(57)【要約】【課題】可変容量型ターボチャージャ２を備えた内燃機関１において、より効果的に触媒暖機を行う。【解決手段】内燃機関１の過給を行うターボチャージャ２は、ウェストゲートバルブ４とともに可変ノズル５を備える。冷間始動時に触媒暖機運転要求があれば、可変ノズル５の開度を最小開度とし、かつウェストゲートバルブ４の開度を、排気バイパスによる排温上昇作用と過給による排温上昇作用とを併せた排温上昇が最大となる所定の中間開度に設定する。さらに、点火時期リタードを行う。過給により排気のボリュームが大となるので、触媒が効果的に暖機される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェストゲートバルブならびに可変ノズルを有する可変容量型ターボチャージャを備えた内燃機関の触媒暖機制御方法であって、
触媒暖機運転要求時に、上記可変ノズルの開度を縮小し、
かつ上記ウェストゲートバルブの開度を、排気バイパスによる排温上昇作用と過給による排温上昇作用とを併せた排温上昇が上記可変ノズルの開度を最大としつつ上記ウェストゲートバルブの開度を最大としたときの排温上昇よりも高くなる開度範囲内の開度に制御する、
ことを特徴とする内燃機関の触媒暖機制御方法。
【請求項２】
上記ウェストゲートバルブの開度を、排気バイパスによる排温上昇作用と過給による排温上昇作用とを併せた排温上昇が最大となる中間開度に制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の触媒暖機制御方法。
【請求項３】
上記可変ノズルの開度を最小開度とする、ことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の触媒暖機制御方法。
【請求項４】
点火時期リタードを併せて行う、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の触媒暖機制御方法。
【請求項５】
アイドル運転の維持に必要なトルクに基づき上記ウェストゲートバルブの上限開度を求め、
排温上昇の要求から定まる上記ウェストゲートバルブの開度を上記上限開度以下に制限する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の触媒暖機制御方法。
【請求項６】
ウェストゲートバルブならびに可変ノズルを有する可変容量型ターボチャージャと、コントローラと、を備えた内燃機関の触媒暖機制御装置であって、
上記コントローラは、触媒暖機運転要求時に、上記可変ノズルの開度を縮小し、かつ、上記ウェストゲートバルブの開度を、排気バイパスによる排温上昇作用と過給による排温上昇作用とを併せた排温上昇が上記可変ノズルの開度を最大としつつ上記ウェストゲートバルブの開度を最大としたときの排温上昇よりも高くなる開度範囲内の開度に制御する、
ことを特徴とする内燃機関の触媒暖機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の冷間始動後に触媒の暖機促進を行う触媒暖機制御方法および触媒暖機制御装置に関し、特に、可変ノズルを有する可変容量型ターボチャージャを備える場合の制御方法および制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
過給器としてターボチャージャを備えた内燃機関にあっては、排気ガスの熱エネルギがターボチャージャによって消費されるため、冷間始動後の触媒暖機の上では不利となる。ターボチャージャとして、排気タービンに可変ノズルを備えた可変容量型ターボチャージャが知られているが、特許文献１には、この可変容量型ターボチャージャを備えた内燃機関の触媒暖機運転の際に、可変ノズルの開度を最大つまり全開状態とし、ターボチャージャが排気ガスから受け取る運動エネルギを最小とすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１２８１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の技術は、排気ガスが有するエネルギをできるだけターボチャージャに消費させずに下流の触媒装置に案内しようとするものであり、内燃機関から流れ出る排気ガスの流量が一定であるとすれば、ターボチャージャの仕事が少ないほど触媒に与えられる熱が多くなると言える。
【０００５】
しかし、近年のいわゆるダウンサイジングターボと呼ばれるシステムつまり小排気量内燃機関にターボチャージャを組み合わせて比較的に低い負荷領域から過給を行う構成などにあっては、ターボチャージャを稼動して過給を行うことで排気ガスのボリュームを増やした方が触媒昇温の上で好ましい場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、ウェストゲートバルブならびに可変ノズルを有する可変容量型ターボチャージャを備えた内燃機関において、触媒暖機運転要求時に、上記可変ノズルの開度を縮小し、かつ上記ウェストゲートバルブの開度を、排気バイパスによる排温上昇作用と過給による排温上昇作用とを併せた排温上昇が上記可変ノズルの開度を最大としつつ上記ウェストゲートバルブの開度を最大としたときの排温上昇よりも高くなる開度範囲内の開度に制御するものである。
【０００７】
すなわち、可変ノズルの開度を縮小すれば、アイドル時であっても過給作用が得られ、排気のボリュームが増加する。この過給による排温上昇作用は、ウェストゲートバルブの開度が小さいほど大となるが、ウェストゲートバルブを開いて排気をバイパスさせることによる排温上昇作用は、ウェストゲートバルブの開度が大きいほど大となる。従って、両者を併せた排温上昇が高くなる開度範囲にウェストゲートバルブの開度を設定することで、より効果的な排温上昇が図れる。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、触媒暖機運転要求時に可変ノズルの開度を縮小して過給を行うことで、触媒の暖機がより効果的に促進される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の一実施例のシステム構成を示した構成説明図。
【図２】一実施例の触媒暖機制御の処理の流れを示すフローチャート。
【図３】一実施例の触媒暖機運転における動作を示すタイムチャート。
【図４】排温上昇作用についての説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
図１は、この発明の一実施例となる内燃機関１のシステム構成を示している。この実施例の内燃機関１は、例えば４ストロークサイクルの火花点火式ガソリン機関であって、過給器としてターボチャージャ２を備えている。特に、小排気量内燃機関にターボチャージャを組み合わせて比較的に低い負荷領域から過給を行う、いわゆるダウンサイジングターボと呼ばれるシステムとなっている。
【００１２】
内燃機関１の排気通路７には、ターボチャージャ２の排気タービン３が配置されており、該排気タービン３の下流側に、例えば三元触媒を用いた触媒コンバータ（上流側触媒コンバータ８、中間触媒コンバータ９および下流側触媒コンバータ１０）が配置されている。排気通路７のさらに下流側には、排気消音器１１が設けられており、該排気消音器１１を介して排気通路７は外部へ開放されている。
【００１３】
上記ターボチャージャ２は、過給圧制御のために排気タービン３の出口側と入口側とを連通するバイパス通路４ａおよび該バイパス通路４ａを開閉するウェストゲートバルブ４を備えている。このウェストゲートバルブ４は、電動モータ等からなる電動アクチュエータ４ｂを具備しており、エンジンコントローラ１２からの制御信号に基づき、電動アクチュエータ４ｂによって開度が制御される構成となっている。また、排気タービン３は、小排気流量での過給を可能とするために、タービンインペラへ排気を供給するノズルの面積を可変とした可変ノズル５を備えている。この可変ノズル５は、電動モータ等からなる電動アクチュエータ５ａを具備しており、エンジンコントローラ１２からの制御信号に基づき、電動アクチュエータ５ａによって開度が制御される構成となっている。
【００１４】
内燃機関１の吸気通路１４には、上記ターボチャージャ２のコンプレッサ６が配置されており、このコンプレッサ６よりも下流側に、吸入空気量を制御する電子制御型のスロットル弁１５が配置されている。上記スロットル弁１５は、コレクタ部１６の入口部に位置し、このコレクタ部１６よりも下流側では、吸気通路１４は、吸気マニホルドとして各気筒毎に分岐している。上記コレクタ部１６の上流側つまりコンプレッサ６との間には、過給吸気を冷却する例えば水冷式のインタークーラ１７が設けられている。またコレクタ部１６は、コレクタ部１６内の吸気圧（過給圧）を検出する圧力センサ１８を備えている。
【００１５】
また上記コンプレッサ６の出口側を入口側に連通するようにリサーキュレーションバルブ２０を備えたリサーキュレーション通路２１が設けられている。リサーキュレーションバルブ２０は、内燃機関１の減速時つまりスロットル弁１５が急に閉じたときに開状態に制御され、これにより、加圧された吸気がリサーキュレーション通路２１を介してコンプレッサ６に循環する。
【００１６】
上記吸気通路１４の最上流部には、エアクリーナ２３が配置されており、このエアクリーナ２３の下流側に、吸入空気量の検出を行うエアフロメータ２４が配置されている。
【００１７】
上記排気通路７と上記吸気通路１４との間には、排気の一部を吸気系へ還流するための排気還流通路２６が設けられている。この排気還流通路２６は、上流端となる一端が、排気通路７の排気タービン３下流側詳しくは中間触媒コンバータ９と下流側触媒コンバータ１０との間から分岐している。そして、下流端となる他端が、コンプレッサ６上流側の位置において吸気通路１４に接続されている。上記排気還流通路２６の途中には、運転条件に応じて開度が可変制御される排気還流制御弁２７が介装されており、さらに、この排気還流制御弁２７よりも排気通路７側となる位置に、還流排気の冷却を行うＥＧＲガスクーラ２８が設けられている。
【００１８】
上記内燃機関１は、エンジンコントローラ１２によって統合的に制御される。エンジンコントローラ１２には、上記のエアフロメータ２４や圧力センサ１８のほか、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ３１、冷却水温を検出する水温センサ３２、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ３３、排気空燃比を検出する空燃比センサ３４、大気圧センサ３５、等の種々のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ１２は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁（図示せず）からの燃料噴射量や噴射時期ならびに点火プラグ３６による点火時期、スロットル弁１５の開度、ウェストゲートバルブ４の開度、可変ノズル５の開度、リサーキュレーションバルブ２０の開度、排気還流制御弁２７の開度、等を最適に制御している。
【００１９】
そして、内燃機関１の冷間始動時には、エンジンコントローラ１２は、触媒コンバータ８〜１０（特に上流側触媒コンバータ８）の早期活性化のために、始動後のアイドル運転中に過給を積極的に利用した所定の触媒暖機制御を実行する。
【００２０】
図２のフローチャートは、エンジンコントローラ１２が行う触媒暖機制御の処理の流れを示している。この図２に示すルーチンは、例えば所定の演算サイクル毎に繰り返し実行される。
【００２１】
ステップ１では、内燃機関１の機関回転速度や吸入空気量、アクセル開度、冷却水温、等の運転状態に関する種々のパラメータを読み込む。ステップ２では、触媒暖機運転が要求されているか否かを判定する。例えば内燃機関１の始動時の冷却水温やアクセルペダルが踏み込まれていないアイドル状態であるか否か、等に基づき、触媒暖機運転の要求が出力される。内燃機関１の暖機完了後など触媒暖機運転の要求がなければ、ステップ３へ進み、ウェストゲートバルブ４の開度や可変ノズル５の開度および点火時期を通常制御する。
【００２２】
触媒暖機運転の要求があれば、ステップ２からステップ４へ進み、冷間始動時のステータスを示す状態フラグが「１」であるか否かを判定する。ステップ４でＮＯであれば、ステップ５へ進み、上記状態フラグが「２」であるか否かを判定する。この状態フラグは、「０」、「１」、「２」の３つの状態を有し、内燃機関１のメインスイッチ（いわゆるキースイッチ）がＯＮとなった初期時には「０」である。始動に際してメインスイッチがＯＮとなって図示せぬスタータモータによりクランキングが開始された後、内燃機関１の回転速度が完爆判定に至ったときに、状態フラグは「０」から「１」に変化する。さらに、アイドル運転を持続可能な回転速度（例えば、９００ｒｐｍ程度）に達したときに、状態フラグは「１」から「２」に変化する。
【００２３】
従って、初回は状態フラグが「０」であるので、ステップ４およびステップ５のいずれもがＮＯとなり、今回のルーチンを終了する。なお、状態フラグが「０」である間は、スタータモータによるクランキングが継続され、始動時に適した燃料噴射がなされる。また、ウェストゲートバルブ４および可変ノズル５は、いずれも初期状態例えば全開状態に保持される。
【００２４】
内燃機関１が完爆に至り、ステップ４において状態フラグが「１」であると判定したら、ステップ６へ進み、可変ノズル５の開度を比較的小さな所定開度例えば最小開度とする。
【００２５】
さらにステップ７へ進み、ウェストゲートバルブ４の開度として、可変ノズル５の最小開度の下で排温上昇が最大となる所定の中間開度ＴＷＧＶを設定する。この中間開度ＴＷＧＶは、厳密には、ある一定の基準値を大気圧によって補正した値となる。
【００２６】
次に、ステップ８へ進み、ウェストゲートバルブ４の上限開度ＷＧＶｌｉｍを設定する。具体的には、内燃機関１各部のフリクションなどに対してアイドル運転の維持に必要なトルクを冷却水温等に基づいて算出し、このトルクの確保に必要な過給圧を算出し、この過給圧に基づき上限開度ＷＧＶｌｉｍを求める。ステップ９では、ステップ８で設定した中間開度ＴＷＧＶを上限開度ＷＧＶｌｉｍで制限する。つまり、目標とする中間開度ＴＷＧＶが上限開度ＷＧＶｌｉｍ以下であれば、ウェストゲートバルブ４の開度を上記の中間開度ＴＷＧＶとし、仮に中間開度ＴＷＧＶが上限開度ＷＧＶｌｉｍよりも大きければ、ウェストゲートバルブ４の開度を上限開度ＷＧＶｌｉｍとする。
【００２７】
機関回転速度が上述したアイドル運転を継続可能な回転速度に達して状態フラグが「１」から「２」へ変化したら、ステップ４からステップ５を経てステップ１０へと進み、点火時期を排温上昇用の点火時期設定とする。つまり点火時期リタードを実行する。この点火時期リタードによって発生トルクが制限されるとともに排温が上昇する。
【００２８】
なお、ステップ８の上限開度ＷＧＶｌｉｍの基礎となる必要トルクは、予め点火時期リタードを考慮して設定される。
【００２９】
図４は、上記のようにウェストゲートバルブ４と可変ノズル５とを備えた可変容量型ターボチャージャ２を具備する場合の触媒に対する排温上昇作用について説明する説明図である。これは、横軸をウェストゲートバルブ４の開度とし、縦軸を上流側触媒コンバータ８入口側での排温上昇、とりわけウェストゲートバルブ４の開度を０（可変ノズル５の開度は全開である）としたときの排気温度を基準（０）としたときの相対的な上昇温度として、排温上昇の特性を表したものである。
【００３０】
線ａは、可変ノズル５の開度を全開とした状態の下で、ウェストゲートバルブ４の開度を変化させたときの排温上昇作用を示す。換言すれば、可変ノズル５を具備しない固定容量のターボチャージャの場合の特性に相当する。図示するように、ウェストゲートバルブ４の開度を大きくするほどターボチャージャ２で消費されるエネルギが少なくなるので、排気温度が高くなる。つまり、可変ノズル５を考慮しないと、排気の全量をバイパスさせたときに排温上昇が最大（Ｍａｘ１）となる。
【００３１】
線ｂは、可変ノズル５の開度を最小開度とし、かつウェストゲートバルブ４の開度を変化させたときの排温上昇作用を示す。可変ノズル５の開度を縮小すると、比較的少ない排気流量であってもターボチャージャ２が稼動し、過給が行われる。つまり、排気のボリュームが大となる。これにより、排温上昇作用が得られる。この過給による排温上昇作用は、ウェストゲートバルブ４が全閉であるときに最大となり、ウェストゲートバルブ４の開度が大きくなるに従って過給効果が失われるため排温上昇作用は減少する。なお、線ｂに示す排温上昇作用は、可変ノズル５の開度が最小開度であるときに最も高くなり、可変ノズル５の開度を大きくすると相対的に温度上昇が小さい特性となる。また大気圧が変化すると、線ｂの特性は、図の左右にシフトするような形となる。
【００３２】
線ｃは、線ａに示す排気バイパスによる排温上昇作用と線ｂに示す過給による排温上昇作用とを併せた排温上昇作用の特性を示している。この線ｃに示すように、ウェストゲートバルブ４を介した排気バイパスと可変ノズル５を利用した過給とを組み合わせることで、ウェストゲートバルブ４の開度が全閉に近いある中間開度にあるときに排温上昇が最大（Ｍａｘ２）となる。そして、この両者を組み合わせて得られる最大の排温上昇作用（Ｍａｘ２）は、排気バイパスのみによる排温上昇作用（Ｍａｘ１）よりも大となる。従って、より効果的な触媒暖機が可能である。
【００３３】
上記のような点を考慮して、上記実施例では、ステップ６において可変ノズル５の開度を最小開度とする。また、ステップ７におけるウェストゲートバルブ４の中間開度ＴＷＧＶとしては、図３で排温上昇作用が最大（Ｍａｘ２）となる開度に設定されることとなる。この最大（Ｍａｘ２）となる開度は前述したように大気圧による影響を受けるので、一定の基準値を大気圧によって補正することで中間開度ＴＷＧＶが与えられる。なお、必ずしも厳密に排温上昇作用が最大（Ｍａｘ２）となる開度である必要はなく、最大（Ｍａｘ２）となる開度の付近に中間開度ＴＷＧＶを設定すればよい。
【００３４】
図３は、上述した触媒暖機制御に基づく触媒暖機運転の動作の一例を示したタイムチャートである。この例では、冷間状態にある内燃機関１が時間ｔ１において始動され、触媒暖機運転が行われている。時間ｔ１以前の停止状態では、状態フラグは「０」であり、ウェストゲートバルブ４および可変ノズル５は、いずれも全開状態である。
【００３５】
時間ｔ１においてキースイッチがＯＮとなり、スタータモータによるクランキングが開始される。この段階では、始動を確保するためにウェストゲートバルブ４および可変ノズル５は全開のままである。
【００３６】
クランキングにより時間ｔ２において初爆から完爆に至ると、クランキングが終了するとともに、状態フラグが「１」となる。この状態フラグの変化により、可変ノズル５の開度が最小開度まで縮小するとともに、ウェストゲートバルブ４の開度が前述した中間開度ＴＷＧＶまで縮小する。また点火時期は、トルク確保のためにＭＢＴ点付近に維持される。回転速度は、冷間始動後の比較的に高いアイドル目標回転速度（例えば１３００ｒｐｍ）へ向かって上昇する。
【００３７】
時間ｔ３において回転速度がアイドル運転を持続可能な予め設定した回転速度（例えば、９００ｒｐｍ程度）に達すると、状態フラグは「１」から「２」に変化する。これに伴い、点火時期リタードが開始される。回転速度は、アイドル回転速度フィードバック制御により、目標とする冷間始動後の比較的高いアイドル目標回転速度に維持される。
【００３８】
このように、上記実施例では、冷間始動の際の触媒暖機運転要求時に可変ノズル５の開度を最小開度として過給を優先的に行いつつ排気バイパスと併せた排温上昇作用が最大となるようにウェストゲートバルブ４の開度を所定の中間開度とし、さらに点火時期リタードを行うことで、高い排気温度が得られる。これにより、触媒コンバータ８，９，１０とりわけ上流側触媒コンバータ８を早期に活性化させることができる。
【００３９】
なお、可変ノズル５を利用した過給を行わずにアイドル回転速度を高く設定しても排気流量が増加するが、このように単純にアイドル回転速度を高くする場合に比較して過給を利用する方法は下記の２点で有利である。
【００４０】
第１に、直接噴射式内燃機関にあっては、触媒暖機運転の際に成層燃焼もしくは弱成層燃焼を行いつつ点火時期リタードを実行することとなるが、回転速度が高いとピストンスピードが増加して筒内流動が強くなり、成層度が低下して燃焼安定性が低下する。そのため、点火時期リタードのリタード限界が早まり、点火時期リタードによる排温上昇が小さくなる。また成層度の低下によりエンジンアウトＨＣの増加の懸念も生じる。
【００４１】
第２に、過給により同じ回転速度の下でのトルクが大となるので、フリクションに打ち勝つための必要トルクに対する余裕トルクが増え、必要トルクを確保しつつ点火時期リタードすることが可能な限界がより遅角側となる。つまり、アイドル回転速度を単に高く設定する場合に比較して、より遅角側まで点火時期リタードが可能となり、それだけ排気温度の上昇が可能となる。
【符号の説明】
【００４２】
１…内燃機関
２…ターボチャージャ
４…ウェストゲートバルブ
５…可変ノズル
１２…エンジンコントローラ
【図１】
2019127849.tif 000003
【図２】
2019127849.tif 000004
【図３】
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【図４】
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