JP2004308646A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸入負圧を利用する発電機を備える内燃機関の発電要求と吸入空気量要求を両立する。
【解決手段】吸気通路に介装されたローター４に接続され、ローター４が回転することによって発電をおこなう発電機４ａと、発電機４ａを迂回して吸気を流すバイパス通路３と、バイパス通路３に配置した第１の吸気絞り手段６と、ローター４を通過した空気量を算出するローター通過空気量算出手段９と、エンジン８の要求空気量を検出する要求空気量検出手段９と、要求空気量とローター通過空気量との差分に基づいて第１の吸気絞り手段６の開度を制御する開度制御手段９と、を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンの吸入負圧を利用して発電を行なう発電機を備える内燃機関の制御に関する。

従来からエンジン出力を上げる技術として、エンジン吸気通路に設けられエンジンや電動機により駆動される容積型過給機、いわゆるスーパーチャージャーが知られている。

特許文献１には、電動機および発電機に連結された容積型過給機を用いて、高負荷時には電動機により容積型過給機を駆動して過給をおこない、低負荷時にはエンジンの吸入負圧によって回転する容積型過給機と連結された発電機によって発電を行う技術が開示されている。
特開２００２-３５７１２７号公報

しかしながら、特許文献１に記載のシステムはスロットルバルブを有さず、吸入空気量の制御も容積型過給機で行っている。これは船舶のようにエンジンが一定の条件で運転される場合においては有効な技術である。しかし自動車のようにエンジンの運転状況が常に変化する場合には容積型過給機のみでエンジンの吸気量が要求吸気量となるように制御することは困難である。

また、発電要求は、そのときの電力消費量と電気蓄積可能量で決定されるものである。

したがって、自動車用の過給装置として考えると、容積型過給機がスロットルバルブの機能を兼用する特許文献1のシステムでは、例えば、急激な加速をした場合、エンジンの回転数の上昇に伴い、エンジンの要求空気量は増加するが、容積型過給機の回転による供給空気量が追いつかず、要求空気量が満足できない場合がある。かといって、発電機の負荷を下げて、容積型過給機の回転数を上げようとすると、今度は発電要求を満足できないことがある。よって、発電要求と吸入空気量要求を同時に満足することは非常に困難である。

そこで、本発明ではエンジンの吸入負圧を利用して発電する発電機を吸気通路中に設けたシステムにおいて、発電要求とエンジンの吸入空気量要求を同時に満足するシステムの提供を目的とする。

本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関の吸気通路に介装されたローターと、前記ローターに接続され、前記ローターが回転することによって発電を行う発電機と、前記発電機を迂回して吸気を流すバイパス通路と、前記バイパス通路に配置した第１の吸気絞り手段と、前記ローターを通過した空気量を算出するローター通過空気量算出手段と、エンジンの要求空気量を検出する要求空気量検出手段と、前記要求空気量とローター通過空気量とに基づいて前記第１の吸気絞り手段の開度を制御する開度制御手段と、を備える。

本発明によれば、前記第１の吸気絞り手段の開度は前記要求空気量とローター通過空気量とに基づいて制御され、例えば、エンジンの要求空気量がローター通過空気量よりも多いときには前記第１の吸気絞り手段を開くことによってバイパス通路を通過する空気量を増加させて要求空気量を確保し、また、要求空気量とローター通過空気量とが等しいときには、前記第１の吸気絞り手段の開度を小さくしてエンジンに供給する空気の全量がローターを通過するようにするので、発電要求を満足させる。したがって、発電要求とエンジンの吸入空気量要求を両立することができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態のシステム構成を表した図である。８はエンジンであり、エンジン８の吸気通路１は分岐点１１で２つに分岐しており、一方を吸気通路２、他方をバイパス通路３とする。吸気通路２には容積型のローター４が配置されている。尚、この容積型のローター４は容積型過給機のブロワー（コンプレッサ）と同様の構造を有している。

コンプレッサ４はシャフト５を介して発電機能付き電動機４ａと接続され、シャフト５の近傍にはシャフト５の回転数を検出する回転センサー１０が設けられている。

バイパス通路３にはバイパス弁６が設けられている。バイパス弁６は閉弁時にはバイパス通路３の連通を遮断する。

コンプレッサ４下流の吸気通路２ｂとバイパス弁６下流のバイパス通路３ｂは合流部１２で合流している。合流部１２下流には第２の弁としての吸気絞り弁７が設けられている。

上記バイパス弁６、吸気絞り弁７の動きはエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）９によって回転センサー１０の検出値、アクセル開度センサー１３とエンジン回転数センサー１４の検出値に基づくエンジン８の要求空気量Ｑａに応じて後述するように制御される。

前記電動機４ａの発電の原理は以下のとおりである。エンジン８が吸気行程において吸入負圧を発生すると、コンプレッサ４は負圧に引かれて回転する。このときコンプレッサ４に接続された電動機４ａも回転するので発電が行われる。

これにより従来のエンジンが空気流量制御を行うスロットル部で損失しているエネルギー（ポンピングロス）を回収可能としたものである。

なお、電動機４ａは従来のオルタネータと同様のもので、車両の電気負荷状態とバッテリの状態に応じて発電のコントロールを電動機４ａ自身で行っている。

次にＥＣＵ９が行う本システムの制御について図２、図３を用いて詳細に説明する。

図２は本システムの制御フローチャートである。

図３はバイパス弁開度検索テーブルであり、バイパス通路３を通過する空気量Ｑｂとバイパス弁６の開度の関係を表している。テーブル１はバイパス通路３を通過する空気量Ｑｂがゼロ以上の場合、テーブル２はバイパス通路３を通過する空気量Ｑｂが負の場合である（ただし、図では便宜上、同一象限に表している）。

テーブル１はエンジン８の要求空気量Ｑａに応じて開度が設定されており、バイパス通路３を通過する空気量Ｑｂがゼロのときバイパス弁６は全閉となる。

テーブル２はバイパス弁６の上流と下流の圧力が同じで、かつ最小限の開度になるよう設定されている。

テーブル１、テーブル２ともにバイパス通路３を通過する空気量Ｑｂの値が大きくなるにしたがってバイパス弁開度も大きくなるが、テーブル１の方がバイパス通路３を通過する空気量Ｑｂの変化に対する変化量が大きい。

以下、図２のステップにしたがって説明する。

ステップＳ１０１で、ＥＣＵ９はまずアクセル開度等の信号からエンジン８に要求される出力を算出し、この出力要求とエンジン回転速度からエンジン８の要求吸入空気量Ｑａを算出する。

ステップＳ１０２では、エンジン８の吸入負圧によって回転するコンプレッサ４の回転速度を回転センサー１０によって検知して、コンプレッサ４を通過する空気量Ｑｓを算出する。容積型のコンプレッサ４は一回転あたり一定の容積の空気を上流から下流に圧送するので、回転速度とコンプレッサ４を通過する空気量Ｑｓの関係は以下のような計算で求められる。

Ｑｓ＝（係数）×（コンプレッサ４上流の空気圧力）×（コンプレッサ４の回 転速度）／（コンプレッサ４上流の空気温度）
次にステップＳ１０３で、バイパス通路３を通過する空気量Ｑｂをエンジン８の要求空気量Ｑａとコンプレッサ通過空気量Ｑｓの差から求める。

Ｑｂ＝Ｑａ−Ｑｓ
ステップＳ１０４では、Ｑｂ≧０であるか否かの判定を行う。

Ｑｂ≧０、つまりエンジン８の要求空気量Ｑａがコンプレッサ通過空気量Ｑｓより大きい場合は、ステップＳ１０５に進み吸気絞り弁７を全開または少なくとも要求吸入空気量Ｑａ以上の開度にし、ステップＳ１０６では、図３のテーブル１からバイパス通路３を通過する空気量Ｑｂに応じてバイパス弁６の開度を検索し、ステップＳ１０７ではバイパス弁６の開度をステップＳ１０６で決定した開度に制御する。

以上のように、エンジン８の要求空気量Ｑａがコンプレッサ通過空気量Ｑｓより大きい場合は、コンプレッサ通過空気量Ｑｓで不足する空気量はバイパス弁６によって制御する。

ステップＳ１０４で、Ｑｂ＜０、つまりエンジン８の要求空気量Ｑａがコンプレッサ通過空気量Ｑｓより小さい場合は、ステップＳ１０８に進み、要求空気量Ｑａに応じて吸気絞り弁７の開度を制御してステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０９では、バイパス通路３を通過（逆流）する空気量Ｑｂに応じて図３のテーブル２からバイパス弁６の開度を検索し、ステップＳ１１０ではバイパス弁６の開度をステップＳ１０９で決定した開度に制御する。このとき吸気絞り弁７が閉じて抵抗となり、コンプレッサ通過空気量Ｑｓの一部（余剰分に相当する）はバイパス弁６からバイパス通路３を逆流して吸気通路２に流れる。

上記のように、エンジン８の要求空気量Ｑａがコンプレッサ通過空気量Ｑｓより小さい場合は、エンジン８に供給する空気量は吸気絞り弁７とバイパス弁６によって制御する。

この制御を実行した場合のバイパス弁開度、吸気絞り弁開度、コンプレッサ回転速度、要求空気量Ｑａ、コンプレッサ通過空気量Ｑｓの変化の様子を図４のタイムチャートを参照して説明する。なお、図４では、エンジン８の要求空気量Ｑａは一定としている。

コンプレッサ４の回転は要求発電量Ｑａに応じて変化する。例えば、エンジン８の吸入負圧が同じであっても、発電量が大きい場合はコンプレッサ４の回転数は下がり、発電量が小さい場合はコンプレッサ４の回転数が上がる。

ｔ０において、コンプレッサ４の回転速度は低くコンプレッサ通過空気量Ｑｓはエンジン８の要求空気量Ｑａよりも小さい。この状態では吸気絞り弁７は全開であり、不足する空気量はバイパス通路３を通って補充することになる。したがってこのときバイパス弁６は、テーブル１から不足する空気量Ｑｂで検索した開度になっている。

その後ｔ１までコンプレッサ４の回転速度が徐々に上昇すると、これに応じてバイパス弁６の開度は徐々に小さくなっていく。

ｔ１においてコンプレッサ通過空気量Ｑｓとエンジン８の要求空気量Ｑａとが等しくなると、吸気絞り弁７の開度を小さくし、バイパス弁６の開度はテーブル１から検索してゼロとなる。

その後もｔ２まではコンプレッサ４の回転速度は上昇し続け、コンプレッサ通過空気量Ｑｓが要求吸入空気量Ｑａよりも大きくなると、一部をバイパス通路３に逆流させるように、バイパス弁６の開度はテーブル２にしたがい徐々に大きくなる。

ｔ２以降はコンプレッサ４の回転速度は低下しており、コンプレッサ通過空気量Ｑｓが減少するので、バイパス弁６の開度も小さくなっている。

そして、ｔ３においてコンプレッサ通過空気量Ｑｓとエンジン８の要求空気量Ｑａとが等しくなると、吸気絞り弁７が全開する。

ｔ３以降もコンプレッサ４の回転速度は低下し続けており、コンプレッサ通過空気量Ｑｓが要求吸入空気量Ｑａよりも小さくなるので、バイパス通路３から吸気を補うためバイパス弁６の開度はテーブル１にしたがって徐々に大きくなっている。

ここで電動機４ａが回収するエネルギーについて図５を用いて説明する。

図５に電動機４ａの発電可能量のマップを示す。このマップによるとエンジン回転数が高く、かつエンジン負荷が小さい時ほど発電可能量が大きくなっている。

従来のエンジンでは、負荷が小さい時はスロットル開度を小さくしてエンジンへの吸気量を絞っていたので、スロットルより下流の圧力が低下してポンピングロスが発生していた。すなわち、本実施形態では、従来スロットル部分でポンピングロスとして損失していたエネルギーを電動機４ａで回収しているわけである。

以上により、本実施形態ではコンプレッサ４を迂回するバイパス通路３を設け、このバイパス通路３に設けたバイパス弁６の開度を制御することでエンジン８の要求空気量Ｑａを確保し、コンプレッサ４に接続された発電機４ａの発電要求の状態によらずエンジン８の要求空気量Ｑａを確保し、かつエネルギー回収を行うことが可能、つまり、発電要求とエンジン８の吸入空気量要求とを両立することが可能である。

低中負荷過給機通過空気量Ｑｓを回転センサー１０で検知したコンプレッサ４の回転速度から算出するので、吸気通路２内に吸気流量測定用の機器を設ける必要がなく、吸気抵抗を小さくできる。

なお、本実施形態において吸気絞り弁７は必須の構成要件ではない。例えば、コンプレッサ通過空気量Ｑｓがエンジン８のアイドル運転時の要求空気量Ｑａを満たす程度になるように、コンプレッサ４の容量を設定したり、コンプレッサ４を設けた吸気通路２にオリフィスを介装したりした場合には、エンジン８の吸入空気量に与える影響が小さくなるので、吸気絞り弁７を設けなくてもバイパス弁６の開度調整により吸入空気量の制御を行うことが可能である。

ただし、コンプレッサ４の回転に対する発電機４ａの抵抗（以下、回転負荷という）は発電機４ａの運転状態に応じて変化し、発電状態では回転負荷は大きくなり、発電を停止すると回転負荷は小さくなるので、例えばエンジン８のアイドリング運転時かつ発電中に要求空気量Ｑｓとなるようにコンプレッサ４の容量やオリフィス径を設定すると、発電を停止した場合にコンプレッサ４の回転数が発電中に比べて高くなり、要求空気量Ｑａより多くの空気がエンジン８に供給されるようになる。

吸気絞り弁７を設けない場合には、上記のような発電機４ａの状態に応じたコンプレッサ４の回転数の変化には対応できないが、吸気絞り弁７を設けた場合には、発電機４ａの状態に応じて吸気絞り弁７の開度を制御することにより、より精密に吸入空気量の制御を行うことが可能となる。

また、吸気絞り弁７に代えて、吸気バルブのリフト量を可変にすることによって吸気量を制御してもよい。

また、吸気絞り弁７を設ける位置は合流部１２の下流に限られるものではなく、バイパス通路３以外の吸気通路中に設ければ同様の効果を得ることができる。

次に第２実施形態について説明する。

本実施形態の構成は図１に示した第１実施形態の構成と基本的に同様である。ただし、発電機４ａは、加速時等のエンジン８が高負荷運転時には、発電機４ａを電動機として機能させ、コンプレッサ４を駆動して過給を行う。過給を行うか否かの判定は、例えばアクセル開度センサー１３によって検出するアクセル開度もしくはアクセル開度の変化速度が所定値以上になった場合に、過給要求有と判定する。

本実施形態の制御フローチャートを図６に示す。

図６は、図２のフローチャートのステップＳ１０１に相当するステップＳ２０１と、同じくステップＳ１０２に相当するステップＳ２０３との間に、過給要求の有無を判定するステップＳ２０２を行う。

ステップＳ２０２で過給要求が無いと判定された場合はステップＳ２０３に進む。ステップＳ２０３以降は、図２のステップＳ１０２以降と同様である。

過給要求が有りと判定された場合は、ステップＳ２５１に進む。

ステップＳ２５１では発電機４ａを電動機として作動させてコンプレッサ４による過給を開始する。

ステップＳ２５２では吸気絞り弁７を開いて、コンプレッサ４からエンジン８までの吸気抵抗を小さくする。

ステップＳ２５３ではバイパス弁６を閉じて、コンプレッサ４で加圧した空気がバイパス通路３を逆流しないようにする。

上記のステップＳ２５１〜Ｓ２５３により、加速要求時に効率よく吸入空気量を増加させることが可能となる。

以上により、本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加えて、さらに、過給要求時には発電機４ａを電動機として機能させ、コンプレッサ４を駆動することによって過給を行うので、エンジン８が高負荷運転時に出力を増大させることが可能となる。

また、加速要求時には吸気絞り弁７を開くことによってコンプレッサ４からエンジン８までの吸気通路の通気抵抗を減少させ、バイパス弁６を閉じることによって空気がバイパス通路３を逆流することを防止するので、コンプレッサ４によって加圧した空気を効率よくエンジン８に供給することが可能となる。

なお、吸気通路２に介装した容積型過給機と、前記容積型過給機に接続され、機関過給要求時には過給のために過給機を駆動し、前記過給要求時以外の非過給時には吸入負圧により回転する前記過給機により駆動されて発電する電動機と、前記過給機を迂回して吸気を流すバイパス通路３と、前記バイパス通路３に配置したバイパス弁６と、前記バイパス通路３が合流した吸気通路の下流に配置した吸気絞り手段７と、機関運転状態に応じた要求空気量を算出する要求空気量算出手段９と、前記過給機を通過する空気量を算出する過給機通過空気量算出手段９と、前記非過給時に前記要求空気量と過給機通過空気量とに基づいて前記バイパス弁６と前記吸気絞り手段７の開度を制御する制御手段９と、を備える構成としてもよい。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本発明は、エンジンのみを駆動源とする車両のみならず、エンジンと電動機とを駆動源とするハイブリッド車両にも適用可能である。

第１実施形態のシステムの構成を表す図である。 第１実施形態の制御フローチャートである。 バイパス弁開度算出用のテーブルである。 第１実施形態の制御を実行した時の各変化量のタイムチャートである。 発電機の発電可能量マップである。 第２実施形態の制御フローチャートである。

符号の説明

４ コンプレッサ
４ａ 発電機
５ シャフト
６ バイパス弁
７ 吸気絞り弁
８ エンジン
９ コントロールユニット（ＥＣＵ）
１０ 回転センサー
１１ 分岐部
１２ 合流部
１３ アクセル開度センサー
１４ エンジン回転数センサー

Claims (9)

1. 内燃機関の吸気通路に介装されたローターと、
   前記ローターに接続され、前記ローターが回転することによって発電をおこなう発電機と、
   前記ローターを迂回して吸気を流すバイパス通路と、
   前記バイパス通路に配置した第１の吸気絞り手段と、
   前記ローターを通過した空気量を算出するローター通過空気量算出手段と、
   エンジンの要求空気量を検出する要求空気量検出手段と、
   前記要求空気量とローター通過空気量とに基づいて前記第１の吸気絞り手段の開度を制御する開度制御手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記ローターの容量は、回転数が最大となった場合にアイドル運転時のエンジンの要求空気量と略同等となるように設定し、
   前記要求空気量がローター通過空気量よりも多い場合には、前記第１の吸気絞り手段を開く方向に制御する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記吸気通路中の前記バイパス通路以外の部分に第２の吸気絞り手段を介装し、
   前記開度制御手段によって前記第２の吸気絞り手段の開度を前記第１の吸気絞り手段と連動させて制御する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記第２の吸気絞り手段は、前記バイパス通路以外かつ前記ローターよりも下流に介装される請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記第２の吸気絞り手段は前記バイパス通路が合流する部分よりも下流の吸気通路中に介装され、
   前記発電機は電動機としての機能を有し、加速時等の高負荷運転時には前記ローターを駆動して過給を行う請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記開度制御手段は、前記要求空気量が前記ローター通過空気量よりも大きい時は、前記第２の吸気絞り手段を所定開度開いて保持し、かつ前記要求空気量とローター通過空気量との差分に応じて前記第１の吸気絞り手段の開度を制御する請求項３〜５のいずれか一つに記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記所定開度が全開である請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記開度制御手段は、前記要求空気量が前記ローター通過空気量よりも小さいときは、前記第２の吸気絞り手段の開度を要求空気量に応じて制御し、かつ前記要求空気量とローター通過空気量との差分に応じて前記第１の吸気絞り手段の開度を制御する請求項３〜７のいずれか一つに記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記ローター通過空気量算出手段は、
   前記ローターの回転速度を検出する手段の検出値に基づいて、前記ローター通過空気量を算出する請求項１〜８のいずれか一つに記載の内燃機関の制御装置。
   

Images