JP2007009740A - 電動コンプレッサの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動コンプレッサの低周波回転変動を確実に抑制して、車両の発進時や急加速時の出力向上を図れる電動コンプレッサの制御装置を提供することにある。
【解決手段】 内燃機関の吸気通路４に設けられ電動機２５により駆動される電動コンプレッサ６と、同電動コンプレッサの回転数Ｎｃを検出するコンプレッサ回転数検出手段２６と、電源３４から電動機に供給される駆動電流を制御する電動コンプレッサドライブ回路３３と、電動コンプレッサ６の回転数の移動平均値Ｎｃａｖを演算するコンプレッサ回転数移動平均値演算手段Ａ２と、コンプレッサ回転数移動平均値に対するコンプレッサの実回転数Ｎｃの偏差δＮｃを算出する回転偏差算出手段Ａ３と、偏差に応じて偏差が減少するよう電動コンプレッサドライブ回路３３の出力を補正する補正手段Ａ４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の吸気路に配備され吸気を加圧するコンプレッサの制御装置、特に、電動機によりコンプレッサの駆動を行うようにした電動コンプレッサの制御装置に関する。

内燃機関は、内燃機関の加速性能を高めたり、出力アップを図る一手段として吸気圧を引き上げるコンプレッサを用いる。このコンプレッサは機関の回転力や電動機の回転力を用いた駆動源付きコンプレッサや、機関の排気エネルギーを用いた排気過給機が知られており、いずれの場合もコンプレッサを回転させて吸気を加圧し、内燃機関の体積効率を高めて出力アップを図ることができる。このうち、電動機を用いた電動コンプレッサは加圧運転域の制約を受けず、吸気加圧が必要とされる運転域で容易に駆動制御できる利点がある。なお、特開２００３−２３９７５４号公報（特許文献１）には、排気過給機の排気タービン軸に電動機を付設し、電動機によってもコンプレッサを回転駆動できるようにした電動機付ターボチャージャーが開示され、ここには電動機への供給電力を学習して過給圧制御を行うことができる過給圧制御装置が開示されている。

ところで、車両加速運転後、急にスロットル弁が閉じられ減速されると、この際、図８に示すように、吸気流量Ｑａは直ちに低下するが、スロットル弁上流側でコンプレッサの出口側の吸気圧が上昇し、吸気の圧力比が上昇する。この場合、コンプレッサの運転域がサージラインＬｓを横切ってサージ発生域Ｅｓに入り、回転数がうねりを生じて変動し、いわゆるサージが生じて過給圧が低下するという問題が生じている。

このような場合、特開平８−６１０７３号公報（特許文献２）に開示されるように、コンプレッサの下流側吸気をその上流側へ弁付きパイパス通路を通して還流させ、吸気コンプレッサを通る空気の流量の急減を避けせてサージの発生を回避することが提案されている。

特開平２００３−２３９７５４号公報 特開平８−６１０７３号公報

このように電動コンプレッサは電動機の作動により車両の発進時や急加速時に内燃機関の加速性を上げ、車両の走行性能を高めることができ、この際、駆動源付きコンプレッサや電動コンプレッサを備える排気過給機において、コンプレッサの下流側吸気をその上流側へ弁付きパイパス通路を介して還流させることで、サージの発生を回避することは可能である。

しかし、電動機の作動による急加速時において、コンプレッサの回転部材自体の慣性による回転数の立ち上がりが遅れる傾向にあり、やはり、サージラインＬｓを横切ってサージ領域Ｅｓに入り易く、この場合もコンプレッサが脈動回転し、低周波回転変動を確実に抑制することができないという問題が解消されていない。

本発明は、上記の問題に着目してなされたもので、電動コンプレッサの低周波回転変動を確実に抑制して、車両の発進時や急加速時の出力向上を図れる電動コンプレッサの制御装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、請求項１記載の電動コンプレッサの制御装置は、内燃機関の吸気通路に設けられ電動機により駆動される電動コンプレッサと、同電動コンプレッサの回転数を検出するコンプレッサ回転数検出手段と、電源から上記電動機に供給される駆動電流を制御する電動コンプレッサドライブ回路と、上記電動コンプレッサの回転数の移動平均値を演算するコンプレッサ回転数移動平均値演算手段と、上記コンプレッサ回転数移動平均値に対するコンプレッサの実回転数の偏差を算出する回転偏差算出手段と、上記偏差に応じて上記偏差が減少するよう上記電動コンプレッサドライブ回路の出力を補正する補正手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の電動コンプレッサの制御装置は、請求項１記載の電動コンプレッサの制御装置において、上記補正手段は上記電動コンプレッサがサージ領域にある場合に上記補正を実行することを特徴とする。

請求項１記載の電動コンプレッサの制御装置によれば、コンプレッサの回転数の移動平均値に対する実回転数の偏差が減少するよう電動コンプレッサドライブ回路からの出力が補正手段により補正されるので、電動コンプレッサの脈動を抑え、特に、加圧吸気の圧力比が高いサージ領域において生じやすい低周波回転変動を抑制することができ、圧力比増大による出力向上を図れる。

請求項２記載の電動コンプレッサの制御装置によれば、加圧吸気の圧力比が高いサージ領域での低周波回転変動を効果的に抑制して、過給圧増大による出力向上を図れる。

図１には、この発明の一実施形態としての電動コンプレッサの制御装置を装備するエンジン１を示す。
エンジン１は多気筒エンジンであり、各気筒のシリンダ内の燃焼室Ｃには吸気路４より吸気が供給され、燃焼ガスが排気路１１より排出される。各燃焼室Ｃには燃料噴射弁２によって燃料噴射が成され、点火プラグ３により混合気の点火処理が成され、これにより不図示のピストンクランク機構が燃焼エネルギーを回転エネルギーに変換して不図示の駆動輪側に回転駆動力を伝達するという構成を採っている。

エンジン１の吸気路４はエアクリーナ５、電動コンプレッサ６、インタークーラ７、スロットルバルブ８、吸気多岐管９、各燃焼室Ｃがこの順に配備される。排気路１１は排気多岐管１１１、排ガス浄化装置である触媒コンバータ１１２、不図示のマフラー等を経て大気開放されている。
吸気路４の電動コンプレッサ６はケーシング２１に枢支された回転軸２２と、その一端側に取り付けられた回転羽車（インペラー）２３と他端側の増速機２４及び電動機２５とで形成されている。回転軸２２には光学式のコンプレッサ回転センサ２６が対向配備され、これにより出力される回転情報を含むパルス信号が後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ）１２に入力され、同電子制御ユニット１２内のコンプレッサ回転数演算機能部（不図示）がコンプレッサ回転数Ｎｃを演算するように構成される。

ここで、吸気路４にはコンプレッサ６を迂回するバイパス路２９が形成される。このバイパス路２９には吸気を順方向であるエンジン本体側への流れのみを許容するリードバルブ３１が配設されている。即ち、リードバルブ３１はバイパス路２９の上流側と下流側の吸気圧の差に応じて開閉するリード弁３２を備え、これによりコンプレッサ下流側より上流側であるエアクリーナ５側への流れを阻止して吸気加圧の漏れを防止すると共に、コンプレッサ下流側がエアクリーナ５側に対して低圧化して吸気抵抗が過度に増すことを防止するよう作動できる。

電動機２５は直流モータからなり、駆動電流を制御する電動コンプレッサドライブ回路（以後単にドライブ回路３３と記す）を介して蓄電器３４に接続される。ドライブ回路３３は電流制御回路からなり、同電流制御回路への電流値増減指令信号が後述する電子制御ユニット１２のコンプレッサ駆動制御部２０（機能部）により出力され、これによって適宜の駆動電流Ｉｎが電動機２５に供給されるようになっている。
蓄電器３４は電子制御ユニット１２によりその作動が制御される充電回路1３５を介して、エンジン１に駆動される発電機２３に接続される。

図１、２に示すように、ドライブ回路３３と電動機２５間には電動機２５に供給される駆動電流Ｉｎを検出する電流検出回路１８とコンプレッサ駆動制御部２０が配備される。図２に示すように、電流検出回路１８は既知の抵抗Ｒ１と、その前後の電圧値Ｖ１、Ｖ２を検出する電圧計１８１，１８２と、両電圧計が検知した前後の電圧差δｖ＝（Ｖ１−Ｖ２）に抵抗Ｒ１を乗算した駆動電流Ｉ＝Ｒ１×（Ｖ１−Ｖ２）を求める電流値演算部１８３としての機能を備えた電子制御ユニット１２とで構成される。

このような構成の電動コンプレッサ６の下流側には、圧力センサ１５が配備され、これにより大気圧Ｐａに対する吸気加圧値Ｐｃの圧力差分δｐ＝（Ｐａ−Ｐｃ）を電子制御ユニット１２で演算できるようにしている。さらに、電動コンプレッサ６による吸気加圧により温度が上昇した吸入空気の温度を下げる空冷式のインタークーラ７が配されており、これによって吸入空気の温度を下げ、エンジン１の充填効率を向上させている。

インタークーラ７の下流側には、吸入空気量Ｑａを調節するスロットルバルブ８が配されている。本実施形態のスロットルバルブ８は、いわゆる電子制御式であり、アクセルペダル９の操作量θａをアクセル開度センサ１１で検出し、この検出結果と他の情報量とに基づいて電子制御ユニット１２がスロットルバルブ８の開度を決定するものである。スロットルバルブ８は、これに付随して配設されたスロットルモータ１３によって開閉されるが、リンク操作系をも補助的に併設している。また、スロットルバルブ８に付随して、その開度θｓを検出するスロットルポジションセンサ１４も配設されている。

電子制御ユニット１２は、ＣＰＵ１２１、ＲＯＭ１２２、ＲＡＭ１２３、不揮発性ＲＡＭ１２４、入出力インターフェース１２５、１２６等からなる。この電子制御ユニット１２は圧力センサ１５からの吸気管圧のほか、エンジン回転数センサ１６より機関回転数Ｎｅに関する信号、コンプレッサ回転センサ（コンプレッサ回転数検出手段）２６よりコンプレッサ回転数Ｎｃに関する信号、アクセル開度センサ１１よりアクセル開度信号θａ、電流検出回路１８より駆動電流値Ｉｎがそれぞれ入力され、更に、図には示されていない種々のセンサやアクチュエータ等よりその他の信号を入力される。これら各種の入力信号に基づいて制御演算を行い、エンジン１の燃料噴射弁２及び点火プラグ３や、発電機２３等の作動を制御し、特に、その一環として電動機２５に供給される電流をコンプレッサ駆動制御部２０により補正する。

ここで、コンプレッサ駆動制御部２０は電動コンプレッサ６のドライブ回路３３から電動機２５への出力電流値Ｉｎを後述の偏差電流±δｉで補正する機能を備える。
コンプレッサ駆動制御部２０は電流設定手段Ａ１と、コンプレッサ回転数移動平均値演算手段Ａ２と、回転偏差算出手段Ａ３と、補正手段Ａ４としての各機能を備える。

電流設定手段Ａ１はエンジン負荷である吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎｅとに応じた圧力比βを圧力比マップ（図５参照）より演算し、大気圧Ｐａｉｒを用い、圧力比β（＝Ｐａｎ／Ｐａｉｒ）相当の吸気加圧値Ｐａｎを求め、現在の吸気圧力値Ｐｎが吸気加圧値Ｐａｎに近づくよう、現在の駆動電流Ｉｎを補正用電流値±δｉで加減修正して出力する。

コンプレッサ回転数移動平均値演算手段Ａ２は電動コンプレッサ回転数Ｎｃｎの移動平均値Ｎｃａｖを演算する。ここでは図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、最新の電動コンプレッサ回転数Ｎｃｎをコンプレッサ回転センサ２６により所定の間隔（例えば１０ｍｓ）でｎ個（例えば１４個）サンプリングする毎にサンプリングしたデータＮｃｎの平均値を記憶処理する。即ち、ここでは１４個のデータが得られる毎にその回の平均値Ｃｎ＝（Ｎｃ１＋Ｎｃ２・・・＋Ｎｃｎ＋・・・＋Ｎｃ１４）／１４を求め、平均値Ｃｎを移動平均元データ用バッファ（図４（ｃ）参照）にデータＣ１として格納する。そして、これを１４個（Ｃ１４）分経時的に順次格納する。ここで、次の平均値Ｃｎがくると、これを最新のＣ１データとし、一方、移動平均元データ用バッファのもっとも古いデータＣ１４を削除し、Ｃ１３のデータを新たにＣ１４のデータに書き換える。

このように移動平均元データ用バッファの１４個のデータは経時的に書き換えられ、データが更新される毎に、全データの回転移動平均値：Ｎｃａｖ（＝Ｃ１＋Ｃ２・・・・＋Ｃ１３＋Ｃ１４）／１４を算出する。
回転偏差算出手段Ａ３は回転移動平均値Ｎｃａｖに対する最新のコンプレッサ回転数（実回転数）Ｎｃの偏差を打ち消す、即ち、逆位相となる回転偏差±δＮｃ＝（Ｎｃａｖ−Ｎｃ）を算出する。
補正手段Ａ４は回転偏差±δＮｃに所定値εを乗算して補正電流±δｉ（＝±δＮｃ×ε）を求め、これにより電動コンプレッサ６のドライブ回路３３の出力である現在の駆動電流Ｉｎを補正して、補正済み駆動電流Ｉｎ１＝（Ｉｎ±δｉ）を電動機２５に出力する。

このようなエンジン１はその駆動時において、電子制御ユニット１２が図示のメインルーチンに沿ってエンジン駆動のため燃料噴射弁２を燃料噴射制御によって駆動し、点火プラグ３を点火時期制御により駆動する。更に、電子制御ユニット１２は電動発電機２３を充電回路（インバータ）３５を介して発電状態に切換え、蓄電器３４を充電処理する。更に、電子制御ユニット１２はメインルーチンの途中で、図５のコンプレッサ駆動ルーチンに達する。

このコンプレッサ駆動制御ルーチンのステップｓ１では、最新のエンジン駆動情報を各センサより取り込み、電流設定手段Ａ１が駆動電流Ｉｎを出力し、コンプレッサ回転数移動平均値演算手段Ａ２がコンプレッサ回転数Ｎｃｎの移動平均値Ｎｃａｖを演算し、ストアする。次いで、ステップｓ２では回転移動平均値Ｎｃａｖを最新のコンプレッサ回転数Ｎｃが上回るか否か判断し、上回るとステップｓ３に、そうでないとステップｓ４に進む。

ステップｓ３では電流値ｉｎ＝（Ｎｃａｖ−Ｎｃ）が正の値であるとして、その偏差を打ち消すべく、逆位相となる、ここでは−値を選択し、補正電流−δｉ（＝−δＮｃ×ε）を求め、この補正電流−δｉで最新の駆動電流Ｉｎを低減補正し、補正済み駆動電流Ｉｎ１＝（Ｉｎ−δｉ）を電動機２５に出力する。これにより、最新の駆動電流Ｉｎは制御量−δｉ相当低い電流値、即ち移動平均値に近い値で電動機２５を駆動し、メインルーチンにリターンする。
ステップｓ２よりステップｓ４に達すると、ここでは、回転移動平均値Ｎｃａｖを最新のコンプレッサ回転数Ｎｃが下回るか否か判断し、下回るとステップｓ５に、そうでないとステップｓ６に進む。

ステップｓ５では回転偏差±δＮｃ＝（Ｎｃａｖ−Ｎｃ）が負の値であるとして、その偏差を打ち消すべく、逆位相となる、ここでは＋値を選択し、補正電流＋δｉ（＋δＮｃ×ε）を求め、この補正電流＋δｉで最新の駆動電流Ｉｎを増量補正し、補正済み駆動電流Ｉｎ１＝（Ｉｎ＋δｉ）を電動機２５に出力する。これにより、最新の駆動電流Ｉｎは制御量＋δｉ相当高い電流値、即ち、移動平均値である現在の駆動電流Ｉｎ１に近い値に平滑化され、これにより電動機２５を駆動し、メインルーチンにリターンする。

ステップｓ４よりステップｓ６に達すると、ここでは、回転移動平均値Ｎｃａｖと最新のコンプレッサ回転数Ｎｃが同一と見做され、最新の駆動電流Ｉｎをそのまま電動機２５に出力する。この場合、最新の駆動電流Ｉｎが移動平均値に近いのでそのままの値で電動機２５を駆動し、メインルーチンにリターンする。
このように、電動コンプレッサドライブ回路３３からの出力電流Ｉｎがコンプレッサ駆動制御部２０内の補正手段Ａ４により、補正電流±δｉで増減補正され、補正済み駆動電流Ｉｎ１＝（Ｉｎ±δｉ）で電動機２５が駆動される。

このため、電動コンプレッサ６の脈動を抑えて平滑化でき、特に、加圧吸気の圧力比が高いサージ領域において生じやすい低周波回転変動を抑制することができ、圧力比増大による出力向上を図れる。なお、上記の移動平均値を用いた補正制御は電動コンプレッサ６の運転領域がサージ領域あるいはサージ領域近傍にある場合にのみ実行するようにしても良く、この場合でも、コンプレッサの低周波回転変動を効果的に抑制できる。

また、図１の電動コンプレッサの制御装置は、吸気加圧に電動コンプレッサ６を用いていたが、これに代えて、図７に示すような排気過給機４０を用いても良い。即ち、ここでの多気筒エンジン１ａはその本体側が図１のエンジン１と同様の構成を採り、排気通路１１ａの上流側は排気多岐管１１１が接続され、その集合部１１２の下流側には排気過給機４０の排気タービン４１が配設され、その下流に排気浄化装置４２、マフラー４３が順次配備される。吸気通路４ａには、上流側からエアクリーナ４４、過給機のコンプレッサ４５、吸入空気の温度を下げるインタークーラ４６、吸入空気量Ｑａを調節するスロットルバルブ４７、吸気多岐管４８が配備されている。

排気過給機４０は吸気通路４ａと排気通路１１ａとの間に配され、排気タービン４１とコンプレッサ４５の各インペラーが不図示のケーシングに枢支された回転軸４９の両端にそれぞれ一体的に連結されている。回転軸４９の中央近傍部分は電動機２５ａの回転軸として形成され、ここに電動機２５ａが装着される。

電動機２５ａは直流モータを成し、この電動機２５ａには駆動電流Ｉｎ１を制御するドライブ回路３３ａが接続され、このドライブ回路３３ａを介して電源であるバッテリ３４ａが接続される。ドライブ回路３３ａは電流制御回路からなり、同電流制御回路への電流値増減指令信号が電子制御ユニット１２ａのコンプレッサ駆動制御部{上述の電流設定手段Ａ１と、コンプレッサ回転数移動平均値演算手段Ａ２と、回転偏差算出手段Ａ３と、補正手段Ａ４としての各機能を備える}２０ａにより、補正電流±δｉ（＝±δＮｃ×ε）が図１のコンプレッサ駆動制御部２０と同様に演算され、これにより適宜の駆動電流である補正済み駆動電流Ｉｎ１＝（Ｉｎ＋δｉ）が電動機２５ａに供給されるようになっている。

このような構成の排気過給機４０は、図１の電動コンプレッサの制御装置とほぼ同様に駆動制御され、同様の作用効果が得られる。特に、ここでの電動コンプレッサの制御装置では、電動過給制御時においてサージ領域に入ると、回転脈動によるサージ発生を抑制するよう図１の制御装置と同様に機能できる。しかも、排気タービン４１が排気ターボ駆動域では、電動機２５ａを停止して空運転状態に保持するので、その際、排気エネルギーを吸収して過給作動でき、両機能を容易に得ることができる。

本発明の一実施形態としての電動コンプレッサの制御装置の概略構成図である。 図１の電動コンプレッサの制御装置で用いる電流検出回路図である。 図１の電動コンプレッサの制御装置における制御特性説明図で、（ａ）がコンプレッサ回転数を、（ｂ）がモータ駆動電流の特性を示している。 図１の電動コンプレッサの制御装置における、駆動電流より補正済み駆動電流を求める場合の演算説明図で、（ａ）〜（ｄ）は、駆動電流、駆動電流サンプリング処理、バッファ処理、補正電流算出の各説明図である。 図１の電動コンプレッサの制御装置が用いるコンプレッサの運転域に応じた圧力比の演算マップの特性図である。 図１の電動コンプレッサの制御装置が行うコンプレッサ駆動制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の他の実施形態としての排気過給機に装備される電動コンプレッサの制御装置の概略構成図である。 コンプレッサの運転域におけるサージ発生域説明線図である。

符号の説明

１ エンジン
１１ 排気通路
６ 電動コンプレッサ
２５ 電動機
１８ 電流検出回路
３３ ドライブ回路
３４ 蓄電器（電源）
Ａ１ 電流設定手段
Ａ２ コンプレッサ回転数移動平均値演算手段
Ａ３ 回転偏差算出手段
Ａ４ 電流補正手段
Ｎｃａｖ 電動コンプレッサの回転数の移動平均値
Ｎｃ コンプレッサ回転数
Ｉｎ１ 補正済み駆動電流
Ｉｎ 出力電流値

Claims (2)

1. 内燃機関の吸気通路に設けられ電動機により駆動される電動コンプレッサと、
   同電動コンプレッサの回転数を検出するコンプレッサ回転数検出手段と、
   電源から上記電動機に供給される駆動電流を制御する電動コンプレッサドライブ回路と、
   上記電動コンプレッサの回転数の移動平均値を演算するコンプレッサ回転数移動平均値演算手段と、
   上記コンプレッサ回転数移動平均値に対するコンプレッサの実回転数の偏差を算出する回転偏差算出手段と、
   上記偏差に応じて上記偏差が減少するよう上記電動コンプレッサドライブ回路の出力を補正する補正手段と、
   を備えたことを特徴とする電動コンプレッサの制御装置。
2. 請求項１記載の電動コンプレッサの制御装置において、
   上記補正手段は上記電動コンプレッサがサージ領域にある場合に上記補正を実行することを特徴とする電動コンプレッサの制御装置。
   

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