JP4720585B2

JP4720585B2 - ターボ過給機付内燃機関の排気還流装置

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Publication number: JP4720585B2
Application number: JP2006102798A
Authority: JP
Inventors: 陽子吉岡; 秀治門岡; 健佐藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2026-04-04
Also published as: JP2007278110A

Description

この発明は、排気系から吸気系へ排気の一部を還流する排気還流装置に関し、特に、ターボ過給機を備えた内燃機関における排気還流装置に関する。

排気還流装置は、一般に、排気が取り出される排気系の圧力と排気が導入される吸気系の圧力との圧力差に依存して排気の還流を行うので、過給機を備えた内燃機関では、過給域において、圧力差による排気の還流が困難になる可能性がある。

特許文献１は、スロットル弁の下流に機械式過給機を備えた内燃機関における排気還流装置として、排気系から取り出した還流排気を吸気通路の過給機の上流側に導入する上流側ＥＧＲ通路と、過給機の下流側に導入する下流側ＥＧＲ通路と、これらの２系統のＥＧＲ通路の切換を行うＥＧＲ切換バルブと、を設けた構成を開示している。上記ＥＧＲ切換バルブは、機関運転条件が過給域であるか否か（つまり機械式過給機を駆動するか否か）の判定に基づいて切り換えられ、過給域では、上流側ＥＧＲ通路を介して過給機の上流側に還流排気を導入するようにしている。
特開平５−２５６２１３号公報

過給機の上流側に還流排気を導入すると、排気の吹き返しによるエアフロメータの汚損や過給機の汚損の問題があるが、上記の構成では、過給を行う過給域では、必ず上流側ＥＧＲ通路が選択されるので、運転時間の中で上流側ＥＧＲ通路が用いられる割合が高く、好ましくない。

また上記構成では、排気通路の触媒コンバータ上流側から異物を含んだ排気が取り出されるため、排気還流通路にフィルタが必要である。ここで、仮に触媒コンバータ下流側から排気を取り出すようにすると、圧力損失により排圧が低くなるため、運転条件によっては、排気の還流に必要な差圧を確保できなくなる。

この発明に係るターボ過給機付内燃機関の排気還流装置は、排気タービンおよびコンプレッサを含むターボ過給機を備えてなる内燃機関において、排気通路における上記排気タービンの上流側に位置する第１排気取り出し口と、排気通路における上記排気タービンの下流側に位置する第２排気取り出し口と、吸気通路における上記コンプレッサの下流側でかつスロットル弁の下流側に位置する第１排気導入口と、吸気通路における上記コンプレッサの上流側に位置する第２排気導入口と、排気還流通路の上流側の端部を上記第１，第２排気取り出し口のいずれかに選択的に接続する第１切換弁と、上記排気還流通路の下流側の端部を上記第１，第２排気導入口のいずれかに選択的に接続する第２切換弁と、上記第１，第２切換弁を運転条件に応じて切り換える制御手段と、を備えている。そして、上記制御手段は、排気取り出し口としては第２排気取り出し口を優先的に選択し、排気導入口としては第１排気導入口を優先的に選択するとともに、運転条件の変化に伴う排気取り出し口と排気導入口との差圧の減少に対し、第１排気導入口から第２排気導入口への第２切換弁の切換に優先して、第２排気取り出し口から第１排気取り出し口への第１切換弁の切換を行う構成となっている。

本発明の一つの態様では、上記制御手段は、上記第１，第２排気取り出し口における排圧を直接に検出もしくは推定する排圧検出手段と、上記第１，第２排気導入口における吸気系圧力を直接に検出もしくは推定する吸気系圧力検出手段と、を備え、両者の差圧が所定値以下とならないように第１，第２切換弁の切換を行う。

また、上記第２排気取り出し口は、排気通路における触媒コンバータの下流側に位置することが望ましい。

すなわち、上記構成では、第１切換弁により選択された一方の排気取り出し口を通して排気通路から排気が取り出され、第２切換弁により選択された一方の排気導入口を通して吸気通路内へ排気が還流する。ターボ過給機の排気タービンが介在する排気通路においては、その上流側の第１排気取り出し口における排圧は高く、下流側の第２排気取り出し口における排圧は相対的に低い。また、コンプレッサがスロットル弁の上流に位置する吸気通路においては、コンプレッサ上流側の第２排気導入口の圧力はほぼ大気圧であり、コンプレッサ下流側（さらにスロットル弁下流側）にある第１排気導入口の圧力は、低負荷側では負圧であり、負荷上昇（過給圧の上昇）に伴って正圧となる。従って、運転条件に応じて、適宜に組み合わせることで、十分な差圧を確保することができる。

差圧が十分に生じる条件では、還流排気による吸気系部品の汚損を回避するために、排気導入口としては第１排気導入口を用いることが好ましい。同様に、排気取り出し口としては、下流側の第２排気取り出し口を用いることが好ましい。特に、この第２排気取り出し口を触媒コンバータ下流側とすれば、触媒コンバータ通過時に異物や未燃成分が除去されるので、清浄な排気が還流する。

また第２排気取り出し口と第１排気導入口とを用いて排気還流を行っている状態で、例えば過給圧の上昇により差圧が不十分となったときに、第１切換弁の切換あるいは第２切換弁の切換のいずれによっても差圧の増大が図れるが、やはり吸気系部品の汚損回避の観点から、第１切換弁により排気取り出し口を第１排気取り出し口へ切り換えることを優先することが好ましい。

この発明によれば、排気取り出し口の切換と排気導入口の切換とを組み合わせることによって、排気の還流に必要な差圧を常に十分に確保することができる。特に、排気タービンにより排圧が異なる２つの排気取り出し口を切り換えることにより、コンプレッサ上流側の第２排気導入口を使用する頻度が低減し、吸気系部品の汚損を最小限に抑制することができる。

以下、この発明の好ましい一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る排気通路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触媒コンバータ６が介装されている。さらに下流側には、消音器７が設けられており、該消音器７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、過給圧制御用電磁弁８を介して開度制御される公知のウエストゲートバルブ９を備えている。なお、内燃機関１は、本実施例では直噴型の構成であり、シリンダ内へ燃料を噴射するように燃料噴射弁１０を備えている
また内燃機関１の吸気通路１１は、実際には吸気マニホルドとして構成される各気筒毎のブランチ通路部分１１ａと、この各気筒毎の通路が集合するコレクタ部１１ｂと、実際には吸気ダクトとして構成される上流側通路部分１１ｃと、を含んでおり、上流端がエアクリーナ１２を介して外部に開放されている。このエアクリーナ１２の下流側には、吸気流量を測定する例えば熱線式のエアフロメータ１３が配置されており、このエアフロメータ１３の下流に、上記ターボ過給機３のコンプレッサ５が配置されている。そして、このコンプレッサ５の下流側となるコレクタ部１１ｂの入口に、電子制御型スロットル弁１４が設けられている。また、上記スロットル弁１４の上流側に、コンプレッサ５とスロットル弁１４との間の吸気圧を検出する圧力センサ１５が設けられている。さらに、上記吸気通路１１のコンプレッサ５下流とコンプレッサ５上流との間を連通するように、リサーキュレーションバルブ１６を備えたリサーキュレーション通路１７が設けられており、例えば減速時に、吸気の一部がコンプレッサ５下流からコンプレッサ５上流へと循環するようになっている。

吸気系から排気系へ排気の一部を還流する排気還流通路２１は、排気還流量を制御するために例えばステップモータ式の排気還流制御弁２２を備えており、その上流側に、還流排気を冷却するＥＧＲクーラ２３が設けられている。上記排気還流通路２１の上流側端部は、第１切換弁２４を介して２本の通路２１ａ，２１ｂに分岐しており、その一方の通路２１ａの先端が、排気タービン４上流側に位置する第１排気取り出し口２５に接続され、他方の通路２１ｂの先端が、触媒コンバータ６下流側に位置する第２排気取り出し口２６に接続されている。上記排気還流通路２１の下流側端部は、同様に第２切換弁２７を介して２本の通路２１ｃ，２１ｄに分岐しており、その一方の通路２１ｃの先端が、スロットル弁１４下流となるコレクタ部１１ｂに位置する第１排気導入口２８に接続され、他方の通路２１ｄの先端が、コンプレッサ５上流側に位置する第２排気導入口２９に接続されている。上記第１，第２切換弁２４，２７は、図示せぬエンジンコントロールユニットによって後述するように切換制御される。これにより、２つの排気取り出し口２５，２６と２つの排気導入口２８，２９とを組み合わせた４通りの流路の中から最適なものが選択される。

図２は、上記第１，第２切換弁２４，２７の切換制御の処理を示すフローチャートであって、ステップ１で機関回転数Ｎを読み込むとともに、ステップ２で圧力センサ１５によりスロットル弁１４上流側の圧力Ｐ０を読み込み、かつステップ３でスロットル弁１４の開度ＴＶＯを読み込む。そして、ステップ４において、これらの値から、第１排気取り出し口２５における圧力（第１排圧ＰＥ♯１）、第２排気取り出し口における圧力（第２排圧ＰＥ♯２）、第１排気導入口２８における圧力（第１吸気系圧力ＰＩ♯１）および第２排気導入口２９における圧力（第２吸気系圧力ＰＩ♯２）を、それぞれ求める。例えば所定のマップを用いて検索する。なお、第２吸気系圧力ＰＩ♯２は大気圧で一定とすることもできる。勿論、各部に圧力センサを設け、それぞれの圧力を直接的に検出するようにしてもよい。

ステップ５では、初期の切換位置として、第１切換弁２４を第２排気取り出し口２６側とし、かつ第２切換弁２７を第１排気導入口２８側とする。つまり、この初期状態では、触媒コンバータ６下流側の第２排気取り出し口２６から取り出された排気が、スロットル弁１４下流のコレクタ部１１ｂへと還流する。従って、還流排気による吸気系部品の汚損は最小限となる。特に、セラミックス製モノリス触媒担体等からなる触媒コンバータ６を排気が通過することで、排気中の異物や未燃成分等が除去された後に排気還流通路２１へ向かうので、吸気系部品の汚損がより確実に防止される。

次に、ステップ６では、差圧ΔＰとして第２排圧ＰＥ♯２と第１吸気系圧力ＰＩ♯１との差を求め、これを所定の閾値Ｂと比較する。差圧ΔＰが閾値Ｂ以上であれば、初期の切換位置をそのまま継続する。

これに対し、差圧ΔＰが閾値Ｂ未満である場合には、ステップ７へ進み、第１切換弁２４を第１排気取り出し口２５側に切り換える。つまり、この状態では、排気タービン４上流側から排気が取り出され、コレクタ部１１ｂへと還流する。従って、還流排気による吸気系部品の汚損は最小限となる。第１排気取り出し口２５は、排気タービン４下流側に比べて排圧が高く、かつ触媒コンバータ６の圧力損失の影響も受けないため、差圧ΔＰが増大する。

次に、ステップ８で、差圧ΔＰとして第１排圧ＰＥ♯１と第１吸気系圧力ＰＩ♯１との差を求め、これを所定の閾値Ｂと比較する。差圧ΔＰが閾値Ｂ以上であれば、上記の切換位置をそのまま継続する。

ステップ８で差圧ΔＰが閾値Ｂ未満である場合には、ステップ９へ進み、第２切換弁２７を第２排気導入口２９側に切り換える。つまり、この状態では、排気タービン４上流側から取り出された排気が、コンプレッサ５上流側へ還流する。

次に、上記の切換制御の例を図３のタイムチャートを用いて説明する。このタイムチャートは、（ａ）エンジントルク、（ｂ）機関回転数、（ｃ）スロットル開度、の変化に明らかなように、低速低負荷域からの緩加速時の挙動を示しており、ターボ過給機３の回転数上昇に伴い、圧力センサ１５の検出圧力Ｐ０が（ｄ）のように上昇する。

（ｅ）は、このような緩加速時の目標ＥＧＲ率の特性を示している。また（ｆ）は、各部の圧力変化を示しており、細い破線で示す第１吸気系圧力ＰＩ♯１は、初期は負圧であり、スロットル弁１４の開度の増加ならびに過給による圧力Ｐ０の上昇に伴って上昇し、ある時点からは正圧となる。細実線で示す第２吸気系圧力ＰＩ♯２は、ほぼ大気圧で一定であり、従って、高速高負荷側では、第２吸気系圧力ＰＩ♯２の方が第１吸気系圧力ＰＩ♯１よりも低くなる。太実線で示す第１排圧ＰＥ♯１ならびに太い破線で示す第２排圧ＰＥ♯２は、いずれも機関回転数ならびに負荷の上昇に伴って上昇するが、排気タービン４上流の第１排圧ＰＥ♯１の方がより大きく上昇する。

（ｇ）は、排気還流通路２１に作用する差圧ΔＰの変化を示したものであり、前述したように、低速低負荷である初期は、第２排気取り出し口２６と第１排気導入口２８との組み合わせが適用されるので、この差圧ΔＰは、第２排圧ＰＥ♯２と第１吸気系圧力ＰＩ♯１との差である。加速に伴い第２排圧ＰＥ♯２は上昇するが、第１吸気系圧力ＰＩ♯１がより大きく上昇するため、図示するように差圧ΔＰは徐々に小さくなる。そして、この差圧ΔＰが閾値Ｂを下回ることとなるタイミングｔ１において、第１切換弁２４が第１排気取り出し口２５側に切り換えられる。これにより、図示するように差圧ΔＰ（切換に伴い第１排圧ＰＥ♯１と第１吸気系圧力ＰＩ♯１との差となる）が拡大する。

さらに加速が続くと、第１吸気系圧力ＰＩ♯１が第１排圧ＰＥ♯１よりも大きく上昇することから、やはり差圧ΔＰは徐々に小さくなる。そして、この差圧ΔＰが閾値Ｂを下回ることとなるタイミングｔ２において、第２切換弁２７が第２排気導入口２９側に切り換えられる。これにより、図示するように差圧ΔＰ（切換に伴い第１排圧ＰＥ♯１と第２吸気系圧力ＰＩ♯２との差となる）が再び拡大する。この差圧ΔＰは、さらに加速に伴って増大する。

従って、常に排気還流に必要な閾値Ｂ以上の差圧ΔＰが確保され、目標ＥＧＲ率に沿って排気還流を行うことができる。なお、仮に初期の第２排気取り出し口２６と第１排気導入口２８とのままであると、（ｅ）に仮想線で示すように、実際の排気還流率が目標ＥＧＲ率を大きく下回ってしまう。そして、このように所要の排気還流を確保しつつ、コンプレッサ５上流側の第２排気導入口２９から排気が導入される状況つまり総運転時間に占める割合が最小限のものとなるので、エアフロメータ１３やコンプレッサ５等の吸気系部品の排気による汚損が十分に抑制される。

なお、タイミングｔ２における第２切換弁２７の切換の後（あるいは切換と同時に）、第２排圧ＰＥ♯２と第２吸気系圧力ＰＩ♯２との差が閾値Ｂ以上であることを条件として、第１切換弁２４を第２排気取り出し口２６側に再度切り換えるようにしてもよい。このように切り換えると、前述したように還流排気が触媒コンバータ６を通って異物等の除去がなされるので、エアフロメータ１３やコンプレッサ５等の吸気系部品に対する影響がより小さくなる。

この発明に係る内燃機関の排気還流装置の一実施例を示す構成説明図。第１，第２切換弁の切換制御を示すフローチャート。緩加速時の挙動を示すタイムチャート。

符号の説明

１…内燃機関
２…排気通路
３…ターボ過給機
６…触媒コンバータ
１１…吸気通路
２１…排気還流通路
２４…第１切換弁
２５…第１排気取り出し口
２６…第２排気取り出し口
２７…第２切換弁
２８…第１排気導入口
２９…第２排気導入口

Claims

排気タービンおよびコンプレッサを含むターボ過給機を備えてなる内燃機関において、
排気通路における上記排気タービンの上流側に位置する第１排気取り出し口と、
排気通路における上記排気タービンの下流側に位置する第２排気取り出し口と、
吸気通路における上記コンプレッサの下流側でかつスロットル弁の下流側に位置する第１排気導入口と、
吸気通路における上記コンプレッサの上流側に位置する第２排気導入口と、
排気還流通路の上流側の端部を上記第１，第２排気取り出し口のいずれかに選択的に接続する第１切換弁と、
上記排気還流通路の下流側の端部を上記第１，第２排気導入口のいずれかに選択的に接続する第２切換弁と、
上記第１，第２切換弁を運転条件に応じて切り換える制御手段と、
を備え、
上記制御手段は、排気取り出し口としては第２排気取り出し口を優先的に選択し、排気導入口としては第１排気導入口を優先的に選択するとともに、
運転条件の変化に伴う排気取り出し口と排気導入口との差圧の減少に対し、第１排気導入口から第２排気導入口への第２切換弁の切換に優先して、第２排気取り出し口から第１排気取り出し口への第１切換弁の切換を行うことを特徴とするターボ過給機付内燃機関の排気還流装置。
上記制御手段は、
上記第１，第２排気取り出し口における排圧を直接に検出もしくは推定する排圧検出手段と、
上記第１，第２排気導入口における吸気系圧力を直接に検出もしくは推定する吸気系圧力検出手段と、
を備え、
両者の差圧が所定値以下とならないように第１，第２切換弁の切換を行うことを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機付内燃機関の排気還流装置。
上記第２排気取り出し口が、排気通路における触媒コンバータの下流側に位置することを特徴とする請求項１または２に記載のターボ過給機付内燃機関の排気還流装置。
上記排気還流通路の第１切換弁と第２切換弁との間に排気還流制御弁を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のターボ過給機付内燃機関の排気還流装置。