JP5397128B2 - 多段過給システム内燃機関及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の過給機を直列接続し、高圧段タービンと並列に設けられた排気バイパス通路と、この排気バイパス通路に設けられた排気バイパス弁を備えた多段過給システム内燃機関及びその制御方法に関する。

内燃機関の過給に関しては、複数の過給機を同時使用するシリーズタイプの多段過給システムと、容量が大きく異なる複数の過給機を直列に配置した、内燃機関の運転状態に応じて適切な過給機を選択するシーケンシャルタイプの多段過給システムとがある。このシーケンシャル過給システムは、高圧段タービンと並列に排気ガスをバイパスするための排気バイパス通路と、この排気バイパス通路に設けられた排気バイパス弁を備えており、この排気バイパス弁の弁開度を制御することで、過給機を選択できる構造になっている。

この排気バイパス弁を開くことにより、排気ガスが高圧段タービンを通過しないようにバイパスさせることができ、排気ガスのエネルギーを他の過給機に重点的に配分することができる。また、この排気バイパス弁は、内燃機関の運転条件により決定した弁開度に制御される。

この多段過給システム内燃機関の例として、１つのＥＧＲ装置と複数過給機を備えた多気筒ディーゼルエンジンにおいて、ＥＧＲの制御精度と過給機制御の最適化を行うために、エンジンの運転条件に応じて複数の過給機の作動目標値を別々に設定して制御するように構成した多気筒ディーゼルエンジンの制御装置がある（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、このシーケンシャルタイプの過給システム内燃機関においては、排気バイパス弁を開閉した際に内燃機関の排気側の圧力が急激に変化するので、これにより吸入空気量の変動が生じ、排ガス制御や出力制御に対する外乱となることがある。つまり、排気バイパス弁を開くと、高圧段タービンの膨張比分の圧力差がバイパスされるため、他の段のタービン回転数が上昇してバランスが取れるまでの間、排気圧力が低下して吸入空気量が増加する。また、排気バイパス弁を閉じると、エンジン回転数が低い状態にある高圧段タービンが排気抵抗となるため、高圧段タービンの回転数が上昇するまでの間、排気圧力が上昇して吸入空気量が減少する。特に、排気バイパス弁を閉じる場合に、吸入空気量の減少や排気圧力の上昇による出力トルクの一時的低下が生じる場合があるという問題がある。

特開２００３−１２０３５４号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、シーケンシャルタイプの多段過給システムを持つ内燃機関において、高圧段タービンをバイパスする排気バイパス通路に設けられた排気バイパス弁の開閉操作に伴う吸入空気量の変動を抑制し、吸入空気量制御に対する外乱を抑えることができる多段過給システム内燃機関及びその制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の多段過給システム内燃機関は、シーケンシャルタイプの多段過給システムとＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、高圧段タービンをバイパスする排気バイパス通路に設けた排気バイパス弁を、内燃機関の運転状態に対応させて開閉操作すると共に、前記排気バイパス弁の開閉操作に連動させてＥＧＲシステムのＥＧＲ弁の弁開度の制御に一時的に補正を加える制御装置を備え、前記制御装置が、前記排気バイパス弁を開く時には、前記ＥＧＲ弁を一時的に開き側になるように補正し、前記排気バイパス弁を閉じる時には、前記ＥＧＲ弁を一時的に閉じ側になるように補正する制御を行うことを特徴とする。この一時的とは、内燃機関の運転状態に従って予め設定された時間を経過すると補正がなくなるということを意味している。

この構成によれば、排気バイパス弁の開閉操作の際に、内燃機関の排気側の圧力の急激な変化に伴って生じる吸入空気量の変動を抑制することができる。また、この吸入空気量の変動は、排気ガスの制御や内燃機関の出力の制御における外乱となるが、この外乱を小さくすることができる。

また、ＥＧＲ制御にフィードバック制御を用いている場合でも、その制御特性に影響を与えることなく、過給機切替え時の一時的な変動に対してのみＥＧＲ弁の制御量に補正を与えて操作することで、効果的に吸入空気量の変動を抑制することができる。

なお、このＥＧＲ弁の弁開度の補正の大きさや減衰時間は、内燃機関の運転状態に応じて調整する。この排気バイパス弁の開閉時のＥＧＲ弁の弁開度の補正は、ＥＧＲ弁を吸入空気量に基づいてフィードバックにより制御している場合にも有効であり、この排気バイパス弁の開閉操作に連動させた補正をフィードフォワード量として加えることで効果的に作用させる。

また、排気バイパス弁を開くときには、吸入空気量の増加を抑え、排気バイパス弁を閉じるときには、吸入空気量の減少を抑えることで、排気バイパス弁の開閉操作の際における内燃機関の排気側の圧力の急激な変化に伴って生じる吸入空気量の変動を効果的に抑制することができる。

また、上記の多段過給システム内燃機関において、前記制御装置が、前記排気バイパス弁への指示開度データに基づいて、又は、前記排気バイパス弁の開度データに基づいて、前記ＥＧＲ弁の補正をする制御を行うように構成すると、排気バイパス弁の開閉指示によりＥＧＲ弁の弁開度の補正を開始でき、その後の時間経過と共に、ＥＧＲ弁を元の弁開度に戻していくような制御ができるようになる。

なお、排気バイパス弁の指示開度データ（弁開度の量を指示するデータ）をもとにＥＧＲ弁の弁開度を補正する場合には、吸入空気量フィードバックよりも早いタイミングでＥＧＲ弁を操作することができるため、排気バイパス弁の開度データ（実際の開いた弁開度のデータ）をもとにＥＧＲ弁の弁開度を補正する場合に比べて、吸入空気量の変動の初期の挙動をより効果的に抑えることができる。

また、上記の多段過給システム内燃機関において、前記排気バイパス弁への開閉指示動作を検出したら、予め設定しておいた前記ＥＧＲ弁の動作パターンに従って、前記ＥＧＲ弁の弁開度を補正する制御を行うように構成すると、排気バイパス弁の開閉指示によりＥＧＲ弁の弁開度の補正を、比較的簡単に行うことができるようになる。

そして、上記の目的を達成するための本発明の多段過給システム内燃機関の制御方法は、シーケンシャルタイプの多段過給システムとＥＧＲシステムを備えた内燃機関の制御方法において、高圧段タービンをバイパスする排気バイパス通路に設けた排気バイパス弁を、内燃機関の運転状態に対応させて開閉操作すると共に、前記排気バイパス弁の開閉操作に連動させてＥＧＲシステムのＥＧＲ弁の弁開度の制御に一時的に補正を加え、前記排気バイパス弁を開く時には、前記ＥＧＲ弁を一時的に開き側になるように補正し、前記排気バイパス弁を閉じる時には、前記ＥＧＲ弁を一時的に閉じ側になるように補正することを特徴とする方法である。

この方法によれば、排気バイパス弁の開閉操作の際に、内燃機関の排気側の圧力の急激な変化に伴って生じる吸入空気量の変動を抑制することができる。また、この吸入空気量の変動は、排気ガスの制御や内燃機関の出力の制御における外乱となるが、この外乱を小さくすることができる。

また、排気バイパス弁を開くときには、吸入空気量の増加を抑え、排気バイパス弁を閉じるときには、吸入空気量の減少を抑えることで、排気バイパス弁の開閉操作の際における内燃機関の排気側の圧力の急激な変化に伴って生じる吸入空気量の変動を効果的に抑制することができる。

また、上記の多段過給システム内燃機関の制御方法において、前記排気バイパス弁への指示開度データに基づいて、又は、前記排気バイパス弁の開度データに基づいて、前記ＥＧＲ弁の補正をすると、排気バイパス弁の開閉指示によりＥＧＲ弁の弁開度の補正を開始でき、その後の時間経過と共に、ＥＧＲ弁を元の弁開度に戻していくような制御ができる。

また、上記の多段過給システム内燃機関の制御方法において、前記排気バイパス弁への開閉指示動作を検出したら、予め設定しておいた前記ＥＧＲ弁の動作パターンに従って、前記ＥＧＲ弁の弁開度を補正すると、排気バイパス弁の開閉指示によりＥＧＲ弁の弁開度の補正を、比較的簡単に行うことができるようになる。

本発明に係る多段過給システム内燃機関及びその制御方法によれば、排気バイパス弁の開閉操作の際に、内燃機関の排気側の圧力の急激な変化に伴って生じる吸入空気量の変動を抑制することができ、この吸入空気量の変動を抑制することにより、排気ガスの制御や内燃機関の出力の制御における外乱を小さくすることができる。

つまり、過給機の切替え操作が吸入空気量制御の外乱となることを抑えることができる。また、これにより、吸入空気量の変動に起因する内燃機関の出力の変動を小さくすることができる。

本発明に係る実施の形態の多段過給システム内燃機関の構成を示した図である。 本発明に係る実施の形態の多段過給システム内燃機関の制御の概要を示した図である。 本発明に係る実施の形態の多段過給システム内燃機関の制御の別の例の概要を示した図である。 制御の効果を示した図である。

以下、本発明に係る実施の形態の過給システム内燃機関とその制御方法について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明に係る実施の形態の過給システム内燃機関（以下内燃機関という）１は、エンジン本体（Ｅ）２に吸気通路３と排気通路４とＥＧＲ通路５が設けられ、この吸気通路３の上流側から低圧段過給機６の低圧段コンプレッサ６ａと高圧段過給機７の高圧段コンプレッサ７ａが直列に配置され、また、排気通路４の上流側から高圧段過給機７の高圧段タービン７ｂと低圧段過給機６の低圧段タービン６ｂが直列に配置される。

この高圧段タービン７ｂには、この高圧段タービン７ｂをバイパスする排気バイパス通路７ｃが設けられ、更に、この排気バイパス通路７ｃには排気バイパス弁７ｄが設けられている。また、高圧段コンプレッサ７ａをバイパスする吸気バイパス通路７ｅが設けられ、更に、この吸気バイパス通路７ｅには吸気バイパス弁７ｆが設けられている。また、低圧段タービン６ｂにはウェストゲートバルブ６ｃが設けられている。これらの構成により、シーケンシャルタイプの２段過給システムを形成している。

また、ＥＧＲ通路５には、ＥＧＲ弁５ａが設けられている。また、吸気通路３には図示しないが吸入空気量センサ（ＭＡＦセンサ）が設けられている。更に、内燃機関１のエンジンの運転状態や、ＥＧＲ弁５ａと排気バイパス弁７ｄを制御するためのＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置（ＥＣＵ）８が設けられている。

なお、本発明に直接関係しない、エアクリーナ、吸気絞り弁、インタークーラ、ＥＧＲクーラ、排気ガス浄化装置、排気絞り弁、消音装置等も設けられるが、説明を簡略化するために図示しない。

次に、この内燃機関１における制御方法について説明する図２及び図３に示すように、この内燃機関１では、高圧段タービン７をバイパスする排気バイパス通路７ｃに設けた排気バイパス弁７ｄを、内燃機関１の運転状態に対応させて開閉操作すると共に、この排気バイパス弁７ｄの開閉操作に連動させてＥＧＲシステムのＥＧＲ弁５ａの弁開度の制御に一時的に補正を加える。この一時的とは、内燃機関の運転状態に従って予め設定された時間を経過すると補正がなくなるということを意味する。

この弁開度の補正は、図２及び図３に示すように、排気バイパス弁７ｄへの指示開度データ（この指示開度データの弁開度になるように指示する）である指示開度Ｖｂｔに基づいて、排気バイパス弁７ｄを開く時には、ＥＧＲ弁５ａを一時的に開き側になるように補正し、排気バイパス弁７ｄを閉じる時には、ＥＧＲ弁５ａを一時的に閉じ側になるように補正する。

あるいは、特に図示していないが、排気バイパス弁７ｄの開度データ（実際に開いている弁開度のデータ）に基づいて、排気バイパス弁７ｄを開く時には、ＥＧＲ弁５ａを一時的に開き側になるように補正し、排気バイパス弁７ｄを閉じる時には、ＥＧＲ弁５ａを一時的に閉じ側になるように補正する。

なお、排気バイパス弁７ｄの指示開度データを基にＥＧＲ弁５ａの弁開度を補正する場合には、吸入空気量フィードバックよりも早いタイミングでＥＧＲ弁５ａを操作することができるため、排気バイパス弁７ｄの開度データを基にＥＧＲ弁５ａの弁開度を補正する場合に比べて、吸入空気量の変動の初期の挙動をより効果的に抑えることができる。

図２に示す場合では、通常の場合は、ＥＧＲ弁５ａの弁開度は、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑから、「ＥＧＲ弁の弁開度データ」のマップＭ１を参照して、オープンループの場合にはＥＧＲ弁５ａの指示開度Ｖｅｔ１が設定され、フィードバックの場合には、ＥＧＲ弁５ａの指示開度Ｖｅｔ２が設定される。

なお、排気バイパス弁７ｄへの開度データに基づいて補正する場合には、図２に示すように、排気バイパス弁７ｄの指示開度データＶｂｔと、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑから「ＥＧＲ弁の弁開度の補正データ」のゲインマップＭ２を参照して得られた補正量の大きさと、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑから「ＥＧＲ弁の弁開度の補正データ」の時定数マップＭ３を参照して得られた補正量を減衰させるための時定数とを高域通過フィルタを持つ制御回路に入れる。この高域通過フィルタを使用することにより、排気バイパス弁７ｄの開閉のタイミングを検出することが容易にできる。

この制御回路で処理したデータに基づいて、ＥＧＲ弁５ａの補正（補正量の大きさ（ゲイン）と減衰の程度（時定数））をする制御を行うようにすると、排気バイパス弁７ａの開閉指示データにより、補正量の大きさ（ゲイン）に従ったＥＧＲ弁５ａの弁開度にする制御を開始でき、減衰の程度（時定数）に従って、その後の時間経過と共にＥＧＲ弁５ａを元の弁開度に戻していく制御ができる。

このＥＧＲ弁５ａの弁開度の補正量の大きさ（ゲイン）や減衰時間（時定数）は、内燃機関１の運転状態に応じて調整するが、この調整量（ゲインと時定数）の算出はエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量ＱからゲインマップＭ２と時定数マップＭ３をそれぞれ参照して行う。

この排気バイパス弁７ｄの開閉時のＥＧＲ弁５ａの弁開度の補正は、ＥＧＲ弁５ａを吸入空気量に基づいてフィードバックにより制御している場合にも有効であり、この排気バイパス弁の開閉操作に連動させた補正をフィードフォワード量として加えることで効果的に作用する。

また、図３に示す場合では、排気バイパス弁７ｄへの開閉指示動作を検出したら、予め設定しておいたＥＧＲ補正動作パターンのデータテーブルＭ４によりＥＧＲ弁５ａの開度を補正する。補正パターンの振幅は、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑに基づいてゲインマップＭ２から得られた補正ゲインにより決定する。決定した補正パターンは、ＥＧＲ弁開度マップＭ１データに加算され、ＥＧＲ弁５ａの弁開度制御に使用される。

このような構成とすることで、予め決定した補正動作のパターンに基づいてＥＧＲ弁５ａの弁開度の補正動作を、比較的容易に行うことができるようになる。

次に、上記のＥＧＲ弁の補正制御を行わない場合と行った場合の実験結果について説明する。図４に示すように、ＥＧＲ弁５ａを補正制御した場合（実線Ａ）には、補正制御しない場合（点線Ｂ）に比べて、吸入空気量の変動量が小さくなっていることが分かる。

従って、上記の構成の内燃機関１及びその制御方法によれば、ＥＧＲ弁５ａの補正による制御により、排気バイパス弁７ｄを開くときには、吸入空気量の増加を抑え、排気バイパス弁７ｄを閉じるときには、吸入空気量の減少を抑えることで、排気バイパス弁７ｄの開閉操作の際における内燃機関１の排気側の圧力の急激な変化に伴って生じる吸入空気量の変動を効果的に抑制することができる。また、この吸入空気量の変動は、排気ガスの制御や内燃機関１の出力の制御における外乱となるが、この外乱を小さくすることができる。

また、ＥＧＲ制御にフィードバック制御を用いている場合でも、その制御特性に影響を与えることなく、過給機切替え時の一時的な変動に対してのみＥＧＲ弁５ａの制御量に補正を与えて操作することで、効果的に吸入空気量の変動を抑制することができる。

本発明の多段過給システム内燃機関及びその制御方法によれば、シーケンシャルタイプの多段過給システム内燃機関において、高圧段タービンをバイパスする排気バイパス通路に設けた排気バイパス弁の開閉操作の際に、内燃機関の排気側の圧力の急激な変化に伴って生じる吸入空気量の変動を抑制することができ、この吸入空気量の変動を抑制することにより、排気ガスの制御や内燃機関の出力の制御における外乱を小さくすることができるので、自動車搭載の内燃機関などに利用することができる。

１ 過給システム内燃機関
２ エンジン本体（Ｅ）
５ａ ＥＧＲ弁
７ｂ 高圧段タービン
７ｃ 排気バイパス通路
７ｄ 排気バイパス弁
８ 制御装置（ＥＣＵ）
Ｎｅ エンジン回転数
Ｍ１ 「ＥＧＲ弁の弁開度データ」のマップ
Ｍ２ 「ＥＧＲ弁の弁開度の補正データ」のゲインマップ
Ｍ３ 「ＥＧＲ弁の弁開度の補正データ」の時定数マップ
Ｍ４ 「ＥＧＲ弁補正動作パターン」のデータテーブル
Ｑ 燃料噴射量
Ｖｂｔ 排気バイパス弁への指示開度
Ｖｅｔ１，Ｖｅｔ２ ＥＧＲ弁の指示開度

Claims (6)

1. シーケンシャルタイプの多段過給システムとＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、高圧段タービンをバイパスする排気バイパス通路に設けた排気バイパス弁を、内燃機関の運転状態に対応させて開閉操作すると共に、前記排気バイパス弁の開閉操作に連動させてＥＧＲシステムのＥＧＲ弁の弁開度の制御に一時的に補正を加える制御装置を備え、
   前記制御装置が、前記排気バイパス弁を開く時には、前記ＥＧＲ弁を一時的に開き側になるように補正し、前記排気バイパス弁を閉じる時には、前記ＥＧＲ弁を一時的に閉じ側になるように補正する制御を行うことを特徴とする多段過給システム内燃機関。
2. 前記制御装置が、前記排気バイパス弁への指示開度データに基づいて、又は、前記排気バイパス弁の開度データを高域通過フィルタで処理したデータに基づいて、前記ＥＧＲ弁の補正をする制御を行うことを特徴とする請求項１記載の多段過給システム内燃機関。
3. 前記制御装置が、前記排気バイパス弁への開閉指示動作を検出したら、予め設定しておいた前記ＥＧＲ弁の動作パターンに従って、前記ＥＧＲ弁の弁開度を補正する制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の多段過給システム内燃機関。
4. シーケンシャルタイプの多段過給システムとＥＧＲシステムを備えた内燃機関の制御方法において、高圧段タービンをバイパスする排気バイパス通路に設けた排気バイパス弁を、内燃機関の運転状態に対応させて開閉操作すると共に、前記排気バイパス弁の開閉操作に連動させてＥＧＲシステムのＥＧＲ弁の弁開度の制御に一時的に補正を加え、
   前記排気バイパス弁を開く時には、前記ＥＧＲ弁を一時的に開き側になるように補正し、前記排気バイパス弁を閉じる時には、前記ＥＧＲ弁を一時的に閉じ側になるように補正することを特徴とする多段過給システム内燃機関の制御方法。
5. 前記排気バイパス弁への指示開度データに基づいて、又は、前記排気バイパス弁の開度データを高域通過フィルタで処理したデータに基づいて、前記ＥＧＲ弁の補正をすることを特徴とする請求項４記載の多段過給システム内燃機関の制御方法。
6. 前記排気バイパス弁への開閉指示動作を検出したら、予め設定しておいた前記ＥＧＲ弁の動作パターンに従って、前記ＥＧＲ弁の弁開度を補正することを特徴とする請求項４又は５に記載の多段過給システム内燃機関の制御方法。

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