JP2009287409A - ターボ過給機付きエンジンの排気温度検出装置及びその劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インスクロール式のターボ過給機を備えるエンジンについて、低コストで、かつ精度良く排気温度を検出する。
【解決手段】複数気筒を有し、排気側にターボ過給機９を備えるエンジン１の排気温度検出装置であって、排気通路は排気圧力が干渉しない組み合わせとなる気筒群の排気通路が合流してそれぞれ独立した第１排気通路７ａ及び第２排気通路７ｂを形成し、ターボ過給機９は、少なくとも入口部分が第１流路９ｅ及び第２流路９ｆに分割され、内部で第１流路９ｅと第２流路９ｆが合流するタービンハウジング９ｄと、第１流路９ｅと第２流路９ｆの合流部より下流側の流路９ｇとタービンロータ下流側の流路８を、タービンロータ９ｂを迂回して連通するバイパス通路２０と、バイパス通路２０を開閉するウエストゲートバルブ２１と、を備え、バイパス通路２０に臨むように排気温度検出手段１０を設けたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボ過給機を備えるエンジンの、排気温度を測定するための構成に関する。

自動車用エンジンの出力向上のための装置として、エンジンの排気により駆動するターボ過給機が知られている。そして、更なる出力向上のための手段として、ターボ過給機のタービンハウジング入口からタービンまでの通路が２つの分割されており、例えば４気筒エンジンであれば、点火順序が奇数番目の２つの気筒（例えば＃１気筒と＃４気筒）からの排気通路が合流してタービンハウジングの一方の通路に接続され、同様に点火順序が偶数番目の２つの気筒（例えば＃２気筒と＃３気筒）からの排気通路が合流してタービンハウジングの他方の通路に接続される、いわゆるツインスクロール式のターボ過給機が特許文献１に開示されている。

このツインスクロール式ターボ過給機によれば、＃１気筒、＃４気筒用の排気通路の容積と、＃２気筒、＃３気筒用の排気通路の容積は、エンジン本体からターボ過給機に至る排気通路を分割しない場合に比べて小さくなるので、各気筒から排出される排気ガスの膨張率が小さくなり、ターボ過給機のタービンに作用する排気圧力が高まるので、エンジンの出力が向上する。
特開２００７−１５４７０３号公報

ところで、ターボ過給機では、排気温度の管理が重要となる。例えば、タービン部分は高温に晒されるので、ターボ過給機の正常な作動を確保するために、タービン部分の温度が所定の設定温度に達したら、ウエストゲートバルブを開くことによって排気ガスがタービンを迂回して流れるようにし、それ以上の温度上昇を防止する必要がある。また、排気浄化装置の浄化性能を確保するためにも、精度のよい排気温度の検出が必要である。

特許文献１では、排気温度に基づいて排気浄化装置の早期活性化のための制御を行っているが、排気温度を直接検知せずに冷却水温から間接的に求めている。このような間接的な推定では検出精度は低く、ターボ過給機の正常な作動を確保するための制御には適さない。

そこで、排気温度センサを用いて直接検知する方法が考えられるが、ツインスクロール式ターボ過給機は、タービンハウジング内の通路が分割され、この通路に接続される排気通路も独立しているので、ターボ過給機より上流側の排気温度を検出しようとすると、１つの排気温度センサでは一方の気筒群からの排気温度しか検出できない。また、それぞれの排気通路に排気温度センサを設けると、コストが増大してしまう。

一方、ターボ過給機下流側であれば、１つの排気温度センサで検出可能であるが、ウエストゲートバルブが開いてターボ過給機を迂回した排気ガスと、タービンを通過した排気ガスとが合流することによる流れの乱れ等があるため、精度の高い温度測定が困難である。

そこで、本発明では、ツインスクロール式のターボ過給機を備えるエンジンについて、低コストで、かつ精度良く排気温度を検出することを目的とする。

本発明の排気温度検出装置は、複数気筒を有し、排気側にターボ過給機を備えるエンジンの排気温度検出装置であって、エンジンの排気通路は、排気圧力が干渉しない組み合わせとなる気筒群の排気通路が合流してそれぞれ独立した第１排気通路及び第２排気通路を形成し、ターボ過給機は、少なくとも入口部分が第１排気通路及び第２排気通路に対応する第１流路及び第２流路に分割され、内部で前記第１流路と第２流路が合流するタービンハウジングと、第１流路と第２流路の合流部より下流側の流路とタービンロータ下流側の流路を、タービンロータを迂回して連通するバイパス通路と、バイパス通路を開閉するウエストゲートバルブと、を備え、バイパス通路に臨むように排気温度検出手段を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、１つの排気温度センサで、いずれの気筒群からの排気ガスについても温度を検出することができる。また、バイパス通路中の排気温度を検出するので、タービンを通過した排気ガスとバイパス通路を通過した排気ガスとの合流により生じる乱れの影響を受けることなく、高精度で検出することができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態を直列４気筒エンジンに適用する場合のシステムの構成を示す図である。

１はエンジン本体（以下、単に「エンジン」という）、２は吸気マニホールド、３はコレクタタンク、４はスロットルチャンバ、５は吸気通路、６はインタークーラ、７は排気マニホールド、８は排気通路、９はツインスクロール式のターボ過給機、１０は排気温度センサ（排気温度検出手段）、１１はコントロールユニット（開弁手段、診断手段）である。

エンジン１に供給する吸気通路５には、上流側から順にターボ過給機９のコンプレッサ９ａ、コンプレッサ９ａにより加圧され温度上昇した吸気を冷却するためのインタークーラ６、コレクタタンク３に流入する吸気量を調節するスロットルチャンバ４を設ける。

排気マニホールド７は、１番気筒に接続されるブランチと４番気筒に接続されるブランチとが合流する流路７ａ（第１排気通路）と、同様に２番気筒に接続されるブランチと３番気筒に接続されるブランチとが合流する流路７ｂ（第２排気通路）と、がそれぞれ独立した構成となっている。

ターボ過給機９は、吸気通路５に介装するコンプレッサ９ａと排気マニホールド７の下流端に接続するタービン９ｂとがシャフト９ｃを介して接続されており、タービン９ｂが排気エネルギにより回転するとコンプレッサ９ａも回転し、これにより吸入空気を圧送する。また、タービンハウジング９ｄの入口部近傍は２つの流路９ｅ、９ｆ（第１流路、第２流路）に分割されており、これらの流路９ｅ、９ｆは上記排気マニホールド７の２つの流路７ａ、７ｂのそれぞれと接続される。

コントロールユニット１１は、図示しないアクセル開度センサ、クランク角センサ等といった各種センサの検出値に基づいて、燃料噴射制御、点火時期制御、スロットルチャンバ４の開度制御等、さらには後述するタービン保護制御を行う。

図２は、ターボ過給機９のタービン側の構成を説明するための模式図である。

タービンハウジング９ｄの排気マニホールド７の接続部近傍は、流路７ａ、７ｂのそれぞれと連通するように、流路が９ｅ、９ｆの２系統に分割されている。

バイパス通路２０は、タービン９ｂの上流側と下流側とを、タービン９ｂを迂回して連通する通路であり、上流側の開口部は、タービンハウジング９ｄの流路９ｅ、９ｆが合流する部分より下流側に設ける。バイパス通路２０のタービン下流側開口部には、この開口部を開閉するウエストゲートバルブ２１を設ける。

ウエストゲートバルブ２１は、一般的なターボ過給機に用いるものと同様の方式、例えば図示しない過給圧コントロールアクチュエータを用いたスイングバルブ方式等、を適用することができる。

ただし、後述するように、コントロールユニット１１により図示しない過給圧アクチュエータを作動させ、過給圧にかかわらず強制的にウエストゲートバルブ２１を開弁することが可能である。

バイパス通路２０のタービン９ｂ下流側開口部付近には、排気温度センサ１０を設ける。

このような構成のツインスクロール式のターボ過給機９では、ウエストゲートバルブ２１が開弁すると、流路９ｅ及び流路９ｆからの排気ガスの一部がバイパス通路２０を通過するようになる。このため、一つの排気温度センサ１０で、両気筒群の排気温度を測定することが可能となる。

なお、図２はあくまでも模式的に示した図であり、バイパス通路２０の流路形状等はこれに限られるわけではない。例えば図４に示すように、バイパス通路２０が、タービンハウジング９ｄと排気通路８との接続面に開口する構成であってもよい。

ところで、ターボ過給機９は高温の排気ガスに晒されるため、正常な動作を確保するためには、的確な温度コントロールが必要である。そこで、以下に説明するようなターボ過給機保護のための制御を実行する。

図３は、コントロールユニット１１が実行するターボ過給機保護制御のフローチャートである。

ステップＳ１００では、排気温度を測定する必要がある領域（排気温度測定領域）であるか否かを判定する。ここで、排気温度測定領域とは、後述するターボ過給機保護のための制御を実行した方がよい可能性がある運転領域、つまり高負荷運転領域のように排気温度が高まる運転領域である。そこで、排気温度測定領域を設定した運転領域マップを予め作成しておき、アクセル開度及びエンジン回転速度等に基づいて現在の運転領域を算出し、これが排気温度測定領域であるか否かを判定する。

判定の結果、排気温度測定領域であればステップＳ１０１に進み、そうでなければステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０１では、ウエストゲートバルブ２１が閉じているか否かを判定する。ウエストゲートバルブ２１は、原則として過給圧が高まると開弁するものであるから、使用するウエストゲート２１の仕様（設定開弁圧等）に応じて、開弁領域と閉弁領域とに分けたマップを予め作成しておき、このマップに基づいて開弁領域か閉弁領域かを判定する。

なお、実際の運転では、設定開弁圧以下の運転領域でも排気の圧力により、微小開度だけ開弁することもあるが、このような状態は、ここでいう開弁状態には含まない。

ステップＳ１０１で閉弁領域と判定した場合にはステップＳ１０２に進み、開弁領域と判定した場合はステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０２では、ウエストゲートバルブ２１の目標開度を設定する。この開度は、ウエストゲートバルブ２１を開くことによって生じるトルク変動の大きさと、排気温度センサ１０で排気温度の検出が可能になる排気流量と、に基づいて設定する。

ウエストゲートバルブ２１を開弁すると、タービン９ｂを通過する排気の流量が減少するため、エンジントルクが低下する。そこで、エンジン１の吸気量、回転速度等に基づいて現在の運転状態における排気流量を演算し、この排気流量の状態でウエストゲートバルブ２１を開弁したときのタービン９ｂ通過排気流量の低下量を、ウエストゲートバルブ２１の開度ごとに演算する。そして、タービン９ｂ通過排気流量低下によるエンジントルク低下量を演算する。

一方、排気温度センサ１０で排気温度を検出するのに必要となる排気流量を実験等により予め求めておき、現在の運転状態ではどの程度ウエストゲートバルブ２１を開弁すれば排気温度検出が可能になるかを求める。

そして、排気温度の検出が可能であり、かつ、できるだけエンジントルク低下量が小さくなるような開度を目標開度として設定する。

なお、上記演算を行う代わりに、ウエストゲート２１の開度とトルク低下量との関係およびウエストゲートバルブ２１の開度とバイパス通路２０を通過する排気流量との関係をマップ化したものを運転状態ごとに作成しておき、これを検索するようにしてもよい。

ステップＳ１０３では、ウエストゲート２１を強制的に上記算出した最大開度まで開く。

ステップＳ１０４では、排気温度センサ１０により排気温度を検出する。

ステップＳ１０５では、検出した排気温度が予め設定した所定の閾値より低いか否かを判定する。所定の閾値は、使用するシャフト９ｃの軸受け構造やタービン９ｂの材質等により異なる。そこで、使用するターボ過給機９の仕様に応じて、ターボ過給機９の正常な作動を保障できる最高温度付近の温度を設定する。

排気温度が閾値より低い場合はそのまま処理を終了し、閾値以上の場合はステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、ターボ過給機９保護のためのフェールセーフ制御を実行する。フェールセーフ制御としては、例えば、点火時期遅角化等のように、排気温度低下のための制御として一般的に知られているものを適用することができる。

一方、ステップＳ１００で排気温度測定領域でないと判定した場合は、ステップＳ１０７で、現在アイドル運転状態であるか否かを判定する。アイドル運転状態の場合はステップＳ１０８に進み、そうでない場合は処理を終了する。

ステップＳ１０８では、現在のアイドル状態が、エンジン始動後最初のアイドル（１トリップ中で最初のアイドル）状態か否かを判定する。最初であればステップＳ１０９に進み、そうでなければ処理を終了する。なお、１トリップ中で最初のアイドル状態とは、原則的には、エンジン始動開始時のいわゆるファーストアイドル時である。

ステップＳ１０９では、ウエストゲートバルブ２１を強制的に開弁する。ここでの開度は、排気温度センサ１０が排気温度検出可能な排気流量となるような開度とする。

ステップＳ１１０では、劣化診断を行う。具体的には、アイドル状態の排気温度を実験等により求めておき、この実験値と排気温度センサ１０の検出値との比較を行う。両者の差が許容範囲内であれば排気温度センサ１０は正常、許容範囲外であれば劣化していると判定する。なお、アイドル運転中は、排気温度が他の運転状態に比べて安定しているので、好適な条件で劣化診断を行うことになる。

ステップＳ１１１では、劣化診断結果は正常であったか否かを判定し、正常の場合は処理を終了し、劣化している場合はステップＳ１１２に進み、例えばＭＩＬを点灯する等して処理を終了する。

本実施形態の構成では、ウエストゲートバルブ２１が開弁しなければ、排気温度センサ１０で排気温度を検出することはできない。つまり、排気温度センサ１０の劣化診断は、ウエストゲートバルブ２１が開弁状態でなければ実行できない。

そのため、仮に、運転状態に応じてウエストゲートバルブ２１が開弁したときに劣化診断を行うようにすると、運転者がウエストゲートバルブ２１の設定開弁圧まで過給圧が上昇するような運転を行わない場合には、劣化診断の機会がなくなるおそれがある。ところが本実施形態では、ステップＳ１０７〜Ｓ１１２を実行することにより、１トリップ中に１回は劣化診断の機会を設けることができる。

なお、１トリップ中の劣化診断機会を増やしたい場合には、定期的にステップＳ１０８からステップＳ１０９に進むようにすればよい。

また、ステップＳ１０８〜Ｓ１０９により、ファーストアイドル時にはウエストゲートバルブ２１が開弁することになる。したがって、ファーストアイドル時にはタービン９ｂを迂回した相対的に高温の排気ガスが排気通路８に流入することとなり、図示しない排気浄化触媒の早期活性化を図ることができる。このように排気浄化触媒の早期活性化を図る場合には、ステップＳ１０９での開弁開度を全開にして、より効率的な活性化を図ってもよい。このとき、ステップＳ１１０において検出した排気温度に基づいて、排気浄化触媒の温度を推定すれば、排気浄化触媒の活性化のための点火時期等の制御を、より高精度で行うことができる。

さらに、アイドル運転中には、燃料タンク中のエバポガスを吸気通路５にパージする、いわゆるアイドルパージを行う場合がある。このアイドルパージは、一般的に、図示しない空燃比センサの検出値に基づいてパージ量をフィードバック制御するが、過給機付きエンジンでタービン下流側に空燃比センサを設けると、過給機を備えない、いわゆる自然吸気エンジンに比べて、空燃比センサの応答性が低くなるという問題があった。これは、タービンのもつヒートマスにより、タービン通過後の排気機温度が低下すること、またタービンを通過する分だけ流路が長くなることに起因する。

しかし、本実施形態では、アイドル運転時にタービン９ｂを迂回して排気が流れるので、自然吸気エンジンと同様の応答性を確保することができる。

以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。

（１）ツインスクロール式のターボ過給機９を備えるエンジン１の排気温度検出装置であって、第１流路９ｅと第２流路９ｆの合流部より下流部分とタービン９ｂより下流部分とを連通するバイパス通路２０と、これを開閉するウエストゲートバルブ２１とを備え、バイパス通路２０に臨むように排気温度センサ１０を設けたので、１つの排気温度センサ１０で、第１流路９ｅ、第２流路９ｆのいずれを通過した排気についても温度を検出することができる。すなわち、いずれかの気筒群だけが正常状態よりも高い排気温度になった場合等でも、これを検知することができる。

また、ターボ過給機９内部の排気温度を検出できるので、ターボ過給機９を保護するための制御を、より高精度で行うことができる。

（２）ウエストゲートバルブ２１は、バイパス通路２０のタービン９ｂ下流側端部に設けられ、予め設定した開弁圧より過給圧の方が高い高負荷運転時には開弁し、過給圧の方が低い低負荷運転時には閉弁するものであって、排気温度センサ１０は、バイパス通路２０のウエストゲートバルブ２１近傍に臨むように配置されているので、ウエストゲートバルブ２１から排気漏れの有無に関係なく、精度良く排気温度を検出することができる。

（３）アイドル運転時に、ウエストゲートバルブ２１を強制的に開弁させて排気温度センサの劣化診断を行うので、排気の流れが安定した状態で診断することができ、より正確な診断を行うことができる。

（４）ウエストゲートバルブ２１を強制的に開弁させて行う劣化診断を、エンジン始動から停止までの１トリップ中に少なくとも１回実行するので、１トリップ中にウエストゲートバルブ２１が開弁するような運転状態になる機会がなくても、劣化診断の機会を確保することができる。

なお、上記実施形態の説明では、直列４気筒エンジンに適用する場合について説明したが、他の形式のエンジンであっても同様に適用することができる。

また、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本実施形態を適用するエンジンシステムの構成図である。 タービンハウジング内部の模式図の一例である。 排気温度測定及び劣化診断のための制御のフローチャートである。 タービンハウジング内部の模式図の他の例である。

符号の説明

１ エンジン本体
２ 吸気マニホールド
３ コレクタタンク
４ スロットルチャンバ
５ 吸気通路
６ インタークーラ
７ 排気マニホールド
８ 排気通路
９ ターボ過給機
１０ 排気温度センサ
１１ コントロールユニット
２０ バイパス通路
２１ ウエストゲートバルブ

Claims (5)

1. 複数気筒を有し、排気側にターボ過給機を備えるエンジンの排気温度検出装置であって、
   前記エンジンの排気通路は、排気圧力が干渉しない組み合わせとなる気筒群の排気通路が合流してそれぞれ独立した第１排気通路及び第２排気通路を形成し、
   前記ターボ過給機は、
   少なくとも入口部分が前記第１排気通路及び第２排気通路に対応する第１流路及び第２流路に分割され、内部で前記第１流路と第２流路が合流するタービンハウジングと、
   前記第１流路と第２流路の合流部より下流側の流路とタービンロータ下流側の流路を、タービンロータを迂回して連通するバイパス通路と、
   前記バイパス通路を開閉するウエストゲートバルブと、
   を備え、
   前記バイパス通路に臨むように排気温度検出手段を設けたことを特徴とするターボ過給機付きエンジンの排気温度検出装置。
2. 前記ウエストゲートバルブは、前記バイパス通路のタービンロータ下流側端部に設けられ、予め設定した開弁圧より過給圧の方が高い高負荷運転時には開弁し、過給圧の方が低い低負荷運転時には閉弁するものであって、
   前記排気温度検出手段は、前記バイパス通路の前記ウエストゲートバルブの上流側近傍に臨むように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機付きエンジンの排気温度検出装置。
3. 請求項１または２に記載のターボ過給機付きエンジンの排気温度検出装置の劣化診断装置であって、
   前記ウエストゲートバルブを過給圧にかかわらず強制的に開弁させ得る開弁手段と、
   前記排気温度検出手段の出力に基づいて劣化診断を行う診断手段と、
   を備え、
   前記エンジンが所定の運転状態にあるときに、前記ウエストゲートバルブを強制的に開弁させて前記排気温度検出手段の劣化診断を行うことを特徴とするターボ過給機付きエンジンの排気温度検出装置の劣化診断装置。
4. 前記所定の運転状態は、アイドル運転であることを特徴とする請求項３に記載のターボ過給機付きエンジンの排気温度検出装置の劣化診断装置。
5. 前記劣化診断手段は、前記劣化診断をエンジン始動から停止までの１トリップ中に少なくとも１回実行することを特徴とする請求項４に記載のターボ過給機付きエンジンの排気温度検出装置の劣化診断装置。

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