JP4788697B2 - ２段過給機付きエンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、２段過給機付きエンジンの制御装置に関し、特に排気浄化用触媒が活性化温度以下のときエンジン回転数が低い所定運転領域における、排気浄化用触媒の活性化促進と過給確保の両立を図ったものに関する。

車両に搭載されるガソリンエンジンにも、ディーゼルエンジンにもターボチャージャーを採用可能である。特にディーゼルエンジンでは、排気中のＮＯ_x 低減を目的として、ＥＧＲ（排気再循環）により排気を吸気系に還流させることで、燃料室内での燃焼を抑制して排気温度を下げるのが一般的である。このようにＥＧＲにより排気を吸気系に還流させる場合には、吸気中の酸素が不足気味になることから、排気通路及び吸気通路にターボチャージャーを装備し、過給により吸気充填量を増すのが一般的である。

ターボチャージャーを装備する場合に、低回転域における加速応答性を確保する観点から、特許文献１に示すように、小型ターボチャージャーと大型ターボチャージャーとからなる２段式のターボチャージャーを装備する技術も周知である。ターボチャージャーの部位の排気通路には、通常、バイパス通路と、このバイパス通路を開閉するバイパス弁が設けられ、バイパス弁を開いた状態では排気流がターボチャージャーをバイパスし、バイパス弁を閉じた状態で排気流がターボチャージャーを流れ、過給作用が得られる。

他方、排気系には排気浄化用触媒が装備されており、この排気浄化用触媒は、エンジンの始動直後などには所定の活性化温度（例えば、２５０〜３００℃）よりも低温であるため、排気浄化性能を十分に発揮できない。そこで、エンジンの始動直後などには、排気浄化用触媒の昇温を促進する為にターボチャージャーのバイパス弁を開いて排気流をバイパスさせることも公知である。
特開平８−１５１９２９号公報

特許文献１に記載の２段式過給機付きエンジンにおいて、下流側のターボチャージャーよりも下流側に排気浄化用触媒を装備している場合、２つのターボチャージャーにより排気中の熱が奪われるため排気浄化用触媒の昇温速度が遅くなる。そこで、始動直後など触媒の温度が活性化温度以下の場合に、触媒の昇温を促進する為に２つのバイパス弁を開いて、２つのターボチャージャーをバイパスした排気流とすることが考えられる。

しかし、２つのバイパス弁を開いて２つのターボチャージャーをバイパスさせると、過給作用が全く得られないから車両の加速応答性を確保することができない。特に、２段式ターボチャージャーは、低回転域からの加速応答性を高める為に装備されるにも関わらず、その加速応答性を確保することができないという問題がある。

他方、排気浄化用触媒が活性化温度以上のとき、エンジン回転数が低回転域にある間は、小型ターボチャージャーのみを過給作動させ、大型ターボチャージャーのバイパス弁を開状態にして排気をバイパスサさせるが普通である。この場合、エンジン回転数が中回転域に移行して、大型ターボチャージャーを過給作動に切換える際に、大型ターボチャージャーが停止状態から回転状態に迅速に移行しないため、大型ターボチャージャーの回転数の立ち上がりが鈍くなり、過給開始の応答性に欠けるという問題もある。

本発明の目的は、排気浄化用触媒の昇温と、加速応答性とを両立させることのできる２段過給機付きエンジンの制御装置を提供することであり、本発明の他の目的は、触媒の昇温後には低速域から中回転域に移行する際の過給開始の応答性を高め得る２段過給機付きエンジンの制御装置を提供することである。

請求項１の２段過給機付きエンジンの制御装置は、排気通路及び吸気通路に設けられた第１，第２ターボチャージャーと、第１，第２ターボチャージャーを夫々バイパスする第１，第２バイパス通路と、第１，第２バイパス通路を夫々開閉可能な第１，第２バイパス弁と、第１，第２バイパス弁を制御するバイパス弁制御手段と、前記排気通路のうちの第１，第２ターボチャージャーよりも下流部分に装備された排気浄化用触媒とを備えた２段過給機付きエンジンの制御装置において、前記バイパス弁制御手段は、排気浄化用触媒の触媒温度が活性化温度以下のとき、エンジン運転状態がエンジン回転数が低い所定運転領域のうちの低回転域にあるときには第１，第２バイパス弁を開くと共に、前記所定運転領域のうちの低回転域より高回転域にあるときには第１，第２バイパス弁の一方のみを開くことを特徴としている。

この２段過給機付きエンジンの制御装置においては、排気浄化用触媒の触媒温度が活性化温度以下のとき、エンジン運転状態がエンジン回転数が低い所定運転領域のうちの低回転域にあるときには第１，第２バイパス弁を開くため、排気通路の排気は第１，第２ターボチャージャーバイパスして流れる。そのため、第１，第２ターボチャージャーにより排気の温度低下が生じることがないため、排気浄化用触媒の昇温を促進して昇温を高めることができる。

しかも、エンジン運転状態が前記所定運転領域のうちの低回転域より高回転域にあるときには第１，第２バイパス弁の一方のみを開くため、第１，第２ターボチャージャーの１つを作動させて過給することができるため、加速応答性を確保することができる。

請求項２の２段過給機付きエンジンの制御装置は、請求項１の発明において、前記第１ターボチャージャーは第２ターボチャージャーよりも小型に構成され且つ第２ターボチャージャーよりも排気の流れ方向において上流側に配設され、前記バイパス弁制御手段は、排気浄化用触媒の触媒温度が所定の活性化温度以下のとき、エンジン運転状態が前記所定運転領域のうちの前記高回転域にあるときには、第１バイパス弁を閉じ且つ第２バイパス弁を開くことを特徴としている。

請求項３の２段過給機付きエンジンの制御装置は、請求項２の発明において、前記バイパス弁制御手段は、排気浄化用触媒の触媒温度が所定の活性化温度より高いときであって、かつエンジン運転状態が前記所定運転領域にあるときには、第１，第２バイパス弁を閉じることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、排気浄化用触媒の触媒温度が活性化温度以下のとき、エンジン運転状態がエンジン回転数が低い所定運転領域のうちの低回転域にあるときには第１，第２バイパス弁を開くため、排気通路の排気は第１，第２ターボチャージャーバイパスして流れるため、第１，第２ターボチャージャーにより排気の温度低下が生じることがないため、排気浄化用触媒の昇温を促進して昇温を高めることができる。

しかも、エンジン運転状態が前記所定運転領域のうちの低回転域より高回転域にあるときには第１，第２バイパス弁の一方のみを開くため、第１，第２ターボチャージャーの１つを作動させて過給することができるため、加速応答性を確保することができる。

請求項２の発明によれば、排気浄化用触媒の触媒温度が所定の活性化温度以下のとき、エンジン運転状態が前記所定運転領域のうちの前記高回転域にあるときには、第１バイパス弁を閉じ且つ第２バイパス弁を開くことにより、小型のターボチャージャーのみを作動させて過給することで加速応答性を確保することができるうえ、小型のターボチャージャーに比べて排気が通過したときの熱損失量が大きい大型のターボチャージャーをバイパスするように排気が流れるため、大型のターボチャージャーにより排気温度が低下するのを防止し、排気浄化用触媒の昇温を促進することができる。

請求項３の発明によれば、排気浄化用触媒の触媒温度が所定の活性化温度より高いときであって、かつエンジン運転状態が前記所定運転領域にあるときには、第１，第２バイパス弁を閉じるため、両方のターボチャージャーが過給作動することになる。エンジンの運転状態が中回転域に移行したときには、両方のターボチャージャーを作動させてフルに過給することになるが、大型のターボチャージャーは低回転域から回転していたため、中回転域に移行するときにも引き続き回転し続けるので、中回転域に移行したときに応答遅れなく迅速に過給開始するから、過給開始の応答性を高めることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について実施例に基づいて説明する。

図１は、車両に搭載されたディーゼルエンジン１と、その吸気系及び排気系を示すものである。図に示すように、直列６気筒のディーゼルエンジン１の吸気通路２及び排気通路３には、第１ターボチャージャー４と第２ターボチャージャー５が設けられている。
第１ターボチャージャー４は、第２ターボチャージャー５よりも小型に構成され、排気通路３の排気流の流れ方向において第２ターボチャージャー５よりも上流側に設置されいる。第１ターボチャージャー４は第１タービン４ａと第１コンプレッサ４ｂとを備え、第２ターボチャージャー５は第２タービン５ａと第２コンプレッサ５ｂとを備えている。

吸気通路２の最下流部には吸気を冷却する為のインタークーラ６が介装され、吸気通路２には第１コンプレッサ４ｂをバイパスするバイパス通路２ａと、このバイパス通路２ａに設けられた吸気制御弁７とが設けられている。この吸気制御弁７は後述の制御ユニット２０によって制御され、第１，第２コンプレッサ４ｂ，５ｂからの吸気圧の高い方の吸気をエンジン１に供給するように制御される。

排気通路３には、第１タービン４ａをバイパスする第１バイパス通路３ａと、第２タービン５ａをバイパスする第２バイパス通路３ｂとが設けられている。第１バイパス通路３ａにはその通路面積をリニアに変化させることのできる第１バイパス弁８が設けられている。第２バイパス通路３ｂには、その通路面積をリニアに変化させることのできる第２バイパス弁９が設けられている。第１，第２バイパス弁８，９は、リニアソレノイドを有し制御ユニット２０により制御される。排気通路３のうち、第１、第２タービン４ａ，５ａより下流側部分には、排気浄化用触媒１０と、排気中の黒鉛微粒子を除去する為のフィルターであるＤＰＦ１１が設けられている。

次に、このエンジンの制御系について説明する。
図２に示すように、この制御系には、エンジン１を制御する制御ユニット２０と、排気浄化用触媒１０の温度検出する触媒温度センサ２１と、エンジン１の回転数を検出するエンジン回転数センサ２２と、エンジン１のスロットル弁に連動連結されたアクセルの開度を検出するアクセル開度センサ２３と、第１バイパス弁８（小型Ｔ／Ｃバイパス弁）と、第２バイパス弁９（大型Ｔ／Ｃバイパス弁）とが接続されている。

前記制御ユニット２０は、ＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭを含むコンピュータと、入力インターフェースと、第１，第２バイパス弁８，９を駆動制御する駆動回路を含む出力インターフェースとを備えている。この制御ユニット２０のコンピュータのＲＯＭには、図３に示すマップＡと、図４に示すマップＢと、図５に示すバイパス弁制御の制御プログラムが予め格納されている。

図３，４に示すマップＡ，Ｂは、エンジンの運転状態に応じて第１，第２バイパス弁８，９を制御する為のマップである。図３のマップＡは、排気浄化用触媒１０の温度が所定の活性化温度（例えば、２５０〜３００℃の範囲の所定の温度）以下のときに適用するマップである。図４のマップＢは、排気浄化用触媒１０の温度が前記活性化温度よりも高いときに適用するマップである。

マップＡにおいて、運転領域Ｌ１，Ｌ２はエンジン回転数が低い所定運転領域であり、運転領域Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は中回転域であり、運転領域Ｈは高回転域である。運転領域Ｌ１は前記の所定運転領域のうちの低回転域であり、運転領域Ｌ２は前記の所定運転領域のうちの低回転域（Ｌ１）よりも高回転域である。
マップＢにおいて、運転領域Ｌはエンジン回転数が低い所定運転領域であって、図３の運転領域Ｌ１，Ｌ２を合わせた運転領域に相当する。運転領域Ｍ４，Ｍ５は中回転域であって、図３のＭ１，Ｍ２，Ｍ３を合わせた運転領域に相当する。運転領域Ｈは図３と同様に高回転域である。

マップＡ，Ｂに付随する表は、第１，第２バイパス弁８，９を制御する状態（閉、開、リニア）を示すものであり、「リニア」とは「閉」と「開」と間の中間状態であり、運転状態に比例して通路断面積が増大するようにリニアソレノイドの制御を介して得られる状態である。

次に、バイパス弁制御の制御プログラムについて図５のフローチャートに基づいて説明する。尚、図５のＳｉ（ｉ＝１，２，・・）は各ステップを示す。
エンジンが始動するとこの制御が開始され、最初に触媒温度センサ２１からの検出信号が読み込まれ（Ｓ１）、触媒温度Ｔが所定の活性化温度Ｔ０以下か否か判定され（Ｓ２）、その判定がＹｅｓのときはＳ３においてマップＡが選択されてＳ５へ移行し、また、Ｓ２の判定がＮｏのときはＳ４においてマップＢが選択されてＳ５へ移行する。

Ｓ５では、アクセル開度センサ２３の検出信号と、エンジン回転数センサ２２の検出信号とが読み込まれ、Ｓ６では、エンジンの運転状態に応じて、前記マップＡまたはマップＢに基づいて、第１バイパス弁８（小型Ｔ／Ｃバイパス弁）と第２バイパス弁９（大型Ｔ／Ｃバイパス弁）とを制御し、その後Ｓ１へリターンする。

排気浄化用触媒１０の触媒温度が所定の活性化温度Ｔ０以下のとき、エンジン運転状態がエンジン回転数が低い所定運転領域のうちの低回転域Ｌ１にあるときには第１，第２バイパス弁８，９を開くため、排気通路３の排気は、図６に示すように、第１，第２ターボチャージャー４，５のタービン４ａ，５ａをバイパスして流れる。そのため、第１，第２ターボチャージャー４，５により排気の温度低下が生じることがないため、排気浄化用触媒１０の昇温を促進して昇温を高めることができる。

しかも、エンジン運転状態が、前記所定運転領域のうちの低回転域Ｌ１より高回転域Ｌ２にあるときには第２バイパス弁９のみを開くため、図７に示すように、小型の第１ターボチャージャー４のみを作動させて過給することができるから、加速応答性を確保することができる。そして、小型の第１ターボチャージャー４よりも排気が通過したときの熱損失量の大きい大型の第２ターボチャージャー５をバイパスするように排気が流れるため、大型の第２ターボチャージャー５により排気温度が低下するのを防止し、排気浄化用触媒１０の昇温を促進することができる。

また、中回転域の運転領域Ｍ１では、第１，第２バイパス弁８，９を閉じることで過給を十分に行うことができる。但し、運転領域Ｍ２では第１ターボチャージャー４の過回転抑制のため第１バイパス弁８の開度を運転状態に応じてリニアに増大させる。第１ターボチャージャー４の破損を防止し耐久性を確保することができる。同様に、運転領域Ｍ３では第１バイパス弁８を開き且つ第２バイパス弁９の開度を運転状態に応じてリニアに増大させる。尚、運転領域Ｍ２，Ｍ３においても第１，第２ターボチャージャー４，５による過給は十分に行なわれる。高回転域Ｈにおいては、第１，第２ターボチャージャー４，５の過回転抑制のため第１，第２バイパス弁８，９が開かれるけれども過給は十分に行なわれる。

排気浄化用触媒の触媒温度が所定の活性化温度Ｔ０より高いとき、エンジン運転状態が前記所定運転領域にあるときには、図４のマップＢと、図８に示すように、第１，第２バイパス弁８，９を閉じるため、両方のターボチャージャー４，５が過給作動することになる。エンジンの運転状態が中回転域の運転領域Ｍ４に移行したときには、両方のターボチャージャー４，５を作動させてフルに過給することになるが、大型のターボチャージャー５は低回転域から回転していたため、中回転域の運転領域Ｍ４に移行するときにも引き続き回転し続けるので、中回転域の運転領域Ｍ４に移行したときに応答遅れなく迅速に過給開始するから、過給開始の応答性を高めることができる。

次に、前記実施例を部分的に変更する例について説明する。
（１）前記マップＡにおける運転領域Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の区分けは一例に過ぎないし、また、マップＢにおける運転領域Ｍ４，Ｍ５の区分けは一例に過ぎない。
（２）前記実施例では、小型の第１ターボチャージャー４と大型の第２ターボチャージャー５とを備えたエンジンを例にして説明したが、請求項１の発明に関して言えば、第１及び第２ターボチャージャーは同等の大きさのものであってもよい。
（３）その他、当業者ならば本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそれらを包含するものである。

本発明の実施例に係る過給機付きエンジンの吸気系と排気系の構成図である。 過給機付きエンジンの制御装置の制御系のブロック図である。 マップＡを示す図である。 マップＢを示す図である。 バイパス弁制御のフローチャートである。 マップＡの領域Ｌ１のときの排気の流れを示す作動説明図である。 マップＡの領域Ｌ２のときの排気の流れを示す作動説明図である。 マップＢの領域Ｌのときの排気の流れを示す作動説明図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気通路
３ 排気通路
３ａ 第１バイパス通路
３ｂ 第２バイパス通路
４ 第１ターボチャージャー（小型Ｔ／Ｃ）
５ 第２ターボチャージャー（大型Ｔ／Ｃ）
８ 第１バイパス弁
９ 第２バイパス弁
１０ 排気浄化用触媒

Claims (3)

1. 排気通路及び吸気通路に設けられた第１，第２ターボチャージャーと、第１，第２ターボチャージャーを夫々バイパスする第１，第２バイパス通路と、第１，第２バイパス通路を夫々開閉可能な第１，第２バイパス弁と、第１，第２バイパス弁を制御するバイパス弁制御手段と、前記排気通路のうちの第１，第２ターボチャージャーよりも下流部分に装備された排気浄化用触媒とを備えた２段過給機付きエンジンの制御装置において、
   前記バイパス弁制御手段は、排気浄化用触媒の触媒温度が活性化温度以下のとき、エンジン運転状態がエンジン回転数が低い所定運転領域のうちの低回転域にあるときには第１，第２バイパス弁を開くと共に、前記所定運転領域のうちの低回転域より高回転域にあるときには第１，第２バイパス弁の一方のみを開くことを特徴とする２段過給機付きエンジンの制御装置。
2. 前記第１ターボチャージャーは第２ターボチャージャーよりも小型に構成され且つ第２ターボチャージャーよりも排気の流れ方向において上流側に配設され、
   前記バイパス弁制御手段は、排気浄化用触媒の触媒温度が所定の活性化温度以下のとき、エンジン運転状態が前記所定運転領域のうちの前記高回転域にあるときには、第１バイパス弁を閉じ且つ第２バイパス弁を開くことを特徴とする請求項１に記載の２段過給機付きエンジンの制御装置。
3. 前記バイパス弁制御手段は、排気浄化用触媒の触媒温度が所定の活性化温度より高いときであって、かつエンジン運転状態が前記所定運転領域にあるときには、第１，第２バイパス弁を閉じることを特徴とする請求項２に記載の２段過給機付きエンジンの制御装置。