JP2009057944A - 内燃機関の過給制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャの過給性能を十分に活用することが可能な内燃機関の過給制御装置を提供する。
【解決手段】ターボチャージャ６を有し、タービン６ａの下流には複数の排気浄化触媒１０、１１が排気の流れ方向に沿って設けられた内燃機関１に適用される過給制御装置において、タービン６ａを迂回して排気通路５のタービン６ａよりも上流側の区間５ａと排気浄化触媒１０、１１に挟まれた区間５ｂとを接続するバイパス通路１４と、バイパス通路１４を開閉するバイパス弁１５とを設ける。ターボチャージャ６による過給の程度と相関する物理量に基づいて過給が限界に達しているか否かを判別し、限界に達していない場合にはバイパス弁１５を閉鎖し、限界に達している場合にはバイパス弁１５を開放する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャを利用して吸気を過給する内燃機関の過給制御装置に関する。

ターボチャージャを備えた内燃機関に適用される過給制御装置として、タービンを迂回してそのタービンの上流と下流とを接続するバイパス通路と、そのバイパス通路を開閉するウェストゲートバルブとを具備し、過給圧が予め定められた上限値を超えた場合にウェストゲートバルブを開放することにより、過給圧の過剰な上昇、あるいはタービンの過回転を防止する装置が知られている（例えば特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開２００６−２９９８５９号公報 実開平５−３２７３２号公報

従来の過給制御装置では、ウェストゲートバルブを開いてからその効果が生じるまでに応答遅れがあるため、安全を見込んで過給圧の上限値を本来の限界値よりも低く設定せざるを得ない。また、ウェストゲートバルブを開くことにより過給圧の上昇を抑えることはできるが、過給圧を積極的に低下させることは困難である。従って、従来の過給制御装置では、ターボチャージャの性能を十分に活かしきれないことがある。

そこで、本発明は、ターボチャージャの過給性能を十分に活用することが可能な内燃機関の過給制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、排気通路のタービンにて排気エネルギを回収して吸気通路のコンプレッサを駆動するターボチャージャを有し、前記タービンの下流には複数の排気浄化触媒が排気の流れ方向に沿って設けられた内燃機関に適用される過給制御装置において、前記タービンを迂回して、前記排気通路の前記タービンよりも上流側の区間と、前記複数の排気浄化触媒に挟まれた区間とを接続するバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、前記ターボチャージャによる過給の程度と相関する物理量に基づいて前記過給が限界に達しているか否かを判別し、限界に達していない場合には前記バイパス弁を閉鎖し、前記限界に達している場合には前記バイパス弁を開放するバイパス制御手段とを備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の過給制御装置によれば、バイパス弁を開放することにより、排気通路のタービンよりも上流側の区間に発生する排気背圧を、排気浄化触媒間の低圧な区間へと逃がすことができる。これにより、タービン上流の排気背圧及び排気ガス流量を迅速に低下させることができる。従って、排気ガスのバイパスを開始する時期を従来よりも過給の限界時期に近付け、それによりターボチャージャによる過給域を拡大してその過給性能を十分に発揮させることができる。タービンをバイパスした排気ガスが排気浄化触媒に導かれるので、排気ガスが未浄化のまま大気に放出されるおそれもない。

本発明の過給制御装置の一形態において、前記バイパス制御手段は、前記物理量に関する実際の値と目標値との偏差が所定の閾値を超える場合に前記過給が限界に達していると判別してもよい（請求項２）。あるいは、本発明の過給制御装置の一形態において、前記バイパス制御手段は、前記物理量に関する実際の値と目標値との偏差の時間的な変化量が所定の閾値を超える場合に前記過給が限界に達していると判別してもよい（請求項３）。さらに、これらの形態においては、前記物理量が過給圧又はタービン回転数であってもよい（請求項４）。これらの形態によれば、過給圧、あるいはタービン回転数といった物理量が目標回転数に対してどの程度まで上昇したかを判別して、過給の限界付近でバイパス弁を開放することができる。なお、閾値を超える場合とは、実際の値が目標値以下の段階において偏差又はその時間的な変化量が閾値を超えて減少すること、あるいは、実際の値が目標値を超える段階において偏差又はその時間的な変化量が閾値を超えて増加することのいずれであってもよい。

本発明の過給制御装置の一形態において、前記バイパス制御手段は、前記タービンよりも上流側の区間に発生する排気背圧を前記物理量として監視し、該排気背圧が所定の閾値を超える場合に前記過給が限界に達していると判別してもよい（請求項５）。排気背圧が上昇すれば、それに伴ってタービン回転数が上昇して過給圧も上昇する。従って、排気背圧を監視することにより、過給圧あるいはタービン回転数がどの程度まで上昇したかを判別して、過給の限界付近でバイパス弁を開放することができる。

以上説明したように、本発明の過給制御装置によれば、過給が限界に達したと判定された場合にバイパス弁を開放することにより、排気通路のタービンよりも上流側の区間に発生する排気背圧を排気触媒間の低圧な区間へと効率よく逃がすことができる。これにより、タービン上流の排気背圧及び排気ガス流量を迅速に低下させることが可能となる。よって、排気ガスのバイパスを開始する時期を従来よりも過給の限界時期に近付け、それによりターボチャージャによる過給域を拡大してその過給性能を十分に発揮させることができる。

図１は、本発明の第１の形態に係る過給制御装置が適用された内燃機関（以下、エンジンと称することがある。）を示している。エンジン１は車両に走行用の動力源として搭載されるものであり、エンジン本体２と、そのエンジン本体２の複数（図では４つ）のシリンダ３のそれぞれに吸気を導く吸気通路４と、各シリンダ３からの排気が導かれる排気通路５と、吸気通路４と排気通路５との間に設けられたターボチャージャ６とを備えている。ターボチャージャ６は、排気通路５に設けられたタービン６ａで排気エネルギを回収し、そのエネルギでタービン６ａと一体回転可能に連結された吸気通路４のコンプレッサ６ｂを回転駆動することにより、シリンダ３に対して吸気を過給する。

吸気通路４には、コンプレッサ６ｂにて過給された吸気の圧力を検出する吸気圧センサ７と、吸気をシリンダ３に分配するインテークマニホールド８とが設けられている。排気通路５には、シリンダ３からの排気を合流させるエキゾーストマニホールド９が設けられている。エキゾーストマニホールド９で合流した排気はタービン６ａに導かれる。排気通路５のタービン６ａよりも下流には、第１排気浄化触媒１０及び第２排気浄化触媒１１が排気の流れ方向に沿って順次設けられている。なお、以下ではこれらを第１触媒１０、第２触媒１１と略称することがある。

排気通路５のタービン６ａよりも上流側の区間５ａには、その区間５ａにおける排気の圧力（排気背圧）を検出する排気圧センサ１２が設けられている。タービン６ａには、タービン６ａの回転数（回転速度）を検出するタービン回転センサ１３が設けられている。さらに、排気通路５には、タービン６ａを迂回して、タービン６ａよりも上流の区間５ａと、触媒１０、１１に挟まれた区間５ｂとを接続するバイパス通路１４が設けられている。バイパス通路１４にはこれを開閉するバイパス弁１５が設けられている。

バイパス弁１５の開度は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１６により制御される。ＥＣＵ１６はマイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺装置を備えたコンピュータユニットとして構成され、そのＲＯＭに格納されたプログラムに従ってエンジン１の運転状態を制御する。バイパス弁１５の開度に関する制御として、ＥＣＵ１６は図２に示すバイパス弁制御ルーチンを所定の周期で繰り返し実行する。それにより、ＥＣＵ１６は本発明のバイパス制御手段として機能する。

図２のバイパス弁制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ１６はまずステップＳ１で、ターボチャージャ６による過給の程度に相関する物理量を取得し、続くステップＳ２で、取得した物理量に基づいて過給が限界に達しているか否かを判別する。過給の程度に相関する物理量としては、例えば吸気圧センサ７が検出する実過給圧、排気圧センサ１２が検出するタービン６ａの上流の排気背圧、タービン回転センサ１３が検出するタービン回転数等がある。過給の限界の判定に関しては、例えば、エンジン１の運転状態に応じて設定される目標過給圧に対する実過給圧の偏差が所定の閾値を超えた場合に限界と判定することができる。この場合、実過給圧が目標過給圧以下の段階において偏差が閾値よりも減少したときに偏差が所定の閾値を超えたと判定してもよいし、実過給圧が目標過給圧を超えた段階において偏差が閾値よりも増加したときに所定の閾値を超えたと判定してもよい。あるいは、目標過給圧に対する実過給圧の偏差の偏差、すなわち、目標過給圧に対する実過給圧の偏差の時間的な変化量が所定の閾値を超えた場合に限界と判定することができる。この場合も、実過給圧が目標過給圧以下の段階において偏差の偏差が閾値よりも減少したときに偏差が所定の閾値を超えたと判定してもよいし、実過給圧が目標過給圧を超えた段階において偏差の偏差が閾値よりも増加したときに所定の閾値を超えたと判定してもよい。実過給圧に代えてタービン回転数をステップＳ１で取得する場合には、タービン回転数の目標回転数に対する偏差、あるいはその偏差の偏差に着目して過給限界か否かを同様に判別することができる。ステップＳ１で排気背圧を取得する場合には、その排気背圧を監視してその検出値が所定の閾値を超えた場合に過給が限界と判定することができる。この場合は、排気背圧が閾値以上に上昇したときに過給が限界と判定されることになる。

ステップＳ２で過給が限界ではないと判定された場合、ＥＣＵ１６はステップＳ３に進んでバイパス弁１５を閉鎖する。閉鎖状態にあるときはその状態を保持する。一方、ステップＳ２で過給が限界と判定された場合、ＥＣＵ１６はステップＳ４に進んでバイパス弁１５を開放する。これにより、タービン６ａの上流側の区間５ａにおける排気背圧がバイパス通路１４を介して触媒１０、１１間の区間５ｂへと逃がされ、タービン５ａの回転数が低下する。ステップＳ３又はステップＳ４でバイパス弁１５の開度を設定した後、ＥＣＵ１６は今回のルーチンを終了する。

図３は、車両の加速時におけるバイパス弁１５の開度とタービン回転数との対応関係の一例を示している。図中の実線は図２のルーチンが適用された場合の開度及びタービン回転数を示し、想像線は従来の過給制御装置による制御効果の一例を示している。時刻ｔ０でタービン６ａが回転を開始すると、タービン回転数は上限回転数（目標回転数）Ｎｍａｘに向かって上昇を開始する。従来の過給制御装置では、応答遅れを見込んでタービン回転数にまだ余裕がある時刻ｔ１で過給を制限する処理が行われる。例えば時刻ｔ１でウェストゲートバルブが開放される。あるいは、可変ノズル式のターボチャージャであれば、時刻ｔ１にて可変ノズルが全開状態へと切り替えられる。そして、時刻ｔ１以降はタービン回転数がそれ以前と比較して緩やかに上昇しつつ上限回転数Ｎｍａｘ付近に達する。これに対して、本形態では、バイパス弁１５を開くことにより、排気通路５の区間５ａ、５ｂの間に存在する比較的大きな圧力差を利用してタービン６ａの上流の排気背圧、及びタービン６ａに流入する排気ガス量を瞬時に低下させることができる。そのため、タービン回転数が上限回転数Ｎｍａｘ付近に達する時刻ｔ２まではバイパス弁１５を閉じた状態に保持し、時刻ｔ２で過給が限界と判定してバイパス弁１５を開放することにより、タービン６ａの過回転を防止することができる。よって、タービン回転数を従来よりも高回転側に保持することが可能となり、それにより、従来は使用不可能又は困難であった運転領域まで過給域を拡大して加速の応答性を向上させることができる。さらに、バイパス通路１４が触媒１０、１１に挟まれた区間５ｂに接続されているため、バイパス通路１４を通過した排気は第２排気浄化触媒１１にて浄化される。よって、タービン６ａを迂回した排気が未浄化のまま放出されるおそれはない。

本発明は上述した形態に限ることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、上記の形態では、吸気圧センサ７による過給圧の検出値、排気圧センサ１２による排気背圧の検出値、あるいはタービン回転センサ１３によるタービン回転数の検出値を利用して過給が限界にあるか否かを判定したが、これらの検出値に代え、マップ等を用いて過給圧、タービン回転数、排気背圧といった物理量を推定し、その推定値を実際の値とみなして目標値と比較することにより、過給が限界か否かを判定してもよい。

本発明の一形態に係る過給制御装置が適用された内燃機関を示す図。 図１のＥＣＵが実行するバイパス制御ルーチンを示すフローチャート。 車両の加速時におけるバイパス弁の開度とタービン回転数との対応関係の一例を示す図。

符号の説明

１ 内燃機関
２ エンジン本体
４ 吸気通路
５ 排気通路
６ ターボチャージャ
６ａ タービン
６ｂ コンプレッサ
１０ 第１の排気浄化触媒
１１ 第２の排気浄化触媒
１４ バイパス通路
１５ バイパス弁
１６ エンジンコントロールユニット（バイパス制御手段）

Claims (5)

1. 排気通路のタービンにて排気エネルギを回収して吸気通路のコンプレッサを駆動するターボチャージャを有し、前記タービンの下流には複数の排気浄化触媒が排気の流れ方向に沿って設けられた内燃機関に適用される過給制御装置において、
   前記タービンを迂回して、前記排気通路の前記タービンよりも上流側の区間と、前記複数の排気浄化触媒に挟まれた区間とを接続するバイパス通路と、
   前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、
   前記ターボチャージャによる過給の程度と相関する物理量に基づいて前記過給が限界に達しているか否かを判別し、限界に達していない場合には前記バイパス弁を閉鎖し、前記限界に達している場合には前記バイパス弁を開放するバイパス制御手段と、
   を備えていることを特徴とする内燃機関の過給制御装置。
2. 前記バイパス制御手段は、前記物理量に関する実際の値と目標値との偏差が所定の閾値を超える場合に前記過給が限界に達していると判別することを特徴とする請求項１に記載の過給制御装置。
3. 前記バイパス制御手段は、前記物理量に関する実際の値と目標値との偏差の時間的な変化量が所定の閾値を超える場合に前記過給が限界に達していると判別することを特徴とする請求項１に記載の過給制御装置。
4. 前記物理量が過給圧又はタービン回転数であることを特徴とする請求項２又は３に記載の過給制御装置。
5. 前記バイパス制御手段は、前記タービンよりも上流側の区間に発生する排気背圧を前記物理量として監視し、該排気背圧が所定の閾値を超える場合に前記過給が限界に達していると判別することを特徴とする請求項１に記載の過給制御装置。

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