JP6565743B2 - 内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、タービンへの排気ガスの流速を制御可能な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方法及び内燃機関の制御装置に関する。

近年では、可変ノズルを有するターボ過給機を備えた内燃機関が広く普及している。このような内燃機関では、可変ノズルの開度を制御してタービンへ導く排気ガスの流路の開口面積を調整することで、排気ガスの流速を調整している。これにより、内燃機関の回転数が低く排気ガスの流量が少ない場合であっても、タービンに吹き付けられる排気ガスの流速を増し、適切な過給圧を得ることが可能であり、内燃機関の出力特性を向上させることができる。なお、ターボ過給機を備えた内燃機関を非常に高負荷・高回転で運転すると、ターボ過給機のタービンの寿命が短くなる場合がある。内燃機関を非常に高負荷・高回転で運転した場合に発生するタービンの前後の大きな圧力差と、内燃機関の爆発工程毎に発生する排気の脈動と、によってタービンの前後に応力が発生するためである。所定応力以上の応力を長時間受け続けるとタービンの寿命が短くなる場合がある。これを回避するためには、タービンの前後の圧力比（タービン上流側の圧力／タービン下流側の圧力）が所定圧力比以下となるように制御すればよいことが知られている。

そこで、特許文献１に記載の内燃機関の過給圧制御装置では、目標過給圧と実際の過給圧との偏差に応じて（仮）目標上流側排気圧を算出している。また、実際の下流側排気圧に対する実際の上流側排気圧の圧力比（タービン前後圧力比）が、所定圧力比を超えないように、実際の下流側排気圧と所定圧力比とから（仮）目標上流側排気圧の上限を設定して最終目標上流側排気圧を算出している。そして、実際の上流側排気圧が最終目標上流側排気圧と一致するように、可変ノズルの開度を、フィードバック制御している。これにより、特に加速時において、排気圧の過渡の上昇を防止しつつ、過給圧を高めている。

特開２００６−１８８９９９号公報

特許文献１に記載された内燃機関の過給圧制御装置では、フィードバック制御により可変ノズルの開度を制御している。過給の応答性を向上させるために、実際の上流側排気圧を最終目標上流側排気圧まで迅速に上昇させようとしてフィードバックゲインを大きくすると、たとえ最終目標上流側排気圧が所定圧力比（圧力比許容最大値）を超えないように設定されていても、オーバーシュートが発生してタービン前後圧力比が所定圧力比を超えてしまう場合がある。タービン前後圧力比のオーバーシュートが発生しないようにするためには、フィードバックゲインを小さくしなければならならない。タービン前後圧力比が所定圧力比を超えないように設定することは、過給の応答性の向上よりも優先する必要があるため、過給の応答性が犠牲にされてしまう。このように、フィードバック制御では、実際の上流側排気圧を検出して、すでに変化した実際の上流側排気圧を次回の制御に反映する（フィードバックする）ので、制御の応答遅れが避けられず、オーバーシュートが発生し易い。

そこで従来では、ターボ過給機を保護するため、タービン前後圧力比が圧力比許容最大値を超えないように、可変ノズルのベース開度を開き側に設定し、タービン効率をあえてやや低く設定している。そして、やや低めに設定したタービン効率で所望する過給比（コンプレッサ下流圧力／コンプレッサ上流圧力）を得るために、より大きなタービンサイズのターボ過給機を選定している。このため、より大きなタービンによる車両への搭載性の影響、ターボラグ（質量の大きなタービンによる過給応答遅れ）の発生等の懸念がある。

本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、過給の応答性の向上とタービン前後圧力比のオーバーシュートの防止とを両立してターボ過給機の性能を充分に利用することが可能であり、適切なサイズのターボ過給機をより安全に使用することができる、内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置は次の手段をとる。まず、本発明の第１の発明は、内燃機関の排気ガスによって回転駆動されるタービンと、前記タービンへ導く排気ガスの流速を調整可能な可変ノズルと、前記タービンによって回転駆動されて前記内燃機関の吸入空気を過給するコンプレッサと、を有するターボ過給機と、前記可変ノズルを制御する制御装置と、を用いた内燃機関の制御方法であって、前記制御装置にて、前記タービンの下流側の排気圧力であるタービン下流排気圧力に対する前記タービンの上流側の排気圧力であるタービン上流排気圧力の比、または前記タービン下流排気圧力と大気圧とを加算したタービン下流合成圧力に対する前記タービン上流排気圧力と大気圧とを加算したタービン上流合成圧力の比、であるタービン前後圧力比を求める、タービン前後圧力比算出ステップと、前記制御装置にて、前記タービン前後圧力比の上昇割合である圧力比上昇率を求める、タービン前後圧力比上昇率算出ステップと、前記制御装置にて、前記タービン前後圧力比が、前記圧力比上昇率に基づいて変化していった場合に、予め設定された圧力比許容最大値を超えるか否かを予測する、タービン前後圧力比予測ステップと、前記制御装置にて、前記圧力比上昇率に基づいて変化していった前記タービン前後圧力比が前記圧力比許容最大値を超えると予測した場合は、前記タービンへ導く排気ガスの流速を低下させる側に前記可変ノズルを制御する、タービン前後圧力比強制低下ステップと、を有する、内燃機関の制御方法である。

次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係る内燃機関の制御方法であって、前記タービン前後圧力比予測ステップにて、前記コンプレッサの上流側の吸気圧力であるコンプレッサ上流吸気圧力に対する前記コンプレッサの下流側の吸気圧力であるコンプレッサ下流吸気圧力の比、または前記コンプレッサ上流吸気圧力と大気圧とを加算したコンプレッサ上流合成圧力に対する前記コンプレッサ下流吸気圧力と大気圧とを加算したコンプレッサ下流合成圧力の比、である過給圧力比と、前記内燃機関が吸入している空気の量である吸入空気量と、に基づいて、前記圧力比許容最大値を超えないための前記圧力比上昇率として予め設定された許容上昇率を求め、前記圧力比上昇率が、前記許容上昇率を超えた場合に、現在の前記タービン前後圧力比が、前記圧力比上昇率に基づいて変化していった場合に前記圧力比許容最大値を超える、と予測する、内燃機関の制御方法である。

次に、本発明の第３の発明は、上記第２の発明に係る内燃機関の制御方法であって、前記タービン前後圧力比強制低下ステップにて、前記圧力比上昇率と、前記吸入空気量と、に基づいて、予め設定された前記可変ノズルの開度を補正する補正量を求め、求めた前記補正量に基づいて前記可変ノズルの開度を補正する、内燃機関の制御方法である。

次に、本発明の第４の発明は、内燃機関の排気ガスによって回転駆動されるタービンと、前記タービンへ導く排気ガスの流速を調整可能な可変ノズルと、前記タービンによって回転駆動されて前記内燃機関の吸入空気を過給するコンプレッサと、を有するターボ過給機における前記可変ノズルを制御する内燃機関の制御装置であって、前記タービンの下流側の排気圧力であるタービン下流排気圧力に対する前記タービンの上流側の排気圧力であるタービン上流排気圧力の比、または前記タービン下流排気圧力と大気圧とを加算したタービン下流合成圧力に対する前記タービン上流排気圧力と大気圧とを加算したタービン上流合成圧力の比、であるタービン前後圧力比を求める、タービン前後圧力比算出手段と、前記タービン前後圧力比の上昇割合である圧力比上昇率を求める、タービン前後圧力比上昇率算出手段と、前記タービン前後圧力比が、前記圧力比上昇率に基づいて変化していった場合に、予め設定された圧力比許容最大値を超えるか否かを予測する、タービン前後圧力比予測手段と、前記圧力比上昇率に基づいて変化していった前記タービン前後圧力比が前記圧力比許容最大値を超えると予測した場合は、前記タービンへ導く排気ガスの流速を低下させる側に前記可変ノズルを制御する、タービン前後圧力比強制低下手段と、を有する、内燃機関の制御装置である。

第１の発明によれば、現在のタービン前後圧力比が、圧力比上昇率に基づいて変化（上昇）していった場合に、近い将来に圧力比許容最大値を超えるか否かを予測する。つまり、（タービン前後圧力比が圧力比許容最大値よりも低い現在の時点から）上昇中のタービン前後圧力比が、この圧力比上昇率で上昇していくと、やがて（近い将来に）圧力比許容最大値を超える可能性があるか否かを予測する。すなわち、実際のタービン前後圧力比が圧力比許容最大値を超える圧力に達しているか否かを判定するフィードバック制御よりも、非常に早い時点において、近い将来にタービン前後圧力比が圧力比許容最大値を超えるか否か（超える可能性があるか否か）を予測する。そして、当該予測に基づいて可変ノズルの開度を迅速に補正する。これにより、オーバーシュートを適切に防止し、タービンの寿命をより長くすることができる。また、フィードバック制御よりも非常に早い時点で可変ノズルの開度を補正してオーバーシュートを防止できるので、フィードバックゲインをより大きく設定することが可能となり、過給の応答性をより向上させることができる。従って、過給の応答性の向上とタービン前後圧力比のオーバーシュートの防止とを両立することができるので、必要以上に大きなサイズのターボ過給機を使用しなくて済み、適切なサイズのターボ過給機を使用することができる。

第２の発明によれば、求めた圧力比上昇率が、過給圧力比と吸入空気量とに対応させて予め設定した許容上昇率を超えた場合に、（近い将来に）タービン前後圧力比が圧力比許容最大値を超えると予測する。これにより、容易に、かつ短時間に、かつ適切に、予測を行うことができる。

第３の発明によれば、（近い将来に）タービン前後圧力比が圧力比許容最大値を超えると予測した場合において、圧力比上昇率と吸入空気量とに対応させて予め設定した補正量に基づいて、可変ノズルの開度を迅速に補正する。これにより、迅速に、かつ適切に、可変ノズルの開度を補正してオーバーシュートの発生を防止することができる。

第４の発明によれば、第１の発明の内燃機関の制御方法を適用した制御装置を、適切に実現することができる。

本発明の内燃機関の制御方法を適用した内燃機関の制御システムの概略構成を説明する図である。 内燃機関の制御装置の入出力、及び当該制御装置の構成の例を説明する図である。 内燃機関の制御装置の処理手順を説明するフローチャートである。 内燃機関の制御装置の処理手順を説明するフローチャートである。 過給圧力比と吸入空気量とに対応させて予め設定した許容上昇率の特性の例を説明する図である。 図５に示した特性において、過給圧力比＝Ｒａ、吸入空気量＝Ｍａに対応させた許容上昇率を決定する方法の例を説明する図である。 図５に示した特性において、過給圧力比＝Ｒｂ、吸入空気量＝Ｍｂに対応させた許容上昇率を決定する方法の例を説明する図である。 タービン前後圧力比と吸入空気量とに対応させて予め設定した補正量の特性の例を説明する図である。 図３及び図４のフローチャートの処理によってタービン前後圧力比が圧力比許容最大値を超えないように制御される様子を説明する動作波形の例である。

以下に本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。
●［制御対象の内燃機関の概略構成（図１）と、制御装置５０の入出力（図２）］
まず図１を用いて、制御対象の内燃機関の概略構成について説明する。本実施の形態の説明では、内燃機関の例として、車両に搭載された４気筒のエンジン１０（例えばディーゼルエンジン）を用いて説明する。エンジン１０には、エンジン１０の各気筒４５Ａ〜４５Ｄへの吸入空気を導入する吸気管１１が接続されている。またエンジン１０には、各気筒４５Ａ〜４５Ｄからの排気ガスが吐出される排気管１２が接続されている。各気筒４５Ａ〜４５Ｄには、燃料配管４２Ａ〜４２Ｄを介してコモンレール４１に接続されたインジェクタ４３Ａ〜４３Ｄが設けられている。また吸気管１１の吸気経路にはターボ過給機３０のコンプレッサ３５が設けられており、排気管１２の排気経路にはターボ過給機３０のタービン３６が設けられている。制御装置５０は、少なくとも、制御手段５１、記憶手段５３を有している。

流量検出手段２１は、例えば吸入空気の流量を検出可能な流量センサであり、吸気通路１１Ａに設けられている。制御手段５１は、流量検出手段２１からの検出信号に基づいて、エンジン１０が吸入した吸入空気の流量である吸入空気流量を検出することが可能である（図２参照）。

回転検出手段２２は、例えば内燃機関の回転数（例えばクランク軸の回転数）や回転角度（例えば各気筒の圧縮上死点タイミング）等を検出可能な回転角度センサであり、エンジン１０に設けられている。制御手段５１は、回転検出手段２２からの検出信号に基づいて、エンジン１０の回転数や回転角度等を検出することが可能である（図２参照）。

大気圧検出手段２３は、例えば大気圧センサであり、制御装置５０に設けられている。制御手段５１は、大気圧検出手段２３からの検出信号に基づいて、大気圧を検出することが可能である（図２参照）。

圧力検出手段２４Ａは、例えば圧力センサであり、コンプレッサ３５の上流側である吸気通路１１Ａ、かつコンプレッサ３５の近傍、に設けられている。制御手段５１は、圧力検出手段２４Ａからの検出信号に基づいて、コンプレッサ３５の上流側の吸入空気の圧力であるコンプレッサ上流吸気圧力を検出可能である（図２参照）。

圧力検出手段２４Ｂは、例えば圧力センサであり、コンプレッサ３５の下流側である吸気管１１、かつコンプレッサ３５の近傍、に設けられている。制御手段５１は、圧力検出手段２４Ｂからの検出信号に基づいて、コンプレッサ３５の下流側の吸入空気の圧力であるコンプレッサ下流吸気圧力を検出可能である（図２参照）。

アクセルペダル踏込量検出手段２５は、例えばアクセルペダル踏込角度センサであり、アクセルペダルに設けられている。制御手段５１は、アクセルペダル踏込量検出手段２５からの検出信号に基づいて、運転者によるアクセルペダルの踏込量を検出することが可能である（図２参照）。

電子スロットル装置４７は、吸気管１１（吸気経路）に設けられており、制御手段５１からの制御信号に基づいて吸気管１１の開度を調整するスロットルを制御し、吸気流量を調整可能である。制御手段５１は、スロットル開度検出手段４７Ｓ（例えば、スロットル開度センサ）からの検出信号と目標スロットル開度に基づいて、電子スロットル装置４７に制御信号を出力して吸気管１１に設けられたスロットルの開度を調整可能である（図２参照）。

ターボ過給機３０は、コンプレッサインペラ３５Ａを有するコンプレッサ３５と、タービンインペラ３６Ａを有するタービン３６とを備えている。タービン３６には、タービンインペラ３６Ａへ導く排気ガスの流速を制御可能な可変ノズル３３が設けられており、可変ノズル３３は、駆動手段３１によって開度が調整される。制御手段５１は、開度検出手段３２（例えば、ノズル開度センサ）からの検出信号と目標ノズル開度に基づいて、駆動手段３１に制御信号を出力して可変ノズル３３の開度を調整可能である（図２参照）。

コンプレッサ３５には、吸気通路１１Ａと吸気管１１が接続されている。そしてコンプレッサ３５は、吸気通路１１Ａから吸入空気を吸入してコンプレッサインペラ３５Ａにて圧縮し、圧縮した吸入空気を吸気管１１に吐出することで過給する。タービン３６には、排気通路１２Ａと排気管１２が接続されている。排気管１２からの高温高圧の排気ガスは、タービン３６に導入されてタービンインペラ３６Ａ（及びコンプレッサインペラ３５Ａ）を回転駆動して排気通路１２Ａへと吐出される。

圧力検出手段２６Ａは、例えば圧力センサであり、タービン３６の上流側である排気管１２、かつタービン３６の近傍、に設けられている。制御手段５１は、圧力検出手段２６Ａからの検出信号に基づいて、タービン３６の上流側の排気ガスの圧力であるタービン上流排気圧力を検出可能である（図２参照）。

圧力検出手段２６Ｂは、例えば圧力センサであり、タービン３６の下流側である排気通路１２Ａ、かつタービン３６の近傍、に設けられている。制御手段５１は、圧力検出手段２６Ｂからの検出信号に基づいて、タービン３６の下流側の排気ガスの圧力であるタービン下流排気圧力を検出可能である（図２参照）。

ＥＧＲ通路１３は、排気管１２と吸気管１１とを連通し、排気管１２内の排気の一部を吸気管１１に還流させることが可能である。ＥＧＲ弁１４は、ＥＧＲ通路１３に配設されており、制御手段５１からの制御信号に基づいて、ＥＧＲ通路１３の開度を調整する（図２参照）。

コモンレール４１には燃料タンク（図示省略）から燃料が供給され、コモンレール４１内の燃料は高圧に維持されて燃料配管４２Ａ〜４２Ｄを介してインジェクタ４３Ａ〜４３Ｄのそれぞれに供給されている。インジェクタ４３Ａ〜４３Ｄは、各気筒４５Ａ〜４５Ｄに対応させて設けられており、制御手段５１からの制御信号によって各気筒内に所定のタイミングで所定量の燃料を噴射する（図２参照）。

制御手段５１は、例えばＣＰＵ（中央処理ユニット）であり、図２に示すように、上述した各種の検出手段等からの検出信号が入力されて、エンジン１０の運転状態を検出し、インジェクタ４３Ａ〜４３Ｄ、ＥＧＲ弁１４、可変バルブの駆動手段３１、電子スロットル装置４７を駆動する制御信号を出力する。また制御手段５１は、自身がインジェクタ４３Ａ〜４３Ｄに出力した制御信号（噴射指令信号）によって、各気筒４５Ａ〜４５Ｄに供給した燃料量を検出することが可能である。また制御手段５１への入力、及び制御手段５１からの出力は、図１及び図２の例に限定されず、種々の検出手段（冷却水温度検出手段、ＮＯｘ検出手段、排気温度検出手段等）、種々のアクチュエータ（タービンバイパスバルブ、各種ランプ等）が有る。なお図２中における符号５１Ａ〜５１Ｄの各手段の説明については後述する。

記憶手段５３は、例えばＦｌａｓｈ−ＲＯＭ等の記憶装置であり、後述する処理を実行するためのプログラム、過給圧力比と吸入空気量とに対応させて予め設定した許容上昇率の特性、圧力比上昇率と吸入空気量とに対応させて予め設定した補正量の特性等が記憶されている。

●［制御手段５１における補正量の算出の処理手順（図３、図５〜図８）］
内燃機関を非常に高負荷・高回転で運転すると、タービンインペラ３６Ａの前後に大きな圧力差が発生する。また、内燃機関の爆発工程毎には排気の脈動が発生する。この圧力差と排気脈動によって、タービンインペラ３６Ａの前後に応力が発生し、所定応力以上の応力を長時間受け続けるとタービンインペラ３６Ａの寿命が短くなる場合がある。これを回避するためには、タービン上流排気圧力／タービン下流排気圧力（タービン前後圧力比）を、圧力比許容最大値（例えば実際の車両での実験等によって予め設定された値であり、３．５等）を超えないように制御する必要がある。

また、運転者からの加速要求に対してレスポンス良く加速するためには、可変ノズルを閉じる側に制御してタービンへの排気の流速を増し、タービン回転数（すなわちコンプレッサ回転数）を迅速に上昇させて、吸気の過給圧を迅速に上昇させることが好ましい。しかし、前記のようにして過給圧を迅速に上昇させた場合、タービン前後圧力比も迅速に上昇してしまい、タービン前後圧力比が圧力比許容最大値以下となるようにフィードバック制御していても、タービン前後圧力比がオーバーシュートし易い。そこで、オーバーシュートが発生しないようにフィードバックゲインを下げると、今度は過給圧を迅速に上昇させることが困難となる。本願では、以下に説明する処理手順にて、（加速要求に対して）過給圧を迅速に上昇させること、タービン前後圧力比が圧力比許容最大値を超えない（オーバーシュートしない）ように制御すること、を両立している。

以下、図３に示すフローチャートの各ステップの処理を説明する。図３に示すフローチャートの処理は、所定タイミング（例えば数ｍｓ〜数１０ｍｓ等の所定時間間隔）で実行される。制御手段５１は、図３に示す処理が起動されると、ステップＳ１１０へと処理を進める。

ステップＳ１１０にて制御手段５１は、圧力検出手段２６Ａ（図１参照）からの検出信号に基づいてタービン上流排気圧力を取得し、圧力検出手段２６Ｂ（図１参照）からの検出信号に基づいてタービン下流排気圧力を取得し、ステップＳ１１５に進む。

ステップＳ１１５にて制御手段５１は、大気圧検出手段２３（図１参照）からの検出信号に基づいて大気圧を取得する。そして制御手段５１は、下記の（式１）より、タービン前後圧力比を算出してステップＳ１２０に進む。なお、下記の（式１）の代わりに（式２）からタービン前後圧力比を算出してもよい。ステップＳ１１５の処理は、タービン下流排気圧力に対するタービン上流排気圧力の比、またはタービン下流排気圧力と大気圧とを加算したタービン下流合成圧力に対するタービン上流排気圧力と大気圧とを加算したタービン上流合成圧力の比、であるタービン前後圧力比を求める、タービン前後圧力比算出ステップに相当している。そして当該タービン前後圧力比算出ステップを実行している制御手段５１は、タービン前後圧力比算出手段５１Ａ（図２参照）に相当している。
タービン前後圧力比
＝（タービン上流排気圧力＋大気圧）／（タービン下流排気圧力＋大気圧） （式１）
タービン前後圧力比
＝タービン上流排気圧力／タービン下流排気圧力 （式２）

ステップＳ１２０にて制御手段５１は、前回の処理（例えば図３の処理を１０ｍｓ毎に実行している場合は１０ｍｓ前の処理）にて求めたタービン前後圧力比［ｉ−１］と、今回の処理にて求めたタービン前後圧力比［ｉ］と、を用いて、下記の（式３）より、圧力比上昇率を算出し、ステップＳ１２５に進む。なお（式３）における計測時間間隔は、この場合、図３の処理を実行する時間間隔である（１０ｍｓ毎に図３の処理を実行する場合は、１０ｍｓが計測時間間隔である）。制御手段５１は（式３）より、単位時間あたりのタービン前後圧力比の上昇割合を認識することができる。ステップＳ１２０の処理は、タービン前後圧力比の上昇割合である圧力比上昇率を求める、タービン前後圧力比上昇率算出ステップに相当している。そして当該タービン前後圧力比上昇率算出ステップを実行している制御手段５１は、タービン前後圧力比上昇率算出手段５１Ｂ（図２参照）に相当している。
圧力比上昇率
＝（タービン前後圧力比［ｉ］−タービン前後圧力比［ｉ−１］）／計測時間間隔 （式３）

ステップＳ１２５にて制御手段５１は、圧力検出手段２４Ａ（図１参照）からの検出信号に基づいてコンプレッサ上流吸気圧力を取得し、圧力検出手段２４Ｂ（図１参照）からの検出信号に基づいてコンプレッサ下流吸気圧力を取得し、ステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１３０にて制御手段５１は、ステップＳ１１５にて取得した大気圧を利用して、下記の（式４）より、過給圧力比を算出してステップＳ１３５に進む。なお、下記の（式４）の代わりに（式５）から過給圧力比を算出してもよい。（式４）を用いた場合、制御手段５１は、コンプレッサの上流側の吸気圧力であるコンプレッサ上流吸気圧力と大気圧とを加算したコンプレッサ上流合成圧力に対するコンプレッサの下流側の吸気圧力であるコンプレッサ下流吸気圧力と大気圧とを加算したコンプレッサ下流合成圧力の比を、過給圧力比として求める。（式５）を用いた場合、制御手段５１は、コンプレッサ上流吸気圧力に対するコンプレッサ下流吸気圧力の比を、過給圧力比として求める。
過給圧力比
＝（コンプレッサ下流吸気圧力＋大気圧）／（コンプレッサ上流吸気圧力＋大気圧） （式４）
過給圧力比
＝コンプレッサ下流吸気圧力／コンプレッサ上流吸気圧力 （式５）

ステップＳ１３５にて制御手段５１は、流量検出手段２１（図１参照）からの検出信号に基づいて内燃機関が吸入している空気の量である吸入空気量を取得してステップＳ１４０に進む。

ステップＳ１４０にて制御手段５１は、過給圧力比と吸入空気量とに基づいて、圧力比許容最大値を超えないための圧力比上昇率として予め設定された許容上昇率を求め、ステップＳ１４５に進む。例えば記憶手段５３（図１参照）には、過給圧力比と吸入空気量とに対応させて予め設定した許容上昇率の特性である許容上昇率特性（図５）が、予め記憶されている。図５に示す許容上昇率特性の例は、（過給圧力比、吸入空気量）が（Ｒａ、Ｍａ）の場合の許容上昇率がＳａ３であり、（過給圧力比、吸入空気量）が（Ｒｂ、Ｍｂ）の場合の許容上昇率がＳｂ２である例を示している。

次に、図５に示す許容上昇率特性の作成方法の例について説明する。例えば図５において、（過給圧力比、吸入空気量）が（Ｒａ、Ｍａ）の位置における許容上昇率を決める場合、図６に示すように、（過給圧力比、吸入空気量）＝（Ｒａ、Ｍａ）からの種々の加速パターンＧａ１〜Ｇａ４（アクセルペダルの踏み込み量等が異なる種々の加速パターン）を、実際の車両等を使って測定する。なお図６は横軸が時間、縦軸がタービン前後圧力比である。図６の例では、加速パターンＧａ４ではタービン前後圧力比が圧力比許容最大値を超え、加速パターンＧａ１〜Ｇａ３ではタービン前後圧力比が圧力比許容最大値を超えなかったことを示している。この場合、タービン前後圧力比が圧力比許容最大値を超えなかった加速パターンのなかで、最もタービン前後圧力比が高かった加速パターンＧａ３において、最大の傾きＳａ３（単位時間あたりのタービン前後圧力比の上昇割合である圧力比上昇率）を、許容上昇率に決定する。すなわち、（過給圧力比、吸入空気量）＝（Ｒａ、Ｍａ）における許容上昇率を、Ｓａ３とする。

同様に、（過給圧力比、吸入空気量）＝（Ｒｂ、Ｍｂ）の位置における許容上昇率を決める例を、図７を用いて説明する。図７は、（過給圧力比、吸入空気量）＝（Ｒｂ、Ｍｂ）からの種々の加速パターンＧｂ１〜Ｇｂ４（アクセルペダルの踏み込み量等が異なる種々の加速パターン）を、実際の車両等を使って測定した例である。図７の例では、加速パターンＧｂ４、Ｇｂ３ではタービン前後圧力比が圧力比許容最大値を超え、加速パターンＧｂ１、Ｇｂ２ではタービン前後圧力比が圧力比許容最大値を超えなかったことを示している。この場合、タービン前後圧力比が圧力比許容最大値を超えなかった加速パターンのなかで、最もタービン前後圧力比が高かった加速パターンＧｂ２において、最大の傾きＳｂ２（単位時間あたりのタービン前後圧力比の上昇割合である圧力比上昇率）を、許容上昇率に決定する。すなわち、（過給圧力比、吸入空気量）＝（Ｒｂ、Ｍｂ）における許容上昇率を、Ｓｂ２とする。

ステップＳ１４５にて制御手段５１は、下記の（式６）が成立するか否かを判定し、成立する場合（Ｙｅｓ）はステップＳ１５０に進み、成立しない場合（Ｎｏ）はステップＳ１５５Ｂに進む。なお、オフセットとは、圧力比上昇率に対するマージンであり、適宜設定される値である。ステップＳ１２５〜Ｓ１４５の処理は、タービン前後圧力比が、圧力比上昇率に基づいて変化（上昇）していった場合に、予め設定された圧力比許容最大値を超えるか否かを予測する、タービン前後圧力比予測ステップに相当している。そして当該タービン前後圧力比予測ステップを実行している制御手段５１は、タービン前後圧力比予測手段５１Ｃ（図２参照）に相当している。なお、下記の（式６）の代わりに（式７）が成立するか否かを判定するようにしてもよい。
［（今回求めた）圧力比上昇率−オフセット］＞許容上昇率 （式６）
［（今回求めた）圧力比上昇率−オフセット］≧許容上昇率 （式７）

ステップＳ１５０に進んだ場合、制御手段５１は、圧力比上昇率と吸入空気量とに基づいて、可変ノズルの開度を補正するために予め設定された補正量を求め、ステップＳ１５５Ａに進む。例えば記憶手段５３（図１参照）には、圧力比上昇率と吸入空気量とに対応させて予め設定した補正量の特性である補正量特性（図８）が、予め記憶されている。図８に示す補正量特性の例は、（圧力比上昇率、吸入空気量）が（Ｓｍ、Ｍｍ）の場合の補正量がＤｍであり、（圧力比上昇率、吸入空気量）が（Ｓｎ、Ｍｎ）の場合の補正量がＤｎである例を示している。なお、（圧力比上昇率、吸入空気量）が（Ｓｍ、Ｍｍ）の位置における補正量Ｄｍ、（圧力比上昇率、吸入空気量）が（Ｓｎ、Ｍｎ）の位置における補正量Ｄｎ、等を決める場合、実際の車両等を使ってタービン前後圧力比が圧力比許容最大値を超えないように、適切な値を決定する。

ステップＳ１５５Ａにて制御手段５１は、ステップＳ１５０にて求めた補正量を可変ノズル補正量に代入して処理を終了する。なお、可変ノズル補正量の使用方法は、図４に示すフローチャートの処理にて説明する。ステップＳ１５０、Ｓ１５５Ａ、及び図４に示すステップＳ２１５、Ｓ２２０、Ｓ２３０の処理は、圧力比上昇率に基づいて変化（上昇）していったタービン前後圧力比が圧力比許容最大値を超えると予測した場合に、タービンへ導く排気ガスの流速を低下させる側に可変ノズルを制御する、タービン前後圧力比強制低下ステップに相当している。そして当該タービン前後圧力比強制低下ステップを実行している制御手段５１は、タービン前後圧力比強制低下手段５１Ｄ（図２参照）に相当している。

ステップＳ１５５Ｂに進んだ場合、制御手段５１は、可変ノズル補正量にゼロを代入して（補正なし）処理を終了する。

●［制御手段５１における補正量の反映の処理手順（図４）と、動作波形の例（図９）］
図４に示すフローチャートの処理は、例えば図３の処理に続けて起動される。制御手段５１は、図４に示す処理が起動されると、ステップＳ２１０へと処理を進める。

ステップＳ２１０にて制御手段５１は、既存の処理等にて可変ノズルの開度量を求め、求めた開度量を可変ノズル開度量に代入してステップＳ２１５に進む。例えば制御手段５１は、可変ノズルの目標開度に対して、フィードバック処理にて可変ノズルの開度量を求める。なお、ステップＳ２１０の処理内容については、特に限定しない。

ステップＳ２１５にて制御手段５１は、図３のステップＳ１５５ＡまたはステップＳ１５５Ｂによる可変ノズル補正量がゼロであるか否かを判定し、可変ノズル補正量がゼロである場合（Ｙｅｓ）はステップＳ２３０に進み、可変ノズル補正量がゼロでない場合（Ｎｏ）はステップＳ２２０に進む。

ステップＳ２２０に進んだ場合、制御手段５１は、可変ノズル補正量に基づいて可変ノズル開度量を補正して（更新して）ステップＳ２３０に進む。例えば、可変ノズル補正量が、可変ノズル開度量に加算する補正量Ｄ１（図９参照）である場合、制御手段５１は、可変ノズル開度量＋可変ノズル補正量を新たな可変ノズル開度量として更新し、ステップＳ２３０に進む。また、例えば可変ノズル補正量が、可変ノズルを開く側に制御する傾きＤθ（図９参照）である場合、制御手段５１は、図９に示す傾きＤθを実現するための傾き補正量を求め、可変ノズル補正量＋傾き補正量を新たな可変ノズル開度量として更新し、ステップＳ２３０に進む。

ステップＳ２３０に進んだ場合、制御手段５１は、可変ノズル開度量に基づいて可変ノズルの開度を制御して処理を終了する。

以上の説明では、圧力検出手段２６Ｂからの検出信号に基づいてタービン下流排気圧力を求める例を説明したが、圧力検出手段２６Ｂを省略することもできる。圧力検出手段２６Ｂを省略した場合は、タービン上流の排気ガスの流速と、タービン上流の排気ガスの温度と、タービン上流の排気ガスの圧力と、可変ノズルの開口面積と、を用いてノズル式と呼ばれる理論式にてタービン下流排気圧力を算出する。

以上、本実施の形態の説明では、主に内燃機関の制御方法について説明したが、この内燃機関の制御方法を実施するための装置である内燃機関の制御装置５０を、図２に示すように構成してもよい。

図９は、本実施の形態にて説明した図３及び図４のフローチャートの処理によって、タービン前後圧力比が圧力比許容最大値を超えないように制御される様子の動作波形の例を示している。図９における「アクセルペダル踏込量」に示すように、運転者からアクセルペダルの踏込みによる加速要求が発生すると、「エンジン回転数」と「吸入空気量」が上昇し、タービン前後圧力比も上昇していく。本願における制御手段５１は、「タービン前後圧力比」におけるタイミングＰにおいて、「このタイミングＰの時点の圧力比上昇率では、近い将来に圧力比許容最大値を超える」と予測する。そして制御手段５１は、タイミングＰにおいて、補正量Ｄ１または傾きＤθにて、可変ノズルの開度を、迅速に開く側（タービンに導く排気ガスの流速を低下させる側）に制御して、タービン前後圧力比の上昇にブレーキをかける。図９の例に示すように、「タービン前後圧力比」が従来では圧力比許容最大値を超えてしまう可能性があった。しかし本願では、より早いタイミングで、タービン前後圧力比が圧力比許容最大値を超えることを予測して迅速に可変ノズルの開度を補正するので、「タービン前後圧力比」が圧力比許容最大値を超えることを適切に防止することができる。これにより、過給の応答性の向上とタービン前後圧力比のオーバーシュートの防止とを両立してターボ過給機の性能を充分に利用することが可能となり、適切なサイズのターボ過給機をより安全に使用することができるようになる。

本発明の内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置は、本実施の形態で説明した構成、処理、動作等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。

また、本発明の内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置を適用する対象制御システムは、図１の例に示すものに限定されず、可変ノズルを有するターボ過給機を備えた、種々の内燃機関に適用することが可能である。

本実施の形態の説明では、許容上昇率を過給圧力比と吸入空気量に対応させて設定した例を説明したが（図５参照）、過給圧力比と吸入空気量に限らず、他の入力等に対応させて許容上昇率を設定するようにしてもよい。

本実施の形態の説明では、可変ノズルの開度の補正量を圧力比上昇率と吸入空気量に対応させて設定した例を説明したが（図８参照）、圧力比上昇率と吸入空気量に限らず、他の入力等に対応させて補正量を設定するようにしてもよい。

１０ エンジン（内燃機関）
１１ 吸気管
１２ 排気管
１３ ＥＧＲ通路
１４ ＥＧＲ弁
２１ 流量検出手段
２２ 回転検出手段
２３ 大気圧検出手段
２４Ａ、２４Ｂ 圧力検出手段
２５ アクセルペダル踏込量検出手段
２６Ａ、２６Ｂ 圧力検出手段
３０ ターボ過給機
３１ 駆動手段
３２ 開度検出手段
３３ 可変ノズル
３５ コンプレッサ
３５Ａ コンプレッサインペラ
３６ タービン
３６Ａ タービンインペラ
４１ コモンレール
４３Ａ〜４３Ｄ インジェクタ
４５Ａ〜４５Ｄ 気筒
４７ 電子スロットル装置
４７Ｓ スロットル開度検出手段
５０ 制御装置
５１ 制御手段
５１Ａ タービン前後圧力比算出手段
５１Ｂ タービン前後圧力比上昇率算出手段
５１Ｃ タービン前後圧力比予測手段
５１Ｄ タービン前後圧力比強制低下手段
５３ 記憶手段

Claims (3)

1. 内燃機関の排気ガスによって回転駆動されるタービンと、前記タービンへ導く排気ガスの流速を調整可能な可変ノズルと、前記タービンによって回転駆動されて前記内燃機関の吸入空気を過給するコンプレッサと、を有するターボ過給機と、
   前記可変ノズルを制御する制御装置と、を用いた内燃機関の制御方法であって、
   前記制御装置にて、前記タービンの下流側の排気圧力であるタービン下流排気圧力に対する前記タービンの上流側の排気圧力であるタービン上流排気圧力の比、または前記タービン下流排気圧力と大気圧とを加算したタービン下流合成圧力に対する前記タービン上流排気圧力と大気圧とを加算したタービン上流合成圧力の比、であるタービン前後圧力比を求める、タービン前後圧力比算出ステップと、
   前記制御装置にて、前記タービン前後圧力比の上昇割合である圧力比上昇率を求める、タービン前後圧力比上昇率算出ステップと、
   前記制御装置にて、前記タービン前後圧力比が、前記圧力比上昇率に基づいて変化していった場合に、予め設定された圧力比許容最大値を超えるか否かを予測する、タービン前後圧力比予測ステップと、
   前記制御装置にて、前記圧力比上昇率に基づいて変化していった前記タービン前後圧力比が前記圧力比許容最大値を超えると予測した場合は、前記タービンへ導く排気ガスの流速を低下させる側に前記可変ノズルを制御する、タービン前後圧力比強制低下ステップと、を有し、
   前記タービン前後圧力比予測ステップにて、
   前記コンプレッサの上流側の吸気圧力であるコンプレッサ上流吸気圧力に対する前記コンプレッサの下流側の吸気圧力であるコンプレッサ下流吸気圧力の比、または前記コンプレッサ上流吸気圧力と大気圧とを加算したコンプレッサ上流合成圧力に対する前記コンプレッサ下流吸気圧力と大気圧とを加算したコンプレッサ下流合成圧力の比、である過給圧力比と、前記内燃機関が吸入している空気の量である吸入空気量と、に基づいて、前記圧力比許容最大値を超えないための前記圧力比上昇率として予め設定された許容上昇率を求め、
   前記圧力比上昇率が、前記許容上昇率を超えた場合に、現在の前記タービン前後圧力比が、前記圧力比上昇率に基づいて変化していった場合に前記圧力比許容最大値を超える、と予測する、
   内燃機関の制御方法。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御方法であって、
   前記タービン前後圧力比強制低下ステップにて、
   前記圧力比上昇率と、前記吸入空気量と、に基づいて、予め設定された前記可変ノズルの開度を補正する補正量を求め、
   求めた前記補正量に基づいて前記可変ノズルの開度を補正する、
   内燃機関の制御方法。
3. 内燃機関の排気ガスによって回転駆動されるタービンと、前記タービンへ導く排気ガスの流速を調整可能な可変ノズルと、前記タービンによって回転駆動されて前記内燃機関の吸入空気を過給するコンプレッサと、を有するターボ過給機における前記可変ノズルを制御する内燃機関の制御装置であって、
   前記タービンの下流側の排気圧力であるタービン下流排気圧力に対する前記タービンの上流側の排気圧力であるタービン上流排気圧力の比、または前記タービン下流排気圧力と大気圧とを加算したタービン下流合成圧力に対する前記タービン上流排気圧力と大気圧とを加算したタービン上流合成圧力の比、であるタービン前後圧力比を求める、タービン前後圧力比算出手段と、
   前記タービン前後圧力比の上昇割合である圧力比上昇率を求める、タービン前後圧力比上昇率算出手段と、
   前記タービン前後圧力比が、前記圧力比上昇率に基づいて変化していった場合に、予め設定された圧力比許容最大値を超えるか否かを予測する、タービン前後圧力比予測手段と、
   前記圧力比上昇率に基づいて変化していった前記タービン前後圧力比が前記圧力比許容最大値を超えると予測した場合は、前記タービンへ導く排気ガスの流速を低下させる側に前記可変ノズルを制御する、タービン前後圧力比強制低下手段と、を有し、
   前記タービン前後圧力比予測手段にて、
   前記コンプレッサの上流側の吸気圧力であるコンプレッサ上流吸気圧力に対する前記コンプレッサの下流側の吸気圧力であるコンプレッサ下流吸気圧力の比、または前記コンプレッサ上流吸気圧力と大気圧とを加算したコンプレッサ上流合成圧力に対する前記コンプレッサ下流吸気圧力と大気圧とを加算したコンプレッサ下流合成圧力の比、である過給圧力比と、前記内燃機関が吸入している空気の量である吸入空気量と、に基づいて、前記圧力比許容最大値を超えないための前記圧力比上昇率として予め設定された許容上昇率を求め、
   前記圧力比上昇率が、前記許容上昇率を超えた場合に、現在の前記タービン前後圧力比が、前記圧力比上昇率に基づいて変化していった場合に前記圧力比許容最大値を超える、と予測する、
   内燃機関の制御装置。
   
   

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