JP2018105213A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過給性能が経時変化した場合であっても、その変化を容易に補償することが可能な内燃機関の制御装置を提供すること。【解決手段】コンプレッサとタービンとを有し、過給量をベーンノズルで制御可能な過給機を搭載した内燃機関を制御する制御装置において、アイドリング状態判定部１１０が、アイドリング状態にあるか否かを判定し、アイドリング状態判定部１１０がアイドリング状態にあると判定した場合、ベーンノズル開度調整部１３０が、アイドリング状態における過給性能の経時変化を示す情報に基づいて、過給性能が経時変化前の性能となるように、ベーンノズルの開度を調整する。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、内燃機関のアイドリング時には、内燃機関の回転数を一定に維持するため、実際の回転数が目標回転数となるようフィードバック制御がなされる。

例えば、特許文献１には、内燃機関の実際の回転数が基準回転数よりも低下したときに、実際の回転数が目標回転数まで復帰するようスロットルバルブの開度を制御する制御装置が提案されている。

特開２００６−２０７５２７号公報

また、コンプレッサとタービンとを有し、過給量をベーンノズルで制御可能な過給機を搭載した内燃機関も広く普及しているが、このような過給機を構成するパーツの性能変化等により、過給性能が劣化する場合も多い。一般的には、開発製造時つまり、市場出荷前における過給性能からの性能劣化は、コンプレッサやタービン、ベーンノズル等のパーツが高温環境に曝されることが要因である。

本発明は、かかる従来の課題を解決するためになされたもので、過給性能が経時変化した場合であっても、その変化を容易に補償することが可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、コンプレッサとタービンとを有し、過給量をベーンノズルで制御可能な過給機を搭載した内燃機関を制御する制御装置であって、アイドリング状態にあるか否かを判定するアイドリング状態判定部と、アイドリング状態判定部がアイドリング状態にあると判定した場合、アイドリング状態における過給性能の経時変化を示す情報に基づいて、過給性能が経時変化前の性能となるように、ベーンノズルの開度を調整するベーンノズル開度調整部と、を備える。

本発明によれば、過給性能が経時変化した場合であっても、その変化を容易に補償することができるので、坂道走行等においても、吸入空気量の低下等によるエンジン出力不足等を解消することが可能になるという効果が得られる。

エンジンの模式的な構成図である。 ＥＣＵのブロック図である。 動作を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

（エンジン構成）
図１は、エンジン（内燃機関）１の模式的な構成図である。エンジン１は、エンジン本体２と吸気系と排気系とを有する。エンジン１は、エンジン本体１に接続されるインテークマニホールド３と、同じくエンジン本体１に接続されるエグゾーストマニホールド４とを備える。インテークマニホールド３は、吸気系で吸収される新気を各気筒に分配する一方、エグゾーストマニホールド４は、各気筒で排出された排気を合流させる。

エンジン本体２には６気筒の夫々に対応する不図示のシリンダに対してピストン７が設けられている。各ピストン７の上部には燃焼室内に燃料を噴射するためのインジェクタ８が備えられ、各インジェクタ８には、不図示のコモンレールシステムで蓄積圧縮された燃料が供給される。コモンレールシステムは、高圧化した燃料を蓄え、各インジェクタ８へ均一に燃料を供給するシステムである。これにより、高圧の燃料を噴射して完全燃焼させることができるので、ＰＭを減少させＮＯｘを低減させる。

なお、本実施形態では直列６気筒のエンジンを例にとり説明しているが、気筒数や気筒配列等はこの例に限られない。また、特に燃料点火デバイス等を図示しないが、必ずしもディーゼルエンジンだけではなく、ガソリンエンジン等も本発明の適用対象である。

吸気系は、新たな吸気である新気を通す吸気管５等で構成される。吸気管５には上流（吸気吸い込み側）から順に、吸気から塵を取り除くためのエアクリーナ１６、コンプレッサ２１、吸気を冷却するための空冷式インタークーラー１８が設けられている。

一方、排気系は、排気を通す排気管６で構成される。排気管６には上流側から順に、タービン２２、排気を浄化する排気浄化装置１４が設けられている。排気浄化装置１４の下流にエンジン音を消音するマフラー等を設けても良い。

また、排気系の一部から排気を還流されるためのＥＧＲ管９が設けられ、このＥＧＲ管９は、ＥＧＲバルブ１０を介して吸気系に接続されている。かくして、ＥＧＲバルブ１０を適宜のタイミングで開閉制御することによって、新気に排気を混合させて、ＮＯｘ低減を実現するＥＧＲ制御が可能になっている。なお、本発明の適用対象は必ずしもＥＲＧ制御機能を有するエンジンでなくても良い。

（過給機）
過給機２０は、コンプレサ２１と、タービン２２と、これらを連結する軸２３とを有して構成される。過給機２０のタービン２２は、排気系から排出される排気を受けて回転し、この回転に応答してコンプレッサ２１が回転して新気を過給する。かくして、過給機２０によって、圧縮された空気がエンジン本体２に強制的に送り込まれる。

また、本発明の実施形態の過給機２０は、ＶＧＳ型ターボ（Variable Geometry Turbocharger System）として構成され、タービン２２を収容するタービンハウジングの周囲には複数のベーンノズル（不図示）が設けられ、これらが可変駆動可能になっている。つまり、過給機２０は、タービン２２の入口面積を可変に絞るベーンノズルを備えており、ベーンノズル用アクチュエータ２００を駆動制御することに制御することによってベーンノズルの開度を変更可能である。ベーンノズルの開度を制御することによって、タービン入口面積の絞り量を制御できる。

この絞り量制御は、「低速時」にはベーンノズルを絞りタービン入口面積を小さくすることによって排気ガスの流速を高める一方、「高速時」にはベーンノズルを開きタービン入口面積を大きくすることによって排気ガスの流速を低める。つまり、ベーンノズルの開閉度の制御によって流速を調整可能になっている。この結果、過給効率を高め、低速時から高ブースト圧を供給でき、低燃費等を実現できる。

（センサ類）
圧力センサ３８は、タービン２２の入口近傍の排気系内に設けられ、タービン２２の入口近傍の圧力を検出する。温度センサ３９は、タービン２２の入口近傍の排気系内に設けられ、タービン２２の入口近傍の温度を検出する。また、ブースト圧センサ３２は、コンプレッサ２１の出口近傍の吸気系内に設けられ、ブースト圧（過給圧）を検出する。温度センサ３４は、コンプレッサ２１の出口近傍の吸気系内に設けられ、コンプレッサ２１の出口近傍の温度を検出する。

また、エアクリーナ１６の下流に配置されたエアフローメータ３０は、エンジン１の単位時間当たりの吸入空気量を検出する。タービン回転センサ３６は、タービン２２（コンプレッサ２１）の回転数を検出する。クランク角センサ４０は、エンジン１のクランクシャフトの特定回転角度でパルスを出力する。

また、ブレーキセンサ４２は、運転者がブレーキペダルを踏み込んだ場合に信号を出力する。ベーンノズル開度センサ５０は、ベーンノズルの開度を検出する。より具体的にはベーンノズルの許容開度の最小値（全閉：全絞り）から最大値（全開）までの開度量を検出する。

以上のようなセンサ群は、エンジン１の制御を行うコントローラーとしてのＥＣＵ（Electric Control1 Unit）１００の入力ポートに接続され、ＥＣＵ１００は、センサ群からの検出信号を読み取るように構成されている。図１では、各センサの出力がＥＣＵ１００に入力される事を点線で示している。

ＥＣＵ１００は、各種の処理を実行した結果として、ベーンノズルを駆動するためのベーンノズル用アクチュエータ２００に駆動制御信号を出力する。この駆動制御信号に応答して、ベーンノズル用アクチュエータ２００は、ベーンノズルを駆動し、ベーンノズルを全開状態から全閉状態まで開閉制御可能に構成されている。

（ＥＣＵ１００）
図２は、ＥＣＵ１００の機能を示すブロック図である。図で示すように、ＥＣＵ１００は、各センサの信号を入力ポートを介して入力し、これらを受信する。ＥＣＵ１００は、アイドリング状態判定部１１０と、センサ検出値判定部１２０と、ベーンノズル開度調整部１３０と、アイドリング時基準値記憶部１４０と、ベーンノズル開閉制御部１５０とを有する。

アイドリング状態判定部１１０と、アイドリング時基準値記憶部１４０と、ベーンノズル開度調整部１３０と、センサ検出値判定部１２０と、ベーンノズル開閉制御部１５０等の各機能は、プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）が、ＲＯＭ（記録媒体）等に記録されたプログラムを、ＲＡＭ等のワークエリアを使用しながら読み取り実行することによって実現される。

アイドリング状態判定部１１０は、エンジン１がアイドリング状態にあるか否かを判定する。アイドリング時基準値記憶部１３０は、アイドリング状態におけるベーンノズルの基準開度を示す基準値（基準アイドリング時開度基準値）を記憶する。この基準値は、例えば、装置出荷前の開発段階でのノミナル値を記憶しておくことが、過給性能の経時変化に見合う調整を行う上で適する。ベーンノズル開度センサ５０（ベーンノズル開度検出部）は、ベーンノズルの開度を検出する。

そして、ベーンノズル開度調整部１３０は、アイドリング状態判定部１１０がアイドリング状態にあると判定した場合、ベーンノズル開度センサ５０による検出量とアイドリング時基準値記憶部１４０に記憶されている基準値とが一致するように、ベーンノズルの開度を調整する。

ベーンノズル開度調整部１３０は、ベーンノズル用アクチュエータ２００に対して駆動制御信号を出力する。ベーンノズル用アクチュエータ２００は、この駆動制御信号に応答して、ベーンノズルの開度を制御する。かくして、コンプレッサ、タービン等の熱変形等に起因する過給性能の経時変化が生じても、ベーンノズルの開き具合を調整して対処することができる。

しかも、アイドリング時にこの調整処理を実行するので、通常運転に支障をきたさない状態で性能変化に対処することが可能になる。また、アイドリング時にはエンジン負荷が小さいため、精度の良い調整制御を実行することができる。

また、センサ検出値判定部１２０は、エアフローメータ３０、ブースト圧センサ３２、温度センサ３４、タービン回転センサ３６、および、圧力センサ３８の各々の検出量が、各センサに対して予め設定した閾値を超えたか否かを判定する。ここで、この閾値は、例えば、装置出荷前の開発段階でのノミナル値であり、過給性能の経時変化前の値である。ベーンノズル開閉制御部１５０は、センサ検出値判定部１２０の判定結果が閾値以上の場合には、センサの検出値が閾値未満となるように、ベーンノズルを開閉制御する。

そのために、ベーンノズル開閉制御部１５０は、ベーンノズル用アクチュエータ２００に対して駆動制御信号を出力する。ベーンノズル用アクチュエータ２００は、この駆動制御信号に応答して、ベーンノズルの開度を制御する。つまり、ベーンノズル開度調整部１３０によって、基準値に設定したベーンノズル開度を微調整する。

例えば、ベーンノズルを開く方向に駆動して行って、センサの検出値が閾値未満になるように制御したり、あるいは、開く方向でも閾値未満とならない場合には、今度はベーンノズルを閉じる方向に駆動してセンサの検出値を閾値未満とするベーンノズル開閉制御を行う。

一般に、ベーンノズル開度センサ５０の検出精度は、気圧の変化等により悪化してしまうため、他のセンサも設けることによって、過給性能の経時変化に見合った調整が、環境等に影響されずに実行できる。

（動作説明）
図３は、動作を説明するフローチャートである。先ず、ステップＳ３００において、アイドリング状態判定部１１０は、エンジン１がアイドリング状態にあるか否かを判定する。アイドリング状態判定部１１０は、クランク角センサ４０からのパルス信号をカウントしてエンジン回転数を求めると共に、ブースト圧センサ３２からの信号によって過吸圧を求める。求めたエンジン回転数が予め設定したアイドリング回転数領域に所定時間以上属し、かつ、求めた過給圧が予め設定したアイドリングブースト圧領域に所定時間以上属し、かつ、ブレーキセンサ４２によってブレーキペダルが踏まれていると判断した場合には、エンジン１がアイドリング状態にあると判定する。

なお、エンジン１が、アイドリング状態にあるか否かを判定する方法はこれに限られない。例えばアクセルペダルの踏み込みが無い事、シフトレバーのシフト位置がニュートラルである事、プレーキペダルの踏み込みがある等を組み合わせる方法など様々な手法が考えられる。

ステップＳ３００において、アイドリング状態判定部１１０が、エンジン１がアイドリング状態にあると判定した場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ３０５に移行する一方、これ以外の場合（Ｎｏ）には、一連の処理をスキップして本ルーチンを終了する（エンド）。

ステップ３０５では、エンジン１がアイドリング状態にあるので、ベーンノズル開度調整部１３０は、ベーンノズル開度センサ５０による検出量とアイドリング時基準値記憶部１４０に記憶されている基準値とが一致するように、ベーンノズルの開度を調整する。ベーンノズル開度調整部１３０は、このための駆動制御信号をベーンノズル用アクチュエータ２００に出力する。これに応答して、ベーンノズル用アクチュエータ２００は、ベーンノズルの開度を制御する。

以下のステップでは、センサ３０からセンサ３９の検出値が、センサ毎に予め設定した閾値以上であるか否かを判定し、センサの検出値が予め設定した閾値以上であればステップ３４０に移行して、ベーンノズル開閉制御を行う。センサ検出値判定部１２０は、ステップＳ３１０、ステップＳ３１５、ステップＳ３２０、ステップＳ３２５、ステップＳ３３０、および、ステップＳ３３５におけるセンサでの検出値が、センサ毎に予め設定した閾値以上となるか否かの判定を行う。

先ず、ステップＳ３１０において、センサ検出値判定部１２０は、圧力センサ３８の検出値がこの圧力センサ３８に対して予め設定した閾値ＴＨ１以上であるか否かを判定する。圧力センサ３８の検出値が、閾値ＴＨ１以上でなければ（Ｎｏ）、次のステップＳ３１５に処理が移行する。圧力センサ３８の検出値が閾値ＴＨ１以上の場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ３４０に処理が移行する。

次のステップＳ３１５において、センサ検出値判定部１２０は、ブースト圧センサ３２の検出値が、このブースト圧センサ３２に対して予め設定した閾値ＴＨ２以上であるか否かを判定する。ブースト圧センサ３２の検出値が、閾値ＴＨ２以上でなければ（Ｎｏ）、次のステップＳ３２０に処理が移行する。ブースト圧センサ３２の検出値が、閾値ＴＨ２以上の場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ３４０に処理が移行する。

同様に、次のステップＳ３２０において、センサ検出値判定部１２０は、温度センサ３４の検出値が、この温度センサ３４に対して予め設定した閾値ＴＨ３以上であるか否かを判定する。温度センサ３４の検出値が、閾値ＴＨ３以上でなければ（Ｎｏ）、次のステップＳ３２５に処理が移行する。温度センサ３４の検出値が閾値ＴＨ３以上の場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ３４０に処理が移行する。

同様に、次のステップＳ３２５において、センサ検出値判定部１２０は、タービン回転センサ３６の検出値が、このタービン回転センサ３６に対して予め設定した閾値ＴＨ４以上であるか否かを判定する。タービン回転センサ３６の検出値が、閾値ＴＨ４以上でなければ（Ｎｏ）、次のステップＳ３３０に処理が移行する。タービン回転センサ３６の検出値が閾値ＴＨ４以上の場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ３４０に処理が移行する。

同様に、次のステップＳ３３０において、センサ検出値判定部１２０は、エアフローメータ３０の検出値が、このエアフローメータ３０に対して予め設定した閾値ＴＨ５以上であるか否かを判定する。エアフローメータ３０の検出値が、閾値ＴＨ５以上でなければ（Ｎｏ）、次のステップＳ３３５に処理が移行する。エアフローメータ３０の検出値が閾値ＴＨ５以上の場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ３４０に処理が移行する。

そして、次のステップＳ３３５において、温度センサ３９の検出値が、この温度センサ３９に対して予め設定した閾値ＴＨ６以上であるか否かを判定する。温度センサ３９の検出値が、閾値ＴＨ６以上でなければ（Ｎｏ）、エンドに進んで本ルーチンを終了する。一方、温度センサ３９の検出値が閾値ＴＨ６以上の場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ３４０に処理が移行する。

ステップＳ３４０においては、ベーンノズル開閉制御部１５０が、ベーンノズルの開閉制御を行い、この制御に対応する駆動制御信号をベーンノズル用アクチュエータ２００に出力する。つまり、ステップＳ３４０においては、閾値を超えた検出値を出力するセンサがある１以上ある場合に、先にステップＳ３０５において基準値に調整設定したノズル開度を、当該基準値からずらす微調整を行う。

この微調整制御によって、ベーンノズル開度センサ５０が大気圧の影響等によって検出精度が悪化しても、ベーンノズルの調整制御が可能になる。また、ステップＳ３４５では、検出値が閾値以上となったセンサの検出値を再度チェックし、チェックした結果が再度閾値以上である場合にはステップ３４０に戻る。

ステップＳ３４０で実行する微調整は、例えば、ベーンノズルを開く方向に駆動して行ってセンサの検出値が閾値未満となるように制御したり、あるいは、開く方向でも検出値が閾値未満とならない場合には、今度はベーンノズルを閉じる方向に駆動してセンサ検出値を閾値未満とする。例えば、ベーンノズルの開閉制御としては、先に述べた基準値を中央開度として、この中央開度を含む開閉度幅の範囲内でベーンノズル開度を変更制御することが挙げられる。

例えば、圧力センサ３８の検出値が閾値ＴＨ１以上となる場合には、タービン２２での圧力が高く、コンプレッサ２１による過給が予想以上に行われるとして、ベーンノズルを開きタービン入口面積を大きくすることによって、排気ガスの流速を低下させて、圧力センサ３８の検出値が閾値ＴＨ１未満となるようにする。

そして、ステップＳ３４５では各センサ３０〜３９の各検出値が、対応する閾値を超えるか否かを再度チェックする。ステップＳ３４５でのチェックが終了すれば、エンドに移行し、本ルーチンを終了する（エンド）。

なお、ステップＳ３４０における処理をリトライしても、検出値が閾値を超えるセンサがある場合には、例えば各センサに対して優先度を設定しておき、優先度の高いセンサの検出値をチェックして、その検出値が閾値未満となるようにベーンノズル開閉制御を行う構成としても良い。

以上説明してきたように、本発明の実施形態によれば、アイドリング状態判定部１１０が、アイドリング状態にあるか否かを判定し、ベーンノズル開度調整部１３０が、アイドリング状態判定部１１０がアイドリング状態にあると判定した場合、アイドリング状態における過給性能の経時変化を示す情報に基づいて、過給性能が経時変化前の性能となるように、ベーンノズルの開度を調整するので、過給性能の経時変化に見合った調整、具体的には、出荷前の過給性能に合わせることが可能になる。

ここで、経時変化を示す情報とは、ベーンノズルの開度の経時変化における変化前後の値の情報、タービン２２の入口近傍の圧力の経時変化における変化前後の値の情報、タービン２２の入口近傍の温度の経時変化における変化前後の値の情報、コンプレッサ２１の出口近傍の圧力である過給圧の経時変化における変化前後の値の情報、コンプレッサ２１の出口近傍の温度の経時変化における変化前後の値の情報、タービン２２の回転数の経時変化における変化前後の値の情報、エンジン１の空気吸入量の経時変化における変化前後の値の情報などである。

このような情報に基づいて、ベーンノズル開閉制御部１５０が、ベーンノズル開度の微調整を行うので、過給性能の経時変化に一層見合った調整を行うことが可能になる。

この結果、過給性能の経時変化により坂道等で発生するエンジン出力の低下等を解消できる。また、過給性能の経時変化が発生すると、エンジン性能変化、排気ガス悪化、エンジン出力低下等が発生するが、過給性能が経時変化前の性能となるように、ベーンノズルの開度を調整するので、これらを解消できる。

（他の構成例）
他の構成例としては、コンプレッサ２１側にもノズルの開度調整機構（絞り調整機構）を設けた構成を採用してもよく、また、センサ出力を一度に最終的な基準値に一致させるのではなく、複数の基準値を設けておき、センサ出力を各基準値に段階的に一致させて最終的な基準値にセンサ出力が一致するようベーンノズルの開度を調整する構成を採用してもよい。なお、本発明の実施形態の変化例は種々あり、これらに限られない。

以上説明してきたように、過給量をベーンノズルで制御可能な過給機を搭載した内燃機関に利用することができる。

１ エンジン
２ エンジン本体
５ 吸気管
６ 排気管
９ ＥＧＲ管
１０ ＥＧＲバルブ
１４ 排気浄化装置
１６ エアクリーナ
１８ インタークーラー
２０ 過給機
２１ コンプレッサ
２２ タービン
３０ エアフローメータ
３２ ブースト圧センサ
３４ 温度センサ
３６ タービン回転数センサ
３８ 圧力センサ
４０ クランク角センサ
４２ ブレーキセンサ
１００ ＥＣＵ
２００ ベーンノズル用アクチュエータ

Claims (6)

1. コンプレッサとタービンとを有し、過給量をベーンノズルで制御可能な過給機を搭載した内燃機関を制御する制御装置であって、
   アイドリング状態にあるか否かを判定するアイドリング状態判定部と、
   前記アイドリング状態判定部がアイドリング状態にあると判定した場合、該アイドリング状態における過給性能の経時変化を示す情報に基づいて、該過給性能が前記経時変化前の性能となるように、前記ベーンノズルの開度を調整するベーンノズル開度調整部と、
   を備えた制御装置。
2. 前記経時変化を示す情報は、前記ベーンノズルの開度の経時変化における変化前後の値の情報であることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記経時変化を示す情報は、前記タービンの入口近傍の圧力の経時変化における変化前後の値の情報、および、前記タービンの入口近傍の温度の経時変化における変化前後の値の情報のうち少なくとも一方である請求項１に記載の制御装置。
4. 前記経時変化を示す情報は、前記コンプレッサの出口近傍の圧力である過給圧の経時変化における変化前後の値の情報、および、前記コンプレッサの出口近傍の温度の経時変化における変化前後の値の情報のうち少なくとも一方であることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
5. 前記経時変化を示す情報は、前記タービンの回転数の経時変化における変化前後の値の情報であることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
6. 前記経時変化を示す情報は、前記内燃機関の空気吸入量の経時変化における変化前後の値の情報であることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。

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