JP6972891B2 - 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。

機関吸気通路内に配置されたコンプレッサ及び機関排気通路内に配置されたタービンを備えるターボチャージャと、ターボチャージャのタービンをバイパスする通路内を流れるガス量を制御するためのウエストゲートバルブと、を備え、バルブオーバラップ量が大きくかつウエストゲートバルブが閉弁された状態から、バルブオーバラップ量を小さくしかつウエストゲートバルブを開弁するときには、まずウエストゲートバルブを閉弁したままバルブオーバラップ量を小さくし、次いでウエストゲートバルブを開弁する、内燃機関の制御装置が公知である（例えば、特許文献１参照）。

バルブオーバラップ量が大きい状態でウエストゲートバルブが開弁されると、排気圧が一気に低下し、排気圧に対する吸気圧の差が一気に大きくなるので、機関吸気通路内の新気が機関燃焼室をすり抜けて機関排気通路に到るのが促進される。このとき機関燃焼室をすり抜けた新気は機関燃焼室などにある未燃燃料とともに機関排気通路内に流入する。このため、機関排気通路内に配置された触媒内に多量の新気及び未燃燃料が流入して触媒が過昇温されるおそれがあり、それにより触媒などの熱劣化が促進されるおそれがある。そこで特許文献１では、ウエストゲートバルブを閉弁したままバルブオーバラップ量が小さくされ、次いでウエストゲートバルブが開弁される。このようにすると、排気圧と吸気圧との差が大きくなるのが抑制され、機関燃焼室をすり抜ける新気の量が抑制されるので、触媒などの熱劣化を抑制することができる。

特開２０１１−１９０７７１号公報

しかしながら、バルブオーバラップ期間中に機関燃焼室をすり抜けるガスの量を更に抑制することが期待されている。

本発明によれば、機関吸気通路内に配置されたコンプレッサ及び機関排気通路内に配置されたタービンを備えるターボチャージャと、前記ターボチャージャのコンプレッサ下流の機関吸気通路内に配置されたコンプレッサを備えるスーパチャージャと、前記ターボチャージャのタービンをバイパスする通路内を流れるガス量を制御するためのウエストゲートバルブと、前記スーパチャージャのコンプレッサをバイパスする通路内を流れるガス量を制御するためのバイパスバルブと、バルブオーバラップ期間中に機関燃焼室をすり抜けるガス量があらかじめ定められた設定量よりも多いときに、前記ウエストゲートバルブの開度をその基本開度よりも小さくするとともに、前記バイパスバルブの開度をその基本開度よりも大きくするように構成された制御器と、を備える、内燃機関の制御装置が提供される。

バルブオーバラップ期間中に機関燃焼室をすり抜けるガスの量を更に抑制することができる。

内燃機関の全体図である。 スーパチャージャ及びターボチャージャの作動領域を示す線図である。 バイパスバルブの基本開度及びウエストゲートバルブの基本開度の一例を示す線図である。 ＳＣ圧力比／トータル圧力比に対するトルクなどの変化の一例を示す線図である。 補正係数の一例を示す線図である。 機関加速時におけるトルクなどの経時変化の一例を示す線図である。 本発明による実施例の開度算出ルーチンを実行するためのフローチャートである。

図１を参照すると、内燃機関の制御装置１は、複数の燃焼室又は気筒２ａを有する機関本体２を備える。これら燃焼室２ａは一方では、下流側吸気管３ｄを介してスーパチャージャＳＣのコンプレッサＳＣｃの出口に連結される。スーパチャージャＳＣのコンプレッサＳＣｃの入口は中間吸気管３ｍを介してターボチャージャＴＢのコンプレッサＴＢｃの出口に連結される。ターボチャージャＴＢのコンプレッサＴＢｃの入口には上流側吸気管３ｕが連結される。

下流側吸気管３ｄ内には、スーパチャージャＳＣのコンプレッサＳＣｃからのガス（空気のみ、又は、空気及びＥＧＲガス）を冷却するためのインタークーラ４が配置される。下流側吸気管３ｄ内には更に、下流側吸気管３ｄ内の圧力である過給圧（インマニ圧とも称される。）を検出するための過給圧センサ５が配置される。一方、中間吸気管３ｍ内には、ターボチャージャＴＢのコンプレッサＴＢｃからのガスを冷却するためのインタークーラ６が配置される。上流側吸気管３ｕ内にはエアフロメータ（図示しない）及びエアクリーナ（図示しない）が配置される。

スーパチャージャＳＣのコンプレッサＳＣｃの駆動軸にはプーリＳＣｐが取り付けられており、このプーリＳＣｐは例えばベルト８を介してクランクプーリＣｐに連結される。したがって、機関運転が行われると、スーパチャージャＳＣのコンプレッサＳＣｃが駆動される。なお、スーパチャージャＳＣは機械式過給機又は機関駆動式過給機とも称される。

燃焼室２ａは他方では、上流側排気管９ｕを介してターボチャージャＴＢのタービンＴＢｔの入口に連結される。ターボチャージャＴＢのタービンＴＢｔの出口には下流側排気管９ｄが連結される。上流側排気管９ｕ内には、上流側排気管９ｕ内の圧力である排気圧を検出するための排気圧センサ１０が配置される。また、下流側排気管９ｄ内には触媒ＣＡＴが配置される。

ターボチャージャＴＢのコンプレッサＴＢｃの駆動軸はターボチャージャＴＢのタービンＴＢｔの回転軸に連結されている。したがって、排気ガスによってタービンＴＢｔが駆動されると、コンプレッサＴＢｃが駆動される。なお、ターボチャージャＴＢは排気駆動式過給機とも称される。

中間吸気管３ｍと下流側吸気管３ｄとは、スーパチャージャＳＣのコンプレッサＳＣｃをバイパスするＳＣバイパス管１１ｓｃによって互いに連結される。また、ＳＣバイパス管１１ｓｃ内には、ＳＣバイパス管１１ｓｃ内を流れるガス量を制御するための電磁式のバイパスバルブ１２ｓｃが配置される。バイパスバルブ１２ｓｃの開度が小さくされると、コンプレッサＳＣｃ内を流れるガス量が多くなり、コンプレッサＳＣｃの入口の圧力に対するコンプレッサＳＣｃの出口の圧力の比であるＳＣ圧力比が大きくなる。逆に、バイパスバルブ１２ｓｃの開度が大きくされると、ＳＣ圧力比が小さくなり、バイパスバルブ１２ｓｃの開度が例えば最大にされるとスーパチャージャＳＣの過給作用が停止される。

一方、上流側排気管９ｕと下流側排気管９ｄとは、ターボチャージャＴＢのタービンＴＢｔをバイパスするＴＢバイパス管１１ｔｂによって互いに連結される。また、ＴＢバイパス管１１ｔｂ内には、ＴＢバイパス管１１ｔｂ内を流れるガス量を制御するための電磁式のウエストゲートバルブ１２ｔｂが配置される。ウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度が小さくされると、タービンＴＢｔ内を流れるガス量が多くなり、コンプレッサＴＢｃの入口の圧力に対するコンプレッサＴＢｃの出口の圧力の比であるＴＢ圧力比が大きくなる。逆に、ウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度が大きくされると、ＴＢ圧力比が小さくなり、ウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度が例えば最大にされるとターボチャージャＴＢの過給作用が停止される。

制御器又は電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バスによって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）、入力ポート及び出力ポートを具備する。過給圧センサ５及び排気圧センサ１０の出力電圧は対応するＡ／Ｄ変換器を介して入力ポートに入力される。更に、アクセルペダルにはアクセルペダルの踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサが接続され、負荷センサの出力電圧は対応するＡＤ変換器を介して入力ポートに入力される。更に、クランク角を検出するためのクランク角センサが入力ポートに接続される。ＣＰＵではクランク角センサからの出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポートはそれぞれ対応する駆動回路を介して、吸気制御弁７、バイパスバルブ１２ｓｃ、及び、ウエストゲートバルブ１２ｔｂにそれぞれ接続される。

本発明による実施例では、例えば機関負荷Ｌ及び機関回転数Ｎｅにより表される機関運転状態領域が３つの領域、すなわち低負荷側の第１の領域Ｒ１、中負荷側の第２の領域Ｒ２、及び、高負荷側の第３の領域Ｒ３に分割される。機関運転状態が第１の領域Ｒ１内に属するときには、スーパチャージャＳＣ及びターボチャージャＴＢの過給作用が停止される。言い換えると、自然吸気により機関運転が行われる。これに対し、機関運転状態が第２の領域Ｒ１内に属するときには、スーパチャージャＳＣの過給作用が停止されつつ、ターボチャージャＴＢの過給作用が行われる。一方、機関運転状態が第３の領域Ｒ３内に属するときには、スーパチャージャＳＣ及びターボチャージャＴＢの過給作用が行われる。なお、図２において、ＦＬは全負荷を表している。

また、本発明による実施例では、バイパスバルブ１２ｓｃの目標開度Ｄｓｃ及びウエストゲートバルブ１２ｔｂの目標開度Ｄｔｂがそれぞれあらかじめ算出され、バイパスバルブ１２ｓｃの実際の開度及びウエストゲートバルブ１２ｔｂの実際の開度がそれぞれの目標開度Ｄｓｃ，Ｄｔｂになるようにバイパスバルブ１２ｓｃ及びウエストゲートバルブ１２ｔｂが制御される。バイパスバルブ１２ｓｃの目標開度Ｄｓｃ及びウエストゲートバルブ１２ｔｂの目標開度Ｄｔｂは例えば次式を用いてそれぞれ算出される。
Ｄｓｃ＝ＤｓｃＢ・Ｋｓｃ
Ｄｔｂ＝ＤｔｂＢ・Ｋｔｂ
ここで、ＤｓｃＢ及びＫｓｃはバイパスバルブ１２ｓｃの基本開度及び補正係数、並びに、ＤｔｂＢ及びＫｔｂはウエストゲートバルブ１２ｔｂの基本開度及び補正係数をそれぞれ表している。補正係数Ｋｓｃ，Ｋｔｂは補正する必要がないときには１とされる。補正係数Ｋｓｃ，Ｋｔｂが１よりも大きくされると、バイパスバルブ１２ｓｃの目標開度Ｄｓｃ及びウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度Ｄｔｂは増大補正される。補正係数Ｋｓｃ，Ｋｔｂが１よりも小さくされると、バイパスバルブ１２ｓｃの目標開度Ｄｓｃ及びウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度Ｄｔｂは減少補正される。

本発明による実施例では、バイパスバルブ１２ｓｃの基本開度ＤｓｃＢ及びウエストゲートバルブ１２ｔｂの基本開度ＤｔｂＢは機関運転状態、例えば機関負荷Ｌ及び機関回転数Ｎｅに基づいて算出される。図３には、バイパスバルブ１２ｓｃの基本開度ＤｓｃＢ及びウエストゲートバルブ１２ｔｂの基本開度ＤｔｂＢの一例が示される。図３に示される例では、バイパスバルブ１２ｓｃの基本開度ＤｓｃＢは、図３に実線で示されるように、概略的に言うと、機関負荷Ｌが高くなるにつれて小さくなる。一方、ウエストゲートバルブ１２ｔｂの基本開度ＤｔｂＢは、図３に破線で示されるように、概略的に言うと、機関負荷Ｌが高くなるにつれて小さくなる。

一方、本発明による実施例では、ＴＢ圧力比に対するＳＣ圧力比を圧力比割合（＝ＳＣ圧力比／ＴＢ圧力比）と称すると、要求圧力比割合が例えば機関運転状態に基づいてあらかじめ設定されており、実際の圧力比割合が要求圧力比割合になるように、バイパスバルブ１２ｓｃの開度及びウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度が制御される。また、本発明による実施例では、要求過給圧が例えば機関運転状態に基づいてあらかじめ設定されており、実際の過給圧が要求過給圧になるように、バイパスバルブ１２ｓｃの開度及びウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度が制御される。言い換えると、実際の圧力比割合が要求圧力比割合になるようにかつ実際の過給圧が要求過給圧になるように、補正係数Ｋｓｃ，Ｋｔｂが算出される。

さて、機関吸気弁及び機関排気弁が同時に開弁しているバルブオーバラップ期間中には、下流側吸気管３ｄ内のガスが燃焼室２ａをすり抜けて上流側排気管９ｕに到る。このように燃焼室２ａをすり抜けるガスの量、すなわちすり抜け量が過度に多くなると、触媒ＣＡＴなどの熱劣化が促進されるおそれがある。

そこで本発明による実施例では、すり抜け量が多いときに、ウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度を小さくするとともに、バイパスバルブ１２ｓｃの開度が大きくされる。その結果、排気圧が高くされる。したがって、排気圧に対する過給圧の差が小さくされるので、すり抜け量が抑制され、触媒などの耐久性がより高められる。

この場合、ウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度が小さくされると、ターボチャージャＴＢのコンプレッサＴＢｃ内を流れる排気ガスの量が多くなるので、過給圧が過度に高くなると考えられるかもしれない。しかしながら、本発明による実施例では、スーパチャージャＳＣのコンプレッサＳＣｃ内を流れるガスの量が少なくされるので、過給圧が過度に高くなるのが抑制され、したがってトルクが過度に高くなるのが抑制される。すなわち、本発明による実施例では、機関トルクが目標値から逸脱するのを抑制しつつ、機関燃焼室をすり抜けるガス量を抑制することが可能である。

このように本発明による実施例では、すり抜け量が多いときに、ウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度を小さくしかつバイパスバルブ１２ｓｃの開度を大きくする、すり抜け抑制制御が行われる。この場合、すり抜け抑制制御により、ターボチャージャＴＢによる過給作用が強められ、スーパチャージャＳＣによる過給作用が弱められる、という見方もできる。あるいは、圧力比割合（ＳＣ圧力比／ＴＢ圧力比）が小さくされる、という見方もできる。更に、ターボチャージャＴＢのコンプレッサＴＢｃの入口の圧力に対するスーパチャージャＳＣの出口の圧力の比をトータル圧力比と称すると、トータル圧力比に対するＳＣ圧力比の割合（ＳＣ圧力比／トータル圧力比）が小さくされる、という見方もできる。

図４は、ＳＣ圧力比／トータル圧力比が変化されたときの、機関トルク、エアフロメータにより検出される空気量、上流側排気管９ｕ内の圧力である排気圧、燃焼室２ａをすり抜けるガスの量であるすり抜け量、触媒床温、バイパスバルブ１２ｓｃの開度、及び、ウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度の変化の一例を示している。図４に示される例では、ＳＣ圧力比／トータル圧力比が小さくなると、バイパスバルブ１２ｓｃの開度が大きくなり、ウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度が小さくなる。その結果、排気圧が高くなり、すり抜け量が少なくなり、触媒床温が低くなる。一方、空気量はわずかに減少し、トルクはほぼ一定に維持される。このように、ＳＣ圧力比／トータル圧力比が小さくされると、トルクがほぼ一定に維持されつつ、すり抜け量が少なくされる。なお、すり抜け量が少なくなると、一定量の空気を燃焼室２ａに充填するのに必要な、燃焼室２ａ内への流入空気量は少なくなる。このため、ＳＣ圧力比／トータル圧力比が小さくなると、空気量が少なくなる。

更に詳しく説明すると、本発明による実施例のすり抜け抑制制御では、すり抜け量が推定される。このすり抜け量は、一例では、排気圧に対する過給圧の差に基づいて推定される。別の例では、上流側排気管９ｕ又は下流側排気管９ｄに設けられた空燃比センサ又は酸素濃度センサにより検出された空燃比又は酸素濃度に基づいて、すり抜け量が推定される。

次いで、あらかじめ定められた設定量に対するすり抜け量の差ＤＩＦ（＝すり抜け量−設定量）が算出される。次いで、この差ＤＩＦに基づいて、上述の要求圧力比割合が補正される。具体的には、差ＤＩＦに基づいて補正係数ＫＰＲが算出され、この補正係数ＫＰＲにより要求圧力比割合が補正される（要求圧力比割合・ＫＰＲ）。補正係数ＫＰＲの一例が図５に実線で示される。図５に示される例では、補正係数ＫＰＲは、差ＤＩＦが大きくなるにつれて小さくなり、更に、差ＤＩＦがゼロよりも大きいとゼロよりも小さく、差ＤＩＦがゼロよりも小さいとゼロよりも大きくなる。なお、補正係数ＫＰＲは補正する必要がないときには１とされる。

すなわち、差ＤＩＦがゼロよりも大きいとき、すなわちすり抜け量が設定量よりも多いときに、差ＤＩＦに基づいて要求圧力比割合が小さくされ、実際の圧力比割合がこの要求圧力比割合になるように、上述の補正係数Ｋｓｃ，Ｋｔｂが算出される。この場合、圧力比割合を小さくするために、バイパスバルブ１２ｓｃの開度が大きくされ、ウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度が小さくされる。

また、図５に示される例では、差ＤＩＦがゼロよりも小さいとき、すなわちすり抜け量が設定量よりも少ないときに、差ＤＩＦに基づいて要求圧力比割合が大きくされ、したがってバイパスバルブ１２ｓｃの開度が小さくされ、ウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度が大きくされる。これに対し、別の実施例（図示しない）では、差ＤＩＦがゼロよりも小さいときには、補正係数ＫＰＲは１に保持され、したがって補正係数ＫＰＲによる要求圧力比割合の補正は行われない。

本発明による実施例のすり抜け抑制制御では更に、差ＤＩＦに基づいて、上述の要求過給圧が補正される。具体的には、差ＤＩＦに基づいて補正係数ＫＳＣＰが算出され、この補正係数ＫＳＣＰにより要求過給圧が補正される（要求過給圧・ＫＳＣＰ）。補正係数ＫＳＣＰの一例が図５に実線で示される。図５に示される例では、補正係数ＫＳＣＰは、差ＤＩＦが大きくなるにつれて小さくなり、更に、差ＤＩＦがゼロよりも大きいとゼロよりも小さく、差ＤＩＦがゼロよりも小さいとゼロよりも大きくなる。なお、補正係数ＫＳＣＰは補正する必要がないときには１とされる。

すなわち、差ＤＩＦがゼロよりも大きいとき、すなわちすり抜け量が設定量よりも多いときに、差ＤＩＦに基づいて要求過給圧が低くされ、実際の過給圧がこの要求過給圧になるように、上述の補正係数Ｋｓｃ，Ｋｔｂが算出される。この場合、過給圧を低くするために、バイパスバルブ１２ｓｃの開度が大きくされ、ウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度が大きくされる。

また、図５に示される例では、差ＤＩＦがゼロよりも小さいとき、すなわちすり抜け量が設定量よりも少ないときに、差ＤＩＦに基づいて要求過給圧が大きくされ、したがってバイパスバルブ１２ｓｃの開度が小さくされ、ウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度が小さくされる。これに対し、別の実施例（図示しない）では、差ＤＩＦがゼロよりも小さいときには、補正係数ＫＳＣＰは１に保持され、したがって補正係数ＫＳＣＰによる要求過給圧の補正は行われない。

図６は、機関加速運転が行われたときの、トルク、排気圧、バイパスバルブ１２ｓｃの開度、ウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度、すり抜け量、及び、触媒床温の経時変化の一例を示している。また、図６の実線は本発明による実施例のすり抜け抑制制御が行われた場合を、図６の破線は本発明による実施例のすり抜け抑制制御が行われない場合を、それぞれ示している。

図６に示される例では、時間ｔ１においてすり抜け量が設定量よりも多くなると、本発明による実施例のすり抜け抑制制御が開始される。その結果、バイパスバルブ１２ｓｃの開度が大きくされ、ウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度が小さくされ、過給圧が低くされ、したがってすり抜け量が少なくされる。これにより、触媒床温が上限温度を越えるのが阻止される。なお、図６に示される例では、触媒床温が上限温度を越えないように、上述の設定量があらかじめ設定されているという見方もできる。

図７は本発明による実施例のバイパスバルブ１２ｓｃ及びウエストゲートバルブ１２ｔｂの開度算出を実行するためのルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。図７を参照すると、ステップ１００では、すり抜け量が推定される。続くステップ１０１では補正係数ＫＰＲ，ＫＳＣＰが算出される。続くステップ０１０２では補正係数Ｋｓｃ，Ｋｔｂが算出される。続くステップ１０３では基本開度ＤｓｃＢ，ＤｓｃＢが算出される。続くステップ１０４ではバイパスバルブ１２ｓｃの目標開度Ｄｓｃ及びウエストゲートバルブ１２ｔｂの目標開度Ｄｔｂがそれぞれ算出される。

１ 制御装置
２ 機関本体
２ａ 燃焼室
３ｄ，３ｍ，３ｕ 吸気管
９ｕ，９ｄ 排気管
１１ｓｃ，１１ｔｂ バイパス管
１２ｓｃ バイパスバルブ
１２ｔｂ ウエストゲートバルブ
３０ 電子制御ユニット
ＳＣ スーパチャージャ
ＳＣｃ スーパチャージャのコンプレッサ
ＴＢ ターボチャージャ
ＴＢｃ ターボチャージャのコンプレッサ
ＴＢｔ ターボチャージャのタービン
ＣＡＴ 触媒

Claims (1)

1. 機関吸気通路内に配置されたコンプレッサ及び機関排気通路内に配置されたタービンを備えるターボチャージャと、
   前記ターボチャージャのコンプレッサ下流の機関吸気通路内に配置されたコンプレッサを備えるスーパチャージャと、
   前記ターボチャージャのタービンをバイパスする通路内を流れるガス量を制御するためのウエストゲートバルブと、
   前記スーパチャージャのコンプレッサをバイパスする通路内を流れるガス量を制御するためのバイパスバルブと、
   バルブオーバラップ期間中に機関燃焼室をすり抜けるガス量があらかじめ定められた設定量よりも多いときに、前記ウエストゲートバルブの開度をその基本開度よりも小さくするとともに、前記バイパスバルブの開度をその基本開度よりも大きくするように構成された制御器と、
   を備える、内燃機関の制御装置。

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