JP4449490B2

JP4449490B2 - 過給式内燃機関

Info

Publication number: JP4449490B2
Application number: JP2004044586A
Authority: JP
Inventors: 貴士天野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2024-02-20
Also published as: JP2005233116A

Description

この発明は、過給式内燃機関に係り、特に、吸気通路にインタークーラが配置される過給式内燃機関に関する。

従来、例えば特開平５−２６０４９号公報に開示されているように、インタークーラを備える過給式内燃機関が知られている。この内燃機関の吸気通路には、インタークーラを介する通路とインタークーラを迂回するバイパス通路とが設けられている。そして、この内燃機関では、冷間時に、過給器により圧縮された高温空気をバイパス通路を利用して筒内に供給することとしている。このため、上記従来の内燃機関によれば、冷間時の燃焼改善および暖気促進を実現することができる。

特開平５−２６０４９号公報

インタークーラを備える過給式内燃機関において、実質的に過給が行われない低負荷・低回転領域では、インタークーラによる冷却が不要な場合がある。バイパス通路を備える上記従来の内燃機関では、このような領域において、バイパス通路を利用すれば無用な吸気の冷却を無くすことができる。内燃機関のレスポンスは、吸気通路の長さが長いほど悪くなる。上記従来の内燃機関では、バイパス通路がインタークーラを介する通路に比して長くなるように形成されている。つまり、この機関では、吸気通路の長さという点において、特別な考慮がなされていない。このため、低負荷・低回転領域において、バイパス通路を利用することとすると、機関のレスポンスが悪くなるという特性が生ずる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、低負荷・低回転領域における機関のレスポンスを向上させることのできる過給式内燃機関を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、過給機の下流側にインタークーラが配置される吸気通路を備える過給式内燃機関であって、
前記吸気通路は、前記インタークーラを通過するクーラ側通路と、
前記クーラ側通路における前記インタークーラの上流側から分岐し、前記インタークーラを通過しないで前記インタークーラの下流側の前記クーラ側通路に合流するように設けられたバイパス通路と、
前記クーラ側通路と前記バイパス通路との上流側分岐点に設置され、内燃機関の運転状況に応じて、前記クーラ側通路と前記バイパス通路とに吸気を分配する分配装置とを備え、
前記バイパス通路は、その通路長さが前記クーラ側通路より短く、
前記クーラ側通路に吸気を全量供給する第１のモードと、前記バイパス通路に吸気を全量供給する第２のモードと、前記過給式内燃機関の機関回転数と負荷との関係に基づき決められた前記クーラ側通路と前記バイパス通路との吸気の分配比率になるよう前記分配装置を調整して吸気の分配比率を調整する第３のモードのうち何れかのモードを、前記機関回転数と負荷との関係に基づいて選択し設定する分配比率設定手段を備え、
前記過給式内燃機関は、希薄燃焼運転を実行する過給式内燃機関であって、
前記分配比率設定手段は、前記第３のモードにおいて、前記過給機下流側の吸気温度が低い場合には、前記過給式内燃機関から排出される排気ガス中のNOx排出量が多いほど前記クーラ側通路に吸気を分配する比率を低くする第２の分配比率修正手段を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、分配装置によってインタークーラを通過させずにバイパス通路に吸気を供給させることができる。内燃機関のレスポンスは、吸気通路の長さが長いほど悪くなる。従って、本発明によれば、バイパス通路を利用した場合の機関のレスポンスをクーラ側通路を利用した場合に比して良くすることができる。このため、本発明によれば、低負荷・低回転領域において、バイパス通路を利用することにより、使用頻度の高い領域であり、かつ、良好なレスポンスの望まれる低負荷・低回転領域において、機関のレスポンスを向上させることができる。また、本発明によれば、第２または第３のモードの実行時において、燃焼を改善するために、インタークーラを通過しない高温の吸気を利用することができる。また、低負荷・低回転領域では、実質的に過給が行われないため、インタークーラによる冷却が不要な場合がある。このため、本発明によれば、低負荷・低回転領域において、第２のモードを選択することにより、吸気が過度に冷却されず、例えば、水冷式のインタークーラを用いている場合には、インタークーラに冷却水を供給するポンプの仕事を低減させることができる。更に、本発明によれば、吸気温度の低い状況下でNOxが生じた場合に、燃焼状態が悪いために生じたものと判断することができる。このため、本発明によれば、第３のモードの実行時において、吸気温度が低い場合には、インタークーラを介し冷却される吸気を低減でき、比較的高温の吸気を供給することで、燃焼状態を改善し、より希薄な空燃比で希薄燃焼運転を実現することができる。その結果として、燃焼温度が下がることにより、NOx排出量の低減が可能となる。このため、本発明によれば、NOxの排出を抑制しつつ、精度良く安定した希薄燃焼を実現することができる。

以下、図面を参照し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。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の内燃機関１０の構成を説明するための図である。内燃機関１０の本体１２には、吸気通路１４と排気通路１６が連通している。吸気通路１４には、エアクリーナ１８の下流に、排気ガスのエネルギを利用して吸気の過給を行うターボチャージャ２０が配置されている。ターボチャージャ２０の下流側には、分配装置２２が配置されている。また、吸気通路１４は、分配装置２２を上流側分岐点とした２系統の通路を備えている。分配装置２２には、これら２つの通路に吸気を分配するための図示しない弁機構が内蔵されている。

一方の分岐路（以下、「クーラ側通路Ａ」と称する）には、水冷式のインタークーラ２４が配置されている。インタークーラ２４には、図示しないポンプにより冷却水が供給されている。他方の分岐路（以下、「バイパス通路Ｂ」と称する）は、分配装置２２を起点にインタークーラ２４を通らずに、インタークーラ２４の下流側でクーラ側通路Ａと合流するように設けられている。そして、バイパス通路Ｂは、その通路長さがクーラ側通路Ａに比して短くなるように形成されている。

また、吸気通路１４には、スロットルバルブ２６の下流側に、本体１２に吸入される吸気温度を検出する吸気温センサ２８が配置されている。一方、排気通路１６には、排気ガス中に含まれるNOx濃度を検出するNOxセンサ３０が配置されている。これらの吸気温センサ２８およびNOxセンサ３０は、それぞれECU(Electronic Control Unit)３２に接続されている。また、ECU３２には、上述した分配装置２２が接続されている。分配装置２２は、ECU３２により弁機構の開度が制御されている。

図１中に示す矢印は、吸気通路１４に吸入された吸気が排気通路１６から排気として排出されるまでの流れを示している。図１に示すように、吸気通路１４に吸入された吸気は、エアクリーナ１８を通過した後にターボチャージャ２０に供給される。この際、排気ガスのエネルギが所定値以上であれば、吸気はターボチャージャ２０により過給されて高温のガスとなる。ターボチャージャ２０を通過した吸気は、分配装置２２に供給される。

分配装置２２では、弁機構がバイパス通路Ｂを遮断すると、全ての吸気がクーラ側通路Ａに供給され、また、弁機構がクーラ側通路Ａを遮断すると、全ての吸気がバイパス通路Ｂに供給される。更に、分配装置２２では、弁機構の開度が制御されることにより、クーラ側通路Ａに供給される吸気とバイパス通路Ｂに供給される吸気とが、所望の比率に分配される。

次に、本実施形態のシステムにおいて、分配装置２２によってクーラ側通路Ａとバイパス通路Ｂとに吸入空気量を分配することによる利点について説明する。

過給機を備える内燃機関において、インタークーラを使用すると、全ての運転領域で吸気が常に冷却されることとなる。つまり、吸気温度が比較的高くなっていない低負荷・低回転領域においても、吸気が冷やされてしまう。このような領域は、本来、インタークーラによる冷却が不要な領域である。本実施形態のシステムは、分配装置２２を制御することにより、インタークーラ２４を介さないバイパス通路Ｂに全ての吸気を供給することが可能である。このため、本実施形態のシステムによれば、低負荷・低回転領域において、全ての吸気をバイパス通路Ｂに供給することにより、吸気が不要に冷却されるのを防止することができる。

内燃機関１０のレスポンスは、吸気通路の長さが短いほど良くなる。つまり、本実施形態の通路構成によれば、バイパス通路Ｂに吸気が供給される場合の機関のレスポンスを、クーラ側通路Ａに吸気が供給される場合に比して向上させることができる。このため、本実施形態のシステムでは、低負荷・低回転領域において、バイパス通路Ｂに全ての吸気を供給することとすれば、使用頻度の高い領域であり、かつ、良好なレスポンスの望まれる低負荷・低回転領域において、機関のレスポンスを向上させることができる。

また、過給機を備える内燃機関において、希薄燃焼運転時に安定した燃焼を実現するためには、過給機により圧縮された高温の吸気を利用することが有効である。その一方で、過大に高い温度の吸気を利用すると、燃焼温度が高くなることによるNOx排出量の増加やノッキングの発生が起こり得る。従って、NOx排出等を抑制しつつ、安定して希薄燃焼運転を実現するためには、運転状況に応じて、吸気温度の制御が可能であることが望ましい。本実施形態のシステムでは、分配装置２２を制御して、クーラ側通路Ａとバイパス通路Ｂとに分配する吸入空気量の比率を変更することにより、筒内に供給する吸気の温度制御が可能となる。つまり、バイパス通路Ｂへの吸気供給量を増やせば、吸気温度を上げることができ、クーラ側通路Ａへの吸気供給量を増やせば、吸気温度を下げることができる。従って、本実施形態の過給式内燃機関１０によれば、NOx排出等を抑制しつつ、安定した希薄燃焼運転を実現することができる。

次に、図２および図３を参照して、本実施の形態１のECU３２が上記の機能を実現するために実行する具体的な処理について説明する。
図２は、本実施の形態１において、ECU３２がクーラ側通路Ａとバイパス通路Ｂとに吸気を分配するための分配比率を決定するために記憶しているマップの一例である。図２に示すように、ECU３２は、内燃機関の運転領域を負荷と回転数に基づいて分類した３つの領域を設けている。すなわち、ECU３２は、内燃機関の出力を優先させる領域として、「通常過給領域」を有している。この通常過給領域には、主に高負荷・高回転領域が相当している。

また、ECU３２は、燃費優先で希薄燃焼運転を行う領域として、「ＮＡリーン領域」と「過給リーン領域」とを有している。ＮＡリーン領域は、通常、高頻度で用いられる低負荷・低回転領域を示している。つまり、このＮＡリーン領域は、主に実質的な過給が行われていないことで吸気が高温ガスとなっていないため、インタークーラ２４による冷却が不要となる領域を示している。過給リーン領域は、NOx排出量等を考慮しつつ、過給された高温の吸気を利用して希薄燃焼運転を行う領域を示している。この過給リーン領域では、ECU３２は、負荷と回転数に基づいて、クーラ側通路Ａとバイパス通路Ｂとに供給する吸入空気量の分配比率を決定している。具体的には、負荷が高いほどクーラ側通路Ａへの分配比率を高めることとしている。

図３は、図１に示すECU３２が上記機能を実現するために実行するルーチンのフローチャートである。尚、本ルーチンは、内燃機関１０のサイクル毎に実行されるものとする。
図３に示すルーチンでは、先ず、回転数と負荷率が取り込まれる（ステップ１００）。

次に、分配装置２２の制御が実行される（ステップ１０２）。より具体的には、本ステップでは、上記ステップ１００の処理により取り込まれた回転数と負荷率に基づいて、上記図２のマップを参照し、この時点の運転領域が何れの領域となるのかを判別している。

上記ステップ１０２において、ＮＡリーン領域であると判別された場合には、ＮＡリーンモードが実行される（ステップ１０４）。具体的には、このステップでは、バイパス通路Ｂに全ての吸気が供給されるように分配装置２２が制御される。

次いで、インタークーラ２４に冷却水を供給するポンプが停止される（ステップ１０６）。ＮＡリーンモードが実行されている間は、クーラ側通路Ａには、吸気が導入されていない。このため、このモード中は、上記ポンプの運転を休止させることができる。尚、他のモードでは、クーラ側通路Ａに吸気が導入されるため、それらのモードでは、ポンプの運転が行われる。

一方、上記ステップ１０２において、過給リーン領域であると判別された場合には、過給リーンモードが実行される（ステップ１０８）。具体的には、このステップでは、上記図２のマップにより決定される分配比率で、クーラ側通路Ａとバイパス通路Ｂとに吸気が供給されるように分配装置２２が制御される。

次に、排気ガス中のNOx濃度の計測値が取り込まれ（ステップ１１０）、次いで、上記ステップ１１０において取り込まれたNOx濃度の計測値に基づいて、通路ＡおよびＢへの分配比率が修正される（ステップ１１２）。過給リーンモードは、希薄燃焼運転時の燃焼を安定化させるべく、ターボチャージャ２０により圧縮された高温の吸気を筒内に供給するモードである。しかしながら、バイパス通路Ｂへの供給量を過大に増やして吸気温度を高くし過ぎると、それに伴い燃焼温度が高くなり、NOx排出量が増加する場合がある。そこで、このステップ１１２では、排気ガス中のNOx濃度の計測値が所定の基準値より高い場合には、クーラ側通路Ａへの分配比率が高くなるように分配比率を修正している。

また、上記ステップ１０２において、通常過給領域であると判別された場合には、通常過給モードが実行される（ステップ１１４）。具体的には、このステップでは、クーラ側通路Ａに全ての吸気が供給されるように分配装置２２が制御される。

上記図３に示すルーチンによれば、内燃機関１０の運転領域に応じた適切な温度の吸気を筒内に供給することができる。つまり、上記ルーチンによれば、ＮＡリーン領域では、インタークーラ２４により吸気を無用に冷却しなくて済み、そのうえ、インタークーラ２４のポンプが行う仕事を低減させることができる。また、上記ルーチンによれば、過給リーン領域では、クーラ側通路Ａのみを使用する場合に比して、より温度が高い吸気を供給することが可能となり、そのうえ、NOx濃度の計測値に基づいて分配比率を修正することにより、NOx排出量を抑えつつ、安定した希薄燃焼運転を実現することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、希薄燃焼運転時の燃焼を改善すべく、クーラ側通路Ａとバイパス通路Ｂとに供給する吸気の分配比率を制御することとしているが、このように制御する手法は、希薄燃焼運転の場合に限るものではない。すなわち、理論空燃比の下での運転においても、安定した燃焼を実現するため、上記制御を行うこととしてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、過給機としてターボチャージャ２０を用いているが、これに限らず、内燃機関の軸出力を利用する機械式過給機や、モータにより駆動される電気式の過給機であってもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、通常過給モード、ＮＡリーンモード、および過給リーンモードが、前記第１の発明における「第１のモード」、「第２のモード」、および「第３のモード」に、それぞれ相当している。また、ECU３２が、上記ステップ１０２、並びに１０４、１０８、または１１４の処理を実行することにより前記第１の発明における「分配比率設定手段」が実現されている。

実施の形態２．
次に、図４および図５を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
上述した実施の形態１では、過給リーンモード時において、NOx排出量に基づいてクーラ側通路Ａとバイパス通路Ｂとに供給する吸気の分配比率の修正を行うこととしている。これに対して、本実施形態のシステムは、NOxセンサ３０に加え、吸気温センサ２８の計測値に基づいて分配比率の修正を行っている点に特徴を有している。すなわち、本実施形態のシステムは、実施の形態１の装置構成を用いて、ECU３２に図４に示すルーチンを実行させることにより実現されるものである。

図４は、本実施の形態２において、クーラ側通路Ａとバイパス通路Ｂとに供給する吸気の分配比率を制御するために、図１に示すECU３２が実行する制御ルーチンのフローチャートである。尚、図４において、実施の形態１における図３に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図４に示すルーチンは、ステップ１１０および１１２がステップ１１６および１１８にそれぞれ置き換えられている点を除き、図３に示すルーチンと同様である。

図４に示すルーチンでは、過給リーンモードが選択された後（ステップ１０８）、NOxセンサ３０による排気ガス中のNOx濃度の計測値と、吸気温センサ２８による吸気温度の計測値とが取り込まれる（ステップ１１６）。次いで、上記ステップ１１６の処理により取り込まれたNOx排出量および吸気温度の計測値に基づいて、分配装置２２によって分配比率が修正される（ステップ１１８）。

図５は、ECU３２がNOx排出量と吸気温度に基づいて分配装置２２の分配比率を修正するために記憶しているマップの一例である。より具体的には、図５（Ａ）は、吸気温度が低い場合に使用する、クーラ側通路Ａへの分配比率とNOx排出量との関係を示し、図５（Ｂ）は、吸気温度が高い場合に使用する、クーラ側通路Ａへの分配比率とNOx排出量との関係を示している。

具体的には、上記ステップ１１８の処理では、予め設定された吸気温度の判定値に対して、吸気温度の計測値が低い場合には図５（Ａ）に示すマップが参照され、また、上記判定値に対して、吸気温度の計測値が高い場合には図５（Ｂ）に示すマップが参照される。

図５（Ａ）に示すマップでは、吸気温度が低い場合に、NOx排出量が多いほどクーラ側通路Ａへの分配比率が低くなるように設定されている。吸気温度が低いにも関わらず、NOx排出量が多い場合には、燃焼状態が悪いため、多量のNOxが排出されたと判断することができる。この場合、上記の設定によれば、クーラ側通路Ａへの分配比率を下げる、すなわち、吸気温度を上げることにより、燃焼状態を改善し、より大きい（希薄な）空燃比で希薄燃焼運転を実現することができる。その結果として、燃焼温度が下がることにより、NOx排出量の低減が可能となる。

図５（Ｂ）に示すマップでは、吸気温度が高い場合に、NOx排出量が多いほどクーラ側通路Ａへの分配比率が高くなるように設定されている。このような設定によれば、吸気温度が高く、かつ、NOx排出量が多い場合には、クーラ側通路Ａへの分配比率を上げる、すなわち、吸気温度を下げることにより、NOx排出量を低減させることができる。

上記図４に示すルーチンによれば、NOx排出量に加え、吸気温度に基づいて分配比率を修正することにより、吸気温度の低い状況下でNOxが生じた場合に、燃焼状態が悪いために生じたものと判断することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、実施の形態１のシステムに比して、更に精度良く希薄燃焼運転を実行することができる。

尚、上述した実施の形態２においては、ECU３２が、上記ステップ１１６および１１８の処理を実行することにより前記第１の発明における「第２の分配比率修正手段」が実現されている。

本発明の実施の形態１の内燃機関の構成を説明するための図である。図３に示すルーチン中でクーラ側通路Ａおよびバイパス通路Ｂへの吸気の分配比率を決定するために参照されるマップの一例を示す図である。本発明の実施の形態１において、クーラ側通路Ａとバイパス通路Ｂとに吸気を分配するために実行されるルーチンのフローチャートである。本発明の実施の形態２において、クーラ側通路Ａとバイパス通路Ｂとに吸気を分配するために実行されるルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチン中でクーラ側通路Ａおよびバイパス通路Ｂへの吸気の分配比率を修正するために参照されるマップの一例を示す図である。

符号の説明

１０過給式内燃機関
１４吸気通路
１６排気通路
２０ターボチャージャ
２２分配装置
２４インタークーラ
２８吸気温センサ
３０ NOxセンサ
３２ ECU
Ａクーラ側通路
Ｂバイパス通路

Claims

過給機の下流側にインタークーラが配置される吸気通路を備える過給式内燃機関であって、
前記吸気通路は、前記インタークーラを通過するクーラ側通路と、
前記クーラ側通路における前記インタークーラの上流側から分岐し、前記インタークーラを通過しないで前記インタークーラの下流側の前記クーラ側通路に合流するように設けられたバイパス通路と、
前記クーラ側通路と前記バイパス通路との上流側分岐点に設置され、内燃機関の運転状況に応じて、前記クーラ側通路と前記バイパス通路とに吸気を分配する分配装置とを備え、
前記バイパス通路は、その通路長さが前記クーラ側通路より短く、
前記クーラ側通路に吸気を全量供給する第１のモードと、前記バイパス通路に吸気を全量供給する第２のモードと、前記過給式内燃機関の機関回転数と負荷との関係に基づき決められた前記クーラ側通路と前記バイパス通路との吸気の分配比率になるよう前記分配装置を調整して吸気の分配比率を調整する第３のモードのうち何れかのモードを、前記機関回転数と負荷との関係に基づいて選択し設定する分配比率設定手段を備え、
前記過給式内燃機関は、希薄燃焼運転を実行する過給式内燃機関であって、
前記分配比率設定手段は、前記第３のモードにおいて、前記過給機下流側の吸気温度が低い場合には、前記過給式内燃機関から排出される排気ガス中のNOx排出量が多いほど前記クーラ側通路に吸気を分配する比率を低くする第２の分配比率修正手段を備えることを特徴とする過給式内燃機関。