(57)【要約】【課題】  吸気系に還流させる排気ガス量を大幅に増量することができ、またブローバイガスを効果的に還元してブローバイガスの排出を抑制可能な内燃機関用過給システムを提供する。【解決手段】  本発明の内燃機関用過給システムは、吸気管４及び排気管５と、排気管５の排気ガスの一部を吸気管４に還流させる導入管１２と、を備えたディーゼルエンジン１に適用され、ディーゼルエンジン１の排気エネルギーを利用してこのディーゼルエンジン１に対して過給するターボ過給機２と、ターボ過給機２のコンプレッサ２ａの上流の吸気管４に設けられた電動コンプレッサ３と、を具備する。そして、電動コンプレッサ３の上流の吸気管４に設けられ開度調整可能なスロットル弁１３を具備するとともに、導入管１２は、スロットル弁１３の下流であって電動コンプレッサ３の上流の吸気管４に、排気管５内の排気ガスの一部を還流させる。また、導入管１２からスロットル弁１３の下流であって電動コンプレッサ３の上流の吸気管４にブローバイガスを導入する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路及び排気通路と、前記排気通路内の排気ガスの一部を前記吸気通路に還流させる排気還流手段と、を備えた内燃機関に適用され、前記内燃機関の排気エネルギーを利用して該内燃機関に対して過給するターボ過給機と、前記ターボ過給機のコンプレッサの上流の前記吸気通路に設けられた電動コンプレッサと、を具備する内燃機関用過給システムにおいて、
前記電動コンプレッサの上流の前記吸気通路に設けられ開度調整可能なスロットル弁を具備するとともに、前記排気還流手段は、前記スロットル弁の下流であって前記電動コンプレッサの上流の前記吸気通路に、前記排気通路内の排気ガスの一部を還流させることを特徴とする内燃機関用過給システム。
【請求項２】
前記内燃機関の運転状態に基づいて設定された目標排気還流率となるように前記スロットル弁の開度を制御する排気還流率制御手段を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用過給システム。
【請求項３】
前記排気還流手段は、前記ターボ過給機のタービンの下流の前記排気通路から排気ガスの一部を取り出すことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用過給システム。
【請求項４】
前記ターボ過給機のタービンの下流の前記排気通路には、排気ガスを浄化又は排気ガス中の粒子状物質を捕捉する排気浄化装置が設けられており、
前記排気還流手段は、前記排気浄化装置の下流の前記排気通路から排気ガスの一部を取り出すことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用過給システム。
【請求項５】
吸気通路と、前記吸気通路にブローバイガスを導入するブローバイガス還元手段と、を備えた内燃機関に適用され、前記内燃機関の排気エネルギーを利用して該内燃機関に対して過給するターボ過給機と、前記ターボ過給機のコンプレッサの上流の前記吸気通路に設けられた電動コンプレッサと、を具備する内燃機関用過給システムであって、
前記電動コンプレッサの上流の前記吸気通路に設けられ開度調整可能なスロットル弁を具備するとともに、前記ブローバイガス還元手段は、前記スロットル弁の下流であって前記電動コンプレッサの上流の前記吸気通路に、ブローバイガスを導入することを特徴とする内燃機関用過給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関用過給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関用過給システムとして、ターボ過給機のコンプレッサの上流に電動コンプレッサを設けるとともにこれを迂回するバイパス通路を設け、ターボ過給機のタービンの上流側の排気通路から電動コンプレッサの上流側の吸気通路に排気ガスの一部を混合弁を介して還流させるものがある（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２及び特許文献３が存在する。
【特許文献１】特表２００１−５０９５６１号公報
【特許文献２】特表２００１−５１８５９０号公報
【特許文献３】特開平４−０１７７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような過給システムにおいて、排気還流量を通常よりも大幅に増量することが要求される場合がある。例えば、内燃機関にいわゆる予混合圧縮着火燃焼を実行させる場合には、この実行可能領域を拡大するため排気還流量を通常よりも大幅に増量し最高燃焼温度を抑えることが知られている。
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載された過給システムは、電動コンプレッサの上流側の吸気通路に混合弁を介して排気ガスを還流させるものである。このため、新気と排気ガスとの混合比を混合弁にて可変にできるものの、必ずしも排気還流量を大幅に増量することができないおそれがある。
【０００５】
また、内燃機関では、クランクケース内に漏出した排気及び混合気等（ブローバイガス）を吸気系に導入し、このブローバイガスの排出を抑制することが従来から行われている。しかしながら、上記特許文献１には、ブローバイガスを吸気通路に導入することについては開示されていない。従って、特許文献１に記載された過給システムを、このような内燃機関に適用した場合にはブローバイガスを効果的に還元しブローバイガスの排出を抑制できないおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、吸気系に還流させる排気ガス量を大幅に増量することができ、またブローバイガスを効果的に還元してブローバイガスの排出を抑制可能な内燃機関用過給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の内燃機関用過給システムは、吸気通路及び排気通路と、前記排気通路内の排気ガスの一部を前記吸気通路に還流させる排気還流手段と、を備えた内燃機関に適用され、前記内燃機関の排気エネルギーを利用して該内燃機関に対して過給するターボ過給機と、前記ターボ過給機のコンプレッサの上流の前記吸気通路に設けられた電動コンプレッサと、を具備する内燃機関用過給システムにおいて、前記電動コンプレッサの上流の前記吸気通路に設けられ開度調整可能なスロットル弁を具備するとともに、前記排気還流手段は、前記スロットル弁の下流であって前記電動コンプレッサの上流の前記吸気通路に、前記排気通路内の排気ガスの一部を還流させることにより上述した課題を解決する（請求項１）
【０００８】
この発明によれば、開度調整可能なスロットル弁を設け、この下流側の吸気通路に排気ガスを還流させている。このため、排気ガスの還流量を大幅に増量する必要が生じたときにはこのスロットル弁の開度を絞ることにより、吸気通路内の圧力を下げることができる。従って、吸気通路に排気ガスがより導かれ易くなるので排気ガスの還流量を大幅に増量することができる。
【０００９】
本発明の第１の内燃機関用過給システムにおいて、前記内燃機関の運転状態に基づいて設定された目標排気還流率となるように前記スロットル弁の開度を制御する排気還流率制御手段を更に具備してもよい（請求項２）。この場合には、電動コンプレッサの作動によって目標排気還流率と実際の排気還流率との間に偏差が生じた場合であっても、その偏差を無くし実際の排気還流率を目標排気還流率となるようにスロットル弁の開度がフィードバック制御される。これにより、電動コンプレッサの作動状態に関わらず排気ガスを安定して還流させることができる。
【００１０】
本発明の第１の内燃機関用過給システムにおいて、前記排気還流手段は、前記ターボ過給機のタービンの下流の前記排気通路から排気ガスの一部を取り出してもよい（請求項３）。排気還流手段をこのように構成した場合には、ターボ過給機のタービンに供給される排気エネルギーを減少させないので、ターボ過給機の過給効率の悪化を抑えることができる。更に、ターボ過給機のタービンの下流の排気通路に排気ガスを浄化又は排気ガス中の粒子状物質を捕捉する排気浄化装置が設けられている場合には、前記排気還流手段は、前記排気浄化装置の下流の前記排気通路から排気ガスの一部を取り出してもよい（請求項４）。これにより、浄化された排気ガス又は粒子状物質が除去された排気ガスが吸気通路に導入されることになるので、電動コンプレッサのインペラ等の劣化を防止できる。
【００１１】
本発明の第２の内燃機関用過給システムは、吸気通路と、前記吸気通路にブローバイガスを導入するブローバイガス還元手段と、を備えた内燃機関に適用され、前記内燃機関の排気エネルギーを利用して該内燃機関に対して過給するターボ過給機と、前記ターボ過給機のコンプレッサの上流の前記吸気通路に設けられた電動コンプレッサと、を具備する内燃機関用過給システムであって、前記電動コンプレッサの上流の前記吸気通路に設けられ開度調整可能なスロットル弁を具備するとともに、前記ブローバイガス還元手段は、前記スロットル弁の下流であって前記電動コンプレッサの上流の前記吸気通路に、ブローバイガスを導入することにより上述した課題を解決する（請求項５）。
【００１２】
電動コンプレッサの作動中には、ブローバイガスが導入される吸気通路付近の圧力は負圧になる。他方、電動コンプレッサが作動していない場合でも、その場合にはターボ過給機による過給が行われているので、ブローバイガスが導入される吸気通路付近の圧力は負圧になる。従って、この発明によれば、電動コンプレッサの作動状態によらず、安定的に負圧状態となる位置にブローバイガスを導入しているので、ブローバイガスを効果的に還元してブローバイガスの排出を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、吸気系に還流させる排気ガス量を大幅に増量することができ、またブローバイガスを効果的に還元してブローバイガスの排出を抑制可能な内燃機関用過給システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施形態に係る内燃機関用過給システムを図１〜図５を参照しながら説明する。図１は本実施形態の全体構成を示す概略図である。本過給システムは内燃機関としてのディーゼルエンジン（以下エンジンと称することがある）１に適用される。本過給システムは上記エンジン１に対して過給するターボ過給機２と、その過給をアシストする電動コンプレッサ３（以下ＭＣと称する場合がある）とを備えている。ターボ過給機２は周知のように吸入した空気を圧縮するコンプレッサ２ａとコンプレッサ２ａを駆動させるためのタービン２ｂとを有している。コンプレッサ２ａは、吸気通路としての吸気管４に設けられている。タービン２ｂは排気通路としての排気管５に設けられている。ターボ過給機２は、排気管５を流れる排気ガスによってタービン２ｂを回転してコンプレッサ２ａを駆動する。これにより、所望の過給圧を得ることができる。
【００１５】
一方、電動コンプレッサ３はターボ過給機２の上流側の吸気管４に設けられている。電動コンプレッサ３はその駆動装置として電気モータ３ａを備えている。電気モータ３ａは図示しない電源に接続されている。電気モータ３ａを駆動することにより、電動コンプレッサ３は作動し、吸気管４内の空気を圧縮することができる。
【００１６】
ターボ過給機２と電動コンプレッサ３とを作動することにより、所望の過給圧を得ることができる。ターボ過給機２は上述したように排気ガスのエネルギーを利用しているため、所望の過給圧が得られるまでにタイムラグを生じる（いわゆるターボラグ）。特に、低速走行時に急加速が要求された場合に顕著である。そこで、このターボラグを補償し、所望の過給圧が得られるまでターボ過給機をアシストすべく電動コンプレッサ３により過給アシストが行われる。
【００１７】
また、本過給システムにおいては、電動コンプレッサ３を迂回するバイパス通路６が設けられている。バイパス通路６の途中には、バイパス通路６への空気の流入及びその禁止を切り替えるバイパス弁７が設けられている。バイパス弁７は電動コンプレッサ３が作動中の場合には基本的に全閉され、バイパス通路６への空気の流入が禁止される。従って、電動コンプレッサ３の上流側の空気は実質的に全て電動コンプレッサ３に導かれる。一方、電動コンプレッサ３が非作動の場合には基本的に全開され、バイパス通路６へ空気が導かれる。バイパス弁７はソレノイド等でリニアに駆動してもよいが、開弁及び閉弁を切り替えることができればよい。また、バイパス弁７として、電動コンプレッサ３の下流の圧力と、バイパス通路６の入口の圧力との圧力のバランスで駆動するシャッターバルブを採用してもよい。この場合はバイパス弁７の制御が不要となるので、構造をシンプルにできる。
【００１８】
図１に示したように、ターボ過給機２のコンプレッサ２ａの下流側の吸気管４には、コンプレッサ２ａにより圧縮された空気を冷却するためにインタークーラ８が設けられている。これにより過給効率を高めることができる。さらに、上記と同様の理由から電動コンプレッサ３とターボ過給機２のコンプレッサ２ａの間の吸気管４にインタークーラ９が設けられている。このインタークーラ９を設けることにより、更なる過給効率の向上を図ることができるが、常に設ける必要はない。また、電動コンプレッサ３の上流側の吸気管４には吸入空気の異物を除去するエアクリーナ１０が設けられている。
【００１９】
また、電気モータ３ａは発熱するため冷却することが好ましい。この場合、空冷では冷え難くく電動コンプレッサ３の作動時間が限定されるおそれがある。そこで、例えば電気モータ３ａの周囲を、図示しないラジエータにより冷却水を循環させる冷却システムを採用してもよい。このラジエータはエンジン１に用いられるものと兼用してもよいが、エンジン１の冷却水は温度が高いので電動コンプレッサ３のために別途用意したほうがなお好ましい。この場合の冷却水の温度は３０℃程度がよい。さらに、このラジエータをターボ過給機２の冷却に用いることもできる。このように構成すれば、重大な問題となるコーキング対策として非常に有効である。
【００２０】
また、図１に示したように、本実施形態に係るエンジン１には、排気ガスの一部又はブローバイガスの少なくとも一方を導入する導入管１２が設けられている。導入管１２の出口側の接続部１２ａを図１の位置としたのは、吸気管４の他の場所よりも負圧になり易く排気ガス又はブローバイガスの導入に適しているためである。電動コンプレッサ３の作動中には、上記接続部１２ａ付近の圧力は負圧になる。一方、電動コンプレッサ３が作動していない場合でも、その場合にはバイパス弁７が開弁されるとともにターボ過給機２によって過給が行われているので、上記接続部１２ａ付近の圧力は負圧になる。従って、上記接続部１２ａの位置は、電動コンプレッサ３の作動状態によらず安定的に負圧状態となるので、上記接続部１２ａを電動コンプレッサ３の上流側の吸気管４に配置することが適している。
【００２１】
上述した排気ガスの一部の導入は、図示しない排気再循環装置（ＥＧＲ装置）により行う。ＥＧＲ装置は、周知のように吸気管４と排気管５とを連通するＥＧＲ管と、このＥＧＲ管の途中に排気ガス量を調整するＥＧＲ弁とを備えている。上記導入管１２を排気ガスの還流に利用した場合には、導入管１２は上記ＥＧＲ管に相当し、排気還流手段として機能する。これにより、気筒内の最高燃焼温度を抑制することができるため、ＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量を低減できる。
【００２２】
排気ガスを排気管５から取り出す位置は、ターボ過給機２のタービン２ｂの下流側にするとよい。このようなＥＧＲ装置の配置はいわゆるロープレッシャーループと呼ばれている。この場合、ターボ過給機２のタービン２ｂに供給される排気エネルギーが減少しないので、ターボ過給機の過給効率の悪化を抑えることができる。更に好ましくは、図１に示したように、ターボ過給機２のタービン２ｂの下流側の排気管５に設けられた排気浄化装置１１、例えば周知の排気浄化触媒や、排気ガス中の粒子状物質を捕捉するフィルタ等の下流側から排気ガスを取り出すとよい。これにより、浄化された排気ガス又は粒子状物質が除去された排気ガスが吸気管４に導入されることになるので、電動コンプレッサ３のインペラ等の劣化を防止できる。
【００２３】
また、上述したブローバイガスの導入は、図示しないブローバイガス還元装置（ＰＣＶ装置）により行う。ＰＣＶ装置は、周知のようにエンジン１のクランクケース（不図示）と吸気管４とを連通するＰＣＶ管と、このＰＣＶ管の途中に排気ガス量を調整する調整弁とを備えている。上記導入管１２をブローバイガスの導入に利用した場合には、導入管１２は上記ＰＣＶ管に相当し、ブローバイガス還元手段として機能する。これにより、クランクケース内のブローバイガスを還元することができ、ブローバイガスの排出を抑制できる。
【００２４】
本実施形態においては、図１に示したように、上記接続部１２ａの上流側の吸気管４にスロットル弁１３が設けられている。このスロットル弁１３は、その開度をリニアに変更することができるように、ソレノイド等にて駆動されている。このスロットル弁１３の開度を調整することにより、吸入空気量を調整することができる。例えば電動コンプレッサ３がサージングに至るおそれがあるときには、このスロットル弁１３を閉じ側に制御するとともに、バイパス弁７を開弁する。これにより、上記接続部１２ａ付近の圧力が低くなり電動コンプレッサ３より吐き出された空気がバイパス通路６を逆流し、電動コンプレッサ３に流入する空気量が実質的に増量する。従って、スロットル弁１３をサージングを回避するために用いることができる。
【００２５】
更に、上述した導入管１２を排気還流手段として機能させた場合には、スロットル弁１３は排気還流率（ＥＧＲ率）調整するために用いることもできる。特に、エンジン１に予混合圧縮着火燃焼を実行させる場合にスロットル弁１３は効果的に機能する。この予混合圧縮着火燃焼は、燃料噴射を吸気行程から圧縮行程の中期に行うように進角させて気筒内に予め均一な混合気を生成し、この混合気を圧縮行程の終期に着火させる燃焼態様である。しかし、この予混合圧縮着火燃焼は内燃機関が高負荷になると圧縮上死点前に着火するいわゆる過早着火が生じるため、その実行可能領域は低負荷側の狭い範囲に限定される。この実行可能領域を広げる試みとして、排気ガスの還流量を通常燃焼時よりも大幅に増量して最高燃焼温度を抑制することが知られている。そこで上記導入管１２を排気還流手段として機能させた場合には、スロットル弁１３の開度を絞ることにより、上記接続部１２ａ付近の圧力を下げることができるので、排気ガスを吸気管４に導き易くすることができる。これにより、通常よりも多量の排気ガスを吸気管４に還流させることができ、排気ガスの還流量を通常時よりも大幅に増量することができる。なお、上述したＥＧＲ率は次式で定義される。
【００２６】
ＥＧＲ率＝排気ガス量／（新気量  ＋  排気ガス量）
【００２７】
以上のように構成された本実施形態の過給システムは主にエンジン１の運転状態を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１４により制御される。ＥＣＵ１４はマイクロプロセッサ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等の周辺機器を備えたコンピュータユニットとして構成されている。ＥＣＵ１４は、図１に示したように、アクセルの開度及びその変化量を検出するアクセル開度センサ２０、機関回転数を検知する回転数センサ２１、エンジン１の図示しない吸気マニホールド内に設けられ、吸気管４内の圧力（過給圧）を検出する過給圧センサ２２、吸気管４内に流入する空気流量を検出するエアフロメータ２３、等の各種センサの入力情報に基づいて、電動コンプレッサ３の作動状態、バイパス弁７の開度、及びスロットル弁１３の開度をそれぞれ制御する。但し、バイパス弁７として上述したシャッターバルブを採用した場合には、このバイパス弁７に対する制御は不要となる。
【００２８】
図２は、本実施形態に係る過給システムの制御内容を示す概念図である。図２に示したように、ＥＣＵ１４は電動コンプレッサ３による過給アシストを実施するに際し、まずアクセル踏み込み量に応じて設定される目標過給圧と実際の過給圧（実過給圧）との差（過給圧差）を算出する。この目標過給圧は、例えば、アクセル踏み込み量に関連付けて目標過給圧を定めたマップをＥＣＵ１４のＲＯＭに格納しておき、このマップとアクセル開度センサ２０（図１）の出力値に基づいて決定する。また、実際の過給圧は過給圧センサ２２（図１参照）の出力値を参照して取得すればよい。
【００２９】
そして、ＥＣＵ１４は上記過給圧差に応じたアシスト量を決定する。例えば図３に示したように、電動コンプレッサ３に供給すべき電力（ＭＣアシスト電力）を過給圧差に応じて定めておいたマップをＥＣＵ１４のＲＯＭに格納しておき、このマップを参照することにより現在の過給圧差に応じたＭＣアシスト電力を決定する。この図から明らかなように、過給圧差が大きいほどＭＣアシスト電力、即ちアシスト量は大きくなる。次いで、ＥＣＵ１４は過給圧差に応じて決定された電力を電気モータ３ａに供給するとともに、バイパス弁７を閉弁し、バイパス通路６への空気の流入を禁止する。これにより好適なアシスト量にて過給アシストを実現できる。
【００３０】
但し、上述した導入管１２を排気還流手段として機能させた場合には、排気還流の実行中に過給アシストが行われる場合や、これとは反対に過給アシストの実行中に排気還流が行われる場合も起こり得る。この場合には、電動コンプレッサ３の作動によって、吸気管４内に圧力変動が生じ安定した排気還流が実行できなくなるおそれがある。そこで、ＥＣＵ１４は以下に説明するようにスロットル弁１３の開度を制御する。この制御をＥＣＵ１４が実行することによりＥＣＵ１４は排気還流率制御手段として機能し、安定した排気還流を実現できる。
【００３１】
まず、ＥＣＵ１４は目標となる排気還流率（目標ＥＧＲ率）をエンジン１の運転状態に基づいて予め定められたマップを参照し、エンジン１の運転状態に応じた目標ＥＧＲ率を取得する。例えば図４に示したように、機関回転数Ｎｅとトルクに関連付けて目標ＥＧＲ率を定めたマップを参照して、エンジン１の運転状態に応じた目標ＥＧＲ率を取得する。この図から明らかなように、目標ＥＧＲ率は低負荷側から高負荷側に向けて、４０、３０、２０、１０％と順次定められている。そして、スロットル弁１３の開度として、目標ＥＧＲ率に応じたベース開度が閉じ側から開き側へ順次設定されている。従って、ＥＧＲ率を大幅に高める必要があるときは、スロットル弁の開度を絞り込めばよい。
【００３２】
次にＥＣＵ１４は実際のＥＧＲ率が図４のマップを参照して取得した目標ＥＧＲ率となるように、スロットル弁１３の開度を制御する。例えば過給アシストの実行により目標ＥＧＲ率と実際のＥＧＲ率との間に偏差が生じたときには、ＥＣＵ１４はその偏差をなくすように、スロットル弁１３の開度をフィードバック制御する。即ち、図５に示したように、実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率よりも下回る場合（図５のＬ１）には、ＥＣＵ１４はスロットル弁１３の開度を図４のマップで設定されたベース開度よりも閉じ側に調整して目標ＥＧＲ率に一致させるように制御する。また、これとは反対に、実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率よりも上回る場合（図５のＬ２）には、ＥＣＵ１４はスロットル弁１３の開度を図４のマップで設定されたベース開度よりも開き側に調整して目標ＥＧＲ率に一致させるように制御する。このような制御を実行することにより、過給アシストが実行されている場合であっても目標ＥＧＲ率を達成することができる。なお、実際のＥＧＲ率は、例えば公知の吸気制御と同様に吸気温度から推定することができる。
【００３３】
以上本発明の内燃機関用過給システムについて、上記実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態においては、本発明の過給システムの適用対象としてディーゼルエンジン１としたが、内燃機関の形式は問わない。従って、本発明を火花点火式のガソリンエンジンに適用してもよいし、他のガソリンエンジンに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る実施形態の全体構成を示す概略図。
【図２】過給システムの制御内容を示す概念図。
【図３】電動コンプレッサに供給すべき電力を過給圧差に応じて定めたマップの一例を示した図。
【図４】機関回転数とトルクに関連付けて目標ＥＧＲ率を定めたマップの一例を示した図。
【図５】スロットル弁の開度制御の説明図。
【符号の説明】
【００３５】
１  ディーゼルエンジン（内燃機関）
２  ターボ過給機
２ａ  コンプレッサ
２ｂ  タービン
３  電動コンプレッサ
３ａ  電気モータ
４  吸気管（吸気通路）
５  排気管（排気通路）
１１  排気浄化装置
１２  導入管（排気還流手段、ブローバイガス還元手段）
１３  スロットル弁
１４  ＥＣＵ（排気還流率制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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