JP5246284B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。特に、ターボチャージャを有する内燃機関の制御装置に関する。

自動車用内燃機関の出力向上のための装置として、内燃機関の排気ガスによりタービンを駆動し、タービンと接続された吸気通路内のコンプレッサで吸気を圧縮するターボチャージャが知られている。またターボチャージャを備えた内燃機関において、排気ガスの圧力増大による吸気圧の過剰な上昇を防止すべく、排気ガスの一部についてタービンをバイパスさせるバイパス通路、及びこれを開閉するウエストゲートバルブを備えたものが知られている。

また、内燃機関の排気通路には、排気ガス中の酸素濃度を測定する空燃比センサが設けられている。この出力結果により、燃料噴射量を変更することで、燃費、排気エミッション低減に適した運転を可能にしている。

上記のようなターボチャージャを備えた内燃機関に空燃比センサを設ける場合、タービン上流に空燃比センサを設けようとすると、排気ガスの温度が高いため空燃比センサの耐熱性が必要となる。また燃焼室からタービンまでの排気通路が複数ある、いわゆるツインスクロールターボでは、空燃比センサが複数必要となりコスト高になる。

そのため、ターボチャージャを備えた内燃機関に空燃比センサを設ける場合、タービンの下流に空燃比センサを設けることが望ましい。しかしながら、空燃比センサをタービンの下流に設けた場合、燃焼室から排出された排気ガスがタービンで攪拌されてから、空燃比センサに到達する。そのため、燃焼室から排出されて、空燃比センサに到達するまでの時間の推定が困難である。

この到達時間の推定が正確でないと、空燃比センサの異常検出や、内燃機関の複数の気筒間の空燃比インバランス検出の精度が低下する場合がある。例えば、空燃比センサの異常検出では、意図的にリッチ或いはリーンになるように燃料噴射量を制御し、この排気ガスが空燃比センサに到達したときに、正しくリッチ或いはリーンを示すか否かで空燃比センサの異常検出を行っている。

また、気筒間の空燃比インバランス検出では、空燃比センサの検出値をいずれの気筒の燃焼室から排出された排気ガスによるものかを特定し、各気筒間の空燃比のずれを検出する。そのため、燃焼室から排気された排気ガスが、空燃比センサに到達する時間を精度良く推定することが必要となる。
そこで、バイパス通路の吐出口よりも下流に空燃比センサを設け、空燃比センサの異常検出が必要な場合には、ウエストゲートバルブを開けることで、バイパス通路から吐出された排気ガスを空燃比センサに当てるようにし、異常検出の精度を高めるようにしたものがある（特許文献１）。

またこのように、バイパス通路から吐出された排気ガスによって、空燃比センサの異常検出、または気筒間インバランス検出をより精度よく行うには、特許文献２に示すように、バイパス通路から吐出された排気ガスが直接空燃比センサに当たる位置に空燃比センサを設けることが好適である。

特許文献１：特開２００９−２８７４０９
特許文献２：特開２００８−２０８７４０

ところで、内燃機関の冷却始動時には、排気ガス中に含まれる水分がバイパス通路内で冷え、凝縮水としてその吐出口から排気ガスと共に吐出されることがある。このとき、上記のように、バイパス通路から吐出された排気ガスが直接空燃比センサに当たる構成では、空燃比センサが被水し、センサの感度劣化等の問題を生じる可能性がある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものである。その目的は、空燃比測定の精度を担保しつつ、空燃比センサの被水を抑制できる内燃機関の制御装置を提供することである。

本発明は、排気通路に配置されたタービンを有するターボチャージャと、前記排気通路に設けられて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エストゲートバルブと、前記バイパス通路の吐出口より下流側に設けられた空燃比センサとを有する内燃機関であって、前記空燃比センサは、ウエストゲートバルブの開度によって、バイパス通路から吐出された排気ガスのうち、直接空燃比センサにあたる排気ガスの割合が変化する位置に設けられ、機関の冷間始動時には、温間始動時に比べて、直接空燃比センサにあたる排気ガスの割合が小さい開度になることを特徴とする内燃機関の制御装置を提供する。

本発明によれば、内燃機関の冷間始動時には、温間始動時に比べて、バイパス通路から吐出された排気ガスのうち、直接空燃比センサにあたる排気ガスの割合が小さくなる。そのため、凝縮水の発生量の多い冷間始動時に、水分を多く含むバイパス通路からの直接あたるガス量が減少するため、空燃比センサの被水を抑制することができる。また、温間始動時には、バイパス通路から吐出された排気ガスのうち、直接空燃比センサにあたる排気ガスの割合を大きくすることによって、空燃比センサの異常検出、気筒間インバランス検出を精度良く行うことができる。

本発明の実施形態における内燃機関の吸排気系統を示す模式図である。 本発明の実施形態における図１のＡ部の拡大図である。 本発明の実施形態における図１のＡ部の拡大図である。 本発明の実施形態におけるウエストゲートバルブの開度制御を示すフローチャートである。 本発明の実施形態における空燃比の気筒間インバランス検出制御を示すフローチャートである。

図1を参照して、本実施形態における内燃機関の吸排気系統について説明する。本実施形態に係る過給機付きエンジン１は、エンジン本体２に対し、吸気通路７、及び排気通路５が接続されている。吸気通路７には、エアクリーナ１４、エアフローメータ１３、ターボチャージャ３のコンプレッサ３b、過給圧センサ１６、インタークーラ６、スロットル９、スロットル開度センサ３２、サージタンク８等が備えられている。また、排気通路５には、ターボチャージャ３のタービン３a、バイパス通路１０、ウエストゲートバルブ１１、空燃比センサ１２、触媒１５等が備えられている。

エアクリーナ１４は吸気中の異物を除去可能なフィルターを備えている。エアクリーナ１４を通過した吸気は、コンプレッサ３ｂによって加圧される。このときの過給圧は過給圧センサ１６によって検出される。過給圧センサ１６としては、例えば圧電素子などを用いることができる。

コンプレッサ３ｂによって加圧された吸気は、温度が上昇するため、吸気通路７上に設けられたインタークーラ６で冷却される。このように加圧された吸気は、スロットル９、サージタンク８を介して、エンジン本体２の吸気ポートより、エンジン本体２内に複数ある各燃焼室内へと吸入される。

エンジン本体２には、エンジンの冷却水温を検出するための冷却水温センサ４、エンジン回転速度を検出するためのクランク角センサ３３などが備えられている。

エンジン本体２から排出された排気ガスは、エンジン本体２の排気ポートを介して、排気通路５へと排出される。排気通路５には、ターボチャージャ３のタービン３aが設けられており、排気ガスによって回転するようになっている。

また、排気通路５には、タービン３aをバイパスするように、バイパス通路１０が設けられている。バイパス通路１０が排気通路５と再び合流する合流地点には、ウエストゲートバルブ１１が設けられている。ウエストゲートバルブ１１は電動式のアクチュエータ１７により駆動され、その開度によりタービン３ａを流れる排気ガス流量、及びバイパス通路１０から吐出される吐出方向を調整できる。
バイパス通路１０の吐出口より下流には、空燃比センサ１２が設けられている。空燃比センサ１２は、例えば、ジルコニアなどの酸素イオン伝導性材料からなるシート状の固体電解質素子及び、当該固体電解質素子を挟んだ一対の電極を有するものであり、排気ガス中の酸素濃度に対応した電圧を出力する。

本実施形態では、空燃比センサ１２を用いて、排気ガス中の酸素濃度を測定することで、エンジン本体２内の複数の各燃焼室間の空燃比のばらつきを検出（所謂、気筒間インバランス検出）している。即ち、各燃焼室から排出された排気ガスが、空燃比センサ１６まで到達する時間を推定し、推定された到達時間における空燃比センサ１６の検出値を燃焼室ごとに比較している。

空燃比センサ１２より下流には、触媒１５、図示しない消音器などが備えられ、排気ガスはこれらを介して車外に放出される。
ＥＣＵ２０は例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びそれらを相互に接続するデータバスから構成され、ＲＯＭに格納されたプログラムに従い、以下に述べるウエストゲートバルブ１１の開度制御などを行う。またＥＣＵ２０は車両の各センサと電気的に接続され、その検出値が入力される。尚、センサには、上記の各センサのほかに、アクセル位置センサ３４、外気温センサ、車速センサ等が含まれる。

次に図１におけるA部の拡大図である図２、図３を参照して排気通路５とバイパス通路１０との合流地点付近の構成を詳述する。

図２、図３に示すようにバイパス通路１０と排気通路５はタービン３ａより下流の合流地点にて合流する。バイパス通路１０は合流地点に設けられたウエストゲートバルブ１１によって開閉される。ウエストゲートバルブ１１の開度は、過給圧センサ１６、クランク角センサ３３の検出値などに基づく運転状況に応じて決定する。例えば、機関の始動時やアイドリング時には、ウエストゲートバルブ１１を開くようにして触媒１５の床温を維持する一方、加速時などの、大きな過給圧が必要な場合には、ウエストゲートバルブ１１を閉じるようにする。
本実施形態では、ウエストゲートバルブ１１は、支点を中心に、０度（全閉）から９０度（全開）の間で回動することで、タービン３ａを通過する排気ガス流量、及びバイパス通路１０から吐出される吐出方向を制御する。特に、タービン３ａを通過する排気ガス流量は０度から４５度以下の間で調整され、ウエストゲートバルブ１１の開度が４５度以上のときは、開度に拠らず、排気ガスのほとんどはバイパス通路１０に流れるようになっている。すなわち、ウエストゲートバルブ１１の開度が所定以上のときには、ウエストゲートバルブ１１の開度の拠らず、タービン３ａの回転速度は一定となる。尚、図２には、ウエストゲートバルブ１１の開度が第１開度である４５度（半開）の時を、図３には、ウエストゲートバルブ１１の開度が第２開度である９０度（全開）の時を示している。

バイパス通路１０の吐出口より下流であって、バイパス通路１０の延長方向には、空燃比センサ１２が備えられている。また空燃比センサ１２はウエストゲートバルブ１１の支点が設けられた側から、排気通路５内に突出するように設けられている。そして、図２のようにウエストゲートバルブ１１の開度が小さい第１開度であるときには、バイパス通路１０の吐出口と空燃比センサ１２がウエストゲートバルブ１１を挟んで反対側に位置するようになっている。そのため、バイパス通路１０から吐出された排気ガスはウエストゲートバルブ１１の裏面に沿って流れので、バイパス通路１０から吐出された排気ガスのうち、空燃比センサ１２に排気ガスが直接当たる排気ガスの割合は小さくなっている。

一方、図３のようにウエストゲートバルブ１１の開度が全開付近（第２開度）のときには、バイパス通路１０の吐出口と空燃比センサ１２との間にウエストゲートバルブ１１が挟まれないようになっている。そのため、バイパス通路１０から吐出された排気ガスは、バイパス通路１０の延長方向に流れるので、バイパス通路１０から吐出された排気ガスのうち、大部分が空燃比センサ１２に直接当たるようになっている。

このように、本実施形態では、ウエストゲートバルブ１１の開度を制御することで、排気ガスの吐出方向を変え、バイパス通路１０から吐出された排気ガスのうち、直接空燃比センサ１２に当たる排気ガスの割合を変えることができる。
次に図４を参照して、本実施形態におけるウエストゲートバルブ開度の制御について説明する。

エンジン１が始動されると、ECU２０は、外気温センサ、冷却水温センサ４によって外気温、冷却水温を検出し（S１００）、これ基づいて冷間始動か否かを判断する（S２００）。冷間始動でないと判断した場合（S２００でNo）には、ウエストゲートバルブ１１を運転状況に応じて開閉する通常の制御へと移る。すなわち、ウエストゲートバルブ１１を第２開度である９０度まで開くようにして、空燃比センサ１２の暖機等が行えるようにする。

一方冷間始動であると判断した場合（S２００でYes）には、S３００へ処理が移り、ウエストゲートバルブ１１の最大開度を全開時の５０％（第１開度）以下に制限する。具体的には、運転状況に応じて設定されるウエストゲートバルブ１１の開度が５０％より大きい場合にも、ウエストゲートバルブ１１の開度が５０％になるように、ガード値を設ける。
その後、ＥＣＵ２０は、外気温センサ、冷却水温センサ４によって再び外気温、冷却水温を検出し（Ｓ４００）、これに基づいて、エンジン１の暖機が完了したかを判断する（Ｓ５００）。エンジン１の暖機が完了していないと判断した場合（Ｓ５００でＮｏ）には、処理はＳ４００に戻り、最大開度の制限を継続する。
一方、エンジン１の暖機が完了したと判断した場合、最大開度の制限を解除し（Ｓ６００）、ウエストゲートバルブ１１を運転状況に応じて開閉する通常の制御へと移る。

次に、図５を参照して、本実施形態で行われるインバランス検出制御について説明する。インバランス検出制御が開始されると、まずＳ１０において、ウエストゲートバルブ１１の開度制限が実行されているか否かを判断する。ウエストゲートバルブ１１の開度制限が実行中である場合（Ｓ１０でＹｅｓ）には、インバランス検出不可として本制御を終了する。

一方、ウエストゲートバルブ１１の開度制限が実行中でない場合（Ｓ１０でＮｏ）には、インバランス検出可として、Ｓ２０に処理が移る。Ｓ２０では、インバランス検出の精度向上のため、ウエストゲートバルブ１１の開度を全開とする。

Ｓ３０では、エアフローメータ１３の検出値、過給圧センサ１６の検出値、スロットル開度センサ３２の検出値、クランク角センサ３３の検出値から求められるエンジン回転速度などを用いて、エンジン本体２の各燃焼室（＃１〜＃４）から排出された排気ガスが、空燃比センサ１６に到達する時間を推定する。

Ｓ４０では、Ｓ３０で推定された到達時間における空燃比センサ１６の検出値を読込み、各燃焼室（＃１〜＃４）の空燃比を算出する。Ｓ５０では、これらを比較し、空燃比の気筒間インバランスが生じていないかを判断し、インバランスフラグをＯＮまたはＯＦＦとして（Ｓ６０、Ｓ７０）この処理を終了する。

本実施の形態にかかる内燃機関の制御装置によれば、以下の作用効果を奏することができる。

（１）本実施形態では、ウエストゲートバルブ１１の開度を制御することによって、バイパス通路１０から吐出された排気ガスのうち、空燃比センサ１２に直接当たる割合を制御できるように、バイパス通路１０、ウエストゲートバルブ１１、空燃比センサ１２を配置している。そのため、ウエストゲートバルブ１１の開度の制御によって、空燃比センサ１２の被水を抑制可能になっているとともに、空燃比を精度よく検出すべきときには、排気ガスを直接空燃比センサ１２に当てることができる。

（２）本実施形態では、冷間始動時には、温間始動時よりも、バイパス通路１０から吐出された排気ガスのうち、空燃比センサ１２に直接当たる割合を小さくするように、ウエストゲートバルブ１１の開度を制御している。そのため、凝縮水の発生しやすい冷間始動時には、空燃比センサ１２に直接当たる排気ガスの割合を減少させ、空燃比センサ１２の被水を抑制することができる。

（３）本実施形態では、ウエストゲートバルブ１１の開度を冷間始動時には第１開度、温間始動時には第２開度になるようにしている。これにより、冷間始動時には、空燃比センサ１２の被水を抑制する一方、温間始動時には、触媒１５の暖機、空燃比センサ１２の暖機を促進することができる。

（４）また、本実施形態では、ウエストゲートバルブ１１の開度が小さい第１開度であるときには、バイパス通路１０の吐出口と空燃比センサ１２がウエストゲートバルブ１１を挟んで反対側に位置し、ウエストゲートバルブ１１の開度が全開付近（第２開度）のときには、バイパス通路１０の吐出口と空燃比センサ１２との間にウエストゲートバルブ１１が挟まれないようになっている。そのため、ウエストゲートバルブ１１の開度によって、空燃比センサ１２に直接当たる排気ガスの割合を変化させることができる。

（５）本実施形態では、空燃比センサ１２により空燃比の気筒間インバランスを検出している。気筒間インバランスを精度良く検出するには、燃焼室から排出された排気ガスが、空燃比センサ１２に到達するまでの時間を精度よく推定することが求められる。しかしながら、ターボチャージャ３を通過する排気ガスは、空燃比センサ１２に到達するまでの時間が、タービン３ａの回転速度に依存するため、その推定が困難となる。そのため、バイパス通路１１から吐出された排気ガスを空燃比センサ１２に当てることで、精度良く気筒間インバランスを検出できるようにしている。

（６）本実施形態では、ウエストゲートバルブ１１の開度制限が実行されているときは、空燃比の気筒間インバランス検出を行わないようにしている。そのため、空燃比センサ１６の検出精度が悪化しているときに、気筒間インバランス検出を行わないので、検出精度を向上させ、誤検出を抑制することができる。

（７）本実施形態では、ウエストゲートバルブ１１の開度が所定開度以上のときには、タービン３ａを通過する排気ガスの流量が変化しないようにした。すなわち、所定開度以上ではバイパス通路１０から吐出される排気ガスの吐出方向のみが変化する。そのため、始動時には、タービン３ａへの排気ガス流入を防止し、バイパス通路１０を通過した排気ガスで触媒１５を暖機する暖機促進と、空燃比センサの被水抑制を両立することができる。

なお、本発明にかかる内燃機関の制御装置は以下の態様においても実施することができる。

本実施形態では、ウエストゲートバルブ１１は０度から９０度の範囲で開度することでバイパス通路１０を開閉する例を示したが、ウエストゲートバルブ１１の動作形態はこれに限られるものでない。運転状況に応じて開度を変え、バイパス通路１０を流れる排気ガスの流量を可変であるものであればよい。

本実施形態では、ウエストゲートバルブ１１の開度が半開のときを第１開度、空燃比セ全開のときを第２開度としたが、これに限られるものでない。これらの関係が逆になるようにバイパス通路１０の吐出口、ウエストゲートバルブ１１、空燃比センサ１２を配置してもよいし、第１開度、第２開度はそれぞれ範囲を有してもよい。

本実施形態では、ウエストゲートバルブ１１の開度を制限する手法として、ガード値を設ける例を示した。しかし、ウエストゲートバルブ１１の開度を制限する手法は、これに限られるものでない。例えば運転状況から決定されるウエストゲートバルブ１１の開度に所定ゲインを乗ずることにより、その開度を制限してもよい。

本実施形態では、Ｓ５００にて冷却水温センサ４にて検出した、エンジン本体２の冷却水温にて暖機が完了したかを判断した。しかし、ウエストゲートバルブ１１の開度制限を解除する条件はこれに限られるものでない。例えば、燃料噴射量やエンジン回転速度などから凝縮水量が所定以下になるまでの時間を推定し、この時間が経過後に開度制限を解除するようにしてもよい。

本実施形態では、空燃比センサ１１を用いて、気筒間インバランス検出を行う例を示したが、本発明の適用範囲は、気筒間インバランス検出を行う内燃機関に限られるものでない。空燃比センサ１１の出力に応じて、燃料噴射量を変更するものでもよい。

本実施形態では、ウエストゲートバルブ１１は半開時までタービン３ａへの排気ガスの流量を変化させるものとし、それ以上の開度では、バイパス通路から吐出される吐出方向のみを変化させるものとした。しかしながらウエストゲートバルブ１１の開度による流量制御はこの態様に限られるものではない。開度制御の全領域にわたって、タービン３ａへの排気ガスの流量を変化させるようにしてもよい。

１・・・エンジン、２・・・エンジン本体、３・・・ターボチャージャ、３ａ・・・タービン、３ｂ・・・コンプレッサ、４・・・冷却水温センサ、５・・・排気通路、６・・・インタークーラ、７・・・吸気通路、８・・・サージタンク、９・・・スロットル、１０・・・バイパス通路、１１・・・ウエストゲートバルブ、１２・・・空燃比センサ、１３・・・エアフローメータ、１４・・・エアクリーナ、１５・・・触媒、１６・・・過給圧センサ、１７・・・アクチュエータ、２０・・・ＥＣＵ、３２・・・スロットル開度センサ、３３・・・クランク角センサ、３４・・・アクセルポジションセンサ、

Claims (9)

1. 排気通路に配置されたタービンを有するターボチャージャと、前記排気通路に設けられて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エストゲートバルブと、前記バイパス通路の吐出口より下流側に設けられた空燃比センサとを有する内燃機関であって、
   前記空燃比センサは、前記ウエストゲートバルブの開度によって、前記バイパス通路から吐出された排気ガスのうち、直接空燃比センサに当たる排気ガスの割合が変化する位置に設けられ、
   内燃機関の冷間始動時は、温間始動時よりも前記バイパス通路から吐出された排気ガスのうち、直接空燃比センサに当たる排気ガスの割合が小さいことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記ウエストゲートバルブは、前記バイパス通路から吐出された排気ガスのうち、直接空燃比センサに当たる排気ガスの割合が相対的に小さい第１開度と、前記バイパス通路から吐出された排気ガスのうち、直接空燃比センサに当たる排気ガスの割合が相対的に大きい第２開度とを有し、
   内燃機関の冷間始動時には、前記第１開度となり、内燃機関の温間始動時には前記第２開度となることを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項１または２のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記空燃比センサは、前記ウエストゲートバルブの開度が大きいほど、前記バイパス通路から吐出された排気ガスのうち、直接空燃比センサに当たる排気ガスの割合が大きくなる位置に設けられ、
   内燃機関の冷間始動時は、温間始動時よりも前記ウエストゲートバルブの開度が小さいことを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記第１開度であるときには、前記バイパス通路の吐出口と前記空燃比センサとが前記ウエストゲートバルブを挟んで反対側に位置し、前記第２開度であるときには前記バイパス通路の吐出口と前記空燃比センサとの間に前記ウエストゲートバルブが挟まれない開度に位置することを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 請求項３または４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記ウエストゲートバルブの最大開度に、内燃機関の冷却水温度に応じたガード値を設定することで、内燃機関の冷間始動時の前記ウエストゲートバルブの開度を小さくすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記空燃比センサは、前記バイパス通路の延長方向に延びる直線上に設けられていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関は複数の気筒を有するものであって、
   前記空燃比センサの出力結果に基づいて、前記内燃機関の各気筒間に空燃比のばらつきが生じているかを検出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
8. 請求項７に記載の内燃機関の制御装置であって、
   内燃機関の冷間始動時、または前記ウエストゲートバルブの開度を小さくしている間は、前記空燃比のばらつきを検出しないことを特徴とする内燃機関の制御装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記ウエストゲートバルブが所定開度より大きいとき、前記ウエストゲートバルブ開度に拠らず前記タービンの回転速度が一定であって、
   内燃機関の冷間始動時には、前記ウエストゲートバルブの開度を前記所定開度以下に制限することを特徴とする内燃機関の制御装置。