JP2014231821A - 過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼を安定させながら低圧ＥＧＲ通路内の凝縮水を排気通路に排出することのできる過給機付き内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】コンプレッサ下流の吸気通路と上流の吸気通路とを接続し、前記コンプレッサを迂回するエアバイパス通路と、前記エアバイパス通路内に設けられたエアバイパスバルブと、タービン下流の排気通路と前記コンプレッサ上流の吸気通路とを接続する低圧ＥＧＲ通路と、前記低圧ＥＧＲ通路内に設けられたＥＧＲバルブを備える。前記コンプレッサのサージングを抑制すべき運転状態の間、前記エアバイパスバルブを開弁する。この前記エアバイパスバルブの開弁に応じて、前記ＥＧＲバルブを開弁し、その後、前記エアバイパスバルブの閉弁に応じて前記ＥＧＲバルブを閉弁する。【選択図】図２

Description

この発明は、過給機付き内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されるように、低圧ＥＧＲ通路を備えた過給機付き内燃機関が知られている。低圧ＥＧＲ通路は、タービン下流の排気通路とコンプレッサ上流の吸気通路とを接続する通路であり、タービン下流の排気通路から排気の一部を低圧ＥＧＲガスとして取り込みコンプレッサ上流の吸気通路へ低圧ＥＧＲガスを還流させる。

また、特許文献１の内燃機関は、低圧ＥＧＲ通路が接続される箇所よりも下流の排気通路を流れる排気の量を調節する排気絞り弁と、ＥＧＲクーラよりも下流の低圧ＥＧＲ通路と排気絞り弁よりも下流の排気通路とを連通する連通路を備える。特許文献１には、排気絞り弁を閉作動させて低圧ＥＧＲ通路内の圧力を上昇させることにより、連通路を介した低圧ＥＧＲ通路と排気通路との間に差圧を発生させ、低圧ＥＧＲ通路内の凝縮水を排気通路に排出させることが開示されている。
尚、出願人は、本発明に関連するものとして、上記の文献を含めて、以下に記載する文献を認識している。

特開２００８−００２３５１号公報 特開２００７−１９８３１０号公報 特開平５−２５６２１３号公報 特開平４−３７０３２４号公報 特開平８−１７７５９７号公報

しかしながら、特許文献１の内燃機関では、排気絞り弁の閉作動による背圧変化は運転状態によって異なり、充分な凝縮水除去効果を得ることと、燃焼を安定させることの両立は困難である。具体的には、背圧は空気流量に大きく依存するところ、比較的背圧上昇による燃焼への影響が小さい低流量運転領域では、排気絞り弁を絞ることによる背圧の上昇が小さく凝縮水除去効果は小さい。また、高流量運転領域では、排気絞り弁を絞ることによる背圧の上昇が大きく凝縮水除去効果は大きいものの、燃焼悪化あるいは出力性能低下のおそれがある。これは、背圧が高くなると筒内の残留ガスが増加すること、および、同じ過給圧を得ようとするとタービン前背圧を上げて膨張比を稼ぐ必要があるところ、実際には排気バルブの閉じ渋りなどの要因になるため、ある程度以上は上げられないことからである。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃焼を安定させながら低圧ＥＧＲ通路内の凝縮水を排気通路に排出することのできる過給機付き内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、過給機付き内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の排気通路に配置されたタービンと吸気通路に配置されたコンプレッサとを有する過給機と、
前記コンプレッサ下流の吸気通路と上流の吸気通路とを接続し、前記コンプレッサを迂回するエアバイパス通路と、
前記エアバイパス通路内に設けられたエアバイパスバルブと、
前記タービン下流の排気通路と前記コンプレッサ上流の吸気通路とを接続する低圧ＥＧＲ通路と、
前記低圧ＥＧＲ通路内に設けられたＥＧＲバルブと、
前記コンプレッサのサージングを抑制すべき運転状態の間、前記エアバイパスバルブを開弁するエアバイパスバルブ制御手段と、
前記エアバイパスバルブ制御手段による前記エアバイパスバルブの開弁に応じて、前記ＥＧＲバルブを開弁し、その後、前記エアバイパスバルブの閉弁に応じて前記ＥＧＲバルブを閉弁するＥＧＲバルブ制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記コンプレッサのサージングを抑制すべき運転状態は、過給領域での機関減速中であり、
前記ＥＧＲバルブ制御手段は、前記エアバイパスバルブ制御手段による前記エアバイパスバルブの開弁後に前記ＥＧＲバルブを開弁し、その後、前記エアバイパスバルブの閉弁と同時に前記ＥＧＲバルブを閉弁すること、を特徴とする。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記ＥＧＲバルブ上流の前記低圧ＥＧＲ通路内に配置されたＥＧＲクーラ、を更に備えることを特徴とする。

第１又は第２発明によれば、燃焼を安定させながら低圧ＥＧＲ通路内の凝縮水を排気通路に排出することができる。
なお、本発明において、エアバイパスバルブやＥＧＲバルブの開弁とは、バルブ開度を全開にすることのみならず、運転条件に応じて予め定められたバルブ開度の制御目標値よりも大きくすることも意味する。また、エアバイパスバルブやＥＧＲバルブの閉弁とは、バルブ開度を全閉にすることのみならず、運転条件に応じて予め定められたバルブ開度の制御目標値よりも小さくすることも意味する。

第３の発明によれば、ＥＧＲクーラ内の凝縮水を排気通路に排出することができる。

本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明するための概念構成図である。 本発明の実施の形態１において、減速時のエアバイパスバルブ２４およびＥＧＲバルブ３２の開閉タイミングを示すタイミングチャートである。 図２の期間ＡにおけるＥＧＲガス挙動について説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１においてＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。 ＥＧＲバルブ３２の閉じタイミングが遅い場合の問題点を説明するための模式図である。 ＥＧＲバルブ３２の閉タイミングが速い場合の問題点を説明するための模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明するための概念構成図である。図１に示すシステムは、内燃機関としてのエンジン１０を備えている。エンジン１０は、車両等に搭載され、その動力源とされる。なお、図１において、エンジン１０は直列４気筒型のものとして示すが、その気筒数および配置はこれに限定されない。

エンジン１０の各気筒には、吸気通路１２および排気通路１４が接続されている。吸気通路１２の入口付近には、エアクリーナ１６が取り付けられている。本システムは過給機１８を備えている。過給機１８は、コンプレッサ１８ａとタービン１８ｂを備えている。コンプレッサ１８ａとタービン１８ｂとは連結軸によって一体に連結されている。コンプレッサ１８ａは、エアクリーナ１６よりも下流の吸気通路１２に設けられている。

コンプレッサ１８ａよりも下流の吸気通路１２には、コンプレッサ１８ａで圧縮された吸気を冷却するためのインタークーラ２０が設けられている。

コンプレッサ１８ａとインタークーラ２０との間の吸気通路１２には、エアバイパス通路２２の一端が接続されている。エアバイパス通路２２の他端は、エアクリーナ１６とコンプレッサ１８ａとの間の吸気通路１２に接続されている。このようにエアバイパス通路２２はコンプレッサ１８ａを迂回する。エアバイパス通路２２には、開弁によりエアバイパス通路２２を連通し、閉弁によりエアバイパス通路２２を遮断するエアバイパスバルブ（ＡＢＶ）２４が配置されている。エアバイパスバルブ２４は、例えば電動アクチュエータにより開閉される電子制御式のバルブである。

インタークーラ２０よりも下流の吸気通路１２には、スロットル２６が配置されている。スロットル２６は、電動アクチュエータにより開閉される電子制御式のバルブである。

排気通路１４にはタービン１８ｂが設けられている。コンプレッサ１８ａはタービン１８ｂに入力される排気のエネルギによって回転駆動される。

また、本実施形態のシステムは低圧ループ（LPL：Law Pressure Loop）ＥＧＲシステムを備えている。タービン１８ｂよりも下流の排気通路１４には、低圧ＥＧＲ通路２８の一端が接続されている。低圧ＥＧＲ通路２８の他端は、エアクリーナ１６とコンプレッサ１８ａとの間の吸気通路１２に接続されている。図１に示す例では、低圧ＥＧＲ通路２８の他端は、エアバイパス通路２２と吸気通路１２との接続口よりも上流の吸気通路１２に接続されている。

低圧ＥＧＲ通路２８の途中には、ＥＧＲクーラ３０が設けられている。ＥＧＲクーラ３０よりも下流の低圧ＥＧＲ通路２８には、開弁により低圧ＥＧＲ通路２８を連通し、閉弁により低圧ＥＧＲ通路２８を遮断するＥＧＲバルブ（ＥＧＲＶ）３２が設けられている。ＥＧＲバルブ３２は、電動アクチュエータにより開閉される電子制御式のバルブであり、その開度を制御することにより流量を制御可能である。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力部には、クランク位置や機関回転数を検出するためのクランク角センサ５２、車両のアクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ５４、コンプレッサ１８ａとスロットル２６との間の吸気通路１２内の吸気圧を検出する圧力センサ５６等のエンジン１０の運転状態を検出するための各種センサが接続されている。

また、ＥＣＵ５０の出力部には、上述のエアバイパスバルブ２４のアクチュエータ、スロットル２６のアクチュエータ、ＥＧＲバルブ３２のアクチュエータの他、筒内に燃料を供給する燃料噴射弁（図示省略）等のエンジン１０の運転状態を制御するための各種アクチュエータが接続されている。

ＥＣＵ５０は、各種センサからの入力情報に基づいて所定のプログラムを実行し、各種アクチュエータを作動させることにより、エンジン１０の運転状態を制御する。

過給機１８を備える本実施形態のシステムにおいて、コンプレッサ１８ａのサージング（吸気脈動）は、過給状態で急にスロットル２６が閉じられるとき（例えば、機関減速時）に起こる現象である。過給状態で急にスロットル２６が閉じられると、コンプレッサ１８ａにより圧縮された吸気はスロットル２６に遮られて行き場を失い、コンプレッサ１８ａ下流の吸気通路１２内の圧力が必要以上に高まる。本実施形態のシステムは、コンプレッサ１８ａのサージングを抑制すべき運転状態の間（例えば、過給領域での機関減速中に）、エアバイパスバルブ２４を開弁するエアバイパスバルブ制御手段を備えている。これにより、エアバイパス通路２２を介して、コンプレッサ１８ａよりも上流の吸気通路１２内に吸気を逃がす。

上述した低圧ループＥＧＲシステムは、タービン１８ｂよりも下流の排気通路１４とコンプレッサ１８ａよりも上流の吸気通路１２とを接続して、タービン１８ｂよりも下流の低圧の排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流させるものである。

低圧ループＥＧＲシステムでは、ＥＧＲクーラ３０に冷却されたＥＧＲガス由来の凝縮水が発生する。凝縮水が吸気通路１２に流入すると、コンプレッサ１８ａやインタークーラ２０等の部材を腐食させるおそれがある。そのため、凝縮水の吸気通路１２への流入を抑制することが望まれる。

［実施の形態１における特徴的制御］
そこで、本実施の形態のシステムでは、上述のエアバイパスバルブ制御手段によるエアバイパスバルブ２４の開弁に応じてＥＧＲバルブ３２を開弁し、その後、エアバイパスバルブ２４の閉弁に応じてＥＧＲバルブ３２を閉弁する。好ましくは、エアバイパスバルブ２４の開弁後にＥＧＲバルブ３２の開度を現在値よりも高め、その後、エアバイパスバルブ２４の閉弁と同時にＥＧＲバルブ３２を閉弁する。この特徴的制御は、コンプレッサ１８ａ下流の吸気通路１２内の圧力がタービン１８ｂ下流の排気通路１４内の圧力よりも高い運転状態で実行開始される。

図２は、減速時におけるエアバイパスバルブ２４およびＥＧＲバルブ３２の開閉タイミングを示すタイミングチャートである。時刻ｔ１において、アクセル開度の急激な低下に伴い、スロットル２６開度が低下する。時刻ｔ２において、エアバイパスバルブ２４の開弁後にＥＧＲバルブ３２を開弁する。好ましくは、図３に示すようにＥＧＲバルブ３２の開度を運転条件に応じて予め定められたバルブ開度の制御目標値よりも高める。その後、時刻ｔ３において、エアバイパスバルブ２４の閉弁と同時にＥＧＲバルブ３２を閉弁する。

図３は、実施の形態１の特徴的制御により生じる、図２の期間ＡにおけるＥＧＲガス挙動について説明するための模式図である。なお、図３、５、６ではＥＧＲガス挙動を示すためＥＧＲクーラ３０が図示省略されている。

エアバイパスバルブ２４の開弁後にＥＧＲバルブ３２が開弁されると、図３の左図に示すようなＥＧＲ混合ガスの逆流が生じる。コンプレッサ１８ａ下流の吸気通路１２内の圧力は、コンプレッサ１８ａ上流の吸気通路１２内の圧力やタービン１８ｂ下流の排気通路１４内の圧力よりも高い。この圧力差により、コンプレッサ１８ａ下流の吸気通路１２内で圧縮されたＥＧＲ混合ガスは、コンプレッサ１８ａ上流の吸気通路１２内に戻され、さらに、吸気通路１２内に戻されたＥＧＲ混合ガスの一部は、開弁されたＥＧＲバルブ３２を通って、低圧ＥＧＲ通路２８を逆流する。その作用により、ＥＧＲクーラ３０内の凝縮水を排気通路１４に排出することができる。

その後、エアバイパスバルブ２４の閉弁と同時にＥＧＲバルブ３２が閉弁される。図３の右図に示すように、低圧ＥＧＲ通路２８内のＥＧＲ混合ガスが順流し吸気に吸われる前にＥＧＲバルブ３２を閉じることで、吸気通路１２に戻るＥＧＲ混合ガスのＥＧＲ濃度の上昇を抑制することができる。吸気通路１２に残るＥＧＲガスを減らすことができるので、減速軽負荷での失火、燃焼不安定、再加速時のもたつきを軽減することができる。

このように、実施の形態１の特徴的制御によれば、燃焼を安定させながら低圧ＥＧＲ通路２８（特にＥＧＲクーラ３０）内の凝縮水を排気通路に排出することができる。

なお、ＥＣＵ５０は、運転条件に応じてＥＧＲバルブ３２の開度を制御する指示を出力している。ＥＧＲバルブ３２の閉弁指示がなされている状態で、上述したエアバイパスバルブ制御手段により減速に伴いエアバイパスバルブ２４が開弁される場合には、ＥＧＲバルブ３２の閉弁指示よりも優先して、ＥＧＲバルブ３２を開弁させることとする。その後、エアバイパスバルブ２４の閉弁に応じてＥＧＲバルブ３２を閉弁させる（ここで上述の閉弁指示に応じた閉弁動作が完了する）。ＥＧＲバルブ３２の閉弁指示に対して閉弁動作が遅れることとなるが、本制御によれば、上述したようにＥＧＲガスが低圧ＥＧＲ通路２８を逆流するためＥＧＲガスの吸気通路１２への流入を防ぐことができ、弊害は生じない。

上述したようにエアバイパスバルブ２４とＥＧＲバルブ３２との開閉タイミングが重要である。本発明との比較対象として、ＥＧＲバルブ３２の閉じタイミングが遅い場合（図５）と、ＥＧＲバルブ３２の閉じタイミングが早い場合（図６）を挙げて説明する。

図５は、ＥＧＲバルブ３２の閉じタイミングが遅い場合の問題点を説明するための模式図である。
図５の左図に示すように、減速に伴うエアバイパスバルブ２４の開弁に応じてＥＧＲバルブ３２が開弁することで、上述した圧力差でＥＧＲ混合ガスがＥＧＲバルブ３２、ＥＧＲクーラ３０を通過し、ＥＧＲクーラに付着した凝縮水を排気通路１４に排出させることは可能である。

しかしながら、その後ＥＧＲバルブ３２を閉じるタイミングが遅いと、図５の右図に示すように、ＥＧＲガスが吸気に戻るときに吸気上流まで戻っていたＥＧＲ混合ガスの濃度を上げることになってしまい、燃焼性が悪化し、失火に至る可能性もある。

図６は、ＥＧＲバルブ３２の閉タイミングが早い場合の問題点を説明するための模式図である。
図６に示すように、減速即ＥＧＲバルブ３２を閉じてしまうとＥＧＲガスの濃度を上げることにはならないが、逆に濃度を下げる効果は無く、また、ＥＧＲクーラ３０内の凝縮水を排気通路１４に排出させることも出来ない。

次に、図４を用いて本実施形態の制御ルーチンについて説明する。図４は、上述の動作を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。本ルーチンは所定サイクル毎、少なくとも過給領域での機関減速時に実行される。なお、図４では、ＥＧＲバルブ３２の閉弁指示がなされている状態での機関減速時を例に挙げて説明する。

図４に示すルーチンでは、ステップＳ１００において、ＥＣＵ５０は、過給領域における機関減速中であるか否かを判定する。例えば、運転領域（機関回転数、機関負荷）、コンプレッサ１８ａの回転状態、アクセルオフ時のアクセル開度の減少量、スロットル開度の減少量、圧力センサ５６の検出値などに基づいて判定できる。機関減速中と判定される場合にはステップＳ１１０の処理に進む。

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ５０は、ＥＧＲバルブ３２を閉弁する指示がなされているか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ５０は、運転状態とＥＧＲバルブ３２の開度との関係を定めたマップまたはモデルを予め記憶しており、これに基づいて、運転状態に対応するＥＧＲバルブ３２の開度を指示する。閉弁指示がなされている場合にはステップＳ１２０の処理に進む。

ステップＳ１２０において、ＥＣＵ５０は、エアバイパスバルブ２４が開弁中であるか否かを判定する。具体的には、上述したエアバイパスバルブ制御手段におけるＥＣＵ５０のエアバイパスバルブ２４への指示内容に基づいて判定できる。開弁指示の場合にはステップＳ１３０の処理に進む。

ステップＳ１３０において、ＥＣＵ５０は、ＥＧＲバルブ３２を開弁させる。すなわち、ステップＳ１１０におけるＥＧＲバルブ３２の閉弁指示に優先してＥＧＲバルブ３２を開弁する。好ましくは、ＥＧＲバルブ３２の開度を運転条件に応じて予め定められたバルブ開度の制御目標値よりも高める。

その後、ステップＳ１４０において、エアバイパスバルブ制御手段により、ＥＣＵ５０は、コンプレッサ１８ａ下流の圧力が低下するとエアバイパスバルブ２４が閉弁させ、同時にＥＧＲバルブ３２を閉弁させる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、エアバイパスバルブ２４を電子制御式としているが、これに限定されるものではない。例えば、ダイヤフラム式であっても良い。この場合、エアバイパスバルブ２４の開閉状態は、運転領域、コンプレッサ１８ａの回転状態、スロットル開度、圧力センサ５６の検出値等に関連するマップやモデルを用いて推定可能である。

本発明が適用されるエンジンは、火花点火式のエンジンに限らず、圧縮自着火式のエンジンであっても良い。

尚、上述した実施の形態１においては、過給機１８が前記第１の発明における「過給機」に、エアバイパス通路２２が前記第１の発明における「エアバイパス通路」に、エアバイパスバルブ２４が前記第１の発明における「エアバイパスバルブ」に、低圧ＥＧＲ通路２８が前記第１の発明における低圧ＥＧＲ通路に、ＥＧＲバルブ３２が前記第１の発明における「ＥＧＲバルブ」に、ＥＧＲクーラ３０が前記第３の発明における「ＥＧＲクーラ」に、それぞれ相当している。
また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上述したエアバイパスバルブ制御手段を実行することにより前記第１の発明における「エアバイパスバルブ制御手段」が、上記ステップＳ１２０〜Ｓ１４０の処理を実行することにより前記第１の発明における「ＥＧＲバルブ制御手段」が、それぞれ実現されている。

１０ エンジン
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
１８、１８ａ、１８ｂ 過給機、コンプレッサ、タービン
２２ エアバイパス通路
２４ エアバイパスバルブ
２６ スロットル
２８ 低圧ＥＧＲ通路
３０ ＥＧＲクーラ
３２ ＥＧＲバルブ
５０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に配置されたタービンと吸気通路に配置されたコンプレッサとを有する過給機と、
   前記コンプレッサ下流の吸気通路と上流の吸気通路とを接続し、前記コンプレッサを迂回するエアバイパス通路と、
   前記エアバイパス通路内に設けられたエアバイパスバルブと、
   前記タービン下流の排気通路と前記コンプレッサ上流の吸気通路とを接続する低圧ＥＧＲ通路と、
   前記低圧ＥＧＲ通路内に設けられたＥＧＲバルブと、
   前記コンプレッサのサージングを抑制すべき運転状態の間、前記エアバイパスバルブを開弁するエアバイパスバルブ制御手段と、
   前記エアバイパスバルブ制御手段による前記エアバイパスバルブの開弁に応じて、前記ＥＧＲバルブを開弁し、その後、前記エアバイパスバルブの閉弁に応じて前記ＥＧＲバルブを閉弁するＥＧＲバルブ制御手段と、
   を備えることを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。
2. 前記コンプレッサのサージングを抑制すべき運転状態は、過給領域での機関減速中であり、
   前記ＥＧＲバルブ制御手段は、前記エアバイパスバルブ制御手段による前記エアバイパスバルブの開弁後に前記ＥＧＲバルブを開弁し、その後、前記エアバイパスバルブの閉弁と同時に前記ＥＧＲバルブを閉弁すること、
   を特徴とする請求項１記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
3. 前記ＥＧＲバルブ上流の前記低圧ＥＧＲ通路内に配置されたＥＧＲクーラ、
   を更に備えることを特徴とする請求項１又は２記載の過給機付き内燃機関の制御装置。

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