JPH0759894B2 - エンジンの排気装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、エンジンの排気装置に関するもので、特
に、吸気を過給するための排気ターボ過給機を備えたエ
ンジンの排気装置に関するものである。

（従来技術） 従来より、エンジンの出力向上のために、排気ガスのエ
ネルギーを利用して吸気を過給する排気ターボ過給機を
備える一方、排気ターボ過給機をバイパスする排気バイ
パス通路とこの通路を開閉するバルブ装置とを備え、バ
ルブ装置の作動を過給圧に対応した信号により制御する
ことで過給圧を所定値に保つようしたエンジンは知られ
ている。（例えば、特開昭59−160028号公報参照） また、一般に、混合気の空燃比を制御する手段として酸
素センサ等の排気ガスセンサが使用され、上記排気ガス
センサを排気通路に取付け、排気ガス中のガス成分濃度
を検出し、この検出信号を制御ユニットにフィードバッ
クすることにより所定の空燃比を得ている。たとえば、
排気通路に三元触媒を設けた場合には、排気ガス中のC
O、HC、NOxの浄化率を高く維持するために、混合気の空
燃比を理論空燃比に制御することに使用されている。

ところで、酸素センサ等の排気ガスセンサを排気通路に
取付ける場合、排気ガスセンサはセンサ自体が暖機され
ないと作動しないので、早くセンサを暖機して活性化さ
せるためにできるだけエンジン排気口に近づけて取付け
なければならない。しかし、排気ガスセンサを排気口に
近づけすぎると高温の排気ガスのためにセンサ自体が劣
化してしまうことがあり、この２つの要求を両立させな
ければならない問題が存在するが、特に上記過給機を備
えたエンジンにおいては、過給領域では、燃焼圧力，燃
焼温度は過給機を使用しないエンジンと比較して高くな
り、排気温度も著しく高くなり、センサ自体の早期活性
化を図るために、過給機上流の排気通路に設けると、エ
ンジンから排出された高温の排気ガスに常時さらされ、
センサの熱害による早期劣化をまねく恐れがある。この
ため過給機下流に設けた場合、タービンを通過した後の
排気ガスではその温度が低いためセンサの活性状態が悪
くセンサの検出能力が低下したり、また、燃焼室から遠
くなるため、排気ガスセンサが排気ガス成分を検出しフ
ィードバックした時点ではエンジンはすでに別の条件で
運転されており精度の良い制御ができない恐れがある。

（発明の目的） この発明は、上記問題点を解消するもので、排気ターボ
過給機による過給領域と、排気ガスセンサにより空燃比
を所定空燃比にフィードバック制御する低負荷から中負
荷にかけての負荷の低い常用領域とを考慮し、排気ガス
センサの活性状態を悪化させることなく、該センサの熱
害による劣化を軽減し、フィードバック制御の遅れのな
い精度良い制御を行うことができるエンジンの排気装置
を提供することを目的としている。

（発明の構成） 吸気を過給するため排気通路に配置した排気ターボ過給
機と、該排気ターボ過給機のタービンをバイパスする排
気バイパス通路と、過給圧が所定圧力以上になると排気
バイパス通路を開くバルブ装置とを備えたエンジンにお
いて、混合気の空燃比を所定空燃比にフィードバック制
御するために上記バイパス通路内に流れる排気ガス成分
濃度を検出する排気ガスセンサを上記排気バイパス通路
に臨むように配設し、低中負荷運転領域時に上記排気ガ
スセンサによって上記フィードバック制御を行うととも
に、該フィードバック制御を行う領域では過給圧が所定
圧力未満であっても上記バルブ装置を所定開度開くよう
制御する制御装置を設けたことで、上記フィードバック
制御領域ではバルブ装置を開き、排気ガスセンサに過給
機を通過する以前の排気ガスを導き、上記フィードバッ
ク制御を行う領域と過給圧が所定圧力以上の領域との間
にフィードバック制御を行わない領域を設け、この時に
はバルブ装置が排気バイパス通路を閉じており、センサ
に排気ガスが当たらないようにしたことを特徴としてい
る。

（発明の効果） この発明によれば、以上説明したように、非過給域でか
つ、混合気の空燃比を所定空燃比にフィードバック制御
を行う領域では、排気ガスセンサに過給機を通過する以
前の排気ガスを作用させて、早期活性化を図るととも
に、精度の良いフィードバック制御を行うことができ
る。一方、フィードバック制御を行う領域と過給圧が所
定圧力以上の領域との間のフィードバック制御を行わな
い領域では、バルブ装置が排気バイパス通路を閉じてお
り、常時排気ガスセンサが排気ガスにさらされることな
く熱害による劣化がより軽減される。

また、この発明では、上記のように通常ではバルブ装置
を閉じている領域で開くよう制御することになるが、こ
の領域は比較的負荷の低い非過給領域であることから、
エンジンの出力等に影響を及ぼすことはない。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面にしたがって説明する。

第１図はこの発明を４気筒エンジンで実施した例を示し
ている。

４気筒エンジン１の各気筒1a〜1dには、それぞれに吸気
通路2,排気通路３が接続されており、この排気通路３の
途中には過給機４が設けられている。過給機４はタービ
ン５を備えており、排気ガス流によってこのタービン５
を回転させ、その回転により同軸上のコンプレッサ６を
駆動させて吸入空気の圧縮を行い、エンジンの夫々の気
筒1a〜1dに過給するようにしている。

上記吸気通路２のコンプレッサ６の上流側には、エアク
リーナ７が設置され、その下流には、時々刻々の吸気量
を計量するエアフローメータ８が介設されている。ま
た、吸気通路２のコンプレッサ６の下流側には、エンジ
ン１の負荷に応じて開閉されるスロツトル弁９が介設さ
れるとともに、その下流には、エンジン１の各気筒1a〜
1dごとに燃料噴射弁10が臨設されている。

上記排気通路３のタービン５上流部には、タービン５を
バイパスしてタービン５下流の排気通路２に排気ガスの
一部をバイパスさせる排気バイパス通路11が開口されて
おり、該通路11をバルブ装置12によって開閉制御するこ
とにより、通常、過給圧が予め設定した最高過給圧を越
えて高圧とならないように過給圧を制御する。また、バ
ルブ装置12はリンク等を介してアクチュエーター17に接
続されている。

上記バルブ装置12下流の排気バイパス通路11には、排気
ガスセンサとして排気ガス中の酸素濃度を検出するため
の酸素センサ13が取付けられている。

一方この実施例ではコンピューターを構成する制御ユニ
ット14は、エアフローメータ８によって検出される吸気
量，回転数センサ15によって検出されるエンジン回転
数、スロットル弁９下流の吸気通路２に設置した圧力セ
ンサ16によって検出される過給圧もしくは負荷、酸素セ
ンサ13によって検出される排気ガス中の残留排気ガス濃
度を基本データとして、バルブ装置12に対する開閉制御
の他、燃料噴射弁10に対する燃料量制御等を実行する。

上記構成によれば、エアフローメータ８と回転数センサ
15からの出力信号により制御ユニット14で燃料噴射量
（時間）を決定し、これを燃料噴射弁10に伝えて決めら
れた燃料量が各気筒1a〜1dに供給される。そして、排気
口から排出された排気ガス中の残留酸素濃度を酸素セン
サ13で検出し、これを信号として制御ユニット14にフィ
ードバックさせてやることにより燃料噴射量（時間）を
補正し、理論空燃比でエンジンが燃焼するようになって
いる。

また、圧力センサ16からの出力信号により制御ユニット
14は吸気通路２のスロットル弁９下流部の圧力が設定値
以上になれば、アクチュエーター17に信号を出力しバル
ブ装置を開動させるようにもなっている。

さらに、回転数センサ15と圧力センサ16からの信号によ
り上記の酸素センサ13によるフィードバック制御領域が
決定される。たとえば第２図で示されているように、高
回転あるいは高負荷時の領域（図中Ａ）では、高負荷時
の高出力の要求による理論空燃比よりやや濃い空燃比の
設定と、特に排気ガス温度の高い高回転高負荷時を含む
高回転あるいは高負荷時の酸素センサ13の保護の要求と
から酸素センサ13の出力信号は使われてはいない。また
減速領域（図中Ｂ）には燃料の供給が停止されているの
で、上記領域と同様に酸素センサ13は作用していない。
これ以外の領域（図中ｃ）は、低負荷から中負荷にかけ
ての常用領域であり、三元触媒でのCO,HC,NOxの浄化率
を高く維持するために理論空燃比に補正する必要があ
る。すなわち酸素センサ13からの出力信号が使われてお
り、排気ガス中の残留酸素濃度を検出して制御ユニット
14にフィードバックし、燃料量を補正して理論空燃比が
得られるようになっている。

また、実際に過給機４による過給領域はスロットル弁９
が比較的大きく開かれた中負荷から高負荷の領域である
ことから、酸素センサ13によりフィードバック制御され
る領域とはオーバーラップしていない。特に、上記フィ
ードバック制御を行う領域と過給圧の上昇によりバルブ
装置12が開かれる領域との間にはバルブ装置12が閉じて
いる領域が存在する。

これらのことから、バルブ装置12は第３図に示すように
制御される。酸素センサ13により空燃比をフィードバッ
ク制御する時には、制御ユニット14からの信号によりア
クチュエーター17は、通常全閉状態である領域において
バルブ装置12が所定開度に開くように作動し、酸素セン
サ13は過給機４上流の排気ガスに接することになり、酸
素センサ13の早期活性化が図れるとともに、常時活性状
態に保たれ全気筒に対して平均の空燃比を正確に検出す
ることができ、遅れのない精度の良いフィードバック制
御を行うことができる。

一方、上記フィードバック制御が行われる領域が終わっ
てから過給圧の上昇によりバルブ装置12が開かれるまで
の領域では、排気バイパス通路11をバルブ装置12が閉鎖
することになり、酸素センサ13に排気ガスが当ることが
ない。また、過給領域において、バルブ装置12が開かれ
ると酸素センサ13に排気ガスが当るようになるが、排気
バイパス通路11は排気通路３よりも通路断面積が小さい
ことから、排気通路３内の主排気流中にさらした場合よ
りもセンサ自体の温度は高くならない。従って、酸素セ
ンサ13の熱害による劣化がより軽減されることになる。

なお、フィードバック制御を行う領域でのバルブ装置12
の開度は、酸素センサ13により正確に酸素濃度が検出で
きる程度であればよい。

次に、第４図に示すこの発明の第２実施例を説明する。
なお、第１図と同一部分は同一番号を付し説明は省略す
る。

この実施例では、気筒間の排気干渉を抑えるために、エ
ンジン１の排気口から過給機４までの排気通路を気筒群
ごとに分割し、排気ガスが少ない低速運転時からの加速
性能を改善した構造となっている。

エンジン１の各気筒1a〜1dを点火順序が連続する気筒群
に分け、排気通路３のうち過給機４のタービン５より上
流部分で各々独立した第1,第２排気通路を上記気筒群ご
とに設けている。つまり第４図では、着火順序が１番
目,2番目の連続する気筒1a,1bからなる気筒群には第１
排気マニホールド3aを接続し、着火順序が３番目,4番目
の気筒1c,1dからなる気筒群には第２排気マニホールド3
bを接続している。またタービンケーシング18のガス導
入部19は第1,第２ガス導入部19a,19bに分割されてい
て、第１排気マニホールド3aは第１ガス導入部19aに、
第２排気マニホールド3bは第２ガス導入部19bにそれぞ
れ導びかれている。

上記第1,第２排気マニホールド3a,3bには、タービン５
をバイパスしてタービン５下流の排気通路３に排気ガス
の一部をバイパスさせる排気バイパス通路11が途中から
分岐して各々に独立して開口されている。すなわち、第
１排気マニホールド3aからは第１排気バイパス通路11a
が、第２排気マニホールド3bには第２排気バイパス通路
11bが接続されており、これら第1,第２バイパス通路11
a,11bを集合させた後に、排気通路３のタービン５下流
部に接続している。そして、上記第1,第２排気バイパス
通路11a,11bには夫々第1,第２バルブ装置12a,12bが配設
されている。

上記第1,第２バルブ装置12a,12b下流でかつ第1,第２バ
イパス通路11a,11bの集合部下流の排気バイパス通路11
内に酸素センサ13が取付けられている。

なお、制御ユニット14による第1,第２バルブ装置12a,12
bに対する開閉制御，燃料噴射弁10に対する燃料量制御
等については、第１実施例と同様に実行する。

上記構成によれば、酸素センサ13により空燃比をフィー
ルドバック制御する時には、制御ユニット14からの信号
により同時に第1,第２バルブ装置12a,12bが所定開度に
開かれ、過給機４上流の第1,第２排気マニホールド3a,3
bからの排気ガスが酸素センサ13に作用するので、酸素
センサ13の早期活性化が図れるとともに、常時活性状態
に保たれ、全気筒に対して平均の空燃比を検出すること
ができ、遅れのない精度の良い制御が行える。

一方、上記フィードバック制御が行われる領域から外
れ、第1,第２バルブ装置12a,12bが開かれるまでの領域
では、酸素センサ13に排気ガスが当ることはない。ま
た、過給圧上昇により上記各バルブ装置12a,12bが開か
れても、排気バイパス通路11の通路断面積が小さいこと
により酸素センサ13自体の温度は高くならない。従っ
て、上記センサ13の熱害による劣化が軽減されることに
なる。

また、この実施例では、気筒間の干渉を防ぐために、タ
ービン５までの排気通路３を気筒群ごとに分割した構造
においても１個の酸素センサ13で混合気の空燃比をうま
く制御することができる。

すなわち、タービン５までの排気通路３を分割した構造
において１個の酸素センサ13で制御しようとした場合、
第1,第２排気マニホールド3a,3bのいづれか一方に取付
けると、他方の排気マニホールドを流れる排気ガスがセ
ンサ13に作用しないので全気筒に対して平均の空燃比が
検出できない問題が、また、第1,第２排気マニホールド
3a,3bを区画する仕切壁に孔部を設け、この孔部にセン
サ13を取付けると、全気筒に対して平均の空燃比を検出
することができるが、上記孔部を通じて第1,第２排気マ
ニホールド3a,3bが常時連通し、気筒群間で排気干渉が
発生し、排気系が分割した効果が減少し、出力が低下す
る問題が存在する。

しかしながら、この実施例では、第1,第２排気マニホー
ルド3a,3bから夫々独立させて第1,第２排気バイパス通
路11a,11bを設け、各々バルブ装置12a,12bを設け、その
後上記各排気バイパス通路11a,11bを集合させてから排
気通路３のタービン５下流部に合流させるとともに、上
記各バイパス通路11a,11bが集合する部分に酸素センサ1
3を取付けているので、フィードバック制御を行う領域
では、バルブ装置12a,12bの開動により、各排気マニホ
ールド3a,3bから排気ガスが流れるので、全気筒に対し
て平均の空燃比を検出することができる。また、フィー
ドバック制御を行う領域から外れ、過給圧が所定値以上
になる領域までの間はバルブ装置12a,12bが完全に閉じ
ているので、気筒群間の排気干渉は発生せず、出力が低
下するようなこともなく、加速性能も従来通り得ること
ができる。

なお、アクチュエーター17は、たとえばステップモータ
等、制御ユニット14からの信号によりバルブ装置12,12
a,12bの作動を制御するものであればよく、排気ガスセ
ンサも酸素センサ等の排気ガス中のガス成分濃度を検出
するものであればよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を示すシステム構成図、
第２図は、上記実施例における酸素センサがフィードバ
ック制御する領域を示すグラフ、第３図は、上記実施例
におけるバルブ装置の開閉作動と過給圧の変化を示すグ
ラフ、第４図は、この発明の他の実施例を示すシステム
構成図である。 １……エンジン、２……吸気通路、３……排気通路、４
……過給機、５……タービン、10……燃料噴射弁、11…
…排気バイパス通路、13……酸素センサ、14……制御ユ
ニット、15……回転数センサ、16……圧力センサ、17…
…アクチュエーター。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】吸気を過給するため排気通路に配置した排
   気ターボ過給機と、該排気ターボ過給機のタービンをバ
   イパスする排気バイパス通路と、過給圧が所定圧力以上
   になると排気バイパス通路を開くバルブ装置とを備えた
   エンジンにおいて、混合気の空燃比を所定空燃比にフィ
   ードバック制御するために上記バイパス通路内を流れる
   排気ガス成分濃度を検出する排気ガスセンサを上記排気
   バイパス通路に臨むように配設し、低中負荷運転領域時
   に上記排気ガスセンサによって上記フィードバック制御
   を行うとともに、該フィードバック制御を行う領域では
   過給圧が所定圧力未満であっても上記バルブ装置を所定
   開度開くよう制御する制御装置を設け、上記フィードバ
   ック制御を行う領域と過給圧が所定圧力以上の領域との
   間にフィードバック制御を行わない領域を設定したこと
   を特徴とするエンジンの排気装置。