JP4258388B2 - 内燃機関及び内燃機関の運転制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、均質リーン運転と成層運転とを切り替えて運転できるレシプロ式の内燃機関に関し、さらに詳しくは、均質リーン運転から成層運転時に切り替える際には、速やかに排気を吸気側へ還流できる内燃機関及び内燃機関の運転制御装置に関する。

レシプロ式の内燃機関は、乗用車やトラック等の車両に広く使用されている。このような内燃機関の性能向上を図るため、過給機により大気圧よりも高い圧力の空気を内燃機関に供給して出力を向上させたり、気筒内へ直接燃料を噴射して成層燃焼させることにより、燃料消費を低減させたりする技術が用いられている。特許文献１には、吸気通路へ燃料を噴射する筒外インジェクタと、気筒内へ燃料を噴射する筒内インジェクタとを備え、さらに過給装置を備えた内燃機関であって、過給圧に応じて筒内インジェクタと筒外インジェクタとの燃料噴射量の分担率を変更する技術が開示されている。

特開平１１−３５１０４１号公報

ところで、近年の内燃機関においては、均質希薄燃焼において過給を併用することにより、希薄燃焼領域を広げ、さらに、負荷、機関回転数の低い領域では成層運転に切り替えて、燃料消費を低減する提案がなされている。かかる技術を実現する場合、成層運転時には、内燃機関の排気を吸気側に還流させてＮＯｘの発生を抑制する必要がある。しかし、過給圧力が速やかに低下しないことから、成層運転切り替え時において、速やかに排気を吸気側へ還流させることが難しいという問題がある。特許文献１には、かかる問題点に関しては何ら言及されておらず、過給圧に応じて筒内インジェクタと筒外インジェクタとの燃料噴射量の分担率を変更することでは、前記問題点は解決できない。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、過給を併用した均質燃焼運転から成層運転に切り替える際には、速やかに排気を吸気側へ還流できる内燃機関及び内燃機関の運転制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この内燃機関は、過給を併用する均質リーン運転と、成層運転とを運転条件によって切り替え可能な内燃機関であって、排気によって駆動されるタービンと、このタービンに連結されて空気を加圧するコンプレッサとを含んで構成される過給手段と、前記タービンをバイパスさせてから、前記タービンの下流へ前記内燃機関の排気を流す排気バイパス手段と、前記コンプレッサをバイパスさせてから、前記内燃機関へ空気を供給する吸気バイパス手段と、前記タービンの下流から前記内燃機関の排気を抽気して、前記内燃機関の吸気側へ還流させる排気還流手段と、を備え、過給を併用する均質リーン運転から成層運転へ移行する際には、少なくとも前記吸気バイパス手段により前記コンプレッサをバイパスさせてから前記内燃機関へ空気を供給するとともに、前記排気還流手段により前記内燃機関の排気を還流させることを特徴とする。

この内燃機関は、過給を併用する均質リーン運転から、過給をしない成層運転に移行する場合、少なくとも過給手段のコンプレッサをバイパスさせて内燃機関へ空気を供給するとともに、排気を吸気側へ還流させる。これにより、吸気管圧力を大気圧とほぼ等しくした上で排気を吸気側へ還流できる。その結果、前記移行の際には速やかに排気を吸気側へ還流させることができる。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、過給を併用する均質リーン運転から成層運転へ移行する際には、さらに、前記排気バイパス手段により前記内燃機関の排気を前記タービンの下流へ流すことを特徴とする。

この内燃機関では、さらに、過給手段のタービンをバイパスさせて排気をタービン下流へ導いた上で、当該排気を吸気側へ還流する。これにより、タービンでの圧力損失をほぼ０にした状態で排気を吸気側へ還流できる。その結果、過給を併用する均質リーン運転から成層運転に移行するときには、速やかに排気を吸気側へ還流させることができる。

次の本発明に係る内燃機関は、過給を併用する均質リーン運転と、成層運転とを運転条件によって切り替え可能な内燃機関であって、排気によって駆動されるタービンと、このタービンに連結されて空気を加圧するコンプレッサとを含んで構成される過給手段と、前記タービンをバイパスさせてから、前記タービンの下流へ前記内燃機関の排気を流す排気バイパス手段と、前記コンプレッサをバイパスさせてから、前記内燃機関へ空気を供給する吸気バイパス手段と、前記タービンの上流から前記内燃機関の排気を抽気して、前記内燃機関の排気を前記内燃機関の吸気側へ還流させる還流手段と、を備え、過給を併用する均質リーン運転から成層運転へ移行する際には、前記吸気バイパス手段により前記コンプレッサをバイパスさせてから前記内燃機関へ空気を供給するとともに、前記タービンへ前記内燃機関の排気を導入した状態で、前記排気還流手段により前記内燃機関の排気を還流させることを特徴とする。

この内燃機関では、過給手段が備えるタービンの上流側から排気を吸気側へ還流させる。そして、過給を併用する均質リーン運転から成層運転へ移行する際に、排気を吸気側へ還流させるにあたっては、過吸手段のコンプレッサをバイパスさせて空気を内燃機関に供給するとともに、過給手段のタービンへは排気を導いた状態にしておく。このようにすることによって、タービンの抵抗により、還流させる排気の圧力は吸気側の空気圧力より大きいこととなるので、排気を速やかに吸気側へ還流させることができる。

次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記内燃機関の吸気ポート内へ燃料を噴射するポート噴射弁と、前記内燃機関の気筒内へ燃料を噴射する筒内噴射弁とを備え、過給を併用する均質リーン運転においては、前記ポート噴射弁から燃料を噴射し、成層運転においては前記筒内噴射弁から燃料を噴射することを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、過給を併用する均質リーン運転と、成層運転とを運転条件によって切り替え可能であるとともに、排気によって駆動されるタービン及び前記タービンに連結されて空気を加圧するコンプレッサを含んで構成される過給手段と、前記タービンの下流から前記内燃機関の排気を抽気して吸気側へ還流させる排気還流手段とを備える内燃機関の運転制御に用いるものであって、前記内燃機関が均質燃焼運転から成層運転へ移行する場合には、少なくとも前記コンプレッサをバイパスさせてから前記内燃機関へ空気を供給させる排気還流圧力制御部と、前記排気還流手段により前記内燃機関の排気を還流させる排気還流動作部と、を含んで構成されることを特徴とする。

この内燃機関の運転制御装置は、内燃機関の運転状態を、過給を併用する均質リーン運転から、過給をしない成層運転に移行させる場合には、少なくとも過給手段のコンプレッサをバイパスさせて内燃機関へ空気を供給するとともに、排気を吸気側へ還流させる。これにより、吸気管圧力を大気圧とほぼ等しくした上で排気を吸気側へ還流できる。その結果、前記移行の際には速やかに排気を吸気側へ還流させることができる。

次の本発明に係る内燃機関の運転制御装置は、過給を併用する均質リーン運転と、成層運転とを運転条件によって切り替え可能であるとともに、排気によって駆動されるタービン及び前記タービンに連結されて空気を加圧するコンプレッサを含んで構成される過給手段と、前記タービンの上流から前記内燃機関の排気を抽気して吸気側へ還流させる排気還流手段とを備える内燃機関の運転制御に用いるものであって、前記内燃機関が均質燃焼運転から成層運転へ移行する場合には、少なくとも前記コンプレッサをバイパスさせてから前記内燃機関へ空気を供給させるとともに、前記タービンへ前記内燃機関の排気を導入する排気還流圧力制御部と、前記排気還流手段により前記内燃機関の排気を還流させる排気還流動作部と、を含んで構成されることを特徴とする。

この内燃機関の運転制御装置は、過給手段が備えるタービンの上流側から、排気を吸気側へ還流させる内燃機関の運転制御に用いるものである。そして、当該内燃機関の運転状態を、過給を併用する均質リーン運転から成層運転へ移行させるにあたって、過吸手段のコンプレッサをバイパスさせて空気を内燃機関に供給するとともに、過給手段のタービンへ排気を導いて、排気を吸気側へ還流させる。このようにすることによって、タービンの抵抗により、還流させる排気の圧力は吸気側の空気圧力よりも大きいこととなるので、排気を速やかに吸気側へ還流させることができる。

本発明に係る内燃機関によれば、均質燃焼運転から成層運転に切り替える際には、速やかに排気を吸気側へ還流できるという効果を奏する。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下に説明する実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。また、本発明はレシプロ式の内燃機関に対して好適に適用でき、特に乗用車やバス、あるいはトラック等の車両に搭載される内燃機関に対して好ましい。

実施例１に係る内燃機関は、過給手段を備えるとともに、均質リーン運転と成層運転とを切り替え可能な内燃機関であって、排気を吸気側へ還流させる還流手段は、前記タービンの下流から前記排気を還流させるとともに、均質リーン運転から成層運転へ移行する際には、少なくとも前記吸気バイパス手段を開放する点に特徴がある。

図１は、実施例１に係る内燃機関の全体構成図である。実施例に係る内燃機関１は、ガソリンを燃料とする火花点火式のレシプロ式の内燃機関である。内燃機関１の気筒数は特に限定されるものではない。この内燃機関１は、気筒１ｓ内の燃焼室１ｂへ直接燃料Ｆを噴射するための筒内噴射弁３を備える。この筒内噴射弁３から噴射された燃料Ｆは、気筒１ｓ内の燃焼室１ｂで燃料噴霧Ｆｍを形成し、吸気ポート２２から燃焼室１ｂ内へ導入される空気と混合気を形成する。この混合気は、火花点火手段である点火プラグ９によって点火されて燃焼し、燃焼ガスの圧力がピストン７を往復運動させる。

この内燃機関１は、吸気ポート２２内へ燃料Ｆを噴射して、吸気ポート２２内で燃料噴霧Ｆｍを形成するポート噴射弁５も備える。なお、筒内噴射弁３は、主として成層運転時に用いることが好ましいが、燃料噴霧を微細化したり、燃料噴射時期を変更したりすれば、均質希薄燃焼にも用いることができる。したがって、実施例１の内燃機関を実現するためには、少なくとも筒内噴射弁３を備えていればよい。ただし、吸気ポート２２へ燃料Ｆを噴射すると、空気と燃料Ｆとが十分に混合されるため、均質希薄燃焼に適した混合気を形成することができる。このため、実施例１に係る内燃機関１では、成層運転時には筒内噴射弁３を使用して、均質希薄燃焼時にはポート噴射弁５を使用する。

内燃機関１は、過給手段を備える。この実施例においては、内燃機関１の排気によって駆動されるターボチャージャー（以下ターボという）１０を過給手段として備えている。このターボ１０は、コンプレッサ１０ｃと、内燃機関１の排気によりコンプレッサ１０ｃを駆動するタービン１０ｔと、両者を連結する回転軸１０ｓとで構成される。タービン１０ｔには、エキゾーストマニホールド（タービン上流側排気通路）２３から内燃機関１の排気が供給されて、当該排気により駆動される。なお、過給手段には、前記ターボ１０の他にも、いわゆる電動アシストターボも用いることができる。

ここで、タービン１０ｔの下流とは、タービン１０ｔを通過する排気の流れの下流側をいう。そして、タービン１０ｔの上流とは、タービン１０ｔに流入する排気の流れの上流側をいう。また、上流、下流というときには、内燃機関１に供給される空気、又は内燃機関が排出する排気の流れを基準として、上流、又は下流を判断する。また、内燃機関１の吸気側というときは、内燃機関１の吸気弁４よりも上流側をいい、内燃機関１の排気側というときは、内燃機関１の排気弁６よりも下流側をいう（以下同様）。

実施例１に係る内燃機関１は、過給手段による過給のあり、なしを切り替えることができる。このため、コンプレッサ上流側吸気通路２０とコンプレッサ下流側吸気通路２１との間には、吸気バイパス通路２０ｂがターボ１０のコンプレッサ１０ｃをバイパスして接続している。また、吸気バイパス通路２０ｂの途中には、吸気バイパス手段である吸気バイパス弁１１が設けられている。過給をしない場合には、吸気バイパス弁１１を開くことでコンプレッサ上流側吸気通路２０とコンプレッサ下流側吸気通路２１とを連通させて、ターボ１０のコンプレッサ１０ｃをバイパスさせて内燃機関１へ空気を供給することができる。一方、過給を併用する場合には、吸気バイパス弁１１を閉じることで空気をターボ１０のコンプレッサ１０ｃへ導いて、過給した空気を内燃機関１へ空気を供給することができる。

また、この内燃機関１は、成層運転時においては、排気を内燃機関１の吸気側へ還流する、いわゆるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を実行する。このため、タービン下流側排気通路２４とコンプレッサ下流側吸気通路２１とを結ぶ排気還流通路２６が設けられている。排気還流通路２６には、排気還流手段であるＥＧＲ弁１３が設けられている。そして、これを開くことで、内燃機関１の排気を吸気側へ導くことができる。なお、この例においては触媒１７の上流から排気を抽気する。

内燃機関１の運転を制御するエンジンＥＣＵ３０（Electronic Control Unit）は、内燃機関１に取り付けられるアクセル開度センサ４１、エアフローセンサ４３その他の各種センサ類からの出力を取得して、内燃機関１の運転を制御する。また、この内燃機関１は、アクチュエータ４５により開閉されるスロットル弁１４を備えている。エンジンＥＣＵ３０は、アクセル開度センサ４１からの出力を取得するとともに、内燃機関１が成層運転であるか均質燃焼運転であるか等を考慮して、アクチュエータ４５に制御信号を送り、適切なスロットル開度をスロットル弁１４に与える。同時に、エンジンＥＣＵ３０は、アクセル開度センサ４１やエアフローセンサ４３からの出力から、内燃機関１に供給する燃料の量を算出する。また、内燃機関１の運転状態に応じて、吸気側へ還流させる排気の量を決定する。

次に、内燃機関１の運転について説明する。図２は、実施例１に係る内燃機関の運転時における燃焼領域の説明図である。図２中のλは空気過剰率であり、λ＝１はストイキである。また、Ｒ／Ｌは走行抵抗である。実施例１に係る内燃機関１は、均質リーン運転と成層運転とを切り替え可能である。図２に示すように、内燃機関１の負荷ＫＬと機関回転数ＮＥとによって、均質リーン運転と成層運転とを切り替える。具体的には、低負荷、低回転数の領域においては、均質リーン運転から成層運転に切り替える。

また、実施例１に係る内燃機関１で均質リーン運転する場合、ターボ１０により空気を過給する。これにより、空気過剰率λは１を大きく超えることになる。なお、均質リーン運転のみならず、空気過剰率λ＝１の領域やＷＯＴ（Wide Open Throttle：高負荷領域）においても空気を過給する。一方、成層運転時においては、原則として過給はしないで、筒内噴射弁３から気筒１ｓ内の燃焼室１ｂへ直接燃料を噴射する。成層運転においては、排気を吸気側へ還流するため、空気過剰率λは均質リーン運転時よりは小さくなる。

均質リーン運転の場合、エアクリーナ１５でごみが取り除かれた空気は、コンプレッサ上流側吸気通路２０に設けられるエアフローセンサ４３によって流量が測定された後、ターボ１０のコンプレッサ１０ｃへ導入される。そして、コンプレッサ１０ｃで圧縮された後、コンプレッサ下流側吸気通路２１を通ってインタークーラー１６を通過した後、スロットル弁１４で空気量が調整される。スロットル弁１４を通過した空気は、吸気ポート２２を通って気筒１ｓの燃焼室１ｂへ供給される。このとき、均質リーン運転時には、吸気ポート２２内にポート噴射弁５から燃料Ｆが供給されて、前記空気と混合気を形成する。

気筒１ｓの燃焼室１ｂへ供給された混合気は点火プラグ９により着火されて燃焼し、ピストン７を駆動する。ピストン７を駆動した後の排気は、エキゾーストマニホールド２３へ排出された後、ターボ１０のタービン１０ｔへ供給されて、これを駆動する。タービン１０ｔは、コンプレッサ１０ｃを駆動して内燃機関１へ圧縮した空気を供給する。タービン１０ｔを駆動した後の排気は、タービン下流側排気通路２４を通って触媒１７へ送られて、ここで浄化された後、触媒下流側排気通路２５を通って大気中へ排出される。

成層運転の場合、エアクリーナ１５でごみが取り除かれた空気は、コンプレッサ上流側吸気通路２０に設けられるエアフローセンサ４３によって流量が測定される。成層燃焼の場合、ターボ１０には用いないで、吸気バイパス通路２０ｂから内燃機関１へ空気を供給する。このため、吸気バイパス弁１１を開放することにより、コンプレッサ上流側吸気通路２０とコンプレッサ下流側吸気通路２１とを連通させる。これにより、ターボ１０のコンプレッサ１０ｃをバイパスさせて内燃機関１へ空気を供給する。

コンプレッサ１０ｃをバイパスした空気は、コンプレッサ下流側吸気通路２１に設けられるスロットル弁１４で空気量が調整される。スロットル弁１４を通過した空気は、吸気ポート２２を通って気筒１ｓの燃焼室１ｂへ供給される。気筒１ｓの燃焼室１ｂへ供給された空気に対して、筒内噴射弁３から燃料Ｆが噴射される。燃料Ｆは、燃焼室１ｂ内で点火プラグ９の方へ巻き上げられ、点火プラグ９の近傍で濃い混合気層を形成する。この混合気層は点火プラグ９により着火されて燃焼し、ピストン７を駆動する。

ピストン７を駆動した後の排気は、エキゾーストマニホールド２３へ排出される。成層運転において、排気を吸気側に還流させることで燃焼温度を低下させ、ＮＯｘの発生を抑制する。このため、排気バイパス手段である排気バイパス弁１２（いわゆるウェストゲート）を開放して、内燃機関１の排気を排気バイパス通路２３ｂへ導く。排気バイパス通路２３ｂ通った排気は、タービン下流側排気通路２４へ流れる。ここで、排気還流手段であるＥＧＲ弁１３が開放されているので、タービン下流側排気通路２４を流れる排気は排気還流通路２６を通って、吸気側であるコンプレッサ下流側吸気通路２１へ供給される。

なお、ターボ１０により過給しない場合、コンプレッサ下流側吸気通路２１内の圧力（以下吸気管圧力）Ｐｂは、タービン下流側排気通路２４内の圧力（以下タービン下流側排気圧力）Ｐ６よりも小さいため、排気を吸気側へ還流させることができる。しかし、ターボ１０により過給する場合、前記吸気管圧力Ｐｂは、前記タービン下流側排気圧力Ｐ６よりも大きくなる場合がある。このような場合、排気を吸気側へ還流させることはできないので、成層運転時に排気を吸気側へ還流させることができるのは、Ｐｂ＜Ｐ６の場合である。実施例１では、成層運転時には原則として過給を中止して、排気を吸気側へ還流することにより、成層運転時に発生するＮＯｘを低減する。

過給を併用する均質リーン運転から、過給をしない成層運転に移行する場合、移行と同時に排気を吸気側へ還流しないと、成層運転時にはＮＯｘを大量に発生してしまう。一方、ターボ１０のタービン１０ｔは、極めて高い回転数（数万ｒｐｍ〜１０数万ｒｐｍ）で回転しているため、急激に回転を落として過給を中止することは極めて困難である。このため、実施例１においては、均質リーン運転から成層運転に移行するときには、吸気バイパス弁１１を開くとともに排気バイパス弁１２を開く。

なお、過給手段に内燃機関１のクランクシャフトから取り出した動力によって駆動される機械式の過給機（いわゆるスーパーチャージャー）を用いる場合は、内燃機関１の排気は利用しないため、吸気バイパス弁１１を開くだけでよい。また、コンプレッサ下流側吸気通路２１内の圧力がタービン下流側排気通路２４内の圧力よりも低くならなければ、排気は吸気側に還流しない。また、コンプレッサ下流側吸気通路２１内の圧力も、タービン下流側排気通路２４内の圧力も、大気圧よりも小さくはならない。このため、成層運転に移行する際に排気を還流させるためには、少なくとも吸気バイパス弁１１を開いて、コンプレッサ下流側吸気通路２１内の圧力を大気圧に近づけることが必要である。

吸気バイパス弁１１を開くことにより、吸気管圧力Ｐｂを大気圧Ｐ０とほぼ等しくする。また、排気バイパス弁１２を開くことにより、タービン１０ｔでの圧力損失をほぼ０にして、圧力がほとんど低下していない状態の排気をタービン下流側排気通路２４へ導入する。これにより、排気を吸気側へ還流させる場合には、吸気管圧力Ｐｂ＜タービン下流側排気圧力Ｐ６の状態を速やかに作り出すことができる。その結果、均質リーン運転から成層運転に移行するときには、速やかに排気を吸気側へ還流させることができるので、成層運転の開始時からＮＯｘの発生量を極めて少なくすることができる。また、内燃機関１の排気を吸気側へ還流させる際には、排気バイパス弁１２を開いてタービン１０ｔをバイパスさせるので、内燃機関１の排気抵抗を小さくできる。その結果、内燃機関１の燃料消費を低減することができる。

次に、実施例１に係る内燃機関の運転制御装置について説明する。図３は、実施例１に係る内燃機関の運転制御装置の構成を示す説明図である。ここで、実施例１に係る内燃機関の始動制御方法は、本発明の内燃機関の運転制御装置５０によって実現できる。内燃機関の運転制御装置５０は、エンジンＥＣＵ３０に組み込まれて構成されている。なお、エンジンＥＣＵ３０とは別個に、この実施例に係る内燃機関の運転制御装置５０を用意し、これをエンジンＥＣＵ３０に接続してもよい。そして、この実施例に係る内燃機関の始動制御方法を実現するにあたっては、エンジンＥＣＵ３０が備える内燃機関１の制御機能を、前記内燃機関の運転制御装置５０が利用できるように構成してもよい。

内燃機関の運転制御装置５０は、運転状態判定部５１と、排気還流圧力制御部５２と、排気還流動作部５３とを含んで構成される。これらが、この実施例に係る内燃機関の始動制御方法を実行する部分となる。運転状態判定部５１と、排気還流圧力制御部５２と、排気還流動作部５３とは、内燃機関の運転制御装置５０の入出力ポート（Ｉ／Ｏ）３９を介して接続される。これにより、運転状態判定部５１と、排気還流圧力制御部５２と、排気還流動作部５３とは、それぞれ双方向でデータをやり取りできるように構成される。なお、装置構成上の必要に応じて片方向でデータを送受信するようにしてもよい（以下同様）。

内燃機関の運転制御装置５０とエンジンＥＣＵ３０の主処理部３０ｐと記憶部３０ｍとは、エンジンＥＣＵ３０に備えられる入出力ポート（Ｉ／Ｏ）３９を介して接続されており、これらの間で相互にデータをやり取りすることができる。これにより、内燃機関の運転制御装置５０はエンジンＥＣＵ３０が有する内燃機関１の負荷や機関回転数その他の内燃機関の運転制御データを取得したり、内燃機関の運転制御装置５０の制御をエンジンＥＣＵ３０の内燃機関の運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。

また、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）３９には、アクセル開度センサ４１、回転数センサ４２、エアフローセンサ４３その他の、内燃機関１の運転状態に関する情報を取得する各種センサが接続されている。これにより、エンジンＥＣＵ３０や内燃機関の運転制御装置５０は、内燃機関１の運転制御に必要な情報を取得することができる。また、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）３９には、吸気バイパス弁１１、排気バイパス弁１２、ＥＧＲ弁１３が接続されており、内燃機関の運転制御装置５０の排気還流圧力制御部５２やエンジンＥＣＵ３０の主処理部３０ｐからの制御信号によりこれらが開閉されるように構成される。

記憶部３０ｍには、この実施例に係る内燃機関の始動制御方法の処理手順を含むコンピュータプログラムや、内燃機関１の運転制御に用いる燃料噴射量のデータマップ等が格納されている。ここで、記憶部３０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。また、内燃機関の運転制御装置５０やエンジンＥＣＵ３０の主処理部３０ｐは、メモリ及びＣＰＵにより構成することができる。

上記コンピュータプログラムは、運転状態判定部５１や排気還流圧力制御部５２等へすでに記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、この実施例に係る内燃機関の始動制御方法の処理手順を実現できるものであってもよい。この内燃機関の運転制御装置５０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、運転状態判定部５１、排気還流圧力制御部５２、排気還流動作部５３の機能を実現するものであってもよい。次に、この内燃機関の運転制御装置５０を用いて、この実施例に係る内燃機関の始動制御方法を実現する手順を説明する。なお、この説明にあたっては、適宜図１、２を参照されたい。

図４は、実施例１に係る内燃機関の始動制御方法の手順を示すフローチャートである。実施例１に係る内燃機関の運転制御を実行する場合、内燃機関の運転制御装置５０の運転状態判定部５１は、内燃機関１の機関回転数ＮＥ及び負荷ＫＬから、内燃機関１が均質リーン運転で運転されているか否かを判定する（ステップＳ１０１）。内燃機関１が均質リーン運転で運転されていない場合（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、再び内燃機関１の運転状態を監視する。

内燃機関１が均質リーン運転で運転されている場合（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、運転状態判定部５２は、内燃機関１の機関回転数ＮＥ及び負荷ＫＬから、内燃機関１が成層運転に移行するか否かを判定する（ステップＳ１０２）。内燃機関１が成層運転に移行しない場合（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、再び内燃機関１の運転状態を監視する。

内燃機関１が成層運転に移行する場合（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、排気還流圧力制御部５２は、吸気バイパス弁（Ａ／Ｂ弁）１１及び排気バイパス弁（Ｅ／Ｂ弁）１２を開く（ステップＳ１０３）。これにより、吸気管圧力Ｐｂ＜タービン下流側排気圧力Ｐ６の状態を瞬時に達成できる。そして、排気還流動作部５３はＥＧＲ弁１３を開けて（ステップＳ１０４）、内燃機関１の排気を吸気側へ還流させる。同時に、エンジンＥＣＵ３０の主処理部３０ｐは、エアフローセンサ４３、アクセル開度センサ４１等からの情報に基づいて求めた燃料噴射量で筒内噴射弁３から燃料を噴射させて、成層運転へ移行する。

以上、実施例１によれば、過給を併用する均質リーン運転から、過給をしない成層運転に移行する場合、吸気バイパス弁を開くとともに排気バイパス弁を開く。これにより、吸気管圧力を大気圧とほぼ等しくするとともに、タービンでの圧力損失をほぼ０にして、圧力がほとんど低下していない状態の排気を吸気側へ還流できる。その結果、過給を併用する均質リーン運転から成層運転に移行するときには、速やかに排気を吸気側へ還流させることができるので、成層運転の開始時からＮＯｘの発生量を極めて少なくすることができる。また、内燃機関の排気を吸気側へ還流させる際には、排気バイパス弁を開いてタービンをバイパスさせるので、内燃機関の排気抵抗を小さくできる。その結果、内燃機関の燃料消費を低減することができる。

実施例２に係る内燃機関は、実施例１に係る内燃機関とほぼ同様の構成であるが、ターボが備えるタービンの上流から排気を吸気側へ還流させる点が異なる。他の構成は実施例１と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成に対しては同一の符号を付す。図５は、実施例２に係る内燃機関の全体構成図である。図６は、実施例２に係る内燃機関の始動制御方法の手順を示すフローチャートである。なお、実施例２に係る内燃機関の運転制御方法は、実施例１に係る内燃機関の運転制御装置５０によって実現できる。

この内燃機関１'も、成層運転時においては、排気を内燃機関１の吸気側へ還流する、いわゆるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を実行する。このため、タービン上流側排気通路２３とコンプレッサ下流側吸気通路２１とを結ぶ排気還流通路２６'が設けられている。この排気還流通路２６'には、排気還流手段であるＥＧＲ弁１３が設けられており、これを開くことで、内燃機関１の排気を吸気側へ導くことができる。

均質リーン運転から成層運転へ移行する際に過給を中止して、排気を吸気側へ還流させるにあたっては、吸気バイパス弁１１を開くとともに、排気バイパス弁１２は閉じたままとする。このようにすることによって、タービン１０ｔの抵抗により、タービン上流側排気圧力Ｐ５は、タービン下流側排気圧力Ｐ６よりも大きくなる。また、吸気バイパス弁１１を開くことにより、吸気管圧力Ｐｂ＝大気圧（Ｐ０）となる。これにより、排気還流通路入口２６ｉ'における還流排気の圧力、すなわちタービン上流側排気圧力Ｐ５＞吸気管圧力Ｐｂとなるので、成層運転時において、内燃機関１の排気を吸気側へ還流させることができる。

このように、タービン上流側排気通路２３から排気を還流させると、タービン上流側排気圧力Ｐ５と吸気管圧力Ｐｂとの圧力差（Ｐ５−Ｐｂ）が常に正圧になる。これによって、安定して排気を吸気側へ還流させてＮＯｘの発生を抑制できる。また、前記圧力差（Ｐ５−Ｐｂ）が常に正圧なので、ＥＧＲ弁１３を開くと排気が速やかに吸気側へ還流して、速やかにＮＯｘ低減の効果が得られる。

また、実施例２に係る内燃機関１'では、成層運転へ移行した後、吸気管圧力Ｐｂが十分に低下するまでの所定時間は、排気バイパス弁１２を閉じて吸気側へ排気を還流させ、その後、排気バイパス弁１２を開くようにしてもよい。これにより、吸気管圧力Ｐｂが十分に低下（例えば大気圧近傍まで）するまでは、タービン上流側排気圧力Ｐ５と吸気管圧力Ｐｂとの差を大きくできるので、安定して内燃機関１の排気を吸気側へ還流できる。そして、安定して吸気側へ排気が還流し始めてからは、排気バイパス弁１２を開くことにより、タービン上流側排気通路２３におけるタービン上流側排気圧力Ｐ５を低くできるので、内燃機関１の排気抵抗を低くして、燃料消費を低減することができる。

さらに、実施例２に係る内燃機関１'では、吸気バイパス弁１１を完全に開放せず、開度を調整することにより、成層運転においても、低い圧力で過給しながら排気を吸気側へ還流することもできる。このときは、吸気管圧力Ｐｂ＜タービン上流側排気圧力Ｐ５の関係を満たすように、内燃機関１に対する過給圧力を調整する。

次に、実施例２に係る内燃機関の運転制御の手順について説明する。まず、内燃機関の運転制御装置５０の運転状態判定部５１は、内燃機関１の機関回転数ＮＥ及び負荷ＫＬから、内燃機関１が均質リーン運転で運転されているか否かを判定する（ステップＳ２０１）。内燃機関１が均質リーン運転で運転されていない場合（ステップＳ２０１；Ｎｏ）、再び内燃機関１の運転状態を監視する。

内燃機関１が均質リーン運転で運転されている場合（ステップＳ２０１；Ｙｅｓ）、運転状態判定部５２は、内燃機関１の機関回転数ＮＥ及び負荷ＫＬから、内燃機関１が成層運転に移行するか否かを判定する（ステップＳ２０２）。内燃機関１が成層運転に移行しない場合（ステップＳ２０２；Ｎｏ）、再び内燃機関１の運転状態を監視する。内燃機関１が成層運転に移行する場合（ステップＳ２０２；Ｙｅｓ）、排気還流圧力制御部５２は、吸気バイパス弁（Ａ／Ｂ弁）１１を開くとともに、排気バイパス弁（Ｅ／Ｂ弁）１２を閉じる（ステップＳ２０３）。これにより、吸気管圧力Ｐｂ＜タービン下流側排気圧力Ｐ６の状態を瞬時に達成できる。そして、排気還流動作部５３はＥＧＲ弁１３を開けて（ステップＳ２０４）、内燃機関１の排気を吸気側へ還流させる。同時に、エンジンＥＣＵ３０の主処理部３０ｐは、エアフローセンサ４３、アクセル開度センサ４１等からの情報に基づいて求めた燃料噴射量で筒内噴射弁３から燃料を噴射させて、成層運転へ移行する。

以上、実施例２に係る内燃機関では、ターボ上流側排気通路から排気を吸気側へ還流させる。そして、過給を併用する均質リーン運転から過給を用いない成層運転へ移行する際に、排気を吸気側へ還流させるにあたっては、吸気バイパス弁を開くとともに、排気バイパス弁１２は閉じたままとする。このようにすることによって、タービンの抵抗により、排気還流通路入口における還流排気の圧力は常に吸気管圧力よりも大きくできるので、成層運転時においては、内燃機関の排気を安定して吸気側へ還流させてＮＯｘの発生を抑制できる。また、還流させる排気の圧力は常に吸気管圧力よりも大きいので、当該排気の圧力は、吸気管圧力よりも大きいこととなる。これにより、ＥＧＲ弁を開くと排気が速やかに吸気側へ還流して、速やかにＮＯｘ低減の効果が得られる。

以上のように、本発明に係る内燃機関は、過給を併用する均質リーン運転と成層運転とを切り替え可能な内燃機関に有用であり、特に、成層運転に移行する際に、速やかに排気を吸気側に供給することに適している。

実施例１に係る内燃機関の全体構成図である。 実施例１に係る内燃機関の運転時における燃焼領域の説明図である。 実施例１に係る内燃機関の運転制御装置の構成を示す説明図である。 実施例１に係る内燃機関の始動制御方法の手順を示すフローチャートである。 実施例２に係る内燃機関の全体構成図である。 実施例２に係る内燃機関の始動制御方法の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 筒内噴射弁
４ 吸気弁
５ ポート噴射弁
６ 排気弁
１０ ターボ（ターボチャージャー）
１０ｃ コンプレッサ
１０ｔ タービン
１１ 吸気バイパス弁
１２ 排気バイパス弁
１３ ＥＧＲ弁
２０ コンプレッサ上流側吸気通路
２０ｂ 吸気バイパス通路
２１ コンプレッサ下流側吸気通路
２２ 吸気ポート
２３ エキゾーストマニホールド（タービン上流側排気通路）
２３ｂ 排気バイパス通路
２４ タービン下流側排気通路
３０ エンジンＥＣＵ
５０ 内燃機関の運転制御装置
５１ 運転状態判定部
５２ 排気還流圧力制御部
５２ 運転状態判定部
５３ 排気還流動作部

Claims (3)

1. 過給を併用する均質リーン運転と、成層運転とを運転条件によって切り替え可能な内燃機関であって、
   排気によって駆動されるタービンと、このタービンに連結されて空気を加圧するコンプレッサとを含んで構成される過給手段と、
   前記タービンをバイパスさせてから、前記タービンの下流へ前記内燃機関の排気を流す排気バイパス手段と、
   前記コンプレッサをバイパスさせてから、前記内燃機関へ空気を供給する吸気バイパス手段と、
   前記タービンの上流から前記内燃機関の排気を抽気して、前記内燃機関の排気を前記内燃機関の吸気側かつ前記コンプレッサの下流側へ還流させる還流手段と、を備え、
   過給を併用する均質リーン運転から成層運転へ移行する際には、前記吸気バイパス手段により前記コンプレッサをバイパスさせてから前記内燃機関へ空気を供給するとともに、前記排気バイパス手段を閉じたままとして、前記タービンへ前記内燃機関の排気を導入した状態で、前記排気還流手段により前記内燃機関の排気を還流させ、さらに、成層運転へ移行した後、所定時間が経過してから、前記排気バイパス手段を開くことを特徴とする内燃機関。
2. 前記内燃機関の吸気ポート内へ燃料を噴射するポート噴射弁と、前記内燃機関の気筒内へ燃料を噴射する筒内噴射弁とを備え、過給を併用する均質リーン運転においては、前記ポート噴射弁から燃料を噴射し、成層運転においては前記筒内噴射弁から燃料を噴射することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 過給を併用する均質リーン運転と、成層運転とを運転条件によって切り替え可能であるとともに、排気によって駆動されるタービン及び前記タービンに連結されて空気を加圧するコンプレッサを含んで構成される過給手段と、前記タービンの上流から前記内燃機関の排気を抽気して吸気側かつ前記コンプレッサの下流側へ還流させる排気還流手段と、前記タービンをバイパスさせてから、前記タービンの下流へ前記内燃機関の排気を流す排気バイパス手段とを備える内燃機関の運転制御に用いるものであって、
   前記内燃機関が均質燃焼運転から成層運転へ移行する場合には、少なくとも前記コンプレッサをバイパスさせてから前記内燃機関へ空気を供給させるとともに、前記排気バイパス手段を閉じたままとして、前記タービンへ前記内燃機関の排気を導入した状態で、前記排気還流手段により前記内燃機関の排気を還流させ、さらに、成層運転へ移行した後、所定時間が経過してから、前記排気バイパス手段を開く排気還流圧力制御部と、
   前記排気還流手段により前記内燃機関の排気を還流させる排気還流動作部と、
   を含んで構成されることを特徴とする内燃機関の運転制御装置。

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