JP6060434B2 - エンジン制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボチャージャーを搭載したガソリンエンジンにおけるエンジン制御装置に関する。

エンジンの出力増大等を目的として、エンジンには吸気性能を向上させる過給機が取付けられることがある。この過給機は、駆動形式により二つに大別され、排気ガスを利用して駆動するターボチャージャー（排気タービン式過給機、特許文献１参照）と、排気ガスを利用せずにエンジンの出力をクランクシャフトから直接利用して駆動するスーパーチャージャー（機械式過給機、特許文献２参照）がある。

ターボチャージャーとスーパーチャージャーにはそれぞれ一長一短があるが、ターボチャージャーは、エネルギーのロスが少ないことや軽量小型化しやすいことなどの理由により採用される。現在では、燃料噴射装置の直噴化に伴い、ターボチャージャーを搭載したガソリンエンジンの燃費が改善されたことによって、ターボチャージャーの需要が増えている。

ターボチャージャーは、エンジンからの排気ガスを利用してタービンを高速回転させ、その回転力でコンプレッサを駆動することにより空気を圧縮し、その圧縮空気をエンジンへ送り込む機構である。ターボチャージャーによる過給圧（エンジンへ送り込む空気の圧力）が高いほど仮想排気量が増えてエンジンの出力が上がるが、排気ガスの量や圧力も増えるので、何の制御もしなければ過給圧は上がり続けてしまう。

過給圧が上がり過ぎた場合に、燃料噴射装置の制御が追い付かなくなればエンジンブローに陥り、ターボチャージャーにおけるタービンの回転数が許容値以上になればタービンブローに陥る。よって、エンジンおよびターボチャージャーの損傷を回避するためにも、過給圧が過剰とならないように制御する必要がある。

そこで、過給圧の増大と共にある一定以上の排気圧力がターボチャージャーに掛かった場合、ターボチャージャーを介さずに排気ガスを排気側へバイパスさせるウェイストゲートバルブが設けられる。これにより、ターボチャージャーにおけるタービンの回転数が制御されるので、安定した過給圧およびエンジンの充填効率が得られ、エンジンおよびターボチャージャーを損傷から保護することができる。

特公平６−７４７４７号公報 特開平４−３１１６２３号公報

しかし、ウェイストゲートバルブを開いて排気圧力を調節することにより、エンジンの出力トルクが一時的に低下してしまう。つまり、ウェイストゲートバルブを開いて排気ガスの一部を逃がして排気圧力を下げることは、排気ガスのエネルギーを捨てることにもなり、ターボチャージャーを有効に活用できていないことになる。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、排気圧力が許容値以上となった場合において、エンジンおよびターボチャージャーを損傷から保護すると共にエンジンの出力トルクの低下を抑えることを目的とする。

上記課題を解決する第一の発明に係るエンジン制御装置は、エンジンの排気ガスを利用して当該エンジンへ過給するターボチャージャーと、エンジンから前記ターボチャージャーにおけるタービンへ流れる排気ガスの流量を調節するウェイストゲートバルブと、前記ターボチャージャーにおけるコンプレッサからエンジンへ圧送される空気流量を絞る吸気絞り弁とを備えたエンジンを制御するエンジン制御装置であって、前記ウェイストゲートバルブが全閉の状態での前記ターボチャージャーによる過給により排気圧力が所定値以上となった場合に、前記ウェイストゲートバルブを全閉状態としたまま前記吸気絞り弁を閉じる方向に制御すると共に、前記エンジンにおける点火時期を進角させる制御手段を備えたことを特徴とする。

上記課題を解決する第二の発明に係るエンジン制御装置は、第一の発明に係るエンジン制御装置において、前記エンジンは、前記ターボチャージャーにおけるコンプレッサで圧縮され高温となった空気を冷却するインタークーラを備えたものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第三の発明に係るエンジン制御装置は、第一または第二の発明に係るエンジン制御装置において、前記制御手段は、エンジンにおける燃料の噴射量を算出する燃料噴射量算出手段と、エンジンに吸入される空気量を計測する空気量検出手段とを有し、前記燃料噴射量算出手段による算出結果と、前記空気量検出手段による計測結果とからエンジンの排気圧力が所定値以上になったことを検出し、前記吸気絞り弁を閉じる方向に制御することを特徴とする。

第一の発明に係るエンジン制御装置によれば、ウェイストゲートバルブが全閉の状態で排気圧力が所定値以上となった場合に、ウェイストゲートバルブを全閉状態としたまま吸気絞り弁を閉じる方向に制御するので、排気ガスを逃がすことはなく、排気圧力が急激に下がらない。よって、タービンでの仕事量（エネルギー）が、従来に比べて多くなり、ターボチャージャーによるエンジンへの過給圧を、従来と比較して高い状態に維持することができる。
また、従来に比べ増加したタービンの仕事量（エネルギー）は、過給圧の増大となって変換されて、増大した過給圧が絞られた吸気絞り弁を通過することで断熱膨張されて消費される。この際の断熱膨張により、吸気温度が低下する。この吸気温度低下によって、ノッキングの発生を抑えて、急激な性能低下を防止できる。
そして、吸気絞りによって吸気温度を低下させ、点火手段による点火時期を進角させることにより、燃焼効率を向上させることができる。つまり、断熱膨張が行われエネルギーが消費される際発生する充填効率の低下分を、燃焼効率を向上させることにより補うことができるので、トルクの低下を抑えることができる。

第二の発明に係るエンジン制御装置によれば、排気圧力が所定値以上となった場合においては、過給圧を従来と比較して高い状態とすることで吸気温度が高くなり、インタークーラでより多くの熱交換を行うこととなる。その結果、吸気絞り弁で断熱膨張した後の吸気温度を従来と比して低下させることができる。

第三の発明に係るエンジン制御装置によれば、制御手段は、燃料噴射量算出手段と空気量検出手段とを有することにより、燃料噴射量算出手段による算出結果と空気量検出手段による計測結果とから排気圧力が所定値以上になったことを検出することができる。

実施例１に係るエンジン制御装置における制御を示すフローチャートである。 実施例１に係るエンジン制御装置を示す概略説明図である。 実施例１に係るエンジン制御装置の制御によるエンジン回転数とトルクの関係を示す説明図である。 実施例１に係るエンジン制御装置の制御による温度計測位置と吸気温度の関係を示す説明図である。 実施例１に係るエンジン制御装置の制御による空気質量流量と吸気圧力比の関係を示す説明図である。 実施例１に係るエンジン制御装置の制御によるエンジン回転数と過給圧、充填効率、トルクの関係を示す説明図である。

以下に、本発明に係るエンジン制御装置の実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることは言うまでもない。

まず、本発明の実施例１に係るエンジン制御装置の構造について、図２を参照して説明する。なお、本実施例に係るエンジン制御装置は、ターボチャージャーを搭載したガソリンエンジンにおける種々の制御を行うものである。

エンジン１の吸気系統としては、吸入された空気の異物を除去するエアクリーナ１０と、ターボチャージャー２を構成し空気を圧送するコンプレッサ１１と、圧縮された空気を冷却するインタークーラ１２と、冷却された空気の流入量を調節する吸気絞り弁であるスロットルバルブ１３とが備えられ、エンジン１の排気系統としては、エンジン１から排出される排気ガスによって回転動作するタービン２０と、タービン２０と併設されタービン２０へ送られる排気ガスの流量を調節するためバイパスする通路に設けた弁であるウェイストゲートバルブ２１と、タービン２０またはウェイストゲートバルブ２１を通過した排気ガスの有害物質を除去する触媒２２とが備えられ、エンジン１および周辺機器の制御手段としては、各種センサの検知および各種機器の動作制御を行う制御手段であるエレクトロニック・コントロール・ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ）３０が備えられる。

エアクリーナ１０には、吸入される空気量を計測するための空気量検出手段である図示しないエアフロメータが備えられる。エアクリーナ１０における図示しないエアフロメータによって計測された吸入空気量の情報は、ＥＣＵ３０へ送られる。
なお、空気量検出手段として、図示しない吸気管圧力センサを用いる場合もある。

ターボチャージャー２は、コンプレッサ１１とタービン２０を同軸上に備え、タービン２０がエンジン１の排気ガスによって回転動作されることにより、ターボチャージャー軸３を介してコンプレッサ１１が連動され、コンプレッサ１１によって空気の圧縮動作がなされる構成である。なお、ターボチャージャー２におけるコンプレッサ１１およびタービン２０の動作情報は、図示しない吸気管圧力センサを介してＥＣＵ３０へ送られる。

スロットルバルブ１３における、図示しないアクセルペダルの踏込量に追従した開閉動作、および後述する吸気絞り動作は、ＥＣＵ３０によって制御され、スロットルバルブ１３における開閉度の情報は、ＥＣＵ３０へ送られる。

エンジン１における点火手段である図示しない点火プラグの点火時期および図示しない燃料噴射手段の燃料噴射量は、ＥＣＵ３０によって制御され、点火プラグにおける点火時期および燃料噴射手段による燃料噴射量の情報はＥＣＵ３０へ送られる。つまり、ＥＣＵ３０は、燃料噴射量算出手段としての機能を備える。

ウェイストゲートバルブ２１は、ターボチャージャー２によって過給されるエンジン１において、排気ガスの一部を分流させることによりターボチャージャー２におけるタービン２０への流入量を調節する電子制御のバルブ機構である。ウェイストゲートバルブ２１のバルブ開閉動作は、ＥＣＵ３０によって制御され、ウェイストゲートバルブ２１における開閉度の情報は、ＥＣＵ３０へ送られる。

次に、本発明の実施例１に係るエンジン制御装置の動作について、図１乃至図５を参照して説明する。

エアクリーナ１０において異物を除去されて吸入された空気は、ターボチャージャー２のコンプレッサ１１によって圧縮されて下流側（インタクーラ１２側）へ送られる。圧縮され高温となった空気は、インタークーラ１２において冷却され、スロットルバルブ１３を通過してエンジン１内へ吸気される。

空気がエンジン１内へ吸気されると共に、図示しない燃料噴射手段によって燃料がエンジン１内へ供給されることにより、エンジン１内には混合気が充填される。エンジン１内において図示しないピストンによって混合気が圧縮されると共に、図示しない点火プラグによって点火されることにより、エンジン１内の混合気が燃焼し、排気ガスを生じる。

エンジン１における燃焼によって生じた排気ガスは、ターボチャージャー２のタービン２０を回転動作させることにより、ターボチャージャー２のコンプレッサ１１を駆動させる。コンプレッサ１１は前述したように空気を圧送し、エンジン１への過給が繰り返される。

本実施例では、上記動作を繰り返し、エンジン１およびターボチャージャー２の負荷を上げた場合に、エンジン１の排気圧力が過剰となることによるエンジン１およびターボチャージャー２の損傷等を防ぐために、以下に示す制御（図１参照）を行う。

ステップＳ１において、ウェイストゲートバルブ２１を全閉とする。これによりエンジン１で生じた排気ガスの全てがターボチャージャー２におけるタービン２０へ送られ、排気圧力がターボチャージャー２におけるタービン２０に掛かるので、ターボチャージャー２におけるコンプレッサ１１による過給圧を高めることができる。

続いて、ステップＳ２において、ＥＣＵ３０は、タービン２０の上流側（図２におけるエンジン１とタービン２０の間）における排気圧力が所定値以上であるか否かを判断する。ここで、排気圧力の所定値とは、エンジン１またはターボチャージャー２が損傷に至る虞のある排気圧力の値であり、排気圧力の許容限界値である。

なお、排気圧力は、ウェイストゲートバルブ２１が全閉の状態でのターボチャージャー２による過給により上昇し、ＥＣＵ３０において、エアクリーナ１０における図示しないエアフロメータによる空気量、ターボチャージャー２におけるコンプレッサ１１の動作情報、スロットルバルブ１３の開閉度、図示しない点火プラグの点火時期、図示しない燃料噴射手段の燃料噴射量、ウェイストゲートバルブ２１の開閉度などから算出される。

ステップＳ２において、ＥＣＵ３０がタービン２０の上流側における排気圧力が所定値以上ではない（ＮＯ）と判断した場合には、スタートへ戻る。つまり、エンジン１またはターボチャージャー２が損傷に至る虞がないので、ウェイストゲートバルブ２１を全閉状態のままとし、ターボチャージャー２におけるコンプレッサ１１によってエンジン１の過給圧を高める。

一方、ステップＳ２において、ＥＣＵ３０がタービン２０の上流側における排気圧力が所定値以上である（ＹＥＳ）と判断した場合には、ステップＳ３において、スロットルバルブ１３を閉じる方向に調節する。

従来では、過給圧と吸入空気量とエンジン回転数からタービンの上流側における排気圧力が所定値以上になると予測し、すぐにウェイストゲートバルブを開き、排気ガスの一部を逃がすことにより、排気圧力を急激に下げていたので、ターボチャージャーによる過給圧が急激に低下していた。

一方、本実施例では、すぐにウェイストゲートバルブ２１を開かずに、スロットルバルブ１３を閉じる方向に調節しているので、排気ガスを逃がすことはなく、排気圧力が急激に下がらない。よって、図６に示すように、本実施例におけるエンジン１の過給圧（図６における実線）を、従来（図６における二点鎖線）と比較して高い状態に維持することができる。

つまり、図３においてトルクが二点鎖線ｂよりも上側となり、排気圧力が所定値以上になった場合において、従来では、すぐにウェイストゲートバルブを開き、図３における範囲（Ａ＋Ｂ）において、ウェイストゲートバルブを開く方向に調節することにより、排気圧力を下げると共にターボチャージャーによる過給圧を下げ、エンジンの充填効率を調節しいたのに対し、本実施例では、すぐにウェイストゲートバルブ２１を開かず、図３における範囲Ｂにおいて、スロットルバルブ１３を閉じる方向に調節することにより、吸入空気量を調節し、エンジン１の充填効率を調節することで排気圧力を所定値付近で維持している。

続いて、ステップＳ４において点火進角させる。
従来は、エアクリーナで吸気した後、ウェイストゲートバルブを開弁方向へ制御し、タービンへ流れる排気を抜くことで過給圧が降下していたが、本実施例においては、タービン２０の回転を維持するため、従来よりも過給圧が高くなる（図６参照）。したがって、図４に示すように、従来（図４における二点鎖線）と比してコンプレッサ出口における吸気温度が上昇するが、ステップＳ３においてスロットルバルブ１３を閉じる方向に調節するので、インタークーラ１２で冷却された後、空気はスロットルバルブ１３を通過する際に断熱膨張し、従来と比して吸気温度が低下する。これによって、本実施例では、吸気温度を外気温度よりも冷やすことが可能である。

インタークーラ１２で冷却された空気をスロットルバルブ１３で断熱膨張させることで、吸気温度が更に低下してエンジン１におけるノックが抑制されると共に、本実施例の空気質量流量に対する吸気圧力比（図５における実線）を、従来（図５における二点鎖線）と比較して高くすることができる。よって、ステップＳ４において点火進角（エンジンの点火時期を早めること）が可能となる。これにより、トルクの低下およびトルクハンチングを抑えることができる。

続いて、ステップＳ５において、ＥＣＵ３０は目標の充填効率に到達しているか否かを判断する。ここで、目標の充填効率とは、エンジン１またはターボチャージャー２が損傷に至る虞のない排気圧力に相当するエンジン１における充填効率である。

なお、充填効率は、ＥＣＵ３０において、エアクリーナ１０における図示しないエアフロメータによって計測される空気量、ターボチャージャー２におけるコンプレッサ１１の動作情報、スロットルバルブ１３の開閉度などから算出される。

ステップＳ５において、ＥＣＵ３０が目標の充填効率に到達している（ＹＥＳ）と判断した場合には、スタートへ戻る。つまり、ステップＳ３においてスロットルバルブ１３を閉じる方向に調節して吸入空気量を調節したことにより、過給圧が高い状態のままエンジン１における充填効率を下げることができ、図６に示すように、本実施例におけるエンジン１の充填効率（図６における実線）を、従来（図６における二点鎖線）と同等とすることができる。

よって、エンジン１およびターボチャージャー２が損傷に至る虞がなくなる。ウェイストゲートバルブ２１を全閉状態のままとすることができるので、図６に示すように、本実施例におけるエンジン１の過給圧（図６における実線）を、従来（図６における二点鎖線）と比較して高い状態に維持することができる。

一方、ステップＳ５において、ＥＣＵ３０が目標の充填効率に到達していない（ＮＯ）と判断した場合には、ステップＳ６においてウェイストゲートバルブ２１を開ける方向に調節し、ステップＳ７へ移行する。つまり、ステップＳ３においてスロットルバルブ１３を閉じる方向に調節しても、エンジン１における充填効率を十分に下げることができない場合には、ステップ５においてウェイストゲートバルブ２１を開ける方向に調節することによりエンジン１における充填効率を下げる。

ステップＳ７において、ＥＣＵ３０は目標の充填効率に到達しているか否かを判断する。ステップＳ７において、ＥＣＵ３０が目標の充填効率に到達している（ＹＥＳ）と判断した場合には、スタートへ戻る。つまり、ステップＳ５においてウェイストゲートバルブ２１を開ける方向に調節することにより、エンジン１における充填効率を十分に下げることができるので、エンジン１およびターボチャージャー２が損傷に至る虞がなくなる。

一方、ステップＳ７において、ＥＣＵ３０が目標の充填効率に到達していない（ＮＯ）と判断した場合には、ステップＳ６へ戻って再度ウェイストゲートバルブ２１を開ける方向に調節する。

以上より、本実施例に係るエンジン制御装置においては、図６に示すように、エンジン回転数に対する充填効率を従来（図６における二点鎖線）と同等に抑えつつ、エンジン回転数に対する過給圧を従来（図６における二点鎖線）よりも増大させると共に、エンジン回転数に対するトルクを従来（図６における二点鎖線）よりも増大させることができる。

本実施例では、ターボチャージャー２とは独立した電制のウェイストゲートバルブ２１を備えたが、本発明におけるウェイストゲートバルブはこれに限定されず、例えば、ターボチャージャーに内蔵したウェイストゲートバルブとしても良い。

また、本実施例では、エンジン１の排気圧力が所定値以上となった場合に、図１におけるステップＳ３においてスロットルバルブ１３を閉じる方向に調節して吸入空気量を調節したが、本発明における吸気絞り弁はこれに限定されず、例えば、スロットルバルブ１３とは別の吸気絞り弁（図示せず）を設けても良い。なお、吸気絞り弁の設置位置は、ターボチャージャー２のコンプレッサ１１とエンジン１の間であれば良く、インタークーラ１２の冷却性能を有効に利用するためにインタークーラ１２よりも下流側（エンジン１側）であることが好ましい。

１ エンジン
２ ターボチャージャー
１０ エアクリーナ
１１ ターボチャージャーのコンプレッサ
１２ インタークーラ
１３ スロットルバルブ
２０ ターボチャージャーのタービン
２１ ウェイストゲートバルブ
２２ 触媒
３０ ＥＣＵ（エレクトロニック・コントロール・ユニット）

Claims (3)

1. エンジンの排気ガスを利用して当該エンジンへ過給するターボチャージャーと、エンジンから前記ターボチャージャーにおけるタービンへ流れる排気ガスの流量を調節するウェイストゲートバルブと、前記ターボチャージャーにおけるコンプレッサからエンジンへ圧送される空気流量を絞る吸気絞り弁とを備えたエンジンを制御するエンジン制御装置であって、
   前記ウェイストゲートバルブが全閉の状態での前記ターボチャージャーによる過給により排気圧力が所定値以上となった場合に、前記ウェイストゲートバルブを全閉状態としたまま前記吸気絞り弁を閉じる方向に制御すると共に、前記エンジンにおける点火時期が進角するように制御する制御手段を備えたことを特徴とするエンジン制御装置。
2. 前記エンジンは、前記ターボチャージャーにおけるコンプレッサで圧縮され高温となった空気を冷却するインタークーラを備えたものである
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジン制御装置。
3. 前記制御手段は、
   エンジンにおける燃料の噴射量を算出する燃料噴射量算出手段と、エンジンに吸入される空気量を計測する空気量検出手段とを有し、
   前記燃料噴射量算出手段による算出結果と、前記空気量検出手段による計測結果とからエンジンの排気圧力が所定値以上になったことを検出し、前記吸気絞り弁を閉じる方向に制御する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジン制御装置。

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