JP2009228486A - ターボ過給式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒暖機性と加速レスポンスを両立する。
【解決手段】本発明によれば、ターボチャージャ５０のタービン上下流を連通させるバイパス通路３０と、バイパス通路３０に設けられたウェストゲートバルブ３１と、触媒２０と、ウェストゲートバルブ３１を制御する制御手段８であって、アイドリングを含む低回転且つ低負荷域においてウェストゲートバルブ３１を閉とするノーマルクローズ制御とウェストゲートバルブ３１を開とするノーマルオープン制御とを機関運転状態に応じて切り替える制御手段とを備えるターボ過給式内燃機関が提供される。触媒暖機性の良いノーマルオープン制御と、加速レスポンスの良いノーマルクローズ制御とを必要に応じて適宜切り替えることができ、触媒暖機性と加速レスポンスを両立できる。
【選択図】図１

Description

本発明はターボ過給式内燃機関に係り、特にターボチャージャを備えた内燃機関に関する。

かかるターボ過給式内燃機関にあっては、排気エミッションを低減する目的で、機関始動時にウェストゲートバルブを全開にし、排気ガスの殆どをタービンをバイパスさせて触媒に流入させ、触媒活性を促すものがある（特許文献１参照）。

特開２００２−１９５０４６号公報

このような技術的観点から、過給を必要としない低回転且つ低負荷域でウェストゲートバルブを開とするノーマルオープン制御を採用することが考えられる。このノーマルオープン制御によれば、機関始動時及び排気ガス量が少ない運転状態のときに排気ガスをタービンをバイパスさせて触媒に流入させることができる。そして排気ガスのタービンによる冷却を抑制すると同時に、比較的高温な排気ガスを触媒に供給し、触媒の暖機性向上と床温維持とを図ることができる。

しかしながら、ノーマルオープン制御を採用すると、これとは逆の、低回転且つ低負荷域でウェストゲートバルブを閉とするノーマルクローズ制御を採用する場合に比べ、低回転且つ低負荷域でのタービン回転速度が低くなる。そしてこの状態から加速が開始され、過給状態に移行しようとするとき、まずウェストゲートバルブが閉じられてからタービン回転速度が上昇し過給が開始する。従って加速開始から過給開始までの間にタイムラグが生じ、加速レスポンスが悪化してしまう。

そこで本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、触媒暖機性と加速レスポンスの両立を図ることができるターボ過給式内燃機関を提供することにある。

本発明によれば、
内燃機関の排気通路に設けられたターボチャージャのタービン上流とタービン下流を連通させるバイパス通路と、
前記バイパス通路に設けられたウェストゲートバルブと、
前記排気通路における前記バイパス通路の接続部よりも下流側に設けられた触媒と、
前記ウェストゲートバルブを制御する制御手段であって、アイドリングを含む低回転且つ低負荷域において前記ウェストゲートバルブを閉とするノーマルクローズ制御と前記ウェストゲートバルブを開とするノーマルオープン制御とを、機関運転状態に応じて切り替える制御手段と
を備えることを特徴とするターボ過給式内燃機関が提供される。

これによれば、機関運転状態に応じてノーマルクローズ制御とノーマルオープン制御とを切り替えるので、触媒暖機性の良いノーマルオープン制御と、加速レスポンスの良いノーマルクローズ制御とを必要に応じて適宜切り替えることができる。よって、触媒暖機性と加速レスポンスの両立を図ることができるターボ過給式内燃機関を提供することが可能となる。

好ましくは、前記制御手段は、前記内燃機関の加減速頻度の大小及び加速要求の有無の少なくとも一方に応じてノーマルクローズ制御とノーマルオープン制御とを切り替える。

これによれば、加減速頻度が大のとき、及び加速要求有りのときの少なくとも一方であるとき、ノーマルクローズ制御を選択、採用して加速レスポンスを向上することができる。他方、そのいずれでもないときにはノーマルオープン制御を選択、採用して触媒暖機性を向上することができる。これによっても触媒暖機性と加速レスポンスの両立を図ることができる。

好ましくは、前記制御手段は、前記触媒の温度に応じてノーマルクローズ制御とノーマルオープン制御とを切り替える。

これにより、触媒の暖機要求に応じてノーマルクローズ制御とノーマルオープン制御とを好適に切り替えることが可能となる。

本発明によれば、触媒暖機性と加速レスポンスの両立を図ることができるターボ過給式内燃機関を提供することができるという、優れた効果が発揮される。

以下、本発明の好適一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本実施形態の内燃機関の概略構成を示す図である。図１において、内燃機関１は、複数の気筒２を有する直列多気筒のエンジンであって、且つ自動車用エンジンである。

内燃機関１には、排気通路３と吸気通路４が接続されている。排気通路３の途中には、ターボチャージャ５のタービンハウジング５０が配置されている。排気通路３においてタービンハウジング５０より上流の部位と下流の部位は、バイパス通路３０によって連通している。バイパス通路３０の途中には、ウェストゲートバルブ３１が配置されている。排気通路３において、バイパス通路３０の接続部よりも下流側には触媒２０が設けられている。

吸気通路４の途中には、ターボチャージャ５のコンプレッサハウジング５１が配置されている。吸気通路４においてコンプレッサハウジング５１より下流には、インタークーラ６が配置されている。インタークーラ６より下流の吸気通路４には、スロットル弁７が配置されている。スロットル弁７より下流の吸気通路４には、吸気圧センサ１１が取り付けられている。

ターボチャージャ５においては、タービンハウジング５０とその内部に配設されたタービンホイール５００により遠心式タービンが構成され、コンプレッサハウジング５１とその内部に配設されたコンプレッサホイール５０１により遠心式コンプレッサが構成される。タービンホイール５００及びコンプレッサホイール５０１はタービンシャフトにより同軸に連結され、排気ガスによってタービンホイール５００が回転駆動されたとき、コンプレッサホイール５０１も回転駆動され、吸気通路４内の吸気を過給するようになっている。

また、内燃機関１には、電子制御ユニット即ちＥＣＵ８が併設されている。ＥＣＵ８は、クランクポジションセンサ９、アクセルポジションセンサ１０、吸気圧センサ１１、エアフローメータ１２等の各種センサの出力信号に基づいて、スロットル弁７及びウェストゲートバルブ３１を制御する。

次に、本実施形態におけるウェストゲートバルブ３１の制御について説明する。ウェストゲートバルブ３１はＥＣＵ８によりノーマルクローズ制御とノーマルオープン制御とのいずれかに制御される。ノーマルクローズ制御とは、アイドリングを含む低回転且つ低負荷域においてウェストゲートバルブ３１を閉とする制御である。またノーマルオープン制御とは、アイドリングを含む低回転且つ低負荷域においてウェストゲートバルブ３１を開とする制御である。そしてＥＣＵ８は、エンジン運転状態に応じてこれらノーマルクローズ制御とノーマルオープン制御とを切り替える。

ＥＣＵ８は、図２に示すようなノーマルクローズ制御用マップと、図３に示すようなノーマルオープン制御用マップとのいずれかに従ってウェストゲートバルブ３１を制御する。これらマップでは、エンジン回転数Ｎｅ及びエンジン負荷ＫＬに応じたウェストゲートバルブ（ＷＧＶ）３１の開閉状態が規定されている。「ＷＧＶ閉」はウェストゲートバルブ３１が全閉であることを意味し、「ＷＧＶ開」はウェストゲートバルブ３１が全開であることを意味する。点Ｐｉはアイドリング点を示し、エンジン温間時にエンジンがアイドリング状態となっているときの所定のアイドリング回転数Ｎｅｉ及びエンジン負荷ＫＬｉに対応した点である。

図２に示すように、ノーマルクローズ制御の場合、アイドリング点Ｐｉ及びその付近の低回転且つ低負荷域において、ウェストゲートバルブ３１は閉とされる。また図３に示すように、ノーマルオープン制御の場合、アイドリング点Ｐｉ及びその付近の低回転且つ低負荷域において、ウェストゲートバルブ３１は開とされる。かかる低回転且つ低負荷域からエンジンの加速（回転及び負荷上昇）を始めると、ノーマルクローズ制御の場合では高負荷域になるまでウェストゲートバルブ３１の閉状態が維持され、高負荷域に突入し過給圧が所定値に達した時点でウェストゲートバルブ３１は開弁される。他方、ノーマルオープン制御の場合では中負荷域でウェストゲートバルブ３１が一旦閉じられ、さらに高負荷域に突入するとウェストゲートバルブ３１が開弁される。

これから分かるように、ノーマルクローズ制御は一般的なウェストゲートバルブの制御態様である。これに対し、ノーマルオープン制御は、主に触媒２０の暖機を促進するための制御態様である。即ち、通常過給を必要としない低回転且つ低負荷域でウェストゲートバルブ３１を開とすると、機関始動時、アイドリング時（冷間始動後のファーストアイドル時を含む）及び排気ガス量が少ない運転状態のときに、排気ガスをタービンをバイパスさせて（即ちバイパス通路３０を通じて）触媒２０に流入させることができる。そして排気ガスのタービンによる冷却を抑制すると同時に、比較的高温な排気ガスを触媒２０に供給し、触媒２０の暖機性向上と床温維持とを図ることができる。

しかし、ノーマルオープン制御を採用すると、ノーマルクローズ制御を採用する場合に比べ、低回転且つ低負荷域でのタービン回転速度が低くなる。そしてこの状態から加速が開始され、過給状態に移行しようとするとき、図３からも分かるように、まずウェストゲートバルブ３１が閉じられてからタービン回転速度が上昇し過給が開始する。従って加速開始から過給開始までの間にタイムラグが生じ、加速レスポンスが悪化してしまう。

そこで本実施形態では、エンジン運転状態に応じてノーマルクローズ制御とノーマルオープン制御とを切り替えるようにしており、具体的にはエンジン運転状態に応じて、さらには触媒の暖機状態に応じて、図２及び図３に示したマップを切り替えて使用するようにしている。

以下、ウェストゲートバルブ３１の制御方法について図４のフローチャートに沿って説明する。図４は、ウェストゲートバルブ３１を制御するための過給制御ルーチンを示すフローチャートである。この過給制御ルーチンはＥＣＵ８によって所定の演算周期τ毎に繰り返し実行される。

ＥＣＵ８は、先ずステップＳ１０１において、触媒２０の温度（触媒床温）Ｔｃを推定すると共に、この推定触媒温度Ｔｃが所定の活性開始温度Ｔｃｓ（例えば２５０℃）以上となっているか否かを判断する。触媒温度Ｔｃの推定に関して、ＥＣＵ８は、クランクポジションセンサ９の出力信号に基づいて算出された機関回転数Ｎｅと、エアフローメータ１２の出力信号に基づいて算出された吸入空気量Ｇａとに基づいて、図示しない所定のマップ又は関数に従い、触媒温度Ｔｃを推定する。なお触媒温度推定に用いるパラメータは機関回転数Ｎｅ及び吸入空気量Ｇａ以外のものも可能であり、また、温度センサで触媒温度Ｔｃを直接検出するようにしてもよい。

推定触媒温度Ｔｃが活性開始温度Ｔｃｓ未満である場合、ＥＣＵ８はステップＳ１０４においてノーマルオープン制御を選択、採用すると共に、図３に示したノーマルオープン制御用マップを用いてウェストゲートバルブ３１を制御する。この場合、触媒２０が未活性状態にあるので、触媒２０を積極的に暖機し早期に活性化させるべく、ノーマルオープン制御を採用する。

他方、推定触媒温度Ｔｃが活性開始温度Ｔｃｓ以上である場合、ＥＣＵ８はステップＳ１０２において、エンジンの加減速頻度が大であるか否か及びエンジンの加速要求が有るか否かを判断する。ＥＣＵ８は、エンジンの加減速頻度が大でなく、且つエンジンの加速要求が無いと判断した場合、ステップＳ１０４においてノーマルオープン制御を選択、採用し、触媒２０の暖機を優先してウェストゲートバルブ３１を制御する。

他方、ＥＣＵ８は、エンジンの加減速頻度が大であるか、又はエンジンの加速要求が有ると判断した場合、ステップＳ１０３においてノーマルクローズ制御を選択、採用する。即ち図２に示したノーマルクローズ制御用マップを用いてウェストゲートバルブ３１を制御する。これによりドライバビリティや加速レスポンスを優先したウェストゲートバルブ３１の制御がなされる。

エンジンの加減速頻度が大の場合及びエンジンの加速要求が有る場合のいずれも、ターボチャージャ５に迅速な加速レスポンスが要求されるので、ノーマルクローズ制御が採用される。自動車に搭載されたエンジンの場合、エンジンの加減速頻度が大の場合は例えば市街地走行のときに起こり、エンジンの加速要求有りの場合は例えば登坂路走行のときに起こる。ノーマルクローズ制御を採用することにより、アイドリングを含む低回転且つ低負荷域（例えば停車時や微速走行時に起こる）において、タービンに排気ガスの全量を送り、タービン回転速度をある程度高く保つことができる。そして、例えば車両の発進時、加速時及び登坂走行時、この状態からアクセル開度が増大され、負荷が増大されると、排気ガスがバイパスすることなくタービンに全量送られるので、タービン回転速度が即座に上昇し過給が開始する。従ってノーマルオープン制御時に見られるようなタイムラグを無くし、加速レスポンスを向上することができる。

ここで、エンジンの加減速頻度が大か否かの判断、及びエンジンの加速要求が有るか否かの判断は、例えば次の方法で行うことができる。

図５には加減速頻度の大きさを表すパラメータ、即ち加減速パラメータの計測方法を説明するためのタイムチャートを示す。加減速頻度、特に市街地走行を想定した加減速頻度は、アクセル開度の増減の頻度に相関するので、ここではアクセル開度の増減の頻度を計測してその値を加減速パラメータの値とする。具体的には、ＥＣＵ８は、所定の演算周期τ毎に、アクセルポジションセンサ１０の出力信号に基づいて算出されたアクセル開度Ａｃの値を取得する。そしてその演算周期τ間におけるアクセル開度Ａｃの変化量ΔＡｃ（絶対値）を、所定時間Δｔａ即ち時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間、順次積算する。これにより時刻ｔ１の時点で得られた最終的な積算値ΣΔＡｃを、加減速パラメータの値として求める。求められた加減速パラメータの値ΣΔＡｃが所定値を上回っているときは加減速頻度が大、逆に所定値以下のときは加減速頻度が大ではない（小である）と判断する。なお、一旦加減速頻度が大と判断されたときは、その判断結果が所定時間保持され、これにより市街地走行を行っている間、ノーマルクローズ制御を維持することができる。

図６には加速要求の有無の判断方法を説明するためのタイムチャートを示す。加速要求、特に登坂路走行を想定した加速要求の有無は、アクセル開度が所定値を超えている時間に関係するので、ここではそのような時間に基づいて加速要求の有無を判断する。具体的には、ＥＣＵ８は、所定の演算周期τ毎に、アクセルポジションセンサ１０の出力信号に基づいて算出されたアクセル開度Ａｃの値を取得する。そして、アクセル開度Ａｃが所定値Ａｃｓを超えた時点ｔ１０から、タイマ等により時間のカウントを開始する。アクセル開度Ａｃが所定値Ａｃｓを超えている時間が所定時間Δｔｂ即ち時刻ｔ１１まで継続したとき加速要求有り、逆に所定時間Δｔｂ即ち時刻ｔ１１まで継続しなかったとき加速要求無しと判断する。なお、一旦加速要求有りと判断されたときは、その判断結果が所定時間保持され、これにより登坂路走行を行っている間、ノーマルクローズ制御を維持することができる。

以上述べたように、ＥＣＵ８が図４の過給制御ルーチンを実行することにより、触媒暖機性と加速レスポンスの両立を図ることができる。

以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば、加減速頻度の大きさはアクセル開度の代わりに車速で表すこともできる。この場合、車速センサの出力信号に基づいて車速を検出し、前記アクセル開度を車速に置き換えて同様の方法で加減速頻度の大きさを計測することができる。また図４の過給制御ルーチンにおいて、ステップＳ１０１を省略してもよく、ステップＳ１０２において加減速頻度及び加速要求のいずれか一方により判断を行ってもよい。内燃機関の用途や形式等は特に限定されず、例えば自動車用以外であってもよいし、ガソリンエンジン或いはディーゼルエンジンであってもよい。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本実施形態の内燃機関の概略構成を示す図である。 ノーマルクローズ制御用マップを示す図である。 ノーマルオープン制御用マップを示す図である。 過給制御ルーチンを示すフローチャートである。 加減速パラメータの計測方法を説明するためのタイムチャートである。 加速要求の有無の判断方法を説明するためのタイムチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 排気通路
５ ターボチャージャ
８ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
９ クランクポジションセンサ
１０ アクセルポジションセンサ
１２ エアフローメータ
２０ 触媒
３０ バイパス通路
３１ ウェストゲートバルブ
５０ タービンハウジング
５１ コンプレッサハウジング
５００ タービンホイール
５０１ コンプレッサホイール

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に設けられたターボチャージャのタービン上流とタービン下流を連通させるバイパス通路と、
   前記バイパス通路に設けられたウェストゲートバルブと、
   前記排気通路における前記バイパス通路の接続部よりも下流側に設けられた触媒と、
   前記ウェストゲートバルブを制御する制御手段であって、アイドリングを含む低回転且つ低負荷域において前記ウェストゲートバルブを閉とするノーマルクローズ制御と前記ウェストゲートバルブを開とするノーマルオープン制御とを、機関運転状態に応じて切り替える制御手段と
   を備えることを特徴とするターボ過給式内燃機関。
2. 前記制御手段は、前記内燃機関の加減速頻度の大小及び加速要求の有無の少なくとも一方に応じてノーマルクローズ制御とノーマルオープン制御とを切り替える
   ことを特徴とする請求項１記載のターボ過給式内燃機関。
3. 前記制御手段は、前記触媒の温度に応じてノーマルクローズ制御とノーマルオープン制御とを切り替える
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のターボ過給式内燃機関。

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