JP6191526B2 - ターボ過給機付エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明はターボ過給機付エンジンの制御装置に関する。

ターボ過給機付エンジンは、エンジンから排出された排気流によりタービンを回転駆動させ、タービンに直結されたコンプレッサを回転駆動させることで、燃焼室への空気の吸気量を増大させている。また、コンプレッサの下流側の吸気通路には、インタークーラが設けられており、コンプレッサで過給され温度上昇した吸気をインタークーラで冷却するようになっており、これにより燃焼室へ供給される空気の密度を上昇させて充填効率を高めるようになっている。

ところで、ターボ過給機付エンジンにおいては、上述したように、吸気通路にはコンプレッサ、インタークーラが配置されており、このため、これらを順次接続するための吸気通路も長くなる。このため、ターボ過給機が過給状態に無い状態から加速する場合、タービンの回転数を高める時間に加えて、吸気通路中のコンプレッサやインタークーラを通過するときの吸気圧損が大きいため、吸気通路内の過給圧の上昇に時間を要する、所謂、ターボラグが生じるという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ターボラグを低減して、加速レスポンスを向上できるターボ過給機付エンジンの制御装置を提供することである。

前記課題を解決するため、本願発明は次のように構成したことを特徴とする。

本願の請求項１に記載の発明は、吸気通路上に配設されたコンプレッサを有するターボ過給機と、前記吸気通路上において前記コンプレッサの下流側に配設されたスロットルバルブと、前記吸気通路における前記コンプレッサの上下流をバイパスするバイパス通路と、該バイパス通路に設けられて該通路を開閉させるバイパスバルブと、を備えたターボ過給機付エンジンの制御装置であって、前記吸気通路上の前記コンプレッサの下流側であって前記スロットルバルブの上流側に配設された圧力センサと、前記バイパスバルブを開閉させるバイパスバルブ制御手段と、を備え、前記バイパスバルブ制御手段は、前記圧力センサによって検出された前記吸気通路の圧力が所定の過給圧判定用閾値よりも低い場合に前記バイパスバルブを開弁させ、前記圧力センサによって検出された前記吸気通路の圧力が前記過給圧判定用閾値よりも高い場合に前記バイパスバルブを閉弁させることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の発明において、前記エンジンが加速状態にあるか否かを判定する加速判定手段を備え、前記バイパスバルブ制御手段は、前記加速判定手段によって前記エンジンが加速状態にあると判定されたときにおいて、前記圧力センサによって検出された前記吸気通路の圧力が前記過給圧判定用閾値よりも低い場合に、前記バイパスバルブを開弁させることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、前記請求項１又は２に記載の発明において、前記過給圧判定用閾値は、大気圧よりも小さい値に設定されていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、吸気通路上に配設されたコンプレッサを有するターボ過給機と、前記吸気通路における前記コンプレッサの上下流をバイパスするバイパス通路と、該バイパス通路に設けられて該通路を開閉させるバイパスバルブと、を備えたターボ過給機付エンジンの制御装置であって、運転者の加速要求に基づいて目標過給圧を設定する目標過給圧設定手段と、前記バイパスバルブを開閉させるバイパスバルブ制御手段と、を備え、前記バイパスバルブ制御手段は、前記目標過給圧設定手段で設定された前記目標過給圧が大気圧である場合に前記バイパスバルブを開弁させ、前記目標過給圧が大気圧より大きい場合に前記バイパスバルブを閉弁させることを特徴とする。

前記の構成により、本願各請求項の発明によれば、次の効果が得られる。

まず、請求項１に記載の発明によれば、圧力センサで検出された圧力（過給圧）が所定の過給圧判定用閾値よりも低い場合に、バイパスバルブを開弁させてバイパス通路を介して吸気することで、コンプレッサを迂回して吸気通路の圧損を低減できる。また、過給圧が過給圧判定用閾値よりも高い場合に、バイパスバルブを閉弁させることで、圧力が高められた吸気が、バイパス通路を介してコンプレッサ上流側へ流出することを防止できる。したがって、加速レスポンスを向上できる。

また、請求項２に記載の発明によれば、加速判定手段を備えることで、エンジンが加速状態にあると判定されたときに限定してバイパスバルブを開弁させることができる。これにより、エンジンの加速時以外にバイパスバルブが開弁されることを防止して、請求項１に記載の発明を好適に実施できる。

また、請求項３に記載の発明によれば、ターボ過給機が過給状態にない場合の過給開始時に、バイパスバルブを開弁させることができる。つまり、過給開始時においては、スロットルバルブの開弁に伴い吸気通路から燃焼室へ多量の空気が吸い込まれる一方で、ターボ過給機が過給状態に無いために、該通路の圧力は負圧になりやすい。したがって、過給圧が、大気圧より低く設定された過給圧判定用閾値よりも低い場合、つまり過給状態にないターボ過給機の過給開始時においてバイパスバルブを開弁させることができるので、請求項１に記載の発明を好適に実施できる。

また、コンプレッサの下流側の圧力が大気圧よりも低い場合に、バイパス通路を開通させることで、過給開始時におけるコンプレッサの下流側から略大気圧となるコンプレッサの上流側へのバイパス通路を介しての吸気の逆流（還流）を防止できる。

また、請求項４に記載の発明によれば、目標過給圧によってターボ過給機が過給状態にあるか否かを容易に判定でき、ターボ過給機が過給状態に無い場合にバイパス通路を介して吸気できるので、加速レスポンスを向上できる。

すなわち、本発明によるターボ過給機付エンジンの制御装置によれば、ターボ過給機のターボラグを低減して、加速レスポンスを向上できる。

本発明の一実施形態に係るターボ過給機付エンジンの過給システムを概略的に示すブロック図である。 図１の制御システムを示すブロック図である。 制御システムによる処理を示すフローチャートである。 過給システムの作動を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係るターボ過給機付エンジンの過給システムについて、添付の図面を参照しながら説明する。

本発明の一実施形態に係るターボ過給機付エンジンの過給システムは、吸気通路にコンプレッサをバイパスするバイパス通路と、該バイパス通路に設けられ該通路を開閉するバイパスバルブとを備え、減速時のスロットルバルブ閉時における吸気通路内のサージングを、バイパスバルブを開弁させることで抑制する。図１はターボ過給機付エンジンの過給システム１の概略構成を示すブロック図である。

図１に示されるように、過給システム１は、エンジン２と、吸気システム１０と、排気システム２０と、アクセルペダル装置４と、制御部５と、を備えている。エンジン２は、ガソリンエンジンであり、カムシャフト２６には吸排気バルブ２７の開弁タイミングを運転状態に応じて可変制御するためのＶＶＴ２８が設けられている。エンジン２の燃焼室２ａに、吸気ポート２ｂを介して吸気システム１０が接続されており、排気ポート２ｃを介して排気システム２０が接続されている。

吸気システム１０は、吸気通路１１と、吸気通路１１上に上流側から順に配置された、エアクリーナ１６、ターボ過給機３のコンプレッサ１８、インタークーラ１５、スロットルバルブ１４、及び吸気マニホールド１３を有している。吸気システム１０は、外部よりエアクリーナ１６の空気取り入れ口１６ａから取り入れた空気を、フィルタ１６ｂを通してコンプレッサ１８に供給する。その後、空気は、コンプレッサ１８により過給されて、インタークーラ１５により冷却された後、スロットルバルブ１４により流量が調整されて吸気マニホールド１３を介して各気筒の燃焼室２ａへ供給される。

吸気通路１１には、エアクリーナ１６とコンプレッサ１８との間に、吸入空気量検出手段としてのエアフロセンサ３６が配置されている。エアフロセンサ３６は空気取り入れ口１６ａから取り込まれた吸気量を検出する。エアフロセンサ３６としては、例えば、熱線式又はカルマン渦式のエアフロセンサを採用できる。

さらに、吸気通路１１には、インタークーラ１５とスロットルバルブ１４との間に圧力センサ３４が配置されており、吸気マニホールド１３には、吸気マニホールド圧力センサ３２と温度センサ３５が配置されている。圧力センサ３４はインタークーラ１５とスロットルバルブ１４との間の吸気通路１１内の圧力を検出する。吸気マニホールド圧力センサ３２は吸気マニホールド１３内の圧力を検出し、同様に温度センサ３５は吸気マニホールド１３内の温度を検出する。

スロットルバルブ１４は、アクセルペダル装置４のアクセルペダル開度センサ３１で検出された運転者によるペダル踏込操作に応じて、制御部５からの制御信号に基づいて開閉される電子制御式であり、吸気通路１１内の吸気流路面積を変化させて燃焼室２ａへの空気の供給量を調整する。スロットルバルブ１４には、スロットルバルブ１４の開度を検出するスロットルバルブ開度センサ３３が配置されている。

さらに、吸気通路１１には、コンプレッサ１８によって過給された吸気の一部を、コンプレッサ１８の上流側に還流する吸気還流装置４１が設けられている。吸気還流装置４１は、バイパス通路４２とバイパスバルブ４３とを備えている。

バイパス通路４２は、一端がエアフロセンサ３６とコンプレッサ１８との間の吸気通路１１に開口しており、他端がコンプレッサ１８とインタークーラ１５との間の吸気通路１１に開口している。バイパスバルブ４３は、バイパス通路４２に設けられており、制御部５からの制御信号により開閉される電子制御式である。

ターボ過給機３は、吸気通路１１に配置されたコンプレッサ１８と、排気通路２１に配置されたタービン２４と、ウエストゲート式アクチュエータ２５と、を備えている。ターボ過給機３は、エンジン２から排出された排気流によってタービン２４が回転されることで、タービン２４と同軸上に直結されたコンプレッサ１８が回転駆動され、この結果、吸気通路１１に吸気が過給されるようになっている。

ウエストゲート式アクチュエータ２５は、タービン２４の上下流を連通する排気バイパス通路２５ａを介して、エンジン２から排出された排気流の一部を、タービン２４を迂回させて下流側に逃がすようになっている。

排気通路２１には、上流側から順に、排気マニホールド２２、ターボ過給機３のタービン２４、及び排気管２３が、配置されている。

次に、図２に示すブロック図を参照しながら、制御部５について説明する。制御部５は、入力装置３０、制御装置５０、及び出力装置４０を備えている。制御装置５０は、入力装置３０からの信号に基づいて、出力装置４０としてのスロットルバルブ１４、バイパスバルブ４３を開閉させる。

入力装置３０には、アクセルペダル開度センサ３１と、圧力センサ３４と、が含まれている。出力装置４０には、スロットルバルブ１４と、バイパスバルブ４３と、が含まれている。

制御装置５０は、記憶手段５１と、加速判定手段５２と、過給圧判定手段５３と、目標過給圧設定手段５４と、バイパスバルブ制御手段５５と、を備えている。記憶手段５１には、過給圧判定用閾値が記憶されている。過給圧判定用閾値は、大気圧よりやや低い値に設定されている。

加速判定手段５２は、アクセルペダル開度センサ３１で検出された運転者のペダル踏込操作に基づいて、エンジン２が加速状態にあるか否かを判定する。

過給圧判定手段５３は、圧力センサ３４で検出されたコンプレッサ１８とスロットルバルブ１４との間の吸気通路１１内の吸気圧力（過給圧）が、記憶手段５１から読み出した過給圧判定用閾値よりも高いか否かを判定する。

目標過給圧設定手段５４は、エンジン２の運転状態及びアクセルペダル開度センサ３１で検出した運転者の加速要求等に基づいて、記憶手段５１に予め備えた目標過給圧マップに徴して、エンジン２の目標過給圧を設定する。

バイパスバルブ制御手段５５は、加速判定手段５２によりエンジン２が加速状態にあると判定された場合において、過給圧判定手段５３により過給圧が過給圧判定用閾値よりも低いと判定された場合にバイパスバルブ４３を開弁させ、過給圧判定手段５３により過給圧が過給圧判定用閾値よりも高いと判定されたときバイパスバルブ４３を閉弁させる。

次に、図３のフローチャートを参照しながら、エンジン２を加速させるときに行われる、制御装置５０の一連の処理内容について説明する。図３に示されるように、まず、加速状態判定工程として、加速判定手段５２によりエンジン２が加速状態にあるか否かが判定される（ステップＳ１００）。加速状態判定工程において、エンジン２が加速状態にあると判定されると、過給圧判定工程が起動される。

過給圧判定工程において、過給圧判定手段５３により、過給圧が過給圧判定用閾値よりも高いか否かが判定される（ステップＳ１１０）。この工程において過給圧が過給圧判定用閾値よりも低いと判定された場合にバイパスバルブ制御手段５５によりバイパスバルブ４３が開弁される（ステップＳ１２０）。

ステップＳ１２０においてバイパスバルブ４３が開弁された後に、過給圧判定工程として、過給圧判定手段５３により、再度、過給圧が過給圧判定用閾値よりも高いか否かが判定される（ステップＳ１３０）。ステップＳ１３０において、過給圧が過給圧判定用閾値よりも高いと判定された場合にバイパスバルブ制御手段５５によりバイパスバルブ４３が閉弁される（ステップＳ１４０）。

一方、ステップＳ１１０において、過給圧が過給圧判定用閾値よりも高いと判定された場合にもバイパスバルブ制御手段５５によりバイパスバルブ４３が閉弁される（ステップＳ１４０）。

図３の処理がなされたときの、過給システムの一連の作動について図４を参照しながら説明する。図４（ａ）のグラフは圧力センサ３４による検出値（過給圧）の推移を示しており、本実施形態に従ってバイパスバルブ４３を開閉させたときの過給圧の推移を太線で示し、バイパスバルブ４３を開閉させないときの通常の過給圧の推移を細線で示している。図４（ｂ）は、バイパスバルブ４３の開度の推移を示している。

まず、図４（ａ）を参照して、時刻ｔ１より前の時間領域はエンジン２が加速状態になく、過給圧がほぼ大気圧となっていることを示している。この状態から、時刻ｔ１において加速が開始されると、スロットルバルブ１４の開度が拡大されることに伴って、エンジン２の燃焼室に多量の空気が吸い込まれる。このとき、ターボ過給機３は十分に回転していないため、エンジン２の吸い込みに対して空気量の供給が十分でなく、且つ、吸気通路１１に配置されたコンプレッサ１８及びインタークーラ１５が吸気圧損になり、且つ、吸気通路１１が長いことと相まって、過給圧は負圧状態となる。

そして、時刻ｔ２において、過給圧が過給圧判定用閾値より低くなると、過給圧判定手段５３により過給圧が過給圧判定用閾値よりも低いと判定されて、図４（ｂ）に示されるように、バイパスバルブ４３がバイパスバルブ制御手段５５により開弁される。この結果、図４（ａ）に示されるように、細線で示すバイパスバルブ４３を開かない場合の過給圧の推移に比して、太線で示す本実施形態に係る過給圧の推移では、負圧の落ち込みが少なく、且つ、過給圧の上昇が早まっている。

これは、バイパスバルブ４３を開弁させることにより、バイパス通路４２を通して吸気することで、コンプレッサ１８をバイパスさせて、過給圧が過給圧判定用閾値よりも低いときの、吸気通路１１の吸気圧損を低減できるためである。

この状態から、時刻ｔ３において、過給圧が徐々に増大されて、過給圧判定手段５３により、過給圧が過給圧判定用閾値よりも高いと判定された場合に、バイパスバルブ４３がバイパスバルブ制御手段５５により閉弁される。これにより、ターボ過給機３によって過給されて過給圧判定用閾値より高まった吸気がバイパス通路４２を通してコンプレッサ１８の上流側へ還流されることを防止して、過給圧を上昇させることができる。

このようにして、過給圧が過給圧判定用閾値よりも低い場合にバイパス通路４２を通して吸気することでコンプレッサ１８分の吸気圧損を低減し、過給圧が過給圧判定用閾値よりも高くなった場合にバイパスバルブ４３を閉弁させて吸気がコンプレッサ１８の上流側に還流することを防止して、過給圧の立ち上げ時間の短縮、すなわち、ターボラグが低減される。

本実施形態に係る制御装置５０によれば、次の効果を発揮できる。

（１）圧力センサ３４で検出された過給圧が所定の過給圧判定用閾値よりも低い場合に、バイパスバルブ４３を開弁させてバイパス通路４２を介して吸気することで、コンプレッサ１８を迂回して吸気通路１１の圧損を低減できる。まった、過給圧が過給圧判定用閾値よりも高い場合に、バイパスバルブ４３を閉弁させることで、圧力が高められた吸気が、バイパス通路４２を介してコンプレッサ１８の上流側へ流出することを防止できる。したがって、加速レスポンスを向上できる。

（２）加速判定手段５２を備えることで、エンジン２が加速状態にあると判定されたときに限定してバイパスバルブ４３を開弁させることができる。これにより、エンジン２の加速時以外にバイパスバルブ４３が開弁されることを防止できる。

（３）ターボ過給機３が過給状態にない場合の過給開始時に、バイパスバルブ４３を開弁させることができる。つまり、過給開始時においては、スロットルバルブ１４の開弁に伴い吸気通路１１から燃焼室２ａへ多量の空気が吸い込まれる一方で、ターボ過給機３が過給状態に無いために、該通路１１の圧力は負圧になりやすい。したがって、過給圧が、大気圧より低く設定された過給圧判定用閾値よりも低い場合、つまり過給状態にないターボ過給機３の過給開始時においてバイパスバルブ４３を開弁させることができる。

（４）コンプレッサ１８の下流側の圧力が大気圧よりも低い場合に、バイパス通路４２を開通させることで、過給開始時におけるコンプレッサ１８の下流側から略大気圧となるコンプレッサ１８の上流側へのバイパス通路４２を介しての吸気の逆流（還流）を防止できる。

なお、上記実施形態では、過給圧判定手段５３として、圧力センサ３４で検出された過給圧を過給圧判定用閾値と比較することで、バイパスバルブ４３を開閉させているが、これに替えて、目標過給圧設定手段５４により設定される目標過給圧を使用してもよい。

すなわち、目標過給圧が大気圧であるとき、ターボ過給機３が過給状態にないと判定し、目標過給圧が大気圧より大きいとき、ターボ過給機３が過給状態にあると判定できる。つまり、ターボ過給機３が過給状態にないと判定された場合にバイパスバルブ４３を開弁させ、ターボ過給機３が過給状態にあると判定された場合にバイパスバルブ４３を閉弁させるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、バイパス通路４２をコンプレッサ１８のみをバイパスするように設けたが、コンプレッサ１８に加えてインタークーラ１５をバイパスするようにバイパス通路４２を設けてもよい。これによれば、過給圧が過給圧判定用閾値よりも低い（ターボ過給機３が過給状態にない）場合に、バイパス通路４２を通して吸気を行うことで、コンプレッサ１８のみならずインタークーラ１５もバイパスさせて吸気することができ、より一層、吸気圧損を低減でき、加速レスポンスをより一層向上できる。

また、バイパス通路４２を通して形成される吸気通路１１を、インタークーラ１５やコンプレッサ１８を順次接続させずに、エアクリーナ１６からスロットルバルブ１４へ短距離で接続されるように構成してもよい。これによって、吸気通路１１が短縮されるので、バイパス通路４２を通して吸気を行うときの吸気圧損を低減でき、加速レスポンスを向上できる。

本発明は例示された実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変形が可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明によれば、ターボラグを低減して、加速レスポンスを向上できるので、この種のターボ過給機付エンジンの製造技術分野において好適に実施される可能性がある。

１ 過給システム
２ エンジン
３ ターボ過給機
４ アクセルペダル装置
５ 制御部
１３ 吸気マニホールド
１４ スロットルバルブ
１５ インタークーラ
１６ エアクリーナ
１８ コンプレッサ
２４ タービン
３１ アクセルペダル開度センサ
３２ 吸気マニホールド圧力センサ
３４ 圧力センサ
３６ エアフロセンサ
３７ 大気圧センサ
４２ バイパス通路
４３ バイパスバルブ
５１ 記憶手段
５２ 加速判定手段
５３ 過給圧判定手段
５４ 目標過給圧設定手段
５５ バイパスバルブ制御手段

Claims (4)

1. 吸気通路上に配設されたコンプレッサを有するターボ過給機と、前記吸気通路上において前記コンプレッサの下流側に配設されたスロットルバルブと、前記吸気通路における前記コンプレッサの上下流をバイパスするバイパス通路と、該バイパス通路に設けられて該通路を開閉させるバイパスバルブと、を備えたターボ過給機付エンジンの制御装置であって、
   前記吸気通路上の前記コンプレッサの下流側であって前記スロットルバルブの上流側に配設された圧力センサと、
   前記バイパスバルブを開閉させるバイパスバルブ制御手段と、を備え、
   前記バイパスバルブ制御手段は、前記圧力センサによって検出された前記吸気通路の圧力が所定の過給圧判定用閾値よりも低い場合に前記バイパスバルブを開弁させ、前記圧力センサによって検出された前記吸気通路の圧力が前記過給圧判定用閾値よりも高い場合に前記バイパスバルブを閉弁させることを特徴とする、制御装置。
2. 前記エンジンが加速状態にあるか否かを判定する加速判定手段を備え、
   前記バイパスバルブ制御手段は、前記加速判定手段によって前記エンジンが加速状態にあると判定されたときにおいて、前記圧力センサによって検出された前記吸気通路の圧力が前記過給圧判定用閾値よりも低い場合に、前記バイパスバルブを開弁させる、
   請求項１に記載の制御装置。
3. 前記過給圧判定用閾値は、大気圧よりも小さい値に設定されている、
   請求項１又は２に記載の制御装置。
4. 吸気通路上に配設されたコンプレッサを有するターボ過給機と、前記吸気通路における前記コンプレッサの上下流をバイパスするバイパス通路と、該バイパス通路に設けられて該通路を開閉させるバイパスバルブと、を備えたターボ過給機付エンジンの制御装置であって、
   運転者の加速要求に基づいて目標過給圧を設定する目標過給圧設定手段と、
   前記バイパスバルブを開閉させるバイパスバルブ制御手段と、を備え、
   前記バイパスバルブ制御手段は、前記目標過給圧設定手段で設定された前記目標過給圧が大気圧である場合に前記バイパスバルブを開弁させ、前記目標過給圧が大気圧より大きい場合に前記バイパスバルブを閉弁させることを特徴とする、制御装置。

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