JPH041435A - 直列２段過給内燃機関の酸素センサ取付構造 - 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〕 この発明は直列２段過給内燃機関における酸素センサ（
例えば０２センサ）の取付構造に関する。

〔従来技術〕

直列２段過給システムとしては例えば特公昭４５９０８
４号に開示されており、大小二つのターボチャージャが
直列に配置されている。２段過給方式はエンジンの低回
転域から高回転域まで広い範囲に渡って過給作動を達成
するための過給システムである。即ち、エンジンの低回
転域では低容量の小型ターボチャージャにより過給を行
い、エンジンの高回転域では大容量の大型ターボチャー
ジャにより過給を行うものである。小型のターボチャー
ジャにバイパス通路が設けられ、低回転域ではバイパス
通路は閉鎖され、小型ターボチャージャによる過給効果
を発揮させると共に、そして大型のターボチャージャが
完全に立ち上がった高回転域ではバイパス通路は開放さ
れ、大型のターボチャージャのみが過給に関与するよう
になっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

内燃機関において空燃比を制御するため酸素センサを設
け、空燃比が所定値となるように燃料供給量を制御する
ことが行われる。酸素センサは排気ガスの熱の影響は受
けないように燃焼から適当に離れ、かつ検出遅れがない
ようにあまり遠くならない位置に設置することが要求さ
れる。ところが直列２段過給内燃機関ではこの要求を調
和させるのが困難である。即ち、ターボチャージャの上
流側の位置では燃焼室に近過ぎるため排気ガスによる熱
害の影響のおそれがある。２段過給機関では排気ガスの
温度が高くなりやすいためである。

また、ターボチャージャが２段直列に設けられているた
め、ターボチャージャの下流側では空燃比の検出地点ま
で遠くなり過ぎるため応答遅れのおそれがある。

この発明は熱害のおそれなく、かつ応答性良好な酸素セ
ンサき取付構造を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明によれば、酸素センサからの空燃比信号に応じ
て燃料供給量を制御する空燃比制御装置を備え、かつ大
型のターボチャージャと小型のターボチャージャをガス
の流れ方向に直列に配置し、小型ターボチャージャを迂
回するバイパス通路に排気切替弁を設け、排気切替弁は
エンンノの運転条件に応じて開閉される直列２段過給内
燃機関において、前記酸素センサは小型ターボチャーツ
ヤの下流であるが、バイパス通路との接合部より上流の
排気管路に配置されることを特徴とする。

〔作用〕

排気切替弁が閉鎖する運転時は酸素センサは小型ターボ
チャージャのタービンからの排気ガスと接触し、空燃比
信号を得ることができる。

排気切替弁が開放する運転時は小型ターボチャージャは
殆ど作動に関与しないため、酸素センサを設けた管路に
大量の排気カスが流れることはなく、排気ガスの熱負荷
がかかるのを防止することができる。

〔実施例〕

第１図はこの発明の実施例を示しており、１．０はエン
ジン本体であり、吸気管１２と排気管１４とが接続され
る。吸気管】２は燃料インジェクタ１５と、スロットル
弁】６を有する。大型ターホチャーシ１７と小型ターボ
チャージャ１８とが直列に配置される。大型のターボチ
ャージャ１７はコンプレッサ２０と、タービン２２と、
回転軸２４とから構成される。小型のターボチャージャ
１８はコンプレッサ２６と、タービン２８と、回転軸２
５とから構成される。吸気管１２において吸入空気の流
れ方向に、大型のターボチャージャＩ７のコンプレッサ
２０．小型のターボチャージャ１８のコンプレッサ２６
の順で配置され、その下流にインタクーラ２９が配置さ
れ、インククーラ２９の下流にスロットル弁１６が配置
される。排気管において排気ガスの流れ方向に、小型の
ターボチャージャ１８のタービン２８、大型のターボチ
ャージャ１８のタービン２２の順で配置される。

大型のターボチャージャ１７のタービンを迂回して第１
の排気バイパス通路３０が排気管に接続され、第１の排
気バイパス通路３０にフラッパ弁であるウェイストゲー
ト弁３２が配置される。ウェイストゲート弁３２はダイ
ヤフラムアクチュエータのダイヤフラム３４ａに連結さ
れる。ウェイストゲート弁３２はスプリング３４ｂによ
って通常は閉鎖するべく付勢されるが、ダイヤフラム３
４ａに加わる正圧によってスプリング３４ｂに抗してウ
ェイストゲート弁３２の開弁が行われる。

小型ターボチャージャ１８のタービン２８を迂回して第
２の排気バイパス通路３Ｇが設けられ、この第２のバイ
パス通路３６に蝶型弁としての排気切替弁３８が設けら
れる。排気切替弁３８はそのアクチュエータ４０に連結
され、アクチュエータ４０は２段ダイヤプラム機構とし
て構成される。このアクチュエータ４０は、後述のよう
に、大型のターボチャージャ１７が全過給能力を発揮す
るまでは排気切替弁３８を閉鎖し、大型のターボチャー
ジャ１７がその全過給能力を発揮するに至ると排気切替
弁３８を急速に開放せしめる特性を持っている。排気切
替弁３８はダイヤフラム４０ａ４０ｂ　と、スプリング
４０ｃ、　４０ｄを供え、一方のダイヤフラム４０ａは
ロッド４０ｅを介して排気切替弁３８ニ連結され、もう
一つのダイヤフラム４０ｂはロット４０ｆに連結される
。ダイヤフラム４０ａに過給圧を作用させるか、ダイヤ
フラム４０ｂに過給圧を作用させるか、で排気切替弁３
８のステップ的な開放特性が得られる。即ち、ダイヤフ
ラム４０ｂに過給圧を作用させた場合、スプリング４０
ｃの力と、スプリング４０ｄと合力に抗して排気切替弁
３８を開弁させるため、開弁は緩慢に行われる。ダイヤ
フラム４０ａに過給圧が作用した場合はスプリング４０
ｃの力のみに抗して排気切替弁３８の開弁が行われため
、その開弁作動は迅速となる。

小型のターボチャージャ１８のコンプレッサ２６を迂回
する吸気バイパス通路４４が設けられ、この吸気バイパ
ス通路４４に吸気バイパス弁４６が配置される。切替弁
４６はダイヤフラムアクチュエータ４８に連結され、そ
のダイヤフラム４８ａに加わる圧力により吸気バイパス
弁４６の作動が制御される。この吸気バイパス弁４６は
大型のターボチャージャ１７の立ち上がりが完了しない
小型のターボチャージャ１８の作動域では吸気バイパス
通路４４を閉鎖するも、その完了の後は過給圧がダイヤ
フラム４８ａに下側から作用し、吸気バイパス弁４６の
開弁が行われる。

この実施例では内燃機関は排気ガス再循環（ＥＧＲ）装
置を供え、このＥＧＲ装置は排気ガス再循環通路（ＥＧ
Ｒ通路）５０と、ＥＧＲ通路５０上の排気ガス再循環制
御弁（ＥＧＲ弁）５２とからなり、ＥＧＲ弁５２はダイ
ヤフラム５２ａを供え、ダイヤフラム５２ａに加わる圧
力に応じてその開弁、閉弁が制御される。

ウェイストゲート弁３２のアクチュエータ３４への圧力
制御のため３方電磁弁（ＶＳＶＩ）　５４が設けられ、
この電磁弁５４はダイヤフラム３４ａに大気圧を導入す
る位置と、小型ターボチャージャ２６の下流のインタク
ーラ２９の下流の位置１６の過給圧を導入する位置とで
切り替わる。大気圧導入時に、スプリング３４ｂによっ
てウェイストゲート弁３２は閉鎖駆動され、過給圧導入
時にスプリング３４ｂに抗してウェイストゲート弁３２
の開弁が行われる。

３方電磁弁（ＶＳＶ２）　５８は排気切替弁３８のアク
チュエータ４０のダイヤフラム４０ａの圧力制御のため
設けられ、この電磁弁５８はダイヤフラム４０ａに大気
圧を導入する位置と、小型ターボチャージャコンプレッ
サ２６の出口６０の過給圧を導入する位置とで切り替わ
る。また、ダイヤフラム４０ｂには小型ターボチャージ
ャのコンプレッサ出口６０の圧力が常時導入されている
。

吸気バイパス弁４６のアクチュエータ４８への圧力制御
のため二つの３方電磁弁６４．６６が設けられる。３方
電磁弁（ＶＳＶ３）　６４は吸気バイパス弁４６のアク
チュエータ４８のダイヤフラム４８ａの上側へ圧力制御
のため設けられ、この電磁弁６４はダイヤフラム４８ａ
の上側に大気圧を導入する位置と、小型ターボチャージ
ャ１８のコンプレッサ出口６０の過給圧を導入する位置
とで切り替わる。また、３方電磁弁（ＶＳＶ４）　６６
は吸気バイパス弁４６のアクチュエータアクチュエータ
４８のダイヤフラム４８ａの下側への圧力制御のため設
けられ、この電磁弁６６はダイヤフラム４８ａの下側に
スロットル弁１６の下流の位置６８の負圧を導入する位
置と、小型ターボチャージャ１８のコンプレッサ出口６
０の過給圧を導入する位置とで切り替わる。

３方電磁弁（ＶＳＶ５）　７０　ハＥＧＲ弁５２の作動
制御のため設けられ、この電磁弁７０はダイヤフラム５
２ａに大気圧を導入する位置と、スロットル弁１６の下
流の位置６８の負圧を導入する位置とで切り替わる。

制御回路７２はこの発明における過給制御のため設けら
れ、各電磁弁５４（ＶＳＶＩ）、　５８（ＶＳＶ２）、
　６４（ＶＳＶ３）、６６（ＶＳＶ４）　、ＥＧＲ制御
用の電磁弁７０（ＶＳＶ５）、燃料インジェクタ１５の
出力信号を発生する。またイグナイタ７４、ディストリ
ビュータ７６を介して点火栓の制御も行うが、これらの
制御はこの発明と直接に関係しないので説明は省略する
。そして、制御回路７２にはこの発明に従った制御を実
行するため各種のセンサに接続される。ます、大型ター
ボチャージャ１７のコンプレッサ２０の出口圧力Ｐ１を
検出するため第１の圧力センサ７８が設けられ、また小
型ターボチャージャ１８のコンプレッサ２６の出口圧力
Ｐ２を検出するため第２の圧力センサ８０が設けられる
。その外、図示しないが吸気空気量Ｑを計測するエアフ
ローメ夕が具備され、またタイミング制御のためクラン
ク角度で３０°、７２０°毎のパルス信号が入力される
。

またこの発明に従って、酸素センサ、この実施例では０
２センサ８４が小型ターボチャージャ１８のタービン２
８の下流で、バイパス通路３６との接合箇所の上流の管
路８６に設けられる。０２センサ８４は制御回路７２に
接続され、空燃比信号が入力される。

以下制御回路７２の作動を第２図、第３図及び第４図の
フローチャートによって説明する。第２図は過給制御ル
ーチンで、ステップ１００では小型ターボチャージャ１
８のコンプレッサ出口圧力Ｐ２〉大型ターボチャージャ
１７のコンプレッサ出口圧力Ｐ１が成立するか否か判別
される。第５図はスロットル弁１６の開度を一定に固定
した場合におけるエンジン回転数ＮＥと過給圧（ターボ
チャージャ出口圧力）との関係を示しており、小型ター
ボチャージャ出口圧力Ｐ２の立ち上がりが大型ターボチ
ャージャ出口圧力Ｐ、の立ち上がりより早くなっている
。したがって、エンジンの回転がまだ上がっていない状
態ではＰ２＞ＰＩが成立し、ステップ１０２　ニ進ろ電
磁弁５４（ＶＳＶｌ、）かＯＦＦ　され、ダイヤフラム
３４ａに大気圧か導入され、スプリング３４ｂによって
ウェイストケート弁３２は閉鎖される。ステップ１０４
ではアクチュエータ４０を制御する電磁弁５８　（ＶＳ
Ｖ２）がＯＦＦされ、アクチュエータ４０のダイヤフラ
ム４０ａに大気圧が作用する。

一方、ダイヤフラム４０ｂには小型ターボチャージャ１
８のコンプレッサ出口圧力が常に導入されているため、
スプリング４０ｃ、　４０ｄの合力に応じたスプリング
力に対抗する小型ターホチャージャ１８のコンプレッサ
出口圧力によって排気切替弁３８の作動が制御される。

即ち、スプリング力が過給圧Ｐ２に優勢であるかぎりは
、排気切替弁３８は全閉を維持するが、過給圧Ｐ２が所
定値Ｐｓｌ！□に到達する回転数（第５図のＮＥ、）ま
では排気切替弁３８は全閉を維持味Ｐ２−所定値Ｐ　Ｓ
ＥＴに到達した時点で排気切替弁３８はスプリング４０
ｃ、　４０ｄの合力である閉鎖付勢力に抗して徐々に開
弁を開始することになる。ステップ＋０６で電磁弁６４
（ＶＳＶ３）はＯＮとなりターボチャーンヤ２０のコン
プレッサ出口圧Ｐ、がダイヤフラム４８ａの上側に作用
するため吸気バイパス弁４６は閉鎖される。また、ステ
ップ１０８では電磁弁６６（ＶＳＶ４）がＯＦＦされる
ためスロットル弁１６の下流の吸気管圧力（このときは
負圧）がダイヤフラム４８ａの下側に作用するため、ダ
イヤフラム４８ａは下側に引っ張られ、吸気バイパス弁
４６の閉鎖力を上げ、その確実な閉弁を確保している。

エンジンの回転数ＮＥがＮＥ、まで上昇し、大型ターボ
チャージャ１７のコンプレッサ出口圧力Ｐの立ち上がり
が小型ターボチャージャ１８のコンプレッサ出口圧力Ｐ
２に追いつき、Ｐ　２　＝　Ｐ　、となるとステップ１
００よりステップ１１０に進み、電磁弁５４　（ＶＳＶ
Ｉ　）がＯＮされ、ダイヤフラム３４ａに位置５６から
の過給圧が導入され、スプリング３４．ｂに抗してウェ
イストゲート弁３２は開放方向に付勢される。ステップ
１１２では排気切替弁３８の作動用電磁弁５８（ＶＳＶ
２）がＯＮ信号される。そのため、ダイヤフラム４０ａ
に過給圧が作用するため、過給圧に対抗する排気切替弁
３８を閉じる力にスプリング４０ｂは関与しなくなり、
スプリング４０ｃの弱い付勢力のろが閉じる力に関与す
る。そのため、アクチュエータ４０は排気切替弁３８を
一気に開弁に至らしめる。ステップ１１４では電磁弁６
４（ＶＳＶ３）がＯＦＦされるため大気圧がダイヤフラ
ム４８ａの上側に作用し、ステップ１１６で電磁弁６６
（ＶＳＶ４）がＯＮされ、過給圧がダイヤフラム４８ａ
の下側に作用するため、ダイヤフラム４８ａは上方に押
圧され、吸気バイパス弁４６は一気に開弁される。

第３図は燃料噴射ルーチンを示しており、このルーチン
はその気筒の燃料噴射タイミング毎に実行され、このタ
イミングは３０°ＣＡ信号及び７２０゜ＣＡ倍信号よっ
て周知のように判別することができる。ステップ１２０
では基本燃料噴射量ＴＰか算出され、この基本燃料噴射
はその負荷、回転数において理論空燃比を得るための燃
料インジェクタ１５の開弁時間に相当し、例えば、 ＴＰ＝Ｋ　Ｘ　（Ｑ／ＮＥ） により算出することかできる。ステップ１２２では最終
燃料噴射量ＴＡＵが、 ＴＡＵ＝ＴＰｘＦＡＦ　Ｘ　ａ　Ｘ（＋＋β）＋γによ
って算出される。ＦＡＦは空燃比フートバック係数であ
り、α、β、γはこの発明と直接関係しないため説明を
省略する補正係数及び補正量である。ステップ１２４で
はその気筒のインジェクタ１５に燃料噴射信号が送られ
、ステップ１２２で算出される量の燃料の噴射が行われ
る。

第４図は第３図のステップ１２２で使用されるフィード
バック補正係数ＦＡＦの算出を示す。ステップ１３０で
は空燃比のフィードバック条件が否が判別される。空燃
比のフィードバック制御は空燃比を理論空燃比とするべ
き運転域で行われ、この実施例ではエンジンの低回転・
低負荷において実行されるものとする。第５図において
、斜線を施した部分が空燃比フィードバック域を示して
おり、エンジン回転数ＮＥが所定値より小さく、かつ吸
気管圧力（エンジンの負荷に相当し、吸入空気量エンジ
ン回転数比Ｑ／ＮＥによって設定してもよい）が所定値
より小さいとき空燃比フィードハックが実行される。空
燃比フィードバック域のときはステップ１３０よりステ
ップ１３２に進み、Ｏ，センサ８４により検出される空
燃比が理論空燃比よりリッチ側にあるか否か判別される
。リッチ側と判定されるときはステップ１３４に進み空
燃比補正係数ＦＡＦが減少される。そのため、燃料噴射
量ＴＡＵが小さくなり、空燃比は理論空燃比に向かって
制御される。０．センサ８４により検出される空燃比が
理論空燃比よりリーン側にあるときはステップ１３２よ
りステップ１３６に進み空燃比補正係数ＦＡＦが増加さ
れる。そのため、燃料噴射量ＴＡＵが大きくなり、同じ
く空燃比は理論空燃比に向かって制御される。

空燃比フィードバック域でないときはステップ１３０よ
りステップ１３８に進み、フィードバック補正係数ＦＡ
Ｆに１，０が入れられる。

第５図においてＰ、およびＰ２はスロットル弁１６の開
度を固定した場合の小型ターボチャージャ１８のコンプ
レッサ出口圧力および大型ターボチャージャ１７のコン
プレッサ出口圧力を夫々示している。Ｐ２＝Ｐ５Ｉ−１
となるＡ点で排気切替弁３８は徐々に開弁を開始し、Ｂ
点で排気切替弁３８は一気に開弁する。また、Ａから延
びるラインａはスロットル弁１６が部分的に開いている
ときの排気切替弁３８の開弁開始点を示し、スロットル
弁開度が小さいほどエンジン高回転側に移行する。

Ｂから延びるラインｂはスロットル弁１６が部分的に開
いているときの排気切替弁３８の全開点を示し、同じ（
スロットル弁開度が小さいほどエンジン高回転側に移行
する。

第５図において斜線で示す空燃比フィードバック域はそ
の殆どが排気切替弁３８が全閉となるラインａの内側に
あり、ａの外側にもはみ出す設定となっているが、この
はみ出し部分はラインａとラインｂとの間の排気切替弁
３８の徐開域にある。

従って、空燃比のフィードバック制御が行われるとき排
気ガスはその殆どが小型ターボチャージャ１８のタービ
ン２２および管路８６を通過し、その際管路８６に設け
た０２センサ８４により排気ガスの酸素濃度を正確に知
り、空燃比制御に反映させることができる。そして、０
２センザ８４は小型ターボチャージャのタービン２２の
下流のエンジン本体１０から遠くないことろにあるため
空燃比を迅速に検出し、空燃比制御の応答性を高めるこ
とができる。そして、０２センサ８４はエンジンのすぐ
下流側には位置しておらず、排気ガスの流量も少ないこ
とから、その熱の影響はそれ程は大きくなく耐熱性を高
めることができる。

一方、大量の排気ガスが流れる高回転・高負荷側では排
気切替弁３８は全開であるため、殆ど全部の排気ガスは
バイパス通路３６を通過し、Ｏ。

センサ８４を設置した管路８６における排気ガスの通過
量は些少となる。そのため、排気ガスによる０２センサ
の熱害を最小とすることができる。

そして、排気切替弁３８が全開となる第５図のｂより上
の領域は空燃比フィードバック域から外れているので、
排気ガスが０２センサ８４に接触しなくても空燃比制御
には全熱影響しない。

〔効果〕

酸素センサを小型ターボチャージャの下流でバイバス通
路への接合部の上流の管路に設けることで、熱害の解消
と、空燃比の検出の応答性の向上との矛盾する要求に対
応することができる。

低温始動時（ガス量は少ない）に全量の排気ガスを小型
ターボチャージャを介して酸素センサに接触させること
ができ、小型ターボチャージャは熱容量が小さく、短時
間で温度が高まり、同時に酸素センサの昇温を早め、そ
の暖機・活性を促進することができる。

排気切替弁の全開時、排気ガスが全く酸素センサに当た
らないということはなく、管路８６を介して少量の排気
ガスは酸素センサに作用し、これをいつも適度の活性温
度に維持するため、空燃比の非フイードバツク域からフ
ィードバック域に復帰したときに即座に最適な空燃比を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の構成を示す図。 第２図、第３図、第４図はこの第１図の制御回路の作動
を説明するフローチャート。 第５図はこの発明における過給圧制御及び空燃比制御の
制御マツプ図。 １０・・・エンジン本体、１２・・・吸気管、１４・・
・排気管、１７・・・大型ターボチャージャ、１８・・
・小型ターボチャージャ、 ３０・・・第１排気バイパス通路、 ３２・・・ウェイストゲート弁、 ３６・・・第２排気バイパス通路、 ３８・・・排気切替弁、４４・・・吸気バイパス弁、５
０−ＥＧＲ通路、５４．５８，６４．６６−電磁弁（Ｖ
ＳＶ）、７８、８０・・・圧力センサ、８４−・０２セ
ンサ、８６・・・排気管路。 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 酸素センサからの空燃比信号に応じて燃料供給量を制御
   する空燃比制御装置を備え、かつ大型のターボチャージ
   ャと小型のターボチャージャをガスの流れ方向に直列に
   配置し、小型ターボチャージャを迂回するバイパス通路
   に排気切替弁を設け、排気切替弁はエンジンの運転条件
   に応じて開閉される直列２段過給内燃機関において、前
   記酸素センサは小型ターボチャージャの下流であるが、
   バイパス通路との接合部より上流の排気管路に配置され
   ることを特徴とする直列２段過給内燃機関の酸素センサ
   取付構造。