内燃機関システムの制御装置
【課題】 パルス過給と協調させて可変容量型ターボチャージャを制御することでより高い慣性過給効果を得ることが可能な、さらには慣性過給効果で旋回気流の強度を適度に向上させることが可能な内燃機関システムの制御装置を提供する。
【解決手段】 内燃機関５０と、内燃機関５０に連通する吸気通路を連通、遮蔽してパルス過給を行うパルスチャージ弁１７と、内燃機関５０に対して排気エネルギーを利用して過給を行う可変容量型ターボチャージャである過給機３０とを有して構成される内燃機関システム１００で、過給機３０を過給機３０のタービン容量を変更するように制御するＥＣＵ１Ａであって、パルスチャージ弁１７がパルス過給を行うように制御される運転状態に応じて、過給機３０のタービン容量を小さく変更するパルス過給協調制御手段を備える。
【解決手段】 内燃機関５０と、内燃機関５０に連通する吸気通路を連通、遮蔽してパルス過給を行うパルスチャージ弁１７と、内燃機関５０に対して排気エネルギーを利用して過給を行う可変容量型ターボチャージャである過給機３０とを有して構成される内燃機関システム１００で、過給機３０を過給機３０のタービン容量を変更するように制御するＥＣＵ１Ａであって、パルスチャージ弁１７がパルス過給を行うように制御される運転状態に応じて、過給機３０のタービン容量を小さく変更するパルス過給協調制御手段を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関システムの制御装置に関し、特にパルス過給手段と可変容量型ターボチャージャとを備えた内燃機関システムの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
吸気弁よりも上流側の吸気通路に該吸気通路を連通、遮蔽してパルス過給を行うパルス過給手段を備えた内燃機関が知られている。吸気工程で吸気を行う際にこのパルス過給手段が吸気通路を全閉に遮蔽していると、吸気弁が開弁した後も燃焼室の負圧は増大する。さらに負圧が増大した状態でパルス過給手段が吸気通路を全開に連通すると、燃焼室に流入する吸気の流速（以下、単にパルス過給時の吸気流速とも称す）が高められる。そしてこのとき吸気は一気に燃焼室に流入するため、一種の慣性過給効果が得られる。パルス過給はこのように吸気通路を連通、遮蔽することで行われ、例えば排気駆動式過給機による過給と比較して応答性が優れているという特徴を有している。このパルス過給に関し、例えば特許文献１ではパルス過給手段の構成例が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２４８９４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、パルス過給は吸気の充填量を向上させることに利用できるが、筒内に旋回気流が生成される内燃機関にあっては、旋回気流の強度を向上させることにも利用できる。例えば混合気のミキシング性を向上させるべく旋回気流を生成している場合には、旋回気流の強度を適度に向上させることで燃焼状態の改善を図ることができる。ところが、筒内に旋回気流が生成される内燃機関では不用意にパルス過給を行うと旋回気流の生成が阻害されることなどから、却って燃焼状態を悪化させてしまう場合がある。これに対して、例えば適度な強度の旋回気流が生成されるようにパルス過給を行うタイミングを適宜変更することで、パルス過給を利用して燃焼状態の改善を図ることができる。しかしながら、パルス過給で得られる慣性過給効果は、そのときの内燃機関の運転状態に適した強度の旋回気流を生成するに十分足るものとならない場合があり、結果的に燃焼状態に改善の余地が残されるものとなっていた。
【０００５】
そこで、本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、パルス過給と協調させて可変容量型ターボチャージャを制御することでより高い慣性過給効果を得ることが可能な、さらには慣性過給効果で旋回気流の強度を適度に向上させることが可能な内燃機関システムの制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、内燃機関と、該内燃機関に連通する吸気通路を連通、遮蔽してパルス過給を行うパルス過給手段と、前記内燃機関に対して排気エネルギーを利用して過給を行う可変容量型ターボチャージャとを有して構成される内燃機関システムで、前記可変容量型ターボチャージャを該可変容量型ターボチャージャのタービン容量を変更するように制御する内燃機関システムの制御装置であって、前記パルス過給手段がパルス過給を行うように制御される運転状態に応じて、前記可変容量型過給機のタービン容量を小さく変更するパルス過給協調制御手段を備えることを特徴とする。ここで、パルス過給時の吸気流速は、パルス過給手段の上流側の圧力（以下、単に上流圧とも称す）と下流側の圧力（以下、単に下流圧とも称す）との圧力比（式：上流圧／下流圧）に比例する。これに対して本発明によれば、排気エネルギーが小さい領域でタービン容量を小さく変更することで過給圧、すなわちパルス過給手段の上流圧を高めることができる。したがって本発明によれば上述の圧力比を大きくすることができ、その結果、パルス過給時の吸気流速を高めることができることから、より大きな慣性過給効果を得ることが可能である。
【０００７】
また本発明は、前記運転状態が、さらに部分負荷運転領域で前記内燃機関が運転される状態であってもよい。ここで、パルス過給が行われる運転状態としては種々の運転状態が考えられるが、筒内に旋回気流が生成される内燃機関にあっては、部分負荷運転領域で必要とする旋回気流の強度が得られるか否かが、旋回気流を利用した燃焼を好適に実現するにあたって重要になる。すなわち、旋回気流の強度が不足するといった場合には、燃焼状態に改善の余地が残されることとなる。本発明は係る点に鑑みたものであり、排気エネルギーが小さい部分負荷運転領域でより大きな慣性過給効果を得られる本発明によれば、特に旋回気流を利用した燃焼を好適に実現できるようになる。なお、部分負荷運転領域とは例えばガソリンエンジンにおいては、スロットル弁の開度をそれ以上開いても吸気流量の増大を図ることができなくなる運転領域（全負荷運転領域）以外の運転領域である。
【０００８】
また本発明は、前記パルス過給手段が前記吸気通路を遮蔽しているときの該パルス過給手段の上流側の圧力と、目標過給圧との差が所定値よりも小さくなるまで、前記パルス過給協調制御手段が前記可変容量型過給機のタービン容量を次第に小さく変更してもよい。本発明によれば、目標過給圧を例えばパルス過給時の吸気流速を適度に増大させることができるように予め設定しておくことで、すなわち旋回気流の強度を適度に向上させることができるように予め設定しておくことで、旋回気流を利用した燃焼を好適に実現できる。
【０００９】
また本発明は、さらに前記内燃機関の燃料噴射時期を遅角させる燃料噴射時期遅角手段を備えるとともに、該燃料噴射時期遅角手段が、前記パルス過給手段が前記吸気通路を遮蔽しているときの該パルス過給手段の上流側の圧力と、目標過給圧との差が所定値よりも小さくなるまで、前記内燃機関の燃料噴射時期を次第に遅角させてもよい。本発明によれば、燃料噴射時期を遅角させることで、排気ガスの温度を上昇させるとともに排気エネルギーを増大させることができることから、同一のタービン容量でさらに過給圧を高めることが可能である。すなわち本発明によれば、タービン容量の小容量化だけでは過給圧を十分に高めることができない場合などにもさらに過給圧を高めることができることから、或いはタービン容量の小容量化と相乗的に過給圧を高めることができることから、より好適にパルス過給時の吸気流速を適度に増大させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、パルス過給と協調させて可変容量型ターボチャージャを制御することでより高い慣性過給効果を得ることが可能な、さらには慣性過給効果で旋回気流の強度を適度に向上させることが可能な内燃機関システムの制御装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１Ａで実現されている本実施例に係る内燃機関システムの制御装置を、内燃機関システム１００とともに模式的に示す図である。内燃機関システム１００は吸気系１０と、排気系２０と、過給機３０と、内燃機関５０とを有して構成されている。吸気系１０は、エアクリーナ１１と、エアフロメータ１２と、インタークーラ１３と、電動スロットル１４と、サージタンク１５と、インテークマニホールド１６と、パルスチャージ弁１７と、内燃機関５０の各気筒（図示省略）に連通する吸気ポート５２ａを含む図示しない吸気ポートと、これらの構成の間に適宜配設される吸気管などを有して構成されている。エアクリーナ１１は内燃機関５０の各気筒に供給される吸気を濾過するための構成であり、図示しないエアダクトを介して大気に連通している。エアフロメータ１２は吸気流量を計測するための構成であり吸気流量に応じた信号を出力する。インタークーラ１３は、過給機３０によって圧縮された吸気を冷却するための構成である。
【００１３】
電動スロットル１４は、ＥＣＵ１Ａの制御のもと、内燃機関５０に供給する全吸気流量を調整するための構成であり、図示しないスロットル弁及び電動モータやスロットル開度センサ１８などを有して構成されている。但し、これに限られず、例えば電動スロットル１４の代わりにワイヤなどを介してアクセルペダル（図示省略）と連動し、スロットル弁の開度が変更されるような機械式スロットル機構を適用してもよい。サージタンク１５は吸気を一時的に貯蔵するための構成であり、インテークマニホールド１６はサージタンク１５から吸気を内燃機関５０の各気筒に分配するための構成である。なお、インテークマニホールド１６は各気筒に連通する吸気ポート毎に吸気を分配するように構成されていてもよい。
【００１４】
パルスチャージ弁１７夫々は、インテークマニホールド１６の各気筒に対応する吸気通路各々に弁軸を介して回動自在に配設されている。但し、これに限られず、例えばインテークマニホールド１６が吸気ポート毎に吸気を分配するように構成されている場合には、パルスチャージ弁１７夫々を各吸気ポートに対応する吸気通路毎に配設してもよい。パルスチャージ弁１７夫々は吸気通路を連通、遮蔽してパルス過給を行うための構成である。パルスチャージ弁１７夫々の弁軸は互いに独立しており、これら弁軸にはパルスチャージ弁１７用のアクチュエータ１７ａ各々が個別に連結されている。このアクチュエータ１７ａは、ＥＣＵ１Ａの制御のもとパルスチャージ弁１７を駆動し、これにより、パルスチャージ弁１７はパルス過給を行うように制御される。本実施例ではこのアクチュエータ１７ａにステップモータを採用しているが、これに限られず、他の適宜のアクチュエータをアクチュエータ１７ａとして適用してよい。サージタンク１５には、パルスチャージ弁１７夫々の上流圧Ｐ０を検知するための圧力センサ１９が配設されている。なお、パルスチャージ弁１７の代わりに吸気通路を連通、遮蔽することでパルス過給を行うことが可能な他の適宜の構成を適用してもよい。本実施例ではパルスチャージ弁１７でパルス過給手段を実現している。
【００１５】
排気系２０は、内燃機関５０の各気筒に連通する排気ポート５２ｂを含む各排気ポート（図示省略）と、エキゾーストマニホールド２１と、三元触媒２２と、図示しない消音器と、これらの構成の間に適宜配設される排気管などを有して構成されている。エキゾーストマニホールド２１は、各気筒からの排気を合流させるための構成であり、各気筒に対応させて分岐した排気通路を下流側で一つの排気通路に集合させている。三元触媒２２は排気を浄化するための構成であり、炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯの酸化と、窒素酸化物ＮＯｘの還元を行う。
【００１６】
過給機３０は可変容量型ターボチャージャであり、コンプレッサロータ３１と、タービンロータ３２と、ＶＮ（Variable Nozzle）３３と、ＶＮアクチュエータ３４とを有して構成されている。過給機３０は、コンプレッサロータ３１を収納するコンプレッサ部が吸気系１０に、タービンロータ３２を収納するタービン部が排気系２０に、夫々介在するようにして配設されている。コンプレッサロータ３１とタービンロータ３２とは回転軸３５で連結されており、タービンロータ３２が排気によって駆動されると、回転軸３５を介してコンプレッサロータ３１が駆動し吸気を圧縮する。過給機３０はタービン部にＶＮ３３を備えている。ＶＮ３３はタービン容量を変更するための構成である。ＶＮアクチュエータ３４はＥＣＵ１Ａの制御のもと、ＶＮ３３を駆動するための構成である。本実施例ではＶＮアクチュエータ３４をステップモータで実現しているが、これに限られず、ＶＮアクチュエータ３４は他の適宜のアクチュエータで実現されてよい。
【００１７】
図２は過給機３０のタービン部の詳細を模式的に示す図である。ＶＮ３３は、具体的にはタービン部のスクロール入口に設けられている。ＥＣＵ１Ａの制御のもと、ＶＮアクチュエータ３４がＶＮ３３を駆動すると、ＶＮ３３のノズル開度が変更される。これにより過給機３０はタービン容量を変更するように制御される。例えばＶＮ３３がスクロール入口の流路を絞るように制御されているときには、タービンロータ３２に導くことができる排気の風量がより小さく制限されるようになる。すなわちタービン容量が小さくなる。その一方で、スクロール入口の流路を絞るとタービンロータ３２に導く排気の流速を高めることができることから、回転数ＮＥが低い領域でも所定の過給圧を得ることができるようになる。また、可変容量型ターボチャージャではＶＮ３３で流路を開放することで、タービン容量を大きくすることができる。このため、排気量が大きい高回転数領域ではＶＮ３３でスクロール入口の流路を全開にすることでより大きな過給圧を得ることができるようになっている。なお、過給機３０は図２に示すような可変容量型ターボチャージャに限られず、例えばタービンロータ３２の外周周りに複数の可変ノズルを備えた可変容量型ターボチャージャであってもよい。係る可変容量型ターボチャージャでは、一般にタービンロータ３２に排気を導くための流路が隣り合う可変ノズル間夫々に形成されており、これら流路夫々の面積を可変ノズルで同時に変更することでタービン容量が変更されるようになっている。また、可変容量型ターボチャージャはその他の適宜の構造を備えた可変容量型ターボチャージャであってよい。
【００１８】
内燃機関５０は、シリンダブロック５１と、シリンダヘッド５２と、ピストン５３と、吸気弁５４と、排気弁５５と、点火プラグ５６と、燃料噴射弁５７と、コネクティングロッド５８と、クランクシャフト５９とを有して構成されている。本実施例に示す内燃機関５０は直列４気筒の過給式直噴ガソリンエンジンである。但し、これに限られず、内燃機関５０は他の適宜の気筒配列構造及び気筒数を有していてもよい。また、内燃機関５０は本発明を実施可能な内燃機関であれば特に限定されず、他の適宜の内燃機関であってよい。なお、筒内に旋回気流が生成される内燃機関としては、直噴ガソリンエンジンのほか、リーンバーンエンジンやディーゼルエンジンなどが一般によく知られている。また、図１では内燃機関５０に関し、各気筒の代表としてシリンダ５１ａについて要部を示しているが他の気筒についても同様の構造となっている。
【００１９】
シリンダブロック５１には、略円筒状のシリンダ５１ａが形成されている。シリンダ５１ａ内には、ピストン５３が収容されている。ピストン５３頂面には旋回気流を案内するための図示しないキャビティが形成されている。シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室６０は、シリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びシリンダ５３に囲まれた空間として形成されている。シリンダヘッド５２には、燃焼室６０に吸気を導くための吸気ポート５２ａのほか、燃焼したガスを燃焼室６０から排気するための排気ポート５２ｂが形成され、これら吸排気ポート５２ａ及び５２ｂの流路を開閉するための吸気弁５４及び排気弁５５が配設されている。なお、内燃機関５０は吸排気弁５４、５５ともに１気筒あたり２弁構造となっているが、これに限られず適宜の吸排気弁構造であってよい。また図示省略してある動弁機構については適宜のものが適用されてよい。
【００２０】
吸気ポート５２ａはヘリカルポートとなっており、ヘリカルポートを流通した吸気は燃焼室６０内でスワール流に生成される。なお、吸気ポート５２ａをヘリカルポートに形成する代わりに例えばタンジェンシャルポートに形成してもよく、燃焼室６０内に旋回気流を生成するための適宜の旋回気流生成手段を備えてもよい。旋回気流生成手段としては、具体的には例えば吸気ポート５２ａ内で吸気を偏流させて燃焼室６０内に旋回気流を生成する気流制御弁などが一般によく知られているが、これに限られず他の適宜の手段であってよい。また、燃焼室６０内で生成される旋回気流はスワール流に限られず、例えばタンブル流やタンブル流とスワール流とを複合させた斜めタンブル流など適宜の旋回気流であってよい。
【００２１】
点火プラグ５６は、燃焼室６０の上方略中央に電極を突出させた状態でシリンダヘッド５２に配設されている。燃料噴射弁５７は、燃焼室６０の上方吸気ポート５２ａ側から燃焼室６０内に噴射孔を突出させた状態でシリンダヘッド５２に配設されている。燃料噴射弁５７は燃料を噴射するための構成であり、ＥＣＵ１Ａの制御のもと、適宜の燃料噴射時期に開弁されて燃料を噴射する。また、燃料噴射量はＥＣＵ１Ａの制御のもと燃料噴射弁５７が閉弁されるまでの間の開弁時間の長さで調節される。燃料噴射ポンプ６１は燃料の噴射圧を調節するための構成であり、ＥＣＵ１Ａの制御のもと噴射圧を適宜の噴射圧に調節する。ピストン５３は、コネクティングロッド５８を介してクランクシャフト５９に連結されており、ピストン５３の往復運動はクランクシャフト５９で回転運動に変換される。また内燃機関５０には、回転数ＮＥに比例した出力パルスを発生するクランク角センサ６２など、各種のセンサが配設されている。
【００２２】
ＥＣＵ１Ａは、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、入出力回路などを有して構成されている。ＥＣＵ１Ａは主として内燃機関５０を制御するための構成であり、本実施例では燃料噴射弁５７や燃料噴射ポンプ６１のほか、アクチュエータ１７ａやＶＮアクチュエータ３４なども制御している。ＥＣＵ１Ａにはこれら燃料噴射弁５７、燃料噴射ポンプ６１、アクチュエータ１７ａ及びＶＮアクチュエータ３４のほか、各種の制御対象が駆動回路（図示省略）を介して接続されている。また、内燃機関５０や車両の運転状態を検出するために、ＥＣＵ１Ａにはスロットル開度センサ１８や、圧力センサ１９や、クランク角センサ６２や図示しない車速センサなどの各種のセンサが接続されている。
【００２３】
ＲＯＭはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムを格納するための構成であり、本実施例では燃料噴射弁５７の燃料噴射時期を制御するための燃料噴射時期制御用プログラムなどで構成された内燃機関５０制御用のプログラムのほか、パルス過給を行うためのパルスチャージ弁１７制御用プログラムや、パルス過給に協調させて過給機３０、より具体的にはＶＮアクチュエータ３４を制御するためのパルス過給協調制御用プログラムなども格納している。但し、これらのプログラムは一体として組み合わされていてもよい。本実施例ではパルスチャージ弁１７制御用プログラムは、所定の運転状態でパルスチャージ弁１７夫々を制御してパルス過給を行うためのプログラムとなっている。このため本実施例では、内燃機関５０の運転状態（本実施例では回転数ＮＥと負荷）に応じて定義されたパルス過給用のマップデータをＲＯＭに格納しており、パルスチャージ弁１７制御用プログラムは、このマップデータを参照してパルス過給を行うか否かを判定するように作成されている。
【００２４】
パルス過給を行う場合には、さらにこのプログラムに基づき、パルスチャージ弁１７はまず吸気弁５４が閉弁しているときに、吸気通路を全閉に遮蔽するように制御される。これにより吸気弁５４が開弁した後、ピストン５３の下降とともに下流圧Ｐ１が小さくなる。続いてパルスチャージ弁１７は、吸気弁５４が開かれる途中の適宜のタイミングで吸気通路を連通するように高速で全開に制御され、さらに適宜のタイミングで吸気通路を遮蔽するように高速で全閉に制御される。
【００２５】
また、これら開閉タイミングはパルスチャージ弁１７制御用プログラムにより、内燃機関５０の運転状態に応じて実際に生成されるスワール流の強度（以下、単に実スワール比とも称す）と、同じく内燃機関５０の運転状態に応じて形成されるべきスワール流の強度（以下、単に要求スワール比とも称す）とが等しくなるような開閉タイミングに変更される。このため、本実施例では内燃機関５０の運転状態（本実施例では回転数ＮＥと負荷）に応じて定義された要求スワール比と実スワール比のマップデータを夫々ＲＯＭに格納している。また本実施例ではさらに吸気弁５４のバルブリフト量に応じて変化するスワール比のマップデータもＲＯＭに格納している。これらのマップデータ及びパルスチャージ弁１７制御用プログラムに基づき、パルスチャージ弁１７は要求スワール比が得られるような最適の開閉タイミングで制御される。なお、パルスチャージ弁１７はパルス過給が行われる運転状態においては、パルス過給時以外には吸気通路を遮蔽するように全閉に制御される。一方、パルスチャージ弁１７はパルス過給が行われない運転状態においては、基本的に吸気通路を連通するように全開に制御される。
【００２６】
図３は、パルス過給を行ったときの下流圧Ｐ１の変化の一例を模式的に示す図である。図３では縦軸が下流圧Ｐ１、横軸がクランク角度を夫々示しており、さらに理解を容易にすべく横軸のクランク角度に対応させた吸気弁５４のバルブリフト量も同時に示している。ピストン５３はクランク角度が０度のときに上死点に位置しており、その後クランク角度が大きくなるにつれて次第に下降し、クランク角度が１８０度のときに下死点に到達する。この間、吸気弁５４は図示のようなバルブリフト量で駆動される。下流圧Ｐ１は吸気弁５４が開かれるとともに低下し、さらにピストン５３の下降に伴って次第に低下する。これにより上流圧Ｐ０と下流圧Ｐ１との圧力比（式Ｐ０／Ｐ１）が次第に大きくなる。さらに図示のタイミングでパルスチャージ弁１７が全開に制御されると、燃焼室６０内に吸気が一気に流入する。これにより慣性過給効果が得られるとともに下流圧Ｐ１は急激に上昇する。さらに図示のタイミングでパルスチャージ弁１７が全閉に制御されると、燃焼室６０内の圧力は慣性過給効果が保たれた分向上する。
【００２７】
なお、パルス過給時の吸気流速Ｖと圧力比（式Ｐ０／Ｐ１）との比例関係は、比例式（式Ｖ∝√［（Ｐ０／Ｐ１）＾｛（ｋ−１）／ｋ｝−１］。ｋは比熱比）によって示される。この比例式によれば、吸気流速Ｖは圧力比（式Ｐ０／Ｐ１）が大きくなるほど増大することがわかる。また、圧力比（式Ｐ０／Ｐ１）は下流圧Ｐ１が低下するほど、或いは上流圧Ｐ０が上昇するほど大きくなることから、上流圧Ｐ０を高めることで吸気流速Ｖの増大を図れることがわかる。また、吸気流速Ｖが増大すればそれだけ大きなスワール比を得ることができる。
【００２８】
パルス過給協調制御用プログラムは、パルスチャージ弁１７、より具体的にはアクチュエータ１７ａがパルス過給を行うように制御される運転状態に応じて、過給機３０のタービン容量を小さく変更するためのプログラムとなっている。パルス過給が行われる運転状態であることは前述のパルス過給用のマップデータを参照することで確認され、パルス過給協調制御用プログラムは、このマップデータを参照してパルス過給が行われる運転状態であるか否かを判定するように作成されている。またパルス過給協調制御用プログラムは、さらに部分負荷運転領域において過給機３０のタービン容量を小さく変更するためのプログラムとなっている。部分負荷運転領域であることは内燃機関５０の運転状態（本実施例では回転数ＮＥと負荷）に応じて定義された運転領域のマップデータを参照することで確認され、パルス過給協調制御用プログラムは、このマップデータを参照して部分負荷運転領域であるか否かを判定するように作成されている。本実施例ではこの運転領域のマップデータもＲＯＭに格納されている。
【００２９】
さらにパルス過給協調用プログラムは、過給機３０のタービン容量を小さく変更するにあたって、パルスチャージ弁１７が吸気通路を遮蔽して貯圧を行っているときの上流圧Ｐ０と、内燃機関５０の運転状態に応じて予め設定した目標過給圧Ｐｍとの差が所定値Ｐlimitよりも小さくなるまで、過給機３０のタービン容量を次第に小さく変更するためのプログラムとなっている。
【００３０】
目標過給圧Ｐｍは、具体的には本実施例では回転数ＮＥと負荷に応じたマップデータで定義されており、この目標過給圧ＰｍのマップデータもＲＯＭに格納されている。また本実施例では、目標過給圧Ｐｍはパルス過給を行うタイミングの最適化が図られた状態で適度な旋回気流の強度、すなわち要求スワール比が得られるように設定されている。但し、これに限られず、適宜設定されたパルスチャージ弁１７の開閉タイミングで、要求スワール比が得られるように目標過給圧Ｐｍを設定してもよい。また、目標過給圧Ｐｍをある程度の大きさに適宜設定した上で、この目標過給圧Ｐｍを基準としてパルスチャージ弁１７の開閉タイミングを変更することで、最終的に要求スワール比が得られるようにプログラムを構成することも可能である。本実施例ではＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭ（以下、単にＣＰＵ等と称す）と内燃機関５０制御用のプログラムとで、各種の検出手段や判定手段や制御手段などが実現されており、特にＣＰＵ等とパルス過給協調制御用プログラムとでパルス過給協調制御手段が実現されている。
【００３１】
次に、部分負荷運転領域でパルス過給が行われる運転状態において、要求スワール比が得られるように過給機３０を制御すべく、ＥＣＵ１Ａで行われる処理を図４に示すフローチャートを用いて詳述する。ＥＣＵ１Ａは、ＲＯＭに格納された上述のパルス過給協調制御用プログラム等に基づき、ＣＰＵがフローチャートに示す処理を極短い時間で繰り返し実行することで、過給機３０を制御する。ＣＰＵはクランク角センサ６２の出力信号に基づき回転数ＮＥを検出する処理を実行するとともに、スロットル開度センサ１８の出力信号に基づき負荷を検出する処理を実行する（ステップ１１）。続いてＣＰＵは圧力センサ１９からの出力信号に基づき上流圧Ｐ０を検出する処理を実行する（ステップ１２）。
【００３２】
続いてＣＰＵは目標過給圧Ｐｍのマップデータから目標過給圧Ｐｍを読み出すとともに、読み出した目標過給圧Ｐｍとステップ１２で検出した上流圧Ｐ０との差（式Ｐｍ−Ｐ０）が所定値Ｐlimitよりも大きいか否かを判定する処理を実行する（ステップ１３）。この所定値Ｐlimitは目標過給圧Ｐｍに対する上流圧Ｐ０の許容差圧として設定される。すなわち、本ステップでは上流圧Ｐ０が目標過給圧Ｐｍ程度になったか否かが判定される。ステップ１３で肯定判定であれば、上流圧Ｐ０は目標過給圧Ｐｍ程度になっていないと判定され、ＣＰＵはＶＮ３３を閉じるように制御する（ステップ１４ａ）。本ステップで、ＶＮ３３のノズル開度は所定開度αだけ減じられる。
【００３３】
続いてＣＰＵは再びステップ１２及び１３に示す処理を実行し、ステップ１３で否定判定されるまでステップ１２、１３及び１４ａに示す処理を繰り返し実行する。これにより、ＶＮ３３は所定開度αづつ次第に閉じられるように制御される。その結果、ステップ１３で否定判定であれば、上流圧Ｐ０は目標過給圧Ｐｍ程度になったと判定され、ＣＰＵはステップ１１に示す処理を実行する。なお、ステップ１２から１４ａまでに示す処理は詳細には例えば燃焼サイクル毎に繰り返し行われるようにすることができる。また、ステップ１４ａに示す処理を実行した後にステップ１２に示す処理を実行する代わりに、ステップ１１に示す処理を実行するようにしてもよい。
【００３４】
図５はパルス過給を行わない場合と、ＶＮ３３を開いた状態でパルス過給を行った場合と、図４に示すフローチャートに従ってＶＮ３３を閉じた状態でパルス過給を行った場合とに対応するスワール比夫々の変化を模式的に示す図である。図５では、これらのスワール比の変化を横軸をクランク角度として、部分負荷運転領域で内燃機関５０を１,２００ｒｐｍで運転した場合について示している。この図からパルス過給を行った場合にはパルス過給を行わない場合と比較して、より大きなスワール比が得られることがわかる。また、一般的なＳＣＶ（スワールコントロールバルブ）でスワール比を高めた場合と比較しても、パルス過給を行った場合には、より大きなスワール比が得られることがわかる。
【００３５】
さらにパルス過給を行った場合でも、ＶＮ３３を開いた状態よりもＶＮ３３を閉じた状態のほうがさらに大きなスワール比が得られることがわかる。すなわち、回転数ＮＥが１、２００ｒｐｍといった低い回転数であっても、ＶＮ３３を閉じるように制御することでさらに大きなスワール比がパルス過給で得られることがわかる。またこのスワール比は図４に示すフローチャートに従ってＶＮ３３を閉じた状態で生成されたものであるため、この運転状態において適度なものとなっている。以上により、パルス過給と協調させて過給機３０を制御することでより高い慣性過給効果を得ることが可能な、さらには慣性過給効果でスワール比を適度に向上させることが可能なＥＣＵ１Ａを実現可能である。
【実施例２】
【００３６】
本実施例に係るＥＣＵ１Ｂは、燃料噴射時期制御用プログラムが、パルスチャージ弁１７、より具体的にはアクチュエータ１７ａがパルス過給を行うように制御される運転状態において、さらには部分負荷運転領域において、燃料噴射時期を遅角させるように変更する燃料噴射時期遅角用プログラムを有して構成されている以外、実施例１に係るＥＣＵ１Ａと同一のものとなっている。なお、燃料噴射時期制御用プログラムは、ＲＯＭに格納された前述のマップデータを参照してパルス過給が行われる運転状態であるか否かと、部分負荷運転領域であるか否かを判定するように作成されている。さらにこの燃料噴射時期遅角用プログラムは、燃料噴射時期を遅角させるにあたって、パルスチャージ弁１７が吸気通路を遮蔽して貯圧を行っているときの上流圧Ｐ０と、内燃機関５０の運転状態に応じて設定した目標過給圧Ｐｍとの差（式Ｐｍ−Ｐ０）が所定値Ｐlimitよりも小さくなるまで、燃料噴射時期を次第に遅角させるためのプログラムとなっている。本実施例ではＣＰＵ等と燃料噴射時期遅角用プログラムとで燃料噴射時期遅角手段が実現されている。
【００３７】
次に、部分負荷運転領域でパルス過給が行われる運転状態において、要求スワール比が得られるように燃料噴射時期を遅角させるべく、ＥＣＵ１Ｂで行われる処理を図６に示すフローチャートを用いて詳述する。なお、本フローチャートはステップ１４ａがステップ１４ｂに置き換えられているほか、図４で示したフローチャートと同一のものとなっている。このため、本実施例では特にステップ１４ｂについて詳述する。ＣＰＵはステップ１１から１３までに示す処理を実行する。ステップ１３で肯定判定であれば、ＣＰＵは燃料噴射時期を遅角させるように制御する（ステップ１４ｂ）。本ステップで、燃料噴射時期は所定量βだけ遅角される。続いてＣＰＵは再びステップ１２に示す処理を実行し、ステップ１３で否定判定されるまでステップ１２、１３及び１４ｂに示す処理を繰り返し実行する。これにより、燃料噴射時期は所定量βづつ次第に遅角されるように制御される。その結果、ステップ１３で否定判定であれば上流圧Ｐ０は目標過給圧Ｐｍ程度になったと判定され、ＣＰＵはステップ１１に示す処理を実行する。
【００３８】
また、本フローチャートの処理と図４で示したフローチャートの処理とは並列的に同時進行する。したがって、本フローチャートで燃料噴射時期を次第に遅角させることで、同一タービン容量でさらに上流圧Ｐ０を高めることができるようになることから、より早い段階でステップ１３で否定判定されることになる。すなわち、より早く上流圧Ｐ０を目標過給圧Ｐｍ程度まで高めることができる。また、仮にタービン容量の小容量化では十分に上流圧Ｐ０を高めることができない場合であっても、燃料噴射時期を遅角させることでさらに上流圧Ｐ０を高めることができるようになることから、より好適に適度のスワール比を得ることができるようになる。
【００３９】
なお、直噴ガソリンエンジンやリーンバーンエンジンに本発明を適用した場合には、具体的には旋回気流の強度を適度に高めることで希薄燃焼を好適に実現できるようになるほか、希薄燃焼領域を拡大することもできる。また、均質燃焼時には混合気のミキシング性を向上させて燃焼状態の改善を図ることもできる。同様にディーゼルエンジンに本発明を適用した場合にも、混合気のミキシング性を向上させて燃焼状態の改善を図ることが可能である。また筒内に旋回気流が意図的に生成されない内燃機関に本発明を適用した場合にも、吸気充填効率をさらに向上させることができることから出力性能の向上が期待できる。以上により、パルス過給と協調させて過給機３０を制御することでより高い慣性過給効果を得ることが可能な、さらには慣性過給効果でスワール比を適度に向上させることが可能なＥＣＵ１Ｂを実現可能である。
【００４０】
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ＥＣＵ１Ａを内燃機関システム１００とともに模式的に示す図である。
【図２】過給機３０のタービン部の詳細を模式的に示す図である。
【図３】パルス過給を行ったときの下流圧Ｐ１の変化の一例を模式的に示す図である。
【図４】ＥＣＵ１Ａで行われる処理をフローチャートで示す図である。
【図５】パルス過給を行わない場合と、ＶＮ３３を開いた状態でパルス過給を行った場合と、ＶＮ３３を閉じた状態でパルス過給を行った場合とに対応するスワール比夫々の変化を模式的に示す図である。
【図６】ＥＣＵ１Ｂで行われる処理をフローチャートで示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１ ＥＣＵ
１０ 吸気系
１７ パルスチャージ弁
１９ 圧力センサ
２０ 排気系
３０ 過給機
５０ 内燃機関
５７ 燃料噴射弁
１００ 内燃機関システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関システムの制御装置に関し、特にパルス過給手段と可変容量型ターボチャージャとを備えた内燃機関システムの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
吸気弁よりも上流側の吸気通路に該吸気通路を連通、遮蔽してパルス過給を行うパルス過給手段を備えた内燃機関が知られている。吸気工程で吸気を行う際にこのパルス過給手段が吸気通路を全閉に遮蔽していると、吸気弁が開弁した後も燃焼室の負圧は増大する。さらに負圧が増大した状態でパルス過給手段が吸気通路を全開に連通すると、燃焼室に流入する吸気の流速（以下、単にパルス過給時の吸気流速とも称す）が高められる。そしてこのとき吸気は一気に燃焼室に流入するため、一種の慣性過給効果が得られる。パルス過給はこのように吸気通路を連通、遮蔽することで行われ、例えば排気駆動式過給機による過給と比較して応答性が優れているという特徴を有している。このパルス過給に関し、例えば特許文献１ではパルス過給手段の構成例が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２４８９４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、パルス過給は吸気の充填量を向上させることに利用できるが、筒内に旋回気流が生成される内燃機関にあっては、旋回気流の強度を向上させることにも利用できる。例えば混合気のミキシング性を向上させるべく旋回気流を生成している場合には、旋回気流の強度を適度に向上させることで燃焼状態の改善を図ることができる。ところが、筒内に旋回気流が生成される内燃機関では不用意にパルス過給を行うと旋回気流の生成が阻害されることなどから、却って燃焼状態を悪化させてしまう場合がある。これに対して、例えば適度な強度の旋回気流が生成されるようにパルス過給を行うタイミングを適宜変更することで、パルス過給を利用して燃焼状態の改善を図ることができる。しかしながら、パルス過給で得られる慣性過給効果は、そのときの内燃機関の運転状態に適した強度の旋回気流を生成するに十分足るものとならない場合があり、結果的に燃焼状態に改善の余地が残されるものとなっていた。
【０００５】
そこで、本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、パルス過給と協調させて可変容量型ターボチャージャを制御することでより高い慣性過給効果を得ることが可能な、さらには慣性過給効果で旋回気流の強度を適度に向上させることが可能な内燃機関システムの制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、内燃機関と、該内燃機関に連通する吸気通路を連通、遮蔽してパルス過給を行うパルス過給手段と、前記内燃機関に対して排気エネルギーを利用して過給を行う可変容量型ターボチャージャとを有して構成される内燃機関システムで、前記可変容量型ターボチャージャを該可変容量型ターボチャージャのタービン容量を変更するように制御する内燃機関システムの制御装置であって、前記パルス過給手段がパルス過給を行うように制御される運転状態に応じて、前記可変容量型過給機のタービン容量を小さく変更するパルス過給協調制御手段を備えることを特徴とする。ここで、パルス過給時の吸気流速は、パルス過給手段の上流側の圧力（以下、単に上流圧とも称す）と下流側の圧力（以下、単に下流圧とも称す）との圧力比（式：上流圧／下流圧）に比例する。これに対して本発明によれば、排気エネルギーが小さい領域でタービン容量を小さく変更することで過給圧、すなわちパルス過給手段の上流圧を高めることができる。したがって本発明によれば上述の圧力比を大きくすることができ、その結果、パルス過給時の吸気流速を高めることができることから、より大きな慣性過給効果を得ることが可能である。
【０００７】
また本発明は、前記運転状態が、さらに部分負荷運転領域で前記内燃機関が運転される状態であってもよい。ここで、パルス過給が行われる運転状態としては種々の運転状態が考えられるが、筒内に旋回気流が生成される内燃機関にあっては、部分負荷運転領域で必要とする旋回気流の強度が得られるか否かが、旋回気流を利用した燃焼を好適に実現するにあたって重要になる。すなわち、旋回気流の強度が不足するといった場合には、燃焼状態に改善の余地が残されることとなる。本発明は係る点に鑑みたものであり、排気エネルギーが小さい部分負荷運転領域でより大きな慣性過給効果を得られる本発明によれば、特に旋回気流を利用した燃焼を好適に実現できるようになる。なお、部分負荷運転領域とは例えばガソリンエンジンにおいては、スロットル弁の開度をそれ以上開いても吸気流量の増大を図ることができなくなる運転領域（全負荷運転領域）以外の運転領域である。
【０００８】
また本発明は、前記パルス過給手段が前記吸気通路を遮蔽しているときの該パルス過給手段の上流側の圧力と、目標過給圧との差が所定値よりも小さくなるまで、前記パルス過給協調制御手段が前記可変容量型過給機のタービン容量を次第に小さく変更してもよい。本発明によれば、目標過給圧を例えばパルス過給時の吸気流速を適度に増大させることができるように予め設定しておくことで、すなわち旋回気流の強度を適度に向上させることができるように予め設定しておくことで、旋回気流を利用した燃焼を好適に実現できる。
【０００９】
また本発明は、さらに前記内燃機関の燃料噴射時期を遅角させる燃料噴射時期遅角手段を備えるとともに、該燃料噴射時期遅角手段が、前記パルス過給手段が前記吸気通路を遮蔽しているときの該パルス過給手段の上流側の圧力と、目標過給圧との差が所定値よりも小さくなるまで、前記内燃機関の燃料噴射時期を次第に遅角させてもよい。本発明によれば、燃料噴射時期を遅角させることで、排気ガスの温度を上昇させるとともに排気エネルギーを増大させることができることから、同一のタービン容量でさらに過給圧を高めることが可能である。すなわち本発明によれば、タービン容量の小容量化だけでは過給圧を十分に高めることができない場合などにもさらに過給圧を高めることができることから、或いはタービン容量の小容量化と相乗的に過給圧を高めることができることから、より好適にパルス過給時の吸気流速を適度に増大させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、パルス過給と協調させて可変容量型ターボチャージャを制御することでより高い慣性過給効果を得ることが可能な、さらには慣性過給効果で旋回気流の強度を適度に向上させることが可能な内燃機関システムの制御装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１Ａで実現されている本実施例に係る内燃機関システムの制御装置を、内燃機関システム１００とともに模式的に示す図である。内燃機関システム１００は吸気系１０と、排気系２０と、過給機３０と、内燃機関５０とを有して構成されている。吸気系１０は、エアクリーナ１１と、エアフロメータ１２と、インタークーラ１３と、電動スロットル１４と、サージタンク１５と、インテークマニホールド１６と、パルスチャージ弁１７と、内燃機関５０の各気筒（図示省略）に連通する吸気ポート５２ａを含む図示しない吸気ポートと、これらの構成の間に適宜配設される吸気管などを有して構成されている。エアクリーナ１１は内燃機関５０の各気筒に供給される吸気を濾過するための構成であり、図示しないエアダクトを介して大気に連通している。エアフロメータ１２は吸気流量を計測するための構成であり吸気流量に応じた信号を出力する。インタークーラ１３は、過給機３０によって圧縮された吸気を冷却するための構成である。
【００１３】
電動スロットル１４は、ＥＣＵ１Ａの制御のもと、内燃機関５０に供給する全吸気流量を調整するための構成であり、図示しないスロットル弁及び電動モータやスロットル開度センサ１８などを有して構成されている。但し、これに限られず、例えば電動スロットル１４の代わりにワイヤなどを介してアクセルペダル（図示省略）と連動し、スロットル弁の開度が変更されるような機械式スロットル機構を適用してもよい。サージタンク１５は吸気を一時的に貯蔵するための構成であり、インテークマニホールド１６はサージタンク１５から吸気を内燃機関５０の各気筒に分配するための構成である。なお、インテークマニホールド１６は各気筒に連通する吸気ポート毎に吸気を分配するように構成されていてもよい。
【００１４】
パルスチャージ弁１７夫々は、インテークマニホールド１６の各気筒に対応する吸気通路各々に弁軸を介して回動自在に配設されている。但し、これに限られず、例えばインテークマニホールド１６が吸気ポート毎に吸気を分配するように構成されている場合には、パルスチャージ弁１７夫々を各吸気ポートに対応する吸気通路毎に配設してもよい。パルスチャージ弁１７夫々は吸気通路を連通、遮蔽してパルス過給を行うための構成である。パルスチャージ弁１７夫々の弁軸は互いに独立しており、これら弁軸にはパルスチャージ弁１７用のアクチュエータ１７ａ各々が個別に連結されている。このアクチュエータ１７ａは、ＥＣＵ１Ａの制御のもとパルスチャージ弁１７を駆動し、これにより、パルスチャージ弁１７はパルス過給を行うように制御される。本実施例ではこのアクチュエータ１７ａにステップモータを採用しているが、これに限られず、他の適宜のアクチュエータをアクチュエータ１７ａとして適用してよい。サージタンク１５には、パルスチャージ弁１７夫々の上流圧Ｐ０を検知するための圧力センサ１９が配設されている。なお、パルスチャージ弁１７の代わりに吸気通路を連通、遮蔽することでパルス過給を行うことが可能な他の適宜の構成を適用してもよい。本実施例ではパルスチャージ弁１７でパルス過給手段を実現している。
【００１５】
排気系２０は、内燃機関５０の各気筒に連通する排気ポート５２ｂを含む各排気ポート（図示省略）と、エキゾーストマニホールド２１と、三元触媒２２と、図示しない消音器と、これらの構成の間に適宜配設される排気管などを有して構成されている。エキゾーストマニホールド２１は、各気筒からの排気を合流させるための構成であり、各気筒に対応させて分岐した排気通路を下流側で一つの排気通路に集合させている。三元触媒２２は排気を浄化するための構成であり、炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯの酸化と、窒素酸化物ＮＯｘの還元を行う。
【００１６】
過給機３０は可変容量型ターボチャージャであり、コンプレッサロータ３１と、タービンロータ３２と、ＶＮ（Variable Nozzle）３３と、ＶＮアクチュエータ３４とを有して構成されている。過給機３０は、コンプレッサロータ３１を収納するコンプレッサ部が吸気系１０に、タービンロータ３２を収納するタービン部が排気系２０に、夫々介在するようにして配設されている。コンプレッサロータ３１とタービンロータ３２とは回転軸３５で連結されており、タービンロータ３２が排気によって駆動されると、回転軸３５を介してコンプレッサロータ３１が駆動し吸気を圧縮する。過給機３０はタービン部にＶＮ３３を備えている。ＶＮ３３はタービン容量を変更するための構成である。ＶＮアクチュエータ３４はＥＣＵ１Ａの制御のもと、ＶＮ３３を駆動するための構成である。本実施例ではＶＮアクチュエータ３４をステップモータで実現しているが、これに限られず、ＶＮアクチュエータ３４は他の適宜のアクチュエータで実現されてよい。
【００１７】
図２は過給機３０のタービン部の詳細を模式的に示す図である。ＶＮ３３は、具体的にはタービン部のスクロール入口に設けられている。ＥＣＵ１Ａの制御のもと、ＶＮアクチュエータ３４がＶＮ３３を駆動すると、ＶＮ３３のノズル開度が変更される。これにより過給機３０はタービン容量を変更するように制御される。例えばＶＮ３３がスクロール入口の流路を絞るように制御されているときには、タービンロータ３２に導くことができる排気の風量がより小さく制限されるようになる。すなわちタービン容量が小さくなる。その一方で、スクロール入口の流路を絞るとタービンロータ３２に導く排気の流速を高めることができることから、回転数ＮＥが低い領域でも所定の過給圧を得ることができるようになる。また、可変容量型ターボチャージャではＶＮ３３で流路を開放することで、タービン容量を大きくすることができる。このため、排気量が大きい高回転数領域ではＶＮ３３でスクロール入口の流路を全開にすることでより大きな過給圧を得ることができるようになっている。なお、過給機３０は図２に示すような可変容量型ターボチャージャに限られず、例えばタービンロータ３２の外周周りに複数の可変ノズルを備えた可変容量型ターボチャージャであってもよい。係る可変容量型ターボチャージャでは、一般にタービンロータ３２に排気を導くための流路が隣り合う可変ノズル間夫々に形成されており、これら流路夫々の面積を可変ノズルで同時に変更することでタービン容量が変更されるようになっている。また、可変容量型ターボチャージャはその他の適宜の構造を備えた可変容量型ターボチャージャであってよい。
【００１８】
内燃機関５０は、シリンダブロック５１と、シリンダヘッド５２と、ピストン５３と、吸気弁５４と、排気弁５５と、点火プラグ５６と、燃料噴射弁５７と、コネクティングロッド５８と、クランクシャフト５９とを有して構成されている。本実施例に示す内燃機関５０は直列４気筒の過給式直噴ガソリンエンジンである。但し、これに限られず、内燃機関５０は他の適宜の気筒配列構造及び気筒数を有していてもよい。また、内燃機関５０は本発明を実施可能な内燃機関であれば特に限定されず、他の適宜の内燃機関であってよい。なお、筒内に旋回気流が生成される内燃機関としては、直噴ガソリンエンジンのほか、リーンバーンエンジンやディーゼルエンジンなどが一般によく知られている。また、図１では内燃機関５０に関し、各気筒の代表としてシリンダ５１ａについて要部を示しているが他の気筒についても同様の構造となっている。
【００１９】
シリンダブロック５１には、略円筒状のシリンダ５１ａが形成されている。シリンダ５１ａ内には、ピストン５３が収容されている。ピストン５３頂面には旋回気流を案内するための図示しないキャビティが形成されている。シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室６０は、シリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びシリンダ５３に囲まれた空間として形成されている。シリンダヘッド５２には、燃焼室６０に吸気を導くための吸気ポート５２ａのほか、燃焼したガスを燃焼室６０から排気するための排気ポート５２ｂが形成され、これら吸排気ポート５２ａ及び５２ｂの流路を開閉するための吸気弁５４及び排気弁５５が配設されている。なお、内燃機関５０は吸排気弁５４、５５ともに１気筒あたり２弁構造となっているが、これに限られず適宜の吸排気弁構造であってよい。また図示省略してある動弁機構については適宜のものが適用されてよい。
【００２０】
吸気ポート５２ａはヘリカルポートとなっており、ヘリカルポートを流通した吸気は燃焼室６０内でスワール流に生成される。なお、吸気ポート５２ａをヘリカルポートに形成する代わりに例えばタンジェンシャルポートに形成してもよく、燃焼室６０内に旋回気流を生成するための適宜の旋回気流生成手段を備えてもよい。旋回気流生成手段としては、具体的には例えば吸気ポート５２ａ内で吸気を偏流させて燃焼室６０内に旋回気流を生成する気流制御弁などが一般によく知られているが、これに限られず他の適宜の手段であってよい。また、燃焼室６０内で生成される旋回気流はスワール流に限られず、例えばタンブル流やタンブル流とスワール流とを複合させた斜めタンブル流など適宜の旋回気流であってよい。
【００２１】
点火プラグ５６は、燃焼室６０の上方略中央に電極を突出させた状態でシリンダヘッド５２に配設されている。燃料噴射弁５７は、燃焼室６０の上方吸気ポート５２ａ側から燃焼室６０内に噴射孔を突出させた状態でシリンダヘッド５２に配設されている。燃料噴射弁５７は燃料を噴射するための構成であり、ＥＣＵ１Ａの制御のもと、適宜の燃料噴射時期に開弁されて燃料を噴射する。また、燃料噴射量はＥＣＵ１Ａの制御のもと燃料噴射弁５７が閉弁されるまでの間の開弁時間の長さで調節される。燃料噴射ポンプ６１は燃料の噴射圧を調節するための構成であり、ＥＣＵ１Ａの制御のもと噴射圧を適宜の噴射圧に調節する。ピストン５３は、コネクティングロッド５８を介してクランクシャフト５９に連結されており、ピストン５３の往復運動はクランクシャフト５９で回転運動に変換される。また内燃機関５０には、回転数ＮＥに比例した出力パルスを発生するクランク角センサ６２など、各種のセンサが配設されている。
【００２２】
ＥＣＵ１Ａは、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、入出力回路などを有して構成されている。ＥＣＵ１Ａは主として内燃機関５０を制御するための構成であり、本実施例では燃料噴射弁５７や燃料噴射ポンプ６１のほか、アクチュエータ１７ａやＶＮアクチュエータ３４なども制御している。ＥＣＵ１Ａにはこれら燃料噴射弁５７、燃料噴射ポンプ６１、アクチュエータ１７ａ及びＶＮアクチュエータ３４のほか、各種の制御対象が駆動回路（図示省略）を介して接続されている。また、内燃機関５０や車両の運転状態を検出するために、ＥＣＵ１Ａにはスロットル開度センサ１８や、圧力センサ１９や、クランク角センサ６２や図示しない車速センサなどの各種のセンサが接続されている。
【００２３】
ＲＯＭはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムを格納するための構成であり、本実施例では燃料噴射弁５７の燃料噴射時期を制御するための燃料噴射時期制御用プログラムなどで構成された内燃機関５０制御用のプログラムのほか、パルス過給を行うためのパルスチャージ弁１７制御用プログラムや、パルス過給に協調させて過給機３０、より具体的にはＶＮアクチュエータ３４を制御するためのパルス過給協調制御用プログラムなども格納している。但し、これらのプログラムは一体として組み合わされていてもよい。本実施例ではパルスチャージ弁１７制御用プログラムは、所定の運転状態でパルスチャージ弁１７夫々を制御してパルス過給を行うためのプログラムとなっている。このため本実施例では、内燃機関５０の運転状態（本実施例では回転数ＮＥと負荷）に応じて定義されたパルス過給用のマップデータをＲＯＭに格納しており、パルスチャージ弁１７制御用プログラムは、このマップデータを参照してパルス過給を行うか否かを判定するように作成されている。
【００２４】
パルス過給を行う場合には、さらにこのプログラムに基づき、パルスチャージ弁１７はまず吸気弁５４が閉弁しているときに、吸気通路を全閉に遮蔽するように制御される。これにより吸気弁５４が開弁した後、ピストン５３の下降とともに下流圧Ｐ１が小さくなる。続いてパルスチャージ弁１７は、吸気弁５４が開かれる途中の適宜のタイミングで吸気通路を連通するように高速で全開に制御され、さらに適宜のタイミングで吸気通路を遮蔽するように高速で全閉に制御される。
【００２５】
また、これら開閉タイミングはパルスチャージ弁１７制御用プログラムにより、内燃機関５０の運転状態に応じて実際に生成されるスワール流の強度（以下、単に実スワール比とも称す）と、同じく内燃機関５０の運転状態に応じて形成されるべきスワール流の強度（以下、単に要求スワール比とも称す）とが等しくなるような開閉タイミングに変更される。このため、本実施例では内燃機関５０の運転状態（本実施例では回転数ＮＥと負荷）に応じて定義された要求スワール比と実スワール比のマップデータを夫々ＲＯＭに格納している。また本実施例ではさらに吸気弁５４のバルブリフト量に応じて変化するスワール比のマップデータもＲＯＭに格納している。これらのマップデータ及びパルスチャージ弁１７制御用プログラムに基づき、パルスチャージ弁１７は要求スワール比が得られるような最適の開閉タイミングで制御される。なお、パルスチャージ弁１７はパルス過給が行われる運転状態においては、パルス過給時以外には吸気通路を遮蔽するように全閉に制御される。一方、パルスチャージ弁１７はパルス過給が行われない運転状態においては、基本的に吸気通路を連通するように全開に制御される。
【００２６】
図３は、パルス過給を行ったときの下流圧Ｐ１の変化の一例を模式的に示す図である。図３では縦軸が下流圧Ｐ１、横軸がクランク角度を夫々示しており、さらに理解を容易にすべく横軸のクランク角度に対応させた吸気弁５４のバルブリフト量も同時に示している。ピストン５３はクランク角度が０度のときに上死点に位置しており、その後クランク角度が大きくなるにつれて次第に下降し、クランク角度が１８０度のときに下死点に到達する。この間、吸気弁５４は図示のようなバルブリフト量で駆動される。下流圧Ｐ１は吸気弁５４が開かれるとともに低下し、さらにピストン５３の下降に伴って次第に低下する。これにより上流圧Ｐ０と下流圧Ｐ１との圧力比（式Ｐ０／Ｐ１）が次第に大きくなる。さらに図示のタイミングでパルスチャージ弁１７が全開に制御されると、燃焼室６０内に吸気が一気に流入する。これにより慣性過給効果が得られるとともに下流圧Ｐ１は急激に上昇する。さらに図示のタイミングでパルスチャージ弁１７が全閉に制御されると、燃焼室６０内の圧力は慣性過給効果が保たれた分向上する。
【００２７】
なお、パルス過給時の吸気流速Ｖと圧力比（式Ｐ０／Ｐ１）との比例関係は、比例式（式Ｖ∝√［（Ｐ０／Ｐ１）＾｛（ｋ−１）／ｋ｝−１］。ｋは比熱比）によって示される。この比例式によれば、吸気流速Ｖは圧力比（式Ｐ０／Ｐ１）が大きくなるほど増大することがわかる。また、圧力比（式Ｐ０／Ｐ１）は下流圧Ｐ１が低下するほど、或いは上流圧Ｐ０が上昇するほど大きくなることから、上流圧Ｐ０を高めることで吸気流速Ｖの増大を図れることがわかる。また、吸気流速Ｖが増大すればそれだけ大きなスワール比を得ることができる。
【００２８】
パルス過給協調制御用プログラムは、パルスチャージ弁１７、より具体的にはアクチュエータ１７ａがパルス過給を行うように制御される運転状態に応じて、過給機３０のタービン容量を小さく変更するためのプログラムとなっている。パルス過給が行われる運転状態であることは前述のパルス過給用のマップデータを参照することで確認され、パルス過給協調制御用プログラムは、このマップデータを参照してパルス過給が行われる運転状態であるか否かを判定するように作成されている。またパルス過給協調制御用プログラムは、さらに部分負荷運転領域において過給機３０のタービン容量を小さく変更するためのプログラムとなっている。部分負荷運転領域であることは内燃機関５０の運転状態（本実施例では回転数ＮＥと負荷）に応じて定義された運転領域のマップデータを参照することで確認され、パルス過給協調制御用プログラムは、このマップデータを参照して部分負荷運転領域であるか否かを判定するように作成されている。本実施例ではこの運転領域のマップデータもＲＯＭに格納されている。
【００２９】
さらにパルス過給協調用プログラムは、過給機３０のタービン容量を小さく変更するにあたって、パルスチャージ弁１７が吸気通路を遮蔽して貯圧を行っているときの上流圧Ｐ０と、内燃機関５０の運転状態に応じて予め設定した目標過給圧Ｐｍとの差が所定値Ｐlimitよりも小さくなるまで、過給機３０のタービン容量を次第に小さく変更するためのプログラムとなっている。
【００３０】
目標過給圧Ｐｍは、具体的には本実施例では回転数ＮＥと負荷に応じたマップデータで定義されており、この目標過給圧ＰｍのマップデータもＲＯＭに格納されている。また本実施例では、目標過給圧Ｐｍはパルス過給を行うタイミングの最適化が図られた状態で適度な旋回気流の強度、すなわち要求スワール比が得られるように設定されている。但し、これに限られず、適宜設定されたパルスチャージ弁１７の開閉タイミングで、要求スワール比が得られるように目標過給圧Ｐｍを設定してもよい。また、目標過給圧Ｐｍをある程度の大きさに適宜設定した上で、この目標過給圧Ｐｍを基準としてパルスチャージ弁１７の開閉タイミングを変更することで、最終的に要求スワール比が得られるようにプログラムを構成することも可能である。本実施例ではＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭ（以下、単にＣＰＵ等と称す）と内燃機関５０制御用のプログラムとで、各種の検出手段や判定手段や制御手段などが実現されており、特にＣＰＵ等とパルス過給協調制御用プログラムとでパルス過給協調制御手段が実現されている。
【００３１】
次に、部分負荷運転領域でパルス過給が行われる運転状態において、要求スワール比が得られるように過給機３０を制御すべく、ＥＣＵ１Ａで行われる処理を図４に示すフローチャートを用いて詳述する。ＥＣＵ１Ａは、ＲＯＭに格納された上述のパルス過給協調制御用プログラム等に基づき、ＣＰＵがフローチャートに示す処理を極短い時間で繰り返し実行することで、過給機３０を制御する。ＣＰＵはクランク角センサ６２の出力信号に基づき回転数ＮＥを検出する処理を実行するとともに、スロットル開度センサ１８の出力信号に基づき負荷を検出する処理を実行する（ステップ１１）。続いてＣＰＵは圧力センサ１９からの出力信号に基づき上流圧Ｐ０を検出する処理を実行する（ステップ１２）。
【００３２】
続いてＣＰＵは目標過給圧Ｐｍのマップデータから目標過給圧Ｐｍを読み出すとともに、読み出した目標過給圧Ｐｍとステップ１２で検出した上流圧Ｐ０との差（式Ｐｍ−Ｐ０）が所定値Ｐlimitよりも大きいか否かを判定する処理を実行する（ステップ１３）。この所定値Ｐlimitは目標過給圧Ｐｍに対する上流圧Ｐ０の許容差圧として設定される。すなわち、本ステップでは上流圧Ｐ０が目標過給圧Ｐｍ程度になったか否かが判定される。ステップ１３で肯定判定であれば、上流圧Ｐ０は目標過給圧Ｐｍ程度になっていないと判定され、ＣＰＵはＶＮ３３を閉じるように制御する（ステップ１４ａ）。本ステップで、ＶＮ３３のノズル開度は所定開度αだけ減じられる。
【００３３】
続いてＣＰＵは再びステップ１２及び１３に示す処理を実行し、ステップ１３で否定判定されるまでステップ１２、１３及び１４ａに示す処理を繰り返し実行する。これにより、ＶＮ３３は所定開度αづつ次第に閉じられるように制御される。その結果、ステップ１３で否定判定であれば、上流圧Ｐ０は目標過給圧Ｐｍ程度になったと判定され、ＣＰＵはステップ１１に示す処理を実行する。なお、ステップ１２から１４ａまでに示す処理は詳細には例えば燃焼サイクル毎に繰り返し行われるようにすることができる。また、ステップ１４ａに示す処理を実行した後にステップ１２に示す処理を実行する代わりに、ステップ１１に示す処理を実行するようにしてもよい。
【００３４】
図５はパルス過給を行わない場合と、ＶＮ３３を開いた状態でパルス過給を行った場合と、図４に示すフローチャートに従ってＶＮ３３を閉じた状態でパルス過給を行った場合とに対応するスワール比夫々の変化を模式的に示す図である。図５では、これらのスワール比の変化を横軸をクランク角度として、部分負荷運転領域で内燃機関５０を１,２００ｒｐｍで運転した場合について示している。この図からパルス過給を行った場合にはパルス過給を行わない場合と比較して、より大きなスワール比が得られることがわかる。また、一般的なＳＣＶ（スワールコントロールバルブ）でスワール比を高めた場合と比較しても、パルス過給を行った場合には、より大きなスワール比が得られることがわかる。
【００３５】
さらにパルス過給を行った場合でも、ＶＮ３３を開いた状態よりもＶＮ３３を閉じた状態のほうがさらに大きなスワール比が得られることがわかる。すなわち、回転数ＮＥが１、２００ｒｐｍといった低い回転数であっても、ＶＮ３３を閉じるように制御することでさらに大きなスワール比がパルス過給で得られることがわかる。またこのスワール比は図４に示すフローチャートに従ってＶＮ３３を閉じた状態で生成されたものであるため、この運転状態において適度なものとなっている。以上により、パルス過給と協調させて過給機３０を制御することでより高い慣性過給効果を得ることが可能な、さらには慣性過給効果でスワール比を適度に向上させることが可能なＥＣＵ１Ａを実現可能である。
【実施例２】
【００３６】
本実施例に係るＥＣＵ１Ｂは、燃料噴射時期制御用プログラムが、パルスチャージ弁１７、より具体的にはアクチュエータ１７ａがパルス過給を行うように制御される運転状態において、さらには部分負荷運転領域において、燃料噴射時期を遅角させるように変更する燃料噴射時期遅角用プログラムを有して構成されている以外、実施例１に係るＥＣＵ１Ａと同一のものとなっている。なお、燃料噴射時期制御用プログラムは、ＲＯＭに格納された前述のマップデータを参照してパルス過給が行われる運転状態であるか否かと、部分負荷運転領域であるか否かを判定するように作成されている。さらにこの燃料噴射時期遅角用プログラムは、燃料噴射時期を遅角させるにあたって、パルスチャージ弁１７が吸気通路を遮蔽して貯圧を行っているときの上流圧Ｐ０と、内燃機関５０の運転状態に応じて設定した目標過給圧Ｐｍとの差（式Ｐｍ−Ｐ０）が所定値Ｐlimitよりも小さくなるまで、燃料噴射時期を次第に遅角させるためのプログラムとなっている。本実施例ではＣＰＵ等と燃料噴射時期遅角用プログラムとで燃料噴射時期遅角手段が実現されている。
【００３７】
次に、部分負荷運転領域でパルス過給が行われる運転状態において、要求スワール比が得られるように燃料噴射時期を遅角させるべく、ＥＣＵ１Ｂで行われる処理を図６に示すフローチャートを用いて詳述する。なお、本フローチャートはステップ１４ａがステップ１４ｂに置き換えられているほか、図４で示したフローチャートと同一のものとなっている。このため、本実施例では特にステップ１４ｂについて詳述する。ＣＰＵはステップ１１から１３までに示す処理を実行する。ステップ１３で肯定判定であれば、ＣＰＵは燃料噴射時期を遅角させるように制御する（ステップ１４ｂ）。本ステップで、燃料噴射時期は所定量βだけ遅角される。続いてＣＰＵは再びステップ１２に示す処理を実行し、ステップ１３で否定判定されるまでステップ１２、１３及び１４ｂに示す処理を繰り返し実行する。これにより、燃料噴射時期は所定量βづつ次第に遅角されるように制御される。その結果、ステップ１３で否定判定であれば上流圧Ｐ０は目標過給圧Ｐｍ程度になったと判定され、ＣＰＵはステップ１１に示す処理を実行する。
【００３８】
また、本フローチャートの処理と図４で示したフローチャートの処理とは並列的に同時進行する。したがって、本フローチャートで燃料噴射時期を次第に遅角させることで、同一タービン容量でさらに上流圧Ｐ０を高めることができるようになることから、より早い段階でステップ１３で否定判定されることになる。すなわち、より早く上流圧Ｐ０を目標過給圧Ｐｍ程度まで高めることができる。また、仮にタービン容量の小容量化では十分に上流圧Ｐ０を高めることができない場合であっても、燃料噴射時期を遅角させることでさらに上流圧Ｐ０を高めることができるようになることから、より好適に適度のスワール比を得ることができるようになる。
【００３９】
なお、直噴ガソリンエンジンやリーンバーンエンジンに本発明を適用した場合には、具体的には旋回気流の強度を適度に高めることで希薄燃焼を好適に実現できるようになるほか、希薄燃焼領域を拡大することもできる。また、均質燃焼時には混合気のミキシング性を向上させて燃焼状態の改善を図ることもできる。同様にディーゼルエンジンに本発明を適用した場合にも、混合気のミキシング性を向上させて燃焼状態の改善を図ることが可能である。また筒内に旋回気流が意図的に生成されない内燃機関に本発明を適用した場合にも、吸気充填効率をさらに向上させることができることから出力性能の向上が期待できる。以上により、パルス過給と協調させて過給機３０を制御することでより高い慣性過給効果を得ることが可能な、さらには慣性過給効果でスワール比を適度に向上させることが可能なＥＣＵ１Ｂを実現可能である。
【００４０】
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ＥＣＵ１Ａを内燃機関システム１００とともに模式的に示す図である。
【図２】過給機３０のタービン部の詳細を模式的に示す図である。
【図３】パルス過給を行ったときの下流圧Ｐ１の変化の一例を模式的に示す図である。
【図４】ＥＣＵ１Ａで行われる処理をフローチャートで示す図である。
【図５】パルス過給を行わない場合と、ＶＮ３３を開いた状態でパルス過給を行った場合と、ＶＮ３３を閉じた状態でパルス過給を行った場合とに対応するスワール比夫々の変化を模式的に示す図である。
【図６】ＥＣＵ１Ｂで行われる処理をフローチャートで示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１ ＥＣＵ
１０ 吸気系
１７ パルスチャージ弁
１９ 圧力センサ
２０ 排気系
３０ 過給機
５０ 内燃機関
５７ 燃料噴射弁
１００ 内燃機関システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と、該内燃機関に連通する吸気通路を連通、遮蔽してパルス過給を行うパルス過給手段と、前記内燃機関に対して排気エネルギーを利用して過給を行う可変容量型ターボチャージャとを有して構成される内燃機関システムで、前記可変容量型ターボチャージャを該可変容量型ターボチャージャのタービン容量を変更するように制御する内燃機関システムの制御装置であって、
前記パルス過給手段がパルス過給を行うように制御される運転状態に応じて、前記可変容量型過給機のタービン容量を小さく変更するパルス過給協調制御手段を備えることを特徴とする内燃機関システムの制御装置。
【請求項２】
前記運転状態が、さらに部分負荷運転領域で前記内燃機関が運転される状態であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関システムの制御装置。
【請求項３】
前記パルス過給手段が前記吸気通路を遮蔽しているときの該パルス過給手段の上流側の圧力と、目標過給圧との差が所定値よりも小さくなるまで、前記パルス過給協調制御手段が前記可変容量型過給機のタービン容量を次第に小さく変更することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関システムの制御装置。
【請求項４】
さらに前記内燃機関の燃料噴射時期を遅角させる燃料噴射時期遅角手段を備えるとともに、該燃料噴射時期遅角手段が、前記パルス過給手段が前記吸気通路を遮蔽しているときの該パルス過給手段の上流側の圧力と、目標過給圧との差が所定値よりも小さくなるまで、前記内燃機関の燃料噴射時期を次第に遅角させることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の内燃機関システムの制御装置。
【請求項１】
内燃機関と、該内燃機関に連通する吸気通路を連通、遮蔽してパルス過給を行うパルス過給手段と、前記内燃機関に対して排気エネルギーを利用して過給を行う可変容量型ターボチャージャとを有して構成される内燃機関システムで、前記可変容量型ターボチャージャを該可変容量型ターボチャージャのタービン容量を変更するように制御する内燃機関システムの制御装置であって、
前記パルス過給手段がパルス過給を行うように制御される運転状態に応じて、前記可変容量型過給機のタービン容量を小さく変更するパルス過給協調制御手段を備えることを特徴とする内燃機関システムの制御装置。
【請求項２】
前記運転状態が、さらに部分負荷運転領域で前記内燃機関が運転される状態であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関システムの制御装置。
【請求項３】
前記パルス過給手段が前記吸気通路を遮蔽しているときの該パルス過給手段の上流側の圧力と、目標過給圧との差が所定値よりも小さくなるまで、前記パルス過給協調制御手段が前記可変容量型過給機のタービン容量を次第に小さく変更することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関システムの制御装置。
【請求項４】
さらに前記内燃機関の燃料噴射時期を遅角させる燃料噴射時期遅角手段を備えるとともに、該燃料噴射時期遅角手段が、前記パルス過給手段が前記吸気通路を遮蔽しているときの該パルス過給手段の上流側の圧力と、目標過給圧との差が所定値よりも小さくなるまで、前記内燃機関の燃料噴射時期を次第に遅角させることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の内燃機関システムの制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−３２７３７９（Ｐ２００７−３２７３７９Ａ）
【公開日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１５８１２１（Ｐ２００６−１５８１２１）
【出願日】平成１８年６月７日（２００６．６．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月７日（２００６．６．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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