特許 7230191 内燃エンジンのバタフライバルブの制御装置と同装置を包含する内燃エンジン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-17

(45)【発行日】2023-02-28

(54)【発明の名称】内燃エンジンのバタフライバルブの制御装置と同装置を包含する内燃エンジン

(51)【国際特許分類】

   F02D 9/02 20060101AFI20230220BHJP

【ＦＩ】

F02D9/02 351M

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021521163

(86)(22)【出願日】2019-10-17

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-14

(86)【国際出願番号】 IB2019058856

(87)【国際公開番号】W WO2020079632

(87)【国際公開日】2020-04-23

【審査請求日】2022-01-07

(31)【優先権主張番号】102018000009528

(32)【優先日】2018-10-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT

(73)【特許権者】

【識別番号】515198555

【氏名又は名称】エフピーティー インダストリアル ソチエタ ペル アツィオーニ

(74)【代理人】

【識別番号】110001416

【氏名又は名称】弁理士法人信栄事務所

(72)【発明者】

【氏名】カーロ，マルチェロ

(72)【発明者】

【氏名】アイマール，ブルーノ

(72)【発明者】

【氏名】ブルカト，アルド

【審査官】小関 峰夫

(56)【参考文献】

【文献】特開平０８－２９６５０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－２０９８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１３２４９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２１７１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／１０５０１０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１５４７４１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｄ ９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃エンジンが稼働している時の前記内燃エンジンのバタフライバルブ（Ｆ）を制御する制御方法であって、前記バタフライバルブの角度（アルファ）位置を表す制御信号によって前記バルブが制御される方法であり、前記バタフライバルブの下流での目標圧力（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ＿ａｉｒ＿Ｔａｒｇｅｔ）と前記バタフライバルブの上流での測定圧力（Ｐ１）との間の比が第１所定閾値（Ｓ１）より大きい（ステップ３：イエス）時に、前記制御信号の速度に第１制限フィルタを適用するステップ（ステップ４）を包含する方法。

【請求項2】

前記制御信号が前記バタフライバルブの開動作を判断する（ステップ２：イエス）ものであるかどうかを確認する予備ステップを更に包含し、前記確認が肯定的であって前記比が前記第１所定閾値より大きい時のみ、前記第１制限フィルタを適用する前記ステップが実施される、請求項１に記載の制御方法。

【請求項3】

前記制御信号が前記バタフライバルブの開動作を判断するものであるかどうかを確認する前記予備ステップが否定的である（ステップ２：ノー）時に、前記比が第２閾値（Ｓ２）より小さい時、および／または、前記バタフライバルブのボデーと同軸の基準方向（Ｘ）に対する前記バタフライバルブ（Ｆ）の角度位置が第３所定閾値（Ｓ３）より小さい時に、前記制御信号の前記速度に第２制限フィルタを適用させるステップを包含する方法である、請求項２に記載の制御方法。

【請求項4】

前記第１および第２制限フィルタは、前記バタフライバルブの回転角度を経時的に制限する、請求項３に記載の制御方法。

【請求項5】

前記第１および第２制限フィルタが前記制御信号で計算された微分に適用される飽和関数に存する、請求項４に記載の制御方法。

【請求項6】

内燃エンジンのバタフライバルブ（Ｆ）を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ）であって、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の前記制御方法を実行するように構成された電子制御ユニット。

【請求項7】

－バタフライバルブ（Ｆ）の角度（アルファ）位置を表す制御信号に応じて、吸気ダクトを開閉するように移動するように構成されたバタフライバルブ（Ｆ）と、
－前記バタフライバルブの上流に配置される第１圧力センサ（Ｐ１）と、
－前記吸気ダクト内の前記バタフライバルブの直近上流または下流に配置される温度センサと、
－前記バタフライバルブのためのアクチュエータと、
－前記バタフライバルブのボデーと同軸の基準方向（Ｘ）に対する前記バタフライバルブ（Ｆ）の角度（アルファ）位置を測定するように構成された位置センサ（ＳＡ）と、
－請求項６に記載の電子制御ユニットと、を包含する内燃エンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願の相互参照）
本特許出願は、２０１８年１０月１７日出願のイタリア特許出願第１０２０１８０００００９５２８号の優先権を主張し、同出願の開示全体が参照により本明細書に援用される。

【0002】

本発明は、エンジン制御の分野に、詳しくは、内燃エンジンのバタフライバルブを制御する装置に、そしてこの装置を包含する内燃エンジンに関する。

【背景技術】

【0003】

火花点火式内燃エンジンは、エンジンのシリンダの充填物の閉塞を可能にするバタフライバルブを吸気ダクトに備える。

【0004】

バタフライは通常、円形または楕円形の薄いプレートであり、その形状の対称軸線上に延びるシャフトによってエンジンの吸気ダクトにヒンジ結合されている。

【0005】

このシャフトを中心とするプレートの回転は、内燃エンジンへ流入する空気流量の調節を可能にする。

【0006】

内燃エンジンの毎分回転数が一定であるとすると、バルブの角度位置に関連した空気流の変動は、バルブのプレートの角度位置に応じて高い非線形性を持つ。

【0007】

例えば、バルブがほぼ完全に閉止されると、バルブの小さい角度変化は空気流の大きい変動を招く。

【0008】

逆に、バルブがほぼ完全に開口していると、バルブの小さい角度変化は空気流の小さい変動を招く。

【0009】

火花点火式エンジンでは空気流の大きい変動は著しいトルク変化に対応するので、これは、適度なトルク伝達を得るにはバタフライバルブのプレートの角度位置の変動が適切に制御される必要があることを意味する。

【0010】

車両がオートマチックトランスミッションを備える時に、伝達されるトルクの管理にはギヤシフトが考慮される。それゆえ、ギヤシフトにより、以下のステップが連続して実行される。
クラッチの開口を通してエンジンをトランスミッションから切断すること、
所望の回転数でのゼロ伝達トルク値にエンジンを設定すること、
ギヤシフト、
クラッチの閉止を通して、エンジンをトランスミッションに結合すること、
エンジンによりトルクを伝達すること。

【0011】

エンジンがゼロ伝達トルク値に達した時に、バルブは最小開口まで閉止できる。

【0012】

ゼロ伝達トルクとは、燃焼中にシリンダで発生されるトルクはエンジンの内側での内部摩擦を克服するという目的のみに役立つので、有効トルクの伝達を伴わずエンジンが所望の毎分回転数を維持することを可能にするトルクを意味する。

【0013】

逆に、エンジンが所定のトルクを伝達する時には、必要な空気流に対応する位置までバルブが開口する。

【0014】

それゆえ、所定の目的トルク“Ｃｏｐｐｉａ＿Ｏｂｊ”に達するには、以下の方程式（１）に従って目的の空気質量“Ｍａｓｓａ＿ａｒｉａ＿Ｏｂｊ”が必要とされる。
Ｃｏｐｐｉａ＿Ｏｂｊ＝Ｋ＊Ｍａｓｓａ＿ａｒｉａ＿Ｏｂｊ （１）
Ｍａｓｓａ＿ａｒｉａ＿Ｏｂｊを得るには、エンジンに吸い込まれる空気流が調節されなければならない。この流れはバタフライバルブを通して調節される。

【0015】

バタフライバルブの閉止及び開口動作は、特にエンジンの特定の伝達特徴と可能なターボチャージャ装置の反応とに関連するトルク伝達の著しい変化を招く。

【0016】

トルク伝達のこれらの変化は、クラッチ閉止段階においてギヤシフト中の膠着を起こしうる。これらの膠着はオートマチックトランスミッションを損傷させうる。

【0017】

内燃エンジンにより伝達される過剰トルクのケースでは、マニュアルトランスミッションも損傷しうる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0018】

本発明の目的は、車両の全体的性能を損なうことなくギヤシフト中の前述の膠着問題を解決することである。

【課題を解決するための手段】

【0019】

発明の元となる発想は、バタフライバルブアクチュエータの非線形特性のため、そして吸気マニホルドの容量効果によるシステムの一般的な遅延のために、伝達トルクの変化が急激過ぎる作用点のみにバタフライバルブの位置勾配の制限手段の適用を削減することである。本発明によれば、バタフライバルブの下流での目標圧力とバタフライバルブの上流での測定圧力との間の比が所定閾値を超えた時に制限手段が適用される。

【0020】

この比は、バルブが完全に開口している時には単位値になる傾向があり、すなわちバルブが完全に閉止された時にはいわゆる漏出値まで減少する。好ましくは、バルブが開口制御される、すなわちバタフライバルブの開口速度を上記の比より上に制限する時のみ、上述の戦略が具現化される。

【0021】

バルブが閉止制御される時に具現化される本発明の好適な変形例によれば、少なくとも上記の圧力比が第２所定閾値より小さい時に、そして完全閉止（アルファ＝０°）に近いバタフライ位置について、負の勾配より下への制限が適用される。言い換えると、このケースでも、完全閉止に近い時にはバタフライバルブの移動速度が制限される。

【0022】

これは、少なくともバルブ閉止の最終段階では、行程の端部での機械的衝突を回避するようにその移動が減速されることを意味する。

【0023】

完全閉止に近いバタフライ位置についてのみ制限が介入するので、バタフライバルブの急速な閉止が保証され、バタフライバルブを損傷または摩耗させるリスクを伴わずに所望の急速なエンジンブレーキが同時に達成されることになり、有利である。

【0024】

バタフライバルブの開口に適用される勾配制限手段は、その閉止に適用される制限手段と異なっていることが指摘されるべきである。

【0025】

実際に、第１のケースでは伝達トルクのピークが回避される（正の勾配より上への制限）が、第２のケースではバタフライバルブの損傷が回避される（負の勾配より下への制限）。

【0026】

伝達トルクの正の勾配を得るためのバタフライバルブの開口のケースでは、所定の圧力比の値から、バタフライバルブを流れる空気流の音速と亜音速との間の移行条件が特定される。

【0027】

本発明の目的は、請求項１に記載の内燃エンジンのバタフライバルブの制御装置である。

【0028】

また内燃エンジンのバタフライバルブの制御方法も、本発明の目的を成す。

【0029】

本発明の別の目的は、この装置を包含する内燃エンジンである。

【0030】

請求項は、本発明の好適な実施形態を記載することで明細書の一体的な部分を形成する。

【0031】

本発明のさらなる目的および利点は、非限定的な例を示すに過ぎない添付図面を参照して、本発明の実施形態（および関連の変形例）についての以下の詳細な説明を熟読すると最も良く理解されるだろう。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】火花点火式エンジンのバタフライバルブを概略的に示す。

【図2】本発明の好適な変形例によるフローチャートを概略的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0033】

図において、同じ数字および同じ参照文字は、同じ要素またはコンポーネントを指す。

【0034】

本明細書において、「第２」コンポーネントの語は「第１」コンポーネントの存在を含意していない。実際のところ、これらの語は明瞭性のためにのみ使用され、限定的に解釈されるべきではない。

【0035】

図１は、管形状を有する関連のバルブボデーの内側での内燃エンジンのバタフライバルブＦを概略的に示す。

【0036】

Ｘはバルブボデーの軸線を指す。他方で、Ａはバルブを画定するプレートの軸線を指す。

【0037】

角度アルファは、軸線ＡおよびＸの間の角度に相当する。

【0038】

空気流は大きな矢印で記されている。空気流の方向によるバルブＦの上流には、第１圧力センサＰ１が設けられる。バルブの下流には第２圧力センサＰ２が設けられる。

【0039】

概して、サーボ制御（不図示）がバルブＦと関連しており、サーボ制御は、軸線Ｘに対してバルブが取る角度位置アルファに従って制御され、位置アルファを表す。アルファ＝９０°の時に、これはバタフライバルブの完全な開口に相当する。この位置で、空気流は閉塞されず、エンジンの特定の作動点に関連した最大トルクがエンジンに見られる。他方で、ゼロトルク伝達条件は、バルブを流れる外気流が、駆動系から切断された状態でエンジンを所定速度に保つのに厳密に必要とされるものであるという条件を意味する。この条件はバルブが完全に閉止されることを必要としないが、アルファ＝９０°でバルブが完全に開口している条件とは反対の条件をこの位置が表すことは明白である。

【0040】

概して、Ｘに対するバルブの角度アルファの認識を可能にする角度センサＳＡが、バルのシャフトに装着される。

【0041】

ギヤシフト段階中の上記の膠着問題を解決できる、本発明の目的である方法が、以下に記載される。

【0042】

本発明によれば、内燃エンジンにより伝達されるトルクの増加を得るようにバタフライバルブが開口制御される時に、バタフライバルブの下流での目標圧力Ｐｒｅｓｓｉｏｎｅ＿ａｒｉａ＿Ｏｂｊと、バタフライバルブＦの上流に配置されるセンサＰ１により測定される圧力と間の比が計算される。この比が所定閾値Ｓ１を超えた時に、バルブの位置勾配の制限手段が適用される。

【0043】

このような制限手段は、バタフライバルブの位置を制御するサーボ機構に送られる制御信号の微分に適用される飽和関数でありうる。

【0044】

目標圧力は以下の方程式（２）で表されうる。
Ｐｒｅｓｓｉｏｎｅ＿ａｒｉａ＿Ｏｂｊ＝ｆ（Ｍａｓｓａ＿ａｒｉａ＿Ｏｂｊ，Ｔｅｍｐ＿ａｒｉａ＿Ｍｉｓ，Ｓｐｅｅｄ＿Ｍｉｓ） （２）
記号“ｆ”は、周知のように、サンブナン方程式から導出され、内燃エンジンのモデルを扱うのに使用される当業者には周知の数学関数を指す。なお、Ｔｅｍｐ＿ａｒｉａ＿Ｍｉｓは、内燃エンジンに流入する空気の測定温度を指す。

【0045】

Ｍａｓｓａ＿ａｒｉａ＿Ｏｂｊが目的トルクＣｏｐｐｉａ＿Ｏｂｊの関数であることは明白である。それゆえ、関係（２）は、Ｐｒｅｓｓｉｏｎｅ＿ａｒｉａ＿Ｏｂｊであって以下のように書き直されうる、未知値を一つのみ含む方程式を表す。
Ｐｒｅｓｓｉｏｎｅ＿ａｒｅａ＿Ｏｂｊ＝ｆ（Ｃｏｐｐｉａ＿Ｏｂｊ，Ｔｅｍｐ＿ａｒｉａ＿Ｍｉｓ，Ｓｐｅｅｄ＿Ｍｉｓ） （３）
それゆえ、目標トルクが獲得されて、例えばアクセルペダルの位置が獲得されると、上記の方程式によって目標空気圧が計算されうる。なお、Ｔｅｍｐ＿ａｒｉａ＿Ｍｉｓは、内燃エンジンに流入する空気の測定温度を指す。

【0046】

上記の圧力の比は一般的に０．５から１の範囲であり、バルブが完全に開口した稼働条件では１が得られる。

【0047】

例えば、制限手段は、サーボ制御が１０ミリ秒ごとに２度より大きくバタフライバルブを開口させるのを阻止する。

【0048】

制限手段は、バルブの単独開口に、そして上記の圧力比が上記の閾値Ｓ１を超えた時のみ適用されることが好ましい。

【0049】

方程式（２）から理解されうるように、制限手段が適用される角度位置の間隔は、測定による空気温度への依存の他には、エンジンの回転速度Ｓｐｅｅｄ＿Ｍｉｓにも依存する。

【0050】

概して、内燃エンジンへ流入する空気の温度は、空気フィルタとバタフライバルブとの間に配置される質量・空気測定手段に組み込まれるセンサによって測定される。それにも関わらず、内燃エンジンが過給式である場合には特に、他の適当な配列が特定されうる。このケースでは、例えば、周知のようにコンプレッサとバタフライバルブとの間に配置される中間冷却器の下流に温度センサが設置されることが好ましい。

【0051】

バタフライバルブの下流に圧力センサＰ２が設けられるが、位置勾配制限手段の適用を判断するのに使用されないことが好ましい。

【0052】

図２は、内燃エンジンが回転している間は作動する本発明の好適な実施形態を具現化したフローチャートを示す。

【0053】

ステップにおいて、
（ステップ１）制御の開始
（ステップ２）バタフライバルブの位置を制御する信号に正の変動（開口）があるかどうかを確認する。肯定的な回答（ステップ２＝イエス）のケースでは、
（ステップ３）目標圧力Ｐｒｅｓｓｉｏｎｅ＿ａｒｉａ＿Ｏｂｊ（Ｐ＿ＯＢＪ）とバタフライバルブの上流での測定圧力との間の比に相当する比Ｐ＿ＯＢＪ／Ｐ１が第１所定閾値Ｓ１を超えているかどうかを確認する。否定的な回答（ステップ２＝ノー）のケースでは、手順は最初（ステップ１）から再開する。
（ステップ４）比Ｐ＿ＯＢＪ／Ｐ１＞Ｓ１である（ステップ３＝イエス）場合に、バタフライバルブの位置勾配の第１制限手段が適用される。
（ステップ５）もしくは、代わりに比Ｐ＿ＯＢＪ／Ｐ１＜＝Ｓ１である（ステップ３＝ノー）場合には、位置勾配制限手段が適用されないか、あるいは第二に、より許容的な制限手段が適用される、すなわち、第１制限手段の時と比較してより急速なバタフライバルブの移動を可能にする勾配が適用される。

【0054】

本発明の好適な変形例によれば、内燃エンジンに要求されるトルクが劇的に低下した時には、閉止に近いバタフライ位置について勾配制限手段が適用され、上記の比Ｐ＿ＯＢＪ／Ｐ１＜Ｓ２である時に、Ｓ２は、第１閾値Ｓ１と異なるか等しい第２閾値である。

【0055】

関連の制限停止部に激しく衝突することによるｔの損傷を回避するように、閉止に近いバタフライ位置が選択されうる。

【0056】

バタフライバルブのプレートの角度位置に基づいてバルブが閉止制御される時に、また上記の圧力比に関係なく、位置勾配制限手段が起動されうる。

【0057】

例えば、幾つかの条件において上記の比が２０°の開口でＳ２より小さい場合には、プレートが１０°の開口に達した時から完全な閉止（アルファ＝０°）まで制限手段が起動されうる。

【0058】

本発明は、エンジン（ＥＣＵ）を制御する処理ユニットで具現化されると有利であり、ゆえに、プログラムがコンピュータで稼働される時にこの方法の一以上のステップを実行するための符号化手段を包含するコンピュータプログラムによって実行されうる。それゆえ、保護の範囲は、このコンピュータプログラムと、さらに、記録されたメッセージを包含するコンピュータ可読手段にまで拡張され、コンピュータ可読手段は、プログラムがコンピュータで稼働される時にこの方法の一以上のステップを実行するためのプログラム符号化手段を包含する。

【0059】

本発明によれば、「上流」および「下流」の表現は、内燃エンジンが回転してバタフライバルブにより調整される時のバタフライバルブでの外気の循環方向に関連している。

【0060】

上に記載した非限定的な例には、当業者にとって同等である全ての実施形態を包含する変形を加えることができ、本発明の保護範囲をこの理由で逸脱することはない。

【0061】

上の記載を読むと、当業者はさらなる製造上の詳細を取り入れることなく本発明の主題を実行できる。図面を含めて、種々の好適な実施形態に含まれる要素および特徴を互いに組み合わせることができ、本特許出願の保護範囲をこの理由で逸脱することはない。当該技術に関係する部分に含まれる情報は、本発明のより深い理解という目的のみに役立ち、記載された物品の存在の宣言を表すものではない。さらに、詳細な説明により明確に除外されていない場合に、当該技術に関係する部分に含まれる情報は本発明の一体的部分と考えられるべきである。

【符号の説明】

【0062】

Ａ バルブプレートの軸線
Ｆ バタフライバルブ
Ｐ１ 第１圧力センサ
Ｐ２ 第２圧力センサ
ＳＡ 角度センサ
Ｘ バルブボデーの軸線

【図1】

【図2】