JP6358050B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、エンジンの制御装置、より詳しくは、過給機を備えたエンジンにおけるサージング回避制御装置に関する。

ターボチャージャなど過給機を備えたエンジンでは、一般に、過給圧を高くするとサージングが発生することがある。

サージングは、過給機やその前後の配管からなる吸気系の気体全体が、その流れの方向に激しい振動を繰り返す現象であり、断続的な振動や異音を発生したり、激しい場合は、過給機や配管の破損に至る場合もある。このため、過給機を備えたエンジンでは、サージングを起こす運転領域に入らないように制御することが求められる。

サージングの発生を回避するための制御方法として、例えば、特許文献１には、サージングが発生していると判定された場合に、ウェイストゲートバルブを開放する手法が開示されている。

また、特許文献２には、過給圧がサージングを起こす運転領域（以下、サージ発生領域と称する）にあると判定された場合に、燃焼室への吸気弁の開閉タイミングを遅角補正し、且つ、点火時期を進角補正する手法が開示されている。

特開２００７−２９１９６１号公報（第１２頁 明細書段落００７８参照） 特開２００８−２４０５２０号公報（請求項１など）

特許文献１のように、ウェイストゲートバルブを開放すると、過給圧が下がるか又は過給圧の上昇が鈍くなるので、所望のエンジンレスポンスや加速などの動力性能が得られないという問題がある。

また、特許文献２のように、吸気弁の開閉タイミングを遅角させ、且つ、点火時期を進角させる制御を行うと、燃費を悪化させてしまうという問題がある。

特に、近年のダウンサイジングコンセプトに基づくターボチャージャエンジンでは、低速から高トルクを発揮させるために、小型の過給機を採用している。このような小型の過給機において、比較的低速下で過給を開始する運転領域でサージングを発生させることがある。低速下でのサージングは、エンジンの振動によって運転フィーリングの悪化をもたらし、また、スムーズな加速を阻害している。

そこで、この発明の課題は、過給機のサージングの発生による、運転フィーリングの悪化や燃費の悪化を回避しつつ、スムーズに加速できる動力性能を実現することである。

上記の課題を解決するために、この発明は、エンジンの吸気通路内に過給圧を作用させるコンプレッサと、エンジンの排気通路に設けられるタ−ビンとからなる過給機と、前記排気通路に設けられて前記吸気通路の過給圧を調整するウェイストゲートバルブ装置と、前記ウェイストゲートバルブ装置の動作を制御するウェイストゲートバルブ制御手段と、前記過給機にサージングが発生しているか否か又は運転領域がサージング発生領域であるか否かを検知するサージング発生検知手段と、エンジンの点火時期を制御する点火時期制御手段とを備え、前記サージング発生検知手段がサージングの発生を検出又は運転領域がサージング発生領域にあることを検出した場合に、前記ウェイストゲートバルブ制御手段は前記ウェイストゲートバルブ装置を動作させて前記吸気通路の過給圧を抑制又はその上昇を抑制するとともに、前記点火時期制御手段は前記ウェイストゲートバルブ装置の動作による内部還流ガスの減少に応じて点火時期の進角補正を行うエンジンの制御装置を採用した。

この構成において、エンジンのスロットル開度を制御するスロットル制御手段を備え、 前記スロットル制御手段は、前記ウェイストゲートバルブ装置の動作によりサージングが解消、且つ、運転領域がサージング領域から離脱した際に、前記エンジンの出力が低下している場合はスロットル開度を拡大し、当該出力低下を補完する構成を採用することができる。

また、それらの各構成において、前記サージング発生検知手段がサージングの発生を検出又は運転領域がサージング発生領域にあることを検出した後、サージングが解消、且つ、運転領域がサージング領域から離脱した際の制御内容を学習値として記憶し、前記学習値を次回以降の制御に活用する記憶手段を備える構成を採用することができる。

前記サージング発生検知手段による運転領域がサージング発生領域にあることの検出は、前記吸気通路への吸入空気流量の情報と、前記コンプレッサ前後の吸気通路の吸気圧力比の情報に基づいて行われる構成を採用することができる。

また、前記サージング発生検知手段によるサージングの発生の検出は、前記吸気通路への吸入空気流量の情報に基づいて行われる構成を採用することができる。

この発明は、サージングの発生や運転領域がサージング発生領域にあることを検出した場合に、ウェイストゲートバルブ装置を動作させて過給圧を抑制又はその上昇を抑制するとともに、点火時期を進角させるので、サージングの発生による、運転フィーリングの悪化や燃費の悪化を回避しつつ、スムーズに加速できる動力性能を実現することができる。

この発明の一実施形態を示す全体図である。 この発明のエンジン制御を示すフロー図である。 スロットル開度とウェイストゲートバルブ装置の開度との関係を示すグラフ図である。 サージング発生領域を示すグラフ図である。

この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。図１は、この発明のエンジンＥの構成を示す全体図である。

エンジンＥは自動車用エンジンであり、図１に示すように、ピストンを収容した気筒内に混合気を送り込む吸気ポートに通じる吸気通路１、排気ポートから引き出された排気通路２、燃料噴射装置等を備えている。吸気ポート及び排気ポートは、それぞれ燃焼室への開口がバルブによって開閉される。

吸気通路１には、吸気ポートから上流側に向かって、吸気通路１の流路面積を調節する第一のスロットルバルブ５、吸気通路１を流れる吸気を冷却する吸気冷却装置６（以下、「インタークーラ６」と称する）、ターボチャージャＴのコンプレッサ１７、吸気通路１の流路面積を調節する第二のスロットルバルブ１５、エアクリーナを収容したエアクリーナケース１８等が設けられる。エアクリーナケース１８内には、大気温度検出装置１９として管内の吸気温度を検出できる温度センサが設けられている。

排気通路２には、排気ポートから下流側に向かって、ターボチャージャＴのタービン７、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）等を除去する触媒等を備えた排気浄化部８、排気管（マフラ）９が設けられる。

排気通路２のタービン７と排気ポートとの中途部分と、吸気通路１の吸気ポートと第一のスロットルバルブ５との中途部分は、高圧排気ガス再循環装置を構成する高圧排気還流通路３によって連通している。高圧排気還流通路３には高圧排気還流弁４が設けられている。高圧排気還流弁４の開閉と第一のスロットルバルブ５の開閉に伴う吸気通路１内の圧力状態に応じて、高圧排気還流通路３を通じて、エンジンＥから排出される排気ガスの一部が、高圧還流ガスとして吸気通路１に還流する。

また、排気通路２における排気浄化部８の下流側に位置する排気管９と、吸気通路１のコンプレッサ１７と第二のスロットルバルブ１５との中途部分は、低圧排気ガス再循環装置を構成する低圧排気還流通路１３によって連通している。低圧排気還流通路１３には低圧排気還流弁１４が設けられている。低圧排気還流弁１４の開閉と第二のスロットルバルブ１５の開閉に伴う吸気通路１内の圧力状態に応じて、低圧排気還流通路１３を通じて、エンジンＥから排出される排気ガスの一部が、低圧還流ガスとして吸気通路１のインタークーラ６及びターボチャージャの上流側に還流する。

ターボチャージャＴは、エンジンの吸気通路１内にブースト圧を作用させるコンプレッサ１７と、エンジンの排気通路２に設けられるタ−ビン７とからなる過給機とで構成される。

タ−ビン７は、排気通路２を通じて排出される排気ガスにより回転し、タ−ビン７の回転が軸を介して連結されたコンプレッサ１７に伝達される。コンプレッサ１７の回転により、エアクリ−ナ１８から取り込まれた空気を圧縮して、吸気通路１を通じてエンジンＥの燃焼室に過給状態で供給する。

この吸気通路１の過給圧をブースト圧と称し、コンプレッサ１７を挟んで上流側の圧力ｐ１と下流側の圧力ｐ２（前記ブースト圧）との比ｐ２／ｐ１を吸気圧力比と称する。吸気通路１内の各圧力ｐ１，ｐ２は、その吸気通路１に接続された吸気圧力計（図示せず）によって取得され、吸気圧力比ｐ２／ｐ１は、各圧力ｐ１，ｐ２の値に基づいて算出される。また、過給状態で吸気通路１に供給される吸入空気流量は、エアーフローセンサ（図示せず）によって取得される。

また、このエンジンＥは、ウェイストゲートバルブ装置Ｗを備えている。

ウェイストゲートバルブ装置Ｗの構成は、図１に示すように、排気通路２のタ−ビン７を挟んで上流側と下流側とをバイパスするように結ぶバイパス管２３が設けられている。タービン７を経由するタービン排気通路２２，２４と、タービン７を経由しないバイパス管２３との分岐部分に、ウェイストゲ−トバルブ２０が設けられている。

このウェイストゲ−トバルブ２０には、バイパス管２３への入口部分の開口を開閉する弁体と、その弁体を開閉動作させるアクチュエ−タ２１が備えられている。

エンジンの運転領域が所定運転領域の範囲内に入った場合、アクチュエータ２１の作用でウェイストゲートバルブ２０の開度を増加させ、タービン７に加わる排気圧力を抑制する。これにより、ブースト圧は抑制、又は、その上昇が抑制される。また、エンジンの運転領域が所定運転領域の範囲外となった場合は、アクチュエータ２１の作用でウェイストゲートバルブ２０の開度を減少させる。

また、アクチュエータ２１は、単にブースト圧の値に応じて、ウェイストゲ−トバルブ２０の開度を調整することもできる。例えば、エンジンの回転数が上昇するとタ−ビン７の回転数は上昇し、コンプレッサ１７の回転数も上昇する。このため、ブ−スト圧は上昇する。しかし、エンジン負荷が大きい場合等には、エンジンの回転数が所定回転数以上になると、ウェイストゲ−トバルブ２０が所定開度となるように制御される。これにより、ブ−スト圧は一定以上にはならないように制御され、エンジンＥは保護される。所定回転数は、エンジンＥの負荷等の運転状況に応じて設定される。

ウェイストゲ−トバルブ２０、及び、アクチュエータ２１の動作は、このエンジンＥを搭載する車両が備える電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）３０内のウェイストゲートバルブ制御手段３１が制御する。ウェイストゲートバルブ制御手段３１は、前述のウェイストゲ−トバルブ２０の開閉制御、開度調整以外にも、必要に応じて、ウェイストゲ−トバルブ２０の動作を制御する。

電子制御ユニット３０は、過給機にサージングが発生しているか否か、又は、運転領域がサージング発生領域であるか否かを検知するサージング発生検知手段３２を備える。

また、電子制御ユニット３０は、エンジンＥのスロットル開度を制御するスロットル制御手段３３と、エンジンＥの点火時期を制御する点火時期制御手段３４とを備える。

サージング発生検知手段３２が、サージングの発生を検出、又は、運転領域がサージング発生領域にあることを検出した場合に、ウェイストゲートバルブ制御手段３１はウェイストゲートバルブ２０を動作させて、吸気通路１のブースト圧を抑制、又は、その上昇を抑制する。また、同時に又は前後して、スロットル制御手段３３は、第一のスロットルバルブ５のスロットル開度を拡大し、さらに、点火時期制御手段３４は点火時期の進角補正を行うように制御される。

ここで、サージング発生検知手段３２による運転領域がサージング発生領域にあることの検出は、吸気通路１への吸入空気流量の情報と、コンプレッサ１７前後の吸気通路１の吸気圧力比ｐ２／ｐ１の情報に基づいて行われる。

運転領域がサージング発生領域にあることの検出は、例えば、図４に示すように、横軸を吸入空気流量、縦軸を吸気圧力比ｐ２／ｐ１としたコンプレッサ性能曲線を基に行う。

図４中に太線で示す曲線はサージラインを表す。サージラインより左側の領域はサージングが発生しやすい領域、すなわち、サージ領域である。サージングは、特に、コンプレッサ１７前後の吸気圧力比ｐ２／ｐ１が大きいほど、且つ、吸入空気流量が少ないほど発生し易いという傾向もある。

サージング発生検知手段３２は、運転領域が、この太線部分に至るか、あるいは、この太線部分を超えて左側領域に入った場合に、サージング発生領域であると判定する。

また、サージング発生検知手段３２は、実際に過給機にサージングが発生していることを検知することもできる。

サージング発生の検出は、吸気通路１への吸入空気流量の情報に基づいて行うことができる。サージングが発生すると、吸気通路１内の圧力変動により、その吸気通路１を通過する吸入空気流量に異常な変動が生じるので、その変動を検知することにより、サージング発生の有無を把握できる。あるいは、サージングの発生によって生じる燃焼圧の変動や、その他、サージングを発生させる各種の変動要素、サージングの発生に起因する各種の変動要素を検出することにより、実際にサージングが発生しているか否かを把握できる。

エンジンの制御方法を、図２のフローチャートに基づいて説明する。

通常は、加速をスムーズにするため、ウェイストゲートバルブ２０を完全に閉じた状態で運転される。ステップＳ１において、実際に過給機にサージングが発生しているか否か、及び、運転領域がサージング発生領域にあるか否かが判断される。サージングの発生又は運転領域がサージング領域にあることが判定された場合には、過去にサージングが解消、且つ、運転領域がサージング領域から離脱した際の運転条件を記憶した学習値を読み込み、今回運転条件に反映する（ステップＳ２参照）。すなわち、ウェイストゲートバルブ制御手段３１、スロットル制御手段３３や点火時期制御手段３４の制御によって、サージングが解消、且つ、運転領域がサージング領域から離脱した際のそれぞれの制御内容を学習値として記憶し、その記憶した学習値を次回以降の制御に活用する記憶手段が備えられているので、この記憶手段が保有するデータが制御に活用される。この記憶手段は、電子制御ユニット３０に備えられている。

再度、ステップＳ５において、サージングが発生しているか否か、及び、運転領域がサージング発生領域にあるか否かが判断され、サージングの発生又は運転領域がサージング領域にあることが判定された場合には、ウェイストゲートバルブ２０を少しだけ開放する制御が行われる（ステップＳ３参照）。

このときのウェイストゲートバルブ２０の開度は、例えば、図４に矢印ｘで示すように、吸気圧力比ｐ２／ｐ１が大きくなってサージング発生領域に入った場合に、その運転条件を図中矢印ｙで示す方向へ移動させて、サージラインの右側へ移行することができる程度の微開状態とする。

ウェイストゲートバルブ２０を開放するとウェイストゲートバルブ２０より上流の排気通路２内の圧力が減少するので、内部還流ガス、すなわち、吸排気弁のオーバーラップ時に吸気ポートから吸気通路１に戻される排気ガスの量が低下する。内部還流ガスの減少により燃焼が改善し、点火時期の進角が可能な状態となる。このため、ウェイストゲートバルブ２０の開放と同時に、又は、前後して、点火時期の進角を行う（ステップＳ４参照）ことが可能となる。この点火時期の進角により、ウェイストゲートバルブ２０を開放したことに伴う過給圧の減少を補完する。

このとき、ウェイストゲートバルブ２０の開度と点火時期との関係を示すマップを用いて制御を行ってもよい。また、ウェイストゲートバルブ２０の開度の変化にともなう排圧低減量を演算により求め、その排圧低減量に基づく点火時期の進角量を算出してもよい。ただし、進角量の上限値は設定される。

再度、ステップＳ５において、サージングが発生しているか否か、及び、運転領域がサージング発生領域にあるか否かが判断され、サージングの発生又は運転領域がサージング領域にある状態が続いていることが判定された場合には、ステップＳ３に戻る。

サージングが解消、且つ、運転領域がサージング領域から離脱した場合には、出力低下が発生していないか否かが判断される（ステップＳ６参照）。出力の低下は、吸入吸気量の減少や、燃料噴射量の減少によって判断することができる。

出力低下がなければ、ステップＳ９へ移行し、制御後の運転条件が記憶手段に記憶され、その運転条件と行った制御の内容が、次回以降の制御に活用される。出力低下があれば、ステップＳ７へ移行し、スロットル開度を所定値まで拡大する。

ステップＳ７において、スロットル開度を拡大するのは、ウェイストゲートバルブ２０を開放したことに伴う、ブースト圧の抑制（ブースト圧が減少又はブースト圧の上昇が抑制されること）による出力低下を補完するものである。

このときの開度は、例えば、図３に示すように、ウェイストゲートバルブ２０の開放度合いに応じて決定される。ウェイストゲートバルブ２０の開放度合いが大きいほど、制御されるスロットル開度は大きくなる。ただし、ウェイストゲートバルブ２０の一定割合の開放（例えば、開度１０％増）に対するスロットル開度の増加量は、ウェイストゲートバルブ２０の開放度合いが大きくなるにつれて徐々に大きくなる。例えば、ウェイストゲートバルブ２０を開度０％から１０％へ開放する場合のスロットル開度の増加量よりも、ウェイストゲートバルブ２０を開度１０％から２０％へ開放する場合のスロットル開度の増加量の方が大きくなる。ただし、スロットル開度の上限値は設定される。

再度、ステップＳ８において、サージングが発生しているか否か、及び、運転領域がサージング発生領域にあるか否かが判断され、サージングの発生又は運転領域がサージング領域にある状態が続いていることが判定された場合には、ステップＳ３に戻る。

サージングが解消、且つ、運転領域がサージング領域から離脱した場合には、ステップＳ９へ移行し、制御後の運転条件が学習値として記憶手段に記憶され、その運転条件と行った制御の内容が、次回以降の制御に活用される。

サージング回避のため開放されたウェイストゲートバルブ２０を元の状態に復帰させる制御、同じく、点火時期の進角を元の状態に復帰させる制御、スロットル開度の拡大を元の状態に復帰させる制御は、サージングが解消、且つ、運転領域がサージング領域から離脱したと判断された時点とすることができる。
また、例えば、運転者がアクセルペダルを踏み込む操作を行った場合に、又は、エンジンＥの負荷が減少した場合に、サージングが解消、且つ、運転領域がサージング領域から離脱したと判断して、そのサージング回避の制御を終了させることも可能である。

上記の実施形態では、ウェイストゲートバルブ装置Ｗの構成として、図１に示す構成を採用したが、ウェイストゲートバルブ２０の開度調整が任意に実施可能であれば電制式、負圧式及び油圧式等の種々のウェイストゲートバルブ装置Ｗを採用することができる。

１ 吸気通路
２ 排気通路
３ 高圧排気還流通路
４ 高圧排気還流弁
５ 第一のスロットルバルブ
６ 吸気冷却装置（インタークーラ）
７ タービン
８ 排気浄化部
９ 排気管
１３ 低圧排気還流通路
１４ 低圧排気還流弁
１５ 第二のスロットルバルブ
１７ コンプレッサ
２０ ウェイストゲートバルブ装置
２１ アクチュエータ
３０ 電子制御ユニット
３１ ウェイストゲートバルブ制御手段
３２ サージング発生検知手段
３３ スロットル制御手段
３４ 点火時期制御手段
Ｔ ターボチャージャ
Ｗ ウェイストゲートバルブ装置

Claims (5)

1. エンジンの吸気通路内に過給圧を作用させるコンプレッサと、エンジンの排気通路に設けられるタ−ビンとからなる過給機と、
   前記排気通路に設けられて前記吸気通路の過給圧を調整するウェイストゲートバルブ装置と、
   前記ウェイストゲートバルブ装置の動作を制御するウェイストゲートバルブ制御手段と、
   前記過給機にサージングが発生しているか否か又は運転領域がサージング発生領域であるか否かを検知するサージング発生検知手段と、
   エンジンの点火時期を制御する点火時期制御手段と
   を備え、
   前記サージング発生検知手段がサージングの発生を検出又は運転領域がサージング発生領域にあることを検出した場合に、前記ウェイストゲートバルブ制御手段は前記ウェイストゲートバルブ装置を動作させて前記吸気通路の過給圧を抑制又はその上昇を抑制するとともに、前記点火時期制御手段は前記ウェイストゲートバルブ装置の動作による内部還流ガスの減少に応じて点火時期の進角補正を行うエンジンの制御装置。
2. エンジンのスロットル開度を制御するスロットル制御手段を備え、
   前記スロットル制御手段は、前記ウェイストゲートバルブ装置の動作によりサージングが解消、且つ、運転領域がサージング領域から離脱した際に、前記エンジンの出力が低下している場合はスロットル開度を拡大し、当該出力低下を補完する請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 前記サージング発生検知手段がサージングの発生を検出又は運転領域がサージング発生領域にあることを検出した後、サージングが解消、且つ、運転領域がサージング領域から離脱した際の制御内容を学習値として記憶し、前記学習値を次回以降の制御に活用する記憶手段を備える請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。
4. 前記サージング発生検知手段による運転領域がサージング発生領域にあることの検出は、前記吸気通路への吸入空気流量の情報と、前記コンプレッサ前後の吸気通路の吸気圧力比の情報に基づいて行われる請求項１から３の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
5. 前記サージング発生検知手段によるサージングの発生の検出は、前記吸気通路への吸入空気流量の情報に基づいて行われる請求項１から４の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。

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