JP2009293476A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】減速状態からの再加速時におけるトルクのバラツキを低減する。
【解決手段】内燃機関の排気エネルギにより駆動される過給機5と、可変動弁機構14と、吸入空気量調節手段4と、コンプレッサ5aより下流かつ吸入空気量調節手段4より上流の吸気通路6a内の圧力である過給圧を検出する圧力検出手段11と、コンプレッサ5aより下流かつ吸入空気量調節手段4より上流の吸気通路6aとコンプレッサ5aより上流の吸気通路6bとを連通する還流通路10と、過給圧と吸気通路2内の圧力である吸気管圧との差圧が所定値を超えた場合に開弁する開閉弁9と、アクセルペダル操作量に基づいて減速状態を検知する減速状態検知手段13と、を備え、還流弁9が開弁した状態での減速中に、過給圧と吸気管圧との差圧が一定となるように過給圧に応じて吸気バルブの開閉時期を変更する減速制御を実行する。
【選択図】図1

Description

本発明は、可変動弁機構を備える過給機付き内燃機関の制御に関する。
可変動弁機構を備える過給機付き内燃機関の制御として、特許文献1には、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内の圧力である過給圧と、スロットル下流の吸気通路内の圧力である吸気管圧力との圧力差が基準圧力差以上である場合に、スロットルの開度が大きくなるように、かつ吸気弁の少なくとも作用角あるいはリフト量のいずれかが小さくなるようにスロットル開度及び吸気弁の開弁特性を変更することにより、過給機の応答性を向上させ、加速性能を向上させる技術が開示されている。
特開2006−161609号公報
ところで、過給機付き内燃機関では、減速時等にスロットルバルブが閉じられた場合の過給圧の上昇を制限するための手法として、コンプレッサ下流かつスロットル上流の吸気通路中に、過給圧と吸気管圧との差圧が所定値を超えたときに開弁するリサーキュレーションバルブを設け、スロットル上流の吸気通路からコンプレッサ上流の吸気通路へ吸気を還流させる手法が知られている。
このような構成では、減速時にリサーキュレーションバルブが作動すると、吸気通路内の圧力が大きく変動するので、再加速のためにスロットルバルブを開くタイミングによって、スロットルバルブを開いたときに内燃機関に供給される吸気量が異なり、結果として再加速時のトルクにバラツキが生じてしまうという問題がある。
特許文献1に記載された手段では、スロットル開度が小さい状態で加速要求があった場合の過給機の応答性を向上させることはできるが、減速時におけるリサーキュレーションバルブの作動については考慮されていないため、上述した再加速時のトルクのバラツキを抑制することができない。
そこで、本発明では、リサーキュレーションバルブが作動した減速状態からの加速時に、トルク段差の発生を抑制することを目的とする。
本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気エネルギにより駆動され、吸気通路中に設けたコンプレッサにより過給を行う過給機と、吸気バルブの開閉時期を変更し得る可変動弁機構と、可変動弁機構の動作を制御する可変動弁機構制御手段と、内燃機関の吸気通路のコンプレッサより下流に設けた吸入空気量調節手段と、コンプレッサより下流かつ吸入空気量調節手段より上流の吸気通路内の圧力である過給圧を検出する圧力検出手段と、コンプレッサより下流かつ吸入空気量調節手段より上流の吸気通路と前記コンプレッサより上流の吸気通路とを連通する還流通路と、還流通路に介装され、過給圧と吸入空気量調節手段より下流の吸気通路内の圧力である吸気管圧との差圧が所定値を超えた場合に開弁する開閉弁と、アクセルペダル操作量に基づいて減速状態を検知する減速状態検知手段と、を備え、可変動弁機構制御手段は、還流弁が開弁した状態での減速中に、過給圧と吸気管圧との差圧が一定となるように過給圧に応じて前記吸気バルブの開閉時期を変更する減速制御を実行する。
本発明によれば、リサーキュレーションバルブが作動した減速状態から再加速時にトルクのバラツキを低減することができる。
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は本実施形態を適用する内燃機関のシステム構成図である。
1は内燃機関、2は吸気マニホールド、3は排気マニホールド、4はスロットルチャンバ、5は過給機、6は吸気通路、7は排気通路、8はエアフローメータ、9はリサーキュレーションバルブ、10はリサーキュレーション通路、11はコンプレッサ5aより下流側かつスロットルチャンバ4より上流側の吸気通路(以下、吸気通路6aという)内の圧力(以下、過給圧という)を検出する過給圧センサ、12はコントロールユニット、13はアクセル開度センサ、14は吸気バルブのバルブタイミングを可変制御する可変動弁機構である。
吸気マニホールド2の入口には内燃機関1に流入する空気量を調整するためのスロットルチャンバ4が設けられ、その上流には吸気通路6が接続されている。吸気通路6のスロットルチャンバ4より上流側には、過給機5のコンプレッサ5aが設置され、更にその上流には、吸入空気量を検出するエアフローメータ8が設置されている。
排気通路7には、過給機5のタービン5bが設置されている。
過給機5は、いわゆるターボ式過給機であり、コンプレッサ5aとタービン5bがシャフト5cを介して接続されており、両者は一体となって回転する。このため、タービン5bが内燃機関1の排気エネルギにより回転すると、コンプレッサ5aも回転し、吸入空気を下流側に圧送する。
コントロールユニット12は、エアフローメータ8で検出する吸入空気量、アクセル開度センサ13で検出するアクセル開度、その他図示しないクランク角センサで検出するエンジン回転速度等を読み込み、これらに基づいて、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等の一般的な内燃機関と同様の制御、及び後述する減速時のスロットル開度及びバルブタイミングの制御を行う。
リサーキュレーション通路10は、吸気通路6aと、エアフローメータ8より下流側かつコンプレッサ5aより上流側の吸気通路(以下、吸気通路6bという)とを接続する通路であり、途中に設けたリサーキュレーションバルブ9が開弁すると両吸気通路6a、6bが連通し、閉弁すると連通が遮断される。
リサーキュレーションバルブ9は、一般に知られているものと同様に、過給圧と吸気マニホールド2内の圧力(以下、吸気管圧という)との差圧が所定値以上になったときに開弁する。例えば、内部に備える弁体に対して、内蔵するスプリングの反力が閉弁方向に付勢されており、さらに、弁体の開弁方向に過給圧が作用し、閉弁方向には吸気管圧が作用しており、過給圧と吸気管圧との差圧がスプリングの反力を超えた場合に開弁する。これにより、過給状態で走行中にスロットルチャンバ4が全閉となった場合に、過給圧の過上昇を防止することができる。なお、リサーキュレーションバルブ9が開弁するときの過給圧と吸気管圧との差圧(リサーキュレーションバルブ開弁圧)は、スプリングのバネ定数により任意の値に設定することができる。
可変動弁機構14は、少なくとも吸気弁閉時期(IVC)を変化させるものであればよい。例えば、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの回転位相を変化させるものや、吸気バルブの作動角を変化させるもの等、一般的に知られている可変動弁機構を用いることができる。
なお、本明細書では、過給圧及び吸気管圧は、大気圧をゼロ[kPa]とする、いわゆるゲージ圧である。
図2は、コントロールユニット12が実行する、減速時における制御のフローチャートである。本制御ルーチンは、所定時間(例えば10ms)ごとに繰り返し実行する。
ステップS100では、アクセル開度センサ13の前回検出値と今回検出値に基づいて、単位時間(ここでは演算周期)あたりのアクセル開度変化量ΔAPOを算出し、これが予め設定した閾値ΔAPO1より小さいか否かを判定する。なお、閾値ΔAPO1はアクセルペダルを閉じる方向に操作したときの変化量、つまり、負の値であって、それを超えると、スロットルチャンバ4で吸気が堰き止められることにより過給圧が大幅に上昇する値を設定する。これは、車速の微調整等のようなアクセル操作を排除するためである。
アクセル開度変化量ΔAPOが閾値ΔAPO1より小さければステップS101に進み、大きければステップS102に進む。
ステップS101では、減速状態フラグfを1にしてステップS103に進む。
ステップS102では、減速状態フラグfが1かつアクセル開度変化量ΔAPOが負の値であるか否かを判定する。判定の結果が肯定的であればステップS103に進み、否定的であればそのまま処理を終了する。
ステップS103では、過給圧Pbの変化量ΔPbが予め設定した閾値ΔPb1より小さいか否かを判定する。閾値ΔPb1は、過給圧Pbの低下がリサーキュレーションバルブ9の開弁による低下であるか否かを判定するための閾値であり、負の値である。
過給圧変化量ΔPbが閾値ΔPb1より小さければステップS104に進み、大きければ処理を終了する。
ステップS104では、過給圧Pbが予め設定した閾値Pb1より小さいか否かを判定する。閾値Pb1は、後述する減速制御を開始する圧力(制御判定圧力)として任意に設定する値である。
過給圧Pbが閾値Pb1より低い場合はステップS105に進んで、ステップS106以降の減速制御を開始する。このように、アクセル開度変化量ΔAPO、過給圧変化量ΔPb及び過給圧Pbに基づいて減速制御を開始するか否かを判定することにより、減速に伴うリサーキュレーション期間を精度よく検知することができる。一方、高い場合は処理を終了する。
ステップS105では、過給圧Pbが予め設定した閾値Pb3より低いか否かを判定する。閾値Pb3は、平地での大気圧に相当する圧力である。
過給圧Pbが閾値Pb3より低い場合は処理を終了し、高い場合はステップS106に進む。
ステップS106では、過給圧Pbと吸気管圧Pinとの差圧が、予め設定した閾値Pb2より低いか否かを判定する。過給圧Pbと吸気管圧Pinとの差圧が閾値Pb2より小さい場合は処理を終了し、大きい場合はステップS107に進む。閾値Pb2はリサーキュレーションバルブ開弁圧である。
上記のステップS105及びS106のように、平地での大気圧に相当する圧力(閾値Pb3)及びリサーキュレーションバルブ開弁圧(閾値Pb2)に基づいて減速制御の終了判定を行うので、大気圧が変化した場合であっても正確に終了判定を行うことができる。
ステップS107では、エンジン回転速度及び過給圧Pbを読み込む。
ステップS108では、エンジン回転速度及び過給圧Pbに基づいて目標バルブタイミングを演算する。目標バルブタイミングは、吸入空気量が、定常運転かつ過給圧Pbがゼロ[kPa]の状態における吸入空気量と等価になるバルブタイミングとする。具体的には、予め実験等によって過給圧Pb及びエンジン回転速度と吸入空気量との関係を求めてマップ化しておき、これを検索する。
ステップS109では、目標スロットルチャンバ開度を演算する。具体的には、バルブタイミングの変更に伴うポンプロスの変化を相殺するようなスロットルチャンバ開度を演算する。これにより、バルブタイミングを変化させない場合と同様に、減速Gを一定に保つことができる。
ステップS1010、S111では、それぞれステップS108、S109で演算した目標値を、バルブタイミング制御、スロットルチャンバ開度制御の目標値として設定し、ステップS105に戻る。
上記のように、アクセル開度変化量ΔAPO、過給圧変化量ΔPb、過給圧Pbに基づいて減速制御を開始する条件を判定し、減速制御を開始したら、過給圧Pbが閾値Pb3より高く、かつ過給圧Pbと吸気管圧Pinとの差圧が閾値Pb2より大きい状態が続く間、ステップS107〜S111のステップを繰り返し実行する。
図3は、上記制御を実行した場合の過給圧Pb、吸気管圧Pin、吸気バルブのバルブタイミング等の変化の様子を表わすタイミングチャートである。図3中の実線Aは、時刻t4で再加速を開始する場合について示しており、実線Bはコンプレッサ5aの回転がほぼ停止する時刻t6で再加速を開始する場合について示している。吸気管圧Pinのチャート中の破線Cは、減速中に吸気バルブのバルブタイミングを変更しない場合について示しており、一点鎖線Dは対応する時刻における過給圧Pbを示している。
まず、過給圧Pbが平地での大気圧まで低下する時刻t6まで再加速しない場合について説明する。
過給状態で走行中の時刻t1でアクセル開度APOがゼロになり、スロットルチャンバ4が全閉になると、コンプレッサ5aは回転しているのにスロットルチャンバ4が閉じた状態となるので、過給圧は上昇する。一方、スロットルチャンバ4が全閉の状態で内燃機関1は回転し続けるので、吸気管圧Pinは低下する。このため、過給圧Pbと吸気管圧Pinとの差圧は増大する。
差圧が増大してリサーキュレーションバルブ開弁圧(閾値Pb2)を超えると、リサーキュレーションバルブ9が開弁して、吸気通路6a内の空気がコンプレッサ5aより上流側に還流するので、過給圧Pbは低下し始め、差圧も減少し始める。
コンプレッサ5aは、アクセルオフの状態で過給圧Pbが上昇すると、回転抵抗が増大するため、回転速度が低下する。その後、リサーキュレーションバルブ9が開弁すると、コンプレッサ5a下流側の圧力が低下する。つまりコンプレッサ5aの回転抵抗が低下する。このため、コンプレッサ5aの回転速度は一旦上昇するが、アクセルオフのままの状態ではタービン5bの回転速度が低下するので、コンプレッサ5aの回転速度もこれに伴って低下する。
このため、コンプレッサ5aの回転速度が比較的高く、かつリサーキュレーションバルブ9が開いていることで、コンプレッサ5aを通過する空気量とリサーキュレーションバルブ9から還流される空気量とが釣り合う間(時刻t3〜t5)は、過給圧Pbは一定値となり、その後、コンプレッサ5aの回転速度の低下に伴って低下する。
吸気バルブの閉弁時期(IVC)は、過給圧Pbが制御判定圧Pb1より低くなったとき(時刻t2)から、過給圧Pbの低下に伴って遅角し、過給圧Pbが一定となる時刻t3〜t5は遅角した状態で保持され、時刻t5以降は過給圧Pbの低下に伴って進角させて時刻t1時点でのバルブタイミングに戻す。
IVCを通常運転時に近づけるよう進角させるほど、内燃機関1の吸い込み量が多くなる。このため、IVCが時刻t1時点でのバルブタイミングに近づくほど吸気管圧Pinは低下する(吸気管圧チャートの実線B)。そして、時刻t6で再加速すると、吸気管圧Pinは大気圧まで瞬時に上昇した後、コンプレッサ5aの回転速度上昇に伴って上昇する。
なお、減速中にIVCを一定のままにすると、吸気管圧Pinも一定のままとなる(吸気管圧チャートの破線C)。
次に、リサーキュレーションバルブ9が開弁して過給圧Pbが一定となっているとき(時刻t4)に再加速する場合について説明する。
時刻t4までは、上述した時刻t6で再加速する場合と同様である。時刻t4でアクセル開度APOが増大して、スロットルチャンバ4が開くと、コンプレッサ5aの回転速度は上昇し始め、これに伴って過給圧Pbも上昇し始める(各チャートの実線A)。吸気管圧Pinは、スロットルチャンバ4が開くことによって、スロットルチャンバ4上流圧、つまり過給圧Pbまで瞬時に上昇し、そこから過給圧Pbの上昇に伴って上昇する(吸気管圧チャートの実線A)。
上述したように、減速中に再加速する場合には、スロットルチャンバ4が開弁するとともに、吸気管圧Pinは負圧状態から過給圧と同等の圧力まで上昇する。すなわち、吸気管圧チャートの実線Bから一点鎖線Dまで上昇する。仮に、減速期間中にIVCを一定に保持していると、吸気管圧Pinは実線Cのように一定値となるので、再加速開始のタイミング次第(t4〜t6のどこで再加速を開始するのか)で、実線Cから一点鎖線Dまでの変化量が異なることとなり、この変化量の差は、運転者には再加速時のトルク段差のバラツキとして感知される。
しかしながら、本制御では、吸気管圧Pinは実線Bで示すように徐々に低下するので、再加速開始のタイミングの違いによる再加速開始前後の吸気管圧Pin(実線Bから一点鎖線Dまでの変化量)の差は、IVC一定の場合(実線C)に比べて大幅に低減している。
すなわち、リサーキュレーション期間中における再加速のタイミングの違いによって、再加速開始時の過給圧Pbは異なるが、再加速開始前後の吸気管圧Pinの変化量のバラツキは低減され、これによりリサーキュレーション期間中に再加速する際の、トルク段差のバラツキが大幅に低減されている。
なお、ここでいう「リサーキュレーション期間」とは、リサーキュレーションバルブ9が開いている期間のうち、過給圧Pbが制御判定圧Pb1より小さくなってから以降の期間のことをいう。
ところで、リサーキュレーションバルブ開弁圧は、リサーキュレーションバルブ9に内蔵するスプリングのバネ定数により任意に設定可能であり、バネ定数を高くするほどリサーキュレーションバルブ開弁圧も高くなる。しかし、リサーキュレーションバルブ開弁圧を高めるほど、リサーキュレーションバルブ9が閉弁している状態での過給圧Pbも高くなり、図3の過給圧Pbのチャートでは特にt3〜t4間の圧力が高くなる。このため、減速時にIVCを一定のまま保持する場合には、再加速開始のタイミングの違いによって吸気管圧Pinの変化量の差が大きくなり、結果として再加速時のトルクのバラツキが大きくなってしまう。すなわち、再加速時のトルクのバラツキを低減するために、リサーキュレーションバルブ開弁圧は制限されていた。
このように、リサーキュレーションバルブ開弁圧が制限されていると、例えばアクセルペダル開度変化量が小さい減速でもリサーキュレーションバルブ9が開弁してしまい、再加速性が低下してしまうという問題がある。また、アクセル開度APOが中間開度での走行中には、減速ではないにもかかわらずリサーキュレーションバルブ9が開弁してしまことで、トルク制御の精度が低下してしまうという問題がある。
しかしながら、本実施形態によれば、再加速開始タイミングの違いによる吸気管圧Pinの変化量のバラツキを低減できるので、リサーキュレーションバルブ開弁圧を高めることができ、これにより上述した再加速性やトルク制御精度を高めることができる。
なお、図3においては、アクセル開度APOをゼロにしての減速状態について説明したが、これに限られるものではなく、例えば全開状態から極小開度までアクセル開度APOを変化させた場合についても同様に適用することができる。
以上のように本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
(1)内燃機関1の排気エネルギにより駆動する過給機5と、吸気バルブの開閉時期を変更し得る可変動弁機構14と、可変動弁機構14の動作を制御するコントロールユニット12と、コンプレッサ5aより下流の吸気通路6aに設けたスロットルチャンバ4と、コンプレッサ5aより下流かつスロットルチャンバ4より上流の吸気通路6a内の圧力である過給圧を検出する過給圧センサ11と、吸気通路6aとコンプレッサ5aより上流の吸気通路6bとを連通するリサーキュレーション通路10と、リサーキュレーション通路10に介装され、過給圧Pbと吸気マニホールド2内の圧力である吸気管圧Pinとの差圧が所定値を超えた場合に開弁するリサーキュレーションバルブ9と、アクセル開度センサ13と、を備え、コントロールユニット12は、リサーキュレーションバルブ9が開弁した状態での減速中に、過給圧Pbと吸気管圧Pinとの差圧が一定となるように過給圧Pbに応じて吸気バルブの開閉時期を変更する減速制御を実行するので、減速状態から再加速する際のトルクのバラツキを低減することができる。
また、このトルクのバラツキを低減することができるので、リサーキュレーションバルブ9の開弁圧を高めることができ、これによりアクセルの戻し量が少ない場合の再加速性を向上させることができる。さらに、アクセル開度がパーシャルの運転領域において、リサーキュレーションバルブ9が開弁する領域を縮小することができ、トルク制御の精度を向上させることができる。
(2)減速制御実行時には、吸入空気量が定常運転時かつ過給圧Pbがゼロの場合の吸入空気量と等価になるように吸気バルブ閉時期を設定するので、再加速時の吸入空気量のバラツキを抑制することができ、これによりトルクのバラツキを低減することができる。
(3)減速制御は、アクセル開度変化量ΔAPOが所定の閾値ΔAPO1より小さく、かつ過給圧変化量ΔPbが所定の閾値ΔPb1より小さく、かつ過給圧Pbが所定の閾値Pb1より低くなったときに開始するので、減速に伴うリサーキュレーション期間を正確に検知することができる。
(4)減速制御は、過給圧Pbが大気圧より低くなったとき、または過給圧Pbと吸気管圧Pinとの差圧が所定の閾値Pb2より小さくなったときに終了するので、大気圧が変化した場合でも、正確に終了時期を判定することができる。
(5)減速制御中は、バルブタイミング変更に伴うポンプロスの変化を相殺するように、スロットルチャンバ4の開度を設定するので、減速Gを一定に保つことができる。
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
本実施形態を適用するシステムの構成図である。 減速制御のフローチャートである。 減速制御を実行した場合のタイムチャートである。
符号の説明
1 内燃機関
2 吸気マニホールド
3 排気マニホールド
4 スロットルチャンバ
5 過給機
6 吸気通路
7 排気通路
8 エアフローメータ
9 リサーキュレーションバルブ
10 リサーキュレーション通路
11 過給圧センサ
12 コントロールユニット
13 アクセル開度センサ
14 可変動弁機構

Claims (5)

  1. 内燃機関の排気エネルギにより駆動され、吸気通路中に設けたコンプレッサにより過給を行う過給機と、
    吸気バルブの開閉時期を変更し得る可変動弁機構と、
    前記可変動弁機構の動作を制御する可変動弁機構制御手段と、
    前記内燃機関の吸気通路の前記コンプレッサより下流に設けた吸入空気量調節手段と、
    前記コンプレッサより下流かつ前記吸入空気量調節手段より上流の吸気通路内の圧力である過給圧を検出する圧力検出手段と、
    前記コンプレッサより下流かつ前記吸入空気量調節手段より上流の吸気通路と前記コンプレッサより上流の吸気通路とを連通する還流通路と、
    前記還流通路に介装され、前記過給圧と前記吸入空気量調節手段より下流の吸気通路内の圧力である吸気管圧との差圧が所定値を超えた場合に開弁する開閉弁と、
    アクセルペダル操作量に基づいて減速状態を検知する減速状態検知手段と、
    を備え、
    前記可変動弁機構制御手段は、前記還流弁が開弁した状態での減速中に、過給圧と吸気管圧との差圧が一定となるように過給圧に応じて前記吸気バルブの開閉時期を変更する減速制御を実行することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記可変動弁機構制御手段は、前記減速制御実行時には吸入空気量が定常運転時かつ過給圧がゼロの場合の吸入空気量と等価になるように前記吸気バルブの開閉時期を設定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. 前記減速制御は、アクセル開度変化量が所定の閾値より小さく、かつ過給圧変化量が所定の閾値より小さく、かつ過給圧が所定の閾値より低くなったときに開始することを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記減速制御は、過給圧が大気圧より低くなったとき、または過給圧と吸気管圧との差圧が所定の閾値より小さくなったときに終了することを特徴とする請求項1から3のいずれか一つに記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記減速制御中は、吸気弁開閉時期の変更に伴うポンプロスの変化を相殺するように、前記吸入空気量調節手段の開度を設定することを特徴とする請求項1から4のいずれか一つに記載の内燃機関の制御装置。
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