JP6509958B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、過給機を備える内燃機関の制御装置に関し、特に過給機のタービンを駆動する排気の流量を調整して過給圧を制御する制御装置に関する。
特許文献1には、過給機を備える内燃機関の制御装置が示されている。この制御装置によれば、車両減速時に過給機のコンプレッサがサージング状態になるか否かが判定され、サージング状態になると判定されたときは、過給機のタービンを駆動する排気の流量(以下「タービン駆動排気流量」という)を可変するノズルベーンの開度を、サージ回避用目標開度以上となるように制御することにより、サージング状態が回避される。
特開2013−249739号公報
特許文献1に示された制御装置では、車両減速時において機関回転数及び過給圧が何れも判定閾値以上であるときにサージング状態になる可能性があると判定され、タービン駆動排気流量を可変するノズルベーンの開度を、サージ回避用目標開度以上に設定することで、サージング状態が回避される。
しかし、ノズルベーンの開度を変更する過程に着目した制御は行われず、サージング状態の回避制御をより適切に実行する上で改善の余地があった。
本発明はこの点に着目してなされたものであり、サージング状態となる可能性を比較的簡便に判定し、サージング状態回避制御を適切に実行することによって、サージング状態の発生を確実に防止することができる制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため請求項1に記載の発明は、内燃機関(1)に吸入される空気を加圧するコンプレッサ(123)と、該コンプレッサに連結され、前記機関の排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービン(121)とを有する過給機(12)と、前記タービンを駆動する排気の流量を変化させる排気流量可変装置(14)とを備える内燃機関の制御装置において、前記機関の目標トルク(TRQCMD)に応じて目標過給圧(P2CMD)を算出する目標過給圧算出手段と、前記機関の回転数(NE)を検出する回転数検出手段と、前記目標過給圧(P2CMD)が減少する過給圧減少状態が検出されたときに、検出される前記機関の回転数(NE)が低下するほど前記排気流量可変装置の作動速度(VOP)を低下させる作動速度抑制制御を実行する過給圧制御手段とを備えることを特徴とする。
この構成によれば、目標過給圧が減少する過給圧減少状態が検出されたときに、タービン駆動排気流量を変化させる排気流量可変装置の作動速度、検出される機関回転数が低下するほど低下させる作動速度抑制制御が実行される、すなわち過給圧を迅速に低下させる必要がある状態における排気流量可変装置の作動速度が、機関回転数が低下するほど低下するように制御されるので、サージング状態が発生する可能性が高い場合には作動速度を低下させることによって、コンプレッサを通過する空気流量の急減が防止され、サージング状態の発生を確実に防止できる。また排気流量可変装置の目標開度の変更ではなく、排気流量可変装置の作動速度(例えばウエストゲート弁の開度変化速度)を低下させることにより、排気流量可変装置の最大開度を抑制することができ、機関の減速後直ぐに加速要求が行われた場合の応答性を向上させることができる。
請求項に記載の発明は、請求項に記載の内燃機関の制御装置において、前記過給圧制御手段は、前記機関の回転数(NE)が所定回転数(NETH)以上のときは、前記作動速度(VOP)を最大速度(VMAX)に設定することを特徴とする。
この構成によれば、機関の回転数が所定回転数以上のときは、作動速度が最大速度に設定される。所定回転数を最大速度に設定しても、サージング状態が確実に発生しない回転数に設定することによって、機関回転数が所定回転数以上のときは作動速度を低下させる必要が無くなる。したがって、作動速度を最大速度に設定することによって、応答性を高めることができる。
請求項に記載の発明は、請求項に記載の内燃機関の制御装置において、前記過給圧制御手段は、前記機関の回転数(NE)が前記所定回転数(NETH)未満であるときは、前記作動速度(VOP)を前記最大速度(VMAX)より低い速度(VLNE)に設定することを特徴とする。
この構成によれば、機関の回転数が所定回転数未満であるときは、サージング状態が発生する可能性があるので、作動速度を最大速度より低い速度に設定することによってサージング状態の発生を確実に防止することができる。
請求項に記載の発明は、請求項から3の何れか1項に記載の内燃機関の制御装置において、前記機関は、前記コンプレッサ(123)をバイパスするコンプレッサバイパス通路(16)と、該コンプレッサバイパス通路に設けられたバイパス弁(17)とを備え、前記過給圧制御手段は、前記作動速度抑制制御を実行するときは、前記バイパス弁(17)を閉弁状態に維持することを特徴する。
この構成によれば、機関の回転数が低下するほど作動速度を低下させる作動速度抑制制御を実行するときは、コンプレッサバイパス通路に設けられたバイパス弁が閉弁状態に維持される。バイパス弁を開弁することによってもサージング状態の発生を防止することは可能であるが、過給圧が過度に低下して、次に加速するときの応答性が悪化する不具合が発生するため、排気流量可変装置の作動速度を低下させてサージング状態の発生を防止することにより、そのような不具合の発生を回避できる。
請求項に記載の発明は、内燃機関(1)に吸入される空気を加圧するコンプレッサ(123)と、該コンプレッサに連結され、前記機関の排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービン(121)とを有する過給機と、前記タービンを駆動する排気の流量を変化させる排気流量可変装置(14)とを備える内燃機関の制御装置において、前記機関の目標トルク(TRQCMD)に応じて目標過給圧(P2CMD)を算出する目標過給圧算出手段と、前記機関の吸入空気流量(GAIR)を検出する吸入空気流量検出手段と、前記目標過給圧(P2CMD)が減少する過給圧減少状態が検出されたときに、検出される前記機関の吸入空気流量(GAIR)が低下するほど前記排気流量可変装置(14)の作動速度(VOP)を低下させる作動速度抑制制御を実行する過給圧制御手段とを備えることを特徴とする。
この構成によれば、目標過給圧が減少する過給圧減少状態が検出されたときに、タービン駆動排気流量を変化させる排気流量可変装置の作動速度検出される吸入空気流量が低下するほど低下させる作動速度抑制制御が実行される、すなわち過給圧を目標過給圧まで低下させるときにおける排気流量可変装置の作動速度が、吸入空気流量が低下するほど低下するように制御されるので、請求項1の発明と同様の効果を得ることができる。
本発明の一実施形態にかかる内燃機関の構成を模式的に示す図である。 図1に示す内燃機関の制御を行う制御系の構成を示すブロック図である。 図1に示すウエストゲート弁(14)の弁体を駆動する駆動機構を模式的に示す図である。 本発明の概要を説明するためのタイムチャートである。 ウエストゲート弁(14)の作動制御処理のフローチャートである。 エンジン回転数(NE)とウエストゲート弁の作動速度(VOP)との関係を示す図である。
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は本発明の一実施形態にかかる内燃機関(以下「エンジン」という)の構成を模式的に示す図であり、エンジン1は、4つの気筒6を有し、気筒6の燃焼室内に燃料を直接噴射する直噴エンジンであり、各気筒6にはインジェクタ7、点火プラグ8、及び吸気弁及び排気弁(図示せず)が設けられている。
エンジン1は、吸気通路2、排気通路10、及びターボチャージャ(過給機)12を備えている。吸気通路2は、サージタンク4に接続され、サージタンク4は吸気マニホールド5を介して各気筒6の燃焼室に接続されている。吸気通路2には、加圧された空気を冷却するためのインタークーラ3及びスロットル弁13が設けられ、スロットル弁13は、スロットルアクチュエータ13aによって駆動可能に構成されている。サージタンク4には、吸気圧PBAを検出する吸気圧センサ21が設けられ、吸気通路2のインタークーラ3の下流側には、過給圧P2を検出する過給圧センサ22が設けられている。
ターボチャージャ12は、排気通路9に設けられ、排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービン121と、シャフト122を介してタービン121に連結されたコンプレッサ123とを備えている。コンプレッサ123は、吸気通路2に設けられ、エンジン1に吸入される空気の加圧(圧縮)を行う。吸気通路2には、コンプレッサ123をバイパスするバイパス通路16が接続されており、バイパス通路16には、バイパス通路16を通過する空気の流量を調整する流量調整弁であるエアバイパス弁(以下「AB弁」という)17が設けられている。吸気通路2の、コンプレッサ123の上流側には、吸入空気流量GAIRを検出する吸入空気流量センサ23が設けられている。
エンジン1の各気筒6の燃焼室は排気マニホールド9を介して排気通路10に接続されている。排気通路10には、タービン121をバイパスするバイパス通路11が接続されており、バイパス通路11には、バイパス通路11を通過する排気の流量(換言すれば、タービン121を駆動する排気の流量)を調整する流量調整弁であるウエストゲート弁(以下「WG弁」という)14が設けられている。また、図示を省略しているが、エンジン1は排気を吸気通路2に還流する周知の排気還流機構を備えている。
図2は、エンジン1の制御を行う制御系の構成を示すブロック図であり、電子制御ユニット(以下「ECU」という)30には、上述した吸気圧センサ21、過給圧センサ22、吸入空気流量センサ23の他、スロットル弁13の開度THを検出するスロットル弁開度センサ24、エンジン1の回転数NEを検出するエンジン回転数センサ25、エンジン1により駆動される車両のアクセルペダル(図示せず)の踏み込み量(以下「アクセルペダル操作量」という)APを検出するアクセルセンサ26、大気圧PAを検出する大気圧センサ27、及び図示しない他のセンサが接続されており、これらのセンサの検出信号がECU30に供給される。ECU30の出力側には、インジェクタ7、点火プラグ8、スロットルアクチュエータ13a、WG弁14、及びAB弁17が接続されている。
ECU30は、エンジン運転状態(主としてエンジン回転数NE及び目標トルクTRQD)に応じて、燃料噴射弁7による燃料噴射制御、点火プラグ8による点火制御、WG弁14によるタービン駆動制御、スロットル弁13による吸入空気量制御、及びAB弁17によるコンプレッサバイパス制御を行う。目標トルクTRQDは、主としてアクセルペダル操作量APに応じて算出され、アクセルペダル操作量APが増加するほど増加するように算出される。
インジェクタ7による燃料噴射量(質量)GINJは、気筒吸入空気量GAIRCYLに応じて算出される基本燃料量GINJBを、目標当量比KCMD及び空燃比センサ(図示せず)により検出される空燃比AFに応じた空燃比補正係数KAFを用いて補正することによって制御される。空燃比補正係数KAFは、検出される空燃比AFが目標空燃比AFCMDと一致するように算出される。なお、燃料噴射量GINJは公知の手法を用いて、燃圧PF及び燃料の密度などに応じてインジェクタ7の開弁時間TOUTに変換され、1サイクル当たりに燃焼室内の供給する燃料量が燃料噴射量GINJとなるように制御される。また、WG弁14の開度は、検出される過給圧P2が目標過給圧P2CMDと一致するように制御される。
図3は、WG弁14の弁体37を駆動する駆動機構を模式的に示す図であり、モータ31、ロッド32、遮熱部材33、及びリンク機構34によって弁体37が開閉駆動される。図3(b)は、図3(a)の矢印Aの方向からみた図である。リンク機構34は弁体37が固定された保持部材36が回転軸35を中心として回動可能に構成されている。
図3(a)は、WG弁14が全閉である状態、すなわちバイパス通路11を閉塞している状態に対応する。モータ31が回転駆動されると、ロッド32が図3(a)において、矢印Bで示す直線方向に移動し、リンク機構34の回転軸35を中心として保持部材36及び弁体37が矢印Cで示すように回動し、WG弁14が開弁する。WG弁14の弁開度センサ27が、ロッド32の近傍に配置されており、ロッド32の直線方向(矢印B方向)の位置を検出することによって、WG弁14の開度(以下「WG開度」という)WGOが検出される。WG弁14の作動(開閉弁)速度VOPは、モータ31の回転速度を変更することによって容易に変更可能である。
なお、本実施形態ではWG弁14は、バイパス通路11がタービン121の下流側で排気通路10に開口する開口部を開閉するように構成されている。AB弁17の駆動機構(図示せず)も同様に構成されており、その駆動機構はAB弁17を開閉駆動するモータ、及びAB弁17の開度を検出する弁開度センサを備えている。
図4は、本発明の概要を説明するためのタイムチャートであり、図4(a)〜(e)は、それぞれアクセルペダル操作量AP、目標トルクTRQCMD、過給圧P2(及び目標過給圧P2CMD)、目標過給圧変化量DP2CMD、及びWG弁開度指令値WGOCMDの推移を示す。WG弁開度指令値WGOCMDの変化速度(直線の傾き)が作動速度VOPに相当する。
図4は、時刻t1からt3までの短時間の間にアクセルペダル操作量APが急減し、それに伴って目標トルクTRQCMD及び目標過給圧P2CMD(図4(c)に一点鎖線で示す)が急減した動作例を示す。
目標過給圧変化量DP2CMDは、目標過給圧の現在値P2CMD(k)と、所定離散時間kD前の過去値P2CMD(k-kD)との差分(=P2CMD(k)−P2CMD(k-kD))を示すパラメータである。所定離散時間kD前は、「1」より大きい値、例えば「5」に設定される。このように目標過給圧変化量DP2CMDを定義することによって、目標過給圧P2CMDの継続的な減少を確実に捉えることができる。
図4(c)及び(e)に破線で示す過給圧P2及びWG弁開度指令値WGOCMDの推移は、本発明を適用しない場合に対応し、目標過給圧P2CMDの減少に伴って急激に(比較的高い速度で)WG弁開度指令値WGOCMDを増加させる制御が行われ、図4(c)に示すようにサージング状態が発生する。このような現象は、エンジン回転数NEが比較的低い状態で顕著に発生することが確認されている。
そこで本実施形態では、目標過給圧変化量DP2CMDの絶対値が、減少量閾値DP2NTHを超え(時刻t2)、かつエンジン回転数NEが所定回転数NETH(例えば2500rpm)より低いときは、WG弁開度指令値WGOCMDの増加速度を最大速度VMAXより低い所定低速度VLNEに設定する作動速度抑制制御を実行することにより、過給圧P2の低下速度を減少させ、サージング状態の発生を防止している。所定回転数NETHは、作動速度VOPを最大速度VMAXに設定しても、サージング状態が確実に発生しない回転数に設定される。
時刻t5において、過給圧P2と目標過給圧P2CMDの差分である制御偏差(P2−P2CMD)が、偏差閾値DP2DVTH以下となった時点で作動速度抑制制御を終了し、通常制御に復帰する。
なお、図4(c)に一点鎖線で示すように、目標過給圧P2CMDが急激に減少するのは、アクセルペダル操作量APが急激に減少した場合に限らず、例えばエンジン1の出力軸に接続された自動変速機のシフトアップを行うときに、エンジン回転数NEが急激に低下することにともなって最大過給圧P2MAX(過給圧P2の上限値)が低下する場合にも同様に急激に減少する。したがって、そのような場合にも上述したWG弁14の作動速度抑制制御を実行することによって、 サージング状態の発生を防止することができる。
図5は、上述した作動速度抑制制御を含むWG弁14の作動制御処理のフローチャートである。この処理は、ECU30において所定時間毎に実行される。
ステップS11では、エンジン回転数NE及び目標トルクTRQCMDに応じて目標過給圧P2CMDを算出する。ステップS12では、下記式(1)を用いて目標過給圧減少量DP2CMDNを算出する。目標過給圧減少量DP2CMDNは、図4(d)に示す目標過給圧変化量DP2CMDの符号を反転させたパラメータ、すなわち、目標過給圧P2CMDの減少速度を示すパラメータに相当する。
DP2CMDN=P2CMD(k-kD)−P2CMD(k) (1)
ステップS13では、下記式(2)を用いて過給圧制御偏差DP2DVを算出する。
DP2DV=P2(k)−P2CMD(k) (2)
ステップS14では、目標過給圧減少量DP2CMDNが減少量閾値DP2NTHより大きいか否かを判別する。減少量閾値DP2NTHは、目標過給圧P2CMDの減少速度の大きさを判定するための減少速度閾値に相当する。ステップS14の答が肯定(YES)であるときは、速度抑制制御フラグFP2DECを「1」に設定し(ステップS15)、エンジン回転数NEが所定回転数NETHより低いか否かを判別する(ステップS18)。この答が否定(NO)であるときは、作動速度VOPを最大速度VMAXに設定し(ステップS20)、WG弁14の開弁駆動を行う(ステップS21)。ステップS18の答が肯定(YES)であるときは、作動速度VOPを所定低速度VLNEに設定し(ステップS19)、ステップS21に進む。所定低速度VLNEは、例えば最大速度VMAXの10%〜20%の値に設定される。
ステップS14の答が否定(NO)であるとき(図4の時刻t2より前、及び時刻t4の後)は、ステップS16に進み、速度抑制制御フラグFP2DECが「1」であるか否かを判別する。この答が肯定(YES)であるとき(時刻t4の直後)は、過給圧制御偏差DP2DVが偏差閾値DP2DVTH以下であるか否かを判別する(ステップS17)。最初はこの答は否定(NO)となり、ステップS18に進む。したがって、作動速度抑制制御を実行しているときは、引き続き実行される。
ステップS17の答が肯定(YES)となると(図4の時刻t5)、速度抑制制御フラグFP2DECを「0」に戻し(ステップS22)、通常制御に移行する(ステップS23)。その後は、ステップS16の答が否定(NO)となるので、通常制御が実行される。
なお、作動速度抑制制御を実行するときは、AB弁17は閉弁状態を維持するように制御される。
以上のように本実施形態では、目標過給圧P2CMDが比較的高い速度(DP2CMDN>DP2NTH)で減少する過給圧減少状態が検出されたときに、タービン駆動排気流量を変化させるWG弁14の作動速度VOPが、検出されるエンジン回転数NEに基づいて決定される、すなわち過給圧P2を迅速に低下させる必要がある状態におけるWG弁14の作動速度VOPが、エンジン回転数NEに基づいて決定されるので、サージング状態が発生する可能性が高い場合には作動速度VOPを低下させることによって、コンプレッサ123を通過する空気流量の急減が防止され、サージング状態の発生を確実に防止できる。またWG弁14の目標開度の変更ではなく、作動速度VOPを低下させることにより、WG弁14の最大開度を抑制することができ、エンジン1の減速後直ぐに加速要求が行われた場合の応答性を向上させることができる。
具体的には、エンジン回転数NEが所定回転数NETH以上のときは、作動速度VOPが最大速度VMAXに設定され、エンジン回転数NEが所定回転数NETH未満のときは、作動速度VOPが所定低速度VLNEに設定される。所定回転数NETHは、サージング状態が確実に発生しない回転数に設定されるので、エンジン回転数NEが所定回転数NETH以上のときは、作動速度VOPを最大速度VMAXに設定することによって、応答性を高める一方、エンジン回転数NEが所定回転数NETH未満のときは、作動速度VOPを所定低速度VLNEに設定することによって、サージング状態の発生を確実に防止する。
またエンジン回転数NEが所定回転数NETH未満のときに、WG弁14の作動速度VOPを低下させる作動速度抑制制御を実行するときは、コンプレッサ123をバイパスするバイパス通路16に設けられたAB弁17が閉弁状態に維持される。AB弁17を開弁することによってもサージング状態の発生を防止することは可能であるが、過給圧P2が過度に低下して、次に加速するときの応答性が悪化する不具合が発生するため、WG弁14の作動速度VOPを低下させてサージング状態の発生を防止することにより、そのような不具合の発生を回避できる。
本実施形態では、WG弁14が排気流量可変装置に相当し、エンジン回転数センサ25が回転数検出手段に相当し、ECU30が目標過給圧算出手段及び過給圧制御手段を構成する。
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、WG弁14の作動速度VOPは、エンジン回転数NEに応じて図6に示すように設定してもよい。この変形例ではエンジン回転数NEが所定回転数NETH未満であるときは、エンジン回転数NEが低下するほど作動速度VOPが低下するように設定される。
また上述した実施形態では、サージング状態が発生し易い運転状態をエンジン回転数NEによって判定するようにしたが、エンジン回転数NE(コンプレッサ123を通過する空気流量)と相関のある吸入空気流量GAIRによって判定するようにしてもよい。その場合には、検出される吸入空気流量GAIRが所定流量GAIRTH以上であるときは、作動速度VOPを最大速度VMAXに設定し、吸入空気流量GAIRが所定流量GAIRTH未満であるときは、吸入空気流量GAIRが低下するほど作動速度VOPを低下させることによって、作動速度抑制制御を実行する。
また上述した実施形態では、タービン駆動排気流量を変化させる排気流量可変装置がWG弁14である例を示したが、タービンホイールの直ぐ上流側に設けられた可変ベーン及びそのアクチュエータによって排気流量可変装置を構成するようにしてもよい。
また上述した実施形態では、4気筒の内燃機関を示したが、本発明は内燃機関の気筒数に関わらず適用可能である。
1 内燃機関
2 吸気通路
10 排気通路
11 バイパス通路
12 ターボチャージャ(過給機)
14 ウエストゲート弁(排気流量可変装置)
16 バイパス通路
17 エアバイパス弁
23 吸入空気流量センサ(吸入空気流量検出手段)
25 エンジン回転数センサ(回転数検出手段)
30 電子制御ユニット(目標過給圧算出手段,過給圧制御手段)

Claims (5)

  1. 内燃機関に吸入される空気を加圧するコンプレッサと、該コンプレッサに連結され、前記機関の排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービンとを有する過給機と、前記タービンを駆動する排気の流量を変化させる排気流量可変装置とを備える内燃機関の制御装置において、
    前記機関の目標トルクに応じて目標過給圧を算出する目標過給圧算出手段と、
    前記機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
    前記目標過給圧が減少する過給圧減少状態が検出されたときに、検出される前記機関の回転数が低下するほど前記排気流量可変装置の作動速度を低下させる作動速度抑制制御を実行する過給圧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. 前記過給圧制御手段は、前記機関の回転数が所定回転数以上のときは、前記作動速度を最大速度に設定することを特徴とする請求項に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記過給圧制御手段は、前記機関の回転数が前記所定回転数未満であるときは、前記作動速度を前記最大速度より低い速度に設定することを特徴とする請求項に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記機関は、前記コンプレッサをバイパスするコンプレッサバイパス通路と、該コンプレッサバイパス通路に設けられたバイパス弁とを備え、
    前記過給圧制御手段は、前記作動速度抑制制御を実行するときは、前記バイパス弁を閉弁状態に維持することを特徴する請求項から3の何れか1項に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 内燃機関に吸入される空気を加圧するコンプレッサと、該コンプレッサに連結され、前記機関の排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービンとを有する過給機と、前記タービンを駆動する排気の流量を変化させる排気流量可変装置とを備える内燃機関の制御装置において、
    前記機関の目標トルクに応じて目標過給圧を算出する目標過給圧算出手段と、
    前記機関の吸入空気流量を検出する吸入空気流量検出手段と、
    前記目標過給圧が減少する過給圧減少状態が検出されたときに、検出される前記機関の吸入空気流量が低下するほど前記排気流量可変装置の作動速度を低下させる作動速度抑制制御を実行する過給圧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。
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