JP2008157150A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ターボ過給機付き内燃機関に関し、特に、ターボ過給機のタービンより下流側に排気センサと排気浄化触媒が設けられている内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine with a turbocharger, and more particularly to an internal combustion engine in which an exhaust sensor and an exhaust purification catalyst are provided on the downstream side of a turbine of the turbocharger.
ターボ過給機付き内燃機関にあっては、通常、ターボ過給機のタービンより下流側に排気浄化触媒が設けられている。このような内燃機関は、気筒から排気浄化触媒に至るまでの排気通路中に、他の排気系部品に比べて熱容量の大きいタービンが設けられている。 In an internal combustion engine with a turbocharger, an exhaust purification catalyst is usually provided downstream of the turbocharger turbine. In such an internal combustion engine, a turbine having a larger heat capacity than that of other exhaust system components is provided in an exhaust passage from the cylinder to the exhaust purification catalyst.
このため、ターボ過給機付き内燃機関は、冷間始動時など内燃機関を暖機しているとき、気筒から排出される排気ガスの熱がタービンで奪われることとなる。したがって、ターボ過給機付き内燃機関は、タービンを有している分、暖機時において排気浄化触媒を流れるガス温度がターボ過給機を備えない内燃機関に比べて低くなる傾向があり、排気浄化触媒が活性化するまでに時間がかかることとなる。 For this reason, in the internal combustion engine with a turbocharger, when the internal combustion engine is warmed up, such as during a cold start, the heat of the exhaust gas discharged from the cylinder is taken away by the turbine. Therefore, an internal combustion engine with a turbocharger tends to have a lower temperature of a gas flowing through an exhaust purification catalyst when warming up than an internal combustion engine without a turbocharger, because of the presence of a turbine. It takes time until the purification catalyst is activated.
これを対策するために、下記の特許文献1には、気筒から排気浄化触媒までの主排気通路に加えて、タービンを迂回する副排気通路と、これら排気通路のうち一方を閉塞するバルブを設ける技術が提案されている。バルブの開閉を制御して、暖機時にはバイパス通路に排気ガスを導き、排気浄化触媒を流れる排気ガスを昇温させることで、排気浄化触媒が活性化するまでに要する時間を短縮している。 In order to take measures against this, in Patent Document 1 below, in addition to the main exhaust passage from the cylinder to the exhaust purification catalyst, a sub exhaust passage that bypasses the turbine and a valve that closes one of these exhaust passages are provided. Technology has been proposed. By controlling the opening and closing of the valve, the exhaust gas is guided to the bypass passage when warming up, and the temperature of the exhaust gas flowing through the exhaust purification catalyst is raised, thereby shortening the time required until the exhaust purification catalyst is activated.
ところで、排気浄化触媒を備える内燃機関では、通常、排気浄化触媒の上流側に、排気ガス中の酸素など特定成分を検出する排気センサが設けられる。このような排気センサは、被水すると、機能が損なわれることがある。排気センサは、一般的に、排気通路において各気筒からの排気ガスが合流した部位よりも下流側に設けられる。よって、ターボ過給機付き内燃機関の場合、排気センサは、一般的に、タービンと排気浄化触媒との間に配置される。 By the way, in an internal combustion engine provided with an exhaust purification catalyst, an exhaust sensor for detecting a specific component such as oxygen in the exhaust gas is usually provided upstream of the exhaust purification catalyst. Such an exhaust sensor may lose its function when exposed to water. The exhaust sensor is generally provided on the downstream side of a portion where exhaust gases from the cylinders merge in the exhaust passage. Therefore, in the case of an internal combustion engine with a turbocharger, the exhaust sensor is generally disposed between the turbine and the exhaust purification catalyst.
上述の特許文献1に記載の技術では、主排気通路と副排気通路との分岐部に、排気通路のうち一方を閉塞するバルブを設けているため、バルブが主排気通路を遮断しているとき、タービンは、気筒からの排気ガスにさらされておらず、低温な状態となっている。 In the technique described in Patent Document 1 described above, since a valve that closes one of the exhaust passages is provided at the branch portion between the main exhaust passage and the sub exhaust passage, the valve blocks the main exhaust passage. The turbine is not exposed to the exhaust gas from the cylinder and is in a low temperature state.
このため、特許文献1に記載の技術では、排気浄化触媒の暖機完了後に、主排気通路を開放すると、排気ガス中の水蒸気が、低温なタービンの構成部品(例えば、タービンホイール)で凝結することがある。このようにしてタービンで凝結した水(以下、凝縮水と記す)は、排気ガスによって、より下流側に運ばれることとなる。 For this reason, in the technique described in Patent Document 1, when the main exhaust passage is opened after the warm-up of the exhaust purification catalyst is completed, water vapor in the exhaust gas condenses at low temperature turbine components (for example, a turbine wheel). Sometimes. The water condensed in the turbine in this way (hereinafter referred to as condensed water) is carried further downstream by the exhaust gas.
したがって、排気浄化触媒と排気センサを備える内燃機関に、上述の特許文献1に記載の技術を適用した場合、タービンの下流に排気浄化触媒が活性化した後に、主排気通路を開放すると、タービンの下流側にある排気センサが、タービンで凝結した水で被水してしまう虞がある。 Therefore, when the technique described in Patent Document 1 is applied to an internal combustion engine including an exhaust purification catalyst and an exhaust sensor, if the main exhaust passage is opened after the exhaust purification catalyst is activated downstream of the turbine, There is a possibility that the exhaust sensor on the downstream side may be flooded with water condensed by the turbine.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ターボ過給機のタービンの下流側に、排気センサと排気浄化触媒が設けられた内燃機関であっても、暖機時における排気浄化触媒の早期活性化を良好なものとしつつ、排気センサの被水を抑制した内燃機関を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an exhaust purification catalyst at the time of warm-up is an internal combustion engine provided with an exhaust sensor and an exhaust purification catalyst on the downstream side of the turbine of the turbocharger. An object of the present invention is to provide an internal combustion engine that suppresses water exposure of an exhaust sensor while improving early activation of the engine.
上記の目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、ターボ過給機を備え、当該ターボ過給機のタービンより下流側に排気センサと排気浄化触媒が設けられた内燃機関であって、排気ガスがタービンのタービンホイールを流れて排気浄化触媒に向かうメイン通路と、排気ガスがタービンのタービンホイールを迂回して排気浄化触媒に向かうバイパス通路と、メイン通路におけるタービンホイールの下流側と、バイパス通路のうち一方を遮断可能な排気バルブと、排気浄化触媒の活性化とタービンの暖機が完了するまでは、排気バルブによりメイン通路を遮断するよう制御する制御手段とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an internal combustion engine according to the present invention is an internal combustion engine that includes a turbocharger, and is provided with an exhaust sensor and an exhaust purification catalyst downstream of the turbine of the turbocharger. A main passage that the exhaust gas flows through the turbine wheel of the turbine toward the exhaust purification catalyst, a bypass passage that the exhaust gas bypasses the turbine wheel of the turbine and goes to the exhaust purification catalyst, a downstream side of the turbine wheel in the main passage, An exhaust valve capable of shutting off one of the bypass passages, and a control means for controlling to shut off the main passage by the exhaust valve until activation of the exhaust purification catalyst and warming up of the turbine are completed, To do.
本発明に係る内燃機関において、前記制御手段は、排気浄化触媒が活性化したか否かを判定する触媒活性化判定手段と、タービンが暖機されたか否かを判定するタービン暖機判定手段とを有するものとし、排気浄化触媒が活性化したと判定され、且つタービンが暖機されたと判定されるまでは、メイン通路を遮断するよう制御するものとすることができる。 In the internal combustion engine according to the present invention, the control means includes catalyst activation determination means for determining whether or not the exhaust purification catalyst has been activated, and turbine warm-up determination means for determining whether or not the turbine has been warmed up. The main passage may be controlled to be shut off until it is determined that the exhaust purification catalyst is activated and it is determined that the turbine is warmed up.
本発明に係る内燃機関において、排気センサは、排気管のうちメイン通路を遮断した排気バルブの下流側であり且つメイン通路側の部位に設けられているものとすることができる。 In the internal combustion engine according to the present invention, the exhaust sensor may be provided in a portion of the exhaust pipe downstream of the exhaust valve that blocks the main passage and on the main passage side.
本発明に係る内燃機関において、さらに、吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を備えるものとし、タービン暖機判定手段は、内燃機関が始動を開始してからの吸入空気量の時間積分値である積算空気量が予め設定された判定値以上となることを以って、タービンが暖機されたと判定するものとすることができる。 The internal combustion engine according to the present invention further includes intake air amount detection means for detecting the intake air amount, and the turbine warm-up determination means is a time integral value of the intake air amount after the internal combustion engine starts to start. It can be determined that the turbine is warmed up when the integrated air amount is equal to or greater than a predetermined determination value.
本発明に係る内燃機関において、前記判定値は、排気バルブがメイン通路を開放して排気ガスがタービンホイールを通過して流れても、排気ガス中の水蒸気がタービン内で凝結しない値に設定されているものとすることができる。 In the internal combustion engine according to the present invention, the determination value is set to a value at which the water vapor in the exhaust gas does not condense in the turbine even when the exhaust valve opens the main passage and the exhaust gas flows through the turbine wheel. Can be.
本発明に係る内燃機関において、前記判定値は、始動開始時における冷却液温に応じて設定されるものとすることができる。 In the internal combustion engine according to the present invention, the determination value may be set according to a coolant temperature at the start of the start.
本発明によれば、タービンホイールを流れて排気浄化触媒に向かうメイン通路を遮断しているときには、タービンホイールを迂回したバイパス通路からの排気ガスは、タービンにより熱を奪われることなく高温のまま排気浄化触媒に到達するため、排気浄化触媒55の早期活性化を良好なものとすることができる。その後、メイン通路を開放したときには、タービンの暖機が既に完了しており、タービン内で凝縮水が発生することがないため、タービンの下流側に設けられた排気センサが被水することを抑制することができる。 According to the present invention, when the main passage that flows through the turbine wheel and goes to the exhaust purification catalyst is blocked, the exhaust gas from the bypass passage that bypasses the turbine wheel is exhausted at a high temperature without taking heat away from the turbine. Since it reaches the purification catalyst, the early activation of the exhaust purification catalyst 55 can be improved. After that, when the main passage is opened, since the turbine has already been warmed up and no condensed water is generated in the turbine, the exhaust sensor provided downstream of the turbine is prevented from getting wet. can do.
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same.
まず、本実施例に係る内燃機関の概略構成について図1を用いて説明する。図1は、内燃機関の概略構成を示す模式図である。なお、図1において、内燃機関については、本発明に関連する要部のみを模式的に示している。 First, a schematic configuration of the internal combustion engine according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine. In FIG. 1, only the main part related to the present invention is schematically shown for the internal combustion engine.
図1に示すように、内燃機関10には、気筒12から排出される排気ガスの運動エネルギにより吸入された空気を圧縮するターボ過給機60を備えている。この内燃機関10は、原動機として車両に搭載されるものである。また、内燃機関10には、内燃機関10に設けられた各種部品を制御する制御手段として、電子制御装置80(以下、ECUと記す)を有している。
As shown in FIG. 1, the internal combustion engine 10 includes a
内燃機関10には、内部に気筒12が形成される機関本体系部品として、図示しないシリンダブロック及びピストンと、クランク軸18と、シリンダヘッド20が設けられている。シリンダブロックには、図示しないシリンダボアが形成されており、ピストンは、このシリンダボア内を往復運動する。ピストンは、シリンダボアの内壁面(以下、シリンダ壁と記す)に摺接している。シリンダブロックには、ピストンに対向してシリンダボアを塞ぐようにシリンダヘッド20が結合されている。
The internal combustion engine 10 is provided with a cylinder block and a piston (not shown), a
これらシリンダヘッド20と、ピストンと、シリンダブロックのシリンダ壁で囲まれた空間が「気筒」となる。なお、シリンダブロックには、機関本体を循環する冷却液の温度(以下、冷却液温と記す)を検出する冷却液温センサが設けられており、冷却液温に係る信号をECU80に送出している。
A space surrounded by the
シリンダヘッド20には、各気筒12に対応して吸気ポート24と排気ポート26が形成されている。吸気ポート24及び排気ポート26に対応して、図示しない吸気弁及び排気弁が設けられている。これら吸気弁及び排気弁は、クランク軸18の回転角位置に応じて所定のタイミングで開閉可能に構成されている。
An intake port 24 and an
クランク軸18が回転すると、ピストンが往復運動し、気筒12には、空気が吸入される。さらに、気筒12には図示しない燃料噴射装置により燃料が供給されて、空気と燃料の混合気が形成される。このように形成される混合気を、以下、筒内混合気と記す。また、気筒12には、図示しない点火装置により筒内混合気が着火される。筒内混合気の着火・燃焼により生じるピストンの往復運動は、回転運動に変換されてクランク軸18から出力される。内燃機関10には、クランク軸18の回転角位置を検出するクランク角センサ19が設けられており、検出した回転角位置に係る信号をECU80に送出している。
When the
また、内燃機関10には、外気から気筒12に空気を導く吸気系部品として、外気から空気を導入する外気ダクト32と、吸入空気から塵芥を除去するエアクリーナ33と、吸入空気の流量(以下、吸入空気量と記す)を計測するエアフロメータ34と、吸入空気量を調整するスロットル弁36と、吸入空気を各気筒12に分配する分岐管である吸気マニホールド38が設けられている。
The internal combustion engine 10 includes, as intake system components for introducing air from outside air to the
吸気マニホールド38は、シリンダヘッド20に接続されており、そのブランチ通路39が吸気ポート24に連通している。ブランチ通路39の上流側には、これに連通するサージ室37(共鳴室)が形成されている。また、吸気マニホールド38には、サージ室37内における吸気圧(以下、過給圧と記す)を検出する過給圧センサ(図示せず)が設けられており、過給圧に係る信号をECU80に送出している。
The
吸気マニホールド38の上流側には、吸気配管30が接続されており、サージ室37は、吸気配管30内に形成された通路30aに連通している。吸気配管30の上流側には、後述するターボ過給機60のコンプレッサ62が接続されており、コンプレッサ62の上流側には、吸気配管31が接続されている。吸気配管31内に形成された通路31aには、エアフロメータ34が配設されている。吸気配管31の上流側は、エアクリーナ33に接続されており、通路31aは、エアクリーナを介して外気ダクト32内に連通している。
An
外気ダクト32から導入された空気は、エアクリーナ33を通過し、エアフロメータ34で吸入空気量が計測されて、ターボ過給機60のコンプレッサ62で圧縮される。圧縮された空気は、スロットル弁36に流れる。スロットル弁36で流量を調整された空気は、吸気マニホールド38のサージ室(共鳴室)37に流入し、ブランチ通路39から各気筒12に分配され、吸気ポート24を経て気筒12内に流入する。エアフロメータ34は、通路31aで計量した吸入空気量に係る信号をECU80に送出している。スロットル弁36は、ECU80により制御されて、気筒12内に流入する吸入空気量を調整可能となっている。
The air introduced from the
なお、「吸気通路」とは、前述の吸気系部品と吸気配管により形成され、外気ダクト32から導入された空気が気筒12に流入するまでに通過する流路を意味しており、以下の説明において、「吸気通路」と記す。本実施例において、吸気通路には、吸気マニホールド38のサージ室37及びブランチ通路39だけでなく、シリンダヘッド20の吸気ポート24が含まれている。
The “intake passage” means a passage formed by the intake system parts and the intake pipe described above, through which the air introduced from the
また、内燃機関10には、気筒12からの排気ガスを外気に排出するために、排気ガス中の有害成分を低減する排気浄化触媒55と、気筒12からの排気ガスを排気浄化触媒55に導く排気管40が設けられている。排気管40は、上流側がシリンダヘッド20に接続されており、下流側が排気浄化触媒55に接続されている。排気管40の途中には、ターボ過給機60のタービン64が設けられている。
Further, in the internal combustion engine 10, in order to exhaust the exhaust gas from the
ここで、ターボ過給機60の構成について説明する。ターボ過給機60は、吸気配管30と吸気配管31との間に介在して設けられたコンプレッサ62と、排気管40の途中に設けられたタービン64を有している。コンプレッサ62には、コンプレッサ62内を回転することで空気を圧縮するコンプレッサホイール62cが収容されており、タービン64内には、排気ガス流により回転駆動されるタービンホイール64cが収容されている。コンプレッサホイール62cとタービンホイール64cは、一体に結合されている。ターボ過給機60は、メイン通路44からタービン64内に流入する排気ガスの運動エネルギにより、タービンホイール64c及びコンプレッサホイール62cが回転駆動され、コンプレッサ62内にある空気を圧縮して、吸気配管30の通路30aに給送する。
Here, the configuration of the
排気管40には、各気筒12からの排気ガスを合流させるマニホールド通路41と、マニホールド通路41からの排気ガスを、ターボ過給機60のタービンホイール64cを経由させて、排気浄化触媒55に導くメイン通路44が設けられている。
In the
マニホールド通路41には、各気筒12に対応してブランチ部41aが設けられており、ブランチ部41aが排気ポート26に連通している。マニホールド通路41のブランチ部41aの下流側には、各気筒12からの排気ガスが合流する合流部41cが設けられている。マニホールド通路41は、気筒12からの排気ガスを、マニホールド通路41の合流部41cで合流させる。マニホールド通路41の合流部41cは、メイン通路44に連通している。
A
メイン通路44は、その上流側がマニホールド通路41の合流部41cに連通しており、下流側には、排気浄化触媒55が設けられている。メイン通路44の途中には、タービン64のタービンホイール64cが配設されている。メイン通路44は、マニホールド通路41で合流した排気ガスを、タービン64内にあるタービンホイール64cに流す。そして、メイン通路44は、タービンホイール64cを流れた排気ガスを排気浄化触媒55に向けて流す。
The
つまり、「メイン通路」44とは、マニホールド通路41からの合流した排気ガスが、タービン64のタービンホイール64cを通って、排気浄化触媒55に至るまでの、排気ガスの流路を意味している。メイン通路44を流れる排気ガスの流動経路を図に二点鎖線矢印Aで示す。本実施例において、メイン通路44には、タービン64のハウジング内におけるタービンホイール64cを流れる通路が含まれている。
That is, the “main passage” 44 means a flow path of exhaust gas from the exhaust gas that has joined from the
また、排気管40には、マニホールド通路41からの排気ガスを、ターボ過給機60のタービンホイール64cを迂回させて、排気浄化触媒55に導くことができるように、バイパス通路50が設けられている。
The
バイパス通路50は、その上流側が、メイン通路44におけるタービンホイール64cの上流側の部位44aに連通している。一方、バイパス通路50の下流側は、メイン通路44におけるタービンホイール64cより下流側の部位44cに連通している。バイパス通路50は、メイン通路44の上流側の部位44aから排気ガスを導入し、タービン64のタービンホイール64cを迂回させた後、下流側部位44cで再びメイン通路44に合流させることが可能に構成されている。バイパス通路50を流れる排気ガス流の流動経路を図に一点鎖線矢印Bで示す。バイパス通路50は、メイン通路44を流れる排気ガスを、タービン64内のタービンホイール64cに流すことなく迂回させて、排気浄化触媒55に向かわせることができる。
The upstream side of the
なお、メイン通路44のうちバイパス通路50の直下流側の部分52には、バイパス通路50から排気浄化触媒55に向かう排気ガス流が主に通過し、タービンホイール64cから排気浄化触媒55に向かう排気ガス流がほとんど通過しない領域となっている。
In the
また、排気管40には、上述のメイン通路44におけるタービンホイール64cの下流側とバイパス通路50のうち一方を遮断可能な排気バルブ70が設けられている。排気バルブ70は、いわゆる片持ちのバルブであり、弁体70aと、弁体70aの一方の端を回転可能に支持する回転軸70cを有している。回転軸70cは、図示しないアクチュエータにより回転駆動される。アクチュエータの駆動は、ECU80により制御される。排気バルブ70は、回転軸70cが回転駆動されることで、弁体70aがメイン通路44におけるタービンホイール64cの下流側と、バイパス通路50のうちいずれか一方を遮断することが可能となっている。
Further, the
排気バルブ70は、タービン64内のタービンホイール64cより下流側に設けられており、その回転軸70cは、バイパス通路50とメイン通路44の間に配設されている。排気バルブ70は、弁体70aが図に一点鎖線で示す位置までバイパス通路50側に移動することで、バイパス通路50を遮断することができる。排気バルブ70の弁体70aがバイパス通路50を遮断すると、メイン通路44は開放されることとなる。このとき、気筒12からの排気ガスは、タービン64のタービンホイール64cに流れ、タービンホイール64cを駆動してから、排気浄化触媒55に向かうこととなる。つまり、排気バルブ70がバイパス通路50を遮断すると、気筒12から排気浄化触媒55に至る排気ガスの流動経路A(以下、メイン経路と記す)は、タービンホイール64cを経由するものとなる。
The
加えて、排気バルブ70は、弁体70aが図に二点鎖線で示す位置までメイン通路44側に移動することで、メイン通路44をタービンホイール64cの下流側で遮断することができる。排気バルブ70の弁体70aがメイン通路44を遮断すると、バイパス通路50は開放されることとなる。このとき、気筒からの排気ガスは、タービン64のタービンホイール64cを迂回するようバイパス通路50を流れてから、排気浄化触媒55に向かうこととなる。つまり、排気バルブ70がメイン通路44をタービンホイール64cの下流側で遮断すると、気筒12から排気浄化触媒55に至る排気ガスの流動経路B(以下、バイパス経路と記す)は、タービンホイール64cを迂回するものとなる。
In addition, the
また、排気管40には、排気浄化触媒55に向かう排気ガス中の特定成分を検出する排気センサ76が設けられている。排気センサ76には、例えば、排気ガス中の酸素濃度を検出するA/Fセンサや、排気ガス中の窒素酸化物の濃度を検出するNOxセンサ等がある。
In addition, the
排気センサ76は、排気管40のうち、排気浄化触媒55より上流側に配設されている。詳細には、排気センサ76は、排気バルブ70の直下流側の部位に配置されており、且つ、メイン通路44側の部位に配置されている。加えて、排気センサ76は、排気バルブ70がメイン通路44を遮断してバイパス通路50を開放したとき、バイパス通路50から排気浄化触媒55に流れる排気ガスが極力あたらないような部位、すなわちバイパス通路50から排気浄化触媒55に流れる排気ガス流の流動経路Bから極力、距離をあけた部位に配設されている。また、排気センサ76は、排気バルブ70がバイパス通路50を遮断してメイン通路44を開放したとき、メイン通路44を流れる排気ガス流が良好な状態であたるような部位に配置されている。
The
また、内燃機関10には、これを制御する制御手段としてECU80が設けられている。ECU80は、クランク角センサ19からのクランク軸18の回転角位置に係る信号と、エアフロメータ34からの吸入空気量に係る信号と、図示しない吸気圧センサからの過給圧に係る信号と、図示しない冷却液温センサからの冷却液温に係る信号とを受けている。これら信号に基づいて、ECU80は、クランク軸18の回転角位置(以下、クランク角と記す)と、内燃機関10のクランク軸18の回転速度(以下、機関回転速度と記す)と、吸入空気量と、過給圧と、内燃機関10に要求される出力トルク(以下、機関負荷と記す)等を算出することができる。これら算出された制御変数に基づいて、ECU80は、スロットル弁36や、図示しない燃料噴射装置及び点火装置、および排気バルブ70のアクチュエータを制御することができる。
Further, the internal combustion engine 10 is provided with an
以上のように構成された内燃機関10において、制御手段としてのECU80は、アクチュエータを介して排気バルブ70を制御することで、内燃機関10の作動状態に応じてメイン通路44におけるタービンホイール64cの下流側と、バイパス通路50のうち一方を遮断することができる。すなわち、ECU80は、気筒12からの排気ガスを、ターボ過給機60のタービンホイール64cに通過させてから排気浄化触媒55に導くか、タービンホイール64cを通過させることなく排気浄化触媒55に導くかを選択することができる。つまり、ECU80は、気筒12から排気浄化触媒55に至る排気ガスの経路を、タービン64のタービンホイール64cを経由する経路Aと、タービンホイール64cを迂回する経路Bのうち、いずれか1つを選択することができる。
In the internal combustion engine 10 configured as described above, the
ECU80は、内燃機関10の暖機が完了している場合、過給圧が所定の圧力以下のときには、排気バルブ70がバイパス通路50を遮断するよう制御している。これにより、気筒12からの排気ガスをタービンホイール64cに流してコンプレッサホイール62cを回転駆動することで、過給圧を上昇させて気筒12内に充填される空気の体積効率を向上させることができる。一方、過給圧が所定の圧力を超えたときには、排気バルブ70がメイン通路44をタービンホイール64cの下流側で遮断するよう制御している。これにより、気筒12からの排気ガスは、タービンホイール64cを迂回して排気浄化触媒55に向かわせることで、過給圧が過剰に上昇することを防止することができる。このように、本実施例に係る内燃機関10は、ECU80が過給圧に応じて排気バルブ70の開閉を制御することで、排気バルブ70を、いわゆる「ウェイストゲートバルブ」として機能させることができる。
When the warm-up of the internal combustion engine 10 is completed, the
ところで、冷間始動時など内燃機関10が暖機されていない場合は、低温となっている排気浄化触媒55は活性化しておらず、炭化水素などの排気ガス中の有害成分を低減するためには、高温の排気ガスを排気浄化触媒55に供給して昇温することで、なるべく早期に排気浄化触媒55を活性化させる必要がある。加えて、冷間始動時では、排気管40及びタービン64(タービンホイール64c)は冷えた状態にあるため、これら部品の表面で排気ガス中に含まれる水蒸気が凝結して凝縮水を生じる。このような凝縮水により排気センサが被水してしまうことを抑制する必要がある。
By the way, when the internal combustion engine 10 is not warmed up, such as during a cold start, the exhaust purification catalyst 55 that is at a low temperature is not activated, so as to reduce harmful components in the exhaust gas such as hydrocarbons. Therefore, it is necessary to activate the exhaust purification catalyst 55 as early as possible by supplying high temperature exhaust gas to the exhaust purification catalyst 55 and raising the temperature. In addition, since the
そこで、本実施例に係る内燃機関において、その制御手段(ECU)は、排気浄化触媒が活性化されたと判定され、且つタービンが暖機されたと判定されるまでは、メイン通路を遮断するよう制御することで、排気浄化触媒の早期活性化を良好なものとしつつ、排気センサの被水を抑制している。本実施例に係る内燃機関の制御手段(ECU)が実行する排気バルブの制御について、図1及び図2を用いて説明する。図2は、ECUが実行する排気バルブ制御のフローチャートである。 Therefore, in the internal combustion engine according to the present embodiment, the control means (ECU) controls to shut off the main passage until it is determined that the exhaust purification catalyst is activated and the turbine is warmed up. By doing so, the early activation of the exhaust purification catalyst is made good, and the moisture of the exhaust sensor is suppressed. The exhaust valve control executed by the control means (ECU) of the internal combustion engine according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a flowchart of exhaust valve control executed by the ECU.
図1及び図2に示すように、まず、ECU80は、エアフロメータ34からの吸入空気量に係る信号と、冷却液温センサからの冷却液温に係る信号を受けている。ECU80は、内燃機関10の始動開始時における冷却液温を取得している。また、ECU80は、吸入空気量から、内燃機関10が始動を開始してからの吸入空気量の時間積分値(以下、積算空気量と記す)を算出しており、ECU80は、現時点での積算空気量を取得する(S100)。
As shown in FIGS. 1 and 2, first, the
そして、ステップS102において、ECU80は、排気浄化触媒55の活性化が完了しているか否かを判定する。具体的には、内燃機関10の始動開始からの積算空気量が予め設定された判定値C以上であるか否かを判定する。
In step S102, the
なお、この排気浄化触媒55の活性化に係る判定値Cは、始動開始時の冷却液温に応じて設定される。判定値Cは、内燃機関10が始動を開始してから吸入空気量に応じて排出される排気ガスの熱を受けて排気浄化触媒55が昇温し、活性化が完了するような値に設定されている。内燃機関10の始動開始時の冷却液温と、排気浄化触媒55の活性化に係る積算空気量の判定値Cとの関係は、予め適合実験等により求められており、制御定数(マップ)としてECU80のROM(図示せず)に記憶されている。
The determination value C relating to the activation of the exhaust purification catalyst 55 is set according to the coolant temperature at the start of the start. The determination value C is set to such a value that the exhaust purification catalyst 55 rises in temperature by receiving the heat of the exhaust gas discharged in accordance with the intake air amount after the internal combustion engine 10 starts to be activated, and the activation is completed. Has been. The relationship between the coolant temperature at the start of the start of the internal combustion engine 10 and the judgment value C of the integrated air amount related to the activation of the exhaust purification catalyst 55 has been obtained in advance by a conformance experiment or the like, and as a control constant (map) It is stored in a ROM (not shown) of the
ステップS102において、排気浄化触媒55の活性化が完了していない(No)と判定された場合、すなわち積算空気量が予め設定された判定値Cを下回ると判定された場合、ECU80は、始動開始から排気浄化触媒55に供給された排気ガスの量が少なく、排気浄化触媒が未だ低温で活性化していないと判断して、排気バルブ70がメイン通路44を遮断するよう制御する(S104)。そして、ステップS100に戻る。
In step S102, when it is determined that the activation of the exhaust purification catalyst 55 is not completed (No), that is, when it is determined that the integrated air amount is lower than the predetermined determination value C, the
このようにして内燃機関10は、気筒12からの排気ガスを、バイパス通路50からタービン64のタービンホイール64cを迂回させて排気浄化触媒55に導く。排気浄化触媒55には、タービンホイール64cを迂回した経路Bの比較的高温な排気ガスが供給される。これにより、内燃機関10は、排気浄化触媒55を暖機して昇温させる。
In this way, the internal combustion engine 10 guides the exhaust gas from the
一方、ステップS102において、排気浄化触媒55の活性化が完了している(Yes)と判定された場合、すなわち始動開始からの積算空気量が予め設定された判定値C以上であると判定された場合、ECU80は、ステップS106に進み、タービンの暖機が完了されたか否かを判定する。具体的には、始動開始からの積算空気量が予め設定された判定値D以上か否かを判定する。
On the other hand, when it is determined in step S102 that the activation of the exhaust purification catalyst 55 is completed (Yes), that is, it is determined that the integrated air amount from the start of the start is equal to or greater than a predetermined determination value C. If this is the case, the
なお、このタービン64の暖機に係る判定値Dは、始動開始時の冷却液温に応じて設定される。判定値Dは、始動を開始してから吸入空気量に応じた量を以って排出される排気ガスの熱により、タービンホイール64cを含むタービン64が昇温し、メイン通路44の開放により排気ガスがタービン64を流れても、排気ガス中の水蒸気がタービン64内で凝結しない、すなわちタービン64内で凝縮水が生じないような温度に設定されている。換言すれば、判定値Dは、タービン64内の構成部品が、排気ガス中の水蒸気の露点温度以上となるような温度に設定されている。始動開始時の冷却液温と、タービン64の暖機に係る積算空気量の判定値Dとの関係は、予め適合実験等により求められており、制御定数(マップ)としてECU80のROMに記憶されている。タービン64の暖機に係る判定値Dは、排気浄化触媒55の活性化に係る判定値Cに比べて、より大きい値となっている。
Note that the determination value D relating to the warm-up of the
ステップS106において、タービン64の暖機が完了していない(No)と判定された場合、すなわち積算空気量が予め設定された判定値Dを下回ると判定された場合、ECU80は、メイン通路44の開放により排気ガスがタービン64を流れると、排気ガス中の水蒸気がタービン64内で凝結してしまい、凝縮水が生じるものと判断して、排気バルブ70がメイン通路44を遮断するよう制御する(S104)。そして、ステップS100に戻る。
In step S106, when it is determined that the
このようにして内燃機関10は、排気浄化触媒55の活性化が完了した後も、気筒12からの排気ガスを、バイパス通路50から排気浄化触媒55に向かわせて、タービン64のタービンホイール64cを迂回させる。これにより、排気ガス中の水蒸気がタービン64内で凝結して、ここに凝縮水が生じてしまうことを抑制している。
Thus, the internal combustion engine 10 directs the exhaust gas from the
なお、メイン通路44がタービンホイール64cの下流側で遮断された状態において、タービン64内においては、タービンホイール64cを通過するよう排気ガスは流れないものの、上流側部位44aからの排気ガスが滞留している。上流側部位44aには、マニホールド通路41の合流部41cからバイパス通路50に向かう排気ガスが流れており比較的高温になっている。タービン64内の構成部品(タービンホイール64c等)は、上流側部位44aから流入しタービン64内に滞留している排気ガスからの熱を受けて昇温していく。
In the state where the
一方、ステップS106において、タービン64の暖機が完了した(Yes)と判定された場合、すなわち積算空気量が予め設定された判定値D以上である場合、ECU80は、ステップS108に進み、排気ガス中の水蒸気がタービン64内で凝結しない程度にタービン64内の構成部品が十分に昇温していると判断して、排気バルブ70がメイン通路44を開放するよう制御する。そして、ステップS100に戻る。
On the other hand, if it is determined in step S106 that the warm-up of the
このようにして、内燃機関10は、タービン64の暖機が完了してからメイン通路44を開放する。このとき、タービン64内の構成部品は十分に昇温しているため、気筒12からの排気ガスがタービンホイール64cを通過するよう流れても、タービン64内で凝縮水が生じることがなく、タービンホイール64cの下流側に設けられている排気センサ76が被水することを抑制することができる。
In this way, the internal combustion engine 10 opens the
以上に説明したように、本実施例では、タービンホイール64cを流れるメイン通路44と、タービンホイール64cを迂回するバイパス通路50のうち一方を遮断可能な排気バルブ70がタービンホイール64cの下流側に設けられており、制御手段としてのECU80は、排気浄化触媒55の活性化とタービン64の暖機が完了するまでは、排気バルブ70によりメイン通路44を遮断するよう制御するものとした。
As described above, in this embodiment, the
これにより、メイン通路44を遮断しているときには、タービンホイール64cを迂回したバイパス通路50からの排気ガスは、タービン64により熱を奪われることなく高温のまま排気浄化触媒55に到達するので、排気浄化触媒55の早期活性化を良好なものとすることができる。その後、メイン通路44を開放したときには、タービン64の暖機が既に完了しており、タービン64内で凝縮水が発生することがないため、タービン64の下流側にある排気センサ76が被水することを抑制することができる。
Thus, when the
また、本実施例では、排気管40におけるタービンホイール64cの下流側に、タービンホイール64cを流れるメイン通路44と、タービンホイール64cを迂回するバイパス通路50のうち一方を遮断可能な排気バルブ70が設けられており、制御手段としてのECU80が、排気浄化触媒55が活性化したと判定し、且つタービン64が暖機されたと判定するまでは、メイン通路44を遮断するよう排気バルブ70を制御するものとした。これにより、メイン通路44を遮断しているときに、タービン64で熱を奪われていない高温な排気ガスをバイパス通路50から排気浄化触媒55に供給すると共に、メイン通路44を開放したときにタービン64内で凝縮水を発生させない内燃機関10を、排気バルブ70とECU80により実現することができる。
In the present embodiment, an
また、本実施例では、排気センサ76は、排気管40のうち、排気バルブ70の下流側であり且つメイン通路44側の部位に設けられているものとしたので、内燃機関10の始動開始からタービン64が暖機されるまでの間に、排気センサ76がバイパス通路50を流れる排気ガス流にさらされることを極力抑制することができる。これにより、タービン64が暖機されるまでの間、バイパス通路50から排気浄化触媒55に向かう排気ガス流により排気センサ76が被水することを効果的に抑制することができる。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施例では、吸入空気量を検出する手段としてエアフロメータ34を備え、タービンの暖機を判定する手段としてのECU80は、内燃機関10が始動を開始してからの吸入空気量の時間積分値である積算空気量が予め設定された判定値Dを超えることを以って、タービン64が暖機されたと判定するものとした。タービン64に温度センサ等の温度を検出する手段を設けることなく、タービン64が暖機されたか否かを判定することができる。
In this embodiment, the
また、本実施例では、前記判定値Dは、排気バルブ70がメイン通路44を開放して排気ガスがタービンホイール64cを流れても、排気ガス中の水蒸気がタービン64内で凝結しない値に設定されているものとしたので、メイン通路44を開放したときに、排気センサ76が被水してしまうことを、より確実に抑制することができる。
In this embodiment, the determination value D is set to a value at which the water vapor in the exhaust gas does not condense in the
また、本実施例では、前記判定値Dは、始動開始時における冷却液温に応じて設定されるものとしたので、タービン64が暖機された否かの判定を、内燃機関が始動する際の環境状態に応じて精度良く行うことができる。
Further, in this embodiment, the determination value D is set according to the coolant temperature at the start of the start. Therefore, it is determined whether or not the
なお、本実施例では、タービン64が暖機されたか否かの判定を、内燃機関10が始動を開始してからの積算空気量が予め設定された判定値D以上となるか否かで判定するものとしたが、タービン64の暖機を判定する手法は、これに限定されるものではない。例えば、内燃機関10の始動開始から所定の時間経過したことを以って、タービン64が暖機されたと判定するものとしても良い。
In this embodiment, it is determined whether or not the
また、本実施例では、排気浄化触媒55が活性化したか否かの判定を、内燃機関10が始動を開始してからの積算空気量が予め設定された判定値D以上となるか否かで判定するものとしたが、排気浄化触媒55の活性化を判定する手法は、これに限定されるものでない。例えば、内燃機関10の始動開始から所定の時間経過したことを以って、排気浄化触媒55が暖機されたと判定するものとしても良い。 Further, in this embodiment, it is determined whether or not the exhaust purification catalyst 55 is activated, whether or not the integrated air amount from the start of the internal combustion engine 10 is greater than or equal to a predetermined determination value D. However, the method for determining the activation of the exhaust purification catalyst 55 is not limited to this. For example, it may be determined that the exhaust purification catalyst 55 has been warmed up when a predetermined time has elapsed since the start of the internal combustion engine 10 was started.
また、本実施例において、排気バルブ70は、弁体70aの一方の端を回転軸70cが回転可能に支持する、いわゆる片持ちのバルブとしたが、排気バルブの構成は、これに限定されるものではない。メイン通路44におけるタービンホイール64cの下流側とバイパス通路50のうちいずれか一方を遮断できれば良く、例えば、メイン通路44側とバイパス通路50側の双方にスライド可能な弁体を設け、これをアクチュエータ等により駆動するものとしても良い。
In this embodiment, the
以上のように、本発明に係る内燃機関は、ターボ過給機のタービンより下流側に排気センサと排気浄化触媒とを備えるターボ過給機付き内燃機関に有用であり、特に、熱容量の大きいタービンを備えるターボ過給機付き内燃機関に適している。 As described above, the internal combustion engine according to the present invention is useful for an internal combustion engine with a turbocharger that includes an exhaust sensor and an exhaust purification catalyst on the downstream side of the turbine of the turbocharger, and in particular, a turbine having a large heat capacity. Is suitable for an internal combustion engine with a turbocharger.
10 内燃機関
12 気筒
18 クランク軸
30,31 吸気配管
33 エアクリーナ
34 エアフロメータ
36 スロットル弁
38 吸気マニホールド
40 排気管
44 メイン通路
50 バイパス通路
55 排気浄化触媒
60 ターボ過給機
62 コンプレッサ
62c コンプレッサホイール
64 タービン
64c タービンホイール
70 排気バルブ
76 排気センサ
80 内燃機関用の電子制御装置(ECU、制御手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10
Claims (6)
排気ガスがタービンのタービンホイールを流れて排気浄化触媒に向かうメイン通路と、
排気ガスがタービンのタービンホイールを迂回して排気浄化触媒に向かうバイパス通路と、
メイン通路におけるタービンホイールの下流側と、バイパス通路のうち一方を遮断可能な排気バルブと、
排気浄化触媒の活性化とタービンの暖機が完了するまでは、排気バルブによりメイン通路を遮断するよう制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関。 An internal combustion engine comprising a turbocharger, wherein an exhaust sensor and an exhaust purification catalyst are provided downstream from the turbine of the turbocharger,
A main passage through which exhaust gas flows through the turbine wheel of the turbine toward the exhaust purification catalyst,
A bypass passage for exhaust gas to bypass the turbine wheel of the turbine and to the exhaust purification catalyst;
An exhaust valve that can shut off one of the bypass passages on the downstream side of the turbine wheel in the main passage;
Until the activation of the exhaust purification catalyst and the warm-up of the turbine are completed, control means for controlling the main passage to be shut off by the exhaust valve,
An internal combustion engine comprising:
前記制御手段は、
排気浄化触媒が活性化したか否かを判定する触媒活性化判定手段と、
タービンが暖機されたか否かを判定するタービン暖機判定手段と、
を有し、
排気浄化触媒が活性化したと判定され、且つタービンが暖機されたと判定されるまでは、メイン通路を遮断するよう制御することを特徴とする内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 1,
The control means includes
Catalyst activation determination means for determining whether or not the exhaust purification catalyst is activated;
Turbine warm-up determination means for determining whether the turbine has been warmed up;
Have
An internal combustion engine that controls to shut off the main passage until it is determined that the exhaust purification catalyst is activated and the turbine is determined to be warmed up.
排気センサは、排気管のうちメイン通路を遮断した排気バルブの下流側であり且つメイン通路側の部位に設けられていることを特徴とする内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 1 or 2,
The internal combustion engine, wherein the exhaust sensor is provided in a portion of the exhaust pipe downstream of the exhaust valve that blocks the main passage and on the main passage side.
吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を備え、
タービン暖機判定手段は、内燃機関が始動を開始してからの吸入空気量の時間積分値である積算空気量が予め設定された判定値以上となることを以って、タービンが暖機されたと判定することを特徴とする内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 2 or 3,
Intake air amount detection means for detecting the intake air amount,
The turbine warm-up determination means warms up the turbine when an integrated air amount that is a time integral value of the intake air amount after the internal combustion engine starts is equal to or greater than a predetermined determination value. An internal combustion engine characterized by determining that
前記判定値は、排気バルブがメイン通路を開放して排気ガスがタービンホイールを通過して流れても、排気ガス中の水蒸気がタービン内で凝結しない値に設定されていることを特徴とする内燃機関。 An internal combustion engine according to claim 4,
The determination value is set to a value at which water vapor in the exhaust gas does not condense in the turbine even if the exhaust valve opens the main passage and the exhaust gas flows through the turbine wheel. organ.
前記判定値は、始動開始時における冷却液温に応じて設定されることを特徴とする内燃機関。 An internal combustion engine according to claim 4,
The internal combustion engine, wherein the determination value is set in accordance with a coolant temperature at the start of starting.
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