JP2005188348A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸入負圧によって回転するローターから電力を回収する発電機を備えた内燃機関において、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。
【解決手段】吸気通路２に介装したローター４と、前記ローター４に接続され、前記ローター４が回転することによって発電する発電機４ａと、前記発電機４ａ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に介装したバイパス弁６と、エンジン８の運転状態に応じた要求吸気量を算出する要求吸気量算出手段９と、前記ローター４の回転数を検知する手段１０と、前記吸気通路２の、前記バイパス通路３以外の部分に介装した吸気絞り手段７と、機関の要求電気負荷を検知する手段１６と、前記要求吸気量と前記要求電気負荷とに応じて、前記バイパス弁６および前記吸気絞り手段７の開度と前記発電機の発電量とを制御する制御手段９と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、吸入負圧を利用して発電を行う発電機を備える内燃機関の制御装置に関する。

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る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行い、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ほぼ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制御が困難である。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ている。

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、上記の発電要求と吸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、本発明では吸入負圧によって回転するローターから電力を回収するシステムにおいて、発電要求とエンジンの吸気量要求を同時に満足する内燃機関の制御装置の提供を目的とする。

本発明の内燃機関の制御装置は、吸気通路に介装したローターと、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する発電機と、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介装したバイパス弁と、エンジンの運転状態に応じた要求吸気量を算出する要求吸気量算出手段と、前記発電機の回転数を検知する手段と、前記吸気通路の、前記バイパス通路以外のいずれかの場所に介装した吸気絞り手段と、機関の要求電気負荷を検知する手段と、前記要求吸気量と前記要求電気負荷とに応じて、前記バイパス弁および前記吸気絞り手段の開度を制御する制御手段と、を備える。

本発明によればエンジンの要求吸気量と車両の電気負荷とに応じて、バイパス弁と吸気絞り手段の開度を制御し、例えば電気負荷が大きく、要求吸気量が少ない場合には、バイパス弁を閉弁して全ての吸入空気がローターを通過するようにして発電量を確保し、エンジンへ供給する吸気量は吸気絞り手段の開度を絞ることで調節する。また、電気負荷が小さく要求吸気量が多い時はバイパス弁を開いてバイパス通路からエンジンへ空気を供給する。

したがって、さまざまに変化する自動車の運転状況に対応し、その時点での車両の発電要求とエンジンの要求吸気量とを同時に満足することが可能となる。

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は分岐部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には容積型過給機のブロワー部分と同様の構造のローター４が配置される。

ローター４はシャフト５を介して発電機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数センサー（ローターの回転速度検出手段）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。

ローター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下流には吸気絞り手段としてのスロットルバルブ７が設けられている。

エンジン８の要求吸気量Ｑａは、回転数センサー１０の検出値およびアクセル開度センサー１３とエンジン回転数センサー１４の検出値に基づいてコントロールユニット（ＥＣＵ）９によって算出される（要求吸気量算出手段）。

上記バイパス弁６、スロットルバルブ７は共に図示しないアクチュエータにより駆動され、その関係は、ＥＣＵ９によって、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。前記ローター４はエンジン８が高負荷運転時等、過給が要求されるときに、発電機４ａによって駆動され過給を行うが、エンジン８が低中負荷運転時等、非過給時には発電を行う。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、ローター４は負圧に引かれて回転する。このときローター４に連結され回転する発電機４ａで発電を行ない、発電した電力はバッテリ１５に蓄えられる。

これにより従来のガソリンエンジン等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）を回収することが可能となる。

なお、発電機４ａは従来のオルタネータと同様のもので、電気負荷スイッチ１６によって検出するヘッドライト、デフォッガ等の使用による車両の電気負荷状態（以下、要求電気負荷Ｉという）に応じて、その発電量をコントロールしている。

また、ＥＣＵ９は加速時等のエンジン８が高負荷運転時には、発電機４ａに電力を供給してローター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に予めしきい値を設け、このしきい値を超えた場合には車両が加速要求をしていると判定する。加速要求を検出した場合には、スロットルバルブ７を全開にして、発電機４ａによってローター４を駆動し、ローター４による過給開始後にバイパス弁６を閉じる。

次にＥＣＵ９が行う制御について図２、図３に示すフローチャートを用いて詳細に説明する。

図２は過給を行うか否かの判定のフローチャートである。ステップＳ５０でアクセル開度センサー１３の検出値を読込み、ステップＳ５１でこの検出値と予め設定した高負荷域に相当するしきい値とを比較する。

検出値の方が大きい場合はステップＳ５２に進み、過給制御を選択し、検出値の方が小さい場合はステップＳ５３に進み、非過給制御を選択する。

ローター４を駆動しての過給制御の場合は、ステップＳ５４でバイパス弁６を閉じて空気がバイパス通路３を逆流することを防止して、ステップＳ５５でエンジン８の加速、出力要求を満たすようにスロットルバルブ７を開く。

非過給制御の場合は図３のフローチャートに移行する。

図３は前述した非過給制御のフローチャートであり、エンジン８の出力要求が低い場合に、発電機４ａにより発電を行ない、電気負荷に応じて、発電要求を満たすようにバイパス弁６、スロットルバルブ７の開度を制御する。

ステップＳ１００でアクセル開度センサー１３及びエンジン回転数センサー１４の検出信号に基いてエンジン８の要求吸気量Ｑａを算出する。

ステップＳ１０１で、スロットルバルブ７の開度を要求吸気量Ｑａに応じた開度に設定する。

ステップＳ１０２では要求される電気負荷Ｉが予め定めた規定値（下限の規定値）Ｉ１以上であるか否かの判定を行ない、規定値Ｉ１より小さい場合はステップＳ１１０でバイパス弁６を全開して処理を終了する。この状態では要求発電量が非常に小さく、バイパス弁６を全開することでエンジン８の要求空気量はほぼ全量がバイパス通路３を通り、発電機４ａは実質的に発電を行わない。

ステップＳ１０２で電気負荷Ｉが規定値Ｉ１以上であった場合には、ステップＳ１０３に進みバイパス弁６の開度を予め設定した所定量だけ絞る。これによりバイパス通路３を流れる空気量が減少し、その分ローター４を通過する空気が増加して発電量が増加する。

ステップＳ１０４では、図４に示すテーブルを用いてバイパス弁６の開度からバイパス通路３を通過する空気量（バイパス弁流量）Ｑｂを算出する。なお、図４はバイパス弁開度とバイパス弁流量Ｑｂとの関係を表すテーブルであり、バイパス弁流量Ｑｂが増えるほどバイパス弁開度も大きくなっている。

ステップＳ１０５ではバイパス弁流量Ｑｂとローター４を通過する空気量Ｑｓから実際のエンジン吸気量Ｑａｒを算出する。

ここでローター４を通過する空気量Ｑｓの算出方法について説明する。

エンジン８の吸入負圧によって回転するローター４の回転数を回転数センサー１０によって検知して、ローター４を通過する空気量Ｑｓを算出する。容積型のローター４は１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、回転数とローター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）×（ローター４の回転数）
したがって、上記のように算出したローター４を通過する空気量ＱｓとステップＳ１０４で算出したバイパス弁流量Ｑｂとから、エンジン吸気量Ｑａｒは次式（１）のように表すことができる。

Ｑａｒ＝Ｑｂ＋Ｑｓ ・・・（１）
ステップＳ１０６ではステップＳ１００で算出した要求吸気量ＱａとステップＳ１０５で算出したエンジン吸気量Ｑａｒとの比較を行う。要求吸気量Ｑａがエンジン吸気量Ｑａｒ以上である場合にはステップＳ１０７に進み、そうでない場合にはステップＳ１０３に戻り、実際のエンジン吸気量Ｑａｒを減少させる為にバイパス弁６の開度を絞る。

ステップＳ１０７ではエンジン吸気量Ｑａｒを増加させて要求吸気量Ｑａと等しくするためにスロットルバルブ７を予め定めた所定量だけ開き、ステップＳ１０８に進んで再び要求吸気量Ｑａとエンジン吸気量Ｑａｒとの比較を行う。

ステップＳ１０８で要求吸気量Ｑａがエンジン吸気量Ｑａｒ以上の場合にはステップＳ１０９に進み、そうでない場合にはステップＳ１０３に戻り、エンジン吸気量Ｑａｒが要求吸気量Ｑａと等しくなるようにバイパス弁６の開度を絞る。

ステップＳ１０９では電気負荷Ｉと規定値Ｉ１との比較を行う。発電負荷Ｉが規定値Ｉ１よりも小さい場合は発電する必要がなく、ステップＳ１１０でバイパス弁６を全開にして、実際のエンジン吸気量Ｑａｒの全量をバイパス通路３に流し、応答のよい吸入空気量制御を確保する。

要求される電気負荷Ｉが規定値Ｉ１以上である場合にはステップＳ１１１に進み、要求電気負荷Ｉと予め定めた規定値（上限の規定値で、高負荷域での設定値に相当する）Ｉ２との比較を行う。要求電気負荷Ｉが規定値Ｉ２よりも小さい場合にはステップＳ１０７に戻りエンジン吸気量Ｑａｒを増加させるためにスロットルバルブ７の開度を増加させる。要求される電気負荷Ｉが規定値Ｉ２以上の場合にはステップＳ１１２に進む。

ステップＳ１１２では、発電量を増加させるためにバイパス弁６を全閉にしてローター４を通過する空気量を増加させる。そしてステップＳ１１３に進み、要求吸気量Ｑａとエンジン吸気量Ｑａｒとの比較を行う。

要求吸気量Ｑａがエンジン吸気量Ｑａｒ以上である場合にはステップＳ１１５に進み、エンジン吸気量Ｑａｒを増加させるためにスロットルバルブ７を予め定めた所定量だけ開いてステップＳ１１６に進み、ステップＳ１１６ではスロットルバルブ７が全開か否か判断し、全開でなければステップＳ１１７に進む。これに対し、スロットルバルブ７が全開していると判断されたときは、ステップＳ１１８に進んで、バイパス弁６を一定開度だけ開く。

エンジン吸気量Ｑａｒが要求吸気量Ｑａに達していないにもかかわらずスロットルバルブ７が全開すれば、それ以上、吸入空気量を増やすことはできない。そこで、このときにはバイパス弁６を開いて、ローター４を迂回して空気を流すことでエンジン８の要求吸気量に近づける。

ステップＳ１１３にてエンジン吸気量Ｑａｒが要求吸気量Ｑａより多いと判定された場合にはステップＳ１１４に進み、エンジン吸気量Ｑａｒが要求吸気量Ｑａとなるようにスロットルバルブ７を予め定めた所定量だけ絞り、さらに、ステップＳ１１９でバイパス弁６を全開にしてステップＳ１１７に進む。

ステップＳ１１７では要求電気負荷Ｉと規定値Ｉ２との比較を行う。要求電気負荷Ｉが規定値Ｉ２以上ならば、そのまま発電量を維持し、ステップＳ１１３に戻る。これに対して、要求電気負荷Ｉが規格値Ｉ２以下のときは、ステップＳ１２０に進み、要求電気負荷Ｉを規格値Ｉ１と比較し、規格値Ｉ１以上ならば発電要求があるため、ステップＳ１０３に戻る。しかし、規格値Ｉ１以下ならば発電要求がないのでステップＳ１２１でバイパス弁６を全開にして処理を終了する。

上記の制御は以下のようにまとめることができる。

発電要求が低い場合（規定値Ｉ１≦要求電気負荷Ｉ≦規定値Ｉ２）には、バイパス弁６とスロットルバルブ７の開度によりエンジン吸気量Ｑａｒを調整して発電を行う。

発電要求が高い場合（規定値Ｉ２≦要求電気負荷Ｉ）には、バイパス弁６を全閉とし、スロットルバルブ７の開度のみでエンジン吸気量Ｑａｒを調整し、発電を行う。ただし、スロットルバルブ７が全開になってもエンジン吸気量Ｑａｒが要求吸気量Ｑａよりも少ない場合にはバイパス弁６を開いてエンジン吸気量Ｑａｒを調整する。

また、要求電気負荷Ｉが規定値Ｉ１より小さいときは、バイパス弁６を全開して、発電は実質的に停止する。

次に上記制御を行なった場合の各制御量の変化を図４のタイムチャートを参照して説明する。

ｔ０で要求電気負荷Ｉが増加して規定値Ｉ１以上Ｉ２以下になると、バイパス弁６の開度を絞りローター４を通過する空気量Ｑｓを増加させることによってローター４の回転数を高めて発電量を増加させている。このとき、バイパス弁６の開度を絞ることでエンジン吸気量Ｑａｒは減少するが、スロットルバルブ７の開度を増すことで補っている。

ｔ１では電気負荷Ｉが増加して上限の規定値Ｉ２を超えている。このため発電電流はｔ１で瞬間的に増加し、その後も要求電気負荷Ｉを満足するまで徐々に増加する。また、要求電気負荷Ｉが増大することによって、ローター４は発電負荷トルクが増大して回転速度が低下するので、ローター４を通過する空気量Ｑｓも同様に減少する。

そこで、発電電流の増加に対応するために、バイパス弁６の開度を絞り、ローター４に多くの空気を通過させることでローター４の回転速度を増加させている。しかし、ｔ２でスロットルバルブ７が全開になると、エンジン吸気量Ｑａｒ確保の為にバイパス弁６を開く。これによりローター４を通過する空気量が減少するのでローター４の回転数は下がり、ローター４を通過する空気量Ｑｓが減少する。

ｔ３で電気負荷Ｉが減少して規定値Ｉ１≦Ｉ≦Ｉ２になると、発電量を減少させる為バイパス弁６の開度は増加し、これによりバイパス通路３を通過する空気量が増加するのでスロットルバルブ７の開度を絞りエンジン吸気量Ｑａｒを調整する。

ｔ４で電気負荷Ｉが規定値Ｉ１小さくなった場合も、ｔ３での動作と同様にバイパス弁６の開度は増し、スロットルバルブ７の開度は絞る。

以上により、本実施形態ではローター４に過給が要求されない低中負荷域など、非過給時に、車両の発電要求（電気負荷）に応じて、バイパス通路３に設けたバイパス弁６の開度とスロットルバルブ７の開度とを制御することでエンジン８の要求空気量Ｑａを確保しつつ発電機４ａによる発電を行うので、さまざまに変化するエンジン運転要求に対応し、その時点での発電要求とエンジンの吸入空気要求を同時に満たすことが可能となる。

発電要求の低い時は、バイパス弁６の開度を絞りつつ、スロットル弁７開度を調整して発電するので、必要量の発電を行える。

エンジン８に過給が要求されていない低中負荷時において、発電要求の高い時は、バイパス弁６を全閉して、発電機４ａに全ての吸入空気を通過させて発電するので、エンジン８のポンピングロスに相当する分のエネルギーを回生して要求電力を確保することが可能である。

発電要求が高い時でも、スロットルバルブ７が全開に達しているときなど、吸入空気量が不足する時は、バイパス弁６を少し開いて吸気量を確保するので、吸気不足を起こすことなく発電することが可能である。

また、本実施形態では、低中負荷過給機通過空気量Ｑｓを、回転数センサー１０で検知したローター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。

エンジン８に過給が要求される高負荷時は、ローター４により過給を行うので、高出力を得ることが可能である。

本実施形態ではスロットルバルブ７を用いて吸気量を調節したが、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する手段としてもよい。

なお、本実施形態では車両の加速要求時には発電機４ａによりローター４を駆動して過給を行っているが、過給を行わずに、常に非過給時と同様の制御を行ってもよい。

また、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、内燃機関の発電制御装置に適用することができる。

本実施形態のシステム構成を表す図である。 過給を行うか否かの判定のフローチャートである。 非過給時制御のフローチャートである。 バイパス弁開度とバイパス通路通過空気量との関係を示すテーブルである。 本実施形態の制御を実施した場合の各制御量のタイムチャートである。

符号の説明

２ 吸気通路
３ バイパス通路
４ ローター
４ａ 発電機
５ シャフト
６ バイパス弁
７ スロットルバルブ
８ エンジン
９ コントロールユニット（ＥＣＵ）
１０ 回転数センサー
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
１５ バッテリ
１６ 電気負荷スイッチ

Claims (8)

1. 吸気通路に介装したローターと、
   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する発電機と、
   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介装したバイパス弁と、
   エンジンの運転状態に応じた要求吸気量を算出する要求吸気量算出手段と、
   前記ローターの回転数を検知する手段と、
   前記吸気通路の、前記バイパス通路以外の部分に介装した吸気絞り手段と、
   車両の要求電気負荷を検知する手段と、
   前記要求吸気量と前記要求電気負荷とに応じて、前記バイパス弁および前記吸気絞り手段の開度を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記発電機は、車両の加速要求時には前記ローターを駆動させて過給を行なう請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記制御手段は、前記要求電気負荷が設定値より大きいときは、前記バイパス弁を絞り、かつ前記バイパス弁開度と前記過給機回転数とから推定したエンジン吸気量が、前記要求吸気量となるように前記バイパス弁の開度とスロットルバルブの開度とを制御する請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記推定した実際のエンジン吸気量が前記要求吸気量より多いときは、前記バイパス弁を絞る請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記推定した実際のエンジン吸気量が前記要求吸気量より少ないときは、要求電気負荷を確保しつつ前記要求吸気量を満足するように前記吸気絞り手段を開く請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記制御手段は、前記要求電気負荷が設定値より大きいときは、前記バイパス弁を全閉とし、かつ前記推定したエンジン吸気量が、前記要求吸気量となるように前記吸気絞り手段の開度を制御する請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記推定した実際のエンジン吸気量が、前記吸気絞り手段を全開にしても前記要求吸気量に達していないときは、前記要求吸気量となるように前記バイパス弁を開く請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記制御手段は、前記要求電気負荷が実質的に無いときは前記バイパス弁を全開とする請求項６に記載の内燃機関の制御装置。

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