JP2016089804A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エアバイパスバルブを設けることなく機関減速中の吸気脈動の発生を未然に防止する。
【解決手段】時刻ｔ_１で過給エンジン１に対する減速要求が出されたら、この時刻ｔ_１のタイミングで下流吸気路２２を閉じる方向にスロットル開度を変更し、バイパス流路４０Ｒ、３４Ｌを全開させる方向にＷＧＶ４２Ｌ、４２Ｒの開度を変更する。但し、バイパス流路４０Ｌは速やかに全開させるが、バイパス流路４０Ｒは緩やかに全開させる。これにより、減速中のターボ過給機４６Ｒよりもターボ過給機４６Ｌのターボ回転数を低くして、コンプレッサ４８Ｌ側で吸気を逆流させる。
【選択図】図４

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関し、より詳細には、過給機を備える内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特開２０１０−０３８０７７号公報には、過給機のコンプレッサをバイパスする通路に設けられたエアバイパスバルブ（ＡＢＶ）を備える内燃機関において、スロットルバルブを通過する吸気流量の推定値が、現在の過給圧に対して設定されたコンプレッサの上限吸気流量以下となる場合に、ＡＢＶを開く制御を行うことが開示されている。機関減速に際してスロットルバルブが閉じられると、コンプレッサとスロットルバルブとの間で吸気脈動が発生する。この点、上述したＡＢＶを開く制御を行う制御によれば、吸気脈動の発生を未然に防止できるので、吸気脈動に因る異音の発生や、エアフローメータの検出精度の低下を防止できる。

特開２０１０−０３８０７７号公報 特開２０１０−１５１０９９号公報 特開２０１２−２４６８０３号公報 特開２００３−１２０３５４号公報

しかし、ＡＢＶを設ける以上はコストの問題が生じる。特に、過給機を２つ備えるような内燃機関では、コンプレッサ毎にＡＢＶを２つ設ける必要があり、コストの問題がより顕著となる。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものである。即ち、ＡＢＶを設けることなく機関減速中の吸気脈動の発生を未然に防止することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、内燃機関の制御装置であって、
第１吸気マニホールドと第１排気マニホールドが接続された第１気筒群と、
第２吸気マニホールドと第２排気マニホールドが接続された第２気筒群と、
共通の下流吸気路を介して前記第１吸気マニホールドおよび第２吸気マニホールドと接続された第１上流吸気路および第２上流吸気路と、
前記下流吸気路に設けられたスロットルバルブと、
前記第１排気マニホールドの下流に設けられ、前記第１吸気マニホールドの上流に設けられた第１コンプレッサを排気エネルギにより回転させる第１タービンと、
前記第２排気マニホールドの下流に設けられ、前記第２吸気マニホールドの上流に設けられた第２コンプレッサを排気エネルギにより回転させる第２タービンと、
前記第１タービンと前記第２タービンの駆動中に前記下流吸気路を閉じる方向に前記スロットルバルブを操作する機関減速中に、前記第１コンプレッサを回転させる排気エネルギと、前記第２コンプレッサを回転させる排気エネルギとの間にエネルギ差が生じるように内燃機関を運転する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、機関減速中に、第１コンプレッサを回転させる排気エネルギと第２コンプレッサを回転させる排気エネルギとの間にエネルギ差を発生させることができるので、排気エネルギが相対的に小さい方のコンプレッサの回転数を相対的に低くできる。コンプレッサの回転数が相対的に低くなれば、そのコンプレッサ側の圧力が相対的に低くなるので、高圧側のコンプレッサ（例えば第２コンプッサ）から低圧側のコンプレッサ（例えば第１コンプレッサ）に向けて吸気が流れる。そのため、機関減速中に低圧側のコンプレッサで吸気を逆流させ続けて、第１吸気マニホールド、第２吸気マニホールドや上流吸気路において吸気脈動が発生するのを抑制できる。つまり、ＡＢＶを設けることなく機関減速中の吸気脈動の発生を未然に防止できる。

実施の形態１のシステムの全体構成について説明するための図である。 過給エンジンの減速中におけるスロットル開度、コンプレッサとスロットルバルブの間の吸気管圧力およびコンプレッサ流量の各挙動を示す図である。 サージ領域を示す図である。 実施の形態１における制御を説明するためのタイミングチャートである。 ターボ回転数とサージ領域との関係を示す図である。 実施の形態１における制御による吸気の流れを説明するための図である。 実施の形態２においてＥＣＵ７０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。 実施の形態３においてＥＣＵ７０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
先ず、図１乃至図６を参照しながら、本発明の実施の形態１を説明する。

［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステムの全体構成について説明するための図である。図１に示されるように、実施の形態１のシステムは、内燃機関としての過給エンジン１を備えている。過給エンジン１は、左バンク２Ｌと右バンク２Ｒとを有するＶ型エンジンである。図１においては、各バンク２Ｌ、２Ｒに１つずつの気筒４Ｌ、４Ｒが表されている。しかし、実際には各バンク２Ｌ、２Ｒは複数の気筒を有している。各バンク２Ｌ、２Ｒの気筒は、点火プラグ６Ｌ、６Ｒと、ポート噴射弁８Ｌ、８Ｒと、筒内噴射弁１０Ｌ、１０Ｒと、を備えている。

まず、過給エンジン１の吸気系について説明する。左バンク２Ｌの気筒４Ｌには、吸気弁１２Ｌを介して吸気マニホールド２４Ｌが接続され、右バンク２Ｒの気筒４Ｒには、吸気弁１２Ｒを介して吸気マニホールド２４Ｒが接続されている。左右の吸気マニホールド２４Ｌ、２４Ｒは共通のサージタンク２８に接続されている。サージタンク２８は水冷式のインタークーラ３０と一体化されている。サージタンク２８には１本の吸気路２２が接続されている。吸気路２２内にはスロットルバルブ２６が配置されている。

吸気路２２は、各バンク２Ｌ、２Ｒに対応する２本の吸気路１６Ｌ、１６Ｒが集合してなる。スロットルバルブ２６が設けられる位置は、空気の流れにおいて吸気路１６Ｌ、１６Ｒが集合する位置の下流である。以下、上流側に位置する吸気路１６Ｌ、１６Ｒをそれぞれ上流吸気路１６Ｌ、１６Ｒと称し、吸気路２２を下流吸気路２２と称す。上流吸気路１６Ｌ、１６Ｒのそれぞれにおける空気の取り込み口には、エアクリーナ１８Ｌ、１８Ｒと、取り込んだ空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ６０Ｌ、６０Ｒとが設置されている。

過給エンジン１は、各バンク２Ｌ、２Ｒのそれぞれにターボ過給機４６Ｌ、４６Ｒを備えている。左バンク２Ｌにおいては、ターボ過給機４６Ｌのコンプレッサ４８Ｌは、上流吸気路１６Ｌに取り付けられている。右バンク２Ｒにおいては、ターボ過給機４６Ｒのコンプレッサ４８Ｒは、上流吸気路１６Ｒに取り付けられている。

次に、過給エンジン１の排気系について説明する。左バンク２Ｌの気筒４Ｌには、排気弁１４Ｌを介して排気マニホールド３６Ｌが接続され、右バンク２Ｒの気筒４Ｒには、排気弁１４Ｒを介して排気マニホールド３６Ｒが接続されている。左バンク２Ｌにおいて、排気マニホールド３６Ｌには、空燃比センサ６２Ｌと、ターボ過給機４６Ｌのタービン５０Ｌとが取り付けられている。また、タービン５０Ｌをバイパスするバイパス流路４０Ｌが設けられ、バイパス流路４０ＬにはＷＧＶ４２Ｌが配置されている。右バンク２Ｒにおいても、排気マニホールド３６Ｒには、空燃比センサ６２Ｒと、ターボ過給機４６Ｒのタービン５０Ｒとが取り付けられると共に、タービン５０Ｒをバイパスするバイパス流路４０Ｒが設けられ、バイパス流路４０ＲにはＷＧＶ４２Ｒが配置されている。ＷＧＶ４２Ｌ、４２Ｒはソレノイドによって駆動される電磁駆動式バルブである。

左バンク２Ｌにおいて、タービン５０Ｌの出口には触媒４４Ｌが取り付けられ、触媒４４Ｌに排気路３８Ｌが接続されている。同様に、右バンク２Ｒにおいて、タービン５０Ｒの出口には触媒４４Ｒを介して排気路３８Ｒが接続されている。

また、図１に示されるように、実施の形態１のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit)７０を備えている。ＥＣＵ７０は、少なくとも入出力インタフェースとメモリとＣＰＵとを有している。入出力インタフェースは、過給エンジン１及び車両に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、過給エンジン１が備えるアクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられる。ＥＣＵ７０が信号を取り込むセンサには、上述のエアフローメータ６０Ｌ、６０Ｒ、空燃比センサ６２Ｌ、６２Ｒの他、図示しないアクセルペダルセンサ、クランク角センサ等も含まれる。ＥＣＵ７０が操作信号を出すアクチュエータには、点火プラグ６Ｌ、６Ｒ、ポート噴射弁８Ｌ、８Ｒ、筒内噴射弁１０Ｌ、１０Ｒ、スロットルバルブ２６、ＷＧＶ４２Ｌ、４２Ｒの他、吸気弁１２Ｌ、１２Ｒや排気弁１４Ｌ、１４Ｒの開弁特性を変更可能なバルブタイミング装置等も含まれる。メモリには、過給エンジン１を制御するための各種の制御プログラムが記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラムをメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。

［実施の形態１の特徴］
図２乃至図３を参照しながら、図１に示した構成の過給エンジンが過給状態にあるときに、減速要求がなされた際の問題点を説明する。図２は、過給エンジンの減速中におけるスロットル開度、過給圧（コンプレッサとスロットルバルブの間の吸気管圧力をいう。以下同じ。）およびコンプレッサ流量の各挙動を示す図であり、図３はサージ領域を示す図である。図２に示すように、減速要求がなされるとスロットル開度が小さくされ、スロットルバルブを設けた吸気路が閉じられる。そうすると、スロットル開度の変更後に過給圧が脈動し、コンプレッサ流量がゼロ付近を境に増減する。この理由は、スロットル開度を変更することで、スロットルバルブを通過する吸気の流量が減少するものの、タービンは暫くの間駆動し続けるので、コンプレッサによる過給が行われて過給圧が上昇するためである。

ここで、過給圧、コンプレッサ流量およびターボ回転数で特定される過給エンジンの運転状態が図３の点Ａにある場合に、減速要求がなされたとする。そうすると、タービンの駆動に伴い過給圧が上昇する一方で、コンプレッサ流量は減少していくので運転状態が点Ａから移動して図３のサージ領域に入る。サージ領域に入ると、コンプレッサを吸気が逆流して過給圧が低下し、コンプレッサ流量がマイナスになる。過給圧がある程度低下するとサージ領域から抜けるものの、コンプレッサを吸気が順流することで過給圧が再度上昇し、サージ領域に戻ってしまう。このような結果として、過給圧が脈動し、コンプレッサ流量がゼロ付近を境に増減する。

そこで、実施の形態１では、過給エンジン１の減速中のＷＧＶ４２Ｌ、４２Ｒの操作によって一方のバンクのターボ回転数を他方のバンクのターボ回転数よりも低くする制御を行っている。図４は、実施の形態１における制御を説明するためのタイミングチャートである。時刻ｔ_１で過給エンジン１に対する減速要求が出されたら、この時刻ｔ_１のタイミングで下流吸気路２２を閉じる方向にスロットル開度を変更し、バイパス流路４０Ｒ、３４Ｌを全開させる方向にＷＧＶ４２Ｌ、４２Ｒの開度を変更する。但し、バイパス流路４０Ｌは速やかに全開させるが、バイパス流路４０Ｒは緩やかに全開させる。これにより、減速中のターボ過給機４６Ｒよりもターボ過給機４６Ｌのターボ回転数を低くして、コンプレッサ４８Ｌ側で吸気を逆流させる。

図５は、ターボ回転数とサージ領域との関係を示す図である。図５に示すように、過給圧一定条件下でサージ領域に先に入るのは、ターボ回転数がより低い方である。つまり、ターボ過給機４６Ｒよりもターボ過給機４６Ｌのターボ回転数を低くすると、ターボ過給機４６Ｌ側が先にサージ領域に入り、吸気の逆流が発生する。但し、ターボ過給機４６Ｌのターボ回転数が低い間は、コンプレッサ４８Ｒ側よりもコンプレッサ４８Ｌ側の圧力が相対的に低い状態が続く。つまり、ターボ過給機４６Ｌ、４６Ｒのターボ回転数が等しくなるまでの間は、図６に示すような右バンク２Ｒ側から左バンク２Ｌ側に向かう吸気の流れが生じる。このように、実施の形態１の制御によれば、左バンク２Ｌ側では吸気の逆流が発生するものの、上述した過給圧の脈動が発生するのを抑制できる。

以上、実施の形態１によれば、過給エンジン１の減速中のＷＧＶ４２Ｌ、４２Ｒの操作によって、上述した過給圧の脈動が発生するのを抑制できる。従って、当該脈動の発生時に操作するＡＢＶを過給エンジン１に搭載せずに済むので、搭載コストを低減できる。また、搭載スペースに余裕が生まれるので、過給エンジン１の搭載自由度を高めることができる。過給エンジン１のコンパクト化にも寄与できる。

ところで、上記実施の形態１では、ＷＧＶ４２Ｌ、４２Ｒの操作によってターボ過給機４６Ｌ、４６Ｒのターボ回転数に差をつけた。しかし、例えば、可変バルブタイミング装置の操作によって左バンク２Ｌと右バンク２Ｒの内部ＥＧＲ量に差をつけてターボ過給機４６Ｌ、４６Ｒのターボ回転数に差をつけてもよい。点火プラグ６Ｌ、６Ｒの点火時期に差をつけることで、ターボ過給機４６Ｌ、４６Ｒのターボ回転数に差をつけてもよい。左バンク２Ｌと右バンク２Ｒの燃焼空燃比に差をつけることで、ターボ過給機４６Ｌ、４６Ｒのターボ回転数に差をつけてもよい。左バンク２Ｌと右バンク２Ｒのうち、ターボ回転数を低くする方のバンクのポート噴射弁や筒内噴射弁からの燃料噴射を停止させることで、ターボ過給機４６Ｌ、４６Ｒのターボ回転数に差をつけてもよい。或いは、過給エンジン１が外部ＥＧＲ装置を備える場合には、外部ＥＧＲ量に差をつけることでターボ過給機４６Ｌ、４６Ｒのターボ回転数に差をつけてもよい。このように、コンプレッサ４８Ｌ、４８Ｒを回転させる排気エネルギにエネルギ差を生じさせるような過給エンジンの制御であれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができるので、実施の形態１の変形例とすることができる。

なお、上記実施の形態１においては、吸気マニホールド２４Ｌが本発明の「第１吸気マニホールド」に、吸気マニホールド２４Ｒが本発明の「第２吸気マニホールド」に、排気マニホールド３６Ｌが本発明の「第１排気マニホールド」に、排気マニホールド３６Ｒが本発明の「第２排気マニホールド」に、上流吸気路１６Ｌが本発明の「第１上流吸気路」に、上流吸気路１６Ｒが本発明の「第２上流吸気路」に、下流吸気路２２が本発明の「下流吸気路」に、左バンク２Ｌが本発明の「第１気筒群」に、右バンク２Ｒが本発明の「第２気筒群」に、コンプレッサ４８Ｌが本発明の「第１コンプレッサ」に、コンプレッサ４８Ｒが本発明の「第２コンプレッサ」に、タービン５０Ｌが本発明の「第１タービン」に、タービン５０Ｒが本発明の「第２タービン」に、ＥＣＵ７０が本発明の「運転制御手段」に、それぞれ相当している。

実施の形態２．
次に、図７を参照しながら、本発明の実施の形態２を説明する。
なお、実施の形態２のシステム構成は、図１に示したシステム構成と同一であるため、説明を省略する。

［実施の形態２の特徴］
上記実施の形態１では、過給エンジン１の減速中、ターボ過給機４６Ｌ、４６Ｒのターボ回転数に差をつけた。しかし、ターボ回転数に差をつければ、排気マニホールド３６Ｌ、３６Ｒ内の圧力（背圧）にも差が生じる。そのため、背圧の小さい左バンク２Ｌ側に吸気がより多く入り、左バンク２Ｌと右バンク２Ｒの間でトルク差が生じてしまう。そこで、実施の形態２では、ターボ回転数の差が閾値以上となった際には、左バンク２Ｌの点火装置の点火時期を遅角して左バンク２Ｌのトルクを低下させ、左バンク２Ｌと右バンク２Ｒの間のトルク差を縮小する。従って、ドライバビリティの低下を未然に防止できる。なお、点火時期の遅角量は、例えば、左バンク２Ｌと右バンク２Ｒの吸気量差により推定できる。

図７は、実施の形態２においてＥＣＵ７０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図７の制御ルーチンは、過給エンジン１の運転中に繰り返して実行されるものとする。

図７の制御ルーチンにおいて、先ず、ＥＣＵ７０は、過給エンジン１が減速状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１０）。過給エンジン１が減速状態にあるか否かは、スロットルバルブ２６の開度センサ（図示しない）の出力とその変化速度とから判断することができる。過給エンジン１が減速状態にないと判定された場合、ＥＣＵ７０は本ルーチンを終了する。

ステップＳ１０において、過給エンジン１が減速状態にあると判定された場合、ＥＣＵ７０は、ＷＧＶ４２Ｌ、４２Ｒを操作する（ステップＳ１２）。例えば、バイパス流路４０Ｌを速やかに全開させるが、バイパス流路４０Ｒを緩やかに全開させるように、ＷＧＶ４２Ｌ、４２Ｒを操作する。

続いて、ＥＣＵ７０は、ターボ過給機４６Ｌ、４６Ｒのターボ回転数の差が閾値ＴＨ_１以上か否かを判定する（ステップＳ１４）。ターボ回転数の差が閾値ＴＨ_１以上であると判定された場合、ＥＣＵ７０は、左バンク２Ｌと右バンク２Ｒの吸気量差を算出し（ステップＳ１６）、点火プラグ６Ｌの点火時期を遅角側に変更する（ステップＳ１８）。これにより、左バンク２Ｌと右バンク２Ｒの間のトルク差を縮小する。一方、ターボ回転数の差が閾値ＴＨ_１未満であると判定された場合、ＥＣＵ７０は本ルーチンを終了する。

以上、実施の形態２によれば、上述した過給圧の脈動が発生するのを抑制し、尚且つ、ＷＧＶ４２Ｌ、４２Ｒの操作に伴い生じた左バンク２Ｌと右バンク２Ｒの間のトルク差を縮小することができるので、ドライバビリティの低下を未然に防止できる。

実施の形態３．
次に、図８を参照しながら、本発明の実施の形態３を説明する。
なお、実施の形態３のシステム構成は、図１に示したシステム構成と同一であるため、説明を省略する。

［実施の形態３の特徴］
上記実施の形態１では、過給エンジン１の減速中、ターボ過給機４６Ｌ、４６Ｒのターボ回転数に差をつけた。しかし、ターボ回転数の差が大きくなれば、過給エンジン１の再加速の際のレスポンスが低下するという問題がある。そこで、実施の形態３では、ターボ回転数の差が閾値以上となった際には、ＷＧＶ４２Ｌ、４２Ｒの開度差を小さくする。これにより、ターボ回転数差を縮小して再加速の際のレスポンスの低下を防止する。

図８は、実施の形態３においてＥＣＵ７０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図８の制御ルーチンは、過給エンジン１の運転中に繰り返して実行されるものとする。

図８の制御ルーチンにおいて、先ず、ＥＣＵ７０は、過給エンジン１が減速状態にあるか否かを判定し（ステップＳ２０）、過給エンジン１が減速状態にあると判定された場合、ＷＧＶ４２Ｌ、４２Ｒを操作する（ステップＳ２２）。ステップＳ２０、Ｓ２２の処理は、図７のステップＳ１０、Ｓ１２の処理と同一である。なお、ステップＳ２２の処理においては、バイパス流路４０Ｌを速やかに全開させ、尚且つ、バイパス流路４０Ｒを緩やかに全開させるように、ＷＧＶ４２Ｌ、４２Ｒが操作されているものとする。

続いて、ＥＣＵ７０は、ターボ過給機４６Ｌ、４６Ｒのターボ回転数の差が閾値ＴＨ_２以上か否かを判定する（ステップＳ２４）。ターボ回転数の差が閾値ＴＨ_２以上と判定された場合、ＥＣＵ７０は、ＷＧＶ４２Ｌ、４２Ｒの開度を補正する（ステップＳ２６）。具体的には、バイパス流路４０Ｒを全開するまでの時間を短縮するように、ＷＧＶ４２Ｒを操作する。これにより、ＷＧＶ４２Ｌ、４２Ｒの開度差を縮小してターボ回転数の差を閾値ＴＨ_２未満にする。一方、ステップＳ２４において、ターボ回転数の差が閾値未満と判定された場合、ＥＣＵ７０は本ルーチンを終了する。

以上、実施の形態３によれば、上述した過給圧の脈動が発生するのを抑制し、尚且つ、ＷＧＶ４２Ｌ、４２Ｒの操作に伴い生じたターボ回転数の差が大きくなり過ぎるのを
防止できるので、過給エンジン１の再加速の際のレスポンスの低下を防止できる。

１ 過給エンジン
２Ｌ 左バンク
２Ｒ 右バンク
１６Ｌ、１６Ｒ、２２ 吸気路
２４Ｌ、２４Ｒ 吸気マニホールド
２６ スロットルバルブ
３６Ｌ、３６Ｒ 排気マニホールド
４６Ｌ、４６Ｒ ターボ過給機
４８Ｌ、４８Ｒ コンプレッサ
５０Ｌ、５０Ｒ タービン
７０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 第１吸気マニホールドと第１排気マニホールドが接続された第１気筒群と、
   第２吸気マニホールドと第２排気マニホールドが接続された第２気筒群と、
   共通の下流吸気路を介して前記第１吸気マニホールドおよび第２吸気マニホールドと接続された第１上流吸気路および第２上流吸気路と、
   前記下流吸気路に設けられたスロットルバルブと、
   前記第１排気マニホールドの下流に設けられ、前記第１吸気マニホールドの上流に設けられた第１コンプレッサを排気エネルギにより回転させる第１タービンと、
   前記第２排気マニホールドの下流に設けられ、前記第２吸気マニホールドの上流に設けられた第２コンプレッサを排気エネルギにより回転させる第２タービンと、
   前記第１タービンと前記第２タービンの駆動中に前記下流吸気路を閉じる方向に前記スロットルバルブを操作する機関減速中に、前記第１コンプレッサを回転させる排気エネルギと、前記第２コンプレッサを回転させる排気エネルギとの間にエネルギ差が生じるように内燃機関を運転する運転制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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