JP2012246891A - 過給機付内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リサーキュレーションバルブ４２が開いたときにＥＧＲガスを含む新気がエアフロメータ２２まで吹き返さないようにする。
【解決手段】ターボ過給機３のコンプレッサ５がエアフロメータ２２とスロットル弁２３との間に位置するとともに、ＥＧＲ通路３１がコンプレッサ５上流側で吸気通路２０に接続されている。スロットル弁２３が閉じたときに過給圧をコンプレッサ５上流側に解放するためのリサーキュレーションバルブ４２がリサーキュレーション通路４１とともに設けられている。リサーキュレーション通路４１の先端は、ＥＧＲ通路３１のＥＧＲバルブ３３下流側において、ガスがＥＧＲバルブ３３に向かうように接続されている。リサーキュレーションバルブ４２が開いたときに、ＥＧＲバルブ３３の前後圧力差に基づいてＥＧＲバルブ３３が一時的に開き、ガスを排気系側へ案内する。
【選択図】図１

Description

この発明は、リサーキュレーションバルブを備えた過給機付内燃機関の吸気装置に関し、特に、コンプレッサ上流からＥＧＲガスが導入される形式の過給機付内燃機関の吸気装置に関する。

特許文献１に開示されているように、過給機、特にターボ過給機を備えた内燃機関の吸気装置において、過給状態からスロットル弁が急に閉じた場合などにコンプレッサ下流からコンプレッサ上流へ過給圧を解放するリサーキュレーションバルブを具備した構成が公知である。また、排気還流（ＥＧＲ）装置として、特許文献１のように、排気系から取り出したＥＧＲガスをコンプレッサ上流において新気に導入する構成も公知である。

特開２００７−２７８１１０号公報

上記のように、コンプレッサ上流側でＥＧＲガスを新気に導入するようにした過給機付内燃機関に、コンプレッサ下流からコンプレッサ上流へ過給圧を解放するリサーキュレーションバルブを組み合わせた構成においては、排気還流を行っている運転条件下でリサーキュレーションバルブが開いたときに、ＥＧＲガスを含む新気がリサーキュレーションバルブを介して吸気通路内を上流側へ逆流する。そのため、エアフロメータがＥＧＲガス成分によって汚損する、という問題が生じる。

この発明に係る過給機付内燃機関の吸気装置は、過給機のコンプレッサがエアフロメータとスロットル弁との間に位置するとともに、スロットル弁の閉時にコンプレッサ下流の圧力をコンプレッサ上流へ解放するためのリサーキュレーション通路ならびにリサーキュレーションバルブを備えており、さらに、ＥＧＲガスを吸気系に導入するＥＧＲ通路が上記コンプレッサ上流に接続されている。

そして、上記リサーキュレーション通路は、一端がコンプレッサ下流側に接続されており、他端が上記ＥＧＲ通路のＥＧＲバルブ下流側に接続されている。

すなわち、リサーキュレーションバルブが開いたときに、コンプレッサからスロットル弁までの吸気通路内に存在していた高圧に過給されていたガス（ＥＧＲガスを含む新気）はリサーキュレーションバルブの開放に伴って膨張し、リサーキュレーション通路を通して流れるが、本発明では、リサーキュレーション通路がＥＧＲ通路に接続されているため、リサーキュレーション通路を流れたガスは、一旦ＥＧＲ通路に流出し、該ＥＧＲ通路を経由して吸気通路へ向かう。従って、リサーキュレーション通路が吸気通路に直接に接続されている場合に比して、吸気通路の上流側へ向かう速度成分が弱まり、エアフロメータに到達しにくくなる。そのため、ＥＧＲガスを含むガスによるエアフロメータの汚損が抑制される。

この発明によれば、排気還流を行っている間にリサーキュレーションバルブが開いた場合のＥＧＲガスによるエアフロメータの汚損を抑制することができる。

この発明に係る内燃機関の吸気装置の一実施例を内燃機関の排気系とともに示した構成説明図。 過給領域とＥＧＲ領域との関係を示した特性図。 リサーキュレーションバルブに関連したＥＧＲバルブの開閉制御を示すフローチャート。 機関減速時の各部の変化を示すタイムチャート。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る吸気装置を備えた内燃機関１の吸排気系全体の構成を示す構成説明図であって、ガソリン機関である内燃機関１の排気通路２には、ターボ過給機３の排気タービン４が配置され、その下流側に、例えば三元触媒を用いた第１触媒コンバータ６および第２触媒コンバータ７が配置されている。排気通路２のさらに下流側には、排気消音器８が設けられており、該排気消音器８を介して排気通路２は外部へ開放されている。上記排気タービン４は、過給圧制御のための公知のウェストゲートバルブ９を備えている。このウェストゲートバルブ９は、ターボ用ソレノイドバルブ１０を介して導入される過給圧に応じて、その開度が制御される。なお、内燃機関１は、例えば直噴型の構成であり、シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁１１を各気筒毎に備えている。

内燃機関１の吸気通路２０には、上流側から順に、エアクリーナ２１、エアフロメータ２２、スロットル弁２３、が配置されており、上記ターボ過給機３のコンプレッサ５が、上記エアフロメータ２２と上記スロットル弁２３との間に配置されている。上記スロットル弁２３は、吸気コレクタ２４の直前に位置し、この実施例では、この吸気コレクタ２４内にインタークーラ２５が介装されている。また、上記スロットル弁２３の上流側の吸気通路２０に、スロットル弁２３上流側の吸気の圧力および温度をそれぞれ検出する第１吸気圧センサ２６および第１吸気温センサ２７が配設されているとともに、上記吸気コレクタ２４内に、スロットル弁２３下流側の吸気の圧力および温度をそれぞれ検出する第２吸気圧センサ２８および第２吸気温センサ２９が配設されている。

また、排気還流装置を構成するＥＧＲ通路３１が排気通路２の第１触媒コンバータ６と第２触媒コンバータ７との間から分岐しており、その先端が、吸気通路２０のコンプレッサ５上流側に接続されている。詳しくは、コンプレッサ５の吸入口の直前位置にＥＧＲ通路３１の先端が接続されている。このＥＧＲ通路３１には、ＥＧＲガスの冷却を行うＥＧＲガスクーラ３２が介装されており、その下流側に、目標排気還流率に沿うように排気還流量を制御するＥＧＲバルブ３３が介装されている。このＥＧＲバルブ３３は、例えばＤＣモータからなるアクチュエータによって、その開度が連続的に変化する構成となっている。そして、このＥＧＲバルブ３３の前後圧力差を検出する差圧センサ３４を備えている。この差圧センサ３４は、例えば、ＥＧＲバルブ３３の上流側の圧力を検知するプローブと下流側の圧力を検知するプローブとを組み合わせた構成となっている。なお、ＥＧＲバルブ３３の上流側の圧力を検出する圧力センサと下流側の圧力を検出する圧力センサとを別個独立した形で設けるようにしてもよい。

上記吸気通路２０には、さらに、上記コンプレッサ５の下流側と上流側との間の連通賂となるリサーキュレーション通路４１が設けられており、このリサーキュレーション通路４１に、リサーキュレーションバルブ４２が設けられている。上記リサーキュレーション通路４１は、一端が、上記吸気通路２０のコンプレッサ５下流側（例えばコンプレッサ５の吐出口の直後）に接続されており、他端が、ＥＧＲ通路３１のＥＧＲバルブ３３下流側に接続されている。より詳しくは、ＥＧＲ通路３１がＥＧＲバルブ３３下流側で略９０°方向転換するように曲げられており、リサーキュレーション通路４１端部４１ａから流出したガスの流れがＥＧＲバルブ３３に向かって直進するように、このＥＧＲ通路３１の折曲部にリサーキュレーション通路４１端部４１ａが接続されている。換言すれば、ＥＧＲバルブ３３部分でのＥＧＲ通路３１の通路中心線と平行にリサーキュレーション通路４１端部４１ａが接続されている。なお、リサーキュレーション通路４１を出たガスがＥＧＲバルブ３３側へ向かう速度成分を有するものであれば、上記のようにリサーキュレーション通路４１がＥＧＲ通路３１の通路中心線と完全に平行でなくてもよく、例えば、ＥＧＲ通路３１下流側のＥＧＲ通路３１とリサーキュレーション通路４１とがＶ字形に合流する構成であってもよい。

上記リサーキュレーションバルブ４２は、例えばスロットル弁２３前後の圧力差に応答して動作する機械的なアクチュエータを具備しており、スロットル弁２３が閉じたときに、吸気通路２０のコンプレッサ５とスロットル弁２３との間の部分の圧力の上昇に基づいてリサーキュレーション通路４１を開き、吸気が循環するようにコンプレッサ５下流側の過給圧をコンプレッサ５上流側（詳しくはＥＧＲ通路３１内）に解放する。なお、リサーキュレーションバルブ４２としては、図示せぬエンジンコントローラからの制御信号に応答して動作する電気的なアクチュエータを備えた構成であってもよい。

上記のような構成においては、例えば図２に示すように、内燃機関のトルクと回転速度とからなる運転条件に対し、破線Ａよりも高負荷側が過給域、破線Ａよりも低負荷側が非過給域となるが、これらの過給域と非過給域の双方を含む斜線を施して示す排気還流域において、ＥＧＲバルブ３３を介してＥＧＲガスがコンプレッサ５の上流側に導入される。このＥＧＲガスを含む新気は、過給域ではコンプレッサ５によって加圧され、スロットル弁２３を介して内燃機関１の各シリンダに供給される。このような過給域において、例えば運転者のアクセルペダル操作に伴いスロットル弁２３が急に閉じると、これに連動した形でリサーキュレーションバルブ４２が開き、コンプレッサ５下流側の吸気通路２０内の高圧となった新気がコンプレッサ５上流側へと解放される。これにより、コンプレッサ５がロータの慣性により回転し続けても、吐出された新気がリサーキュレーション通路４１を介して循環し、コンプレッサ５のサージによる異音発生などが回避される。

ところで、排気還流が行われている条件下で上記のようにスロットル弁２３の閉動作に伴ってリサーキュレーションバルブ４２が開くと、相対的に高い圧力にあるコンプレッサ５下流側のＥＧＲガスを含む新気がリサーキュレーションバルブ４２を介して膨張し、コンプレッサ５上流側の吸気通路２０を逆流する。このように逆流したＥＧＲガスを含む新気がエアフロメータ２２にまで達すると、エアフロメータ２２がＥＧＲガス成分によって汚損し、好ましくない。

そのため、本実施例においては、上記のようにリサーキュレーション通路４１の先端がＥＧＲ通路３１に接続されており、リサーキュレーション通路４１を出たガスは、ＥＧＲ通路３１を経由して吸気通路２０に至る。しかも、ＥＧＲ通路３１において、ＥＧＲバルブ３３へ向かって、つまりＥＧＲ通路３１の上流側へ向かって、リサーキュレーション通路４１からガスが流出する構成となっている。従って、エアフロメータ２２に達するようなガス（ＥＧＲガスを含む新気）の逆流が生じにくい。

また、本実施例では、上記のようにリサーキュレーション通路４１からＥＧＲ通路３１にガスが流出したときに、ガスが到達するタイミングに同期した形でＥＧＲバルブ３３を開く（注：このＥＧＲバルブ３３は機関の減速に伴って既に閉じている）ことで、ガスがＥＧＲバルブ３３を逆流して排気通路２側へ流れることを許容するようにし、エアフロメータ２２側への逆流をさらに確実に防止している。

以下、図３のフローチャートおよび図４のタイミングチャートを参照して、このＥＧＲバルブ３３の開閉制御を説明する。

図３は、図示せぬエンジンコントローラの機能の一部として実現されるＥＧＲバルブ３３の制御、特にリサーキュレーションバルブ４２に関連した制御の流れを示すフローチャートであって、先ずステップ１で、現在の機関運転条件を示すデータを取得し、ステップ２で、この現在の機関運転条件に対応する領域ナンバーを判定する。この領域ナンバーとは、図２に示したようなトルクと機関回転速度とで示される領域を複数個の領域に区画するとともに、各々に番号（つまり領域ナンバー）を付して、その値によって、機関運転条件を特定するようにしたものである。本実施例では、図２のように、過給域でかつ排気還流がなされる領域と、非過給域でかつ排気還流がなされる領域と、非過給域でかつ排気還流が行われない領域と、の少なくとも３つを識別する必要があり、従って、少なくとも３つの領域ナンバーが必要となるが、実際には、より多数の領域ナンバーが用いられる。

ステップ３では、現在の領域ナンバーからＥＧＲ領域であるか否かを判定し、ＥＧＲ領域でなければ、エアフロメータ２２の汚損の懸念がないので、図３のルーチンを終了する。

現在の領域ナンバーがＥＧＲ領域であれば、ステップ４へ進み、機関の減速つまりスロットル弁２３の閉動作がなされたか判定する。ここで減速と判定した場合は、ステップ５へ進み、減速後の領域ナンバーつまり遷移先の領域ナンバーを判定ないし推定し、さらにステップ６で、この遷移先の領域ナンバーがＥＧＲ領域であるか否かを判定する。つまり、ステップ３とステップ６とによって、図２に例示する過給ＥＧＲ領域内のＢ点から非過給非ＥＧＲ領域内のＣ点までの減速であるかどうかを判定している。遷移先の領域ナンバーがＥＧＲ領域であれば、減速後もＥＧＲバルブ３３は開いたままであるので、ステップ７以降には進まない。

なお、ＥＧＲバルブ３３の基本的な開度制御つまり目標ＥＧＲ率に沿った開度制御は、図示しない他のルーチンによって並行して行われており、従って、減速により非ＥＧＲ領域に移行すれば、それに伴ってＥＧＲバルブ３３は閉となる。

遷移先の領域ナンバーが非ＥＧＲ領域であれば、ステップ７へ進み、リサーキュレーションバルブ４２が開いたかどうかを繰り返し判定する。これは、上記実施例では、リサーキュレーションバルブ４２は、スロットル弁２３の前後の圧力差に応答して動作する機械的なアクチュエータを具備しているので、第１吸気圧センサ２６が検出するスロットル弁上流側圧力と第２吸気圧センサ２８が検出するスロットル弁下流側圧力との圧力差が所定値になったときに、リサーキュレーションバルブ４２が開いたものと判定する。

そして、リサーキュレーションバルブ４２が開いたと判定したら、ステップ８へ進み、差圧センサ３４によって検出されるＥＧＲバルブ３３の前後圧力差ΔＰ（注：ＥＧＲバルブ３３の下流側（吸気系側）圧力から上流側（排気系側）圧力を減算した値）が所定の閾値egrvoiを越えたか否か繰り返し判定する。上記閾値egrvoiは、吸気系および排気系の脈動による圧力変化を考慮したものであり、実際の前後圧力差が脈動によって瞬間的に負とならないように適宜な値に設定される。

リサーキュレーションバルブ４２が実際に開くと、過給されていたガスがリサーキュレーションバルブ４２を介して膨張し、ＥＧＲ通路３１へと流れ込んで来るので、ＥＧＲバルブ３３の下流側の圧力が上昇し、ひいてはＥＧＲバルブ３３の前後圧力差ΔＰが増大する。従って、前後圧力差ΔＰが閾値egrvoiを越えたら、ステップ９へ進み、ＥＧＲバルブ３３を全開とする。前述したように、ＥＧＲバルブ３３は減速に伴って一旦全閉となっているので、全閉状態から全開状態へと変化することとなる。これにより、リサーキュレーション通路４１を流れてきたガス（ＥＧＲガスを含む新気）は、ＥＧＲバルブ３３を介して排気通路２側に逆流することができ、それだけエアフロメータ２２側への逆流が抑制される。

その後、ＥＧＲバルブ３３下流側（吸気系側）の圧力は時間経過とともに低下するので、ステップ１０で、前述のＥＧＲバルブ３３の前後圧力差ΔＰが０以下となったか否か繰り返し判定する。そして、前後圧力差ΔＰが０以下となったら、ステップ１１へ進んで、ＥＧＲバルブ３３を全閉とする。これによって、一旦ＥＧＲバルブ３３を通して排気通路２側へ流れたガスが吸気通路２０側へ戻ることがない。

以上で、内燃機関の減速に伴う一連の処理が終了する。なお、ステップ１２では、ステップ７，８でＮＯの場合に加速に転じたかどうかを確認しており、加速と判定した場合には、やはりこのルーチンを終了する。

図４は、図２のＢ点からＣ点へと減速した場合の各部の変化を示すタイムチャートである。

同図の（ａ）は運転者が操作するアクセル開度ＡＰＯを示しており、このアクセル開度ＡＰＯに基づいて、スロットル弁２３の開度つまり（ｄ）スロットル開度ＴＶＯが制御される。（ｂ）は減速判定フラグであり、（ｃ）は上述した領域ナンバーの変化を概念的に表している。前述したように、この例では、減速前は過給ＥＧＲ領域であり、減速後は非過給非ＥＧＲ領域となる。

（ｅ）はＥＧＲバルブ３３の開度を示しており、図示するように、減速前は、そのときの目標排気還流率に対応した開度で開いているが、減速（非ＥＧＲ領域への減速）に伴って全閉となる。

（ｆ）は吸気コレクタ２４内の圧力つまりスロットル弁２３下流側の圧力を示しており、（ｇ）はスロットル弁２３上流側の圧力を示している。図示するように、スロットル弁２３が急に閉じることによって、スロットル弁２３下流側の圧力は低下し、スロットル弁２３上流側の圧力は上昇する。従って、両者の圧力差が所定の値に達した段階でリサーキュレーションバルブ４２が開く。つまり、（ｈ）はリサーキュレーションバルブ４２の開度を示しているが、この例では、時刻ｔ１において、リサーキュレーションバルブ４２が開き、これに伴って、スロットル弁２３上流側の圧力が低下に転じる。なお、この実施例では、前述したように、スロットル弁２３前後の圧力差が所定値に達したときにリサーキュレーションバルブ４２が開いたものとみなしており、（ｋ）のリサーキュレーションバルブ判定フラグが１となる。

リサーキュレーションバルブ４２が実際に開くと、（ｊ）に示すＥＧＲバルブ３３の前後圧力差ΔＰが増加していき、ある時点（時刻ｔ３）で、所定の閾値egrvoiを越える。これによって、（ｍ）の減速時ＥＧＲバルブ開動作許可フラグが１となり、ＥＧＲバルブ３３が全開に制御される。そして、（ｎ）の減速時ＥＧＲバルブ開動作禁止フラグは、時刻ｔ２の時点で前後圧力差ΔＰが０を越えたことにより、０となっているが、時刻ｔ４の時点で前後圧力差ΔＰが０まで低下したことに伴い、１となり、これによって、ＥＧＲバルブ３３は全閉に制御される。（ｍ）減速時ＥＧＲバルブ開動作許可フラグも時刻ｔ４において同時に１から０となる。なお、ＥＧＲバルブ３３の実際の開度は、指令信号に対する応答遅れから（ｅ）に示すように台形状に変化する。

従って、上記実施例によれば、リサーキュレーションバルブ４２の開動作に伴って膨張したＥＧＲガスを含むガスは、ＥＧＲバルブ３３の前後圧力差ΔＰに基づいて最適なタイミングで開くＥＧＲバルブ３３を通して排気通路２側へ案内される。そして、このガスは、その後、ＥＧＲバルブ３３が再び閉じることによって、吸気通路２０側へ戻ることが阻止される。そのため、エアフロメータ２２側へ逆流するＥＧＲガスを含むガスは非常に少なくなり、エアフロメータ２２の汚損がより確実に抑制される。

換言すれば、ＥＧＲバルブ３３は、実際の前後圧力差ΔＰによりガスがＥＧＲバルブ３３を通して排気通路２側へ流れ得る条件下でのみ開き、従って、膨張したガスを排気通路２側へ確実に吸収できる一方で、非ＥＧＲ領域において実質的な排気還流がなされることがない。

なお、上記実施例では、過給機としてコンプレッサ５と排気タービン４とが同軸上に直結されたターボ過給機３を用いた例を説明したが、本発明はこのようなターボ過給機に限定されるものではなく、リサーキュレーションバルブを具備したものであれば、どのような形式の過給機であっても同様に適用することができる。

１…内燃機関
２…排気通路
３…ターボ過給機
５…コンプレッサ
２０…吸気通路
２２…エアフロメータ
２３…スロットル弁
３１…ＥＧＲ通路
３３…ＥＧＲバルブ
４１…リサーキュレーション通路
４２…リサーキュレーションバルブ

Claims (5)

1. 過給機のコンプレッサがエアフロメータとスロットル弁との間に位置するとともに、スロットル弁の閉時にコンプレッサ下流の圧力をコンプレッサ上流へ解放するためのリサーキュレーション通路ならびにリサーキュレーションバルブを備え、かつＥＧＲガスを吸気系に導入するＥＧＲ通路が上記コンプレッサ上流に接続されてなる過給機付内燃機関の吸気装置において、
   上記リサーキュレーション通路は、一端が吸気通路のコンプレッサ下流側に接続されており、他端が上記ＥＧＲ通路のＥＧＲバルブ下流側に接続されていることを特徴とする過給機付内燃機関の吸気装置。
2. 上記リサーキュレーション通路の上記他端は、該リサーキュレーション通路から流出したガスが上記ＥＧＲバルブへ向かうように、ＥＧＲ通路の上流側を指向して該ＥＧＲ通路に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の過給機付内燃機関の吸気装置。
3. 上記ＥＧＲバルブを制御するＥＧＲバルブ制御手段を有し、このＥＧＲバルブ制御手段は、上記リサーキュレーション通路から流出したガスの排気系への流入を許容するように、上記リサーキュレーションバルブの開動作に対応して上記ＥＧＲバルブを開くことを特徴とする請求項１または２に記載の過給機付内燃機関の吸気装置。
4. 上記ＥＧＲバルブ制御手段は、上記リサーキュレーションバルブの開作動後の上記ＥＧＲバルブの前後圧力差に基づいて上記ＥＧＲバルブを開くことを特徴とする請求項３に記載の過給機付内燃機関の吸気装置。
5. 上記ＥＧＲバルブ制御手段は、上記ＥＧＲバルブを開いた後、上記前後圧力差が０となったときに該ＥＧＲバルブを閉じることを特徴とする請求項４に記載の過給機付内燃機関の吸気装置。

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