JP2023146124A - 過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒間のインバランスを適切に判定することができる過給機付き内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】排気通路におけるタービン１よりも上流側とタービン１よりも下流側とに連通したバイパス通路１０と、バイパス通路１０の開口面積を変更可能なウェイストゲートバルブ１２と、バイパス通路１０の出力ポート１１の中心軸線方向に配置された空燃比センサ１６とを備え、排気通路におけるタービン１に流動する排気の流動面積を変更可能なベーン７と、ベーン７およびウェイストゲートバルブ１２を制御するコントローラ１８とを更に備え、コントローラ１８は、内燃機関の気筒間の空燃比のばらつきである気筒間インバランスを判定する要求がある場合に、ベーン７を閉弁するとともに、ウェイストゲートバルブ１２を開弁するように構成されている（ステップＳ２）。【選択図】図３

Description

この発明は、吸気を圧縮する過給機付き内燃機関の制御装置に関し、特に過給圧を制御できる可変容量式過給機付き内燃機関の制御装置に関するものである。

特許文献１には、排気の空燃比を正確に検出するための内燃機関の排気構造が記載されている。この特許文献１に記載された排気構造は、タービンホイールを収容する収容空間の排出側に、タービンホイールによって旋回した旋回流の一部の流れを遮断する隆起部が形成されていて、収容空間から排出された排気のうちの一部が、その下流側に設けられた空燃比センサに流動するように構成されている。また、収容空間をバイパスした排気が、触媒装置の端面に向けて排出されるように構成されていて、その触媒装置の端面に当たって拡散し、その一部が空燃比センサに向かって流動するように構成されている。すなわち、特許文献１に記載された排気構造は、収容空間と、収容空間を迂回するバイパス通路とから適切な流量の排気を空燃比センサに流動させるように構成されている。

特許文献２には、多気筒型内燃機関における気筒間の空燃比がばらつくインバランスを判定するために、空燃比センサに向けて流動する排気の流速が低下することを抑制するためのタービンハウジングが記載されている。この特許文献２に記載されたタービンハウジングは、タービンホイールから中心軸線方向に延出した直線通路と、その直線通路の中心軸線と偏心した軸線を中心としかつ直線通路よりも大径に形成された大径円筒部とを備え、大径円筒部のうちの上流側に、タービンホイールによって旋回した旋回流の半径の拡大を抑制するための凸部が形成されている。なお、特許文献２に記載されたタービンハウジングには、タービンホイールを収容する空間の上流側と大径円筒部とに連通したバイパス通路、およびそのバイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブを備えている。

特許文献３には、タービンホイールの中心軸線およびタービンホイールをバイパスするバイパス流路の出力ポートの中心軸線に対して、排気管の中心軸線が傾斜して設けられ、またバイパス流路の出力ポートの開口面積を制御できるウェイストゲートバルブが設けられた多気筒内燃機関の制御装置が記載されている。この制御装置は、排気管に設けられた空燃比センサに向けてバイパス流路から排気を流動させるように構成されていて、バイパス流路を流動する排気の流量に応じてウェイストゲートバルブの開度を制御するように構成されている。

特開２０１９－１２４１５９号公報 特開２０１４－２２７９３０号公報 特開２０１４－２０２１６３号公報

特許文献１に記載された排気構造は、収容空間から排出された排気の一部が空燃比センサに向けて流動し、またバイパス通路から排出された排気の一部が触媒装置に当たった後に空燃比センサに向けて流動するように構成されている。したがって、燃焼室から収容空間を介して空燃比センサに排気が到達するまでの時間と、燃焼室からバイパス通路を介して空燃比センサに排気が到達するまでの時間とが相違する可能性がある。または、空燃比センサの近傍に排気が滞留する可能性がある。そのため、多気筒型の内燃機関において、気筒間の空燃比のばらつき（インバランス）を、空燃比センサによって検出される空燃比に基づいて判定することができず、またはそのインバランスを適切に判定することができない可能性がある。

また、特許文献２に記載されたタービンハウジングは、タービンホイールよりも出力側の排気の流速が低下することを抑制することによりインバランスを判定できるように構成されているものの、タービンホイールを流動する排気の流速を制御するための可動式ベーンを設けている場合には、その可動式ベーンの間の隙間が狭いと、可動式ベーンの上流側で排気が滞留するなど、所定の気筒から排出された排気と、その排気に遅れて他の気筒から排出された排気とが混合される可能性がある。そのような場合には、タービンホイールの下流側での排気の混合を抑制できるとしても、その上流側で排気が混合されている場合には、インバランスを適切に判定できない可能性がある。

さらに、特許文献３に記載された多気筒内燃機関の制御装置は、開弁したウェイストゲートバルブに排気が接触することによって、排気の流量に応じて排気の流動方向がばらつくことを抑制するように構成されているため、排気の流動抵抗が生じる。そのため、ウェイストゲートバルブ近傍で、排気が滞留するなどによって排気が混合される可能性があり、インバランスを適切に判定できない可能性がある。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであって、気筒間のインバランスを適切に判定することができる過給機付き内燃機関の制御装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、この発明は、内燃機関に向けて吸気が流動する吸気通路と、前記内燃機関の排気が流動する排気通路と、前記吸気通路に設けられたコンプレッサおよび前記排気通路に設けられかつ前記コンプレッサと一体に回転するタービンを有し、前記コンプレッサが回転することにより前記吸気を加圧する過給機と、前記排気通路における前記タービンよりも上流側と前記タービンよりも下流側とに連通したバイパス通路と、前記バイパス通路の開口面積を変更可能なウェイストゲートバルブと、前記バイパス通路の出力ポートの中心軸線方向に配置された空燃比センサとを備えた過給機付き内燃機関の制御装置であって、前記排気通路における前記タービンに流動する排気の流動面積を変更可能なベーンと、前記ベーンおよび前記ウェイストゲートバルブを制御するコントローラとを更に備え、前記コントローラは、前記内燃機関の気筒間の空燃比のばらつきである気筒間インバランスを判定する要求がある場合に、前記ベーンを閉弁するとともに、前記ウェイストゲートバルブを開弁するように構成されていることを特徴とするものである。

この発明によれば、バイパス通路の出力ポートの中心軸線方向に空燃比センサが配置され、また、気筒間インバランスを判定する要求がある場合に、ベーンを閉弁するとともにウェイストゲートバルブを開弁するように構成されている。したがって、所定の気筒から排出された排気の全てが、バイパス通路を介して空燃比センサに吹き付けられ、その結果、スムーズに空燃比センサに排気が流動する。つまり、所定の気筒から排出された排気と、その排気に遅れて他の気筒から排出された排気とが攪拌されるなどがなく、気筒間インバランスを適切に判定することができる。また、ベーンを閉弁していることによりタービンが収容された部分に排気が流動することを抑制でき、タービンによって拡散された排気が、バイパス通路から排出された排気に干渉することなどを抑制できる。その結果、スムーズに空燃比センサに排気を流動させることができる。

この発明の実施形態の過給機付き内燃機関におけるタービンハウジングおよびコンバータハウジングの一例を説明するための断面図である。 ノズルベーンの開閉動作を示す正面図である。 ＥＣＵで実行される制御の一例を説明するためのフローチャートである。

この発明の実施形態における過給機付き内燃機関は、車両に設けられた従来の内燃機関と同様に、排気によって過給機を駆動することにより、吸気を圧縮して内燃機関の出力トルクを増加させることができるように構成されている。この過給機は、排気によって回転させられるタービンホイールと、そのタービンホイールに連結され、かつタービンホイールに連動して回転することにより吸気通路を流動する吸気を圧縮するコンプレッサホイールとを備えている。

図１には、タービンホイール１を収容するタービンハウジング２、およびタービンハウジング２に連結されたコンバータハウジング３の断面図を示してある。図１に示すようにタービンハウジング２は、渦巻き形状に形成されたスクロール通路４が設けられている。このスクロール通路４は、エンジンブロックに形成された複数のシリンダからの排気が流動するように構成されている。具体的には、各シリンダにはエキゾーストマニホールドが接続され、そのエキゾーストマニホールドの下流側にスクロール通路４が接続されている。したがって、各シリンダで生じた排気は、スクロール通路４内を流動することにより、旋回流となって排出される。なお、スクロール通路４は、断面が円形状に形成されている。

スクロール通路４の内側には、タービンホイール１を収容する収容空間５が形成されていて、その収容空間５とスクロール通路４とを接続する環状通路６が形成されている。この環状通路６は、タービンホイール１の軸線方向における幅がスクロール通路４の幅よりも狭く形成されていて、スクロール通路４から収容空間５に向けて排気が流動することにより、排気の流速が増加するように構成されている。

その排気の流速を更に増加させることができるように、環状通路６には、互いに同期した状態で開閉動作する複数のノズルベーン７が設けられている。このノズルベーン７は、環状通路６から収容空間５に向けて流動する排気の流動面積を変更するものであり、そのノズルベーン７の一例を図２に示してある。図２に示す各ノズルベーン７は、タービンホイール１の回転中心軸線周りにおいて所定間隔毎に配置されており、各ノズルベーン７は、図示しないモータなどのアクチュエータによって同期して開閉動作するように構成されている。

また、それぞれのノズルベーン７の幅（タービンホイール１の軸線方向の長さ）は、環状通路６の幅とほぼ同一に形成されている。すなわち、図２（ａ）に示すように隣り合うノズルベーン７との隙間が空くように傾斜させることにより、その隙間の開口面積に応じた流速で環状通路６から収容空間５に排気が流動し、図２（ｂ）に示すように隣り合うノズルベーン７が接触するようにノズルベーン７の傾斜角度を制御することにより、環状通路６から収容空間５に向けた排気の流れが遮断され、または環状通路６から収容空間５に排気が流動することが抑制される。したがって、ノズルベーン７を制御することによってタービンホイール１に向けた排気のエネルギーを制御することができるように構成されている。

図１に示すタービンハウジング２における収容空間５は、円筒状に形成されていて、その一方の端部にタービンホイール１が、収容空間５の中心軸線に沿って配置されている。このタービンホイール１は、円錐形状に形成されかつその外面に翼が形成されていて、その底面側に図示しないコンプレッサホイールに連結された連結シャフト８が一体回転可能に取り付けられている。

タービンホイール１の先端側は、排気が流動する排気通路９となっていて、排気通路９にバイパス通路１０が開口している。このバイパス通路１０は、シリンダから排出された排気が、タービンホイール１を迂回して排気通路９に流動するように構成されていて、図１に示す例では、スクロール通路４と排気通路９とに連通している。具体的には、排気通路９に開口した出力ポート１１の中心軸線が、排気通路９の中心軸線に対して傾斜して設けられている。このバイパス通路１０には、排気通路９の開口面積を制御することができるウェイストゲートバルブ１２が設けられている。したがって、ウェイストゲートバルブ１２によってバイパス通路１０の開口面積を増加させることにより、シリンダから排出された排気のうち収容空間５側に流動する流量を減少させることができる。つまり、過給圧が増加することを抑制できる。

上記の排気通路９の開口端側には、コンバータハウジング３が連結されている。このコンバータハウジング３は、排気通路９に連通した半球状の上流部１３と、その上流部１３に連なって形成された円筒状の収容部１４とを有し、その収容部１４には、円柱状に形成された触媒コンバータ１５が収容されている。この触媒コンバータ１５は、従来の触媒コンバータと同様に構成されていて、排気に含まれる炭化水素、一酸化炭素、および窒素酸化物などの物質を除去するように構成されている。

上記の上流部１３には、空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）１６が設けられている。この空燃比センサ１６は、従来の空燃比センサと同様に構成することができ、排気に含まれる酸素濃度を検出することによって空燃比を計測するように構成されている。その空燃比センサ１６におけるセンシング部１７は、上流部１３の外壁を貫通して内部に突出して設けられている。より具体的には、バイパス通路１０の出力ポート１１の中心軸線上にセンシング部１７が位置するように空燃比センサ１６が設けられている。すなわち、バイパス通路１０から排出された排気が直接空燃比センサ１６のセンシング部１７に吹き付けられるように、空燃比センサ１６が設けられている。つまり、バイパス通路１０の出力ポート１１と空燃比センサ１６のセンシング部１７との間には、排気の流れを妨げる部材や壁部などがないように構成されている。なお、出力ポート１１から排出される排気は、次第に拡大するため、空燃比センサ１６のセンシング部１７は、その拡大して流動する排気が吹き付けられる位置に設けられていればよく、出力ポート１１の中心軸線上に限られない。図１に示す例では、破線で示すように出力ポート１１の中心軸線に対して±３０°の領域に排気が拡大している。

上述したノズルベーン７およびウェイストゲートバルブ１２を制御する電子制御装置（以下、ＥＣＵと記す）１８が設けられている。このＥＣＵ１８は、従来のＥＣＵと同様にマイクロコンピュータを主体に構成され、入力される信号や、予め記憶された演算式またはマップなどに基づいてノズルベーン７およびウェイストゲートバルブ１２を制御するための信号を出力するように構成されている。なお、ＥＣＵ１８が、この発明の実施形態における「コントローラ」に相当する。

図３には、ＥＣＵ１８によって実行される制御の一例を説明するためのフローチャートを示してある。図３に示す制御例は、気筒間の空燃比のばらつきである気筒間インバランスを判定するための制御例であって、まず、気筒間インバランスを判定する要求があるか否かを判断する（ステップＳ１）。このステップＳ１は、例えば、所定期間毎に気筒間インバランスを判定する場合には、気筒間インバランスを前回判定してからの経過時間をカウントすることによって判断することができ、また、エンジン負荷などに基づいて気筒間インバランスを判定する場合、より具体的には、過給要求がない場合に気筒間インバランスを判定する場合には、アクセル開度や車速などに基づいてエンジン負荷を求め、そのエンジン負荷が所定負荷以下であるか否かに基づいて判断することができる。

気筒間インバランスを判定する要求がないことによりステップＳ１で否定的に判断された場合は、そのままこのルーチンを一旦終了する。すなわち、過給機を駆動する要求があるか否かや、過給圧の要求量などに基づいてノズルベーン７やウェイストゲートバルブ１２を制御する。それとは反対に、気筒間インバランスを判定する要求があることによりステップＳ１で肯定的に判断された場合は、空燃比センサ１６に向けて排気を迅速に供給する。すなわち、所定の気筒から排出された排気と、その排気に遅れて他の気筒から排出された排気とが混合しないように、空燃比センサ１６に向けて排気を供給する。そのため、図３に示す制御例では、ステップＳ１で肯定的に判断された場合は、ノズルベーン７を閉弁するとともに、ウェイストゲートバルブ１２を開弁して（ステップＳ２）、このルーチンを一旦終了する。

上述したように構成された過給機付き内燃機関の制御装置は、気筒間インバランスを判定する場合には、ノズルベーン７を閉弁するとともにウェイストゲートバルブ１２を開弁するように構成され、さらにバイパス通路１０の出力ポート１１の中心軸線上に空燃比センサ１６のセンシング部１７が配置されている。そのため、所定の気筒から排出された排気の全てが、エキゾーストマニホールド、スクロール通路４、およびバイパス通路１０を介して空燃比センサ１６に吹き付けられ、その排気の流動経路上には、排気を混合させまたは排気の流速を低下させる形状などがなく、その結果、スムーズに空燃比センサ１６に排気が流動する。つまり、所定の気筒から排出された排気と、その排気に遅れて他の気筒から排出された排気とが攪拌されるなどがなく、気筒間インバランスを適切に判定することができる。

また、ノズルベーン７を閉弁していることにより収容空間５を介した排気の流動を遮断でき、あるいはその排気の流量を極めて少量にすることができるため、タービンホイール１によって拡散された排気が、バイパス通路１０から排出された排気に干渉することなどを抑制でき、その結果、スムーズに空燃比センサ１６に排気を流動させることができる。

なお、上述した過給機付き内燃機関は、例えば、触媒コンバータ１５を活性化させるために暖機している場合には、ファーストアイドル時にノズルベーン７を全閉することにより、バイパス通路１０を介して全ての排気を触媒コンバータ１５に向けて排出することができる。すなわち、タービンホイール１を回転させることによるエネルギー消費によって排気の温度が低下することを抑制できる。その結果、高温の排気を触媒コンバータ１５に吹き付けることができ、触媒コンバータ１５を迅速に活性化させることができる。

なおまた、上述した過給機付き内燃機関は、空燃比センサ１６およびバイパス通路１０の配置を適切に設定するとともに、従来のノズルベーンとウェイストゲートバルブとの開閉動作を制御することによって気筒間インバランスを適切に判定するように構成されたものである。そのため、ノズルベーン７やウェイストゲートバルブ１２がフェールして全閉状態となるなどのフェール時に対応するための制御や構成を別途開発する必要がなく、既存の車両への搭載性に優れている。

なお、この発明の実施形態におけるバイパス通路１０は、収容空間５の上流側、より具体的には、ノズルベーン７の上流側と収容空間５の下流側とを連通するように構成されていればよく、バイパス通路１０の入力ポートは、環状通路６に形成してもよく、また出力ポート１１は、タービンハウジング２に限らずコンバータハウジング３に形成してもよい。

１ タービンホイール
２ タービンハウジング
３ コンバータハウジング
４ スクロール通路
５ 収容空間
６ 環状通路
７ ノズルベーン
８ 連結シャフト
９ 排気通路
１０ バイパス通路
１１ 出力ポート
１２ ウェイストゲートバルブ
１３ 上流部
１４ 収容部
１５ 触媒コンバータ
１６ 空燃比センサ
１７ センシング部
１８ 電子制御装置（ＥＣＵ）

Claims (1)

1. 内燃機関に向けて吸気が流動する吸気通路と、前記内燃機関の排気が流動する排気通路と、前記吸気通路に設けられたコンプレッサおよび前記排気通路に設けられかつ前記コンプレッサと一体に回転するタービンを有し、前記コンプレッサが回転することにより前記吸気を加圧する過給機と、前記排気通路における前記タービンよりも上流側と前記タービンよりも下流側とに連通したバイパス通路と、前記バイパス通路の開口面積を変更可能なウェイストゲートバルブと、前記バイパス通路の出力ポートの中心軸線方向に配置された空燃比センサとを備えた過給機付き内燃機関の制御装置であって、
   前記排気通路における前記タービンに流動する排気の流動面積を変更可能なベーンと、
   前記ベーンおよび前記ウェイストゲートバルブを制御するコントローラとを更に備え、
   前記コントローラは、
   前記内燃機関の気筒間の空燃比のばらつきである気筒間インバランスを判定する要求がある場合に、前記ベーンを閉弁するとともに、前記ウェイストゲートバルブを開弁するように構成されている
   ことを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。

Images