JP2006299923A

JP2006299923A - 過給機付きエンジンの制御装置

Info

Publication number: JP2006299923A
Application number: JP2005122727A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Soejima; 慎一副島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2025-04-20
Also published as: JP4466449B2

Abstract

【課題】加速性能を確保しつつ、トルクショックを低減すること。
【解決手段】スロットル弁１３ａと、過給機１５と、コンプレッサ１５ａの上流側と下流側とを連通させたバイパス管１６と、バイパス弁１６ａとを備えたエンジン１０の制御装置であって、過給圧センサ１７や吸気圧センサ１３ｂの圧力情報等に基づいてバイパス弁１６ａを開いたときにバイパス弁１６ａを通過するバイパス弁通過空気量ｍ_cを推定し、このバイパス弁通過空気量ｍ_cに基づいてスロットル弁１３ａを通過するスロットル弁通過空気量ｍ_{th_n}を推定する。そして、このスロットル弁通過空気量ｍ_{th_n}となるようにスロットル弁１３ａの開度を増大し、シリンダ１２の吸入空気量の段差がほぼなくなるように制御した。
【選択図】図１

Description

この発明は、吸気通路におけるコンプレッサの上流側と下流側とを連通するバイパス通路と、このバイパス通路を開閉するバイパス弁とを備えた過給機付きエンジンの制御装置に関し、更に詳しくは、加速性能を確保しつつ、トルクショックを低減することができる過給機付きエンジンの制御装置に関する。

従来、過給機付きエンジンにおいて、ターボラグを小さくするため、吸気通路におけるコンプレッサの上流側と下流側とを連通するバイパス通路と、このバイパス通路を開閉するバイパス弁とを設け、このバイパス弁を開けることで、過給機のタービンシャフトの回転に対する負荷を小さくし、タービン速度を高回転化する制御技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

なお、関連する技術として、過給機付きエンジンにおいて、吸気通路におけるコンプレッサの上流側と下流側とを連通するバイパス通路と、このバイパス通路を開閉するバイパス弁とを設け、コンプレッサのサージング発生領域でこのバイパス弁を開けることで、サージングを抑制するものが提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

特開平６−３２３１４９号公報特開２００４−１２４９３４号公報

従来の過給機付きエンジンは、吸気通路におけるコンプレッサの上流側と下流側とを連通させることにより、コンプレッサ下流の圧力（出口圧力）をほぼ大気圧程度まで下げることができるので、タービン回転数は上昇する。

しかしながら、コンプレッサの出口圧力を下げるということは、エンジンが吸入している空気量自体を減少させることとなってしまうため、バイパス弁の開閉によりエンジン吸入空気量（発生トルク）の急激な変化が生じ、このトルク変化はドライバーにとってショック（違和感）となる。

また、上記従来技術では、このトルクショックを低減するために、バイパス弁の開閉を緩慢に行う制御手段を提案している。

しかしながら、このような制御では、急激な加速を要求された場合、ターボラグを減少できるとしても、トルクショックを低減するための遅れが生じ、加速性能としてはそれほど向上しない虞があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、加速性能を確保しつつ、トルクショックを低減することができる過給機付きエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明に係る過給機付きエンジンの制御装置は、エンジンの吸気通路を開閉し吸入空気量を調節するスロットル弁と、排気ガス圧力を利用してコンプレッサにより吸入空気量を増大させる過給機と、前記スロットル弁の上流側に配設され前記コンプレッサの上流側と下流側とを連通させたバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、を備えた過給機付きエンジンの制御装置において、前記バイパス弁を開いたときに当該バイパス弁を通過するバイパス弁通過空気量を推定するバイパス弁通過空気量推定手段と、前記バイパス弁通過空気量推定手段によって推定された前記バイパス弁通過空気量に基づいて前記スロットル弁を通過するスロットル弁通過空気量を推定するスロットル弁通過空気量推定手段と、前記スロットル弁通過空気量推定手段によって推定された前記スロットル弁通過空気量に基づいて前記スロットル弁の開度を増大するスロットル開度制御手段と、を備えたことを特徴とするものである。

バイパス弁を開けると、バイパス通路では、コンプレッサの下流側から上流側へと上記バイパス弁通過空気量が抜けると推定されるので、この空気量分を補正してスロットル弁を通過する上記スロットル弁通過空気量を推定する。そして、このスロットル弁通過空気量が実際にスロットル弁を通過するようにスロットル開度を増大させる。

このように制御すると、バイパス弁の開閉時にスロットル弁通過空気量の段差とシリンダの吸入空気量の段差がほぼなくなる（シリンダ吸入空気量が一定）ので、トルク段差（トルクショック）をほぼなくすことができる。

この発明に係る過給機付きエンジンの制御装置によれば、バイパス通路のバイパス弁を開いたときに、コンプレッサの下流側から上流側へと抜ける空気量を考慮してスロットル弁を通過する空気量を推定し、スロットル開度を増大させているので、ターボラグを小さくして加速性能を確保することができるとともに、トルクショックを低減することができ、ドライバビリティを向上することができる。

以下に、この発明に係る過給機付きエンジンの制御装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、この発明の実施例に係る過給機付きエンジンの概略構成を示す模式図である。図１に示すように、内燃機関であるエンジン１０は、公知手段により構成されており、エンジン本体１１のシリンダ１２には、吸気管（吸気通路）１３および排気管１４が接続されている。なお、吸排気弁、ピストン、点火プラグ等、その他の構成部材は、図示を省略してある。

また、エンジン１０は、排気ガス圧力を利用して吸気量を増大させる過給機１５を有している。この過給機１５は、吸気管１３内に配設されたコンプレッサ１５ａと、排気管１４内に配設されたタービン１５ｂと、これらを連結するタービンシャフト１５ｃとを備え、公知手段により構成されている。

また、吸気管１３は、コンプレッサ１５ａの上流側と下流側とをバイパス管（バイパス通路）１６で連通してある。バイパス弁１６ａは、その開閉によりバイパス管１６を流れる空気量を調節するためのものである。

また、コンプレッサ１５ａの下流側（出口側）の吸気管１３には、吸気管１３を開閉し吸入空気量を調節するスロットル弁１３ａが設けられている。なお、スロットル弁１３ａやバイパス弁１６ａは、電磁弁にて構成され、その駆動電流値を制御することで開閉制御されるようになっている。

また、図示例を省略するが、吸気管１３には、吸入空気量を検出するエアフロメータ、スロットル開度を検出するスロットルセンサ、吸気温度を検出する吸気温センサ等が設けられている。

また、吸気管１３のスロットル弁１３ａ下流には、吸気管圧力Ｐ_bを測定するための吸気圧センサ１３ｂが設けられている。また、吸気管１３のスロットル弁１３ａ上流には、コンプレッサ１５ａの出口圧力Ｐ₃（以下、コンプレッサ出口圧力Ｐ₃と記す）を測定するための過給圧センサ１７が設けられている。

なお、図中には、これら吸気管圧力Ｐ_b、コンプレッサ出口圧力Ｐ₃とともに、大気圧Ｐ_airとほぼ等しいコンプレッサ１５ａの入口圧力Ｐ₀（以下、コンプレッサ入口圧力Ｐ₀と記す）を記してある。

また、上記吸気圧センサ１３ｂや過給圧センサ１７等の各種センサは、図示しない電子制御装置（以下、ＥＣＵと記す）に接続されており、これらのセンサ出力値等に基づきＥＣＵによってスロットル弁１３ａやバイパス弁１６ａの開閉等と、エンジン１０の運転が制御されるようになっている。

また、このＥＣＵは、後述するように、バイパス弁１６ａを開いたときに当該バイパス弁１６ａを通過するバイパス弁通過空気量（以下、本明細書では、単位時間当たりに流れる空気量を示すために「ドットを付したｍ」として記載すべきところ、記載の都合上、単に「ｍ」と記すこととする。）ｍ_c を推定するバイパス弁通過空気量推定手段と、このバイパス弁通過空気量ｍ_cに基づいてスロットル弁１３ａを通過するスロットル弁通過空気量ｍ_{th_n}を推定するスロットル弁通過空気量推定手段と、このスロットル弁通過空気量ｍ_{th_n}に基づいてスロットル弁１３ａの開度を増大するスロットル開度制御手段として機能するものである。

つぎに、バイパス管１６のバイパス弁１６ａを閉状態から開状態にしたときの基本的な変化について図１に基づいて説明する。なお、ここでは、バイパス弁１６ａを開いたときにタービン１５ｂの回転数が上昇する場合を想定しているので、コンプレッサ出口圧力Ｐ₃ ＞大気圧にある状態でバイパス弁１６ａを開けるものとして考察する。

先ず、バイパス弁１６ａを閉状態から開状態にしたときについて説明する。過給しているとき、すなわち、コンプレッサ出口圧力Ｐ₃ ＞大気圧にある状態では、バイパス弁１６ａを開くことによりコンプレッサ１５ａの出口の空気は、バイパス弁１６ａを通過してコンプレッサ１５ａの入口へ流れる。これにより、コンプレッサ出口圧力Ｐ₃は大気圧相当まで低下する。

コンプレッサ出口圧力Ｐ₃が低下すると、排気エネルギー一定の状態では、タービンシャフト１５ｃとしては、その回転を妨げる負荷が減るため、回転数は上昇する。また、スロットル開度が一定の状態では、吸気管圧力Ｐ_bは下がるため、吸入空気量は減少し、エンジン１０の発生トルクも減少する。

したがって、バイパス弁１６ａを開いた状態で当該トルクが変化しないようにするためには、スロットル弁１３ａを適度に開き、吸入空気量を変化させないようにすることが必要である。

つぎに、バイパス弁１６ａを開状態から閉状態にしたときについて説明する。バイパス弁１６ａを閉じることにより、バイパス弁１６ａを通過してコンプレッサ１５ａの入口へ抜けていたコンプレッサ１５ａの出口の空気量はゼロとなるため、コンプレッサ出口圧力Ｐ₃は大気圧よりも上昇する。

コンプレッサ出口圧力Ｐ₃が上昇すると、排気エネルギー一定の状態では、タービンシャフト１５ｃとしては、その回転を妨げる負荷が増加するため、回転数は低下する。また、スロットル開度が一定の状態では、吸気管圧力Ｐ_bは上がるため、吸入空気量は増加し、エンジン１０の発生トルクも増加する。

したがって、バイパス弁１６ａを開状態から閉状態にしたときにトルクが変化しないようにするためには、スロットル弁１３ａを適度に閉じ、吸入空気量を変化させないようにすることが必要である。

つぎに、バイパス弁１６ａを開閉したときのトルク段差によるショックを低減するための手段について考察する。

最も簡便な手段としては、過給圧センサ１７により測定されるコンプレッサ出口圧力Ｐ₃が、バイパス弁１６ａの開閉を跨いだときでも急激な変化が起こらないように、スロットル弁１３ａの開度を調整（フィードバック）することが考えられる。

しかしながら、このような手段では、過給圧センサ１７の応答遅れや、上記ＥＣＵでの演算処理の遅れ、スロットル弁１３ａの応答遅れ等のために、やはりトルク段差が発生する虞があった。

そこで、本実施例に係る制御では、以下に詳述するように、バイパス弁１６ａを開いたときに、当該バイパス弁１６ａを通過する空気量を後述する圧力等により推定し、バイパス弁１６ａを開くと同時に、増加すべきスロットル弁１３ａの開度をフィードフォワード的に出力するようにしたものである。

以下、かかる制御動作について図１を参照しつつ図２に基づいて詳細に説明する。ここで、図２は、制御方法を示すフローチャートである。

先ず、ステップＳ１０では、バイパス管１６のバイパス弁１６ａは閉じており、スロットル弁１３ａのスロットル開度は、公知の従来の制御により決定される。ただし、この場合、スロットル弁１３ａを通過する空気の流量と実際のスロットル開度との関係は既知である。すなわち、上記従来の制御（通常時の制御）とは、スロットル弁１３ａを通過する空気流量が始めに決定され、これを用いてスロットル開度が決まるような制御ロジックとなっている。

つぎに、ステップＳ２０では、バイパス弁１６ａが開いたか否かが判定される。バイパス弁１６ａが開いたならば（ステップＳ２０肯定）、後述するステップＳ３０に移行する。一方、バイパス弁１６ａが閉じているならば（ステップＳ２０否定）、ステップＳ７０に移行し、ステップＳ１０に戻って上記通常時の制御を実行する。

つぎに、ステップＳ３０では、下記の数式１によって、バイパス弁１６ａを通過する空気量であるバイパス弁通過空気量ｍ_cを計算する。ここで、数式中のＡ_cは、現時点のバイパス弁１６ａの物理的な開度であり、当該バイパス弁１６ａの駆動電流等で求まるものとする。また、Ｐ_airは大気圧、ρ₃はコンプレッサ１５ａの出口における空気密度、κは比熱比である。

すなわち、吸気温は上記吸気温センサにより既知であり、また大気圧Ｐ_air、空気密度ρ₃、比熱比κ、過給圧センサ１７により測定されるコンプレッサ出口圧力Ｐ₃、バイパス弁１６ａの開度Ａ_cも既知であるので、下記の数式（１）によって、バイパス弁１６ａを通過する空気量であるバイパス弁通過空気量ｍ_cを計算することができる。

また、ステップＳ４０では、下記の数式（２）によって、現時点のスロットル弁１３ａを通過する空気量であるスロットル弁通過空気量ｍ_{th_n}を計算する。なお、以下の数式中のＡ_{th_n}は、現時点のスロットル弁１３ａの物理的な開度であり、当該スロットル弁１３ａの駆動電流等で求まるものとする。

つぎに、ステップＳ５０では、上記ステップＳ３０で求めたバイパス弁通過空気量ｍ_cと、ステップＳ４０で求めたスロットル弁通過空気量ｍ_{th_n}と、更に空気密度ρ₃、比熱比κ、過給圧センサ１７により測定されるコンプレッサ出口圧力Ｐ₃、吸気圧センサ１３ｂにより測定される吸気管圧力Ｐ_bとを用いて、バイパス弁１６ａより抜ける空気量を補正するスロットル開度Ａ_thを下記の数式（３）によって計算する。

このスロットル開度Ａ_thが求まれば、予め作成しておいたスロットル開度Ａ_thと、スロットル開度指令値のマップ（図示せず）により、最終的に制御すべき新しいスロットル開度を求めることができる（ステップＳ５０）。

つぎに、ステップＳ６０では、バイパス弁１６ａが再度閉じられたか否かを判定し、閉じられた場合（ステップＳ６０肯定）は、ステップＳ７０に移行し、ステップＳ１０に戻って上記通常時の制御を実行する。

一方、バイパス弁１６ａが再度閉じられていない場合（ステップＳ６０否定）、すなわち開弁維持状態の場合は、上記ステップＳ３０に戻って上記制御（ステップＳ３０〜ステップＳ５０）を繰り返し、最終的に制御すべきスロットル開度を計算する。

つぎに、上記制御により得られる効果について、図３および図４に基づいて説明する。すなわち、バイパス弁１６ａを開いたとき、コンプレッサ１５ａの出口側から入口側へとバイパス管１６を通じて抜ける空気量を補正してスロットル弁１３ａを開けることにより得られる効果について説明する。

ここで、図３は、本実施例に係る制御を実行しなかった場合におけるトルク段差等を示すタイムチャート、図４は、本実施例に係る制御を実行した場合におけるトルク段差低減等を示すタイムチャートである。

なお、これらの図中には、エンジン１０のトルクのほか、バイパス弁１６ａの開度、スロットル弁１３ａのスロットル開度、アクセル開度、バイパス弁通過空気量ｍ_c、コンプレッサ出口圧力Ｐ₃、スロットル弁通過空気量ｍ_{th_n}、シリンダ１２の吸入空気量も併せて示してある。

上述したように、図４に示す本実施例に係る制御では、アクセル開度一定状態でバイパス弁１６ａを一定時間開いたとき、コンプレッサ１５ａの出口側（下流側）から入口側（上流側）へとバイパス管１６を通じて抜ける空気量分を補正するようにスロットル弁１３ａを開けているため、スロットル開度が増大している。

このように制御すると、図３に示す従来の制御例の場合と比較して分かるように、スロットル弁通過空気量ｍ_{th_n}の段差とシリンダ１２の吸入空気量の段差がほぼなくなる（シリンダ吸入空気量が一定）ので、トルク段差（トルクショック）をほぼなくすことができる。

以上のように、この実施例に係る過給機付きエンジンの制御装置によれば、吸気管１３におけるコンプレッサ１５ａの上流側と下流側とを連通するバイパス管１６と、このバイパス管１６を開閉するバイパス弁１６ａとを設け、このバイパス弁１６ａを上記のように補正して開けることで、ターボラグを小さくして加速性能を確保することができるとともに、トルクショックを低減することができ、ドライバビリティを向上することができる。

以上のように、この発明に係る過給機付きエンジンの制御装置は、吸気通路におけるコンプレッサの上流側と下流側とを連通するバイパス通路と、このバイパス通路を開閉するバイパス弁とを備えた過給機付きエンジンに有用であり、特に、加速性能を確保しつつ、トルクショックを低減することを目指す過給機付きエンジンに適している。

この発明の実施例に係る過給機付きエンジンの概略構成を示す模式図である。制御方法を示すフローチャートである。本実施例に係る制御を実行しなかった場合におけるトルク段差等を示すタイムチャートである。本実施例に係る制御を実行した場合におけるトルク段差低減等を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０エンジン
１３吸気管（吸気通路）
１３ａスロットル弁
１３ｂ吸気圧センサ
１５過給機
１５ａコンプレッサ
１６バイパス管（バイパス通路）
１６ａバイパス弁
１７過給圧センサ
Ｐ₀ コンプレッサ入口圧力
Ｐ₃ コンプレッサ出口圧力
Ｐ_b 吸気管圧力
ｍ_cバイパス弁通過空気量
ｍ_{th_n}スロットル弁通過空気量
Ａ_{th_n}、Ａ_thスロットル開度

Claims

エンジンの吸気通路を開閉し吸入空気量を調節するスロットル弁と、
排気ガス圧力を利用してコンプレッサにより吸入空気量を増大させる過給機と、
前記スロットル弁の上流側に配設され前記コンプレッサの上流側と下流側とを連通させたバイパス通路と、
前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、
を備えた過給機付きエンジンの制御装置において、
前記バイパス弁を開いたときに当該バイパス弁を通過するバイパス弁通過空気量を推定するバイパス弁通過空気量推定手段と、
前記バイパス弁通過空気量推定手段によって推定された前記バイパス弁通過空気量に基づいて前記スロットル弁を通過するスロットル弁通過空気量を推定するスロットル弁通過空気量推定手段と、
前記スロットル弁通過空気量推定手段によって推定された前記スロットル弁通過空気量に基づいて前記スロットル弁の開度を増大するスロットル開度制御手段と、
を備えたことを特徴とする過給機付きエンジンの制御装置。