JP3714390B2 - 過給機を備えた内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械式過給機を備えた内燃機関（以下、エンジンという）に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
ルーツ式等の機械式過給機はエンジンの吸気系に設けられて、例えばクランクシャフトの駆動等により吸入空気を過給し、機関出力の増大を達成する。過給機の設置位置は、スロットル弁の上流・下流の何れでも同様の過給作用を得られるが、例えば同一形式の機関本体を利用して自然吸気式と過給式の双方を生産する場合には、過給機をスロットル上流側に配置してスロットル下流側の部品の共通化を図った方がコスト面で有利である。ところが、このようなレイアウトを採用した場合、運転中にスロットル弁が閉方向に急操作されると、過給された吸入空気がスロットル弁に遮られて、過大な負荷により過給機の耐久性を損なってしまうという不具合がある。
【０００３】
そこで、例えば実用新案登録第２５０３６４８号公報に記載のエンジンでは、過給機の上流側と下流側とをバイパス通路により接続すると共に、そのバイパス通路に設けたバイパスバルブをスロットル弁に対してリンクで連結し、スロットル弁の閉鎖に連動してバイパスバルブを開放して、過給された吸入空気をバイパス通路を経て上流側に還流させることで、過給圧の異常上昇を防止している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、公報に記載された技術では、単にバイパスバルブをスロットル弁に機械的に連動させているに過ぎないため、その開度はスロットル開度によって一義的に定まってしまう。従って、スロット弁上流の圧力はスロットル開度と過給機の回転速度により一義的に定まることになり、過給機の制御自由度が小さく多様な運転状態で適切に過給圧を制御することは困難であった。このためバイパスバルブを電磁弁化して過給圧を制御することも考えられるが、この場合はスロットル上流側の圧力（過給圧）を検出する圧力センサが必要になり、製造コストの増大を招く問題がある。又、圧力センサは実際の圧力を検出するものであるため、制御応答性にも問題が生じ易い。
【０００５】
本発明の目的は、過給圧の制御自由度が大きく、且つ制御応答性にも優れる過給機を備えた内燃機関を安価に提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、スロットル弁の上流側の吸気通路に設けられた機械式過給機と、機械式過給機と並列に設けられたバイパス通路と、バイパス通路の開度を制御する過給圧制御弁と、スロットル弁の開度に相関するパラメータを検出するスロットル弁開度検出手段と、機械式過給機の回転速度に相関するパラメータを検出する回転速度検出手段と、スロットル弁上流の目標圧力を、スロットル弁開度検出手段の出力と回転速度検出手段の出力とから求めた基本目標圧力に、スロットル弁開度検出手段の出力の時間当たりの変化量により補正処理することで可変設定すると共に、スロットル弁開度検出手段の出力と回転速度検出手段の出力と過給圧制御弁の開度とから推定されるスロットル弁上流側圧力が目標圧力になるように過給圧制御弁の開度を制御する制御手段とを備えた。
【０００７】
よって、バイパス通路を経て機械式過給機の上流側に還流される吸入空気量が、スロットル弁開度とエンジン回転速度より求められる基本目標圧を、スロットル弁開度の時間当たりの変化量により補正処理されて可変設定された目標圧力に応じて過給圧制御弁により積極的に制御されて、スロットル弁上流の圧力である過給圧をきめ細かに制御可能となる。又、各検出手段にて検出されたパラメータや過給圧制御弁の開度に基づいてスロットル弁上流側圧力を推定するため、実際の圧力変化に先行して、これらのパラメータや制御弁開度が変化した時点でいち早く適切なスロットル弁上流側圧力に制御可能となる上に、圧力検出用のセンサを必要としない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した過給機を備えたエンジンの一実施形態を説明する。図１は本実施形態のエンジンの全体構成図を示しており、エンジン１の各気筒の燃焼室２は共通の吸気通路３に接続され、吸気通路３には上流側よりエアクリーナ４、ルーツ式の機械式過給機５、運転者のアクセル操作に応じて開度を調整されるスロットル弁６、燃料を噴射する燃料噴射弁７が設けられている。図示はしないが、過給機５はエンジン１のクランクシャフトにより所定プーリ比で回転駆動されて、吸入空気を過給する。そして、エアクリーナ４を介して吸気通路３内に取入れられた吸入空気は、過給機５により圧縮された後にスロットル弁６にて流量調整されて、燃料噴射弁７から噴射された燃料と共に吸気弁８の開弁に伴って燃焼室２内に導入され、点火プラグ９にて点火されて燃焼する。又、各気筒の燃焼室２は共通の排気通路１０に接続され、燃焼後の排気ガスは、排気弁１１の開弁に伴って燃焼室２から排気通路１０、及び図示しない触媒や消音器を経て大気中に排出される。
【０００９】
前記吸気通路３には、過給機５を迂回するようにその上流側と下流側とを連結するバイパス通路１２が設けられ、バイパス通路１２には過給圧制御弁１３が配置されている。過給圧制御弁１３は内蔵されたステッパモータの回転に応じて弁体１３ａを移動させ、バイパス通路１２の開度を調整する。
車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＢＵＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えた制御手段としてのＥＣＵ（エンジン制御ユニット）２１が設置されており、エンジン１の総合的な制御を行う。ＥＣＵ２１の入力側には、エンジン１の回転速度Ｎeを検出する回転速度検出手段としてのエンジン回転速度センサ２２、スロットル弁８の開度θTHを検出するスロットル弁開度検出手段としてのスロットルセンサ２３等の各種センサ及びスイッチ類が接続され、出力側には、前記燃料噴射弁７、点火プラグ９、過給圧制御弁１３等の各種アクチュエータが接続されている。
【００１０】
ＥＣＵ２１は、例えばエンジン回転速度Ｎe、吸入空気量、冷却水温等から燃料噴射量や点火時期を決定して、燃料噴射弁７や点火プラグ９を駆動制御し、エンジン１を適切な状態で運転する。又、ＥＣＵ２１は、過給圧制御弁１３を駆動制御してバイパス通路１２の開度を調整し、過給機５の下流側の過給された吸入空気をバイパス通路１２を経て圧力の低い上流側に還流させ、もって過給圧を調整する。以下、この過給圧制御弁１３により実行される過給圧制御について説明する。
【００１１】
ＥＣＵ２１は図２に示す過給圧制御ルーチンを所定の制御インターバルで実行し、まず、ステップＳ２でエンジン回転速度センサ２２にて検出されたエンジン回転速度Ｎe、及びスロットルセンサ２３にて検出されたスロットル開度θTHを読み込むと共に、過給圧制御弁１３への駆動信号に基づいてその弁開度Ａ（つまり、バイパス通路１２の開度）を算出し、ステップS４で図３にマップに従って過給機５の下流側圧力である推定過給圧Ｐbeを算出する。このマップは１０００rpm間隔のエンジン回転領域毎に設定されて、各マップ毎にスロットル開度θTHと過給圧制御弁１３の弁開度Ａに基づいて推定過給圧Ｐbeを設定するようになっている。
【００１２】
つまり、その時点のエンジン回転速度Ｎe（換言すれば、過給機５の回転速度）に応じて過給機５の過給量が変化し、スロットル開度θTHに応じて過給後の吸入空気のエンジン１への導入量が変化し、過給圧制御弁１３の開度Ａに応じてバイパス通路１２を経た吸入空気の還流量が変化するため、結果として、これら３つのパラメータに基づいて実際の過給圧を推定できるのである。
【００１３】
次いで、ステップS６で目標過給圧Ｐbtを設定するためにエンジン１の運転状態を検出し、その検出結果に基づいてステップS８で目標過給圧Ｐbtを設定する。設定処理では、スロットル開度θTHとエンジン回転速度Ｎeとにより求められる基本目標過給圧を補正処理して目標過給圧Ｐbtが設定される。補正処理には、例えばスロットル開度θTHの時間当たりの変化量ΔθTHが用いられ、変化量ΔθTHが正側に変位するにつれ目標過給圧Ｐbtを高い値に設定し、又、変化量ΔθTHが負側に変位するにつれ目標過給圧Ｐbtを低い値に設定し、更に、変化量ΔθTHが０付近で安定した場合には、定速走行中と見なして目標過給圧Ｐbtを低い値に設定する。
【００１４】
続くステップS１０では目標過給圧Ｐbtが推定過給圧Ｐbe以上か否かを判定し、ＹＥＳ（肯定）の判定を下したときにはステップS１２で過給圧制御弁１３を閉側に制御し、又、ステップS１０の判定がＮＯ（否定）のときにはステップS１４で過給圧制御弁１３を開側に制御し、このルーチンを終了する。
以上のＥＣＵ２１の処理によって過給圧は次のように制御される。例えば車両を加速させるべく運転者によりアクセルペダルが急激に踏み込まれると、ステップＳ８で高い目標過給圧Ｐbtが設定されて、その目標過給圧Ｐbtに応じてステップＳ１２で過給圧制御弁１３が閉側に制御され、運転状態に応じた適切な過給圧となる。そして、過給圧の増加によって十分なエンジントルクが確保されるため、運転者の加速要求に応じた迅速な加速が可能となる。
【００１５】
又、車両を減速させるべくアクセルペダルが急激に離されると、ステップＳ８で低い目標過給圧Ｐbtが設定されて、その目標過給圧Ｐbtに応じてステップＳ１４で過給圧制御弁１３が開側に制御され、運転状態に応じた適切な過給圧となる。更に、アクセルペダルを急激に離したとしても閉鎖されたスロットル弁６により吸入空気は遮られるが、バイパス通路１２の開度が増加することから多量の吸入空気がバイパス通路１２を経て過給機５の上流側に還流されて、過給圧の異常上昇により過給機５に過大な負荷が作用する事態が防止される。
【００１６】
更に、定速走行すべくアクセルペダルが一定に保持されると、ステップＳ８で低い目標過給圧Ｐbtが設定されて、その目標過給圧Ｐbtに応じてステップＳ１４で過給圧制御弁１３が開側に制御される。よって、車速を維持可能なエンジントルクを確保した上で不必要な過給圧の増加が抑制されるため、過給機５の駆動損失を低減して燃費が向上する。
【００１７】
そして、このように過給圧制御弁１３を制御することにより、過給機５の上流側に還流される吸入空気量をエンジン１の運転状態（具体的には、スロットル開度θTHの変化量ΔθTH）に応じて積極的に制御するため、例えば実用新案登録第２５０３６４８号公報のようにスロットル弁に機械的に連動させて過給圧制御弁を開閉した場合に比較して、加速や減速等の車両の走行状態に応じて過給圧をきめ細かく制御でき、もって、過給機５の利点を最大限に活用することができる。
【００１８】
しかも、上記のように実際の過給圧をセンサで検出することなく、エンジン回転速度Ｎe、スロットル開度θTH、及び過給圧制御弁の開度Ａに基づいてマップから推定過給圧Ｐbeとして推定しているため、以下の利点が得られる。即ち、実際の過給圧の変化に先行して、これら３つのパラメータが変化した時点でいち早く適切な過給圧を推定して過給圧制御に適用できるため、制御レスポンスを大幅に高めることができる。更に、実際の過給圧を検出するためのセンサを設置することなく、過給圧を推定するためのプログラム上の変更（具体的にはステップＳ２及びステップＳ４の追加）のみで対処可能なため、その製造コストを低減することができる。
【００１９】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では過給圧推定のためのパラメータの１つとしてエンジン回転速度Ｎeを用いたが、それに代えて過給機５の回転速度を適用してもよい。又、上記実施形態ではステッパモータ式の過給圧制御弁１３にてバイパス通路１２の開度を調整したが、過給圧制御弁の種類はこれに限らず、例えばデューティ制御によって開度調整する過給圧調弁を用いてもよい。
【００２０】
更に、目標圧力に設定手法は上記実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態で使用したパラメータ値の他、アクセル開度、エンジン水温、変速機の変速比等に基づいて設定するものとしてもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の過給機を備えた内燃機関によれば、過給圧を目標圧力に可変設定して過給機を効率良く活用することができる。しかも、スロットル弁上流側圧力を推定して制御に適用するため、制御レスポンスを大幅に高めることができる上に、圧力検出用のセンサを省略して製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の過給機を備えたエンジンを示す全体構成図である。
【図２】ＥＣＵが実行する過給圧制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】推定過給圧を算出するためのマップを示す説明図である。
【符号の説明】
５ 機械式過給機
１２ バイパス通路
１３ 過給圧制御弁
２１ ＥＣＵ（制御手段）
２２ 回転速度センサ（回転速度検出手段）
２３ スロットルセンサ（スロットル弁開度検出手段）

Claims (1)

1. スロットル弁の上流側の吸気通路に設けられた機械式過給機と、
   上記吸気通路に上記機械式過給機と並列に設けられたバイパス通路と、
   上記バイパス通路の開度を制御する過給圧制御弁と、
   上記スロットル弁の開度に相関するパラメータを検出するスロットル弁開度検出手段と、
   上記機械式過給機の回転速度に相関するパラメータを検出する回転速度検出手段と、
   上記スロットル弁上流の目標圧力を、上記スロットル弁開度検出手段の出力と上記回転速度検出手段の出力とから求めた基本目標圧力に、上記スロットル弁開度検出手段の出力の時間当たりの変化量により補正処理することで可変設定すると共に、
   上記スロットル弁開度検出手段の出力と上記回転速度検出手段の出力と過給圧制御弁の開度とから推定されるスロットル弁上流側圧力が上記目標圧力になるように上記過給圧制御弁の開度を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする過給機を備えた内燃機関。

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