JP2004346776A - 給気バイパス制御装置を備えた内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機がサージング領域に近づくのを回避するとともに良好なトルクを得ることができる給気バイパス制御装置を備えた内燃機関を提供すること。
【解決手段】排気タービン過給機２０の圧縮機２１出口通路と、排気タービン２２入口通路とをバイパス管路２３で連通し、バイパスバルブ２４を設ける。バルブコントローラ３０によって、ディーゼルエンジン１の運転状態が低速、高負荷域となった時にバイパスバルブ２４を制御して、バイパス管路２３を開方向に調整する。給気の一部が排気管路４に流入するので、排気タービン２２がより多く回転し、給気流量が増加してディーゼルエンジン１の出力が高くなる。また、給気流量の増加によって、圧縮機２１がサージング領域に近づくのを防止できる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給気バイパス制御装置を備えた内燃機関に関し、より詳しくは、排気タービン過給機を有し、排ガスによって圧縮機を駆動して過給する給気バイパス制御装置を備えた内燃機関に関する。
【０００２】
【背景技術】
ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関には、排気タービン過給機を備えたものがある。排気タービン過給機は、内燃機関からの排ガスの圧力を利用してタービンを回転させ、このタービンの回転力によって圧縮機を駆動して内燃機関に過給を行うものである。このように排気タービン過給機を備えた内燃機関としては、圧縮機の出口通路とタービンの入口通路とを連通させたバイパス回路を備えたものがある（例えば特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１６５０００号公報 （第９−１０頁、第１図）
【０００４】
このバイパス回路を備えた内燃機関は、排気再循環システム、いわゆるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置を効率よく運転するために設けられているものである。ＥＧＲ装置は、排ガスの一部を内燃機関への吸気に還流させて吸気中の酸素濃度を低下させ、内燃機関での燃焼温度を下げることによって排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制するもので、このようなＥＧＲ装置を備えた内燃機関では、ＮＯｘ排出量を測定し、排出量が所定値よりも多い場合には排気再循環を行う。この際、内燃機関の吸気圧が排気圧より高く、排ガスが吸気側へ流れにくい場合には、バイパス回路を開いて吸気の一部を排気通路へ流して吸気圧を低下させ、排気再循環を容易にする。このような制御を行うことにより、ＥＧＲを効率よく行うことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば、油圧ショベルのような建機用エンジンでは、低速運転においても高負荷（高い低速トルク）が必要となる場合がある。このような建機用エンジンに、排気タービン過給機をマッチングさせる際、圧縮機のチョーク流量より小流量側となる高効率な作動点をエンジンの定格点として用いると、低速、高負荷運転時での圧縮機の作動点が、圧縮機の動作が不安定になるサージング領域近傍となってしまう場合がある。
特に、前述のようなＥＧＲ装置を備えたエンジンでは、吸気の一部に排ガスが還流して吸気容積が少なくなるため、必要な出力に見合う吸気量を確保するために、過給機においては高圧力比過給を行う必要がある。しかしながら、高圧力比過給タイプの圧縮機を使用すると、使用可能流量範囲であるチョーク流量およびサージング流量間の範囲が狭くなる傾向にあるので、排気タービン過給機とエンジンとのマッチングがより困難となる。
【０００６】
低速、高負荷域での圧縮機の作動点がサージング領域に近づくようなマッチングを回避するためには、ワイドレンジタイプの圧縮機を用いることが考えられるが、一般にワイドレンジタイプの圧縮機は圧力比が低く、かつ、高速回転速度で使用できないため、高圧力比過給用として最適ではない。
【０００７】
本発明の目的は、高圧力比、高回転タイプの圧縮機でサージングを回避するとともに、良好な低速トルクを得られる内燃機関を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段と作用効果】
本発明の請求項１に記載の給気バイパス制御装置を備えた内燃機関は、外気を吸入、加圧して内燃機関に供給する圧縮機およびこの圧縮機を駆動する排気タービンを有する過給機と、圧縮機の出口通路および排気タービンの入口通路を連通する連通路と、この連通路に設けられた開閉弁と、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、運転状態検出手段からの信号に基づいて、内燃機関の運転状態が低速、高負荷域にあると判断した場合に、開閉弁を開方向に開口させる開閉弁開度制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
この構成の本発明によれば、開閉弁開度制御手段は、内燃機関の低速、高負荷域で、内燃機関の開閉弁を制御して開口させるので、給気の一部が内燃機関を通過しないで排気タービン入口通路に流入するため、圧縮機系回路の絞り度合いが変化し、内燃機関の低速運転における圧縮機の作動点が大流量側へ移動する。また、給気の一部が排気タービン入口に流入することによる排気タービンの仕事の増加により、排気タービン回転が増加する。以上の結果、圧縮機の作動点がサージング限界から大幅に離れ、圧縮機の動作が安定するとともに、内燃機関に供給される空気量も増加し、低速トルクが増加する。
また、内燃機関の使用範囲内での圧縮機の作動領域が、サージング領域近傍となるのが良好に回避されるので、高圧力比、高回転タイプの圧縮機を採用可能となり、内燃機関の使用範囲に対して圧縮機の選択設計の自由度が高くなる。
なお、この際開閉弁は、連通路を全開、全閉する、いわゆるＯＮ、ＯＦＦの二位置制御のものや、全開、全閉、および半開の三位置制御のもの、あるいは連通路の開度を無段階にまたは四位置以上の多段階に調整可能なものなどが採用できる。
【００１０】
本発明の請求項２に記載の給気バイパス装置を備えた内燃機関は、請求項１に記載の給気バイパス制御装置を備えた内燃機関において、開閉弁は、開度を調整可能に構成されていることを特徴とする。
【００１１】
この構成の本発明によれば、開閉弁が開度を調整可能に構成されているので、内燃機関の運転状態に応じて必要最小限の開度に制御可能となる。これにより、連通路へ流れる給気流量が最小限に抑制され、内燃機関に供給される給気流量が多くなる。また、例えば、同一の内燃機関で仕様の異なる出力を設定する場合では、それぞれ必要とする低速トルクに応じて開閉弁の開度を設定することにより、柔軟な対応が可能となる。
【００１２】
本発明の請求項３に記載の給気バイパス装置を備えた内燃機関は、請求項１または請求項２に記載の給気バイパス制御装置を備えた内燃機関において、運転状態検出手段は、過給機の作動状態を検出する過給機作動状態検出手段であり、開閉弁開度制御手段は、過給機作動状態検出手段からの信号に基づいて、圧縮機の作動状態がサージング領域近傍であると判断した場合に開閉弁を開方向に開口させることを特徴とする。
【００１３】
この構成の本発明によれば、過給機作動状態検出手段によって圧縮機の作動状態を検出し、圧縮機の作動状態がサージング領域近傍となった時に、開閉弁開度制御手段が開閉弁を制御して開方向に開口させる。これにより、圧縮機の給気流量が多くなり、圧縮機の作動状態がサージング領域から遠ざかり、作動が安定する。
また、開閉弁開度制御手段が、過給機作動状態検出手段からの検出量を監視するので、内燃機関の運転状態から圧縮機の作動状態を推定する場合と異なり、圧縮機の作動状態を直接監視することで圧縮機のサージング領域回避がより確実となる。
【００１４】
本発明の請求項４に記載の給気バイパス制御装置を備えた内燃機関は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の給気バイパス制御装置を備えた内燃機関において、運転状態検出手段は、内燃機関への燃料噴射量を検出する燃料噴射量検出手段と、内燃機関の回転速度を検出する内燃機関回転速度検出手段とを備え、開閉弁開度制御手段は、燃料噴射量検出手段からの燃料噴射量および内燃機関回転速度検出手段からの内燃機関回転速度に基づいて、内燃機関の運転状態が低速、高負荷域にあると判断した場合または圧縮機の作動状態がサージング領域近傍であると判断した場合に、開閉弁を開方向に開口させることを特徴とする。
【００１５】
この構成の本発明によれば、燃料噴射量および内燃機関回転速度から内燃機関の運転状態が把握されるので、これらの検出結果が予め設定しておいた運転状態範囲内、すなわち内燃機関の運転状態が低速高負荷域であると判断された時、または圧縮機の作動状態がサージング領域近傍であると判断された時に、開閉弁開度制御手段が開閉弁を制御して開方向に開口させる。すると、圧縮機の給気の一部が排気タービンの入口通路に流入し、排気タービンの回転が増加して圧縮機の流量が増加し、内燃機関の低速トルクが増大し、また、圧縮機がサージング領域に近づくのが良好に回避される。
燃料噴射量および内燃機関の回転速度は、通常内燃機関の運転制御に利用する検出パラメータなので、これらの検出量を流用することで内燃機関の運転状態の検出が簡単となる。したがって、新しく検出手段を設けることなく給気バイパス制御装置が構成可能となる。
【００１６】
本発明の請求項５に記載の給気バイパス制御装置を備えた内燃機関は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の給気バイパス制御装置を備えた内燃機関において、運転状態検出手段は、過給機の給気圧を検出する給気圧検出手段と、過給機の給気流量を検出する給気流量検出手段とを備え、開閉弁開度制御手段は、給気圧検出手段からの給気圧および給気流量検出手段からの給気流量に基づいて、内燃機関の運転状態が低速、高負荷域にあると判断した場合または圧縮機の作動状態がサージング領域近傍であると判断した場合に、開閉弁を開方向に開口させることを特徴とする。
【００１７】
この構成の本発明によれば、圧縮機による給気圧および給気流量から圧縮機の作動状態が把握されるので、これらの検出結果に基づいて圧縮機の作動状態を直接監視して開閉弁を制御することにより、圧縮機がサージング領域に近づくのが確実に回避され、圧縮機の動作が安定する。
【００１８】
本発明の請求項６に記載の給気バイパス制御装置を備えた内燃機関は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の給気バイパス制御装置を備えた内燃機関において、運転状態検出手段は、過給機の回転速度を検出する過給機回転速度検出手段と、過給機の給気流量を検出する給気流量検出手段とを備え、開閉弁開度制御手段は、過給機回転速度検出手段からの過給機回転速度および給気流量検出手段からの給気流量に基づいて、内燃機関の運転状態が低速、高負荷域にあると判断した場合または圧縮機の作動状態がサージング領域近傍であると判断した場合に、開閉弁を開方向に開口させることを特徴とする。
【００１９】
この構成の本発明によれば、過給機の回転速度および過給機による給気流量から圧縮機の作動状態が把握されるので、これらの検出結果に基づいて圧縮機の作動状態を直接監視し、開閉弁を制御することにより、圧縮機がサージング領域に近づくのが確実に回避され、圧縮機の動作が安定する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、後述する第二実施形態以降で、以下に説明する第一実施形態での構成部品と同じ部品および同様な機能を有する部品には同一符号を付し、説明を簡単にあるいは省略する。
【００２１】
〔第一実施形態〕
図１には、第一実施形態にかかるディーゼルエンジン（内燃機関）１のシステムを示す概略図が示されている。この図１において、ディーゼルエンジン１は、内部に複数（本実施形態では四つ）の燃焼室が形成されたエンジン本体２と、燃焼室に給気を供給する給気管路３と、燃焼室外部へ排気ガスを排出する排気管路４と、ディーゼルエンジン１を冷却するための冷却機構５と、エンジン本体２の動作を制御するエンジンコントローラ１０と、エンジン本体２への過給を行うために給気を圧縮する排気タービン過給機（過給機）２０とを備えている。
【００２２】
給気管路３とエンジン本体２との間には、給気管路３からの給気がそれぞれの燃焼室に分配されるように吸気マニホールド３Ａが取り付けられている。また、エンジン本体２と排気管路４との間には、それぞれの燃焼室からの排気がまとめて排気管路４に流入するように排気マニホールド４Ａが取り付けられている。
【００２３】
冷却機構５は、エンジン本体２内に収められたクランクシャフト（図示せず）等により駆動されるポンプ８を備え、ポンプ８によって圧送された冷却水は、ディーゼルエンジン１のエンジン本体２、排気タービン過給機２０、図示しないオイルクーラ等の冷却必要部位を冷却した後、冷却機構５に設けられたラジエータ６で空冷されるようになっている。また、給気管路３の途中には、排気タービン過給機２０で圧縮された空気を冷却するためのアフタークーラ７が設けられている。
このラジエータ６およびアフタークーラ７は、エンジン本体２に設けられ、かつ、クランクシャフト等により回転駆動されるファン９によって、その冷却作用が促進されるようになっている。
【００２４】
エンジンコントローラ１０は、エンジン本体２の回転速度を検出するエンジン回転速度検出手段（内燃機関回転速度検出手段）１１および燃焼室への燃料噴射量を検出する燃料噴射量検出手段１２を備えた検出手段（運転状態検出手段）１３に接続され、これらの検出手段１３から、それぞれエンジン回転速度Ｎの検出信号および燃料噴射量Ｆの検出信号を受信している。エンジンコントローラ１０は、これらの検出信号によりディーゼルエンジン１の運転状態を把握し、状態に応じて燃焼室への燃料噴射量や燃料噴射タイミングなどの制御を行っている。
ここで、エンジン回転速度検出手段１１は、例えばエンジン本体２のクランクシャフトの回転速度を検出するもの等が採用でき、また燃料噴射量検出手段１２は、例えば燃料噴射ポンプのガバナの位置を検出したり、コモンレールが設けられている時にはコモンレールの燃料圧や燃料噴射ノズルの電磁弁の開放時間などから燃料噴射量を検出するもの等が採用できる。
【００２５】
排気タービン過給機２０は、排気管路４の途中に設けられた排気タービン２２と、給気管路３の途中に設けられ、排気タービン２２に連結された圧縮機２１とを備えている。吸気管路３での圧縮機２１の出口通路と、排気管路４での排気タービン２２の入口通路とは、バイパス管路（連通路）２３で連通しており、このバイパス管路２３には、バイパス管路２３の開度を調整するバイパスバルブ（開閉弁）２４が取り付けられている。このバイパスバルブ２４は、ニードル弁、バタフライ弁、電磁弁など、任意の構成のバルブを採用でき、本実施形態ではバイパス管路２３を全開または全閉する二位置制御のバルブが採用されている。
このようなバイパスバルブ２４には、当該バイパスバルブ２４の動作を制御するバルブコントローラ（開閉弁開度制御手段）３０が接続されている。
【００２６】
なお、本実施形態では、排気タービン過給機２０、バイパス管路２３、バイパスバルブ２４、検出手段１３およびバルブコントローラ３０を備えて、本発明の給気制御装置（給気バイパス制御装置）４０が構成されている。なお、本実施形態では、バイパスバルブコントローラ３０は、エンジンコントローラ１０を介して検出手段１３に接続されているため、給気制御装置４０は、エンジンコントローラ１０をも含んで構成されている。
【００２７】
バルブコントローラ３０は、エンジンコントローラ１０に接続され、エンジンコントローラ１０からエンジン回転速度Ｎの検出信号および燃料噴射量Ｆの検出信号を受信可能となっている。
バルブコントローラ３０は、エンジンコントローラ１０からの各検出信号を受信する入力部３１と、この入力部３１からの入力信号に対して最適なバイパスバルブ２４の開度が予め設定され、マップやテーブルなどとして記憶されている記憶部３２と、記憶部３２に記憶された情報に基づいて最適なバイパスバルブ２４の開度を決定する制御部３３と、制御部３３からの開度の調整指令（開度制御信号Ｃ）をバイパスバルブ２４に出力する出力部３４とを備えている。
【００２８】
記憶部３２は、図２に示されるように、ディーゼルエンジン１の運転状態に応じたバイパスバルブ２４の開度Ａを示したマップＭ１を記憶している。マップＭ１は、横軸をエンジン回転速度Ｎとし、縦軸を燃料噴射量Ｆとしたグラフ上で、それぞれのディーゼルエンジン１の運転状態に応じたバイパスバルブ２４の開度Ａとその開度Ａを保持する時間Ｔが設定されている。
ここで、本実施形態ではバイパスバルブ２４の開度Ａは、ディーゼルエンジン１の運転状態が低速、高負荷域において、１００％（全開）の開度Ａ１とし、その他では０％（全閉）の開度Ａ０とするように設定されている。つまり、図２において、エンジン回転速度Ｎが比較的低く、かつ、燃料噴射量Ｆが比較的高い領域（図２の斜線部分）では開度Ａ１となり、その他の領域では開度Ａ０となっている。また、開度Ａ１を保持する時間は、予め所定時間Ｔ１の一定に設定されている。
【００２９】
なお、低速、高負荷域は、ディーゼルエンジン１および排気タービン過給機２０の性能範囲や使用範囲などを勘案して適宜設定される。例えば、低速域においてほとんど過給が行われず、低速トルクが上がらない場合に、より高い低速トルクを必要とする使用領域や、あるいは、ディーゼルエンジン１により負荷がかかることによって圧縮機２１の作動領域がサージング領域に近づく可能性のある使用領域など、適宜設定される。
【００３０】
このような構成のディーゼルエンジン１は、次のように動作する。
まず、ディーゼルエンジン１の運転中には、排気タービン過給機２０は、排気ガスによって排気タービン２２を回転させ、圧縮機２１を駆動することにより、エンジン本体２への過給を行っている。エンジンコントローラ１０は、エンジン本体２のエンジン回転速度Ｎおよび燃料噴射量Ｆなどの信号からエンジン本体２の運転状態を把握して燃料噴射タイミングや燃料噴射量などを制御するとともに、バルブコントローラ３０へエンジン回転速度Ｎおよび燃料噴射量Ｆの検出信号を送信する。
【００３１】
バルブコントローラ３０では、図３のフローチャートに示されるように、まず、ステップ１１（Ｓ１１）において、エンジンコントローラ１０からのエンジン回転速度Ｎおよび燃料噴射量Ｆの検出信号を入力部３１で受信する。次に、Ｓ１２において、制御部３３がこれらの検出量を記憶部３２のマップＭ１上で比較し、Ｓ１３においてバイパスバルブ２４の開度Ａを決定する。そしてＳ１４において、制御部３３は、Ｓ１３で決定した開度Ａに対応する開度制御信号Ｃを出力部３４へ出力する。つまり、開度Ａが開度Ａ１の時は、開度全開信号を、開度Ａが開度Ａ０の場合には、開度全閉信号を出力する。Ｓ１４において、Ｓ１３で決定した開度Ａが全開の開度Ａ１であると判定した場合にはＳ１５へ進み、出力部３４がバイパスバルブ２４へ開度全開信号を出力することにより、バイパスバルブ２４はバイパス管路２３を全開し、この開度Ａ１を所定時間Ｔ１保持する。
【００３２】
バイパス管路２３が全開されると、給気の一部がバイパス管路２３を通って排気管路４へ流入し、排気圧が上昇する。この排気圧の上昇に伴い、排気タービン２２の回転が増加し、圧縮機２１をより回転させるので、圧縮機２１の給気流量が増加して、ディーゼルエンジン１の低速トルクが増大する。
バイパスバルブ２４は、バイパス管路２３を所定時間Ｔ１全開したのち、バイパス管路２３を全閉する。その後、バルブコントローラ３０は、Ｓ１１に戻ってバイパスバルブ２４の制御を繰り返し行う。
【００３３】
一方、Ｓ１４において、Ｓ１３で決定した開度Ａが全閉の開度Ａ０である場合には、出力部３４がバイパスバルブ２４へ開度全閉信号を出力することにより、バイパスバルブ２４を全閉に保持する。
このように、バイパスバルブ２４の開度Ａが全閉Ａ０に設定される低速低負荷域では、低負荷であるため排気タービン２２を高速で回転させる必要がなく、また高速域では、通常必要な排気圧を確保でき、バイパス管路２３を全閉にしても排気圧によって排気タービン２２を高速で回転させて良好に圧縮機２１を作動できるので、エンジン本体２においてそれぞれ必要な低速トルクを保持できる。
【００３４】
なお、開度Ａが全閉の開度Ａ０である場合には、出力部３４から開度全閉信号を出力しなくてもよい。つまり、バルブコントローラ３０は、開度Ａを全開の開度Ａ１に調整する必要がある場合のみに、出力部３４から開度制御信号Ｃを出力するように構成され、バイパスバルブ２４は、開度制御信号Ｃを受信した時のみにバイパス管路２３の開度を全開にするように構成されていてもよい。
【００３５】
このような給気制御装置４０を備えたディーゼルエンジン１によれば、次のような効果が得られる。
（１） 圧縮機２１の出口通路と排気タービン２２の入口通路とを連通するバイパス管路２３が設けられ、バルブコントローラ３０が、ディーゼルエンジン１の運転状態が低速、高負荷域の時にバイパスバルブ２４を所定時間Ｔ１、全開にするので、給気の一部が排気管路４に流入し、排気圧を上昇させて圧縮機２１の給気流量を増大させることができる。したがって、エンジン本体２の低速トルクを増大させることができる。
【００３６】
（２） また、低速、高負荷域でバイパス管路２３を全開にすることで、圧縮機２１の給気流量が増大するので、圧縮機２１の作動領域がサージング領域に近づくことなく、圧縮機２１を安定して良好に作動できる。逆に、このような制御を行うことにより、圧縮機２１がサージング領域に近づくのを防止できるので、圧縮機２１の作動可能範囲をより広くすることができ、圧縮機２１のディーゼルエンジン１への適用範囲が広がり、圧縮機２１の汎用性を向上させることができる。
【００３７】
（３） ディーゼルエンジン１の運転状態を検出する検出手段１３として、エンジンコントローラ１０においてエンジン本体２の制御のためにもともと必要とするエンジン回転速度検出手段１１および燃料噴射量検出手段１２から検出量を取り込むので、バルブコントローラ３０のために検出手段を新たに設ける必要がなく、バルブコントローラ３０の構成を簡単にでき、給気制御装置４０の製造コストを低減できる。
【００３８】
（４） バイパスバルブ２４が二位置制御のバルブで構成され、バイパス管路２３を全開または全閉することでバイパス管路２３の開度を制御するので、バルブコントローラ３０の制御を簡単にでき、制御部３３の構成を簡単にできる。
また、バイパスバルブ２４の開度Ａを全開に保持する保持時間Ｔが予め一定の所定時間Ｔ１に設定されているので、バイパスバルブ２４の開度制御をより一層簡単にできる。
さらに、記憶部３２がマップＭ１を備え、各エンジン回転速度Ｎおよび燃料噴射量Ｆに応じたバイパスバルブ２４の開度Ａを予め設定、記憶しているので、制御部３３は検出手段１３からの検出量をマップＭ１と比較するだけで開度Ａを決定でき、これによっても制御部３３の構造を簡単にできる。
【００３９】
〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態は、第一実施形態におけるディーゼルエンジン１の給気制御装置４０において、検出手段１３が異なるものである。
図４には、第二実施形態にかかるディーゼルエンジン１のシステムを示す概略図が示されている。この図４において、給気制御装置４０には、ディーゼルエンジン１の運転状態を検出する検出手段１３として、圧縮機２１による給気圧Ｐを検出する給気圧検出手段１４と、圧縮機２１による給気流量Ｒを検出する給気流量検出手段１５とを備えた圧縮機作動状態検出手段が設けられている。給気圧検出手段１４および給気流量検出手段１５は、ともに吸気マニホールド３Ａに設けられ、吸気マニホールド３Ａにおけるエンジン本体２の吸気圧および吸気流量を検出することによって圧縮機２１による給気圧Ｐおよび給気流量Ｒを検出可能となっている。
【００４０】
バルブコントローラ３０の記憶部３２は、図５に示されるように、ディーゼルエンジン１の運転状態に応じてバイパス管路２３の開度Ａが設定されたマップＭ２を記憶している。マップＭ２には、横軸を給気流量Ｒとし、縦軸を給気圧Ｐとした圧縮機２１の性能線図上で、それぞれのディーゼルエンジン１の運転状態に応じたバイパス管路２３の開度Ａとその開度Ａの保持時間Ｔが設定されている。
ここで、図５において、線Ｂは、圧縮機２１のサージング領域の限界域を示すサージング限界線Ｂとなっており、サージング限界線Ｂよりも低給気流量側、かつ高給気圧側の領域（図５においてサージング限界線Ｂよりも左側の領域）は、圧縮機２１の作動が不安定となるサージング領域となっている。
【００４１】
バイパス管路２３の開度Ａは、給気圧Ｐおよび給気流量Ｒがともに低い範囲でかつサージング限界線Ｂ近傍において全開のＡ１に、その他で全閉のＡ０に設定されている。つまり、ディーゼルエンジン１の運転状態が低速、高負荷域となる場合の圧縮機２１の作動範囲で開度Ａが全開のＡ１に設定されることとなる。また、第一実施形態と同様に、開度Ａ１の保持時間Ｔは一定の所定時間Ｔ１に設定されている。
なお、通常圧縮機２１のサージング限界を示す圧縮機２１の性能線図では、縦軸を圧縮機２１の入口圧（大気圧）と出口圧との圧力比で表すが、マップＭ２では予め圧力比に大気圧を乗じて入口圧（給気圧Ｐ）の値として表してある。もちろん、マップＭ２の縦軸を圧力比で表し、制御部３３に演算部を設けるなどして給気圧Ｐから圧力比を演算した後にマップＭ２との比較を行ってもよい。
【００４２】
このような給気制御装置４０では、図６のフローチャートに示されるように、バルブコントローラ３０は、給気圧検出手段１４からの給気圧Ｐの検出量と、給気流量検出手段１５からの給気流量Ｒの検出量とを受信し（Ｓ２１）、制御部３３において記憶部３２に記憶されているマップＭ２との比較を行って（Ｓ２２）、開度Ａを決定する（Ｓ２３）。この時、マップＭ２上で設定されたバイパス管路２３の開度Ａが全開の開度Ａ１である場合（Ｓ２４においてＹｅｓ）には、出力部３４から開度調整信号Ｃを出力し、バイパスバルブ２４はバイパス管路２３を全開し、所定時間Ｔ１保持する（Ｓ２５）。
【００４３】
すると、給気の一部が排気管路４に流入するため、排気圧が上昇し、排気タービン２２の回転が増加することにより、圧縮機２１での給気流量が上昇する。これにより、例えば図５の点Ｇにおける圧縮機２１の作動点が、バイパス管路２３を全開にすることにより、点Ｈに移動し、圧縮機２１の作動点がサージング領域に入るのを防止する。
一方、マップＭ２上で設定された開度Ａが全閉のＡ０である場合には、制御部３３は出力部３４から開度非調整信号を出力してバイパスバルブ２４を全閉に保持する。または、出力部３４がバイパスバルブ２４へ信号を出力せず、バイパスバルブ２４を全閉のままにすることで、バイパス管路２３の開度を全閉に保持する。
【００４４】
このような第二実施形態によれば、第一実施形態の（１）、（２）および（４）の効果と同様の効果が得られる他、次のような効果が得られる。
（５） 記憶部３２が圧縮機２１の作動範囲を表す性能線図上でバイパス管路２３の開度Ａを設定したマップＭ２を記憶しているので、バイパス管路２３の開度Ａを圧縮機２１の作動範囲に対して設定することができ、圧縮機２１の作動範囲がサージング領域に近づかないように設定することができる。したがって、圧縮機２１の作動点をサージング領域に近づけることなく安定して作動させることができる。
【００４５】
（６） 検出手段１３が給気圧検出手段１４および給気流量検出手段１５を備えた圧縮機作動状態検出手段となっているので、圧縮機２１からの検出量を直接取り込むことにより、圧縮機２１の作動状態を正確に把握することができ、これによっても圧縮機２１がサージング領域に近づくのを確実に防止できる。
【００４６】
〔第三実施形態〕
次に、本発明の第三実施形態について説明する。第三実施形態は、第一実施形態の検出手段１３が異なるものである。
図７には、第三実施形態にかかるディーゼルエンジン１のシステムを示す概略図が示されている。この図７において、給気制御装置４０には、ディーゼルエンジン１の運転状態を検出する検出手段１３として、圧縮機２１による給気流量Ｒを検出する給気流量検出手段１５と、排気タービン過給機２０の回転速度Ｎｃを検出する過給機回転速度検出手段１６とを備えた過給機作動状態検出手段が設けられている。
【００４７】
給気流量検出手段１５は、第二実施形態と同様に吸気マニホールド３Ａに設けられて、当該部分のエンジン本体２の吸気流量を検出することにより圧縮機２１による給気流量Ｒを検出可能となっている。
過給機回転速度検出手段１６は、圧縮機２１に設けられ、圧縮機２１の回転羽根の通過を検出することにり、圧縮機２１の回転速度Ｎｃを検出するものや、排気タービン２２と圧縮機２１を連結する回転軸の回転速度を検出するものなど、任意の検出手段が採用できる。
【００４８】
バルブコントローラ３０の記憶部３２は、図８に示されるようなマップＭ３を備えている。マップＭ３は、横軸が圧縮機２１による給気流量Ｒで、縦軸が圧縮機２１の入口圧（大気圧）と出口圧との圧力比Ｐａとなった、圧縮機２１の性能線図となっている。この図８において、線Ｄは圧縮機２１の同回転速度線図を示している。ディーゼルエンジン１の回転速度が小さくなると、圧縮機２１の回転速度Ｎｃも小さくなるが、図８に示されるように、回転速度Ｎｃが減少すると、この減少に伴って圧縮機２１の圧力比Ｐａも小さくなる。また、これらの線Ｄからわかるように、圧縮機２１の回転速度Ｎｃが一定の時、給気流量Ｒが少なくなるにしたがって圧縮機２１の作動点がサージング限界線Ｂに近づくことがわかる。
よって、マップＭ３では、圧縮機２１の回転速度Ｎｃが小さい範囲（図８の低圧力比の範囲）でかつ給気流量Ｒが小さい範囲においてバイパス管路２３の開度Ａを開度Ａ１とし、その他をＡ０に設定している。また、第三実施形態においても、開度Ａ１の保持時間Ｔは、一定の所定時間Ｔ１に設定されている。
【００４９】
このような給気制御装置４０では、第二実施形態と同様に、制御部３３は、給気流量検出手段１５および圧縮機回転速度検出手段１６からの検出量をマップＭ３上で比較し、開度Ａを決定する。開度Ａが全開の開度Ａ１であれば、バイパスバルブ２４を全開に、また開度Ａが全閉の開度Ａ０であれば、バイパスバルブ２４を全閉にする。
【００５０】
このような第三実施形態によれば、第一実施形態の（１）、（２）および（４）の効果と同様の効果、および第二実施形態の（５）の効果と同様の効果が得られる他、次のような効果が得られる。
（７） 検出手段１３が、給気流量検出手段１５および圧縮機回転速度検出手段１６とを備えた圧縮機検出手段となっているので、第二実施形態の（６）の効果と同様に、圧縮機２１の作動点を検出量から直接求めることができ、圧縮機２１がサージング領域に近づくのを確実に防止できる。
【００５１】
なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、開閉弁は、全開または全閉の二位置制御となっていたが、これに限らず、例えば連通路を全開、全閉の他、半開の位置で保持できる開閉弁を設けて、連通路の開度を三位置で制御すれば、給気バイパス制御装置をより精密に制御できる。また、このような三位置制御に限らず、連通路の開度を四位置以上の多段階あるいは無段階に制御可能な開閉弁を設けて制御してもよい。
【００５２】
連通路の開度を多段階あるいは無段階に調整可能な場合には、予め記憶部に、内燃機関の運転状態検出結果に基づいて、連通路の開度を設定しておけばよい。つまり、例えば、第一実施形態においてバイパスバルブ２４が多段階に調整可能なものを採用した場合では、記憶部３２は、図９に示されるように、予めマップＭ４に燃料噴射量Ｆおよびエンジン回転速度Ｎに対するバイパス管路２３の開度を多段階に設定して記憶しておけばよい。図９では、例えば開度Ａ１を１００％（全開）とし、開度Ａ２を７０％、開度Ａ３を５０％、開度Ａ０を０％（全閉）と設定するなどすればよい。
また、記憶部にはマップやテーブルの状態で記憶されているものに限らず、例えば演算式が記憶されていてもよい。特に開閉弁の開度が無段階に調整可能となっている場合では、開閉弁の開度を連続的に調整でき、より一層精密な給気バイパス制御ができる。
【００５３】
開閉弁を開方向に開口させる場合の開度の保持時間は、各実施形態では予め設定された一定の所定時間Ｔ１であったが、これに限らず、例えば内燃機関の運転状態に応じてそれぞれ適宜設定してもよい。つまり、例えば記憶部において、連通路を全開にする場合の保持時間を、より高負荷側でより長い保持時間といったようにそれぞれ個別に設定しておき、開閉弁開度制御手段によって連通路の開度およびその保持時間の両方を制御してもよい。
【００５４】
また、開閉弁の開閉タイミングは、マップやテーブルなどで記憶部に予め設定されているものに限らず、例えば制御部において、内燃機関の運転状態を運転状態検出手段からの検出結果に基づいて監視して、開閉弁の開閉タイミングを制御してもよい。つまり、例えば運転状態が予め設定された範囲内となった時に開閉弁を開口させ、運転状態が予め設定された範囲外となった時に、開閉弁を閉方向に制御する。このように制御すれば、開閉弁の開度の保持時間を予め設定する必要がなく、制御が簡単となり、また、リアルタイムの制御ができるので、正確に制御できる。
【００５５】
開閉弁の開度は、全開や全閉に限らず、内燃機関の運転範囲や、連通路の寸法、過給機の作動範囲などを勘案して適宜設定できる。したがって、例えば低速、高負荷域で開閉弁を全開し、高速域では開度を２０％に保持したり、または高速域では開閉弁を全閉し、低速、高負荷域で開度を５０％とするなど、開閉弁の開度は自由に設定してよい。要するに、開閉弁の開度は、内燃機関の運転状態が低速、高負荷域の時に、連通路を開口させる方向に制御されればよい。
【００５６】
運転状態検出手段は、第二実施形態では、吸気マニホールド３Ａにおいて圧縮機２１の給気流量Ｒおよび給気圧Ｐを検出していたが、これに限らない。例えば給気流量Ｒは、給気圧Ｐから演算によって算出してもよい。この場合には図１０に示されるように、バルブコントローラ３０は、給気圧Ｐおよびエンジン回転速度Ｎから圧縮機２１の圧力比および給気流量Ｒを算出する演算部３５を備えている。入力部３１には給気圧検出手段１４からの給気圧Ｐの検出量と、エンジン回転速度検出手段１１からのエンジン回転速度Ｎの検出量とが入力される。演算部３５では、給気圧Ｐから圧縮機２１の圧力比を計算し、この圧力比と、検出されたエンジン回転速度Ｎとから給気流量Ｒを算出する。そして制御部３３がこれらの圧力比および給気流量Ｒの演算量とマップとを比較することにより、バイパス管路２３の開度Ａを決定する。
なお、圧力比は、給気圧Ｐから演算されるものに限らず、例えば給気温度から算出されてもよい。また、給気温度については、圧縮機の出口温度を直接計測するものや、吸気マニホールドで計測された吸気温度からアフタークーラの効率等を勘案して圧縮機の出口温度を修正計算するなどして検出してもよい。
【００５７】
第一実施形態では、ディーゼルエンジン１のエンジン回転速度Ｎと燃料噴射量Ｆとをエンジンコントローラ１０を介して検出していたが、これに限らず検出手段１３の信号を直接バルブコントローラ３０に入力してもよい。
検出手段は、エンジン回転速度Ｎや燃料噴射量Ｆ、圧縮機による給気流量Ｒ、給気圧Ｐ、圧縮機回転速度Ｎｃなどを検出するものに限らず、前述の給気温度などのように、ディーゼルエンジンの運転状態が把握できるものなら任意のものを採用できる。
【００５８】
ディーゼルエンジンの構成は各実施形態のものに限らず、例えば図１１に示されるように、排気再循環システム（ＥＧＲ）５０を設けてもよい。図１１において、ディーゼルエンジン１には、給気管路３と排気マニホールド４Ａとを連通するＥＧＲ管路５１が設けられている。このＥＧＲ管路５１には、ＥＧＲ管路５１を開閉するＥＧＲバルブ５２と、排気マニホールド４Ａからの排気を冷却するＥＧＲクーラ５３とが設けられている。給気管路３側のＥＧＲ管路５１端部は、給気管路３に設けられたベンチュリ３Ｂの狭隘部に連通している。
【００５９】
ディーゼルエンジン１の運転状態が低速、高負荷域の場合には、通常給気圧が排気圧よりも高くなるため、ＥＧＲ管路５１を開放しても、ＥＧＲが良好に行われないことがある。従来のＥＧＲを備えた内燃機関では、ＥＧＲ効率の向上のために、内燃機関の吸気圧が排気圧よりも高い場合にバイパス回路を開くものであるので、通常中高速、高負荷の場合にバイパス回路を開くこととなる。したがって、このようなバイパス回路制御を行っても、低速、高負荷域ではバイパス回路が開かれず、依然として低速、高負荷域での問題は残ってしまう。
これに対して、本発明の給気制御装置４０のように、バイパス管路２３を備えたものによれば、ディーゼルエンジン１が低速高負荷域の時にバイパス管路２３を開方向に制御すれば、給気の一部が排気管路４に流入して給気圧が低くなるので、ＥＧＲを良好に行うことができ、高ＥＧＲ率を実現できる。
なお、ＥＧＲの形式も、前述のものに限られず、例えばベンチュリの入口側と出口側とを連通するバイパス管路を設けて、ベンチュリを通過する吸気量を調整する構成となっていてもよいし、あるいはベンチュリが設けられていなくてもよい。
【００６０】
内燃機関は、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンなど、過給を行う必要がある任意の内燃機関を採用できる。
【００６１】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる内燃機関のシステムを示す概略図。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる開閉弁開度制御手段の記憶部のマップを示す図。
【図３】本発明の第一実施形態にかかる給気バイパス制御装置の動作を示すフローチャート。
【図４】本発明の第二実施形態にかかる内燃機関のシステムを示す概略図。
【図５】本発明の第二実施形態にかかる開閉弁開度制御手段の記憶部のマップを示す図。
【図６】本発明の第二実施形態にかかる給気バイパス制御装置の動作を示すフローチャート。
【図７】本発明の第三実施形態にかかる内燃機関のシステムを示す概略図。
【図８】本発明の第三実施形態にかかる開閉弁開度制御手段の記憶部のマップを示す図。
【図９】本発明の開閉弁開度制御手段の記憶部のマップの変形例を示す図。
【図１０】本発明の内燃機関のシステムの変形例を示す概略図。
【図１１】本発明の内燃機関のシステムの別の変形例を示す概略図。
【符号の説明】
１…ディーゼルエンジン（内燃機関）、２…エンジン本体、３…給気管路、４…排気管路、１１…エンジン回転速度検出手段（内燃機関回転速度検出手段）、１２…燃料噴射量検出手段、１３…検出手段（運転状態検出手段）、１４…給気圧検出手段、１５…給気流量検出手段、１６…過給機回転速度検出手段、２０…排気タービン過給機（過給機）、２１…圧縮機、２２…排気タービン、２３…バイパス管路（連通路）、２４…バイパスバルブ（開閉弁）、３０…バルブコントローラ（開閉弁開度制御手段）、４０…給気制御装置（給気バイパス制御装置）。

Claims (6)

1. 給気バイパス制御装置（４０）を備えた内燃機関（１）において、
   外気を吸入、加圧して内燃機関（１）に供給する圧縮機（２１）およびこの圧縮機（２１）を駆動する排気タービン（２２）を有する過給機（２０）と、
   前記圧縮機（２１）の出口通路（３）および前記排気タービン（２２）の入口通路（４）を連通する連通路（２３）と、
   この連通路（２３）に設けられた開閉弁（２４）と、
   前記内燃機関（１）の運転状態を検出する運転状態検出手段（１３）と、
   前記運転状態検出手段（１３）からの信号に基づいて、前記内燃機関（１）の運転状態が低速、高負荷域にあると判断した場合に、前記開閉弁（２４）を開方向に開口させる開閉弁開度制御手段（３０）とを備えた
   ことを特徴とする給気バイパス制御装置（４０）を備えた内燃機関（１）。
2. 請求項１に記載の給気バイパス制御装置（４０）を備えた内燃機関（１）において、
   前記開閉弁（２４）は、開度を調整可能に構成されている
   ことを特徴とする給気バイパス制御装置（４０）を備えた内燃機関（１）。
3. 請求項１または請求項２に記載の給気バイパス制御装置（４０）を備えた内燃機関（１）において、
   前記運転状態検出手段（１３）は、前記過給機（２１）の作動状態を検出する過給機作動状態検出手段（１３）であり、
   前記開閉弁開度制御手段（３０）は、前記過給機作動状態検出手段（１３）からの信号に基づいて、前記圧縮機（２１）の作動状態がサージング領域近傍であると判断した場合に前記開閉弁（２４）を開方向に開口させる
   ことを特徴とする給気バイパス制御装置（４０）を備えた内燃機関（１）。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の給気バイパス制御装置（４０）を備えた内燃機関（１）において、
   前記運転状態検出手段（１３）は、前記内燃機関（１）への燃料噴射量を検出する燃料噴射量検出手段（１２）と、
   前記内燃機関（１）の回転速度を検出する内燃機関回転速度検出手段（１１）とを備え、
   前記開閉弁開度制御手段（３０）は、前記燃料噴射量検出手段（１２）からの燃料噴射量および前記内燃機関回転速度検出手段（１１）からの内燃機関回転速度に基づいて、前記内燃機関（１）の運転状態が低速、高負荷域にあると判断した場合または前記圧縮機（２１）の作動状態がサージング領域近傍であると判断した場合に、前記開閉弁（２４）を開方向に開口させる
   ことを特徴とする給気バイパス制御装置（４０）を備えた内燃機関（１）。
5. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の給気バイパス制御装置（４０）を備えた内燃機関（１）において、
   前記運転状態検出手段（１３）は、前記過給機（２１）の給気圧を検出する給気圧検出手段（１４）と、前記過給機（２１）の給気流量を検出する給気流量検出手段（１５）とを備え、
   前記開閉弁開度制御手段（３０）は、前記給気圧検出手段（１４）からの給気圧および前記給気流量検出手段（１５）からの給気流量に基づいて、前記内燃機関（１）の運転状態が低速、高負荷域にあると判断した場合または前記圧縮機（２１）の作動状態がサージング領域近傍であると判断した場合に、前記開閉弁（２４）を開方向に開口させる
   ことを特徴とする給気バイパス制御装置（４０）を備えた内燃機関（１）。
6. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の給気バイパス制御装置（４０）を備えた内燃機関（１）において、
   前記運転状態検出手段（１３）は、前記過給機（２１）の回転速度を検出する過給機回転速度検出手段（１６）と、前記過給機（２１）の給気流量を検出する給気流量検出手段（１５）とを備え、
   前記開閉弁開度制御手段（３０）は、前記過給機回転速度検出手段（１６）からの過給機回転速度および前記給気流量検出手段（１５）からの給気流量に基づいて、前記内燃機関（１）の運転状態が低速、高負荷域にあると判断した場合または前記圧縮機（２１）の作動状態がサージング領域近傍であると判断した場合に、前記開閉弁（２４）を開方向に開口させる
   ことを特徴とする給気バイパス制御装置（４０）を備えた内燃機関（１）。

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