JP6017304B2 - 過給システム及び過給システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、全筒運転及び減筒運転を切り替えるエンジンの過給システム及び過給システムの制御方法に関する。

燃費向上を目的として、複数の気筒のうち一部の気筒の燃焼を休止させる減筒運転を行うエンジンが既に知られている。減筒運転を、ターボチャージャを備えたエンジンで実行するとき、コンプレッサの圧力比（出口圧力／入口圧力）が増加して、圧力や流量が変動し周期的な振動となるサージングが発生するといった課題があった。

これに対し、コンプレッサにより圧縮された吸気の一部をコンプレッサの上流側に戻す吸気再循環ラインを設ける装置が提案されていた（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の吸気再循環ラインには、開度調整可能な吸気再循環バルブが設けられている。

特開２００６−２０７３８２号公報

上述した吸気再循環バルブを制御する制御装置は、アクセル開度と、エンジン回転数を示す回転数信号とに基づき、ターボチャージャの現在の運転状態を推定し、吸気再循環バルブを、ターボチャージャのサージングを回避するための適宜な開度に制御している。即ち、当該装置では、見掛けのコンプレッサ流量を上昇させることで、サージングを回避していた。

しかし、サージングはコンプレッサ流量を増加させれば回避できるものであるが、サージングが回避できても、ターボチャージャの効率が確保されるとは限らない。ターボチャージャの効率が低下すると減筒運転による燃費向上効果が得られないため、従来では全筒運転が余儀なく選択されていた。尚、こうした問題は、過給システムにおいては概ね共通したものであるため、減筒運転領域のさらなる拡大が要請されていた。

本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、減筒運転領域を拡大することができる過給システム及び過給システムの制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、エンジンの過給システムは、全筒運転と減筒運転とを切り替えるエンジンの過給システムにおいて、タービン及びコンプレッサを備えたターボチャージャと、前記コンプレッサにより圧縮された吸気の一部を、該コンプレッサの上流に還流させる吸気側再循環路と、前記吸気側再循環路を流れる吸気の流量を調整する流量調整バルブと、少なくとも減筒運転が実行される際、エンジン回転数の低下に伴い段階的又は連続的に前記流量調整バルブの開度を大きくする制御装置とを備え、前記制御装置は前記コンプレッサを通過する実流量を入力するとともに、前記コンプレッサにおける入口側圧力に対する出口側圧力の比率である圧力比を求め、同一圧力比において前記ターボチャージャの効率が高められる目標流量を算出し、前記目標流量から前記コンプレッサの実流量を減算した差分を、前記吸気側再循環路を介して前記コンプレッサ上流側へ戻す還流量とし、前記還流量に対応させた前記流量調整バルブの開度を設定する。

上記課題を解決するために、エンジンの過給システムの制御方法は、全筒運転と減筒運転とを切り替えるエンジンの過給システムの制御方法であって、前記過給システムは、タービン及びコンプレッサを備えたターボチャージャと、前記コンプレッサにより圧縮された吸気の一部を、該コンプレッサの上流に還流させる吸気側再循環路と、前記吸気側再循環路を流れる吸気の流量を調整する流量調整バルブと、少なくとも減筒運転条件が実行される際、エンジン回転数の低下に伴い段階的又は連続的に流量調整バルブの開度を大きくする制御装置とを備え、前記制御装置は、前記コンプレッサを通過する実流量を入力するとともに、前記コンプレッサにおける入口側圧力に対する出口側圧力の比率である圧力比を求め、同一圧力比において前記ターボチャージャの効率が高められる目標流量を算出し、前記目標流量から前記コンプレッサの実流量を減算した差分を、前記吸気側再循環路を介して前記コンプレッサ上流側へ戻す還流量とし、前記還流量に対応させた前記流量調整バルブの開度を設定する。

これらの態様によれば、減筒運転が実行される際、エンジン回転数の低下に伴い段階的又は連続的に流量調整バルブの開度を大きくするので、特に減筒運転実行時且つ低回転域で効率が低下するターボチャージャに対し、コンプレッサ流量を高めて効率を向上することができる。このため、減筒運転領域を、エンジン回転数の低回転域側へ拡大することができる。

また、目標流量から実流量を減算して還流量を算出するので、減筒運転実行時且つ低回転域等、高い効率が得られにくい運転領域のときには、該効率を高めるべく流量調整バルブの開度を大きくし、該効率が比較的高いときには流量調整バルブを閉じるかその開度を小さくできる。即ち、ターボチャージャの効率が高められるようコンプレッサ流量のバランスを取ることができる。

上記過給システムについて、前記制御装置は、前記エンジンの可変動弁機構により休止気筒の吸気バルブ及び排気バルブが閉じられた後に、検出された前記コンプレッサの実流量と入口側圧力及び出口側圧力とを入力して、還流量を算出することが好ましい。

この態様によれば、休止気筒の吸気バルブ及び排気バルブが閉じられた後に検出された実流量、入口側圧力及び出口側圧力を入力するので、減筒運転に伴い変化した圧力比に見合った還流量を算出することができる。

過給システムの一実施形態であって、その要部を示す概略図。 同過給システムの要部を示すブロック図。 同過給システムの減筒運転制御のフロー。 同過給システムのターボチャージャの性能曲線図。 同過給システムの稼動気筒数を判定するためのマップ。 過給システムの変形例であって、その要部を示す概略図。

以下、過給システム及びその制御方法の一実施形態を説明する。本実施形態では、過給システムが設けられたエンジンを、ディーゼルエンジンに具体化して説明する。
図１に示すように、本実施形態のエンジン１０は、直列６気筒のエンジンであって、シリンダヘッド１２には、シリンダ１１内に燃料を噴射するインジェクタ１３が備えられている。また、シリンダヘッド１２には、シリンダ１１内に連通する吸気マニホールドＩＮと、排気マニホールドＥＸとが連結されている。排気マニホールドＥＸにはＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）管１４が連結され、排気の一部を吸気マニホールドＩＮ側に還流している。ＥＧＲ管１４の途中にはＥＧＲバルブ１４ａが設けられ、ＥＧＲバルブ１４ａの開度を制御することで、還流量を調整している。また、ＥＧＲ管１４には、ＥＧＲクーラ１４ｂが設けられている。

排気マニホールドＥＸよりも下流の排気通路１５には、ターボチャージャＴのタービンＴＢが接続されている。ターボチャージャＴは、容量を可変としない固定翼の過給機である。ターボチャージャＴは、タービンハウジングＨ１内にタービンホイールＷ１を備えている。タービンホイールＷ１には、ローターシャフトＳの一端が連結され、ローターシャフトＳの他端には、コンプレッサホイールＷ２が設けられている。

コンプレッサホイールＷ２は、コンプレッサハウジングＨ２とともにコンプレッサＣＮを構成している。コンプレッサハウジングＨ２には、吸気マニホールドＩＮよりも上流の吸気通路１６が連結されている。また、コンプレッサホイールＷ２の下流側には、コンプレッサＣＮを通過した吸気の流量を検出するマスフロメータＭが設けられている。

また、吸気通路１６のうち、コンプレッサホイールＷ２よりも下流には、インタークーラＣＬが設けられている。吸気通路１６のうち、インタークーラＣＬと吸気マニホールドＩＮとの間からは、吸気再循環路２０が分岐している。吸気再循環路２０は、インタークーラＣＬの下流側とコンプレッサＣＮの上流側とを接続し、インタークーラＣＬによって冷却された吸気をコンプレッサＣＮの上流に還流している。吸気再循環路２０には、該吸気再循環路２０を流れる吸気の流量を調整する流量調整バルブ２１が設けられている。

また、吸気通路１６のうち、コンプレッサＣＮよりも上流側であって、吸気再循環路２０の出口よりも上流側には、温度センサＴ１及び圧力センサＰ１が設けられている。温度センサＴ１及び圧力センサＰ１は、図示しないエアクリーナを通過した吸気であって、コンプレッサＣＮにより圧縮されていない吸気の温度及び圧力をそれぞれ検出する。

また、吸気通路１６のうち、インタークーラＣＬよりも下流であって、吸気再循環路２０の入口よりも下流側には、温度センサＴ２及び圧力センサＰ２が設けられている。温度センサＴ２及び圧力センサＰ２は、インタークーラＣＬで冷却された吸気の温度及び圧力をそれぞれ検出している。

図２に示すように、制御装置としてのＥＣＵ３０は、これらの温度センサＴ１〜Ｔ２及び圧力センサＰ１〜Ｐ２から、温度検出値及び圧力検出値をそれぞれ入力する。また、ＥＣＵ３０は、マスフロメータＭが検出したコンプレッサ流量を入力する。

さらに、ＥＣＵ３０は、温度検出値及び圧力検出値、及びコンプレッサ流量等を用いて、流量調整バルブ２１の開度を設定し、流量調整バルブ２１を駆動する。
また、ＥＣＵ３０は、一部のシリンダ１１を休止させるためのＶＶＡ（Variable Valve Actuation）機構３１を駆動する。ＶＶＡ機構３１の構成は特に限定されないが、例えばシリンダ１１の吸気バルブ及び排気バルブを押圧して開弁させる開閉機構と、開閉機構を駆動するための油路及び油路を開閉するための電動アクチュエータ等から構成されている。ＥＣＵ３０は、ＶＶＡ機構３１の電動アクチュエータを制御することによって、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミング及びリフト量を可変とする。

さらに、ＥＣＵ３０は、クランク角センサ３２からクランク回転信号を入力するとともに、アクセル開度センサ３３からアクセル開度を入力する。そして、ＥＣＵ３０は、吸気バルブ及び排気バルブを開閉させるカムが軸支されたカムシャフト近傍に設けられたカム角センサ３４からカムシャフトの回転信号を入力する。ここで、ＥＣＵ３０は前記クランク回転信号と前記カムシャフトの回転信号よりエンジン回転数を算出し、ＥＣＵ３０は、エンジン回転数及びアクセル開度に基づき要求燃料量を演算し、要求燃料量に基づきインジェクタ１３を駆動する。

次に、本実施形態の減筒運転時における動作について説明する。図３に示すように、まずＥＣＵ３０は、要求燃料量を算出する（ステップＳ１）。このときＥＣＵ３０は、エンジン回転数及びアクセル開度を変数とする燃料噴射量マップを自身の記憶部等から読み出す。そして、そのマップのうち、クランク角センサ３２から入力したエンジン回転数と、アクセル開度センサ３３から入力したアクセル開度とに対応する要求燃料量を求める。

次に、ＥＣＵ３０は、減筒運転条件が成立したか否かを判断する（ステップＳ２）。このときＥＣＵ３０は、アクセル開度とエンジン回転数とから演算した要求燃料量と、エンジン回転数と、稼動気筒数を選択するためのマップとから、稼動気筒数を算出する。稼動気筒数が全気筒数であるとき（ステップＳ２においてＮＯ）、要求燃料量に従ってインジェクタ１３を駆動し、全筒運転を行う（ステップＳ３）。

稼動気筒数が全気筒数未満であるとき、即ち減筒運転条件が成立したとき（ステップＳ２においてＹＥＳ）、ＥＣＵ３０は、ステップＳ１で算出した要求燃料量と、ステップＳ２で求めた稼働気筒数とに基づき、稼働する１気筒当たりの燃料量を算出する（ステップＳ４）。

また、ＥＣＵ３０は、ＶＶＡ機構３１の電動アクチュエータを制御して、休止気筒の吸気バルブ及び排気バルブを閉弁する（ステップＳ５）。
さらに、ＥＣＵ３０は、圧力センサＰ１，Ｐ２から圧力検出値を入力し、コンプレッサＣＮの入口圧力に対する出口圧力の比率を示す圧力比を算出する（ステップＳ６）。この圧力比は、休止気筒の吸気バルブ及び排気バルブを閉じた後に算出されるため、減筒運転に伴う出口圧力の変化を反映させることができる。即ち、減筒運転時には、稼動気筒に吸入させる吸気量が多くなるため、吸気マニホールドＩＮ側の圧力が高くなる。このため、圧力センサＰ２によって検出される圧力が高くなる。

次に、ＥＣＵ３０は、コンプレッサＣＮの流量を算出する（ステップＳ７）。このとき、ＥＣＵ３０は、温度センサＴ１，Ｔ２によって検出された温度と、マスフロメータＭが検出した流量と、圧力センサＰ１，Ｐ２から入力した圧力とを入力する。そして、流量検出値を、上記温度及び圧力によって、目標流量を算出するための後述するコンプレッサマップの温度及び圧力での流量に換算する。

さらに、ＥＣＵ３０は、ステップＳ４で算出した圧力比と同じ圧力比で、最も効率のよいコンプレッサ流量を、上記コンプレッサマップを用いて目標流量として算出する（ステップＳ８）。図４に示すコンプレッサマップＭＰ中の破線は、コンプレッサＣＮの効率を示し、内側ほどコンプレッサＣＮの効率が向上することを示す。コンプレッサマップＭＰ中の作動線Ｌ１，Ｌ２は、例えば１０００ｒｐｍ等の低回転域において、減筒運転及び全筒運転が実行されたときの流量に対する圧力比の変化をそれぞれ示す。作動線Ｌ３，Ｌ４は、例えば１８００ｒｐｍ等の高回転域であって、減筒運転及び全筒運転がそれぞれ実行されたときの流量に対する圧力比の変化を示す。また、サージラインＳＬは、コンプレッサＣＮの各回転速度における圧力の最高点を結んだ線であり、サージングを起こさずに運転可能な最小流量を表している。

ＥＣＵ３０は、このコンプレッサマップＭＰ内で、同一圧力比において、予め設定された値以上の効率が得られる流量を求める。本実施形態では、サージラインＳＬに隣接する運転領域Ｚ１を介して右側の運転領域Ｚ２又は運転領域Ｚ２以上の効率が得られる流量を求める。但し、吸気再循環路２０が許容可能な最大流量に基づき、目標流量とステップＳ５で算出した流量との差分は上限が設定されている。

次に、ＥＣＵ３０は、ステップＳ８で算出した目標流量から、ステップＳ５で算出した流量を減算して、吸気再循環路２０を介して還流する吸気還流量を算出する（ステップＳ９）。そして、算出した吸気還流量に基づき、流量調整バルブ２１の開度を設定し（ステップＳ１０）、流量調整バルブ２１を駆動する（ステップＳ１１）。流量調整バルブ２１が開かれると、コンプレッサＣＮにより圧縮されインタークーラＣＬによって冷却されることにより密度が高められた吸気の一部が、コンプレッサＣＮ上流側へ還流される。

図４に示すように、その結果、従来における減筒運転時の作動線Ｌ１０が、効率の高い領域にシフトして作動線Ｌ１となる。減筒運転時の作動線Ｌ１は、全筒運転時の作動線Ｌ２が通る効率領域とほぼ同じ領域を通る。このように、ターボチャージャＴが高効率の領域で稼働されることにより過給圧が高められ減筒運転領域が拡大される。

図５中、運転領域Ｂは、従来の減筒運転の運転領域を示す。また運転領域ＡとＣは、従来の全筒運転領域を示している。本実施形態では、運転領域ＢとＣとは、減筒運転領域であって、従来の運転領域Ｂに比べ、エンジン回転数の低回転側に拡大されている。

ステップＳ１１が終了すると、例えばイグニッションスイッチからのオフ信号等、処理を終了するためのトリガーを入力するまで、ステップＳ１に戻り、上述した処理を繰り返す。

以上説明したように、多段過給システム及びその制御方法の一実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
（１）上記実施形態では、少なくとも減筒運転が実行される際、ＥＣＵ３０は、エンジン回転数の低下に伴い段階的又は連続的に流量調整バルブ２１の開度を大きくする。このため、特に減筒運転実行時且つ低回転域で効率が低下するターボチャージャＴに対し、コンプレッサ流量を高めてその効率を向上することができる。このため、減筒運転領域を、エンジン回転数の低回転域側へ拡大することができる。

（２）上記実施形態では、ＥＣＵ３０は、コンプレッサＣＮの圧力比を求め、同一圧力比においてターボチャージャＴの効率が高められる目標流量をコンプレッサマップＭＰから算出した。また、目標流量から流量検出値を減算して、吸気再循環路２０の還流量を算出した。即ち、減筒運転実行時且つ低回転域のとき等、ターボチャージャＴの高い効率が得られにくい運転領域のときには、該効率を高めるべく流量調整バルブ２１の開度を大きくする。また、効率が比較的高いときには流量調整バルブ２１を閉じるかその開度を小さくすることができる。このため、ターボチャージャＴの効率が高められるようコンプレッサ流量のバランスを取ることができる。

（３）上記実施形態では、ＥＣＵ３０は、エンジン１０のＶＶＡ機構３１により、休止気筒の吸気バルブ及び排気バルブが閉じられた後に検出されたコンプレッサＣＮの流量検出値と入口側圧力及び出口側圧力とを入力した。そして、流量検出値及び圧力比に基づき、還流量を算出した。このため、減筒運転に伴い変化した圧力比に見合った還流量を算出することができる。

尚、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、吸気再循環路２０は、インタークーラＣＬ下流側とコンプレッサ上流側とを接続した。図６に示すように、吸気再循環路２０は、インタークーラＣＬの上流側から分岐して、コンプレッサＣＮの上流側へ接続している。また、吸気再循環路２０の途中には流量調整バルブ２１及びインタークーラＣＬ２が設けられている。流量調整バルブ２１が開かれると、コンプレッサＣＮによって圧縮された吸気の一部が吸気再循環路20に流れ込み、インタークーラＣＬ２によって冷却されてさらに密度が高められてコンプレッサＣＮ上流へ還流される。この構成であっても上述した実施形態と同様の効果が得られる。

・上記実施形態では、減筒運転のときのみ、流量調整バルブ２１を開く態様としたが、全筒運転においても流量調整バルブ２１を開いてもよい。
・上記実施形態では、ターボチャージャＴは、固定翼式のターボチャージャとしたが、可変容量ターボチャージャとしてもよい。可変容量ターボチャージャは、例えば角度を変更可能な可変ベーンを備え、角度を変更することで排気の導入角度と通路面積とを変更する。このようにすると、減筒運転領域をさらに拡大することができる。

・上記実施形態では、エンジン１０は直列６気筒としたが、これ以外の気筒配置であってもよい。
・上記実施形態では、過給システムを、ディーゼルエンジンに適用するシステムに具体化したが、ガソリンエンジンに適用するシステムに具体化してもよい。

１０…エンジン、２０…吸気側再循環路、２１…流量調整バルブ、３０…過給システムを構成する制御装置、３１…可変動弁機構としてのＶＶＡ機構、ＣＮ…コンプレッサ、Ｔ…過給システムを構成するターボチャージャ、ＴＢ…タービン。

Claims (3)

1. 全筒運転と減筒運転とを切り替えるエンジンの過給システムにおいて、
   タービン及びコンプレッサを備えたターボチャージャと、
   前記コンプレッサにより圧縮された吸気の一部を、該コンプレッサの上流に還流させる吸気側再循環路と、
   前記吸気側再循環路を流れる吸気の流量を調整する流量調整バルブと、
   少なくとも減筒運転が実行される際、エンジン回転数の低下に伴い段階的又は連続的に前記流量調整バルブの開度を大きくする制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記コンプレッサを通過する実流量を入力するとともに、
   前記コンプレッサにおける入口側圧力に対する出口側圧力の比率である圧力比を求め、同一圧力比において前記ターボチャージャの効率が高められる目標流量を算出し、
   前記目標流量から前記コンプレッサの実流量を減算した差分を、前記吸気側再循環路を介して前記コンプレッサ上流側へ戻す還流量とし、
   前記還流量に対応させた前記流量調整バルブの開度を設定する過給システム。
2. 前記制御装置は、
   前記エンジンの可変動弁機構により休止気筒の吸気バルブ及び排気バルブが閉じられた後に、検出された前記コンプレッサの実流量と入口側圧力及び出口側圧力とを入力して、還流量を算出する請求項１に記載の過給システム。
3. 全筒運転と減筒運転とを切り替えるエンジンの過給システムの制御方法であって、
   前記過給システムは、タービン及びコンプレッサを備えたターボチャージャと、前記コンプレッサにより圧縮された吸気の一部を、該コンプレッサの上流に還流させる吸気側再循環路と、前記吸気側再循環路を流れる吸気の流量を調整する流量調整バルブと、少なくとも減筒運転条件が実行される際、エンジン回転数の低下に伴い段階的又は連続的に流量調整バルブの開度を大きくする制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記コンプレッサを通過する実流量を入力するとともに、
   前記コンプレッサにおける入口側圧力に対する出口側圧力の比率である圧力比を求め、
   同一圧力比において前記ターボチャージャの効率が高められる目標流量を算出し、
   前記目標流量から前記コンプレッサの実流量を減算した差分を、前記吸気側再循環路を介して前記コンプレッサ上流側へ戻す還流量とし、
   前記還流量に対応させた前記流量調整バルブの開度を設定する過給システムの制御方法。

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