JP2023045440A - 車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ターボ過給機が付帯した内燃機関における吸気圧を、車両の運転者の意図通りに調整する。【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り、気筒に連なる吸気通路内の吸気圧が所定値以上に大きく、かつ車両の運転者が操作するアクセルペダルの踏込量の単位時間あたりの減少量が所定値よりも大きいことを条件として、そのアクセルペダルの踏込量に応じてウェイストゲートバルブを拡開する過渡制御を実施する車両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周知である。

内燃機関の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。それ故、内燃機関の排気通路に、排気タービンの上流と下流とを連通する排気バイパスを開閉するウェイストゲートバルブ（Ｗａｓｔｅ Ｇａｔｅ Ｖａｌｖｅ）を設けることが一般的である（例えば、下記特許文献１を参照）。ＷＧＶを開弁すると、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、吸気圧を低下させることができる。

平常であれば、ＷＧＶの開閉操作により、吸気圧を適正範囲内に制御できる。しかしながら、車両の運転者がそれまで強く踏み込んでいたアクセルペダルから急に足を離し、これに起因して吸気通路上のスロットルバルブが急閉された場合には、スロットルバルブの上流側の吸気の圧力が急激に上昇しかねない。ＷＧＶを拡開しても、吸気慣性及びコンプレッサの回転慣性により、吸気圧が即時には降下しないからである。

そこで、安全対策として、吸気通路におけるコンプレッサの上流と下流とを接続する吸気バイパス通路を配設するとともに、同バイパス通路上にダイヤフラム式のエアバイパスバルブ（Ａｉｒ Ｂｙｐａｓｓ Ｖａｌｖｅ）を付設している（例えば、下記特許文献２を参照）。ＡＢＶは、吸気圧が過剰に大きくなると自ずから開弁し、その圧力の一部を逃がして減圧するリリーフ作用を営む。

特開２０２１－０４２７２０号公報 特開平１１－２６４３２１号公報

従来の内燃機関の制御では、現在のエンジン回転数及びスロットルバルブの開度に応じて、排気ターボ過給機に付随するＷＧＶの開度を拡縮させている。

だが、吸気通路上のスロットルバルブが急閉されたときには、ＷＧＶの操作を通じた吸気圧の制御の遅れにより、スロットルバルブの上流の吸気圧力が増大して、ＡＢＶが作動する可能性がある。ＡＢＶが開弁し吸気圧の一部を逃がす際には、「プシュッ」というような異音が発生することがあり、運転者を含む車両の搭乗者に違和感を与える懸念がある。

また、ＡＢＶが作動せずとも、運転者の意思にそぐわない吸気圧力の増大は、気筒に対する吸入空気量及び燃料噴射量の不必要な増加を招くということであって、望ましくない。

上述の問題に着目してなされた本発明は、排気ターボ過給機が付帯した内燃機関における吸気圧を、車両の運転者の意図通りに調整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を開閉するＷＧＶが設けられた内燃機関を制御するものであり、気筒に連なる吸気通路内の吸気圧が所定値以上に大きく、かつ車両の運転者が操作するアクセルペダルの踏込量の単位時間あたりの減少量が所定値よりも大きいことを条件として、そのアクセルペダルの踏込量に応じてＷＧＶを拡開する過渡制御を実施する車両の制御装置を構成した。

加えて、前記過渡制御中は、気筒に連なる吸気通路内の吸気圧が閾値よりも小さくなるまで、吸気通路上のスロットルバルブの開度を縮小しないようにすることが好ましい。

本発明によれば、排気ターボ過給機が付帯した内燃機関における吸気圧を、車両の運転者の意図通りに調整することができる。

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がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。 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。各気筒１の燃焼室の天井部には、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。

気筒１に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。

気筒１から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。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、タービン５２を迂回する排気バイパス４３、及びこのバイパス４３の入口を開閉するバイパス弁であるＷＧＶ４４を設けている。

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り、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５１にポンプ作用を営ませ、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

ＷＧＶ４４は、排気通路４におけるタービン５２の上流と下流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を通じて気筒１に送り込まれる吸気の圧力を増減調整する役割を担う。ＷＧＶ４４の開閉操作により、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施することもできる。

ＷＧＶ４４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、機械式の既知のもので、ダイアフラム６０により隔てられた二つの室６１、６２を有し、両室６１、６２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ＷＧＶ４４とは、バルブロッド６３を介して連結している。両室６１、６２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変位する。結果、バイパス４３を閉鎖していたＷＧＶ４４が駆動されて、バイパス４３が開放される。これに対し、両室６１、６２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、ＷＧＶ４４が完全に閉じて、バイパス４３が閉鎖される。

アクチュエータ６の一方の室６１には、吸気通路３におけるコンプレッサ５１の下流かつスロットルバルブ３２の上流の箇所の吸気の圧力、つまりは過給圧を導入する。そのために、一方の室６１と吸気通路３の当該箇所とを連通せしめる圧導入流路７１と、圧導入流路７１及び一方の室６１を大気に開放する圧抜流路７２とを設け、圧抜流路７２上にこれを開閉する調整バルブ（Ｖａｃｕｕｍ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）７３を設置している。ＶＳＶ７３は、電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０からの制御信号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、一方の室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の他方の室６２には、大気圧を導入する。

加えて、吸気通路３に、コンプレッサ５１の上流の所定箇所（特に、インタクーラ３５の直下流）とコンプレッサ５１の上流の所定箇所（特に、エアクリーナ３１の直下流）とを接続する吸気バイパス通路３６と、この吸気バイパス通路３６を開閉するＡＢＶ８とを設けている。これらは、吸気通路３を流通する吸気の圧力が過大化することを予防するための安全装置である。

ＡＢＶ８は、ダイアフラム８０を内蔵する機械式の既知のもので、ダイアフラム８０により隔てられた二つの室８１、８２を有し、両室８１、８２の差圧を利用してダイアフラム８０を変位させる。ダイアフラム８０とＡＢＶ８の弁体８４とは、バルブロッド８３を介して連結している。両室８１、８２の差圧が所定のセット圧を超えると、ダイアフラム８０及びバルブロッド８３が、スプリング８４の弾性付勢力に抗して変位する。結果、バイパス３６を閉鎖していたＡＢＶ８の弁体８５が駆動されて、バイパス３６が開放される。これに対し、両室８１、８２との差圧がセット圧以下であるときには、スプリング８４の弾性付勢力によりダイアフラム８０及びバルブロッド８３が元の位置に復帰し、ＡＢＶ８が完全に閉じて、バイパス３６が閉鎖される。

ＡＢＶ８の一方の室８１には、負圧遅延弁（Ｖａｃｃｕｍ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）８７を介して吸気の圧力を導入する。但し、当該室８１には、スロットルバルブ３２下流の吸気圧に、スロットルバルブ３２上流の過給圧をも加味した圧力を導入する。そのために、ＡＢＶ８の一方の室８１と吸気通路３のスロットルバルブ３２の下流の箇所（特に、サージタンク３３または吸気マニホルド３４）とを連通せしめる吸気負圧導入流路８６を設け、同通路８６と一方の室８１とを接続する経路上にＶＴＶ８７を設置する。さらに、ＡＢＶ８の一方の室８１と吸気通路３のスロットルバルブ３２の上流の箇所とを連通せしめる過給圧の分流路８８を設け、同通路８８上にチェックバルブ８９を設置する。

ＡＢＶ８の他方の室８２には、ＶＴＶ８７を介さず直接にスロットルバルブ３２下流側の吸気圧を導入する。ＡＢＶ８の他方の室８２に導入する吸気の圧力の変動に対し、一方の室８１に導入する吸気の圧力の変動は遅れる。従って、スロットルバルブ３２が急閉されたときに、両室８１、８２に大きな圧力差が生じて、ＡＢＶ８を開くことができる。なお、ＡＢＶ８、ＶＴＶ８７及びチェックバルブ８９は機械式のものであり、ＥＣＵ０により操作制御されない。

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とを連通せしめる外部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。

本実施形態の制御装置たるＥＣＵ０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、内燃機関の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、運転者が操作するアクセルペダルの踏込量をアクセル開度（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（スロットルバルブ３２の下流、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、内燃機関の各気筒１に属する点火プラグ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、吸気通路３上のスロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲ通路２１上のＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＷＧＶ４４を制御する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。

ＥＣＵ０は通常、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，スロットルバルブ３２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。そして、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ＷＧＶ４４の開度を操作する。ＷＧＶ４４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ＷＧＶ４４の開度を調節する。

平常であれば、ＶＳＶ７３の開度操作により、吸気通路３内の吸気の圧力を適正範囲内に抑制できる。しかし、車両の運転者がそれまで強く踏み込んでいたアクセルペダルから急に足を離し、これに起因して吸気通路３上のスロットルバルブ３２が急閉されるような場合には、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の上流の吸気の圧力が急激に上昇しかねない。ＷＧＶ４４を拡開したとしても、吸気慣性及びコンプレッサ５１の回転慣性によって、すぐには過給圧が降下しないからである。

既に述べた通り、内燃機関には安全策として予め、吸気バイパス通路３６及びＡＢＶ８を設けている。ＡＢＶ８が開弁することで、過剰な過給圧が、バイパス通路３６を介して、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の上流かつコンプレッサ５１の下流から、コンプレッサ５１の下流に逃がされる。とは言え、ＡＢＶ８が作動して過給圧を逃がす際には、「プシュッ」というようなリリーフ音が発生することがあり、運転者を含む車両の搭乗者に違和感を与える懸念がある。車両のＮＶ（Ｎｏｉｓｅ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）性能を高く保つためには、できる限りＡＢＶ８が作動しないようにしたい。

また、ＡＢＶ８が作動しないとしても、運転者がアクセルペダルから足を離し、またはアクセルペダルの踏み込みを緩めて車両の減速を要求したときには、それに対応して速やかに吸気通路３内の吸気圧を低下させることが望ましい。吸気圧が高いということは、気筒１への吸入空気量が多いということであり、吸入空気量に比例した（目標空燃比を達成し得る）量の燃料を噴射する必要から、運転者の意図にそぐわない無駄な燃料消費、即ち車両の実用燃費性能の低下を招きかねない。

上述の問題を解決するべく、図２に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、吸気圧信号ｄを参照して知得される吸気通路３内の吸気圧が所定値以上に大きく（ステップＳ１）、かつアクセル開度信号ｃを参照して知得されるアクセルペダルの踏込量の単位時間あたりの減少量が所定値よりも大きい（ステップＳ２）ことを条件として、そのアクセルペダルの踏込量に応じてＶＳＶ７３ひいてはＷＧＶ４４を拡開する過渡制御を実施する（ステップＳ３）。

図３に、本実施形態のＥＣＵ０が実行する制御の内容を実線で表している。なお、破線は、従来の制御の模様を表している。車両の運転者がそれまで踏み込んでいたアクセルペダルから足を離し、またはアクセルペダルの踏み込みを緩めたとき、ＥＣＵ０は、アクセル開度即ちアクセルペダルの踏込量の減少から時間的に遅れて、電子スロットルバルブ３２の開度を縮小する操作を行う。

その上で、従来の制御では、図３中に破線で描画しているように、（アクセルペダルの踏込量ではなく）スロットルバルブ３２の開度の縮小に呼応して、ＷＧＶ４４の開度を拡大する操作を行っていた。このため、吸気通路３におけるコンプレッサ５１の下流かつスロットルバルブ３２の上流の吸気圧のオーバシュートが生じ、ＡＢＶ８が開弁してリリーフ音が発生することがあり得た。

対して、本実施形態の制御では、少なくともステップＳ１及びＳ２の成立を必要条件として、図３中に実線で描画しているように、（現在のスロットルバルブ３２の開度にかかわらず）アクセルペダルの踏込量の縮小に呼応して、ＷＧＶ４４の開度を拡大する操作を行う（ステップＳ３）。いわば、ＷＧＶ４４を拡開するタイミングを早める。これにより、コンプレッサ５１の下流かつスロットルバルブ３２の上流の吸気圧のオーバシュートが生じず、ＡＢＶ８が開弁する機会が減少し、ＡＢＶ８の作動に伴うリリーフ音の発生を回避できる。

また、ステップＳ３の過渡制御中は、吸気圧信号ｄを参照して知得される吸気通路３内の吸気圧が閾値よりも小さくなるまで、スロットルバルブ３２の開度を縮小せず維持する。

翻って、ステップＳ１及びＳ２の条件が成立しない場合には、従前通り、現在のエンジン回転及びスロットルバルブ３２に開度に応じてＷＧＶ４４の開度を操作してよい（ステップＳ４）。

本実施形態によれば、気筒１に連なる吸気通路内の吸気の圧力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。

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、ＷＧＶ４４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ＥＣＵ０が直接に開閉操作可能な電動式のものであることがある。ＡＢＶ８についても、同様である。

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
３…吸気通路
４…排気通路
４３…排気バイパス
４４…ウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）
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）
８…エアバイパスバルブ（ＡＢＶ）
ａ…車速信号
ｂ…クランク角信号
ｃ…アクセル開度信号
ｍ…調整バルブの開度操作信号

Claims (2)

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り、
   気筒に連なる吸気通路内の吸気圧が所定値以上に大きく、かつ車両の運転者が操作するアクセルペダルの踏込量の単位時間あたりの減少量が所定値よりも大きいことを条件として、そのアクセルペダルの踏込量に応じてウェイストゲートバルブを拡開する過渡制御を実施する車両の制御装置。
2. 前記過渡制御中、気筒に連なる吸気通路内の吸気圧が閾値よりも小さくなるまで、吸気通路上のスロットルバルブの開度を縮小しない請求項１記載の車両の制御装置。

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