JP2023066042A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の最大筒内圧が過剰に高くなることを抑える。【解決手段】内燃機関１は過給機５０を備えている。制御装置１００は、内燃機関１に要求される吸入空気量を算出する算出処理と、機関回転速度に応じて吸入空気量を制限する制限処理とを実行する。【選択図】図１

Description

本発明は、過給機を備える内燃機関の制御装置に関するものである。

過給機を備える内燃機関が知られている（例えば特許文献１など）。

特開２０１３－１４４９３２号公報

ところで、過給機を備える内燃機関では吸気が過給されるため、過給機を備えていない内燃機関と比べて最大筒内圧が高くなりやすい。そのため、最大筒内圧が過剰に高くなることを抑えることが望まれる。

上記課題を解決する内燃機関の制御装置は、過給機を備える内燃機関の制御装置である。この制御装置は、前記内燃機関に要求される吸入空気量を算出する算出処理と、機関回転速度に応じて前記吸入空気量を制限する制限処理とを実行する。

本発明者は、吸入空気量が同じでも、機関回転速度が異なると最大筒内圧が異なることを見出した。そこで、同構成では、内燃機関に要求される吸入空気量を機関回転速度に応じて制限するようにしている。従って、機関回転速度が異なっても、内燃機関の最大筒内圧が過剰に高くなることを抑えることができる。

また、前記制限処理として、機関回転速度に基づいて前記吸入空気量の上限値を設定することにより吸入空気量を制限する処理を実行してもよい。
また、前記算出処理として、前記内燃機関に要求される図示トルクを得ることができる吸入空気量を算出する処理を実行してもよい。

また、内燃機関に要求される図示トルクを得ることができる吸入空気量を算出する場合には、前記制限処理として、機関回転速度に基づいて前記図示トルクの上限値を設定することにより吸入空気量を制限する処理を実行してもよい。

また、前記内燃機関は、前記過給機のタービンハウジングの上流側と下流側とを連通するバイパス通路と、前記バイパス通路を流れる排気の量を調整するウェイストゲートバルブとを有しており、前記内燃機関が過給状態のときには、前記内燃機関の吸気通路に設けられたスロットルバルブを既定値以上の開度に維持するとともに、前記ウェイストゲートバルブの開度調整を通じて吸入空気量を調整する吸入空気量制御を実行してもよい。

同構成によれば、ウェイストゲートバルブの開度調整を通じて過給圧が調整されることにより、内燃機関の吸入空気量が調整される。ここで、スロットルバルブは既定値以上の開度に維持されるため、ポンピングロスが低減される。従って、スロットルバルブの開度調整を通じて内燃機関の吸入空気量を調整する場合と比較して、燃費が向上するようになる。

一実施形態にかかる内燃機関及び制御装置を示す模式図である。 同実施形態の制御装置が実行する処理を示すブロック図である。 吸入空気量の上限値と機関回転速度との対応関係を示すグラフである。

以下、車両に搭載される内燃機関の制御装置を具体化した一実施形態について、図１～図３を参照して説明する。
＜内燃機関及び制御装置について＞
図１に示すように、内燃機関１には、吸気通路３及び吸気ポート３ａを通じて燃焼室２に空気が吸入されるとともに、燃料噴射弁４から噴射された燃料が燃焼室２に供給される。空気及び燃料で構成される混合気に対して点火プラグ５による点火が行われると、混合気が燃焼してピストン６が往復移動し、内燃機関１の出力軸であるクランクシャフト７が回転する。燃焼後の混合気は排気として燃焼室２から排気通路８に排出される。

クランクシャフト７には、エアーコンディショナのコンプレッサやオルタネータなどの各種の補機９０が接続されている。
内燃機関１の吸気通路３には、吸入空気量を調量する電動式のスロットルバルブ２９が設けられている。

吸気通路３に繋がる吸気ポート３ａには吸気バルブ９が設けられている。排気通路８に繋がる排気ポート８ａには排気バルブ１０が設けられている。これら吸気バルブ９及び排気バルブ１０は、クランクシャフト７の回転が伝達される吸気カムシャフト１１及び排気カムシャフト１２の回転に伴って開閉動作する。

スロットルバルブ２９よりも上流の吸気通路３には、吸入空気を過給する過給機５０のコンプレッサハウジング５１が接続されている。コンプレッサハウジング５１とスロットルバルブ２９との間の吸気通路３には、過給により温度上昇した空気を冷却するインタークーラ６０が設けられている。

排気通路８には、燃焼室２から排出される排気を浄化する触媒７０が設けられている。
触媒７０よりも下流の排気通路８には、過給機５０のタービンハウジング５２が接続されている。また、タービンハウジング５２の上流側の部分とタービンハウジング５２の下流側の部分とは、バイパス通路８０を介して連通されている。そのバイパス通路８０の途中には、アクチュエータにて開度が調整されるウェイストゲートバルブ（以下、ＷＧＶという）８１が設けられている。このＷＧＶ８１は、バイパス通路８０を流れる排気の量を調整するバルブであり、その開度が大きくなるほど、タービンハウジング５２の内部に設けられたタービンホイールを迂回してバイパス通路８０を通過する排気の量が多くなる。そのため、過給機５０によって高められる吸気の過給圧は低くなり、吸入空気量は減少する。

制御装置１００は、内燃機関１を制御対象とし、スロットルバルブ２９、燃料噴射弁４、点火プラグ５、ＷＧＶ８１等の各種操作対象機器を操作することによって、内燃機関１の制御量（吸入空気量、噴射燃料量等）を制御する。

制御装置１００は、中央処理装置（以下、ＣＰＵという）１１０や、制御用のプログラムやデータが記憶されたメモリ１２０などを備えている。そして、制御装置１００は、メモリ１２０に記憶されたプログラムをＣＰＵ１１０が実行することにより各種制御に関する処理を実行する。

制御装置１００には、アクセルペダル２７の操作量であるアクセル操作量ＡＣＣＰを検出するアクセルポジジョンセンサ２８や、スロットルバルブ２９の開度であるスロットル開度ＴＡを検出するスロットル開度センサ３０が接続されている。また、制御装置１００には、内燃機関１の吸入空気量ＧＡを検出するエアフロメータ３１や、コンプレッサハウジング５１とインタークーラ６０との間における吸気通路３内の圧力（以下、過給圧ＰＴＣという）を検出する圧力センサ３２が接続されている。また、制御装置１００には、車両の車速ＳＰを検出する車速センサ３３や、クランクシャフト７の回転角を検出するクランク角センサ３４等が接続されている。なお、制御装置１００は、クランク角センサ３４の出力信号Ｓｃｒに基づいて機関回転速度ＮＥを算出する。また、制御装置１００は、機関回転速度ＮＥ及び吸入空気量ＧＡに基づいて機関負荷率ＫＬを算出する。機関負荷率ＫＬは、燃焼室２に充填される空気量を定めるパラメータであり、基準流入空気量に対する１気筒の１燃焼サイクル当たりの流入空気量の比である。なお、基準流入空気量は、機関回転速度ＮＥに応じて可変設定される。

制御装置１００は、内燃機関１が過給状態にあるときには、スロットルバルブ２９を既定値以上の開度、例えば全開付近の開度に維持する。そして、ＷＧＶ８１の開度調整を通じて内燃機関１の吸入空気量を調整する吸入空気量制御を実行する。こうした吸入空気量制御では、スロットルバルブ２９が全開付近の開度に維持されるため、ポンピングロスが低減される。従って、スロットルバルブ２９の開度調整を通じて内燃機関１の吸入空気量を調整する場合と比較して、燃費が向上する。一方、内燃機関１が非過給状態にあるときには、制御装置１００は、スロットルバルブ２９の開度調整を通じて内燃機関１の吸入空気量を調整する吸入空気量制御を実行する。

＜目標過給圧の算出処理＞
図２に、過給機５０の過給圧の目標値である目標過給圧ＰＴＣｔを算出するために制御装置１００が実行する処理を示す。なお、図２に示す処理は、メモリ１２０に記憶されたプログラムをＣＰＵ１１０が実行することにより実現される。

要求駆動力算出処理Ｍ１０は、アクセル操作量ＡＣＣＰを入力とし、アクセル操作量ＡＣＣＰが大きい場合には、小さい場合よりも車両の駆動輪に付与すべきトルクの指令値である要求駆動力Ｄｄが大きい値となるように当該要求駆動力Ｄｄを算出する処理である。

軸トルク算出処理Ｍ１２は、要求駆動力Ｄｄを得るために必要な内燃機関１の軸トルクＴｇを算出する処理である。軸トルク算出処理Ｍ１２では、要求駆動力Ｄｄが大きい場合には、小さい場合よりも軸トルクＴｇは大きい値となるように当該軸トルクＴｇが算出される。

図示トルク算出処理Ｍ１４は、軸トルクＴｇを得るために必要な内燃機関１の図示トルクＴｚを算出する処理である。図示トルク算出処理Ｍ１４では、後述の加算トルク算出処理Ｍ３０にて算出される加算トルクＴａｄを軸トルクＴｇに加算した値が算出される。そして、その算出された値が図示トルクＴｚに代入される。

加算トルク算出処理Ｍ３０は、内燃機関１のフリクションや補機９０の駆動によって消費される内燃機関１の出力トルクを加算トルクＴａｄとして算出する処理である。図示トルク算出処理Ｍ１４では、機関回転速度ＮＥや、各補機９０の稼働状態を示す補機状態フラグＦＨが取得される。そして、機関回転速度ＮＥが高いときほど内燃機関１のフリクションは大きくなるため、機関回転速度ＮＥが高いときほど加算トルクＴａｄの値は大きくなるように当該加算トルクＴａｄが算出される。また、補機状態フラグＦＨにて示される稼働中の補機の数が多いほど、加算トルクＴａｄの値は大きくなるように当該加算トルクＴａｄは算出される。なお、各補機９０をそれぞれ駆動するために必要な駆動トルクは補機９０毎に異なるため、稼働している補機９０の種類に応じて加算トルクＴａｄの値は補正される。

要求空気量算出処理Ｍ１６は、図示トルクＴｚを得るために必要な吸入空気量を算出する処理である。要求空気量算出処理Ｍ１６では、図示トルクＴｚを得るために必要な基本要求空気量ＧＡｄｂが算出される。基本要求空気量ＧＡｄｂは、図示トルクＴｚが大きいときほど値が大きくなるように算出される。そして、要求空気量算出処理Ｍ１６では、上記基本要求空気量ＧＡｄｂと、後述の上限値算出処理Ｍ４０にて算出される上限値ＧＡｍａｘとを比較する。そして、基本要求空気量ＧＡｄｂと上限値ＧＡｍａｘのうちで小さい方の値が要求空気量ＧＡｄに代入される。従って、「基本要求空気量ＧＡｄｂ＜上限値ＧＡｍａｘ」の場合には、基本要求空気量ＧＡｄｂの値が要求空気量ＧＡｄに代入される。一方、「基本要求空気量ＧＡｄｂ≧上限値ＧＡｍａｘ」の場合には、上限値ＧＡｍａｘの値が要求空気量ＧＡｄに代入される。この場合には、上限値ＧＡｍａｘによって要求空気量が制限されることになる。

上限値算出処理Ｍ４０は、内燃機関１の最大筒内圧を許容値以下に収めるために最大吸入空気量を制限する上限値ＧＡｍａｘを機関回転速度ＮＥに応じて可変設定する処理である。この上限値算出処理Ｍ４０は、機関回転速度ＮＥを入力変数とし、上限値ＧＡｍａｘを出力変数とするマップデータがメモリ１２０に予め記憶された状態でＣＰＵ１１０により上限値ＧＡｍａｘをマップ演算することにより実現される。

図３に、上記マップデータに記された機関回転速度ＮＥと上限値ＧＡｍａｘとの対応関係を示す。本発明者は、吸入空気量が同じでも、機関回転速度が異なると最大筒内圧が異なることを見出した。そこで、最大筒内圧を許容値以下に収めることのできる最大吸入空気量を上述の上限値ＧＡｍａｘとした。そして、上限値ＧＡｍａｘを機関回転速度ＮＥ毎に求める試験を実機またはシミュレーションにて行い、その試験結果に基づいて上記マップデータを作成している。なお、上限値ＧＡｍａｘを算出する上限値算出処理Ｍ４０と、基本要求空気量ＧＡｄｂと上限値ＧＡｍａｘのうちで小さい方の値を要求空気量ＧＡｄに代入する要求空気量算出処理Ｍ１６とは、機関回転速度に応じて吸入空気量を制限する制限処理に相当する。

要求吸気圧算出処理Ｍ１８は、要求空気量ＧＡｄが得られる要求吸気圧ＰＩＭｄを算出する処理である。要求吸気圧ＰＩＭｄは、スロットルバルブ２９よりも下流の吸気通路３内の圧力である。要求吸気圧算出処理Ｍ１８では、要求空気量ＧＡｄが大きい場合には、小さい場合よりも要求吸気圧ＰＩＭｄが高い値となるように当該要求吸気圧ＰＩＭｄが算出される。

目標過給圧算出処理Ｍ２０は、要求吸気圧ＰＩＭｄが得られる過給圧ＰＴＣを目標過給圧ＰＴＣｔとして算出する処理である。この目標過給圧算出処理Ｍ２０では、インタークーラ６０での圧力損失が算出される。そして、算出された圧力損失を要求吸気圧ＰＩＭｄに加算した値が目標過給圧ＰＴＣｔに代入される。

こうして目標過給圧ＰＴＣｔが算出されると、制御装置１００は、センサで検出される過給圧ＰＴＣが目標過給圧ＰＴＣｔとなるようにＷＧＶ８１の開度制御を行う。
＜作用及び効果＞
本実施形態の作用及び効果を説明する。

（１）機関回転速度ＮＥに基づいて吸入空気量の上限値ＧＡｍａｘが可変設定される。そして、この上限値ＧＡｍａｘによって内燃機関１に吸入される空気の量が機関回転速度に応じて制限される。従って、機関回転速度が異なっても、内燃機関１の最大筒内圧が過剰に高くなることを抑えることができる。

（２）内燃機関１の最大筒内圧が過剰に高くなるおそれがある場合には、内燃機関１の耐圧性能を高める必要があり、コストアップに繋がる。この点、本実施形態では、最大筒内圧が過剰に高くなることを抑えることができるため、そうしたコストアップを抑えることができるとともに、過剰な筒内圧による内燃機関１の損傷も抑えることができる。

（３）エアーコンディショナなどが使用されると、補機９０のひとつであるコンプレッサが稼働するため、上述した加算トルクＴａｄが大きくなる。加算トルクＴａｄが大きくなると、要求される図示トルクＴｚが大きくなるため、要求空気量ＧＡｄも大きくなり、最大筒内圧が高くなるおそれがある。この点、本実施形態では、上述したように、内燃機関１に吸入される空気の量が上限値ＧＡｍａｘによって制限される。そのため、そうした補機９０の稼働による図示トルクＴｚの増大が生じた場合でも、最大筒内圧が過剰に高くなることを抑えることができる。

＜変更例＞
なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・基本要求空気量ＧＡｄｂを図示トルクＴｚに基づいて算出したが、他の態様にて基本要求空気量ＧＡｄｂを算出してもよい。
・機関回転速度ＮＥに基づいて吸入空気量の上限値ＧＡｍａｘを設定した。この他、機関回転速度ＮＥに基づいて図示トルクＴｚの上限値を設定することにより吸入空気量を制限してもよい。この場合でも、上記実施形態と同様な作用効果が得られる。

・内燃機関１が過給状態のときに、スロットルバルブ２９の開度調整を通じて吸入空気量の調整を行ってもよい。また、内燃機関１が過給状態のときに、ＷＧＶ８１の開度調整とスロットルバルブ２９の開度調整とを併用して吸入空気量の調整を行ってもよい。

・吸気通路３においてスロットルバルブ２９よりも下流の部位に上記圧力センサ３２が設けられている場合には、目標過給圧ＰＴＣｔを算出するに際してインタークーラ６０の圧力損失を考慮する必要がない。従って、この場合には、要求吸気圧算出処理Ｍ１８にて算出される要求吸気圧ＰＩＭｄを目標過給圧ＰＴＣｔに代入してもよい。

・制御装置１００は、ＣＰＵ１１０とメモリ１２０とを備えて、ソフトウェア処理を実行するものに限らない。たとえば、上記実施形態において実行されるソフトウェア処理の少なくとも一部を処理する専用のハードウェア回路（たとえばＡＳＩＣ等）を備えてもよい。すなわち、制御装置１００は、以下の（ａ）～（ｃ）のいずれかの構成であればよい。（ａ）上記処理の全てをプログラムに従って実行する処理装置と、プログラムを記憶するメモリ等のプログラム格納装置とを備える。（ｂ）上記処理の一部をプログラムに従って実行する処理装置およびプログラム格納装置と、残りの処理を実行する専用のハードウェア回路とを備える。（ｃ）上記処理の全てを実行する専用のハードウェア回路を備える。ここで、処理装置およびプログラム格納装置を備えたソフトウェア処理回路や、専用のハードウェア回路は複数であってもよい。すなわち、上記処理は、１または複数のソフトウェア処理回路および１または複数の専用のハードウェア回路の少なくとも一方を備えた処理回路によって実行されればよい。

１…内燃機関
２…燃焼室
３…吸気通路
４…燃料噴射弁
５…点火プラグ
７…クランクシャフト
８…排気通路
９…吸気バルブ
１０…排気バルブ
２８…アクセルポジジョンセンサ
２９…スロットルバルブ
３０…スロットル開度センサ
３１…エアフロメータ
３２…圧力センサ
３３…車速センサ
３４…クランク角センサ
５０…過給機
６０…インタークーラ
７０…触媒
８０…バイパス通路
８１…ウェイストゲートバルブ
９０…補機
１００…制御装置
１１０…中央処理装置
１２０…メモリ

Claims (5)

1. 過給機を備える内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関に要求される吸入空気量を算出する算出処理と、
   機関回転速度に応じて前記吸入空気量を制限する制限処理と、を実行する
   内燃機関の制御装置。
2. 前記制限処理は、機関回転速度に基づいて前記吸入空気量の上限値を設定することにより吸入空気量を制限する処理を実行する
   請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記算出処理は、前記内燃機関に要求される図示トルクを得ることができる吸入空気量を算出する処理である
   請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記算出処理は、前記内燃機関に要求される図示トルクを得ることができる吸入空気量を算出する処理であり、
   前記制限処理は、機関回転速度に基づいて前記図示トルクの上限値を設定することにより吸入空気量を制限する処理を実行する
   請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記内燃機関は、前記過給機のタービンハウジングの上流側と下流側とを連通するバイパス通路と、前記バイパス通路を流れる排気の量を調整するウェイストゲートバルブとを有しており、
   前記内燃機関が過給状態のときには、前記内燃機関の吸気通路に設けられたスロットルバルブを既定値以上の開度に維持するとともに、前記ウェイストゲートバルブの開度調整を通じて吸入空気量を調整する吸入空気量制御を実行する
   請求項１～４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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