JP2021124047A

JP2021124047A - エンジンシステム

Info

Publication number: JP2021124047A
Application number: JP2020017129A
Authority: JP
Inventors: 将典戸谷; Masanori Totani
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-02-04
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2021-08-30

Abstract

【課題】ウェストゲートバルブが閉固着した場合でのＥＧＲガス量の増大を抑制するエンジンシステムを提供することを課題とする。【解決手段】エンジンに接続された吸気通路に設けられた過給機のコンプレッサと、前記吸気通路の前記コンプレッサよりも下流側に設けられたスロットルバルブと、前記エンジンに接続された排気通路に設けられた過給機のタービンと、前記排気通路に設けられ前記タービンをバイパスするバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するウェストゲートバルブと、一端が前記排気通路の前記タービンよりも上流側に接続され、他端が前記吸気通路の前記スロットルバルブよりも下流側に接続され、前記排気通路を流れる排気ガスの一部を前記吸気通路に還流するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブと、前記ウェストゲートバルブの閉固着を検出した場合に、前記ＥＧＲバルブを全閉にする制御装置と、を備えたエンジンシステム。【選択図】図５

Description

本発明は、エンジンシステムに関する。

ウェストゲートバルブが閉固着した場合に、過給圧の増大を抑制するために、スロットルバルブが閉じ側に制御される場合がある（例えば特許文献１参照）。

特開２０１５−２１４０５号公報

この場合、過給機のタービンよりも上流側での排気通路とスロットルバルブよりも下流側での吸気通路とを接続したＥＧＲ通路が設けられている場合には、ＥＧＲガス量が増大して、例えば、ドライバビリティへの影響やＥＧＲ通路が過昇温となる可能性がある。

そこで本発明は、ウェストゲートバルブが閉固着した場合でのＥＧＲガス量の増大を抑制するエンジンシステムを提供することを目的とする。

上記目的は、エンジンに接続された吸気通路に設けられた過給機のコンプレッサと、前記吸気通路の前記コンプレッサよりも下流側に設けられたスロットルバルブと、前記エンジンに接続された排気通路に設けられた過給機のタービンと、前記排気通路に設けられ前記タービンをバイパスするバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するウェストゲートバルブと、一端が前記排気通路の前記タービンよりも上流側に接続され、他端が前記吸気通路の前記スロットルバルブよりも下流側に接続され、前記排気通路を流れる排気ガスの一部を前記吸気通路に還流するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブと、前記ウェストゲートバルブの閉固着を検出した場合に、前記ＥＧＲバルブを全閉にする制御装置と、を備えたエンジンシステムによって達成できる。

本発明によれば、ウェストゲートバルブが閉固着した場合でのＥＧＲガス量の増大を抑制するエンジンシステムを提供できる。

図１は、エンジンシステムの概略構成図である。図２は、ＷＧＶが正常時でのタイミングチャートである。図３は、ＷＧＶが閉固着した場合でのタイミングチャートである。図４は、ＥＣＵが実行する制御の一例を示したフローチャートである。図５は、ＷＧＶが閉固着した場合にＥＧＲバルブを全閉にした場合でのタイミングチャートである。

図１は、エンジンシステム１の概略構成図である。エンジンシステム１は、エンジン１０、吸気通路１９、排気通路２０、過給機２３、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０、ＥＧＲ通路５０等を備える。エンジン１０は、シリンダブロックに複数の気筒１１（図１では１つのみ図示）を備えている。気筒１１内に設けられたピストン１２は、クランクシャフト１３にコンロッド１４を介して連結されており、コンロッド１４によりピストン１２の往復運動がクランクシャフト１３の回転運動へと変換される。シリンダブロックの上部には、シリンダヘッドが取り付けられており、シリンダヘッドとピストン１２の上端との間には、点火プラグ１６が配設された燃焼室１５が形成されている。燃焼室１５に対応して設けられた吸気ポート及び排気ポートには、それぞれ、吸気通路１９及び排気通路２０が接続されている。

吸気通路１９には、その上流側からエアフロメータ２１、過給機２３のコンプレッサ２３ａ、インタークーラー１９ａ、スロットルバルブ２２が配設されている。スロットルバルブ２２はスロットルアクチュエータによってその開度が変更されることにより、燃焼室１５内へ吸入される空気量が調節される。インタークーラー１９ａは水冷式又は空冷式であり、コンプレッサ２３ａにより加圧された空気を冷却して充填効率を高める。コンプレッサ２３ａは、インタークーラー１９ａ及びスロットルバルブ２２よりも上流側に配置されている。吸気通路１９は、スロットルバルブ２２の吸気下流側に設けられた吸気マニホールド１９ｂにおいて分岐されており、この分岐した部分を通じて各燃焼室１５に接続されている。また、吸気マニホールド１９ｂよりも下流側には吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射弁２５ａが配設されている。燃焼室１５内には、筒内噴射弁２５ｂが設けられている。

排気通路２０には、過給機２３のタービン２３ｂが配設されており、各気筒の燃焼室１５での燃焼により生じた排気が排気マニホールドを通じてタービン２３ｂに導入される。導入された排気によってタービン２３ｂが作動すると、吸気通路１９側のコンプレッサ２３ａが連動して、吸気通路１９側で空気が圧縮される。空気が圧縮されることにより吸気通路１９内の圧力、即ち吸気圧が高められ、その圧力により燃焼室１５内に空気が効率的に充填される。

また、排気通路２０には、タービン２３ｂをバイパスするバイパス通路３３が設けられている。バイパス通路３３の一端は、タービン２３ｂよりも上流側で排気通路２０に接続されており、他端はタービン２３ｂよりも下流側で排気通路２０に接続されている。バイパス通路３３には、ウェストゲートバルブ（以下、ＷＧＶと称する）３４が設けられている。ＷＧＶ３４は、過給機２３の過給圧を調節する機能を担う。ＷＧＶ３４は、開閉駆動が可能な外部のアクチュエータを有するバルブ機構である。尚、過給機２３はターボチャージャである。排気通路２０のタービン２３ｂよりも下流側には、排気ガスを浄化するための三元触媒２９が設けられている。

エンジン１０は、吸気通路１９及び排気通路２０にそれぞれ接続される吸気ポート及び排気ポートをそれぞれ開閉する吸気バルブ２６及び排気バルブ２７を備えている。吸気バルブ２６及び排気バルブ２７は、クランクシャフト１３と駆動連結された吸気側カムシャフト及び排気側カムシャフトの回転に伴い開閉動作する。

ＥＧＲ通路５０は、一端が排気通路２０のタービン２３ｂよりも上流側に接続されており、他端はスロットルバルブ２２よりも下流側にある吸気マニホールド１９ｂに接続されている。ＥＧＲ通路５０により、排気ガスの一部であるＥＧＲガスを吸気マニホールド１９ｂに還流させることができる。また、ＥＧＲ通路５０には開度調整が可能なＥＧＲバルブ５２が設けられている。ＥＧＲバルブ５２の開度が調整されることにより、ＥＧＲガスの量を調整できる。また、ＥＧＲ通路５０には、ＥＧＲバルブ５２よりも上流側にＥＧＲクーラ５１が設けられている。ＥＧＲクーラ５１は、ＥＧＲガスを冷却することにより燃焼室１５内での燃焼温度を低下させて、Ｎｏｘの発生率を低下させている。

エンジンシステム１は、各種センサ類を備えている。具体的には、クランク角センサ３０、アクセル開度センサ３１、エアフロメータ２１、吸気圧センサ２４等である。これらセンサの検出信号は、エンジン１０の各種制御を司るＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０に入力されている。

ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、及びＲＯＭ（Read Only Memory）を備える。ＥＣＵ４０は、ＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することによりエンジン１０を制御する。ＥＣＵ４０は、制御装置の一例である。ＥＣＵ４０は、詳しくは後述するがＷＧＶ３４の故障診断を実行し、更に故障診断の結果に基づいてＥＧＲバルブ５２を全閉に制御する。

ＥＣＵ４０は、上述した各種センサの検出信号に基づき所定の算出を行う。例えばクランク角センサ３０の検出信号に基づいて、クランクシャフト１３の回転位相、即ちクランク角が算出され、更にエンジン１０の回転速度が算出される。アクセル開度センサ３１の検出信号に基づいて、運転手により操作されるアクセルペダルの開度が算出される。エアフロメータ２１の検出信号に基づいて、吸入空気量が算出される。吸気圧センサ２４の検出信号に基づいて、吸気マニホールド１９ｂ内の圧力である吸気圧が算出される。また、ＥＣＵ４０は、このように算出された各種値に応じて、スロットルバルブ２２の開度や、ポート噴射弁２５ａ及び筒内噴射弁２５ｂの燃料噴射量、点火プラグ１６による点火時期、吸気バルブ２６及び排気バルブ２７の動作タイミング、ＥＧＲバルブ５２の開度、ＷＧＶ３４の開度等を制御する。

次に、車速が加速して一定の速度で走行した後に減速した場合のＷＧＶ３４の開閉状態などについて説明する。図２は、ＷＧＶ３４が正常時でのタイミングチャートである。図２は、車速、ＷＧＶ３４の開閉状態、吸気マニホールド１９ｂ内の圧力、タービン２３ｂ前の圧力、ＥＧＲバルブ５２の開度、及びＥＧＲガス量を示している。尚、タービン２３ｂ前の圧力とは、タービン２３ｂよりも上流側の排気通路２０内の圧力である。ＥＧＲガス量とは、ＥＧＲ通路５０内を流れて吸気マニホールド１９ｂに還流される排気ガスの量である。

図２に示すように、運転者のアクセル操作によって加速が要求されると、ＷＧＶ３４が閉じられてタービン２３ｂ前の圧力が上昇する（時刻ｔ１）。この際、スロットルバルブ２２の開度も増大するため、吸気マニホールド１９ｂの圧力も増大する。これにより、吸気が加圧されて車速が上昇し始める。

車速が目標車速に到達するまでの車速の上昇期間中に、ＥＧＲバルブ５２の開度が増大する（時刻ｔ２）。これにより、ＥＧＲガス量が増大し、加速時のエンジン１０の燃焼温度などの増大が抑制される。車速が目標車速にまで到達すると（時刻ｔ３）、ＷＧＶ３４が開かれるが、スロットルバルブ２２の開度が調整されて、タービン２３ｂ前の圧力や吸気マニホールド１９ｂ内の圧力が高い状態に維持される。また、ＥＧＲバルブ５２の開度も維持され、ＥＧＲガス量も維持される。

運転者のアクセル操作により減速が要求されると、スロットルバルブ２２の開度が減少し、タービン２３ｂ前の圧力や吸気マニホールド１９ｂ内の圧力が低下し始める（時刻ｔ４）。また、ＥＧＲバルブ５２が全閉されＥＧＲガス量がゼロとなる。

図３は、ＷＧＶ３４が閉固着した場合でのタイミングチャートである。図３は、図２に対応している。図３には、図２に示したＷＧＶ３４が正常時でのＷＧＶ３４の開閉状態、タービン２３ｂ前の圧力、及びＥＧＲガス量を点線で示している。図２と同様に時刻ｔ１でＷＧＶ３４が閉じて閉固着されると、その後にＷＧＶ３４が開く場合と比較して、タービン２３ｂ前の圧力が増大する。排気ガスがバイパス通路３３を通過することがなくなるからである。排気ガスがバイパス通路３３を通過することなくタービン２３ｂを通過するため、タービン２３ｂの回転速度が増大し、これに伴ってコンプレッサ２３ａの回転速度も増大し、エアフロメータ２１で検出される吸入空気量が目標吸入空気量よりも増大する可能性がある。この際にＥＣＵ４０は、吸入空気量が目標吸入空気量に一致するようにスロットルバルブ２２の開度を小さく制御する。これにより、吸気マニホールド１９ｂ内の圧力の上昇も抑制される。この結果、タービン２３ｂ前の圧力が吸気マニホールド１９ｂ内の圧力よりも大きく上昇して、両者の差圧が増大する。これに起因して、ＥＧＲガス量が増大する。ＥＧＲガス量が増大することにより、ドライバビリティが悪化したり、ＥＧＲ通路５０が過昇温する可能性がある。

そこでＥＣＵ４０は、次のような制御を実行する。図４は、ＥＣＵ４０が実行する制御の一例を示したフローチャートである。ＥＣＵ４０は、所定条件成立時にＷＧＶ３４の故障診断を実行する（ステップＳ１）。ＷＧＶ３４の故障診断は、例えば、ＷＧＶ３４のアクチュエータに設けられたホール素子の検出値に基づいて算出できるＷＧＶ３４の実開度と、ＷＧＶ３４の開度の指令値との差分を求め、この差分が所定値以上の場合に、ＷＧＶ３４が故障していると判定する。また、ＷＧＶ３４の実開度が全閉を示している場合に、上記の差分が所定値以上の場合には、ＷＧＶ３４が閉固着しているものと診断される。ＷＧＶ３４の実開度が開状態を示している場合に、上記の差分が所定値以上の場合には、ＷＧＶ３４が開固着しているものと診断される。

次に、ＥＣＵ４０は上記の診断結果に基づいて、ＷＧＶ３４が閉固着しているか否かを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３でＮｏの場合には、本制御を終了する。ステップＳ３でＹｅｓの場合には、ＥＣＵ４０はＥＧＲバルブ５２を全閉に制御する（ステップＳ５）。

図５は、ＷＧＶ３４が閉固着した場合にＥＧＲバルブ５２を全閉にした場合でのタイミングチャートである。ＷＧＶ３４が閉固着しているものと診断されると、時刻ｔ３ａでＥＧＲバルブ５２が全閉とされる。これにより、ＥＧＲガス量はゼロとなるが、ＥＧＲガス量が増大することに伴うドライバビリティの悪化やＥＧＲ通路５０の過昇温が抑制される。

本実施例では、ＷＧＶ３４の故障診断において、ＷＧＶ３４が閉固着か開固着かを診断したが、少なくとも閉固着が生じているか否かを診断できればよい。また、ＷＧＶ３４の故障診断は上述した方法に限定されない。例えば、エンジン１０の運転状態からタービン２３ｂ前の排気通路２０内の圧力を推定し、実測値がこの推定値よりも所定値以上大きい場合に、ＷＧＶ３４の閉固着が発生していると診断してもよい。その他、公知の診断方法を用いてもよく、診断方法については問わない。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１エンジンシステム
１０エンジン
１９吸気通路
１９ｂ吸気マニホールド
２０排気通路
２２スロットルバルブ
２３過給機
２３ａコンプレッサ
２３ｂタービン
３３バイパス通路
３４ウェストゲートバルブ
４０ＥＣＵ（制御装置）
５０ＥＧＲ通路
５２ＥＧＲバルブ

Claims

エンジンに接続された吸気通路に設けられた過給機のコンプレッサと、
前記吸気通路の前記コンプレッサよりも下流側に設けられたスロットルバルブと、
前記エンジンに接続された排気通路に設けられた過給機のタービンと、
前記排気通路に設けられ前記タービンをバイパスするバイパス通路と、
前記バイパス通路を開閉するウェストゲートバルブと、
一端が前記排気通路の前記タービンよりも上流側に接続され、他端が前記吸気通路の前記スロットルバルブよりも下流側に接続され、前記排気通路を流れる排気ガスの一部を前記吸気通路に還流するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブと、
前記ウェストゲートバルブの閉固着を検出した場合に、前記ＥＧＲバルブを全閉にする制御装置と、を備えたエンジンシステム。