JP2009114876A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】例えばターボ過給機を備える内燃機関において、ターボラグを低減する。
【解決手段】内燃機関の制御装置（１）は、内燃機関の吸気管の管路に設けられたコンプレッサ（４１）と排気管の管路に設けられたタービン（４２）とからなるターボ過給機を備える。そして、コンプレッサにより過給されて上昇する吸気管の吸気圧のうち、所定の目標圧を超えた余剰圧を畜圧する畜圧手段（３００、３０１、３０２、１００）と、ターボ過給機による過給が不足する時期に所定の期間、吸気管のうちコンプレッサよりも下流に、蓄圧された余剰圧の少なくとも一部を印加するインパルス過給手段（３０４、３０５、３０６、３０７、１００）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばターボ過給機を備える内燃機関（いわゆる、ターボエンジン）において、スロットル開度変化（あるいは、運転手によるアクセル操作）に対する機関出力の応答遅れ（いわゆる、ターボラグ）を低減するための技術分野に関する。

一般に、過給とは、内燃機関の燃焼室に吸入される空気の体積密度（言い換えれば、吸気圧であり、具体的にはターボ過給機等によって、燃焼に供する酸素の体積密度）を増加させ、燃焼室に強制的に空気を押し込み、もって機関出力を増加させる作用をいう。

ここで、ターボ過給機は、内燃機関の排気管に配設されたタービンと、該タービンと同軸上にありかつ吸気管に配設されたコンプレッサとを機械的に接続して構成される。そして、排気を受けて回転するタービンの回転力をコンプレッサに伝達し、コンプレッサが大気圧力以上に吸気を昇圧し（すなわち、過給し）、高密度の吸気をシリンダ内に供給し、もって機関出力増加を実現する。

ところが、ターボ過給機の構造上、燃焼後に生じた排気を利用して過給するので、スロットル開度変化（あるいは、運転手によるアクセル操作）に対する機関出力に応答遅れが生じる虞れがある。すなわち、ターボラグが生じる虞れがある。

ところで、インパルス過給という過給態様が知られている。インパルス過給とは、自由状態の空気柱をインパルス状に加速させて燃焼室に強制的に押し込む作用をいう。かかるインパルス過給技術として、例えば、畜圧型パルス供給器が提案されている（特許文献１を参照）。この機器によると、吸気導管に配設された空気溜め通路に圧力溜めが連結されており、そこにインパルス過給のための圧力が保持される（特許文献１の段落０００８〜０００９）。

しかしながら、前述の特許文献１に開示されているインパルス過給技術では、圧力溜めへの空気の供給は、二次空気ポンプあるいは二次空気供給機で行う必要がある（特許文献１の段落００１４）。

特開２００３−１９３８４５号公報

本発明は、例えば上述した問題点に鑑みてなされたものであり、ターボ過給機を備える内燃機関において、比較的簡易な構成で、好適にターボラグを低減するための、内燃機関の制御装置を提供することを課題とする。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、上述の課題を解決するために、内燃機関の吸気管の管路に設けられたコンプレッサと排気管の管路に設けられたタービンとからなるターボ過給機を備える内燃機関を制御する制御装置であって、前記コンプレッサにより過給されて上昇する前記吸気管の吸気圧のうち、所定の目標圧を超えた余剰圧を畜圧する畜圧手段と、前記ターボ過給機による過給が不足する時期に所定の期間、前記吸気管のうち前記コンプレッサよりも下流に、前記蓄圧された余剰圧の少なくとも一部を印加するインパルス過給手段とを備える。

この構成によれば、内燃機関の燃焼時に機関出力を向上させるべく、内燃機関の吸気管の管路に設けられたコンプレッサと排気管の管路に設けられたタービンとからなるターボ過給機によって過給が行われる。

ところが、背景技術でも指摘した通り、何ら工夫がなければ、ターボ過給機の構造上、ターボラグが生じる虞れがある。

然るに、本発明によると、例えば電磁駆動弁を有する配管および畜圧タンクを備える畜圧手段が、コンプレッサにより過給されて上昇する吸気管の吸気圧のうち、所定の目標圧を超えた余剰圧を畜圧する。ここで、「所定の目標値」とは、ターボ過給機が過給するにあたって目標とする所定の目標値であり、その値を超える「余剰圧」とは、ターボ過給機による過給にとっては必要以上の圧力である。なお、所定の目標値を超えるか否かの判断には、当該目標値に若干のマージンをもたせてもよい。

そして、例えば電磁駆動弁を有する配管を備えるインパルス過給手段が、ターボ過給機による過給が不足する時期（言い換えれば、ターボのもたつき期間）に所定の期間（例えば、１〜１０[deg]）、吸気管のうちコンプレッサよりも下流に、蓄圧された余剰圧の少なくとも一部を印加する。なお、上記時期及び期間は、例えば機関回転数に適合させた所定の値として当該制御装置に記憶されている。

これにより、ターボのもたつき期間であっても、脈動効果を狙ったインパルス過給が行われるので、もってターボラグを低減することが可能となる。

しかも、新たな圧縮装置を設けることなく、もともと備わっているターボ過給機で余った余剰圧を利用するので、構成が簡素化され、コスト上も有効である。

本発明に係る内燃機関の制御装置の一態様では、前記インパルス過給手段は、前記内燃機関に備わる吸気バルブの開弁期間に含まれる時期に、所定の期間、前記吸気管のうち前記コンプレッサよりも下流に、前記蓄圧された余剰圧の少なくとも一部を印加する。

この態様によれば、ターボ過給機による過給が不足する時期として、吸気バルブの開弁期間に含まれる時期に、脈動効果を狙ったインパルス過給が行われるので、開弁している吸気バルブを介して、脈動効果が燃焼室内にも到達する。

この態様では、前記所定の時期は、前記吸気バルブの開弁期間のうち、前記吸気バルブが閉弁する直前とするとよい。

この態様によれば、吸気バルブが閉弁する直前、例えば閉弁する４０〜６０[deg]前に、脈動効果を狙ったインパルス過給が行われる。

本発明に係る内燃機関の制御装置の他の態様では、前記畜圧手段は、前記吸気管の吸気圧を特定する圧力特定手段と、前記特定された吸気圧が前記所定の目標圧を超える場合には、前記吸気管のうち前記コンプレッサよりも下流と当該畜圧手段とを連通させる連通状態切替手段とを備える。

この態様によれば、圧力特定手段（例えば、圧力センサ）によって、定期に又は不定期に、吸気管の吸気圧（例えば、サージタンクにおける吸気圧）が特定される。ここで、特定された吸気圧が所定の目標圧を超える場合には、例えば電磁駆動弁を有する吸気管からの分岐管を備える連通状態切替手段によって、吸気管のうちコンプレッサよりも下流と当該畜圧手段とが連通される。これにより、余剰圧が畜圧手段に畜圧される。他方で、特定された吸気圧が所定の目標圧を超えない場合には、連通状態切替手段によって、上記の連通状態が停止される。これにより、過給途中の吸気圧の低下が回避される。

本発明に係る内燃機関の制御装置の他の態様では、前記吸気管は、前記コンプレッサよりも下流に備わるサージタンクの下流で複数の気筒に対応した分岐管に分岐されており、前記インパルス過給手段は、前記分岐された分岐管ごとに、各分岐管に対応する各気筒の行程に応じた時期に所定の期間、前記蓄圧された余剰圧の少なくとも一部を印加する。

この態様によれば、吸気管は、コンプレッサよりも下流に備わるサージタンクの下流で複数の気筒に対応した分岐管に分岐されている。例えば、４気筒なら、各気筒に対応して４つの分岐管に分岐されている。そして、分岐された分岐管ごとに、各分岐管に対応する各気筒の行程に応じた時期に所定の期間、蓄圧された余剰圧の少なくとも一部が、インパルス過給手段によって印加される。ここで、「各分岐管に対応する各気筒の行程に応じた時期」とは、同じ時期であっても各気筒間で行程が異なるため、この違いに個別に対応してインパルス過給を行う趣旨である。すなわち、この態様によれば、多気筒の場合にも、各気筒毎にターボラグを低減できるのである。

本発明の作用及び他の利得は、次に説明する実施するための最良の形態から明らかにされよう。

以下、発明を実施するための最良の形態として本発明の一実施形態を、図面に基いて詳細に説明する。

（１−１）構成
先ず、本実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成について、図及び図を参照して説明する。ここに、図１は、実施形態に係る内燃機関の制御装置を模式的に示す斜視図である。図２は、実施形態に係る内燃機関の制御装置を模式的に示す断面図である。

図１および図２に示すように、実施形態に係る内燃機関の制御装置１には、吸気管２０６（サージタンク１１１）、シリンダ２０１（＃１〜＃４、クランクポジションセンサ２１８）、排気管２１０、ターボ過給機（即ち、コンプレッサ４１及びタービン４２）、制御装置１００、畜圧機構３０（畜圧タンク３００、分岐管３０１、畜圧切替バルブ３０２、駆動モータ３０３、畜圧分配路３０４、パルス圧制御バルブ３０５、第１駆動モータ３０６、第２駆動モータ３０７）等が備わる。

吸気管２０６は、吸気バルブ２０３の開閉によってシリンダ２０１内部との連通状態が制御されている。即ち、吸気管２０６において、外部から吸入された空気（即ち、吸入空気）と、燃料噴射装置であるインジェクタ２１１から噴射された燃料とが混合され（即ち、混合気を形成し）、吸気バルブ２０３を介してシリンダ２０１に供給される。アクセルポジションセンサ２１６は、運転者によるアクセルペダル２２６の踏み込み量、即ちアクセル開度を検出する。このアクセル開度に基づいて、加速要求が判断される。スロットルバルブモータ２１７は、その踏み込み量に基いてスロットルバルブ２１４を開閉駆動する。スロットルバルブ２１４は、吸気管２０６からシリンダ２０１内部へ送り込む空気量を調節する。スロットルポジションセンサ２１５は、スロットルバルブ２１４の開度を検出する。サージタンク１１１は、各気筒へ送り込む空気を分配する他、分配される空気の圧力変動を抑制する。

シリンダ２０１は、例えば＃１〜＃４の４気筒構成であり、各シリンダ２０１の内部において、吸気管２０６から送られてきた混合気を、点火プラグ２０２により着火して、所定のタイミングで燃焼させる。この燃焼により、ピストン２０５は、シリンダ２０１内で上下に往復運動する。この往復運動がクランクシャフト２１９の回転運動に変換され、車両を駆動可能に構成されている。クランクポジションセンサ２１８は、クランクシャフト２１９の回転角（即ち、クランク角）を検出する。

排気管２１０は、シリンダ２０１内部で発生する排気ガスを、排気バルブ２０４を介して排気することが可能に構成されている。空燃費センサ２２１は、排気管２１０の管路に設けられ、排気ガスの空燃比を検出して、制御装置１００へ伝達可能に構成されている。検出された空燃比は、例えばインジェクタ２１１によって噴射される燃焼量のフィードバック補正に利用される。可変動弁装置１０は、例えばカムバイワイヤ（ＣａｍｂｙＷｉｒｅ）のように、吸気バルブ２０３及び排気バルブ２０４の動弁特性を変更可能に構成されている。カム角センサ１０１は、可変動弁装置１０に備わるカム角を検出し、制御装置１００に伝達する。制御装置１００は、カム角に基づいて、吸気バルブ２０３及び排気バルブ２０４の開弁状況を認識する。

ターボ過給機は、コンプレッサ４１及びタービン４２を備えてなる。タービン４２は、排気管２１０に配設されており、排気ガスの運動エネルギを受けて回転するとともに、同軸上に設けられたコンプレッサ４１を回転させることが可能に構成されている。コンプレッサ４１は、吸気管２０６に配設されており、その回転によって吸気を圧縮させる（すなわち、過給する）ことが可能である。吸気管２０６の吸気圧は、コンプレッサ４１の下流、典型的にはサージタンク１１１内に設けられた吸気圧センサ４１２によって検出され、制御装置１００に伝達される。

制御装置１００は、周知の電子制御ユニット（Electronic Control Unit：ＥＣＵ）、中央処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）、制御プログラムを格納した読み出し専用メモリ（Read Only Memory：ＲＯＭ）、各種データを格納する随時書き込み読み出しメモリ（Random Access Memory：ＲＡＭ）等を中心とした論理演算回路として構成されており、エンジン２００の動作を包括的に制御する。そして、各種センサからの入力信号（例えば、吸気圧、アクセル開度、スロットル開度、エンジン２００の回転数、クランク角、空燃費、等）を受ける入力ポートからの入力を受け、所定の演算を行い、各種アクチュエータ（例えば、可変動弁装置１０、スロットルバルブモータ２１７、第１駆動モータ３０６、第２駆動モータ３０７等）に制御信号を送る出力ポートに対して、バスを介して接続されている。

畜圧機構３０は、以下のように構成されている。コンプレッサ４１によって圧縮された圧縮空気を蓄積する畜圧タンク３００は、分岐管３０１によって吸気管２０６と繋がれている。畜圧切替バルブ３０２は、吸気管２０６と分岐管３０１の分岐点に設けられ、制御装置１００に制御された駆動モータ３０３によって、吸気圧等に応じて電磁的に開閉される。これにより、過給された吸気が少なくとも部分的に畜圧タンク３００に流入する。更に、畜圧タンク３００は、畜圧分配路３０４によって、サージタンク１１１の下流で分岐された吸気管２０６の各々と繋がれている。パルス圧制御バルブ３０５は、畜圧分配路３０４の各分岐流路に設けられ、制御装置１００に制御された第１駆動モータ３０６、および第２駆動モータ３０７によって、電磁的に開閉される。

（１−２）作用
上述のように構成された内燃機関の制御装置は図３に示すように作用する。ここで、図３は、実施形態に係る内燃機関の制御装置による制御の流れを示すフローチャートである。

図３に示すように、先ず、吸気圧センサ４１２は吸気圧を検出し、制御装置１００に伝達する（ステップS０１）。

制御装置１００は、「吸気圧センサ４１２によって検出された吸気圧＜所定の目標値」が成立するか否か、すなわち目標値を上回る余剰圧が生じていないかを判定する（ステップS０２）。

ここで、「検出した吸気圧＜所定の目標値」が成立する場合（ステップS０２：YES）、吸気圧が目標値に達しておらず、余剰圧も生じていないので、畜圧切替バルブ３０２は閉にしておくように、制御装置１００は駆動モータ３０３を制御する（ステップS０３）。

他方で、「検出した吸気圧＜所定の目標値」が成立しない場合（ステップS０２：NO）、吸気圧が目標値に達しており、余剰圧が生じているので、畜圧切替バルブ３０２を開にするように、制御装置１００は駆動モータ３０３を制御する（ステップS０３．１）。
その結果、余剰圧が畜圧タンクに畜積される（ステップS０３．２）。

その後、カム角センサ１０１はカム角を検出し、制御装置１００へ伝達する（ステップS０４）。

制御装置１００は、このカム角に基づいて、「吸気バルブ２０３が閉じる時期の４０〜６０[deg] 前」であるか否かを判定する（ステップS０５）。

ここで、「吸気バルブ２０３が閉じる時期の４０〜６０[deg] 前」ではない場合（ステップS０５：NO）、未だパルス圧制御バルブ３０５を開くのに適当な時期でないので、パルス圧制御バルブ３０５は閉じたままとする。

他方で、「吸気バルブ２０３が閉じる時期の４０〜６０[deg] 前」である場合（ステップS０５：YES）、パルス圧制御バルブ３０５を所定期間（例えば、１〜１０[deg]）開弁させるように、制御装置１００は第１駆動モータ３０６、および第２駆動モータ３０７を制御する（ステップS０６）。これにより、タービン４２のモタツキ期間に脈動効果を狙ったパルスを発生させ、もって応答性を向上可能である。

（１−３）効果
上述のように動作する内燃機関の制御装置１の利点ないしその効果について、図４から図６を参照して説明を加える。ここで、図４は、パルス圧制御バルブ３０５の開度と、この開度変化に応じた吸気脈動の経時変化を示すシミュレーション結果である。図５は、サージタンク１１１の圧力の経時変化を示すシミュレーション結果である。図６は、車両前後加速度Ｇの経時変化を示すシミュレーション結果である。図４から図６において、破線は、比較例に係る特性を示し、実線は、本実施形態に係る特性を示す。

図４において、膨張行程、排気行程、吸気行程、および圧縮行程が順に行われ、その際のパルス圧制御バルブ３０５の開度の経時変化が下図に、この開度変化に応じた吸気脈動の経時変化が上図に夫々示されている。一般に、吸気バルブ２０３は、吸気や燃焼ガスが慣性の影響を受けることを考慮して、吸気ＴＤＣ（上死点：Top Dead Center：ＴＤＣ）よりも早く開けられ、次の吸気ＢＤＣ（下死点：Bottom Dead Center：ＴＤＣ）よりも遅く閉じられる。

ここで、比較例においては、畜圧機構３０が備わっていないため、インパルス過給は特に行われず、通常のターボ過給が行われるのみであるので、図４の破線で示すように、吸気脈動が特別に増加することはない。そうすると、排気ガスの不足により十分な過給が行われない間は、図５の破線に示すように、サージタンク１１１で検出される吸気圧が大気圧付近で停滞する。そうすると、機関出力の増加も遅れてしまい、図６の破線で示すように、車両前後加速度Ｇも停滞する。すなわち、ターボラグが生じてしまう。

これに対し、本実施形態においては、畜圧機構３０が備わっているので、インパルス過給が行われる。すなわち、吸気バルブ２０３が閉じられる前に（具体的に例えば、吸気バルブ２０３が閉じられる４０〜６０[deg]前に）、パルス圧制御バルブ３０５が開かれ（図３のステップＳ６を参照）、インパルス過給が行われる。図４の実線で示すように、パルス圧制御バルブ３０５が開かれた直後に吸気脈動もパルス状に増加する。そうすると、排気ガスの不足により十分な過給が行われない間であっても、図５の実線に示すように、サージタンク１１１で検出される吸気圧が大気圧付近で停滞することなく、上昇する。そうすると、機関出力の増加の遅れも解消され、図６の実線で示すように、車両前後加速度Ｇも遅滞なく上昇する。このようにして、ターボラグが低減乃至解消される。

以上説明した実施形態によれば、ターボ過給機によるターボラグが生じがちな時期であっても、ターボ過給機で生じた余剰圧を予め畜圧しておく畜圧機構３０を備えるので、インパルス過給を適宜発生させることができ、もってターボラグを抑制できる。この際、畜圧機構に畜圧する圧縮空気を生成するための装置を別途設けずにすむので、比較的簡易な構成で実現可能であり、実践上非常に有効である。

なお、本実施形態において、内燃機関の制御装置１が、本発明に係る「内燃機関の制御装置」の一例であり、畜圧タンク３００、分岐管３０１、畜圧切替バルブ３０２、及び制御装置１００が、本発明に係る「畜圧手段」の一例であり、畜圧分配路３０４、パルス圧制御バルブ３０５、第１駆動モータ３０６、第２駆動モータ３０７、及び制御装置１００が、本発明に係る「インパルス過給手段」の一例であり、吸気圧センサ４１２が、本発明に係る「圧力特定手段」の一例であり、畜圧切替バルブ３０２、及び制御装置１００が、本発明に係る「連通状態切替手段」の一例であり、分岐管３０１が、本発明に係る「分岐管」の一例である。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨、或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う内燃機関の制御装置も又、本発明の技術的範囲に含まれるものである。

実施形態に係る内燃機関の制御装置を模式的に示す斜視図である。 実施形態に係る内燃機関の制御装置を模式的に示す断面図である。 実施形態に係る内燃機関の制御装置による制御の流れを示すフローチャートである。 パルス圧制御バルブ３０５の開度と、この開度変化に応じた吸気圧（吸気脈動）の経時変化を示すシミュレーション結果である。 サージタンク１１１の圧力の経時変化を示すシミュレーション結果である。 車両前後加速度Ｇの経時変化を示すシミュレーション結果である。

符号の説明

１…内燃機関の制御装置、２０６…吸気管、１１１…サージタンク、２０１…シリンダ、２１８…クランクポジションセンサ、２１０…排気管、４１…コンプレッサ、４２…タービン、１００…制御装置、３０…畜圧機構、３００…畜圧タンク、３０１…分岐管、３０２…畜圧切替バルブ、３０３…駆動モータ、３０４…畜圧分配路、３０５…パルス圧制御バルブ、３０６…第１駆動モータ、３０７…第２駆動モータ

Claims (5)

1. 内燃機関の吸気管の管路に設けられたコンプレッサと排気管の管路に設けられたタービンとからなるターボ過給機を備える内燃機関を制御する制御装置であって、
   前記コンプレッサにより過給されて上昇する前記吸気管の吸気圧のうち、所定の目標圧を超えた余剰圧を畜圧する畜圧手段と、
   前記ターボ過給機による過給が不足する時期に所定の期間、前記吸気管のうち前記コンプレッサよりも下流に、前記蓄圧された余剰圧の少なくとも一部を印加するインパルス過給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. 前記インパルス過給手段は、前記内燃機関に備わる吸気バルブの開弁期間に含まれる時期に、所定の期間、前記吸気管のうち前記コンプレッサよりも下流に、前記蓄圧された余剰圧の少なくとも一部を印加すること
   を特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記所定の時期は、前記吸気バルブの開弁期間のうち、前記吸気バルブが閉弁する直前であること
   を特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記畜圧手段は、
   前記吸気管の吸気圧を特定する圧力特定手段と、
   前記特定された吸気圧が前記所定の目標圧を超える場合には、前記吸気管のうち前記コンプレッサよりも下流と当該畜圧手段とを連通させる連通状態切替手段とを備えること
   を特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記吸気管は、前記コンプレッサよりも下流に備わるサージタンクの下流で複数の気筒に対応した分岐管に分岐されており、
   前記インパルス過給手段は、前記分岐された分岐管ごとに、各分岐管に対応する各気筒の行程に応じた時期に所定の期間、前記蓄圧された余剰圧の少なくとも一部を印加すること
   を特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置。

Images