JP5521707B2

JP5521707B2 - エンジンの過給装置

Info

Publication number: JP5521707B2
Application number: JP2010081480A
Authority: JP
Inventors: 匡宏名越; 雅之鐵野; 崇波多野
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP2011214454A

Description

本発明は、エンジンの過給装置に関するものである。

従来より、ターボ過給機を備えたエンジンとして、吸気通路にターボ過給機のコンプレッサを配設すると共に、該コンプレッサをバイパスするための吸気バイパス通路と、該吸気バイパス通路の開閉を行う吸気バイパス弁とを備えたエンジンが知られている。例えば、特許文献１に係るエンジンは、第１ターボ過給機と第２ターボ過給機とを備えている。吸気通路には、第１ターボ過給機の第１コンプレッサと、第２ターボ過給機の第２コンプレッサとが直列に配設されている。さらに、吸気通路には、第２コンプレッサをバイパスするための吸気バイパス通路が設けられている。この吸気バイパス通路には、吸気バイパス通路の開閉を行うための吸気バイパス弁が配設されている。そして、このエンジンの制御装置は、冷間始動時には、吸気温度を上昇させるために吸気バイパス弁を開いて吸気リサーキュレーションを行っている。詳しくは、吸気バイパス弁を開くことによって、第２コンプレッサにより過給された吸気が吸気バイパス通路を逆流して、再度、第２コンプレッサの上流側へ流入して、第２コンプレッサによる過給が繰り返される。こうして、吸気を昇温させ、着火性を向上させている。

また、特許文献１に係るエンジンにおいて、第１タービンのノズルは、可変ノズルとなっており、吸気リサーキュレーションを行う際には、ノズル通路断面積が絞られるように構成されている。こうすることによって、第１ターボ過給機の過給圧を向上させて、第１コンプレッサが取り込む吸気量を増加させている。これにより、エンジンに送り込む吸気量を確保して、エンジンが失火することを防止している。このとき、第１タービンのバイパス通路に設けられた排気バイパス弁を閉じることによって、排気が第１タービンをバイパスすることなく、第１タービンに流入するようにしている。

特開２００９−２６４３３５号公報

ところで、冷間始動時には、触媒の温度が低く、触媒が活性化していない。また、冷間始動時に限られず、アイドリングが長期に亘る場合にも排気温度が低下し、触媒が未活性な状態となってしまう場合がある。このように、触媒が未活性な状態では、エミッション性能が低下してしまうため、触媒を早期に活性化させる必要がある。

ここで、特許文献１に係る過給装置のように、吸気リサーキュレーションを行って吸気温度を上昇させる構成であれば、排気温度も上昇し、触媒を早期に活性化させることができるとも考えられる。しかしながら、触媒の早期の活性化という観点からは、特許文献１に係る吸気リサーキュレーションでは不十分であり、さらなる改良の必要がある。

ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、吸気温度を早期に上昇させると共に、触媒を早期に活性化させることにある。

ここに開示された技術は、エンジンの過給装置が対象である。そして、このエンジンの過給装置は、車両に搭載されたエンジンと、前記エンジンの排気通路に設けられた触媒と、前記エンジンの吸気通路においてスロットル弁よりも上流側に配設された第１コンプレッサ、及び前記排気通路において前記触媒の上流側に配設された第１タービンを有する第１ターボ過給機と、前記吸気通路の前記スロットル弁よりも上流側であって前記第１コンプレッサの下流側に直列に配設された第２コンプレッサ、及び前記排気通路において前記第１タービンの上流側に直列に配設された第２タービンとを有する第２ターボ過給機と、前記吸気通路に接続されて前記第２コンプレッサをバイパスする吸気バイパス通路と、前記吸気バイパス通路に配設された吸気バイパス弁と、前記排気通路に接続されて前記第１タービンをバイパスする排気バイパス通路と、前記排気バイパス通路に配設された排気バイパス弁と、前記スロットル弁、前記吸気バイパス弁及び前記排気バイパス弁を制御する過給制御手段とを備え、前記過給制御手段は、前記触媒が未活性状態のときに、前記吸気バイパス弁を開き且つ前記スロットル弁を少なくとも部分的に閉じて吸気リサーキュレーションを行わせると共に、前記排気バイパス弁を開くように制御し、前記吸気リサーキュレーション中に吸気温度が所定の上限温度以上となったときには、前記スロットル弁を開く方向に調整して該吸気リサーキュレーションを継続し、前記触媒が活性状態になると、前記吸気リサーキュレーションを終了するものとする。

前記の構成によれば、触媒が未活性状態のときには、第２コンプレッサの下流側の圧力が吸気バイパス通路内の圧力よりも高くなるため、第２コンプレッサにより過給された吸気が吸気バイパス通路を流通して、第２コンプレッサの上流側へ流入する。こうして、第２コンプレッサによって吸気リサーキュレーションが行われる。その結果、吸気温度が上昇する。このとき、排気通路においては、排気バイパス弁が開かれている。これにより、第２タービンの背圧が低下するため、第２タービンの仕事量が増加する。その結果、第２コンプレッサの回転力が増大し、吸気リサーキュレーションによる吸気昇温能力が向上する。それに加えて、排気バイパス弁を開くことによって、排気が第１タービンをバイパスして、触媒へ流入する。その結果、排気の熱量が第１タービンで放熱されることを防止することができ、排気が触媒に到達するまでの間の排気放熱を軽減することができる。これにより、触媒の温度を早期に上昇させることができる。

また、エンジンの各種部品は、それぞれ耐熱温度を有している。そのため、吸気温度が高くなりすぎると好ましくない。また、吸気の充填効率の観点からも、吸気温度が高くなりすぎることは好ましくない。そこで、前記の構成によれば、吸気温度が所定の温度以上となると、スロットル弁が開く方向に調整される。これにより、吸気リサーキュレーションの循環量が抑制され、吸気温度の上昇が抑制される。つまり、前記所定の温度を目的に応じて適宜設定することによって、吸気温度の上昇を設定された該所定の温度に応じて抑制することができる。

前記エンジンの過給装置によれば、排気バイパス弁を開くことによって、第２タービンの効率を向上させて、吸気温度を早期に上昇させることができる。それに加えて、第１タービンへの排気熱の放熱を防止することができるため、触媒を早期に活性化させることができる。

実施形態に係るターボ過給機付きエンジンの構成を示す概略図である。エンジンの過給装置の制御システムの構成を示すブロック図である。大型及び小型ターボ過給機の作動マップである。吸気リサーキュレーションにおける制御動作を示すフローチャートである。吸気リサーキュレーションにおける吸気バイパス弁及びスロットル弁の作動状態を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《発明の実施形態》
図１は、実施形態に係る過給装置を採用したエンジン１の概略構成を示す。このエンジン１は、車両に搭載されたディーゼルエンジンであって、複数の気筒１１ａ（１つのみ図示）が設けられたシリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯溜されたオイルパン１３とを有している。このエンジン１の各気筒１１ａ内には、ピストン１４が往復動可能にそれぞれ嵌挿されていて、このピストン１４の頂面には深皿形燃焼室１４ａを区画するキャビティが形成されている。このピストン１４は、コンロッド１４ｂを介してクランクシャフト１５と連結されている。シリンダブロック１１には、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１が配設されている。

前記シリンダヘッド１２には、各気筒１１ａ毎に吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されているとともに、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７の燃焼室１４ａ側の開口を開閉する吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ配設されている。これら吸排気弁２１，２２をそれぞれ駆動する動弁系において、排気弁側には、当該排気弁２２の作動状態を通常モードと特殊モードとに切り替える油圧作動式の可変機構（図示省略。以下、ＶＶＭ（Variable Valve Motion）と称する）が設けられている。このＶＶＭは、その詳細な図示は省略するが、カム山を１つ有する第１カムとカム山を２つ有する第２カムとの、カムプロファイルの異なる２種類のカム、及び、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁に伝達するロストモーション機構を含んで構成されており、第１カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２の作動状態が、排気行程中において一度だけ開弁される通常モードとなるのに対し、第２カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２の作動状態が、排気行程中において開弁すると共に、吸気行程中においても開弁するような、いわゆる排気の二度開きを行う特殊モードとなる。特殊モードは、内部ＥＧＲに係る制御の際に利用され得る。尚、こうした通常モードと特殊モードとの切り替えを可能にする上で、排気弁を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。

また、前記シリンダヘッド１２には、燃料を噴射するインジェクタ１８と、エンジン１の冷間時に吸入空気を暖めて燃料の着火性を高めるためのグロープラグ１９とが設けられている。前記インジェクタ１８は、その燃料噴射口が燃焼室１４ａの天井面から該燃焼室１４ａに臨むように配設されていて、圧縮行程上死点付近で燃焼室１４ａに燃料を直接噴射供給するようになっている。

前記エンジン１の一側面には、各気筒１１ａの吸気ポート１６に連通するように吸気通路３０が接続されている。一方、前記エンジン１の他側面には、各気筒１１ａの燃焼室１４ａからの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。これら吸気通路３０及び排気通路４０には、吸入空気の過給を行う大型ターボ過給機６１と小型ターボ過給機６２とが配設されている。

吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設されている。一方、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、各気筒１１ａ毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１１ａの吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。また、サージタンク３３には、燃焼室１４ａに供給される空気の圧力を検出する過給圧センサＳＷ２が配設されている。

吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とサージタンク３３との間には、上流側から順に、吸入空気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ３と、詳しくは後述する大型及び小型ターボ過給機６１，６２のコンプレッサ６１ａ，６２ａと、該コンプレッサ６１ａ，６２ａにより圧縮された空気の温度を検出する過給空気温度センサＳＷ４と、該コンプレッサ６１ａ，６２ａにより圧縮された空気を冷却するインタークーラ３５と、前記各気筒１１ａの燃焼室１４ａへの吸入空気量を調節するスロットル弁３６とが配設されている。このスロットル弁３６は、基本的には全開状態とされるが、エンジン１の停止時には、ショックが生じないように全閉状態とされる。

前記排気通路４０の上流側の部分は、各気筒１１ａ毎に分岐して排気ポート１７の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。

この排気通路４０における排気マニホールドよりも下流側には、上流側から順に、小型及び大型ターボ過給機６２，６１のタービン６２ｂ，６１ｂと、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置４１と、サイレンサ４２とが配設されている。

この排気浄化装置４１は、酸化触媒４１ａと、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、フィルタという）４１ｂとを有しており、上流側から、この順に並んでいる。酸化触媒４１ａ及びフィルタ４１ｂは１つのケース内に収容されている。前記酸化触媒４１ａは、白金又は白金にパラジウムを加えたもの等を担持した酸化触媒を有していて、排気ガス中のＣＯ及びＨＣが酸化されてＣＯ_２及びＨ_２Ｏが生成する反応を促すものである。この酸化触媒４１ａが触媒を構成する。また、前記フィルタ４１ｂは、エンジン１の排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を捕集するものである。尚、フィルタ４１ｂに酸化触媒をコーティングしてもよい。また、酸化触媒４１ａとフィルタ４１ｂの間には、酸化触媒４１ａを通過した排気ガスの温度を検出する排気温度センサＳＷ５が配設されている。

また、前記吸気通路３０における前記サージタンク３３とスロットル弁３６との間の部分（つまり小型ターボ過給機６２の小型コンプレッサ６２ａよりも下流側部分）と、前記排気通路４０における前記排気マニホールドと小型ターボ過給機６２の小型タービン６２ｂとの間の部分（つまり小型ターボ過給機６２の小型タービン６２ｂよりも上流側部分）とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するための排気ガス還流通路５０によって接続されている。この排気ガス還流通路５０は、ＥＧＲクーラ５２が配設された主通路５１と、主通路５１から分岐してＥＧＲクーラ５２をバイパスした後、再び主通路５１に合流するクーラバイパス通路５３とを有している。ＥＧＲクーラ５２は、流通する排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するものである。主通路５１には、主通路５１を流通する排気ガスの流量を調整するための排気ガス還流弁５１ａが配設されている。一方、クーラバイパス通路５３には、クーラバイパス通路５３を流通する排気ガスの流量を調整するためのクーラバイパス弁５３ａが配設されている。

さらに、エンジン１には、クランクシャフト１５の回転角を検出する２つのクランク角センサＳＷ６，ＳＷ７が設けられている。一方のクランク角センサＳＷ６から出力される検出信号に基づいてエンジン回転数（回転速度）が検出されると共に、両クランク角センサＳＷ６，ＳＷ７から出力される位相のずれた検出信号に基づいてクランク角位置が検出されるようになっている。また、エンジン１には、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ８と、車両のブレーキペダル（図示省略）の操作を検出するブレーキペダルセンサＳＷ９と、車両のクラッチペダル（図示省略）の操作を検出するクラッチペダルセンサＳＷ１０と、車両のシフトレバー（図示省略）の操作を検出するシフトレバーセンサＳＷ１１と、車両の速度を検出する車速センサＳＷ１２とが設けられている。

ここで、大型ターボ過給機６１及び小型ターボ過給機６２の構成について詳しく説明する。

大型ターボ過給機６１は、吸気通路３０に配設された大型コンプレッサ６１ａと、排気通路４０に配設された大型タービン６１ｂとを有している。大型コンプレッサ６１ａは、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とインタークーラ３５との間（詳しくは、吸気温度センサＳＷ３と過給空気温度センサＳＷ４との間）に配設されている。一方、大型タービン６１ｂは、排気通路４０における排気マニホールドと酸化触媒４１ａとの間に配設されている。この大型ターボ過給機６１が第１ターボ過給機を、大型コンプレッサ６１ａが第１コンプレッサを、大型タービン６１ｂが第１タービンを構成する。

小型ターボ過給機６２は、吸気通路３０に配設された小型コンプレッサ６２ａと、排気通路４０に配設された小型タービン６２ｂとを有している。小型コンプレッサ６２ａは、吸気通路３０における大型コンプレッサ６１ａの下流側に配設されている。一方、小型タービン６２ｂは、排気通路４０における大型タービン６１ｂの上流側に配設されている。この小型ターボ過給機６２が第２ターボ過給機を、小型コンプレッサ６２ａが第２コンプレッサを、小型タービン６２ｂが第２タービンを構成する。小型ターボ過給機６２は、相対的に小型のものであり、大型ターボ過給機６１は、相対的に大型のものである。すなわち、大型ターボ過給機６１の大型タービン６１ｂの方が小型ターボ過給機６２の小型タービン６２ｂよりもイナーシャが大きい。

すなわち、吸気通路３０においては、上流側から順に大型コンプレッサ６１ａと小型コンプレッサ６２ａとが直列に配設され、排気通路４０においては、上流側から順に小型タービン６２ｂと大型タービン６１ｂとが直列に配設されている。これら大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂが排気ガス流により回転し、これら大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂの回転により、該大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂとそれぞれ連結された前記大型及び小型コンプレッサ６１ａ，６２ａがそれぞれ作動する。尚、吸気通路３０における大型コンプレッサ６１ａと小型コンプレッサ６２ａとの間には、大型コンプレッサ６１ａで過給された吸気の圧力を検出する中間圧センサＳＷ１３が設けられている。

そして、吸気通路３０には、小型コンプレッサ６２ａをバイパスする吸気バイパス通路６３が接続されている。この吸気バイパス通路６３には、該吸気バイパス通路６３へ流れる空気量を調整するための吸気バイパス弁６３ａが配設されている。この吸気バイパス弁６３ａは、無通電時には全閉状態（ノーマルクローズ）となるように構成されている。これにより、吸気バイパス弁６３ａが故障したときに、吸気が吸気バイパス通路６３を介して吸気リサーキュレーションと同様に循環することにより小型コンプレッサ６２ａが過回転することを防止することができる。

一方、排気通路４０には、小型タービン６２ｂをバイパスする小型排気バイパス通路６４と、大型タービン６１ｂをバイパスする大型排気バイパス通路６５とが接続されている。小型排気バイパス通路６４には、該小型排気バイパス通路６４へ流れる排気量を調整するためのレギュレートバルブ６４ａが配設され、大型排気バイパス通路６５には、該大型排気バイパス通路６５へ流れる排気量を調整するためのウエストゲートバルブ６５ａが配設されている。レギュレートバルブ６４ａ及びウエストゲートバルブ６５ａは共に、無通電時には全開状態（ノーマルオープン）となるように構成されている。この大型排気バイパス通路６５が排気バイパス通路を、ウエストゲートバルブ６５ａが排気バイパス弁を構成する。

これら大型ターボ過給機６１と小型ターボ過給機６２は、それらが配設された吸気通路３０及び排気通路４０の部分も含めて、一体的にユニット化されて、過給機ユニット６０を構成している。この過給機ユニット６０は、エンジン１に取り付けられている。そして、過給機ユニット６０の吸気通路３０の出口は、インタークーラ３５の上流端と、ゴムホース３０ａを介して接続されている。つまり、インタークーラ３５は、車体に取り付けられており、エンジン１に取り付けられた過給機ユニット６０とは異なる振動が生じる。そこで、過給機ユニット６０とインタークーラ３５との異なる振動が互いに影響し合わないように、それぞれの振動をゴムホース３０ａで吸収するようにしている。同様の理由から、インタークーラ３５の下流端と、吸気通路３０のスロットル弁３６の上流部分とも、ゴムホース３０ｂを介して接続されている。

このように構成されたターボ過給機付きのエンジン１は、パワートレイン・コントロール・モジュール（以下、ＰＣＭという）１０によって制御される。ＰＣＭ１０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマクロプロセッサで構成されている。このＰＣＭ１０が過給制御手段を構成する。ＰＣＭ１０は、図２に示すように、前記センサＳＷ１〜ＳＷ１３の検出信号が入力され、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じてインジェクタ１８、動弁系のＶＶＭ、各種の弁のアクチュエータへ制御信号を出力する。また、ＰＣＭ１０は、エンジン１の始動時に、インジェクタ１８やスタータモータ（図示省略）へ制御信号を出力すると共に、必要に応じてグロープラグ１９へも制御信号を出力する。さらに、ＰＣＭ１０は、タイミングベルト等によりクランクシャフト１５に連結されたオルタネータ（図示省略）に内蔵されたレギュレータ回路に制御信号を出力することによって、車両の電気負荷及び車両バッテリの電圧等に対応した発電量の制御を実行する。

本実施形態では、ＰＣＭ１０は、燃費の低減やＣＯ_２の排出抑制等を目的として、所定の自動停止条件が成立したときにエンジン１を自動停止させると共に、その後、所定の再始動条件が成立したときにエンジン１を再始動させるように、いわゆるアイドルストップ制御を行う。

具体的には、ＰＣＭ１０は、自動停止条件が成立すると、インジェクタ１８による燃料の噴射を停止させる。例えば、ブレーキペダルセンサＳＷ９の検出信号に基づいて判定されるブレーキペダルの踏み込み操作が所定時間継続すると共に、車速センサＳＷ１２の検出信号に基づいて判定される車速が予め設定した微低速（例えば、時速２〜５ｋｍ）以下となって車両が実質、停止していることを、自動停止条件とすることができる。この自動停止の際には、スロットル弁の開閉制御及びオルタネータ制御を併せて行うことにより、エンジン１の再始動に適したピストン位置でエンジン１を停止させるようにする。

その後、再始動条件が成立すると、ＰＣＭ１０は、各気筒１１ａへの燃料供給を開始して、その燃焼によりエンジン１を短時間で再始動させる（いわゆる、燃焼始動）。本実施形態では、ＰＣＭ１０は、それと共に、スタータモータを駆動させることによって気筒内の圧力を高めている。また、例えば、車両バッテリの残容量が少なくなって充電が必要になったこと、空調装置のコンプレッサの作動が必要になったこと、又はアクセル開度センサＳＷ８若しくはクラッチペダルセンサＳＷ１０からの検出信号に基づいて乗員によるアクセル操作若しくはクラッチ操作が検出されたこと等を、再始動条件とすることができる。この内、車両バッテリの残容量が少なくなって充電が必要になったことや、空調装置のコンプレッサの作動が必要になったことは、発進要求を伴わない始動条件ということができ、逆に、アクセル操作若しくはクラッチ操作が検出されたことは、発進要求を伴う始動条件ということができる。

また、ＰＣＭ１０は、エンジンの運転状態において大型及び小型ターボ過給機６１，６２の動作を制御している。具体的には、ＰＣＭ１０は、吸気バイパス弁６３ａ、レギュレートバルブ６４ａ及びウエストゲートバルブ６５ａの各開度をエンジン１の運転状態に応じて設定した開度にそれぞれ制御する。

詳しくは、ＰＣＭ１０は、図３に示す、エンジン回転数とエンジン負荷とをパラメータとするマップにおける低負荷且つ低回転側の領域Ａ（エンジン負荷が所定負荷（エンジン回転数が大きいほど小さくなる）以下の領域）では、吸気バイパス弁６３ａ及びレギュレートバルブ６４ａを全開以外の開度とし、ウエストゲートバルブ６５ａを全閉状態とすることによって、大型及び小型ターボ過給機６１，６２の両方を作動させる。一方、高負荷且つ高回転側の領域Ｂ（エンジン負荷が前記所定負荷よりも大きい領域）では、小型ターボ過給機６２が排気抵抗になるため、吸気バイパス弁６３ａ及びレギュレートバルブ６４ａを全開状態とし、ウエストゲートバルブ６５ａを全閉状態に近い開度にすることによって、小型ターボ過給機６２をバイパスさせて大型ターボ過給機６１のみを作動させる。尚、ウエストゲートバルブ６５ａ、過回転を防止するために少し開き気味に設定している。

さらに、ＰＣＭ１０は、冷間始動時やアイドル運転が長期に継続した場合など、酸化触媒４１ａが未活性状態のときには、スロットル弁３６、吸気バイパス弁６３ａ、レギュレートバルブ６４ａ及びウエストゲートバルブ６５ａを制御することによって、吸気リサーキュレーションを行う。この吸気リサーキュレーションは、図３に示すマップにおける、領域Ａ中でも、負荷及び回転数が非常に低い軽負荷領域Ｃにおいて行われる。この領域Ｃは、アイドル運転領域、特に、冷間始動時におけるファストアイドル（fast idle）領域に相当する。具体的には、ＰＣＭ１０は、排気温度センサＳＷ５の検出信号に基づいて酸化触媒４１ａの温度を推定し、酸化触媒４１ａが未活性状態か否かを判定する。それと共に、ＰＣＭ１０は、アクセル開度センサＳＷ８とクランク角センサＳＷ６の検出信号に基づいてエンジン運転状態が軽負荷領域Ｃに入っているか否かを判定する。そして、ＰＣＭ１０は、酸化触媒４１ａが未活性状態で且つエンジン運転状態が軽負荷領域Ｃに入っているときには、吸気バイパス弁６３ａ及びウエストゲートバルブ６５ａを全開状態とし、レギュレートバルブ６４ａを全閉状態とし、さらに、スロットル弁３６を所定の開度まで絞る。排気通路４０においては、レギュレートバルブ６４ａが全閉状態にされているため、排気が小型タービン６２ｂに流入し、小型コンプレッサ６２ａを作動させる。吸気通路３０においては、小型コンプレッサ６２ａの作動により吸気が過給されるが、スロットル弁３６が絞られているのに対して、吸気バイパス弁６３ａが全開状態となっているため、吸気通路３０における小型コンプレッサ６２ａの下流側の圧力が吸気バイパス通路６３内の圧力よりも高くなる。そのため、小型コンプレッサ６２ａにより過給された吸気が吸気バイパス通路６３を逆流して、小型コンプレッサ６２ａの上流側へ流入する。この吸気は、再び、小型コンプレッサ６２ａにより過給される。こうして、小型コンプレッサ６２ａによって吸気リサーキュレーションが行われ、やがて、吸気の温度が上昇する。このとき、排気通路４０においては、ウエストゲートバルブ６５ａが開かれているため、小型タービン６２ｂの背圧が低下する。これにより、小型タービン６２ｂの効率が高まる。その結果、小型コンプレッサ６２ａの回転力を増大させ、吸気リサーキュレーションによる吸気昇温能力を向上させる。それに加えて、ウエストゲートバルブ６５ａが開かれているため、排気は大型タービン６１ｂをバイパスして、酸化触媒４１ａへ流入する。つまり、排気熱が大型タービン６１ｂで放熱されることなく、酸化触媒４１ａまで運搬されることになる。その結果、酸化触媒４１ａの温度が早期に上昇する。

尚、吸気リサーキュレーションの間は、排気ガス還流弁５１ａを閉じて、排気ガスの還流を行わないようにしている。これにより、不活性ガスが吸気側に乾留されて排気熱の上昇を妨げることを防止することができる。

以下に、ＰＣＭ１０による、スロットル弁３６、吸気バイパス弁６３ａ、レギュレートバルブ６４ａ及びウエストゲートバルブ６５ａの詳しい制御動作を、図４のフローチャート及び図５のタイミングチャートに基づいて説明する。

まず、ステップＳＴ１において、酸化触媒４１ａが未活性状態か否かを判定すると共に、エンジン１の運転状態が軽負荷領域Ｃに入っているか否かを判定する。具体的には、ＰＣＭ１０は、排気温度センサＳＷ５からの検出信号に基づいて、酸化触媒４１ａ下流の排気ガスの温度が所定値（例えば、２２０℃）以下か否かを判定する。この所定値は、酸化触媒４１ａが未活性状態であると推定される排気ガスの温度である。つまり、酸化触媒４１ａの直下流の排気ガス温度は、酸化触媒４１ａの温度と相関があり、この排気ガス温度から酸化触媒４１ａの温度を推定することができる。ＰＣＭ１０は、酸化触媒４１ａ下流の排気ガスの温度が所定値以下であるときには、酸化触媒４１ａが未活性状態であると判定する一方、酸化触媒４１ａ下流の排気ガスの温度が所定値よりも大きいときには、酸化触媒４１ａが活性状態にあると判定する。それに加えて、ＰＣＭ１０は、エンジン１の運転状態が軽負荷領域Ｃに入っているか否かを判定する。ＰＣＭ１０は、アクセル開度センサＳＷ８の検出信号からエンジン負荷を求めると共に、クランク角センサＳＷ６の検出信号からエンジン回転数を求める。そして、ＰＣＭ１０は、エンジン負荷が所定の負荷以下（例えば、アクセルペダルの踏み込みが無い場合）であって且つエンジン回転数が所定の回転数以下であるときには、エンジン１の運転状態が軽負荷領域Ｃにあると判定する一方、エンジン負荷が所定の負荷よりも大きいか又はエンジン回転数が所定の回転数よりも速いときには、エンジン１の運転状態が軽負荷領域Ｃ以外にあると判定する。この軽負荷領域Ｃにあると判定するための所定の負荷及び回転数は、例えば、ファストアイドル運転を含む、アイドル運転状態における負荷及び回転数の範囲に設定されている。

そして、酸化触媒４１ａが未活性状態であって且つエンジン１の運転状態が軽負荷領域Ｃであると判定されたときには、ステップＳＴ２へ進む一方、酸化触媒４１ａが未活性状態でないか又はエンジン１の運転状態が軽負荷領域Ｃ以外であると判定されたときにはステップＳＴ１を繰り返す。

ＰＣＭ１０は、ステップＳＴ２において、吸気リサーキュレーションを実行するためのバイパス実行フラグをＯＮにする（図５（Ａ）のＴ１参照）。バイパス実行フラグがＯＮに変更されると、ＰＣＭ１０は、吸気バイパス弁６３ａをＯＮ状態、即ち、全開状態にする。このとき、ＰＣＭ１０は、排気ガスの還流を停止すべく、排気ガス還流弁５１ａを全閉状態にする。

次に、ＰＣＭ１０は、ステップＳＴ３において、過給空気温度センサＳＷ４の出力信号に基づいて、過給後の吸気温度が所定の上限温度以上か否かを判定する。この上限温度は、本実施形態では、エンジン１、吸気通路３０及び排気通路４０の構成部品の耐熱温度に基づいて設定されている。さらに具体的には、ゴムホース３０ａの耐熱温度に基づいて設定される。このゴムホース３０ａは、大型及び小型コンプレッサ６１ａ，６２ａの直下流に位置するため、吸気系の中では最も高温の吸気に晒される部品である。そのため、吸気温度がゴムホース３０ａの耐熱温度を超えないように、上限温度をゴムホース３０ａの耐熱温度に基づいて設定している。上限温度は、ゴムホース３０ａの耐熱温度に余裕を持たせた、それよりも低い値に設定されている。尚、上限温度は、構成部品の耐熱温度以外の温度に基づいて設定されてもよい。例えば、所望の吸気の充填効率を実現するための吸気温度の上限値を上限温度として設定してもよい。そして、ＰＣＭ１０は、過給後の吸気温度が上限温度以上のときには、上限温度判定フラグをＯＮにする一方、過給後の吸気温度が上限温度未満のときには、上限温度判定フラグをＯＦＦにする。吸気リサーキュレーションを開始した直後は吸気温度が低いため、図５（Ｂ）のＴ１に示すように、通常、上限温度判定フラグはＯＦＦになる。

ＰＣＭ１０は、上限温度判定フラグがＯＦＦのときには、ステップＳＴ４において、スロットル弁３６を所定の絞り値まで絞る（図５（Ｃ）のＴ１参照）。この所定の絞り値は、少なくともエンジン１のアイドル運転を維持できる値である。この所定の絞り値は、固定値ではなく、環境条件又はエンジン運転状態に基づいて適宜に調整される値であってもよい。尚、図５では、スロットル弁３６を一気に所定の絞り値まで絞っているが、徐々に所定の絞り値まで絞るようにしてもよい。すると、吸気通路３０における小型コンプレッサ６２ａの下流側の圧力が吸気バイパス通路６３内の圧力よりも高くなる。その結果、過給された吸気が吸気バイパス通路６３を逆流し、再び、小型コンプレッサ６２ａに過給されるようになり、吸気リサーキュレーションが開始される。吸気リサーキュレーションが開始されると、図５（Ｄ）のＴ１に示すように、吸気温度が次第に上昇する。その後、ＰＣＭ１０は、ステップＳＴ６において、酸化触媒４１ａが活性化したか否かを判定する。この酸化触媒４１ａの活性化の判定は、ステップＳＴ１における酸化触媒４１ａの未活性状態の判定と同様にして行う。そして、酸化触媒４１ａが活性化していない場合には、ＰＣＭ１０は、ステップＳＴ３へ戻り、ステップＳＴ３以降のフローを繰り返す。つまり、吸気リサーキュレーションが継続される。

吸気リサーキュレーションが継続されると、吸気温度が上昇して前記上限温度以上となる場合がある（図５（Ｄ）のＴ２参照）。その場合には、ステップＳＴ３において、上限温度判定フラグがＯＮとなる（図５（Ｂ）のＴ２参照）。上限温度判定フラグがＯＮになると、ＰＣＭ１０は、ステップＳＴ５において、スロットル弁３６を徐々に開ける方向へ調整する（図５（Ｃ）のＴ２参照）。その後、ＰＣＭ１０は、ステップＳＴ６へ進み、前述の如く、酸化触媒４１ａが活性化したか否かを判定する。酸化触媒４１ａが活性化していない場合には、吸気リサーキュレーションはさらに継続される。

スロットル弁３６を開ける方向へ調整することによって、吸気リサーキュレーションにおける吸気の循環量が軽減すると、図５（Ｄ）のＴ２〜Ｔ３に示すように、吸気温度は次第に低下する。やがて、吸気温度は、上限温度未満になる（図５（Ｄ）のＴ３参照）。吸気温度が上限温度未満となると、ＰＣＭ１０は、ステップＳＴ３において、上限温度判定フラグをＯＦＦにする（図５（Ｂ）のＴ３参照）。上限温度判定フラグがＯＦＦになると、ＰＣＭ１０は、スロットル弁３６を前記所定の絞り値まで徐々に絞っていく（図５（Ｃ）のＴ３参照）。スロットル弁３６が絞られると、吸気温度は再び上昇し始める。それ以降は、ステップＳＴ３，ＳＴ４，ＳＴ６のフローか、又は、ステップＳＴ３，ＳＴ５，ＳＴ６のフローを繰り返す。こうして、吸気温度が上限温度以上になると、スロットル弁３６を開く方向へ調整する一方、吸気温度が上限温度未満になると、スロットル弁３６を所定の絞り値まで絞りながら、吸気リサーキュレーションを継続していく。尚、スロットル弁３６の開動作及び閉動作は、急激に行うのではなく、徐々に行う。これにより、制御が発散してしますことを防止している。

この吸気リサーキュレーションは、酸化触媒４１ａが活性化するまで続けられる。ＰＣＭ１０が、ステップＳＴ６において酸化触媒４１ａが活性化したと判定すると、ステップＳＴ７へ進み、バイパス実行フラグをＯＦＦにする（図５（Ａ）のＴ４参照）。バイパス実行フラグがＯＦＦになると、ＰＣＭ１０は、吸気バイパス弁６３ａを全閉状態にすると共に、スロットル弁３６を全開状態にする（図５（Ｃ）のＴ４参照）。図５では、スロットル弁３６を徐々に全開状態にしているが、一気に全開状態としてもよい。こうして、吸気リサーキュレーションが完了する。

本実施形態によれば、吸気リサーキュレーション中に、排気通路４０において、ウエストゲートバルブ６５ａを開くことによって、小型タービン６２ｂの背圧を低下させることができる。これにより、小型タービン６２ｂの仕事量が増加し、小型コンプレッサ６２ａの回転力を増大させることができる。その結果、吸気リサーキュレーションによる吸気昇温能力を向上させることができる。

それに加えて、ウエストゲートバルブ６５ａを開くことによって、排気を大型タービン６１ｂをバイパスさせて、酸化触媒４１ａへ流入させることができる。その結果、排気熱が大型タービン６１ｂで放熱されることを防止することができる。つまり、排気が酸化触媒４１ａに到達するまでの間の排気放熱を軽減することができる。これにより、酸化触媒４１ａの温度を早期に上昇させることができる。

また、吸気リサーキュレーション中に、吸気温度を監視し、吸気温度が所定の上限温度以上となったときにスロットル弁３６を開く方向に調整することによって、吸気リサーキュレーションにおける吸気の循環量を低減して、吸気温度の上昇幅を抑制することができる。つまり、吸気温度が上昇しすぎたときには、吸気温度の上昇を抑制することができる。この上限温度を適宜設定することによって、吸気温度が上昇しすぎて吸気の充填効率が低下することを防止したり、吸気温度がゴムホース３０ａ等の吸気系の構成部品の耐熱温度以上となることを防止したりすることができる。

《その他の実施形態》
本発明は、前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

例えば、以上の説明ではディーゼルエンジンについて説明したが、本実施形態をディーゼルエンジンだけでなく、ガソリンエンジンに適用してもよい。

前記実施形態では、酸化触媒４１ａの活性状態を、酸化触媒４１ａの直下流の排気温度に基づいて判定しているが、これに限られるものではない。例えば、冷間始動時には酸化触媒４１ａの温度が低いため、エンジン１の冷却水温度に基づいて冷間始動時か否か、ひいては、酸化触媒４１ａが活性状態にあるか否かを判定してもよい。また、エンジン１の停止直前の酸化触媒４１ａの直下の排気温度とエンジン１の停止後の経過時間に基づいて、酸化触媒４１ａの活性状態を判定してもよい。つまり、酸化触媒４１ａの活性状態を概ね推定できる方法であれば、任意の方法を採用することができる。

尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、ターボ過給機を備えたエンジンの制御装置について有用である。

１エンジン
１０ＰＣＭ（過給制御手段）
３０吸気通路
３６スロットル弁
４０排気通路
４１ａ酸化触媒（触媒）
６１大型ターボ過給機（第１ターボ過給機）
６１ａ大型コンプレッサ（第１コンプレッサ）
６１ｂ大型タービン（第１タービン）
６２小型ターボ過給機（第２ターボ過給機）
６２ａ小型コンプレッサ（第２コンプレッサ）
６２ｂ小型タービン（第２タービン）
６３吸気バイパス通路
６３ａ吸気バイパス弁
６５大型排気バイパス通路（排気バイパス通路）
６５ａウエストゲートバルブ（排気バイパス弁）

Claims

車両に搭載されたエンジンと、
前記エンジンの排気通路に設けられた触媒と、
前記エンジンの吸気通路においてスロットル弁よりも上流側に配設された第１コンプレッサ、及び前記排気通路において前記触媒の上流側に配設された第１タービンを有する第１ターボ過給機と、
前記吸気通路の前記スロットル弁よりも上流側であって前記第１コンプレッサの下流側に直列に配設された第２コンプレッサ、及び前記排気通路において前記第１タービンの上流側に直列に配設された第２タービンとを有する第２ターボ過給機と、
前記吸気通路に接続されて前記第２コンプレッサをバイパスする吸気バイパス通路と、
前記吸気バイパス通路に配設された吸気バイパス弁と、
前記排気通路に接続されて前記第１タービンをバイパスする排気バイパス通路と、
前記排気バイパス通路に配設された排気バイパス弁と、
前記スロットル弁、前記吸気バイパス弁及び前記排気バイパス弁を制御する過給制御手段とを備え、
前記過給制御手段は、
前記触媒が未活性状態のときに、前記吸気バイパス弁を開き且つ前記スロットル弁を少なくとも部分的に閉じて吸気リサーキュレーションを行わせると共に、前記排気バイパス弁を開くように制御し、
前記吸気リサーキュレーション中に吸気温度が所定の上限温度以上となったときには、前記スロットル弁を開く方向に調整して該吸気リサーキュレーションを継続し、
前記触媒が活性状態になると、前記吸気リサーキュレーションを終了することを特徴とするエンジンの過給装置。