JP5794796B2

JP5794796B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP5794796B2
Application number: JP2011056099A
Authority: JP
Inventors: 孝治藤井
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2031-03-15
Also published as: JP2012193618A

Description

本発明は、排気ターボ過給機を備えた内燃機関に関する。

従来、吸気通路に設けられるスロットルバルブの上流に設けられて燃焼室に吸入空気を過給するとともに、過給圧が設定圧を上回った場合に過給圧を低減させるべく開弁するウェイストゲートバルブを有する排気ターボ過給機を備えた内燃機関において、吸気通路に設けられた過給圧センサが検出した過給圧が高い場合に、スロットルバルブを閉止方向に作動させる制御を行う制御装置を備えたものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

ところで、特許文献１記載の制御装置においては、過給圧をパラメータとしてスロットルバルブを閉止方向に作動させる制御を行うようにしているが、極低温中において運転を行う場合、以下に述べるような不具合が発生しうる。すなわち、極低温中においては、空気密度が高くタービン回転が上昇しやすいため、相乗的に吸入空気量が増えウェイストゲートバルブを全開状態とすることにより過給圧を基準過給圧未満とした場合であっても空気質量が過大となり、この空気質量に対応して燃料噴射量が決定されることから、機関の信頼性の観点から好ましくない過大な出力が発生することがある。

この課題を解決する方法の一つとして、大型のウェイストゲートバルブを設けることが考えられるが、この場合、過給圧制御の精度が低下するという別の不具合が発生する。

特開２００７−２２４７６４号公報

本発明は以上の点に着目し、排気ターボ過給機を備えた内燃機関において、極低温時においても過給圧を適正に制御できるようにすることを目的とする。

すなわち本発明に係る内燃機関は、過給圧が設定圧を上回った場合に過給圧を低減させるべく開弁するウェイストゲートバルブが付帯した排気ターボ過給機と、過給圧及び吸入空気の温度をパラメータとして燃焼室に供給される吸入空気質量を算出し、吸入空気質量が目標空気質量となるように過給圧を制御する制御装置とを具備する内燃機関であって、前記制御装置が、吸入空気質量が目標空気質量を上回る場合には前記ウェイストゲートバルブを開弁し、前記ウェイストゲートバルブを全開としてもなお吸入空気質量が目標空気質量を上回る場合に、スロットルバルブを閉止方向に作動させる制御を行うことを特徴とする。

このようなものであれば、吸入空気質量をパラメータとして過給圧を制御するので、大型のウェイストゲートバルブを使用することによる過給圧制御の精度の低下を伴うことなく、極低温時に吸入空気質量が大きくなることに伴い機関の信頼性の観点から好ましくない過大な出力が発生することなく、過給圧を適正に制御することができる。なお、本発明において、「ウェイストゲートバルブが全開」であるとは、ウェイストゲートバルブの開度をより大きくする操作が不可能である状態全般を示す概念である。

特に、コンプレッサ下流とコンプレッサ上流とを連通するエアバイパス通路と、このエアバイパス通路中に設けられ、スロットルバルブ下流の圧力が直接伝達される第１の圧力室、スロットルバルブ下流の圧力が遅延されて伝達される第２の圧力室、及び前記第１の圧力室内の圧力が前記第２の圧力室内の圧力を下回った場合に開放位置をとり前記第１の圧力室内の圧力が前記第２の圧力室内の圧力と等しい場合に閉止位置をとる弁体を有するエアバイパスバルブとをさらに具備し、スロットルバルブを閉止方向に作動させる速度が、スロットルバルブ下流の圧力変化に伴い前記第１及び第２の圧力室の間に圧力差を発生させ該圧力差により前記エアバイパスバルブの弁体を閉止位置から開放位置に移動させるために必要な速度よりも低いものであれば、上述した吸入空気質量に伴いスロットルバルブを閉止方向に作動させた際であってもエアバイパスバルブが開弁することがなく、エアバイパスバルブの開弁に伴う吸入空気質量の急低下も生じないので、過給圧のハンチングの発生を防ぐことができる。

本発明によれば、排気ターボ過給機を備えた内燃機関において、極低温時においても過給圧を適正に制御することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関を示す概略図。同実施形態に係る制御装置が行う制御の手順を示すフローチャート。同実施形態に係る過給圧と吸入空気質量との関係を示す図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態の内燃機関は、車両に搭載されてなるもので、以下に述べるような排気ターボ過給機１を有する。この排気ターボ過給機１は、排気ガスのエネルギー即ち排気圧を受けて回転する排気タービン２と、排気タービン２によって駆動されるコンプレッサ３とを要素とする。エアクリーナ４を通して吸入した空気は、コンプレッサ３で圧縮され、吸気通路５を経て燃焼室２０に供給される。並びに、排気タービン２を迂回するバイパス通路６を形成し、そのバイパス通路６にウェイストゲートバルブ７付帯させている。バイパス通路６の内径は、排気タービン２のホイール径の約０．６〜１．０倍である。ウェイストゲートバルブ７は、ダイヤフラム式のアクチュエータ８で開閉駆動する。

アクチュエータ８は、調圧スプリング８ｃにより弾性付勢されたダイヤフラム８ａ及びその制御室８ｂ（ダイヤフラム室）を設けてなり、制御室８ｂ内の圧力が所定のセット圧を上回る場合に、調圧スプリング８ｃの付勢力に抗してダイヤフラム８ａが変位し作動ロッド８ｄを前方へ進出させる仕組みとなっている。ウェイストゲートバルブ７は、この作動ロッド８ｄにより駆動される。すなわち、ウェイストゲートバルブ７は、制御室８２内の圧力が所定のセット圧以上である場合に開く。

ここで、本実施形態では、前記制御室８ｂにコンプレッサ３下流の過給圧を導くための過給圧導入経路９と、前記過給圧導入経路から分岐し前記コンプレッサ３上流と前記制御室８ｂとを連通する逃がし通路１０と、この逃がし通路１０に設けてなる過給圧制御弁１１と、この過給圧制御弁１１を個別に開閉操作することのできるコントローラ１２とを付設している。

過給圧導入経路９は、コンプレッサ３下流の吸気通路５と、制御室８ｂとを連通する。

過給圧制御弁１１は、逃がし通路１０を遮断する閉止状態と、逃がし通路１０を開通する開放状態との間で遷移可能である。この過給圧制御弁１１は、例えば、弁体を電磁アクチュエータで作動させるもので、開放時間の長さを規定するデューティ比を有した制御電圧信号（パルス電圧）を電磁アクチュエータに印加することで、そのデューティ比に応じた開度に制御可能である。

加えて、本実施形態では、排気ターボ過給機１のコンプレッサ３側においては、急減速時における過給圧の上昇を防止するための過給圧迂回機構２１が設けてある。この過給圧迂回機構２１は、コンプレッサ３の上流と下流とを連通可能にするエアバイパス通路２２と、その吸気排出通路２２を開閉するエアバイパスバルブ２３とを備えている。このエアバイパスバルブ２３は、本実施形態では、サージタンク１３からの負圧を直接受ける第１の圧力室２３ａと、サージタンク１３からの負圧を負圧遅延弁２４を経由して遅延して受ける第２の圧力室２３ｂと、これら第１及び第２の圧力室２３ａ、２３ｂ間の圧力差が所定値以上である場合に作動するダイヤフラム２３ｃと、このダイヤフラム２３ｃにより駆動される弁体２３ｄと、この弁体２３ｄが着座する弁座２３ｅと、前記吸気排出通路２２のコンプレッサ３上流側に連通する上流側ポート２３ｆと、前記吸気排出通路２２のコンプレッサ３下流側に連通する下流側ポート２３ｇとを備えている。すなわち、このエアバイパスバルブ２３は、スロットルバルブ１５を所定の速度以上で閉弁した場合等、第１及び第２の圧力室２３ａ、２３ｂ間の圧力差が所定値以上となった場合に弁体２３ｄが弁座２３ｅから離間する開放位置をとることにより上流側ポート２３ｅと下流側ポート２３ｆとを連通する一方、その他の場合には弁体２３ｄが弁座２３ｅに着座する閉止位置をとることにより上流側ポート２３ｅと下流側ポート２３ｆとの間を遮断する。なお、このエアバイパスバルブ２３の第１の圧力室２３ａとサージタンク１３との間には、負圧導入路２５を設けている。また、この負圧導入路２５から分岐させて、前記エアバイパスバルブ２３の第２の圧力室２３ｂに連通するとともにその途中に前記負圧遅延弁２４を設けてなる負圧遅延通路２６を設けている。ここで、前記スロットルバルブ１５は、電子スロットルバルブとして周知のものである。

内燃機関の各所には、この内燃機関の種々の状況を検出するために、サージタンク１３内の吸気圧（過給圧）を検出する吸気圧センサ１４、スロットルバルブ１５の開度を検出するスロットル開度センサ１６、内燃機関の冷却水温度を検出する水温センサ１７、エンジン回転数を検出する回転数センサ１８、吸入空気温度を検出する吸気温センサ１９等を取り付けている。ここで、前記スロットルバルブ１５は、電子スロットルバルブとして周知のもので、前記コントローラ１２からの制御信号を受けて開度を変更してなる。

これら各センサからの信号を受信して処理し、内燃機関の運転状態を制御するコントローラ１２（ＥＣＵ）は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、Ｉ／Ｏインタフェース等を包有するマイクロコンピュータシステムである。各種制御用のプログラムはＲＯＭ又はフラッシュメモリに格納されており、そのプログラムがＲＡＭに読み込まれＣＰＵによって解読される。コントローラ１２は、当該プログラムに従い、燃料噴射量の制御、点火時期の制御、その他各種の制御を実施する。このコントローラ１２は、請求項中の制御装置として機能する。

以下、本実施形態のコントローラ１２が行う過給圧制御について図２を参照しつつ詳述する。

まず、吸気圧センサ１４の出力信号が示す吸気圧及び吸気温センサ１９の出力信号が示す吸入空気温度をパラメータとして燃焼室２０に供給される吸入空気質量を演算し（Ｓ１）、次いで、スロットル開度センサ１６の出力信号が示すスロットルバルブ１５の開度及び回転数センサ１８の出力信号が示すエンジン回転数に基づき目標空気質量を決定する（Ｓ２）。なお、コントローラ１２のＲＯＭ又はフラッシュメモリの所定領域には、代表的な吸気圧及び吸入空気温度に対応する吸入空気質量を格納した吸入空気質量マップを形成しており、実際の吸入空気質量は、この吸入空気質量マップを参照した後補間計算により演算するようにしている。また、コントローラ１２のＲＯＭ又はフラッシュメモリの所定領域には、代表的なスロットルバルブ１５の開度及びエンジン回転数に対応する目標空気質量を格納した目標空気質量マップも形成しており、実際の目標空気質量は、この目標空気質量マップを参照した後補間計算により演算するようにしている。

それから、前記吸入空気質量が前記目標空気質量を上回っているか否かを判定する（Ｓ３）。前記吸入空気質量が前記目標空気質量を上回っている場合には、過給圧制御弁１１の開度を小さくし前記ウェイストゲートバルブ７のアクチュエータ８ｃを開弁側に駆動する（Ｓ４）。それから、ウェイストゲートバルブ７が全開である場合、すなわち過給圧制御弁１１が全閉状態である場合には（Ｓ５）、スロットルバルブ１５を閉止方向に作動させる（Ｓ６）。一方、前記吸入空気質量が前記目標空気質量を上回っている場合には、過給圧制御弁１１の開度を大きくし前記ウェイストゲートバルブ７のアクチュエータ８ｃを閉弁側に駆動する（Ｓ７）。

ここで、過給圧と吸入空気質量との関係を示すグラフである図３を利用して、目標空気質量が所定値Ａ₀である場合における具体的な制御の一例を説明する。図３の破線には、目標空気質量が所定値Ａ₀であり、かつウェイストゲートバルブ７を全開状態とした場合に燃焼室２０に供給される空気質量が目標空気質量Ａ₀となる低温状態を示している。この低温状態は、例えば外気温が−３０°Ｃである場合に対応する。同図の実線には、前記低温状態よりも吸入空気の温度が高い常温状態を示している。そして、同図の二点鎖線には、前記低温状態よりも吸入空気の温度が低い極低温状態を示している。ここで、常温状態及び低温状態、すなわち図３における領域Ａ₁では、ウェイストゲートバルブ７の開閉操作のみにより吸入空気質量を目標空気質量となるように制御することが可能であるので、ウェイストゲートバルブ７の開閉操作により過給圧を制御する。一方、極低温状態、すなわち図３における領域Ａ₂では、スロットルバルブ１５を閉止方向に作動させない限りウェイストゲートバルブ７を全開状態としてもなお吸入空気質量が目標空気質量を上回るので、ウェイストゲートバルブ７を全開状態とした上でスロットルバルブ１５を閉止方向に作動させる。

上述した制御により、スロットルバルブ１５を閉止方向に作動させた場合、サージタンク１３内には負圧が発生し、この負圧が過給圧迂回機構２１の吸気排出通路２２を介してまずエアバイパスバルブ２３の第１の圧力室２３ａに導入され、次いで前記負圧遅延弁２４を介して前記負圧が遅延されて第２の圧力室２３ｂに導入される。しかし、本実施形態ではスロットルバルブ１５を閉止方向に作動させる際の速度が、これら第１及び第２の圧力室２３ａ、２３ｂ間に発生する差圧がダイヤフラム２３ｃを作動させるための前記所定値となる速度より低速に設定されているので、上述した過給圧制御に伴うスロットルバルブ１５の閉止動作の際には、エアバイパスバルブ２３は開弁状態とならない。

以上に述べたように、本実施形態に係る内燃機関の構成によれば、吸入空気質量が目標空気質量を上回る場合にウェイストゲートバルブ７が開弁し、ウェイストゲートバルブ７が全開となった場合に初めてコントローラ１２がスロットルバルブ１５を閉止方向に作動させる制御を行うので、スロットルバルブ１５による絞り損失を低減し燃費向上を図ることができる。その上で、吸入空気質量をパラメータとして過給圧を制御するので、大型のウェイストゲートバルブを使用することによる過給圧制御の精度の低下を伴うことなく、低温時に吸入空気質量が大きくなることに伴い機関の信頼性の観点から好ましくない過大な出力が発生することを防ぐことができる。

特に、コンプレッサ３下流とコンプレッサ３上流とを連通する吸気排出通路２２と、この吸気排出通路２２中に設けられ、スロットルバルブ１５下流の圧力が直接伝達される第１の圧力室２３ａ、スロットルバルブ１５下流の圧力が遅延されて伝達される第２の圧力室２３ｂ、及び前記第１の圧力室２３ａ内の圧力が前記第２の圧力室２３ｂ内の圧力を下回った場合に開放位置をとり前記第１の圧力室２３ａ内の圧力が前記第２の圧力室２３ｂ内の圧力と等しい場合に閉止位置をとる弁体２３ｄを有するエアバイパスバルブ２３とを具備するとともに、スロットルバルブ１５を閉止方向に作動させる速度を、第１及び第２の圧力室２３ａ、２３ｂ間に発生する差圧がダイヤフラム２３ｃを作動させるための前記所定値となる速度より低速に設定しているので、上述した吸入空気質量の制御に伴いスロットルバルブ１５を閉止方向に作動させた際であってもエアバイパスバルブ２３が開弁することがなく、エアバイパスバルブ２３の開弁に伴う吸入空気質量の急低下も生じないので、過給圧のハンチングの発生を防ぐことができる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。

例えば、上述した実施形態では、ウェイストゲートバルブを、過給圧を受けて駆動されるダイヤフラムを利用して形成しているが、過給圧制御弁を省略するとともにウェイストゲートバルブを制御装置からの信号を受けて作動するものとした上で、吸入空気質量が目標空気質量を上回った場合にウェイストゲートバルブの開閉操作を直接行うプログラムを制御装置に内蔵してもよい。

また、エアバイパスバルブを有しない内燃機関に本発明を適用してもよい。

その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変形してよい。

７…ウェイストゲートバルブ
１２…コントローラ（制御装置）
１５…スロットルバルブ

Claims

過給圧が設定圧を上回った場合に過給圧を低減させるべく開弁するウェイストゲートバルブが付帯した排気ターボ過給機と、過給圧及び吸入空気の温度をパラメータとして燃焼室に供給される吸入空気質量を算出し、吸入空気質量が目標空気質量となるように過給圧を制御する制御装置とを具備する内燃機関であって、
前記制御装置が、吸入空気質量が目標空気質量を上回る場合には前記ウェイストゲートバルブを開弁し、前記ウェイストゲートバルブを全開としてもなお吸入空気質量が目標空気質量を上回る場合に、スロットルバルブを閉止方向に作動させる制御を行うことを特徴とする内燃機関。
コンプレッサ下流とコンプレッサ上流とを連通するエアバイパス通路と、
このエアバイパス通路中に設けられ、スロットルバルブ下流の圧力が直接伝達される第１の圧力室、スロットルバルブ下流の圧力が遅延されて伝達される第２の圧力室、及び前記第１の圧力室内の圧力が前記第２の圧力室内の圧力を下回った場合に開放位置をとり前記第１の圧力室内の圧力が前記第２の圧力室内の圧力と等しい場合に閉止位置をとる弁体を有するエアバイパスバルブとをさらに具備し、
スロットルバルブを閉止方向に作動させる速度が、スロットルバルブ下流の圧力変化に伴い前記第１及び第２の圧力室の間に圧力差を発生させ該圧力差により前記エアバイパスバルブの弁体を閉止位置から開放位置に移動させるために必要な速度よりも低い請求項１記載の内燃機関。