JP5824881B2 - 内燃機関の過給補助方法及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の過渡状態のときに、蓄ガス容器に蓄圧されたガスをシリンダ内に供給してＥＧＲ率を高めることができる内燃機関の過給補助方法及び内燃機関に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低減するＥＧＲ（排気再循環）においては、過給システムを備えた内燃機関では、高圧ＥＧＲ方式と低圧ＥＧＲ方式とがある。この高圧ＥＧＲ方式では、例えば、図９に示すように、高圧ＥＧＲシステムを備えた内燃機関１Ｘでは、ターボ式過給機１４よりもエンジン本体１１側にＥＧＲ通路１７が設けられており、エンジン本体１１の排気マニホールド１１ｂから吸気マニホールド１１ａにＥＧＲ通路１７経由でＥＧＲガスＧｅを還流している。また、低圧ＥＧＲ方式では、例えば、図１０に示すように、低圧ＥＧＲシステムを備えた内燃機関１Ｙでは、ターボ式過給機１４よりもエンジン本体１１とは反対側にＥＧＲ通路１７が設けられており、タービン１４ｂの下流側からコンプレッサ１４ａの上流側にＥＧＲ通路１７経由でＥＧＲガスＧｅを還流している。

これらのいずれのＥＧＲ方式でも、ＥＧＲガス量の制御には、ＭＡＦ制御方式が一般的に使用されている。このＭＡＦ制御方式では、ＥＧＲ無しでエンジンのシリンダ内に吸入される新気量（空気量）をＭｏとし、ＥＧＲを行うことでシリンダ内に吸入される新気量をＭｅとすると、還流されるＥＧＲガス量のＭｅｇｒがＭｅｇｒ＝Ｍｏ−Ｍｅとなるので、これに基づいて、ＥＧＲ弁２１の弁開度により新気量Ｍｅを制御することで、ＥＧＲガス量Ｍｅｇｒを制御している。

つまり、エンジンの回転速度Ｎeと燃料負荷Ｑをパラメータにして、各エンジンの運転状態に対する新気量Ｍｅを予め設定して作成した新気量Ｍｅのデータマップを基に、実際のエンジン運転時の回転速度Ｎeと燃料負荷Ｑから目標の新気量Ｍｅｔを算出して、実際の新気量Ｍｅをこの目標の新気量Ｍｅｔになるように制御することで、ＥＧＲガス量Ｍｅｇｒを制御している。

しかしながら、ターボ式過給機を使用する場合には排気ガスのエネルギー（エンタルピ）を用いて過給を行うため、ターボ式過給機の応答遅れ（ターボラグ）を無くすことは不可能であり、このＭＡＦ制御方式では、このターボラグに起因する次のような問題がある。ターボラグにより負荷が急激に増加する過渡状態では、過給圧が定常運転時に設定した圧力まで上昇しないため、エンジンの吸入空気量が低下する。つまり、ターボ式過給機付きエンジンでも無過給エンジンと同程度の吸気量となってしまう。

従って、定常運転条件で設定した目標のＥＧＲ量に達成することができず、図１１に示すように、急激な過渡運転を行う際にＮＯｘの排出量が増加する。また、煤の発生量を制限するために、過給圧があるレベルより上がらない場合には煤が増加しない領域内に燃料の投入量が抑えられるというスモークリミット制御が行われる。その結果、図１２及び図１３に示すように、燃料噴射量Ｑと空気量（Ｍｏ、Ｍｅ）が共に点線で示されるように抑えられ、加速時のパワーが抑えられてしまうという問題がある。そのために、加速時等の負荷が急激に増加する過渡状態のときには、ＮＯｘ排出量の増加や燃費の悪化が発生する。

一方、エンジンのクランクシャフト等によって、過給機を直接駆動して過給を行う機械式過給装置を使用する場合では、過給の応答遅れをなくす事ができるが、エンジンの回転速度が決まると燃料量の多少に関わらず、過給量が決まるために、また、駆動に要する仕事量が大きいために、燃費が悪化するという問題がある。

この対策として、近年では、図１４に示すような蓄ガス供給システムを備えた内燃機関１Ｚが研究されており、この蓄ガス供給システムでは、内燃機関１Ｚから排出される排気ガスＧの一部Ｇｐを空気Ａａと混合した混合ガスＣを容積型コンプレッサ（排気圧縮器）２５で圧縮して高圧化し、この高圧化した混合ガスＣを蓄ガス容器（圧力容器）２７内に溜め込み、過渡時に放出電磁弁３６を開弁して混合ガスＣを調圧弁２９経由で吸気弁（吸気スロットル）３５の下流の吸気通路１２に放出し、これにより、内燃機関１Ｚのシリンダ内への吸気量を過給機付きエンジン並みに増加させると共に、ＥＧＲの効果によるＮＯｘの低減を図り、ターボラグの問題を解消している過給制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この蓄ガス供給システムを採用した場合は、過渡時に加圧された混合ガスＣをエンジン１Ｚの吸気通路１２内に放出することで過給圧を上げて、シリンダ内への空気量を増加させることができるので燃料量も増やすことができる。その結果、加速性能が向上し、煤の排出も抑えることができる。また、過給圧は排気マニホールド１１ｂの内圧よりも高くなるので、内燃機関１Ｚのポンピング損失が低下し燃費の向上を図ることができる。

この混合ガスＣを放出するタイミングである急加速の判断に関しては、エンジン回転速度の変化率、アクセル踏み込み量の変化率、燃料流量の変化率等を用いて、運転者の急加速の意思を判断する方法がある。

しかしながら、このエンジン回転速度等の変化率で判断する方法では、図３に示すような、一般にゼロブーストＱと呼ばれ、無過給エンジンでの燃料量に相当する無過給最大燃料量Ｑ０までは、ターボ式過給機のタイムラグにより過給の遅れが発生しても問題を生じない領域があるにもかかわらず、この無過給最大燃料量Ｑ０以下の領域ＲＡであっても、蓄ガス供給による過給補助を行うことになる。

一方、蓄ガス容器内のガスの貯蔵量は限られているので、蓄圧されたガスを多量に消費すると、再度、蓄圧するまでの時間が必要になり、過給補助装置の使用頻度が制限されたり、蓄圧のための仕事が増加して燃費の向上の効果が減少したりするという問題がある。

特開２０１１−２１５５８号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、ガス圧縮装置を用いて、内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡状態のときに前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡状態のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる内燃機関において、過給補助が必要なときにのみ過給補助を開始することにより、過給補助に用いる蓄ガス容器内のガスの消費量を少なくすることができる内燃機関の過給補助方法及び内燃機関を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の過給補助方法は、内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、該蓄ガス容器と吸気系通路を流路切替装置を介して接続する蓄ガス供給通路を備えた内燃機関の過給補助方法において、内燃機関の過渡状態で、かつ、前記蓄ガス容器の内部の圧力が予め設定した下限圧力以上で、かつ、測定されたエンジン回転速度とアクセル開度から算出された供給目標燃料量が、同じエンジン回転速度に対しての過給を行わないときの無過給最大燃料量以上であると判定したときには、ＥＧＲ弁の操作と流路切替装置の流路切替操作により、ＥＧＲガスと吸気を遮断して蓄ガス容器の前記ガスを前記吸気系通路に供給する過給補助を行い、前記吸気系通路からのＥＧＲガス及び吸気の供給は行わず、前記内燃機関の過渡状態で、かつ、前記蓄ガス容器の内部の圧力が前記下限圧力以上で、かつ、前記供給目標燃料量が前記無過給最大燃料量未満であると判定したときには、前記吸気系通路からのＥＧＲガス及び吸気の供給を行い、且つ前記過給補助は行わないことを特徴とする方法である。

この方法によれば、内燃機関を搭載した車両の急加速時や発進時等の内燃機関の運転状態が過渡状態のときにおいて、ターボラグに起因する加速性能の低下を最小限に防止し、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減を図ることができる蓄圧されたガスによる過給補助において、過給補助が必要なときにのみ過給補助を行うので、過給補助用の蓄ガス容器に貯蔵しているガスの消費を最小限にすることができる。また、これにより、過給補助の制限が少なくなると共に、再度蓄圧するまでの時間や仕事量を減少でき、燃費を向上できる。

上記の内燃機関の過給補助方法において、吸気圧が、前記無過給最大燃料量の燃料を燃焼できる吸気量を供給できる無過給最大吸気圧、又は、該無過給最大吸気圧より低く設定された過給補助開始吸気圧になってから、前記過給補助を行うと、過給補助が必要な供給目標燃料量であっても、吸気圧が、無過給最大吸気圧以上の吸気圧が必要になるぎりぎりまで過給補助を開始しないことにより、つまり、加速時や発進時の過渡時にスモークリミットで燃料噴射量が絞られそうになった時に過給補助を行うことにより、過給補助用の蓄ガス容器内のガスの消費を最小限にすることができ、蓄圧されたガスの節約を図ることができる。

その上、この過給補助方法を採用すると、ターボ式過給機が万一故障して吸気圧が上昇しなくなっても、即ち、吸気圧が無過給最大吸気圧以上にならなくても、通常の過給無しの燃料量が無過給最大燃料量より小さい範囲内のＥＧＲ及び吸気方法には影響を及ぼさないので、そのまま内燃機関の運転を継続することができる。

上記の内燃機関の過給補助方法において、前記過給補助の際に、前記吸気圧が前記過給補助開始吸気圧になるまでは、燃料供給量を前記無過給最大燃料量とし、前記吸気圧が前記過給補助開始吸気圧を超えて、過給補助が開始されたときから、燃料供給量を前記供給目標燃料量とすると、過給補助開始までの間の空気不足における過剰な燃料供給を回避できて、スモークの発生を防止できると共に、トルクを発生させない無駄な燃料の消費を回避でき燃費を向上できる。

そして、上記の目的を達成するための内燃機関は、上記の内燃機関の過給補助方法を実施できる内燃機関であり、内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、該蓄ガス容器と吸気系通路を流路切替装置を介して接続する蓄ガス供給通路と、前記ＥＧＲ通路の備えたＥＧＲ弁と前記流路切替装置を制御する制御装置を備えた内燃機関において、前記制御装置が、内燃機関の過渡状態で、かつ、前記蓄ガス容器の内部の圧力が予め設定した下限圧力以上で、かつ、測定されたエンジン回転速度とアクセル開度から算出された供給目標燃料量が、同じエンジン回転速度に対しての過給を行わないときの無過給最大燃料量以上であると判定したときには、ＥＧＲ弁の操作と流路切替装置の流路切替操作により、ＥＧＲガスと吸気を遮断して蓄ガス容器の前記ガスを前記吸気系通路に供給する過給補助を行い、前記吸気系通路からのＥＧＲガス及び吸気の供給は行わず、前記内燃機関の過渡状態で、かつ、前記蓄ガス容器の内部の圧力が前記下限圧力以上で、かつ、前記供給目標燃料量が前記無過給最大燃料量未満であると判定したときには、前記吸気系通路からのＥＧＲガス及び吸気の供給を行い、且つ前記過給補助は行わない、制御をするように構成される。

この構成によれば、過給補助が必要なときにのみ過給補助を行うので、過給補助用の蓄ガス容器に貯蔵しているガスの消費を最小限にすることができる。また、これにより、過給補助の制限が少なくなると共に、再度蓄圧するまでの時間や仕事量を減少でき、燃費を向上できる。

上記の内燃機関において、前記制御装置が、吸気圧が、前記無過給最大燃料量の燃料を燃焼できる吸気量を供給できる無過給最大吸気圧、又は、該無過給最大吸気圧より低く設定された過給補助開始吸気圧になってから、前記過給補助を行う制御をするように構成する。この構成により、過給補助が必要な供給目標燃料量であっても、吸気圧が、無過給最大吸気圧以上の過給が必要になるぎりぎりまで過給補助を開始しないことにより、過給補助用の蓄ガス容器内のガスの消費を最小限にすることができる。これにより、蓄圧されたガスの節約を図ることができる。

その上、この構成によれば、ターボ式過給機が万一故障して吸気圧が上昇しなくなっても、すなわち、吸気圧が無過給最大吸気圧以上にならなくても、通常の過給無しの燃料量が最大燃料量より小さい範囲内のＥＧＲ及び吸気方法には影響を及ぼさないので、そのまま内燃機関の運転を継続することができる。

また、上記の内燃機関において、前記制御装置が、前記過給補助の際に、前記吸気圧が前記過給補助開始吸気圧になるまでは、燃料供給量を前記無過給最大燃料量とし、前記吸気圧が前記過給補助開始吸気圧を超えて、過給補助が開始されたときから、燃料供給量を前記供給目標燃料量とする制御をするように構成する。

この構成によれば、過給補助開始までの間の空気不足における過剰な燃料供給を回避できて、スモークの発生を防止できると共に、トルクを発生させない無駄な燃料の消費を回避でき燃費を向上できる。

本発明に係る内燃機関の過給補助方法及び内燃機関によれば、ガス圧縮装置を用いて、内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡状態のときに前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡状態のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる内燃機関において、吸気圧を検出して、蓄圧されたガスを過給に用いる過給補助の制御を過給補助が必要なときにのみ開始することで、過給補助に用いる蓄ガス容器内のガスの消費量を少なくすることができる。

本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。 無過給時の燃料量特性と、過給時の燃料量特性を示す図である。 本発明に係る実施の形態の内燃機関の過給補助方法の制御フローの一例を示す図である。 図４のステップＳ３０の詳細を示す図である。 蓄ガス用のガス圧縮装置の駆動を説明するための図である。 三方切替弁で構成された流路切替装置の構造を吸気ラインが連通された状態で示す図である。 三方切替弁で構成された流路切替装置の構造を蓄ガス供給ラインが連通された状態で示す図である。 従来技術の高圧ＥＧＲ方式の内燃機関の構成を示す図である。 従来技術の低圧ＥＧＲ方式の内燃機関の構成を示す図である。 車速の変化と瞬時ＮＯｘ排出量の関係を示す図である。 全負荷における燃料噴射量の特性と過渡時の動きを示す図である。 過渡時のターボ式過給機の応答遅れとＥＧＲの関係を示す図である。 先行技術の内燃機関の構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の過給補助方法及び内燃機関について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明に係る第１の実施の形態のエンジン（内燃機関）１は、エンジン本体１１と吸気マニホールド１１ａに接続する吸気通路１２と排気マニホールド１１ｂに接続する排気通路１３を有して構成される。この吸気マニホールド１１ａと吸気通路１２とで吸気系通路を形成し、排気マニホールド１１ｂと排気通路１３とで排気系通路を形成する。

吸気通路１２には、ターボ式過給機１４のコンプレッサ１４ａが設けられ、排気通路１３には、ターボ式過給機１４のタービン１４ｂと、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）装置１５とＮＯｘ吸蔵還元型触媒等で形成されるＮＯｘ浄化触媒１６が設けられている。

また、タービン１４ｂの上流側の排気通路１３からＥＧＲ通路１７が分岐され、コンプレッサ１４ａの上流側の吸気通路１２にＥＧＲ合流部１８で合流している。このＥＧＲ通路１７には上流側から、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）装置１９とＥＧＲクーラ２０とＥＧＲ弁２１が設けられている。

更に、ＮＯｘ浄化触媒１６の下流側の排気通路１３から分岐して、排気ガス導入通路２２が設けられている。この排気ガス導入通路２２にはＥＧＲクーラ２３と三方弁２４が設けられ、この排気ガス導入通路２２は機械式の容積型過給機（往復動式が望ましい）等で形成されるガス圧縮装置２５に接続されている。このガス圧縮装置２５は、圧縮ガス供給通路２６により圧力容器等で形成される蓄ガス容器２７に接続されている。また、この蓄ガス容器２７は蓄ガス供給通路２８により吸気通路１２と接続されている。この排気ガス導入通路２２と圧縮ガス供給通路２６と蓄ガス供給通路２８で蓄圧ガス系通路を形成する。

図６に示すように、このガス圧縮装置２５は、エンジン１を搭載した車両の車軸３１から歯車３２、３３と、電磁クラッチ３４を経由してガス圧縮装置２５の駆動軸に動力を伝達する。この電磁クラッチ３４をＯＮにして接続することにより、ガス圧縮装置２５を駆動して、排気ガス導入通路２２からの排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを、圧縮して高圧化して蓄ガス容器２７に供給し、貯蔵する。

なお、図１に示すように、蓄ガス供給通路２８には、調圧弁２９が配置され、流路切替装置３０に供給されるガスＣの圧力を調整する。このとき、三方弁２４で、排気ガスＧの一部Ｇｐの量と空気Ａａの量を調整して、蓄ガス容器２７で貯蔵されるガスＣにおける酸素濃度を略一定に保つことが好ましく、これにより、ＥＧＲを行うときの制御を単純化することができる。

そして、上記の機器類の制御を行うために、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と呼ばれるエンジン１の運転の全般を制御する制御装置４０を設け、この制御装置４０で蓄ガス容器２７内の圧力Ｐｔやエンジン回転速度Ｎｅやアクセル開度Ａｃ等を検出して、その結果に基づいて電磁クラッチ３４や三方弁２４を制御して、蓄ガス容器２７内のガスＣの量（圧力）と排気ガスＧｐと空気Ａａの混合比率を調整制御する。

なお、図１に示すように、この蓄ガス容器２７の内部の最大圧を調整する調整弁２７ａを、蓄ガス容器２７に設けて、ガス圧縮装置２５を駆動している時には、常に仕事が発生するように調整弁２７ａを調整する。なお、図１では、調整弁２７ａを蓄ガス容器２７に設けているが、調整弁２７ａを蓄ガス容器２７とガス圧縮装置２５の間の圧縮ガス供給通路２６に設けてもよい。

つまり、エンジン１は、排気ガスＧの一部Ｇｅをシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路１７と、エンジン１の排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを圧縮するガス圧縮装置２５と、このガス圧縮装置２５で圧縮されたガスＣを貯蓄する蓄ガス容器２７と、この蓄ガス容器２７と吸気通路１２を接続する蓄ガス供給通路２８を備えて構成される。

そして、吸気通路１２と蓄ガス供給通路２８は流路切替装置３０を介して接続される。この流路切替装置３０をＥＧＲ通路１７と吸気通路１２との合流部であるＥＧＲ合流部１８よりも下流側に配置すると、ＥＧＲガスＧｅをＥＧＲ弁２１と流路切替装置３０とで２段構えで遮断することができるようになるので好ましい。また、流路切替装置３０は吸気通路１２の下流側の通路側を開放したまま、蓄ガス供給通路２８側と吸気通路１２の上流側の通路側とを切り替えるように構成される。

この流路切替装置３０は、図７及び図８に示すような三方切替弁で構成することができる。また、図示しないが、吸気系通路１２に設けた吸気弁と、蓄ガス供給通路２８に設けた開閉弁で構成することもできる。つまり、三方切替弁の流路切替装置３０を用いずに、吸気通路１２を吸気弁（吸気スロットル）等で閉塞する方式の場合には、吸気弁(図示しない)の上流にＥＧＲ合流部１８を設けて、ＥＧＲガスＧｅをＥＧＲ弁２１と吸気弁(図示しない)とで２段構えで遮断するように構成するのが好ましい。

図７及び図８に示す流路切替装置３０では、駆動用ガスＡｐを入れてピストンの背面のガスＡｅを抜くことで、高速駆動用のシリンダ３０ａのロッド３０ｂを移動させることにより、シャッター部３０ｃを移動させて、図７に示すように、蓄ガス供給通路２８側を閉じて、吸気通路１２の上流側１２ａと下流側１２ｂを連通させ、また、図８に示すように、吸気通路１２の上流側１２ａ側を閉じて、蓄ガス供給通路２８と吸気通路１２の下流側１２ｂを連通させる。

次に、本発明に係る第２の実施の形態のエンジン（内燃機関）１Ａについて説明する。図２に示すように、この第２の実施の形態のエンジン１Ａでは、ＥＧＲ通路１７がタービン１４ｂの下流にあるＮＯｘ浄化触媒１６の下流側の排気通路１３から分岐している点が、ＥＧＲ通路１７がターボ式過給機１４のタービン１４ｂの上流側の排気通路１３から分岐している第１の実施の形態と異なっている。その他の点は、第１の実施の形態と同じである。

つまり、ＥＧＲ通路１７に流入する排気ガスＧｅが、第１の実施の形態のエンジン１では、ターボ式過給機１４のタービン１４ｂを通過する前の排気ガスＧの一部となっているのに対して、この第２の実施の形態のエンジン１Ａでは、ターボ式過給機１４のタービン１４ｂを通過した後の排気ガスＧの一部となっている。言い換えれば、第１の実施の形態のエンジン１では、高圧ＥＧＲ方式が採用されており、第２の実施の形態のエンジン１Ａでは低圧ＥＧＲ方式が採用されている。

次に、エンジン（内燃機関）１、１Ａの制御装置４０で行う、内燃機関の過給補助方法について説明する。この内燃機関の過給補助方法は、上記の構成のエンジン１、１Ａで実施できる方法である。この内燃機関の過給補助方法は、エンジン１、１Ａの排気通路（排気系通路）１３の排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを圧縮して貯蓄する。

それと共に、過給補助方法では、エンジン１、１Ａの運転状態が過渡状態でないときには、エンジン１、１Ａの排気ガスＧの一部Ｇｅを、ＥＧＲ通路１７を経由してシリンダ内に再循環し、エンジン１、１Ａが過渡状態であるときには、蓄ガス容器２７に貯蔵されているガスＣを一時的に吸気通路（吸気系通路）１２に供給する過給補助を行う。この過給補助では、ＥＧＲ通路１７からのＥＧＲガスＧｅと、吸気通路１２からの新気Ａとを流路切替装置３０で遮断して、ガスＣのみを、下流側の吸気通路１２に供給する。

また、この内燃機関の過給補助方法において、ＥＧＲガスＧｅと新気Ａとの遮断、及びガスＣの供給を、図７と図８で示すような三方切替弁で構成した流路切替装置３０で行うか、あるいは、ＥＧＲガスＧｅと新気Ａとの遮断、及びガスＣの供給を、吸気通路（吸気系通路）１２に設けた吸気弁（図示しない）と、蓄ガス供給通路２８に設けた開閉弁（図示しない）で行う。

これらの制御においては制御装置４０で、エンジン回転速度Ｎｅ、エンジン空気量（Ｍｏ、Ｍｅ）、エンジン燃料量（燃料噴射量）Ｑ、蓄ガス容器２７の内部の圧力Ｐｔ等の検出値等に基づいて、調圧弁２９とＥＧＲ弁２１と流路切替装置３０を制御する。

この過給補助方法では、過給補助を行う条件は、エンジン１、１Ａを搭載した車両の加速時又は発進時などのエンジン１、１Ａの運転状態が過渡状態であり、かつ、蓄ガス容器２７の内圧Ｐｔが予め設定した下限圧力ＰＬ以上（Ｐｔ≧ＰＬ）であり、かつ、測定されたエンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度Ａｃに基づく供給目標燃料量Ｑｔが、無過給最大燃料量（ゼロブースト）Ｑ０を超えるときのみ、過給補助を行う。

この３つの過給補助開始の条件の一つである、エンジン１、１Ａの運転状態が過渡状態であるか否かの判定は、エンジン回転速度Ｎｅの変化率ΔＮｅ、アクセル開度（アクセル踏み込み量）Ａｃの変化率ΔＡｃ、燃料供給量Ｑｉｎの変化率ΔＱｉｎで判定し、エンジン１、１Ａの運転状態が過渡状態のときにのみ過給補助する。過渡状態で無ければターボラグの問題は生じないので過給補助は不要となるからである。

また、蓄ガス容器２７に設けた圧力センサ５１の検出値Ｐｔと予め設定した下限圧力ＰＬとを比較して、蓄ガス容器２７の内圧Ｐｔが下限圧力ＰＬ以上（Ｐｔ≧ＰＬ）の場合のみ過給補助するのは、蓄ガス容器２７内の圧力Ｐｔが下限圧力ＰＬ以上でなければ過給補助用のガスＣが不足して十分な過給補助ができないからである。

更に、供給目標燃料量Ｑｔが、無過給最大燃料量（ゼロブースト）Ｑ０を超えている場合のみ過給補助を行う。即ち、図３に示す領域ＲＢ（無過給時のＱ特性と過給時のＱ特性の間の領域）の場合のみ過給補助を行う。この供給目標燃料量Ｑｔは、過渡時にエンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度Ａｃで要求されるトルクを発生するための燃料量であり、計測されたエンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度Ａｃの値から供給燃料量算出用のマップデータ（Ｎｅ、Ａｃ→Ｑｔ）を基に算出する。

それと共に、エンジン回転速度Ｎｅにおける過給無しで燃焼できる無過給最大燃料量Ｑ０を、無過給最大燃料量用のマップデータ（Ｎｅ→Ｑ０）から算出する。この無過給最大燃料量Ｑ０は無過給時のＱ特性から求められる。この無過給最大燃料量Ｑ０を燃焼できる無過給最大吸気量までは、ターボ式過給機１４による過給無しで、また、過給補助をしないで吸気できる。これらの３つの条件を課することにより、過給補助が必要なときにのみ過給補助を行うことができる。

そして、この過給補助の開始に関しては、吸気圧Ｐが、過給補助開始吸気圧Ｐ１を超えた（Ｐ≧Ｐ１）ときに開始する。この過給補助開始吸気圧Ｐ１は、無過給最大燃料量Ｑ０に必要な空気量を供給するために必要な吸気圧である無過給最大吸気圧（ゼロブースト圧）Ｐ０に設定するか、または、この無過給最大吸気圧Ｐ０よりも少し低い値に設定する。この無過給最大吸気圧Ｐ０は、計測されたエンジン回転速度Ｎｅの値から無過給最大吸気圧Ｐ０用マップデータ（Ｎｅ→Ｐ０）を参照して算出する。

この吸気圧Ｐが無過給最大吸気圧Ｐ０以下（Ｐ＜Ｐ０）では、過給及び過給補助が不要な領域であるので、過給が必要になるぎりぎりの過給補助開始吸気圧Ｐ１を吸気圧Ｐが超える（Ｐ≧Ｐ１）までは過給補助を開始しないように構成する。なお、ターボ式過給機１４は稼動しているので、ターボラグのための時間遅れはあるが、吸気圧Ｐは過給補助開始吸気圧Ｐ１と無過給最大吸気圧Ｐ０を超える（Ｐ≧Ｐ１、Ｐ≧Ｐ０）ことになる。また、この過給補助を行っている期間の時間Ｔ０は、予め実験の結果等から設定しておく。こ時間Ｔ０は、例えば、１秒程度に設定される。

この過給補助が必要な供給目標燃料量Ｑｔであっても、過給が必要になるぎりぎり（Ｐ≧Ｐ１）まで過給補助を開始しないことにより、蓄圧されたガスＣの節約を図ることができる。これにより、過給補助用の蓄ガス容器（圧力容器）２７内のガスＣの消費を最小限にできる。

また、ターボ式過給機１４が故障して過給圧Ｐを上昇できなくなっても、即ち、吸気圧Ｐが無過給最大吸気圧Ｐ０を超える（Ｐ≧Ｐ０）状態にならなくても、厳密には、吸気圧Ｐが過給補助開始吸気圧Ｐ１を超える（Ｐ≧Ｐ１）状態にならなくても、通常の過給なしの供給目標燃料量Ｑｔが最大燃料量Ｑ０より小さい（Ｑｔ＜Ｑ０）範囲の制御には影響を及ぼさないので、そのまま内燃機関の運転が可能となる。この意味からも、無過給最大吸気圧Ｐ０と過給補助開始吸気圧Ｐ１は等しいか、異なっていても両者の差は小さい方が好ましい。

この過給補助に際しての燃料供給は、供給目標燃料量Ｑｔが、無過給最大燃料量Ｑ０を越える場合の燃料供給制御であり、供給目標燃料量Ｑｔは無過給最大燃料量Ｑ０より大きいけれど、吸気圧Ｐが過給補助開始吸気圧Ｐ１になるまでは、言い換えれば、過給補助が行われるまでは、燃料供給量Ｑｉｎを無過給最大燃料量Ｑ０以下に制限する。これにより、燃料供給量Ｑｉｎがスモークリミット以内（図３の領域ＲＡ内）となるのでスモーク発生を回避できる。この時の発生トルクは要求トルクより低いが、ガスＣの節約のために吸気圧Ｐの上昇を待つ。

吸気圧Ｐが過給補助開始気圧Ｐ１を超えて、ガスＣによる過給補助が開始されたときから、燃料供給量Ｑｉｎを供給目標燃料量Ｑｔとする。これにより、過給補助が開始された後では、燃料供給量Ｑｉｎが無過給最大燃料量Ｑ０より大きい供給目標燃料量Ｑｔになってもスモーク発生を回避できる。この時の発生トルクは要求トルクとなる。

なお、ターボラグ中に行われる過給補助を停止してターボ式過給機１４による過給に切り替えた後は、ターボ式過給機１４のターボラグが解消した後となり十分な過給が行われているので、燃料供給量Ｑｉｎを供給目標燃料量Ｑｔにしてもスモーク発生を回避できる。この燃料供給量Ｑｉｎを供給目標燃料量Ｑｔにすることにより、発生トルクは要求トルクとなる。これにより、スモークの防止と共に、空気不足状態における過剰な燃料供給、即ち、トルクを発生させない無駄な燃料の消費を回避でき、燃費を向上できる。

次に、上記の過給補助を行うための制御について、図４及び図５に例示する制御フローに基づいて説明する。この図４及び図５の制御フローは、エンジン１、１Ａの運転開始と共に、上位の制御フローから呼ばれて、スタートし、ステップＳ１１〜ステップＳ２０、又は、ステップＳ１１〜ステップＳ３０を繰り返し実施し、エンジン１、１Ａの運転停止により、割り込みが発生して、制御フローの途中からリターンに行き、上位の制御フローに戻って、この制御フローの実施が停止するものとして示してある。

図４の制御フローが呼ばれると、ステップＳ１１で、この制御に必要なデータを入力及び算出する。これらのデータとしては、エンジン回転速度センサで計測されるエンジン回転速度Ｎｅ、アクセル開度センサで計測されるアクセル開度Ａｃ、燃料流量センサで計測、またはエンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度Ａｃから算出される供給目標燃料量Ｑｔがあり、また、通常エンジンに装着されているブーストセンサ（吸気圧力計）で計測された吸気圧Ｐ、蓄ガス容器２７の内部の圧力（内圧）Ｐｔ等がある。

次のステップＳ１２では、予め設定されている判定用データを入力したり、ステップＳ１１で入力したデータと予め設定されているマップデータを基に、各判定用データを算出したりする。この判定用データとしては、エンジン１、１Ａの運転状態が過渡状態であるか否かを判定するための、エンジン回転速度Ｎｅの判定用変化率ΔＮｅ０、アクセル開度Ａｃの判定用変化率ΔＡｃ０、燃料供給量Ｑｉｎの判定用変化率ΔＱｉｎ０、蓄ガス容器２７の内圧Ｐｔを判定するための下限圧力ＰＬ、無過給最大燃料量（ゼロブースト）Ｑ０がある。

次のステップＳ１３では、エンジン１、１Ａの運転状態が過渡状態であるか否かを判定する。この判定は、例えば、エンジン回転速度Ｎｅの変化率ΔＮｅ、アクセル開度（アクセル踏み込み量）Ａｃの変化率ΔＡｃ、燃料供給量Ｑｉｎの変化率ΔＱｉｎの一つ又は幾つかの組み合わせが各判定用変化率ΔＮｅ０、ΔＡｃ０、ΔＱｉｎ０以上であるか否かで判定する。この判定で、過渡状態で無ければ（ＮＯ）、ステップＳ２０に行き、過給補助無しの通常制御運転を行う。また、この判定で、過渡状態であれば（ＹＥＳ）、ステップＳ１４に行く。

ステップＳ１４では、蓄ガス容器２７の内圧Ｐｔの判定を行い、内圧Ｐｔが下限圧力ＰＬより小さい（Ｐｔ＜ＰＬ）場合には（ＮＯ）、ステップＳ２０に行き、過給補助無しの通常制御運転を行う。また、内圧Ｐｔが下限圧力ＰＬ以上（Ｐｔ≧ＰＬ）の場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ１５に行く。

ステップＳ１５では、供給目標燃料量Ｑｔの判定を行い、供給目標燃料量Ｑｔが、無過給最大燃料量Ｑ０以下の場合は（ＮＯ）は、ステップＳ２０に行き、過給補助無しの通常制御運転を行う。また、供給目標燃料量Ｑｔが、無過給最大燃料量Ｑ０を越えている場合は（ＮＯ）は、ステップＳ３０に行き、過給補助運転を行う。

ステップＳ２０の通常運転では、過給補助システムを備えていないエンジンにおける制御と同様な制御を所定の時間（ステップＳ１１のエンジンの運転状態の判定のインターバルに関係する予め設定された時間）の間行い、ステップＳ１１に戻る。

ステップＳ３０の過給補助運転では、図５に示すように、ステップＳ３１で、時々刻々の吸気圧Ｐを入力して、ステップＳ３２で、吸気圧Ｐの判定を行い、吸気圧Ｐが過給補助開始吸気圧Ｐ１より小さい（Ｐ＜Ｐ１）場合は（ＮＯ）、ステップＳ３３に行き、燃料供給量Ｑｉｎを時々刻々に計測されるエンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度Ａｃから算出される供給目標燃料量Ｑｔではなく、時々刻々に計測されるエンジン回転速度Ｎｅから算出される無過給最大燃料量Ｑ０に設定してシリンダ内への燃料噴射を所定の時間（吸気圧の判定のインターバルに関係する予め設定された時間）の間行い、ステップＳ３１に戻る。また、この時点では、まだ、蓄ガス容器２７からのガスＣの供給は行わない。

そして、ステップＳ３２で、吸気圧Ｐが過給補助開始吸気圧Ｐ１以上（Ｐ≧Ｐ１）の場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ３４で、ＥＧＲ弁２１を閉弁制御し、流路切替装置３０を流路切替制御して、吸気通路１２とＥＧＲ通路１７を遮断すると共に、蓄ガス供給通路２８と吸気通路１２の下流側を連通して、予め設定された時間Ｔ０の間のみ蓄圧されたガスＣの供給を行って過給補助を行う。このステップＳ３４では、ステップＳ３３で無過給最大燃料量Ｑ０に制限されていた燃料供給量Ｑｉｎの制限を解除し、燃料供給量Ｑｉｎを時々刻々に計測されるエンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度Ａｃから算出される供給目標燃料量Ｑｔに設定してシリンダ内への燃料噴射を行う。

ステップＳ３４の蓄圧されたガスＣの供給が時間Ｔ０を経過しして停止されると、ステップＳ３５に行き、燃料供給量Ｑｉｎを時々刻々に計測されるエンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度Ａｃから算出される供給目標燃料量Ｑｔに設定した状態で、言い換えれば、燃料供給量Ｑｉｎを無過給最大燃料量Ｑ０に制限していた状態を解除した状態で、予め設定した時間、ターボ式過給機１４による過給を必要に応じて用いた状態での運転、言い換えれば、蓄圧されたガスＣによる過給補助無しの運転を所定の時間（ステップＳ３６の運転状態の判定のインターバルに関係する予め設定された時間）の間行い、ステップＳ３６に行く。

ステップＳ３６では、エンジン１、１Ａの運転状態を判定し、運転状態が過渡状態のまま（ＹＥＳ）ではステップＳ３５に戻り、運転状態が過渡状態でなくなった場合には（ＮＯ）、ステップＳ３０を終了する。この判定は、ステップＳ１３の判定と同様な判定基準で行われる。ステップＳ３０を終了すると、ステップＳ１１に戻る。

このステップＳ１１〜ステップＳ２０、又は、ステップＳ１１〜ステップＳ３０の繰り返しの実施により、上記の過給補助を行う制御を実施することができる。なお、エンジン１、１Ａが運転停止された場合は、割り込みが発生して、フローの途中からリターンに行き、上位の制御フローに戻って、この制御フローの実施が停止する。

上記の内燃機関の過給補助方法及びエンジン（内燃機関）１、１Ａによれば、エンジン１、１Ａを搭載した車両の急加速時や発進時等のエンジン１、１Ａの運転状態が過渡状態のときにおいて、ターボ式過給機１４のターボラグに起因する加速性能の低下を最小限に防止し、排気ガスＧ中の粒子状物質（ＰＭ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減を図ることができる蓄圧されたガスＣによる過給補助において、過給補助が必要なときにのみ過給補助を行うので、過給補助用の蓄ガス容器２７に貯蔵しているガスＣの消費を最小限にすることができる。また、これにより、ガスＣの不足による過給補助の制限が少なくなると共に、再度蓄圧するまでの時間や仕事量を減少でき、燃費を向上できる。

また、吸気圧Ｐが、過給補助開始吸気圧Ｐ１（無過給最大燃料量Ｑ０の燃料を燃焼できる吸気量を供給できる無過給最大吸気圧Ｐ０又はこれより少し小さい値）になってから、過給補助を行うことにより、過給補助が必要な供給目標燃料量Ｑｔであっても、吸気圧Ｐが、過給が必要になるぎりぎりの無過給最大吸気圧Ｐ０近傍までは過給補助を開始しないので、つまり、加速時や発進時の過渡状態のときにスモークリミットで燃料供給量Ｑｉｎが絞られそうになってから過給補助を行うので、過給補助用の蓄ガス容器２７内のガスＣの消費を最小限にすることができ、蓄圧されたガスＣの節約を図ることができる。

その上、この過給補助方法を採用することで、ターボ式過給機１４が万一故障して、吸気圧Ｐが上昇しなくなっても、即ち、吸気圧Ｐが、無過給最大吸気圧Ｑ０以上にならなくても、通常の過給無しの燃料供給量Ｑｉｎが無過給最大燃料量Ｑ０より小さい範囲内のＥＧＲ及び吸気方法には、上記の過給補助方法は影響を及ぼさないので、そのままエンジン１、１Ａの運転を継続することができる。

更に、過給補助の際に、吸気圧Ｐが過給補助開始圧力Ｐ１（≒無過給最大吸気圧Ｐ０）になるまでは、燃料供給量Ｑｉｎを無過給最大燃料量Ｑ０とし、吸気圧Ｐが過給補助開始圧力Ｐ１（≒無過給最大吸気圧Ｐ０）を超えて、過給補助が開始されたときから、燃料供給量Ｑｉｎを供給目標燃料量Ｑｔとすることにより、過給補助開始までの間の空気不足における過剰な燃料供給を回避できるので、スモークの発生を防止できると共に、トルクを発生させない無駄な燃料の消費を回避でき燃費を向上できる。

本発明の内燃機関の過給補助方法及び内燃機関は、蓄圧されたガスを用いる過給補助を行う内燃機関において、急加速時や発進時などの内燃機関の過渡状態において、過給補助用の蓄ガス容器内のガスの消費量を最小限にできると共に、ターボラグに起因する加速性能の低下を最小限に防止し、粒子状物質と窒素酸化物の低減と燃費向上が可能となる。

従って、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と新気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡状態のときに前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡状態のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる、トラックやバスや乗用車等に搭載する内燃機関の過給補助方法及び内燃機関で利用できる。

１、１Ａ、１Ｘ，１Ｙ，１Ｚ エンジン（内燃機関）
１１ エンジン本体
１１ａ 吸気マニホールド（吸気系通路）
１１ｂ 排気マニホールド（排気系通路）
１２ 吸気通路（吸気系通路）
１３ 排気通路（排気系通路）
１４ ターボ式過給機
１７ ＥＧＲ通路
２１ ＥＧＲ弁
２２ 排気ガス導入通路
２５ ガス圧縮装置
２６ 圧縮ガス供給通路
２７ 蓄ガス容器
２８ 蓄ガス供給通路
３０ 流路切替装置
３１ 車両の車軸
３４ 電磁クラッチ
３５ 吸気弁（吸気スロットル）
４０ 制御装置
５１ 圧力センサ
Ａ 新気
Ａａ 空気
Ａｃ アクセル開度
Ｃ ガス
Ｇ 排気ガス
Ｇｅ ＥＧＲガス
Ｇｐ 排気ガスの一部
Ｎｅ エンジン回転速度
Ｐ 吸気圧
Ｐ０ 無過給最大吸気圧（ゼロブースト圧）
Ｐ１ 過給補助開始吸気圧
Ｐｔ 蓄ガス容器の内圧
ＰＬ 下限圧力
Ｑ０ 無過給最大燃料量（ゼロブーストＱ）
Ｑｉｎ 燃料供給量
Ｑｔ 供給目標燃料量
Ｔ０ 過給補助を行っている時間

Claims (6)

1. 内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、
   内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、
   該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、
   該蓄ガス容器と吸気系通路を流路切替装置を介して接続する蓄ガス供給通路を備えた内燃機関の過給補助方法において、
   内燃機関の過渡状態で、かつ、前記蓄ガス容器の内部の圧力が予め設定した下限圧力以上で、かつ、測定されたエンジン回転速度とアクセル開度から算出された供給目標燃料量が、同じエンジン回転速度に対しての過給を行わないときの無過給最大燃料量以上であると判定したときには、ＥＧＲ弁の操作と流路切替装置の流路切替操作により、ＥＧＲガスと吸気を遮断して蓄ガス容器の前記ガスを前記吸気系通路に供給する過給補助を行い、前記吸気系通路からのＥＧＲガス及び吸気の供給は行わず、
   前記内燃機関の過渡状態で、かつ、前記蓄ガス容器の内部の圧力が前記下限圧力以上で、かつ、前記供給目標燃料量が前記無過給最大燃料量未満であると判定したときには、前記吸気系通路からのＥＧＲガス及び吸気の供給を行い、且つ前記過給補助は行わないことを特徴とする内燃機関の過給補助方法。
2. 吸気圧が、前記無過給最大燃料量の燃料を燃焼できる吸気量を供給できる無過給最大吸気圧、又は、該無過給最大吸気圧より低く設定された過給補助開始吸気圧になってから、前記過給補助を行うことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の過給補助方法。
3. 前記過給補助の際に、前記吸気圧が前記過給補助開始吸気圧になるまでは、燃料供給量を前記無過給最大燃料量とし、前記吸気圧が前記過給補助開始吸気圧を超えて、過給補助が開始されたときから、燃料供給量を前記供給目標燃料量とすることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の過給補助方法。
4. 内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、
   内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、
   該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、
   該蓄ガス容器と吸気系通路を流路切替装置を介して接続する蓄ガス供給通路と、
   前記ＥＧＲ通路の備えたＥＧＲ弁と前記流路切替装置を制御する制御装置を備えた内燃機関において、
   前記制御装置が、内燃機関の過渡状態で、かつ、前記蓄ガス容器の内部の圧力が予め設定した下限圧力以上で、かつ、測定されたエンジン回転速度とアクセル開度から算出された供給目標燃料量が、同じエンジン回転速度に対しての過給を行わないときの無過給最大燃料量以上であると判定したときには、ＥＧＲ弁の操作と流路切替装置の流路切替操作により、ＥＧＲガスと吸気を遮断して蓄ガス容器の前記ガスを前記吸気系通路に供給する過給補助を行い、前記吸気系通路からのＥＧＲガス及び吸気の供給は行わず、
   前記内燃機関の過渡状態で、かつ、前記蓄ガス容器の内部の圧力が前記下限圧力以上で、かつ、前記供給目標燃料量が前記無過給最大燃料量未満であると判定したときには、前記吸気系通路からのＥＧＲガス及び吸気の供給を行い、且つ前記過給補助は行わない、制御をすることを特徴とする内燃機関。
5. 前記制御装置が、吸気圧が、前記無過給最大燃料量の燃料を燃焼できる吸気量を供給できる無過給最大吸気圧、又は、該無過給最大吸気圧より低く設定された過給補助開始吸気圧になってから、前記過給補助を行う制御をすることを特徴とする請求項４記載の内燃機関。
6. 前記制御装置が、前記過給補助の際に、前記吸気圧が前記過給補助開始吸気圧になるまでは、燃料供給量を前記無過給最大燃料量とし、前記吸気圧が前記過給補助開始吸気圧を超えて、過給補助が開始されたときから、燃料供給量を前記供給目標燃料量とする制御をすることを特徴とする請求項５記載の内燃機関。

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