JP2006105075A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 吸気系に電動過給機を備える内燃機関の吸入空気量を、運転状態に応じて正確に制御できるようにした制御装置を提供する。
【解決手段】 アクセルペダル開度ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに応じて、目標吸気量ＧＡＣＭＤを算出する、エンジン１のアイドル運転状態においては、コンプレッサ１２を駆動するモータ１３を所定回転数ＮＴＢ０で一定回転させ、検出される吸気量ＧＡが目標吸気量ＧＡＣＭＤに一致するように、スロットル弁３の開度をモータ１１で制御する。エンジン１の負荷がそれほど大きくないゾーンＢでは、コンプレッサ１２をタービンとして、モータ１３を発電機として動作させ、エネルギの回収を行う一方、エンジンの高負荷または高回転領域であるゾーンＣでは、コンプレッサ１２をモータ１３で駆動し、過給を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に吸気系に電動機で駆動される過給機を備えた内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、内燃機関の吸気系に電動機で駆動される過給機を設け、過給を行わないときは、過給機のコンプレッサをタービンとし使用するとともに、電動機を発電機として使用し、発電電力を取り出す技術が開示されている。

特許文献２には、内燃機関の吸気系に発電機を駆動する羽根車を設け、機関の運転状態に応じて発電機の発電量を制御する技術が開示されている。
実開昭６２−１４１６３７号公報 特許第２８３３３４６号公報

特許文献１及び２に示された内燃機関では、電動過給機、または羽根車の他に、機関の吸入空気量を制御するための手段が設けられていないため、機関のアイドル時に吸入空気量の細かい制御を行うことができず、アイドル回転数が安定しないという課題があった。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、吸気系に電動過給機を備える内燃機関の吸入空気量を、運転状態に応じて正確に制御できるようにした制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の吸気系（２）に設けられ、第１電動機（１１）により駆動されるスロットル弁（３）と、前記吸気系（２）に設けられたコンプレッサ（１２）と、該コンプレッサ（１２）に結合される第２電動機（１３）により吸気を過給すると共に、非過給時は前記コンプレッサ（１２）及び前記第２電動機（１３）をそれぞれタービン及び発電機として用いる、内燃機関の制御装置において、前記機関（１）により駆動される車両のアクセルペダルの開度（ＡＰ）を検出するアクセル開度検出手段（２２）と、前記機関の回転数（ＮＥ）を検出する回転数検出手段（１０）と、前記アクセルペダル開度（ＡＰ）と、前記回転数（ＮＥ）とに基づいて、前記機関の目標吸気量（ＧＡＣＭＤ）を算出する目標吸気量算出手段と、前記機関の吸気量（ＧＡ）を前記目標吸気量（ＧＡＣＭＤ）に一致させるように、前記第１電動機（１１）及び前記第２電動機（１３）を制御する制御手段とを有することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、検出されるアクセルペダル開度及び機関回転数に基づいて、機関の目標吸気量が算出され、機関の吸気量が目標吸気量に一致するように、スロットル弁を駆動する第１電動機及びコンプレッサを駆動する第２電動機が制御される。例えばアクセルペダルが踏み込まれていないアイドル時は、吸気量の変化を生じさせるタービン（コンプレッサ）の回転がほぼ一定となるように第２電動機を制御し、第１電動機によりスロットル弁で吸入空気量を制御することにより、アイドル回転数を安定化することができる。また、アクセルペダルが踏み込まれる中負荷運転時は、スロットル弁を全開として吸入抵抗を低減した上で、タービンによる発電によってエネルギを回収する一方、より大きな出力が求められる高負荷運転時は、コンプレッサにより吸気を過給して出力を確保することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、吸気管２を有し、吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３には、スロットル弁３の開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ４が設けられており、その検出信号が電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給される。スロットル弁３には、スロットル弁３を駆動するモータ１１が接続されており、モータ１１は、ＥＣＵ５によりその作動が制御される。

燃料噴射弁６は図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。

スロットル弁３の直ぐ下流には吸気管内絶対圧（ＰＢＡ）センサ７が設けられており、この絶対圧センサ７により電気信号に変換された絶対圧信号はＥＣＵ５に供給される。また、吸気管内絶対圧センサ７の下流には吸気温（ＴＡ)センサ８が取付けられており、吸気温ＴＡを検出して対応する電気信号をＥＣＵ５に供給する。

エンジン１の本体に装着されたエンジン水温（ＴＷ）センサ９はサーミスタ等から成り、エンジン水温（冷却水温）ＴＷを検出して対応する温度信号を出力してＥＣＵ５に供給する。
ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１０が接続されており、クランク軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１０は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（例えば４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば３０度周期）でＣＲＫパルスを発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ５に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御及びエンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。

吸気管２のスロットル弁３の上流側には、モータ１３で駆動されるコンプレッサ１２が設けられている。コンプレッサ１２は、吸気管２を流れる空気により回転駆動されるタービンとして動作可能に構成されている。またモータ１３は、コンプレッサ１２がタービンとして動作するときは発電機として動作する回生機能を有し、吸気の運動エネルギを電気エネルギに変換する。

モータ１３は、パワードライブユニット（以下「ＰＤＵ」という）１５に接続されており、ＰＤＵ１５はバッテリ１６に接続されている。モータ１３を正の駆動トルクで駆動するとき、すなわちバッテリ１６から出力される電力でモータ１３を駆動するときは、バッテリ１６から出力される電力はＰＤＵ１５を介してモータ１３に供給される。またモータ１３を負の駆動トルクで駆動するとき、すなわちモータ１３を回生動作させるときは、タービンとして動作するコンプレッサ１２によりモータ１３が駆動され、モータ１３により発電される電力がＰＤＵ１５を介してバッテリ１６に供給され、バッテリ１６が充電される。モータ１３にはその回転数（回転速度）ＮＭを検出する回転数センサ１４が設けられており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。

なお、バッテリ１６は、エンジン１により駆動される発電機（図示せず）によっても充電できるように構成されている。
コンプレッサ１２の上流側には、吸気量（単位時間当たりの吸入空気量）ＧＡを検出する吸気量センサ２１が設けられており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。

ＥＣＵ５には、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセルペダル開度」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ２２が接続されており、その検出信号がＥＣＵ５に供給される。
エンジン１の排気管１８には、排気の浄化を行う三元触媒１９が設けられている。

ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理回路（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。ＥＣＵ５は、各種センサの検出信号に基づいて、燃料噴射弁６の開弁時間の制御を行うとともに、アクセルペダル開度ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに応じて目標吸気量ＧＡＣＭＤを算出し、検出される吸気量ＧＡが目標吸気量ＧＡＣＭＤと一致するように吸気量制御を行う。具体的には、モータ１１及びＰＤＵ１５を制御し、スロットル弁３の開度制御及びコンプレッサ１２及びモータ１３からなる電動過給機の制御を行う。

エンジン１の吸気量制御を行う処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ５のＣＰＵでＴＤＣパルスの発生に同期して実行される。
ステップＳ１１では、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル開度ＡＰに応じて、図３に示すＧＡＣＭＤマップを検索し、目標吸入空気量ＧＡＣＭＤを算出する。ＧＡＣＭＤマップは、エンジン回転数ＮＥが増加するほど、またアクセルペダル開度ＡＰが増加するほど、目標吸入空気量ＧＡＣＭＤが増加するように設定されている。

ステップＳ１２では、エンジン１がアイドル運転状態にあるか否かを判別する。具体的には、エンジン回転数ＮＥがアイドル判定回転数ＮＥＬ（例えば１０００ｒｐｍ）以下であり、かつアクセルペダル開度ＡＰが所定低開度ＡＰＬ以下である（アクセルペダルが踏み込まれていない状態）か否かを判別する。ステップＳ１２の答が肯定（ＹＥＳ）であってエンジン１がアイドル運転状態にあるときは、図５に示すアイドル処理を実行する（ステップＳ１３）。

エンジン１がアイドル運転状態にないときは、アクセルペダル開度ＡＰが所定低開度ＡＰＬより大きいか否かを判別する（ステップＳ１４）。その答が否定（ＮＯ）であるときは、エンジン１の運転状態は、図４に示すゾーンＡ（低負荷運転領域）にあるので、ステップＳ１５に進み、図６に示すゾーンＡ処理を実行する。

ステップＳ１４でＡＰ＞ＡＰＬであるときは、エンジン回転数ＮＥが所定高回転数ＮＥＨ（例えば３０００ｒｐｍ）より高いか否かを判別する（ステップＳ１６）。この答が否定（ＮＯ）であるときは、アクセルペダル開度ＡＰが所定高開度ＡＰＨより大きいか否かを判別する（ステップＳ１７）。ステップＳ１６及びＳ１７の答がともに否定（ＮＯ）であるときは、エンジン１の運転状態は、図４に示すゾーンＢ（中負荷運転領域）にあるので、ステップＳ１８に進み、図７に示すゾーンＢ処理を実行する。また、ステップＳ１６またはＳ１７の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、エンジン１の運転状態は、図４に示すゾーンＣ（高負荷高回転領域）にあるので、ステップＳ１９に進み、図９に示すゾーンＣ処理を実行する。

図５は、図２のステップＳ１３で実行されるアイドル処理のフローチャートである。
ステップＳ２１では、エンジン水温ＴＷに応じて図２のステップＳ１１で算出された目標吸気量ＧＡＣＭＤを補正する。具体的には、エンジン水温ＴＷが低いほど、目標吸入空気量ＧＡＣＭＤが増加するように補正する。ステップＳ２２では、検出される吸気量ＧＡが、補正された目標吸気量ＧＡＣＭＤと一致するように、モータ１１を駆動してスロットル弁開度ＴＨを制御する。

ステップＳ２３では、モータ１３を所定回転数ＮＴＢ０で駆動する。具体的には、ＥＣＵ５がＰＤＵ１５を制御して、検出されるモータ回転数ＮＭが所定回転数ＮＴＢ０となるようにモータ１３を駆動する。ここで所定回転数ＮＴＢ０は、コンプレッサ１２が吸気の流れの抵抗とならず、かつ過給をしないように駆動する回転数である。

これにより、アイドル運転状態における吸気量ＧＡは、スロットル弁開度を変更することにより行われるので、吸気量をきめ細かく制御し、アイドル回転数を安定化することができる。

図６は、図２のステップＳ１５で実行されるゾーンＡ処理のフローチャートである。
ステップＳ３１及びＳ３２では、図５のステップＳ２２及びＳ２３と同一の処理が行われる。すなわち、吸気量ＧＡが目標吸気量ＧＡＣＭＤと一致するようにスロットル弁開度ＴＨの制御が行われ、モータ１３は所定回転数ＮＴＢ０で回転駆動される。

図７は、図２のステップＳ１８で実行されるゾーンＢ処理のフローチャートである。
ステップＳ４１では、スロットル弁３を全開とする。ステップＳ４２では、吸気量ＧＡが目標吸気量ＧＡＣＭＤと一致するように、ＰＤＵ１５によりモータ１３の回生制御を行う。すなわち、コンプレッサ１２をタービンとして動作させるとともに、モータ１３を発電機として動作させ、吸気の運動エネルギを電気エネルギに変換してバッテリ１６を充電する。より具体的には、図８に示すように、目標吸気量ＧＡＣＭＤが大きくなるほど、発電電力ＥＰＧを低下させるようにＰＤＵ１５を制御する。ＰＤＵ１５は、ＥＣＵ５からの制御信号に応じて、モータ１３から出力される発電電流を制限することにより、発電電力ＥＰＧの制御を行う。これにより、エンジン負荷に応じた回生制御を行い、エンジン１の運転性を損なわずに、発電を行うことができる。

このようにエンジン負荷が中程度のゾーンＢでは、スロットル弁を全開とし、電動過給機を発電機として動作させて、エネルギの回収が行われる。

図９は、図２のステップＳ１９で実行されるゾーンＣ処理のフローチャートである。
ステップＳ５１では、スロットル弁３を全開にする。ステップＳ５２では、吸気量ＧＡが目標吸気量ＧＡＣＭＤと一致するように、ＰＤＵ１５によりモータ１３の駆動制御を行う。すなわち、バッテリ１６からモータ１３に電力を供給して、コンプレッサ１２を動作させ、過給を行う。より具体的には、図１０に示すように、目標吸気量ＧＡＣＭＤが大きくなるほど、供給電力ＥＰＳを増加させるようにＰＤＵ１５を制御する。ＰＤＵ１５は、ＥＣＵ５のからの制御信号に応じて、モータ１３に供給する駆動電流を増減することにより、供給電力ＥＰＳの制御を行う。これにより、エンジン負荷に応じた過給制御を行い、エンジン１の高負荷運転の出力を確保することができる。

このようにエンジン負荷及び／またはエンジン回転数ＮＥが高いゾーンＣでは、スロットル弁を全開とし、電動過給機を作動させて過給を行い、大きなエンジン出力を得るようにしている。

上述した図１２の処理には示されていないが、三元触媒１９の温度ＴＣＡＴを検出し、触媒温度ＴＣＡＴが所定温度ＴＣＬ（例えば６００℃）以下である場合において、減速燃料カット運転が行われるときは、スロットル弁３を全閉とすることが望ましい。これにより、触媒温度ＴＣＡＴの低下を防止することができる。

また当該車両の車速ＶＰを検出し、車速ＶＰの減速量ΔＶ（＝ＶＰ（ｎ−１）−ＶＰ（ｎ）、ｎは制御周期で離散化した制御時刻）が、所定値以上であるときは、スロットル弁３を全閉とすることが望ましい。これにより、エンジンブレーキ効果を高めることができる。

またコンプレッサ１２の異常判定を行い、異常が検出されたときは、ゾーンＢ及びゾーンＣにおいても、スロットル弁３の開度を制御して吸気量の制御を行うことが望ましい。
さらにスロットル弁３あるいはモータ１１の異常判定を行い、異常が検出されたときは、電動過給機（コンプレッサ１２及びモータ１３）により、吸気量の制御を行うことが望ましい。

本実施形態では、モータ１１が第１電動機に相当し、モータ１３が第２電動機に相当し、アクセルセンサ２２がアクセル開度検出手段に相当し、クランク角度位置センサ１０が回転数検出手段に相当する。またＥＣＵ５が目標吸気量算出手段を構成し、ＥＣＵ５及びＰＤＵ１５が制御手段を構成する。具体的には、図２のステップＳ１１が目標吸気量算出手段に相当し、図２のステップＳ１２〜Ｓ１９が制御手段に相当する。

また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 内燃機関の吸気量制御を行う処理のフローチャートである。 図２の処理で参照される、目標吸入空気量（ＧＡＣＭＤ）を算出するためのマップを示す図である。 内燃機関の運転領域を示す図である。 図２の処理で実行されるアイドル処理のフローチャートである。 図２の処理で実行されるゾーンＡ処理のフローチャートである。 図２の処理で実行されるゾーンＢ処理のフローチャートである。 図７の処理を説明するために目標吸入空気量（ＧＡＣＭＤ）と、発電電力（ＥＰＧ）との関係を示す図である。 図２の処理で実行されるゾーンＣ処理のフローチャートである。 図９の処理を説明するために目標吸入空気量（ＧＡＣＭＤ）と、供給電力（ＥＰＳ）との関係を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気管
３ スロットル弁
５ 電子制御ユニット（目標吸気量算出手段、制御手段）
１０ クランク角度位置センサ（回転数検出手段）
１１ モータ（第１電動機）
１２ コンプレッサ
１３ モータ（第２電動機）
１５ パワードライビングユニット（制御手段）

Claims (1)

1. 内燃機関の吸気系に設けられ、第１電動機により駆動されるスロットル弁と、前記吸気系に設けられたコンプレッサと、該コンプレッサに結合される第２電動機により吸気を過給すると共に、非過給時は前記コンプレッサ及び前記第２電動機をそれぞれタービン及び発電機として用いる、内燃機関の制御装置において、
   前記機関により駆動される車両のアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度検出手段と、
   前記機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記アクセルペダル開度と、前記回転数とに基づいて、前記機関の目標吸気量を算出する目標吸気量算出手段と、
   前記機関の吸気量を前記目標吸気量に一致させるように、前記第１電動機及び前記第２電動機を制御する制御手段とを有することを特徴とする内燃機関の制御装置。

Images