JP4877200B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

特開２００７−１５４６８４号公報には、高圧段ターボ過給機と低圧段ターボ過給機とを直列に配置した、２段過給型の車両用エンジンが開示されている。一般的に、ターボ過給機で用いられるコンプレッサは、空気（体積）流量と圧力比とに応じて効率が変化する特性を有し、その特性はいわゆるコンプレッサマップとして表される。２段過給型エンジンでは、高圧段ターボ過給機のコンプレッサとして小流量で高効率な小容量型のものを使用し、低圧段ターボ過給機のコンプレッサとして大流量で高効率な大容量型のものを使用することによって、エンジンの排気エネルギをより一層有効に利用することが可能となる。すなわち、エンジンが低速低負荷で運転されているときは吸入空気量が少ないから、小流量で高効率な高圧段ターボ過給機を作動させ、低圧段ターボ過給機は実質的に作動を停止させる。一方、エンジンが高速高負荷の運転状態となると、エンジンの排気ガスが高圧段ターボ過給機の高圧段タービンをバイパスするようにして、大容量型の低圧段ターボ過給機のみを作動させ、エンジンの出力増大に見合う吸入空気量を確保する。このように、エンジンの回転数および負荷に応じて高圧段ターボ過給機と低圧段ターボ過給機とを切り替えて使用することにより、広い運転領域において高い過給圧を得ることができる。

特開２００７−１５４６８４号公報 特開２００５−８３２８５号公報 特開平１０−１７６５５８号公報 特開平１１−３２４７４６号公報

しかしながら、上記のような２段過給型エンジンでは、高圧段ターボ過給機から低圧段ターボ過給機へ切り替える際に過給圧（空気量）に段差が生じ易く、その過給圧段差によってトルク段差が発生し易い。トルク段差が発生すると、運転者に加速ショックあるいは加速もたつきが伝わり、ドライバビリティが悪化す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、過給機の切り替え時に空気量に段差が生ずることを抑制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、
過給機と、
内燃機関の動作点が低回転低負荷であるときには前記過給機を実質的に作動させない過給機非作動状態とし、前記動作点が高回転高負荷であるときには前記過給機を作動させる過給機作動状態とする過給機切替手段と、
前記過給機非作動状態のときに、吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を設けるとともに、排気圧力の脈動が谷となるタイミングを前記バルブオーバーラップ期間に一致させる充填効率向上制御を実行する充填効率向上手段と、
前記過給機非作動状態から前記過給機作動状態への切り替え前に、前記過給機による過給圧の立ち上がりの緩急を事前に予測する過給圧予測手段と、
前記過給圧の立ち上がりが緩やかであると予測された場合には、前記過給圧の立ち上がりが急であると予測された場合と比べ、前記充填効率向上制御による充填効率向上幅を小さくする充填効率向上幅制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、内燃機関の制御装置であって、
小過給機と、
前記小過給機より大容量の大過給機と、
内燃機関の動作点が低回転低負荷であるときには前記小過給機を主として作動させる小過給機作動状態とし、前記動作点が高回転高負荷であるときには前記大過給機を主として作動させる大過給機作動状態とする過給機切替手段と、
前記小過給機作動状態のときに、吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を設けるとともに、排気圧力の脈動が谷となるタイミングを前記バルブオーバーラップ期間に一致させる充填効率向上制御を実行する充填効率向上手段と、
前記小過給機作動状態から前記大過給機作動状態への切り替え前に、前記大過給機による過給圧の立ち上がりの緩急を事前に予測する過給圧予測手段と、
前記過給圧の立ち上がりが緩やかであると予測された場合には、前記過給圧の立ち上がりが急であると予測された場合と比べ、前記充填効率向上制御による充填効率向上幅を小さくする充填効率向上幅制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記大過給機は、排気ガスによって作動するタービンと、前記タービンの入口面積を可変とする可変ノズルとを有するターボ過給機であり、
前記過給圧予測手段は、前記可変ノズルの開度に基づいて前記過給圧の立ち上がりの緩急を予測することを特徴とする。

また、第４の発明は、第２または第３の発明において、
過給圧または前記大過給機の回転数を検出する検出手段を備え、
前記過給圧予測手段は、前記検出された過給圧または回転数に基づいて前記過給圧の立ち上がりの緩急を予測することを特徴とする。

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、
前記内燃機関の暖機度合いを検出する暖機度合い検出手段を備え、
前記過給圧予測手段は、前記暖機度合いに基づいて前記過給圧の立ち上がりの緩急を予測することを特徴とする。

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、
前記充填効率向上幅が大きい場合には、前記充填効率向上幅が小さい場合と比べ、前記過給機切替手段による切替点を高回転高負荷側とする切替点補正手段を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、過給機非作動状態から過給機作動状態への切り替え前に、過給機による過給圧の立ち上がり（上昇勾配）が緩やかであると事前に予測された場合には、充填効率向上制御による充填効率向上幅を小さくすることができる。このため、過給機作動状態へ切り替わるときに空気量（過給圧）が低下することを防止することができ、トルク段差の発生を確実に抑制することができる。また、過給機による過給圧の立ち上がりが急であると事前に予測された場合には、充填効率向上幅を大きくすることにより、切り替え時に空気量の上昇が一時的に停滞し、切り替え後に空気量が再度急上昇するようなことを防止することができる。このため、加速のもたつきやトルクショックを回避することができる。このようなことから、過給機作動状態へ切り替わった後の過給圧の立ち上がりが急な場合と緩やかな場合との何れの場合においても、良好な加速を行うことができる。

第２の発明によれば、小過給機作動状態から大過給機作動状態への切り替え前に、大過給機による過給圧の立ち上がり（上昇勾配）が緩やかであると事前に予測された場合には、充填効率向上制御による充填効率向上幅を小さくすることができる。このため、大過給機作動状態へ切り替わるときに空気量（過給圧）が低下することを防止することができ、トルク段差の発生を確実に抑制することができる。また、大過給機による過給圧の立ち上がりが急であると事前に予測された場合には、充填効率向上幅を大きくすることにより、切り替え時に空気量の上昇が一時的に停滞し、切り替え後に空気量が再度急上昇するようなことを防止することができる。このため、加速のもたつきやトルクショックを回避することができる。このようなことから、大過給機作動状態へ切り替わった後の過給圧の立ち上がりが急な場合と緩やかな場合との何れの場合においても、良好な加速を行うことができる。

第３の発明によれば、大過給機（ターボ過給機）の可変ノズルの開度に基づいて、大過給機による過給圧の立ち上がりの緩急を精度良く予測することができる。

第４の発明によれば、過給圧または大過給機の回転数を検出することにより、大過給機の過給圧の立ち上がりの緩急を精度良く予測することができる。

第５の発明によれば、内燃機関の暖機度合い基づいて、大過給機の過給圧の立ち上がりの緩急を精度良く予測することができる。

第６の発明によれば、充填効率向上幅が大きい場合には、充填効率向上幅が小さい場合と比べ、過給機切替点を高回転高負荷側とすることにより、充填効率向上幅に応じた適切な過給機切替点を設定することができる。このため、過給機切替時に空気量段差が発生することをより確実に抑制することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、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。図１に示すシステムは、４サイクルのディーゼル機関１０を備えている。ディーゼル機関１０は、車両に搭載され、その動力源とされているものとする。ディーゼル機関１０の各気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド１２によって集合され、排気通路１４に流入する。なお、本実施形態のディーゼル機関１０は、直列４気筒型であるが、本発明におけるディーゼル機関の気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。

本実施形態のディーゼル機関１０は、小ターボ過給機１６と、この小ターボ過給機１６より大容量の（高流量に適した）大ターボ過給機１８とを備えている。後述するように、ディーゼル機関１０では、動作点が比較的低回転低負荷側である場合には小ターボ過給機１６が使用され、動作点が比較的高回転高負荷側である場合には大ターボ過給機１８が使用される。

大ターボ過給機１８のタービン１８ａは、小ターボ過給機１６のタービン１６ａの下流側に配置されている。すなわち、排気マニホールド１２の直下の排気通路１４は、小ターボ過給機１６のタービン１６ａの入口に接続されている。そして、小ターボ過給機１６のタービン１６ａの出口から延びる排気通路１７は、大ターボ過給機１８のタービン１８ａの入口に接続されている。

小ターボ過給機１６のタービン１６ａの上流側の排気通路１４と下流側の排気通路１７とは、小タービンバイパス通路２０によって接続されている。小タービンバイパス通路２０の途中には、この通路を開閉する開閉弁２２が設置されている。

大ターボ過給機１８は、タービン１８ａの入口面積を可変とする可変ノズル１８ｃを備えている。この可変ノズル１８ｃは、アクチュエータ２４により駆動されて開閉する。可変ノズル１８ｃを閉じると、タービン１８ａに流入する排気ガスの流速が速くなり、大ターボ過給機１８の回転数を上昇させることができる。また、大ターボ過給機１８には、大ターボ過給機１８の回転数を検出する大ターボ回転数センサ２５が設置されている。

大ターボ過給機１８のタービン１８ａの下流側の排気通路２６の途中には、排気ガス中の粒子状物質（以下、「ＰＭ(Particulate Matter)」で代表する）を捕捉するための排気フィルタ２８が設けられている。図示を省略するが、排気フィルタ２８の上流側または下流側に排気浄化触媒が設置されていてもよい。また、排気フィルタ２８に触媒成分が担持されていてもよい。

ディーゼル機関１０の吸気通路３２の入口付近には、エアクリーナ３４が設けられている。吸気通路３２は、エアクリーナ３４の下流側で、第１通路３２ａと第２通路３２ｂとに分岐している。第１通路３２ａの途中には小ターボ過給機１６のコンプレッサ１６ｂが配置されており、第２通路３２ｂの途中には大ターボ過給機１８のコンプレッサ１８ｂが配置されている。両コンプレッサ１６ｂ，１８ｂの下流側で、第１通路３２ａおよび第２通路３２ｂは再度合流し、インタークーラ３６へと接続されている。インタークーラ３６の下流側の吸気通路３２は、吸気マニホールド３８に接続されている。インタークーラ３６の下流側の吸気通路３２には、過給圧を検出する過給圧センサ３９が設置されている。

エアクリーナ３４を通って吸入された空気は、小ターボ過給機１６のコンプレッサ１６ｂあるいは大ターボ過給機１８のコンプレッサ１８ｂで圧縮された後、インタークーラ３６で冷却され、吸気マニホールド３８を経て各気筒に流入する。

また、本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を更に備えている。ＥＣＵ５０には、上述した大ターボ回転数センサ２５および過給圧センサ３９のほか、ディーゼル機関１０が搭載された車両のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセルポジションセンサ４０、ディーゼル機関１０の冷却水温を検出する水温センサ４１等の各種センサ、並びに、上述した開閉弁２２やアクチュエータ２４その他の各種アクチュエータが電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、各センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを作動させることにより、ディーゼル機関１０の運転状態を制御する。

図２は、図１に示すシステムにおけるディーゼル機関１０の一つの気筒の断面を示す図である。以下、本実施形態のディーゼル機関１０について更に説明する。ディーゼル機関１０の気筒には、燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ４２が設置されている。各気筒のインジェクタ４２は、図示しないコモンレールに接続されている。そのコモンレール内には、図示しないサプライポンプによって加圧された高圧の燃料が貯留されている。そして、上記コモンレール内から、各気筒のインジェクタ４２へ燃料が供給される。

ディーゼル機関１０のクランク軸４４の近傍には、クランク軸４４の回転角度を検出するクランク角センサ４６が取り付けられている。ＥＣＵ５０は、クランク角センサ４６の信号に基づいて機関回転数を算出することができる。

また、ディーゼル機関１０は、排気弁５６のバルブタイミングを可変とする排気ＶＶＴ機構（排気可変動弁装置）５８を備えている。本実施形態の排気ＶＶＴ機構５８は、排気弁５６を駆動するカムシャフトの位相を変化させることにより、排気弁５６の開弁期間の位相を早くしたり遅くしたりすることができる。すなわち、排気ＶＶＴ機構５８によれば、開弁期間一定のままで排気弁開き時期（Exhaust Valve Open：ＥＶＯ）および排気弁閉じ時期（Exhaust Valve Close：ＥＶＣ）を連続的に進角したり遅角したりすることができる。この排気ＶＶＴ機構５８は、ＥＣＵ５０に接続されている。

なお、本発明における排気可変動弁装置は、排気ＶＶＴ機構５８に限定されるものではない。すなわち、本発明における排気可変動弁装置は、排気弁５６の少なくとも開き時期を連続的または段階的に変化させることのできるものであれば、いかなる構成のものでもよく、例えば次に例示するようなものを用いることもできる。
（１）排気弁５６とカムシャフトとの間に揺動カムなどを介在させることにより、排気弁５６の開き時期を作用角（開弁期間）とともに変化させる作用角可変機構。
（２）排気弁５６を開くためのカムを電気モータによって回転駆動することにより、排気弁５６を任意の時期に開閉可能とする機構。
（３）排気弁５６を電磁力によって駆動することにより任意の時期に開閉可能とする機構（電磁駆動弁）。

また、図２の構成では、ディーゼル機関１０は、吸気弁５２のバルブタイミングを可変とする吸気ＶＶＴ機構（吸気可変動弁装置）５４を更に備えているが、本発明では、吸気弁５２の開弁特性は固定とされていてもよい。すなわち、本発明では、吸気ＶＶＴ機構５４を設けず、通常の動弁機構により吸気弁５２を駆動してもよい。

［実施の形態１の特徴］
（過給機切替制御）
周知のように、ターボ過給機は、内燃機関の排気エネルギによって駆動される。排気エネルギは、排気ガスの量、温度および圧力によって決定される値であり、高回転高負荷側ほど増大する。このため、ターボ過給機付き内燃機関では、一般に、排気エネルギの小さい低回転低負荷側の運転領域においてタービンが有効に作動しないため、トルク不足、燃費悪化、応答性悪化（いわゆるターボラグ）等を生じ易いという課題がある。

これに対し、本実施形態のディーゼル機関１０では、排気エネルギの小さい低回転低負荷側の運転領域では主として小ターボ過給機１６を作動させ、排気エネルギの大きい高回転高負荷側の運転領域では主として大ターボ過給機１８を作動させることにより、広い運転領域において高い過給圧を得ることができる。

すなわち、小ターボ過給機１６は、大ターボ過給機１８に比して小容量とされているため、小さい排気エネルギでも有効に作動する。このため、小ターボ過給機１６は、低排気エネルギ側（低回転低負荷側）の領域では、大ターボ過給機１８に比して高い過給圧を発生させる。これに対し、高排気エネルギ側の領域では、小ターボ過給機１６では、容量が足りなくなり、過給圧は頭打ちとなる。その一方で、大ターボ過給機１８は、大流量に対応可能であるので、高排気エネルギ側の領域において小ターボ過給機１６より高い過給圧が得られる。よって、低排気エネルギ側の領域では小ターボ過給機１６を作動させ、高排気エネルギ側の領域では大ターボ過給機１８を作動させることにより、幅広い領域において過給を良好に行うことができ、トルク、燃費、応答性等の特性を十分に改善することができる。

以下の説明では、小ターボ過給機１６を主として作動させる状態を「小ターボ作動状態」と称し、大ターボ過給機１８を主として作動させる状態を「大ターボ作動状態」と称する。ＥＣＵ５０には、小ターボ作動状態にすべき運転領域と、大ターボ作動状態にすべき運転領域とを予め定めたマップが記憶されている。そして、ＥＣＵ５０は、クランク角センサ４６およびアクセルポジションセンサ４０の検出信号からディーゼル機関１０の回転数および負荷を算出し、上記マップに従って、小ターボ作動状態と大ターボ作動状態とを切り替える過給機切替制御を実行する。

小ターボ作動状態においては、小タービンバイパス通路２０に設けられた開閉弁２２を閉状態とする。この状態では、排気マニホールド１２からの排気ガスは、小ターボ過給機１６のタービン１６ａに流入し、このタービン１６ａを作動させる。そして、タービン１６ａを出た排気ガスは、大ターボ過給機１８のタービン１８ａに流入する。この排気ガスは、小ターボ過給機１６のタービン１６ａによって既にエネルギが回収されているので、エネルギが小さい。このため、大ターボ過給機１８は有効に作動せず、小ターボ過給機１６が主として作動することとなる。

一方、大ターボ作動状態においては、小タービンバイパス通路２０に設けられた開閉弁２２を開状態とする。この状態では、開閉弁２２が開いているため、排気マニホールド１２から流入した排気ガスの流路は、小ターボ過給機１６のタービン１６ａと、小タービンバイパス通路２０とに分かれている。しかしながら、排気マニホールド１２からの排気ガスのほとんどは、通気抵抗の小さい小タービンバイパス通路２０に流入する。このため、小ターボ過給機１６のタービン１６ａは実質的に作動しない。小タービンバイパス通路２０を通過して排気通路１７に流入した排気ガスは、次に、大ターボ過給機１８のタービン１８ａに流入し、このタービン１８ａを作動させる。このようにして、大ターボ作動状態においては、大ターボ過給機１８が主として作動する。

（充填効率向上制御）
また、本実施形態のシステムは、排気弁５６の開弁期間と吸気弁５２の開弁期間とが重なったバルブオーバーラップ期間（吸排気上死点付近）における掃気効果を利用することによってディーゼル機関１０の充填効率η_vを向上させる充填効率向上制御を実行可能になっている。図３は、充填効率向上制御を説明するための図である。

排気圧力（排気マニホールド圧力）は、各気筒の排気弁５６から排気ガスが間欠的に排出されるのに伴って、脈動（変動）する。図３中の破線の波形は、排気弁開き時期がベースの時期となるように排気ＶＶＴ機構５８が制御されている場合における排気圧力の脈動を示す。この波形に示すように、排気弁開き時期がベースの時期となるように制御されている場合には、排気圧力の脈動の谷のタイミングは、吸気弁５２の開き時期（Intake Valve Open：ＩＶＯ）よりも前の時期になっている。

これに対し、図３中の実線の波形は、排気弁開き時期がベースの時期よりも遅い時期となるように排気ＶＶＴ機構５８が制御されている場合における排気圧力の脈動を示す。排気弁開き時期を遅くするほど、排気ガスが排気ポートへ放出されるタイミングが遅くなるので、排気圧力の波形（位相）は、図３中で右側にシフトする。よって、排気弁開き時期を遅らせる量を適度に設定することにより、図３に示すように、排気圧力の脈動の谷のタイミングをバルブオーバーラップ期間に一致させることができる。充填効率向上制御においては、上記のように、排気弁開き時期をベースより遅くすることにより、排気圧力の脈動の谷のタイミングがバルブオーバーラップ期間に一致するように制御される。

一方、図３中の一点鎖線は、吸気圧力（吸気マニホールド圧力）を示している。図３に示すように、吸気圧力はクランク角によらずほぼ一定である。このため、充填効率向上制御の実行によって排気圧力の脈動の谷のタイミングをバルブオーバーラップ期間に一致させると、バルブオーバーラップ期間において吸気圧力を排気圧力より高くすることができる。このため、吸気弁５２が開いたとき、吸気弁５２から筒内に流入する新気によって筒内の既燃ガスを速やかに排気ポートへ追い出すことができる。このようにして、高い掃気効果が得られ、筒内の既燃ガスを円滑かつ確実に新気に置換することができる。その結果、残留ガスを十分に低減することができ、その分、筒内に充填される新気の量を増やすことができる。つまり、充填効率η_vを増大させることができ、ディーゼル機関１０のトルクを増大することができる。

上述したような充填効率向上制御においては、バルブオーバーラップ期間における吸気圧力と排気圧力との差圧が大きいほど、掃気効果が大きく発揮されるので、充填効率の向上幅（つまり空気量増大幅）も大きくなる。そして、バルブオーバーラップ期間における吸気圧力と排気圧力との差圧は、排気弁開き時期のベース時期に対する遅角量によって調整することができる。よって、充填効率向上制御においては、排気弁開き時期の遅角量を制御することによって、充填効率の向上幅（空気量増大幅）を大きくしたり、小さくしたりすることができる。

また、本実施形態のシステムでは、小ターボ作動状態では、上記充填効率向上制御の効果を十分に得ることができる。これに対し、大ターボ作動状態では、上記充填効率向上制御の効果を十分に得ることができない。その理由は次の通りである。

排気圧力の脈動は、排気マニホールド１２およびこれに連通する空間の容積（これらを合わせて以下「排気系容積」と称する）が小さいほど、強くなる（振幅が小さくなる）。これは、排気系容積が小さいほど、排気弁５６から排気ガスが排出されたときに排気マニホールド圧力がより高く上昇し、その反作用として排気行程後期の排気マニホールド圧力がより低くなるからである。逆に、排気系容積が大きいほど、排気圧力の脈動は、弱くなる（振幅が小さくなる）。

小ターボ作動状態では、開閉弁２０が閉じられるので、小タービンバイパス通路２０には排気ガスが流れない。そして、排気の圧力波は、小ターボ過給機１６のタービン１６ａの入口で反射する。このため、小ターボ過給機１６のタービン１６ａの入口までが排気系容積となるので、排気系容積は小さくなる。よって、排気圧力の脈動の振幅が大きくなり、脈動の谷での排気圧力は十分に低くなる。このため、バルブオーバーラップ期間において吸気圧力と排気圧力との差圧を十分に大きくすることができるので、掃気効果が十分に発揮され、充填効率およびトルクを十分に向上することができる。

一方、大ターボ作動状態では、開閉弁２０が開かれるので、小タービンバイパス通路２０を介して排気通路１７が排気マニホールド１２と連通する。この場合、排気の圧力波は、大ターボ過給機１８のタービン１８ａの入口で反射する。このため、大ターボ過給機１８のタービン１８ａの入口までが排気系容積となる。よって、小タービンバイパス通路２０や排気通路１７が排気系容積に加わることとなり、排気系容積が拡大する。その結果、排気圧力の脈動の振幅が小さくなり、脈動の谷での排気圧力が低くならず、バルブオーバーラップ期間において吸気圧力と排気圧力との差圧を十分に大きくすることができない。このため、掃気効果が十分に発揮されず、充填効率およびトルクを十分に向上することができない。

本実施形態のような２段過給システムにおいては、ディーゼル機関１０の運転状態によって、小ターボ作動状態から大ターボ作動状態への切り替え後における大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がり（上昇勾配）が異なることがある。すなわち、大ターボ作動状態へ切り替わる前に大ターボ過給機１８の回転数が事前に十分に上昇している場合には、切り替え後に大ターボ過給機１８の過給圧が速やかに立ち上がる。これに対し、大ターボ作動状態へ切り替わる前の大ターボ過給機１８の回転数の上昇が不十分である場合には、切り替え後の大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが緩やかとなる。

本実施形態では、大ターボ回転数センサ２５によって大ターボ過給機１８の回転数を検出することにより、切り替え前の大ターボ過給機１８の回転数が十分に上昇しているか否かを判断し、その判断結果に基づいて、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりの緩急を予測することができる。

また、本実施形態では、上記の方法のほか、例えば、以下の何れかの条件に該当する場合には、小ターボ作動状態から大ターボ作動状態へ切り替わる際に大ターボ過給機１８の回転数が事前に十分に上昇しており、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが急になると予測することができる。

（１）切り替え前に大ターボ過給機１８の可変ノズル１８ｃの開度が小さくされていた場合。可変ノズル１８ｃの開度が小さくされていた場合には、タービン１８ａに吹き付けられる排気ガスの流速が速いので、切り替え前の大ターボ過給機１８の回転数が十分に上昇していると予測することができる。
（２）ディーゼル機関１０が十分に暖機されている場合。この場合には、排気ガスや排気系の温度が十分に高くなるので、大ターボ過給機１８に流入する排気エネルギも大きくなる。このため、切り替え前の大ターボ過給機１８の回転数が十分に上昇していると予測することができる。なお、ディーゼル機関１０の暖機度合いは、水温センサ４１によって検出される冷却水温によって判断することができる。
（３）再加速の場合。すなわち、直前に行われた加速に続き、短時間のアクセルオフを挟んで再び加速を行う場合。再加速の場合には、直前の加速において上昇した大ターボ過給機１８の回転数が未だ落ちておらず、十分高い回転数にあると予測することができる。
（４）目標過給圧と、過給圧センサ３９で検出される実過給圧との偏差が小さい場合。この場合には、排気エネルギが十分大きい状況にあり、切り替え前の大ターボ過給機１８の回転数が十分に上昇していると予測することができる。

一方、上記と反対の条件に該当する場合には、切り替え前に大ターボ過給機１８の回転数が十分に上昇しておらず、切り替え後、大ターボ過給機１８による過給圧の立ち上がりが緩やかになると予測することができる。

（大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが急である場合）
図４は、大ターボ過給機１８による過給圧の立ち上がりが急（速やか）である場合における、小ターボ過給機１６および大ターボ過給機１８の各々の空気量特性（過給特性）を示す図である。なお、図４および後述する図５の縦軸は、空気量（吸入空気量）を表しているが、過給圧が高いほど空気量も多くなる。このため、図４および図５の縦軸を過給圧とした場合であっても、グラフの傾向は同様となる。

図４中、実線は、充填効率向上制御を実行しない場合の小ターボ過給機１６による空気量特性を示し、破線は、充填効率向上制御（充填効率向上幅が大）を実行した場合の小ターボ過給機１６による空気量特性を示し、一点鎖線は、大ターボ過給機１８による空気量特性を示す。なお、前述した理由から、大ターボ過給機１８による空気量特性には、充填効率向上制御の有無は無関係となる。

過給機切替制御において、小ターボ過給機１６と大ターボ過給機１８とを切り替える最適なポイントは、両者の空気量特性が逆転するポイントである。従って、充填効率向上制御なしの場合には、図４中の点Ａにおいて小ターボ作動状態から大ターボ作動状態へ切り替えることとなる。しかしながら、この場合には、図４から分かるように、切替点Ａの付近において空気量の上昇勾配が一時停滞してしまう。つまり、切替点Ａの前において小ターボ過給機１６による空気量（過給圧）の上昇が一旦鈍くなり、切替点Ａにおいて大ターボ過給機１８に切り替わった後、空気量（過給圧）再び急上昇する。このため、切替点Ａの付近において、トルク段差や加速もたつきが生ずる。

そこで、本実施形態では、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが急であると予測される場合には、大ターボ過給機１８への切り替え前に、充填効率向上制御を大きな充填効率向上幅で実行することとした。充填効率向上制御を大きな充填効率向上幅で実行した場合には、図４中の破線で示すように、小ターボ過給機１６による空気量を大幅に増大することができる。この場合、図４中の点Ｂにおいて小ターボ作動状態から大ターボ作動状態へ切り替えることとなる。このようにした場合、図４から分かるように、上述した切替点Ａの付近における空気量の上昇勾配の一時的な停滞をなくすことができる。よって、小ターボ過給機１６から大ターボ過給機１８へ切り替わる際、トルク段差や加速もたつきが発生することを確実に抑制することができ、良好な加速を行うことができる。

（大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが緩やかである場合）
図５は、大ターボ過給機１８による過給圧の立ち上がりが緩やかである場合における、小ターボ過給機１６および大ターボ過給機１８の各々の空気量特性を示す図である。図５中、実線は、充填効率向上制御を実行しない場合の小ターボ過給機１６による空気量特性を示し、破線は、充填効率向上制御（充填効率向上幅小）を実行した場合の小ターボ過給機１６による空気量特性を示し、一点鎖線は、大ターボ過給機１８による空気量特性を示す。

図５中の点Ａは、図４の点Ａと同様に、充填効率向上制御を実行しない場合における小ターボ過給機１６と大ターボ過給機１８との最適な切替点である。大ターボ過給機１８による過給圧の立ち上がりが緩やかである場合には、切替点Ａにおいて大ターボ過給機１８に切り替わった後の空気量（過給圧）の上昇勾配が緩やかである。このため、切替点Ａの前後において空気量の上昇が滑らかに連続するので、トルク段差は発生しない。

逆に、充填効率向上制御を大きな充填効率向上幅で実行すると、大ターボ過給機１８に切り替わったときに空気量（過給圧）が低下することとなり、却ってトルク段差が発生し易くなる。

そこで、本実施形態では、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが緩やかであると予測される場合には、大ターボ過給機１８への切り替え前に、充填効率向上制御による充填効率向上幅を縮小させることとした。これにより、図５中の破線で示すように、大ターボ過給機１８に切り替わる際の空気量の段差をなくすことができ、トルク段差の発生を確実に抑制することができる。このため、良好な加速を行うことができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図６は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンによれば、まず、現在が小ターボ作動状態であるか否かが判別される（ステップ１００）。このステップ１００では、小タービンバイパス通路２０を開閉する開閉弁２２が閉状態であれば小ターボ作動状態であると判別され、開閉弁２２が開状態であれば小ターボ作動状態でないと判別される。

上記ステップ１００で小ターボ作動状態であると判別された場合には、次に、大ターボ過給機１８への切り替えが予想されるか否かが判別される（ステップ１０２）。このステップ１０２では、例えば、アクセルポジションセンサ４０によって検出されるアクセルペダルの踏み込み量あるいは踏み込み速度に基づいて、短時間のうちに大ターボ過給機１８への切り替えが実行されるか否かが予想される。すなわち、アクセルペダルの踏み込み量あるいは踏み込み速度が所定の判定値を超えている場合には、短時間のうちに大ターボ過給機１８への切り替えが実行されると予想される。

上記ステップ１０２で大ターボ過給機１８への切り替えが実行されると予想された場合には、次に、大ターボ過給機１８による過給圧の立ち上がりの緩急が事前に予測される（ステップ１０４）。このステップ１０４では、例えば次の何れかの方法により、大ターボ過給機１８による過給圧の立ち上がりの緩急が予測される。

（１）大ターボ過給機１８の可変ノズル１８ｃの開度が所定の判定値より大きい場合には、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが緩やかであると予測され、大ターボ過給機１８の可変ノズル１８ｃの開度が上記判定値より小さい場合には、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが急であると予測される。
（２）水温センサ４１によって検出されるディーゼル機関１０の暖機度合いが所定の判定値より低い場合には、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが緩やかであると予測され、ディーゼル機関１０の暖機度合いが上記判定値より高い場合には、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが急であると予測される。
（３）今回の加速が再加速でない場合には、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが緩やかであると予測され、今回の加速が再加速である場合には、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが急であると予測される。
（４）目標過給圧と実過給圧との偏差が所定の判定値より大きい場合（目標過給圧＞実過給圧）には、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが緩やかであると予測され、目標過給圧と実過給圧との偏差が上記判定値より小さい場合には、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが急であると予測される。
（５）大ターボ回転数センサ２５によって検出される大ターボ過給機１８の回転数が所定の判定値より低い場合には、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが緩やかであると予測され、大ターボ過給機１８の回転数が上記判定値より高い場合には、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが急であると予測される。

本実施形態において、充填効率向上制御における充填効率向上幅のベース値（初期値）は、大きい値に設定されているものとする。そして、上記ステップ１０４で、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが緩やかであると予測された場合には、充填効率向上制御における充填効率向上幅を縮小させる処理が実行される（ステップ１０６）。すなわち、排気弁開き時期の遅角量を小さくする処理が実行され、その結果、バルブオーバーラップ期間における吸気圧力と排気圧力との差圧が縮小される。

上記ステップ１０６の処理に続いて、充填効率向上制御における充填効率向上幅に応じて、小ターボ作動状態から大ターボ作動状態への切替点を補正する処理が実行される（ステップ１０８）。図４から分かるように、小ターボ作動状態から大ターボ作動状態への最適な切替点は、充填効率向上幅に応じて異なる。つまり、充填効率向上幅が大きい場合ほど、最適な切替点は、高回転高負荷側へ移行する。このことに対応するため、ステップ１０８では、充填効率向上幅が大きい場合には、充填効率向上幅が小さい場合に比して切替点が高回転高負荷側になるように、切替点を補正する処理が実行される。

以上説明した図６に示すルーチンの処理によれば、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが急であると予測された場合には、大ターボ過給機１８に切り替わる前の空気量特性を図４中の破線で示すような特性とすることができ、また、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが緩やかであると予測された場合には、大ターボ過給機１８に切り替わる前の空気量特性を図５中の破線で示すような特性とすることができる。このため、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりが緩、急、何れの場合であっても、切り替わり時に空気量（過給圧）の段差が生ずることを確実に抑制することができ、トルクをスムーズに上昇させることができる。よって、優れたドライバビリティが得られる。

なお、上述した図６に示すルーチンでは、上記ステップ１０４で、大ターボ過給機１８の過給圧の立ち上がりを緩または急の２段階に予測しているが、本発明では、この過給圧の立ち上がりの緩急を多段階的または連続的に予測し、その予測結果に基づいて、充填効率向上幅を多段階的または連続的に補正するようにしてもよい。

また、本実施形態では、本発明をディーゼル機関（圧縮着火内燃機関）の制御に適用した場合について説明したが、本発明は、ディーゼル機関の制御に限定されるものではなく、火花点火内燃機関の制御に適用することも可能である。

また、本実施形態では、小ターボ作動状態においても排気ガスを大ターボ過給機１８のタービン１８ａに流入させるシステムの場合を例に説明したが、本発明では、大ターボ過給機１８のタービン１８ａをバイパスする大タービンバイパス通路およびこれを開閉する開閉弁を設け、小ターボ作動状態のときに排気ガスを大ターボ過給機１８のタービン１８ａに流さずに上記大タービンバイパス通路に流すようにしてもよい。

また、本実施形態では、過給機がターボ過給機である場合について説明したが、本発明は、過給機が内燃機関の出力軸によって駆動される機械式過給機である場合にも適用可能である。本実施形態のシステムのように小過給機と大過給機とを備える場合には、何れか一方が機械式過給機で他方がターボ過給機であっても、両方が機械式過給機であってもよい。

また、本実施形態では、小過給機と大過給機とを備えるシステムを例に説明したが、本発明では、過給機が一つで、内燃機関の動作点が比較的低回転低負荷側である場合には過給機を使用せず、動作点が高回転高負荷側である場合に過給機を使用するシステムにも適用可能である。

また、本実施形態では、小ターボ過給機１６が前記第２の発明における「小過給機」に、大ターボ過給機１８が前記第１の発明における「過給機」および前記第２の発明における「大過給機」に、小ターボ作動状態が前記第１の発明における「過給機非作動状態」および前記第２の発明における「小過給機作動状態」に、大ターボ作動状態が前記第１の発明における「過給機作動状態」および前記第２の発明における「大過給機作動状態」に、大ターボ回転数センサ２５または過給圧センサ３９が前記第４の発明における「検出手段」に、水温センサ４１が前記第５の発明における「暖機度合い検出手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、開閉弁２２を制御して小ターボ作動状態と大ターボ作動状態とを切り替えることにより前記第１および第２の発明における「過給機切替手段」が、バルブオーバーラップ期間において掃気が生ずるように排気ＶＶＴ機構５８（必要に応じて更に吸気ＶＶＴ機構５４）を制御することにより前記第１および第２の発明における「充填効率向上手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１および第２の発明における「過給圧予測手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第１および第２の発明における「充填効率向上幅制御手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第６の発明における「切替点補正手段」が、それぞれ実現されている。

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。 本発明の実施の形態１のシステムにおけるディーゼル機関の一つの気筒の断面を示す図である。 充填効率向上制御を説明するための図である。 小ターボ過給機および大ターボ過給機の空気量特性を示す図である。 小ターボ過給機および大ターボ過給機の空気量特性を示す図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ ディーゼル機関
１２ 排気マニホールド
１４，１７，２６ 排気通路
１６ 小ターボ過給機
１６ａ タービン
１６ｂ コンプレッサ
１８ 大ターボ過給機
１８ａ タービン
１８ｂ コンプレッサ
１８ｃ 可変ノズル
２０ 小タービンバイパス通路
２２ 開閉弁
２４ アクチュエータ
２５ 大ターボ回転数センサ
２８ 排気フィルタ
３２ 吸気通路
３４ エアクリーナ
３６ インタークーラ
３８ 吸気マニホールド
３９ 過給圧センサ
５０ ＥＣＵ
５２ 吸気弁
５４ 吸気ＶＶＴ機構
５６ 排気弁
５８ 排気ＶＶＴ機構

Claims (6)

1. 過給機と、
   内燃機関の動作点が低回転低負荷であるときには前記過給機を実質的に作動させない過給機非作動状態とし、前記動作点が高回転高負荷であるときには前記過給機を作動させる過給機作動状態とする過給機切替手段と、
   前記過給機非作動状態のときに、吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を設けるとともに、排気圧力の脈動が谷となるタイミングを前記バルブオーバーラップ期間に一致させる充填効率向上制御を実行する充填効率向上手段と、
   前記過給機非作動状態から前記過給機作動状態への切り替え前に、前記過給機の回転数に応じた、過給圧の立ち上がりの緩急を事前に予測する過給圧予測手段と、
   前記過給圧の立ち上がりが緩やかであると予測された場合には、前記過給圧の立ち上がりが急であると予測された場合と比べ、前記充填効率向上制御による充填効率向上幅を小さくする充填効率向上幅制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 小過給機と、
   前記小過給機より大容量の大過給機と、
   内燃機関の動作点が低回転低負荷であるときには前記小過給機を主として作動させる小過給機作動状態とし、前記動作点が高回転高負荷であるときには前記大過給機を主として作動させる大過給機作動状態とする過給機切替手段と、
   前記小過給機作動状態のときに、吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を設けるとともに、排気圧力の脈動が谷となるタイミングを前記バルブオーバーラップ期間に一致させる充填効率向上制御を実行する充填効率向上手段と、
   前記小過給機作動状態から前記大過給機作動状態への切り替え前に、前記大過給機の回転数に応じた、前記大過給機の過給圧の立ち上がりの緩急を事前に予測する過給圧予測手段と、
   前記過給圧の立ち上がりが緩やかであると予測された場合には、前記過給圧の立ち上がりが急であると予測された場合と比べ、前記充填効率向上制御による充填効率向上幅を小さくする充填効率向上幅制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 前記大過給機は、排気ガスによって作動するタービンと、前記タービンの入口面積を可変とする可変ノズルとを有するターボ過給機であり、
   前記過給圧予測手段は、前記可変ノズルの開度に基づいて前記過給圧の立ち上がりの緩急を予測することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
4. 過給圧または前記大過給機の回転数を検出する検出手段を備え、
   前記過給圧予測手段は、前記検出された過給圧または回転数に基づいて前記過給圧の立ち上がりの緩急を予測することを特徴とする請求項２または３記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記内燃機関の暖機度合いを検出する暖機度合い検出手段を備え、
   前記過給圧予測手段は、前記暖機度合いに基づいて前記過給圧の立ち上がりの緩急を予測する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。
6. 前記充填効率向上幅が大きい場合には、前記充填効率向上幅が小さい場合と比べ、前記過給機切替手段による切替点を高回転高負荷側とする切替点補正手段を備える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。

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