JP2021042720A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水冷式の排気ターボ過給機が付帯する内燃機関の制御において、排気系の部材を保護するための燃料噴射量の増量補正の実行頻度を適正化ないし最適化する。【解決手段】内燃機関の運転領域が排気系の部材の過剰な昇温を招く可能性のある所定の領域に遷移してからディレイ時間が経過したことを条件として、気筒に供給される混合気の空燃比が平常の目標空燃比よりもリッチとなるように燃料噴射量を増量する補正制御を実施することとし、前記ディレイ時間を、排気ターボ過給機を冷却する冷却水の流量または温度に応じて増減調整する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、水冷式の排気ターボ過給機が付帯した内燃機関を制御する制御装置に関する。

内燃機関の気筒から排出される排気ガスの持つエネルギを利用して排気タービン（タービンホイール）を回転させ、その回転をコンプレッサのインペラ（コンプレッサホイール）に伝達し、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒へと送り込む排気ターボ過給機が公知である。

排気ターボ過給機、特にタービンを内包するタービンハウジングは高温の排気ガスに曝される。それにより、過給機の構成部品を含む排気系の部材が熱害を受けるおそれがある。そこで、従来より、排気系の部材の過剰な昇温を招くことが懸念される状況下では燃料噴射量を増量補正し、燃料の気化熱（潜熱）を利用して排気の温度を低下させることで、排気系の部材の保護を図っている。

加えて、近時では、タービンハウジングに冷却水ジャケットを付設して冷却水を流通させ、過給機を水冷することが検討されている（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１９−０４４６８３号公報 特開２０１９−１４８２２４号公報

空冷式のものに比して、水冷式の排気ターボ過給機はその温度上昇の速度が抑制される。水冷式の排気ターボ過給機を採用した内燃機関の制御に、空冷式の過給機を備える従前の内燃機関の制御をそのまま適用することは必ずしも好ましくない。従前と同等の頻度で燃料噴射量の増量補正を実行すると、排気系の部材の温度が適正範囲内に収まっているにもかかわらず不必要に燃料を噴射することになり、燃費性能の低下、及びリッチ空燃比に起因したエミッションの悪化（ＨＣの排出増）というデメリットが大きくなる。

本発明は、水冷式の排気ターボ過給機が付帯する内燃機関の制御において、排気系の部材を保護するための燃料噴射量の増量補正の実行頻度を適正化ないし最適化することを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、水冷式の排気ターボ過給機が付帯した内燃機関を制御する制御装置であって、内燃機関の運転領域が排気系の部材の過剰な昇温を招く可能性のある所定の領域に遷移してからディレイ時間が経過したことを条件として、気筒に供給される混合気の空燃比が平常の目標空燃比よりもリッチとなるように燃料噴射量を増量する補正制御を実施するものとし、前記ディレイ時間を、排気ターボ過給機を冷却する冷却水の流量及び／または温度に応じて増減調整する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、水冷式の排気ターボ過給機が付帯する内燃機関の制御において、排気系の部材を保護するための燃料噴射量の増量補正の実行頻度を適正化ないし最適化できる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態の制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。 排気ターボ過給機のタービンハウジングに流入するガスの温度、及びタービンハウジングから流出する冷却水の温度の上昇の実験的に計測した結果を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を包有している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を起こすものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、排気ターボ過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３５、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生する排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、排気ターボ過給機５の排気タービン５２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパス弁であるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。

排気ターボ過給機５は、排気タービン５２とコンプレッサのインペラ５１とをシャフト５３を介して同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、タービン５２及びインペラ５１を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサにポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

本実施形態における排気ターボ過給機５は、水冷式のものである。即ち、少なくともタービン５２を収容するタービンハウジングに冷却水ジャケットを付設し、その冷却水ジャケットに冷却水を流通させることで、当該過給機５を冷却する。冷却水を吸込んで吐出し循環させる冷却水ポンプは、モータにより駆動される電動ポンプである。尤も、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトからトルクの供給を受けて稼働する機械式のポンプであってもよい。機械式のポンプの回転数がエンジン回転数に比例し、同ポンプが吐出する冷却水の流量はエンジン回転数に依存するのに対して、電動ポンプの回転数はエンジン回転数に依存せず、電動ポンプが吐出する冷却水の流量はエンジン回転数とは無関係に増減させ得る。

ウェイストゲートバルブ４４は、排気通路４におけるタービン５２の上流側と下流側とを接続するバイパス４３を開通させることで、吸気通路３を流通する吸気の過給圧が過剰に大きくならないように抑制する役割を担う。また、ウェイストゲートバルブ４４の開閉操作を通じて、過給圧を目標過給圧に追従させるフィードバック制御を実行することもあり得る。ウェイストゲートバルブ４４は、例えばダイアフラム式のアクチュエータ６により駆動する。

アクチュエータ６は、ダイアフラム６０により隔てられたダイアフラム室６１及び定圧室６２を有し、ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧を利用してダイアフラム６０を変位させる。ダイアフラム６０とウェイストゲートバルブ４４とは、バルブロッド６３を介して連結している。ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧が所定のセット圧を超えると、ダイアフラム６０及びバルブロッド６３が、スプリング６４の弾性付勢力に抗して、ダイアフラム室６１側から定圧室６２側に向かって変位する。結果、バイパス通路４３を閉鎖していたウェイストゲートバルブ４４が駆動されて、バイパス通路４３が開放される。これに対し、ダイアフラム室６１と定圧室６２との差圧がセット圧以下であるときには、スプリング６４の弾性付勢力によりダイアフラム６０及びバルブロッド６３が元の位置に復帰し、ウェイストゲートバルブ４４が完全に閉じて、バイパス通路４３が閉鎖される。

アクチュエータ６のダイアフラム室６１には、吸気通路３におけるコンプレッサ５１の下流側かつスロットルバルブ３２の上流側の部位の吸気の圧力、つまりは過給圧を導入する。そのために、ダイアフラム室６１と吸気通路３の当該部位とを連通させる過給圧導入流路７１と、過給圧導入流路７１及びダイアフラム室６１を大気に開放する圧抜流路７２と、圧抜流路７２を開閉する調整バルブ（Ｖａｃｕｕｍ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）７３とを設けている。ＶＳＶ７３は、制御信号ｌを受けてその開度を変化させるソレノイドバルブ等の既知の流量制御弁である。ＶＳＶ７３の開度を操作すれば、吸気通路３から過給圧導入流路７１に流入する過給気の一部を圧抜流路７２経由で大気に逃がし、ダイアフラム室６１の圧力の大きさを制御することができる。アクチュエータ６の定圧室６２には、通常、大気圧を導入する。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における排気タービン５２の上流側の所定箇所（排気マニホルド４２であることがある）と吸気通路３におけるインタクーラ３５及びスロットルバルブ３２の下流側の所定箇所（サージタンク３３であることがある）とを連通させる外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。

内燃機関の各気筒１の吸気バルブの開閉タイミングを可変制御する可変バルブタイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構８は、吸気バルブを開閉駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を液圧（潤滑油圧）によって変化させるベーン式のものや、電動機によって変化させる電動式のもの（モータドライブＶＶＴ）である。ＶＶＴ機構８は、カムシャフトをタイミングチェーンが巻き掛けられるカムスプロケットに対し相対的に回動させることを通じて、カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変化させ、以て吸気バルブの開閉タイミングを変更する。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵまたはコントローラが、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度、いわば内燃機関に対する要求負荷率として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧（過給圧）を検出する吸気温・吸気圧センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、冷却水の温度を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、外気温を検出する外気温センサから出力される外気温信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＶＳＶ７３に対して開度操作信号ｍ、ＶＶＴ機構８に対して吸気バルブ及び／または排気バルブの開閉タイミングの制御信号ｎ、冷却水ポンプに対して回転数ひいては冷却水の吐出流量を制御する制御信号ｏ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸入空気量を推算する。そして、吸入空気量に見合った（目標空燃比を実現するのに必要な）要求燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング（一度の燃焼に対する点火の回数を含む）、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）、吸気バルブの開閉タイミング、冷却水の流量等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎ、ｏを出力インタフェースを介して印加する。

排気ターボ過給機５、特にタービン５２を内包するタービンハウジングは高温の排気ガスに曝される。それにより、過給機５の構成部品を含む排気系４の部材が熱害を受けるおそれがある。本実施形態のＥＣＵ０は、排気系４の部材の過剰な昇温を招くことが懸念される状況下では燃料噴射量を平常よりも増量する補正制御を実施し、燃料の気化熱を利用して排気の温度を低下させることで、排気系４の部材の保護を図る。

図２に示すように、ＥＣＵ０は、内燃機関の運転領域［エンジン回転数，エンジン負荷率（または、エンジントルク、サージタンク３３内吸気圧（過給圧）、吸入空気量または燃料噴射量）］が所定の領域に遷移したとき（ステップＳ１）、ディレイ時間を設定した上で（ステップＳ２）、以後経過した時間の計数を開始する（ステップＳ３）。ステップＳ１にいう所定の領域とは、排気の温度が高温化したり排気の流量が増加したりして、排気系４の部材の過剰な昇温を招き、部材が熱害を受けるおそれがある運転領域のことであり、エンジン回転数が比較的高く、またエンジン負荷率が比較的大きい領域がこれに該当する。

ステップＳ２にいうディレイ時間とは、内燃機関が上記の所定領域に遷移した後、実際に燃料噴射量の増量補正を実行開始するまでの間の待ち時間のことである。ディレイ時間が経過する前に、エンジン回転数またはエンジン負荷率が低下して上記の所定領域を脱した場合には、燃料噴射量の増量補正を行わない。ディレイ時間は、現在の内燃機関の運転領域、並びに、排気ターボ過給機５を水冷する冷却水の流量及び／または温度に応じて増減調整する。

図３は、排気ターボ過給機５のタービンハウジングに高温のガスを流入させる実験を行い、タービンハウジングから流出する冷却水の温度の上昇の推移を計測した結果である。図３中、実線は冷却水の流量が比較的少ない場合を表し、破線は冷却水の流量が比較的多い場合を表している。冷却水の温度上昇は、循環する冷却水の流量が少ないほど速く、多いほど遅くなる。タービンハウジングの温度上昇もまた同様である。冷却水の循環流量が多いほど、冷却効果が高くなり、タービンハウジングやその他の排気系４の部材が高温化するまでに時間的な余裕が生じる。

原則として、ディレイ時間は、エンジン回転数が低いほど長く（高いほど短く）、エンジン負荷率が小さいほど長く（大きいほど短く）、冷却水の流量が多いほど長く（少ないほど短く）、冷却水の温度が低いほど長く（高いほど短く）設定する。ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数、エンジン負荷率、冷却水の流量及び温度等とディレイ時間との関係を規定したマップデータが格納されている。ステップＳ２にて、ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数、エンジン負荷率、冷却水の流量及び温度等をキーとして当該マップを検索し、設定するべきディレイ時間を知得する。冷却水ポンプとして電動ポンプを採用しているのであれば、当該ポンプに対して与えている制御信号ｏ、印加電流、印加電圧または当該ポンプの回転数が、現在の冷却水の吐出流量を示唆する。機械式のポンプを採用しているのであれば、当該ポンプの回転数、換言すればエンジン回転数が、現在の冷却水の吐出流量を示唆する。

ステップＳ２にて設定するディレイ時間を、冷却水の流量及び温度以外の要素、例えば、現在の外気温や車速等によって増減させてもよい。外気温及び車速は、エンジンルーム（エンジンコンパートメント）内に吹き込む走行風の温度及び流量に関連する。外気温が低いほど、また車速が高いほど、内燃機関の各部が冷却されやすく、その分ディレイ時間を延長することが可能である。

これまでの運転の履歴を、考慮に入れることもできる。継続的に燃料を燃焼させて内燃機関を運転している時間、直近の過去に実行した燃料カットから経過した時間、または直近の過去に実行したアイドルストップから経過した時間が長いほど、内燃機関の排気系４の部材の温度が上昇していると考えられるので、その分ディレイ時間を短縮することが一案である。

内燃機関が上記の所定領域に遷移した後、設定したディレイ時間が経過したならば（ステップＳ４）、ＥＣＵ０が燃料噴射量の増量補正の実行を開始する（ステップＳ６）。ステップＳ６の補正制御では、気筒１に供給される混合気の空燃比が平常の目標空燃比（火花点火式内燃機関では、理論空燃比またはその近傍）よりもリッチとなるように、燃料噴射量を増量する。

ディレイ時間が経過する前に、内燃機関の運転領域が上記の所定領域よりも低回転または低負荷の領域に遷移したときには（ステップＳ５）、燃料噴射量の増量補正を実行しない（ステップＳ７）。

本実施形態では、水冷式の排気ターボ過給機５が付帯した内燃機関を制御する制御装置０であって、内燃機関の運転領域が排気系４の部材の過剰な昇温を招く可能性のある所定の領域に遷移して（ステップＳ１）からディレイ時間が経過した（ステップＳ４）ことを条件として、気筒１に供給される混合気の空燃比が平常の目標空燃比よりもリッチとなるように燃料噴射量を増量する補正制御を実施する（ステップＳ６）ものとし、前記ディレイ時間を、排気ターボ過給機５を冷却する冷却水の流量及び／または温度に応じて増減調整する（ステップＳ２）内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態の制御装置０は、過給機５のタービン５２やタービンハウジングを含む排気系４の部材の温度に実際の影響を及ぼす要素、即ち過給機５を水冷する冷却水の流量及び／または温度、外気温、車速、運転の履歴等に基づき、燃料噴射量の増量補正を実行開始するまでのディレイ時間を延長または短縮する。本実施形態によれば、過給機５を水冷式としたメリットを最大限に活用し、排気系４の部材の保護のための燃料噴射量の増量補正を実行する頻度を適正化ないし最適化することができる。排気系４の部材がよく冷却され部材の温度上昇が緩慢な状況下では、ディレイ時間を長くとり、ステップＳ５の条件を成立させやすくして、不必要な燃料噴射量の増量補正をできる限り回避する。増量補正の実行頻度が低下すれば、燃料消費が削減される。並びに、空燃比のリッチ化に伴うエミッションの悪化を抑制することにも繋がる。

逆に、排気系４の部材が冷却されにくく部材の温度上昇が速くなる状況下では、ディレイ時間を短くし、ステップＳ４の条件を成立させやすくして、適時に燃料噴射量の増量補正を実行できるようにする。これにより、排気系４の部材の過剰な昇温を抑制し、部材が熱害を受けることを適切に防止する。

また、本実施形態によれば、排気系４の部材の温度や排気ガスの温度を直接に検出するセンサを設置する必要がなく、ハードウェアの追加によるコスト増を招かずに済む。電動の冷却水ポンプは、エンジン回転数とは無関係に冷却水の吐出流量を増減させることが可能であるので、排気系４の部材を冷却する必要性が高いときに冷却水の流量を積極的に増量して部材の保護を図るとともに、ディレイ時間を延長して燃料噴射量の増量補正の実行頻度を引き下げることができる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的な構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
４…排気系
５…排気ターボ過給機
５２…タービン
ａ…車速信号
ｂ…クランク角信号
ｃ…アクセル開度信号
ｆ…冷却水温信号
ｈ…外気温信号
ｊ…燃料噴射信号
ｏ…冷却水ポンプの制御信号

Claims (1)

1. 水冷式の排気ターボ過給機が付帯した内燃機関を制御する制御装置であって、
   内燃機関の運転領域が排気系の部材の過剰な昇温を招く可能性のある所定の領域に遷移してからディレイ時間が経過したことを条件として、気筒に供給される混合気の空燃比が平常の目標空燃比よりもリッチとなるように燃料噴射量を増量する補正制御を実施するものとし、
   前記ディレイ時間を、排気ターボ過給機を冷却する冷却水の流量または温度に応じて増減調整する内燃機関の制御装置。

Images