JP2012225232A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気脈動に伴う高い背圧に起因したポンピングロスの低減を図る。
【解決手段】排気ターボ過給機５を備える内燃機関０にあって、排気通路４の圧力の脈動のピーク、または膨張行程の下死点の近傍のタイミングに合わせて電動ウェイストゲート弁４４を開弁する期間を設けた。つまり、排気脈動のピークとともにバイパス弁を開弁することにより、排気ガスの一部をバイパス通路経由でタービンを迂回させて排出し、背圧の低下を促すようにした。これにより、ポンピングロスを軽減することができ、燃費の向上に資する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ターボ過給機が付帯した内燃機関の制御装置に関する。

排気ターボ過給機を備える内燃機関には、ウェイストゲートを付設することが通例である。ウェイストゲートは、排気通路におけるタービンの上流側と下流側とを接続するバイパス通路を開閉するものであり、一般的には、吸気通路を流通する吸気の圧力を過過給とならないよう抑制する機能を発揮する（例えば、下記特許文献１を参照）。

ところで、気筒数の少ない内燃機関では、排気脈動が大きくなる傾向にある。故に、排気弁が開かれるタイミングで、排気通路の圧力即ち背圧に高いピークが現れる。しかも、タービンの存在により、その背圧はすぐには低下しない。背圧が高いままであると、気筒内の燃焼ガスの排出が妨げられ、ポンピングロスが増大するとともに、気筒内温度が高くなりノッキング発生の原因となる。

特開２００９−１８０１１２号公報

本発明は、背圧に起因したポンピングロスの低減を図ることを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、排気通路に設けられたタービンと、吸気通路に設けられ前記タービンにより駆動されるコンプレッサと、前記排気通路における前記タービンの上流側と下流側とを接続するバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられ電気的に開度制御可能なバイパス弁とを備えた内燃機関を制御する制御装置であって、加速時において、前記排気通路の圧力の脈動のピークまたは膨張行程の下死点の近傍のタイミングに合わせて前記バイパス弁の開度を拡大させるように開閉操作を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。

つまり、排気脈動のピークとともにバイパス弁を開弁することにより、排気ガスの一部をバイパス通路経由でタービンを迂回させて排出し、背圧の低下を促すようにしたのである。

本発明によれば、背圧に起因したポンピングロスの低減を図り得る。

本発明の一実施形態における内燃機関及び排気ガス再循環装置の構成を示す図。 同実施形態における排気圧力とウェイストゲートバルブ開度との関係を示すタイミングチャート。 同実施形態における制御装置が実行する処理の手順例を示すフローチャート。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関０の概要を示す。本実施形態の内燃機関０は、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）と、各気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１１と、各気筒１に吸気を供給するための吸気通路３と、各気筒１から排気を排出するための排気通路４と、吸気通路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気通路４から吸気通路３に向けてＥＧＲガスを還流させる外部ＥＧＲ通２とを備えている。

本実施形態における内燃機関０は、二気筒の４サイクルエンジンであり、第一気筒１の行程と第二気筒１の行程との間には３６０°ＣＡ（クランク角度）の位相差が存在する。つまり、第一気筒１のピストン１２と第二気筒１のピストン１２とは同時に上昇し、また同時に下降する。

吸気通路３は、外部から空気を取り入れて気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、電子スロットル弁３３、サージタンク３４、吸気マニホルド３５を、上流からこの順序に配置している。

排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパス弁であるウェイストゲート弁４４を設けてある。ウェイストゲート弁４４は、アクチュエータに制御信号ｌを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲート弁であり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

外部ＥＧＲ通路２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。外部ＥＧＲ通路２の入口は、排気通路４におけるタービン５２の上流の所定箇所に接続している。外部ＥＧＲ通路２の出口は、吸気通路３におけるスロットル弁３３の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３４に接続している。外部ＥＧＲ通路２上にも、ＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲ弁２２を設けてある。

内燃機関０の運転制御を司るＥＣＵ（電子制御装置）６は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。入力インタフェースには、車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、エンジン回転数を検出する回転数センサから出力される回転数信号ｂ、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルセンサから出力されるアクセル開度要求信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気圧（過給圧）及び吸気温を検出する圧力・温度センサから出力される吸気圧及び吸気温信号ｄ、排気通路４内の排気圧を検出する背圧センサから出力される背圧信号ｅ、吸気カムシャフトの端部にあるタイミングセンサから出力されるクランク角度信号及び気筒判別用信号ｆ、排気カムシャフトの端部にあるタイミングセンサから所定クランク角度の回転毎に出力される排気カム信号ｇ等が入力される。但し、背圧センサは必須ではない。出力インタフェースからは、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｈ、点火プラグ（のイグニッションコイル）に対して点火信号ｉ、ＥＧＲ弁２２に対して開度操作信号ｊ、スロットル弁３３に対して開度操作信号ｋ、ウェイストゲート弁４４に対して開度操作信号ｌ等を出力する。アクセルペダルの踏込量は、運転者が指令する要求負荷（エンジン出力）と捉えることができる。

ＥＣＵ６のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行して、内燃機関０の運転を制御する。ＥＣＵ６は、内燃機関０の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇを入力インタフェースを介して取得し、それらに基づいて吸気量や要求燃料噴射量、点火時期、要求ＥＧＲ量等を演算する。そして、演算結果に対応した各種制御信号ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態におけるウェイストゲート弁４４は、内燃機関０の高負荷運転時の過過給を防止する役割を担うだけではなく、内燃機関０の加速時に背圧を低下させてポンピングロスを低減する役割をも担う。そのために、制御装置たるＥＣＵ６は、運転者によってアクセルペダルが踏み込まれる加速要求を検知したとき、及び／または、エンジン回転数が上昇傾向にあるときに、ウェイストゲート弁４４を強制的に開閉操作する制御を実行する。

図２に、排気通路４を流通する排気の圧力の脈動、及びウェイストゲート弁４４の開度のタイミングチャートを示す。横軸はクランク角度であり、０°ＣＡが第一気筒１の圧縮上死点かつ第二気筒１の排気上死点、１８０°ＣＡが第一気筒１の膨張下死点かつ第二気筒１の吸気下死点、３６０°ＣＡが第一気筒１の排気上死点かつ第二気筒１の圧縮上死点、５４０°ＣＡが第一気筒１の吸気下死点かつ第二気筒１の膨張下死点である。第一気筒１から排気される排気ガスの圧力の脈動のピークは略１８０°ＣＡにあり、第二気筒１から排気される排気ガスの圧力の脈動のピークは略５４０°ＣＡにある。

本実施形態では、上昇した背圧を可及的速やかに低下させるべく、気筒１からの排気のタイミングにウェイストゲート弁４４の開度を拡大させ、その後ウェイストゲート弁４４の開度を再び縮小させるというように、行程周期に合わせた反復的な開閉操作を行う。

即ち、図２に示しているように、第一気筒１による背圧のピークである１８０°ＣＡの前後のタイミング、及び第二気筒２による背圧のピークである５４０°ＣＡの前後のタイミングでウェイストゲート弁４４を開弁する。このとき、ウェイストゲート弁４４を全開にすることがある。

そして、背圧がある程度以上低下するタイミングを見計らって、開弁していたウェイストゲート弁４４を閉弁し、その開度を要求される過給圧に対応した適合値まで絞る。このとき、ウェイストゲート弁４４を全閉にすることもある。

ウェイストゲート弁４４の開弁タイミングは、背圧信号ｅを参照して知得される背圧のピークを基準として決定してもよいし、クランク角度信号ｆまたは及び／または排気カム信号ｇを参照して知得される各気筒１のピストンの膨張下死点または排気弁の開弁タイミングを基準として決定してもよい。上記の基準と、ウェイストゲート弁４４に対し開弁操作信号ｎを入力するタイミングとの間に時間差を設けてもよい。その時間差は、エンジン回転数の高低に応じて増減させることができる。即ち、エンジン回転数が高いほど、ウェイストゲート弁４４の開弁開始を早めるようにする。

ウェイストゲート弁４４の閉弁タイミングは、例えばウェイストゲート弁４４の開弁から一定時間または一定クランク角度の期間の経過後とする。排気圧力を吸気の過給に利用する都合上、開いていたウェイストゲート弁４４は次の背圧のピークが訪れる前に閉じることが好ましい。

因みに、開いていたウェイストゲート弁４４を閉じる際の開度の単位時間当たりの変化量を、エンジン回転数の加速の度合いに応じて設定してもよい。即ち、エンジン回転数が高いほど、ウェイストゲート弁４４の閉弁速度を速めるようにする。

図３に示すように、ウェイストゲート弁４４の反復的な開閉操作は、加速中（ステップＳ１）でありかつエンジン回転数が所定閾値以下（ステップＳ２）であることを条件として実行する（ステップＳ３）。ステップＳ２における閾値は、例えば２０００ｒｐｍ程度とする。この閾値は、低回転領域において排気脈動が顕著となりウェイストゲート弁４４の開閉操作による背圧低減効果が高まること、並びに、ウェイストゲート弁４４の開閉速度は有限であり高回転領域ではウェイストゲート弁４４の開閉が間に合わないことによる。

図２の排気圧力のチャートにおいて、細い実線はウェイストゲート弁４４の開閉操作を行わない場合の圧力の推移を示し、太い破線はウェイストゲート弁４４の開閉操作を行う場合の圧力の推移を示している。このように、ウェイストゲート弁４４の開閉操作により、ピークを迎えた背圧を速やかに低下させることが可能となる。

本実施形態では、排気通路４に設けられたタービン５２と、吸気通路３に設けられ前記タービン５２により駆動されるコンプレッサ５１と、前記排気通路４における前記タービン５２の上流側と下流側とを接続するバイパス通路４３と、前記バイパス通路４３に設けられ電気的に開度制御可能なバイパス弁４４とを備えた内燃機関０を制御するものであって、加速時において、前記排気通路４の圧力の脈動のピークまたは膨張行程の下死点の近傍のタイミングに合わせて前記バイパス弁４４の開度を拡大させるように開閉操作を行うことを特徴とする制御装置６を構成した。

本実施形態によれば、排気脈動のピーク後にバイパス弁４４を開弁することにより、排気ガスの一部をバイパス通路４３経由でタービン５２を迂回させて排出し、背圧の低下を促すことができる。従って、排気効率が向上してポンピングロスが低減し、燃費の向上に資する。加えて、気筒１内温度の上昇を抑制することができ、ノッキング発生のおそれを低下させることができる。また、背圧がピークからある程度以上低下した後にはバイパス弁４４を閉弁することから、過給機５による過給効果をスポイルすることもない。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、バイパス弁４３の開弁開始から閉弁開始までの期間（バイパス弁４３の開放期間）の長さを、エンジン回転数の高低に応じて設定してもよい。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される過給機付きの内燃機関に適用することができる。

０…内燃機関
３…吸気通路
４…排気通路
４３…バイパス通路
４４…バイパス弁（ウェイストゲート弁）
５…排気ターボ過給機
５１…コンプレッサ
６…制御装置（ＥＣＵ）

Claims (1)

1. 排気通路に設けられたタービンと、
   吸気通路に設けられ前記タービンにより駆動されるコンプレッサと、
   前記排気通路における前記タービンの上流側と下流側とを接続するバイパス通路と、
   前記バイパス通路に設けられ電気的に開度制御可能なバイパス弁とを備えた内燃機関を制御する制御装置であって、
   加速時において、前記排気通路の圧力の脈動のピークまたは膨張行程の下死点の近傍のタイミングに合わせて前記バイパス弁の開度を拡大させるように開閉操作を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。

Images