JP2019094854A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変ノズルの開度を各種の制約を満たす範囲の限界付近まで設定できるようにする。【解決手段】可変ノズル開度の操作量の算出に際し、コンプレッサ前圧力とコンプレッサ後圧力との圧力比に関する制約、及び、タービンの回転数に関する制約、及び、コンプレッサ後圧力に関する制約を満たす範囲で、コンプレッサ後圧力の目標値を算出する。そして、エキマニ圧力に関する制約、及び、膨張比に関する制約を満たす範囲で、取得された新気量、吸気温度、コンプレッサ前圧力、エキマニガス温度、ターボ後圧力、及び、タービン通過ガス量と、ターボ過給機の総合効率と、コンプレッサ後圧力の目標値とから、エキマニ圧力の目標値を算出する。算出されたエキマニ圧力の目標値、エキマニガス温度、ターボ後圧力、及び、タービン通過ガス量から、可変ノズルの操作量を決定する。【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。より具体的には、可変ノズルを備えるターボ過給機を含む複数のアクチュエータを操作して、内燃機関の運転を操作する内燃機関の制御装置に関するものである。

可変ノズルを有するターボ過給機を備えた内燃機関では、可変ノズルの操作によりタービンの回転を能動的に制御することができる。そして、タービンの回転を制御することで、タービンの回転状態が関係する状態量を間接的に制御することができる。

また、例えば、特許文献１（特開２０１３−０６０９１４号公報）には、可変ノズル開度の制御が記載されている。この可変ノズルの制御では、タービンの過回転及びターボサージの発生を抑制するため、コンプレッサ前後圧力比とターボ回転数とが、それぞれに対する制約値内であるか否かに基づいて、可変ノズルの開度の操作可否が判定される。そして、可変ノズル開度が閉じ方向への操作が可能な場合にのみ可変ノズルの操作が実施され、閉じ方向への操作が不可である場合には開度の更新が禁止され、前回算出された開度が用いられる。

特開２０１３−０６０９１４号公報 特開２０１６−１０２４２６号公報

上記特許文献１の記載の制御によれば、可変ノズルの閉じ方向の操作が不可であるときには可変ノズルの開度の前回値がそのまま用いられる。このため、可変ノズルの開度の実値と、制約を満たす範囲で最も目標値に近い値（即ち、限界値）との差が大きいものとなる。実値と限界値との差の増加は、燃費改善や加速性能向上の観点からは好ましいものではない。また、特許文献１の制御では、閉じ方向への操作不可である場合、算出された可変ノズルの開度が用いられないため、その算出工程は無駄なものとなる。従って、特許文献１に記載の技術は未だ改善の余地を残すものである。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、可変ノズル型ターボ過給機を備える内燃機関において、各制御値に対する制約を満たしつつ安全サイドの余裕代を小さく抑えた開度に可変ノズルが制御されるように改良された内燃機関の制御装置を提供するものである。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、可変ノズルを有するターボ過給機を備えた内燃機関の制御装置であって、以下のロジックによって可変ノズルの操作量を決定する。

この内燃機関の制御装置は、コンプレッサの入口側の吸気通路内圧力であるコンプレッサ前圧力を取得する。そして、コンプレッサ前圧力と、コンプレッサの出口側の吸気通路内圧力であるコンプレッサ後圧力との圧力比に関する制約、及び、タービンの回転数に関する制約、及び、コンプレッサ後圧力に関する制約を満たす範囲で、コンプレッサ後圧力の目標値を算出する。

また、制御装置は、吸気通路に取り込まれた新気の流量である新気量と、コンプレッサの入口側の吸気通路内温度である吸気温度と、タービンの入口側の排気通路内温度であるエキマニガス温度と、タービンの出口側の排気通路内圧力であるターボ後圧力と、タービンを通過するガスの流量であるタービン通過ガス量と、を取得する。そして、タービンの入口側の排気通路内圧力であるエキマニ圧力に関する制約、及び、膨張比に関する制約を満たす範囲で、取得された新気量、吸気温度、コンプレッサ前圧力、エキマニガス温度、ターボ後圧力、及び、タービン通過ガス量と、ターボ過給機の総合効率と、コンプレッサ後圧力の目標値とから、エキマニ圧力の目標値を算出する。

更に、制御装置は、エキマニ圧力の目標値、エキマニガス温度、ターボ後圧力、及び、タービン通過ガス量から、可変ノズルの操作量を決定する。

本発明による内燃機関の制御装置によれば、可変ノズルの開度の算出の過程で各種の制約値が用いられ、各種制約を越えない範囲での可変ノズル開度が決定される。これにより各種制約を満たす範囲内での限界値まで可変ノズルを操作することができ、燃費の改善及び加速性能の向上を図ることができる。

本発明の実施の形態としての内燃機関の概略構成を説明するための図である。 本発明の制御装置が備える、可変ノズルの開度を算出する構成を示すブロック図である。 ターボ過給機のコンプレッサマップを示す図である。 本発明の制御装置が備える、ターボモデルを用いてエキマニ圧力の目標値を算出する構成を示すブロック図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態としての内燃機関の概略構成を説明するための図である。図１に示すとおり、本実施の形態のシステムは、複数気筒（図１では４気筒）を有する４サイクルのディーゼルエンジン（以下、単に「エンジン」とも称する）２を備えている。エンジン２は車両に搭載され、その動力源とされているものとする。本実施形態では、本発明をディーゼルエンジン（即ち、圧縮着火内燃機関）の制御に適用した場合について説明するが、本発明はディーゼルエンジンに限定されるものではなく、ガソリンエンジン（即ち、火花点火内燃機関）、その他の各種の内燃機関の制御に適用することが可能である。エンジン２の各気筒には、燃料を筒内に直接噴射するためのインジェクタ４が設置されている。各気筒のインジェクタ４は、共通のコモンレール６に接続されている。コモンレール６への燃料供給系の図示は省略するが、燃料タンク内の燃料は、所定の燃圧まで加圧されて、コモンレール６内に蓄えられ、コモンレール６から各インジェクタ４に供給される。

エンジン２は、可変ノズル型のターボ過給機１０を備えている。ターボ過給機１０は、排気ガスの排気エネルギによって作動するタービン１２と、タービン１２と一体的に連結され、タービン１２に入力される排気ガスの排気エネルギによって回転駆動されるコンプレッサ１４とを有している。更に、ターボ過給機１０は、タービン１２に供給される排気ガスの流量を調整するための可変ノズル（以下「ＶＮ」と略する）１６を有している。

ＶＮ１６は、図示を省略するアクチュエータ（例えば、電動モータ）によって開閉動作可能になっている。ＶＮ１６の開度（以下「ＶＮ開度」とも称する）を小さくすると、タービン１２の入口面積が小さくなり、タービン１２に吹き付けられる排気ガスの流速を速くすることができる。その結果、コンプレッサ１４およびタービン１２の回転数（以下、「ターボ回転数」と称する）が上昇するので、過給圧を上昇させることができる。逆に、ＶＮ開度を大きくすると、タービン１２の入口面積が大きくなり、タービン１２に吹き付けられる排気ガスの流速が遅くなる。その結果、ターボ回転数が降下するので、過給圧を低下させることができる。

吸気通路２０は、吸気マニホールド２２により枝分かれして、各気筒の吸気ポート（図示せず）に接続している。エンジン２の吸気通路２０の入口付近には、エアクリーナ３０が設けられている。エアクリーナ３０を通って吸入された空気は、ターボ過給機１０のコンプレッサ１４で圧縮された後、インタークーラ３２で冷却される。インタークーラ３２を通過した吸入空気は、吸気マニホールド２２により各気筒の吸気ポート（図示せず）に分配される。

吸気通路２０におけるインタークーラ３２と吸気マニホールド２２との間には、吸気絞り弁（即ち、ディーゼルスロットル）３４が設置されている。吸気絞り弁３４は、アクチュエータによって電気的に開閉自在に構成されている。

排気通路４０は、排気マニホールド４２により枝分かれして、各気筒の排気ポート（図示せず）に接続している。ターボ過給機１０のタービン１２は、排気通路４０の途中に配置されている。タービン１４よりも下流側の排気通路４０には、排気ガスを浄化するための後処理装置４４が設けられている。後処理装置４４としては、例えば、酸化触媒、ＮＯｘ触媒、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、ＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOx-Reduction system）等を用いることができる。

吸気通路２０における吸気マニホールド２２近傍には、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路５０の一端が接続されている。ＥＧＲ通路５０の他端は、排気通路４０の排気マニホールド４２近傍に接続されている。このＥＧＲ通路５０を通して、排気ガス（既燃ガス）の一部を吸気通路２０へ還流させること、つまり外部ＥＧＲを行うことができる。

ＥＧＲ通路５０の途中には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ５２が設けられている。ＥＧＲ通路５０には、ＥＧＲクーラ５２をバイパスするためのバイパス通路５４が、ＥＧＲクーラ５２と並行に接続されている。ＥＧＲ通路５０の、ＥＧＲクーラ５２よりＥＧＲガスの流れに対して下流側（即ち、吸気通路２０に近い側）には、ＥＧＲバルブ５６が設置されている。

吸気通路２０におけるエアクリーナ３０の下流近傍には、吸気通路２０に吸入される新気の流量である新気量Ｇａに関する情報を取得するためのエアフローメータ６０が設置されている。また、このシステムは、その他にも、コンプレッサ１４の入口側の吸気通路２０内の温度である吸気温度Ｔｈａを計測するためのセンサ、コンプレッサ１４の入口側の吸気通路２０内の圧力であるコンプレッサ前圧力Ｐ２を計測するための圧力センサ６２、吸気絞り弁３４の下流、即ち、吸気マニホールド２２内の吸気圧力Ｐｉｍを計測するための吸気圧センサ６６、大気圧を検出するための大気圧センサ（図示せず）、アクセルペダル６８の踏み込み量（アクセル開度）を検出するためのアクセルポジションセンサ（図示せず）、エンジン２のクランク角度を検出するためのクランク角センサ（図示せず）等、エンジン２の運転状態や運転情報に関する情報を取得するための各種センサを有している。

本実施の形態のシステムは、制御装置としてのＥＣＵ(Electronic Control Unit)７０を備えている。ＥＣＵ７０の入力部には、上述した各種センサが接続されている。またＥＣＵ７０の出力部には、上述したインジェクタ４、吸気絞り弁３４、ＥＧＲバルブ５６、ターボ過給機１０の他、エンジン２を制御するための各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ７０は、入力された各種の情報に基づいて、所定のプログラムに従って各機器を駆動する。

ＥＣＵ７０が有する機能の一つに、コンプレッサ１４の出口側の吸気通路２０内の圧力であるコンプレッサ後圧力Ｐ３が、目標値になるようにターボ過給機１０の運転を制御する機能がある。ターボ過給機１０の運転を制御するための操作量の１つにＶＮ１６の開度がある。

ＥＣＵ７０は、コンプレッサ後圧力Ｐ３の目標値からＶＮ１６の開度を直接演算するのではなく、まず、コンプレッサ後圧力Ｐ３の目標値から、後述する制約を考慮した目標コンプレッサ後圧力Ｐ３ｔｒｇを算出する。そして、制約考慮後の目標コンプレッサ後圧力Ｐ３ｔｒｇの値を用いて、タービン１２の入口側の圧力である排気マニホールド４２の圧力（以下、「エキマニ圧力」と称する）Ｐ４の目標値を算出する。更に、エキマニ圧力Ｐ４の目標値から、後述する制約を考慮した目標エキマニ圧力Ｐ４ｔｒｇを算出する。そして、制約考慮後の目標エキマニ圧力Ｐ４ｔｒｇの値を用いて、ＶＮ１６の各開度を決定する。

図２は、ＥＣＵ７０が備えるＶＮ１６の開度の目標値を算出する構成を示すブロック図である。ＥＣＵ７０は、演算部７２、７４、７６、７８を備える。以下、演算部７２、７４、７６、７８のそれぞれの機能について説明する。

演算部７２には、コンプレッサ後圧力Ｐ３の目標値と、サージ制約Ｐ３目標値と、回転数制約Ｐ３目標値と、Ｐ３制約値とが、それぞれ入力される。コンプレッサ後圧力Ｐ３の目標値は、例えば、エンジン回転速度と燃料噴射量との関係を定めたマップや、吸気マニホールド２２内の吸気圧力Ｐｉｍの目標値又は吸気絞り弁３４の入口側の吸気通路２０内の圧力Ｐｉａの目標値に基づいて算出される。Ｐ３制約値は、エンジン失火防止のために必要なコンプレッサ後圧力Ｐ３の上限値である。

図３は、新気量とコンプレッサ前後圧力比との関係を示すコンプレッサマップである。図３を用いて、サージ制約Ｐ３目標値と、回転数制約Ｐ３目標値との算出方法について説明する。図３において破線Ａはサージラインを表している。実線Ｂは制約回転数曲線を示す。

サージ制約Ｐ３目標値は、コンプレッサ前後圧力比に対する制約値から求められる制約値であり、コンプレッサにおける吸入空気の逆流を抑制するための制約値である。新気量Ｇａに応じて、図３に示されるようなコンプレッサマップに従って、サージラインＡを超えない圧力比Ｐ３/Ｐ２が算出される。算出された圧力比Ｐ３/Ｐ２と、現在のコンプレッサ前圧力Ｐ２とから、サージ制約Ｐ３目標値が算出される。

回転数制約Ｐ３目標値は、ターボ過給機１０の過回転を防止するための制約値である。新気量に応じて、図３に示されるようなコンプレッサマップに従って、制約回転数曲線Ｂを超えない圧力比Ｐ３/Ｐ２を算出する。算出された圧力比Ｐ３/Ｐ２と、現在のコンプレッサ前圧力Ｐ２とから、サージ制約Ｐ３目標値が算出される。

演算部７２は、サージ制約Ｐ３目標値、回転数制約Ｐ３目標値、及び、Ｐ３制約値を満たす範囲で、コンプレッサ後圧力Ｐ３に最も近い値を算出する。即ち、演算部７２では、入力された、コンプレッサ後圧力Ｐ３の目標値、サージ制約Ｐ３目標値、回転数制約Ｐ３目標値、及び、Ｐ３制約値の中で最小の目標値が選択され、この値が、各制約考慮後の目標コンプレッサ後圧力Ｐ３ｔｒｇとして出力される。

演算部７４は、ターボモデルを用いてエキマニ圧力Ｐ４の目標値を演算する。図４は、演算部７４の構成の一例を示すブロック図である。演算部７４には、目標コンプレッサ仕事算出部８０と、目標タービン仕事算出部８２と、目標排気系状態量算出部８４とが含まれる。

目標コンプレッサ仕事算出部８０は、以下の式（１）に従って、コンプレッサ１４がする仕事であるコンプレッサ仕事の目標値（以下「目標コンプレッサ仕事」とも称する）ＷＣｔｒｇを算出する。式（１）は、コンプレッサ仕事ＷＣ、新気量Ｇａ、吸気温度Ｔｈａ、コンプレッサ前圧力Ｐ２、及び、コンプレッサ後圧力Ｐ３の間に成り立つ関係を表した式である。式（１）に、目標コンプレッサ後圧力Ｐ３ｔｒｇと、新気量Ｇａ、吸気温度Ｔｈａ、及び、コンプレッサ前圧力Ｐ２の現在値を入力することによって、目標コンプレッサ仕事ＷＣｔｒｇが求められる。なお、式（１）において、Ｃｐａは定温比熱であり、その値は例えば0.24、κは空気の比熱比であり、その値は例えば1.4である。

目標タービン仕事算出部８２は、以下の式（２）に従って、目標コンプレッサ仕事ＷＣｔｒｇから、タービン１２がする仕事であるタービン仕事の目標値（以下、「目標タービン仕事」と称する）ＷＴｔｒｇを算出する。式（２）において、ηｔｏｔは、ターボ過給機１０の総合効率である。ターボ総合効率ηｔｏｔは、固定値でもよいし、例えば、タービン１２の回転速度を軸としたマップで定義される変数でもよい。

目標排気系状態量算出部８４は、以下の式（３）に従って、エキマニ圧力Ｐ４の目標値を算出する。式（３）は、タービン仕事ＷＴ、タービン入口側の排気通路４０内の温度であるエキマニガス温度Ｔ４、タービン１２の出口側の排気通路４０内の圧力であるターボ後圧力Ｐ６、タービンを通過するガスの流量であるタービン通過ガス量Ｇａ＋Ｇｆ、及びエキマニ圧力Ｐ４の間に成り立つ関係を表した式である。式（３）に、目標タービン仕事ＷＴｔｒｇと、エキマニガス温度Ｔ４、ターボ後圧力Ｐ６、及び、タービン通過ガス量Ｇａ＋Ｇｆの各現在値を入力することによって、エキマニ圧力Ｐ４の目標値が求められる。なお、式（３）において、Ｃｐｇは定圧比熱であり、その値は例えば0.26、κは排気ガスの比熱比であり、その値は例えば1.33である。

再び、図２を参照して、演算部７６は、制約考慮後の目標エキマニ圧力Ｐ４ｔｒｇを算出する。演算部７６には、演算部７４で算出されたエキマニ圧力Ｐ４の目標値と、エキマニ圧力Ｐ４に対する制約値として、エキマニ圧力Ｐ４制約値と、膨張比Ｐ４/Ｐ６による制約（以下、「膨張比制約」と称する）に関するＰ４目標値とが入力される。ここでエキマニ圧力Ｐ４制約値は、排気の逆流を防止するための制約であり、膨張比制約は、タービン１２における排気空気逆流を防止するための制約値である。膨張比制約Ｐ４目標値は、膨張比制約値に、ターボ後圧力Ｐ６の現在値を掛けることで、算出される。演算部７６は、エキマニ圧力Ｐ４の目標値が、エキマニ圧力Ｐ４制約値と膨張比制約Ｐ４目標値との範囲内である場合には、エキマニ圧力Ｐ４の目標値を、目標エキマニ圧力Ｐ４ｔｒｇとして出力する。一方、エキマニ圧力Ｐ４の目標値が、エキマニ圧力Ｐ４制約値と膨張比制約Ｐ４目標値との範囲外である場合には、エキマニ圧力Ｐ４制約値と膨張比制約Ｐ４目標値とを満たす範囲で、エキマニ圧力Ｐ４の目標値に最も近い値を、目標エキマニ圧力Ｐ４ｔｒｇとして出力する。

演算部７８は、ノズル式である。演算部７８は、以下の式（４）及び式（５）に従って、ノズルの開度を算出する。式（４）により、ＶＮ１６の有効開口面積μＡが算出される。式（４）におけるΦ関数は、式（５）により計算される。式（４）及び式（５）において、Ｐ４に目標エキマニ圧力Ｐ４ｔｒｇを入力し、Ｐ６にターボ後圧力Ｐ６の現在値を入力し、Ｔ４にエキマニガス温度Ｔ４の現在値を入力し、Ｇａ＋Ｇｆに、タービン通過ガス量Ｇａ＋Ｇｆの現在値を入力することにより、ＶＮ１６の有効開口面積μＡが得られる。有効開口面積に応じて、ＶＮ１６の開度が決定される。

以上説明したように、本実施の形態の制御装置によれば、演算の過程において各制約値が入力され、制約値を満たす形でＶＮ１６の開度が決定される。従って、各制約を満たす範囲で、目標過給圧に応じたＶＮ１６の開度の要求値に最も近い値が演算される。つまり安全サイドへの余裕代を必要最小限なものとすることができ、ＶＮ１６を制約ギリギリの値にまで制御することができる。これにより燃費の改善及び加速性能の向上を図ることができる。

なお、本実施の形態では、制約値として、サージ制約Ｐ３目標値、回転数制約Ｐ３目標値、Ｐ３制約値、Ｐ４制約値、及び、膨張比制約Ｐ４目標値を考慮する場合について説明した。しかし、本発明において考慮される制約はこれに限られず、入力されるその他の状態量に対する各種制約を、計算の過程で考慮するように設定することができる。

２ エンジン
４ インジェクタ
６ コモンレール
１０ ターボ過給機
１２ タービン
１４ コンプレッサ
１６ 可変ノズル（ＶＮ）
２０ 吸気通路
２２ 吸気マニホールド
３０ エアクリーナ
３２ インタークーラ
３４ 吸気絞り弁
４０ 排気通路
４２ 排気マニホールド
４４ 後処理装置
５０ ＥＧＲ通路
５２ ＥＧＲクーラ
５４ バイパス通路
５６ ＥＧＲバルブ
６０ エアフローメータ
６２ 圧力センサ
６６ 吸気圧センサ
６８ アクセルペダル
７０ ＥＣＵ
７２、７４、７６，７８ 演算部
８０ 目標コンプレッサ仕事算出部
８２ 目標タービン仕事算出部
８４ 目標排気系状態量算出部

Claims (1)

1. 可変ノズルを有するターボ過給機を備えた内燃機関の制御装置において、
   吸気通路に取り込まれた新気の流量である新気量を取得する手段と、
   コンプレッサの入口側の吸気通路内温度である吸気温度を取得する手段と、
   前記コンプレッサの入口側の吸気通路内圧力であるコンプレッサ前圧力を取得する手段と、
   タービンの入口側の排気通路内温度であるエキマニガス温度を取得する手段と、
   前記タービンの出口側の排気通路内圧力であるターボ後圧力を取得する手段と、
   前記タービンを通過するガスの流量であるタービン通過ガス量を取得する手段と、
   前記コンプレッサ前圧力と前記コンプレッサの出口側の吸気通路内圧力であるコンプレッサ後圧力との圧力比に関する制約、及び、前記タービンの回転数に関する制約、及び、前記コンプレッサ後圧力に関する制約を満たす範囲で、前記コンプレッサ後圧力の目標値を算出する手段と、
   前記タービンの入口側の排気通路内圧力であるエキマニ圧力に関する制約、及び、膨張比に関する制約を満たす範囲で、前記新気量、前記吸気温度、前記コンプレッサ前圧力、前記エキマニガス温度、前記ターボ後圧力、前記タービン通過ガス量、前記ターボ過給機の総合効率、及び、前記コンプレッサ後圧力の目標値から、前記エキマニ圧力の目標値を算出する手段と、
   前記エキマニ圧力の目標値、前記エキマニガス温度、前記ターボ後圧力、及び、前記タービン通過ガス量から、前記可変ノズルの操作量を決定する手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

Images