(57)【要約】【課題】排気浄化用の触媒の溶損を防止する目的で燃料噴射量を増量することを避け、また触媒の温度を適切に維持して有害物質の浄化能率を高く保つ。【解決手段】排気通路上に配置したタービンにより吸気通路上に配置したコンプレッサを駆動するとともに、排気通路にタービンを迂回するバイパス通路及び当該バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブを設け、バイパス通路を流れる排気ガスを冷却するための熱交換器を付設した内燃機関であって、排気通路における前記タービン及び前記バイパス通路の下流に設けた排気浄化用の触媒の温度が所定以上に高まった場合に、そうでない場合と比較して前記熱交換器を流通する冷媒の流量を増加させ、かつ吸気通路を気筒に向けて流れる過給気の圧力が目標圧力以下であったとしてもウェイストゲートバルブを開く内燃機関を構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路上に配置したタービンにより吸気通路上に配置したコンプレッサを駆動するとともに、排気通路にタービンを迂回するバイパス通路及び当該バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブを設け、バイパス通路を流れる排気ガスを冷却するための熱交換器を付設した内燃機関であって、
排気通路における前記タービン及び前記バイパス通路の下流に設けた排気浄化用の触媒の温度が所定以上に高まった場合に、そうでない場合と比較して前記熱交換器を流通する冷媒の流量を増加させ、かつ吸気通路を気筒に向けて流れる過給気の圧力が目標圧力以下であったとしてもウェイストゲートバルブを開く内燃機関。
【請求項２】
前記触媒の温度が所定以上に高まっていなくとも、一定時間内に前記バイパス通路を流れた排気ガスの量が閾値を超えた場合には、そうでない場合と比較して前記熱交換器を流通する冷媒の流量を増加させる請求項１記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ターボ過給機が付帯した内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
気筒から排出される排気ガスの持つエネルギを利用して排気タービン（タービンホイール）を回転させ、その回転をコンプレッサのインペラ（コンプレッサホイール）に伝達し、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒へと送り込む排気ターボ過給機が周知である。
【０００３】
排気ターボ過給機を備える内燃機関には、ウェイストゲートを付設することが通例である。ウェイストゲートバルブは、排気通路におけるタービンの上流側と下流側とを接続するバイパスを開閉するものであり、吸気通路を流通する吸気の圧力が過剰に大きくならないよう抑制する役割を担う。ウェイストゲートバルブが開くのは、通常、スロットルバルブが全開または全開に近い全負荷ないし高負荷の運転領域においてである。
【０００４】
一般的なウェイストゲートバルブは、過給気の圧力をダイアフラム室に導入しその過給圧を利用してダイアフラム及びこれに接続したウェイストゲートバルブを駆動する態様のアクチュエータにより駆動される。このダイアフラム式アクチュエータには、ダイアフラム室を大気に開放し得る調整バルブ（Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  Ｖａｌｖｅ）が付随しており、ＶＳＶの開度をデューティ制御することを通じてウェイストゲートバルブの開度を調節し、以て過給圧の制御を実現することができる（以上、例えば下記特許文献を参照）。
【０００５】
エンジン回転数及び負荷がともに高い状態で内燃機関を運転しているとき、排気通路に設けた排気浄化用の触媒の温度が顕著に高くなり、その結果として触媒が溶損するおそれが生じる。そこで、従来より、高回転高負荷の運転領域において、混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように燃料噴射量を増量し、その燃料の潜熱（気化熱）を利用して触媒の温度上昇を抑制、以て触媒の溶損の防止を図っている。
【０００６】
しかしながら、燃料噴射量を増量することは、実用燃費の悪化に繋がるため好ましくない。また、触媒における排気ガス中の有害物質の酸化／還元反応を促進するためには、触媒の温度を適度に高く維持しておく必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−１４０６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、排気浄化用の触媒の溶損を防止する目的で燃料噴射量を増量することを避け、また触媒の温度を適切に維持して有害物質の浄化能率を高く保つことを所期の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するべく、本発明では、排気通路上に配置したタービンにより吸気通路上に配置したコンプレッサを駆動するとともに、排気通路にタービンを迂回するバイパス通路及び当該バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブを設け、バイパス通路を流れる排気ガスを冷却するための熱交換器を付設した内燃機関であって、排気通路における前記タービン及び前記バイパス通路の下流に設けた排気浄化用の触媒の温度が所定以上に高まった場合に、そうでない場合と比較して前記熱交換器を流通する冷媒の流量を増加させ、かつ吸気通路を気筒に向けて流れる過給気の圧力が目標圧力以下であったとしてもウェイストゲートバルブを開く内燃機関を構成した。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、排気浄化用の触媒の溶損を防止する目的で燃料噴射量を増量することを回避でき、また触媒の温度を適切に維持して有害物質の浄化能率を高く保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態の内燃機関の全体構成を示す図。
【図２】同実施形態の内燃機関における制御の内容を示すタイミング図。
【図３】同実施形態の内燃機関における制御の内容を示すタイミング図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を起こすものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。
【００１３】
吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、排気ターボ過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３５、吸気絞り用のバルブである電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。
【００１４】
排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生する排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、排気ターボ過給機５の排気タービン５２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパス弁であるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。
【００１５】
排気ターボ過給機５は、排気タービン５２とコンプレッサのインペラ５１とをシャフト５３を介して同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、タービン５２及びインペラ５１を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサにポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。
【００１６】
ウェイストゲートバルブ４４は、ダイアフラム式のアクチュエータ６により開閉駆動する。アクチュエータ６は、ダイアフラム６０により隔てられたダイアフラム室６１及び定圧室６２を有し、ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧を利用してダイアフラム６０を変位させる。ダイアフラム６０とウェイストゲートバルブ４４とは、バルブロッド６３を介して連結している。ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧が所定のセット圧を超えると、ダイアフラム６０及びバルブロッド６３が、スプリング６４の弾性付勢力に抗して、ダイアフラム室６１側から定圧室６２側に向かって変位する。結果、バイパス通路４３を閉鎖していたウェイストゲートバルブ４４が駆動されて、バイパス通路４３が開放される。これに対し、ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧がセット圧以下であるときには、スプリング６４の弾性付勢力によりダイアフラム６０及びバルブロッド６３が元の位置に復帰し、ウェイストゲートバルブ４４が完全に閉じて、バイパス通路４３が閉鎖される。
【００１７】
アクチュエータ６のダイアフラム室６１には、吸気通路３におけるコンプレッサ５１の下流側かつスロットルバルブ３２の上流側の部位の吸気の圧力、つまりは過給圧を導入する。そのために、ダイアフラム室６１と吸気通路３の当該部位とを連通させる過給圧導入流路７１と、過給圧導入流路７１ひいてはダイアフラム室６１を大気に開放する圧抜流路７２と、圧抜流路７２を開閉する調整バルブ（Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  Ｖａｌｖｅ）７３とを設けている。
【００１８】
ＶＳＶ７３は、制御信号ｍを受けてその開度を変化させるソレノイドバルブ等の既知の流量制御弁である。ＶＳＶ７３の開度を操作すれば、吸気通路３から過給圧導入流路７１に流入する過給気の一部を圧抜流路７２経由で大気に逃がし、ダイアフラム室６１の圧力の大きさを制御することができる。アクチュエータ６の定圧室６２には、通常、大気圧を導入する。
【００１９】
図    に示すように、本実施形態では、バイパス通路４３に、当該バイパス通路４３を流れる排気ガスを冷却するための熱交換器４５を付設している。排気ガスと熱交換を行う冷媒としては、例えば内燃機関の冷却水を用いる。熱交換器４５に流入し、そして熱交換器４５から流出する冷媒の流量は、冷媒制御バルブ４６を介して増減させることができる。冷媒制御バルブ４６は、制御信号ｎを受けてその開度を変化させるソレノイドバルブ等の既知の流量制御弁である。
【００２０】
排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における排気タービン５２の上流側の所定箇所（排気マニホルド４２であることがある）と吸気通路３におけるインタクーラ３５及びスロットルバルブ３２の下流側の所定箇所（サージタンク３３であることがある）とを連通させる外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。
【００２１】
本実施形態の内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。
【００２２】
ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、内燃機関に対する要求負荷、要求出力）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧（過給圧）を検出する吸気温・吸気圧センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、大気圧を検出するセンサから出力される大気圧信号ｈ等が入力される。
【００２３】
ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＶＳＶ７３に対して開度操作信号ｍ、冷媒制御バルブ４６に対して開度操作信号ｎ等を出力する。
【００２４】
ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎを出力インタフェースを介して印加する。
【００２５】
ＥＣＵ０は、吸気通路３を気筒１に向かって流れる過給気の圧力（サージタンク３３内吸気圧）が所望の目標圧力を超越するときにウェイストゲートバルブ４４が開弁するように、ＶＳＶ７３の開度を調節する。ＥＣＵ０のメモリには予め、内燃機関の運転領域［エンジン回転数，アクセル開度（または、サージタンク３３内吸気圧、気筒１に充填される吸気量若しくは燃料噴射量）］、吸気温及び大気圧等と、ＶＳＶ７３の開度との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在の内燃機関の運転領域、吸気温及び大気圧等をキーとして当該マップを検索し、具現するべきＶＳＶ７３の開度を知得し、ＶＳＶ７３をその開度に操作する。
【００２６】
その上で、本実施形態では、排気通路に設けた触媒４１の温度が所定以上に高まった場合、過給気の圧力が目標圧力以下であったとしても、敢えてウェイストゲートバルブ４４を開いてバイパス通路４３を開通させる。それとともに、熱交換器４５を流通する冷媒の流量を増加させる。この制御の模様を、図２に示している。図示例では、触媒４１の温度が上昇して所定値に到達した時点ｔ1で、ウェイストゲートバルブ４４及び冷媒制御バルブ４６をそれぞれ開弁している。ウェイストゲートバルブ４４の開度を拡大するためには、ＶＳＶ７３の開度を縮小すればよい。また、熱交換器４５を流通する冷媒の流量を増加させるためには、冷媒制御バルブ４６の開度を拡大させればよい。
【００２７】
ウェイストゲートバルブ４４を開弁すると、気筒１から排出される排気ガスの一部がバイパス通路４３に流入するようになる。バイパス通路４３を流れる排気ガスは、熱交換器４５により冷却され、しかる後排気タービン５２を通過した排気ガスと合流して、触媒４１に流れ込む。これにより、触媒４１の温度を低下させて触媒４１の溶損を予防することができる。
【００２８】
バイパス通路４３を流れる排気ガスは、排気タービン５２において仕事をしていない高温高圧のガスである。故に、熱交換器４５において冷媒と熱交換したといえども、当該熱交換器４５を通過したガスの圧力はタービン５２を通過したガスの圧力よりも高くなる。よって、バイパス通路４３を経由する排気ガスの流動が妨げられることはない。
【００２９】
一方、排気ガス中の有害物質、具体的にはＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等の酸化／還元反応を促進するためには、触媒４１の温度をある程度以上高く保っておく必要がある。そこで、図２に示すように、ウェイストゲートバルブ４３の開度及び熱交換器４５を流通する冷媒の流量はそれぞれ、触媒４１の温度が低下するほど、またはウェイストゲートバルブ４４の開弁及び熱交換器４５を流通する冷媒の流量の増加の時点ｔ1から経過した時間が長くなるほど、減少させることが好ましい。
【００３０】
触媒４１の溶損を防止する目的でウェイストゲートバルブ４４を開くとき（即ち、触媒４１の温度が所定以上に高まっているとき）以外は、冷媒制御バルブ４６の開度を縮小またはこれを全閉して、熱交換器４５における冷媒の流動を極小化または停止することが好ましい。さすれば、過給気の圧力が目標圧力を超えることでウェイストゲートバルブ４４が開いた場合に、バイパス通路４３を流れる排気ガスが徒に冷却されず、触媒４１の不当な温度降下を抑制することができる。
【００３１】
触媒４１の温度は、当該触媒４１の床温を検出する温度センサを設置して実測してもよいが、ＥＣＵ０において、過去の吸気（または、新気）量及び燃料噴射量、エンジン回転数、点火タイミング等（ひいては、触媒４１に流入するガスの量及び温度）に基づいて推測しても構わない。
【００３２】
加えて、本実施形態では、触媒４１の温度が所定以上に高まっていなくとも、一定時間内にバイパス通路４３を流れた排気ガスの量が閾値を超える場合に、そうでない場合と比較して熱交換器４５を流通する冷媒の流量を増加させる。この制御の模様を、図３に示している。図示例では、過給気の圧力が上昇して目標圧力に到達した時点ｔ2で、それ以上過給圧が高まらないようにウェイストゲートバルブ４４を開弁している。そして、ウェイストゲートバルブ４４を開弁した時点ｔ2以降、バイパス通路４３を流れた排気ガスの流量の積算値（時間積分）が閾値に到達した時点ｔ3で、冷媒制御バルブ４６を開弁している。
【００３３】
一定時間内に多量の排気ガスがバイパス通路４３を流れると、バイパス通路４３に付設している熱交換器４５の温度が顕著に高くなって、熱交換器４５が損傷を受ける懸念が生じる。そこで、一定時間内にバイパス通路４３を流れた排気ガスの量が閾値を超えた場合には、熱交換器４５を流通する冷媒の流量を増加させることで、熱交換器４５の温度を低下させる。これにより、熱交換器４５の損傷を予防することができる。
【００３４】
因みに、熱交換器４５の損傷を防止する目的で冷媒制御バルブ４６を開くときには、図３中の時点ｔ3以降に表れているように、併せてウェイストゲートバルブ４４の開度を少しく拡大する。熱交換器４５において冷媒が流動し始めると、バイパス通路４３を流れる排気ガスの冷却が開始され、排気通路４におけるタービン５２の下流の排気圧が低下する。さすれば、排気通路４におけるタービン５２の上流の排気圧と下流の排気圧との前後差圧が拡大して、排気ターボ過給機５による過給の仕事が増大、即ち過給圧が上昇する可能性がある。従って、熱交換器４５を流通する冷媒の流量の増加と同時期に、ウェイストゲートバルブ４４の開度を拡大する操作を行い、以てタービン５２の上流の排気圧を低減し、つまりはタービン５３の前後差圧の変動を抑制し、過給圧の不必要な上昇を抑制するのである。
【００３５】
バイパス通路４３を流れる排気ガスの流量及びその積算値は、当該バイパス通路４３に排気ガスの流量を検出する流量センサを設置して実測してもよいが、ＥＣＵ０において、過去の吸気量、エンジン回転数、ウェイストゲートバルブ４４（または、ＶＳＶ７３）の開度等に基づいて推測しても構わない。
【００３６】
本実施形態では、排気通路４上に配置したタービン５２により吸気通路３上に配置したコンプレッサ５１を駆動するとともに、排気通路４にタービン５２を迂回するバイパス通路４３及び当該バイパス通路４３を開閉するウェイストゲートバルブ４４を設け、バイパス通路４３を流れる排気ガスを冷却するための熱交換器４５を付設した内燃機関であって、排気通路４における前記タービン５２及び前記バイパス通路４３の下流に設けた排気浄化用の触媒４１の温度が所定以上に高まった場合に、そうでない場合と比較して前記熱交換器４５を流通する冷媒の流量を増加させ、かつ吸気通路３を気筒１に向けて流れる過給気の圧力が目標圧力以下であったとしてもウェイストゲートバルブ４４を開く内燃機関を構成した。
【００３７】
本実施形態によれば、触媒４１の溶損を防止する目的で過剰な量の燃料をインジェクタ１１から噴射することを回避でき、実用燃費性能の向上に寄与し得る。また、触媒４１の温度が所定以下であり、触媒４１が過熱状態でないときには、冷媒制御バルブ４６の開度を縮小または全閉して熱交換器４５における冷媒の流通を極小化または遮断することとしている。従って、過給気の圧力を目標圧力に制御するべくウェイストゲートバルブ４４を開いた場合に、触媒４１の温度が不必要に低下してしまうことも防止できる。ひいては、触媒４１による有害物質の浄化能率を高く保つことができる。
【００３８】
さらに、前記触媒４１の温度が所定以上に高まっていなくとも、一定時間内に前記バイパス通路４３を流れた排気ガスの量が閾値を超えた場合には、そうでない場合と比較して前記熱交換器４５を流通する冷媒の流量を増加させるため、冷媒の流通を極小化または遮断した熱交換器４５がバイパス通路４３を流通する排気ガスの熱で損傷することも避けられる。
【００３９】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、ウェイストゲートバルブ４４をダイアフラム式のアクチュエータ６によって開閉駆動していたが、これに代えて電動式のウェイストゲートバルブを採用し、ＥＣＵ０により当該電動ウェイストゲートバルブの開度を直接に制御する態様をとることも考えられる。
【００４０】
その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
３…吸気通路
４…排気通路
４３…バイパス通路
４４…ウェイストゲートバルブ
４５…熱交換器
４６…冷媒制御バルブ
５…排気ターボ過給機
５１…コンプレッサ
５２…タービン
６…アクチュエータ
６０…ダイアフラム
６１…ダイアフラム室
６２…定圧室
７１…過給圧導入流路
７２…圧抜流路
７３…調整バルブ（ＶＳＶ）
【図１】
2018071469.tif 000003
【図２】
2018071469.tif 000004
【図３】
2018071469.tif 000005