JP6236893B2 - ターボ過給機付内燃機関の排気還流装置および排気還流方法 - Google Patents

Description

この発明は、ターボ過給機を備えた内燃機関において、非過給域と過給域との双方で排気の還流を行う排気還流装置および排気還流方法の改良に関する。

ターボ過給機付内燃機関の排気還流装置として、主に非過給域での排気還流を行う高圧排気還流装置と、主に過給域での排気還流を行う低圧排気還流装置と、を備えた構成が知られている。特許文献１に開示されているように、高圧排気還流装置は、一般に、排気通路の排気タービン上流側から吸気通路のスロットル弁下流側（スロットル弁はコンプレッサ下流側に位置する）へ排気を還流するように構成されており、また低圧排気還流装置は、排気タービン下流側からコンプレッサ上流側へ排気を還流するように構成されている。

また、特許文献２は、排気タービン下流側からコンプレッサ上流側へ排気を還流する排気還流装置において、目標ＥＧＲ率が低下する機関減速時に、排気還流の応答遅れに起因した失火などを回避するために、吸気通路のコンプレッサ下流側から排気通路へ還流排気を含む空気の一部を排出するバイパス排出路を設けることが開示されている。

特開２０１２−１２２４３０号公報 特開２０１２−６７６０９号公報

特許文献２のように、単に吸気通路側から排気系へ還流排気の一部を逃がすために専用のバイパス排出路を設けた構成では、構成の複雑化ならびに部品点数の増加を伴い、好ましくない。

一方、特許文献１のように、高圧排気還流装置用のＥＧＲ通路がスロットル弁下流側に接続されている構成では、このＥＧＲ通路を、逆に還流排気を排気系へ排出するための通路として利用することはできず、制御の自由度が低い。

この発明に係るターボ過給機付内燃機関の排気還流装置は、
排気通路に介在する排気タービンと吸気通路のスロットル弁上流側に介在するコンプレッサとを含むターボ過給機を備えてなるターボ過給機付内燃機関において、
上記排気通路の排気タービン下流側から上記吸気通路のコンプレッサ上流側へ排気を還流する第１ＥＧＲ通路と、
この第１ＥＧＲ通路に設けられた第１ＥＧＲ制御弁と、
上記排気通路の排気タービン上流側もしくは下流側から上記吸気通路のコンプレッサとスロットル弁との間に排気を還流する第２ＥＧＲ通路と、
この第２ＥＧＲ通路に設けられた第２ＥＧＲ制御弁と、
上記吸気通路の上記第２ＥＧＲ通路との接続点より上流側でかつ上記コンプレッサよりも下流側の位置に設けられた、通路断面積を連続的に可変制御可能な上流側吸気制御弁と、
を備えている。

このような構成では、例えば、過給域では第１ＥＧＲ通路を通して排気タービン下流側からコンプレッサ上流側へ排気を還流することができ、非過給域では第２ＥＧＲ通路を通してスロットル弁上流側へ排気を還流することができる。特に、必要に応じて上流側吸気制御弁の開度を適宜に制限することで、新気量を相対的に少なくし、第２ＥＧＲ通路を通して導入される排気還流量を増大させることが可能である。また、第２ＥＧＲ通路がスロットル弁上流側に接続されているので、例えば、過給域からの減速時に、第２ＥＧＲ制御弁を開くことで、還流排気を含む空気を第２ＥＧＲ通路を通して逆に排気系に排出することが可能となる。

この発明によれば、主に非過給域での排気還流を行う第２ＥＧＲ通路がスロットル弁上流側に接続されているとともに、その接続点よりも上流側に上流側吸気制御弁を配置したので、制御の自由度が増大し、例えば、第２ＥＧＲ通路を排気還流の吸気系への導入と還流排気を含む空気の吸気系からの排出との双方に利用することが可能となる。

この発明に係る排気還流装置の第１実施例を示す構成説明図。 排気還流を行う運転領域を示す説明図。 加速時および減速時の動作を説明するタイムチャート。 加速時における還流排気の流れを示す説明図。 減速時における還流排気の流れを示す説明図。 この発明に係る排気還流装置の第２実施例を示す構成説明図。 この発明に係る排気還流装置の第３実施例を示す構成説明図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る排気還流装置の第１実施例を示す構成説明図であって、例えば４ストロークサイクルの火花点火ガソリン機関からなる内燃機関１の排気通路２には、ターボ過給機３の排気タービン４が配置されており、この排気タービン４の下流側に、例えば三元触媒を用いた触媒コンバータ６が配置されている。排気通路２のさらに下流側には、図示せぬ排気消音器が設けられており、該排気消音器を介して排気通路２は外部へ開放されている。なお、内燃機関１は、例えば直噴型の構成であり、シリンダ内に燃料を噴射する図示せぬ燃料噴射弁を各気筒毎に備えている。この燃料噴射弁における燃料噴射量は、排気通路２の排気タービン４下流に配置された空燃比センサ７の検出信号に基づき、エンジンコントロールユニット８によってフィードバック制御されている。

内燃機関１の吸気通路１０には、上記ターボ過給機３のコンプレッサ５が配置されており、このコンプレッサ５よりも下流側に、吸入空気量を制御する電子制御型のスロットル弁１１が配置されている。このスロットル弁１１は、コレクタ部１０ａの入口部に位置し、このコレクタ部１０ａよりも下流側では、吸気通路１０は、吸気マニホルドとして各気筒毎に分岐している。また、上記スロットル弁１１の上流側に、通路断面積を連続的に可変制御可能な上流側吸気制御弁１２が配置されている。つまり、内燃機関１とコンプレッサ５との間における吸気通路１０に、スロットル弁１１と上流側吸気制御弁１２とが直列に配置されている。上記スロットル弁１１によって可変的に調節された吸入空気量Ｑａは、吸気通路１０のコンプレッサ５上流側に配置されたエアフロメータ１３によって検出され、この検出信号は、エンジンコントロールユニット８に入力されている。

排気還流装置の一部を構成する第１ＥＧＲ通路１５は、排気通路２の触媒コンバータ６下流側から分岐しており、その先端が、吸気通路１０のコンプレッサ５上流側に接続されている。この第１ＥＧＲ通路１５には、エンジンコントロールユニット８によって開度が可変制御される第１ＥＧＲ制御弁１６が介装されており、さらに、その上流側にＥＧＲガスクーラ１７が介装されている。同じく排気還流装置の一部を構成する第２ＥＧＲ通路１８は、排気通路２の排気タービン４上流側から分岐しており、その先端が、吸気通路１０のスロットル弁１１と上流側吸気制御弁１２との間に接続されている。この第２ＥＧＲ通路１８には、エンジンコントロールユニット８によって開度が可変制御される第２ＥＧＲ制御弁１９が介装されている。

上記エンジンコントロールユニット８には、さらに、運転者によって操作される図示せぬアクセルペダルの開度ＡＰＯ（踏込量）を検出するアクセル開度センサ２１の検出信号、内燃機関１の回転速度Ｎｅを示すクランク角センサ２２の検出信号、などの種々のセンサ類の検出信号が入力されている。上記スロットル弁１１の開度および上記上流側吸気制御弁１２の開度は、第１，第２ＥＧＲ制御弁１６，１９とともに、エンジンコントロールユニット８によって制御される。

上記のように構成された排気還流装置においては、過給域では主に第１ＥＧＲ通路１５および第１ＥＧＲ制御弁１６を介して排気還流が行われ、非過給域では主に第２ＥＧＲ通路１８および第２ＥＧＲ制御弁１９を介して排気還流が行われる。図２は、内燃機関１のトルクと回転速度とをパラメータとした運転領域を示しており、図中に符号Ｐ０でもって示す線は、コレクタ部１０ａ内の過給圧が大気圧となる運転条件である。従って、この線Ｐ０よりも下側は、コレクタ部１０ａ内が負圧となる非過給域、線Ｐ０よりも上側は、コレクタ部１０ａ内が正圧となる過給域である。一点鎖線で囲んだ「ＥＧＲ１」として示す領域は、第１ＥＧＲ通路１５を通して過給を行う領域を示しており、この領域内に予め運転条件に対応して割り付けられた目標ＥＧＲ率に沿って、第１ＥＧＲ制御弁１６の開度が制御される。また、二点鎖線で囲んだ「ＥＧＲ２」として示す領域は、第２ＥＧＲ通路１８を通して過給を行う領域を示しており、この領域内に予め運転条件に対応して割り付けられた目標ＥＧＲ率に沿って、第２ＥＧＲ制御弁１９の開度が制御される。図示するように、第１ＥＧＲ通路１５によるＥＧＲ領域ＥＧＲ１が、過給域にほぼ対応し、第２ＥＧＲ通路１８によるＥＧＲ領域ＥＧＲ２が、非過給域にほぼ対応しているが、両者の境界付近つまり線Ｐ０の付近では、２つの領域が重なりあっており、つまり切換時には両者が過渡的に併用されるようになっている。

領域ＥＧＲ１において第１ＥＧＲ制御弁１６が開であると、排気は、触媒コンバータ６下流側から吸気通路１０のコンプレッサ５上流側に還流される。従って、コンプレッサ５下流の過給圧が高い正圧であっても、十分な量の排気還流が可能である。

一方、領域ＥＧＲ２において第２ＥＧＲ制御弁１９が開であると、排気は、排気通路２の排気タービン４上流側から吸気通路１０のスロットル弁１１と上流側吸気制御弁１２との間に還流される。このとき、上流側吸気制御弁１２が全開であればスロットル弁１１上流側は基本的に大気圧であるが、排気通路２側との間には多少の圧力差が存在するので、ＥＧＲ通路１８を通した排気還流が可能である。さらに、目標とする排気還流率が比較的高い領域では、上流側吸気制御弁１２の開度を適宜な中間開度に制御することで、該上流側吸気制御弁１２とスロットル弁１１との間の圧力を負圧とし、排気還流量の増大を図ることも可能である。

次に、図３のタイムチャートおよび図４，図５を参照して、上記排気還流装置の機関減速時および機関加速時における動作について説明する。

図３の時間ｔ１〜ｔ２は、（ｃ）に示すように、スロットル弁１１の開度が急激に増加した機関加速時、特に、図２における排気還流率が０の低負荷領域あるいは非過給・排気還流域である領域ＥＧＲ２から過給・排気還流域である領域ＥＧＲ１へ移行する態様の加速時の動作を示している。

このような加速時には、時間ｔ１まで全閉であった第１ＥＧＲ制御弁１６が、運転条件の移行に伴って目標ＥＧＲ率に対応した開度まで開くこととなるが、この第１ＥＧＲ制御弁１６によって導入される還流排気は、コンプレッサ５の上流側からコンプレッサ５を経由し、さらにはコンプレッサ５とコレクタ部１０ａとの間の吸気通路１０を流れて内燃機関１の燃焼室へ向かうので、比較的応答性が低く、図３（ｂ）に実線（比較例）で示すように、排気還流率の立ち上がりが遅れ易い。そのため、加速時に排気還流が不十分となってノッキングが生じる懸念がある。

このような加速時の排気還流の不足を補うために、上記実施例では、図３（ｅ）に示すように、加速と同時に、第２ＥＧＲ通路１８における第２ＥＧＲ制御弁１９が全開となり、かつ、（ｆ）に示すように、上流側吸気制御弁１２が適宜な中間開度となる。これにより、図４に矢印でガス流れを示すように、第１ＥＧＲ通路１５を通した排気還流の開始と同時に、第２ＥＧＲ通路１８を通した排気還流が行われる。特に、上流側吸気制御弁１２によって新気の導入が制限されることで、第２ＥＧＲ通路１８を通した排気還流量が増大する。この結果、図２（ｂ）に破線で示すように、排気還流率が速やかに立ち上がり、加速初期から適切な排気還流率を得ることができる。従って、例えば排気還流の不足による加速時のノッキング発生を回避できる。

なお、図２に示す上流側吸気制御弁１２の開度は、第１ＥＧＲ通路１５および第１ＥＧＲ制御弁１６による排気還流の不足分を補うように、加速の態様などに応じて設定されるが、少なくともそのときの吸入空気量Ｑａに対応した最小開度以上の開度に保たれる。

また、図３の時間ｔ３〜ｔ４は、（ｃ）に示すように、スロットル弁１１の開度が急激に減少した機関減速時、特に、図２における過給・排気還流域である領域ＥＧＲ１から排気還流率が０の低負荷領域へ移行する態様の減速時の動作を示している。

このような減速時には、時間ｔ３まである開度にあった第１ＥＧＲ制御弁１６が、減速に伴って全閉となるのであるが、前述したように第１ＥＧＲ制御弁１６の開度変化に対する燃焼室側での排気還流の応答性は低い。従って、（ａ）に示す新気量（吸入空気量Ｑａ）の減少に伴って、排気還流率としては図３（ｂ）に実線（比較例）で示すように、逆に過渡的に上昇してしまう。そのため、減速時に排気還流が過多となって失火が生じる懸念がある。

このような減速時の過大な排気還流を回避するために、上記実施例では、図３（ｅ）に示すように、減速と同時に、第２ＥＧＲ通路１８における第２ＥＧＲ制御弁１９が全開となる。また、上流側吸気制御弁１２は、（ｆ）のように全開状態に保持する。これにより、図５にガス流れを示すように、第１ＥＧＲ制御弁１６とスロットル弁１１との間に残存していた還流排気を含む空気が、第２ＥＧＲ通路１８を逆流する形で排気通路２へと排出される。従って、（ｂ）に破線で示すようにＥＧＲ率が速やかに低下し、過大な排気還流による失火を抑制することができる。

なお、上記のように第２ＥＧＲ通路１８を通して吸気通路１０から新気の一部が排気通路２へ混入すると、排気通路２の触媒コンバータ６上流側に設けられた空燃比センサ７が影響を受け、正しい空燃比フィードバック制御が行えない。従って、減速開始から新気の影響が残る間は、空燃比制御をオープンループ制御に切り換え、かつ排気通路２側に流入する新気の量を考慮して燃料噴射量を制御することが望ましい。

次に、図６は、本発明の排気還流装置の第２実施例を示している。この第２実施例では、第２ＥＧＲ通路１８が第１ＥＧＲ通路１５の途中から分岐しており、詳しくは、第１ＥＧＲ通路１５のＥＧＲガスクーラ１７と第１ＥＧＲ制御弁１６との間から第２ＥＧＲ通路１８が分岐している。この第２ＥＧＲ通路１８の先端は、前述した第１実施例と同様に、吸気通路１０のスロットル弁１１と上流側吸気制御弁１２との間に接続されており、かつ通路途中には、第２ＥＧＲ制御弁１９が介装されている。

この実施例においても、第２ＥＧＲ制御弁１９を含む各弁は、前述した第１実施例と同様に制御される。つまり、図３と基本的に変わらない動作が得られる。なお、この実施例においては、減速時に第２ＥＧＲ通路１８を逆流した還流排気を含む新気が空燃比センサ７に影響しない。従って、排気系に流入する新気量を考慮した空燃比制御は特に必要ではない。

次に、図７は、本発明の排気還流装置の第３実施例を示している。この第３実施例は、第２実施例と同様の第２ＥＧＲ通路１８の構成を有しており、さらに、排気通路２の第１ＥＧＲ通路１５の分岐点よりも下流側に、排気通路２の通路断面積を可変制御する排圧制御弁３１を備えている。この排圧制御弁３１は、通常運転時には基本的に開いており、図３で説明したような態様の加速時には、図３（ｇ）に示すように、適宜な中間開度まで閉じられる。これにより、該排圧制御弁３１より上流側の排気通路２の圧力が高くなり、排気還流量が増えるとともに、特に、第２ＥＧＲ通路１８を通した排気還流の立ち上がりがより早くなる。なお、図３の（ａ）〜（ｆ）の特性は、第３実施例についても基本的に変わりはない。また、この第３実施例においても、第２実施例と同様に、減速時に空燃比センサ７への新気の影響はない。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されず、種々の変更が可能である。また、図３の減速の例では、排気還流率が０となる低負荷域まで減速した場合の例を説明したが、図２に示す領域ＥＧＲ１から領域ＥＧＲ２まで減速した場合においても同様に第２ＥＧＲ通路１８を通した還流排気の排出が可能である。この場合は、減速の初期に第２ＥＧＲ制御弁１９が全開となり、残存した還流排気の影響がなくなった後は、目標ＥＧＲ率に対応した中間開度に第２ＥＧＲ制御弁１９が制御されることとなる。

１…内燃機関
２…排気通路
３…ターボ過給機
４…排気タービン
５…コンプレッサ
１１…スロットル弁
１２…上流側吸気制御弁
１５…第１ＥＧＲ通路
１６…第１ＥＧＲ制御弁
１８…第２ＥＧＲ通路
１９…第２ＥＧＲ制御弁

Claims (6)

1. 排気通路に介在する排気タービンと吸気通路のスロットル弁上流側に介在するコンプレッサとを含むターボ過給機を備えてなるターボ過給機付内燃機関において、
   上記排気通路の排気タービン下流側から上記吸気通路のコンプレッサ上流側へ排気を還流する第１ＥＧＲ通路と、
   この第１ＥＧＲ通路に設けられた第１ＥＧＲ制御弁と、
   上記排気通路の排気タービン上流側もしくは下流側から上記吸気通路のコンプレッサとスロットル弁との間に排気を還流する第２ＥＧＲ通路と、
   この第２ＥＧＲ通路に設けられた第２ＥＧＲ制御弁と、
   上記吸気通路の上記第２ＥＧＲ通路との接続点より上流側でかつ上記コンプレッサよりも下流側の位置に設けられた、通路断面積を連続的に可変制御可能な上流側吸気制御弁と、
   を備えてなるターボ過給機付内燃機関の排気還流装置。
2. スロットル弁開度が増加する機関加速時に、上記第２ＥＧＲ制御弁を開くとともに、上記上流側吸気制御弁の開度を縮小して、上記第２ＥＧＲ通路からの排気還流量を増大させることを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機付内燃機関の排気還流装置。
3. スロットル弁開度が減少する機関減速時に、上記第１ＥＧＲ制御弁を閉じるとともに、上記第２ＥＧＲ制御弁を開いて、コンプレッサ下流側から上記第２ＥＧＲ通路を通して上記排気通路へ排気を含む新気を戻すことを特徴とする請求項１または２に記載のターボ過給機付内燃機関の排気還流装置。
4. 上記排気通路において上記第２ＥＧＲ通路との接続点よりも下流側に空燃比センサを有する構成において、空燃比制御を、上記第２ＥＧＲ通路を通して排気系に流入する新気を考慮したオープンループ制御に切り換える手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載のターボ過給機付内燃機関の排気還流装置。
5. 排気通路に介在する排気タービンと吸気通路のスロットル弁上流側に介在するコンプレッサとを含むターボ過給機を備えてなるターボ過給機付内燃機関において、
   過給域では、上記排気通路の排気タービン下流側から上記吸気通路のコンプレッサ上流側へ至る第１ＥＧＲ通路を通して排気を還流するとともに、
   非過給域では、上記排気通路の排気タービン上流側もしくは下流側から上記吸気通路のコンプレッサとスロットル弁との間に至る第２ＥＧＲ通路を通して排気を還流し、
   スロットル弁開度が増加する機関加速時には、上記吸気通路の上記第２ＥＧＲ通路との接続点より上流側でかつ上記コンプレッサよりも下流側の位置において新気の導入を制限し、上記第２ＥＧＲ通路からの排気還流量を増大させる、ことを特徴とするターボ過給機付内燃機関の排気還流方法。
6. 排気通路に介在する排気タービンと吸気通路のスロットル弁上流側に介在するコンプレッサとを含むターボ過給機を備えてなるターボ過給機付内燃機関において、
   過給域では、上記排気通路の排気タービン下流側から上記吸気通路のコンプレッサ上流側へ至る第１ＥＧＲ通路を通して排気を還流するとともに、
   非過給域では、上記排気通路の排気タービン上流側もしくは下流側から上記吸気通路のコンプレッサとスロットル弁との間に至る第２ＥＧＲ通路を通して排気を還流し、
   スロットル弁開度が減少する機関減速時には、上記第１ＥＧＲ通路における第１ＥＧＲ制御弁を閉じるとともに、上記第２ＥＧＲ通路における第２ＥＧＲ制御弁を開いて、コンプレッサ下流側から上記第２ＥＧＲ通路を通して上記排気通路へ排気を含む新気を戻す、ことを特徴とするターボ過給機付内燃機関の排気還流方法。

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