JP5760382B2

JP5760382B2 - エンジンの過給装置

Info

Publication number: JP5760382B2
Application number: JP2010239646A
Authority: JP
Inventors: 義幸阿部; 知宏菅野; 治世木村; 飯島　章; 章飯島; 功橘川; 直樹石橋; 翔吾坂下; 由加利水島; 朝幸伊藤
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2030-10-26
Also published as: JP2012092703A

Description

本発明は、ターボチャージャを備えたエンジンの過給装置に関する。

排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置は、排気ガスのＮＯｘ低減の為、エンジン（内燃機関）の排気ガスの一部を吸気系に再循環させるべく、排気ダクトと吸気ダクトとをＥＧＲダクトで連通し、ＥＧＲダクトに設けたＥＧＲ流量制御バルブ（以下、ＥＧＲバルブ）で流量調節を行っている。過給機（ターボチャージャ）付エンジンの場合、排気ダクト側を過給機上流で接続すると共に、吸気ダクト側を過給機下流で接続し、場合によっては排気再循環ガス（ＥＧＲガス）をＥＧＲクーラにて冷却するＨＰ−ＥＧＲシステム（高圧ＥＧＲシステム）が存在する。また、過給機前の排気ガス再循環では、排気ガスのエネルギー（温度、圧力）が減じる為、排気ダクト側を過給機下流で接続すると共に、吸気ダクト側を過給機上流で接続したＬＰ−ＥＧＲシステム（低圧ＥＧＲシステム）も存在する。

特開２０１０−１５１１０８号公報

エンジンの低速回転運転領域では、ガス流量（吸入空気量及び排気ガス量）が少ない為に、ＥＧＲをかけつつ過給圧力を大きくすることは困難であり、この為、エンジンの低速回転運転時のエンジン出力（エンジントルク）に制約を生じる。また、エンジンの低速回転運転時において、過給機の吸入空気量増加要求に対する時間的な応答が遅いという問題もある。

そこで、本発明の目的は、エンジンの低速回転運転時のエンジン出力の向上及び時間応答性の改善を行うことにある。

前記目的を達成する為に、本発明は、エンジンに装着されたターボと、該ターボのタービンとコンプレッサとを連結する回転軸に装着された電動機と、前記タービンよりも上流の前記エンジンの排気通路と前記コンプレッサよりも下流の前記エンジンの吸気通路とを連通する高圧ＥＧＲ通路と、該高圧ＥＧＲ通路に配設された高圧ＥＧＲバルブと、前記タービンよりも下流の前記排気通路と前記コンプレッサよりも上流の前記吸気通路とを連通する低圧ＥＧＲ通路と、該低圧ＥＧＲ通路に配設された低圧ＥＧＲバルブと、前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記電動機、前記高圧ＥＧＲバルブ及び前記低圧ＥＧＲバルブを制御する制御手段とを備え、該制御手段は、前記運転状態検出手段により前記エンジンの低速回転運転状態を検出したときに、前記高圧ＥＧＲバルブを閉とすると共に、前記低圧ＥＧＲバルブを開とし、且つ、前記ターボの回転数を上昇させるべく前記電動機を駆動するものである。

前記低圧ＥＧＲ通路の接続部分よりも下流の前記排気通路に配設された排気スロットルバルブを更に備え、前記制御手段は、前記低圧ＥＧＲバルブ及び前記排気スロットルバルブの開度を変化させることで、吸入空気量及びＥＧＲガス量を調節するものであっても良い。

本発明によれば、エンジンの低速回転運転時のエンジン出力の向上及び時間応答性の改善を行うことが出来るという優れた効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る過給装置の概略図である。高圧ＥＧＲシステム及び低圧ＥＧＲシステムの作動領域のイメージを示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１中、１はエンジン（本実施形態では、ディーゼルエンジン）、２は電動機付きターボ、３はエンジン１の吸気ポートに連通する吸気ダクト（吸気通路）、４はエンジン１の排気ポートに連通する排気ダクト（排気通路）、５は高圧ＥＧＲシステム（ＨＰ−ＥＧＲシステム）、６は低圧ＥＧＲシステム（ＬＰ−ＥＧＲシステム）、７は制御手段としてのエンジン制御ユニット（以下、ＥＣＵという）、８はエンジン１のシリンダ内（燃焼室内）に燃料を噴射する燃料噴射装置（インジェクタ）、９はエンジン回転数を検出するエンジン回転センサ（図示例では、クランク角センサ）、１０はアクセル開度（アクセルペダルの踏み込み量）を検出するアクセル開度センサである。

吸気ダクト３には上流側から順に、吸入空気を清浄化するエアクリーナ１１、吸入空気量（新気量）を検出する吸入空気量センサ（ＭＡＦセンサ）１２、電動機付きターボ２のコンプレッサ２Ｃ、コンプレッサ２Ｃで昇圧された吸入空気を冷却するインタークーラ１３、インタークーラ１３通過後の吸入空気圧力を検出する吸入空気圧力センサ（ＭＡＰセンサ）１４、吸気ダクト３の通路面積を変更する吸入空気スロットルバルブ（インテークスロットル）１５（図示例では、電磁弁）、吸気ダクト３内の吸気温度を検出する吸気温度センサ１６が配設されている。

また、排気ダクト４には上流側から順に、排気ダクト４内の排気温度を検出する排気温度センサ１７、電動機付きターボ２のタービン２Ｔ、排気ガスを浄化する後処理装置１８、排気ダクト４の通路面積を変更する排気スロットルバルブ１９（図示例では、電磁弁）、排気を消音する排気サイレンサ２０が配設されている。本実施形態の後処理装置１８は、排気ガス中のＰＭ（粒子状物質）等を捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）２１と、ＤＰＦ２１前のＤＯＣ（酸化触媒）２２とを有している。

電動機付きターボ２は、排気ダクト４に配設されたタービン２Ｔと、吸気ダクト３に配設され、タービン２Ｔによって駆動されるコンプレッサ２Ｃと、タービン２Ｔとコンプレッサ２Ｃとを連結する回転軸に装着された電動機（電動モータ）２Ｍとを有している。

高圧ＥＧＲシステム５は、タービン２Ｔよりも上流（図示例では、排気温度センサ１７とタービン２Ｔとの間）の排気ダクト４とコンプレサッサ２Ｃよりも下流（図示例では、吸入空気スロットルバルブ１５と吸気温度センサ１６との間）の吸気ダクト３とを連通する高圧ＥＧＲダクト（高圧ＥＧＲ通路）２３と、高圧ＥＧＲダクト２３に配設され、吸気ダクト３に還流させる排気再循環ガス（ＥＧＲガス）を冷却する高圧ＥＧＲクーラ２４と、高圧ＥＧＲクーラ２４よりも下流（吸気ダクト３側）の高圧ＥＧＲダクト２３に配設され、高圧ＥＧＲダクト２３を開閉し或いは高圧ＥＧＲダクト２３の通路面積を変更する高圧ＥＧＲバルブ２５（図示例では、電磁弁）と、高圧ＥＧＲダクト２３の合流部分よりも上流の吸気ダクト３に配設された吸入空気スロットルバルブ１５とから構成されている。

一方、低圧ＥＧＲシステム６は、タービン２Ｔよりも下流（図示例では、後処理装置１８と排気スロットルバルブ１９との間）の排気ダクト４とコンプレサッサ２Ｃよりも上流（図示例では、吸入空気量センサ１２とコンプレッサ２Ｃとの間）の吸気ダクト３とを連通する低圧ＥＧＲダクト（低圧ＥＧＲ通路）２６と、低圧ＥＧＲダクト２６に配設され、低圧ＥＧＲダクト２６を開閉し或いは低圧ＥＧＲダクト２６の通路面積を変更する低圧ＥＧＲバルブ２７（図示例では、電磁弁）と、低圧ＥＧＲダクト２７の接続部分よりも下流の排気ダクト４に配設された排気スロットルバルブ１９とから構成されている。

また、排気ダクト４には、タービン２Ｔをバイパスするターボバイパスダクト（ターボバイパス通路）２８が接続されており、ターボバイパスダクト２８には、ターボバイパスダクト２８を開閉し或いはターボバイパスダクト２８の通路面積を変更するターボバイパスバルブ２９（図示例では、電磁弁）が配設されている。

ＥＣＵ７には、エンジン回転センサ９、アクセル開度センサ１０、吸入空気量センサ１２、吸入空気圧力センサ１４、吸気温度センサ１６及び排気温度センサ１７等の各種センサ類が接続されており、ＥＣＵ７は、各種センサ類の検出値に基づいて、燃料噴射装置８、吸入空気スロットルバルブ１５、排気スロットルバルブ１９、高圧ＥＧＲバルブ２５、低圧ＥＧＲバルブ２７、ターボバイパスバルブ２９及び電動機２Ｍ等の各種アクチュエータ類を制御するようになっている。

本実施形態では、ＥＣＵ７は、運転状態検出手段（本実施形態では、エンジン回転センサ９、アクセル開度センサ１０）の検出値（つまり、エンジン回転数、アクセル開度）に基づいて目標燃料噴射量及び目標燃料噴射時期を求め、求めた目標燃料噴射量及び目標燃料噴射時期に応じて燃料噴射装置８を制御するようになっている。例えば、ＥＣＵ７は、エンジン回転センサ９の検出値（エンジン回転数）及びアクセル開度センサ１０の検出値（アクセル開度）に対応する目標燃料噴射量及び目標燃料噴射時期を各々、目標燃料噴射量マップ及び目標燃料噴射時期マップ（図示せず）から読み取り、読み取った目標燃料噴射量及び目標燃料噴射時期に応じて燃料噴射装置８を制御するようになっている。

また、本実施形態では、ＥＣＵ７は、吸入空気圧力センサ１４の検出値（吸入空気圧力或いは過給圧力）が所定の閾値以下のときは、ターボバイパスバルブ２９を全閉とし、一方、吸入空気圧力センサ１４の検出値が上記の閾値を越えたならば、ターボバイパスバルブ２９を開くようになっている。エンジン１の背圧上昇を抑制する為である。

次に、本実施形態に係る過給装置の作動を説明する。

先ず、ＥＣＵ７は、運転状態検出手段（エンジン回転センサ９、アクセル開度センサ１０）の検出値（エンジン回転数、アクセル開度）に基づいてエンジン１の運転状態を認識するようになっている。例えば、ＥＣＵ７は、エンジン回転センサ９の検出値（エンジン回転数）及びアクセル開度センサ１０の検出値（アクセル開度）に対応するエンジン１の運転状態（低速回転運転状態、中速回転運転状態、高速回転運転状態）を、エンジン運転状態マップ（図示せず）から読み取ることで、エンジン１の運転状態を認識するようになっている。

次いで、ＥＣＵ７は、運転状態検出手段（エンジン回転センサ９、アクセル開度センサ１０）によりエンジン１の低速回転運転状態（特に、低速回転高負荷運転状態）を検出したとき、つまり、エンジン運転状態マップから読み取ったエンジン１の運転状態が低速回転運転状態であったときは、高圧ＥＧＲバルブ２５を全閉（開度０％）とすると共に、吸入空気スロットルバルブ１５、低圧ＥＧＲバルブ２７及び排気スロットルバルブ１９を開とし、且つ、ターボ２の回転数が上昇するように電動機２Ｍを駆動することで、吸気をコンプレッサ２Ｃで昇圧すると共に、低圧ＥＧＲシステム６でＥＧＲを行うようになっている（低圧ＥＧＲシステム６によるＥＧＲ；図２参照）。

エンジン１の低速回転運転領域においては、ＥＣＵ７は、吸入空気量センサ１２の検出値（吸入空気量）に基づいて低圧ＥＧＲバルブ２７及び排気スロットルバルブ１９を制御することで、吸入空気量及びＥＧＲガス量を調節するようになっている。例えば、ＥＣＵ７は、吸入空気スロットルバルブ１５の開度を全開（開度１００％）に維持した状態で、目標吸入空気量マップ（図示せず）から読み取った目標吸入空気量に吸入空気量センサ１２の検出値（吸入空気量）が一致するように、低圧ＥＧＲバルブ２７及び排気スロットルバルブ１９の開度を各々低圧ＥＧＲ制御マップ（図示せず）に従って変化させると共に、電動機２Ｍの作動回転数を電動機制御マップ（図示せず）に従って変化させることで、吸入空気量及びＥＧＲガス量を調節するようになっている。

一方、ＥＣＵ７は、運転状態検出手段（エンジン回転センサ９、アクセル開度センサ１０）によりエンジン１の低速回転運転状態以外の運転状態（つまり、中速回転運転状態或いは高速回転運転状態）を検出したとき、つまり、エンジン運転状態マップから読み取ったエンジン１の運転状態が中速回転運転状態或いは高速回転運転状態であったときは、低圧ＥＧＲバルブ２７を全閉とすると共に、排気スロットルバルブ１９、高圧ＥＧＲバルブ２５及び吸入空気スロットルバルブ１５を開とすることで、吸気をコンプレッサ２Ｃで昇圧すると共に、高圧ＥＧＲシステム５でＥＧＲを行うようになっている（高圧ＥＧＲシステム５によるＥＧＲ；図２参照）。

エンジン１の中速回転運転領域及び高速回転運転領域においては、ＥＣＵ７は、吸入空気量センサ１２の検出値（吸入空気量）に基づいて高圧ＥＧＲバルブ２５及び吸入空気スロットルバルブ１５を制御することで、吸入空気量及びＥＧＲガス量を調節するようになっている。例えば、ＥＣＵ７は、排気スロットルバルブ１９の開度を全開に維持した状態で、目標吸入空気量マップから読み取った目標吸入空気量に吸入空気量センサ１２の検出値（吸入空気量）が一致するように、高圧ＥＧＲバルブ２５及び吸入空気スロットルバルブ１５の開度を各々高圧ＥＧＲ制御マップ（図示せず）に従って変化させることで、吸入空気量及びＥＧＲガス量を調節するようになっている。

以上要するに、本実施形態では、ガス流量（吸入空気量及び排気ガス量）が少ない場合（つまり、エンジン１の低速回転運転領域）において、高圧ＥＧＲバルブ２５を全閉とすると共に、低圧ＥＧＲバルブ２７及び排気スロットルバルブ１９を開とし、且つ、電動機２Ｍを駆動することで、ＥＧＲガスを低圧ＥＧＲダクト２６にて吸気ダクト３内に供給しつつ、ターボ２を電動機２Ｍによるモータ駆動にて駆動させる。この時、吸入空気スロットルバルブ１５を全開とすると共に、高圧ＥＧＲダクト２３に配設した高圧ＥＧＲバルブ２５を全閉とし、且つ、低圧ＥＧＲダクト２６に配設した低圧ＥＧＲバルブ２７と排気スロットルバルブ１９とで吸入空気量及びＥＧＲガス量を調節する。ＥＧＲガスは吸入空気とコンプレッサ２Ｃよりも上流の吸気ダクト３で合流し、電動機付きターボ２（コンプレッサ２Ｃ）で過給される。エンジン１のシリンダ内で燃焼したガス（排気ガス）は、高圧ＥＧＲダクト２３に流れる事無くタービン２Ｔに供給される為、ターボ２の回転軸を回転させるエネルギーに効率良く変換される。さらに、ターボ２の回転軸は電動機２Ｍによっても回転される。これらにより、ターボ２の吸入空気量増加要求に対する時間遅れが少なく、所望のＥＧＲガス量を確保して所望の吸入空気量（新気量）も増加させる事が出来る為、エンジン１の低速回転運転時のエンジン出力（エンジントルク）向上が可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、本発明は、エンジン１に過給容量の異なる高圧段ターボ（過給容量小）及び低圧段ターボ（過給容量大）を直列に接続した過給装置（シリーズ・２ステージターボシステム）に適用することも可能である。その場合、電動機２Ｍは主にエンジン１の低速回転運転領域で吸気を過給する高圧段ターボに装着され、且つ、高圧ＥＧＲダクト２３は、排気ダクト４側が高圧段ターボ上流で接続されると共に吸気ダクト３側が高圧段ターボ下流で接続され、且つ、低圧ＥＧＲダクト２６は、排気ダクト４側が低圧段ターボ下流で接続されると共に吸気ダクト３側が低圧段ターボ上流で接続されるものとする。

また、上記の実施形態では、エンジン１の低速回転運転領域においてのみＥＧＲガスが低圧ＥＧＲダクト２６を流れるので、ＥＧＲガスの過冷却を抑制する為、低圧ＥＧＲダクト２６にＥＧＲクーラ（低圧ＥＧＲクーラ）を配設してはいない。しかしながら、エンジン１の低速回転運転領域において後処理装置１８通過後の排気ガスが比較的高温となり得る場合には、低圧ＥＧＲダクト２６にＥＧＲクーラを配設しても良い。

１エンジン
２電動機付きターボ
３吸気ダクト（吸気通路）
４排気ダクト（排気通路）
７ＥＣＵ（制御手段）
９エンジン回転センサ（運転状態検出手段）
１０アクセル開度センサ（運転状態検出手段）
１９排気スロットルバルブ
２３高圧ＥＧＲダクト（高圧ＥＧＲ通路）
２５高圧ＥＧＲバルブ
２６低圧ＥＧＲダクト（低圧ＥＧＲ通路）
２７低圧ＥＧＲバルブ

Claims

エンジンに装着されたターボと、該ターボのタービンとコンプレッサとを連結する回転軸に装着された電動機と、前記タービンよりも上流の前記エンジンの排気通路と前記コンプレッサよりも下流の前記エンジンの吸気通路とを連通する高圧ＥＧＲ通路と、該高圧ＥＧＲ通路に配設された高圧ＥＧＲバルブと、前記タービンよりも下流の前記排気通路と前記コンプレッサよりも上流の前記吸気通路とを連通する低圧ＥＧＲ通路と、該低圧ＥＧＲ通路に配設された低圧ＥＧＲバルブと、前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記吸気通路に設けられて吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、前記電動機、前記高圧ＥＧＲバルブ及び前記低圧ＥＧＲバルブを制御する制御手段とを備え、
該制御手段は、
前記運転状態検出手段により前記エンジンの低速回転運転状態であるか前記エンジンの中速回転運転状態あるいは高速回転運転状態を検出し、
前記運転状態検出手段により前記エンジンの低速回転運転状態を検出したときには、前記高圧ＥＧＲバルブを閉とすると共に、前記低圧ＥＧＲバルブを開とし、且つ、前記電動機を電動機制御マップに従って駆動させて前記吸入空気量検出手段により検出される吸入空気量と目標吸入空気量とを一致させ、
前記運転状態検出手段により前記エンジンの中速回転運転状態あるいは高速回転運転状態を検出したときには、前記低圧ＥＧＲバルブを閉とすると共に、前記高圧ＥＧＲバルブを制御して前記吸入空気量検出手段により検出される吸入空気量と目標吸入空気量とを前記電動機制御マップに従っての電動機駆動を行うことなく一致させる制御装置であって、
前記制御装置は、前記低圧ＥＧＲバルブの制御及び前記高圧ＥＧＲバルブの制御の制御切り替えと共に前記電動機駆動で電動機制御マップに従うか否かを切り替える
ことを特徴とするエンジンの過給装置。
前記低圧ＥＧＲ通路の接続部分よりも下流の前記排気通路に配設された排気スロットルバルブを更に備え、前記制御手段は、前記低圧ＥＧＲバルブ及び前記排気スロットルバルブの開度を変化させることで、吸入空気量及びＥＧＲガス量を調節する請求項１に記載のエンジンの過給装置。