JP6672856B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、排気ガスの一部を吸気に導入する排気ガス再循環装置を備えるエンジンの制御装置に関する。

車両等に搭載されるエンジンには、排気ガス再循環装置が備えられる場合が多い。排気ガス再循環装置は、エンジンの燃焼室から排気通路を通じて大気に排出される排気ガスの一部を、排気側と吸気側とを結ぶ排気還流通路を通じて吸気通路に還流させることにより、燃焼室内における燃焼温度を低下させ、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）等の排出を抑制している。

また、特許文献１には、排気還流通路を通じて排気側から吸気側へと導入される排気ガス（以下、還流ガスと称する。）を、排気通路を流れる排気ガスのエネルギによって圧縮する還流ガス過給用のコンプレッサを配置する技術が開示されている。

特開２０１５−１２４６６３号公報

上記特許文献１に記載の技術によれば、排気還流通路での還流ガスの過給によって、吸気への還流ガスの導入性能を高めることができる。しかし、還流ガス過給用のコンプレッサは、排気通路を流れる排気ガスのエネルギを、常に還流ガスの過給のために消費している。このため、運転状況によっては、排気ガスのエネルギが無駄に消費されている場合もある。

そこで、この発明の課題は、排気側から吸気側への還流ガスの導入性能を高めるとともに、排気通路を流れる排気ガスのエネルギを有効に活用することである。

上記の課題を解決するために、この発明は、エンジンの燃焼室に通じる吸気通路と、前記燃焼室から引き出された排気通路と、前記排気通路と前記吸気通路とを排気還流通路で結び前記排気通路内の排気ガスを還流ガスとして前記吸気通路に導入する排気ガス再循環装置と、前記排気通路と前記排気還流通路との第一分岐部よりも下流側に位置して前記排気通路に流れる排気ガスのエネルギを回収する排気エネルギ回収装置と、前記排気エネルギ回収装置が回収したエネルギによって前記排気還流通路内の還流ガスを過給する還流ガス過給装置と、前記還流ガス過給装置よりも上流側の前記排気還流通路と前記排気エネルギ回収装置の下流側の前記排気通路とを結ぶ第一バイパス通路と、を備えるエンジンの制御装置を採用した。

ここで、前記第一分岐部と前記排気エネルギ回収装置との間の前記排気通路に配置される第一バルブと、前記排気還流通路と前記第一バイパス通路との第二分岐部と前記第一分岐部との間の前記排気還流通路に配置される第二バルブと、第一バイパス通路に配置される第三バルブと、を備える構成を採用することができる。

前記排気エネルギ回収装置によってエネルギを回収する際には前記第一バルブを開放して前記第二バルブ及び前記第三バルブを閉鎖し、前記還流ガスを前記吸気通路に導入する際には前記第一バルブを閉鎖して前記第二バルブ及び前記第三バルブを開放する構成を採用することができる。

前記排気エネルギ回収装置は、前記排気通路に流れる排気ガスのエネルギによって回転する還流ガス過給用タービンと、前記還流ガス過給用タービンの回転によって発電する発電機と、前記発電機によって発電された電力を蓄える蓄電池と、を備える構成を採用することができる。

また、これらの各態様において、前記排気通路に流れる排気ガスのエネルギによって回転する吸気過給用タービンと、前記吸気過給用タービンの回転によって前記吸気通路内の吸気を過給する吸気過給用コンプレッサと、を備え、前記吸気過給用タービンは前記還流ガス過給用タービンよりも上流側の前記排気通路に配置される構成を採用することができる。

また、前記還流ガス過給装置は、電力によって駆動力を発生する電動機と、前記電動機の駆動によって回転する還流ガス過給用コンプレッサと、を備える構成を採用することができる。

これらの各態様において、前記還流ガス過給装置の上流側の前記排気還流通路と前記還流ガス過給装置の下流側の前記排気還流通路とを結ぶ第二バイパス通路と、前記還流ガス過給装置を経由する流路の流量と前記第二バイパス通路を経由する流路の流量を切り替える流路切替手段と、を備える構成を採用することができる。

前記流路切替手段は、前記還流ガス過給装置の上流側で前記排気還流通路と前記第二バイパス通路との分流部よりも下流側に配置される第四バルブと、前記還流ガス過給装置の下流側で前記排気還流通路と前記第二バイパス通路との合流部よりも上流側に配置される第五バルブと、を備える構成を採用することができる。

この発明は、排気エネルギ回収装置と還流ガス過給装置と第一バイパス通路を備えたことにより、還流ガス過給装置によって排気側から吸気側へと導入される還流ガスの導入性能を高めることができ、また、その還流ガス過給装置による還流ガスの導入にあたって、排気エネルギ回収装置によって排気通路を流れる排気ガスのエネルギを有効に活用することができ、さらに、第一バイパス通路によって、それらの排気エネルギ回収装置、還流ガス過給装置の稼働状況の切り替えが容易に可能である。

この発明の実施形態を示すエンジンの制御装置の模式図である。 他の実施形態を示すエンジンの制御装置を示す模式図である。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、この実施形態のエンジンの制御装置を概念的に示す模式図である。

この実施形態のエンジン１は自動車用４サイクルガソリンエンジンである。エンジン１の構成は、図１に示すように、エンジン本体内部の燃焼室２内に吸気を送り込む吸気通路５、燃焼室２から引き出された排気通路６、燃焼室２内に燃料を噴射する燃料噴射装置（図示せず）等を備えている。吸気通路５はインマニ３によって燃焼室２へ接続され、排気通路６はエキマニ４によって燃焼室２へ接続されている。燃焼室２への吸気通路５の開口部である吸気ポート、及び、燃焼室２への排気通路６の開口部である排気ポートは、それぞれ吸気バルブ、排気バルブによって開閉される。

この実施形態では４つの気筒を備えた４気筒エンジンを想定しているが、気筒の数に関わらず、この発明を適用可能である。また、エンジン１は、ディーゼルエンジン等の他の形式のものであってもよい。

吸気通路５には、燃焼室２への吸気の導入量を調節するスロットルバルブ７が設けられ、さらに上流側には、エアクリーナ（図示せず）等が設けられる。また、排気通路６には、排気ガス中の未燃炭化水素（ＨＣ）等を除去する排気浄化部（図示せず）や消音器等（図示せず）が設けられる。

排気通路６と吸気通路５との間には、その排気通路６と吸気通路５とを排気還流通路１１で結び、排気通路６内の排気ガスの一部を吸気通路５に導入する排気ガス再循環装置１０が設けられている。

排気還流通路１１を通じて、排気側から吸気側へと導入される排気ガスである還流ガスは、排気還流通路１１に設けられた後述の各種の弁装置等や、吸気通路５に設けられたスロットルバルブ７の開閉により、燃焼室２へと通じるインマニ３内の吸気の実酸素濃度が目標値となるよう、その実酸素濃度をフィードバック制御して還流ガスの導入量を制御している。

また、このエンジンの制御装置は、排気通路６と排気還流通路１１との分岐部である第一分岐部Ａよりも下流側の排気通路６に流れる排気ガスのエネルギを回収する排気エネルギ回収装置２０と、排気エネルギ回収装置２０が回収したエネルギによって排気還流通路１１内の還流ガスを過給する還流ガス過給装置３０と、還流ガス過給装置３０よりも上流側の排気還流通路１１と排気エネルギ回収装置２０の下流側の排気通路６とを結ぶ第一バイパス通路１３とを備えている。

排気エネルギ回収装置２０は、排気通路６に流れる排気ガスのエネルギによって回転する還流ガス過給用タービン２１と、還流ガス過給用タービン２１の回転によって発電する発電機２２と、発電機２２によって発電された電力を蓄える蓄電池２３とを備えている。

還流ガス過給装置３０は、電力によって駆動力を発生する電動機（モータ）３２と、電動機３２の駆動によって回転する還流ガス過給用コンプレッサ３１とを備えている。

電動機３２は、直流電源である蓄電池２３によって供給される電力によって、還流ガス過給用コンプレッサ３１を回転させる。還流ガス過給用コンプレッサ３１の回転により、排気還流通路１１を通じて排気通路６から吸気通路５へ導入される還流ガスが過給される。

このエンジン１を搭載する車両は、エンジンを制御するための電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４０を備えている。

電子制御ユニット４０は、吸気通路５に導入される還流ガスが、運転状況に応じて決定される目標導入量に対応した目標過給圧となるように、電動機３２に対して駆動の制御を指令する。この指令に基づいて、電動機３２は作動する。目標過給圧は、エンジン回転数及びアクセル開度等に基づいて、実験などによって予め作成されたマップより求められる。

また、排気通路６と排気還流通路１１との第一分岐部Ａと、排気エネルギ回収装置２０の還流ガス過給用タービン２１との間の排気通路６には、流路を開閉する第一バルブ２４が配置されている。第一バルブ２４を開放すれば、燃焼室２からの排気ガスは、還流ガス過給用タービン２１側へ供給される。第一バルブ２４を閉鎖すれば、燃焼室２からの排気ガスは還流ガス過給用タービン２１側へは供給されず、排気還流通路１１側へ供給される。また、第一バルブ２４の開度を加減することにより、燃焼室２からの排気ガスの還流ガス過給用タービン２１側への供給量と、排気還流通路１１側への供給量との比を調整することができる。

排気通路６と排気還流通路１１との第一分岐部Ａと、排気還流通路１１と第一バイパス通路１３との分岐部である第二分岐部Ｂとの間の排気還流通路１１には、流路を開閉する第二バルブ２５が配置されている。第二バルブ２５を開放すれば、燃焼室２からの排気ガスは、排気還流通路１１側、すなわち、還流ガス過給用コンプレッサ３１側又は第一バイパス通路１３側へ供給される。第二バルブ２５を閉鎖すれば、燃焼室２からの排気ガスは、還流ガス過給用コンプレッサ３１側及び第一バイパス通路１３側へは供給されない。また、第一バルブ２４の場合と同様、第二バルブ２５の開度を加減することにより、燃焼室２からの排気ガスの還流ガス過給用タービン２１側への供給量と、排気還流通路１１側への供給量との比を調整することも可能である。

また、第一バイパス通路１３には、流路を開閉する第三バルブ２６が配置されている。この実施形態では、第三バルブ２６は、排気通路６と第一バイパス通路１３との合流部Ｃよりもやや上流側の第一バイパス通路１３に備えられている。第三バルブ２６を開放すれば、燃焼室２からの排気ガスは、流動抵抗の相違から還流ガス過給用コンプレッサ３１側への供給は少なくなり、その多くが第一バイパス通路１３側へ供給される。なお、第三バルブ２６をより閉鎖気味に制御すれば、燃焼室２からの排気ガスは、より多くが還流ガス過給用コンプレッサ３１側へ供給される。

また、排気還流通路１１には、流路を開閉する排気還流バルブ１２が配置されている。この実施形態では、排気還流バルブ１２は、排気還流通路１１と吸気通路５との合流部Ｄよりもやや上流側の排気還流通路１１に備えられている。排気還流バルブ１２を開放すれば、スロットルバルブ７の開度に基づく吸気通路５内の圧力状態に応じて、還流ガスが吸気通路５内に導入される。排気還流バルブ１２を閉鎖すれば、還流ガスの吸気通路５内への導入は停止される。

これらの第一バルブ２４、第二バルブ２５、第三バルブ２６、排気還流バルブ１２の開閉は、電子制御ユニット４０によって制御される。

電子制御ユニット４０は、吸気に還流ガスを導入するための排気ガス再循環装置１０を全般的に制御する還流ガス制御手段４１を備える。

また、電子制御ユニット４０は、蓄電池２３の残充電量を検出する残充電量検出手段４２と、還流ガスの過給圧を調整する還流ガス過給制御手段４３を備えている。還流ガス過給制御手段４３は、運転状態に応じて還流ガス制御手段４１が指令する還流ガスの目標導入量に基づいて電動機３２の出力を調整し、還流ガスの過給圧を目標導入量に対応する目標過給圧に設定する。

このとき、還流ガス過給制御手段４３は、残充電量検出手段４２が検知する蓄電池２３の残充電量に応じて、電動機３２の出力を制御する。具体的には、蓄電池２３の残充電量が所定充電量未満である場合には電動機３２を駆動せず、あるいは、電動機３２の出力を低く抑え、それに対応して、還流ガス制御手段４１は、確保できる還流ガスの過給圧、導入量に応じたスロットルバルブ７の制御、燃料噴射の制御、その他制御を行う。なお、蓄電池２３の残充電量が所定充電量未満である場合に、電動機３２の電源を他のバッテリーに切り替える機能を備えていてもよい。

さらに、電子制御ユニット４０は、燃料噴射装置による燃料噴射や点火時期、吸排気バルブの制御、アクセル操作に基づくスロットル開度の制御、その他、エンジンの制御に必要な指令も行う。

この実施形態のエンジンの制御について、以下説明する。

エンジンの運転領域が、アクセル開度の大きい高回転領域や高負荷領域である場合には、吸気に還流ガスを導入しないように設定されることが多い。このような場合には、第一バルブ２４を開放し、第二バルブ２５と第三バルブ２６は閉鎖する。これにより、吸気への還流ガスの導入は停止する。

このとき、排気通路６内の排気ガスにより、還流ガス過給用タービン２１を回転させ発電することにより、排気エネルギを電気エネルギとして活用することができる。回生された電気エネルギは化学エネルギとして蓄電池２３に蓄えられる。

エンジンの運転領域が、還流ガスの導入領域である場合には、第一バルブ２４を閉鎖し、第二バルブ２５と第三バルブ２６を開放する。これにより、還流ガス過給用タービン２１による発電は停止し、排気ガスの多くは、第一バイパス通路１３を通じて排気通路６へ戻り大気へ放出され、また、排気ガスの一部は、排気還流通路１１を通じて還流ガスとして吸気通路５に導入される。

このとき、還流ガス過給用コンプレッサ３１を回転させることにより、吸気への大量の還流ガスの導入が可能となり、ノッキング抑制効果を高めることで燃費の低減を図ることができる。

ここで、第一バルブ２４を全閉とせず、その開度を全開と全閉との間で調整することにより、第二バルブ２５と第三バルブ２６を開放して還流ガスの過給を行いながら、同時に、還流ガス過給用タービン２１を回転させて蓄電池２３への充電を行うこともできる。

なお、第一バイパス通路１３に配置される第三バルブ２６は、流路を開閉する弁装置であるが、この弁装置に、排気通路６内の排気ガスが、第一バイパス通路１３内に逆流することを防ぐ逆止弁機能を備えさせてもよい。あるいは、この第三バルブ２６とは別に、排気通路６内の排気ガスが第一バイパス通路１３内に逆流することを防ぐ逆止弁を、第一バイパス通路１３に備えさせてもよい。

他の実施形態を図２に示す。この実施形態の主要な部分は図１の実施形態と同様であり、以下、その図１の実施形態との差異点を中心に説明する。

図２に示す実施形態では、還流ガス過給装置３０の還流ガス過給用コンプレッサ３１の上流側の排気還流通路１１と、その還流ガス過給用コンプレッサ３１の下流側の排気還流通路１１とを結ぶ第二バイパス通路１４を備えている。第二バイパス通路１４は、還流ガス過給用コンプレッサ３１を通らないように設定されている。

ここで、還流ガス過給装置３０の還流ガス過給用コンプレッサ３１を経由する流路の流量と、第二バイパス通路１４を経由する流路の流量を切り替える流路切替手段が設けられている。

この実施形態では、流路切替手段として、まず、還流ガス過給用コンプレッサ３１の上流側で、且つ、排気還流通路１１と第二バイパス通路１４との分流部Ｅよりも下流側に、流路を開閉する第四バルブ２７が配置されている。

さらに、流路切替手段として、還流ガス過給用コンプレッサ３１の下流側で、且つ、排気還流通路１１と第二バイパス通路１４との合流部Ｆよりも上流側に、流路を開閉する第五バルブ２８が配置されている。

また、この実施形態では、排気通路６には、吸気を過給するための機械式過給機（ターボチャージャ）５０の吸気過給用タービン５１が、吸気通路５には、機械式過給機５０の吸気過給用コンプレッサ５２が設けられている。この吸気過給用の機械式過給機５０は、図１の実施形態においても備えることができる。

排気通路６を流れる排気ガスのエネルギによって吸気過給用タービン５１が回転すると、その回転が吸気通路５の吸気過給用コンプレッサ５２に伝達される。吸気過給用タービン５１の回転軸と吸気過給用コンプレッサ５２の回転軸とは、互いに回転伝達可能なように接続されている。この吸気過給用コンプレッサ５２の回転によって、吸気通路５内を流れる吸気に過給が行われる。

吸気過給用タービン５１は、吸気の過給に必要な排気ガスの圧力を確保するという観点から、還流ガス過給用タービン２１よりも上流側の排気通路６に配置されることが望ましい。この実施形態では、排気通路６と排気還流通路１１との第一分岐部Ａよりも下流側の排気通路６に配置される例を示したが、これに限らず、排気通路６と排気還流通路１１との第一分岐部Ａよりも上流側の排気通路６に配置してもよい。

エンジンの運転領域が、還流ガスの導入領域である場合、図１の実施形態と同様、第一バルブ２４を閉鎖し、第二バルブ２５と第三バルブ２６は開放する。これにより、還流ガス過給用タービン２１による発電は停止し、排気ガスの多くは、第一バイパス通路１３を通じて排気通路６へ戻り大気へ放出され、また、排気ガスの一部は、排気還流通路１１を通じて還流ガスとして吸気通路５に導入される。

このとき、還流ガス過給用コンプレッサ３１を回転させて還流ガスを過給する場合は、電動機３２によって還流ガス過給用コンプレッサ３１を回転させるとともに、第四バルブ２７と第五バルブ２８を開放する。これにより、還流ガス過給用コンプレッサ３１によって過給された還流ガスが、排気還流通路１１を通じて吸気通路５へ導入される。なお、第二バイパス通路１４に開閉弁を設けて、還流ガスの過給中は、この開閉弁を閉鎖するようにしてもよい。

還流ガスを過給する必要がない場合は、還流ガス過給用コンプレッサ３１の回転を停止するとともに、第四バルブ２７と第五バルブ２８を閉鎖する。これにより、還流ガス過給用コンプレッサ３１による過給は行われず、還流ガスは、第二バイパス通路１４、排気還流通路１１を通じて吸気通路５へ導入される。

また、上記の各実施形態では、還流ガスを過給するために、発電機２２という回転電機と電動機３２という回転電機とを別々の装置として用いたが、発電機２２の機能と電動機３２の機能を共通の回転電機で発揮させる構成としてもよい。

さらに、還流ガス過給用タービン２１の回転軸と還流ガス過給用コンプレッサ３１の回転軸とを選択的に接続できる構造としておけば、例えば、蓄電池２３の残充電量が所定充電量に満たないような電力不足の場合に、通常は切り離されている両回転軸を回転伝達可能な状態に接続することで、電力を用いることなく還流ガスの過給が可能である。還流ガス過給用タービン２１の回転軸と還流ガス過給用コンプレッサ３１の回転軸との接続構造としては、例えば、歯車同士を噛み合わせたり離脱させたりする構造、回転軸同士を一体回転可能に接続したり離脱させたりするクラッチ構造等を採用することができる。

また、上記の各実施形態では、排気エネルギ回収装置２０として、還流ガス過給用タービン２１と発電機２２、蓄電池２３を採用して、排気ガスのエネルギを電気エネルギとして、あるいは、蓄電池２３に化学エネルギとして蓄える構成を採用したが、それ以外にも、例えば、排気エネルギ回収装置２０として、排気ガスのエネルギを運動エネルギとして蓄える構成を採用することもできる。排気ガスのエネルギを運動エネルギとして蓄える装置としては、例えば、還流ガス過給用タービン２１の回転が伝達されるフライホイール等を採用することができる。フライホイールによって蓄えられた運動エネルギ、すなわち、フライホイールの回転によって還流ガス過給用コンプレッサ３１を回転させ、還流ガスの過給を行うことができる。

１ エンジン
２ 燃焼室
３ インマニ
４ エキマニ
５ 吸気通路
６ 排気通路
７ スロットルバルブ
１０ 排気ガス再循環装置
１１ 排気還流通路
１２ 排気還流バルブ
１３ 第一バイパス通路
１４ 第二バイパス通路
２０ 排気エネルギ回収装置
２１ 還流ガス過給用タービン
２２ 発電機
２３ 蓄電池
２４ 第一バルブ
２５ 第二バルブ
２６ 第三バルブ
２７ 第四バルブ
２８ 第五バルブ
３０ 還流ガス過給装置
３１ 還流ガス過給用コンプレッサ
３２ 電動機
４０ 電子制御ユニット
５０ 機械式過給機
５１ 吸気過給用タービン
５２ 吸気過給用コンプレッサ

Claims (6)

1. エンジンの燃焼室に通じる吸気通路と、
   前記燃焼室から引き出された排気通路と、
   前記排気通路と前記吸気通路とを排気還流通路で結び前記排気通路内の排気ガスを還流ガスとして前記吸気通路に導入する排気ガス再循環装置と、
   前記排気通路と前記排気還流通路との第一分岐部よりも下流側に位置して前記排気通路に流れる排気ガスのエネルギを回収する排気エネルギ回収装置と、
   前記排気エネルギ回収装置が回収したエネルギによって前記排気還流通路内の還流ガスを過給する還流ガス過給装置と、
   前記還流ガス過給装置よりも上流側の前記排気還流通路と前記排気エネルギ回収装置の下流側の前記排気通路とを結ぶ第一バイパス通路と、
   前記第一分岐部と前記排気エネルギ回収装置との間の前記排気通路に配置される第一バルブと、
   前記排気還流通路と前記第一バイパス通路との第二分岐部と前記第一分岐部との間の前記排気還流通路に配置される第二バルブと、
   第一バイパス通路に配置される第三バルブと、
   を備え、
   前記排気エネルギ回収装置によってエネルギを回収する際には前記第一バルブを開放して前記第二バルブ及び前記第三バルブを閉鎖し、
   前記還流ガスを前記吸気通路に導入する際には前記第一バルブを閉鎖して前記第二バルブ及び前記第三バルブを開放するエンジンの制御装置。
2. 前記排気エネルギ回収装置は、
   前記排気通路に流れる排気ガスのエネルギによって回転する還流ガス過給用タービンと、
   前記還流ガス過給用タービンの回転によって発電する発電機と、
   前記発電機によって発電された電力を蓄える蓄電池と、
   を備える請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 前記排気通路に流れる排気ガスのエネルギによって回転する吸気過給用タービンと、
   前記吸気過給用タービンの回転によって前記吸気通路内の吸気を過給する吸気過給用コンプレッサと、を備え、
   前記吸気過給用タービンは前記還流ガス過給用タービンよりも上流側の前記排気通路に配置される
   請求項２に記載のエンジンの制御装置。
4. 前記還流ガス過給装置は、
   電力によって駆動力を発生する電動機と、
   前記電動機の駆動によって回転する還流ガス過給用コンプレッサと、
   を備える請求項１〜３の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
5. 前記還流ガス過給装置の上流側の前記排気還流通路と前記還流ガス過給装置の下流側の前記排気還流通路とを結ぶ第二バイパス通路と、
   前記還流ガス過給装置を経由する流路の流量と前記第二バイパス通路を経由する流路の流量を調整する流路切替手段と、
   を備える請求項１〜４の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
6. 前記流路切替手段は、
   前記還流ガス過給装置の上流側で前記排気還流通路と前記第二バイパス通路との分流部よりも下流側に配置される第四バルブと、
   前記還流ガス過給装置の下流側で前記排気還流通路と前記第二バイパス通路との合流部よりも上流側に配置される第五バルブと、
   を備える請求項５に記載のエンジンの制御装置。

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