特開 2023-50082 過給内燃機関を作動するための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023050082

(43)【公開日】2023-04-10

(54)【発明の名称】過給内燃機関を作動するための方法

(51)【国際特許分類】

   F02B 37/12 20060101AFI20230403BHJP

   F02B 37/18 20060101ALI20230403BHJP

   F02B 37/00 20060101ALI20230403BHJP

   F02M 31/04 20060101ALI20230403BHJP

   F01N 3/20 20060101ALI20230403BHJP

   F01N 3/22 20060101ALI20230403BHJP

   F01N 3/30 20060101ALI20230403BHJP

   F02B 29/04 20060101ALI20230403BHJP

   F02B 37/10 20060101ALI20230403BHJP

   F02D 41/06 20060101ALI20230403BHJP

   F02D 23/00 20060101ALI20230403BHJP

   F02D 43/00 20060101ALI20230403BHJP

【ＦＩ】

F02B37/12 302A

F02B37/12 303H

F02B37/18 A

F02B37/00 302Z

F02M31/04 B

F01N3/20 D

F01N3/22 311B

F01N3/20 K

F01N3/30 D

F01N3/22 311F

F02B29/04 E

F02B37/10 Z

F02D41/06

F02D23/00 D

F02D23/00 F

F02D23/00 J

F02D43/00 301N

F02D43/00 301R

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022084399

(22)【出願日】2022-05-24

(31)【優先権主張番号】10 2021 125 197.4

(32)【優先日】2021-09-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(71)【出願人】

【識別番号】510238096

【氏名又は名称】ドクター エンジニール ハー ツェー エフ ポルシェ アクチエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】Ｄｒ． Ｉｎｇ． ｈ．ｃ． Ｆ． Ｐｏｒｓｃｈｅ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ

【住所又は居所原語表記】Ｐｏｒｓｃｈｅｐｌａｔｚ １， Ｄ－７０４３５ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100202647

【弁理士】

【氏名又は名称】寺町 健司

(72)【発明者】

【氏名】フランク シゥルク

(72)【発明者】

【氏名】ペーター ローテンベルガー

(72)【発明者】

【氏名】アンドレアス ヴァイスハー

(72)【発明者】

【氏名】ルカス エンギン

(72)【発明者】

【氏名】ミヒャエル ヴェッセルス

【テーマコード（参考）】

3G005

3G091

3G092

3G301

3G384

【Ｆターム（参考）】

3G005EA04

3G005EA16

3G005EA19

3G005EA20

3G005FA35

3G005GA02

3G005GA03

3G005GB19

3G005GB28

3G005GC08

3G005GD07

3G005GD09

3G005HA13

3G005HA18

3G005HA19

3G005JA06

3G005JA14

3G091AA10

3G091AA17

3G091AB01

3G091BA03

3G091BA13

3G091BA15

3G091BA19

3G091CA03

3G091CA22

3G091CB07

3G091EA07

3G091FA02

3G091FA04

3G091HA02

3G091HA45

3G091HB06

3G091HB07

3G092AA17

3G092AA18

3G092DB04

3G092DC01

3G092FA15

3G092FA32

3G092GA01

3G301HA11

3G301JA21

3G301KA02

3G301LA01

3G384BA05

3G384BA27

3G384CA01

3G384DA14

(57)【要約】

【課題】 過給内燃機関を作動するための方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、過給内燃機関、特にガソリンエンジンを作動するための方法に関する。内燃機関の冷間始動前に、内燃機関の電動アシスト排気ガスターボチャージャの電気駆動デバイスが作動され、電動アシスト排気ガスターボチャージャの圧縮機によって新鮮な空気が圧縮され、その過程で加熱され、圧縮機の下流に配置された開いたバルブ、特にオーバーラン空気再循環バルブを介して、短回路を通して搬送されて、電動アシスト排気ガスターボチャージャの圧縮機の吸入側に戻され、圧縮機の短回路動作によって加熱された空気の一部が、圧縮機の下流及び内燃機関の閉じたスロットルフラップの上流で、二次空気システムを通して排気マニホルドに移送され、そこから電動アシスト排気ガスターボチャージャのウェイストゲートを通して内燃機関の排気ガス後処理デバイスの触媒コンバータに移送される、方法に関する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

過給内燃機関、特にガソリンエンジンを作動するための方法であって、
前記内燃機関の冷間始動前に、前記内燃機関の電動アシスト排気ガスターボチャージャの電気駆動デバイスが作動され、前記電動アシスト排気ガスターボチャージャの圧縮機によって新鮮な空気が圧縮され、その過程で加熱され、前記圧縮機の下流に配置された開いたバルブ、特にオーバーラン空気再循環バルブを介して、短回路を通して搬送されて、前記電動アシスト排気ガスターボチャージャの前記圧縮機の吸入側に戻され、
前記圧縮機の前記短回路動作によって加熱された前記空気の一部が、前記圧縮機の下流及び前記内燃機関の閉じたスロットルフラップの上流で、二次空気システムを通して排気マニホルドに移送され、そこから前記電動アシスト排気ガスターボチャージャのウェイストゲートを通して前記内燃機関の排気ガス後処理デバイスの触媒コンバータに移送される、方法。

【請求項2】

前記内燃機関の前記始動後、前記内燃機関の冷間始動段階及びその後のウォームアップ中に、前記電動アシスト排気ガスターボチャージャの前記電気駆動デバイスが引き続き作動され、前記圧縮機が駆動され、部分的に閉じたスロットルフラップ及び開いたバルブ、特に開いたオーバーラン空気再循環バルブと組み合わせて、前記電動アシスト排気ガスターボチャージャの前記圧縮機によって前記新鮮な空気が圧縮されて温められ、次いで主に、前記短回路内で搬送されて、前記圧縮機の前記吸入側に戻され、ここで、前記内燃機関のそれぞれの動作点に必要な前記空気量が、予熱されて、前記部分的に閉じたスロットルフラップを通って前記内燃機関の燃焼室に流れ込むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記温められた空気が、前記排気ガス後処理デバイス内で、電気加熱式の触媒コンバータを通してさらに移送され、その後、前記排気ガス後処理デバイスのさらなる触媒コンバータに供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記電動アシスト排気ガスターボチャージャ、前記スロットルフラップ、及び好ましくはまた前記オーバーラン空気再循環バルブの前記回転速度の所定の制御によって、前記電動アシスト排気ガスターボチャージャの前記圧縮機が、激しい流れの再循環を伴う動作範囲にされることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記温められた空気が、バイパスラインを介して前記内燃機関の給気冷却器を通して移送されることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記給気冷却器の冷却空気経路内の能動閉鎖要素を閉じることによって、前記給気冷却器を通る前記圧縮空気からの熱の損失が低減されることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、過給内燃機関、特にガソリンエンジンを作動するための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

過給内燃機関、特にガソリンエンジンの冷間始動段階中、燃焼プロセスに供給される新鮮な空気が、内燃機関の入口チャネル及び燃焼室の冷たい壁に衝突する。したがって、この新鮮な空気は、チャージ交換中、さらにはその後の燃焼室内での圧縮中でさえ、内燃機関が動作温度にある状態よりもかなり低温のままである。そのため、注入された燃料は、チャージ交換中及び圧縮中に、冷たい新鮮な空気中でよりゆっくりと蒸発する。これにより、壁の濡れ及び燃料の不完全燃焼が生じ、したがって例えば未燃炭化水素、一酸化炭素（ＣＯ）、及びすす粒子の汚染物質排出量が増加する。周囲温度が非常に低い冷間始動段階中、燃焼室内の空気温度がさらに低下し、汚染物質排出量がさらに増加する。

【0003】

この問題を軽減するために、従来の技術は、例えば、冷間始動段階中に急速に温まる排気マニホルドの領域から新鮮な空気を好適に切替え可能に導入することによって、又は吸気管内に追加の電気加熱要素を設けることによって、吸入空気を温めるための様々な方法をすでに開示している。しかし、吸入空気を温めるための従来技術から知られている解決策のこれらの追加の切替え及び加熱要素は、車両の重量の増加、構造的空間要件の増加、及びコストの増加につながる。

【0004】

（特許文献１）には、過給内燃機関及びそのような内燃機関を作動するための方法が開示されており、そこでは、電動アシスト排気ガスターボチャージャの電気圧縮機によって圧縮された吸入空気は、加温の目的で、短回路内を移送されて、圧縮機の吸入側に戻る。

【0005】

（特許文献２）は、過給内燃期間及びそのような内燃機関を作動するための方法を開示しており、電気圧縮機によって圧縮された吸入空気は、加温の目的で、短回路を通して移送されて圧縮機の吸入側に戻され、ウォームアップ動作中、内燃機関の給気冷却器が迂回される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】ドイツ特許出願公開第１０ ２０１７ ２００ ８００Ａ１号明細書

【特許文献2】ドイツ特許出願公開第１０ ２０１９ １１５ １８０Ａ１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の目的は、従来技術に比べてさらに改善された特性を備えた過給内燃機関を作動するための方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の目的は、請求項１に記載の特徴を有する過給内燃機関を作動するための方法によって実現される。従属請求項は、本発明の有利な発展形態に関する。

【0009】

過給内燃機関、特にガソリンエンジンを作動するための本発明による方法において、
－内燃機関の冷間始動前に、内燃機関の電動アシスト排気ガスターボチャージャの電気駆動デバイスが作動され、電動アシスト排気ガスターボチャージャの圧縮機によって新鮮な空気が圧縮され、その過程で加熱され、圧縮された空気が、圧縮機の下流に配置された開いたバルブ、特にオーバーラン空気再循環バルブを介して、短回路を通して搬送されて、電動アシスト排気ガスターボチャージャの圧縮機の吸入側に戻され、
－圧縮機の短回路動作によって加熱された空気の一部が、圧縮機の下流及び内燃機関の閉じたスロットルフラップの上流で、二次空気システムを通して排気マニホルドに移送され、そこから電動アシスト排気ガスターボチャージャのウェイストゲートを通して内燃機関の排気ガス後処理デバイスの触媒コンバータに移送されることが企図される。この手段により、内燃機関の排気ガス後処理デバイスの触媒コンバータの加熱を、内燃機関の始動前にすでに効果的に支援することができ、その結果、触媒コンバータは、より迅速にそれらの動作温度に達することができる。このようにして、過給内燃機関の汚染物質排出量を効果的に容易に減らすことができる。

【0010】

好ましい一実施形態では、内燃機関の始動後、内燃機関の冷間始動段階及びその後のウォームアップ中に、電動アシスト排気ガスターボチャージャの電気駆動デバイスが引き続き作動され、圧縮機が駆動され、部分的に閉じたスロットルフラップ及び開いたバルブ、特に開いたオーバーラン空気再循環バルブと組み合わせて、電動アシスト排気ガスターボチャージャの圧縮機によって新鮮な空気が圧縮されて温められ、次いで主に、短回路内で搬送されて、圧縮機の吸入側に戻され、ここで、内燃機関のそれぞれの動作点に必要な空気量が、予熱されて、部分的に閉じたスロットルフラップを通って内燃機関の燃焼室に流れ込むことが企図される。内燃機関のそれぞれの動作点に必要な予熱された空気量が燃焼室に流入することにより、混合気の燃焼プロセスを有利に改善することができる。これも同様に、汚染物質排出量に良好な効果をもたらす。

【0011】

さらに有利な実施形態では、温められた空気が、排気ガス後処理デバイス内で、電気加熱式の触媒コンバータを通してさらに移送され、その後、排気ガス後処理デバイスのさらなる触媒コンバータに供給されることが提案される。電気加熱式の触媒コンバータによる空気の追加の加温は、有利には、内燃機関の排気ガス後処理デバイスの下流の触媒コンバータのより速い加温を可能にする。

【0012】

特に有利な実施形態では、電動アシスト排気ガスターボチャージャ、スロットルフラップ、及び好ましくはまたオーバーラン空気再循環バルブの回転速度の所定の制御によって、電動アシスト排気ガスターボチャージャの圧縮機が、激しい流れの再循環を伴う動作範囲にされることが可能である。したがって、空気力学的損失、したがって新鮮な空気への熱の導入も大幅に増加され、その結果、新鮮な空気の加温がさらに改善されることが有利に実現される。

【0013】

１つの有利な実施形態では、温められた空気が、バイパスラインを介して内燃機関の給気冷却器を通して移送されることが提案される。したがって、空気からの望ましくない熱の損失を有利に減らすことができる。

【0014】

代替実施形態では、給気冷却器の冷却空気経路内の能動閉鎖要素を閉じることによって、給気冷却器を通った圧縮空気からの熱の損失を低減することが可能である。

【0015】

ここで開示する作動戦略により、既存の電動アシスト排気ガスターボチャージャが吸入空気用の発熱体として利用される。追加の加熱要素を必要とせずに、吸入空気は、内燃機関の冷間始動前に、次いで冷間始動段階中に、電動アシスト圧縮機を駆動するために使用されるバッテリからの電気エネルギーによって、内燃機関の吸気行程及び圧縮行程中に燃焼室内でかなり高い空気温度レベルに達する程度まで加熱される。したがって、燃料の蒸発、混合気の生成、及び燃焼は、より理想的に且つより完全に行われ、したがって内燃機関の汚染物質排出量が減少する。

【0016】

本発明のさらなる特徴及び利点は、添付の図１を参照して、好ましい例示的実施形態の以下の説明に基づいて明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】概略的に非常に単純化された形で、過給内燃機関、特にガソリンエンジンを作動するための方法の基本的なシーケンスを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

まず、内燃機関、特にガソリンエンジンの冷間始動前の第１の動作段階Ｐ１ですでに、電動アシスト排気ガスターボチャージャのバッテリ式電気駆動デバイスの作動により、新鮮な空気が電動アシスト排気ガスターボチャージャの圧縮機によって圧縮される。圧縮機の下流に配置された開いたオーバーラン空気再循環バルブを介して、圧縮された空気は、短回路を通して搬送されて、電動アシスト排気ガスターボチャージャの圧縮機の吸入側に戻される。ここで、空気の圧縮及び空気力学的損失は、新鮮な空気、及びその新鮮な空気が流れる内燃機関の構成要素を加熱する。

【0019】

内燃機関の始動後、冷間始動段階中、及びそれに続く第２の動作段階Ｐ２での内燃機関のウォームアップ中、部分的に閉じたスロットルフラップ及び開いたオーバーラン空気再循環バルブと組み合わせた、電動アシスト排気ガスターボチャージャの電気駆動デバイスの継続的な作動によって、新鮮な空気は、電動アシスト排気ガスターボチャージャの圧縮機によって圧縮され、次いで主に、短回路内で搬送されて、圧縮機の上流の吸入側に戻される。ここで、空気の圧縮及び空気力学的損失は、新鮮な空気、及びその新鮮な空気が流れる構成要素をさらに加熱する。短回路内で圧送される空気量のごく一部のみ、特に内燃機関のそれぞれの動作点に正確に必要な空気量のみが、加熱された後、部分的に閉じたスロットルフラップを通って内燃機関の燃焼室に流れ込む。

【0020】

二次空気システムと組み合わせて、内燃機関の始動前の第１の動作段階Ｐ１中、圧縮機の短回路動作によって加熱された空気の一部は、圧縮機の下流及び依然として閉じているスロットルフラップの上流で、二次空気システムを通って、内燃機関の排気マニホルドに移送され、そこから排気ガスターボチャージャのウェイストゲートを通って内燃機関の排気ガス後処理デバイスの触媒コンバータに移送される。したがって、排気ガス後処理デバイスの触媒コンバータは、有利には、内燃機関の始動前にすでに予熱されており、したがって、より迅速にそれらの動作温度に達することができる。これは、内燃機関のその後の動作中の汚染物質排出量に良好な影響を及ぼす。

【0021】

内燃機関の始動後、第２の動作段階Ｐ２中、及び二次空気を使用した触媒コンバータの継続的な加熱動作中、二次空気の予熱を利用して、内燃機関の排気マニホルドでの二次空気反応を安定化させ、したがって未処理の排出量を低減し、二次空気加熱力を高めることができる。

【0022】

１つの有利な実施形態では、このようにして温められた空気は、電気加熱式の触媒コンバータを通してさらに移送され、その後、排気ガス後処理デバイスの他の触媒コンバータに供給され得る。この手段により、電気加熱式の触媒コンバータの下流に配置された排気ガス後処理デバイスの触媒コンバータの加熱をさらに加速することができる。

【0023】

さらに、電動アシスト排気ガスターボチャージャ、スロットルフラップ、及び任意選択でまたオーバーラン空気再循環バルブの回転速度の照準制御により、電動アシスト排気ガスターボチャージャの圧縮機を、激しい流れの再循環（いわゆる「サージ」）を伴う動作範囲にすることが可能である。これは、有利には、空気力学的損失を大幅に増加させ、したがって新鮮な空気への熱の導入を増加させる。

【0024】

内燃機関の給気冷却器を通した圧縮空気からの望ましくない熱の損失は、任意選択で、温められた空気がバイパスラインによって給気冷却器を通して移送されることにより防ぐことができる。

【0025】

さらに、任意選択で、給気冷却器を通る圧縮空気からの熱の損失を、給気冷却器の冷却空気経路内の能動閉鎖要素を閉じることによって、特にいわゆる給気冷却器シャッタの使用によって減少させることができる。

【0026】

特に、一体型スタータジェネレータ（ＩＳＧ）による始動動作と組み合わせて、内燃機関をその始動回転速度までクランキングし、注入が可能になったとき（すなわち、吸気管のスロットルフラップの下流にある冷間プロセス空気量の排気後）にはすでに、対応して予熱されたプロセス空気を有利に供給することができる。

【図1】