JP5545654B2

JP5545654B2 - ターボチャージャ付き内燃機関

Info

Publication number: JP5545654B2
Application number: JP2010203385A
Authority: JP
Inventors: 克昌倉地; 健治中嶋
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2030-09-10
Also published as: JP2012057582A

Description

本発明は、排気ガス再循環装置を備えたターボチャージャ付き内燃機関に関する。

気筒内の燃焼温度を低下させ、以て有害物質であるＮＯ_xの排出量を削減する排気ガス
再循環（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が知られている。ＥＧＲ装置は、燃焼により発生した排気ガスの一部を吸気に混入するものである。

気筒から排出された直後の高温高圧の排気ガスを吸気通路に還流する高圧ループ式ＥＧＲに対し、排気ターボ過給機のタービン及び排気ガス浄化用の触媒を通過した低温低圧の排気ガスを吸気通路に還流する低圧ループ式ＥＧＲ（例えば、下記特許文献１を参照）は、大量のＥＧＲガスを吸気に混入でき、より有効に燃費の向上を図ることができる点で有利である。

ところで、低圧ループ式ＥＧＲを採用する場合、排気ガスは吸気通路におけるコンプレッサの上流に還流される。これは、ＥＧＲ通路と吸気通路との合流点をコンプレッサの下流に設定した場合、特にコンプレッサの作動中は排気ガスが吸気通路に還流されなくなるからである。従って、要求されるＥＧＲ率が低下した際にＥＧＲ弁を全閉状態とする制御を行ったとしても、低圧ループ式ＥＧＲを採用する場合には、高圧ループ式ＥＧＲを採用する場合と比較して、吸気通路中に多量のＥＧＲガスが残留する。すなわち、ＥＧＲ弁を全閉状態としても、この残留ＥＧＲガスが吸気に混交することにより、ＥＧＲ率の低下が遅れてしまう。結果、気筒に充填される吸気のＥＧＲ率が要求ＥＧＲ率と比較して過剰となり、失火や燃焼不安定状態を引き起こすおそれがあった。失火や燃焼不安定状態はトルクショックや排ガス中の炭化水素量の増加の要因となるので、発生を抑制する必要がある。

そこで、従来の低圧ループ式ＥＧＲを使用する場合には、ＥＧＲ率の上限を低く設定することにより失火や燃焼不安定状態の発生を予防するようにしていた。ところが、ＥＧＲ率の上限を低く設定すると、上述したような低圧ループ式ＥＧＲ制御を行うことによる効果、すなわち大量のＥＧＲガスを吸気に混入することにより燃費の向上を図ることができるという効果を好適に得ることができないという新たな問題が発生する。

特開２００８−２４８７２９号公報

本発明は、加減速時にＥＧＲ率の制御の遅れにより燃焼が不安定化する問題を回避することを所期の目的としている。

すなわち本発明に係るターボチャージャ付き内燃機関は、排気通路に設けられたタービンと、前記タービンにより駆動される吸気通路のコンプレッサとを備えたターボチャージャ付き内燃機関において、吸気通路における前記コンプレッサの下流に設けたスロットル弁と、吸気通路における前記コンプレッサの上流に設けた吸気絞り弁と、吸気通路における前記吸気絞り弁の上流と前記スロットル弁の下流とを連通する新気バイパス通路と、前記新気バイパス通路の途中に設けた新気調量用の新気バイパス弁と、排気通路における前記タービンの下流の箇所から吸気通路における前記コンプレッサの上流かつ前記吸気絞り弁の下流の箇所に排気ガスの一部を還流させる排気ガス再循環装置と、前記新気バイパス弁を制御する制御装置とを具備し、前記制御装置が、アクセル操作量の時間微分値の絶対値が第１の閾値を上回り、前記第１の閾値より大きな第２の閾値を下回る場合に新気バイパス弁を開弁する制御を行うことを特徴とする。

このような構成のものであれば、ＥＧＲ制御を終了した直後において、新気バイパス通路を経て新気をシリンダに導入することによりシリンダに導入される混合気中のＥＧＲ濃度を低下させることができる。従って、上述したような吸気通路の内部に多量のＥＧＲガスが残留することによる不具合の発生を抑制することができる。

また、前記新気バイパス弁を制御する制御装置を具備し、前記制御装置が、アクセル操作量の時間微分値の絶対値が第１の閾値を上回り、前記第１の閾値より大きな第２の閾値を下回る場合に新気バイパス弁を開弁する制御を行うので、特に、ターボチャージャによる過給が十分行われない程度に緩やかな加速を行う際や、燃料カットが行われない程度に緩やかな減速を行う際に新気バイパス弁を開弁することによる効果を好適に得ることができる。

さらに、前記制御装置が、サージタンク内が負圧である場合にのみ新気バイパス弁を開弁する制御を行うものであれば、サージタンク内が正圧である場合に新気バイパス弁を閉弁することにより、ＥＧＲガスが吸気絞り弁の上流へ逆流する不具合の発生を抑制することができる。

本発明によれば、加減速時にＥＧＲ率の制御の遅れにより燃焼が不安定化する問題を回避することができるという効果を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの概略構成説明図。同実施形態の電子制御装置の概略構成説明図。同実施形態の制御手順を示すフローチャート。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１に構成を概略的に示した内燃機関であるエンジン１００は、２つのシリンダ１を有するもので、各シリンダ１に吸入空気を供給するための吸気通路２と、排気ガスを排出するための排気通路３と、排気通路３上に配設されたタービン５及び吸気通路２上に配設されたコンプレッサ６を有するターボチャージャ４とを少なくとも具備してなるものである。前記吸気通路２には、エアクリーナ７、吸気絞り弁８、コンプレッサ６、インタークーラ９、及び電子制御式スロットル弁（以下、スロットル弁１０と称する）を上流からこの順で配設している。また、本実施形態では、スロットル弁１０とシリンダ１との間にサージタンク１１を設けている。加えて本実施形態では、吸気絞り弁８より上流側の箇所とスロットル弁１０より下流側の箇所、具体的にはサージタンク１１との間を連通する新気バイパス通路１２ａ、及びこの新気バイパス通路１２ａ中に設けてなる新気バイパス弁１２ｂを有する新気バイパス機構１２を配設している。前記新気バイパス弁１２ｂは、全閉状態と全開状態との間で開度を連続的に変更可能な弁である。特に緩やかな加減速時においては、後述するように、前記新気バイパス通路１２ａから新気を導入することにより、過剰のＥＧＲによる失火を防止するようにしている。前記スロットル弁１０は、図示しないアクセルペダルの操作量に応じて開閉する。そして、図示しない燃料タンク内に発生した燃料蒸発ガスはキャニスタ１３に吸着され、エンジン１００が始動された後にパージバキュームスイッチングバルブ１４（パージＶＳＶ）を介して吸気通路２に導入されるように構成してある。

前記各シリンダ１には、点火プラグ１５及び燃料噴射弁１６を配設している。前記燃料噴射弁１６は、デリバリパイプ１７を介して高圧燃料ポンプ１８に接続している。

前記排気通路３上には、タービン５、三元触媒２０、及び図示しない排気マフラを上流からこの順で配設している。三元触媒２０より上流側には、三元触媒２０の上流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を電子制御装置（以下ＥＣＵ３３と称する）に出力する空燃比センサ２１を設けている。一方、三元触媒２０より下流側には、三元触媒２０中の酸素濃度に応じた信号をＥＣＵ３３に出力するリアＯ₂センサ２２を設けている。

前記ターボチャージャ４は、この分野でよく知られたものを使用することができるもので、過給圧を制御するために、タービン５の上流と下流とを連通可能にする排気バイパス通路２３ａを備え、その排気バイパス通路２３ａを開閉するウェイストゲート弁２３ｂを備えている。このウェイストゲート弁２３ｂは、低速走行時にはより多くの排気ガスをタービン５に導くことにより、より多くの新気をシリンダ１内に過給するようにすべく閉じられ、中高速走行時には過過給によるノッキングの発生を防ぐべく開かれる。また、ターボチャージャ４のコンプレッサ６側においては、コンプレッサ６を迂回する過給圧迂回機構２４が設けてある。この過給圧迂回機構２４は、コンプレッサ６の上流と下流とを連通可能にする吸気バイパス通路２４ａと、その吸気バイパス通路２４ａを開閉する吸気バイパス弁たるＡＢＶ２４ｂ（エアバイパスバルブ）とを備えている。減速時には、過給圧を下げるようにしている。

また、本実施形態では、エアクリーナ７を介して吸気通路２に流入する新気に排気ガスを混合するためのＥＧＲ装置２５を、吸気通路２と排気通路３との間に連通させて設けている。すなわち、ＥＧＲ装置２５は、吸気通路２と排気通路３とが選択的に連通される排気ガス再循環管路（以下、ＥＧＲ管路２６と称する）と、そのＥＧＲ管路２６に設けられてＥＧＲ管路２６を通過するか、または再循環させる排気ガス（ＥＧＲガス）の量を制御する排気ガス再循環制御弁（以下、ＥＧＲ弁２７と称する）と、このＥＧＲ弁２７の上流に設けられＥＧＲガスを水冷するＥＧＲクーラ２８とを備えて構成される。ＥＧＲ管路２６は、排気通路３のタービン５より下流の箇所、より正確には三元触媒２０より下流の箇所と、吸気通路２の吸気絞り弁８の下流かつコンプレッサ６の上流の部位とを連通する。すなわち、このＥＧＲ装置２５は、低圧ループ式のものである。ＥＧＲ弁２７は、ＥＣＵ３３により制御されている。

さらに本実施形態では、連続可変バルブタイミング機構（以下、ＶＶＴ２９と称する）を具備する。このＶＶＴ２９は、図示しないクランクシャフトの回転に対して排気弁を常に一定のタイミングで開閉させつつ、吸気弁のバルブタイミングを変化させて、排気弁のバルブタイミングと吸気弁のバルブタイミングとの相対位相差を所定角度範囲内で自在に変化させることができる。ＶＶＴ２９の制御は、ＥＣＵ３３により行う。

加えて、本実施形態では、エンジン１００のクランクケース内のクランク室及びシリンダヘッドカバー内のカム室で発生するブローバイガスを吸気通路２に送り出すためのブローバイガス還流装置３０も備えている。このブローバイガス還流装置３０は、ＰＣＶ通路３１と、ブローバイ通路３２とを要素とする。ＰＣＶ通路３１は、クランクケース内のクランク室を、吸気通路２に連通せしめる。本実施形態では、ＰＣＶ通路３１の一端を、吸気通路２のスロットル弁１０より下流の部位に接続している。ブローバイ通路３２は、シリンダヘッドカバー内のカム室を、吸気通路２に連通せしめる。図示はしないが、カム室は、内部通路を介してクランク室と繋がっており、相互にブローバイガスや新気を行き来させることができる。本実施形態では、ブローバイ通路３２の一端を、吸気通路２におけるコンプレッサ６の上流側、より正確には吸気絞り弁８の上流側の所定箇所に接続している。

ＥＣＵ３３は、図２に概略的に示すように、ＣＰＵ３３ａ、ＲＡＭ３３ｂ、ＲＯＭ３３ｃ、フラッシュメモリ３３ｄ、Ｉ／Ｏインタフェース３３ｅ等を包有するマイクロコンピュータシステムである。Ｉ／Ｏインタフェース３３ｅには、空気流量を検出するためのエアフローメータ３４から出力される空気流量信号ａ、車速を検出する車速センサ３５から出力される車速信号ｂ、エンジン回転数を検出する回転数センサ３６から出力される回転数信号ｃ、スロットル弁開度を検出するスロットルポジションセンサ３７から出力されるスロットル開度信号ｄ、吸気通路２内、より具体的にはサージタンク１１内の吸気圧（過給圧）を検出する圧力センサ３８から出力される吸気圧信号ｅ、吸気通路２内の吸気温を検出する吸気温センサ３９から出力される吸気温信号ｆ、冷却水温を検出する水温センサ４０から出力される水温信号ｇ、燃圧を検出する燃圧センサ４１から出力される燃圧信号ｈ、空燃比センサ２１から出力される空燃比信号ｉ、リアＯ₂センサ２２から出力される電圧信号ｊ等が入力される。また、Ｉ／Ｏインタフェース３３ｅからは、燃料噴射弁１６に対して燃料噴射信号ｐ、点火プラグ１５（のイグニッションコイル）に対して点火信号ｑ、新気バイパス弁１２ｂに対して開閉信号ｒ等を出力する。このＥＣＵ３３は、請求項中の制御装置として機能する。

各種制御用のプログラムは、ＲＯＭ３３ｃ又はフラッシュメモリ３３ｄに格納されており、そのプログラムがＲＡＭ３３ｂに読み込まれＣＰＵ３３ａによって解読される。ＣＰＵ３３ａは、エンジン１００の運転制御に必要な各種信号ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ，ｉ，ｊをＩ／Ｏインタフェース３３ｅを介して取得し、それら信号が示す情報に基づいて吸入空気量や要求燃料噴射量、点火時期、開閉弁時期、ＥＧＲ弁２５ｂの開度等を演算する。そして、演算結果に対応した各種制御信号ｐ，ｑ，ｒをＩ／Ｏインタフェース３３ｅを介して印加する。

しかして本実施形態では、ＥＣＵ３３は、緩やかな加速又は緩やかな減速を示す所定の加減速条件を満たした場合に新気バイパス弁１２ｂを開弁する制御を行う。

具体的には、アクセル操作量の時間微分値の絶対値が第１の閾値を上回り（加速又は減速が行われていて）、前記第１の閾値よりも大きな第２の閾値を下回る（加速又は減速が緩やかである）とともに、サージタンク１１内が負圧である場合に、新気バイパス弁１２ｂを開弁する制御を行う。また、運転状態に急変があった場合、具体的には燃料カットが開始された場合又はアクセル操作量の増加があった場合には、新気バイパス弁１２ｂを閉弁する制御を行う。なお、前記第２の閾値は、急加速に伴い過給圧が十分大きくなり供給される新気の量が吸気通路中のＥＧＲガスと比較して十分大きくなる程度の値、又は燃料カットが行われる程度の急減速を示す程度の値のうちより大きな値を実験に基づき決定して採用している。

以下、図３に示すフローチャートを参照しつつ、ＥＣＵ３３がプログラムに従い実行する処理の手順を述べる。

まず、運転状態が所定の加減速条件を満たしているか否かを判定する（Ｓ１）。具体的には、アクセル操作量の時間微分値の絶対値が第１の閾値を上回っていて、かつ第２の閾値を下回っているか否かを判定する。運転状態が所定の加減速条件を満たしている場合は、次いで、サージタンクが負圧であるか否かを判定する（Ｓ２）。さらに、サージタンクが負圧である場合には、エンジン回転数及び吸気圧をパラメータとして新気バイパス弁１２ｂの開度θを決定し（Ｓ３）、次いでアクセル操作量の時間微分値をパラメータとして新気バイパス弁１２ｂの開弁時間ｔを決定する（Ｓ４）。それから、新気バイパス弁１２ｂを開弁し（Ｓ５）、新気バイパス弁１２ｂの開弁開始から前記開弁時間ｔが経過しているか否かを判定する（Ｓ６）。新気バイパス弁１２ｂの開弁開始から前記開弁時間ｔが経過していない場合には、続いて、運転状態の急変が有ったか否か、具体的には燃料カットが開始されたかあるいはアクセル操作量の増加があったか否かを判定する（Ｓ７）。ここで、運転状態の急変がなかった場合には、引き続き新気バイパス弁１２ｂを開弁する（Ｓ５）。一方、新気バイパス弁１２ｂの開弁開始から前記開弁時間ｔが経過した場合、又は運転状態の急変が有った場合には、新気バイパス弁１２ｂを閉弁する制御を行う（Ｓ８）。また、運転状態が所定の加減速条件を満たしていない場合及びサージタンクが正圧である場合にも、新気バイパス弁１２ｂを閉弁する制御を行う（Ｓ８）。ここで、新気バイパス弁１２ｂの開度θの決定は、代表的なエンジン回転数及び吸気圧と、対応する新気バイパス弁１２ｂの開度θとを関連付けて記憶したＲＯＭ３３ｃ又はフラッシュメモリ３３ｄに記憶した開度マップを参照して補間計算により行うようにしている。また、新気バイパス弁１２ｂの開弁時間ｔの決定は、代表的なアクセル操作量の時間微分値と、対応する新気バイパス弁１２ｂの開弁時間ｔとを関連付けて記憶したＲＯＭ３３ｃ又はフラッシュメモリ３３ｄに記憶した開弁時間マップを参照して補間計算により行うようにしている。

また、ＥＣＵ３３は、前記時間微分値の絶対値が第１の閾値を上回り、第２の閾値を下回ることが検出された場合に、ＥＧＲ弁２７を全閉状態とする制御を上述した制御と並行して行う。

このような制御を行うと、緩やかな加減速が行われる際には、ＥＧＲ弁２７を全閉状態としつつ、新気バイパス弁１２ｂを開弁して新気をサージタンク１１内に導入するので、シリンダ１に導入される混合気中のＥＧＲ濃度を低下させることができる。従って、吸気通路２内に多量のＥＧＲガスが残留することによる不具合、すなわち失火や燃焼不安定状態の発生を抑制することができる。そして、このことにより、ＥＧＲ制御を行う際におけるＥＧＲ率の上限を高く設定して多量のＥＧＲガスをシリンダ内に導入することができるようになるので、燃費の向上を効果的に得ることができる。

また、ＥＣＵ３３が、運転状態が所定の加減速条件を満たした場合に新気バイパス弁１２ｂを開弁する制御を行うので、特に、ターボチャージャ４による過給が十分行われない程度に緩やかな加速を行う際や、燃料カットが行われない程度に緩やかな減速を行う際に新気バイパス弁を開弁することによる効果を好適に得ることができる。

さらに、ＥＣＵ３３が、サージタンク１１内が負圧である場合にのみ新気バイパス弁１２ｂを開弁する制御を行うので、サージタンク１１内が正圧である場合には新気バイパス弁１２ｂを閉弁することによりＥＧＲガスが吸気絞り弁上流へ逆流する不具合の発生を抑制することができる。

なお、本発明は以上に述べた実施の形態に限らない。

例えば、上述した実施形態では、運転状態の検出はアクセルペダルの操作量の時間微分値に基づき行うようにしているが、スロットル弁の開度の時間微分値に基づき行うようにしてもよい。

また、運転状態が所定の加減速条件を満たしている場合にはサージタンク内の圧力にかかわらず新気バイパス弁を開弁する制御を行うようにしてもよい。一方、サージタンク内が負圧である場合にはアクセルペダルの操作量又はスロットル弁の開度の時間微分値に関係なく新気バイパス弁を開弁する制御を行うようにしてもよい。

さらに、上述した実施形態におけるパージバキュームスイッチングバルブ、連続可変バルクタイミング機構、リアＯ₂センサ及びブローバイガス還流装置は必ずしも設ける必要はない。

加えて、上述した実施形態では電子制御式スロットル弁を使用しているが、アクセルペダルに機械的に接続するタイプのスロットル弁を有する内燃機関に本発明を適用してもよい。

そして、燃料を吸気ポート内に噴射するタイプの内燃機関に本発明を適用してもよい。

その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変形してよい。

２…吸気通路
３…排気通路
５…タービン
６…コンプレッサ
８…吸気絞り弁
１０…スロットル弁
１２ａ…新気バイパス通路
１２ｂ…新気バイパス弁
２５…ＥＧＲ装置（排気ガス再循環装置）
３３…ＥＣＵ

Claims

排気通路に設けられたタービンと、
前記タービンにより駆動される吸気通路のコンプレッサとを備えたターボチャージャ付き内燃機関において、
吸気通路における前記コンプレッサの下流に設けたスロットル弁と、
吸気通路における前記コンプレッサの上流に設けた吸気絞り弁と、
吸気通路における前記吸気絞り弁の上流と前記スロットル弁の下流とを連通する新気バイパス通路と、
前記新気バイパス通路の途中に設けた新気調量用の新気バイパス弁と、
排気通路における前記タービンの下流の箇所から吸気通路における前記コンプレッサの上流かつ前記吸気絞り弁の下流の箇所に排気ガスの一部を還流させる排気ガス再循環装置と、
前記新気バイパス弁を制御する制御装置とを具備し、
前記制御装置が、アクセル操作量の時間微分値の絶対値が第１の閾値を上回り、前記第１の閾値より大きな第２の閾値を下回る場合に新気バイパス弁を開弁する制御を行うことを特徴とするターボチャージャ付き内燃機関。
前記制御装置が、サージタンク内が負圧である場合にのみ新気バイパス弁を開弁する制御を行う請求項１記載のターボチャージャ付き内燃機関。