JP2009281195A

JP2009281195A - 内燃機関制御装置

Info

Publication number: JP2009281195A
Application number: JP2008132285A
Authority: JP
Inventors: Rei Eiraku; 玲永楽
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2009-12-03

Abstract

【課題】吸気通路に空気を供給する空気供給手段を備えたシステムにおいて、吸気量制御弁を通じた吸気流の逆流を抑制する。
【解決手段】蓄圧タンク１１からの空気供給によって、スロットル弁２６下流の吸気通路内の圧力である下流圧力が高められる。加速要求があり且つ下流圧力が上流圧力よりも大きい場合に、ＥＣＵ１００がスロットル弁２６によりスロットル弁２６下流とスロットル弁２６上流との間の空気の流れを抑制し、これによって逆流を抑制し十分な加速を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸気通路に追加の空気を供給する空気供給手段を備えた内燃機関における制御装置に関する。

吸気通路に別系統からの追加の空気を供給するようにした内燃機関が種々提案されている。例えば、特許文献１に開示される装置は、吸気通路に接続された蓄圧タンクを有し、ターボチャージャによって加圧され高圧にされた空気を蓄圧タンク内に保持すると共に、加速要求があった場合に、蓄圧タンク内の空気を吸気通路内のスロットル弁の下流に放出することで、充填効率を高め、内燃機関の加速をアシストする。

しかし、この装置における蓄圧タンクからの空気は、吸気通路のスロットル弁の下流に供給されるため、スロットル弁の上流の圧力が低い場合には、供給された空気がスロットル弁を通じて上流側に逆流し、スロットル弁下流の圧力上昇が抑制され、十分な加速が得られないおそれがある。

他方、特許文献２に開示される装置は、スロットル弁及びその下流に配置されたコンプレッサと、これらスロットル弁及びコンプレッサの上流と下流とをバイパスするアシストエア通路とを有する構成において、コンプレッサ下流の圧力が正圧である場合にアシストエア通路を電磁弁で遮断することで、空気の逆流を防止している。

実開昭６１−６９４３８号公報実開平６−８７６６８号公報

しかし、逆流は通路の下流圧力が上流圧力よりも大きい場合に生じるから、コンプレッサ下流の圧力が正圧であっても逆流が生じない場合があり、またコンプレッサ下流の圧力が負圧であっても逆流が生じる場合がありうる。また、そもそも特許文献２の装置では、追加の空気を供給するコンプレッサが吸気弁下流に直列に配置されているため、スロットル弁に隣接する下流側の圧力がスロットル弁の上流側よりも高くなる場合は生じない。

そこで本発明の目的は、吸気通路に空気を供給する空気供給手段を備えたシステムにおいて、吸気流の逆流を抑制するための新規な手段を提供することにある。

本発明に係る内燃機関制御装置は、吸気通路に配置された吸気量制御弁と、前記吸気量制御弁下流の前記吸気通路に空気を供給する空気供給手段と、を備えた内燃機関制御装置であって、前記吸気量制御弁下流の吸気通路内の圧力である下流圧力が、前記吸気量制御弁上流の吸気通路内の圧力である上流圧力よりも大きいかを判定する判定手段と、加速要求があり且つ前記下流圧力が前記上流圧力よりも大きい場合に、前記吸気量制御弁により吸気量制御弁下流と吸気量制御弁上流との間の空気の流れを抑制させる逆流抑制手段と、を更に備えたことを特徴とする。

本発明では、空気供給手段からの空気供給によって、吸気量制御弁下流の吸気通路内の圧力である下流圧力が高められる。そして、加速要求があり且つ前記下流圧力が上流圧力よりも大きい場合に、逆流抑制手段が吸気量制御弁により吸気量制御弁下流と吸気量制御弁上流との間の空気の流れを抑制する。したがって本発明では、吸気量制御弁を通じた空気の逆流を抑制することができる。

逆流抑制手段は、前記抑制の後、前記下流圧力が前記上流圧力よりも小さい場合に、前記抑制を解除してもよい。

空気供給手段は、吸気通路内の空気を収容する蓄圧タンクとするのが特に好適である。

以下、本発明の実施形態について図面に基づき説明する。図１において、本発明の実施形態に係るエンジンはガソリン内燃機関であり、シリンダ１内に形成された燃焼室２に高圧空気を過給するために、ターボチャージャ３が設置されている。ターボチャージャ３は、タービンホイール４と、コンプレッサホイール５と、これらのホイール４，５の中心部を連結するシャフト６とを有する。タービンホイール４およびコンプレッサホイール５は、燃焼室２に連通する排気通路７および吸気通路８内にそれぞれ設けられ、シャフト６の軸心周りに回転する。排気通路７を通る排気ガスによりタービンホイール４が回転駆動されてコンプレッサホイール５が回転し、これにより、大気口９から吸気通路８内に吸入される空気は高圧にされて燃焼室２側へ給送される。

コンプレッサホイール５よりも下流側の吸気通路８には、通路１０を介して蓄圧タンク１１が接続される。蓄圧タンク１１は、後述するように高圧空気を保持可能である。制御弁１２は通路１０の折曲部に設けられてこの通路１０を開閉し、これにより蓄圧タンク１１と吸気通路８とを連通もしくは遮断する。制御弁１２はポペット式であり、ダイヤフラム装置１３により駆動される。

ダイヤフラム装置１３は、シェル１４内をダイヤフラム１５によりばね室１６と変圧室１７とに区画するとともに、ばね室１６内にダイヤフラム１５に常時係合するばね１８を収容して構成される。ばね室１６は通路１９及びオリフィス２２を介して大気に開放する。一方、ダイヤフラム１５に固定されたロッド２３は変圧室１７からシェル１４の外部へ突出し、制御弁１２に連結される。したがって制御弁１２は、変圧室１７とばね室１６の圧力差がばね１８の弾発力より大きくなると、ダイヤフラム１５が変形することにより変位して通路１０を開放する。本実施形態においてはこの圧力差が３５０ｍｍＨｇ以上のとき、制御弁１２が通路１０を開放するようになっている。

蓄圧タンク１１は、保持された高圧空気を、機関の加速運転時に第２通路２４から吸気通路８内に放出する。第２通路２４は、放出弁２７を介して、スロットル弁２６よりも下流側の吸気通路８に接続され、スロットル弁２６の下流側に追加の空気を供給する。放出弁２７はポペット式であり、ソレノイド２５により開閉駆動される。

ウェイストゲートバルブ４０は、ターボチャージャ３の回転数を制限して過給圧を一定値に抑えるものであり、排気通路７のタービンホイール４の上流側と下流値とを接続するバイパス通路４１を開閉する。

このウェイストゲートバルブ４０を開閉駆動するダイヤフラム装置４２は、上記ダイヤフラム装置１３と同様な構成を有し、シェル４３と、これを変圧室４４とばね室４５に区画するダイヤフラム４６と、ばね室４５内に設けられたばね４７とを備える。変圧室４４は通路４８を介して吸気通路８に常時連通し、一方、ばね室４５は大気が常時導かれるようになっている。ダイヤフラム４６に固定されたロッド４９はばね室４５からシェル４３の外部へ突出し、バイパス通路４１を形成する管壁に設けられたリンク５０に連結される。このリンク５０はウェイストゲートバルブ４０に結合される。しかしてウェイストゲートバルブ４０は変圧室４４とばね室４５の圧力差、すなわち吸気通路８内の圧力と大気圧との差（過給圧）がばね４７の弾発力に打勝つとバイパス通路４１を開放し、本実施形態においては３８０ｍｍＨｇ以上において開放するようになっている。したがって過給圧が３８０ｍｍＨｇに達すると、排気ガスの一部はバイパス通路４１を介して大気へ解放され、これにより、タービンホイール４の回転が抑制され、過給圧はこれ以上大きくならない。吸気通路８のスロットル弁２６よりも下流側には、燃料噴射弁５１が設けられる。

スロットル弁２６及び放出弁２７は、マイクロコンピュータから成る電子制御装置（ＥＣＵ）１００によって制御される。このＥＣＵ１００は中央演算処理装置（ＣＰＵ）とリードオンリメモリ（ＲＯＭ）とランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と入出カポート（Ｉ／Ｏポート）とを備える。ＲＯＭは、各種処理プログラムに加えて、図２に示されるフローチャートに従ったプログラムを記憶し、ＣＰＵはこれらのプログラムに従って、不図示の駆動回路により、後述するようにスロットル弁２６及び放出弁２７を制御する。なおＥＣＵ１００のＲＯＭには、本発明に係るスロットル弁２６及び放出弁２７の制御処理とは別途に、吸入空気量とエンジン回転数などに基づいて目標燃料噴射量を算出し、算出された目標燃料噴射量の燃料を燃料噴射弁によって噴射する燃料噴射制御を行うための処理プログラムが格納されている。

ＥＣＵ１００は、エンジン回転数、タービン回転数、アクセルペダル開度、蓄圧タンク１１の内圧、吸気通路内の上流圧力及び下流圧力に基き、駆動回路に指令信号を出力して、スロットル弁２６及び放出弁２７を制御する。このため種々の検出器が設けられる。すなわち、ターボチャージャ３のシャフト６の近傍にはこのシャフト６の回転数を検出するタービン回転センサ１１０が設けられ、蓄圧タンク１１にはこれの内圧を検出するタンク圧力センサ１１１が接続される。上流圧力センサ１１２は、吸気通路内であってスロットル弁２６の上流かつインタークーラ５２の下流に設けられ、上流圧力（すなわちコンプレッサ圧）を検出する。下流圧力センサ１１３は、吸気通路内であってスロットル弁２６の下流に設けられ、下流圧力（すなわちインマニ圧）を検出する。クランク角センサ１１４は図示しないクランク軸に取付けられてエンジン回転数を検出する。これらのタービン回転センサ１１０、圧力センサ１１１，１１２，１１３、およびクランク角センサ１１４からの信号は、アナログ信号であればＡ／Ｄ変換され、また必要な処理を施されてＩ／ＯポートからＥＣＵ１００へ入力される。

本実施形態の基本的動作は以下のとおりである。すなわち、機関が低負荷で運転されている時、ウェイストゲートバルブ４０、制御弁１２及び放出弁２７は閉塞状態にある。機関が高負荷（例えば、過給圧が３５０ｍｍＨｇ以上）であって定常状態で運転されるようになると、ダイヤフラム装置１３の変圧室１７内の圧力が上昇するので制御弁１２は通路１０を開放し、蓄圧タンク１１は吸気通路８内の高圧空気の一部が導かれてこの高圧空気を保持する。

この状態からスロットル弁２６が閉じられて機関が減速状態になると、スロットル弁２６の下流側に生じる負圧が大きくなる。一方、機関の負荷が低下することによりターボチャージャ３の回転数が下がり、吸気通路８内の吸入空気圧が低下するので、ダイヤフラム装置１３の変圧室１７の圧力が小さくなり、制御弁１２はばね１８に付勢されて通路１０を閉じる。これによって蓄圧室１１内は高圧状態が維持される。

他方、ＥＣＵ１００は、図２の処理ルーチンに従いスロットル弁２６及び放出弁２７を制御して、スロットル弁２６下流の吸気通路８に蓄圧タンク１１からの追加の空気を供給させる。

図２において、まずＥＣＵ１００は、アクセルペダルセンサ２４の検出値に基づき、アクセルペダル開度が所定の基準値よりも大であるかを判定する（Ｓ１０）。否定すなわちアクセルペダルの開度が小さい場合には、ＥＣＵ１００は放出弁２７を閉じ（Ｓ５０）、且つスロットル弁２６をアクセルペダル開度に対応した通常の開度に制御する（Ｓ６０）。この場合には蓄圧タンク１１からの追加の空気供給が行われないため、図３において時刻ｔ０〜ｔ１で示されるように、上流圧力センサ１１２によって検出される上流圧力すなわちコンプレッサ圧は、スロットル弁２６が開く結果として漸減する。また、下流圧力センサ１１３によって検出される下流圧力すなわちインマニ圧は、スロットル弁２６を通じた空気の供給及びタービンホイール５からの過給の結果として漸増する。

ステップＳ１０で肯定、すなわちアクセルペダル開度が基準値よりも大である場合には、ＥＣＵ１００は放出弁２７を全開に制御する（Ｓ２０、ｔ１）。その結果、放出弁２７を通じてスロットル弁２６下流の吸気通路に追加の空気が供給される。次にＥＣＵ１００は、下流圧力センサ１１３によって検出されるインマニ圧が、上流圧力センサ１１２によって検出されるコンプレッサ圧よりも大であるかを判定し（Ｓ３０）、インマニ圧がコンプレッサ圧と等しいかコンプレッサ圧よりも低い場合には、否定判断の結果、ＥＣＵ１００はスロットル弁２６をアクセルペダル開度に対応した通常の開度に制御する（Ｓ６０、ｔ１〜ｔ２）。

ステップＳ３０で、インマニ圧がコンプレッサ圧よりも高い場合には、肯定判断の結果、ＥＣＵ１００は、スロットル弁２６を全閉に制御する（Ｓ４０、ｔ２）。その結果、スロットル弁２６を通じた空気の流れが阻止された状態で、放出弁２７を通じて追加の空気が供給される（図３における時刻ｔ２〜ｔ３）。なお、アクセルペダルの踏込み開始からスロットル弁２６の全閉までの時間（ｔ０〜ｔ２）は通常０．２秒程度である。この状態は、コンプレッサ圧が上昇してインマニ圧と等しいかインマニ圧よりも大となる時刻ｔ３まで継続し、その間インマニ圧が急速に上昇することになる。下流圧力が上流圧力よりも小さくなると、ＥＣＵ１００はスロットル弁２６の全閉を解除し、アクセルペダル開度に対応した通常の開度に制御する（Ｓ３０、Ｔ３）。

以上の処理の結果、本実施形態では、蓄圧タンク１１からの空気供給によって、スロットル弁２６下流の吸気通路内の圧力である下流圧力が高められる。そして、加速要求があり且つ下流圧力が上流圧力よりも大きい場合に、ＥＣＵ１００がスロットル弁２６によりスロットル弁２６下流とスロットル弁２６上流との間の空気の流れを抑制する。したがって本発明では、スロットル弁２６を通じた空気の逆流を抑制して、十分な加速を得ることができる。なお、本発明による改良前（すなわち、スロットル弁２６の閉制御を行わない場合）のインマニ圧は、スロットル弁２６を通じた空気の逆流に起因して上昇が抑えられ、時刻ｔ２〜ｔ３において破線ａで示すように推移する。

また本実施形態では、ＥＣＵ１００は、前記抑制の後、下流圧力が上流圧力よりも小さい場合に、前記抑制を解除するので（Ｓ３０、ｔ３）、以後はコンプレッサホイール５と蓄圧タンク１１との両者からの空気供給に円滑に移行することができる。

また本実施形態では、空気供給手段を、吸気通路内の空気を収容する蓄圧タンク１１としたので、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。

なお、上記実施形態では、下流圧力が上流圧力よりも大きい場合に、スロットル弁２６を全閉し、これによってスロットル弁２６を通じた空気の流れを遮断することとしたが（Ｓ４０）、本発明ではスロットル弁下流から上流への空気の逆流を抑制する程度にスロットル弁２６を閉方向に制御するものであれば、全開及び全閉のほかに両者の中間の開度を多段階的又は無段階的に実現してもよく、その限度において本発明に所期の効果を得ることができる。また放出弁２７についても、全開及び全閉のほか、両者の中間の開度を多段階的又は無段階的に実現してもよい。

また、上記実施形態では上流圧力及び下流圧力をそれぞれ専用のセンサ１１１，１１２で検出したが、これらの値の少なくとも一方をタービン回転センサ１１０、クランク角センサ１１４、及び／又は他のセンサの検出値から推定演算により求めてもよい。

また、上記実施形態では吸気量制御弁をスロットル弁２６としたが、本発明における吸気量制御弁は、スロットル弁を挟んだ吸気通路の上流と下流とをバイパスするバイパス通路を開閉するバイパス弁であってもよい。

また、上記実施形態ではスロットル弁２６よりも下流側の吸気通路８に、蓄圧タンク１１からの空気供給路である第２通路２４を接続したが、本発明はスロットル弁よりも上流側に空気供給手段からの空気供給路を接続してもよい。この場合には、空気供給路と吸気通路との合流点よりも上流側の吸気通路に、別途の吸気量制御弁を設置し、これを図２と同様の処理ルーチンで制御してもよい。

また、上記実施形態では空気供給手段として蓄圧タンク１１を採用したが、本発明における空気供給手段としては、蓄圧タンク以外の各種の構成を選択でき、例えば、排気ガスを供給する排気ガス再循環システム（ＥＧＲ）や、機械式過給装置（いわゆるスーパーチャージャ）であってもよい。また上記実施形態におけるターボチャージャ３に代えて、スロットル弁の上流側に機械式過給装置やその他の過給手段を備えていてもよい。また、本発明はディーゼルエンジンや気体燃料エンジンなど、他の燃料を利用するエンジンに適用することも可能であって、かかる構成も本発明の範疇に属するものである。

本発明の実施形態に係る内燃機関制御装置を示す機能ブロック図である。本発明の実施形態の制御を示すフロー図である。実施形態の作用を示すタイミング図である。

符号の説明

２燃焼室
３ターボチャージャ
７排気通路
８吸気通路
１１蓄圧タンク
１２制御弁
２４第２通路
２６スロットル弁
２７放出弁

Claims

吸気通路に配置された吸気量制御弁と、前記吸気量制御弁下流の前記吸気通路に空気を供給する空気供給手段と、を備えた内燃機関制御装置であって、
前記吸気量制御弁下流の吸気通路内の圧力である下流圧力が、前記吸気量制御弁上流の吸気通路内の圧力である上流圧力よりも大きいかを判定する判定手段と、
加速要求があり且つ前記下流圧力が前記上流圧力よりも大きい場合に、前記吸気量制御弁により吸気量制御弁下流と吸気量制御弁上流との間の空気の流れを抑制させる逆流抑制手段と、を更に備えたことを特徴とする内燃機関制御装置。
前記逆流抑制手段は、前記抑制の後、前記下流圧力が前記上流圧力よりも小さい場合に、前記抑制を解除することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関制御装置。
前記空気供給手段は、前記吸気通路内の空気を収容する蓄圧タンクであることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関制御装置。