JP2021050675A - 内燃機関及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アクセル開度の減少量が大きい場合にコンプレッサのサージングの発生を抑制することができる内燃機関及びその制御方法を提供する。【解決手段】エンジン１に対するアクセル開度ＡＯに関して時間経過に応じたアクセル開度の減少量ΔＡＯを取得するとともに、この取得したアクセル開度の減少量ΔＡＯが設定閾値ΔＡＯ１以上である場合に、ターボ式過給機７のコンプレッサ９への吸気Ａの流入口の開口面積を調整する面積調整手段１０により、この開口面積をエンジン１の運転状態に基づく開口面積よりも小さく設定する。【選択図】図３

Description

本開示は、内燃機関及びその制御方法に関する。

ターボチャージャのコンプレッサの入口に配置されたエアフラップをエンジン負荷に応じて制御することでコンプレッサインペラへの流入量を調整する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−５３６５０１号公報

ところで、車両のアクセルペダルの踏込量であるアクセル開度の減少量が大きい場合には、ターボ式過給機（ターボチャージャ）のコンプレッサの回転数が維持された状態でコンプレッサへの吸気流量が小さくなるので、コンプレッサのサージングが発生する虞がある。

本開示の目的は、アクセル開度の減少量が大きい場合にコンプレッサのサージングの発生を抑制することができる内燃機関及びその制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の態様の内燃機関は、吸気の流入口の開口面積を調整する面積調整手段付きのコンプレッサを有するターボ式過給機を備えた内燃機関において、前記内燃機関に対するアクセル開度を取得するアクセル開度取得装置と、前記内燃機関を制御する制御装置と、を備えて、前記制御装置が、前記アクセル開度取得装置の取得値を基に時間経過に応じたアクセル開度の減少量を取得するとともに、この取得したアクセル開度の減少量が予め設定された設定閾値以上である場合に、前記面積調整手段により前記開口面積を前記内燃機関の運転状態に基づく開口面積よりも小さく設定する制御を行うように構成される。

また、上記の目的を達成するための本発明の態様の内燃機関の制御方法は、吸気の流入口の開口面積を調整する面積調整手段付きのコンプレッサを有するターボ式過給機を備えた内燃機関の制御方法において、前記内燃機関に対するアクセル開度に関して時間経過に応じた減少量を取得する第１ステップと、前記第１ステップで取得したアクセル開度の減少量が予め設定された設定閾値以上であるか否かを判定する第２ステップと、前記第２ステップでアクセル開度の減少量が前記設定閾値以上であると判定した場合に、前記面積調整手段により前記開口面積を前記内燃機関の運転状態に基づく開口面積よりも小さく設定する第３ステップと、を有することを特徴とする方法である。

本開示によれば、アクセル開度の減少量が大きい場合にコンプレッサのサージングの発生を抑制することができる。

本発明の第１実施形態の内燃機関の構成で、開閉弁を全開状態とした場合を例示する模式図である。 図１の内燃機関の構成で、開閉弁を全閉状態とした場合を例示する模式図である。 本発明の第１実施形態の内燃機関のコンプレッサマップを例示する図である。 本発明の第１実施形態の内燃機関の制御方法を制御フローの形で例示する図である。 本発明の第２実施形態の内燃機関のコンプレッサマップを例示する図である。

以下、本開示の実施形態の内燃機関及びその制御方法について、図面を参照しながら説明する。なお、実際には、後述する吸気通路３にはインタークーラ等の各種装置が配置されており、後述する排気通路５には排気Ｇの後処理装置等の各種装置が配置されているが、本実施形態ではこれらの装置の図示及び説明を省略している。

図１に例示するように、第１実施形態のエンジン（内燃機関）１は、エンジン本体２の各気筒２ａで新気Ａと燃料との混合気を燃焼することによりエンジン１を備えた車両の走行用の動力を得ている。

吸気通路３が吸気マニホールド４を介して各気筒２ａに連通している。吸気通路３は、各気筒２ａに導入する新気（空気、吸気）Ａの通過用の通路である。吸気マニホールド４は、吸気通路３から導入された新気Ａを各気筒２ａに分配する。

排気通路５が排気マニホールド６を介して各気筒２ａに連通している。排気通路５は、各気筒２ａで混合気の燃焼により発生した排気Ｇを通過させて大気に導く通路である。排気マニホールド６は、各気筒２ａから排出された排気Ｇを集合させている。

エンジン１にはターボ式過給機７が備わる。ターボ式過給機７は、排気通路５に配置されたタービン８と、吸気通路３に配置されたコンプレッサ９と、を有する。排気Ｇによりタービン８を回転駆動させることで、タービン８と連動して回転するように回転軸（図示しない）で連結されたコンプレッサ９を回転駆動してコンプレッサ９に流入する新気Ａを圧縮（過給）する。

タービン８を収容するタービンハウジング（図示しない）内にはノズルベーン（図示しない）が備わる。言い換えれば、本実施形態のタービン８は、ノズルベーン付きのタービンである。ノズルベーンの開度が変化することにより、タービンハウジング内における排気Ｇの通過可能な面積が変化して、ターボ式過給機７の過給特性が変化する。

コンプレッサ９には、吸気Ａの流入口の開口面積を調整する面積調整手段１０が付属している。本実施形態の面積調整手段１０は、内管１０ａと開閉弁１０ｂとで構成される。内管１０ａは、吸気通路３を構成する吸気管の内部に吸気Ａの流れに平行に延在して配置されて、吸気管に支持部材（図示しない）を介して支持されている。開閉弁１０ｂは、吸気管と内管１０ａの間に配置されて、吸気管に支持部材（図示しない）を介して支持されている。開閉弁１０ｂは、開閉弁１０ｂに接続されるアクチュエータ（図示しない）の駆動により全開状態（図１）と全閉状態（図２）の２つの状態に切替可能である。開閉弁１０ｂが全開状態と全閉状態の何れかに切り替わることで、コンプレッサ９における吸気Ａの流入口の開口面積が変化する（調整される）。

本実施形態のエンジン１では、アクセル開度センサ１１が備わる。アクセル開度センサ１１は、エンジン１に対するアクセル開度ＡＯを取得（検出）するセンサである。より詳細には、アクセル開度センサ１１は、車両の運転席に備わるアクセルペダルの踏込量をアクセル開度ＡＯとして取得（検出）している。なお、アクセル開度センサ１１はアクセル開度取得装置の一例である。

本実施形態のエンジン１には、エンジン１を制御する制御装置１２が備わる。制御装置１２は、各種情報処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。制御装置１２は、各種装置８、１０ｂ、１１と電気的に接続される。

図３に例示するコンプレッサマップは、縦軸にコンプレッサ９の吸気圧力比（コンプレッサ９による過給前の吸気Ａの圧力に対する過給後の吸気Ａの圧力の比率）が設定され、横軸にコンプレッサ９への吸気流量（吸気Ａの流量）が設定されたマップである。コンプレッサマップには、第１サージラインＳＬａ（破線）と第２サージラインＳＬｂ（実線）の２つのサージラインが設定される。コンプレッサマップは実験等により予め作成されて制御装置１２に記憶される。

第１サージラインＳＬａは、エンジン本体２の回転数が高回転数で、かつ、コンプレッサ９の吸気圧力比が低圧力比の領域に属するときに制御装置１２によりサージラインに設定される。より詳細には、制御装置１２が、面積調整手段１０によりコンプレッサ９への吸気Ａの流入口の開口面積を比較的大きくしてコンプレッサ９の過給特性を上記の高回転数かつ低圧力比の領域に対応した特性とすることでサージラインが第１サージラインＳＬａに移行する。エンジン本体２の回転数が高回転数で、かつ、コンプレッサ９の吸気圧力比が低圧力比の領域に属するときには、コンプレッサマップにてコンプレッサ９の作動点が第１サージラインＳＬａより左側に位置するとコンプレッサ９のサージングが発生する虞がある。なお、コンプレッサ９の作動点は、コンプレッサ９の過給圧力やエンジン回転数等に基づいて制御装置１２内の作動点取得装置１３により取得（推定）される。

第２サージラインＳＬｂは、エンジン本体２の回転数が低回転数で、かつ、コンプレッサ９の吸気圧力比が高圧力比の領域に属するときに制御装置１２によりサージラインに設定される。ここで、上記の「低回転数」とは、第１サージラインＳＬａがサージラインに設定される場合のエンジン本体２の回転数と比較して低い回転数であるという意味である。また、上記の「高圧力比」とは、第１サージラインＳＬａがサージラインに設定される場合のコンプレッサ９の吸気圧力比と比較して高い圧力比であるという意味である。

より詳細には、制御装置１２が、面積調整手段１０によりコンプレッサ９への吸気Ａの流入口の開口面積を比較的小さくしてコンプレッサ９の過給特性を上記の低回転数かつ高圧力比の領域に対応した特性とすることでサージラインが第２サージラインＳＬｂに移行する。エンジン本体２の回転数が低回転数で、かつ、コンプレッサ９の吸気圧力比が高圧力比の領域に属するときには、コンプレッサマップにてコンプレッサ９の作動点が第２サージラインＳＬｂより左側に位置するとコンプレッサ９のサージングが発生する虞がある。図３では、第２サージラインＳＬｂをサージラインに設定した場合にサージングが発生する虞がある領域（サージング領域）をＳＡで示している。

本実施形態では、開閉弁１０ｂを全開状態に切り替えることで、コンプレッサ９への吸気Ａの流入口の開口面積を比較的大きくして、コンプレッサ９の過給特性を上記の高回転数かつ低圧力比の領域に対応した特性としている。一方、開閉弁１０ｂを全閉状態に切り替えることで、コンプレッサ９への吸気Ａの流入口の開口面積を比較的小さくして、コンプレッサ９の過給特性を上記の低回転数かつ高圧力比の領域に対応した特性としている。

本実施形態のエンジン１では、制御装置１２が、アクセル開度センサ１１の取得値ＡＯを基に時間経過に応じたアクセル開度の減少量（単位時間当たりのアクセル開度の減少量）ΔＡＯを演算（取得）する。そして、制御装置１２が、この取得したアクセル開度の減少量ΔＡＯが設定閾値ΔＡＯ１以上である場合に、面積調整手段１０によりコンプレッサ９への吸気Ａの流入口の開口面積をエンジン１の運転状態に基づく開口面積よりも小さく設定する制御を行う。ここで、エンジン１の運転状態とは、例えば、エンジン本体２の回転数（エンジン回転数）及び各気筒２ａに対する燃料噴射量である。

本実施形態では、制御装置１２により開閉弁１０ｂを全閉状態に切り替えることでコンプレッサ９への吸気Ａの流入口の開口面積を比較的小さく設定している。設定閾値ΔＡＯ１は、コンプレッサマップにてサージラインが第１サージラインＳＬａに設定されている場合で、この閾値を超えるとコンプレッサ９の作動点が第１サージラインＳＬａをサージング領域側に超える虞のある閾値として実験等により予め設定される。

アクセル開度の減少量ΔＡＯが設定閾値ΔＡＯ１以上である場合には、図３に例示するように、コンプレッサ９の作動点は位置ＯＰ１から位置ＯＰ２に移動する。このとき、サージラインが第１サージラインＳＬａに設定されていると、位置ＯＰ２はサージング領域に位置するため、コンプレッサ９のサージングが発生する虞がある。したがって、制御装置１２が面積調整手段１０によりサージラインを第２サージラインＳＬｂに設定して、サージング領域を比較的小さい領域ＳＡにすることで、位置ＯＰ２がサージング領域に位置しないようにしてコンプレッサ９のサージングの発生を抑制する。

制御装置１２が、アクセル開度の減少量ΔＡＯが設定閾値ΔＡＯ１以上である場合に、さらに、タービン８のノズルベーンの開度をエンジン１の運転状態に基づく開度よりも大きく設定する制御を行ってもよい。

このようにすることで、タービン８の回転数が低下してコンプレッサ９の回転数が低下するので、コンプレッサ９のサージングの発生をさらに抑制することができる。

本実施形態の内燃機関の制御方法を制御フローの形で図４を参照しながら説明する。図４の制御フローはエンジン１の運転状態時に周期的に行われる。

図４の制御フローがスタートすると、ステップＳ１０（第１ステップ）で、アクセル開度センサ１１によりエンジン１に対するアクセル開度ＡＯを実験等により予め設定された制御時間毎に取得するとともに、アクセル開度ＡＯに関して時間経過に応じた減少量ΔＡＯを取得する。ステップＳ１０を実施後、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０（第２ステップ）では、ステップＳ１０で取得したアクセル開度の減少量ΔＡＯが設定閾値ΔＡＯ１以下であるか否かを判定する。アクセル開度の減少量ΔＡＯが設定閾値ΔＡＯ１以上である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ３０に進む。アクセル開度の減少量ΔＡＯが設定閾値ΔＡＯ１未満である場合（ＮＯ）には、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

ステップＳ３０（第３ステップ）は、ステップＳ２０でアクセル開度の減少量ΔＡＯが設定閾値ΔＡＯ１以上であると判定した場合に進むステップで、このステップＳ３０では、面積調整手段１０によりコンプレッサ９への吸気Ａの流入口の開口面積をエンジン１の運転状態に基づく開口面積よりも小さく設定する。ステップＳ３０を実施後、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、ステップＳ３０の実施開始時からの経過時間ｔが設定時間閾値ｔ１以上であるか否かを判定する。経過時間ｔは制御装置１２によりカウントされる。設定時間閾値ｔ１は、この閾値以上であるとステップＳ３０の制御を終了してもコンプレッサ９のサージングが発生する虞のない閾値であるとして実験等により予め設定される。経過時間ｔが設定時間閾値ｔ１以上である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ５０に進む。ステップＳ５０に進むときには、経過時間ｔのカウントも終了する。経過時間ｔが設定時間閾値ｔ１未満である場合（ＮＯ）には、実験等により予め設定された制御時間を経過後に再度ステップＳ４０の判定を行う。

ステップＳ５０では、コンプレッサ９への吸気Ａの流入口の開口面積を、ステップＳ３０で設定した開口面積からエンジン１の運転状態に基づく開口面積に切り替えて設定する（ステップＳ３０の制御を終了する）。ステップＳ５０の制御を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

第２実施形態のエンジン（内燃機関）１について説明する。第２実施形態のエンジン１は、第１実施形態のエンジン１とは、コンプレッサマップとコンプレッサマップを用いた制御の点で異なり、その他の点で同じである。

第２実施形態のコンプレッサマップでは、図５に例示するように第１実施形態のコンプレッサマップに対して新たに切替境界線ＢＬが設定されている。第２実施形態のコンプレッサマップは、切替境界線ＢＬにより、サージライン（第１サージラインＳＬａ及び第２サージラインＳＬｂ）を含む領域である第１領域と第１領域を除く領域である第２領域の２つの領域に区分されている。第１領域はコンプレッサマップにて切替境界線ＢＬより左側の領域で、コンプレッサ９の過給特性が上記の低回転数かつ高圧力比の領域に対応した特性となる。第２領域はコンプレッサマップにて切替境界線ＢＬより右側の領域で、コンプレッサ９の過給特性が上記の高回転数かつ低圧力比の領域に対応した特性となる。

第２実施形態のエンジン１では、制御装置１２が、コンプレッサマップにてコンプレッサ９の作動点が第２領域に含まれて、アクセル開度の減少量ΔＡＯが設定閾値ΔＡＯ１以上である場合に、コンプレッサ９の作動点が第２領域から第１領域に移動するか否かを予測する。この予測は、例えば、エンジン１の運転状態とアクセル開度の減少量ΔＡＯに基づいて行う。コンプレッサの作動点が第２領域から第１領域に移動する（図５では、第２領域内の位置ＯＰ３から第１領域内の位置ＯＰ４に移動する）と予測されるときには、面積調整手段１０によりコンプレッサ９への吸気Ａの流入口の開口面積をエンジン１の運転状態に基づく開口面積よりも小さく設定する。一方、コンプレッサ９の作動点が第２領域内で移動すると予測されるときには面積調整手段１０によりコンプレッサ９への吸気Ａの流入口の開口面積をエンジン１の運転状態に基づく開口面積に設定する。

すなわち、アクセル開度の減少量ΔＡＯが設定閾値ΔＡＯ１以上であっても、サージラインを第２サージラインＳＬｂに切り替えるのは第２領域から第１領域に移動する場合に限る。このようにすることで、コンプレッサ９の作動点が第２領域内で移動するときにはコンプレッサ９の過給特性を上記の高回転数かつ低圧力比の領域に対応した特性として運転されるので、コンプレッサ９の過給効率を大きく低下させることなくコンプレッサ９のサージングの発生を抑制することができる。

一方で、第１実施形態のエンジン１のように、アクセル開度の減少量ΔＡＯが設定閾値ΔＡＯ１以上である場合に、コンプレッサマップにおけるコンプレッサ９の作動点の位置に依らずにサージラインを第２サージラインＳＬｂに切り替えると、コンプレッサ９のサージングの発生の抑制効果は大きくなる。

以上より、本実施形態の内燃機関によれば、アクセル開度の減少量ΔＡＯが大きい場合にコンプレッサ９のサージングの発生を抑制することができる。

なお、面積調整手段１０によりコンプレッサ９への吸気Ａの流入口の開口面積をエンジン１の運転状態に基づく開口面積よりも小さく設定する制御（開口面積小化制御）について、経過時間ｔと設定時間閾値ｔ１との比較によりその終了時点を決定すると上述したが、終了時点の決定方法についてはこの方法に限定されない。例えば、コンプレッサマップにてコンプレッサ９の作動点が第１サージラインＳＬａより右側の領域に移動したときに上記の開口面積小化制御を終了してもよい。あるいは、コンプレッサマップにてコンプレッサ９の作動点が切替境界線ＢＬより右側の領域に移動したときに上記の開口面積小化制御を終了してもよい。

また、本実施形態では、開閉弁１０ｂを全開状態と全閉状態の２つの状態で切り替えることでコンプレッサ９の過給特性及びサージラインを２段階で切り替えているが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、開閉弁１０ｂを３つ以上の複数の開度状態で切り替えることでコンプレッサ９の過給特性及びサージラインを対応する複数の段階で切り替える構成でもよい。

この構成では、制御装置１２が、アクセル開度の減少量ΔＡＯが設定閾値ΔＡＯ１以上である場合に、この減少量ΔＡＯから設定閾値ΔＡＯ１を減算して得られる値が大きくなるにつれて、面積調整手段１０により開口面積が小さくなるように設定する制御を行うと好ましい。このようにすることで、コンプレッサ９の過給特性をコンプレッサ９の作動点に応じた特性としつつ、コンプレッサ９のサージングの発生を抑制することができる。

なお、本実施形態においては、アクセル開度取得装置として、車両の運転席に備わるアクセルペダルの踏込量であるアクセル開度ＡＯを取得するアクセル開度センサ１１を用いたが、これに限定されない。例えば、制御装置１２やその他プロセッサ等により決定されて内燃機関１の制御に用いられる、内燃機関に対する燃料噴射量等の指示値をアクセル開度ＡＯとしてみなしたり、アクセル開度ＡＯ相当量へと変換したうえで用いてもよい。この場合には、制御装置１２やその他プロセッサ等を、アクセル開度取得装置とみなしてよい。

１ エンジン（内燃機関）
２ エンジン本体
２ａ 各気筒
３ 吸気通路
４ 吸気マニホールド
５ 排気通路
６ 排気マニホールド
７ ターボ式過給機
８ タービン
９ コンプレッサ
１０ 面積調整手段
１０ａ 内管
１０ｂ 開閉弁
１１ アクセル開度センサ（アクセル開度取得装置）
１２ 制御装置
１３ 作動点取得装置

Claims (5)

1. 吸気の流入口の開口面積を調整する面積調整手段付きのコンプレッサを有するターボ式過給機を備えた内燃機関において、
   前記内燃機関に対するアクセル開度を取得するアクセル開度取得装置と、前記内燃機関を制御する制御装置と、を備えて、
   前記制御装置が、
   前記アクセル開度取得装置の取得値を基に時間経過に応じたアクセル開度の減少量を取得するとともに、この取得したアクセル開度の減少量が予め設定された設定閾値以上である場合に、前記面積調整手段により前記開口面積を前記内燃機関の運転状態に基づく開口面積よりも小さく設定する制御を行うように構成される内燃機関。
2. 前記制御装置が、
   前記アクセル開度の減少量が前記設定閾値以上である場合に、この減少量から前記設定閾値を減算して得られる値が大きくなるにつれて、前記面積調整手段により前記開口面積が小さくなるように設定する制御を行うように構成される請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記ターボ式過給機のタービンがノズルベーン付きのタービンで、
   前記制御装置が、
   前記アクセル開度の減少量が前記設定閾値以上である場合に、さらに、前記ノズルベーンの開度を前記内燃機関の運転状態に基づく開度よりも大きく設定する制御を行うように構成される請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 縦軸に前記コンプレッサの吸気圧力比が設定され、横軸に前記コンプレッサへの吸気流量が設定されて、サージラインを含む領域である第１領域と前記第１領域を除く領域である第２領域の２つの領域に区分されたコンプレッサマップが前記制御装置に記憶されて、
   前記制御装置が、
   前記コンプレッサマップにて前記コンプレッサの作動点が前記第２領域に含まれて、前記アクセル開度の減少量が前記設定閾値以上である場合に、
   前記コンプレッサの作動点が前記第２領域から前記第１領域に移動すると予測されるときには前記面積調整手段により前記開口面積を前記内燃機関の運転状態に基づく開口面積よりも小さく設定し、
   前記コンプレッサの作動点が前記第２領域内で移動すると予測されるときには前記面積調整手段により前記開口面積を前記内燃機関の運転状態に基づく開口面積に設定する制御を行うように構成される請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 吸気の流入口の開口面積を調整する面積調整手段付きのコンプレッサを有するターボ式過給機を備えた内燃機関の制御方法において、
   前記内燃機関に対するアクセル開度に関して時間経過に応じた減少量を取得する第１ステップと、
   前記第１ステップで取得したアクセル開度の減少量が予め設定された設定閾値以上であるか否かを判定する第２ステップと、
   前記第２ステップでアクセル開度の減少量が前記設定閾値以上であると判定した場合に、前記面積調整手段により前記開口面積を前記内燃機関の運転状態に基づく開口面積よりも小さく設定する第３ステップと、
   を有することを特徴とする内燃機関の制御方法。

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