JP2010014050A - 内燃機関の過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャーへの過大な負担を回避することによりターボチャージャーを保護できる内燃機関の過給システムを提供する。
【解決手段】内燃機関１の排気エネルギーを利用して過給するターボチャージャー１３と、吸気通路５に設けられたスロットル弁１２と気筒２を開閉する吸気弁７との間に配置されて吸気通路５を開閉できる吸気制御弁２０と、を備え、ターボチャージャー１３の負担の限界に対応した内燃機関１の出力トルクの上限値を超えることを予測し、内燃機関１の出力トルクがその上限値を超えないように吸気制御弁２０を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気エネルギーを利用して過給するターボチャージャーと、スロットル弁と吸気弁との間に配置されて吸気通路を開閉する吸気制御弁とを備えた内燃機関の過給システムに関する。

内燃機関の過給システムとして、ターボチャージャーを利用した過給と吸気制御弁を利用したいわゆるインパルス過給とを併用したものが知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜４が存在する。

特開２００６−２８３６５４号公報 特開２００６−１６１５６４号公報 特開平４−１８７８２３号公報 特開２００７−１７７６４０号公報

特許文献１のシステムは、ターボチャージャーによる過給とインパルス過給とを合わせて実行することにより、それぞれの欠点を補いながら広い運転領域で内燃機関の出力トルクを向上することができる。しかしながら、これらの過給が同時に行われることにより出力トルクが過剰になることが考えられるが、引用文献１にはその対策について言及されていない。そのため、内燃機関の出力トルクの増加に伴ってターボチャージャーの負担が過大になるおそれがある。

そこで、本発明は、ターボチャージャーへの過大な負担を回避することによりターボチャージャーを保護できる内燃機関の過給システムを提供することを目的とする。

本発明の過給システムは、内燃機関の排気エネルギーを利用して前記内燃機関に対して過給するターボチャージャーと、前記内燃機関の吸気通路に設けられたスロットル弁と気筒を開閉する吸気弁との間に配置されて前記吸気通路を開閉できる吸気制御弁と、前記ターボチャージャー及び前記吸気制御弁による前記内燃機関に対する過給効果を制御する過給制御手段と、前記ターボチャージャーの負担の限界に対応した前記内燃機関の出力トルクの上限値を超えることを予測する上限予測手段と、前記内燃機関の出力トルクが前記上限値を超えないように前記上限予測手段の予測結果に基づいて前記吸気制御弁を制御する保護制御手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この過給システムによれば、ターボチャージャーの負担の限界に対応した上限値を超えないように吸気制御弁が制御されるので、ターボチャージャーへの過大な負担を回避することができる。これにより、ターボチャージャーを保護することができる。吸気制御弁はスロットル弁と吸気弁との間に設けられているため、他の制御対象を操作して内燃機関の出力トルクを制御するよりも応答性が高い。従って、ターボチャージャーへの過大な負担を速やかに回避することができる。

本発明の過給システムの一態様において、前記上限予測手段は、前記内燃機関の出力トルクが前記上限値よりも低トルク側に設定された閾値を超えることを条件として前記上限値を超えることを予測し、前記保護制御手段は、前記上限予測手段にて前記上限値を超えることが予測された場合に前記内燃機関の出力トルクが低下するように前記吸気制御弁を制御してもよい（請求項２）。応答性が高い吸気制御弁を用いて内燃機関の出力トルクを低下させているため、他の制御対象を操作する場合に比べて出力トルクの上限値から閾値までの幅を小さくしても安全性を確保できる。そのため、ターボチャージャーを安全に用いることができる使用範囲を拡大できる。

この態様において、出力トルクを低下させるための吸気制御弁の制御はどのようなものであってもよいが、例えば、前記保護制御手段は、前記上限予測手段にて前記上限値を超えることが予測された場合にその予測前よりも前記吸気制御弁の開弁期間が長くなるように前記吸気制御弁を制御してもよい（請求項３）。この場合には、開弁期間が長くなることにより、いわゆるインパルス過給の効果が弱められるため、内燃機関の出力トルクを低下させることができる。吸気制御弁の開弁期間を長くするためには、吸気制御弁の開弁時期及び閉弁時期の両者を変更してもよいし、吸気制御弁の閉弁時期を変更せずに開弁時期を早めることによって開弁期間を長くしてもよい。吸気制御弁の開弁時期を早める場合には、結果として閉弁期間を短くすることになるので、閉弁期間中における吸気制御弁の負担を低減できる。

本発明の過給システムの一態様において、前記ターボチャージャーには、前記内燃機関に対する過給効果を変化させることができる調整手段が設けられており、前記過給制御手段は、前記保護制御手段にて前記吸気制御弁に対する制御が開始される前に、前記内燃機関の出力トルクが低下する方向に前記調整手段を制御してもよい（請求項４）。この態様によれば、ターボチャージャーへの過大な負担を回避するための吸気制御弁の制御に先立って、ターボチャージャー側の調整手段の制御により内燃機関の出力トルクを低下させることができる。このため、吸気制御弁の制御に伴うターボチャージャーのサージングの発生を抑制することができる。

ターボチャージャーに設けられた調整手段としては、前記内燃機関の排気通路に設けられたタービンを迂回するバイパス通路を開閉できるウエストゲート弁が設けられていてもよいし（請求項５）、また、前記タービンに導かれる排気の流量を調整可能な可変ノズルが設けられていてもよい（請求項６）。これらの態様によれば、ウエストゲート弁及び可変ノズルの少なくとも一方を制御することにより、内燃機関の出力トルクを低下させることができる。

本発明の過給システムの一態様において、前記ターボチャージャーには、前記内燃機関に対する過給効果を変化させることができる調整手段が設けられており、前記過給制御手段は、前記吸気制御弁を所定タイミングで開閉制御する通常モードと、前記吸気制御弁を開状態に維持する単独モードとを実行でき、前記保護制御手段は、前記単独モードの実行中に前記上限予測手段にて前記上限値を超えることが予測された場合に前記吸気制御弁を開状態から閉状態へ制御してもよい（請求項７）。この態様によれば、ターボチャージャーが単独で使用される単独モードにおいて、応答性の高い吸気制御弁によって迅速かつ確実に出力トルクを低下できる。そのため、ターボチャージャー側に設けられた調整手段によって出力トルクを低下させる必要がないので、単独モードにおいてターボチャージャーの能力を限界まで引き出すことができる。

本発明の過給システムの一態様において、前記吸気制御弁の動作不良を予測する異常予測手段を更に備え、前記ターボチャージャーには、前記内燃機関に対する過給効果を変化させることができる調整手段が設けられており、前記上限予測手段は、前記内燃機関の出力トルクが前記上限値よりも低トルク側に設定された閾値を超えることを条件として前記上限値を超えることを予測し、前記過給制御手段は、前記上限予測手段にて前記上限値を超えることが予測された場合に前記内燃機関の出力トルクが低下する方向に前記調整手段を制御し、前記閾値は、前記異常予測手段が前記吸気制御弁の動作不良を予測した場合は予測しない場合に比べて低トルク側に設定されていてもよい（請求項８）。この態様によれば、吸気制御弁の動作不良が予測された場合には、動作不良が予測されていない通常時に比べて閾値が低トルク側に設定されているので、ターボチャージャーに設けられた調整手段を内燃機関の出力トルクが低下する方向に通常時よりも早めに制御することができる。逆に言えば、吸気制御弁が正常であるときには吸気制御弁の制御によって内燃機関の出力トルクを低下できるため、閾値を高トルク側に設定することにより上限値までの余裕を少なくすることができる。これにより、通常時においてターボーチャージャーを安全に使用可能な使用範囲を拡大できるので、ターボチャージャーの能力を十分に発揮させることができる。

上述した閾値は上限値に対して一定の幅を確保するように、つまり上限値と閾値との差分が一定となるように設定されてもよいが、内燃機関の運転状態に応じてその差分を変化させてもよい。例えば、前記閾値は、前記内燃機関の回転速度が高い場合は低い場合に比べて前記上限値に対する差分が大きくなるように設定されてもよい（請求項９）。回転速度が高い領域では、ターボチャージャーのオーバーシュートが発生し易く、また吸気制御弁の応答速度に対する要求が厳しくなるためである。また、前記閾値は、前記内燃機関の吸気温度が高い場合は低い場合に比べて前記上限値に対する差分が大きくなるように設定されてもよい（請求項１０）。内燃機関の吸気温度が高い場合はノッキングが懸念されるためである。

以上説明したように、本発明によれば、ターボチャージャーの負担の限界に対応した上限値を超えないように吸気制御弁が制御されるので、ターボチャージャーへの過大な負担を回避することができる。これにより、ターボチャージャーを保護することができる。

（第１の形態）
図１は本発明の一形態に係る過給システムが適用された内燃機関の要部を模式的に示している。内燃機関１は一方向に並ぶ４つの気筒２を有した直列４気筒型の多気筒内燃機関として構成されている。なお、以下の説明で各気筒２を互いに区別する必要があるときには気筒２の並び方向に対応する気筒番号♯１〜＃４を付与して説明する場合がある。

各気筒２には吸気通路５と排気通路６とがそれぞれ接続されている。吸気通路５には気筒２毎に２本ずつ吸気弁７が設けられていて各気筒２は吸気弁７によって開閉される。排気通路６には気筒２毎に２本ずつ排気弁（不図示）が設けられている。これらの弁は不図示の動弁機構にて所定のタイミングで開閉駆動される。各気筒２に対する燃焼順序は＃１、＃３、＃４、＃２の順番に設定されている。吸気通路５は、気筒２毎に設けられて吸気弁７にて開閉される独立通路１０と、各独立通路１０が接続されたサージタンク１１とを有している。サージタンク１１は気筒２毎の吸気干渉を緩和し得る所定容積を持っている。サージタンク１１の上流側にはスロットル弁１２が設けられている。

内燃機関１には、排気エネルギーを利用して過給を行うターボチャージャー１３が設けられている。ターボチャージャー１３はいわゆる可変容量型のターボチャージャーとして構成されており、吸気通路５に設けられたコンプレッサ１３ａと、排気通路６に設けられてコンプレッサ１３ａを駆動するタービン１３ｂと、タービン１３ｂに流入する排気の流量を調整できる可変ノズル１３ｃとを備えている。コンプレッサ１３ａの上流にはエアクリーナ１４が設けられていて、そのエアクリーナ１４にて濾過された空気はコンプレッサ１３ａで加圧される。コンプレッサ１３ａの下流には、加圧された空気を冷却するためのインタークーラ１５が設けられている。また、排気通路６にはタービン１３ｂを迂回するバイパス通路１６が設けられており、そのバイパス通路１６にはこれを開閉できるウエストゲート弁１７が設けられている。タービン１３ｂの下流には排気浄化装置１８が設けられており、各気筒２からの排気は排気浄化装置１８によって有害物質が浄化されてから大気に放出される。

周知のように、ターボチャージャー１３による過給効果は、可変ノズル１３ｃの開度を変化させることにより、又はバイパス通路１６に設けられたウエストゲート弁１７の開度を変化させることにより、変化させることができる。従って、可変ノズル１３ｃ及びウエストゲート弁１７の少なくともいずれか一方を操作することにより、これらを本発明に係る調整手段として機能させることができる。なお、バイパス通路１６をタービン１３ｂのハウジング内に設け、ハウジング内に設けたバイパス通路１６にウエストゲート弁１７を設けることも可能である。

また、内燃機関１に対していわゆるインパルス過給を行うため、各独立通路１０には吸気制御弁２０が一つずつ設けられている。周知のように、インパルス過給は、吸気弁７の開弁前及び開弁してから吸気行程の途中まで吸気制御弁２０を全閉状態に保持し、その後吸気制御弁２０を開弁することにより、気筒２内に勢いよく吸入空気を充填させる過給方法である。各吸気制御弁２０には電動式の駆動装置２１が一つずつ設けられている。駆動装置２１に対して所定のタイミングで制御信号を送ることにより、各吸気制御弁２０は独立通路１０を全閉する全閉状態から全開状態までの間で駆動される。

ターボチャージャー１３によるターボ過給と、吸気制御弁２０を利用したインパルス過給とは内燃機関１の運転状態に応じて使い分けられている。一例として、内燃機関１の回転速度が低い側ではターボ過給とインパルス過給とを併用する通常モードが実行され、回転速度が高い側では吸気制御弁１３を全開状態に維持してターボ過給のみを利用する単独モードが実行される。また、同一回転速度であっても出力トルクの大きさによって通常モードと単独モードとは適宜切り替えられるようになっている。

ターボチャージャー１３の可変ノズル１３ｃ及びウエストゲート弁１７並びに各吸気制御弁２０の制御は、内燃機関１の運転状態を制御するコンピュータとして構成されたエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０にて行われている。ＥＣＵ３０はマイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェース等の周辺装置を含んでおり、ＲＯＭに保持された各種制御プログラムを適宜実行し、各種のセンサからの入力情報に基づいて内燃機関１の各部を制御する。各種のセンサとしては、本発明の要旨に関連するものとして、内燃機関１のクランク角に応じた信号を出力するクランク角センサ３１、不図示のアクセルペダルの踏み込み量に応じた信号を出力するアクセル開度センサ３２などがある。その他ＥＣＵ３０には多数のセンサが接続されているが図示を省略する。

インパルス過給のためにＥＣＵ３０が吸気制御弁２０に対して行う基本的制御は周知技術と同様であるので詳細な説明は省略するが、ＥＣＵ３０は内燃機関１の回転速度に応じた吸気制御弁２０の開弁時期及び閉弁時期をそれぞれ演算し、その演算結果に従って吸気制御弁２０が開閉駆動されるように駆動装置２１を操作する。また、ターボ過給のために可変ノズル１３ｃに対して行う基本的な制御に関しても周知技術と同様であり、内燃機関１の運転状態に応じて最適な過給効果が得られるように可変ノズル１３ｃの開度がＥＣＵ３０にて制御される。ウエストゲート弁１７に対する基本的制御についても同様である。本形態は、通常モードにおいてターボチャージャー１３を保護するために吸気制御弁２０を制御する点に特徴がある。以下この特徴点を中心に説明する。

図２は、ＥＣＵ３０が実行する制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。このルーチンのプログラムはＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶されており、適時に読み出されて所定間隔で繰り返し実行される。

まず、ＥＣＵ３０はステップＳ１において、クランク角センサ３１及びアクセル開度センサ３２のそれぞれからの信号を読み込む。次に、ステップＳ２において、クランク角センサ３１からの信号に基づいて内燃機関１の回転速度を算出するとともに、アクセル開度センサ３２からの信号に基づいて内燃機関１の出力トルク（要求トルク）を算出する。

ステップＳ３では、回転速度及び出力トルクにて定義されたトルク制限域に進入しているか否かを判定する。図３はトルク制限域を説明する概念図である。図示するように内燃機関１の運転領域はトルクの大きさに応じて３つの領域に区分されている。トルク制限域は、ターボチャージャー１３の負担が限界を超えるトルク危険域と、ターボチャージャー１３の安全を確保できるトルク常用域との間に挟まれている。トルク危険域の下限は、ターボチャージャー１３の負担の限界に対応する内燃機関１の出力トルクの上限値Ｔｍａｘに相当する。トルク常用域とトルク制限域との境界は、上限値Ｔｍａｘよりも低トルク側に設定された閾値Ｔｔｈに相当する。例えば、図の矢印Ｆ１のように閾値Ｔｔｈを超えて回転速度と出力トルクとが増加した場合、これらがこのまま増加を続けた場合は破線Ｌ１で示すように出力トルクの上限値Ｔｍａｘを超えることが予測される。言い換えれば、内燃機関１の運転状態がトルク常用域からトルク制限域に変化した場合はトルク危険域に至ることが予測される。

そこで、図２のステップＳ３では、トルク制限域に進入しているか否か、つまり出力トルクが閾値Ｔｔｈを超えているか否かを判定し、これにより内燃機関１の出力トルクが上限値Ｔｍａｘを超えることを予測している。即ち、出力トルクが閾値Ｔｔｈを超えることを条件として上限値Ｔｍａｘを超えることを予測する。なお、図２では、便宜上、トルク制限域の幅、即ち上限値Ｔｍａｘと閾値Ｔｔｈとの差分Δが一定であるかのように図示されているが、実際の差分Δは全ての回転速度に関して必ずしも一定ではない。

ステップＳ３において、トルク制限域に進入している場合はステップＳ４に進み、そうでない場合は出力トルクが上限値Ｔｍａｘを超えるおそれがないので、今回のルーチンを終了する。

ステップＳ４では、ターボチャージャー１３の可変ノズル１３ｃの開度を取得する。この開度は、例えば図２のルーチンと並行して実施されている可変ノズル１３ｃに対する不図示の制御ルーチンの制御結果を検索することにより取得することができる。

ステップＳ５では、内燃機関１の出力トルクが低下する方向に可変ノズル１３ｃ及びウエストゲート弁１７を制御する。なお、可変ノズル１３ｃの開度は内燃機関１の運転状態によって操作方法が異なる。つまり、内燃機関１の運転状態によっては、現在の開度よりも閉じ側に操作することで内燃機関１の出力トルクが低下する場合もあるし、逆に開き側に操作することで内燃機関１の出力トルクが低下する場合もある。従って、ステップＳ５では内燃機関１の運転状態に応じて閉じ側又は開き側の操作が行われる。ウエストゲート弁１７に対してはバイパス通路１６に排気が流れ込む方向、つまり開き側の操作を行うことにより内燃機関１の出力トルクを低下させることができる。なお、可変ノズル１３ｃ及びウエストゲート弁１７に対する制御のうち、状況に応じて少なくともいずれか一方の制御が行われればよい。

ステップＳ６では、吸気制御弁２０の開弁時期及び閉弁時期のそれぞれを取得する。これらの時期は、例えば図２のルーチンと並行して実施されている吸気制御弁２０に対する不図示の制御ルーチンの制御結果を検索することにより取得することができる。

ステップＳ７では、内燃機関１の出力トルクが低下する方向に吸気制御弁２０を制御する。ここで、図４を参照しながら出力トルクを低下させる具体的な操作について説明する。図４は吸気弁７の開度と吸気制御弁２０の開度とをクランク角に関して示した説明図である。この図の破線で示すように、本形態では内燃機関１の出力トルクを低下させるため、吸気制御弁２０の閉弁時期を維持した状態でその開弁時期を現在よりも早めて、吸気制御弁２０の開弁期間を長くしている。即ち、ｔｆ＞ｔｂとなるように吸気制御弁２０の開弁期間を変更している。これにより、インパルス過給の効果が弱められるため内燃機関１の出力トルクを低下させることができる。図示のように、吸気制御弁２０の開弁時期のみを変更する場合には、駆動装置２１への負荷を低減できるメリットがある。なお、吸気制御弁２０の開弁期間を長くする操作として、吸気制御弁２０の開弁時期を早め、かつ閉弁時期を遅くする操作を行ってもよい。また、図４に二点鎖線で示すように、出力トルクを低下させる操作として、吸気制御弁２０の開弁期間を一定に維持しつつ、開弁時期及び閉弁時期のそれぞれを早める操作を行うこともできる。

ステップＳ７の処理が終了した場合には、ステップＳ３に戻って処理を続行する。これにより、図３の破線の矢印Ｆ２で示すように、内燃機関１の運転状態がトルク制限域にある間はステップＳ４〜Ｓ７の処理が行われるため、ターボチャージャー１３の負担が限界を超えることを回避しつつトルク常用域まで出力トルクを低下させることができる。換言すれば、出力トルクの上限値Ｔｍａｘを超えないようにすることができる。なお、ステップＳ４〜Ｓ７の処理過程における急激な出力トルクの低下を防止するため、ステップＳ７では吸気制御弁２０の開弁時期を処理回数に応じて（時間経過に応じて）徐々に早めるようにしてもよい。こうすることにより、トルクショックの発生が抑制された円滑な制御を実現できる。

ＥＣＵ３０は、図２のステップＳ３を実行することにより、本発明に係る上限予測手段として、ステップＳ５を実行することにより、本発明に係る過給制御手段として、ステップＳ７を実行することにより、本発明に係る保護制御手段として、それぞれ機能する。

以上の形態によれば、ターボチャージャー１３の負担の限界に対応した上限値Ｔｍａｘを超えないように吸気制御弁２０が制御されるので、ターボチャージャー１３への過大な負担を回避することができる。これにより、ターボチャージャー１３を保護することができる。吸気制御弁２０はスロットル弁１２と吸気弁７との間に設けられているため、他の制御対象、例えばウエストゲート弁１７を操作して内燃機関の出力トルクを制御するよりも応答性が高い。従って、ターボチャージャー１３への過大な負担を速やかに回避することができる。また、ターボチャージャー１３への過大な負担を回避するために、このように応答性の高い吸気制御弁２０を用いて内燃機関１の出力トルクを低下させている。従って、他の制御対象だけを操作する場合に比べて、上限値Ｔｍａｘから閾値Ｔｔｈまでの幅である差分Δを小さくしても安全性を確保できる（図３参照）。そのため、ターボチャージャー１３を安全に用いることができる使用範囲（トルク常用域）を拡大できる。また、吸気制御弁２０に対する制御に先立って、ターボチャージャー１３側の可変ノズル１３ｃ及びウエストゲート弁１７の操作が行われるため、ターボチャージャー１３のサージングの発生を抑制することができる。

（第２の形態）
次に、図５を参照しながら本発明の第２の形態を説明する。本形態に係る内燃機関等の物理的構成は第１の形態と同一であるので、これらの構成に関しては図１が適宜参照される。本形態はターボ過給のみを行う単独モードにおける吸気制御弁の制御に特徴がある。通常モードにおける制御は第１の形態と同様でよい。図５は、第２の形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。図５において、第１の形態に係る図２の制御と同一処理については同一の符号を付して説明を省略する。図５のルーチンのプログラムはＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶されており、適時に読み出されて所定の間隔で繰り返し実行される。図示するように、本形態の制御ルーチンは図２のステップＳ３とステップＳ４との間にステップＳ８とステップＳ９とを追加したものである。

ステップＳ３で内燃機関１の運転状態がトルク制限域に進入している場合は、ステップＳ８において、現在の制御モードが吸気制御弁２０を全開状態に維持する単独モードであるか否かを判定する。単独モードでない場合は上述した通常モードであるので第１の形態と同様の処理が行われる。

単独モードの場合は、ステップＳ９に進んで吸気制御弁２０を全開状態から閉じ側に制御する。これにより、吸気通路５が絞られてコンプレッサ１３ａで圧縮された空気が気筒２内に押し込まれることを制限することができるため、内燃機関１の出力トルクを低下させることができる。この場合、吸気制御弁２０をエンジンブレーキの制動力を高める手段として機能させることができる。上述したように、吸気制御弁２０は可変ノズル１３ｃやウエストゲート弁１７よりも応答性が高いため、より応答性の高いブレーキング効果を得ることができる。これにより、迅速かつ確実に出力トルクを低下できる。従って、ターボチャージャー１３側の可変ノズル１３ｃやウエストゲート弁１７を操作して出力トルクを低下させる必要がないので、単独モードにおいてターボチャージャー１３の能力を限界まで引き出すことができる。ＥＣＵ３０は図５のステップＳ３を実行することにより、本発明に係る上限予測手段として、ステップＳ５を実行することにより、本発明に係る過給制御手段として、ステップＳ７及びステップＳ９を実行することにより、本発明に係る保護制御手段として、それぞれ機能する。

（第３の形態）
次に、図６を参照しながら本発明の第３の形態を説明する。本形態に係る内燃機関等の物理的構成は第１の形態と同一であるので、これらの構成に関しては図１が適宜参照される。本形態は、吸気制御弁の動作不良時の制御に特徴を有しており、本形態の制御は上述した第１又は第２の形態に係る制御と組み合わせて実施することができる。

図６は第３の形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。このルーチンのプログラムはＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶されており、適時に読み出されて所定間隔で繰り返し実行される。

ステップＳ１１では、クランク角センサ３１及びアクセル開度センサ３２のそれぞれからの信号を読み込む。次に、ステップＳ１２において、クランク角センサ３１からの信号に基づいて内燃機関１の回転速度を算出するとともに、アクセル開度センサ３２からの信号に基づいて内燃機関１の出力トルク（要求トルク）を算出する。

ステップＳ１３では、吸気制御弁２０の動作不良を予測する。この予測は吸気制御弁２０に開度センサ等の動作を確認できる検出手段（不図示）を利用して動作不良を直接的に予測してもよい。また、出力トルクや過給圧（吸気圧）等の吸気制御弁２０の動作不良を反映して変化する物理量を取得し、その物理量を正常時のものと比較することにより吸気制御弁２０の動作不良を間接的に予測することも可能である。その結果、動作不良が予測された場合はステップＳ１５に進み、そうでない場合は以後の処理をスキップして今回のルーチンを終了する。

ステップＳ１５では、トルク制限域の幅を規定する閾値Ｔｔｈ（図３参照）を異常時の場合のものに変更する。この閾値Ｔｔｈは吸気制御弁２０が正常に動作している正常時の場合よりも低トルク側に設定される。つまり、異常時の差分Δは正常時の場合と比べて大きく設定されている。

ステップＳ１６では、現在の運転状態がトルク制限域に進入しているか否かを判定する。トルク制限域に進入している場合は、ステップＳ１７に進み、そうでない場合は以後の処理をスキップして今回のルーチンを終了する。この判定で用いる閾値はステップＳ１５によって異常時のものに変更されている。このため、運転状態が正常時の場合より低トルク側であっても出力トルクが上限値Ｔｍａｘを超えるものと予測される。吸気制御弁２０の動作不良が生じている場合には、第１又は第２の形態のように応答性よく出力トルクを低下させることが困難だからである。

ステップＳ１７では、第１又は第２の形態と同様に可変ノズル１３ｃの開度を取得し、続くステップＳ１８では、内燃機関１の出力トルクが低下する方向に可変ノズル１３ｃ及びウエストゲート弁１７を制御する。これらの操作の詳細は上述した通りである。

本形態によれば、吸気制御弁２０の動作不良が予測されていない通常時に比べて閾値が低トルク側に設定されているので、可変ノズル１３ｃ及びウエストゲート弁１７を通常時よりも早めに制御できる。これにより、吸気制御弁２０に動作不良が生じた場合でも、ターボチャージャー１３を確実に保護することができる。ＥＣＵ３０は図６のステップＳ１３及びステップＳ１４を実行することにより、本発明に係る異常予測手段として、ステップＳ１８を実行することにより、本発明に係る過給制御手段として、それぞれ機能する。

本発明は以上の各形態に限定されず、種々の形態にて実施することができる。本発明を適用できる内燃機関の形式には特段の制限はない。従って、例えば、火花点火式の内燃機関はもとより、圧縮自着火式の内燃機関に対しても本発明を適用することができる。

上記各形態の制御において、出力トルクが上限値を超えるか否かの予測に用いた閾値は、図３に示したように上限値Ｔｍａｘに対して一定の幅を確保するように、つまり上限値Ｔｍａｘと閾値Ｔｔｈとの差分Δが一定となるように設定されてもよいが、内燃機関１の運転状態に応じてその差分Δを変化させてもよい。図７及び図８は運転状態に応じて差分を変化させた閾値の設定例を示している。

図７は閾値の第１の設定例に係る説明図である。第１の設定例では、閾値Ｔｔｈは内燃機関１の回転速度が高い場合は低い場合に比べて上限値Ｔｍａｘに対する差分Δが大きくなるように設定されている。換言すれば、回転速度が高い場合の差分Δの値Δ１は回転速度が低い場合の差分Δの値Δ２よりも大きくなるように閾値Ｔｔｈが設定されている。即ち、Δ１＞Δ２が成立している。図７の例では回転速度が高くなるに従って差分Δが徐々に大きくなっている。このように閾値Ｔｔｈを設定したのは、回転速度が高い領域ではターボチャージャー１３のオーバーシュートが発生し易く、また吸気制御弁２０の応答速度に対する要求が厳しくなるためである。このように閾値Ｔｔｈを設定することにより、ターボチャージャー１３に対する保護がより確実になる。図７の曲線Ｔは内燃機関１のトルクカーブの一例である。

図８は閾値の第２の設定例に係る説明図である。第２の設定例では、閾値Ｔｔｈは、内燃機関１の吸気温度が高い場合は低い場合に比べて上限値Ｔｍａｘに対する差分Δが大きくなるように設定されている。換言すれば、吸気温度が高い場合の差分Δの値Δ３は吸気温度が低い場合の差分Δの値Δ４よりも大きくなるように閾値Ｔｔｈが設定されている。即ち、Δ３＞Δ４が成立している。図８の例では吸気温度が高くなるに従って差分Δが徐々に大きくなっている。このように閾値Ｔｔｈを設定したのは、内燃機関１の吸気温度が高い場合はノッキングの発生が懸念されるためである。このように閾値Ｔｔｈを設定することにより、ターボチャージャー１３に対する保護と同時に内燃機関１を保護することができる。図８の曲線Ｔは内燃機関１のトルクカーブの一例である。

図１に示したターボチャージャー１３は一例である。本発明を適用するためには、過給効果を変化させることができる調整手段を備えたターボチャージャーであれば十分であり、可変ノズル１３ｃ及びウエストゲート弁１７の両方を備えることは必ずしも必要ない。従って、例えばこれらのいずれか一方を省略した形態で本発明を実施することも可能である。

第１の形態に係る過給システムが適用された内燃機関の要部を模式的に示した図。 第１の形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャート。 トルク制限域を説明する概念図。 吸気弁の開度と吸気制御弁の開度とをクランク角に関して示した説明図。 第２の形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャート。 第３の形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャート。 閾値の第１の設定例に係る説明図。 閾値の第２の設定例に係る説明図。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
５ 吸気通路
６ 排気通路
７ 吸気弁
１２ スロットル弁
１３ ターボチャージャー
１３ａ コンプレッサ
１３ｂ タービン
１３ｃ 可変ノズル（調整手段）
１６ バイパス通路
１７ ウエストゲート弁（調整手段）
２０ 吸気制御弁
３０ ＥＣＵ（過給制御手段、上限予測手段、保護制御手段、異常予測手段）

Claims (10)

1. 内燃機関の排気エネルギーを利用して前記内燃機関に対して過給するターボチャージャーと、前記内燃機関の吸気通路に設けられたスロットル弁と気筒を開閉する吸気弁との間に配置されて前記吸気通路を開閉できる吸気制御弁と、前記ターボチャージャー及び前記吸気制御弁による前記内燃機関に対する過給効果を制御する過給制御手段と、前記ターボチャージャーの負担の限界に対応した前記内燃機関の出力トルクの上限値を超えることを予測する上限予測手段と、前記内燃機関の出力トルクが前記上限値を超えないように前記上限予測手段の予測結果に基づいて前記吸気制御弁を制御する保護制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の過給システム。
2. 前記上限予測手段は、前記内燃機関の出力トルクが前記上限値よりも低トルク側に設定された閾値を超えることを条件として前記上限値を超えることを予測し、
   前記保護制御手段は、前記上限予測手段にて前記上限値を超えることが予測された場合に前記内燃機関の出力トルクが低下するように前記吸気制御弁を制御する請求項１に記載の過給システム。
3. 前記保護制御手段は、前記上限予測手段にて前記上限値を超えることが予測された場合にその予測前よりも前記吸気制御弁の開弁期間が長くなるように前記吸気制御弁を制御する請求項２に記載の過給システム。
4. 前記ターボチャージャーには、前記内燃機関に対する過給効果を変化させることができる調整手段が設けられており、
   前記過給制御手段は、前記保護制御手段にて前記吸気制御弁に対する制御が開始される前に、前記内燃機関の出力トルクが低下する方向に前記調整手段を制御する請求項１〜３のいずれか一項に記載の過給システム。
5. 前記調整手段として、前記内燃機関の排気通路に設けられたタービンを迂回するバイパス通路を開閉できるウエストゲート弁が設けられている請求項４に記載の過給システム。
6. 前記調整手段として、前記タービンに導かれる排気の流量を調整可能な可変ノズルが設けられている請求項４又は５に記載の過給システム。
7. 前記ターボチャージャーには、前記内燃機関に対する過給効果を変化させることができる調整手段が設けられており、
   前記過給制御手段は、前記吸気制御弁を所定タイミングで開閉制御する通常モードと、前記吸気制御弁を開状態に維持する単独モードとを実行でき、
   前記保護制御手段は、前記単独モードの実行中に前記上限予測手段にて前記上限値を超えることが予測された場合に前記吸気制御弁を開状態から閉状態へ制御する請求項１に記載の過給システム。
8. 前記吸気制御弁の動作不良を予測する異常予測手段を更に備え、
   前記ターボチャージャーには、前記内燃機関に対する過給効果を変化させることができる調整手段が設けられており、
   前記上限予測手段は、前記内燃機関の出力トルクが前記上限値よりも低トルク側に設定された閾値を超えることを条件として前記上限値を超えることを予測し、
   前記過給制御手段は、前記上限予測手段にて前記上限値を超えることが予測された場合に前記内燃機関の出力トルクが低下する方向に前記調整手段を制御し、
   前記閾値は、前記異常予測手段が前記吸気制御弁の動作不良を予測した場合は予測しない場合に比べて低トルク側に設定されている請求項１に記載の過給システム。
9. 前記閾値は、前記内燃機関の回転速度が高い場合は低い場合に比べて前記上限値に対する差分が大きくなるように設定されている請求項２、３又は８のいずれか一項に記載の過給システム。
10. 前記閾値は、前記内燃機関の吸気温度が高い場合は低い場合に比べて前記上限値に対する差分が大きくなるように設定されている請求項２、３又は８のいずれか一項に記載の過給システム。

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