JP5516349B2

JP5516349B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5516349B2
Application number: JP2010254775A
Authority: JP
Inventors: 卓角岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-11-15
Filing date: 2010-11-15
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-11-15
Also published as: JP2012107521A

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、ターボチャージャを備えた内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば、特開２００８−２０８７４０号公報に開示されているように、過給機付きの内燃機関において、ウエストゲートバルブの動作が空燃比制御の精度に与える影響を低減できるようにする空燃比制御装置が提案されている。この装置では、より具体的には、過給機の下流であって排気浄化触媒の上流に配置された排気ガスセンサの出力信号を燃料噴射量にフィードバックし、また、フィードバック値の定常成分を学習する。そして、空燃比制御の制御量の学習が完了するまでの間は、ウエストゲートバルブを開状態または閉状態に固定する。

特開２００８−２０８７４０号公報

ところで、排気ガスが排気ガスセンサまで到達するまでの輸送遅れ時間を考慮することによって、各気筒の排気組成を順に検出する技術が知られている。しかしながら、ウエストゲートバルブ（ＷＧＶ）を有する過給機付きの内燃機関では、ＷＧＶの開閉状態によって排気の経路長が変化する。このため、この経路長の変化を考慮せずに気筒別の空燃比制御を行うと、燃料噴射量を補正する気筒を正確に特定することができず、空燃比制御の精度が低下するおそれがあった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ＷＧＶを有する過給機付きの内燃機関において、ＷＧＶの開閉状態によらず、気筒別の空燃比を高精度に制御することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、過給機付きの多気筒内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関の排気通路に設けられ、前記過給機のタービンをバイパスする排気バイパス通路と、
前記内燃機関からの動作要求を受けて、前記排気バイパス通路を開閉可能なウエストゲートバルブ（以下、ＷＧＶ）と、
前記タービンの下流且つ排気浄化触媒の上流の排気通路に配置された排気ガスセンサと、
前記内燃機関の排気弁から前記排気ガスセンサに至るまでの排気ガスの輸送遅れ時間を算出する輸送遅れ時間算出手段と、
前記輸送遅れ時間に基づいて、前記排気ガスセンサの出力信号に対応する気筒を特定する気筒特定手段と、
前記排気ガスセンサの出力信号を、特定された各気筒の燃料噴射量の計算にそれぞれフィードバックするフィードバック手段と、を備え、
前記輸送遅れ時間算出手段は、前記ＷＧＶを閉じている場合には、前記タービンを通過する経路の前記輸送遅れ時間を算出し、前記ＷＧＶを開いている場合には、前記排気バイパス通路を通過する経路の前記輸送遅れ時間を算出することを特徴としている。

第１の発明によれば、ＷＧＶの開閉状態に応じてそれぞれ正確な排気ガスの輸送遅れ時間が算出されるので、気筒別の空燃比のフィードバックを高精度に実現することができる。

本発明の実施の形態１としてのシステム構成を説明するための図である。ターボチャージャを通過する排気経路および排気バイパス通路を通過する排気通路の輸送遅れをそれぞれ模式的に比較した図である。空燃比センサの出力信号の時間変化を、タービンを通過した排気ガスと排気バイパス通路を通過した排気ガスとで比較した図である。本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１としてのシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施の形態のシステムは内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、例えば＃１→＃３→＃４→＃２の順に爆発を繰り返す直列４気筒エンジンとして構成されている。内燃機関１０には、吸気マニホールド１２を介して、吸気通路１４が接続されており、その入口には、エアクリーナ１６が取り付けられている。

また、吸気通路１４の途中には、インタークーラ１８、スロットルバルブ２０等が設けられている。スロットルバルブ２０は、アクセル開度等に基づいて吸気通路１４を開閉し、その開度に応じて吸入空気量を増減させる。また、内燃機関１０の各気筒には、燃料を噴射するための燃料噴射弁２２がそれぞれ配置されている。尚、図１のシステムでは直列４気筒エンジンについて説明しているが、Ｖ型の多気筒エンジンとして構成されていてもよい。また、図１のシステムでは、燃料噴射弁２２として、各気筒のポートに燃料を噴射するポート噴射式の燃料噴射弁を用いることとしているが、燃料を筒内に直接噴射する直噴式の燃料噴射弁でもよい。

また、吸気通路１４には、後述するコンプレッサ３０２をバイパスしてコンプレッサ３０２の入口側と出口側とを接続するエアバイパス通路２４が接続されている。エアバイパス通路２４の途中には、エアバイパスバルブ（ＡＢＶ）２６が配置されている。

本実施形態の内燃機関１０には、ターボチャージャ３０が備えられている。ターボチャージャ３０は、内燃機関１０の排気ガスのエネルギによって作動するタービン３０１と、
このタービン３０１によって駆動されるコンプレッサ３０２と、を有している。コンプレッサ３０２には、上述した吸気通路１４が接続されている。コンプレッサ３０２により、吸入空気を圧縮することができる。

タービン３０１は、二つの入口を有している。すなわち、このターボチャージャ３０は、ツインエントリ型（ツインスクロール型）のものである。タービン３０１の一方の入口には、第１の排気マニホールド３２が接続されており、他方の入口には、第２の排気マニホールド３４が接続されている。第１の排気マニホールド３２は、＃２気筒および＃３気筒に接続されている。一方、第２の排気マニホールド３４は、＃１気筒および＃４気筒に接続されている。このようなツインエントリ型のターボチャージャ３０によれば、気筒間の排気脈動の干渉を抑制することができ、優れた過給特性が得られる。

タービン３０１の出口には、排気通路３６が接続されている。第１，第２の排気マニホールド３２，３４と排気通路３６との間には、タービン３０１をバイパスしてタービン３０１の入口側と出口側とを接続する排気バイパス通路３８が接続されている。また、排気バイパス通路３８には、該排気バイパス通路３８を開閉するためのウエストゲートバルブ（ＷＧＶ）４０が配置されている。また、タービン３０１の下流側には、三元触媒であるスタート触媒（以下、「Ｓ／Ｃ」と称する）４２とアンダーフロア触媒（以下、「ＵＦ／Ｃ」と称する）４４とが直列に配置されている。内燃機関１０は、空燃比がリッチである場合に、ＨＣおよびＣＯを排出し易い。また、空燃比がリーンである場合にＮＯｘを排出しやすい。Ｓ／Ｃ４２およびＵＦ／Ｃ４４は、リーン雰囲気では酸素（Ｏ_２）を吸着しながらＮＯｘを還元（Ｎ_２に浄化）する。他方、リッチ雰囲気では、酸素を放出しながらＨＣおよびＣＯを酸化（Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２に浄化）する。

Ｓ／Ｃ４２の上流であってタービン３０１の下流には、排気ガスの空燃比にリニア対応する信号を出力する空燃比センサ５２が取り付けられている。また、Ｓ／Ｃ４２の下流であってＵＦ／Ｃ４４の上流には、空燃比に対し理論空燃比を基準にしてリッチ側とリーン側とで出力が急変する出力特性を有する酸素センサ５４が取り付けられている。

更に、本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力部には、上述した空燃比センサ５２や酸素センサ５４の他、機関回転数やスロットル開度等の機関情報を取得するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力部には、上述したスロットルバルブ２０、燃料噴射弁２２、ＷＧＶ４０等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、入力された各種の情報に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御する。

［実施の形態１の動作］
次に、図２および図３を参照して、本発明の実施の形態の動作について説明する。ＥＣＵ５０は、内燃機関１０の制御として、排気ガスの空燃比が目標空燃比になるように燃料噴射量を調整する空燃比制御を実施している。空燃比制御は、より詳しくは、空燃比センサ５２の出力信号に基づくメインフィードバック制御と、酸素センサ５４の出力信号に基づくサブフィードバック制御とからなる。メインフィードバック制御は、空燃比センサ５２の出力信号を目標空燃比に一致させるための処理であり、サブフィードバック制御は、酸素センサ５４の出力信号に含まれる定常的な誤差を補償するための処理である。

本実施の形態のシステムのメインフィードバック制御では、気筒毎に燃料噴射量が調整される。より具体的には、各気筒の排気ガスは、爆発順に排気通路３６内を移動しＳ／Ｃ４２に順に導入される。このため、排気ガスが排気弁から排気通路３６に取り付けられた空燃比センサ５２に到達するまでの時間（以下、「輸送遅れ時間」と称する）を考慮することにより、空燃比センサ５２の出力信号に対応する気筒を特定することができる。本実施の形態のシステムでは、空燃比センサ５２の出力信号を特定された気筒の燃料噴射量にフィードバックする。これにより、空燃比の制御性を向上させることができる。

また、本実施の形態のシステムは、安定した過給圧供給やターボチャージャ３０の保護の目的で、タービン３０１への排気流入量を調整する排気バイパス通路３８が設けられている。この排気バイパス通路３８にはＷＧＶ４０が設けられており、内燃機関１０の運転状態に応じて当該ＷＧＶ４０の開閉を制御することにより、排気ガスが排気バイパス通路３８を通過するか否かが決定される。

ここで、上述したとおり、本実施の形態のシステムの空燃比制御では、輸送遅れ時間に基づいて、空燃比センサ５２の出力信号を燃料噴射量にフィードバックすべき気筒を特性することとしている。しかしながら、タービン３０１を通過する排気経路と排気バイパス通路３８を通過する排気経路とでは、その排気経路長が異なることとなる。図２は、ターボチャージャを通過する排気経路および排気バイパス通路を通過する排気通路の輸送遅れを模式的に比較した図である。この図に示すとおり、排気ガスは、時間の経過とともに爆発順（ここでは＃１→＃３→＃４→＃２の順）に排気通路内を移動する。このため、ＷＧＶ４０を閉じている状態の輸送遅れ時間を当該ＷＧＶ４０が閉じている状態の空燃比制御に用いてしまうと、空燃比センサ５２の出力信号に対応する気筒を精度よく特定することができなくなってしまう。

そこで、本実施の形態のシステムでは、ＷＧＶ４０が開いているときの空燃比制御には、ＷＧＶ４０が閉じている場合の輸送遅れ時間と異なる値を用いることとする。より具体的には、ＷＧＶ４０の開閉状態を検出し、該ＷＧＶ４０が閉じているときには、タービン３０１を通過する排気経路長に基づく輸送遅れ時間を読み込み、反対にＷＧＶ４０が開いているときには、排気バイパス通路３８を通過する排気経路長に基づく輸送遅れ時間を読み込むこととする。これにより、ＷＧＶ４０の開閉状態によらず、各気筒の空燃比制御を高精度に実現することが可能となる。

尚、ＷＧＶ４０が開いているときの空燃比制御は、ＷＧＶ４０が閉じている場合のそれよりも高精度に行う必然性が高い。図３は、空燃比センサの出力信号の時間変化を、タービンを通過した排気ガスと排気バイパス通路を通過した排気ガスとで比較した図である。この図に示すとおり、タービン３０１を通過した排気ガスは撹拌されているため、空燃比センサ５２の出力信号による各気筒の空燃比は平準化されてしまう。一方、排気バイパス通路３８を通過した排気ガスは、タービン３０１で撹拌されることなく空燃比センサ５２に到達するため、気筒毎の空燃比のバラツキが明確に検出されている。このため、ＷＧＶ４０が開いているときの空燃比制御を精度よく実行することにより、各気筒の空燃比を応答性よく且つ精度よく目標空燃比に制御することが可能となる。

［実施の形態１の具体的処理］
次に、図４を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図４は、ＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図４に示すルーチンは、内燃機関１０の運転中に繰り返し実行されるものとする。

図４に示すルーチンでは、先ず、ＷＧＶ４０の開閉状態が検出される（ステップ１００）。次に、ＷＧＶ４０が開いているか否かが判定される（ステップ１０２）。その結果、ＷＧＶ４０が開いていないと判断された場合には、排気ガスがタービン３０１を経由する排気経路を流通すると判断されて、次のステップに移行し、空燃比制御に使用する輸送遅れ時間が、タービン３０１を通過する排気経路長に対応した値に設定される（ステップ１０４）。

一方、上記ステップ１０２において、ＷＧＶ４０が開いていると判断された場合には、排気ガスが排気バイパス通路３８を経由する排気経路を流通すると判断されて、次のステップに移行し、空燃比制御に使用する輸送遅れ時間が、排気バイパス通路３８を通過する排気経路長に対応した値に設定される（ステップ１０６）。

次に、上記ステップ１０４または１０６において設定された輸送遅れ時間を用いて空燃比制御が実行される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、設定された輸送遅れ時間に基づいて空燃比センサ５２の出力信号に対応する気筒が特定される。そして、当該空燃比センサ５２の出力信号を特定気筒の燃料噴射量の計算にフィードバックする空燃比制御が実行される。

以上説明したとおり、本実施の形態１のシステムによれば、ＷＧＶ４０の開閉状態に応じてそれぞれ適した輸送遅れ時間が設定される。これにより、空燃比センサ５２の出力信号に対応する気筒を精度よく特定することができるので、各気筒の空燃比を目標空燃比に制御することができる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムでは、ツインエントリ型のターボチャージャ３０を備える内燃機関１０について説明したが、使用可能なターボチャージャはこれに限らず、シングルエントリ型を使用することとしてもよい。

また、上述した実施の形態１のシステムでは、空燃比制御として、空燃比センサ５２を用いたメインフィードバック制御について説明したが、酸素センサ５４を用いたメインフィードバック制御にも本発明を適用することとしてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、空燃比センサ５２が前記第１の発明における「排気ガスセンサ」に相当しているとともに、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０４または１０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「輸送遅れ時間算出手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより、前記第１の発明における「気筒特定手段」および「フィードバック手段」が、実現されている。

１０内燃機関
１２吸気マニホールド
１４吸気通路
１６エアクリーナ
１８インタークーラ
２０スロットルバルブ
２２燃料噴射弁
２４エアバイパス通路
２６エアバイパスバルブ（ＡＢＶ）
３０ターボチャージャ
３０１タービン
３０２コンプレッサ
３２第１の排気マニホールド
３４第２の排気マニホールド
３６排気通路
３８排気バイパス通路
４０ウエストゲートバルブ（ＷＧＶ）
４２スタート触媒（Ｓ／Ｃ）
４４アンダーフロア触媒（ＵＦ／Ｃ）
５０ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
５２空燃比センサ
５４酸素センサ

Claims

過給機付きの多気筒内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関の排気通路に設けられ、前記過給機のタービンをバイパスする排気バイパス通路と、
前記内燃機関からの動作要求を受けて、前記排気バイパス通路を開閉可能なウエストゲートバルブ（以下、ＷＧＶ）と、
前記タービンの下流且つ排気浄化触媒の上流の排気通路に配置された排気ガスセンサと、
前記内燃機関の排気弁から前記排気ガスセンサに至るまでの排気ガスの輸送遅れ時間を算出する輸送遅れ時間算出手段と、
前記輸送遅れ時間に基づいて、前記排気ガスセンサの出力信号に対応する気筒を特定する気筒特定手段と、
前記排気ガスセンサの出力信号を、特定された各気筒の燃料噴射量の計算にそれぞれフィードバックするフィードバック手段と、を備え、
前記輸送遅れ時間算出手段は、前記ＷＧＶを閉じている場合には、前記タービンを通過する経路の前記輸送遅れ時間を算出し、前記ＷＧＶを開いている場合には、前記排気バイパス通路を通過する経路の前記輸送遅れ時間を算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。