内燃機関の過給制御装置
【課題】内燃機関の過給制御装置に関し、簡素な構成でエネルギー効率を向上させる。
【解決手段】過給機１５のコンプレッサー１５ａを内燃機関１０の吸気通路１２に介装し、タービン１５ｂを排気通路１１に介装する。排気通路１１におけるタービン１５ｂよりも上流側１１ａと下流側１１ｂとを接続するバイパス通路１を設け、コンプレッサー１５ａの過給圧に応じてバイパス通路１を開閉するウェストゲート弁２を、バイパス通路１上に介装する。
また、ウェストゲート弁２よりもバイパス通路１の下流側に、排気圧を蓄圧する蓄圧器６を接続する。さらに、蓄圧器６とタービン１５ｂの上流側１１ｃとを還流通路８で接続し、出力要求に応じて還流通路８を開閉する還流弁９を還流通路８上に介装する。
【解決手段】過給機１５のコンプレッサー１５ａを内燃機関１０の吸気通路１２に介装し、タービン１５ｂを排気通路１１に介装する。排気通路１１におけるタービン１５ｂよりも上流側１１ａと下流側１１ｂとを接続するバイパス通路１を設け、コンプレッサー１５ａの過給圧に応じてバイパス通路１を開閉するウェストゲート弁２を、バイパス通路１上に介装する。
また、ウェストゲート弁２よりもバイパス通路１の下流側に、排気圧を蓄圧する蓄圧器６を接続する。さらに、蓄圧器６とタービン１５ｂの上流側１１ｃとを還流通路８で接続し、出力要求に応じて還流通路８を開閉する還流弁９を還流通路８上に介装する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に搭載された過給機の動作を制御する過給制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、排気圧を利用して内燃機関に過給を実施するターボチャージャーが広く利用されている。一般的なターボチャージャーでは、吸入空気を圧縮して気筒内に圧送するためのコンプレッサーが吸気通路内に設けられるとともに、排気通路内に排気圧を受けて回転するタービンが設けられる。タービンの回転軸はコンプレッサーの回転軸に対して接続され、タービンの回転力がコンプレッサーの駆動力として利用される。排気圧を利用して吸入空気量を増大させることで、燃費性を損なうことなく内燃機関の出力を向上させることが可能となる。
【０００３】
一方、ターボチャージャーの回転数を制御することで過給圧を調整する技術も知られている。例えば、特許文献１に示すように、タービンの上流側の排気通路と下流側の排気通路と接続するバイパス通路を設け、内燃機関の運転状況に応じて排気の流通経路を変更することで過給圧を増減させる技術が存在する。
【０００４】
この技術では、開度を変更可能なウェストゲートバルブがバイパス通路に介装され、ウェストゲートバルブの開度が吸気通路内の過給圧に応じて制御される。ウェストゲートバルブの開度を増大させるとタービンを迂回してバイパス通路から排出される排気流量が増大するため、タービンの回転数が低下し、これに応じてコンプレッサーによる過給圧も低下する。また、ウェストゲートバルブの開度を減少させるとタービンに導入される排気流量が増加するため、タービンの回転数が上昇し、過給圧も上昇する。このように、ウェストゲートバルブの開度制御によりタービンの回転数を変化させることができ、内燃機関からの排気流量や排気圧が一定であったとしても過給圧を変化させることができる。
【０００５】
また、特許文献２に示すように、ウェストゲートバルブによる過給圧の制御に加えて、電動モーターを用いてコンプレッサーの駆動力をアシストすることで過給圧を増減制御する技術も開発されている。電動モーターは、例えばコンプレッサーとタービンとを接続する回転軸に介装され、タービンからの駆動力と電動モーターの駆動力とをともにコンプレッサーへ伝達可能となるように構成される。タービンの回転数が排気の流通状態に依存するものであるのに対し、電動モーターの回転数は排気の流通状態に依存しない。したがって、タービンの駆動力が不足するような場合に電動モーターを駆動することにより、安定した過給圧を確保することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１４４５７５号公報
【特許文献２】特開２００８−７５５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ウェストゲートバルブを備えた従来のターボチャージャーの制御では、ウェストゲートバルブの開放によって排気圧がタービンの下流側へ廃棄されるため、排気された排気中のエネルギーを回収することができない。つまり、その分のエネルギーを損失することになり、燃費性の面で改善の余地がある。
また、車両に搭載された内燃機関の過給制御では、車両の発進加速時や低回転高負荷での運転時に大きな過給圧が要求される場合がある。一方、内燃機関からの排気流量や排気圧が十分に大きくなっていない運転状態では、大きな過給圧を確保することができない。この点、特許文献２に記載のように、コンプレッサーに電動モーターを併設することで過給圧を確保することも考えられるものの、装置構成が複雑化し、製造コストが上昇してしまう。
【０００８】
本件は、上記のような課題に鑑み創案されたもので、簡素な構成でエネルギー効率を向上させることができるようにした、内燃機関の過給制御装置を提供することを目的とする。
なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）ここで開示する内燃機関の過給制御装置は、内燃機関の吸気通路に介装されたコンプレッサーと排気通路に介装されたタービンとを有する過給機の動作を制御する過給制御装置であって、前記タービンよりも前記排気通路の上流側と下流側とを接続するバイパス通路と、前記バイパス通路上に介装され、前記コンプレッサーの過給圧に応じて前記バイパス通路を開閉するウェストゲートバルブを備える。
また、前記ウェストゲートバルブよりも前記バイパス通路の下流側に接続され、排気圧を蓄圧する蓄圧器と、前記蓄圧器と前記タービンの上流側とを接続する還流通路と、前記還流通路上に介装され、出力要求に応じて前記蓄圧通路を開閉する還流弁とを備える。
【００１０】
（２）また、前記タービンよりも下流側の前記バイパス通路上に介装された三方弁と、前記蓄圧器と前記三方弁との間を接続する蓄圧通路とを備えることが好ましい。この場合、前記三方弁が、前記蓄圧器の内圧に応じて、前記タービンの上流側を前記蓄圧通路又は前記タービンの下流側の何れか一方に連通させることが好ましい。
【００１１】
（３）また、前記蓄圧器の内圧を前記三方弁に伝達するパイロット通路を備えることが好ましい。この場合、前記三方弁が、前記パイロット通路から導入される前記内圧が所定圧以上であるときに、前記タービンの上流側を前記タービンの下流側に連通させるとともに、前記内圧が前記所定圧未満であるときに、前記タービンの上流側を前記蓄圧通路に連通させることが好ましい。
【００１２】
（４）また、前記蓄圧通路に介装された逆止弁を備えることが好ましい。
（５）また、前記還流弁の開度を制御する制御手段を備えることが好ましい。この場合、前記制御手段が、前記過給圧が所定圧未満でありかつ前記出力要求が所定量以上であるときに前記還流弁の開度を増大させるとともに、前記過給圧が所定圧以上であり又は前記出力要求が所定量未満であるときに前記還流弁の開度を減少させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
（１）開示の内燃機関の過給制御装置によれば、ウェストゲートバルブの開放時にバイパス通路を流れる排気圧を蓄圧器に蓄えることで、その排気圧を再利用することができ、エネルギーロスを減少させることができる。また、排気圧の再利用により内燃機関の出力を高めることができる。
特に、ブースト圧が比較的低圧である車両発進時や低速走行時に高出力が要求されたような場合に排気圧を再利用することで、車両の発進性，加速性を向上させることができる。また、ブースト圧を上昇させることで排ガス性能や燃費性能を向上させることができる。
【００１４】
（２）また、三方弁を設けることで、バイパス通路から蓄圧器へ導入される排気圧の流通方向を制御することができ、従来のウェストゲートバルブの機能を損なうことなく蓄圧機能を付加することができる。
（３）また、蓄圧器の内圧に応じて三方弁の連通先が変更されるため、確実に所定圧まで排気圧を蓄えることができ、再利用時の排気圧を確保することができる。
【００１５】
（４）また、蓄圧器から三方弁側への逆流を防止することができ、確実に蓄圧器に排気圧を蓄えることができる。
（５）また、過給機による過給が追いつかない運転状況下で還流弁の開度を増大させることにより、出力要求に適した過給圧を確保することができる。これにより、車両の発進性の向上や、排ガスの改善、燃費の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一実施形態に係る過給制御装置が適用された内燃機関の全体構成を模式的に例示する図である。
【図２】本過給制御装置の三方弁の動作を説明するための図であり、（ａ）はパイロット圧が所定圧PMAX未満のときの状態を示し、（ｂ）はパイロット圧が所定圧PMAX以上のときの状態を示す。
【図３】本過給制御装置で実施される制御内容を例示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本過給機の制御装置に係る実施の形態を説明する。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも例示に過ぎず、以下に示す実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。すなわち、本実施形態をその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形（実施形態及び各変形例を組み合わせる等）して実施することができる。
【００１８】
［１．装置構成］
［１−１．エンジン］
本実施形態の過給制御装置は、図１に示す車載のエンジン１０（内燃機関）に適用される。このエンジン１０は、図１中に白抜き矢印で示すように、吸気通路１２を介して吸入された空気（新気やEGRガス等）をシリンダーに導入し、シリンダー内で燃焼した排気を排気通路１１へと排出する。これらの吸気通路１２及び排気通路１１は、エンジン１０の図示しないインテークマニホールド，エキゾーストマニホールドに接続される。
【００１９】
このエンジン１０の吸排気系には、排気通路１１を流通する排気の圧力を利用して過給を実施するターボチャージャー１５が設けられる。このターボチャージャー１５は、吸気通路１２と排気通路１１との両方に跨がるように介装された過給機であり、吸気通路１２内に配置されたコンプレッサー１５ａと、排気通路１１内に配置されたタービン１５ｂとを有する。コンプレッサー１５ａの回転軸はタービン１５ｂの回転軸に接続され、それぞれの回転中心軸は一致している。
【００２０】
タービン１５ｂは、排気通路１１内を流通する排気の圧力を受けて回転し、その回転力をコンプレッサー１５ａに伝達する。また、コンプレッサー１５ａは吸気通路１２内の空気を圧縮して下流側へと送出する圧縮機であり、ここで加圧された空気がエンジン１０のシリンダーへと過給される。
【００２１】
排気通路１１上には、排気中に含まれる各種成分を除去するための排気触媒１６が介装される。この排気触媒１６は、例えばPM（Particulate Matter，粒子状物質）や窒素酸化物（NOx），炭化水素（HC）等の成分を浄化するように機能する。
【００２２】
このエンジン１０には、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサー１７が併設される。このエンジン回転数センサー１７は、例えばクランクシャフトの角速度を検出し、これに応じたエンジン回転数の信号を出力するセンサーである。また、車両の任意の位置には、アクセルペダルの踏み込み量に対応する操作量（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサー１８が設けられる。
【００２３】
アクセル操作量は、運転者の加速要求に対応するパラメーターであり、すなわちエンジン１０への出力要求に相当する。これらのセンサー１７，１８で検出されたエンジン回転数やアクセルペダルの踏み込み操作量の情報は、後述するエンジン制御装置２０に伝達される。
【００２４】
［１−２．過給制御回路］
排気通路１１には、タービン１５ｂを迂回するように排気を流通させるためのバイパス通路１が形成される。バイパス通路１の上流端部は、タービン１５ｂよりも排気の流れの上流側に位置する上流穴部１１ａに接続される。一方、バイパス通路１の下流端部は、タービン１５ｂよりも下流側に位置する下流穴部１１ｂに接続される。
【００２５】
また、排気通路１１上には、ウェストゲートバルブ２が介装される。このウェストゲートバルブ２は、コンプレッサー１５ａの下流圧（すなわち過給圧，ターボ圧）に応じてバイパス通路１を開閉制御する制御弁である。図１中では、ウェストゲートアクチュエーター１３を用いてウェストゲートバルブ２の開閉状態を制御するものを例示する。
【００２６】
このウェストゲートアクチュエーター１３は、図１に示すように、弾性体（ゴム，バネ等）を介してケース内に弾性的に固定されたダイヤフラム（膜体）によってその内部を二室に区画された構造を持つ。これらの二室のうちの一方の室には過給圧通路１４の一端が接続され、過給圧通路１４の他端はコンプレッサー１５ａよりも吸気通路１２の下流側に位置する下流穴部１２ａに接続される。つまり、一方の室内にはコンプレッサー１５ａの過給圧が導入される。これにより、ウェストゲートアクチュエーター１３のダイヤフラムは、過給圧の大きさに応じた圧力で弾性体を押圧し、その位置を移動させる。
【００２７】
また、ウェストゲートアクチュエーター１３のダイヤフラムとウェストゲートバルブ２の弁体との間はリンク部材で連結され、ダイヤフラムの位置に応じてウェストゲートバルブ２の開度が制御される。ここでは、過給圧が大きいほどウェストゲートバルブ２が開放され、過給圧が小さいほどウェストゲートバルブ２が閉鎖されるように、ウェストゲートバルブ２の弁体の動作が設定される。これにより、過給圧が大きいほどバイパス通路１の排気流量が増加し、過給圧が小さいほどバイパス通路１の排気流量が減少する。
【００２８】
ウェストゲートバルブ２よりもバイパス通路１の下流側には三方弁３が介装され、この三方弁３に対して蓄圧通路４及びパイロット通路７が接続される。以下、バイパス通路１のうち、上流穴部１１ａからウェストゲートバルブ２までの区間を第一バイパス通路１ａと呼ぶ。また、ウェストゲートバルブ２から三方弁３までの区間を第二バイパス通路１ｂとし、三方弁３から下流穴部１１ｂまでの区間を第三バイパス通路１ｃとする。
【００２９】
三方弁３は、第二バイパス通路１ｂ，第三バイパス通路１ｃ及び蓄圧通路４の三つの通路が接続した部位に介装された方向切換弁であり、パイロット通路７から導入されるパイロット圧に応じて排気の流通方向を切り換える機能を持つ。図２（ａ），（ｂ）は典型的な三方弁３の構成例である。ここでは、中空円柱状のボディ３ａとその内部に挿入された円柱状のボール弁体３ｂとから構成された三方弁３が図示されている。
【００３０】
ボディ３ａには、第二バイパス通路１ｂ，第三バイパス通路１ｃ及び蓄圧通路４の三つの通路が接続される。また、これらの通路１ｂ，１ｃ，４の間を繋ぐ通路がボール弁体３ｂの内部を貫通して形成される。ボール弁体３ｂはボディ３ａに対して回転自在に挿入されており、パイロット通路７から導入されるパイロット圧に応じて回転角を変化させることにより、内部の流路を変更する。
【００３１】
なお、第二バイパス通路１ｂは排気が流入する通路であり、第三バイパス通路１ｃ及び蓄圧通路４は排気が流出する通路である。つまり、三方弁３は、第二バイパス通路１ｂを第三バイパス通路１ｃ及び蓄圧通路４の何れか一方に連通させるように機能する。
第三バイパス通路１ｃは、排気をタービン１５ｂよりも下流側へと廃棄するための通路であり、蓄圧通路４は、排気をアキュムレーター６（蓄圧器）へと供給するための通路である。したがって、ウェストゲートバルブ２を通過した排気は、三方弁３によってその後の行き先が決定される。
【００３２】
アキュムレーター６は、その内部に高圧の排気を蓄える蓄圧室と、蓄圧室の内圧に応じて伸縮する伸縮室とを有する蓄圧装置である。本実施形態では、バイパス通路１から廃棄される排気を一時的にアキュムレーター６に蓄えるとともに、『排圧の放出条件』が成立したときに排気をターボチャージャー１５のタービン１５ｂの上流側へと放出することにより、排気圧のエネルギーを回生利用する。なお、アキュムレーター６の種別は、ピストン式アキュムレーターでもよいし、ブラダ式アキュムレーターでもよい。
【００３３】
パイロット通路７は、アキュムレーター６の内圧を三方弁３の制御用のパイロット圧として伝達する通路である。パイロット通路７の一端は三方弁３に接続され、他端はアキュムレーター６に接続される。
【００３４】
ここで、パイロット通路７を介して伝達されるパイロット圧Pと三方弁３の動作との関係を説明する。パイロット圧Pが所定圧PMAX未満であるときには、三方弁３のボディ３ａ内に挿入されたボール弁体３ｂが図２（ａ）に示す位置に設定され、第二バイパス通路１ｂと蓄圧通路４とが連通状態とされる。このとき、第三バイパス通路１ｃは閉鎖される。
【００３５】
一方、パイロット圧Pが所定圧PMAX以上になると、ボール弁体３ｂが図２（ｂ）に示す位置に設定され、第二バイパス通路１ｂと第三バイパス通路１ｃとが連通状態とされる。このとき、蓄圧通路４は閉鎖される。なお、この所定圧PMAXの具体的な値は、アキュムレーター６に蓄えることのできる上限圧以下の範囲で任意に設定すればよい。所定圧PMAXが高いほどアキュムレーター６に回収されるエネルギーが増大することになる。
【００３６】
蓄圧通路４の中途には、排気の逆流を防止するための逆止弁５が介装される。この逆止弁５は、三方弁３側からアキュムレーター６側への排気の流通を許容し、アキュムレーター６側から三方弁３側への排気の流通を遮断するチェック弁として機能する。
蓄圧通路４における逆止弁５とアキュムレーター６との間には、還流通路８が分岐形成される。この還流通路８は、一端を蓄圧通路４に接続され、他端を排気通路１１のタービン１５ｂよりも上流側に位置する第二上流穴部１１ｃに接続された通路である。還流通路８は、アキュムレーター６に蓄えられた排気の再利用時の通路となる。
【００３７】
また、還流通路８の中途には、還流弁９が介装される。この還流弁９は、エンジン制御装置２０によって開度を制御される電磁制御弁であり、前述の『排圧の放出条件』が成立したときに開放される。アキュムレーター６に排気圧が蓄圧された状態では、還流弁９よりもアキュムレーター６側の通路内には高圧の排気が充填されているため、還流弁９の開放時には排気が急激に第二上流穴部１１ｃから排気通路１１へと供給される。
【００３８】
エンジン制御装置２０（制御手段）は、エンジン１０に関する燃料系，吸排気系及び動弁系といった広汎なシステムを制御する電子制御装置であり、例えばマイクロプロセッサやROM，RAM等を集積したLSIデバイスや組み込み電子デバイスとして構成される。エンジン制御装置２０の具体的な制御対象としては、エンジン１０のインジェクターから噴射される燃料噴射量とその噴射時期，吸気弁及び排気弁のバルブリフト量及びバルブタイミング，ターボチャージャー１５の作動状態，各種補機の作動状態，スロットルバルブの開度，EGRバルブの開度等が挙げられる。
【００３９】
本実施形態では、アキュムレーター６に蓄圧された排気圧を再利用する還流弁９の制御について詳述する。このエンジン制御装置２０には、車両に設けられた車内通信網や専用通信ラインを介して他の車載電子制御装置やエンジン回転数センサー１７及びアクセル開度センサー１８等の各種センサーが接続される。ここでは、『排圧の放出条件』が成立するか否かが判定され、その判定結果に応じて還流弁９の開度が制御される。
【００４０】
『排圧の放出条件』は、例えば以下のような条件（１），（２）がともに成立することとされる。
（１）エンジン回転数が予め設定された所定値未満である（低回転状態である）
（２）アクセル操作量等に基づく指示燃料噴射量の単位時間あたりの増加量が所定量以上である（加速状態である）
【００４１】
これらの条件（１），（２）がともに成立したとき、エンジン制御装置２０から還流弁９に制御信号が伝達され、還流弁９の開度が開放される。一方、上記の（１），（２）の何れか一方でも成立しない場合には、還流弁９の開度が閉鎖状態に維持される。
【００４２】
［２．フローチャート］
エンジン制御装置２０で実施される例御内容を図３のフローチャートに例示する。
ステップＡ１０では、エンジン制御装置２０に各種情報が読み込まれる。例えば、エンジン回転数センサー１７で検出されたエンジン回転数の情報や、アクセル開度センサー１８で検出されたアクセル操作量の情報は、このステップでエンジン制御装置２０に入力される。
【００４３】
続くステップＡ２０では、エンジン回転数が所定値以下であるか否かが判定される。ここでは、上記の『排圧の放出条件』のうちの（１）が判定される。この条件の成立時にはステップＡ３０に進み、不成立の場合にはステップＡ５０に進む。
ステップＡ３０では、アクセル操作量等に基づく指示燃料噴射量の単位時間当たりの増加量が所定量以上であるか否かが判定される。つまり、指示燃料噴射量の増加勾配に基づいて出力要求が判定される。ここでは、上記の『排圧の放出条件』のうちの（２）が判定される。この条件の成立時にはステップＡ４０に進み、不成立時にはステップＡ５０へ進む。
【００４４】
ステップＡ４０では、エンジン制御装置２０から還流弁の制御信号が出力され、還流弁９の開度が開放される。これにより、アキュムレーター６内に蓄圧された排気圧がタービン１５ｂの上流側に供給され、一時的にタービン１５ｂの回転数が上昇する。したがって、コンプレッサー１５ａの回転数も上昇して過給圧が一時的に高められ、過給圧が増加する。
一方、ステップＡ５０では、還流弁９が閉鎖状態に維持される。これにより、『排圧の放出条件』が成立しない限り、アキュムレーター６内に蓄えられた圧力のエネルギーが温存される。
【００４５】
［３．作用］
［３−１．排圧の回収時］
アキュムレーター６の内圧（すなわちパイロット圧P）が所定圧PMAX未満のときには、三方弁３のボール弁体３ｂが図２（ａ）に示す位置に制御され、第二バイパス通路１ｂと蓄圧通路４とが連通した状態である。また、過給圧が比較的小さいエンジン１０の通常運転時には、ウェストゲートバルブ２が閉鎖されている。
【００４６】
ターボチャージャー１５のタービン１５ｂは、排気通路１１の排気流量や排気圧に応じた回転数で回転し、コンプレッサー１５ａを駆動する。これにより、吸気通路１２の過給圧はコンプレッサー１５ａの回転数が大きくなるほど上昇する。この過給圧は、コンプレッサー１５ａの下流側から過給圧通路１４を通って、ウェストゲートアクチュエーター１３に伝達される。
【００４７】
過給圧が上昇するとウェストゲートバルブ２が開放され、排気通路１１内の排気の一部が上流穴部１１ａからバイパス通路１を介してタービン１５ｂの下流側へと流出する。これにより、タービン１５ｂ近傍の排気圧や排気流量が減少し、タービン１５ｂの過回転が抑制される。つまり、コンプレッサー１５ａの回転の過上昇が抑えられることになり、過給圧が過剰に上昇してしまうような事態が防止される。
【００４８】
一方、バイパス通路１を通る排気は、三方弁３を介して蓄圧通路４側へと流通し、逆止弁５を通過してアキュムレーター６の内部に導入される。蓄圧通路４内の排気は、逆止弁５によって三方弁３側への逆流が阻止される。また、還流通路８上の還流弁９は閉鎖状態に制御されているため、還流通路８側への流出も阻止される。
【００４９】
したがって、蓄圧通路４内の排圧はもれなくアキュムレーター６内に蓄圧される。アキュムレーター６の内圧は、パイロット通路７を介して三方弁３のボール弁体３ｂに作用するが、その内圧が所定圧PMAX未満の状態では三方弁３での連通状態は変化せず、図２（ａ）に示すような状態が維持される。
【００５０】
なお、アキュムレーター６の内圧が所定圧PMAX以上になる前にエンジン１０の運転状態が変化して過給圧が低下した場合（例えば、エンジン回転数が低下した場合）には、ウェストゲートアクチュエーター１３の作用によりウェストゲートバルブ２が閉鎖されるため、蓄圧されなくなる。しかし、三方弁３の連通状態は過給の実施状態に関わらず維持される。つまり、たとえ過給状態でなくても三方弁３の連通状態は維持されるため、再び過給圧が上昇してウェストゲートバルブ２が開放されたときには、蓄圧が再開される。
【００５１】
［３−２．蓄圧の完了時］
アキュムレーター６内に排気が満充填されて内圧が所定圧PMAX以上になると、パイロット通路７を介して三方弁３に作用するパイロット圧Pによって三方弁３のボール弁体３ｂが図２（ｂ）に示す位置に制御され、第二バイパス通路１ｂと第三バイパス通路１ｃとが連通した状態となる。つまり、蓄圧通路４側への排気の流れが遮断され、それ以上の蓄圧が禁止される。
【００５２】
また、このときウェストゲートバルブ２が開放されると、排気通路１１の上流穴部１１ａと下流穴部１１ｂとが連通した状態となり、タービン１５ｂの過回転が抑制される。したがって、アキュムレーター６の蓄圧状態によってウェストゲートバルブ２の排気バイパス機能が妨げられることはない。
【００５３】
［３−３．排圧の再利用時］
例えば、エンジン１０がアイドリング状態のときにアクセルペダルが急激に踏み込まれると、アクセル踏み込み量等に応じた加速要求の大きさがエンジン制御装置２０の内部で演算され、その加速要求に応じたエンジン出力が得られるようにエンジン１０の指示燃料噴射量が制御される。
【００５４】
一方、アイドリング状態ではエンジン１０の排気量が比較的少なく排気圧が低圧であるため、タービン１５ｂの回転数の上昇速度が緩慢となり、一時的に過給圧が不足した状態となる。特に、エンジン回転数が低回転であるときに負荷が急増した場合（要求される過給圧が急上昇した場合）には、過給圧の不足量が大きくなり、筒内燃焼に係る酸素量が不足して黒煙が発生しやすくなるほか、十分なエンジン出力が確保しにくくなる。
【００５５】
しかしながら、本エンジン制御装置２０では、このような運転状態で『排圧の放出条件』が成立すると還流弁９が開放され、アキュムレーター６に蓄圧された排気圧がタービン１５ｂの上流側に導入される。すなわち、エンジン回転数が予め設定された所定値未満の低回転状態であり、かつ、アクセル操作量等に基づく指示燃料噴射量の単位時間当たりの増加量が所定量以上となる加速状態であるときに、アキュムレーター６に蓄えられていた排気が再利用される。
【００５６】
これにより、タービン１５ｂの回転速度が瞬時に加速され、過給圧が上昇する。したがって、筒内燃焼に係る酸素量が十分に確保され、黒煙の発生が抑制されるとともにエンジン出力が上昇する。
【００５７】
［４．効果］
（１）このように、上記の過給制御装置では、ウェストゲートバルブ２の開放時にバイパス通路１を流れる排気圧がアキュムレーター６に回収され、必要に応じてその排気圧をタービン１５ｂの上流側に再び供給する制御が実施される。このような制御により、簡素な構成でエネルギーロスを減少させることができる。
【００５８】
また、排気圧の再利用によりエンジン１０の出力を高めることができる。特に、過給圧が比較的低圧である車両発進時や低速走行時に高出力が要求されたような場合に排気圧を再利用することで、車両の発進性，加速性を向上させることができる。また、過給圧を上昇させることで排ガス性能やエンジン出力を向上させることができる。
【００５９】
さらに、従来はエネルギーが回収されずにバイパス通路１から廃棄されていた排気の圧力を利用して、ターボチャージャー１５の回転をアシストする構造となっているため、従来の車両と比較してエネルギー効率を向上させることができ、燃費性能を向上させることができる。また、電動モーターを用いて過給アシストを実施するようなものと比較しても、装置構成を簡素化することができ、コストを削減しつつ十分な過給性能を維持することができる。
【００６０】
（２）また、上記の過給制御装置は、バイパス通路１上に介装された三方弁３から蓄圧通路４を分岐形成した排気回路を備えている。これにより、バイパス通路１からアキュムレーター６に導入される排気の流通方向を容易に制御することができ、従来のウェストゲートバルブ２の機能を損なうことなく蓄圧機能を付加することができる。
【００６１】
（３）また、上記の過給制御装置には、三方弁３での排気の流通方向を制御するためのパイロット圧Pとしてアキュムレーターの内圧を伝達するパイロット通路７が設けられている。これにより、アキュムレーター６の蓄圧状態に応じて三方弁３の連通先を変更することが可能となり、確実にアキュムレーター６の内圧を所定圧PMAXまで高めることができる。
【００６２】
（４）また、蓄圧通路４上には逆止弁５が介装されているため、アキュムレーター６側から三方弁３側への排気の逆流を防止することができ、確実にアキュムレーター６に排気圧を蓄えることができる。
【００６３】
なお、アキュムレーター６の内圧が所定圧PMAX以上になる前にウェストゲートバルブ２が閉鎖された場合であっても（つまり、蓄圧通路４側からの排気の流入が停止した場合であっても）、蓄圧通路４内の排気は、逆止弁５によって三方弁３側への逆流が阻止される。このように、アキュムレーター６への蓄圧は必ずしも一回の操作で完了させる必要はなく、複数回に分けて蓄圧することが可能である。
【００６４】
（５）また、上記の過給制御装置では、アキュムレーター６に蓄えられた排気圧を再利用するための条件として『排圧の放出条件』が設定されている。この『排圧の放出条件』は、ターボチャージャー１５による過給が不足しうる運転状態であるか否かを判断するための条件である。このように、過給が不足しうる運転状態で排気圧の再利用を許可することにより、出力要求に見合ったエンジン出力を確保することができる。
【００６５】
特に、車両発進時のように、エンジン回転数が低回転の状態で出力要求が急増したときに蓄圧が再利用されるため、発進性や低速走行域での加速性を向上させることができ、ドライブフィーリングを高めることができるとともに、排ガスの改善や燃費の向上を図ることができる。
【００６６】
［５．変形例］
上述の実施形態では、ターボチャージャー１５のコンプレッサー１５ａよりも下流側の吸気通路１２内の圧力（すなわち過給圧）に応じて、ウェストゲートバルブ２の開度を機械的に制御する排気回路を例示したが、具体的なウェストゲートバルブ２やウェストゲートアクチュエーター１３等の構造はこれに限定されない。
【００６７】
例えば、コンプレッサー１５ａの過給圧（下流圧）だけでなく上流圧も用いて、ウェストゲートアクチュエーター１３がウェストゲートバルブ２の開度を制御する構成としてもよい。あるいは、電磁制御のウェストゲートアクチュエーター１３やウェストゲートバルブ２を適用してもよい。少なくとも、排気にタービン１５ｂを迂回させる経路上にバルブを介装した排気回路であって、そのバルブの開度が過給圧に応じて開閉制御されるものであれば、上記の過給制御装置を適用することが可能である。
【００６８】
また、上述の実施形態では、バイパス通路１と蓄圧通路４との分岐点に三方弁３を介装した排気回路を例示したが、三方弁３の代わりに流量制御弁を用いてもよい。この場合、アキュムレーター６の内圧が高いほど第三バイパス通路１ｃ側への排気流量を増大させ、アキュムレーター６の内圧が低いほど蓄圧通路４側への排気流量を増大させるように、流量制御弁の制御スプールを駆動させればよい。
【００６９】
また、上述の実施形態における排気通路１１の第二上流穴部１１ｃは、タービン１５ｂの上流側に設けられるものであるが、第二上流穴部１１ｃの位置を工夫することでタービン回転の上昇効率を高めることも考えられる。すなわち、第二上流穴部１１ｃから噴出する排気が直接的にタービン１５ｂの動翼やベーンに当接する位置に第二上流穴部１１ｃを設けてもよい。このような構成により、過給効率をさらに向上させることができる。
【００７０】
なお、エンジン制御装置２０で判定される『排圧の放出条件』は上述の実施形態のものに限定されない。例えば、吸気通路１２のコンプレッサー１３よりも下流側に設けられた圧力センサーの検出値に基づき、過給圧の不足が検出された場合に還流弁９を開放する制御構成としてもよい。あるいは、エンジン１０の燃料噴射量の制御値が急増した場合に還流弁９を開放させてもよい。
【００７１】
また、上述の実施形態では、排気圧を利用して過給を実施するターボチャージャー１５の排圧を回収するものを例示したが、これに代えて、電動アシスト式のターボチャージャーや可変容量ターボチャージャー等の排圧を回収する構成としてもよい。少なくとも、吸気通路１２に介装されたコンプレッサー１５ａと排気通路１１に介装されたタービン１５ｂとを有する過給機であれば、上述の過給制御装置を適用することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１ バイパス通路
２ ウェストゲートバルブ
３ 三方弁
４ 蓄圧通路
５ 逆止弁
６ アキュムレーター（蓄圧器）
７ パイロット通路
８ 還流通路
９ 還流弁
１０ エンジン
１１ 排気通路
１１ａ 上流穴部（上流側）
１１ｂ 下流穴部（下流側）
１１ｃ 第二上流穴部（上流側）
１５ ターボチャージャー（過給機）
１５ａ コンプレッサー
１５ｂ タービン
２０ エンジン制御装置（制御手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に搭載された過給機の動作を制御する過給制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、排気圧を利用して内燃機関に過給を実施するターボチャージャーが広く利用されている。一般的なターボチャージャーでは、吸入空気を圧縮して気筒内に圧送するためのコンプレッサーが吸気通路内に設けられるとともに、排気通路内に排気圧を受けて回転するタービンが設けられる。タービンの回転軸はコンプレッサーの回転軸に対して接続され、タービンの回転力がコンプレッサーの駆動力として利用される。排気圧を利用して吸入空気量を増大させることで、燃費性を損なうことなく内燃機関の出力を向上させることが可能となる。
【０００３】
一方、ターボチャージャーの回転数を制御することで過給圧を調整する技術も知られている。例えば、特許文献１に示すように、タービンの上流側の排気通路と下流側の排気通路と接続するバイパス通路を設け、内燃機関の運転状況に応じて排気の流通経路を変更することで過給圧を増減させる技術が存在する。
【０００４】
この技術では、開度を変更可能なウェストゲートバルブがバイパス通路に介装され、ウェストゲートバルブの開度が吸気通路内の過給圧に応じて制御される。ウェストゲートバルブの開度を増大させるとタービンを迂回してバイパス通路から排出される排気流量が増大するため、タービンの回転数が低下し、これに応じてコンプレッサーによる過給圧も低下する。また、ウェストゲートバルブの開度を減少させるとタービンに導入される排気流量が増加するため、タービンの回転数が上昇し、過給圧も上昇する。このように、ウェストゲートバルブの開度制御によりタービンの回転数を変化させることができ、内燃機関からの排気流量や排気圧が一定であったとしても過給圧を変化させることができる。
【０００５】
また、特許文献２に示すように、ウェストゲートバルブによる過給圧の制御に加えて、電動モーターを用いてコンプレッサーの駆動力をアシストすることで過給圧を増減制御する技術も開発されている。電動モーターは、例えばコンプレッサーとタービンとを接続する回転軸に介装され、タービンからの駆動力と電動モーターの駆動力とをともにコンプレッサーへ伝達可能となるように構成される。タービンの回転数が排気の流通状態に依存するものであるのに対し、電動モーターの回転数は排気の流通状態に依存しない。したがって、タービンの駆動力が不足するような場合に電動モーターを駆動することにより、安定した過給圧を確保することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１４４５７５号公報
【特許文献２】特開２００８−７５５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ウェストゲートバルブを備えた従来のターボチャージャーの制御では、ウェストゲートバルブの開放によって排気圧がタービンの下流側へ廃棄されるため、排気された排気中のエネルギーを回収することができない。つまり、その分のエネルギーを損失することになり、燃費性の面で改善の余地がある。
また、車両に搭載された内燃機関の過給制御では、車両の発進加速時や低回転高負荷での運転時に大きな過給圧が要求される場合がある。一方、内燃機関からの排気流量や排気圧が十分に大きくなっていない運転状態では、大きな過給圧を確保することができない。この点、特許文献２に記載のように、コンプレッサーに電動モーターを併設することで過給圧を確保することも考えられるものの、装置構成が複雑化し、製造コストが上昇してしまう。
【０００８】
本件は、上記のような課題に鑑み創案されたもので、簡素な構成でエネルギー効率を向上させることができるようにした、内燃機関の過給制御装置を提供することを目的とする。
なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）ここで開示する内燃機関の過給制御装置は、内燃機関の吸気通路に介装されたコンプレッサーと排気通路に介装されたタービンとを有する過給機の動作を制御する過給制御装置であって、前記タービンよりも前記排気通路の上流側と下流側とを接続するバイパス通路と、前記バイパス通路上に介装され、前記コンプレッサーの過給圧に応じて前記バイパス通路を開閉するウェストゲートバルブを備える。
また、前記ウェストゲートバルブよりも前記バイパス通路の下流側に接続され、排気圧を蓄圧する蓄圧器と、前記蓄圧器と前記タービンの上流側とを接続する還流通路と、前記還流通路上に介装され、出力要求に応じて前記蓄圧通路を開閉する還流弁とを備える。
【００１０】
（２）また、前記タービンよりも下流側の前記バイパス通路上に介装された三方弁と、前記蓄圧器と前記三方弁との間を接続する蓄圧通路とを備えることが好ましい。この場合、前記三方弁が、前記蓄圧器の内圧に応じて、前記タービンの上流側を前記蓄圧通路又は前記タービンの下流側の何れか一方に連通させることが好ましい。
【００１１】
（３）また、前記蓄圧器の内圧を前記三方弁に伝達するパイロット通路を備えることが好ましい。この場合、前記三方弁が、前記パイロット通路から導入される前記内圧が所定圧以上であるときに、前記タービンの上流側を前記タービンの下流側に連通させるとともに、前記内圧が前記所定圧未満であるときに、前記タービンの上流側を前記蓄圧通路に連通させることが好ましい。
【００１２】
（４）また、前記蓄圧通路に介装された逆止弁を備えることが好ましい。
（５）また、前記還流弁の開度を制御する制御手段を備えることが好ましい。この場合、前記制御手段が、前記過給圧が所定圧未満でありかつ前記出力要求が所定量以上であるときに前記還流弁の開度を増大させるとともに、前記過給圧が所定圧以上であり又は前記出力要求が所定量未満であるときに前記還流弁の開度を減少させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
（１）開示の内燃機関の過給制御装置によれば、ウェストゲートバルブの開放時にバイパス通路を流れる排気圧を蓄圧器に蓄えることで、その排気圧を再利用することができ、エネルギーロスを減少させることができる。また、排気圧の再利用により内燃機関の出力を高めることができる。
特に、ブースト圧が比較的低圧である車両発進時や低速走行時に高出力が要求されたような場合に排気圧を再利用することで、車両の発進性，加速性を向上させることができる。また、ブースト圧を上昇させることで排ガス性能や燃費性能を向上させることができる。
【００１４】
（２）また、三方弁を設けることで、バイパス通路から蓄圧器へ導入される排気圧の流通方向を制御することができ、従来のウェストゲートバルブの機能を損なうことなく蓄圧機能を付加することができる。
（３）また、蓄圧器の内圧に応じて三方弁の連通先が変更されるため、確実に所定圧まで排気圧を蓄えることができ、再利用時の排気圧を確保することができる。
【００１５】
（４）また、蓄圧器から三方弁側への逆流を防止することができ、確実に蓄圧器に排気圧を蓄えることができる。
（５）また、過給機による過給が追いつかない運転状況下で還流弁の開度を増大させることにより、出力要求に適した過給圧を確保することができる。これにより、車両の発進性の向上や、排ガスの改善、燃費の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一実施形態に係る過給制御装置が適用された内燃機関の全体構成を模式的に例示する図である。
【図２】本過給制御装置の三方弁の動作を説明するための図であり、（ａ）はパイロット圧が所定圧PMAX未満のときの状態を示し、（ｂ）はパイロット圧が所定圧PMAX以上のときの状態を示す。
【図３】本過給制御装置で実施される制御内容を例示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本過給機の制御装置に係る実施の形態を説明する。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも例示に過ぎず、以下に示す実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。すなわち、本実施形態をその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形（実施形態及び各変形例を組み合わせる等）して実施することができる。
【００１８】
［１．装置構成］
［１−１．エンジン］
本実施形態の過給制御装置は、図１に示す車載のエンジン１０（内燃機関）に適用される。このエンジン１０は、図１中に白抜き矢印で示すように、吸気通路１２を介して吸入された空気（新気やEGRガス等）をシリンダーに導入し、シリンダー内で燃焼した排気を排気通路１１へと排出する。これらの吸気通路１２及び排気通路１１は、エンジン１０の図示しないインテークマニホールド，エキゾーストマニホールドに接続される。
【００１９】
このエンジン１０の吸排気系には、排気通路１１を流通する排気の圧力を利用して過給を実施するターボチャージャー１５が設けられる。このターボチャージャー１５は、吸気通路１２と排気通路１１との両方に跨がるように介装された過給機であり、吸気通路１２内に配置されたコンプレッサー１５ａと、排気通路１１内に配置されたタービン１５ｂとを有する。コンプレッサー１５ａの回転軸はタービン１５ｂの回転軸に接続され、それぞれの回転中心軸は一致している。
【００２０】
タービン１５ｂは、排気通路１１内を流通する排気の圧力を受けて回転し、その回転力をコンプレッサー１５ａに伝達する。また、コンプレッサー１５ａは吸気通路１２内の空気を圧縮して下流側へと送出する圧縮機であり、ここで加圧された空気がエンジン１０のシリンダーへと過給される。
【００２１】
排気通路１１上には、排気中に含まれる各種成分を除去するための排気触媒１６が介装される。この排気触媒１６は、例えばPM（Particulate Matter，粒子状物質）や窒素酸化物（NOx），炭化水素（HC）等の成分を浄化するように機能する。
【００２２】
このエンジン１０には、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサー１７が併設される。このエンジン回転数センサー１７は、例えばクランクシャフトの角速度を検出し、これに応じたエンジン回転数の信号を出力するセンサーである。また、車両の任意の位置には、アクセルペダルの踏み込み量に対応する操作量（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサー１８が設けられる。
【００２３】
アクセル操作量は、運転者の加速要求に対応するパラメーターであり、すなわちエンジン１０への出力要求に相当する。これらのセンサー１７，１８で検出されたエンジン回転数やアクセルペダルの踏み込み操作量の情報は、後述するエンジン制御装置２０に伝達される。
【００２４】
［１−２．過給制御回路］
排気通路１１には、タービン１５ｂを迂回するように排気を流通させるためのバイパス通路１が形成される。バイパス通路１の上流端部は、タービン１５ｂよりも排気の流れの上流側に位置する上流穴部１１ａに接続される。一方、バイパス通路１の下流端部は、タービン１５ｂよりも下流側に位置する下流穴部１１ｂに接続される。
【００２５】
また、排気通路１１上には、ウェストゲートバルブ２が介装される。このウェストゲートバルブ２は、コンプレッサー１５ａの下流圧（すなわち過給圧，ターボ圧）に応じてバイパス通路１を開閉制御する制御弁である。図１中では、ウェストゲートアクチュエーター１３を用いてウェストゲートバルブ２の開閉状態を制御するものを例示する。
【００２６】
このウェストゲートアクチュエーター１３は、図１に示すように、弾性体（ゴム，バネ等）を介してケース内に弾性的に固定されたダイヤフラム（膜体）によってその内部を二室に区画された構造を持つ。これらの二室のうちの一方の室には過給圧通路１４の一端が接続され、過給圧通路１４の他端はコンプレッサー１５ａよりも吸気通路１２の下流側に位置する下流穴部１２ａに接続される。つまり、一方の室内にはコンプレッサー１５ａの過給圧が導入される。これにより、ウェストゲートアクチュエーター１３のダイヤフラムは、過給圧の大きさに応じた圧力で弾性体を押圧し、その位置を移動させる。
【００２７】
また、ウェストゲートアクチュエーター１３のダイヤフラムとウェストゲートバルブ２の弁体との間はリンク部材で連結され、ダイヤフラムの位置に応じてウェストゲートバルブ２の開度が制御される。ここでは、過給圧が大きいほどウェストゲートバルブ２が開放され、過給圧が小さいほどウェストゲートバルブ２が閉鎖されるように、ウェストゲートバルブ２の弁体の動作が設定される。これにより、過給圧が大きいほどバイパス通路１の排気流量が増加し、過給圧が小さいほどバイパス通路１の排気流量が減少する。
【００２８】
ウェストゲートバルブ２よりもバイパス通路１の下流側には三方弁３が介装され、この三方弁３に対して蓄圧通路４及びパイロット通路７が接続される。以下、バイパス通路１のうち、上流穴部１１ａからウェストゲートバルブ２までの区間を第一バイパス通路１ａと呼ぶ。また、ウェストゲートバルブ２から三方弁３までの区間を第二バイパス通路１ｂとし、三方弁３から下流穴部１１ｂまでの区間を第三バイパス通路１ｃとする。
【００２９】
三方弁３は、第二バイパス通路１ｂ，第三バイパス通路１ｃ及び蓄圧通路４の三つの通路が接続した部位に介装された方向切換弁であり、パイロット通路７から導入されるパイロット圧に応じて排気の流通方向を切り換える機能を持つ。図２（ａ），（ｂ）は典型的な三方弁３の構成例である。ここでは、中空円柱状のボディ３ａとその内部に挿入された円柱状のボール弁体３ｂとから構成された三方弁３が図示されている。
【００３０】
ボディ３ａには、第二バイパス通路１ｂ，第三バイパス通路１ｃ及び蓄圧通路４の三つの通路が接続される。また、これらの通路１ｂ，１ｃ，４の間を繋ぐ通路がボール弁体３ｂの内部を貫通して形成される。ボール弁体３ｂはボディ３ａに対して回転自在に挿入されており、パイロット通路７から導入されるパイロット圧に応じて回転角を変化させることにより、内部の流路を変更する。
【００３１】
なお、第二バイパス通路１ｂは排気が流入する通路であり、第三バイパス通路１ｃ及び蓄圧通路４は排気が流出する通路である。つまり、三方弁３は、第二バイパス通路１ｂを第三バイパス通路１ｃ及び蓄圧通路４の何れか一方に連通させるように機能する。
第三バイパス通路１ｃは、排気をタービン１５ｂよりも下流側へと廃棄するための通路であり、蓄圧通路４は、排気をアキュムレーター６（蓄圧器）へと供給するための通路である。したがって、ウェストゲートバルブ２を通過した排気は、三方弁３によってその後の行き先が決定される。
【００３２】
アキュムレーター６は、その内部に高圧の排気を蓄える蓄圧室と、蓄圧室の内圧に応じて伸縮する伸縮室とを有する蓄圧装置である。本実施形態では、バイパス通路１から廃棄される排気を一時的にアキュムレーター６に蓄えるとともに、『排圧の放出条件』が成立したときに排気をターボチャージャー１５のタービン１５ｂの上流側へと放出することにより、排気圧のエネルギーを回生利用する。なお、アキュムレーター６の種別は、ピストン式アキュムレーターでもよいし、ブラダ式アキュムレーターでもよい。
【００３３】
パイロット通路７は、アキュムレーター６の内圧を三方弁３の制御用のパイロット圧として伝達する通路である。パイロット通路７の一端は三方弁３に接続され、他端はアキュムレーター６に接続される。
【００３４】
ここで、パイロット通路７を介して伝達されるパイロット圧Pと三方弁３の動作との関係を説明する。パイロット圧Pが所定圧PMAX未満であるときには、三方弁３のボディ３ａ内に挿入されたボール弁体３ｂが図２（ａ）に示す位置に設定され、第二バイパス通路１ｂと蓄圧通路４とが連通状態とされる。このとき、第三バイパス通路１ｃは閉鎖される。
【００３５】
一方、パイロット圧Pが所定圧PMAX以上になると、ボール弁体３ｂが図２（ｂ）に示す位置に設定され、第二バイパス通路１ｂと第三バイパス通路１ｃとが連通状態とされる。このとき、蓄圧通路４は閉鎖される。なお、この所定圧PMAXの具体的な値は、アキュムレーター６に蓄えることのできる上限圧以下の範囲で任意に設定すればよい。所定圧PMAXが高いほどアキュムレーター６に回収されるエネルギーが増大することになる。
【００３６】
蓄圧通路４の中途には、排気の逆流を防止するための逆止弁５が介装される。この逆止弁５は、三方弁３側からアキュムレーター６側への排気の流通を許容し、アキュムレーター６側から三方弁３側への排気の流通を遮断するチェック弁として機能する。
蓄圧通路４における逆止弁５とアキュムレーター６との間には、還流通路８が分岐形成される。この還流通路８は、一端を蓄圧通路４に接続され、他端を排気通路１１のタービン１５ｂよりも上流側に位置する第二上流穴部１１ｃに接続された通路である。還流通路８は、アキュムレーター６に蓄えられた排気の再利用時の通路となる。
【００３７】
また、還流通路８の中途には、還流弁９が介装される。この還流弁９は、エンジン制御装置２０によって開度を制御される電磁制御弁であり、前述の『排圧の放出条件』が成立したときに開放される。アキュムレーター６に排気圧が蓄圧された状態では、還流弁９よりもアキュムレーター６側の通路内には高圧の排気が充填されているため、還流弁９の開放時には排気が急激に第二上流穴部１１ｃから排気通路１１へと供給される。
【００３８】
エンジン制御装置２０（制御手段）は、エンジン１０に関する燃料系，吸排気系及び動弁系といった広汎なシステムを制御する電子制御装置であり、例えばマイクロプロセッサやROM，RAM等を集積したLSIデバイスや組み込み電子デバイスとして構成される。エンジン制御装置２０の具体的な制御対象としては、エンジン１０のインジェクターから噴射される燃料噴射量とその噴射時期，吸気弁及び排気弁のバルブリフト量及びバルブタイミング，ターボチャージャー１５の作動状態，各種補機の作動状態，スロットルバルブの開度，EGRバルブの開度等が挙げられる。
【００３９】
本実施形態では、アキュムレーター６に蓄圧された排気圧を再利用する還流弁９の制御について詳述する。このエンジン制御装置２０には、車両に設けられた車内通信網や専用通信ラインを介して他の車載電子制御装置やエンジン回転数センサー１７及びアクセル開度センサー１８等の各種センサーが接続される。ここでは、『排圧の放出条件』が成立するか否かが判定され、その判定結果に応じて還流弁９の開度が制御される。
【００４０】
『排圧の放出条件』は、例えば以下のような条件（１），（２）がともに成立することとされる。
（１）エンジン回転数が予め設定された所定値未満である（低回転状態である）
（２）アクセル操作量等に基づく指示燃料噴射量の単位時間あたりの増加量が所定量以上である（加速状態である）
【００４１】
これらの条件（１），（２）がともに成立したとき、エンジン制御装置２０から還流弁９に制御信号が伝達され、還流弁９の開度が開放される。一方、上記の（１），（２）の何れか一方でも成立しない場合には、還流弁９の開度が閉鎖状態に維持される。
【００４２】
［２．フローチャート］
エンジン制御装置２０で実施される例御内容を図３のフローチャートに例示する。
ステップＡ１０では、エンジン制御装置２０に各種情報が読み込まれる。例えば、エンジン回転数センサー１７で検出されたエンジン回転数の情報や、アクセル開度センサー１８で検出されたアクセル操作量の情報は、このステップでエンジン制御装置２０に入力される。
【００４３】
続くステップＡ２０では、エンジン回転数が所定値以下であるか否かが判定される。ここでは、上記の『排圧の放出条件』のうちの（１）が判定される。この条件の成立時にはステップＡ３０に進み、不成立の場合にはステップＡ５０に進む。
ステップＡ３０では、アクセル操作量等に基づく指示燃料噴射量の単位時間当たりの増加量が所定量以上であるか否かが判定される。つまり、指示燃料噴射量の増加勾配に基づいて出力要求が判定される。ここでは、上記の『排圧の放出条件』のうちの（２）が判定される。この条件の成立時にはステップＡ４０に進み、不成立時にはステップＡ５０へ進む。
【００４４】
ステップＡ４０では、エンジン制御装置２０から還流弁の制御信号が出力され、還流弁９の開度が開放される。これにより、アキュムレーター６内に蓄圧された排気圧がタービン１５ｂの上流側に供給され、一時的にタービン１５ｂの回転数が上昇する。したがって、コンプレッサー１５ａの回転数も上昇して過給圧が一時的に高められ、過給圧が増加する。
一方、ステップＡ５０では、還流弁９が閉鎖状態に維持される。これにより、『排圧の放出条件』が成立しない限り、アキュムレーター６内に蓄えられた圧力のエネルギーが温存される。
【００４５】
［３．作用］
［３−１．排圧の回収時］
アキュムレーター６の内圧（すなわちパイロット圧P）が所定圧PMAX未満のときには、三方弁３のボール弁体３ｂが図２（ａ）に示す位置に制御され、第二バイパス通路１ｂと蓄圧通路４とが連通した状態である。また、過給圧が比較的小さいエンジン１０の通常運転時には、ウェストゲートバルブ２が閉鎖されている。
【００４６】
ターボチャージャー１５のタービン１５ｂは、排気通路１１の排気流量や排気圧に応じた回転数で回転し、コンプレッサー１５ａを駆動する。これにより、吸気通路１２の過給圧はコンプレッサー１５ａの回転数が大きくなるほど上昇する。この過給圧は、コンプレッサー１５ａの下流側から過給圧通路１４を通って、ウェストゲートアクチュエーター１３に伝達される。
【００４７】
過給圧が上昇するとウェストゲートバルブ２が開放され、排気通路１１内の排気の一部が上流穴部１１ａからバイパス通路１を介してタービン１５ｂの下流側へと流出する。これにより、タービン１５ｂ近傍の排気圧や排気流量が減少し、タービン１５ｂの過回転が抑制される。つまり、コンプレッサー１５ａの回転の過上昇が抑えられることになり、過給圧が過剰に上昇してしまうような事態が防止される。
【００４８】
一方、バイパス通路１を通る排気は、三方弁３を介して蓄圧通路４側へと流通し、逆止弁５を通過してアキュムレーター６の内部に導入される。蓄圧通路４内の排気は、逆止弁５によって三方弁３側への逆流が阻止される。また、還流通路８上の還流弁９は閉鎖状態に制御されているため、還流通路８側への流出も阻止される。
【００４９】
したがって、蓄圧通路４内の排圧はもれなくアキュムレーター６内に蓄圧される。アキュムレーター６の内圧は、パイロット通路７を介して三方弁３のボール弁体３ｂに作用するが、その内圧が所定圧PMAX未満の状態では三方弁３での連通状態は変化せず、図２（ａ）に示すような状態が維持される。
【００５０】
なお、アキュムレーター６の内圧が所定圧PMAX以上になる前にエンジン１０の運転状態が変化して過給圧が低下した場合（例えば、エンジン回転数が低下した場合）には、ウェストゲートアクチュエーター１３の作用によりウェストゲートバルブ２が閉鎖されるため、蓄圧されなくなる。しかし、三方弁３の連通状態は過給の実施状態に関わらず維持される。つまり、たとえ過給状態でなくても三方弁３の連通状態は維持されるため、再び過給圧が上昇してウェストゲートバルブ２が開放されたときには、蓄圧が再開される。
【００５１】
［３−２．蓄圧の完了時］
アキュムレーター６内に排気が満充填されて内圧が所定圧PMAX以上になると、パイロット通路７を介して三方弁３に作用するパイロット圧Pによって三方弁３のボール弁体３ｂが図２（ｂ）に示す位置に制御され、第二バイパス通路１ｂと第三バイパス通路１ｃとが連通した状態となる。つまり、蓄圧通路４側への排気の流れが遮断され、それ以上の蓄圧が禁止される。
【００５２】
また、このときウェストゲートバルブ２が開放されると、排気通路１１の上流穴部１１ａと下流穴部１１ｂとが連通した状態となり、タービン１５ｂの過回転が抑制される。したがって、アキュムレーター６の蓄圧状態によってウェストゲートバルブ２の排気バイパス機能が妨げられることはない。
【００５３】
［３−３．排圧の再利用時］
例えば、エンジン１０がアイドリング状態のときにアクセルペダルが急激に踏み込まれると、アクセル踏み込み量等に応じた加速要求の大きさがエンジン制御装置２０の内部で演算され、その加速要求に応じたエンジン出力が得られるようにエンジン１０の指示燃料噴射量が制御される。
【００５４】
一方、アイドリング状態ではエンジン１０の排気量が比較的少なく排気圧が低圧であるため、タービン１５ｂの回転数の上昇速度が緩慢となり、一時的に過給圧が不足した状態となる。特に、エンジン回転数が低回転であるときに負荷が急増した場合（要求される過給圧が急上昇した場合）には、過給圧の不足量が大きくなり、筒内燃焼に係る酸素量が不足して黒煙が発生しやすくなるほか、十分なエンジン出力が確保しにくくなる。
【００５５】
しかしながら、本エンジン制御装置２０では、このような運転状態で『排圧の放出条件』が成立すると還流弁９が開放され、アキュムレーター６に蓄圧された排気圧がタービン１５ｂの上流側に導入される。すなわち、エンジン回転数が予め設定された所定値未満の低回転状態であり、かつ、アクセル操作量等に基づく指示燃料噴射量の単位時間当たりの増加量が所定量以上となる加速状態であるときに、アキュムレーター６に蓄えられていた排気が再利用される。
【００５６】
これにより、タービン１５ｂの回転速度が瞬時に加速され、過給圧が上昇する。したがって、筒内燃焼に係る酸素量が十分に確保され、黒煙の発生が抑制されるとともにエンジン出力が上昇する。
【００５７】
［４．効果］
（１）このように、上記の過給制御装置では、ウェストゲートバルブ２の開放時にバイパス通路１を流れる排気圧がアキュムレーター６に回収され、必要に応じてその排気圧をタービン１５ｂの上流側に再び供給する制御が実施される。このような制御により、簡素な構成でエネルギーロスを減少させることができる。
【００５８】
また、排気圧の再利用によりエンジン１０の出力を高めることができる。特に、過給圧が比較的低圧である車両発進時や低速走行時に高出力が要求されたような場合に排気圧を再利用することで、車両の発進性，加速性を向上させることができる。また、過給圧を上昇させることで排ガス性能やエンジン出力を向上させることができる。
【００５９】
さらに、従来はエネルギーが回収されずにバイパス通路１から廃棄されていた排気の圧力を利用して、ターボチャージャー１５の回転をアシストする構造となっているため、従来の車両と比較してエネルギー効率を向上させることができ、燃費性能を向上させることができる。また、電動モーターを用いて過給アシストを実施するようなものと比較しても、装置構成を簡素化することができ、コストを削減しつつ十分な過給性能を維持することができる。
【００６０】
（２）また、上記の過給制御装置は、バイパス通路１上に介装された三方弁３から蓄圧通路４を分岐形成した排気回路を備えている。これにより、バイパス通路１からアキュムレーター６に導入される排気の流通方向を容易に制御することができ、従来のウェストゲートバルブ２の機能を損なうことなく蓄圧機能を付加することができる。
【００６１】
（３）また、上記の過給制御装置には、三方弁３での排気の流通方向を制御するためのパイロット圧Pとしてアキュムレーターの内圧を伝達するパイロット通路７が設けられている。これにより、アキュムレーター６の蓄圧状態に応じて三方弁３の連通先を変更することが可能となり、確実にアキュムレーター６の内圧を所定圧PMAXまで高めることができる。
【００６２】
（４）また、蓄圧通路４上には逆止弁５が介装されているため、アキュムレーター６側から三方弁３側への排気の逆流を防止することができ、確実にアキュムレーター６に排気圧を蓄えることができる。
【００６３】
なお、アキュムレーター６の内圧が所定圧PMAX以上になる前にウェストゲートバルブ２が閉鎖された場合であっても（つまり、蓄圧通路４側からの排気の流入が停止した場合であっても）、蓄圧通路４内の排気は、逆止弁５によって三方弁３側への逆流が阻止される。このように、アキュムレーター６への蓄圧は必ずしも一回の操作で完了させる必要はなく、複数回に分けて蓄圧することが可能である。
【００６４】
（５）また、上記の過給制御装置では、アキュムレーター６に蓄えられた排気圧を再利用するための条件として『排圧の放出条件』が設定されている。この『排圧の放出条件』は、ターボチャージャー１５による過給が不足しうる運転状態であるか否かを判断するための条件である。このように、過給が不足しうる運転状態で排気圧の再利用を許可することにより、出力要求に見合ったエンジン出力を確保することができる。
【００６５】
特に、車両発進時のように、エンジン回転数が低回転の状態で出力要求が急増したときに蓄圧が再利用されるため、発進性や低速走行域での加速性を向上させることができ、ドライブフィーリングを高めることができるとともに、排ガスの改善や燃費の向上を図ることができる。
【００６６】
［５．変形例］
上述の実施形態では、ターボチャージャー１５のコンプレッサー１５ａよりも下流側の吸気通路１２内の圧力（すなわち過給圧）に応じて、ウェストゲートバルブ２の開度を機械的に制御する排気回路を例示したが、具体的なウェストゲートバルブ２やウェストゲートアクチュエーター１３等の構造はこれに限定されない。
【００６７】
例えば、コンプレッサー１５ａの過給圧（下流圧）だけでなく上流圧も用いて、ウェストゲートアクチュエーター１３がウェストゲートバルブ２の開度を制御する構成としてもよい。あるいは、電磁制御のウェストゲートアクチュエーター１３やウェストゲートバルブ２を適用してもよい。少なくとも、排気にタービン１５ｂを迂回させる経路上にバルブを介装した排気回路であって、そのバルブの開度が過給圧に応じて開閉制御されるものであれば、上記の過給制御装置を適用することが可能である。
【００６８】
また、上述の実施形態では、バイパス通路１と蓄圧通路４との分岐点に三方弁３を介装した排気回路を例示したが、三方弁３の代わりに流量制御弁を用いてもよい。この場合、アキュムレーター６の内圧が高いほど第三バイパス通路１ｃ側への排気流量を増大させ、アキュムレーター６の内圧が低いほど蓄圧通路４側への排気流量を増大させるように、流量制御弁の制御スプールを駆動させればよい。
【００６９】
また、上述の実施形態における排気通路１１の第二上流穴部１１ｃは、タービン１５ｂの上流側に設けられるものであるが、第二上流穴部１１ｃの位置を工夫することでタービン回転の上昇効率を高めることも考えられる。すなわち、第二上流穴部１１ｃから噴出する排気が直接的にタービン１５ｂの動翼やベーンに当接する位置に第二上流穴部１１ｃを設けてもよい。このような構成により、過給効率をさらに向上させることができる。
【００７０】
なお、エンジン制御装置２０で判定される『排圧の放出条件』は上述の実施形態のものに限定されない。例えば、吸気通路１２のコンプレッサー１３よりも下流側に設けられた圧力センサーの検出値に基づき、過給圧の不足が検出された場合に還流弁９を開放する制御構成としてもよい。あるいは、エンジン１０の燃料噴射量の制御値が急増した場合に還流弁９を開放させてもよい。
【００７１】
また、上述の実施形態では、排気圧を利用して過給を実施するターボチャージャー１５の排圧を回収するものを例示したが、これに代えて、電動アシスト式のターボチャージャーや可変容量ターボチャージャー等の排圧を回収する構成としてもよい。少なくとも、吸気通路１２に介装されたコンプレッサー１５ａと排気通路１１に介装されたタービン１５ｂとを有する過給機であれば、上述の過給制御装置を適用することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１ バイパス通路
２ ウェストゲートバルブ
３ 三方弁
４ 蓄圧通路
５ 逆止弁
６ アキュムレーター（蓄圧器）
７ パイロット通路
８ 還流通路
９ 還流弁
１０ エンジン
１１ 排気通路
１１ａ 上流穴部（上流側）
１１ｂ 下流穴部（下流側）
１１ｃ 第二上流穴部（上流側）
１５ ターボチャージャー（過給機）
１５ａ コンプレッサー
１５ｂ タービン
２０ エンジン制御装置（制御手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気通路に介装されたコンプレッサーと排気通路に介装されたタービンとを有する過給機の動作を制御する過給制御装置であって、
前記タービンよりも前記排気通路の上流側と下流側とを接続するバイパス通路と、
前記バイパス通路上に介装され、前記コンプレッサーの過給圧に応じて前記バイパス通路を開閉するウェストゲートバルブと、
前記ウェストゲートバルブよりも前記バイパス通路の下流側に接続され、排気圧を蓄圧する蓄圧器と、
前記蓄圧器と前記タービンの上流側とを接続する還流通路と、
前記還流通路上に介装され、出力要求に応じて前記蓄圧通路を開閉する還流弁と
を備えたことを特徴とする、内燃機関の過給制御装置。
【請求項２】
前記タービンよりも下流側の前記バイパス通路上に介装された三方弁と、
前記蓄圧器と前記三方弁との間を接続する蓄圧通路とを備え、
前記三方弁が、前記蓄圧器の内圧に応じて、前記タービンの上流側を前記蓄圧通路又は前記タービンの下流側の何れか一方に連通させる
ことを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の過給制御装置。
【請求項３】
前記蓄圧器の内圧を前記三方弁に伝達するパイロット通路を備え、
前記三方弁が、前記パイロット通路から導入される前記内圧が所定圧以上であるときに、前記タービンの上流側を前記タービンの下流側に連通させるとともに、前記内圧が前記所定圧未満であるときに、前記タービンの上流側を前記蓄圧通路に連通させる
ことを特徴とする、請求項２記載の内燃機関の過給制御装置。
【請求項４】
前記蓄圧通路に介装された逆止弁を備えた
ことを特徴とする、請求項２又は３記載の内燃機関の過給制御装置。
【請求項５】
前記還流弁の開度を制御する制御手段を備え、
前記制御手段が、前記過給圧が所定圧未満でありかつ前記出力要求が所定量以上であるときに前記還流弁の開度を増大させるとともに、前記過給圧が所定圧以上であり又は前記出力要求が所定量未満であるときに前記還流弁の開度を減少させる
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の内燃機関の過給制御装置。
【請求項１】
内燃機関の吸気通路に介装されたコンプレッサーと排気通路に介装されたタービンとを有する過給機の動作を制御する過給制御装置であって、
前記タービンよりも前記排気通路の上流側と下流側とを接続するバイパス通路と、
前記バイパス通路上に介装され、前記コンプレッサーの過給圧に応じて前記バイパス通路を開閉するウェストゲートバルブと、
前記ウェストゲートバルブよりも前記バイパス通路の下流側に接続され、排気圧を蓄圧する蓄圧器と、
前記蓄圧器と前記タービンの上流側とを接続する還流通路と、
前記還流通路上に介装され、出力要求に応じて前記蓄圧通路を開閉する還流弁と
を備えたことを特徴とする、内燃機関の過給制御装置。
【請求項２】
前記タービンよりも下流側の前記バイパス通路上に介装された三方弁と、
前記蓄圧器と前記三方弁との間を接続する蓄圧通路とを備え、
前記三方弁が、前記蓄圧器の内圧に応じて、前記タービンの上流側を前記蓄圧通路又は前記タービンの下流側の何れか一方に連通させる
ことを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の過給制御装置。
【請求項３】
前記蓄圧器の内圧を前記三方弁に伝達するパイロット通路を備え、
前記三方弁が、前記パイロット通路から導入される前記内圧が所定圧以上であるときに、前記タービンの上流側を前記タービンの下流側に連通させるとともに、前記内圧が前記所定圧未満であるときに、前記タービンの上流側を前記蓄圧通路に連通させる
ことを特徴とする、請求項２記載の内燃機関の過給制御装置。
【請求項４】
前記蓄圧通路に介装された逆止弁を備えた
ことを特徴とする、請求項２又は３記載の内燃機関の過給制御装置。
【請求項５】
前記還流弁の開度を制御する制御手段を備え、
前記制御手段が、前記過給圧が所定圧未満でありかつ前記出力要求が所定量以上であるときに前記還流弁の開度を増大させるとともに、前記過給圧が所定圧以上であり又は前記出力要求が所定量未満であるときに前記還流弁の開度を減少させる
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の内燃機関の過給制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−５３５４７（Ｐ２０１３−５３５４７Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９１７２８（Ｐ２０１１−１９１７２８）
【出願日】平成２３年９月２日（２０１１．９．２）
【出願人】（５９８０５１８１９）ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト (1,147)
【氏名又は名称原語表記】Ｄａｉｍｌｅｒ ＡＧ
【住所又は居所原語表記】Ｍｅｒｃｅｄｅｓｓｔｒａｓｓｅ １３７，７０３２７ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ，Ｄｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２日（２０１１．９．２）
【出願人】（５９８０５１８１９）ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト (1,147)
【氏名又は名称原語表記】Ｄａｉｍｌｅｒ ＡＧ
【住所又は居所原語表記】Ｍｅｒｃｅｄｅｓｓｔｒａｓｓｅ １３７，７０３２７ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ，Ｄｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ
【Ｆターム（参考）】
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