JP2007270731A - ターボチャージャ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 触媒コンバータの暖機効率を向上させることができるターボチャージャ制御装置を提供する。
【解決手段】 触媒コンバータ５の暖機必要時に、ターボチャージャＥＣＵ２０及びクラッチコントローラ２４がターボチャージャ２の電磁クラッチ２Ｄを遮断操作してタービン２Ａとコンプレッサ２Ｂとを遮断状態にする。したがって、コンプレッサ２Ｂが非駆動状態となって吸入管４の吸入空気量が減少し、これに伴い排気管３の排気量が減少して排気熱エネルギが増大する。また、タービン２Ａがコンプレッサ２Ｂを駆動しない状態となり、タービン２Ａによる排気熱エネルギの消費が抑制される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ターボチャージャ制御装置に関するものである。

従来から、ターボチャージャと触媒コンバータとを備えるエンジンが知られている（下記特許文献１参照）。ターボチャージャは、エンジン排気系の排気エネルギを利用してタービンを回転させ、その動力によりコンプレッサを駆動し、吸入空気を圧縮してエンジンに過給する。一方、触媒コンバータは、通常、エンジン排気系のタービンの下流側に配設されて排気を浄化する。

ここで、触媒コンバータは、その触媒の温度が所定の温度以上でないと触媒が活性化せず、有効に機能しない。そのため、触媒コンバータを有効に機能させるには、排気の熱エネルギなどにより触媒の温度を所定の活性温度まで上げる必要がある。しかし、排気熱エネルギはターボチャージャを駆動させるためにも利用される。したがって、触媒の温度を短時間で所定の活性温度まで上昇させるためには、排気熱エネルギを触媒コンバータに効率よく付与する必要がある。この点に関し、触媒の温度を測定し、その測定結果に基づいて、ターボチャージャに設けられた発電機の発電量を制御するエンジン制御装置が下記特許文献２に開示されている。
特開２００４−３４０１２２号公報 特開２００４−１４３９９７号公報

ところで、特許文献２に記載のターボチャージャにおいて、タービンに回転軸を介して連結されているコンプレッサは、上述した発電機の制御に関係なく回転し続ける。そして、コンプレッサが高速で回転すると、エンジン吸入系の吸入空気量が増大し、これに伴いエンジン排気系の排気量が増大するため、触媒コンバータを暖機するための排気の温度が低下する。したがって、触媒コンバータが有効に機能し得る所定の温度まで触媒の温度を上昇させるためには一定以上の時間を要し、触媒コンバータを短時間で効率的に暖機することができない。

そこで、本発明は、触媒コンバータの暖機効率を向上させることができるターボチャージャ制御装置を提供することを課題とする。

本発明のターボチャージャ制御装置は、エンジンの排気系に配設された触媒コンバータの上流側にタービンが配置されるターボチャージャの制御装置であって、ターボチャージャは、タービンの動力をコンプレッサに可変に伝達可能な可変伝達手段を有し、触媒コンバータの暖機必要時に可変伝達手段を操作してタービンからコンプレッサへの動力伝達を遮断可能な制御手段を備えることを特徴とする。

本発明のターボチャージャ制御装置では、触媒コンバータの暖機必要時に、制御手段がターボチャージャの可変伝達手段を操作してタービンからコンプレッサへの動力伝達を遮断することが可能である。したがって、コンプレッサを非駆動状態とすることによりエンジン吸入系の吸入空気量が減少し、これに伴いエンジン排気系の排気量が減少して単位ガス流量当たりの排気熱エネルギが増大し、排気ガス温度も上昇する。また、タービンがコンプレッサを駆動しない状態とすることで、タービンによる排気熱エネルギの消費が抑制される。その結果、触媒コンバータの暖機必要時には十分なガス温度を有する排気ガスが触媒コンバータに供給され、触媒コンバータの暖機効率が向上する。

本発明のターボチャージャ制御装置において、可変伝達手段は、タービンとコンプレッサとを接続状態と遮断状態とに切り替え可能なクラッチで構成されていることが好ましい。

この場合、触媒コンバータの暖機必要時にクラッチを遮断することにより、コンプレッサが非駆動状態となり、上述のように排気ガス温度を上昇させることができる。また、クラッチを遮断してコンプレッサを非駆動状態とすることで、タービンによる排気熱エネルギの消費が抑制される。

本発明のターボチャージャ制御装置において、制御手段は、触媒コンバータの暖機必要時にクラッチを徐々に遮断するのが好ましい。

この場合、制御手段がクラッチを徐々に遮断することにより、タービンとコンプレッサとが徐々に遮断状態に移行する。したがって、コンプレッサの回転は徐々に低下し、これに伴いエンジン吸入系の吸入空気量が徐々に減少する。その結果、エンジンは、吸入空気量の急激な変化が抑制されて燃焼状態が安定する。

本発明のターボチャージャ制御装置においては、ターボチャージャがタービンを駆動可能なアシストモータを有し、制御手段が触媒コンバータの暖機必要時に排気エネルギの損失を低減させるようにアシストモータの回転を制御するように構成することが好ましい。

この場合、触媒コンバータの暖機必要時に、制御手段が排気エネルギの損失を低減させるようにアシストモータの回転を制御する。例えば、タービンの上流側と下流側の排気の圧力差が減少するように制御手段がアシストモータの回転を制御してタービンを回転駆動する。その結果、タービンによる排気エネルギの消費が更に抑制される。

本発明のターボチャージャ制御装置においては、ターボチャージャがタービン側に可変ノズルを有し、制御手段が触媒コンバータの暖機必要時に可変ノズルを全開状態に制御するように構成することが好ましい。

この場合、触媒コンバータの暖機必要時に、制御手段が可変ノズルを全開状態に制御する。したがって、タービンの上流側と下流側の排気の圧力差が可能な限り低減され、タービン通過時の排気の流速が低下してタービンの回転が低下する。その結果、タービンによる排気エネルギの消費が更に抑制される。

本発明のターボチャージャ制御装置においては、制御手段が触媒コンバータの温度を検出する温度センサの検出信号に基づいて触媒コンバータの暖機必要時を判断するのが好ましい。この場合、触媒コンバータの暖機必要時を確実に判定することができる。

本発明に係るターボチャージャ制御装置によれば、触媒コンバータの暖機必要時にクラッチが遮断操作されてタービンとコンプレッサとが遮断状態に切り替えられる。その結果、エンジンの吸入空気量が減少して排気量が減少して単位ガス流量当たりの排気熱エネルギが増大し、排気ガス温度も上昇する。また、タービンによる排気熱エネルギの消費が抑制される。したがって、触媒コンバータの暖機効率を向上させることができる。

以下、添付図面を参照して本発明に係るターボチャージャ制御装置の最良の実施形態を説明する。この説明において、同一又は同様の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略することがある。ここで、添付図面の図１は一実施形態にかかるターボチャージャ制御装置の概略構成を示す模式図、図２は一実施形態に係るターボチャージャ制御装置の処理手順を示すフローチャートである。

一実施形態に係るターボチャージャ制御装置は、例えば図１に示すような燃料噴射式のエンジン１に付設されるターボチャージャ２の制御装置である。このターボチャージャ２は、エンジン１の排気マニホールド１Ａに接続された排気管３の途中に設置されるタービン２Ａと、エンジン１の吸入マニホールド１Ｂに接続された吸入管４の途中に設置されるコンプレッサ２Ｂと、タービン２Ａの回転をコンプレッサ２Ｂに伝達するシャフト２Ｃとを備えている。

ここで、ターボチャージャ２のシャフト２Ｃには、タービン２Ａとコンプレッサ２Ｂとを接続状態と遮断状態とに切り替え可能な電磁クラッチ２Ｄが介設されている。この電磁クラッチ２Ｄは可変伝達手段として機能する。そして、この電磁クラッチ２Ｄよりタービン２Ａ側のシャフト２Ｃをロータとしてタービン２Ａを直接駆動可能なアシストモータ２Ｅがターボチャージャ２に内蔵されている。

また、ターボチャージャ２のタービン２Ａの入り口側には、エンジン１の排気マニホールド１Ａから排気管３を介して流入する排気の流速（圧力）を可変に調節するための一群の可変ベーン２Ｆが内蔵されている。そしてターボチャージャ２のタービン２Ａより下流側の排気管３の途中には、排気を浄化する触媒を内蔵した触媒コンバータ５が設置されている。

一方、ターボチャージャ２のコンプレッサ２Ｂより上流側の吸入管４の途中には、吸入空気量を検出するエアフローメータ６が設置されている。また、ターボチャージャ２のコンプレッサ２Ｂより下流側の吸入管４の途中には、コンプレッサ２Ｂにより圧縮されて昇温した吸入気体を冷却するインタークーラ７が設置され、その下流側にはスロットルバルブ８が設置されている。

そして、吸入管４におけるインタークーラ７の下流側の部分とコンプレッサ２Ｂの上流側の部分との間には、バイパス開閉弁９を備えたバイパス管１０が接続されている。このバイパス管１０は、バイパス開閉弁９が開くと、インタークーラ７の下流側の高圧空気をコンプレッサ２Ｂの上流側へ戻すことにより、ターボチャージャ２のサージ現象を回避する。

ここで、一実施形態のターボチャージャ制御装置は、前述したターボチャージャ２の電磁クラッチ２Ｄ、アシストモータ２Ｅ及び可変ベーン２Ｆの作動を協調制御するターボチャージャＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０を制御手段として備えている。このターボチャージャＥＣＵ２０は、入出力インタフェースＩ／Ｏ、Ａ／Ｄコンバータ、プログラム及びデータを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、入力データ等を一時記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）などを備えて構成されている。

ターボチャージャＥＣＵ２０は、温度センサ２１、上流側圧力センサ２２及び下流側圧力センサ２３からそれぞれ入力される検出信号に基づき、クラッチコントローラ２４、モータコントローラ２５及び可変ノズルコントローラ２６に所定の制御信号を出力する。

温度センサ２１は、触媒コンバータ５に内蔵された触媒の温度を間接的に検出するように触媒コンバータ５に付設されている。この温度センサ２１は、検出した触媒コンバータ５の温度Ｔの信号をターボチャージャＥＣＵ２０に出力する。

上流側圧力センサ２２は、ターボチャージャ２の可変ベーン２Ｆより上流側の排気流入部又は排気管３に設置されている。この上流側圧力センサ２２は、検出した上流側の排気圧力Ｐ_Ｕの信号をターボチャージャＥＣＵ２０に出力する。

一方、下流側圧力センサ２３は、ターボチャージャ２のタービン２Ａより下流側の排気流出部又は触媒コンバータ５との間の排気管３に設置されている。この下流側圧力センサ２３は、検出した下流側の排気圧力Ｐ_Ｌの信号をターボチャージャＥＣＵ２０に出力する。

クラッチコントローラ２４は、ターボチャージャＥＣＵ２０から制御信号としてのＯＮ信号が入力されると、電磁クラッチ２Ｄに所定の制御電流を供給して電磁クラッチ２Ｄを接続させる。また、ターボチャージャＥＣＵ２０から制御信号としてのＯＦＦ信号が入力されると、電磁クラッチ２Ｄに供給する制御電流を遮断して電磁クラッチ２Ｄを遮断させる。

モータコントローラ２５は、ターボチャージャＥＣＵ２０から制御信号としての回転数信号すなわちＮｔ信号が入力されると、アシストモータ２Ｅに所定の制御電流を供給してアシストモータ２Ｅの回転数を制御する。

可変ノズルコントローラ２６は、ターボチャージャＥＣＵ２０から制御信号としての開度信号が入力されると、一群の可変ベーン２Ｆを開閉操作するアクチュエータ（図示せず）に所定の制御電流を供給して一群の可変ベーン２Ｆの開度を所定の開度に制御する。すなわち、可変ノズルコントローラ２６は、ターボチャージャＥＣＵ２０から全開信号が入力されると、一群の可変ベーン２Ｆの開度を全開に制御する。

ここで、ターボチャージャＥＣＵ２０は、前述したターボチャージャ２の電磁クラッチ２Ｄ、アシストモータ２Ｅ及び可変ベーン２Ｆの作動を協調制御する。以下、ターボチャージャＥＣＵ２０が実行する協調制御の処理手順を図２に示すフローチャートに沿って説明する。

まず、ステップＳ１では温度センサ２１から入力される触媒コンバータ５の温度Ｔの検出信号に基づき、触媒コンバータ５が暖機必要時であるか否かをターボチャージャＥＣＵ２０が判定する。この判定は、触媒の活性温度に対応した触媒コンバータ５の温度として予めＲＯＭなどに記憶されている基準温度を参照して行う。

ステップＳ１の判定は、ＹＥＳとなるまで繰り返される。そして、ステップＳ１の判定結果がＹＥＳとなると、次のステップＳ２でターボチャージャＥＣＵ２０がクラッチコントローラ２４にＯＦＦ信号を出力する。これにより、クラッチコントローラ２４が電磁クラッチ２Ｄを遮断させる。

続くステップＳ３では、ターボチャージャＥＣＵ２０が可変ノズルコントローラ２６に全開信号を出力する。これにより、可変ノズルコントローラ２６が一群の可変ベーン２Ｆの開度を全開に制御する。

次のステップＳ４では、上流側圧力センサ２２から入力される上流側の排気圧力Ｐ_Ｕの信号及び下流側圧力センサ２３から入力される下流側の排気圧力Ｐ_Ｌの信号に基づき、上流側の排気圧力Ｐ_Ｕが下流側の排気圧力Ｐ_Ｌ程度まで低下するようにターボチャージャＥＣＵ２０がモータコントローラ２５に所定の回転数信号であるＮｔ信号を出力する。これにより、上流側の排気圧力Ｐ_Ｕが下流側の排気圧力Ｐ_Ｌ程度まで低下するようにモータコントローラ２５がアシストモータ２Ｅの回転数をフィードバック制御する。

以上説明したように、本実施形態によれば、触媒コンバータ５の暖機必要時に、ターボチャージャＥＣＵ２０がＯＦＦ信号をクラッチコントローラ２４に出力する。そして、クラッチコントローラ２４がそのＯＦＦ信号に基づいて電磁クラッチ２Ｄを遮断操作し、タービン２Ａとコンプレッサ２Ｂとを遮断状態にする。したがって、コンプレッサ２Ｂが非駆動状態となってエンジン１の吸入管４の吸入空気量が減少し、これに伴いエンジン１の排気管３の排気量が減少して単位ガス流量当たりの排気熱エネルギが増大し、排気ガス温度も上昇する。また、タービン２Ａがコンプレッサ２Ｂを駆動しない状態となり、タービン２Ａによる排気エネルギの消費が抑制される。その結果、触媒コンバータ５の暖機必要時には十分なガス温度を有する排気ガスが触媒コンバータ５に供給され、触媒コンバータ５の暖機効率が向上する。

また、本実施形態によれば、触媒コンバータ５の暖機必要時に、ターボチャージャＥＣＵ２０が排気熱エネルギの損失を低減させるようにアシストモータ２Ｅの回転を制御する。具体的には、上流側の排気圧力Ｐ_Ｕが下流側の排気圧力Ｐ_Ｌ程度まで低下するようにターボチャージャＥＣＵ２０がモータコントローラ２５に上述のＮｔ信号を出力する。そして、モータコントローラ２５がそのＮｔ信号に基づいてアシストモータ２Ｅの回転を制御してタービン２Ａを回転駆動する。その結果、タービン２Ａによる排気エネルギの消費が更に抑制される。

この効果について図３及び図４を用いて説明する。図３は、タービン２Ａの上流側の排気圧力Ｐ_Ｕと下流側の排気圧力Ｐ_Ｌとの排気圧力差（Ｐ_Ｕ−Ｐ_Ｌ）を横軸とし、タービン２Ａが消費する排気熱エネルギを縦軸として両者の相関を示すグラフである。図４は、タービン２Ａの回転数とタービン２Ａが消費する排気熱エネルギとの相関を示すグラフである。

図３において、排気圧力差（Ｐ_Ｕ−Ｐ_Ｌ）が大きい状態とは、排気ガスの流れに対してタービン２Ａが大きな抵抗となっている状態である。このとき排気ガスはタービン２Ａを回そうとするため、大量の排気熱エネルギが消費されてしまう。これに対し、アシストモータ２Ｅを駆動してこの排気圧力差（Ｐ_Ｕ−Ｐ_Ｌ）を０に近づければ、すなわち排気ガスの流れに対してタービン２Ａがなるべく抵抗とならないようにすれば、排気ガスがタービン２Ａに与える仕事が減り、排気熱エネルギの消費を抑制できる。したがって、図４に示すように、タービン２Ａの回転数が排気圧力差（Ｐ_Ｕ−Ｐ_Ｌ）を０に近づけ得るタービン回転数Ｎｔ＿ｔｒｇまで上昇するようにアシストモータ２Ｅを駆動すれば、タービン２Ａによる排気熱エネルギの消費を更に抑えることができる。

また、本実施形態によれば、触媒コンバータ５の暖機必要時に、ターボチャージャＥＣＵ２０が全開信号を可変ノズルコントローラ２６に出力する。そして、可変ノズルコントローラ２６がその全開信号に基づいて可変ベーン２Ｆを全開状態に制御する。したがって、上流側圧力センサ２２が検出した圧力Ｐ_Ｕと下流側圧力センサ２３が検出した圧力Ｐ_Ｌとの排気圧力差（Ｐ_Ｕ−Ｐ_Ｌ）が可能な限り低減され、タービン２Ａ通過時の排気の流速が低下してタービンの回転が低下する。その結果、タービン２Ａによる排気エネルギの消費が更に抑制される。

また、本実施形態によれば、温度センサ２１が触媒コンバータ５の温度を検出するので、触媒コンバータ５の暖機必要時を確実に判定することができる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

本実施形態では、可変伝達手段として電磁クラッチ２Ｄを用いたが、可変伝達手段はこの形態に限られない。例えば、電磁クラッチに代えてギヤ機構を可変伝達手段として構成してもよい。

本実施形態では、電磁クラッチ２Ｄの切り替え操作は、タービン２Ａとコンプレッサ２Ｂとを単に接続状態と遮断状態とに切り替えるように行われたが、クラッチの切り替え操作はこの形態に限られない。例えば、電磁クラッチとして滑り制御が可能なものを用いて、タービン２Ａとコンプレッサ２Ｂとを徐々に遮断し、また接続してもよい。

また、本実施形態では、触媒コンバータ５の暖機必要時に、電磁クラッチ２Ｄを遮断操作し、更に、アシストモータ２Ｅ及び可変ベーン２Ｆを制御しているが、触媒コンバータ５の暖機必要時に行う制御はこの形態に限られない。例えば、電磁クラッチ２Ｄを遮断操作することに加えてアシストモータ２Ｅの制御及び可変ベーン２Ｆの制御のうちどちらか一方のみを行ってもよい。また、電磁クラッチ２Ｄの遮断操作のみを行ってもよい。もちろん、電磁クラッチ２Ｄの遮断操作に加えてアシストモータ２Ｅの制御及び可変ベーン２Ｆの制御の双方を行えば、排気エネルギの損失がより低減され、触媒コンバータ５の暖機効率をより向上させることができる。

また、本実施形態では、タービン２Ａの上流側及び下流側の排気圧力Ｐ_Ｕ、Ｐ_Ｌに基づいてターボチャージャＥＣＵ２０がＮｔ信号を出力したが、Ｎｔ信号の出力はこの形態に限られない。例えば、図５に示すような、エンジン冷却水の水温とアシストモータ２Ｅの回転数との相関を示すグラフに基づいてＮｔ信号を出力してもよい。すなわち、水温が低ければエンジン１の回転数も低いため、アシストモータ２Ｅを駆動してタービン２Ａの回転数を上げる必要があるが、水温が高ければエンジン１の回転数も上昇しているため、アシストモータ２Ｅのアシスト量を下げてよい。また、オイルポンプやオイルパンなどで構成される潤滑系（図示せず）内の潤滑油の油温とアシストモータ２Ｅの回転数との相関も図５のようなグラフで表される。したがって、水温に基づく制御と同様に、油温に基づいてＮｔ信号を出力してもよい。

本発明の一実施形態に係るターボチャージャ制御装置の概略構成を示す模式図である。 図１に示したターボチャージャＥＣＵによる協調制御の処理手順を示すフローチャートである。 図１に示したタービンが消費する排気熱エネルギとタービンの上流側及び下流側の排気圧力差（Ｐ_Ｕ−Ｐ_Ｌ）との相関を示すグラフである。 図１に示したタービンの回転数とタービンが消費する排気熱エネルギとの相関を示すグラフである。 図１に示したアシストモータの回転数とエンジン冷却水の水温（潤滑油の油温）との相関を示すグラフである。

符号の説明

２…ターボチャージャ、２Ａ…タービン、２Ｂ…コンプレッサ、２Ｄ…電磁クラッチ、２Ｅ…アシストモータ、２Ｆ…可変ベーン、５…触媒コンバータ、２０…ターボチャージャＥＣＵ、２１…温度センサ、２２…上流側圧力センサ、２３…下流側圧力センサ、２４…クラッチコントローラ、２５…モータコントローラ、２６…可変ノズルコントローラ。

Claims (6)

1. エンジンの排気系に配設された触媒コンバータの上流側にタービンが配置されるターボチャージャの制御装置であって、
   前記ターボチャージャは、前記タービンの動力をコンプレッサに可変に伝達可能な可変伝達手段を有し、
   前記触媒コンバータの暖機必要時に前記可変伝達手段を操作して前記タービンから前記コンプレッサへの動力伝達を遮断可能な制御手段を備えることを特徴とするターボチャージャ制御装置。
2. 前記可変伝達手段が前記タービンと前記コンプレッサとを接続状態と遮断状態とに切り替え可能なクラッチで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ制御装置。
3. 前記制御手段は、前記触媒コンバータの暖機必要時に前記クラッチを徐々に遮断することを特徴とする請求項２に記載のターボチャージャ制御装置。
4. 前記ターボチャージャは、前記タービンを駆動可能なアシストモータを有し、
   前記制御手段は、前記触媒コンバータの暖機必要時に排気エネルギの損失を低減させるように前記アシストモータの回転を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボチャージャ制御装置。
5. 前記ターボチャージャは、前記タービン側に可変ノズルを有し、
   前記制御手段は、前記触媒コンバータの暖機必要時に前記可変ノズルを全開状態に制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のターボチャージャ制御装置。
6. 前記制御手段は、前記触媒コンバータの温度を検出する温度センサの検出信号に基づいて前記触媒コンバータの暖機必要時を判断すること特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のターボチャージャ制御装置。
   

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