JP4188403B2

JP4188403B2 - 制御装置

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Publication number: JP4188403B2
Application number: JP2007073088A
Authority: JP
Inventors: 純一山口; 浩二大西; 松春阿保
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2021-10-24
Also published as: JP2007177794A

Description

本発明は、シリンダ内に直接燃料を噴射し、点火により燃焼させるエンジンに対し過給を行なうエンジン過給システムに用いられる制御装置に関するものである。

従来より、例えば、排気通路に設けたタービンと吸気通路に設けられタービンに連結されたコンプレッサとからなるターボ過給機により、吸気の過給を行うようにしたターボ過給機付き内燃機関は広く知られている。

近年、シリンダ内に燃料を直接燃料を噴射するエンジンが広く用いられつつあるが、この直噴型エンジンに対し過給により出力の向上を図ったものとして、例えば、特開平１０−８９１０６号公報に記載のエンジン過給システムがある。

このエンジン過給システムは、燃料をシリンダ内に直接噴射する噴射機構を備え、複数のシリンダそれぞれに第１排気弁及び第２排気弁を設けたエンジンと、小型のタービンを備えた過給機とを備え、各シリンダの第１排気弁が過給機に接続されるとともに第２排気弁が直接排気管に接続されている。そして、エンジンの低回転時（低速運転時）には第２排気弁を閉じて第１排気弁を開き、過給機のタービンに排気ガスを送って過給を行う。高回転時（高速運転時）には第１及び第２排気弁を、その開弁時期をずらしつつ開くようになっている。

このような構成において、過給機のタービンを小容量とすることによりエンジンの低速高負荷時においても高いトルクを得るとともに、エンジンの高速運転時にはタービンに対し過剰供給分となる排気ガスを第２排気弁から直接排気管へ導出することで排圧を低減し、出力の低下を防止している。

特開平１０−８９１０６号公報

上記従来技術においては、以下の課題が存在する。

すなわち、上述したように小型タービンを用いることでエンジンの低速運転時において過給機能を十分に発揮させ、例えば高負荷の場合には出力向上作用、低負荷の場合には燃費向上作用が得られる。しかしながらその反面、高速運転時には小型タービンに対し排気ガスが供給過剰となりそのままでは排圧増大によりかえって出力が低下してしまうことから、これを防止するため第２排気弁から排気ガスを過給機を介さずそのまま排気管へと放出している。この結果、高速運転時においてほとんど過給機能を発揮することができず、ターボエンジンの本来の役割である例えば高速高負荷時の出力向上効果が得られなくなる。

本発明の目的は、エンジンの低速運転時及び中速運転時のいずれにも過給機能を十分に発揮させ、出力向上又は燃費向上を図ることができる制御装置を提供することにある。

これにより、第１過給機構のタービンを小型化でき、そのタービンの製造コストを第２過給機構のタービンの約２／３程度に抑えることができる。したがって通常のタービンを２つ用いる場合に比べ、低コスト化を図ることができる。

例えば１つのタービンで低回転領域から高回転領域までなるべく広い範囲をカバーしようとする場合、制御精度向上の観点から、そのタービンとハウジングのクリアランスを非常に小さく精度良く製作しなければならない。これに対し、本発明においては、上記（１）で説明したように、弁制御手段が排気制御弁の開閉動作を制御し、エンジンの運転条件に応じて主として用いる過給機構を切り換えることにより、最適な所望の態様の燃焼を行わせることが可能である。したがって、比較的大容量の第２過給機構のタービンについては、ハウジングとの間のクリアランスを、第１過給機構のタービンとハウジングのクリアランスの１．５倍以上というように比較的低精度で製作しても、十分な過給を行なうことができる。したがって、第２過給機構の製作精度を低下できる分、製作コストを低減できる。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、燃料をエンジンのシリンダ内に直接噴射する噴射機構と、前記シリンダ内に空気を過給する第１過給機構及びこの第１過給機構よりも容量の大きい第２過給機構を含む少なくとも２つの過給機構に排気を導入する排気通路に設置され、前記第１及び第２過給機構の選択及び排気ガス流量の制御を行うための複数の排気制御弁とを制御する制御装置であって、前記制御装置は、エンジン回転数が中回転領域の場合に、運転操作にかかわる状態量に応じて、応答性重視モードと燃費重視モードとを判断し、応答性重視モードであると判断された場合は、前記第１過給機構を用いて空気を過給するように前記複数の排気制御弁の開閉動作を制御すると共に、要求トルクが所定値以下のときは、圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼するように前記噴射機構を制御するとともに、要求トルクが所定値以上のときは、吸気行程で燃料を噴射することにより均質燃焼するように前記噴射機構を制御する。
（２）上記目的を達成するために、本発明は、燃料をエンジンのシリンダ内に直接噴射する噴射機構と、前記シリンダ内に空気を過給する第１過給機構及びこの第１過給機構よりも容量の大きい第２過給機構を含む少なくとも２つの過給機構に排気を導入する排気通路に設置され、前記第１及び第２過給機構の選択及び排気ガス流量の制御を行うための複数の排気制御弁とを制御する制御装置であって、前記制御装置は、エンジン回転数が中回転領域の場合に、運転操作にかかわる状態量に応じて、応答性重視モードと燃費重視モードとを判断し、燃費重視モードであると判断された場合は、前記第２過給機構を用いて空気を過給するように前記複数の排気制御弁の開閉動作を制御すると共に、要求トルクが所定値以下のときは、圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼するように前記噴射機構を制御するとともに、要求トルクが所定値以上のときは、吸気行程で燃料を噴射することにより均質燃焼するように前記噴射機構を制御する。

上記（１）で説明したように、低回転時（低速運転時）においては、例えば小容量タービンを備えた第１過給機構を主として用いることで応答性よく過給を行い、高回転時（高速運転時）においては、例えば大容量タービンを備えた第２過給機構を主として用いて過給を行うが、中速運転時では第１過給機構と第２過給機構のどちらでも使える領域が生ずる。ここで、一般に、小容量のタービンを使うと排圧が高くなり燃費が悪化するが応答性は高く、大容量のタービンを使用すると逆に燃費は良く、応答性は小容量タービンに比べて劣る。そこで、本発明においては、選択手段によって運転者の意図に応じて例えば第１過給機構及び第２過給機構のどちらかを使用するかを決定するようにし、これにより、加速重視か、燃費重視かという運転者の要求に合わせたエンジン性能を提供することができる。

本発明によれば、エンジンの低速運転時及び中速運転時のいずれにも過給機能を十分に発揮させ、出力向上又は燃費向上を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。

本発明の第１実施形態を図１〜図１４により説明する。

図１は、本実施形態のエンジン過給システムの全体概略構成を表すシステム構成図である。この図１において、エンジン１０１には燃料噴射弁１１３が、エンジン１０１のシリンダ１０１ａに直接燃料を噴射するように取り付けられている。

エンジン１０１は、その吸気行程では吸気弁（図示しない）が開き、ピストン（図示しない）が下降して上記空気が吸入される。ここで、均質燃焼を行なおうとする場合には、このタイミングで燃料が噴射され、次の圧縮行程を経て十分にシリンダ内の燃料と空気の混合が促進されるため、空気の利用率が高く、高いトルクを発生させることができる。続いて圧縮行程では、吸気弁が閉じ、ピストンが上昇してシリンダ内空気が圧縮される。ここで、成層燃焼を行なおうとする場合には、このタイミングで燃料を噴射し、点火プラグ（図示しない）の近傍に空燃比の濃い領域を作り、全体として薄い空燃比であっても良好に燃焼できるようにする。空気量が多いのでポンピングロスが少なくなり、また混合気からシリンダに逃げる熱が減少する、すなわち冷却損失が減るので、部分負荷域で同じトルクを出す場合に、空気量を絞って均質燃焼させた場合よりも燃費が向上するようになっている。

エンジン１０１の燃焼のために吸入された空気は、エアクリーナ１０９を通り、エアフローメータ１１０で吸入空気量を計測し、第１ターボ過給機１０４のタービン（以下第１タービン）１０４ａ、または第２ターボ過給機１０５のタービン（以下第２タービン）１０５ａにそれぞれ連結しているコンプレッサ１０４ｂ，１０５ｂによって圧縮された後、インタークーラ１１１によって冷却され、電子制御スロットル１１２で流量を調整した後、吸気管１０２を通ってエンジン１０１に送られる。

一方、エンジン１０１から出た排気は、排気管１０３を通り、第１タービン１０４ａ、または第２タービン１０５ａに送られる。この経路を選択するために、第１排気制御弁１０６及び第２排気制御弁１０７（詳細構造は後述の図３参照）が設けられている。

吸気管１０２と排気管１０３の間には小容量の前記第１タービン１０４ａ、およびこれに比較して大容量の前記第２タービン１０５ａが取り付けられており、吸気または排気に対して並列に配置されている。ここで、排気管１０３の、第１タービン１０４ａの取り付けられる部分は、第２タービン１０５ａの取り付けられる部分より細くする。

第１タービン１０４ａの容量は、第２タービン１０５ａの容量に対して１／２〜１／５になるように構成する。また第２タービン１０５ａの本体とハウジング（ケース）とのクリアランスは、第１タービンの少なくとも1.5倍以上に設定する。第２タービン１０５ａを使用しない場合は、第２排気制御弁１０７により第２タービン１０５ａへの排気通路は閉じられており、また、後述するタービン予回転などを用いることにより、第２タービンの精度が低くても十分な過給を行なうことができる。

第１タービン１０４ａの下流には補助触媒１１５が取り付けられており、また、第１タービン１０４ａと第２タービン１０５ａの経路が合流した下流部分に、主触媒１０８が取り付けられている。

このとき、１１４は例えばコンピュータからなるコントローラであり、エンジン１０１の水温、回転数、エアフローメータ１１０からの吸入空気量、排気温度センサ１１６からの排気温度などの情報をもとに、燃料噴射弁１１３の作動信号を出したり、点火コイル（図示しない）に点火信号を送ったり、第１タービン１０４ａの排気制御弁１０６、第２タービン１０５ａの排気制御弁１０７を開閉する信号を出すようになっている。

図２は、このコントローラ１１４によるエンジン１０１、第１排気制御弁１１６、及び第２排気制御弁１１７の制御手順を表すフローチャートである。なお、以下は、説明の便宜上、典型的な一例として、エンジン１０１の排気量が２リッターの場合を例にとって説明する。

図２において、コントローラ１１４は、最初にステップ２０１において、エンジン１０１の回転数、電子制御スロットル１１２を制御するための図示しないアクセルの開度、エンジン１０１の冷却水の水温、吸入空気の圧力、排気の温度、ギヤ操作位置、車速などの運転操作に係わる状態量情報を、図示しない各情報に対応する検出手段から取り込み、ステップ２０２にてこの種のものとして公知の方法によって目標トルクを演算する。またそれら取り込んだ検出情報は、後述の運転者の意図を判断する材料としても用いられる。

そして、この目標トルクを基にして、ステップ２０３において、燃料噴射量、具体的には、燃料噴射弁１１３の開弁パルス幅を決定する。また、電子制御スロットル１１２に開閉動作信号を送り、吸入空気量を調節する。また、シリンダ１０１ａ内の点火プラグ（図示しない）の概ねの点火時期を決定する。

さらにステップ２０４において、エンジン１０１の回転数や要求トルクの履歴、上記したアクセル開度などの運転操作に係わる状態量情報等を元に、運転者が要求しているトルクが大きいのか、小さいのかを判断し、要求トルクが大きい場合は応答性重視のモードに、要求トルクが小さく、かつその変化が小さい場合には、燃費重視のモードになるようにする（運転者の意図を判断する判断手段に相当）。なお、これは、運転席に別に設けられた選択手段としてのモード切替えスイッチによりモード切り換えを行うようにしても良い。

次にステップ２０５において、排気温度センサ１１６によって検出した排気温度Ｔが、ある一定温度Ｔ1以下であるかどうかを判定する。

（１）低温時Ｔ≦Ｔ1の場合（低温時、例えばエンジン１０１の暖機運転前の場合）には、主触媒１０８、補助触媒１１５が活性化していないので、ステップ２０６に移り、第１排気制御弁１０６、第２排気制御弁１０７をそれぞれバイパス側に開口させ、熱容量の大きな第１タービン１０４ａと第２タービン１０５ａ（特に第２タービン１０５ａ）をバイパスし、補助触媒１１５を通るように排気通路を切替える。

図３は、このときの第１及び第２排気制御弁１０６，１０７の作動状態を表す詳細図である。図３において、第１排気制御弁１０６は、第１主バルブ２０１、第１補助バルブ２０２、第１リリーフバルブ２０３により構成され、これらは、それぞれアクチュエータ２１１、２１２、および２１３に内蔵されたスプリングの力で閉弁側に付勢されている。これと同様に、第２排気制御弁１０７は、第２主バルブ２０４、第２補助バルブ２０５、第２リリーフバルブ２０６により構成され、これらは、それぞれアクチュエータ２１４、２１５、および２１６に内蔵されたスプリングの力で閉弁側に付勢されている。それぞれのアクチュエータ２１１〜２１６の作動に必要な負圧は、エンジン１０１の吸気管１０２に接続したサージタンク（図示しない）により供給されている。低温時の場合には、コントローラ１１４からの制御信号に基づき第１及び第２リリーフバルブ２０３，２０６のアクチュエータ２１３，２１６に負圧が供給され、第１及び第２リリーフバルブ２０３，２０６を通じて排気ガスを主触媒１０８側にバイパスさせる。これにより、熱容量の大きいタービン１０４ａ，１０５ａに排気ガスの熱エネルギーを吸収されることなく、直接、主触媒１０８を暖機することができ、主触媒１０８の早期昇温を行なって排気ガスの浄化を図ることができる。

その後、ステップ２０７でステップ２０６の制御に対応して詳細な燃料噴射時期を決定し、ステップ２０８に燃料噴射弁１１３に制御信号を出力して燃料噴射を行わせると共にステップ２０９において点火プラグに制御信号を出力して点火を行わせ、エンジン１０１を着火燃焼させ、このフローを調整する。

なお、先のステップ２０５の判定が満たされた場合、ステップ２１０に移り、排気温度センサ１１６によって検出した排気温度Ｔが所定温度T2以下であるかどうかを参照する。ここで、このT2は、前述のT1と、完全暖機後の排気温度T3とに対し、T1＜T2＜T3の関係が成り立つような温度である。Ｔ≦Ｔ2の場合（例えばエンジン１０１の暖機運転中の場合）には、排気管１０３の上流に設けられた補助触媒１１５は活性化しているので、これを用いて排気有害成分の浄化を図れる。そこで、ステップ２１１に移り第２排気制御弁１０７を閉じ、さらにステップ２１２で第１排気制御弁１０６を開く。図４は、このときの第１及び第２排気制御弁１０６，１０７の作動状態を表す詳細図である。図４において、まず、コントローラ１１４からの信号で、第１補助バルブ２０２のアクチュエータ２１２に負圧が供給され、第１補助バルブ２０２が開く。第１補助バルブ２０２はその開口面積が小さいので、比較的小さな力で開閉を行なうことができる。つぎに第１主バルブ２０１のアクチュエータ２１１に負圧を供給し、第１主バルブ２０１を開く。第１補助バルブ２０２が開いているので、バルブの前後の圧力差が小さく、比較的小さな力で主バルブ２０１を開閉できる。こうしてエンジン１０１からの排気ガスが第１過給機１０４の第１タービン１０４ａに供給されて過給が行われ、これによって完全に暖機が終了していなくても低速域で十分なトルクを得ることができる。過給圧が所定の設定値例えば１５０kPaに達すると、アクチュエータ２１３に負圧が供給され、第１リリーフバルブ２０３が開く。バルブ２０３の開度は、吸気管圧力をモニターし、これが一定圧力に達するようにアクチュエータ２１３により制御される。このようにして第１タービン１０４ａまたは第１リリーフバルブ２０３を通った排気ガスは、その下流に設けられた補助触媒１１５を通り、低温時であっても既に補助触媒１１５が活性化されているので、排気ガスの浄化をはかることができる。

ステップ２１２が終了した後は、前述のステップ２０７へ移り、以降は上記同様の制御となる。

（２）低速運転時一方、先のステップ２１０の判定が満たされない場合、ステップ２１３に移り、例えば図示しないエンジン回転数センサによって検出したエンジン回転数Ｎが低回転数側の所定の回転数例えば例えば、毎分２０００回転未満であるかどうかを判定する。Ｎ＜２０００ｒｐｍである場合には判定が満たされ、ステップ３００の低速制御手順に移る。

図５は、このステップ３００の詳細手順を表すフローチャートである。図５において、まず、ステップ３０１において、前述したステップ２０４と同様、エンジン１０１の回転数や要求トルクの履歴、アクセル開度などの情報を元に、運転者が要求しているトルクが大きいのか、小さいのかを判定する。

要求トルクが中程度（例えば２リッターエンジンにおいては１００Nm程度）以上であるときはステップ３０２及びステップ３０３において、第１排気制御弁１０６を小容量の第１タービン１０４ａ側に開口させ、第２排気制御弁１０７を閉じる。このときの動作状態は前述の図４に示したものとほぼ同様となるので詳細な説明は省略する。上記動作により第１タービン１０４ａが回転し、吸気管１１２の過給圧を高める。第１タービン１０４ａの容量が小さいので、アイドル回転またはこれに近い低速の排気ガス流量が少ない領域でも、十分にタービン１０４ａを回転させることができ、応答性良く過給を行なうことができる。

その後、ステップ３０４において、予め設定過給圧（例えば150kPa）に達したかどうかを判定し、判定が満たされたらステップ３０５に移り、第１排気制御弁１０６から排気の一部をバイパス通路に流し、過給圧が過度に上昇することを防ぐ。

その後、ステップ３０６に移り、要求トルクが１４０Nm以上であるかどうかを判定する。要求トルクが１００〜１４０Nmであればこの判定が満たされず、ステップ３０７に移って圧縮行程噴射に設定する。そして、ステップ３０８においてエンジン１のシリンダ１ａの圧縮行程に燃料噴射を行ってエンジン１０１のシリンダ１０１ａ内に成層混合気を生成し、ステップ３０９で点火プラグよりシリンダ１０１ａ内に点火してターボ成層燃焼を行なわせることで、燃費を向上させることができる。

要求トルクが１４０Nm以上であるときはステップ３０６の判定が満たされ、ステップ３１０で吸気行程噴射に設定し、ステップ３１１にて電子制御スロットル１１２に制御信号を出力して空気量の制御を行った後、ステップ３０８及びステップ３０９を経てシリンダ１０１ａ内にターボ均質燃焼を行わせ、高いトルクを得ることができる。なお、前述のステップ３０１において要求トルクが例えば１００Nm未満であった場合には、ステップ３１２において排気制御弁１０６，１０７を現状維持のままとし、そのままステップ３１１以降へと進む。

（３）中速運転時一方、先に図２に示したステップ２１３での判定が満たされない場合、ステップ２１４に移り、エンジン回転数Ｎが中回転数領域の所定の上限値例えば、毎分４０００回転以下であるかどうかを判定する。Ｎ≦４０００ｒｐｍである場合（言い換えればいわゆる中速運転領域である場合）、判定が満たされ、ステップ４００の中速制御手順に移る。

図６は、このステップ４００の詳細手順を表すフローチャートである。図６において、まず、ステップ４０１において、先にステップ２０４で判定した運転モードを参照した後、ステップ４０２に移り、要求トルクが中程度（例えば１００Nm）以上であるかどうかを判定する。

判定が満たされたらステップ４０３へ移る。ここで、中速運転時では第１タービン１０４ａと第２タービン１０５ａのどちらでも使える領域が生ずる。一般に小容量の第１タービン１０４ａを使うと、第２タービン１０５ａを使った場合と比較して排圧が高くなり燃費が悪化するが応答性は高く、第２タービン１０５ａを使用すると逆に燃費は良く、応答性は第１タービン１０４ａを使った場合に比べて劣る。そこで、ステップ４０３では、運転者の意図から燃費重視、または応答性重視のどちらかに応じて制御を異なるものとする（主として第１タービン１０４ａまたは第２タービン１０５ａのどちらかを使用するかを決定し排気制御弁１０６および１０７により経路を選択する）ために、ステップ４０１で参照した運転モードが応答性重視モード（言い換えれば加速重視モード）であるかどうかを判定する。

（３−１）応答性重視モード（加速重視モード）時運転モードが応答性（加速性）重視であれば、ステップ４０３の判定が満たされ、ステップ４０４及びステップ４０５にて第１排気制御弁１０６を第１タービン１０４ａ側に開口させ、第２制御弁１０７を閉じる。この動作により、第１タービン１０４ａが回転し、吸気管１１２の過給圧を高める。その後、ステップ４０６において、予め設定した過給圧（例えば140kPa）に達したかどうかを判定し、判定が満たされたらステップ４０７に移り、第２排気制御弁１０７から排気の一部を第２タービン１０５ａに流し、第２タービン１０５ａを予回転させながら、第１タービン１０４ａの過給圧が過度に上昇することを防ぐ。ここで予回転とは、実際に過給を行なわない程度にタービンをあらかじめ回転させておき、タービンの応答性を良くしておくことと定義する。

図７は、このときの第１及び第２排気制御弁１０６，１０７の作動状態を表す詳細図である。図７において、まず、コントローラ１１４からの信号で、第１補助バルブ２０２のアクチュエータ２１２に負圧が供給され、第１補助バルブ２０２が開く。第１補助バルブ２０２はその開口面積が小さいので、比較的小さな力で開閉を行なうことができる。ここで第１主バルブ２０１のアクチュエータ２１１に負圧を供給し、第１主バルブ２０１を開く。第１補助バルブ２０２が開いているので、バルブの前後の圧力差が小さく、比較的小さな力で主バルブ２０１を開閉できる。こうしてエンジン１０１からの排気ガスが第１過給機１０４の第１タービン１０４ａに供給されて過給が行われ、十分なトルクを得ることができる。過給圧が所定の設定値例えば１４０kPaに達すると、第２補助バルブ２０５のアクチュエータ２１５に負圧が供給され、第２補助バルブ２０５が開く。これにより、第２タービン１０５ａを予回転させて応答性を高めることができる。

なお、さらに排気ガス量が多い場合には、アクチュエータ２１３（又は２１６でもよい。以下同様）を作動させて第１リリーフバルブ２０３（又は第２リリーフバルブ２０６）を開き、過給圧の過度の上昇を防ぐ。リリーフバルブ２０３（又は２０６）の開度は、吸気管圧力をモニターし、これが一定圧力に達するようにアクチュエータ２１３（又は２１６）により制御される。

その後、ステップ４０８に移り、要求トルクが１６０Nm以上であるかどうかを判定する。要求トルクが１６０Nm未満であればこの判定が満たされず、ステップ４０９に移って圧縮行程噴射に設定する。そして、ステップ４１０にて電子制御スロットル１１２に制御信号を出力して空気量の制御を行った後、ステップ４１１においてエンジン１０１のシリンダ１０１ａの圧縮行程に燃料噴射を行ってエンジン１０１のシリンダ１０１ａ内に成層混合気を生成し、ステップ４１２で点火プラグよりシリンダ１０１ａ内に点火してターボ成層燃焼を行なわせることで、燃費を向上させることができる。

要求トルクが１６０Nm以上であるときはステップ４０８の判定が満たされ、ステップ４１３で吸気行程噴射に設定し、ステップ４１０にて電子制御スロットル１１２に制御信号を出力して空気量の制御を行った後、ステップ４１１及びステップ４１２を経てシリンダ１０１ａ内にターボ均質燃焼を行わせ、高いトルクを得ることができる。

（３−２）燃費重視モード時一方、運転モードが燃費重視であれば、ステップ４０３の判定が満たされず、ステップ４１４にて第１排気制御弁１０６を閉じ、第２排気制御弁１０７を第２タービン１０５ａ側に開口させる。この動作により、第２タービン１０５ａが回転し、吸気管１１２の過給圧を高める。その後、予め設定した過給圧（例えば140kPa）に達したら、ステップ４１５に移り、第１排気制御弁１０６から排気の一部を第１タービン１０４ａに流し、第１タービン１０４ａを予回転させながら、過給圧が過度に上昇することを防ぐ。

図８は、このときの第１及び第２排気制御弁１０６，１０７の作動状態を表す詳細図である。図８において、まず、コントローラ１１４からの信号で、第２補助バルブ２０５のアクチュエータ２１５に負圧が供給され、第２補助バルブ２０５が開く。第２補助バルブ２０５はその開口面積が小さいので、比較的小さな力で開閉を行なうことができる。つぎに第２主バルブ２０４のアクチュエータ２１４に負圧を供給し、第２主バルブ２０４を開く。第１補助バルブ２０５が開いているので、バルブの前後の圧力差が小さく、比較的小さな力で主バルブ２０４を開閉できる。こうしてエンジン１０１からの排気ガスが第２過給機１０５の第２タービン１０５ａに供給されて過給が行われ、十分なトルクを得ることができる。過給圧が所定の設定値例えば１４０kPaに達すると、第１補助バルブ２０２のアクチュエータ２１２に負圧が供給され、第１補助バルブ２０２が開く。これにより、第１タービン１０４ａを予回転させて応答性を高めることができる。

なお、さらに排気ガス量が多い場合には、アクチュエータ２１６（又は２１３でもよい。以下同様）を作動させて第２リリーフバルブ２０６（又は第１リリーフバルブ２０３）を開き、過給圧の過度の上昇を防ぐ。リリーフバルブ２０６（又は２０３）の開度は、吸気管圧力をモニターし、これが一定圧力を保つようにアクチュエータ２１６（又は２１３）により制御される。

その後、ステップ４１６に移り、要求トルクが１８０Nm以上であるかどうかを判定する。要求トルクが１８０Nm未満であればこの判定が満たされず、ステップ４０９に移って前述と同様に圧縮行程噴射に設定し、ステップ４１０にて空気量の制御を行った後、ステップ４１１において圧縮行程噴射を行い、ステップ４１２でターボ成層燃焼を行なわせ、燃費を向上させることができる。このとき、この燃費重視モードでは、ステップ４１６で説明したように、応答性重視モードの場合と比べ、ターボ成層燃焼するトルクの上限を引き上げている（１６０Nm→１８０Nm）ので、燃費向上範囲が応答性重視モードの場合より広く、より燃費が向上できる。

要求トルクが１８０Nm以上であるときはステップ４１６の判定が満たされ、ステップ４１３に移って上記同様吸気行程噴射に設定し、ステップ４１０にて空気量の制御を行った後、ステップ４１１及びステップ４１２を経てシリンダ１０１ａ内にターボ均質燃焼を行わせ、高いトルクを得ることができる。

なお、以上説明した中速運転時のステップ４０２において要求トルクが例えば１００Nm未満であった場合には、ステップ４１７において排気制御弁１０６，１０７を現状維持のままとし、そのままステップ４１０以降へと進む。

（４）高速運転時一方、先に図２に示したステップ２１４での判定が満たされない場合、エンジン回転数Ｎがいわゆる高速運転領域（例えばＮ≧４０００rpm）である場合、ステップ５００の高速制御手順に移る。高速運転では第１タービン１０４ａのみでは飽和するので、主として第２タービン１０５ａを用いて過給を行なう。

図９は、このステップ５００の詳細手順を表すフローチャートである。図９において、まず、ステップ５０１において、低回転時および中回転時同様、要求トルクが中程度（例えば１００Nm）以上であるかどうかを判定する。

判定が満たされたらステップ５０２へ移り、第１制御弁１０６を閉じるとともにステップ５０３で第２排気制御弁１０７を第２タービン１０６側に開口させる。この動作により、第２タービン１０５ａが回転し、吸気管１１２の過給圧を高める。その後、ステップ５０４において、予め設定した過給圧（例えば140kPa）に達したかどうかを判定し、判定が満たされたらステップ５０５に移り第１排気制御弁１０６から排気の一部を第１タービン１０４ａに流し、第１タービンを予回転させながら、過給圧が過度に上昇することを防ぐ。さらに排気ガス量が多い場合には、ステップ５０６にて第２排気制御弁１０６からバイパス通路側に排気の一部を流して過給圧の過度の上昇を防ぐ。なお、このときの動作状態は前述の図８に示したものとほぼ同様となるので詳細な説明は省略する。

その後、中速運転時で応答性重視モードである場合と同様、ステップ５０７に移り、要求トルクが１６０Nm以上であるかどうかを判定する。要求トルクが１６０Nm未満であればこの判定が満たされず、ステップ５０８に移って圧縮行程噴射に設定する。そして、ステップ５０９にて電子制御スロットル１１２に制御信号を出力して空気量の制御を行った後、ステップ５１０においてエンジン１のシリンダ１ａの圧縮行程に燃料噴射を行ってエンジン１０１のシリンダ１０１ａ内に成層混合気を生成し、ステップ５１１で点火プラグよりシリンダ１０１ａ内に点火してターボ成層燃焼を行なわせることで、燃費を向上させることができる。

要求トルクが１６０Nm以上であるときはステップ５０７の判定が満たされ、ステップ５１２で吸気行程噴射に設定し、ステップ５０９にて電子制御スロットル１１２に制御信号を出力して空気量の制御を行った後、ステップ５１０及びステップ５１１を経てシリンダ１０１ａ内にターボ均質燃焼を行わせ、高いトルクを得ることができる。

なお、以上説明した高速運転時のステップ５０１において要求トルクが例えば１００Nm未満であった場合には、ステップ５１３において排気制御弁１０６，１０７を現状維持のままとし、そのままステップ５０９以降へと進む。

以上説明したように、上記第１実施形態によれば、エンジン１０１の運転条件に応じ、弁制御手段としてのコントローラ１１４が複数（この例では２つ）の排気制御弁１０６，１０７を制御し第１及び第２ターボ過給機１０４，１０５に関連する排気通路の選択及び排気ガス流量の制御を行い、エンジン１０１のシリンダ０１ａ内に所望の態様の燃焼（成層燃焼又は均質燃焼）を行わせる。

したがって、低速運転時においては、小容量タービン１０４ａを備えた第１ターボ過給機１０４を主として用いることで排気ガス流量が少なくても十分にタービン１０４ａを回転させて応答性よく過給を行い、特に低負荷の場合は圧縮行程噴射を行ってシリンダ１０１ａ内に成層燃焼を行わせ燃費向上を図るとともに高負荷の場合には吸気行程噴射を行ってシリンダ１０１ａ内に均質燃焼を行わせ出力向上を図れる。また、高速運転時においては、上記第１ターボ過給機１０４の小容量タービン１０４ａが飽和することから、大容量タービン１０５ａを備えた第２ターボ過給機１０５を主として用いて過給を行い、上記同様低負荷の場合にはシリンダ１０１ａ内に成層燃焼を行わせ燃費向上を図るとともに高負荷の場合にはシリンダ１０１ａ内に均質燃焼を行わせ通常のターボエンジンと同等の出力向上を図れる。さらに中速運転時においては、運転モードが応答性重視モードであるか燃費重視モードであるかに従い第１ターボ過給機１０４あるいは第２ターボ過給機１０５を主として用いて過給を行い、低負荷の場合は圧縮行程噴射を行って成層燃焼により燃費向上を図れ高負荷の場合には吸気行程噴射を行って均質燃焼により出力向上を図れる。

以上の効果を比較例を用いてさらに詳細に説明する。本実施形態に対する比較例として、従来の比較的大容量のタービンを１つ備えたターボ過給機を、シリンダ内に直接燃料を噴射する機構を備えた直噴型エンジンに適用した場合を考える。図１０は、この比較例における回転数−トルクマップ上の運転領域を示した図である。

図１０に示すように、この比較例では、高速（高回転数）領域では、十分な過給を行ってターボ成層燃焼による燃費向上効果とターボ均質燃焼による出力向上効果が得られることがわかるが、低速（低回転数）領域では、タービンの容量が大き過ぎて十分な過給ができないため、十分なターボ成層燃焼あるいはターボ均質燃焼が行えず、燃費向上効果や出力向上効果が得られない。

一方、図１１及び図１２は、それぞれ上記実施形態において応答性重視モード及び燃費重視モードとした場合の、回転数−トルクマップ上の運転領域を示した図である。

これら図１１及び図１２に示すように、本実施形態では、図１０に示した比較例と比べて、低速（低回転数）領域でも第１タービン１０４ａにより効率よく十分な過給を行ない、ターボ成層燃焼やターボ均質燃焼を行わせ燃費向上効果及び出力向上効果を得られることがわかり、特に、図１２に示す燃費重視モードでは、第２タービン１０５ａを使用する領域が広く、ターボ成層燃焼領域も大きくなっていることがわかる。

また、中速（低回転数）領域で見ると、図１１に示す応答性重視モードでは第１タービン１０４ａを用いかつターボ均質燃焼領域が比較的広くなっており、図１２に示す燃費重視モードでは第２タービン１０５を用いかつターボ成層燃焼領域が比較的広くなっており、単一容量のタービンを用いる図１０の比較例に比べ、応答性重視、燃費重視などの目的に合わせて最適なタービンが選択され最適な燃焼態様が行われていることがわかる。

以上のように、本実施形態によれば、エンジン１０１の低速運転時から中速運転時を経て高速運転時まで、いずれの場合にも過給機能を十分に発揮させ、かつ所望の態様の燃焼（成層燃焼又は均質燃焼）を行わせ、出力向上又は燃費向上を図ることができる。

また、上記比較例のように例えば１つのタービンで低回転領域から高回転領域までなるべく広い範囲をカバーしようとする場合、制御精度向上の観点から、そのタービンとハウジングのクリアランスを非常に小さく精度良く製作しなければならない。これに対し、本実施形態においては、上記したように、コントローラ１１４が排気制御弁１０６，１０７の開閉動作を制御し、エンジン１０１の運転条件に応じて主として用いるターボ過給機１０４，１０５を切り換えることにより、最適な所望の態様の燃焼を行わせることが可能である。したがって、比較的大容量の第２ターボ過給機１０５のタービン１０５ａについては、ハウジングとの間のクリアランスを、第１ターボ過給機１０４のタービン１０４ａとハウジングのクリアランスの１．５倍以上というように比較的低精度で製作しており、このような構成としても、十分な過給を行なうことができる。したがって、第２ターボ過給機１０５の製作精度を低下できる分、製作コストを低減できる効果がある。

さらに、本実施形態においては、第１タービン１０４ａの容量は、第２タービン１０５ａの容量に対して１／２〜１／５になるように構成している。このようにタービンを小型化することにより、第１タービンのコストを第２タービンの約２／３程度に抑えることができ、低コスト化を図ることができる。

なお、上記第１実施形態は上記の構成に限られず、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、その変形例を説明する。

図１３は、上記第１実施形態の一の変形例の全体概略構成を表すシステム構成図であり、上述した図１に対応する図である。図１３において、この変形例は、第１の実施形態と異なり、補助触媒１１５をエンジン１０１の直後の排気管１０３に取り付けたものである。このようにすることで、エンジン１０１と補助触媒１１５の距離を短くできるので、補助触媒１１５の昇温および活性化を早め、排気ガスの早期浄化促進を図ることができる。

図１４は、上記第１実施形態の他の変形例の全体概略構成を表すシステム構成図であり、上述した図１に対応する図である。図１４において、この変形例は、第１の実施形態と異なり、補助触媒１１５を排気管１０３の、第２タービン１０５ａをバイパスする部分に取り付けたものである。

これにより、例えばエンジン１０１の暖機時においては第１排気制御弁１０６を閉じ第２排気制御弁１０７をバイパス通路側に開くようにすることで、エンジン１０１の排気ガスの持つエネルギーをタービン１０４ａ，１０５ａに吸収させることなく補助触媒１１５を早期に昇温させ活性化を早めることができ、排気ガスの早期浄化促進を図ることができる。

また、上記第１実施形態では、２つの過給機すなわち第１ターボ過給機１０４及び第２ターボ過給機１０５の両方ともにターボ過給機としたが、これに限られず、例えば第１タービン１０４ａに代えてスーパーチャージャーその他の過給機構（機械過給機）としてもよい。これらの場合も同様の効果を得る。

さらに、以上はタービンの数を２つとしたが、これにも限られるものでなく、エンジン１０１の大きさによっては３つ以上のタービンを設け、各排気制御弁を切り替えてそれらタービンを適宜選択的に作動させることで、既に述べたような効果をあげることも可能である。言い換えれば「容量の異なる２つ以上の過給機を略選択的に動作させる」という機能を備えていれば、排気管の接続形態や、排気制御弁の機能は必ずしも上記第１実施形態で説明したような形式には限定されるものではない。

また、本発明は２つ以上のタービンを備えるシステムにも限られず、例えば排気ガス量が少ない低速又は低負荷時からの加速応答性がよく、かつ高速時において排圧の過度な上昇がなく、吸入空気量が十分確保できれば、必ずしもタービンを２つ設けなくてもよい。以下、そのような実施形態を説明する。

本発明の第２の実施形態を図１５〜図１７により説明する。本実施形態は、比較的大容量のタービン１つを用いて、上記第１実施形態と同様の幅広い領域で良好な過給機能を得ようとする場合の実施形態である。

図１５は、本実施形態のエンジン過給システムの全体概略構成を表す概念的システム構成図である。図１と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

この図１５において、本実施形態は、上記第１実施形態における第１ターボ過給機１０４を省略して第２ターボ過給機１０５のみとなっている。またこれに応じて、第１排気制御弁１０６、補助触媒１１５も省略されている。

図１６は、本実施形態に備えられる噴射制御手段としてのコントローラ１１４によるエンジン１０１及び第２排気制御弁１１７の制御手順を表すフローチャートであり、上記第１実施形態の図２に相当する図である。

図１６において、コントローラ１１４は、まず最初にステップ６０１において、上記第１実施形態のステップ２０１及びステップ２０２と同様に、エンジン１０１の回転数、アクセルの開度、エンジン１０１の冷却水の水温、吸入空気の圧力、排気の温度、ギヤ操作位置、車速などの運転操作に係わる状態量情報を検出手段から取り込み、ステップ６０２にて目標トルクを演算する。その後、ステップ６０３において、上記第１実施形態のステップ２０４と同様に、運転者が要求しているトルクの大小を判断し、要求トルクが大きい場合は応答性重視のモードに、要求トルクが小さく、かつその変化が小さい場合には、燃費重視のモードになるようにする（モード切替えスイッチでも良い）。そして、ステップ６０４において、上記ステップ６０３で判定した運転モードを参照した後、そのモードが応答性重視モード（言い換えれば加速重視モード）であるかどうかを判定する。

運転モードが応答性（加速性）重視であれば、ステップ６０４の判定が満たされ、ステップ６０５において、要求トルクを満たす範囲で、成層燃焼を行なうことのできる最大の空気量をシリンダに取り入れられるように、図１の電子制御スロットル１１２を調節する。

その後、ステップ６０６において、上記空気量に見合うような第１回の燃料噴射量を決定した後、残りの空気を使って燃焼できる燃料量を、第２回の燃料噴射量として設定する。例えば、均質燃焼における理想混合の場合の空燃比は約１４．７であるが、要求トルクを満たすような第１回の噴射量の結果の空燃比が約２９．４だったとすれば、第２回の燃料噴射でも同じ量の燃料噴射を行ない、第１回と第２回の合計の空燃比が約１４．７になるようにする。

そして、ステップ６０７で圧縮行程となるのを待って、ステップ６０８においてエンジン１０１のシリンダに第１回目の燃料噴射を行ってシリンダ内に成層混合気を生成し、ステップ６０９で点火プラグよりシリンダ内に点火してターボ成層燃焼を行わせ、エンジントルクを得る。

その後、ステップ６１０で膨張行程（または排気行程）となるのを待って、ステップ６１１においてエンジン１０１のシリンダに第２回の燃料噴射を行なう。上記手順を終えたら、このフローを終了する。なお、このような制御を、毎サイクルあるいは所定サイクル数をおいて間欠的に行う。

なお、前述のステップ６０４において運転モードが燃費重視モードであった場合には、ステップ６０５〜ステップ６１１における２回噴射制御を行わず、ステップ６１２において通常の制御を行う。

以上のように構成した本実施形態の作用効果を以下に説明する。

上記第１実施形態において前述したように、一般に、小容量のタービンを使うと低速運転時の応答性は良くなるが高速運転時に排圧が高くなって燃費が悪化し、大容量のタービンを使用すると低速運転時の応答性が小容量タービンに比べて劣る。

そこで、本実施形態においては、１つの大容量のタービン１０５ａを用いるとともに、さらにコントローラ１１４で、シリンダの圧縮行程において第１回目の燃料噴射を行わせてエンジントルクを得た後、シリンダの膨張行程（または排気行程）において第２回目の燃料噴射を行わせる。この第２回目に噴射された燃料はエンジントルクとはならないが、高温のシリンダ内（または排気管）において燃焼し、排気ガスのエネルギーを増す働きを持つことにより、タービン１０５ａの回転数の上昇を早めることができるので、上記のように大容量タービンを用いる場合でも、低速運転時における応答性を向上させることができ、また、走行におけるターボ成層燃焼の機会を多くすることができる。

以上のような制御の結果実現可能な回転数−トルク特性の一例を回転数−トルクマップ上の運転領域として示した図を図１７に示す（なお併せて加速時のＣＶＴの変速曲線を示している）。この図１７は、第１実施形態における前述の図１１にほぼ相当する図である。

図１７に示すように、本実施形態においても、上記第１実施形態と同様、低速運転低負荷の場合は圧縮行程噴射を行ってシリンダ内に成層燃焼を行わせ燃費向上を図るとともに、高負荷の場合には吸気行程噴射を行ってシリンダ内に均質燃焼を行わせ出力向上を図ることが可能となり、高速運転低負荷の場合はシリンダ内に成層燃焼を行わせ燃費向上を図るとともに高負荷の場合にはシリンダ内に均質燃焼を行わせ出力向上を図ることが可能となる。すなわち、エンジンの低速運転時及び高速運転時のいずれにも過給機能を十分に発揮させ、出力向上又は燃費向上を図ることができる。

本発明のエンジン過給システムの一実施の形態の全体概略構成を表す概念的システム構成図である。本発明のエンジン過給システムの一実施の形態における、コントローラによるエンジン、第１排気制御弁、及び第２排気制御弁の制御手順を表すフローチャートである。本発明のエンジン過給システムの一実施の形態における、低温時の第１及び第２排気制御弁の作動状態を表す詳細図である。本発明のエンジン過給システムの一実施の形態における、第１タービンに排気ガスを通す場合の第１及び第２排気制御弁の作動状態を表す詳細図である。本発明のエンジン過給システムの一実施の形態における、低回転域のタービン作動の詳細手順を表すフローチャートである。本発明のエンジン過給システムの一実施の形態における、中回転域のタービン作動の詳細手順を表すフローチャートである。本発明のエンジン過給システムの一実施の形態における、第１タービンに排気ガスを流し、かつ第２タービンを予回転させる場合の第１及び第２排気制御弁の作動状態を表す詳細図である。本発明のエンジン過給システムの一実施の形態における、第２タービンに排気ガスを流し、かつ第１タービンを予回転させる場合の第１及び第２排気制御弁の作動状態を表す詳細図である。本発明のエンジン過給システムの一実施の形態における、高回転域のタービン作動の詳細手順を表すフローチャートである。本発明のエンジン過給システムの一実施の形態の比較例における、従来の比較的大容量のタービンを１つ備えたターボ過給機をシリンダ内に直接燃料を噴射する機構を備えた直噴型エンジンに適用した場合の回転数−トルクマップ上の運転領域を示した図である。本発明のエンジン過給システムの一実施の形態における、応答性重視モードとした場合の回転数−トルクマップ上の運転領域を示した図である。本発明のエンジン過給システムの一実施の形態における、燃費重視モードとした場合の回転数−トルクマップ上の運転領域を示した図である。本発明のエンジン過給システムの一実施の形態の一変形例の全体概略構成を表すシステム構成図である。本発明のエンジン過給システムの一実施の形態の他の変形例の全体概略構成を表すシステム構成図である。本発明のエンジン過給システムの他の実施の形態の全体概略構成を表す概念的システム構成図である。本発明のエンジン過給システムの他の実施の形態における、コントローラによるエンジン及び第２排気制御弁の制御手順を表すフローチャートである。本発明のエンジン過給システムの他の実施の形態における、回転数−トルク特性の一例を回転数−トルクマップ上の運転領域として示した図である。

符号の説明

１０１エンジン
１０１ａシリンダ
１０２吸気管
１０３排気管
１０４第１ターボ過給機（第１過給機構）
１０４ａ第１タービン（第１過給機構）
１０５第２ターボ過給機（第２過給機構）
１０５ａ第２タービン（第２過給機構；タービン機構）
１０６第１排気制御弁
１０７第２排気制御弁
１０８主触媒
１１３燃料噴射弁
１１４コントローラ（弁制御手段；噴射制御手段）
１１５補助触媒

Claims

燃料をエンジンのシリンダ内に直接噴射する噴射機構と、
前記シリンダ内に空気を過給する第１過給機構及びこの第１過給機構よりも容量の大きい第２過給機構を含む少なくとも２つの過給機構に排気を導入する排気通路に設置され、前記第１及び第２過給機構の選択及び排気ガス流量の制御を行うための複数の排気制御弁とを制御する制御装置であって、
前記制御装置は、
エンジン回転数が中回転領域の場合に、
運転操作にかかわる状態量に応じて、応答性重視モードと燃費重視モードとを判断し、
応答性重視モードであると判断された場合は、前記第１過給機構を用いて空気を過給するように前記複数の排気制御弁の開閉動作を制御すると共に、
要求トルクが所定値以下のときは、圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼するように前記噴射機構を制御するとともに、
要求トルクが所定値以上のときは、吸気行程で燃料を噴射することにより均質燃焼するように前記噴射機構を制御することを特徴とする制御装置。
燃料をエンジンのシリンダ内に直接噴射する噴射機構と、
前記シリンダ内に空気を過給する第１過給機構及びこの第１過給機構よりも容量の大きい第２過給機構を含む少なくとも２つの過給機構に排気を導入する排気通路に設置され、前記第１及び第２過給機構の選択及び排気ガス流量の制御を行うための複数の排気制御弁とを制御する制御装置であって、
前記制御装置は、
エンジン回転数が中回転領域の場合に、
運転操作にかかわる状態量に応じて、応答性重視モードと燃費重視モードとを判断し、
燃費重視モードであると判断された場合は、前記第２過給機構を用いて空気を過給するように前記複数の排気制御弁の開閉動作を制御すると共に、
要求トルクが所定値以下のときは、圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼するように前記噴射機構を制御するとともに、
要求トルクが所定値以上のときは、吸気行程で燃料を噴射することにより均質燃焼するように前記噴射機構を制御することを特徴とする制御装置。