JP3926522B2

JP3926522B2 - 過給機付エンジンの吸気制御装置

Info

Publication number: JP3926522B2
Application number: JP26580299A
Authority: JP
Inventors: 憲一町田; 徹布施; 尚夫川崎
Original assignee: Hitachi Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-09-20
Filing date: 1999-09-20
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2019-09-20
Also published as: US6318083B1; JP2001082197A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ターボ過給機と電制スロットル弁とを備えたエンジンにおいて、過給圧の過渡応答性を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、開度を電子制御される電制スロットル弁を備えたエンジンの吸入空気量の制御装置として、例えば特開昭６２−１１０５３６号等に示されるようなものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このものでは、アクセル開度とエンジン回転速度等に基づいてエンジンの目標トルクを算出し、該目標トルクとエンジン回転速度とに基づいて目標吸入空気量を得るべく目標スロットル弁開度を算出してスロットル弁を制御している。
【０００４】
ところで、吸気を過給する過給機を備えたエンジンで前記スロットル弁の電子制御を行う場合、運転条件に応じて可変に制御される過給圧に対応させて目標吸入空気量に対する目標スロットル弁開度を調整することは可能であるが、それだけでは運転条件の変化に応じて過給圧が変化する過渡時には、過給圧変化の遅れにより、吸入空気量を速やかに変化させることができず、要求に応じた吸入空気量制御が行えない。特に、成層燃焼と均質燃焼とを運転条件に応じて切り換えて使用するようなエンジンでは、各燃焼に対して同一のトルクを発生する過給圧が異なるので、燃焼切換時にトルク段差を発生してしまう。
【０００５】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、スロットル弁開度を適切に制御することにより、過渡時の過給圧変化の遅れによる吸入空気量の遅れを抑制して要求に応じた吸入空気量制御が行えるようにした過給機付エンジンの吸気制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
開度を目標開度に電子制御される電制スロットル弁を備えると共に、該電制スロットル弁の上流に排気ターボ過給機を備えた過給機付エンジンの吸気制御装置において、
前記排気ターボ過給機の目標過給圧を設定する目標過給圧設定手段と、
スロットル弁上流の過給圧を検出する過給圧検出手段と、
過渡変化前の目標過給圧を初期値とし、実際の過給圧の変化率と同様の変化率で変化する推定過給圧を算出し、目標過給圧と該推定過給圧との相違に基づいて吸入空気量の遅れを無くす方向に目標吸入空気量を補正する目標吸入空気量補正手段と、
前記補正された目標吸入空気量に基づいて前記電制スロットル弁の目標開度を設定する目標開度設定手段と、
を含んで構成したことを特徴とする。
【０００７】
請求項１に係る発明によると、
目標過給圧と実際の過給圧との相違に応じて過給圧変化の遅れによる吸入空気量の遅れを無くす方向に目標吸入空気量が補正され、該補正された目標吸入空気量に対応して電制スロットル弁が補正制御されるため、過渡時に過給圧変化の遅れに対する吸入空気量の遅れが抑制されて、速やかに目標吸入空気量を得ることができ、応答性の良い加減速性能が得られる。
ここで、前記目標過給圧と実際の過給圧の偏差や比に基づいて目標吸入空気量を補正する方式では、高地走行時等で大気圧が低下したりすると、過給圧が平衡状態となっても目標過給圧と実際の過給圧との間に偏差（定常偏差）を生じる。該偏差に対しても前記目標吸入空気量の補正を行ってスロットル弁開度の補正を行ってしまうと、ドライバーによるスロットル弁の制御範囲が、狭められてしまい、操作性上好ましくない。
【０００８】
そこで、実際の過給圧の絶対値を用いず、変化率を用いて標準大気圧条件下での過渡時の過給圧変化を予測し、該予測した推定過給圧と目標過給圧との相違に基づいて目標吸入空気量を補正することにより、定常偏差を無くして該定常偏差に対するスロットル弁開度の補正を禁止して良好な運転操作性を確保できる。
また、請求項２に係る発明は、
前記目標吸入空気量補正手段は、目標過給圧と推定過給圧との偏差又は比に基づいて目標吸入空気量を補正することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明によると、
目標過給圧と推定過給圧との偏差又は比に基づいて、目標吸入空気量を吸入空気量の遅れを無くす方向に容易に補正することができる。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、
前記目標吸入空気量補正手段は、目標過給圧と推定過給圧との偏差が設定値以下となったときに目標吸入空気量の補正を停止することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明によると、
実過給圧は、定常状態であってもタービン脈動、吸気脈動等により、常にふらふらと変動しているので、前記目標吸入空気量の補正を行うと、常にスロットル弁を動かすこととなってしまい、電制スロットル弁の耐久劣化を更に悪化させてしまうことになってしまう。
【００１２】
そこで、偏差が設定値以下となったときに目標吸入空気量の補正を停止する。
【００１５】
また、請求項４に係る発明は、
前記目標吸入空気量補正手段は、目標過給圧と推定過給圧との偏差が設定値以下となったときに目標吸入空気量の補正を停止することを特徴とする。
前記請求項３の作用で説明したのと同様の理由により、電制スロットル弁の耐久劣化の悪化を防止するため、偏差が設定値以下となったときに目標吸入空気量の補正を停止する。
【００１６】
また、請求項５に係る発明は、
エンジンが運転条件に応じて均質燃焼と成層燃焼とに切り換えられることを特徴とする。
【００１７】
請求項５に係る発明によると、
均質燃焼と成層燃焼との切り換えに応じた過給圧変化が抑制され、以てトルクショックを抑制できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図２は、本発明の一実施形態のシステム構成を示す。
【００１９】
アクセル開度センサ１は、ドライバによって踏み込まれたアクセルペダルの操作量（アクセル開度)を検出する。
クランク角センサ２は、単位クランク角毎のポジション信号及び気筒行程位相差毎の基準信号を発生し、前記ポジション信号の単位時間当りの発生数を計測することにより、あるいは前記基準信号発生周期を計測することにより、エンジン回転速度を検出できる。
【００２０】
エアフローメータ３は、エンジン４への(単位時間当りの)吸入空気量を検出する。
水温センサ５は、エンジンの冷却水温度を検出する。
【００２１】
空燃比センサ６は、排気中の酸素成分等からエンジンに供給される混合気の空燃比を検出する。
エンジン４には、燃料噴射信号によって駆動し、燃料を直接燃焼室内に噴射供給する燃料噴射弁７、燃焼室に装着されて点火を行う点火栓８が設けられる。該燃焼室内への直接噴射方式により、成層燃焼によるリーン化が可能となり、空燃比（当量比) を広範囲に可変制御することができるが、水温や負荷条件その他に応じて均質燃焼に切り換えて運転される。
【００２２】
また、エンジン４の吸気通路９には、スロットル弁１０が介装され、該スロットル弁１０の開度をＤＣモータ等により電子制御するスロットル弁制御装置１１が備えられている。また、エンジン４の排気通路１２にタービン部１３Ａを介在させ、吸気通路９にコンプレッサ部１３Ｂを介在させた可変容量型の排気ターボ過給機１３が搭載されている。該過給機１３は、タービン部１３Ａのタービン入口面積を可変に絞る可動ベーンを備えており、該可動ベーンの絞り量をアクチュエータによって制御することにより、過給圧を増減制御できるようになっている。
【００２３】
また、前記過給機１３のコンプレッサ部１３Ｂ下流(スロットル弁１０より上流)の過給圧を検出する過給圧センサ１４が設けられる。
前記各種センサ類からの検出信号は、コントロールユニット１５へ入力され、該コントロールユニット１５は、前記センサ類からの信号に基づいて検出される運転状態に応じて前記スロットル弁制御装置１１を介してスロットル弁１０の開度を制御し、前記燃料噴射弁７を駆動して燃料噴射量(燃料供給量)を制御し、点火時期を設定して該点火時期で前記点火栓８を点火させる制御を行い、また、前記過給機１３の過給圧を制御する。
【００２４】
このような構成を有する過給機付エンジンのスロットル弁上流の圧力（過給圧）状態に応じたスロットル弁の開度制御を、図３に示したブロック図を参照して説明する。
【００２５】
まず、目標吸入空気量を以下のように算出する。
前記アクセル開度センサ１により検出されたアクセル開度ＡＰＯに対応するスロットル弁の開口面積ＡＡＰＯをマップからの検索等により算出する一方、アイドル回転速度制御（ＩＳＣ) により算出した空気量ＱＳＩＳＣとスロットル弁全閉時の漏れ空気量ｍＱＬＥＡＫとを加算した値に空気量／スロットル開口面積換算係数ｍＬＰＭＴＱＡＡＸを乗じてＩＳＣに対応するスロットル開口面積ＡＱＳＩＳＣを算出し、前記ＡＡＰＯとＡＱＳＩＳＣとを加算して目標スロットル開口面積ＴＴＡＡＰＯを算出する（次式参照)。
【００２６】
ＴＴＡＡＰＯ＝ＡＡＰＯ＋（ＱＳＩＳＣ＋ｍＱＬＥＡＫ)×ｍＬＰＭＴＱＡＡＸ
＝ＡＡＰＯ＋ＡＱＳＩＳＣ
前記目標スロットル開口面積ＴＴＡＡＰＯをエンジン回転速度ＮＥ，排気量（総シリンダ容積) ｍＶＯＬで順次除算して体積効率指標値ＴＧＡＤＮＶを算出し、該ＴＧＡＤＮＶに基づいて目標基本体積流量比ＴＱＨ０ＳＴを算出する。
【００２７】
ＴＧＡＤＮＶ＝ＴＴＡＡＰＯ／ＮＥ／ｍＶＯＬ
ＴＧＡＤＮＶ→ＴＧＨ０ＳＴ
該目標基本体積流量比ＴＱＨ０ＳＴは、スロットル弁全開時の吸入空気量に対する吸入空気量の比率として求められ、ＴＧＡＤＮＶが大きいときほど大きくなって１に近づく特性を有している。
【００２８】
前記目標基本体積流量比ＴＱＨ０ＳＴにスロットル弁全開時の基準当量比（理論空燃比相当値＝１) 相当の目標基本吸入空気量ＴＴＰＳＴを算出する。即ち、均質ストイキ燃焼（理論空燃比での均質燃焼) でのエンジン回転速度ＮＥと目標トルクとに応じた過給圧ＰＣＨＳを発生している状態でのスロットル弁全開時のシリンダ吸入空気量を、過給無しの標準大気圧Ｐａ（＝７６０［ｍｍＨｇ］) 状態でのスロットル弁全開時のシリンダ吸入空気量ＴＰ１００に、前記ストイキ時の過給圧ＰＣＨＳと大気圧Ｐａとの比（ＰＣＨＳ／Ｐａ) を乗算することによって算出し、該算出したシリンダ吸入空気量を、前記目標基本体積流量比ＴＱＨ０ＳＴに乗算することによって目標基本吸入空気量ＴＴＰＳＴを算出する（次式参照)。
【００２９】
ＴＴＰＳＴ＝ＴＱＨ０ＳＴ×ＴＰ１００×ＰＨＣＳ／Ｐａ
また、エンジン運転状態に基づいて目標当量比ＴＦＢＹＡ００を可変に制御するので、前記基準当量比に対応した目標基本吸入空気量ＴＴＰＳＴを目標当量比ＴＦＢＹＡ００で除算し、さらに、当量比によって変化する燃焼効率に基づいて設定された燃焼効率補正係数ＩＴＡＦを乗じることにより、目標当量比相当の目標吸入空気量ＴＴＰを算出する（次式参照) 。ここで、前記燃焼効率ＩＴＡＦは、当量比が小さいリーン燃焼時ほど燃焼効率が高く、燃料量が少なくて済むので、これに伴い空気量も減少させるように小さい値（＜１)となるように設定される。
【００３０】
ＴＴＰ＝ＴＴＰＳＴ／ＴＦＢＹＡ００×ＩＴＡＦ
このようにして設定された目標吸入空気量ＴＴＰに対し、アクセル開度に対応した目標過給圧で該目標吸入空気量ＴＴＰが得られるように目標スロットル弁開度ＴＤＴＶＯを算出し、かつ、アクセル開度の変化によって目標過給圧が変化する過渡時における過給圧変化の遅れに対しても、速やかに目標吸入空気量ＴＴＰ０が得られるような過渡補正を行う。
【００３１】
以下に、前記過渡補正の参考例を、図４に示したブロック図に基づいて説明する。まず、目標過給圧ＰＣＨに、時系列の加重平均演算を行って所望の加減速立ち上がり性能を得るための遅れ処理を施してｔＰＣとする（次式参照) 。
【００３２】
ｔＰＣ＝ＰＣＨ×τＰＣ
＋ｔＰＣ(old)×（１−τＰＣ)
ここで、目標過給圧ＰＣＨは、エンジン負荷に相当する前記目標基本体積流量比ＴＱＨ０ＳＴとエンジン回転速度ＮＥとに基づいてマップからの検索等により求めるが、均質ストイキ燃焼時（ＰＣＨＳ)、均質リーン燃焼時（ＰＣＨＬＨ)、成層リーン燃焼時（ＰＣＨＬＳ)とで別個に算出する。また、重み係数τＰＣも目標基本体積流量比ＴＱＨ０ＳＴとに基づいてマップからの検索等により求める。なお実際には、均質ストイキ燃焼時の目標過給圧（ＰＣＨＳ)の最新値と前回値との比を算出して記憶しておき、この比を用いて均質リーン燃焼時及び成層リーン燃焼時の各目標過給圧（ＰＣＨＬＨ，ＰＣＨＬＳ)の遅れ処理を行う。なお、フラグＦＴＦＭＣＨの値に基づいてこれら燃焼状態に応じた各遅れ処理値を選択する。
【００３３】
次に、上記のようにして得られた遅れ処理後の目標過給圧ｔＰＣを、過給圧センサ１４からの検出信号Ｐｃをノイズ処理して得られた実過給圧ＰＣaveで除算して、過給圧補正値η pを算出する。
【００３４】
また、前記目標過給圧ｔＰＣと前記実過給圧ＰＣaveとの偏差｜ｔＰＣ−ＰＣave｜を算出し、該偏差が所定値以下となった場合は、前記過給圧補正値ηp＝１として目標吸入空気量の過渡補正を停止させる。
【００３５】
図３に戻って上記過給圧補正値ηｐを前記目標吸入空気量ＴＴＰに乗じて過給圧補正仮想目標吸入空気量ＴＴＰＤを算出する。
ＴＴＰＤ＝ＴＴＰ×ηｐ
この過給圧補正仮想目標吸入空気量ＴＴＰＤを目標値としてスロットル弁開度を制御する。
【００３６】
即ち、前記過給圧補正仮想目標吸入空気量ＴＴＰＤを、大気圧相当でのスロットル弁全開時のシリンダ吸入空気量ＴＰ１００に、目標過給圧ＰＣＨと標準大気圧Ｐａとの比ＰＣＨ／Ｐａを乗じた値つまり該目標過給圧ＰＣＨでのスロットル弁全開時のシリンダ吸入空気量で除算することにより、該目標過給圧ＰＣＨ状態での体積流量比ＴＧＱＨ０を算出し、該体積流量比ＴＧＱＨ０に基づいてマップからの検索等により、体積効率相当値ＴＤＡＤＮＶを算出する。この値ＴＤＡＤＮＶにエンジン回転速度ＮＥ，排気量ｍＶＯＬを順次乗じて、目標スロットル弁開口面積ＴＡＡＩＲを算出し、該目標スロットル弁開口面積ＴＡＡＩＲを目標スロットル弁開度ＴＤＴＶＯに変換し、該目標スロットル弁開度ＴＤＴＶＯとなるようにスロットル弁の開度を制御する（次式参照)。
【００３７】
ＴＧＱＨ０＝ＴＴＰＤ×ＴＰ１００×ＰＣＨ／Ｐａ
ＴＧＱＨ０→ＴＤＡＤＮＶ
ＴＡＡＩＲ＝ＴＤＡＤＮＶ×ＮＥ×ｍＶＯＬ
ＴＡＡＩＲ→ＴＤＴＶＯ
このようにすれば、目標過給圧の変化に対する実際の過給圧の遅れ（いわゆるターボラグ) に対して、目標吸入空気量を目標過給圧と実際の過給圧との相違に応じた補正値で補正した仮想目標吸入空気量に対してスロットル弁開度を制御することにより、該遅れの影響を受けることなく、速やかに目標吸入空気量を得ることができ、応答遅れを防止できる。
【００３８】
この結果、加減速時に要求に応じたトルク応答が得られ、また、均質燃焼と成層燃焼との切り換え時のトルク変化を抑制できる。
また、目標過給圧ｔＰＣと実過給圧ＰＣaveとの偏差｜ｔＰＣ−ＰＣave｜が所定値以下になったときには、目標過給圧の補正を停止する構成としたため、定常状態であってもタービン脈動、吸気脈動等により、絶えず変動している過給圧に対して目標過給圧の補正を行って常にスロットル弁を動かすことを回避でき、以って電制スロットル弁の耐久劣化を防止することができる。
【００３９】
次に、本発明の実施形態について説明する。なお、ハードウエアについては図２に示した第１の実施形態と同様である。
前記目標過給圧と実際の過給圧の相違に基づいて目標吸入空気量を補正する方式では、高地走行時等で大気圧が低下したりすると、過給圧が平衡状態となっても目標過給圧と実際の過給圧との間に偏差（定常偏差）を生じる。
【００４０】
本実施形態では、大気圧の変化等による影響を無くした実過給圧の過渡遅れのみによる変化を推定し、該推定過給圧と目標過給圧との相違に基づいて目標吸入空気量を補正する。
【００４１】
前記推定過給圧の算出を、図５のブロック図に基づいて説明すると、過給圧センサ１４によって検出されノイズ処理された実過給圧ＰＣaveの最新値と前回値との比ＰＣgain＝ＰＣave_(new)／ＰＣave_(old)から推定過給圧ｃＰＣを次式により算出する。即ち、推定過給圧ｃＰＣは、実過給圧ＰＣaveと同様の変化率で変化すると仮定すると、
ＰＣave_(new)−ＰＣave_(old))／ＰＣave_(new)＝(ｃＰＣ_(new)−ｃＰＣ_(old))／ｃＰＣ_(new)
∴ｃＰＣ_(new)＝ｃＰＣ_(old)×ＰＣave_(new)／ＰＣave_(old)＝ｃＰＣ_(old)×ＰＣgain
ここで、推定過給圧ｃＰＣの初期値は目標過給圧ｔＰＣである。即ち、推定過給圧ｃＰＣは、過渡変化前の目標過給圧ｔＰＣを初期値として実過給圧と同様の変化率で変化する値として推定される過給圧である。
【００４２】
そして、参考例と同様にして算出された目標過給圧ｔＰＣを、前記推定過給圧ｃＰＣで除算することにより、過給圧補正値ηｐを算出する。以下、該過給圧補正値ηｐを用いて目標過給圧を補正しつつスロットル弁開度を補正して吸入空気量を補正することは，参考例と同様である。
【００４３】
本実施形態のように、実過給圧に代えて推定過給圧ｃＰＣと目標過給圧ｔＰＣとの相違に応じて過渡補正を行うと、大気圧の低下等があっても推定過給圧ｃＰＣと目標過給圧ｔＰＣとの定常偏差が無くなるため、該定常偏差に対する目標過給圧補正によるスロットル弁開度の補正が回避される。これにより、ドライバーによるスロットル弁の制御範囲が、狭められることがなく、良好な運転操作性を確保できる。
【００４４】
そこで、実際の過給圧の絶対値を用いず、変化率を用いて標準大気圧条件下での過渡時の過給圧変化を予測し、該予測した推定過給圧と目標過給圧との相違に基づいて目標吸入空気量を補正することにより、定常偏差を無くして該定常偏差に対するスロットル弁開度の補正を禁止して良好な運転操作性を得ることができる。
【００４５】
なお、本実施形態でもタービン脈動、吸気脈動等によるスロットル弁の頻繁な補正動作を回避して電制スロットル弁の耐久劣化を防止するためには、推定過給圧と目標過給圧との偏差を算出し、該偏差が所定値以下のときには目標吸入空気量の補正を禁止することが好ましい。
【００４６】
一方、参考例でも前記目標吸入空気量の補正を禁止するための偏差の所定値を、前記大気圧の低下による定常偏差に対応する程度に大きめに設定すれば、ドライバーにスロットル弁制御範囲が狭められることを防止できるが、偏差が該所定値の前後で補正禁止の有無によって段差が付くことがあるのに対し、本実施形態では、このような段差が付くことが無い。
【００４７】
なお、以上の実施の形態では、目標過給圧と実過給圧との比によって、過給圧補正値を算出する構成としたが、目標過給圧と実過給圧との偏差によって、過給圧補正値を算出する構成としてもよい。また、過給機として可変容量ターボ過給機を備えたものを示したが、ウエストゲートバルブによって過給圧を切り換える過給機を備えたものにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成・機能を示すブロック図。
【図２】本発明の実施形態のシステム構成を示す図。
【図３】同上実施形態の機能構成を示すブロック図。
【図４】過渡補正の参考例の機能構成を示すブロック図。
【図５】過渡補正の実施形態の機能構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１アクセル操作量センサ
２クランク角センサ
４エンジン
７燃料噴射弁
９吸気通路
１０スロットル弁
１１スロットル弁制御装置
１２排気通路
１３可変容量ターボ過給機
１４過給圧センサ
１５コントロールユニット

Claims

開度を目標開度に電子制御される電制スロットル弁を備えると共に、該電制スロットル弁の上流に排気ターボ過給機を備えた過給機付エンジンの吸気制御装置において、
前記排気ターボ過給機の目標過給圧を設定する目標過給圧設定手段と、
スロットル弁上流の過給圧を検出する過給圧検出手段と、
過渡変化前の目標過給圧を初期値とし、実際の過給圧の変化率と同様の変化率で変化する推定過給圧を算出し、目標過給圧と該推定過給圧との相違に基づいて吸入空気量の遅れを無くす方向に目標吸入空気量を補正する目標吸入空気量補正手段と、
前記補正された目標吸入空気量に基づいて前記電制スロットル弁の目標開度を設定する目標開度設定手段と、
を含んで構成したことを特徴とする過給機付エンジンの吸気制御装置。
前記目標吸入空気量補正手段は、目標過給圧と推定過給圧との偏差又は比に基づいて目標吸入空気量を補正することを特徴とする請求項１に記載の過給機付エンジンの吸気制御装置。
前記目標吸入空気量補正手段は、目標過給圧と推定過給圧との偏差が設定値以下となったときに目標吸入空気量の補正を停止することを特徴とする請求項２に記載の過給機付エンジンの吸気制御装置。
前記目標吸入空気量補正手段は、目標過給圧と推定過給圧との偏差が設定値以下となったときに目標吸入空気量の補正を停止することを特徴とする請求項２に記載の過給機付エンジンの吸気制御装置。
エンジンが運転条件に応じて均質燃焼と成層燃焼とに切り換えられることを特徴とする請求項1〜請求項４のいずれか１つに記載の過給機付エンジンの吸気制御装置。