JPH05133237A - 機械式過給機付エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エンジン低温時に過給機を作動させて吸気の
圧縮加熱とヒータによる加熱を併用して吸気昇温を行
う。 【構成】 エンジン１の吸気通路２に過給機５と、吸気
バイパス通路１５を設け、エンジン低温時に過給機５を
作動させ、バイパス制御弁１６により過給機圧縮比を調
節して、圧縮による吸気加熱を行う。過給機上流側には
作動時に吸気通路２内に突出する電気ヒータ１２を設
け、吸気温度センサ１８で検出した吸気温度と目標吸気
温度との差に応じてヒータ１２に電圧を印加する。ヒー
タ１２は過給機５による圧縮加熱では昇温が充分でない
場合にのみ作動し、圧縮加熱の不足分を補うだけの加熱
を行う。このためヒータ作動時間は短時間であり、ヒー
タ作動による吸気抵抗増大による燃費悪化や電力消費量
の増大は最小に抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は機械式過給機付エンジン
に関し、詳細にはエンジン低温時に過給機を作動させて
エンジン吸気の圧縮による昇温を行うエンジンに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】エンジンの冷間運転では燃焼室壁温が低
く、圧縮後の混合気が燃焼室壁温で冷却されてしまい温
度が十分に上昇しない場合があり、このため混合気着火
性や火炎伝播速度が低下して燃焼状態が悪化する傾向が
ある。従来、この燃焼状態の悪化を補うために、冷間時
には燃料を増量して濃混合気を形成することによって安
定燃焼を得ることが行われている。

【０００３】しかし、燃料増量によりエンジン燃費が悪
化する他、冷間時に点火プラグのくすぶりが発生した
り、濃混合気の燃焼によりＨＣやＣＯの発生量が増大す
る等の可能性が生じる。また燃焼悪化のため排気温度も
低いことから、触媒を使用する排気浄化装置では触媒温
度が活性領域に達するのが遅れるため冷間時に十分な排
気浄化が行われず、前述のＨＣ，ＣＯ発生量の増大も加
わり、冷間時の排気エミッションが悪化する傾向があっ
た。

【０００４】この問題を解決するためエンジン冷間時に
機械式過給機を作動させて圧縮による吸気加熱を行うよ
うにしたエンジンが知られている。予め吸気温度を上昇
させておくことにより燃焼室温度が低い場合でも圧縮後
の混合気温度を十分に高い温度に保持し、良好な燃焼が
得られるようにするためである。この種のエンジンの例
としては、例えば特開昭６１−１９９３３号公報に開示
されたものがある。

【０００５】同公報のエンジンは、クラッチを介してエ
ンジンから機械的に駆動される過給機を設け、通常の運
転条件ではエンジンの中高負荷運転領域でクラッチを接
続して過給を行うようにするとともに、エンジン冷間時
には低回転低負荷領域でもクラッチを接続するようにし
て過給運転領域を拡大している。低負荷運転時にも過給
運転を行うことにより過給により高温になった吸気をエ
ンジンに供給して燃焼状態の改善と暖気の促進とを図っ
たものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記特開昭６１−１９
９３３号公報の装置のように、機械式過給機による吸気
圧縮のみで吸気の昇温を行う場合、大気温度が低い場合
やエンジン始動後で吸気管や吸気ポート壁面温度が低い
場合等には、バイパス制御弁を全閉にしても吸気圧縮の
みでは充分に高い吸気温度を得られない場合がある。こ
のような場合には、機械式過給機以外にヒータ等の補助
的手段を設け、吸気を加熱することが有効である。

【０００７】しかし、吸気通路内にヒータ等の補助的加
熱手段を設けると、吸気抵抗が増大し、暖気完了後の高
出力運転時に出力低下を生じる恐れがある。吸気通路内
に設置するヒータの形状を工夫することにより、大きな
流路抵抗を生じないようにすれば上記問題はある程度解
決できるが、ヒータにより生じる流路抵抗とヒータの加
熱効果とは相関があり、ヒータを流路抵抗の少い形状に
すると加熱効果そのものが低下してしまう。このため、
低温時に充分な吸気加熱を行なうためには必然的にヒー
タにより生じる流路抵抗が増大するという問題が生じ
る。

【０００８】また、補助的加熱手段として電気ヒータを
用いる場合には電力消費量が増大するためバッテリやオ
ルタネータの容量を増大する必要や燃費の悪化を生じる
問題があった。本発明は上記課題に鑑み、暖気後の通常
運転時に吸気抵抗を増加させず、補助的加熱手段として
電気ヒータを用いた場合にもバッテリ等の容量増大や燃
費の悪化を最小限に留めることのできる手段を提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、吸気通
路に機械式過給機と、該過給機をバイパスする吸気バイ
パス通路と、該吸気バイパス通路を流れる空気流量を制
御するバイパス制御弁とを備え、エンジン低温時に前記
機械式過給機を作動させると共に前記バイパス制御弁を
所定開度に制御して過給機による吸気の圧縮昇温を行う
機械式過給機付エンジンにおいて、前記過給機下流側の
エンジン吸気温度を検出する手段と、前記過給機上流側
吸気通路内に出入可能に設けた吸気加熱ヒータとを備
え、エンジン低温時に前記バイパス制御弁による吸気圧
縮昇温で所定の目標エンジン吸気温度が得られない場合
に、前記ヒータを吸気通路内に位置させて前記目標エン
ジン吸気温度と検出したエンジン吸気温度との差に応じ
て吸気加熱を行うことを特徴とする機械式過給機付エン
ジンが提供される。

【００１０】

【作用】通常の低温時にはバイパス制御弁の開度制御に
よる吸気圧縮昇温が行われヒータは使用しない。大気温
度が低い場合等でエンジン吸気温度が所定の目標値に達
しない場合には上記の吸気圧縮昇温に加えて、ヒータに
よる吸気加熱を行う。ヒータは収納可能な形式とされて
おり、ヒータ使用時にのみ吸気通路内に位置させるた
め、ヒータ加熱の必要がない場合には吸気管壁面に収納
され流路抵抗の増大を生じない。

【００１１】また、ヒータによる吸気加熱を行うのは大
気温度が低い場合等、吸気圧縮昇温では充分な吸気温度
が得られない場合に限られ、更に、ヒータによる加熱量
は吸気圧縮による昇温の不足分を補うだけに制御される
ため、バッテリ等の容量増大や燃費の悪化を最小限とす
ることができる。

【００１２】

【実施例】図１に本発明の過給制御装置の一実施例の構
成を示す。図において１はエンジン、２はエンジンの吸
気通路、３は運転者のアクセルペダル（図示せず）の操
作に応じて吸気流量を連続的に変化させるスロットル
弁、５はスロットル弁３の下流側吸気通路に設けられた
過給機である。

【００１３】過給機５は本実施例では容積型の圧縮機が
用いられ、エンジン１のクランク軸４に設けたプーリ４
ａから電磁クラッチ６を介してベルト等により機械的に
駆動される。図に１５で示すのは過給機５をバイパスし
てスロットル弁３下流側吸気通路と過給機出口側吸気通
路とを接続する吸気バイパス通路である。吸気バイパス
通路１５にはバイパス制御弁１６が設けられ、吸気バイ
パス通路１５を通る空気流量を連続的に調節できるよう
になっている。１７はバイパス制御弁１６を開閉駆動す
るステップモータ等のアクチュエータである。

【００１４】バイパス制御弁１６はエンジンの通常運転
時にエンジン過給圧力を調節するために用いられる。す
なわちバイパス制御弁１６の開度を大きくすれば過給機
５の吐出側から入口側に吸気バイパス通路１５を通って
還流する空気量が増大するため過給機吐出圧力は低下
し、過給圧力も低下する。逆にバイパス制御弁１６の開
度を小さくすれば過給圧力が上昇する。

【００１５】本実施例では過給機５の入口には吸気通路
２の壁面に収納可能なヒータ１２が設けられている。図
２に示すようにヒータ１２は中空シャフト１９に固定さ
れており、作動的には負圧アクチュエータ１４によりロ
ッド１３、アーム１３ａを介してシャフト１９を回転さ
せることにより、吸気通路２の流路の略全体を覆う位置
に移動させることができる。また非作動時にはヒータ１
２は吸気通路２壁面に設けた凹部１３ｂに収納され、吸
気抵抗を生じない。

【００１６】本実施例ではアクチュエータ１４はロッド
１３に連結されたダイヤフラム１４ａと、該ダイヤフラ
ム１４ａにより画成される負圧室１４ｂを備えており、
負圧室１４ｂは電磁三方切換弁２７により真空ポンプ等
の負圧源２０の負圧と大気圧とが選択的に導入可能とさ
れている。負圧室１４ｂに負圧が導入されるとダイヤフ
ラム１４ａは負圧室１４ｂ側に変形し、ロッド１３を駆
動してヒータ１２を吸気通路２内の作動位置に移動させ
る。

【００１７】また、負圧室１４ｂに大気圧が導入される
とダイヤフラム１４ａは負圧室１４ｂ内に設けたスプリ
ング１４ｃの付勢力を受けてロッド１３を押動してヒー
タ１２を吸気通路２壁面の凹部１３ｂ内に収納する。図
３は本実施例に使用するヒータ１２の構造を示す。本実
施例ではヒータ１２は電気ヒータとされ、発熱素子１２
ａを平板状に成形したものを用いている。発熱素子１２
ａは、吸気との伝熱面積を増大させ、かつ流路抵抗がで
きるだけ小さくなるように中空部１２ｂを有する羽根状
に形成され、中空シャフト１９に絶縁体２４ａを介して
ビス２４により固定されている。また、中空シャフト１
９内には発熱素子１２ａを図示しない電源回路に接続す
るリード線１２ｃが収納されている。

【００１８】なお、発熱素子の形状は上記に限定される
わけではなく、伝熱面積が大きく設定でき、流路抵抗を
比較的小さく保つことができる形状であれば他の形式と
しても良く、例えば図４に示すように支持枠２６内に格
子状に設けた支持体２６ａに発熱素子１２ａをフィン状
に張りめぐらした構造としても良い。再度図１に戻って
説明すると、本実施例ではエンジン暖気状態を検出する
ためエンジン冷却水通路には冷却水温度に応じた信号を
発生する冷却水温度センサ２１が設けられている他過給
機下流側の吸気通路２には、エンジン入口の吸気温度に
応じた信号を発生する吸気温度センサ１８が設けられて
いる。

【００１９】また、エンジンの負荷状態を検出するた
め、スロットル弁３にはスロットル弁開度を検出するス
ロットルセンサ２２、クランク軸４にはエンジン回転数
を検出する回転数センサ２３が、また吸気通路２のスロ
ットル弁３上流側には吸気流量を検出するエアフローメ
ータ２５がそれぞれ設けられている。図に３１で示すの
はエンジンの制御を行う電子制御装置（ＥＣＵ）であ
る。本実施例ではＥＣＵ３１は、中央演算装置（ＣＰ
Ｕ）３３、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３４、リ
ードオンリメモリ（ＲＯＭ）３５及び入力ポート３６、
出力ポート３７をそれぞれ相互に双方向性バス３８で接
続した構成のディジタルコンピュータが用いられてい
る。

【００２０】ＥＣＵ３１の入力ポート３６には本過給制
御のため冷却水温度センサ２１、吸気温度センサ１８、
回転数センサ２３、エアフローメータ２５、スロットル
センサ２２が接続され、それぞれ冷却水温度、吸気温
度、エンジン回転数、吸気流量、スロットル開度が入力
されている。また、ＥＣＵ３１の出力ポート３７は電磁
三方切換弁２７と、図示しない電源回路を介してヒータ
１２に接続され、ヒータ１２の作動を制御している。ま
た、ＥＣＵ３１は図示しない駆動回路を介してバイパス
制御弁１６のアクチュエータ１７に接続され、バイパス
制御弁１６の開度調節を行うと共に、電磁クラッチ６に
接続され、電磁クラッチ６のＯＮ／ＯＦＦにより過給機
５の作動制御を行うようになっている。

【００２１】過給機５は通常運転時（エンジン暖気完了
後の状態）にはエンジン負荷に応じて作動する。図５実
線Ａは通常運転時のクラッチ６のＯＮ／ＯＦＦ領域を示
す。図の横軸はエンジン回転数Ｎ、縦軸はエンジン負荷
を表すパラメータとしてエンジン１回転当りの吸入空気
量Ｑ／Ｎをとっている。図からわかるように過給機５は
通常運転時は中高負荷領域においてのみ作動（クラッチ
６がＯＮ）するように制御される。

【００２２】また、図６実線は通常運転時におけるバイ
パス制御弁１６開度と負荷条件との関係を示し、縦軸は
バイパス制御弁１６の開度θｂ、横軸はスロットル弁開
度θｔを示している。図からわかるようにバイパス制御
弁１６は通常運転時にはスロットル弁開度の小さい低負
荷領域で全開とされ、過給機駆動負荷を低減するように
しているが中高負荷領域では負荷の増大と共に開度が減
少し、過給圧を上昇させて出力増大を図っている。また
高負荷領域ではバイパス制御弁１６は全閉となり最大過
給圧を得るように制御される。

【００２３】次に本実施例の過給制御装置によるエンジ
ン低温時の吸気加熱操作について説明する。本実施例で
はＥＣＵ３１は冷却水温度ＴＷが所定値（例えば５０
℃）以下の場合にはエンジンが低温状態にあると判断
し、吸気温度センサ１８により検出した吸気温度ＴＳが
所定の目標値（例えば６０℃）以上であるか否かを判定
する。エンジンが低温状態にあり、吸気温度が所定の目
標値以下である場合には、吸気加熱が必要と判定され、
過給機を通常時の作動線（図５，実線Ａ）の代わりに図
５点線Ｂで示す作動線により作動させる。図５，点線Ｂ
からわかるように、吸気加熱時には、エンジン極低負荷
かつ低回転数で運転されている場合（すなわち過給機を
作動させると駆動損失によりエンジンが停止する恐れが
ある場合）を除いた全領域で過給機が作動する。

【００２４】次に、吸気加熱時のバイパス制御弁１６の
開度制御について説明する。吸気加熱時にはバイパス制
御弁１６は吸気温度ＴＳとエンジン冷却水温度とに応じ
て開度制御される。すなわち、ＥＣＵ３１は吸気温度セ
ンサ１８により検出した吸気温度ＴＳが所定の目標値以
下の場合には図５，点線Ｂの作動線に応じて過給機５を
作動させるが、このとき同時に目標温度と実際の吸気温
度ＴＳとの差を算出し、この差が所定値（例えば５０
℃）より小さい場合にはバイパス制御弁１６のみにより
吸気加熱制御を行うこととしてバイパス制御弁１６開度
を冷却水温度に応じて調節する。図６破線は吸気加熱時
のバイパス制御弁開度θ_bと冷却水温度ＴＷとの関係を
示し、冷却水温度ＴＷが低い程バイパス制御弁開度θ_b
は小さく設定され、本実施例ではＴＷが１０℃以下では
全閉に保持される。これにより冷却水温度ＴＷが低い場
合には、それに応じて過給機での圧縮比が増大し、過給
機出口での空気温度が上昇する。冷却水温度が低い程バ
イパス制御弁開度を減少させるのは、冷却水温度が低い
場合には吸気通路や吸気ポート壁面が低温になってお
り、この部分で吸気の熱が奪われることを考慮して過給
機出口温度を高く設定するためである。冷却水温度が上
昇して、暖気完了の状態（５０℃）に近づくとバイパス
制御弁開度も増大し、暖気完了時近傍では全開状態にさ
れる。

【００２５】ところで、前述のように大気温度が低い場
合には過給機による圧縮加熱のみでは吸気温度が充分に
上昇しない場合がある。本実施例では、このような場合
にヒータ１２を吸気通路２内に位置させて吸気加熱を行
う。すなわち、吸気加熱実施時に吸気目標温度と実際の
吸気温度ＴＳとの差が前記所定値（例えば５０℃）以上
であった場合には、ＥＣＵ３１はバイパス制御弁１６の
みにより吸気温度を昇温させることは困難であると判断
し、バイパス制御弁１６開度を全閉にして電磁三方弁２
７を切換えてアクチュエータ１４の負圧室１４ｂを負圧
源２０に接続する。これによりヒータ１２が吸気通路２
の流路内に突出する。更にＥＣＵ３１は前記目標温度と
実際の吸気温度との差ΔＴに応じて電源回路（図示せ
ず）を制御し、ヒータ１２の印加電圧を調整する。

【００２６】図７は目標温度と吸気温度との差ΔＴによ
るヒータ１２の印加電圧設定を示す。図の横軸は上記温
度差ΔＴを、また縦軸はヒータ１２の定格電圧に対する
設定電圧の比（パーセント）を示している。図に示すよ
うに、温度差ΔＴが５０℃より小さいときには印加電圧
はゼロにセットされ、温度差ΔＴが大きい程印加電圧は
大きく設定される。本実施例では印加電圧はΔＴに応じ
て略直線的に増大し、温度差ΔＴが８０℃以上ではヒー
タの定格電圧（１００％）に設定されるようになってい
る。

【００２７】このように、吸気温度が低い場合には過給
機による圧縮加熱に加え、ヒータによる吸気加熱を行う
ことにより吸気温度を最適な値に保持することができ
る。また、ヒータ１２の印加電圧は目標値と吸気温度と
の差に応じて制御されるためヒータ１２での加熱量は過
給機による圧縮加熱の不足分を補うだけであり、ヒータ
作動時の電力消費量は必要最小限にすることができる。

【００２８】次に図８及び図９に本実施例の吸気加熱制
御動作のフローチャートを示す。本ルーチンはＥＣＵ３
１により一定時間毎（例えば１６ミリ秒毎）に実行され
る。なおこの制御のため、ＥＣＵ３１は図５から図７の
関数をＲＯＭ３５に記憶しておりこれらに基づいて以下
の制御を行っている。図８においてルーチンがスタート
するとステップ１００ではエンジン回転数Ｎ、吸気流量
Ｑ、スロットル弁開度θｔがそれぞれエンジン回転数セ
ンサ２３、エアフローメータ２５、スロットル開度セン
サ２２から入力され、また、エンジン冷却水温度ＴＷが
冷却水温度センサ２１から、吸気温度ＴＳが吸気温度セ
ンサ１８からそれぞれ入力され、ステップ１０５ではＱ
／Ｎの値が算出される。

【００２９】次いでステップ１１０とステップ１１５で
は、冷却水温度ＴＷが所定値（５０℃）以下か、吸気温
度ＴＳが所定値（６０℃）以下かがそれぞれ判定され
る。ステップ１１０，１１５がいずれも肯定判定された
場合には、ステップ１２０で目標吸気温度（６０℃）と
実際の吸気温度との差ΔＴが所定値（５０℃）以上か否
かが判定され、ΔＴ≧５０℃である場合にはステップ１
２５からステップ１５０を実行して過給機５による圧縮
加熱とヒータ１２による加熱とを併用して吸気の昇温を
行う。

【００３０】すなわち、ステップ１２５では、アクチュ
エータ１７を駆動してバイパス制御弁１６を全閉にする
と共にステップ１３０で電磁三方切換弁２７を負圧源２
０側に切換えてヒータ１２を吸気通路２内の作動位置に
移動させ、ステップ１３５では図７に基づいて温度差Δ
Ｔに応じた電圧をヒータ１２に印加する。次いでステッ
プ１４０では図５の点線Ｂで示した作動線に基づいてＱ
／ＮとＮとの値からクラッチ作動可否を判定し、その結
果に基づいてクラッチをＯＮ／ＯＦＦする（ステップ１
４５，１５０）。

【００３１】またステップ１２０でΔＴ＜５０℃であっ
た場合には、ヒータ１２は作動させずステップ１６０以
下を実行して圧縮加熱のみによる吸気昇温を行う。この
場合、バイパス制御弁１６開度は、冷却水温度ＴＷとス
ロットル弁開度θｔとに応じて図６点線に示した値に設
定され（ステップ１６０，１６５）、ヒータ１２は収納
位置に保持され、ヒータ印加電圧はゼロに設定される
（ステップ１７０）。また過給機５の作動は図５，点線
Ｂに基づいて制御される（ステップ１４０〜１５０）。

【００３２】また、ステップ１１０，１１５でＴＳ＞６
０℃又はΔＴ＜５０℃であった場合は図９に進み、ステ
ップ２００〜２２５で通常の過給制御が行われる。すな
わち、バイパス制御弁開度はスロットル弁開度θｔに応
じて図６実線から決定され（ステップ２００，２０
５）、ヒータ１２はＯＦＦのまま収納位置に保持され
（ステップ２１０）、過給機５の作動は図５，実線Ａに
基づいて制御される。

【００３３】上記のように制御することにより、ヒータ
１２は吸気温度が低く、過給機５による圧縮加熱だけで
は充分な吸気昇温が得られない場合にのみ吸気通路２内
の作動位置に移動し、吸気通路壁面等が上昇して圧縮加
熱だけで吸気昇温を行えるようになると吸気通路壁面に
収納される。このためヒータ作動による流路抵抗増大は
エンジン冷間始動後の短時間に限られ、通常運転時には
吸気抵抗増大による出力低下を生じない。

【００３４】また、ヒータ作動は上記のように短時間で
あり、更にヒータ１２による加熱は過給機５による圧縮
加熱の不足分を補う量だけに制御されるため、電力消費
量が大幅に増大することがなく、バッテリ等の容量増大
も最小限にすることができる。なお、上記実施例では吸
気目標温度は一定値（例えば６０℃）に設定されている
が、この目標温度は冷却水温度ＴＷに応じて例えば冷却
水温度が低い程高くなるように設定しても良い。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、上述のように吸気通路の過給
機上流側に収納可能なヒータを設け、エンジン冷間時に
過給機による圧縮加熱とヒータによる加熱とを併用して
吸気昇温を行うようにしたことにより、通常運転時の吸
気抵抗増大や吸気加熱時の大幅な電力消費量の増大を生
じることなく、低温時にも良好な燃焼状態を保つことが
できる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したエンジンの構成を示す略示図
である。

【図２】図１のヒータ取付部の詳細を示す図である。

【図３】図１のヒータの構造例を示す図である。

【図４】図１のヒータの別の構造例を示す図である。

【図５】過給機の作動負荷条件を示す図である。

【図６】バイパス制御弁の開度設定を示す図である。

【図７】ヒータの印加電圧設定を示す図である。

【図８】吸気加熱制御動作の一実施例のフローチャート
の第一の部分を示す図である。

【図９】同上フローチャートの第二の部分を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…エンジン、 ２…吸気通路 ５…過給機 １２…ヒータ １４…アクチュエータ １５…吸気バイパス通路 １６…バイパス制御弁 １８…吸気温度センサ ２７…電磁三方切換弁 ３１…電子制御装置（ＥＣＵ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 里屋 浩一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 古橋 道雄 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 大井 康広 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸気通路に機械式過給機と、該過給機を
   バイパスする吸気バイパス通路と、該吸気バイパス通路
   を流れる空気流量を制御するバイパス制御弁とを備え、
   エンジン低温時に前記機械式過給機を作動させると共に
   前記バイパス制御弁を所定開度に制御して過給機による
   吸気の圧縮昇温を行う機械式過給機付エンジンにおい
   て、 前記過給機下流側のエンジン吸気温度を検出する手段
   と、前記過給機上流側吸気通路内に出入可能に設けた吸
   気加熱ヒータとを備え、エンジン低温時に前記バイパス
   制御弁による吸気圧縮昇温で所定の目標エンジン吸気温
   度が得られない場合に、前記ヒータを吸気通路内に位置
   させて前記目標エンジン吸気温度と検出したエンジン吸
   気温度との差に応じて吸気加熱を行うことを特徴とする
   機械式過給機付エンジン。