JP2007247587A - ターボ過給機を備えた内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気を利用して吸気を過給するターボ過給機を備える内燃機関では、過給状態に応じて同じスロットル開度でも吸入空気量が異なるために、機関トルクがばらつくおそれがある。
【解決手段】 吸気通路に電制のスロットルを設ける。Ｓ１では、ターボ過給機のコンプレッサ下流かつスロットル上流のスロットル上流圧Ｐｃ等を読み込む。Ｓ３では、アクセル開度ＡＰＯに基づいて目標スロットル開度ｔＴＶＯを算出する。Ｓ４では、上流圧Ｐｃが高くなるほど目標スロットル開度ｔＴＶＯを閉じ側へ補正する。Ｓ５では、機関回転数Ｎｅが高くなるほど目標スロットル開度ｔＴＶＯを開き側へ補正する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ターボ過給機を備えた内燃機関の制御に関する。

特許文献１には、複数の過給機を備える内燃機関で、スロットル下流の実吸入負圧を検出し、この実吸入負圧を単一のパラメータとして、スロットル上流の圧力すなわち過給圧を目標値の近傍に維持するように、複数の過給機の動作をフィードバック制御する技術が記載されている。
特開平１−２６７３１８号公報

ターボ過給機を備える内燃機関では、ターボ過給機の作動（過給）状態、つまり過給によるスロットル上流の圧力状態によって、同じスロットル開度であっても、スロットル下流の圧力が異なるものとなるため、吸入空気量つまりは機関出力トルクがばらついてしまう。このため、例えば緩加速時に過給が効き始めることによって吸入空気量が一時的に増大してトルクが不用意に増大するなど、ターボ過給機のない自然吸気式の内燃機関に比して、ドライバビリティが低下する、という問題があった。

また、上記特許文献１のように、所定の過給圧が得られるようにスロットル下流の実吸気負圧に基づいてフィードバック制御を行う構成では、フィードバック制御の応答遅れや制御の収束性の低下が懸念される。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、排気を利用して吸気を過給するターボ過給機と、吸気通路に設けられるスロットルと、を有する内燃機関の制御に関し、ターボ過給機のコンプレッサ下流かつスロットル上流の吸気通路の圧力であるスロットル上流圧を検出するスロットル上流圧検出手段と、アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、上記スロットルを駆動制御するスロットル制御部と、を有し、このスロットル制御部が、上記アクセル開度に基づいて目標スロットル開度を算出するとともに、上記スロットル上流圧に基づいて目標スロットル開度を補正することを特徴としている。

本発明によれば、ターボ過給機による過給状態に応じて変動するスロットル上流圧を検出し、このスロットル上流圧に基づいて目標スロットル開度を補正することによって、過給状態に起因する吸入空気量のばらつき・変動を高いレベルで吸収・低減することができる。また、スロットル上流圧に応じて、直ぐ下流に位置する目標スロットル開度を補正するので、上記従来例のようなフィードバック制御に比して、その演算・制御処理が簡易であるばかりか、応答性に優れ、収束性の低下を招くこともない。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例に係るターボ過給機を備える内燃機関のシステム構成を簡略的に示している。内燃機関１０には、吸気通路１１を開閉する吸気弁１２と、排気通路１３を開閉する排気弁１４と、燃焼室１５内の混合気を火花点火する点火プラグ１５と、燃焼室１５（又は吸気通路１１）へ燃料を噴射する燃料噴射弁１６と、が設けられている。吸気通路１１にはスロットル１７が介装されている。このスロットル１７は、運転者によるアクセルペダル（図示せず）の操作とは独立してスロットル１７の開度ＴＶＯを調整可能なモータやポジションセンサを内蔵した電子制御式のものである。ターボ過給機２０は、周知のように、排気通路１３に介装されるタービン２１と、スロットル１７の上流の吸気通路１１に介装されるコンプレッサ２２と、が同軸上に連結され、排気のエネルギーにより駆動されるタービン２１によってコンプレッサ２２を回転駆動して、吸気を過給するものである。

機関制御部２５は、周知のように、各種制御処理を記憶及び実行するデジタルコンピュータであり、機関運転状態に基づいて、上記の点火プラグ１８，燃料噴射弁１６及びスロットル１７等へ制御信号を出力し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期及びスロットル開度等を制御する。上記の機関運転状態を検出する各種センサ類として、運転者により踏み込まれるアクセルペダル（図示せず）の操作量すなわちアクセル開度ＡＰＯを検出するアクセル開度センサ２６と、機関回転数Ｎｅを検出するクランク角センサ２７と、吸入空気量を検出するエアフローメータ２８と、冷却水温度を検出する水温センサ２９と、等が設けられている。更に、吸気通路１１には、タービン２２よりも下流側でスロットル１７よりも上流側の位置に、スロットル１７上流の吸気圧力、すなわちスロットル上流圧（過給圧）を検出するスロットル上流圧検出センサ３１が設けられている。

図２は、本実施例に係るスロットル１７の目標スロットル開度ｔＴＶＯの設定処理の制御内容を簡略的に示すフローチャートである。本ルーチンは、例えば上記の機関制御部２５によって所定期間毎（例えば１０ｍｓ毎あるいは所定クランク角毎）に繰り返し実行される。ここで設定された目標スロットル開度ｔＴＶＯへ向けてスロットル１７が駆動制御されることとなる。

ステップＳ１では、上述した各種センサ類により検出されるアクセル開度ＡＰＯ、機関回転数Ｎｅ及びスロットル上流圧Ｐｃ等を読み込む。ステップＳ２では、アクセル開度ＡＰＯに基づいて、後述するスロットル上流圧Ｐｃ及び機関回転数Ｎｅに基づく補正処理を行うべき運転領域であるか否かを判定する。この実施例では、アクセル開度ＡＰＯがスロットル全開近傍の所定の判定値α未満であるかを判定している。アクセル開度ＡＰＯが判定値α以上の全開近傍の領域では、ステップＳ６へ進み、主としてアクセル開度ＡＰＯに応じて目標スロットル開度ｔＴＶＯ（全開又は全開近傍）を設定する。

アクセル開度ＡＰＯが判定値α未満の領域、つまり全開近傍の領域を除く運転領域では、ステップＳ３〜Ｓ５により目標スロットル開度ｔＴＶＯが設定される。先ずステップＳ３では、アクセル開度ＡＰＯに基づいて、基本となる目標スロットル開度ｔＴＶＯを算出する。具体的にはアクセル開度ＡＰＯに応じて吸入空気量に対応する目標スロットル下流圧（コレクタブースト圧）を演算し、この目標スロットル下流圧が得られるように目標スロットル開度ｔＴＶＯが設定される。

続くステップＳ４では、スロットル上流圧Ｐｃに基づいて、目標スロットル開度ｔＴＶＯを補正する。具体的には、予め設定されたマップを用いて、スロットル上流圧Ｐｃに応じた第１補正係数β（Ｐｃ）を求め、この補正係数β（Ｐｃ）をｔＴＶＯに乗算して、ｔＴＶＯを更新する。図３は、スロットル開度ＴＶＯと機関トルク（負荷）とスロットル上流圧Ｐｃとの関係を示す特性図である。機関トルクに対応するスロットル１７下流側の吸気コレクタへ供給される吸入空気量は、スロットル１７前後の圧力差に応じて変動する。ターボ過給機２０を備える内燃機関の場合、ターボ過給機２０の作動状態つまり過給状態によって、スロットル上流圧Ｐｃが変化する。従って、図３の矢印Ｙ１に示すように、同じスロットル開度ＴＶＯであってもスロットル上流圧Ｐｃによって機関トルクが変化し、例えばスロットル上流圧Ｐｃが高いときには低いときに比べて吸入空気量が増加し、機関トルクが増大することとなる。そこで本実施例では、図３の矢印Ｙ２に示すように、スロットル上流圧Ｐｃが高くなるほど、目標スロットル開度ｔＴＶＯを閉じ側へ補正している。従って、例えばスロットル上流圧Ｐｃが高いときにも不用意なトルク増大を招くことがなく、アクセル開度ＡＰＯに応じた適切な機関トルクを得ることができる。

再び図２を参照して、続くステップＳ５では、更に機関回転数Ｎｅに応じて目標スロットル開度ｔＴＶＯを補正している。具体的には、予め設定されたマップを用いて、機関回転数Ｎｅに応じた第２補正係数γ（Ｎｅ）を求め、この補正係数γ（Ｎｅ）をｔＴＶＯに乗算して、ｔＴＶＯを更新する。

図４は、スロットル下流圧（コレクタブースト圧）と排気圧力と機関回転数Ｎｅとの関係を示し、図５は、スロットル開度ＴＶＯと、スロットル前後の圧力割合（スロットル下流圧／スロットル上流圧）と、機関回転数Ｎｅと、の関係を示している。図４に示すように、同じスロットル下流圧であっても、機関回転数に応じて排気圧力が異なるものとなり、機関回転数が高いほど排気圧力が高くなる（矢印Ｙ３参照）。このため、図５に示すように、同等のスロットル開度ＴＶＯであっても、機関回転数Ｎｅが高くなるほど、スロットル前後の圧力割合が低くなり（矢印Ｙ４参照）、つまりスロットル１７により絞られる割合が大きくなる。そこで本実施例では、機関回転数Ｎｅが低くなるほど目標スロットル開度ｔＴＶＯを閉じ側、つまり機関回転数Ｎｅが高くなるほど目標スロットル開度ｔＴＶＯを開き側に補正している。これにより、機関回転数に応じて適切に目標スロットル開度ｔＴＶＯを設定し、例えば高回転側でのトルクの落ち込みを低減・解消することができる。

図６は、例えば１／４開度のような中間開度への発進加速時におけるタイムチャートを示している。図中、本実施例の制御を適用した場合の特性を実線で示し、図２のステップＳ４及びステップＳ５に示す補正処理を行わない比較例の特性を破線で示している。同図に示すように、本実施例によれば、比較例に比して、トルクの変化が滑らかなものとなり、過給の立ち上がりに伴う急激なトルク変動を防止して、ドライバビリティを向上することができる。

なお、図２のステップＳ３における目標スロットル開度ｔＴＶＯの設定では、スロットル下流圧Ｐｃが最大過給圧と大気圧との中間の基準圧ｓＰｃであるときを基準としてｔＴＶＯが設定されている。つまり、スロットル下流圧Ｐｃが基準値ｓＰｃのときに、ステップＳ４及びステップＳ５の補正係数β（Ｐｃ），γ（Ｎｅ）が１となり、実質的に補正されることがないように設定されている。これによって、補正幅が軽減されて演算の簡素化が図られるとともに、トルクの変動を応答性良く有効に吸収・相殺することが可能となる。

図７は、先行車追従走行時におけるタイムチャートを示している。図中、本実施例の制御を適用した場合の特性を実線で示し、図２のステップＳ４及びステップＳ５に示す補正処理を行わない比較例の特性を破線で示している。同図に示すように、比較例ではアクセル開度ＡＰＯに対して機関トルクが変動することに起因して、所望の機関トルクが得られるように運転者によりアクセルペダルが頻繁に操作され、アクセル開度ＡＰＯが頻繁に変更されることとなる。これに対して本実施例では、過給状態に応じて目標スロットル開度ｔＴＶＯが補正されているために、アクセル開度ＡＰＯに応じた適切な機関トルクが得られるように応答性に優れたスロットル開度が駆動制御されることから、比較例に比して追従走行時におけるアクセル操作量を著しく低減することができる。

以上のように本実施例によれば、ターボ過給機２０による過給状態に応じて変動するスロットル１７の直ぐ上流側のスロットル上流圧Ｐｃに応じて目標スロットル開度ｔＴＶＯを補正することによって、アクセル開度ＡＰＯに応じた適切な吸入空気量を得ることができ、ターボ過給機２０の作動状態・過給状態に起因する機関トルクのばらつき・変動を効果的に吸収・低減することができる。しかも、スロットル上流圧Ｐｃに応じて、直ぐ下流に位置するスロットル１７の開度が調整されるために、上記従来例のようなフィードバック制御に比して、その演算・制御処理が簡易であるばかりか、応答性が格段に向上し、収束性の低下を招くようなこともない。

本発明の一実施例に係るターボ過給機を備えた内燃機関のシステム構成図。 本実施例の目標スロットル開度の設定制御の流れ示すフローチャート。 スロットル開度と機関トルクとスロットル上流圧との関係を示す特性図。 スロットル下流圧と排気圧力と機関回転数との関係を示す特性図。 スロットル開度とスロットル前後の圧力割合と機関回転数との関係を示す特性図。 中間アクセル開度への発進加速時におけるタイムチャート。 先行車追従走行時におけるタイムチャート。

符号の説明

１０…内燃機関
１１…吸気通路
１７…スロットル
２０…ターボ過給機
２２…コンプレッサ
２５…機関制御部（スロットル制御部）
２６…アクセル開度センサ（アクセル開度検出手段）
３１…スロットル上流圧検出センサ（スロットル上流圧検出手段）

Claims (5)

1. 排気を利用して吸気を過給するターボ過給機と、吸気通路に設けられるスロットルと、を有するターボ過給機を備えた内燃機関の制御装置であって、
   上記ターボ過給機のコンプレッサ下流かつスロットル上流の吸気通路の圧力であるスロットル上流圧を検出するスロットル上流圧検出手段と、
   アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、
   上記スロットルを駆動制御するスロットル制御部と、を有し、
   このスロットル制御部が、上記アクセル開度に基づいて目標スロットル開度を算出し、上記スロットル上流圧に基づいて目標スロットル開度を補正することを特徴とするターボ過給機を備えた内燃機関の制御装置。
2. 上記スロットル制御部は、スロットル上流圧が高くなるほど、目標スロットル開度を閉じ側へ補正することを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機を備えた内燃機関の制御装置。
3. 機関回転数を検出する回転数検出手段を有し、
   上記スロットル制御部は、機関回転数に基づいて目標スロットル開度を補正することを特徴とする請求項１又は２に記載のターボ過給機を備えた内燃機関の制御装置。
4. 上記スロットル制御部は、機関回転数が高くなるほど、目標スロットル開度を開き側へ補正することを特徴とする請求項３に記載のターボ過給機を備えた内燃機関の制御装置。
5. 排気を利用して吸気を過給するターボ過給機と、
   吸気通路に設けられるスロットルと、
   上記ターボ過給機のコンプレッサ下流かつスロットル上流の吸気通路の圧力であるスロットル上流圧を検出するスロットル上流圧検出手段と、
   アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、
   上記スロットルを駆動制御するスロットル制御部と、を有する内燃機関であって、
   このスロットル制御部が、上記アクセル開度に基づいて目標スロットル開度を算出し、上記スロットル上流圧に基づいて目標スロットル開度を補正することを特徴とするターボ過給機を備えた内燃機関の制御方法。

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