JPH03229921A - 内燃機関の排気制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、内燃機関の排気制御装置に係り、詳しくは、
ツインターボシステムの排気を制御して出力向上を図る
内燃機関の排気制御装置に関する。

（従来の技術） 一般に、４サイクルエンジン等の内燃機関にあっては、
燃焼室内に吸入される混合気の体積と内燃機関の行程体
積との比、すなわち体積効率がエンジンの出力特性に大
きく影響すること、また、該体積効率が排気管の長さを
初めとする排気系の構成とエンジンの回転数に影響され
ることが知られている。

一方、エンジンの出力向上のための有効な方法の１つに
ターボチャージャの採用があり、その中でもツインター
ボ方式はいわゆるタイムラグを少なくする上で大いに効
果がある。

すなわち、高出力を狙うためには、ターボユニットが大
型になり、Ａ／Ｒも大きくなるが、ターボユニットが大
型になると、コンブレンサーのインペラーやタービンホ
イールの径も大きくなり、当然回転慣性質量も大きくな
って、回転の上昇が遅くなる。これはターボラグを大き
くする要因で、Ａ／Ｒが大きいこともそれを助長する。

そこで、ターボユニットをツイン化することによって、
ひとつひとつのターボユニットを小型化し、タイムラグ
を減少させている。

このようなツインターボ方式を採用する従来の内燃機関
の排気制御装置としては、例えば実開昭６０−１７８３
２９号公報に記載のものがある。この装置では、６個の
気筒を２つのグループに分割して２つの排気管に接続し
、各排気管にターボチャージのタービンを設けるととも
に、両排気管を連通ずる連通管を設け、過給圧制御弁を
連通管の中央部に配置するとともに、排気側遮断弁は排
気ガスの円滑な流れを阻害しないように配置している。

そして、これにより過給効率を良好に確保し、排気側遮
断弁に無理な力が加わらず、変形を防止している。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来の内燃機関の排気制御装
置にあっては、ツインターボ方式の各排気管を連通ずる
連通管を常時開放して連通状態としても出力はさほど向
上せず、したがって、出力向上を図るためには排気ガス
流速が最適になるように連通管を遮断し排気の流れを切
り換えることも必要であるが、ツインターボの状態を常
に適正にするのは困難であった。

なお、連通管を遮断する排気側遮断弁も原則的にはター
ボ効率が最も良くなるように予め定めたマツプにより制
御しているが、あくまでもマツプ値に基づ（オープンル
ープ制御であるため、各機関の特性のばらつきがあった
とすると、最適制御ができす、また、過渡時にも最適制
御が難しい。

さらには、少しでも最適制御に近づけようとすると、マ
ツプの記憶量が真人になり、実用的でない。その結果、
ツインターボの出力を適切に向上できないという問題点
があった。

（発明の目的） そこで本発明は、上記不具合の原因は排気の流速を直接
的に検出していないことに起因しているという事実に着
目し、該排気流速を直接検出し、これにフィードバンク
的手法を採り入れて排気流速を最適に制御することによ
り、出力向上を図ることを目的としている。

（課題を解決するための手段） 本発明による内燃機関の排気制御装置は上記目的達成の
ため、その基本概念図を第１図に示すように、複数のタ
ーボ過給機を備え、各ターボ過給機に接続される各排気
管の間に連通管を設け、該連通管に制御弁を設けた内燃
機関について、ターボ過給機の上流側における排気の流
速に関連する物理量を検出する物理量検出手段ａと、物
理量検出手段ａの出力に基づいて排気の流速を算出する
流速算出手段すと、前記内燃機関の運転状態を検出する
運転状態検出手段Ｃと、エンジンの運転状態に基づいて
運転領域毎に排気流速の最大値を目標値として設定する
目標値設定手段ｄと、流速算出手段すにより算出された
排気流速が前記目標値と一致するように、前記連通管の
制御の開閉を制御する制御値を演算する制御手段ｅと、
制御手段Ｃの出力に基づいて前記制御弁を開閉駆動する
駆動手段ｆと、を備えている。

（作用） 本発明では、排気の流速が直接検出され、その検出値が
各運転領域における排気流速の最大値と一致するように
連通管の開閉が制御される。

したがって、機関の特性のばらつきゃ過渡時であっても
出力の向上が図れる。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２〜６図は本発明に係る内燃機関の排気制御装置の一
実施例を示す図である。まず、構成を説明する。第２図
において、ｌは直列６気筒のエンジンであり、吸入空気
はエアクリーナ２から吸気管３を通して各気筒に供給さ
れ、燃料はインジェフタ４により各気筒の吸気ボー１−
近傍に噴射される。吸気管３は途中で二叉に分岐し、ツ
インターボ方式を採るターボチャージ５．６のコンプレ
ッサホイール５ａ、６ａがそれぞれ配設される。

気筒内の混合気は点火プラグの放電作用によって爆発、
燃焼し、排気になって２つのグループに分割された排気
マニホールド７．８の各ブランチを通った後、排気管９
から排出される。

排気管９の上流側は二叉に分岐し、ターボチャージ５．
６の排気タービン５ｂ、６ｂがそれぞれ配設されている
。排気マニホールド７．８の集合部下流側の部分には連
通管１０が設けられており、連通管１０は排気マニホー
ルド７．８の間を連通ずる。連通管１０の内部には制御
弁１１が設けられており、制御弁１１はステップモータ
（駆動手段に相当）１２により駆動され、連通管１０を
開閉する。ステップモータ１２は後述のコントロールユ
ニット２８からの制御信号Ｓｃに基づいて制御弁１１を
駆動する。

エンジン１に吸入される空気流量Ｑａはエアフローメー
タ２０により検出され、絞弁２１により制御される。ま
た、エンジン１のクランク角はクランク角センサ２２に
より検出される。なお、クランク角センサ２２の出力パ
ルスを計数することによりエンジン回転数Ｎが算出され
る。さらに、エンジン１の軸トルクＴ１はトルクセン勺
２３により検出され、トルクセンサ２３としては、例え
ば特開昭５６１０８９３０号公報に記載のものが用いら
れる。一方、排気マニホールド８の排気タービン６ｂ上
流側（入口側）には物理量検出手段２４が設けられてお
り、物理量検出手段２４は排気の流速に関連する物理量
（本実施例では排気の静圧Ｐ１および全圧ｐｚ）を検出
する。

ここで、物理量検出手段２４は第３図に示すように、排
気マニホールド８に取り付けられた全圧ピックアップ２
５および静圧ピックアップ２６により構成される。これ
らはいわゆるピトー管の原理を応用しテ排気マニホール
ド８内における排気の流速に関連する物理量を測定する
ためのもので、具体的には、例えば第４図に示すように
先端部に圧電素子２５ａ、２６ａを設け、この圧電素子
２５ａ、２６ａによりそれぞれ排気の静圧Ｐ、および全
圧（総圧）Ｐ２を測定し、電気信号に変換して外部に取
り出す。

上記エアフローメータ２０、クランク角センサ２２およ
びトルクセンサ２３は運転状態検出手段２７を構成して
おり、運転状態検出手段２７および物理量検出手段２４
からの信号はコントロールユニット２８に入力される。

コントロールユニット２８は流速算出手段、目標値設定
手段および制御手段としての機能を有し、主にマイクロ
コンピュータにより構成され、内部のメモリに格納され
ているプログラムに従って排気タービン６ｂ入口の排気
流速を算出するとともに、この算出値が運転領域毎に定
めた目標値と一致するように制御弁１１を制御する制御
値を演算し、制御信号Ｓｃをステップモータ１２に出力
する。

次に、作用を説明する。

第５図は排気制御のプログラムを示すフローチャートで
あり、本プログラムは所定時間毎に一度実行される。ま
ず、ステップＳ１でエンジン回転数Ｎを読み込み、ステ
ップＳ２で軸トルクＴ、を読み込む。次いで、ステップ
Ｓ３で連通管１０の制御弁１１が開のときの排気流速の
、目標値Ａ、および制御弁１１が閉のとぎの排気流速の
目標値をＡ２を第６図に示すマツプからルックアップす
る。なお、第６図の各格子の中はＡ　Ｉ／　Ａ　ｚのよ
うに開閉の２つの状態の流速値が入る。ハンチング領域
は、−船釣に連通管１０を開制御した方が流速が大きく
なる領域を示している。すなわち、開制御値の目標流速
が閉制御値の目標流速より大きい。イニシャル値のＡ、
　、Ａ２の値はハツチング領域では同一でもよい。徐々
に学習されて正確を値になっていくためである。次いで
、ステップＳ４で連通管１０の制御弁１１を開又は閉制
御する。これは、Ａ〉Ａ２のとき開制御の領域にあると
判断して制御弁１１を開とし、一方、ＡＩ　＜Ａ２のと
き閉制御の領域にあると判断して制御弁１１を閉とする
。

次いで、ステップＳ５で静圧ピックアップ２６の出力か
ら排気マニホールド８の静圧Ｐ１を読み込むとともに、
ステップＳ６で全圧ピックアップ２５０ の出力から全圧Ｐ２を読み込み、ステップＳ７で全圧Ｐ
２と静圧Ｐ、の差から動圧を次式に従って求め、 ρＵ２ ＝ｐｇ Ｌ 但し、ρ：排気の密度 として算出する。なお、以上の式はベルヌーイの定理に
基づくものであり、圧力から速度を求めることができる
のは周知である。

また、このステップでは同時に平均流速Ｕを算出する。

これは、通常の算術平均により求められ、例えば一定時
間内における流速Ｕを積算し、これを該一定時間で除算
して求める。

次いで、ステップＳ８で排気流速の各目標値ＡいＡ２を
比較し、ＡＩ　＞ＡＺのときは制御弁１１が開制御の領
域にあると判断してステップＳ９に進み、ＡＩ　＜Ａ、
のときは制御弁１１が閉制御の領域にあ１す ると判断してステップ３１０に進む。ステップＳ９では
排気流速Ｕと各目標値Ａ　＋　、Ａ　ｚを比較し、Ｕ＞
Ａ、のときはステップＳｌｌで第６図に示すマツプのＡ
１の値を今回の排気流速Ｕに書き換えてルーチンを終了
する。これにより、目標値Ａ、が変更される。また、Ａ
　１　＞　Ｕ　＞　Ａ　２のときはそのままルーチンを
終了し、Ｕ＜Ａ２のときはステップ３１２で同じくマツ
プのＡＩの値を今回の排気流速Ｕに書き換えてルーチン
を終了する。これにより、ＡＩ　＜ＡＺとなり、次回よ
り閉制御となる。

一方、ステップ３１０では同様に排気流速Ｕと各目標値
ＡＩ、ＡＸを比較し、Ｕ＞Ａ２のときはステップ３１３
でマツプのＡ２の値を今回の排気流速Ｕに書き換えてル
ーチンを終了する。これにより、目標値Ａ２が変更され
る。また、Ａ２　＞Ｕ＞ＡＩのときはそのままルーチン
を終了し、Ｕ＜ＡＩのときはステップＳ１４で同じくマ
ツプのＡ２の値を今回の排気流速Ｕに書き換えてルーチ
ンを終了する。これにより、Ａ、＞Ａ２となり、次回よ
り開部となる。

２ このように本実施例では、排気の流速が直接検出されて
、その流速が各運転領域で最大となるように制御弁１１
がフィードバンクによって開閉制御される。したがって
、ターボチャージ５．６は常に最も流速の速い状態に保
たれ、出力の向上を図ることができる。特に、各機関の
特性のばらつきがある場合や過渡時であっても物理量検
出手段２４により排気の流速を直接把握しているので、
出力向上を図れるような最適制御を行うことができる。

また、フィードバックによる制御であるからマツプの記
憶量も少なくて済み、工数やコストの低下となる。

さらに、本実施例ではマツプ値を学習制御で更新してい
るので、当初から真人なマツプ値をロードする必要がな
く、これもメモリ容量の減少につながり、加えて各部材
の特性経時変化に適切に追従して常に最適な排気制御を
行うことができる。

なお、物理量検出手段２４として上記実施例ではピトー
管を用いているが、これに限らず、レゾネータを用いた
りするものや、他のものであっても３ よい。

（効果） 本発明によれば、排気流速を直接検出してターボ過給機
の排気流速を最も速い状態に保つことができ、出力の向
上を図ることができる。

また、各機関の特性のばらつきがある場合や過渡時であ
っても排気流速を最適に制御して出力の向上を図ること
ができるとともに、制御に必要なメモリ容量も少なくて
済むという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念図、第２〜６図は本発明に係
る内燃機関の排気制御装置の一実施例を示す図であり、
第２図はその全体構成図、第３図はその物理量検出手段
の配置を示す図、第４図はその物理量検出手段の構成を
示す図、第５図はその排気流速制御のプログラムを示す
フローチャート、第６図はその制御マツプを示す図であ
る。 ｌ・・・・・・エンジン、 ３・・・・・・吸気管、 ４・・・・・・インジェクタ、 ４ ５．６・・・・・・ターボチャージ、 ５ａ、６ａ・・・・・・コンプレッサホイール、５ｂ、
６ｂ・・・・・・排気タービン、７．８・・・・・・排
気マニホールド、９・・・・・・排気管、 ＩＯ・・・・・・連通管、 １１・・・・・・制御弁、 １２・・・・・・ステップモータ（駆動手段）、２０・
・・・・・エアフローメータ、 ２２・・・・・・クランク角センサ、 ２３・・・・・−トルクセンザ、 ２４・・・・・・物理量検出手段、 ２５・・・・・・全圧ピックアップ、 ２６・・・・・・静圧ピックアップ、 ２７・・・・・・運転状態検出手段、 ２８・・・・・・コントロールユニット（流速算出手段
、目標値設定手段、制御手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ａ）複数のターボ過給機を備え、各ターボ過給機に接続
   される各排気管の間に連通管を設け、該連通管に制御弁
   を設けた内燃機関について、ターボ過給機の上流側にお
   ける排気の流速に関連する物理量を検出する物理量検出
   手段と、 ｂ）物理量検出手段の出力に基づいて排気の流速を算出
   する流速算出手段と、 ｃ）前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手
   段と、 ｄ）エンジンの運転状態に基づいて運転領域毎に排気流
   速の最大値を目標値として設定する目標値設定手段と、 ｅ）流速算出手段により算出された排気流速が前記目標
   値と一致するように、前記連通管の制御の開閉を制御す
   る制御値を演算する制御手段と、 ｆ）制御手段の出力に基づいて前記制御弁を開閉駆動す
   る駆動手段と、 を備えたことを特徴とする内燃機関の排気制御装置。