JP2016125366A

JP2016125366A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2016125366A
Application number: JP2014264510A
Authority: JP
Inventors: 毅芹澤; Takeshi Serizawa; 清貴若狹; Kiyotaka Wakasa; 拓真大芝; Takuma Oshiba
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2016-07-11
Anticipated expiration: 2034-12-26
Also published as: JP6558896B2

Abstract

【課題】排気ターボ過給機が付帯した内燃機関の燃費性能のより一層の向上を図る。【解決手段】排気通路を流れる排気のエネルギを利用してタービンを回転させコンプレッサを駆動することで吸気通路を流れる吸気を加圧圧縮して気筒に送り込む排気ターボ過給機と、排気通路における前記タービンを迂回するバイパス通路を開閉するバルブと、アクセル開度が所定以下のアイドル運転領域若しくは低負荷運転領域、またはエンジン回転数が所定以下の低回転運転領域にて、前記コンプレッサの上流側の吸気圧と下流側の吸気圧との差圧が所定以下となるよう、前記バルブを操作する制御を行う制御装置とを具備する内燃機関を構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、排気ターボ過給機が付随する内燃機関に関する。

車両用の内燃機関として、排気ターボ過給機を備えたターボエンジンが公知である。排気ターボ過給機は、内燃機関の排気通路側に配置した駆動タービンと、吸気通路側に配置したコンプレッサとを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、排気が持つ残存エネルギを利用してタービンひいてはコンプレッサのインペラ（コンプレッサホイール）を回転させ、コンプレッサにポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒に送り込むことができる。

近時では、容量の相異なる二基の排気ターボ過給機を併用する２ステージターボ（シーケンシャルターボ）エンジンも開発されている（例えば、下記特許文献を参照）。直列式の２ステージターボシステムでは、比較的大容量の排気ターボ過給機と比較的小容量の排気ターボ過給機とを直列に接続し、エンジン回転数の高い運転領域において前者を用いて吸気の過給を行い、エンジン回転数の低い運転領域においては後者を用いて吸気の過給を行う。

国際公開ＷＯ２０１２／０８１０６２号パンフレット

上掲の２ステージターボエンジンでは、低速用の排気ターボ過給機のコンプレッサを迂回する吸気バイパス通路を吸気通路に設けておくことが通例である。しかしながら、高速用の排気ターボ過給機のコンプレッサを迂回する吸気バイパス通路は必ずしも設けられない。つまり、吸気通路を流れる吸気は必ず、高速用ターボ過給機のコンプレッサに流入する。一方で、高速用ターボ過給機は、排気流量の少ない低負荷または低回転の運転領域、あるいはアイドル運転中には吸気を過給する仕事をしない。従って、この高速用ターボ過給機のコンプレッサが吸気のロスを生み、燃費性能を低下させることがあった。

アイドル運転領域、低負荷運転領域または低回転運転領域における燃費性能の低下の問題は、２ステージターボエンジン特有のものではない。排気ターボ過給機を一基のみ備える内燃機関についても、同様の問題が生起し得る。

以上の問題に着目してなされた本発明は、排気ターボ過給機が付帯した内燃機関の燃費性能のより一層の向上を図ることを所期の目的とする。

本発明では、排気通路を流れる排気のエネルギを利用してタービンを回転させコンプレッサを駆動することで吸気通路を流れる吸気を加圧圧縮して気筒に送り込む排気ターボ過給機と、排気通路における前記タービンを迂回するバイパス通路を開閉するバルブと、アクセル開度が所定以下のアイドル運転領域若しくは低負荷運転領域、またはエンジン回転数が所定以下の低回転運転領域にて、前記コンプレッサの上流側の吸気圧と下流側の吸気圧との差圧が所定以下となるよう、前記バルブを操作する制御を行う制御装置とを具備する内燃機関を構成した。

内燃機関が、高速用ターボ過給機及び低速用ターボ過給機の二基の排気ターボ過給機を具備するものであり、吸気通路において、高速用ターボ過給機のコンプレッサの下流に低速用ターボ過給機のコンプレッサが存在し、排気通路において、低速用ターボ過給機のタービンの下流に高速用ターボ過給機のタービンが存在し、かつ高速用ターボ過給機のタービンを迂回するバイパス通路を開閉するバルブが存在している場合には、前記制御装置が、アクセル開度が所定以下のアイドル運転領域若しくは低負荷運転領域、またはエンジン回転数が所定以下の低回転運転領域にて、高速用ターボ過給機のコンプレッサの上流側の吸気圧と下流側の吸気圧との差圧が所定以下となるよう、前記バルブを操作する制御を行う。

本発明によれば、排気ターボ過給機が付帯した内燃機関の燃費性能のより一層の向上を図り得る。

本発明の一実施形態の車両用内燃機関の構成を示す図。同実施形態の内燃機関の運転領域と排気ターボ過給機による過給との関係を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、例えばディーゼルエンジンやＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−ＣｈａｒｇｅＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＩｇｎｉｔｉｏｎ）エンジン等のような圧縮着火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の燃焼室の天井部には、当該気筒１の燃焼室内に直接に燃料を噴射するインジェクタ１１を設置している。また、各気筒１の吸気ポート近傍に、グロープラグ（余熱プラグ）１２及びスワールコントロールバルブ１３を設けている。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、排気ターボ過給機５のコンプレッサ５１、排気ターボ過給機６のコンプレッサ６１、水冷式インタクーラ３５、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３及び吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、排気ターボ過給機６の排気タービン６２、排気ターボ過給機５の排気タービン５２及び排気浄化装置４１を配置している。排気浄化装置４１は、排気に含まれる粒子状物質（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｅｒｉａｌ）を漉し取るフィルタ（ＰｒａｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）や、有害物質の酸化または還元を促す触媒を包含する。

排気ターボ過給機５、６は、排気タービン５２、６２とコンプレッサ５１、６１のインペラとをシャフトを介して同軸で連結し、連動するように構成したものである。そして、タービン５２、６２及びコンプレッサ５１、６１のインペラを排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサにポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

本実施形態の内燃機関は、排気ターボ過給機５、６を二基備える、いわゆる２ステージターボ（シーケンシャルターボ）エンジンである。排気ターボ過給機５は、エンジン回転数が比較的高い運転領域で仕事をする高速用ターボ過給機である。他方、排気ターボ過給機６は、エンジン回転数が比較的低い運転領域で仕事をする低速用ターボ過給機である。低速用ターボ過給機６の容量は、高速用ターボ過給機５の容量と比較して小さい。

吸気通路３においては、低速用ターボ過給機６のコンプレッサ６１を迂回する吸気バイパス通路３６を設け、かつこの吸気バイパス通路３６の出口を開閉するバルブ３７を設置している。バルブ３７は、吸気バイパス通路３６を流通する吸気の流量を制御する。高速用ターボ過給機５のコンプレッサ５１を迂回する吸気バイパス通路は、存在しない。

さらに、排気通路４においても、低速用ターボ過給機６のタービン６２を迂回する排気バイパス通路４３、及び高速用ターボ過給機５のタービン５２を迂回する排気バイパス通路４４を設けており、かつこれら排気バイパス通路４３、４４のそれぞれの入口を開閉する排気バイパスバルブ４５、４６を設置している。バルブ４５は排気バイパス通路４３を流通する排気の流量を制御し、バルブ４６は排気バイパス通路４４を流通する排気の流量を制御する。排気バイパスバルブ４５、４６は、ＷＧＶ（ＷａｓｔｅＧａｔｅＶａｌｖｅ）と呼称されることもある。

バルブ３７、４６は、負圧アクチュエータ３７１、４６１を使用したＶＳＶ（ＶａｃｃｕｍＳｗｉｔｃｈｉｎｇＶａｌｖｅ）である。負圧アクチュエータ３７１、４６１はダイヤフラム式アクチュエータであり、そのダイヤフラムの一方の面には負圧及び内蔵のスプリングによる弾性付勢力が、他方の面には大気圧が加わる。負圧は、バキュームポンプ９１から供給される。バキュームポンプ９１は、一定の大きさの負圧を発生させる。ダイヤフラム式アクチュエータ３７１、４６１とバキュームポンプ９１とを接続する管路上にはそれぞれ、電磁ソレノイドバルブ３７２、４６２を設置している。ダイヤフラム式アクチュエータ３７１、４６１のダイヤフラムの一方の面に実際に作用する負圧の大きさは、電磁ソレノイドバルブ３７２、４６２の開度に応じて変化する。そして、バルブ３７、４６の開度は、ダイヤフラムの両面に作用する負圧及び大気圧の差圧と、ダイヤフラムを弾性付勢するスプリングの弾性付勢力との差に応じて変化する。つまり、電磁ソレノイドバルブ３７２、４６２の開度の操作を通じて、バルブ３７、４６の開度を操作することが可能である。

これに対し、バルブ４５は、電磁バルブであるＥＶＲＶ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶａｃｕｕｍＲｅｇｕｌａｔｉｎｇＶａｌｖｅ）である。

外部ＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２、７は、排気通路４を流れる排気の一部を吸気通路３に還流して吸気に混交せしめるものである。本実施形態の内燃機関は、ＥＧＲ装置２、７を二基備える。ＥＧＲ装置２は、いわゆる低圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における排気浄化装置４１の下流側を吸気通路３における高速用ターボ過給機５のコンプレッサ５１の上流側に連通させるＥＧＲ通路２１と、当該ＥＧＲ通路２１を開閉するＥＧＲバルブ２２とを要素に含む。ＥＧＲバルブ２２は、ＥＧＲ通路２１を流通する低圧ループＥＧＲガスの流量を制御する。

ＥＧＲ装置７は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における低速用ターボ過給機６のタービン６２の上流側を吸気通路３におけるインタクーラ３５の下流側に連通させるＥＧＲ通路７１と、当該ＥＧＲ通路７１を開閉するＥＧＲバルブ７２とを要素に含む。ＥＧＲバルブ７２は、ＥＧＲ通路７１を流通する高圧ループＥＧＲガスの流量を制御する。

加えて、排気通路４における、低圧ループＥＧＲ通路２１の接続箇所よりも下流の箇所に、排気絞りバルブ４７を設置している。低圧ループＥＧＲ通路２１が接続している吸気通路のコンプレッサ５１の上流側の圧力は、当該コンプレッサ５１による過給の度合いに応じて変動する。その結果として、低圧ループＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量が変化する。排気絞りバルブ４７は、ＥＧＲバルブ２２とともに、低圧ループＥＧＲガスの流量、ひいては気筒１に充填される吸気に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率を目標値に収束させるために機能する。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求されるエンジントルクまたは負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３のサージタンク３３内の（即ち、気筒１に流入する）吸気の温度及び圧力（過給圧）を検出する吸気温・吸気圧センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｅ、吸気通路３の最上流即ちエアクリーナ３１の下流かつ低圧ループＥＧＲ通路２１の接続箇所の上流における新気の流量及び温度を検出するエアフローメータ・新気温センサから出力される新気流量・温度信号ｆ、吸気通路３のコンプレッサ５１の下流かつコンプレッサ６１の上流における吸気の圧力（高速用ターボ過給機５による過給圧）を検出する吸気圧センサから出力される吸気圧信号ｇ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｉ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｊ、ＥＧＲバルブ２２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ７２に対して開度操作信号ｌ、ＶＳＶ３７の開閉駆動を司る電磁ソレノイドバルブ３７２に対して開度操作信号ｍ、ＥＶＲＶ４５に対して開度操作信号ｎ、ＶＳＶ４６の開閉駆動を司る電磁ソレノイドバルブ４６２に対して開度操作信号ｏ、排気絞りバルブ４７に対して開度操作信号ｐ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに、気筒１に充填される吸気（新気）量に見合った燃料噴射量を推算する。また、それとともに、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、排気ターボ過給機５、６による過給の目標過給圧等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎ、ｏ、ｐを出力インタフェースを介して印加する。

図２に、本実施形態の内燃機関の運転領域と、排気ターボ過給機５、６による過給との関係を示している。図２に関し、横軸はエンジン回転数、縦軸はエンジントルクである。アクセル開度が小さく、内燃機関が出力するエンジントルクが比較的小さい領域Ａ１（当該無過給領域Ａ１には、アクセル開度が０または０に近い閾値以下となっているアイドル運転状態が含まれる）では、排気通路４を流れる排気の流量が小さく、排気ターボ過給機５、６が殆どないし全く仕事をしない。よって、ＥＣＵ０は、ＶＳＶ３７、４６及びＥＶＲＶ４５をそれぞれ開弁し、バイパス通路３６、４３、４４を開通させて内燃機関のポンピングロスをできる限り低減する。このとき、ＥＣＵ０は、吸気圧信号ｇを参照して知得される、コンプレッサ５１の下流かつコンプレッサ６１の上流の吸気圧が目標吸気圧に収束するよう、ＶＳＶ４６の開度をフィードバック制御する。その目標吸気圧は、大気圧信号ｅを参照して知得される大気圧またはその近傍の値に設定することが好ましい。さすれば、吸気通路３における、高速用ターボ過給機５のコンプレッサ５１によるロスが小さくなり、燃費性能の向上に寄与し得る。

アクセル開度がある程度以上大きく、エンジントルクもある程度以上大きいが、エンジン回転数が比較的低い領域Ａ２では、低速用ターボ過給機６による過給を行う。当該領域Ａ２において、ＥＣＵ０は、ＶＳＶ３７を全閉して吸気バイパス通路３６を閉鎖し、吸気通路３を流れる吸気を全てコンプレッサ６１に流入させる。それとともに、ＥＶＲＶ４５を全閉するかその開度を絞り、排気通路４を流れる排気を十分にタービン６２に流入させる。このとき、吸気温・吸気圧信号ｄを参照して知得される吸気圧を目標過給圧に追従させるよう、ＥＶＲＶ４５の開度をフィードバック制御してもよい。加えて、ＥＣＵ０は、吸気圧信号ｇを参照して知得される、コンプレッサ５１の上流かつコンプレッサ６１の下流の吸気圧が目標吸気圧に収束するように、ＶＳＶ４６の開度をフィードバック制御する。その目標吸気圧は、大気圧信号ｅを参照して知得される大気圧またはその近傍の値に設定することが好ましい。さすれば、低速用ターボ過給機６のコンプレッサ６１の入口側が負圧とならず、気筒１に充填される吸気の過給が効率化する上、高速用ターボ過給機５のコンプレッサ５１によるロスが小さくなり、燃費性能の向上に寄与し得る。

アクセル開度がある程度以上大きく、エンジントルクもある程度以上大きく、エンジン回転数が比較的高い領域Ａ４では、高速用ターボ過給機５による過給を行う。当該領域Ａ４において、ＥＣＵ０は、ＶＳＶ３７及びＥＶＲＶ４５を開弁してバイパス通路３６、４３を開通させる。その上で、ＶＳＶ４６を全閉するかその開度を絞り、排気通路４を流れる排気を十分にタービン５２に流入させる。このとき、吸気温・吸気圧信号ｄを参照して知得される吸気圧、及び／または、吸気圧信号ｇを参照して知得されるコンプレッサ５１の上流かつコンプレッサ６１の下流の吸気圧を目標過給圧に追従させるように、ＶＳＶ４６の開度をフィードバック制御する。

なお、当該領域Ａ４では、低速用ターボ過給機６による過給を行わないが、コンプレッサ６１及びタービン６２の回転は、過回転とならない程度の回転数（例えば、１０００００ｒｐｍ程度）に維持する必要がある。これは、低速用ターボ過給機６の軸受のシールが軸の回転を前提としており、コンプレッサ６１及びタービン６２の回転が衰えまたは止まってしまうと潤滑油漏れが起こる（吸気バイパス通路３６が開通しており、コンプレッサ５１の入口側が負圧の状態になると潤滑油が吸われてしまう）ことによる。そのために、ＥＣＵ０は、ＶＳＶ３７の開度をできる限り大きく開いておく一方で、ＥＶＲＶ４５の開度を、コンプレッサ６１及びタービン６２の回転数が所定回転数またはその近傍の範囲に維持されるように、やや絞る操作をする。

アクセル開度がある程度以上大きく、エンジントルクもある程度以上大きく、エンジン回転数が中程度の領域Ａ３は、上述の低速ターボ領域Ａ２と高速ターボ領域Ａ４との間の過渡領域である。この過渡領域Ａ３においては、低速用ターボ過給機６及び高速用ターボ過給機５の両方による過給を行う。低速ターボ領域Ａ２から高速ターボ領域Ａ４へと遷移する過程では、エンジン回転数が上昇するにつれて、ＶＳＶ３７及びＥＶＲＶ４５のそれぞれの開度が略全閉から略全開に向かうように徐々に拡大してゆく。このとき、ＥＣＵ０は、吸気温・吸気圧信号ｄを参照して知得される吸気圧を目標過給圧に追従させるよう、ＥＶＲＶ４５の開度をフィードバック制御する。翻って、ＶＳＶ４６の開度は、エンジン回転数が上昇するにつれて徐々に縮小してゆく。ＥＣＵ０は、吸気圧信号ｇを参照して知得される、コンプレッサ５１の上流かつコンプレッサ６１の下流の吸気圧を目標過給圧に追従させるよう、ＶＳＶ４６の開度をフィードバック制御する。

本実施形態では、排気通路４を流れる排気のエネルギを利用してタービン５２を回転させコンプレッサ５１を駆動することで吸気通路３を流れる吸気を加圧圧縮して気筒１に送り込む排気ターボ過給機５と、排気通路４における前記タービン５１を迂回するバイパス通路４４を開閉するバルブ４６と、アクセル開度が所定以下のアイドル運転領域若しくは低負荷運転領域、またはエンジン回転数が所定以下の低回転運転領域（無過給領域Ａ１、低速ターボ領域Ａ２）にて、前記コンプレッサ５１の上流側の吸気圧（大気圧信号ｅを参照して知得される大気圧）と下流側の吸気圧（吸気圧信号ｇを参照して知得される吸気圧）との差圧が所定以下となるように前記バルブ４６を操作する制御を行う制御装置０とを具備する内燃機関を構成した。

本実施形態によれば、アイドル運転領域、低負荷運転領域または低回転運転領域において、高速用ターボ過給機５のコンプレッサ５１が吸気のロスを生み燃費性能を低下させる問題を緩和ないし解消することができる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。特に、本発明の適用対象は、２ステージターボエンジンには限定されない。即ち、内燃機関が具備する排気ターボ過給機は、一基でもよい。その場合の内燃機関の構造は、図１に示した内燃機関から排気ターボ過給機６、バイパス通路３６、４３及びバルブ３７、４５を省いたようなものとなる。その上で、アイドル運転領域、低負荷運転領域または低回転運転領域において、制御装置たるＥＣＵ０が、コンプレッサ５１の上流側の吸気圧と下流側の吸気圧との差圧が所定以下となるようにバルブ４６を操作する制御を実施する。

コンプレッサ５１の上流側の吸気圧と下流側の吸気圧との差圧が所定以下となるようにバルブ４６を操作する制御は、アイドル運転中及びアイドル運転に近い低負荷低回転の運転領域に限って行うようにしてもよい。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
３…吸気通路
４…排気通路
４４…排気バイパス通路
４６…バルブ（ＶＳＶ）
５…高速用排気ターボ過給機
５１…コンプレッサ
５２…タービン
６…低速用排気ターボ過給機
６１…コンプレッサ
６２…タービン

Claims

排気通路を流れる排気のエネルギを利用してタービンを回転させコンプレッサを駆動することで吸気通路を流れる吸気を加圧圧縮して気筒に送り込む排気ターボ過給機と、
排気通路における前記タービンを迂回するバイパス通路を開閉するバルブと、
アクセル開度が所定以下のアイドル運転領域若しくは低負荷運転領域、またはエンジン回転数が所定以下の低回転運転領域にて、前記コンプレッサの上流側の吸気圧と下流側の吸気圧との差圧が所定以下となるよう、前記バルブを操作する制御を行う制御装置と
を具備する内燃機関。
高速用ターボ過給機及び低速用ターボ過給機の二基の排気ターボ過給機を具備するものであり、
吸気通路において、高速用ターボ過給機のコンプレッサの下流に低速用ターボ過給機のコンプレッサが存在し、
排気通路において、低速用ターボ過給機のタービンの下流に高速用ターボ過給機のタービンが存在し、かつ高速用ターボ過給機のタービンを迂回するバイパス通路を開閉するバルブが存在しており、
前記制御装置が、アクセル開度が所定以下のアイドル運転領域若しくは低負荷運転領域、またはエンジン回転数が所定以下の低回転運転領域にて、高速用ターボ過給機のコンプレッサの上流側の吸気圧と下流側の吸気圧との差圧が所定以下となるよう、前記バルブを操作する制御を行う内燃機関。