JP6024211B2 - 内燃機関とその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、排気通路に配置されたタービンと、吸気通路に配置され、タービンにより駆動されるコンプレッサを有するターボチャージャを備え、そのコンプレッサのサージ状態を回避する内燃機関とその制御方法に関する。

従来、エンジンから排出される排ガスでタービンを高速回転させて、その回転力でコンプレッサを駆動することにより、圧縮した空気をエンジン内に送り込むターボチャージャを設けて、排ガスのエネルギーを有効に活用している。

そのターボチャージャには、ターボチャージャのタービン側に装着したノズルベーンをエンジンの回転数に応じて制御することで、過給効率を上げて、最適な過給圧を発生させる、所謂可変ターボチャージャ（可変翼ターボチャージャ、又はＶＧＳターボチャージャともいう）や、排気ガスの一部を分流させることによりタービンへの流入量を調節するバルブ機構、所謂ウェイストゲートバルブを備えて、ターボチャージャ自体の回転数を制御し、安定した過給圧（ブースト圧）を得ると共に、エンジンやターボチャージャ自体を損傷から保護するウェイストゲート式ターボチャージャ等がある。

ところで、エンジン（内燃機関）は、上記の可変ターボチャージャのノズルベーン、又はウェイストゲート式ターボチャージャのウェイストゲートバルブ（以下、総称してＴＲＢという）の他にも排ガスを還流するＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブや、吸気通路に設けられたインテークスロットル（以下、ＩＮ／ＴＨという）などの可変デバイスを備えており、通常、それらの可変デバイスの開度を燃料噴射量（負荷）とエンジン回転数に基づいた開度マップを用いて制御している。

アクセル開度減少などに伴う車両の減速時には、燃料噴射量の変化に伴って変化するＴＲＢ開度の減少、ＥＧＲバルブ開度の増加、及びＩＮ／ＴＨ開度の減少により、図９に示すように、ターボチャージャのコンプレッサの運転領域（作動点の挙動）が図中の左側へと動く。

コンプレッサの運転領域には、プレサージラインの右側に位置する通常に駆動する領域、プレサージラインとサージラインとの間のサージ音が発生する領域、そしてサージラインの左側に位置するサージ領域があり、車両の減速時には、コンプレッサの運転領域がプレサージラインを超え、ついにはサージラインを超えてサージ領域に突入し、サージ音の他に車両の吸気ダクトからの吹き返し音が発生するという問題がある。また、コンプレッサの運転領域がサージ領域にある場合は、自励振動によりターボチャージャが破損するという問題もある。

車両の減速時にコンプレッサの運転領域がサージ領域に突入する理由の一つとして、燃料噴射量の減少に伴ってＥＧＲバルブ開度が増加し、ＴＲＢ開度が減少することにより、過渡的にＥＧＲガス流量が増大し、新規の吸入空気量が減少することがあり、もう一つ理由として、車両の減速時に燃料噴射量の減少に伴ってＩＮ／ＴＨ開度を減少することによって、新規の吸入空気流量が減少することがある。それらの結果によって、コンプレッサの運転領域が、図９に示す図上の左側（低流量側）に動き、サージラインを超えた領域に入り、コンプレッサがサージング状態になってしまう。

このターボチャージャのサージング状態を回避する装置として、燃料噴射量を減少させ
るべき特定運転状態にあるときに、ＥＧＲ装置によるＥＧＲ量を通常時よりも減少させるとともに、ターボチャージャのタービンノズル開度を通常時よりも増大させる装置（例えば、特許文献１参照）や、可変ディフューザ付きターボチャージャを備え、エンジン回転数および過給圧との関係で定めたマップに基づいて、サージ限界を超えない範囲内でディフューザベーンの目標開度を設定する装置（例えば、特許文献２参照）がある。

それらの装置は、車両の減速時のコンプレッサの前後の圧力比の急激な低下を抑制することで、ターボチャージャのサージング状態を回避することができるが、一方でそれぞれ新たな問題も抱えている。

特許文献１に記載の装置は、車両の減速時に、通常運転時に定められた開度に対してＥＧＲ弁の開度をより閉側に、また、タービンノズル開度を開側に制御するが、特にエンジン回転数が大きいときに、過度のＥＧＲ率の増加や過給圧の増加を引き起こし、燃費や排ガスなどの他性能に影響が出ている。

特許文献２に記載の装置は、通常運転時とは別の開度マップを用いてディフューザベーンを制御するが、複数の開度マップを用いる制御方法は、特許文献１に記載の装置のように、過度の変化を抑制することができるが、その一方で複数の開度マップを参照する必要があり、工数の増加による制御が複雑化している。

特開２００５−２４０７５６号公報 特開２００７−１３２２３２号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、燃費、排ガスなどの他性能への影響を与えずに、車両の減速時のターボチャージャのサージ発生、及び吹き返し音の発生を防止することができる内燃機関とその制御方法を提供することである。

上記の目的を解決するための本発明の内燃機関は、排気通路に配置されたタービンと、吸気通路に配置され、前記タービンにより駆動されるコンプレッサを有するターボチャージャと、前記タービンに供給される排ガス流量を調節するタービン調節開閉装置を備えると共に、内燃機関の運転状態と第１開度マップに基づいて前記タービン調節開閉装置の開度を制御する制御装置を備える内燃機関において、前記制御装置が、車両減速時に、前記コンプレッサがサージング状態になるか否かを判定し、前記コンプレッサがサージング状態になると判定したときに、前記コンプレッサがサージング状態になることを回避するサージ回避制御として、前記運転状態と前記第１開度マップに基づく第１目標開度を取得し、前記第１目標開度が予め定めたサージ回避用第１目標開度より小さい場合には、前記サージ回避用第１目標開度に前記タービン調節開閉装置を制御し、前記第１目標開度が前記サージ回避用第１目標開度以上の場合には、前記第１目標開度に前記タービン調節開閉装置を制御するサージ回避手段を備えて構成される。

この構成によれば、将来的にコンプレッサがサージング状態になると判定されると、タービン調節開閉装置の開度を、コンプレッサのサージング状態を回避することが可能なサージ回避用タービン調節開閉装置開度以上に制御することができるので、コンプレッサの運転領域がサージ領域に突入することを事前に防ぐことができる。これにより、吸気ダクトからの吹き返し音を低減すると共に、ターボチャージャの破損を防止することができる。

また、通常運転時の開度マップを変更する、又はサージング状態を回避するための開度マップを用いることがないので、燃費や排ガスなどの他性能への影響を与えずに、工数を削減した容易な制御で車両の減速時にコンプレッサがサージング状態になることを事前に回避することができる。加えて、特にエンジン回転数や燃料噴射量が大きいときに、必要以上の開度に制御しないため、過度の過給圧の増加や再加速時におけるターボチャージャの応答性の悪化を抑制することができる。

なお、ここでいうタービン調節開閉装置とは、タービンのノズルベーン（ディフューザベーンともいう）、又はターボチャージャを迂回するバイパス通路のウェイストゲートバルブなどのことである。

また、上記の内燃機関において、前記サージ回避用第１目標開度を、前記タービン調節開閉装置の開度が全開である開度よりも閉側の開度に設定すると、再加速時におけるターボチャージャの応答性を確保することができる。

加えて、上記の内燃機関において、前記制御装置に、内燃機関の運転状態と第２開度マップに基づいて、前記タービンよりも排ガス上流側から還流する排ガス流量を調節するＥＧＲ弁の開度を制御する手段を備えると共に、前記サージ回避手段に、前記コンプレッサがサージング状態になると判定したときに、前記コンプレッサがサージング状態になることを回避するサージ回避制御として、前記運転状態と前記第２開度マップに基づく第２目標開度を取得し、前記第２目標開度が予め定めたサージ回避用第２目標開度より大きい場合には、前記サージ回避用第２目標開度に前記ＥＧＲ弁を制御し、前記第２目標開度が前記サージ回避用第２目標開度以下の場合には、前記第２目標開度に前記ＥＧＲ弁を制御する手段を備えると、タービン調節開閉装置の制御に加えて、ＥＧＲバルブを制御することによって、ＥＧＲガス流量を減少し、新規の吸入空気量の減少を抑制することができるので、コンプレッサがサージング状態になることを事前に回避することができる。

さらに、上記の内燃機関において、前記制御装置が、予め定めた判定時間毎に、車両の減速を判定し、前記ターボチャージャの過給圧とエンジン回転数に基づいて前記コンプレッサがサージング状態になるか否かを判定するサージ回避判定手段と、前記サージ回避判定手段で前記コンプレッサがサージング状態になると判定した時点から予め定めたサージ回避時間が経過するまで、前記サージ回避手段のサージ回避制御を維持するサージ回避タイマーと、を備えると共に、前記サージ回避タイマーに、前記サージ回避時間が経過中に、前記サージ回避判定手段で前記コンプレッサがサージング状態になると判定した時には、前記サージ回避判定手段で最後に前記コンプレッサがサージング状態になると判定された時点から前記サージ回避時間が経過するまで、前記サージ回避手段を維持する手段を備えると、サージ回避手段の進行中にもコンプレッサがサージング状態になるか否かを判定することができ、常に最新のサージ判定タイミングを尊重することができるので、コンプレッサがサージング状態になることを確実に回避することができる。

また、サージ回避時間を、コンプレッサの前後の圧力比が十分に下がる時間に、具体的には約０〜５秒前後に設定すると、サージ回避手段を比較的短い時間で行うことができ、燃費や排ガスなどの他性能への影響を与えずに、減速時のターボチャージャのサージ発生及び吹き返し音の発生を防止することができる。

なお、このサージ回避判定手段が行われる判定時間は、サージ回避判定手段がサージ回避手段の進行時間内に少なくとも一回実行される必要があるので、サージ回避制御時間よりも短い時間とする。例えば、サージ回避手段を行っているときに、サージ回避判定手段
が行われ、サージング状態になると判定されると、その時点から再度サージ回避手段をサージ回避時間の間に行うことになる。

また、上記の問題を解決するための内燃機関の制御方法は、排気通路に配置されたタービンと、吸気通路に配置され、前記タービンにより駆動されるコンプレッサを有するターボチャージャと、前記タービンに供給される排ガス流量を調節するタービン調節開閉装置を備え、内燃機関の運転状態と第１開度マップに基づいて前記タービン調節開閉装置の開度を制御する内燃機関の制御方法において、車両減速時に、前記コンプレッサがサージング状態になるか否かを判定し、前記コンプレッサがサージング状態になると判定したときに、前記運転状態と前記第１開度マップに基づく第１目標開度を取得し、前記第１目標開度が予め定めたサージ回避用第１目標開度より小さい場合には、前記サージ回避用第１目標開度に前記タービン調節開閉装置を制御し、前記第１目標開度が前記サージ回避用第１目標開度以上の場合には、前記第１目標開度に前記タービン調節開閉装置を制御するサージ回避工程を含むことを特徴とする方法である。

加えて、上記の内燃機関の制御方法は、内燃機関の運転状態と第２開度マップに基づいて、前記タービンよりも排ガス上流側から還流する排ガス流量を調節するように開度を制御されるＥＧＲ弁を備え、前記サージ回避工程に、前記コンプレッサがサージング状態になると判定したときに、前記運転状態と前記第２開度マップに基づく第２目標開度を取得し、前記第２目標開度が予め定めたサージ回避用第２目標開度より大きい場合には、前記サージ回避用第２目標開度に前記ＥＧＲ弁を制御し、前記第２目標開度が前記サージ回避用第２目標開度以下の場合には、前記第２目標開度に前記ＥＧＲ弁を制御する工程を含むことが好ましい。

さらに、上記の内燃機関の制御方法は、予め定めた判定時間毎に、車両の減速を判定し、前記ターボチャージャの過給圧とエンジン回転数に基づいて前記コンプレッサがサージング状態になるか否かを判定するサージ回避判定工程を含み、前記サージ回避判定工程で前記コンプレッサがサージング状態になると判定した時点から予め定めたサージ回避時間が経過するまで、サージ回避タイマーが前記サージ回避工程を維持すると共に、前記サージ回避時間が経過中に、前記サージ回避判定工程で前記コンプレッサがサージング状態になると判定したときには、前記サージ回避判定工程で最後に前記コンプレッサがサージング状態になると判定した時点から前記サージ回避時間が経過するまで、前記サージ回避タイマーが前記サージ回避工程を維持することが好ましい。

上記の方法によれば、燃費、排ガスなどの他性能への影響を与えずに、車両の減速時のターボチャージャのサージ発生、及び吹き返し音の発生を防止することができる。

本発明によれば、燃費、排ガスなどの他性能への影響を与えずに、車両の減速時のターボチャージャのサージ発生、及び吹き返し音の発生を防止することができる。また、再加速時のターボチャージャの応答性も確保することができる。加えて、工数を削減することができ、より簡易な制御を提供することができる。

本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関を示した構成図である。 図１に示す内燃機関の時間毎の制御を示した図である。 図１に示す内燃機関の制御方法のサージ回避判定工程を示したフローチャートである。 図１に示す内燃機関の制御方法のサージ回避工程を示したフローチャートである。 本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関を示した構成図である。 図５に示す内燃機関の時間毎の制御を示した図である。 図５に示す内燃機関の制御方法のサージ回避工程を示したフローチャートであり、（ａ）はＥＧＲ弁を制御するサージ回避手段を示し、（ｂ）はウェイストゲートバルブを制御するサージ回避手段を示す。 アクセル開度と吸入空気量の関係を示したグラフであり、（ａ）は従来の内燃機関を示し、（ｂ）は本発明に係る実施の形態の内燃機関を示す。 従来の内燃機関のターボチャージャのコンプレッサの運転領域を示したマップである。

以下、本発明に係る実施の形態の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。この実施の形態は、ディーゼルエンジンを例に説明するが、本発明はディーゼルエンジンに限定せずに、ガソリンエンジンにも適用することができ、その気筒数や、気筒の配列は限定しない。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように寸法を変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さなどの比率も必ずしも実際に製造するものの比率とは一致させていない。

まず、本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関について、図１を参照しながら説明する。エンジン（内燃機関）１は、エンジン本体２、排気通路Ｅｘ、吸気通路Ｉｎ、及びＥＧＲ（排ガス再循環）通路Ｅｇを備え、さらに、エキゾーストマニホールド３、インレットマニホールド４、ターボチャージャ５、吸気ダクト（エアクリーナーを含む）６、インタークーラー７、インテークスロットル（以下、ＩＮ／ＴＨ）８、後処理装置９（ＤＯＣ（ディーゼル酸化触媒）とＤＰＦ（捕集装置）などを含む）、及びＥＧＲ（排ガス再循環）システム１０を備える。

また、ターボチャージャ５はタービン５ａ、コンプレッサ５ｂ、及びタービン５ａを通過する排ガス流量を可変可能なノズルベーン５ｃ（タービン調節開閉装置）を備え、ＥＧＲシステム１０は、ＥＧＲクーラー１１とＥＧＲバルブ（ＥＧＲ弁）１２とを備える。このターボチャージャ５は、可変ノズルターボチャージャ、可変翼ターボチャージャ、又はＶＧＳターボチャージャともいう。

加えて、このエンジン１は、エンジンコントロールユニットと呼ばれるＥＣＵ（制御装置）２０を備え、そのＥＣＵ２０と接続されるクランク角センサ２１、過給圧センサ２２、アクセルペダル２３、及びブレーキペダル２４も備える。

このＥＣＵ２０は、電気回路によってエンジン１の制御を担当している電気的な制御を総合的に行うマイクロコントローラであり、コンプレッサ５ｂがサージング状態になることを判定するサージ回避判定手段Ｓ１、コンプレッサ５ｂがサージング状態になることを回避するサージ回避制御を行うサージ回避手段Ｓ１０、及びサージ回避手段Ｓ１０のサージ回避制御を維持するサージ回避タイマー２０ａを備え、クランク角センサ２１、過給圧センサ２２、アクセルペダル２３、及びブレーキペダル２４の検知した信号に基づいて、ノズルベーン５ｃの開度を制御している。

次に、このエンジン１の制御方法について、図２〜図４を参照しながら説明する。図２は通常制御のある時点からのＥＣＵ２０による制御を示している。ここで、サージ回避判定工程Ｓ１が繰り返し行われる時間をｔ１〜ｔ９とし、サージ回避タイマー２０ａの終了する時間をｔ１０、ｔ１１、及びｔ１２とする。また、時間ｔ１とｔ２の間、つまりサージ回避判定工程Ｓ１が実行される間隔（判定時間）をＴ１、サージ回避タイマー２０ａの開始から終了までの間隔（サージ回避時間）をＴ２とする。

このエンジン１の制御方法は、サージ回避判定工程Ｓ１とサージ回避工程Ｓ１０が並列に進行し、コンプレッサ５ｂがサージング状態になる前に、その状態を回避させる制御方法であり、また、コンプレッサ５ｂがサージング状態になると判定されるとサージ回避タイマー２０ａがサージ回避工程Ｓ１０をサージ回避時間Ｔ２が経過するまで維持する制御方法である。

コンプレッサ５ｂがサージング状態になる前に回避する方法として、サージ回避判定工程Ｓ１の判定結果をノズルベーン５ｃの開度の制御のトリガーとして用いる。これにより、ノズルベーン５ｃの開度を適切な時間、適切な開度に維持して、コンプレッサ５ｂがサージング状態になることを事前に回避することができる。

また、それぞれの工程を並列に進行することで、車両の減速時から停止に至るまで期間に、例えば複数回コンプレッサ５ｂの運転領域がサージ領域に入るタイミングがあっても、その全てのタイミングで回避することができるので、エンジン１の運転域全域でコンプレッサ５ｂのサージング状態を回避することができる。

次に、サージ回避判定工程Ｓ１と、サージ回避工程Ｓ１０について、それぞれ詳しく説明するが、その前に、通常運転時のノズルベーン５ｃの制御について説明する。

通常運転時に、ＥＣＵ２０は、ノズルベーン５ｃの開度を車両の運転状態と、図示しないノズルベーン５ｃの第１開度マップＭ１に基づいて制御している。ここでいう運転状態を、この実施の形態では燃料噴射量Ｑｎとエンジン回転数Ｎｅとする。この第１開度マップＭ１に記憶された第１目標開度ＴＡｎは、エンジン回転数Ｎｅや燃料噴射量Ｑｎの減少に伴い、より閉じる側に設定される開度である。

この実施の形態では、第１目標開度ＴＡｎがエンジン回転数Ｎｅや燃料噴射量Ｑｎの減少に伴い、閉じる側に変化するものを用いたが、この第１開度マップＭ１は実験的に燃料噴射量Ｑｎとエンジン回転数Ｎｅに応じた第１目標開度ＴＡｎを求めて、エンジン１の特性に合わせて任意に設定してもよい。

次に、サージ回避判定工程Ｓ１について説明する。サージ回避判定工程Ｓ１は、ターボチャージャ５のコンプレッサ５ｂが将来的にサージング状態になることを判定する工程であり、その判定する情報として、エンジン１のエンジン回転数Ｎｅとターボチャージャ５の過給圧Ｐｎを用いる。そして、コンプレッサ５ｂが将来的にサージング状態になると判定すると、サージ回避タイマー２０ａをＯＮにする。

このサージ回避判定工程Ｓ１は、予め定めた判定時間Ｔ１毎に行われる工程であり、その判定時間Ｔ１毎に、アクセルペダル２３で検知されるアクセル開度Ａｃｃ、そのアクセル開度Ａｃｃなどの情報からＥＣＵ２０が決定する燃料噴射量Ｑｎ、クランク角センサ２１で検知されるエンジン回転数Ｎｅ、及び過給圧センサ２２で検知される過給圧Ｐｎが入力される。

まず、図３のフローチャートに示すように、車両の減速判定として、アクセル開度Ａｃｃの判定時間Ｔ１毎の変化率ΔＡｃｃが第１減速判定値Ａよりも大きいか否かと、燃料噴射量Ｑｎの判定時間Ｔ１毎の変化率ΔＱが第２減速判定値Ｂよりも大きいか否かを判定するステップＳ２を行う。このステップでは、各変化率ΔＡｃｃとΔＱが予め定めた変化率を超えた場合に減速と判定しているが、車両の減速判定を行うことができればよく、上記に限定しない。

このステップＳ２で減速と判定されると次のステップＳ３を行い、減速と判定できない場合は、ステップＳ５へ進む。減速と判定された場合は、次に、エンジン回転数Ｎｅがサージ判定値Ｎｓｕｒｇｅ以上か否かと、過給圧Ｐｎがサージ判定値Ｐｓｕｒｇｅ以上か否かを判定するステップＳ３を行う。

このステップＳ３で所定の条件を満たすと、次にステップＳ４へ進み、所定の条件を満たしていない場合は、ステップＳ５へと進む。ステップＳ３でサージ回避が必要（Ｎｅ≧Ｎｓｕｒｇｅ、且つＰｎ≧Ｐｓｕｒｇｅ）と判定されると、次に、サージ回避タイマー２０ａをＯＮ（起動）にするステップＳ４を行う。

全ての判定が終了すると判定時間Ｔ１経過後（ステップＳ５）に再度ステップＳ２から判定が始まる。

なお、このサージ回避判定工程Ｓ１では、エンジン回転数Ｎｅが予め定めたサージ判定値Ｎｓｕｒｇｅ以上で、且つ過給圧Ｐｎが予め定めたサージ判定値Ｐｓｕｒｇｅ以上の場合にサージ回避工程Ｓ１０が必要であると判定するが、この各判定値は、それぞれエンジン１の特性に合わせて、定められた値であり、任意に設定できる値とする。

好ましくは各判定値をコンプレッサ５ｂの運転領域が将来的にサージラインを超えてサージ領域に突入するか否かを判定することができる値に設定し、より好ましくはコンプレッサ５ｂの運転領域が将来的にプレサージラインを超えるか否かを判定することができる値に設定する。コンプレッサ５ｂの運転領域が将来的にプレサージラインを超える場合を、事前に判定することができると、サージ音が発生する前にサージ音の発生を回避することができる。

加えて、この実施の形態では、エンジン回転数Ｎｅと過給圧Ｐｎに基づいて判定したが、例えば、過給圧Ｐｎのみで判定する方法や、エンジン回転数Ｎｅと過給圧Ｐｎに加えて燃料噴射量Ｑｎが閾値以上か否かを追加した方法で判定してもよい。特に燃料噴射量Ｑｎも判定条件に加えると、高い精度でコンプレッサ５ｂの将来的なサージ状態を把握することができる。また、過給圧Ｐｎの代わりにコンプレッサ５ｂの前後の圧力比Ｐｉｎ／Ｐｏｕｔを用いてもよい。

次に、サージ回避工程Ｓ１０について説明する。サージ回避工程Ｓ１０は、前述のサージ回避判定工程Ｓ１で、将来的にコンプレッサ５ｂがサージング状態になると判定され、サージ回避タイマー２０ａがＯＮになると開始される工程である。ここで、ノズルベーン５ｃの第１開度マップＭ１に基づく開度を第１目標開度ＴＡｎとする。

まず、サージ回避タイマー２０ａがＯＮになると、図４のフローチャートに示すように、第１開度マップＭ１を参照し、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｎに基づく第１目標開度ＴＡｎを取得するステップＳ１１を行う。次に、第１目標開度ＴＡｎがサージ回避用第１目標開度ＴＡｘより小さいか否かを判定するステップＳ１２を行う。

このサージ回避用第１目標開度ＴＡｘは、エンジン１の運転状況などによって変化することのない固定の開度を示しており、サージ回避タイマー２０ａが開始してから終了するまでの間のサージ回避時間Ｔ２で、コンプレッサ５ｂの運転領域がサージ領域に突入することを回避することができる開度である。

このサージ回避用第１目標開度ＴＡｘは、ＥＧＲガス流量を減少し、新規の吸入空気量を増加させるように設定するとよく、サージ回避用第１目標開度ＴＡｘをノズルベーン５ｃの開側寄りの開度で、且つノズルベーン５ｃの全開の開度よりも閉側の開度にすること
が好ましい。このサージ回避用第１目標開度ＴＡｘは、例えば、ノズルベーン５ｃの全開の開度を１００％としたときの８０％前後の開度である。

特に、サージ回避用第１目標開度ＴＡｘを全開の開度よりも閉側の開度にすると、再加速時におけるターボチャージャ５の復帰に有利である。例えば、サージ回避用第１目標開度ＴＡｘを全開の開度にすると、再加速時にターボチャージャ５の応答性を確保することができないが、本発明のように、全開の開度よりも閉側の開度にすることで、再加速時にターボチャージャ５の応答性を確保することができる。

このステップＳ１２は、ノズルベーン５ｃの開度をサージ回避用第１目標開度ＴＡｘ以上に設定するための判定ステップである。例えば、サージ回避用第１目標開度ＴＡｘを８０％とし、ステップＳ１１で取得した第１開度マップＭ１に応じた第１目標開度ＴＡｎが６０％の場合には、ノズルベーン５ｃの開度はサージ回避用第１目標開度ＴＡｘの８０％に制御され、一方、第１開度マップＭ１に応じた第１目標開度ＴＡｎが９０％の場合には、第１目標開度ＴＡｎの９０％に制御される。

このステップＳ１２を用いることで、コンプレッサ５ｂがサージング状態になる前に、コンプレッサ５ｂの運転領域をサージラインから遠ざけることができる。これにより、サージング状態になることを回避する為に別途開度マップを必要とせずに、工数を減少した制御でコンプレッサ５ｂがサージング状態になることを回避することができる。

また、サージ回避用第１目標開度ＴＡｘ以上で、且つ第１目標開度ＴＡｎがサージ回避用第１目標開度ＴＡｘ以上の場合は、第１目標開度ＴＡｎの開度に制御することで、過度の過給圧の増加などを抑制するので、燃費や排ガスなどの他性能に影響を与えずに、コンプレッサ５ｂのサージング状態を回避することができる。

ステップＳ１２で、開度が設定されるとステップＳ１３及びステップＳ１４に示すように、ノズルベーン５ｃの開度を制御する。そしてサージ回避タイマー２０ａの終了と共に、この制御方法も完了する。このサージ回避工程Ｓ１０は、サージ回避タイマー２０ａが開始された直後に上記のステップＳ１１〜Ｓ１４が完了し、サージ回避タイマー２０ａの終了までのサージ回避時間Ｔ２の間で、ステップＳ１３とステップＳ１４で決定した開度に維持する工程である。

サージ回避時間Ｔ２とは、サージ回避タイマー２０ａの開始から終了までの間隔であり、ＥＣＵ２０に予め記憶させておいた任意の時間である。このサージ回避時間Ｔ２は、コンプレッサ５ｂの運転領域がサージ領域に突入しないように、実験的に求めた数値であり、エンジン１の仕様により任意に定めることができるが、約０〜５秒前後に設定すると、コンプレッサ５ｂのサージング状態を回避するためのノズルベーン５ｃの制御を短時間で行うことができるので、燃費や排ガスなどの他性能に影響を与えることなく、サージング状態を回避することができる。

次に、上記のサージ判定工程Ｓ１とサージ回避工程Ｓ１０を含む本発明に係る実施の形態の内燃機関の制御方法について、図２を参照しながら説明する。

まず、時間ｔ１でサージ回避判定工程Ｓ１を行い、サージ回避タイマー２０ａがＯＮ（起動）すると、時間ｔ２からサージ回避工程Ｓ１０を開始する。そして、時間ｔ１０でサージ回避タイマー２０ａがＯＦＦ（終了）すると共に、サージ回避工程Ｓ１０を完了する。時間ｔ１０でサージ回避タイマー２０ａがＯＦＦになると、ノズルベーン５ｃは通常制御、つまり第１開度マップＭ１に基づいた開度に制御される。

次に、時間ｔ３でのサージ回避判定工程Ｓ１により、サージ回避タイマー２０ａがＯＮになると、同様にサージ回避工程Ｓ１０を開始するが、このサージ回避時間Ｔ２の経過中の時間ｔ４で行われるサージ回避判定工程Ｓ１により、サージ回避タイマー２０ａがＯＮになる。

すると、最後にコンプレッサ５ｂがサージング状態になると判定した時間ｔ４から再度第１サージ回避工程Ｓ１０を開始する。そして、時間ｔ１１でサージ回避タイマー２０ａが終了すると共に、サージ回避工程Ｓ１０を完了する。このときのサージ回避時間Ｔ３は、判定時間Ｔ１とサージ回避時間Ｔ２との和となる。

つまり、サージ回避工程Ｓ１０を行っているときに、サージ回避判定工程Ｓ１でサージ回避工程Ｓ１０を行う必要があると判定されると、サージ回避タイマー２０ａがＯＮになり、再度サージ回避工程Ｓ１０を開始する。これにより、常に最新のサージ判定に基づく主サージ回避工程Ｓ１０を行うことができる。

よって、サージ回避タイマー２０ａが開始されてから終了するまでの間、つまりサージ回避時間Ｔ２の間に、少なくとも一回サージ回避判定Ｓ１を行うことが好ましく、判定時間Ｔ１はサージ回避時間Ｔ２よりも短い時間であることが好ましい。

時間ｔ５〜ｔ７でのサージ回避判定工程Ｓ１では、サージ回避タイマー２０ａはＯＮにならず、ノズルベーン５ｃは通常制御される。

次に、時間ｔ８でのサージ回避判定工程Ｓ１で、サージ回避タイマー２０ａがＯＮになると、時間ｔ８からサージ回避工程Ｓ１０を開始する。そして、時間ｔ１２でサージ回避タイマー２０ａがＯＦＦ（終了）する。そして、エンジン１が停止する。

サージ回避判定工程Ｓ１でサージ回避タイマー２０ａが開始されないときは、通常走行時と同じように、ノズルベーン５ｃを第１開度マップＭ１に応じた開度にすることができるので、コンプレッサ５ｂのサージング状態を回避する制御に起因するエンジンの運転状態の変化を抑制し、ドライバーに違和感を与えにくくして、ドライバビリティに優れる制御を提供することができる。

上記の制御方法によれば、車両の減速時に、将来的にサージング状態になるか否かを判定し、コンプレッサ５ｂがサージング状態になる前にノズルベーン５ｃの開度を制御して、回避することができる。これにより、車両の減速時のターボチャージャ５のサージ発生、及び吹き返し音の発生を防止することができる。

また、ノズルベーン５ｃの開度をコンプレッサ５ｂがサージング状態にならない開度以上で、且つ全開にしないため、再加速時のターボチャージャの応答性も確保することができる。加えて、ノズルベーン５ｃの制御に用いるマップが第１開度マップＭ１のみのため、工数を削減することができ、より簡易な制御を提供することができる。

次に、本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関について、図５を参照しながら説明する。このエンジン３０は、図１に示す第１の実施の形態のエンジン１のターボチャージャ５に換えて、図５に示すように、排ガスの一部を分流路３１ｄに分流させることによりタービン３１ａへの流入量を調節するバルブ機構、所謂ウェイストゲートバルブ（タービン調節開閉装置；以下、ＷＧＶという）３１ｃを有するウェイストゲート式ターボチャージャ（以下、ターボチャージャとする）３１を備え、また、ＥＣＵ３２に、サージ回避タイマー２０ａが経過中に行われるサージ回避手段Ｓ２０とＳ３０を備える。

通常運転時には、ＥＣＵ３２が、ＥＧＲバルブ１２の開度を車両の運転状態と、図示しないＥＧＲバルブ１２の第２開度マップＭ２に基づいて、また、ＷＧＶ３１ｃの開度を車両の運転状態と、図示しないＷＧＶ３１ｃの第３開度マップＭ３に基づいて制御している。

この第２開度マップＭ２に記憶された第２目標開度ＴＢｎは、エンジン回転数Ｎｅや燃料噴射量Ｑｎの減少に伴い、より開く側に設定され、また、この第３開度マップＭ３に記憶された第３目標開度ＴＣｎは、エンジン回転数Ｎｅや燃料噴射量Ｑｎの減少に伴い、より閉じる側に設定される。

次に、このエンジン３０の制御方法について、図６と図７を参照しながら説明する。図６について、図２と同様のものについては、同じ符号を用いてその説明を省略する。このエンジン３０の制御方法は、サージ回避判定工程Ｓ１とサージ回避工程Ｓ２０及びＳ３０が並列に進行し、コンプレッサ３１ｂがサージング状態になる前に、ＷＧＶ３１ｃとＥＧＲバルブ１２とを同時に制御することで、その状態を回避させる制御方法である。

サージ回避判定工程Ｓ１、サージ回避タイマー２０ａについては、第１の実施の形態と同様のため、その説明を省略し、サージ回避タイマー２０ａがＯＮになってからのサージ回避工程Ｓ２０及びＳ３０について説明する。

このサージ回避工程Ｓ２０とＳ３０はサージ回避タイマー２０ａがＯＮになると同時に開始され、並列に行われる工程である。まず、サージ回避工程Ｓ２０について、説明する。サージ回避タイマー２０ａがＯＮになると、図７の（ａ）のフローチャートに示すように、第２開度マップＭ２を参照し、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｎに基づく第２目標開度ＴＢｎを取得するステップＳ２１を行う。次に、第１目標開度ＴＢｎがサージ回避用第２目標開度ＴＢｘより大きいか否かを判定するステップＳ２２を行う。

このサージ回避用第２目標開度ＴＢｘは、ＥＧＲガス流量を減少し、新規の吸入空気量を増加させるように設定するとよく、サージ回避用第２目標開度ＴＢｘをＥＧＲバルブ１２の閉側寄りの開度にすることが好ましい。このサージ回避用第２目標開度ＴＢｘは、例えば、ＥＧＲバルブ１２の全閉の開度を０％としたときの２０％前後の開度である。

このステップＳ２２は、ＥＧＲバルブ１２の開度をサージ回避用第２目標開度ＴＢｘ以下に設定するための判定ステップである。例えば、サージ回避用第２目標開度ＴＢｘを２０％とし、ステップＳ２１で取得した第２開度マップＭ２に応じた第２目標開度ＴＢｎが３０％の場合には、ＥＧＲバルブ１２の開度はサージ回避用第２目標開度ＴＢｘの２０％に制御され、一方、第２開度マップＭ２に応じた第２目標開度ＴＢｎが１０％の場合には、第２目標開度ＴＢｎの１０％に制御される。

ステップＳ２２で、開度が設定されるとステップＳ２３及びステップＳ２４に示すように、ＥＧＲバルブ１２の開度を制御する。そしてサージ回避タイマー２０ａの終了と共に、この制御方法も完了する。

このサージ回避工程Ｓ２０は、サージ回避タイマー２０ａが開始された直後に上記のステップＳ２１〜Ｓ２４が完了し、サージ回避タイマー２０ａの終了までのサージ回避時間Ｔ２の間で、ステップＳ２３とステップＳ２４で決定した開度に維持する工程である。

次に、サージ回避工程Ｓ３０について説明する。図７の（ｂ）のフローチャートに示すように、まず、サージ回避タイマー２０ａがＯＮになると、第３開度マップＭ３を参照し、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｎに基づく第３目標開度ＴＣｎを取得するステップ
Ｓ３１を行う。次に、第３目標開度ＴＣｎがサージ回避用第３目標開度ＴＣｘより小さいか否かを判定するステップＳ３２を行う。

このサージ回避用第３目標開度ＴＣｘは、ＥＧＲガス流量を減少し、新規の吸入空気量を増加させるように設定するとよく、サージ回避用第３目標開度ＴＣｘをＷＧＶ３１ｃの開側寄りの開度で、且つＷＧＶ３１ｃの全開の開度よりも閉側の開度にすることが好ましい。このサージ回避用第３目標開度ＴＣｘは、例えば、ＷＧＶ３１ｃの全開の開度を１００％としたときの８０％前後の開度である。

ステップＳ３２で、開度が設定されるとステップＳ３３及びステップＳ３４に示すように、ＷＧＶ３１ｃの開度を制御する。そしてサージ回避タイマー２０ａの終了と共に、この制御方法も完了する。

このサージ回避工程Ｓ３０は、サージ回避タイマー２０ａが開始された直後に上記のステップＳ３１〜Ｓ３４が完了し、サージ回避タイマー２０ａの終了までのサージ回避時間Ｔ２の間で、ステップＳ３３とステップＳ３４で決定した開度に維持する工程である。

上記の制御方法によれば、サージ回避タイマー２０ａがＯＮになるとサージ回避工程Ｓ２０とＳ３０が並列に行われ、ＥＧＲバルブ１２の開度を制御することによるＥＧＲガス流量の減少と、ＷＧＶ３１ｃの開度を制御することによる新規の吸入空気量の増加により、コンプレッサ３１ｂがサージ状態になることを防ぐことができる。これにより、吸気ダクト６からの吹き返し音を低減すると共に、ターボチャージャ５の破損を防止することができる。

また、通常運転時の第２開度マップＭ２、及び第３開度マップＭ３を変更する、又はサージング状態を回避するための別の開度マップを用いることがないので、燃費や排ガスなどの他性能への影響を与えずに、工数を削減した容易な制御で車両の減速時にコンプレッサ３１ｂがサージング状態になることを事前に回避することができる。加えて、特にエンジン回転数Ｎｅや燃料噴射量Ｑｎが大きいときに、必要以上の開度に制御しないため、過度の過給圧の増加や再加速時におけるターボチャージャ３１の応答性の悪化を抑制することができる。

なお、この実施の形態では、ターボチャージャ３１の排ガス上流からエンジン本体２にＥＧＲガスを還流する所謂高圧式のＥＧＲシステム１０を設けたが、本発明は、例えば、ターボチャージャ３１の排ガス下流からエンジン本体２にＥＧＲガスを還流する所謂低圧式のＥＧＲシステムにも適用することができる。

ここで、従来のエンジンと本発明のエンジン１又は３０の車両の停止時の状態について、図８を参照しながら説明する。図８の（ａ）に示すように、従来のエンジンは、アクセル開度が０％になり、減速を開始すると、それに伴い吸入空気流量が急激に低下する。このとき、吸気ダクトから吹き返し音が発生し騒音が増加すると共に、コンプレッサがサージング状態となる。吸入空気流量は急激に低下した後に、急激に上昇と低下を繰り替えし行い停止状態となる。

一方、図８の（ｂ）に示すように、本発明のエンジン１又は３０は、アクセル開度が０％になり、減速を開始しても、吸入空気流量が急激に低下しない。これは、アクセル開度が０％になったときに、サージ回避判定工程Ｓ１が行われて、サージ回避工程Ｓ１０、又はサージ回避工程Ｓ２０とＳ３０が行われ、ＥＧＲガス流量を低下させて、新規の吸入空気流量を増加しているからである。

図８に示すように本発明は、ターボチャージャ５又は３１のコンプレッサ５ｂ又は３１ｂの運転領域が、サージング領域に入らないように、コンプレッサ５ｂ又は３１ｂの前後の圧力比Ｐｉｎ／Ｐｏｕｔを低減することができる。これにより、コンプレッサ５ｂ又は３１ｂのサージング領域で運転を事前に回避することができるので、吸気ダクト６からの吹き返し音を低減すると共にターボチャージャ５又は３１の破損を防止することができる。

なお、第２の実施の形態として、サージ回避工程Ｓ２０とサージ回避工程Ｓ３０とを組み合わせた制御方法を例に説明したが、例えば、ターボチャージャ３１の代わりに、第１の実施の形態のターボチャージャ５を用いて、サージ回避工程Ｓ３０の代わりにサージ回避工程Ｓ１０を用いてもよい。

また、サージ回避工程Ｓ２０、つまりＥＧＲバルブ１２の開度を制御する方法のみを用いてコンプレッサ５ｂのサージング状態を回避することもできる。

本発明の内燃機関は、燃費、排ガスなどの他性能への影響を与えずに、車両の減速時のターボチャージャのサージ発生、及び吹き返し音の発生を防止することができるので、特に排気通路にターボチャージャを備えるディーゼルエンジンを搭載したトラックなどの車両に利用することができる。

１ エンジン
２ エンジン本体
３ エキゾーストマニホールド
４ インレットマニホールド
５ ターボチャージャ
５ａ タービン
５ｂ コンプレッサ
５ｃ ノズルベーン（タービン調節開閉装置）
６ エアクリーナー
７ インタークーラー
８ インテークスロットル（ＩＮ／ＴＨ）
９ 後処理装置
１０ ＥＧＲシステム
１１ ＥＧＲクーラー
１２ ＥＧＲバルブ（ＥＧＲ弁）
２０ ＥＣＵ（制御装置）
２０ａ サージ回避タイマー
３０ エンジン
３１ ターボチャージャ
３１ａ タービン
３１ｂ コンプレッサ
３１ｃ ＷＧＶ（ウェイストゲートバルブ；タービン調節開閉装置）
３１ｄ 分流路
３２ ＥＣＵ（制御装置）
Ｍ１ 第１開度マップ
Ｍ２ 第２開度マップ
Ｍ３ 第３開度マップ
Ｓ１ サージ回避判定手段（工程）
Ｓ１０、Ｓ２０、Ｓ３０ サージ回避手段（工程）
Ｅｘ 排気通路
Ｉｎ 吸気通路
Ｅｇ ＥＧＲ通路

Claims (7)

1. 排気通路に配置されたタービン及び吸気通路に配置されて前記タービンにより駆動されるコンプレッサを有するターボチャージャと、前記タービンに供給される排ガス流量を調節するタービン調節開閉装置と、前記タービン調節開閉装置の開度を制御する制御装置とを備える内燃機関において、
   前記制御装置が、サージ回避手段と、サージ回避判定手段と、サージ回避タイマーとを有しており、
   予め定めた判定時間毎に、前記サージ回避判定手段により、前記コンプレッサの過給圧とエンジン回転数とに基づいて、前記コンプレッサがサージング状態になるか否かを判定し、
   前記サージ回避判定手段により前記コンプレッサがサージング状態になると判定するごとに、前記サージ回避タイマーがリセットされてオンになり、オンになってから予め定めたサージ回避時間が経過したときに、そのサージ回避タイマーがオフになり、
   前記サージ回避タイマーがオフになるまでの間は、前記サージ回避手段により、前記タービン調節開閉装置の開度を予め定めたサージ回避用第１目標開度以上にする構成にしたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記判定時間が前記サージ回避時間よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記サージ回避用第１目標開度を、前記タービン調節開閉装置の開度が全開である開度よりも閉側の開度に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記サージ回避手段により、運転状態と第１開度マップに応じた第１目標開度に基づいて、前記第１目標開度が前記サージ回避用第１目標開度より小さい場合には、前記サージ回避用第１目標開度に前記タービン調節開閉装置を制御し、
   前記第１目標開度が前記サージ回避用第１目標開度以上の場合には、前記第１目標開度に前記タービン調節開閉装置を制御する構成にしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 前記制御装置に、内燃機関の運転状態と第２開度マップに基づいて、前記タービンより
   も排ガス上流側から還流する排ガス流量を調節するＥＧＲ弁の開度を制御する手段を備えると共に、
   前記サージ回避タイマーがオフになるまで間は、前記サージ回避手段により、前記ＥＧＲ弁の開度を予め設定したサージ回避用第２目標開度以上にする構成にしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。
6. 前記サージ回避手段により、前記運転状態と前記第２開度マップに基づく第２目標開度を取得し、前記第２目標開度が予め定めたサージ回避用第２目標開度より大きい場合には、前記サージ回避用第２目標開度に前記ＥＧＲ弁を制御し、
   前記第２目標開度が前記サージ回避用第２目標開度以下の場合には、前記第２目標開度に前記ＥＧＲ弁を制御する手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
7. 排気通路に配置されたタービン及び吸気通路に配置されて前記タービンにより駆動されるコンプレッサを有するターボチャージャと、前記タービンに供給される排ガス流量を調節するタービン調節開閉装置と、を備えた内燃機関の制御方法において、
   予め定めた判定時間毎に、前記コンプレッサの過給圧とエンジン回転数とに基づいて、前記コンプレッサがサージング状態になるか否かを判定し、
   前記コンプレッサがサージング状態になると判定するごとに、サージ回避タイマーがリセットされてオンになり、オンになってから予め定めたサージ回避時間が経過したときに、そのサージ回避タイマーがオフになり、
   前記サージ回避タイマーがオフになるまでの間は、前記タービン調節開閉装置の開度を予め定めたサージ回避用第１目標開度以上にすることを特徴とする内燃機関の制御方法。

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