JP7414359B2

JP7414359B2 - 内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置

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Publication number: JP7414359B2
Application number: JP2020076657A
Authority: JP
Inventors: 亮越後; 容康木村
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2024-01-16
Anticipated expiration: 2040-04-23
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Description

本発明は、排気タービン式の過給機を備えた内燃機関の制御方法及び制御装置に関する。

内燃機関は、高回転域や高負荷域において、排気ガス量が多くなり、多量の排気ガスが排気通路に設けられた排気浄化触媒へ流入することになる。そのため、排気浄化触媒の触媒温度は、排気浄化触媒における発熱反応量の増加に伴い過度に高くなる虞がある。

例えば、特許文献１には、内燃機関の要求出力が増大した場合に、排気浄化触媒に流入する排気ガスの量を低減するように吸入空気量を調節するとともに、ウエストゲートバルブの開度を低減することで、燃費悪化の抑制と触媒温度の過度の上昇の抑制とを両立する技術が開示されている。

特許文献１においては、排気浄化触媒に流入する排気ガス量を低減するように吸入空気量を調節するために、スロットルバルブもしくは過給器のコンプレッサを迂回する経路に設けられたエアバイパスバルブの開度調整を行っている。

特開２０１４－１５８４６号公報

しかしながら、エアバイパスバルブの開度調整により排気浄化触媒に流入する排気ガス量を低減しようとすると、コンプレッサの入口側と出口側の圧力比の制御が難しく、コンプレッサを迂回する経路の断面積（管径）やエアバイパスバルブの開度特性によってはポンプロスの増加による出力低下を招く虞がある。

つまり、内燃機関の燃費悪化の抑制を図るにあたっては、更なる改善の余地がある。

本発明の内燃機関は、吸気通路に設けられたコンプレッサと、排気通路に設けられたタービンと、上記コンプレッサと上記タービンとを連結する軸部材と、を有する過給機と、上記過給機の軸部材の回転を利用して発電が可能な発電ユニットと、上記発電ユニットの発電量を制御する発電制御部と、上記タービンを迂回するように上記排気通路に接続されたバイパス通路に設けられたウエストゲート弁と、を有し、上記ウエストゲート弁の開度と上記発電制御部で制御する発電量とを協調制御することを特徴としている。

上記過給機は、上記軸部材の回転を利用した発電（回生発電）を実施する場合、上記コンプレッサが要求する仕事量に加えて発電による仕事量（回生発電量）が発生することで上記タービンでの回収仕事量が増加する。

本発明によれば、タービンの回収仕事量が増加することで、タービンでの排熱回収量が増えることになり、総じて内燃機関の燃費を向上させることができる。

本発明が適用される内燃機関のシステム構成を模式的に示した説明図。ウエストゲート弁の開度と発電ユニットでの発電量とを協調制御した際の一例を示すタイミングチャート。ウエストゲート弁の開度と発電ユニットでの発電量と吸気弁閉時期とを協調制御した際の一例を示すタイミングチャート。ウエストゲート弁の開度と発電ユニットでの発電量と吸気弁のリフト量とを協調制御した際の一例を示すタイミングチャート。ウエストゲート弁の開度と発電ユニットでの発電量と第２スロットル弁の開度とを協調制御した際の一例を示すタイミングチャート。ウエストゲート弁の開度と発電ユニットでの発電量と第１スロットル弁の開度とを協調制御した際の一例を示すタイミングチャート。内燃機関の目標トルクと内燃機関の実回転数を用いた触媒温度算出マップ。内燃機関の目標トルクと内燃機関の実回転数を用いた発電量算出マップ。内燃機関の目標トルクと内燃機関の実回転数を用いたウエストゲート弁開度算出マップ。

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、本発明が適用される内燃機関１のシステム構成を模式的に示した説明図である。

内燃機関１は、自動車等の車両に搭載され、吸気通路２と排気通路３とを有している。吸気通路２は、吸気弁（図示せず）を介して内燃機関１の燃焼室（図示せず）に接続されている。排気通路３は、排気弁（図示せず）を介して内燃機関１の燃焼室に接続されている。

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、電動の第１スロットル弁５と、第１スロットル弁５の上流側に位置する電動の第２スロットル弁６と、が設けられている。

第１スロットル弁５は、第２吸気絞り弁に相当するものであって、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６は、第１吸気絞り弁に相当するものであって、後述するコンプレッサ１１の上流側における吸気圧力を制御する。

排気通路３には、排気浄化用触媒としての上流側排気浄化装置７と、下流側排気浄化装置８と、排気音を低減する消音用のマフラー９と、が設けられている。上流側排気浄化装置７及び下流側排気浄化装置８は、例えば三元触媒等の排気浄化触媒からなっている。下流側排気浄化装置８は、上流側排気浄化装置７の下流側で、かつマフラー９よりも上流側となる位置に配置されている。マフラー９は、下流側排気浄化装置８の下流側に配置されている。

また、この内燃機関１は、過給機１０を有している。過給機１０は、吸気通路２に設けられたコンプレッサ１１と、排気通路３に設けられたタービン１２と、を有している。タービン１２は、コンプレッサ１１が連結される軸部材としてのタービン軸１３を有している。コンプレッサ１１とタービン１２とは、過給機１０の回転軸であるタービン軸１３の両端に取り付けられている。つまり、コンプレッサ１１とタービン１２は、同軸上に配置されている。

コンプレッサ１１は、第１スロットル弁５の上流側となり、第２スロットル弁６よりも下流側となる位置に配置されている。タービン１２は、上流側排気浄化装置７よりも上流側に配置されている。

過給機１０は、タービン軸１３の回転を利用して発電可能が可能となっている。つまり、タービン軸１３には、当該タービン軸１３の回転を利用した発電（回生発電）が可能な発電ユニット１４が設けられている。

発電ユニット１４は、例えば、タービン軸１３と一体に回転するロータ部（図示せず）と、ロータ部の外周に配置されたステータ部（図示せず）と、を備え、ロータ部の回転を利用した発電機能と、ステータ部に通電してロータ部を回転駆動するモータ機能と、を有している。要するに、発電ユニット１４を備えた過給機１０は、いわゆる電動ターボ過給機であり、発電した電力をバッテリ１５に供給可能であるとともに、バッテリ１５から供給される電力でタービン軸１３に回転トルクを付与することが可能となっている。発電ユニット１４での発電量は、内燃機関１の目標空気量（要求空気量）に応じて設定される。

吸気通路２には、第１スロットル弁５の下流側に、コンプレッサ１１により圧縮（加圧）された吸気を冷却して充填効率を向上させるインタクーラ１６が設けられている。

また、図１中の符号１７は、内燃機関１の各気筒に吸気を分配するコレクタであり、吸気通路２の下流側を構成するものである。

排気通路３には、タービン１２を迂回してタービン１２の上流側と下流側とをつなぐ排気バイパス通路１８が接続されている。排気バイパス通路１８の下流側端は、上流側排気浄化装置７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１８には、排気バイパス通路１８内の排気流量を制御する電動のウエストゲート弁１９が配置されている。

内燃機関１は、排気通路３から分岐して吸気通路２に接続された排気還流通路としてのＥＧＲ通路２０を有している。ＥＧＲ通路２０は、その一端が上流側排気浄化装置７と下流側排気浄化装置８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６とコンプレッサ１１との間の位置で吸気通路２に接続されている。つまり、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）が実施可能となっている。

ＥＧＲ通路２０には、ＥＧＲ通路２０内のＥＧＲガス流量を調整（制御）する電動のＥＧＲ弁２１と、ＥＧＲガスを冷却可能なＥＧＲクーラ２２と、が設けられている。

内燃機関１は、ピストン（図示せず）の往復直線運動をクランクシャフト（図示せず）の回転運動に変換して動力として取り出すいわゆるレシプロ式の内燃機関である。内燃機関１には、トルクアシストが可能な電動のモータ２３が接続されている。内燃機関１は、モータ２３を用いて始動することが可能となっている。なお、内燃機関１は、モータ２３とは異なる専用のスタータモータにより始動するようにしてもよい。

内燃機関１は、吸気弁のバルブタイミングを可変可能な可変動弁機構（吸気弁側可変動弁機構）２４を有している。つまり、内燃機関１は、吸気弁側の動弁機構が可変動弁機構２４となっている。

可変動弁機構２４は、吸気弁のリフトの中心角の位相を連続的に進角もしくは遅角させる第１可変動弁機構としての位相可変機構と、吸気弁のリフト量及び作動角を変更可能な第２可変動弁機構としてのリフト作動角可変機構と、を有している。

位相可変機構は、例えば、特開２００２－８９３０３号公報等によって既に公知となっているものであり、吸気弁を開閉駆動する吸気側カムシャフト（図示せず）の位相をクランクシャフトに対して遅進させるものである。

リフト作動角可変機構は、例えば、特開２００２－８９３０３号公報等によって既に公知となっているものであり、吸気弁のリフト量と作動角を同時にかつ連続的に拡大、縮小させるものある。

なお、内燃機関１の排気弁側の動弁機構は、一般的な直動式の動弁機構であり、排気弁のリフト作動角やリフト中心角の位相は、常に一定である。

可変動弁機構２４は、例えば油圧駆動されるものであって、コントロールユニット３０からの制御信号によって制御される。つまり、コントロールユニット３０によって、吸気弁のバルブタイミングを可変制御することが可能となっている。

コントロールユニット３０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３０には、吸入空気量を検出するエアフローメータ３１、クランクシャフトのクランク角度と共に内燃機関１の機関回転数を検出可能なクランク角センサ３２、内燃機関１が搭載された車両の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３３、上流側排気浄化装置７の上流側における排気空燃比を検出する空燃比センサ３４、タービン軸１３の回転数を検出するタービン回転数センサ３５、ウエストゲート弁１９の開度（ストローク量）を検出するウエストゲート弁開度センサ３６、排気通路３のタービン１２の出口温度（出口側の排気温度）を検出するタービン出口温度センサ３７、上流側排気浄化装置７の触媒温度を検出する触媒温度センサ３８等の各種センサ類の検出信号（検出値）が入力されている。

コントロールユニット３０は、アクセル開度センサ３３の検出値を用いて、内燃機関１の要求負荷（エンジン負荷）や要求空気量を算出する。

そして、コントロールユニット３０は、各種センサ類の検出信号に基づいて、吸気弁のバルブタイミング、第１スロットル弁５の開度、第２スロットル弁６の開度、可変動弁機構２４による吸気弁のバルブタイミング、ウエストゲート弁１９の開度、ＥＧＲ弁２１の開度、等を最適に制御している。

なお、タービン１２の出口温度や上流側排気浄化装置７の触媒温度は、温度センサを用いて直接検出するのではなく推定することも可能である。タービン１２の出口温度は、例えば、タービン軸１３の回転数、ウエストゲート弁１９の開度等の内燃機関１の運転状態から推定することも可能である。上流側排気浄化装置７の触媒温度は、例えば、内燃機関１の吸入空気量、内燃機関１の空燃比等の内燃機関１の運転状態から推定することも可能である。上流側排気浄化装置７の触媒温度は、エンジントルク、ウエストゲート弁１９の開度、上流側排気浄化装置７の触媒物性値等から応答遅れを加味して推定することも可能である。

また、コントロールユニット３０は、タービン軸１３の回転を利用した発電や、過給機１０のトルクアシストが行われるように、発電ユニット１４を制御している。つまり、コントロールユニット３０は、発電制御部に相当する。

過給機１０は、タービン軸１３の回転を利用した発電を実施する場合、コンプレッサ１１が要求する仕事量に加えて発電による仕事量（回生発電量）が発生することでタービン１２での回収仕事量（排気ガスのエネルギー回収率）が増加する。

ここで、過給機１０は、ウエストゲート弁１９の開度が小さくなるとタービン１２での回収仕事量が増加し、ウエストゲート弁１９の開度が大きくなるとタービン１２での回収仕事量が減少する。

また、上流側排気浄化装置７は、タービン１２での回収仕事量が増加するとタービン１２の出口温度が低下するため、触媒温度が低下する。上流側排気浄化装置７は、タービン１２での回収仕事量が減少するとタービン１２の出口温度が上昇するため、触媒温度が上昇する。

上流側排気浄化装置７は、触媒温度が低下して活性化温度以下になると排気浄化性能が低下し、触媒温度が上昇して所定の限界温度以上になると触媒劣化を招く虞がある。

そこで、コントロールユニット３０は、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量とを内燃機関１の目標空気量（要求空気量）に応じて協調制御することで、内燃機関１の燃費向上と、上流側排気浄化装置７の触媒劣化防止と、を両立させる。つまり、コントロールユニット３０は、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４の発電量とを協調制御する協調制御部に相当する。協調制御は、換言すると、発電ユニット１４での発電量に応じてウエストゲート弁１９の開度を調整し、発電ユニット１４での発電量が大きくなるほどウエストゲート弁１９の開度を小さくする。

ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量とを協調制御することで、タービン１２の回収仕事量が増加させて内燃機関１の燃費を向上させるとともに、上流側排気浄化装置７の触媒劣化を防止する。

タービン１２の回収仕事が増加した場合、ウエストゲート弁１９の開度を閉じ側に設定することが必要となる。内燃機関１は、ウエストゲート弁１９の開度を閉じ側に設定することでタービン１２での排熱回収量が増えることになり、総じて燃費が向上する。

また、内燃機関１は、協調制御によりタービン１２の出口温度が相対的に低下することによってタービン１２の下流側に位置する上流側排気浄化装置７の温度が低下するため、更なる出力向上が可能となる。

図２は、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量とを協調制御した際の一例を示すタイミングチャートである。

図２における時刻ｔ１は、運転者がアクセルペダルを踏み込んで第１スロットル弁５の開度が大きくなり、内燃機関１の負荷が上昇し始めるタイミングである。ウエストゲート弁１９は、時刻ｔ１において閉弁される。

図２おける時刻ｔ２は、内燃機関１の負荷が目標値に対してオーバシュートしないようにウエストゲート弁１９の開度を制御し始めるタイミングであり、内燃機関１の負荷が目標値に到達する手前のタイミングである。

図２における時刻ｔ３は、上流側排気浄化装置７の触媒温度が温度閾値であるＣｒｉｔｅｒｉａ＃１（第１閾値）に到達したタイミングであり、発電ユニット１４での発電を開始して、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量との協調制御を開始するタイミングである。つまり、時刻ｔ３は、発電ユニット１４での発電量に応じてウエストゲート弁１９の開度を調整（制御）する協調制御の開始タイミングである。

図２におけるＣｒｉｔｅｒｉａ＃１は、上流側排気浄化装置７の触媒劣化が進まない温度の上限値よりも所定温度低い温度である。図２におけるＣｒｉｔｅｒｉａ＃２（第２閾値）は、上流側排気浄化装置７の触媒劣化が進まない温度の上限値である温度限界値である。

図２に示す協調制御の例では、内燃機関１の高負荷時（高出力時）に上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２を超えないように、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量が制御されている。詳述すると、図２に示す協調制御では、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２よりも低いＣｒｉｔｅｒｉａ＃１となるように、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量が制御されている。

図２に示す第１実施例では、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２を超えそうな場合（時刻ｔ３以降）に、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量とを協調制御している。ウエストゲート弁１９の開度は、発電ユニット１４での発電が開始された時刻ｔ３以降、この発電によるタービン１２での回収仕事の増加に伴い閉じ側（小開度）に設定する必要があるため、時刻ｔ２～ｔ３までの開度に比べて小さくなるよう制御される。

これにより、内燃機関１は、図２の時刻ｔ３以降、上流側排気浄化装置７へ流入する排気の温度が低下し、上流側排気浄化装置７の触媒が過度に高温となって劣化してしまうことを防止できる。また、内燃機関１は、タービン１２での回収仕事の増加に伴い、燃費が向上する。

上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃１未満の場合（時刻ｔ３以前）は、発電ユニット１４での発電を行っていない。

これは、発電ユニット１４で発電を行うことにより排気温度が低くなり、上流側排気浄化装置７の触媒温度が低下して排気浄化性能が低下してしまうことを回避するためである。

また、タービン１２の出口温度や上流側排気浄化装置７の触媒温度は、過給機１０の熱容量、排気通路３の熱容量、排気ガスの輸送遅れ等により温度上昇に遅れが発生する。そこで、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃１に達するまでは、協調制御を実施せずに内燃機関１の要求負荷に対する応答を優先する。

なお、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２に達することなく、かつ発電ユニット１４で発電を行っても上流側排気浄化装置７の触媒温度が下がり過ぎることがない場合には、ウエストゲート弁１９の開度を相対的に少し小さくして排気ガスのエネルギーを一部回収し燃費を向上させてもよい。

図２に示す例では、発電ユニット１４での発電によりシステム出力（内燃機関１の出力＋回生発電エネルギー）は増加するので、例えばバッテリ１５に充電してもよいし、内燃機関１の発電量（内燃機関１のクランクシャフトで発電機を駆動して行う発電の発電量）を減らしてもよい。

また、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量とを協調制御しても上流側排気浄化装置７の触媒温度が下げられない場合には、以下に説明する第２～第５実施例のようにさらに別の要素も合わせて協調制御するようにしてもよい。なお、以下に説明する第２～第５実施例においても、上述した第１実施例と略同様の作用効果を奏することができる。

図３は、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量と吸気弁閉時期とを協調制御した際の一例を示す第２実施例のタイミングチャートである。

図３における時刻ｔ１は、運転者がアクセルペダルを踏み込んで第１スロットル弁５の開度が大きくなり、内燃機関１の負荷が上昇し始めるタイミングである。ウエストゲート弁１９は、時刻ｔ１において閉弁される。吸気弁閉時期は、時刻ｔ１において筒内に最も空気が入るバルブタイミングに変更される。

図３おける時刻ｔ２は、内燃機関１の負荷が目標値に対してオーバシュートしないようにウエストゲート弁１９の開度を制御し始めるタイミングであり、内燃機関１の負荷が目標値に到達する手前のタイミングである。

図３における時刻ｔ３は、上流側排気浄化装置７の触媒温度が温度閾値であるＣｒｉｔｅｒｉａ＃１に到達したタイミングであり、発電ユニット１４での発電を開始して、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量との協調制御を開始するタイミングである。つまり、時刻ｔ３は、発電ユニット１４での発電量に応じてウエストゲート弁１９の開度を調整（制御）する協調制御の開始タイミングである。

図３における時刻ｔ４は、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃３（第３閾値）に到達したタイミングであり、吸気弁閉時期を最も空気が入るバルブタイミングから進角させ、ウエストゲート弁１９の開度、発電ユニット１４での発電量及び吸気弁閉時期の協調制御を開始するタイミングである。つまり、時刻ｔ４は、発電ユニット１４での発電量に応じてウエストゲート弁１９の開度と吸気弁閉時期を調整（制御）する協調制御の開始タイミングである。

図３におけるＣｒｉｔｅｒｉａ＃１は、上流側排気浄化装置７の触媒劣化が進まない温度の上限値よりも所定温度低い温度である。図３におけるＣｒｉｔｅｒｉａ＃２は、上流側排気浄化装置７の触媒劣化が進まない温度の上限値である温度限界値である。図３におけるＣｒｉｔｅｒｉａ＃３は、Ｃｒｉｔｅｒｉａ＃１よりも高く、Ｃｒｉｔｅｒｉａ＃２よりも低い所定温度である。

図３に示す協調制御の例では、内燃機関１の高負荷時（高出力時）に上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２を超えないように、ウエストゲート弁１９の開度、発電ユニット１４での発電量及び吸気弁閉時期が制御されている。詳述すると、図３に示す協調制御では、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２よりも低いＣｒｉｔｅｒｉａ＃３となるように、ウエストゲート弁１９の開度、発電ユニット１４での発電量及び吸気弁閉時期が制御されている。

図３に示す第２実施例では、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２を超えそうな場合（時刻ｔ３以降）に、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量とを協調制御している。ウエストゲート弁１９の開度は、発電ユニット１４での発電が開始された時刻ｔ３以降、この発電によるタービン１２での回収仕事の増加に伴い閉じ側（小開度）に設定する必要があるため、時刻ｔ２～ｔ３までの開度に比べて小さくなるよう制御される。

そして、時刻ｔ３でウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量との協調制御を開始しても上流側排気浄化装置７の触媒温度が十分に低下しない場合（例えば、上流側排気浄化装置７の触媒温度が上昇傾向等の場合）には、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃３に達した時刻ｔ４以降、ウエストゲート弁１９の開度、発電ユニット１４での発電量及び吸気弁閉時期を協調制御している。

吸気弁閉時期は、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃３に達した時刻ｔ４以降、筒内に空気が入りにくい状態に変更する。つまり、吸気弁閉時期は、筒内に空気が入りにくい状態になるならば、時刻ｔ４において進角させても遅角させてもよい。図３に示す例では、時刻ｔ４において最も空気が入るバルブタイミングから吸気弁閉時期を進角させて筒内へ流入する空気量を減少させている。

これにより、内燃機関１は、同じ空気量を得るのに必要な過給圧が上昇し（等空気量における要求過給圧が上昇し）、コンプレッサ１１が要求する仕事量が増加することで、タービン１２で回収できる仕事量が増加する。

そのため、内燃機関１は、図３の時刻ｔ４以降、上流側排気浄化装置７へ流入する排気の更なる温度低下が期待でき、上流側排気浄化装置７の触媒が過度に高温となって劣化してしまうことを防止できる。

図３に示す第２実施例の協調制御においては、時刻ｔ３において発電ユニット１４による発電を開始するとともに、時刻ｔ３において筒内へ流入する空気量が減少するよう吸気弁閉時期を進角もしくは遅角させてもよい。また、図３に示す第２実施例の協調制御においては、まず筒内へ流入する空気量が減少するよう吸気弁閉時期を進角もしくは遅角させ、その後発電ユニット１４による発電を開始するようにしてもよい。

さらに、吸気弁閉時期の遅進は、例えば上述した位相可変機構を用いた等作動角での遅進でもよいし、上述したリフト作動角可変機構を用いて吸気弁開時期を固定して行う遅進でもよい。

図４は、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量と吸気弁のリフト量とを協調制御した際の一例を示す第３実施例のタイミングチャートである。

図４における時刻ｔ１は、運転者がアクセルペダルを踏み込んで第１スロットル弁５の開度が大きくなり、内燃機関１の負荷が上昇し始めるタイミングである。ウエストゲート弁１９は、時刻ｔ１において閉弁される。

図４おける時刻ｔ２は、内燃機関１の負荷が目標値に対してオーバシュートしないようにウエストゲート弁１９の開度を制御し始めるタイミングであり、内燃機関１の負荷が目標値に到達する手前のタイミングである。

図４における時刻ｔ３は、上流側排気浄化装置７の触媒温度が温度閾値であるＣｒｉｔｅｒｉａ＃１に到達したタイミングであり、発電ユニット１４での発電を開始して、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量との協調制御を開始するタイミングである。つまり、時刻ｔ３は、発電ユニット１４での発電量に応じてウエストゲート弁１９の開度を調整（制御）する協調制御の開始タイミングである。

図４における時刻ｔ４は、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃４（第４閾値）に到達したタイミングであり、吸気弁のリフト量を小さくして、ウエストゲート弁１９の開度、発電ユニット１４での発電量及び吸気弁のリフト量の協調制御を開始するタイミングである。つまり、時刻ｔ４は、発電ユニット１４での発電量に応じてウエストゲート弁１９の開度と吸気弁のリフト量を調整（制御）する協調制御の開始タイミングである。

図４におけるＣｒｉｔｅｒｉａ＃１は、上流側排気浄化装置７の触媒劣化が進まない温度の上限値よりも所定温度低い温度である。図４におけるＣｒｉｔｅｒｉａ＃２は、上流側排気浄化装置７の触媒劣化が進まない温度の上限値である温度限界値である。図４におけるＣｒｉｔｅｒｉａ＃４は、Ｃｒｉｔｅｒｉａ＃１よりも高く、Ｃｒｉｔｅｒｉａ＃２よりも低い所定温度であり、例えばＣｒｉｔｅｒｉａ＃３と異なる値である。

図４に示す協調制御の例では、内燃機関１の高負荷時（高出力時）に上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２を超えないように、ウエストゲート弁１９の開度、発電ユニット１４での発電量及び吸気弁のリフト量が制御されている。詳述すると、図４に示す協調制御では、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２よりも低いＣｒｉｔｅｒｉａ＃４となるように、ウエストゲート弁１９の開度、発電ユニット１４での発電量及び吸気弁のリフト量が制御されている。

図４に示す第３実施例では、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２を超えそうな場合（時刻ｔ３以降）に、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量とを協調制御している。ウエストゲート弁１９の開度は、発電ユニット１４での発電が開始された時刻ｔ３以降、この発電によるタービン１２での回収仕事の増加に伴い閉じ側（小開度）に設定する必要があるため、時刻ｔ２～ｔ３までの開度に比べて小さくなるよう制御される。

そして、時刻ｔ３でウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量との協調制御を開始しても上流側排気浄化装置７の触媒温度が十分に低下しない場合（例えば、上流側排気浄化装置７の触媒温度が上昇傾向等の場合）には、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃４に達した時刻ｔ４以降、ウエストゲート弁１９の開度、発電ユニット１４での発電量及び吸気弁のリフト量を協調制御している。

吸気弁のリフト量は、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃４に達した時刻ｔ４以降、筒内に空気が入りにくい状態になるよう小さく変更する。

そのため、内燃機関１は、図４の時刻ｔ４以降、上流側排気浄化装置７へ流入する排気の更なる温度低下が期待でき、上流側排気浄化装置７の触媒が過度に高温となって劣化してしまうことを防止できる。

図４に示す第３実施例の協調制御においては、時刻ｔ３において発電ユニット１４による発電を開始するとともに、時刻ｔ３において筒内へ流入する空気量が減少するよう吸気弁のリフト量を小さくしてもよい。また、図４に示す第３実施例の協調制御においては、まず筒内へ流入する空気量が減少するよう吸気弁のリフト量を小さくし、その後発電ユニット１４による発電を開始するようにしてもよい。

さらに、吸気弁のリフト量は、連続的に小さくしてもよいし、ステップ状に段階的に小さくしてもよい。

図５は、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量と第２スロットル弁６の開度とを協調制御した際の一例を示す第４実施例のタイミングチャートである。

図５における時刻ｔ１は、運転者がアクセルペダルを踏み込んで第１スロットル弁５（ＴＨ／Ｖ）の開度が大きくなり、内燃機関１の負荷が上昇し始めるタイミングである。ウエストゲート弁１９（ＷＧ／Ｖ）は、時刻ｔ１において閉弁される。

図５おける時刻ｔ２は、内燃機関１の負荷が目標値に対してオーバシュートしないようにウエストゲート弁１９の開度を制御し始めるタイミングであり、内燃機関１の負荷が目標値に到達する手前のタイミングである。

図５における時刻ｔ３は、上流側排気浄化装置７の触媒温度が温度閾値であるＣｒｉｔｅｒｉａ＃１に到達したタイミングであり、発電ユニット１４での発電を開始して、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量との協調制御を開始するタイミングである。つまり、時刻ｔ３は、発電ユニット１４での発電量に応じてウエストゲート弁１９の開度を調整（制御）する協調制御の開始タイミングである。

図５における時刻ｔ４は、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃５（第５閾値）に到達したタイミングであり、第２スロットル弁６（ＡＤＭ／Ｖ）の開度を小さくして、ウエストゲート弁１９の開度、発電ユニット１４での発電量及び第２スロットル弁６の開度の協調制御を開始するタイミングである。つまり、時刻ｔ４は、発電ユニット１４での発電量に応じてウエストゲート弁１９の開度と第２スロットル弁６の開度を調整（制御）する協調制御の開始タイミングである。

図５におけるＣｒｉｔｅｒｉａ＃１は、上流側排気浄化装置７の触媒劣化が進まない温度の上限値よりも所定温度低い温度である。図５におけるＣｒｉｔｅｒｉａ＃２は、上流側排気浄化装置７の触媒劣化が進まない温度の上限値である温度限界値である。図５におけるＣｒｉｔｅｒｉａ＃５は、Ｃｒｉｔｅｒｉａ＃１よりも高く、Ｃｒｉｔｅｒｉａ＃２よりも低い所定温度であり、例えばＣｒｉｔｅｒｉａ＃３やＣｒｉｔｅｒｉａ＃４と異なる値である。

図５に示す協調制御の例では、内燃機関１の高負荷時（高出力時）に上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２を超えないように、ウエストゲート弁１９の開度、発電ユニット１４での発電量及び第２スロットル弁６の開度が制御されている。詳述すると、図５に示す協調制御では、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２よりも低いＣｒｉｔｅｒｉａ＃５となるように、ウエストゲート弁１９の開度、発電ユニット１４での発電量及び第２スロットル弁６の開度が制御されている。

図５に示す第４実施例では、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２を超えそうな場合（時刻ｔ３以降）に、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量とを協調制御している。ウエストゲート弁１９の開度は、発電ユニット１４での発電が開始された時刻ｔ３以降、この発電によるタービン１２での回収仕事の増加に伴い閉じ側（小開度）に設定する必要があるため、時刻ｔ２～ｔ３までの開度に比べて小さくなるよう制御される。

そして、時刻ｔ３でウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量との協調制御を開始しても上流側排気浄化装置７の触媒温度が十分に低下しない場合（例えば、上流側排気浄化装置７の触媒温度が上昇傾向等の場合）には、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃５に達した時刻ｔ４以降、ウエストゲート弁１９の開度、発電ユニット１４での発電量及び第２スロットル弁６の開度を協調制御している。

第２スロットル弁６の開度は、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃５に達した時刻ｔ４以降、筒内に空気が入りにくい状態になるよう小さく変更する。

そのため、内燃機関１は、図５の時刻ｔ４以降は、上流側排気浄化装置７へ流入する排気の更なる温度低下が期待でき、上流側排気浄化装置７の触媒が過度に高温となって劣化してしまうことを防止できる。

図５に示す第４実施例の協調制御においては、時刻ｔ３において発電ユニット１４による発電を開始するとともに、時刻ｔ３において筒内へ流入する空気量が減少するよう第２スロットル弁６の開度を小さくしてもよい。また、図５に示す第４実施例の協調制御においては、まず筒内へ流入する空気量が減少するよう第２スロットル弁６の開度を小さくし、その後発電ユニット１４による発電を開始するようにしてもよい。

また、第４実施例において、内燃機関１の高負荷時（高出力時）にＥＧＲ弁２１が開いている場合には、第２スロットル弁６の開度が小さくなるほどＥＧＲ弁２１の開度を小さくしてもよい。

吸気通路２へＥＧＲを導入するためにＥＧＲ弁２１が開いている場合、ＥＧＲ弁２１の開度を一定の状態で第２スロットル弁６の開度を小さくすると、圧力バランスの関係でＥＧＲ量が増加する。従って、ＥＧＲ弁２１が開いている状態で第２スロットル弁６の開度を閉じ側（小開度）に設定する場合には、ＥＧＲ弁２１の開度を小さく（閉じ側に）する。これによって、内燃機関１は、ＥＧＲ量を一定に保つことができ、燃焼悪化を防止することができる。

なお、第２スロットル弁６やＥＧＲ弁２１を動かすタイミングが適切でない場合、過渡的にＥＧＲ率が急激な変化を起こす虞がある。そこで、第２スロットル弁６及びＥＧＲ弁２１の位置や当該各弁の下流側の圧力損失等からＥＧＲガス及び新気の輸送遅れを推定もしくは検知した上で、第２スロットル弁６とＥＧＲ弁２１を協調させて動かすタイミングを決めればよい。

図６は、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量と第１スロットル弁５の開度とを協調制御した際の一例を示す第５実施例のタイミングチャートである。

図６における時刻ｔ１は、運転者がアクセルペダルを踏み込んで第１スロットル弁５（ＴＨ／Ｖ）の開度が大きくなり、内燃機関１の負荷が上昇し始めるタイミングである。ウエストゲート弁１９（ＷＧ／Ｖ）は、時刻ｔ１において閉弁される。

図６おける時刻ｔ２は、内燃機関１の負荷が目標値に対してオーバシュートしないようにウエストゲート弁１９の開度を制御し始めるタイミングであり、内燃機関１の負荷が目標値に到達する手前のタイミングである。

図６における時刻ｔ３は、上流側排気浄化装置７の触媒温度が温度閾値であるＣｒｉｔｅｒｉａ＃１に到達したタイミングであり、発電ユニット１４での発電を開始して、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量との協調制御を開始するタイミングである。つまり、時刻ｔ３は、発電ユニット１４での発電量に応じてウエストゲート弁１９の開度を調整（制御）する協調制御の開始タイミングである。

図６における時刻ｔ４は、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃６（第６閾値）に到達したタイミングであり、第１スロットル弁５の開度を小さくして、ウエストゲート弁１９の開度、発電ユニット１４での発電量及び第１スロットル弁５の開度の協調制御を開始するタイミングである。つまり、時刻ｔ４は、発電ユニット１４での発電量に応じてウエストゲート弁１９の開度と第１スロットル弁５の開度を調整（制御）する協調制御の開始タイミングである。

図６におけるＣｒｉｔｅｒｉａ＃１は、上流側排気浄化装置７の触媒劣化が進まない温度の上限値よりも所定温度低い温度である。図６におけるＣｒｉｔｅｒｉａ＃２は、上流側排気浄化装置７の触媒劣化が進まない温度の上限値である温度限界値である。図６におけるＣｒｉｔｅｒｉａ＃６は、Ｃｒｉｔｅｒｉａ＃１よりも高く、Ｃｒｉｔｅｒｉａ＃２よりも低い所定温度であり、例えばＣｒｉｔｅｒｉａ＃３、Ｃｒｉｔｅｒｉａ＃４、Ｃｒｉｔｅｒｉａ＃５と異なる値である。

図６に示す協調制御の例では、内燃機関１の高負荷時（高出力時）に上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２を超えないように、ウエストゲート弁１９の開度、発電ユニット１４での発電量及び第１スロットル弁５の開度が制御されている。詳述すると、図６に示す協調制御では、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２よりも低いＣｒｉｔｅｒｉａ＃６となるように、ウエストゲート弁１９の開度、発電ユニット１４での発電量及び第１スロットル弁５の開度が制御されている。

図６に示す第５実施例では、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２を超えそうな場合（時刻ｔ３以降）に、ウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量とを協調制御している。ウエストゲート弁１９の開度は、発電ユニット１４での発電が開始された時刻ｔ３以降、この発電によるタービン１２での回収仕事の増加に伴い閉じ側（小開度）に設定する必要があるため、時刻ｔ２～ｔ３までの開度に比べて小さくなるよう制御される。

そして、時刻ｔ３でウエストゲート弁１９の開度と発電ユニット１４での発電量との協調制御を開始しても上流側排気浄化装置７の触媒温度が十分に低下しない場合（例えば、上流側排気浄化装置７の触媒温度が上昇傾向等の場合）には、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃６に達した時刻ｔ４以降、ウエストゲート弁１９の開度、発電ユニット１４での発電量及び第１スロットル弁５の開度を協調制御している。

第１スロットル弁５の開度は、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃６に達した時刻ｔ４以降、筒内に空気が入りにくい状態になるよう小さく変更する。

そのため、内燃機関１は、図６の時刻ｔ４以降、上流側排気浄化装置７へ流入する排気の更なる温度低下が期待でき、上流側排気浄化装置７の触媒が過度に高温となって劣化してしまうことを防止できる。

図６に示す第５実施例の協調制御においては、時刻ｔ３において発電ユニット１４による発電を開始するとともに、時刻ｔ３において筒内へ流入する空気量が減少するよう第１スロットル弁５の開度を小さくしてもよい。また、図６に示す第５実施例の協調制御においては、まず筒内へ流入する空気量が減少するよう第１スロットル弁５の開度を小さくし、その後発電ユニット１４による発電を開始するようにしてもよい。

なお、上述した各実施例では、上流側排気浄化装置７の触媒温度をみながら協調制御を実施しているが、タービン１２の出口温度をみながら協調制御を実施するようにしてもよい。

また、上述した各実施例において、内燃機関１の要求空気量に応じて設定される発電ユニット１４の発電量は、上流側排気浄化装置７の触媒温度が所定の温度限界値であるＣｒｉｔｅｒｉａ＃２以下となるように設定されている。

そのため、内燃機関１は、上流側排気浄化装置７の触媒温度が過度に高温にならないようにでき、上流側排気浄化装置７の触媒が高温により劣化しないようにできる。

そして、上述した各実施例において、上流側排気浄化装置７の触媒温度は、予め実験等を行って適合させたマップを用いて算出することも可能である。

例えば、上流側排気浄化装置７の触媒温度は、例えば図７に示すように、内燃機関１の目標トルクと内燃機関１の実回転数とを用いて算出可能である。内燃機関１の目標トルクは、内燃機関１の目標空気量（要求空気量）に応じて設定されるものである。従って、上流側排気浄化装置７の触媒温度は、目標空気量（要求空気量）に応じて算出可能となる。図７を用いて算出された触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２に達するような場合には、協調制御が実施される。上流側排気浄化装置７の触媒温度は、内燃機関１の目標トルクと内燃機関１の実回転数が大きくなるほど高くなる。

また、協調制御において、上流側排気浄化装置７の触媒温度が温度限界値を超えないように設定されるウエストゲート弁１９の開度や発電ユニット１４の発電量は、予め実験等を行って適合させたマップを用いて算出可能である。

協調制御におけるウエストゲート弁１９の開度は、例えば図８に示すように、内燃機関１の目標トルクと内燃機関１の実回転数とを用いて設定可能である。ウエストゲート弁１９の開度は、内燃機関１の目標空気量（要求空気量）に応じて設定されるものである。従って、ウエストゲート弁１９の開度は、目標空気量（要求空気量）に応じて算出可能となる。ウエストゲート弁１９の開度は、内燃機関１の目標トルクと内燃機関１の実回転数が大きくなるほど小さくなる。

協調制御における発電ユニット１４での発電量は、例えば図９に示すように、内燃機関１の目標トルクと内燃機関１の実回転数とを用いて設定可能である。発電ユニット１４での発電量は、内燃機関１の目標空気量（要求空気量）に応じて設定されるものである。従って、発電ユニット１４での発電量は、目標空気量（要求空気量）に応じて算出可能となる。発電ユニット１４での発電量は、内燃機関１の目標トルクと内燃機関１の実回転数が大きくなるほど大きくなる。

また、協調制御において、上流側排気浄化装置７の触媒温度が温度限界値を超えないように設定される吸気弁閉時期、吸気弁のリフト量、第１スロットル弁５の開度、第２スロットル弁６の開度についても、内燃機関１の目標トルクと内燃機関１の実回転数を用いて予め実験等を行って適合させたマップ（図示せず）を参照して算出可能である。

また、協調制御は、ウエストゲート弁１９の弁開度と発電ユニット１４の発電量の他に、吸気弁閉時期、吸気弁のリフト量、第１スロットル弁５の開度及び第２スロットル弁６の開度のうちの少なくとも一つを用いて実施するようにしてもよい。つまり、協調制御は、ウエストゲート弁１９の弁開度と発電ユニット１４の発電量の他に、例えば吸気弁閉時期、吸気弁のリフト量、第１スロットル弁５の開度及び第２スロットル弁６の開度を用いて実施してもよい。

上述した各実施例の協調制御は、上流側排気浄化装置７の触媒温度がＣｒｉｔｅｒｉａ＃２となるように実施してもよい。

本発明は、搭載される車両の駆動輪に駆動トルクを伝達する内燃機関や、発電用に車両に搭載される内燃機関に適用可能である。

１…内燃機関
２…吸気通路
３…排気通路
４…エアクリーナ
５…第１スロットル弁
６…第２スロットル弁
７…上流側排気浄化装置
１０…過給機
１１…コンプレッサ
１２…タービン
１３…タービン軸
１４…発電ユニット
１５…バッテリ
１９…ウエストゲート弁
２１…ＥＧＲ弁
２４…可変動弁機構
３０…コントロールユニット

Claims

吸気通路に設けられたコンプレッサと、排気通路に設けられたタービンと、上記コンプレッサと上記タービンとを連結する軸部材と、を有する過給機と、
上記過給機の軸部材の回転を利用して発電が可能な発電ユニットと、
上記発電ユニットの発電量を制御する発電制御部と、
上記タービンを迂回するように上記排気通路に接続されたバイパス通路に設けられたウエストゲート弁と、を有し、
上記ウエストゲート弁の開度と上記発電制御部で制御する発電量とを協調制御する内燃機関の制御方法において、
上記吸気通路には、上記コンプレッサの上流側に位置する第１吸気絞り弁が設けられ、
上記第１吸気絞り弁と上記コンプレッサとの間の上記吸気通路に排気の一部を導入可能なＥＧＲ通路を有し、
上記協調制御は、上記発電ユニットの発電量に応じて上記第１吸気絞り弁の開度を小さくしながら上記ウエストゲート弁の開度を調整するとともに、上記ＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲ弁が開いて上記吸気通路に排気の一部が導入されている場合、上記第１吸気絞り弁の開度が小さくなるほど、上記ＥＧＲ通路に配置された上記ＥＧＲ弁の開度を小さくすることを特徴とする内燃機関の制御方法。
上記協調制御は、上記発電ユニットの発電量に応じて上記ウエストゲート弁の開度を調整し、上記発電ユニットの発電量が大きくなるほど上記ウエストゲート弁の開度を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御方法。
内燃機関の吸気弁閉時期を進角もしくは遅角可能な第１可変動弁機構を有し、
上記協調制御は、上記発電ユニットの発電量に応じて上記吸気弁閉時期を進角もしくは遅角させながら上記ウエストゲート弁の開度を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御方法。
内燃機関の吸気弁のリフト量を可変可能な第２可変動弁機構を有し、
上記協調制御は、上記発電ユニットの発電量に応じて上記吸気弁のリフト量を低下させながら上記ウエストゲート弁の開度を調整することを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
要求空気量に応じて設定される上記発電ユニットの発電量は、タービン出口温度もしくは上記タービンの下流側に位置する排気浄化用触媒の温度が上記排気浄化用触媒の温度限界値以下となるように設定されていることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
タービン出口温度もしくは上記タービンの下流側に位置する排気浄化用触媒の温度が上記排気浄化用触媒の温度限界値よりも低い所定の温度閾値に到達した場合に、上記協調制御を開始することを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
上記協調制御は、タービン出口温度もしくは上記排気浄化用触媒の温度が上記温度限界値となるように制御する請求項６に記載の内燃機関の制御方法。
吸気通路に設けられたコンプレッサと、排気通路に設けられたタービンと、上記コンプレッサと上記タービンとを連結する軸部材と、を有する過給機と、
上記過給機の軸部材の回転を利用して発電が可能な発電ユニットと、
上記発電ユニットの発電量を制御する発電制御部と、
上記タービンを迂回するように上記排気通路に接続されたバイパス通路に設けられたウエストゲート弁と、を有し、
上記ウエストゲート弁の開度と上記発電制御部で制御する発電量とを協調制御する内燃機関の制御装置において、
上記吸気通路には、上記コンプレッサの上流側に位置する第１吸気絞り弁が設けられ、
上記第１吸気絞り弁と上記コンプレッサとの間の上記吸気通路に排気の一部を導入可能なＥＧＲ通路を有し、
上記協調制御は、上記発電ユニットの発電量に応じて上記第１吸気絞り弁の開度を小さくしながら上記ウエストゲート弁の開度を調整するとともに、上記ＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲ弁が開いて上記吸気通路に排気の一部が導入されている場合、上記第１吸気絞り弁の開度が小さくなるほど、上記ＥＧＲ通路に配置された上記ＥＧＲ弁の開度を小さくすることを特徴とする内燃機関の制御装置。