JP2015183651A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ過給機の回転に応じたターボ油量の供給を安定して維持し得る内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】本発明に係る内燃機関の制御装置は、ターボ過給機に供給される潤滑油の量であるターボ油量とターボ過給機に供給される潤滑油が流通する潤滑油流路における油圧との相関を予め記憶し、ターボ過給機の回転数毎にターボ過給機の正常な動作を担保し得るターボ油量の許容範囲を記憶し、吸入空気量と過給圧とに基づいてターボ回転数を算出して、潤滑油流路の油圧に対応するターボ油量が、算出されたターボ回転数に対応する許容範囲を下回るとき、ターボ回転数を低下させる制御と潤滑油流路の油圧を上昇させる制御とのうち少なくとも一方の制御を行う。【選択図】図３

Description

本発明は、ターボ過給機が付帯した内燃機関の制御装置に関する。

気筒から排出される排気ガスの持つエネルギを利用して排気タービン（タービンホイール）を回転させ、その回転をコンプレッサのインペラ（コンプレッサホイール）に伝達して吸入空気を加圧圧縮（過給）し気筒へと送り込む排気ターボ過給機が周知である（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１２−１９３６１８号公報

排気タービンやインペラは高速で回転動作する。すなわち排気ターボ過給機の回転数であるターボ回転数は高い値となる。そのため、それらの軸や軸受の潤滑が非常に重要である。そこで排気ターボ過給機の動作の安定性や耐久性を担保すべく、ターボ過給機へ供給する潤滑油の量であるターボ油量を制御するということも行われている。

しかしながら、ターボ油量に対しターボ回転数が高い、すなわちターボ油量が足りない場合には、排気ターボ過給機における回転部分の軸受に設けられたベアリングが焼き付くといった不具合を招来する可能性がある。

本発明は、このような不具合に着目したものであり、ターボ過給機のターボ回転数に応じたターボ油量の供給を安定して維持し得る内燃機関を提供することを目的としている。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち本発明に係る内燃機関の制御装置は、ターボ過給機に供給される潤滑油の量であるターボ油量とターボ過給機に供給される潤滑油が流通する潤滑油流路における油圧との相関を予め記憶し、ターボ過給機の回転数毎にターボ過給機の正常な動作を担保し得るターボ油量の許容範囲を記憶し、吸入空気量と過給圧とに基づいてターボ回転数を算出して、潤滑油流路の油圧に対応するターボ油量が、算出されたターボ回転数に対応する許容範囲を下回るとき、ターボ回転数を低下させる制御と潤滑油流路の油圧を上昇させる制御とのうち少なくとも一方の制御を行うことを特徴とする。

このようなものであれば、潤滑油流路の油圧とターボ油量の相関を予め記憶しているので、ターボ油量の検出精度を高くすることができ、またターボ過給機が正常に動作する範囲を所定範囲として記憶しているので、当該所定範囲に収まるように制御することにより、ターボ油量が不足したときを速やかに検出、ターボ回転数に対するターボ油量を増加することができる。その結果、ターボ過給機に不具合が来してしまうことを未然に防止することができる。

本発明によれば、ターボ過給機の回転に応じたターボ油量の供給を安定して維持し得る内燃機関の制御装置を提供することができる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関の全体構成を示す図。 同実施形態におけるターボ油量とターボ回転数との相関を示す図。 同実施形態の内燃機関が実行する処理の手順例を示すフロー図。 本発明の変形例における車両用内燃機関の全体構成を示す図。

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の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒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、ターボ過給機である排気ターボ過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３５、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒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、排気ターボ過給機５の排気タービン（タービンホイール）５２及び排気浄化用の三元触媒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バルブ４４を設けてある。ウェイストゲートバルブ４４は、アクチュエータに制御信号ｍ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バルブであり、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、排気タービン５２とコンプレッサのインペラ（コンプレッサホイール）５１とをシャフト５３を介して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、タービン５２及びインペラ５１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。

本実施形態の内燃機関には、外部ＥＧＲ装置２が付帯している。外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

また本実施形態では内燃機関のクランクケース内のオイルパン（図示せず）に潤滑油が蓄えられ、オイルポンプＰにより内燃機関の各部の潤滑に用いられるべく圧送される。本実施形態ではオイルポンプＰは、内燃機関のクランクシャフト１６から駆動力の供給を受けて回転する機械式のオイルポンプＰであっても、クランクシャフト１６の動作に関係無く制御される電動モータからの駆動力を受けて回転する電動式のオイルポンプＰであっても良い。何れのオイルポンプＰにしても、当該オイルポンプＰがオイルパンに蓄えられている潤滑油を吸引し、吐出して、排気ターボ過給機５を含む内燃機関の各部に向けて圧送する。具体的には、オイルポンプＰから供給される潤滑油は、メインギャラリＬを経由して内燃機関の各部（例えば、シリンダブロック１７におけるクランクシャフト１６を軸受けするクランクジャーナルや、吸気／排気カムシャフトを軸受けするカムジャーナルの他、排気ターボ過給機５のシャフトを軸受けするジャーナル等）に向けて分岐する分流路に流入し、各部の潤滑に供される。そして潤滑油の油圧は、メインギャラリＬに設けられた油圧センサＳにより検出され、この油圧センサＳから油圧信号ｎが出力される。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）０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、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、機関のシリンダブロックに設置され気筒１でのノッキングに起因した振動を検出するノックセンサから出力されるノック信号ｈ、そして油圧センサＳから出力される油圧信号ｐ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ウェイストゲートバルブ４４に対して開度操作信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ０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、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、そしてｐを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）といった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

ここで、本実施形態では、排気ターボ過給機５に供給される潤滑油量であるターボ油量と潤滑油流路たるメインギャラリＬの油圧すなわち油圧センサＳからの油圧信号ｐとの相関を主たるパラメータとして、メインギャラリＬの油圧に対応するターボ油量βを予め記憶するようにしている。また併せて、排気ターボ過給機５の回転数であるターボ回転数α毎に排気ターボ過給機５の正常な動作を担保し得るターボ油量βの許容範囲を所定範囲Ｘとして予め設定し記憶している。すなわち本実施形態では、予め試験により得られた値や適合等によりターボ回転数αとターボ油量βとの相関を、図２に示すマップのような態様のデータを記憶するようにしている。

ターボ油量βは上記の通り油圧センサＳからの油圧信号ｐとの相関により主に算出するが、本実施形態では油圧信号ｐやターボ回転数α、そして潤滑油の温度をも加味して算出しても良い。また潤滑油の温度のみならず或いは潤滑油の温度に代えて、冷却水温といった潤滑油の温度に影響を与え得るパラメータをも加味してターボ油量βを算出しても良い。

加えて本実施形態では、吸入空気量と過給圧とに基づいてターボ回転数αを算出するようにしている。吸入空気量は、本実施形態ではエンジン回転数、吸気圧、吸気温及び大気圧から算出するようにしているが、吸気通路３に別途エアフローメータを備えたものにあっては当該エアフローメータの値から吸入空気量を求めても良い。過給圧は、本実施形態では吸気圧センサすなわち温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅから求めるようにしている。

しかして本実施形態では図２に黒い星印に示すように、潤滑油流路たるメインギャラリＬの油圧に対応するターボ油量βが、そのとき対応する算出されたターボ回転数αに対して設定された所定範囲Ｘを下回るとき、ターボ回転数αを低下させる制御及び／又はターボ油量βを増やすべくメインギャラリＬの油圧を上昇させる制御を行うようにしている。

図３では、本実施形態の制御の手順を占めている。運転中、吸入空気量と過給圧からターボ回転数αを算出し（ステップＳ１）、続いて同じタイミングにおけるターボ油量βを、メインギャラリＬの油圧を検出して算出する（ステップＳ２）。そして算出されたターボ回転数αと同時に検出されたターボ油量βの値が所定範囲Ｘの範囲内に無く、下回るとき、ターボ回転数αを低下させる制御を行い（ステップＳ４）、その旨をドライバ側へ告知する（ステップＳ５）ようにしている。

ここで、ターボ回転数αを低下させる制御としては、本実施形態では開度操作信号ｍを出力又は補正することによりウェイストゲートバルブ４４の開度を大きくし、排気タービン５２を回転させる排気の量を少なくする制御を挙げることがでいる。ウェイストゲートバルブ４４の開度の制御は、同じ運転状態にあるときよりも開度が大きくなるように制御する態様か或いは、運転状態に拘わらず全開としターボ回転数αを可能な限り低下させる制御を挙げることができる。また図示しないが、排気ターボ過給機５が可変容量タイプである場合は勿論、当該容量、すなわちノズルベーンの開度を制御することによってターボ回転数αを低下させることができる。また、他に、ターボ回転数αを低下させる制御としては、電子スロットルバルブ３２の開度を同じ運転状態にあるときよりも小さく補正することによっても実現することができる。また、可変バルブタイミング機構を搭載している場合、気筒１に充填される吸気の量を減らすことにより、ターボ回転数αを低下させ、図２において白い星印で示すように、ターボ油量βを所定範囲Ｘ内とすることができる。

またターボ油量βを増やす制御はオイルポンプＰが電動オイルポンプＰである場合に適用することができる。すなわちメインギャラリＬの油圧が大きくなるよう、オイルポンプＰの吐出量を、同じ運転状態にあるときよりも増量する制御を行なえば良い。これにより、図２において白い星印で示すように、ターボ油量βを所定範囲Ｘ内とすることができる。

このように、上記ステップＳ４に係る処理を行うことにより、ターボ油量βを図２において白い星印に示すような値にまで修正することができる。

そして、ステップＳ５に係るドライバへの告知とは、例えば直接的にドライバへ告知する態様をまず挙げることができる。すなわち直接的な告知とは排気ターボ過給機５の異常の旨を運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で出力して報知する態様である。具体的には、コックピット内のエンジンチェックランプを点灯させたり、ディスプレイに表示させたり、警告音を発したりして、排気ターボ過給機５の点検及び交換を促す態様を挙げることができる。またステップＳ５に係るドライバへの告知としては、ドライバへ間接的に告知する態様も挙げる事ができる。すなわち、ターボ油量βの異常の旨を示す情報（ダイアグノーシスコード）をメモリに記憶保持しておき、修理時に作業者にその旨を把握し得るようにしておく態様を挙げることができる。

以上のような構成とすることにより、本実施形態では、潤滑油流路たるメインギャラリＬに設けた油圧センサＳからの油圧信号ｐとターボ油量βの相関を予め記憶しているので、ターボ油量βの検出精度を高くすることができ、また排気ターボ過給機５が正常に動作する範囲を所定範囲Ｘとして記憶しているので、当該所定範囲に収まるように制御することにより、ターボ油量βが不足したときを速やかに検出することができる。その結果、排気ターボ過給機５に不具合が来してしまうことを未然に防止し得るものとなっている。

特に本実施形態では、ターボ油量βが所定範囲Ｘの範囲内に無いときにドライバへその旨を告知するようにしている。その結果、ドライバは排気ターボ過給機５に大きな故障や異常を来してしまう前に修理のための行動をとることができるので、精神的な負担や修理に必要とされる負担も併せて抑制し得るものとなっている。

＜変形例＞
以下、本実施形態の変形例について説明する。当該変形例において上記実施形態の構成要素に相当するものについては同じ符号を付すとともに、詳細な説明を省略する。

本変形例に係る内燃機関は、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バルブ４４を設けてある点では上記実施形態同様である。そして本変形例ではウェイストゲートバルブ４４は電動ウェイストゲートバルブではなく、アクチュエータ６により駆動する、所謂ダイヤフラム式のウェイストゲートバルブ４４である点において上記実施形態と相違する。

アクチュエータ６は、ダイアフラム室６１及び定圧室６２を有し、ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧を利用して、バイパス４３を閉鎖するウェイストゲートバルブ４４を開放させるものである。即ち、ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧が所定のセット圧を超えたときに、バルブロッド６３がスプリング６４の弾性付勢力に抗して変位し、ウェイストゲートバルブ４４を開く。ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧がセット圧以下である場合には、スプリング６４の弾性付勢力によりバルブロッド６３が元の位置に復帰し、ウェイストゲートバルブ４４が完全に閉じる。

アクチュエータ６のダイアフラム室６１には、吸気通路３における、コンプレッサ５１の下流側かつスロットルバルブ３２の上流側の部位の吸気の圧力、即ち過給圧を導入する。ダイアフラム室６１と吸気通路３の当該部位との間には、両者を連通させる過給圧導入流路７１と、過給圧導入流路７１（または、ダイアフラム室６１）を大気に開放する圧抜流路７２と、圧抜流路７２を開閉するＶＳＶ７３とを設けている。

ＶＳＶ７３は、制御信号ｎを受けてその開度を変化させるソレノイドバルブ等の流量制御弁である。ＶＳＶ７３の開度を操作すれば、吸気通路３から過給圧導入流路７１に流入する過給気の一部を圧抜流路７２経由で大気に逃がし、ダイアフラム室６１の圧力の大きさを制御することができる。

すなわち本変形例では上記図３におけるステップＳ４の処理を行う際、同じ運転状態のときよりもＶＳＶ７３の開度を小さく設定することでダイアフラム室６１の圧力を相対的に大きくする事でウェイストゲートバルブ４４の開度が相対的に大きくなるようにしている。これによりターボ回転数βの低下が実現される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、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。

例えば、上記実施形態では排気ターボ過給機は機械式のもののみを専ら開示したが勿論、電動モータによりコンプレッサを駆動する電動ターボ過給機を適用してもよい。この場合、ターボ回転数はコンプレッサを駆動するモータ回転数から検出することができる。また、所定範囲の具体的な数値や油量の具体的な増加量といった具体的な態様は上記実施形態のものに限定されることはなく、既存のものを含め、種々の態様のものを適用することができる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、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。

本発明はターボ過給機が付帯した内燃機関として利用することができる。

０…内燃機関の制御装置（ＥＣＵ）
４４…ウェイストゲートバルブ
５…ターボ過給機（排気ターボ過給機）
Ｌ…メインギャラリ
α…ターボ回転数
β…ターボ油量
Ｘ…許容範囲（所定範囲）

Claims (1)

1. ターボ過給機に供給される潤滑油の量であるターボ油量とターボ過給機に供給される潤滑油が流通する潤滑油流路における油圧との相関を予め記憶し、
   ターボ過給機の回転数毎にターボ過給機の正常な動作を担保し得るターボ油量の許容範囲を記憶し、
   吸入空気量と過給圧とに基づいてターボ回転数を算出して、
   潤滑油流路の油圧に対応するターボ油量が、算出されたターボ回転数に対応する許容範囲を下回るとき、
   ターボ回転数を低下させる制御と潤滑油流路の油圧を上昇させる制御とのうち少なくとも一方の制御を行う内燃機関の制御装置。

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