JP7259886B2 - 内燃機関システムおよび車両 - Google Patents

Description

本開示は、内燃機関システムおよび車両に関する。

例えば、内燃機関からの排気が吹き付けられることにより回転可能なタービンホイールを有するタービンと、吸気通路に配置され、タービンホイールの回転に伴い回転することで、内燃機関に吸入される空気を加圧するコンプレッサと、エンジンの運転状態に基づいて、内燃機関に送り込む圧縮した空気の圧力である過給圧（ブースト圧）を制御する制御部とを備えたターボチャージャの制御装置が知られている。

特許文献１には、吸気通路を開閉する吸気スロットルバルブと、過給圧が目標値となるように吸気スロットルバルブの開度をフィードバック制御する制御部とを備えた内燃機関システムが開示されている。

特開２０１６－９４８２８号公報

車両が平地を走行するときの平地走行時と、車両が高地を走行するときの高地走行時とにおいて、高地では平地に比べ空気が薄い分、多めの空気量を内燃機関へ供給する必要がある。多めの空気量を内燃機関へ供給するため、コンプレッサを高回転で回し続けることにより、過給圧を上昇させる必要がある。

ところで、コンプレッサの耐久性の観点から、コンプレッサの回し過ぎを防止する必要がある。特許文献１に記載の内燃機関システムでは、コンプレッサを回し過ぎないよう吸気スロットルバルブを絞るフィードバック制御を実行することが可能である。しかし、フィードバック制御の応答が遅れることで、コンプレッサが回り過ぎる場合がある。これにより、コンプレッサの耐久性が低下するおそれがある。

本開示の目的は、コンプレッサの回り過ぎを防止することが可能な内燃機関システムおよび車両を提供することである。

上記の目的を達成するため、本開示における内燃機関システムは、
吸気通路に配置され、前記吸気通路から内燃機関に吸入される空気を加圧するように回転するコンプレッサと、
前記内燃機関に吸入される空気の圧力である過給圧を検出するセンサと、
前記内燃機関の運転状態に対応する前記過給圧の目標値と前記センサの検出値との間の偏差に基づいて、前記過給圧をフィードバック制御する制御部と、
前記内燃機関に吸入される空気量を調整するように前記吸気通路を開閉する吸気スロットルバルブと、
を備え、
前記制御部は、前記偏差が所定値内に収まらない状態が所定時間以上継続した場合、前記フィードバック制御によるフィードバック量と予め定められたフィードフォワード量とを加算した加算量に基づいて、前記吸気スロットルバルブの開度を制御することで、前記コンプレッサが回り過ぎないよう、前記過給圧を制御する。

本開示における車両は、
上記の内燃機関システムを備える。

本開示によれば、コンプレッサの回り過ぎを防止することができる。

図１は、本開示の実施の形態に係る内燃機関システムを模式的に示す図である。 図２は、本開示の実施の形態に係る内燃機関システムの機能ブロック図である。 図３は、制御部による処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本開示の実施の形態に係る内燃機関システム１００を模式的に示す図である。内燃機関１は、車両（不図示）に走行用動力源として搭載される。例えば、内燃機関１は、図１に示すように、４つの気筒２（シリンダ）が一例に並べられた直列４気筒のディーゼルエンジンとして構成され、気筒２内に噴射された燃料を圧縮行程で拡散燃焼させる。気筒２は、シリンダブロック３に形成されている。気筒２の上部はシリンダヘッド（不図示）により塞がれている。

図１に示すように、各気筒２には、吸気通路１０および排気通路２０のそれぞれが接続されている。吸気通路１０は、吸気マニホールド１１および複数の吸気ポート１２を有している。吸気ポート１２は、１つの気筒２に対して所定個（図１では２つ）ずつ配置されている。吸気ポート１２は、タンジェンシャルポート１３とヘリカルポート１４とを有している。

吸気通路１０には、エアクリーナ１５、インタークーラ１６、吸気スロットルバルブ１７および圧力センサ１８のそれぞれが配置されている。

エアクリーナ１５は、外部から取り込まれる空気をフィルタで濾過することで、空気中の塵埃を除去する。

インタークーラ１６は、可変容量型ターボチャージャ３０（過給機）で圧縮された吸気を冷却することで、吸気密度を高める。

吸気スロットルバルブ１７は、吸気通路１０におけるインタークーラ１６と吸気マニホールド１１との間に配置されている。吸気スロットルバルブ１７の開度は、アクチュエータ３３により調整される。アクチュエータ３３はＥＣＵ６０（後述する）に制御される。

圧力センサ１８は、吸気通路１０における吸気スロットルバルブ１７と吸気マニホールド１１との間に配置されている。圧力センサ１８は、吸気マニホールド１１へ過給される吸気の過給圧を検出する。過給圧の検出値（以下、「実過給圧」という）はＥＣＵ６０（後述する）に入力される。

図１に示すように、排気通路２０は、排気マニホールド２１および排気ポート２２を有している。排気ポート２２は１つの気筒２に対して所定個（図１では１つ）配置されている。排気ポート２２のそれぞれは排気マニホールド２１に接続されている。排気マニホールド２１には、タービン３１を介して後処理装置４０が接続されている。

後処理装置４０は、例えば、排気上流側に配置される酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst：ＤＯＣ）およびディーゼル・パティキュレート・フィルタ（Diesel Particulate Filter：ＤＰＦ）、および、排気下流側に配置される選択的還元触媒（Selective Catalytic Reduction：ＳＣＲ）で構成されている。ＤＯＣは、未燃燃料を酸化して排気温度を上昇させるとともに、排気中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化してＮＯ_２（二酸化窒素）を生成する。ＤＰＦは、排気中の粒子状物質を捕集する。ＳＣＲは、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するＮＯｘ触媒として、尿素水から排気熱により加水分解されて生成されるアンモニアを用いて排気中のＮＯｘを選択的に還元浄化する。

排気マニホールド２１には、ＥＧＲ通路５０の一端部が接続されている。ＥＧＲ通路５０の他端部は、タンジェンシャルポート１３に接続されている。ＥＧＲ通路５０には、ＥＧＲクーラ５１およびＥＧＲバルブ５２が配置されている。ＥＧＲクーラ５１は、その内部をエンジン冷却水が通過するものであって、ＥＧＲ通路５０を通過するＥＧＲガス（排気通路２０に排出された排気の一部）をエンジン冷却水と熱交換することにより冷却する装置である。ＥＧＲバルブ５２は、運転条件（例えば、冷却水温度）に合わせてＥＧＲ通路５０を開閉する。

可変容量型ターボチャージャ３０は、タービン３１およびコンプレッサ３２を有している。タービン３１とコンプレッサ３２とは、ターボ軸で連結される。なお、可変容量型ターボチャージャ３０は過給機の一例であって、過給機は可変容量型ターボチャージャ３０に限定されるものではない。

タービン３１は、排気マニホールド２１からの排気によってターボ軸を回転する。タービン３１は、内燃機関１からの排気が吹き付けられることにより回転可能なタービンホイール（不図示）を有する。

タービン３１は、さらに、可変ベーン（不図示）を有している。可変ベーンの開度は変更可能に構成される。可変ベーンの開度はＥＣＵ６０(後述する)により制御される。可変ベーンの開度を変更することで、タービンホイールに吹き付けられる排気流量が変化する。これにより、タービン３１の回転数を増減させることが可能となる。

コンプレッサ３２は、吸気通路１０においてエアクリーナ１５とインタークーラ１６との間に配置されている。コンプレッサ３２は、インペラ（不図示）を有し、インペラがターボ軸と一体に回転することにより、吸気を圧縮する。これにより、吸気がインタークーラ１６を介して吸気マニホールド１１へ過給される。

制御装置は、例えば電子制御ユニット（Electronic Control Unit：ＥＣＵ）により構成される。ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、入力装置および出力装置を有している。ＣＰＵは、ＲＯＭに格納されたプログラムをＲＡＭに展開して所定の機能を実行する。

ＥＣＵ６０は、取得部６１と、制御部６２と、記憶部６３とを備えている。取得部６１は、圧力センサ１８により検出された実過給圧を取得する。ここでは、ＲＯＭまたはＲＡＭが記憶部６３に対応する。

制御部６２は、エンジン回転数とアクセル開度とに基づいて、タービン３１（コンプレッサ３２）の回転数を制御し、過給圧を制御する。エンジン回転数は、センサ（不図示）により検出され、センサの検出結果はＥＣＵ６０に入力される。アクセル開度は、センサ（不図示）により検出され、センサの検出結果はＥＣＵ６０に入力される。

制御部６２は、吸気マニホールド１１へ過給される過給圧の目標値（以下、「目標過給圧」という）と実過給圧との間の偏差に基づいて、過給圧をフィードバック制御部するフィードバック制御部６４を有する（図２参照）。なお、目標過給圧は、内燃機関１の運転状態（例えば、アクセル開度）からを求められる。具体的には、フィードバック制御部６４は、偏差に基づいて開度指示値（以下、「ＦＢ量」という）を算出し、算出した開度指示値（ＦＢ量）に基づいて吸気スロットルバルブ１７の開度を変更するようにアクチュエータ３３をフィードバック制御する。ここで、フィードバック制御は、例えば、偏差、偏差の積分および微分の３つの要素によって開度指示値（ＦＢ量）を算出するＰＩＤ制御（Proportional Integral Differential Controller、ＰＩＤ Controller）である。

車両が平地を走行するときの平地走行時と、車両が高地を走行するときの高地走行時とにおいて、高地では平地に比べ空気が薄い分、多めの空気量を内燃機関１へ供給する必要があるため、コンプレッサ３２を高回転で回し続けることにより、過給圧を上昇させる必要がある。ところで、コンプレッサ３２の耐久性の低下を抑える観点から、コンプレッサ３２の回し過ぎを防止する必要がある。しかし、フィードバック制御部６４が、コンプレッサ３２を回し過ぎないよう吸気スロットルバルブ１７を絞るフィードバック制御を実行する場合において、フィードバック制御の応答が遅れることで、コンプレッサ３２の回し過ぎを防止できないという問題がある。

図２は、本開示の実施の形態に係る内燃機関システム１００の機能ブロック図である。図２に示すように、制御部６２はフィードフォワード制御部６５を有している。フィードフォワード制御部６５は、目標過給圧と実過給圧との間の偏差が所定値内に収まるか否について判定する。フィードフォワード制御部６５は、偏差が所定値内に収まらない状態（以下、「所定値外状態」という）が所定時間以上継続するか否かについて判定する。なお、所定値や所定時間については、コンプレッサ３２の耐久性の低下を抑える観点から、実験や、シミュレーションにより求めることが可能である。

フィードフォワード制御部６５は、所定値外状態の継続時間が所定時間以上である場合、さらに予め定められたフィードフォワード量（以下、「ＦＦ量」という）に基づいて、アクチュエータ３３を制御する。具体的には、フィードフォワード制御部６５は、所定値外状態の継続時間が所定時間以上である場合、フィードバック制御部６４によるＦＢ量にＦＦ量を追加（加算）する。

フィードフォワード制御部６５は、大気圧に基づいてＦＦ量を算出する。大気圧はセンサ（不図示）により検出され、ＥＣＵ６０に入力される。ＦＦ量と大気圧とが関係付けられたマップが予め作成される。マップは記憶部６３に記憶される。フィードフォワード制御部６５は、センサにより検出された大気圧に基づき上記のマップを参照して、ＦＦ量を算出する。

本実施の形態ではこれに限らず、フィードフォワード制御部６５は、大気圧に代えてエンジン負荷に基づいて、ＦＦ量を算出してもよい。なお、エンジン負荷は公知の手段により算出可能であるため、ここでの説明を省略する。ＦＦ量とエンジン負荷とが関連付けられマップが作成される場合、作成されたマップは記憶部６３に記憶される。フィードフォワード制御部６５は、エンジン負荷に基づきマップを参照して、ＦＦ量を算出する。

なお、フィードフォワード制御部６５は、大気圧およびエンジン負荷に基づいてＦＦ量を算出してもよい。大気圧およびエンジン負荷とＦＦ量とが関連付けられマップが作成される場合、作成されたマップは記憶部６３に記憶される。フィードフォワード制御部６５は、大気圧およびエンジン負荷に基づきマップを参照して、ＦＦ量を算出する。

次に、制御部６２による処理について説明する。図３は、制御部６２による処理の一例を示すフローチャートである。本フローは、内燃機関１の運転中において、所定の時間間隔で繰り返し実行される。なお、以下の説明では、ＥＣＵ６０が取得部６１および制御部６２（フィードバック制御部６４、フィードフォワード制御部６５）の各機能を有するものとして説明する。

先ず、ステップＳ１００において、ＥＣＵ６０は、圧力センサ１８の検出結果である実過給圧を取得する。

次に、ステップＳ１１０において、ＥＣＵ６０は、目標過給圧と実過給圧との間の偏差を算出する。

次に、ステップＳ１２０において、ＥＣＵ６０は、偏差に基づいてＦＢ量を算出し、算出したＦＢ量によりアクチュエータ３３をフィードバック制御する。

次に、ステップＳ１３０において、ＥＣＵ６０は、所定値外状態の継続時間が所定時間以上であるか否かについて判定する。所定値外状態の継続時間が所定時間以上である場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１４０に遷移する。所定値外状態の継続時間が所定時間以上でない場合（ステップＳ１３０：ＮＯ）、図３に示すフローは終了する。

ステップＳ１４０において、ＥＣＵ６０は、大気圧に基づいてＦＦ量を算出し、算出したＦＦ量を、フィードバック制御によるＦＢ量に追加する。その後、図３に示すフローは終了する。

上記実施の形態に係る内燃機関システム１００は、内燃機関１からの排気が吹き付けられることにより回転可能なタービンホイールを有するタービン３１と、吸気通路１０に配置され、タービンホイールの回転に伴い回転することで、内燃機関１に吸入される空気を加圧するコンプレッサ３２と、内燃機関１に吸入される空気の圧力である過給圧を検出する圧力センサ１８と、内燃機関１の運転状態に対応する過給圧の目標値と圧力センサ１８の検出値との間の偏差に基づいて、過給圧をフィードバック制御する制御部６２と、を備え、制御部６２は、偏差が所定値内に収まらない状態が所定時間以上継続した場合、さらに予め定められたＦＦ量に基づいて、過給圧を制御する。

上記の構成によれば、フィードバック制御の応答が遅れた場合であっても、フィードバック制御によるＦＢ量にＦＦ量が追加されることにより、吸気スロットルバルブ１７の絞り制御が遅延しないため、コンプレッサ３２の回り過ぎを防止することが可能となる。ひいては、コンプレッサ３２の耐久性の低下を抑えることが可能となる。

また、上記実施の形態に係る内燃機関システム１００においては、ＦＦ量は、大気圧およびエンジン負荷の少なくとも一方に基づいて定められる。これにより、大気圧などの車両の周囲環境や、エンジン負荷などの運転環境に応じてコンプレッサ３２の回転を制御することが可能となる。

また、上記実施の形態に係る内燃機関システム１００では、ＥＣＵ６０は、ＦＦ量に基づく過給圧の制御の開始から予め定められた上限時間を経過した場合、ＦＦ量に基づく過給圧の制御を終了する。これにより、上限時間を経過したら、一旦、フィードフォワード制御を解除し、フィードバック制御のみにすることで、フィードバック制御の応答遅れの有無を再度確認することが可能となる。なお、上限時間については、例えば発進時や加速時におけるエンジン負荷に十分に対応できる過給圧を得る観点から、実験や、シミュレーションにより求めることが可能である。

なお、上記実施の形態において、フィードフォワード制御部６５は、所定値外状態の継続時間が所定時間以上である場合、さらに予め定められたＦＦ量に基づいて、アクチュエータ３３を制御するが、本開示はコンプレッサ３２の回り過ぎを防止することができればよく、アクチュエータ３３を制御するものに限らない。例えば、可変ベーンの開度を変更することで、コンプレッサ３２の回り過ぎを防止するようにしてもよい。フィードフォワード制御部６５は、所定値外状態の継続時間が所定時間以上である場合、可変ベーンを所定の開度まで開く制御を実行する。これにより、タービン３１の回転数を低減させることで、コンプレッサ３２の回り過ぎを防止することが可能となる。

また、フィードフォワード制御部６５は、所定値外状態の継続時間が所定時間以上である場合、さらに予め定められたＦＦ量に基づいて、アクチュエータ３３を制御するとともに、予め定められたフィードフォワード量に基づいて可変ベーンの開度を制御するようにしてもよい。これにより、コンプレッサ３２の回り過ぎをより確実に防止することが可能となる。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施をするにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本開示は、コンプレッサの回り過ぎを防止することが要求される内燃機関システムを備えた車両に好適に利用される。

１ 内燃機関
２ 気筒
３ シリンダブロック
１０ 吸気通路
１１ 吸気マニホールド
１２ 吸気ポート
１３ タンジェンシャルポート
１４ ヘリカルポート
１５ エアクリーナ
１６ インタークーラ
１７ 吸気スロットルバルブ
１８ 圧力センサ
２０ 排気通路
２１ 排気マニホールド
２２ 排気ポート
３０ 可変容量型ターボチャージャ
３１ タービン
３２ コンプレッサ
３３ アクチュエータ
４０ 後処理装置
５０ ＥＧＲ通路
５１ ＥＧＲクーラ
５２ ＥＧＲバルブ
６０ ＥＣＵ
６１ 取得部
６２ 制御部
６３ 記憶部
６４ フィードバック制御部
６５ フィードフォワード制御部
１００ 内燃機関システム

Claims (5)

1. 吸気通路に配置され、前記吸気通路から内燃機関に吸入される空気を加圧するように回転するコンプレッサと、
   前記内燃機関に吸入される空気の圧力である過給圧を検出するセンサと、
   前記内燃機関の運転状態に対応する前記過給圧の目標値と前記センサの検出値との間の偏差に基づいて、前記過給圧をフィードバック制御する制御部と、
   前記内燃機関に吸入される空気量を調整するように前記吸気通路を開閉する吸気スロットルバルブと、
   を備え、
   前記制御部は、前記偏差が所定値内に収まらない状態が所定時間以上継続した場合、前記フィードバック制御によるフィードバック量と予め定められたフィードフォワード量とを加算した加算量に基づいて、前記吸気スロットルバルブの開度を制御することで、前記コンプレッサが回り過ぎないよう、前記過給圧を制御する、
   内燃機関システム。
2. 前記フィードフォワード量は、大気圧および前記内燃機関の負荷の少なくとも一方に基づいて定められる、
   請求項１に記載の内燃機関システム。
3. 前記制御部は、前記フィードフォワード量に基づく前記過給圧の制御の開始から予め定められた上限時間を経過した場合、前記フィードフォワード量に基づく前記過給圧の制御を終了する、
   請求項１または２に記載の内燃機関システム。
4. 前記内燃機関からの排気が吹き付けられることにより回転可能なタービンホイールを有するタービンをさらに備え、
   前記コンプレッサは、前記タービンホイールの回転に伴い回転する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関システム。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関システムを備えた車両。

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