JP2018135769A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】スーパーチャージャおよびターボチャージャと、ＨＰＬ−ＥＧＲ装置と、を備える内燃機関において、ＥＧＲ管の下流端の圧力と過給圧の制御を行う場合に、当該下流端の圧力が不安定となる状態を回避する。
【解決手段】加速中期では、ＥＧＲ弁の開度が最大に到達する。そして、ＥＧＲ弁の開度が最大に到達した時刻ｔ_２において、スロットル弁の開度が徐々に小さくされ、その一方でバイパス弁の開度が徐々に大きくされる。そして、時刻ｔ_３において、スロットル弁の開度が最小となり、バイパス弁の開度が最大となる。時刻ｔ_２以降、ＥＧＲ弁３８の開度は最大に保持される。また、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３までの間、スーパーチャージャ２８の回転速度は上昇し続けている。そのため、ＥＧＲガスの流量がその目標値から大幅に乖離するような状況は回避されている。
【選択図】図５

Description

この発明は内燃機関に関し、より詳細には、ＥＧＲ装置と過給機を備える内燃機関に関する。

特許第４７４１６７８号公報には、ＥＧＲ装置と、スーパーチャージャと、ターボチャージャと、を備えるエンジンが開示されている。ターボチャージャは、排気管に設けられたタービンと、吸気管に設けられて当該タービンと連結されるコンプレッサと、を備えている。スーパーチャージャは、上記吸気管の上記コンプレッサよりも下流側に設けられている。上記ＥＧＲ装置は、上記排気管の上記タービンよりも上流側を流れる排気ガスを、上記吸気管の上記コンプレッサよりも下流側に還流させる所謂ＨＰＬ−ＥＧＲ装置である。上記ＥＧＲ装置は、ＥＧＲ管とＥＧＲ弁を備えている。

上記エンジンはまた、バイパス管と、バイパス弁と、絞り弁と、を備えている。上記バイパス管は、上記吸気管の上記コンプレッサよりも下流側において、上記スーパーチャージャをバイパスするように設けられている。上記バイパス弁は、上記バイパス管に設けられている。上記吸気管において、上記ＥＧＲ管の下流端は、上記バイパス管の上流端と上記スーパーチャージャの間に設けられている。上記絞り弁は、上記ＥＧＲ管の下流端と、上記バイパス管の上流端の間に設けられている。

上記エンジンは更に、上記スーパーチャージャと上記ターボチャージャの出力調節を通じて過給圧を制御するコントローラを備えている。上記コントローラは、エンジンの回転速度または負荷が低い場合において、過給圧の増加要求があったときには、上記スーパーチャージャの出力を高めるように動作する。一方、上記コントローラは、エンジンの回転速度または負荷が比較的高い場合において、過給圧の増加要求があったときには、上記ターボチャージャの出力を高めるように動作する。

上記コントローラは、ＥＧＲガスの還流要求があったときには、上記ＥＧＲ管の両端の圧力差を制御するように動作する。過給圧が高い場合には上記圧力差が小さくなるので、上記コントローラは、上記スーパーチャージャの出力を高めるように動作する。上記スーパーチャージャの出力を高めれば上記ＥＧＲ管の下流端の圧力が下がるので、上記ＥＧＲ管を経由して還流させるＥＧＲガスの流量を増やすことができる。

特許第４７４１６７８号公報 特開２００５−２２０８６２号公報

ところで、特許第４７４１６７８号公報には、上記圧力差の制御の際に上記ＥＧＲ弁がどの様に操作されるのかについての言及がない。そのため、上記ＥＧＲ弁の開度が小さい場合には、上記スーパーチャージャの出力を高めたとしても、ＥＧＲガスの流量が殆ど増えない可能性がある。この点、上記圧力差の制御の際に上記ＥＧＲ弁を操作してその開度を大きくすれば、ＥＧＲガスの流量を増やすことができる。しかし、上記ＥＧＲ弁の操作を上記バイパス弁や上記絞り弁の操作と同時並行で行うと、上記ＥＧＲ管の下流端の圧力が不安定となり、ＥＧＲガスの流量が所望量となるまでに時間を要するおそれがある。

本発明は、上述したような課題に鑑みてなされたものである。即ち、スーパーチャージャおよびターボチャージャと、ＨＰＬ−ＥＧＲ装置と、を備える内燃機関において、ＥＧＲ管の下流端の圧力と過給圧の制御を行う場合に、当該下流端の圧力が不安定となる状態を回避することを目的とする。

本発明は、上述した課題を解決するため、内燃機関であって、ターボチャージャと、スーパーチャージャと、ＥＧＲ装置と、バイパス管と、流量変更手段と、制御手段と、を備えている。ターボチャージャは、排気管に設けられたタービンと、吸気管に設けられて前記タービンと連結されるコンプレッサと、を備えている。スーパーチャージャは、前記吸気管の前記コンプレッサよりも下流側に設けられている。ＥＧＲ装置は、前記排気管における前記タービンよりも上流側と前記吸気管における前記コンプレッサよりも下流側とを接続するＥＧＲ管と、前記ＥＧＲ管に設けられたＥＧＲ弁と、を備えている。バイパス管は、前記吸気管における前記コンプレッサよりも下流側において前記スーパーチャージャをバイパスするものであり、その上流端が前記ＥＧＲ管の下流端よりも上流側に位置している。流量変更手段は、前記バイパス管を流れる吸気の流量と、前記吸気管における前記バイパス管の上流端と前記ＥＧＲ管の下流端の間を流れる吸気の流量と、を任意に変更可能に構成されている。制御手段は、前記ターボチャージャ、前記スーパーチャージャ、前記ＥＧＲ弁および前記流量変更手段を制御するように構成されている。
前記制御手段は、加速要求に応じて前記内燃機関に加速動作を行わせ、尚且つ、前記内燃機関の運転状態に応じて設定されるＥＧＲガスに基づいて前記ＥＧＲ弁の開度を変更する場合は、前記ＥＧＲ弁の開度が所定開度に到達するまでの間は、前記流量変更手段を操作して前記バイパス管を全閉状態、前記上流端と前記下流端の間を全開状態としつつ、前記スーパーチャージャの出力のみを高め、前記ＥＧＲ弁の開度が所定開度に到達したときは、前記ＥＧＲ弁の開度を前記所定開度に固定し、前記流量変更手段を操作して前記バイパス管を徐々に開き、前記上流端と前記下流端の間を徐々に閉じつつ、前記スーパーチャージャの出力のみを更に高め、前記バイパス管が全開状態、前記上流端と前記下流端の間が全閉状態となった後は、前記ＥＧＲ弁の開度を前記所定開度に固定しつつ、前記スーパーチャージャと前記ターボチャージャの出力調節を行うように構成されている。

本発明によれば、加速要求に応じて内燃機関に加速動作を行わせ、尚且つ、内燃機関の運転状態に応じて設定されるＥＧＲガスに基づいてＥＧＲ弁の開度を変更する場合において、ＥＧＲ弁の開度が所定開度に到達するまでの間だけでなく、ＥＧＲ弁の開度が所定開度に到達した後も、ＥＧＲ管の下流端の圧力が不安定となる状態を回避することができる。特に、本発明によれば、ＥＧＲ弁の開度が所定開度に到達した後に、この所定開度を固定した状態で流量変更手段を操作するので、ＥＧＲ弁の開度調整と流量変更手段の操作を同時並行して行う場合に比べて、ＥＧＲ管の下流端の圧力が不安定となる状態を抑えることができる。従って、燃費や排気性能を改善することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る内燃機関の構成例を示す概略図である。 図１に示した内燃機関の加速初期の動作例を説明する図である。 図１に示した内燃機関の加速後期の動作例を説明する図である。 図１に示した内燃機関の加速中期の動作例を説明する図である。 図２乃至図４で説明した内燃機関の加速動作を説明するタイミングチャートである。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

［内燃機関の構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の構成例を示す図である。図１に示す内燃機関は、車両に搭載される直列４気筒型のエンジン本体１０を備えている。エンジン本体１０の各気筒には、吸気マニホールド１２を介して吸気管１４が接続されている。各気筒には、排気マニホールド１６を介して排気管１８も接続されている。

吸気管１４の入口近傍には、エアクリーナ２０が取り付けられている。エアクリーナ２０の下流には、ターボチャージャ２２のコンプレッサ２２ａが設けられている。コンプレッサ２２ａは、排気管１８に設けられたタービン２２ｂの回転により駆動して、新気を過給する。コンプレッサ２２ａの下流には、新気を冷却する水冷式または空冷式のインタークーラ２４が設けられている。インタークーラ２４の下流には、電子制御式のスロットル弁２６が設けられている。スロットル弁２６の下流には、電動式のスーパーチャージャ２８が設けられている。

吸気管１４には、スーパーチャージャ２８をバイパスするバイパス管３０が接続されている。バイパス管３０の上流端３０ａは、コンプレッサ２２ａとスロットル弁２６の間において吸気管１４に接続されている。バイパス管３０の下流端３０ｂは、吸気マニホールド１２に接続されている。但し、下流端３０ｂは、スーパーチャージャ２８の下流側の吸気管１４に接続されていてもよい。バイパス管３０の途中には、電子制御式のバイパス弁３２が設けられている。

吸気管１４には、ＥＧＲ管３４も接続されている。ＥＧＲ管３４の上流端３４ａは、排気マニホールド１６に接続されている。ＥＧＲ管３４の下流端３４ｂは、吸気管１４のスロットル弁２６とスーパーチャージャ２８の間に位置している。ＥＧＲ管３４の途中には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３６が設けられている。ＥＧＲクーラ３６の下流には、電子制御式のＥＧＲ弁３８が設けられている。ＥＧＲ管３４、ＥＧＲクーラ３６およびＥＧＲ弁３８は、ＨＰＬ−ＥＧＲ装置を構成する。

図１に示す内燃機関は、制御装置としてのＥＣＵ４０を備えている。ＥＣＵ４０は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）等を備えている。ＥＣＵ４０は、車両に搭載された各種センサの信号を取り込んで処理する。各種センサには、スロットルセンサ４１、アクセルセンサ４２、クランク角センサ４３、インマニセンサ４４、エアフローメータ４５およびＥＧＲセンサ４６が少なくとも含まれる。

スロットルセンサ４１は、スロットル弁２６の開度に応じた信号を出力する。アクセルセンサ４２は、アクセルペダル（図示しない）の踏み込み量に応じた信号を出力する。クランク角センサ４３は、クランクシャフト（図示しない）の回転角度に応じた信号を出力する。インマニセンサ４４は、吸気マニホールド１２内の圧力（以下、「インマニ圧」または「過給圧」ともいう。）に応じた信号を出力する。エアフローメータ４５は、吸気管１４を流れる新気の流量に応じた信号を出力する。ＥＧＲセンサ４６は、ＥＧＲ管３４を流れるＥＧＲガスの流量に応じた信号を出力する。

ＥＣＵ４０は、上述した各種センサの信号を処理して所定の制御プログラムに従って各種アクチュエータを操作する。各種アクチュエータには、スロットル弁２６、スーパーチャージャ２８、バイパス弁３２およびＥＧＲ弁３８が少なくとも含まれている。

ＥＣＵ４０は、クランク角センサ４３の出力からエンジン回転速度を演算する。ＥＣＵ４０は、演算したエンジン回転速度と、エアフローメータ４５の出力とから、エンジン負荷を演算する。ＥＣＵ４０は、演算したエンジン回転数、エンジン負荷などのエンジン運転状態に基づいて、ＥＧＲ管３４を流れるＥＧＲガスの流量を制御する。また、ＥＣＵ４０は、このエンジン運転状態に基づいてターボチャージャ２２とスーパーチャージャ２８の出力も調節する。

ＥＣＵ４０による過給機の出力調節に際しては、エンジン運転状態等に基づいて設定される制約が加味される。このような制約としては、スーパーチャージャ２８からの吐出ガスの流量が、ＥＧＲ管３４を流れるＥＧＲガスの流量を超えないことが挙げられる。この理由は、吐出ガスの流量がＥＧＲガスの流量を超えると、バイパス管３０を吸気（新気またはＥＧＲガスをいう。以下同じ。）が逆流することがあるためである。他の制約としては、スーパーチャージャ２８の作動制約（サージ限界、回転速度限界、作動温度限界）が挙げられる。

［内燃機関の動作の説明］
図２乃至図４は、図１に示した内燃機関の加速動作例を説明する図である。なお、図２乃至図４に示す矢印は、新気およびＥＧＲガスの流れを示したものである。図２は、加速初期の内燃機関の状態を示した図である。加速初期においては、ＥＣＵによってバイパス弁３２が全閉状態に制御され、その一方でスロットル弁２６が全開状態に制御される。また、ＥＣＵによる出力調節によって、スーパーチャージャ２８の回転速度が高められる。これにより、新気とＥＧＲガスの両方が、スーパーチャージャ２８によって過給される。ＥＧＲガスの流量の制御は、ＥＧＲセンサ４６の出力に基づいたフィードバック制御により実現される。このフィードバック制御では、具体的に、ＥＧＲセンサ４６の出力から演算されるＥＧＲガスの流量が、エンジン運転状態から設定される目標値と一致するように、ＥＧＲ弁３８の開度が調整される。

図３は、加速後期の内燃機関の状態を示した図である。加速後期においては、ＥＣＵによってスロットル弁２６が全閉状態に制御され、その一方でバイパス弁３２が全開状態に制御される。スロットル弁２６が全閉状態に制御されることで、スーパーチャージャ２８によって過給されるのがＥＧＲガスのみとなる。なお、新気の過給はターボチャージャ２２により行われる。ＥＧＲガスの流量の制御は、基本的には加速初期と同様のフィードバック制御により実現される。

但し、加速後期においては、加速初期に比べてエンジン負荷および回転速度が共に高く、ＥＧＲガスの流量の目標値も高い値に設定され、また、コンプレッサ２２ａの下流側圧力に対しタービン２２ｂの上流側圧力が相対的に低い。そのため、上述したフィードバック制御に従って設定されるＥＧＲ弁３８の開度は最大となっており、更に言うと、その開度の調整だけでは目標値を実現することが難しい状況となっている。そこで、このような加速後期においては、ＥＧＲ弁３８の開度を保持しつつ、スーパーチャージャ２８の回転速度を調整することで下流端３４ｂの圧力を制御し、ＥＧＲガスの流量を制御する。また、この回転速度の調整によって増減するスーパーチャージャ２８の出力の変化を、ターボチャージャ２２の出力調節によって相殺し、加速動作を実現する。

図４は、図２に示した加速初期と図３に示した加速後期の間における内燃機関の状態を示した図である。このような加速中期においては、エンジン負荷と回転速度の上昇に伴いＥＧＲガスの流量の目標値が徐々に高くなる。そのため、上述したフィードバック制御に従い、ＥＧＲ弁３８の開度が徐々に大きくされる。ＥＧＲ弁３８の開度が最大になったら、ＥＣＵによってＥＧＲ弁３８の開度を保持し、スーパーチャージャ２８の仕事が過大になることを防止するために、スロットル弁２６とバイパス弁３２の開度が変更される。具体的には、スロットル弁２６の開度を徐々に小さくしてスーパーチャージャ２８への空気の流量を減らし、その一方でバイパス弁３２の開度が徐々に大きくされる。この過程においては、ＥＧＲ管３４から還流したＥＧＲガスの一部が、吸気管１４を逆流してバイパス管３０に流入する。この場合は、スーパーチャージャ２８の出力を上げすぎてバイパス弁３２で逆流が生じないようにスーパーチャージャ２８を制御する。バイパス管３０に流入したＥＧＲガスは、ターボチャージャ２２によって過給された新気と合流して吸気マニホールド１２に流入する。

なお、図３の説明（加速後期の説明）で述べたように、ＥＧＲ弁３８の開度が最大のときには、その開度の調整だけではＥＧＲガスの流量の目標値を実現することが難しい状況となっている。この状況は、加速中期においてＥＧＲ弁３８の開度が最大になった後の、スロットル弁２６とバイパス弁３２の開度の変更中においても同様である。但し、加速中期においてはスーパーチャージャ２８の出力を増加させてスロットル弁２６を閉じ側に制御することにより、下流端３４ｂの圧力が排気マニホールド１６の圧力より下がることになる。従って、上述したスロットル弁２６とバイパス弁３２の開度の変更中にＥＧＲガスの流量がその目標値から大幅に乖離するような状況は回避されている。

図５は、図２乃至図４で説明した内燃機関の加速動作を説明するタイミングチャートである。時刻ｔ_１におけるアクセルペダルの踏み込みによって加速要求が出されると、この加速要求に応答してスーパーチャージャの回転速度が高められる。この時刻ｔ_１から暫くの間が、図２で説明した加速初期に相当する。加速初期では、ＥＣＵによってスロットル弁は全開状態に制御され、その一方でバイパス弁は全閉状態に制御される。また、ＥＧＲ弁の開度は、上述したフィードバック制御によって調整され、これによりＥＧＲガスの流量がその目標値に近づくことになる。

時刻ｔ_２を跨ぐ期間が、図４で説明した加速中期に相当する。加速中期では、上述したフィードバック制御によって設定されるＥＧＲ弁の開度が最大に到達する。そして、ＥＧＲ弁の開度が最大に到達した時刻ｔ_２において、スロットル弁の開度が徐々に小さくされ、その一方でバイパス弁の開度が徐々に大きくされる。そして、時刻ｔ_３において、スロットル弁の開度が最小となり、バイパス弁の開度が最大となる。時刻ｔ_２以降、ＥＧＲ弁３８の開度は最大に保持される。また、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３までの間、スーパーチャージャ２８の回転速度は上昇し続けている。そのため、ＥＧＲガスの流量がその目標値から大幅に乖離するような状況は回避されている。

時刻ｔ_３以降の期間が、図３で説明した加速後期に相当する。加速後期では、上述したフィードバック制御によって設定されるＥＧＲ弁の開度は既に最大となっている。また、ＥＣＵによって、スロットル弁が全閉状態に制御され、その一方でバイパス弁が全開状態に制御される。また、スーパーチャージャ２８の回転速度が調整され、これによりＥＧＲガスの流量がその目標値に近づくことになる。また、この回転速度の調整によって増減するスーパーチャージャの出力の変化をターボチャージャの出力調節によって相殺しているので、インマニ圧が概ね一定となる。

スーパーチャージャを備える内燃機関は、ターボチャージャのみを備える内燃機関に比べて過給レスポンスが向上する利点がある。反面、スーパーチャージャによる過給アシスト中には過給圧が排気圧よりも高くなることがある。過給圧が排気圧よりも高くなると、ＥＧＲガスが還流され難くなり、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量が過渡的に多くなってしまう。この点、スーパーチャージャを所謂ＬＰＬ−ＥＧＲ装置と組み合わせれば、ＥＧＲガスを還流させ易くなる。しかし、この場合は、大型のスーパーチャージャが必要となること、ＥＧＲガスの応答遅れが大きくなること、吸排気の圧力バランスによっては吸気絞り弁、または、排気絞り弁の制御を細かく行う必要があること等の課題がある。また、ＬＰＬ−ＥＧＲ装置を用いる場合は、大量に発生する凝縮水への対策も必要となる。

この点、本実施の形態の内燃機関によれば、過給圧が比較的低い加速初期においては通常のＥＧＲガスの流量制御（フィードバック制御）を行い、過給圧が比較的高い加速後期においてはＥＧＲ弁の開度を保持し、尚且つ、スロットル弁を閉じた状態でスーパーチャージャの回転速度を高める制御を行うことで、ＥＧＲガスの流量の目標値への追従性を担保することができる。また、本実施の形態の内燃機関によれば、加速中期において、ＥＧＲ弁の開度が最大となった後、この開度を保持した状態でバイパス弁とスロットル弁の開度の調整を行うので、ＥＧＲ管の下流端の圧力が不安定となる状態を回避することもできる。よって、加速中期から加速後期にかけてのＥＧＲガスの流量の目標値への追従性も担保することができる。以上のことから、本実施の形態の内燃機関によれば、加速動作中の燃費や排気性能を改善することが可能となる。

その他の実施の形態．
ところで、上記実施の形態では、スロットル弁とバイパス弁を別々に設ける内燃機関を例として説明した。しかし、両者の機能を統合した三方弁をバイパス管の上流端に設けてもよい。即ち、バイパス管を流れる吸気の流量と、バイパス管の上流端とＥＧＲ管の下流端の間の吸気管を流れる吸気の流量と、を任意に変更できる手段であれば、スロットル弁、バイパス弁や両者の機能を統合した三方弁の代わりに設けることができる。

また、上記実施の形態では電動式のスーパーチャージャを設けた内燃機関を例として説明した。しかし、電動式のスーパーチャージャの代わりに、負荷制御が可能な機械式のスーパーチャージャを設けてもよい。

１０ エンジン本体
１２ 吸気マニホールド
１４ 吸気管
１６ 排気マニホールド
１８ 排気管
２２ ターボチャージャ
２２ａ コンプレッサ
２２ｂ タービン
２６ スロットル弁
２８ スーパーチャージャ
３０ バイパス管
３２ バイパス弁
３４ ＥＧＲ管
３８ ＥＧＲ弁
４０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 排気管に設けられたタービンと、吸気管に設けられて前記タービンと連結されるコンプレッサと、を備えるターボチャージャと、
   前記吸気管の前記コンプレッサよりも下流側に設けられたスーパーチャージャと、
   前記排気管における前記タービンよりも上流側と前記吸気管における前記コンプレッサよりも下流側とを接続するＥＧＲ管と、前記ＥＧＲ管に設けられたＥＧＲ弁と、を備えるＥＧＲ装置と、
   前記吸気管における前記コンプレッサよりも下流側において前記スーパーチャージャをバイパスするバイパス管であって、その上流端が前記ＥＧＲ管の下流端よりも上流側に位置するバイパス管と、
   前記バイパス管を流れる吸気の流量と、前記吸気管における前記バイパス管の上流端と前記ＥＧＲ管の下流端の間を流れる吸気の流量と、を任意に変更可能な流量変更手段と、
   前記ターボチャージャ、前記スーパーチャージャ、前記ＥＧＲ弁および前記流量変更手段を制御する制御手段と、を備える内燃機関であって、
   前記制御手段は、
   加速要求に応じて前記内燃機関に加速動作を行わせ、尚且つ、前記内燃機関の運転状態に応じて設定されるＥＧＲガスに基づいて前記ＥＧＲ弁の開度を変更する場合は、
   前記ＥＧＲ弁の開度が所定開度に到達するまでの間は、前記流量変更手段を操作して前記バイパス管を全閉状態、前記上流端と前記下流端の間を全開状態としつつ、前記スーパーチャージャの出力のみを高め、
   前記ＥＧＲ弁の開度が所定開度に到達したときは、前記ＥＧＲ弁の開度を前記所定開度に固定し、前記流量変更手段を操作して前記バイパス管を徐々に開き、前記上流端と前記下流端の間を徐々に閉じつつ、前記スーパーチャージャの出力のみを更に高め、
   前記バイパス管が全開状態、前記上流端と前記下流端の間が全閉状態となった後は、前記ＥＧＲ弁の開度を前記所定開度に固定しつつ、前記スーパーチャージャと前記ターボチャージャの出力調節を行うように構成されていることを特徴とする内燃機関。

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