JP2007154809A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ装置と共にアシスト付のターボ過給機を採用しても、最適なＥＧＲ制御を行いつつ過給機の個体差も解消できる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】排気ガス再循環装置１０と、タービン容量可変手段２４及びタービンの回転をアシストする過給アシスト手段２５を備えたターボ過給機２０とを備えた内燃機関１の制御装置であって、前記ターボ過給機による過給圧を検出する過給圧検出手段３２と、前記過給圧検出手段が検出する過給圧に基づいて、前記タービンの回転が目標過給圧になるように、前記過給アシスト手段を制御する過給アシスト制御手段２６と、前記タービンの回転変化量を検出する回転変化量検出手段３１と、前記回転変化量検出手段により検出されたタービン回転数の変化量を考慮して、前記排気ガス再循環装置１０に適した前後差圧となるように前記タービン容量可変手段２４を制御するタービン容量制御手段３０とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。より詳細には、排気ガス再循環（Exhaust Gas Recirculation、以下、ＥＧＲという）制御及び容量可変型のターボ過給機による過給圧制御を行うことができるように構成されている内燃機関の制御装置に関する。

例えば、車両用のディーゼルエンジンには、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低減するためＥＧＲ装置が搭載されている。ＥＧＲ装置は、エンジンの運転状態に応じて排気ガスの一部を吸気側に戻すことにより、粒子状排気物の発生を防止しながら排出する排気ガス中のＮＯｘを低減させる。よって、環境保護の観点からエンジンに搭載することが好ましい排気浄化装置である。

また、多くのディーゼルエンジンには広い運転領域でより高いトルクを得ながら、燃費を向上させるためターボ式の過給機が搭載されるようになっている。そして、近年にあっては、より広い運転領域で高いトルクを得るためタービン容量（流量）を変更できるように改善したターボ過給機が提供されるようなっている。この容量可変型のターボ過給機は、例えばターボ過給機のタービン側への排気ガス量を変更可変なノズルベーン（Variable Nozzle：ＶＮ）を備えており、ノズルベーン開度を調整することでタービン容量を変更するように構成されている。

上記ＥＧＲ装置及び容量可変のターボ過給機を同時に適用すれば、広い運転領域で高いトルクを得ながら、排気浄化も行えるディーゼルエンジンを期待できる。ところが、ＥＧＲ制御でＥＧＲ量を増加させると、排気圧が低下するので過給圧制御に影響が出てしまう。これとは反対に、過給圧制御のためにタービン容量を変化させると、ＥＧＲ装置の制御弁前後における差圧が変化するので浄化制御に影響が出てスモーク等が悪化する虞が生じる。

上記のように、ＥＧＲ装置と容量可変型のターボ過給機を同時に採用することには解決すべき課題があるのに加えて、ターボ過給機にはタービン容量に個体差がある。このことが、ＥＧＲ装置と容量可変型のターボ過給機との両立を更に困難としている。特許文献１では、ＥＧＲ制御を行うときにＥＧＲ弁前後の差圧が変化しないように、ノズルベーン開度を固定する制御を実行する内燃機関の制御装置について開示する。また、この制御装置は、個体間でのタービン容量差を補正するための補正抵抗を取付けて対処している。よって、特許文献１で開示する内燃機関の制御装置は、前述した問題に対処できる。

特開２００２−３８９８２号公報

ところで、ターボ過給機は過給圧が低い始動時などでは回転が不十分であるために十分な効果が得られず、また加速時などではタイムラグが発生してしまうことが知られている。この点を改良すべく、ターボ過給機のタービン回転をアシストする構造を備えたターボ過給機（アシスト付ターボ過給機）が検討されている。このようなアシスト付ターボ過給機は、例えばタービン軸にモータが付加されており、アシストが必要な始動時などにモータを駆動して回転数を上昇できるように設計されている。

しかしながら、特許文献１は、このようなアシスト付のターボ過給機とＥＧＲ装置とを組合わせる場合についてまでは考慮していない。また、一般にタービンの回転過渡期ではタービン入口圧の変動によってＥＧＲ入口圧が変動してスモーク等が発生しやすいことが知られているが、特にアシスト付のターボ過給機ではその傾向が顕著となる。

よって、特許文献１の制御装置にアシスト付のターボ過給機を適用する場合には精度よいＥＧＲ制御を実行するために、さらなる改善が必要となる。また、ターボ過給機の個体間での容量差を小さくするために補正抵抗を必要とするのでコストが上昇してしまう。

よって、本発明の目的は、ＥＧＲ装置と共にアシスト付のターボ過給機を採用しても、最適なＥＧＲ制御を行いつつ過給機の個体差も解消できる内燃機関の制御装置を提供することである。

上記目的は、排気ガス再循環装置と、タービン容量可変手段及びタービンの回転をアシストする過給アシスト手段を備えたターボ過給機とを備えた内燃機関の制御装置であって、前記ターボ過給機による過給圧を検出する過給圧検出手段と、前記過給圧検出手段が検出する過給圧に基づいて、前記タービンの回転が目標過給圧になるように、前記過給アシスト手段を制御する過給アシスト制御手段と、前記タービンの回転変化量を検出する回転変化量検出手段と、前記回転変化量検出手段により検出されたタービン回転数の変化量を考慮して、前記排気ガス再循環装置に適した前後差圧となるように前記タービン容量可変手段を制御するタービン容量制御手段とを備えている内燃機関の制御装置によって達成できる。

本発明によると、過給アシスト制御手段によりタービンの回転が目標過給圧になるように制御されるので必要な過給圧を発生させて内燃機関（エンジン）から目的のトルクを得ることができる。この時に、排気ガス再循環装置の前後差圧が変化する状態となっても、タービン容量制御手段がタービン容量可変手段を制御して排気ガス再循環装置に適した前後差圧となるように調整する。よって、過給圧制御とＥＧＲ制御を両立できる。そして、過給アシスト制御手段を行うとターボ過給機の個体差も合せて補正できる。よって、補正抵抗を必要とせず低コスト化も図ることができる。

また、前記過給アシスト手段がモータジェネレータを含み、該モータジェネレータに給電したときに前記タービンの回転のアシストが可能であると共に、当該タービンの回転により発電することで回転の低減が可能である構造とすることができる。このように過給アシスト手段をモータジェネレータを含む装置として形成すると、回転アシスト（給電）制御でタービン回転を上昇させ、発電制御でタービン回転を低下させるだけターボ過給機の個体差も合せて補正できる。

本発明によれば、ＥＧＲ装置と共にアシスト付のターボ過給機を採用しても、最適なＥＧＲ制御を行いつつ過給機の個体差も解消できる内燃機関の制御装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。

図１は、実施例に係る制御装置を適用したエンジン（Ｅ／Ｇ）１の周辺構成を示したブロック図である。エンジン１の吸気側には吸気マニホールド２、排気側には排気マニホールド３が設けられている。吸気マニホールド２に接続した吸気通路４には、上流側からエアクリーナ５、インタークーラ６、スロットルバルブ７が配備されている。一方、排気マニホールド３に接続した排気通路８の下流には排気浄化用の触媒９が配備されている。

さらに、エンジン１には排気ガスの一部を吸気側に戻してＮＯｘを軽減するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置１０が配備されている。ＥＧＲ装置１０は排気側と吸気側を接続するＥＧＲ通路（排気ガス還流通路）１１、このＥＧＲ通路１１の途中に配置したＥＧＲクーラ１２、ＥＧＲバルブ１３を備えている。ＥＧＲバルブ１３はＥＧＲ通路１１を開閉してＥＧＲ量を変更する。

また、エンジン１にはターボ過給機２０が配備されている。ターボ過給機２０のタービン２２は排気通路８の途中に配置され、コンプレッサ２３は吸気通路４の途中に配置されている。タービン２２とコンプレッサ２３はタービン軸２１の両端に固定されている。

上記ターボ過給機２０は、タービン容量を変更できるように形成されていると共に、回転数を上昇できるアシスト機能を備えている。上記タービン２２に近接してタービン容量可変手段としてのバリアブルノズル（ＶＮ）２４が配置されている。このバリアブルノズル２４を開閉することにより、タービン２２の容量が変更される。このバリアブルノズル２４としては、従来と同様の構成のものを採用できる。

また、タービン軸２１には過給アシスト手段としてモータジェネレータ（Ｍ／Ｇ）２５が配備されている。このモータジェネレータ２５は給電されたときに、タービン軸２１の回転をアシスト（回転補助）する。また、一定条件下でモータジェネレータ２５は発電機としても機能する。モータジェネレータ２５はインバータコントローラ（ＣＮＴ）２６を介して、バッテリ（ＢＡＴ）２７に結線されている。インバータコントローラ（ＣＮＴ）２６は、モータジェネレータ（Ｍ／Ｇ）２５の駆動を制御する。

エンジン１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０を備えている。このＥＣＵ３０はエンジン回転数ＮＥ、アクセル開度ＡＣＣＰ等を確認してエンジン１の全体を制御する。また、ＥＣＵ３０はＥＧＲ装置１０のＥＧＲバルブ１３を制御して排気浄化を最適化する。さらに、ＥＣＵ３０はインバータコントローラ（ＣＮＴ）２６に指示信号を供給して、ターボ過給機２０を制御する。ターボ過給機２０の過給制御では、ＥＣＵ３０はコンプレッサ２３の直後の吸気通路４に配置してある過給圧センサ（過給圧検出手段）３２の検出信号、及びタービン軸２１の回転数を検出するセンサ３１からの出力信号を確認する。

図２は、過給制御を行うときにＥＣＵ３０が実行するルーチンの一例を示したフローチャートである。このフローチャートは、例えばイグニッションキーがオンされたときに起動される。先ず、ＥＣＵ３０はエンジン回転数ＮＥ、アクセル開度ＡＣＣＰなどと共に、過給圧センサ３２の出力から過給圧（吸気圧）ＰＩを読み込む（Ｓ１１）。

次に、ＥＣＵ３０はエンジン回転数ＮＥ及びアクセル開度ＡＣＣＰから図示しないマップを用いて目標トルクＴsolを求める（Ｓ１２）。さらに、ＥＣＵ３０はエンジン回転数ＮＥ及び目標トルクＴsolに基づいて目標過給圧ＰＩsolを求める（Ｓ１３）。なお、ＥＣＵ３０にはＲＯＭなどのメモリが内蔵されており、このメモリに過給制御を行うときに実行する一連のプログラムやプログラムの実行に必要なデータが格納されている。ＥＣＵ３０は必要に応じて、これらを読みだして利用できるように構成されている。

ここで、ＥＣＵ３０は過給圧センサ３２で検出した実際の過給圧ＰＩと目標過給圧ＰＩsolとの偏差ΔＰＩを確認する（Ｓ１４）。ＥＣＵ３０は、過給圧ＰＩが目標過給圧ＰＩsolと一致していることを確認できた場合には（Ｓ１５）、過給制御が最適な状態で実行されているとして本ルーチンによる処理を終了する。

これに対して、過給圧ＰＩが目標過給圧ＰＩsolより低いことを確認した場合（ΔＰＩ>０）には（Ｓ１４）、ＥＣＵ３０は過給圧を昇圧させる必要があると判断する。これに応じて、ＥＣＵ３０はインバータコントローラ２６に所定の指示信号を供給して、過給圧ＰＩと目標過給圧ＰＩsolとの偏差をなくすように、モータジェネレータ２５を駆動して回転のアシスト制御（給電制御）を実行する（Ｓ１６）。このときにＥＣＵ３０は、インバータコントローラ２６共に過給アシスト制御手段として機能している。ここでの制御は、バッテリ２７からモータジェネレータ２５に電気を供給して、タービン軸２１の回転を高める制御となる。よって、過給圧ＰＩを上昇させることにより目標過給圧ＰＩsolに近付けることができる。

上記とは逆に、過給圧ＰＩが目標過給圧ＰＩsolより高いことを確認した場合（ΔＰＩ<０）には（Ｓ１４）、ＥＣＵ３０は過給圧を減圧させる必要があると判断する。これに応じて、ＥＣＵ３０はインバータコントローラ２６に所定の指示信号を供給して、過給圧ＰＩと目標過給圧ＰＩsolとの偏差をなくすように、モータジェネレータ２５による発電制御を実行する（Ｓ１７）。この制御は、モータジェネレータ２５を発電器として機能してバッテリ２７に電気を蓄電して、タービン軸２１の回転を抑制（低減）する制御となる。よって、過給圧ＰＩを低下させて目標過給圧ＰＩsolに近付けることができる。図３は上記過給制御について示した図である。この図３で示すように、モータジェネレータ２５を用いた上記アシスト制御と発電制御により、目標過給圧ＰＩsolに応じたターボ回転速度Ｎｔが得られることになる。よって、エンジン回転数ＮＥ及びアクセル開度ＡＣＣＰに対応したトルクを得ることができる。

上記のように、モータジェネレータ２５を用いて過給制御を行うと、ターボ過給機に個体差があっても、この個体差を含んだ状態で過給圧ＰＩが目標過給圧ＰＩsolに一致するように補正される。よって、本実施例の内燃機関では補正抵抗を設ける必要がないので製造コスト低減を図ることができる。

なお、図４はターボ過給機の個体間差について説明するために示した図である。（Ａ）で示すように、標準となるターボ過給機について基準特性が設定されているが、ターボ過給機個々では個体間差があるのでタービン容量が下限から上限の一定範囲でばらついている、よって、バリアブルノズル２４を単純に開閉制御しても基準特性に対応したタービン容量が得られない場合がある。よって、（Ｂ）で示すように基準のタービン容量に基づいて目標過給圧ＰＩsolとなるように単なる過給制御を行っても、過給圧を目標過給圧ＰＩsolに一致させることが困難である。そこで、従来にあっては前述したように補正抵抗を用いてこれに対処していた。しかし、本実施例の装置では、過給制御の際にモータジェネレータ２５を用いているので、モータジェネレータ２５をアシスト制御或いは発電制御を実行することで個体差の補正も合せて行える。よって、補正抵抗を必要とせず、また精度良く、迅速な過給制御を行えることになる。

上記ステップ１６で、タービン回転を上げるようにアシスト制御を行うと、ターボ過給機の回転が上昇するので遠心力によりタービン入口の排気圧が上昇する。これにより、ＥＧＲ装置１０の前後の差圧が変化してしまう。この状態を放置すると、ＥＧＲ装置１０が最適な状態で制御を行えなくなりスモーク等の発生要因となり、排気浄化性能が低下してしまう。そこで、次のステップ１８（Ｓ１８）では、ＥＣＵ３０がタービン軸２１の回転数を検出するセンサ３１からの出力信号を確認して、回転数の変化量を算出する。ＥＣＵ３０はこの変化量に基づいて、バリアブルノズル（ＶＮ）２４を所定値ΔＳａ開く制御を実行する。このときのＥＣＵ３０は、タービン容量制御手段として機能している。回転変化量に対応する所定値ΔＳａに関するデータも上記のメモリに格納されており、ＥＣＵ３０は回転変化量に対応する所定値ΔＳａを読み出してバリアブルノズル２４の開度を調整する。アシスト制御では、例えば図５で示すようなバリアブルノズル（ＶＮ）２４の開度補正テーブルを用いて上記補正所定値ΔＳが算出される。なお、発電制御の場合には、図５中の供給電力が発電量に替わる点が異なるが同様のテーブルを用いてΔＳが算出される。

同様に、上記ステップ１７で発電制御を行うと、ターボ過給機の回転が低下するのでタービン入口の排気圧が下がる。この場合には、次のステップ１９（Ｓ１９）では、ＥＣＵ３０はバリアブルノズル（ＶＮ）２４を所定値ΔＳｂ閉じる制御を実行する。従って、図６で示すように、バリアブルノズル（ＶＮ）２４の開度を補正することで、アシスト制御或いは発電制御を行ったことによるＥＧＲ装置への影響が無いように調整することができる。

上記のように、過給制御に伴ってアシスト制御（Ｓ１６）或いは発電制御（Ｓ１７）を実行するとタービン入口の排気圧が変化しても、ＥＣＵ３０がこれを解消するようにバリアブルノズル２４の開度を調整する。よって、ＥＧＲ装置に適した前後差圧も維持できるので、ＮＯｘの排気浄化も確実に行える。したがって、エンジン１は過給制御とＥＧＲ制御を両立できる極めて有用な内燃機関となる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

実施例に係る制御装置を適用したエンジンの周辺構成を示したブロック図である。 過給制御を行うときにＥＣＵが実行するルーチンの一例を示したフローチャートである。 過給制御について示した図である。 ターボ過給機の個体間差について説明するために示した図である。 バリアブルノズルの開度補正テーブルについて示した図である。 バリアブルノズルの開度補正について示した図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
１０ ＥＧＲ装置（排気ガス再循環装置）
２０ ターボ過給機
２４ バリアブルノズル（タービン容量可変手段）
２５ モータジェネレータ（過給アシスト手段）
２６ インバータコントローラ（過給アシスト制御手段）
３０ ＥＣＵ、タービン容量制御手段
３１ センサ（回転変化量検出手段）
３２ 過給圧センサ（過給圧検出手段）

Claims (2)

1. 排気ガス再循環装置と、タービン容量可変手段及びタービンの回転をアシストする過給アシスト手段を備えたターボ過給機とを備えた内燃機関の制御装置であって、
   前記ターボ過給機による過給圧を検出する過給圧検出手段と、
   前記過給圧検出手段が検出する過給圧に基づいて、前記タービンの回転が目標過給圧になるように、前記過給アシスト手段を制御する過給アシスト制御手段と、
   前記タービンの回転変化量を検出する回転変化量検出手段と、
   前記回転変化量検出手段により検出されたタービン回転数の変化量を考慮して、前記排気ガス再循環装置に適した前後差圧となるように前記タービン容量可変手段を制御するタービン容量制御手段とを備えている、ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記過給アシスト手段がモータジェネレータを含み、該モータジェネレータに給電したときに前記タービンの回転のアシストが可能であると共に、当該タービンの回転により発電することで回転の低減が可能である、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
   

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