JP2013127221A - 内燃機関の制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】専用の対策装置を装着せずにサージング回避動作を行うことができる内燃機関の制御方法及び制御装置を提供する。
【解決手段】電動過給機を備えた内燃機関で高負荷状態から低負荷状態に移行する際に、電動過給機の圧縮機のサージングを防止すべく、圧縮機の運転領域がサージング領域に近づいたとき、電動過給機を駆動させて圧縮機の回転速度を負荷状態の移行前後で保持し、負荷状態の移行後の吸気流量が急激に減少するのを抑制するものである。
【選択図】図５

Description

本発明は、電動過給機を備えた内燃機関で高負荷状態から低負荷状態に移行する際に、電動過給機の圧縮機のサージングを防止するための内燃機関の制御方法及び制御装置に関するものである。

一般に、過給機を備えた自動車用の内燃機関において、アクセル開度１００％の全負荷状態では吸気圧力が大気圧力に対して非常に高いため、過給機の圧縮機は高圧力比の状態で運転している。この状態から瞬間的にアクセル開度０％の無負荷状態にすると、過給機の圧縮機はサージング領域に入り、圧縮機と配気管を含めた系統が一種の共振を起こして、圧力と吸気流量が周期的に変動するサージングが発生する。サージングは、運転状態の不安定化、異音の発生、圧縮機の破損などの問題を生じさせるため好ましい現象ではない。

このサージングを防止するためには専用の対策装置を取り付ける必要があり、従来は、例えば圧縮機の出口側の残圧を下げる目的で減圧弁（ブローオフバルブ）を設けたり、吸気脈動、吸気干渉を防ぐ目的で吸気系に空気溜り（サージタンク）を設けたり、或いは加圧された吸気の一部を電動過給機の上流側の吸気通路に環流させるバイパスバルブを設けたりしてサージングを防止していた（特許文献１参照）。

特開２００７−９２６８３号公報

しかしながら、減圧弁やバイパスバルブを設けた場合にはバルブ作動時の気流音が大きいという問題があり、空気溜りを設けた場合には特定の回転速度で共振が生じて異音が発生するという問題があった。

そこで、本発明の目的は、専用の対策装置を装着せずにサージング回避動作を行うことができる内燃機関の制御方法及び制御装置を提供することにある。

この目的を達成するために創案された本発明は、電動過給機を備えた内燃機関で高負荷状態から低負荷状態に移行する際に、前記電動過給機の圧縮機のサージングを防止するための内燃機関の制御方法において、前記圧縮機の運転領域がサージング領域に近づいたとき、前記電動過給機を駆動させて前記圧縮機の回転速度を負荷状態の移行前後で保持し、負荷状態の移行後の吸気流量が急激に減少するのを抑制する内燃機関の制御方法である。

前記圧縮機の通常運転領域とサージング領域との境界であるサージラインに対するマージンが規定値以下になったとき、前記圧縮機の運転領域がサージング領域に近づいたと判定すると良い。

燃料噴射量の変化量が規定値より小さいとき、制御状態を通常制御へ移行させると良い。

前記圧縮機の回転速度を規定時間だけ保持した後、前記圧縮機がサージング領域で運転を行わない範囲で前記圧縮機の回転速度を減速させていくと良い。

前記圧縮機の出口圧力に対する入口圧力の比が規定値より小さくなったとき、制御状態を通常制御へ移行させると良い。

また本発明は、電動過給機を備えた内燃機関で高負荷状態から低負荷状態に移行する際に、前記電動過給機の圧縮機のサージングを防止するための内燃機関の制御装置において、前記圧縮機の運転領域がサージング領域に近づいたか否かを判定する判定部と、前記判定部によって前記圧縮機の運転領域がサージング領域に近づいたと判定されたとき、前記電動過給機を駆動させて前記圧縮機の回転速度を移行前後で保持し、移行後の吸気流量の急激な減少を抑制する制御部とを備える内燃機関の制御装置である。

前記判定部は、前記圧縮機の通常運転領域とサージング領域との境界であるサージラインに対するマージンが規定値以下になったとき、前記圧縮機の運転領域がサージング領域に近づいたと判定すると良い。

前記判定部は、燃料噴射量の変化量が規定値より小さいか否かを判定し、前記制御部は、前記判定部によって燃料噴射量の変化量が規定値より小さいと判定されたとき、制御状態を通常制御へ移行させると良い。

前記制御部は、前記圧縮機の回転速度を規定時間だけ保持した後、前記圧縮機がサージング領域で運転を行わない範囲で前記圧縮機の回転速度を減速させていくと良い。

前記判定部は、前記圧縮機の出口圧力に対する入口圧力の比が規定値より小さくなったか否かを判定し、前記制御部は、前記判定部によって前記圧縮機の出口圧力に対する入口圧力の比が規定値より小さくなったと判定されたとき、制御状態を通常制御へ移行させると良い。

本発明によれば、専用の対策装置を装着せずにサージング回避動作を行うことができる内燃機関の制御方法及び制御装置を提供することができる。

本発明の対象となる内燃機関の一例を示す概略図である。 本発明の対象となる燃料噴射系の一例を示す概略図である。 圧縮機の作動線図である。 （ａ）〜（ｆ）は内燃機関の運転状態を全負荷状態から無負荷状態に移行するときの運転イメージ図である。 本発明に係る内燃機関の制御方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１に示すように、本発明の対象となる内燃機関１０は、吸気系に電動過給機１１が接続されており、排気エネルギにより電動過給機１１のタービン（排気タービン）１２を駆動させて圧縮機（吸気タービン）１３により過給するようになっている。

電動過給機１１は、モータ１４によって同一軸上のタービン１２と圧縮機１３を回転させることができ、排ガスの流量や流速に依らず任意の回転速度が得られるものである。

圧縮機１３で圧縮され高温となった空気は、チャージエアクーラ１５にて一気に冷却され、吸気スロットル１６で吸気量が調整された後、吸気弁１７を介して燃焼室１８に供給されて燃焼に使用される。未燃焼の混合ガス、即ち、ブローバイガスは、リターンパス１９を通じて吸気側に環流される。

その後、燃焼に使用された排ガスは、排気弁２０を介して排気され、その排気エネルギによってタービン１２を駆動する。タービン１２の前段には、エンジン回転数に応じてタービンブレードの開口面積を可変させることで排ガスの流量を変化させ、過給効率や排気圧力を調節するＶＧＴベーン２１が設けられている。

排気の際には、排気の一部を吸気に戻すことにより、排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）を行うようになっている。ＥＧＲを行うことでＮＯ_Xの排出量を低減することができる。

ＥＧＲでは、高温の排気を直接吸気すると吸気温度が上昇して、吸気充填効率の低下を招いてしまうことから、排ガスはＥＧＲクーラ２２で一旦冷却されてから吸気に投入される。ＥＧＲクーラ２２の後段には、ＥＧＲバルブ２３が設けられており、その開度を制御することにより、ＥＧＲ量を調節できるようになっている。

内燃機関１０の制御を行うためのＥＣＵ（Engine Control Unit）２４には、大気圧力を検出するための大気圧力センサ２５、吸気流量を検出するためのエアフローセンサ２６、吸気圧力を検出するためのブーストセンサ２７、吸気スロットル１６、燃焼室１８に燃料を噴射するための燃料インジェクタ２８、ＶＧＴベーン２１、排気温度を検出するための排気温度センサ２９、ピストン３０に接続されたクランクシャフト３１のクランク角度を検出するクランク角度センサ３２、電動過給機１１のモータ１４などが接続されている。

図２に示すように、本発明の対象となる燃料噴射系は、複数気筒のコモンレール噴射系であり、エンジン回転数によらず任意の噴射圧力を得られるものである。

コモンレール３３に蓄圧した燃料を噴射ノズルである各燃料インジェクタ２８に供給するようになっている。そのため、コモンレール３３に燃料を所定の圧力に加圧して圧送する高圧ポンプ３４が設けられている。つまり、このコモンレール噴射系では、噴射圧力はコモンレール３３に蓄えられる圧力に依存する。

通常はコモンレール３３の実圧力を圧力センサ３５によってモニタ（フィードバック）しながら、高圧ポンプ３４の吐出量制御バルブ３６を制御してその吐出量を制御している。

これまで説明してきた内燃機関１０において圧縮機１３のサージングが生じるメカニズムとその現象を図３の作動線図を用いて説明する。

図３において、通常運転領域とは圧縮機１３がサージングを起こすことなく動作する運転領域を指し、サージング領域とは圧縮機１３がサージングを起こしてしまう運転領域を指す。通常運転領域の円は圧縮機１３の作動効率を示し、内側から外側に向かって効率が低下する。また、本明細書では、一点鎖線で示した通常運転領域とサージング領域との境界をサージラインと指称することとする。

図３の実線で示すように、運転状態を高負荷状態（Ａ点）から低負荷状態に移行すると、圧縮機１３の運転領域がサージラインを超えてサージング領域に入ってしまう（Ｂ点）。

例えば、図４の実線で示すように、アクセル開度１００％の全負荷状態からアクセル開度０％の無負荷状態に移行すると（図４（ａ））、燃料噴射量もそれに合わせて変化し（図４（ｂ））、エンジン回転速度も減速されていく（図４（ｃ））。このとき、圧縮機１３の出口圧力はなだらかに低下していくが（図４（ｄ））、吸気流量は即座に減少する（図４（ｅ））。また、これに伴って圧縮機１３の回転速度も減少していく（図４（ｆ））。

つまり、高負荷状態から低負荷状態に移行したとき、吸気流量の減少速度に比べて、圧縮機１３の出口圧力に対する入口圧力の比（以下、単に圧力比という）の減少速度が遅いため、前述したように圧縮機１３の運転領域がサージング領域に入ってしまう。特に、高過給エンジンほど高流量、高圧力で運転しており、サージング領域に入りやすくなる。また、高地など大気圧力が低い状態では圧力比が相対的に高くなり、更に影響が顕著になる。

再び図３を参照し、圧縮機１３の運転領域がサージング領域に入ると、共振を起こしながら、吸気流量と圧力比とが減少していくこととなる（Ｃ点）。このときに起こる共振は、圧力と吸気流量の周期的な変動を引き起こし、これがサージングの発生原因となる。

図３の破線で示すように、理想的には、高負荷状態から低負荷状態に移行したとしても、圧縮機１３の運転領域がサージング領域に入ることなく（Ｂ’点）、負荷状態の移行ができることが好ましい。そのためには、負荷状態の移行前後で急激な吸気流量の減少を抑え、サージング領域への突入を回避する必要がある。

そこで、本発明では、電動過給機１１を備えた内燃機関１０で高負荷状態から低負荷状態に移行する際に、電動過給機１１の圧縮機１３のサージングを防止するため、圧縮機１３の運転領域がサージング領域に近づいたとき、図４の破線で示すように、電動過給機１１を駆動させて圧縮機１３の回転速度を負荷状態の移行前後で保持し（図４（ｆ））、負荷状態の移行後の吸気流量が急激に減少するのを抑制するようにした（図４（ｅ））。なお、この制御によって圧縮機１３の出口圧力はあまり変化しない（図４（ｄ））。

つまり、本発明は、電動過給機１１の駆動、即ちモータ１４により強制的に圧縮機１３を回転させ、吸気流量を確保するものである。本発明では、電動過給機１１を備えた内燃機関１０を対象としており、これにより圧縮機１３の回転速度を任意に設定することができ、前述した制御を行うことが可能となっている。

以下、本発明に係る内燃機関の制御方法をこれを実現するための制御装置と共に説明する。

図１に示したように、本発明に係る制御装置は、圧縮機１３の運転領域がサージング領域に近づいたか否かを判定する判定部３７と、判定部３７によって圧縮機１３の運転領域がサージング領域に近づいたと判定されたとき、電動過給機１１を駆動させて圧縮機１３の回転速度を移行前後で保持し、移行後の吸気流量の急激な減少を抑制する制御部３８とを備える。判定部３７と制御部３８は、ＥＣＵ２４に搭載されており、これらによって以下の制御が実施される。

図５に示すように、先ず、ステップＳ１０１で圧縮機１３の運転領域の判定を行う。これは、圧縮機１３の運転領域がサージング領域に近づいたときに、本制御を実施し、その運転領域がサージラインを超えないようにするためである。

図３の斜線部で示すように、圧縮機１３の通常運転領域とサージング領域との境界であるサージラインに対するマージンが規定値以下になったとき、圧縮機１３の運転領域がサージング領域に近づいたと判定する。ここで、マージンとは、ある圧力比におけるサージマージンを意味し、以下の式（１）から求めることができる。
ある圧力比におけるサージマージン＝（現在の吸気流量−サージラインの吸気流量）／現在の流量×１００（％）・・・式（１）

つまり、各圧力比毎にサージマージンを定義する。例えば、サージマージンは２０％に設定し、求めたサージマージンが２０％以内であれば、圧縮機１３の運転領域がサージング領域に近づいたと判定すると良い。

この判定により、圧縮機１３の運転領域がサージング領域に近づいたと判定された場合には、ステップＳ１０２に進み、そうでなければ、ステップＳ１０６に進んで制御状態を通常制御に移行させる。

なお、本制御を実施するにあたって必要となる圧縮機１３の入口圧力としては大気圧力センサ２５で検出される大気圧力を用い、圧縮機１３の出口圧力としてはブーストセンサ２７で検出される吸気圧力を用い、吸気流量としてはエアフローセンサ２６で検出される値を用い、燃料噴射量、圧縮機１３の回転速度などその他のものについてはＥＣＵ２４からの値を用いると良い。また、図３の作動線図に相当するマップは予めＥＣＵ２４に記憶しておくと良い。

再び図５を参照し、続くステップＳ１０２では、ロジック実施可否の判定を行う。これは、本制御は、内燃機関１０の運転状態が高負荷状態から低負荷状態に移行した際に生じる圧縮機１３のサージングを防止するために実施するものであり、たとえ圧縮機１３の運転領域がサージング領域に近づいたとしても、負荷状態に大きな変化が無い場合にはサージングは起こらないため、本制御を実施する必要はないからである。

内燃機関１０の運転状態の変化は、燃料噴射量の変化量と相関があるため、燃料噴射量の変化量が規定値以上である場合に、内燃機関１０の運転状態が高負荷状態から低負荷状態に移行したと判断し、ロジック実施可と判定してステップＳ１０３に進む。逆に、燃料噴射量の変化量が規定値より小さいとき、ステップＳ１０６に進んで制御状態を通常制御へ移行させる。

なお、ステップＳ１０２では、燃料噴射量の変化量に加え、ドライバの意思確認も兼ねてアクセル開度の変化量を見て負荷状態の変化を判定するようにしても良い。これにより、ドライバの意志が本制御の開始条件に反映されることとなる。

これらステップＳ１０１とＳ１０２の判定は、判定部３７によって行われる。

そして、ステップＳ１０３とその後のステップＳ１０４では、実際にロジックを実施する。具体的には、圧縮機１３の回転速度を規定時間だけ保持した後（ステップＳ１０３）、圧縮機１３がサージング領域で運転を行わない範囲で圧縮機１３の回転速度を減速させていく（ステップＳ１０４）。圧縮機１３の回転速度を保持する時間とその後の減速率及び減速を実施する時間はそれぞれマップで定義しておくと良い。

これらステップＳ１０３とＳ１０４の制御は、判定部３７によって次のステップＳ１０５でロジック停止の判定がなされるまで、制御部３８によって繰り返し行われる。

ステップＳ１０５では、ロジック停止の判定を行う。具体的には、図３の梨地部に示すように、圧縮機１３の出口圧力に対する入口圧力の比が規定値より小さくなったとき、ステップＳ１０６に進んで制御状態を通常制御へ移行させ、制御を終了する。これは、サージングは高圧力比の場合に生じるため、圧力比が規定値より小さくなったときには本制御を継続しなくてもサージングが発生することは無いからである。

このステップＳ１０５の判定は、判定部３７によって行われる。

このように本発明によれば、圧縮機１３の運転領域がサージング領域に近づいたとき、電動過給機１１を駆動させて圧縮機１３の回転速度を負荷状態の移行前後で保持し、負荷状態の移行後の吸気流量が急激に減少するのを抑制することで、専用の対策装置を装着せずにサージング回避動作を行うことができる内燃機関の制御方法及び制御装置を提供することができる。

１０ 内燃機関
１１ 電動過給機
１２ タービン
１３ 圧縮機
１４ モータ
１５ チャージエアクーラ
１６ 吸気スロットル
１７ 吸気弁
１８ 燃焼室
１９ リターンパス
２０ 排気弁
２１ ＶＧＴベーン
２２ ＥＧＲクーラ
２３ ＥＧＲバルブ
２４ ＥＣＵ
２５ 大気圧力センサ
２６ エアフローセンサ
２７ ブーストセンサ
２８ 燃料インジェクタ
２９ 排気温度センサ
３０ ピストン
３１ クランクシャフト
３２ クランク角度センサ
３３ コモンレール
３４ 高圧ポンプ
３５ 圧力センサ
３６ 吐出量制御バルブ
３７ 判定部
３８ 制御部

Claims (10)

1. 電動過給機を備えた内燃機関で高負荷状態から低負荷状態に移行する際に、前記電動過給機の圧縮機のサージングを防止するための内燃機関の制御方法において、
   前記圧縮機の運転領域がサージング領域に近づいたとき、前記電動過給機を駆動させて前記圧縮機の回転速度を負荷状態の移行前後で保持し、負荷状態の移行後の吸気流量が急激に減少するのを抑制することを特徴とする内燃機関の制御方法。
2. 前記圧縮機の通常運転領域とサージング領域との境界であるサージラインに対するマージンが規定値以下になったとき、前記圧縮機の運転領域がサージング領域に近づいたと判定する請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
3. 燃料噴射量の変化量が規定値より小さいとき、制御状態を通常制御へ移行させる請求項１又は２に記載の内燃機関の制御方法。
4. 前記圧縮機の回転速度を規定時間だけ保持した後、前記圧縮機がサージング領域で運転を行わない範囲で前記圧縮機の回転速度を減速させていく請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
5. 前記圧縮機の出口圧力に対する入口圧力の比が規定値より小さくなったとき、制御状態を通常制御へ移行させる請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
6. 電動過給機を備えた内燃機関で高負荷状態から低負荷状態に移行する際に、前記電動過給機の圧縮機のサージングを防止するための内燃機関の制御装置において、
   前記圧縮機の運転領域がサージング領域に近づいたか否かを判定する判定部と、前記判定部によって前記圧縮機の運転領域がサージング領域に近づいたと判定されたとき、前記電動過給機を駆動させて前記圧縮機の回転速度を移行前後で保持し、移行後の吸気流量の急激な減少を抑制する制御部とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
7. 前記判定部は、前記圧縮機の通常運転領域とサージング領域との境界であるサージラインに対するマージンが規定値以下になったとき、前記圧縮機の運転領域がサージング領域に近づいたと判定する請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記判定部は、燃料噴射量の変化量が規定値より小さいか否かを判定し、前記制御部は、前記判定部によって燃料噴射量の変化量が規定値より小さいと判定されたとき、制御状態を通常制御へ移行させる請求項６又は７に記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記制御部は、前記圧縮機の回転速度を規定時間だけ保持した後、前記圧縮機がサージング領域で運転を行わない範囲で前記圧縮機の回転速度を減速させていく請求項６〜８のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
10. 前記判定部は、前記圧縮機の出口圧力に対する入口圧力の比が規定値より小さくなったか否かを判定し、前記制御部は、前記判定部によって前記圧縮機の出口圧力に対する入口圧力の比が規定値より小さくなったと判定されたとき、制御状態を通常制御へ移行させる請求項６〜９のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。