JP2021143651A

JP2021143651A - 内燃機関の過給圧制御装置

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Publication number: JP2021143651A
Application number: JP2020044004A
Authority: JP
Inventors: 丈石政; Jo Ishimasa; 将樹上野; Masaki Ueno
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2021-09-24
Anticipated expiration: 2040-03-13
Also published as: JP6971349B2; US20210285365A1; CN113389650A

Abstract

【課題】過給圧のオーバーシュートを防止しながら、過給機の故障を効果的に防止するとともに、過給の応答性を向上させることができる内燃機関の過給圧制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関の過給圧制御装置は、内燃機関（エンジン）１に設けられ、可変ノズル開度ＡＶＧを閉じ側に変化させることにより過給圧ＰＢを上昇させるように構成された過給機（ターボチャージャ１２）と、過給圧を取得する過給圧取得手段（過給圧センサ２１）と、過給機のタービン側の圧力（制限膨張比ＲＬＭＴ）に基づき、可変ノズルの閉じ側の開度を制限する制限値ＡＬＭＴを設定する制限値設定手段（ＥＣＵ２０，図４）と、目標過給圧ＰＢＣＭＤに向かって過給圧を上昇させる際、可変ノズルの開度を制限値に設定し、次いで、徐々に開き側に設定する開度設定手段（ＥＣＵ２０，図４）と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の過給圧制御装置に関し、特に過給圧を変更するための可変ノズルを有する過給機を用いる過給圧制御装置に関する。

自動車等の内燃機関に用いられる過給機として、可変容量型の過給機が知られている。
可変容量型の過給機では、タービンハウジング内に設けられた可変ノズルの複数のノズルベーンの角度を変えることにより、排気流路面積を変化させ、それによりタービンホイールに向かう排ガスの流速を変化させることで、過給圧を制御する。

このような可変容量型の過給機においては、可変ノズルの固着などの故障が生じた場合に、過給圧や排圧（タービンホイールの上流側の排気圧）が上昇を続けることで、内燃機関や過給機が故障する場合がある。そのため、過給機の故障を防止するための様々な技術が提案されている。

たとえば特許文献１に記載されたターボチャージャの制御装置では、検出された可変ノズルの開度が限界ノズル開度以下であり、かつ、検出されたターボ回転数が共振誘発領域に属し、かつ、検出されたタービンの入り口における圧力が限界タービン入り口圧力以上である場合に、ターボチャージャが破損誘発状態にあると判定される。そして、ターボチャージャが破損誘発状態であると判定された場合に、可変ノズルの開度を増加させることで、破損誘発状態を解消するようにしている。

特開２００９−１３９６３号公報

特許文献１に記載の技術では、上述の３つのパラメータに基づき、過給機が破損誘発状態に入ったことを確認した後に、可変ノズルの開度を増加させて破損誘発状態を解消するようにしている。このため、加速時の過給圧のオーバーシュートの発生を防止できず、破損誘発状態の発生を確実に防止することはできない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、加速時における過給圧のオーバーシュートを防止し、過給機の故障を効果的に防止するとともに、過給の応答性を向上させ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する。

この目的を達成するために、本発明の請求項１に係る内燃機関の過給圧制御装置は、内燃機関（エンジン）１に設けられ、可変ノズル１２４の開度ＡＶＧを閉じ側に変化させることによって、過給圧ＰＢを上昇させるように構成された過給機（ターボチャージャ１２）と、過給圧を取得する過給圧取得手段（過給圧センサ２１）と、過給機のタービン側の圧力（制限膨張比ＲＬＭＴ）に基づき、可変ノズルの閉じ側の開度を制限する制限値ＡＬＭＴを設定する制限値設定手段（ＥＣＵ２０，図４）と、目標過給圧ＰＢＣＭＤに向かって過給圧を上昇させる際、可変ノズルの開度を制限値に設定し、次いで、可変ノズルの開度を徐々に開き側に設定する開度設定手段（ＥＣＵ２０，図４）と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る内燃機関の過給圧制御装置によれば、制限値設定手段により、過給機のタービン側の圧力に基づき可変ノズルの閉じ側の開度を制限する制限値を設定し、開度設定手段により、目標過給圧に向かって過給圧を上昇させる際、可変ノズルの開度を制限値に設定し、次いで、可変ノズルの開度を徐々に開き側に設定する。このように、タービン側圧力に基づき可変ノズルの閉じ側の開度を制限することによって、過給機の故障を効果的に防止するとともに、可変ノズルの開度を制限値に設定するフィードフォワード制御により、過給圧のオーバーシュートの発生を防止することができる。また、目標過給圧に向かって過給圧を上昇させる際、可変ノズルの開度を全閉側の制限値に設定することにより、過給の応答性を向上させることができる。

本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関の過給圧制御装置において、可変ノズルの開度の制限値は、目標過給圧に対応する開度よりも小さく、全閉開度よりも大きい値であることを特徴とする。

この構成によれば、可変ノズルの開度の制限値が上記のような値であるので、開度設定手段は、目標過給圧に向かって過給圧を上昇させる際、可変ノズルの開度を、目標過給圧に対応する開度よりも小さく、全閉開度よりも大きい値である制限値に設定し、次いで、可変ノズルの開度を徐々に開き側に設定する。このように、過給圧を上昇させる際に、可変ノズルの開度を、全閉開度よりも開き側に設定することで、過給機の故障を防止するとともに、目標過給圧に対応する開度よりも閉じ側に設定することで、過給の応答性を向上させることができる。

本発明の請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の過給圧制御装置において、タービン側の圧力は、タービンの上流側の圧力とタービンの下流側の圧力との比である膨張比であることを特徴とする。

この構成によれば、タービンの上流圧力と下流圧力の比である膨張比に基づき可変ノズルの閉じ側の開度を制限するので、タービンの上流圧力（排圧）に対して、排気温度や大気圧等も反映させることで、排気温度や大気圧の変化時に過給機の故障をより効果的に防止することができる。

内燃機関の構成を模式的に示す図である。可変容量型の過給機の可変ノズルを概略的に示す断面図である。内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。可変ノズル開度の設定処理を示すフローチャートである。制限膨張比及び要求タービン仕事量に基づき、可変ノズルの開度の制限値を設定するためのマップである。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１に示すように、内燃機関（以下、エンジンという）１は、車両に搭載され、例えば直列の４つの気筒６を有するとともに、気筒６の燃焼室（図示せず）内に燃料を直接、噴射する直噴エンジンである。各気筒６には、燃料噴射弁７、点火プラグ８、吸気弁及び排気弁（いずれも図示せず）が設けられている。また、燃焼室におけるピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフト（いずれも図示せず）には、エンジン１の回転数（エンジン回転数ＮＥ）を検出する回転数センサ９が設けられている。

また、エンジン１は、吸気通路２、排気通路１１、及び過給機としてのターボチャージャ１２を備えている。吸気通路２はサージタンク４に接続され、サージタンク４は、吸気マニホルド５を介して各気筒６の燃焼室に接続されている。吸気通路２には、上流側から順に、ターボチャージャ１２の後述するコンプレッサ１２３、ターボチャージャ１２で加圧された空気を冷却するためのインタークーラ３、及びスロットル弁１３が設けられている。スロットル弁１３は、スロットル（ＴＨ）アクチュエータ１３ａによって駆動される。サージタンク４には、過給圧ＰＢを検出する過給圧センサ２１が設けられ、吸気通路２には、吸入空気流量ＧＡＩＲを検出する吸入空気流量センサ２２が設けられている。

ターボチャージャ１２は、排気通路１１に設けられ、排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービン１２１と、吸気通路２に設けられ、シャフト１２２を介してタービン１２１に連結されたコンプレッサ１２３を備えている。コンプレッサ１２３は、エンジン１に吸入される空気（吸気）を加圧し、過給を行う。吸気通路２には、コンプレッサ１２３をバイパスするバイパス通路１６が接続されており、バイパス通路１６には、バイパス通路１６を通過する空気の流量を調整するためのエアバイパス弁（ＡＢ弁）１７が設けられている。

排気通路１１は、排気マニホルド１０を介して各気筒６の燃焼室に接続されている。排気通路１１には、可変ノズル１２４を有するタービン１２１が設けられている。可変ノズル１２４は、後述するように、流路面積を変更することによって可変ノズル１２４を通過する空気（排ガス）の流速を調整し、それにより過給効率を変更する。

図２に示すように、可変ノズル１２４は、タービン１２１のハウジング内に設けられ、角度を変更することが可能な複数のノズルベーン１２４ａを備える。各ノズルベーン１２４ａは、ロッド１２４ｂを介してベーンアクチュエータ１２４ｃと接続されており、ベーンアクチュエータ１２４ｃによってロッド１２４ｂが駆動されると、それに連動して各ノズルベーン１２４ａの角度が変更される。また、ロッド１２４ｂには、ノズルベーン１２４ａの角度を可変ノズルの開度（可変ノズル開度ＡＶＧ）として検出する可変ノズル開度センサ１２４ｄが設けられている。

本明細書において、可変ノズル開度ＡＶＧとは、ノズルベーン１２４ａの角度を意味し、可変ノズル開度ＡＶＧを小さくする、又は閉じ側に制御すると言うときは、全てのノズルベーン１２４ａを、隣接する２つのものの間の間隔が狭くなる方向に駆動することを意味する。また、可変ノズル開度ＡＶＧを大きくする、又は開き側に制御すると言うときは、全てのノズルベーン１２４ａを、隣接する２つのものの間の間隔が拡がる方向に駆動することを意味する。また、例えば、ＡＶＧ＝０％は、エンジン１の運転中に制御され得る最小の開度を意味し、ＡＶＧ＝１００％は、エンジン１の運転中に制御され得る最大の開度を意味する。

以上の定義から、可変ノズル開度ＡＶＧを小さくすると、ノズルベーン１２４ａ間の間隔が狭まることで、タービンホイール１２１ａに向かう排ガスの流路面積が小さくなる。これにより、可変ノズル１２４を通過する排ガスの流速が上昇し、タービンホイール１２１ａの回転数が上昇することで、タービン１２１と一体に連結されたコンプレッサ１２３の回転数が上昇し、過給圧ＰＢが上昇する。逆に、可変ノズル開度ＡＶＧを大きくすると、ノズルベーン１２４ａ間の間隔が拡がることで流路面積が拡大し、通過する排ガスの流速が低下することで、タービンホイール１２１ａ及びコンプレッサ１２３の回転数が低下し、過給圧ＰＢが低下する。

図３は、エンジン１の制御装置の構成を示す。電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという。）２０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ２０には、上述した過給圧センサ２１、吸入空気流量センサ２２、可変ノズル開度センサ１２４ｄ、回転数センサ９の他、車両のアクセルペダルの操作量（アクセル開度ＡＰ）を検出するアクセル開度センサ２３などが接続されており、それらの検出信号が逐次、入力される。ＥＣＵ２０の出力側には、燃料噴射弁７、点火プラグ８、ＴＨアクチュエータ１３ａ、ベーンアクチュエータ１２４ｃ、ＡＢ弁１７などが接続されている。

ＥＣＵ２０は、上述の各種センサの検出信号などに応じて、エンジン１を制御する。特に、本実施形態において、ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態（主としてエンジン回転数ＮＥ及びアクセル開度ＡＰ）に応じて、可変ノズル１２４の開度ＡＶＧを変化させることで過給圧ＰＢの制御を行う。

以下では、図４及び図５を参照しながら、本実施形態における過給圧制御について説明する。この過給圧制御では、タービン１２１側の圧力に基づき、可変ノズル開度ＡＶＧの閉じ側の開度を制限する制限値ＡＬＭＴを設定する。そして、車両から加速要求があったときは、可変ノズル開度ＡＶＧを制限値ＡＬＭＴに設定し、加速要求がないときには、可変ノズル開度ＡＶＧが制限値ＡＬＭＴを下回った場合に、可変ノズル開度ＡＶＧを制限値ＡＬＭＴに設定する。

本実施形態では、上記の制限値ＡＬＭＴの設定は、タービン１２１側の圧力として、タービン１２１の上流側の圧力（排圧）と下流側の圧力との比である膨張比を用いて行われる。具体的には、膨張比が所定の限界値（限界膨張比ＲＯＶＥＲ）を超えたときは、排圧が過度に上昇し、タービン等の故障が発生する可能性が高い状態であると評価し、限界膨張比ＲＯＶＥＲを超えないよう、それよりも低い所定の膨張比を制限膨張比ＲＬＭＴとしてあらかじめ設定する。そして、車両の要求（エンジン回転数ＮＥ及びアクセル開度ＡＰ）によって定まるタービン１２１の要求仕事量ＷＣＭＤと制限膨張比ＲＬＭＴとに基づき、可変ノズル開度ＡＶＧの制限値ＡＬＭＴを設定する。

図４は、可変ノズル開度ＡＶＧを設定する処理を示すフローチャートである。本処理は、ＥＣＵ２０において、所定時間ごとに繰り返し実行される。本処理では、まずステップ４０１（「Ｓ４０１」と図示。以下同じ）において、エンジン回転数ＮＥとアクセル開度ＡＰに基づき、要求トルクを算出する。次いで、ステップ４０２において、エンジン回転数ＮＥと要求トルクに基づき、目標過給圧ＰＢＣＭＤを算出する。次いで、ステップ４０３において、エンジン回転数ＮＥと要求トルクに基づき、目標流量を算出する。次いで、ステップ４０４において、目標過給圧ＰＢＣＭＤに基づき、目標膨張比を算出する。

次いで、ステップ４０５において、ステップ４０３及びステップ４０４で算出された目標流量及び目標膨張比などに基づき、タービン仕事量の導出のための公知の式を用いて、要求タービン仕事量ＷＣＭＤを算出する。要求タービン仕事量ＷＣＭＤとは、過給圧ＰＢを目標過給圧ＰＢＣＭＤまで上昇させるために必要とされるタービンの仕事量である。

次いで、ステップ４０６において、要求タービン仕事量ＷＣＭＤと、前述した制限膨張比ＲＬＭＴに基づき、図５に示すマップを検索することによって、可変ノズル開度ＡＶＧの制限値ＡＬＭＴを設定する。

図５のマップは、可変ノズル開度ＡＶＧ、排気流量、及び膨張比の関係を表したものであり、図５では、可変ノズル開度ＡＶＧとして、ＡＶＧ１（開度１００％）からＡＶＧ５（開度０％）までの５つの所定値ＡＶＧ１〜ＡＶＧ５が例示されている。また、このマップ上には、ある要求タービン仕事量ＷＣＭＤ１が得られる際の可変ノズル開度ＡＶＧ、排気流量及び膨張比の関係が表されている。また、図５中のＲＯＶＥＲとＲＬＭＴは、それぞれ前述した限界膨張比と制限膨張比である。

このマップを用い、算出された要求仕事量ＷＣＭＤと所定の制限膨張比ＲＬＭＴに応じて、可変ノズル開度ＡＶＧと排気流量が求められる。この場合、要求仕事量ＷＣＭＤと制限膨張比ＲＬＭＴによって定まる可変ノズル開度ＡＶＧがＡＶＧ１〜５のライン上にない場合には、可変ノズル開度ＡＶＧは補間計算によって算出される。

ステップ４０６で制限値ＡＬＭＴを算出した後、ステップ４０７において、車両から加速要求（たとえば、アクセル開度ＡＰの増加など）を受けているか否かを判定する。ステップ４０７の答えがＹＥＳで、車両から加速要求を受けている場合、ステップ４１０に進み、可変ノズル開度ＡＶＧを、ステップ４０６で算出した制限値ＡＬＭＴに設定し、本処理を終了する。

なお、図４には表していないが、ステップ４０７からステップ４１０に進んだ場合、すなわち車両から加速要求を受け、可変ノズル開度ＡＶＧを制限値ＡＬＭＴに設定した場合、その後に続く処理として、所定時間が経過するまでの間、現在の可変ノズル開度ＡＶＧに所定の増加量ΔＡを加算した値を、新たな可変ノズル開度ＡＶＧとして設定する処理を実行するように構成してもよい。

図４に戻り、ステップ４０７の答えがＮＯで、車両から加速要求を受けていない場合、ステップ４０８に進む。ステップ４０８では、過給圧ＰＢが目標過給圧ＰＢＣＭＤになるように、フィードバック制御により可変ノズル開度ＡＶＧを変更し、ステップ４０９に進む。

ステップ４０９では、可変ノズル開度ＡＶＧが、制限値ＡＬＭＴよりも小さいか否かを判別する。ステップ４０９の答えがＹＥＳで、可変ノズル開度ＡＶＧが制限値ＡＬＭＴよりも閉じ側の開度に設定されているときは、ステップ４１０に進み、可変ノズル開度ＡＶＧを制限値ＡＬＭＴに設定し、本処理を終了する。一方、ステップ４０９の答えがＮＯで、可変ノズル開度ＡＶＧが制限値ＡＬＭＴと同じか、より開き側の開度に設定されているときは、ステップ４１１に進み、現在の可変ノズル開度ＡＶＧを維持し、本処理を終了する。

以上の可変ノズル開度設定により、本実施形態では、車両から加速要求を受けているときは、可変ノズル開度ＡＶＧを制限値ＡＬＭＴに設定するとともに、車両から加速要求を受けていないときは、過給圧ＰＢが目標過給圧ＰＢＣＭＤとなるように可変ノズル開度ＡＶＧをフィードバック制御しながら、可変ノズル開度ＡＶＧが制限値ＡＬＭＴを下回った場合に、可変ノズル開度ＡＶＧを制限値ＡＬＭＴに設定する。

以上のように、本実施形態によれば、制限膨張比ＲＬＭＴに基づき、可変ノズル１２４の閉じ側の開度ＡＶＧを制限する制限値ＡＬＭＴを設定し、目標過給圧ＰＢＣＭＤに向かって過給圧ＰＢを上昇させる際、可変ノズル開度ＡＶＧを制限値ＡＬＭＴに設定し、その後、可変ノズル開度ＡＶＧを徐々に増加させるように制御する。このように、タービン１２１の制限膨張比ＲＬＭＴに基づき可変ノズル１２４の閉じ側の開度を制限することによって、ターボチャージャ１２の故障を効果的に防止するとともに、目標過給圧ＰＢＣＭＤに向かって過給圧ＰＢを上昇させる際、可変ノズル開度ＡＶＧを制限値ＡＬＭＴに設定することにより、過給圧のオーバーシュートの発生を防止することができる。

また、車両から加速要求を受けた際、可変ノズル開度ＡＶＧを、全閉開度に近い制限値ＡＬＭＴに設定することにより、過給の応答性を向上させることができる。

また、ターボチャージャ１２のタービン１２１の上流側の圧力と下流側の圧力の比である膨張比に基づき、可変ノズル開度ＡＶＧの制限値ＡＬＭＴを設定するので、タービン１２１の上流側の圧力（排圧）の上昇に対して、排気温度や大気圧等も反映させることで、排気温度や大気圧の変化時に、ターボチャージャ１２の故障をより効果的に防止することができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。たとえば、実施形態においては、要求タービン仕事量ＷＣＭＤと制限膨張比ＲＬＭＴに基づきノズル開度ＡＶＧの制限値ＡＬＭＴを設定する際に、図５のマップを用いたが、当該マップは例示に過ぎず、適宜変更することが可能である。また、マップに代えて、算出式を用いることも可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

１エンジン（内燃機関）
１２ターボチャージャ（過給機）
２０ＥＣＵ（制限値設定手段、開度設定手段）
２１過給圧センサ
１２１タービン
１２４可変ノズル
ＡＬＭＴ可変ノズル開度の制限値
ＡＶＧ可変ノズル開度
ＰＢ過給圧
ＰＢＣＭＤ目標過給圧
ＲＬＭＴ制限膨張比

Claims

内燃機関に設けられ、可変ノズルの開度を閉じ側に変化させることによって、過給圧を上昇させるように構成された過給機と、
前記過給圧を取得する過給圧取得手段と、
前記過給機の前記タービン側の圧力に基づき、前記可変ノズルの閉じ側の開度を制限する制限値を設定する制限値設定手段と、
目標過給圧に向かって前記過給圧を上昇させる際、前記可変ノズルの開度を前記制限値に設定し、次いで、前記可変ノズルの開度を徐々に開き側に設定する開度設定手段と、
を備えることを特徴とする、内燃機関の過給圧制御装置。
前記可変ノズルの開度の前記制限値は、前記目標過給圧に対応する開度よりも小さく、全閉開度よりも大きい値であ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。
前記タービン側の圧力は、前記タービンの上流側の圧力と前記タービンの下流側の圧力との比である膨張比である、請求項１又は２に記載の内燃機関の過給圧制御装置。