JP2014013004A - 過給機付き内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、タービンの下流側の排気通路に空燃比センサを備える場合において、ウェイストゲートバルブの開度の制御状態によらずに空燃比の気筒間インバランス異常の検出精度を高めることのできるハードウェア構成を備える過給機付き内燃機関を提供することを目的とする。
【解決手段】ＷＧＶ３２付きターボ過給機２０を備える。タービン２０ｂよりも下流を流れる排気ガスの空燃比を検出するためのＡ／Ｆセンサ４０を備える。タービン２０ｂの出口部とＷＧＶ３２との位置関係が、ＷＧＶ３２の回転軸部３２ａに対するＷＧ３０の開口部の非回転軸側周辺部がタービン２０ｂの出口部と対向しないように設定する。排気通路１４の壁面に沿って流れるタービン２０ｂからの排気ガスの旋回流が弁体３２ｂの開弁時にＷＧ３０から流出する排気ガスと混合する前に、タービン２０ｂからの排気ガスの当該旋回流に当たるようにＡ／Ｆセンサ４０を配置する。
【選択図】図３

Description

この発明は、過給機付き内燃機関に係り、特に、ターボ過給機のタービンをバイパスするウェイストゲートを開閉するウェイストゲートバルブと、タービンの下流側に配置される空燃比センサとを備える過給機付き内燃機関に関する。

従来、例えば特許文献１には、タービンをバイパスするウェイストゲートを開閉するウェイストゲートバルブと、タービンの下流側に配置される空燃比センサとを備えるターボ過給機付き内燃機関が開示されている。この従来の内燃機関が備える空燃比センサは、ウェイストゲートバルブを開いた時にウェイストゲートから流出する排気ガスの空燃比を検出できる部位に配置されている。

特開２００８−２０８７４０号公報 特開２００７−２４７５６０号公報 特開平１−９６４３８号公報

ところで、内燃機関では、一般的に、空燃比センサの出力に基づいて、空燃比の気筒間インバランス異常（複数の気筒間での空燃比インバランスが所定の許容レベルを超える異常）の有無を判定する処理が実行される。また、排気ガスがタービンを通過すると、タービンによって排気ガスの流れが旋回流となる。このため、ウェイストゲートバルブが開かれていると、タービンを通過した排気ガスとウェイストゲートバルブを通過した排気ガスとがタービンの下流において混ざってしまう。

より具体的には、ウェイストゲートを経由する排気経路の長さは、タービンを経由する排気経路の長さと異なるものとなる。このため、上記特許文献1に記載の内燃機関のようにタービンよりも下流側の排気通路に空燃比センサが備えられている場合において、ある気筒（例えば、＃１気筒）から排出された排気ガスが空燃比センサに到達するタイミングは、タービンを経由するか或いはウェイストゲートを経由するかに応じて異なるものとなる。このため、ウェイストゲートバルブが開いていることでタービン側およびウェイストゲート側の双方を排気ガスが流通する状況下においては、空燃比センサが設けられる位置に対して特別な配慮がなされていないと、異なる気筒から排出された排気ガスが混合したガスが空燃比センサに当たってしまうことになる。したがって、このような排気ガスを利用したのでは、空燃比の気筒間インバランスを精度良く判定することが困難となる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ターボ過給機のタービンをバイパスするウェイストゲートを開閉するウェイストゲートバルブと、タービンの下流側の排気通路に配置された空燃比センサとを備える場合において、ウェイストゲートバルブの開度の制御状態によらずに空燃比の気筒間インバランス異常の検出精度を高めることのできるハードウェア構成を備える過給機付き内燃機関を提供することを目的とする。

第１の発明は、過給機付き内燃機関であって、
排気エネルギにより作動するタービンを排気通路に備えるターボ過給機と、
前記タービンよりも上流側において前記排気通路の壁面に形成され、前記タービンをバイパスし、前記タービンの下流側の前記排気通路に連通するウェイストゲートと、
前記ウェイストゲートの開口部周辺に設けられた回転軸部と、前記ウェイストゲートと隣り合って配置され前記回転軸部の回転軸を中心として回転することによって前記ウェイストゲートを開閉する弁体とを備えるウェイストゲートバルブと、
前記タービンよりも下流側の前記排気通路を流れる排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサと、
を備え、
前記タービンの出口部と前記ウェイストゲートバルブとの位置関係が、前記回転軸部に対する前記ウェイストゲートの開口部の反対側の部位である非回転軸側周辺部が前記タービンの出口部と対向しないように設定されており、
前記空燃比センサは、前記排気通路の壁面に沿って流れる前記タービンからの排気ガスの旋回流が前記弁体の開弁時に前記ウェイストゲートから流出する排気ガスと混合する前に、前記タービンからの排気ガスの当該旋回流に当たるように配置されていることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記空燃比センサは、前記排気通路の壁面に沿って流れる前記タービンからの排気ガスの旋回流が前記弁体の開弁時に前記ウェイストゲートから流出する排気ガスと混合する直前の部位において、前記タービンからの排気ガスの当該旋回流に当たるように配置されていることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記空燃比センサは、
前記タービンの前記出口部および前記ウェイストゲートを前記タービンの下流側から見て、前記非回転軸側周辺部に対して前記タービンからの排気ガスの旋回流の上流側の部位であって前記非回転軸側周辺部から所定距離離れた部位に配置され、かつ、
前記排気通路の通路長方向においては、前記弁体が開いている場合に前記ウェイストゲートから流出する排気ガスと前記タービンからの排気ガスとが混合した後の排気ガスが当たらないように前記タービンの前記出口部の近傍に配置されていることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１〜第３の発明の何れかにおいて、
前記空燃比センサの出力に基づいて、前記内燃機関が備える複数の気筒間での空燃比のインバランス度合いが所定の許容レベルを超えたか否かを判定するインバランス異常判定手段と、
前記内燃機関の運転領域に応じて、前記インバランス異常判定手段による判定を実施する際の前記ウェイストゲートバルブの開度を変更するＷＧＶ開度変更手段と、
を更に備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、タービンの出口部とウェイストゲートバルブとの位置関係を、上記非回転軸側周辺部がタービンの出口部と対向しないように設定したことにより、タービンの出口部の近傍において、タービンからの排気ガスがウェイストゲートからの排気ガスと未だ混合していない空間を確保できるようになる。そのうえで、本発明によれば、排気通路の壁面に沿って流れるタービンからの排気ガスの旋回流が弁体の開弁時にウェイストゲートから流出する排気ガスと混合する前に、タービンからの排気ガスの当該旋回流に当たるように空燃比センサを配置しているので、ウェイストゲートバルブが開いている場合であっても、ウェイストゲートからの排気ガスとは混ざっていない、タービンからの排気ガスのみが空燃比センサに導かれるようにすることができる。このため、ウェイストゲートバルブの開度の制御状態によらずに空燃比の気筒間インバランス異常の検出精度を良好に高めることが可能となる。

第２の発明によれば、タービンを通過した排気ガスのうちのより多くのガスが旋回しながら連続的にＡ／Ｆセンサに当たるようにしつつ、ウェイストゲートバルブからの排気ガスと混ざっていないタービンからの排気ガスが空燃比センサに当たるようにすることができる。これにより、空燃比の気筒間インバランス異常の判定精度を好適に高めることが可能となる。

第３の発明によれば、ウェイストゲートバルブが開いている場合であってもタービンからの排気ガスのみを空燃比センサに当てられるように空燃比センサを配置することができる。

第４の発明によれば、内燃機関の運転領域に応じてインバランス異常判定手段による判定を実施する際のウェイストゲートバルブの開度を変更するＷＧＶ開度変更手段を備えているため、個々の運転領域に応じた適切な態様で気筒間インバランス異常の検出を行えるようになる。このため、燃費性能、出力性能および加速応答性等の内燃機関の各種性能の確保と、気筒間インバランス異常の検出頻度の確保とを良好に両立させることができる。

本発明の実施の形態１の内燃機関のシステム構成を説明するための模式図である。 タービンの出口部に対するＷＧＶの配置を表した図である。 タービンの出口部およびＷＧＶに対するＡ／Ｆセンサの配置を表した図である。 タービンの出口部に対するＷＧＶの他の配置例を表した図である。 タービンの出口部およびＷＧＶに対するＡ／Ｆセンサの他の配置を表した図である。 内燃機関の運転領域毎にＷＧＶ開度が空燃比の気筒間インバランス異常の検出性に与える影響を表した図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１の内燃機関１０のシステム構成を説明するための模式図である。本実施形態のシステムは、内燃機関（ここでは、一例として火花点火式のガソリンエンジンであるものとする）１０を備えている。４つ（一例）の気筒を備える内燃機関１０の各気筒には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。

吸気通路１２の入口近傍には、エアクリーナ１６が取り付けられている。エアクリーナ１６の下流近傍には、吸気通路１２に吸入される空気（吸気）の流量ＧＡに応じた信号を出力するエアフローメータ１８が設けられている。エアフローメータ１８の下流には、ターボ過給機２０のコンプレッサ２０ａが設置されている。コンプレッサ２０ａは、排気通路１４に配置されたタービン２０ｂと連結軸を介して一体的に連結されている。

コンプレッサ２０ａの下流には、圧縮された空気を冷却するインタークーラ２２が設けられている。インタークーラ２２の下流には、電子制御式のスロットルバルブ２４が設けられている。内燃機関１０の各気筒には、吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁２６が設けられている。また、内燃機関１０の各気筒には、混合気に点火するための点火プラグ２８が設けられている。尚、吸気ポートではなく筒内に燃料を噴射するための燃料噴射弁、或いは、吸気ポートおよび筒内に燃料を噴射するためのそれぞれの燃料噴射弁が備えられていてもよい。

タービン２０ｂよりも上流側における排気通路１４の壁面（より具体的には、タービン２０ｂを収容するタービンハウジングの入口近傍の壁面）には、タービン２０ｂをバイパスし、タービン２０ｂの下流側の排気通路１４に連通するウェイストゲート（排気バイパス通路）３０が開口している。

ウェイストゲート（以下、「ＷＧ」と略する）３０の近傍には、ＷＧ３０を開閉するためのウェイストゲートバルブ（以下、「ＷＧＶ」と略する）３２が設けられている。より具体的には、ＷＧＶ３２は、ＷＧ３０の開口部周辺に設けられた回転軸を有する回転軸部３２ａと、ＷＧ３０と隣り合って配置され回転軸を中心として回転することによってＷＧ３０を開閉する弁体３２ｂとを備えている。弁体３２ｂは、板状（本実施形態では、ＷＧ３０の開口部形状に合わせて円盤状）に形成されている。ＷＧＶ３２は、ＷＧ３０の出口側に配置されており、タービン２０ｂの下流側に向けて開くように構成されている。ＷＧＶ３２は、電動式（一例）のアクチュエータ３４によって任意の開度に調整可能に構成されている。このような構成によれば、ＷＧＶ３２の開弁時には、排気ガスがタービン２０ｂ側およびＷＧ３０側の双方に流れることとなり、これらの排気ガスはタービン２０ｂの下流において再び合流することになる。

タービン２０ｂの下流側の排気通路１４には、排気ガスを浄化するための触媒３８が配置されている。更に、タービン２０ｂの下流側であって触媒３８の上流側の排気通路１４には、触媒３８に流入する排気ガスの空燃比に対してほぼリニアな出力を発する（メイン）Ａ／Ｆセンサ４０が配置されている。また、触媒３８の下流側の排気通路１４には、触媒３８から流出してくる排気ガスが理論空燃比に対してリッチである場合にリッチ出力を発生し、また、その排気ガスが理論空燃比に対してリーンである場合にリーン出力を発生する（サブ）Ｏ_２センサ４２が配置されている。

本実施形態の内燃機関１０は、タービン２０ｂの出口部とＷＧ３０との配置関係、およびＡ／Ｆセンサ４０の配置場所に特徴を有している。これらの特徴部分については、図２および図３を参照して後述するものとする。

更に、図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４４を備えている。ＥＣＵ４４の入力部には、上述したエアフローメータ１８、Ａ／Ｆセンサ４０およびＯ_２センサ４２に加え、エンジン回転数ＮＥを検知するためのクランク角センサ４６等の内燃機関１０の運転状態を検知するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ４４の入力部には、内燃機関１０を搭載する車両のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検知するためのアクセル開度センサ４８が接続されている。一方、ＥＣＵ４４の出力部には、上述したスロットルバルブ２４、燃料噴射弁２６、点火プラグ２８および（ＷＧＶ用）アクチュエータ３４等の内燃機関１０の運転状態を制御するための各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４４は、上述した各種センサの出力と所定のプログラムに従って各種アクチュエータを作動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御するものである。

［空燃比の気筒間インバランス異常検出］
（空燃比センサの出力を利用した空燃比の気筒間インバランス異常判定の概要）
内燃機関１０の運転中には、燃料噴射量や吸入空気量に気筒間インバランスが生じ得る。このようなインバランスが大きくなると、気筒間で空燃比のインバランスが大きくなる。そこで、本実施形態では、空燃比センサとして上記Ａ／Ｆセンサ４０を利用して、次のような手法で空燃比の気筒間インバランス異常の有無を判定するようにしている。

すなわち、空燃比の気筒間インバランス異常は、Ａ／Ｆセンサ４０が活性化しており、かつ、内燃機関１０の運転状態が所定状態にある条件下において、空燃比の気筒間インバランスの度合いが所定の許容レベルを超えているか否かを判断することによって検出することができる。この異常検出は、対象となる気筒の空燃比を同じ値（例えば、理論空燃比）に制御している状況下で実行される。この場合の気筒間インバランスの度合いは、例えば、Ａ／Ｆセンサ４０の出力波形の振幅（所定期間におけるピーク値とボトム値との差）を用いて取得することができる。また、気筒間インバランスの度合いは、このような手法以外にも、Ａ／Ｆセンサ４０の出力波形の面積（所定期間における出力波形と正常時の出力波形とによって囲まれる面積）、Ａ／Ｆセンサ４０の出力波形の傾き（所定期間における出力波形の変化量または変化割合）、Ａ／Ｆセンサ４０の出力波形の長さ（所定期間における出力の軌跡長）、またはＡ／Ｆセンサ４０の出力波形の周波数などを利用して取得することができる。空燃比の気筒間インバランスが大きくなると、Ａ／Ｆセンサ４０の出力の変動が大きくなり、Ａ／Ｆセンサ４０の上述した出力波形の振幅、面積、傾き、長さおよび周波数等が大きくなる。従って、これらのパラメータは、何れも空燃比の気筒間インバランスの度合いを精度良く反映した情報となる。

［空燃比の気筒間インバランス異常の検出に関する課題］
本実施形態のタービン２０ｂのように遠心式のタービンを備えている場合、タービンから流出する排気ガスの流れは旋回流となる。このため、本実施形態の内燃機関１０のようにＷＧＶを備えているターボ過給機付き内燃機関では、ＷＧＶが開かれていると、タービンを通過した排気ガスとＷＧＶを通過した排気ガスとがタービンの下流において混ざってしまう。

より具体的には、ＷＧを経由する排気経路の長さは、タービンを経由する排気経路の長さと異なるものとなる。このため、本実施形態の内燃機関１０のようにタービンの下流側の排気通路に空燃比センサが備えられている場合において、ある気筒（例えば、＃１気筒）から排出された排気ガスが空燃比センサに到達するタイミングは、タービンを経由するか或いはＷＧを経由するかに応じて異なるものとなる。このため、ＷＧＶが開いていることでタービン側およびＷＧ側の双方を排気ガスが流通する状況下においては、空燃比センサが設けられる位置に対して特別な配慮がなされていないと、異なる気筒から排出された排気ガスが混合したガスが空燃比センサに当たってしまうことになる。このような排気ガスの混合が生じていると、実際には異常が生じているケースであっても、他の気筒からの排気ガスの影響によって空燃比センサの出力波形に異常が現れない可能性がある。したがって、このような排気ガスを利用したのでは、空燃比の気筒間インバランスを精度良く判定することが困難となる。例えば、ＷＧＶを通過するガスの影響を受けずに空燃比の気筒間インバランスを判定するためにＷＧＶを閉じた状態で当該判定を実施しようとした場合であっても、全閉開度付近での微小な開度ばらつきがＷＧＶに生じていると、空燃比の気筒間インバランスの判定精度が低下してしまうことが懸念される。

［実施の形態１における特徴的な構成］
そこで、本実施形態の内燃機関１０では、ＷＧＶ開度の制御状態によらずに空燃比のインバランス異常の検出精度を高めるべく、以下の図２および図３に示す構成が備えられている。

図２は、タービン（２０ｂ）の出口部に対するＷＧＶ（３２）の配置を表した図であり、タービン（２０ｂ）の下流側からタービン（２０ｂ）の出口部およびＷＧＶ（３２）を見た図である。より具体的には、図２（Ａ）は、本実施形態で用いられるタービン２０ｂの出口部に対するＷＧＶ３２の好適な配置例を示した図であり、図２（Ｂ）は、比較のために好ましくない配置例を示した図である。尚、図２においては、Ａ／Ｆセンサ（４０）の図示を省略している。

図２（Ａ）に示すように、本実施形態では、タービン２０ｂの出口部とＷＧＶ３２との位置関係が、回転軸部３２ａに対するＷＧ３０の開口部の反対側の部位である非回転軸側周辺部３０ａがタービン２０ｂの出口部と対向しないように設定されている。タービン２０ｂから流出する排気ガスは、上述したように旋回しながら下流側に流れていく。これに対し、弁体３２ｂが回転軸部３２ａの回転軸を中心として回転することによってＷＧＶ３２が開いた際のＷＧ３０からの排気ガスの流れ方向は、図２（Ａ）中に矢印を付して示すように、流出しようとする排気ガスが弁体３２ｂに案内されることによって非回転軸側周辺部３０ａに向かう方向となる。図２（Ａ）に示す配置は、言い換えれば、ＷＧＶ３２を開いた際にＷＧ３０から流出する排気ガスが流れる先にタービン２０ｂの出口部が配置されないように（更に換言すると、タービン２０ｂの出口部に向かってＷＧＶ３２が開かないように）構成されたものである。

一方、比較のために図２（Ｂ）に示す不適切な配置例では、ＷＧの開口部の非回転軸側周辺部がタービンの出口部に対向するように設定されている。このような構成が用いられていると、ＷＧＶがタービンの出口部に向かって開くようになる。その結果、ＷＧから流出する排気ガスの流れがタービン２０ｂから流出した直後の排気ガスの旋回流と衝突することにより、双方からの排気ガスがタービン２０ｂの出口部の直下において混合してしまう。したがって、図２（Ｂ）に示す配置関係は不適切な例であるといえる。尚、上記図２（Ａ）に示す通りのＷＧＶ３２の配置角度でなくても、タービン２０ｂの出口部に対してＷＧ３０の開口部の非回転軸側周辺部３０ａがタービン２０ｂの出口部と対向しないような向きでＷＧＶ３２が配置されたものであればよい。

図３は、タービン２０ｂの出口部およびＷＧＶ３２に対するＡ／Ｆセンサ４０の配置を表した図である。より具体的には、図３（Ａ）は、タービン２０ｂの出口部およびＷＧ３０の下流付近の排気通路１４を模式的に表した斜視図であり、図３（Ｂ）は、タービン２０ｂの下流側からタービン２０ｂの出口部およびＷＧＶ３２を見た図である。

上述した図２（Ａ）に示す本実施形態の配置によれば、ＷＧＶ３２が開いている場合であっても、ＷＧＶ３２を通過した排気ガスの流れの先にタービン２０ｂが配置されていないことになる。このため、図２（Ｂ）に示す配置とは異なり、タービン２０ｂを通過した排気ガスが直ちにＷＧＶ３２を通過した排気ガスと混合することはない。そして、図３（Ｂ）に示すように、排気通路１４の壁面を沿って流れるタービン２０ｂからの排気ガスの旋回流が、ＷＧＶ３２を通過した排気ガスが流れる部位に到達するまでの非混合区間では、双方からの排気ガスが未だ混合しない状態が確保される。

そこで、本実施形態では、Ａ／Ｆセンサ４０を、図３（Ｂ）に示す方向から見て、非回転軸側周辺部３０ａに対してタービン２０ｂからの排気ガスの旋回流の上流側の部位であって非回転軸側周辺部３０ａから所定距離離れた部位（図３（Ｂ）に示す非混合区間内の部位）に配置されている。非回転軸側周辺部３０ａから所定距離離れた部位とした理由は、ＷＧＶ３２から流出する排気ガスが排気通路１４の周方向に対して図３（Ｂ）に示すような広がりを有するので、このようなガスがＡ／Ｆセンサ４０に当たるのを避けるためである。

また、図３（Ａ）に示すように、ＷＧＶ３２から流出する排気ガスは、非回転軸側周辺部３０ａ付近から流出したうえで直線的に下流に流れていくのに対し、タービン２０ｂから流出する排気ガスは、旋回しながら下流に流れていく。したがって、Ａ／Ｆセンサ４０がタービン２０ｂの下流側から見て（図３（Ｂ）に示す方向から見て）上記非混合区間内の場所に配置されていても、排気通路１４の通路長方向においてタービン２０ｂの出口部やＷＧＶ３２が設けられている位置から下流側に大きく離れた位置にＡ／Ｆセンサ４０が配置されている場合には、旋回しながら下流側に流れていくタービン２０ｂからの排気ガスがＷＧＶ３２を通過した排気ガスと混合したうえでＡ／Ｆセンサ４０に当たるようになってしまう。

本実施形態では、上記の事態を避けるために、排気通路１４の通路長方向におけるＡ／Ｆセンサ４０の配置に関して次のような配慮がなされている。すなわち、Ａ／Ｆセンサ４０は、排気通路１４の通路長方向においては、弁体３２ｂが開いている場合にＷＧ３０から流出する排気ガスとタービン２０ｂからの排気ガスとが混合した後の排気ガスが当たらないようにタービン２０ｂの出口部の近傍に配置されている。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）を参照して上述したＡ／Ｆセンサ４０の配置手法によれば、図２を参照して上述したタービン２０ｂの出口部とＷＧＶ３２との配置関係の設定によって確保された上記非混合区間の周囲に存在する空間を利用して、排気通路１４の壁面に沿って流れるタービン２０ｂからの排気ガスの旋回流が弁体３２ｂの開弁時にＷＧ３０から流出する排気ガスと混合する前に、タービン２０ｂからの排気ガスの当該旋回流に当たるように、Ａ／Ｆセンサ４０を配置することができる。その結果、ＷＧＶ３２が開いている場合であっても、ＷＧＶ３２からの排気ガスとは混ざっていない、タービン２０ｂからの排気ガスのみがＡ／Ｆセンサ４０に導かれるようにすることができる。このため、ＷＧＶ開度の制御状態によらずに空燃比の気筒間インバランス異常の検出精度を良好に高めることが可能となる。

タービン２０ｂからの排気ガスとＷＧ３０からの排気ガスとを混合させることなくタービン２０ｂからの排気ガスのみをＡ／Ｆセンサ４０に確実に当てるようにするためには、タービン２０ｂの出口部の直下（図３（Ｂ）に示す非混合区間においてできるだけタービン２０ｂの出口部に近い部位であって、排気通路１４の通路長方向においてもできるだけタービン２０ｂの出口部に近い部位）にＡ／Ｆセンサ４０を配置することが望ましいといえる。しかしながら、このような配置を採用した場合には、タービン２０ｂを通過した排気ガスのうちの一部しかＡ／Ｆセンサ４０に当たらないことになる。そうすると、空燃比の気筒間インバランス異常を判定するのに十分なＡ／Ｆの出力波形を得ることができない可能性がある。

そこで、本実施形態におけるＡ／Ｆセンサ４０の配置としては、排気通路１４の壁面に沿って流れるタービン２０ｂからの排気ガスの旋回流が弁体３２ｂの開弁時にＷＧ３０から流出する排気ガスと混合する「直前」の部位において、タービン２０ｂからの排気ガスの当該旋回流に当たるようにＡ／Ｆセンサ４０を配置することがより好ましい。具体的には、Ａ／Ｆセンサ４０は、図３（Ｂ）に示すようにタービン２０ｂの出口部等をタービン２０ｂの下流側から見たときには、上記非混合区間内においてＷＧ３０の開口部の非回転軸側周辺部３０ａにできるだけ近い位置にＡ／Ｆセンサ４０を配置することが好ましい。そして、Ａ／Ｆセンサ４０は、図３（Ａ）に示すように排気通路１４の通路長方向においては、弁体３２ｂが開いている場合にＷＧ３０から流出する排気ガスとタービン２０ｂからの排気ガスとが混合した後の排気ガスが当たらない範囲内でできるだけタービン２０ｂの出口部から離して配置することが好ましい。

上記のより好ましいＡ／Ｆセンサ４０の配置によれば、タービン２０ｂを通過した排気ガスのうちのより多くのガスが旋回しながら連続的にＡ／Ｆセンサ４０当たるようにしつつ、各気筒からの排出タイミングが異なるＷＧＶ３２からの排気ガスと混ざっていないタービン２０ｂからの排気ガスがＡ／Ｆセンサ４０に当たるようにすることができる。これにより、空燃比の気筒間インバランス異常の判定精度を好適に高めることが可能となる。

ところで、上述した実施の形態１においては、図２および図３に示すように、ＷＧＶ３２とタービン２０ｂの出口部とが上下に並んで配置された例について説明を行った。しかしながら、本発明の対象となる配置例は、上記のものに限定されるものではなく、例えば、以下の図４および図５に示すような左右配置であってもよい。

図４は、タービン（２０ｂ）の出口部に対するＷＧＶ（３２）の他の配置例を表した図であり、タービン（２０ｂ）の下流側からタービン（２０ｂ）の出口部およびＷＧＶ（３２）を見た図である。より具体的には、図４（Ａ）は、本発明で用いるうえで好適なタービン２０ｂの出口部に対するＷＧＶ３２の配置例を示した図であり、図４（Ｂ）は、比較のために好ましくない配置例を示した図である。尚、図４においては、Ａ／Ｆセンサ（４０）の図示を省略している。

タービン２０ｂの出口部がＷＧＶ３２の右側に配置された図４（Ａ）に示す配置例では、ＷＧ３０の開口部の非回転軸側周辺部３０ａが同図上における下側を向くように配置されている。このような配置関係によっても、図２（Ａ）に示す配置関係と同様に、タービン２０ｂの出口部とＷＧＶ３２との位置関係が、ＷＧ３０の開口部の非回転軸側周辺部３０ａがタービン２０ｂの出口部と対向しないように設定することができる。このため、このような配置関係によっても、ＷＧＶ３２を開いた際にＷＧ３０から流出する排気ガスが流れる先にタービン２０ｂの出口部が配置されないように（換言すると、タービン２０ｂの出口部に向かってＷＧＶ３２が開かないように）構成することができる。

一方、比較のために図４（Ｂ）に示す不適切な例の配置関係では、ＷＧの開口部の非回転軸側周辺部が同図上における右側を向くように、すなわち、タービンの出口部に対向するように設定されている。このため、図２（Ｂ）に示す配置関係と同様に、ＷＧから流出する排気ガスの流れがタービン２０ｂから流出した直後の排気ガスの旋回流と衝突することにより、双方からのガスがタービン２０ｂの出口部の直下において混合してしまう。したがって、図４（Ｂ）に示す配置関係は不適切な例であるといえる。尚、上記図４（Ａ）に示す配置関係通りのＷＧＶ３２の配置角度でなくても、ＷＧ３０の開口部の非回転軸側周辺部３０ａがタービン２０ｂの出口部と対向しないような向きでＷＧＶ３２が開くように配置されていてもよい。

図５は、タービン２０ｂの出口部およびＷＧＶ３２に対するＡ／Ｆセンサ４０の他の配置を表した図である。より具体的には、図５（Ａ）は、タービン２０ｂの出口部およびＷＧ３０の下流付近の排気通路１４を模式的に表した斜視図であり、図５（Ｂ）は、タービン２０ｂの下流側からタービン２０ｂの出口部およびＷＧＶ３２を見た図である。

図５に示す構成では、ＷＧ３０の開口部の非回転軸側周辺部３０ａが図５（Ｂ）における下側を向くように配置されているため、ＷＧＶ３２を通過した排気ガスは同図中に示すようにＷＧＶ３２の下方側の排気通路１４の壁面に沿って流れていくことになる。また、本構成におけるタービン２０ｂからの排気ガスの旋回方向は、図５（Ｂ）における反時計回り方向である。このため、この構成における非混合区間は、図５（Ｂ）に示すように、タービン２０ｂの出口部に近接する排気通路１４の壁面を基点として同図における上側の排気通路１４の壁面を通ってＷＧＶ３２の近傍を過ぎた辺りまでの部位となる。そこで、この場合には、上述した実施の形態１と同じ思想に基づいて、図５（Ｂ）に示すように、ＷＧＶ３２に近い部位にＡ／Ｆセンサ４０を配置することが好ましい。尚、図５（Ａ）に示す排気通路１４の通路長方向に関するＡ／Ｆセンサ４０の配置の思想については、上述した実施の形態１と同じであるので、ここではその詳細な説明を省略する。

実施の形態２．
次に、図６および図７を主に参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
実施の形態２のシステムは、実施の形態１で説明した特徴的な構成を有する内燃機関１０を用いて、以下に説明するような手法で、空燃比の気筒間インバランス異常の判定処理を実行するというものである。

［実施の形態２における特徴的な制御］
上述した実施の形態１の構成（タービン２０ｂの出口部に対するＷＧＶ３２の配置場所の選定とＡ／Ｆセンサ４０の配置場所の選定）を採用することにより、ＷＧＶ３２を備え、かつ、タービン２０ｂよりも下流側に配置されたＡ／Ｆセンサ４０を利用して気筒間インバランス異常の有無を判定する内燃機関１０において、ＷＧＶ３２の開度の制御状態による制限を受けずに気筒間インバランス異常の検出を良好に行えるようになる。このような構成を備えている場合において、ＷＧＶ３２が閉じられた状態のみを利用して気筒間インバランス異常の検出を行うようにすると、ＷＧＶ３２が閉じられた状態で運転される領域が多くなる。その結果、ＷＧＶ３２が開かれた状態で運転される領域が多い場合と比べ、内燃機関１０の出力性能および加速応答性は良好に確保できるものの燃費が悪化してしまう。その理由は、ＷＧＶ３２が閉じられていると、背圧が上昇するので、ＷＧＶ３２の開弁時と比べ、ポンプ損失の増大によって燃費が悪化するためである。

そこで、本実施形態では、上述したハードウェア構成を備える内燃機関１０において、予め設定した個々の運転領域に応じて、空燃比の気筒間インバランス異常の検出をＷＧＶ３２が開かれた状態で行うか或いはＷＧＶ３２が閉じられた状態で行うかを変更するようにした。

図６は、内燃機関１０の運転領域毎にＷＧＶ開度が空燃比の気筒間インバランス異常の検出性に与える影響を表した図である。尚、図６において、実線で示す曲線は、気筒間インバランス発生時のＡ／Ｆセンサ４０の出力変動値のＷＧＶ開度に対する変化の一例を表したものである。一方、破線で示す曲線は、空燃比の気筒間インバランス異常の有無を判定する際のＡ／Ｆセンサ４０の出力変動値のクライテリアである。つまり、図６は、実線で示すＡ／Ｆセンサ４０の出力変動値がクライテリアよりも大きい状況下において気筒間インバランス異常の検出が好ましい精度で可能となることを表している。

空燃比の気筒間インバランス異常の検出性は、吸入空気量ＧＡが高いほど（すなわち、エンジン負荷が高いほど）高くなり、また、エンジン回転数ＮＥが低いほど高くなる。これは、１サイクル当たりの吸入空気量ＧＡが多いことで、Ａ／Ｆセンサ４０の出力が高くなるためである。

図６中に「Ｉ」と付して示す運転領域は、吸入空気量ＧＡが低く、かつエンジン回転数ＮＥも低い低回転低負荷領域である。この領域Ｉでは、図６に示すように、ＷＧＶ開度が閉じ側の所定範囲内の値に制御されている場合において、気筒間インバランス異常の検出が可能となる。この領域Ｉは、通常は燃費要求を受けて、ＷＧＶ３２が開かれた状態で運転される領域である。このため、本実施形態では、領域Ｉでは、基本的にはＷＧＶ３２が開かれた状態で気筒間インバランス異常の検出が実行される。そして、領域Ｉでは、インバランス異常の検出頻度が足りない場合には、ＷＧＶ３２を閉じたうえで気筒間インバランス異常の検出が実行される。また、領域Ｉでは、加速要求が出されている場合には、ＷＧＶ３２を閉じたうえで気筒間インバランス異常の検出が実行される。

図６中に「ＩＩ」と付して示す運転領域は、低回転中負荷領域である。この領域ＩＩは、図６に示すように、ＷＧＶ開度によらずに気筒間インバランス異常の検出が可能な領域である。また、この領域ＩＩは、加速要求が出されていない限り、燃費要求を受けてＷＧＶ３２が開かれた状態で運転される領域である。このため、本実施形態では、領域ＩＩでは、加速要求が出されていない限り、ＷＧＶ３２が開かれた状態で気筒間インバランス異常の検出が実行される。そして、領域ＩＩでは、加速要求が出されている場合には、ＷＧＶ３２を閉じたうえで気筒間インバランス異常の検出が実行される。

図６中に「ＩＩＩ」と付して示す運転領域は、中回転中負荷領域、高回転中負荷領域および高回転高負荷領域である。この領域ＩＩＩは、図６に示すように、ＷＧＶ開度が開き側の所定範囲内の値に制御されている場合において、気筒間インバランス異常の検出が可能となる。本実施形態では、この領域ＩＩＩにおいても、領域ＩＩと同様の態様で気筒間インバランス異常の検出が実行される。

図６中に「ＩＶ」と付して示す運転領域は、低回転高負荷領域および中回転高負荷領域である。この領域ＩＶは、図６に示すように、ＷＧＶ３２を閉じていないと走行ができない高負荷領域であり、ＷＧＶ開度が閉じ側の所定範囲内の値に制御されている場合において、気筒間インバランス異常の検出が可能となる。このため、本実施形態では、この領域ＩＶでは、ＷＧＶ３２が開かれた状態で気筒間インバランス異常の検出が実行される。

図７は、本発明の実施の形態２における空燃比の気筒間インバランス異常の検出処理を実現するために、ＥＣＵ４４が実行するルーチンを示すフローチャートである。尚、本ルーチンは、内燃機関１０の運転中に空燃比の気筒間インバランス異常の検出が必要な状況下において起動されるものである。

図７に示すルーチンでは、先ず、空燃比の気筒間インバランス異常を検出する際の前提条件が成立しているか否かが判定される（ステップ１００）。具体的には、Ａ／Ｆセンサ４０が活性化しており、かつ、内燃機関１０の運転状態が定常状態にあるか否かが判定される。

上記ステップ１００の前提条件が成立していると判定された場合には、ＷＧＶ３２を閉弁せずに走行が可能な運転領域であるか否かが判定される（ステップ１０２）。本実施形態では、図６に示すように、内燃機関１０の運転領域は、吸入空気量ＧＡ（エンジン負荷）とエンジン回転数ＮＥとを用いて規定されている。具体的には、本ステップ１０２では、内燃機関１０の現在の運転領域が図６に示す領域ＩＶではないか否かが判定される。

現在の運転領域が領域Ｉ〜ＩＩＩの何れかである場合には、上記ステップ１０２の判定が成立する。この場合には、次いで、所定加速度以上での加速要求が出されていないか否かが判定される（ステップ１０４）。尚、加速応答性と燃費のどちらを優先するかは、内燃機関１０を搭載する車両によって異なるものとなる。従って、本ステップ１０４の判定に用いる所定加速度は、個々の車両の要求に応じた任意の値に予め適合されるものである。上記ステップ１０４において上記加速要求が出されていないと判定された場合には、ＷＧＶ３２が開かれる（ステップ１０６）。

次に、ＷＧＶ３２が開かれた状態で気筒間インバランス異常の検出を行う運転領域であるか否かが判定される（ステップ１０８）。上記加速要求が出されていない状況下であるので、現在の運転領域が領域ＩＩおよび領域ＩＩＩであれば、本ステップ１０８の判定が成立することとなる。また、現在の運転領域が領域Ｉの場合には、インバランス異常の検出頻度が所定の許容値を満たしている場合に限り、本ステップ１０８の判定が成立することとなる。

上記ステップ１０８の判定が成立する場合には、ＷＧＶ３２が開かれた状態にて気筒間インバランス異常の検出が実行される（ステップ１１０）。既述したように、空燃比の気筒間インバランス異常は、気筒間インバランスの度合い（例えば、Ａ／Ｆセンサ４０の出力波形の振幅（所定期間におけるピーク値とボトム値との差））が所定の許容レベルを超えているか否かを判断することによって検出することができる。ＥＣＵ４４には、現在の運転領域（吸入空気量ＧＡとエンジン回転数ＮＥ）およびＷＧＶ開度に応じた許容レベル（図６中に示すクライテリアに相当）が予め記憶されている。本ステップ１１０では、現在の気筒間インバランスの度合いが現在の運転領域およびＷＧＶ開度に応じた許容レベルを超えているか否かに基づいて、気筒間インバランス異常の有無の判定が実行される。

次に、気筒間インバランス異常の検出頻度が所定の許容値を満たしているか否かが判定される（ステップ１１２）。その結果、本ステップ１１２の判定が不成立となる場合には、本判定が成立するまで、図７に示すルーチンの処理が繰り返し実行されることになる。

一方、上記ステップ１０８の判定が不成立となる場合には、次いで、ＷＧＶ３２が閉じられた状態で気筒間インバランス異常の検出を行う運転領域であるか否かが判定される（ステップ１１４）。領域Ｉの使用中にインバランス異常の検出頻度が上記許容値未満である場合には、本ステップ１１４の判定が成立することとなる。このため、この場合には、ＷＧＶ３２を閉じたうえで気筒間インバランス異常の検出が実行される（ステップ１１６）。

また、上記ステップ１０２の判定が不成立となる場合（すなわち、現在の運転領域が領域ＩＶであると判断できる場合）、または、上記ステップ１０４の判定が不成立となる場合（すなわち、所定加速度以上での加速要求が出された場合）には、ＷＧＶ３２が閉じられる（ステップ１１８）。

次に、ＷＧＶ３２が閉じられた状態で気筒間インバランス異常の検出を行う運転領域であるか否かが判定される（ステップ１２０）。現在の運転領域が領域ＩＶである場合、または領域Ｉ〜ＩＩＩの使用中に上記加速要求が出された場合には、本ステップ１２０の判定が成立することとなる。この場合には、ＷＧＶ３２を閉じられた状態で気筒間インバランス異常の検出が実行される（ステップ１２２）。

以上説明した図７に示すルーチンによれば、内燃機関１０の運転領域に応じて、空燃比の気筒間インバランス異常の検出をＷＧＶ３２が開かれた状態で行うか或いはＷＧＶ３２が閉じられた状態で行うかが変更される。これにより、個々の運転領域に応じた適切な態様で気筒間インバランス異常の検出を行えるようになる。このため、燃費性能、出力性能および加速応答性等の内燃機関１０の各種性能の確保と、気筒間インバランス異常の検出頻度の確保とを良好に両立させることができる。

ところで、上述した実施の形態２においては、内燃機関１０の運転領域に応じて、ＷＧＶ３２が開かれた状態或いは閉じられた状態で、空燃比の気筒間インバランス異常の検出を行う構成を例に挙げて説明を行った。しかしながら、気筒間インバランス異常の検出を行う際に、内燃機関１０の運転領域に応じて変更されるＷＧＶ３２の開度は、全開値と全閉値との間で変更されるものに限らない。すなわち、本発明におけるＷＧＶ開度変更手段により変更されるウェイストゲートバルブの開度は、気筒間インバランス異常の検出性と、内燃機関１０の出力性能、加速応答性および燃費要求との関係を適宜考慮して設定される開度であって、個々の運転領域に適した任意の開度であってもよい。

尚、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ４４が上記図７に示すルーチンの一連の処理を実行することにより前記第４の発明における「インバランス異常判定手段」および「ＷＧＶ開度変更手段」がそれぞれ実現されている。

１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
１６ エアクリーナ
１８ エアフローメータ
２０ ターボ過給機
２０ａ ターボ過給機のコンプレッサ
２０ｂ ターボ過給機のタービン
２２ インタークーラ
２４ スロットルバルブ
２６ 燃料噴射弁
２８ 点火プラグ
３０ ウェイストゲート（ＷＧ）
３０ａ ウェイストゲートの開口部の非回転軸側周辺部
３２ ウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）
３２ａ ウェイストゲートバルブの回転軸部
３２ｂ ウェイストゲートバルブの弁体
３４ アクチュエータ
３８ 触媒
４０ Ａ／Ｆセンサ
４２ Ｏ_２センサ
４４ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
４６ クランク角センサ
４８ アクセル開度センサ

Claims (4)

1. 排気エネルギにより作動するタービンを排気通路に備えるターボ過給機と、
   前記タービンよりも上流側において前記排気通路の壁面に形成され、前記タービンをバイパスし、前記タービンの下流側の前記排気通路に連通するウェイストゲートと、
   前記ウェイストゲートの開口部周辺に設けられた回転軸部と、前記ウェイストゲートと隣り合って配置され前記回転軸部の回転軸を中心として回転することによって前記ウェイストゲートを開閉する弁体とを備えるウェイストゲートバルブと、
   前記タービンよりも下流側の前記排気通路を流れる排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサと、
   を備え、
   前記タービンの出口部と前記ウェイストゲートバルブとの位置関係が、前記回転軸部に対する前記ウェイストゲートの開口部の反対側の部位である非回転軸側周辺部が前記タービンの出口部と対向しないように設定されており、
   前記空燃比センサは、前記排気通路の壁面に沿って流れる前記タービンからの排気ガスの旋回流が前記弁体の開弁時に前記ウェイストゲートから流出する排気ガスと混合する前に、前記タービンからの排気ガスの当該旋回流に当たるように配置されていることを特徴とする過給機付き内燃機関。
2. 前記空燃比センサは、前記排気通路の壁面に沿って流れる前記タービンからの排気ガスの旋回流が前記弁体の開弁時に前記ウェイストゲートから流出する排気ガスと混合する直前の部位において、前記タービンからの排気ガスの当該旋回流に当たるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の過給機付き内燃機関。
3. 前記空燃比センサは、
   前記タービンの前記出口部および前記ウェイストゲートを前記タービンの下流側から見て、前記非回転軸側周辺部に対して前記タービンからの排気ガスの旋回流の上流側の部位であって前記非回転軸側周辺部から所定距離離れた部位に配置され、かつ、
   前記排気通路の通路長方向においては、前記弁体が開いている場合に前記ウェイストゲートから流出する排気ガスと前記タービンからの排気ガスとが混合した後の排気ガスが当たらないように前記タービンの前記出口部の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の過給機付き内燃機関。
4. 前記空燃比センサの出力に基づいて、前記内燃機関が備える複数の気筒間での空燃比のインバランス度合いが所定の許容レベルを超えたか否かを判定するインバランス異常判定手段と、
   前記内燃機関の運転領域に応じて、前記インバランス異常判定手段による判定を実施する際の前記ウェイストゲートバルブの開度を変更するＷＧＶ開度変更手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の過給機付き内燃機関。

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