JP5617721B2

JP5617721B2 - Ｅｇｒ装置付き過給エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP5617721B2
Application number: JP2011068373A
Authority: JP
Inventors: 慎太郎堀田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: JP2012202315A

Description

本発明は、ＥＧＲ装置とターボ過給機とを備えるエンジンの制御装置に関する。

特開２００４−１００５０８号公報には、ＥＧＲ装置付きの過給エンジンにおけるＥＧＲ制御に関する技術が開示されている。この公報に開示された技術は、吸気圧が排気圧よりも高い状況ではＥＧＲ弁を閉じ、それにより吸気通路から排気通路への空気の逆流を防止することで、エンジンにおける空気過剰率の低下を防止している。

特開２００４−１００５０８号公報

ところで、ターボ過給機を備えた過給エンジンには、自然吸気型のエンジンに比較して、ドライバからの加速要求に対するレスポンスが良くないという問題がある。この問題に関しては、ターボ過給機の改良などの様々なアプローチによって改善が試みられている。本発明が達成しようとする課題もこの問題に関するものであり、具体的には、ＥＧＲ装置付きの過給エンジンにおいて、そのＥＧＲ装置を有効に利用することによってエンジンの加速レスポンスの向上を図ることが本発明の達成しようとする課題である。

第１の発明は、上記の課題を達成するため、排気通路のタービンよりも上流の部位を吸気通路に接続するＥＧＲ通路と、同ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁とを有するＥＧＲ装置付きの過給エンジンの制御装置において、
前記エンジンに対する加速要求の有無を判定する手段と、
前記吸気通路内の圧力と前記排気通路内の圧力のどちらが高いかを判定する手段と、
前記加速要求が有り、且つ、前記吸気通路内の圧力が前記排気通路内の圧力よりも高い場合に、前記ＥＧＲ弁を開いた状態にするＥＧＲ弁制御手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記ＥＧＲ装置は前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲクーラをさらに有し、
前記制御装置は、前記ＥＧＲ弁制御手段によって前記ＥＧＲ弁が開いた状態にされる場合には、前記ＥＧＲクーラによる前記ＥＧＲ通路を通過するガスの冷却を制限するＥＧＲクーラ制御手段をさらに備えることを特徴としている。

第１の発明によれば、吸気通路から排気通路へＥＧＲ通路を通って空気が吹き抜けるようになるので、タービンの回転数が引き上げられ、それによりエンジンの加速レスポンスが向上する。

第２の発明によれば、吸気通路から排気通路へＥＧＲ通路を通って吹き抜ける空気の体積流量の減少が抑えられ、タービンに流入するガスの体積流量の低下を抑えることができるだけでなく、吹き抜ける空気の温度低下を抑制することによってタービン温度の低下を抑制することもできる。これにより、第１の発明によって得られる効果が小さくなるのを防ぐことができる。

本発明の実施の形態の制御装置が適用されるＥＧＲ装置付き過給エンジンの構成を示す図である。本発明の実施の形態にて実行されるＥＧＲ弁制御の内容を示すフローチャートである。本発明の実施の形態にて実行される冷却水弁制御の内容を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態の制御装置が適用される過給エンジンの構成を示す概略図である。この過給エンジンのエンジン本体２はガソリンエンジンでもよいしディーゼルエンジンでもよい。図１には複数のラインが描かれているが、このうち実線で示すラインはガス（空気及び排気ガス）が流れるラインであり、点線で示されるラインは冷却水が流れるラインである。

本実施の形態にかかる過給エンジンは、排気ガスのエネルギを利用して空気（新気）を圧縮するターボ過給機４を備えている。ターボ過給機４のコンプレッサ６は吸気通路１０に配置され、タービン８は排気通路１６に配置されている。吸気通路１０におけるコンプレッサ６の下流にはインタークーラ１２が取り付けられ、さらにその下流にはスロットル１４が配置されている。また、本実施の形態にかかる過給エンジンは、排気通路１６から吸気通路１０へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ装置２０を搭載している。ＥＧＲ装置２０は、排気通路１６のタービン８よりも上流の部位を吸気通路１０のスロットル１４よりも下流の部位に接続するＥＧＲ通路２２と、ＥＧＲ通路２２に設けられるＥＧＲ弁２４、ＥＧＲクーラ２６Ａ、２６Ｂ及びＥＧＲ触媒２８によって構成されている。ＥＧＲ弁２４は最も吸気通路１０に近い位置に配置され、ＥＧＲ触媒２８は排気通路１６に近い位置に配置されている。ＥＧＲクーラ２６Ａ、２６Ｂは、ＥＧＲ弁２４とＥＧＲ触媒２８の間に配置されている。なお、後述するように、ＥＧＲクーラ２６Ａ、２６Ｂは、冷却水の供給系統が異なるＥＧＲクーラ２６ＡとＥＧＲクーラ２６Ｂの集合体である。

本実施の形態にかかる過給エンジンは、２系統の冷却システム３０、５０を備えている。一方の冷却システム３０は主としてエンジン本体２を冷却するための冷却システムであり、比較的高水温の冷却水が流れるようになっている（以下、高水温冷却システムという）。もう一方の冷却システム５０は主としてインタークーラ１２を冷却するための冷却システムであり、比較的低水温の冷却水が流れるようになっている（以下、低水温冷却システムという）。

高水温冷却システム３０はメインラジエータ３２を備え、また、メインラジエータ３２とエンジン本体２とを巡る冷却水通路４２を備えている。メインラジエータ３２の出口には冷却水をエンジン本体２に送り出すための電動ポンプ３４が設けられ、メインラジエータ３２の入口にはサーモスタット３６が設けられている。サーモスタット３６にはメインラジエータ３２をバイパスして電動ポンプ３４の入口側に接続されるバイパス通路４６が接続されている。サーモスタット３６は、冷却水通路４２を流れる冷却水の温度に応じて、冷却水が流れる方向をメインラジエータ３２からバイパス通路４６へ、或いは、バイパス通路４６からメインラジエータ３２へと切り替える。また、冷却水通路４２の途中には、エンジンの始動時に冷却水を加熱して温めるためのヒータ３８が取り付けられている。さらに、高水温冷却システム３０は、冷却水通路４２の途中から分岐してＥＧＲクーラ２６Ａ内を通り、そして、電動ポンプ３４の入口側に接続される冷却水通路４４を備えている。冷却水通路４４におけるＥＧＲクーラ２６Ａの上流の部位には冷却水弁４０が設けられている。

低水温冷却システム５０は、メインラジエータ３２よりも小型のサブラジエータ５２と、サブラジエータ５２で冷却された冷却水が循環する冷却水通路５６とを備えている。冷却水通路５６は、サブラジエータ５２、インタークーラ１２、ＥＧＲクーラ２６Ｂ、そして、ターボ過給機４を巡るように配管されている。サブラジエータ５２の出口には冷却水をインタークーラ１２に送り出すための電動ポンプ５４が設けられている。電動ポンプ５４によって送り出される冷却水は、インタークーラ１２を通った後にＥＧＲクーラ２６Ｂを通り、さらに、ターボ過給機４を通って再びサブラジエータ５２に戻るようになっている。

本実施の形態にかかる過給エンジンは、その運転を図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）によって制御される。ＥＣＵによって行われる過給エンジンの制御には、ＥＧＲ弁２４の制御が含まれている。また、冷却水弁４０の制御もＥＣＵによって行われる過給エンジンの制御のうちの１つである。以下、これらの制御の内容についてフローチャートを用いて説明する。

図２は、本実施の形態にて実行されるＥＧＲ弁制御の内容を示すフローチャートである。最初のステップＳ１１では、ドライバからのエンジンに対する加速要求の有無が判定される。加速要求の有無は、具体的には、ドライバによるアクセルペダルの踏み込み量とその踏み込み速度から判断することができる。加速要求が無い場合には、現在のＥＧＲ弁２４の開度がそのまま維持される。なお、ＥＣＵは、本フローチャートによるＥＧＲ弁２４の制御とは別に、目標ＥＧＲ率に基づいたＥＧＲ弁２４の制御も行っている。ＥＧＲ弁２４は、通常は実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率になるように操作されているが、ステップＳ１１と次に述べるステップＳ１２の条件が整った場合にのみ、後述のステップＳ１３の操作が割り込みで行われる。

ドライバからの加速要求が有る場合には、次のステップＳ１２において、吸気通路１０内の圧力（吸気圧）と排気通路１６内の圧力（排気圧）のどちらか高いか判定される。これらの圧力はセンサによって直接計測することもできるし、モデルを用いた計算によって推測することもできる。排気圧が吸気圧よりも高い場合には、ＥＧＲ弁２４を開くことで、排気通路１６から吸気通路１０へ排気ガスの再循環が行われるようになる。本フローチャートによれば、排気圧が吸気圧よりも高い場合には、現在のＥＧＲ弁２４の開度がそのまま維持される。

一方、吸気圧が排気圧よりも高い場合には、本フローチャートによれば、ＥＧＲ弁２４は開いた状態にされる（ステップＳ１３）。ＥＧＲ弁２４が開いた状態であれば、吸気通路１０から排気通路１６へＥＧＲ通路２２を通って空気が吹き抜けるようになる。これにより、タービン８に流入するガスの体積流量が増大し、タービン８の回転数が引き上げられる。つまり、本フローチャートによるＥＧＲ弁制御によれば、ドライバからの加速要求があったときにはＥＧＲ通路２２内の空気の逆流を利用してタービン８の回転数を引き上げることができ、それによりエンジンの加速レスポンスを向上させることができる。

図３は、本実施の形態にて実行される冷却水弁制御の内容を示すフローチャートである。最初のステップＳ２１では、エンジンの始動時かどうか判定される。エンジンの始動時とは、例えば、エンジンの始動スイッチがオンにされてから冷却水通路４２を循環する冷却水の温度が所定の基準値を超えるまでの間とすることができる。始動スイッチがオンにされることで、高水温冷却システム３０と低水温冷却システム５０の双方において電動ポンプ３４、５４の作動がオンにされて冷却水の循環が開始される。そして、現在がエンジンの始動時に含まれる場合には、冷却水弁４０は開いた状態とされる（ステップＳ２５）。冷却水弁４０が開かれていることで、冷却水の一部は冷却水通路４２から冷却水通路４４に流れてＥＧＲクーラ２６Ａ内を通過する。その際、ＥＧＲクーラ２６Ａで回収された排気ガスの廃熱が冷却水に受け渡される。これにより冷却水の温度が高まり、エンジン本体２の暖機が促進されることになる。

冷却水の水温が上昇してエンジンの始動時を脱した場合には、次に、ＥＧＲ触媒２８の床温が計測され、その計測温度が所定の基準温度を超えているかどうか判定される（ステップＳ２２）。その判定の結果、ＥＧＲ触媒２８の床温が基準温度を超えている場合には、冷却水弁４０は開いた状態とされてＥＧＲクーラ２６Ａに冷却水が通される（ステップＳ２５）。ＥＧＲ触媒２８の過熱による浄化性能の低下を防ぐためである。

ＥＧＲ触媒２８の床温が基準温度を超えていないのであれば、次に、軽負荷で定常走行しているかどうか判定される（ステップＳ２３）。軽負荷で定常走行している場合には排気圧が吸気圧よりも高くなるため、排気通路１６から吸気通路１０へ排気ガスの再循環が行われる。

軽負荷定常走行時、すなわち、排気ガスの再循環時には、再循環される排気ガス（ＥＧＲガス）の温度が所定の閾値を超えているかどうか判定される（ステップＳ２４）。ＥＧＲガスの温度はＥＧＲクーラ２６Ｂの出口に取り付けられた図示しない温度センサによって計測される。ＥＧＲガスの温度の閾値以下であるならば、冷却水弁４０は閉じた状態とされる（ステップＳ２６）。冷却水弁４０が閉じられることで、冷却水通路４２から冷却水通路４４への冷却水の流れ込みがなくなり、その分、電動ポンプ３４の負荷は下げられる。電動ポンプ３４の負荷を減らすことでエンジン全体としての燃費は改善する。この場合、ＥＧＲクーラ２６Ａへの冷却水の供給は停止されるが、低水温冷却システム５０の電動ポンプ５４は作動しているので、低水温側のＥＧＲクーラ２６Ｂへの冷却水の供給は続けられる。ＥＧＲガスの温度が閾値を超えているのであれば、冷却水弁４０は開いた状態とされて高水温側のＥＧＲクーラ２６Ａにも冷却水が通される（ステップＳ２５）。

一方、ステップＳ２３の判定の結果が軽負荷定常走行ではない場合、すなわち、ドライバによって加速が要求されている場合には、次のような処理が行われる。

前述のＥＧＲ弁制御によれば、ドライバからの加速要求が有る場合には、吸気圧が排気圧よりも高い状況においてＥＧＲ弁２４が開かれ、ＥＧＲ通路２２を吹き抜けた空気によってタービン回転数を上げることが行われている。その際、ＥＧＲ通路２２を吹き抜ける空気がＥＧＲクーラ２６Ａ、２６Ｂで冷却されると、空気の体積流量が減少するとともに温度も低下し、空気の導入によるタービン回転数の引き上げ効果は低下してしまう。したがって、エンジンの加速レスポンスを向上させるという観点からは、ＥＧＲクーラ２６Ａ、２６ＢによるＥＧＲ通路内ガスの冷却は制限したい。

そこで、加速が要求されている場合には、冷却水弁４０は閉じられてＥＧＲクーラ２６Ａへの冷却水の供給は停止される（ステップＳ２６）。これにより、ＥＧＲ通路２２を吹き抜ける空気の冷却は制限されるので、空気の体積流量の減少と温度低下は抑えられ、空気の導入によるタービン回転数の引き上げ効果を高く維持することが可能となる。つまり、本実施の形態にて実行される冷却水弁制御によれば、前述のＥＧＲ弁制御との組み合わせによって、ドライバからの加速要求があったときのエンジンの加速レスポンスを向上させることができる。

以上が本発明の実施の形態についての説明である。ただし、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、ドライバからの加速要求が有り、且つ、吸気圧が排気圧よりも高い場合に限り、低水温冷却システム５０の側においても一時的に電動ポンプ５４を停止させ、ＥＧＲクーラ２６Ｂへの冷却水の供給を停止するようにしてもよい。或いは、ＥＧＲクーラ２６Ｂをバイパスする冷却水通路を別に設け、ドライバからの加速要求が有り、且つ、吸気圧が排気圧よりも高い場合には、ＥＧＲクーラ２６Ｂをバイパスして冷却水が流れるようにしてもよい。ＥＧＲクーラ２６Ａに加えてＥＧＲクーラ２６Ｂへの冷却水の供給も停止することで、冷却による空気の体積流量の減少をより抑えることができ、空気の導入によるタービン回転数の引き上げ効果をより高めることができる。

また、上述の実施の形態では、冷却水の系統が異なる２つのＥＧＲクーラが設けられているが、何れか一方のみを設けることでもよい。さらに、実施の形態のように２系統の冷却システムを有するエンジンではなく、冷却システムを１系統のみ有するエンジンにも本発明は適用可能である。その場合、ＥＧＲクーラはエンジン本体やインタークーラ等の他の要素とともに、その１系統の冷却システムにて冷却されることになる。さらに、本発明はＥＧＲクーラを備えないエンジンにも適用することができる。加速レスポンスを向上させるという課題は、前述のＥＧＲ弁制御のみでも達成することができるからである。

２エンジン本体
４ターボ過給機
６コンプレッサ
８タービン
１０吸気通路
１２インタークーラ
１４スロットル
１６排気通路
２０ＥＧＲ装置
２２ＥＧＲ通路
２４ＥＧＲ弁
２６ＡＥＧＲクーラ（高水温）
２６ＢＥＧＲクーラ（低水温）
２８ＥＧＲ触媒
３０高水温冷却システム
３２メインラジエータ
３４電動ポンプ
４０冷却水弁
５０低水温冷却システム
５２サブラジエータ
５４電動ポンプ

Claims

排気通路のタービンよりも上流の部位を吸気通路に接続するＥＧＲ通路と同ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁とを有するＥＧＲ装置付きの過給エンジンの制御装置において、
前記エンジンに対する加速要求の有無を判定する手段と、
前記吸気通路内の圧力と前記排気通路内の圧力のどちらが高いかを判定する手段と、
前記加速要求が有り、且つ、前記吸気通路内の圧力が前記排気通路内の圧力よりも高い場合に、前記ＥＧＲ弁を開いた状態にするＥＧＲ弁制御手段と、
を備えることを特徴とするＥＧＲ装置付き過給エンジンの制御装置。
前記ＥＧＲ装置は前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲクーラをさらに有し、
前記制御装置は、前記ＥＧＲ弁制御手段によって前記ＥＧＲ弁が開いた状態にされる場合には、前記ＥＧＲクーラによる前記ＥＧＲ通路を通過するガスの冷却を制限するＥＧＲクーラ制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のＥＧＲ装置付き過給エンジンの制御装置。