機械式過給装置を備えた内燃機関及びその過給方法
【課題】内燃機関の運転の過渡状態においても、定常状態の目標過給圧に近い過給圧を発生して排ガス改善を行うことができ、しかも、機械式過給装置の駆動損失を減少できて燃費の悪化を抑制できる機械式過給装置を備えた内燃機関及びその過給方法を提供する。
【解決手段】ターボチャージャー７と機械式過給装置６を備えた内燃機関１，１Ａにおいて、過渡状態でかつ前記ターボチャージャー７の過給圧が上がらないときに、前記機械式過給装置６を使って過給圧を上昇させ、前記ターボチャージャー７による過給圧の上昇に合わせて前記機械式過給装置６による過給圧を下げて、前記ターボチャージャーの７過給圧が要求された目標過給圧Ｐｃになったところで、前記機械式過給装置６を停止して前記ターボチャージャー７に切り替える過給制御を行う。
【解決手段】ターボチャージャー７と機械式過給装置６を備えた内燃機関１，１Ａにおいて、過渡状態でかつ前記ターボチャージャー７の過給圧が上がらないときに、前記機械式過給装置６を使って過給圧を上昇させ、前記ターボチャージャー７による過給圧の上昇に合わせて前記機械式過給装置６による過給圧を下げて、前記ターボチャージャーの７過給圧が要求された目標過給圧Ｐｃになったところで、前記機械式過給装置６を停止して前記ターボチャージャー７に切り替える過給制御を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の運転が過渡状態のときに、過給圧を迅速に上昇でき、ターボチャージャーのみに比べて過給遅れを著しく少なくすることができると共に、機械式過給装置による駆動損失を低減できる機械式過給装置を備えた内燃機関及びその過給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術のディーゼルエンジンでは、インタークーラ付きターボチャージャー、ＥＧＲ（排気再循環）装置、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）装置等によって、エンジンから排出される排ガスの浄化を行っている。また、今後の排ガス規制強化に対応するために、低圧ＥＧＲ装置、２段階式ターボチャージャー、カムレス弁機構等の色々な装置が検討されている。
【０００３】
この内燃機関の排ガス特性の向上と燃費改善には、シリンダ内に新気（空気）とＥＧＲガスを最適な状態で導入することが重要であり、過給特性が大きく影響する。しかしながら、ターボチャージャーでは、負荷の上昇があると排ガス流量が増加し、排気マニホールド内の温度と圧力が上昇してタービンの回転数が上昇し、タービンと同軸上にあるコンプレッサも同時に回転して、回転数が上昇した後に過給圧が上昇する。そのため、エンジンの運転状態が変化する過渡状態においては、過給遅れ（ターボラグ）が生じ、最適な過給圧が得られない時期が生じる。従って、過渡時の過給特性の改善が排ガス改善への重要な課題の一つとなっている。
【０００４】
つまり、ターボチャージャーを用いた内燃機関においては、過給圧の立ち上がりにターボラグと呼ばれる時間遅れ（タイムラグ）があるので、内燃機関の運転状態の過渡状態においては、図６の上段に示すように、車速をゼロから加速して定常状態にする場合に、燃焼噴射量Ｑｓｔは、加速中は増量され、定常状態で一定になるように供給される。このときに、新気（Ａｉｒ）とＥＧＲガス（ＥＧＲ）は、図６の中段に示すように、シリンダ内に供給されるのが望ましいが、実際には、図６の下段に示すように、加速中の過渡状態においては、過給遅れが生じて、過給圧が目標過給圧よりも低くなるため、新気の供給は、実線のＡｉｒのように低くなるので、空燃比が下がるため、ＥＧＲを行うことができなくなる。そのため、図６の下段に示すような新気（Ａｉｒ）とＥＧＲガス（ＥＧＲ）がシリンダ内に供給されることになる。つまり、この過渡状態では、スモークを排出しないように、空燃比を設定するとＥＧＲガスが吸気側に入らなくなってしまう。このことから、過渡時の排ガスは定常状態に比べて悪化してしまうという問題がある。
【０００５】
これに関連して、ターボ過給機（ターボチャージャー）又は機械式過給機を備えた過給機付エンジンにおいて、排気還流が行われる運転領域において、排気還流弁の制御と過給機の制御とを効果的に協調させ、過給機の効率等を良好に保つために、排気還流が行われている運転領域で、運転状態の変化に伴い、過給圧と新気量とが互いに対応して増減するように過給機の駆動量とＥＧＲ弁の開口量とのうちの少なくとも一方を制御する過給機付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。）。
【０００６】
また、ＥＧＲシステムにおいて、燃焼用空気と混合されて吸気マニホールドに導入される排気ガスの量を微調整するために、一方の組の排気マニホールドに連結する第１ターボチャージャーと他方の組の排気マニホールドに連結する第２ターボチャージャーを備え、バルブにより両方の組のＥＧＲ用の排気ガス量を調整する内燃機関における排気ガス再循環システムが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
更に、ターボチャージャーと過給機（機械式過給機）の２つを備え、過給機下流の吸気圧力が所望値になるまで、ターボチャージャーと過給機の出力を調整する過給ディーゼルエンジンが提案されており、この制御では、高い吸気圧ではターボチャージャーの出力増加を優先し、低い吸気圧では過給機の出力低減を優先としている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１７０５８０号公報
【特許文献２】特開２００２−１８０９１１号公報
【特許文献３】特表２００８−５４６９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、内燃機関の運転の過渡状態においても、定常状態の目標過給圧に近い過給圧を発生して排ガス改善を行うことができ、しかも、機械式過給装置の駆動損失を減少できて燃費の悪化を抑制できる機械式過給装置を備えた内燃機関及びその過給方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記のような目的を達成するための機械式過給装置を備えた内燃機関は、ターボチャージャーと機械式過給装置の両方を備えた内燃機関において、内燃機関の運転が過渡状態でかつ前記ターボチャージャーの過給圧が上がらないときに、前記機械式過給装置を使って過給圧を上昇させ、前記ターボチャージャーによる過給圧の上昇に合わせて前記機械式過給装置による過給圧を下げて、前記ターボチャージャーの過給圧が要求された目標過給圧になったところで前記機械式過給装置を停止して前記ターボチャージャーに切り替える過給制御を行うように構成される。
【００１１】
この構成によれば、内燃機関の運転が過渡状態のときに、過給圧を迅速に上昇でき、ターボチャージャーのみに比べて過給遅れ（ターボラグ）を著しく少なくすることができる。また、機械式過給装置（スーパーチャージャー）のみに比べて、過給遅れで過給圧が不足する部分だけを機械式過給装置で補う過給を行うので、機械式過給装置による駆動損失を低減できる。
【００１２】
また、低圧ＥＧＲを用いている場合には、ターボチャージャーのみを有する場合においては、内燃機関の運転の過渡状態では、過給遅れで過給圧（ブースト圧）が定常状態の目標過給圧よりも低くなってしまうために、空燃比が下がって、ＥＧＲの最適制御を行えないが、この構成によれば、過渡状態でも低圧ＥＧＲでＥＧＲの最適制御を行うことができる。
【００１３】
また、上記の機械式過給装置を備えた内燃機関において、過渡状態における過給圧の制御では、前記ターボチャージャーによる過給圧と前記機械式過給装置による過給圧の和が、過渡状態終了後の定常状態における目標過給圧になるように、前記機械式過給装置による過給圧を調整するように構成すると、速やかに定常状態で必要とする目標過給圧になるように過給できる。
【００１４】
更に、上記の機械式過給装置を備えた内燃機関において、前記機械式過給装置による過給圧の調整を、前記機械式過給装置を迂回する通路に設けたバイパスバルブの開度で調整するように構成すると、容易に機械式過給装置による過給圧を調整でき、しかも、機械式過給装置による駆動損失を低減できる。
【００１５】
そして、上記の目的を達成するための本発明の機械式過給装置を備えた内燃機関の過給方法は、ターボチャージャーと機械式過給機の両方を備えた内燃機関の過給方法において、内燃機関の運転が過渡状態でかつ前記ターボチャージャーの過給圧が上がらないときに、前記機械式過給機を使って過給圧を上昇させ、前記ターボチャージャーによる過給圧の上昇に合わせて前記機械式過給機による過給圧を下げて、前記ターボチャージャーの過給圧が要求された目標過給圧になったところで前記機械式過給機を停止して前記ターボチャージャーに切り替えて過給することを特徴する方法である。
【００１６】
この方法によれば、内燃機関の運転が過渡状態のときに、過給圧を迅速に上昇でき、ターボチャージャーのみに比べて過給遅れを著しく少なくすることができる。また、機械式過給装置のみに比べて、過給遅れで過給圧が不足する部分だけを機械式過給装置で補う過給を行うので、機械式過給装置による駆動損失を低減できる。
【００１７】
また、上記の機械式過給装置を備えた内燃機関の過給方法において、過渡状態における過給圧の制御では、前記ターボチャージャーによる過給圧と前記機械式過給装置による過給圧の和が、過渡状態終了後の定常状態における目標過給圧になるように、前記機械式過給装置による過給圧を調整すると、速やかに定常状態で必要とする目標過給圧になるように過給できるようになる。
【００１８】
更に、上記の機械式過給装置を備えた内燃機関の過給方法において、前記機械式過給装置による過給圧の調整を、前記機械式過給装置を迂回する通路に設けたバイパスバルブの開度で調整すると、容易に機械式過給装置による過給圧を調整でき、しかも、機械式過給装置による駆動損失を低減できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る機械式過給装置を備えた内燃機関及びその過給方法によれば、内燃機関の運転が過渡状態のときに、過給圧を迅速に上昇でき、ターボチャージャーのみに比べてターボラグを著しく少なくすることができ、しかも、機械式過給装置のみに比べて、機械式過給装置の駆動損失を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施の形態の機械式過給装置を備えた内燃機関の構成を示した図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の機械式過給装置を備えた内燃機関の構成を示した図である。
【図３】本発明を説明するためのアクセル開度と過給圧の関係を示した図である。
【図４】本発明に係る過給圧制御ロジックを示した図である。
【図５】本発明の実施例でのエンジンの過渡状態におけるターボラグの改善状況を示した図である。
【図６】従来技術のエンジンの過渡状態におけるターボラグを示した図である。
【図７】ターボチャージャーと機械式過給装置（スーパーチャージャー）における過渡状態の過給圧の差を模式的に示した図である。
【図８】機械式過給装置（スーパーチャージャー）の過給圧と駆動損失の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る実施の形態の機械式過給装置を備えた内燃機関及びその過給方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の第１の実施の形態の内燃機関１の構成を示し、図２に本発明の第２の実施の形態の内燃機関１Ａの構成を示す。
【００２２】
図１に示すように、第１の実施の形態の機械式過給装置を備えた内燃機関（エンジン）１では、エンジン本体２の吸気マニホールド３に接続された吸気通路４に、上流側から順に、吸気絞り弁（インテークスロットル弁）５、機械式過給装置（スーパーチャージャー）６、ターボチャージャー７のコンプレッサ７ａ、インタークーラ８が設けられる。また、過給圧を制御するために、機械式過給装置６を迂回するバイパス通路６ａが設けられ、このバイパス通路６ａにバイパスバルブ６ｂが設けられる。
【００２３】
また、エンジン本体２の排気マニホールド９に接続される排気通路１０に、上流側から順に、ターボチャージャー７のタービン７ｂ、触媒付きＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）１１、排気絞り弁（エクゾーストバルブ）１２が設けられる。なお、このタービン７ｂにはウェストゲートバルブ７ｃが設けられている。
【００２４】
更に、低圧ＥＧＲ用に、吸気絞り弁５の下流側の吸気通路４と排気絞り弁１２の上流側の排気通路１０を連結するＥＧＲ通路１３が設けられる。このＥＧＲ通路１３には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラー１４とＥＧＲを制御するためのＥＧＲ弁１５が配設される。なお、この図１のような機械式過給装置６の配置においては、機械式過給装置６では排気マニホールド９の圧力が高くならないので、触媒付きＤＰＦ１１の出口側から排ガスを取り、機械式過給装置６の入口側に戻す低圧ＥＧＲ用の配置としている。
【００２５】
また、過給圧（ブースト圧）を調整するために、吸気通路４には、吸気絞り弁５の上流側に第１排気ガス温度センサ２１と第１圧力センサ２２を設け、吸気絞り弁５と機械式過給装置６との間に、第２排気ガス温度センサ２３と第２圧力センサ２４を設ける。更に、機械式過給装置６の下流側の吸気通路４に第３排気ガス温度センサ２５を設け、吸気マニホールド３に第４排気ガス温度センサ２６と第３圧力センサ２７を設ける。
【００２６】
これらの各センサの検出値は、エンジン全体を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と呼ばれる制御装置（図示しない）に入力される。この制御装置は、各センサからの信号を入力し、燃料噴射制御、過給制御、ＥＧＲ制御等のエンジン１の運転制御のみならず、触媒付きＤＰＦ１１の再生制御等も行う。この制御装置の出力により、燃料噴射機構、吸気・排気用の弁開閉機構、吸気絞り弁５、機械式過給装置６、バイパスバルブ６ｂ、ウェストゲートバルブ７ｃ、排気絞り弁１２、ＥＧＲ弁１５等が制御される。
【００２７】
次に、第２の実施の形態の機械式過給装置を備えた内燃機関について説明する。図２に示すように、第２の実施の形態の機械式過給装置を備えた内燃機関１Ａでは、第１の実施の形態に比べて、機械式過給装置６がターボチャージャー７のコンプレッサ７ａの下流側に配置されると共に、ＥＧＲ通路１３が低圧ＥＧＲ用ではなく高圧ＥＧＲ用に構成されている点が異なる。それ以外は同じ構成である。
【００２８】
より詳細には、エンジン本体２の吸気マニホールド３に接続された吸気通路４に上流側から順に、吸気絞り弁５、ターボチャージャー７のコンプレッサ７ａ、機械式過給装置６、インタークーラ８が設けられる。
【００２９】
また、エンジン本体２の排気マニホールド９に接続される排気通路１０に、上流側から順に、ターボチャージャー７のタービン７ｂ、触媒付きＤＰＦ１１、排気絞り弁１２が設けられる。なお、このタービン７ｂにはウェストゲートバルブ７ｃが設けられている。
【００３０】
更に、高圧ＥＧＲ用に、機械式過給装置６がターボチャージャー７のコンプレッサ７ａの下流側に配置され、ターボチャージャー７のコンプレッサ７ａの下流側でかつ機械式過給装置６の上流側の吸気通路４とターボチャージャー７のタービン７ｂの上流側の排気通路１０を連結するＥＧＲ通路１３が設けられる。
【００３１】
そして、その他のバイパス通路６、バイパスバルブ６ｂ、ＥＧＲクーラー１４、ＥＧＲ弁１５等や、各センサ２１〜２７等の構成及び制御装置等も第１の実施の形態と同様である。
【００３２】
次に、上記の構成の機械式過給装置を備えた内燃機関１、１Ａにおける過給方法について説明する。これらの内燃機関１、１Ａのシステムでは、機械式過給装置６とターボチャージャー７が直列に配置されていて、過給圧の調整は機械式過給装置６の前後を結び、機械式過給装置６を迂回するバイパス通路６ａのバイパスバルブ６ｂの開度調整により行う。なお、ＥＧＲに関しては、低圧ＥＧＲ又は高圧ＥＧＲのためのＥＧＲ制御が別に必要となり、各ＥＧＲ用の酸素濃度モデルをベースにした制御を実施することになるが、詳細についてはここでは言及しない。
【００３３】
図７にターボチャージャー７の過渡時の過渡特性Ｔと機械式過給装置（スーパーチャージャー）６の過渡特性Ｓの違いを示す。ターボチャージャー７の特性Ｔでは、負荷の上昇があるとまず排ガス流量が増加し、排気マニホールド３内の温度と圧力が上昇してタービン７ｂの回転数が上昇する。タービン７ｂと同軸上にあるコンプレッサ７ａも同時に回転して、回転数が上昇した後に過給圧が上昇するので過給遅れ（ターボラグ）と呼ばれる時間遅れ（タイムラグ）が生じる。
【００３４】
一方、機械式過給装置６ではコンプレッサは常に回転しており、図１又は図２に示す機械式過給装置６のバイパスバルブ６ｂを閉めるだけで過給圧が上昇するので、図７に示す機械式過給装置６の特性Ｓのように、ターボラグは殆ど存在しない。
【００３５】
図８に機械式過給装置６における過給圧と駆動力の関係を示す。ターボチャージャー７の場合には、排気エネルギーを使用して過給を行うが、機械式過給装置６ではエンジンによって直接駆動するので駆動損失が生じる。つまり、過給圧を高くするほど駆動損失が増え、また、回転速度が速いほど駆動損失が増える。ルーツブロア式等の機械式過給装置６の場合には、内部圧縮が無いのでバイパス通路６ａを経由して過給圧を逃がすことによって、駆動損失を低くすることができる。
【００３６】
本発明では、図１又は図２のような構成で、機械式過給装置（スーパーチャージャー）６とターボチャージャー７を組み合わせてそれぞれの良いところを生かす。即ち、過渡時にターボチャージャー７の過給圧が上がらない時に機械式過給装置６を使って過給圧を上昇させる。
【００３７】
この機械式過給装置６は駆動損失があるのでターボチャージャー７の過給圧が高くなってきたところで、機械式過給装置６からターボチャージャー７に切り替える。つまり、図３に示す斜線部分に対して機械式過給装置６で過給を行い、ターボチャージャー７の過給圧Ｔの上昇に合わせて機械式過給装置６の過給圧を下げて駆動損失を低減させる。
【００３８】
過給圧の制御については、過渡時においても、エンジン回転数Ｎｅと噴射燃料量Ｑｆｉｎから定常状態の目標過給圧マップＭ１を参照して目標過給圧Ｐｃを算出し、この目標過給圧Ｐｃに対して、測定される過給圧Ｂｏｏｓｔが目標過給圧になるように、過給圧制御手段（ブーストコントローラ）で、ＰＩＤ制御等で機械式過給装置６のバイパスバルブ６ｂの開度制御を行うフィードバック制御を行う。この制御フローを図４に示す。
【００３９】
本発明においては、機械式過給装置（スーパーチャージャー）６とターボチャージャー７を直列に配置し、過渡時の過給圧の制御を機械式過給装置６のバイパスバルブ６ｂの開度制御で行うことで、内燃機関１、１Ａの運転の過渡時の過給特性及び排ガス特性を改善する。
【００４０】
このとき、ターボチャージャー７による過給圧の上昇に合わせて、目標過給圧Ｐｃになるように機械式過給装置６のバイパスバルブ６ｂの開度を調整し、目標過給圧Ｐｃを維持しながら機械式過給装置６による過給圧を低下させて駆動損失を減少する。この構成により、第１の実施の形態での低圧ＥＧＲの実施例を示す図５の下段の実施例に示すように、過渡過給特性を改善することで、シリンダ内への新気（Ａｉｒ）及びＥＧＲガス（ＥＧＲ）の同流量を中段に示す制御目標に近づけることができ、排ガス特性を改善できる。つまり、過渡特性を改善して排ガス特性を改善ながら、機械式過給装置６の駆動損失増加を最小限にすることができる。
【００４１】
従って、本発明に係る機械式過給装置を備えた内燃機関１、１Ａ及びその過給方法によれば、内燃機関１、１Ａの運転の過渡状態のときに、過給圧を迅速に上昇でき、ターボチャージャー７のみに比べてターボラグを著しく少なくすることができ、機械式過給装置６のみに比べて、機械式過給装置６の駆動損失を低減できる。
【００４２】
また、低圧ＥＧＲを用いている場合には、ターボチャージャー７のみを有する場合では、内燃機関の運転の過渡状態では、過給遅れで過給圧が定常状態の目標過給圧Ｐｃよりも低くなってしまうために、空燃比が下がって、ＥＧＲの最適制御を行えないが、本発明では、過渡状態でも低圧ＥＧＲでＥＧＲの最適制御を行うことができる。
【００４３】
更に、過給遅れで過給圧が不足する部分だけを機械式過給装置６で補う過給を行うので、機械式過給装置６による駆動損失を低減でき、燃費の悪化を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の機械式過給装置を備えた内燃機関及びその過給方法は、上記のように、内燃機関の過渡状態においても、定常状態の目標過給圧に近い過給圧を発生して排ガス改善を行うことができ、しかも、機械式過給装置の駆動損失を減少できて燃費の悪化を抑制できるという効果を奏することができるので、自動車搭載等の内燃機関やその過給方法として利用できる。
【符号の説明】
【００４５】
１、１Ａ 内燃機関
２ エンジン本体
４ 吸気通路
６ 機械式過給装置（スーパーチャージャー）
６ａ バイパス通路
６ｂ バイパスバルブ
７ ターボチャージャー
７ａ コンプレッサ
７ｂ タービン
７ｃ ウェストゲートバルブ
１０ 排気通路
１３ ＥＧＲ通路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の運転が過渡状態のときに、過給圧を迅速に上昇でき、ターボチャージャーのみに比べて過給遅れを著しく少なくすることができると共に、機械式過給装置による駆動損失を低減できる機械式過給装置を備えた内燃機関及びその過給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術のディーゼルエンジンでは、インタークーラ付きターボチャージャー、ＥＧＲ（排気再循環）装置、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）装置等によって、エンジンから排出される排ガスの浄化を行っている。また、今後の排ガス規制強化に対応するために、低圧ＥＧＲ装置、２段階式ターボチャージャー、カムレス弁機構等の色々な装置が検討されている。
【０００３】
この内燃機関の排ガス特性の向上と燃費改善には、シリンダ内に新気（空気）とＥＧＲガスを最適な状態で導入することが重要であり、過給特性が大きく影響する。しかしながら、ターボチャージャーでは、負荷の上昇があると排ガス流量が増加し、排気マニホールド内の温度と圧力が上昇してタービンの回転数が上昇し、タービンと同軸上にあるコンプレッサも同時に回転して、回転数が上昇した後に過給圧が上昇する。そのため、エンジンの運転状態が変化する過渡状態においては、過給遅れ（ターボラグ）が生じ、最適な過給圧が得られない時期が生じる。従って、過渡時の過給特性の改善が排ガス改善への重要な課題の一つとなっている。
【０００４】
つまり、ターボチャージャーを用いた内燃機関においては、過給圧の立ち上がりにターボラグと呼ばれる時間遅れ（タイムラグ）があるので、内燃機関の運転状態の過渡状態においては、図６の上段に示すように、車速をゼロから加速して定常状態にする場合に、燃焼噴射量Ｑｓｔは、加速中は増量され、定常状態で一定になるように供給される。このときに、新気（Ａｉｒ）とＥＧＲガス（ＥＧＲ）は、図６の中段に示すように、シリンダ内に供給されるのが望ましいが、実際には、図６の下段に示すように、加速中の過渡状態においては、過給遅れが生じて、過給圧が目標過給圧よりも低くなるため、新気の供給は、実線のＡｉｒのように低くなるので、空燃比が下がるため、ＥＧＲを行うことができなくなる。そのため、図６の下段に示すような新気（Ａｉｒ）とＥＧＲガス（ＥＧＲ）がシリンダ内に供給されることになる。つまり、この過渡状態では、スモークを排出しないように、空燃比を設定するとＥＧＲガスが吸気側に入らなくなってしまう。このことから、過渡時の排ガスは定常状態に比べて悪化してしまうという問題がある。
【０００５】
これに関連して、ターボ過給機（ターボチャージャー）又は機械式過給機を備えた過給機付エンジンにおいて、排気還流が行われる運転領域において、排気還流弁の制御と過給機の制御とを効果的に協調させ、過給機の効率等を良好に保つために、排気還流が行われている運転領域で、運転状態の変化に伴い、過給圧と新気量とが互いに対応して増減するように過給機の駆動量とＥＧＲ弁の開口量とのうちの少なくとも一方を制御する過給機付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。）。
【０００６】
また、ＥＧＲシステムにおいて、燃焼用空気と混合されて吸気マニホールドに導入される排気ガスの量を微調整するために、一方の組の排気マニホールドに連結する第１ターボチャージャーと他方の組の排気マニホールドに連結する第２ターボチャージャーを備え、バルブにより両方の組のＥＧＲ用の排気ガス量を調整する内燃機関における排気ガス再循環システムが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
更に、ターボチャージャーと過給機（機械式過給機）の２つを備え、過給機下流の吸気圧力が所望値になるまで、ターボチャージャーと過給機の出力を調整する過給ディーゼルエンジンが提案されており、この制御では、高い吸気圧ではターボチャージャーの出力増加を優先し、低い吸気圧では過給機の出力低減を優先としている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１７０５８０号公報
【特許文献２】特開２００２−１８０９１１号公報
【特許文献３】特表２００８−５４６９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、内燃機関の運転の過渡状態においても、定常状態の目標過給圧に近い過給圧を発生して排ガス改善を行うことができ、しかも、機械式過給装置の駆動損失を減少できて燃費の悪化を抑制できる機械式過給装置を備えた内燃機関及びその過給方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記のような目的を達成するための機械式過給装置を備えた内燃機関は、ターボチャージャーと機械式過給装置の両方を備えた内燃機関において、内燃機関の運転が過渡状態でかつ前記ターボチャージャーの過給圧が上がらないときに、前記機械式過給装置を使って過給圧を上昇させ、前記ターボチャージャーによる過給圧の上昇に合わせて前記機械式過給装置による過給圧を下げて、前記ターボチャージャーの過給圧が要求された目標過給圧になったところで前記機械式過給装置を停止して前記ターボチャージャーに切り替える過給制御を行うように構成される。
【００１１】
この構成によれば、内燃機関の運転が過渡状態のときに、過給圧を迅速に上昇でき、ターボチャージャーのみに比べて過給遅れ（ターボラグ）を著しく少なくすることができる。また、機械式過給装置（スーパーチャージャー）のみに比べて、過給遅れで過給圧が不足する部分だけを機械式過給装置で補う過給を行うので、機械式過給装置による駆動損失を低減できる。
【００１２】
また、低圧ＥＧＲを用いている場合には、ターボチャージャーのみを有する場合においては、内燃機関の運転の過渡状態では、過給遅れで過給圧（ブースト圧）が定常状態の目標過給圧よりも低くなってしまうために、空燃比が下がって、ＥＧＲの最適制御を行えないが、この構成によれば、過渡状態でも低圧ＥＧＲでＥＧＲの最適制御を行うことができる。
【００１３】
また、上記の機械式過給装置を備えた内燃機関において、過渡状態における過給圧の制御では、前記ターボチャージャーによる過給圧と前記機械式過給装置による過給圧の和が、過渡状態終了後の定常状態における目標過給圧になるように、前記機械式過給装置による過給圧を調整するように構成すると、速やかに定常状態で必要とする目標過給圧になるように過給できる。
【００１４】
更に、上記の機械式過給装置を備えた内燃機関において、前記機械式過給装置による過給圧の調整を、前記機械式過給装置を迂回する通路に設けたバイパスバルブの開度で調整するように構成すると、容易に機械式過給装置による過給圧を調整でき、しかも、機械式過給装置による駆動損失を低減できる。
【００１５】
そして、上記の目的を達成するための本発明の機械式過給装置を備えた内燃機関の過給方法は、ターボチャージャーと機械式過給機の両方を備えた内燃機関の過給方法において、内燃機関の運転が過渡状態でかつ前記ターボチャージャーの過給圧が上がらないときに、前記機械式過給機を使って過給圧を上昇させ、前記ターボチャージャーによる過給圧の上昇に合わせて前記機械式過給機による過給圧を下げて、前記ターボチャージャーの過給圧が要求された目標過給圧になったところで前記機械式過給機を停止して前記ターボチャージャーに切り替えて過給することを特徴する方法である。
【００１６】
この方法によれば、内燃機関の運転が過渡状態のときに、過給圧を迅速に上昇でき、ターボチャージャーのみに比べて過給遅れを著しく少なくすることができる。また、機械式過給装置のみに比べて、過給遅れで過給圧が不足する部分だけを機械式過給装置で補う過給を行うので、機械式過給装置による駆動損失を低減できる。
【００１７】
また、上記の機械式過給装置を備えた内燃機関の過給方法において、過渡状態における過給圧の制御では、前記ターボチャージャーによる過給圧と前記機械式過給装置による過給圧の和が、過渡状態終了後の定常状態における目標過給圧になるように、前記機械式過給装置による過給圧を調整すると、速やかに定常状態で必要とする目標過給圧になるように過給できるようになる。
【００１８】
更に、上記の機械式過給装置を備えた内燃機関の過給方法において、前記機械式過給装置による過給圧の調整を、前記機械式過給装置を迂回する通路に設けたバイパスバルブの開度で調整すると、容易に機械式過給装置による過給圧を調整でき、しかも、機械式過給装置による駆動損失を低減できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る機械式過給装置を備えた内燃機関及びその過給方法によれば、内燃機関の運転が過渡状態のときに、過給圧を迅速に上昇でき、ターボチャージャーのみに比べてターボラグを著しく少なくすることができ、しかも、機械式過給装置のみに比べて、機械式過給装置の駆動損失を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施の形態の機械式過給装置を備えた内燃機関の構成を示した図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の機械式過給装置を備えた内燃機関の構成を示した図である。
【図３】本発明を説明するためのアクセル開度と過給圧の関係を示した図である。
【図４】本発明に係る過給圧制御ロジックを示した図である。
【図５】本発明の実施例でのエンジンの過渡状態におけるターボラグの改善状況を示した図である。
【図６】従来技術のエンジンの過渡状態におけるターボラグを示した図である。
【図７】ターボチャージャーと機械式過給装置（スーパーチャージャー）における過渡状態の過給圧の差を模式的に示した図である。
【図８】機械式過給装置（スーパーチャージャー）の過給圧と駆動損失の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る実施の形態の機械式過給装置を備えた内燃機関及びその過給方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の第１の実施の形態の内燃機関１の構成を示し、図２に本発明の第２の実施の形態の内燃機関１Ａの構成を示す。
【００２２】
図１に示すように、第１の実施の形態の機械式過給装置を備えた内燃機関（エンジン）１では、エンジン本体２の吸気マニホールド３に接続された吸気通路４に、上流側から順に、吸気絞り弁（インテークスロットル弁）５、機械式過給装置（スーパーチャージャー）６、ターボチャージャー７のコンプレッサ７ａ、インタークーラ８が設けられる。また、過給圧を制御するために、機械式過給装置６を迂回するバイパス通路６ａが設けられ、このバイパス通路６ａにバイパスバルブ６ｂが設けられる。
【００２３】
また、エンジン本体２の排気マニホールド９に接続される排気通路１０に、上流側から順に、ターボチャージャー７のタービン７ｂ、触媒付きＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）１１、排気絞り弁（エクゾーストバルブ）１２が設けられる。なお、このタービン７ｂにはウェストゲートバルブ７ｃが設けられている。
【００２４】
更に、低圧ＥＧＲ用に、吸気絞り弁５の下流側の吸気通路４と排気絞り弁１２の上流側の排気通路１０を連結するＥＧＲ通路１３が設けられる。このＥＧＲ通路１３には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラー１４とＥＧＲを制御するためのＥＧＲ弁１５が配設される。なお、この図１のような機械式過給装置６の配置においては、機械式過給装置６では排気マニホールド９の圧力が高くならないので、触媒付きＤＰＦ１１の出口側から排ガスを取り、機械式過給装置６の入口側に戻す低圧ＥＧＲ用の配置としている。
【００２５】
また、過給圧（ブースト圧）を調整するために、吸気通路４には、吸気絞り弁５の上流側に第１排気ガス温度センサ２１と第１圧力センサ２２を設け、吸気絞り弁５と機械式過給装置６との間に、第２排気ガス温度センサ２３と第２圧力センサ２４を設ける。更に、機械式過給装置６の下流側の吸気通路４に第３排気ガス温度センサ２５を設け、吸気マニホールド３に第４排気ガス温度センサ２６と第３圧力センサ２７を設ける。
【００２６】
これらの各センサの検出値は、エンジン全体を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と呼ばれる制御装置（図示しない）に入力される。この制御装置は、各センサからの信号を入力し、燃料噴射制御、過給制御、ＥＧＲ制御等のエンジン１の運転制御のみならず、触媒付きＤＰＦ１１の再生制御等も行う。この制御装置の出力により、燃料噴射機構、吸気・排気用の弁開閉機構、吸気絞り弁５、機械式過給装置６、バイパスバルブ６ｂ、ウェストゲートバルブ７ｃ、排気絞り弁１２、ＥＧＲ弁１５等が制御される。
【００２７】
次に、第２の実施の形態の機械式過給装置を備えた内燃機関について説明する。図２に示すように、第２の実施の形態の機械式過給装置を備えた内燃機関１Ａでは、第１の実施の形態に比べて、機械式過給装置６がターボチャージャー７のコンプレッサ７ａの下流側に配置されると共に、ＥＧＲ通路１３が低圧ＥＧＲ用ではなく高圧ＥＧＲ用に構成されている点が異なる。それ以外は同じ構成である。
【００２８】
より詳細には、エンジン本体２の吸気マニホールド３に接続された吸気通路４に上流側から順に、吸気絞り弁５、ターボチャージャー７のコンプレッサ７ａ、機械式過給装置６、インタークーラ８が設けられる。
【００２９】
また、エンジン本体２の排気マニホールド９に接続される排気通路１０に、上流側から順に、ターボチャージャー７のタービン７ｂ、触媒付きＤＰＦ１１、排気絞り弁１２が設けられる。なお、このタービン７ｂにはウェストゲートバルブ７ｃが設けられている。
【００３０】
更に、高圧ＥＧＲ用に、機械式過給装置６がターボチャージャー７のコンプレッサ７ａの下流側に配置され、ターボチャージャー７のコンプレッサ７ａの下流側でかつ機械式過給装置６の上流側の吸気通路４とターボチャージャー７のタービン７ｂの上流側の排気通路１０を連結するＥＧＲ通路１３が設けられる。
【００３１】
そして、その他のバイパス通路６、バイパスバルブ６ｂ、ＥＧＲクーラー１４、ＥＧＲ弁１５等や、各センサ２１〜２７等の構成及び制御装置等も第１の実施の形態と同様である。
【００３２】
次に、上記の構成の機械式過給装置を備えた内燃機関１、１Ａにおける過給方法について説明する。これらの内燃機関１、１Ａのシステムでは、機械式過給装置６とターボチャージャー７が直列に配置されていて、過給圧の調整は機械式過給装置６の前後を結び、機械式過給装置６を迂回するバイパス通路６ａのバイパスバルブ６ｂの開度調整により行う。なお、ＥＧＲに関しては、低圧ＥＧＲ又は高圧ＥＧＲのためのＥＧＲ制御が別に必要となり、各ＥＧＲ用の酸素濃度モデルをベースにした制御を実施することになるが、詳細についてはここでは言及しない。
【００３３】
図７にターボチャージャー７の過渡時の過渡特性Ｔと機械式過給装置（スーパーチャージャー）６の過渡特性Ｓの違いを示す。ターボチャージャー７の特性Ｔでは、負荷の上昇があるとまず排ガス流量が増加し、排気マニホールド３内の温度と圧力が上昇してタービン７ｂの回転数が上昇する。タービン７ｂと同軸上にあるコンプレッサ７ａも同時に回転して、回転数が上昇した後に過給圧が上昇するので過給遅れ（ターボラグ）と呼ばれる時間遅れ（タイムラグ）が生じる。
【００３４】
一方、機械式過給装置６ではコンプレッサは常に回転しており、図１又は図２に示す機械式過給装置６のバイパスバルブ６ｂを閉めるだけで過給圧が上昇するので、図７に示す機械式過給装置６の特性Ｓのように、ターボラグは殆ど存在しない。
【００３５】
図８に機械式過給装置６における過給圧と駆動力の関係を示す。ターボチャージャー７の場合には、排気エネルギーを使用して過給を行うが、機械式過給装置６ではエンジンによって直接駆動するので駆動損失が生じる。つまり、過給圧を高くするほど駆動損失が増え、また、回転速度が速いほど駆動損失が増える。ルーツブロア式等の機械式過給装置６の場合には、内部圧縮が無いのでバイパス通路６ａを経由して過給圧を逃がすことによって、駆動損失を低くすることができる。
【００３６】
本発明では、図１又は図２のような構成で、機械式過給装置（スーパーチャージャー）６とターボチャージャー７を組み合わせてそれぞれの良いところを生かす。即ち、過渡時にターボチャージャー７の過給圧が上がらない時に機械式過給装置６を使って過給圧を上昇させる。
【００３７】
この機械式過給装置６は駆動損失があるのでターボチャージャー７の過給圧が高くなってきたところで、機械式過給装置６からターボチャージャー７に切り替える。つまり、図３に示す斜線部分に対して機械式過給装置６で過給を行い、ターボチャージャー７の過給圧Ｔの上昇に合わせて機械式過給装置６の過給圧を下げて駆動損失を低減させる。
【００３８】
過給圧の制御については、過渡時においても、エンジン回転数Ｎｅと噴射燃料量Ｑｆｉｎから定常状態の目標過給圧マップＭ１を参照して目標過給圧Ｐｃを算出し、この目標過給圧Ｐｃに対して、測定される過給圧Ｂｏｏｓｔが目標過給圧になるように、過給圧制御手段（ブーストコントローラ）で、ＰＩＤ制御等で機械式過給装置６のバイパスバルブ６ｂの開度制御を行うフィードバック制御を行う。この制御フローを図４に示す。
【００３９】
本発明においては、機械式過給装置（スーパーチャージャー）６とターボチャージャー７を直列に配置し、過渡時の過給圧の制御を機械式過給装置６のバイパスバルブ６ｂの開度制御で行うことで、内燃機関１、１Ａの運転の過渡時の過給特性及び排ガス特性を改善する。
【００４０】
このとき、ターボチャージャー７による過給圧の上昇に合わせて、目標過給圧Ｐｃになるように機械式過給装置６のバイパスバルブ６ｂの開度を調整し、目標過給圧Ｐｃを維持しながら機械式過給装置６による過給圧を低下させて駆動損失を減少する。この構成により、第１の実施の形態での低圧ＥＧＲの実施例を示す図５の下段の実施例に示すように、過渡過給特性を改善することで、シリンダ内への新気（Ａｉｒ）及びＥＧＲガス（ＥＧＲ）の同流量を中段に示す制御目標に近づけることができ、排ガス特性を改善できる。つまり、過渡特性を改善して排ガス特性を改善ながら、機械式過給装置６の駆動損失増加を最小限にすることができる。
【００４１】
従って、本発明に係る機械式過給装置を備えた内燃機関１、１Ａ及びその過給方法によれば、内燃機関１、１Ａの運転の過渡状態のときに、過給圧を迅速に上昇でき、ターボチャージャー７のみに比べてターボラグを著しく少なくすることができ、機械式過給装置６のみに比べて、機械式過給装置６の駆動損失を低減できる。
【００４２】
また、低圧ＥＧＲを用いている場合には、ターボチャージャー７のみを有する場合では、内燃機関の運転の過渡状態では、過給遅れで過給圧が定常状態の目標過給圧Ｐｃよりも低くなってしまうために、空燃比が下がって、ＥＧＲの最適制御を行えないが、本発明では、過渡状態でも低圧ＥＧＲでＥＧＲの最適制御を行うことができる。
【００４３】
更に、過給遅れで過給圧が不足する部分だけを機械式過給装置６で補う過給を行うので、機械式過給装置６による駆動損失を低減でき、燃費の悪化を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の機械式過給装置を備えた内燃機関及びその過給方法は、上記のように、内燃機関の過渡状態においても、定常状態の目標過給圧に近い過給圧を発生して排ガス改善を行うことができ、しかも、機械式過給装置の駆動損失を減少できて燃費の悪化を抑制できるという効果を奏することができるので、自動車搭載等の内燃機関やその過給方法として利用できる。
【符号の説明】
【００４５】
１、１Ａ 内燃機関
２ エンジン本体
４ 吸気通路
６ 機械式過給装置（スーパーチャージャー）
６ａ バイパス通路
６ｂ バイパスバルブ
７ ターボチャージャー
７ａ コンプレッサ
７ｂ タービン
７ｃ ウェストゲートバルブ
１０ 排気通路
１３ ＥＧＲ通路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャーと機械式過給装置の両方を備えた内燃機関において、内燃機関の運転が過渡状態でかつ前記ターボチャージャーの過給圧が上がらないときに、前記機械式過給装置を使って過給圧を上昇させ、前記ターボチャージャーによる過給圧の上昇に合わせて前記機械式過給装置による過給圧を下げて、前記ターボチャージャーの過給圧が要求された目標過給圧になったところで前記機械式過給装置を停止して前記ターボチャージャーに切り替える過給制御を行うことを特徴する機械式過給装置を備えた内燃機関。
【請求項２】
過渡状態における過給制御では、前記ターボチャージャーによる過給圧と前記機械式過給装置による過給圧の和が、過渡状態終了後の定常状態における目標過給圧になるように、前記機械式過給装置による過給圧を調整することを特徴とする請求項１記載の機械式過給装置を備えた内燃機関。
【請求項３】
前記機械式過給装置による過給圧の調整を、前記機械式過給装置を迂回する通路に設けたバイパスバルブの開度で調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の機械式過給装置を備えた内燃機関。
【請求項４】
ターボチャージャーと機械式過給機の両方を備えた内燃機関の過給方法において、内燃機関の運転が過渡状態でかつ前記ターボチャージャーの過給圧が上がらないときに、前記機械式過給機を使って過給圧を上昇させ、前記ターボチャージャーによる過給圧の上昇に合わせて前記機械式過給機による過給圧を下げて、前記ターボチャージャーの過給圧が要求された目標過給圧になったところで前記機械式過給機を停止して前記ターボチャージャーに切り替えて過給することを特徴する機械式過給装置を備えた内燃機関の過給方法。
【請求項５】
過渡状態における過給制御では、前記ターボチャージャーによる過給圧と前記機械式過給装置による過給圧の和が、過渡状態終了後の定常状態における目標過給圧になるように、前記機械式過給装置による過給圧を調整することを特徴とする請求項４記載の機械式過給装置を備えた内燃機関の過給方法。
【請求項６】
前記機械式過給装置による過給圧の調整を、前記機械式過給装置を迂回する通路に設けたバイパスバルブの開度で調整することを特徴とする請求項４又は５に記載の機械式過給装置を備えた内燃機関の過給方法。
【請求項１】
ターボチャージャーと機械式過給装置の両方を備えた内燃機関において、内燃機関の運転が過渡状態でかつ前記ターボチャージャーの過給圧が上がらないときに、前記機械式過給装置を使って過給圧を上昇させ、前記ターボチャージャーによる過給圧の上昇に合わせて前記機械式過給装置による過給圧を下げて、前記ターボチャージャーの過給圧が要求された目標過給圧になったところで前記機械式過給装置を停止して前記ターボチャージャーに切り替える過給制御を行うことを特徴する機械式過給装置を備えた内燃機関。
【請求項２】
過渡状態における過給制御では、前記ターボチャージャーによる過給圧と前記機械式過給装置による過給圧の和が、過渡状態終了後の定常状態における目標過給圧になるように、前記機械式過給装置による過給圧を調整することを特徴とする請求項１記載の機械式過給装置を備えた内燃機関。
【請求項３】
前記機械式過給装置による過給圧の調整を、前記機械式過給装置を迂回する通路に設けたバイパスバルブの開度で調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の機械式過給装置を備えた内燃機関。
【請求項４】
ターボチャージャーと機械式過給機の両方を備えた内燃機関の過給方法において、内燃機関の運転が過渡状態でかつ前記ターボチャージャーの過給圧が上がらないときに、前記機械式過給機を使って過給圧を上昇させ、前記ターボチャージャーによる過給圧の上昇に合わせて前記機械式過給機による過給圧を下げて、前記ターボチャージャーの過給圧が要求された目標過給圧になったところで前記機械式過給機を停止して前記ターボチャージャーに切り替えて過給することを特徴する機械式過給装置を備えた内燃機関の過給方法。
【請求項５】
過渡状態における過給制御では、前記ターボチャージャーによる過給圧と前記機械式過給装置による過給圧の和が、過渡状態終了後の定常状態における目標過給圧になるように、前記機械式過給装置による過給圧を調整することを特徴とする請求項４記載の機械式過給装置を備えた内燃機関の過給方法。
【請求項６】
前記機械式過給装置による過給圧の調整を、前記機械式過給装置を迂回する通路に設けたバイパスバルブの開度で調整することを特徴とする請求項４又は５に記載の機械式過給装置を備えた内燃機関の過給方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１８７７（Ｐ２０１１−１８７７Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４５４１５（Ｐ２００９−１４５４１５）
【出願日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
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