JP2009007934A - 内燃機関の制御装置および方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】
ターボ過給機を備えた内燃機関において、高負荷運転時の燃費を改善するとともに加速時の出力性能を向上した内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】
流量−過給圧特性を可変とするターボ過給機と可変吸気バルブを備えミラーサイクルを行う内燃機関において、過給圧Ｐｃと排圧Ｐｔとの比Ｐｔ／Ｐｃが所定値以下の範囲で過給圧が最も大きくなるように前記可変ターボ過給機を制御し、過給圧と目標空気量にもとづき可変吸気バルブを制御する手段を備える。
【選択図】図１０

Description

本発明は、流量を可変とするターボ過給機と可変吸気バルブとを備えた内燃機関の制御装置に関する。
内燃機関より排出される排ガスの有する熱エネルギを排気タービンにより回転エネルギとして回収し、この排気タービンの同軸上に設けられたコンプレッサーを用いて前記内燃機関の吸入空気を圧縮するターボ過給機が、従来の内燃機関には多用されている。ターボ過給機を搭載することで、ターボ過給機を搭載しない内燃機関と比較して高出力化できる上に、同一出力性能を実現するために必要な行程容積を小さく設定することができるために、摩擦損失ならびにポンプ損失を低減でき燃料消費率を削減することができる。
しかしながら、低速時からの急激な加速条件においては、タービン回転速度が上昇していないことに起因して十分な過給を行うことができず、ターボラグと呼ばれる運転性の悪化がしばしば課題となる。上述したターボラグの課題に対しては、流量−過給圧特性を小流量化したターボ過給機を用いることにより、低速時の小流量下においても排圧を速やかに上昇することでターボラグを回避することができる。しかしながら、このような低流量ターボ過給機内燃機関においては、高回転時などの大流量条件下では排圧が過度に上昇し、ポンプ損失の増大にともなう出力低下や、残ガス増大にともなうノック性能の悪化をきたすという課題があった。
このような課題に対して、特許文献１には、流量−過給圧特性の相対的に大きいターボ過給機を内燃機関に搭載して、上述した排圧の過度の上昇に起因する種々の課題を回避するとともに、大流量化にともなって悪化するターボラグの影響を可変吸気バルブの制御によって回避する技術が開示されている。さらに該公報には、中高速運転条件の大流量下のウェストゲート開弁時において、可変吸気バルブ制御により実圧縮比を実膨張比よりも小さくすることでミラーサイクルを行い、ノック回避を図る技術が開示されている。
特開平１０−２２０２５６号公報
特許文献１に開示される技術では、相対的に大流量のターボ過給機を用いることから、低速時からの加速条件においてはターボ過給機にとって低流量条件であるので、十分な過給を行うことができない。ターボ過給機を搭載することによって内燃機関の行程容積をダウンサイジング化した内燃機関においては、過給状態相当の出力性能を速やかに実現する必要がある。そのため加速時のように機関への要求トルクが大きい場合においては、吸気可変バルブを制御するのみでは要求トルクを実現するのに必要な吸気量を確保することができず、出力性能を満足できないといった課題があった。また、流量−過給圧特性が固定されたターボ過給機を用いる該公報のシステムにおいては、中高速運転条件の大流量下のウェストゲート開弁時に、吸気バルブ閉じ時期の制御によってミラーサイクルを行いつつノックを回避する場合においても、吸気バルブ制御は吸入空気量に多大な影響を及ぼすために、要求される吸入空気量に対して吸気バルブ閉じ角を大きくは変化することができない。そのため、ミラーサイクルによる燃費改善効果やノック回避の効果を十分には発揮できないといった課題があった。さらに、ターボ過給機にとっての低流量条件は過給圧が不安定となり易く、このような領域を多用する特許文献１に開示される技術では、トルクの精密な制御が困難であるといった課題があった。
本発明は、上記のような課題に鑑みなされたものであり、流量を可変とするターボ過給機と吸気バルブに可変機構を備えた内燃機関において、燃費性能と加速性能の同時向上を図るためのターボ過給機と吸気バルブとの協調制御を行う内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。
上記の目的を達成するために、ターボ流量を可変とするターボ過給機と、可変バルブ機構を備えた吸気バルブとを有し、ミラーサイクルを行う内燃機関の制御装置であって、
前記制御装置は、前記内燃機関に要求されるトルクに基づいて単位時間当たりの吸入空気量と一サイクル当たりの吸入空気量とを演算する手段と、前記単位時間当たりの吸入空気量の下で過給圧と排圧との比が所定値以下の範囲で過給圧がより大きくなるように前記ターボ過給機を制御する手段と、前記過給圧と前記一サイクル当たりの吸入空気量とに基づいて前記可変バルブ機構を制御する手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置とする。
本発明によると、内燃機関に要求される吸入空気量を満足しつつ、燃費が向上するにターボ過給機と吸気可変バルブを設定することができる。ミラーサイクルを行う内燃機関においては、吸気可変バルブによる早閉じあるいは遅閉じを行うことで燃費が向上するが、実行程容積が減少するために要求されるトルクを実現できるだけの吸入空気量を確保できなくなる。これにはターボ過給機の適用が有効であり、過給効果による吸入空気量の増加によって目標吸入空気量を確保しつつミラーサイクルによる燃費改善効果が期待できる。しかしながら、通常のターボ過給機では流量−過給圧特性は固定であるために、目標吸入空気量に対して過給圧が一通りに決定される。過給圧が決定されると目標吸入空気量を実現するための可変吸気バルブの制御量が決定されるので、ミラーサイクルの効果を奏する運転条件は特定の領域に限定されてしまう。ここで、流量−過給特性を可変とするターボ過給機と吸気可変バルブとを併用し、目標吸入空気量の下で過給圧と排圧との比が所定値以内の範囲で過給圧が大きくなるようにターボ過給機を制御することでミラーサイクルによる燃費効果を最大限に発揮できる運転条件を広い範囲で実現することができる。過給圧と排圧との比が所定値以内の範囲に限定するのは、排圧が過給圧に比して著しく大きくなる領域では、吸排気過程におけるポンプ損失が大きくなり、ミラーサイクルの燃費改善効果との相殺関係で決まる燃費改善効果が減少するからである。また、目標吸入空気量と過給圧に基づいて吸気可変バルブが制御されるので、要求トルクを精度良く実現することができる。
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態１を説明するための図である。本実施形態のシステムは内燃機関１を備えている。内燃機関１には吸気流路および排気流路が連通している。吸気流路の上流部にはエアクリーナ３が接続されている。エアクリーナの下流には吸気流路を通過するガスの流量を計測するためのエアフローセンサ４が組付けられている。吸気流路と排気流路には可変ターボ過給機２が接続されている。可変ターボ過給機２は排ガスの有するエネルギをタービン翼の回転運動に変換するための排気タービンと、タービン翼に連結されたコンプレッサー翼の回転によって吸入空気を圧縮するためのコンプレッサーとで構成されている。可変ターボ過給機とは、過給圧とターボ流量との関係（ターボ流量−過給圧特性）を可変にできるターボを云う。
コンプレッサーが吸気流路に、タービンが排気流路にそれぞれ接続されている。可変ターボ過給機２のコンプレッサー側の下流には、断熱圧縮されて上昇した吸気温度を冷却するためのインタークーラ５が備えられている。インタークーラ５の下流には、シリンダに流入する吸気温度を計測するための吸気温センサ６が組付けられている。吸気温センサ６の下流には、吸気流路を絞りシリンダに流入する吸入空気量を制御するためのスロットルバルブ７が備えられている。スロットルバルブ７の下流には、吸気マニホールド内の圧力を計測するための吸気圧センサ８が組付けられている。吸気ポートには、シリンダ内へ流入するガスの流れに、偏りを生じさせることでシリンダ内流動に縦渦を形成させ、乱れを強化するためのタンブルコントロールバルブ９が備えられている。なおタンブルコントロールバルブ９には、シリンダ内流動に横渦を形成させ、乱れを強化するためのスワールコントロールバルブを用いることとしてもよい。エアフローセンサ４，吸気温センサ６，吸気圧センサ８などの各センサ出力値、ならびにスロットルバルブ７のバルブ開度にもとづきシリンダ内へ供給される吸入空気量が演算される。所定の空燃比となるように上述の吸入空気量に応じて燃料を噴霧し、可燃混合気を形成するためのポート噴射式インジェクタ（インジェクタ１０）が備えられている。なおポート噴射式インジェクタを用いる代わりに、シリンダ内へ直接燃料を噴霧する筒内直接噴射式インジェクタを用いることとしてもよい。シリンダには、開閉時期やバルブリフト量を任意に制御することができる可変機構を備えた可変吸気バルブ１１が備えられている。可変吸気バルブ１１の制御状態を検知するための吸気カム角センサ１２が備えられている。シリンダに供給された可燃混合気は、ピストンによって圧縮され、ピストンが上死点近傍に達するタイミングで、点火プラグ１３により混合気が点火される。ピストンが下降し、下死点近傍に達すると排気バルブが開き燃焼ガスが排気管へ排出される。排気バルブには開閉時期を任意に制御することができる可変排気バルブ１４が備えられており、排気バルブの制御量を検知するための排気カム角センサ１５が組付けられている。
点火プラグ１３によって混合気を点火するタイミングは、燃焼圧がクランク機構を介してクランク軸へ作用するトルクが最大となるＭＢＴ（Minimum spark advance for best Torque）に通常設定される。高負荷の運転条件においては点火時期がＭＢＴに設定されると、シリンダ内の末端ガスが火炎伝ぱを待たずに自己着火し、ノッキングと呼ばれる不正燃焼を生じることがある。シリンダにはノッキングによって生じる圧力振動にもとづき、ノッキングの有無を検知するノックセンサ１６が組付けられている。ノッキングが生じるとノッキングが生じなくなるまで点火時期が遅角補正される。シリンダより排出された高温，高圧の排ガスは、排気管を通して可変ターボ過給機２の排気タービン入口へ導入される。排気タービンにおいてタービン翼へ仕事をなした後、圧力の低下した排ガスが排気タービン出口より排出される。排気タービン下流には、未燃ガスの空燃比を検知するための空燃比センサ１８が組付けられている。空燃比センサ１８の出力値より、シリンダ内へ供給される混合気の空燃比が検知され、空燃比の制御目標値と実際の値との差異にもとづきインジェクタ１０より噴霧される燃料量が目標制御量となるように補正される。空燃比センサ１８の下流には、排ガス中の有害物質を浄化するための排気浄化触媒１９が備えられている。排ガスは排気浄化触媒を通過した後、マフラにより消音処理が施され大気中に排出される。また、クランク軸にはクランク角度やクランク回転速度を計測するためのクランク角度センサが設けられている。
可変ターボ過給機２には、エアバイパスバルブ２０およびウェストゲートバルブ２１が備えられている。エアバイパスバルブ２０は、コンプレッサーの下流部からスロットルバルブ７の上流部における圧力が過剰に上昇するのを防ぐために備えられている。過給状態においてスロットルバルブ７を急激に閉止した場合に、エアバイパスバルブ２０を開くことでコンプレッサー下流部のガスをコンプレッサー上流部へ逆流させ、過給圧を下げることができる。一方、ウェストゲートバルブ２１は、内燃機関１が過剰な過給レベルとなるのを防ぐために設けられている。吸気圧センサ８により検知された過給圧が所定の値に達した場合に、ウェストゲートバルブ２１を開くことで、排ガスが排気タービンを迂回するように誘導され、過給を抑制あるいは保持することができる。可変ターボ過給機２の排気タービン入口には排気タービン入口ノズル面積を任意に変えることができるフラップベーン２２が備えられている。低速運転時などの内燃機関１の吸入空気量が小さいときには、フラップベーン２２を絞ることで排圧が上昇するとともに排気流速が増す。一方、高速運転時などの大流量条件では排圧が過度に上昇するのを防ぐためにフラップベーン２２を開く。このようにフラップベーン２２を制御することで、広い流量条件でもターボ過給機の効率が高い状態に保持される。ノズル部を通過した排ガスは排気タービン翼へ導入される。また排気タービンの上流部には排圧を検知するための排圧センサが組付けられており、フラップベーン２２の開閉制御に用いられる。
本実施形態のシステムは図１に示すようにＥＣＵ（Electronic Control Unit）２４を備えている。ＥＣＵ２４には、上述した各種センサが接続されている。また、スロットルバルブ７，インジェクタ１０，可変吸気バルブ１１，可変排気バルブ１４などのアクチュエータが、ＥＣＵ２４に接続されている。上述した各種センサから出力されるアナログ信号はＥＣＵ２４に入力され、各種センサ値にもとづき内燃機関１の運転動作点が検出される。運転動作点には、例えば内燃機関１の回転速度や負荷などが挙げられる。ＥＣＵ２４に実装された制御プログラムに従って、運転動作点に対応するアクチュエータの目標制御量が演算され、目標制御量となるように上述した各種アクチュエータへ制御信号が出力される。アクチュエータ制御量の演算には、内燃機関１の運転動作点の他に、外気温度などの外部環境の影響や、始動時などの運転動作モードなどが適宜考慮される。
図２は、可変ターボ過給機の流量−過給圧特性を特徴付けるのに重要な因子である排気タービン入口ノズル面積Ａおよび排気タービン入口位置から排気タービン４１の軸中心までの距離Ｒとの関係を説明するための図である。図２下は上記ＡとＲの比Ａ／Ｒを可変とする可変ターボ過給機の動作方法を説明する図である。小流量時にはフラップベーンと呼ばれる翼４０を閉じる側に動作しノズル面積を縮小し、大流量時には翼４０を開きノズル面積を拡大する。このようにフラップベーンを動作させることによってＡ／Ｒを可変とすることができる。
図３は上述のＡ／Ｒを可変とすることで変化するターボ過給機の流量−過給圧特性マップについて説明するための図である。ターボ過給機の性能特性は排気タービン性能とコンプレッサー性能とのマッチングによって決まる。コンプレッサーの性能は、横軸を流量とし縦軸を圧力比（コンプレッサー出口圧力／コンプレッサー入口圧力）とする二次元マップで表される。流量と圧力比によってコンプレッサー効率およびタービン回転数を求めることができる。コンプレッサーマップにはサージラインが記載されており、この境界より流量の小さい領域ではターボ過給機が不安定となる。過給が行われている直後にスロットルバルブが閉じられた場合などに、運転動作点がこの領域に入る場合がある。不安定現象を抑えるためにエアバイパスバルブを開き、過給圧を逃がす操作が行われる。また、排気タービンの性能は、横軸を流量とし縦軸を膨張比（タービン入口圧力／タービン出口圧力）とする二次元マップで表される。タービンの回転数が排気タービンの流量と膨張比との関係に与える影響は比較的小さいので本図には図示しない。また排気タービン性能を表すパラメータとして排気タービン効率があるが、これについても本説明においては省略した。ターボ過給機の設計時には内燃機関の行程容積に基づく流量とのマッチングに加えて、コンプレッサー流量と排気タービン流量とのマッチングが行われる。図２で説明したＡ／Ｒを可変とすると図３上に示すようにコンプレッサーマップ上を排気タービンの流量−膨張比曲線が変化する。このような変化を与えることによって、内燃機関のシリンダ上流部の過給圧とシリンダ下流部の排圧との関係を変化させることができる。図３下にはＡ／Ｒを大きくした場合と小さくした場合のコンプレッサー出口圧力Ｐｃ（実線）とタービン入口圧力Ｐｔ（破線）との関係を示している。内燃機関が低速かつ低負荷の運転状態においては、吸入空気量が小さいのでターボ過給機を通過する流量は小さい。そのためＡ／Ｒを大きく設定するとＰｔが上昇せず、結果としてＰｃが上昇しない。そのような場合にはフラップベーンを閉じＡ／Ｒを小さく設定することで、ＰｔおよびＰｃを上昇させることができる。一方、内燃機関が高速かつ高負荷の運転状態においては、吸入空気量が増大し、Ａ／Ｒを小さく設定した状態ではＰｔが過剰に上昇してしまうので、内燃機関の掃気効率が悪化する。フラップベーンを開きＡ／Ｒを増加することによってＰｔを適正値まで抑制し、十分な過給圧の確保と掃気効率の悪化を防ぐことができる。
図４は別の方式で実現された流量−過給圧特性を可変とするターボ過給機の構成を説明するための図である。排気タービンの外周に複数の可変ノズルベーン４２が配されている。この可変ノズルベーンの開閉動作を行うことで図３に述べた流量−過給圧特性を可変にしたターボ過給機を実現できる。また内燃機関の吸入空気量に応じて適宜可変ノズルベーンの開度を調整することで、ターボ過給機の運転動作点を常に効率良いポイントに保持することができる。このように流量−過給圧特性を可変化したターボ過給機の構成は複数提案されており、類似の効果を狙ったターボ過給機システムのうちいずれについても本実施形態のシステムに適用することができる。
図５は図２または図４で説明された可変ターボ過給機を内燃機関に適用した場合の全開トルク性能の傾向を説明するための図である。太線で示した曲線がターボ過給機を搭載した場合であり、細い一点鎖線による曲線がターボ過給機を搭載しない内燃機関ＮＡの場合の全開トルク曲線を示している。内燃機関の回転速度が増加するにしたがって過給圧が上昇しトルクが増加する。過給圧が所定値となった回転速度を境としてウェストゲートバルブを開き、過給圧を一定値に保持する。ウェストゲートバルブは電磁バルブであって断続的に開閉操作を行う。開閉期間の通電時間の割合（デューティー比）を変えることによって吸気圧を制御している。電磁バルブではなく過給圧力を駆動源としてウェストゲートバルブの開閉操作を行う機械的機構を備えることとしてもよい。このウェストゲートバルブを開くポイントをインターセプト点と呼ぶ。小流量ターボ過給機を用いた場合には、より低回転速度領域でトルク増加を示しているが、高回転領域ではトルク低下が見られる。これは図３にて説明したように排圧の過剰な上昇で掃気効率が悪化することによる。一方、大流量ターボ過給機ではインターセプト点に至る回転速度がより高回転側にシフトするが、高回転速度領域におけるトルク低下を抑制することができる。このように、内燃機関の吸入空気量に応じてターボ過給機の流量を可変とすることで全開トルク性能を向上させる技術は公知技術である。
図６はリフトおよび位相を可変とする可変バルブの動作方法を説明するための図である。本実施形態のシステムに用いる可変バルブはリフト量を連続的に可変とするための機械的機構と位相を可変とするための機械的機構とを吸気バルブに備えており、図６下に示すようにバルブの開時期をほぼ変化させることなく閉じ時期のみを大きく変化させることが可能である。このようにバルブ閉じ時期のみを変化させることで内燃機関のピストンが混合気を圧縮する期間が変わるので、実圧縮比を変化させることができる。実圧縮比を膨張比に対して減少することでミラーサイクルを実現でき、燃料消費率を低減することができる。実圧縮比の低減はミラーサイクルの効果のみならずノックの回避策としても有効であり、点火時期をより進角することができるので燃費改善が期待できる。しかしながら実圧縮比を下げると、同時に燃焼室容積が減少するので吸入空気量が減少し、トルクが低下する。そのためバルブ閉じ時期における筒内圧力を増加することで出力性能を確保するためにターボ過給機との併用が行われる。なお、上記可変バルブ機構には、その動作量を検知することができるセンサが取り付けられており、時々刻々のバルブの開弁期間やタイミングを検出することが可能である。これらの情報を基に適切に吸入空気量が制御される。また、本実施形態のシステムには機械的機構に基づく可変バルブ機構を用いる構成としたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち電磁駆動による可変吸気バルブを適用することによっても同様の効果を奏することができる。また、本実施形態のシステムにはリフトおよび位相を連続的に可変とする可変バルブ機構を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわちリフトおよび位相を段階的に可変とする可変バルブ機構や、位相のみを連続的に可変とする可変バルブ機構を適用することも可能である。
図７はミラーサイクルにおける可変吸気バルブと可変ターボ過給機との組み合わせた場合の制御方法を説明するための図である。可変吸気バルブの開弁期間をθ1→θ2→θ3 のように減少させると、吸気早閉じにより膨張比に対して圧縮比が減少するので、ミラーサイクルによる燃費向上効果が増加する。シリンダへ供給される空気量を一定量に確保するにはターボ過給機により過給を行う必要がある。このとき開弁期間に応じて過給圧も変化させる必要がある。図７は目標空気量を実現する可変吸気バルブの閉じ角と可変ターボ過給機のＡ／Ｒとの組み合わせを示している。同じ目標空気量の基では、開弁期間が小さくなるにしたがってより高い過給圧を必要とする。一定流量下で過給圧を増加させるために本実施形態においてはＡ／Ｒを減少させる。Ａ／Ｒが大きい大流量ターボ過給機においては、過給圧Ｐｃ1および排圧Ｐｔ1とはほぼ同レベルである。Ａ／Ｒを減少させるにしたがって過給圧，排圧ともに増加するが、Ａ／Ｒを所定値以下に設定した条件下では、排圧Ｐｔ3の上昇割合が過給圧Ｐｃ3と比較して著しく大きくなる。
図８はＡ／Ｒの設定値による過給圧Ｐｃ、排圧Ｐｔおよびポンプ損失の傾向を説明するための図である。Ａ／Ｒを減少させるにしたがって過給圧Ｐｃと排圧Ｐｔとの比Ｐｔ／Ｐｃ値が増加する。ポンプ損失はＰｔ／Ｐｃ値で特徴付けられる。ポンプ損失を許容値Ｌｐ以下とするためのＰｔ／Ｐｃ値の許容範囲がＰｔ／Ｐｃ≦Ｃで与えられるので、その条件を満足するＡ／Ｒが求められる。
図９は燃費低減を実現するための可変吸気バルブと可変ターボ過給機の協調制御の方法を説明するための図である。可変吸気バルブを用いて早閉じミラーサイクルを行うことで燃費低減効果が増す。また吸入空気量確保のために可変ターボ過給機のＡ／Ｒを減少させると所定値を超える領域でポンプ損失が大幅に増加する。したがって可変吸気バルブと可変ターボ過給機とを併せもつ本実施形態のシステムにおいては、ミラーサイクル燃費向上効果とポンプ損失燃費悪化効果の観点に基づいて、両制御量を設定することで燃費低減効果を最大限に引き出すことが可能となる。内燃機関の運転動作点が変化した場合においても、過給圧Ｐｃと排圧Ｐｔとの関係がＰｔ／Ｐｃ≦Ｃの範囲で過給圧Ｐｃが最大となるようにＡ／Ｒを設定することで、可変吸気バルブおよび可変ターボ過給機を上述した燃費最良点に保持することができる。
図１０は可変吸気バルブと可変ターボ過給機を備えてミラーサイクルを行う内燃機関の、可変吸気バルブの開弁期間と、可変ターボ過給機のＡ／Ｒの各制御マップを説明するための図である。上記各制御マップは、回転速度と充填効率を軸にもつ二次元マップである。可変吸気バルブについては、早閉じミラーサイクルおよび遅閉じミラーサイクルの二つの場合について示している。マップ中の破線は、過給機がはたらき吸気管圧力が大気圧と比較して大きくなる過給領域であるか否かの境界であり、本実施形態のシステムでは、充填効率が１以下の領域においても過給とミラーサイクルを同時に行う。早閉じミラーサイクルの場合は、開弁期間が長いほうが充填効率が高く、遅閉じミラーサイクルの場合は、開弁期間が短い方が充填効率が高い。このような制御方法を採用することで、比較的高負荷の領域でも燃費の改善ができる。早閉じミラーサイクルにおける吸気バルブ開弁期間の最小値は概ね９０度程度であり、最大値は２４０度程度である。他方、遅閉じミラーサイクルにおいては最小値１８０度，最大値３００度程度に設定されるのが良い。可変ターボ過給機については、早閉じミラーサイクルか遅閉じミラーサイクルかによらず、単位時間当たりの吸入空気量に応じて図１０下のように設定されるのが良い。両マップデータは内燃機関の開発段階において予め図９で述べた制御目標範囲に設定されるように適合されており、ＥＣＵのメモリに記録されている。急加減速時を除く運転状態において、検出された回転速度および充填効率に基づくマップ上のデータを参照し、Ａ／Ｒおよび可変バルブが常に最適値に制御される。
図１１はＥＣＵの制御ソフトにおいて実行される可変吸気バルブと可変ターボ過給機の制御ロジックを説明するための図である。ステップ１０１において内燃機関の回転速度を検知する。回転速度はクランクに取り付けられたクランク角度センサのパルス信号により求めることができる。ステップ１０２においてアクセルペダル踏込み量を検知する。アクセルペダルの踏込み量に基づいてドライバの要求するトルクをステップ１０３において演算する。ステップ１０４では上記ドライバの要求トルクを実現するのに必要な単位時間当たりおよび一サイクル当たりの吸入空気量が演算される。ステップ１０５においてはドライバのアクセル操作状態に基づき内燃機関が急加速状態に入ったか否かが判別される。急加速状態ではない定常あるいは緩やかな加速状態にあるときには、ステップ１０６へ進む。ステップ１０６では吸気管に備えられた吸気圧センサの出力信号に基づき過給圧を検知する。本実施形態のシステムでは排気タービン上流部の排気管に圧力センサが設けられており、排気圧力をステップ１０７において検知する。また、吸入空気量やウェストゲートバルブの開度に基づき排圧を推定することも可能である。排圧の推定方法については図１３を用いて後に説明する。ステップ１０６および１０７で検知または推定された過給圧Ｐｃおよび排圧Ｐｔとの関係から、ステップ１０８において可変ターボ過給機のＡ／Ｒを制御する。このとき種々の可変吸気バルブ開弁期間およびＡ／Ｒの組み合わせの中から、Ｐｔ／Ｐｃ≦Ｃの関係を満足する範囲でＰｃが最も大きくなるようにＡ／Ｒの制御量が決定される。Ａ／Ｒ制御量は図１０に述べたマップデータとしてＥＣＵのメモリに記録されている。Ａ／Ｒが制御されると過給圧が決まる。この過給圧と回転速度と目標吸入空気量に基づいて、ステップ１０９において可変吸気バルブの開弁期間が制御される。一方、急加速状態であると判別された場合にはステップ１１０に進む。ステップ１１０では先ず、Ａ／Ｒの制御が停止される。吸気管に設けられた圧力センサによって過給圧を検知する。このときタービン回転速度の過渡的な変化を推定することで過給圧を推定する手段を用いることとしても良い。タービン回転速度と過給圧の推定方法については後に示す図１３を用いて説明する。得られた過給圧と回転速度と目標吸入空気量に基づいて、ステップ１１２において吸気可変バルブ制御を行う。
図１２は急加速を行う際の吸気バルブ開弁期間およびＡ／Ｒの制御方法を説明するためのタイムチャートである。ｔ1 のタイミングにおいてドライバがアクセルペダルを踏込み急加速を行う。ステップ状に増加する要求トルクに対して、吸気バルブの開弁期間が直ちに増加する。このとき可変ターボ過給機のＡ／Ｒ制御は停止している。目標トルクに達したｔ2のタイミングにおいてＡ／Ｒの制御が開始される。この場合吸入空気量が増加しているのでＡ／Ｒが増加するようにフラップベーンの制御が行われる。Ａ／Ｒが減少するにしたがって過給圧が増加する（Ａ／Ｒが増加するにしたがって過給圧が減少する）ため、充填効率を一定状態に保持するべく吸気バルブの開弁期間が徐々に減少するように制御が行われる。過給圧と排圧との間に図９で述べた関係が成立するｔ3 のタイミングにおいて可変吸気バルブおよび可変ターボ過給機の動作を固定する。このような制御方法を採用するメリットとして以下のポイントを挙げることができる。すなわち、急加速時に応答性の優れた可変バルブにより吸入空気量制御を行うことで要求トルクを精度良くトレースすることができる。応答速度の比較的遅い可変ターボ過給機の制御を急加速後に行い、またこのとき可変吸気バルブ制御を同時に行うことで運転性を悪化させることなく最適燃費状態に徐々にシフトさせることができる。過給域ではＡ／Ｒは燃費が悪化しない範囲で最も小流量側に常に設定されている。そのため過剰に大流量側に設定されている場合と比較して、ターボ過給機の応答性においても常に有利であるのみならず、ターボ過給機の流量および過給圧が安定するのでトルク制御精度においても好適な条件を実現している。上述したターボ過給機にとって好適な条件とは、インターセプト点近傍の運転動作点に制御されていることとほぼ等価である。
図１３は可変ターボ過給機のコンプレッサーおよび排気タービンの前後状態量にもとづきタービン軸回転速度を演算する手段を説明するための図である。図１２において述べたような過渡条件においてはターボ過給機の運転動作点も過渡的に変化する。このような場合に可変ターボ過給機を好適に制御するためにはターボ過給機の運転動作点を推定し、推定された運転動作点に基づく制御が必要となる。コンプレッサーおよび排気タービンの前後状態量が検知または推定されているとして、タービン軸回転速度は、排気がタービン翼へ与える動力と、コンプレッサーが吸入空気へ与える動力と、タービン軸での摩擦動力にもとづき、次式に示す常微分方程式を解くことで推定することができる。
ｄＮｔ2／ｄｔ＝Ｃ（１／Ｊｔ）×（Ｌｔ−Ｌｃ−Ｌｆ） ・・・（１）
ここで、Ｎｔはタービン軸の回転速度、ｔは時間、Ｃは定数、Ｊｔはタービン軸周りの慣性モーメント、Ｌｔは排気がタービン翼へ与える動力、Ｌｃはコンプレッサーが吸入空気へ与える動力、Ｌｆはタービン軸での摩擦動力である。排気がタービン翼へ与える動力Ｌｔは、タービン入口圧力および出口圧力，タービン入口温度，タービンを通過する質量流量およびタービン効率にもとづき算出することができる。また、コンプレッサーが吸入空気へ与える動力Ｌｃは、コンプレッサー入口圧力および出口圧力、コンプレッサー入口温度、コンプレッサーを通過する質量流量およびコンプレッサー効率にもとづき算出することができる。タービン軸での摩擦動力はタービン回転速度にもとづき算出することができる。コンプレッサー入口・出口圧力比，コンプレッサー流量，コンプレッサー効率、およびタービン回転速度の間の関係は、ターボ過給機に備えられたコンプレッサー固有の特性として、あらかじめマップデータあるいは関数で与えられている。さらに、タービン入口・出口圧力比，タービン流量，タービン効率、およびタービン回転速度の間の関係は、ターボ過給機に備えられたタービン固有の特性として、あらかじめマップデータあるいは関数で与えられている。式（１）によって求められたタービン軸回転速度Ｎｔを用いてターボ過給機の過渡的に変化する運転動作点を推定することができる。
本実施形態のシステムにおいては、過給圧ならびに排圧を吸排気管に設けられた圧力センサで直接検知する構成とした。しかし、排圧を検知するためのセンサを設けるには耐熱性能などの観点で困難な場合があり、また過渡状態においては過給圧の検知精度についても悪化する場合がある。そのため過給圧や排圧を推定する手段をセンサとは別に設けることで、過渡的に変化するターボ過給機の運転動作点に基づき、可変ターボ過給機を好適に制御することができる。図１３に示す記号を用いて、コンプレッサー出口圧力Ｐｃｏおよび温度Ｔｃｏを次式で推定することができる。
ｄＭｃｏ／ｄｔ＝ｄＭｃｏｉ／ｄｔ−ｄＭｃｏｏ／ｄｔ−ｄＭｃｏａ／ｄｔ
ｄＴｃｏ／ｄｔ＝（１／（Ｍｃｏ×Ｃｐ））
×（ｄＨｃｏｉ／ｄｔ−ｄＨｃｏｏ／ｄｔ−ｄＨｃｏａ／ｄｔ
−ｄＱｃｏ／ｄｔ）
Ｐｃｏ＝（Ｍｃｏ×Ｒ×Ｔｃｏ）／Ｖｃｏ
・・・（２）
ここで、Ｍｃｏはコンプレッサー出口の質量、Ｍｃｏｉはコンプレッサー出口に流入する質量、Ｍｃｏｏはコンプレッサー出口から流出する質量、Ｍｃｏａはエアバイパスバルブを通過して流出する質量、Ｃｐは比熱、Ｈｃｏはコンプレッサー出口のエンタルピ、Ｈｃｏｉはコンプレッサー出口に流入するエンタルピ、Ｈｃｏｏはコンプレッサー出口から流出するエンタルピ、Ｈｃｏａはエアバイパスバルブを通過して流出するエンタルピ、Ｑｃｏはコンプレッサー出口部で壁面へ失われるエネルギ、Ｒはガス定数、Ｖｃｏはコンプレッサー出口の容積である。コンプレッサー出口に流入するエンタルピＨｃｏｉには、コンプレッサーによる圧縮仕事が考慮されている。スロットルバルブ開度と回転速度の関係からＭｃｏｉを求める。Ｍｃｏｉについてはエアフローセンサの出力値を用いることとしても良い。インタークーラの効果をＱｃｏに付加することも可能である。
同様にタービン入口圧力Ｐｔｉおよび温度Ｔｔｉを次式で推定することができる。
ｄＭｔｉ／ｄｔ＝ｄＭｔｉｉ／ｄｔ−ｄＭｔｉｏ／ｄｔ−ｄＭｔｉｗ／ｄｔ
ｄＴｔｉ／ｄｔ＝（１／（Ｍｔｉ×Ｃｐ））
×（ｄＨｔｉｉ／ｄｔ−ｄＨｔｉｏ／ｄｔ−ｄＨｔｉｗ／ｄｔ
−ｄＱｔｉ／ｄｔ）
Ｐｔｉ＝（Ｍｔｉ×Ｒ×Ｔｔｉ）／Ｖｔｉ
・・・（３）
ここで、Ｍｔｉはタービン入口の質量、Ｍｔｉｉはタービン入口に流入する質量、Ｍｔｉｏはタービン入口から流出する質量、Ｍｔｉｗはウェストゲートバルブを通過して流出する質量、Ｃｐは比熱、Ｈｔｉはタービン入口のエンタルピ、Ｈｔｉｉはタービン入口に流入するエンタルピ、Ｈｔｉｏはタービン入口から流出するエンタルピ、Ｈｔｉｗはウェストゲートバルブを通過して流出するエンタルピ、Ｑｔｉはタービン入口部で壁面へ失われるエネルギ、Ｒはガス定数、Ｖｔｉはタービン入口の容積である。タービン入口に流入するエンタルピＨｃｏｉは、タービンに連結されている全てのシリンダより排出されるガスの有するエンタルピである。上述した式（１）〜（３）をＥＣＵにおいて内燃機関の過渡状態時に時間積分することによって、各値の時々刻々の変化を推定することができる。時間積分の初期値には過渡状態に入る直前の定常値を用いる。各定常値は予めマップデータとしてＥＣＵのメモリに格納されている。
図１４は吸気バルブ閉じ時期と点火時期補正との関係を説明するための図である。本実施形態におけるシステムでは、同じ回転速度および充填効率を実現するための可変吸気バルブと可変ターボ過給機の制御量の組み合わせは最適燃費を実現するべく図１０で示されるように設定されている。しかしながら加速条件などの過渡状態においてはこの最適燃費制御量からかい離することがある。図１４はこのような場合の点火時期制御の補正方法について説明している。同じ充填効率においては、Ａ／Ｒが減少すると過給圧が上昇するため、吸気バルブ閉じ時期を、下死点を基準として進角あるいは遅角させる必要がある。このように吸気バルブ閉じ時期を下死点からかい離させるにしたがってピストン実圧縮量が減少するために、ピストン上死点時の到達温度が低下する。この傾向はインタークーラによる冷却効果が大きいほど大きくなる。ピストン上死点の到達温度の低下はノックを回避させる効果をもつために点火時期を進角することができる。このように点火進角補正手段を備えることによって過渡時においても精度良く点火時期を最適点に制御することができ、出力ならびに燃費性能を常に好適な条件に保持することができる。
本実施形態のシステムを発電システム、または発電機とモータとの併用によるハイブリッドシステムに適用することができる。発電システムやハイブリッドシステムにおいて用いられる内燃機関では、内燃機関にとって比較的高負荷の運手条件が多用される。そのため流量−過給圧特性を可変とするターボ過給機と可変吸気バルブによりミラーサイクルを行う本内燃機関を、充填効率で概ね０.５から１.５の範囲に保持されるように内燃機関を制御することによって、内燃機関の燃費を改善することができ、もって発電システムやハイブリッドシステムの総合効率を改善することができる。また、本実施形態のシステムはガソリン機関のみならず、ディーゼル機関にも適用することができる。
図１５は、本発明の実施の形態２を説明するための図である。本実施形態のシステムは、実施の形態１のシステムにおける可変ターボ過給機に換えて、流量−過給圧特性の異なる二機のターボ過給機で構成された２ステージターボ過給機を備えている。本２ステージターボ過給機には、低流量タイプのターボ過給機３０と大流量タイプのターボ過給機３３が備えられている。内燃機関の運転状態に応じて低流量タイプのターボ過給機３０と大流量タイプのターボ過給機３３にそれぞれ設けられたエアバイパスバルブ３１，３４とウェストゲートバルブ３２，３５の開閉操作により２ステージターボ過給機の動作モードを選択することができる。すなわち動作させたいターボ過給機のエアバイパスバルブとウェストゲートバルブを閉じることによって吸入空気および排ガスをターボ過給機内に導入し、排気タービンを駆動させることができる。なお、本実施形態のシステムにおいてはマルチステージターボ過給機として、大小二つの流量−過給圧特性を備えた２ステージターボ過給機を用いる構成としたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、流量−過給圧特性の異なる３つ以上のターボ過給機を備え、これを切替える構成としても良い。
図１６は、２ステージターボ過給機を構成する大流量および小流量ターボ過給機の流量−過給圧特性を説明するための図である。同じ吸入空気量であっても大流量ターボと小流量ターボとでは到達する過給圧が異なるとともに、排気タービン入口圧力も異なる。したがって過給圧Ｐｃと排圧Ｐｔとの関係で決まるポンプ損失についても大流量ターボと小流量ターボとでは異なる。このような２ステージターボ過給機と、可変吸気バルブによるミラーサイクルとの組み合わせ制御方法についても、実施の形態１で説明した方法をほぼ踏襲することができる。すなわち、過給圧Ｐｃと排圧ＰｔがＰｔ／Ｐｃ≦Ｃの範囲においてＰｃがより大きくなる側のターボ過給機が動作するように、２ステージターボ過給機のエアバイパスバルブとウェストゲートバルブの開閉操作を行えば良い。
図１７は可変吸気バルブと２ステージターボ過給機を備えてミラーサイクルを行う内燃機関の、可変吸気バルブの開弁期間と、２ステージターボ過給機の各制御マップを説明するための図である。上記各制御マップは、回転速度と充填効率を軸にもつ二次元マップである。可変吸気バルブについては、早閉じミラーサイクルおよび遅閉じミラーサイクルの二つの場合について示しており、図１０において既に述べた可変ターボ過給機との組み合わせ制御とほぼ同じである。マップ中の破線は、過給機がはたらき吸気管圧力が大気圧と比較して大きくなる過給領域であるか否かの境界であり、本実施形態のシステムでは、充填効率が１以下の領域においても過給とミラーサイクルを同時に行う。２ステージターボ過給機の流量を充填効率が１以下の領域で過給が行えるレベルに設定することで、比較的高負荷の領域でも燃費の改善ができる。２ステージターボ過給機の動作モードについては、早閉じミラーサイクルか遅閉じミラーサイクルかによらず、単位時間当たりの吸入空気量に応じて図１７下のように設定されるのが良い。実線を境界としてターボ過給機を切替える際にトルク段差を生じないために両ターボ過給機が動作する領域を設ける。両マップデータは内燃機関の開発段階において予め過給圧Ｐｃと排圧ＰｔがＰｔ／Ｐｃ≦Ｃの範囲においてＰｃがより大きくなる側のターボ過給機が動作するように適合されており、ＥＣＵのメモリに記録されている。急加減速時を除く運転状態において、検出された回転速度および充填効率に基づくマップ上のデータを参照し、２ステージターボ過給機動作モードおよび可変バルブが常に最適値に制御される。
図１８はＥＣＵの制御ソフトにおいて実行される可変吸気バルブと２ステージターボ過給機の制御ロジックを説明するための図である。ステップ１０１〜ステップ１０５において実行される演算は、図１１において既に述べた可変吸気バルブと可変ターボ過給機の制御ロジックと同じであるのでここでは省略する。ステップ１０５において、急加速状態ではない定常あるいは緩やかな加速状態にあると判別されたときには、ステップ１０６へ進む。ステップ１０６では吸気管に備えられた吸気圧センサの出力信号に基づき過給圧を検知する。本実施形態のシステムでは排気タービン上流部の排気管に圧力センサが設けられており、排気圧力をステップ１０７において検知する。また、吸入空気量やウェストゲートバルブの開度に基づき排圧を推定することも可能である。排圧の推定方法については図１３を用いて既に説明した。ステップ１０６および１０７で検知または推定された過給圧Ｐｃおよび排圧Ｐｔとの関係から、ステップ１０８において２ステージターボ過給機の動作モードを選択する。このとき可変吸気バルブ開弁期間とターボ過給機流量の二つ組み合わせのうちから、Ｐｔ／Ｐｃ≦Ｃの関係を満足する範囲でＰｃがより大きくなる側のターボ過給機が選択される。選択されたターボ過給機に備えられているエアバイパスバルブおよびウェストゲートバルブを閉じることでターボ過給機にガスを導入し、排気タービンを駆動する。ターボ過給機流量の選択は図１７に述べたマップデータとしてＥＣＵのメモリに記録されている。ターボ過給機が選択されると過給圧が決まる。この過給圧と回転速度と目標吸入空気量に基づいて、ステップ１０９において可変吸気バルブの開弁期間が制御される。一方、急加速状態であると判別された場合にはステップ１１０に進む。ステップ１１０では先ず、ターボの切替え制御が停止される。ステップ１１１にて吸気管に設けられた圧力センサによって過給圧を検知する。このときタービン回転速度の過渡的な変化を推定することで過給圧を推定する手段を用いることとしても良い。タービン回転速度と過給圧の推定方法については図１３を用いて既に説明した。２ステージターボ過給機のタービン回転速度，過給圧および排圧を推定するにあたっては、大小二つのターボ過給機それぞれについて推定する手段を備える必要がある。タービン回転速度の推定を行いつつターボ過給機の切替え制御を適切に行うことで、トルク段差を軽減することができ運転性の悪化を防止することができる。得られた過給圧と回転速度と目標吸入空気量から、ステップ１１２において吸気可変バルブ制御を行う。
図１９は急加速を行う際の吸気バルブ開弁期間および２ステージターボ過給機の制御方法を説明するためのタイムチャートである。ｔ1 のタイミングにおいてドライバがアクセルペダルを踏込み急加速を行う。ステップ状に増加する要求トルクに対して、吸気バルブの開弁期間が直ちに増加する。このとき２ステージターボ過給機のターボ切替え制御は停止している。目標トルクに達したｔ2 のタイミングにおいてターボの切替えを行うべきか否かの判別が開始される。ｔ3 のタイミングにおいて過給圧Ｐｃと排圧ＰｔがＰｔ／Ｐｃ≦Ｃの範囲においてＰｃがより大きくなる側のターボ過給機が大流量側のターボ過給機であると判別される。大流量側のターボ過給機に備えられたエアバイパスバルブおよびウェストゲートバルブを閉じることでターボ過給機にガスを導入し、排気タービンを駆動する。このとき、小流量側のターボ過給機のエアバイパスバルブおよびウェストゲートバルブを直ちに開くことはせず、両ターボ過給機が動作している期間を設ける。これは小流量側から大流量側のターボ過給機へ切替える際のトルク段差を軽減するためである。大流量側のターボ過給機のタービン回転速度が過給を行う上で十分に上昇したｔ4 のタイミングにおいて、小流量側のターボ過給機の動作モードが停止状態に切替えられる。ｔ2〜ｔ6の期間では過給圧が増加するため、充填効率を一定状態に保持するべく吸気バルブの開弁期間が徐々に減少するように制御が行われる。過給圧と排圧との間に図９で述べた関係が成立するｔ6 のタイミングにおいて可変吸気バルブおよび可変ターボ過給機の動作を停止する。
ターボ流量を可変とするターボ過給機と、可変バルブ機構を備えた吸気バルブとを有し、ミラーサイクルを行う内燃機関の制御装置であって、前記制御装置は、前記内燃機関に要求されるトルクに基づいて単位時間当たりの吸入空気量と一サイクル当たりの吸入空気量とを演算する手段と、前記単位時間当たりの吸入空気量の下で過給圧と排圧との比が所定値以下の範囲で過給圧がより大きくなるように前記ターボ過給機を制御する手段と、前記過給圧と前記一サイクル当たりの吸入空気量とに基づいて前記可変バルブ機構を制御する手段と、を備える内燃機関の制御装置とし、可変ターボ過給機を、排気タービン入口部に設けられたフラップベーンの開閉操作により排気タービン入口ノズル面積Ａおよび排気タービン入口位置から排気タービンの軸中心までの距離Ｒとの比（Ａ／Ｒ）を変化する可変ターボ過給機であって、前記単位時間当たりの吸入空気量の下で過給圧と排圧との比が所定値以下の範囲で過給圧が大きくなるように前記排気タービンのＡ／Ｒを制御する手段とを備えることとする。
これによると、ターボ過給機に排気タービン入口部に設けられたフラップベーンの開閉操作により前記流量を可変とするターボ過給機は、排気タービン入口部に設けられたフラップベーンの開閉操作により排気タービン入口ノズル面積Ａおよび排気タービン入口位置から排気タービンの軸中心までの距離Ｒとの比（Ａ／Ｒ）を変化する可変ターボ過給機であって、前記単位時間当たりの吸入空気量の下で過給圧と排圧との比が所定値以下の範囲で過給圧が大きくなるように前記排気タービンのＡ／Ｒを制御する手段と、との比（Ａ／Ｒ）を変化する可変ターボ過給機を用いる。Ａ／Ｒを小さく設定することで小流量においても排圧および過給圧を上昇させることができる。また大流量時にＡ／Ｒを大きく設定することで過剰に上昇する排圧を抑制することも可能である。このようにＡ／Ｒを種々に設定することで、より広い運転条件の下で過給圧と排圧との比が所定値以内の範囲で過給圧が大きくなるようにターボ過給機を制御することができる。
また、前記流量を可変とするターボ過給機は、流量−過給圧特性の異なる複数機のターボ過給機を備え、前記複数機のターボ過給機に設けられたウェストゲートバルブの開閉操作により前記複数機のターボ過給機の動作モードを選択するマルチステージターボ過給機であって、前記単位時間当たりの吸入空気量の下で過給圧と排圧との比が所定値以下の範囲で過給圧が大きくなるように前記マルチステージターボ過給機のウェストゲートバルブを制御する手段とを備えることとする。
これによると、ターボ過給機に流量−過給圧特性の異なる複数機のターボ過給機を備え、前記複数機のターボ過給機に設けられたウェストゲートバルブの開閉操作により前記複数機のターボ過給機の動作モードを選択するマルチステージターボ過給機を用いる。流量の小さい側のターボ過給機を用いることで小流量においても排圧および過給圧を上昇させることができる。また、流量が大きくなるにしたがって流量の大きい側のターボ過給機へ順次切替えることで過剰に上昇する排圧を抑制することも可能である。このように流量−過給圧特性の異なるターボ過給機を切替え使用することで、より広い運転条件下で過給圧と排圧との比が所定値以内の範囲で過給圧が大きくなるようにターボ過給機を制御することができる。
また、前記吸気バルブは、バルブの開閉時期とリフト量のうちで少なくとも一方を連続的にあるいは段階的に変化する可変機構を備えた可変吸気バルブであって、前記内燃機関の上死点に吸気開弁時期をほぼ固定した状態で、前記可変吸気バルブの閉弁時期を、下死点を基点として進角側または遅角側に設定することで、前記ピストン圧縮量を前記ピストン膨張量に比して小さくする手段を備えることとする。
これによると、バルブの開閉時期とリフト量のうちで少なくとも一方を連続的にあるいは段階的に変化する可変機構を備えた可変吸気バルブを用いてミラーサイクルを行う。これによりクランク機構に新たな機構を設けることなく高効率なミラーサイクルを実現することができる。
また、ドライバのアクセル踏込み量に基づき前記内燃機関の要求トルクを演算する手段と、前記要求トルクに基づき前記内燃機関の一サイクル当たりの目標吸入空気量を演算する手段と、前記一サイクル当たりの目標吸入空気量と、前記過給圧と前記内燃機関の回転速度に基づいて前記可変吸気バルブ開弁時期および開弁期間を制御する手段とを備えることとする。
これによると、ドライバのアクセル踏込み量に基づき内燃機関の要求トルクを演算し、この要求トルクに基づいて一サイクル当たりの目標吸入空気量を演算する。一サイクル当たりの目標吸入空気量と、過給圧と内燃機関の回転速度に基づいて可変吸気バルブ開弁時期および開弁期間を制御するので、要求トルクを精度良く実現することができる。
また、排気タービン上流部に設けられた排圧センサにより前記排圧を検知する手段を備えることとする。
これによると、排気タービン上流部に設けられた排圧センサにより排圧を検知するので、ポンプ損失による燃費悪化要因とミラーサイクルによる燃費改善要因との両立点である過給圧と排圧との比が所定値以下の範囲で過給圧が最も大きくなる動作点に、ターボ過給機を精度良く制御することができる。
また、前記吸入空気量と前記過給圧と前記排気タービンのＡ／Ｒに基づき前記排圧を推定または演算する手段とを備えることとする。
これによると、吸入空気量と排気タービンのＡ／Ｒに基づき排圧を推定することができる。また、内燃機関の負荷や回転速度などの運転パラメータを軸にもつマップとして排圧データをＥＣＵ内のメモリに所持しておき、これを演算することとしてもよい。排圧レベルは内燃機関の運転パラメータのみならず排気タービンのＡ／Ｒによっても大きな影響を受けるので、排圧演算にはＡ／Ｒによる影響を加味する必要がある。このような構成とすることで、排圧センサを新たに設けることなく排圧レベルを知ることができ、上記過給圧と排圧との比が所定値以下の範囲で過給圧が最も大きくなる動作点に、ターボ過給機を精度良く制御することができる。
また、前記吸入空気量と前記過給圧と前記マルチステージターボ過給機のウェストゲートバルブの開閉状態に基づき前記排圧を推定または演算する手段とを備えることとする。
これによると、吸入空気量とマルチステージターボ過給機のウェストゲートバルブの開閉状態に基づき排圧を推定することができる。また、内燃機関の負荷や回転速度などの運転パラメータを軸にもつマップとして排圧データをＥＣＵ内のメモリに所持しておき、これを演算することとしてもよい。排圧レベルは内燃機関の運転パラメータのみならずマルチステージターボ過給機を構成する過給機の中で、動作している過給機の流量−過給圧特性によっても大きな影響を受けるので、排圧演算にはマルチステージターボ過給機の動作モードによる影響を加味する必要がある。このような構成とすることで、排圧センサを新たに設けることなく排圧レベルを知ることができ、上記過給圧と排圧との比が所定値以下の範囲で過給圧が最も大きくなる動作点に、ターボ過給機を精度良く制御することができる。
また、前記吸入空気量と前記過給圧に基づいて前記ターボ過給機のタービン回転速度を推定する手段か、またはタービン回転速度を検知する手段のうちいずれかを備え、前記吸入空気量と前記過給圧と前記タービン回転速度に基づき前記ターボ過給機の運転動作点を演算する手段と、前記ターボ過給機の運転動作点に基づき前記流量を可変とするターボ過給機を制御する手段とを備えることとする。
これによると、少なくとも吸入空気量と過給圧に基づいてターボ過給機の回転速度を推定する手段か、または検知する手段を備えるため、吸入空気量と過給圧とタービン回転速度に基づくターボ過給機の運転動作点を推定することができる。この運転動作点に基づき流量を可変とするターボ過給機を制御することで、タービン回転速度が過渡的に変化するような運転状態であっても、上記過給圧と排圧との比が所定値以下の範囲で過給圧が最も大きくなる動作点に、ターボ過給機を精度良く制御することができる。
また、ドライバのアクセル踏込み操作の変化量が所定値以上の前記内燃機関の加速時において、前記要求トルクに基づき前記可変吸気バルブの開弁期間を増加し、その後に前記可変ターボ過給機における前記排気タービンのＡ／Ｒを増加する手段を備えることとする。
これによると、ドライバのアクセル踏込み操作の変化量が所定値以上となり内燃機関が加速状態に入ったことが判別されたときには、可変ターボ過給機と吸気可変バルブとの同時制御が停止され、まず吸気バルブの開弁期間を増加する制御を行い、その後にターボ過給機の制御を行う。応答性の良い可変吸気バルブによってドライバの要求トルクを実現する吸入空気量を確保し、その後に応答性の比較的遅い可変ターボ過給機のＡ／Ｒを制御する。これによって要求トルクを精度良くトレースすることができ運転性の悪化を防ぐことができるとともに、可変ターボ過給機のＡ／Ｒを適正化することで加速後運転条件下での燃費悪化を防ぐことができる。
また、ドライバのアクセル踏込み操作の変化量が所定値以上の前記内燃機関の加速時において、前記要求トルクに基づき前記可変吸気バルブの開弁期間を増加し、その後に前記流量−過給圧特性における前記流量の小さい側のターボ過給機の動作モードから前記流量の大きい側のターボ過給機の動作モードへと前記マルチステージターボ過給機のウェストゲートバルブを制御する手段を備えることとする。
これによると、ドライバのアクセル踏込み操作の変化量が所定値以上となり内燃機関が加速状態に入ったことが判別されたときには、マルチステージターボ過給機と吸気可変バルブとの同時制御が停止され、まず吸気バルブの開弁期間を増加する制御を行い、その後にターボ過給機の制御を行う。応答性の良い可変吸気バルブによってドライバの要求トルクを実現する吸入空気量を確保し、その後にウェストゲートバルブの開閉操作を行い応答性の比較的遅いマルチステージターボ過給機の動作切替えを行う。これによって要求トルクを精度良くトレースすることができ運転性の悪化を防ぐことができるとともに、マルチステージターボ過給機の流量−過給圧特性を適切に切替えることで加速後運転条件下での燃費悪化を防ぐことができる。
また、前記一サイクル当たりの吸入空気量の下で、前記吸気バルブの閉弁時期が前記下死点からかい離するほど前記内燃機関の点火時期を進角側に補正制御する手段を備えることとする。
これによると、可変吸気バルブと流量を可変とするターボ過給機を備える内燃機関の場合には、同一吸入空気量を示す運転動作点、過給圧と吸気バルブ閉弁時期の組み合わせを任意に選択することができる。吸気バルブ閉弁時期を下死点から進角側および遅角側に設定することで実圧縮量が減少するため、ピストン圧縮上死点時の到達温度および圧力が低下する。そのためノック発生頻度が減少し要求点火時期を進角側に設定することができる。吸気バルブ閉弁時期の下死点からのかい離度に応じて点火時期を適切に進角制御することにより燃費および出力性能を最良点に保持することができる。
また、前記内燃機関のクランク軸に発電機を連結し、前記連結された発電機により発電を行う手段と、前記内燃機関の充填効率が概０.５から１.５の高負荷条件に保持されるように前記内燃機関を制御する手段とを備えることとする。
これによると、内燃機関のクランク軸に発電機を連結し、前記連結された発電機により発電を行う際に、内燃機関の充填効率が概０.５から１.５の高負荷条件に保持されるように制御される。これによってターボ過給とミラーサイクルとの組み合わせによる燃費向上効果を十分に奏することができ、発電システムの総合効率を改善することができる。
また、前記内燃機関とモータと発電機とで構成されたハイブリッドシステムを備え、前記内燃機関の充填効率が概０.５から１.５の高負荷条件に保持されるように前記内燃機関を制御する手段とを備えることとする。
これによると、内燃機関とモータと発電機とで構成されたハイブリッドシステムを備え、内燃機関の充填効率が概０.５から１.５の高負荷条件に保持されるように制御される。これによって比較的高負荷運転条件が多用されるハイブリッドシステムにおいても、ターボ過給とミラーサイクルとの組み合わせによる燃費向上効果を十分に奏することができ、ハイブリッドシステムの総合効率を改善することができる。
本発明の実施の形態１を説明するための図。 ターボ過給機の流量−過給圧特性を特徴付けるのに重要な因子である排気タービン入口ノズル面積Ａおよび排気タービン入口位置から排気タービンの軸中心までの距離Ｒとの関係を説明するための図。 Ａ／Ｒを可変とすることで変化するターボ過給機の流量−過給圧特性マップについて説明するための図。 別の方式で実現された流量−過給圧特性を可変とするターボ過給機の構成を説明するための図。 図２または図４で説明された可変ターボ過給機を内燃機関に適用した場合の全開トルク性能の傾向を説明するための図。 リフトおよび位相を可変とする可変バルブの動作方法を説明するための図。 ミラーサイクルにおける可変吸気バルブと可変ターボ過給機との組み合わせ制御方法を説明するための図。 Ａ／Ｒの設定値による過給圧Ｐｃ、排圧Ｐｔおよびポンプ損失の傾向を説明するための図。 燃費低減を実現するための可変吸気バルブと可変ターボ過給機の協調制御の方法を説明するための図。 可変吸気バルブと可変ターボ過給機を備えてミラーサイクルを行う内燃機関の、可変吸気バルブの開弁期間と、可変ターボ過給機のＡ／Ｒの各制御マップを説明するための図。 ＥＣＵの制御ソフトにおいて実行される可変吸気バルブと可変ターボ過給機の制御ロジックを説明するための図。 急加速を行う際の吸気バルブ開弁期間およびＡ／Ｒの制御方法を説明するためのタイムチャート。 可変ターボ過給機のコンプレッサーおよび排気タービンの前後状態量にもとづきタービン軸回転速度を演算する手段を説明するための図。 吸気バルブ閉じ時期と点火時期補正との関係を説明するための図。 本発明の実施の形態２を説明するための図。 ２ステージターボ過給機を構成する大流量および小流量ターボ過給機の流量−過給圧特性を説明するための図。 可変吸気バルブと２ステージターボ過給機を備えてミラーサイクルを行う内燃機関の、可変吸気バルブの開弁期間と、２ステージターボ過給機の各制御マップを説明するための図。 ＥＣＵの制御ソフトにおいて実行される可変吸気バルブと２ステージターボ過給機の制御ロジックを説明するための図。 急加速を行う際の吸気バルブ開弁期間および２ステージターボ過給機の制御方法を説明するためのタイムチャート。
符号の説明
１ 内燃機関
２ 可変ターボ過給機
３ エアクリーナ
４ エアフローセンサ
５ インタークーラー
６ 吸気温センサ
７ スロットルバルブ
８ 吸気圧センサ
９ タンブルコントロールバルブ
１０ インジェクタ
１１ 可変吸気バルブ
１２ 吸気カム角センサ
１３ 点火プラグ
１４ 可変排気バルブ
１５ 排気カム角センサ
１６ ノックセンサ
１７ クランク角度センサ
１８ 空燃比センサ
１９ 排気浄化触媒
２０ エアバイパスバルブ
２１ ウェストゲートバルブ
２２，４０ フラップベーン
２３ 排圧センサ
２４ ＥＣＵ
３０ ２ステージターボ過給機における小流量ターボ過給機
３１ 小流量ターボ過給機のエアバイパスバルブ
３２ 小流量ターボ過給機のウェストゲートバルブ
３３ ２ステージターボ過給機における大流量ターボ過給機
３４ 大流量ターボ過給機のエアバイパスバルブ
３５ 大流量ターボ過給機のウェストゲートバルブ
４１ 排気タービン
４２ 可変ノズルベーン

Claims (18)

  1. ターボ流量を可変とするターボ過給機と、可変バルブ機構を備えた吸気バルブとを有し、ミラーサイクルを行う内燃機関の制御装置であって、
    前記制御装置は、前記内燃機関に要求されるトルクに基づいて単位時間当たりの吸入空気量と一サイクル当たりの吸入空気量とを演算する手段と、前記単位時間当たりの吸入空気量の下で過給圧と排圧との比が所定値以下の範囲で過給圧がより大きくなるように前記ターボ過給機を制御する手段と、前記過給圧と前記一サイクル当たりの吸入空気量とに基づいて前記可変バルブ機構を制御する手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
    前記流量を可変とするターボ過給機は、排気タービン入口部に設けられたフラップベーンの開閉操作により排気タービン入口ノズル面積Ａおよび排気タービン入口位置から排気タービンの軸中心までの距離Ｒとの比（Ａ／Ｒ）を変化する可変ターボ過給機であって、前記単位時間当たりの吸入空気量の下で過給圧と排圧との比が所定値以下の範囲で過給圧が大きくなるように前記排気タービンのＡ／Ｒを制御する手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  3. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
    前記流量を可変とするターボ過給機は、流量−過給圧特性の異なる複数機のターボ過給機を備え、前記複数機のターボ過給機に設けられたウェストゲートバルブの開閉操作により前記複数機のターボ過給機の動作モードを選択するマルチステージターボ過給機であって、前記単位時間当たりの吸入空気量の下で過給圧と排圧との比が所定値以下の範囲で過給圧が大きくなるように前記マルチステージターボ過給機のウェストゲートバルブを制御する手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  4. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
    前記吸気バルブは、バルブの開閉時期とリフト量のうちで少なくとも一方を連続的にあるいは段階的に変化する可変機構を備えた可変吸気バルブであって、前記内燃機関の上死点に吸気開弁時期をほぼ固定した状態で、前記可変吸気バルブの閉弁時期を、下死点を基点として進角側または遅角側に設定することで、前記ピストン圧縮量を前記ピストン膨張量に比して小さくする手段、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  5. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
    ドライバのアクセル踏込み量に基づき前記内燃機関の要求トルクを演算する手段と、前記要求トルクに基づき前記内燃機関の一サイクル当たりの目標吸入空気量を演算する手段と、前記一サイクル当たりの目標吸入空気量と、前記過給圧と前記内燃機関の回転速度に基づいて前記可変吸気バルブ開弁時期および開弁期間を制御する手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  6. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
    排気タービン上流部に設けられた排圧センサにより前記排圧を検知する手段、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  7. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置であって、
    前記吸入空気量と前記過給圧と前記排気タービンのＡ／Ｒに基づき前記排圧を推定または演算する手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  8. 請求項３に記載の内燃機関の制御装置であって、
    前記吸入空気量と前記過給圧と前記マルチステージターボ過給機のウェストゲートバルブの開閉状態に基づき前記排圧を推定または演算する手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  9. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
    少なくとも前記吸入空気量と前記過給圧とに基づいて前記ターボ過給機のタービン回転速度を推定する手段か、またはタービン回転速度を検知する手段のうちいずれかを備え、前記吸入空気量と前記過給圧と前記タービン回転速度に基づき前記ターボ過給機の運転動作点を演算する手段と、前記ターボ過給機の運転動作点に基づき前記流量を可変とするターボ過給機を制御する手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  10. 請求項５に記載の内燃機関の制御装置であって、
    ドライバのアクセル踏込み操作の変化量が所定値以上の前記内燃機関の加速時において、前記要求トルクに基づき前記可変吸気バルブの開弁期間を増加し、その後に前記可変ターボ過給機における前記排気タービンのＡ／Ｒを増加する手段、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  11. 請求項５に記載の内燃機関の制御装置であって、
    ドライバのアクセル踏込み操作の変化量が所定値以上の前記内燃機関の加速時において、前記要求トルクに基づき前記可変吸気バルブの開弁期間を増加し、その後に前記流量−過給圧特性における前記流量の小さい側のターボ過給機の動作モードから前記流量の大きい側のターボ過給機の動作モードへと前記マルチステージターボ過給機のウェストゲートバルブを制御する手段、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  12. 請求項４に記載の内燃機関の制御装置であって、
    前記一サイクル当たりの吸入空気量の下で、前記吸気バルブの閉弁時期が前記下死点からかい離するほど前記内燃機関の点火時期を進角側に補正制御する手段、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  13. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
    前記内燃機関のクランク軸に発電機を連結し、前記連結された発電機により発電を行う手段と、前記内燃機関の充填効率が概ね０.５から１.５の高負荷条件に保持されるように前記内燃機関を制御する手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  14. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
    前記内燃機関とモータと発電機とで構成されたハイブリッドシステムを備え、前記内燃機関の充填効率が概ね０.５から１.５の高負荷条件に保持されるように前記内燃機関を制御する手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  15. ターボ流量を可変とするターボ過給機と、可変バルブ機構を備えた吸気バルブとを有し、ミラーサイクルを行う内燃機関の制御方法であって、
    前記内燃機関の要求トルクが、ステップ状に増加するのに伴い、前記可変バルブ機構を制御して前記過吸気バルブの開弁期間を増加させ、前記内燃機関のトルクが前記要求トルクに達するとともに、前記ターボ過給機を制御して、ターボ流量を増加させ、かつ前記可変バルブ機構を制御して、前記吸気バルブの開弁期間を減少させることを特徴とする制御方法。
  16. 請求項１５記載の内燃機関の制御方法であって、
    前記内燃機関のトルクが前記要求トルクに達するとともに、前記ターボ過給機を制御して、排圧（Ｐｔ）と過給圧（Ｐｃ）との比（Ｐｔ／Ｐｃ）が所定値以下で、かつ過給圧がより大きくなるようにする制御方法。
  17. 請求項１６記載の内燃機関の制御方法であって、
    前記過給圧が最大となるようにする制御方法。
  18. 内燃機関に要求されるトルクに基づいて単位時間当たりの吸入空気量と一サイクル当たりの吸入空気量とを演算する手段と、前記単位時間当たりの吸入空気量の下で過給圧と排圧との比が所定値以下の範囲で過給圧がより大きくなるように可変ターボ過給機を制御する手段と、前記過給圧と前記一サイクル当たりの吸入空気量とに基づいて可変バルブ機構を制御する手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
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