JP2005320937A - 内燃機関の過給圧制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 機関排気温度や背圧等のパラメータが変化しても迅速に実過給圧を目標過給圧に到達させることができる内燃機関の過給圧制御装置を提供する。
【解決手段】 本発明の過給圧制御装置は、機関排気ガスの有するエネルギにより駆動されて吸気ガスを過給する過給器７と、機関排気ガスの有するエネルギのうち該過給器を駆動するエネルギの割合を調整する調整手段１３と、機関運転状態に基づいて目標過給圧を設定する目標過給圧設定手段３０と、実過給圧を検出する吸気圧センサ４２とを具備する。調整手段により調整される上記割合は、目標過給圧設定手段によって設定された目標過給圧Ｐｔと吸気圧センサによって検出された実過給圧Ｐｒとに基づいて実過給圧が目標過給圧となるようにフィードバック制御される。調整手段により調整される上記割合はさらに機関排気温度に基づいて制御される。
【選択図】 図４

Description

本発明は内燃機関の過給圧制御装置に関する。

内燃機関のターボチャージャ（過給器）にはその排気タービンのバイパス通路にウエストゲートバルブが設けられている。ウエストゲートバルブは、排気タービンに作用する排気ガスの流量を調整しており、その開度を小さくすると排気タービンに作用する排気ガスの流量が多くなり、その開度を大きくすると排気タービンに作用する排気ガスの流量が少なくなる。排気タービンに作用する排気ガスの流量が多いほどターボチャージャのコンプレッサの過給能力が高まるため、ウエストゲートの開度を小さくすると吸気ガスの過給圧（以下、「吸気過給圧」と称す）が大きくなり、開度を小さくすると吸気過給圧が小さくなる。多くの内燃機関の過給圧制御装置では、このウエストゲートバルブを実際の吸気過給圧（以下、「実過給圧」と称す）に応じて開閉制御することにより、吸気過給圧が機関回転数や機関負荷に応じて設定された目標過給圧となるように制御している。

特許文献１に記載の過給圧制御装置では、電子制御ユニットにより目標過給圧と実過給圧との偏差（以下、「圧力偏差」と称す）に応じて、実過給圧が目標過給圧となるようにウエストゲートバルブの開度の操作量（単位時間当たりにウエストゲートバルブの開度を大きくまたは小さくする量。以下、「開度操作量」と称す）を定めている。すなわち開度操作量は、目標過給圧と実過給圧との偏差に基づいて実過給圧が目標過給圧となるようにフィードバック制御される。このようなフィードバック制御を行うことにより、実過給圧が目標過給圧に迅速に到達するようにしている。

特開２０００−２４８９５２号公報 特開２００１−１９３５７３号公報 特開平８−７４５８８号公報

ところで、吸気過給圧の変位量はウエストゲートバルブの開度操作量のみに基づいて変化するわけではなく、例えば、内燃機関本体から排出される排気ガス（以下、「機関排気ガス」と称す）の温度（以下、「機関排気温度」と称す）や、排気タービン下流における排気ガスの圧力（以下、「背圧」と称す）等のパラメータによっても変化する。したがって、一定のウエストゲートバルブの開度操作量に対する吸気過給圧の変位量は一定ではない。

ところが、特許文献１に記載の過給圧制御装置では、圧力偏差に対する開度操作量の割合（制御ゲイン）は基本的に一定とされている。しかしながら、上述したように同じ開度操作量であっても同じ過給圧の変位量を得られるとは限らず、実過給圧が目標過給圧に到達する速度が遅くなってしまうことも多いと考えられる。また、開度操作量に対する過給圧の変位量が予定する量よりも大きい場合には、過給圧が高くなり過ぎて機関本体や過給器が破損してしまうことも考えられる。

そこで、本発明の目的は、機関排気温度や背圧等のパラメータが変化しても迅速に実過給圧を目標過給圧に到達させることができる内燃機関の過給圧制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、第１の発明では、機関排気ガスの有するエネルギにより駆動されて吸気ガスを過給する過給器と、機関排気ガスの有するエネルギのうち該過給器を駆動するエネルギの割合を調整する調整手段と、機関運転状態に基づいて目標過給圧を設定する目標過給圧設定手段と、実過給圧を検出する吸気圧センサとを具備し、上記調整手段により調整される上記割合は、上記目標過給圧設定手段によって設定された目標過給圧と上記吸気圧センサによって検出された実過給圧とに基づいて実過給圧が目標過給圧となるようにフィードバック制御される内燃機関の過給圧制御装置において、上記調整手段により調整される上記割合はさらに機関排気温度に基づいて制御される。
第１の発明によれば、調整手段（下記実施形態ではウエストゲートバルブ）によって調整される上記割合（下記実施形態では、ウエストゲートバルブの開度）が、機関排気温度によっても制御される。したがって、機関排気温度とは無関係に上記割合を調整してフィードバック制御を実行する場合に比べて、実過給圧の目標過給圧への到達速度を速めることができる。

第２の発明では、第１の発明において、上記機関排気温度は排気空燃比に基づいて推定される。

第３の発明では、第１の発明において、上記内燃機関は排気ガスの一部を再び機関燃焼室に流入させる排気再循環を行い、上記機関排気温度は吸気ガス中に占める排気再循環された排気ガスの割合に基づいて推定される。

上記課題を解決するために、第４の発明では、機関排気ガスの有するエネルギにより駆動される排気タービンと該排気タービンに連結されて吸気ガスを過給するコンプレッサとを備えた過給器と、機関排気ガスの有するエネルギのうち該排気タービンを駆動するエネルギの割合を調整する調整手段と、機関運転状態に基づいて目標過給圧を設定する目標過給圧設定手段と、実過給圧を検出する吸気圧センサとを具備し、上記調整手段により調整される上記割合は、上記目標過給圧設定手段によって設定された目標過給圧と上記吸気圧センサによって検出された実過給圧とに基づいて実過給圧が目標過給圧となるようにフィードバック制御される内燃機関の過給圧制御装置において、上記調整手段により調整される上記割合はさらに上記排気タービン下流の排気ガスの圧力に基づいて制御される。
第４の発明によれば、調整手段によって調整される上記割合が、排気タービン下流の排気ガスの圧力（背圧）によっても制御される。したがって、背圧とは無関係に上記割合を調整してフィードバック制御を実行する場合に比べて、実過給圧の目標過給圧への到達速度を速めることができる。

第５の発明では、第４の発明において、上記内燃機関は、排気浄化触媒と、該排気浄化触媒をバイパスする触媒バイパス通路と、該触媒バイパス通路に流入する排気ガスの流量を調整する流量調整弁とを具備し、上記排気タービン下流の排気圧は上記流量調整弁の開度状態に基づいて推定される。

本発明によれば、機関排気温度や背圧等のパラメータが変化しても迅速に実過給圧を目標過給圧に到達させることができる。

以下、図面を参照して本発明について詳細に説明する。図１は本発明をリーンバーン型の火花点火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は圧縮着火式内燃機関にも適用することもできる。

図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。各気筒の燃焼室２毎に点火プラグ（図示せず）が設けられる。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口はエアクリーナ８に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９が配置され、さらに吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１０が配置される。図１に示した例では機関冷却水が冷却装置１０内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結される。また、排気マニホルド５からは排気タービン７ｂをバイパスするためのバイパス通路１１が分岐せしめられる。バイパス通路１１の出口は、排気タービン７ｂの下流の排気管１２に連通せしめられる。バイパス通路１１には、駆動装置１４によって駆動されてバイパス通路１１内を流れる排気ガスの流量を調整するウエストゲートバルブ１３が設けられる。排気タービン７ｂの出口は排気管１２を介して前段排気浄化触媒１５を内蔵したケーシング１６に連結される。ケーシング１６の出口は排気管１７を介して後段排気浄化触媒１８を内蔵したケーシング１９に連通される。また、排気管１２からは前段排気浄化触媒１５をバイパスするための触媒バイパス通路２０が分岐せしめられる。触媒バイパス通路２０の出口は、前段排気浄化触媒１５と後段排気浄化触媒１８との間の排気管１７に連通せしめられる。触媒バイパス通路２０の分岐部には、前段排気浄化触媒１５に流入する排気ガスの流量を調整するための流量調整弁２１が設けられる。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２２内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２３が配置される。また、ＥＧＲ通路２２周りにはＥＧＲ通路２２内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲ冷却装置２４が配置される。図１に示した例では機関冷却水がＥＧＲ冷却装置２４内に導びかれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２５、燃料ポンプ２６を介して燃料タンクに連結される。燃料タンク内の燃料は、燃料ポンプ２６によって加圧されて燃料供給管２５を介して燃料噴射弁３に供給される。

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３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４０が接続され、負荷センサ４０の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。さらに入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４１が接続される。

また、コンプレッサ７ａ下流の吸気管には吸気管内の吸気ガスの圧力を検出するための吸気圧センサ４２が取付けられ、排気マニホルド５には排気マニホルド内の排気ガスの温度を検出するための排気温センサ４３が取付けられる。さらに、触媒バイパス通路２０への分岐部上流の排気管１２には分岐部上流の排気管内の排気ガスの圧力を検出するための排気圧センサ４４が取付けられ、排気管１７と触媒バイパス通路２０との合流部下流の排気管１７には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４５が取付けられる。これら吸気圧センサ４２、排気温センサ４３、排気圧センサ４４および空燃比センサ４５の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。

一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁９駆動用ステップモータ、ウエストゲートバルブ１３の駆動装置１４、ＥＧＲ制御弁２３、、燃料ポンプ２６および点火プラグに接続される。

本実施形態では、ウエストゲートバルブ１３の開度、すなわちウエストゲートバルブ１３の軸線方向の移動は、ＥＣＵ３０からウエストゲートバルブ１３のアクチュエータ１４に送信する制御信号により制御される。ウエストゲートバルブ１３の開度が大きくなるとバイパス通路１１を流れる排気ガスの流量が多くなり、よって排気タービン７ｂに作用する排気ガスの流量が少なくなる。このため、機関燃焼室２から排出された排気ガスのエネルギのうち排気タービン７ｂの駆動に寄与するエネルギの割合が小さくなる。したがって、機関燃焼室２から排出された排気ガスのエネルギ等の条件が同一であれば、ウエストゲートバルブ１３の開度を大きくすると排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの過給能力が弱まり、よって吸気ガスの過給圧（以下、「吸気過給圧」と称す）が低下する。

逆に、ウエストゲートバルブ１３の開度が小さくなるとバイパス通路１１を流れる排気ガスの流量が少なくなり、よって排気タービン７ｂに作用する排気ガスの流量が多くなる。このため、機関燃焼室２から排出された排気ガスのエネルギのうち排気タービン７ｂの駆動に寄与するエネルギの割合が大きくなる。したがって、機関燃焼室２から排出された排気ガスのエネルギ等の条件が同一であれば、ウエストゲートバルブ１３の開度を小さくするとコンプレッサ７ａの過給能力が強まり、よって吸気過給圧が上昇する。

一般に、機関回転数および機関負荷等の機関運転状態に応じて最適な吸気過給圧が異なるため、機関回転数および機関負荷等の機関運転状態に基づいてＥＣＵ３０により吸気過給圧の目標値（以下、「目標過給圧」と称す）が定められる。そして、吸気圧センサ４２によって検出される実際の吸気過給圧（以下、「実過給圧」と称す）が目標過給圧となるようにウエストゲートバルブ１３の開度がフィードバック制御される。

すなわち、実過給圧が目標過給圧よりも小さい場合、ウエストゲートバルブ１３の開度を小さくし、実過給圧が目標過給圧よりも大きい場合、ウエストゲートバルブ１３の開度を大きくする。また、実過給圧と目標過給圧との圧力偏差が大きいほどウエストゲートバルブ１３の開度の操作量を大きくする。これにより、実過給圧が目標過給圧に迅速に到達するようになる。

このようなウエストゲートバルブ１３の開度のフィードバック制御の一つに、比例積分制御（以下、「ＰＩ制御」と称す）を用いた制御がある。以下、このＰＩ制御を用いた場合を例にとって本発明の制御装置について説明するが、比例積分微分制御（ＰＩＤ制御）等、他のフィードバック制御を用いてウエストゲートバルブ１３の開度を制御する場合にも本発明の制御を利用可能である。

ＰＩ制御を用いた場合、吸気圧センサ４２によって検出された実過給圧Ｐｒと、機関運転状態に基づいて定められた目標過給圧Ｐｔとの圧力偏差ΔＰ（＝Ｐｔ−Ｐｒ）から、下記式（１）によりウエストゲートバルブ１３の開度操作量ΔＤｗが求められ、この開度操作量ΔＤｗに相当する開度分だけウエストゲートバルブ１３が開閉される。
ΔＤｗ＝ｋｐ・ΔＰ＋ｋｉ・∫ΔＰ …（１）
ここで、式（１）においてｋｐ・ΔＰは比例項であり、ｋｐは比例ゲインである。また、ｋｉ・∫ΔＰは積分項であり、ｋｉは積分ゲインである。比例ゲインｋｐおよび積分ゲインｋｉは図６を参照して後述する制御ゲイン算出制御により定められる。

ただし、上記式（１）のままではＥＣＵ３０で演算を行うのが困難であるため、上記式（１）を離散化する必要がある。したがって、実際にはＥＣＵ３０では下記式（２）により開度操作量ΔＤｗが算出される。
ΔＤｗ_n＝ΔＤｗ_n-1＋ｋｐ・（ΔＰ_n−ΔＰ_n-1）＋ｋｉ・ΔＰ_n …（２）
ここで、式（２）において、ｎは計算回数を表しており、ｎ−１は前回計算時の値である。そして、式（２）の計算を繰り返すことによって、開度操作量ΔＤｗが逐次計算され、この開度操作量ΔＤｗ分だけウエストゲートバルブ１３を開閉することにより、実過給圧Ｐｒが目標過給圧Ｐｔに到達せしめられる。

なお、ウエストゲートバルブ１３の開度は、前回の開度Ｄｗ_n-1に開度操作量ΔＤｗ_nを加えることにより算出される。（下記式（３）参照）。
Ｄｗ_n＝Ｄｗ_n-1＋ΔＤｗ_n …（３）

図２のフローチャートは、本発明のウエストゲートバルブ１３の開度設定についての制御ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。

図２を参照すると、まずステップ１０１で運転パラメータに基づいて目標過給圧Ｐｔが算出される。本実施形態では運転パラメータとして機関回転数Ｎｅおよび吸入空気量Ｇｅが用いられ、これら運転パラメータと目標過給圧Ｐｔとの関係を予めマップとしてＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に保存しておく。そしてクランク角センサ４１およびエアフロメータ４６の出力と上記マップとに基づいて目標過給圧Ｐｔが算出される。次いで、ステップ１０２では、吸気圧センサ４２によって実過給圧Ｐｒが検出される。

ステップ１０３ではステップ１０１で算出された目標過給圧Ｐｔからステップ１０２で検出された実過給圧Ｐｒを減算することで、今回の圧力偏差ΔＰが算出される。次いで、ステップ１０４では、後述する制御ゲイン算出制御により算出された比例ゲインｋｐおよび積分ゲインｋｉが取得せしめられる。ステップ１０５では、ステップ１０３およびステップ１０４で求められた圧力偏差ΔＰ、比例ゲインｋｐおよび積分ゲインｋｉを上記式（２）に代入することによりウエストゲートバルブ１３の今回の開度操作量ΔＤｗ_nが算出される。そして、ステップ１０６では、上記式（３）により、今回のウエストゲートバルブ１３の開度Ｄｗ_nが算出される。

ところで、入力値（上記ＰＩ制御では圧力偏差ΔＰまたはその積分値）に対する出力値（上記ＰＩ制御では開度操作量ΔＤｗ）の割合を制御ゲイン（上記ＰＩ制御では比例ゲインｋｐおよび積分ゲインｋｉ）とすると、制御ゲインが大きいほど圧力偏差等の入力値に対して開度操作量等の出力値が大きいものとなる。この制御ゲインは、大きすぎても小さすぎても実過給圧が目標過給圧に到達する速度（以下、「到達速度」と称す）が遅くなる。

例えば、ＰＩ制御において、目標過給圧について図３に一点鎖線ａで示したようなステップ入力を行った場合について考える。この場合、制御ゲインを最適値に設定すると、実過給圧は目標過給圧のステップ入力に追随して実線ｂで示したように推移し、目標過給圧への到達速度は速い。ところが、制御ゲインが最適値よりも低く設定されていると、破線ｃで示したように目標過給圧に向かう実過給圧の上昇速度が遅く、制御ゲインが最適な場合に比べて実過給圧の目標過給圧への最終的な到達速度が遅い。逆に、制御ゲインが最適値よりも高く設定されていると、破線ｄで示したように目標過給圧に向かう実過給圧の上昇速度は速いが、実過給圧が目標過給圧を超えてオーバーシュートしてしまうため、結果として制御ゲインが最適な場合に比べて目標過給圧への最終的な到達速度は遅い。したがって、目標過給圧への実過給圧の到達速度を速めるためには、制御ゲインを最適な値に設定する必要がある。

一般に、制御ゲインは、排気ガスの流量に関するパラメータ、例えば機関回転数および吸入吸気量に応じて、目標過給圧への実過給圧の到達速度を速くするのに最適となるように定められる。これは、排気ガスの流量に応じてウエストゲートバルブ１３の開度と吸気過給圧の関係が変化するため、このような関係が変化しても実過給圧の目標過給圧への到達速度を速いまま維持しようとするものである。

ところが、実際にはウエストゲートバルブ１３の開度と吸気過給圧との関係は排気ガスの流量のみならず、内燃機関の他の運転パラメータによっても変化する。例えば、図４に示したように、機関燃焼室２から排出された排気ガス（以下、「機関排気ガス」と称す）の温度、すなわち排気マニホルド５内にあって排気タービン７ｂに到達する前の排気ガスの温度（以下、「機関排気温度」と称す）が高いときには、開度が同じでも機関排気温度が低いときに比べて吸気過給圧が高く、またウエストゲートバルブ１３の開度操作量に対する吸気過給圧の変化量も異なる。すなわち、機関排気温度が高いとウエストゲートバルブ１３の開度操作量に対する吸気過給圧の変化量が大きく、逆に機関排気温度が低いとウエストゲートバルブ１３の開度操作量に対する吸気過給圧の変化量が小さい。

このような現象は以下のような理由で生じるものと考えられる。すなわち、機関排気温度が高い方が単位体積当たりの機関排気ガスのもつエネルギが大きい。このため、ウエストゲートバルブ１３の開度を変更することによって排気タービン７ｂを駆動する排気ガスの流量が同じだけ変化した場合でも、機関排気温度が異なると排気タービン７ｂを駆動する排気ガスがもつエネルギは異なり、よって排気タービン７ｂの駆動に寄与するエネルギの量も異なるものとなるためである。

したがって、制御ゲインを排気ガスの流量に関するパラメータのみに応じて変更していると実過給圧の目標過給圧への到達速度が遅くなることがある。このことについて、排気ガスの流量が一定であり、よって制御ゲインは一定である場合について考えてみる。この場合、機関排気温度が異なっても、制御ゲインが一定であるため、目標過給圧と実過給圧との圧力偏差等に対するウエストゲートバルブ１３の開度操作量は同一になる。しかしながら、上述したようにウエストゲートバルブ１３の開度操作量に対する吸気過給圧の変化量は機関排気温度に応じて異なるものとなってしまう。したがって、結果的に、機関排気温度が異なると目標過給圧と実過給圧との圧力偏差が同一であっても吸気過給圧の変化量が異なるものとなってしまう。よって、例えば、機関排気温度が高いときに最適となるように制御ゲインを設定すると、機関排気温度が低いときには実過給圧は図３の破線ｃのように推移し、実過給圧の目標過給圧への到達速度が遅くなる。逆に、機関排気温度が低いときに最適となるように制御ゲインを設定すると、機関排気温度が高いときには実過給圧は図３の破線ｄのように推移し、実過給圧の目標過給圧への到達速度が遅くなる。さらにこのときには、実過給圧は図３の破線ｄから分かるように非常に高い過給圧となり、機関本体や過給器が破損してしまうことも考えられる。

そこで、本発明の第一実施形態では、機関排気温度が高いときには制御ゲインを低くし、機関排気温度が低いときには制御ゲインを高くすることで、如何なる機関排気温度であっても制御ゲインを最適にし、実過給圧の目標過給圧への到達速度が速くなるようにしている。

具体的には、機関回転数Ｎｅおよび吸入空気量Ｇｅをクランク角センサ４１およびエアフロメータ４６からそれぞれ検出する。そして検出された機関回転数Ｎｅおよび吸入空気量Ｇｅに基づいて予め実験的に求めたマップからまたは計算により基準比例ゲインｋｐｂａｓｅおよび基準積分ゲインｋｉｂａｓｅが算出される。これら基準制御ゲインｋｐｂａｓｅおよび基準積分ゲインｋｉｂａｓｅは、例えば、機関排気温度が高いときに到達速度を速くするのに最適となるような値とされる。そして、このようにして算出された基準比例ゲインおよび基準積分ゲインに、排気温センサ４３によって検出された機関排気温度に応じて算出される比例ゲイン補正係数および積分ゲイン補正係数を乗算して、比例ゲインおよび積分ゲインの値を求める。なお、これら比例ゲイン補正係数および積分ゲイン補正係数は、機関排気温度が高いときに１となり、温度が低下するにつれて大きくなる係数である。そして、このようにして得られた制御ゲインが、例えば、図２のステップ１０４においてウエストゲートバルブ１３の開度設定において利用される。

次に本発明の第二実施形態の過給圧制御装置について説明する。図５（ａ）は排気ガスの流量が一定である場合における空燃比と機関排気温度との関係を示している。図５（ａ）から分かるように機関排気温度は空燃比に応じて異なる。すなわち、空燃比がほぼ理論空燃比（ストイキ）よりも高くリーンとなっていると、機関燃焼室２内において燃焼に寄与しない空気によって熱が奪われるため、空燃比がほぼ理論空燃比であるときよりも機関排気温度は低くなる。また、空燃比がほぼ理論空燃比よりも低くリッチとなっていると、機関燃焼室２内において過剰燃料による冷却が行われるため、空燃比がほぼ理論空燃比であるときよりも機関排気温度は低くなる。

したがって、実過給圧の目標過給圧への到達速度を速くするのに最適な制御ゲインも空燃比に応じて異なり、空燃比がリーンまたはリッチとなっているときはほぼ理論空燃比となっているときよりも最適な制御ゲインが高い。そこで、本発明の第二実施形態では、機関排気温度に代えて空燃比に応じて制御ゲインを設定することとしている。すなわち、空燃比がリーンまたはリッチとなっているときは、ほぼ理論空燃比となっているときよりも制御ゲインを高く設定している。これにより、常に実過給圧の目標過給圧への到達速度を速いものとすることができるようになる。

より具体的には、空燃比がほぼ理論空燃比となっているときに到達速度を速くするのに最適な制御ゲインを基準ゲインとする。そして、この基準ゲインに、空燃比に基づいて算出される制御ゲインの補正係数を乗算することで、図２のステップ１０４で利用される制御ゲインが算出される。制御ゲインの補正係数は、図５（ｂ）に示したように、空燃比がほぼ理論空燃比のときに１となり、ほぼ理論空燃比からリッチ度合またはリーン度合が大きくなるにつれて大きくなる。基準ゲインは、上記第一実施形態と同様に機関回転数Ｎｅおよび吸入空気量Ｇｎに基づいて算出される。

図６のフローチャートは、空燃比に基づいて制御ゲインを算出するための制御ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。

図６を参照すると、まずステップ１２１において、クランク角センサ４１、エアフロメータ４６および空燃比センサ４５により機関回転数Ｎｅ、吸入空気量Ｇｅおよび空燃比ＡＦがそれぞれ検出される。次いで、ステップ１２２において、ステップ１２１で検出された機関回転数Ｎｅおよび吸入空気量Ｇｅから基準比例ゲインｋｐｂａｓｅおよび基準積分ゲインｋｉｂａｓｅが算出される。これら基準比例ゲインｋｐｂａｓｅおよび基準積分ゲインｋｉｂａｓｅは、空燃比がほぼ理論空燃比となっているときに到達速度を速くするのに最適な値となっている。

ステップ１２３では、ステップ１２１で検出された空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦｓｔとほぼ等しいか否かが判定される。ＡＦ≒ＡＦｓｔであると判定された場合には、ステップ１２４へと進み、基準比例ゲインｋｐｂａｓｅおよび基準積分ゲインｋｉｂａｓｅがそれぞれ比例ゲインｋｐおよび積分ゲインｋｉとされる。一方、ステップ１２３においてＡＦ≠ＡＦｓｔであると判定された場合には、ステップ１２５へと進む。ステップ１２５では、空燃比ＡＦがリーンであるかリッチであるかが判定され、空燃比ＡＦがリーンであると判定された場合（ＡＦ＞ＡＦｓｔ）にはステップ１２６へと進む。ステップ１２６では、図５（ｂ）に示したようなマップの右半分と、上記検出された空燃比ＡＦとに基づいて比例ゲイン補正係数ｋｐｒｅ１および積分ゲイン補正係数ｋｉｒｅ１が算出される。次いでステップ１２７において、ステップ１２２およびステップ１２６で算出された値を利用して、比例ゲインおよび積分ゲインが算出される（ｋｐ＝ｋｐｂａｓｅ・ｋｐｒｅ１、ｋｉ＝ｋｉｂａｓｅ・ｋｉｒｅ１）。算出された比例ゲインｋｐおよび積分ゲインｋｉは図２のステップ１０４において利用される。

一方、ステップ１２５において、空燃比ＡＦがリッチであると判定された場合（ＡＦ＜ＡＦｓｔ）にはステップ１２８へと進む。ステップ１２８では、図５（ｂ）に示したマップの左半分と検出された空燃比ＡＦとに基づいて比例ゲイン補正係数ｋｐｒｅ２および積分ゲイン補正係数ｋｉｒｅ２が算出される。次いでステップ１２９において、ステップ１２２およびステップ１２８で算出された値を利用して、比例ゲインおよび積分ゲインが算出される（ｋｐ＝ｋｐｂａｓｅ・ｋｐｒｅ２、ｋｉ＝ｋｉｂａｓｅ・ｋｉｒｅ２）。

次に本発明の第三実施形態の過給圧制御装置について説明する。図７（ａ）は排気ガスの流量が一定である場合におけるＥＧＲ率（全吸気ガス中に占めるＥＧＲガスの割合）と機関排気温度との関係を示している。図７（ａ）から分かるように機関排気温度はＥＧＲ率によっても異なる。すなわち、ＥＧＲ率がほぼ零であると、機関燃焼室２内では良好な燃焼が行われやすいため機関排気温度は高い。一方、ＥＧＲ率が高くなると、機関燃焼室２内での発熱量が低下するため、機関排気温度も低くなる。

したがって、実過給圧の目標過給圧への到達速度を速くするのに最適な制御ゲインもＥＧＲ率に応じて異なり、ＥＧＲ率が高いときほど制御ゲインが大きいことが好ましい。そこで、本発明の第三実施形態では、第一実施形態の機関排気温度に代えてＥＧＲ率に応じて制御ゲインを設定し、ＥＧＲ率が高いときほど制御ゲインを大きくしている。これにより、実過給圧の目標過給圧への到達速度を速くすることができるようになる。

より具体的には、ＥＧＲ率がほぼ零であるときに到達速度を速くするのに最適な制御ゲインを基準ゲインとする。そして、この基準ゲインに、図７（ｂ）に示したようなＥＧＲ率に基づいて算出される制御ゲインの補正係数を乗算することで、図２のステップ１０４で利用される制御ゲインが算出される。基準ゲインは、上記第一実施形態と同様に機関回転数Ｎｅおよび吸入空気量Ｇｎに基づいて算出される。

図８のフローチャートは、ＥＧＲ率に基づいて制御ゲインを算出するための制御ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。なお、図８のステップ１４２および１４４はそれぞれ図６のステップ１２２および１２４と同様であるため説明を省略する。

図８を参照すると、ステップ１４１では、クランク角センサ４１およびエアフロメータ４６により機関回転数Ｎｅおよび吸入空気量Ｇｅがそれぞれ検出されると共に、ＥＣＵ３０からＥＧＲ制御弁２３に送られる制御信号に基づいてＥＧＲ率Ｒｅｇｒが算出される。ステップ１４３では、ステップ１４１で算出されたＥＧＲ率Ｒｅｇｒが零であるか否かが判定される。ＥＧＲ率Ｒｅｇｒ＝０であると判定された場合には、ステップ１４４へと進む。一方、ステップ１４３において、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒ≠０であると判定された場合にはステップ１４５へと進む。ステップ１４５では、図７（ｂ）に示したようなマップと、上記算出されたＥＧＲ率Ｒｅｇｒとに基づいて比例ゲイン補正係数ｋｐｒｅ３および積分ゲイン補正係数ｋｉｒｅ３が算出される。次いで、ステップ１４６において、ステップ１４２およびステップ１４５で算出された値を利用して、比例ゲインおよび積分ゲインが算出される（ｋｐ＝ｋｐｂａｓｅ・ｋｐｒｅ３、ｋｉ＝ｋｉｂａｓｅ・ｋｉｒｅ３）。算出された比例ゲインｋｐおよび積分ゲインｋｉは図２のステップ１０４において利用される。

ところで、ウエストゲートバルブ１３の開度と吸気過給圧との関係は、排気タービン７ｂの排気下流側における排気管１２内の排気ガス圧力（以下、「背圧」と称す）によっても変化する。図９に示したように、ウエストゲートバルブ１３の開度が同じでも、背圧が高いときには背圧が低いときに比べて吸気過給圧が低く、また、ウエストゲートバルブ１３の開度操作量に対する吸気過給圧の変化量も異なる。すなわち、背圧が高いとウエストゲートバルブ１３の開度操作量に対する吸気過給圧の変化量が小さく、逆に背圧が低いとウエストゲートバルブ１３の開度操作量に対する吸気過給圧の変化量が大きい。

このような現象は以下のような理由で生じるものと考えられる。すなわち、背圧が高いと排気タービン７ｂの上下差圧が小さいものとなるため、排気タービン７ｂを流れる排気ガスの流速は遅く、よって排気ガスのもつエネルギのうち排気タービン７ｂの駆動に寄与するエネルギの量が少なくなる。これに対して、背圧が低いと排気タービン７ｂの上下差圧が大きいものとなるため、排気ガスのもつエネルギのうち排気タービン７ｂの駆動に寄与するエネルギの量は多くなる。したがって、背圧が異なる場合にも同じ制御ゲインでフィードバック制御を行うと、上述した機関排気温度の場合と同様に、実過給圧への目標過給圧への到達速度が遅くなることがある。

そこで、本発明の第四実施形態の過給圧制御装置では、背圧が高いときには制御ゲインを高くし、背圧が低いときには制御ゲインを低くすることで、如何なる背圧であっても制御ゲインを最適にし、実過給圧の目標過給圧への到達速度が速くなるようにしている。

具体的には、クランク角センサ４１およびエアフロメータ４６から検出された機関回転数Ｎｅおよび吸入空気量Ｇｅに基づいて基準比例ゲインおよび基準積分ゲインが算出される。本実施形態では、これら基準ゲインは背圧が高いときに到達速度を速くするのに最適となるような値とされる。このようにして算出された基準比例ゲインおよび基準積分ゲインに、排気圧センサ４４によって検出された背圧に応じて算出される比例ゲイン補正係数および積分ゲイン補正係数を乗算して、比例ゲインおよび積分ゲインの値を求める。なお、これら比例ゲイン補正係数および積分ゲイン補正係数は、背圧が高いときに１となり、背圧が低下するにつれて大きくなる係数である。そして、このようにして得られた制御ゲインが、例えば、図２のステップ１０４においてウエストゲートバルブ１３の開度設定において利用される。

次に、本発明の第五実施形態の過給圧制御装置について説明する。図１に示したように前段排気浄化触媒１５をバイパスするための触媒バイパス通路２０を有する内燃機関では、前段排気浄化触媒１５に排気ガスが流入し且つ触媒バイパス通路２０に排気ガスが流入しない状態（以下、「触媒流入状態」と称す）に流量調整弁２１が調整されている場合と、前段排気浄化触媒１５に排気ガスが流入し且つ触媒バイパス通路２０に排気ガスが流入しない状態（以下、「バイパス流入状態」と称す）に流量調整弁２１が調整されている場合とでは、背圧が大きく異なる。すなわち、流量調整弁２１が触媒流入状態にある場合には背圧は高いものとなっており、逆に流量調整弁２１がバイパス流入状態にある場合には背圧は低いものとなっている。なお、本実施形態では、図１に実線で示したように流量調整弁２１が触媒流入状態にあるときに流量調整弁２１の角度θが零度となっており、図１に破線で示したように流量調整弁２１がバイパス流入状態にあるときに流量調整弁２１の角度が９０度となっている。

したがって、実過給圧の目標過給圧への到達速度を速くするのに最適な制御ゲインも流量調整弁２１の状態に応じて異なり、流量調整弁２１がバイパス流入状態にあるときは触媒流入状態にあるときよりも最適な制御ゲインが低い。そこで、本発明の第五実施形態では、第四実施形態における背圧に代えて流量調整弁２１の状態に応じて制御ゲインを設定することとしている。すなわち、流量調整弁２１がバイパス流入状態にあるときは、触媒流入状態にあるときよりも制御ゲインを低く設定している。これにより、常に実過給圧の目標過給圧への到達速度を速いものとすることができるようになる。

より具体的には、流量調整弁２１が触媒流入状態となっているときに到達速度を速くするのに最適な制御ゲインを基準ゲインとする。そして、この基準ゲインに、流量調整弁２１の開度状態、すなわち流量調整弁２１の角度θに基づいて算出される制御ゲインの補正係数を乗算することで、図２のステップ１０４で利用される制御ゲインが算出される。制御ゲインの補正係数は、流量調整弁２１が触媒流入状態となっているときに１となり、バイパス流入状態へ移行するにつれて小さくなる。基準ゲインは上記実施形態と同様に機関回転数Ｎｅおよび吸入空気量Ｇｎに基づいて算出される。

図１０のフローチャートは、流量調整弁の開度状態に基づいて制御ゲインを算出するための制御ルーチンを示しており、このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。なお、図１０のステップ１６２および１６４はそれぞれ図６のステップ１２２および１２４と同様であるため説明を省略する。

図１０を参照すると、ステップ１４１では、クランク角センサ４１およびエアフロメータ４６により機関回転数Ｎｅおよび吸入空気量Ｇｅがそれぞれ検出されると共に、ＥＣＵ３０から流量調整弁２１に送られる制御信号に基づいて流量調整弁２１の角度θが算出される。ステップ１６３では、ステップ１６１で算出された流量調整弁２１の角度θが零であるか否かが判定される。角度θ＝０であると判定された場合、すなわち流量調整弁２１が触媒流入状態にある場合にはステップ１６４へと進む。一方、ステップ１６３において、角度θ≠０であると判定された場合、すなわち流量調整弁２１が触媒流入状態にない場合にはステップ１６５へと進む。ステップ１６５では、角度θおよび予め算出されたマップに基づいて比例ゲイン補正係数ｋｉｒｅ４および積分ゲイン補正係数ｋｉｒｅ４が算出される。次いで、ステップ１６６においてステップ１６５で算出された値を利用して、比例ゲインおよび積分ゲインが算出される（ｋｐ＝ｋｐｂａｓｅ・ｋｐｒｅ４、ｋｉ＝ｋｉｂａｓｅ・ｋｉｒｅ４）。算出された比例ゲインｋｐおよび積分ゲインｋｉは図２のステップ１０４において利用される。

なお、上記第五実施形態では、流量調整弁２１を用いて前段排気浄化触媒１５および触媒バイパス通路２０それぞれに流入する排気ガスの流量を調整しているが、流量調整弁の代わりに前段排気浄化触媒１５および触媒バイパス通路２０のいずれかに排気ガスが流入するように排気ガスの流入先を切り替える切替弁であってもよい。

また、上記各実施形態を組み合わせて用いることも可能である。例えば、第一実施形態と第四実施形態を組み合わせることも可能であるし、第二実施形態と第三実施形態とを組み合わせること、さらにそれに第五実施形態を組み合わせることも可能である。この場合、空燃比、ＥＧＲ率および流量調整弁の角度の少なくとも三つのパラメータに基づいて制御ゲインが算出される。

なお、内燃機関として過給リーンバーンエンジン（すなわち、基本的に吸気ガスの空燃比がリーンとされつつ過給が行われる内燃機関）を用いた場合には、ストイキ過給エンジン（すなわち、基本的に吸気ガスの空燃比が理論空燃比とされつつ過給が行われる内燃機関）を用いた場合と比較して圧縮比が高いことが多い。したがって、過給リーンバーンエンジンを用いた場合、機関運転状態が高負荷高回転状態にある時に過給圧が高くなって多量の空気が機関燃焼室に流入してしまうと、内燃機関が破損してしまうことがある。特に従来のようにオープン制御を行うとこのような事態を招く虞があるため、本発明では機関運転状態が高負荷高回転状態にある時においてもフィードバック制御が行われる。

本発明の過給圧制御装置が搭載される内燃機関全体を示す図である。 ウエストゲートバルブの開度設定についての制御ルーチンを示すフローチャートである。 目標過給圧のステップ入力に対する応答を示す図である。 機関排気温度が異なる場合におけるウエストゲートバルブの開度と吸気過給圧との関係を示す図である。 空燃比と機関排気温度および制御ゲイン補正係数との関係を示す図である。 空燃比に基づいて比例ゲインおよび積分ゲインを算出するためのフローチャートである。 ＥＧＲ率と機関排気温度および制御ゲイン補正係数との関係を示す図である。 ＥＧＲ率に基づいて比例ゲインおよび積分ゲインを算出するためのフローチャートである。 背圧が異なる場合におけるウエストゲートバルブの開度と吸気過給圧との関係を示す図である。 流量調整弁の開度状態に基づいて比例ゲインおよび積分ゲインを算出するためのフローチャートである。

符号の説明

１…機関本体
２…機関燃焼室
３…燃焼噴射弁
４…吸気マニホルド
５…排気マニホルド
７…過給器
１１…バイパス通路
１３…ウエストゲートバルブ
１５、１８…排気浄化触媒
２０…触媒バイパス通路
２１…流量調整弁
２２…ＥＧＲ通路
３０…ＥＣＵ
４２…吸気圧センサ
４３…排気温センサ
４４…排気圧センサ
４５…空燃比センサ
４６…エアフロメータ

Claims (5)

1. 機関排気ガスの有するエネルギにより駆動されて吸気ガスを過給する過給器と、機関排気ガスの有するエネルギのうち該過給器を駆動するエネルギの割合を調整する調整手段と、機関運転状態に基づいて目標過給圧を設定する目標過給圧設定手段と、実過給圧を検出する吸気圧センサとを具備し、上記調整手段により調整される上記割合は、上記目標過給圧設定手段によって設定された目標過給圧と上記吸気圧センサによって検出された実過給圧とに基づいて実過給圧が目標過給圧となるようにフィードバック制御される内燃機関の過給圧制御装置において、
   上記調整手段により調整される上記割合はさらに機関排気温度に基づいて制御される内燃機関の過給圧制御装置。
2. 上記機関排気温度は排気空燃比に基づいて推定される請求項１に記載の内燃機関の過給圧制御装置。
3. 上記内燃機関は排気ガスの一部を再び機関燃焼室に流入させる排気再循環を行い、
   上記機関排気温度は吸気ガス中に占める排気再循環された排気ガスの割合に基づいて推定される請求項１に記載の内燃機関の過給圧制御装置。
4. 機関排気ガスの有するエネルギにより駆動される排気タービンと該排気タービンに連結されて吸気ガスを過給するコンプレッサとを備えた過給器と、機関排気ガスの有するエネルギのうち該排気タービンを駆動するエネルギの割合を調整する調整手段と、機関運転状態に基づいて目標過給圧を設定する目標過給圧設定手段と、実過給圧を検出する吸気圧センサとを具備し、上記調整手段により調整される上記割合は、上記目標過給圧設定手段によって設定された目標過給圧と上記吸気圧センサによって検出された実過給圧とに基づいて実過給圧が目標過給圧となるようにフィードバック制御される内燃機関の過給圧制御装置において、
   上記調整手段により調整される上記割合はさらに上記排気タービン下流の排気ガスの圧力に基づいて制御される内燃機関の過給圧制御装置。
5. 上記内燃機関は、排気浄化触媒と、該排気浄化触媒をバイパスする触媒バイパス通路と、該触媒バイパス通路に流入する排気ガスの流量を調整する流量調整弁とを具備し、上記排気タービン下流の排気圧は上記流量調整弁の開度状態に基づいて推定される請求項４に記載の内燃機関の過給圧制御装置。

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