JP4941829B2

JP4941829B2 - エネルギー回収装置

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Publication number: JP4941829B2
Application number: JP2007149663A
Authority: JP
Inventors: 吉郎加藤; 雄一郎早瀬
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2027-06-05
Also published as: JP2008303743A

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた排気絞り弁を閉弁して、排気絞り弁上流側の排気通路から蓄圧容器へエネルギー回収を行うエネルギー回収装置に関する。

特許文献１には、内燃機関の排気通路に排気絞り弁が配置され、且つ、該排気絞り弁上流側の排気通路にチェック弁を介して連通するように高圧ガスタンクが設置された装置が開示されている。この装置は、その排気絞り弁の開度を絞ることで、排気絞り弁上流側の排気ガスの圧力を高め、高められた圧力を有する排気ガスをチェック弁を介して高圧ガスタンクに回収して蓄圧保持するように構成されている。

特開２００２−１４７２１７号公報

上記特許文献１に記載の装置では、排気絞り弁の開度を絞ることで排気絞り弁上流側の排気通路の圧力が高められて、該高められた圧力（圧力エネルギー）が回収される。しかしながら、排気絞り弁の開度を絞ることでその排気通路の圧力が急激に高くなると、運転者に違和感を与えるほどの減速ショックが車両に生じる場合がある。

そこで、本発明はかかる点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、減速ショックが出ないようにしつつ、排気絞り弁上流側の排気通路の圧力を高めて、エネルギー回収を行うことにある。

上記目的を達成するために、本発明のエネルギー回収装置は、内燃機関の排気通路に設けられた排気絞り弁と、該排気絞り弁上流側の排気通路に弁を介して連通可能な蓄圧容器と、前記排気絞り弁上流側の排気通路から前記蓄圧容器へエネルギー回収を行うべく前記排気絞り弁を閉弁制御する排気絞り弁制御手段とを備えたエネルギー回収装置において、前記排気絞り弁上流側の排気通路に連通する連通路と、該連通路に設けられた圧力調節弁と、前記排気絞り弁が前記排気絞り弁制御手段によって閉弁制御されたとき、前記排気絞り弁上流側の排気通路の圧力を減速ショックが出ない圧力とするように、前記圧力調節弁の開度を制御する圧力調節弁制御手段と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、前記圧力調節弁制御手段によって、前記排気絞り弁が前記排気絞り弁制御手段によって閉弁制御されたとき、前記排気絞り弁上流側の排気通路の圧力を減速ショックが出ない圧力とするように、前記圧力調節弁の開度が制御されるので、排気絞り弁上流側の排気通路の圧力を、減速ショックが出ないようにしつつ高めることができる。したがって、減速ショックが出ないようにしつつ、排気絞り弁上流側の排気通路の圧力を高めて、エネルギー回収を行うことが可能になる。

具体的には、前記連通路は前記排気絞り弁上流側の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路であり、前記圧力調節弁はＥＧＲ弁であるとよい。内燃機関にＥＧＲ通路およびＥＧＲ弁が設けられている場合、既存の設備を用いて排気絞り弁上流側の排気通路の圧力を調節できる。

上記した発明において、前記圧力調節弁制御手段は、前記排気絞り弁の閉弁と同期して前記圧力調節弁の開度を機関回転数および車速の少なくとも一方に基づいて定まる初期開度にしてから、機関回転数および車速の少なくとも一方に基づいて前記圧力調節弁の開度を変えるように、該圧力調節弁の開度を制御するとよい。こうすることで、排気絞り弁の閉弁と同期して、圧力調節弁の開度が機関回転数および車速の少なくとも一方に基づいて定まる初期開度にされるので、排気絞り弁の閉弁開始時から適切に排気絞り弁上流側の排気通路の圧力を調節できる。そして、圧力調節弁の開度は初期開度から機関回転数および車速の少なくとも一方に基づいて変えられるので、適切に減速ショックが出ないように排気絞り弁上流側の排気通路の圧力を高めることができる。

具体的には、上記種々の発明において、前記圧力調節弁制御手段は、機関回転数が低くなるほど前記圧力調節弁の開度を小さくするように、前記圧力調節弁の開度を制御するとよい。こうすることで、機関回転数が低くなるほど、排気絞り弁上流側の排気通路の圧力をより高めることが可能になる。これに加えてあるいはこれに代えて、前記圧力調節弁制御手段は、車速が遅くなるほど前記圧力調節弁の開度を小さくするように、前記圧力調節弁の開度を制御するとよい。こうすることで、車速が遅くなるほど、排気絞り弁上流側の排気通路の圧力をより高めることが可能になる。

本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

実施形態のエネルギー回収装置が適用された車両の内燃機関システムの概念を図１に示す。本実施形態における内燃機関１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１２から圧縮状態にある燃焼室内に直接噴射することにより自然着火させる型式の内燃機関、すなわちディーゼル機関である。

気筒１４の燃焼室に臨むと共に吸気通路１６の一部を区画形成する吸気ポートは、シリンダヘッドに形成されていて、吸気弁によって開閉される。シリンダヘッドには、吸気通路１６の一部を区画形成する吸気マニフォルド１８が接続され、さらにその上流側には同じく吸気通路１６の一部を区画形成する吸気管２０が接続されている。吸気管２０の上流端側には、吸気通路１６に導かれる空気中の塵埃などを除去するべくエアクリーナ２２が設けられている。また、スロットルアクチュエータ２４によって開度が調整されるスロットルバルブ２６が、吸気管２０の途中に設けられている。

他方、気筒１４の燃焼室に臨むと共に排気通路２８の一部を区画形成する排気ポートは、シリンダヘッドに形成されていて、排気弁によって開閉される。シリンダヘッドには、排気通路２８の一部を区画形成する排気マニフォルド３０が接続され、さらにその下流側には同じく排気通路２８の一部を区画形成する排気管３２が接続されている。なお、排気ガス浄化触媒が充填された触媒コンバータ３４が排気管３２の途中に設けられている。

さらに、排気ガスにより回転駆動されるタービンホイールを含むタービン３６が排気管３２の途中に設けられている。ただし、タービン３６は、触媒コンバータ３４よりも上流側に配置されている。これに対応して、タービンホイールに同軸で連結され、タービンホイールの回転力で回転するようにしたコンプレッサホイールを含むコンプレッサ３８が吸気管２０の途中に設けられている。すなわち、内燃機関１０には、排気エネルギーを取り出すタービン３６と、タービン３６により取り出された排気エネルギーによって内燃機関１０に過給するコンプレッサ３８とを有する過給器４０が設けられている。そして、コンプレッサ３８により圧縮された空気を冷却すべく、インタークーラ４２がコンプレッサ３８よりも下流側に設けられている。

内燃機関１０には、排気通路２８を流れる排気ガスの一部を吸気通路１６に導く排気ガス還流（ＥＧＲ）システム４４が設けられている。ＥＧＲシステム４４は、排気通路２８と吸気通路１６とをつなぐＥＧＲ通路４６を区画形成するＥＧＲ管４８と、ＥＧＲ通路４６の連通状態調節用のＥＧＲ弁５０と、還流される排気ガス（ＥＧＲガス）冷却用のＥＧＲクーラ５２とを有している。ここでは、ＥＧＲ管４８上流側の一端は排気マニフォルド３０に接続され、その下流側の他端は吸気マニフォルド１８に接続されている。ＥＧＲ弁５０はＥＧＲクーラ５２よりも下流側に設けられていて、その開度はアクチュエータ５４により調節される。ただし、ここではＥＧＲ弁５０はポペット式バルブである。

さらに、排気通路２８の途中には、排気絞り弁５６が設けられている。本実施形態では排気絞り弁５６はバタフライ式バルブである。排気絞り弁５６は、その閉弁時には排気通路２８を流れる排気ガスすなわち燃焼ガスや空気である流体を効果的にせき止め、そのような流体の排気絞り弁５６よりも下流側への流れを概ね遮断する遮断弁として機能する。排気絞り弁５６は、アクチュエータ５８により開閉駆動される。なお、排気絞り弁５６は、閉弁時に、排気通路の断面積を５０％程度減少させるような構成を有する弁であってもよく、あるいは、閉弁時に、排気通路２８を完全に閉塞するような構成を有する弁であってあってもよい。

図１から明らかなように、排気通路２８とＥＧＲ通路４６との連通箇所は排気絞り弁５６よりも上流側である。したがって、ＥＧＲ通路４６は、排気絞り弁５６上流側の排気通路、すなわち、排気絞り弁５６と排気弁との間の排気通路（弁間通路）Ｐに連通する。なお、後述するように、エネルギー回収に際して排気絞り弁５６が閉弁制御されたとき、弁間通路Ｐの圧力は、圧力調節弁として用いられるＥＧＲ弁５０の開度が制御されることで、調節される。

この弁間通路Ｐには、さらに、管部材６０により区画形成された管路６２が連通され、その管路６２により排気通路２８と蓄圧容器である蓄圧タンク６４内とは連通している。蓄圧タンク６４は、弁間通路Ｐであればいずれの場所、例えば排気マニフォルド３０に接続されてもよいが、本実施形態の蓄圧タンク６４は、排気通路２８の内、排気絞り弁５６上流側であって、タービン３６上流側の箇所に接続されている。管路６２の径は排気通路２８の径に比べて小さい。蓄圧タンク６４内と排気通路２８との連通状態の調節用に、管路６２に流量制御弁６６が設けられている。なお、流量制御弁６６が開弁されることで蓄圧タンク６４内と排気通路２８とは連通し、他方、流量制御弁６６が閉弁されることで蓄圧タンク６４内と排気通路２８との連通は遮断され、蓄圧タンク６４内は概略的に密閉状態になる。ただし、流量制御弁６６はアクチュエータ６８により開閉駆動される。なお、ここでは流量制御弁６６はポペット式バルブである。

なお、後述するように排気通路２８の圧力エネルギーは、流体の移動を伴いつつ、管路６２を介して排気通路２８から蓄圧タンク６４内に回収される。他方、蓄圧タンク６４内に蓄えられた圧力エネルギーを有する流体は、管路６２を介して、蓄圧タンク６４内から排気通路２８に放出されて利用に供される。すなわち、本実施形態では、蓄圧タンク６４内へのエネルギー回収およびそこからのエネルギーの放出利用は、同じ管路６２を介して行われる。

なお、本実施形態では、蓄圧タンク６４内に回収された流体、すなわちその流体の有する圧力エネルギーは、加速要求が求められたときに、特にその初期に管路６２を介して排気通路２８へ解放される。解放された流体すなわち圧力エネルギーは過給器４０のタービン３６の駆動に用いられる。これにより、過給器４０の応答性向上が図られる。

内燃機関１０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）７０に、各種値を検出（導出あるいは推定）するための信号を電気的に出力する各種センサ類を備えている。ここで、その内のいくつかを具体的に述べる。吸入空気量を検出するためのエアフローメーター７２が吸気管２０に備えられている。また、エアフローメーター７２近傍に吸入空気の温度を検出するための吸気温度センサ７４が、そしてインタークーラ４２下流側にも温度を検出するための吸気温度センサ７６が備えられている。また、過給圧を検出するための圧力センサ７８が吸気管２０の途中に設けられている。また運転者によって操作されるアクセルペダル８０の踏み込み量に対応する位置、すなわちアクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ８２が備えられている。また、スロットルバルブ２６の開度を検出するためのスロットルポジションセンサ８４も備えられている。さらに、ＥＧＲ弁５０の開度を検出するための、ここではそのリフト量を検出するためのバルブリフトセンサ８６も備えられている。また、ピストンが往復動する、シリンダブロックには、連接棒を介してピストンが連結されているクランクシャフトのクランク回転信号を検出するためのクランクポジションセンサ８８が取り付けられている。ここでは、このクランクポジションセンサ８８は機関回転数（機関回転速度）を検出するための機関回転数センサとしても利用される。さらに、弁間通路Ｐの排気ガスすなわち燃焼ガスや空気である流体の圧力を検出するための圧力センサ９０が備えられている。また、蓄圧タンク６４内の圧力を検出するための圧力センサ９２も備えられている。さらに、内燃機関１０の冷却水温を検出するための温度センサ９４が備えられている。さらに、車速を検出するための車速センサ９６も備えられている。

ＥＣＵ７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、入力インタフェース、出力インタフェース等を含むマイクロコンピュータで構成されている。入力インタフェースには、前記各種センサ類が電気的に接続されている。これら各種センサ類からの出力信号（検出信号）に基づき、予め設定されたプログラムにしたがって円滑な内燃機関１０の運転がなされるように、ＥＣＵ７０は出力インタフェースから電気的に作動信号（駆動信号）を出力する。こうして、燃料噴射弁１２の作動、スロットルバルブ２６、ＥＧＲ弁５０、排気絞り弁５６および流量制御弁６６の各開度などが制御される。ただし、ＥＣＵ７０は、スロットルバルブ２６、ＥＧＲ弁５０、排気絞り弁５６、流量制御弁６６の各開度を制御するため、各アクチュエータ２４、５４、５８、６８に作動信号を出力する。

内燃機関１０では、エアフローメーター７２からの出力信号に基づいて導出される吸入空気量、クランクポジションセンサ８８からの出力信号に基づいて導出される機関回転数など、すなわち機関負荷および機関回転数で表される運転状態に基づいて燃料噴射量（燃料量）、燃料噴射時期が設定される。そして、それら燃料噴射量、燃料噴射時期に基づいて、燃料噴射弁１２からの燃料の噴射が行われる。

なお、内燃機関１０では、クランクポジションセンサ８８からの出力信号に基づいて導出される機関回転数が所定回転数（燃料カット回転数）以上であり、且つアクセル開度センサ８２からの出力信号に基づいて導出されるアクセル開度が０％、すなわちアクセルペダル８０が踏まれていないときに、燃料噴射弁１２からの燃料噴射が停止（燃料カット）されるように設定されている。ただし、このような燃料カット状態が続いて、機関回転数が低下して別の所定回転数（燃料カット復帰回転数）に達すると、燃料噴射は再開される。また、燃料カットが行われているときに、アクセルペダル８０が踏まれてアクセル開度が０％を超えるようになった場合にも、燃料噴射は再開される。なお、燃料カットが行われているときは、概ね減速時に対応する。

そして、このように燃料カットをする運転状態のとき、上記スロットルバルブ２６が閉状態に保持されるように、予め上記プラグラムは設定されている。ただし、後述するエネルギー回収のときには、強制的にスロットルバルブ２６は全開の開状態になるように制御される。なお、スロットルバルブ２６は内燃機関１０の始動時は全開に制御され、他方、内燃機関１０の停止時は全閉に制御される。そして、通常走行時には、機関状態および冷却水温などに応じて、スロットルバルブ２６の開度は適切な開度になるように制御される。

また、上記各種センサ類からの出力信号に基づいて定まる内燃機関１０の運転状態に基づいてＥＧＲ弁５０の開度は制御される。ここでは、高負荷領域（全負荷領域を含む。）がＥＧＲ弁５０が全閉状態に閉弁される領域（ＥＧＲ外領域）として定められ、それ以外の低・中負荷領域がＥＧＲ弁５０が開かれる領域（ＥＧＲ領域）として定められている。本実施形態では、燃料カットをする運転状態のときには、ＥＧＲ弁５０の開度は全閉になるように設定されているが、このときＥＧＲ弁５０は所定開度の開状態にされてもよい。

ただし、後述するエネルギー回収に際しては、ＥＧＲ弁５０も、運転状態にかかわらず、強制的に後述される開度に制御される。本明細書において、上記の如く運転状態に基づいて制御されるＥＧＲ弁５０の開度を以下「通常開度」と、これに対してエネルギー回収に際してその通常開度に優先して強制的に制御されるＥＧＲ弁５０の開度を以下「回収開度」と称する。

ところで、通常走行時、排気絞り弁５６は全開の開状態に保持制御されるので、排気通路２８を流れる排気ガスすなわち流体は触媒コンバータ３４を通過して外気に放出される。これに対して、エネルギー回収の所定条件が満たされたとき、排気絞り弁５６は全閉の閉状態になるように制御され、排気通路２８を流れる流体は概ねせき止められる。そして、このようにしてせき止めた流体を有効に活用してエネルギー回収が行われる。

ここで、蓄圧タンク６４にさらにエネルギー回収をする余裕があり、且つ、燃料カットをする運転状態にあるとき、初めから排気絞り弁５６およびＥＧＲ弁５０を閉弁してエネルギー回収を行った場合の実験結果例を図２に示す。図２には、車速、弁間通路Ｐの圧力および機関回転数の各変化が同一時間軸上に表されている。図２から、図中の「アクセルＯＦＦ」時に燃料カットがされる運転状態で、排気絞り弁５６およびＥＧＲ弁５０が閉弁されると、弁間通路Ｐの圧力は急激に上昇して４５０ｋＰａ程度にまで高まることが分かる（図２中の曲線ＰＰ）。その圧力上昇にはわずか１秒程度しかかかっていない。

このように排気絞り弁５６およびＥＧＲ弁５０を閉弁することで弁間通路Ｐの圧力が急激に上昇する場合には、車両の減速度が急激に増大し、運転者等に違和感を与えるほどの減速ショックが生じる虞がある。そこで、排気絞り弁５６およびＥＧＲ弁５０を同時に閉弁することで弁間通路Ｐの圧力が急激に高まる可能性があるときには、以下のようにＥＧＲ弁５０の開度を制御して、点線で表した曲線ＮＰの如くに弁間通路Ｐの圧力を緩やかに高めるようにする。

以下、エネルギー回収の制御について、図３のフローチャートにしたがって詳細に説明する。ただし、図３のフローチャートは、およそ２０ｍｓ毎に繰り返されるものである。

内燃機関１０が起動されると、まずＥＣＵ７０は、ステップＳ３０１において、回収フラグが「１」、すなわちＯＮであるか否かを判定する。ここで、回収フラグが「１」ということは、エネルギー回収が行われる所定条件が満たされていることを表す。これに対してそれが「０」ということは、エネルギー回収が行われる所定条件が満たされていないことを表す。初期状態では同回収フラグはリセットされているためここでは否定判定される。なお、本実施形態において、エネルギー回収のための所定条件が満たされるとは、以下の記載から明らかなように、燃料カット中であること、蓄圧タンク６４内の圧力が所定圧以下であること、および、機関回転数が所定回転数以下であることの３つが満たされることである。

ステップＳ３０１で否定されると、次ぐステップＳ３０３で、燃料カット中か否かが判定される。具体的には、燃料カット中か否かは、燃料噴射量が「０」とされているか否かで判定される。なお、通常走行時には、概して、内燃機関１０により所定出力を生み出すべく、「０」より大きな燃料噴射量が上述の如く導かれて燃料噴射が行われている。それ故、そのようなときには、ステップＳ３０３において否定判定されて、該ルーチンは終了する。

上記ステップＳ３０３で燃料カット中として肯定判定されると、次ぐステップＳ３０５で、蓄圧タンク６４内の圧力（図３中の「タンク内圧」）が、蓄圧タンク６４に許容される圧力であって、所定圧である予め決められてＲＯＭに記憶されている上限圧以下か否かが判定される。蓄圧タンク６４内に十分な量の圧力エネルギーすなわち流体が蓄えられているときに、さらにエネルギー回収が行われることを防ぐためである。蓄圧タンク６４内の圧力は圧力センサ９２からの出力信号に基づいて導出される。なお、このステップＳ３０５で否定判定されると、該ルーチンは終了する。

ステップＳ３０５で肯定判定されると、次ぐステップＳ３０７で機関回転数が予めＲＯＭに記憶されている所定回転数以下か否かが判定される。機関回転数は上記の如くクランクポジションセンサ８８からの出力信号に基づいて導出される。ここでは、所定回転数は２０００ｒｐｍにされている。この判定が行われるのは、機関回転数が高いときに弁間通路Ｐの圧力が所定速度以上で上昇すると、運転者等に感じられるレベルの減速ショックが車両に生じる可能性が高くなるので、エネルギー回収を機関回転数が低回転側にあるときにのみ行うようにするためである。なお、ステップＳ３０７で否定判定されると、該ルーチンは終了する。

なお、本実施形態では機関回転数が低回転側にあるときにエネルギー回収を行うようにステップＳ３０７の判定を行うが、機関回転数が低回転側にあるときに限らず高回転側にあるときにもエネルギー回収を行うようにしても良い。すなわち、このステップＳ３０７を除くことは可能であり、その場合には、上記ステップＳ３０３およびＳ３０５で肯定判定されたとき、エネルギー回収の所定条件が満たされたとして、次ぐステップＳ３０９へ進む。

ステップＳ３０７で肯定判定されると、次ぐステップＳ３０９で、エネルギー回収の所定条件が満たされているとして、上記回収フラグが「１」にされる。これにより、内燃機関１０の通常の上記制御よりも、エネルギー回収用の制御が優先して行われることになる。そして、ステップＳ３１１に至ると、ＥＧＲ弁５０の開度が回収開度にされ、流量制御弁６６が閉弁され、且つ、スロットルバルブ２６が開弁されるように、各アクチュエータ５４、６８、２４に作動信号が出力される。

ＥＧＲ弁５０は通常、上記の如く運転状態に基づいて制御されるが、ステップＳ３１１に至って以降のエネルギー回収に際しては、予め実験により求めてＲＯＭに記憶されている、マップ化されたデータに基づいて定められる開度である回収開度にされる。このデータは、排気絞り弁５６が閉弁制御されたとき（排気絞り弁５６が閉弁されるおよび閉弁されたとき）に、弁間通路Ｐの圧力を、減速ショックが出ない圧力とするのに必要とされるＥＧＲ弁５０の開度と、機関回転数や車速との関係を表したものである（図４参照）。このＥＧＲ弁５０の回収開度に関しては後述する。また、流量制御弁６６は基本的には閉弁されているので、流量制御弁６６は閉状態に保たれることになる。さらに、排気通路２８へ空気を送るべく、スロットルバルブ２６は全開の開状態にされる。

次ぐステップＳ３１３では、排気絞り弁５６が閉弁するように、アクチュエータ５８に作動信号が出力される。こうして当該ルーチンは終了する。

次のルーチンのステップＳ３０１では回収フラグが「１」であるので肯定判定される。ステップＳ３０１で肯定判定されると、次ぐステップＳ３１５で、上記ステップＳ３０３と同様に燃料カット中か否かが判定される。ここで肯定判定されると次ぐステップＳ３１７で、上記ステップＳ３０５と同様に蓄圧タンク６４内の圧力が上記上限圧以下か否かが判定される。なお、ステップＳ３１５およびステップＳ３１７での判定が行われるのは、ステップＳ３０９で回収フラグが「１」にされた後、エネルギー回収の所定条件が満たされなくなったときに、エネルギー回収を終了する制御をするためである。

さてステップＳ３１７で肯定されると次ぐステップＳ３１９で、蓄圧タンク６４内の圧力が、弁間通路Ｐの圧力（図３中の「通路圧力」）以下か否かが判定される。このとき既に、排気絞り弁５６が閉弁されているので、時間の経過につれて、排気絞り弁５６によってせき止められた流体の圧力（圧力エネルギー）は高くなる。そして、その圧力が回収可能なほど高まっているかを調べるために、ステップＳ３１９での判定が行われる。ステップＳ３１９で否定判定される場合には次ぐステップＳ３２１で、流量制御弁６６が閉弁するようにアクチュエータ６８に作動信号が出力される。これは、既に流量制御弁６６が閉じられている場合には、流量制御弁６６が閉じたままにされることを意味している。他方、ステップＳ３１９で肯定判定される場合には次ぐステップＳ３２３で、流量制御弁６６が開弁するようにアクチュエータ６８に作動信号が出力される。これにより、弁間通路Ｐの高められた圧力エネルギーが管路６２を介して、蓄圧タンク６４内に回収される。

高い圧力エネルギー、換言すると高い圧力エネルギーを有する流体（ここでは主に空気）が回収されることで、蓄圧タンク６４内の圧力は増す。こうしたエネルギー回収は、上記ステップＳ３１５あるいはステップＳ３１７で否定判定されない限りは概ね続けて行われる。

エネルギー回収中に、ステップＳ３１５あるいはステップＳ３１７で否定判定されるに至ると、エネルギー回収を終了するための制御が行われる。それらのいずれかで否定判定されると次ぐステップＳ３２５で、ＥＧＲ弁５０が通常開度になるように、アクチュエータ５４に作動信号が出力される。また、流量制御弁６６が閉弁するように、アクチュエータ６８へ作動信号が出力される。また、スロットルバルブ２６の強制的な開弁が解除されると、スロットルバルブ２６の開度が運転状態に基づいた開度になるようにアクチュエータ２４へ作動信号が出力される。さらに、排気絞り弁５６が開弁するようにアクチュエータ５８へ作動信号が出力される。そして、次ぐステップＳ３２７で回収フラグが「０」にされる。この結果、内燃機関１０はエネルギー回収を行わない通常の制御状態に復帰される。

ここで、図４、図５および図６に基づいて、エネルギー回収中の（エネルギー回収の所定条件が満たされているときの）ＥＧＲ弁５０の開度の制御に関して説明する。上記エネルギー回収中、ＥＧＲ弁５０の開度は回収開度にされるが、この回収開度は可変開度である。ステップＳ３１１でＥＧＲ弁５０の開度として回収開度が設定されると、まず、ＥＣＵ７０は、そのときの機関回転数および車速に基づいて、図４に表した如きマップ化されたデータを検索することでＥＧＲ弁５０の開度を導出する。そして、この導出された開度にＥＧＲ弁５０の開度がなるように、（図５のＴ１時に）アクチュエータ５４に作動信号が出力される。例えば、導出されたＥＧＲ弁５０の開度が全開の開度であるとき、図５に示すように、燃料カットがされる運転状態であるが故に全閉に閉じられていたＥＧＲ弁５０は全開にまで開かれる。このＥＧＲ弁５０の開弁は、排気絞り弁５６の閉弁に概ね同期するように行われる(図５参照)。つまり、ＥＧＲ弁５０の開弁と、排気絞り弁５６の閉弁とが、概ね同じ期間（Ｔ１−Ｔ２期間）に行われるように、それらの開度の制御が各々行われる。このように、エネルギー回収開始時の排気絞り弁５６の閉弁に関連付けて動かされるＥＧＲ弁５０の目標とされる開度を、「初期開度」と称する。

一旦、ＥＧＲ弁５０の開度が初期開度にされると、以後、ＥＧＲ弁５０の開度調節は、排気絞り弁５０の開度制御とは関係なく行われる。具体的には、時々刻々変化する機関回転数および車速に基づいて図４に表した如きマップ化されたデータを検索することで導出される開度になるように、ＥＧＲ弁５０の開度は制御される。このようにしてＥＧＲ弁５０の開度が制御されることで、概略的に図５に表すように、最終的に目標とされる開度（最終開度）である全閉の開度まで、ＥＧＲ弁５０の開度は緩やかに変化する。このように変化されるＥＧＲ弁５０の開度は、弁間通路Ｐの圧力を、その時々で減速ショックが出ない圧力であって迅速にエネルギー回収可能な圧力にするような、開度である。すなわち、図４に表した如きマップ化されたデータは、排気絞り弁５６が閉弁制御されたときに、弁間通路Ｐの圧力を、減速ショックの低減および適切なエネルギー回収の両方を満足する圧力とするようなデータである。図４では、機関回転数が低く且つ車速が遅いほど左下の領域のＥＧＲ弁５０の開度が導出されるように定められている。図４によれば、機関回転数が低くなるほどＥＧＲ弁５０の開度が小さくなり、車速が遅くなるほどＥＧＲ弁５０の開度は小さくなる。したがって、機関回転数が低いほど、また、車速が遅いほど、より高いエネルギーを回収することが可能になる。

図６に機関回転数と減速トルクとの関係を示す。図６には、燃料カットをする運転状態での実験データの一例が表されている。図６の一番上の曲線β１は、排気絞り弁５６が全開に開弁されると共にＥＧＲ弁５０が全閉に閉弁されている状態でのトルク曲線である。そして、曲線β１の下側に位置する曲線β２は、排気絞り弁５６が全閉に閉弁されると共にＥＧＲ弁５０が全開に開弁されている状態でのトルク曲線である。そして、排気絞り弁５６を全閉の閉状態にしたまま、ＥＧＲ弁の開度をより閉じ側に推移させていくと、トルク曲線は、曲線β２から曲線β８に順に移る。なお、曲線β８は、排気絞り弁５６が全閉に閉弁されると共にＥＧＲ弁５０が全閉に閉弁されている状態でのトルク曲線である。

図６の曲線β１からβ８を横断するように延びる曲線γは、エネルギー回収制御に伴う減速トルクの推移例を表している。ここで、曲線γにしたがって減速トルクの変化を説明する。ただし、以下の説明ではＥＧＲ弁５０の開度を導出するために機関回転数のみを用いるが、以下の説明はその導出のために機関回転数および車速の両方を用いた場合にも当てはまる。

上記エネルギー回収の所定条件が満たされて回収フラグが「１」にされるとき、点Ｃ１での減速トルクが生じる。そして、このとき機関回転数に基づいて図４のα１領域の全開の開度が初期開度として導出される。その結果、排気絞り弁５６の閉弁と同期してＥＧＲ弁５０が初期開度としての全開の開度にまで開弁されると、減速トルクは点Ｃ２での減速トルクになる。次に、機関回転数が低くなると図４のα２領域の９０％開度の開度が導出されるようになり、排気絞り弁５６が閉弁されている状態でＥＧＲ弁５０の開度が９０％開度にされる。これにより減速トルクは点Ｃ３での減速トルクになる。さらに、機関回転数が低くなると図４のα３領域の８０％開度の開度が導出されるようになり、排気絞り弁５６が閉弁されている状態でＥＧＲ弁５０の開度が８０％開度にされる。これにより点Ｃ４での減速トルクが生じるようになる。このようにして機関回転数が低くなって図４のα４、α５、α６領域の６５％、４５％、２５％開度の開度が導出されるようになると、排気絞り弁５６が閉弁されている状態でＥＧＲ弁５０の開度がそれらの開度にされる。こうして減速トルクが、図６での点Ｃ５の減速トルクから点Ｃ７の減速トルクへと徐々に大きくなる。最終的に、機関回転数が低くなって図４のα７領域の全閉の開度が導出されるようになると、排気絞り弁５６が閉弁されている状態でＥＧＲ弁５０の開度が全閉の開度にされる。こうして図６の点Ｃ８での減速トルクが生じるようになる。さらに、機関回転数が低くなると、図６の曲線β８にそって、生じる減速トルクが変化する。

上で説明したように機関回転数や車速の低下にともなってＥＧＲ弁５０の開度が初期開度から最終開度にされるので、排気絞り弁５０の閉弁開始から徐々に減速トルクが高められることになる。このように徐々に高められる減速トルクは車両に明らかな減速ショックを生じさせない。そして、この過程で、弁間通路Ｐの圧力が増大して、その弁間通路Ｐの圧力が蓄圧タンク６４内の圧力を超えるようになると、流量制御弁６６が開弁されてエネルギー回収が行われる（ステップＳ３１９、Ｓ３２３）。したがって、減速ショックが出ないようにしつつ、エネルギー回収を行うことが可能になる。

また、ここでは、上記したように、機関回転数が低くあるいは車速が遅くなるほど、ＥＧＲ弁５０の開度の変化量が大きくなるようにした。機関回転数が低いあるいは車速が遅いほど、運転者に体感され得る減速ショックを生じさせる減速度が大きくなるからである。それ故、機関回転数が低いほどあるいは車速が遅いほど、ＥＧＲ弁５０の開度が小さくされて弁間通路Ｐの圧力上昇速度が高められる。したがって、機関回転数が低いほどあるいは車速が遅いほど、減速ショックを生じさせないようにしつつ高いエネルギーを回収することが可能になる。

また、本実施形態では、ＥＧＲ弁５０の開度が最終開度になると概ね弁間通路Ｐの圧力が目標圧力（例えば５００ｋＰａ）で一定になるように、ＥＧＲ通路４６および排気通路２８の経路断面積、長さ等が定められている。したがって、図５のＴ３−Ｔ４期間では、より適切に、目標圧力のエネルギー（圧力エネルギー）を蓄圧タンク６４内に回収することができる。

図７に弁間通路Ｐの圧力の変化を概略的に表す。図７の曲線ＩはＥＧＲ弁５０をエネルギー回収開始時に全閉にした場合の圧力曲線を、曲線ＩＩは機関回転数が低いときにエネルギー回収のための上記制御を開始した場合の圧力曲線を、曲線ＩＩＩは曲線ＩＩの場合よりも機関回転数が高いときにエネルギー回収のための上記制御を開始した場合の圧力曲線を表している。上記したように、エネルギー回収中、機関回転数が高い程、ＥＧＲ弁５０の開度は開く方に大きくされる。したがって、弁間通路の圧力上昇速度は、エネルギー回収開始時の機関回転数が高いほど、あるいは、機関回転数の低下が遅いほど、遅くゆるやかになる。

なお、上記では例として初期開度を全開の開度にしたが、初期開度は全閉の場合もあり得、また、全閉と全開との間の任意の開度であり得る。また、上記では最終開度を全閉の開度にしたが、最終開度を全閉と全開との間の任意の開度にしてもよい。

以上、上記したように、エネルギー回収開始時に排気絞り弁５６が閉弁されることに対応してＥＧＲ弁５０の開度が初期開度にされ、それ以後ＥＧＲ弁の開度が機関回転数および車速に基づいて変化されるので、排気絞り弁上流側の排気通路の圧力を、減速ショックが出ないようにしつつ上昇させることができる。したがって、減速ショックが出ないようにしつつ、排気絞り弁上流側の排気通路の圧力を高めて、エネルギー回収を行うことが可能になる。

そして、上記のように、減速ショックが出ない程度の減速トルク（減速度）がエネルギー回収により生じるのみであるので、排気ブレーキが生じることは抑制される。したがって、エネルギー回収により、車両の走行性能を損なうことはない。

以上、本発明に係るエネルギー回収装置を上記実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されない。上記実施形態では、排気通路２８の内、排気絞り弁５６上流側すなわち弁間通路ＰにはＥＧＲ通路４６が連通され、このＥＧＲ通路４６に設けられたＥＧＲ弁５０の開度を制御することで、弁間通路Ｐの圧力が調節された。しかしながら、弁間通路Ｐに連通する他の連通路およびその連通路に設けられた別の圧力調節弁を用いて、弁間通路Ｐの圧力調節がなされてもよい。例えば、弁間通路Ｐと、排気絞り弁５６下流側の排気通路とを連通するバイパス通路を設け、そのバイパス通路に設けられたバイパス弁の開度を制御することで、弁間通路Ｐの圧力調節が行われてもよい。なお、この場合、バイパス通路の下流側端部と排気通路２８との連通箇所は、触媒コンバータ３４上流側であるとなおよい。

上記では、エネルギー回収中のＥＧＲ弁５０の開度（回収開度）は、機関回転数および車速に基づいて定められたが、機関回転数および車速の少なくとも一方に基づいて規定され、それら一方に基づいて導出設定されてもよい。そして、機関回転数にのみ基づいてＥＧＲ弁５０の開度が制御される場合には、機関回転数が低くなるほどＥＧＲ弁５０の開度が小さくされるとよい。また、車速にのみ基づいてＥＧＲ弁５０の開度が制御される場合には、車速が遅くなるほどＥＧＲ弁５０の開度が小さくされるとよい。

なお、上記実施形態では、ＥＧＲ弁５０の開度を初期開度から全閉の最終開度まで閉じる方向に変化させた。しかしながら、ＥＧＲ弁５０の開度は全閉以外の最終開度にまで変化されてもよい。最終開度をエネルギー回収開始時の機関回転数や車速に基づいて設定することにしてもよく、例えば、エネルギー回収開始時の機関回転数が高回転側にあるときには、機関回転数が低回転側にあるときの０％開度の最終開度に対して、５０％開度の最終開度にされる。これにより、より減速ショックが出ないようにすることができる。さらに、このように最終開度を変える場合、初期開度から最終開度までの到達時間を概ね同じにするようにしてもよい。例えば、エネルギー回収開始時の機関回転数が低いとき、機関回転数が２００ｒｐｍ下がるごとにＥＧＲ弁５０の開度を２０％閉じるのに対して、エネルギー回収開始時の機関回転数が高いとき、機関回転数が２００ｒｐｍ下がるごとにＥＧＲ弁５０の開度を１０％閉じるというように、エネルギー回収開始時の機関回転数に応じてＥＧＲ弁５０の閉じ側への閉じ速度を変えてもよい。

図４に表された如きマップ化されたデータは、変速機の変速段ごとに設けられていた方がよい。そして、その時々の変速段に対応したデータを機関回転数や車速に基づいて検索することで、エネルギー回収を行っているときに、その時々でのＥＧＲ弁５０の開度が導出されるとよい。こうすることで、より適切に減速ショックを出ないようにすることが可能になる。なお、１回のエネルギー回収中に変速段が変更される場合には、その変更時に、ＥＧＲ弁５０の開度導出に用いられるデータも切り換えられるとよい。それ故に、エネルギー回収中のＥＧＲ弁５０の開度は、小さくなる方向ばかりでなく、大きくなる方にも変化し得る。

また、エネルギー回収を上記実施形態では燃料カット中に行うことにしたが、これ以外のときに行われてもよい。例えば燃料噴射をする運転状態のときにエネルギー回収が行われてもよい。

なお、上記実施形態では、蓄圧タンク６４内に回収された圧力エネルギーを、過給器４０の作動アシストに用いることとした。しかしながら、これは回収された圧力エネルギーの用途を制限するものではなく、回収された圧力エネルギーは、種々の機能部品の作動アシストなどに用いられ得る。なお、排気通路２８と蓄圧タンク６４とをつなぐエネルギー回収用の通路と、種々の機能部品と蓄圧タンク６４とをつなぐエネルギー放出用の通路とは、分けられてもよい。

また、上記実施形態では、排気絞り弁５６はバタフライ式バルブであったが、それ以外の形式のバルブであってもよい。排気絞り弁５６は、例えば、ポペット式バルブ、シャッター式バルブであり得る。なお、排気絞り弁５６として、排気ブレーキ用に設けられたバルブが用いられてもよい。また、ＥＧＲ弁５０や流量制御弁６６は、ポペット式バルブ以外の形式のバルブであってもよく、バタフライ式バルブ、シャッター式バルブであり得る。なお、エネルギー回収用の通路とエネルギー放出用の通路とが分けられる場合には、エネルギー回収用の通路に設けられる弁は逆止弁であってもよい。

また、上記実施形態では、蓄圧タンク６４を１つ設けることにしたが、それは複数個設けられてもよい。そして蓄圧タンク６４を２つ以上複数個設ける場合には、それら蓄圧タンク６４は車両に分散して配置され得る。

なお、上記実施形態では、本発明をディーゼル機関に適用して説明したが、これに限定されず、本発明は、ポート噴射型式のガソリン機関、筒内噴射形式のガソリン機関等の各種の内燃機関に適用可能である。また、用いられる燃料は、軽油やガソリンに限らず、アルコール燃料、ＬＰＧ（液化天然ガス）等でもよい。また、本発明が適用される内燃機関の気筒数などはいくつであってもよい。

なお、上記実施形態およびその変形例では本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。

実施形態のエネルギー回収装置が適用された車両の内燃機関システムの概念図である。排気絞り弁およびＥＧＲ弁を初めから閉弁してエネルギー回収を行った場合の、車速、排気絞り弁上流側の排気通路の圧力および機関回転数の各変化を同一時間軸上に表したグラフである。実施形態の制御フローチャートである。エネルギー回収制御における、ＥＧＲ弁の開度と、機関回転数および車速との関係を概念的に表したグラフである。エネルギー回収制御に伴う、排気絞り弁の開度、ＥＧＲ弁の開度、および排気絞り弁上流側の排気通路の圧力の各変化を同一時間軸上に概念的に表したグラフである。機関回転数と減速トルクとの関係を表したグラフである。エネルギー回収に伴う、排気絞り弁上流側の排気通路の圧力変化を模式的に表したグラフである。

符号の説明

１０内燃機関
２８排気通路
４６ＥＧＲ通路
５０ＥＧＲ弁
５６排気絞り弁
６４蓄圧タンク

Claims

内燃機関の排気通路に設けられた排気絞り弁と、該排気絞り弁上流側の排気通路に弁を介して連通可能な蓄圧容器と、前記排気絞り弁上流側の排気通路から前記蓄圧容器へエネルギー回収を行うべく前記排気絞り弁を閉弁制御する排気絞り弁制御手段とを備えたエネルギー回収装置において、
前記排気絞り弁上流側の排気通路に連通する連通路と、
該連通路に設けられた圧力調節弁と、
前記排気絞り弁が前記排気絞り弁制御手段によって閉弁制御されたとき、前記排気絞り弁上流側の排気通路の圧力を減速ショックが出ない圧力とするように、前記圧力調節弁の開度を制御する圧力調節弁制御手段と、
を備えることを特徴とするエネルギー回収装置。
前記連通路は前記排気絞り弁上流側の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路であり、前記圧力調節弁はＥＧＲ弁であることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー回収装置。
前記圧力調節弁制御手段は、機関回転数および車速の少なくとも一方に基づいて、前記排気絞り弁の閉弁と同期して前記圧力調節弁の開度を初期開度にしてから、前記圧力調節弁の開度を変えるように、該圧力調節弁の開度を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のエネルギー回収装置。
前記圧力調節弁制御手段は、機関回転数が低くなるほど前記圧力調節弁の開度を小さくするように、前記圧力調節弁の開度を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のエネルギー回収装置。
前記圧力調節弁制御手段は、車速が遅くなるほど前記圧力調節弁の開度を小さくするように、前記圧力調節弁の開度を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のエネルギー回収装置。