JP5045475B2 - エンジンの過給装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに直列に接続された２つの排気ターボ過給機と、排気ガスを吸気通路に還流するべく、該吸気通路及び排気通路を接続する排気ガス還流通路とを備えたエンジンの過給装置に関する技術分野に属する。

従来より、エンジンの排気通路に配設されてその排気ガスにより駆動されるタービンと、該エンジンの吸気通路に配設されて該タービンにより駆動されるコンプレッサとを有する排気ターボ過給機と、排気ガスの一部を吸気通路に還流させるべく、該吸気通路及び排気通路を接続するＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に配設されるＥＧＲ弁とを備えたエンジンの過給装置は知られている（例えば、特許文献１参照）
このエンジンの過給装置では、エンジンの運転状態に応じて目標とするＥＧＲ量を算出するとともに、ＥＧＲ制御手段（ＥＣＵ）によりＥＧＲ弁の開度を調整することで、ＥＧＲ量を上記算出した目標量になるように制御している。

また、上記排気ターボ過給機を備えたエンジンの過給装置において、過給効率の向上を図るために、排気ターボ過給機を複数段設ける場合があり（例えば、特許文献２参照）、このようは多段式の過給装置では、排気エネルギーが過剰になるのを防止するために、排気ガスの一部をバイパスさせる排気バイパス弁が設けられている。
特開２００４−２７８３４８号公報 特開２００６−９０２０５号公報

しかし、上述の特許文献１に示すエンジンの過給装置では、例えばＥＧＲ量（排気還流ガス量）が高い状態にある場合に、乗員の加速要求によりアクセルペダルが急激に踏み込まれると、吸気通路内の酸素が不足することとなり、この結果、燃焼時の空燃比が目標空燃比に対して燃料リッチ側にずれてスモークが発生し易くなるという問題がある。

そこで、空燃比が燃料リッチ側にずれた場合には、吸入空気量を増加させることにより、空燃比を燃料リーン側に補正して目標空燃比に近づけることで、スモークの発生を抑制することが考えられる。

ここで、吸入空気量を増加させるためには、例えば特許文献１の過給装置ではＥＧＲ弁を閉方向に制御してＥＧＲ量（排気還流ガス量）を減少させることが考えられ、特許文献２の過給装置では排気バイパス弁を閉方向に制御して排気ガスのバイパス量を減少させること等が考えられる。こうすることで、ターボ過給機のタービンに供給される排気ガス量（排気エネルギー）が増大して排気ターボ過給機の過給能力が増加し、吸入空気量が増加することとなる。

ところで、上記特許文献２に示すように、２つの排気ターボ過給機を直列に配置したエンジンの過給装置においては、排気ターボ過給機が１つの場合に比べて、吸気に対する排気のエネルギー回収効率が高いが故に、吸気通路及び排気通路間の差圧が小さくなり、このため、ＥＧＲ弁と排気バイパス弁とが同じ弁開度であっても、ＥＧＲ弁を介して吸気通路に還流される排気ガス量の方が、排気バイパス弁を介してバイパスされる排気ガス量に比べて多くなる。つまり、排気バイパス弁を閉方向に制御する方が、ＥＧＲ弁を閉方向に制御するよりも、ターボ過給機のタービンに供給される排気ガス量（以下、タービン供給排ガス量という）の増大効果が大きい。

そこで、この排気バイパス弁の閉方向制御によるタービン供給排ガス量の増大効果が大きいことを利用して、例えば、乗員の加速要求等により燃焼室内の空燃比が目標空燃比に対して燃料リッチ側にずれた場合には、該排気バイパス弁の閉方向制御によってターボ過給機の過給量を一気に向上させることで、車両の加速性を維持しつつ吸入空気量を増加させてスモークの発生を抑制することが考えられる。

しかしながら、エンジンが高負荷運転状態にあるときに、この排気バイパス弁の閉方向制御を行うと、もともと過給量が多い状態（つまりタービン供給排ガス量が多い状態）にあるにも拘わらずタービン供給排ガス量が一気に増加して過剰になり、この結果、排気通路の上流側（又は下流側）に位置するターボ過給機が排気抵抗として作用して、エンジンのポンピングロスが増加し、延いては燃費が悪化するという問題がある。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、互いに直列に配設された第１及び第２排気ターボ過給機を備えたエンジンの過給装置に対して、その構成及び制御方法に工夫を凝らすことで、車両の加速性を維持し且つ燃費の悪化を防止しつつ、燃焼室内における燃焼反応に伴う有害ガスの発生、特にスモークの発生を抑制しようとすることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、エンジンの燃焼室内の空燃比が目標値に対して燃料リッチ側にある場合に、エンジンの負荷が所定負荷以下のときには排気バイパス弁を閉方向に制御する一方、エンジンの負荷が該所定負荷よりも大きいときには排気ガス還流弁を閉方向に制御するようにした。

具体的には、請求項１の発明では、エンジンの吸気通路に配設されたコンプレッサと排気通路に配設されたタービンとを有する第１排気ターボ過給機と、上記吸気通路における上記第１排気ターボ過給機のコンプレッサよりも上流側に配設されたコンプレッサと、上記排気通路における上記第１排気ターボ過給機のタービンよりも下流側に配設されたタービンとを有する第２排気ターボ過給機と、上記第１排気ターボ過給機又は第２排気ターボ過給機のタービンをバイパスする排気バイパス通路と、上記排気バイパス通路に配設された排気バイパス弁と、上記吸気通路における上記第１排気ターボ過給機のコンプレッサよりも下流側部分と上記排気通路における上記第１排気ターボ過給機のタービンよりも上流側部分とを接続する排気ガス還流通路と、上記排気ガス還流通路に配設された排気ガス還流弁と、上記エンジンの燃焼室内の空燃比に関連する値を検出する空燃比検出手段と、上記排気ガス還流弁及び上記排気バイパス弁の開度を、上記エンジンの運転状態に応じて設定した設定開度にそれぞれ制御する弁開閉制御手段とを備え、上記弁開閉制御手段は、上記エンジンの運転状態が上記排気ガス還流弁を介して排気ガス還流を行う排気ガス還流領域にあり且つ上記空燃比検出手段により検出された値が所定値に対して燃料リッチ側の値となるスモーク発生条件が成立した場合において、上記エンジンの負荷が所定負荷以下のときには、上記排気バイパス弁の開度がその設定開度よりも小さくなるように、上記排気バイパス弁を閉じ側に制御する一方、上記エンジンの負荷が該所定負荷よりも大きいときには、上記排気ガス還流弁の開度がその設定開度よりも小さくなるように、上記排気ガス還流弁を閉じ側に制御する弁開度変更制御を実行するように構成されているものとする。

この構成によれば、エンジンの運転領域が上記排気ガス還流領域にある場合において、空燃比検出手段により検出された燃焼室内の空燃比に関連する値が所定値に対して燃料リッチ側の値となったときには（所定条件が成立したときには）、上記弁開閉制御手段により以下の弁開度変更制御が実行される。

すなわち、所定条件が成立した場合に、エンジンの負荷が所定負荷以下のとき（エンジンが低負荷運転状態にあるとき）には、弁開閉制御手段により排気バイパス弁の開度が設定開度に対して小さくなるように（閉方向に）制御される。この結果、排気バイパス弁の開度を設定開度とした場合に比べて、排気バイパス弁を介してバイパスされる排気ガス量が減少し、これに伴い、各排気ターボ過給機のタービン供給排ガス量が増大する。こうして、両排気ターボ過給機の過給能力が向上して吸入空気量が増大することにより、燃焼室内の空燃比が燃料リーン側に変化して、該燃焼室内における燃焼反応により発生するスモーク（煤成分）を抑制することができる。

一方、所定条件が成立した場合に、エンジンの負荷が所定負荷よりも大きいとき（エンジンが高負荷運転状態にあるとき）には、弁開閉制御手段により排気ガス還流弁の開度が設定開度に対し小さくなるように（閉方向に）制御される。この結果、排気ガス還流弁の開度を設定開度とした場合に比べて、排気ガス還流弁を介して吸気通路に還流される排気ガス量が減少し、これに伴い、各排気ターボ過給機のタービン供給排ガス量が増大する。こうして、上記エンジンが低負荷運転状態にある場合と同様に、各排気ターボ過給機の過給能力が向上して吸入空気量が増大するので、燃焼室内における燃焼反応に伴うスモーク（煤成分）の発生を抑制することができる。

また、本発明のように、２つの排気ターボ過給機を直列配置した過給装置では、通常、排気バイパス弁を閉方向に制御する方が、排気ガス還流弁を閉方向に制御するよりも、各ターボ過給機に供給される排気ガス量（排気エネルギー）を増大させる効果が大きい。従って、上述のように、エンジンの低負荷運転時等、吸入空気の過給量が少ない状況においては、上記所定条件の成立とともに排気バイパス弁を閉方向に制御するようにしたことで、排気ガス還流弁を閉方向に制御するようにした場合に比べて、各排気ターボ過給機のタービン供給排ガス量を一気に増加させることができて、車両の加速性を維持しつつ燃焼室内の燃焼反応に伴うスモークの発生を抑制することができる。

また、エンジンの高負荷運転時等、吸入空気の過給量が多い状況（排気空気量が多い状況とも言える）においては、上記所定条件の成立とともに排気ガス還流弁を閉方向に制御するようにしたことで、排気バイパス弁を閉方向に制御するようにした場合に比べて、各排気ターボ過給機のタービン供給排ガス量が必要以上に増加するのを防止することができる。すなわち、該排気ガス量が過剰になることにより、第１排気ターボ過給機が過給機としてよりも排気抵抗として作用するのを防止することができる。これにより、エンジンのポンピングロスを低減して燃費の悪化を防止しつつ、スモークの発生を抑制することが可能となる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、上記弁開度変更制御は、上記エンジンの負荷が所定負荷以下のときには、上記排気ガス還流弁の開度をその設定開度に維持しつつ上記排気バイパス弁の開度をその設定開度よりも小さくする一方、上記エンジンの負荷が上記所定負荷よりも大きいときには、上記排気バイパス弁の開度をその設定開度に維持しつつ上記排気ガス還流弁の開度をその設定開度よりも小さくするものである。

これにより、上記所定条件が成立した場合に、エンジンが低負荷運転状態にあるときには、弁開閉制御手段により排気バイパス弁が設定開度に対して閉方向に制御される一方で、排気ガス還流弁の開度は設定開度に保たれることとなる。

また、上記所定条件が成立した場合に、エンジンが高負荷運転状態にあるときには、弁開閉制御手段により上記排気ガス還流弁が設定開度に対して閉方向に制御される一方で、排気ガス還流弁の開度は設定開度に保たれることとなる。

このように、弁開閉制御手段により弁開度変更制御を実行する際に、排気ガス還流弁及び排気バイパス弁のうち閉方向制御を行わない方の弁を設定開度に保つようにしたことで、弁開度変更制御の実行によるタービン供給排ガス量の増大効果を確実に得ることができる。

請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、上記弁開閉制御手段は、上記所定条件が成立した場合において、排気ガス還流率が所定比率以上であるときに、上記弁開度変更制御を実行するように構成されているものとする。

この構成によれば、スモークが発生し易い状況、つまり排気ガス還流率の高い状況においてのみ、弁開閉制御手段による弁開度変更制御を実行することができる。これにより、排気ガス還流弁や排気バイパス弁が、排気ガス還流率が低いにも拘わらず不必要に作動することにより、該各弁の耐久性が悪化するのを防止することができる。

以上説明したように、本発明のエンジンの過給装置によると、エンジンの燃焼室内の空燃比が目標値に対して燃料リッチ側にある場合において、エンジンが低負荷運転状態にあるときには排気バイパス弁を閉方向に制御する一方、エンジンが高負荷運転状態にあるときには排気ガス還流弁を閉方向に制御するようにしたことで、車両の加速性を維持し且つ燃費の悪化を防止しつつ、燃焼室内における燃焼反応に伴うスモークの発生を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る過給装置を採用したエンジン１の概略構成を示す。このエンジン１は、車両に搭載されたディーゼルエンジンであって、複数の気筒２（１つのみ図示）が設けられたシリンダブロック３と、このシリンダブロック３上に配設されたシリンダヘッド４と、シリンダブロック３の下側に配設され、潤滑油が貯溜されたオイルパン９とを有している。このエンジン１の各気筒２内には、ピストン５が往復動可能にそれぞれ嵌挿されていて、このピストン５の頂面には深皿形燃焼室６が形成されている。このピストン５は、コンロッド７を介してクランク軸８と連結されている。

上記シリンダヘッド４には、各気筒２毎に吸気ポート１２及び排気ポート１３が形成されているとともに、これら吸気ポート１２及び排気ポート１３の燃焼室６側の開口を開閉する吸気弁１４及び排気弁１５がそれぞれ配設されている。

また、上記シリンダヘッド４には、燃料を噴射するインジェクタ２０と、エンジン１の冷間時に吸入空気を暖めて燃料の着火性を高めるためのグロープラグ２５とが設けられている。上記インジェクタ２０は、その燃料噴射口が燃焼室６の天井面から該燃焼室６に臨むように配設されていて、圧縮行程上死点付近で燃焼室６に燃料を直接噴射供給するようになっている。尚、インジェクタ２０は、燃料供給管２１を介して不図示のコモンレールに連結されていて、該燃料供給管２１及びコモンレールを介して不図示の燃料タンクから燃料が供給されるように構成されている。余剰燃料は、リターン管２２を通じて燃料タンクへ戻される。

上記エンジン１の一側面には、各気筒２の吸気ポート１２に連通するように吸気通路３０が接続されている。この吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設されており、このエアクリーナ３１で濾過した吸入空気が吸気通路３０及び吸気ポート１２を介して各気筒２の燃焼室６に供給される。

上記吸気通路３０におけるエアクリーナ３１の下流側近傍には、吸入空気の流量を検出するエアフローセンサ３２が配設されている。また、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、各気筒２毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒２の吸気ポート１２にそれぞれ接続されている。

さらに、上記吸気通路３０におけるエアフローセンサ３２とサージタンク３３との間には、第１排気ターボ過給機６１のコンプレッサ６１ａと第２排気ターボ過給機６２のコンプレッサ６２ａとが配設されており、第１排気ターボ過給機６１のコンプレッサ６１ａの方が第２排気ターボ過給機６２のコンプレッサ６２ａよりも下流側に位置する。これら両コンプレッサ６１ａ，６２ａの作動により吸入空気の過給を行う。そして、吸気通路３０には、第１排気ターボ過給機６１のコンプレッサ６１ａをバイパスする吸気バイパス通路６４が接続され、この吸気バイパス通路６４には、該吸気バイパス通路６４へ流れる空気量を調整するための吸気バイパス弁６５が配設されている。尚、本実施形態では、第２排気ターボ過給機６２のコンプレッサ６２ａをバイパスするバイパス通路は設けられてはいないが、このようなバイパス通路を設けるとともに、該バイパス通路に吸気バイパス弁６５と同様の弁を設けるようにしてもよい。

さらにまた、上記吸気通路３０における第１排気ターボ過給機６１のコンプレッサ６１ａとサージタンク３３との間には、上流側から順に、上記両コンプレッサ６１ａ，６２ａにより圧縮された空気を冷却するインタークーラ３５と、両コンプレッサ６１ａ，６２ａにより圧縮された空気の圧力を検出する吸気圧力センサ３６と、上記各気筒２の燃焼室６への吸入空気量を調節する吸気絞り弁３７とが配設されている。

上記エンジン１の他側面には、各気筒２の燃焼室６からの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。この排気通路４０の上流側の部分は、各気筒２毎に分岐して排気ポート１３の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。この排気マニホールドよりも下流側の排気通路４０に、上記第１排気ターボ過給機６１のタービン６１ｂと第２排気ターボ過給機６２のタービン６２ｂとが配設されており、第１排気ターボ過給機６１のタービン６１ｂの方が第２排気ターボ過給機６２のタービン６２ｂよりも上流側に位置する。これらタービン６１ｂ，６２ｂが排気ガス流により回転し、これらタービン６１ｂ，６２ｂの回転により、該タービン６１ｂ，６２ｂとそれぞれ連結された上記コンプレッサ６１ａ，６２ａがそれぞれ作動する。

そして、排気通路４０には、第１排気ターボ過給機６１のタービン６１ｂをバイパスする第１排気バイパス通路６７と、第２排気ターボ過給機６２のタービン６２ｂをバイパスする第２排気バイパス通路６９とが接続されている。第１排気バイパス通路６７には、該第１排気バイパス通路６７へ流れる排気量を調整するためのレギュレートバルブ６８（第１排気バイパス弁）が配設され、第２排気バイパス通路６９には、該第２排気バイパス通路６９へ流れる排気量を調整するためのウエストゲートバルブ７０（第２排気バイパス弁）が配設されている。

上記排気通路４０における上記第２排気ターボ過給機６２のタービン６２ｂよりも下流側には、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置４３が配設されている。この排気浄化装置４３は、酸化触媒部４３ａ、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、フィルタという）４３ｂ及びリーンＮＯｘ触媒部４３ｃで構成されており、上流側から、この順に並んでいる。酸化触媒部４３ａ及びフィルタ４３ｂは１つのケース内に収容され、リーンＮＯｘ触媒部４３ｃは、酸化触媒部４３ａ及びフィルタ４３ｂを収容するケースとは別のケース内に収容されている。尚、排気通路４０の下流端（リーンＮＯｘ触媒部４３ｃよりも下流側）には、サイレンサー４８が設けられている。

上記酸化触媒部４３ａは、白金又は白金にパラジウムを加えたもの等を担持した酸化触媒を有していて、排気ガス中のＣＯ及びＨＣが酸化されてＣＯ_２及びＨ_２Ｏが生成する反応を促すものである。また、上記フィルタ４３ｂは、排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を捕集するものである。尚、フィルタ４３ｂに酸化触媒をコーティングしてもよい。

上記リーンＮＯｘ触媒部４３ｃは、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵して還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を有していて、例えば、バリウムを主成分とし、カリウム、マグネシウム、ストロンチウム、ランタン等のアルカリ金属、アルカリ土類金属又は希土類と、白金等の化学反応触媒作用を有する貴金属とが担持されたＮＯｘ吸蔵材を内装する。このリーンＮＯｘ触媒部４３ｃは、排気ガスの空燃比状態が理論空燃比よりもリーンな状態で排気中のＮＯｘを吸蔵する一方、そのようにして吸蔵したＮＯｘを空燃比状態のリッチ化に応じて放出して、そのＮＯｘを排気ガス中のＣＯ及びＨＣと酸化還元反応させて酸素と窒素とに分解する。また、排気の空燃比が理論空燃比近傍にあるときには、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを略完全に浄化する。

本実施形態のエンジン１は、ディーゼルエンジンであるため、全運転領域で、空燃比を理論空燃比よりも大きくする（λ＞１）リーン運転を行う。このリーン運転を継続すると、リーンＮＯｘ触媒部に吸蔵されるＮＯｘ量が増加していき、やがて飽和状態になって、ＮＯｘの浄化能力が低下する。これを防止するために、吸蔵したＮＯｘを酸素と窒素とに分解放出させてＮＯｘ吸蔵能力を回復させるべく、空燃比のリッチ化を行う。具体的には、リーンＮＯｘ触媒部４３ｃに吸蔵されるＮＯｘ量は、エンジン回転数やエンジン負荷等のエンジン１の運転状態に基づいて、予め作成したＮＯｘ量排出マップにより推定することができ、その推定したＮＯｘ量の積算値が、予め設定した設定量以上になったときに、排気ガスの空燃比をリーン運転時の空燃比よりもリッチ化する（例えば理論空燃比とするか、又はそれ以上にリッチとする）。このリッチ化は、上記吸気絞り弁３７を閉方向に変更して空気量を減量することで行う。そして、リッチ化時間が所定時間を経過したときに、空燃比を元のリーンの状態に復帰させる。尚、上記所定時間は、リッチ化の度合いとの関係で、吸蔵しているＮＯｘ全て（上記設定量）が還元放出される時間に設定される。

上記排気浄化装置４３におけるフィルタ４３ｂの上流側及び下流側には、フィルタ４３ｂに流入する直前及び流出した直後の排気ガスの圧力をそれぞれ検出する上流側及び下流側圧力検出部４５，４６が設けられ、これら上流側及び下流側圧力検出部４５，４６には、該両圧力検出部４５，４６の差圧を検出する差圧センサ４７が接続されている。この差圧は、フィルタ４３ｂに捕集された微粒子量（つまり捕集量）に対応しており、差圧が大きいほど捕集量が多いことになる。この捕集量が多くなると、フィルタ４３ｂが目詰まりすることになり、これを防止するために、捕集量が所定量（例えば最大捕集量の７０％）以上になったとき、つまり、上記差圧が該所定量に対応する所定値になったときに、微粒子を燃焼させてフィルタ４３ｂを再生する。このフィルタ４３ｂを再生するために、排気浄化装置４３の酸化触媒部４３ａに未燃燃料を供給し、この未燃燃料の酸化反応熱によりフィルタ４３ｂの温度を上昇させて、該フィルタ４３ｂに捕集された微粒子を燃焼除去する。酸化触媒部４３ａへの未燃燃料の供給は、燃焼室６での燃焼を意図した、圧縮行程上死点付近で燃料を噴射する主噴射よりも遅れた時期（膨張行程又は排気行程）に燃料を噴射するポスト噴射によって行う。このポスト噴射は、複数回に分けての分割噴射が好ましい。尚、ポスト噴射を行う際には、後述の排気ガス還流弁５１を全閉状態にして、ポスト噴射による燃料が吸気通路３０へ流れないようにすることが好ましい。

上記吸気通路３０における上記サージタンク３３と吸気絞り弁３７との間の部分（つまり第１排気ターボ過給機のコンプレッサよりも下流側部分）と、上記排気通路４０における上記排気マニホールドと第１排気ターボ過給機のタービンとの間の部分（つまり第１排気ターボ過給機のタービンよりも上流側部分）とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するための排気ガス還流通路５０によって接続されている。この排気ガス還流通路５０には、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するための排気ガス還流弁５１と、排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのＥＧＲクーラ５２とが配設されており、排気通路４０における第２排気ターボ過給機６２よりも下流側で排気浄化装置４３よりも上流側には、排ガス中の酸素濃度を検出するリニアＯ２センサ４９（空燃比検出手段）が配設されている。

上記第１排気ターボ過給機６１は小型のものであり、第２排気ターボ過給機６２は大型のものである。すなわち、第２排気ターボ過給機６２のタービン６２ｂの方が第１排気ターボ過給機６１のタービン６１ｂよりもイナーシャが大きい。ここで、第１排気ターボ過給機６１のＴ／Ｃ効率マップ（タービン６１ｂの回転エネルギーをどれだけコンプレッサ６１ａによる圧力上昇に変換できるかを示すもの）を、図２に実線で示し、第２排気ターボ過給機６２のＴ／Ｃ効率マップを、図２で破線で示す。図２における横軸の「空気流量」は、エアフローセンサ３２により検出される空気量であり、縦軸の「圧力比」は、コンプレッサへの流入直前の空気圧力に対するコンプレッサからの流出直後の空気圧力の比である。そして、各排気ターボ過給機毎に描かれている複数の環状の線が、空気流量と圧力比との関係から求まる効率であり、中心側の線ほど効率が高くなる。図２から分かるように、大型の第２排気ターボ過給機６２の方が、高効率の領域が広い。

図３に示すように、上記エアフローセンサ３２、吸気圧力センサ３６、差圧センサ４７、及びリニアＯ２センサ４９による各検出値の信号が、エンジン１を制御するエンジン制御ユニット（以下、ＥＣＵという）８１に入力される。また、ＥＣＵ８１には、それらの他に、エンジン１の回転数を検出するエンジン回転数センサ７３、クランク角を検出するクランク角センサ７４、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ７５、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ７６等の各検出値の信号が入力され、これら入力信号に基づいて、インジェクタ２０、吸気絞り弁３７，排気ガス還流弁５１、吸気バイパス弁６５、レギュレートバルブ６８及びウエストゲートバルブ７０を制御する。

上記ＥＣＵ８１は、上記吸気バイパス弁６５、レギュレートバルブ６８及びウエストゲートバルブ７０の各開度を、上記エンジン１の運転状態に応じて設定した開度にそれぞれ制御する。本実施形態では、図４に示す、エンジン回転数とエンジン負荷とをパラメータとするマップにおける低負荷かつ低回転側の領域Ａ（エンジン負荷が所定負荷（エンジ回転数が大きいほど小さくなる）以下の領域）では、第１及び第２排気ターボ過給機６１，６２の両方を作動させるようにし、こうするために、吸気バイパス弁６５及びレギュレートバルブ６８は全開以外の開度とし、ウエストゲートバルブ７０は全閉状態とする。一方、高負荷かつ高回転側の領域Ｂ（エンジン負荷が上記所定負荷よりも大きい領域）では、第１排気ターボ過給機６１が排気抵抗になるため、第２排気ターボ過給機６２のみを作動させるようにし、こうするために、吸気バイパス弁６５及びレギュレートバルブ６８は全開状態とし、ウエストゲートバルブ７０は全閉状態に近い開度にする。尚、ウエストゲートバルブ７０を常に全閉状態にしてもよい（或いは第２排気バイパス通路６９及びウエストゲートバルブ７０をなくしてもよい）が、過回転を防止するために、上記領域Ｂでは少し開き気味にしている。

上記領域Ａにおける上記吸気バイパス弁６５の開度は、エンジン１の運転状態及びアクセル開度により設定される目標吸気圧により決まる。また、レギュレートバルブ６８は、図５に示すように、高負荷（高トルク）になるに連れて開度を次第に大きくする。図５において開度が１００％のラインよりも高トルク側は、上記領域Ｂに対応する領域であり、この領域では開度は１００％となる。さらに、ウエストゲートバルブ７０の開度は、図６のようになる。図６において開度が１０％のラインよりも低トルク側は、上記領域Ａに対応する領域であり、この領域では開度は０％となる。尚、図５及び図６における実線のラインは、エンジン１に発生する最大トルクラインである。

図４において破線で示すラインを含めてそれよりも低負荷かつ低回転側の領域（上記領域Ａを含む）では、排気ガス還流弁５１が開かれて、排気ガスの一部が吸気通路３０に還流されるようになっている。以下、この領域をＥＧＲ領域という。このＥＧＲ領域における排気ガス還流弁５１の開度は、エンジン１の運転状態に応じて設定される。一方、上記ラインよりも高負荷かつ高回転側では、排気ガス還流弁５１が全閉状態とされ、排気ガスの吸気通路３０への還流は行われない。

尚、第１及び第２排気ターボ過給機６１，６２の両方を作動させる領域Ａ、第２排気ターボ過給機のみを作動させる領域Ｂ、及びＥＧＲ領域を、図２の排気ターボ過給機のＴ／Ｃ効率マップを用いて設定するようにしてもよい。すなわち、上記領域Ａに対応する領域が、図７（ａ）の太線で囲む領域であり、上記領域Ｂに対応する領域が、図７（ｂ）の太線で囲む領域であり、上記ＥＧＲ領域に対応する領域が、図７（ｃ）の太線で囲む領域である。これにより、エアフローセンサ３２により検出される空気量と、コンプレッサへの流入直前の空気圧力に対するコンプレッサからの流出直後の空気圧力の比との関係から、第１及び第２排気ターボ過給機６１，６２の両方を作動させるか、第２排気ターボ過給機６２のみを作動させるか、或いは、排気ガスの吸気通路３０への還流を行うかが決まることになる。

ＥＣＵ８１は、エンジン１の運転状態が上記ＥＧＲ領域におけるＥＧＲ率（排気ガス還流率＝排気ガス還流量／全排気ガス量）３０％以上の領域にあり且つリニアＯ２センサにより検出された酸素濃度値が所定値（燃焼室内の空燃比（Ａ／Ｆ）が１．７に対応する値）に対して燃料リッチ側の値となるスモーク発生条件（所定条件）が成立した場合において、上記エンジンの運転状態が領域Ａ（図４参照）に対応する状態（以下、低負荷運転状態という）にあるときには、上記レギュレートバルブ６８の開度をその目標設定開度よりも小さくする一方、上記エンジンの運転状態が領域Ｂに対応する状態（以下、高負荷運転状態という）にあるときには、上記排気ガス還流弁５１の開度をその目標設定開度よりも小さくする弁開度変更制御を実行する。このことで、ＥＣＵ８１が弁開閉制御手段を構成することとなる。

ここで、ＥＣＵ８１における弁開度変更制御処理について、図８のフローチャートに基づいて説明する。

最初のステップＳ１では、各種センサからの入力信号を読み込み、次のステップＳ２で、目標吸気圧並びに排気ガス還流弁５１、吸気バイパス弁６５、レギュレートバルブ６８及びウエストゲートバルブ７０の目標開度を設定する。

次のステップＳ３では、エンジン１の運転状態がＥＧＲ領域にあるか否かを判定し、このステップＳ３の判定がＮＯであるときには、ステップＳ４に進んで、排気ガス還流弁５１を全閉状態にした後にリターンする。一方、ステップＳ３の判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ５に進んで、排気ガス還流弁５１（図８では、ＥＧＲ弁と記載）の開度を、エンジン１の運転状態に応じた開度（上記設定した目標開度）とし、しかる後にステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、ＥＧＲ率が所定比率（本実施形態では３０％）以上であるか否かを判定し、この判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ７に進み、ＮＯの場合にはリターンする。

ステップＳ７では、燃焼室内における燃焼時の空燃比（Ａ／Ｆ）が、スモークを発生し易い値か否かを判定する。具体的には、ステップＳ１にて読み込んだリニアＯ２センサ４９からの検出値を基に算出した排気ガス中の酸素濃度値が所定値（本実施形態では燃焼室内の空燃比が１．７に対応する値。以下、スモーク悪化限界値という）に対して燃料リッチ側の値であるか否かを判定し、この判定がＹＥＳであるときにはステップＳ８に進む一方、ＮＯであるときにはリターンする。

ステップＳ８では、エンジン１が低負荷運転状態にあるか否かを判定し、この判定がＹＥＳであるとき（エンジン１が低負荷運転状態にあると判定したとき）にはステップＳ１０に進む一方、この判定がＮＯであるとき（エンジン１が高負荷運転状態にあると判定したとき）にはステップＳ９進む。

ステップＳ９では、排気ガス還流弁５１の開度を、ステップＳ２で設定した目標設定開度よりも小さくなるように補正する。尚、レギュレートバルブ６８の設定開度は、補正せずに上記設定した目標設定開度のまま維持する。

ステップＳ１０では、レギュレートバルブ６８の開度をその目標設定開度よりも小さくなるように補正する。尚、排気ガス還流弁５１の設定開度は、補正せずに上記設定した目標設定開度に維持する。ここで、ステップＳ９及び１０における各弁５１，６８の補正量は、例えば、ステップＳ７にて算出した空燃比と、スモーク悪化値との差分値に比例する量とされる。

尚、ステップＳ１０では、レギュレートバルブ６８を閉方向に制御するようにしているが、エンジン負荷がかなり低い状態では、上述の如くレギュレートバルブ６８が全閉状態になっている場合があり、この場合には、該レギュレートバルブ６８の閉方向制御を行わずにリターンするようにしてもよいし、排気ガス還流弁５１の閉方向制御を行うようにしてもよい。

以上の如く上記実施形態では、ＥＣＵ８１は、上記エンジン１の運転領域が上記排気ガス還流弁５１を介して排気ガス還流を行うＥＧＲ領域にあり且つリニアＯ２センサにより検出された酸素濃度値がスモーク悪化限界値に対して燃料リッチ側の値となるスモーク発生条件（所定条件）が成立した場合（ステップＳ７の判定がＹＥＳの場合）において、上記エンジン１が低負荷運転状態にあるとき（ステップＳ８の判定がＹＥＳのとき）には、上記レギュレートバルブ６８の開度をその目標設定開度よりも小さくする（ステップＳ１０の処理を実行する）一方、上記エンジン１が高負荷運転状態にあるとき（ステップＳ８の判定がＮＯのとき）には、上記排気ガス還流弁５１（ＥＧＲバルブ）の開度をその目標設定開度よりも小さくする（ステップＳ９の処理を実行する）ように構成されている。

これにより、エンジン１の高負荷運転時の燃費悪化を防止しつつ、燃焼室内の燃焼反応に伴うスモークの発生を抑制することができる。すなわち、上記実施形態の如く、２つの排気ターボ過給機６１及び６２を備えた多段式の過給装置においては、レギュレートバルブ６８を閉方向に制御する方が、排気ガス還流弁５１を閉方向に制御するよりも、各ターボ過給機６１，６２のタービン６１ｂ、６２ｂに供給される排気ガス量（タービン供給排ガス量）を増大させる効果が大きい。

従って、エンジン１が低負荷運転状態にある場合のように吸入空気の過給量が少なくなる状態では、上述のように、スモーク発生条件の成立とともにレギュレートバルブ６８を閉方向に制御するようにしたことで、排気ガス還流弁５１を閉方向に制御するようにした場合に比べて、各排気ターボ過給機６１，６２に供給されるタービン供給排ガス量を一気に増加させて乗員の加速要求等を満足させつつ、燃焼室内の燃焼反応に伴うスモークの発生を抑制することができる。

また、エンジンの高負荷運転状態にある場合のように吸入空気の過給量が多くなる状態では、スモーク発生条件の成立とともに排気ガス還流弁５１を閉方向に制御するようにしたことで、レギュレートバルブ６８を閉方向に制御するようにした場合に比べて、各排気ターボ過給機６１，６２のタービン供給排ガス量が必要以上に増加するのを防止することができる。すなわち、該タービン供給排ガス量が過剰になることにより、第１排気ターボ過給機６１がその過給機能を発揮し難くなり排気抵抗として作用するのを防止することができる。従って、エンジン１のポンピングロスを低減して燃費向上を図りつつ、スモークの発生を抑制することが可能となる。

さらに、上記実施形態では、ＥＣＵ８１は、上記レギュレートバルブ６８の閉方向制御を行う際には（ステップＳ１０の処理を実行する際には）、排気ガス還流弁５１の開度は変更せずにその目標設定開度に維持するようになっており、また、ＥＣＵ８１は、排気ガス還流弁５１（ＥＧＲバルブ）の閉方向制御を行う際には（ステップＳ９の処理を実行する際には）、レギュレートバルブ６８の開度を変更せずにその目標設定開度に維持するようになっている。

このように、ＥＣＵ８１により弁開度変更制御を実行する際に、排気ガス還流弁５１及びレギュレートバルブ６８のうち閉方向制御を行わない方の弁５１，６８を設定開度に維持するようにしたことで、該弁開度変更制御の実行によるタービン供給排ガス量の増大効果を確実に得ることができる。

さらにまた、ＥＣＵ８１は、排気ガス還流弁５１の開度を上記エンジン１の運転状態に応じた目標設定開度に制御した後に（ステップＳ５の処理を実行後に）、排気ガス還流率が所定比率（上記実施形態では３０％）以上になっていれば（ステップＳ６の判定がＹＥＳであれば）、上記弁開度変更制御（ステップＳ８乃至Ｓ１０の処理）を実行するようになっている。

これにより、排気ガス還流率が３０％以上となる状況、つまりスモークが発生し易い状態においてのみ、ＥＣＵ８１による弁開度変更制御を実行することができる。このため、排気ガス還流弁５１やレギュレートバルブ６８が、排気ガス還流率が３０％未満であるにも拘わらず（スモークが発生し難い状態にあるにも拘わらず）不必要に作動することにより、該各弁５１，６８の耐久性が失われるのを防止することができる。

（他の実施形態）
本発明の構成は、上記実施形態に限定されるものではなく、それ以外の種々の構成を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、２つの排気ターボ過給機６１，６２を
設けるようにしているが、これに限ったものではなく、排気ターボ過給機６１，６２を３つ以上設けるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、エンジン１が高負荷運転状態にあり且つスモーク発生条件が成立した時には、レギュレートバルブ６８の閉方向制御を行うようになっているが、これに限ったものではなく、例えばウエストゲートバルブ７０の閉方向制御を行うようにしてもよい。この場合には、ウエストゲートバルブ７０が排気バイパス弁を構成することとなる。

また、上記実施形態では、第１排気ターボ過給機６１を小型のものとし、第２排気ターボ過給機６２を大型のものとしているが、これに限ったものではなく、例えば、両排気ターボ過給機６１，６２の過給能力を同等にするようにしてもよい。

本発明は、互いに直列に接続された２つの排気ターボ過給機と、排気ガスの一部を吸気通路に還流するための排気ガス還流通路と、該排気ガス還流通路に配設された排気ガス還流弁とを備えたエンジンの過給装置に有用であり、特に、排気ガスの一部を排気ターボ過給機に対してバイパスさせる排気バイパス弁を備えた排気ターボ過給機に有用である。

本発明の実施形態に係る過給装置を採用したエンジンの構成を示す概略図である。 第１及び第２排気ターボ過給機のＴ／Ｃ効率マップである。 過給装置の概略構成を示すブロック図である。 第１及び第２排気ターボ過給機並びに排気ガス還流弁の作動マップである。 レギュレートバルブの開度を示すマップである。 ウエストゲートバルブの開度を示すマップである。 第１及び第２排気ターボ過給機並びに排気ガス還流弁の、図４とは別の作動マップである。 エンジン制御ユニットにおける弁開度変更制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン
３０ 吸気通路
４０ 排気通路
４９ リニアＯ２センサ（空燃比検出手段）
５０ 排気ガス還流通路
５１ 排気ガス還流弁
６１ 第１排気ターボ過給機
６１ａ コンプレッサ
６１ｂ タービン
６２ 第２排気ターボ過給機
６２ａ コンプレッサ
６２ｂ タービン
６７ 第１排気バイパス通路（バイパス通路）
６８ レギュレートバルブ（排気バイパス弁）
６９ 第２排気バイパス通路（バイパス通路）
７０ ウエストゲートバルブ（排気バイパス弁）
８１ エンジン制御ユニット（弁開閉制御手段）

Claims (3)

1. エンジンの吸気通路に配設されたコンプレッサと排気通路に配設されたタービンとを有する第１排気ターボ過給機と、
   上記吸気通路における上記第１排気ターボ過給機のコンプレッサよりも上流側に配設されたコンプレッサと、上記排気通路における上記第１排気ターボ過給機のタービンよりも下流側に配設されたタービンとを有する第２排気ターボ過給機と、
   上記第１排気ターボ過給機又は第２排気ターボ過給機のタービンをバイパスする排気バイパス通路と、
   上記排気バイパス通路に配設された排気バイパス弁と、
   上記吸気通路における上記第１排気ターボ過給機のコンプレッサよりも下流側部分と上記排気通路における上記第１排気ターボ過給機のタービンよりも上流側部分とを接続する排気ガス還流通路と、
   上記排気ガス還流通路に配設された排気ガス還流弁と、
   上記エンジンの燃焼室内の空燃比に関連する値を検出する空燃比検出手段と、
   上記排気ガス還流弁及び上記排気バイパス弁の開度を、上記エンジンの運転状態に応じて設定した設定開度にそれぞれ制御する弁開閉制御手段とを備え、
   上記弁開閉制御手段は、上記エンジンの運転状態が上記排気ガス還流弁を介して排気ガス還流を行う排気ガス還流領域にあり且つ上記空燃比検出手段により検出された値が所定値に対して燃料リッチ側の値となるスモーク発生条件が成立した場合において、上記エンジンの負荷が所定負荷以下のときには、上記排気バイパス弁の開度がその設定開度よりも小さくなるように、上記排気バイパス弁を閉じ側に制御する一方、上記エンジンの負荷が上記所定負荷よりも大きいときには、上記排気ガス還流弁の開度がその設定開度よりも小さくなるように、上記排気ガス還流弁を閉じ側に制御する弁開度変更制御を実行するように構成されていることを特徴とするエンジンの過給装置。
   
2. 請求項１記載のエンジンの過給装置において、
   上記弁開度変更制御は、上記エンジンの負荷が所定負荷以下のときには、上記排気ガス還流弁の開度をその設定開度に維持しつつ上記排気バイパス弁の開度をその設定開度よりも小さくする一方、上記エンジンの負荷が上記所定負荷よりも大きいときには、上記排気バイパス弁の開度をその設定開度に維持しつつ上記排気ガス還流弁の開度をその設定開度よりも小さくするものであることを特徴とするエンジンの過給装置。
3. 請求項１又は２記載のエンジンの過給装置において、
   上記弁開閉制御手段は、上記所定条件が成立した場合において、排気ガス還流率が所定比率以上であるときに、上記弁開度変更制御を実行するように構成されていることを特徴とするエンジンの過給装置。

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