JP2017115702A - 内燃機関の過給圧制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低圧条件下でも十分な過給圧を得ることができる内燃機関の過給圧制御装置を提供すること。
【解決手段】大気圧を検出する大気圧センサ７と、電磁弁９をデューティ比によって開閉駆動するＥＣＵ７０と、を備え、ＥＣＵ７０は、大気圧センサ７によって検出された大気圧が低下するに連れて電磁弁９が閉弁している時間を長くし、大気圧が所定の常圧条件のときと常圧条件より低い低圧条件のときとで過給圧が等しくなるように、デューティ比を補正する。ＥＣＵ７０は、大気圧センサ７によって検出された大気圧に基づいて、アクチュエータ１０が過給圧調整弁１５を開弁させるために必要となる必要負圧を算出し、必要負圧に基づいて、デューティ比を演算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の過給圧制御装置に関する。

ターボ過給機を備える内燃機関においては、ウェイストゲートバルブとアクチュエータとを備えることにより、過給圧を調整している。この内燃機関において、ウェイストゲートバルブは、タービンの上流側から下流側に排気ガスを迂回させる迂回通路に設けられており、この迂回通路を開閉する。また、アクチュエータは、過給圧が所定圧力より上昇した場合に、ウェイストゲートバルブを開弁させている。

この種の内燃機関の過給圧制御装置として特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載のものは、吸気通路に発生した負圧を開閉制御弁を介してアクチュエータに導くように構成し、開閉制御弁をデューティ制御することで、アクチュエータに導かれる負圧の大きさを調整して過給圧を調整している。また、特許文献１に記載のものは、大気圧に応じてデューティ比のスキップ量を変更することで、過給圧のオーバーシュートや過給圧の立ち上がりの遅れを防止している。

特開平４−０７６２２２号公報

ここで、内燃機関が直噴ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンである場合、吸気通路に発生する負圧が弱いため、負圧供給源として負圧ポンプが設けられている。この負圧ポンプは、高地走行時の低圧条件下では、常圧条件下よりも発生する負圧が弱くなるという特性がある。このため、低圧条件下では、負圧ポンプが発生する負圧が不足し、アクチュエータの参照圧室に作用する負圧が弱くなるため、常圧条件下よりも過給圧が低下してしまう。

しかしながら、従来の内燃機関の過給圧制御装置にあっては、負圧供給源として負圧ポンプを搭載した場合の過給圧の低下について考慮されていないため、低圧条件下で過給圧が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、低圧条件下でも十分な過給圧を得ることができる内燃機関の過給圧制御装置を提供することを目的としている。

本発明は、排気通路に配置されるタービンと、吸気通路に配置され、且つ、前記タービンによって駆動されるコンプレッサと、を有する過給器と、前記排気通路に設置され、開弁時に前記タービンの上流側から下流側に排気をバイパスさせる過給圧調整弁と、前記過給圧調整弁を駆動するアクチュエータと、を有し、前記アクチュエータは、前記吸気通路における前記コンプレッサの下流側の圧力が参照圧として導かれる参照圧室と、別途内燃機関に備えられた負圧ポンプの発生する負圧が導かれる負圧室と、で構成され、負圧ポンプの発生する負圧を前記過給圧調整弁へ導入する電磁弁と、を備える内燃機関の過給圧制御装置であって、大気圧を検出する大気圧検出部と、前記電磁弁をデューティ比によって開閉駆動量を決定する制御部と、を備え、前記制御部は、前記大気圧検出部によって検出された大気圧が低下するに連れて前記電磁弁が開弁している時間を長くし、大気圧が所定の常圧条件のときと前記常圧条件より低い低圧条件のときとで過給圧とが等しくなるように、前記デューティ比を補正することを特徴とする。

本発明によれば、低圧条件下でも十分な過給圧を得ることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の過給圧制御装置を示す図であり、内燃機関および過給圧制御装置の構成図である。 図２は、本発明の実施形態に係る内燃機関の過給圧制御装置を示す図であり、過給圧制御装置の構成図である。 図３は、本発明の実施形態に係る内燃機関の過給圧制御装置において実施される過給圧制御動作の流れを説明するフローチャートである。 図４は、本発明の実施形態に係る内燃機関の過給圧制御装置に記憶されているマップを示す図である。

以下、図１〜図４を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は、内燃機関６０と、この内燃機関６０の過給圧を制御する過給圧制御装置としてのＥＣＵ７０（Electronic Control Unit）を示している。

図１において、本発明の実施形態に係る内燃機関の過給圧制御装置を搭載した車両５０は、内燃機関６０と、ＥＣＵ７０とを含んで構成されている。

内燃機関６０は、ピストン５が気筒を２往復する間に吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行う４サイクルエンジンによって構成されている。

内燃機関６０はターボ過給機３を備えており、このターボ過給機３は、コンプレッサ３Ａとタービン３Ｂとを回転軸３Ｃで連結して構成されている。コンプレッサ３Ａはタービン３Ｂによって駆動される。ターボ過給機３は、本発明における過給機を構成している。

内燃機関６０は、吸気通路６１Ａを形成する吸気管６１と、排気通路６２Ａを形成する排気管６２とを備えている。

吸気通路６１Ａには、上流側から順次に、エアクリーナ１と、ターボ過給機３のコンプレッサ３Ａと、インタークーラ４とが配置されている。

排気通路６２Ａには、上流側から順次に、ターボ過給機３のタービン３Ｂと、排気ガス浄化装置２４とが配置されている。

内燃機関６０は、インジェクタ２３を備えており、このインジェクタ２３は、高圧の燃料を燃焼室６４に噴射する。インジェクタ２３が噴射する燃料は、ガソリンまたはディーゼル燃料である。すなわち、内燃機関６０は、直噴ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンとして構成されている。

内燃機関６０は、過給圧センサ６を吸気通路６１Ａに備えている。過給圧センサ６は、コンプレッサ３Ａの下流側の吸気圧を過給圧として検出し、検出信号をＥＣＵ７０に出力する。

内燃機関６０は、大気圧センサ７を備えており、この大気圧センサは、内燃機関６０の周辺の大気圧を検出して検出信号をＥＣＵ７０に出力する。大気圧センサ７は、本発明における大気圧検出部を構成している。

内燃機関６０は、アクセル開度センサ８を備えており、このアクセル開度センサ８は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量をアクセル開度として検出し、検出信号をＥＣＵ７０に出力する。

内燃機関６０は、負圧を発生する負圧ポンプ２１を備えており、この負圧ポンプ２１で発生した負圧は、図示しないブレーキの制動力を増加させるためのマスターバッグ２２と、後述するアクチュエータ１０とにおいて用いられる。

内燃機関６０は、ターボ過給機３の過給圧を調整するために、排気バイパス通路１４と、過給圧調整弁１５と、アクチュエータ１０と、を備えている。

排気バイパス通路１４は、排気通路６２Ａにおけるタービン３Ｂの上流側と下流側とに連通している。過給圧調整弁１５は、排気通路６２Ａに設置されており、開弁時にタービン３Ｂの上流側から下流側に排気をバイパスさせる。過給圧調整弁１５は、ウェイストゲートバルブとも呼ばれる。アクチュエータ１０は、過給圧調整弁１５の開度を制御する。

過給圧調整弁１５が全閉状態では、排気の全量がタービン３Ｂに流入して、ターボ過給機３の回転数が上昇し、コンプレッサ出口圧力が上昇する。

一方、過給圧調整弁１５が開弁すると、排気の一部が排気バイパス通路１４を通過し、タービン３Ｂをバイパスして排気通路６２Ａに流出するため、タービン３Ｂを通過する排気流量が低下して、ターボ過給機３の回転数は低下する。

すなわち、過給圧調整弁１５の開度を大きくすることによりターボ過給機３の回転数を低下させて過給圧を低下させることができる。

アクチュエータ１０は、ダイヤフラム１７により仕切られた参照圧室１１及び負圧室１２と、負圧室１２においてダイヤフラム１７を参照圧室１１側に所定の付勢力で付勢する図示しないスプリングと、を有している。

負圧室１２は負圧ポンプ２１に連通しており、負圧ポンプ２１から電磁弁９を介して導かれる。参照圧室１１は、連通通路１３を介して吸気通路６１Ａにおけるコンプレッサ３Ａの下流側に連通している。参照圧室１１には、この連通通路１３により吸気通路６１Ａにおけるコンプレッサ３Ａの下流側の圧力（過給圧）が導かれる。

また、アクチュエータ１０はアーム１６を有しており、このアーム１６は、ダイヤフラム１７と過給圧調整弁１５とを連結している。アーム１６は、ダイヤフラム１７とともに移動することで、過給圧調整弁１５を開閉する。具体的には、アーム１６は、ダイヤフラム１７が負圧室１２側に移動するに連れて過給圧調整弁１５の開度を大きくする。すなわち、アクチュエータ１０は、参照圧室１１と負圧室１２との圧力差により、過給圧調整弁１５を開弁側に駆動する。

具体的には、過給圧調整弁１５は、参照圧室１１内の圧力である参照圧と、負圧室１２内の圧力である負圧及びスプリングの付勢力との釣り合いにより開閉される。

コンプレッサ３Ａの出口近傍の圧力が導入される参照圧と負圧との差圧が、スプリングの付勢力以下のときには、過給圧調整弁１５は全閉状態となり、ターボ過給機３の過給圧が上昇する。ターボ過給機３の過給圧が上昇すると参照圧も上昇して差圧が大きくなる。

ターボ過給機３の過給圧が上昇して、差圧が付勢力より大きくなると、過給圧調整弁１５は開き、差圧が付勢力より大きくなるに連れて過給圧調整弁１５の開度が大きくなり、ターボ過給機３の回転数が低下して過給圧は低下する。

過給圧が低下すると参照圧も低下して差圧が低下する。このように、過給圧調整弁１５は、参照圧室１１と負圧室１２との差圧が一定となるように制御する。

また、内燃機関６０は、負圧ポンプ２１と参照圧室１１とに連通する連通通路１８と、この連通通路１８に配置された電磁弁９とを備えている。電磁弁９は、負圧ポンプ２１の発生する負圧を開弁時に参照圧室に導く。

この電磁弁９により、連通通路１８の流路面積が調整され、負圧が制御される。電磁弁９は、デューティ比制御されるソレノイド弁から成り、ＥＣＵ７０に電気的に接続されている。電磁弁９は、ＶＳＶ（Vacuum Switching Valve）とも呼ばれる。

ＥＣＵ７０は、要求エンジントルクに基づいて決定された駆動信号を電磁弁９に送信する。駆動信号は、デューティ信号である。ＥＣＵ７０は、駆動信号によって電磁弁９を開閉することにより連通通路１８の流路面積を調整して参照圧を制御する。

ＥＣＵ７０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータを含んで構成されており、内燃機関６０の運転状態を電気的に制御するようになっている。

ＣＰＵは、ＲＡＭの一時記憶機能を利用するとともにＲＯＭに予め記憶されたプログラムに従って信号処理を行うようになっている。ＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等が予め記憶されている。

図２において、ＥＣＵ７０には、図示しないアクセル開度センサ８からのアクセル開度と、大気圧センサ７からの大気圧とが少なくとも入力される。ＥＣＵ７０は、アクセル開度、大気圧等を含む各種の検出信号に基づいて、内燃機関６０の制御パラメータを決定する。ＥＣＵ７０は、制御パラメータを内燃機関６０の各制御対象に出力する。ＥＣＵ７０の制御対象には電磁弁９が含まれる。制御パラメータには、電磁弁９の駆動信号が含まれる。

本実施形態では、ＥＣＵ７０は、内燃機関６０に要求されるトルク（要求トルク）に応じて、内燃機関６０の各部を調整する制御（以下、「トルクベース制御」ともいう）を実行するようになっている。要求トルクは、アクセル開度等に基づいて決定される。

ここで、この内燃機関６０では、過給圧調整弁１５は、参照圧室１１と負圧室１２との差圧が一定となるように制御する。また、内燃機関６０において、高地では大気圧の低下に伴って低地より負圧ポンプ２１の発生する負圧が弱くなり、負圧に不足が生じる。ここで、負圧ポンプ２１の発生する負圧が弱くなる、とは、負圧ポンプ２１の発生する絶対圧力が高くなることである。

このため、高地走行時等で大気圧の低い低圧条件下では、低地走行時等で大気圧が通常の常圧条件下と比較して、より低い参照圧（低い過給圧）で過給圧調整弁１５が開弁することになる。このため、エンジン出力が低下してしまう。

そこで、ＥＣＵ７０は、ターボ過給機３の過給圧を適性値に制御するために、制御部７１と過給圧調整部７２とを備えている。制御部７１は、電磁弁９をデューティ比によって開閉駆動するようになっている。

過給圧調整部７２は、大気圧が所定の常圧条件のときと常圧条件より低い低圧条件のときとで過給圧が等しくなるように、電磁弁９のデューティ比を補正するようになっている。

具体的には、過給圧調整部７２は、大気圧センサ７によって検出された大気圧が低下するに連れて電磁弁９が閉弁している時間を長くすることで、大気圧が所定の常圧条件のときと常圧条件より低い低圧条件のときとで過給圧が等しくなるように、電磁弁９のデューティ比を補正するようになっている。

次に、図３を参照して、本実施形態に係る内燃機関の過給圧制御装置においてＥＣＵ７０により実行される過給圧制御動作について説明する。この過給圧制御動作は、システムの起動中は、所定の短い周期で繰り返し実行される。

図３において、ＥＣＵ７０は、要求過給圧を取得し、かつ、大気圧を検出する（ステップＳ１）。このステップＳ１では、ＥＣＵ７０は、予めアクセル開度等から要求エンジントルクを算出するとともに、この要求エンジントルクを満たす要求過給圧を算出しておき、算出済の要求過給圧を取得する。また、大気圧センサ７により大気圧を検出する。

次いで、ＥＣＵ７０は、要求過給圧まで過給圧を上昇させるために必要な負圧を、必要負圧として算出する（ステップＳ２）。詳しくは、必要負圧は、要求過給圧を得るためにアクチュエータの参照圧室に作用させる必要のある負圧である。

次いで、ＥＣＵ７０は、大気圧が所定値以下であるか否かを判別する（ステップＳ３）。

ステップＳ３で大気圧が所定値以下であると判別した場合は、ＥＣＵ７０はステップＳ４に進み、ステップＳ３で大気圧が所定値より大きいと判別した場合は、ＥＣＵ７０はステップＳ６に進む。

ステップＳ４において、ＥＣＵ７０は、ステップ２で算出した必要負圧と現在の負圧との差を、不足負圧として演算する。

ステップＳ４の後、ＥＣＵ７０は、必要負圧と不足負圧とから補正負圧を算出する（ステップＳ５）。詳しくは、ＥＣＵ７０は、ステップＳ４で演算した不足負圧を、ステップＳ２で算出した必要負圧に加算することで、補正負圧を算出する。この補正負圧に基づいて演算されたデューティ比では、電磁弁９が閉弁している時間が長くなっている。

ステップＳ６で、ＥＣＵ７０は、電磁弁に指示するデューティ比（図中、指示デューティと記す）を演算する（ステップＳ６）。このステップＳ６では、ステップＳ３で大気圧が所定値より大きかった場合は、必要負圧が満たされているとして、必要負圧に基づいてデューティ比を演算する。

一方、ステップＳ３で大気圧が所定値以上であった場合は、ステップＳ２で演算した必要負圧に基づいてデューティ比を演算する。

このように、低圧条件下では負圧ポンプの発生する負圧が弱くなり、必要負圧に対して負圧が不足するため、図３の過給圧制御動作では、不足分の負圧が必要負圧に上乗せされるようにデューティ比を決定している。

この過給圧制御動作の結果、図４に示すように、デューティ比（図中、制御デューティと記す）がＤ１からＤ２に変更され、必要負圧Ｐ２を確保することができる。図４は、デューティ比と負圧との相関を、常圧条件下（実線）および低圧条件下（破線）のそれぞれについて示している。

図４において、常圧条件下では、デューティ比をＤ１とすることで必要負圧Ｐ２を得ることができるが、低圧条件下では、デューティ比がＤ１のままであると、負圧がＰ１となり、不足負圧が生じる。

そこで、本実施形態では、低圧条件下では、デューティ比をＤ１からＤ２に変更することで、電磁弁が閉弁している時間を長くし、必要負圧Ｐ２を得ることができる。ＥＣＵ７０は、図４のように常圧条件下と低圧条件下とに対してデューティ比を定めたマップを記憶しており、このマップを参照してデューティ比を決定している。

以上説明したように、本実施形態では、大気圧を検出する大気圧センサ７と、電磁弁９をデューティ比によって開閉駆動するＥＣＵ７０と、を備えている。

そして、ＥＣＵ７０は、大気圧センサ７によって検出された大気圧が低下するに連れて電磁弁９が閉弁している時間を長くし、大気圧が所定の常圧条件のときと常圧条件より低い低圧条件のときとで過給圧が等しくなるように、デューティ比を補正する。

この構成により、低圧条件下においても、電磁弁９の閉動作時間を常圧下より長くすることで、十分な過給圧を得ることができる。

また、本実施形態において、ＥＣＵ７０は、大気圧センサ７によって検出された大気圧に基づいて、アクチュエータ１０が過給圧調整弁１５を開弁させるために必要となる必要負圧を算出し、必要負圧に基づいて、デューティ比を演算する。

この構成により、必要負圧を算出し、必要負荷に基づいたデューティ比を演算することで、１つの負圧ポンプを用いて十分な過給圧を確保することができる。

また、本実施形態において、ＥＣＵ７０は、大気圧センサ７によって検出された大気圧に基づいて、必要負圧と、必要負圧に対して不足する不足負圧と、を算出し、必要負圧に不足負圧を加算した補正負圧に基づいて、デューティ比を演算する。

この構成により、大気圧に基づいて算出された不足負圧を必要負圧に加算してから、電磁弁９の駆動量を決定するデューティ比を演算することで、低圧条件下においても好適に過給を行うことができる。

上述の通り、本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

３ ターボ過給機（過給機）
３Ａ コンプレッサ
３Ｂ タービン
７ 大気圧センサ（大気圧検出部）
９ 電磁弁
１０ アクチュエータ
１１ 参照圧室
１２ 負圧室
１５ 過給圧調整弁
２１ 負圧ポンプ
６０ 内燃機関
６１Ａ 吸気通路
６２Ａ 排気通路
７０ ＥＣＵ（制御部）

Claims (3)

1. 排気通路に配置されるタービンと、吸気通路に配置され、且つ、前記タービンによって駆動されるコンプレッサとを有する過給機と、
   前記排気通路に設置され、開弁時に前記タービンの上流側から下流側に排気をバイパスさせる過給圧調整弁と、
   前記吸気通路における前記コンプレッサの下流側の圧力が参照圧として導かれる参照圧室と、負圧が導かれる負圧室と、を有し、前記参照圧と前記負圧との圧力差により、前記過給圧調整弁を開弁側に駆動するアクチュエータと、
   負圧を発生する負圧ポンプと、
   負圧ポンプの発生する負圧を開弁時に前記負圧室に導く電磁弁と、を備える内燃機関の過給圧制御装置であって、
   大気圧を検出する大気圧検出部と、
   前記電磁弁をデューティ比によって開閉駆動する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記大気圧検出部によって検出された大気圧が低下するに連れて前記電磁弁が閉弁している時間を長くし、大気圧が所定の常圧条件のときと前記常圧条件より低い低圧条件のときとで過給圧が等しくなるように、前記デューティ比を補正することを特徴とする内燃機関の過給圧制御装置。
2. 前記制御部は、
   前記大気圧検出部によって検出された大気圧に基づいて、前記アクチュエータが前記過給圧調整弁を開弁させるために必要となる必要負圧を算出し、
   前記必要負圧に基づいて、前記電磁弁をデューティ比を演算することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の過給圧制御装置。
3. 前記制御部は、
   前記大気圧検出部によって検出された大気圧に基づいて、前記必要負圧と、前記必要負圧に対して不足する不足負圧と、を算出し、
   前記必要負圧に前記不足負圧を加算した補正負圧に基づいて、デューティ比を演算することを特徴とする請求項２に記載の過給圧制御装置。