JP2005256691A - 可変ノズル機構ターボチャージャ付ガソリン機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気浄化装置の早期の暖機を可能にし、併せて、燃費や暖機制御解除時のトルクショックを改善することのできる排気ターボ過給機付エンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】 可変ノズル２０ＶＮ付ターボチャージャ２０と排気浄化装置２８とを備えたガソリン機関１０において、排気浄化装置２８の冷機時には点火時期を遅角制御すると共に、可変ノズル２０ＶＮの開度を閉じ側に制御するようにした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、可変ノズル機構ターボチャージャ付ガソリン機関、特に、タービンの下流に排気浄化装置を備えた可変ノズル機構ターボチャージャ付ガソリン機関に関する。

一般に、触媒等の排気浄化装置を備えたガソリン機関においては、その冷機時における浄化性能が完全でないことから未燃ＨＣが処理されず、エミッションが悪化するおそれがあることが知られている。特に、ターボチャージャ等の過給機を備えたガソリン機関では、過給機における熱損失が大となり、排気浄化装置の暖機性が悪化することがある。そこで、機関の冷間始動時において、かかる排気浄化装置の早期暖機を図る提案が、種々、なされている。

例えば、特許文献１には、タービンへの排気ガス導入通路の面積をエンジン運転状態に応じて可変にする可変装置を設けたエンジンにおいて、排気浄化装置の冷機時に点火時期リタード補正を行なわせる早期暖機制御装置と、上記可変装置を面積を大きくする方向に作動させる補正装置とを備えた排気ターボ過給機付エンジンの制御装置が記載されている。

なお、特許文献２には、ガソリン機関ではないが、エンジンの未暖機状態のとき、エンジン始動から所定期間はノズル断面積をエンジンのクランキング時に比べて小さくなるようにし、所定期間経過後は大きくなるように制御する可変ノズル機構付ターボディーゼルエンジンが開示されている。

特開昭６１−２８３７３５号公報 特開２００１−２２７３９５号公報

ところで、現在においても、機関の冷機時における未燃ＨＣの量をいかにして低減するかが大きな問題となっている。このような未燃ＨＣの量を低減するためには、機関の排出燃焼ガスの温度を上げると共に、排気通路内の滞留期間を長くして未燃ＨＣを酸化させてしまうことが好ましい。しかしながら、特許文献１に記載のものでは、排気浄化装置の冷機時に点火時期リタード補正を行なわせることにより排出燃焼ガスの温度を上げてはいるものの、可変装置を面積を大きくする方向に作動させるようにしていることから、排気通路内の滞留期間が充分に長くなく、未燃ＨＣの酸化、延いては排気浄化装置の暖機が充分に早くは行なわれないという問題があった。

そこで、本発明の目的は、かかる従来の問題を解消し、排気浄化装置の早期の暖機を可能にし、併せて、燃費や暖機制御解除時のトルクショックを改善することのできる排気ターボ過給機付エンジンの制御装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の一形態になる排気ターボ過給機付エンジンの制御装置は、可変ノズル機構ターボチャージャと排気浄化装置とを備えたガソリン機関において、前記排気浄化装置の冷機時には点火時期を遅角制御すると共に、前記可変ノズルの開度を閉じ側に制御するようにしたことを特徴とする。

ここで、前記可変ノズルの開度は、前記遅角制御による遅角量が大きくなるに従って背圧が高くなるように制御されることが好ましい。

また、前記可変ノズルの開度は、背圧が所定値以内となるように制御されることが好ましい。

さらに、前記排気浄化装置の暖機時の前記点火時期遅角制御終了の際は、その終了に先立って、前記可変ノズルの開度が、背圧が低くなるように制御されることが好ましい。

本発明の一形態によれば、可変ノズル機構ターボチャージャと排気浄化装置とを備えたガソリン機関において、前記排気浄化装置の冷機時には点火時期が遅角制御され、前記可変ノズルの開度が閉じ側に制御されるので、排出燃焼ガスの温度が高められ、同時に、背圧が上昇する。従って、高温の排出燃焼ガスの排気通路内での滞留期間が長くなり、未燃ＨＣの後燃えが促進されるので排気浄化装置が早期に暖機され、エミッションの悪化が抑制される。

また、前記可変ノズルの開度が、前記遅角制御による遅角量が大きくなるに従って背圧が高くなるように制御される形態によれば、吸入空気量が遅角量に対応するので、遅角量が小のときの燃費の改善と、遅角量が大のときのエミッションの悪化の抑制との両立を図ることができる。

さらに、前記可変ノズルの開度が、背圧が所定値以内となるように制御される形態によれば、点火時期遅角制御解除時におけるエンジン出力トルクによるトルクショックを緩和することができる。

また、前記排気浄化装置の暖機時の前記点火時期遅角制御終了の際に、その終了に先立って、前記可変ノズルの開度を、背圧が低くなるように制御する形態によれば、点火時期遅角制御解除時におけるエンジン出力トルクによるトルクショックを緩和することができる。

以下添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明が適用される可変ノズル機構ターボチャージャを備えたガソリン機関の制御装置の概要を示すシステム図であり、１０はエンジン本体である。

エンジン１０の吸気系として、吸気ポートに吸気マニホルドが連通され、この吸気マニホルドに各気筒の吸気通路が集合するサージタンク１２を介してスロットル弁が介装されたスロットルチャンバ１４が連通されている。スロットル弁はスロットルモータによって駆動される。そして、このスロットルチャンバ１４の下流には吸入空気量を検出するための吸入空気量検出センサ１６が設けられ、スロットルチャンバ１４の上流の吸気通路に可変ノズル機構ターボチャージャ２０のコンプレッサ２０Ｃが設けられている。そして、各気筒の吸気ポートの直上流には、燃料噴射弁２２が配設され、また、シリンダヘッドの気筒毎に点火プラグ２４が配設されている。

一方、エンジン１０の排気系としては、排気ポートに連通する排気マニホルドにより排気が合流され、排気マニホルドに排気通路２６が接続されている。そして、排気通路２６に可変ノズル機構ターボチャージャ２０のタービン２０Ｔが介装され、その下流に、三元触媒２８が配設されている。ターボチャージャ２０は、タービン２０Ｔに導入する排気のエネルギーによりコンプレッサ２０Ｃが回転駆動され、空気を吸入、加圧して過給するものであり、タービン２０Ｔの入口ノズル部に流量可変機構としての可変ノズル２０ＶＮを有している。この可変ノズル２０ＶＮは、例えば直流モータ等の電動アクチュエータからなる可変ノズル作動用アクチュエータ３０により駆動されて、その「全閉」、「全開」およびそれらの間の中間位置をとる。なお、本明細書における説明において、可変ノズルの「全閉」とは、可変ノズルを形成する可動ベーンにより、ノズルが最小流路面積に絞られた状態、可変ノズルの「全開」とは、同じく、ノズルが最大流路面積に開けられた状態を意味する。

また、エンジン１０には、エンジン１０の回転数を検出する回転数センサ（不図示）や負荷（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ（不図示）が設けられている。さらに、エンジン１０の冷却水温を検出する水温センサ３２や過給圧を制御するのに用いられる圧力センサ（不図示）が設けられ、上述のセンサと共に、これらの各種センサの出力がマイクロコンピュータ等で構成されるコントロールユニット４０に送られるようになっている。

コントロールユニット４０は、各センサから送られてきた出力値に応じて、燃料噴射量、点火時期、過給圧等を制御する。なお、燃料噴射量、点火時期、過給圧等の制御のために使用される制御値は、例えば縦軸にエンジンの負荷をとり、横軸にエンジン回転数をとったエンジン１０の運転状態を表すマップに、エンジン１０の要求特性等に合わせて実験的に求めた最適値が制御値として設定されており、これらのマップはコントロールユニット４０のテーブルに保存されている。

ここで、上述の構成になる本発明の可変ノズル機構ターボチャージャ付エンジン１０の制御装置の制御形態の第１の例を、図２以下のフローチャート並びにグラフ等を用いて説明する。まず、制御がスタートすると、ステップＳ２１において、冷間始動のアイドル運転か否かが判断される。具体的には、水温センサ３２の検出によりエンジン冷却水の温度およびエンジン回転数が所定値以下の場合に、冷間始動のアイドル運転と判断する。そして、ステップＳ２１において、冷間始動のアイドル運転と判断されたとき、すなわち「Ｙｅｓ」のときはステップＳ２２に進み、点火時期を触媒暖機のための遅角量に設定する。この点火遅角量は、図３のグラフに示すように、エンジン水温（°Ｃ）が低ければ低い程、遅角量（クランク角度°ＣＡで示されている）が大きくなるように設定される。さらに、ステップＳ２３に進み、可変ノズル２０ＶＮがエミッションや燃費の改善を考慮した目標ＶＮ開度になっているか否かが判断される。既に、目標ＶＮ開度になっているとき、すなわち「Ｙｅｓ」のときはステップＳ２５に進む。

一方、目標ＶＮ開度になっていないとき、すなわち「Ｎｏ」のときはステップＳ２４に進み、可変ノズル２０ＶＮを目標ＶＮ開度となるようにして（図２には、「ＶＮ開度」と表記されている）、背圧を高くする制御を行なう。このエミッションや燃費の改善を考慮した目標ＶＮ開度は、図４に示すように、可変ノズル２０ＶＮの開度が、遅角制御による点火遅角量が大きくなるに従って小さくなり、所定の点火遅角量を超えるときには「全閉」となるように、換言すると、背圧が高くなるように設定されている。このように、触媒暖機をそれほど必要としない遅角量が小のときには、可変ノズル２０ＶＮを「全閉」とせずに徐々に閉側に制御することにより、遅角量が小のときの燃費の改善と、遅角量が大のときのエミッションの悪化の抑制との両立が図れる。これは、通常、エンジンでは所定の出力トルクを維持するために、吸入空気量は遅角量に対応されているので、遅角量が小のときは吸入空気量も少ないからである。

かかる点火遅角制御による触媒暖機制御における、背圧と未燃ＨＣの排出量との関係の実験結果を図５に示す。背圧が高い場合が実線で、低い場合が破線で示されている。このように、背圧を高くすると、未燃ＨＣの排出量が低減し、エミッションが改善されるのが分かる。

再度、図２のフローチャートに戻り、ステップＳ２５において触媒暖機が完了したか否かが判断される。この判断は、吸入空気量検出センサ１６により検出される吸入空気量の積算値が所定値を越えたか否かにより判断される。より詳しく説明すると、エンジン１０の始動からの時間の経過につれてエンジン水温が上昇するのに伴い、点火遅角量は図３のグラフに示すように徐々に小さくなるように制御されるが、この徐々に変化する所定の点火遅角量における吸入空気量をそれぞれ累積することにより、三元触媒２８に与えられた熱量を推定し、これにより触媒暖機の完了の有無を判断するのである。なお、この判断のための積算吸入空気量は、予め実験により求めて、マップ値としてコントロールユニット４０のテーブルに保存されている。触媒暖機が完了しない限りは、上述の可変ノズル２０ＶＮを閉じ側ないしは「全閉」にして背圧を高くする制御を継続する。

一方、ステップＳ２１において、冷間始動のアイドル運転でないと判断されたとき、すなわち「Ｎｏ」のとき、およびステップＳ２５で触媒暖機が完了したと判断されたとき、すなわち「Ｙｅｓ」のときは、ステップＳ２６に進み、点火時期遅角制御を解除すると共に、可変ノズル２０ＶＮを「全開」にして（図２には、「ＶＮ全開」と表記されている）、制御ルーチンを終了する。

また、制御形態の第２の例を、同じく図２のフローチャート並びに関連するグラフを用いて説明する。制御形態の第２の例は、以下に説明するステップＳ２３での、目標ＶＮ開度の設定が第１の例と異なるのみであるので、この相違点についてのみ説明し、重複説明を避ける。

この制御形態の第２の例では、図２のステップＳ２３における目標ＶＮ開度が、エミッションや燃費の改善を考慮するのに加えて、点火時期遅角制御解除時におけるエンジン出力トルクによるトルクショックを緩和することをも考慮した目標ＶＮ開度に設定されている。すなわち、点火時期遅角制御解除時のトルクショックを緩和することをも考慮した目標ＶＮ開度は、図６（ｂ）に示すように、所定の遅角量を超えた後は、可変ノズル２０ＶＮの開度が、「全閉」から徐々に開かれるように設定されている。これは、上述のように所定の出力トルクを維持するために、吸入空気量は遅角量に対応されており、遅角量が大きくなれば吸入空気量も多くなるが、この遅角量が所定値を超えて大きくなったときにも可変ノズル２０ＶＮの開度を、「全閉」状態のまま維持すると過給圧も高くなるので、この状態で車両の発進が行なわれたときのトルクショックを緩和するためである。この車両の発進の際には、図２のフローチャートからも明らかなように、最早、アイドル状態ではなく、ステップＳ２６に進むことにより、遅角制御が解除されると共に、可変ノズル２０ＶＮを「全開」にする制御が行なわれるが、吸入空気には制御遅れがあり、「全開」命令が出されたとしても過給圧が残存し、トルクショックが生じるのである。

従って、遅角制御解除時のトルクショックを緩和するためには、図６（ａ）に示すように、遅角量が大きく、すなわち吸入空気量が多くなるにつれ、可変ノズル２０ＶＮを「全閉」から徐々に開いていき、背圧が所定値以内となるように制御するのが好ましい。かくて、前述の図４に示すように設定された目標ＶＮ開度と、図６（ａ）に示すように設定された目標ＶＮ開度とが合成されて、図６（ｂ）に示すエミッションや燃費の改善と、点火時期遅角制御解除時におけるエンジン出力トルクによるトルクショックの緩和とを考慮した目標ＶＮ開度が設定されているのである。このように、可変ノズル２０ＶＮの開度が、図６（ｂ）に示すように、背圧が所定値以内となるように制御される形態によれば、点火時期遅角制御解除時におけるエンジン出力トルクによるトルクショックを緩和することができる。

さらに、本発明の可変ノズル機構ターボチャージャ付エンジン１０の制御装置の制御形態の第３の例を、図７以下のフローチャート並びにタイムチャートを用いて説明する。この制御形態の第３の例は、上述の第２の例の代替として用いられるものであり、従って、図７のフローチャートにおけるステップＳ７１ないしＳ７５は、前に説明した図２のフローチャートにおけるステップＳ２１ないしステップＳ２５の第１の例と同じであるから重複説明はしない。そこで、ステップＳ７５（ステップＳ２５）において、触媒暖機が完了したと判断された以降の制御ステップにつき説明するに、ステップＳ７５の次のステップＳ７６において、可変ノズル２０ＶＮを「全開」とする。そして、ステップＳ７７に進んで、吸入空気量が所定値以下になるまで待つ。さらに、吸入空気量が所定値以下となったときに、ステップＳ７８に進み遅角制御を解除するのである。

より詳細に説明すると、図８（ａ）に示すように、遅角制御解除と可変ノズル２０ＶＮの「全開」への戻しとを同時に実行させると、上述のように遅角制御に伴い増大されていた吸入空気量および高い過給圧状態（遅角により高負荷状態となる）のときに車両の発進が行なわれた場合には、破線の丸で示すように、大きなトルクショックを生ずることになる。これに対し、図８（ｂ）に示すように、可変ノズル２０ＶＮを「全開」とした後、吸入空気量が所定値以下になるまで待ってから遅角制御解除を行なうようにすると、過給圧が低減されるので、トルクショックが緩和されるのである。このように、点火時期遅角制御終了の際に、その終了に先立って、可変ノズル２０ＶＮの開度を、「全開」へ戻し吸入空気量が所定値以下になるまで待って背圧が低くなるように制御する形態によれば、点火時期遅角制御解除時におけるエンジン出力トルクによるトルクショックを緩和することができる。

本発明が適用される可変ノズル機構ターボチャージャを備えたガソリン機関の制御装置の概要を示すシステム図である。 本発明の制御装置による制御形態の第１および第２の例を示すフローチャートである。 エンジン水温と遅角量との関係を示すグラフである。 制御形態の第１の例で用いる、エミッションや燃費の改善を考慮した目標ＶＮ開度を示すグラフである。 背圧と未燃ＨＣの排出量との関係の実験結果を示すグラフである。 （ａ）は、遅角制御解除時におけるトルクショックの緩和が可能なＶＮ開度を示すグラフであり、（ｂ）は、制御形態の第２の例で用いる、エミッションや燃費の改善と遅角制御解除時におけるトルクショックの緩和とを考慮した目標ＶＮ開度を示すグラフである。 本発明の制御装置による制御形態の第３の例を示すフローチャートである。 （ａ）は、遅角制御解除と可変ノズルの「全開」戻しを同時に実行させたとき、（ｂ）は、可変ノズルの「全開」後、吸入空気量が所定値以下になるまで待って遅角制御解除を行ったときのそれぞれトルクショックの大きさを示すタイムチャートである。

符号の説明

１０ エンジン
２０ ターボチャージャ
２０ＶＮ 可変ノズル
２４ 点火栓
２８ 三元触媒
４０ コントロールユニット

Claims (4)

1. 可変ノズル機構ターボチャージャと排気浄化装置とを備えたガソリン機関において、
   前記排気浄化装置の冷機時には点火時期を遅角制御すると共に、前記可変ノズルの開度を閉じ側に制御するようにしたことを特徴とする可変ノズル機構ターボチャージャ付ガソリン機関の制御装置。
2. 前記可変ノズルの開度は、前記遅角制御による遅角量が大きくなるに従って背圧が高くなるように制御されることを特徴とする請求項１に記載の可変ノズル機構ターボチャージャ付ガソリン機関の制御装置。
3. 前記可変ノズルの開度は、背圧が所定値以内となるように制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の可変ノズル機構ターボチャージャ付ガソリン機関の制御装置。
4. 前記排気浄化装置の暖機時の前記点火時期遅角制御終了の際は、その終了に先立って、前記可変ノズルの開度が、背圧が低くなるように制御されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の可変ノズル機構ターボチャージャ付ガソリン機関の制御装置。

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