JP4775196B2

JP4775196B2 - エンジンの過給装置

Info

Publication number: JP4775196B2
Application number: JP2006244818A
Authority: JP
Inventors: 健一森実; 英也堀井
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2026-09-08
Also published as: JP2008064060A

Description

本発明はエンジンの過給装置に関する。

過給機付きエンジンでは、ノッキング対策のために圧縮比を下げる場合が多い。このため、例えば、過給機として排気ターボ過給機を採用した場合、エンジンの始動時には過給圧が上がらないことから、エンジンの始動性が悪いという問題がある。エンジンの始動性を向上するために、エンジンの始動時における燃料の供給量を増量すると、未燃焼ガス（ＨＣ：炭化水素）の排出量が多くなるという問題が生じる。このため、例えば、特許文献１には排気ターボ過給機に回転電機を設けた構成の電動過給機により、エンジン始動時に吸気の過給を行なう装置が開示されている。
特開２００３−２６９２０３号公報

エンジンの始動性を高めるためには、燃焼室内へ供給する空気量を増量する他、燃焼室内の空気流動を向上することが望ましい。特に、ディーゼルエンジンに代表されるように燃焼室内に燃料を噴射する形式のエンジンでは、燃焼室内が低温で空気流動が低い場合に、燃料が霧化しにくく、燃料と空気とのミキシングが悪い。

従って、本発明の目的は、エンジン始動時において燃焼室内の空気流動を向上し、エンジンの始動性を向上することにある。

本発明によれば、エンジンの吸気通路に配設された電動過給機を備え、吸気ポートとして、吸気のスワール流を生成するスワールポートと吸気のタンブル流を生成するタンブルポートとを備えたエンジンの過給装置において、前記エンジンの始動時に、前記電動過給機による過給を前記スワールポートのみに行なう始動時過給制御手段と、前記エンジンの温度を検出する温度検出手段とを備え、前記始動時過給制御手段は、前記温度検出手段が検出した前記エンジンの温度が予め定めた温度よりも低い場合には前記電動過給機による過給を前記スワールポートのみに行い、前記予め定めた温度以上の場合には前記電動過給機を作動せずに、自然吸気により前記スワールポートのみで吸気させることを特徴とするエンジンの過給装置が提供される。

この構成によれば、エンジンの始動時に前記スワールポートのみを過給することで、燃焼室内の空気量を確保しながら、より強いスワール流を燃焼室内に生じさせ、空気流動を向上することができ、よってエンジンの始動性を向上することができる。そして、温間時にはエンジンの始動性が左程悪化しないことから、エンジンの始動時でかつ冷間時において前記電動過給機を作動させることで、前記電動過給機を不必要に作動させる場合を防止し、電力消費を抑制することができる。

また、本発明の他のエンジンの過給装置によれば、エンジンの吸気通路に配設された電動過給機を備え、吸気ポートとして、吸気のスワール流を生成するスワールポートと吸気のタンブル流を生成するタンブルポートとを備えたエンジンの過給装置において、前記エンジンの始動時に、前記電動過給機による過給を前記スワールポートのみに行なう始動時過給制御手段と、前記エンジンの排気通路に配設されたタービン及び前記吸気通路に配設されたコンプレッサを備えた排気ターボ過給機と、前記コンプレッサよりも下流側において前記吸気通路の途中を分岐して構成された主通路及びバイパス通路と、前記主通路に配設されたインタークーラと、吸気の流通経路を前記主通路と前記バイパス通路とで切換える切換弁と、を備え、前記切換弁は前記エンジンの始動時には前記バイパス通路を吸気の流通経路とすることを特徴とする。

この構成によれば、エンジンの始動時においては、エンジンの始動時にスワールポートのみを過給することで、燃焼室内の空気量を確保しながら、より強いスワール流を燃焼室内に生じさせ、空気流動を向上することができることに加えて、前記インタークーラがバイパスされることにより、より高温の吸気が燃焼室へ供給されるので、エンジンの始動性を向上することができる。

また、本発明においては、前記エンジンが、その燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射手段を備えた構成を採用できる。

本発明はディーゼルエンジンに代表される、燃料噴射方式が直接噴射式のエンジンに好適であり、空気流動の向上により、空気と燃料とのミキシングが向上してエンジンの始動性を向上することができる。

以上述べた通り、本発明のエンジンの過給装置によれば、エンジンの始動時にスワールポートのみを過給することで、エンジン始動時において燃焼室内の空気流動を向上し、エンジンの始動性を向上することができるとともに、エンジンの始動時でかつ冷間時において電動過給機を作動させることで、電動過給機を不必要に作動させる場合を防止し、電力消費を抑制することができる。また、本発明の他のエンジンの過給装置によれば、エンジンの始動時にスワールポートのみを過給することで、燃焼室内の空気量を確保しながら、より強いスワール流を燃焼室内に生じさせ、空気流動を向上することができることに加えて、インタークーラがバイパスされることにより、より高温の吸気が燃焼室へ供給されるので、エンジンの始動性を向上することができる。

図１は本発明の一実施形態に係る過給装置を備えたディーゼルエンジンシステム１のブロック図である。本実施形態ではディーゼルエンジンを用いたシステムに本発明を適用した例を例示するが、本発明はガソリンエンジンを用いたシステムにも適用可能である。また、本書において通路の上流側、下流側という場合は、その通路を流れる流体の流れの方向に従う。

ディーゼルエンジンシステム１は、ディーゼルエンジン１０と吸気通路２０と排気通路３０と排気ターボ過給機４０を備える。本実施形態においてディーゼルエンジン１０は直列４気筒のディーゼルエンジンであり、ピストン１２が内部を摺動するシリンダ１１及びシリンダヘッド１３を備え、これらにより燃焼室１３ａが形成される。シリンダヘッド１３には燃焼室１３ａへ燃料を噴射する電子制御式の燃料噴射弁１４が配設されている。

燃焼室１３ａは吸気ポート１５、排気ポート１６に連通しており、吸気ポート１５は吸気通路２０に、排気ポート１６は排気通路３０に連通している。また、吸気ポート１５はシリンダヘッド１３に設けられた吸気バルブ１７により開閉され、排気ポート１６はシリンダヘッド１３に設けられた排気バルブ１８により開閉される。

吸気通路２０には、その上流側からエアフィルタ２１、エアフローメータ（吸気量センサ）２２、スロットル弁２３、排気ターボ過給機４０のコンプレッサ（コンプレッサホイール）４１、が配設されている。コンプレッサ４１の下流側において吸気通路２０は主通路２０ａとバイパス通路２０ｂとに分岐している。

主通路２０ａには、その上流側から第１切換弁２４、インタークーラ２５が配設されている。バイパス通路２０ｂには第２切換弁２６が配設されている。第１切換弁２４及び第２切換弁２６は吸気の流通経路を主通路２０ａとバイパス通路２０ｂとの間で切換える電子制御切換弁であり、主通路２０ａを吸気の流通経路とするときは第１切換弁２４を開弁、第２切換弁２を閉弁とし、バイパス通路２０ｂを吸気の流通通路とするときは第１切換弁２４を閉弁、第２切換弁２を開弁とする。

主通路２０ａとバイパス通路２０ｂとの切換えは、例えば、ディーゼルエンジン１の冷間時にはバイパス通路２０ｂを吸気の流通経路とし、温間時には主通路２０ａを吸気の流通経路とする。

吸気通路２０は、また、主通路２０ａとバイパス通路２０ｂとの合流点よりも下流側において、過給機バイパス通路２０ｃと、過給機側通路２０ｄとに分岐している。過給機側通路２０ｄには電動モータ２７ａ及びコンプレッサ（コンプレッサホイール）２７ｂからなる電動過給機２７のコンプレッサ２７ｂが配設されている。過給機バイパス通路２０ｃには、電子制御弁である過給機バイパス弁２８が配設されている。過給機バイパス弁２８は例えば電動過給機２７の作動中は閉弁し、電動過給機２７の停止中は開弁する。

吸気通路２０には、過給機バイパス通路２０ｃと過給機側通路２０ｄとの合流点よりも下流側においてサージタンク２９が配設されている。サージタンク２９と各気筒との間は各気筒毎に独立した吸気管２９ａにより接続されている。図１において吸気通路２０に示した矢印は吸気の流れの方向を示す。

図２は本実施形態におけるディーゼルエンジン１０の吸気ポート１５の構成を示す説明図である。ディーゼルエンジン１０は吸気ポート１５として、スワールポート１５ａと、タンブルポート１５ｂとを備え、吸気ポート１５及び排気ポート１６がそれぞれ２バルブの構成である。スワールポート１５ａは同図において矢印で示すような、吸気のスワール流（気筒の周方向に沿う横渦流）を生成するよう、また、タンブルポート１５ｂは吸気のタンブル流（気筒の軸方向に沿う縦渦流）を生成するよう、その通路形状が設定されている。

吸気管２９ａのうち、タンブルポート１５ｂに接続される各吸気管２９ａには電子制御弁であるスワール制御弁２９ｂが配設されている。スワール制御弁２９ｂを開弁するとスワールポート１５ａ及びタンブルポート１５ｂの双方に吸気が供給される一方、閉弁するとタンブルポート１５ｂには吸気が供給されず、スワールポート１５ａにのみ吸気が供給されることになる。

図１に戻り、排気通路３０にはその上流側から排気ターボ過給機４０のタービン（タービンホイール）４２、酸化触媒から構成される排気浄化装置３１及びパティキュレートフィルタ３２が配設されている。図１において排気通路３０に示した矢印は排気ガスの流れの方向を示す。

次に、ディーゼルエンジンシステム１における排気ガス還流（ＥＧＲ）システムについて説明する。ディーゼルエンジンシステム１は吸気通路２０と排気通路３０とを接続し、排気通路３０を流れる排気ガスの一部を吸気通路２０に還流する第１還流通路１０１と第２還流通路１０２とを備える。図１において第１還流通路１０１及び第２還流通路１０２に示した破線矢印は排気通路３０から吸気通路２０へ還流する排気ガスの流れの方向を示す。

第１還流通路１０１は、コンプレッサ４１よりも下流側の吸気通路２０とタービン４２の上流側の排気通路４２とを接続している。第２還流通路１０２はコンプレッサ４１よりも上流側の吸気通路２０とタービン４２よりも下流側の排気通路３０とを接続している。

第１還流通路１０１には、第１ＥＧＲ弁１１１が配設され、第２還流通路１０２には、その上流側からＥＧＲクーラ１２２、第２ＥＧＲ弁１１２が配設されている。第１ＥＧＲ弁１１１及び第２ＥＧＲ弁１１２はそれぞれ第１還流通路１０１、第２還流通路１０２を開閉する電子制御弁である。ＥＧＲクーラ１２２は第２還流通路１０２を流れる排気ガスを冷却する熱交換器である。

燃焼室１３ａへ還流される排気ガスは、第１還流通路１０１を経由した場合は排気ターボ過給機４０のタービン４２の上流側からサージタンク２９を通って燃焼室１３ａへ流れ込むことになる。一方、第２還流通路１０２を経由した場合は排気ターボ過給機４０のコンプレッサ４１の上流側から主通路２０ａ又はバイパス通路２０ｂを通って燃焼室１３ａへ流れ込むことになり、第１還流通路１０１を経由した場合よりも相対的に流通経路が長くなる。

つまり、流通経路の長さに起因して、第１還流通路１０１を経由した場合、排気ガスは相対的に高温となる。このように本実施形態では、流通する排気ガスの温度等が異なる第１還流通路１０１と第２還流通路１０２とを備えたことにより、吸気通路２０に還流する排気ガスの経路を第１還流通路１０１と第２還流通路１０２とで切換えることができ、ディーゼルエンジン１０の運転状態に応じた排気ガスの還流が行うことができる。例えば、ディーゼルエンジン１０の冷間時には第１還流通路１０１を用いてＥＧＲを行い、温間時には第２還流通路１０２を用いてＥＧＲを行なうことができる。

次に、図３はディーゼルエンジンシステム１の制御系のブロック図である。ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）２００は、例えば、ＣＰＵと、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の記憶手段と、インターフェースと、から構成される。ＣＰＵはＥＥＰＲＯＭ等に記憶された制御プログラムを実行する。

ＥＣＵ２００には回転数センサ２０１、アクセル開度センサ２０２、上述したエアフローメータ２２、水温センサ２０３が接続されている。回転数センサ２０１は例えばディーゼルエンジン１０のクランクシャフトの回転数を検出するセンサであり、ディーゼルエンジン１０の回転数を検出するために用いられる。

アクセル開度センサ２０２はドライバによるアクセル操作の開度を検出する。エアフローメータ２２は吸気（新気）量を検出する。水温センサ２０３はディーゼルエンジン１０を冷却する冷却水の温度を検出するセンサであり、本実施形態では水温センサ２０３の検出温度をディーゼルエンジン１０の温度とみなして制御を行ない、水温センサ２０３はディーゼルエンジン１０の温度検出手段として機能する。

ＥＣＵ２００はこれらのセンサの検出結果に基づき、スロットル弁２３、燃料噴射弁１４、第１ＥＧＲ弁１１１、第２ＥＧＲ弁１１２、電動過給機２７の電動モータ２７ａ、スワール制御弁２９ｂ、第１切換弁２４、第２切換弁２６、過給機バイパス弁２８の制御を行なう。

次に、電動過給機２７を用いたＥＣＵ２００による電動過給制御の例について説明する。図４はＥＣＵ２００が実行する電動過給制御のフローチャートである。ＥＣＵ２００は同図の処理を繰り返し実行する。Ｓ１では各センサの検出結果を取得する。Ｓ２ではＳ１で取得したセンサの検出結果に基づき、ディーゼルエンジン１０が始動時か否かを判定する。該当する場合はＳ３へ進み、該当しない場合はＳ７へ進む。

始動時か否かは本実施形態の場合、ディーゼルエンジン１０の回転数に基づき判断し、スタータの始動後、回転数センサ２０１の検出結果が予め定めた始動判定回転数を示すまでを始動時とする。始動判定回転数は例えばアイドリング回転数よりも低く設定され、アイドリング回転数が７００ｒｐｍであるとすると始動判定回転数は５００ｒｐｍに設定される。スタータ始動後、エンジン回転数が０〜始動判定回転数に至るまでが本実施形態におけるエンジン始動時である。

Ｓ３ではスワール制御弁２９ｂを閉弁する。これにより、吸気はスワールポート１５ａのみに供給される。また、第１切換弁２４を閉弁し、第２切換弁２６を開弁する。これにより吸気は主通路２０ａを通らず、バイパス通路２０ｂを通ってディーゼルエンジン１０に供給される。バイパス通路２０ｂを経由することにより、吸気はインタークーラ２５を通らない。ディーゼルエンジン１０の始動時においてはインタークーラ２５がバイパスされることにより、より高温の吸気が燃焼室１３ａへ供給されるので、ディーゼルエンジン１０の始動性を向上することができる
Ｓ４では水温センサ２０３の検出結果に基づき、ディーゼルエンジン１０の温度が閾値温度α以下であるか否かを判定する。該当する場合はＳ５へ進み、該当しない場合はＳ６へ進む。閾値温度αはディーゼルエンジン１０が冷間時か否かを判断するための基準であり、例えば、摂氏８０〜９０度程度に設定される。

Ｓ５では電動過給機２７を作動する。電動過給機２７の作動によりスワールポート１５ａが過給される。このように本実施形態では、ディーゼルエンジン１０の始動時にはスワールポート１５ａにのみ吸気を供給し、かつ、過給する。

一般に、タンブル流は縦渦流であることからピストン１２の上下動の影響を受け、空気流動が低下し易い。これに対しスワール流は横渦流であることからピストン１２の上下動の影響を受けにくく、空気流動が維持され易い。本実施形態では、ディーゼルエンジン１０の始動時にスワール流を積極的に生じさせることで燃焼室１３ａ内の空気流動を向上できる。また、タンブルポート１５ｂの閉鎖による燃焼室１３ａ内の空気量の低減については過給により補える。

こうして本実施形態では、ディーゼルエンジン１０の始動時にスワールポート１５ａのみを過給することで、燃焼室１３ａ内の空気量を確保しながら、より強いスワール流を燃焼室１３ａ内に生じさせ、空気流動を向上することができ、よってディーゼルエンジン１０の始動性を向上することができる。

また、本実施形態では燃料噴射方式が、燃料噴射弁１４により燃焼室１３ａ内に燃料を直接噴射する、直接噴射方式であり、上記のスワール流による空気流動の向上により、空気と燃料とのミキシングが向上してディーゼルエンジン１０エンジンの始動性を向上することができる。本実施形態の場合のように排気ターボ過給機（４０）を備えたエンジンでは、一般にノッキング対策のために圧縮比を下げる傾向にあり、この結果、始動性が悪化するが本実施形態によればこのような場合にもエンジンの始動性の悪化を防止することができる。

また、このようなディーゼルエンジン１０の始動時における、スワールポート１５ａのみの過給は、本実施形態の場合、スワール制御弁２９ｂとＥＣＵ２００とにより実現され、これらは始動時過給制御手段を構成する。この構成により、比較的簡易な構成でディーゼルエンジン１０の始動時にスワールポート１５ａのみを過給することができる。なお、電動過給機２７の作動中、過給機バイパス弁２８は閉弁する。

Ｓ６では電動過給機２７を停止する。この結果、吸気はスワールポート１５ａのみに供給されるが過給はされず、自然吸気となる。温間時にはディーゼルエンジン１０の始動性が左程悪化しないことから、ディーゼルエンジン１０エンジンの始動時でかつ冷間時において電動過給機２７を作動させることで、電動過給機２７を不必要に作動させる場合を防止し、電力消費を抑制することができる。なお、電動過給機２７の停止中、過給機バイパス弁２８は開弁する。

Ｓ７ではディーゼルエンジン１０の運転状態がスワール領域か否かを判定する。該当する場合はＳ８へ進み、該当しない場合はＳ９へ進む。スワール領域とはスワール制御弁２９ｂを閉弁してスワールポート１５ａのみに吸気の供給を行なう運転状態であり、図５（ａ）に示すように、低回転・低要求トルク（アクセル開度：小）時である。Ｓ８ではスワール制御弁２９ｂを閉弁し、Ｓ９ではスワール制御弁２９ｂを開弁する。

Ｓ１０ではディーゼルエンジン１０の運転状態が電動過給領域か否かを判定する。該当する場合はＳ１１へ進み、該当しない場合はＳ１２へ進む。電動過給領域とは電動過給機２７を作動して過給を行なう運転状態であり、図５（ｂ）に示すように、排気ターボ過給機４０の過給圧が低い低回転時であって、高要求トルク（アクセル開度：大）時である。Ｓ１１では電動過給機２７を作動し、Ｓ１２では電動過給機２７を停止する。

＜電動過給制御の参考例＞
図６はＥＣＵ２００が実行する電動過給制御の、本発明の対象とはならない参考例を示すフローチャートである。図６において図４の制御例と同じ処理については同じ符号を付し、その説明を割愛する。図６の制御例はＳ２のエンジン始動時の判断で、始動時に該当する場合（Ｓ２１以下）の処理が図４の制御例と異なる。

Ｓ２１では電動過給機２７を作動する。これにより吸気ポート１５は過給される。なお、電動過給機２７の作動中、過給機バイパス弁２８は閉弁する。また、第１切換弁２４を閉弁し、第２切換弁２６を開弁する。これにより吸気は主通路２０ａを通らず、バイパス通路２０ｂを通ってディーゼルエンジン１０に供給される。

Ｓ２２では水温センサ２０３の検出結果に基づき、ディーゼルエンジン１０の温度が閾値温度α以下であるか否かを判定する。該当する場合はＳ２３へ進み、該当しない場合はＳ２４へ進む。Ｓ２２の処理は上述したＳ４と同様の処理であり、閾値温度αはディーゼルエンジン１０が冷間時か否かを判断するための基準であり、例えば、摂氏８０〜９０度程度に設定される。

Ｓ２３ではスワール制御弁２９ｂを閉弁する。これにより、スワールポート１５ａにのみ吸気が供給され、かつ、過給される。ディーゼルエンジン１０の始動時にスワールポート１５ａのみを過給することで、燃焼室１３ａ内の空気量を確保しながら、より強いスワール流を燃焼室１３ａ内に生じさせ、空気流動を向上することができ、よってディーゼルエンジン１０の始動性を向上することができる。

Ｓ２４ではスワール制御弁２９ｂを開弁する。これにより、スワールポート１５ａとタンブルポート１５ｂの双方に吸気が供給され、かつ、過給される。温間時にはディーゼルエンジン１０の始動性が左程悪化しないことから、燃焼室１３ａ内の空気量の増量を重視してディーゼルエンジン１０エンジンの始動性、特に、早期の始動を確保することができる。

本発明の一実施形態に係る過給装置を備えたディーゼルエンジンシステム１のブロック図である。ディーゼルエンジン１０の吸気ポート１５の構成を示す説明図である。ディーゼルエンジンシステム１の制御系のブロック図である。電動過給制御の例を示すフローチャートである。（ａ）はスワール領域の説明図、（ｂ）は電動過給領域の説明図である。電動過給制御の、本発明の対象とはならない参考例を示すフローチャートである。

１ディーゼルエンジンシステム
１０ディーゼルエンジン
２０吸気通路
２７電動過給機
２９ｂスワール制御弁
３０排気通路
４０排気ターボ過給機
４１コンプレッサ
４２タービン
１０１第１還流通路
１１１第１ＥＧＲ弁
１０２第２還流通路
１１２第２ＥＧＲ弁
１２２ＥＧＲクーラ
２００ＥＣＵ

Claims

エンジンの吸気通路に配設された電動過給機を備え、
吸気ポートとして、吸気のスワール流を生成するスワールポートと吸気のタンブル流を生成するタンブルポートとを備えたエンジンの過給装置において、
前記エンジンの始動時に、前記電動過給機による過給を前記スワールポートのみに行なう始動時過給制御手段と、
前記エンジンの温度を検出する温度検出手段とを備え、
前記始動時過給制御手段は、
前記温度検出手段が検出した前記エンジンの温度が予め定めた温度よりも低い場合には前記電動過給機による過給を前記スワールポートのみに行い、前記予め定めた温度以上の場合には前記電動過給機を作動せずに、自然吸気により前記スワールポートのみで吸気させることを特徴とするエンジンの過給装置。
エンジンの吸気通路に配設された電動過給機を備え、
吸気ポートとして、吸気のスワール流を生成するスワールポートと吸気のタンブル流を生成するタンブルポートとを備えたエンジンの過給装置において、
前記エンジンの始動時に、前記電動過給機による過給を前記スワールポートのみに行なう始動時過給制御手段と、
前記エンジンの排気通路に配設されたタービン及び前記吸気通路に配設されたコンプレッサを備えた排気ターボ過給機と、
前記コンプレッサよりも下流側において前記吸気通路の途中を分岐して構成された主通路及びバイパス通路と、
前記主通路に配設されたインタークーラと、
吸気の流通経路を前記主通路と前記バイパス通路とで切換える切換弁と、を備え、
前記切換弁は前記エンジンの始動時には前記バイパス通路を吸気の流通経路とすることを特徴とするエンジンの過給装置。
前記エンジンが、その燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの過給装置。