JP5678580B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に圧縮比を膨張比よりも小さくするミラーサイクルが可能な内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関（以下、エンジンという）の燃費を向上する技術として、吸気バルブの閉弁時期を下死点よりも遅く若しくは早く行うミラーサイクルが知られている。このミラーサイクルでは、エンジンの圧縮比を膨張比よりも小さく維持し、圧縮比を上げることなく膨張比を大きくすることで、エンジンの熱効率を向上させることが可能である。

例えば、特許文献１には、過給機で加圧した吸気をシリンダ内に供給するとともに、吸気バルブを下死点よりも遅らせて閉じる吸気遅閉じ方式のミラーサイクルエンジンが開示されている。

特開２０００−２５３６号公報

ところで、ミラーサイクルでは、吸気バルブの閉弁時期を下死点よりも遅く若しくは早く行うため、吸気バルブの閉弁時期を下死点近傍で行う通常のサイクルに比べて吸気量は減少する。そのため、ミラーサイクルを行うエンジンにおいては、吸気量の減少により、エンジンの出力であるトルクが低下してしまう可能性がある（図４参照）。特に、ターボチャージャを有するエンジンにおいては、このエンジンの出力低下が過給圧の上がらない低回転時に顕著に現れる傾向がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、圧縮比を膨張比よりも小さくするミラーサイクルが可能なエンジンにおいて、運転領域全域で吸気量の減少によるエンジンの出力低下を効果的に抑止することにある。

上記目的を達成するため、本発明の内燃機関の制御装置は、吸気バルブの閉弁時期を下死点よりも遅く若しくは早くすることで圧縮比を膨張比よりも小さくするミラーサイクルが可能な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たタービン及び前記内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサを有するターボチャージャと、前記タービン及び前記コンプレッサを回転させる電動機と、前記コンプレッサよりも下流の吸気圧力を実過給圧として検出する吸気圧検出手段と、前記吸気圧検出手段の検出値である実過給圧が前記内燃機関の出力を所定トルク以上に維持するために必要となる目標過給圧よりも小さい場合に、前記電動機を駆動させる駆動制御手段とを備えることを特徴とする。

また、前記駆動制御手段は、前記吸気圧検出手段の検出値である実過給圧が前記目標過給圧以上になるまで前記電動機の駆動を継続させるようにしてもよい。

また、前記タービンよりも下流側の排気通路に設けられた低圧段タービン及び前記コンプレッサよりも上流側の吸気通路に設けられた低圧段コンプレッサを有する低圧段ターボチャージャをさらに備え、前記ターボチャージャは高圧段ターボチャージャであってもよい。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、圧縮比を膨張比よりも小さくするミラーサイクルが可能なエンジンにおいて、運転領域全域で吸気量の減少によるエンジンの出力低下を効果的に抑止することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す模式的な全体構成図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置の目標過給圧マップを示す模式的な図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置による制御内容を示すフローである。 従来のミラーサイクルによる吸気バルブの閉弁時期とトルクとの関係を示す図である。

以下、図１〜３に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置１について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置１は、図１に示すように、ディーゼルエンジン等の内燃機関（以下、エンジンという）２と、電動機付き高圧段ターボチャージャ（ターボチャージャ）２０と、電動機付き高圧段ターボチャージャ２０よりも大容量の低圧段ターボチャージャ３０と、吸気圧センサ（吸気圧検出手段）５０と、ＥＣＵ（駆動制御手段）６０とを備える。

エンジン２の気筒３には、図１に示すようにピストン４が摺動自在に挿入され、このピストン４の上方には燃焼室５が形成されている。また、ピストン４には、ピストン４の上下動に応じて回転するクランクシャフト６が設けられている。

エンジン２の気筒３には、図１に示すように燃焼室５の頂部に隣接して開口する吸気ポート７と排気ポート８とが設けられている。吸気ポート７には吸気バルブ２ａが設けられており、吸気バルブ２ａの開弁により電動機付き高圧段ターボチャージャ２０から送出される高圧吸気を燃焼室５内に導入する高圧吸気通路４０が接続されている。また、排気ポート８には排気バルブ２ｂが設けられており、排気バルブ２ｂの開弁によりエンジン２から排気を排出する第１排気通路４１が接続されている。これら吸気バルブ２ａと排気バルブ２ｂとは、エンジン２の上部に設けられた図示しないカムシャフト等からなる公知の可変バルブタイミング機構により開閉駆動されるように構成されている。

電動機付き高圧段ターボチャージャ２０は、図１に示すように、高圧吸気通路４０の上流側に設けられた高圧段コンプレッサ２１と、第１排気通路４１の下流側に設けられた高圧段タービン２２とを有する。高圧段タービン２２の下流側には第２排気通路４２が設けられている。また、高圧段コンプレッサ２１と高圧段タービン２２とは回転軸２３で接続され、回転軸２３には電動機２４が取り付けられている。

電動機２４は、回転軸２３に設けられた図示しないロータと、ロータの周囲に配設された図示しないステータとを備え構成されている。また、電動機２４は、電気配線を介してＥＣＵ６０に接続されており、ＥＣＵ６０から出力される制御信号に応じて駆動がコントロールされるように構成されている。

すなわち、本実施形態の電動機付き高圧段ターボチャージャ２０は、排気エネルギーのみで過給を行う通常の過給機としても機能し、電動機２４を駆動させてさらなる過給を行うこともでき、さらに、排気エネルギーで高圧段タービン２２を介して電動機２４を回転させることで回生発電を行うことも可能である。

低圧段ターボチャージャ３０は、図１に示すように、高圧段コンプレッサ２１に低圧吸気通路４３で接続された低圧段コンプレッサ３１と、第２排気通路４２の下流側に設けられた低圧段タービン３２とを有する。また、低圧段コンプレッサ３１と低圧段タービン３２とは、回転軸で接続されている。また、低圧段コンプレッサ３１の上流側には吸気通路４４を介してエアクリーナ１３が接続され、低圧段タービン３２の下流側には第３排気通路４５が接続されている。すなわち、低圧段ターボチャージャ３０は、エンジン２の排気エネルギーで低圧段タービン３２が駆動するとともに、同軸に設けられた低圧段コンプレッサ３１によりエアクリーナ１３を介して導入される吸気を圧縮して高圧段コンプレッサ２１に送出するように構成されている。

吸気圧センサ５０は、高圧吸気通路４０の吸気通路内圧力（電動機付き高圧段ターボチャージャ２０の過給圧でもある）を実過給圧Ｐ_Aとして検出するもので、図１に示すようにインタークーラ９よりも下流側の高圧吸気通路４０に設けられている。また、吸気圧センサ５０は、電気配線を介してＥＣＵ６０に接続されている。

クランク角センサ５１は、クランクシャフト６の回転角度を検出するもので、図１に示すように電気配線を介してＥＣＵ６０に接続されている。

ＥＣＵ（電子制御ユニット）６０は、エンジン２の運転状態に応じて燃料噴射期間や燃料噴射量等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うために、ＥＣＵ６０には、吸気圧センサ５０、クランク角センサ５１、アクセル開度センサ５２等の各種センサの出力信号がＡ／Ｄ変換された後に入力される。

また、ＥＣＵ６０は、吸気バルブ駆動制御部６１と、目標過給圧設定部６２と、過給圧補充判定部６３と、電動機駆動制御部６４とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ６０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

吸気バルブ駆動制御部６１は、エンジン２の圧縮比を膨張比よりも小さくするミラーサイクルを行うべく、吸気バルブ２ａの閉弁時期がピストン４の下死点よりも遅くなるように吸気バルブ２ａの開閉駆動を制御する。具体的には、この吸気バルブ駆動制御部６１には、予め実験等で作成したエンジン２の運転状態と吸気バルブ２ａの閉弁時期（クランク角）との関係を示すミラーサイクル閉弁時期マップ（不図示）が記憶されている。そして、吸気バルブ駆動制御部６１は、ミラーサイクル閉弁時期マップからクランク角センサ５１やアクセル開度センサ５２の検出値に応じた吸気バルブ２ａの閉弁時期（クランク角）を読み取るとともに、この読み取った閉弁時期（クランク角）に応じた制御信号を可変バルブタイミング機構に出力するように構成されている。

なお、本実施形態においては、ミラーサイクルは吸気バルブ２ａを下死点よりも遅くする吸気遅閉じ方式のミラーサイクルとして説明するが、吸気バルブ２ａを下死点よりも早くする吸気早閉じ方式のミラーサイクルにも同様に適用できるので、ここでは吸気早閉じ方式のミラーサイクルについての説明は省略する。

目標過給圧設定部６２は、エンジン２の出力であるトルクを所定トルク以上に維持するのに必要となる過給圧を目標過給圧Ｐ_Tとして設定する。具体的には、この目標過給圧設定部６２には、予め実験等で作成した吸気バルブ２ａの閉弁時期（クランク角）とエンジン２のトルクを所定トルク以上に維持するための過給圧との関係を示す目標過給圧マップ（図２参照）が記憶されている。そして、目標過給圧設定部６２は、吸気バルブ駆動制御部６１によりエンジン２の運転状態に応じて設定された吸気バルブ２ａの閉弁時期（クランク角）に対応する過給圧を目標過給圧マップから読み取ることで目標過給圧Ｐ_Tを設定するように構成されている。なお、本実施形態において、この所定トルクは、例えば吸気バルブ２ａの閉弁時期を下死点近傍で行う通常のサイクルを行った場合に、エンジン２が出力するトルク値で設定される（図２中の破線参照）。

過給圧補充判定部６３は、吸気圧センサ５０の検出値である実過給圧Ｐ_Aと目標過給圧Ｐ_Tとを比較し、現在の実過給圧Ｐ_Aがエンジン２のトルクを所定トルク以上に維持するのに十分か否かを判定する。具体的には、実過給圧Ｐ_Aが目標過給圧Ｐ_T以上の場合（Ｐ_A≧Ｐ_T）は、現在の実過給圧Ｐ_Aをエンジン２のトルクを所定トルク以上に維持するのに十分であると判定する。すなわち、電動機２４の駆動による過給圧の補充は不要となる。一方、実過給圧Ｐ_Aが目標過給圧Ｐ_Tよりも小さい場合（Ｐ_A＜Ｐ_T）は、現在の実過給圧Ｐ_Aをエンジン２のトルクを所定トルク以上に維持するのに十分でないと判定する。すなわち、電動機２４の駆動による過給圧の補充が必要となる。

電動機駆動制御部６４は、過給圧補充判定部６３により実過給圧Ｐ_Aがエンジン２のトルクを所定トルク以上に維持するのに十分でないと判定された場合に、電動機２４を駆動させて高圧段コンプレッサ２１を回転させることで吸気を圧縮して過給圧を上昇させる。具体的には、この電動機駆動制御部６４には、吸気圧センサ５０の検出値である実過給圧Ｐ_Aが常時入力されている。そして、電動機駆動制御部６４は、実過給圧Ｐ_Aが目標過給圧Ｐ_T以上になるまで、電動機２４を駆動させる制御信号を出力するように構成されている。なお、電動機駆動制御部６４による電動機２４の駆動は、例えば予め実験等で作成した電動機２４の回転数と過給圧との関係を示すマップを記憶しておき、係るマップに基づいて電動機２４の駆動を制御してもよい。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置１は、以上のように構成されているので、例えば図３に示すフローに従って以下のような制御が行われる。

ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、吸気バルブ駆動制御部６１により、エンジン２の圧縮比を膨張比よりも小さくするミラーサイクルを行うべく、閉弁時期がピストン４の下死点よりも遅くなるように吸気バルブ２ａの開閉駆動が制御される。具体的には、ミラーサイクル閉弁時期マップからエンジン２の運転状態に応じた閉弁時期（クランク角）が読み取られ、この閉弁時期（クランク角）に応じた制御信号が可変バルブタイミング機構に出力される。

Ｓ１１０では、目標過給圧設定部６２により、エンジン２のトルクを所定トルク以上に維持するのに必要となる目標過給圧Ｐ_Tが設定される。具体的には、目標過給圧マップからＳ１００で設定された閉弁時期（クランク角）に対応する過給圧が読み取られ、この読み取られた過給圧が目標過給圧Ｐ_Tとして設定される。

Ｓ１２０では、過給圧補充判定部６３により、吸気圧センサ５０の検出値である実過給圧Ｐ_Aと目標過給圧Ｐ_Tとが比較され、現在の実過給圧Ｐ_Aがエンジン２のトルクを所定トルク以上に維持するのに十分か否かが判定される。実過給圧Ｐ_Aが目標過給圧Ｐ_T以上の場合（Ｐ_A≧Ｐ_T）は、現在の実過給圧Ｐ_Aはエンジン２のトルクを所定トルク以上に維持するのに十分と判定され、本制御はリターンされる。一方、実過給圧Ｐ_Aが目標過給圧Ｐ_Tよりも小さい場合（Ｐ_A＜Ｐ_T）は、現在の実過給圧Ｐ_Aはエンジン２のトルクを所定トルク以上に維持するのに十分でないと判定されてＳ１３０へと進む。

Ｓ１３０では、電動機駆動制御部６４により、実過給圧Ｐ_Aが目標過給圧Ｐ_T以上になるまで電動機２４が駆動される。すなわち、高圧段コンプレッサ２１の回転によりエンジン２の過給圧が上昇し、実過給圧Ｐ_Aが目標過給圧Ｐ_T以上になるまで電動機２４の駆動が継続される。

Ｓ１４０では、過給圧補充判定部６３により、吸気圧センサ５０の検出値である実過給圧Ｐ_Aと目標過給圧Ｐ_Tとが再度比較される。実過給圧Ｐ_Aが目標過給圧ＰＴよりも小さい場合（Ｐ_A＜Ｐ_T）は、電動機２４のさらなる駆動が必要と判定されてＳ１３０に戻される。一方、実過給圧Ｐ_Aが目標過給圧Ｐ_T以上の場合（Ｐ_A≧Ｐ_T）は、電動機２４のさらなる駆動は不要と判定されて本制御はリターンされる。

以上のような構成により、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置１によれば以下のような作用効果を奏する。

エンジン２が圧縮比を膨張比よりも小さくするミラーサイクルを行っている場合において、吸気圧センサ５０の検出値である実過給圧Ｐ_Aがエンジン２のトルクを所定トルク以上に維持する目標過給圧Ｐ_Tよりも小さくなると、電動機２４が駆動され高圧段コンプレッサ２１が回転することでエンジン２の過給圧は上昇する。そして、電動機２４の駆動は、実過給圧Ｐ_Aが目標過給圧Ｐ_T以上になるまで継続される。

したがって、排気エネルギーの小さい低負荷運転時等を含めエンジン２の運転領域全域で、電動機２４の駆動によりエンジン２のトルクを所定トルク以上に維持することが可能となり、エンジン２のトルク低下を運転領域全域で効果的に抑止することができる。

また、ミラーサイクルによる吸気バルブ２ａの閉弁時期を下死点から大きく遅らせて圧縮比を大きく下げた場合においても、電動機２４の駆動により過給圧を上昇させれば、エンジン２のトルクを所定トルク以上に維持できる。

したがって、電動機２４の駆動によりエンジン２のトルクを所定トルク以上に維持しつつ、エンジン２の圧縮比を膨張比よりも大幅に小さくすることが可能となり、ミラーサイクルの燃焼効率（理論熱効率）を大きく向上することができるとともに、エンジン２の燃費を効果的に改善することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上述の実施形態において、本発明は電動機付き高圧段ターボチャージャ２０と低圧段ターボチャージャ３０とを有する二段過給システムに適用されるものとして説明したが、電動機付きターボチャージャを一段のみ備える一段過給システムに適用してもよい。この場合も上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、電動機２４は、必ずしも高圧段ターボチャージャ２０に取り付けられる必要はなく、例えば低圧段ターボチャージャ３０に取り付けられてもよい。

また、本発明は、吸気バルブ２ａや排気バルブ２ｂをカムシャフト等からなる可変バルブタイミング機構で開閉駆動するエンジン２に適用されるものとして説明したが、例えば電磁弁の制御により吸気バルブ２ａや排気バルブ２ｂを開閉駆動するカムレス構造のエンジンにも適用することもできる。この場合も上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

２ エンジン（内燃機関）
２０ 電動機付き高圧段ターボチャージャ（ターボチャージャ）
２１ 高圧段コンプレッサ（コンプレッサ）
２２ 高圧段タービン（タービン）
２４ 電動機
３０ 低圧段ターボチャージャ
３１ 低圧段コンプレッサ
３２ 低圧段タービン
５０ 吸気圧センサ（吸気圧検出手段）
６０ ＥＣＵ（駆動制御手段）

Claims (3)

1. 吸気バルブの閉弁時期を下死点よりも遅く若しくは早くすることで圧縮比を膨張比よりも小さくするミラーサイクルが可能な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たタービン及び前記内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサを有するターボチャージャと、
   前記タービン及び前記コンプレッサを回転させる電動機と、
   前記コンプレッサよりも下流の吸気圧力を実過給圧として検出する吸気圧検出手段と、
   前記内燃機関の運転状態に応じて設定される前記吸気バルブの閉弁時期に基づいて前記内燃機関の出力を所定トルク以上に維持するのに必要な目標過給圧を設定する目標過給圧設定手段と、
   前記吸気圧検出手段の検出値である実過給圧が前記目標過給圧設定手段で設定された前記目標過給圧よりも小さい場合に、前記電動機を駆動させる駆動制御手段と、を備える
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記駆動制御手段は、
   前記吸気圧検出手段の検出値である実過給圧が前記目標過給圧以上になるまで前記電動機の駆動を継続させる
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記タービンよりも下流側の排気通路に設けられた低圧段タービン及び前記コンプレッサよりも上流側の吸気通路に設けられた低圧段コンプレッサを有する低圧段ターボチャージャをさらに備え、
   前記ターボチャージャは高圧段ターボチャージャである
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の制御装置。

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