JP5644319B2

JP5644319B2 - 内燃機関の始動補助装置

Info

Publication number: JP5644319B2
Application number: JP2010215432A
Authority: JP
Inventors: 飯島　章; 章飯島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2030-09-27
Also published as: JP2012067727A

Description

本発明は、内燃機関の始動補助装置に関し、特に内燃機関の始動時に吸気を圧縮昇温する過給機を有する内燃機関の始動補助装置に関する。

従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関（以下、エンジンという）の始動補助装置として、エンジン始動時の始動性を向上すべく、吸気系に設けたヒータで始動時の吸気を昇温する技術が知られている。また、始動時に吸気通路に設けた吸気スロットルを絞って始動トルクを下げることで、エンジンの始動性を向上させる技術も知られている（例えば、特許文献１）。

特許第２７０４６５０号公報

近年、エンジンの熱効率向上の観点からエンジンのダウンサイジング化が行われている。一般的に、エンジンのダウンサイジング化では排気量の小さなエンジンで排気量の大きなエンジンと同程度の出力を必要とするので、エンジンは必然的に高過給となる。そのため、エンジンのダウンサイジング化が進められると、エンジンの過給度は上がり筒内最高圧力も高くなるが、耐久性の観点からはエンジンの圧縮比を下げる必要がある。

しかし、エンジンの圧縮比を下げると、エンジンの筒内温度が低くなるので、特に低温条件下（例えばマイナス２５℃等の氷点下）では、エンジンの始動性が悪化してしまう可能性がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、低温条件下でも内燃機関の始動性を効果的に確保することができる内燃機関の始動補助装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の内燃機関の始動補助装置は、内燃機関の吸気通路に設けられ、前記内燃機関の始動時に吸気を圧縮昇温する過給機と、外気温度を検出する外気温検出手段と、前記内燃機関の始動時に、前記過給機から送出される圧縮吸気の一部を前記過給機よりも上流側の前記吸気通路に還流させる圧縮吸気還流通路と、前記圧縮吸気還流通路に設けられ、前記内燃機関の始動時に、前記圧縮吸気還流通路により還流される圧縮吸気の還流率を前記外気温検出手段の検出値に応じて調整する還流率調整手段とを有することを特徴とする。

また、前記内燃機関からの排気で駆動するターボチャージャと、該ターボチャージャで圧縮された吸気を冷却するインタークーラとを更に備えるとともに、前記吸気通路は、前記インタークーラを迂回するバイパス通路であってもよい。

また、前記過給機は、電磁クラッチを介して前記内燃機関により駆動されるスーパチャージャであってもよい。

また、前記還流率調整手段は、前記外気温検出手段の検出値がマイナス２５℃の場合に、前記還流率を１０％に設定するようにしてもよい。

本発明の内燃機関の始動補助装置によれば、低温条件下でも内燃機関の始動性を効果的に確保することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の始動補助装置を示す模式的な全体構成図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の始動補助装置による制御内容を示すフローチャートである。本発明の一実施形態に係る内燃機関の始動補助装置によるスーパチャージャ回転回数と吸気温度上昇との関係を示す図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の始動補助装置による吸気マニホールド入口温度と筒内最高温度との関係を示す図である。

以下、図１〜４に基づいて、本発明に係る一実施形態について説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る内燃機関の始動補助装置１を示す全体構成図である。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、ディーゼルエンジン等の内燃機関（以下、エンジンという）３０には、吸気マニホールド３１と排気マニホールド３２とが設けられている。また、吸気マニホールド３１には、吸気弁（不図示）の開弁により後述するターボチャージャ３３から送出される吸気を導入する第１吸気通路３４が接続され、排気マニホールド３２には、排気弁（不図示）の開弁により排気を排出する第１排気通路３５が接続されている。

第１吸気通路３４には、図１に示すように、ターボチャージャ３３から送出される吸気を冷却水との熱交換により冷却するインタークーラ３８が介装されている。また、後述するバイパス通路１０とインタークーラ３８との間の第１吸気通路３４には、吸気の流路を切替える切替バルブ３９が設けられている。この切替バルブ３９の開閉駆動は、後述するＥＣＵ２０によって制御されている。

ターボチャージャ３３は、図１に示すように、第１吸気通路３４の上流側に設けられたコンプレッサ３３ａと、第１排気通路３５の下流側に設けられたタービン３３ｂとを有する。また、コンプレッサ３３ａには、図示しないエアクリーナを介して新気を導入する第２吸気通路３６が接続され、タービン３３ｂの下流側には図示しない排気浄化装置に排気を送出する第２排気通路３７が接続されている。すなわち、ターボチャージャ３３は、エンジン３０からの排気エネルギーでタービン３３ｂが駆動されると共に、同軸に設けられたコンプレッサ３３ａによりエアクリーナから第２吸気通路３６を介して導入される新気を圧縮してエンジン３０へと送出するように構成されている。

次に、本実施形態に係る始動補助装置１を説明する。始動補助装置１は、図１に示すように、バイパス通路（吸気通路）１０と、スーパチャージャ（過給機）１１と、電磁クラッチ１２と、圧縮吸気還流通路１３と、バイパスバルブ１４と、外気温センサ（外気温検出手段）１５と、ＥＣＵ２０とを備える。なお、本実施形態において、バイパスバルブ１４と後述するＥＣＵ２０のバイパスバルブ制御部２２とは、本発明の還流率調整手段を構成する。

バイパス通路１０は、図１に示すように、インタークーラ３８を迂回すべく、一端をコンプレッサ３３ａとインタークーラ３８との間の第１吸気通路３４に接続され、他端をインタークーラ３８と吸気マニホールド３１との間の第１吸気通路３４に接続されている。

スーパチャージャ１１は、容積型の機械式過給機であって、図１に示すようにバイパス通路１０に介装されている。このスーパチャージャ１１は、エンジン３０のクランクシャフト（不図示）により電磁クラッチ１２を介して回転駆動される。

電磁クラッチ１２は、図１に示すように、クランクシャフトとスーパチャージャ１１との間に設けられている。また、電磁クラッチ１２は電気配線を介してＥＣＵ２０に接続されている。すなわち、ＥＣＵ２０によって電磁クラッチ１２がＯＮに制御されスーパチャージャ１１が作動すると、ターボチャージャ３３のコンプレッサ３３ａから送出されバイパス通路１０に流入する吸気は、スーパチャージャ１１で圧縮昇温された後に、エンジン３０へと供給される。

圧縮吸気還流通路１３は、図１に示すように、一端をスーパチャージャ１１よりも下流側に位置するバイパス通路１０に接続され、他端をスーパチャージャ１１よりも上流側に位置するバイパス通路１０に接続されている。

バイパスバルブ１４は、図１に示すように、圧縮吸気還流通路１３に設けられており、スーパチャージャ１１から送出される圧縮吸気の還流率を調整する。このバイパスバルブ１４の開度は、ＥＣＵ２０のバイパスバルブ制御部２２によって制御されている。

外気温センサ１５は、外気温度を検出してＥＣＵ２０に出力するもので、図１に示すように、電気配線を介してＥＣＵ２０に接続されている。

ＥＣＵ２０は、エンジン３０の運転状態に応じて燃料噴射期間や燃料噴射量等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うために、ＥＣＵ２０には、外気温センサ１５、アクセルセンサ（不図示）、エンジン回転数センサ（不図示）等の各種センサの出力信号がＡ／Ｄ変換された後に入力される。

また、ＥＣＵ２０は、切替バルブ制御部２１と、バイパスバルブ制御部２２と、電磁クラッチ制御部２３とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ２０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

切替バルブ制御部２１は、エンジン３０の始動時に、外気温センサ１５の検出値に応じて切替バルブ３９の開閉を制御する。具体的には、エンジン３０の始動時に、外気温センサ１５の検出値Ｔ_INが所定の閾値（例えば２５℃）よりも小さい場合（Ｔ_IN＜２５℃）は、切替バルブ３９を閉状態にする制御信号を出力する。一方、エンジン３０の始動時に、外気温センサ１５の検出値Ｔ_INが所定の閾値（例えば２５℃）以上の場合（Ｔ_IN≧２５℃）は、切替バルブ３９を開状態にする制御信号を出力する。また、切替バルブ制御部２１は、エンジン３０始動後の通常運転時は、切替バルブ３９を開状態にする制御信号を出力する。

バイパスバルブ制御部２２は、エンジン３０の始動時に、外気温センサ１５の検出値Ｔ_INに応じてバイパスバルブ１４の開度を調整制御する。ＥＣＵ２０には、予め実験等により作成された外気温度とスーパチャージャ１１に還流される圧縮吸気の還流率との関係を示す第１マップ（不図示）および、還流率とバイパスバルブ１４のバルブ開度との関係を示す第２マップ（不図示）が記憶されている。この第１マップでは、例えば外気温度がマイナス２５℃の時は、圧縮吸気の還流率は１０％に設定され、外気温度が２５℃の時は、圧縮吸気の還流率は０％に設定されている。そして、バイパスバルブ制御部２２は、エンジン３０の始動時に、外気温センサ１５の検出値Ｔ_INが所定の閾値（例えば２５℃）よりも小さい場合（Ｔ_IN＜２５℃）は、検出値Ｔ_INに応じた還流率を第１マップから読み取るとともに、係る還流率に対応するバルブ開度を第２マップから読み取ってバイパスバルブ１４に出力する。また、バイパスバルブ制御部２２は、エンジン３０の始動時に、外気温センサ１５の検出値Ｔ_INが所定の閾値（例えば２５℃）以上の場合（Ｔ_IN≧２５℃）は、バルブ開度を０％（閉状態）にする制御信号をバイパスバルブ１４に出力する。なお、バイパスバルブ制御部２２は、エンジン３０始動後の通常運転時は、バイパスバルブ１４の開度を０％（閉状態）にする制御信号を出力する。

電磁クラッチ制御部２３は、エンジン３０の始動時に、スーパチャージャ１１の作動を制御する。すなわち、電磁クラッチ制御部２３は、エンジン３０の始動時に、外気温センサ１５の検出値Ｔ_INが所定の閾値（例えば２５℃）よりも小さい場合（Ｔ_IN＜２５℃）は、電磁クラッチ１２をＯＮにする制御信号を出力する。また、エンジン３０の始動時に、外気温センサ１５の検出値Ｔ_INが所定の閾値（例えば２５℃）以上の場合（Ｔ_IN≧２５℃）は、電磁クラッチ１２をＯＦＦにする制御信号を出力する。なお、エンジン３０始動後の通常運転時は、電磁クラッチ１２をＯＦＦにする制御信号を出力する。

本発明の一実施形態に係る始動補助装置１は、以上のように構成されているので、例えば、低温条件下におけるエンジン３０の始動時には、図２に示すフローに従って以下のような制御が行われる。

ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、イグニッションスイッチが操作されキースイッチがＯＮにされると、車両の電気系統にバッテリー（不図示）から電力が供給されて電気系がＯＮに制御される。

Ｓ１１０では、ＥＣＵ２０に外気温センサ１５の検出値Ｔ_INが読み込まれ、始動温度判定が行われる。外気温センサ１５の検出値Ｔ_INが所定の閾値（例えば２５℃）よりも小さい場合は、始動補助装置１によるエンジン３０の始動補助を必要と判定してＳ１２０へと進む。一方、外気温センサ１５の検出値Ｔ_INが所定の閾値（２５℃）以上の場合は、始動補助装置１によるエンジン３０の始動補助を不要と判定して本制御はリターンされる。すなわち、切替バルブ３９を開状態に制御し、かつ、バイパスバルブ１４を閉状態に制御し、かつ、電磁クラッチ１２をＯＦＦに制御して本制御を終了する。

Ｓ１２０では、ＥＣＵ２０の切替バルブ制御部２１から切替バルブ３９に制御信号が出力されて、切替バルブ３９は閉状態に制御される。すなわち、第１吸気通路３４を流れる低温吸気（外気とほぼ等しい低温状態の吸気）の流路は、インタークーラ３８を迂回するバイパス通路１０に切替えられる。

Ｓ１３０では、ＥＣＵ２０のバイパスバルブ制御部２２により、スーパチャージャ１１から送出される圧縮吸気の還流率を所定値（外気温度がマイナス２５℃の場合は１０％）にするバルブ開度の制御信号がバイパスバルブ１４に出力される。

Ｓ１４０では、ＥＣＵ２０の電磁クラッチ制御部２３から電磁クラッチ１２に、接続をＯＮにする制御信号が出力される。すなわち、スーパチャージャ１１は電磁クラッチ１２を介してエンジン３０のクランクシャフトと接続状態になる。なお、これらＳ１２０〜１４０の動作は同時に行われるようにしてもよい。

Ｓ１５０では、エンジン始動条件が成立したか否かが判定される。上述のＳ１２０〜１４０で、切替バルブ３９が閉状態に制御され、スーパチャージャ１１への圧縮吸気の還流率が所定値（１０％）に設定され、かつ、電磁クラッチ１２の接続がＯＮに制御されている場合は、始動条件が全て成立したものとしてＳ１６０へと進む。一方、いずれかの条件が成立していない場合は、エンジン始動条件は成立していないものと判定され、本制御は前述のＳ１２０に戻される。

Ｓ１６０では、エンジン始動条件が成立したことを受けて、スタータモータ（不図示）によるエンジン３０のクランキングが実行される。すなわち、スタータモータによるクランキングが継続されるとともに、スーパチャージャ１１が回転駆動される。そして、スーパチャージャ１１により送出される圧縮吸気は、所定量（外気温度がマイナス２５℃の場合は１０％）が圧縮吸気還流通路１３によってスーパチャージャ１１の入口に戻され、更に圧縮昇温されながらエンジン３０へと供給される。

Ｓ１６０では、スーパチャージャ１１から送出される圧縮吸気によりエンジン３０の筒内温度がエンジン始動温度（例えば４００℃）まで昇温されるとともに、エンジン３０が始動して本制御はリターンされる。

なお、エンジン３０の通常走行時は、切替バルブ３９は開状態に制御され、バイパスバルブ１４の開度は０％に設定され、かつ、電磁クラッチ１２の接続はＯＦＦに制御される。すなわち、ターボチャージャ３３のコンプレッサ３３ａで圧縮された吸気は第１吸気通路３４を流れ、インタークーラ３８で冷却された後にエンジン３０へと供給される。

以上のような構成により、本発明の一実施形態に係る内燃機関の始動補助装置１によれば以下のような作用効果を奏する。

例えば、マイナス２５℃の低温条件下におけるエンジン３０の始動時には、切替バルブ３９は閉状態に制御され、スーパチャージャ１１への圧縮吸気の還流率は１０％に設定され、かつ、電磁クラッチ１２の接続はＯＮに制御される。すなわち、第１吸気通路３４を流れる吸気は、インタークーラ３８を迂回してバイパス通路１０へと流され、スーパチャージャ１１で圧縮昇温される。そして、スーパチャージャ１１から送出される圧縮吸気は、その一部である１０％が圧縮吸気還流通路１３によって再びスーパチャージャ１１の入口に戻され、更に圧縮昇温された後にエンジン３０へと供給される。その後、エンジン３０の筒内温度は、圧縮昇温された吸気によってエンジン始動温度（例えば４００℃）まで速やかに上昇される。

したがって、マイナス２５℃の低温条件下でも、エンジン３０の筒内温度がエンジン始動温度まで速やかに上昇されるので、エンジン３０の始動性を効果的に確保することができる。

また、低温条件下において、低圧縮比でもエンジン３０の始動性を確保できるので、エンジン３０の筒内最高圧力を低い状態に維持することができ、エンジン３０の耐久性への影響も効果的に低減することができる。

ここで、図３に本実施形態に係る始動補助装置１によるスーパチャージャ１１の回転回数と吸気温度上昇との関係を示す。また、図４に本実施形態に係る始動補助装置１による吸気マニホールド３１の入口温度とエンジン３０の筒内最高温度との関係を示す（圧縮比：１１．５、クランキング回転数：１００ｒｐｍ）。

図３において、破線αはスーパチャージャ１１により単に吸気を圧縮した場合の吸気温度上昇を示し、一点鎖線βはスーパチャージャ１１で圧縮された吸気のうち１０％の圧縮吸気を再びスーパチャージャ１１に還流させた場合の吸気温度上昇を示す。図３に示すように、破線αでは吸気温度は約３５℃で飽和状態になるが、一点鎖線β（１０％をスーパチャージャ１１に還流させた場合）では吸気温度はスーパチャージャ１１の回転回数の上昇とともに約５５℃まで速やかに上昇することが分かる。

また、図４に示すように、吸気マニホールド３１の入口温度がマイナス２５℃の場合、筒内最高温度は３２５℃程度である。すなわち、マイナス２５℃の低温条件下でエンジン３０の始動性を確保すべく筒内温度をエンジン始動温度の４００℃まで上昇させるためには、吸気マニホールド３１の入口温度を約５０℃ほど上昇させればよいことが分かる。

ここで、本実施形態に係る始動補助装置１では、吸気マニホールド３１の入口温度がマイナス２５℃の低温条件下においても、１０％の圧縮吸気を再びスーパチャージャ１１に還流させることで、吸気温度を速やかに約５５℃まで上昇し（図３参照）、筒内温度もエンジン始動温度の４００℃まで速やかに昇温できることからも（図４参照）、本発明の効果が分かる。

なお、本発明は、上述の実施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、適宜変形して実施することが可能である。

上述の実施形態において、バイパス通路１０を流れる吸気はスーパチャージャ１１により圧縮昇温されるものとして説明したが、このスーパチャージャ１１に替えて、例えばエンジン３０の排気エネルギーで駆動するターボチャージャ等の遠心圧縮機を適用してもよい。この場合は、遠心圧縮機の上流側もしくは下流側のいずれか一方のバイパス通路１０に、エンジン３０の通常運転時にバイパス通路１０を閉鎖する開閉バルブを設ければよい。

また、上述の実施形態において、スーパチャージャ１１への圧縮吸気の還流率は、外気温センサ１５の検出値Ｔ_INに応じてマップから読み取られた値に基づいて調整されるものとして説明したが、例えば、エンジン３０の始動時は還流率を常に１０％に設定するようにしてもよい。また、係る還流率を１０％よりも大きい値に設定することもできる。

また、上述の実施形態において、始動補助装置１は一個のターボチャージャ３３を備える一段過給システムに適用されるものとして説明したが、例えば低圧段ターボと高圧段ターボとを備える二段過給システムに適用することもできる。この場合も上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

１始動補助装置
１０バイパス通路（吸気通路）
１１スーパチャージャ（過給機）
１３圧縮吸気還流通路
１４バイパスバルブ（還流率調整手段）
１５外気温センサ（外気温検出手段）
２０ＥＣＵ
３０エンジン（内燃機関）

Claims

スタータモータによりクランキングされる内燃機関と、
前記内燃機関の第１吸気通路の上流側に設けられたコンプレッサと第１排気通路の下流側に設けられたタービンとを有するターボチャージャと、
前記第１吸気通路に介装されたインタークーラと、
前記内燃機関のクランクシャフトにより電磁クラッチを介して回転駆動されるスーパチャージャと、
前記スーパチャージャを介装し、前記第１吸気通路に両端が接続され、前記インタークーラを迂回するバイパス通路と、
前記スタータモータにより前記内燃機関をクランキングすると同時に、前記内燃機関の前記クランクシャフトにより前記電磁クラッチを介して前記スーパチャージャを回転駆動して、前記内燃機関の筒内温度を前記内燃機関の始動温度まで速やかに上昇させる内燃機関の始動補助装置において、
前記第１吸気通路に開閉可能に設けられ、閉状態で前記第１吸気通路を流れる吸気の流路を前記バイパス通路に切り替える切替バルブと、
一端が前記スーパチャージャよりも下流側の前記バイパス通路に接続され、他端が前記スーパチャージャよりも上流側の前記バイパス通路に接続された圧縮吸気還流通路と、
前記圧縮吸気還流通路に設けられ、前記スーパチャージャから送出される圧縮吸気の還流率を調整するバイパスバルブと、
前記内燃機関の始動時に、前記切替バルブを閉状態にし、前記バイパスバルブの前記還流率を調整し、前記電磁クラッチを接にして、前記スタータモータに前記内燃機関をクランキングさせると同時に前記スーパチャージャを回転駆動させるＥＣＵと、を有する
ことを特徴とする内燃機関の始動補助装置。
外気温度を検出する外気温検出手段を有し、
前記ＥＣＵは、前記内燃機関の始動時に、前記外気温検出手段の検出値が低温の閾値未満の場合、前記バイパスバルブの前記還流率を前記外気温検出手段の前記検出値に応じた値に調整した後、前記スーパチャージャを回転駆動させる
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の始動補助装置。
前記ＥＣＵは、前記外気温検出手段の検出値がマイナス２５℃の場合に、前記還流率を１０％に調整する
ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の始動補助装置。