JP2009002283A

JP2009002283A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2009002283A
Application number: JP2007165529A
Authority: JP
Inventors: Shinya Kaneko; 真也金子
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2009-01-08
Also published as: EP2162604A1; CN101680359A; US20100186406A1; WO2009001189A1

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の制御装置に関し、排気側動弁装置を複雑化することなく、ターボ過給機付き内燃機関の特性を改善することを目的とする。
【解決手段】本発明の内燃機関の制御装置は、ターボ過給機１２のタービン１２ａの入口に通じるターボ側排気通路１８に連通する排気ポートを開閉するターボ側排気弁１４と、タービン１２ａの入口に通じないバイパス側排気通路２０に連通する排気ポートを開閉するバイパス側排気弁１６とを各気筒に備えた内燃機関１０と、バイパス側排気通路に設けられたバイパス制御弁２２と、ターボ側排気弁１４とバイパス側排気弁１６とを両者に一つずつのみ与えられたカムプロフィールに沿って開閉させる排気側動弁装置と、運転状況に応じてバイパス制御弁２２の開度を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

一般に、ターボ過給機付きエンジンでは、高回転高負荷域において、背圧が高くなり過ぎることによって筒内の既燃ガスが排出されにくくなる結果、残留ガス量が多くなり易いという問題がある。残留ガスが多くなると、燃焼速度が遅くなるとともに筒内温度も高くなるので、ノッキングが発生し易くなる。そして、このノッキングを回避するために点火遅角が必要となり、燃費が悪化するとともに、出力が低下する。また、残留ガス量が多くなると、その分空気量が少なくなる。このようなことから、ターボ過給機付きエンジンでは、高回転域での高出力化が図りにくい。

このような問題を解決するため、例えば特開平１０−８９１０６号公報には、ターボ過給機のタービン入口に通じるターボ側排気通路に連通する排気ポートを開閉するターボ側排気弁と、タービン入口に通じないバイパス側排気通路に連通する排気ポートを開閉するバイパス側排気弁とを各気筒に備えたエンジンが開示されている。

特開平１０−８９１０６号公報特開２０００−７３７９０号公報

上記公報では、ターボ側排気弁およびバイパス側排気弁のバルブリフト特性は低回転域から高回転域まで一定でもよいし、あるいはバルブリフト特性可変手段を設けて、高回転域ではターボ側排気弁およびバイパス側排気弁の開弁期間およびリフト量をほぼ同一とし、低回転域では高回転域と比べてターボ側排気弁の開弁期間およびリフト量を大きくバイパス側排気弁の開弁期間およびリフト量を小さくしてもよいと記載されている（同公報の段落００１８）。

しかしながら、ターボ側排気弁およびバイパス側排気弁のバルブリフト特性を低回転域から高回転域まで一定とした場合には、低回転域においても何割かの排気ガスがバイパス側排気通路に流れることになり、タービンに流入する排気ガス量が少なくなるので、過給圧の立ち上がりが遅くなる（ターボラグが大きくなる）という問題がある。一方、バルブリフト特性可変手段を設ける場合には、排気側動弁装置の構造が極めて複雑になるという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、上記の点に鑑みてなされたものであり、排気側動弁装置を複雑化することなく、ターボ過給機付き内燃機関の特性を改善することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
ターボ過給機のタービン入口に通じるターボ側排気通路に連通する排気ポートを開閉するターボ側排気弁と、前記タービン入口に通じないバイパス側排気通路に連通する排気ポートを開閉するバイパス側排気弁とを各気筒に備えた内燃機関と、
前記バイパス側排気通路に設けられたバイパス制御弁と、
前記ターボ側排気弁と前記バイパス側排気弁とを両者に一つずつのみ与えられたカムプロフィールに沿って開閉させる排気側動弁装置と、
運転状況に応じて前記バイパス制御弁の開度を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記カムプロフィールは、前記ターボ側排気弁が閉じる前に前記バイパス側排気弁が開き、前記ターボ側排気弁が閉じた後に前記バイパス側排気弁が閉じるように設定されていることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記バイパス側排気弁を稼動させたままで前記ターボ側排気弁を閉状態で休止させることが可能なターボ側排気弁休止機構と、
始動時に、前記ターボ側排気弁を閉状態で休止させる弁休止制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記ターボ側排気弁が休止された場合に、前記バイパス制御弁を開く手段を含むことを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記制御手段は、前記ターボ過給機のインターセプト点に到達するまでは、前記バイパス制御弁を全閉状態にする手段を含むことを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記ターボ過給機にはウェイストゲート弁が備えられておらず、
前記制御手段は、前記バイパス制御弁がウェイストゲート弁としての機能を果たすように前記バイパス制御弁の開度を制御する手段を含むことを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、
前記制御手段は、高回転高負荷時に前記バイパス制御弁を全開状態にする手段を含むことを特徴とする。

また、第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れかにおいて、
少なくとも高回転高負荷時に、前記ターボ側排気弁と吸気弁とは、それらの開弁期間が重なるバルブオーバーラップが全く無いかまたはほぼゼロになり、前記バイパス側排気弁と吸気弁とは、それらの開弁期間が重なるバルブオーバーラップが生ずることを特徴とする。

第１の発明によれば、ターボ過給機のタービン入口に通じるターボ側排気通路に連通する排気ポートを開閉するターボ側排気弁と、タービン入口に通じないバイパス側排気通路に連通する排気ポートを開閉するバイパス側排気弁とを各気筒に備えたことにより、高回転高負荷域で、筒内の既燃ガスをバイパス側排気通路に効率良く排出させることができ、残留ガス量を極めて少なくすることができる。このため、高回転域での高出力化が図れる。また、ノッキングが起こりにくくなるので、点火遅角を回避または抑制することができ、燃費を改善することができる。更に、第１の発明によれば、排気側動弁装置は、ターボ側排気弁とバイパス側排気弁とを両者に一つずつのみ与えられたカムプロフィールに沿って開閉させる、簡単な構成のものである。このため、シリンダーヘッド設計上の制約が緩和でき、搭載性悪化や、コスト増、重量増を招くこともない。そして、第１の発明によれば、運転状況に応じてバイパス制御弁の開度を制御することにより、バイパス側排気通路へ流れる排気ガス量を適切に制御することができる。このようなことから、第１の発明によれば、ターボ過給機付き内燃機関の各種の特性を改善することができる。

第２の発明によれば、排気側動弁装置のカムプロフィールは、ターボ側排気弁が閉じる前にバイパス側排気弁が開き、ターボ側排気弁が閉じた後にバイパス側排気弁が閉じるように設定されている。これにより、高回転高負荷域で、筒内の既燃ガスをより高い効率でバイパス側排気通路に排出することができ、残留ガス量を更に少なくすることができる。

第３の発明によれば、始動時に、ターボ側排気弁を閉状態で休止させるとともに、バイパス制御弁を開くことができる。これにより、内燃機関の排気ガスの全量を、バイパス側排気通路に流すことができる。すなわち、排気ガスの全量を、タービンをバイパスさせて、触媒に流入させることができる。このため、タービンでの排気温度低下を回避することができるので、高温の排気ガスを触媒に流入させることができ、触媒を早期に暖機することができる。その結果、エミッションの低減が図れる。

第４の発明によれば、ターボ過給機のインターセプト点に到達するまでは、バイパス制御弁を全閉状態にすることができる。これにより、内燃機関の排気ガスの全量を、ターボ側排気通路を通してタービンに流入させることができる。このため、ターボ過給機の回転を迅速に上昇させることができ、過給圧の応答遅れを短縮することができる。

第５の発明によれば、バイパス制御弁にウェイストゲート弁としての機能を発揮させることができるので、ターボ過給機にウェイストゲート弁を設ける必要が無く、ターボ過給機の構造を簡素化することができる。

第６の発明によれば、高回転高負荷時にバイパス制御弁を全開状態にすることができる。これにより、筒内の既燃ガスをバイパス側排気通路に効率良く排出させることができ、残留ガス量を極めて少なくすることができる。このため、高回転域での高出力化が図れる。また、ノッキングが起こりにくくなるので、点火遅角を回避または抑制することができ、燃費を改善することができる。

第７の発明によれば、高回転高負荷時に、ターボ側排気弁と吸気弁とのバルブオーバーラップを無くすかほぼゼロとし、バイパス側排気弁と吸気弁とのバルブオーバーラップを存在させることができる。このため、バイパス側排気弁と吸気弁とのバルブオーバーラップ期間において、吸気弁から流入した新気によって筒内の既燃ガスを掃気し、背圧の低いバイパス側排気通路へ効率良く排出させることができる。また、ターボ側排気弁と吸気弁との間にはバルブオーバーラップがほとんどないので、背圧の高いターボ側排気通路から筒内や吸気ポートに排気ガスが逆流することを確実に防止することができる。このため、第７の発明によれば、高回転高負荷時の筒内の残留ガス量を更に少なくすることができ、更なる高出力化、耐ノック性向上、および燃費の改善が図れる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。本発明において、内燃機関１０の気筒数および気筒配置は特に限定されるものではない。本実施形態の内燃機関１０は、Ｖ型６気筒であり、図１にはその片バンクが示されている。

内燃機関１０には、ターボ過給機１２が備えられている。内燃機関１０の各気筒には、二つの排気弁、すなわちターボ側排気弁１４およびバイパス側排気弁１６がそれぞれ設けられている。ターボ側排気弁１４が設けられた排気ポートは、ターボ過給機１２のタービン１２ａの入口に通じるターボ側排気通路１８に連通している。一方、バイパス側排気弁１６が設けられた排気ポートは、タービン１２ａの入口に通じないバイパス側排気通路２０に連通している。

バイパス側排気通路２０には、このバイパス側排気通路２０を開閉するバイパス制御弁２２が設置されている。タービン１２ａの下流側のターボ側排気通路１８と、バイパス制御弁２２の下流側のバイパス側排気通路２０とは、一つに合流している。その合流部より下流側には、排気ガスを浄化する触媒２４が設置されている。

本実施形態のシステムは、制御手段としてのＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０には、バイパス制御弁２２のほか、図示を省略するが、燃料噴射装置、点火装置、スロットル弁等の各種アクチュエータや、クランク角センサ、エアフローメータ、過給圧センサ等の各種センサが電気的に接続されている。

図２は、内燃機関１０の吸気弁および排気弁のカムプロフィールを示す図である。図２に示すように、バイパス側排気弁１６は、ターボ側排気弁１４の閉弁時よりも前（排気行程の後半）に開き、ターボ側排気弁１４の閉弁時より後（上死点後）に閉じるようになっている。バイパス側排気弁１６の作用角およびリフト量は、ターボ側排気弁１４の作用角およびリフト量の概ね１／２程度であるのが好ましい。また、ターボ側排気弁１４と吸気弁とは、それらの開弁期間が重なるバルブオーバーラップがほぼゼロであり、一方、バイパス側排気弁１６と吸気弁とは、それらの開弁期間が重なるバルブオーバーラップを有している。

内燃機関１０の排気側動弁装置においては、ターボ側排気弁１４およびバイパス側排気弁１６に対し、上述した図２に示すような各々一つずつのみのカムプロフィール（バルブリフトカーブ）が与えられている。すなわち、内燃機関１０の排気側動弁装置は、ターボ側排気弁１４およびバイパス側排気弁１６の各々のカムプロフィールを低速用と高速用とに切り替えるカムプロフィール切替機構や、あるいはターボ側排気弁１４およびバイパス側排気弁１６の各々のリフト量を連続的に可変とするリフト可変機構などを備えるものではない。このため、内燃機関１０の排気側動弁装置は、極めて簡単な構成とすることができる。

ただし、本実施形態では、内燃機関１０の排気側動弁装置は、バイパス側排気弁１６を稼動させたままでターボ側排気弁１４のみを閉状態で休止させることが可能なターボ側排気弁休止機構２６を備えている。ターボ側排気弁休止機構２６の構造は公知であるので、その説明は省略するが、上記のカムプロフィール切替機構やリフト可変機構よりは一層簡易な構成である。よって、ターボ側排気弁休止機構２６を設けても、内燃機関１０の排気側動弁装置が複雑化することはない。なお、ターボ側排気弁休止機構２６の作動は、ＥＣＵ５０によって制御される。

以下に説明するように、ＥＣＵ５０は、内燃機関１０の運転状況に応じて、バイパス制御弁２２の開度およびターボ側排気弁休止機構２６の作動を制御する。

（１）始動時
始動時、ＥＣＵ５０は、バイパス制御弁２２を全開にするとともに、ターボ側排気弁休止機構２６によってターボ側排気弁１４を閉状態で休止させる。これにより、内燃機関１０の排気ガスの全量を、バイパス側排気通路２０に流すことができる。すなわち、全部の排気ガスは、タービン１２ａをバイパスして、触媒２４に流入する。このため、タービン１２ａでの排気温度低下を回避することができるので、高温の排気ガスを触媒２４に流入させることができ、触媒２４を早期に暖機することができる。その結果、エミッションの低減が図れる。

触媒暖機が完了すると、ＥＣＵ５０は、ターボ側排気弁１４が通常通り稼動するようにターボ側排気弁休止機構２６の状態を切り替える。

（２）インターセプト点に到達するまでの間
図３は、内燃機関１０のエンジン回転数および軸トルクを示す図である。図３に示すように、本実施形態の内燃機関１０の運転領域は、Ａ，Ｂ，Ｃの３領域に分けられている。領域Ａと領域Ｂとの境界線は、インターセプト点をつないだ線である。インターセプト点とは、過給圧が所定の設定過給圧に達する点である。ＥＣＵ５０は、インターセプト点に到達するまでの間は、バイパス制御弁２２を全閉状態とする。すなわち、ＥＣＵ５０は、図３中の領域Ａでは、バイパス制御弁２２を全閉状態とする。これにより、内燃機関１０の排気ガスの全量を、ターボ側排気通路１８を通してタービン１２ａに流入させることができる。このため、ターボ過給機１２の回転を迅速に上昇させることができ、過給圧の応答遅れを短縮することができる。

（３）インターセプト点に到達した後
ＥＣＵ５０は、インターセプト点に到達した後、図３中の領域Ｂにあるときには、過給圧センサで検出される過給圧が設定過給圧（目標過給圧）となるように、バイパス制御弁２２の開度を制御する。これにより、バイパス制御弁２２に、ウェイストゲート弁としての機能を発揮させることができる。このため、本実施形態では、ターボ過給機１２にウェイストゲート弁を設ける必要が無く、ターボ過給機１２の構造を簡素化することができる。

（４）高回転高負荷時
ＥＣＵ５０は、最大出力点付近の高回転高負荷域（図３中の領域Ｃ）にあるときには、バイパス制御弁２２を全開に維持する。この状態では、下記の理由から、筒内の残留ガスを極めて少なくすることができる。まず、バイパス側排気通路２０は、タービン１２ａ入口に通じていないので、背圧が低い。このため、バイパス側排気弁１６からは、筒内の既燃ガスを排出し易い。更に、バイパス側排気弁１６と吸気弁とはバルブオーバーラップを有しているので、吸気弁から流入した新気によって筒内の既燃ガスを掃気し、バイパス側排気通路２０に効率良く排出させることができる。また、ターボ側排気弁１６と吸気弁との間にはバルブオーバーラップがほとんどないので、背圧の高いターボ側排気通路１８から筒内や吸気ポートに排気ガスが逆流することを確実に防止することができる。このようなことから、筒内の残留ガス量を極めて少なくすることができ、その分空気量を多くすることができるので、高出力化が図れる。また、残留ガス量が少ないため、ノッキングを抑制することができ、点火遅角を回避することができる。このため、高出力化および燃費改善が図れる。

以上、本発明の内燃機関の制御装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明における内燃機関の排気側動弁装置は、排気弁を駆動するカムの位相を可変とするカム位相可変機構を備えるものであってもよい。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。吸気弁および排気弁のカムプロフィールを示す図である。エンジン回転数および軸トルクを示す図である。

符号の説明

１０内燃機関
１２ターボ過給機
１２ａタービン
１４ターボ側排気弁
１６バイパス側排気弁
１８ターボ側排気通路
２０バイパス側排気通路
２２バイパス制御弁
２４触媒
５０ＥＣＵ

Claims

ターボ過給機のタービン入口に通じるターボ側排気通路に連通する排気ポートを開閉するターボ側排気弁と、前記タービン入口に通じないバイパス側排気通路に連通する排気ポートを開閉するバイパス側排気弁とを各気筒に備えた内燃機関と、
前記バイパス側排気通路に設けられたバイパス制御弁と、
前記ターボ側排気弁と前記バイパス側排気弁とを両者に一つずつのみ与えられたカムプロフィールに沿って開閉させる排気側動弁装置と、
運転状況に応じて前記バイパス制御弁の開度を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記カムプロフィールは、前記ターボ側排気弁が閉じる前に前記バイパス側排気弁が開き、前記ターボ側排気弁が閉じた後に前記バイパス側排気弁が閉じるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
前記バイパス側排気弁を稼動させたままで前記ターボ側排気弁を閉状態で休止させることが可能なターボ側排気弁休止機構と、
始動時に、前記ターボ側排気弁を閉状態で休止させる弁休止制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記ターボ側排気弁が休止された場合に、前記バイパス制御弁を開く手段を含むことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
前記制御手段は、前記ターボ過給機のインターセプト点に到達するまでは、前記バイパス制御弁を全閉状態にする手段を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
前記ターボ過給機にはウェイストゲート弁が備えられておらず、
前記制御手段は、前記バイパス制御弁がウェイストゲート弁としての機能を果たすように前記バイパス制御弁の開度を制御する手段を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
前記制御手段は、高回転高負荷時に前記バイパス制御弁を全開状態にする手段を含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
少なくとも高回転高負荷時に、前記ターボ側排気弁と吸気弁とは、それらの開弁期間が重なるバルブオーバーラップが全く無いかまたはほぼゼロになり、前記バイパス側排気弁と吸気弁とは、それらの開弁期間が重なるバルブオーバーラップが生ずることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。