JP6357962B2 - 過給機を備えた内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ過給機を備えた内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、内燃機関の排気エネルギーを利用して吸気を過給する過給機を備えた内燃機関において、コンプレッサをサージ限界近傍の作動領域で制御するために、サージ限界回転数コンプレッサの作動特性と相関し、かつ、吸気管圧力に比して変動の少ない例えばエンジン回転数などの運転パラメータに基づいてサージ限界回転数を算出し、このサージ限界回転数を超えないようにコンプレッサ回転数（ターボ回転数）を制御する技術が記載されている。

また、ターボ過給機には、過給圧を変更する過給圧変更部として、排気通路のタービンをバイパスするバイパス通路にウエイストゲートバルブが設けられ、過給圧センサにより検出される過給圧に基づいてウエイストゲートバルブが開閉制御される。

特開２００８−４５４１０号公報

上記特許文献１に記載のターボ過給機は、コンプレッサ及びタービンを含むターボ回転体に電動モータが付設されたモータアシスト型のターボ過給機であり、電動モータにより直接的にターボ回転体を駆動制御することができるために、精度の高いターボ回転数の制御が可能である。

一方、ターボ回転体に電動モータが設けられていない一般的なターボ過給機の場合、直接的にターボ回転体の回転を制御することはできないので、例えばターボ回転数センサにより検出されるターボ回転数に基づいて上記の過給圧変更部を駆動制御することによりターボ回転数を制御する必要がある。この場合、過給圧変更部の制御として、過給圧に基づく制御と、ターボ回転数に基づく制御と、を併用することとなり、両者の制御の干渉等が懸念される。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、過給圧に基づく制御とターボ回転数に基づく制御とを併用し、比較的容易な演算構成でターボ回転数の過回転を抑制し得る新規な過給機を備えた内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。

本発明は、排気エネルギーを利用して吸気を過給するターボ過給機を備えた内燃機関の制御装置に関し、上記ターボ過給機の過給圧を変更可能な過給圧変更部と、機関運転状態に応じて上記過給圧変更部へ指令値を出力して、上記過給圧変更部の動作を制御する過給圧制御手段と、を有している。

この過給圧制御手段は、上記ターボ過給機の目標過給圧に基づいて上記過給圧変更部への指令値を演算する過給圧指令値演算部と、ターボ回転数の目標回転数に基づいて上記過給圧変更部への指令値を演算するターボ回転数指令値演算部と、を有し、かつ、上記ターボ過給機のターボ回転数が過回転となり得る所定の過回転防止域では、少なくとも上記ターボ回転数指令値演算部により演算される指令値を用いて、ターボ回転数が過回転となることを抑制するように上記過給圧変更部へ出力する指令値を演算する。

典型的には、上記過給圧変更部へ出力する指令値として、通常の運転時には上記過給圧指令値演算部により演算される指令値を用いた過給圧制御が行なわれ、ターボ回転数が過回転となり易い所定の過回転防止域に限り、上記ターボ回転数指令値演算部により演算される指令値を用いて、ターボ回転数が過回転となることを抑制する。

本発明によれば、通常の運転時には過給圧制御を行なうことにより、過給圧を適切に制御しつつ、ターボ回転数が過回転となり易い所定の過回転防止域においては、ターボ回転数指令値を利用して、ターボ回転数が過回転となることを抑制することができる。

この結果、過回転を招くことなく、過回転近傍の高効率な作動領域での運転が可能となり、比較的小型のターボ過給機を用いてレスポンス向上と出力向上の両立を図ることが可能となる。

本発明に係るターボ過給機を備えた内燃機関の制御装置の一例を示す構成図。 コンプレッサのタービン及びターボ回転数センサを簡略的に示す構成図。 本発明の第１実施例に係る加算方式の指令値の演算処理を模式的に示す制御ブロック図。 運転領域に応じた制御内容を模式的に示す特性図。 上記第１実施例に係る過給圧とターボ回転数の変化を示すタイミングチャート。 本発明の第２実施例に係る切換方式の指令値の演算処理を模式的に示す制御ブロック図。 本発明の第３実施例に係る比率方式の指令値の演算処理を模式的に示す制御ブロック図。

以下、図示実施例により本発明を説明する。図１は、本発明に係るターボ過給機を備えた内燃機関の制御装置の一例を示す構成図である。この内燃機関１０は、Ｖ型多気筒内燃機関であり、左右バンクのシリンダ１１にそれぞれピストン１２が摺動可能に嵌合している。ターボ過給機１３は、排気通路３０に設けられたタービン１４と、吸気通路２０に設けられたコンプレッサ１５と、がターボ軸１６により同軸上に連結されており、排気エネルギーによりタービン１４が回転すると、コンプレッサ１５が回転駆動されて過給が行なわれる。これらタービン１４，コンプレッサ１５及びターボ軸１６が、一体的に回転するターボ回転体１７を構成している。排気通路３０にはタービン１４をバイパスするバイパス通路１８にウエイストゲートバルブ１９が設けられ、このウエイストゲートバルブ１９を後述する制御部４０により開閉制御することにより、過給圧が制御される。

吸気通路２０には、上流側より順に、吸気中の異物を捕集するエアーフィルタ２１と、吸入空気量を検出するエアーフローメータ２２と、上記のコンプレッサ１５と、吸気を冷却するインタークーラ２３と、コンプレッサ１５よりも下流の過給圧（吸気圧力）を検出する過給圧センサ２７と、吸気量を調整するスロットルバルブ２４と、吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁２５と、吸気ポートを開閉する吸気弁２６と、等が設けられている。

排気通路３０には、燃焼室寄りの上流側より順に、排気ポートを開閉する排気弁３１と、上記のタービン１４と、三元触媒等の２つの触媒３２，３３と、等が設けられ、上流側の触媒３２の前後に、空燃比センサ３４と酸素センサ３５とが設けられている。ターボ過給機１３には、ターボ回転体１７のターボ回転数（回転速度）を検出するターボ回転数検出手段として、コンプレッサ１５の回転数を検出するターボ回転数センサ３６が設けられている。

制御部４０は、燃料噴射弁２５による燃料噴射制御や点火装置４１による点火時期制御等の各種の機関制御処理を記憶及び実行するものであり、例えば空燃比センサ３４の検出信号に基づいて空燃比フィードバック制御を行なう。

図２は、ターボ回転数センサ３６の構造を簡略的に示している。ターボ回転体１７のコンプレッサ１５には、複数（この例では８枚）のブレード３７が周方向に等間隔置きに設けられている。ターボ回転数センサ３６は、複数のブレード３７が通過する際のパルス信号を検出し、制御部４０へ出力する。ここでターボ回転数センサ３６は、例えば磁気センサや渦電流センサを用い、ブレード３７に対向させて設置することで複数のブレード３７が通過する際の電流変化や磁気変化を検出することによりブレード３７の通過を検出する。なお、ターボ回転数センサ３６が検出する信号は一般的には波型となるが、ここでは制御部４０による演算を簡略にするためにパルス状の信号に変換して制御部に入力される構成を取っている。波型の波形を直接制御部４０に入力する構成でも良い。そして制御部４０は、このパルス信号を積算してターボ回転数を演算する。

図３は、本発明の第１実施例に係る加算方式の指令値の演算処理を示すもので、制御部４０により実行される制御処理の内容を模式的に示す制御ブロック図である。過給圧変更部Ｂ１は、ターボ過給機１３の過給圧を変更可能なもので、例えばこの実施例では上述したバイパス通路１８を開閉することにより過給圧を調整可能なウエイストゲートバルブ１９に相当する。なお、過給圧変更部Ｂ１としてはウエイストゲートバルブ１９に限らず、例えば容量可変型ターボ過給機の容量可変アクチュエータであっても良い。

そして制御部４０は、機関運転状態に応じて過給圧変更部Ｂ１へ指令値を出力して、過給圧変更部Ｂ１の動作を制御する過給圧制御部Ｂ２（過給圧制御手段）を有している。この過給圧制御部Ｂ２には、過給圧（の目標過給圧）に基づいて過給圧指令値を演算する過給圧指令値演算部Ｂ３と、ターボ回転数（の目標回転数）に基づいてターボ回転数指令値を演算するターボ回転数指令値演算部Ｂ４と、が設けられている。過給圧指令値演算部Ｂ３には、機関運転状態（例えば、エンジン回転数及びエンジン負荷）に基づいて求められた目標過給圧と、上記の過給圧センサ２７により検出された実過給圧と、が入力されており、これら目標過給圧と実過給圧との偏差に応じたフィードバック制御により過給圧指令値を演算する。例えば、図４に示す高回転高負荷側の過給域Ｒ２では、この過給圧指令値演算部Ｂ３により求められた過給圧指令値がそのまま指令値として過給圧変更部Ｂ１へ出力される。

ターボ回転数指令値演算部Ｂ４には、ターボ回転数センサ３６により検出される実ターボ回転数と、予め設定された所定のターボ過回転閾値と、が入力されている。ターボ過回転閾値は、目標回転数の一つであり、サージ限界（過回転）となるターボ回転数よりもある程度の余裕を見越して低い値に設定されている。例えば図４に示すように過給域Ｒ２よりも更に高回転・高負荷側で、実ターボ回転数がターボ過回転閾値を超えるおそれのある過回転防止域Ｒ３、つまり過回転となり得る過回転防止域Ｒ３では、ターボ回転数指令値演算部Ｂ４は、実ターボ回転数がターボ過回転閾値を超えているか否かを常に監視し、実ターボ回転数がターボ過回転閾値以下であれば、過給圧指令値演算部Ｂ３等へ信号を送信しない。

実ターボ回転数がターボ過回転閾値を超えている過回転のときには、実ターボ回転数からターボ過回転閾値を減算した過回転量に応じてターボ回転数指令値を演算する。このときのターボ回転数指令値は、ターボ回転数を低下させるように、マイナスの値となっている。加算部Ｂ４では、過給圧指令値演算部Ｂ３が演算した過給圧指令値（プラスの値）と、ターボ回転数指令値演算部Ｂ４が演算したターボ回転数指令値（マイナスの値）と、を加算して、過給圧変更部Ｂ１へ出力される最終的な指令値を求める。従って、最終的な指令値は、過給圧指令値に対し、ターボ回転数指令値（マイナスの値）によって減少方向に補正されて、過給圧やターボ回転数が低くなる方向に補正されている。

このように本実施例では、過給圧指令値とターボ回転数指令値とを加算することにより最終的な指令値を求める加算方式を採用しているために、例えば過給圧指令値を用いる過給域Ｒ２から過回転防止域Ｒ３への切換の際にもトルク段差が抑制されるとともに、比較的簡素な演算処理により過回転を確実に抑制することができる。

なお、本実施例では過給域Ｒ２では主に過給圧センサ２７により検出された実過給圧に基づく制御を行っているが、これは過給時の運転性を重視している為である。つまり回転センサ３６により検出されるターボ回転数は吸気における実過給圧ではなく、ターボ回転数により実回転数を推定している為、実過給圧の遅れ、回転数−過給圧の応答誤差など運転性を確保する為に煩雑な計算もしくは実験を必要とする。本実施例では過給域Ｒ２では主に過給圧センサ２７により検出された実過給圧に基づく制御を行っている為、そのような実験、計算を軽減しつつ、過回転防止と運転性を両立させることができる。

上記の過回転防止域Ｒ３において過回転となる背景として、実過給圧が目標過給圧に至っておらず、過給圧指令値演算部Ｂ３でのフィードバック制御により演算される過給圧指令値は、過給圧を高くするようにプラスの値となっている。従って、この過給圧指令値演算部Ｂ３により演算される過給圧指令値が過剰な値となることを抑制するように、図３に示すように、ターボ回転数指令値演算部Ｂ４は、過給圧指令値抑制部Ｂ５を介して、過給圧指令値演算部Ｂ３へ信号を出力して、この過給圧指令値演算部Ｂ３によるフィードバック制御の積分項を停止し、あるいはフィードバックゲインを低下させている。

図５は、このような本実施例の動作を示すタイミングチャートである。時刻ｔ０からｔ１までの区間は、図４の過給域Ｒ２に相当し、目標過給圧が相対的に低いために、実ターボ回転数が過回転閾値を超えることがなく、過給圧指令値演算部Ｂ３により演算される過給圧指令値を最終的な指令値として用いた過給圧制御が行なわれる。時刻ｔ１以降の区間は、図４の過回転防止域Ｒ３に相当し、目標過給圧が高くなって、実ターボ回転数が過回転閾値を超える過回転が懸念される。この場合、実ターボ回転数が過回転閾値を超えると、上述したようにターボ回転数指令値演算部Ｂ４による補正制御が介入して、最終的な指令値が低く補正され、実ターボ回転数が過回転閾値の近傍に維持される。一方、ターボ回転数指令値演算部Ｂ４による補正制御によって、過給圧指令値演算部Ｂ３によるフィードバック制御は実質的に機能しない状態となっているために、実過給圧は目標過給圧に近づくことなく目標過給圧よりも低下側に離れた状態となる。

なお、過給圧はターボ回転数に遅れて立ち上がるので、例えば過給圧指令値演算部Ｂ３によるフィードバック制御のゲインを高めて過回転を抑制することは困難である。

図６は、本発明の第２実施例に係る制御処理を模式的に示す制御ブロック図である。この第２実施例では、切換判定部Ｂ６において、過給圧指令値演算部Ｂ３により演算される過給圧指令値と、ターボ回転数指令値演算部Ｂ４により演算されるターボ回転数指令値と、の一方を機関運転状態（例えば、エンジン回転数及びエンジン負荷）に応じて選択し、切換部Ｂ７において、選択した方の指令値を過給圧変更部Ｂ１へ出力している。つまり、この第２実施例では、機関運転状態に応じて過給圧指令値とターボ回転数指令値の一方を指令値として選択する構成としている。

例えば、図４に示す低負荷側の非過給域Ｒ１では、過給圧変更部Ｂ１へ出力される指令値として、ターボ回転数指令値が用いられ、ターボ回転数に基づく回転数制御が実施される。具体的には、ターボ回転数指令値演算部Ｂ４には、目標ターボ回転数と実回転数とが入力されている。目標ターボ回転数は、例えばエンジン回転数及びエンジン負荷をパラメータとする予め設定された制御マップを参照して設定される。そしてターボ回転数指令値演算部Ｂ４は、目標ターボ回転数と実ターボ回転数との偏差に基づくフィードバック制御によりターボ回転数指令値を演算する。このターボ回転数指令値演算部Ｂ４のフィードバック制御により、実ターボ回転数が目標ターボ回転数の近傍に維持される。このように非過給域Ｒ１ではターボ回転数制御を実施することで、大きな過給圧が生じない程度にターボ回転数を維持するように制御しておくことが可能であり、急なアクセル踏み込み等の際にもターボ回転数を速やかに目標過給圧に立ち上げて、過給応答性を向上することができる。

一方、図４に示すように高負荷側の過給域Ｒ２では、過給圧変更部Ｂ１へ出力される指令値として、過給圧指令値演算部Ｂ３により演算される過給圧指令値が用いられ、過給圧に基づく過給圧制御が実施される。具体的には、過給圧指令値演算部Ｂ３は、目標過給圧と実過給圧とが入力されており、これら目標過給圧と実過給圧との偏差に基づくフィードバック制御により過給圧指令値を演算する。この過給圧指令値演算部Ｂ３のフィードバック制御により、実過給圧が目標過給圧の近傍に維持される。

また好ましくは、この過給域では、左右バンクの各々の実ターボ回転数を検知し、左右バンクの実ターボ回転数を揃えるように、ウエイストゲートバルブ１９を駆動制御するようになっている。

そして、過回転防止域Ｒ３では、ターボ回転数に基づく回転数制御が実施される。この際、目標ターボ回転数には上述したターボ過回転閾値が設定される。具体的には、ターボ回転数指令値演算部Ｂ４は、過回転閾値と実ターボ回転数との偏差に基づくフィードバック制御によりターボ回転数指令値を演算する。このターボ回転数指令値演算部Ｂ４のフィードバック制御により、実ターボ回転数が過回転閾値の近傍に維持されることとなり、サージ限界付近の効率の良い作動領域での運転を行なうことができる。

なお、この過回転防止域Ｒ３では、上記第１実施例のような加算方式により最終的な指令値を演算するようにしても良い。

このような切換方式を用いた第２実施例によれば、演算処理が簡素化されるとともに、過給圧制御とターボ回転数制御とがそれぞれ独立して行なわれる形となるために、フィードバック制御の干渉が確実に回避され、精度の良いフィードバック制御を実施することができる。

図７は本発明の第３実施例に係る制御処理を模式的に示す制御ブロック図である。この第３実施例では、切換比率演算部Ｂ８において、最終的に過給圧変更部Ｂ１へ出力される指令値のうちで、過給圧指令値演算部Ｂ３により演算される過給圧指令値が占める比率（内分比）と、ターボ回転数指令値演算部Ｂ４により演算されるターボ回転数指令値が占める比率とを、機関運転状態に応じて演算している。そして、比率演算処理部Ｂ９において、過給圧指令値の比率とターボ回転数指令値の比率とに応じて最終的な指令値を演算して、過給圧変更部Ｂ１へ出力する構成としている。

具体的には、基本的には上記第２実施例と同様に、大半の非過給域Ｒ１（後述する境界近傍を除く領域）では、ターボ回転数指令値演算部Ｂ４により演算されたターボ回転数指令値の比率を最大（例えば、１００％）として、ターボ回転数に基づく回転数制御を行い、大半の過給域Ｒ２（後述する境界近傍を除く領域）では、過給圧指令値演算部Ｂ３により演算された過給圧指令値の比率を最大（例えば、１００％）として、過給圧に基づく過給圧制御を行なう。

そして、これら非過給域Ｒ１と過給域Ｒ２との境界近傍では、非過給域Ｒ１に近づくに従って、ターボ回転数指令値の比率を大きくしていき、過給域Ｒ２に近づくに従って、過給圧指令値演算部Ｂ３により演算された指令値の比率を大きくしていく。このように、ターボ回転数指令値と過給圧指令値の比率を連続的に変化させることで、例えば非過給域Ｒ１と過給域Ｒ２の間で運転が切り換わる際に、最終的な指令値の値が急激に変化することを抑制し、過給圧制御とターボ回転数制御との切換え時のトルク段差を抑制して滑らかな切換動作を実施することができる。

また、切換時の比率（内分比）に応じてフィードバック制御の積分項もしくはフィードバックゲインを低下又は停止することで、積分項やゲインに起因する指令値の不用意な変動を抑制することができる。

大半の過回転防止域Ｒ３（後述する境界近傍を除く領域）では、やはり基本的には上記第２実施例と同様に、ターボ回転数指令値演算部Ｂ４により演算されるターボ回転数指令値の比率を最大（例えば、１００％）として、ターボ回転数に基づく回転数制御を行う。そして、これら過回転防止域Ｒ３と過給域Ｒ２との境界近傍では、過回転防止域Ｒ３に近づくに従って、ターボ回転数指令値の比率を大きくしていき、過給域Ｒ２に近づくに従って、過給圧指令値の比率を大きくしていく。このように、ターボ回転数指令値と過給圧指令値の比率を変化させることで、例えば過回転防止域Ｒ３と過給域Ｒ２の間で運転が切り換わる際に、最終的な指令値の値が急激に変化することを抑制し、切換え時のトルク段差を抑制することができる。

なお、この過回転防止域Ｒ３では、上記第１実施例のような加算方式により最終的な指令値を求めるようにしても良い。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形・変更が可能である。例えば、上記第１実施例の加算方式においては、ターボ過回転閾値に近づくに従って、ターボ回転数フィードバック制御のゲインを上げて、過回転閾値の近傍では過大なターボ回転数指令値を演算する構成とするようにしても良い。この場合、過給圧指令値演算部Ｂ３により演算される過給圧指令値の影響を小さくし、簡素な演算構成で過回転を確実に抑制することができる。

１０…内燃機関
１３…ターボ過給機
１４…タービン
１５…コンプレッサ
１６…ターボ軸
１７…ターボ回転体
２７…過給圧センサ（過給圧検出手段）
３６…ターボ回転数センサ（ターボ回転数検出手段）
４０…制御部

Claims (6)

1. 排気エネルギーを利用して吸気を過給するターボ過給機と、
   上記ターボ過給機の過給圧を変更可能な過給圧変更部と、
   機関運転状態に応じて上記過給圧変更部へ指令値を出力して、上記過給圧変更部の動作を制御する過給圧制御手段と、を有し、
   この過給圧制御手段は、
   上記ターボ過給機の目標過給圧に基づいて上記過給圧変更部への指令値を演算する過給圧指令値演算部と、
   ターボ回転数の目標回転数に基づいて上記過給圧変更部への指令値を演算するターボ回転数指令値演算部と、を有し、
   かつ、上記ターボ過給機のターボ回転数が過回転となり得る所定の過回転防止域では、少なくとも上記ターボ回転数指令値演算部により演算される指令値を用いて、ターボ回転数が過回転となることを抑制するように上記過給圧変更部へ出力する指令値を演算することを特徴とする過給機を備えた内燃機関の制御装置。
2. 上記ターボ過給機の実ターボ回転数を検出するターボ回転数検出手段を有し、
   上記ターボ回転数指令値演算部は、上記実ターボ回転数が所定のターボ過回転閾値を超えている場合、上記実ターボ回転数と上記ターボ過回転閾値との偏差に応じて上記過給圧変更部への指令値を演算し、
   上記過給圧制御手段は、上記過給圧指令値演算部により演算される指令値と、上記ターボ回転数指令値演算部により演算される指令値とを加算して、上記過給圧変更部へ出力する指令値を演算することを特徴とする請求項１に記載の過給機を備えた内燃機関の制御装置。
3. 上記ターボ過給機の実過給圧を検出する実過給圧検出手段を有し、
   上記過給圧指令値演算部は、機関運転状態に基づいて演算される目標過給圧と上記実過給圧との偏差に基づくフィードバック制御により上記過給圧変更部への指令値を演算し、
   上記ターボ回転数指令値演算部は、上記過回転防止域では、上記過給圧指令値演算部によるフィードバック制御の積分項を停止するか、あるいはフィードバックゲインを低下させることを特徴とする請求項１又は２に記載の過給機を備えた内燃機関の制御装置。
4. 上記過給圧制御手段は、上記過給圧変更部へ出力する指令値として、上記過給圧指令値演算部により演算される指令値と、上記ターボ回転数指令値演算部により演算される指令値と、を機関運転状態に応じて切り換えて使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の過給機を備えた内燃機関の制御装置。
5. 上記過給圧制御手段は、上記過給圧変更部へ出力する指令値のうち、上記過給圧指令値演算部により演算される指令値と、上記ターボ回転数指令値演算部により演算される指令値と、のそれぞれが占める比率を、機関運転状態に応じて変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の過給機を備えた内燃機関の制御装置。
6. 上記過給圧制御手段は、上記過給圧変更部へ出力される指令値として、過給域では上記過給圧指令値演算部により演算される指令値を選択し、上記過給域よりも低負荷側の非過給域では、上記ターボ回転数指令値演算部により演算される指令値を選択することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の過給機を備えた内燃機関の制御装置。

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