JP5531987B2 - 過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、過給機付き内燃機関の制御装置に係り、特に、過給圧力を制御するうえで好適な過給機付き内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、ターボ過給機と、このターボ過給機のコンプレッサの上流または下流に配置され、当該ターボ過給機による過給をアシストする電動コンプレッサとを備える内燃機関用過給システムが開示されている。この従来の過給システムでは、吸気温度が低い場合は、それが高い場合に比べて電動コンプレッサのアシスト量を増加させるようにしている。

特開２００５−２２０８９１号公報 特開２０１０−１３３３６７号公報 特開昭６０−１２８９３０号公報

上記従来の過給システムの手法によれば、吸気温度が高い場合には、それが低い場合と比べ、電動コンプレッサのアシスト量が少なくなることによって過給圧力を低下させてしまうことになる。その結果、プレイグニッション等の異常燃焼の抑制を図ることはできるが、吸気密度の低下によって筒内充填空気量が減少し、出力性能が低下してしまう可能性がある。

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、吸気温度の高低に関係なく、低回転時における異常燃焼の発生防止と高回転時における出力性能の低下防止とを良好に両立させ得る過給機付き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、過給機付き内燃機関の制御装置であって、
吸入空気を過給する過給機と、
吸気温度を取得する吸気温度取得手段と、
エンジン回転数を取得する回転数取得手段と、
前記エンジン回転数が所定値以下の場合には、前記吸気温度の変化に対して圧縮行程中の筒内温度が略一定となるように過給圧力を制御し、前記エンジン回転数が前記所定値よりも高い場合には、前記吸気温度の変化に対して筒内充填空気量が略一定となるように前記過給圧力を制御する過給圧力制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、エンジン回転数が上記所定値以下となる場合には、吸気温度の変化に対して圧縮行程中の筒内温度が略一定となるように過給圧力を制御することにより、高吸気温度時において、筒内温度の上昇を防止することができる。このため、低回転高負荷領域の使用時にプレイグニッションなどの異常燃焼の発生確率が増加しないようにすることができる。また、エンジン回転数が上記所定値よりも高い場合には、吸気温度の変化に対して筒内充填空気量が略一定となるように過給圧力を制御することにより、高吸気温度時において、吸気密度の低下による筒内充填空気量の減少を打ち消すように過給圧力が高められるので、内燃機関の出力性能を高く維持することができる。以上のように、本発明によれば、吸気温度の高低に関係なく、低回転時における異常燃焼の発生防止と高回転時における出力性能の低下防止とを良好に両立させることが可能となる。

本発明の実施の形態１における内燃機関のシステム構成を説明するための図である。 プレイグニッションについて説明するための図である。 本発明の実施の形態１における過給圧力の特徴的な制御手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態１における過給圧力の制御が行われた場合の過給圧力とエンジン回転数ＮＥとの関係を表した図である。 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。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関１０のシステム構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）１０を備えている。内燃機関１０の筒内には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。

吸気通路１２の入口近傍には、エアクリーナ１６が取り付けられている。エアクリーナ１６の下流近傍には、吸気通路１２に吸入される空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ１８が設けられている。エアフローメータ１８の下流には、ターボ過給機２０のコンプレッサ２０ａが設置されている。コンプレッサ２０ａは、排気通路１４に配置されたタービン２０ｂと連結軸を介して一体的に連結されている。

コンプレッサ２０ａの下流には、圧縮された空気を冷却するインタークーラ２２が設けられている。インタークーラ２２の下流には、電子制御式のスロットルバルブ２４が設けられている。スロットルバルブ２４の下流（吸気マニホールド部）には、吸気圧力（過給圧力）を検出するための吸気圧力センサ２６、および吸気温度を検出するための吸気温度センサ２８がそれぞれ配置されている。また、内燃機関１０の各気筒には、吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁３０と、混合気に点火するための点火プラグ３２とがそれぞれ設置されている。

また、排気通路１４には、タービン２０ｂよりも上流側の部位において排気通路１４から分岐し、タービン２０ｂよりも下流側の部位において排気通路１４と合流するように（すなわち、タービン２０ｂをバイパスするように）構成された排気バイパス通路３４が接続されている。排気バイパス通路３４の途中には、排気バイパス通路３４の開閉を担うウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）３６が設けられている。ＷＧＶ３６は、ここでは、電動式もしくは調圧式のアクチュエータ（図示省略）によって任意の開度に調整可能に構成されているものとする。ＷＧＶ３６の開度を調整することとすれば、タービン２０ｂに流入する排気エネルギー量が変化する。その結果、タービン２０ｂの回転数（ターボ回転数）が変化するので、過給圧力を調整することができる。また、タービン２０ｂよりも下流側における排気バイパス通路３４との接続部位よりも更に下流側の排気通路１４には、排気ガスを浄化するための触媒３８が配置されている。

更に、図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０を備えている。ＥＣＵ４０の入力部には、上述したエアフローメータ１８、吸気圧力センサ２６および吸気温度センサ２８に加え、エンジン回転数ＮＥを検出するためのクランク角センサ４２等の内燃機関１０の運転状態を検知するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ４０の出力部には、上述したスロットルバルブ２４、燃料噴射弁３０、点火プラグ３２およびＷＧＶ３６等の内燃機関１０の運転状態を制御するための各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４０は、上述した各種センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各種アクチュエータを作動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御するものである。

図２は、プレイグニッションについて説明するための図である。より具体的には、図２（Ａ）は、圧縮上死点前後における筒内圧力とクランク角との関係を表したＰ−θ線図であり、図２（Ｂ）は、負荷（吸入空気量）とエンジン回転数ＮＥとの関係で内燃機関の運転領域を表した図である。

図２（Ｂ）に示すように内燃機関の低回転高負荷領域においては、図２（Ａ）に示すように点火が行われる前に混合気が自着火する現象（プレイグニッション）が発生し得る。このように低回転高負荷領域においてプレイグニッションが発生し得る理由は、筒内温度が高く、かつ自着火に至るまでの混合気の燃焼反応時間が確保され易いためであると考えられる。また、プレイグニッションは、本実施形態の内燃機関１０のように、理論空燃比下で運転を行う過給エンジンにおいて発生し易く、また、圧縮比が高く設定されていると発生し易くなる。

［実施の形態１における制御］
図３は、本発明の実施の形態１における過給圧力の特徴的な制御手法を説明するための図である。尚、図３中の各図は、内燃機関１０の負荷条件が一定である時の過給圧力と吸気温度との関係の設定を表した図である。

同一の高負荷運転条件下において、吸気温度の高低に関係なく過給圧力が一定となるように制御されていると、吸気温度が高い時に、圧縮行程中の筒内温度が上昇し、プレイグニッションなどの異常燃焼の発生確率が高くなってしまう。

そこで、吸気温度の変化に対して圧縮行程中の筒内温度が略一定となるように過給圧力を制御することが考えられる。より具体的には、例えば、図３（Ａ）に示すように、吸気温度が所定値よりも高い高吸気温度時において、吸気温度が高くなるにつれ、同一の負荷条件下における過給圧力を下げるようにすることが考えられる。

上記の過給圧力の制御によれば、筒内温度が吸気温度の上昇に伴って上昇することを防止することができる。このため、低回転高負荷領域において、高吸気温度時にプレイグニッションの発生確率が増加することを回避することができる。しかしながら、吸気温度が高い状態では、それが低い時と比べて吸気の密度が低下する。このため、高吸気温度時に、過給圧力が低吸気温度時と同じように制御されていると、筒内に充填される空気量が減少する。更には、上記図３（Ａ）に示すように、高吸気温度時に過給圧力を低下させるようにしていると、筒内充填空気量がより減少することになる。その結果、内燃機関１０の出力性能の低下を招くことになる。

そこで、本実施形態では、エンジン回転数ＮＥが所定値ＮＥｔ以下となる場合に、上記図３（Ａ）に示すように、吸気温度の変化に対して圧縮行程中の筒内温度が略一定となるように過給圧力を制御するようにした。その一方で、エンジン回転数ＮＥが上記所定値ＮＥｔよりも高い場合には、吸気温度の変化に対して筒内充填空気量が略一定となるように過給圧力を制御するようにした。より具体的には、図３（Ｂ）に示すように、吸気温度が高くなるにつれ、同一の負荷条件下における過給圧力を上げるようにした。

図４は、本発明の実施の形態１における過給圧力の制御が行われた場合の過給圧力とエンジン回転数ＮＥとの関係を表した図である。より具体的には、図４は、吸気温度が所定の標準状態（一点鎖線で示す）にある時を基準として、当該標準状態よりも吸気温度が所定値だけ高い高温時（太い実線で示す）と、当該標準状態よりも吸気温度が所定値だけ低い低温時（細い実線で示す）における、過給圧力とエンジン回転数ＮＥとの関係を表した図である。

本実施形態の過給圧力の制御によれば、上記高温時においてエンジン回転数ＮＥが上記所定値ＮＥｔ以下となる場合には、上記図３（Ａ）に示す制御が選択される。このため、図４中に太い実線で示すように、標準状態よりも過給圧力が低く制御されることになる。一方、上記高温時においてエンジン回転数ＮＥが上記所定値ＮＥｔよりも高い場合には、上記図３（Ｂ）に示す制御が選択される。このため、図４中に太い実線で示すように、標準状態よりも過給圧力が高く制御されることになる。

また、本実施形態の過給圧力の制御によれば、上記低温時においてエンジン回転数ＮＥが上記所定値ＮＥｔ以下となる場合には、上記図３（Ａ）に示す制御が選択される。このため、図４中に細い実線で示すように、標準状態と同じ値となるように過給圧力が制御されることになる。一方、上記低温時においてエンジン回転数ＮＥが上記所定値ＮＥｔよりも高い場合には、上記図３（Ｂ）に示す制御が選択される。このため、図４中に細い実線で示すように、標準状態よりも過給圧力が低く制御されることになる。

図５は、上述した本実施形態の過給圧力の制御を実現するために、ＥＣＵ４０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。尚、本ルーチンは、所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。

図５に示すルーチンでは、先ず、吸気温度センサ２８を利用して、吸気温度が検出される（ステップ１００）。次いで、クランク角センサ４２を利用して、エンジン回転数ＮＥが検出される（ステップ１０２）。

次に、上記ステップ１０２において検出されたエンジン回転数ＮＥが所定値ＮＥｔ以下であるか否かが判定される（ステップ１０４）。ここでは、本ステップ１０４における所定値ＮＥｔは、現在のエンジン回転数ＮＥがプレイグニッション発生領域（図２（Ｂ）参照）内に入る値であるか否かを判断するための閾値として、予め設定された値であるものとする。

上記ステップ１０４において現在のエンジン回転数ＮＥが上記所定値ＮＥｔ以下であると判定された場合、つまり、プレイグニッションの発生が懸念される低回転時であると判断できる場合には、図３（Ａ）に示すように吸気温度の変化に対して圧縮行程中の筒内温度が略一定となるように過給圧力が制御される（ステップ１０６）。

具体的には、ＥＣＵ４０は、所定の負荷率毎に、目標過給圧力と吸気温度との関係（図３（Ａ）に示すような傾向を定めた関係）を低回転時用目標過給圧力マップとして記憶している。そして、本ステップ１０６では、吸入空気量（エアフローメータ１８を用いて検出）とエンジン回転数ＮＥとに基づいて算出される現在の負荷率に応じた上記低回転時用目標過給圧力マップを参照して、現在の吸気温度に対応した目標過給圧力が取得される。そのうえで、ＷＧＶ３６の開度を制御することにより、過給圧力が上記目標過給圧力となるように制御される。

一方、上記ステップ１０４において、現在のエンジン回転数ＮＥが上記所定値ＮＥｔよりも高いと判定された場合、つまり、プレイグニッションの発生が懸念されない高回転時であると判断できる場合には、図３（Ｂ）に示すように吸気温度の変化に対して筒内充填空気量が略一定となるように過給圧力が制御される（ステップ１０８）。

具体的には、ＥＣＵ４０は、所定の負荷率毎に、目標過給圧力と吸気温度との関係（図３（Ｂ）に示すような傾向を定めた関係）を高回転時用目標過給圧力マップとして記憶している。そして、本ステップ１０８では、現在の負荷率に応じた上記高回転時用目標過給圧力マップを参照して、現在の吸気温度に対応した目標過給圧力が取得される。そのうえで、ＷＧＶ３６の開度を制御することにより、過給圧力が上記目標過給圧力となるように制御される。

以上説明した図５に示すルーチンによれば、エンジン回転数の高低に応じて、吸気温度の高低に基づく過給圧力の制御が切り替えられる。具体的には、低回転時には、吸気温度の変化に対して圧縮行程中の筒内温度が略一定となるように過給圧力が制御される。その結果、高吸気温度時において、筒内温度の上昇を防止することができるので、低回転高負荷領域の使用時にプレイグニッションなどの異常燃焼の発生確率が増加しないようにすることができる。また、高回転時には、吸気温度の変化に対して筒内充填空気量が略一定となるように過給圧力が制御される。その結果、高吸気温度時において、吸気密度の低下による筒内充填空気量の減少を打ち消すように過給圧力が高められるので、内燃機関１０の出力性能を高く維持することができる。

以上のように、本実施形態の過給圧力の制御によれば、吸気温度が高い場合において、低回転時におけるプレイグニッションなどの異常燃焼の発生防止と、高回転時における出力性能の低下防止とを良好に両立させることができる。これにより、プレイグニッションなどの異常燃焼の発生を回避しつつ、良好な出力性能を得られるようにする過給圧力の制御を実現することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態１においては、ＷＧＶ３６の開度調整を利用して過給圧力を制御する手法を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明における過給圧力の具体的な制御手法は、上記のものに限定されるものではない。すなわち、例えば、コンプレッサの回転を電動機によりアシスト可能な電動アシスト式ターボ過給機を備えている場合（更には、排気エネルギーを利用しない電動式のコンプレッサを過給機として備えている場合も同様）には、電動機の回転数を制御することによって、過給圧力を調整するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、ターボ過給機２０を備えた構成を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明における過給機は、吸入空気を過給するものであればターボ過給機に限定されるものではなく、例えば、吸気通路に配置され、排気エネルギーを利用しない電動式のコンプレッサなどであってもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、ターボ過給機２０が前記第１の発明における「過給機」に相当している。また、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第１の発明における「吸気温度取得手段」が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「回転数取得手段」が、上記ステップ１０４〜１０８の一連の処理を実行することにより前記第１の発明における「過給圧力制御手段」が、それぞれ実現されている。

１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
１８ エアフローメータ
２０ ターボ過給機
２０ａ コンプレッサ
２０ｂ タービン
２４ スロットルバルブ
２６ 吸気圧力センサ
２８ 吸気温度センサ
３０ 燃料噴射弁
３２ 点火プラグ
３４ 排気バイパス通路
３６ ウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）
４０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
４２ クランク角センサ

Claims (1)

1. 吸入空気を過給する過給機と、
   吸気温度を取得する吸気温度取得手段と、
   エンジン回転数を取得する回転数取得手段と、
   前記エンジン回転数が所定値以下の場合には、前記吸気温度の変化に対して圧縮行程中の筒内温度が略一定となるように過給圧力を制御し、前記エンジン回転数が前記所定値よりも高い場合には、前記吸気温度の変化に対して筒内充填空気量が略一定となるように前記過給圧力を制御する過給圧力制御手段と、
   を備えることを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。

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