JP2017150314A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の減速燃料カット中においてピストン温度の過剰な上昇を抑えることのできる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関は、吸気通路に配置されるコンプレッサと、コンプレッサよりも下流に配置されたスロットルバルブと、スロットルバルブよりも下流に配置される電動過給機と、スロットルバルブよりも下流且つ電動過給機よりも上流に排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲバルブ及びＥＧＲクーラと、を有する。制御装置は、内燃機関の減速中に燃料カットが行なわれている場合において、内燃機関のピストン温度が所定温度よりも大きい場合に、ＥＧＲバルブを開き、スロットルバルブを閉じ、そして電動過給機を駆動する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、電動過給機と、高圧ＥＧＲ装置と、パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）とを備えたディーゼルエンジンに関する技術が開示されている。この技術では、ＤＰＦの温度が予め設定された基準温度よりも低い状態において、ＤＰＦの下流側温度と上流側温度との差が、予め設定された温度差を超えるときには、ＥＧＲバルブを開弁させるとともに電動過給機を駆動させることが行なわれる。これにより、吸気通路内の低温の空気がエンジン本体を迂回してＥＧＲ通路を通って排気通路に導入されるので、ＤＰＦの熱劣化が防止される。

特開２００９−２０９７２１号公報 特開２００８−０６４０６０号公報 特開２００８−２７４８３３号公報

ところで、エンジンの内部にはエンジンオイルが循環されている。エンジンオイルは、エンジン内部の部品間の潤滑や、ピストン等の内部部品の冷却を行う機能を有している。一般的に、エンジンオイルの循環にはエンジンの回転力を利用する機械式のオイルポンプが使用される。このような機械式のオイルポンプでは、吐出量がエンジン回転速度に依存するため、エンジン回転速度が低い状態ではオイルポンプからの吐出量が減少してしまう。このため、エンジンの回転速度が急速に低下する減速時においては、エンジンオイルによる冷却能力が急激に低下し、ピストンの温度上昇によるオイル劣化が顕著になるおそれがある。特に、内燃機関の減速中に燃料カットが行われるような運転条件においては、目標吸入空気量を減らしてエンジンブレーキの効果を高めることがあり、ピストン温度が過剰に上昇し易い。

上記特許文献１の技術では、ＤＰＦの熱劣化を抑制するために、電動過給機を駆動するとともにＥＧＲバルブを開弁することが行なわれるが、この動作では吸気通路内の低温の空気がエンジン本体を迂回して排気通路へ導入される。このため、内燃機関の減速燃料カット中においてピストン温度が上昇した場合に上記特許文献１の技術を適用したとしても、ピストンの冷却を行うことはできない。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、内燃機関の減速燃料カット中においてピストン温度の過剰な上昇を抑えることのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、吸気通路に配置されて排気によって駆動されるコンプレッサと、吸気通路のコンプレッサよりも下流に配置されたスロットルバルブと、吸気通路のスロットルバルブよりも下流に配置されて電力によって駆動される電動過給機と、吸気通路のスロットルバルブよりも下流且つ電動過給機よりも上流に排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲバルブ及びＥＧＲクーラと、を有する内燃機関を制御する制御装置を対象としている。そして、制御装置は、内燃機関の減速中に燃料カットが行なわれている場合において、内燃機関のピストン温度が所定温度よりも大きい場合に、ＥＧＲバルブを開き、スロットルバルブを閉じ、そして電動過給機を駆動するように構成されている。

本発明によれば、内燃機関の減速中に燃料カットが行なわれている場合において、内燃機関のピストン温度が所定温度よりも大きい場合に、ＥＧＲバルブを開き、スロットルバルブを閉じ、そして電動過給機を駆動することが行なわれる。これにより、新気の導入が制限されるとともに、ＥＧＲクーラを通過した低温の排気ガスが電動過給機の駆動によって内燃機関へと導入される。これにより、新気を導入することなくピストンを冷却することが可能となる。

本発明の実施の形態１のシステムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態１のシステムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２のシステムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３のシステムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態３のシステムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステムの構成を示す図である。図１に示すシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、ディーゼルエンジンであり、車両に搭載され、その動力装置とされている。内燃機関１０のエンジン本体１２には、吸気通路１４および排気通路１６が接続されている。なお、図１にはエンジン本体１２に４つの気筒が描かれているが、これは一例であって、本発明に係る内燃機関の気筒数に限定はない。各気筒の内部にはスチール製のピストン（図示せず）が配置されている。

吸気通路１４には、吸入空気を過給するためのターボ過給機２０のコンプレッサ２０ａが配置されている。ターボ過給機２０は、タービン２０ｂを排気通路１６に備えている。コンプレッサ２０ａは、連結軸を介してタービン２０ｂと一体的に連結され、タービン２０ｂへ流れる排気によって駆動される。

コンプレッサ２０ａよりも下流側の吸気通路１４には、コンプレッサ２０ａによって圧縮された空気を冷却するためのインタークーラ２２が配置されている。インタークーラ２２よりも下流側の吸気通路１４には、吸気通路１４を開閉する電子制御式のスロットルバルブ２４が配置されている。スロットルバルブ２４は、内燃機関へ導入される新気を調整するアクチュエータとして機能するものである。

スロットルバルブ２４よりも下流側の吸気通路１４には、電動過給機２６が配置されている。電動過給機２６は、電動機２６ａによって駆動される。電動機２６ａには、バッテリ（図示せず）から電力が供給される。吸気通路１４には、電動過給機２６をバイパスするバイパス通路２８が設けられている。バイパス通路２８には、バイパス通路を開閉するバイパスバルブ３０が配置されている。

各気筒からの排気は、排気通路１６に配置されたタービン２０ｂへ送られる。タービン２０ｂよりも上流側の排気通路１６は、ＥＧＲ通路３２によってスロットルバルブ２４と電動過給機２６との間の吸気通路１４に接続されている。ＥＧＲ通路３２にはＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ３４が配置されている。ＥＧＲクーラ３４よりも下流側のＥＧＲ通路３２には、ＥＧＲ通路３２を開閉するＥＧＲバルブ３６が配置されている。

排気通路１６には、タービン２０ｂをバイパスするタービンバイパス通路４０が設けられている。タービンバイパス通路４０には、タービンバイパス通路４０を開閉するウエストゲートバルブ（ＷＧＶ）４２が配置されている。タービン２０ｂよりも下流側の排気通路１６には、排気浄化触媒４４及び排気絞り弁４６がこの順に設けられている。

内燃機関１０には、油圧、油温、冷却水温等の運転状態に関する情報を得るためのセンサが各所に取り付けられている。また、吸気通路１４に取り込まれた新気の流量を計測するためのエアフローメータや、クランク軸の回転を検出するクランク角センサ、アクセルペダルの操作量に応じた信号を出力するアクセルポジションセンサなども設けられている。

図１に示すシステムは、内燃機関１０を制御する制御装置５０を備える。制御装置５０はＥＣＵである。制御装置５０は、少なくとも入出力インタフェース、メモリ、ＣＰＵを有している。入出力インタフェースは、内燃機関１０又は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、内燃機関１０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。メモリには、内燃機関１０を制御するための各種の制御プログラムやマップが記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラムをメモリから読みだして実行し、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のシステム動作］
（ピストン温度について）
ピストンはエンジン本体１２の筒内に配置されているため、冷却水によって直接冷却することができない。このため、ピストンの冷却にはエンジンオイルが用いられる。より詳しくは、エンジン本体１２の内部にはエンジンオイルが循環されている。エンジンオイルは、オイルポンプにより吸い上げられてオイルジェットからピストンの裏面のクーリングチャンネルに向かって噴射される。これにより、ピストンが冷却されるとともに、エンジン本体１２の各部品が潤滑される。

ピストン温度が過剰に上昇すると、エンジンオイルが炭化してピストンに付着し、その結果、機関性能が低下するおそれがある。一方において、ピストン温度が過剰に冷却されると、冷却損失が増大して機関効率が低下してしまう。このため、内燃機関１０は、通常の運転状態においてピストン温度が適切な温度範囲となるように、ピストンの材質、オイルポンプの能力等、種々の諸元が決められている。

ここで、オイルポンプが内燃機関１０の回転力を利用する機械式のものである場合、ピストン温度は内燃機関１０の運転状態によって大きく変動する。すなわち、オイルポンプの吐出量はエンジン負荷に依存しない。このため、エンジン回転速度が一定の条件においては、オイルポンプの吐出量はエンジン負荷の変化に対して一定となる。一方、オイルポンプの吐出量は、エンジン回転速度に依存する。このため、エンジン負荷が一定の条件においては、オイルポンプの吐出量はエンジン回転速度が大きくなるほど大きくなる。

また、吸入空気量はエンジン回転速度に依存する。より詳しくは、吸入空気量は、エンジン回転速度とエンジン負荷に依存するが、減速時においてはエンジン回転速度に対する依存が大きくなる。このため、エンジン回転速度が小さくなると、これに伴い吸入空気量は小さくなる。

このように、エンジン回転速度が減少すると、それに伴いオイルポンプの吐出量及び吸入空気量が減少する。つまり、アクセルペダルの操作がオフにされてエンジン回転速度が減少する内燃機関１０の減速中においては、オイルポンプの吐出量（オイルジェット流量）が減少するため、ピストンの冷却性能も低下することとなる。更に、吸入空気量が減少すると筒内からの放熱量も減るため、ピストンの冷却性能が低下することとなる。このため、内燃機関１０の減速中には、ピストン温度が上昇する傾向となる。

また、ピストンの温度変化は、ピストンの材質によっても変化する。すなわち、スチール（鉄）製のピストンはアルミニウム製のピストンよりも熱伝導率が小さい。このため、スチール（鉄）製のピストンが用いられている内燃機関１０では、エンジンオイルによるピストンの冷却能力が低下する減速時において、ピストン温度の上昇がより顕著に表れる傾向にある。

（実施の形態１のシステムの特徴的動作）
上述したように、内燃機関１０の減速中には、ピストン温度が過剰に上昇する場合がある。特に、内燃機関１０が高負荷且つ高回転による連続運転を行っている状態から減速するような運転条件において、ピストン温度が過剰に上昇し易い。そこで、本実施の形態のシステムでは、ピストン温度が過剰に上昇した場合に、ピストンの冷却量を増やすためのピストン冷却制御を実行する。具体的には、制御装置５０は、ピストン温度が過剰に上昇した場合に、スロットルバルブ２４を閉じ、ＥＧＲバルブ３６を開き、そして電動過給機２６を駆動する。このような動作によれば、ＥＧＲクーラ３４を通過した低温の排気が電動過給機２６によって筒内へと導入される。これにより、新気を導入することなく筒内へ低温のガスを導入することができるので、排気浄化触媒４４の温度低下を抑制しつつピストン温度の上昇を抑制することが可能となる。

なお、ピストン温度は、ピストンへの入熱量と放熱量に基づいて推定することができる。ピストンへの入熱量は、例えば、エンジン回転速度、燃料噴射量及び吸入空気量等を用いて推定することができる。また、ピストンの放熱量は、エンジンオイルの油量及び油温等を用いて推定することができる。入熱量から放熱量を差し引いた偏差が、ピストンの保有する熱量となるため、この熱量からピストン温度を推定することができる。

また、上述したピストン冷却制御では、筒内へ多量の排気が導入されるため失火が発生し易くなる。そこで、ピストン冷却制御は、内燃機関１０の減速中において燃料カットが実行される減速燃料カット（減速Ｆ／Ｃ）中に行うことが好ましい。これにより、失火を抑制しつつピストン温度の上昇を抑制することが可能となる。

また、上述したピストン冷却制御では、電動過給機２６を駆動する際にバイパスバルブ３０又はＷＧＶ４２（好ましくは両方）を閉じることが好ましい。これにより、より多量の排気ガスを筒内へと導入することができるので、ピストン温度の上昇を抑制する効果を更に高めることが可能となる。

［実施の形態１のシステムにおいて実行される具体的処理］
次に、実施の形態１のシステムにおいて実行されるピストン冷却制御の具体的処理について説明する。図２は、実施の形態１のシステムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。なお、図２に示すルーチンは、制御装置５０によって所定の制御周期で繰り返し実行される。

図２に示すルーチンでは、現在のピストン温度が推定される（ステップＳ２）。ここでは、具体的には、先ずピストン冷却制御に必要な各種のデータとして、エンジン回転速度、燃料噴射量、吸入空気量等が取得される。そして、ピストンへの入熱量と放熱量に基づいて、ピストン温度が推定される。

次に、内燃機関１０の減速Ｆ／Ｃ中か否かが判定される（ステップＳ４）。なお、内燃機関１０の減速Ｆ／Ｃ中か否かの判定は、アクセルポジションセンサによって検出されるアクセル操作がオフとされたか否か、そしてその際に燃料カットの要求が出されているか否かによって判定することができる。その結果、ステップＳ４の条件の成立が認められない場合には、ピストン温度が過剰に上昇するおそれがないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップＳ４の条件の成立が認められた場合には、ピストン温度が過剰に上昇するおそれがあると判断されて、次のステップに移行して、上記ステップＳ２において計算されたピストン温度が所定温度よりも高温側の値か否かが判定される（ステップＳ６）。所定温度は、内燃機関１０の信頼性を担保可能なピストン温度の上限温度として予め定められた値が用いられる。その結果、ステップＳ６の条件の成立が認められない場合には、ピストンの冷却が不要であると判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップＳ６の条件の成立が認められた場合には、ピストン温度が過剰に上昇するためピストンの冷却が必要と判断されて、次のステップに移行する。次のステップでは、スロットルバルブ２４が閉じられ、ＥＧＲバルブ３６が開かれ、そして、電動過給機２６が駆動される（ステップＳ８）。

このように、実施の形態１のシステムによれば、ピストン温度が過剰に上昇するおそれがある場合に、ＥＧＲクーラ３４を通過した低温の排気が筒内に導入される。これにより、ピストンの冷却が効率よく行われるのでピストンの過剰な温度上昇が抑制される。また、実施の形態１のシステムによれば、新気を導入することなく筒内にガスを流し続けることができるので、排気浄化触媒４４に多量の排気が導入されて温度が低下することを抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムでは、内燃機関１０としてディーゼルエンジンを採用した例を説明したが、ガソリンエンジン等の他のレシプロエンジンにも適用することができる。このことは、後述する実施の形態２及び３のシステムにおいても同様である。

また、上述した実施の形態１のシステムでは、ＥＧＲクーラ３４を通過した低温の排気を筒内に導入するために、スロットルバルブ２４を閉じ、ＥＧＲバルブ３６を開き、そして電動過給機２６を駆動することとしたが、この際にバイパスバルブ３０及びＷＧＶ４２を閉じることが好ましい。これにより、排気の筒内への導入量を更に増やすことができる。このことは、後述する実施の形態２及び３のシステムにおいても同様である。

また、上述した実施の形態１のシステムでは、スチール製のピストンを用いた内燃機関１０を例に説明したが、アルミニウム製のピストン等、他の材質のピストンにも適用することができる。このことは、後述する実施の形態２及び３のシステムにおいても同様である。

実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、制御装置５０に後述する図３のフローチャートを実行させることにより実現することができる。

実施の形態２のシステムでは、ピストン冷却制御に加えてコンプレッサ２０ａのサージを回避するための動作も行う点に特徴を有している。すなわち、内燃機関１０の減速時にはタービン２０ｂの回転速度が高い状態にある。このため、この状態でスロットルバルブ２４が閉じられると、コンプレッサ２０ａにおいてサージが引き起こされるおそれがある。

そこで、実施の形態２のシステムでは、内燃機関１０の減速Ｆ／Ｃ中にピストン温度が所定温度よりも高い場合に、過給圧が所定圧よりも低くなった後にピストン冷却制御の動作を行うこととしている。これにより、コンプレッサ２０ａのサージを回避しつつピストンの冷却を行うことが可能となる。

［実施の形態２のシステムにおいて実行される具体的処理］
次に、実施の形態２のシステムにおいて実行されるピストン冷却制御の具体的処理について説明する。図３は、実施の形態２のシステムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。なお、図３に示すルーチンは、制御装置５０によって所定の制御周期で繰り返し実行される。

図３に示すルーチンにおけるステップＳ２、Ｓ４及びＳ６では、上述した図２に示すルーチンにおけるステップＳ２、Ｓ４及びＳ６と同様の処理が実行される。その結果、ステップＳ６の条件の成立が認められない場合には、ピストンの冷却が不要であると判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップＳ６の条件の成立が認められた場合には、ピストン温度が過剰に上昇するためピストンの冷却が必要と判断されて、次のステップに移行する。次のステップでは、過給圧が所定圧よりも小さいか否かが判定される（ステップＳ７）。所定圧は、スロットルバルブ２４を閉じたとしてもコンプレッサ２０ａにサージが発生しない過給圧の上限値として、予め設定された値が読み込まれる。その結果、過給圧＜所定圧の成立が認められない場合には、スロットルバルブ２４の閉じ動作によってコンプレッサ２０ａにサージが発生すると判断されて、ピストン冷却制御の動作には移行せずに本ルーチンは終了される。

一方、上記ステップＳ７の処理において、過給圧＜所定圧の成立が認められた場合には、スロットルバルブ２４を閉じてもコンプレッサ２０ａにサージが発生しないと判断されて、次のステップＳ８に移行して、スロットルバルブ２４が閉じられ、ＥＧＲバルブ３６が開かれ、そして、電動過給機２６が駆動される。

このように、実施の形態２のシステムによれば、ピストン温度が過剰に上昇するおそれがある場合に、コンプレッサ２０ａにサージが発生しない過給圧まで低下した後にピストン冷却制御の動作が行われる。これにより、コンプレッサ２０ａでのサージの発生を回避しつつピストンの冷却を効率よく行うことが可能となる。

実施の形態３．
［実施の形態３の特徴］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図４は、実施の形態３のシステム構成を示す図である。図４に示すように、本実施の形態のシステムは、吸気通路１４においてコンプレッサ２０ａをバイパスするエアバイパス通路５２と、エアバイパス通路５２の開閉を行うエアバイパスバルブ（ＡＢＶ）５４を更に備えている点を除き、実施の形態１と同様のハードウェア構成を備えている。

実施の形態３のシステムでは、ピストン冷却制御において、ＡＢＶ５４を用いてコンプレッサ２０ａのサージを回避する動作に特徴を有している。すなわち、実施の形態３のシステムでは、内燃機関１０の減速Ｆ／Ｃ中にピストン温度が所定温度よりも高い場合に、上述したスロットルバルブ２４の閉じ動作、ＥＧＲバルブ３６の開動作及び電動過給機２６の稼動に加えて、ＡＢＶ５４の開動作が行なわれる。これにより、コンプレッサ２０ａのサージを回避しつつピストンの冷却を行うことが可能となる。

［実施の形態３のシステムにおいて実行される具体的処理］
次に、実施の形態３のシステムにおいて実行されるピストン冷却制御の具体的処理について説明する。図５は、実施の形態３のシステムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。なお、図５に示すルーチンは、制御装置５０によって所定の制御周期で繰り返し実行される。

図５に示すルーチンにおけるステップＳ２、Ｓ４及びＳ６では、上述した図２に示すルーチンにおけるステップＳ２、Ｓ４及びＳ６と同様の処理が実行される。その結果、ステップＳ６の条件の成立が認められない場合には、ピストンの冷却が不要であると判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップＳ６の条件の成立が認められた場合には、ピストン温度が過剰に上昇するためピストンの冷却が必要と判断されて、次のステップに移行する。次のステップでは、スロットルバルブ２４が閉じられ、ＥＧＲバルブ３６が開かれ、電動過給機２６が駆動され、そしてＡＢＶ５４が開かれる（ステップＳ１０）。

このように、実施の形態３のシステムによれば、ピストン温度が過剰に上昇するおそれがある場合に、ＡＢＶ５４を開くとともにピストン冷却制御の動作が行われる。これにより、コンプレッサ２０ａでのサージの発生を回避しつつピストンの冷却を効率よく行うことが可能となる。

１０ 内燃機関
１２ エンジン本体
１４ 吸気通路
１６ 排気通路
２０ ターボ過給機
２０ａ コンプレッサ
２０ｂ タービン
２２ インタークーラ
２４ スロットルバルブ
２６ 電動過給機
２６ａ 電動機
２８ バイパス通路
３０ バイパスバルブ
３２ ＥＧＲ通路
３４ ＥＧＲクーラ
３６ ＥＧＲバルブ
４０ タービンバイパス通路
４２ ウエストゲートバルブ（ＷＧＶ）
４４ 排気浄化触媒
４６ 排気絞り弁
５０ 制御装置
５２ エアバイパス通路
５４ エアバイパスバルブ（ＡＢＶ）

Claims (1)

1. 吸気通路に配置されて排気によって駆動されるコンプレッサと、前記吸気通路の前記コンプレッサよりも下流に配置されたスロットルバルブと、前記吸気通路の前記スロットルバルブよりも下流に配置されて電力によって駆動される電動過給機と、前記吸気通路の前記スロットルバルブよりも下流且つ前記電動過給機よりも上流に排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲバルブ及びＥＧＲクーラと、を有する内燃機関を制御する制御装置であって、
   前記制御装置は、前記内燃機関の減速中に燃料カットが行なわれている場合において、前記内燃機関のピストン温度が所定温度よりも大きい場合に、前記ＥＧＲバルブを開き、前記スロットルバルブを閉じ、前記電動過給機を駆動するように構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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