JP2010209735A

JP2010209735A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2010209735A
Application number: JP2009054846A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Anzai; 俊介安西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-09-24

Abstract

【課題】過給圧の追従性を低下させることなく排気浄化触媒の暖機を促進する。
【解決手段】高圧段タービン２２及び低圧段タービン１２は、それぞれ、エンジン１の排気通路４に排気の流れ方向に間隔を空けて直列に配置され、この排気の流れにより、回転駆動される。低圧段タービン１２の回転トルクは、電動機１４によりアシスト可能となっている。また、低圧段タービン１２より下流側の排気通路４には酸化触媒６が配置される。更に、低圧段タービン１２をバイパスする低圧段排気バイパス通路４３が設けられており、この低圧段排気バイパス通路４３には、その開閉を行う排気バイパス弁４４が設けられている。制御装置８は、酸化触媒６の暖機要求時に、排気バイパス弁４４を開弁して排気を低圧段タービン１２をバイパスさせると共に、電動機１４により低圧段タービン１２の回転トルクをアシストする制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給機を備える内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１では、排気タービン式過給機を備える内燃機関において、過給機のタービンケースに、排気をタービンに導入する通路と、タービンをバイパスして排気を流すバイパス通路と、を併設すると共に、両通路の何れの通路に排気を導入するかを切り替える切替弁を設け、内燃機関始動時に、この切替弁によって排気をタービンをバイパスさせて、排気通路中の触媒に流入させている。

特開２００２−１９５０４６号公報

ところで、過給機を備える内燃機関の一形態として、いわゆる２ステージターボシステムが知られている。これは、内燃機関の吸気通路及び排気通路に低圧段ターボ及び高圧段ターボを備えた構成であり、第１段目に低圧段ターボによる過給、第２段目に高圧段ターボによる過給という２段の過給が行えるようになっているものである。

この２ステージターボシステムでは、内燃機関の運転領域が低負荷・低回転域である場合に、高圧段ターボのみで運転をすることが可能であるが、システムの構成上、低圧段ターボの駆動源である低圧段タービンを排気が通過するため、排気温度が低下する。このため、低圧段タービンより下流側の排気通路に備えられた排気浄化用の触媒（例えば酸化触媒）の冷間時に触媒の温度が十分に上がらず、排気中の未燃成分である炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）などの浄化性能が悪化する。

また、上述の排気温度低下を抑制するために排気を低圧段タービンをバイパスさせると、低圧段タービンに供給される排気流量が減少し、低圧段タービンを十分に回転させることができなくなる。このため、加速（回転、負荷上昇）時に、低圧段タービンをバイパスしていた排気が低圧段タービンを通過するように低圧段タービンの使用状態を変更する際に、過給できる回転数に至るまでの間、過給遅れが発生する。換言すれば、低圧段ターボの使用状態が移行する過渡モードでは過給圧が十分に追従できないので、操縦性が悪化する。

本発明は、これらの課題に着目してなされたものであり、過給圧の追従性を低下させることなく排気浄化触媒の暖機を促進することを目的とする。

このため本発明では、排気通路に配置されて排気により駆動される高圧段タービンと、吸気通路に配置されて高圧段タービンの回転トルクにより駆動される高圧段コンプレッサと、を有する高圧段ターボと、高圧段タービンより下流側の排気通路に配置されて排気により駆動される低圧段タービンと、高圧段コンプレッサより上流側の吸気通路に配置されて低圧段タービンの回転トルクにより駆動される低圧段コンプレッサと、を有する低圧段ターボと、低圧段タービンより下流側の排気通路に配置される排気浄化触媒と、排気通路に設けられて低圧段タービンをバイパスする低圧段排気バイパス通路と、低圧段排気バイパス通路の開閉を行う排気バイパス弁と、低圧段タービンの回転トルクをアシスト可能な電動機と、を備える。

また、排気浄化触媒の暖機要求時に、排気バイパス弁を開弁して排気を低圧段タービンをバイパスさせると共に、電動機により低圧段タービンの回転トルクをアシストする。

本発明によれば、排気浄化触媒の暖機要求時に、排気バイパス弁を開弁することにより、低圧段タービンをバイパスする排気が増加するので、排気が低圧段タービンを通過することに起因する排気温度低下を抑制することができ、排気浄化触媒の暖機を促進することができる。更に、電動機によって低圧段タービンの回転トルクをアシストすることにより、排気バイパス弁の開弁に起因する低圧段タービンの回転トルクの減少分を補うことができるので、低圧段ターボの使用状態が移行する過渡モードにおいても過給圧の追従性を確保することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図本実施形態における機関運転条件と２ステージターボシステムの使用状態との関係を示す図低圧段タービンの回転トルクを補うための一構成例を示す図低圧段タービンの回転トルクを補うための他の構成例を示す図低圧段タービンの出口における排気温度を上昇させるための一構成例を示す図

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態における内燃機関（以下、エンジンという）の概略構成を示す。

エンジン１は、筒内直接噴射式又は吸気ポート噴射式のエンジンであり、吸入空気を過給する低圧段ターボ（ＬＰ）１０と、低圧段ターボ１０を経た吸気を更に過給する高圧段ターボ（ＨＰ）２０と、を直列に配置した２ステージターボシステムによって、過給を行うことが可能である。低圧段ターボ１０は、吸気通路３に配置されて吸入空気を過給する低圧段コンプレッサ１１と、低圧段コンプレッサ１１の駆動源である低圧段タービン１２と、低圧段タービン１２で発生する回転トルクを低圧段コンプレッサ１１に伝達する回転軸１３と、回転軸１３をロータとする電動機１４と、を備える。尚、電動機１４は、図示しないバッテリから供給される電力により回転軸１３を回転駆動して回転トルクを発生させ、この回転トルクにより、低圧段タービン１２の回転トルクをアシストすることが可能である。一方、高圧段ターボ２０は、低圧段コンプレッサ１１より下流側の吸気通路３に配置されて吸気を過給する高圧段コンプレッサ２１と、高圧段コンプレッサ２１の駆動源である高圧段タービン２２と、高圧段タービン２２で発生する回転トルクを高圧段コンプレッサ２１に伝達する回転軸２３と、を備える。ここで、高圧段タービン２２及び低圧段タービン１２は、それぞれ、エンジン１の排気通路４に排気の流れ方向に間隔を空けて直列に配置され、この排気の流れにより、回転駆動される。

高圧段コンプレッサ２１より下流側の吸気通路３には、圧縮によって昇温した吸気を冷却するインタークーラ５が設けられ、インタークーラ５を通過した吸気がエンジン１の吸気ポート（図示せず）に供給される。

また、吸気通路３には、高圧段コンプレッサ２１をバイパスする高圧段吸気バイパス通路３１が設けられている。高圧段吸気バイパス通路３１は、低圧段コンプレッサ１１の出口と高圧段コンプレッサ２１の入口との間における吸気通路３から分岐し、高圧段コンプレッサ２１の出口とインタークーラ５の入口との間における吸気通路３に接続する。高圧段吸気バイパス通路３１には、高圧段吸気バイパス通路３１を流れる吸気の流量を調節する吸気切替弁（ＡＣＶ）３２が設けられており、この吸気切替弁３２の弁開度を増加させるほど、高圧段コンプレッサ２１をバイパスする吸気の流量を増加させることができる。

低圧段タービン１２の下流側の排気通路４には、排気浄化触媒として酸化触媒６が配置されている。この酸化触媒６は、排気中の未燃成分である炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を酸化して浄化する。酸化触媒６は、その温度を測定する触媒温度センサ７を備えており、このセンサの出力信号が、後述する制御装置８に送信される。

また、排気通路４には、高圧段タービン２２をバイパスする高圧段排気バイパス通路４１が設けられている。高圧段排気バイパス通路４１は、エンジン１の排気ポート（図示せず）と高圧段タービン２２の入口との間における排気通路４から分岐し、高圧段タービン２２の出口と低圧段タービン１２の入口との間における排気通路４に接続する。高圧段排気バイパス通路４１には、高圧段吸気バイパス通路４１を流れる排気の流量を調節する排気切替弁（ＥＣＶ）４２が設けられており、この排気切替弁４２の弁開度を増加させるほど、高圧段タービン２２をバイパスする排気の流量を増加させることができる。

更に、排気通路４には、低圧段タービン１２をバイパスする低圧段排気バイパス通路４３が設けられている。低圧段排気バイパス通路４３は、高圧段タービン２２の出口と低圧段タービン１２の入口との間における排気通路４から分岐し、低圧段タービン１２の出口と酸化触媒６の入口との間における排気通路４に接続する。低圧段排気バイパス通路４３には、低圧段吸気バイパス通路４３を流れる排気の流量を調節する排気バイパス弁（ＥＢＶ）４４が設けられており、この排気バイパス弁４４の弁開度を増加させるほど、低圧段タービン１２をバイパスする排気の流量を増加させることができる。

制御装置８は、上述の触媒温度センサ７からの出力信号の他、エンジン１の回転数を検出する回転数センサ８１、アクセル開度を検知するアクセル開度センサ８２、吸気通路３を流れる吸入空気量を検知するエアフローメータ８３などからの出力信号を受信し、これらの信号に基づいて、エンジン１の吸入空気量や燃料噴射量などを制御すると共に、吸気切替弁３２、排気切替弁４２及び排気バイパス弁４４の弁開度を制御し、更に、電動機１４の駆動を制御する。

次に、エンジン１の運転条件に応じて制御装置８で実行される吸気切替弁３２、排気切替弁４２及び排気バイパス弁４４の弁開度制御と、電動機１４の駆動制御と、図２を用いて説明する。

図２は、本実施形態における機関運転条件と２ステージターボシステムの使用状態との関係を示す。

図２の（１）で示す第１の運転領域は、エンジン１の低負荷・低回転域である。この運転領域では、制御装置８は、酸化触媒６の暖機要求時であると判定し、吸気切替弁３２を閉弁し、排気切替弁４２を閉弁し、かつ、排気バイパス弁４４を開弁すると共に、電動機１４を回転駆動させて、低圧段タービン１２の回転トルクをアシストする。これにより、低圧段ターボ（ＬＰ）１０及び高圧段ターボ（ＨＰ）２０で過給が行われる。尚、酸化触媒６の暖機要求時か否かの判定は、エンジン１が第１の運転領域であるか否かの判定に加え、酸化触媒６の温度と、酸化触媒６が活性状態であるか否かを判別するための閾値である所定温度と、を比較し、酸化触媒６の温度が所定温度を下回った場合に、酸化触媒６は暖機要求時であると判定してもよい。ここにおいて、排気バイパス弁４４を開弁することにより、低圧段タービン１２をバイパスする排気が増加するので、排気が低圧段タービンを通過することに起因する排気温度低下を抑制することができ、酸化触媒６の暖機を促進することができる。更に、電動機１４を駆動させて低圧段タービン１２の回転トルクをアシストすることにより、排気バイパス弁４４の開弁に起因する低圧段タービン１２の回転トルクの減少分を補うことができるので、低圧段タービン１２の回転を継続したまま、酸化触媒６の暖機を行うことができる。これにより、低圧段タービン１２の使用状態が移行する過渡モードにおいても過給圧の追従性を確保することができる。

第１の運転領域において負荷上昇又は回転数上昇があり、エンジン１の運転領域が、第１の運転領域から図２の（２）で示す第２の運転領域に移行する際には、低圧段ターボ（ＬＰ）１０及び高圧段タービン（ＨＰ）２０での過給を継続しつつ、排気切替弁４２を開弁し、かつ、排気バイパス弁４４を閉弁すると共に、電動機１４による回転トルクアシストを停止する。尚、この運転領域では、排気切替弁４２の弁開度を制御することによって、高圧段タービン２２をバイパスする排気の流量を調整する。

第２の運転領域において負荷上昇又は回転数上昇があり、エンジン１の運転領域が、第２の運転領域から図２の（３）で示す第３の運転領域に移行する際には、吸気切替弁３２及び排気切替弁４２の弁開度をそれぞれ全開にする。ここにおいて、吸気切替弁３２の弁開度が全開になることにより、大部分の吸気は高圧段コンプレッサ２１をバイパスする。同様に、排気切替弁４２の弁開度が全開になることにより、大部分の排気は高圧段タービン２２をバイパスする。

第３の運転領域において負荷上昇又は回転数上昇があり、エンジン１の運転領域が、第３の運転領域から図２の（４）で示す第４の運転領域に移行する際には、排気バイパス弁４４を開弁する。尚、この運転領域では、排気バイパス弁４４の弁開度を制御することによって、低圧段タービン１２をバイパスする排気の流量を調整する。

本実施形態によれば、酸化触媒６の暖機要求時に、排気バイパス弁４４を開弁して排気を低圧段タービン１２をバイパスさせると共に、電動機１４により低圧段タービン１２の回転トルクをアシストすることにより、高圧段タービン２２からの排気を酸化触媒６に直接供給することができるので、酸化触媒６の暖機を促進することができると共に、排気を酸化触媒６に直接供給したことによる低圧段タービン１２の回転トルク低下を補うことができるので、低圧段ターボ１０の使用状態が移行する過渡モードにおいても過給圧の追従性を確保することができる。

尚、本実施形態において、酸化触媒６の暖機要求時に排気バイパス弁４４を開弁することに起因する低圧段タービン１２の回転トルク低下を補うために、図３又は図４に示す構成を付加することが可能である。

図３は、低圧段タービン１２の回転トルクを補うための一構成例を示す。

この例では、低圧段タービン１２を２スクロールとし、一方のポート９１Ａに開閉バルブ９２を付加する。この例においては、排気バイパス弁４４を開弁すると共に開閉バルブ９２を閉弁してスクロールを片閉じとすることにより、大部分の排気が低圧段タービン１２をバイパスする一方、その残りの排気は他方のポート９１Ｂで流速が確保されて低圧段タービン１２に供給されるので、低圧段タービン１２の回転トルクを補うことができる。

図４は、低圧段タービン１２の回転トルクを補うための他の構成例を示す。

この例では、低圧段タービン１２のスクロール面積を可変にするベーン９３と、ベーン駆動用のアクチュエータ９４と、を付加する。この例においては、排気バイパス弁４４を開弁すると共にアクチュエータ９４を作動させてスクロール面積を縮小させることにより、大部分の排気が低圧段タービン１２をバイパスする一方、その残りの排気は縮小されたスクロール面積により流速が確保されて低圧段タービン１２に供給されるので、低圧段タービン１２の回転トルクを補うことができる。

更に、本実施形態において、酸化触媒６の暖機要求時に低圧段タービン１２の出口における排気温度を上昇させるために、図５に示す構成を付加することが可能である。

図５は、低圧段タービン１２の出口における排気温度を上昇させるための一構成例を示す。

この例では、燃焼式ヒータ９５を搭載する車両において、燃焼式ヒータ９５の排気管９６途中に切替バルブ（２方弁）９７と、低圧段タービン１２の出口に接続する配管９８と、を付加する。この例においては、ヒータ要求に関わらず燃焼式ヒータを作動させると共に、切替バルブ９７を用いてヒータ排気を低圧段タービン１２の出口に導くことにより、低圧段タービン１２の出口における排気温度を上昇させることができる。

１エンジン（内燃機関）
３吸気通路
４排気通路
５インタークーラ
６酸化触媒（排気浄化触媒）
７触媒温度センサ
８制御装置
１０低圧段ターボ
１１低圧段コンプレッサ
１２低圧段タービン
１３回転軸
１４電動機
２０高圧段ターボ
２１高圧段コンプレッサ
２２高圧段タービン
２３回転軸
３１高圧段吸気バイパス通路
３２吸気切替弁
４１高圧段排気バイパス通路
４２排気切替弁
４３低圧段排気バイパス通路
４４排気バイパス弁

Claims

排気通路に配置されて排気により駆動される高圧段タービンと、吸気通路に配置されて前記高圧段タービンの回転トルクにより駆動される高圧段コンプレッサと、を有する高圧段ターボと、
前記高圧段タービンより下流側の前記排気通路に配置されて排気により駆動される低圧段タービンと、前記高圧段コンプレッサより上流側の前記吸気通路に配置されて前記低圧段タービンの回転トルクにより駆動される低圧段コンプレッサと、を有する低圧段ターボと、
前記低圧段タービンより下流側の前記排気通路に配置される排気浄化触媒と、
前記排気通路に設けられて前記低圧段タービンをバイパスする低圧段排気バイパス通路と、
この低圧段排気バイパス通路の開閉を行う排気バイパス弁と、
前記低圧段タービンの回転トルクをアシスト可能な電動機と、を含んで構成され、
前記排気浄化触媒の暖機要求時に、前記排気バイパス弁を開弁して排気を前記低圧段タービンをバイパスさせると共に、前記電動機により前記低圧段タービンの回転トルクをアシストすることを特徴とする内燃機関の制御装置。