KR101497861B1 - 내연 기관의 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 배기 에너지에 의해 구동하는 과급기와, 가변동 밸브 기구를 구비하는 내연 기관의 제어 장치에 있어서, 가변동 밸브 기구를 제어하는 밸브 타이밍 변경 수단과, 점화 시기 변경 수단과, 연료 분사량 변경 수단과, 가속 요구 검지 수단과, 과급압 검출 수단과, 가속 요구를 검지한 경우에 과급압이 소정값보다 낮은 저과급 영역에서는 점화 시기를 지각 보정하고, 과급압이 소정값 이상의 고과급 영역에서는 점화 시기의 지각 보정을 종료해서 밸브 오버랩을 설정하여, 배기 통로 내에서 소기 가스와 배기 가스의 혼합기가 연소되기 쉬운 공연비가 되도록 연료 분사량을 변경하는 가속 제어 수단을 구비한다.

Description

내연 기관의 제어 장치{CONTROL DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 터보 과급기 장착 내연 기관의 점화 시기 및 밸브 타이밍의 제어 장치에 관한 것이다.

최근 들어, 환경 성능 향상 등의 관점에서 내연 기관의 배기량을 축소하고, 소배기량화에 의한 출력 저하를 보충하기 위해서 터보 과급기를 구비하는 차량이 주목받고 있다. 이러한 차량으로, 대배기량의 자연 흡기 내연 기관을 탑재한 차량과 같은 가속감을 얻기 위해서는 과급 효율을 높여서 높은 토크를 발생시키고, 또한, 소위 터보 래그를 억제할 필요가 있다.

JP63-248973A에는 가속시의 저과급 영역에 있어서, 점화 시기를 지각(遲角) 보정해서 연소 상태를 애프터 버닝 상태로 함으로써 배기 온도를 상승시키고, 이에 의해 과급 효율을 향상시키는 구성이 개시되어 있다.

또한, JP2008-101502A에는 신기(fresh air)가 배기계로 빠져나가는 소기 효과가 얻어지는 밸브 타이밍으로 제어하고, 배기계로 빠져나간 신기가 배기계에서 애프터 버닝할 때의 공연비를, 애프터 버닝에 의한 배기 온도가 최대가 되도록 제어함으로써 과급 효율을 높이는 구성이 개시되어 있다.

그런데, JP63-248973A의 제어로 과급 효율이 개선되는 것은 저과급 영역뿐이며, JP2008-101502A의 제어로 과급 효율이 향상되는 것은 소기가 일어날 수 있는 고과급 영역뿐이다. 또한, JP63-248973A에는 밸브 타이밍의 제어에 대해서 전혀 기재되어 있지 않고, JP2008-101502A에는 점화 시기의 제어에 대해서 전혀 기재되어 있지 않다.

따라서, JP63-248973A 및 2에 기재된 제어를 조합한 결과, 과급 효율을 향상시키기 위한 제어를, 점화 시기의 지각 보정 제어로부터 소기용 밸브 타이밍 제어로 전환하기에 적합한 타이밍이 불분명하여, 저과급 영역부터 고과급 영역까지의 토탈 가속 성능을 향상시킬 수는 없다.

또한, 소위 터보 래그를 억제하는 것에 대해서, 어느 특허문헌에도 기재되어 있지 않다.

본 발명의 목적은, 따라서, 터보 래그를 억제하고, 또한 저과급 영역부터 고과급 영역까지의 토탈 가속 성능을 향상시킬 수 있는 제어 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 배기 에너지에 의해 구동하는 과급기와, 밸브 타이밍을 변경할 수 있는 가변동 밸브 기구를 구비하는 내연 기관의 제어 장치에 있어서, 가변동 밸브 기구를 제어하는 밸브 타이밍 변경 수단과, 점화 시기 변경 수단과, 연료 분사량 변경 수단과, 운전자의 가속 요구를 검지하는 가속 요구 검지 수단과, 과급기에 의한 과급압을 검출하는 과급압 검출 수단을 구비한다. 또한, 가속 요구를 검지한 경우에, 과급압이 소정값보다 낮은 저과급 영역에서는 점화 시기를 지각 보정한다. 그리고, 과급압이 소정값 이상의 고과급 영역에서는 점화 시기의 지각 보정을 종료해서 밸브 오버랩을 설정하여, 배기 통로 내에서 소기 가스와 배기 가스의 혼합기(混合氣)가 연소되기 쉬운 공연비가 되도록 연료 분사량을 변경하는 가속 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상세 및 다른 특징이나 이점은, 명세서 이후의 기재 중에서 설명되며, 또한 첨부된 도면에 도시된다.

도 1은 본 발명을 적용하는 시스템의 일례를 도시하는 구성도이다.
도 2는 소기 효과에 대해서 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 컨트롤 유닛이 가속시에 실행하는 점화 시기 및 밸브 타이밍의 제어 루틴을 도시하는 흐름도이다.
도 4는 컨트롤 유닛이 실행하는, 소기용 밸브 타이밍을 설정하기 위한 제어 루틴을 도시하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 제어를 실행한 경우의 타임챠트다.

도 1은 본 실시 형태를 적용하는 내연 기관의 시스템 구성도이다.

내연 기관(1)의 흡기 매니폴드(2)의 입구에는, 내연 기관(1)에 유입되는 공기량을 조정하기 위한 스로틀 챔버(4)가 설치되고, 그 상류에는 흡기 통로(6)가 접속되어 있다. 흡기 통로(6)의 스로틀 챔버(4)보다 상류측에는, 과급기(5)의 압축기(5A)가 설치되고, 또한 그 상류에는 흡입 공기량을 검출하는 에어플로우미터(8)가 설치되어 있다.

내연 기관(1)의 각 실린더에는 연료를 실린더 내에 직접 분사하는 연료 분사 밸브(15)가 배치되어 있다. 배기 통로(7)에는 과급기(5)의 터빈(5B)이 설치되어 있다.

과급기(5)는 소위 터보식 과급기이며, 압축기(5A)와 터빈(5B)이 샤프트(5C)를 통해서 접속되어 있다. 이로 인해, 터빈(5B)이 내연 기관(1)의 배기 에너지에 의해 회전하면, 압축기(5A)도 회전하여, 흡입 공기를 하류측으로 압송한다.

터빈(5B)의 하류측에는 배기 정화용 배기 촉매(18)가 배치된다. 배기 촉매(18)로는 3원촉매 등이 사용된다.

가변동 밸브 기구(14)는 배기 밸브와 흡기 밸브 모두가 개방된 오버랩 기간이 발생하도록, 흡기 밸브 폐쇄 시기(IVC)를 변화시킬 수 있는 것이면 충분하다. 예를 들어, 크랭크 샤프트에 대한 흡기 캠 샤프트의 회전 위상을 변화시키는 것이나, 흡기 밸브의 작동각을 변화시키는 것 등, 일반적으로 알려져 있는 가변동 밸브 기구를 사용할 수 있다. 또한, 배기 밸브측에도 마찬가지의 가변동 밸브 기구(14)를 설치하여, 흡기 밸브 및 배기 밸브의 밸브 타이밍을 가변 제어하도록 해도 좋다.

컨트롤 유닛(12)은, 에어플로우미터(8)로 검출하는 흡입 공기량, 액셀러레이터 개방도 센서(13)로 검출하는 액셀러레이터 개방도, 흡기압 센서(19)로 검출하는 콜렉터 압, 그 외 도시하지 않은 크랭크각 센서로 검출하는 엔진 회전 속도 등과 같은 운전 상태에 관한 파라미터를 읽어들이고, 이것들에 기초하여 점화 시기, 밸브 타이밍, 공연비 등의 제어를 행한다.

이어서, 컨트롤 유닛(12)이 가속시에 행하는 밸브 타이밍 제어 및 공연비 제어에 대해서 설명한다.

컨트롤 유닛(12)은 흡기 매니폴드(2) 내의 압력이 배기 매니폴드(3) 내의 압력보다 높은 경우에는, 흡기 밸브 및 배기 밸브가 개방되어 있는 밸브 오버랩 기간이 발생하는 밸브 타이밍이 되도록 가변동 밸브 기구(14)를 작동시킨다.

이것은 밸브 오버랩 기간 중에, 흡기 매니폴드(2)로부터 유입된 신기가 소기 가스로서 그대로 배기 매니폴드(3)로 빠져나가는, 소위 소기 효과를 이용하여, 터빈(5B)의 회전 속도를 높여, 실린더 내로의 충전 효율을 높이기 위해서다.

이 효과에 대해서 도 2를 사용해서 구체적으로 설명한다. 도 2는 점화 순서가 1번 기통-3번 기통-4번 기통-2번 기통인 직렬 4 기통 내연 기관의 행정 순서에 대해서 도시한 것이다. 도면 중 사선을 그은 부분은 밸브 오버랩 기간을 나타낸다.

밸브 오버랩 기간을 설정하면, 배기 매니폴드(3)에서는 배기 행정 중의 기통으로부터 배출되는 배기 가스와, 그때 흡기 행정중인 다른 기통의 소기 가스가 합류한다. 예를 들어, 도 2의 3번 기통의 배기 행정 #3ex에서 배기되는 배기 가스와, 그때 흡기 행정인 1번 기통의 밸브 오버랩 기간 #1sc에 소기되는 소기 가스가 합류한다.

이로 인해, 밸브 오버랩 기간이 없는 경우, 즉 소기가 없는 경우에 비하여 터빈(5B)에 도입되는 가스량이 증가한다. 이에 의해 터빈(5B)의 회전 속도가 높아지고, 압축기(5A)에 의한 과급압이 상승해서 콜렉터 압이 높아진다. 또한, 소기에 의해 신기 가스와 함께 실린더 내의 잔류 가스도 배출되므로, 결과적으로 실린더의 신기의 충전 효율이 높아진다.

또한, 과급압은 콜렉터 압으로부터 대기압을 차감한 것이므로, 콜렉터 압을 검출하면, 간접적으로 과급압을 검출하게 된다.

또한, 배기 매니폴드(3)에서 합류한 배기 가스와 소기 가스의 혼합기를 터빈(5B)에 유입하기 전에 연소시킴으로써 터빈(5B)을 회전시키기 위한 에너지가 보다 증대하여, 과급 효율이 향상된다. 이 때문에, 어느 실린더로부터 배기 행정 중에 배기되는 배기 가스와, 같은 시기에 흡기 행정이 되는 실린더로부터 밸브 오버랩 기간 중에 소기되는 소기 가스의 혼합기가, 터빈(5B)에 유입되기 전에 연소되기 쉬운 공연비가 되도록 연료 분사량을 설정한다. 즉, 실린더 내의 공연비를 이론 공연비보다도 리치한 공연비로 해서, 미연소 탄화수소를 포함한 배기 가스를 배출시키고, 이 배기 가스와 소기 가스가 혼합함으로써 연소되기 쉬운 공연비, 예를 들어 이론 공연비가 되는 연료 분사량을 설정한다.

예를 들어, 도 2의 3번 기통의 흡기 행정 #3in에서 흡입한 공기량에 대한 연료 분사량을 설정하는 경우에는, 3번 기통의 배기 행정 #3ex에서 배출되는 배기 가스와 1번 기통의 밸브 오버랩 기간 #1sc에서 배출되는 소기 가스의 혼합기가 연소되기 쉬운 공연비가 되도록 하는 연료 분사량을 설정한다. 즉, 3번 기통의 실린더 내의 공연비에 착안하면, 이론 공연비보다 리치한 공연비가 되고, 배기 행정에서는 미연소 연료를 포함하는 배기 가스가 배출된다.

상기와 같이 설정한 연료 분사량은 1 행정당 1회의 연료 분사에 의해 모두 분사한다. 연료 분사 시기는 흡기 행정 중의 밸브 오버랩 기간 종료 후, 즉 배기 밸브 폐쇄 후, 또는 압축 행정중으로 한다.

이렇게 연료 분사하면, 배기 가스 중의 미연소 탄화수소가 되는 연료는, 팽창 행정 중의 연소열을 받음으로써 탄소쇄가 긴 고급 탄화수소로부터 탄소쇄가 짧은 저급 탄화수소로 변화하여, 보다 연소성이 높아진다. 또한, 실린더 내의 공연비가 이론 공연비보다 리치해짐으로써, 출력 공연비에 가까워지므로, 이론 공연비로 운전하는 경우보다 출력을 향상시킬 수 있다. 또한, 연료가 실린더 내에서 기화할 때의 기화 잠열에 의해 실린더 내가 냉각되므로, 충전 효율의 향상에 기여한다.

또한, 소기량이 증대할수록, 배기관 내 공연비를 원하는 공연비로 하기 위해서 필요한 연료량도 증대하고, 이에 수반하여 실린더 내의 공연비도 보다 리치화된다. 따라서, 배기관 내 공연비를 원하는 공연비로 하기 위한 연료 분사량으로 했을 때, 실린더 내의 공연비가 연소 한계를 초과하지 않는 소기량이 되도록, 가속 상태에 따라서 밸브 오버랩 기간을 설정한다. 적용하는 내연 기관의 사양에 따라, 소기량과 밸브 오버랩 기간의 관계를 미리 구해 두면, 소기량에 기초하여 용이하게 밸브 오버랩 기간을 설정할 수 있다.

그런데, 소기 효과가 얻어지는 것은 과급압이 수 [kPa]를 초과한 후, 즉 콜렉터 압이 대기압+수 [kPa]를 초과한 후다.

따라서, 가속 개시부터 소기 효과가 얻어지는 과급압에 도달할 때까지는, 점화 시기 지각에 의해 과급 효율을 향상시킨다. 여기에서 말하는 「지각」이란, 통상은 최적 점화 시기(MBT)로 설정되어 있는 것을 지각시키는 것을 말한다. 점화 시기 지각에 의해 과급 효율이 향상되는 메커니즘은 다음과 같다.

점화 시기를 지각시킴으로써, 착화를 MBT의 경우보다 늦추고, 배기 밸브가 개방되어도 연소가 계속되고 있는 상태로 하면, 보다 고온의 배기가 배기 통로(7)에 배출되게 된다. 배기가 고온이 될수록 터빈(5B)을 회전시키는 에너지가 커지고, 결과적으로 압축기(5A)의 회전이 보다 빨라지므로, 과급 효율이 향상된다.

단, 점화 시기를 지각시킴으로써 MBT의 경우보다도 출력은 저하하므로, 과급기(5)가 과급 일을 시작하기 전에 점화 시기를 지각시키면, 오히려 가속 성능이 저하될 우려가 있다.

따라서, 가속 개시부터 과급기(5)가 과급 일을 개시할 때까지는 점화 시기를 MBT로 하고, 과급 일을 개시한 후의 저과급 영역에서는 점화 시기를 지각시키고, 본격적인 과급 일이 시작되어 밸브 오버랩을 설정하면, 소기 효과가 얻어지는 정도까지 과급압이 상승하면 점화 시기를 MBT로 되돌려, 밸브 타이밍을 소기 효과가 얻어지도록 제어한다. 이 제어의 구체예에 대해서, 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3은 가속 시에 있어서의 점화 시기 및 밸브 타이밍의 제어 루틴을 도시하는 흐름도이다. 본 루틴은 예를 들어 10밀리초 정도의 간격으로 반복 실행한다.

스텝 S100에서 컨트롤 유닛(12)은, 토크 변동이 비과급 상태로부터 과급 상태에 이르는 가속 요구인지 여부, 즉 소기 효과 등을 이용하는 효과가 큰지 여부를 판정한다. 예를 들어, 액셀러레이터 개방도의 크기나, 그 계속 시간에 기초하여 판정하고, 소정 이상의 액셀러레이터 개방도가 소정 시간 이상 계속되면 '예'로 판정한다. 컨트롤 유닛(12)은 판정 결과가 '예'인 경우에는 스텝 S110의 처리를 실행하고, '아니오'인 경우에는 본 루틴을 종료한다. 판정 결과가 '아니오'가 되어 본 루틴을 종료한 경우에는, 일반적인 내연 기관의 제어와 마찬가지로, 예를 들어 액셀러레이터 개방도에 따른 연료 분사량의 증량 등을 실행한다.

또한, 가속 요구가 있었을 경우에는 항상 스텝 S110 이후의 처리를 실행하도록 해도 상관없다. 단, 가속 요구를 만족하기 위한 토크 변동이 작은 경우에는, 스텝 S110 이후의 처리를 실행하는 것에 의한 효과도 작아진다.

스텝 S110에서 컨트롤 유닛(12)은, 흡기압 센서(19)에 의해 검출한 콜렉터 압이, 내연 기관(1)을 자연 흡기 내연 기관으로 했을 경우에 있어서의 스로틀 챔버 완전 개방시에 상당하는 압력(이하, 자연 흡기 상한 상당 압력이라고 함)에 도달하고 있는지 여부를 판정한다. 이 판정은 과급기(5)가 과급 일을 하고 있는지 여부를 판정하는 것이다.

자연 흡기 상한 상당 압력은 스로틀 챔버(4)가 완전 개방이고, 또한 과급이 시작되기 전의 콜렉터 압이기 때문에, 대기압이 될 것으로도 생각되지만, 실제로는 충전 효율 등의 영향으로 대기압까지는 상승하지 않고 대기압보다 낮은 압력이 된다. 즉, 콜렉터 압이 대기압에 도달했을 때에는, 과급기(5)는 적어도 과급 일을 하고 있게 된다. 따라서, 판정 기준을 「대기압」이 아닌 자연 흡기 상한 상당 압력으로 하였다.

단, 이하의 설명에 있어서는 콜렉터 압이 대기압이 될 때까지를 자연 흡기 영역, 대기압을 초과하면 과급 영역이라고 부르기로 한다.

컨트롤 유닛(12)은 스텝 S110의 판정 결과가 '예'인 경우에는 스텝 S120의 처리를 실행하고, '아니오'인 경우에는 본 루틴을 종료한다.

스텝 S120에서, 컨트롤 유닛(12)은 기준 점화 시기로서의 MBT에 대한 지각량을 설정한다. 여기에서는 점화 시기 지각에 의한 배기 온도 상승 효과, 토크 저하 효과 및 터빈 회전 속도 상승 효과의 3가지 요소에 기초하여, 내연 기관(1)의 토크 변화에 정체감이 발생하지 않도록 하는 값을 설정한다.

구체적인 지각량은 내연 기관(1)이나 과급기(5)의 사양에 따라 상이한데, 점화 시기 지각을 개시할 때가 가장 크고, 시간의 경과에 수반해서 서서히 지각량이 작아지는 특성으로 한다.

점화 시기 지각을 개시하는 타이밍에서는, 터빈(5B)의 회전 속도가 아직 낮으므로, 보다 큰 지각량으로 함으로써 배기 온도의 상승값이 커지고, 터빈 회전 속도를 빠르게 상승시킬 수 있다.

한편, 터빈 회전 속도가 상승해서 과급압이 높아지면, 내연 기관으로부터 배출되는 배기의 양이 증가하므로, 배기 온도 상승에 의해 터빈(5B)으로의 공급 에너지를 증대시키지 않아도 터빈 회전 속도는 상승하기 쉬워진다. 따라서, 점화 시기 지각량을 서서히 작게 함으로써, 터빈 회전 속도를 빠르게 상승시키면서 토크의 저하량을 저감할 수 있다.

또한, 일반적인 터보 과급기 장착 내연 기관에서는, 자연 흡기 영역의 상한까지 토크가 증가했을 때, 터빈 회전 속도가 충분히 높아져 있지 않아, 과급 영역에 들어가고 나서 과급압이 높아질 때까지의 사이에 토크 상승의 정체가 발생하여, 가속도가 저하된다. 이러한, 최종적으로 얻어지는 가속도에 도달할 때까지 발생하는 가속도의 저하를 터보 래그라고 한다.

이에 반해 본 실시 형태에서는, 자연 흡기 상한 상당 압력이 되면 점화 시기를 지각시키므로, 점화 시기를 지각시키지 않는 경우에 비하여 자연 흡기 영역의 상한 토크가 낮아져, 과급 영역에 들어갔을 때의 가속도의 저하 폭도 작아진다. 또한, 점화 시기 지각에 의해 터빈 회전 속도를 빠르게 상승시키므로, 토크 상승이 정체하는 기간이 짧아진다. 즉, 가속도의 저하 폭을 작게, 또한 떨어지는 기간을 짧게 할 수 있으므로, 터보 래그가 작아진다.

스텝 S130에서, 컨트롤 유닛(12)은 기준 점화 시기로서의 MBT로부터 스텝 S120에서 산출한 지각량만 지각시킨 점화 시기를 산출한다.

스텝 S140에서, 컨트롤 유닛(12)은 점화 시기의 지각을 종료하는 타이밍이 되었는지 여부를 판정하고, 종료 타이밍이 되면 스텝 S150의 처리를 실행하며, 종료 타이밍이 되어 있지 않으면 본 루틴을 종료한다.

점화 시기 지각을 종료하는 타이밍은, 점화 시기 지각에 의한 터빈(5B)으로의 공급 에너지의 증대 제어를 종료해도, 밸브 오버랩을 설정함으로써 터빈 회전 속도가 상승할 수 있을 만큼의 소기 효과가 얻어지는 상태로 되는 타이밍이다. 구체적으로는, 본격적인 과급 일이 시작되어서 과급압이 크게 상승하기 시작하는 타이밍이다.

판정 방법은, 예를 들어 밸브 오버랩을 설정하면 목표 소기량이 얻어지는 콜렉터 압을 목표 콜렉터 압으로서 미리 설정해 두고, 콜렉터 압이 목표 콜렉터 압에 도달하면, 종료 타이밍이라고 판정한다.

여기에서 말하는 「목표 소기량」이란, 점화 시기 지각에 의한 터빈(5B)으로의 공급 에너지의 증대 제어를 종료해도, 소기분을 포함한 배기를 배기 매니폴드(3) 내에서 연소시킴으로써 충분히 터빈 회전 속도를 상승시킬 수 있는 소기량이며, 예를 들어 소기율 환산으로 2 내지 3％ 이상이 되는 값을 설정한다.

또한, 소기율은, 예를 들어 소기율을 콜렉터 압과 배기 압력의 차압 및 밸브 오버랩 양으로 할당한 맵을, 엔진 회전 속도마다 작성해서 컨트롤 유닛(12)에 저장해 두고, 이 맵을 검색함으로써 산출할 수 있다. 따라서, 스텝 S140에 있어서, 소기율을 사용해서 판정할 수도 있다.

또한, 후술하는 스텝 S160에서 밸브 타이밍을 변경하는데, 이때 원하는 밸브 타이밍이 될 때까지 가변동 밸브 기구(14)의 동작 지연 시간이 발생한다. 따라서, 스텝 S140을, 콜렉터 압의 변화 속도 등에 기초하여 동작 지연 시간 후의 콜렉터 압을 예상하고, 이 예상 값이 목표 콜렉터 압에 도달하면 밸브 타이밍의 변경을 개시하도록 해도 좋다. 이에 의해, 실제의 콜렉터 압이 목표 콜렉터 압에 도달했을 때, 밸브 타이밍의 변경이 종료하게 된다.

스텝 S150에서, 컨트롤 유닛(12)은 점화 시기 지각을 종료한다.

스텝 S160에서, 컨트롤 유닛(12)은 소기용 밸브 타이밍을 설정하는 서브루틴을 실행한다.

도 4는 컨트롤 유닛(12)이 실행하는, 소기용 밸브 타이밍을 설정하는 제어 루틴을 도시하는 흐름도이다. 본 제어 루틴에 의해, 가속 상태에 따라서 밸브 타이밍이 변경되고, 소기분을 포함한 배기 매니폴드(3) 내의 혼합기가 연소되기 쉬운 혼합기로 제어된다.

스텝 S200에서, 컨트롤 유닛(12)은 운전 상태, 예를 들어 콜렉터 압, 엔진 회전 속도, 흡기 온도, 대기압, 기본 분사 펄스 등을 읽어들인다.

스텝 S210에서, 컨트롤 유닛(12)은 상기 운전 상태로부터 구해지는 소기량 상한값을 산출한다.

소기량 상한값을 정하는 것은, 배기 촉매(18)의 열화를 억제하기 위해서다.

즉, 소기분을 포함한 배기 매니폴드(3) 내의 공연비가 이론 공연비가 되도록 연료 분사를 하고, 배기 매니폴드(3) 내에서 배기 가스와 소기 가스의 혼합기를 연소시킬 경우, 소기량이 많아질수록 연소에 의한 배기 촉매(18)의 온도 상승값이 커진다. 그리고, 배기 촉매(18)는 온도가 과잉으로 상승하면 배기 정화 성능의 열화를 일으킨다. 따라서, 배기 촉매(18)의 온도 상승을 억제하기 위한 소기량의 상한값을 설정한다.

여기서, 소기량 상한값 산출 방법의 일례를 설명한다. 우선, 콜렉터 압, 엔진 회전 속도, 기본 분사 펄스, 흡기 온도 및 대기압을 읽어들인다. 그리고, 배기 촉매(18)가 성능 열화하지 않는 상한 온도인 촉매 상한 온도와, 현재의 운전 상태에서 소기 가스와 배기 가스와의 혼합기를 연소시키지 않을 경우의 배기 촉매(18)의 추정 온도인 소기 없는 촉매 추정 온도를 산출하고, 또한 촉매 상한 온도와 소기 없는 촉매 추정 온도의 온도차(소기시 촉매 승온 허용값)를 산출한다. 이 소기시 촉매 승온 허용값분만큼, 소기시에 배기 촉매(18)의 승온을 허용할 수 있게 된다. 즉, 연소시켰을 때 소기시 촉매 승온 허용값만큼 승온하는 소기량이 소기량 상한값이 된다. 따라서, 소기시 촉매 승온 허용값과 내연 기관(1)의 실린더 내의 공연비로부터, 미리 작성한 맵을 검색함으로써, 소기량 상한값을 산출한다.

스텝 S220에서, 컨트롤 유닛(12)은 스텝 S210에서 구한 소기량에 기초하여 밸브 오버랩 기간을 결정한다. 적용하는 내연 기관의 사양에 따라, 소기량과 밸브 오버랩 기간을 미리 구해 두면, 소기량에 기초하여 용이하게 밸브 오버랩 기간을 설정할 수 있다.

스텝 S230에서, 컨트롤 유닛(12)은 스텝 S220에서 결정한 밸브 오버랩 기간을 실현하기 위한 가변동 밸브 기구(14)의 변환각을 결정한다. 적용하는 내연 기관(1)의 흡기 캠, 배기 캠의 프로필 등에 따라, 밸브 오버랩 기간과 변환각의 관계를 미리 구해 두면, 밸브 오버랩 기간에 따라서 용이하게 변환각을 결정할 수 있다.

스텝 S240에서, 컨트롤 유닛(12)은 소기분을 포함한 배기 매니폴드(3) 내의 공연비가 이론 공연비가 되도록 연료 분사량을 보정한다.

도 5는 상술한 도 3, 도 4의 제어를 실행한 결과를 도시하는 타임챠트다. 도면 중의 실선은 점화 시기 지각과 소기의 전환 제어(이하, 본 제어라고 함)를 실행한 경우를, 파선은 이러한 제어를 실행하지 않은 통상 가속인 경우를 나타낸다.

또한, 점화 시기 편차의 차트는, 기준 점화 시기로서의 MBT로부터의 편차를 나타내고 있다. MBT는 운전 상태에 따라서 시시각각 변화하는 것인데, 편차를 나타내는 차트이므로 일정 값으로 나타나 있다.

타이밍 t1에서 소기 이용 가속이 성립할 정도로 액셀러레이터가 밟아진 것으로 한다. 콜렉터 압이 자연 흡기 상한 상당 압력에 도달하는 타이밍 t2까지는, 본 제어를 실행한 경우와 통상 가속인 경우에 차이는 없다.

본 제어에서는 타이밍 t2에서 점화 시기를 지각시키므로, 그 후의 토크 상승이 완만해지고, 가속도는 타이밍 t2에서 피크를 맞이한 후 저하한다. 이에 반해 통상 가속에서는 점화 시기를 지각시키지 않으므로, 본 제어의 경우보다도 빠르게 토크 상승하고, 가속도는 타이밍 t2 이후에도 계속해서 상승하며, 자연 흡기 영역이 종료하는 타이밍 t3에서 피크를 맞이한 후에 저하한다.

즉, 본 제어에서는, 통상 가속인 경우보다도 자연 흡기 영역에서의 토크 피크가 낮아지고, 이에 의해 가속도 피크가 낮아진다.

그 후, 과급 영역에 들어가면, 본 제어에서는 점화 시기 지각에 의해 터빈(5B)에 부여하는 에너지를 증대시키므로 터빈 회전 속도가 빠르게 상승하고, 또한 터빈 회전 속도의 상승에 따라서 지각량을 작게 하고 있으므로, 토크는 매끄럽게 상승하고 있다.

이에 반해 통상 가속에서는, 점화 시기를 지각시키고 있지 않기 때문에 과급 영역에 들어갔을 때의 토크는 본 제어의 경우보다도 크지만, 터빈(5B)에 공급되는에너지가 작으므로, 터빈 회전 속도가 낮고, 또한 터빈 회전 속도의 상승도 느려져, 토크 상승이 정체하고 있다.

그 결과, 과급 영역에 들어갔을 때의 가속도의 저하 폭은, 통상 가속인 경우쪽이 크게 되어 있다. 즉, 본 제어 쪽이 터보 래그가 작게 되어 있다.

또한, t2-t4 사이에서는, 본 제어의 경우 쪽이 토크는 작지만, 터빈 회전 속도는 높다. 본 제어 쪽이 토크가 작은 것은, 터빈 회전 속도가 높은 분만큼 흡기량도 많아지고 있음에도 불구하고, 점화 시기의 지각에 의해 토크를 발생하기 어려워지기 때문이다.

그리고, 본격적인 과급 일이 개시되는 타이밍, 즉 점화 시기 지각 종료 타이밍 t4에 있어서, 본 제어는 점화 시기 지각을 종료하고, 소기 효과용 밸브 타이밍 제어로 전환한다. 이에 의해, 소기 가스와 배기 가스의 혼합기가 배기 매니폴드(3) 내에서 연소해서 터빈(5B)에 공급되는 에너지가 증대하여, 토크의 상승 속도가 증대하고 있다.

이에 반해 통상 가속에서는, 타이밍 t4 이후에도 얼마간 토크 상승이 정체하고, 본 제어의 경우보다 지연되어서 토크 상승 속도가 증대하고 있다.

상술한 바와 같이, 점화 시기 지각에 의해 자연 흡기 영역의 토크 피크가 통상 가속인 경우에 비하여 낮아진다. 또한, 점화 시기 지각에 의해 배기 온도가 상승하므로, 배기의 가스 볼륨이 증대함으로써 터빈(5B)에 부여하는 에너지가 증대하고, 터빈(5B)의 회전 속도 상승이 빨라진다. 또한, 점화 시기의 지각량을 터빈 회전 속도의 상승에 따라서 서서히 작게 함으로써, 토크 상승이 매끄러워진다. 그 결과, 터보 래그의 억제와, 과급압의 신속한 상승을 양립할 수 있다.

또한, 본격적인 과급 일이 시작된 후에는 소기분을 포함한 혼합기를 배기 매니폴드(3) 내에서 연소시킴으로써, 토크 상승을 더욱 빠르게 할 수 있다.

즉, 빠르게 높은 토크를 발생시킴으로써 가속 종료까지의 시간을 단축하고, 또한 운전자에게는 매끄러운 가속감을 부여할 수 있다.

이상과 같이 본 실시 형태에 따르면, 다음 효과가 얻어진다.

가속 요구를 검지한 경우에, 저과급 영역에서는 점화 시기를 지각 보정하므로, 자연 흡기 영역의 가속도 피크가 낮아지고, 또한 배기 온도 상승에 의해 터빈 회전 속도의 상승이 빨라져, 터보 래그가 억제된다. 그리고 고과급 영역에서는, 점화 시기의 지각 보정을 종료해서 밸브 오버랩을 설정하고, 소기 가스를 포함한 배기 매니폴드(3) 내의 혼합기를 이론 공연비가 되도록 연료 분사량을 설정하므로, 소기 가스와 배기 가스의 혼합기의 애프터 버닝에 의한 에너지에 의해 토크가 빠르게 상승한다. 즉, 터보 래그의 억제와, 토크의 신속한 상승을 양립할 수 있다.

점화 시기의 지각을, 과급이 개시되는 타이밍에 개시하고, 밸브 오버랩을 설정하면 소기 효과가 얻어지는 과급압에 도달하는 타이밍에 점화 시기의 지각을 종료하므로, 본격적인 과급 일이 시작되어서 토크가 크게 상승하기 시작할 때까지의 정체감을 작게 할 수 있다.

점화 시기의 지각을, 비과급 상태로부터 과급 상태로 이행할 필요가 있는 가속 요구가 있었을 경우에 실행하므로, 토크의 급격한 변화와 터보 래그를 포함하는 영역에서 문제가 되는 토크 상승의 정체감을 작게 할 수 있다.

점화 시기의 지각 보정량을, 지각 보정 개시 시에 가장 크고, 과급기의 회전 속도의 상승에 수반해서 서서히 작게 한다. 즉, 배기 유량이 적을 때일수록 배기 온도를 크게 상승시키고, 배기 유량의 증가에 따라 배기 온도의 상승값을 작게 하여, 점화 시기 지각에 의한 토크 저하량을 저감한다. 이에 의해, 과급 개시 후에 토크를 매끄러우면서 또한 빠르게 상승시킬 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명했지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않고, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정하는 취지는 아니다.

본원은 2011년 2월 7일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2011-23880호에 기초하는 우선권을 주장하고, 이 출원의 모든 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

Claims (5)

1. 배기 에너지에 의해 구동하는 과급기(5)와,
   밸브 타이밍을 변경할 수 있는 가변동 밸브 기구(14)를 구비하는 내연 기관의 제어 장치에 있어서,
   상기 가변동 밸브 기구(14)를 제어하는 밸브 타이밍 변경 수단과,
   점화 시기 변경 수단과,
   연료 분사량 변경 수단과,
   운전자의 가속 요구를 검지하는 가속 요구 검지 수단(13)과,
   상기 과급기(5)에 의한 과급압을 검출하는 과급압 검출 수단(19)과,
   가속 요구를 검지한 경우에, 상기 과급압이 소정값보다 낮은 저과급 영역에서는 점화 시기를 지각 보정하고, 과급압이 소정값 이상의 고과급 영역에서는 점화 시기의 지각 보정을 종료하고, 밸브 오버랩을 설정하여, 배기 통로(7) 내에서 소기 가스와 배기 가스의 혼합기가 연소되기 쉬운 공연비가 되도록 연료 분사량을 변경하는 가속 제어 수단을 구비하는, 내연 기관의 제어 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가속 제어 수단은, 상기 점화 시기의 지각 보정을 상기 과급기(5)에 의한 과급이 개시되는 타이밍에 개시하고, 밸브 오버랩을 설정하면 소기 효과가 얻어지는 과급압에 도달하는 타이밍에 종료하는, 내연 기관의 제어 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 과급압 검출 수단(19)은, 상기 과급기(5)의 압축기(5A)보다 하류의 흡기 통로 내 압력인 콜렉터 압을 검출함으로써 간접적으로 과급압을 검출하고,
   상기 가속 제어 수단은, 상기 콜렉터 압에 기초하여 상기 밸브 오버랩을 설정하면 소기 효과가 얻어지는 과급압에 도달하는 타이밍을 판정하는, 내연 기관의 제어 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가속 제어 수단은, 상기 과급기(5)가 비과급 상태로부터 과급 상태로 이행할 필요가 있는 가속 요구가 있었을 경우에, 상기 점화 시기의 지각 보정을 실행하는, 내연 기관의 제어 장치.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 점화 시기의 지각 보정량을, 지각 보정 개시 시에 가장 크고, 상기 과급기(5)의 회전 속도의 상승에 수반해서 서서히 작게 하는, 내연 기관의 제어 장치.

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