JP2017201144A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ツインエントリー型のターボチャージャに独立して接続される排気通路同士を連通させる連通弁を備える内燃機関において、連通弁の動作異常の有無を正確に診断する。【解決手段】第１排気通路及び第２排気通路がそれぞれ個別に連通するツインエントリー型のターボチャージャと、第１連通路を介して第１排気通路と連通し、第２連通路を介して第２排気通路と連通する副室と、第１連通路及び第２連通路の開閉を行う連通弁と、連通弁の異常の有無を診断する異常診断装置と、を備える。異常診断装置は、副室内のガスの状態を表す状態パラメータを検出し、状態パラメータの時間変化に基づいて、連通弁の閉弁不良又は開弁不良の有無を診断する。【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関に係り、特に、ツインエントリー型のターボチャージャを備えた内燃機関に関する。

従来、例えば特許文献１には、ツインエントリー型ターボチャージャ付きのエンジンに関する技術が開示されている。このエンジンの排気マニホールドは、排気干渉を起こさないシリンダの排気通路同士を集合化するように形成され、連結管を介してツインエントリー型ターボチャージャの備える２つの排気通路にそれぞれ連通されている。また、この連結管には両排気通路を連通或いは遮断させるための切替弁が設けられている。切替弁は、エンジンの小排気流量領域において両排気通路の連通を遮断し、エンジンの大排気流量領域において両排気通路を連通させるように制御される。

特開昭６３−１１７１２４号公報 特開２０１３−２５６８９５号公報

上記特許文献１のエンジンでは、小排気流量領域では排気干渉を起こさずにエンジン出力を向上させることができ、また、大排気流量領域では排気抵抗を低減させてエンジン出力を効率よく上げることができる。

しかしながら、上記特許文献１の切替弁のように、ツインエントリー型のターボチャージャに独立して接続される排気通路同士を連通させる連通弁は、動作不良の発生が問題となる。すなわち、連通弁は高温の排気通路に配置される可動部品であるため、閉弁すべき運転状態であるにもかかわらず閉弁が不十分となる不良（以下、「閉弁不良」と称する）や、開弁すべき運転状態であるにもかかわらず開弁が不十分となる不良（以下、「開弁不良」と称する）が発生するおそれがある。連通弁に閉弁不良の異常が発生すると、連通弁が閉弁されている場合よりも排気容積が大きくなるため、タービンでの膨張仕事が減少して過給性能が低下してしまう。また、連通弁に閉弁不良の異常が発生すると、他の気筒のバルブオーバーラップ時の排気ポート圧を高めてしまうため、他の気筒の残留ガスが増えることによる体積効率の低下や失火の発生が問題となる。

連通弁の異常有無を診断する方法としては、例えば排気通路に圧力センサを配置し、当該圧力センサにより検出される圧力に基づいて閉弁不良又は開弁不良の有無を診断することが考えられる。しかしながら、排気通路の圧力は連通弁の開閉状態にかかわらず変動するため、正確な異常診断を行う点において改善の余地がある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、ツインエントリー型のターボチャージャに独立して接続される排気通路同士を連通させる連通弁を備える内燃機関において、連通弁の動作異常の有無を正確に診断することが可能な内燃機関を提供することを目的とする。

本発明は、複数の気筒を備える内燃機関の第１気筒群から排気されるガスが流通する第１排気通路と、第１気筒群とは異なる気筒により構成される第２気筒群から排気されるガスが流通する第２排気通路と、第１排気通路及び第２排気通路がそれぞれ個別に連通するターボチャージャと、第１連通路を介して第１排気通路と連通し、第２連通路を介して第２排気通路と連通する副室と、第１連通路及び第２連通路の開閉を行う連通弁と、連通弁の異常の有無を診断する異常診断装置と、を備える内燃機関を対象としている。異常診断装置は、副室内のガスの状態を表す状態パラメータを検出するためのセンサを含んでいる。異常診断装置は、センサによって検出された状態パラメータの時間変化に基づいて、連通弁の異常の有無を診断するように構成されている。

副室内の状態を表す状態パラメータは、第１排気通路又は第２排気通路と副室との間のガスの流出入に応じて変化する。このため、本発明によれば、センサによって検出された状態パラメータの時間変化に基づいて、連通弁の開弁不良又は閉弁不良の有無を精度よく判定することが可能となる。

実施の形態１のターボチャージャのタービンの内部構造を模式的に示す図である。 図１におけるタービンを図中のＡ−Ａにて切断した断面図である。 圧力振幅とタービンにより回収される仕事との関係を示す図である。 ＥＣＵ５０が連通弁３０９の異常診断を行う場合に実行される制御ルーチンのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

実施の形態１．
１−１.実施の形態１の内燃機関の構成
本実施の形態の内燃機関は、＃１→＃３→＃４→＃２の順に燃焼を繰り返す直列４気筒エンジンとして構成されている。内燃機関には、ターボチャージャ３０が備えられている。ターボチャージャ３０は、内燃機関の排気ガスのエネルギによって作動するタービン３０１を有している。図１は、実施の形態１のターボチャージャのタービンの内部構造を模式的に示す図である。また、図２は、図１におけるタービンを図中のＡ−Ａにて切断した断面図である。

タービン３０１は、二つの入口を有している。すなわち、このターボチャージャ３０は、ツインエントリー型のターボチャージャとして構成されている。タービン３０１の一方の入口には、第１排気マニホールド（図示せず）が接続されており、他方の入口には、第２排気マニホールド（図示せず）が接続されている。第１排気マニホールドは、＃２気筒および＃３気筒に接続されている。すなわち、＃２気筒から排出される排気ガスと、＃３気筒から排出される排気ガスとは、第１排気マニホールドにおいて合流し、タービン３０１の一方の入口に流入する。以下、＃２気筒および＃３気筒で構成される気筒群を「第１気筒群」と称する。

一方、第２排気マニホールドは、＃１気筒および＃４気筒に接続されている。すなわち、＃１気筒から排出される排気ガスと、＃４気筒から排出される排気ガスとは、第２排気マニホールドにおいて合流し、タービン３０１の他方の入口に流入する。以下、＃１気筒および＃４気筒で構成される気筒群を「第２気筒群」と称する。このようなツインエントリー型のターボチャージャ３０によれば、気筒間の排気脈動の干渉を抑制することができ、優れた過給特性が得られる。

タービン３０１の出口には、排気通路３６が接続されている。排気通路３６の途中には、排気ガスを浄化する触媒３８が設置されている。触媒３８は、例えば三元触媒で構成される。

次に、ターボチャージャ３０の内部構造について説明する。ターボチャージャ３０は、排気通路３６に配置されたタービンホイール（図示せず）、吸気通路に配置されたコンプレッサインペラ（図示せず）、及び、これらタービンホイールとコンプレッサインペラとを回転一体に連結する連結シャフト（図示せず）などを備えている。排気通路３６に配置されたタービンホイールが排気のエネルギによって回転すると、これに伴って吸気通路に配置されたコンプレッサインペラが回転する。そして、コンプレッサインペラの回転により吸入空気が過給され、内燃機関の各気筒＃１〜＃４の燃焼室に過給空気が強制的に送り込まれる。

タービンホイールは、タービン３０１のタービンハウジング３０３内に収容されている。ターボチャージャ３０のスクロール室は、第１スクロール室と第２スクロール室（何れも図示せず）に区画されている。ターボチャージャ３０は、第１スクロール室へと連通する第１排気通路３０４と第２スクロール室へと連通する第２排気通路３０５を備えている。第１排気通路３０４の入口には上述した第１排気マニホールドが接続され、第２排気通路３０５の入口には第２排気マニホールドが接続されている。これにより、第１気筒群の排気ガスは第１排気マニホールド、第１排気通路３０４を介して第１スクロール室へと導入される。一方、第２気筒群の排気ガスは第２排気マニホールド、第２排気通路３０５を介して第２スクロール室と導入される。

第１排気通路３０４及び第２排気通路３０５の入口の近傍には、閉空間としての副室３０６が設けられている。第１排気通路３０４と副室３０６とは、第１連通路３０７により連通され、第２排気通路３０５と副室３０６とは、第２連通路３０８により連通されている。また、第１連通路３０７及び第２連通路３０８と副室３０６との連通部には、連通弁３０９が設けられている。連通弁３０９は、第１連通路３０７及び第２連通路３０８から副室３０６への連通を開放・遮断するための弁である。ＥＣＵ５０は、内燃機関の運転状態に基づいて連通弁３０９を動作させる。副室３０６には、副室３０６内の排気ガスの状態パラメータを検出するセンサとして、副室３０６内の排気ガスの圧力を検出する圧力センサ５６が設けられている。

ターボチャージャ３０の近傍には、第１排気通路３０４及び第２排気通路３０５内の排気ガスの一部を、タービン３０１を通さずに、タービン３０１の下流側の排気通路３６に流すことが可能なバイパス通路３９と、該バイパス通路３９を開閉するウエストゲートバルブ（ＷＧＶ）４０とが設けられている。ＥＣＵ５０は、内燃機関の運転状態に基づいてＷＧＶ４０を動作させる。

さらに、本実施の形態のシステムは、内燃機関の制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０は、少なくとも入出力インタフェースとメモリとＣＰＵ（プロセッサ）とを備えている。入出力インタフェースは、内燃機関に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、内燃機関が備えるアクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられている。ＥＣＵ５０が信号を取り込むセンサには、クランク角センサやアクセルポジションセンサ、圧力センサ５６等、内燃機関の制御に必要な各種のセンサが含まれる。ＥＣＵ５０が操作信号を出すアクチュエータには、上述したＷＧＶ４０等の各種アクチュエータが含まれる。メモリには、内燃機関を制御するための各種の制御プログラム、マップ等が記憶されている。ＣＰＵ（プロセッサ）は、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。

２．実施の形態１のシステムの特徴的動作
２−１．連通弁の開閉制御
上述したように、ツインエントリー型のターボチャージャによれば、気筒間の排気脈動の干渉を抑制することができるので、優れた過給特性が得られる。但し、ツインエントリー型のターボチャージャは、内燃機関の低回転速度域の全負荷トルクを増大させることには適しているが、高負荷域ではその構造上、排気抵抗が高くなり出力が制限されるという問題がある。一方、通常のシングルエントリー型のターボチャージャは、低回転速度域において十分な排気エネルギを取り出すことができないため、低回転速度域における出力性能を得ることができない。

そこで、本実施の形態のシステムのツインエントリー型ターボチャージャでは、第１連通路３０７と第２連通路３０８の連通を開放・遮断するための連通弁３０９を備えることとしている。連通弁３０９は、内燃機関の運転状態に応じて開閉が制御される。具体的には、ＥＣＵ５０は、内燃機関の低回転速度域では第１連通路３０７と第２連通路３０８の連通を遮断すべく連通弁３０９を閉弁する。これにより、ターボチャージャ３０はツインエントリー型のターボチャージャとして機能する。一方、ＥＣＵ５０は、内燃機関の高回転速度高負荷域では第１連通路３０７と第２連通路３０８の連通を開放すべく連通弁３０９を開弁する。これにより、ターボチャージャ３０は通常のシングルエントリー型のターボチャージャとして機能する。このように、連通弁３０９を備えたツインエントリー型ターボチャージャによれば、内燃機関の運転状態に依らず、高い出力性能を得ることができる。

２−２．連通弁の異常診断
連通弁３０９は高温の排気ガスに晒される可動部品であるため、閉弁不良や開弁不良が発生するおそれがある。例えば連通弁３０９に閉弁不良が発生すると、タービン３０１によって回収される仕事が小さくなる。このことを、図を参照してさらに詳しく説明する。図３は、圧力振幅とタービン３０１により回収される仕事との関係を示す図である。なお、この図において、（Ａ）は、タービン入口圧力Ｐ４／タービン出口圧力Ｐ６の時間変化を、（Ｂ）はタービン３０１を通過するガス量Ｇ４の時間変化を、（Ｃ）はタービン３０１を通過するガスの温度Ｔ４の時間変化を、（Ｄ）はタービン効率ηｔの時間変化を、そして（Ｅ）はタービン仕事Ｗ（＝Ｋ*ηｔ*Ｔ４*｛（Ｐ４／Ｐ６）の関数｝）の時間変化を、それぞれ示している。

図中（Ａ）に示すように、Ｐ４／Ｐ６は、各気筒の排気行程前期において排気された排気流（以下、「ブローダウン流」と称する）により脈動する。図中（Ａ）では、連通弁３０９が正常に閉弁されているときのＰ４／Ｐ６の変化を実線で示し、連通弁３０９に閉弁不良が発生しているときのＰ４／Ｐ６の変化を点線で示している。この図に示すように、連通弁３０９に閉弁不良が発生しているときには、排気容積が大きくなるので、連通弁３０９が正常に閉弁されている場合に比べて圧力の振幅が小さくなる。この場合、図中の（Ｅ）に示すように、ブローダウン直前のタイミング（つまり圧力の谷のタイミング）ではタービン仕事に大差は生じないが、ブローダウンのタイミング（つまり圧力の山のタイミング）ではタービン仕事が大きく減少する。その結果、圧力変化の振幅が小さい場合には、タービン仕事の平均値が小さくなってしまう。

そこで、本実施の形態１のシステムでは、副室３０６内の圧力の時間変化に基づいて連通弁３０９の閉弁不良又は開弁不良の有無を診断することとしている。すなわち、連通弁３０９が正常に閉弁されている場合には、副室３０６内は第１排気通路３０４及び第２排気通路３０５との連通が遮断された状態にある。この場合、副室３０６内のガスの状態に変化は生じない。一方、連通弁３０９が開弁されている場合には、副室３０６内と第１排気通路３０４及び第２排気通路３０５との間でガス交換が行われるので、副室３０６内のガスの状態に変化が生じる。副室３０６内のガスの状態を表す状態パラメータは、圧力や温度等が考えられるが、特に圧力は副室３０６内のガス交換の量が僅かであったとしても、その変化が値に反映される。このため、圧力センサ５６によって副室３０６内の排気ガスの圧力の時間変化を検出することにより、連通弁３０９に閉弁不良又は開弁不良が発生しているか否かを判定することが可能となる。以下、連通弁３０９の故障を診断する場合に実行される具体的処理についてフローチャートを用いて詳細に説明する。

３．連通弁の異常診断の具体的処理
図４は、ＥＣＵ５０が連通弁３０９の異常診断を行う場合に実行される制御ルーチンのフローチャートである。尚、本制御ルーチンは、所定のクランク角（例えば３０deg）毎に実行される。この制御ルーチンでは、先ず、圧力センサ５６により検出された副室３０６内の圧力p(i)（初期値；i＝0）が読み込まれる（ステップＳ２）。次に、変数ｉがｉ＋１にインクリメントされる（ステップＳ４）。次に、ｉ≧ＩＭＡＸの成立が判定される（ステップＳ６）。ＩＭＡＸは、連通弁３０９の異常診断を実行するクランク角周期に対応する値であって、当該クランク角周期が１８０degであればＩＭＡＸ＝６に、７２０degであればＩＭＡＸ＝２４に設定されている。ステップＳ６の判定の結果、ｉ≧ＩＭＡＸの成立が認められない場合には、未だ連通弁３０９の異常診断を実行するクランク角周期に達していないと判断されて、本制御ルーチンは終了される。

一方、上記ステップＳ６の判定の結果、ｉ≧ＩＭＡＸの成立が認められた場合には、連通弁３０９の異常診断を実行するクランク角周期に達したと判断されて、次のステップに移行して、p(i)（i＝0,1,2,…,5）の最大値ＭＡＸが算出される（ステップＳ８）。次に、p(i)の最小値ＭＩＮが算出される（ステップＳ１０）。次に、p(i)の平均値ＡＶＥが算出される（ステップＳ１２）。なお、上記ステップＳ８及びＳ１０では、算出されたＭＡＸ又はＭＩＮが過去のＭＡＸ又はＭＩＮと比較して著しく乖離している場合に、ノイズと判断してそのデータを除外することとしてもよい。

次に、連通弁３０９に開弁指示中、且つ（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／ＡＶＥ≦ＺＣＬＳの成立が判定される（ステップＳ１４）。（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／ＡＶＥは、副室３０６内の圧力の時間変動に関連する値であって、副室３０６内の圧力の変動幅が大きいほど大きな値となる。ＺＣＬＳは、連通弁３０９が正常に開弁されているか否かを判定するための（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／ＡＶＥの閾値であって、例えば、連通弁３０９が正常に開弁されている場合になり得る（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／ＡＶＥの最小値よりも小さい値に設定される。その結果、連通弁３０９に開弁指示中、且つ（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／ＡＶＥ≦ＺＣＬＳの成立が認められた場合には、連通弁３０９が閉弁されているために副室３０６内の圧力の変動が小さいと判断されて、現時点において連通弁３０９に開弁不良が発生していることが判定される（ステップＳ１６）。

連通弁３０９の開弁不良が判定されると、次に開弁不良時の処理が実施される（ステップＳ１８）。ここでは、具体的には、先ずＭＩＬが点灯されて、連通弁３０９に故障が発生したことが報知される。そして、連通弁３０９への開弁指示中において、排気バルブの開弁時期（ＥＶＯ）が早められる。これにより、排気押し出し仕事の増加を抑制することができるので、期間出力の低下を防ぐことができる。ステップＳ１８の処理が終了されると、変数ｉが０にクリアされ（ステップＳ２０）、本制御ルーチンは終了される。

一方、上記ステップＳ１４において、連通弁３０９に開弁指示中、且つ（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／ＡＶＥ≦ＺＣＬＳの成立が認められない場合には、少なくとも現時点において連通弁３０９の開弁不良は発生していないと判断されて、次に連通弁３０９に閉弁指示中、且つ（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／ＡＶＥ≧ＺＯＰＮの成立が判定される（ステップＳ２２）。ＺＯＰＮは、連通弁３０９が正常に閉弁されているか否かを判定するための（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／ＡＶＥの閾値であって、例えば、連通弁３０９が正常に閉弁されている場合になり得る（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／ＡＶＥの最大値よりも大きい値に設定される。その結果、連通弁３０９に閉弁指示中、且つ（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／ＡＶＥ≧ＺＯＰＮの成立が認められない場合には、現時点において連通弁３０９の開弁不良及び閉弁不良は発生していないと判断されて、連通弁３０９の正常が判定される（ステップＳ２４）。連通弁３０９の正常が判定されると、次に通常時処理が実施される（ステップＳ２６）。そして、上記ステップＳ２０において変数ｉが０にクリアされ、本制御ルーチンは終了される。

一方、上記ステップＳ２２において、連通弁３０９に閉弁指示中、且つ（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／ＡＶＥ≧ＺＯＰＮの成立が認められた場合には、連通弁３０９が開弁されているために副室３０６内の圧力の変動が大きいと判断されて、現時点において連通弁３０９の閉弁不良が発生していることが判定される（ステップＳ２８）。

連通弁３０９の閉弁不良が判定されると、次に閉弁不良時の処理が実施される（ステップＳ３０）。ここでは、具体的には、先ずＭＩＬが点灯されて、連通弁３０９に故障が発生したことが報知される。そして、連通弁３０９への閉弁指示中において、排気バルブと吸気バルブの両方が開弁されるいわゆるバルブオーバーラップの期間が縮小される。これにより、第１気筒群の気筒のブローダウン流が第２気筒群のオーバーラップ期間中に第２気筒群の気筒に回り込むことが抑制されるので、充填効率の低下による失火等の燃焼異常が抑制される。ステップＳ３０の処理が終了されると、上記ステップＳ２０において変数ｉが０にクリアされ、本制御ルーチンは終了される。

このように、実施の形態１のシステムによれば、副室３０６内の圧力の時間変化に基づいて、連通弁３０９の閉弁不良及び開弁不良の有無が診断されるので、圧力センサの出力が経時劣化によってドリフトしている場合であっても故障有無を正確に診断することができる。

なお、上述した実施の形態１のシステムでは、圧力センサ５６が本発明の「センサ」に相当している。また、ＥＣＵ５０が上記ステップＳ２乃至Ｓ１６、Ｓ２２、Ｓ２４及びＳ２８の処理を実行することにより、本発明の「異常診断装置」が実現されている。

４．変形例
本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、以下のような変形例を採用してもよい。

上述した故障判定では、副室３０６内の圧力を利用して連通弁３０９の故障判定を行ったが、故障判定に利用可能な副室３０６内の状態パラメータはこれに限られない。すなわち、例えば、副室３０６内の温度は、連通弁３０９の開閉に応じて変化する。このため、圧力センサ５６に替えて副室３０６内に温度センサを配置し、副室３０６内の温度の変動度合に基づいて、連通弁３０９の閉弁不良及び開弁不良の有無を判定することとしてもよい。また、副室３０６内温度以外にも、例えば、副室３０６内の密度や流量等の状態パラメータを用いることができる。

なお、温度センサを用いると、触媒に流入する排気ガスの温度を正確に把握することができる。このため、触媒温度に応じて燃料を増量する制御を実行することにより、不要な燃料増量を抑制しつつ触媒の過昇温を防ぐことが可能となる。また、圧力センサ５６を用いると、タービン入口圧力Ｐ４を正確に把握することができる。このため、タービン入口圧力Ｐ４に応じてウエストゲートバルブ４０の開度を調整することにより、過給圧の過剰な上昇を抑えつつタービン３０１から有効に仕事を回収することが可能となる。

また、上述した故障判定では、副室３０６内の圧力の時間変動に関連する値として（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／ＡＶＥを用いているが、使用可能な値はこれに限られない。すなわち、副室３０６内の状態パラメータに時間変化が生じているか否かを判断することが可能な値であればよく、例えば圧力p(i)の変化率等を用いることもできる。

３０ ターボチャージャ
３６ 排気通路
３８ 触媒
３９ バイパス通路
４０ ウエストゲートバルブ（ＷＧＶ）
５０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
５６ 圧力センサ
３０１ タービン
３０３ タービンハウジング
３０４ 第１排気通路
３０５ 第２排気通路
３０６ 副室
３０７ 第１連通路
３０８ 第２連通路
３０９ 連通弁

Claims (1)

1. 複数の気筒を備える内燃機関の第１気筒群から排気されるガスが流通する第１排気通路と、
   前記第１気筒群とは異なる気筒により構成される第２気筒群から排気されるガスが流通する第２排気通路と、
   前記第１排気通路及び前記第２排気通路がそれぞれ個別に連通するターボチャージャと、
   第１連通路を介して前記第１排気通路と連通し、第２連通路を介して前記第２排気通路と連通する副室と、
   前記第１連通路及び前記第２連通路の開閉を行う連通弁と、
   前記連通弁の異常の有無を診断する異常診断装置と、を備え、
   前記異常診断装置は、
   前記副室内のガスの状態を表す状態パラメータを検出するためのセンサを含み、前記センサによって検出された状態パラメータの時間変化に基づいて、前記連通弁の異常の有無を診断するように構成されていることを特徴とする内燃機関。

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