JP2008031860A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャを備えた内燃機関において、低速運転などでの高出力と優れた過渡性能との両立を図りつつ、高速運転などでターボオーバーランが発生することを防止する内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】排気通路ＥＰにタービン４６を有するターボチャージャ２２を備えた内燃機関の制御装置は、タービン４６よりも下流側の排気通路ＥＰの部分に設けられた排気絞り弁６２と、機関運転状態に基づいて排気絞り弁６２の開度を制御する開度制御手段と、を備える。前記開度制御手段は、機関回転速度が所定値を超えているとき、あるいは機関負荷が所定値を超えているとき、必要タービン容量を固有タービン容量まで低減するべく前記タービン４６よりも下流側の圧力を上昇させるように、前記排気絞り弁６２の開度を全開より閉じた位置に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンと、コンプレッサと、該タービンおよび該コンプレッサを一体回転可能に連結したロータシャフトとを有するターボチャージャを備えた内燃機関の制御装置に関する。

従来のターボチャージャの一例が、特許文献１に開示されている。このターボチャージャでは、タービンホイールが排気管に介装したタービンハウジングに収納され、一方、このタービンホイールにシャフトを介して連結するコンプレッサホイールが吸気管に介装したコンプレッサハウジングに収納されていて、さらに、タービンハウジングの流入口にウエストゲート弁が介装され、このウエストゲート弁にウエストゲート弁作動用アクチュエータが連接されている。

ところで、内燃機関の機関回転速度が低い状態での運転において応答性に優れたターボチャージャは、概して小型である。この小型のターボチャージャを搭載した内燃機関において高回転あるいは高負荷での運転になって排気ガス流量が多くなると、ターボオーバーランが発生し、過給圧が制御できなくなる場合がある。これを防止すべく、排気ガスの一部をバイパスするように、上記特許文献１に記載の如くウエストゲート弁を設け、このウエストゲート弁を開くことが必要になる。

図１０には、相対的に小型のターボチャージャ（以下、小ターボ）のタービンが有効に機能する領域を定める作動線が、タービン膨張比とタービン容量とに対して概念的に示されている。同様に、相対的に中型および大型のターボチャージャ（以下、中ターボ、大ターボ）のタービンが有効に機能する領域を定める作動線が、重ねて概念的に示されている。図１０中、それぞれのターボに関して２本ずつ作動線が示されているのは、各ターボの各タービンに、その容量を可変とするための、ノズルベーンを含む可変ノズル機構が設けられているためであり、図中下方の作動線はその可変ノズル機構のノズルベーンを最も閉じた状態での作動線であり、図中上方の作動線はそのノズルベーンを最も開いた状態での作動線である。したがって、各ターボは、２本の作動線で囲まれた範囲（可変域）で有効に機能する。小ターボの可変域におけるタービン容量は、中ターボや大ターボの可変域におけるタービン容量に比して、小容量側であり、上述の如く、小ターボはタービン容量と対応関係にある排気ガス流量が多くなる運転状態での運転には適さない。そこで内燃機関に搭載された小ターボは、排気ガス流量の多い場合にも対応すべく、ウエストゲート弁を設けられることが必要になる。これにより、図１０中に点線Ｔで、運転状態に応じた作動点の軌跡を概念的に示すように、小ターボに許容されるタービン容量を超える容量が求められることになっても、小ターボで対応することが可能になる。

特開平６−４２３５９号公報

上記したように、内燃機関に搭載された相対的に小型の小ターボは、排気ガス流量が多くなる運転状態にも対応するために、ウエストゲート弁およびその制御のためのアクチュエータを備えることが必要である。しかしながら、これらはタービン周辺に設けられることから、これらを設けることは搭載性の観点から好ましいとはいい難い。

他方、ターボチャージャを備えた内燃機関において、高回転などでの運転のときターボオーバーランの発生を防止するためには、そのターボチャージャとして上記大ターボを用いることが考えられる。しかしながら、これでは、低・中回転などの運転での過渡性能が低下すると共に、低速トルクの低下を免れることはできない。

そこで、本発明は、ターボチャージャを備えた内燃機関において、機関回転速度が低い状態などでの運転で高出力と優れた過渡性能との両立を図ることを可能にすると共に、機関回転速度が高い状態などでの運転でターボオーバーランが発生することを防止する内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の制御装置は、排気通路にタービンを有するターボチャージャを備えた内燃機関の制御装置において、前記タービンよりも下流側の前記排気通路の部分に設けられた排気絞り弁と、機関運転状態に基づいて、前記排気絞り弁の開度を制御する開度制御手段と、を備え、前記開度制御手段は、機関回転速度が所定値を超えているとき、あるいは機関負荷が所定値を超えているとき、必要タービン容量を固有タービン容量まで低減するべく前記タービンよりも下流側の圧力を上昇させるように、前記排気絞り弁の開度を全開より閉じた位置に制御することを特徴とする。

上記構成により、機関回転速度が所定値を超えているとき、あるいは機関負荷が所定値を超えているとき、必要タービン容量を固有タービン容量まで低減するべく前記タービンよりも下流側の圧力を上昇させるように、開度制御手段は、排気絞り弁の開度を全開より閉じた位置に制御するので、タービン下流側の圧力が上昇することになる。その結果、タービン上流側の圧力も上昇し、必要タービン容量が低減される。したがって、タービンの固有タービン容量にまで必要タービン容量を低減することが可能になり、例えば高回転での運転で排気ガス流量が多くなっても、ターボオーバーランが生じることを防ぐことが可能になる。これにより、内燃機関にとって相対的に小型のタービンを有するターボチャージャを用いることが可能になるので、低回転などでの運転で高出力と優れた過渡性能との両立を図ることが可能になる。

前記開度制御手段は、機関回転速度が大きいほど、あるいは機関負荷が大きいほど、前記排気絞り弁の開度を小さくすると好ましい。これにより、タービン下流側および上流側の圧力を、機関回転速度が大きいほど、あるいは機関負荷が大きいほど、高くすることが可能になる。したがって、適切に、必要タービン容量を、固有タービン容量にまで低減することが可能になる。

また、前記タービンに、その容量を可変とするためのノズルベーンが設けられ、前記ノズルベーンの開度が全開か否かを判定するベーン開度判定手段が備えられ、該ベーン開度判定手段により前記ノズルベーンの開度が全開であると判定されたとき、前記開度制御手段が、前記排気絞り弁の開度を全開より閉じた位置に制御することとしても良い。この場合、まずノズルベーンによりタービンの容量を変えることで、タービンの固有タービン容量を必要タービン容量に適切に対応させ、その後、排気絞り弁の開度を全開より閉じた位置に制御することで、タービンに対する必要タービン容量を固有タービン容量に適切に対応させることが可能になる。

特に、前記開度制御手段は、機関運転状態に基づいて、必要タービン容量を導出し、機関運転状態に基づいて、固有タービン容量を導出し、その導出された前記必要タービン容量と、その導出された前記固有タービン容量とに基づいて、前記排気絞り弁の開度を導出し、導出された前記開度に基づいて前記排気絞り弁の開度を制御すると好ましい。これにより、より適切に、必要タービン容量を、固有タービン容量にまで低減することが可能になる。なお、好ましくは、前記開度制御手段は、前記必要タービン容量が前記固有タービン容量を大きく超えているほど小さな前記排気絞り弁の開度を導出する。

そして、排気圧を検出する排気圧検出手段を備え、前記開度制御手段は、前記機関運転状態を反映した値として、前記排気圧検出手段により検出された排気圧を用いて、前記必要タービン容量および前記固有タービン容量を導出すると良い。加えて、排気温度を検出する排気温度検出手段を備え、前記開度制御手段は、前記機関運転状態を反映した値として、前記排気温度検出手段により検出された排気温度を用いて、前記必要タービン容量および前記固有タービン容量を導出すると良い。

そして、前記タービンよりも下流側、且つ、前記排気絞り弁よりも上流側の前記排気通路の部分に設けられた、排気ガス中の微粒子物質を捕集するフィルタと、前記フィルタの再生が必要か否かを判定する再生判定手段と、を備え、前記開度制御手段は、該再生判定手段により前記フィルタの再生が必要と判定されたとき、機関運転状態に拘らず、前記排気絞り弁の開度を所定の絞り弁開度に制御するのが良い。これにより、再生判定手段によりフィルタの再生が必要と判定されたときには、運転状態に拘らず、排気絞り弁の開度は所定の絞り弁開度に制御されるので、適切にフィルタの再生を図ることが可能になる。

以下、本発明にかかる内燃機関の制御装置を、実施形態に基づいて説明する。ただし、本明細書等において、ターボチャージャのタービンにおける排気ガス流路形状に基づいて定まる、タービンに最大に許容される固有の容量を「固有タービン容量」と称する。また、内燃機関の運転状態から前記タービンに必要とされるタービン容量を「必要タービン容量」と称する。

まず、図面に基づき、第１実施形態について説明する。図１は、本第１実施形態の内燃機関の制御装置が適用された車両のエンジンシステムの概念図である。第１実施形態の内燃機関はディーゼルエンジン１０であり、このディーゼルエンジン１０は複数気筒、ここでは４気筒＃１，＃２，＃３，＃４からなる。各気筒＃１〜＃４の燃焼室１２は吸気マニホールド１４を介してサージタンク１６に連結されている。そしてサージタンク１６は、吸気管１８を介して、インタークーラ２０および可変ノズル型ターボチャージャ（ＶＮＴ）２２のコンプレッサ２４の出口側に連結されている。コンプレッサホイール２６を備えているコンプレッサ２４の入口側はエアクリーナ２８に連結されている。上記吸気マニホールド１４、サージタンク１６、吸気管１８、コンプレッサ２４などにより、吸気通路ＩＰが区画形成されている。

また、上記各気筒＃１〜＃４に配置されて、各燃焼室１２内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁２９は、燃料供給管を介してコモンレールに連結されている。このコモンレール内へは電気制御式の吐出量可変燃料ポンプから燃料が供給され、吐出量可変燃料ポンプからコモンレール内に供給された高圧燃料は各燃料供給管を介して各燃料噴射弁２９に分配供給される。

なお、吸気管１８のうち上記サージタンク１６とインタークーラ２０との間には、アクチュエータ３０によって駆動されるスロットルバルブ３２が設けられている。このスロットルバルブ３２の近傍には同スロットルバルブ３２の開度を検出するスロットル開度センサ３４が設けられている。また、吸気管１８のうち吸気マニホールド１４とサージタンク１６との間には、同吸気管１８内の圧力を検出する吸気圧センサ３６が設けられている。更に、吸気管１８のうちコンプッサ２４の上流側であって且つエアクリーナ２８の下流側には吸入空気量を検出する吸気量センサ３８が設けられている。

また、上記各気筒＃１〜＃４の燃焼室１２は排気マニホールド４２および排気管４４を介して可変ノズル型ターボチャージャ２２のタービン４６の入口側に連結されている。タービンホイール４８を備えているタービン４６の出口側には、排気ガスを浄化する排気ガス浄化フィルタ５０が設けられている。上記排気マニホールド４２、排気管４４、タービン４６、排気ガス浄化フィルタ５０などで、排気通路ＥＰが区画形成されている。なお、タービン４６を有する可変ノズル型ターボチャージャ２２は、エンジン１０の全運転域を通常はカバーできないほど、小型である。

排気ガス浄化フィルタ５０は、モノリス構造に形成された壁部を有するフィルタであって、この壁部の微小孔を排気ガスが通過するように構成されている。この排気ガス浄化フィルタ５０の表面にはＮＯｘ吸蔵還元触媒がコーティングされているため、この排気ガス浄化フィルタ５０でＮＯｘの浄化が行われる。更に、排気ガス浄化フィルタ５０の表面には排気ガス中の微粒子物質（ＰＭ）が捕集されるので、酸化雰囲気ではＮＯｘ吸蔵時に発生する活性酸素によりＰＭの酸化が開始され、更に周囲の過剰酸素によりＰＭ全体が酸化される。還元雰囲気（ストイキあるいはリッチ）ではＮＯｘ吸蔵還元触媒から発生する大量の活性酸素によりＰＭの酸化が促進される。これよりＮＯｘの浄化とともに、ＰＭの浄化も実行している。なお、排気ガス浄化フィルタ５０の表面にコーティングされる触媒は三元触媒でも良い。なお、排気ガス浄化フィルタ５０の上流側と下流側とには差圧センサ５２の配管が設けられている。そして、差圧センサ５２を用いての排気ガス浄化フィルタ５０の上下流での差圧の検出に基づき、排気ガス浄化フィルタ５０内部の目詰まりを把握するようにしている。

一方、上記排気管４４とサージタンク１６との間には、ＥＧＲ通路５４を区画形成するＥＧＲ管５６が設けられている。そして、ＥＧＲ管５６の途中には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ５８や、ＥＧＲ弁６０が配置されている。このＥＧＲ弁６０の開度調節により排気側から吸気側へのＥＧＲガス供給量の調節が可能となる。

さらに、排気通路ＥＰの途中には、排気通路ＥＰの開度調節を行う排気絞り弁６２が設けられている。排気絞り弁６２は、タービン４６よりも下流側の、排気管４４によって区画形成された排気通路ＥＰの部分に設けられていて、さらに本第１実施形態では排気ガス浄化フィルタ５０よりも下流側に配置されている。排気絞り弁６２は、本第１実施形態ではバタフライ式バルブとされている。排気絞り弁６２はアクチュエータ６４により駆動されて、その開度は制御される。また、この排気絞り弁６２の近傍には同排気絞り弁６２の開度を検出するセンサ（以下、排気絞り弁開度センサ）６６が設けられている。この排気絞り弁６２は、通常は、排気ブレーキに用いられる。しかしながら、後述するように必要タービン容量をタービン性能に適合させるためにも、この排気絞り弁６２は用いられる。基本的には、排気絞り弁６２は全開に開かれている。なお、排気絞り弁開度センサ６６は設けられなくても良い。

次に、上記可変ノズル型ターボチャージャ２２について更に説明する。可変ノズル型ターボチャージャ２２は、排気通路ＥＰを流れる排気ガスによって回転する上記タービンホイール４８と、吸気通路ＩＰに配置され、かつロータシャフト６８を介してタービンホイール４８に一体回転可能に連結されたコンプレッサホイール２６とを備えている。可変ノズル型ターボチャージャ２２では、タービンホイール４８に排気ガスが吹付けられて同タービンホイール４８が回転する。この回転は、ロータシャフト６８を介してコンプレッサホイール２６に伝達される。その結果、ディーゼルエンジン１０では、ピストンの移動にともなって燃焼室１２内に発生する負圧によって空気が燃焼室１２に送り込まれるだけでなく、その空気が可変ノズル型ターボチャージャ２２のコンプレッサホイール２６の回転によって強制的に燃焼室１２に送り込まれる（過給される）。このようにして、燃焼室１２への空気の充填効率が高められる。

また、可変ノズル型ターボチャージャ２２では、タービンホイール４８の外周を囲うように、タービン４６のタービンハウジングによりタービンホイール４８の回転方向に沿って排気ガス流路が形成されている。このため、排気ガスは排気ガス流路を通過し、タービンホイール４８の軸線に向かって吹付けられる。排気ガス流路には、弁機構からなる可変ノズル機構７０が設けられている。可変ノズル機構７０を開閉動作することで、排気ガス流路の排気ガスの流路面積を変更し、タービンホイール４８に吹付けられる排気ガスの流速（すなわち流量）を可変とする。このように排気ガスの流速を可変とすることで、タービンホイール４８の回転速度が調整され、ひいては燃焼室１２に強制的に送り込まれる空気の量が調整される。すなわち、過給圧が調節される。

ここで、可変ノズル機構７０の構造について図２を用いて説明する。図２（ａ）は可変ノズル機構７０の側断面構造を、図２（ｂ）は可変ノズル機構７０の正面構造を示している。図２（ａ）に示されるように、可変ノズル機構７０はリング形状をしたノズルバックプレート７２を備えている。このノズルバックプレート７２には、複数の軸７４がノズルバックプレート７２の円心を中心とした等角度ごとに設けられている。これらの軸７４は、ノズルバックプレート７２をその厚さ方向に貫通して回動可能に支持されている。また、これら軸７４の一端（図２（ａ）中の左側端）には、ノズルベーン（ＶＮ）７６が固定されている。また、軸７４の他端には、同軸と直交してノズルバックプレート７２外縁方向に延びる開閉レバー７８が設けられている。この開閉レバー７８の先端は、二股に分岐した一対の狭持部８０が形成されている。

各開閉レバー７８とノズルバックプレート７２との間に狭持されるように、環状のリングプレート８２が設けられている。このリングプレート８２は、円心を中心として回転可能となっている。また、リングプレート８２にはその円心を中心として等角度ごとに複数のピン８４が設けられている。これらピン８４は、上記開閉レバー７８の狭持部８０の間に挟み込まれており、同開閉レバー７８を回動可能に支持している。

このリングプレート８２が先の図１に示すアクチュエータ８６によって円心を中心として回動されると、各ピン８４は狭持部８０をその回動方向へ押す。その結果、開閉レバー７８は軸７４を回動させることとなる。この軸７４の回動に伴い各ノズルベーン７６も同軸７４の軸線を中心として回動する。こうした機構により、各ノズルベーン７６をそれぞれ同期した状態で回動させることができる。また、こうしたノズルベーン７６の回動によって、隣り合うノズルベーン７６間の隙間の大きさが、すなわちノズルベーン７６の開度が調整される。

そして、例えばノズルベーン７６間の隙間が狭められるほど、上記排気ガスの流路面積が縮小され、タービンホイール４８に吹き付けられる排気ガスの流速が大きくなる。また、例えばノズルベーン７６間の隙間が拡大されるほど、上記排気ガスの流路面積が拡大され、タービンホイール４８に吹き付けられる排気ガスの流速が小さくなる。

各種演算処理などを行う電子制御ユニット（ＥＣＵ）９０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたディジタルコンピュータと、各装置を駆動するための駆動回路とを主体として構成されている。そしてＥＣＵ９０は、上記スロットル開度センサ３４、吸気圧センサ３６、吸気量センサ３８、差圧センサ５２、排気絞り弁開度センサ６６をはじめ、ディーゼルエンジン１０のクランク軸の回転速度を検出する回転速度センサ９２やアクセルペダルの開度を検出するアクセルセンサ９４等、様々なセンサの検出信号（出力信号）を読み込んでいる。なお、ＥＣＵ９０は、排気絞り弁６２の開度を制御する開度制御手段の一部の機能を有して構成されている。

そしてこれらの信号から得られるディーゼルエンジン１０の運転状態（機関運転状態）に基づいて、ＥＣＵ９０は燃料噴射制御を実行し、更にＥＧＲ弁６０の開度制御、スロットルバルブ３２の開度制御、排気絞り弁６２の開度制御、可変ノズル機構７０の開度制御等を実行する。例えば、ＥＧＲ率がエンジン負荷（機関負荷）とエンジン回転速度（機関回転速度）とに基づいて設定される目標ＥＧＲ率となるように、スロットル開度センサ３４の信号から検出されるスロットル開度とＥＧＲ開度（ＥＧＲ弁６０の開度）とが調節されるＥＧＲ制御が行われる。更にエンジン負荷とエンジン回転速度とに基づいて設定される目標吸入空気量（ディーゼルエンジン１０の１回転当たりの目標値）となるようにＥＧＲ開度が調節される吸入空気量フィードバック制御が行われる。

ところで、一般的に、タービン容量Ｑは次式（１）に基づいて求められる。また、タービン膨張比ＥＲは次式（２）に基づいて求められる。

ただし、Ｇ：排気ガス流量、Ｔｕ：タービン入口、すなわちタービン４６上流側の排気ガスの温度、Ｐｕ：タービン入口、すなわちタービン４６上流側の排気ガスの圧力、Ｐｄ：タービン出口、すなわちタービン４６下流側の排気ガスの圧力、である。

すなわち、タービン容量Ｑは、排気ガス流量Ｇと、タービン４６に入る前の排気ガスの温度Ｔｕおよび圧力Ｐｕに依存し、ディーゼルエンジン１０の運転状態に依存する。したがって、タービン４６に必要とされる必要タービン容量は、ディーゼルエンジン１０の運転状態に基づいて上記式（１）の演算をすることで定められる。

他方、タービン膨張比ＥＲは、タービン４６上下流の圧力比であるので、タービン入口側および出口側の排気ガスの圧力Ｐｕ、Ｐｄに基づいて求まる。またタービン４６では、その時々の運転状態におけるタービン膨張比ＥＲは、それらの圧力によらず一定である。また、ターボチャージャ２２は、すなわちタービン４６は、図３に示したように、タービン膨張比とタービン容量との関係で定められる、２本の作動線Ａ１、Ａ２で囲まれた可変域で有効に機能する。したがって、ディーゼルエンジン１０の運転状態に基づいて、例えば図３の作動線Ａ２のデータを検索することで、タービン４６に許容される固有タービン容量、すなわちタービン４６に許容される最大のタービン容量が求まる。

一般には、タービン４６内に導入される排気ガス流量に基づく必要タービン容量は、タービン４６の固有タービン容量以下である。すなわち図３の線Ａ２で定められる可変域の上限以下である。しかしながら、タービン４６が、そのディーゼルエンジン１０に対して、小型であるので、運転状態によっては必要タービン容量が固有タービン容量を超えるようになるときがある。そこで、本発明では、このようなときに、排気絞り弁６２の開度を全開より閉じた位置である所定の位置にする。これにより、必要タービン容量が固有タービン容量にまで低減され、タービン４６の性能に、すなわちターボチャージャ２２の性能に見合った過給が適切に行われるようになる。以下、この制御について説明する。以下に示すように、この制御により、ターボチャージャ２２のタービン４６の可変域内で、エンジン１０の全運転域での作動をカバーすることが可能になる。

可変ノズル型ターボチャージャ２２のノズルベーン７６の開度はディーゼルエンジン１０の運転状態に基づいて定められ、エンジン回転速度が比較的低いときなどにその開度が全開から閉じた開度に調節制御される。そして、エンジン回転速度が高い状態などに至る前に、その開度は最大に、すなわち全開に制御され、その後は、排気絞り弁６２の開度が調節制御される。これを概念的に図４に示す。図４では、過給圧、ノズルベーン（ＶＮ）７６の開度（図４中の「ＶＮ開度」）、排気絞り弁６２の開度（図４中の「排気絞り弁開度」）を、それぞれエンジン回転速度に対して表している。なお、過給圧がエンジン運転状態に応じて適切に制御されるように、ＶＮ開度、排気絞り弁開度はそれぞれエンジン運転状態に応じて制御されるが、図４ではエンジン運転状態を表す変数（値）としてエンジン回転速度のみに着目して概念的に表している。これらの関係は、エンジン回転速度をエンジン負荷に変えても同様に成立する。

エンジン低中速域では、エンジン回転速度が速くなるほど、大きな過給圧が求められる。このために、エンジン回転速度Ｒ１での最小開度から、エンジン回転速度Ｒ２での最大開度まで、エンジン回転速度が増すにつれてＶＮ開度は大きくなるように変えられる。この間、排気絞り弁６２は全開に開いた状態に維持される。そして、エンジン回転速度がエンジン回転速度Ｒ２とエンジン回転速度Ｒ３との間のときには、排気通路ＥＰに供給される排気ガス流量がタービン４６に許容される流量であるので、すなわち必要タービン容量が固有タービン容量以下であるので、ＶＮ開度が最大の開度に維持制御されると共に、排気絞り弁開度が全開に維持制御される。さらに、エンジン回転速度が速く（高く）なると、排気ガス流量が、タービン４６に許容される固有タービン容量に対応した流量を超えるようになる。そこで、タービン４６を多量の排気ガスに対応可能にするべく、エンジン回転速度がエンジン回転速度Ｒ３を越えて速くなるにしたがって、排気絞り弁開度が小さくなるようにＥＣＵ９０は制御を行う。それ故、エンジン回転速度が所定値を超えている、あるいはエンジン負荷が所定値を超えているとき、排気絞り弁６２の開度は、全開より閉じた位置にされるが、それは図５に概念的に示すように、エンジン回転速度が大きいほど、あるいはエンジン負荷が大きいほど、小さくなるように設定されている。なお、図５に示すようなマップ化されたデータは、上記式（１）、（２）の関係に基づきつつ、実験により定められ、予めＲＯＭに記憶されている。

なお、本第１実施形態では、排気ガス浄化フィルタ５０が目詰まりしていて、目詰まりしたＰＭを除去することが必要であるときには、過給圧制御よりも、ＰＭ除去を優先するようにしている。

これらを図６に概略的に示した流れにしたがって説明する。ＥＣＵ９０は、ステップＳ６０１でＰＭ再生中でないか否かを判定する。ここで、ＰＭ再生中とは、排気ガス浄化フィルタ５０でＰＭが捕集されて、差圧センサ５２からの出力信号に基づいて求められる差圧が所定値以上となった結果、捕集されたＰＭを燃焼除去すべく、排気ガス浄化フィルタ５０を再生するための制御が不図示のフローチャートにしたがって行われているときのことを指し示す。具体的には、ＰＭ再生は、排気絞り弁６２を所定開度に絞ることで行われる。詳細には説明しないが、所定圧以上の差圧が検出された結果、排気ガス浄化フィルタ５０の再生、すなわちＰＭ燃焼除去を促す必要が生じたときには、ＥＣＵ９０は排気絞り弁６２を所定開度にまで絞るようにアクチュエータ６４を制御する。したがって、排気絞り弁６２よりも上流側の排気通路ＥＰ、すなわち排気ガスの圧力が高まり、排ガス浄化フィルタ５０近傍の排気ガスも含めて排気ガスの温度が上昇する。これにより、捕集されたＰＭの除去が促され、排気ガス浄化フィルタ５０の再生が図られることになる。なお、差圧センサ５２により検出される排気ガス浄化フィルタ５０前後の差圧が所定値を下回ると、排気ガス浄化フィルタ５０の再生が終了したとして、排気絞り弁６２は全開に開弁制御されることになる。

それ故、ステップＳ６０１では、排気ガス浄化フィルタ５０前後の差圧が所定値以上で、排気絞り弁６２が不図示の制御フローチャートにしたがって所定開度に絞るように制御されているとき、ＥＣＵ９０はＰＭ再生中と判断する。そして、ＰＭ再生中と判定されて否定されると、過給圧制御のために排気絞り弁６２を所定開度に絞る制御は実行されない。すなわち、ＰＭ再生中において、排気絞り弁６２の開度は、運転状態に拘らず、不図示のフローチャートにしたがって所定の絞り弁開度に制御される。

他方、ステップＳ６０１でＰＭ再生中でないと判定されて肯定されると、ステップＳ６０３へ進み、ノズルベーン７６の開度が最大か否かが判定される。なお、ノズルベーン７６の開度が最大か否かは、ノズルベーン開度制御用の不図示のフローチャートにしたがって導出されたノズルベーン開度をＲＡＭから読み出して判定される。そして、ノズルベーン７６の開度が最大でないと判定されると、ステップＳ６０５へ進み、排気絞り弁６２の開度が全開に制御されることになる。したがって、ノズルベーン開度が最大にされていない運転状態では、ノズルベーン７６の開度を適正値に制御することで、固有タービン容量が、必要タービン容量に超えられなくなる。なお、不図示のフローチャートにしたがって、ＥＣＵ９０は、ディーゼルエンジン１０の運転状態に応じた目標過給圧を算出し、吸気圧センサ３６の出力信号により求められる圧力がその目標過給圧となるように、ノズルベーン７６の開度をフィードバック制御する。このフィードバック制御には、例えばＰＩＤ制御が用いられる。

他方、ステップＳ６０３で、ノズルベーン７６の開度が最大である判定されて肯定されると、ステップＳ６０７へ進み、排気絞り弁６２の開度が導出されて、導出された開度に制御される。なお、上記したように、ノズルベーン７６の開度が最大のとき、排気絞り弁６２の開度は、最大、すなわち絞り量「０」から、最小、すなわち絞り量「最大」まで、変化し得る。本実施形態では、運転状態、すなわちエンジン回転速度およびエンジン負荷に基づいて、予め実験により求められてＲＯＭに記憶されている図５に示したマップを検索することで、排気絞り弁６２の開度は導出される。なお、排気絞り弁６２の最小開度は、「０」ではないので、排気絞り弁６２が最小の開度にされても、排気通路ＥＰが閉塞されることはない。

次に、本第１実施形態の作用、効果について説明する。図３の概念図には、タービン４６の可変域を定める２つの作動線として、ノズルベーン７６の開度が最小のときの作動線Ａ１と、ノズルベーン７６の開度が最大のときの作動線Ａ２とが表されていて、上記で説明した可変ノズル型ターボチャージャ２２および排気絞り弁６２の制御により辿る作動点の軌跡Ｌが点線で表されている。まず、作動点の軌跡は、ノズルベーン７６の開度が最小のときの作動線Ａ１上を辿り、その後、必要タービン容量が増加するに連れて作動線Ａ１から作動線Ａ２上へと推移していく。そして、必要タービン容量が作動線Ａ２上に至ると、作動線Ａ２上を辿ることになる。

既に説明したように、固有タービン容量はタービンの形状等により規定されるので、運転状態によっては必要タービン容量は固有タービン容量を超えるようになる。しかしながら、一般に必要タービン容量が固有タービン容量を超えるようになる運転状態では、概ね必要タービン容量が固有タービン容量と同じになるように、あるいはそれを下回るようにタービン４６よりも下流側の圧力が、排気絞り弁６２を絞ることで調節される。すなわち、このように排気絞り弁６２の開度を調節制御することで、図３のタービン４６の作動線Ａ１、Ａ２が図１０の小ターボの作動線と同じであると仮定すると、小ターボの図１０中上方の作動線を越える作動点の軌跡は、小ターボの図中上方の作動線上に移行する。図１０の点線で囲んだ円Ｃ内の拡大図を図７に概念的に示す。図７に示すように、上記制御により、タービン膨張比が一定として、小ターボのタービン４６の可変域を越える作動点の軌跡が、小ターボの作動線上に移行するのが理解できる。このように、タービン４６の形状上、許容されないレベルにまで、排気ガス流量が多くなるときは、タービン４６よりも下流側の排気通路ＥＰの部分の開度を絞るので、排気ガス流量に基づく必要タービン容量はタービン４６に許容されるようになる。

上記したことをまとめると、タービン４６に固有の固有タービン容量を、必要タービン容量が超えるようになると、タービン４６よりも下流側の排気通路ＥＰの開度が絞られる。これにより、タービン４６よりも下流側の、すなわちタービンホイール４８よりも下流側の排気ガスの圧力、「タービン後圧値」が高まる。上記したように、各運転状態におけるタービン膨張比は概ね一定であるので、タービン後圧値が高まることで、タービン４６よりも上流側の排気ガスの圧力、「タービン前圧値」も高まる。これにより、上記式（１）により求まる必要タービン容量が低下する。したがって、タービン高圧値を高めることで、必要タービン容量が固有タービン容量を超えないように調節可能になる。

以上、上記第１実施形態によれば、運転状態に基づいて、タービン４６よりも下流側の排気通路ＥＰの開度を絞るだけで、必要タービン容量が固有タービン容量以下にされる。したがって、必要タービン容量がタービン４６の固有タービン容量を超える状態でエンジン１０が運転されることは回避され、ターボオーバーランを生じることが防げる。それ故、タービン４６を含めたターボチャージャ２２を小型のものにしても、すなわちディーゼルエンジン１０にとって相対的に小型のターボチャージャを用いても、例えばウエストゲート弁等を設ける必要なく、適切に過給制御を行うことが可能になる。したがって、低回転あるいは低負荷運転などでの応答性などを十分に確保することが可能になる。

さらに、排気絞り弁６２として、既に設けられている排気ブレーキ用の排気絞り弁を用いることが出来るので、車両の部品点数削減が可能になる。すなわち、車両の構成を簡易化できる。

次に、本発明の第２実施形態について図面に基づいて説明する。本第２実施形態の内燃機関の制御装置が適用された車両のエンジンシステムを概念的に図８に示す。このエンジンシステムは、タービン４６よりも下流側の排気ガスの圧力（排気圧）、すなわち上記タービン後圧値を検出するための圧力センサ９６と、タービン４６よりも上流側の排気ガスの温度（排気温度）を測定するための温度センサ９８とを排気通路ＥＰ途中にそれぞれ設けている以外は、概ね上記第１実施形態のエンジンシステムと同じであるので、上記第１実施形態で示した構成要素と同様の構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。また、本第２実施形態でも上記第１実施形態で述べたのと同じ作用、効果が得られるので、それらの詳細な説明を省略する。

上記第１実施形態では、必要タービン容量が、固有タービン容量を超えないように、タービン高圧値を上げるべく、排気絞り弁６２を所定開度に絞ることにした。そして、その排気絞り弁６２における所定開度は、ディーゼルエンジン１０の運転状態に基づいて図５に示すマップ化されたデータを検索することで求めたが、本第２実施形態では主にフィードバック制御により定められる。排気絞り弁６２の開度をフィードバック制御する処理の手順を、図９に基づき説明する。なお、この処理は、上記ＥＣＵ９０によって所定の周期で繰り返し実行されるものである。

図９に示す一連の処理では、まずステップＳ９０１において、上記ステップＳ６０１と同様に、ＰＭ再生中でないか否かが判定される。そして、ＰＭ再生中であるとして否定されると、当該ルーチンは終了される。他方、ＰＭ再生中でないとして肯定されると、ステップＳ９０３へ進み、上記ステップＳ６０３と同様に、ノズルベーン７６の開度が最大か否かが判定される。ここで、ノズルベーン７６の開度が最大でないとして否定されると、ステップＳ９０５へ進み、排気絞り弁６２を全開にする制御が行われる。なお、このようにステップＳ９０５へ至るような運転状態では、上記第１実施形態で説明したようにノズルベーン７６の開度は運転状態に基づいて変えられ得る。

他方、ステップＳ９０３で、ノズルベーン７６の開度が最大であるとして肯定されると、ステップＳ９０７へ進み、必要タービン容量Ｑａが導出される。具体的には、圧力センサ９６からの出力信号により求められるタービン４６よりも下流側の排気ガスの圧力Ｐｄと、温度センサ９８からの出力信号により求められるタービン４６よりも上流側の排気ガスの温度Ｔｕとに基づいて、上記式（１）に基づいて求められる。より具体的には、排気ガス流量Ｇは、吸気量センサ３８からの出力信号に基づいて求められる吸入空気量Ｇａと、ＲＡＭに記憶されている燃料噴射弁２９への燃料噴射制御の演算値である、燃料噴射量Ｇｆとに基づいて導出される。さらに、タービン４６よりも上流側の排気ガスの圧力Ｐｕは、排気ガスの圧力Ｐｄと、排気ガスの温度Ｔｕとで予めＲＯＭに記憶されているデータを検索することで導出される。このようにして導出された、排気ガス流量Ｇ、排気ガス圧力Ｐｕ、排気ガス温度Ｔｕを用いて、式（１）に基づいて必要タービン容量Ｑａは導出される。なお、排気ガスの圧力Ｐｕは、排気ガスの圧力Ｐｄのみに基づいて導出されても良く、またタービン４６よりも上流側の排気通路ＥＰの部分に圧力センサを設けて、その圧力センサからの出力信号に基づいて直接に導出されても良い。

次いで、ステップＳ９０９へ進むと、固有タービン容量Ｑｂが導出される。固有タービン容量は、予めＲＯＭに記憶されている、上記した図３の如くマップ化されたデータを、タービン膨張比で検索することで導出される。図３の如くマップ化されたデータは、図３中の作動線Ａ２をデータとして含んでいて、上記式（２）に基づいて求められる、すなわちタービン４６よりも上流側の排気ガスの圧力Ｐｕと、それよりも下流側の排気ガスの圧力Ｐｄとから求められるタービン膨張比でそのデータを検索することで、固有タービン容量が導出される。なお、本第二実施形態では、タービン膨張比ＥＲは、上記ステップＳ９０７で導出された排気ガスの圧力Ｐｕ、Ｐｄに基づいて、上記式（２）に基づいて導出される。ただし、タービン膨張比は、上記第１実施形態で述べた如く運転状態により定められるので、エンジン回転速度およびエンジン負荷で不図示のマップ化されたデータを検索することで導出されるようにしても良い。

必要タービン容量Ｑａおよび固有タービン容量Ｑｂが導出されると、ステップＳ９１１へ進み、必要タービン容量Ｑａが固有タービン容量Ｑｂを超えているか否かが判定される。必要タービン容量Ｑａが、固有タービン容量Ｑｂ以下であれば否定されて、上記ステップＳ９０５へ進み、排気絞り弁６２の開度は全開に制御される。

他方、ステップＳ９１１で、必要タービン容量Ｑａが固有タービン容量Ｑｂを超えていると判定されて肯定されると、ステップＳ９１３へ進む。そして、排気絞り弁６２の開度が導出される。ここで、ステップＳ９１３に至るのがはじめてのときには、すなわちそれまで排気絞り弁６２の開度が全開にされていた状態でステップＳ９１３に始めて至ると、まず、排気絞り弁６２の開度のベース値が導出される。このベース値は、上記回転速度センサ９２からの出力信号に基づいて求められるディーゼルエンジン１０のエンジン回転速度と、アクセルセンサ９４からの出力信号に基づいて求められるディーゼルエンジン１０のエンジン負荷とに基づいて、予めＲＯＭに記憶されている、図５の如きマップ化されたデータを検索することで導出される。ここでベース値とは、ディーゼルエンジン１０のエンジン回転速度とエンジン負荷とに基づいて、必要タービン容量を、固有タービン容量とするために必要であると想定されるタービン後圧値に対応する値である。

そして、ここで導出された排気絞り弁６２の開度に、排気絞り弁６２を制御することが続くステップＳ９１５で行われ、当該ルーチンが終了する。

そして、連続したルーチンにおける次回以降のステップＳ９１３では、必要タービン容量Ｑａと固有タービン容量Ｑｂとの乖離度ΔＱ（ΔＱ＝Ｑａ−Ｑｂ）とに基づき上記ベース値に対するフィードバック補正量が導出される。ここでは、上記フィードバック制御として、ＰＩＤ制御を想定しているため、必要タービン容量と固有タービン容量との乖離度に基づいて比例項Ｐ、積分項Ｉ、微分項Ｄがそれぞれ導出される。そして、既に導出されてＲＡＭに記憶されているベース値に、導出されたフィードバック補正量を加算する演算で、排気絞り弁６２の開度が導出される。そして、この導出された開度に、排気絞り弁６２は、上記ステップＳ９１５で制御される。

したがって、ステップＳ９１３では、適切に、必要タービン容量が固有タービン容量に近づくように、フィードバック制御により排気絞り弁６２の開度が導出され、そのたびに排気絞り弁６２の開度制御がステップＳ９１５で行われる。それ故、運転状態の変化などに即した過給圧制御が行われることになり、エンジン回転速度が高いあるいはエンジン負荷が高い運転状態でのターボオーバーランの発生の防止を的確に図ることが可能になる。なお、ステップＳ９１３での演算では、必要タービン容量が、固有タービン容量を超えないようにしつつ、固有タービン容量に近づくように、排気絞り弁６２の開度が導出されるのが好ましい。

なお、上記第２実施形態で、必要タービン容量を求めるに際して、タービン４６よりも上流側の排気ガスの温度Ｔｕを、一定としても良い。すなわちこの場合には、排気ガスの温度Ｔｕを予め決めてＲＯＭに記憶しておき、上記式（１）を用いての演算ではその設定値を用いるので、上記温度センサ９８は不要になる。あるいは、排気ガスの温度Ｔｕを、タービン４６よりも上流側の排気ガスの圧力Ｐｕ、あるいはその下流側の排気ガスの圧力Ｐｄに基づいて、予めＲＯＭに記憶しておいたデータを検索することで求めるようにしても良い。この場合にも、上記温度センサ９８は不要となるが、タービン４６よりも上流側および下流側の圧力Ｐｕ、Ｐｄの少なくともいずれかを直接に導出可能なように、タービン４６の上流側および下流側の少なくとも一方に圧力センサを設けることが必要である。もちろん、タービン４６の上流側および下流側の両方に、圧力センサを設けても良い。また、上記第２実施形態では、圧力センサをタービン４６の下流側に設けることにしたが、その上流側にのみ設けて、各種値の導出のための演算を行うようにしても良い。上記の如く、各運転状態でタービン膨張比は概ね一定であるので、タービン４６よりも上流側あるいは下流側の圧力を求めることで、必要タービン容量や、固有タービン容量を導出することが可能だからである。

以上、本発明を第１および第２実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されない。例えば、本発明は、ディーゼルエンジンばかりでなく、その他の火花点火式内燃機関などにも適用できる。さらに、上記第１および第２実施形態では、タービンに、可変ノズル機構を設けたが、それは設けられなくても良い。また、排気ガス浄化用の触媒やフィルタは、排気絞り弁６２よりも下流側に設けられても良い。さらに、排気絞り弁６２は、排気ブレーキ用にも用いられる必要は必ずしもなく、上記過給圧制御のためにのみ設けられても良い。

なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。

第１実施形態の適用された車両のエンジンシステムの概念図である。 （ａ）は可変ノズル機構の側断面構造を示す側断面図であり、（ｂ）は可変ノズル機構の正面構造を示す正面図である。 第１実施形態のタービンの可変域を表した概念図であり、作動点の軌跡の一例が表されている。 過給圧、ＶＮ開度、排気絞り弁開度を、それぞれエンジン回転速度に基づいて表した概念図である。 概念的に表した、排気絞り弁の制御マップの一例である。 第１実施形態における制御の流れを表した図である。 第１実施形態での効果を説明するための図である。 第２実施形態の適用された車両のエンジンシステムの概念図である。 第２実施形態における制御の流れを表した図である。 従来技術を説明するための概念図である。

符号の説明

１０ ディーゼルエンジン
２２ 可変ノズル型ターボチャージャ
４６ タービン
５０ 排気ガス浄化フィルタ
６２ 排気絞り弁
７０ 可変ノズル機構
ＩＰ 吸気通路
ＥＰ 排気通路

Claims (8)

1. 排気通路にタービンを有するターボチャージャを備えた内燃機関の制御装置において、
   前記タービンよりも下流側の前記排気通路の部分に設けられた排気絞り弁と、
   機関運転状態に基づいて、前記排気絞り弁の開度を制御する開度制御手段と、
   を備え、
   前記開度制御手段は、機関回転速度が所定値を超えているとき、あるいは機関負荷が所定値を超えているとき、必要タービン容量を固有タービン容量まで低減するべく前記タービンよりも下流側の圧力を上昇させるように、前記排気絞り弁の開度を全開より閉じた位置に制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記開度制御手段は、機関回転速度が大きいほど、あるいは機関負荷が大きいほど、前記排気絞り弁の開度を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記タービンに、その容量を可変とするためのノズルベーンが設けられ、
   前記ノズルベーンの開度が全開か否かを判定するベーン開度判定手段が備えられ、
   該ベーン開度判定手段により前記ノズルベーンの開度が全開であると判定されたとき、前記開度制御手段が、前記排気絞り弁の開度を全開より閉じた位置に制御することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記開度制御手段は、
   機関運転状態に基づいて、必要タービン容量を導出し、
   機関運転状態に基づいて、固有タービン容量を導出し、
   その導出された前記必要タービン容量と、その導出された前記固有タービン容量とに基づいて、前記排気絞り弁の開度を導出し、
   導出された前記開度に基づいて前記排気絞り弁の開度を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記開度制御手段は、前記必要タービン容量が前記固有タービン容量を大きく超えているほど小さな前記排気絞り弁の開度を導出することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 排気圧を検出する排気圧検出手段を備え、
   前記開度制御手段は、前記機関運転状態を反映した値として、前記排気圧検出手段により検出された排気圧を用いて、前記必要タービン容量および前記固有タービン容量を導出することを特徴とする請求項４または５に記載の内燃機関の制御装置。
7. 排気温度を検出する排気温度検出手段を備え、
   前記開度制御手段は、前記機関運転状態を反映した値として、前記排気温度検出手段により検出された排気温度を用いて、前記必要タービン容量および前記固有タービン容量を導出することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記タービンよりも下流側、且つ、前記排気絞り弁よりも上流側の前記排気通路の部分に設けられた、排気ガス中の微粒子物質を捕集するフィルタと、
   前記フィルタの再生が必要か否かを判定する再生判定手段と、
   を備え、
   前記開度制御手段は、該再生判定手段により前記フィルタの再生が必要と判定されたとき、機関運転状態に拘らず、前記排気絞り弁の開度を所定の絞り弁開度に制御することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。

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