JP4661531B2 - 内燃機関の過給圧制御システム - Google Patents

Description

本発明は、過給圧を可変とする過給機を備えた内燃機関の過給圧制御システムに関する。

過給圧を可変とする過給機を備えた内燃機関の過給圧制御システムにおいては、過給圧を目標過給圧に上昇させるときに、実際の過給圧と目標過給圧との差が所定値以下のときは過給圧をオープンループ制御し、実際の過給圧と目標過給圧との差が所定値より小さくなったときは過給圧をフィードバック制御するものがある。

このような過給圧の制御によれば、過給圧を常時フィードバック制御する場合に比べて過給圧をより速やかに目標過給圧にまで上昇させることが出来る。即ち、過給圧の応答性を向上させることが出来る。

また、上記のような過給圧の制御において、オープンループ制御時の過給圧の上昇率に応じて所定値を変更する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特許第２５２２７５９号公報 特開平１１−２５７０８１号公報 特開平１−１２１５１３号公報 特開２００４−２０８４２０号公報

内燃機関の過給圧制御システムにおいて、過給圧を目標過給圧に上昇させるときに、過給圧がある程度上昇するまでは該過給圧をオープンループ制御し、その後、フィードバック制御に切り換える場合がある。このような制御によれば、過給圧の応答性を向上させることが出来る。

しかしながら、このような場合、オープンループ制御時においては、フィードバック制御した場合に比べて過給圧がより速やかに上昇するため、過給圧がある程度上昇した後にフィードバック制御に切り換えても過給圧のオーバーシュートが発生する虞がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、過給圧を可変とする過給機を備えた内燃機関の過給圧制御システムにおいて、過給圧の応答性を向上させつつ過給圧のオーバーシュートを抑制することが可能な技術を提供することを課題とする。

本発明は、過給圧を上昇させるときに該過給圧の制御方法が途中でオープンループ制御からフィードバック制御に切り換えられる内燃機関の過給圧制御システムにおいて、オープンループ制御時における過給圧の上昇率が高いときは該過給圧の上昇率が低いときに比べて、フィードバック制御時における過給圧の上昇率をより小さくするものである。

より詳しくは、本発明に係る内燃機関の過給圧制御システムは、
過給圧を可変とする過給機と、
過給圧を検出する過給圧検出手段と、を備え、
過給圧を目標過給圧に上昇させるときに、前記過給圧検出手段によって検出される過給圧と前記目標過給圧との差が所定圧力差以上のときは過給圧をオープンループ制御し、前
記過給圧検出手段によって検出される過給圧と前記目標過給圧との差が前記所定圧力差より小さいときは過給圧をフィードバック制御する内燃機関の過給圧制御システムであって、
オープンループ制御時における過給圧の上昇率が高いときは該過給圧の上昇率が低いときに比べて、フィードバック制御時における過給圧の上昇率をより小さくすることを特徴とする。

本発明においては、過給圧を目標過給圧に上昇させるときに、過給圧検出手段によって検出される過給圧、即ち、実際の過給圧（以下、実過給圧と称する）と目標過給圧との差が所定圧力差以上のときは、過給圧がオープンループ制御される。このとき、過給圧が可及的に速やかに上昇するよう制御されても良い。

そして、このオープンループ制御によって過給圧が上昇し、実過給圧と目標過給圧との差が所定圧力差より小さくなったときは、過給圧の制御方法がフィードバック制御に切り換えられる。つまり、実過給圧と目標過給圧との差に応じて過給圧が制御される。

尚、ここでの所定圧力差とは、実過給圧と目標過給圧との差が該所定圧力差より小さいときに過給圧をオープンループ制御した場合、過給圧が過剰に上昇する可能性が高いと判断出来る閾値以上の値である。

このような制御によれば、過給圧をより速やかに目標過給圧にまで上昇させることが出来る。しかしながら、上記のような制御の場合、オープンループ制御時における過給圧の上昇率が高いほど、フィードバック制御に切り換えられた後に過給圧のオーバーシュートが発生し易くなる。尚、ここでの過給圧の上昇率とは、単位時間当たりの過給圧の上昇量のことである。

そこで、本発明においては、フィードバック制御時における過給圧の上昇率を、オープンループ制御時における過給圧の上昇率が高いときは該過給圧の上昇率が低いときに比べてより小さくする。

これにより、フィードバック制御に切り換えられた後に過給圧のオーバーシュートが発生し難くなる。従って、本発明によれば、過給圧の応答性を向上させつつ過給圧のオーバーシュートを抑制することが出来る。

本発明においては、過給機が、開閉駆動可能なノズルベーンをタービン側に有し、ノズルベーンの開度を変化させることで過給圧を可変とするターボチャージャであっても良い。この場合、過給圧を目標過給圧に上昇させるときに、実過給圧と目標過給圧との差が所定圧力差以上のときは、ノズルベーンの開度を所定開度に制御することで過給圧をオープンループ制御する。また、実過給圧と目標過給圧との差が所定圧力差より小さいときは、この実過給圧と目標過給圧との差に応じてノズルベーンの開度を制御することで過給圧をフィードバック制御する。

ここで、所定開度は、予め定められた開度であって、過給圧の上昇率が可及的に大きくなる開度としても良い。

上記においては、実過給圧と目標過給圧との差が所定圧力差より小さくなり、過給圧の制御方法がフィードバック制御に切り換わったときは、実過給圧と目標過給圧との差に応じてノズルベーンの開度を制御するが、このときノズルベーンの開度はオープンループ制御時における所定開度よりも大きくする。つまり、過給圧の上昇率が低下する方向に制御される。

そして、上記の場合、フィードバック制御時における実過給圧と目標過給圧との差に対するノズルベーンの開度を、オープンループ制御時における過給圧の上昇率が高いときは該過給圧の上昇率が低いときに比べてより大きくする。

これにより、オープンループ制御時における過給圧の上昇率が高いときは該過給圧の上昇率が低いときに比べてフィードバック制御時における過給圧の上昇率がより小さくなる。

本発明によれば、過給圧を可変とする過給機を備えた内燃機関の過給圧制御システムにおいて、過給圧の応答性を向上させつつ過給圧のオーバーシュートを抑制することが出来る。

以下、本発明に係る内燃機関の過給圧制御システムの具体的な実施の形態について図面に基づいて説明する。

＜内燃機関の吸排気系の概略構成＞
図１は、本実施例に係る内燃機関の吸排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１には、吸気通路２および排気通路３が接続されている。

吸気通路２には、エアフローメータ４が設けられている。吸気通路２におけるエアフローメータ４より下流側には、ターボチャージャ５のコンプレッサハウジング５ａが設置されている。また、吸気通路２におけるコンプレッサハウジング５ａより下流側には該吸気通路２内の圧力、即ち、過給圧を検出する過給圧センサ６が設けられている。排気通路３には、ターボチャージャ５のタービンハウジング５ｂが設置されている。

ここで、本実施例に係るターボチャージャ５の概略構成を図２に基づいて説明する。ターボチャージャ５は過給圧を可変とするターボチャージャである。該ターボチャージャ５は、コンプレッサハウジング５ａと、タービンハウジング５ｂと、該コンプレッサハウジング５ａと該タービンハウジング５ｂとの間に設けられたセンタハウジング５ｃと、を備えている。センタハウジング５ｃにはロータシャフト１３がその軸心を中心に回転可能な状態で支持されている。

ロータシャフト１３の一端は、コンプレッサハウジング５ａ内に配置されたコンプレッサホイール１１に取り付けられている。また、ロータシャフト１３の他端は、タービンハウジング５ｂ内に配置されたタービンホイール１２に取り付けられている。

このような構成のターボチャージャ５においては、排気が吹き付けられることによってタービンホイール１２が回転し、該タービンホイール１２が回転することによってコンプレッサホイール１１が回転する。そして、該コンプレッサホイール１１の回転によって、該コンプレッサホイール１１より下流側の吸気通路２に送り込まれる空気量を増加させる、いわゆる過給が行われる。

さらに、タービンハウジング５ｂ内においては、羽形状のノズルベーン１４がタービンホイール１２の円周方向に複数取り付けられている。また、タービンハウジング５ｂには、ノズルベーン１４を開閉駆動させるノズルベーン用のアクチュエータ８が設けられている。該アクチュエータ８によりノズルベーン１４が開閉駆動されることによって、隣り合
うノズルベーン１４間の隙間の大きさが変化し、タービンホイール１２に吹き付けられる排気の流速が変化することになる。これにより、コンプレッサハウジング５ａより下流側の吸気通路２への過給圧を調整することが可能となる。

また、内燃機関１には、この内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０が併設されている。ＥＣＵ１０には、エアフローメータ４および過給圧センサ６、さらに、内燃機関１のクランクシャフトの回転角を検出するクランクポジションセンサ７、内燃機関１を搭載した車両のアクセル開度を検出するアクセル開度センサ９が電気的に接続されている。そして、これらの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。ＥＣＵ１０は、クランクポジションセンサ７の検出値に基づいて内燃機関１の回転数を算出する。また、ＥＣＵ１０は、アクセル開度センサ９の検出値に応じて内燃機関１の負荷を算出する。

また、ＥＣＵ１０には、アクチュエータ８が電気的に接続されている。ＥＣＵ１０は、このアクチュエータ８を制御することでタービンハウジング５ｂ内のノズルベーン１４の開度を制御する。

＜過給圧上昇時の過給圧制御方法＞
次に、本実施例において過給圧を上昇させるときの過給圧制御方法について説明する。本実施例においては、内燃機関１を搭載した車両の加速要求があった場合等のように、内燃機関１の運転状態が負荷が増加する過渡運転状態となると、ＥＣＵ１０によってノズルベーン１４の開度が制御されることで過給圧が上昇される。

上記のように、内燃機関１の運転状態が負荷を上昇させる過渡運転状態となった場合、アクセル開度センサ９の検出値に基づいて内燃機関１における要求負荷が算出され、この要求負荷に基づいて目標過給圧が決定される。

そして、本実施例においては、過給圧センサ６によって検出される過給圧、即ち、実過給圧と目標過給圧との差が所定圧力差以上のときは、過給圧がオープンループ制御される。つまり、ノズルベーン１４の開度が所定開度に制御される。ここで、所定開度は、可及的に小さい開度、即ち、過給圧の上昇率が可及的に大きくなる開度である。この所定開度は、内燃機関１の運転状態等に応じて決定される。

このように過給圧がオープンループ制御されことで上昇し、実過給圧と目標過給圧との差が所定圧力差より小さくなったときは、過給圧の制御方法がフィードバック制御に切り換えられる。つまり、ノズルベーン１４の開度が実過給圧と目標過給圧との差に応じて制御されるようになる。

尚、ここでの所定圧力差とは、実過給圧と目標過給圧との差が該所定圧力差より小さいときに過給圧をオープンループ制御した場合、過給圧が過剰に上昇する可能性が高いと判断出来る閾値となる値である。この所定圧力差は予め定められた値である。

ここで、オープンループ制御時には、ノズルベーン１４の開度が、過給圧の上昇率が可及的に大きくなる開度である所定開度に制御されている。そのため、過給圧の制御方法がフィードバック制御に切り換えられたときは、ノズルベーン１４はその開度が所定開度より大きくなる方向に制御される。つまり、ノズルベーン１４は開弁方向に制御されることになる。これにより、過給圧の上昇率はオープンループ制御時に比べて低下することになる。

上記のような制御によれば、過給圧を常時フィードバック制御する場合に比べてより速やかに過給圧を制御することが出来る。しかしながら、上記のような制御の場合、オープ
ンループ制御時における過給圧の上昇率が高いほど、フィードバック制御に切り換えられた後に過給圧のオーバーシュートが発生し易くなる。

そこで、本実施例では、フィードバック制御時における実過給圧と目標過給圧との差に対するノズルベーン１４の開度を、オープンループ制御時における過給圧の上昇率が高いときは該過給圧の上昇率が低いときに比べてより大きくする。

これにより、オープンループ制御時における過給圧の上昇率が高いときは該過給圧の上昇率が低いときに比べてフィードバック制御時における過給圧の上昇率がより小さくなる。

その結果、フィードバック制御に切り換えられた後に過給圧のオーバーシュートが発生し難くなる。従って、本実施例によれば、過給圧の応答性を向上させつつ過給圧のオーバーシュートを抑制することが可能となる。

＜過給圧制御の制御ルーチン＞
ここで、本実施例に係る、過給圧上昇時の過給圧制御の制御ルーチンについて図３に示すフローチャートに基づいて説明する。本ルーチンはＥＣＵ１０に予め記憶されており、内燃機関１の運転中、所定時間経過毎に繰り返されるルーチンである。

本ルーチンでは、先ずＳ１０１において、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態が負荷が増加する過渡運転状態となったか否かを判別する。ここでは、アクセル開度が増加した場合に内燃機関１の運転状態が上記過渡運転状態となったと判別する。このＳ１０１において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０２に進み、否定判定された場合、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を一旦終了する。

Ｓ１０２において、ＥＣＵ１０は目標過給圧Ｐｔを算出する。ここでは、アクセル開度に基づいて内燃機関１における要求負荷を算出し、算出された要求負荷に基づいて目標過給圧Ｐｔを算出する。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０３に進み、ノズルベーン１４を閉弁方向に制御し、その開度Ｄｎを所定開度Ｄｎ０とする。これにより、過給圧のオープンループ制御を実行する。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０４に進み、過給圧センサ６の検出値に基づいて過給圧の上昇率Ｒｕｐを算出する。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０５に進み、現在の実過給圧Ｐｃと目標過給圧との差ΔＰｃが所定圧力差ΔＰ０より小さくなったか否かを判別する。このＳ１０５において、否定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０３に戻る。一方、Ｓ１０５において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０は過給圧の制御方法をフィードバック制御に切り換えるべくＳ１０６に進む。

Ｓ１０６において、ＥＣＵ１０は、現在の実過給圧Ｐｃと目標過給圧との差ΔＰｃ、および、Ｓ１０４において算出された過給圧の上昇率Ｒｕｐに基づいて、ノズルベーン１４の目標開度Ｄｎｔを算出する。

本実施例では、現在の実過給圧Ｐｃと目標過給圧との差ΔＰｃおよび過給圧の上昇率Ｒｕｐと、ノズルベーン１４の目標開度Ｄｎｔとの関係は、マップとして予めＥＣＵ１０に記憶されている。このマップにおいては、実過給圧Ｐｃと目標過給圧Ｐｔとの差ΔＰｃを同様の値とした場合、過給圧の上昇率Ｒｕｐが高いほどノズルベーン１４の目標開度Ｄｎ
ｔがより大きい値となっている。尚、ここでの目標開度Ｄｎｔはオープンループ制御時におけるノズルベーン１４の所定開度Ｄｎ０よりも大きい開度となる。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０７に進み、ノズルベーン１４を開弁方向に制御し、その開度Ｄｎを目標開度Ｄｎｔとする。

次に、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０８に進み、現在の実過給圧Ｐｃが目標過給圧Ｐｔに達したか否かを判別する。このＳ１０８において、肯定判定された場合、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を一旦終了し、否定判定された場合、ＥＣＵ１０はＳ１０６に戻る。

以上説明した制御ルーチンによれば、過給圧を上昇させるときに、実過給圧Ｐｃと目標過給圧Ｐｔとの差ΔＰｃが所定圧力差ΔＰ０以上であるときは過給圧がオープンループ制御され、実過給圧Ｐｃと目標過給圧Ｐｔとの差ΔＰｃが所定圧力差ΔＰ０より小さくなると過給圧がフィードバック制御されることになる。また、フィードバック制御時における実過給圧Ｐｃと目標過給圧Ｐｔとの差ΔＰｃに対するノズルベーン１４の開度Ｄｎが、オープンループ制御時における過給圧の上昇率Ｒｕｐが高いときは該過給圧の上昇率Ｒｕｐが低いときに比べてより大きくなる。

尚、本実施例においては、オープンループ制御時に過給圧センサ６の検出値に基づいて過給圧の上昇率が算出され、算出された過給圧の上昇率に応じて、フィードバック制御時におけるノズルベーン１４の目標開度Ｄｎｔを決定する。しかしながら、過給圧の上昇率に代えて、車両の変速機のギヤ位置に応じて、フィードバック制御時におけるノズルベーン１４の目標開度Ｄｎｔを決定しても良い。

変速機のギヤ位置が低速側にある場合、該ギヤ位置が高速側にある場合に比べて過給圧の上昇率が高くなる。そこで、上記の場合、フィードバック制御時におけるノズルベーン１４の目標開度Ｄｎｔを、変速機のギヤ位置が低速側にあるときは該ギヤ位置が高速側にあるときに比べてより大きくする。

また、内燃機関１の回転数の上昇率に応じて、フィードバック制御時におけるノズルベーン１４の目標開度Ｄｎｔを決定しても良い。

内燃機関１の回転数が高い場合、該内燃機関１の回転数が低い場合に比べて過給圧の上昇率が高くなる。そこで、上記の場合、フィードバック制御時におけるノズルベーン１４の目標開度Ｄｎｔを、内燃機関１の回転数が高いときは該内燃機関１の回転数が低いときに比べてより大きくする。

また、エアフローメータ４によって検出される吸入空気量の増加率に応じて、フィードバック制御時におけるノズルベーン１４の目標開度Ｄｎｔを決定しても良い。

吸入空気量の増加率が高い場合、該吸入空気量の増加率が低い場合に比べて過給圧の上昇率が高くなる。そこで、上記の場合、フィードバック制御時におけるノズルベーン１４の目標開度Ｄｎｔを、吸入空気量の増加率が高いときは該吸入空気量の増加率が低いときに比べてより大きくする。

また、本実施例においては、ターボチャージャ５を、タービン側に設けられたノズルベーン１４の開度を制御することで過給圧を可変とするものとした。しかしながら、ノズルベーン１４に代えて、排気がタービンハウジング５ｂをバイパスして流れるバイパス通路と、該バイパス通路における排気の流量を制御するバイパス制御弁とを備えているものに本発明を適用しても良い。

この場合、バイパス制御弁を制御することでタービンハウジング５ｂをバイパスして流れる排気の流量を制御し、これによって、過給圧を制御する。そして、過給圧を上昇させる場合、上記制御におけるノズルベーン１４の開度と同様にバイパス制御弁の開度を制御する。

また、ターボチャージャ５を、補助動力源としてモータジェネレータを有する、所謂モータアシスト付ターボチャージャとしても良い。この場合、過給圧を目標過給圧にまで上昇させるときに、実過給圧と目標過給圧との差が所定圧力差以上である間はモータジェネレータによってタービンホイール１２およびコンプレッサホイール１１の回転をアシストし、実過給圧と目標過給圧との差が所定圧力差より小さくなったらモータジェネレータによるアシストを停止しても良い。

これによっても、過給圧の応答性を向上させつつ過給圧のオーバーシュートを抑制することが出来る。この場合の所定圧力差は、実過給圧と目標過給圧との差が該所定圧力差より小さくなってもモータジェネレータによるアシストを継続した場合、過給圧が過剰に上昇する可能性が高いと判断出来る閾値以上の値である。

また、上記においては、実過給圧と目標過給圧との差が所定圧力差より小さくなった場合、モータジェネレータによるアシストを停止するのみでなく、タービンホイール１２およびコンプレッサホイール１１が回転することで生じるエネルギーによってモータジェネレータで発電するモードに切り換えても良い。

これにより、実過給圧と目標過給圧との差が所定圧力差より小さくなった後の過給圧の上昇率がより低下することになる。そのため、過給圧のオーバーシュートをより抑制することが可能となる。

本発明の実施例に係る内燃機関の吸排気系の概略構成を示す図。 本発明の実施例に係るターボチャージャの概略構成を示す図。 本発明の実施例に係る過給圧上昇時の過給圧制御の制御ルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１・・・内燃機関
２・・・吸気通路
３・・・排気通路
４・・・エアフローメータ
５・・・ターボチャージャ
５ａ・・コンプレッサハウジング
５ｂ・・タービンハウジング
６・・・過給圧センサ
７・・・クランクポジションセンサ
８・・・ジェネレータ
９・・・アクセル開度センサ
１０・・ＥＣＵ１０
１４・・ノズルベーン

Claims (2)

1. 過給圧を可変とする過給機と、
   過給圧を検出する過給圧検出手段と、を備え、
   過給圧を目標過給圧に上昇させるときに、前記過給圧検出手段によって検出される過給圧と前記目標過給圧との差が所定圧力差以上のときは過給圧をオープンループ制御し、前記過給圧検出手段によって検出される過給圧と前記目標過給圧との差が前記所定圧力差より小さいときは過給圧をフィードバック制御する内燃機関の過給圧制御システムであって、
   オープンループ制御時における過給圧の上昇率が高いときは該過給圧の上昇率が低いときに比べて、フィードバック制御時における過給圧の上昇率をより小さくすることを特徴とする内燃機関の過給圧制御システム。
2. 前記過給機が、開閉駆動可能なノズルベーンをタービン側に有し、前記ノズルベーンの開度を変化させることで過給圧を可変とするターボチャージャであって、
   過給圧を前記目標過給圧に上昇させるときに、前記過給圧検出手段によって検出される過給圧と前記目標過給圧との差が前記所定圧力差以上のときは、前記ノズルベーンの開度を所定開度に制御することで過給圧をオープンループ制御し、前記過給圧検出手段によって検出される過給圧と前記目標過給圧との差が前記所定圧力差より小さいときは、該差に応じて前記ノズルベーンの開度を制御することで過給圧をフィードバック制御し、
   フィードバック制御時における前記過給圧検出手段によって検出される過給圧と前記目標過給圧との差に対するノズルベーンの開度を、オープンループ制御時における過給圧の上昇率が高いときは該過給圧の上昇率が低いときに比べてより大きくすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の過給圧制御システム。

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