JP2011132866A - 内燃機関の排気圧力制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、排気通路にタービンをバイパスするバイパス通路が設けられた内燃機関において、加速運転となった時の過給圧の上昇の遅れを抑制することを目的とする。
【解決手段】バイパス弁が開弁されており且つ排気絞り弁が全開時よりも閉弁方向に制御されている時に内燃機関の運転状態が加速運転となったときは、排気絞り弁を開弁方向に制御するとともにバイパス弁を閉弁方向に制御する。このとき、先に排気絞り弁を開弁方向に制御し、その後、バイパス弁を閉弁方向に制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気圧力制御システムに関する。

特許文献１には、内燃機関の吸排気系に、高圧ＥＧＲ通路及び低圧ＥＧＲ通路を設ける技術が開示されている。高圧ＥＧＲ通路は、ターボチャージャのタービンよりも上流側の排気通路とターボチャージャのコンプレッサよりも下流側の吸気通路とを連通するＥＧＲ通路である。低圧ＥＧＲ通路は、ターボチャージャのタービンよりも下流側の排気通路とターボチャージャのコンプレッサよりも上流側の吸気通路とを連通するＥＧＲ通路である。特許文献１には、さらに、排気通路における低圧ＥＧＲ通路の接続部より下流側に排気絞り弁を設置する技術が開示されている。

また、内燃機関の排気通路に、ターボチャージャのタービンをバイパスするバイパス通路を設ける技術が知られている。このようなバイパス通路の下流側端部は、排気通路における排気浄化触媒よりも上流側に接続される。このようなバイパス通路が設けられている場合、排気浄化触媒を昇温させる際などに該バイパス通路を通して排気を流通させる。これによれば、タービンをバイパスした排気が排気浄化触媒に流入することとなるため、該排気浄化触媒の昇温を促進することができる。

特開２００７−２５５３２３号公報

ターボチャージャのタービンをバイパスするバイパス通路を通って排気が流通すると、タービンより上流側の排気圧力が低下する。該排気圧力が低下すると、高圧ＥＧＲ通路を介して吸気通路に導入されるＥＧＲガス（以下、高圧ＥＧＲガスともいう）の量が減少する虞がある。そこで、排気通路における排気浄化触媒よりも下流側に排気絞り弁を設置し、バイパス通路を通して排気を流通させる際には該排気絞り弁の開度を減少させる。これにより、タービンより上流側の排気圧力の低下を抑制することができるため、高圧ＥＧＲガス量の減少を抑制することが可能となる。

ここで、バイパス通路を通って排気が流通している時は、タービン前後の差圧が小さくなるため、ターボチャージャの回転速度が低下する。上記のように排気絞り弁の開度を減少させたとしても、タービン前後の排気圧力は共に上昇することになるため、タービン前後の差圧は大きくならない。そのため、この時に内燃機関の運転状態が加速運転となった場合、過給圧の上昇の遅れが大きくなる虞がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、排気通路にタービンをバイパスするバイパス通路が設けられた内燃機関において、加速運転となった時の過給圧の上昇の遅れを抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。

本発明においては、バイパス弁が開弁されており且つ排気絞り弁が全開時よりも閉弁方向に制御されている時に内燃機関の運転状態が加速運転となったときは、排気絞り弁を開弁方向に制御するとともにバイパス弁を閉弁方向に制御する。このとき、タービン前後の
差圧がより大きくなるように、排気絞り弁の開弁時期及びバイパス弁の閉弁時期を制御する。

より詳しくは、本発明に係る内燃機関の排気圧力制御システムは、
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をバイパスするバイパス通路と、
該バイパス通路に設けられ、該バイパス通路を流れる排気の流量を制御するバイパス弁と、
排気通路における前記バイパス通路の下流側端部の接続部よりも下流側に設けられた排気絞り弁と、を備え、
前記バイパス弁が開弁されており且つ前記排気絞り弁が全開時よりも閉弁方向に制御されている時に内燃機関の運転状態が加速運転となったときは、前記排気絞り弁の開度を増加させた後に前記バイパス弁の開度を減少させることを特徴とする。

バイパス弁の開度を減少させることでタービンより上流側の排気圧力（以下、タービン上流圧力と称する）を上昇させることができる。また、排気絞り弁の開度を増加させることでタービンより下流側の排気圧力（以下、タービン下流圧力と称する）を低下させることができる。しかしながら、排気絞り弁の開度を増加させてからタービン下流圧力が低下するまでには、バイパス弁の開度を減少させてからタービン上流圧力が上昇するまでよりも時間がかかる。

そこで、本発明では、内燃機関の運転状態が加速運転となったときに、先に排気絞り弁の開度を増加させ、その後、バイパス弁の開度を減少させる。これによれば、タービン上流圧力が上昇する時期とタービン下流圧力が低下する時期とのタイムラグを小さくすることができる。つまり、タービン前後の差圧をより大きくすることができる。その結果、過給圧がより速やかに上昇することとなる。

従って、本発明によれば、バイパス通路を通って排気が流通している際に加速運転となった時の過給圧の上昇の遅れを抑制することができる。

本発明においては、排気絞り弁の開度を増加させた後にバイパス弁の開度を減少させるまでの期間の長さを、前記排気絞り弁の開度を増加させることでタービン下流圧力が低下する時期とバイパス弁の開度が減少することでタービン上流圧力が上昇する時期とが同期するような長さに設定してもよい。これによれば、タービン前後の差圧を可及的に大きくすることができる。

本発明によれば、排気通路にタービンをバイパスするバイパス通路が設けられた内燃機関において、バイパス通路を通って排気が流通している際に加速運転となった時の過給圧の上昇の遅れを抑制することができる。

実施例に係る内燃機関およびその吸排気系の概略構成を示す図である。 バイパス弁を閉弁させるとともに排気絞り弁の開度を増加させた時のタービン上流圧力及びタービン下流圧力の推移を示す図である。図２（ａ）はバイパス弁及び排気絞り弁の開閉タイミングを同時にした場合を示している。図２（ｂ）はバイパス弁及び排気絞り弁の開閉タイミングをずらした場合を示している。 実施例に係る排気圧力制御の制御フローを示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例＞
（内燃機関およびその吸排気系の概略構成）
図１は、本実施例に係る内燃機関およびその吸排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は４つの気筒２を有する車両駆動用のディーゼルエンジンである。各気筒２には該気筒２内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁３が設けられている。

内燃機関１には、インテークマニホールド５およびエキゾーストマニホールド７が接続されている。インテークマニホールド５には吸気通路４の一端が接続されている。エキゾーストマニホールド７には排気通路６の一端が接続されている。また、インテークマニホールド５には、吸気の圧力を検出する圧力センサ２３が設置されている。

吸気通路４にはターボチャージャ８のコンプレッサ８ａが設置されている。排気通路６にはターボチャージャ８のタービン８ｂが設置されている。吸気通路４におけるコンプレッサ８ａよりも下流側にはスロットル弁９が設けられている。 排気通路６におけるタービン８ｂより下流側には、酸化触媒等によって形成された排気浄化触媒１０が設けられている。また、排気通路６における排気浄化触媒１０より下流側には排気絞り弁１１が設けられている。

本実施例に係る内燃機関１は排気の一部をＥＧＲガスとして吸気系に導入するＥＧＲ装置として、高圧ＥＧＲ装置１２及び低圧ＥＧＲ装置１５を備えている。高圧ＥＧＲ装置１２は、高圧ＥＧＲ通路１３および高圧ＥＧＲ弁１４を有している。高圧ＥＧＲ通路１３は、その一端がエキゾーストマニホールド７に接続されており、その他端がインテークマニホールド５に接続されている。該高圧ＥＧＲ通路１６を介して高圧ＥＧＲガスがエキゾーストマニホールド７からインテークマニホールド５に導入される。高圧ＥＧＲ弁１４は高圧ＥＧＲ通路１３に設けられている。そして、インテークマニホールド５に導入される高圧ＥＧＲガス量が高圧ＥＧＲ弁１４によって制御される。

低圧ＥＧＲ装置１５は、低圧ＥＧＲ通路１６および低圧ＥＧＲ弁１７を有している。低圧ＥＧＲ通路１６は、その一端が排気浄化触媒１０より下流側且つ排気絞り弁１１より上流側の排気通路６に接続されており、その他端がコンプレッサ８ａより上流側の吸気通路４に接続されている。該低圧ＥＧＲ通路１６を介して低圧ＥＧＲガスが排気通路６から吸気通路４に導入される。低圧ＥＧＲ弁１７は低圧ＥＧＲ通路１６に設けられている。そして、吸気通路４に導入される低圧ＥＧＲガス量が低圧ＥＧＲ弁１７によって制御される。

さらに、内燃機関１の排気系には、タービン８ｂをバイパスして排気が流れるように形成されたバイパス通路１８が設けられている。該バイパス通路１８は、その一端が高圧ＥＧＲ通路１３における高圧ＥＧＲガスの流れに沿って高圧ＥＧＲ弁１４よりも上流側に接続されており、その他端が排気通路６におけるタービン８ｂより下流側且つ排気浄化触媒１０よりも上流側に接続されている。バイパス通路１８にはバイパス弁１９が設けられている。そして、バイパス通路１８を流れる排気の流量がバイパス弁１９によって制御される。

内燃機関１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０が併設されている。このＥＣＵ２０は内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。ＥＣＵ２０には、圧力センサ２３、クランクポジションセンサ２１及びアクセル開度センサ２２が電気的に接続されている。クランクポジションセンサ２１は内燃機関１のクランク角を検出するセンサである。アク
セル開度センサ２２は、内燃機関１を搭載した車両のアクセル開度を検出するセンサである。各センサの出力信号がＥＣＵ２０に入力される。ＥＣＵ２０は、クランクポジションセンサ２１の検出値に基づいて内燃機関１の機関回転速度を算出し、アクセル開度センサ２２の検出値に基づいて内燃機関１の機関負荷を算出する。

また、ＥＣＵ２０には、各燃料噴射弁３、スロットル弁９、排気絞り弁１１、高圧ＥＧＲ弁１４、低圧ＥＧＲ弁１７及びバイパス弁１９が電気的に接続されている。そして、ＥＣＵ２０によってこれらが制御される。

（触媒昇温制御）
本実施においては、排気浄化触媒１０を昇温させる際に、バイパス弁１９を開弁し、バイパス通路１８を通して排気を流通させる。これによれば、タービン８ｂをバイパスした排気が排気浄化触媒１０に流入することとなるため、該排気浄化触媒１０の昇温を促進することができる。

しかしながら、バイパス通路１８を通して排気を流通させると、エキゾーストマニホールド７内の排気圧力（以下、タービン上流圧力と称する）が低下し、その結果、高圧ＥＧＲガス量が減少する虞がある。また、タービン上流圧力が低下すると、気筒２内に残留する既燃ガス（いわゆる内部ＥＧＲガス）の量が減少する。その結果、筒内温度の低下や混合気の酸素濃度の上昇を招き、排気性状が悪化する虞がある。

そこで、本実施例では、バイパス弁１９を開弁したときには、排気絞り弁１１の開度を全開時よりも減少させる。排気絞り弁１１の開度を減少させることで、排気絞り弁１１よりも上流側の排気圧力を上昇させることができるため、タービン上流圧力の低下を抑制することができる。その結果、高圧ＥＧＲガス量の減少及び内部ＥＧＲガス量の減少を抑制することができる。

（加速運転時の排気圧力制御）
以下、本実施例に係る加速運転時の排気圧力制御について図２に基づいて説明する。上記のようにバイパス通路１８を通って排気が流通している場合、タービン８ｂ前後の差圧が小さくなっているため、ターボチャージャ８の回転速度が低下している。そのため、この時に内燃機関１の運転状態が加速運転となった場合、過給圧の上昇の遅れが大きくなる虞がある。

そこで、バイパス通路１８を通って排気が流通している時に内燃機関１の運転状態が加速運転となった場合、タービン前後の差圧を増大させるすべく、バイパス弁１９を閉弁させるとともに排気絞り弁１１の開度を増加させる。

図２は、バイパス弁１９を閉弁させるとともに排気絞り弁１１の開度を増加させた時のタービン上流圧力Ｐｕ及びタービン８ｂより下流側の排気圧力（以下、タービン下流圧力と称する）Ｐｄの推移を示す図である。図２（ａ）及び（ｂ）において、上段はタービン上流圧力Ｐｕ及びタービン下流圧力Ｐｄの推移を表しており、下段はバイパス弁１９及び排気絞り弁１１の開閉状態を表している。また、図２（ａ）はバイパス弁１９及び排気絞り弁１１の開閉タイミングを同時とした場合を示しており、図２（ｂ）はバイパス弁１９及び排気絞り弁１１の開閉タイミングをずらした場合を示している。

バイパス弁１９を閉弁させるとタービン上流圧力Ｐｕを上昇させることができる。また、排気絞り弁１１の開度を増加させることでタービン下流圧力Ｐｄを低下させることができる。従って、これらの制御を実行することでタービン８ｂ前後の差圧を増大させることができる。尚、バイパス弁１９を必ずしも全閉状態とする必要はなく、その開度を減少さ
せればタービン上流圧力Ｐｕを上昇させることができる。

しかしながら、排気絞り弁１１の開度を増加させてからタービン下流圧力Ｐｄが低下するまでには、タービン８ｂと排気絞り弁１１との間の排気通路６の容積の大きさに応じた遅れが生じる。そのため、排気絞り弁１１の開度を増加させてからタービン下流圧力Ｐｄが低下するまでには、バイパス弁１９を閉弁させてからタービン上流圧力Ｐｕが上昇するまでよりも時間がかかる。従って、図２（ａ）に示すように、バイパス弁１９の閉弁制御と排気絞り弁１１の開弁制御とを同時に実行すると、タービン上流圧力Ｐｕが上昇した後でタービン下流圧力Ｐｄが低下することになる。

そこで、本実施例では、図２（ｂ）に示すように、先に排気絞り弁１１の開度を増加させ、その後、バイパス弁１９を閉弁させる。このとき、排気絞り弁１１の開度を増加させてからバイパス弁１９を閉弁させるまでの期間Δｔｖの長さを、タービン下流圧力Ｐｄが低下する時期とタービン上流圧力Ｐｕが上昇する時期とが同期するような長さに設定する。

これによれば、図２（ｂ）に示すように、タービン８ｂ前後の差圧を可及的に大きくすることができる。その結果、過給圧がより速やかに上昇することとなる。

従って、本実施例に係る加速運転時の排気圧力制御によれば、バイパス通路１８を通って排気が流通している際に加速運転となった時の過給圧の上昇の遅れを抑制することができる。

（制御フロー）
ここで、本実施例に係る排気圧力制御の制御フローについて図３に示すフローチャートに基づいて説明する。本フローは、ＥＣＵ２０に予め記憶されており、ＥＣＵ２０によって所定の間隔で繰り返し実行される。

本フローでは、先ずステップＳ１０１において、バイパス弁１９が開弁されており且つ排気絞り弁１１が全開時よりも閉弁方向に制御された状態となっているか否かが判別される。つまり、バイパス通路１８を通して排気を流通させているか否かが判別される。ステップＳ１０１において、肯定判定された場合、次にステップＳ１０２の処理が実行され、否定判定された場合、本フローの実行が一旦終了される。

ステップＳ１０２においては、内燃機関１の運転状態が加速運転となったか否かが判別される。ステップＳ１０１において、肯定判定された場合、次にステップＳ１０３の処理が実行され、否定判定された場合、本フローの実行が一旦終了される。

ステップＳ１０３においては、排気絞り弁１１の開度が増加される。ここでは、排気絞り弁１１を全開状態としてもよい。

次に、ステップＳ１０４において、排気絞り弁１１の開度が増加されてから期間Δｔｖが経過したか否かが判別される。上述したように、期間Δｔｖの長さは、タービン下流圧力Ｐｄが低下する時期とタービン上流圧力Ｐｕが上昇する時期とが同期するような長さとして実験等に基づいて予め設定されている。ステップＳ１０４において、肯定判定された場合、次にステップＳ１０５の処理が実行され、否定判定された場合、ステップＳ１０４の処理が繰り返される。

ステップＳ１０５においては、バイパス弁１９が閉弁される。

尚、本実施例において、排気絞り弁１１の開度を増加させてからバイパス弁１９を閉弁させるまでの期間Δｔｖの長さは、必ずしも、タービン下流圧力Ｐｄが低下する時期とタービン上流圧力Ｐｕが上昇する時期とが同期するものでなくてもよい。期間Δｔｖをこのような期間としなくとも、先に排気絞り弁１１の開度を増加させてからバイパス弁１９を閉弁することで、タービン上流圧力Ｐｕが上昇する時期とタービン下流圧力Ｐｄが低下する時期とのタイムラグを小さくすることができる。その結果、バイパス弁１９の閉弁制御と排気絞り弁１１の開弁制御とを同時に実行した場合に比べて、タービン前後の差圧をより大きくすることができる。

１・・・内燃機関
４・・・吸気通路
５・・・インテークマニホールド
６・・・排気通路
７・・・エキゾーストマニホールド
８・・・ターボチャージャ
８ａ・・コンプレッサ
８ｂ・・タービン
１０・・排気浄化触媒
１１・・排気絞り弁
１２・・高圧ＥＧＲ装置
１３・・高圧ＥＧＲ通路
１４・・高圧ＥＧＲ弁
１５・・低圧ＥＧＲ装置
１６・・低圧ＥＧＲ通路
１７・・低圧ＥＧＲ弁
１８・・バイパス通路
１９・・バイパス弁
２０・・ＥＣＵ

Claims (2)

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をバイパスするバイパス通路と、
   該バイパス通路に設けられ、該バイパス通路を流れる排気の流量を制御するバイパス弁と、
   排気通路における前記バイパス通路の下流側端部の接続部よりも下流側に設けられた排気絞り弁と、を備え、
   前記バイパス弁が開弁されており且つ前記排気絞り弁が全開時よりも閉弁方向に制御されている時に内燃機関の運転状態が加速運転となったときは、前記排気絞り弁の開度を増加させた後に前記バイパス弁の開度を減少させることを特徴とする内燃機関の排気圧力制御システム。
2. 前記排気絞り弁の開度を増加させた後に前記バイパス弁の開度を減少させるまでの期間の長さを、前記排気絞り弁の開度を増加させることで前記タービンより下流側の排気圧力が低下する時期と前記バイパス弁の開度が減少することで前記タービンより上流側の排気圧力が上昇する時期とが同期するような長さに設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気圧力制御システム。

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