JP2010156221A - 内燃機関の吸入空気量検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】二つの過給機の吸入空気量を単一の吸気量センサを利用して精度よく把握することが可能な内燃機関の吸入空気量検出装置を提供する。
【解決手段】吸気通路4の一部が第1通路7と第2通路8とに分岐され、第1通路7にプライマリターボチャージャ24が、第2通路8にセカンダリターボチャージャ25がそれぞれ設けられた内燃機関1に適用される吸入空気量検出装置において、プライマリターボチャージャ24に吸入される空気量をエアフロセンサ40で実測し、内燃機関1に吸入される全空気量を吸気圧センサ41が検出する吸気圧の実測値、及びクランク角センサ43を利用して検出する機関回転数の実測値とに基づいて演算し、エアフロメータ40の検出値と全空気量の演算値とに基づいて、セカンダリターボチャージャ25の吸入空気量を判別する。
【選択図】図1
【解決手段】吸気通路4の一部が第1通路7と第2通路8とに分岐され、第1通路7にプライマリターボチャージャ24が、第2通路8にセカンダリターボチャージャ25がそれぞれ設けられた内燃機関1に適用される吸入空気量検出装置において、プライマリターボチャージャ24に吸入される空気量をエアフロセンサ40で実測し、内燃機関1に吸入される全空気量を吸気圧センサ41が検出する吸気圧の実測値、及びクランク角センサ43を利用して検出する機関回転数の実測値とに基づいて演算し、エアフロメータ40の検出値と全空気量の演算値とに基づいて、セカンダリターボチャージャ25の吸入空気量を判別する。
【選択図】図1
Description
本発明は、2つの過給機が並列的に設けられた内燃機関の吸入空気量検出装置に関する。
吸気通路をその途中で分岐させてそれらの分岐通路に過給機としてのプライマリターボチャージャとセカンダリターボチャージャとをそれぞれ設置し、プライマリターボチャージャのみで吸気を過給する状態と、両ターボチャージャにて吸気を過給する状態との間で過給モードを切り替え可能とし、その切り替え時には、吸気通路の分岐位置よりも上流側に設置された吸気量センサが検出する吸入空気量の変化量を監視し、その変化量に応じてスロットル弁の開度を制御してモード切替前後の吸入空気量の変化を抑えるようにした内燃機関の吸気制御装置が知られている(例えば特許文献1参照)。分岐通路のそれぞれのターボチャージャの吸入空気量を各分岐通路に設置された吸気量センサにて実測する吸気装置も知られている(例えば特許文献2参照)。その他に、本願発明に関連する先行技術文献として特許文献3が存在する。
吸気通路の分岐位置よりも上流側に単一の吸気量センサを設置する場合には、内燃機関に吸入される全空気量しか検出することができない。過給機のサージ防止等を目的として各過給機の吸入空気量を把握するためには、各過給機への吸入空気量の分流比を予め適合試験で取得し、吸気量センサの検出値とその分流比とから各過給機の吸入空気量を推定する必要がある。しかし、分流比の適合値を利用する場合、適合値と実機との間のずれが影響して吸入空気量の推定精度が低下し、その結果、過給機の制御のばらつきが大きくなるといった不都合が生じるおそれがある。
そこで、本発明は並列的に設けられた二つの過給機のそれぞれの吸入空気量を単一の吸気量センサを利用して精度よく把握することが可能な内燃機関の吸入空気量検出装置を提供することを目的とする。
本発明は、吸気通路の一部が第1通路と第2通路とに分岐され、前記第1通路に第1過給機が、第2通路に第2過給機がそれぞれ設けられ、前記過給機の下流で前記第1通路及び前記第2通路が合流する内燃機関に適用される吸入空気量検出装置において、前記第1通路又は前記第2通路のいずれか一方の通路に設置され、該一方の通路の過給機に吸入される空気量を検出する吸気量センサと、前記内燃機関に吸入される全空気量に相関する物理量の実測値を利用して前記全吸入空気量を演算する全空気量演算手段と、前記吸気量センサの検出値と前記全吸入空気量演算手段の演算値とに基づいて、前記第1通路又は前記第2通路のいずれか他方の通路の過給機に吸入される空気量を判別する判別手段とを備えたものである(請求項1)。
本発明によれば、まず分岐された第1通路又は第2通路のいずれか一方の過給機の吸入空気量を吸気量センサによって高精度に検出することができる。また、全空気量演算手段では、その全空気量に相関する物理量の実測値を利用して全空気量を演算しているので、全空気量の演算精度も高めることができる。そして、全空気量と一方の通路の過給機の吸入空気量とを高精度に求めることができれば、それらの空気量から第1通路又は第2通路のいずれか他方の過給機の吸入空気量も高精度に求めることができる。内燃機関には、その運転制御のために、吸気量センサ以外にも、吸気圧センサ、クランク角センサといった全空気量に相関する物理量を実測する各種の物理センサが設けられていることが通例であるため、それらの物理センサに加えて一方の通路に吸気量センサを設けるだけで、2つの過給機のそれぞれの吸入空気量を精度よく把握することができる。
本発明の一形態において、前記第1過給機のみに吸気が導かれる第1の過給モードと、前記第1過給機及び前記第2過給機の両者に吸気が導かれる第2の過給モードとの間で過給状態を切り替える過給制御手段が前記内燃機関に組み合わされている場合、前記吸気量センサは前記第1通路に設置されてもよい(請求項1)。この形態によれば、過給状態が第1の過給モード又は第2の過給モードのいずれにあるかを問わず、第1過給機の吸入空気量が吸気量センサにて実測されるので、吸気量センサをより広い運転領域で利用して吸入空気量の検出精度を高めることができる。
さらに、第1通路に吸気量センサを設ける場合においては、前記第1の過給モードの選択中に前記吸気量センサが検出する空気量と前記全空気量演算手段が演算する全空気量とを比較し、その比較結果に基づいて、前記全空気量演算手段による前記全空気量の演算精度を高めるための補正情報を取得する補正情報取得手段をさらに備え、前記全空気量演算手段は前記補正情報を参照して前記全空気量を演算するものとしてもよい(請求項3)。第1の過給モードでは第2過給機に空気が導かれないため、吸気量センサが検出する吸入空気量が内燃機関に吸入される全空気量と一致する。従って、全空気量の演算値と吸気量センサが検出する吸入空気量の実測値とを比較すれば、全空気量の演算値の誤差を把握し、その誤差が解消するような補正情報を取得することができる。そして、その補正情報を利用して全空気量を演算すれば、第2の過給モードにおける全空気量の演算精度を高め、ひいては他方の通路の過給機に関する吸入空気量の演算精度をさらに高めることができる。
本発明の一形態において、前記全空気量演算手段は、前記全吸入空気量に相関する物理量の実測値として、前記第1通路及び前記第2通路の合流位置よりも下流域における吸気圧の実測値と前記内燃機関の機関回転数の実測値とを利用してもよい(請求項4)。吸気圧と機関回転数との実測値を利用すれば、全空気量を精度よく演算することができる。
本発明の一形態において、前記吸気量センサは、前記過給機よりも上流域に設置されてもよい(請求項5)。これによれば、一方の通路の過給機に吸入される空気量を吸気量センサにてさらに直接的に検出してその検出精度を高めることができる。
以上に説明したように、本発明によれば、分岐された第1通路又は第2通路のいずれか一方の過給機の吸入空気量を吸気量センサによって高精度に検出し、内燃機関に吸入される全空気量に相関する物理量の実測値を利用して全空気量を高精度に演算することができるので、それらの空気量から第1通路又は第2通路のいずれか他方の過給機の吸入空気量も高精度に求めることができる。従って、並列的に設けられた二つの過給機のそれぞれの吸入空気量を単一の吸気量センサを利用して精度よく把握することができる。
図1は本発明の一形態に係る吸入空気量検出装置が適用された内燃機関の一例を示している。内燃機関(以下、エンジンと呼ぶ。)1は一対のシリンダブロック2を有し、各ブロック2には複数(図示例では4つ)のシリンダ3が形成されている。シリンダ3への吸気通路4の上流域には第1共通路5が設けられ、その第1共通路5にはエアクリーナ6が設けられている。吸気通路4は第1共通路5の下流の分岐部4aにて第1通路7と第2通路8とに分岐されている。これらの通路7、8は合流部4bにて互いに合流し、その合流部4bの下流側には第2共通路9が設けられている。吸気通路4は、さらに第2共通路9の下流の分岐部4cにて第1分配路10及び第2分配路11に分岐されている。第1分配路10は一方のシリンダブロック2のインテークマニホールド12に、第2分配路9は他方のシリンダブロック2のインテークマニホールド13にそれぞれ通じている。
一方、排気通路15は、各シリンダブロック2のエキゾーストマニホールド16、17にそれぞれ接続される第1導入路18及び第2導入路19と、それらの導入路18、19と接続される第1共通路20と、第1共通路20から分岐された第1分配路21及び第2分配路22と、それらの分配路21、22と接続される第2共通路23とを有している。エンジン1には、吸気を過給するための第1過給機としてのプライマリターボチャージャ24と、第2過給機としてのセカンダリターボチャージャ25とが設けられている。プライマリターボチャージャ24のタービン部24aは排気通路15の第1分配路21に、そのコンプレッサ部24bは吸気通路4の第1通路7にそれぞれ接続されている。一方、セカンダリターボチャージャ25のタービン部25aは排気通路15の第2分配路22に、そのコンプレッサ部25bは吸気通路4の第2通路8にそれぞれ接続されている。なお、ターボチャージャ24、25は、可変ジオメトリ型でもよいし、固定ジオメトリ型でもよい。電動モータにより回転速度を制御可能なターボチャージャであってもよい。
吸気通路4の第1通路7のコンプレッサ部24bよりも上流域と、第2通路8のコンプレッサ部25bよりも下流域とは、吸気バイパス路26を介して接続されている。吸気バイパス路26と第2通路8との接続位置には吸気バイパス路26を開閉するための吸気バイパス弁27が設けられている。第2通路8のコンプレッサ部25bよりも下流域には、第2通路8を開閉するための吸気切替弁28が設けられている。第2通路8には、その吸気切替弁28を迂回するようにしてバイパス路29がさらに設けられ、そのバイパス路29にはリード弁30が設けられている。排気通路15の第2分配路22のタービン部25aよりも上流域には、その第2分配路22を開閉するための排気切替弁31が設けられている。さらに、排気通路15の第2導入路19と吸気通路4の第2共通路9との間にはEGR通路32が設けられている。EGR通路32にはEGRクーラ33と、EGR通路32を開閉するEGR弁34とが設けられている。さらに、EGR通路32には、EGRクーラ33を迂回するクーラバイパス路35と、そのクーラバイパス路35を開閉するバイパス弁36とが設けられている。
吸気通路4の第1通路7内で、かつコンプレッサ部24bよりも上流域には、吸気量センサとしてのエアフロメータ40が設けられている。エアフロメータ40は、第1通路7の吸入空気量、すなわちプライマリターボチャージャ24のコンプレッサ部24bに吸入される空気流量を検出し、その検出結果に対応した信号を出力する物理センサである。吸気通路4の第2分配路11には吸気圧センサ41が設けられている。吸気圧センサ41は、インテークマニホールド12、13に導かれる吸気圧を検出し、その検出結果に対応した信号を出力する物理センサである。なお、吸気圧センサ41が検出する吸気圧は、ターボチャージャ24、25で過給された吸気の圧力である。
エアフロメータ40及び吸気圧センサ41のそれぞれの出力信号はエンジンコントロールユニット(以下、ECUと呼ぶ。)42に入力される。ECU42は、マイクロプロセッサを備えたコンピュータユニットであり、所定のエンジン制御プログラムに従ってエンジン1の燃料噴射弁(不図示)等を操作することにより、エンジン1を目標とする運転状態に制御する。ECU42には、エンジン1の運転状態を判別するためのセンサとして、上述したエアフロメータ40及び吸気圧センサ41に加えて、エンジン1の回転速度に対応した信号を出力するクランク角センサ43等の各種の物理センサが接続される。
ECU42は、エンジン1の運転状態の制御の一つとして、エンジン1の運転領域に応じて吸気切替弁28及び排気切替弁31を切り替え操作することにより、吸気の過給状態を、シングルターボモードとツインターボモードとの間で切り替え制御する。その制御によりECU42は過給制御手段として機能する。シングルターボモードは、吸気切替弁28及び排気切替弁31を閉じてセカンダリターボチャージャ25の動作を停止させることにより、プライマリターボチャージャ24のみを利用して吸気を過給するモードである。一方、ツインターボモードは、吸気切替弁28及び排気切替弁31を開いてセカンダリターボチャージャ25を動作させることにより、プライマリターボチャージャ24及びセカンダリターボチャージャ25の両者を利用して吸気を過給するモードである。ECU42は、クランク角センサ43の出力信号を利用してエンジン1の1分間あたりの回転数(以下、機関回転数と呼ぶことがある。)を判別し、その機関回転数が所定の閾値以下の場合はシングルターボモードが、機関回転数が閾値を超えている場合はツインターボモードがそれぞれ選択されるように切替弁28、31を操作する。
さらに、ECU42は、エアフロメータ40等を利用して両ターボチャージャ24、25の吸入空気量を判別し、その判別結果に基づいて吸気バイパス弁27等を操作することにより、ターボサージの防止等を目的としてターボチャージャ24、25の動作を制御する。その動作制御は公知の手順で行えばよいが、本形態ではECU42が図2に示す吸入空気量判別ルーチンを所定の周期で繰り返し実行することにより、ターボチャージャ24、25のそれぞれの吸入空気量を判別する点に特徴を有している。
ECU42は、図2の吸入空気量判別ルーチンを開始すると、まずステップS1でエアフロメータ40の出力信号からプライマリターボチャージャの吸入空気量Ga1を取得する。続くステップS2で、ECU42は、エンジン1に吸入される全空気量を演算するために必要な物理量として、吸気圧センサ41の出力信号から吸気圧を、クランク角センサ43の出力信号から機関回転数をそれぞれ取得する。なお、ステップS2では、吸気圧及び機関回転数以外にも、エンジン1の冷却水温といった物理量がさらに取得されてもよい。
ステップS2で物理量を取得した後、ECU42はステップS3に進み、得られた吸気圧、機関回転数を利用してエンジン1の全空気量Ga0を演算する。全吸入空気量Ga0は、両シリンダブロック2のシリンダ3に一行程で吸入される空気量を合計した値である。全空気量Ga0は、一例として、吸気圧センサ41が検出する吸気圧を気体の運動方程式に当てはめてインテークマニホールド12、13に単位時間当たりに導かれる空気の体積を演算し、その体積と機関回転数とを利用して各シリンダ2に一行程で吸入される空気の体積を演算することにより求めることができる。
ステップS3で全空気量Ga0を演算した後、ECU42はステップS4に進み、機関回転数に基づいて過給状態がシングルターボモードか否かを判別する。シングルターボモードでない場合、ECU42はステップS5に進み、全吸入空気量Ga0からプライマリターボチャージャ24の吸入空気量Ga1を差し引くことにより、セカンダリターボチャージャ25の吸入空気量Ga2を演算する。つまり、Ga2=Ga0−Ga1として吸入空気量Ga2を演算する。
一方、ステップS4にてシングルターボモードであった場合、ECU42はステップS6に進み、全空気量Ga0の演算に使用するための補正係数を算出する。すなわち、シングルターボモードでは、第1通路7のみを空気が通過するため、エアフロメータ40を利用して特定される吸入空気量Ga1と、ステップS3で演算される全空気量Ga0とが一致しているはずであり、それらの空気量Ga0、Ga1とがずれていれば、空気量Ga0の演算結果に誤差があると推定される。そこで、ステップS6では、吸入空気量Ga0、Ga1を一致させるために必要な補正係数を演算する。演算された補正係数はECU42の内部メモリに保存され、次回のルーチン実行時のステップS3の演算で使用される。ステップS5又はS6の処理を終えると、ECU42は今回の吸入空気量判別ルーチンを終了する。
図3は、エンジン1に吸入される全空気量Ga0と、ターボチャージャ24、25のそれぞれの吸入空気量Ga1、Ga2の変化とを、機関回転数に対応付けて示した図であり、実線が吸入空気量Ga1の実測値、破線が全空気量Ga0の演算値、一点鎖線が吸入空気量Ga2の演算値である。機関回転数が所定の閾値NEth以下の領域ではシングルターボモード、NEthを超える領域ではツインターボモードである。図2の処理が適用された場合、シングルターボモード及びツインターボモードのいずれの場合でも、プライマリターボチャージャ24の吸入空気量Ga1がエアフロメータ40を利用して実測され、全空気量Ga0は吸気圧センサ41等の実測値を利用してECU42により演算される。シングルターボモードでは、プライマリターボチャージャ24の吸入空気量Ga1の実測値と、演算された全空気量Ga0とが一致し、ツインターボモードでは全空気量Ga0の演算値から吸入空気量Ga1の実測値を差し引くことにより、セカンダリターボチャージャ25の吸入空気量Ga2が求められる。
以上の処理によれば、プライマリターボチャージャ24の吸入空気量Ga1がエアフロメータ40によって実測される。また、全空気量Ga0は、吸気圧センサ41及びクランク角センサ43のそれぞれの実測値に基づいて高精度に演算することができる。従って、セカンダリターボチャージャ25の吸入空気量Ga2に関しても、高精度に演算することができる。そのため、単一のエアフロメータ40を利用して、2つのターボチャージャ24、25の吸入空気量Ga1、Ga2を高精度に把握することができる。そして、それらの吸入空気量Ga1、Ga2の値を利用して、ターボチャージャ24、25の制御精度を高めてエンジン1のエミッション、スモークの低減を図り、エンジン1の制御に対する信頼性を向上させることができる。ちなみに、エアフロメータ40を例えば吸気通路4の第1共通路5に設置して全空気量Ga0を実測した場合には、第1通路7及び第2通路8のそれぞれへの空気の分流比を予め適合試験で求め、全空気量Ga0の実測値と分流比とからプライマリターボチャージャ24及びセカンダリターボチャージャ25のそれぞれの吸入空気量Ga1、Ga2を演算する必要がある。この場合には、適合値と実機とのずれ等に影響されて吸入空気量Ga1、Ga2の推定精度が低下し、ターボチャージャ24、25の制御精度が損なわれるおそれがある。
図4は、ターボチャージャの特性を吸入空気量及び圧力比と対応付けて示した図である。図中の実線L1はターボチャージャのサージ限界、L2は回転限界をそれぞれ示している。分流比の適合値から推定した吸入空気量が図中のAで、空気量の推定値Aに対する実際の空気量のばらつきがΔAであった場合、推定値Aに対するサージ限界までの空気量の余裕が見かけ上はmだけ存在していても、現実の余裕はそれよりも小さいか又は大きくなる。例えば、実際の空気量がA′でサージ限界までの余裕がm′であれば、ターボチャージャがサージ限界を超えて動作するおそれがある。反対に、実際の余裕が見かけ上よりも大きければ、サージ限界付近までターボチャージャの能力を使い切れないおそれが生じる。これに対して、本形態によれば空気量を高精度に求められるので、例えば空気量A′を正確に把握し、サージ限界までの空気量の余裕m′に合わせてターボチャージャを適切に制御することができる。
以上の形態では、ECU42が図2のステップS3を実行することにより全吸入空気量演算手段として機能し、ステップS5を実行することにより判別手段として機能し、ステップS6を実行することにより補正情報取得手段として機能する。
本発明は上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。例えば、本形態では、ECU42が演算した全空気量Ga0から、エアフロメータ40が検出した吸入空気量Ga1の実測値を差し引くことにより、セカンダリターボチャージャ25の吸入空気量Ga2を求めたが、吸入空気量の分流比Ga2/Ga1、分配係数Ga1/Ga0、Ga2/Ga0といった値を求めるようにしてもよい。すなわち、本発明は、吸入空気量Ga1、Ga2を直接的に求める形態に限らず、それらの空気量Ga1、Ga2を比率、係数といった無次元量に置き換えて間接的に求める形態もその範囲に含むものである。
上記の形態では、第1過給機としてのプライマリターボチャージャ24の吸入空気量をエアフロメータ40にて実測したが、これに代えて、第2通路8にエアフロメータ40を設置することにより、第2過給機としてのセカンダリターボチャージャ25の吸入空気量を実測してもよい。この場合、シングルターボモードでは、ECU42による全空気量の演算値をプライマリターボチャージャ24の吸入空気量として用いればよい。但し、シングルターボモードとツインターボモードとを切り替え可能とした場合には、プライマリターボチャージャ24の吸入空気量をエアフロメータ40にて実測した方が、エンジン1のより広い運転領域でエアフロメータ40の実測値を利用することができて好ましい。エアフロメータ40は、第1通路7又は第2通路8の適宜の位置に設けてよいが、ターボチャージャの上流域に設置すれば、吸入空気量をより直接的に検出することができて好ましい。
図2のステップS6では補正情報として補正係数を求めたが、補正情報は係数に限らず、定数項等として求められてもよい。補正情報を利用して全空気量を演算しなくても実用上十分な演算精度が得られる場合には、ステップS4及びS6の処理を省略してもよい。
上記の形態では第1過給機及び第2過給機のいずれもがターボチャージャであるが、プライマリターボチャージャに代えて機械式過給機が第1過給機として用いられてもよい。本発明は、2つのシリンダブロックを有するエンジンに限らず、適宜の形態のエンジンに適用可能である。
1 内燃機関
3 シリンダ
4 吸気通路
7 第1通路
8 第2通路
12、13 インテークマニホールド
15 排気通路
16、17 エキゾーストマニホールド
24 プライマリターボチャージャ(第1過給機)
25 セカンダリターボチャージャ(第2過給機)
27 吸気バイパス弁
28 吸気切替弁
31 排気切替弁
40 エアフロメータ(吸気量センサ)
41 吸気圧センサ
42 エンジンコントロールユニット(全空気量演算手段、判別手段、過給制御手段、補正情報取得手段)
43 クランク角センサ
3 シリンダ
4 吸気通路
7 第1通路
8 第2通路
12、13 インテークマニホールド
15 排気通路
16、17 エキゾーストマニホールド
24 プライマリターボチャージャ(第1過給機)
25 セカンダリターボチャージャ(第2過給機)
27 吸気バイパス弁
28 吸気切替弁
31 排気切替弁
40 エアフロメータ(吸気量センサ)
41 吸気圧センサ
42 エンジンコントロールユニット(全空気量演算手段、判別手段、過給制御手段、補正情報取得手段)
43 クランク角センサ
Claims (5)
- 吸気通路の一部が第1通路と第2通路とに分岐され、前記第1通路に第1過給機が、第2通路に第2過給機がそれぞれ設けられ、前記過給機の下流で前記第1通路及び前記第2通路が合流する内燃機関に適用される吸入空気量検出装置において、
前記第1通路又は前記第2通路のいずれか一方の通路に設置され、該一方の通路の過給機に吸入される空気量を検出する吸気量センサと、
前記内燃機関に吸入される全空気量に相関する物理量の実測値を利用して前記全吸入空気量を演算する全空気量演算手段と、
前記吸気量センサの検出値と前記全吸入空気量演算手段の演算値とに基づいて、前記第1通路又は前記第2通路のいずれか他方の通路の過給機に吸入される空気量を判別する判別手段と、
を備えた内燃機関の吸入空気量検出装置。 - 前記内燃機関には、前記第1過給機のみに吸気が導かれる第1の過給モードと、前記第1過給機及び前記第2過給機の両者に吸気が導かれる第2の過給モードとの間で過給状態を切り替える過給制御手段が組み合わされ、前記吸気量センサは前記第1通路に設置されている請求項1に記載の吸入空気量検出装置。
- 前記第1の過給モードの選択中に前記吸気量センサが検出する空気量と前記全空気量演算手段が演算する全空気量とを比較し、その比較結果に基づいて、前記全空気量演算手段による前記全空気量の演算精度を高めるための補正情報を取得する補正情報取得手段をさらに備え、前記全空気量演算手段は前記補正情報を参照して前記全空気量を演算する請求項2に記載の吸入空気量検出装置。
- 前記全空気量演算手段は、前記全吸入空気量に相関する物理量の実測値として、前記第1通路及び前記第2通路の合流位置よりも下流域における吸気圧の実測値と前記内燃機関の機関回転数の実測値とを利用する請求項1〜3のいずれか一項に記載の吸入空気量検出装置。
- 前記吸気量センサは、前記過給機よりも上流域に設置されている請求項1〜4のいずれか一項に記載の吸入空気量検出装置。
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