JP4296901B2

JP4296901B2 - 排気バイパス弁制御装置

Info

Publication number: JP4296901B2
Application number: JP2003379984A
Authority: JP
Inventors: 真一長谷川
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2003-11-10
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2023-11-10
Also published as: JP2005140077A

Description

本発明は、ターボチャージャ付内燃機関の排気バイパス路に設けられた排気バイパス弁の開閉動作制御を行う排気バイパス弁制御装置に関する。

従来、小排気量の内燃機関でも高出力を得る為の手段として、排気ガスでタービンを回転させて過給器を動かすターボチャージャが知られている。このようなターボチャージャは、高速高負荷下では必要以上に過給圧が増加して内燃機関を破損させる恐れがあるため、通常タービン上流に排気バイパス路を有し、この排気バイパス路に設けられた排気バイパス弁の開閉動作により過給圧を適正レベルに制御している（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、近年、自動車を取り巻く環境は、環境保護の要求に対応して、各国で排気ガス規制等の強化が実行されつつある。通常内燃機関のシリンダから排出される排気ガスは、排気ガス浄化触媒により浄化され大気に排出されるものであるが、ターボチャージャ付内燃機関では、シリンダから排出された排気ガスは、ターボチャージャのタービン等を通過する過程で熱が奪われるため、早期に排気ガス浄化触媒を活性状態にすることができないという問題がある。

このため、従来の技術においては、排気ガス浄化触媒が所定の触媒活性化温度に達するまでは、前記排気バイパス路に設けられた排気バイパス弁を開き、タービンを迂回して排気ガスを排気ガス浄化触媒に導いて、触媒の温度を積極的に昇温制御して早期に触媒を活性化させるようにしている（例えば、特許文献２参照。）。

前記排気バイパス弁の開閉動作は、通常、ダイアフラム式アクチュエータによりおこなわれている。このようなダイアフラム式アクチュエータは、ケースを２つの部屋に仕切るダイアフラムと、前記ダイアフラムに接続され前記バイパス弁を駆動するロッドと、一方の部屋（負圧室）に設けられ、前記バイパス弁を閉じる方向に前記ロッドを移動させるべく、前記ダイアフラムを付勢するバネと、を備えている。

そして、暖機運転時に排気ガス浄化触媒を早期に活性化させる場合には、前記排気バイパス弁を全開状態とすべく、アクチュエータの負圧室に、例えば、負圧チャンバに蓄圧した負圧を供給して、前記負圧室に設けられた前記バネのバネ力に抗して前記ロッドを移動させる。

また、前記排気バイパス弁により過給圧を適正レベルに制御する場合には、アクチュエータの他方の部屋（正圧室）に、タービンと同軸に接続されたコンプレッサにより加圧される過給圧を導入し、導入される過給圧とダイアフラムを付勢するバネとの力のバランスに応じて、前記排気バイパス弁の開閉動作を行うようにしている（例えば、特許文献３参照。）。

特開平９−２２８８４８号公報特開２００２−３６４５０３号公報実開平５−７８９３４号公報

しかしながら、暖機運転時に排気ガス浄化触媒を早期に活性化させる為には、前記排気バイパス弁を全開状態として効率よく排気ガスを触媒に導く必要があり、この場合、前記アクチュエータのロッド移動量は、最長となる。

一方、暖機運転終了後の通常運転時において、過給圧を適正レベルに制御する場合には、前記排気バイパス弁を前記暖機運転時に比べて小さい領域で開閉して、過給圧を制御する必要があり、この場合、前記アクチュエータのロッド移動量は暖機運転時に比べて短くなる。

また、前述のとおり、前記排気バイパス弁を開放する為に必要な力は、ダイアフラムを付勢するバネのばね力により決定される値である。

従って、アクチュエータの正圧室に導入される過給圧に比べて、低い圧力である負圧チャンバに蓄圧される負圧を負圧室に導入して、前記排気バイパス弁が全開状態となるように前記バネ力を設定すると、アクチュエータの移動量と導入圧力とにより決定されるアクチュエータの圧力勾配が小さくなり、通常運転時における過給圧制御時の前記排気バイパス弁の微小開閉制御が困難となる。

本発明は、上記した従来技術の課題を解決し、暖機運転時には、前記排気バイパス弁を全開状態として効率よく排気ガスを触媒に導いて、排気ガス浄化触媒を早期に活性化させるとともに、通常運転時は前記負圧室と大気との間で前記負圧室を閉鎖状態とすることで、負圧室に空気ダンパー効果を持たせ、アクチュエータの移動量と正圧室に導入される過給圧とで決定されるアクチュエータの圧力勾配を大きくして、前記排気バイパス弁の微小開閉制御を可能とする排気バイパス弁制御装置を提供することを目的とする。

更に、上記課題を解決するとともに、ターボチャージャの高熱に対するアクチュエータの信頼性を向上させた排気バイパス弁制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の排気バイパス弁制御装置にあっては、ターボチャージャのタービンロータよりも下流に設けられた排気ガス浄化触媒の上流において前記タービンロータを迂回する排気バイパス路に設けられた排気バイパス弁の開閉動作制御を行う排気バイパス弁制御装置において、ダイアフラムによって区画された正圧室及び負圧室を有し、前記排気バイパス弁の開閉動作を行うダイアフラム式アクチュエータと、冷間始動
直後の排気ガス浄化触媒が未活性状態にある期間は、前記負圧室に負圧を導入して前記排気バイパス弁を全開の開度で開放するとともに、前記排気ガス浄化触媒が触媒活性化温度に到達し、かつエンジン運転条件が所定のエンジン負荷よりも高い領域では、前記排気バイパス弁に連結されたロッドの移動量と前記正圧室に導入される過給圧とで決定される前記ダイヤフラム式アクチュエータの圧力勾配を大きくすべく前記負圧室と大気との間で前記負圧室を閉鎖状態として、前記正圧室に導入される過給圧に応じて全開の開度よりも小さい開度を最大開度とする範囲で前記排気バイパス弁の開閉動作を行うように前記ダイアフラム式アクチュエータを制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記制御手段が、前記排気ガス浄化触媒が触媒活性化温度に到達し、かつエンジン運転条件が所定のエンジン負荷よりも低い領域では前記負圧室と大気との間を開放状態とすることを特徴とする。

以上説明したように、本発明の排気バイパス弁制御装置によれば、暖機運転時には、前記排気バイパス弁を全開状態として効率よく排気ガスを触媒に導いて、排気ガス浄化触媒を早期に活性化させるとともに、通常運転時は前記排気バイパス弁の微小開閉制御を可能とする排気バイパス弁制御装置を提供することができる。

更に、ターボチャージャの高熱に対するアクチュエータの信頼性を向上させた排気バイパス弁制御装置を提供することができる。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、ターボチャージャ付内燃機関及びその排気バイパス路に設けられた排気バイパス弁の開閉動作制御を行う排気バイパス弁制御装置を示す図である。

図１に示すように、内燃機関１は、シリンダ１１に吸気管１２及び排気管１３が接続され、吸気管１２及び排気管１３を跨ぐ形でその間にターボチャージャ２を配置している。ターボチャージャ２のコンプレッサロータ２１とタービンロータ２２とはシャフトにより連結固定されている。また、排気管１３のターボチャージャ２より下流側には図示しない排気ガス浄化触媒（以下、「触媒」という。）が配置されている。

また、排気管１３には、タービンロータ２２の上流から下流に排気を流す排気バイパス路２３が設けられ、この排気バイパス路２３には、排気バイパス弁２４が開閉自在に装着されている。この排気バイパス弁２４にはダイアフラム式アクチュエータ３０に備えられたロッド３４が連結されている。

排気バイパス弁２４の開閉動作制御は、コンプレッサロータ２１による過給圧及び負圧発生手段による負圧に応動する排気バイパス弁制御装置３により行われる。

排気バイパス弁制御装置３は、排気バイパス弁２４を開閉するダイアフラム式アクチュエータ３０、コンプレッサロータ２１よりも下流側の吸気管１２から分岐されてダイアフラム式アクチュエータ３０に過給圧を導入する過給圧導入管４０、吸気管１２の気体の流れによって生じる負圧を蓄圧する負圧発生手段である負圧チャンバ５０、負圧チャンバ５０又は大気圧をダイアフラム式アクチュエータ３０に導入する導入管６０、ダイアフラム式アクチュエータ３０への導入圧力を制御する制御手段であるところの制御弁７０及び制御弁８０、を備えている。

また、排気バイパス弁制御装置３の負圧チャンバ５０と吸気管１２との間には、負圧チャンバ５０から吸気管１２へのみ気体が流れるように逆止弁９０が設けられている。

図２及び図３は、ダイアフラム式アクチュエータ３０の断面図及び一部拡大断面図である。尚、図２中、下半分はロッド３４が伸張した状態を示すものである。

ダイアフラム式アクチュエータ３０は、図２に示すように、アクチュエータ３０の筐体内がダイアフラム３３により正圧室３１及び負圧室３２に仕切られている。また、ダイアフラム３３はダイアフラムリテーナ３７ａ，３７ｂの間に介装される。そして、ダイアフラム３３及びダイアフラムリテーナ３７ａ，３７ｂの中心にはロッド３４が固定される。更に、ダイアフラム３３及びダイアフラムリテーナ３７ａ，３７ｂは負圧室３２に配置されたバネ３５により正圧室３１側に付勢される。また、ロッド３４は、負圧室３２のダイアフラム３３とは対向する面に配置されるロッド軸受け３８により軸方向に摺動自在に軸支される。また、正圧室３１及び負圧室３２にはそれぞれ正圧導入孔３１ａ及び負圧導入孔３２ａが形成される。そして、このようなダイアフラム式アクチュエータ３０は、アクチュエータ３０の筐体に形成されるブラケット３６によりターボチャージャ２の所定の位置に取り付けられる。

ロッド軸受け３８は、図３に示すように、負圧室３２の気密性を担保するロッドシール３８ａ、ロッド３４の軸方向の摺動を案内するベアリング３８ｂ、ロッドシール３８ａ及びベアリング３８ｂを収納するアンダープレート３８ｃ及びベアリングリテーナ３８ｄを有している。また、アンダープレート３８ｃとベアリングリテーナ３８ｄとの間にはプレート３８ｆが配置される。

ダイアフラム３３、ロッドシール３８ａ及びベアリング３８ｂは、それぞれターボチャージャ２の発熱を考慮して、その材料が選択される。従って、ダイアフラム３３はフロロシリコンゴム、ヒドリンゴム等により形成され、ロッドシール３８ａはフロロシリコンゴム、フッ素ゴム等により形成され、ベアリング３８ｂはフッ素樹脂、６６ナイロン等により形成されるのが望ましい。

次に、排気バイパス弁制御装置３の動作について図１を用いて説明する。

〔暖機運転時（エンジン始動時）〕
内燃機関１の冷間始動直後の触媒が未活性状態にある期間では、ターボチャージャ２より下流側に配置される図示しない触媒が、所定の触媒活性化温度に達するまで、排気バイパス路２３に設けられた排気バイパス弁２４を開き、タービン２２を迂回して排気ガスを図示しない触媒に導いて、触媒の温度を積極的に昇温制御して早期に触媒を活性化させる必要がある。

この場合には、タービン２２を迂回する排気を最大量として触媒の早期活性化を可能とするべく、排気バイパス弁２４を全開状態とする。本実施の形態では、ダイアフラム式アクチュエータ３０のロッド３４を最大限に伸張させて排気バイパス弁２４を全開状態とする。

排気バイパス弁２４を全開状態とするには、アクチュエータ３０の負圧室３２に、負圧チャンバ５０に蓄圧した負圧を導入して、負圧室３２に設けられたバネ３５のバネ力に抗してロッド３４を移動させることにより行われる。

ここで、負圧チャンバ５０に蓄圧した負圧を負圧室３２に導入するには、電磁式方向制御弁８０をオンにするとともに、電磁式方向制御弁７０をオフにして、負圧チャンバ５０と導入管６０とを連通させる。この状態で、負圧チャンバ５０に蓄圧した負圧が負圧室３２に導入され、アクチュエータ３０内のダイアフラム３３が、ロッド３４を伸張させる方向に移動する。

本実施の形態では、負圧チャンバ５０に蓄圧される負圧の最大値に対応してアクチュエータ３０内のスプリング３５による排気バイパス弁２４の閉じ荷重が適宜設定される。そして、負圧チャンバ５０に蓄圧された負圧の最大値が負圧室３２に作用することで、ロッド３４が最大限に伸張して、排気バイパス弁２４が全開状態となる。

〔通常運転時（通常走行時）〕
触媒が、所定の触媒活性化温度に到達する暖機運転終了後の通常運転時、即ち、エンジン運転条件が所定のエンジン負荷よりも高い領域では、ターボチャージャ２による過給圧が適正値を越えて高まった場合に、排気バイパス弁２４を前記暖機運転時に比べて小さい領域で開閉して、過給圧を適正レベルに制御する。本実施の形態では、この時のロッド３４の伸張量は最大伸張量の４分の１程度の伸張量に設定される。

ここで、エンジン運転条件は、本実施の形態では、エンジン負荷をアクセル開度及びエンジン回転数により判断して、予め決められたアクセル開度及びエンジン回転数を超える
領域を通常走行時である所定のエンジン負荷領域と判断して、排気バイパス弁制御装置３が制御される。また、排気バイパス弁２４の開弁時期及び開弁量は、ロッド３４の移動量と正圧室３１に導入される過給圧とで決定されるアクチュエータ３０の圧力勾配により決まる。

過給圧の制御を目的として排気バイパス弁２４を開閉するには、アクチュエータ３０の正圧室３１に、過給圧導入管４０から過給圧を導入して、アクチュエータ３０内のダイアフラム３３を押圧してロッド３４を伸張させる。

ところで、上述の通り排気バイパス弁２４の閉じ荷重は排気バイパス弁の受圧面積と排気圧力によって決まり、負圧室３２に最大負圧に対応する負圧が導入された場合に、ロッド３４が最大に伸張するようにダイアフラム３３を付勢するバネ３５のばね力が決定されている。しかしながら、このままでは、アクチュエータ３０の圧力勾配が小さく、即ち、アクチュエータ３０に加えられる圧力の変化量に対して、該アクチュエータ３０のストローク量が大きいため、負圧チャンバ５０に蓄圧される負圧に比べて、高い過給圧による過給圧制御を行う通常運転時において、ロッド３４を最大伸張量の４分の１程度の範囲で伸縮させて、排気バイパス弁２４の微小開閉動作を制御することが困難となる。

従って、本実施の形態では、通常運転時は、負圧室３２と大気との間で負圧室３２を閉鎖状態とすることで、負圧室３２内の空気にダンパー効果を持たせ、ロッド３４の移動量と正圧室３１に導入される過給圧とで決定されるアクチュエータの圧力勾配を大きくして、排気バイパス弁２４の微小開閉制御を可能とするものである。

ここで、負圧室３２と大気との間で負圧室３２を閉鎖状態とするには、電磁式方向制御弁８０をオフにするとともに、電磁式方向制御弁７０をオンにして、導入管６０と大気との間を閉鎖状態とする。この状態で、負圧室３２内の気体の出入りは無くなるので、負圧室３２が所定のダンパー特性を有することとなる。

〔停車時・過給圧が低い状態時〕
触媒が、所定の触媒活性化温度に到達する暖機運転終了後の停車時・過給圧が低い状態時、即ち、エンジン運転条件が所定のエンジン負荷よりも低い領域では、ターボチャージャ２による過給圧が適正値を越えて高まる恐れは無い。一方、ターボチャージャ２に取り付けられるアクチュエータ３０は、熱的に厳しい条件で使用されることから、温度上昇による負圧室の圧力変化を低減することで、アクチュエータ３０の動作安定性を向上させることができる。特に、通常走行時に負圧室３２と大気との間で負圧室３２を閉鎖状態とする本実施の形態の排気バイパス弁制御装置３では、このような制御を行うことが効果的である。

尚、エンジン運転条件は、前記通常運転時と同様に、エンジン負荷をアクセル開度及びエンジン回転数により、所定のエンジン負荷領域と判断することにより決定される。

ここで、負圧室３２を大気開放状態とするには、電磁式方向制御弁８０をオフにするとともに、電磁式方向制御弁７０をオフにして、導入管６０と大気との間を開放状態とする。

表１は、上記排気バイパス弁制御装置３の動作について、まとめたものである。

本実施の形態に係る排気バイパス弁制御装置３に備えられたダイアフラム式アクチュエータ３０では、表１による制御を行うことにより、アクチュエータ３０の負圧室３２を閉鎖状態とすることで、アクチュエータ３０の圧力勾配を大きくすることができる。従って、冷間始動直後の触媒が未活性状態にある期間では、負圧チャンバに蓄圧される負圧、例えば、マイナス４０ＫＰａ程度の負圧を負圧室３２に導入して、アクチュエータ３０の伸張量を最大限として、前記排気バイパス弁を全開状態とするとともに、通常運転時、即ち、エンジン運転条件が所定のエンジン負荷よりも高い領域、例えば、正圧室３１に導入される圧力が４０ｋＰａ又はその値を超える圧力領域においては、アクチュエータ３０を最大伸張量の４分の１程度の伸縮量で伸縮させて、排気バイパス弁２４の微小開閉制御を行うことが可能となる。

図１は、ターボチャージャ付内燃機関及び本実施の形態に係る排気バイパス弁制御装置を示す図である。図２は、ダイアフラム式アクチュエータの断面図である。図３は、ダイアフラム式アクチュエータの一部拡大断面図である。

符号の説明

１ …内燃機関
２ …ターボチャージャ
３ …排気バイパス弁制御装置
２２ …タービンロータ
２３ …排気バイパス路
２４ …排気バイパス弁
３０ …ダイアフラム式アクチュエータ
３１ …正圧室
３２ …負圧室
３３ …ダイアフラム
７０ …電磁式方向制御弁（制御手段）
８０ …電磁式方向制御弁（制御手段）

Claims

ターボチャージャのタービンロータよりも下流に設けられた排気ガス浄化触媒の上流において前記タービンロータを迂回する排気バイパス路に設けられた排気バイパス弁の開閉動作制御を行う排気バイパス弁制御装置において、
ダイアフラムによって区画された正圧室及び負圧室を有し、前記排気バイパス弁の開閉動作を行うダイアフラム式アクチュエータと、
冷間始動直後の前記排気ガス浄化触媒が未活性状態にある期間は、前記負圧室に負圧を導入して前記排気バイパス弁を全開の開度で開放するとともに、前記排気ガス浄化触媒が触媒活性化温度に到達し、かつエンジン運転条件が所定のエンジン負荷よりも高い領域では、前記排気バイパス弁に連結されたロッドの移動量と前記正圧室に導入される過給圧とで決定される前記ダイヤフラム式アクチュエータの圧力勾配を大きくすべく前記負圧室と大気との間で前記負圧室を閉鎖状態として、前記正圧室に導入される過給圧に応じて全開の開度よりも小さい開度を最大開度とする範囲で前記排気バイパス弁の開閉動作を行うように前記ダイアフラム式アクチュエータを制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする排気バイパス弁制御装置。
前記制御手段が、前記排気ガス浄化触媒が触媒活性化温度に到達し、かつエンジン運転条件が所定のエンジン負荷よりも低い領域では、前記負圧室と大気との間を開放状態とすることを特徴とする請求項１に記載の排気バイパス弁制御装置。