JP2005042553A - 電動過給機構のバイパス弁制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ過給機と電動過給機とを併せ持つ過給装置において、コスト増加を抑えつつ、過給切換えに伴うトルクショックを防止する。
【解決手段】ターボ過給機１と、電動過給機２と、電動過給機２を迂回するバイパス通路７と、バイパス通路７を開閉するバイパス弁３と、バイパス弁３の上下流のいずれか一方の吸気通路に設けた圧力検出手段８と、圧力検出手段８による検出値と吸入空気量とエンジン回転速度とから、いずれか他方の吸気通路の圧力を推定する圧力推定手段４と、車両の加速要求を検出する手段３１と、前記加速要求を検出したときにバイパス弁３と関連付けながら電動過給機２による過給を行うとともに、バイパス弁３の上下流の圧力がほぼ等しくなったときにバイパス弁３を開弁する制御手段と、を備える。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機により駆動する過給機を備えた内燃機関の過給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン出力を向上させる技術として、エンジンの排気ガスにより駆動され、吸入空気を加圧するターボ過給機が知られている。しかしながらターボ過給機には、エンジン低回転域では過給できないという問題や、過給に遅れが生じる、いわゆるターボラグという問題があった。
【０００３】
そこで、ターボ過給機に加えて、ターボ過給機の欠点を補うべく、電動機によって駆動する電動過給機を設置し、さらにターボ過給機と電動過給機との間の吸気通路中に閉塞手段、または切換え手段（以下、切換え手段等という）を設けて吸気通路の変更を可能とし、これら電動過給機や切換え手段等の動作を制御することで電動過給の圧力を調整する技術が特許文献１に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２１５７３号公報
【０００５】
【本発明が解決しようとする課題】
しかしながら特許文献１には、切換え手段等の詳細な制御方法について記載されていない。
【０００６】
実際には、切換え手段等の上流と下流の圧力差がある状態で切換え手段等を動作させると、トルクショックの発生等といった問題が生じる。例えば、電動過給機を稼働させた直後に、切換え手段等によって全ての吸気が電動過給機を通過するように吸気通路を変更すると、電動過給機の回転速度が高まっていないために電動過給機が吸気抵抗となってしまい、エンジンへ供給する吸気量が急激に減少してトルクショックを生じる。
【０００７】
上記のような問題を解決するためには、切換え手段等の上流と下流の圧力差がない状態で切り替え手段等を動作させる必要があるが、圧力差を検出するために切り替え手段等の上下流に圧力センサ等を設置するとコストが増大する。
【０００８】
そこで本発明では、コストを増加させることなく、適切なタイミングで切換え手段等の動作を行うことによって、加速時のトルクショックの発生を防止することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のバイパス弁制御装置は、エンジンの排気ガス圧力によって駆動するターボ過給機と、電動機によって駆動する電動過給機と、前記電動過給機を迂回して前記電動過給機の上流と下流の吸気通路をつなぐバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、前記バイパス弁の上下流のいずれか一方の吸気通路に設けた圧力検出手段と、前記圧力検出手段による検出値と吸入空気量とエンジン回転速度とから前記バイパス弁の上下流のいずれか他方の吸気通路の圧力を推定する圧力推定手段と、車両の加速要求を検出する手段と、前記加速要求を検出したときに前記バイパス弁と関連付けながら前記電動過給機による過給を行うとともに、前記バイパス弁の上下流の圧力がほぼ等しくなったときに前記バイパス弁を開弁する制御手段と、を備える。
【００１０】
【作用・効果】
本発明によれば、バイパス弁の上下流の圧力差がなくなったとき、つまりバイパス弁を開いてもバイパス通路に空気が流れないときにバイパス弁を開くので、バイパス弁の開弁動作に伴うトルクショックの発生を防止できる。
【００１１】
また、バイパス弁の上下流の圧力を検出方法は、一方の吸気通路内圧力は圧力センサによって検出し、他方の吸気通路内圧力は圧力検出手段によって検出された一方の吸気通路内圧力に基いて推定するので、圧力検出手段を２つ設けるのに比べてコストを低減できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
第１実施形態について図１を用いて説明する。
【００１４】
１はエンジン１２の排気ガスによって駆動するターボ過給機で、エンジン１２の排気ガスが排気通路５０を通ってタービン１ｂに供給されることでタービン１ｂが回転し、これによってシャフト１ｃによってタービン１ｂと連結されているコンプレッサー１ａも回転する。これにより、コンプレッサー１ａの上流に設けたエアクリーナ１３から吸入した空気を圧縮してコンプレッサー１ａ下流の吸気通路２０に送り出す。
【００１５】
ターボ過給機１の上流の吸気通路６にはエアクリーナ１３とエアクリーナ１３から吸入した吸気量Ｑａを計測するエアフローメータ（ＡＦＭ）５を設置する。
【００１６】
ターボ過給機１の下流の吸気通路２０に駆動モータ２ｂによってコンプレッサー２ａを駆動して過給を行う電動過給機２を設置する。
【００１７】
電動過給機２は駆動モータ２ｂにより駆動するため、駆動開始後から回転数が高くなるまでの時間がターボ過給機１よりも短い。
【００１８】
そこでエンジン１２の回転数が低い領域や、いわゆるターボラグが発生する領域のように、ターボ過給機１が過給を十分に行えないときに電動過給機２を稼動させて、ターボ過給機１の欠点を補う。
【００１９】
電動過給機２の上流かつターボ過給機１のコンプレッサー１ａ下流の吸気通路２０に入口をもち、電動過給機２を迂回してエンジン１２の上流かつ電動過給機２の下流の吸気通路２１に出口をもつバイパス通路７を設け、このバイパス通路７にアクチュエータ３ｂと開閉弁３ａとで構成するバイパス弁３を設ける。
【００２０】
電動過給機２による過給を行うときにターボ過給機１から供給された空気をすべて電動過給機２に導くようバイパス弁３は閉じ、ターボ過給機１による過給が高まり電動過給機２による過給の必要がなくなったときにバイパス弁３を開いて空気がバイパス通路７を通るようにすることで電動過給機２が吸気通路２０中で吸気抵抗となるのを防ぐ。
【００２１】
ターボ過給機１から吸気通路２０に送り出された空気は、電動過給機２およびバイパス通路７の両方またはいずれか一方を通過し、吸気通路２１からエンジン１２に供給され燃焼する。エンジン１２で燃焼した後は排気通路５０を通ってタービン１ｂに供給されタービン１ｂを回転させた後、排気通路５１から排出される。
【００２２】
電動過給機２の上流の吸気通路２０に圧力センサ８を配置して電動過給機２およびバイパス弁３の上流の吸気通路内の圧力Ｐ１を検出し、検出結果をＥＣＭ４に出力する。ＥＣＭ４は、後述する方法によって、圧力Ｐ１に基いて電動過給機２およびバイパス弁３下流の吸気通路内の圧力Ｐ２を推定する。
【００２３】
電動過給機２のシャフト２ｃの近傍に回転速度センサ１１を配置してコンプレッサー２ａの回転速度Ｎｃを検出する。測定結果はＥＣＭ４に出力される。
【００２４】
また、ＥＣＭ４には加速状態検出手段３１からの加速状態検出信号Ｔｈも読み込まれる。加速状態検出手段３１はスロットルバルブ３１ａの開度（あるいはアクセル開度）の変化速度を検出するもので、スロットル開度の変化速度が所定値を超えた場合に、車両が加速状態であると判断するものである。
【００２５】
ＥＣＭ４は図２のフローチャートに示すように、上記の圧力Ｐ１、Ｐ２、回転数Ｎｃおよび加速状態検出信号Ｔｈに基づいて、バイパス弁３の上下流の圧力差がない状態でバイパス弁３を開閉させるようにバイパス弁３のアクチュエータ３ｂを制御する。
【００２６】
ステップＳ１００で加速状態検出信号Ｔｈに基いて、現在加速中であるか否かの判定を行う。加速中である場合はステップＳ１０１へ進み、加速中でない場合はステップＳ１０３へ進んでバイパス弁３を開き、ステップＳ１０４で電動過給機２を停止させる。
【００２７】
ステップＳ１０１では電動過給機２が駆動中であるか否かの判定を回転速度センサ１１からの検出信号に基いて行い、電動過給機２が停止していた場合にはステップＳ１０２へ進み、電動過給機２を駆動させる。電動過給機２が駆動している場合には、ステップＳ１０５へ進み、開度センサ３ｃからの検出信号に基いてバイパス弁３が開いているか否かの判定を行う。
【００２８】
ステップＳ１０５でバイパス弁３が開いている場合は開いた状態のままにしておき、閉じている場合はステップＳ１０６に進む。
【００２９】
ステップＳ１０６では、上流側圧力Ｐ１を圧力センサ８によって検出し、下流側圧力Ｐ２を上流側圧力Ｐ１に基いて以下に示す手順によって算出する。図３に上流側圧力Ｐ１、下流側圧力Ｐ２の算出方法のサブルーチンを示して説明する。
【００３０】
ステップＳ２００で圧力センサ８によって上流側圧力Ｐ１を測定し、ＥＣＭ４に読込む。
【００３１】
ステップＳ２０１では、以下に示すように、ＥＣＭ４に読込んだ上流側圧力Ｐ１を利用して電動過給機２を通過する空気の質量流量Ｑｓを算出する。
【００３２】
圧力センサ８によって測定される上流側圧力Ｐ１を式で表すと、次式（１）のようになる。
【００３３】
Ｐ１＝（Ｑａ−Ｑｓ）／Ｖ１×係数Ａ ・・・（１）
Ｑａ：エアクリーナ１３から吸入した空気量
Ｑｓ：電動過給機２が圧送する空気量
Ｖ１：ターボ過給機１より下流かつ電動過給機２およびバイパス弁３より上流の吸気通路容積
係数Ａ：気体定数、モル数等を含む係数
この式（１）から
Ｑｓ＝Ｑａ−（Ｐ１×Ｖ１）／係数Ａ ・・・（２）
と表すことができる。上式（２）においてエアクリーナ１３から吸入した空気量ＱａはＡＦＭ５、Ｐ１は圧力センサ８によって測定され、Ｖ１は予め測定しておくことが可能であるので、電動過給機２が圧送する空気量（電動過給機通過質量流量）Ｑｓは上式（２）によって算出することが可能である。
【００３４】
ステップＳ２０２では電動過給機通過質量流量Ｑｓを利用して、以下の手順により下流側圧力Ｐ２を算出する。
【００３５】
圧力Ｐ２は次式（３）で表すことができる。
【００３６】
Ｐ２＝（Ｑｓ−Ｑｅ）／Ｖ２×係数Ｂ ・・・（３）
Ｑｓ：電動過給機２が圧送する空気量
Ｑｅ：エンジン１２に供給される空気量
Ｖ２：電動過給機２およびバイパス弁３より下流かつスロットルバルブ３１ａより上流の吸気通路容積
係数Ｂ：気体定数、モル数等を含む係数
ここでエンジン１２に供給される空気量Ｑｅはクランク角センサ３３によって検出されるエンジン回転速度Ｎｅを用いて次式（４）のように表すことができる。
【００３７】
Ｑｅ＝Ｎｅ×係数Ｃ ・・・（４）
上式（２）、（４）を式（３）に代入することにより、Ｐ２は次式（５）のように表すことができる。
【００３８】

上式（５）においてエアクリーナ１３から吸入した空気量Ｑａ、エンジン回転速度Ｎｅは前述したようにそれぞれＡＦＭ５、クランク角センサ３３によって測定可能であり、また、吸気通路２０の容積Ｖ１、吸気通路２１の容積Ｖ２、および各係数は予め求めておくことが可能である。したがって式（５）に各値を代入することによって下流側の圧力Ｐ２を計算によって求めることが可能である。
【００３９】
上記のように上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２とを推定したら、ステップＳ１０７に進み、前述したステップで求めた圧力Ｐ１、Ｐ２に基いて、バイパス弁３が閉弁状態から開弁状態までに要する時間（動作時間）Ｔ（ｓ）後の上流側圧力Ｐｔ１および下流側圧力Ｐｔ２を求める。これは、バイパス弁３が閉弁状態から完全に開弁状態になるまでには動作時間Ｔ（ｓ）を要し、この間も圧力は変化しているからである。なお、動作時間Ｔ（ｓ）は予め実験等により調べておく。
【００４０】
具体的な算出方法は、図４に示すサブルーチンの通りである。
【００４１】
ステップＳ３００で上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２について、前回の計算値と今回の計算値とから単位時間当たりの増加量△Ｐ１、△Ｐ２を算出する。この増加量△Ｐ１、△Ｐ２を用いて動作時間Ｔ（ｓ）後の予測圧力圧力Ｐｔ１、Ｐｔ２を表すと、式（６）、（７）のようになる。
【００４２】
Ｐｔ１＝△Ｐ１×Ｔ＋Ｐ１ ・・・（６）
Ｐｔ２＝△Ｐ２×Ｔ＋Ｐ２ ・・・（７）
△Ｐ１、△Ｐ２：動作時間Ｔ（ｓ）中の単位時間当たりの圧力増加量
ステップＳ３０１では、動作時間Ｔ（ｓ）後の上下流の圧力をより正確に求める為に、図５、図６に示すテーブル、マップを用いて増加量△Ｐ１の補正値ｈｏｓｅｉ１、および増加量△Ｐ２の補正値ｈｏｓｅｉ２を求める。
図５は補正値ｈｏｓｅｉ１をエンジン回転速度に割付けたテーブルであり、エンジン１２が低回転域では回転数が高くなるに連れて補正値ｈｏｓｅｉ１が大きくなり１に近づき、中間領域では回転速度によらず１であり、高回転域では回転速度が大きくなるに連れて小さくなる。このテーブルからエンジン回転速度によって検索することにより補正値ｈｏｓｅｉ１を求める。
【００４３】
図６は図５のテーブルに変数として駆動モータ回転速度を加えた３次元マップであり、エンジン回転速度とモータ回転速度の両方、もしくは一方が低回転域の場合は、回転速度が高くなるほど補正値ｈｏｓｅｉ２が大きくなり１に近づき、両方が中間域の場合は回転速度によらず１であり、両方もしくはいずれか一方が高回転域の場合は、回転速度が高くなるほど補正値ｈｏｓｅｉ２は小さくなる。このマップからエンジン回転速度、駆動モータ回転速度によって検索することにより補正値ｈｏｓｅｉ２を求める。
【００４４】
ステップＳ３０２では上記で求めた補正値ｈｏｓｅｉ１、ｈｏｓｅｉ２を用いて増加量△Ｐ１、△Ｐ２を補正し、△Ｐ１ｈ、△Ｐ２ｈとする。
△Ｐ１ｈ＝△Ｐ１×ｈｏｓｅｉ１ ・・・（８）
△Ｐ２ｈ＝△Ｐ２×ｈｏｓｅｉ２ ・・・（９）
ステップＳ３０３では補正後の増加量△Ｐ１ｈ、△Ｐ２ｈを用いて、次式（１０）、（１１）のように動作時間Ｔ（ｓ）後の上下流の予測圧力Ｐｔ１、Ｐｔ２を算出する。
【００４５】
Ｐｔ１＝△Ｐ１ｈ×Ｔ＋Ｐ１ ・・・（１０）
Ｐｔ２＝△Ｐ２ｈ×Ｔ＋Ｐ２ ・・・（１１）
次に図２のフローチャートに戻る。
【００４６】
ステップＳ１０８では、上記のように求めた予測圧力Ｐｔ１、Ｐｔ２を比較し、上流側予測圧力Ｐｔ１が下流側予測圧力Ｐｔ２以上となった場合にはステップＳ１０９に進み、バイパス弁３を開き、上流側予測圧力Ｐｔ１が下流側予測圧力Ｐｔ２より小さい場合にはステップＳ１０６に戻る。
【００４７】
ここで、開弁するか否かの判定に、予測圧力Ｐｔ１、Ｐｔ２を用いる理由について説明する。バイパス弁３の上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２が等しくなってからバイパス弁３を開くと、バイパス弁３が完全に開くまではバイパス弁３によって吸気通路断面積が絞られているので、上流側圧力Ｐ１が上昇し続けて下流側圧力Ｐ２より高くなる。つまりバイパス弁３が吸気抵抗となって、エンジン１２に要求通りの空気量が供給されなくなる。
【００４８】
そこで、バイパス弁３が完全に開いたときにバイパス弁３の上下流の圧力が等しくなるようにするために、バイパス弁３の動作時間Ｔ（ｓ）の間の圧力上昇を考慮した予測圧力Ｐｔ１、Ｐｔ２を用いる。
【００４９】
上記のように本実施形態では、上流側圧力Ｐ１は圧力センサ８によって検出し、下流側圧力Ｐ２は上流側圧力Ｐ１を用いて推定し、これらに基いてバイパス弁３の動作時間後の予測圧力Ｐｔ１、Ｐｔ２を算出し、予測圧力Ｐｔ１、Ｐｔ２が等しくなったときにバイパス弁３に開弁指令を出す。
【００５０】
以上により、本実施形態では、バイパス弁３が全開になったときにバイパス弁３及び電動過給機２の上下流の圧力Ｐ１、Ｐ２が等しくなるタイミングでバイパス弁３の開弁動作を開始するので、バイパス弁３を開閉してもバイパス通路７を空気が流れることがなく、これによりエンジン出力のトルクショックが発生することを防止できる。
【００５１】
バイパス弁３及び電動過給機２の下流側圧力Ｐ２は、圧力センサ８によって検出するバイパス弁上流側圧力Ｐ１とエンジン回転速度および吸入空気量に基いて推定するので、下流側圧力Ｐ２測定用に別途圧力センサを設置するよりもコストを低減することができ、また、上下流ともに圧力センサを設置せずに推定するよりも正確に圧力を推定できる。
【００５２】
なお、圧力センサ８を下流側に設けて下流側圧力Ｐ２を検出し、検出したＰ２に基いて上流側圧力Ｐ１を推定する方法でも同様の効果が得られる。この場合は、上流側圧力Ｐ１は、以下のように求まる。
【００５３】
圧力センサ８によって検出した下流側圧力Ｐ２は式（１２）のように表すことができる。
【００５４】
Ｐ２＝（Ｑｓ−Ｑｅ）／Ｖ２×係数Ｂ ・・・（１２）
これを変形して
Ｑｓ＝Ｑｅ＋（Ｐ２×Ｖ２）／係数Ｂ ・・・（１３）
とする。ここで、Ｑｅ＝Ｎｅ（エンジン回転速度）×係数ＣであるからＱｓは次式（１３）で表すことができる。
【００５５】
Ｑｓ＝（Ｎｅ×Ｃ）＋（Ｐ２×Ｖ２）／係数Ｂ ・・・（１４）
そして、式（３）および式（１４）を式（１）に代入することによって上流側圧力Ｐ１は式（１５）のように表すことができる。
【００５６】

ここで、圧力センサ８をバイパス弁３の上下流のどちらに設置した方が良いかについて説明する。
【００５７】
圧力センサ８をバイパス弁３の上下流のどちらに設置した場合にも、検出した一方の圧力値は電動過給機２を通過する空気量Ｑｓを求めるのに利用し、この空気量Ｑｓから他方の圧力値を推定している。
【００５８】
ただし、上流側に設置した場合には、空気量Ｑｓは式（２）のように表され、下流側に設置した場合には、空気量Ｑｓは式（１３）のように表される。
【００５９】
Ｑｓ＝Ｑａ−（Ｐ１×Ｖ１）／係数Ａ ・・・（２）
Ｑｓ＝Ｑｅ＋（Ｐ２×Ｖ２）／係数Ｂ ・・・（１３）
つまり、電動過給機２を通過する空気量Ｑｓの精度は、上流側に圧力センサ８を設置した場合にはエアフローメータ５で計測した吸気量Ｑａの精度に依存し、下流側に設置した場合にはエンジン回転速度Ｎｅから計算によって算出した空気量Ｑｅの精度に依存することになる。エアフローメータ５によって直接計測した値とクランク角センサ３３によって検出したエンジン回転速度Ｎｅを用いて計算によって求めた値とを比較すれば、エアフローメータ５によって直接計測した値の方が精度が高いと考えられるので、圧力センサ８は上流側に設ける方がより高精度な推定を行うことが可能であると考えられる。
【００６０】
また、上流側に圧力センサ８を設置した場合にはターボ過給機１によって圧縮された空気の圧力を測定するのに対して、下流側に圧力センサ８を設置した場合には、ターボ過給機１によって圧縮された後さらに電動過給機２によって圧縮された空気の圧力を測定することになり、圧縮による温度上昇の影響が大きくなる。このことからも、圧力センサ８は上流側に設置した方がより高精度な推定を行うことが可能であると考えられる。
【００６１】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のシステム構成を表す図である。
【図２】ＥＣＭが実行するバイパス弁制御のフローチャートである。
【図３】上流側に設置した圧力センサの検出値から下流側の圧力を推定するサブルーチンのフローチャートである。
【図４】バイパス弁の開弁動作中の圧力上昇を考慮して吸気通路内圧力を推定するフローチャートである。
【図５】バイパス弁動作中の圧力上昇の傾きの補正値をエンジン回転速度に割付けたテーブルである。
【図６】バイパス弁動作中の圧力上昇の傾きの補正値をエンジン回転数およびモータ回転速度に割付けた３次元マップである。
【符号の説明】
１ ターボ過給機
２ 電動過給機
２ａ コンプレッサ
２ｂ 駆動モータ
２ｃ シャフト
３ バイパス弁
４ コントロールユニット（ＥＣＭ）
５ エアフローメータ（ＡＦＭ）
６ 吸気通路
７ バイパス通路
８ 圧力センサ
１１ 回転速度センサ
１２ エンジン
１３ エアクリーナ
２０ 吸気通路（上流側）
２１ 吸気通路（下流側）
３１ スロットルバルブ

Claims (4)

1. エンジンの排気ガス圧力によって駆動するターボ過給機と、
   電動機によって駆動する電動過給機と、
   前記電動過給機を迂回して前記電動過給機の上流と下流の吸気通路をつなぐバイパス通路と、
   前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、
   前記バイパス弁の上下流のいずれか一方の吸気通路に設けた圧力検出手段と、
   前記圧力検出手段による検出値と吸入空気量とエンジン回転速度とから前記バイパス弁の上下流のいずれか他方の吸気通路の圧力を推定する圧力推定手段と、
   車両の加速要求を検出する手段と、
   前記加速要求を検出したときに前記バイパス弁と関連付けながら前記電動過給機による過給を行うとともに、前記バイパス弁の上下流の圧力がほぼ等しくなったときに前記バイパス弁を開弁する制御手段と、を備えることを特徴とする電動過給機構のバイパス弁制御装置。
2. 前記制御手段は、前記圧力検出手段による検出値と前記圧力推定手段による推定値とから、前記バイパス弁の開弁動作時間後の上下流の圧力を予測し、上下流の予測圧力がほぼ等しくなったときに開弁指令を出す請求項１に記載の電動過給機構のバイパス弁制御手段。
3. 前記上流側の予測圧力はエンジンの回転速度に基いて、前記下流側の予測圧力はエンジンの回転速度と電動機の回転速度とに基いて、それぞれ補正を行う請求項２に記載の電動過給機構のバイパス弁制御装置。
4. 前記圧力検出手段は、前記バイパス弁の上流の吸気通路に設ける請求項１から３のいずれか一つに記載の電動過給機構のバイパス弁制御装置。

Images