JP2012237307A - ターボチャージャーに基づくエンジンシステムおよびそれを利用した燃費改善方法 - Google Patents

ターボチャージャーに基づくエンジンシステムおよびそれを利用した燃費改善方法 Download PDF

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Abstract

【課題】エンジン性能を向上させる多数の装置が機能別に組み合わされることによってシナジー効果を最適化し、エンジンルームの効果的なレイアウトも計れるターボチャージャーに基づくエンジンシステムおよびそれを利用した燃費改善方法を提供する。
【解決手段】吸気系４と、排気系７と、ターボチャージャー１０と、吸気系の外気流れ区間から分岐して別の外気流れを形成するスーパーチャージャー２０と、排気ガス流れをターボチャージャーに送るようにターボチャージャーの圧縮機につながる排気ガス再循環ライン３１を備えた排気ガス再循環システム３０と、バルブ手段の開度量制御ＥＣＵ６０により、ターボチャージャーの前端において外気流れと別の外気流れおよび排気ガス流れを変化させることにより、ターボチャージャーを通じて過給される外気と排気ガスの混合比率を可変させるバルブ手段４０と、を含んで構成されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャーに基づくエンジンシステムおよびそれを利用した燃費改善方法に係り、より詳しくは、エンジン性能を向上させる多数の装置が機能別に組み合わされることによってシナジー効果を最適化し、エンジンルームの効果的なレイアウト（Ｌａｙ Ｏｕｔ）も計れるターボチャージャーに基づくエンジンシステムおよびそれを利用した燃費改善方法に関する。
一般的に、車両には、エンジン性能を上げ、燃費を向上させるための多様な装置が装着される。
代表的な装置としてはターボチャージャー（Ｔｕｒｂｏ Ｃｈａｒｇｅｒ）が挙げられるが、ターボチャージャーは、エンジンに供給される吸入空気を排気ガスの助けを受け圧縮することによってエンジンの性能向上と燃費向上に寄与するものである。
しかし、ターボチャージャーだけでは、世界的な原油高や各種規制による燃費向上および環境問題でより高まっている燃費改善に対する目標に適切に対応できないのが実情である。
燃費改善の一例としてターボチャージャーと共にスーパーチャージャーが挙げられるが、通常、スーパーチャージャーはベルト駆動型機械式スーパーチャージャーを基本にバイパス（Ｂｙｐａｓｓ）制御バルブと共にマグネチック（Ｍａｇｎｅｔｉｃ）クラッチで構成される。
エンジンシステムがターボチャージャーとスーパーチャージャーから構成されれば、低速ターボラグ（Ｔｕｒｂｏ Ｌａｇ）区間においては、バイパス制御バルブは遮断し、その代わりにマグネチッククラッチを連結して、スーパーチャージャーとターボチャージャーを直列に連結することによって、ターボチャージャーと共にスーパーチャージャーを同時に駆動して空気を吸入する反面、一般の運転条件においては、マグネチッククラッチを遮断し、その代わりにバイパス制御バルブを開放することによって、スーパーチャージャーを経ずに空気を吸入する。
上記のように、ターボチャージャーとスーパーチャージャーから構成されたエンジンシステムにおいては、運転条件に応じてスーパーチャージャーの作動状態を変えることにより、ターボチャージャーが適用されたスパーク点火エンジンの応答速度および低速トルクを改善することができる。
しかし、前述したように、スーパーチャージャーは、ベルト駆動型機械式スーパーチャージャーを基本にバルブとクラッチなどが要求されるためにエンジンシステムが複雑になる。
一方、ターボチャージャーと組み合わせて構成され、エンジン性能を向上させる他の代表的な装置としては、排気ガス再循環システムであるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）が挙げられる。
ＥＧＲは、エンジンから外部に排出される排気ガスでターボチャージャー（Ｔｕｒｂｏ Ｃｈａｒｇｅｒ）を回し、エンジンに供給される吸入空気が圧縮されると同時に排気ガスの一部が再びエンジンに供給されることによってエンジン性能を向上させるものである。
通常、ＥＧＲは、ターボチャージャーの前方から排気ガス（またはＥＧＲガスという）を採って利用する高圧方式のＨＰ（Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）−ＥＧＲタイプと、ターボチャージャーの後方から排気ガスを取って利用する低圧方式のＬＰ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）−ＥＧＲタイプに分類することができる。
ＬＰ−ＥＧＲは、排気マニホールドを抜け出てターボチャージャーを経た後、三元触媒あるいは触媒フィルタであるＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）を経た排気ガス中の一部の排気ガスをターボチャージャーの圧縮機（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）の前端に送った後、吸入空気と共に吸気マニホールドに流すことによって、ＨＰ−ＥＧＲとは異なる低圧／低温で、且つ、三元触媒あるいはＤＰＦによって汚染物質を濾過した比較的にきれいな排気ガスを使用できる長所がある。
上記のように、エンジンシステムに適用してエンジン性能を大幅に上げる装置としてはターボチャージャーとスーパーチャージャーおよびＥＧＲ（特にＬＰ−ＥＧＲ）が挙げられ、これらの適切な組み合わせ（ターボチャージャー＋スーパーチャージャーまたはターボチャージャー＋ＬＰ−ＥＧＲ）を採用したエンジンシステムはその性能を大幅に上げることができる。
したがって、エンジンシステムにターボチャージャーとスーパーチャージャーおよびＬＰ−ＥＧＲを全て組み合わせて、各々が有する長所を最大限発揮できれば、エンジンシステムの最適化に寄与することができる。
しかし、独自の作動特性を有するターボチャージャーとスーパーチャージャーおよびＬＰ−ＥＧＲを利用した組み合わせではシナジー効果が発揮できる最適制御は非常に難しく、複雑な構成を有するスーパーチャージャーとＬＰ−ＥＧＲを利用したエンジンシステムはその構成をより複雑にする。
複雑なエンジンシステムはエンジンルームのレイアウト（Ｌａｙ Ｏｕｔ）に相当な制約を加えるため、ターボチャージャーとスーパーチャージャーおよびＬＰ−ＥＧＲを共に適用するのに多くの困難がある。
特開２０１１−００１８７７号公報
前記問題点を考慮してなされた本発明は、スーパーチャージャーとＬＰ−ＥＧＲ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ＥＧＲ）を組み合わせることによって、エンジンのダウンサイジング（Ｄｏｗｎｓｉｚｉｎｇ）によりエンジンルームを効率的なレイアウト（Ｌａｙ Ｏｕｔ）にするとともに、最適制御を実現することによって、シナジー効果を倍加すると共に、特に低速高負荷領域における燃費改善を大幅に向上できるターボチャージャーに基づくエンジンシステムおよびそれを利用した燃費改善方法を提供することに目的がある。
本発明に係るターボチャージャーに基づくエンジンシステムは、エアクリーナーを備え、エンジンに外気を供給する吸気系と、少なくとも１つ以上のフィルタを備え、前記エンジンから排出される排気ガスを外部に排出する排気系と、排気ガスで駆動され、前記エンジンに供給される外気を過給させるターボチャージャーと、前記吸気系の外気流れ区間から分岐して別の外気流れを形成するスーパーチャージャーと、前記排気系から分岐する排気ガス流れを前記ターボチャージャーに送るように前記ターボチャージャーの圧縮機につながる排気ガス再循環システム（ＥＧＲ）ラインを備えた排気ガス再循環システムと、バルブ手段の開度量制御（ＥＣＵ）により、前記ターボチャージャーの前端において前記外気流れと前記別の外気流れおよび前記排気ガス流れを変化させることにより、前記ターボチャージャーを通じて過給される外気と排気ガスの混合比率を可変させるバルブ手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
前記スーパーチャージャーは、前記吸気系のエアクリーナーの後端に形成される外気流れから分岐する別の流れを形成し、前記別の外気流れを前記ＥＧＲのＥＧＲラインに直接送ることを特徴とする。
前記スーパーチャージャーは、電動式スーパーチャージャーであることを特徴とする。
前記スーパーチャージャーは、前記吸気系のエアクリーナーの後端に形成される外気流れから分岐する別の外気流れを形成し、前記スーパーチャージャーから分岐した吸気連結ラインでまた別の外気流れを前記ＥＧＲのＥＧＲラインに連結させることを特徴とする。
前記スーパーチャージャーは、前記エンジンの動力を利用する機械式スーパーチャージャーであることを特徴とする。
前記ＥＧＲは低圧ＥＧＲであるＬＰ−ＥＧＲであり、前記ＥＧＲラインは前記排気系のフィルタの後端部位から分岐し、非常フィルタがさらに設けられることを特徴とする。
前記バルブ手段は、排気ラインから分岐した排気ガスを前記ＥＧＲラインに流すＥＧＲバルブと、前記吸気系の吸気ラインを通して導入された外気を前記ＥＧＲラインに流すバイパスバルブと、前記スーパーチャージャーを通して吸入された別の外気を前記ＥＧＲラインに流す流路制御バルブとから構成されることを特徴とする。
前記ＥＧＲバルブと前記流路制御バルブは互いに連動して逆に開閉され、前記バイパスバルブは独自に開閉されることを特徴とする。
前記ＥＧＲバルブと前記流路制御バルブは、前記ＥＣＵによって制御されるバルブ駆動手段で作動されることを特徴とする。
前記バルブ駆動手段は、前記ＥＧＲバルブや前記流路制御バルブのうちのいずれか１つのバルブの開度量を直接に可変させるアクチュエータと、前記ＥＧＲバルブや前記流路制御バルブを両側の端部に連結し、一方のバルブが開かれる時に反対側のバルブは閉じられるように連動させるバルブリンクとから構成されることを特徴とする。
前記バルブ駆動手段は、前記ＥＧＲバルブや前記流路制御バルブを両側の端部に連結し、一方のバルブが開かれる時に反対側のバルブは閉じられるように連動させるバルブリンクと、前記バルブリンクを直接操作するアクチュエータとから構成されることを特徴とする。
また、本発明は、エンジンの駆動に応じた車両情報を読み取り、取得された車両情報からエンジン運転領域を判断する初期条件設定ステップと、
前記エンジン運転領域をターボラグおよび低速トルク領域、中負荷領域、および中高負荷領域に区分する制御区分ステップと、前記ターボラグおよび低速トルク領域において、スーパーチャージャーを通した外気だけをエンジンに供給し、前記中負荷領域において、吸気系を通した外気を基本に前記スーパーチャージャーを通したまた別の外気またはＥＧＲを通した排気ガスのうちの１つが混合される混合機をエンジンに供給し、前記中高負荷領域において、前記ＥＧＲを通した排気ガスを基本に前記スーパーチャージャーを通した別の外気の導入なしに、前記吸気系を通した外気を混合した混合機をエンジンに供給する制御実行ステップと、前記制御実行ステップが完了すれば、エンジンの駆動に応じた車両情報を取得する初期状態に復帰する制御完了ステップと、を含んで実行されることを特徴とする。
前記ターボラグおよび低速トルク領域においては、前記スーパーチャージャーが前記吸気系から吸入した外気を全て通過させるように前記ＥＧＲラインの連結部位に設けられた流路制御バルブを１００％開度量に制御する反面、前記吸気系がつながった前記ＥＧＲラインの連結部位に設けられたバイパスバルブを０％開度量に制御すると同時に前記ＥＧＲラインに設けられたＥＧＲバルブを０％開度量に制御することを特徴とする。
前記中負荷領域においては、前記吸気系がつながった前記ＥＧＲラインの連結部位に設けられたバイパスバルブを１００％開度量に制御する反面、前記スーパーチャージャーがつながった前記ＥＧＲラインの連結部位に設けられた流路制御バルブを０％開度量に制御する時、前記ＥＧＲラインに設けられたＥＧＲバルブを１００％開度量に制御するか、あういはその逆に制御することを特徴とする。
前記流路制御バルブや前記ＥＧＲバルブが１００％開度量に制御されれば、１００％開度量から０％開度量に減るように制御されることを特徴とする。
前記中高負荷領域においては、前記ＥＧＲラインに設けられたＥＧＲバルブを１００％開度量に制御する反面、前記スーパーチャージャーがつながった前記ＥＧＲラインの連結部位に設けられた流路制御バルブを０％開度量に制御すると同時に前記吸気系がつながった前記ＥＧＲラインの連結部位に設けられたバイパスバルブを０％開度量から１００％開度量に可変させながら制御することを特徴とする。
本発明は、ターボチャージャーに基づいてスーパーチャージャーとＬＰ−ＥＧＲ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ＥＧＲ）を組み合わせることによって、エンジンルームを効率的なレイアウト（Ｌａｙ Ｏｕｔ）にし、ダウンサイジング（Ｄｏｗｎｓｉｚｉｎｇ）されたエンジンシステムを構築できる効果がある。
また、本発明は、ターボチャージャーとスーパーチャージャーおよびＬＰ−ＥＧＲを組み合わせることによって多様な運転モードを実現することができ、多様な運転モードを通じた最適制御が容易になる効果がある。
また、本発明は、ターボチャージャーと共に構成されたスーパーチャージャーを通じたターボラグの改善によって低速高負荷領域の使用度を向上させ、スーパーチャージャーと共に構成されたＬＰ−ＥＧＲを通じた低速高負荷領域の燃費低減によってターボチャージャーとスーパーチャージャーおよびＬＰ−ＥＧＲ間のシナジー作用により燃費を大幅に改善できる効果がある。
本発明の第１実施形態によるターボチャージャーに基づくエンジンシステムの構成図である。 本発明の第２実施形態によるターボチャージャーに基づくエンジンシステムの構成図である。 本発明によるターボチャージャーに基づくエンジンシステムに適用されたバルブ駆動手段の変形例である。 本発明によるターボチャージャーに基づくエンジンシステムに適用されたバルブ駆動手段の変形例である。 本発明によるターボチャージャーに基づくエンジンシステムに適用されたバルブ駆動手段の変形例である。 本発明によるターボチャージャーに基づくエンジンシステムを利用した燃費改善方法のフローチャートである。 本発明によるターボチャージャーに基づくエンジンシステムの作動図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１に示す通り、エンジンシステムは、動力源であるエンジン１と、エンジン１に外気を導入する吸気系４と、エンジン１から排出される排気ガスを外部に排出する排気系７と、エンジン１に導入される外気を排気ガスで過給させるターボチャージャー１０と、低速ターボラグ区間において、スパーク点火エンジンの応答速度および低速トルクを改善するように吸気系４から分岐し、別の外気を導入するスーパーチャージャー２０と、低圧／低温であり、フィルタ（ＤＰＦ）を通して汚染物質を濾過した比較的にきれいな排気ガスを導入するＬＰ−ＥＧＲ３０と、吸気系４に導入される外気流れとＬＰ−ＥＧＲ３０に導入される排気ガス流れおよびスーパーチャージャー２０に導入された別の外気流れを制御するバルブ手段と、エンジン１とスーパーチャージャー２０およびバルブ手段の開度量を制御するＥＣＵ６０とから構成される。
吸気系４は、外気内の汚染物質を濾過するエアクリーナー５ａを備えた吸気ライン５と、吸気ライン５に設けられたターボチャージャー１０で過給された外気流れを形成し、エンジン１に導入される外気流量を制御するスロットルボディーが設けられた吸気インテーク６と、エンジン１に直接連結された吸気マニホールド２とから構成される。
吸気インテーク６には、ターボチャージャー１０によって過給された混合機の温度を下げるするための高効率のインタークーラー３４が設けられる。
排気系７は、エンジン１に直接連結された排気マニホールド３からつながった排気ライン８と、排気ガス内の汚染物質を濾過するように排気ライン８に設けられた少なくとも１つ以上のフィルタ（９ａ、９ｂ）とから構成される。
ターボチャージャー１０は、排気ガスが流れる排気ライン８にタービンが連結され、排気ガスが導入されるＥＧＲライン３１と共に外気が導入される吸気インテーク６に圧縮機が連結される。
スーパーチャージャー２０は、ＥＣＵ６０によって制御されるモータを備えた電動式であり、吸気系４から分岐し、ＬＰ−ＥＧＲ３０につながった吸気分岐ライン２０ａに設けられる。
吸気分岐ライン２０ａは、吸気系４をなすエアクリーナー５ａの出口部位から分岐するか、またはエアクリーナー５ａを経た吸気ライン５から分岐し、ターボチャージャー１０の圧縮機に連結されたＬＰ−ＥＧＲ３０のＥＧＲライン３１につながる。
ＬＰ−ＥＧＲ３０は、ターボチャージャー１０の圧縮機に連結され、排気ガスを導入するＥＧＲライン３１と、排気ラインから分岐し、排気ガスをＥＧＲライン３１に流すＥＧＲ分岐ライン３２と、ＥＧＲ分岐ライン３２がＥＧＲライン３１と連結される連結部位に設けられ、ＥＣＵ６０によって制御されるＥＧＲバルブ３３とから構成される。
ＥＧＲ分岐ライン３２は、排気系７をなす１対のフィルタ（９ａ、９ｂ）のうちの少なくとも１個のフィルタ９ａの後端において排気ライン８から分岐する。
また、ＥＧＲ分岐ライン３２には、排気ガスを浄化するための非常フィルタがさらに設けられてもよい。
一方、バルブ手段は、排気ラインから分岐した排気ガスをＥＧＲライン３１に流すＥＧＲバルブ３３と、スーパーチャージャー２０を通じて吸入された外気をＥＧＲライン３１に流す流路制御バルブ４０と、吸気ライン５を通じて導入された外気をＥＧＲライン３１に流すバイパスバルブ５０とから構成される。
ＥＧＲバルブ３３と流路制御バルブ４０およびバイパスバルブ５０は全てＥＣＵ６０の開度量制御によって通過する流量を変化させる。
ＥＧＲバルブ３３はＥＧＲ分岐ライン３２がＥＧＲライン３１につながる連結部位に設けられ、流路制御バルブ４０は吸気分岐ライン２０ａがＥＧＲライン３１につながる連結部位に設けられ、バイパスバルブ５０は吸気ライン５がＥＧＲライン３１につながる連結部位に設けられる。
本実施形態において、流路制御バルブ４０とバイパスバルブ５０は、ターボチャージャー１０を基準にターボチャージャー１０に最も近接したＥＧＲバルブ３３の後端に設けられる。
図２は、本発明の第２実施形態によるターボチャージャーに基づくエンジンシステムの構成図であり、クラッチとベルトを使用する機械式スーパーチャージャーが適用される。
図２に示す通り、エンジンシステムは、エンジン１に外気を導入する吸気系４と、エンジン１から排出される排気ガスを外部に排出する排気系７と、排気ガスで駆動され、エンジン１に導入される外気を過給させるターボチャージャー１０と、低圧／低温であり、フィルタ（ＤＰＦ）を通じて汚染物質を濾過した比較的にきれいな排気ガスを導入するＬＰ−ＥＧＲ３０とから構成される。但し、電動式スーパーチャージャー２０とは異なり、エンジン１の動力を利用する機械式スーパーチャージャー２００の特性上、エンジンルーム内のレイアウト（Ｌａｙ Ｏｕｔ）の変化が必要となる。
すなわち、機械式スーパーチャージャー２００は、マグネチッククラッチ２０１と動力引き出し用ベルト２０２などがエンジン１の前面部位に位置する特性上、エンジン１に近接するように設けられる。
これにより、機械式スーパーチャージャー２００には、外気を吸入する吸気分岐ライン２００ａと共に、吸入された外気をＥＧＲライン３１に送る吸気連結ライン２００ｂがさらに備えられる。
吸気分岐ライン２００ａは、吸気系４をなすエアクリーナー５ａの出口部位から分岐するか、またはエアクリーナー５ａを経た吸気ライン５から分岐して、エンジン１を横切って機械式スーパーチャージャー２００に連結され、吸気連結ライン２００ｂは、機械式スーパーチャージャー２００から出て、エンジン１を横切ってＥＧＲライン３１に連結される。
これにより、吸気系４においては、外気を導入する吸気ライン５が、排気ガスが導入されるＥＧＲライン３１に直接連結される。
また、バルブ手段は、電動式スーパーチャージャー２０を適用する時のように、ＥＧＲバルブ３３と流路制御バルブ４０およびバイパスバルブ５０で同様に構成される。
ＥＧＲバルブ３３はＥＧＲ分岐ライン３２がＥＧＲライン３１につながる連結部位に設けられ、流路制御バルブ４０は吸気連結ライン２００ｂがＥＧＲライン３１につながる連結部位に設けられ、バイパスバルブ５０は吸気ライン５がＥＧＲライン３１につながる連結部位に設けられる。
また、ＥＣＵ６０は、エンジン１と機械式スーパーチャージャー２００およびバルブ手段の開度量を制御する。
図３〜図５に、本発明の第１実施形態および第２実施形態に適用されたバルブ駆動手段の多様な変形例を示す。バルブ駆動手段は、ＥＧＲバルブ３３と流路制御バルブ４０を一体化させてその動きを連動させることにより、制御の便利性をより増進するための方式である。
バルブ駆動手段はＥＧＲバルブ３３と流路制御バルブ４０を互いに逆に動かず。一例として、ＥＧＲバルブ３３が開かれると、その動きに連動する流路制御バルブ４０は閉じられるようになる。
図３に示すバルブ駆動手段は、ＥＧＲバルブ３３と流路制御バルブ４０を一体化させて動きを連動させるバルブコントローラ７０と、バルブコントローラ７０を制御するＥＣＵ６０とから構成される。
バルブコントローラ７０は、ＥＧＲバルブ３３のフラップ（Ｆｌａｐ）部位に結合され、ＥＣＵ６０の制御によってＥＧＲバルブ３３の開度量を変化させるアクチュエータ７１と、ＥＧＲバルブ３３のフラップ（Ｆｌａｐ）部位から出て流路制御バルブ４０のフラップ（Ｆｌａｐ）部位に連結されたバルブリンク７２とから構成される。
バルブリンク７２の両側の端部はヒンジ連結構造であることが好ましい。
図３の作動後状態は、ＥＧＲバルブ３３が１００％開かれる時に、流路制御バルブ４０が１００％閉じられた場合を示す。
上記のようにＥＣＵ６０によって駆動されたアクチュエータ７１はＥＧＲバルブ３３の開度量を直接に変化させるようになり、ＥＧＲバルブ３３の動きはバルブリンク７２を通じて流路制御バルブ４０に伝達されることによって流路制御バルブ４０の開度量も共に変化する。
また、図４は、バルブ駆動手段の変形例であって、これは、ＥＣＵ６０によって制御されるアクチュエータ７１ａが流路制御バルブ４０に直接連結され、ＥＧＲバルブ３３がバルブリンク７２ａに連結された場合を示す。
前記のような場合には、ＥＣＵ６０によって駆動されたアクチュエータ７１ａは流路制御バルブ４０の開度量を直接に変化させるようになり、流路制御バルブ４０の動きはバルブリンク７２ａを通じてＥＧＲバルブ３３に伝達されることによってＥＧＲバルブ３３の開度量も共に変化する。
図４の作動後状態は、流路制御バルブ４０が１００％閉じられる時に、ＥＧＲバルブ３３が１００％開かれた場合を示す。
また、図５（ａ）は、バルブ駆動手段の他の変形例であって、これは、ＥＧＲバルブ３３と流路制御バルブ４０がバルブリンク７２ｂの両側の端部に各々連結され、ＥＣＵ６０によって制御されるアクチュエータ７１ｂがバルブリンク７２ｂの中間部位に連結された場合を示す。
この時、アクチュエータ７１ａとバルブリンク７２ｂはヒンジ連結構造であることが好ましい。
前記のような場合には、ＥＣＵ６０によって駆動されたアクチュエータ７１ａは、バルブリンク７２ｂを引っ張ったりまたは押したりすることにより、ＥＧＲバルブ３３と流路制御バルブ４０の開度量を同時に変化させる。
図５の作動後状態は、ＥＧＲバルブ３３が１００％開かれる時に、流路制御バルブ４０が１００％閉じられた場合を示す。
図６は、本発明の第１実施形態および第２実施形態によるターボチャージャーに基づくエンジンシステムを利用した燃費改善ロジックを示す。
ステップＳ１０のようにエンジンが駆動されれば、各種センサにより、エンジン駆動に応じた車両情報がＥＣＵ６０に入力される。
ステップＳ２０は、検出された車両情報を利用して現車両のエンジン運転領域を判断する過程であり、本実施形態においては、少なくとも３個の運転領域に区分し、各々の運転領域に応じてＥＧＲバルブ３３と流路制御バルブ４０およびバイパスバルブ５０を異に制御することにより、スーパーチャージャー（２０、２００）を通じたターボラグの改善によって低速高負荷領域の使用度を向上させることは勿論、スーパーチャージャー２０と共に構成されたＬＰ−ＥＧＲ３０を通じた低速高負荷領域における燃費改善率を大幅に上げることができる。
前記３個の運転領域は、ターボラグおよび低速トルク領域、中負荷領域、および中高負荷領域に区分される。
ステップＳ３０は、ターボラグおよび低速トルク領域に対する制御であり、このモードにおいては、ステップＳ３１のようにスーパーチャージャー（２０、２００）が駆動され、それと同時にステップＳ３２から続いたステップＳ３２１〜ステップＳ３２３のようにＥＧＲバルブ３３と流路制御バルブ４０およびバイパスバルブ５０が最適に制御される。
図７（ａ）は、エンジンシステムがステップＳ３０において実現されるターボラグおよび低速トルク領域に制御されることを示す。
図示の通り、エンジンシステムは、ＥＣＵ６０がＥＧＲバルブ３３と流路制御バルブ４０を各々個別的に制御せず、バルブ駆動手段（７０、７０ａ、７０ｂ）を利用してＥＧＲバルブ３３と流路制御バルブ４０を連動制御する場合である。
本実施形態において、前記のような差は、単にＥＣＵ６０がＥＧＲバルブ３３を直接制御して完全に閉じる時に流路制御バルブ４０を直接制御して逆に完全に開くか、あういはＥＧＲバルブ３３と流路制御バルブ４０が連結されたバルブリンク（７２、７２ａ、７２ｂ）をアクチュエータ（７１、７１ａ、７１ｂ）で操作するかという差であるだけであって、その結果は全て同じである。
エンジンシステムがステップＳ３０のようにターボラグおよび低速トルク領域に応じて制御されれば、スーパーチャージャー（２０、２００）は、吸気系４の外気ライン５から外気を吸入してＬＰ−ＥＧＲ３０のＥＧＲライン３１に流す。
このような状態においては、ステップＳ３２１のように、バイパスバルブ５０は０％開度量に制御されて、吸気系４を通した外気の導入はなく、ステップＳ３２２のように、ＥＧＲバルブ３３も０％開度量に制御されて、ＬＰ−ＥＧＲ３０を通した排気ガスの導入はない反面、ステップＳ３２３のように、流路制御バルブ４０は１００％開度量に制御されることによって、ターボチャージャー１０にはスーパーチャージャー（２０、２００）を利用した外気だけが供給される。
ステップＳ４０は、中負荷領域に対する制御であり、このモードにおいては、ステップＳ４２のようにスーパーチャージャー（２０、２００）が駆動され、それと同時にステップＳ３２から続いたステップＳ３２１〜ステップＳ３２３のようにＥＧＲバルブ３３と流路制御バルブ４０およびバイパスバルブ５０が最適に制御される。
図７（ｂ）は、エンジンシステムがステップＳ４０において実現される中負荷領域に制御されることを示す。
図示の通り、ターボチャージャー１０に連結されたＥＧＲライン３１には、吸気系４を通した外気流れとスーパーチャージャー（２０、２００）の駆動に応じたまた他の外気流れとＬＰ−ＥＧＲ３０を通した排気ガス流れが共に形成される。
このような状態においては、ステップＳ４２１のように、バイパスバルブ５０は、１００％開度量に制御されて、吸気系４を通した外気の導入が最大になる反面、ステップＳ４２２のように、ＥＧＲバルブ３３と流路制御バルブ４０は、互いに逆に作用することにより、排気ガス流量の増加時、スーパーチャージャー（２０、２００）を通したまた他の外気流量はないか、またはその逆に実現される。
すなわち、ＥＧＲバルブ３３が０％開度量に制御される時、流路制御バルブ４０は、１００％開度量→０％開度量に制御されるか、流路制御バルブ４０が０％開度量に制御される時、ＥＧＲバルブ３３は１００％開度量→０％開度量に制御される。
したがって、吸気系４を通した外気流量は一定であるが、ＥＧＲバルブ３３を通した排気ガス流量と流路制御バルブ４０を通したまた他の外気流量は可変的に制御される。
ステップＳ５０は、中高負荷領域に対する制御であり、このモードにおいては、ステップＳ５１のようにスーパーチャージャー（２０、２００）が駆動されず、その代わりにステップＳ５２から続いたステップＳ５２１〜ステップＳ５２３のようにＥＧＲバルブ３３と流路制御バルブ４０およびバイパスバルブ５０が最適に制御される。
図７（ｃ）は、エンジンシステムがステップＳ５０において実現される中高負荷領域に制御されることを示す。
図示の通り、ターボチャージャー１０に連結されたＥＧＲライン３１には、ＬＰ−ＥＧＲ３０を通した排気ガス流れと共に吸気系４を通した外気流れが形成される反面、スーパーチャージャー（２０、２００）が駆動されないため、スーパーチャージャー（２０、２００）の駆動に応じたまた他の外気流れは形成されない。
このような状態においては、ステップＳ５２１のように、ＥＧＲバルブ３３は１００％開度量に制御され、ＬＰ−ＥＧＲ３０を通した排気ガス導入が最大になる反面、ステップＳ５２２のように、流路制御バルブ４０は０％開度量に制御され、バイパスバルブ５０は０％開度量→１００％開度量に制御されることにより、吸気系４を通した外気流量が可変的に制御される。
上記のように、本発明に係るエンジンシステムは、ターボチャージャー１０に基づいて電動式や機械式スーパーチャージャー（２０、２００）とＬＰ−ＥＧＲ３０と共に構成され、外気と排気ガス流量を制御するＥＧＲバルブ３３と流路制御バルブ４０およびバイパスバルブ５０を連動させて構成することにより、エンジンルームが効率的なレイアウト（Ｌａｙ Ｏｕｔ）となり、ダウンサイジング（Ｄｏｗｎｓｉｚｉｎｇ）されたエンジンシステムが構築できる。
また、本発明に係るエンジンシステムにおいては、外気と排気ガス流量を制御するＥＧＲバルブ３３と流路制御バルブ４０およびバイパスバルブ５０がターボラグおよび低速トルク領域と中負荷領域および中高負荷領域に区分されて最適に制御されることにより、スーパーチャージャー（２０、２００）を通じたターボラグの改善によって低速高負荷領域の使用度を向上させることは勿論、スーパーチャージャー２０と共に構成されたＬＰ−ＥＧＲ３０を通じた低速高負荷領域における燃費改善率を大幅に上げることができる。
１ ・・・エンジン
２ ・・・吸気マニホールド
３ ・・・排気マニホールド
４ ・・・吸気系
５ ・・・吸気ライン
５ａ ・・・エアクリーナー
６ ・・・吸気インテーク
７ ・・・排気系
８ ・・・排気ライン
９ａ、９ｂ ・・・フィルタ
１０ ・・・ターボチャージャー
２０ ・・・スーパーチャージャー
２０ａ ・・・吸気分岐ライン
３０ ・・・ＬＰ−ＥＧＲ
３１ ・・・ＥＧＲライン
３２ ・・・ＥＧＲ分岐ライン
３３ ・・・ＥＧＲバルブ
４０ ・・・流路制御バルブ
５０ ・・・バイパスバルブ
６０ ・・・ＥＣＵ
７０、７０ａ、７０ｂ ・・・バルブコントローラ
７１、７１ａ、７１ｂ ・・・アクチュエータ
７２、７２ａ、７２ｂ ・・・バルブリンク
２００ ・・・機械式スーパーチャージャー
２０１ ・・・マグネチッククラッチ
２０２ ・・・ベルト
２００ａ ・・・吸気分岐ライン
２００ｂ ・・・吸気連結ライン

Claims (16)

  1. エアクリーナーを備え、エンジンに外気を供給する吸気系と、
    少なくとも１つ以上のフィルタを備え、前記エンジンから排出される排気ガスを外部に排出する排気系と、
    排気ガスで駆動され、前記エンジンに供給される外気を過給させるターボチャージャーと、
    前記吸気系の外気流れ区間から分岐して別の外気流れを形成するスーパーチャージャーと、
    前記排気系から分岐する排気ガス流れを前記ターボチャージャーに送るように前記ターボチャージャーの圧縮機につながる排気ガス再循環システム（ＥＧＲ）ラインを備えた排気ガス再循環システムと、
    バルブ手段の開度量制御（ＥＣＵ）により、前記ターボチャージャーの前端において前記外気流れと前記別の外気流れおよび前記排気ガス流れを変化させることにより、前記ターボチャージャーを通じて過給される外気と排気ガスの混合比率を可変させるバルブ手段と、
    を含んで構成されることを特徴とするターボチャージャーに基づくエンジンシステム。
  2. 前記スーパーチャージャーは、前記吸気系のエアクリーナーの後端に形成される外気流れから分岐する別の流れを形成し、前記別の外気流れを前記ＥＧＲのＥＧＲラインに直接送ることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャーに基づくエンジンシステム。
  3. 前記スーパーチャージャーは、電動式スーパーチャージャーであることを特徴とする請求項２に記載のターボチャージャーに基づくエンジンシステム。
  4. 前記スーパーチャージャーは、前記吸気系のエアクリーナーの後端に形成される外気流れから分岐する別の外気流れを形成し、前記スーパーチャージャーから分岐した吸気連結ラインでまた別の外気流れを前記ＥＧＲのＥＧＲラインに連結させることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャーに基づくエンジンシステム。
  5. 前記スーパーチャージャーは、前記エンジンの動力を利用する機械式スーパーチャージャーであることを特徴とする請求項４に記載のターボチャージャーに基づくエンジンシステム。
  6. 前記ＥＧＲは低圧ＥＧＲであるＬＰ−ＥＧＲであり、前記ＥＧＲラインは前記排気系のフィルタの後端部位から分岐し、非常フィルタがさらに設けられることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャーに基づくエンジンシステム。
  7. 前記バルブ手段は、排気ラインから分岐した排気ガスを前記ＥＧＲラインに流すＥＧＲバルブと、前記吸気系の吸気ラインを通して導入された外気を前記ＥＧＲラインに流すバイパスバルブと、前記スーパーチャージャーを通して吸入された別の外気を前記ＥＧＲラインに流す流路制御バルブとから構成されることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャーに基づくエンジンシステム。
  8. 前記ＥＧＲバルブと前記流路制御バルブは互いに連動して逆に開閉され、前記バイパスバルブは独自に開閉されることを特徴とする請求項７に記載のターボチャージャーに基づくエンジンシステム。
  9. 前記ＥＧＲバルブと前記流路制御バルブは、前記ＥＣＵによって制御されるバルブ駆動手段で作動されることを特徴とする請求項８に記載のターボチャージャーに基づくエンジンシステム。
  10. 前記バルブ駆動手段は、前記ＥＧＲバルブや前記流路制御バルブのうちのいずれか１つのバルブの開度量を直接に可変させるアクチュエータと、前記ＥＧＲバルブや前記流路制御バルブを両側の端部に連結し、一方のバルブが開かれる時に反対側のバルブは閉じられるように連動させるバルブリンクとから構成されることを特徴とする請求項９に記載のターボチャージャーに基づくエンジンシステム。
  11. 前記バルブ駆動手段は、前記ＥＧＲバルブや前記流路制御バルブを両側の端部に連結し、一方のバルブが開かれる時に反対側のバルブは閉じられるように連動させるバルブリンクと、前記バルブリンクを直接操作するアクチュエータとから構成されることを特徴とする請求項９に記載のターボチャージャーに基づくエンジンシステム。
  12. エンジンの駆動に応じた車両情報を読み取り、取得された車両情報からエンジン運転領域を判断する初期条件設定ステップと、
    前記エンジン運転領域をターボラグおよび低速トルク領域、中負荷領域、および中高負荷領域に区分する制御区分ステップと、
    前記ターボラグおよび低速トルク領域において、スーパーチャージャーを通した外気だけをエンジンに供給し、前記中負荷領域において、吸気系を通した外気を基本に前記スーパーチャージャーを通したまた別の外気またはＥＧＲを通した排気ガスのうちの１つが混合される混合機をエンジンに供給し、前記中高負荷領域において、前記ＥＧＲを通した排気ガスを基本に前記スーパーチャージャーを通した別の外気の導入なしに、前記吸気系を通した外気を混合した混合機をエンジンに供給する制御実行ステップと、
    前記制御実行ステップが完了すれば、エンジンの駆動に応じた車両情報を取得する初期状態に復帰する制御完了ステップと、
    を含んで実行されることを特徴とするターボチャージャーに基づくエンジンシステムを利用した燃費改善方法。
  13. 前記ターボラグおよび低速トルク領域においては、前記スーパーチャージャーが前記吸気系から吸入した外気を全て通過させるように前記ＥＧＲラインの連結部位に設けられた流路制御バルブを１００％開度量に制御する反面、前記吸気系がつながった前記ＥＧＲラインの連結部位に設けられたバイパスバルブを０％開度量に制御すると同時に前記ＥＧＲラインに設けられたＥＧＲバルブを０％開度量に制御することを特徴とする請求項１２に記載のターボチャージャーに基づくエンジンシステムを利用した燃費改善方法。
  14. 前記中負荷領域においては、前記吸気系がつながった前記ＥＧＲラインの連結部位に設けられたバイパスバルブを１００％開度量に制御する反面、前記スーパーチャージャーがつながった前記ＥＧＲラインの連結部位に設けられた流路制御バルブを０％開度量に制御する時、前記ＥＧＲラインに設けられたＥＧＲバルブを１００％開度量に制御するか、あういはその逆に制御することを特徴とする請求項１２に記載のターボチャージャーに基づくエンジンシステムを利用した燃費改善方法。
  15. 前記流路制御バルブや前記ＥＧＲバルブが１００％開度量に制御されれば、１００％開度量から０％開度量に減るように制御されることを特徴とする請求項１４に記載のターボチャージャーに基づくエンジンシステムを利用した燃費改善方法。
  16. 前記中高負荷領域においては、前記ＥＧＲラインに設けられたＥＧＲバルブを１００％開度量に制御する反面、前記スーパーチャージャーがつながった前記ＥＧＲラインの連結部位に設けられた流路制御バルブを０％開度量に制御すると同時に前記吸気系がつながった前記ＥＧＲラインの連結部位に設けられたバイパスバルブを０％開度量から１００％開度量に可変させながら制御することを特徴とする請求項１２に記載のターボチャージャーに基づくエンジンシステムを利用した燃費改善方法。
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