JP5689316B2 - 低圧排ガス再循環回路を備えるガソリンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、自動車を動かすために使われる熱エンジンと、そのようなエンジンを管理する方法に関する。本発明は、より詳しく言うと、ガソリンを燃料とするターボエンジンに関する。

上記したようなエンジンは、通常、圧縮機を駆動するためのタービンを有する排気システムと、前記圧縮機を有する給気システムへ接続される燃焼室を区切るエンジンブロックとを有する。前記エンジンブロックは、ガソリンを燃焼室へ導くための装置、通例は燃料噴射装置とに関連付けられ、各燃焼室で、前記給気システムからの空気と燃料噴射装置からのガソリンとからなる混合気体を燃焼させるために、点火装置と関連付けられている。前記エンジンに全負荷が掛かっている時、例えば加速段階では、前記空気-ガソリンの混合気体の燃焼は完全ではないこともあり、前記混合気体の圧縮により、前記燃焼室で衝撃波（爆発性燃焼またはノック）を生成して、エンジンにダメージを与えることもあり得る。

この問題を解決するために、吸入空気と混合されるガソリンの量を増やして、混合気体を濃いものとし、点火を遅らせることは公知である。しかし、これには、ガソリンの燃焼量が増加し、かつ空気-ガソリン混合気体の完全燃焼をさせる化学量論的割合から外れることにより、化学量論的割合が維持されたときに最適に作動する前記排気システムの触媒コンバータの効率を悪くするという欠点がある。そのため、汚染が拡大する。

本発明の目的は、ガソリンエンジン内で、ノックが発生するのを抑える手段を提供することである。

この目的のため、本発明によると、圧縮機を有する給気システムと、前記圧縮機を駆動するタービンを有する排気システムとに接続された燃焼室を区切るエンジンブロックを有し、前記エンジンブロックの燃焼室に、外部空気及びガソリンが、化学量論的割合で供給されるガソリン熱機関であって、前記ガソリン熱機関は、前記吸気回路に接続される冷却器と、排気ガス再循環回路とを備え、前記排気ガス再循環回路が、前記排気システムの前記タービンの下流側に接続され、かつ、前記吸気回路の前記圧縮機の上流側に接続されており、前記エンジンブロックで検出されるパラメータの少なくとも一つが、ノックの発生閾値に達した時、前記吸気回路に導入される前記再循環回路からの排気ガスの量と、前記燃焼室に導入されるガソリンの量と、点火進角とを制御するようになっており、前記制御が、前記吸気回路に導入される前記再循環回路からの排気ガスの量と、前記点火進角との増大を含み、かつ前記ノックの発生閾値に達した時、前記再循環させる排気ガスの量に関わらず、前記燃焼室に供給される外部空気及びガソリンの量が維持され、もってこれらの化学量論的割合も維持されるようになっていることを特徴とするガソリン熱エンジンが提供される。

前記排ガス再循環回路は、ノックの発生を遅らせることが可能と分かっている冷却された排ガスを、前記給気システムへ導くことができる。
特に、このように再導入された前記冷却された排ガスは、燃焼には何の役割も果たさないが、前記燃焼室の混合気体の自然燃焼する面積の発生を抑えることを顕著に可能にする吸熱の機能がある。従って、排ガスを前記燃焼室へ導入すると、ノック抵抗は増加し、これにより、点火進角は増大される。その結果、エンジントルクは増加し、かつ従来のガソリンエンジンと比較して同じ濃度の燃料、または前記混合気体を、化学量論的割合まで減らして、従来のガソリンエンジンの加速力と等しい加速力、に対する燃料消費を減らす。さらに、これにより前記排ガスの温度を下げ、前記タービンや前期触媒コンバータのような前記排気システムの構成要素へのノックの影響を小さくする。低負荷では、前記燃焼室へ排ガスを導入することにより、窒素酸化物の排出を削減することができ、その結果、触媒コンバータの製造に要する貴金属の量は減少し、かつ吸気口におけるポンプ損失は低下し、そのため燃料消費は削減される）。前記タービンの下流のガスを取り出すことは、望ましい効果を得る為に特に効果的である。

特定の実施例として、前記冷却器を、前記圧縮機と前記エンジンブロックとの間に配置し、かつ、冷却器を冷水機とすることが望ましい。

冷水器（空気ヒートポンプとも呼ばれる）は、占守面積が比較的小さくて、特に効率が良く、かつ前記圧縮機から出てくる再循環される約１８０℃の高温度の空気-ガス混合気体を、十分に冷却することができる。前記冷水器の占守面積が小さいため、再循環ガスの噴射点を、エンジンブロックに近づけることができる。そのため、速度変化に対するエンジンの応答性を向上させることができる。

本発明のさらなるテーマは、前記給気システムに導入される再循環回路からのガスの量を決定する手段を有するエンジンを、モーターがノックを起こすような限界値に達する運転パラメータを取る時に管理する方法である。これにより、ノックに対する空気圧の影響を小さくすることができる。

点火進角により、冷却排ガスによるトルクの低減を部分的に補償して、より良い燃焼を行わせ、より大きなトルクを生成させることができる。また、点火進角を、前と同じレベルで、またはそれよりも小さく保持し、かつ混合気（外部空気及びガソリン）の濃度を、再導入される排ガスの量に関わらず、維持するように、修正することができる。

本発明のその他の特徴や長所は、以下の本発明の非限定的な実施形態に関する説明を読めば、明らかになると思う。

以下、本発明のガソリンエンジンの概要を示す添付図面を参照して説明する。

図において、符号１で示す本発明のガソリンエンジンは、その出力軸を回転させるピストンを備えている、公知の燃焼室を有するエンジンブロック２を備えている。エンジンブロック２の燃焼室は、公知の要領で、３で示す給気システムと４で示す排気システムとに接続されている。

前記給気システム３は、吸気連結管７によりエンジンブロック２の燃焼室と接続されている過給空気冷却器１９に接続されている圧縮機６に通じる吸気管５を備えている。前記圧縮機６は、ハウジング１０内の回転軸９を中心として回転するように装着されたブレード付ローター８を有する公知の遠心圧縮機である。吸気管５は、回転軸９と同心的に前記ハウジング１０に通じている。

排気システム４は、それ自体公知であり、エンジンブロック２の燃焼室と、圧縮機６を回転させるタービン１３とを接続する排気マニホールド１２を有している。タービン１３は、触媒コンバータ２０が組み込まれている排気管１４に接続されている。

前記エンジンは、さらに排ガス再循環の為の回路１１を有している。排ガス再循環用の前記回路１１の一端１６は、バルブ２１によって触媒コンバータ２０の下流側、従って前記タービン１３の下流側の排気マニホールド１２に接続されており、かつ一端部１７が前記圧縮機６の上流の前記吸気管５に接続されているダクト１５を備えている。これら二つの端部１６、１７の間において、前記ダクト１５には、熱交換器１８が設けられている。

前記過給式空気冷却器１９は、この場合水交換器であり、その水は、約６０℃以下の温度でシリンダーに送られる混合気体を得る為に、５０〜５５℃程度の温度に保たれている。前記吸気回路に再注入された排ガスは、それ自体では燃焼しないが、熱トラップとして燃焼室内の混合気体の温度を低下させる為に使われる。

バタフライバルブが流れを主として前記再循環回路１１の方向へ向ける第一極限位置と、前記バタフライバルブが流れを主として前記排気システム４の排気口の方向へ向ける第二極限位置との間を動くことができるバタフライを有する前記バルブ２１は、３方向バルブである（一つの吸気口入口は前記触媒コンバータの排気口へ接続され、第一排気口の入口は、前記再循環回路１１の吸気口へ接続され、第二排気口の入口は、排気システム４の排気口へ接続されている）。第一極限位置では、前記バタフライバルブは、排ガスが前記再循環回路１１を移動するのを助ける圧力低下を排気システム４の排気口に生じさせる為に、第二排気口入り口に面する延長部を有する。従って、前記バルブ２１の下流に、この圧力損失を生じさせる為の専用の蓋を設ける必要はない。

このエンジンは、点火装置２３（点火プラグは各燃焼室に配置されている）と、燃料供給装置２４（各燃焼室に配置され、燃料システムに接続された燃料噴射列と燃料噴射装置である）と、前記バルブ２１とに接続されたエンジン制御部 (ECU) ２２とを有する。

前記エンジン制御部２２は、取り入れられる空気量と比較して、前記燃焼室に噴射される燃料の割合（混合気体の濃度）を決めるために、それ自体が前記燃料供給装置２４を公知の要領で制御する。前記制御部２２は、各燃焼室のピストンのサイクルの上死点と比較して、点火を早く又は遅くする為に、前記点火装置２３を公知の要領で制御する。また前記制御部２２は、再循環回路１１に入る排ガスの流速を調整するべく、前記バルブ２１を制御する。これらの様々な要素の制御は、エンジンで検出されるパラメータ、すなわち再循環回路１１に入る排ガスの流れの速度、温度、加速必要性等に応じて実行される。

これらのパラメータのいくつかの値を使って、ノックが起こる危険性を知ることは公知の技術である。特に、ノックの危険性は、全負荷の時に大きいことが知られている。また、ノック検知器を用いることも可能である。

本発明によれば、少なくともこれらのパラメータの一つが、ノックが起こる限界値に達する時（特にエンジン速度および/または加速の値が、予め定めた値よりも高いとき）、ノックの発生を遅くしたり、防いだりするために、前記制御部２２を用いて行うエンジン管理方法は、次に挙げる要素の組み合わせを備えている。
- 前記給気システム３に導入される再循環回路１１からのガスの量（前記バルブ２１の制御）。
- 前記燃焼室に導入されるガソリンの量（前記供給装置２４の制御）。
- 点火進角（前記点火装置２３の制御）。

従って、ノックが起こる閾値に達した時、前記制御部２２は、化学量論的割合で混合気体（外部空気及びガソリン）の濃度を維持しつつ、大量の排ガスの取り込みと、少なくとも現在の値での点火進角の維持、または点火進角増加を命じることができる（所望の性能に応じて）。

低負荷では、前記制御部２２は、排ガスを前記供給システム３へ噴射するようにセットされる。前記燃焼室に排ガスを導入することにより、窒素酸化物排出量を削減すること（その結果、触媒コンバータの製造に要する貴金属の量は減少する）、及び吸気口でのポンプ損失を削減すること（従って燃料消費量は削減される）ができる。

当然、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、請求項で定義されている本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々変形することが可能である。

特に、エンジンは、前記した構造と違うものであってもよい。例えば前記三方向バルブを、前記給気システムに導入される排ガスの流速を調整する為に、圧縮機近くに配置される排ガス再循環バルブと、再循環回路の下流に排ガスの前記再循環回路への移動を促進する背圧をかける為に前記再循環回路への接点の下流の排気ラインに配置されるバタフライバルブとに置き換えることができる。

より効果の低い実施形態として、十分な冷却を保証するのに、熱交換器１８を省いて、前記過給空気冷却器１９を、十分な冷却能力のものとすることも可能である。

本発明のやや効果の劣る別の実施形態として、酸化剤の圧力の影響をノックに対して小さくする為に、給気システムに再導入される排ガスの量のみを決めることもできる。

１ 熱エンジン
２ エンジンブロック
３ 給気システム
４ 排気システム
５ 吸気管
６ 圧縮機
７ 吸気連結管
８ ブレード付ローター
９ 回転軸
１０ ハウジング
１１ 再循環回路
１２ 排気マニホールド
１３ タービン
１４ 排気管
１５ ダクト
１６ 一端
１７ 端部
１８ 熱交換器
１９ 空気冷却器
２０ 触媒コンバータ
２１ バルブ
２２ エンジン制御部(ECU)
２３ 点火装置
２４ 燃料供給装置

Claims (7)

1. 圧縮機（６）を備える吸気回路（３）と、前記圧縮機（６）を駆動するタービン（１３）を備える排気システム（４）と、に接続されたエンジンブロック（２）を有し、前記エンジンブロック（２）の燃焼室に、外部空気及びガソリンが、化学量論的割合で供給されるガソリン熱機関であって、前記ガソリン熱機関は、前記吸気回路（３）に接続される冷却器（１９）と、排気ガス再循環回路（１１）とを備え、前記排気ガス再循環回路（１１）が、前記排気システム（４）の前記タービン（１３）の下流側に接続され、かつ、前記吸気回路（３）の前記圧縮機（６）の上流側に接続されており、前記エンジンブロック（２）で検出されるパラメータの少なくとも一つが、ノックの発生閾値に達した時、前記吸気回路（３）に導入される前記再循環回路（１１）からの排気ガスの量と、前記燃焼室に導入されるガソリンの量と、点火進角とを制御するようになっており、前記制御が、前記吸気回路（３）に導入される前記再循環回路（１１）からの排気ガスの量と、前記点火進角との増大を含み、
   かつ前記ノックの発生閾値に達した時、前記再循環させる排気ガスの量に関わらず、前記燃焼室に供給される外部空気及びガソリンの量が維持され、もってこれらの化学量論的割合も維持されるようになっていることを特徴とするガソリン熱機関。
2. 前記再循環回路（１１）は、その中のガスの流速を調整するためにエンジン制御部（２２）に接続されている制御部材を有するバルブ（２１）により、前記排気システム（４）に接続されている請求項１に記載のガソリン熱機関。
3. 前記冷却器（１９）は、前記圧縮機（６）と前記エンジンブロック（２）との間に配置されている請求項１又は２に記載のガソリン熱機関。
4. 前記冷却器（１９）は、冷水器である請求項１〜３のいずれか１項に記載のガソリン熱機関。
5. 前記再循環回路（１１）は、冷却器（１８）を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載のガソリン熱機関。
6. 前記排気システム（４）は、前記タービン（１３）の下流側に触媒コンバータ（２０）を有し、前記再循環回路（１１）は、前記排気システム（４）の前記触媒コンバータ（２０）の下流側に接続されている請求項１〜５のいずれか１項に記載のガソリン熱機関。
7. 前記パラメータの少なくとも一つが、ノックの発生閾値に達した時、前記吸気回路（３）に導入される排気ガスの量と、前記点火進角とを増大させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のガソリン熱機関を管理する方法。

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