JP5447696B2 - 過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、過給機付き内燃機関の制御装置に係り、特に、バルブオーバーラップ期間を変更可能とする可変動弁機構とウェイストゲートバルブとを備える内燃機関を制御するうえで好適な過給機付き内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、内燃機関の制御装置が開示されている。この従来の制御装置では、空燃比センサにより検出される排気通路の酸素濃度に基づいて、燃焼室を介した吸気通路から排気通路への新気の吹き抜け量を推定するようにしている。そして、この新気の吹き抜け量に応じて、バルブオーバーラップ期間を制御するようにしている。
尚、出願人は、本発明に関連するものとして、上記の文献を含めて、以下に記載する文献を認識している。

日本特開２００７−２６３０８３号公報 日本特開２００８−１７５２０１号公報 日本特開２０１０−１６３９１５号公報 日本特開２００８−２９７９３０号公報

燃焼室を介した吸気通路から排気通路への新気の吹き抜け量が多くなり過ぎると、排気通路に配置される触媒が過熱することが懸念される。上記従来の制御装置によれば、新気の吹き抜け量が多い場合にバルブオーバーラップ期間を縮小させることにより、吹き抜け量を減少させることができる。しかしながら、バルブオーバーラップ期間の調整だけでは、吹き抜け量を所望量に減少させることが難しい運転領域が存在する。そのような運転領域では、バルブオーバーラップ期間の縮小だけでは吹き抜け量を満足に減少させることができず、その結果として触媒の過熱が発生してしまうおそれがある。

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、燃焼室を介した吸気通路から排気通路への新気の吹き抜けが発生する場合において、排気通路に配置される触媒の過熱防止とターボラグの抑制とを好適に両立することのできる過給機付き内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、過給機付き内燃機関の制御装置であって、
排気エネルギーにより作動するタービンを排気通路に備えるターボ過給機と、
前記タービンよりも上流側の部位において前記排気通路から分岐し、前記タービンよりも下流側の部位において前記排気通路と合流する排気バイパス通路と、
前記排気バイパス通路の開閉を切り替え可能なウェイストゲートバルブと、
排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を変更可能とする可変動弁機構と、
燃焼室を介した吸気通路から前記排気通路への新気の吹き抜け量を取得する吹き抜け量取得手段と、
前記吹き抜け量が所定の吹き抜け判定値よりも多い場合に、当該吹き抜け量が前記吹き抜け判定値以下となるように前記バルブオーバーラップ期間を縮小させるオーバーラップ期間縮小手段と、
前記オーバーラップ期間縮小手段により前記バルブオーバーラップ期間が縮小された後に前記吹き抜け量が未だ前記吹き抜け判定値よりも多いか否かを判定する吹き抜け量判定手段と、
前記吹き抜け量判定手段により前記吹き抜け量が未だ前記吹き抜け判定値よりも多いと判定された場合に、前記ウェイストゲートバルブを開くＷＧＶ制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記排気通路に配置され、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサを更に備え、
前記吹き抜け量取得手段は、前記空燃比センサの出力値に基づいて前記吹き抜け量を取得する手段であることを特徴とする。

第１の発明によれば、新気の吹き抜け量が吹き抜け判定値よりも多い場合に、ウェイストゲートバルブの開度制御量を必要最小限に抑制しつつ、吹き抜け量を吹き抜け判定値以下に減少させることができる。このため、本発明によれば、吹き抜け量が吹き抜け判定値よりも多い場合に、吹き抜け量の抑制による触媒の過熱防止と、ターボラグの抑制とを好適に両立させることができる。

第２の発明によれば、空燃比センサの出力値に基づいて上記吹き抜け量を取得する構成を用いて、吹き抜け量が吹き抜け判定値よりも多い場合に、吹き抜け量の抑制による触媒の過熱防止と、ターボラグの抑制とを好適に両立させることができる。

本発明の実施の形態１の内燃機関のシステム構成を説明するための模式図である。 燃焼室を介した吸気通路から排気通路への新気の吹き抜けを説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１の内燃機関１０のシステム構成を説明するための模式図である。本実施形態のシステムは、一例として火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）１０を備えている。内燃機関１０の筒内には、燃焼室１２が形成されている。燃焼室１２には、吸気通路１４および排気通路１６が連通している。

吸気通路１４の入口近傍には、エアクリーナ１８が取り付けられている。エアクリーナ１８の下流近傍には、吸気通路１４に吸入される空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ２０が設けられている。エアフローメータ２０の下流には、ターボ過給機２２のコンプレッサ２２ａが設置されている。コンプレッサ２２ａは、排気通路１６に配置されたタービン２２ｂとタービンシャフト２２ｃを介して一体的に連結されている。

コンプレッサ２２ａの下流には、圧縮された空気を冷却するインタークーラ２４が設けられている。インタークーラ２４の下流には、電子制御式のスロットルバルブ２６が設けられている。スロットルバルブ２６の下流（吸気マニホールド部）には、吸気圧力Ｐ１を検出するための吸気圧力センサ２８が配置されている。また、内燃機関１０の各気筒には、吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁３０と、混合気に点火するための点火プラグ３２とがそれぞれ設置されている。

また、排気通路１６におけるタービン２２ｂの上流側には、排気ガスの空燃比（酸素濃度）を検出するための空燃比センサ３４が配置されている。更に、排気通路１６には、タービン２２ｂよりも上流側の部位において排気通路１６から分岐し、タービン２２ｂよりも下流側の部位において排気通路１６と合流するように構成された排気バイパス通路３６が接続されている。排気バイパス通路３６の途中には、排気バイパス通路３６の開閉を担うウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）３８が設けられている。ＷＧＶ３８は、ここでは、調圧式もしくは電動式のアクチュエータ（図示省略）によって任意の開度に調整可能に構成されているものとする。また、タービン２２ｂよりも下流側における排気バイパス通路３６との接続部位よりも更に下流側の排気通路１６には、排気ガスを浄化するための触媒４０が配置されている。

吸気ポートおよび排気ポートには、それぞれ、燃焼室１２と吸気通路１４、或いは燃焼室１２と排気通路１６を導通状態または遮断状態とするための吸気弁４２および排気弁４４が設けられている。吸気弁４２および排気弁４４は、それぞれ吸気可変動弁機構４６および排気可変動弁機構４８により駆動される。吸気可変動弁機構４６としては、ここでは、クランクシャフトの回転位相に対する吸気カムシャフトの回転位相を変化させることによって、吸気弁４２の開閉時期を連続的に可変とする可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構が用いられているものとし、排気可変動弁機構４８についても同様の構成を有する機構であるものとする。また、吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトの近傍には、それぞれのカムシャフトの回転角度、すなわち、吸気カム角および排気カム角を検出するための吸気カム角センサ５０および排気カム角センサ５２がそれぞれ配置されている。

更に、図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５４を備えている。ＥＣＵ５４の入力部には、上述したエアフローメータ２０、吸気圧力センサ２８および空燃比センサ３４に加え、エンジン回転数を検出するためのクランク角センサ５６等の内燃機関１０の運転状態を検知するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ５４の出力部には、上述したスロットルバルブ２６、燃料噴射弁３０、点火プラグ３２、ＷＧＶ３８および可変動弁機構４６、４８等の内燃機関１０の運転状態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。ＥＣＵ５４は、上述した各種センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各種アクチュエータを作動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御するものである。

［実施の形態１における特徴的な制御］
図２は、燃焼室１２を介した吸気通路１４から排気通路１６への新気の吹き抜けを説明するための図である。
上述した吸気可変動弁機構４６および排気可変動弁機構４８によれば、吸気弁４２の開閉時期の進角量と排気弁４４の開閉時期の遅角量のうちの少なくとも一方を調整することにより、排気弁４４の開弁期間と吸気弁４２の開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間（以下、単に「バルブオーバーラップ期間」という）の長さを変化させることができる。

上記バルブオーバーラップ期間が設定されている状態において、ターボ過給機２２による過給によって吸気圧力Ｐ１が排気圧力Ｐ２よりも高くなっていると、図２に示すように、新気（吸気）が燃焼室１２を介して吸気通路１４から排気通路１６に向けて吹き抜けるという現象が生ずる。このような新気の吹き抜けが発生していると、筒内の残留ガスを掃気させることができるので、内燃機関１０のトルク向上などの効果を得ることができる。

しかしながら、燃焼に付されずに排気通路１６に排出されることとなる新気の吹き抜け量が多くなり過ぎると、排気通路１６での燃焼による触媒４０の過熱や内燃機関１０の燃費悪化が発生することが懸念される。そこで、新気の吹き抜け量が多い場合に、可変動弁機構４６、４８を用いてバルブオーバーラップ期間を縮小させることにより、吹き抜け量を減少させることができる。ところが、バルブオーバーラップ期間の調整だけでは、吹き抜け量を所望量に減少させることが難しい運転領域が存在する。そのような運転領域では、バルブオーバーラップ期間の縮小だけでは吹き抜け量を満足に減少させることができず、その結果として触媒の過熱が発生してしまうおそれがある。

そこで、本実施形態では、内燃機関１０の運転中に、空燃比センサ３４の出力値を利用して新気の吹き抜け量Ｇｓｃａを算出したうえで、算出された吹き抜け量Ｇｓｃａが所定の吹き抜け判定値Ｇｊｕｄｇｅよりも多い場合には、吹き抜け量Ｇｓｃａが吹き抜け判定値Ｇｊｕｄｇｅ以下となるようにバルブオーバーラップ期間を縮小するようにした。そのうえで、バルブオーバーラップ期間を縮小したにもかかわらず、吹き抜け量Ｇｓｃａが未だ吹き抜け判定値Ｇｊｕｄｇｅ以下とならない場合には、ＷＧＶ３８を開くようにした。

図３は、本発明の実施の形態１における制御を実現するために、ＥＣＵ５４が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。
図３に示すルーチンでは、先ず、新気の吹き抜け発生条件であるか否かが判定される（ステップ１００）。具体的には、ＥＣＵ５４は、内燃機関１０の運転領域（負荷率とエンジン回転数とに基づく領域）との関係で、バルブオーバーラップ期間の設定中に新気の吹き抜けが発生する吹き抜け発生条件が成立する運転領域を規定したマップ（図示省略）を記憶している。本ステップ１００では、そのようなマップを参照して、現在の運転領域が、吹き抜け発生条件が成立する運転領域であるか否かが判定される。尚、吹き抜け発生条件の成立の有無の判定は、上記手法に限らず、例えば、吸気圧力Ｐ１を検出する吸気圧力センサ２８とともに排気圧力Ｐ２を検出する排気圧力センサを備えている場合であれば、それらのセンサ値を比較して行うものであってもよい。

上記ステップ１００において新気の吹き抜け発生条件であると判定された場合には、空燃比センサ３４の出力値に基づいて、新気の吹き抜け量Ｇｓｃａが算出される（ステップ１０２）。本ステップ１０２では、吹き抜け量Ｇｓｃａは、次式に従って算出される。
Ｇｓｃａ＝Ｓａｂｙｆ／Ｉａｂｙｆ×Ｇａ
ただし、上記の式において、Ｓａｂｙｆは、空燃比センサ３４を用いて取得される排気ガスの空燃比であり、Ｉａｂｙｆは、吸入空気量と燃料噴射量とに基づいて算出される目標空燃比であり、Ｇａは、エアフローメータ２０を用いて取得される吸入空気量である。

次に、バルブオーバーラップ期間の縮小中であるか否かが判定される（ステップ１０４）。具体的には、本ステップ１０４では、上記吹き抜け発生条件の成立中において、後述するステップ１０８の処理によってバルブオーバーラップ期間が所定値以下にまで縮小されている状況であるか否かが判定される。

上記ステップ１０４においてバルブオーバーラップ期間の縮小中ではないと判定された場合には、新気の吹き抜け量Ｇｓｃａが所定の判定値Ｇｊｕｄｇｅよりも多いか否かが判定される（ステップ１０６）。本ステップ１０６における判定値Ｇｊｕｄｇｅは、現在の吹き抜け量Ｇｓｃａが触媒４０の過熱を引き起こす程度の量であるか否かを判断するための閾値として予め設定された値である。

上記ステップ１０６において、現在の吹き抜け量Ｇｓｃａが判定値Ｇｊｕｄｇｅよりも多いと判定された場合には、バルブオーバーラップ期間が所定値以下となるように、可変動弁機構４６、４８を用いて縮小される（ステップ１０８）。

一方、上記ステップ１０４においてバルブオーバーラップ期間の縮小中であると判定された場合には、次いで、上記ステップ１０６と同様の処理によって、現在の吹き抜け量Ｇｓｃａが判定値Ｇｊｕｄｇｅよりも多いか否かが判定される（ステップ１１０）。その結果、本ステップ１１０において現在の吹き抜け量Ｇｓｃａが判定値Ｇｊｕｄｇｅよりも多いと判定された場合、つまり、バルブオーバーラップ期間を縮小したにもかかわらず、吹き抜け量Ｇｓｃａが未だ吹き抜け判定値Ｇｊｕｄｇｅ以下とならないと判断できる場合には、過給圧を所定圧以下に下げるための開度にＷＧＶ３８が開かれる（ステップ１１２）。本ステップ１１２の処理は、一例として、次のように行うことができる。すなわち、例えば、吹き抜け量Ｇｓｃａが吹き抜け判定値Ｇｊｕｄｇｅ以下とするために必要な過給圧値（マップ等により取得）となるように、吸気圧力センサ２８により検出される吸気圧力Ｐ１に基づいてＷＧＶ開度のフィードバック制御を行う。

以上説明した図３に示すルーチンによれば、バルブオーバーラップ期間の縮小を行った後に吹き抜け量Ｇｓｃａが未だ吹き抜け判定値Ｇｊｕｄｇｅ以下とならない場合に、過給圧を下げるべくＷＧＶ３８が開かれる。つまり、上記ルーチンによれば、吹き抜け量Ｇｓｃａが吹き抜け判定値Ｇｊｕｄｇｅよりも多くなる状況下において、バルブオーバーラップ期間の縮小、次いでＷＧＶ３８の調整という順番で、吹き抜け量Ｇｓｃａを減少させるための制御が実行される。更に言い換えれば、バルブオーバーラップ期間の縮小によって吹き抜け量Ｇｓｃａが吹き抜け判定値Ｇｊｕｄｇｅ以下とならないと判断されるまで、吹き抜け量を減少させる目的でＷＧＶ３８を開くことが禁止される。

上記ルーチンとは異なり、吹き抜け量Ｇｓｃａが吹き抜け判定値Ｇｊｕｄｇｅよりも多い場合に、直ちにＷＧＶ３８を開くようにすると、吹き抜け量Ｇｓｃａを吹き抜け判定値Ｇｊｕｄｇｅ以下となるために必要なＷＧＶ３８の開度制御量が大きくなる。その結果、タービン２２ｂを通過する排気ガス流量の減少によってターボラグが大きくなってしまう。これに対し、上記ルーチンの手法によれば、ＷＧＶ３８による吹き抜け量Ｇｓｃａの抑制が必要となる場合に、ＷＧＶ３８の開度制御量を必要最小限に抑制することができるようになる。このため、本実施形態のシステムによれば、吹き抜け量Ｇｓｃａが吹き抜け判定値Ｇｊｕｄｇｅよりも多い場合に、掃気作用を得られるようにしつつ、吹き抜け量Ｇｓｃａの抑制による触媒４０の過熱防止と、ターボラグの抑制とを好適に両立させることができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、空燃比センサ３４の出力値を利用して、新気の吹き抜け量を算出するようにしている。しかしながら、本発明における吹き抜け量取得手段は、上記手法を用いたものに限定されない。

また、上述した実施の形態１においては、吸気弁４２の開閉時期を変更可能とする吸気可変動弁機構４６と排気弁４４の開閉時期を変更可能とする排気可変動弁機構４８とを用いてバルブオーバーラップ期間を変更するようにしている。しかしながら、本発明における可変動弁機構は、上記構成のものに限定されるものではない。すなわち、排気弁の閉じ時期および吸気弁の開き時期のうちの少なくとも一方を調整することによってバルブオーバーラップ期間を調整するものであればよい。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５４が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「吹き抜け量取得手段」が、上記ステップ１０６の判定が成立する場合に上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「オーバーラップ期間縮小手段」が、上記ステップ１０４の判定が成立する場合に上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「吹き抜け量判定手段」が、上記ステップ１１０の判定が成立する場合に上記ステップ１１２の処理を実行することにより前記第１の発明における「ＷＧＶ制御手段」が、それぞれ実現されている。

１０ 内燃機関
１２ 燃焼室
１４ 吸気通路
１６ 排気通路
２０ エアフローメータ
２２ ターボ過給機
２２ａ コンプレッサ
２２ｂ タービン
２２ｃ タービンシャフト
２６ スロットルバルブ
２８ 吸気圧力センサ
３０ 燃料噴射弁
３２ 点火プラグ
３４ 空燃比センサ
３６ 排気バイパス通路
３８ ウェイストゲートバルブ
４０ 触媒
４２ 吸気弁
４４ 排気弁
４６ 吸気可変動弁機構
４８ 排気可変動弁機構
５０ 吸気カム角センサ
５２ 排気カム角センサ
５４ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)

Claims (2)

1. 排気エネルギーにより作動するタービンを排気通路に備えるターボ過給機と、
   前記タービンよりも上流側の部位において前記排気通路から分岐し、前記タービンよりも下流側の部位において前記排気通路と合流する排気バイパス通路と、
   前記排気バイパス通路の開閉を切り替え可能なウェイストゲートバルブと、
   排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を変更可能とする可変動弁機構と、
   燃焼室を介した吸気通路から前記排気通路への新気の吹き抜け量を取得する吹き抜け量取得手段と、
   前記吹き抜け量が所定の吹き抜け判定値よりも多い場合に、当該吹き抜け量が前記吹き抜け判定値以下となるように前記バルブオーバーラップ期間を縮小させるオーバーラップ期間縮小手段と、
   前記オーバーラップ期間縮小手段により前記バルブオーバーラップ期間が縮小された後に前記吹き抜け量が未だ前記吹き抜け判定値よりも多いか否かを判定する吹き抜け量判定手段と、
   前記吹き抜け量判定手段により前記吹き抜け量が未だ前記吹き抜け判定値よりも多いと判定されるまで前記吹き抜け量を減少させる目的で前記ウェイストゲートバルブを開くことを禁止し、前記吹き抜け量判定手段により前記吹き抜け量が未だ前記吹き抜け判定値よりも多いと判定された場合に、前記ウェイストゲートバルブを開くＷＧＶ制御手段と、
   を備えることを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。
2. 前記排気通路に配置され、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサを更に備え、
   前記吹き抜け量取得手段は、前記空燃比センサの出力値に基づいて前記吹き抜け量を取得する手段であることを特徴とする請求項１記載の過給機付き内燃機関の制御装置。

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