(57)【要約】  本発明の課題は、アクチュエータの操作により過給圧を能動的に制御可能なターボ過給機付きディーゼルエンジンにおいて、過渡運転時のハードの信頼性が保障されるような過給圧制御を行うことである。本制御装置は、エンジン回転数と燃料噴射量とに基づいて過給圧の第１の目標値を算出する。そして、過給圧センサの信号から算出した実過給圧を第１の目標値に近づけるようにフィードバック制御によってアクチュエータを操作する。ただし、実排気圧が所定の排気圧基準より大きく、かつ、排気圧変化率が所定の排気圧変化率基準より大きい場合のみ、第１の目標値よりも低い第２の目標値を設定する。そして、第２の目標値が設定されている場合は、フィードバック制御の目標値を第１の目標値から第２の目標値に変更する。
2013061395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータの操作により過給圧を能動的に制御可能なターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御装置において、
過給圧センサの信号から前記エンジンの実過給圧を算出する手段と、
エンジン回転数と燃料噴射量とに基づいて過給圧の第１の目標値を算出する手段と、
前記実過給圧を前記第１の目標値に近づけるようにフィードバック制御によって前記アクチュエータを操作する手段と、
排気圧センサの信号から前記エンジンの実排気圧及び排気圧変化率を算出する手段と、
前記実排気圧が所定の排気圧基準より大きく、かつ、前記排気圧変化率が所定の排気圧変化率基準より大きい場合、前記第１の目標値よりも低い第２の目標値を設定する手段と、
前記第２の目標値が設定されている場合、前記フィードバック制御の目標値を前記第１の目標値から前記第２の目標値に変更する手段と、
を備えることを特徴とするターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御装置。
【請求項２】
前記第２の目標値を設定する手段は、前記実過給圧と同じ値を前記第２の目標値として設定することを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用のターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御装置に関し、特に、アクチュエータによるタービン回転数の制御によって過給圧を能動的に制御可能なターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
可変ノズルを有する可変容量ターボ過給機付きディーゼルエンジンでは、可変ノズルの開度によるタービン回転数の制御によって過給圧を能動的に制御することができる。そして、このようなターボ過給機付きディーゼルエンジンでは、エンジン回転数と燃料噴射量とから目標過給圧を決定し、過給圧センサの信号から算出される実過給圧が目標過給圧になるようにフィードバック制御によって可変ノズルを操作することができる。【０００３】
ところで、ターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御においては、アクチュエータの操作量やエンジンの状態量に関してハード上の或いは制御上の様々な制約が存在している。それらの制約が満たされない場合、ハードの破損や制御性能の低下が生じるおそれがある。そして、それらの制約のうちの少なくとも一部は過給圧制御に関係することから、上記のフィードバック制御において用いられる目標過給圧は、それら制約とエンジンの応答性能とを同時に満たすことのできる値に設定される。【０００４】
ただし、エンジン回転数ごと及び燃料噴射量ごとに目標過給圧を定める適合作業は、エンジンの定常運転下で行われるのが一般的である。エンジン回転数が上昇しているときのような過渡運転下も含めると適合作業に要する工数が膨大になってしまう。また、全ての過渡運転条件を想定して漏れなく目標過給圧の適合を行うことには無理がある。このため、エンジンが過渡運転下にあるときは、過給圧制御に関連する一部の制約が満たされなくなるおそれがある。そのような制約の１つが、過渡運転時、より詳しくは加速時におけるハードの信頼性保障に関する制約である。エンジンの加速時には燃料噴射量の増量によって排気圧は上昇する。さらに、過給遅れによって目標過給圧と実過給圧との差が大きくなるため、タービン回転数を早急に上昇させて実過給圧を高めるようにフィードバック制御が働いて可変ノズルの開度が狭められる。その結果、燃料噴射量の増量による排気圧の上昇効果と可変ノズル開度の変更に伴う排気圧の上昇効果とが重なり、排気圧の急激な上昇が引き起こされる。排気圧が高くなりすぎると排気系のハードに破損が生じるおそれがある。【０００５】
なお、ハードの信頼性保障を目的とした発明を開示する文献としては、特開２０１０−１８５４１５号公報を挙げることができる。この公報には、オープンループ制御によって可変ノズルの開度を制御するものにおいて、加速時に生じうる過給圧のオーバーシュートを回避できるようにした過給圧制御の発明が開示されている。この公報に開示された発明によれば、定常運転時には、エンジン回転速度と燃料噴射量とに基づいて目標吸入空気量が算出され、目標吸入空気量に基づいて可変ノズルの目標開度が決められる。一方、加速時には、目標過給圧と実際の過給圧との偏差に基づいて目標吸入空気量偏差が算出され、目標吸入空気量偏差を吸入空気量に加算したものが過給機制御目標吸入空気量として算出される。そして、過給機制御目標吸入空気量に基づいて可変ノズルの目標開度が決められる。しかし、目標吸入空気量偏差のマップ値は適合によって定められるものであるから、適合作業に膨大な工数を要するという問題はこの公報に開示された発明も無関係ではない。また、適合作業時には想定していなかった過渡運転条件のもとでは、過給圧を適切に制御できずにオーバーシュートさせてしまう可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１８５４１５号公報
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、アクチュエータの操作により過給圧を能動的に制御可能なターボ過給機付きディーゼルエンジンにおいて、過渡運転時のハードの信頼性が保障されるような過給圧制御を行うことを課題とする。そして、この課題を達成するために、本発明に係るターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御装置は、以下の動作を行うように構成される。
【０００８】
本発明の１つの形態によれば、本制御装置は、過給圧センサの信号からエンジンの実過給圧を算出するとともに、エンジン回転数と燃料噴射量とに基づいて過給圧の第１の目標値を算出する。そして、実過給圧を第１の目標値に近づけるようにフィードバック制御によって過給圧制御用のアクチュエータを操作する。過給圧制御用のアクチュエータには可変容量ターボ過給機の可変ノズルやウエストゲートバルブが含まれる。本制御装置による上記の動作は、定常運転時か過渡運転時かに関係なく行われる動作である。つまり、エンジンの運転状態を積極的に判定し、エンジンの運転状態が定常運転か過渡運転かで目標値を切り替えることはしない。ただし、次に説明する第２の目標値が設定されている場合のみ、本制御装置は、フィードバック制御の目標値を第１の目標値から第２の目標値に変更する。
【０００９】
本制御装置は、実排気圧が所定の排気圧基準より大きく、かつ、排気圧変化率が所定の排気圧変化率基準より大きい場合、過給圧の第２の目標値を設定する。実排気圧及び排気圧変化率は排気圧センサの信号から算出される。排気圧基準はハードの信頼性を保障できる限界排気圧よりも低い値に設定されている。本制御装置によれば、第２の目標値は、第１の目標値よりも低い値、より好ましくは、過給圧センサの信号から算出される実過給圧と同じ値とされる。
【００１０】
本制御装置が以上のように動作することにより、過渡運転時の排気圧の急激な上昇を抑えてハードの信頼性を保障することができる。燃料噴射量の増量による排気圧の上昇効果にフィードバック制御による排気圧の上昇効果が重ならないようにすることができるからである。特に、実過給圧と同じ値を過給圧の第２の目標値とすれば、現在の過給圧がそのまま維持されることで排気圧の上昇を抑える効果はより顕著になる。また、通常はエンジン回転速度と燃料噴射量とから決まる第１の目標値を使用し、所定の条件が満たされた場合にのみ上記の第２の目標値に変更することによれば、過渡運転条件ごとに膨大な工数の適合作業を行わなくて済み、また、どのような過渡運転条件下でも排気圧の急激な上昇を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態としてのエンジンシステムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の制御装置により実行される過給圧制御のためのルーチンを示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態の制御装置により実行される定常目標値の算出のためのサブルーチンを示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態の制御装置により実行される過渡目標値の算出のためのサブルーチンを示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態の制御装置により実行されるフィードバック制御の目標値の決定のためのサブルーチンを示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態の制御装置による制御結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態としてのエンジンシステムの構成を示す図である。本実施の形態のエンジンは、ターボ過給機付きのディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）である。エンジンの本体２には４つの気筒が直列に備えられ、気筒ごとにインジェクタ８が設けられている。エンジン本体２には吸気マニホールド４と排気マニホールド６が取り付けられている。吸気マニホールド４にはエアクリーナ２０から取り込まれた新気が流れる吸気通路１０が接続されている。吸気通路１０にはターボ過給機のコンプレッサ１４が取り付けられている。吸気通路１０においてコンプレッサ１４の下流にはディーゼルスロットル２４が設けられている。吸気通路１０においてコンプレッサ１４とディーゼルスロットル２４との間にはインタークーラ２２が備えられている。排気マニホールド６にはエンジン本体２から出た排気ガスを大気中に放出するための排気通路１２が接続されている。排気通路１２にはターボ過給機のタービン１６が取り付けられている。本実施の形態のターボ過給機は可変容量型であって、タービン１６には可変ノズル１８が備えられている。排気通路１２においてタービン１６の下流には排気ガスを浄化するための触媒装置２６が設けられている。
【００１４】
本実施の形態のエンジンは、排気系から吸気系へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ装置を備えている。ＥＧＲ装置は、吸気通路１０におけるディーゼルスロットル２４の下流の位置と排気マニホールド６とをＥＧＲ通路３０によって接続している。ＥＧＲ通路３０にはＥＧＲ弁３２が設けられている。ＥＧＲ通路３０においてＥＧＲ弁３２の排気側にはＥＧＲクーラ３４が備えられている。ＥＧＲ通路３０にはＥＧＲクーラ３４をバイパスするバイパス通路３６が設けられている。ＥＧＲ通路３０とバイパス通路３６が合流する箇所には、排気ガスが流れる方向を切り替えるバイパス弁３８が設けられている。
【００１５】
本実施の形態のエンジンシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備える。ＥＣＵ５０は、エンジンシステム全体を総合制御する制御装置である。ＥＣＵ５０は、エンジンシステムが備えるセンサの信号を取り込み処理する。センサはエンジンシステムの各所に取り付けられている。例えば、吸気通路１０には、エアクリーナ２０の下流にエアフローメータ５８が取り付けられ、インタークーラ２２の出口付近には吸気温センサ６０が取り付けられ、ディーゼルスロットルの下流には過給圧センサ５４が取り付けられている。また、排気マニホールド６には排気圧センサ５６が取り付けられている。さらに、クランク軸の回転を検出する回転数センサ５２や、アクセルペダルの開度に応じた信号を出力するアクセル開度センサ６２なども取り付けられている。ＥＣＵ５０は、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムにしたがって各アクチュエータを操作する。ＥＣＵ５０によって操作されるアクチュエータには、可変ノズル１８、インジェクタ８、ＥＧＲ弁３２、ディーゼルスロットル２４などが含まれている。なお、ＥＣＵ５０に接続されるアクチュエータやセンサは図中に示す以外にも多数存在するが、本明細書においてはその説明は省略する。
【００１６】
ＥＣＵ５０により実行されるエンジン制御には過給圧制御とＥＧＲ制御とが含まれる。本実施の形態の過給圧制御では、過給圧センサ５４の信号から算出された実過給圧が目標過給圧になるようにフィードバック制御によって可変ノズル１８が操作される。ＥＧＲ制御では、各種センサの信号から算出された実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率になるようにフィードバック制御によってＥＧＲ弁３２が操作される。これらのエンジン制御のうち、本実施の形態において特に特徴的であるのが過給圧制御である。ただし、本発明の実施にあたっては、過給圧制御におけるフィードバック制御の具体的な方法に関する限定はない。本実施の形態では、過給圧制御とＥＧＲ制御の両方において、実際値と目標値との差分に基づくＰＩＤ制御が行われているものとする。本実施の形態で実行される過給圧制御は、目標過給圧の決定方法に特徴を有している。以下、これについてフローチャートを用いて説明する。
【００１７】
図２のフローチャートは、本実施の形態でＥＣＵ５０により実行される過給圧制御のためのルーチンを示している。このルーチンではＥＧＲ制御も併せて行われる。過給圧制御のルーチンは、定常目標値を算出するステップＳ１と、過渡目標値を算出するステップＳ２と、最終的にフィードバック制御で用いる目標値（ＦＢ制御目標値）を決定するステップＳ３とから構成される。各ステップでは、それぞれ図３、図４及び図５のフローチャートに示すサブルーチンが実行される。
【００１８】
図３のフローチャートは、過給圧制御ルーチンのステップＳ１で実行されるサブルーチンを示している。このサブルーチンでは、過給圧とＥＧＲ率のそれぞれについて定常目標値が算出される。定常目標値とは、エンジンの定常運転下で適合されたデータを用いて決定される目標値を意味する。
【００１９】
このサブルーチンのステップＳ１０１では、回転数センサ５２の信号からエンジン回転数が計測される。ステップＳ１０２では、アクセル開度センサ６２の信号から得られたアクセル開度に応じて燃料噴射量が算出される。ステップＳ１０３では、過給圧センサ５４の信号から実過給圧が算出される。なお、以降の説明では、実過給圧を“pim”と表記する場合がある。ステップＳ１０４では、エアフローメータ５８の信号から実新気量が算出される。実新気量とは実際に気筒内に吸入される新気の量である。ステップＳ１０５では、過給圧センサ５４及び吸気温センサ６０の各信号並びに実新気量から実ＥＧＲ率が算出される。以上のステップの処理は、定常目標値の算出に必要なデータを得るための処理である。したがって、各ステップの順番は適宜変更することもできる。
【００２０】
定常目標値の算出はステップＳ１０６及びステップＳ１０７で行われる。ステップＳ１０６では、エンジン回転数と燃料噴射量とを引数とするマップより目標の過給圧が算出される。このステップで算出される目標過給圧は、エンジンの定常運転下で適合された目標値、すなわち、過給圧の定常目標値である。また、本発明における過給圧の第１の目標値でもある。定常目標値の算出に用いるマップは、エンジン回転数と燃料噴射量とをそれぞれ一定ずつ変化させながら定常運転下で試験して得られた適合データに基づき作成されている。なお、以降の説明では、過給圧の定常目標値を“pimtrgst”と表記する場合がある。ステップＳ１０７では、新気量に基づいて目標のＥＧＲ率が算出される。新気量と目標ＥＧＲ率との関係は、ＥＧＲ率がスモークを発生させない限界を超えない範囲内で、気筒内に吸入される空気の酸素濃度が狙いの値になるように決定されている。このステップで算出される目標ＥＧＲ率は、エンジンの定常運転下で適合された目標値、すなわち、ＥＧＲ率の定常目標値である。なお、狙いの吸入空気酸素濃度を実現する値とスモーク限界となる値との双方が算出され、どちらか小さい値がこの目標ＥＧＲ率として設定されるようになっていてもよい。
【００２１】
図４のフローチャートは、過給圧制御ルーチンのステップＳ２で実行されるサブルーチンを示している。このサブルーチンでは過給圧の過渡目標値が算出される。過渡目標値とは、エンジンの過渡運転時に満たされる可能性のある所定の条件に関し、その条件が満たされた場合にのみ設定される目標値である。また、本発明における過給圧の第２の目標値でもある。過給圧制御ルーチンのステップＳ１で算出される過給圧の定常目標値は、エンジンが定常運転下にある場合を前提にしている。このため、加速時や減速時のような過渡運転時には、過給圧制御に関連する何らかの制約が満たされなくなる場合がある。本実施の形態の過給圧制御において特に問題としているのは、ハードの信頼性保障に関する制約である。より詳しくは、排気圧が過大になりすぎることで生じる排気系の破損を防止するための制約である。このサブルーチンでは、ハードの信頼性保障に関する制約が満たされなくなることを所定の条件が満たされているかどうかで予測する。そして、制約が満たされなくなることが予測される場合にのみ、その制約を確実に満たすことができる過給圧の目標値を過渡目標値として算出する。
【００２２】
このサブルーチンのステップＳ２０１では、排気圧及び排気圧変化率に関する条件が満たされたかどうか判定される。その条件とは、排気圧センサ５６によって計測された実排気圧“P4”が所定の排気圧基準“P4C”より大きく、且つ、実排気圧の変化率“dP4”が所定の排気圧変化率基準“dP4C”より大きいことである。排気圧基準“P4C”は、排気系のハードの信頼性を保障できる設計上の限界よりも低い値に設定されている。排気圧変化率基準“dP4C”は、排気圧基準“P4C”の信頼性保障限界に対する余裕と過給圧制御の応答速度とに基づいて決められる。排気圧基準“P4C”の信頼性保障限界に対する余裕が大きければ、排気圧変化率基準“dP4C”の値は大きくすることができる。しかし、排気圧基準“P4C”を信頼性保障限界に近い値に設定するほど、排気圧変化率基準“dP4C”はより小さい値にする必要がある。ステップＳ２０１の条件が満たされた場合には、近い将来、排気圧が信頼性保障限界を超えてしまうことが予測される。そこで、ステップＳ２０１の条件が満たされた場合はステップＳ２０２の処理が行われる。ステップＳ２０２では、現在の過給圧をそのまま維持するように、過給圧センサ５４の信号から算出された実過給圧の値“pim”が過給圧の過渡目標値“pimtrgk1”として設定される。また、過渡目標値が設定されたことを示すフラグｋ１の値が１にセットされる。
【００２３】
図５のフローチャートは、過給圧制御ルーチンのステップＳ３で実行されるサブルーチンを示している。このサブルーチンの最初のステップＳ３０１では、フラグｋ１の値が“１”にセットされているかどうか判定される。フラグｋ１の値が“１”であることは過給圧の過渡目標値が設定されていることを意味し、フラグｋ１の値が“０”であることは過渡目標値が設定されていないことを意味する。よって、フラグｋ１の値が“０”であるならば、ステップＳ３０３の処理が選択され、ステップＳ１で算出された過給圧の定常目標値“pimtrgst”がそのままＦＢ制御目標値“pimtrg”として決定される。しかし、フラグｋ１の値が“１”であるならば、ステップＳ３０２の処理が選択され、ステップＳ２で算出された過給圧の過渡目標値“pimtrgk1”がＦＢ制御目標値“pimtrg”として決定される。つまり、定常目標値から過渡目標値へ一時的なＦＢ制御目標値の変更が行われる。
【００２４】
以上説明した過給圧制御ルーチンがＥＣＵ５０により実行されることで、過渡運転時の排気圧の急激な上昇は抑えられて排気系のハードの信頼性は保障される。この効果は図６を用いて説明することができる。図６には加速時の過給圧制御に関して２つの制御結果が示されている。制御結果（Ａ）は、常に定常目標値のみを用いて過給圧制御を行った結果、つまり、過渡目標値の設定を行わなかった場合の制御結果である。一方、制御結果（Ｂ）は、本実施の形態の過給圧制御によって過渡目標値が設定された場合の制御結果である。各制御結果の上段には、排気圧“P4”の時間による変化を示すチャートが描かれている。中段には、排気圧変化率“dP4”の時間による変化を示すチャートが描かれている。そして、下段には、過給圧のＦＢ制御目標値“pimtrg”と実過給圧“pim”の時間による変化を示すチャートが描かれている。
【００２５】
まず、制御結果（Ａ）から見ると、排気圧“P4”が急激に上昇し、一時的ではあるが排気圧の信頼性保持限界を超えてしまっている。これは、燃料噴射量の増量による排気圧の上昇効果と、過給圧のフィードバック制御による排気圧の上昇効果とが重なってしまったことによる。加速時には運転者によりアクセルペダルが踏み込まれることで燃料噴射量が増量され、燃焼エネルギーの増大によって排気圧は上昇する。また、加速時には燃料噴射量の増量に応じて過給圧の定常目標値も大きくされるが、ターボ過給機は過給遅れを伴うため、ＦＢ制御目標値“pimtrg”と実過給圧“pim”との差は一時的に拡大する。このため、タービン回転数を早急に上昇させて実過給圧“pim”を高めるようにフィードバック制御が働き、可変ノズル１８の開度が狭められる。その結果、排気圧がさらに上昇することになる。
【００２６】
これに対して制御結果（Ｂ）では、実排気圧“P4”が排気圧基準“P4C”より大きく、且つ、実排気圧変化率“dP4”が排気圧変化率基準“dP4C”より大きくなっている間、ＦＢ制御目標値“pimtrg”は実過給圧“pim”と同じ値に変更される。これにより、可変ノズル１８は現状の過給圧を維持するように操作されることになって、過給圧のフィードバック制御による排気圧の上昇は抑えられる。その結果、過給圧のフィードバック制御による排気圧の上昇効果が燃料噴射量の増量による排気圧の上昇効果に重なることは回避され、実排気圧“P4”の最大値は信頼性保持限界よりも低く抑えられる。その後、実排気圧“P4”が排気圧基準“P4C”より小さくなるか、或いは、図に示すように実排気圧変化率“dP4”が排気圧変化率基準“dP4C”より小さくなった場合、ＦＢ制御目標値“pimtrg”は、エンジン回転数と燃料噴射量から定まる定常目標値へ再び変更される。この時点では、燃料噴射量の増量による排気圧の上昇効果のピークは過ぎているので、過給圧のフィードバック制御による排気圧の上昇効果が現れたとしても、実排気圧“P4”が再び大きく上昇することはない。これにより、排気圧が上昇する加速時であっても排気系のハードの信頼性は保障される。
【００２７】
ところで、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、第２の目標値である過渡目標値は、第１の目標値である定常目標値よりも低い値であればよい。ステップＳ２０１の条件が満たされた場合、フィードバック制御の目標値を単に低くするだけでも、一定の効果は得ることができる。ただし、より好ましいのは、上述の実施の形態のように、現状の過給状態を維持すべく実過給圧と同じ値に第２の目標値を設定することである。
【００２８】
また、過給圧制御用アクチュエータとしては、可変ノズルの他にもウエストゲートバルブを用いることができる。ただし、その場合のウエストゲートバルブは、開度を連続的に或いは多段階に変化させることができるものが望ましい。
【符号の説明】
【００２９】
２  エンジン本体
４  吸気マニホールド
６  排気マニホールド
８  インジェクタ
１０  吸気通路
１２  排気通路
１４  コンプレッサ
１６  タービン
１８  可変ノズル
３０  ＥＧＲ通路
３２  ＥＧＲ弁
５０  ＥＣＵ
５２  回転数センサ
５４  過給圧センサ
５６  排気圧センサ
５８  エアフローメータ
６０  吸気温センサ
６２  アクセル開度センサ
【図１】
2013061395.tif 000003
【図２】
2013061395.tif 000004
【図３】
2013061395.tif 000005
【図４】
2013061395.tif 000006
【図５】
2013061395.tif 000007
【図６】
2013061395.tif 000008
【国際調査報告】
2013061395.tif 000009
2013061395.tif 000010