JP6750221B2

JP6750221B2 - エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP6750221B2
Application number: JP2015253644A
Authority: JP
Inventors: 幸司秦
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2015-12-25
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2035-12-25
Also published as: JP2017115764A

Description

電動機で吸気を過給する電動式過給機と、排気ガスのエネルギをタービンで回収して吸気を過給する機械式過給機を備えるエンジンの制御装置に関する。

排気ガスのエネルギを利用して、燃焼室に導入される吸気を過給する機械式過給機を備えたエンジンが広く採用されている。

この種の機械式過給機はターボチャージャとも呼ばれ、エンジンの吸気通路の途中にコンプレッサを配置し、排気通路の途中にタービンを配置し、排気通路を流れる排気ガスでタービンを回転させることによりコンプレッサを作動させ、燃焼室への吸入空気量を増大させて、エンジンのトルクの向上を図っている。

また、近年は、排気ガスのエネルギを利用した過給機以外にも、コンプレッサを電動機で駆動するようにした電動式過給機が種々提案されている。電動式過給機は、エンジンの運転状態によらず、電力を供給することで任意に過給が出来るという利点がある（例えば、特許文献１参照）。

また、排気ガスのエネルギを利用する機械式過給機は、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ウェイストゲートバルブが採用される。タービンを通過する排気ガスの量をウェイストゲートバルブで調整することで、吸気の過給圧を制御することができる。

従来のウェイストゲートバルブは、過給圧を動力源とした空圧式アクチュエータにより制御されていたが、近年は、電動機で開閉制御するようにした電制式ウェイストゲートバルブも採用されている。ウェイストゲートバルブを電制式とすることで、過給圧が低い場合でも駆動でき、より緻密な制御が可能となっている。

特開２００５−１６３６７４号公報

ところで、エンジンが温態時である場合、例えば、アイドリングストップ等でエンジンが停止した際に、いずれかの気筒が、吸気バルブと排気バルブとが同時に開いているバルブオーバーラップ期間に該当する。バルブオーバーラップ期間中の気筒は、吸気バルブと排気バルブとが同時に開いているので、排気ガスが吸気通路側へ逆流し、その状態でエンジンの再始動を行うと、燃焼に必要な吸気中の酸素が不足する場合がある。このため、逆流した排気ガスを除去し、温態時の始動性を常に高く保ちたいという要請がある。

そこで、この発明の課題は、逆流した排気ガスがエンジン始動性に与える影響が大きいエンジンの温態時において、エンジンの始動性を高めることである。

上記の課題を解決するために、この発明は、吸気通路に配置され燃焼室へ導入される吸気を過給する機械式コンプレッサと排気通路に配置される排気タービンとを備えた機械式過給機と、前記排気通路における前記排気タービンの上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路を開閉する排気バイパスバルブと、前記吸気通路に配置され燃焼室への吸気を過給する電動式コンプレッサを備えた電動式過給機とを備え、エンジンの始動時に、エンジンが温態時である場合は前記排気バイパスバルブを開状態とし、エンジンが冷態時である場合は前記排気バイパスバルブを閉状態とするエンジンの制御装置を採用した。

ここで、エンジンの始動時に、エンジンが温態時である場合は前記電動式過給機を駆動することが望ましい。

前記吸気通路の前記燃焼室への開口を開閉する吸気バルブと、前記排気通路の前記燃焼室への開口を開閉する排気バルブと、を備え、前記吸気バルブと前記排気バルブはその両方が開放された状態であるバルブオーバーラップ期間が設定されている場合に、始動性向上の効果が特に高い。

エンジンが温態時である場合における前記電動式過給機の駆動はエンジンの始動が完了するまで行われることが望ましい。

また、エンジンが温態時である場合における前記排気バイパスバルブの開状態はエンジンの始動が完了するまで維持される構成を採用することができる。

この発明によれば、温態時におけるエンジンの始動時に、排気通路の機械式過給機のタービンを回避する排気バイパス通路の排気バイパスバルブを開状態としたので、排気通路から吸気通路へ逆流する排気ガスを効率的に排気通路へ排出し、エンジンの始動性を高めることができる。

この発明の実施形態を示すエンジンの制御装置の模式図である。この発明のエンジンの始動時を示すグラフ図である。この発明のエンジンの制御を示すフローチャートである。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、この実施形態のエンジンの制御装置Ｅを概念的に示す模式図である。

この実施形態のエンジン１は自動車用４サイクルガソリンエンジンである。エンジン１の構成は、図１に示すように、内部に燃焼室を有する気筒２内に吸気を送り込む吸気ポート３、その吸気ポート３に通じる吸気通路４、排気ポート１３から引き出された排気通路１４、吸気ポート３又は燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置等を備えている。吸気ポート３及び排気ポート１３は、それぞれバルブによって開閉される。

この実施形態では４つの気筒を備えた４気筒エンジンを想定しているが、気筒の数に関わらずこの発明を適用可能である。

燃焼室へ通じる吸気通路４には、燃焼室への接続部である吸気ポート３から上流側に向かって、吸気ポート３への流路面積を調節するスロットルバルブ５、吸気通路４を流れる吸気を冷却する吸気冷却装置（インタークーラ）６、機械式過給機（ターボチャージャ）１０の機械式コンプレッサ１１が、さらに上流側の吸気通路４には、流路面積を調節する第二スロットルバルブ７、エアクリーナ（図示せず）等が設けられる。

排気通路１４には、燃焼室への接続部である排気ポート１３から下流側に向かって、機械式過給機１０のタービン１２、排気中の未燃炭化水素（ＨＣ）等を除去する触媒等を備えた排気浄化部１５、消音器１６等が設けられる。

機械式過給機１０は、図１に示すように、吸気通路４に配置され燃焼室へ導入される吸気を過給する機械式コンプレッサ１１と、排気通路１４に配置される排気タービン１２とで構成される。排気通路１４を流れる排気ガスによって排気タービン１２が回転すると、その回転が吸気通路４の機械式コンプレッサ１１に伝達される。機械式コンプレッサ１１の回転によって、吸気通路４内を流れる吸気に過給が行われる。

また、排気通路１４における排気タービン１２の上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路４１と、その排気バイパス通路４１を開閉する排気バイパスバルブ４２とを備えた排気バイパス装置４０、いわゆるウェイストゲートバルブ装置が設けられている。排気バイパスバルブ４２を開放すれば、排気タービン１２側に流れている排気ガスの一部が排気バイパス通路４１側に分流され、排気タービン１２に加わる排気エネルギが低減される。

この実施形態では、排気バイパスバルブ４２は電動機で開閉制御される電制式ウェイストゲートバルブとなっている。

さらに、吸気通路４の途中には、電動式過給機３０が配置されている。電動式過給機３０は、吸気通路４に配置され燃焼室への吸気を過給する電動式コンプレッサ３２を備える。電力を供給することにより電動式コンプレッサ３２を駆動すると、吸気通路４内を流れる吸気に過給が行われる。

また、吸気通路４には、電動式コンプレッサ３２の上流側と下流側とを接続する吸気バイパス通路３３と、その吸気バイパス通路３３を開閉する吸気バイパスバルブ３４が設けられている。

排気バイパスバルブ４２や吸気バイパスバルブ３４、電動式コンプレッサ３２等の駆動電力は、バッテリ６０から供給されるようになっている。ここでは、排気バイパスバルブ４２や吸気バイパスバルブ３４、電動式コンプレッサ３２等に電力を供給するバッテリ６０を、エンジン１の他の部分やこのエンジン１を搭載する車両全般に電力を供給するバッテリと共通としている。ただし、排気バイパスバルブ４２や電動式コンプレッサ３２の駆動電力を供給するバッテリは、エンジン１や車両全体に電力を供給するバッテリとは別に設けることもできる。

排気通路１４の排気タービン１２の下流側と、吸気通路１１の機械式コンプレッサ１１と第二スロットルバルブ７との中途部分は、排気ガス再循環装置２０を構成する排気還流通路２１によって連通している。排気還流通路２１を介して、燃焼室から排出される排気ガスの一部が、還流ガスとして吸気通路４の機械式コンプレッサ１１及び電動式コンプレッサ３２の上流側に還流する。この排気還流通路２１には排気還流バルブ２２が設けられている。排気還流バルブ２２の開閉と第二スロットルバルブ７の開閉に伴う吸気通路４内の圧力状態に応じて、還流ガスが吸気通路４内の吸気に合流する。

このエンジン１を搭載する車両は、エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）５０を備える。

電子制御ユニット５０は、吸気ポート３又は燃焼室内に設けた燃料噴射装置（図示せず）による燃料噴射や、過給圧の制御、スロットルバルブ５や第二スロットルバルブ７の開度の制御、排気ガス再循環装置２０の制御、その他、エンジンの制御に必要な指令を行う。

また、電子制御ユニット５０は、機械式過給機１０を制御する機械式過給機制御手段５１、電動式過給機３０を制御する電動式過給機制御手段５２、吸気バイパスバルブ３４を制御する吸気バイパス装置制御手段５３、排気バイパス装置４０の排気バイパスバルブ４２を制御する排気バイパス装置制御手段５４を備える。

また、図１に示すように、吸気通路４には、燃料タンクで発生した蒸発燃料をキャニスタ等において一時的に蓄え、それをスロットルバルブ５の下流側に導入するパージ装置ａが設けられている。また、エンジン１の内部に漏出した未燃焼ガスを主成分とするブローバイガスを、吸気ポート３に還流させるブローバイガス還流装置ｂ、第二スロットルバルブ７の上流側に開口してクランクケース内の圧力を逃がすためのブリーザ装置ｅ等が設けられている。これらの装置も、電子制御ユニット５０が制御する。

さらに、吸気通路４には、エンジン１の制御に必要な情報を取得するセンサ装置として、スロットルバルブ５の下流側の圧力センサｃ、スロットルバルブ５の上流側の圧力センサｄ、吸気通路４内を流れる空気の量を検出するエアーフローセンサｆ等が設けられている。

排気通路１４には、エンジン１の制御に必要な情報を取得するセンサ装置として、排気ガスの温度を検出する排気温度センサｇが設けられている。

また、エンジン１には、シリンダブロック等を冷却する冷却水の温度を検出する水温センサｉ、エンジン１のクランクシャフトの回転速度を検出する回転速度センサｊが設けられ、また、エンジン１を搭載する車両には、アクセルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサｋ等が設けられている。

これらの各種センサ類の情報は、ケーブルを通じて電子制御ユニット５０が取得できるようになっている。

以下、このエンジン１の始動時における制御を、図３のフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップＳ１において、運転者がイグニッションのスタータスイッチでエンジン１の始動要求を行う。

スタータスイッチのＯＮ動作の信号を受けて、ステップＳ２において、アクセル開度センサｋによって検出されるアクセル開度や、水温センサｉによって検出される冷却水の水温等が、電子制御ユニット５０に読み込まれる。

ステップＳ３において、エンジン１が温態時であると判断される場合、すなわち、冷却水の水温が基準値となる所定水温（例えば、６０℃）以上である場合、ステップＳ４へ移行し、排気バイパス装置４０の排気バイパスバルブ４２を開状態とする制御が行われる。温態時のエンジン１の始動としては、例えば、アイドリングストップからの再始動の状況や、車両を停車させエンジン停止した後、すぐに再始動して発進する場合等が考えられる。

また、始動時に、エンジン１が冷態時であると判断される場合、すなわち、冷却水の水温が基準値となる所定水温（例えば、６０℃）未満である場合、ステップＳ５へ移行し、排気バイパス装置４０の排気バイパスバルブ４２を閉状態とする制御が行われる。

つづいて、ステップＳ６では、電動式過給機３０の電動式コンプレッサ３２の駆動が行われ、燃焼室内に過給状態の吸気が導入される。

ステップＳ７では、スタータスイッチのＯＮ動作の信号を受けて、エンジン１に備えられるスタータが電力により駆動される。スタータが駆動すると、エンジン１のクランクシャフトの回転速度が回転速度センサｊによって検出される。クランクシャフトの回転速度は、電子制御ユニット５０に読み込まれる。

また、このエンジン１の制御では、吸気通路４の燃焼室への開口を開閉する吸気バルブと、排気通路１４の燃焼室への開口を開閉する排気バルブの両方が開放された状態であるバルブオーバーラップ期間が設定されている。

逆流した排気ガスがエンジン始動性に与える影響が大きいエンジンの温態時に排気バイパスバルブ４２を開状態とすることで、排気ポート１３の圧力上昇を抑制するので、始動の際、エンジン停止時バルブオーバーラップ期間に該当するいずれかの気筒２で、排気通路１４から燃焼室内あるいは吸気通路４側へ逆流した排気ガスを、排気通路１４へ向かって速やかに排出できる。このため、燃料室内に吸気が円滑に導入され、エンジン１の始動性が向上する。このとき、併せて電動式過給機３０を駆動することにより、燃焼室内あるいは吸気通路４側へ逆流した排気ガスを、排気通路１４へ向かってさらに速やかに排出できる。このため、温態時における始動性を向上させることができる。

一方、クランキング速度低下による充填効率低下がエンジン始動性に与える影響が大きいエンジンの冷態時に排気バイパスバルブ４２を閉状態とすることで、排気ポート１３の圧力上昇を促進するので、始動の際、バルブオーバーラップ期間に該当するいずれかの気筒２で、吸気ポート３から燃焼室内に導入された吸気が、そのまま排気ポート１３へ流出してしまういわゆる吹き抜け現象を抑制することができ、吸気通路４から燃焼室内に充分な吸気を充填できる。このため、エンジン１の始動性が向上する。このとき、併せて電動式過給機３０を駆動することにより、燃焼室内への吸気の充填をさらに高めることができる。このため、冷態時における始動性を向上させることができる。

ここで、エンジン１の始動時における電動式過給機３０の駆動は、温態時、冷態時ともに、少なくともエンジンの始動が完了するまで行われることが望ましい。この実施形態では、エンジンの始動が完了した時点でスタータを停止させ、同時に電動式過給機３０の駆動を停止し、消費電力量の低減を図っている（ステップＳ８、ステップＳ９、ステップＳ１０参照）。

エンジン１の始動が完了したかどうかの判別は、エンジン１のクランクシャフトの回転速度の変動に基づいて、電子制御ユニット５０が備える始動判定手段５５が行うことができる。図２の符号ｐ１に示すように、スタータの駆動によるクランキング時に、クランクシャフトの回転速度が完爆回転速度に至った場合に、始動の完了（完爆）が判定される。

図２における期間ｔ１は、この実施形態の温態時におけるイグニッションのスタータスイッチがＯＮ操作から始動の完了までの間に行う、電動式過給機３０の駆動及び排気バイパスバルブ４２の開状態の維持の期間を示している。

ただし、この温態時の制御の変形例として、電動式過給機３０の駆動及び排気バイパスバルブ４２の開状態の維持の期間を、例えば、符号ｔ１の期間だけでなく、符号ｔ１とｔ２とを合わせた期間に設定してもよい。期間ｔ２は、始動時における回転速度のオーバーシュートが終了する時点まで設定されている。

なお、温態時の始動時における排気バイパスバルブ４２の開状態は、少なくともエンジンの始動が完了するまで維持されるが、排気バイパスバルブ４２が閉じている場合は開状態になるように制御される（ステップＳ１１、ステップＳ１２参照）。排気バイパスバルブ４２はエンジンの始動が完了（ステップＳ１３参照）した後は、通常の運転制御により開状態と閉状態とが選択される。

また、図２における期間ｔ１は、冷態時におけるイグニッションのスタータスイッチがＯＮ操作から始動の完了までの間に行う、電動式過給機３０の駆動及び排気バイパスバルブ４２の閉状態の維持の期間とすることもできる。

ただし、冷態時の制御の変形例として、電動式過給機３０の駆動及び排気バイパスバルブ４２の閉状態の維持の期間を、例えば、符号ｔ１の期間だけでなく、符号ｔ１とｔ２とを合わせた期間に設定してもよい。期間ｔ２は、始動時における回転速度のオーバーシュートが終了する時点まで設定されている。

冷態時の始動時における排気バイパスバルブ４２の閉状態は、少なくともエンジンの始動が完了するまで維持されるが、排気バイパスバルブ４２はエンジンの始動が完了した後は、開状態とされる。排気バイパスバルブ４２の閉状態から開状態への切り替えは、電動式過給機３０の駆動の停止と同時に又は駆動の停止後とすることができる。エンジンの始動が完了した後は、排気バイパスバルブ４２を開放して排気ポート圧力を下げることで、排気ポンプロスや残留燃焼ガスを早期に低減することができる。

このとき、排気バイパスバルブ４２の開状態への設定は、エンジン１の回転が安定し排気浄化部１５の昇温制御を開始する図２の期間ｔ４としてもよいし、それ以前のオーバーシュート直後の期間ｔ３を含むｔ３とｔ４とを併せた期間としてもよい。また、電動式過給機３０の駆動が期間ｔ１で終了している場合は、排気バイパスバルブ４２の開状態を、期間ｔ２、ｔ３とｔ４とを併せた期間としてもよい。

この実施形態では、排気バイパス装置４０、すなわち、ウェイストゲートバルブ装置を電制式とすることで、過給圧が低い場合でも駆動でき、より緻密な制御を可能としているが、ウェイストゲートバルブ装置は、空圧式アクチュエータにより制御してもよいが、ウェイストゲートバルブ作動が圧力発生後となるため、効果は減少する。このとき、バキュームポンプを用いた負圧式とすることが望ましい。

この実施形態では、エンジン１が温態時であるか冷態時であるかどうかを判断するために、エンジン１のシリンダブロック等を冷却する冷却水の温度を用いたが、これに代えて、例えば、エンジン１の潤滑油の温度や、エンジン１のシリンダブロック等を構成する部材の温度を用いてもよい。

この実施形態のエンジン１は自動車用４サイクルガソリンエンジンとしたが、この実施形態には限定されず、他の形式のガソリンエンジンの他、ディーゼルエンジンでもこの発明を適用できる。

１エンジン
２気筒
３吸気ポート
４吸気通路
５スロットルバルブ
６吸気冷却装置（インタークーラ）
７第二スロットルバルブ
１０機械式過給機
１１機械式コンプレッサ
１２排気タービン
１３排気ポート
１４排気通路
１５排気浄化部
１６消音器
２０排気還流装置
２１低圧排気還流通路
２２排気還流バルブ
３０電動式過給機
３２電動式コンプレッサ
３３吸気バイパス通路
３４吸気バイパスバルブ
４０排気バイパス装置
４１排気バイパス通路
４２排気バイパスバルブ
５０電子制御ユニット
５１機械式過給機制御手段
５２電動式過給機制御手段
５３吸気バイパス装置制御手段
５４排気バイパス装置制御手段
５５始動判定手段

Claims

吸気通路に配置され燃焼室へ導入される吸気を過給する機械式コンプレッサと排気通路に配置される排気タービンとを備えた機械式過給機と、
前記排気通路における前記排気タービンの上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路を開閉する排気バイパスバルブと、
前記吸気通路に配置され燃焼室への吸気を過給する電動式コンプレッサを備えた電動式過給機と、
を備え、
エンジンの始動時に、エンジンが温態時である場合は前記排気バイパスバルブを開状態として前記電動式過給機を駆動し、エンジンが冷態時である場合は前記排気バイパスバルブを閉状態とするエンジンの制御装置。
前記吸気通路の前記燃焼室への開口を開閉する吸気バルブと、
前記排気通路の前記燃焼室への開口を開閉する排気バルブと、
を備え、
前記吸気バルブと前記排気バルブはその両方が開放された状態であるバルブオーバーラップ期間が設定される
請求項１に記載のエンジンの制御装置。
エンジンが温態時である場合における前記電動式過給機の駆動はエンジンの始動が完了するまで行われる
請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。
エンジンが温態時である場合における前記排気バイパスバルブの開状態はエンジンの始動が完了するまで維持される
請求項１〜３の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。