JP4743171B2 - 内燃機関の過給機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸気通路及び排気通路に並列に配置された２つの過給機を制御する装置に関する。

従来から、吸気系及び排気系に２つの過給機を並列に配置し、これらの過給機の作動個数を適宜切り替える技術が提案されている。具体的には、プライマリターボ過給機とセカンダリターボ過給機とを並列に配置した内燃機関において、セカンダリターボ過給機はプライマリターボ過給機よりも大容量に構成される。そして、エンジン運転領域が低速域のときにはプライマリターボ過給機のみを動作させ（シングルターボモード）、高速域のときには２つの過給機を同時に動作させる（ツインターボモード）。これにより、低速域から高速域にわたって出力性能を向上させる。上記のような過給システムの例が特許文献１、２に記載されている。

特開平５−２８８０６９号公報 特開２００５−１５５３５６号公報

上記のような過給システムでは、シングルターボモードからツインターボモードへの移行時に、セカンダリターボ過給機の過給圧が直ぐに上昇せず、一時的にトルクが落ち込むという問題がある。これによりトルク段差が発生し、ドライバーが違和感を覚えることがある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、シングルターボモードからツインターボモードへの移行時のトルク段差を低減することを目的とする。

本発明の１つの観点では、内燃機関の過給機制御装置は、吸気通路及び排気通路に並列に配置された、第１の過給機及び第２の過給機と、前記第１の過給機に設けられた可変ノズル機構と、前記第１の過給機の回転数を検出する回転数検出手段と、前記回転数検出手段が検出した回転数に基づいて、前記第１の過給機の回転加速度を算出する加速度算出手段と、前記第１の過給機のみを動作させる１個ターボモードから、前記第１及び第２の過給機を動作させる２個ターボモードへのモード移行時に、前記回転加速度が所定加速度より大きい場合に、前記可変ノズル機構を全閉とする制御手段と、を備える。

上記の内燃機関の過給機制御装置では、内燃機関の吸気通路及び排気通路に並列に２つの過給機が設けられる。第１の過給機は可変ノズル機構を有する。また、第１の過給機は、ターボ回転数を検出する回転数検出手段が設けられる。検出された回転数に基づいて、第１の過給機の回転加速度が算出される。この回転加速度は、内燃機関による加速が急激であるか否かを示す指標となる。そして、１個ターボモードから２個ターボモードへ移行する際には、回転加速度が所定加速度より大きいか否かが判定される。回転加速度が所定加速度より大きい場合、即ち、トルク段差が問題となる程度の急加速状態である場合には、第１の過給機の可変ノズルが全閉とされる。これにより、第１の過給機の回転数が十分に上昇し、排気ガス量が十分に増加した状態で２個ターボモードへの移行がなされるので、トルク段差の発生が抑制される。

上記の過給機制御装置の一態様では、前記制御手段は、前記回転数が所定回転数より大きくなったときに、前記可変ノズルを開き側に制御する。この態様では、ターボ過給機の可変ノズル機構が一旦全閉とされた後、ターボ回転数が過回転となるような回転数となった場合には、可変ノズル機構を開き側に制御してターボの過回転を防止する。これにより、ターボの損傷などを防止する。この場合の好適な例では、上記の過給機制御装置は、前記第１及び第２の過給機による過給圧を検出する過給圧検出手段を備え、前記制御手段は、検出された過給圧が上限値を超えないように前記可変ノズルを制御する。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［全体構成］
まず、本実施形態に係る内燃機関の過給機制御装置が適用されたシステムの全体構成について説明する。

図１は、本実施形態に係る内燃機関の過給機制御装置が適用された車両の構成を示す概略図である。図１では、実線矢印がガスの流れを示し、破線矢印が信号の入出力を示している。なお、図１においては、１個ターボモードに設定した場合のガスの流れを示している。

車両は、主に、エアクリーナ２と、吸気通路３と、ターボ過給機４、５と、吸気切替弁６と、リード弁７と、内燃機関８と、過給圧センサ９と、排気通路１０と、ＥＧＲ通路１１と、ＥＧＲ弁１４と、排気切替弁１５と、排気バイパス弁１６と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）５０と、を備える。

エアクリーナ２は、外部から取得された空気（吸気）を浄化して、吸気通路３に供給する。吸気通路３は途中で吸気通路３ａ、３ｂに分岐されており、吸気通路３ａにはターボ過給機４のコンプレッサ４ａが配設されており、吸気通路３ｂにはターボ過給機５のコンプレッサ５ａが配設されている。コンプレッサ４ａ、５ａは、それぞれ、吸気通路３ａ、３ｂを通過する吸気を圧縮する。

吸気通路３ｂ中には、吸気切替弁６、及びリード弁７が設けられている。吸気切替弁６は、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ６によって開閉が制御され、吸気通路３ｂを通過する吸気の流量を調整可能に構成されている。例えば、吸気切替弁６を開閉させることにより、吸気通路３ｂにおける吸気の流通／遮断を切り替えることができる。リード弁７は、通路中の圧力が所定以上となった際に開弁するように構成されている。更に、コンプレッサ４ａ、４ｂの下流側の吸気通路３には、過給圧センサ９が設けられている。過給圧センサ９は、過給された吸気の圧力（以下、「実過給圧」とも呼ぶ。）を検出し、この実過給圧に対応する検出信号Ｓ９をＥＣＵ５０に供給する。

内燃機関８は、左右のバンク（気筒群）８Ｌ、８Ｒにそれぞれ４つずつの気筒（シリンダ）８Ｌａ、８Ｒａが設けられたＶ型８気筒のエンジンとして構成されている。内燃機関８は、吸気通路３より供給される吸気と燃料との混合気を燃焼することによって、動力を発生する装置である。内燃機関８は、例えばガソリンエンジンやデーゼルエンジンなどによって構成される。そして、内燃機関８内における燃焼により発生した排気ガスは、排気通路１０に排出される。

排気通路１０中には、ＥＧＲ通路１１が接続されている。ＥＧＲ通路１１は、一端が排気通路１０に接続されており、他端が吸気通路３に接続されている。ＥＧＲ通路１１は、排気ガス（ＥＧＲガス）を吸気系に還流するための通路である。具体的には、ＥＧＲ通路１１には、ＥＧＲクーラ１２と、ＥＧＲ弁１４と、バイパス通路１１ａと、バイパス弁１３とが設けられている。ＥＧＲクーラ１２はＥＧＲガスを冷却する装置であり、ＥＧＲ弁１４はＥＧＲ通路１１を通過するＥＧＲガスの流量を調節する弁、言い換えると吸気系に還流させるＥＧＲガスの量を調節する弁である。ＥＧＲ弁１４は、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ１４によって開度が制御される。また、バイパス通路１１ａは、ＥＧＲクーラ１２をバイパスする通路であり、通路上にはバイパス弁１３が設けられている。このバイパス弁１３によって、バイパス通路１１ａを通過するＥＧＲガスの流量が調節される。

排気通路１０は途中で排気通路１０ａ、１０ｂに分岐されている。排気通路１０ａにはターボ過給機４のタービン４ｂが配設されており、排気通路１０ｂにはターボ過給機５のタービン５ｂが配設されている。タービン４ｂ、５ｂは、それぞれ、排気通路１０ａ、１０ｂを通過する排気ガスによって回転される。このようなタービン４ｂ、５ｂの回転トルクが、ターボ過給機４内のコンプレッサ４ａ及びターボ過給機５内のコンプレッサ５ａに伝達されて回転することによって、吸気が圧縮される（即ち過給される）。なお、ターボ過給機４は、低中速域で過給能力の大きい小容量の低速型の過給機として構成され、ターボ過給機５は、中高速域で過給能力の大きい大容量の高速型の過給機として構成されている。

ターボ過給機４は可変ノズル（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｎｏｚｚｌｅ：ＶＮ）機構を備える。可変ノズル機能とは、タービンの上流側に設けられたノズルベーンの開度を制御することにより排気ガスの流量を制御して過給量を調整する機構である。ノズルベーンの開度はＥＣＵ５０から供給される信号Ｓ１９により制御される。

また、ターボ過給機４には、ターボ回転数、即ちタービン４ｂの回転数を検出する回転数センサ４ｃが設けられている。回転数センサ４ｃから出力される回転数検出信号Ｓ１８は、ＥＣＵ５０に供給される。

排気通路１０ｂには、排気切替弁１５が設けられていると共に、排気バイパス通路１０ｂａが接続されている。排気切替弁１５は、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ１５によって開閉が制御され、排気通路１０ｂを通過する排気ガスの流量を調整可能に構成されている。排気切替弁１５を開閉させることにより、排気通路１０ｂにおける排気ガスの流通／遮断を切り替えることができる。また、排気バイパス通路１０ｂａは、排気切替弁１５が設けられた排気通路１０ｂをバイパスする通路として構成されている。具体的には、排気バイパス通路１０ｂａは、排気切替弁１５が設けられた排気通路１０ｂよりも、通路の径が小さく構成されている。また、排気バイパス通路１０ｂａ中には排気バイパス弁１６が設けられており、この排気バイパス弁１６によって、排気バイパス通路１０ｂａを通過する排気ガスの流量が調節される。

吸気切替弁６、排気切替弁１５、及び排気バイパス弁１６が全て閉である場合には、ターボ過給機４にのみ吸気及び排気ガスが供給され、ターボ過給機５には吸気及び排気ガスが供給されない。そのため、ターボ過給機４のみが作動し、ターボ過給機５は作動しない。一方、吸気切替弁６が開であり、排気切替弁１５及び排気バイパス弁１６のいずれかが開である場合には、ターボ過給機４、５の両方に吸気及び排気ガスが供給される。そのため、ターボ過給機４、５の両方が作動する。

ＥＣＵ５０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びＡ／Ｄ変換器などを含んで構成される。ＥＣＵ５０は、車両内の各種センサから供給される出力等に基づいて、車両内の制御を行う。具体的には、ＥＣＵ５０は、過給圧センサ９から実過給圧を取得し、この実過給圧などに基づいて、吸気切替弁６、ＥＧＲ弁１４、及び排気切替弁１５、並びに排気バイパス弁１６などに対する制御を行う。

上記の構成において、ターボ過給機４は本発明における第１の過給機として機能し、ターボ過給機５は本発明における第２の過給機として機能する。回転数センサ４ｃは本発明における回転数検出手段として機能し、過給圧センサ９は本発明における過給圧検出手段として機能する。ＥＣＵ５０は本発明における加速度算出手段及び制御手段として機能する。

本実施形態では、ＥＣＵ５０は、主に、吸気切替弁６、排気切替弁１５、及び排気バイパス弁１６を制御することによって、ターボ過給機４のみを作動させるモード（「１個ターボモード」と呼ぶ。）と、ターボ過給機４、５の両方を作動させるモード（「２個ターボモード」と呼ぶ。）とを切り替える制御を行う。詳しくは、ＥＣＵ５０は、運転状態等、例えばエンジン回転数及び要求トルクに基づいて、１個ターボモードから２個ターボモードへの切り替え、及び２個ターボモードから１個ターボモードへの切り替えを実行する。

ここで、１個ターボモードと２個ターボモードとを切り替える際に実行される基本的な制御について、簡単に説明する。前述したように、モードの切り替えは、ＥＣＵ５０が、エンジン回転数及び要求トルクに基づいて、吸気切替弁６、排気切替弁１５、及び排気バイパス弁１６を制御することによって行う。具体的には、１個ターボモードから２個ターボモードへ切り替える場合には、ＥＣＵ５０は、吸気切替弁６、排気切替弁１５、及び排気バイパス弁１６を閉から開に制御する。この場合、ＥＣＵ５０は、基本的には、排気バイパス弁１６、排気切替弁１５、吸気切替弁６の順に弁を開にすることによって、切り替えを実行する。より詳しくは、まず排気バイパス弁１６を少しずつ開いていき、この状態において所定の条件が満たされたときに排気切替弁１５を開いていき、その後に吸気切替弁６を開く。この場合、最初に排気バイパス弁１６を少し開くのは、比較的小流量の排気ガス（排気バイパス通路１０ｂａの径が小さいため）をターボ過給機５に供給することで、ターボ過給機５を徐々に作動（即ち、助走）させるためである。言い換えると、最初に排気切替弁１５を開くことによって、比較的大流量の排気ガスがターボ過給機５に一気に流れて、トルクショックなどが生じてしまうことを防止するためである。一方、２個ターボモードから１個ターボモードへ切り替える場合には、ＥＣＵ５０は、上記と同様にして、吸気切替弁６、排気切替弁１５、及び排気バイパス弁１６を開から閉に制御する。

図２は、１個ターボモードと２個ターボモードの動作領域マップを概略的に示す。図２のグラフにおいて、横軸はエンジン回転数を示し、左縦軸は要求トルク（燃料噴射量）を示し、右縦軸はターボ回転数を示す。図２において、実線７１は１個ターボモードの動作特性を示し、破線７２は２個ターボモードの動作特性を示す。エンジン回転数及び要求トルク（燃料噴射量）によって定まる動作点が実線７１より下側にある場合、内燃機関は１個ターボモードで動作する。また、エンジン回転数及びトルクが増加し、動作点が実線７１より上側の領域に入った場合、内燃機関は２個ターボモードで動作する。即ち、動作点が破線７４で囲まれた切替ラインより下側にある場合は１個ターボモードが選択され、上側にある場合は２個ターボモードが選択される。

実線７３はエンジン回転数と、ターボ過給機４のターボ回転数との関係を示す。基本的に、エンジン回転数の上昇に伴ってターボ回転数も上昇する。ターボ回転数は前述の回転数センサ４ｃにより検出される。

［ターボ切り替え制御］
次に、本発明によるターボ切り替え制御について説明する。ターボ切り替え制御とは、１個ターボモードから２個ターボモードへの切り替え時の制御である。前述のように、１個ターボモードから２個ターボモードへの切り替え時にはターボ過給機５の助走を行うが、ターボ過給機５の回転は直ぐには上昇しないため、一時的にトルクが低下し、いわゆるトルク段差が生じることがある。このように、トルク段差はターボ過給機５の回転上昇に時間を要することが原因であるが、１個ターボモードから２個ターボモードへの切り替えが比較的ゆっくり行われる場合には、トルク段差はほとんど発生しないか、発生してもその段差は小さい。これに対し、急加速時など、１個ターボモードから２個ターボモードへの切り替えが急に行われる場合にはトルク段差は大きくなり、問題となる。

また、１個ターボモードから２個ターボモードへの切り替えは、低速（低トルク）の領域で行うとトルク段差が大きくなり、高トルク（高吸入空気量）の領域で行うとトルク段差は小さくなる。そこで、本発明では、１個ターボモードから２個ターボモードへの切り替え時には、ターボ過給機４で十分にトルクを上げておいてから２個ターボモードへの切り替えを行う。より具体的には、１個ターボモードから２個ターボモードへの切り替え時に、ＥＣＵ５０はターボ回転数の加速度を算出し、所定加速度より大きいか否かを判定する。所定加速度より大きい場合、ＥＣＵ５０は急加速が要求されていると判断し、第１のターボ過給機であるターボ過給機４の可変ノズルを全閉とし、ターボ回転を十分に上げておいてから２個ターボモードへ移行する。これにより、トルク段差を低減することができる。以下、２つの実施例について説明する。

（第１実施例）
図３は、第１実施例に係るターボ切り替え制御のフローチャートである。この処理は、基本的にＥＣＵ５０が各要素との間で検出信号及び制御信号を入出力することにより行われる。

まず、ＥＣＵ５０は、図２に例示するマップなどを参照し、エンジン回転数及び要求トルクによって決まる動作点が１個ターボ作動域に入ったか否かを判定する（ステップＳ１０１）。動作点が１個ターボ作動域に入ると（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０は排気バイパス弁１６、排気切替弁１５、吸気切替弁６などを制御して、１個ターボモードで動作を行う（ステップＳ１０２）。

次に、ＥＣＵ５０は、動作点が２個ターボ作動域に入ったか否かを判定する（ステップＳ１０３）。２個ターボ作動域に入った場合（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０は、ターボ過給機４の回転数センサ４ｃが検出したターボ回転数に基づいて、ターボ過給機４の回転加速度Ａを算出し、これが所定加速度Ｂより大きいか否かを判定する（ステップＳ１０４）。なお、ターボ過給機の回転加速度Ａは、例えば回転数センサ４ｃの出力を微分することにより得られる。

回転加速度Ａが所定加速度Ｂより大きい場合（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０はターボ過給機４に制御信号Ｓ１９を送り、可変ノズルを全閉とした後（ステップＳ１０５）、排気バイパス弁１６、排気切替弁１５、吸気切替弁６などを制御して２個ターボモードへ移行する（ステップＳ１０６）。一方、回転加速度Ａが所定加速度Ｂ以下である場合（ステップＳ１０５；Ｎｏ）、ＥＣＵ５０は、ターボ過給機４の可変ノズルを制御することなく、２個ターボモードへ移行する（ステップＳ１０６）。

なお、所定加速度Ｂは、１個ターボモードから２個ターボモードへ切り替えを行った場合にトルク段差が問題となる程度の急加速状態であるか否かを示す境界値であり、予め設定される。即ち、トルク段差が発生しないか又は許容範囲となる程度の低加速度でターボ回転数が徐々に上昇する場合には、回転加速度Ａは所定加速度Ｂ以下となり、ターボ過給機４の可変ノズルは制御されない。一方、トルク段差が問題となる程度の高加速度でターボ回転数が上昇する場合には、回転加速度Ａは所定加速度Ｂより大きくなり、ターボ過給機４の可変ノズルが全閉とされ、トルク段差の発生が抑制される。なお、実際には所定加速度Ｂは、エンジン回転数及び要求トルク（燃料噴射量）の組み合わせに対して複数設定されることが好ましい。

（第２実施例）
第２実施例では、第１実施例の処理に加えて、ターボ過給機の過回転を防止する処理を実行する。具体的には、ターボ過給機４が過回転となる場合には、可変ノズルの開度を開き側に調整し、ターボ過給機の破損などを防止する。

図４は第２実施例に係るターボ切り替え制御のフローチャートである。この処理は、基本的にＥＣＵ５０が各要素との間で検出信号及び制御信号を入出力することにより行われる。

図４におけるステップＳ２０１乃至Ｓ２０５は、図３に示す第１実施例のステップＳ１０１乃至Ｓ１０５と同一であるので説明を省略する。ステップＳ２０５で第１のターボ過給機４の可変ノズルを全閉とした後、ＥＣＵ５０は回転数センサ４ｃが検出するターボ回転数Ｃが所定回転数Ｄより大きいか否かを判定する（ステップＳ２０６）。ここで、所定回転数Ｄは、ターボ過給機４が過回転となるターボ回転数に予め設定されている。ターボ回転数Ｃが所定回転数Ｄより大きい場合（ステップＳ２０６；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０は過給圧センサ９の出力などに基づいて、過給圧が上限値を超えないようにターボ過給機４の可変ノズルの開度を制御する。この場合、具体的には、ステップＳ２０５で全閉とした可変ノズル開度を開き側に制御することになる。そして、ＥＣＵ５０は、２個ターボモードへ移行する（ステップＳ２０８）。一方、ターボ回転数Ｃが所定回転数Ｄ以下である場合（ステップＳ２０６；Ｎｏ）、ターボ過給機４が過回転となる恐れは無いので、ＥＣＵ５０はそのまま２個ターボモードへ移行する（ステップＳ２０８）。

なお、ステップＳ２０４でターボ過給機４の回転加速度Ａが所定加速度Ｂ以下であると判断された場合、処理はステップＳ２０８へ進み、２個ターボモードへの移行が行われる。

以上のように、第２実施例では、トルク段差の低減のためにターボ過給機４の可変ノズルを全閉とした場合でも、ターボ過給機４が過回転となって破損などの恐れがある場合には、可変ノズルを開き側に制御する。よって、ターボの破損などを防止しつつ、トルク段差を低減することができる。

本実施形態に係る内燃機関の過給機制御装置が適用された車両の概略構成を示す図である。 １個ターボモードと２個ターボモードの動作領域マップを概略的に示す。 第１実施例によるターボ切り替え制御のフローチャートである。 第２実施例によるターボ切り替え制御のフローチャートである。

符号の説明

２ エアクリーナ
３ 吸気通路
４、５ ターボ過給機
４ａ、５ａ コンプレッサ
４ｂ、５ｂ タービン
６ 吸気切替弁
８ 内燃機関
８ａ 気筒
９ 過給圧センサ
１０ 排気通路
１５ 排気切替弁
１６ 排気バイパス弁
５０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 吸気通路及び排気通路に並列に配置された、第１の過給機及び第２の過給機と、
   前記第１の過給機に設けられた可変ノズル機構と、
   前記第１の過給機の回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記回転数検出手段が検出した回転数に基づいて、前記第１の過給機の回転加速度を算出する加速度算出手段と、
   前記第１の過給機のみを動作させる１個ターボモードから、前記第１及び第２の過給機を動作させる２個ターボモードへのモード移行時に、前記回転加速度が所定加速度より大きい場合に、前記可変ノズル機構を全閉とする制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の過給機制御装置。
2. 前記制御手段は、過給機の回転数が所定回転数より大きくなったときに、前記可変ノズルを開き側に制御することを特徴とする請求項１に記載の過給機制御装置。
3. 前記第１及び第２の過給機による過給圧を検出する過給圧検出手段を備え、
   前記制御手段は、検出された過給圧が上限値を超えないように前記可変ノズルを制御することを特徴とする請求項２に記載の過給機制御装置。

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