JP6743914B2 - 内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置 - Google Patents

内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置 Download PDF

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Description

本発明は、内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置に関する。
例えば、特許文献１には、コンプレッサの上流側にＥＧＲガスの導入口を設け、この導入口の上流側に新気とＥＧＲガスとの混合比を調節するスロットル弁が配置されるとともに、コンプレッサの下流側に制御弁が配置された過給機付き内燃機関の排気浄化装置が開示されている。
特許文献１において、制御弁は、エンジンの運転状態に応じてスロットル弁と略同様に制御され、始動時あるいは停止時において全閉制御される。
しかしながら、このような特許文献１においては、スロットル弁が故障した際の対応について、何ら記載されていない。
特開２００２−１０６３９８号公報
本発明の内燃機関は、過給機の上流側の吸気圧力を制御する第２スロットル弁の弁開度が予め設定した設定弁開度よりも閉じ側の開度である場合には、内燃機関の吸入空気量を制御する第１スロットル弁の弁開度を目標弁開度よりも閉じ側の開度に制御し、上記第１スロットル弁の弁開度を目標弁開度よりも閉じ側の開度に補正する際は、上記第１スロットル弁の通路開口面積が、上記第２スロットル弁の通路開口面積よりも小さくなるよう制御することを特徴としている。
本発明によれば、第２スロットル弁の故障等による誤作動により第２スロットル弁の下流側の負圧が過度に発達してしまうことを抑制することができる。
本発明に係る内燃機関の制御装置の概略構成を模式的に示した説明図。 ストッパ機構の概略を模式的に示した説明図。 第２スロットル弁の弁開度とコンプレッサ出口の吸気圧力との相関を示す特性図。 内燃機関の制御の流れの一例を示すフローチャート。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る内燃機関１の制御装置の概略構成を模式的に示した説明図である。
内燃機関１は、駆動源として自動車等の車両に搭載されるものであって、吸気通路２と排気通路３とを有している。
内燃機関１に接続された吸気通路２には、吸気中の異物を捕集するエアクリーナ４と、吸入空気量を検出するエアフローメータ５と、電動の第１スロットル弁６と、第１スロットル弁６の上流側に位置する電動の第２スロットル弁７と、が設けられている。
エアフローメータ５は、第２スロットル弁７の上流側に配置されている。エアクリーナ４は、エアフローメータ５の上流側に配置されている。第１スロットル弁６は、負荷に応じて内燃機関１の吸入空気量を制御する。第２スロットル弁７は、後述するコンプレッサ１２の上流側における吸気圧力を制御する。換言すれば、本実施例における第２スロットル弁７は、後述するコンプレッサ１２の上流側における負圧を制御する。
また、第１スロットル弁６の所定の全閉位置における通路開口面積は、第２スロットル弁７の所定の全閉位置における通路開口面積よりも小さくなるよう設定されている。換言すれば、第２スロットル弁７の所定の全閉位置における通路開口面積は、第１スロットル弁６の所定の全閉位置における通路開口面積よりも大きくなるよう設定されている。
内燃機関１に接続された排気通路３には、三元触媒等の上流側排気触媒８と、三元触媒等の下流側排気触媒９と、三元触媒等の床下触媒１０と、排気音を低減する消音用のマフラー１１と、が設けられている。
下流側排気触媒９は、上流側排気触媒８の下流側となり、床下触媒１０よりも上流側となる位置に配置されている。床下触媒１０は、下流側排気触媒９の下流側に配置されている。マフラー１１は、床下触媒１０の下流側に配置されている。
また、この内燃機関１は、吸気通路２に設けられたコンプレッサ１２と排気通路３に設けられたタービン１３とを同軸上に備えた過給機としてのターボ過給機１４を有している。コンプレッサ１２は、第１スロットル弁６の上流側となり、第２スロットル弁７よりも下流側となる位置に配置されている。タービン１３は、上流側排気触媒８よりも上流側に配置されている。
また、吸気通路２には、第１スロットル弁６の下流側に、コンプレッサ１２により圧縮（加圧）された吸気を冷却し、充填効率を良くするインタクーラ１５が設けられている。
インタクーラ１５は、インタクーラ用のラジエータ（インタクーラ用ラジエータ）１６及び電動ポンプ１７とともにインタクーラ用冷却経路（サブ冷却経路）１８に配置されている。インタクーラ１５には、ラジエータ１６によって冷却された冷媒（冷却水）が供給可能となっている。
インタクーラ用冷却経路１８は、経路内を冷媒が循環可能となるように構成されている。インタクーラ用冷却経路１８は、内燃機関１のシリンダブロック１９を冷却する冷却水が循環する図示しないメイン冷却経路とは独立した冷却経路である。
ラジエータ１６は、インタクーラ用冷却経路１８内の冷媒を外気との熱交換で冷却する。
電動ポンプ１７は、駆動することによってラジエータ１６とインタクーラ１５との間で冷媒を矢印Ａ方向に循環させるものである。
排気通路３には、タービン１３を迂回してタービン１３の上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路２０が接続されている。排気バイパス通路２０の下流側端は、上流側排気触媒８よりも上流側の位置で排気通路３に接続されている。排気バイパス通路２０には、排気バイパス通路２０内の排気流量を制御する電動のウエストゲート弁２１が配置されている。
また、内燃機関１は、排気通路３から排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路２へ導入（還流）する排気還流（ＥＧＲ）が実施可能なものであって、排気通路３から分岐して吸気通路２に接続されたＥＧＲ通路２２を有している。ＥＧＲ通路２２は、その一端が下流側排気触媒９と床下触媒１０との間の位置で排気通路３に接続され、その他端が第２スロットル弁７の下流側となりコンプレッサ１２の上流側となる位置で吸気通路２に接続されている。このＥＧＲ通路２２には、ＥＧＲ通路２２内のＥＧＲガス流量を調整（制御）する電動のＥＧＲ弁２３と、ＥＧＲガスを冷却可能なＥＧＲクーラ２４と、が設けられている。
ここで、第１スロットル弁６、第２スロットル弁７及びＥＧＲ弁２３の開閉動作は、制御部としてのコントロールユニット２５によって制御される。コントロールユニット２５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インターフェースを備えた周知のデジタルコンピュータである。
コントロールユニット２５には、上述したエアフローメータ５の検出信号（検出値）のほか、クランクシャフト（図示せず）のクランク角度と共に機関回転数を検出可能なクランク角センサ３１、内燃機関１の要求負荷状態を表すアクセルペダル踏み込み量（アクセル開度ＡＰＯ）を検出するアクセル開度センサ３２、第１スロットル弁６の弁開度を検出する第１スロットル弁開度検出部としての第１スロットル開度センサ３３、第２スロットル弁７の弁開度を検出する第２スロットル弁開度検出部としての第２スロットル開度センサ３４、コンプレッサ１２の下流側の吸気圧を検出する第１圧力センサ３５、第２スロットル弁７の下流側の吸気圧を検出する第２圧力センサ３６、等のセンサ類の検出信号（検出値）が入力されている。第１圧力センサ３５は、第１スロットル弁６の上流側、かつコンプレッサ１２の下流側の吸気圧力を検出する。第２圧力センサ３６は、コンプレッサ１２の上流側、かつ第２スロットル弁７の下流側の吸気圧力を検出する。
なお、コントロールユニット２５は、これらの検出信号（検出値）に基づいて、内燃機関１の点火時期や空燃比の制御や、電動ポンプ１７の駆動、ウエストゲート弁２１の弁開度等も制御している。
第１スロットル弁６の目標弁開度は、例えば、運転者のアクセルペダルの操作量等に基づき算出される要求トルクが達成されるように算出される。
第２スロットル弁７の目標弁開度は、例えば、第２スロットル弁７の下流側に必要とされる吸気圧に基づいてその都度演算される。
吸気通路２に所定量のＥＧＲガスを導入する運転条件では、目標とするＥＧＲガス量が吸気通路２に導入可能となるように、第２スロットル弁７の下流側の吸気圧（負圧）であるＥＧＲ導入口吸気圧を設定する必要がある。そこで、第２スロットル弁７の目標弁開度は、このＥＧＲ導入口吸気圧を用いた所定の演算式から算出される。この演算処理は、短いサイクル（例えば数ｍｓ〜数百ｍｓ間隔）で繰り返し実行される。ＥＧＲ導入口吸気圧は、第１スロットル弁６の開度特性等から設定される。なお、第２スロットル弁７の目標弁開度は、上記要求トルク等と関連づけられたマップを予め用意しておき、この用意されたマップを参照して求めることも可能である。
第１スロットル弁６及び第２スロットル弁７の各目標弁開度は、コントロールユニット２５で算出される。
本実施例において、第２スロットル弁７の弁開度は、ストッパ機構４１により所定の全閉位置よりも閉弁方向への動きが規制されている。
図２は、ストッパ機構４１の概略を模式的に示した説明図である。ストッパ機構４１は、第１ギヤ４２に設けられたストッパ部としての閉じ側ストッパ部４７と、ハウジング５０の内壁面から突出するストッパ片部としての閉じ側ストッパ片部５１と、を有している。
第１ギヤ４２は、第２スロットル弁７の駆動源であるモータ４３の回転軸４４に固定されている。第１ギヤ４２は、回転軸４４に対して同心状に配置される円板状の本体部４５と、本体部４５の外周に設けられたギヤ部４６及び閉じ側ストッパ部４７を有している。
ギヤ部４６は、全体が円弧状を呈し、本体部４５の外周の一部分に設けられている。ギヤ部４６の外周には、第２ギヤ４８と噛み合う複数の歯が形成されている。
閉じ側ストッパ部４７は、本体部４５の外周のうち、ギヤ部４６が形成されていない部分に形成されている。
第２ギヤ４８は、第２スロットル弁７の弁軸４９に固定されている。第２ギヤ４８は、円板状を呈し、弁軸４９に対して同心状に配置されている。第２ギヤ４８の外周には、第１ギヤ４２のギヤ部４６の歯と噛み合う複数の歯が全周に形成されている。
ハウジング５０は、第１ギヤ４２及び第１ギヤ４２と噛み合う第２ギヤ４８が収容されるものである。
閉じ側ストッパ片部５１は、第２スロットル弁７が所定の全閉位置になったときに、閉じ側ストッパ部４７が突き当てられる位置に形成されている。
閉じ側ストッパ片部５１は、ハウジング５０と一体であり、閉じ側ストッパ部４７が突き当てられると、第１ギヤ４２がそれ以上閉方向に回転しないように、第１ギヤ４２の回転を規制する。すなわち、ストッパ機構４１は、閉じ側ストッパ部４７が閉じ側ストッパ片部５１に突き当てられると、第２スロットル弁７を閉弁させる方向への第１ギヤ４２の回転を停止させる。つまり、閉じ側ストッパ部４７が閉じ側ストッパ片部５１に突き当てられると、第２ギヤ４８の回転も停止し、第２ギヤ４８と一体に回転する第２スロットル弁７の弁軸４９の回転も停止する。
上述した実施例においては、第２スロットル弁７を制御することで、第２スロットル弁７の下流側の負圧を制御可能である。従って、吸気通路２と排気通路３との間の差圧が小さい運転領域、例えば低負荷低回転数域においてもＥＧＲガスを吸気通路２に導入可能としている。
しかしながら、吸気通路２と排気通路３との間に十分な差圧が生じる運転領域、例えば高負荷高回転数域においては、故障等による誤作動で第２スロットル弁７の弁開度が目標弁開度に対して閉じ側の開度になっていると負圧が急激に発達することになる。そのため、ターボ過給機１４の過回転や第２スロットル弁７の下流側に位置してオイルをシールしている箇所（例えば、ターボ過給機１４の潤滑シール部品等のオイルシール部）からのオイル漏れが発生する可能性がある。
そこで、本実施例では、第２スロットル弁７の弁開度が第２スロットル弁７の目標弁開度に対して閉じ側の開度になっている場合、第１スロットル弁６の弁開度を第１スロットル弁の目標弁開度よりも閉じ側の開度に制御する第１スロットル弁開度補正を実施する。
これにより、第２スロットル弁７の故障等による誤作動時に第２スロットル弁７の下流側の負圧が過度に発達してしまうことを抑制することができる。
そのため、第２スロットル弁７の下流側に位置するターボ過給機１４（コンプレッサ１２）の過回転を抑制できるとともに、第２スロットル弁７の下流側に位置してオイルをシールしている箇所からのオイル漏れを抑制することができる。
第２スロットル弁７の弁開度が目標弁開度よりも閉じ側の開度になっている場合、第１スロットル弁６の通路開口面積が第２スロットル弁７の通路開口面積よりも大きいと、負圧が発達することになる。
そこで、上記第１スロットル弁開度補正を実施する際は、第１スロットル弁６の通路開口面積が、第２スロットル弁７の通路開口面積よりも小さくなるよう制御する。
これにより、負圧の発達が抑制され、第２スロットル弁７の故障等による誤作動時における機能信頼性が改善し、安全かつ確実なフェイルセーフを実現できる。
さらに、上記第１スロットル弁開度補正を実施する際は、ＥＧＲ弁２３を閉弁し、ＥＧＲを中止する。
これにより、ＥＧＲガスが吸気通路２に過度に流れ込むことによって発生するエンジンストール（エンスト）を回避することができる。
また、上述した実施例において、ストッパ機構４１により規制される第２スロットル弁７の所定の全閉位置は、例えば、図３における開度Ｄ２〜開度Ｄ３の範囲Ｒに設定される。
図３中に実線で示す特性線Ｃは、運転領域が高負荷高回転数域にあるときの第１スロットル弁６の弁開度に対する第２スロットル弁７の弁開度と、コンプレッサ１２出口の吸気圧力との相関を示している。図３中の破線Ｌは、第２スロットル弁７の下流側に位置してオイルをシールしている箇所（例えば、ターボ過給機１４の潤滑シール部品等のオイルシール部）からのオイル漏れが発生する可能性がある圧力Ｐを示している。この圧力Ｐよりもコンプレッサ１２出口の吸気圧力が小さい、つまり圧力Ｐよりも負圧が発達すると、負圧の影響によりオイル漏れが発生する。すなわち、上記圧力Ｐは、第２スロットル弁７の下流側に位置してオイルをシールしている箇所の負圧限界値である。
開度Ｄ１は、エンジンストールを起こす第２スロットル弁７の弁開度である。第２スロットル弁７の弁開度がＤ１以下になると空気量不足によりエンジンストールが発生する。
開度Ｄ２は、特性線Ｃと破線Ｌが交わる弁開度である。
開度Ｄ３は、ストッパ機構４１のばらつきを考慮した開度Ｄ２よりも所定量大きい弁開度である。
このように、ストッパ機構４１により第２スロットル弁７の全閉位置を設定することで、第２スロットル弁７に故障等による誤作動が生じたとしても、空気量不足によるエンジンストールや、過度な負圧の発達による第２スロットル弁７下流側におけるオイル漏れを確実に回避することができる。
また、第１スロットル弁６の全閉位置における通路開口面積は、第２スロットル弁７の全閉位置における通路開口面積よりも小さくなるよう設定されている。
これにより、仮に第２スロットル弁７の弁開度が故障等による誤作動により全閉位置になったとしても、第１スロットル弁６の弁開度を小さくすれば、第１スロットル弁６の通路開口面積を第２スロットル弁７の通路開口面積よりも小さくすることができる。そのため、このことによっても、負圧の発達が抑制され、第２スロットル弁７の故障等による誤作動時における機能信頼性が改善し、安全かつ確実なフェイルセーフを実現できる。
また、第１スロットル弁６の故障時には、車両が走行に必要とする最低限の空気が供給されるように第１スロットル弁６の開度が制限（制御）される。このとき、第２スロットル弁７の通路開口面積が第１スロットル弁６の通路開口面積よりも大きくなるよう第２スロットル弁７を制御すれば、確実にエンジンストールを防止することができる。
図４は、本実施例における内燃機関１の制御の流れの一例を示すフローチャートである。
ステップＳ１では、第２スロットル弁７の実際の弁開度Ｒ＿ＡＤＭが、第２スロットル弁７の目標弁開度Ｔ＿ＡＤＭより非常に小さいか否かを判定する。実際の弁開度Ｒ＿ＡＤＭが目標弁開度Ｔ＿ＡＤＭより非常に小さい場合には、ステップＳ２へ進み、そうでない場合はステップＳ７へ進む。換言すると、第２スロットル弁７の実際の弁開度Ｒ＿ＡＤＭが第２スロットル弁７の目標弁開度Ｔ＿ＡＤＭに対して所定のばらつきの範囲外となるほど小さい場合には、ステップＳ２へ進み、そうでない場合はステップＳ７へ進む。第２スロットル弁７の実際の弁開度Ｒ＿ＡＤＭは、第２スロットル開度センサ３４により検出可能であるが、第２圧力センサ３６の検出信号（検出値）を用いて算出することも可能である。
ステップＳ２では、第１スロットル弁６の目標弁開度Ｔ＿ＴＨＣが第２スロットル弁７の実際の弁開度Ｒ＿ＡＤＭよりも小さくなるように制御する。換言すれば、第１スロットル弁６の通路開口面積が第２スロットル弁７の通路開口面積よりも小さくなるよう制御する。
ステップＳ３では、第１スロットル弁６の目標弁開度Ｔ＿ＴＨＣが第２スロットル弁７の実際の弁開度Ｒ＿ＡＤＭよりも大きいか否かを判定する。第１スロットル弁６の目標弁開度Ｔ＿ＴＨＣが第２スロットル弁７の実際の弁開度Ｒ＿ＡＤＭよりも大きい場合はステップＳ４へ進み、そうでない場合はステップＳ９へ進む。
ステップＳ４では、車両が自力で待避走行し得る程度の出力を残して内燃機関１の出力制限を行うリンプホーム処置を実施する。すなわち、第１スロットル弁６の弁開度を車両が自力で走行できる程度の出力が得られる程度の開度に制限する。
ステップＳ５では、ＥＧＲを実施不可とする。これは、第２スロットル弁７に故障等による誤作動が生じている場合には、ＥＧＲを制御できないからである。
ステップＳ６では、警告灯（ＭＩＬ）を点灯する。警告灯は、運転席から視認できる位置、例えば運転席のインストルメントパネル等に設けられ、第２スロットル弁７に異常があることを運転者に感知させる。
ステップＳ７では、第２スロットル弁７の実際の弁開度Ｒ＿ＡＤＭが、第２スロットル弁７の目標弁開度Ｔ＿ＡＤＭよりも小さい、または大きいか否かを判定する。第２スロットル弁７の実際の弁開度Ｒ＿ＡＤＭが、第２スロットル弁７の目標弁開度Ｔ＿ＡＤＭからずれている場合には、ステップＳ８へ進み、そうでない場合には、ステップＳ１０へ進む。
ステップＳ８では、第２スロットル弁７が故障していると判定する。
ステップＳ９では、第２スロットル弁７に対して弁開度が全開となるよう指示（制御）する。ステップＳ９からはステップＳ５へ進む。
ステップＳ１０では、第２スロットル弁７が正常であると判定する。
ステップＳ１１では、ＥＧＲを実施可能とする。
なお、上述した実施例においては、第１ギヤ４２もしくは第２ギヤ４８に、リターンスプリング（図示せず）等の弾性部材によって、第２スロットル弁７の弁開度を開弁方向に動かす力を常時作用させるようにしてもよい。
第２スロットル弁７が上述した弾性部材によって開弁方向に常時付勢されているような場合、第２スロットル弁７の弁開度の初期設定（デフォルト）が全開となる。つまり、この場合、第２スロットル弁７に制御信号を出さない状態における第２スロットル弁７の弁開度は全開となる。
そのため、第２スロットル弁７は、弁開度の初期設定（デフォルト）が全開であれば、内燃機関１が高回転または高負荷等により排気圧が十分に高い場合や、ＥＧＲを実施しない場合には、その弁開度が目標値となるように制御信号による制御をしなくても、その弁開度は全開となる。
従って、例えば、第２スロットル弁７の弁開度の初期設定（デフォルト）が全開となるような場合、第２スロットル弁７の弁開度が予め設定した設定弁開度よりも閉じ側であるか否かを判断し、第２スロットル弁７の弁開度が上記設定弁開度よりも閉じ側の開度であると判断した場合には、第１スロットル弁６の弁開度を目標弁開度よりも閉じ側の開度に補正すればよい。ここで、上記設定弁開度は、第２スロットル弁７の目標弁開度と、第２スロットル弁７の初期設定（デフォルト）の弁開度と、を含む概念である。
また、吸気通路２には、コンプレッサ１２をバイパスするようにバイパス通路（図示せず）を設け、当該バイパス通路３７に過給空気のリサーキュレーションを行うリサーキュレーション弁（図示せず）を設けるようにしてもよい。
上述した実施例は、内燃機関１の制御方法及び内燃機関１の制御装置に関するものである。

Claims (6)

  1. 吸入空気量を制御する第１スロットル弁の上流側に位置する過給機と、
    上記過給機の上流側に位置し、当該過給機の上流側の吸気圧力を制御する第２スロットル弁と、
    上記過給機と上記第２スロットル弁との間に排気ガスの一部を還流するＥＧＲ通路と、
    上記ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガス流量を調整するＥＧＲ弁と、を有した内燃機関の制御方法において、
    負荷に応じて上記第１スロットル弁の目標弁開度を設定し、
    上記第２スロットル弁の弁開度を検出し、
    上記第２スロットル弁の弁開度が予め設定した設定弁開度よりも閉じ側の開度であるかを判断し、
    上記第２スロットル弁の弁開度が上記設定弁開度よりも閉じ側の開度であると判断した場合には、上記第１スロットル弁の弁開度を目標弁開度よりも閉じ側の開度に補正し、
    上記第１スロットル弁の弁開度を目標弁開度よりも閉じ側の開度に補正する際は、上記第１スロットル弁の通路開口面積が、上記第２スロットル弁の通路開口面積よりも小さくなるよう制御する内燃機関の制御方法。
  2. 上記第２スロットル弁の全閉位置よりも閉方向への動きを規制するストッパ機構を有し、
    上記第１スロットル弁の全閉位置における通路開口面積は、上記第２スロットル弁の全閉位置における通路開口面積よりも小さくなるよう設定されている請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
  3. 上記第２スロットル弁は、全閉位置における通路開口面積が、当該第２スロットル弁よりも下流側に位置するオイルシール部の負圧限界を超えないように設定されている請求項１または２に記載の内燃機関の制御方法。
  4. 上記第１スロットル弁の故障時には、上記第２スロットル弁の通路開口面積が、上記第１スロットル弁の通路開口面積よりも大きくなるよう制御する請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
  5. 上記第１スロットル弁の弁開度を目標弁開度よりも閉じ側の開度に補正する際は、上記ＥＧＲ弁を閉弁し、ＥＧＲを中止する請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
  6. 負荷に応じて内燃機関の吸入空気量を制御する第１スロットル弁と、
    上記第１スロットル弁の上流側に位置する過給機と、
    上記過給機の上流側に位置する第２スロットル弁と、
    上記過給機と上記第２スロットル弁との間に排気ガスの一部を還流するＥＧＲ通路と、
    上記ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガス流量を調整するＥＧＲ弁と、
    上記第２スロットル弁の弁開度を検出する第２スロットル弁開度検出部と、
    上記第２スロットル弁の弁開度が予め設定した設定弁開度よりも閉じ側の開度であると判断した場合には、上記第１スロットル弁の弁開度を負荷に応じて定めた弁開度よりも閉じ側の開度に制御する制御部と、を有し、
    上記第１スロットル弁の弁開度を目標弁開度よりも閉じ側の開度に補正する際は、上記第１スロットル弁の通路開口面積が、上記第２スロットル弁の通路開口面積よりも小さくなるよう制御する内燃機関の制御装置。
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