JP6406337B2

JP6406337B2 - エンジンの制御方法及び制御装置

Info

Publication number: JP6406337B2
Application number: JP2016221848A
Authority: JP
Inventors: 健二郎鴻海; 小林　徹; 徹小林; 康太朗 ▲高▼橋; 壮太郎吉田; 尚人熊谷; 和弥北野; 惣太中村; 正一豊川
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2018-10-17
Anticipated expiration: 2036-11-14
Also published as: JP2018080599A

Description

本発明は、可変容量型ターボ過給機を備えたエンジンの制御方法及び制御装置に関する。

過給機を備えたディーゼルエンジンにおいて、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒や尿素ＳＣＲシステム等の後処理装置を用いることなくＮＯ_Ｘの排出量を低減するため、大量のＥＧＲガスを燃焼室に導入することが知られている。大量のＥＧＲガスを導入することによって、燃焼室における酸素濃度を低減させると共に燃焼を緩慢にさせて、燃焼温度の低減を図り、燃焼室におけるＮＯ_Ｘの生成が抑制される。

この場合、大量のＥＧＲガスは、過給機のタービン上流側の排気通路から該過給機のコンプレッサ下流側の吸気通路を連通する高圧ＥＧＲ通路と、タービン下流側の排気通路からコンプレッサ上流側の吸気通路を連通する低圧ＥＧＲ通路とを介して、供給されるようになっている。このようなディーゼルエンジンでは、一般に、低負荷時には高圧ＥＧＲ通路を介してＥＧＲガスが導入され、高負荷時には低圧ＥＧＲ通路を介してＥＧＲガスが導入される。

低圧ＥＧＲ通路は燃焼室に至るまでの経路が長いため、低圧ＥＧＲ通路を介してのＥＧＲガス流量の調整には応答遅れが生じやすい。この応答遅れを補うため、可変容量型ターボ過給機（ＶＧターボ：Variable Geometry Turbocharger）による過給圧制御によって、燃焼室における酸素濃度を管理することが知られている。

ＶＧターボは、タービンホイールに供給される排気ガスの流路面積（ノズル面積）を拡縮可能なノズルベーンを有し、例えば低速時にノズル面積を縮小することにより排気ガスの流速を早めてタービンホイールの回転上昇を早め、高速時にズル面積を拡大することによりタービンホイールの回転上昇を抑制することを可能にしている。すなわち、ノズルベーンを開閉することにより過給圧を応答性よく調整できるようになっている。

ノズルベーンは、アクチュエータによって所望の目標開度に開閉駆動されるようになっているが、開閉動作に異常が生じる場合がある。例えば、ノズルベーンには、排気ガスから受ける排気圧の影響により開閉動作に、目標開度に対する応答遅れ（渋りとも呼ぶ）が生じる場合がある。特に、ノズルベーンが閉側に位置する場合、排気圧が増大するため、ノズルベーンの応答遅れが発生しやすい。また、ノズルベーンの摺動部に燃焼生成物等の異物が噛み込んだ場合、ノズルベーンは開閉不能になり固着してしまう。

このように、ノズルベーンの開動動作に異常が生じた場合には、過給圧を応答性よく調整できなくなり、排気ガス性能が悪化することになる。特に、ノズルベーンが固着した場合、例えば、開側において固着すると低速時において過給圧を上昇させ難くなり、閉側において固着すると高速時において排気圧及び過給圧が異常に高くなると共にターボが過回転状態となってしまい、エンジン本体及び過給機が損傷してしまう虞がある。

特許文献１には、ターボ回転数が所定以上のときに燃料噴射量を制限することが開示されている。燃料噴射量を制限することによって、タービンホイールに供給される排気ガスエネルギを低減して、この結果、ターボ回転数が低減されるようになっている。

特開２０１６−６５５０５号公報

従来、ＶＧターボは、中排気量（例えば２Ｌクラス）以上のディーゼルエンジンに主に採用されていたが、近年、小排気量ディーゼルエンジン（例えば１．５Ｌクラス）にも採用されている。小排気量ディーゼルエンジンの場合、特に低速時において、排気ガス流量の少なさに起因してＶＧターボであっても過給レスポンスの向上が十分でない場合がある。このため、タービン軸のイナーシャを低減させることによって、過給レスポンスを向上させることが行われている。

しかしながら、タービン軸のイナーシャを低減させることによって、ターボ回転数が過回転状態になりやすくなる。特に、ノズルベーンに過度の応答遅れが生じ又は固着状態となっている場合には、ターボ回転数は短時間で過回転状態となってしまう虞がある。このため、特許文献１のように、燃料噴射量を制限するだけでは、過回転を防止できない場合がある。

すなわち、ノズルベーンに過度の応答遅れ又は固着等の異常が生じていないときに基づいて、ターボ回転数が所定値を超えないように燃料噴射量の制限値を設定すれば、ノズルベーンに異常が生じている場合には燃料噴射量の制限が不十分となり、過回転状態になってしまう可能性がある。また、ノズルベーンに異常が生じているときに基づいて、ターボ回転数が所定値を超えないように燃料噴射量の制限値を設置すれば、ノズルベーンに異常が生じていない場合には燃料噴射量の制限が過大となりトルクダウンが大きくなりドライバに違和感を生じさせる可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ノズルベーンに過度の応答遅れ又は固着等の異常が生じていない場合に違和感を生じさせずに過給機が過回転状態となることを防止すると共に、ノズルベーンに異常が生じている場合にも過給機が過回転状態となることを防止できる、エンジンの制御方法及び制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本願発明は次のように構成したことを特徴とする。

本願の請求項１に記載の、本発明の一態様は、タービンに供給される排気ガスの流路面積を可変可能なノズルベーンを有する可変容量型過給機を備えたエンジンの制御方法であって、前記エンジンの運転状態に応じて、前記ノズルベーンの目標開度と前記エンジンに供給される燃料の目標噴射量とを設定する工程と、前記ノズルベーンの開度を前記目標開度に制御する工程と、前記過給機の回転数が、前記過給機の許容回転数に対して余裕代を考慮して低く設定された回転数閾値以上であるか否か判定する工程と、前記ノズルベーンの実開度と前記目標開度との差であるノズル偏差が、前記目標開度に対する前記ノズルベーンの応答遅れ及び固着を検出するためのノズル偏差閾値以上であるか否か判定する工程と、前記過給機の回転数が前記回転数閾値以上であり且つ前記ノズル偏差が前記ノズル偏差閾値未満である第１条件の成立時に、前記エンジンに供給する燃料を前記目標噴射量より少ない第１噴射量に制限し、前記過給機の回転数が前記回転数閾値以上であり且つ前記ノズル偏差が前記ノズル偏差閾値以上である第２条件の成立時に、前記エンジンに供給する燃料を前記第１噴射量より少ない第２噴射量に制限する工程と、を有する、ことを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載のエンジンの制御方法であって、前記制限する工程において、前記第２条件の成立時に、前記過給機上流側の排気圧が所定値以上である場合、前記エンジンに供給する燃料を第２噴射量より更に制限する、ことを特徴としている。

また、請求項３に記載の、本発明の他の態様は、タービンに供給される排気ガスの流路面積を可変可能なノズルベーンを有する可変容量型過給機を備えたエンジンの制御装置であって、前記エンジンの運転状態に応じて、前記ノズルベーンの目標開度と前記エンジンに供給される燃料の目標噴射量とを設定する目標設定部と、前記ノズルベーンの開度を前記目標開度に制御するノズルベーン制御部と、前記過給機の回転数が、前記過給機の許容回転数に対して余裕代を考慮して低く設定された回転数閾値以上であるか否か判定する過回転判定部と、前記ノズルベーンの実開度と前記目標開度との差であるノズル偏差が、前記目標開度に対する前記ノズルベーンの応答遅れ及び固着を検出するためのノズル偏差閾値以上であるか否か判定するノズル偏差判定部と、前記過給機の回転数が前記回転数閾値以上であり且つ前記ノズル偏差が前記ノズル偏差閾値未満である第１条件の成立時に、前記エンジンに供給する燃料を前記目標噴射量より少ない第１噴射量に制限し、前記過給機の回転数が前記回転数閾値以上であり且つ前記ノズル偏差が前記ノズル偏差閾値以上である第２条件の成立時に、前記エンジンに供給する燃料を前記第１噴射量より更に少ない第２噴射量に制限するように、燃料噴射弁を制御する燃料噴射弁制御部と、を有する、ことを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明は、前記請求項３に記載のエンジンの制御装置であって、前記燃料噴射弁制御部は、前記第２条件の成立時に、前記過給機上流側の排気圧が所定値以上である場合、前記エンジンに供給する燃料を第２噴射量より更に制限する、ことを特徴としている。

前記の構成により、本願各請求項の発明によれば、次の効果が得られる。

まず、請求項１に記載の発明によれば、第１条件の成立時には、ノズル偏差がノズル偏差閾値未満であるので、ノズルベーンを過度の応答遅れなく制御できる。この場合、ノズルベーンの開度を制御しつつ、エンジンに供給する燃料を目標噴射量より少ない第１噴射量に制限することで過給機の過回転を防止できる。一方、第２条件の成立時には、ノズル偏差がノズル偏差閾値以上であるので、ノズルベーンに過度の応答遅れ又は固着が生じている。この場合、ノズルベーンの開度を早急に制御することができないので、エンジンに供給する燃料を第１噴射量より更に制限された第２噴射量に制限することによって、過給機の過回転を防止できる。

したがって、ノズル偏差がノズル偏差閾値以上であるか否かに基づいて、エンジンに供給する燃料供給量の制限量を変化させることで、第１条件の成立時には燃料供給量が過度に制限されることを抑制しつつ、第２条件の成立時には燃料供給量を適切に制限して、過給機の過回転を適切に防止できる。これにより、ノズルベーンに過度の応答遅れ又は固着等の異常が生じていない場合に違和感を生じさせずに過給機が過回転状態となることを防止すると共に、ノズルベーンに異常が生じている場合にも過給機が過回転状態となることを防止できる。

また、請求項２に記載の発明によれば、過給機上流側の排気圧が所定値以上である場合、エンジンに供給する燃料を第２噴射量より更に制限することによって、過給機の過回転を可及的に防止できる。また、エンジンに供給する燃料を更に制限することによって、エンジンの出力が大幅に低下するので、運転者に故障を了知させやすい。

また、請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果が、エンジンの制御装置において実現される。

また、請求項４に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明の効果が、エンジンの制御装置において実現される。

すなわち、本発明に係るエンジンの制御方法及び制御装置によれば、ノズルベーンに過度の応答遅れ又は固着等の異常が生じていない場合に違和感を生じさせずに過給機が過回転状態となることを防止すると共に、ノズルベーンに異常が生じている場合にも過給機が過回転状態となることを防止できる。

本発明の実施形態に係るエンジンシステムの概略構成図である。ターボ過給機のタービン室を拡大した縦断面図である。ＥＧＲの作動領域の説明図である。エンジンシステムの基本制御を示すフローチャートである。ターボ過給機の制御システムの概略構成を示すブロック図である。ターボ過給機の過回転防止制御を示すフローチャートである。図６の制御におけるエンジンシステムの作動を示すタイムチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置について説明する。

＜システム構成＞
まず、図１を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジンシステムについて説明する。図１は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジンシステムの概略構成図である。

図１に示すように、エンジンシステム２００は、主に、ディーゼルエンジンとしてのエンジンＥと、エンジンＥに吸気を供給する吸気系ＩＮと、エンジンＥに燃料を供給するための燃料供給系ＦＳと、エンジンＥの排気ガスを排出する排気系ＥＸと、エンジンシステム２００に関する各種の状態を検出するセンサ９９〜１２２と、エンジンシステム２００の制御を行うＥＣＵ（制御装置：Electronic Control Unit）６０と、を有する。

まず、吸気系ＩＮは、吸気が通過する吸気通路１を有しており、この吸気通路１上には、上流側から順に、外部から導入された空気を浄化するエアクリーナ３と、通過する吸気を圧縮して吸気圧を上昇させる、ターボ過給機５のコンプレッサ５ａ（コンプレッサホイール）と、通過する吸気流量を調整する吸気シャッター弁７と、通水された冷却水を用いて吸気を冷却する水冷式のインタークーラ８と、インタークーラ８に通水する冷却水の流量を制御する電動ウォータポンプ９と、インタークーラ８と電動ウォータポンプ９とを接続し、これらの間で冷却水を循環させる通路である冷却水通路１０と、エンジンＥに供給する吸気を一時的に蓄えるサージタンク１２と、が設けられている。
また、吸気系ＩＮにおいては、エアクリーナ３の直下流側の吸気通路１上には、吸入空気量を検出するエアフローセンサ１０１と吸気温度を検出する吸気温度センサ１０２とが設けられ、ターボ過給機５のコンプレッサ５ａには、このコンプレッサ５ａの回転数（ターボ回転数）を検出するターボ回転数センサ１０３が設けられ、吸気シャッター弁７には、この吸気シャッター弁７の開度を検出する吸気シャッター弁位置センサ１０５が設けられ、インタークーラ８の直下流側の吸気通路１上には、吸気温度を検出する吸気温度センサ１０６と吸気圧を検出する吸気圧センサ１０７とが設けられ、サージタンク１２には、吸気マニホールド温度センサ１０８が設けられている。これらの、吸気系ＩＮに設けられた各センサ１０１〜１０８は、それぞれ、検出したパラメータに対応する検出信号Ｄ１０１〜Ｄ１０８をＥＣＵ８０に出力する。

次に、エンジンＥは、吸気通路１（詳しくは吸気マニホールド）から供給された吸気を燃焼室１７内に導入する吸気バルブ１５と、燃焼室１７に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁２０と、始動時などでの着火を確保するための補助熱源としてのグロープラグ２１と、燃焼室１７内での混合気の燃焼により往復運動するピストン２３と、ピストン２３の往復運動により回転されるクランクシャフト２５と、燃焼室１７内での混合気の燃焼により発生した排気ガスを排気通路４１へ排出する排気バルブ２７と、を有する。更に、エンジンＥには、このエンジンＥの出力を利用して発電するオルタネータ２６が設けられている。
また、エンジンＥには、エンジンＥなどを冷却する冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ１０９と、クランクシャフト２５のクランク角度を検出するクランク角センサ１１０と、油圧及び／又は油温を検出する油圧／油温センサ１１１と、オイルレベルを検出する光学式オイルレベルセンサ１１２と、が設けられている。これらの、エンジンＥに設けられた各センサ１０９〜１１２は、それぞれ、検出したパラメータに対応する検出信号Ｄ１０９〜Ｄ１１２をＥＣＵ８０に出力する。

次に、燃料供給系ＦＳは、燃料を貯蔵する燃料タンク３０と、燃料タンク３０から燃料噴射弁２０に燃料を供給するための燃料供給通路３８とを有する。燃料供給通路３８には、上流側から順に、低圧燃料ポンプ３１と、高圧燃料ポンプ３３と、コモンレール３５とが設けられている。また、低圧燃料ポンプ３１には燃料ウォーマー３２が設けられ、高圧燃料ポンプ３３には燃圧レギュレータ３４が設けられ、コモンレール３５にはコモンレール減圧弁３６が設けられている。
また、燃料供給系ＦＳにおいては、高圧燃料ポンプ３３には、燃料温度を検出する燃料温度センサ１１４が設けられ、コモンレール３５には、燃圧を検出する燃圧センサ１１５が設けられている。これらの、燃料供給系ＦＳに設けられた各センサ１１４、１１５は、それぞれ、検出したパラメータに対応する検出信号Ｄ１１４、Ｄ１１５をＥＣＵ８０に出力する。

次に、排気系ＥＸは、排気ガスが通過する排気通路４１を有しており、この排気通路４１上には、上流側から順に、通過する排気ガスによって回転され、この回転によって上記したようにコンプレッサ５ａを駆動する、ターボ過給機５のタービン５ｂ（タービンホイール）と、排気ガスの浄化機能を有するディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）４５及びディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel particulate filter）４６と、通過する排気流量を調整する排気シャッター弁４９と、が設けられている。ＤＯＣ４５は、排出ガス中の酸素を用いて炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）などを酸化して水と二酸化炭素に変化させる触媒であり、ＤＰＦ４６は、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集するフィルタである。
また、排気系ＥＸにおいては、ターボ過給機５のタービン５ｂの上流側の排気通路４１上には、排気圧を検出する排気圧センサ１１６と排気温度を検出する排気温度センサ１１７とが設けられ、ＤＯＣ４５の直上流側及びＤＯＣ４５とＤＰＦ４６との間には、それぞれ、排気温度を検出する排気温度センサ１１８、１１９が設けられ、ＤＰＦ４６には、このＤＰＦ４６の上流側と下流側との排気圧の差を検出するＤＰＦ差圧センサ１２０が設けられ、ＤＰＦ４６の直下流側の排気通路４１上には、酸素濃度を検出するリニアＯ２センサ１２１と排気温度を検出する排気温度センサ１２２とが設けられている。これらの、排気系ＥＸに設けられた各センサ１１６〜１２２は、それぞれ、検出したパラメータに対応する検出信号Ｄ１１６〜Ｄ１２２をＥＣＵ８０に出力する。

更に、本実施形態では、ターボ過給機５は、排気エネルギーが低い低速回転時でも効率良く過給を行えるように小型に構成されていると共に、タービン５ｂの全周を囲むように複数の可動式のノズルベーン５ｃが設けられ、これらのノズルベーン５ｃによりタービン５ｂへの排気の流通断面積（ノズル断面積）を変化させるようにした容量可変型ターボ過給機（ＶＧターボ：Variable Geometry Turbocharger）として構成されている。例えば、ノズルベーン５ｃは、ダイヤフラムに作用する負圧の大きさが電磁弁により調節されるアクチュエータによって回動される。また、そのようなアクチュエータの位置により、ノズルベーン５ｃの開度を検出するノズルベーン開度センサ１０４が設けられている。このノズルベーン開度センサ１０４は、検出したノズルベーン開度に対応する検出信号Ｄ１０４をＥＣＵ８０に出力する。

ここで、図２を参照して、本発明の実施形態によるターボ過給機５のノズルベーン５ｃについて具体的に説明する。図２は、ターボ過給機５のタービン室を拡大した縦断面の構成を模式的に示す。
図２に示すように、タービンケーシング１５３内に形成されたタービン室１５３ａには、そのほぼ中央部に配置されたタービン５ｂの周囲を取り囲むように複数の可動式のノズルベーン５ｃ、５ｃ、…が配設され、各ノズルベーン５ｃはタービン室１５３ａの一方の側壁を貫通する支軸５ｄにより回動可能に支持されている。各ノズルベーン５ｃは、それぞれ支軸５ｄの回りに図２の時計回りに回動して、相互に近接するように傾斜すると、各ノズルベーン５ｃの相互間に形成されるノズル１５５、１５５、…の開度（ノズル断面積）が小さく絞られて、排気流量の少ないときでも高い過給効率を得ることができる。一方、各ノズルベーン５ｃを上記と反対側に回動させて、相互に離反するように傾斜させれば、ノズル断面積が大きくなるので、排気流量の多いときでも通気抵抗を低減して、過給効率を高めることができる。
また、リング部材１５７は、リンク機構１５８を介してアクチュエータのロッド１６３に駆動連結されており、該アクチュエータの作動によりリング部材１５７を介して各ノズルベーン５ｃが回動される。すなわち、リンク機構１５８は、一端部をリング部材１５７に回動可能に連結された連結ピン１５８ａと、該連結ピン１５８ａの他端部に一端部を回動可能に連結された連結板部材１５８ｂと、該連結板部材１５８ｂの他端部に連結されると共に、タービンケーシング１５３の外壁を貫通する柱状部材１５８ｃと、該柱状部材１５８ｃのタービンケーシング１５３外へ突出する突出端部に一端部を連結された連結板部材１５８ｄとからなり、該連結板部材１５８ｄの他端部が連結ピン（図示せず）によりアクチュエータのロッド１６３に回動可能に連結されている。

図１に戻ると、本実施形態によるエンジンシステム２００は、更に、高圧ＥＧＲ装置４３及び低圧ＥＧＲ装置４８を有する。高圧ＥＧＲ装置４３は、ターボ過給機５のタービン５ｂの上流側の排気通路４１とターボ過給機５のコンプレッサ５ａの下流側（詳しくはインタークーラ８の下流側）の吸気通路１とを接続する高圧ＥＧＲ通路４３ａと、高圧ＥＧＲ通路４３ａを通過させる排気ガスの流量を調整する高圧ＥＧＲバルブ４３ｂと、を有する。低圧ＥＧＲ装置４８は、ターボ過給機５のタービン５ｂの下流側（詳しくはＤＰＦ４６の下流側で且つ排気シャッター弁４９の上流側）の排気通路４１とターボ過給機５のコンプレッサ５ａの上流側の吸気通路１とを接続する低圧ＥＧＲ通路４８ａと、低圧ＥＧＲ通路４８ａを通過する排気ガスを冷却する低圧ＥＧＲクーラ４８ｂと、低圧ＥＧＲ通路４８ａを通過させる排気ガスの流量を調整する低圧ＥＧＲバルブ４８ｃと、低圧ＥＧＲフィルタ４８ｄと、を有する。

高圧ＥＧＲ装置４３によって吸気系ＩＮに還流される排気ガス量（以下「高圧ＥＧＲガス量」と呼ぶ。）は、ターボ過給機５のタービン５ｂ上流側の排気圧と、吸気シャッター弁７の開度によって作り出される吸気圧と、高圧ＥＧＲバルブ４３ｂの開度とによって概ね決定される。また、低圧ＥＧＲ装置４８によって吸気系ＩＮに還流される排気ガス量（以下「低圧ＥＧＲガス量」と呼ぶ。）は、ターボ過給機５のコンプレッサ５ａ上流側の吸気圧と、排気シャッター弁４９の開度によって作り出される排気圧と、低圧ＥＧＲバルブ４８ｃの開度とによって概ね決定される。

ここで、図３を参照して、本発明の実施形態において、高圧ＥＧＲ装置４３が作動されるエンジンＥの運転領域（以下では「高圧ＥＧＲ領域」と呼ぶ。）及び低圧ＥＧＲ装置４８が作動されるエンジンＥの運転領域（以下では「低圧ＥＧＲ領域」と呼ぶ。）について説明する。図３は、横軸にエンジン回転数を示し、縦軸に燃料噴射量（エンジン負荷に相当する）を示しており、高圧ＥＧＲ領域及び低圧ＥＧＲ領域を模式的に表している。
図３に示すように、低負荷・低回転数側に規定されたエンジンＥの運転領域Ｒ１（第１運転領域に相当する）は、高圧ＥＧＲ装置４３が作動される高圧ＥＧＲ領域であり、この高圧ＥＧＲ領域Ｒ１よりも高負荷・高回転数側に規定されたエンジンＥの運転領域Ｒ２（第２運転領域に相当する）は、低圧ＥＧＲ装置４８が作動される低圧ＥＧＲ領域である。より詳しくは、低圧ＥＧＲ領域Ｒ２内の一部の領域（高圧ＥＧＲ領域Ｒ１との境界付近の領域）では、低圧ＥＧＲ装置４８だけでなく、高圧ＥＧＲ装置４３も作動される、つまり高圧ＥＧＲ装置４３及び低圧ＥＧＲ装置４８の併用領域となる。また、低圧ＥＧＲ領域Ｒ２よりも更に高負荷・高回転数側に規定されたエンジンＥの運転領域Ｒ３は、高圧ＥＧＲ装置４３及び低圧ＥＧＲ装置４８のいずれも作動されない領域（以下では適宜「非ＥＧＲ領域」と呼ぶ。）である。

図１に戻ると、本実施形態によるＥＣＵ８０は、上述した各センサ１０１〜１２２の検出信号Ｄ１０１〜Ｄ１２２に加えて、外気温を検出する外気温センサ９８、大気圧を検出する大気圧センサ９９、及びアクセルペダル９５の開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ１００のそれぞれが出力した検出信号Ｄ９８〜Ｄ１００に基づいて、エンジンシステム２００内の構成要素に対する制御を行う。具体的には、ＥＣＵ８０は、ターボ過給機５のタービン５ｂにおけるノズルベーン５ｃの開度を制御すべく、このノズルベーン５ｃを駆動するアクチュエータ（不図示）に対して制御信号Ｃ１３０を出力する。また、ＥＣＵ８０は、吸気シャッター弁７の開度を制御すべく、吸気シャッター弁７を駆動するアクチュエータ（不図示）に対して制御信号Ｃ１３１を出力する。また、ＥＣＵ８０は、インタークーラ８に供給する冷却水の流量を制御すべく、電動ウォータポンプ９に対して制御信号Ｃ１３２を出力する。また、ＥＣＵ８０は、エンジンＥの燃料噴射量などを制御すべく、燃料噴射弁２０に制御信号Ｃ１３３を出力する。また、ＥＣＵ８０は、オルタネータ２６、燃料ウォーマー３２、燃圧レギュレータ３４及びコモンレール減圧弁３６を制御すべく、これらのそれぞれに対して制御信号Ｃ１３４、Ｃ１３５、Ｃ１３６、Ｃ１３７を出力する。また、ＥＣＵ８０は、高圧ＥＧＲバルブ４３ｂの開度を制御すべく、高圧ＥＧＲバルブ４３ｂを駆動するアクチュエータ（不図示）に対して制御信号Ｃ１３８を出力する。また、ＥＣＵ８０は、低圧ＥＧＲバルブ４８ｃの開度を制御すべく、低圧ＥＧＲバルブ４８ｃを駆動するアクチュエータ（不図示）に対して制御信号Ｃ１３９を出力する。また、ＥＣＵ８０は、排気シャッター弁４９の開度を制御すべく、排気シャッター弁４９を駆動するアクチュエータ（不図示）に対して制御信号Ｃ１４０を出力する。

＜基本制御＞
次に、図４を参照して、本発明の実施形態によるエンジンシステム２００において実施される基本制御について説明する。図４は、本発明の実施形態による基本制御を示すフローチャートである。このフローでは、要求噴射量などに応じた目標酸素濃度及び目標吸気温度を実現するための制御がなされる。また、このフローは、ＥＣＵ８０によって所定の周期で繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１１では、ＥＣＵ８０は、上述した各センサ９８〜１２２が出力した検出信号Ｄ９８〜Ｄ１２２のうちの少なくとも一以上を取得する。
次いで、ステップＳ１２では、ＥＣＵ８０は、アクセル開度センサ１００が検出したアクセル開度に基づいて、エンジンＥから出力させるべき目標トルクを設定する。
次いで、ステップＳ１３では、ＥＣＵ８０は、ステップＳ１２で設定した目標トルクと、エンジン回転数とに基づいて、燃料噴射弁２０から噴射させるべき要求噴射量（Ｄ要求Ｑ）を設定する。
次いで、ステップＳ１４では、ＥＣＵ８０は、ステップＳ１３で設定した要求噴射量と、エンジン回転数とに基づいて、燃料の噴射パターンと、燃圧と、目標酸素濃度と、目標吸気温度と、ＥＧＲ制御モード（高圧ＥＧＲ装置４３及び低圧ＥＧＲ装置４８の両方又は一方を作動させるモード、或いは高圧ＥＧＲ装置４３及び低圧ＥＧＲ装置４８のいずれも作動させないモード）とを設定する。
次いで、ステップＳ１５では、ＥＣＵ８０は、ステップＳ１４で設定した目標酸素濃度及び目標吸気温度を実現する状態量を設定する。例えば、この状態量には、高圧ＥＧＲ装置４３によって吸気系ＩＮに還流させる排気ガス量（高圧ＥＧＲガス量）や、低圧ＥＧＲ装置４８によって吸気系ＩＮに還流させる排気ガス量（低圧ＥＧＲガス量）や、ターボ過給機５による過給圧などが含まれる。
次いで、ステップＳ１６では、ＥＣＵ８０は、ステップＳ１５で設定した状態量に基づいて、エンジンシステム２００の各構成要素のそれぞれを駆動する各アクチュエータを制御する。この場合、ＥＣＵ８０は、状態量に応じた制限値や制限範囲を設定し、状態値が制限値や制限範囲による制限を遵守するような各アクチュエータの制御量を設定して制御を実行する。

＜ターボ過回転防止制御＞
以下では、本発明の実施形態による、ターボ過給機５のノズルベーン５ｃの一時的な応答遅れを抑制しつつ、ターボ過給機５が過回転状態となることを防止するための制御（ターボ過回転防止制御）について説明する。

最初に、本発明の実施形態においてＥＣＵ８０が行う制御の概要について説明する。本実施形態では、ＥＣＵ８０は、エンジンＥの運転状態（具体的には燃料噴射量及びエンジン回転数）に基づいて目標過給圧を設定し、実過給圧がこの目標過給圧に設定されるように、ターボ過給機５のノズルベーン５ｃの目標開度を設定し、ノズルベーン５ｃを目標開度に制御する。つまり、ＥＣＵ８０は、過給圧Ｆ／Ｂ制御を用いて、実過給圧を目標過給圧と比較しながら、目標過給圧が実現されるようにノズルベーン５ｃの目標開度を変化させる。典型的には、ＥＣＵ８０は、実過給圧が目標過給圧を下回っている場合には、ノズルベーン５ｃの目標開度を閉じ側に変化させる制御を行い、実過給圧が目標過給圧を上回っている場合には、ノズルベーン５ｃの目標開度を開き側に変化させる制御を行う。

ここで、本実施形態では、ＥＣＵ８０は、ターボ回転数が所定値以上である場合に、燃料噴射量を要求噴射量よりも制限する。また、ノズルベーン５ｃの実開度と目標開度との差であるノズル偏差が所定値以上である場合に、燃料噴射量を更に制限する。更に、ＥＣＵ８０は、ターボ過給機５の上流側の排気圧が所定値以上である場合に、エンジンＥをフェールセーフモードに移行させて、燃料噴射量を更により一層制限する。これにより、エンジンＥの燃焼室１７における燃焼を制限して、ターボ過給機５に供給される排気ガスエネルギを段階的に制限することによって、ターボ過給機の過回転を抑制すると共に排気圧の低減を図る。

図５は、ターボ過回転防止制御を実行するための制御システムのブロック図である。図５に示されるように、ＥＣＵ８０は、アクセル開度センサ１００、ターボ回転センサ１０３、ノズルベーン開度センサ１０４、排気圧センサ１１６からの検出信号に基づいて、ノズルベーン５ｃ、燃料噴射弁２０を制御する。

ＥＣＵ８０は、ノズルベーン５ｃ及び燃料噴射弁２０の制御目標となる状態量を設定する目標設定部として、ノズルベーン目標開度設定部８１及び目標噴射量設定部８２を有している。

ノズルベーン目標開度設定部８１は、上述されたようにアクセル開度センサ１００が検出したアクセル開度に基づいて設定された目標トルクを実現するのに必要な目標過給圧が得られるように、エンジンＥの運転状態にしたがってノズルベーン５ｃの目標ノズル開度を設定する。目標噴射量設定部８２は、目標トルクを実現するのに要する燃料噴射量を目標燃料噴射量（Ｄ要求Ｑ）として設定する。

また、ＥＣＵ８０は、ノズルベーン５ｃ及び燃料噴射弁２０を制御する制御部として、ノズルベーン制御部８３及び燃料噴射弁制御部８４を有している。

ノズルベーン制御部８３は、ノズルベーン目標開度設定部６１によって設定された目標ノズル開度にノズルベーン５ｃを制御する。

燃料噴射弁制御部８４は、燃料噴射弁２０から噴射される燃料噴射量ＦＰをＤ要求Ｑに制御する。また、燃料噴射弁制御部８４は、ターボ過回転判定部８５によってターボ回転数が所定値以上であることが判定された場合に、燃料噴射量ＦＰを第１燃料噴射量に制限する。更に、燃料噴射弁制御部８４は、ノズル偏差判定部８６によってノズル偏差が所定値以上であることが判定された場合に、燃料噴射量ＦＰを第２燃料噴射量に制限する。燃料噴射弁制御部８４は、フェールセーフモードにおいて、燃料噴射量ＦＰを第２燃料噴射量よりも更に制限する。

また、ＥＣＵ８０は、ターボ過給機５及びエンジンＥの異常を判定する異常判定部として、ターボ過回転判定部８５、ノズル偏差判定部８６、及び排気圧判定部８７を有している。

ターボ過回転判定部８５は、ターボ回転センサ１０３の検出結果に基づいて、ターボ過給機５のターボ回転数（ＴＣ回転数）がＴＣ回転数閾値Ｎ_ＴＣ以上であるか否か判定する。ＴＣ回転数閾値Ｎ_ＴＣは、ターボ過給機５の物理的（強度上）な許容回転数に対して、制御上の余裕代を考慮して設定された閾値である。

ノズル偏差判定部６７は、ノズルベーン開度センサ１０４が検出したノズルベーン５ｃの実開度に基づいて、ノズルベーン５ｃの実開度と目標ノズル開度との差であるノズル偏差を算出し、該ノズル偏差がノズル偏差閾値Ｄ_ＶＧＴ以上であるか否かを判定する。ノズル偏差閾値Ｄ_ＶＧＴは、目標ノズル開度に対するノズルベーン５ｃの応答遅れ及び固着を検出するための閾値である。

ノズル偏差閾値Ｄ_ＶＧＴは、例えば、ノズルベーン５ｃの全閉から全開位置に至る全開閉ストローク量の略５０％に設定されており、これにより、ノズルベーン５ｃ応答遅れを精度よく検出できる。ノズル偏差閾値Ｄ_ＶＧＴが、全開閉ストローク量の５０％未満に設定されている場合、過度にノズルベーン５ｃの応答遅れを検出してしまうことになる一方で、５０％より大きくすると、ノズルベーン５ｃの応答遅れの検出に漏れが生じやすい。

排気圧判定部６８は、排気圧センサ１１６が検出した排気圧に基づいて、ターボ過給機５の上流側の排気通路４１の排気圧であるＴＣ排気圧が、ＴＣ排気圧閾値Ｐ_ＥＸより低いか否かを判定する。ＴＣ排気圧閾値Ｐ_ＥＸは、ノズルベーン５ｃの開側への応答遅れや、エンジンＥから排出される排気ガス流量の増大等による、排気圧の異常増大を検出するための閾値である。排気圧判定部６８は、ＴＣ排気圧がＴＣ排気圧閾値Ｐ_ＥＸ以上であることを判定した場合、エンジンＥをフェールセーフモードに移行させる。

図６は、上述したターボ過回転防止制御及びフェールセーフ制御におけるＥＣＵ８０の処理サイクルの流れを示すフローチャートである。本処理サイクルは、ＥＣＵ８０により、所定の周期で繰り返し実行される。まず、ステップＳ１１０において、ターボ過回転判定部８５によって、ＴＣ回転数がＴＣ回転数閾値Ｎ_ＴＣより低いか否か判定される。この判定がＹＥＳの場合、燃料噴射弁制御部８４によって燃料噴射量ＦＰがＤ要求Ｑに設定される（ステップＳ１２０）。

ステップＳ１１０がＮＯの場合、ステップＳ１３０において、ノズル偏差判定部８６によって、ノズル偏差がノズル偏差閾値Ｄ_ＶＧＴ未満であるか否か判定される。この判定がＹＥＳの場合、すなわち、ＴＣ回転数がＴＣ回転数閾値Ｎ_ＴＣ以上であり且つノズル偏差がノズル偏差閾値Ｄ_ＶＧＴ未満である第１条件の成立時には、燃料噴射弁制御部８４によって、燃料噴射量ＦＰがＤ要求Ｑよりも低い第１燃料噴射量Ｑ１に制限される（ステップＳ１４０）。

ステップＳ１３０がＮＯの場合、ステップＳ１５０において、排気圧判定部８７によって、ＴＣ排気圧がＴＣ排気圧閾値Ｐ_ＥＸより低いか否か判定される。この判定がＹＥＳの場合、すなわち、ＴＣ回転数がＴＣ回転数閾値Ｎ_ＴＣ以上であり且つノズル偏差がノズル偏差閾値Ｄ_ＶＧＴ以上である第２条件の成立時には、燃料噴射弁制御部８４によって、燃料噴射量ＦＰが第１燃料噴射量よりも低い第２燃料噴射量Ｑ２に制限される（ステップＳ１６０）。

ステップＳ１５０がＮＯの場合、すなわち第２条件が成立した場合においてＴＣ排気圧がＴＣ排気圧閾値Ｐ_ＥＸ以上であるとき、燃料噴射弁制御部８４によって、燃料噴射量ＦＰが第２燃料噴射量Ｑ２よりも低い第３燃料噴射量Ｑ３に制限される（ステップＳ１７０）。第３燃料噴射量Ｑ３は略ゼロ（すなわち燃料カット）であってもよく、これによって、燃焼室１７における燃焼を制限して排気圧の低下を図ると共に、ＴＣ回転数を低下させる。

第１燃料噴射量Ｑ１及び第２燃料噴射量Ｑ２は、現在のエンジン回転数、ＴＣ回転数、及びノズルベーン５ｃの実開度を考慮して、ＴＣ回転数がターボ回転数閾値Ｎ_ＴＣを下回るように設定される。具体的には、第１燃料噴射量Ｑ１及び第２燃料噴射量Ｑ２は、現在のＴＣ回転数とＴＣ回転数閾値Ｎ_ＴＣとの差及び、該差の変化速度及び変化加速度に基づいてＦ／Ｂ制御により算出される。

ノズル偏差がノズル偏差Ｄ_ＶＧＴ以上である場合には、ノズルベーン５ｃに過度の応答遅れ又は固着が生じているので、ノズルベーン５ｃの制御によってＴＣ回転数を早期に低下させることができない。この場合に、燃料噴射量ＦＰを、第１燃料噴射量Ｑ１より更に低減した第２燃料噴射量Ｑ２に制限することによって、ノズルベーン５ｃに過度の応答遅れが生じ又は固着している場合であっても、ターボ過給機に供給される排気ガスエネルギを低減させることができるので、ターボ過給機５が過回転状態となることが防止される。

図７は、上記制御における、燃料噴射量ＦＰ、ノズルベーン５ｃの開度、ターボ回転数の推移の一例を示すタイムチャートである。図７（ａ）は、ノズルベーン５ｃに応答遅れが生じていない場合を示している。図７（ｂ）は、ノズルベーン５ｃに軽度の応答遅れが生じている場合を示している。図７（ｃ）は、ノズルベーン５ｃに過度の応答遅れが生じている場合を示している。図７（ａ）〜（ｃ）において、いずれも時刻ｔ０において加速が開始されて、ノズルベーン５ｃの目標開度が全閉側に制御されると共に、時刻ｔ１以降ノズルベーン５ｃの目標開度が全開側へ制御されるものとする。

図７（ａ）に示すように、ノズルベーン５ｃに応答遅れが生じていない場合、燃料噴射量ＦＰは、目標燃料噴射量（Ｄ要求Ｑ）に設定される。時刻ｔ２において、ＴＣ回転数がＴＣ回転数閾値Ｎ_ＴＣ以上となると、燃料噴射量ＦＰは第１燃料噴射量Ｑ１に制限される。ここで、第１燃料噴射量Ｑ１は、ＴＣ回転数がターボ回転数閾値Ｎ_ＴＣを下回るように設定されており、Ｄ要求Ｑより低い。このため、ＴＣ回転数は、時刻ｔ２以降、低減されてターボ回転数閾値Ｎ_ＴＣ以下に抑制される。

同様に、図７（ｂ）に示すように、ノズルベーン５ｃに軽度の応答遅れ（ノズル偏差がノズル偏差閾値Ｄ_ＶＧＴ未満）が生じている場合、燃料噴射量ＦＰは、ＴＣ回転数がＴＣ回転数閾値Ｎ_ＴＣ未満である時刻ｔ２１まで、目標燃料噴射量（Ｄ要求Ｑ）に設定される。ここで、ノズルベーン５ｃの開度は、図７（ａ）の場合に比して応答遅れの分だけ閉側に位置しているので、ＴＣ回転数は、時刻ｔ２より早い時刻ｔ２１で、ＴＣ回転数閾値Ｎ_ＴＣ以上になる。この場合、時刻ｔ２１以降、燃料噴射量ＦＰは第１燃料噴射量Ｑ１に制限され、上述したように、最終的にＴＣ回転数はターボ回転数閾値Ｎ_ＴＣ以下に抑制される。

一方、図７（ｃ）に示すように、ノズルベーン５ｃに過度の応答遅れ（ノズル偏差がノズル偏差閾値Ｄ_ＶＧＴ以上）が生じている場合、燃料噴射量ＦＰは、ＴＣ回転数がＴＣ回転数閾値ＮＴＣ未満である時刻ｔ３１まで、目標燃料噴射量（Ｄ要求Ｑ）に設定される。ここで、ノズルベーン５ｃの開度は、図７（ｂ）に比して閉側に位置しているので、ＴＣ回転数は、時刻ｔ２１よりも早い時刻ｔ３１で、ＴＣ回転数閾値Ｎ_ＴＣ以上になる。この場合、時刻ｔ３１以降、燃料噴射量ＦＰは第１燃料噴射量Ｑ１に制限される。

更に、時刻ｔ３２において、ノズル偏差がノズル偏差閾値Ｄ_ＶＧＴ以上になると、更に燃料噴射量が第２燃料噴射量Ｑ２に制限される。燃料噴射量ＦＰの制限によって、ターボ過給機５に供給される排気ガスエネルギが低減されるので、この結果、ノズル偏差が縮小すると共に、ＴＣ回転数がターボ回転数閾値Ｎ_ＴＣ以下に抑制される。

したがって、ＴＣ回転数がＴＣ回転数閾値Ｎ_ＴＣ以上となった場合に燃料噴射量ＦＰは第１燃料噴射量Ｑ１に制限され、ノズル偏差がノズル偏差閾値Ｄ_ＶＧＴ以上となった場合に燃料噴射量ＦＰは第２燃料噴射量Ｑ２に段階的に制限される。つまり、燃料噴射量ＦＰを段階的に制限することによって、必要以上に燃料噴射量を制限することなく、ターボ過給機５の過回転が抑制されるようになっている。

上記説明したＥＣＵ８０においてなされる処理サイクルによれば、次の効果が発揮される。

（１）第１条件の成立時には、ノズル偏差がノズル偏差閾値Ｄ_ＶＧＴ未満であるので、ノズルベーン５ｃを過度の応答遅れなく制御できる。この場合、ノズルベーン５ｃの開度を制御しつつ、燃料噴射量ＦＰをＤ要求Ｑより少ない第１燃料噴射量Ｑ１に制限することでターボ過給機５の過回転を防止できる。一方、第２条件の成立時には、ノズル偏差がノズル偏差閾値Ｄ_ＶＧＴ以上であるので、ノズルベーン５ｃに過度の応答遅れ又は固着が生じている。この場合、ノズルベーン５ｃの開度を早急に制御することができないので、燃料噴射量ＦＰを第１燃料噴射量Ｑ１より更に制限された第２燃料噴射量Ｑ２に制限することによって、ターボ過給機５の過回転を防止できる。

したがって、ノズル偏差がノズル偏差閾値Ｄ_ＶＧＴ以上であるか否かに基づいて、燃料噴射量ＦＰの制限量を変化させることで、第１条件の成立時には燃料噴射量ＦＰが過度に制限されることを抑制しつつ、第２条件の成立時には燃料噴射量ＦＰを適切に制限して、ターボ過給機５の過回転を適切に防止できる。これにより、ノズルベーン５ｃに過度の応答遅れ又は固着等の異常が生じていない場合に違和感を生じさせずにターボ過給機５が過回転状態となることを防止すると共に、ノズルベーン５ｃに異常が生じている場合にもターボ過給機５が過回転状態となることを防止できる。

（２）ＴＣ排気圧がＴＣ排気圧閾値以上である場合、燃料噴射量ＦＰを第２燃料噴射量Ｑ２より更に制限された第３燃料噴射量Ｑ３することによって、燃焼室１７における燃焼を制限して排気圧の低下を図ると共に、ターボ過給機５の過回転を可及的に防止できる。また、燃料噴射量ＦＰを第３燃料噴射量Ｑ３に制限することによって、大幅な出力低下を生じるので、エンジンシステム２００の故障を運転者に了知させやすい。

以上説明したように、本発明に係るエンジンの制御方法及び制御装置によれば、ノズルベーンに過度の応答遅れ又は固着等の異常が生じていない場合に違和感を生じさせずに過給機が過回転状態となることを防止すると共に、ノズルベーンに異常が生じている場合にも過給機が過回転状態となることを防止できるので、この種の製造技術分野において好適に利用される可能性がある。

１吸気通路
５ターボ過給機
５ａコンプレッサ
５ｂタービン
５ｃノズルベーン
２０燃料噴射弁
４１排気通路
６０ＥＣＵ
Ｅエンジン
Ｄ_ＶＧＴノズル偏差閾値
Ｐ_ＥＸＴＣ排気圧閾値
Ｎ_ＴＣターボ回転数閾値

Claims

タービンに供給される排気ガスの流路面積を可変可能なノズルベーンを有する可変容量型過給機を備えたエンジンの制御方法であって、
前記エンジンの運転状態に応じて、前記ノズルベーンの目標開度と前記エンジンに供給される燃料の目標噴射量とを設定する工程と、
前記ノズルベーンの開度を前記目標開度に制御する工程と、
前記過給機の回転数が、前記過給機の許容回転数に対して余裕代を考慮して低く設定された回転数閾値以上であるか否か判定する工程と、
前記ノズルベーンの実開度と前記目標開度との差であるノズル偏差が、前記目標開度に対する前記ノズルベーンの応答遅れ及び固着を検出するためのノズル偏差閾値以上であるか否か判定する工程と、
前記過給機の回転数が前記回転数閾値以上であり且つ前記ノズル偏差が前記ノズル偏差閾値未満である第１条件の成立時に、前記エンジンに供給する燃料を前記目標噴射量より少ない第１噴射量に制限し、前記過給機の回転数が前記回転数閾値以上であり且つ前記ノズル偏差が前記ノズル偏差閾値以上である第２条件の成立時に、前記エンジンに供給する燃料を前記第１噴射量より少ない第２噴射量に制限する工程と、
を有するエンジンの制御方法。
前記制限する工程において、前記第２条件の成立時に、前記過給機上流側の排気圧が所定値以上である場合、前記エンジンに供給する燃料を第２噴射量より更に制限する、
請求項１に記載のエンジンの制御方法。
タービンに供給される排気ガスの流路面積を可変可能なノズルベーンを有する可変容量型過給機を備えたエンジンの制御装置であって、
前記エンジンの運転状態に応じて、前記ノズルベーンの目標開度と前記エンジンに供給される燃料の目標噴射量とを設定する目標設定部と、
前記ノズルベーンの開度を前記目標開度に制御するノズルベーン制御部と、
前記過給機の回転数が、前記過給機の許容回転数に対して余裕代を考慮して低く設定された回転数閾値以上であるか否か判定する過回転判定部と、
前記ノズルベーンの実開度と前記目標開度との差であるノズル偏差が、前記目標開度に対する前記ノズルベーンの応答遅れ及び固着を検出するためのノズル偏差閾値以上であるか否か判定するノズル偏差判定部と、
前記過給機の回転数が前記回転数閾値以上であり且つ前記ノズル偏差が前記ノズル偏差閾値未満である第１条件の成立時に、前記エンジンに供給する燃料を前記目標噴射量より少ない第１噴射量に制限し、前記過給機の回転数が前記回転数閾値以上であり且つ前記ノズル偏差が前記ノズル偏差閾値以上である第２条件の成立時に、前記エンジンに供給する燃料を前記第１噴射量より更に少ない第２噴射量に制限するように、燃料噴射弁を制御する燃料噴射弁制御部と、
を有するエンジンの制御装置。
前記燃料噴射弁制御部は、前記第２条件の成立時に、前記過給機上流側の排気圧が所定値以上である場合、前記エンジンに供給する燃料を第２噴射量より更に制限する、
請求項３に記載のエンジンの制御装置。