JP2023012247A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の吸気圧（過給圧）を適正範囲内に適切に抑制し、また燃料カットの頻発を避ける。【解決手段】排気ターボ過給機が付帯し、排気タービンを迂回する排気バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブが設けられた内燃機関を制御するものであって、ウェイストゲートバルブの開度を、その基本量に、気筒に連なる吸気通路内の実測吸気圧と目標吸気圧との偏差に応じた補正量を加味した開度に操作することとし、前記実測吸気圧が閾値を超えて大きくなったことを条件として、ウェイストゲートバルブの開度に係る前記基本量を、以前に比してより開度を拡大するように修正する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、動力源として車両に搭載される排気ターボ過給機が付帯した内燃機関を制御する制御装置に関する。

内燃機関の気筒から排出される排気ガスの持つエネルギを利用して排気タービン（タービンホイール）を回転させ、その回転をコンプレッサのインペラ（コンプレッサホイール）に伝達し、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒へと送り込む排気ターボ過給機が公知である（例えば、下記特許文献を参照）。

吸気通路を気筒に向かって流通する吸気の圧力（過給圧）が過大化すると、過給機のコンプレッサまたはタービンを含む内燃機関の部位の破損を招くおそれがある。そのような破損を回避するべく、排気通路におけるタービンの上流と下流とを連通させるバイパス通路及び当該バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブを設けている。

ウェイストゲートバルブを開弁することにより、排気の一部がタービンを迂回してタービンに流入せず、コンプレッサが吸気に対してする過給の仕事量が減少して、吸気圧が低下する。ウェイストバルブゲートの開度は、現在の実測の吸気圧とその目標値との偏差を縮小するようにフィードバック制御される。

特開２０２１－０４２７２０号公報

平常であれば、ウェイストゲートバルブの開閉操作を通じて吸気圧を適正範囲内に制御できる。だが、吸気通路に異物が侵入しまたは堆積している等、何らかの異常が存在する状況下では、吸気圧が適正範囲を超える可能性がある。そこで、実測の吸気圧が許容される限界に近い閾値を上回ったときに、気筒に向けた燃料噴射を一時休止する燃料カットを実行し、タービンに流入する排気の温度及び圧力を低下させて、吸気圧を抑制するようにする。

だが、運転者がアクセルペダルを恒常的に強く踏み込むような操作を行うような場合には、反復的に吸気圧が閾値を超越し、それに呼応して幾度も燃料カットを実行することになる。これにより、車両の走行中に内燃機関の出力が波打つように増減するハンチングが起こり、ドライバビリティまたはドライブフィーリングに悪影響を及ぼすことが懸念される。

本発明は、上述の問題に着目してなされたものであり、排気ターボ過給機が付帯する内燃機関において、吸気圧を適正範囲内に適切に抑制することを所期の目的としている。

本発明では、排気ターボ過給機が付帯し、排気タービンを迂回する排気バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブが設けられた内燃機関を制御するものであって、ウェイストゲートバルブの開度を、その基本量に、気筒に連なる吸気通路内の実測吸気圧と目標吸気圧との偏差に応じた補正量を加味した開度に操作することとし、前記実測吸気圧が閾値を超えて大きくなったことを条件として、ウェイストゲートバルブの開度に係る前記基本量を、以前に比してより開度を拡大するように修正する内燃機関の制御装置を構成した。

特に、前記実測吸気圧が閾値を超える事象が所定回数（一回ないし複数回）発生する都度、あるオフセット量分前記基本量を修正することが好ましい。

さらに、修正した前記基本量を記憶し、その記憶保持している基本量を内燃機関の再始動後の制御に用いることが好ましい。

本発明によれば、排気ターボ過給機が付帯する内燃機関において、吸気圧を適正範囲内に適切に抑制することができる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態の制御装置による制御の模様を示すタイミング図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を包有している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を起こすものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、排気ターボ過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３５、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生する排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、排気ターボ過給機５の排気タービン５２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパス弁であるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。

排気ターボ過給機５は、排気タービン５２とコンプレッサのインペラ５１とをシャフト５３を介して同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、タービン５２及びインペラ５１を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサにポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

ウェイストゲートバルブ４４は、排気通路４におけるタービン５２の上流側と下流側とを接続するバイパス４３を開通させることで、吸気通路３を流通する吸気の過給圧が過剰に大きくならないように抑制する役割を担う。また、ウェイストゲートバルブ４４の開閉操作を通じて、吸気圧をその目標値に追従させるフィードバック制御を実行することもできる。ウェイストゲートバルブ４４は、例えばダイアフラム式のアクチュエータ６により駆動する。

アクチュエータ６は、ダイアフラム６０により隔てられたダイアフラム室６１及び定圧室６２を有し、ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧を利用してダイアフラム６０を変位させる。ダイアフラム６０とウェイストゲートバルブ４４とは、バルブロッド６３を介して連結している。ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧が所定のセット圧を超えると、ダイアフラム６０及びバルブロッド６３が、スプリング６４の弾性付勢力に抗して、ダイアフラム室６１側から定圧室６２側に向かって変位する。結果、バイパス通路４３を閉鎖していたウェイストゲートバルブ４４が駆動されて、バイパス通路４３が開放される。これに対し、ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧がセット圧以下であるときには、スプリング６４の弾性付勢力によりダイアフラム６０及びバルブロッド６３が元の位置に復帰し、ウェイストゲートバルブ４４が完全に閉じて、バイパス通路４３が閉鎖される。

アクチュエータ６のダイアフラム室６１には、吸気通路３におけるコンプレッサ５１の下流側かつスロットルバルブ３２の上流側の部位の吸気の圧力、つまりは過給圧を導入する。そのために、ダイアフラム室６１と吸気通路３の当該部位とを連通させる圧導入流路７１と、圧導入流路７１及びダイアフラム室６１を大気に開放する圧抜流路７２と、圧抜流路７２を開閉する調整バルブ（Ｖａｃｕｕｍ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）７３とを設けている。ＶＳＶ７３は、制御信号ｌを受けてその開度を変化させるソレノイドバルブ等の既知の流量制御弁である。ＶＳＶ７３の開度を操作すれば、吸気通路３から圧導入流路７１に流入する過給気の一部を圧抜流路７２経由で大気に逃がし、ダイアフラム室６１の圧力の大きさを制御することができる。アクチュエータ６の定圧室６２には、通常、大気圧を導入する。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、排気通路４と吸気通路３とを連通させる外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における触媒４１の下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所（特に、サージタンク３３または吸気マニホルド３４）に接続している。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵまたはコントローラが、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、内燃機関に対する要求エンジントルクまたはエンジン負荷率）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、気筒１に連なる吸気通路３（特に、サージタンク３３または吸気マニホルド３４）内の吸気温及び吸気圧（過給圧）を検出する吸気温・吸気圧センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｅ、内燃機関の冷却水の温度を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、車両が所在する路面の勾配または車両の加速度を検出する加速度センサから出力される加速度信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＶＳＶ７３に対して開度操作信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸入空気量を推算する。そして、吸入空気量に見合った（目標空燃比を実現するのに必要な）要求燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング（一度の燃焼に対する点火の回数を含む）、目標吸気圧、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態のＥＣＵ０は、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，アクセル開度］に応じて、内燃機関の各気筒１に充填する吸気の過給圧の目標値を決定する。ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数及びアクセル開度と目標吸気圧との関係を規定するマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数及びアクセル開度をキーとして当該マップを検索し、目標吸気圧を得る。なお、目標吸気圧は、現在の大気圧や吸気温、外気温、車両が所在している路面の勾配等の何れか少なくとも一つに応じて補正されることがあり得る。ＥＣＵ０は、目標吸気圧を達成できるよう、スロットルバルブ３２やウェイストゲートバルブ４４の開度を制御する。

ウェイストゲートバルブ４４の開度に関して補記すると、ＥＣＵ０は、ＶＳＶ７３の開度操作を通じて、間接的にウェイストゲートバルブ４４の開度を調節する。本実施形態にあって、ＥＣＵ０は、現在の内燃機関の運転領域に応じて、ＶＳＶ７３の開度の基本量（いわば、ウェイストゲートバルブ４４の開度の基本量）を決定する。ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数及びアクセル開度とＶＳＶ７３の開度の基本量との関係を規定するマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数及びアクセル開度をキーとして当該マップを検索し、ＶＳＶ７３の開度の基本量を得る。なお、ＶＳＶ７３の開度の基本量は、現在の大気圧や吸気温、外気温、内燃機関の冷却水温、タービン５２若しくはコンプレッサのインペラ５１の回転数等の何れか少なくとも一つに応じて補正されることがあり得る。

しかして、ＥＣＵ０は、ＶＳＶ７３の開度（ひいては、ウェイストゲートバルブ４４の開度）をフィードバック制御する。即ち、吸気圧信号ｃを参照して実測される吸気圧と、決定した目標吸気圧との偏差を求め、当該偏差を縮小する方向にＶＳＶ７３の開度を操作する。結果、ＶＳＶ７３の開度は、その基本量にフィードバック制御による補正量を加味した開度に位置付けられることとなる。

平常であれば、ＶＳＶ７３の開度のフィードバック制御を通じて、吸気圧を適正範囲内に抑制できる。だが、吸気通路３に異物が侵入しまたは堆積している等、何らかの異常が存在する状況下では、吸気圧が適正範囲を超える可能性がある。そこで、ＥＣＵ０は、図２に示すように、実測の吸気圧が許容される限界に近い閾値を上回ったときに、気筒に向けた燃料噴射を一時休止する燃料カットを実行する。燃料カットにより、当然のことながら気筒１における燃料の燃焼が生じず、排気通路４を通じてタービン５２に流入する排気の温度及び圧力が低下し、コンプレッサ５１による過給の仕事量が減少して、吸気圧を閾値以下に低減させることができる。

しかしながら、運転者がアクセルペダルを恒常的に強く踏み込むような操作を行うような場合には、反復的に吸気圧が閾値を超越し、それに呼応して幾度も燃料カットを実行することになる可能性がある。燃料カットは、内燃機関の出力を強制的に衰えさせる操作でもある。従って、燃料カットが繰り返されると、車両の走行中に内燃機関の出力が波打つハンチングが起こり、ドライバビリティまたはドライブフィーリングに悪影響を及ぼす懸念がある。実際に、燃料カットに起因した車体へのショックは、無視できない程度に大きいことがある。

上述の問題を緩和ないし解消するべく、本実施形態のＥＣＵ０は、図２に示しているように、実測吸気圧が所定回数（一回ないし複数回）閾値を超える事象が発生する都度、あるオフセット量ΔＡ分、ＶＳＶ７３の開度の基本量を修正する。より具体的には、オフセット量ΔＡ分、ＶＳＶ７３の開度の基本量を縮小する。ＶＳＶ７３の開度が小さいほど、ウェイストゲートバルブ４４が開きやすくなる、つまりはそのオフセット量ΔＡ分だけウェイストゲートバルブ４４の開度が拡大することになる。

オフセット量ΔＡは、一定値としてもよいし、可変値としてもよい。例えば、実測吸気圧が所定回数（一回ないし複数回）閾値を超える度に、オフセット量ΔＡの絶対値を大きくすることが考えられる。

一度ないし複数度オフセット量ΔＡを加えて修正したＶＳＶ７３の開度の基本量（及び／または、可変値であるオフセット量ΔＡ）は、ＥＣＵ０のメモリに記憶保持し、以降の内燃機関の制御に用いる。修正したＶＳＶ７３の開度の基本量（及び／または、オフセット量ΔＡ）は、内燃機関の運転を停止しその後内燃機関を再始動（アイドルストップからの再始動のみならず、冷間始動を含む）してからも，継続的に用いることができる。

本実施形態では、排気ターボ過給機５が付帯し、排気タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３を開閉するウェイストゲートバルブ４４が設けられ、動力源として車両に搭載される内燃機関を制御するものであって、ウェイストゲートバルブ４４の開度（ＶＳＶ７３の開度）を、その基本量に、気筒１に連なる吸気通路３内の実測吸気圧と目標吸気圧との偏差に応じた補正量を加味した開度に操作することとし、前記実測吸気圧が閾値を超えて大きくなったことを条件として、ウェイストゲートバルブ４４の開度に係る前記基本量（ＶＳＶ７３の開度の基本量）を、以前に比してよりウェイストゲートバルブ４４の開度を拡大するように修正する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、予めフィードフォワード制御として吸気圧（過給圧）の過剰な上昇を抑制可能となり、過給機５やその他の内燃機関の部位の破損を招来することを回避できる。のみならず、吸気圧が閾値を超越する頻度、即ち強制的に燃料カットを実行する頻度が減少するので、燃料カットに伴うトルクショックが起こりにくくなり、車両のドライバビリティまたはドライブフィールの良化に寄与できる。

本実施形態の制御手法は、新たなハードウェアを追加することなく実現でき、コスト増を招かない。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。

例えば、ウェイストゲートバルブ４４は、ダイアフラム式アクチュエータ６により開閉駆動されるものでなく、制御装置たるＥＣＵが直接開閉操作可能な電動式のものであることがある。その場合にも勿論、本発明に係る制御手法を用いることができる。即ち、ＥＣＵが、現在の内燃機関の運転領域等に応じて定めた基本量に、実測吸気圧と目標吸気圧との偏差に応じたフィードバック制御補正量を加味した開度に当該ウェイストゲートバルブを操作することとし、実測吸気圧が閾値を超える事象が所定回数（一回ないし複数回）発生する都度、あるオフセット量分前記基本量を修正する（ウェイストゲートバルブ自体の開度の基本量をオフセット量分縮小する）のである。

その他、各部の具体的な構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
３…吸気通路
４…排気通路
４４…ウェイストゲートバルブ
５…排気ターボ過給機
５１…コンプレッサ
５２…タービン
７３…調整バルブ（ＶＳＶ）
ａ…車速信号
ｂ…クランク角信号
ｃ…アクセル開度信号
ｄ…吸気圧信号
ｅ…大気圧信号
ｈ…加速度信号
ｊ…燃料噴射信号
ｋ…スロットルバルブの開度操作信号
ｍ…調整バルブの開度操作信号
ΔＡ…オフセット量

Claims (3)

1. 排気ターボ過給機が付帯し、排気タービンを迂回する排気バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブが設けられた内燃機関を制御するものであって、
   ウェイストゲートバルブの開度を、その基本量に、気筒に連なる吸気通路内の実測吸気圧と目標吸気圧との偏差に応じた補正量を加味した開度に操作することとし、
   前記実測吸気圧が閾値を超えて大きくなったことを条件として、ウェイストゲートバルブの開度に係る前記基本量を、以前に比してより開度を拡大するように修正する内燃機関の制御装置。
2. 前記実測吸気圧が閾値を超える事象が所定回数発生する都度、あるオフセット量分前記基本量を修正する請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 修正した前記基本量を記憶し、その記憶保持している基本量を内燃機関の再始動後の制御に用いる請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。

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