JPWO2013027267A1 - ターボ過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明の課題は、ターボ過給機付き内燃機関において、排気浄化触媒の暖機を妨げないように過給圧を制御することである。このため、本発明が提供するターボ過給機付き内燃機関の制御装置は、排気浄化触媒を暖機する要求が有る場合には、前記要求が無い場合に比較して、同じ目標吸気圧に対する目標過給圧の決定値を小さくする。なお、目標吸気圧は、内燃機関に対する要求トルクから決定された目標空気量に基づいて決定される。本制御装置は、目標吸気圧と実過給圧とに基づいてスロットルを操作するとともに、目標過給圧に基づいてウエストゲートバルブを操作する。

Description

本発明は、ターボ過給機付き内燃機関の制御装置に関し、特に、アクチュエータの操作によりタービンの回転数を能動的に制御可能なターボ過給機付き内燃機関の制御装置に関する。

自動車用の内燃機関の制御方法の１つとして、トルクを制御量としてアクチュエータの操作量を決定するトルクデマンド制御が知られている。トルクデマンド制御は、ターボ過給機付き内燃機関にも適用することができる。ターボ過給付き内燃機関のトルクデマンド制御では、要求トルクに基づいてスロットルの操作量が決定されるとともに、要求トルクに基づいて過給圧制御用のアクチュエータの操作量が決定される。過給圧制御用アクチュエータはタービンの回転数を能動的に制御することができるアクチュエータであり、ウエストゲートバルブと可変ノズルを例として挙げることができる。これら過給圧制御用アクチュエータの操作は、より詳しくは、要求トルクに基づき決定された目標過給圧に従って行われる。要求トルクから目標過給圧を決定する方法としては、特開２００７−３１５２１７号公報に開示されているように、要求トルクから目標空気量を決定し、さらに目標空気量から目標過給圧を算出する方法が知られている。また、特開２００６−１５２８２１号公報に開示されているように、目標空気量から目標吸気圧を決定し、目標吸気圧から目標過給圧を算出する方法も知られている。

ターボ過給機付き内燃機関のトルクデマンド制御では、運転性能、詳しくは、内燃機関が発生させるトルクのアクセル操作に対するレスポンスを重視して目標過給圧が決定される。ところが、内燃機関に求められる性能はそのような運転性能だけではない。排気ガス性能、つまり、排気ガスに含まれる有害成分を低減することも内燃機関に求められている性能の１つである。十分な排気ガス性能を得る上では、排気浄化触媒を早期に活性させることが１つの要件であり、そのためには排気浄化触媒の暖機は速やかに行われなければならない。ところが、ターボ過給機付き内燃機関の場合、タービンにおいて発生する熱損失によって排気温度が低下する場合がある。過給圧を高くするためには大きなタービン仕事が必要であるが、タービン仕事が大きいほどタービンで発生する熱損失も大きくなる。このため、過給圧の制御の方法によっては、タービンにおける排気温度の低下によって排気浄化触媒の暖機を妨げてしまうおそれがある。

特開２００７−３１５２１７号公報 特開２００８−０１５０５１号公報 特開２００８−２５５８９６号公報 特開２００６−１５２８２１号公報

本発明は、ターボ過給機付き内燃機関において、排気浄化触媒の暖機を妨げないように過給圧を制御することを課題とする。そして、この課題を達成するために、本発明に係るターボ過給機付き内燃機関の制御装置は以下のように構成される。

本発明の１つの形態によれば、本制御装置は内燃機関に対する要求トルクを取得する。そして、要求トルクから目標空気量を決定し、目標空気量から目標吸気圧を決定し、さらに、目標吸気圧から目標過給圧を決定する。そして、目標吸気圧と実過給圧とに基づいてスロットルを操作するとともに、目標過給圧に従って過給圧制御用アクチュエータを操作する。過給圧制御用アクチュエータは、タービンの回転数を能動的に制御可能なアクチュエータであって、その代表例がウエストゲートバルブや可変ノズルである。本制御装置は、目標吸気圧から目標過給圧を決定するに際し、排気浄化触媒を暖機する要求が有る場合には、そのような要求が無い場合に比較して、同じ目標吸気圧に対する目標過給圧の決定値を小さくする。より具体的な目標過給圧の決定の方法としては、同じ目標吸気圧に対して比較的大きい値の目標過給圧を与えるマップと、同じ目標吸気圧に対して比較的小さい値の目標過給圧を与えるマップとを予め持っておき、排気浄化触媒を暖機する要求の有無に応じて目標過給圧の決定に用いるマップを切り替える方法を採ってもよい。

以上のように構成される制御装置によれば、排気浄化触媒を暖機する要求が有る場合は、そのような要求が無い場合に比較して過給圧が低くなるように過給圧制御用アクチュエータが操作される。この操作によってタービン仕事が小さくなる結果、タービンで発生する熱損失が少なくなって排気温度の低下は抑えられる。

本発明の実施の形態の制御装置の構成を示すブロック図である。 触媒暖機要求の有無に応じて目標過給圧の設定を切り替える処理について説明するための図である。 目標過給圧の設定を切り替えるための判断の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の制御装置による制御結果を示す図である。

本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

本実施の形態おいて制御対象とされるターボ過給機付き内燃機関（以下、エンジン）は、スロットルによる空気量の調整によってトルクを制御することのできる自動車用の４サイクルレシプロエンジンである。エンジンに設けられるターボ過給機には、開度を調整可能なウエストゲートバルブ（以下、ＷＧＶ）が付設されている。制御装置は、エンジンに備えられるアクチュエータを操作することでエンジンの運転を制御する。制御装置が操作可能なアクチュエータには、点火装置、スロットル、燃料噴射装置、可変バルブタイミング機構、ＷＧＶ等が含まれる。ただし、本実施の形態において制御装置が操作するのはスロットルとＷＧＶである。制御装置はこれら２つのアクチュエータを操作してエンジンが出力するトルクを制御する。

図１のブロック図に示す制御装置１０は、本実施の形態の制御装置の構成を示している。図１において制御装置１０を構成している各要素１２，１４，１６，１８，２０，２２は、制御装置１０が有する種々の機能的な要素のうち、スロットル２とＷＧＶ４の操作に関する要素のみを特別に図で表現したものである。したがって、図１は、制御装置１０がこれらの要素のみで構成されていることを意味するものではない。なお、各要素は、それぞれが専用のハードウェアで構成されていてもよいし、ハードウェアは共有してソフトウェアによって仮想的に構成されるものでもよい。以下、図１に示す各要素１２，１４，１６，１８，２０，２２の機能を中心に制御装置１０の構成について説明する。

制御装置１０には、車両全体を総合制御しているパワートレインマネージャ（図示略）から要求トルクと要求効率が供給される。要求トルクはエンジンが発生させる図示トルクの要求値である。要求トルクには、アクセルペダルの操作量や操作速度から算出されるドライバからの要求トルクと、ＥＣＴ（Electronic Controlled Transmission）やＴＲＣ（Traction Control System）等の車両の制御デバイスからの要求トルクとが含まれている。要求効率は点火時期の制御のために用いられるパラメータである。最適点火時期での運転を要求する場合、パワートレインマネージャは要求効率の値を最大値の１にする。要求効率が１よりも小さい値とされるのは、点火時期を最適点火時期よりも遅角させることが要求される場合である。例えば、排気浄化触媒の暖機のために排気温度を上昇させたい場合や、トルクを急激に低下させたい場合がそれに該当する。パワートレインマネージャから制御装置１０に供給される要求効率には、要求の内容を識別するためのＩＤが付されている。

制御装置１０は、取得した要求トルクから目標空気量を決定する。目標空気量の決定には目標空気量決定部１２が用いられる。目標空気量決定部１２は、予め用意されている変換マップを用いて要求トルクを空気量に変換する。ここでいう空気量とは、筒内に吸入される空気量を意味する。目標空気量決定部１２では、要求トルクの実現に必要な空気量がエンジンの目標空気量として決定される。

次に、制御装置１０は、目標空気量から目標吸気圧を決定する。目標吸気圧の決定には目標吸気圧決定部１４が用いられる。目標吸気圧決定部１４は、予め要されている変換マップを用いて目標空気量を吸気圧に変換する。或いは物理モデルを用いて目標空気量を吸気圧に変換してもよい。ここでいう吸気圧とは、スロットルから吸気弁までの空間内の圧力を意味する。目標吸気圧決定部１４では、目標空気量の実現に必要な吸気圧がエンジンの目標吸気圧として決定される。

目標吸気圧は目標スロットル開度決定部１６に入力される。目標スロットル開度決定部１６には過給圧センサ（図示略）によって計測された実過給圧も入力されている。目標スロットル開度決定部１６は、実過給圧を前提にした場合に目標吸気圧の達成に必要なスロットル開度を目標スロットル開度として算出する。その計算には、過給圧とスロットル開度と吸気圧との間に成り立つ関係をモデル化したスロットルモデルが用いられる。目標スロットル開度はスロットル制御部１８に入力される。スロットル制御部１８は目標スロットル開度に従ってスロットル２の操作を行う。

また、制御装置１０は、目標吸気圧から目標スロットル開度を決定するのと並行して、目標吸気圧から目標過給圧を決定する。目標空気量からではなく目標吸気圧から目標過給圧を決定することには、バルブタイミングの変化の影響が受け難くなるという技術的意義がある。目標過給圧の決定には目標過給圧決定部２０が用いられる。目標過給圧決定部２０には、目標吸気圧とともに要求効率の値とそのＩＤが入力される。以下、目標過給圧決定部２０で行われる処理の内容について図２及び図３を用いて説明する。

図２の下段は、目標過給圧決定部２０が目標過給圧の決定に用いるマップのイメージを示している。目標過給圧決定部２０が用いるマップは、図において目標吸気圧と目標過給圧との関係が実線で示される第１のマップと、同関係が点線で示される第２のマップの２種類が用意されている。これらマップによれば、目標吸気圧が所定値以下の領域では目標過給圧は一定とされ、目標吸気圧が前記所定値を超えると目標吸気圧の大きさに応じて目標過給圧も大きくされる。ただし、第１のマップでは目標過給圧が立ち上がる目標吸気圧の値が大気圧とされているのに対し、第２のマップでは目標過給圧が立ち上がる目標吸気圧の値は大気圧よりも低い値とされている。このため、同じ目標吸気圧に対して第１のマップでは比較的小さい値の目標過給圧を与えられ、第２のマップでは比較的大きい値の目標過給圧が与えられることになる。目標過給圧決定部２０は、要求効率の内容に応じて目標過給圧の決定に用いるマップを選択する。要求効率が排気浄化触媒の暖機を要求するものであるならば、目標過給圧決定部２０は第１のマップを選択し、要求効率が排気浄化触媒の暖機以外を要求するものであるならば、目標過給圧決定部２０は第２のマップを選択する。選択されたマップによって、目標吸気圧に対する目標過給圧の設定が切り替えられる。

図２の上段は、各マップによって実現されるＷＧＶ４の開度と目標吸気圧との関係を示している。実線で描かれた折れ線は、第１のマップが選択された場合のＷＧＶ４の開度と目標吸気圧との関係を示している。点線で描かれた折れ線は、第２のマップが選択された場合のＷＧＶ４の開度と目標吸気圧との関係を示している。これら２つを比較すれば明らかなように、過給領域において第１のマップが選択された場合には、第２のマップが選択された場合よりも同じ目標吸気圧に対してＷＧＶ４は大きく開かれる。ＷＧＶ４の開度が大きいほど、タービンに流入する排気ガスの流量が減少し、タービン仕事は小さく抑えられる。その結果、タービンで発生する熱損失は小さくなり、タービンによる排気温度の低下は抑えられる。つまり、第１のマップが選択された場合には、排気温度を重視した過給圧制御が行われることで、排気温度の低下を抑えて排気浄化触媒の暖機を促進することができる。一方、第２のマップが選択された場合には、同じ目標吸気圧に対して過給圧が高く設定されることから、エンジンが発生させるトルクのアクセル操作に対するレスポンスを高めることができる。つまり、レスポンスを重視した過給圧制御が可能となる。

目標過給圧決定部２０による目標過給圧の設定の切り替えは、図３のフローチャートに示す判断手順に従って行われる。まず、ステップＳ１では、要求効率の値が１より小さいかどうか判定される。要求効率の値が１であるならば、ステップＳ３の処理が選択される。すなわち、第２のマップが選択されることによってレスポンス重視の目標過給圧の設定がなされる。要求効率の値が１より小さい場合には、ステップＳ２の判定が行われる。ステップＳ２では、要求効率のＩＤから要求の内容が排気浄化触媒の暖機であるかどうか判定される。要求の内容が排気浄化触媒の暖機でないならば、ステップＳ３の処理が選択されてレスポンス重視の目標過給圧の設定がなされる。これに対し、要求の内容が排気浄化触媒の暖機であるならば、ステップＳ４の処理が選択される。すなわち、第１のマップが選択されることによって排気温度重視の目標過給圧の設定がなされる。このフローチャートから分かるように、目標過給圧の通常の設定はレスポンス重視であり、排気浄化触媒の暖機が要求される場合のみ排気温度重視の設定へと切り替えられる。

目標過給圧決定部２０にて決定された目標過給圧は過給圧制御部２２に入力される。過給圧制御部２２では、目標過給圧を実現するのに必要なＷＧＶ４の開度が目標ＷＧＶ開度として算出される。目標ＷＧＶ開度の計算には、エンジン回転数や負荷などの種々のエンジン状態量がパラメータとして用いられる。過給圧制御部２２は、算出した目標ＷＧＶ開度に従ってＷＧＶ４の操作を行う。

以上のように構成された制御装置１０によれば、例えば図４に示すような制御結果を得ることができる。図４には、制御装置１０による要求効率、目標吸気圧及び目標過給圧の各時間変化が示されている。図４に示す例では、要求効率の値が二度、１よりも小さくされている。最初の１よりも小さい要求効率は、排気浄化触媒の暖機のための要求効率であり、二度目の１よりも小さい要求効率は、ＥＣＴの変速のための要求効率とされている。要求効率が排気浄化触媒の暖機を要求するものなのか、ＥＣＴ変速を要求するものなのかは、要求効率に付帯するＩＤによって区別される。

要求が排気浄化触媒の暖機である場合には、排気温度重視の目標過給圧の設定がなされる。つまり、要求効率が１よりも小さくなっている間、目標過給圧は通常時の値（レスポンスが重視されるときの値）よりも小さくされる。これによりＷＧＶ４が開かれ、タービンをバイパスした高温の排気ガスがそのまま排気浄化触媒に供給されるようになる。これに対し、要求がＥＣＴの変速である場合には、通常のようにレスポンス重視の目標過給圧の設定がなされる。このため、排気浄化触媒の暖機の場合とは異なり、要求効率の減少に合わせて目標過給圧は下げられない。ＥＣＴ変速の完了に合わせてトルクアップを行う時に過給遅れを生じさせないためである。

なお、図面を用いた説明は省略するが、制御装置１０は、上述のスロットル制御と過給圧制御と併せて点火時期制御を行っている。点火時期制御では、要求効率の値が１の場合に点火時期は最適点火時期とされ、要求効率の値が１よりも小さいほど最適点火時期に対する遅角量が大きくされる。

以上が本発明の実施の形態についての説明である。ただし、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、図３のフローチャートのステップＳ１では、閾値を１として要求効率の値が１より小さいかどうかを判定しているが、閾値を１よりも小さい値に設定してもよい。また、要求効率の値に付されているＩＤが触媒暖機の要求である場合、要求効率の値が小さいほど、触媒暖機が強く要求されているものと判断することができる。よって、目標吸気圧に対する目標過給圧の設定を多段階にして、要求効率の値が小さいほど同じ目標吸気圧に対する目標過給圧の値が小さくなるように設定を切り替えるようにしてもよい。

また、上述の実施の形態では目標過給圧の設定に用いるマップをレスポンス重視か排気温度重視かによって切り替えているが、目標過給圧の設定に用いるマップはレスポンス重視のマップのみでもよい。排気浄化触媒の暖機の要求がある場合には、そのマップから得られた目標過給圧の値をより小さい値に補正すればよい。より好ましくは、そのマップから得られた目標過給圧の値を要求効率の値に応じて補正すればよい。

過給圧制御用アクチュエータとしては、ＷＧＶの他にもタービンの可変ノズルを用いることができる。

２ スロットル
４ ウエストゲートバルブ
１０ 制御装置
１２ 目標空気量決定部
１４ 目標吸気圧決定部
１６ 目標スロットル開度決定部
１８ スロットル制御部
２０ 目標過給圧決定部
２２ 過給圧制御部

特開２００７−３１５２１７号公報 特開２００８−１５１０５１号公報 特開２００８−２５５８９６号公報 特開２００６−１５２８２１号公報

Claims (2)

1. アクチュエータの操作によりタービンの回転数を能動的に制御可能なターボ過給機付き内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関に対する要求トルクを取得し、前記要求トルクから目標空気量を決定する目標空気量決定手段と、
   前記目標空気量から目標吸気圧を決定する目標吸気圧決定手段と、
   前記目標吸気圧から目標過給圧を決定する目標過給圧決定手段と、
   前記目標吸気圧と実過給圧とに基づいてスロットルを操作するスロットル制御手段と、
   前記目標過給圧に従って前記アクチュエータを操作する過給圧制御手段とを備え、
   前記目標過給圧決定手段は、前記内燃機関の排気通路に配置された排気浄化触媒を暖機する要求が有る場合には、前記要求が無い場合に比較して、同じ目標吸気圧に対する目標過給圧の決定値を小さくすることを特徴とするターボ過給機付き内燃機関の制御装置。
2. 前記目標過給圧決定手段は、同じ目標吸気圧に対して比較的大きい値の目標過給圧を与えるマップと、同じ目標吸気圧に対して比較的小さい値の目標過給圧を与えるマップとを備え、前記要求の有無に応じて前記目標過給圧の決定に用いるマップを切り替えることを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機付き内燃機関の制御装置。

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