JP2011163307A

JP2011163307A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2011163307A
Application number: JP2010030005A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Ishida; 哲朗石田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2010-02-15
Filing date: 2010-02-15
Publication date: 2011-08-25
Anticipated expiration: 2030-02-15
Also published as: JP5446960B2

Abstract

【課題】内燃機関の動力性能上不要な電動過給機による過給を抑えたうえで、触媒の過昇温を抑制することができる内燃機関を提供する。
【解決手段】エンジン１は、排気過給機１０と電動過給機１００とを備える。電動過給機１００のコンプレッサ１０２は、排気過給機１０のコンプレッサ１４と直列に配されており、過給機能を発揮していない場合には逆回転する等して吸気抵抗を増大させる。エンジンＥＣＵ７０は、触媒５２の温度が目標値より高い場合に、電動過給機１００のコンプレッサ１０２を逆回転させる等して吸気抵抗を増大させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気過給機と電動過給機とを備える内燃機関に関する。

排気過給機と電動過給機とを備える２段過給機付の内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、コンプレッサを駆動させる電動機を有する可変ノズル型のターボチャージャを備える過給機付内燃機関が知られている（例えば、特許文献２参照）。これらの内燃機関では、触媒の温度を目標値まで上昇させるために、排気経路への排気エネルギの供給量を制御している。

特開２００６−９７５９１号公報特開２００７−９２６２２号公報

ところで、排気タービンによる排気エネルギの回収量を増加させた場合には、排気タービンの下流側における排気温度が低下し、触媒が活性温度以下となってしまい排気浄化性能が低下する。このため、排気タービンをバイパスして排気温度の低下を抑制することが考えられるが、排気タービンをバイパスすれば出力性能が低下してしまい、触媒の活性維持と出力性能維持の両立が難しいものである。また、電動過給機を２次エアとして用いるものでは、出力に関係のない過給のため電気消費となり燃費に不利となる。

本発明は、上記事情に鑑み、電動過給機による内燃機関の動力性能上不要な過給を抑えたうえで、触媒の温度を適切に制御することができる内燃機関を提供することを課題とする。

上記課題を達成するため、排気系に設けられたタービンと、該タービンと連動し吸気系に設けられた第１のコンプレッサとを有する排気過給機と、前記吸気系において前記第１のコンプレッサと直列に設けられ電動機により駆動される第２のコンプレッサを有する電動過給機と、前記排気系において前記タービンより下流側に設けられた触媒と、前記触媒の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段にて検出された温度が前記触媒の目標とする所定温度より高い場合には前記排気過給機を優先的に作動させ、前記所定温度より低い場合には前記電動過給機を優先的に作動させる吸気制御手段と、を備えることを特徴とする。

上記内燃機関において、前記吸気制御手段が、前記排気過給機を優先的に作動させた状態で前記触媒の温度が前記所定温度より高い場合には前記電動過給機の吸気抵抗を増大させる抵抗機能を有することを特徴としてもよい。
上記内燃機関において、前記電動過給機が、前記コンプレッサが過給機能を発揮する場合の回転方向とは逆方向に回転することにより前記抵抗機能を発揮することを特徴としてもよい。

上記内燃機関において、前記電動過給機が、前記コンプレッサが停止することにより前記抵抗機能を発揮することを特徴としてもよい。
上記内燃機関において、前記吸気制御手段が、前記温度検出手段により検出された前記触媒の温度が前記所定温度より高い場合に、前記電動過給機の機能として吸気抵抗を増大させる前記抵抗機能を選択し、前記温度検出手段により検出された前記触媒の温度が前記所定温度より低い場合に、前記電動過給機の機能として過給機能を選択することを特徴としてもよい。

上記内燃機関によれば、電動過給機による内燃機関の動力性能上不要な過給を抑えたうえで、触媒の温度を適切に制御することができる。

一実施形態に係る制御装置を適用した２段過給機付内燃機関の概略構成図である。エンジンＥＣＵの構成を示すブロック図である。エンジンＥＣＵによる吸気制御を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る２段過給機付の内燃機関の概略構成図である。この図に示すように、２段過給機付の内燃機関としてのエンジン１は、高速過給機としての排気過給機１０と、低速過給機としての電動過給機１００とを備える。排気過給機１０は、排気系統５０に配されたタービン１２と吸気系統４０に配されたコンプレッサ（第１のコンプレッサ）１４とを備え、排気エネルギにより駆動される排気ターボ過給機である。また、排気過給機１０は、可変ノズル型排気タービン過給機であり、タービン１２のブレードの開口面積を可変させることで排気ガスの流量を変化させ、過給圧を変化させる。また、電動過給機１００は、吸気系４０に配されたコンプレッサ（第２のコンプレッサ）１０２と、コンプレッサ１０２を回転駆動する電動機１０４とを備える。

エンジン１は、シリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド部３０と、シリンダブロック部２０に燃料と空気とからなる混合気を供給するための吸気系統４０と、シリンダブロック部２０からの排ガスを外部に放出するための排気系統５０とを備えている。
シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、コンロッド２３及びクランク軸２４を備えている。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３を介してクランク軸２４に伝達され、これにより同クランク軸２４が回転するようになっている。シリンダ２１、ピストン２２のヘッド及びシリンダヘッド部３０は、燃焼室（気筒）２５を形成している。

シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した一対の吸気ポート３１、各吸気ポート３１を開閉する一対の吸気バルブ３２、燃焼室２５に連通した一対の排気ポート３３、各排気ポート３３を開閉する一対の排気バルブ３４、点火プラグ３７、点火プラグ３７に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを有するイグナイタ３８及び燃料を吸気ポート３１内に噴射するインジェクタ３９を備えている。

吸気系統４０は、吸気ポート３１に連通したインテークマニホールド４１、インテークマニホールド４１の一部を構成するサージタンク４２、吸気ポート３１とインテークマニホールド４１とサージタンク４２とともに吸気通路を形成する吸気ダクト４３とを備えている。吸気系統４０には、上流側から順番に、エアフィルタ４４、コンプレッサ１４、コンプレッサ１０２、インタークーラー４５、スロットルバルブ４６が配されている。また、吸気系統４０には、コンプレッサ１０２の上流側と下流側とをバイパスするバイパス流路４７と、該バイパス流路４７の開口面積を調整するバイパスバルブ４８とが設けられている。

排気系統５０は、排気ポート３３に連通し該排気ポート３３とともに排気通路を形成するエキゾーストマニホールドを有する排気管５１と、排気管５１内に配設されたタービン１２、触媒５２とを備えている。
排気過給機１０は、タービン１２のブレードの開口面積が減少されて排気圧力が上昇することにより、タービン１２の出力が増加されて過給機１０による過給圧が上昇する。一方、排気過給機１０は、タービン１２のブレードの開口面積が増加されて排気圧力が低下することにより、タービン１２の出力が低下されて過給機１０による過給圧が低下する。

電動過給機１００のコンプレッサ１０２は、排気過給機１０のコンプレッサ１４より下流側に該コンプレッサ１４と直列に配されている。なお、コンプレッサ１０２は、コンプレッサ１４より上流側に配されてもよい。電動機１０４は、コンプレッサ１０２を正逆回転させる。電動機１０４によりコンプレッサ１０２が正転された場合に、電動過給機１００は、過給を行う（過給機能を発揮する）一方、電動機１０４によりコンプレッサ１０２が逆転された場合に、コンプレッサ１０２は、コンプレッサ１４の下流側における吸気抵抗を増大させる（抵抗機能を発揮する）。また、バイパスバルブ４８によりバイパス流路４７が閉状態となると共に、コンプレッサ１０２が停止した場合にも、コンプレッサ１０２は、コンプレッサ１４の下流側における吸気抵抗を増大させる（抵抗機能を発揮する）。

スロットルバルブ４６は、インテークマニホールド４１に回転可能に支持され、アクセル操作に連動して又はスロットルバルブアクチュエータから駆動されることによって開度が調整されるようになっている。これにより、スロットルバルブ４６は、インテークマニホールド４１の開口面積を可変とするようになっている。
一方、このシステムは、吸気圧センサ６１、クランク角センサ６２、カム角センサ６３、スロットルセンサ６４、触媒温度センサ６５及びエンジンＥＣＵ７０を備えている。

吸気圧センサ６１は、スロットルバルブ４６より下流側における吸気圧、即ちサージタンク４２内の圧力（インマニ圧）Pimを検出して検出信号をエンジンＥＣＵ７０へ出力する。
クランク角センサ６２は、クランク軸２４の位相角（以下、クランク角という）Craを検出して検出信号をエンジンＥＣＵ７０へ出力する。カム角センサ６３は、カムの位相角（以下、カム角という）Cmaを検出して検出信号をエンジンＥＣＵ７０へ出力する。スロットルセンサ６４は、スロットルバルブ４６の開度（以下、スロットル開度という）θtvを検出して検出信号をエンジンＥＣＵ７０へ出力する。また、触媒温度センサ６５は、触媒５２の温度Tclを検出して検出信号をエンジンＥＣＵ７０へ出力する。

エンジンＥＣＵ７０は、上述の各種センサからの信号を入力しつつ、内蔵するマイクロコンピュータにより、所定の演算処理を行って、インジェクタ３９等の燃料噴射系統、点火プラグ３７（点火系統）、及び、排気過給機１０や電動過給機１００等へ駆動信号を出力する。
図２は、エンジンＥＣＵ７０の構成を示す機能ブロック図である。この図に示すように、エンジンＥＣＵ７０は、ＣＰＵ７１、メモリ７２、入出力ポート（Ｉ．Ｏ）７３等を備えている。入出力ポート７３は、各種センサからの電気的信号をデジタル演算処理用の信号に変換する。

入出力ポート７３には、入力信号として、吸気圧センサ６１により検出される吸気圧Pimに応じた信号と、クランク角センサ６２により検出されるクランク角Craに応じた信号と、カム角センサ６３により検出されるカム角Cmaに応じた信号と、スロットルセンサ６４により検出されるスロットル開度θtvに応じた信号と、触媒温度センサ６５により検出される触媒５２の温度Tclに応じた信号とが供給される。

メモリ７２は、後述する吸気制御を実行するための制御プログラムを格納している。該制御プログラムには、エンジン１の回転数Neとエンジン負荷Ecと吸気圧Pimの目標値と触媒５２の温度Tclの目標値との関係を示すマップ等が含まれる。また、メモリ７２には、吸気制御を実行する際に取得された各種データが一時的に格納される。
ＣＰＵ７１は、回転数算出部７１Ａと、エンジン負荷算出部７１Ｂと、目標値算出部７１Ｃと、吸気制御部７１Ｄとを備えている。回転数算出部７１Ａは、クランク角センサ６２により検出されたクランク角Craに基づいてエンジン１の回転数Neを算出する。また、エンジン負荷算出部７１Ｂは、スロットルセンサ６４により検出されたスロットル開度θtvに基づいてエンジン負荷Ecを算出する。目標値算出部７１Ｃは、回転数算出部７１Ａにより算出された回転数Neとエンジン負荷算出部７１Ｂにより算出されたエンジン負荷Ecとメモリ７２に記憶されたマップとに基づいて、吸気圧Pimの目標値と触媒５２の温度Tclの目標値とを算出する。そして、吸気制御部７１Ｄは、目標値算出部７１Ｃにより算出された吸気圧Pimの目標値と触媒５２の温度Tclの目標値とが得られるように、排気過給機１０と電動過給機１００とに駆動信号を出力する。

図３は、エンジンＥＣＵ７０による吸気制御を説明するためのフローチャートである。このフローチャートに示すように、まず、ステップ１００において、各センサの出力に基づいて、回転数算出部７１Ａは回転数Neを算出し、エンジン負荷算出部７１Ｂはエンジン負荷Ecを算出し、そして、目標値算出部７１Ｃは、吸気圧Pimの目標値と触媒５２の温度Tclの目標値とを算出する。

次に、ステップ１０１において、吸気制御部７１Ｄは、吸気圧センサ６１により検出された吸気圧Pimと触媒温度センサ６５により検出された触媒５２の温度Tclを入力する。次に、ステップ１０２において、吸気制御部７１Ｄは、吸気圧センサ６１により検出された吸気圧Pimが目標値より低いか否かを判定する。判定が肯定された場合には、ステップ１０３へ移行する一方、判定が否定された場合にはステップ１１０へ移行する。

ステップ１０３において、吸気制御部７１Ｄは、触媒５２の温度Tclが目標値より低いか否かを判定する。判定が肯定された場合にはステップ１０４へ移行する一方、判定が否定された場合には、ステップ１０５へ移行する。
ステップ１０４において、吸気制御部７１Ｄは、電動過給機１００の回転数を増加させる。そして、処理ルーチンを終了する。ここで、排気過給機１０のタービン１２の回転数は増加させることなく維持する。即ち、吸気圧Pimが目標値よりも低く、かつ、触媒５２の温度Tclが目標値よりも低い場合には、電動過給機１００による過給圧が増加されることにより、吸気圧Pimが目標値に向けて上昇される。この際、排気過給機１０による排気エネルギの回収が抑制されることにより、タービン１２の下流側における排気温度の低下が抑制され、触媒５２の温度の低下が抑制される。

一方、ステップ１０５において、吸気制御部７１Ｄは、排気過給機１０のタービン１２の回転数を増加させる。ここで、電動過給機１００の回転数は増加させることなく維持する。即ち、吸気圧Pimが目標値よりも低く、かつ、触媒５２の温度Tclが目標値よりも高い場合には、排気過給機１０による過給圧が増加されることにより、吸気圧Pimが目標値に向けて上昇される。この際、排気過給機１０による排気エネルギの回収が促進されることにより、タービン１２の下流側における排気温度の低下が促進され、触媒５２の温度の低下が促進される。

次に、ステップ１０６において、吸気制御部７１Ｄは、触媒５２の温度Tclが目標値より高いか否かを判定する。判定が肯定された場合にはステップ１０７へ移行する一方、判定が否定された場合には処理ルーチンを終了する。
ステップ１０７において、吸気制御部７１Ｄは、バイパスバルブ４８を閉状態とすると共に、電動過給機１００の作動を停止状態とする。即ち、電動過給機１００が吸気抵抗となるため吸気圧Pimが目標値よりも低くなってしまうが、その抵抗の分だけ排気過給機１０を作動させる。これにより、タービン１２は、吸気圧を目標値にするためにより多くのエネルギを消費することになり、より多くの排気エネルギを回収することになるため、タービン１２の下流側の排気温度が低下する。従って、触媒５２の温度を速やかに目標値まで低下させることができる。

一方、ステップ１０２において、吸気制御部７１Ｄが、吸気圧センサ６１により検出された吸気圧Pimが目標値より高いと判定した場合には、ステップ１１０において、吸気制御部７１Ｄが、触媒５２の温度Tclが目標値より低いか否かを判定する。判定が肯定された場合にはステップ１１１へ移行する一方、判定が否定された場合には、ステップ１１２へ移行する。

ステップ１１１において、吸気制御部７１Ｄは、排気過給機１０のタービン１２の回転数を低下させる。そして、処理ルーチンを終了する。ここで、電動過給機１００の回転数は維持してもよく、減少させてもよい。即ち、吸気圧Pimが目標値よりも高く、かつ、触媒５２の温度Tclが目標値よりも低い場合には、排気過給機１０による過給圧が低下されることにより、吸気圧Pimが目標値に向けて低下される。この際、排気過給機１０による排気エネルギの回収が抑制されることにより、タービン１２の下流側における排気温度の低下が抑制され、触媒５２の温度の低下が抑制される。

一方、ステップ１１２において、吸気制御部７１Ｄは、電動過給機１００の回転数を低下させる。ここで、排気過給機１０のタービン１２の回転数は維持する。即ち、吸気圧Pimが目標値よりも高く、かつ、触媒５２の温度Tclが目標値よりも高い場合には、電動過給機１００による過給圧が低下することにより、吸気圧Pimが目標値に向けて減少される。この際、排気過給機１０による排気エネルギの回収が維持されることにより、タービン１２の下流側における排気温度が低下され、触媒５２の温度が低下される。

次に、ステップ１１３において、吸気制御部７１Ｄは、触媒５２の温度Tclが目標値より高いか否かを判定する。判定が肯定された場合にはステップ１１４へ移行する一方、判定が否定された場合には処理ルーチンを終了する。
ステップ１１４において、吸気制御部７１Ｄは、バイパス流路４７を閉じた状態で電動機１０４を逆転させる。以上で処理ルーチンを終了する。ここで、電動過給機１００の回転数を低下させ、排気過給機１０のタービン１２の回転数は維持したとしても触媒５２の温度Tclが目標値よりも高いため、排気過給機１０のタービン１２の回転数を増大させ、更なる排気過給機１０による排気エネルギの回収が必要となる。しかしながら、吸気圧Pimが目標値よりも高く設定できないため、電動過給機１００を逆回転させることにより大きな吸気抵抗を発生させて吸気圧を低下させ、低下させた吸気圧分だけ排気過給機を作動させている。このことによりタービン１２は、より多くのエネルギを消費することになり、より多くの排気エネルギを回収することになるため、タービン１２の下流側の排気温度が低下する。従って、触媒５２の温度を速やかに目標値まで低下させることができる。

以上説明したように、本実施形態に係るエンジン１では、触媒５２の温度が目標値より高い場合に、電動過給機１００のコンプレッサ１０２に、吸気抵抗を増大させる抵抗機能を発揮させている。ここで、吸気抵抗が増大されていることにより、コンプレッサ１４は、吸気圧を目標値にするためにより多くのエネルギを消費することになる。このため、タービン１２による排気エネルギの回収量を効率よく増加させることができ、タービン１２より下流側における排気温度を効率よく低下させることができる。従って、触媒５２の温度を低下させることができるため、電動過給機１００によるエンジン１の動力性能上不要な過給を抑えたうえで、触媒５２の過昇温を抑制することができる。

また、本実施形態に係るエンジン１では、吸気圧Pimが目標値より低く、過給機の過給圧を上昇させる場合に、電動過給機１００のコンプレッサ１０２を逆回転させるのではなく停止させる。これにより、触媒５２の温度を効率よく低下させることができるという効果のみならず、吸気抵抗の過剰な増大を抑制でき、吸気圧Pimを上昇させる際の応答性の低下を抑制できるという効果をも得ることができる。一方、吸気圧Pimが目標値より高く、過給機の過給圧を低下させる場合に、電動過給機１００のコンプレッサ１０２を逆回転させる。これにより、触媒５２の温度を効率よく低下させることができるという効果のみならず、吸気抵抗を増大させる際の応答性を向上でき、吸気圧Pimを低下させる際の応答性を向上できるという効果をも得ることができる。

また、本実施形態に係るエンジン１では、吸気圧Pimが目標値より低く、かつ、触媒５２の温度Tclが目標値より高い場合、排気過給機１０の過給圧を上昇させる。これにより、吸気圧Pimを目標値に向けて上昇させると共に、触媒５２の温度Tclを目標値に向けて低下させることができる。一方、吸気圧Pimが目標値より低く、かつ、触媒５２の温度Tclが目標値より低い場合、電動過給機１００の過給圧を上昇させる。これにより、吸気圧Pimを目標値に向けて上昇させると共に、触媒５２の温度Tclのさらなる低下を抑制することができる。

また、本実施形態に係るエンジン１では、吸気圧Pimが目標値より高く、かつ、触媒５２の温度Tclが目標値より高い場合、電動過給機１００の過給圧を低下させる。これにより、吸気圧Pimを目標値に向けて低下させると共に、触媒５２の温度Tclを目標値に向けて低下させることができる。一方、吸気圧Pimが目標値より高く、かつ、触媒５２の温度Tclが目標値より低い場合、排気過給機１０の過給圧を低下させる。これにより、吸気圧Pimを目標値に向けて低下させると共に、触媒５２の温度Tclのさらなる低下を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施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、本実施形態では、排気過給機１０を、可変ノズル型排気過給機としたが、ウエイストゲート付の排気過給機としてもよい。この場合、ウエイストゲートバルブを閉じることによりタービンの回転数を増加させ、ウエイストゲートバルブを開くことによりタービンの回転数を低下させればよい。

１エンジン
１０排気過給機
１２タービン
１４コンプレッサ
２０シリンダブロック部
２１シリンダ
２２ピストン
２３コンロッド
２４クランク軸
２５燃焼室
３０シリンダヘッド部
３１吸気ポート
３２吸気バルブ
３３排気ポート
３４排気バルブ
３７点火プラグ
３８イグナイタ
３９インジェクタ
４０吸気系統
４１インテークマニホールド
４２サージタンク
４３吸気ダクト
４４エアフィルタ
４５インタークーラー
４６スロットルバルブ
４７バイパス流路
４８バイパスバルブ
５０排気系統
５１排気管
５２触媒
６１吸気圧センサ
６２クランク角センサ
６３カム角センサ
６４スロットルセンサ
６５触媒温度センサ
７０エンジンＥＣＵ（吸気制御手段）
７１ＣＰＵ（吸気制御手段）
７１Ａ回転数算出部
７１Ｂエンジン負荷算出部
７１Ｃ目標値算出部
７１Ｄ吸気制御部（吸気制御手段）
７２メモリ
７３入出力ポート
１００電動過給機
１０２コンプレッサ
１０４電動機

Claims

排気系に設けられたタービンと、該タービンと連動し吸気系に設けられた第１のコンプレッサとを有する排気過給機と、
前記吸気系において前記第１のコンプレッサと直列に設けられ電動機により駆動される第２のコンプレッサを有する電動過給機と、
前記排気系において前記タービンより下流側に設けられた触媒と、
前記触媒の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段にて検出された温度が前記触媒の目標とする所定温度より高い場合には前記排気過給機を優先的に作動させ、前記所定温度より低い場合には前記電動過給機を優先的に作動させる吸気制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関。
前記吸気制御手段は、前記排気過給機を優先的に作動させた状態で前記触媒の温度が前記所定温度より高い場合には前記電動過給機の吸気抵抗を増大させる抵抗機能を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記電動過給機は、前記コンプレッサが過給機能を発揮する場合の回転方向とは逆方向に回転することにより前記抵抗機能を発揮することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
前記電動過給機は、前記コンプレッサが停止することにより前記抵抗機能を発揮することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
前記吸気制御手段は、前記温度検出手段により検出された前記触媒の温度が前記所定温度より高い場合に、前記電動過給機の機能として吸気抵抗を増大させる前記抵抗機能を選択し、前記温度検出手段により検出された前記触媒の温度が前記所定温度より低い場合に、前記電動過給機の機能として過給機能を選択することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。