JP4501761B2

JP4501761B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4501761B2
Application number: JP2005119953A
Authority: JP
Inventors: 比呂志田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-04-18
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2025-04-18
Also published as: JP2006299859A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

ターボチャージャを備える内燃機関が公知である。このような内燃機関において、過給圧が過剰に上昇する時には、燃焼圧力又は吸気管圧力が異常に高まって内燃機関のシール部等を破損させる可能性があり、また、この時にはターボチャージャのタービン及びコンプレッサが過回転により破損する可能性もある。それにより、過給圧の上限値制御が実施されている。過給圧の上限値制御においては、機関排気系のタービンをバイパスするウェイストゲート通路に配置されたウェイストゲードバルブ（ＷＧＶ）を開弁させ、ターボチャージャのタービン回転数を低下させる。

また、過給中からの減速時には、スロットル弁の開度が大きく減少され、そのままでは、コンプレッサとスロットル弁との間において吸気圧が急激に上昇してコンプレッサが異音を発生したり、また、コンプレッサ等が破損したりすることが懸念される。そのために、機関吸気系のコンプレッサをバイパスするエアバイパス通路に配置されたエアバイパスバルブ（ＡＢＶ）を開弁させている。このようにＡＢＶが設けられる場合において、ＷＧＶが故障した時には、ＡＢＶによって過給圧の上限値制御を実施することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−３３２６１３特開平８−６１０７３

ＷＧＶの過給圧上限値制御において、過給圧が上限値を上回る時にＷＧＶを開弁させれば、タービンの過剰回転を防止することはできる。しかしながら、過給圧は応答遅れによって大きくオーバーシュートしてしまう。

従って、本発明の目的は、ターボチャージャを備える内燃機関において、過給圧の上限値制御に際して、過給圧の大きなオーバーシュートを抑制可能とする制御装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、ターボチャージャを備える内燃機関の制御装置であって、過給圧が上限値を超えた時には、機関排気系の前記ターボチャージャのタービンをバイパスするウェイストゲート通路に配置されたウェイストゲートバルブを開弁させると共に、機関吸気系におけるスロットル弁の上流側において前記ターボチャージャのコンプレッサをバイパスするエアバイパス通路に配置されたエアバイパスバルブを開弁させて前記過給圧の上限値制御を実施し、前記過給圧は、機関吸気系の前記コンプレッサと前記スロットル弁との間の圧力とされ、機関減速時には、前記過給圧が前記上限値を超えても前記上限値制御を実施せず、前記過給圧が前記上限値より高い設定圧力となった時に、前記エアバイパスバルブを開弁させることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置によれば、過給圧の上限値制御において、ウェイストゲートバルブを開弁させるだけでなく、エアバイパスバルブが開弁される。過給圧が上限値を超える時に、タービン回転数を抑制するためにウェイストゲートバルブの開弁は必要であるが、それだけでは、応答遅れによって過給圧はオーバーシュートするために、エアバイパスバルブを開弁させて過給圧のオーバーシュートを抑制している。

また、過給圧は、機関吸気系の前記コンプレッサとスロットル弁との間の圧力、すなわち、スロットル弁上流側の圧力とされ、この圧力が実測又は推定により監視される。機関加速時には、スロットル弁の開弁によって、スロットル弁上流側の圧力と気筒内の過給圧とはほぼ一致する。しかしながら、機関減速時には、スロットル弁の閉弁によって、スロットル弁上流側の圧力は急激に高まるが、気筒内の過給圧はそれほど高くはならず、この時に、上限値制御を実施してウェイストゲートバルブを開弁させてタービン回転数を低下させると、次の加速時において過給実現のために直ぐにタービン回転数を高めることはできない。それにより、機関減速時には上限値制御を実施しないようになっている。

しかしながら、スロットル弁上流側の圧力が異常に高まると、コンプレッサから異音が発生したり、コンプレッサ等を破損させたりする懸念があるために、機関減速時において、スロットル弁上流側の圧力が過給圧上限値より高い設定圧力となった時には、エアバイパスバルブを開弁させてスロットル弁上流側の圧力を低下させている。請求項１に記載の内燃機関の制御装置では、このような制御を機関吸気系のコンプレッサとスロットル弁との間の圧力だけを監視することにより実現することができる。

図１は本発明による制御装置により制御される内燃機関を示す概略図である。同図において、１は機関本体であり、２は吸気系であり、３は排気系である。吸気系２には、上流側からエアクリーナ４、ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａ、インタークーラ６、及び、スロットル弁７等が配置され、インテークマニホルド８を介して各気筒へ通じている。

一方、排気系３には、下流側からマフラ（図示せず）、排気浄化装置９、及び、ターボチャージャ５のタービン５ｂ等が配置され、エキゾーストマニホルド１０を介して各気筒へ通じている。

本内燃機関１は、特に発明を限定するものではないが、各気筒内へ直接的に燃料を噴射するための第一燃料噴射弁と、インテークマニホルド８の各吸気枝管に配置された第二燃料噴射弁とを備えて、第二燃料噴射弁によって吸気行程中（吸気同期）又は吸気行程開始前（吸気非同期）に燃料を噴射すると共に、第一燃料噴射弁によっても吸気行程で燃料を噴射し、気筒内に均質混合気を形成する均質燃焼を実施する。

この均質燃焼の空燃比は、通常、理論空燃比よりリーンとされ、燃料消費を低減している。このような希薄燃焼では、多量のＮＯ_Xが生成されないような適当なリーン空燃比（例えば、２０）が選択されるが、それでもある程度のＮＯ_Xは生成されるために、前述の排気浄化装置９を、例えば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置として、ＮＯ_Xの大気放出量を十分に低減することが好ましい。

第二燃料噴射弁から噴射された燃料は、吸気枝管と吸気弁との間の吸気ポート壁面等への衝突によって微粒化され、吸気と共に気筒内へ供給されるために、気筒内で容易に気化し、良好に均質化された均質混合気を形成するのに有利である。その一方で、吸気ポート壁面等への燃料付着によって所望量の燃料を正確に気筒内へ供給することは難しい。これに対して、第一燃料噴射弁から噴射される燃料は、気筒内で微粒化及び気化させなければならず、多量の燃料を点火までに気化させることは難しいが、所望量の燃料を正確に気筒内へ供給することができる。

それにより、必要燃料量が少なく所望量の燃料を確実に気筒内に供給することが望まれる機関低負荷時等には、主に第一燃料噴射弁により燃料を噴射し、必要燃料量が比較的多くなって未燃燃料の排出量が多くなり易い機関中負荷時には、主に第二燃料噴射弁により燃料を噴射することが好ましい。さらに機関負荷が高くなって機関高負荷時になると、希薄燃焼では十分な機関出力を発生させることができず、理論空燃比での均質燃焼が実施される。この理論空燃比の均質燃焼の排気ガスを浄化するために、機関排気系に三元触媒装置を配置するようにしても良い。

本内燃機関１は、ターボチャージャ５を備えているために、過給によって気筒内へ多量の吸気を供給することができ、希薄燃焼範囲を高負荷側へ拡大することができる。しかしながら、設計限度以上の過給圧により気筒内へ多量の吸気が供給されると、内燃機関のシール部等に悪影響が発生したり、また、このような過給圧を提供するとターボチャージャ５のコンプレッサ５ａ及びタービン５ｂが過剰回転により破損したりする懸念があるために、過給圧は設計限度に対して余裕を持たせた上限値に制御されている。

このために、排気系３には、ターボチャージャ５のタービン５ｂをバイパスするウェイストゲート通路１１を設けて、ウェイストゲート通路１１に配置されたウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）１２を開弁することによりタービン５ｂの過剰回転を抑制して過給圧の上限値制御を実施している。また、過給中からの減速によってスロットル弁７が閉弁されると、気筒内の過給圧はそれほど高まることはないが、吸気系２のスロットル弁７とターボチャージャ５のコンプレッサ５ａとの間の過給圧が急激に上昇し、コンプレッサ５ａが異音を発生したり、また、コンプレッサ５ａ等が破損したりする懸念がある。

それにより、吸気系２のスロットル弁７の上流側においてコンプレッサ５ａをバイパスするエアバイパス通路１３を設けて、エアバイパス通路１３に配置されたエアバイパスバルブ（ＡＢＶ）１４を開弁させて、スロットル弁７とコンプレッサ５ａとの間の過給圧（以下、スロットル弁上流側過給圧）の急激な上昇を防止している。ＷＧＶ１２はタービン５ｂ及びコンプレッサ５ａを介して過給圧を制御するものであり、過給圧に対する応答性は高くない。一方、ＡＢＶ１４は、直接的に過給圧を制御するものであり、過給圧に対する応答性は高いものである。

本発明による制御装置は、図２に示すフローチャートによって、過給圧の上限値制御と、減速時のスロットル弁上流側過給圧制御とを実施するようになっている。本フローチャートは、設定時間毎又は設定クランク角度毎に繰り返されるものである。先ず、ステップ１０１において、アクセルペダルの開放又はブレーキペダルの踏み込み等によって機関減速時であるか否かが判断される。この判断が否定される時には、過給圧が上限値Ｐ１を超えた時に過給圧を低下させる過給圧の上限値制御を実施するために、ステップ１０２において、ＡＢＶ１４のフィードバック制御が開始される。

このＡＢＶ１４のフィードバック制御は、吸気系２のスロットル弁７とコンプレッサ５ａとの間に配置された圧力センサ１５により監視されるスロットル弁上流側過給圧Ｐ_iが上限値Ｐ１を超えた時に、スロットル弁上流側過給圧Ｐ_iと上限値Ｐ１との差が大きいほどＡＢＶ１４の開度を大きくするように制御するものである。スロットル弁上流側過給圧Ｐ_iが上限値Ｐ１より低い時にはＡＢＶ１４は全閉される。

スロットル弁上流側過給圧Ｐ_iは、機関減速時のようにスロットル弁７の開度が小さい時には、気筒内の過給圧とは異なる値となるが、機関減速時以外においてスロットル弁上流側過給圧Ｐ_iが上限値Ｐ１近傍となる時は、高負荷時であってスロットル弁７は全開近傍とされており、それにより、この時のスロットル弁上流側過給圧Ｐ_iはほぼ気筒内の過給圧とすることができる。

次いで、ステップ１０３において、フラグＦが１であるか否かが判断される。このフラグＦはＷＧＶ１２及びＡＢＶ１４がいずれも比較的長い時間に渡り全閉されたままとされ、過給圧の上限値制御が実質的に実施されていない時に、０にリセットされるものであり、当初、この判断は否定されてステップ１０４へ進む。ステップ１０４では、現在のスロットル弁上流側過給圧Ｐ_iが上限値Ｐ１を超えているか否かが判断される。この判断が否定される時には、ステップ１０４においてＷＧＶ１２は全閉される。この時において、前述したように、ＡＢＶ１４も全閉される。一方、ステップ１０４の判断が肯定される時には、過給圧を上限値Ｐ１に抑制しなければならず、ステップ１０６において、ＷＧＶ１２を全開する。この時において、前述したように、ＡＢＶ１４はフィードバック制御により開弁される。

図３は過給圧の変化を示すタイムチャートである。もし、過給圧の上限値制御において、ＷＧＶ１２だけを全開及び全閉されるデューティ制御が実施される場合には、点線で示すように、時刻ｔ０で上限値Ｐ１を超えた過給圧は、時刻ｔ０でのＷＧＶ１２の全開により、応答遅れの上昇の後に下降して時刻ｔ１’において上限値Ｐ１となる。それにより、時刻ｔ１’においてＷＧＶ１２は全閉され、応答遅れの下降の後に再び上昇して時刻ｔ２’において上限値Ｐ１となる。それにより、時刻ｔ２’においてＷＧＶ１２は再び全開され、応答遅れの上昇の後に下降して時刻ｔ３’において上限値Ｐ１となる。このＷＧＶ１２のデューティ制御によって、オーバーシュート及びアンダーシュートが繰り返され、オーバーシュート及びアンダーシュートの大きさが徐々に小さくなって遂には過給圧が上限値Ｐ１に収束する。しかしながら、最初に大きなオーバーシュートが発生するために、収束までには比較的長い時間が必要となる。

これに対して、図２に示すフローチャートによれば、過給圧が上限値Ｐ１を超えた時刻ｔ０では、ＷＧＶ１２が全開されると同時に、過給圧に対する応答性の高いＡＢＶ１４も開弁され、しかも、ＡＢＶ１４は過給圧と上限値Ｐ１との差が大きいほど大きく開弁され、すなわち、ＡＢＶ１４は過給圧と上限値Ｐ１との差に追従して開度制御されるために、図３に実線で示すように、過給圧は、オーバーシュートするが、応答遅れの上昇を小さく抑制することができ、前述の時刻ｔ１’より早い時刻ｔ１において上限値Ｐ１まで下降する。それにより、時刻ｔ１において、ＷＧＶ１２が全閉されると共にＡＢＶ１４も全閉される。その後のアンダーシートは、前回のオーバーシュートが小さく抑制されたために、小さくなり、結果的に、前述の時刻ｔ２’より早い時刻ｔ２において上限値Ｐ１まで上昇する。

この時刻ｔ２において、ＷＧＶ１２が再び全開されると共に、ＡＢＶ１４も再びフィードバック制御により開弁され、前述の時刻ｔ３’より早い時刻ｔ３において上限値Ｐ１まで下降する。こうして、ＡＢＶ１４のフィードバック制御を加えることにより、ＷＧＶ１２のデューティ制御において発生するオーバーシュート及びアンダーシュートの大きさを小さくすることができ、過給圧を早期に上限値Ｐ１に収束させることができる。

また、過給圧の上限値制御において、ＷＧＶ１２だけを過給圧と上限値Ｐ１との差が大きいほど大きく開弁させるようにフィードバック制御することも考えられるが、このような制御では、上限値Ｐ１を超える過給圧に対して、当初は、ＷＧＶ１２の開度が全開よりかなり小さくされるために、過給圧は上限値を超えて大きくオーバーシュートして推移し、やはり、上限値Ｐ１へ収束させるには比較的長い時間が必要となってしまう。この制御に比較しても、図２のフローチャートの過給圧上限値制御は短い時間で過給圧を上限値Ｐ１に収束させることができる。

また、ＷＧＶ１２のデューティ制御及びフィードバック制御のいずれにおいても、大きなオーバーシュートが発生するために、大きな余裕を見越して上限値を設定しなければならず、比較的低い過給圧で上限値制御が実施され、ターボチャージャの性能を十分に発揮させることができないが、図２のフローチャートによれば、過給圧のオーバーシュートが抑制され、この問題も解決することができる。

ところで、図２に示すフローチャートにおいて、ステップ１０７では、今回のスロットル弁上流側過給圧Ｐ_i（減速時でない時には気筒内の過給圧）がオーバーシュートピーク値であるか否かが判断される。この判断が否定される時には、ステップ１０９において、前述のフラグＦは０のままとされる。一方、今回のスロットル弁上流側過給圧Ｐ_iがオーバーシュートピーク値である時には、ステップ１０７の判断が肯定されてステップ１０８へ進む。ステップ１０８では、このオーバーシュートピーク値Ｐ_iが上限値Ｐ１＋ａより大きいか否かが判断される。

ステップ１０８の判断が否定される時（例えば、図３において時刻ｔ０とｔ１との間のピーク値の場合）には、オーバーシュートピーク値は、上限値Ｐ１との差が大きく、ステップ１０９においてフラグＦを０としたまま終了する。

しかしながら、ステップ１０８の判断が肯定される時（例えば、図３において時刻ｔ１とｔ２との間のピーク値の場合）には、オーバーシュートピーク値は上限値Ｐ１との差が小さくなっており、この時には、ステップ１１０においてフラグＦは１とされ、ステップ１１１においてＷＧＶ１２は全閉されて終了する。

それにより、次回以降の処理において、ステップ１０３の判断が肯定され、ステップ１０４から１０６のＷＧＶ１２のデューティ制御が実施されることはなく、ステップ１０２のＡＢＶ１４のフィードバック制御だけが実施される。こうして、オーバーシュートピーク値が上限値Ｐ１の近傍となれば、ＷＧＶ１２は全閉されて、ＡＢＶ１４だけによるフィードバック制御によって過給圧を上限値Ｐ１に収束させるのである。それにより、アンダーシュートを発生させることなく、過給圧を上限値Ｐ１に確実に収束させることができる。

但し、ＡＢＶ１４がフィードバック制御により全開となっていれば、ＡＢＶ１４により過給圧を低下させることができないために、全閉されているＷＧＶ１２を僅かに開弁させることが必要とされる。それでもＡＢＶ１４が依然として全開のままであれば、ＷＧＶ１２をさらに開弁させることが必要である。こうして、ステップ１１２において、ＡＢＶ１４が全開されている限りは、ＷＧＶ１２を徐々に開弁させるためのＷＧＶ開度制御が実施される。

また、機関運転状態の変化によって過給圧が低下し、フィードバック制御によってＡＢＶ１４の開度も半開程度に小さくされる場合に、もし、ＷＧＶ１２が開弁されているならば、ＷＧＶ１２の開度を僅かに閉弁させることができる。また、ＡＢＶ１４の開度が半開程度とされる限りは、ＷＧＶ１２を徐々に閉弁させて良い。このような開度制御もステップ１１２のＷＧＶ開度制御に含めることができる。

ところで、機関減速時には、ステップ１０１の判断が肯定される。この時には、スロットル弁７の開度が小さく、気筒内の過給圧はそれほど高まることはない。しかしながら、過給運転からの減速時にスロットル弁７の開度が急激に小さくされると、スロットル弁上流側過給圧Ｐ_iは急激に高まって、コンプレッサ５ａから異音が発生したり、また、コンプレッサ５ａ等を破損させたりすることがあり、これを防止しなければならない。

しかしながら、スロットル弁上流側過給圧Ｐ_iを低下させるために、前述のようにＷＧＶを開弁させてタービン回転数を低下させると、次の加速時において、直ぐにタービン回転数を高めて過給を実施することができない。それにより、機関減速時においてステップ１０１の判断が肯定されると、ステップ１１３へ進み、これまで説明したＷＧＶ１２のデューティ制御及びＡＢＶ１４のフィードバック制御とは異なる制御が実施される。

具体的には、ステップ１１３において、上限値Ｐ１に基づくＡＢＶ１４のフィードバック制御は中止される。次いで、ステップ１１４において、現在のスロットル弁上流側過給圧Ｐ_iが前述の上限値Ｐ１より高い設定圧力Ｐ２より高くなっているか否かが判断される。この判断が否定される時には特に問題はなく、ステップ１１６においてＡＢＶ１４を全閉して終了する。しかしながら、現在のスロットル弁上流側過給圧Ｐ_iが設定圧力Ｐ２より高くなっている時には、ステップ１１４の判断が肯定され、ステップ１１５においてＡＢＶ１４は全開される。こうして、スロットル弁上流側過給圧Ｐ_iを設定圧力Ｐ２より低下させ、コンプレッサ５ａからの異音及びコンプレッサ５ａ等の破損を防止している。

このようなＡＢＶ１４の開弁によって、吸気量が減少し、それにより、タービン５ｂの回転数も若干は低下するが、ＷＧＶ１２は開弁されておらず、タービン５ｂの回転数が大幅に低下することはない。それにより、次回の加速時において、直ぐにタービン回転数を高めて過給を実現することができる。

図２に示すフローチャートにおいて、過給圧の上限値制御と、減速時のスロットル弁上流側過給圧制御とが、圧力センサ１５により検出されるスロットル弁上流側過給圧Ｐ_iに基づき実施されるようにしたが、もちろん、過給圧の上限値制御は、スロットル弁７の下流側に配置された圧力センサの出力に基づき実施するようにしても良い。しかしながら、この場合には、スロットル弁７の上流側と下流側とにそれぞれ圧力センサが必要とされる。

図２に示すフローチャートにおいて、スロットル弁上流側過給圧Ｐ_iは、圧力センサ１５により実測されることなく、スロットル弁７の開度に基づき推定するようにしても良い。この場合においても、スロットル弁上流側過給圧Ｐ_iだけを推定すれば良く、スロットル弁下流側過給圧も推定する場合に比較して推定計算を簡素化することができる。

図２に示すフローチャートにおいて、機関減速時以外でスロットル弁上流側過給圧Ｐ_iが上限値Ｐ１を超えた時には、ＷＧＶ１２のデューティ制御を開始するようにしたが、ＷＧＶ１２をフィードバック制御（すなわち、スロットル弁上流側過給圧Ｐ_iと上限値Ｐ１との差圧が大きいほどＷＧＶ１２を大きく開弁させる制御）を開始するようにしても良い。この場合においても、ＡＢＶ１４のフィードバック制御が同時に開始されるために、過給圧のオーバーシュートが抑制され、比較的短い時間で過給圧を上限値Ｐ１に収束させることができる。もちろん、ＡＢＶ１４は、フィードバック制御ではなく、全開及び全閉のデューティ制御により開弁させても良い。

また、ステップ１１４において、機関減速時でスロットル弁上流側過給圧Ｐ_iが設定圧力Ｐ２を超えた時には、ＡＢＶ１４を全開させるようにしたが、スロットル弁上流側過給圧Ｐ_iと設定圧力Ｐ２との差圧が大きいほどＡＢＶ１４を大きく開弁させるフィードバック制御を開始するようにしても良い。また、図２に示すフローチャートにおいて、オーバーシュートピーク値が上限値Ｐ１近傍となった時にＷＧＶ１２のデューティ制御を中止してＡＢＶ１４のフィードバック制御だけを実施するようにしたが、オーバーシュートピーク値とアンダーシュートピーク値（アンダーシュートにおける最低過給圧値）との差が設定値以下となる時に、ＡＢＶ１４のフィードバック制御だけを実施するようにしても良い。

本発明による制御装置により制御される内燃機関を示す概略図である。過給圧の上限値制御と減速時のスロットル弁上流側過給制御とを実施するためのフローチャートである。過給圧の上限値制御における過給圧の変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１機関本体
２吸気系
３排気系
５ターボチャージャ
１２ＷＧＶ
１４ＡＢＶ

Claims

ターボチャージャを備える内燃機関の制御装置であって、過給圧が上限値を超えた時には、機関排気系の前記ターボチャージャのタービンをバイパスするウェイストゲート通路に配置されたウェイストゲートバルブを開弁させると共に、機関吸気系におけるスロットル弁の上流側において前記ターボチャージャのコンプレッサをバイパスするエアバイパス通路に配置されたエアバイパスバルブを開弁させて前記過給圧の上限値制御を実施し、前記過給圧は、機関吸気系の前記コンプレッサと前記スロットル弁との間の圧力とされ、機関減速時には、前記過給圧が前記上限値を超えても前記上限値制御を実施せず、前記過給圧が前記上限値より高い設定圧力となった時に、前記エアバイパスバルブを開弁させることを特徴とする内燃機関の制御装置。