JPWO2014010067A1 - ターボ過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、タービンの回転数に作用するアクチュエータの操作量を目標状態量と実状態量との偏差に基づくフィードバック制御によって決定するターボ過給機付き内燃機関の制御装置において、過渡状態での過給圧の制御性を向上させることである。この目的のため、本発明に係る制御装置は、目標吸入空気量に基づくフィードフォワード制御によってスロットルの開度を決定するとともに、目標吸入空気量から決定した目標吸気圧と実吸気圧との偏差に基づくフィードバック制御によってアクチュエータの操作量を決定する。

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、タービンの回転数に作用するアクチュエータ、つまり、過給圧に作用するアクチュエータの操作量を目標状態量と実状態量との偏差に基づくフィードバック制御によって決定する制御装置に関する。

ターボ過給機付き内燃機関の過給圧をアクチュエータの操作によって制御する技術が知られている。例えば下記の特許文献１に記載の技術では、可変容量型ターボ過給機付き内燃機関において、可変ノズルの開度を目標過給圧と実過給圧との偏差に基づくフィードバック制御によって決定することにより目標過給圧を達成できる可変ノズル開度を得ている。また、ウエストゲートバルブを有するターボ過給機付き内燃機関において、目標過給圧と実過給圧との偏差に基づくフィードバック制御によってウエストゲートバルブの開度を決定する技術も知られている。これらのように、過給圧フィードバック制御によってアクチュエータ操作量を決定することにより、内燃機関の過給圧を運転状態に応じた最適値に維持することが可能となる。

過給圧フィードバック制御では、可変ノズルやウエストゲートバルブのように過給圧に作用するアクチュエータが操作される。これらのアクチュエータによってタービンの回転数を変化させることによってコンプレッサの空気に対する圧縮仕事が変化し、ひいては過給圧が変化する。ただし、過給圧にはこれらアクチュエータだけでなくスロットルの影響も受ける。例えば、スロットルが速い速度で閉じた場合、空気の流路がチョークすることでスロットル上流の圧力である過給圧は上昇する。この場合、目標過給圧に対して高くなった実過給圧を低下させるべく、過給圧フィードバック制御によってアクチュエータはタービン回転数を低下させる方向に操作される。これによりタービン回転数は低下して過給圧は低下する。

ところが、アクチュエータを再びタービン回転数を上昇させる方向に操作する場合、一旦低下したタービン回転数が再度上昇するまでには時間を要する。このため、再加速の要求によってスロットルが再び開かれたとしても、一旦低下した過給圧は直ぐには上昇しないために再加速に必要な吸入空気量を得ることができない。つまり、所望の加速性能を得ることができない。

この点に関して、特許文献１に記載の技術では、内燃機関の運転状態が減速状態となった場合には、再加速時の過給圧を高めるために過給圧フィードバック制御は停止されている。同様の技術は下記の特許文献２にも記載されている。特許文献２に記載の技術によれば、通常の低負荷状態ではウエストゲートバルブは全開とされるが、車両が加速する可能性が高い状態であるときには、低負荷状態であるかどうかにかかわらずウエストゲートバルブは強制的に閉じられる。

特許文献１に記載の技術によれば、加速時の過給圧の低下を防いで加速レスポンスを向上させることができる。しかし、一旦停止した過給圧フィードバック制御を再開する場合、再開時の目標過給圧と実過給圧との差や再開時のアクチュエータ操作量によっては、過給圧フィードバック制御の作用によって過給圧が急変してしまうおそれがある。つまり、従来の過給圧フィードバック制御には、過給圧の制御性に関して未だ改善の余地があった。

特開２００４−０９２４７７号公報 特開２００８−０１４２８９号公報

本発明は、上述の問題に鑑みなされたもので、過給圧に作用するアクチュエータの操作量を目標状態量と実状態量との偏差に基づくフィードバック制御によって決定するターボ過給機付き内燃機関の制御装置において、過渡状態での過給圧の制御性を向上させることを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る制御装置は、目標吸入空気量に基づくフィードフォワード制御によってスロットルの開度を決定するとともに、同目標吸入空気量から決定した目標吸気圧と実吸気圧との偏差に基づくフィードバック制御、すなわち、吸気圧フィードバック制御によって過給圧に作用するアクチュエータの操作量を決定する。吸気圧フィードバック制御で用いる実吸気圧は吸気圧センサを用いて計測された計測値でもよいし物理モデルを用いて推定した推定値でもよい。

スロットルの開度の変化に対する吸気圧の応答性は高いため、実吸気圧は目標吸気圧に追従して変化する。このため、スロットルの開度が急変している過渡状態であっても目標吸気圧と実吸気圧との乖離は小さい。よって、吸気圧フィードバック制御によってアクチュエータ操作量を決定することにより、スロットルの開度の急変の影響によりアクチュエータ操作量が変動することを防止し、ひいては、過給圧の不足や過剰が生じるのを抑えることができる。

本発明に係る制御装置の好ましい形態では、本発明に係る制御装置は、過渡状態ではない定常状態では、目標吸気圧から決定した目標過給圧と実過給圧との偏差に基づくフィードバック制御、すなわち、過給圧フィードバック制御によってアクチュエータの操作量を決定する。過給圧フィードバック制御で用いる実過給圧は過給圧センサを用いて計測された計測値でもよいし物理モデルを用いて推定した推定値でもよい。そして、過給圧が大きく変動する過渡状態では、過給圧フィードバック制御に代えて吸気圧フィードバック制御を選択し、吸気圧フィードバック制御によってアクチュエータの操作量を決定する。これによれば、通常状態での過給圧の制御性を高く維持しながら、過渡状態での過給圧の制御性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る制御装置の構成を示す機能ブロック図である。 図２に示す制御装置による吸気圧フィードバック制御の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。 従来の過給圧フィードバック制御の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態２に係る制御装置の構成を示す機能ブロック図である。 図４に示す制御装置によるフィードバック制御方法の選択の判断を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３に係る制御装置の構成を示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態４に係る制御装置の構成を示す機能ブロック図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図を参照して説明する。

本実施の形態に係る制御装置はターボ過給機を備えた火花点火式の４サイクルレシプロエンジンに適用される。この内燃機関の吸気通路には電子制御式のスロットルが取り付けられ、排気通路にはウエストゲートバルブが取り付けられている。また、吸気通路におけるスロットルの下流には、吸気圧を計測するための吸気圧センサが取り付けられている。

内燃機関の運転は車載ＥＣＵ（Electronic Control Unit）によって制御される。ＥＣＵは車両制御、エンジン制御、変速機制御等の種々の機能を備えている。本実施の形態に係る制御装置はＥＣＵが備える機能の一部として実現される。ＥＣＵには、吸気圧センサを含む各種のセンサから、内燃機関の運転状態や運転条件に関する様々な情報が入力される。ＥＣＵが本実施の形態に係る制御装置として機能する場合、ＥＣＵは、メモリに記憶されている制御プログラムに従ってスロットルを操作し、また、ウエストゲートバルブを操作する。ウエストゲートバルブを操作することによって過給機のタービンの回転数を制御し、それにより過給圧を制御することができる。そして、スロットルを操作することによって吸気圧を制御し、それにより筒内に吸入される空気量を制御することができる。

図１は、制御プログラムに従いＥＣＵ１０が機能することで実現される制御装置の構成を示す機能ブロック図である。本実施の形態に係る制御装置は、スロットル２の操作量を決定するためのスロットル制御ユニット１１０と、ウエストゲートバルブ４の操作量を決定するためのウエストゲートバルブ制御ユニット１２０とを備えている。２つの制御ユニット１１０，１２０はそれぞれ複数の演算要素によって構成されている。一部の演算要素は２つの制御ユニット１１０，１２０間で共有されている。

スロットル制御ユニット１１０は演算要素１０１，１０４，１０５，１０６及び１０７によって構成されている。演算要素１０１は目標吸入空気量を目標吸気圧に変換する。目標吸入空気量の目標吸気圧への変換にはマップ或いは関数式が用いられる。なお、図中では吸入空気量はＫＬと表記され、吸気圧はＰＭと表記されている。

目標吸入空気量は内燃機関に対する要求トルクに基づいて決定されている。要求トルクには、アクセルペダル開度に応じて決定されるドライバ要求トルクと、複数の車載システムから要求されるシステム要求トルクとが含まれている。システム要求トルクには、トラクション制御のためのトルク、横滑り防止制御のためのトルク、電子制御式自動変速機の変速制御のためのトルク等の種々のトルクが含まれている。システム要求トルクとしては、パルス状に変化するトルクが要求される場合がある。例えば電子制御式自動変速機のシフトアップ時には、トルクダウン方向パルス状に変化するトルクが要求される。要求トルクの波形にパルス成分が含まれる場合、その波形は要求トルクに基づき決定される目標吸入空気量の波形に反映される。

演算要素１０４は大気圧と目標吸気圧との差圧を計算する。計算に用いる大気圧としては、大気圧センサを用いて計測された実大気圧が好ましい。ただし、大気圧センサを備えていない場合には、既定値として標準大気圧をメモリに記憶しておき、標準大気圧を計算に用いてもよい。演算要素１０４で計算された大気圧と目標吸気圧との差圧は演算要素１０５に入力される。演算要素１０５は、入力された差圧の値がゼロ以上であればその差圧の値をそのまま出力するが、差圧の値がゼロより小さければ差圧の値に代えてゼロを出力する。演算要素１０５の出力値は演算要素１０６に入力される。演算要素１０５は演算要素１０６の出力値にリザーブ圧を加算し、その合計値を目標差圧として出力する。目標差圧は過給圧と吸気圧との差圧の目標値であり、リザーブ圧は吸気圧に対する過給圧の最低限のマージンである。なお、リザーブ圧は固定値でもよいが、後述するように目標吸気圧に連動させて能動的に変化させることができる。

演算要素１０６で算出された目標差圧は目標吸入空気量とともに演算要素１０７に入力される。演算要素１０７は目標吸入空気量を実現するためのスロットル開度を目標差圧を前提にして計算する。スロットル開度の計算にはエアモデルの逆モデルが用いられる。エアモデルはスロットルの動作に対する吸気通路内の圧力や流量の動的特性をモデル化した物理モデルである。スロットル制御ユニット１１０は、演算要素１０７で算出されたスロットル開度を操作量としてスロットル２を操作する。なお、図中ではスロットル開度はＴＡと表記されている。

ウエストゲートバルブ制御ユニット１２０は演算要素１０１，１０２及び１０３によって構成されている。演算要素１０１はスロットル制御ユニット１１０との間で共用されている。ウエストゲートバルブ制御ユニット１２０では、演算要素１０１で算出された目標吸気圧は演算要素１０２に入力される。演算要素１０２は目標吸気圧と実吸気圧との偏差を計算する。実吸気圧は吸気圧センサを用いて計測された吸気圧の計測値である。

演算要素１０２で算出された吸気圧偏差は演算要素１０３に入力される。演算要素１０３はＰＩＤコントローラであり、入力された吸気圧偏差に基づくＰＩＤ制御によってウエストゲートバルブ開度を計算する。ウエストゲートバルブ制御ユニット１２０は、演算要素１０３で算出されたウエストゲートバルブ開度を操作量としてウエストゲートバルブ４を操作する。なお、図中ではウエストゲートバルブ開度はＷＧＶと表記されている。

次に、本実施の形態に係る制御装置によって得られる制御上の効果について図２及び図３を用いて説明する。

図２は、急減速の直後に急加速が要求された場合の本実施の形態に係る制御装置による制御結果を示している。急減速と急加速が続けて要求される場合、目標吸入空気量はステップ状に減少させられた後、直ぐにステップ状に増大させられる。目標吸入空気量を変換して得られる目標吸気圧は目標吸入空気量と同様の波形となる。

本実施の形態に係る制御装置では、大気圧と目標吸気圧との差圧にリザーブ圧を加算することによって目標差圧が決定される。図２に示す例では、リザーブ圧は目標吸気圧の減少に合わせて増大され、目標吸気圧の増大に合わせて減少されている。これにより、目標吸気圧が一時的に減少している期間、目標差圧は大きく増大されることになる。この目標差圧を前提にして、目標吸入空気量を実現するためのスロットル開度が計算される。これにより、スロットルは速い速度で大きく閉じられ、その直ぐ後に速い速度で大きく開かれる。

スロットル開度が速い速度で変化させられることにより、吸気圧も速い速度で変化する。これにより、実吸気圧は目標吸気圧の変化に追従し、目標吸気圧と実吸気圧との間には大きな偏差は生じない。特に、実吸気圧が目標吸気圧に対して過大になることはない。このため、吸気圧フィードバック制御によって決定されるウエストゲートバルブ開度が開き側に変化することはなく、ウエストゲートバルブ開度は現状の開度に維持される。これにより、減速後の加速時における過給圧を高い値に維持し、実吸入空気量を目標吸入空気量どおりに増大させて所望の加速性能を得ることが可能となる。

一方、図３に示す制御結果は従来の過給圧フィードバック制御によるものであり、本実施の形態に係る制御装置による制御結果に対する比較例である。目標吸入空気量及び目標吸気圧のステップ状の減少によってスロットルが急速に閉じる結果、空気の流路がチョークすることでスロットル上流の圧力である過給圧は上昇する。この場合、従来の過給圧フィードバック制御によれは、目標過給圧に対して過大になった実過給圧を低下させるようにウエストゲートバルブは開き側に操作される。ウエストゲートバルブが開かれることでタービン回転数が低下し、それに伴い過給圧は低下する。しかし、タービン回転数が低下した結果、減速後の加速時には過給圧を速やかに上昇させることができず、実吸入空気量を目標吸入空気量どおりに増大させることができない。つまり、所望の加速性能を得ることができない。

従来の過給圧フィードバック制御との比較からも分かるように、本実施の形態に係る制御装置によれば、吸気圧フィードバック制御によってウエストゲートバルブ開度を決定する方法を採用したことにより、ウエストゲートバルブ開度の決定にスロットルの動作が影響することを抑えることができる。これにより、スロットル開度が急変している過渡状態での過給圧の制御性を向上させることができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を用いて説明する。

図４は、本発明の実施の形態２に係る制御装置の構成を示すブロック図である。図４において実施の形態１に係る制御装置と共通する要素には同一の符号が付されている。本実施の形態に係る制御装置は、実施の形態１に係る制御装置と同じくＥＣＵ１０の機能の一部として実現され、実施の形態１に係る制御装置と同じくスロットル制御ユニット１１０とウエストゲートバルブ制御ユニット１２０とを備えている。

本実施の形態に係る制御装置の特徴は、第２ウエストゲートバルブ制御ユニット１３０と選択ユニット１４０とをさらに備えることである。ウエストゲートバルブ制御ユニット１２０が吸気圧フィードバック制御によってウエストゲートバルブ開度を決定するようにプログラムされているのに対し、第２ウエストゲートバルブ制御ユニット１３０は過給圧フィードバック制御によってウエストゲートバルブ開度を決定するようにプログラムされている。過給圧フィードバック制御の方法は従来行われている方法と相違は無い。目標吸気圧にリザーブ圧を加算したものが目標過給圧とされ、目標過給圧と実過給圧との偏差に基づくフィードバック制御によってウエストゲートバルブ開度が決定される。

２つのウエストゲートバルブ制御ユニット１２０，１３０の何れか一方が選択ユニット１４０によって選択され、選択されたユニットにより決定されたウエストゲートバルブ開度に従ってウエストゲートバルブ４の操作が行われる。選択ユニット１４０による選択の判断は、図５に示すフローチャートに沿って行われる。ステップＳ２では、選択ユニット１４０は現在の内燃機関の状態が過渡状態かどうかを判定する。ここでいう過渡状態とは、スロットル２の急な動きの影響によって過給圧が大きく変動している状態、或いは過給圧が大きく変動するおそれのある状態を意味する。過渡状態かどうかは目標吸入空気量の変化に基づいて判定してもよいし、要求トルクの変化に基づいて判定してもよい。スロットル制御ユニット１１０で算出されるスロットル開度の変化から判定することも可能である。内燃機関が過給圧センサを備える場合には、過給圧センサによって計測した過給圧の変化から過渡状態かどうかを判定することもできる。

ステップＳ２の判定結果が肯定の場合、ステップＳ４が選択される。ステップＳ４では、選択ユニット１４０によりウエストゲートバルブ制御ユニット１２０が選択され、実施の形態１と同様に吸気圧フィードバック制御によってウエストゲートバルブ開度が決定される。一方、ステップＳ２の判定結果が否定の場合、ステップＳ６が選択される。ステップＳ６では、選択ユニット１４０により第２ウエストゲートバルブ制御ユニット１３０が選択され、従来と同様に過給圧フィードバック制御によってウエストゲートバルブ開度が決定される。なお、フィードバック制御方法の選択の切替え時には、フィードバック補正量のなまし処理や徐変処理等、切替えに伴うウエストゲートバルブ開度の急変を防ぐための処理が行われる。

本実施の形態に係る制御装置によれば、過渡状態でない通常の状態では、従来通りの過給圧フィードバック制御によってウエストゲートバルブ開度を決定することにより、内燃機関の過給圧を運転状態に応じた最適値に維持することができる。そして、スロットル開度が急変している過渡状態では、吸気圧フィードバック制御によってウエストゲートバルブ開度を決定することにより、スロットルの動作がフィードバック制御に影響することによる過給圧の制御性の悪化を防ぐことができる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について図を用いて説明する。

本発明の実施の形態３に係る制御装置は、吸気圧センサに加えて過給圧センサも有するターボ過給機付き内燃機関を制御対象とする。図６は、本発明の実施の形態３に係る制御装置の構成を示すブロック図である。図６において実施の形態１に係る制御装置と共通する要素には同一の符号が付されている。本実施の形態に係る制御装置は、実施の形態１に係る制御装置と同じくスロットル制御ユニット１１０とウエストゲートバルブ制御ユニット１２０とを備えている。

本実施の形態に係る制御装置は、スロットル制御ユニット１１０の構成に特徴がある。本実施の形態では、スロットル制御ユニット１１０は演算要素１０１，１０７及び１０８によって構成されている。演算要素１０８は、実施の形態１の演算要素１０４，１０５及び１０６に代わるものであり、目標吸気圧と実過給圧とリザーブ圧とが入力されている。実過給圧は過給圧センサを用いて計測された過給圧の計測値である。演算要素１０８は、実過給圧と目標吸気圧との差圧にリザーブ圧を加算し、その合計値を目標差圧として出力する。このように構成されるスロットル制御ユニット１１０によれば、実施の形態１と同等の制御性能を得ることができる。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について図を用いて説明する。

本発明の実施の形態４に係る制御装置は、吸気圧センサは有さず過給圧センサのみを有するターボ過給機付き内燃機関を制御対象とする。図７は、本発明の実施の形態４に係る制御装置の構成を示すブロック図である。図７において実施の形態３に係る制御装置と共通する要素には同一の符号が付されている。本実施の形態に係る制御装置は、実施の形態３に係る制御装置と同じくスロットル制御ユニット１１０とウエストゲートバルブ制御ユニット１２０とを備えている。

本実施の形態に係る制御装置は、ウエストゲートバルブ制御ユニット１２０の構成に特徴がある。スロットル制御ユニット１１０の構成は実施の形態３のものと共通する。本実施の形態では、ウエストゲートバルブ制御ユニット１２０は演算要素１０１，１０２，１０３及び１０９によって構成されている。演算要素１０９は、実スロットル開度と実空気流量とから実吸気圧の推定値である推定吸気圧を計算する。推定吸気圧の計算には前述のエアモデルが用いられる。実空気流量はエアフローメータを用いて計測された空気流量の計測値である。実スロットル開度はスロットル開度センサを用いて計測されたスロットル開度の計測値である。なお、図中では実スロットル開度はＴＡａｃｔと表記されている。演算要素１０９で算出された推定吸気圧は演算要素１０２に入力され、演算要素１０２において目標吸気圧と推定吸気圧との差圧が計算される。このように構成されるウエストゲートバルブ制御ユニット１２０によれば、実施の形態１や実施の形態２と同等の制御性能を得ることができる。

その他．
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、上述の実施の形態では本発明をウエストゲートバルブを備えたターボ過給機付き内燃機関に適用しているが、本発明は可変ノズルを備えたターボ過給機付き内燃機関にも適用することができる。

２ スロットル
４ ウエストゲートバルブ
１０ 制御装置
１１０ スロットル制御ユニット
１２０ ウエストゲートバルブ制御ユニット
１３０ 第２ウエストゲートバルブ制御ユニット
１４０ 選択ユニット

Claims (2)

1. スロットルと、過給圧に作用するアクチュエータとを備えるターボ過給機付き内燃機関の制御装置において、
   目標吸入空気量に基づくフィードフォワード制御によって前記スロットルの開度を決定する第１の制御手段と、
   前記目標吸入空気量から決定した目標吸気圧と実吸気圧との偏差に基づくフィードバック制御によって前記アクチュエータの操作量を決定する第２の制御手段と、
   を備え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. 前記目標吸気圧から決定した目標過給圧と実過給圧との偏差に基づくフィードバック制御によって前記アクチュエータの操作量を決定する第３の制御手段と、
   前記アクチュエータの操作量を決定する手段として過渡状態ではない定常状態では前記第３の制御手段を選択し、過渡状態では前記第２の制御手段を選択する選択手段と、
   を備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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