JP2011111929A - 内燃機関及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ過給システムを備えた内燃機関において、ターボの過渡時の過給の応答遅れの問題を改善できると共に、ターボ過給によるメリットを活かすことができ、結果として、エンジンの動力性能と排ガス性能と燃費性能の改善を図ることができる内燃機関及びその制御方法を提供する。
【解決手段】ターボ過給システムに加えて、クラッチを介して内燃機関１の動力で駆動される機械式過給機１９を給気通路に設け、吸気マニホールド１０ａ側への空気Ａの流れを許容する逆止弁を有して、機械式過給機１９を迂回するバイパス通路２０を設けた内燃機関において、過給圧と吸入空気量において、内燃機関１のエンジン回転数と燃料噴射量に基づいて算出した各目標値よりも小さい時に、各計測値が各目標値になるように、クラッチを接続して機械的過給機１９による過給を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボ過給システムを備えた内燃機関及びその制御方法に関し、より詳細には、ターボ過給システムに加えて機械式過給機を備え、内燃機関の排ガス性能を悪化させることなく、燃費性能を向上することができる内燃機関及びその制御方法に関する。

近年、自動車の内燃機関の排ガス規制は年々厳しくなっており、これに対応するための技術開発が進んでいる。そのうちのディーゼルエンジンに関する技術の一つに、空気量を増加させるために、排気エネルギーを利用して作動するターボチャージャを、一つ又は二つ以上取り付けてエンジン性能を改善するターボ過給システムがある。

また、エンジンの排気量を小さくする小排気量化でエンジンを小型化しつつ高出力化を行うことにより、単位出力当たりの駆動損失（フリクション）を低減して、これにより、燃費の改善を図ることも行われている。

一方、近年のエンジンの評価方法は、国内ではＪＥ０５モード、ヨーロッパではＥＴＣモード等のように、従来の定常試験モードから、激しい発進や加速を繰り返す過渡試験モードへと変更されてきている。このＪＥ０５モードの試験に関して、一例を試験経過時間を横軸に、エンジン回転数やエンジン出力を縦軸にして図５に示すが、この図５から、エンジン回転数やエンジン出力の変化が非常に激しいことがよく分かる。

このような過渡試験においては、最近の内燃機関に関する技術に見られるエンジンの排気ガスエネルギーを利用して作動するターボチャージャを用いた単段ターボや多段ターボ等の高過給システムでは、加速時等においてターボチャージャにおける過給の応答遅れ（タイムラグ）が発生し、十分なエンジン性能を引き出すことができないという問題がある。

また、エンジンの燃費の改善を狙ったエンジンの高出力化、小排気量化においても、同様に、過渡時における排ガス性能試験時や発進時等では、ターボチャージャの過給の応答遅れ等により十分な過給を迅速に行うことができないので、十分な回転数及びパワー（仕事量）を迅速に発揮できず、エンジンの目標性能を達成できない場合が生じるという問題がある。

これら以外の高過給技術としては、機械的にエンジン駆動部にルーツブロワ等で形成される機械的過給機（スーパーチャージャ）を接続して過給を行うスーパーチャージャシステムも採用されている。このシステムは、エンジン排気エネルギーではなく、駆動源に機械的に接続してエンジンから直接駆動エネルギーを取っているので、応答性は高いが、その反面、エンジンの燃費が悪化するという問題がある。

例えば、この高過給技術の例として、吸気系にスーパーチャージャを設けるとともにアクセル開度やエンジン回転数によって電磁クラッチを断接し、スーパーチャージャを制御するスーパーチャージャ付きディーゼルエンジンの制御装置において、ディーゼルエンジンの冷機アイドル時と冷機負荷運転時とにおける所定の機関運転状態の際に電磁クラッチを接続し過給を行うべくスーパーチャージャを制御する制御部を設けたスーパーチャージャ付きディーゼルエンジンの制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平０２−１１９６３３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、ターボ過給システムを備えた内燃機関において、ターボチャージャの過渡時における過給の応答遅れの問題を改善できると共に、ターボ過給によるメリットを活かすことができ、結果として、エンジンの動力性能と排ガス性能と燃費性能の改善を図ることができる内燃機関及びその制御方法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は、ターボ過給システムを備えると共に、吸気通路に設けられ、かつ、クラッチを介して内燃機関の動力で駆動される機械式過給機と、該機械式過給機を迂回するバイパス通路と、該バイパス通路に設けられて、前記吸気通路のエアクリーナ側から吸気マニホールド側への空気の流れを許容し、逆方向の空気の流れを阻止する逆止弁とを設けて構成した内燃機関において、内燃機関のエンジン回転数と燃料噴射量に基づいて算出した目標過給圧よりも、計測した過給圧が低い時に、該計測された過給圧が前記目標過給圧になるように、かつ、前記エンジン回転数と前記燃料噴射量に基づいて算出した目標吸入空気量よりも、計測した吸入空気量が少ない時に、該計測された吸入空気量が前記目標吸入空気量になるように、前記クラッチを接続して前記機械的過給機による過給を行う制御装置を備えて構成される。

この構成によれば、内燃機関の運転状態に合わせた機械的過給機による過給を行うことができ、これまでの問題点であった、ターボチャージャの過渡時における過給の応答遅れを防止しながら、過渡運転中に空気量が不足してスモークが大量に発生すること、ＥＧＲガスの減少によってＮＯｘが増加してエンジン排ガス目標値を達成できなくなること等を防止して、エンジン出力性能、エンジン排ガス性能等を向上させることができ、また、必要最小限の範囲で機械式過給機を作動させることにより、エンジンの燃費の悪化を抑制することができる。

そして、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の制御方法は、ターボ過給システムを備えると共に、吸気通路に設けられ、かつ、クラッチを介して内燃機関の動力で駆動される機械式過給機と、該機械式過給機を迂回するバイパス通路と、該バイパス通路に設けられて、前記吸気通路のエアクリーナ側から吸気マニホールド側への空気の流れを許容し、逆方向の空気の流れを阻止する逆止弁とを設けて構成した内燃機関の制御方法において、内燃機関のエンジン回転数と燃料噴射量に基づいて算出した目標過給圧よりも、計測した過給圧が低い時に、該計測された過給圧が前記目標過給圧になるように、かつ、前記エンジン回転数と前記燃料噴射量に基づいて算出した目標吸入空気量よりも、計測した吸入空気量が少ない時に、該計測された吸入空気量が前記目標吸入空気量になるように、前記クラッチを接続して前記機械的過給機による過給を行うことを特徴とする。

この方法によれば、内燃機関の運転状態に合わせた機械的過給機による過給を行うことができ、これまでの問題点であった、ターボチャージャの過渡時における過給の応答遅れとエンジンの燃費の悪化を抑制しながら、エンジン出力性能とエンジン排ガス性能と燃費性能等を改善できる。

また、上記の内燃機関を製造する方法において、前記機械式過給機の容量を、内燃機関の全負荷に必要な空気量ではなく、内燃機関の低速運転領域で不足する空気量と、内燃機関の過渡運転時にターボチャージャの過給の応答遅れで不足する空気量とを基にして決定することを特徴とする。

この方法によれば、内燃機関の全負荷に必要な空気量ではなく、内燃機関の過渡運転時にターボチャージャの補助として必要となる空気量を基にして、機械式過給機の容量を決定することにより、機械的過給機の大型化と、この大型化による燃費の増大を防止でき、機械的過給機の作動時の燃費の悪化を最小限にすることができる。

本発明に係る内燃機関及びその制御方法によれば、ターボ過給システムを備えた内燃機関において、電磁クラッチ等のクラッチを備えＯＮ−ＯＦＦ可能な機械式過給機（スーパーチャージャ）を取り付けて、制御方法を工夫することにより、ターボチャージャの過渡時の過給の応答遅れの問題を改善できると共に、ターボチャージャと機械式過給機によるそれぞれのメリットを活かすことができ、結果として、エンジンの動力性能と排ガス性能と燃費性能の改善を図ることができる。

本発明の実施の形態の内燃機関の構成を示した図である。 機械式過給機の制御フローの一例を示した図である。 目標過給圧のマップデータの一例を示した図である。 機械式過給機の基本作動領域を示した図である。 ＪＥ０５モードの試験における、試験経過時間とエンジン回転数、エンジン出力との関係を示した図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関、内燃機関の制御方法、内燃機関の製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、ここでは、可変翼を持つＶＧＴ型のターボチャージャを１台備えているターボ過給システムを例にして説明するが、本発明は、多段ターボ過給システムの場合にも適用でき、同様な作用効果を奏することができる。

図１に、本発明の実施の形態のエンジン（内燃機関）１の構成を示す。この内燃機関１は、吸気通路１１と排気通路１５とＥＧＲ通路１６を備えている。エンジン本体１０の吸気マニホールド１０ａに接続される吸気通路１１は、上流側から順に、エアクリーナ１２と吸気絞り弁（図示しない）とターボチャージャ（ターボ過給器）１３のコンプレッサ１３ａとインタークーラ１４を備えている。

また、排気マニホールド１０ｂに接続される排気通路１５は、上流側から順に、ターボチャージャ１３のタービン１３ｂと、排気ガス浄化装置（後処理装置：図示しない）と、排気絞り弁（図示しない）等を備えている。

図１の構成では、ターボ過給システムは単段ターボ（シングルターボ）システムであり、ターボチャージャ１３が一つ設けられ、コンプレッサ１３ａが吸気通路１１に、可変翼を持つＶＧＴ型のタービン１３ｂが排気通路１５に配置され、排気ガスＧの排気エネルギーによりタービン１３ｂが駆動され、これに連結されているコンプレッサ１３ａにより過給を行うように構成されている。

更に、エンジン１の排気ガスＧ中のＮＯｘ低減のために、ＥＧＲシステムとして、ＥＧＲ通路１６が、排気マニホールド１０ｂと吸気マニホールド１０ａを接続して設けられた高圧（Ｈ／Ｐ）ＥＧＲシステムを備えている。このＥＧＲ通路１６には、上流側から順に、ＥＧＲクーラ１７とＥＧＲ弁１８が配設されている。このＥＧＲシステムでは、排気マニホールド１０ｂからＥＧＲガスＧｅを取り込み、このＥＧＲガスＧｅを、ＥＧＲ通路１６に配置したＥＧＲクーラ１７で冷却し、ＥＧＲ弁１８でそのガス量を調整して、吸気マニホールド１０ｂに供給する。

また、エンジン１の運転状態を監視するために、吸気通路１１には、エアフローセンサ（ＭＡＦセンサ）２２と過給圧センサ（ブースト圧センサ）２３とエンジン回転数センサ２４が設けられ、また、燃料噴射更に、エンジン１の運転を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置（ＥＣＵ）２５が設けられている。これらのセンサ２２、２３、２４の検出信号は、制御装置２５に入力される。また、この過給圧センサ２３は、ターボチャージャ１３のコンプレッサ１３ａ（多段ターボの場合は最後尾に取り付けたコンプレッサ）の下流側に取り付けられる。

本発明においては、更に、吸気通路１１のエアクリーナ１２の下流側にルーツブロワ等で形成される機械式過給機（スーパーチャージャ）１９とこの機械式過給機１９を迂回するバイパス通路２０が設けられ、更に、このバイパス通路２０に逆止弁２１が配設される。このルーツブロワ１９のＯＮ−ＯＦＦの作動は、電気的に作動する電磁クラッチを使用するが、その他の機械的に作動するものであっても、作用効果は同じとなる。

また、逆止弁２１は、エンジン１の定常運転時においては、エンジン本体１０側（下流側）に負圧が発生し、逆止弁２１の前後（上流側と下流側）の差圧により、この逆止弁弁２１は、機械的に開いて、エアクリーナ１２を通過した吸入空気Ａが流れる。一方、機械式過給機１９が作動するエンジン１の過渡運転時においては、逆止弁２１とエンジン本体１０との間で、吸入空気Ａの圧力が機械式過給機１９の作動により上昇することで、この逆止弁２１は機械的に閉じて、エンジン１は、機械式過給機１９を経由する吸気ラインにより吸入空気Ａが流れる。つまり、この逆止弁２１は、吸気通路１１のエアクリーナ１２側から吸気マニホールド１０ａ側への空気Ａの流れを許容し、逆方向の空気Ａの流れを阻止する。

この過給システムでは、制御装置２５に様々な制御マップを持っている。具体的には基本軸として、横軸にエンジン回転数、縦軸に燃料噴射ノズルからの実噴射量などを用いたマップとし、制御に使用する目標過給圧等の各目標の制御値を管理している。そして、エンジン１の過給圧基本マップ（ブースト圧ベースマップ）として、エンジン回転数とエンジン噴射量の各状態で最低限必要な吸入空気量と過給圧（ブースト圧）のマップを持っている。参考として、図３に過給圧制御で使用する基本マップの一例を示す。この基本マップは、エンジンの定常試験で計測して作成したマップであり、横軸のエンジン回転数と縦軸の燃料噴射ノズルからの燃料噴射量（実噴射量）の各組合せに対する過給圧が記載されている。このような基本マップが、このエンジンの目標過給圧を算出するための過給圧基本マップとなる。

次に、機械的過給機１９の作動領域を示す基本作動領域マップを図４に示す。Ａ部分がエンジンの小型化に伴って問題が発生する低速領域であり、Ｂ部分がエンジンの過渡運転時でターボチャージャ１３の過給の応答遅れで空気量不足が発生する加速領域である。
次に、機械的過給機１９の制御方法について、図２の制御フローを参照しながら説明する。図２の制御フローは、エンジン１の運転開始と共に上級の制御フローで呼ばれて実行して戻り、エンジン１の運転終了まで呼ばれて実行することを繰り返し、エンジン１の運転終了と共に、上級の制御フローに戻って終了する制御フローとして示してある。

この図２の制御フローが上級の制御フローで呼ばれてスタートすると、ステップＳ１１で、エンジン回転数センサ２４で検出したエンジン回転数と、アクセルセンサ（図示しない）などで検出したエンジン負荷を入力する。次のステップＳ１２で、入力したエンジン回転数とエンジン負荷から、燃料噴射量マップを参照して、燃料噴射量を算出する。次のステップＳ１３で、検出されたエンジン回転数と算出された燃料噴射量（或いは、図示しない燃料センサで計測された燃料噴射量（実噴射量））に基づいて、過給圧基本マップや吸入空気量基本マップを参照して目標過給圧と目標吸入空気量を算出する。

また、高圧（Ｈ／Ｐ）ＥＧＲシステムでは、エンジン１の排気ガスＧ中に含まれているＮＯｘを効率よく低減するために、ステップＳ１４で、検出されたエンジン回転数と算出された燃料噴射量に基づいて、ＥＧＲ基本マップを参照してＥＧＲの制御値（目標ＥＧＲガス量等）を算出する。次のステップＳ１５で、このＥＧＲの制御値に基づいて、ＥＧＲガス量を計測又は算出しながら、このＥＧＲガス量が目標ＥＧＲガス量になるようにＥＧＲ弁１８の弁開度などをフィードバック制御する。

その後、ステップＳ１７で、過給圧センサ２３で計測したエンジン１の過給圧がステップＳ１３で算出した目標過給圧に達しているか否かを判定し、次のステップＳ１８でＭＡＦセンサ２２で計測した吸入空気量がステップＳ１３で算出した目標吸入空気量に達しているか否かを判定する。

これらの判定で、過給圧又は吸入空気量のいずれかにおいて計測値が目標値に達していない場合（ＮＯ）は、ステップＳ１９に行き、電磁クラッチをＯＮにして接続して機械式過給機１９を駆動して過給を行う。この過給により、過給圧と吸入空気量の両方において計測値が目標値に達するように機械式過給機１９の過給を行う。そして、両方において計測値が目標値に達した場合あるいは達している場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２０で、電磁クラッチをＯＦＦにして、機械式過給機１９の過給を止めてあるいは止めたまま、リータンに行き、上級の制御フローに戻る。その後、再度、この上級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Ｓ１８（又はステップＳ１９）を繰り返す。

なお、図２の制御フローでは省いているが、ターボチャージャ１３を可変翼を持つＶＧＴのターボ過給機で形成している場合には、機械式過給機１９の駆動前に、ターボチャージャ１３の可変翼を絞って吸入空気量を確保するように制御し、また、ＥＧＲ制御においてもＥＧＲ弁１８の弁開度を小さくして吸入空気量を確保するように制御する。これらの制御でも、計測過給圧と計測吸入空気量が目標過給圧と目標吸入空気量に達しない時に、初めて機械式過給機１９を作動する。

この制御方法によれば、機械的過給機１９の制御で、機械的過給の必要性の高いエンジン状態をエアフローセンサ２２と過給圧センサ２３で検出し、機械式過給機１９に取り付けた電磁クラッチをＯＮ−ＯＦＦさせて、図４のＡ部の低速領域のみならず、図４のＢ部の加速領域においても、機械式過給機１９を最大限に作動させて、効率よく過給を行うことができる。

つまり、エアフローセンサ２２と過給圧センサ２３により、制御装置２５で実際のエンジン１の運転状態を把握して機械的過給が必要か否かを判断し、必要と判断したときに、電磁クラッチをＯＮにして機械的過給機１９を作動させる。

上記のエンジン１及びその制御方法によれば、エンジン１の排気ガスＧを利用して作動するターボチャージャ１３を一つ（又は複数）を取り付けたエンジン１で、更にエンジン出力部より機械的に連結し回転する機械式過給機１９で、電気的あるいは機械的にＯＮ−ＯＦＦ作動が可能なシステムで、エンジン１の運転状態により、これらの作動を最適化した制御方法を行うことで、過渡運転中に空気量が不足してスモークが大量に発生すること、ＥＧＲガスの減少によってＮＯｘが増加してエンジン排ガス目標値を達成できなくなることなどを防止して、エンジン出力性能、エンジン排ガス性能等を向上させることができ、また、必要最小限の範囲で機械式過給機１９を作動させることにより、エンジンの燃費の悪化を抑制することができる。

次に、このエンジン１の製造方法について説明する。通常は、機械的過給機１９を選定する場合は、エンジン１の全負荷に必要な空気量を確保できるように容量等の仕様が決められるが、本発明の製造方法では、機械的過給機１９の容量を、エンジン１の全負荷に必要な空気量ではなく、エンジン１低速運転領域で不足する空気量と、エンジン１の過渡運転時にターボチャージャ１３の過給の応答遅れで不足する空気量とを基にして、最低限必要な容量にして設計する。これにより、機械的過給機１９の大型化と作動時のエンジンの燃費の増加を抑制して、機械式過給機１９の作動時における燃費の悪化を最小限にすることができる。

本発明の内燃機関及びその制御方法等は、ターボ過給システムを備えた内燃機関において、ターボの過渡時の過給の応答遅れの問題を改善できると共に、ターボチャージャと機械式過給機によるそれぞれのメリットを活かすことができ、結果として、エンジンの動力性能と排ガス性能と燃費性能の改善を図ることができる。そのため、本発明の内燃機関及びその制御方法は、自動車に搭載するの内燃機関及びその制御方法等として利用できる。

１ 内燃機関（エンジン）
１０ エンジン本体
１０ａ 吸気マニホールド
１１ 吸気通路
１２ エアクリーナ
１３ ターボチャージャ（ターボ過給器）
１３ａ コンプレッサ
１３ｂ タービン
１６ ＥＧＲ通路
１９ 機械式過給機（スーパーチャージャ）
２０ バイパス通路
２１ 逆止弁
２２ エアフローセンサ（ＭＡＦセンサ）
２３ 過給圧センサ（ブースト圧センサ）
２４ エンジン回転数センサ
２５ 制御装置（ＥＣＵ）
Ａ 吸入空気
Ｇ 排気ガス
Ｇｅ ＥＧＲガス

Claims (3)

1. ターボ過給システムを備えると共に、吸気通路に設けられ、かつ、クラッチを介して内燃機関の動力で駆動される機械式過給機と、該機械式過給機を迂回するバイパス通路と、該バイパス通路に設けられて、前記吸気通路のエアクリーナ側から吸気マニホールド側への空気の流れを許容し、逆方向の空気の流れを阻止する逆止弁とを設けて構成した内燃機関において、
   内燃機関のエンジン回転数と燃料噴射量に基づいて算出した目標過給圧よりも、計測した過給圧が低い時に、該計測された過給圧が前記目標過給圧になるように、かつ、前記エンジン回転数と前記燃料噴射量に基づいて算出した目標吸入空気量よりも、計測した吸入空気量が少ない時に、該計測された吸入空気量が前記目標吸入空気量になるように、前記クラッチを接続して前記機械的過給機による過給を行う制御装置を備えたことを特徴とする内燃機関。
2. ターボ過給システムを備えると共に、吸気通路に設けられ、かつ、クラッチを介して内燃機関の動力で駆動される機械式過給機と、該機械式過給機を迂回するバイパス通路と、該バイパス通路に設けられて、前記吸気通路のエアクリーナ側から吸気マニホールド側への空気の流れを許容し、逆方向の空気の流れを阻止する逆止弁とを設けて構成した内燃機関の制御方法において、
   内燃機関のエンジン回転数と燃料噴射量に基づいて算出した目標過給圧よりも、計測した過給圧が低い時に、該計測された過給圧が前記目標過給圧になるように、かつ、前記エンジン回転数と前記燃料噴射量に基づいて算出した目標吸入空気量よりも、計測した吸入空気量が少ない時に、該計測された吸入空気量が前記目標吸入空気量になるように、前記クラッチを接続して前記機械的過給機による過給を行うことを特徴とする内燃機関の制御方法。
3. 請求項１記載の内燃機関の製造方法において、前記機械式過給機の容量を、内燃機関の全負荷に必要な空気量ではなく、内燃機関の低速運転領域で不足する空気量と、内燃機関の過渡運転時にターボチャージャの過給の応答遅れで不足する空気量とを基にして決定することを特徴とする内燃機関の製造方法。

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