空気量を計測し、この計測値が閾値（エンジン理論必要空気量×係数、又はエンジン試験データより選定）より低下した場合などは、排気バイパス弁の制御用マップデータ（基本のマップ）に修正係数を掛けて排気バイパス弁２６の適切な開度調整を行う。つまり、図１２に示すような運転領域で、フィードバック制御により、最適化された弁開度になるように排気バイパス弁２６の弁開度を操作する。

そして、図５に示す、ステップＳ２０のＥＧＲ制御とステップＳ３０の排気バイパス弁の制御を所定の時間（ＥＧＲ弁とＥＧＲガス調整弁と排気バイパス弁の弁開度の見直しのサイクルに関係する時間）の間行って、リターンする。

次に、排気ポンピングロス（圧力損失）について図４を参照しながら説明する。排気ポンピングロスは、ターボチャージャが可変翼を持っている場合には、この可変翼の開度により変化する。図４の横軸の左側にこの開度を示す。また、その時の作動線をＬ１のラインで示す。これは、シングルターボの場合でも複数のターボの場合でも同様である。一方、可変翼の無いターボチャージャを使用している場合では、排気圧力を調整できないので、Ｌ１のライン上のどこかに固定されることになる。

ターボチャージャの可変翼を開くことにより、基本的には排気ポンピングロスは図４のＬ１のラインで示すように低減する。しかし、ターボチャージャの回転数が低下し、過給圧も同時に低下する。

この状態で更にＥＧＲガス調整弁を開弁すると（横軸の右側）、高圧ＥＧＲシステムの場合は、Ｌ２のラインで示すように、排気ポンピングロスは更に低下する。一方、低圧ＥＧＲシステムの場合は、Ｌ３のラインで示すように低下しない。これが低圧ＥＧＲシステムの排ガス性能を向上させる良い点であるが、逆に、排気ポンピングロスを高い状態から開放できない理由でもある。

従って、ターボチャージャの可変翼を最大に開き、更に、ＥＧＲガス調整弁を全開に開いた場合の低圧ＥＧＲシステムと高圧ＥＧＲシステムの排気ポンピングロスの差は右側に「ΔＰ」で示した差となる。

上記の内燃機関１、１Ａ、１Ｂは、ターボ上流からターボ下流へ排気ガスをバイパスする排気バイパス弁２６及び排気バイパス通路２５を持っていることで、タービン可変翼の有無や開度値、及び低圧ＥＧＲシステムと高圧ＥＧＲシステムの差やそれらＥＧＲ弁２１の弁開度に関わらず、排気絞り弁１８とＥＧＲ弁２１と排気バイパス弁２６を開閉弁操作することで、図４の「本システムの作動可能領域」で示した排気ポンピングロス低減の効果を得ることができる。

特に、アイドルや低負荷などのターボ過給を必要としない運転領域では単純に排気絞り弁１８とＥＧＲ弁２１と排気バイパス弁２６の開弁操作によって排気ポンピングロスを低減し、燃費を簡単に向上することができる。

しかし、図１２に示す高負荷運転領域においては、単純に排気絞り弁１８とＥＧＲ弁２１とＥＧＲガス調整弁２４と排気バイパス弁２６を開弁操作するだけでは、逆に吸入空気量が激減し、エンジン性能の悪化を招くことになる。従って、上記の図５〜図７の制御フローの説明で述べたように基本の制御用マップデータから算出した操作量に加え、運転状態に合わせて行うフィードバック制御が重要となる。

上記の図４の説明では、タービンの可変翼の開度と、Ｌ３のラインに関するＥＧＲガス調整弁２４の開度と、Ｌ２のラインに関する図１の高圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁の開度を横軸にして別々に説明したが、実際の内燃機関では、タービン１４ｂの可変翼の開度とＥＧＲガス調整弁２４の開度は同時に制御される。

図４のＬ４のラインは、タービン１４ｂの可変翼の開度を５５％に固定すると同時に、図１のような高圧ＥＧＲシステムで、ＥＧＲ弁２１を開弁していったときの排気ポンピングロスの推移線を示すものである。ＥＧＲ弁２１を開弁制御することにより、排気ポンピングロスはＬ１のラインからＬ４のラインに移行し、３０％程度（図４の縦長の楕円内のＥＧＲで示す部分）低減する。

一方、図２に示す低圧ＥＧＲシステムの場合は、タービン１４ｂの可変翼の開度だけで排気ポンピングロスが決定するため、Ｌ３に平行なライン上で動くだけで、Ｌ１のラインのままで排気ポンピングロスは変化しない。つまり、排気ポンピングロスの最低値は、Ｌ１のラインの右端（タービン可変翼の全開）の値となる。

次に、図４のＬ５のラインに対応する試験を、図３に示す低圧ＥＧＲシステムの内燃機関１で実際に行い、この実験データでその効果を確認した。内燃機関１が全負荷運転領域にある状態で、タービン可変翼の開度を全開とし、ＥＧＲガス調整弁２４の開度を全閉した状態（Ｌ５のラインの上側）から排気バイパス弁２６を任意に作動させた状態（Ｌ５のラインの下側）とでターボチャージャの性能を計測した。

その結果、タービン１４ｂの入口の排気圧力は、全閉時の２９４ｋＰａから任意に調整した時の２７２ｋＰａとなって、２２ｋＰａ低減したのに対し、吸気圧力は全閉時の１７５ｋＰａから任意に調整した時の１６５ｋＰａとなり８ｋＰａだけ低下した。つまり、タービン１４ｂの効率低下に対して、コンプレッサ１４ａの効率が向上した割合が高く、燃費が全閉時の２１７ｇ／ｋＷｈから任意に調整した時の２１４ｇ／ｋＷｈとなり、内燃機関全体の結果として、約１％の燃費の改善を確認できた。

本発明の内燃機関及びその制御は、ディーゼルエンジン等の内燃機関において、低負荷運転領域において、ＥＧＲガス用通路からＥＧＲガスを吸気通路に供給してＥＧＲ率を高めることができるので、排ガス性能を悪化させることなく、吸気ポンピングロスを低減でき、燃費を向上することができる。

また、低負荷運転領域、アイドル運転領域、及び、高負荷運転領域（全負荷運転領域）において、排気バイパス通路を用いて、ターボチャージャのタービンの上流の排気ガスをタービンの下流へ迂回させて流すことにより、排気ポンピングロスを低下させて、燃費を改善することができる。

そのため、本発明の内燃機関及びその制御方法は、自動車に搭載するの内燃機関等の内燃機関及びその制御方法として利用できる。

１ 内燃機関（エンジン）
１０ エンジン本体
１０ａ 吸気マニホールド
１０ｂ 排気マニホールド
１１ 吸気通路
１２ エアクリーナ
１３ 吸気絞り弁
１４ ターボチャージャ（過給器）
１４ａ コンプレッサ
１４ｂ タービン
１５ インタークーラ
１６ 排気通路
１７ 排気ガス浄化装置（後処理装置）
１８ 排気絞り弁
１９ ＥＧＲ通路
２０ ＥＧＲクーラ
２１ ＥＧＲ弁
２２ ＥＧＲガス用通路
２３ ＥＧＲガス用クーラ
２４ ＥＧＲガス調整弁
２５ 排気バイパス通路
２６ 排気バイパス弁
２７ 空気量センサ
２８ 第１吸気圧（ブースト）センサ
２９ 第２吸気圧（ブースト）センサ
３０ 排気圧センサ
Ａ 新気（吸気）
Ｇ 排気ガス
Ｇｅ ＥＧＲガス

Claims (4)

1. 過給システムを備えた内燃機関において、排気通路の最下流に設けたターボチャージャのタービンの下流側と、吸気通路の最上流に設けたターボチャージャのコンプレッサの上流側とを接続するＥＧＲガス用通路を設け、該ＥＧＲガス用通路にＥＧＲガス調整弁を設けると共に、排気通路に設けられたターボチャージャのタービンを迂回する排気バイパス通路を設け、該排気バイパス通路に排気バイパス弁を設けたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記内燃機関が、最上流に設けたターボチャージャのタービンの上流側と、最下流に設けたターボチャージャのコンプレッサの下流側を接続する高圧ＥＧＲ通路を有する高圧ＥＧＲシステムを備えたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 前記ＥＧＲガス調整弁と前記排気バイパス弁を制御する弁制御装置を設けると共に、該弁制御装置が、
   内燃機関の運転が低負荷運転領域にある場合には、ＥＧＲガス調整弁を開いてＥＧＲガスの流量を調整しながら、ＥＧＲガスを前記吸気通路に供給すると共に、前記排気バイパス弁を開いて前記タービンを迂回する排気ガスの流量を調整しながら、排気ガスの一部又は全部を前記タービンを迂回させる制御を行い、
   内燃機関の運転が低負荷運転領域又はアイドル運転領域又は高負荷運転領域にある場合は、前記ＥＧＲガス調整弁を調整すると共に、前記排気バイパス弁を開いて前記タービンを迂回する排気ガスの流量を調整しながら、排気ガスの一部又は全部を前記タービンを迂回させる制御を行い、
   内燃機関の運転が前記運転領域以外の運転領域にある場合は、前記ＥＧＲガス調整弁を調整し前記排気バイパス弁を閉じる制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 過給システムを備え、排気通路の最下流に設けたターボチャージャのタービンの下流側と、吸気通路の最上流に設けたターボチャージャのコンプレッサの上流側とを接続するＥＧＲガス用通路を設け、該ＥＧＲガス用通路にＥＧＲガス調整弁を設けると共に、排気通路に設けられたターボチャージャのタービンを迂回する排気バイパス通路を設け、該排気バイパス通路に排気バイパス弁を設けた内燃機関の制御方法において、
   内燃機関の運転が低負荷運転領域にある場合には、ＥＧＲガス調整弁を開いてＥＧＲガスの流量を調整しながら、ＥＧＲガスを前記吸気通路に供給すると共に、前記排気バイパス弁を開いて前記タービンを迂回する排気ガスの流量を調整しながら、排気ガスの一部又は全部を前記タービンを迂回させ、
   内燃機関の運転が低負荷運転領域又はアイドル運転領域又は高負荷運転領域にある場合は、前記ＥＧＲガス調整弁を調整すると共に、前記排気バイパス弁を開いて前記タービンを迂回する排気ガスの流量を調整しながら、排気ガスの一部又は全部を前記タービンを迂回させ、
   内燃機関の運転が前記運転領域以外の運転領域にある場合は、前記ＥＧＲガス調整弁を調整し前記排気バイパス弁を閉じる制御を行うことを特徴とする内燃機関の制御方法。

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