JP2004316531A

JP2004316531A - エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP2004316531A
Application number: JP2003111062A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kato; 浩志加藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】スロットル弁下流の吸気管圧力を早期に発達させ、これにより始動時やエンジンの暖機中のＨＣ排出量を低下させる。
【解決手段】燃料をエンジンに噴射供給する燃料噴射弁（１１）を備えたエンジンにおいて、エンジンの排気通路（４）にあってモータ（３５）により駆動可能な排気タービン（３２）と、エンジンの始動時またはエンジンの暖機中に、排気タービン（３２）が燃焼室（３）内のガスを吸い出す方向にモータ（３５）を駆動するモータ駆動手段（２１、４１）とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はエンジンの制御装置、特に始動時の制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転軸に電動・発電機を取り付けた電動・発電機付きターボチャージャを備えるエンジンがある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１８２３８２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、吸気ポートに臨んであるいは燃焼室に直接臨んで燃料噴射弁を設け、この燃料噴射弁より燃料をエンジンに噴射供給する場合に、噴射燃料の一部は吸気ポート壁や燃焼室壁に付着して液状のまま流れる、いわゆる燃料壁流を形成するため、エンジン始動時やエンジンの暖機中にはこの燃料壁流により未燃ＨＣが多く排出されるのであるが、こうしたエンジン始動時のＨＣ排出量を低減したいという要求がある。
【０００５】
ここで、スロットル弁下流の吸気管圧力は自然吸気エンジンの場合、大気圧を最大としてこれにより小さい圧力となる。この場合に、大気圧をゼロに割り振ると、大気圧より小さな圧力は負の値になるので、大気圧より小さな圧力を「負圧」で定義し、また負圧が大きくなる（大気圧より気圧が大きく低下する）ことを「吸気管圧力が発達する」という表現を用いるとすると、エンジン始動時のＨＣ排出量の低減のためにはスロットル弁下流の吸気管圧力を早期に発達させる必要がある。これは、吸気管圧力が発達すれば（つまり気圧が下がれば）壁流燃料が気化しやすくなり、未燃のままＨＣとして排出される分が減るからである。
【０００６】
しかしながら、始動時には吸気コレクタ内にある空気（新気）を消費してからでないと吸気管圧力の発達は開始しない。このため、早期に吸気コレクタ内の新気を消費することが必要であるものの、始動時にはスロットル弁が閉じられているために燃焼後のガスが燃焼室内に残留して新気の燃焼室への導入が少なく新気の消費量が低下するため、コレクタ内空気の分だけ吸気管圧力の発達が遅れる。
【０００７】
この場合、エンジン回転速度の上昇を早めることにより吸気管圧力の発達を促進できるものの、完爆（自立回転開始）後にはエンジン自身の発生トルクによりピーク回転速度が上昇して音振性能の悪化を招く。従って、エンジン回転速度を上昇させることはこのようなはね返りを生じさせるために得策でない。
【０００８】
一方、上記従来装置では、排気エネルギーをいかに回収するかと排気エネルギーの小さい運転域でも吸入空気を過給できないかに意が用いられており、従って多量の排気が排気タービンに供給されて排気タービンが回転する高負荷域では、回転軸に取り付けている電動・発電機で発電し、その発電電力でバッテリを充電する一方、排気量、排気圧力が共に低下して排気タービンの回転が十分でなくなったときにはバッテリから交流電力を電動・発電機に供給して吸気コンプレッサを強制的に回転し吸入空気を過給するようにしている。このように、従来装置の制御は主にエンジン暖機完了後を対象としており、もともと排気エネルギーの回収のしようがない始動時及びエンジンの暖機中の制御については触れるところがない。
【０００９】
さて、本発明の発明者は、回転軸にモータを取り付けたモータ付きターボチャージャを用いれば、任意のタイミングで吸入空気を過給できる一方、排気タービンも任意に働かせることができることから、排気タービンを排気ポンプとして動作させることが可能であることに思い至った。
【００１０】
そこで本発明は、エンジンの排気通路にモータにより駆動可能な排気タービンを設け、エンジン始動時またはエンジンの暖機中に、排気タービンが燃焼室内のガスを吸い出す方向に前記モータを駆動してやることにより、スロットル弁下流の吸気管圧力を早期に発達させ、これにより始動時やエンジンの暖機中のＨＣ排出量を低下させることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料をエンジンに噴射供給する燃料噴射弁を備えたエンジンにおいて、エンジンの排気通路にモータにより駆動可能な排気タービンを設け、エンジンの始動時またはエンジンの暖機中に、前記排気タービンが燃焼室内のガスを吸い出す方向に前記モータを駆動するように構成する。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、始動時またはエンジンの暖機中に排気タービンが排気ポンプとして働いて排気通路のガスを吸引し、燃焼室内の残留ガスを低減するので、そのぶんコレクタ内吸入空気の燃焼室への導入量が増し、早期にコレクタ内吸入空気が消費されることから、スロットル弁下流の吸気管圧力の発達時間が早まり、壁流量を減らすことが可能となり、これによって始動時やエンジンの暖機中のＨＣ排出量を低下させることができる。
【００１３】
また、自然吸気エンジンでは、エンジンが暖機中にあるアイドル時に排気温度向上のために点火時期をリタードしたい場合でも、スロットル弁下流の吸気管圧力が大きく発達するアイドル時には燃焼室内に残留するガス量が増えるため、耐エンスト性能の見地から点火時期リタード量が限られてしまうのであるが、エンジンが暖機中にあるアイドル時に本発明によれば、燃焼室内に残留するガスが低減する分だけ燃焼安定度がよくなるため、点火時期リタード限界が拡大されることになり、自然吸気エンジン以上に排気の昇温を期待することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１はエンジンの概略構成図である。
【００１５】
図１において、空気は吸気通路２を介して各気筒の燃焼室３に導入される。燃料は各気筒の吸気ポート２ａに臨んで配置された燃料噴射弁１１より最適な時期に噴射供給される。噴射された燃料は気化しつつ混合気を形成し、この混合気に点火プラグ１２により着火されると燃焼し、燃焼後のガス（排気）は排気通路４へと排出される。
【００１６】
吸気マニホールド２上流の吸気通路２には吸気絞り弁５ａがスロットルモータ６により駆動される、いわゆる電子制御スロットル５を備える。運転者が要求するトルクはアクセルペダルの踏み込み量に現れるので、エンジンコントローラ２１ではアクセルセンサ２２からの信号に基づいて目標トルクを定め、この目標トルクを実現するための目標空気量と目標燃料量を定め、この目標空気量が得られるようにスロットルモータ６を介して吸気絞り弁５ａの開度を制御する。
【００１７】
エンジンコントローラ２１にはまた、エアフローメータ２３からの吸入空気量、クランク角センサ２４からのクランク角、水温センサ２５からの冷却水温の各信号が入力し、これら信号に基づいて目標燃料量が得られるように燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を制御する。
【００１８】
排気通路４の上流側には二次空気導入装置３０を備える。これは排気圧力が負圧となる際にこの負圧を利用してリード弁を開き大気を二次空気として排気通路４に導入するものである。
【００１９】
この二次空気導入装置３０下流の排気通路４には、回転軸にモータを有するターボチャージャ３１を備える。すなわち、排気タービン３２の回転軸３２ａと吸気コンプレッサ３３の回転軸３３ａとは電磁クラッチ３４により断接可能であり、各回転軸３２ａ、３３ａにはそれぞれ独立にモータ３５、３６が取り付けられている。
【００２０】
これら電磁クラッチ３４及び２つのモータ３５、３６はモータコントローラ４１により制御される。モータコントローラ４１は、モータ３５、３６に電力を供給する直流−交流インバータとこのインバータを制御する制御回路等で構成されている。
【００２１】
モータコントローラ４１とエンジンコントローラ２１とはモータ駆動手段を構成し、これら２つのコントローラ４１、２１は通信手段を介して接続されており、電磁クラッチ３４を接続するのか切断するのかあるいはモータ３５、３６を駆動するのか否かといった情報はエンジンコントローラ２１からモータコントローラ４１へと伝えられる。すなわち、エンジンコントローラ２１では、エンジンの始動時またはエンジン暖機中にあるのか否かをみて、エンジンの始動時またはエンジン暖機中にあるときには電磁クラッチ３４を切断し、モータ３５を駆動する指令をモータコントローラ４１に出す。この指令を受けてモータコントローラ４１では、エンジンの始動時またはエンジン暖機中にあるときに電磁クラッチ３４を切断し、モータ３５を駆動して排気タービン３２を排気ポンプとして働かせ、燃焼室３内のガスを排気通路４へと吸い出す。
【００２２】
なお、吸気コンプレッサ３３下流の吸気通路２に設けられているインタークーラ３７は吸入空気を冷却するためのもの、また４２はコンデンサである。
【００２３】
エンジンコントローラ２１で実行されるこの制御の内容を図３のフローチャートにより詳述すると、図のフローは一定時間毎に実行する。
【００２４】
ステップ１でエンジンの始動時またはエンジンの暖機中にあるか否かをみる。ここで、始動時であるか否かはスタータスイッチからの信号に基づいて、またエンジン暖機中にあるか否かは水温センサ２５により検出される冷却水温に基づいて判定すればよい。エンジンの始動時またはエンジンの暖機中にあればステップ２に進み電磁クラッチ３４を切断する。ステップ３ではモータ３５を駆動して排気タービン３２を働かせ、排気タービン３２上流の排気通路４のガスを吸い出して排気圧力を低下させる。
【００２５】
一方、エンジンの始動時またはエンジンの暖機中でない、つまりエンジンの暖機完了後である場合には、ステップ１よりステップ４に進んで電磁クラッチ３４を接続する。ステップ５では急加速時であるか否かをみる。ここで、急加速時であるか否かはアクセルセンサ２２により検出されるアクセル開度の変化速度に基づいて判定すればよい。急加速時であれば、ステップ６に進んで一定時間だけモータ３６を駆動して吸気コンプレッサ３３を働かせ、吸入空気を過給する。急加速時でなければステップ５よりステップ７に進みいずれのモータ３５、３６とも駆動しない。このときには、ターボチャージャ３１は、回転軸にモータを取り付けていない通常のターボチャジャとして働く。
【００２６】
エンジンコントローラ２１により、このようにして電磁クラッチ３４を切断するのかそれとも接続するのかと、モータ３５、３６を駆動するのかそれとも非駆動のままとするのかとが決まれば、図示しない通信フローにおいてその結果が指令信号に変換されモータコントローラ４１に出力される。
【００２７】
ここで、本実施形態の作用を図３を参照しながら説明すると、図３は始動からのエンジン回転速度、タービン回転速度、排気管圧力（排気タービン３２上流の排気通路の圧力）、吸気ポート圧力（インタークーラ３７下流の吸気通路２の圧力）、筒内残留ガス率の変化を、排気タービン３２を働かせる場合（実線参照）と働かせない場合（破線参照）とで重ねて示したものである。
【００２８】
本実施形態によれば、スタータスイッチのＯＦＦからＯＮへの切換によってｔ１で始動時と判定され、このときより電磁クラッチ３４を切った状態でモータ３５が駆動され、排気タービン３２が働く。これにより次の３つの効果を得ることができる。
【００２９】
効果１：本実施形態（請求項１に記載の発明）では排気タービン３２が働いて排気タービン３２上流の排気を排気タービン３２下流へと吸い出すため、排気管圧力が排気タービン３２を働かせない場合より低下している（図３第５段目参照）。これにより燃焼室３内のガスを積極的に排気通路４へと吸い出すことが可能となり（図３最下段の破線参照）、そのぶんコレクタ内の新気消費量が増し吸気ポート圧力が低下する（スロットル弁５ａ下流の吸気管圧力の発達が早くなる）。この結果、燃料噴射弁１１より噴射され壁流となっている燃料の気化が促進されるのであり、壁流燃料の気化が促進されるとその分のエンジントルクが増すため、始動時における要求噴射量を低減できると共にＨＣ排出量を低減できる。
【００３０】
効果２：自然吸気エンジンでは、エンジンが暖機中にあるアイドル時に排気温度向上のために点火時期をリタードしたい場合でも、スロットル弁下流の吸気管圧力が大きく発達するアイドル時には燃焼室３内に残留するガス量が増えるため、耐エンスト性能の見地から点火時期リタード量が限られてしまうのであるが、エンジンが暖機中にあるアイドル時に本実施形態（請求項１に記載の発明）によれば、燃焼室３内に残留するガスが低減する分だけ燃焼安定度がよくなるため、点火時期リタード限界が拡大されることになり、自然吸気エンジン以上に排気の昇温を期待することが可能となる。
【００３１】
効果３：図４は排気ポート内圧力（≒排気管圧力）の変化を、排気タービン３２を働かせる場合（実線参照）と働かせない場合（破線参照）とで重ねて示したものである。排気タービン３２を働かせない場合には、負圧領域（図で圧力がゼロ未満の領域）が狭いために排気通路４へと導入できる二次空気量が少ないのであるが、本実施形態（請求項２に記載の発明）では、排気タービン３２を働かせることによって排気ポート圧力が低下し、負圧領域が図中矢印のように拡大している（図４下段の実線参照）。これにより二次空気吸入量が拡大され、より多くの未燃燃料（ＨＣ）を酸化させることが可能となる。
【００３２】
図５は第２実施形態のエンジンの概略構成図である。図１と同一部分には同一番号をつけている。
【００３３】
第１実施形態との主な相違点はターボチャージャ５１の構成にある。すなわち、第２実施形態では排気タービン３２と吸気コンプレッサ３３とが共通の回転軸５２を有し、この回転軸５２に、モータコントローラ４１により駆動制御されるモータ５３が取り付けられている。
【００３４】
このように回転軸５２が共通であると、エンジンの始動時及びエンジンの暖機中にモータ５３を駆動して排気タービン３２を働かせ燃焼室３内のガスを吸い出させたとき、同時に吸気コンプレッサ３３が働いて吸気コンプレッサ３３下流の吸気通路２の圧力が高まるため、必要以上の吸入空気がスロットル弁５ａ下流へと流入したのでは、スロットル弁５ａ下流の吸気管圧力を早期に発達させることができない。
【００３５】
そこで、第２実施形態では、吸気コンプレッサ３３をバイパスする通路５５を設け、このバイパス通路５５に常閉のリサーキュレーションバルブ５６（開閉弁）を介装すると共に、スロットル弁５ａ下流の吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ５７を設けており、エンジンの始動時及びエンジンの暖機中にモータ５３を駆動して排気タービン３２を働かせる場合において、この吸気管圧力センサ５７により検出される吸気管圧力が所定値を超えるときにはリサーキュレーションバルブ５６を開いて余分な吸入空気を吸気コンプレッサ３３の上流へと戻すようにしている。
【００３６】
エンジンコントローラ２１で実行されるこの制御の内容を図６のフローチャートにより説明する。図６は第１実施形態の図２に対応するもので、図２と同一のステップには同一のステップ番号を付している。ただし、第１実施形態の図２では「排気タービン駆動」と「吸気コンプレッサ駆動」とを区別したが（図２のステップ３、６参照）、第２実施形態ではこれらは同一の動作になるので、まとめて「ターボ駆動」という表現を用いている（図６のステップ３、６参照）。
【００３７】
図２との違いは、電磁クラッチについての制御部分がない点と、図２にはないステップ１１、１２を追加した点にある。すなわち、ステップ１１では吸気管圧力センサ５７により検出される吸気管圧力と所定値を比較する。吸気管圧力が所定値未満であるときにはそのまま今回の処理を終了し、これに対して吸気管圧力が所定値以上になると、ステップ１２に進んでリサーキュレーションバルブ５６を開く。
【００３８】
エンジンコントローラ２１により、このようにしてモータ５３を駆動するのかそれとも非駆動のままとするのかと、リサーキュレーションバルブ５６を閉じるのかそれとも開くのかとが決まれば、図示しない通信フローにおいてその結果が指令信号に変換されモータコントローラ４１に出力される。
【００３９】
図７は第１実施形態の図３に対応し、第２実施形態について始動からのエンジン回転速度、タービン回転速度、排気管圧力、吸気ポート圧力、筒内残留ガス率の変化を、排気タービン３２を働かせる場合（実線参照）と働かせない場合（破線参照）とで重ねて示したものである。
【００４０】
第２実施形態によれば、モータ５３を駆動して排気タービン３２を働かせると、同時に吸気コンプレッサ３３が働くので、このときリサーキュレーションバルブ５６が閉じたままだと吸気管圧力を上昇させてしまうのであるが（図７第５段目の破線参照）、この場合に第２実施形態によれば、リサーキュレーションバルブ５６を開くようにしているので、吸気コンプレッサ３３が働いても、実質的に吸気管圧力の上昇を抑えることが可能となり（図７第５段目の実線参照）、第１実施形態と同等の吸入空気量とすることができる。
【００４１】
なお、第２実施形態でも第１実施形態について記載した上記３つの効果が得られる。
【００４２】
実施形態では、吸気ポートに臨んで燃料噴射弁を設け、この燃料噴射弁より燃料をエンジンに噴射供給したとき、噴射燃料の一部が吸気ポート壁に付着して燃料壁流を形成する場合で説明したが、燃焼室に直接臨んで燃料噴射弁を設け、この燃料噴射弁より燃料をエンジンに噴射供給したとき、噴射燃料の一部が燃焼室壁に付着して燃料壁流を形成する場合にも適用がある。
【００４３】
請求項１に記載の発明において、モータ駆動手段の機能は図２のステップ１、３または図６のステップ１、３により果たされている。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のエンジンの概略構成図。
【図２】ターボチャージャの制御方法を説明するためのフローチャート。
【図３】第１実施形態の始動からの作用を説明するための波形図。
【図４】排気ポート内圧力の変化波形図。
【図５】第２実施形態のエンジンの概略構成図。
【図６】第２実施形態のターボチャージャの制御方法を説明するためのフローチャート。
【図７】第２実施形態の始動からの作用を説明するための波形図。
【符号の説明】
２吸気通路
１１燃料噴射弁
２１エンジンコントローラ
３１ターボチャージャ
３２排気タービン
３３吸気コンプレッサ
３４電磁クラッチ
３５、３６モータ
４１モータコントローラ
５１ターボチャージャ
５２回転軸
５３モータ
５５バイパス通路
５６リサーキュレーションバルブ（開閉弁）
５７吸気管圧力センサ

Claims

燃料をエンジンに噴射供給する燃料噴射弁を備えたエンジンにおいて、
エンジンの排気通路にあってモータにより駆動可能な排気タービンと、
エンジンの始動時またはエンジンの暖機中に、前記排気タービンが燃焼室内のガスを吸い出す方向に前記モータを駆動するモータ駆動手段と
を備えることを特徴とするエンジンの制御装置。
排気圧力が負圧となる際にこの負圧を利用してリード弁を開き大気を二次空気として排気通路に導入する二次空気導入装置を備えることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
前記排気タービンをターボチャージャの一部として構成することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
前記ターボチャージャは、前記排気タービンと、吸気コンプレッサと、この吸気コンプレッサの回転軸と前記排気タービンの回転軸とを断接するクラッチとからなり、
前記モータ駆動手段がモータを駆動する場合に前記クラッチを切断することを特徴とする請求項３に記載のエンジンの制御装置。
前記ターボチャージャは、前記排気タービンと、吸気コンプレッサと、これらを一体に回転させる回転軸とからなり、
前記吸気コンプレッサをバイパスするバイパス通路と、
このバイパス通路を開閉する開閉弁と、
スロットル弁下流の吸気管圧力を検出する吸気管圧力検出手段と
を備え、
前記モータ駆動手段がモータを駆動する場合において前記吸気管圧力検出手段により検出される吸気管圧力が所定値以上のとき、前記開閉弁を開くことを特徴とする請求項３に記載のエンジンの制御装置。