JP5494982B2

JP5494982B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5494982B2
Application number: JP2011117954A
Authority: JP
Inventors: 徹西村
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2031-05-26
Also published as: EP2527628A3; JP2012246803A; EP2527628B1; EP2527628A2

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、減速時におけるコンプレッサのサージを回避するための技術に関する。

従来、ディーゼルエンジンは、出力及び燃費の向上や、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）及び黒鉛を主成分とする微粒子状物質（ＰＭ）等の化学物質の低減を目的として、排気の通路に開度変更可能なノズルを有し、車両の低速域から過給可能な可変ノズルターボチャージャが採用されている。
当該可変ノズルターボチャージャを採用するディーゼルエンジンでは、特許文献１のように車両の減速時にノズルの開度を小さくし再加速性の向上を図っている。

しかしながら、車両の減速時の制御には、急激な燃料カットによるショックの低減を目的として、車両の減速が検出されると、燃料噴射弁からの燃料噴射を所定時間掛けて徐々に停止、即ち燃料噴射量なまし制御が付加されている。燃料噴射量なまし制御が行われている減速時にノズルの開度を小さくするとタービンの回転速度が上昇し、過給比上限許容値を超過、或いは過給圧力に応じたコンプレッサを通過する空気流量（コンプレッサ流量）の許容最小値を下回り、コンプレッサの上流から下流に吸入空気が間欠的に逆流するサージが発生することとなる。そして、サージの発生は、異音の発生、ひいてはコンプレッサ翼の破損に繋がり好ましいことではない。

このことから、特許文献２のような、減速時燃料噴射量なまし制御が付加された車両で減速が検出されると可変ノズルターボチャージャのノズルの開度を通常時よりも増大させ、且つ排気通路と吸気通路との間に設けられたＥＧＲ装置の開度を閉じるように制御しサージを回避する技術が開発されている。

特開２０００−２２０４６２号公報特開２００５−２４０７５６号公報

しかしながら、例えば可変ノズルターボチャージャが高過給圧で作動するような条件でエンジンが運転されていた場合には、可変ノズルターボチャージャのタービンは、燃料カット後であっても惰性で回転をしており、特許文献２の技術のようにＥＧＲ装置の開度を閉じるように制御すると、ＥＧＲ装置を介して排気通路から吸気通路に流れる空気流量が減りタービンへ流入する排気流量が増えることでタービンの回転速度が上昇し、コンプレッサ流量がその時点での過給比における許容最小値を下回りサージが発生する虞がある。

本発明は、この様な問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、減速時にサージの発生を回避することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の内燃機関の制御装置では、車両に搭載される内燃機関の排気通路に配設された排気通路面積を変化させる可変翼を有するタービンと、吸気通路に配設され前記タービンにより駆動されるコンプレッサとを含んで構成される可変翼過給機と、前記排気通路と前記吸気通路との間に介装され排気を前記吸気通路へ導入する排気還流路と、前記排気還流路を流れる前記排気の流量を制御する排気還流弁と、前記車両の減速を検出する車両減速検出手段と、前記内燃機関の燃料噴射量を検出する噴射量検出手段と、前記可変翼過給機の可変翼の開度及び排気還流弁の開度を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記車両の減速が検出されると、前記可変翼過給機の前記可変翼の開度を全開に設定し、更に前記排気還流弁を開いて前記排気環流路へ排気を逃がし前記タービンへ流入する排気の流量を低減させ、前記排気還流弁の開度は、前記制御手段により前記燃料噴射量に応じて設定され、前記燃料噴射量が多いと開度を小さく、前記燃料噴射量が少なくなるにつれて開度を大きく、更に前記燃料噴射量が無くなると全開に設定されることを特徴とする。

また、請求項２の内燃機関の制御装置では、請求項１において、前記制御手段は、排気圧力が吸気圧力より高い状況で前記排気還流弁の開度を小さく設定し、排気圧力が吸気圧力よりも小さい状況で前記排気還流弁の開度を大きく設定することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、車両の減速が検出されると、可変翼過給機の可変翼の開度を全開に設定し、更に燃料噴射量に応じて排気還流弁の開度を設定するように制御している。
このように、車両減速時に燃料噴射量に応じて排気還流弁の開度を設定することで、例えば排気圧力が低い場合には、排気を排気還流路へ逃がし、新気量を大きく減少させること無く一部の排気を吸気通路へ戻すことでタービンへ流入する排気の流量を低減することができる。

従って、車両減速時に可変翼過給機のコンプレッサを通過する空気流量（コンプレッサ流量）が減少することを抑制することができ、コンプレッサ流量がコンプレッサの許容最小値を下回ることを抑制することができるのでサージの発生を抑制できる。
特に、燃料噴射量が多いと排気還流弁の開度を小さくし、燃料噴射量が少なくなるにつれ、排気還流弁の開度を大きくし、更に燃料噴射量が無くなると排気還流弁を全開に設定するようにしており、燃料噴射量が多いことにより排気圧力が高くなる場合には、排気還流弁の開度を小さくし、排気が大量に吸気通路へ戻ることを抑制することができ、また、燃料噴射量が少なく或いは無くなり排気圧力が小さくなる場合には、排気還流弁の開度を大きく或いは全開とし、可変翼全開後でも惰性で過給が継続し、高圧となった吸気管圧力を排気還流路を経由させ逃がすとともに、その後に排気を吸気通路へ戻すことでタービンへ流入する排気の流量を低減することができるので、減速時にコンプレッサ流量がコンプレッサの許容最小値を下回ることを抑制することでサージの発生を抑制できる。

また、請求項２の発明によれば、排気圧力と吸気圧力の大小関係を考慮して排気還流弁の開度を設定するので、排気が吸気通路へ戻る流量をより精密に制御することができるので、サージの発生を抑制できる。

本発明に係る内燃機関の制御装置が適用されたエンジンの概略構成図である。ＥＣＵが実行するＥＧＲバルブ制御のフローチャートである。可変ノズルターボチャージャの特性図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、内燃機関の制御装置が適用されたエンジンの概略構成図である。
図１に示すように、エンジン（内燃機関）１は、多気筒の筒内直接噴射式内燃機関（例えばコモンレール式ディーゼルエンジン）であり、詳しくは、コモンレールに蓄圧された高圧燃料を各気筒の燃料噴射ノズル２に供給し、任意の噴射時期及び噴射量で当該燃料噴射ノズル２から各気筒の燃焼室３内に噴射可能な構成を成している。

エンジン１の各気筒には、上下摺動可能なピストン４が設けられている。そして、当該ピストン４は、コンロッド５を介してクランクシャフト６に連結されている。また、クランクシャフト６の一端部には回転速度を検出するクランク角センサ７と図示しないフライホイールが設けられている。
燃焼室３には、インテークポート８とエキゾーストポート９とが連通されている。

インテークポート８には、燃焼室３と当該インテークポート８との連通と遮断を行うインテークバルブ１０が設けられている。また、エキゾーストポート９には、燃焼室３と当該エキゾーストポート９との連通と遮断とを行うエキゾーストバルブ１１が設けられている。
インテークポート８の上流には、最上流から吸入された新気中のゴミを取り除くエアークリーナ１２、排気のエネルギを利用し吸入された新気を圧縮する可変ノズルターボチャージャ（可変翼過給機）１３の図示しないコンプレッサハウジングと、圧縮され高温となった新気を冷却するインタークーラ１４と、新気の流量を調整する電子制御スロットルバルブ１５と、吸入した空気を各気筒に分配するインテークマニフォールド（吸気通路）１６とがそれぞれ連通するように設けられている。また、電子制御スロットルバルブ１５には、スロットルバルブの開き度合を検出するスロットルポジションセンサ１７が備えられている。

エアークリーナ１２の下流であり可変ノズルターボチャージャ１３のコンプレッサハウジングの上流には、燃焼室３に吸入される新気の量を検出するエアーフローセンサ１８が通路内に突出するように設けられている。また、燃焼室３に吸入される吸入空気の圧力を検出するブーストセンサ１９と、該吸入空気の温度を検出する吸気温度センサ２０とがインテークマニフォールド１６内に突出するように設けられている。

エキゾーストポート９の下流には、各気筒から排出される排気をまとめるエキゾーストマニフォールド（排気通路）２１と、可変ノズルターボチャージャ１３に排気を導入する図示しないタービンハウジングと、排気管（排気通路）２２とが連通するように設けられている。
可変ノズルターボチャージャ１３のタービンハウジング内には、排気通路の通路面積を可変させる図示しない可変翼が備えられている。また、可変ノズルターボチャージャ１３には、可変翼を機械的に作動させるアクチュエータ１３ａが備えられている。

排気管２２には、上流から順番に排気中の被酸化成分を酸化する酸化触媒２３と、排気中のＮＯｘを吸蔵還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒２４と、排気中の黒鉛を主成分とする微粒子状物資を捕集し燃焼させるディーゼルパティキュレートフィルタ２５とが連通するように設けられている。
排気管２２の可変ノズルターボチャージャ１３の下流にあたり、酸化触媒２３の上流には排気中に還元剤を添加する燃料添加弁２６と、排気の温度を検出する排気温度センサ２７とが排気管２２内に突出するように設けられている。

排気管２２のＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の下流でありディーゼルパティキュレートフィルタ２５の上流には、排気中の酸素比率である酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサ２８が通路内に突出するように設けられている。
インテークマニフォールド１６とエキゾーストマニフォールド２１には、それぞれが連通するように排気の一部を吸気へ戻すＥＧＲ通路２９が設けられている。また、ＥＧＲ通路２９には、排気が吸気に戻る量、即ちＥＧＲ量を調整するＥＧＲバルブ（排気還流弁）３０と、吸気へ戻す排気を冷やすＥＧＲクーラ３１とが設けられている。

そして、燃料噴射ノズル２、クランク角センサ７、アクチュエータ１３ａ、スロットルポジションセンサ１７、エアーフローセンサ１８、ブーストセンサ１９、吸気温度センサ２０、燃料添加弁２６、排気温度センサ２７、Ａ／Ｆセンサ２８、ＥＧＲバルブ３０、及びエンジン１が搭載される車両の運転者が操作するアクセルペダルの操作度合いを検出するアクセルポジションセンサ（車両減速検出手段）３２等の各種装置や各種センサ類は、エンジン１の総合的な制御を行うための制御装置であって入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、タイマ及び中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成される電子コントロールユニット（ＥＣＵ）（噴射量検出手段、車両減速検出手段、制御手段）４０と電気的に接続されており、当該ＥＣＵ４０は各種センサ類からの各情報に基づき各種装置を作動制御する。

ＥＣＵ４０の入力側には、クランク角センサ７、スロットルポジションセンサ１７、エアーフローセンサ１８、ブーストセンサ１９、吸気温度センサ２０、排気温度センサ２７、Ａ／Ｆセンサ２８及びアクセルポジションセンサ３２等のセンサ類が電気的に接続されており、これら各種装置及び各種センサ類からの検出情報が入力される。
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、燃料噴射ノズル２、アクチュエータ１３ａ、ＥＧＲバルブ３０及び燃料添加弁２６が電気的に接続されている。

これより、ＥＣＵ４０は、各センサの検出値に基づき、燃料噴射ノズル２からの燃料噴射量及び噴射時期、可変ノズルターボチャージャ１３の可変翼の開度、燃料添加弁２６からの還元剤の添加量、及びＥＧＲバルブ３０の開度を最適に制御する。
次にＥＣＵ４０でのＥＧＲバルブ制御について説明する。
図２は、ＥＣＵが実行するＥＧＲバルブ制御のフローチャートである。また、図３は、可変ノズルターボチャージャ１３のコンプレッサの特性図であり、縦軸はコンプレッサの入口圧力と出口圧力との比である圧力比、横軸はコンプレッサを通過する空気流量（コンプレッサ流量）を示す。また、図中の破線はコンプレッサ流量の許容最小値、太線はコンプレッサの効率、細線はコンプレッサの回転数をそれぞれ示す。そして、図中の破線左側の領域がサージが発生するサージ領域である。

図２に示すように、ステップＳ１０では、エアーフローセンサ１８で検出される吸入空気量が所定値以上であるか、否かを判別する。詳しくは、吸入空気量より現在の負荷を算出し、所定負荷以上であるか、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で吸入空気量が所定値以上で現在の負荷が所定負荷以上であれば、減速時にサージ領域に入る可能性があると判別して、ステップＳ１２に進む。判別結果が否（Ｎｏ）で吸入空気量が所定値未満で現在の負荷が所定負荷未満であれば、減速時にサージ領域に入る可能性がないと判別して、本ルーチンをリターンする。

ステップＳ１２では、減速中であるか、否かを判別する。詳しくは、アクセルポジションセンサ３２で検出されるアクセルペダルの操作度合いが減少し、アクセルペダルの操作度合い等により決定される指示トルクが減少したか、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でアクセルペダルの操作度合いが減少し、指示トルクが減少したら、減速中と判別してアクチュエータ１３ａを制御し可変ノズルターボチャージャ１３の可変翼を全開にし、ステップＳ１４に進む。判別結果が否（Ｎｏ）でアクセルペダルの操作度合いが減少、或いは指示トルクが減少しなかったら減速中とは判別せず、本ルーチンをリターンする。

ステップＳ１４では、サージ対策が必要か、否かを判別する。詳しくは、エアーフローセンサ１８で検出される吸入空気量と、ブーストセンサ１９で検出される吸入空気圧力及び吸気温度センサ２７で検出される吸入空気温度とに基づき、コンプレッサを通過する空気流量が図３に示すサージ領域にあるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でコンプレッサを通過する空気流量が、サージ領域にあれば、ステップＳ１６に進む。判別結果が否（Ｎｏ）でコンプレッサを通過する空気流量がサージ領域になければ、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ１６では、燃料噴射ノズル２から噴射される燃料噴射量に基づいて、ＥＧＲ開度を算出する。詳しくは、燃料噴射量が多ければＥＧＲ開度を小さく、燃料噴射量が少なくなるにつれＥＧＲ開度を大きくし、燃料噴射量が０（ゼロ）、即ち燃料カット中であればＥＧＲ開度を全開となるように算出する。そして、ステップＳ１８に進む。
ステップＳ１８では、ステップＳ１６にて算出されたＥＧＲ開度となるようにＥＧＲバルブ３０を制御する。そして、ステップＳ２２に進む。

また、ステップＳ２０では、通常用ＥＧＲ駆動制御を行う。詳しくは、空燃比に基づき、ＥＧＲバルブ３０の開度を制御する。そして、ステップＳ２２に進む。
ステップＳ２２では、エアーフローセンサ１８で検出される吸入空気量が所定値未満であるか、否かを判別する。詳しくは、吸入空気量より現在の負荷を算出し、所定負荷未満であるか、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で吸入空気量が所定値未満で現在の負荷が所定負荷未満であれば、ステップＳ２３に進む。判別結果が否（Ｎｏ）で吸入空気量が所定値以上であれば、再度ステップＳ１４へ戻る。

ステップＳ２４では、減速が終了したか、否かを判別する。詳しくは、アクセルポジションセンサ３２で検出されるアクセルペダルの操作度合いが増加し、アクセルペダルの操作度合い等により決定される指示トルクが増加したか、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でアクセルペダルの操作度合いが増加し、指示トルクが増加したら、減速が終了したと判別し、本ルルーチンをリターンする。判別結果が否（Ｎｏ）でアクセルペダルの操作度合いが減少し、指示トルクが減少していれば減速中と判別し、再度ステップＳ１４へ戻る。

このように本発明の内燃機関の制御装置では、所定負荷以上であって、減速中と判別されると可変ノズルターボチャージャ１３の可変翼を全開とし、更にサージ対策が必要と判別されると、燃料噴射ノズル２より噴射される燃料噴射量に基づいて、燃料噴射量が多ければＥＧＲバルブ３０の開度を小さくし、燃料噴射量が少なくなるにつれＥＧＲバルブ３０の開度を大きくし、更に燃料噴射量が０（ゼロ）即ち、燃料カットされるとＥＧＲバルブ３０の開度を全開とするようにしている。

従って、燃料噴射量が多く排気圧力が吸気圧力より高くなる場合には、ＥＧＲバルブ３０の開度を小さくし、排気がインテークマニフォールド１６へ戻ることを抑制することができ、また、燃料噴射量が少なく或いは無くなり排気圧力が吸気圧力よりも小さくなる場合には、ＥＧＲバルブ３０の開度を大きく或いは全開とし、吸気をエキゾーストマニフォールド２１に排出することができるので、減速時にコンプレッサ流量がコンプレッサの許容最小値を下回ることを抑制することができるのでサージの発生を抑制できる。

以上で本発明の実施形態の説明を終えるが、本発明の実施形態は上記実施形態に限定されるものではない。
上記実施形態では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４、燃料添加弁２６及びＡ／Ｆセンサ２８を備えているが、これに限定されるものではなく、これらが装着されない排気系を有するエンジンにも適応可能であることはいうまでもない。

１エンジン（内燃機関）
１３可変ノズルターボチャージャ（可変翼過給機）
１６インテークマニフォールド（吸気通路）
２１エキゾーストマニフォールド（排気通路）
２２排気管（排気通路）
３０ＥＧＲバルブ（排気還流弁）
３２アクセルポジションセンサ（車両減速検出手段）
４０ＥＣＵ（噴射量検出手段、車両減速検出手段、制御手段）

Claims

車両に搭載される内燃機関の排気通路に配設された排気通路面積を変化させる可変翼を有するタービンと、吸気通路に配設され前記タービンにより駆動されるコンプレッサとを含んで構成される可変翼過給機と、
前記排気通路と前記吸気通路との間に介装され排気を前記吸気通路へ導入する排気還流路と、
前記排気還流路を流れる前記排気の流量を制御する排気還流弁と、
前記車両の減速を検出する車両減速検出手段と、
前記内燃機関の燃料噴射量を検出する噴射量検出手段と、
前記可変翼過給機の可変翼の開度及び排気還流弁の開度を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記車両の減速が検出されると、前記可変翼過給機の前記可変翼の開度を全開に設定し、更に前記排気還流弁を開いて前記排気環流路へ排気を逃がし前記タービンへ流入する排気の流量を低減させ、
前記排気還流弁の開度は、前記制御手段により前記燃料噴射量に応じて設定され、前記燃料噴射量が多いと開度を小さく、前記燃料噴射量が少なくなるにつれて開度を大きく、更に前記燃料噴射量が無くなると全開に設定されることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記制御手段は、排気圧力が吸気圧力より高い状況で前記排気還流弁の開度を小さく設定し、排気圧力が吸気圧力よりも小さい状況で前記排気還流弁の開度を大きく設定することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。