JP2021116793A - 排気ターボ過給機付き内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ターボ過給機及び触媒式排気ガス浄化装置を備えた内燃機関において、ウェイストゲートバルブを駆動するアクチュエータが正圧の吸気によって作動させることによる利点を損なうことなく、暖機運転時にウェイストゲートバルブを開いて触媒ケースの早期昇温を図る。【解決手段】ウェイストゲートバルブ２９は無負荷状態で全閉しており、通常運転では、アクチュエータ３０は正圧の過給吸気で作動する。制御通路３２に蓄圧タンク３６が介在しており、冷間始動後の暖機運転状態では、第１電磁弁３４は閉じて第２電磁弁３７を開く。すると、蓄圧タンク３６から供給された正圧の吸気によってアクチュエータ３０が作動してウェイストゲートバルブ２９が開く。従って、正圧作動式の排気ターボ過給１５を使用しつつ、触媒２７を早期昇温させて排気ガスの浄化性能を向上できる。【選択図】図１

Description

本願発明は、排気ターボ過給機を備えた内燃機関に関するものである。

車両用の内燃機関において、出力向上のために排気ターボ過給機を設けることは広く行われている。この排気ターボ過給機は、タービン翼とコンプレッサ翼とが１本の回転軸に固定されており、排気ガスによってタービン翼を駆動することにより、コンプレッサ翼によって吸気が加圧されるが、運転状態に応じて過給態様を制御するために、排気ガスをタービン翼に当てることなくリークさせるバイパス通路を設けて、ウェイストゲートバルブを駆動してバイパス通路の開度を制御している。

そして、ウェイストゲートバルブはアクチュエータで駆動されており、アクチュエータは、電動式と吸気作動式とに大別される。吸気作動式のアクチュエータはダイヤフラム式のものが多用されており、ウェイストゲートバルブが開いている状態を基本として、真空ポンプで発生させた負圧によって閉じ操作する負圧駆動タイプと、ウェイストゲートバルブが閉じている状態を基本として、排気ターボ過給機によって加圧された正圧の吸気を利用してウェイストゲートバルブを開き操作する正圧駆動タイプ（例えば特許文献１）とに大別される。

特開２０１５−１４３４８５号公報

アクチュエータとして電動モータを使用すると、コストが嵩む問題や、バッテリー負荷の増大を通じて燃費が悪化するという問題がある。他方、負圧駆動式では、クランク軸等で駆動される真空ポンプが必要になるため、電動モータの場合と同様にコストが嵩むのみならず、機関の出力の一部が真空ポンプを駆動エネルギとして消費されるため、それだけ燃費が悪化してしまうという問題がある。

これに対して、排気ターボ過給機によって加圧された正圧の吸気を利用するタイプは、専用の部材を追加する必要はないため、コストを抑制できると共に燃費の悪化も防止できる利点がある。

さて、自動車用内燃機関では排気ガスの浄化が義務付けられており、ガソリン車では、触媒ケースに触媒（三元触媒）を装填した排気ガス浄化装置が使用されているが、この触媒は、ある程度の温度に昇温しないと活性化しないという性質がある。従って、排気ターボ過給機を備えた内燃機関では、機関温度が低い状態で始動されたとき、排気ターボ過給機のウェイストゲートバルブを開いて高温の排気ガスを触媒ケースに送ることにより、触媒の早期昇温を図る必要がある。

しかし、正圧の吸気を使用してアクチュエータを駆動するタイプの排気ターボ過給機では、ウェイストゲートバルブを閉じて排気ガスをタービンスクロール室に送らないと正圧を確保できないため、冷間始動時における触媒の早期昇温を達成しにくいという問題があった。

本願発明はこのような現状を背景に成されたものであり、正圧吸気によってアクチュエータを制御するタイプの排気ターボ過給機を使用しつつ、冷間始動における触媒の早期昇温を実現しようとするものである。

本願発明は、
「ウェイストゲートバルブが正圧の吸気により作動するアクチュエータによって操作される排気ターボ過給機と、前記排気ターボ過給機の下流側に配置された触媒式排気ガス浄化装置と、前記アクチュエータに正圧の吸気を供給する蓄圧タンクとを備えており、
冷間始動後の暖機運転時に、前記蓄圧タンクから供給された正圧の吸気によって前記アクチュエータを作動させて前記ウェイストゲートバルブが開くように制御される」
という構成になっている。

ここに、冷間始動時とは、機関温度が予め設定した温度よりも低い状態で始動されたときという意味であり、機関温度は、例えば冷却水の温度で代替できる。また、蓄圧タンクへの正圧吸気の取り込み・放出は、ＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）で電磁弁を制御することによって実行できる。

本願発明では、通常運転時に正圧の吸気を蓄圧タンクに溜めておいて、冷間始動後の暖機運転時には、蓄圧タンクに溜められていた正圧の吸気によってアクチュエータを作動させて、ウェイストゲートバルブを開いた状態に保持できる。従って、正圧の吸気によってアクチュエータを作動させるタイプの排気ターボ過給機を使用しつつ、冷間始動時の暖機運転時に高温の排気ガスを触媒ケースに流入させて触媒の早期昇温を達成できる。

従って、コストの抑制と燃費悪化防止を図りつつ、触媒を早期昇温させて排気ガスの浄化性能向上に貢献できる。なお、暖機運転時にはウェイストゲートバルブを開き状態に保持しておけばよいため、蓄圧タンクの容量はさほど必要はない（１リットル程度で足りる）。そして、蓄圧タンクは可動部材ではないため、モータや真空ポンプに比べてコストを抑制できる。

実施形態に係る内燃機関の模式図である。 制御例のフローチャートである。

(1).内燃機関の構成
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１を参照して内燃機関の構成を説明する。本実施形態は、自動車用内燃機関に適用している。

内燃機関の基本構造は従来と同様であり、まず、機関本体として、シリンダボア２が形成されたシリンダブロック１と、シリンダブロック１の頂面に固定されたシリンダヘッド３と、シリンダヘッド３の頂面に固定されたヘッドカバー４と、シリンダブロック１の下面に固定されたオイルパン５とを備えており、シリンダブロック１には、ピストン６の往復動で回転するクランク軸７が回転自在に保持されている。

シリンダヘッド３には、吸気バルブ８で開閉される吸気ポート９と、排気バルブ１０で開閉される排気ポート１１とが形成されている。また、シリンダヘッド３の吸気側面３ａには、サージタンク１２を有する吸気マニホールドが固定されており、サージタンク１２にはスロットルバルブ１３が固定されている。スロットルバルブ１３には、吸気通路第１部分１４が接続されている。

内燃機関は、排気ターボ過給機１５を備えている。排気ターボ過給機１５は、ターンビ翼１６が配置されたタービンハウジング１７と、コンプレッサ翼１８が配置されたコンプレッサハウジング１９と、両者の間に位置した軸受けハウジング２０とを有しており、ターンビ翼１６とコンプレッサ翼１８とは回転軸２１に固定されている。

タービンハウジング１７の入り口は、シリンダヘッド３の排気側面３ｂに開口した排気出口に直接に又は排気マニホールドを介して接続されている一方、コンプレッサハウジング１９の入り口に、吸気通路第２部分２２を介してエアクリーナ２３のクリーン室が接続されている。従って、吸気通路は、排気ターボ過給機１５の下流側に位置した第１部分１４と、排気ターボ過給機１５の上流側に位置した第２部分２２とに分かれている。なお、吸気通路第１部分１４の経路中に、空冷式又は水冷式のインタークーラ２４を介在させている。

タービンハウジング１７の出口には触媒ケース２５の入り口が接続されており、触媒ケース２５の下端には排気管２６が接続されている。触媒ケース２５には触媒２７が内蔵されている。

タービンハウジング１７には、タービンスクロール室を迂回して排気ガスを出口穴に逃がすバイパス通路２８が形成されており、バイパス通路２８はウェイストゲートバルブ２９によって開度が制御される。ウェイストゲートバルブ２９は、正圧の吸気で作動するダイヤフラム式のアクチュエータ３０によって駆動される。ウェイストゲートバルブ２９はタービンハウジング１７に回動自在に取り付けられており、アクチュエータ３０に設けたロッドによって回動操作されるが、便宜的に、ロッド含む連動機構を符号３１で表示している。

アクチュエータ３０と吸気通路第１部分１４（コンプレッサハウジング１９の出口部）とは制御通路３２で接続されており、制御通路３２に、電磁ソレノイド式のＶＳＶ（バキューム・スイッチング・バルブ、過給圧制御バルブ）３３と第１電磁弁３４とが配置されている。第１電磁弁３４は、ＶＳＶ３３とアクチュエータ３０との間に配置されている。なお、制御通路３２のうち第１電磁弁３４とＶＳＶ３３との間の部位は吸気通路第２部分２２に接続されている。

そして、制御通路３２のうちアクチュエータ３０と第１電磁弁３４との間から蓄圧通路３５を分岐させ、蓄圧通路３５に蓄圧タンク３６を接続している。また、蓄圧通路３５のうち任意の部位に第２電磁弁３７を設けている。なお、蓄圧タンク３６と第２電磁弁３７とを一体化して、その入り口を制御通路３２に接続してもよい。従って、蓄圧通路３５は外観に現れないことも有り得る。

内燃機関は制御装置としてのＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）３８を備えており、スロットルバルブ１３やＶＳＶ３４、第１及び第２電磁弁３４，３７はＥＣＵ３８に電気的に接続されている。また、シリンダヘッド３のうちミッションケースが固定されている側の端部に排水ユニット３９を設け、排水ユニット３９に冷却水温度センサ４０を設けているが、冷却水温度センサ４０もＥＣＵ３８に接続されている。更に、内燃機関を始動・停止させるイグニッションスイッチ４１もＥＣＵ３８に接続されている。

更に、内燃機関はクランク軸７の回転数を検出する回転センサ４２を備えており、回転センサ４２もＥＣＵ３８に結線されている。そして、機関の回転数とスロットルバルブ１３の開度とから機関の負荷が算定されて、負荷と回転数から幾つかの運転領域を設定し、各領域ごとに過給の制御マップを用意している。

(2).制御例
以上の構成において、実施形態の排気ターボ過給機は、アクチュエータ３０に外力が掛かっていない状態でウェイストゲートバルブ２９は閉じている。そこで、冷間始動後の暖機運転時には、第１電磁弁３４は閉じて第２電磁弁３７を開くことにより、ウェイストゲートバルブ２９が開かれた状態を保持して、排気ガスをできるだけバイパス通路２８に流して高温の排気ガスを触媒ケース２５に流入させる。これにより、触媒２７を早期昇温させて排気ガスの浄化性能を向上できる。

蓄圧タンク３６への蓄圧状態の有無をフラッグＡによって特定しており、Ａ０は蓄圧されている状態、Ａ１は蓄圧されていない状態を気味している。蓄圧の有無は、蓄圧タンク３６に圧力センサを設けて、その絶対値によって特定することも可能であるし、第２電磁弁３７の開閉で代替し、第２電磁弁３７が閉じていると蓄圧されていない（Ａ＝Ａ１）とみなし、第２電磁弁３７が開いていると蓄圧されている（Ａ＝Ａ０）とみなすことも可能である。

なお、排気ガスは直進性を持ってタービンスクロール室に向かうため、ウェイストゲートバルブ２９を全開させても排気ガスの相当量はタービンスクロール室に流入するが、タービン翼１６の回転数が低いことにより、タービン翼１６及びタービンスクロール室への放熱量は少ないため、触媒ケース２５に流入する排気ガスの温度低下は抑制されている。

具体的な制御のフローを、図２を参照して説明する。まず、イグニッションスイッチ４１がＯＮされて機関が始動されとシステムの制御がスタートし（Ｓ１）、冷間始動による暖機運転（１回目アイドル運転）か必要か否かが判断される（Ｓ２）。冷間始動であるか否かは、例えば冷却水温度が予め設定した値より低いか否かで判定される。

冷間始動で暖機運転が必要と判断された場合は、第１電磁弁３４は閉じて第２電磁弁３７が開くことにより、蓄圧タンク３６に溜められていた吸気の圧力（正圧）によってアクチュエータ３０を作動させ、ウェイストゲートバルブ２９を全開又は大きく開かせる（Ｓ３）。これにより、ウェイストゲートバルブ２９を全開又は大きく開いた状態での暖機運転状態が維持される（Ｓ４）。従って、触媒２７を早期昇温させて排気ガスの浄化性能を向上できる。

一時的に機関を停止させて再始動する場合や、信号待ちなどでアイトリングストップのために自動停止した場合など、再始動時に機関が十分に温まっていることもあるが、このような場合は冷間始動とは判定されず、通常運転に移行する（Ｓ７）。

暖機運転と判定された場合は、予め設定された時間間隔ごとに、暖機運転状態が完了して制御通路３２に正圧の吸気が要求されているか否かが判断される（Ｓ５）。暖機運転状態が完了したか否かは、冷却水温度が予め設定した温度に達したか否かで判断される。暖機運転状態であるか否かの判断は、潤滑油の温度が予め設定した基準温度に至っているか否かによって行うことも可能である（冷間始動であるか否かの判断も同様である。）。

暖機運転状態が完了していないと判断されたら、ウェイストゲートバルブ２９の開き状態を維持して暖機運転状態が継続され、暖機運転状態が完了したと判断された場合は、第１電磁弁３４と第２電磁弁３７との両方を開いて（Ｓ６）、排気ターボ過給機１５で発生した正圧の吸気によってアクチュエータ３０を作動させる通常運転が指示される（Ｓ７）。通常運転でのウェイストゲートバルブ２９の制御は、既述のとおりマップに基づいて行われる。

通常運転状態に移行すると、まず、蓄圧タンク３６が蓄圧状態であるか否かが判断される。すなわち、フラッグＡが０か１かが判断される（Ｓ８）。蓄圧状態でない（Ａ＝Ａ１）と判断された場合は、ＶＳＶ３３が作動しているか否かが判断され（Ｓ９）、蓄圧タンク３６が蓄圧状態である（Ａ＝Ａ０）と判断され場合は、適当なタイムラグをおいて通常運転指示にリターンする。

通常運転状態で第２電磁弁３７が開いていると、加圧された吸気が蓄圧タンク３６に流入するが、流入した吸気は流出も可能であるので、第２電磁弁３７が開いていたら蓄圧状態でない（Ａ＝Ａ０）と判断したらよい。なお、第２電磁弁３７は機関の停止状態で閉じている必要があるので、通電によって開く方式のものが使用される。他方、第１電磁弁３４は、通電によって閉じる方式と開く方式とのいずれも使用できる（通電によって閉じる方式が好ましい。）。

そして、蓄圧タンク３６が開放状態でかつＶＳＶ３３が作動していると判定されたら、第２電磁弁３７を閉じて蓄圧する（Ｓ１０）。この場合、蓄圧タンク３６にはできるだけ高圧の吸気を蓄圧するのが好ましいので、通常運転状態で機関の回転数を制御系に常時入力して、機関の回転数がそれまでに比べて高くなったらいったん第２電磁弁３７を開いて数秒経過したら閉じ直す、という作業を行うことにより、できるだけ高圧の吸気を蓄圧して次の始動後のウェイストゲートバルブ２９の操作を確実化できる。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、径違いのシリンダ等の増圧手段を使用して、蓄圧タンクでの吸気の圧力を過給圧力より増大させることが可能である。

本願発明は、排気ターボ過給機及び触媒式浄化装置を使用した内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
９ 吸気ポート
１１ 排気ポート
１２ サージタンク（吸気マニホールド）
１３ スロットルバルブ
１４ 吸気通路第１部分
１５ 排気ターボ過給機
１７ タービンハウジング
１９ コンプレッサハウジング
２２ 吸気通路第２部分
２５ 触媒ケース
２７ 触媒
２８ バイパス通路
２９ ウェイストゲートバルブ
３０ アクチュエータ
３１ 連動機構
３２ 制御通路
３３ 流量制御手段の一例としてのＶＳＶ
３４ 開閉手段の一例としての第１電磁弁
３５ 蓄圧通路
３６ 蓄圧タンク
３７ 開閉手段の一例としての第２電磁弁
３８ 制御装置の中核を成すＥＣＵ

Claims (1)

1. ウェイストゲートバルブが正圧の吸気により作動するアクチュエータによって操作される排気ターボ過給機と、前記排気ターボ過給機の下流側に配置された触媒式排気ガス浄化装置と、前記アクチュエータに正圧の吸気を供給する蓄圧タンクとを備えており、
   冷間始動後の暖機運転時に、前記蓄圧タンクから供給された正圧の吸気によって前記アクチュエータを作動させて前記ウェイストゲートバルブが開くように制御される、
   排気ターボ過給機付き内燃機関。
   

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