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JP4323680B2 - 内燃機関の排気再循環制御装置 - Google Patents

内燃機関の排気再循環制御装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気再循環制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境保全の見地から、内燃機関の排出する有害物質に対する規制強化が各地で進んでいる昨今、内燃機関の排気に含まれる有害物質を低減させる方法として排気再循環（通称ＥＧＲ）が広く知られ、用いられている。燃焼室から排出される排気の一部を排気マニホルドから吸気マニホルドへ還流し吸気に混合させて再度燃焼室に送り込むことで、吸気中の酸素濃度を低下させ、燃焼温度を下げる作用があり、排気に含まれる有害物質特に窒素酸化物（以下ＮＯＸと略記）の発生を抑える効果が大きい。
【０００３】
図１３に従来の形態として、排気再循環装置を有するターボチャージャー付エンジン１４の給排気回路図を示す。エンジン１４は、ターボチャージャー１１と、吸気回路１２と、アフタクーラ１３と、排気再循環回路１５と、排気回路１６と、排気圧力制御弁１８とを有する。ターボチャージャー１１のコンプレッサ１１ａで圧縮された吸気は吸気回路１２を経て、その途中に設けられたアフタクーラ１３で冷却され、吸気マニホルド１２ａを介してエンジン本体１４ａに導入される。エンジン本体１４ａから排出された排気は排気回路１６を経てターボチャージャー１１に流れ込み、タービン１１ｂを駆動して排出される。タービン１１ｂの出口にはタービン１１ｂの出口圧力を調整自在とする排気圧力制御弁１８が設けられている。排気再循環回路１５は、一端を排気回路１６の排気マニホルド１６ａ近傍に分岐接続され、他端を吸気回路１２の吸気マニホルド１２ａ近傍に分岐接続される。排気再循環回路１５中には、排気再循環回路１５を開閉自在とする開口面積制御可能なＥＧＲ弁１５ｃと、還流される排気を冷却するＥＧＲクーラ１５ｂとが設けられている。排気を還流する場合は、まずＥＧＲ弁１５ｃを開く。すると排気の一部が排気回路１６内で分岐し、ＥＧＲ弁１５ｃを経てＥＧＲクーラ１５ｂで冷却された後、吸気回路１２内で吸気と混じりエンジン本体１４ａに導入される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記形態には以下の問題があった。
（１）エンジン１４がある条件、例えば中高速・高負荷で運転される場合は、吸気マニホルド１２ａの圧力が排気マニホルド１６ａの圧力よりも高くなることがある。（これは、一般的にターボチャージャの特性が、頻用される運転状態にマッチングして、エンジンの効率を向上させて高出力・低燃費を得るように設計されるからである。吸気側の圧力が高いほど、また、排気側の圧力が低いほど、出力のロスとなる給排気抵抗は小さい）その場合、排気は還流されないため、排気中の有害成分を低減できない。排気が還流されるのは、吸気マニホルド１２ａの圧力が排気マニホルド１６ａの圧力よりも低くなるような、例えば低速で低負荷運転時といった運転状態下に限られる。したがって排気再循環装置を働かせて排気中の有害成分を低減できる運転状態は限られてしまう。
【０００５】
（２）ＥＧＲ弁１５ｃの開度変化に伴なって排気の還流量が増減すると、吸気マニホルド１２ａ内の圧力変動で、エンジン本体１４ａが導入する吸気流量が変動する。吸気流量が変動すると、燃焼に用いる酸素の量が変動するために、安定した燃焼状態が得られずにエンジン回転数が変動する。
【０００６】
上記（１）の問題を解決するために、排気マニホルド１６ａの圧力を吸気マニホルド１２ａの圧力よりも高くして排気の還流を可能にする方法として、排気圧力制御弁１８を絞る方法がある。排気圧力制御弁１８を絞り、タービン１１ｂの出口圧力を上げることでタービン１１ｂの上流となる排気マニホルド１６ａの圧力を上げ、エンジン１４が中速又は中負荷で運転される場合でも、排気の還流を可能にする方法である。
【０００７】
しかし、この方法で排気の還流を可能にできるエンジン１４の運転状態にも限度がある。排気マニホルド１６ａの圧力を上げ過ぎるとエンジン１４の排気効率が低下し、燃費が悪化する。そのため、排気マニホルド１６ａの圧力は、燃費の悪化が許容できる程度までしか上昇させられない。したがって、排気の還流が可能となるエンジン１４の運転状態は、排気圧力制御弁１８の無いエンジンよりは広範囲となるものの、やはり狭い範囲に限定されてしまう。
【０００８】
本発明は、上記の問題点の少なくとも一つを解決すべくなされたものであり、燃費を維持・向上させながら、低速・低負荷領域から高速・高負荷領域までの広範な運転状態において排気の還流が可能とし、また排気の還流の有無切換に伴なう回転数変動を極力抑えることのできる内燃機関の排気再循環制御装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、本発明は、吸気回路と排気回路との間に、ターボチャージャと、排気再循環開閉弁によって開閉自在とした排気再循環回路とを設けた内燃機関の排気再循環制御装置において、ターボチャージャのコンプレッサ下流側とタービン上流側との間を連通する給排気バイパス回路と、この給排気バイパス回路を開閉自在とするように開口面積を可変とされた給排気バイパス弁と、排気再循環回路が分岐接続される吸気回路の位置に設けられた狭隘部と、吸気回路の狭隘部をバイパスする吸気バイパス回路と、この吸気バイパス回路を開閉自在とするように開口面積を可変とされた吸気バイパス弁と、ＮＯＸ排出量を含む内燃機関の運転状態を検出する検出手段と、内燃機関の運転状態に対する目標ＮＯＸ排出量を予め記憶する記憶手段と、内燃機関が高速・高負荷で運転される場合には、給排気バイパス弁を略閉塞しつつ検出手段の検出する内燃機関のＮＯＸ排出量が記憶手段の記憶する目標ＮＯＸ排出量になるように吸気バイパス弁の開度を制御すると共に、内燃機関が中速・高負荷で運転される場合には、給排気バイパス弁を略全開口しつつ吸気バイパス弁を略閉塞する制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
このような排気再循環制御装置によると、給排気バイパス回路を通じて吸気の一部を排気回路へ流出させ、同時に給排気バイパス弁でその流量を調整できるようになることと、吸気回路の狭隘部で吸気の流速を高めその圧力を部分的に低減できるようになることとにより、吸気回路の圧力が排気回路の圧力よりも高いがためこれまで排気の還流が不可能だった運転状態下でも、狭隘部の圧力低下を利用して排気の還流を可能にできる。したがって、低速・低負荷領域から高速・高負荷領域まで広範囲の運転状態下で排気再循環装置を作動させて排気中の有害成分を低減できる。
【００１１】
また、狭隘部を通さずに吸気バイパス回路を通して吸気をエンジン本体に導入することができるため、先に記した圧力を低下させる狭隘部の作用によらなくても排気の還流が可能な場合、又は排気の還流が不要な場合は、吸気バイパス回路を通して吸気をエンジン本体に導入することで、狭隘部の抵抗によるエンジン効率の低下を防止できる。
【００１２】
さらに、吸気流量が大きく狭隘部の作用が顕著で給排気バイパス流れがなくとも排気の還流が可能となるような高速・高負荷運転時には、給排気バイパス弁が閉じるので、給排気バイパス流れが招く吸気の充填効率低下を抑えられる。したがって内燃機関の高速運転時の燃費が向上する。また、吸気流量が下がって狭隘部の作用が低下する中速・高負荷運転時には、吸気バイパス弁を略閉塞して吸気流量の全量を狭隘部に流して狭隘部の圧力を低下させ、同時に給排気バイパス弁を最大に開いて吸気回路の圧力を低下させその相乗効果を引き出せる。したがって、ＥＧＲ率を最大限に高めてＮＯＸ排出量を最小限に抑えられる。
【００１３】
一方、本発明は、吸気回路と排気回路との間に、ターボチャージャと、排気再循環開閉弁によって開閉自在とした排気再循環回路とを設けた内燃機関の排気再循環制御装置において、ターボチャージャのコンプレッサ下流側とタービン上流側との間を連通する給排気バイパス回路と、この給排気バイパス回路を開閉自在とするように開口面積を可変とされた給排気バイパス弁と、排気再循環回路が分岐接続される吸気回路の位置に設けられた狭隘部と、吸気回路の狭隘部をバイパスする吸気バイパス回路と、この吸気バイパス回路を開閉自在とするように開口面積を可変とされた吸気バイパス弁と、ＥＧＲ率を含む内燃機関の運転状態を検出する検出手段と、内燃機関の運転状態に対する目標ＥＧＲ率を予め記憶する記憶手段と、内燃機関が高速・高負荷で運転される場合には、給排気バイパス弁を略閉塞しつつ検出手段の検出する内燃機関のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率になるように吸気バイパス弁の開度を制御すると共に、内燃機関が中速・高負荷で運転される場合には、給排気バイパス弁を略全開口しつつ吸気バイパス弁を略閉塞する制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１４】
このような排気再循環制御装置によれば、前述と同様に、排気中の有害成分を低減でるうえ、狭隘部の抵抗によるエンジン効率の低下を防止できる。加えてこの排気再循環制御装置によれば、吸気流量が大きく狭隘部の作用が顕著で給排気バイパス流れがなくとも先に記した圧力を低下させる狭隘部の作用のみで排気の還流が可能となるような高速・高負荷運転時には、給排気バイパス弁が閉じるので、給排気バイパス流れが招く吸気の充填効率低下を抑えられる。したがって内燃機関の高速運転時の燃費が向上する。また、吸気流量が下がって狭隘部の作用が低下する中速・高負荷運転時には、吸気バイパス弁を略閉塞して吸気流量の全量を狭隘部に流して狭隘部の圧力を低下させ、同時に給排気バイパス弁を最大に開いて吸気回路の圧力を低下させその相乗効果を引き出せる。したがって、ＥＧＲ率を最大限に高めてＮＯＸ排出量を最小限に抑えられる。更に、ＮＯＸ排出量の替わりにＥＧＲ率を制御量として用いることで、高価なＮＯＸ検出装置が不要となり、コストを低減できる。
【００１５】
本発明では、前記給排気バイパス弁が、コンプレッサ下流側とタービン上流側と排気再循環回路との間に設けられて、かつコンプレッサ下流側のポートを閉じてタービン上流側と排気再循環回路との間を連通させる切替位置及び排気再循環回路側のポートを閉じてコンプレッサ下流側とタービン上流側との間を連通させる切替位置を有する三方弁であり、三方弁からの排気が合流する位置よりも上流側となる排気再循環回路の位置に排気を冷却するＥＧＲクーラを設けたことを特徴とする。
【００１６】
このような排気再循環制御装置によれば、排気再循環回路から直接還流される排気流れと、三方弁を通って還流される排気流れとの２つの排気還流流れが形成される。そして排気再循環回路から直接還流される排気はＥＧＲクーラで冷却され、三方弁を通って還流される排気は冷却されない。ここから、この２つの排気還流流れの流量比を調整することにより、吸気回路に還流される排気の温度が調整可能となり、燃焼状態を改善することで排出される有害物質の低減が可能となる。それと共に、ＥＧＲクーラを通過する排気流量を抑えることで、ＥＧＲクーラから車体に吸収される熱量を最小限にでき、熱収支を改善して冷却系の負担を軽減できる。
【００１７】
本発明では、前記三方弁は内燃機関の始動暖機時及び低負荷運転時にはコンプレッサ下流側のポートを閉じてタービン上流側と排気再循環回路との間を連通させ、内燃機関がそれ以外の運転状態時には排気再循環回路側のポートを閉じてコンプレッサ下流側とタービン上流側との間を連通させることを特徴とする。
【００１８】
このような排気再循環制御装置によれば、内燃機関の始動暖機時及び低負荷運転時には三方弁がコンプレッサ下流側のポートを閉じてタービン上流側と排気再循環回路との間を連通させることで、ＥＧＲクーラを通らない排気が還流され、還流される排気全体の温度が上昇し、暖気時間が短縮される。また、暖気が速まることで、低温始動時に発生する白煙（主成分は炭化水素）が低減できる。そのうえ、低負荷運転時のＥＧＲクーラでの排気のオーバクールによる凝縮水の発生を防止でき、さらにＥＧＲクーラを通過する排気流量を抑えることで、ＥＧＲクーラから車体に吸収される熱量を最小限にでき、熱収支を改善して冷却系の負担を軽減できる。
【００１９】
本発明では、前記給排気バイパス弁が、コンプレッサ下流側からタービン上流側への１方向の流れのみ可能とする逆止弁であることを特徴とする。
【００２０】
このような排気再循環制御装置によれば、給排気バイパス回路の流れ方向制御が、逆止弁という簡単な構成で行えるため、コストが低減される。
【００２１】
本発明では、ターボチャージャのコンプレッサ下流側とタービン上流側との間を連通する給排気バイパス回路を、ターボチャージャのコンプレッサハウジングとタービンハウジングとの間に設けたことを特徴とする。
【００２２】
このような排気再循環制御装置によれば、給排気バイパス回路の配管が、ターボチャージャのハウジングに直付けされるため、給排気バイパス回路がターボチャージャと一体でアセンブリ化され、組立及びメンテナンスが楽になる。また配管が短くなって吸気が排気回路へ流れ易くなり、給排気バイパス回路の応答性が改善され、吸気回路の圧力低減作用がより顕著になることで排出される有害物質が更に低減される。
【００２３】
本発明では、排気マニホルドからターボチャージャのタービンハウジング入口までの間の排気通路を複数に分割し、分割された排気通路の少なくとも１つに排気再循環回路及び給排気バイパス回路の両方を接続したことを特徴とする。
【００２４】
このような排気再循環制御装置によれば、排気通路を分割することにより気筒間の排気干渉による効率低下を防止できる。また、分割された排気通路の任意の１つにおいて、排気再循環回路か給排気バイパス回路かいずれか一方のみが接続されるということがなくなる。すなわち分割された排気通路には排気再循環回路と給排気バイパス回路との両方が接続されるか、さもなくば両方共接続されないかそのいずれかになる。もし、排気再循環回路と給排気バイパス回路とを分割された別々の排気通路に接続するならば、各々の接続位置が離れることにより給排気バイパスによって排気の圧力が上昇して排気の還流が容易になる作用は低下するのだが、本発明によればこれを防止できる。さらに、排気再循環回路へ出て行く排気の流量と給排気バイパス回路から送り込まれる排気の流量は略等しいので、分割された各排気通路からターボチャージャのタービンに送り込まれる排気の流量は、どの排気通路においても略等しくなる。これにより、分割されている排気通路の場合も、給排気バイパス回路の作用によって排気の還流が行えると共に、通路ごとの排気流量のアンバランスによるターボチャージャの効率低下が避けられ、燃費の悪化が防止できる。
【００２５】
本発明では、排気再循環回路の接続される排気通路の位置は、給排気バイパス回路の接続される位置よりも上流側であることを特徴とする。
【００２６】
このような排気再循環制御装置によれば、分割された排気通路の任意の１つにおいて、排気再循環回路の接続位置が給排気バイパス回路の接続位置の上流にあることによって、給排気バイパス回路から排気通路に導入された吸気の一部が排気再循環回路を経て吸気回路に戻ることを防止できる。したがって、排気再循環回路に吸気が混じることで排気中の有害物質を低減する作用が損なわれる可能性がなくなる。
【００２７】
本発明では、ターボチャージャのタービン上流側とタービン下流側との間を連通するタービンバイパス回路と、タービン上流側の排気圧力が所定値以上となる場合に自ら開いてこのタービンバイパス回路を開通させるウェストゲートバルブとを設けたことを特徴とする。
【００２８】
このような排気再循環制御装置によれば、ターボチャージャのタービン上流側とタービン下流側との間を連通するタービンバイパス回路を設けたことにより、タービン上流側の排気圧力が所定値以上となる場合にこのタービンバイパス回路から排気をタービン下流側へ逃がすことができる。これによって、タービン上流側の排気圧力の過大な上昇による排気効率の低下を防止でき、燃費が向上する。
【００２９】
本発明では、内燃機関の運転状態を検出する検出手段と、ＥＧＲ率を検出する検出手段と、吸気流量を検出する検出手段と、内燃機関の運転状態とＥＧＲ率とに対する目標吸気流量を予め記憶する記憶手段とを設けるとともに、制御手段がウェストゲートバルブに対して行う制御は、検出した吸気流量と記憶手段の記憶する目標吸気流量との差が所定の値以下になるように、ウェストゲートバルブの弁開度を調整する制御としたことを特徴とする。
【００３０】
このような排気再循環制御装置によれば、排気の還流量が変動したときに吸気流量を調整してエンジン本体に導入される新鮮な気体の流量（すなわち排気の還流量を除く新鮮な吸気流量だけ）を略一定に保つことができ、燃焼に対する可燃性の新鮮な空気の量の変動を抑えられるので、エンジンの回転速度変動がなく、よりスムーズな運転ができる。
【００３１】
本発明では、ウェストゲートバルブの直下流に設けられ、軸着するタービンを排気の圧力で回転させて電力を発生する発電機と、この発電機の発生した電力を充電可能な状態に変換する第１変換機と、発電機の発生した電力を第１変換機を介して充電するバッテリとを設けたことを特徴とする。
【００３２】
このような排気再循環制御装置によれば、発電機、第１変換機及びバッテリを設けたことで、例えば高速・低負荷運転時または減速時において、ウェストゲートバルブを通過する排気のエネルギを、発電機によって電気エネルギとして回収し、排気のエネルギを有効に活用できる。
【００３３】
本発明では、バッテリからの電力で回転し、ターボチャージャの駆動を助勢する電動機と、バッテリからの電力を駆動可能な状態に変換して電動機に供給する第２変換機とを設けたことを特徴とする。
【００３４】
このような排気再循環制御装置によれば、第２変換機及び電動機を設けたことで、例えば低速・高負荷運転時または加速時に、バッテリに貯えた電気エネルギを電動機によってターボチャージャの助勢に用いて応答性を向上し、かつ過給圧力を高めるといったことができる。これにより、排気のエネルギを有効に活用しながら、ターボラグの低減による加速性向上、吸気流量増加によるスモーク低減及び低速トルクの増加が図れる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態について、図１を参照して説明する。なお、従来例で説明した構成要素と同一の構成には、同一の符号をつけ、説明は省略する。排気再循環装置を有するターボチャージャー付エンジン１４において、吸気回路１２の吸気マニホルド１２ａ上流側手前に狭隘部を形成したベンチュリ１２ｂを設ける。排気再循環回路１５は、ベンチュリ１２ｂの狭隘部にて吸気回路１２に合流接続される。ベンチュリ１２ｂの直上流側と直下流側との間には、これらを連通する吸気バイパス回路１２ｃが設けられ、吸気バイパス回路１２ｃにはこれを開閉自在とする吸気バイパス弁１２ｄが設けられている。吸気回路１２のコンプレッサ１１ａ出口近傍と排気回路１６のタービン１１ｂ入口近傍との間には、これらを連通する給排気バイパス回路２０が設けられ、給排気バイパス回路２０にはこれを開閉自在とする給排気バイパス弁２０ａが設けられている。タービン１１ｂの出口と排気圧力制御弁１８との間の通路１９と、排気回路１６との間には、これらを連通するタービンバイパス回路１７が設けられている。タービンバイパス回路１７にはウェストゲートバルブ１７ａが設けられ、排気回路１６の圧力が所定値以上になると開口し、排気をタービン１１ｂの出口と排気圧力制御弁１８との間の通路１９へ逃すことで排気回路１６の圧力を低下させる。排気回路１６の過大な圧力上昇はエンジン１４の効率を低下させ燃費を悪化させるので、これを防止するものである。
【００３６】
エンジン１４は更に、エンジン１４の回転速度を検出する回転速度センサ３１ａ、冷却水温を検出する温度センサ３１ｂ、スロットル操作量を検出するポテンショメータ３１ｃ、各配管内の圧力を検出する圧力センサ３１ｄ、ＮＯＸ排出量を検出するＮＯＸセンサ３１ｅ、エンジン本体１４ａに導入される吸気流量を検出するエアフローメータ３１ｆ及びＥＧＲクーラ１５ｂの出口温度を検出する温度センサ３１ｇなどといったエンジン１４の運転状態を検出する検出手段３１と、回転速度とスロットル操作量との組合わせごとに定められた目標値となるＮＯＸ排出量を制御マップとして記憶した記憶手段３２と、検出手段３１と記憶手段３２とからの信号を受けて、検出されたＮＯＸ排出量及び吸気流量が目標値に近づきかつ燃費が向上するように、吸気バイパス弁１２ｄと、ＥＧＲ弁１５ｃと、排気圧力制御弁１８と、給排気バイパス弁２０ａとの夫々の開度を制御する制御部３３とを有する。
【００３７】
本発明の第１実施形態における各バルブの制御フローチャートについて、図２を参照して説明する。初期状態ではＥＧＲ弁１５ｃ及び給排気バイパス弁２０ａは閉じられ、吸気バイパス弁１２ｄは開ききっている。まず制御部３３は、ステップＳ１でＮＯＸセンサ３１ｅが検出したＮＯＸ排出量ＮＯＸＯと、記憶手段３２が記憶する制御マップ上において回転速度センサ３１ａが検出した回転速度とポテンショメータ３１ｃが検出したスロットル操作量とから選択されるＮＯＸ排出量ＮＯＸＴとを比較して、数式「ＮＯＸＴ−ＮＯＸＯ≧０」が真ならば、ステップＳ２で各バルブの開度を現状通りとし、Ｓ１に戻って処理を繰り返す。ステップＳ１で数式「ＮＯＸＴ−ＮＯＸＯ≧０」が偽の場合、すなわちＮＯＸセンサ３１ｅが検出したＮＯＸ排出量ＮＯＸＯが過大と判断される場合、制御部３３はステップＳ３へ移行して排気再循環に係る制御を行う。すなわち制御部３３は、ステップＳ３で圧力センサ３１ｄが検出したベンチュリ１２ｂの狭隘部の圧力ＰＶＲと排気マニホルド１６ａの圧力ＰＥＸとを比較して、数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」が真ならば、ステップＳ５でＥＧＲ弁１５ｃの開口量を所定値だけ増加させ、ステップＳ１へ戻って以上の処理を繰り返す。
【００３８】
ステップＳ３で数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」が偽ならば、ＥＧＲ弁１５ｃを開いても排気再循環はできない。そこで制御部３３は、ステップＳ４で数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」が真となるように、吸気バイパス弁１２ｄと排気圧力制御弁１８と給排気バイパス弁２０ａとの開度を調整する。各バルブは以下の作用を有する。吸気バイパス弁１２ｄを絞ると吸気バイパス回路１２ｃの通過流量が減少し、その分ベンチュリ１２ｂの通過流量が増大するので、狭隘部の流速が増大してＰＶＲが低下する。また、排気圧力制御弁１８を絞ると前述の通りＰＥＸが上昇する。給排気バイパス弁２０ａを開くとコンプレッサ１１ａで圧縮された吸気の一部が給排気バイパス回路２０を経て排気回路１６に流れるので、ＰＶＲが低下すると共にＰＥＸが上昇する。制御部３３は、ステップＳ３，Ｓ４の処理を、数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」が真となるまで繰り返し、ステップＳ５へ移行する。さらにステップＳ１へ戻って数式「ＮＯＸＴ−ＮＯＸＯ≧０」が真となるように、ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ５を繰り返す。
【００３９】
但し、上記の吸気バイパス弁１２ｄと排気圧力制御弁１８と給排気バイパス弁２０ａとの作用にはいずれも、エンジン１４の効率を下げ燃費を悪化させる副作用が伴う。吸気バイパス弁１２ｄを絞ると、その分ベンチュリ１２ｂの通過流量が増大するので、ベンチュリ１２ｂの通過抵抗により吸気抵抗が増大する。排気圧力制御弁１８を絞ると前述の通りタービン１１ｂの出口圧力が上昇してエンジン１４の排気効率が低下する。給排気バイパス弁２０ａを開くと吸気の一部が排気回路１６に流れるので、吸気の圧力が下がり、吸気の充填効率が低下する。したがって、上記副作用による燃費の悪化を最小限に抑えると共に数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」が真となるように、ＰＥＸを上昇させかつＰＶＲを低下せることを目標に制御部３３は、吸気バイパス弁１２ｄと排気圧力制御弁１８とはなるべく開いて抵抗が小さくなるようにそして給排気バイパス弁２０ａはなるべく絞って吸気の損失を抑えるように、夫々の開度を、バランスを取りながら制御することが望ましい。
【００４０】
また、特に高速・高負荷運転時及び中速・高負荷運転時において以下のような制御特性を設定すると、燃費の悪化を抑えながら、ＮＯＸ排出量を低減するのに効果的である。まず、高速・高負荷運転時は吸気流量が比較的多いため、吸気バイパス弁１２ｄを開いてもＰＶＲを下げるのに充分な流量の吸気がベンチュリ１２ｂに流れ、給排気バイパス弁２０ａを閉じても、数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」を真とすることができる。したがって、高速・高負荷運転時に限っては、給排気バイパス弁２０ａを全閉としながら吸気バイパス弁１２ｄと排気圧力制御弁１８との開度を調整する。そうすれば高速・高負荷運転時には、燃費の悪化を最小限にして、数式「ＮＯＸＴ−ＮＯＸＯ≧０」が真となるようＮＯＸ排出量を低減できる。そして、中速・高負荷運転時は、吸気側の圧力が排気側の圧力よりも特に（高速・高負荷運転時よりも著しく）高くなる（ようにターボチャージャ１１が設計される）場合が多いことと、吸気流量が比較的少ないこととから、数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」を真とすることが難しい。したがって、以下のような制御を行う。すなわち、給排気バイパス弁２０ａを全開として、吸気マニホルド１２ａの圧力を最大限に下げつつ排気マニホルド１６ａの圧力ＰＥＸを最大限に上げながら、吸気バイパス弁１２ｄをほぼ全閉として吸気全量をベンチュリ１２ｂに通すことで最大限にＰＶＲを低下させる。その相乗効果で数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」を真として、数式「ＮＯＸＴ−ＮＯＸＯ≧０」が真となるようＮＯＸ排出量を低減できる。
【００４１】
なお、ＮＯＸ排出量の替わりにＥＧＲ率を検出・比較することで、結果的にＮＯＸ排出量を制御する方法もある。運転状態が決まれば、目標となるＮＯＸ排出量ＮＯＸＴに対応するＥＧＲ率ＥＧＲＴは、一義的に決まる。そこで、記憶手段３２には、回転速度とスロットル操作量との組合わせごとに定められた目標値となるＥＧＲ率ＥＧＲＴを制御マップとして記憶させておく。一方、実際のＥＧＲ率ＥＧＲＯは、圧力センサ３１ｄで検出したＰＥＸとＰＶＲとの差圧の平方根に、ＥＧＲクーラ出口温度センサ３１ｇで検出した排気温度で決まる比例定数ｃと、通路断面積Ａとをかけて、ＥＧＲ量ＱＥＧＲを求め、エアフローメータ３１ｆで検出した吸気流量ＱＡとＥＧＲ量ＱＥＧＲとの和でＥＧＲ量ＱＥＧＲを除することで求められる。すなわち下記の数式で求められる。
ＱＥＧＲ＝ｃ×Ａ×（ＰＥＸ−ＰＶＲ）１／２ＥＧＲＯ＝ＱＥＧＲ／（ＱＡ＋ＱＥＧＲ）
制御部３３は、圧力センサ３１ｄで検出したＰＥＸとＰＶＲとの差圧及びエアフローメータ３１ｆで検出した吸気流量ＱＡから上記の数式により求めた実際のＥＧＲＯと、記憶手段３２が記憶する制御マップ上において回転速度センサ３１ａが検出した回転速度とポテンショメータ３１ｃが検出したスロットル操作量とから選択される目標のＥＧＲ率ＥＧＲＴとを比較する。その上で、制御部３３はステップＳ１で数式「ＥＧＲＴ−ＥＧＲＯ≦０」が真となるように、ＥＧＲ弁１５ｃの開度を調整する。そうすれば、ステップＳ１で数式「ＮＯＸＴ−ＮＯＸＯ≧０」が真となるように制御するのと同じ効果を得られる。ＥＧＲ率によって制御するこの方法では、ＮＯＸ排出量を直接検出する必要はない。したがって、高価なＮＯＸセンサ３１ｅが不要になるのでコストを低減できる。
【００４２】
本発明の参考となる実施形態を第２実施形態として図３を参照して説明する。第１実施形態との相違は、吸気バイパス回路１２ｃがなく、替わりに吸気絞り弁１２ｅをベンチュリ１２ｂの直上流に設けたことである。本第２実施形態における各バルブの制御フローチャートについては、第１実施形態の項で参照した図２のフローチャートの吸気バイパス弁１２ｄの制御を吸気絞り弁１２ｅの制御に置きかえることで、説明できる。すなわち、ステップＳ３で数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」が偽となる場合に制御部３３がステップＳ４で指令によって吸気絞り弁１２ｅを絞って吸気抵抗を与えることでＰＶＲを下げ、ステップＳ３での数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」を真として、排気の還流を可能とできる。しかし、吸気絞り弁１２ｅを絞ると、吸気抵抗が増加して、燃費が悪化するという副作用もある。したがって、制御部３３は、燃費の悪化を最小限に抑えながらステップＳ３で数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」を真とすべくＰＥＸを上昇させかつＰＶＲを低下せることを目標に、ステップＳ４で、吸気絞り弁１２ｅと排気圧力制御弁１８とはなるべく開いて抵抗が小さくなるようにそして給排気バイパス弁２０ａはなるべく絞って吸気の損失を抑えるように、夫々の開度を、バランスを取りながら制御することが望ましい。なお、第１実施形態の項で述べた、ＮＯＸ排出量又はＥＧＲ率が目標値になるように各バルブを制御する方法が、本第２実施形態についても、ステップＳ４で、吸気バイパス弁１２ｄの制御を吸気絞り弁１２ｅの制御に置き換えることで適用できる。
【００４３】
本発明の第３実施形態について図４を参照して説明する。第１実施形態との相違は、給排気バイパス回路２０中に給排気バイパス弁２０ａに替えて三方弁２０ｃが設けられていることである。三方弁２０ｃの３つのポートは夫々、吸気回路１２、排気回路１６及び排気再循環回路１５に接続される。三方弁２０ｃは２つの切替位置を有し、一方の切替位置では吸気回路１２と排気回路１６とが連通し、他方の切替位置では排気回路１６と排気再循環回路１５とが連通する。なお、三方弁２０ｃからの通路は、ＥＧＲクーラ１５ｂの下流側で排気再循環回路１５に合流する。本第３実施形態における各バルブの制御フローチャートについては、第１実施形態の項で参照した図２のフローチャートの給排気バイパス弁２０ａの制御を三方弁２０ｃの制御に置きかえることで、説明できる。すなわち、ステップＳ３で数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」が偽となる場合に制御部３３はステップＳ４で指令によって三方弁２０ｃを一方の切替位置に切替える。すると、吸気回路１２と排気回路１６とが連通するのでコンプレッサ１１ａで圧縮された吸気の一部が給排気バイパス回路２０を経て排気回路１６に流れる。この作用に付いては、第１実施形態における給排気バイパス弁２０ａが開く場合と同じなので、説明は省略する。ステップＳ３で数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」が真となる場合に制御部３３はステップＳ５で指令によってＥＧＲ弁１５ｃの開度を増加させるとともに三方弁２０ｃを他方の切替位置に切替える。すると、排気回路１６と排気再循環回路１５とが連通するので、排気の一部が給排気バイパス回路２０を経て排気再循環回路１５に流れる。この排気はＥＧＲクーラ１５ｂの下流側で排気再循環回路１５に合流するため、冷却されることなく還流される。ＥＧＲ弁１５ｃの開度を調整すれば、ＥＧＲクーラ１５ｂを通した排気とＥＧＲクーラ１５ｂを通さない排気との混合比を変えて、還流される排気の温度を調整できる。したがって、ＮＯＸ排出量を低減できるように運転状態に応じて適宜吸気温度を変えることができる。それと共に、ＥＧＲクーラを通過する排気流量を抑えることで、ＥＧＲクーラから車体に吸収される熱量を最小限にでき、熱収支を改善して冷却系の負担を軽減できる。また、例えば寒冷時に、三方弁２０ｃを他方の切替位置に切替えると共にＥＧＲ弁１５ｃを閉塞するような制御を行うと、ＥＧＲクーラ１５ｂを通さない排気のみが還流されて、エンジン１４の吸気温度が上昇する。したがって、寒冷地でのエンジン１４の始動時には暖機時間が短縮され、白煙発生が抑えられる。さらに、寒冷地での低負荷運転時にはエンジン１４のオーバクールが防止できる。オーバクールはエンジン１４の摩擦抵抗を増し燃費を悪化させるので、オーバクールを防止することで燃費を向上できる。
【００４４】
第３実施形態に用いる三方弁の構造を図５に例示する。図５（ａ）は三叉路部分に、回動するプレート５２を設け、これにシリンダやダイヤフラムなどのアクチュエータ５１を連結したものである。プレート５２はアクチュエータ５１によって駆動され、吸気回路１２につながる通路を閉じて排気回路１６と排気再循環回路１５とを連通させる第１位置と、排気再循環回路１５につながる通路を閉じて吸気回路１２と排気回路１６とを連通させる第２位置とに切替えられる。
【００４５】
図５（ｂ）は三叉路部分に、回動するプレート５４とポペット５３とを設け、ポペット５３にシリンダやダイヤフラムなどのアクチュエータ５１を連結したものである。ポペット５３はアクチュエータ５１によって駆動され、排気再循環回路１５につながる通路を開閉自在とする。プレート５４は三叉路の吸気回路１２につながる通路上に設けられ、かつ、その上部を回動軸に支承されており、吸気回路１２の圧力が排気回路１６の圧力よりも高い場合は、上方に押し開かれて通路を開放し、吸気回路１２の圧力が排気回路１６の圧力よりも低い場合は、下方に押し戻されて通路を閉塞する。なお、プレート５４は上部を支承されているので、自重により下方に戻る力が常に働き、通路の閉塞を確実にしている。数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」が偽となる場合、ポペット５３はアクチュエータ５１によって排気再循環回路１５につながる通路を閉塞する。この場合吸気回路１２の圧力が排気回路１６の圧力よりも高いので、プレート５４は通路を開放し、吸気の一部を排気回路１６へ流す。数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」が真となる場合、ポペット５３はアクチュエータ５１によって排気再循環回路１５につながる通路を開放する。この場合吸気回路１２の圧力が排気回路１６の圧力よりも低いので、プレート５４は吸気回路１２につながる通路を閉塞する。したがって、プレート５４で遮られた排気がポペット５３を潜り抜けて排気再循環回路１５へ流れ込む。
【００４６】
図５（ｃ）はハウジング５６内をピストン５５が摺動して通路を切替えるものである。ハウジング５６は、摺動するピストン５５を内包する摺動室５６ｃを有し、摺動室５６ｃの内面上には、吸気回路１２と排気回路１６とを連通する孔５６ａと、排気回路１６と排気再循環回路１５とを連通する孔５６ｂとが設けられている。吸気回路１２の圧力が排気回路１６の圧力よりも高い場合は、ピストン５５が摺動して孔５６ａを開放すると共に孔５６ｂを閉塞する。したがって、吸気の一部がハウジング５６を介して排気回路１６に流れる。排気回路１６の圧力が吸気回路１２の圧力よりも高い場合は、ピストン５５が摺動して孔５６ｂを開放すると共に孔５６ａを閉塞する。したがって、排気の一部がハウジング５６を介して排気再循環回路１５に流れる。ピストン５５が圧力の大小によって動き、通路を切替えるので、前記２つの構造と違ってアクチュエータ５１は不要となる。なお、三方弁２０ｃの構造は例示した３つの形態に限定されない。
【００４７】
本発明の第４実施形態について図６を参照して説明する。第１実施形態との相違は、給排気バイパス回路２０中に給排気バイパス弁２０ａに替えて逆止弁２０ｂが設けられていることである。逆止弁２０ｂは吸気回路１２から排気回路１６への１方向の流れのみを許容する。本第４実施形態における各バルブの制御フローチャートについては、第１実施形態の項で参照した図２のフローチャートの給排気バイパス弁２０ａの制御を逆止弁２０ｂの制御に置きかえることで、説明できる。すなわち、ステップＳ３で数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」が真である場合、排気回路１６の圧力は吸気回路１２の圧力よりも高いため、排気の一部は排気再循環回路１５を通って還流される。この時逆止弁２０ｂは閉じ、よって給排気バイパス回路２０は閉塞される。ステップＳ３で数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」が偽となった場合、吸気回路１２の圧力は排気回路１６の圧力よりも高いため、吸気の一部が逆止弁２０ｂを介して排気回路１６へ流れ、ステップＳ３で数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」が真となるようにステップＳ４で各圧力が調整される。（第１実施例の項参照）逆止弁２０ｂは給排気バイパス弁２０ａ及び三方弁２０ｃと比較して、制御機構が不要であるため、構造を簡素化してコスト低減を図れる。
【００４８】
第４実施形態に用いる逆止弁の構造を図７に例示する。図７（ａ）は通路に回動するプレート６１を設けたものである。プレート６１は、その上部を回動軸に支承されており、吸気回路１２の圧力が排気回路１６の圧力よりも高い場合は、上方に押し開かれて通路を開放し、吸気回路１２の圧力が排気回路１６の圧力よりも低い場合は、下方に押し戻されて通路を閉塞する。なお、プレート６１は上部を支承されているので、自重により下方に戻る力が常に働き、通路の閉塞を確実にしている。
【００４９】
図７（ｂ）は、ハウジング６２内をピストン６３が摺動して通路を切替えるものである。ハウジング６２は、摺動するピストン６３を内包する摺動室６２ｂを有し、摺動室５６ｃの内面上には、吸気回路１２と排気回路１６とを連通する孔６２ａが設けられている。吸気回路１２の圧力が排気回路１６の圧力よりも高い場合は、ピストン６３が摺動して孔６２ａを開放する。したがって、吸気の一部がハウジング６２を介して排気回路１６に流れる。排気回路１６の圧力が吸気回路１２の圧力よりも高い場合は、ピストン６３が摺動して孔６２ａを閉塞する。したがって、給排気バイパス回路２０は閉塞される。
【００５０】
図７（ｃ）は、図７（ｂ）の構成に加えて、ピストンに圧力脈動を減衰する機能を持たせたものである。ピストン６４は内部に摺動室６４ａを有してこの中にピストン６５を内包する。摺動室６４ａは両端が開放され、一端は吸気回路１２に通じ、他端は排気回路１６に通じる。ピストン６５はその外周面を摺動室６４ａの内面に略密着させてピストン６４内を摺動する。ピストン６５が摺動すると、その摺動ストローク分だけ吸気回路１２及び排気回路１６の容積が変化するため、ピストン６５には吸気回路１２及び排気回路１６の圧力脈動を吸収減衰する作用がある。これによって、圧力脈動に起因するピストンの高周波振動や騒音を低減できる。なお、逆止弁２０ｂの構造は例示した３つの形態に限定されない。
【００５１】
前述の通り、給排気バイパス回路２０の方向制御に逆止弁２０ｂを用いると構造を簡素化できる。よって図８に例示するように、給排気バイパス回路２０をターボチャージャ１１のコンプレッサハウジング１１ｃ及びタービンハウジング１１ｄの夫々につなげることが容易にできる。これによって装置をコンパクト化でき、その上ターボチャージャ１１と給排気バイパス回路２０とが一体でアセンブリ化されるので、組立性・整備性を改善できる。更に配管を図８のようにコンプレッサ１１ａの回転方向に添わせターボチャージャ１１の回転軸に斜めに巻き付くように接続すると良い。そうすれば、コンプレッサ１１ａの回転で与えられた吸気の流れが方向をなるべく変化させずに配管へ導入されるので、配管が短くなることと合わせて、配管抵抗を小さくできる。そして、給排気バイパス回路２０の応答を良くすることができる。給排気バイパス回路２０の応答が良くなれば、吸気回路１２の圧力が排気回路１６の圧力よりも高い状態から給排気バイパスによって吸気回路１２の圧力が下がり排気の再循環が可能になるまでのタイムラグが、短くなる。したがって、タイムラグの間排気の再循環が行なわれないために増大するＮＯＸ排出量を、低減できる。
【００５２】
本発明の第５実施形態について図９を参照して説明する。第１実施形態との相違は、排気回路１６が排気マニホルドとタービン１１ｂとの間で２本の通路１６ｂ、１６ｃに分割されていることである。タービン１１ｂの図示しないハウジングは入口ポートが２分割され、そこに各々の通路が接続される。排気通路を２本の通路１６ｂ、１６ｃに分割する目的は、気筒間の排気干渉による排気効率の低下を避けるためである。排気再循環回路１５及び給排気バイパス回路２０は、一方の排気通路１６ｂに両方とも接続され、他方の排気通路１６ｃには両方とも接続されない。もしも、排気再循環回路１５を一方の排気通路１６ｂに接続し給排気バイパス回路２０を他方の排気通路１６ｃに接続すると、給排気バイパスの作用、すなわちここでは吸気回路１２の圧力を下げ、一方の排気通路１６ｂの圧力を上げて、排気の還流を容易にする作用が弱まる。また、一方の排気通路１６ｂに流れる排気の流量が減少し、他方の排気通路１６ｃに流れる排気の流量が増加して、２つの通路に流れる排気の流量が食い違うので、排気の流れはタービン１１ｂのハウジングの入口ポートでアンバランスになり、ターボチャージャ１１の回転が不安定になって効率が下がり、燃費が悪化することになる。したがって、各々の排気通路は、排気再循環回路１５及び給排気バイパス回路２０の両方をつなぐか、どちらもつながないかのいずれかとしている。
【００５３】
またこの場合、排気再循環回路１５を、給排気バイパス回路２０よりも、排気通路１６ｂの上流側すなわちエンジン本体１４ａに近い側に接続している。なぜなら、排気再循環回路１５を給排気バイパス回路２０よりも排気通路の下流側に接続すると、給排気バイパス回路２０から排気通路１６ｂに導入された吸気の一部が排気再循環回路１５に入るからである。そうすると実際のＥＧＲ率は低下し、排気再循環によるＮＯＸ排出量の低減効果が損なわれる。これは排気回路１６が分割されていなくとも同じであるが、排気回路１６が分割され、その一つにのみ給排気バイパス回路２０が接続される場合、接続された配管内では、分割によって排気の絶対流量が少なくなるので、混じる吸気の占める割合が特に多くなる。これにより、排気再循環回路１５に吸気の入る割合も多くなって、ＥＧＲ率の低下もより顕著になる。以上の理由により、排気再循環回路１５を給排気バイパス回路２０よりも排気通路１６ｂの上流側に接続することによって、ＥＧＲ率の低下を防止できる。
【００５４】
本発明の第６実施形態について図１０を参照して説明する。第１実施形態との相違は、ウェストゲートバルブ１７ａは排気回路１６の圧力が前記所定値未満であっても制御部３３によって開度を制御自在とされること、検出手段３１の１つとしてＥＧＲ弁１５ｃの開度を検出する開度センサ３１ｈを設けたこと、記憶手段３２が、前記ＮＯＸ排出量の他に、エンジン１４の回転速度とスロットル操作量とＥＧＲ弁１５ｃの開度との組み合わせごとに定められた、エンジン本体１４ａに導入される吸気流量の目標値を、制御マップとして記憶すること、及び制御部３３が、検出手段３１と記憶手段３２とからの信号を受けて、エンジン本体１４ａに導入される実際の吸気流量が制御マップとして記憶した前記目標値となるように、ウェストゲートバルブ１７ａの開度を制御することである。
【００５５】
ここで第６実施形態の制御フローチャートについて図１１を参照して述べる。初期状態ではＥＧＲ弁１５ｃ及び給排気バイパス弁２０ａは閉じられ、吸気バイパス弁１２ｄは開ききっている。まず制御部３３は、ステップＳ１１でＮＯＸセンサ３１ｅが検出したＮＯＸ排出量ＮＯＸＯと、記憶手段３２が記憶する制御マップ上において回転速度センサ３１ａが検出した回転速度とポテンショメータ３１ｃが検出したスロットル操作量とから選択されるＮＯＸ排出量ＮＯＸＴとを比較して、数式「ＮＯＸＴ−ＮＯＸＯ≧０」が真ならば、ステップＳ１２で各バルブの開度を現状通りとし、ステップＳ１１に戻って処理を繰り返す。ステップＳ１１で数式「ＮＯＸＴ−ＮＯＸＯ≧０」が偽の場合、すなわちＮＯＸセンサ３１ｅが検出したＮＯＸ排出量ＮＯＸＯが過大と判断される場合、制御部３３はステップＳ１３へ移行して下記の制御を行う。ステップＳ１３で数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」が偽ならば、ＥＧＲ弁１５ｃを開いても排気再循環はできない。そこで制御部３３は、ステップＳ１４で数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」が真となるように、吸気バイパス弁１２ｄと排気圧力制御弁１８と給排気バイパス弁２０ａとの開度を調整する。制御部３３は、ステップＳ１３，Ｓ１４の処理を、数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」が真となるまで繰り返し、ステップＳ１５へ移行する。このようにして制御部３３は、ステップＳ１３で数式「ＰＥＸ−ＰＶＲ＞０」が真となった後、ステップＳ１５でＥＧＲ弁１５ｃの開度を増加させる。この後、制御部３３は、ステップＳ１６でエアフローメータ３１ｆで検出した吸気流量ＱＡと、記憶手段３２が記憶する制御マップ上において回転速度センサ３１ａが検出した回転速度とポテンショメータ３１ｃが検出したスロットル操作量と開度センサ３１ｈが検出したＥＧＲ弁１５ｃの開度とから選択される目標吸気流量ＱＴとを比較する。そして制御部３３は、ステップＳ１６で数式「ＱＡ＝ＱＴ」が真となるように、ウェストゲートバルブ１７ａの開度をステップＳ１７で調整し、ステップＳ１６で数式「ＱＡ＝ＱＴ」が真となった後、ステップＳ１１に戻る。
【００５６】
ウェストゲートバルブ１７ａには、排気をバイパスさせることで、タービン１１ｂに流入する排気の流量を減少させて排気回路１６の圧力を低下させるだけでなく、ターボチャージャ１１の回転数を低下させ、過給作用を弱めてエンジン本体１４ａに導入される吸気流量ＱＡを減少させる作用もある。したがって、ウェストゲートバルブ１７ａの開度を調整することで、吸気流量ＱＡを調整できる。すなわち、ＥＧＲ弁１５ｃの開度が大きくＥＧＲ量ＱＥＧＲが多いときはウェストゲートバルブ１７ａを絞って過給作用を強め、ＥＧＲ弁１５ｃが絞られてＥＧＲ量ＱＥＧＲが少ないときはウェストゲートバルブ１７ａの開度を大きくして過給作用を弱める。これにより、ＥＧＲ量ＱＥＧＲの変動による吸気マニホールド１２ａ内の圧力変動に関わらず吸気流量ＱＡを略一定に保ち、燃焼に最適な量の酸素を確保することで、ＥＧＲ弁１５ｃの開度が変動しても、安定した燃焼状態が得られ、エンジン回転数が変動しないようにできる。
【００５７】
なお、パラメータとして開度センサ３１ｈが検出したＥＧＲ弁１５ｃの開度の替わりに、ＥＧＲ量ＱＥＧＲを用いても良い。また、ウェストゲートバルブ１７ａの制御にかかる上記構成を第２〜第５実施形態の構成に付加しても、同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００５８】
本発明の第７実施形態について図１２を参照して説明する。第６実施形態との相違は、発電機７１と、コンバータ７２と、バッテリ７３と、電動機７４と、インバータ７５とを設けたことである。例えば、過給圧力を高める必要はないが排気の流量が多い高速・低負荷運転時または減速時においては、ウェストゲートバルブ１７ａが大きく開くとともに、ウェストゲートバルブ１７ａの直下流に設けた発電機７１が、ウェストゲートバルブ１７ａを通過する排気の圧力により、軸着する発電機タービン７１ａを回転させることで、交流電力を発生する。この交流電力をコンバータ７２によって電圧を適正値に変換しながら直流電力に変換し、バッテリ７３に充電する。これにより、ターボチャージャ１１を回転させることなくウェストゲートバルブ１７ａを通過して逃げる排気のエネルギを、電気エネルギとして回収することができる。そして過給圧力を高める必要はあるがターボチャージャ１１の回転数が低い低速・高負荷運転時または加速時においては、電動機７４が図示しないクラッチによってターボチャージャ１１に接続され、バッテリ７３からの直流電力がインバータ７５によって適正な電圧値に変換された交流電力を電動機７４が導入して回転することで、ターボチャージャ１１の駆動を助勢する。これにより、ターボチャージャ１１の回転数を上げ、過給圧力を高めることができる。
【００５９】
すなわち、高速・低負荷運転時または減速時において、排気のエネルギを電気エネルギとして回収し、このエネルギを低速・高負荷運転時または加速時にターボチャージャ１１の助勢に用いて過給圧力を高めることができる。したがって、排気のエネルギを有効に活用しながら、ターボラグの低減による加速性向上、吸気流量増加によるスモーク低減及び低速トルクの増加が図れる。なお、本実施形態では発電機７１を交流発電機とし、電動機７４を交流電動機としたが、電圧の変換手段さえ備えておれば、もちろん、発電機７１を直流発電機とし、電動機７４を直流電動機とし、コンバータ７２及びインバータ７５をそれぞれ直流から直流への電圧の変換手段に置き換えても良い。
【００６０】
以上本発明の実施形態について、図を参照して説明してきたが、まず、吸気回路に設けたベンチュリ及び吸気バイパス回路と吸気給排気バイパス回路とを組み合わせ、各所に設けたバルブの開度を制御し、排気回路の圧力を上げるとともにベンチュリ部分での圧力を下げ、このベンチュリ部分に排気再循環回路を接続している。したがって、吸気回路の圧力が排気回路の圧力より高いがために従来では排気の再循環が不可能だった領域、特に中速及び高速で且つ、高負荷領域での運転においても、排気の再循環を可能ならしめ、低燃費を維持しながらＮＯＸ排出量を低減できる。また、排気の還流量の増減に伴なう吸気流量の変動を、ウェストゲートバルブを調整することで相殺できるので、燃焼に最適な量の酸素を常に確保でき、エンジンの回転数変動がなく、よりスムーズな運転ができる。さらに、高速・低負荷運転時または減速時において、排気の圧力で駆動する発電機によって排気のエネルギを電気エネルギとして回収し、低速・高負荷運転時または加速時にこの電気エネルギを電動機によってターボチャージャ１１の助勢に用いて応答性を向上し、過給圧力を高めることもできる。これにより、排気のエネルギを有効に活用しながら、ターボラグの低減による加速性向上、吸気流量増加によるスモーク低減及び低速トルクの増加が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態の給排気回路図である。
【図２】 本発明の第１実施形態における、各制御弁の制御フローチャートである。
【図３】 本発明の参考となる実施形態を第２実施形態として示す給排気回路図である。
【図４】 本発明の第３実施形態の給排気回路図である。
【図５】 本発明の第３実施形態に用いる三方弁の断面図である。
【図６】 本発明の第４実施形態の給排気回路図である。
【図７】 本発明の第４実施形態に用いる逆止弁の断面図である。
【図８】 コンプレッサハウジングとタービンハウジングとの間に給排気バイパス配管を設けたターボチャージャの概略図である。
【図９】 本発明の第５実施形態の給排気回路図である。
【図１０】 本発明の第６実施形態の給排気回路図である。
【図１１】 本発明の第６実施形態における、各制御弁の制御フローチャートである。
【図１２】 本発明の第７実施形態の給排気回路図である。
【図１３】 従来の、排気再循環装置を備えたターボチャージャ付エンジンの給排気回路図である。
【符号の説明】
１１…ターボチャージャ、１１ａ…コンプレッサ、１１ｂ…タービン、１２…吸気回路、１２ｂ…ベンチュリ、１２ｃ…吸気バイパス回路、１２ｄ…吸気バイパス弁、１５…排気再循環回路、１５ｃ…ＥＧＲ弁、１７…タービンバイパス回路、１７ａ…ウェストゲートバルブ、２０…給排気バイパス回路、２０ａ…給排気バイパス弁、２０ｂ…逆止弁、３１…検出手段、３２…記憶手段、３３…制御部、７１…発電機、７１ａ…発電機タービン、７２…コンバータ、７３…バッテリ、７４…電動機、７５…インバータ。

Claims (12)

  1. 吸気回路(12)と排気回路(16)との間に、ターボチャージャ(11)と、排気再循環開閉弁(15c)によって開閉自在とした排気再循環回路(15)とを設けた内燃機関の排気再循環制御装置において、
    ターボチャージャ(11)のコンプレッサ(11a)下流側とタービン(11b)上流側との間を連通する給排気バイパス回路(20)と、
    この給排気バイパス回路(20)を開閉自在とするように開口面積を可変とされた給排気バイパス弁(20a)と、
    排気再循環回路(15)が分岐接続される吸気回路(12)の位置に設けられた狭隘部(12b)と、
    吸気回路の狭隘部をバイパスする吸気バイパス回路(12c)と、
    この吸気バイパス回路(12c)を開閉自在とするように開口面積を可変とされた吸気バイパス弁(12d)と、
    ＮＯＸ排出量を含む内燃機関の運転状態を検出する検出手段(31)と、
    内燃機関の運転状態に対する目標ＮＯＸ排出量を予め記憶する記憶手段(32)と、
    内燃機関が高速・高負荷で運転される場合には、給排気バイパス弁(20a)を略閉塞しつつ検出手段(31)の検出する内燃機関のＮＯＸ排出量が記憶手段(32)の記憶する目標ＮＯＸ排出量になるように吸気バイパス弁(12d)の開度を制御すると共に、内燃機関が中速・高負荷で運転される場合には、給排気バイパス弁(20a)を略全開口しつつ吸気バイパス弁(12d)を略閉塞する制御手段(33)とを備えている
    ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
  2. 吸気回路(12)と排気回路(16)との間に、ターボチャージャ(11)と、排気再循環開閉弁(15c)によって開閉自在とした排気再循環回路(15)とを設けた内燃機関の排気再循環制御装置において、
    ターボチャージャ(11)のコンプレッサ(11a)下流側とタービン(11b)上流側との間を連通する給排気バイパス回路(20)と、
    この給排気バイパス回路(20)を開閉自在とするように開口面積を可変とされた給排気バイパス弁(20a)と、
    排気再循環回路(15)が分岐接続される吸気回路(12)の位置に設けられた狭隘部(12b)と、
    吸気回路の狭隘部をバイパスする吸気バイパス回路(12c)と、
    この吸気バイパス回路(12c)を開閉自在とするように開口面積を可変とされた吸気バイパス弁(12d)と、
    ＥＧＲ率を含む内燃機関の運転状態を検出する検出手段(31)と、
    内燃機関の運転状態に対する目標ＥＧＲ率を予め記憶する記憶手段(32)と、
    内燃機関が高速・高負荷で運転される場合には、給排気バイパス弁(20a)を略閉塞しつつ検出手段(31)の検出する内燃機関のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率になるように吸気バイパス弁(12d)の開度を制御すると共に、内燃機関が中速・高負荷で運転される場合には、給排気バイパス弁(20a)を略全開口しつつ吸気バイパス弁(12d)を略閉塞する制御手段(33)とを備えている
    ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気再循環制御装置において、
    前記給排気バイパス弁(20a)が、コンプレッサ(11a)下流側とタービン(11b)上流側と排気再循環回路(15)との間に設けられて、かつコンプレッサ(11a)下流側のポートを閉じてタービン(11b)上流側と排気再循環回路(15)との間を連通させる切替位置及び排気再循環回路(15)側のポートを閉じてコンプレッサ(11a)下流側とタービン(11b)上流側との間を連通させる切替位置を有する三方弁(20c)であり、三方弁(20c)からの排気が合流する位置よりも上流側となる排気再循環回路(15)の位置に排気を冷却するＥＧＲクーラ(15b)を設けた
    ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
  4. 請求項３に記載の内燃機関の排気再循環制御装置において、
    前記三方弁(20c)は内燃機関の始動暖機時及び低負荷運転時にはコンプレッサ(11a)下流側のポートを閉じてタービン(11b)上流側と排気再循環回路(15)との間を連通させ、内燃機関がそれ以外の運転状態時には排気再循環回路(15)側のポートを閉じてコンプレッサ(11a)下流側とタービン(11b)上流側との間を連通させる
    ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
  5. 請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気再循環制御装置において、
    前記給排気バイパス弁(20a)が、コンプレッサ(11a)下流側からタービン(11b)上流側への１方向の流れのみ可能とする逆止弁(20b)である
    ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
  6. 請求項５に記載の内燃機関の排気再循環制御装置において、
    ターボチャージャ(11)のコンプレッサ(11a)下流側とタービン(11b)上流側との間を連通する給排気バイパス回路(20)を、ターボチャージャのコンプレッサハウジング(11c)とタービンハウジング(11d)との間に設けた
    ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気再循環制御装置において、
    排気マニホルド(16a)からターボチャージャのタービンハウジング入口までの間の排気通路(16b、16c)を複数に分割し、分割された排気通路(16b、16c)の少なくとも１つに排気再循環回路(15)及び給排気バイパス回路(20)の両方を接続した
    ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
  8. 請求項７に記載の内燃機関の排気再循環制御装置において、
    排気再循環回路(15)の接続される排気通路(16b)の位置は、給排気バイパス回路(20)の接続される位置よりも上流側である
    ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の排気再循環制御装置において、
    ターボチャージャ(11)のタービン(11b)上流側とタービン(11b)下流側との間を連通するタービンバイパス回路(17)と、タービン(11b)上流側の排気圧力が所定値以上となる場合に自ら開いてこのタービンバイパス回路(17)を開通させるウェストゲートバルブ(17a)とを設けた
    ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
  10. 請求項９に記載の内燃機関の排気再循環制御装置において、
    内燃機関の運転状態を検出する検出手段(31)と、
    ＥＧＲ率を検出する検出手段(31)と、
    吸気流量を検出する検出手段(31)と、
    内燃機関の運転状態とＥＧＲ率とに対する目標吸気流量を予め記憶する記憶手段(32)とを設けるとともに、
    制御手段(33)がウェストゲートバルブ(17a)に対して行う制御は、検出した吸気流量と記憶手段(32)の記憶する目標吸気流量との差が所定の値以下になるように、ウェストゲートバルブ(17a)の弁開度を調整する制御とした
    ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
  11. 請求項１０に記載の内燃機関の排気再循環制御装置において、
    ウェストゲートバルブ(17a)の直下流に設けられ、軸着するタービン(71a)を排気の圧力で回転させて電力を発生する発電機(71)と、発電機(71)の発生した電力を充電可能な状態に変換する第１変換機(72)と、発電機(71)の発生した電力を第１変換機(72)を介して充電するバッテリ(73)とを設けた
    ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
  12. 請求項１１に記載の内燃機関の排気再循環制御装置において、
    バッテリ(73)からの電力で回転し、ターボチャージャ(11)の駆動を助勢する電動機(74)と、バッテリ(73)からの電力を電動機(74)を駆動可能な状態に変換して電動機(74)に供給する第２変換機(75)とを設けた
    ことを特徴とする内燃機関の排気再循環制御装置。
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