JP2006144776A - 内燃機関の過給圧制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の過給圧制御手段の間の干渉を防ぎつつ、複数の過給圧制御手段への入力要求値の分配特性を少ないパラメータで容易に調整できる過給圧制御手法を提供する。
【解決手段】本発明で提供する内燃機関の過給圧制御装置は、電動機を用いて過給圧を制御する第1過給圧制御手段と、第1過給圧制御手段以外の手法により過給圧を制御する第2過給圧制御手段と、実過給圧を検出する過給圧検出手段と、目標過給圧を求める目標過給圧決定手段と、実過給圧を目標過給圧に近づけるように、第1過給圧制御手段への制御量である第1制御要求値を算出する第1制御要求値算出手段と、第1制御要求値の目標値である第1制御目標値を求める第1制御目標値決定手段と、第1制御要求値を第1制御目標値に近づけるように、第2過給圧制御手段への制御量である第2制御要求値を算出する第2制御要求値算出手段と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のターボチャージャによる過給圧制御手法に関する。より詳細には、本発明は、過給圧を調整するための電動機を備えるターボチャージャによる過給圧制御手法に関する。

ターボチャージャは、内燃機関の排気を利用して吸入空気を圧縮することで、内燃機関の能力を高めるための装置である。ターボチャージャの基本構成は、回転軸の両端にコンプレッサ（吸気側）とタービン（排気側）とを備えたものである。タービンに排気を流して回転させ、これにより回転するコンプレッサで吸入空気を圧縮する。ターボチャージャは、本来捨てられる排気のエネルギーを利用するため効率が高く、これまで一般に広く利用されている。しかし、エンジンが低速では排気が少ないために効果が出にくく、空気の圧縮の効果が出る回転速度になっても、実際に効果が出るまでに少しの遅れが発生するという問題点もある。

このような過給圧の出力不足を補うために、例えば特許文献１では、タービンに電動機を組み込んで強制的にタービンを駆動して所望の過給圧を実現する電動機付きターボチャージャが開示されている。運転状態に基づいて目標過給圧を検索し、実過給圧との偏差に応じて電動機への供給電力を制御している。

また、特許文献２では、電動機付きターボチャージャに、さらに他の過給圧制御手段を用いた過給圧制御装置について開示されている。この装置では、電力消費を抑えるために、電動機による過給圧制御よりも、電動機以外の制御手段による過給圧制御が優先される。また、電動機と他の手段との各制御を干渉させることなく過給圧を制御でき、出力特性や燃費も改善される。
特開平8-182382 特開2003-239755

しかし、特許文献１の発明は、過給圧制御手段としては電動機しか考慮されておらず、制御手段が複数ある場合には、各制御手段による過給圧制御が干渉してしまう可能性がある。

一方、特許文献２の発明は、必ずしも電動機を用いない方向に制御されるわけではない。開示されている制御手法では、目標過給圧より実過給圧が小さい間は常に電動機が使用されている。このため電力消費量が多くなる可能性がある。もし電動機の使用を停止する所定値を定めるとしても、事前に試行錯誤的な調整が必要となる。また、電動機への過給圧かさ上げ分マップ（目標値マップ）など、設定マップが多く必要で、設定工数が大きい。

そこで、本発明は、複数の過給圧制御手段の間の干渉を防ぎつつ、複数の過給圧制御手段への入力要求値の分配特性を少ないパラメータで容易に調整できる過給圧制御手法を提供することを目的とする。

本発明で提供する内燃機関の過給圧制御装置は、電動機を用いて過給圧を制御する第1過給圧制御手段と、第1過給圧制御手段以外の手法により過給圧を制御する第2過給圧制御手段と、実過給圧を検出する過給圧検出手段と、目標過給圧を求める目標過給圧決定手段と、実過給圧を目標過給圧に近づけるように、第1過給圧制御手段への制御入力である第1制御要求値を算出する第1制御要求値算出手段と、第1制御要求値の目標値を求める第1目標値決定手段と、第1制御要求値を第1目標値に近づけるように、第2過給圧制御手段への制御入力である第2制御要求値を算出する第2制御要求値算出手段と、を有する。

本発明の一実施形態によれば、通常運転時には、第1目標値は０に設定される。第2制御要求値は第1制御要求値を０に収束するように算出される。

この発明により、過給圧制御の開始当初では、第１過給圧制御手段が優先的に実行され、第1制御要求値が第1目標値に収束するにつれて、第２過給圧制御手段が主導的に実行されるようになるので、複数の過給圧手段制御手段の間の干渉を防ぎつつ、各制御器の動作分配を容易に調整することができる。また、エネルギー消費の大きい電動機を用いる第1過給圧制御手段の使用を徐々に少なくするので、装置のエネルギー消費を抑制することができる。

本発明の一実施形態によれば、加速時には、第1目標値は所定値に設定される。第2過給圧制御手段は第1制御要求値が所定値に収束するように過給圧を制御する。

本発明の一実施形態によれば、この過給圧制御装置は電動機を駆動するためのバッテリをさらに有する。このバッテリの充電状態が所定値以下の場合、第1過給圧制御手段による制御を停止する。

本発明の一実施形態によれば、第1過給圧制御手段は、電動機付過給機とスロットルバルブとを含む。この第1過給圧制御手段は、実過給圧が目標過給圧よりも低い場合には、実過給圧および目標過給圧の差分が大きい程電動機付過給機への制御入力を増加させて実過給圧を増加させる。また、第1過給圧制御手段は、実過給圧が目標過給圧よりも高い場合には、差分が大きい程スロットルバルブの開度を閉じ側に設定させて実過給圧を減少させる。

本発明の一実施形態によれば、第1過給圧制御手段は、電動機付過給機とスロットルバルブとを含む。この第1過給圧制御手段は、実過給圧が目標過給圧よりも低い場合には、実過給圧および目標過給圧の差分が大きい程電動機付過給機への制御入力を増加させると共に、スロットルバルブの開度を全開近傍に設定して、実過給圧を増加させる。また、第1過給圧制御手段は、実過給圧が目標過給圧よりも高い場合には、差分が大きい程スロットルバルブの開度を閉じ側に設定すると共に、電動機付過給機への制御入力は所定の最小値近傍に設定して、実過給圧を減少させる。

次に図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の第1の実施形態による内燃機関（以下「エンジン」という）、ターボチャージャ、および制御装置の構成図である。

エンジン１は、たとえば4気筒を備えるディーゼルエンジンである。吸気管２および排気管３がエンジン１に連結されている。

ターボチャージャ４は、吸気管内に設けられたコンプレッサ５、排気管内に設けられたタービン６、およびコンプレッサ５とタービン６を連結する回転軸７を備える。タービン６は、排気ガスのエネルギーにより回転駆動される。タービン６の回転によりコンプレッサ５が回転し、コンプレッサ５は吸気を圧縮する。

本実施形態において、ターボチャージャ４は、回転軸に駆動力を与えるための電動機８をさらに備える電動アシストターボである。また、このターボチャージャ４は、タービン６の回転速度を開度可変のノズルによって調整可能とする可変形状ターボ（Variable Geometry Turbo、以下「ＶＧＴ」という）である。ＶＧＴは、排気ガスの流量が少ない場合に、タービンホイール外側の可動ベーン１２の角度を変えることにより、タービンにガスを吹き込む通路（ノズル）を絞ってタービンホイールにガスをより強く吹き付けてタービンの加速性能を向上させる。

コンプレッサ５の下流には、過給圧センサ９が設けられる。過給圧センサ９は、コンプレッサ５によって圧縮された吸気の圧力、すなわち過給圧を検出する。

排気管３内にはタービン６をバイパスする流路が設けられており、この流路上にウェイストゲートバルブ１０が設置されている。ウェイストゲートバルブは過給圧が所定値以上になると開かれ、タービンへの排気流量を減らすことによって過給圧を制御する。なお、ＶＧＴおよびウェイストゲートバルブ１０は、タービン６への排気流量を調整する機能が同じであり、どちらか一方のみを備えていても良い。

電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）１１は、車両各部から送られてくるデータを受け入れる入力インタフェース１１ａ、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ１１ｂ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）および一時記憶用のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ１１ｃ、および車両の各部に制御信号を送る出力インタフェース１１ｄを備えるコンピュータである。メモリ１１ｃのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納される。この発明に従う過給圧制御を実施するためのプログラム、および該プログラムの実行の際に用いるデータおよびテーブルは、このＲＯＭに格納されている。読取り専用メモリは、ＥＥＰＲＯＭのような書替え可能なＲＯＭであっても良い。ＲＡＭには、ＣＰＵ１１ｂによる演算の作業領域が設けられ、車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号が一時的に記憶される。

本実施形態では、エンジン１の排気ガスによってタービン６が回転し、連結される回転軸７によって吸気管内のコンプレッサ５も回転する。コンプレッサの回転によって吸入空気は圧縮されてエンジンへ導入される。この圧縮された吸入空気の実過給圧は過給圧センサ９で計測されてＥＣＵ１１の入力インタフェース１１ａへと送られる。ＥＣＵ１１において、実過給圧と目標過給圧が比較され、この結果、排気ガスによる回転だけでは所望の過給圧を実現できていないと判断された場合、ＥＣＵ１１は、目標過給圧に必要なコンプレッサ５の回転を実現できるように、出力インタフェース１１ｄから電動機８へ制御入力を与える。これと並行して、ＥＣＵ１１は、タービン６が現在の排気流量でも目標過給圧に必要な回転を得られるように、タービン内の可動ベーン１２の角度を決める制御入力を出力インタフェース１１ａからタービン６へ送る。

図２は、本発明の第2の実施形態によるエンジン、ターボチャージャ、および制御装置の構成図である。エンジン１，ＥＣＵ１１，過給圧センサ９、およびウェイストゲートバルブ１０は、図１に示した実施形態と同一であるので説明は省略する。

ターボチャージャ４は、吸気管２内に設けられたコンプレッサ５、排気管３内に設けられたタービン６、およびコンプレッサ５とタービン６を連結する回転軸７を備える。タービン６は、排気ガスのエネルギーにより回転駆動される。タービン６の回転によりコンプレッサ５が回転し、コンプレッサ５は吸気を圧縮する。

本実施形態において、吸気管２内にコンプレッサ５とは別の電動コンプレッサ１３が設置されている。電動コンプレッサ１３には電動機８が連結されている。電動機８は、ＥＣＵからの指令値に応じて電動コンプレッサ１３の回転軸に駆動力を与える。電動コンプレッサ１３を駆動することにより、過給圧が調整される。なお、図２において、電動コンプレッサ１３はコンプレッサ５の上流側に設置されているが、吸気管２内であればコンプレッサ５の下流側に設置しても良い。

本実施形態では、エンジン１の排気ガスによってタービン６が回転し、連結される回転軸７によって吸気管内のコンプレッサ５も回転する。コンプレッサ５の回転によって吸入空気は圧縮されてエンジン１へ導入される。この圧縮された吸入空気の実過給圧は過給圧センサ９で計測されてＥＣＵ１１の入力インタフェース１１ａへと送られる。ＥＣＵ１１において、実過給圧と目標過給圧が比較される。この結果、排気ガスによる回転だけでは所望の過給圧を実現できていないと判断された場合、ＥＣＵ１１は、目標過給圧を実現するのに必要な電動コンプレッサ１３の駆動のための制御入力を、出力インタフェース１１ｄから電動機８へ与える。これと並行して、ＥＣＵ１１は、タービン６が現在の排気流量でも目標過給圧に必要な回転を得られるように、タービン内の可動ベーン１２の角度を決める制御入力を出力インタフェース１１ａからタービン６へ送る。

このように、本発明の第１および第2の実施形態では、過給圧を制御する手法として、電動アシストターボまたは電動コンプレッサ１３を例示した電動機８を用いる手法と、ＶＧＴを例示した電動機以外の手法とを組み合わせて適用している。しかし、電動機以外の過給圧制御手法はＶＧＴに限定されることはなく、たとえば、排気管３内でタービンをバイパスする経路上に設置されるウェイストバルブ１０の開度をＥＣＵによって電気的に制御して、タービンへの排気ガスの流量を調整することにより過給圧を制御する手法も適用可能である。また、本実施形態では、過給圧制御手法としてＶＧＴを用いているので、エンジン１はＶＧＴと相性の良いディーゼルエンジンである。しかし、他の過給圧制御手法を用いるならば、エンジン１はガソリンエンジンでも良い。
本発明の実施形態では、過給圧制御手段として電動機８およびＶＧＴを適用している。電動機８を用いた過給圧制御は応答性が良いが、エネルギー消費が大きくなるという問題がある。一方、ＶＧＴによる過給圧制御は、応答性は悪いが、排気のエネルギーを利用することができるので、エネルギー消費は少ない。過給圧制御の良好な応答特性を維持しつつ、エネルギー消費を低く抑えるために、目標過給圧が変動した直後には応答性の良い電動機８を用い、その後、電動機８の使用を極力減らして、エネルギー消費の少ないＶＧＴに制御の主導を移行するのが望ましい。

図３は、本発明の第１および第2の実施形態で用いる過給圧制御装置のブロック線図である。この制御装置は、電動機８およびＶＧＴを同時に操作して制御対象であるエンジン１の目標過給圧を実現する。さらに、ＶＧＴコントローラ２２によって電動機８への制御入力を電動機入力目標値（通常運転時は０）に収束させる。これにより、過給圧制御の開始当初では、電動機８が優先的に実行され、制御が進むにつれて、ＶＧＴが主導的に制御を実行するようになる。

まず、エンジン１の運転状態から目標過給圧Pb_objが決定され、過給圧センサ９で実過給圧Pb_actが計測される。目標過給圧Pb_objと実過給圧Pb_actの誤差に基づいて、電動機コントローラ２１は電動機入力要求値Ueb_dmdを算出する。この電動機コントローラ２１は本実施形態ではＰＩ制御器を用い、次式のように電動機入力要求値Ueb_dmdを計算する。

ここで、K_ｐ1は比例ゲイン、Ｋ_I1は積分ゲインである。上式より、目標過給圧Pb_objが実過給圧Pb_actより大きいほど電動機入力要求値Ueb_dmdも大きくなるように設定されており、特に目標過給圧がステップ状に増加したときに電動機入力要求値Ueb_dmdは大きな値となる。

電動機入力要求値は、電動機８の制御入力となるのと併せて、ＶＧＴコントローラ２２への入力としても用いられる。

電動機入力目標値Ueb_objは、エンジン１の運転状態に応じて設定される。この電動機入力目標値は、本実施形態では、通常走行時の場合０であり、加速時はアクセル開度に応じた正の値である。

電動機入力目標値Ueb_objと電動機入力要求値Ueb_dmdの誤差に基づいて、ＶＧＴコントローラ２２はＶＧＴ入力要求値Utb_dmdを算出する。このＶＧＴコントローラ２２は本実施形態ではＰＩ制御器を用い、次式のようにＶＧＴ入力要求値Utb_dmdを計算する。

ここで、K_ｐ2は比例ゲイン、Ｋ_I2は積分ゲインである。上式より、電動機入力要求値Ueb_dmdが電動機入力目標値Ueb_objより大きいほどＶＧＴ入力要求値Utb_dmdも大きくなるように設定されている。

ＶＧＴ入力要求値Utb_dmdは、ターボチャージャ４のタービン６内の可動ベーン１２の制御入力となる。ＶＧＴ入力要求値の増減は、可動ベーン１２の角度、すなわちノズル開度に対応する。ＶＧＴ入力要求値が増えると、可動ベーン１２はノズルを閉じる方向に回転する。これによりタービンの回転数も増加する。これに伴い、電動機が回転軸７を駆動させる割合も減少する。

図４は、本発明の第１および第2の実施形態にステップ状の目標過給圧Pb_objを入力した場合の電動機入力要求値Ueb_dmd、ＶＧＴ入力要求値Utb_dmd、および実過給圧Pb_actの挙動を示すグラフである。また、本実施形態では、電動機およびＶＧＴへの制御入力はデューティー比であり、図４（ａ）、（ｂ）の縦軸もデューティー比で表されている。

時刻Taにおいて目標過給圧３１がステップ状に増加すると、実過給圧３２との誤差を解消するために電動機入力要求値３３が増大する。さらに、電動機入力要求値３３と電動機入力目標値Ueb_objとの誤差を解消するために、ＶＧＴ入力要求値３４も増大する。

電動機入力要求値３３およびＶＧＴ入力要求値３４によって、時刻Ta直後では電動機８およびＶＧＴが同時に駆動する。これにより充分な回転力がコンプレッサ５に与えられ、実過給圧３２は目標過給圧３１に素早く追従する。

その後、過給圧が定常状態に安定するにつれて、電動機８への制御入力である電動機入力要求値３３は徐々に減少して電動機入力目標値Ueb_objに収束し、ＶＧＴが主導的に過給圧を制御するようになる。電動機入力目標値Ueb_objは通常走行時は０であり、電動機入力要求値３３が電動機入力目標値Ueb_objに収束すると電動機８は停止する。ここで、図２に示した電動コンプレッサ１３のようにタービン６と連動しないタイプの場合、電動機８が停止するとコンプレッサの回転も停止して吸気管２内に吸気が導入されなくなるので、例えば電動コンプレッサ１３を迂回するバイパス通路（図示せず）を設ける手法などで吸気を導入する。

一方、ＶＧＴ入力要求値３４は、目標過給圧を維持できるような値に収束する。このＶＧＴ入力要求値はタービン内の可動ベーン１２の角度に対応している。

図５および図６は、本発明の第１および第2の実施形態の過給圧制御装置による電動機８とＶＧＴの協調制御のフローチャートである。なお、以下の説明で用いるｋは今回値を表す。また、ｋ−１は1ステップ前の前回値である。

ステップＳ１０１において、車両の運転状態に応じて目標過給圧Pb_obj(k)を決定する。目標過給圧は、たとえばエンジン速度とエンジントルク（負荷）により作成されたマップを検索して決定される。

ステップＳ１０２において、過給圧センサ９から吸気管内の実過給圧Pb_act(k)を検出する。

ステップＳ１０３において、目標過給圧から実過給圧を減算して電動機コントローラ２１の制御誤差Eeb(k)を演算する。演算は次式のとおりである。

Eeb(k) = Pb_obj(k) − Pb_act(k)
ステップＳ１０４において、制御誤差Eeb(k)の積分値ＳEeb(k)を演算する。演算は次式の通りである。ここで、ｈはサンプリング時間を表す。

SEeb(k) = SEeb(k-1) + h*Eeb(k)
ステップＳ１０５において、電動機コントローラ２１で電動機入力要求値Ueb_dmd(k)を決定する。本実施形態において、電動機コントローラ２１はＰＩ制御器であるので、次式のように電動機入力要求値Ueb_dmd(k)が計算される。

Ueb_dmd(k) = Kp1*Eeb(k) + Ki1*SEeb(k)
ここで、Kp1は電動機コントローラ２１の比例ゲインであり、Ki1は電動機コントローラ２１の積分ゲインを表す。この電動機入力要求値Ueb_dmd(k)は、ターボチャージャ４内の電動機８へと入力されるのと併せて、ＶＧＴコントローラ２２への入力としても用いられる。

ステップＳ１０６において、電動機入力目標値Ueb_obj(k)を決定する。電動機入力目標値は、図６に示すサブルーチンを用いて、車両の運転状態によって決定される。

電動機入力目標値を決定するサブルーチンでは、まずステップＳ１０７において、エンジンの運転状態（例えばエンジン回転数）に応じて要求トルクTq_dmdが求められる。そして、この要求トルクTq_dmdが所定の加速判断トルクTq_accと比較される。要求トルクTq_dmdが加速判断トルクTq_accより小さい場合、車両は通常運転中と判定され、ステップＳ１０８へ進む。一方、要求トルクTq_dmdが加速判断トルクTq_accより大きい場合、車両は加速運転中と判定され、ステップＳ１０９へ進む。

ステップＳ１０８において、電動機入力目標値Ueb_obj(k)が０と設定される。そしてメインルーチンへ戻り、ステップＳ１１１へ進む。

ステップＳ１０９において、ＳＯＣ（state of charge：バッテリ充電状態）が所定値以上であるかがチェックされる。ＳＯＣが所定値以上の場合、ステップＳ１１０に進み、電動機入力目標値Ueb_obj(k)は、アクセル開度に応じた正の値Ueb_accと設定されてメインルーチンへ戻る。ＳＯＣが所定値以下の場合、バッテリの電力消費を抑えるために、エネルギー消費の大きい電動機８の駆動を少なくするため電動機入力目標値Ueb_obj(k)が０と設定される。

図５のメインルーチンへ戻り、ステップＳ１１１において、サブルーチンで決定された電動機入力目標値Ueb_obj(k)を電動機入力要求値Ueb_dmd(k)から減算してＶＧＴコントローラ２２の制御誤差Etb(k)を演算する。演算は次式のとおりである。

Etb(k) = Ueb_dmd(k) −Ueb_obj(k)
ステップＳ１１２において、制御誤差Etb(k)の積分値ＳEtb(k)を演算する。演算は次式の通りである。ここで、ｈはサンプリング時間を表す。

SEtb(k) = SEtb(k-1) + h*Etb(k)
ステップＳ１１３において、ＶＧＴコントローラ２２でＶＧＴ入力要求値Utb_dmd(k)を決定する。本実施形態において、ＶＧＴコントローラ２２はＰＩ制御器であるので、次式のようにＶＧＴ入力要求値Utb_dmd(k)が計算される。

Utb_dmd(k) = Kp2*Etb(k) + Ki2*SEtb(k)
ここで、Kp2はＶＧＴコントローラ２２の比例ゲインであり、Ki2はＶＧＴコントローラ２２の積分ゲインを表す。このＶＧＴ入力要求値Utb_dmd(k)は、ターボチャージャ４のタービン６内の可動ベーン１２へと入力される。

続いて、本発明の第3および第４の実施形態について説明する。

図７は、本発明の第３の実施形態によるエンジン、ターボチャージャ、および制御装置の構成図である。この実施形態は、第１の実施形態の構成にスロットルバルブ１５を追加したものである。エンジン１，ＥＣＵ１１，ターボチャージャ４，過給圧センサ９、およびウェイストゲートバルブ１０は、第１の実施形態と同一であるので説明は省略する。

スロットルバルブ１５は、吸気管２内のコンプレッサ５の下流側および過給圧センサ９の上流側の任意の位置に設置される。本実施形態では、スロットルバルブ１５は、ＥＣＵ１１からの制御信号に従ってアクチュエータ（図示せず）によって駆動される電制スロットルである。スロットルバルブ１５は、エンジン１の通常運転時には最大の開度に保たれており、排気系のディーゼルパティキュレートフィルタ（図示せず）の再生処理などの特定用途では、閉じ側に制御されて吸気を絞る働きをする。

図８は、本発明の第４の実施形態によるエンジン、ターボチャージャ、および制御装置の構成図である。この実施形態は、第２の実施形態にスロットルバルブ１５をさらに加えたものである。エンジン１，ＥＣＵ１１，ターボチャージャ４，過給圧センサ９、ウェイストゲートバルブ１０、および電動コンプレッサ１３は、第２の実施形態と同一であり、スロットルバルブ１５は第3の実施形態と同一であるので説明は省略する。

本発明の第3および第４の実施形態では、エンジン１の排気ガスによってタービン６が回転し、連結される回転軸７によって吸気管２内のコンプレッサ５も回転する。コンプレッサ５の回転によって吸入空気は圧縮されてエンジンへ導入される。

圧縮された吸入空気の実過給圧は、過給圧センサ９で計測されてＥＣＵ１１の入力インタフェース１１ａへと送られる。ＥＣＵ１１において、実過給圧と目標過給圧が比較される。この結果、排気ガスによるコンプレッサ５の回転だけでは所望の過給圧を実現できていないと判断された場合、ＥＣＵ１１は、目標過給圧を実現できるように、出力インタフェース１１ｄから電動機８またはスロットルバルブ１５へ制御入力を与える。

ＥＣＵ１１は、電動機８またはスロットルバルブ１５の制御と並行して、タービン６が現在の排気流量でも目標過給圧に必要な回転を得られるように、タービン内の可動ベーン１２の角度を決める制御入力を出力インタフェース１１ａからタービン６へ送る。

このように、本発明の第３および第４の実施形態では、過給圧を制御する手法として、応答性は速いがエネルギー消費が大きい、２つ以上のアクチュエータ群（電動機８およびスロットルバルブ１５。以下「高域側アクチュエータ」と呼ぶ）による高域制御手法と、応答性は遅いがエネルギー消費は少ない、１つ以上のアクチュエータ群（ＶＧＴ。以下「低域側アクチュエータ」と呼ぶ）による低域制御手法と、を組み合わせて適用している。

ここで、低域制御手法の対象となるアクチュエータはＶＧＴに限定されることはなく、たとえば、排気管３内でタービンをバイパスする経路上に設置されるウェイストバルブ１０の開度をＥＣＵによって電気的に制御して、タービンへの排気ガスの流量を調整することにより過給圧を制御する手法も適用可能である。また、本実施形態では、過給圧制御手法としてＶＧＴを用いているので、エンジン１はＶＧＴと相性の良いディーゼルエンジンである。しかし、他の過給圧制御手法を用いるならば、エンジン１はガソリンエンジンでも良い。

図９は、本発明の第３および第４の実施形態で用いる過給圧制御装置のブロック線図である。この制御装置は、過給圧制御において、高域側アクチュエータおよび低域側アクチュエータを同時に操作することにより、制御対象であるエンジンの目標過給圧Pb_objを実現する。

この制御装置は、低域側アクチュエータのコントローラ（以下「低域側コントローラ」と呼ぶ）３２によって高域側アクチュエータへの制御入力U_H_cmdを高域制御入力目標値U_H_obj（通常運転時は０）に収束させることを特徴とする。これにより、当初、高域側アクチュエータ（電動機８およびスロットルバルブ１５）が優先的に駆動され、高域側アクチュエータへの制御入力U_H_cmdが目標値U_H_objへ収束するにつれて、低域側アクチュエータ（ＶＧＴ）が主導的に駆動されるようになる。

以下、図９を参照して本実施形態による過給圧制御を説明する。まず、エンジン１の運転状態から目標過給圧Pb_objが決定され、過給圧センサ９で実過給圧Pb_actが計測される。目標過給圧Pb_objと実過給圧Pb_actの誤差に基づいて、高域側アクチュエータのコントローラ（以下「高域側コントローラ」と呼ぶ）３１は高域側制御入力U_H_cmdを算出する。この高域側コントローラ３１は本実施形態ではＰＩ制御器を用い、次式のように高域側制御入力U_H_cmdを計算する。

ここで、K_pHは比例ゲイン、Ｋ_IHは積分ゲインである。上式より、目標過給圧Pb_objが実過給圧Pb_actより大きいほど高域側制御入力U_H_cmdが正方向に増大し、目標過給圧Pb_objが実過給圧Pb_actより小さいほど高域側制御入力U_H_cmdが負方向に増大するように設定されている。特に目標過給圧がステップ状に増加または減少したときに高域側制御入力U_H_cmdは大きく変動する。

高域側コントローラ３１で算出された高域側制御入力U_H_cmdは、高域制御入力分配器３３を介して、高域側アクチュエータ群（電動機８およびスロットルバルブ１５）に分配される。高域制御入力分配器３３は、各アクチュエータ間の干渉が発生しないように、高域側制御入力U_H_cmdに応じて各アクチュエータへの制御入力を決定する。

高域制御入力分配器３３は、例えば図１０に示すような制御入力分配テーブルを備えており、このテーブルによって電動機８およびスロットルバルブ１５への制御入力を決定する。本実施形態では、電動機８およびスロットルバルブ１５への制御入力Ueb、Uthはデューティー比である。

図１０（ａ）は、電動機付過給機を駆動させる電動機８の制御入力Uebを決定するためのテーブルを、高域側制御入力U_H_cmdを横軸、電動機８への制御入力Uebを縦軸に取って表したグラフである。本実施形態では、電動機８への制御入力Uebはデューティー比であり、図１０（ａ）の縦軸もデューティー比で表されている。

図１０（ａ）を参照すると、電動機８の制御入力Uebは、高域側制御入力U_H_cmdが正の値の場合、高域側制御入力U_H_cmdの大きさに応じて単調増加していく。このような制御入力Uebの単調増加は、電動機８の回転数が所定の最大回転数（例えば200,000rpm）となる最大値Ueb_maxに達するまで続き、それ以降は最大値Ueb_maxで一定となる。また、高域側制御入力U_H_cmdが０以下の場合、電動機８の制御入力Uebは、最小値Ueb_minで一定となる。電動機８への制御入力の最小値Ueb_minは、本実施形態では０であり、制御入力が０のとき電動機８は停止する。ここで、図８に示した電動コンプレッサ１３のようにタービン６と連動しないタイプの場合、電動機８が停止するとコンプレッサの回転も停止して吸気管２内に吸気が導入されなくなるので、例えば電動コンプレッサ１３を迂回するバイパス通路（図示せず）を設ける手法などで吸気を導入する。

一方、図１０（ｂ）は、スロットルバルブ１５の制御入力Uthを決定するためのテーブルをグラフ形式で表した図である。グラフの横軸は高域側制御入力U_H_cmdであり、縦軸はスロットルバルブ１５の開度θthを表している。

図１０（ｂ）を参照すると、スロットルバルブ１５の開度θthは、高域側制御入力U_H_cmdが負の値の場合、高域側制御入力U_H_cmdの大きさに応じて単調減少していく。このようなスロットル開度θthの単調減少は、エンジン１の回転数がアイドル回転数を維持できる最小の開度θth_minまで続き、それ以降は最小値θth_minで一定となる。また、高域側制御入力U_H_cmdが０以上の場合、スロットルバルブ１５の開度θthは最大値θth_maxで一定となる。

スロットルバルブ１５の制御入力Uthは、スロットルバルブの開度θthに応じて算出される。本実施形態のスロットルバルブ１５は、制御入力が０のとき最大開度θth_maxとなる形式である。従って、スロットルバルブ１５の開度θthが全開（θth_max）のとき制御入力Uthは０と算出され、スロットルバルブ１５の開度θthが閉じ側へ移行するにつれて制御入力Uthは増大していく。

このように、本実施形態では、電動機付過給機の電動機８と、スロットルバルブ１５を、高域側制御入力U_H_cmdの正負に応じて使い分けている。高域側制御入力U_H_cmdが正の場合、電動機付き過給機が、コンプレッサの回転を調整することによって、主に過給圧を制御する。一方、高域側制御入力U_H_cmdが負の場合、スロットルバルブ１５が、スロットル開度を調整して吸気を絞ることによって、主に過給圧を制御する。このような設定により、電動機付過給機およびスロットルバルブの間の干渉が発生するのを回避することが可能となる。

再び図９に戻り説明を続けると、高域側制御入力U_H_cmdは、高域側アクチュエータの制御入力となるのと併せて、低域側コントローラ３２への入力としても用いられる。

高域制御入力目標値U_H_objは、エンジン１の運転状態に応じて設定される。この高域制御入力目標値U_H_objは、本実施形態では、通常走行時の場合０であり、加速時はアクセル開度に応じた正の値である。

高域制御入力目標値U_H_objと高域側制御入力U_H_cmdの誤差に基づいて、低域側コントローラ３２は低域側制御入力U_L_cmdを算出する。この低域側コントローラ３２は本実施形態ではＰＩ制御器を用い、次式のように低域側制御入力U_L_cmdを計算する。

ここで、K_pLは比例ゲイン、Ｋ_ILは積分ゲインである。上式より、高域側制御入力U_H_cmdが高域制御入力目標値U_H_objより大きいほど低域側制御入力U_L_cmdが正方向に増大し、高域側制御入力U_H_cmdが高域制御入力目標値U_H_objより小さいほど低域側制御入力U_L_cmdが負方向に増大するように設定されている。

低域側制御入力U_L_cmdは、本実施形態では、ターボチャージャ４のタービン６内の可動ベーン１２の制御入力となる。低域側制御入力U_L_cmdの増減は、可動ベーン１２の角度、すなわちノズル開度に対応する。低域側制御入力U_L_cmdが正方向に増大すると、可動ベーン１２はノズルを閉じる方向に回転して、タービンの回転数は増加する。また、低域側制御入力U_L_cmdが負方向に増大すると、可動ベーン１２はノズルを閉じる方向に回転して、タービンの回転数は減少する。

図１１および図１２は、本発明の第３および第４の実施形態の過給圧制御装置による電動機８、スロットルバルブ１５、およびＶＧＴの協調制御のフローチャートである。なお、以下の説明で用いるｋは今回値を表す。また、ｋ−１は1ステップ前の前回値である。

ステップＳ２０１において、車両の運転状態に応じて目標過給圧Pb_obj(k)を決定する。目標過給圧は、たとえばエンジン速度とエンジントルク（負荷）により作成されたマップを検索して決定される。

ステップＳ２０２において、過給圧センサ９から吸気管２内の実過給圧Pb_act(k)を検出する。

ステップＳ２０３において、目標過給圧から実過給圧を減算して高域側コントローラ３１の制御誤差E_H(k)を演算する。演算は次式のとおりである。

E_H (k) = Pb_obj(k) − Pb_act(k)
ステップＳ１０４において、制御誤差E_H (k)の積分値ＳE_H (k)を演算する。演算は次式の通りである。ここで、ｈはサンプリング時間を表す。

SE_H (k) = SE_H (k-1) + h*E_H (k)
ステップＳ２０５において、高域側コントローラ３１で高域側制御入力U_H_cmd (k)を決定する。本実施形態において、高域側コントローラ３１はＰＩ制御器であるので、次式のように高域側制御入力U_H_cmd (k)が計算される。

U_H_cmd (k) = K_pH*Eeb(k) + K_iH*SEeb(k)
ここで、K_pHは高域側コントローラ３１の比例ゲインであり、K_iHは高域側コントローラ３１の積分ゲインを表す。この高域側制御入力U_H_cmd (k)は、ターボチャージャ４内の電動機８およびスロットルバルブ１５への制御入力として用いられると併せて、低域側コントローラ３２への入力としても用いられる。

ステップＳ２０６において、高域制御入力目標値U_H_obj (k)を決定する。高域制御入力目標値U_H_objは、図１２に示すサブルーチンを用いて、車両の運転状態によって決定される。

電動機入力目標値を決定するサブルーチンでは、まずステップＳ２０７において、エンジンの運転状態（例えばエンジン回転数）に応じて要求トルクTq_dmdが求められる。そして、この要求トルクTq_dmdが所定の加速判断トルクTq_accと比較される。要求トルクTq_dmdが加速判断トルクTq_accより小さい場合、車両は通常運転中と判定され、ステップＳ２０８へ進む。一方、要求トルクTq_dmdが加速判断トルクTq_accより大きい場合、車両は加速運転中と判定され、ステップＳ２０９へ進む。

ステップＳ２０８において、高域制御入力目標値U_H_obj (k)が０と設定される。そしてメインルーチンへ戻り、ステップＳ２１１へ進む。

ステップＳ２０９において、ＳＯＣ（state of charge：バッテリ充電状態）が所定値以上であるかがチェックされる。ＳＯＣが所定値以上の場合、ステップＳ２１０に進み、高域制御入力目標値U_H_obj (k)は、アクセル開度に応じた正の値U_H_accと設定されてメインルーチンへ戻る。ＳＯＣが所定値以下の場合、バッテリの電力消費を抑えるために、エネルギー消費の大きい電動機の駆動を少なくするため高域制御入力目標値U_H_obj (k)が０と設定される。

図１１のメインルーチンへ戻り、ステップＳ２１１において、高域制御入力分配器３３で、高域側制御入力U_H_cmd (k)に応じた電動機８の制御入力Ueb(k)およびスロットルバルブ１５の制御入力Uth(k)を決定する。高域制御入力分配器３３は、例えば図１０に示したような電動機８およびスロットルバルブ１５のそれぞれに対応する制御入力分配テーブルを備えており、これらのテーブルを用いて高域側制御入力U_H_cmd (k)に応じた各制御入力を決定する。

ステップＳ２１２において、サブルーチンで決定された高域制御入力目標値U_H_obj (k)を高域側制御入力U_H_cmd (k)から減算して低域側コントローラ３２の制御誤差E_L(k)を演算する。演算は次式のとおりである。

E_L (k) = U_H_cmd (k) −U_H_obj (k)
ステップＳ２１３において、制御誤差E_L (k)の積分値ＳE_L (k)を演算する。演算は次式の通りである。ここで、ｈはサンプリング時間を表す。

SE_L (k) = SE_L (k-1) + h*E_L (k)
ステップＳ２１４において、低域側コントローラ３２で低域側制御入力U_L_cmd (k)を決定する。本実施形態において、低域側コントローラ３２はＰＩ制御器であるので、次式のように低域側制御入力U_L_cmd (k)が計算される。

U_L_cmd (k) = K_pL*Etb(k) + K_iL*SEtb(k)
ここで、K_pLは低域側コントローラ３２の比例ゲインであり、K_iLは低域側コントローラ３２の積分ゲインを表す。この低域側制御入力U_L_cmd (k)は、ターボチャージャ４のタービン６内の可動ベーン１２へと入力される。

本発明の第1の実施形態による内燃機関、ターボチャージャ、および制御装置の構成図である。 本発明の第2の実施形態による内燃機関、ターボチャージャ、および制御装置の構成図である。 本発明の第１および第２の実施形態による過給圧制御装置のブロック線図である。 本発明の第１および第２の実施形態による過給圧制御装置にステップ状の目標過給圧を入力した場合の電動機入力要求値、ＶＧＴ入力要求値、および実過給圧の挙動を示すグラフである。 本発明の第１および第２の実施形態による過給圧制御装置における電動機とＶＧＴの協調制御のフローチャートである。 図５のフローチャート内の電動機入力目標値を決定するサブルーチンである。 本発明の第３の実施形態による内燃機関、ターボチャージャ、および制御装置の構成図である。 本発明の第４の実施形態による内燃機関、ターボチャージャ、および制御装置の構成図である。 本発明の第３および第４の実施形態による過給圧制御装置のブロック線図である。 高域制御入力分配器の備える制御入力分配テーブルを示す図である。 本発明の第３および第４の実施形態による過給圧制御装置における電動機とＶＧＴの協調制御のフローチャートである。 図１１のフローチャート内の電動機入力目標値を決定するサブルーチンである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気管
３ 排気管
４ ターボチャージャ
５ コンプレッサ
６ タービン
７ 回転軸
８ 電動機
９ 過給圧センサ
１０ ウェイストゲートバルブ
１１ ＥＣＵ
１２ 可動ベーン
１３ 電動コンプレッサ
１５ スロットルバルブ
２１ 電動機コントローラ
２２ ＶＧＴコントローラ
３１ 高域側コントローラ
３２ 低域側コントローラ
３３ 高域制御入力分配器

Claims (6)

1. 内燃機関の過給圧制御装置であって、
   電動機を用いて過給圧を制御する第1過給圧制御手段と、
   前記第1過給圧制御手段以外の手法により過給圧を制御する第2過給圧制御手段と、
   実過給圧を検出する過給圧検出手段と、
   目標過給圧を求める目標過給圧決定手段と、
   前記実過給圧を前記目標過給圧に近づけるように、前記第1過給圧制御手段への制御入力である第1制御要求値を算出する第1制御要求値算出手段と、
   前記第1制御要求値の目標値を求める第1目標値決定手段と、
   前記第1制御要求値を前記第1目標値に近づけるように、前記第2過給圧制御手段への制御入力である第2制御要求値を算出する第2制御要求値算出手段と、
   を有する過給圧制御装置。
2. 通常運転時には、前記第1目標値は０に設定され、前記第2制御要求値は前記第1制御要求値が０に収束するように過給圧を制御する、請求項１に記載の過給圧制御装置。
3. 加速時には、前記第1目標値は所定値に設定され、前記第2過給圧制御手段は前記第1制御要求値が所定値に収束するように過給圧を制御する、請求項１に記載の過給圧制御装置。
4. 前記電動機を駆動するためのバッテリをさらに有し、該バッテリの充電状態が所定値以下の場合、第1過給圧制御手段による制御を停止する、請求項１に記載の過給圧制御装置。
5. 前記第1過給圧制御手段は、電動機付過給機とスロットルバルブとを含み、
   前記実過給圧が前記目標過給圧よりも低い場合には、該実過給圧および該目標過給圧の差分が大きい程該電動機付過給機への制御入力を増加させて該実過給圧を増加させ、
   該実過給圧が該目標過給圧よりも高い場合には、該差分が大きい程該スロットルバルブの開度を閉じ側に設定させて該実過給圧を減少させる、
   請求項１に記載の過給圧制御装置。
6. 前記第1過給圧制御手段は、電動機付過給機とスロットルバルブとを含み、
   前記実過給圧が前記目標過給圧よりも低い場合には、該実過給圧および該目標過給圧の差分が大きい程該電動機付過給機への制御入力を増加させると共に、該スロットルバルブの開度を全開近傍に設定して、該実過給圧を増加させ、
   該実過給圧が該目標過給圧よりも高い場合には、該差分が大きい程該スロットルバルブの開度を閉じ側に設定すると共に、該電動機付過給機への制御入力は所定の最小値近傍に設定して、該実過給圧を減少させる、
   請求項１に記載の過給圧制御装置。
   
   

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