JP7238814B2 - 内燃機関装置の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関装置の制御装置に関し、詳しくは、内燃機関と、コンプレッサと調整装置とを有する過給機と、インタークーラと共に内燃機関装置に搭載され、内燃機関と調整装置とを制御する内燃機関装置の制御装置に関する。

従来、この種の内燃機関装置の制御装置としては、内燃機関と、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置と、ＥＧＲクーラと、コンプレッサを有する過給機と、インタークーラと、共に内燃機関装置に搭載されるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。ＥＧＲ装置は、内燃機関の排気を吸気管へ環流させる排気再循環を行なう。ＥＧＲクーラは、内燃機関を冷却する冷却媒体を用いてＥＧＲ装置が吸気管へ環流させる排気（ＥＧＲガス）を冷却している。この装置では、ＥＧＲクーラの冷却媒体の温度とＥＧＲガスの温度とＥＧＲガス流量とに基づいてＥＧＲクーラの冷却媒体が沸騰しないためのＥＧＲクーラの冷却媒体量を設定する。そして、ＥＧＲクーラを流れる冷却媒体量とＥＧＲクーラの冷却媒体が沸騰しないための冷却媒体量とを比較して、ＥＧＲクーラを流れる冷却媒体量が冷却媒体が沸騰しないための冷却媒体量より少ないときには、ＥＧＲクーラの冷却媒体が沸騰すると判断して、ＥＧＲガスの流量を少なくする。こうした制御により、ＥＧＲクーラを流れる冷却媒体の沸騰を抑制している。

特開２０１８－１２３７８５号公報

しかしながら、上述の内燃機関装置の制御装置では、外気温が高い状態で内燃機関が高負荷で運転されて放熱量が高くなると、インタークーラの冷却媒体の温度が過度に上昇することがある。このような冷却媒体の温度の過度な上昇を抑制するために、インタークーラの冷却媒体の温度を適正に制御することが重要な課題として認識されている。

本発明の内燃機関装置の制御方法は、インタークーラの冷却媒体の温度を適正に制御することを主目的とする。

本発明の内燃機関装置の制御装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の内燃機関装置の制御装置は、
内燃機関と、
前記内燃機関の吸気管に配置されたコンプレッサと、前記コンプレッサによる圧縮空気量を調節する調整装置と、を有する過給機と、
前記吸気管の前記コンプレッサより下流側に配置され、冷却媒体を用いて前記吸気管内の空気を冷却するインタークーラと、
共に内燃機関装置に搭載され、
前記内燃機関と前記調整装置とを制御する内燃機関装置の制御装置であって、
前記吸気管の前記インタークーラより上流側での吸気温である第１吸気温から前記吸気管の前記インタークーラより下流側での吸気温である第２吸気温を減じた温度差と、前記第１吸気温と、に基づいて、前記冷却媒体の温度を沸点未満にするための前記インタークーラの通過空気量の上限としての制限空気量を設定し、
前記通過空気量が前記制限空気量以下となるように前記調整装置を制御する、
ことを要旨とする。

この本発明の内燃機関装置の制御装置では、吸気管のインタークーラより上流側での吸気温である第１吸気温から吸気管のインタークーラより下流側での吸気温である第２吸気温を減じた温度差と、第１吸気温と、に基づいて、冷却媒体の温度を沸点未満にするためのインタークーラの通過空気量の上限としての制限空気量を設定し、通過空気量が制限空気量以下となるように調整装置を制御する。これにより、インタークーラの通過空気量が制限空気量を超え、インタークーラの冷却媒体の温度が沸点に至るまで過度に上昇することを抑制できる。この結果、インタークーラの冷却媒体の温度を適正に制御できる。

本発明の一実施例としての内燃機関装置１０の構成の概略を示す構成図である。 冷却装置６０の構成の概略を示す構成図である。 電子制御ユニット７０の入出力信号の一例を示す説明図である。 電子制御ユニット７０により実行される過給制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 制限空気量設定マップの一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての制御装置を搭載した内燃機関装置１０の構成の概略を示す構成図である。図２は、冷却装置６０の構成の概略を示す構成図である。図３は、電子制御ユニット７０の入出力信号の一例を示す説明図である。実施例の内燃機関装置１０は、一般的な自動車や各種のハイブリッド自動車に搭載され、図１～図３に示すように、エンジン１２と、過給機４０と、インタークーラ２５と、冷却装置６０と、電子制御ユニット７０とを備える。

エンジン１２は、燃料タンク１１から図示しないフィードポンプや燃料通路を介して供給されるガソリンや軽油などの燃料を用いて動力を出力する内燃機関として構成されている。このエンジン１２は、エアクリーナ２２により清浄された空気を吸気管２３に吸入してインタークーラ２５、スロットルバルブ２６、サージタンク２７の順に通過させると共に吸気管２３のサージタンク２７よりも下流側で燃料噴射弁２８から燃料を噴射し、空気と燃料とを混合する。そして、この混合気を吸気バルブ２９を介して燃焼室３０に吸入し、点火プラグ３１による電気火花によって爆発燃焼させる。そして、爆発燃焼によるエネルギにより押し下げられるピストン３２の往復運動をクランクシャフト１４の回転運動に変換する。燃焼室３０から排気バルブ３４を介して排気管３５に排出される排気は、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）の有害成分を浄化する触媒（三元触媒）を有する浄化装置３７，３８を介して外気に排出される。

過給機４０は、ターボチャージャとして構成されており、コンプレッサ４１と、タービン４２と、回転軸４３と、ウェイストゲートバルブ４４と、エアバイパスバルブ４５とを備える。コンプレッサ４１は、吸気管２３のインタークーラ２５よりも上流側に配置されている。タービン４２は、排気管３５の浄化装置３７よりも上流側に配置されている。回転軸４３は、コンプレッサ４１とタービン４２とを連結する。ウェイストゲートバルブ４４は、排気管３５におけるタービン４２よりも上流側と下流側とを連絡するバイパス管３６に設けられており、電子制御ユニット７０により制御される。エアバイパスバルブ４５は、吸気管２３におけるコンプレッサ４１よりも上流側と下流側とを連絡するバイパス管２４に設けられており、電子制御ユニット７０により制御される。

この過給機４０では、ウェイストゲートバルブ４４の開度の調節により、バイパス管３６を流通する排気量とタービン４２を流通する排気量との分配比が調節され、タービン４２の回転駆動力が調節され、コンプレッサ４１による圧縮空気量が調節され、エンジン１２の過給圧（吸気圧）が調節される。ここで、分配比は、詳細には、ウェイストゲートバルブ４４の開度が小さいほど、バイパス管３６を流通する排気量が少なくなると共にタービン４２を流通する排気量が多くなるように調節される。なお、エンジン１２は、ウェイストゲートバルブ４４が全開のときには、過給機４０を備えない自然吸気タイプのエンジンと同様に動作可能になっている。

また、過給機４０では、吸気管２３におけるコンプレッサ４１よりも下流側の圧力が上流側の圧力よりもある程度高いときに、エアバイパスバルブ４５を開弁させることにより、コンプレッサ４１よりも下流側の余剰圧力を解放することができる。なお、エアバイパスバルブ４５は、電子制御ユニット７０により制御されるバルブに代えて、吸気管２３におけるコンプレッサ４１よりも下流側の圧力が上流側の圧力よりもある程度高くなると開弁する逆止弁として構成されるものとしてもよい。

インタークーラ２５は、吸気管２３のコンプレッサ４１よりも下流側に配置されている。インタークーラ２５には、冷却装置６０からの冷却媒体（例えば、ロングライフクーラント（ＬＬＣ）など）が循環している。インタークーラ２５は、吸気管２３内の空気（吸気）と冷却装置６０からの冷却媒体を熱交換させて、吸気管２３内の空気（吸気）を冷却している。

冷却装置６０は、冷却媒体を循環させて内燃機関装置１０を冷却する。図２に示すように、冷却装置６０は、冷媒流路６２と、電動ポンプ６４と、ラジエータ６６とを備える。冷媒流路６２は、インタークーラ２５と、過給機５０とが並列に冷却媒体を循環させるように構成される。電動ポンプ６４は、電子制御ユニット７０によって制御され、冷媒流路６２に冷却媒体を圧送する。ラジエータ６６は、冷却媒体と空気との熱交換により冷却媒体を冷却する。

電子制御ユニット７０は、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵに加えて、処理プログラムを記憶するＲＯＭや、データを一時的に記憶するＲＡＭ、入出力ポート、通信ポートを備える。電子制御ユニット７０には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。

電子制御ユニット７０に入力される信号としては、例えば、エンジン１２のクランクシャフト１４の回転位置を検出するクランクポジションセンサ１４ａからのクランク角θｃｒや、エンジン１２の冷却媒体の温度を検出する図示しない水温センサからの冷却媒体の温度Ｔｗ、スロットルバルブ２６の開度を検出するスロットルポジションセンサ２６ａからのスロットル開度ＴＨを挙げることができる。吸気バルブ２９を開閉するインテークカムシャフトや排気バルブ３４を開閉するエキゾーストカムシャフトの回転位置を検出する図示しないカムポジションセンサからのカムポジションθｃａも挙げることができる。吸気管２３のコンプレッサ４１よりも上流側に取り付けられたエアフローメータ２３ａからの吸入空気量Ｑａや、吸気管２３のコンプレッサ４１よりも上流側に取り付けられた圧力センサ２３ｂからの吸気圧Ｐｉｎ、吸気管２３のコンプレッサ４１とインタークーラ２５との間に取り付けられた圧力センサ２３ｃからの過給圧Ｐｃ、吸気管２３のコンプレッサ４１よりも上流側に取り付けられた温度センサ２３ｄからの吸気温Ｔｉｎも挙げることができる。サージタンク２７に取り付けられた圧力センサ２７ａからのサージ圧Ｐｓや、サージタンク２７に取り付けられた温度センサ２７ｂからのサージ温度Ｔｓも挙げることができる。排気管３５の浄化装置３７よりも上流側に取り付けられたフロント空燃比センサ３５ａからのフロント空燃比ＡＦ１や、排気管３５の浄化装置３７と浄化装置３８との間に取り付けられたリヤ空燃比センサ３５ｂからのリヤ空燃比ＡＦ２も挙げることができる。

電子制御ユニット７０からは、各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。電子制御ユニット７０から出力される信号としては、例えば、スロットルバルブ２６への制御信号や、燃料噴射弁２８への制御信号、点火プラグ３１への制御信号を挙げることができる。ウェイストゲートバルブ４４への制御信号、エアバイパスバルブ４５への制御信号、電動ポンプ６４への制御信号も挙げることができる。

電子制御ユニット７０は、クランクポジションセンサ１４ａからのクランク角θｃｒに基づいてエンジン１２の回転数Ｎｅを演算している。また、電子制御ユニット７０は、エアフローメータ２３ａからの吸入空気量Ｑａとエンジン１２の回転数Ｎｅとに基づいて負荷率（エンジン１２の１サイクルあたりの行程容積に対する１サイクルで実際に吸入される空気の容積の割合）ＫＬを演算している。さらに、電子制御ユニット７０は、圧力センサ２３ｂからの吸気圧Ｐｉｎと圧力センサ２３ｃからの過給圧Ｐｃと温度センサ２３ｄからの吸気温Ｔｉｎとに基づいてインタークーラ２５の上流側での吸気温Ｔｉｎｃ（インタークーラ２５に流入する吸気の温度）を演算している。

こうして構成された実施例の内燃機関装置１０では、電子制御ユニット７０は、エンジン１２の要求負荷率ＫＬ＊に基づいて、スロットルバルブ２６の開度を制御する吸入空気量制御や、燃料噴射弁２８からの燃料噴射量を制御する燃料噴射制御、点火プラグ３１の点火時期を制御する点火制御、ウェイストゲートバルブ４４の開度を制御する過給制御などを行なう。過給制御については、後述する。

吸入空気量制御は、例えば、要求負荷率ＫＬ＊に基づいて目標吸入空気量Ｑａ＊を設定し、吸入空気量Ｑａが目標吸入空気量Ｑａ＊となるようにスロットルバルブ２６の目標開度ＴＨ＊を設定し、スロットル開度ＴＨが目標開度ＴＨ＊となるようにスロットルバルブ２６を制御する。

燃料噴射制御は、例えば、吸入空気量Ｑａに基づいてフロント空燃比ＡＦ１が目標空燃比ＡＦ＊（例えば、理論空燃比）となるように燃料噴射弁２８の目標燃料噴射量Ｑｆ＊を設定し、設定した目標燃料噴射量Ｑｆ＊を用いて燃料噴射弁２８を制御することにより行なわれる。

点火制御は、例えば、エンジン１２の回転数Ｎｅおよび要求負荷率ＫＬ＊に基づいて点火プラグ３１の目標点火時期Ｔｆ＊を設定し、設定した目標点火時期Ｔｆ＊を用いて点火プラグ３１を制御することにより行なわれる。

次に、こうして構成された実施例の内燃機関装置１０の動作、特に、エンジン１２の過給制御について説明する。図４は、電子制御ユニット７０により実行される過給制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、燃費向上等の観点から過給が不要ではない場合を除いて、繰り返し実行される。なお、本ルーチンを実行しているときには、吸入空気量制御では、要求負荷率ＫＬ＊に基づく目標開度ＴＨ＊に拘わらず、スロットル開度ＴＨを全開とする。

図４の過給制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０は、最初に、吸気温Ｔｉｎｃ、サージ温度Ｔｓ、要求負荷率ＫＬ＊、エンジン１２の回転数Ｎｅなどのデータを入力する（ステップＳ１００）。ここで、サージ温度Ｔｓは、温度センサ２７ｂにより検出された値が入力される。エンジン１２の回転数Ｎｅは、クランクポジションセンサ１４ａからのクランク角θｃｒに基づいて演算した値が入力される。吸気温Ｔｉｎｃは、圧力センサ２３ｂからの吸気圧Ｐｉｎと圧力センサ２３ｃからの過給圧Ｐｃと温度センサ２３ｄからの吸気温Ｔｉｎとに基づいて演算した値が入力される。

こうしてデータを入力すると、要求負荷率ＫＬ＊とエンジン１２の回転数Ｎｅに基づいて要求空気量Ｇａ＊（エンジン１２を要求負荷率ＫＬ＊で運転したときにインタークーラ２５に流入する吸気量）を設定する（ステップＳ１１０）。

続いて、吸気温Ｔｉｎｃ（インタークーラ２５の上流側での吸気温）からサージ温度Ｔｓ（インタークーラ２５の下流側での吸気温）を減じた温度差ΔＴ（＝Ｔｉｎｃ－Ｔｓ、インタークーラ２５での冷え代）と、吸気温Ｔｉｎｃと、に基づいて、インタークーラ２５を循環する冷却媒体の温度を沸点未満にするためのインタークーラ２５の通過空気量の上限としての制限空気量Ｇｍａｘを設定する（ステップＳ１２０）。制限空気量Ｇｍａｘの設定は、吸気温Ｔｉｎｃと温度差ΔＴ（＝Ｔｉｎｃ－Ｔｓ）と制限空気量Ｇｍａｘとの関係を予め制限空気量設定マップとしてＲＯＭに記憶しておき、吸気温Ｔｉｎｃと温度差ΔＴ（＝Ｔｉｎｃ－Ｔｓ）とを与えて、制限空気量設定マップから対応する制限空気量Ｇｍａｘを導出することで行なわれる。図５は、制限空気量設定マップの一例を示す説明図である。図示するように、制限空気量Ｇｍａｘは、同一の温度差ΔＴでは、吸気温Ｔｉｎｃが高いときには低いときに比して小さくなるように、即ち、吸気温Ｔｉｎｃが高くなるほど小さくなるように設定される。これは、インタークーラ２５を通過する空気量が同一である場合、吸気温Ｔｉｎｃが高いほどインタークーラ２５を循環する冷却媒体の温度が上昇しやすくなることから、吸気温Ｔｉｎｃが高いほどインタークーラ２５を通過する空気の流量の上限を低くする必要があることに基づく。

こうして要求空気量Ｇａ＊と制限空気量Ｇｍａｘとを設定すると、要求空気量Ｇａ＊と制限空気量Ｇｍａｘとのうち小さいほうの値を制御用空気量Ｇａｃに設定する（ステップＳ１３０）。これにより、制御用空気量Ｇａｃは、制限空気量Ｇｍａｘ以下に設定される。

そして、制御用空気量Ｇａｃに基づいて過給圧Ｐｃの目標値である目標過給圧Ｐｔｂ＊を設定する（ステップＳ１４０）。目標過給圧Ｐｔｂ＊の設定は、インタークーラ２５を通過する空気量（吸気量）と過給圧（吸気管２３のコンプレッサ４１とインタークーラ２５との間での吸気の圧力）との関係を予め過給圧設定用マップとしてＲＯＭに記憶しておき、吸気量として制御用空気量Ｇａｃを与えたときに過給圧設定用マップから対応する過給圧を導出して目標過給圧Ｐｔｂ＊として設定することで行なわれる。

こうして目標過給圧Ｐｔｂ＊を設定すると、過給圧Ｐｃが目標過給圧Ｐｔｂ＊となるようにウェイストゲートバルブ４４を制御して（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。ウェイストゲートバルブ４４の制御は、過給圧Ｐｃが目標過給圧Ｐｔｂ＊となるようにウェイストゲートバルブ４４の目標開度Ｏｗｖ＊を設定し、設定した目標開度Ｏｗｖ＊を用いてウェイストゲートバルブ４４を制御することにより行なわれる。即ち、インタークーラ２５を通過する空気量（吸気量）が制限空気量Ｇｍａｘ以下となるように、ウェイストゲートバルブ４４を制御することになる。したがって、インタークーラ２５を通過する空気量（吸気量）が制限空気量Ｇｍａｘを超えるのが抑制され、インタークーラ２５の冷却媒体の温度が沸点に至るまで過度に上昇することを抑制できる。よって、インタークーラ２５の冷却媒体の温度を適正に制御できる。また、インタークーラ２５には、インタークーラ２５を循環する冷却媒体の温度を検出するための温度センサが取り付けられていないが、こうした温度センサ無しでも、インタークーラ２５の冷却媒体の温度を適正に制御できる。したがって、温度センサなどの部品点数の増加を抑制できるし、温度センサを配置するスペースの確保が不要となる。

以上説明した実施例の制御装置を搭載した内燃機関装置１０では、吸気温Ｔｉｎｃ（インタークーラ２５の上流側での吸気温）とサージ温度Ｔｓ（インタークーラ２５の下流側での吸気温）との温度差ΔＴと、吸気温Ｔｉｎｃと、に基づいて、インタークーラ２５を循環する冷却媒体の温度を沸点未満にするためのインタークーラ２５の通過空気量の上限としての制限空気量Ｇｍａｘを設定し、インタークーラ２５を通過する空気量（吸気量）が制限空気量Ｇｍａｘ以下となるようにウェイストゲートバルブ４４を制御することにより、インタークーラ２５の冷却媒体の温度を適正に制御できる。

実施例の制御装置を搭載した内燃機関装置１０では、吸気温Ｔｉｎｃを、圧力センサ２３ｂからの吸気圧Ｐｉｎと圧力センサ２３ｃからの過給圧Ｐｃと温度センサ２３ｄからの吸気温Ｔｉｎとに基づいて演算している。しかしながら、吸気管２３のコンプレッサ４１とインタークーラ２５との間に温度センサを取り付け、この温度センサにより検出された値を吸気温Ｔｉｎｃとしてもよい。

実施例の制御装置を搭載した内燃機関装置１０では、図４に例示している過給制御ルーチンを実行しているときには、吸入空気量制御では、要求負荷率ＫＬ＊に基づく目標開度ＴＨ＊に拘わらず、スロットル開度ＴＨを全開としている。しかしながら、スロットル開度ＴＨを全開より小さい開度としてもよい。

実施例の制御装置を搭載した内燃機関装置１０では、過給機４０を、吸気管２３に配置されるコンプレッサ４１と排気管３５に配置されるタービン４２とが回転軸４３を介して連結されるターボチャージャとして構成している。しかしながら、これに代えて、エンジン１２やモータにより駆動されるコンプレッサが吸気管２３に配置されるスーパーチャージャとして構成してもよい。

実施例では、一般的な自動車や各種のハイブリッド自動車に搭載される内燃機関装置１０の形態とした。しかしながら、自動車以外の車両に搭載される内燃機関装置の形態としてもよいし、建設設備などの移動しない設備に搭載される内燃機関装置の形態としてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、電子制御ユニット７０が「制御装置」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、内燃機関装置の制御装置の製造産業などに利用可能である。

１０ 内燃機関装置、１２ エンジン、１４ クランクシャフト、１４ａ クランクポジションセンサ、２２ エアクリーナ、２３ 吸気管、２３ａ エアフローメータ、２３ｂ，２３ｃ，２７ａ 圧力センサ、２４，３６ バイパス管、２５ インタークーラ、２６ スロットルバルブ、２６ａ スロットルポジションセンサ、２７ サージタンク、２３ｄ、２７ｂ 温度センサ、２８ 燃料噴射弁、２９ 吸気バルブ、３０ 燃焼室、３１ 点火プラグ、３２ ピストン、３４ 排気バルブ、３５ 排気管、３５ａ フロント空燃比センサ、３５ｂ リヤ空燃比センサ、３７，３８ 浄化装置、４０ 過給機、４１ コンプレッサ、４２ タービン、４３ 回転軸、４４ ウェイストゲートバルブ、４５ エアバイパスバルブ、６０ 冷却装置、６２ 冷媒流路、６４ 電動ポンプ、６６ ラジエータ、７０ 電子制御ユニット。

Claims (1)

1. 内燃機関と、
   前記内燃機関の吸気管に配置されたコンプレッサと、前記コンプレッサによる圧縮空気量を調節する調整装置と、を有する過給機と、
   前記吸気管の前記コンプレッサより下流側に配置され、冷却媒体を用いて前記吸気管内の空気を冷却するインタークーラと、
   共に内燃機関装置に搭載され、
   前記内燃機関と前記調整装置とを制御する内燃機関装置の制御装置であって、
   前記吸気管の前記インタークーラより上流側での吸気温である第１吸気温から前記吸気管の前記インタークーラより下流側での吸気温である第２吸気温を減じた温度差と、前記第１吸気温と、に基づいて、前記冷却媒体の温度を沸点未満にするための前記インタークーラの通過空気量の上限としての制限空気量を設定し、
   前記通過空気量が前記制限空気量以下となるように前記調整装置を制御する、
   内燃機関装置の制御装置。

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