JP2012102617A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ターボ過給機及び低圧ループ排気ガス再循環装置が付帯した内燃機関における吸気温度の上昇を抑制する。
【解決手段】低圧ループ式の排気ガス再循環装置を備える内燃機関０にあって、コンプレッサ５１の上流側とスロットル弁３３の下流側とを接続するバイパス通路７を設けておき、過給時にバイパス弁７１を開く操作を実施して、過給した吸気の一部をコンプレッサ５１の上流側に還流させる。これにより、吸気通路３及びバイパス通路７の総体として熱容量が実質的に増大するため、吸気温度を低下させることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ターボ過給機及び排気ガス再循環装置が付帯した内燃機関に関する。

気筒内の燃焼温度を低下させ、以て有害物質であるＮＯ_xの排出量を削減する排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が知られている。ＥＧＲ装置は、燃焼により発生した排気ガスの一部を吸気に混入するものである。

気筒から排出された直後の高温高圧の排気ガスを吸気通路に還流する高圧ループＥＧＲに対し、排気ターボ過給機のタービン及び排気ガス浄化用の触媒を通過した低温低圧の排気ガスを吸気通路に還流する低圧ループＥＧＲ（例えば、下記特許文献１を参照）は、大量のＥＧＲガスを吸気に混入できる点で有利である。

しかしながら、低温低圧のＥＧＲガスといえども熱を持っていることに変わりはなく、これを大量に吸気通路に導くことにより、気筒に充填される吸気の温度が上昇してしまうという問題がある。加えて、そもそも、過給機による過給や機関自体の放熱により、吸気温度は上昇する傾向にある。高い温度の吸気は、気筒への充填効率を低下させるだけでなく、気筒におけるノッキングを誘発してしまう。

ノッキングを予防するためには、過給した吸気を冷却するインタクーラを大容量化したり、点火時期を遅角補正したりすることが考えられるが、インタクーラの大容量化はコストアップの要因となり、点火時期の遅角は燃費低下の要因となる。

特開２００７−２１１７６７号公報

本発明は、上記の事象に初めて着目してなされたものであって、排気ターボ過給機及び低圧ループ排気ガス再循環装置が付帯した内燃機関における吸気温度の上昇を抑制することを所期の目的としている。

本発明では、排気通路に設けられたタービンと、吸気通路に設けられ前記タービンにより駆動されるコンプレッサと、前記排気通路における前記タービンの下流側と前記吸気通路における前記コンプレッサの上流側とを接続するＥＧＲ通路にＥＧＲ弁が設けられてなる低圧ループ式の排気ガス再循環装置と、前記吸気通路における前記ＥＧＲ通路の接続箇所よりも上流側に設けられた吸気絞り弁と、前記吸気通路における前記コンプレッサの下流側に設けられたスロットル弁と、前記吸気通路における前記吸気絞り弁の上流側と前記スロットル弁の下流側とを接続するバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられたバイパス弁と、前記コンプレッサによる過給時に前記バイパス弁を開く操作を実施する制御部とを具備する内燃機関を構成した。

つまり、過給中に敢えてバイパス弁を開弁し、過吸した吸気の一部をバイパス通路を介して吸気通路における吸気絞り弁の上流側に還流させるようにしたのである。このようなものであれば、吸気通路及びバイパス通路の総体として熱容量が実質的に増大し、吸気温度を低下させることが可能となる。

なお、吸気絞り弁の上流側に過吸気を還流させると、当然にコンプレッサの上流側の圧力が上昇する。このとき、排気ターボ過給機のタービンが回りにくくなり、背圧の上昇を招くケースがあることが実験的に確かめられた。故に、前記コンプレッサの上流側の圧力上昇に起因して前記タービンが回転動作しにくくなるような所定の状況下では、ウェイストゲート弁を開弁して、気筒から排出される排気ガスの少なくとも一部をタービンを通過させずにバイパスすることが好ましい。

本発明によれば、排気ターボ過給機及び低圧ループ排気ガス再循環装置が付帯した内燃機関において、吸気温度の上昇を抑制することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び排気ガス再循環装置の構成を示す図。 同実施形態における制御部が実行する処理の手順例を示すフローチャート。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関０の概要を示す。本実施形態の内燃機関０は、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）と、各気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１１と、各気筒１に吸気を供給するための吸気通路３と、各気筒１から排気を排出するための排気通路４と、吸気通路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気通路４から吸気通路３に向けてＥＧＲガスを還流させる外部ＥＧＲ通路２と、吸気通路３の中途をバイパスする新気バイパス通路７とを備えている。

本実施形態における内燃機関０は、二気筒の４サイクルエンジンであり、第一気筒１の行程と第二気筒１の行程との間には３６０°ＣＡ（クランク角度）の位相差が存在する。つまり、第一気筒１のピストン１２と第二気筒１のピストン１２とは同時に上昇し、また同時に下降する。

吸気通路３は、外部から空気（新気）を取り入れて気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、吸気絞り弁３５、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、電子スロットル弁３３、サージタンク３４、吸気マニホルド３６を、上流からこの順序に配置している。

排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス４３、及びこのバイパス４３の入口を開閉するウェイストゲート弁４４を設けてある。ウェイストゲート弁４４は、アクチュエータに制御信号ｍを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲート弁である。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

外部ＥＧＲ通路２は、いわゆる低圧ループＥＧＲを実現するものである。低圧ループＥＧＲ通路２の圧力損失は、数百Ｐａ程度と非常に小さい。外部ＥＧＲ通路２の入口は、排気通路４における三元触媒４１の下流の所定箇所に接続している。外部ＥＧＲ通路２の出口は、吸気通路３における吸気絞り弁３５の下流、かつコンプレッサ５１の上流の所定箇所に接続している。外部ＥＧＲ通路２上には、ＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲ弁２２を設けてある。

低圧ループＥＧＲでは、大気圧に近い低圧の排気ガスをＥＧＲ通路２を通じて吸気通路３に還流する。そのために、ＥＧＲを行う際には通常、ＥＧＲ通路２の出口の上流にある吸気絞り弁３５を絞ることで、ＥＧＲ通路２の出口の周囲を負圧化する。なお、吸気通路３における、吸気絞り弁３５よりも上流側の圧力は略大気圧、またはコンプレッサ５１の稼働によって幾分負圧となる。

バイパス通路７は、コンプレッサ５１やインタクーラ３２、スロットル弁３３を回避して空気を気筒１の吸気ポートへと導く。バイパス通路７の入口は、吸気通路３における吸気絞り弁３５の上流の所定箇所に接続している。バイパス通路７の出口は、吸気通路３におけるスロットル弁３３の下流の所定箇所（サージタンク３４であることがある）に接続している。このバイパス通路７上には、バイパス弁７１を設けてある。バイパス弁７１は、必要な場合以外には全閉する。

内燃機関０の運転制御を司るＥＣＵ（電子制御装置）６は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。入力インタフェースには、車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、エンジン回転数を検出する回転数センサから出力される回転数信号ｂ、アクセルペダルの踏込量（いわば、要求負荷）を検出するアクセルセンサから出力されるアクセル開度要求信号ｃ、サージタンク３４内の吸気の圧力（過給圧）を検出する圧力センサから出力される吸気圧信号ｄ、サージタンク３４の吸気温を検出する温度センサから出力される吸気温信号ｅ、排気通路４を流通する（タービン５２を通る前の）排気の圧力を検出する圧力センサから出力される背圧信号ｌ等が入力される。出力インタフェースからは、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｆ、点火プラグ（のイグニッションコイル）に対して点火信号ｇ、ＥＧＲ弁２２に対して開度操作信号ｈ、吸気絞り弁３５に対して開度操作信号ｉ、スロットル弁３３に対して開度操作信号ｊ、バイパス弁７１に対して開度操作信号ｋ、ウェイストゲート弁４４に対して開度操作信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ６のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行して、内燃機関０の運転を制御する。ＥＣＵ６は、内燃機関０の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｌを入力インタフェースを介して取得し、それらに基づいて吸気量や要求燃料噴射量、点火時期、要求ＥＧＲ量等を演算する。そして、演算結果に対応した各種制御信号ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

その上で、本実施形態では、過給時に敢えてバイパス弁７１を開くことにより、過給した吸気の一部をスロットル弁３３の下流側からバイパス通路７経由で吸気絞り弁３５の上流側に還流させ、以て吸気温度の低下を図るようにしている。

図２に、制御部たるＥＣＵ６が実行する処理の手順を示している。ＥＣＵ６は、過給を行っておりかつ要求負荷が全開に近い高負荷でないときに（ステップＳ１）、全閉していたバイパス弁７１を開弁する（ステップＳ２）。ステップＳ１では、例えば、吸気圧が所定の下限閾値以上で所定の上限閾値以下であること、及び／または、アクセルペダルの踏込量（または、スロットル弁３３の開度）が所定の下限閾値以上で所定の上限閾値以下であることを条件として、過給中でありかつ全負荷ではないものと判断する。従って、エンジン出力を全開（Ｗｉｄｅ Ｏｐｅｎ Ｔｈｒｏｔｔｌｅ）にする場合等にあっては、バイパス弁７１を開かず全閉に維持する。

バイパス弁７１を開いている間は、気筒１に充填されるべき吸気の一部がバイパス通路７に逃げてしまうので、スロットル弁３３の操作のみによって吸気量ひいてはエンジン出力をコントロールすることは難しい。故に、スロットル弁３３を略全開とした上（ステップＳ３）、要求負荷に対応した吸気量となるようにバイパス弁７１の開度を操作する（ステップＳ２）。ステップＳ２とステップＳ３とは略同時に実行し、エンジントルクの変動を可及的に抑制する。スロットル弁３３を略全開にすることで、吸気通路３を流通する吸気の流量が増大し、吸気を冷ます効果が増進される。

また、過給気が流れ込む結果、吸気通路３における吸気絞り弁３５の上流側の圧力が上昇することから、吸気絞り弁３５の開度を、バイパス弁７１を開弁しない場合と比較して若干絞るようにする（ステップＳ４）。ステップＳ４は、コンプレッサ５１の上流側の圧力、即ちＥＧＲ通路２の出口の周囲の圧力を低下させて外部ＥＧＲガスの還流量を確保するためにも必要である。

しかして、コンプレッサ５１の上流側の圧力が上昇することに起因してタービン５２が回転動作しにくくなるような状況下にあっては（ステップＳ５）、ウェイストゲート弁４４を開弁し（ステップＳ６）、気筒１から排出される排気ガスの少なくとも一部をタービン５２を通過させずに迂回させる。これは、背圧が上昇してしまうのを抑止するためである。ステップＳ５では、例えば、背圧が所定の上限閾値を越えたことを条件として、タービン５２の回転動作が適正でなくウェイストゲート弁４４を開くべきものと判断する。

因みに、バイパス通路７は、車両の減速時の失火を予防するためにも機能する。運転者がアクセルペダルの踏み込みを緩める減速要求がなされた場合、吸気量の減少とともに吸気に混入するＥＧＲガス量を減じる必要がある。ところが、ＥＧＲ弁２２を閉止したとしても、ＥＧＲ弁２２の下流から気筒１までの経路上には少なからぬ量のＥＧＲガスが残存しており、即時にＥＧＲ率を０まで低下させることは難しいという問題があった。

そこで、減速要求があったときには、一時的にバイパス弁７１を開弁してＥＧＲガスを含まない空気をバイパス通路７経由で取り入れ、気筒１に充填されるガスのＥＧＲ率を実効的に低下させ、以てＥＧＲ過多による失火を予防するのである。減速時にはスロットル弁３３の開度を絞るので、サージタンク３４内圧力が負圧となり、バイパス弁７１を開くのみでバイパス通路７を介して空気を流通させることが可能である。この場合のガスの流れ（吸気絞り弁３５の上流側からバイパス通路７を介してスロットル弁３３の下流側に新気が流入する）は、上述した過給時のガスの流れ（スロットル弁３３の下流側からバイパス通路７を介して吸気絞り弁３５の上流側に過給気が流入する）とは逆方向になる。

本実施形態では、排気通路４に設けられたタービン５２と、吸気通路３に設けられ前記タービン５２により駆動されるコンプレッサ５１と、前記排気通路４における前記タービン５１の下流側と前記吸気通路３における前記コンプレッサ５１の上流側とを接続するＥＧＲ通路２にＥＧＲ弁２２が設けられてなる低圧ループ式の排気ガス再循環装置と、前記吸気通路３における前記ＥＧＲ通路２の接続箇所よりも上流側に設けられた吸気絞り弁３５と、前記吸気通路３における前記コンプレッサ５１の下流側に設けられたスロットル弁３３と、前記吸気通路３における前記吸気絞り弁３５の上流側と前記スロットル弁３３の下流側とを接続するバイパス通路７と、前記バイパス通路７に設けられたバイパス弁７１と、前記コンプレッサ５１による過給時に前記バイパス弁７１を開く操作を実施する制御部６とを具備する内燃機関０を構成したため、過吸した吸気の一部をバイパス通路７を介して吸気通路３における吸気絞り弁３５の上流側に還流させるようにして、吸気通路３及びバイパス通路７の総体として熱容量を実質的に増大させ、吸気温度を低下させることが可能となる。

本実施形態によれば、気筒１におけるノッキングの発生を効果的に抑制でき、ノッキング防止のために点火時期を遅角補正する必要性が低下することから燃費の向上にも資する。また、インタクーラ３４の容量を徒に大きくせずに済むので、コスト面でも有利となる。

加えて、前記コンプレッサ５１の上流側の圧力上昇に起因して前記タービン５１が回転動作しにくくなるような所定の状況下において、気筒１から排出される排気ガスの少なくとも一部をタービン５２を通過させずにバイパスするウェイストゲート弁４４をも具備するシステムであるため、バイパス弁７１を開いて吸気絞り弁３５の上流側に過吸気を還流させたときに発生し得る背圧の上昇を抑えることができる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。図２のフローチャートのステップＳ５にあっては、圧力センサを介して直接計測した背圧を参照する以外にも、コンプレッサ５１の上流側の圧力を直接計測または推算して判断を下すことができる。即ち、その圧力が所定の上限閾値を越えたことを条件に、タービン５２の回転動作が妨げられるものとしてウェイストゲート弁４４を開弁する。

あるいは、ウェイストゲート弁４４を、コンプレッサ５１の上流側の圧力を利用して開弁する機械式（ダイヤフラム式）のウェイストゲートとしてもよい。要するに、ウェイストゲート弁４４は電動ウェイストゲートに限定されない。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される過給機付きの内燃機関に適用することができる。

０…内燃機関
２…ＥＧＲ通路
３…吸気通路
３３…スロットル弁
３５…吸気絞り弁
４…排気通路
４４…ウェイストゲート弁
５…過給機
５１…コンプレッサ
６…制御部（ＥＣＵ）
７…バイパス通路
７１…バイパス弁

Claims (2)

1. 排気通路に設けられたタービンと、
   吸気通路に設けられ前記タービンにより駆動されるコンプレッサと、
   前記排気通路における前記タービンの下流側と前記吸気通路における前記コンプレッサの上流側とを接続するＥＧＲ通路にＥＧＲ弁が設けられてなる低圧ループ式の排気ガス再循環装置と、
   前記吸気通路における前記ＥＧＲ通路の接続箇所よりも上流側に設けられた吸気絞り弁と、
   前記吸気通路における前記コンプレッサの下流側に設けられたスロットル弁と、
   前記吸気通路における前記吸気絞り弁の上流側と前記スロットル弁の下流側とを接続するバイパス通路と、
   前記バイパス通路に設けられたバイパス弁と、
   前記コンプレッサによる過給時に前記バイパス弁を開く操作を実施する制御部と
   を具備する内燃機関。
2. 前記コンプレッサの上流側の圧力上昇に起因して前記タービンが回転動作しにくくなるような所定の状況下において、気筒から排出される排気ガスの少なくとも一部をタービンを通過させずにバイパスするウェイストゲート弁を具備する請求項１記載の内燃機関。

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