JP4031227B2 - 過給機付筒内噴射エンジンの排気還流装置 - Google Patents

過給機付筒内噴射エンジンの排気還流装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成層燃焼領域の拡大を可能とする過給機付筒内噴射エンジンの排気還流装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、自動車等の車両においては、エンジンの排気ガス中に含まれている窒素酸化物(NOx)を低減するため、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気還流(EGR)装置が用いられており、このEGR装置では、エンジンの吸気系と排気系とをバイパスするEGR通路を設け、このEGR通路に介装したEGR弁の開度をエンジン運転状態に応じて可変することでEGR量を制御するようにしている。
【0003】
しかしながら、通常のEGR装置では、吸気管負圧によって排気ガスを吸気系に還流させるため、吸気管圧力が略大気圧となるスロットル全開時にはEGRを十分に行うことができない。また、同様の理由から、過給機を備えた過給機付エンジンでは、過給域ではEGRを行うことができず、EGRによるNOx低減可能な運転領域が限定されてしまう。
【0004】
これに対処するに、特開平7−224726号公報には、単一の気筒に対してプライマリ吸気ポートとセカンダリ吸気ポートとを設けると共に、セカンダリ吸気ポートに筒内流動強化用のシャッタ弁を設け、低負荷側のシャッタ弁閉領域では、排気マニホルドとプライマリ吸気ポートとを連通する通常のEGR通路を介して相対的に高温のEGRガスを還流させ、高負荷側のシャッタ弁開領域では、排気通路と過給機のコンプレッサ上流側の吸気通路とを連通するEGR通路を介して相対的に低温のEGRガスを還流させる過給機付エンジンの排気還流装置が開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、筒内に燃料を直接噴射し、燃焼形態を低負荷域の成層燃焼と高負荷域の均一燃焼とに切換える筒内噴射エンジンが実用化されている。この筒内噴射エンジンに過給機を備え、且つEGRを行う場合には、前述の先行技術のように、排気通路と給気通路とを連通する通常のEGR通路に加え、排気通路と過給機のコンプレッサ上流側の吸気通路とを連通するEGR通路を設けることで、過給域でのEGRが可能となる。
【0006】
しかしながら、前述の先行技術では、高負荷時の過給域でのEGRを対象としているため、過給機付筒内噴射エンジンに適用した場合には、低負荷の成層燃焼領域では吸気管負圧に依存して排気ガスを還流させる通常のEGRを行わざるを得ず、例え、成層燃焼領域で過給によりEGRを実行したとしても、単一の過給機では排気浄化の観点から成層燃焼領域を拡大しようとしても、EGR量が不足し、成層燃焼を維持することは困難である。
【0007】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、成層燃焼領域での排気還流量を確保し、成層燃焼領域を拡大することのできる過給機付筒内噴射エンジンの排気還流装置を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1記載の発明は、吸気を過給する第1の過給機と第2の過給機とを備え、筒内に燃料を噴射する筒内噴射エンジンの排気ガスの一部を吸気側に還流させる過給機付筒内噴射エンジンの排気還流装置であって、上記第2の過給機の排気入口は上記第1の過給機の排気入口よりも絞られて流入する排気の流速が速められるように構成されると共に、排気系とスロットル弁下流の吸気系とを連通する第1の排気還流通路に、該第1の排気還流通路を流れる排気ガスの流量を制御するための第1の排気還流弁を介装、上記第2の過給機のタービン下流側とコンプレッサ上流側とを連通する第2の排気還流通路に、該第2の排気還流通路を流れる排気ガスの流量を制御するための第2の排気還流弁を介装し、成層燃焼領域で吸気管圧力が設定値以下のときには、上記第1の排気還流弁を開弁動作させると共に上記第2の排気還流弁を閉弁させて上記第1の排気還流通路を介して排気ガスを吸気系に還流させ、成層燃焼領域で吸気管圧力が上記設定値を越えたとき、上記第1の排気還流弁を閉弁させると共に上記第2の排気還流弁を開弁動作させて上記第2の過給機の過給動作により排気ガスを強制的に吸気系に還流させる排気還流切換手段を備えたことを特徴とする。
【0009】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、上記第2の過給機のコンプレッサ上流側で上記第2の排気還流通路が合流する部位の上流側に、上記第2の過給機への空気量を制御するための制御弁を設け、上記排気還流切換手段は、上記第2の過給機の過給動作により排気ガスを強制的に吸気系に還流させる際、上記第2の排気還流弁の開度と上記制御弁の開度とを制御して排気ガスの還流量を制御することを特徴とする。
【0010】
すなわち、請求項1記載の発明は、第1の過給機と第2の過給機とを備えて、第2の過給機の排気入口は第1の過給機の排気入口よりも絞られて流入する排気の流速が速められるように構成し、成層燃焼領域で吸気管圧力が設定値以下のときには、排気系とスロットル弁下流の吸気系とを連通する第1の排気還流通路に介装した第1の排気還流弁を開弁動作させて排気ガスを吸気系に還流させ、成層燃焼領域で吸気管圧力が設定値を越えたとき、第1の排気還流弁を閉弁させると共に第2の過給機のタービン下流側とコンプレッサ上流側とを連通する第2の排気還流通路に介装した第2の排気還流弁を開弁動作させて第2の過給機の過給動作により排気ガスを強制的に吸気系に還流させることで、成層燃焼下でスロットル開度の増加により吸気管負圧が略大気圧となって第1の排気還流通路からの排気還流が困難な場合においても排気還流を可能とし、成層燃焼領域を拡大することができる。
【0011】
その際、請求項2記載の発明のように、第2の過給機のコンプレッサ上流側で第2の排気還流通路が合流する部位の上流側に、第2の過給機への空気量を制御するための制御弁を設け、第2の過給機の過給動作により排気ガスを強制的に吸気系に還流させる際、第2の排気還流弁の開度と制御弁の開度とを制御して排気ガスの還流量を制御することが望ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1〜図5は本発明の実施の一形態に係わり、図1は過給機付エンジンの全体概略図、図2は電子制御系の構成図、図3はEGR制御ルーチンのフローチャート、図4は運転領域を示す説明図、図5は吸気管圧力とEGR率との関係を示す説明図である。
【0013】
図1において、符号1は、複数の過給機を有する過給機付筒内噴射エンジン(以下、単に「エンジン」と略記する)であり、本形態においては、左右両側の2つのバンクを有する水平対向型4気筒エンジンを示す。このエンジン1の各バンクの吸気マニホルド2が集合する吸気チャンバ3の上流には、ステップモータ等のアクチュエータによって駆動される電子制御式スロットル弁4が介装され、このスロットル弁4の上流側にインタークーラ5が介装されている。
【0014】
また、インタークーラ5からは、複数の過給機として各バンクの直後に配設される第1,第2のターボ過給機7,8の各コンプレッサ7a,8aに連通される吸気管6a,6bが延出され、これらの吸気管6a,6bが第2のターボ過給機8側で合流し、吸入空気量センサ9を経て図示しないエアクリーナに連通されている。第1のターボ過給機7は、主として高負荷運転時の要求トルクの増大に対応するための過給機であり、一方、第2のターボ過給機8は、第1のターボ過給機7に比較して小容量で、主として低負荷の成層燃焼領域で過給によるEGRを実行するための特定の過給機である。第2のターボ過給機8のコンプレッサ8aと吸気管6a,6bの合流部との間には、各ターボ過給機7,8への吸気分配を制御する制御弁10が介装されている。
【0015】
また、エンジン1の各バンクからの排気管11a,11bが、それぞれ、第1のターボ過給機7のタービン7b、第2のターボ過給機8のタービン8b側に連通され、各タービン7b,8bに介装される過給圧制御用のウェストゲート弁7c,8cを経て下流側で合流され、図示しない触媒コンバータ及びマフラに連通されている。第2のターボ過給機8は、その排気入口が第1のターボ過給機7の排気入口よりも絞られて流入する排気の流速が速められるよう構成されており、第1のターボ過給機7よりも先に過給を開始する。
【0016】
また、第2のターボ過給機8のタービン8b下流の排気管11bから第1,第2のEGR通路12,13が延出されており、第1のEGR通路12を介して第2のターボ過給機8のタービン8b下流側がスロットル弁4の下流側に連通され、また、第2のEGR通路13を介して第2のターボ過給機8のタービン8b下流側がコンプレッサ8a上流側(制御弁10下流側)に連通される。第1,第2のEGR通路12,13には、それぞれ、EGR流量を制御するための第1,第2のEGR弁14,15が介装されている。
【0017】
以上のエンジン1は、図2に示す電子制御装置(ECU)40によって制御される。ECU40は、CPU41、ROM42、RAM43、バックアップRAM44、カウンタ・タイマ群45、及びI/Oインターフェイス46がバスラインを介して互いに接続されるマイクロコンピュータを中心として構成されるものであり、各部に安定化電源を供給する定電圧回路47、I/Oインターフェイス46に接続される駆動回路48及びA/D変換器49等の周辺回路が内蔵されている。尚、カウンタ・タイマ群45は、フリーランカウンタ、気筒判別用信号の入力計数用カウンタ等の各種カウンタ、燃料噴射用タイマ、点火用タイマ、定期割り込みを発生させるための定期割り込み用タイマ、クランク角信号の入力間隔計時用タイマ、及びシステム異常監視用のウオッチドッグタイマ等の各種タイマを便宜上総称するものであり、その他、各種のソフトウエアカウンタ・タイマが用いられる。
【0018】
定電圧回路47は、2回路のリレー接点を有する電源リレー50の第1のリレー接点を介してバッテリ51に接続されると共に、直接、バッテリ51に接続されており、イグニッションスイッチ52がONされて電源リレー50の接点が閉になるとECU40内の各部へ電源を供給する一方、イグニッションスイッチ52のON,OFFに拘らず、常時、バックアップRAM44にバックアップ用の電源を供給する。尚、電源リレー50の第2のリレー接点には、バッテリ51から各アクチュエータに電源を供給するための電源線が接続されている。
【0019】
I/Oインターフェイス46の入力ポートには、イグニッションスイッチ52及びエンジン1に備えられる各種センサ・スイッチ類が接続されている。入力ポートに接続されるセンサ・スイッチ類としては、ノック検出用のノックセンサ20、クランク角検出用のクランク角センサ21、気筒判別用の気筒判別センサ22、車速検出用の車速センサ23等があり、更に、A/D変換器49を介して、前述の吸入空気量検出用の吸入空気量センサ9、電子制御式スロットル弁4の開度検出用のスロットル開度センサ24、冷却水温検出用の冷却水温センサ25、空燃比検出用の空燃比センサ26、図示しないアクセルペダルの開度(踏込み量)検出用のアクセル開度センサ27等が接続されると共に、バッテリ電圧VBが入力されてモニタされる。
【0020】
一方、I/Oインターフェイス46の出力ポートには、電源リレー50のリレーコイル、図示しない点火コイルの一次側電流を断続するイグナイタ30、及びエンジン1に備えられる各種アクチュエータ類が駆動回路48を介して接続されている。アクチュエータ類としては、筒内に燃料を直接噴射するためのインジェクタ31、電子制御式スロットル弁4を駆動するステップモータ等からなるスロットルアクチュエータ32、前述の第1,第2のEGR弁14,15、制御弁10、両ターボ過給機7,8のウェストゲート弁7c,8c等がある。
【0021】
ECU40においては、ROM42に記憶されている制御プログラムをCPU41で実行し、I/0インターフェイス46を介して入力されるセンサ・スイッチ類からの検出信号及びバッテリ電圧等を処理し、RAM43に格納される各種データ、及びバックアップRAM44に格納されている各種学習値データ,ROM42に記憶されている固定データ等に基づき、燃料噴射量や点火時期等の各種制御量を演算する。そして、対応する駆動信号を各種アクチュエータ類に出力し、燃料噴射制御、点火時期制御、過給圧制御、EGR制御等のエンジン制御を行う。
【0022】
このようなエンジン制御により、本エンジン1の燃焼形態は、燃料と空気との混合気を成層化して点火プラグ付近の比較的濃い混合気に着火させ、着火した火種により燃焼室内の希薄な混合気に火炎伝幡させる成層燃焼と、燃料と空気との混合気を筒内で均一に混合した後に燃焼させる均一燃焼とに切換えられる。そして、低負荷運転時には成層燃焼によるリーン空燃比に制御され、高負荷運転時には成層燃焼から均一燃焼に切換えられ、パワー域でリッチ空燃比、パワー域以外でストイキオ(理論空燃比)或いはリーン空燃比に制御される。
【0023】
この場合、ECU40は、成層燃焼領域でスロットル開度が小さく、第1のEGR通路12を介してEGR可能な吸気管負圧が得られる場合には、第2のEGR弁15を閉弁して第2のEGR通路13を遮断し、第1のEGR通路12に介装した第1のEGR弁14を開動作させてEGR量を制御する通常のEGR制御を行う一方、成層燃焼領域でスロットル開度が増加して吸気管圧力が略大気圧になると、第1のEGR弁14を閉弁して第1のEGR通路12を遮断し、第2のEGR通路13に介装した第2のEGR弁15を開動作させて第2のターボ過給機8の過給動作により強制的にEGRを行う。これにより、従来、吸気管負圧に依存したEGRが困難であり、成層燃焼から均一燃焼に切換えざるを得なかった領域においてもEGRを可能とし、成層燃焼領域を拡大することができる。
【0024】
すなわち、ECU40は、本発明に係る排気還流切換手段の機能を有し、具体的には、図3に示すルーチンによってその機能を実現する。以下、ECU40によって実行されるEGR制御に係わる処理について、図3に示すフローチャートを用いて説明する。
【0025】
図3は、ECU40に電源が投入されてシステムがイニシャライズされた後、所定周期毎に実行されるEGR制御ルーチンであり、先ず、ステップS101でエンジン回転数やアクセル開度等の現在のエンジン1の運転条件を読込み、この運転条件に基づき、ステップS102で、現在のエンジン1の燃焼形態が成層燃焼であるか均一燃焼であるかを判断する。例えば、アクセル開度とエンジン回転数とに基づいて目標エンジントルクを求め、この目標トルクとエンジン回転数とによって特定される運転領域に応じて決定される目標燃焼形態により、現在の燃焼形態が成層燃焼か均一燃焼かを判断する。そして、成層燃焼である場合には、ステップS102からステップS103以降へ進み、成層燃焼でない場合、すなわち均一燃焼である場合には、ステップS106以降へ進む。
【0026】
先ず、成層燃焼の場合のステップS103以降の処理について説明する。ステップS103では、吸気管圧力P(ブースト圧)が設定値Pminを越えているか否かを調べる。設定値Pminは、図4に示すように、低負荷の成層燃焼領域(A領域)からスロットル開度の増加に応じて吸気管圧力が略大気圧となる領域(B領域)に移行する境界を定める吸気管圧力である。換言すれば、設定値Pminは、吸気管内に排気ガスを第1のEGR通路12を通して還流可能な大気圧未満の負圧限界値であり、エンジン形式や吸排気系の構成を考慮し、予めシミュレーション或いは実験等により求めた適正値がROM42に固定データとしてストアされている。
【0027】
そして、P≦Pminであり、第1のEGR通路12から排気ガスを吸気系に還流させ得る吸気管負圧がある場合には、従来の第1のEGR通路12を介した通常のEGR制御とすべく、ステップS103からステップS104へ進み、第1のEGR弁14を動作させて開度を制御する一方、第2のEGR弁15を閉弁させて第2のEGR通路13を遮断すると共に制御弁10を開とし、ルーチンを抜ける。この成層燃焼領域における通常のEGR制御は、図4に示すように、エンジン低・中回転域のエンジントルクが小さい領域(A両域)で実行され、第1のEGR通路12から吸気系に還流する排気ガス量が第1のEGR弁14の開度に応じて調整される。
【0028】
また、ステップS103において、P>Pminの場合、すなわち、アクセルペダルの踏込みに応じてスロットル弁4の開度が増大し、吸気管負圧が減少して第1のEGR通路12からの排気ガスの還流が困難になると、ステップS103からステップS105へ進んで、第1のEGR弁14を閉弁させて第1のEGR通路12を遮断する一方、第2のEGR弁15及び制御弁10を動作させて開度を制御し、ルーチンを抜ける。
【0029】
すなわち、従来のEGR制御では、吸気管負圧を利用して第1のEGR通路12から排気ガスを吸気系に還流させるため、成層燃焼領域は、スロットル開度が全開に近くなる領域(図4のB領域)までが限界であり、図4に破線で示すC領域では、吸気管圧力が略大気圧となるため、EGR量が不足し、成層燃焼のままではNOx排出量が増加して排気エミッションが悪化する。これに対し、本形態では、C領域で第2のターボ過給機8が作動し、第2のEGR通路13から排気ガスを強制的に吸気系に還流させることでEGR流量を確保し、成層燃焼領域をB領域からC領域まで拡大する。
【0030】
すなわち、C領域においては、主として第2のターボ過給機8が作動し、制御弁10の開度及び第2のターボ過給機8のウェストゲート弁8cの開度が絞られ、成層燃焼を維持しつつ、第2のEGR通路13から排気ガスを吸気系に還流可能な程度の過給圧に抑えられる。同時に、第2のEGR弁15の開度に依存する排気ガスの流路面積と、制御弁10の開度に依存する新気の流路面積との比が適切に制御され、最適なEGR率が得られるよう制御される。
【0031】
この場合、第2のターボ過給機8をEGR専用の過給機とし、制御弁10を全閉にして第2ターボ過給機8で排気ガスのみを過給してEGRを実行することも可能である。その場合には、第2のEGR弁15及び第1,第2のターボ過給機7,8のウェストゲート弁7c,8cを制御し、第1のターボ過給機8から要求トルクに見合った空気量を供給すると共に、第2の過給機8で排気ガスを過給して必要なEGR量を確保する。
【0032】
一方、ステップ102において、エンジン1の燃焼形態が均一燃焼である場合には、ステップS106で、現在の運転領域が過給領域で過給有りの運転状態か否かを調べる。その結果、過給無しの場合、すなわち低負荷の運転領域で自然吸気の運転状態である場合には、通常のEGR制御とすべく、ステップS107へ進み、第1のEGR弁14を動作させて開度を制御する一方、第2のEGR弁15を閉弁させて第2のEGR通路13を遮断すると共に制御弁10を開とし、ルーチンを抜ける。この均一燃焼領域における通常のEGR制御は、図4に示すD領域で実行される。
【0033】
また、ステップS106において、過給有りの場合には、ステップS108へ進み、ブースト圧Pが設定値Pzを越えているか否かを調べる。この設定値Pzは、全負荷時の過給による出力性能を重視したパワー空燃比の領域(F領域)との境界を定めるブースト圧であり、エンジン形式や吸排気系の構成を考慮し、予めシミュレーション或いは実験等により求めた適正値がROM42に固定データとしてストアされている。
【0034】
そして、P≦Pzであり、パーシャル負荷に対応する過給領域である場合には、ステップS108からステップS109へ進み、第1のEGR弁14を閉弁させて第1のEGR通路12を遮断する一方、第2のEGR弁15及び制御弁10を動作させて開度を制御し、ルーチンを抜ける。このパーシャル負荷の過給領域(図4のE領域)では、第1,第2のターボ過給機7,8が作動し、最適なEGR率となるよう、第2のEGR弁15、制御弁10、両ターボ過給機7,8のウェストゲート弁7c,8cが制御される。
【0035】
また、ステップS108において、P>Pzであり、全負荷域(図4のF領域)の場合には、EGRを禁止すべくステップS108からステップS110へ進み、第1のEGR弁14と第2のEGR弁15とを共に閉弁させ、制御弁10を全開としてルーチンを抜ける。
【0036】
これにより、図5(a)に示すように、従来の吸気管圧力に依存するEGRでは、吸気管圧力が大気圧となる領域までがEGRの限界であり、このEGRの制約によって成層燃焼領域を拡大することは困難であったが、本形態では、図5(b)に示すように、吸気管圧力が大気圧以上になる領域での最大EGR流量及び最大EGR率を大きくして成層燃焼領域を拡大することができ、燃費向上、排気エミッションの向上を図ることができる。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、成層燃焼領域で排気還流を行う上での制約をなくして排気還流量を確保することができ、成層燃焼領域を拡大して燃費向上、排気エミッションの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】過給機付筒内噴射エンジンの全体概略図
【図2】電子制御系の構成図
【図3】EGR制御ルーチンのフローチャート
【図4】運転領域を示す説明図
【図5】吸気管圧力とEGR率との関係を示す説明図
【符号の説明】
1 過給機付筒内噴射エンジン
4 スロットル弁
8 ターボ過給機(特定の過給機)
12 第1のEGR通路(第1の排気還流通路)
13 第2のEGR通路(第2の排気還流通路)
14 第1のEGR弁(第1の排気還流弁)
15 第2のEGR弁(第2の排気還流弁)
40 電子制御装置(排気還流切換手段)
P 吸気管圧力
Pmin 設定値

Claims (2)

  1. 吸気を過給する第1の過給機と第2の過給機とを備え、筒内に燃料を噴射する筒内噴射エンジンの排気ガスの一部を吸気側に還流させる過給機付筒内噴射エンジンの排気還流装置であって、
    上記第2の過給機の排気入口は上記第1の過給機の排気入口よりも絞られて流入する排気の流速が速められるように構成されると共に、
    排気系とスロットル弁下流の吸気系とを連通する第1の排気還流通路に、該第1の排気還流通路を流れる排気ガスの流量を制御するための第1の排気還流弁を介装、上記第2の過給機のタービン下流側とコンプレッサ上流側とを連通する第2の排気還流通路に、該第2の排気還流通路を流れる排気ガスの流量を制御するための第2の排気還流弁を介装し、
    成層燃焼領域で吸気管圧力が設定値以下のときには、上記第1の排気還流弁を開弁動作させると共に上記第2の排気還流弁を閉弁させて上記第1の排気還流通路を介して排気ガスを吸気系に還流させ、成層燃焼領域で吸気管圧力が上記設定値を越えたとき、上記第1の排気還流弁を閉弁させると共に上記第2の排気還流弁を開弁動作させて上記第2の過給機の過給動作により排気ガスを強制的に吸気系に還流させる排気還流切換手段を備えたことを特徴とする過給機付筒内噴射エンジンの排気還流装置。
  2. 上記第2の過給機のコンプレッサ上流側で上記第2の排気還流通路が合流する部位の上流側に、上記第2の過給機への空気量を制御するための制御弁を設け、
    上記排気還流切換手段は、
    上記第2の過給機の過給動作により排気ガスを強制的に吸気系に還流させる際、上記第2の排気還流弁の開度と上記制御弁の開度とを制御して排気ガスの還流量を制御することを特徴とする請求項1記載の過給機付筒内噴射エンジンの排気還流装置。
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