JP2009215998A - 過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機械式過給機とターボ過給機とを併せ持つ過給システムにおいて、機械式過給機の駆動頻度を抑制し燃費の向上を図る。
【解決手段】ターボ過給機１５と、ターボ過給機１５より下流側の吸気通路４に位置する機械式過給機８と、機械式過給機８と内燃機関１の出力軸との締結・解放を切り換え可能な電磁クラッチ９と、を備える過給機付き内燃機関の制御装置において、ターボ過給機１５下流かつ機械式過給機８上流の過給圧を検出する圧力センサ１２と、機関回転数を検出するクランク角センサ１３と、加速要求の有無及び要求加速度の大きさを検出するアクセル開度センサ１８と、加速要求時の要求トルクを算出し、加速要求時に機関回転数及び要求トルクに基づいて電磁クラッチの締結・解放を選択するコントローラ１７と、を有し、コントローラ１７は、圧力センサ１２の検出値に応じて電磁クラッチ９の締結・解放を選択する際の判定基準を変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給機付き内燃機関の制御に関し、特に機械式過給機とターボ過給機を併せ持つ内燃機関の制御に関する。

内燃機関の過給機として、内燃機関の出力軸により駆動される機械式過給機と、内燃機関の排気エネルギにより駆動されるターボ過給機が知られている。機械式過給機は内燃機関の出力軸により駆動されるため、機関低回転域から有効に過給を行うことができるが、機関高回転域ではその駆動抵抗による機関出力損失が大きくなるという特性がある。一方、ターボ過給機は、排気エネルギにより駆動されるため、排気流速の低い機関低回転域では有効な過給を行うことができないが、機関高回転域における機関出力損失は小さいという特性がある。

このような特性を有する機械式過給機及びターボ過給機、そして機械式過給機と内燃機関の出力との連結を断接するクラッチを備え、機関回転数と負荷に基づいて機械式過給機を駆動する領域が停止する領域かを判定し、加速時には駆動する領域を拡大補正する構成が特許文献１に開示されている。
特開平２−５５８３２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された構成では、加速時に機械式過給機の駆動領域を補正する際に、ターボ過給機の過給圧によらずに、スロットル開度に基づいて補正量を決定している。このため、例えば、ターボ過給機の過給圧が十分に上昇しており、機械式過給機を駆動しても実質的には機械式過給機による過給はほとんど行われない状況であっても、スロットル開度の変化量が大きければクラッチが締結されることとなるので、機械式過給機の使用頻度が高まり、機械式過給機を駆動する際のトルク増量に要する燃料消費量が増大してしまうという問題がある。

そこで、本発明では、加速要求を満たしつつ燃費の悪化を抑制するように、機械式過給機の駆動を制御することを目的とする。

本発明の過給機付き内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気により駆動されるターボ過給機と、ターボ過給機より下流側の吸気通路に位置し内燃機関の出力軸により駆動される機械式過給機と、機械式過給機と内燃機関の出力軸とが連結している締結状態と両者が切り離された解放状態とを切り換え可能な電磁クラッチと、を備える過給機付き内燃機関の制御装置において、ターボ過給機下流かつ機械式過給機上流の過給圧を検出するターボ過給機過給圧検出手段と、機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、加速要求の有無及び要求加速度の大きさを検出する加速要求検出手段と、加速要求時の要求トルクを算出する要求トルク算出手段と、加速要求時に機関回転数及び要求トルクに基づいて前記電磁クラッチの締結・解放を選択するクラッチ制御手段と、を有し、電磁クラッチ制御手段は、ターボ過給機過給圧検出手段の検出値に応じて電磁クラッチの締結・解放を選択する際の判定基準を変化させる。

本発明によれば、電磁クラッチの締結・解放の判定基準を実測したターボ過給機の過給圧に応じて変化させるので、運転状態に応じた締結・解放制御が可能となり、これにより不必要に機械式過給機を駆動することを防止して燃費の悪化を抑制することができる。

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、本実施形態を適用する過給機付き内燃機関の構成図である。１は内燃機関、２は吸気マニホールド、３は排気マニホールド、４は吸気通路、５はバイパス通路、６はバイパスバルブ、７は吸気量調節手段としての電子制御式スロットルバルブ（以下、単に「スロットルバルブ」という）、８は機械式過給機、１１、１２は圧力センサ、１３は機関回転数検出手段としてのクランク角センサ、１４は機械式過給機の回転速度を検出する回転センサ、１５はターボ過給機、１６は排気通路、１７は要求トルク算出手段及びクラッチ制御手段としてのコントローラ、１８は図示しないアクセルペダルの開度を検出する加速要求検出手段としてのアクセル開度センサである。圧力センサ１１は機械式過給機８とスロットルバルブ７との間の圧力を、圧力センサ１２はターボ過給機過給圧検出手段としてターボ過給機１５と機械式過給機８との間の圧力をそれぞれ検出する。

吸気通路４の吸気マニホールド２入り口付近には、流路断面積を可変に調節するスロットルバルブ７を設け、スロットルバルブ７より上流側には機械式過給機８を介装する。バイパス通路５は、スロットルバルブ７の上流側かつ機械式過給機８の下流側と、機械式過給機８の下流側とを連通しており、通路中に流路断面積を可変に調節するバイパスバルブ６を備える。

機械式過給機８は、コンプレッサの回転軸８ａと、回転軸８ａの先端に設けたプーリ８ｂと、プーリ８ｂから回転軸８ａへの回転の伝達を断接する電磁クラッチ９と、を備える。プーリ８ｂと、内燃機関１のクランクシャフト１ａの先端に設けたクランクプーリ１ｂには、ベルト又はチェーン１０が掛けまわされており、クランクシャフト１ａが回転することによって、プーリ８ｂも同期回転する。そして、電磁クラッチ９が締結されている状態では、回転軸８ａが回転して機械式過給機８による過給が行われ、解放されている状態では回転軸８ａは回転しないため、過給は行われない。この電磁クラッチ９の締結／解放の切り換え、スロットルバルブ７の開度制御及びバイパスバルブ６の開度制御は、クランク角センサ１３、回転数センサ１４、圧力センサ１１、１２の検出信号等に基づいて、コントローラ１７によって行われる。詳細については後述する。

ターボ過給機１５は、シャフト１５ｃを介して連結されたコンプレッサ１５ａとタービン１５ｂとを備え、コンプレッサ１５ａは機械式過給機８より上流かつバイパス通路５と吸気通路４との合流部よりも上流側に、タービン１５ｂは排気マニホールド３より下流側の排気通路１６に、それぞれ配置される。タービン１５ｂが排気ガスにより回転すると、シャフト１５ｃを介して連結されたコンプレッサ１５ａも回転し、吸気通路４を流れる吸入空気を圧送する。

コントローラ１７には、圧力センサ１１、１２、クランク角センサ１３、回転数センサ１４、アクセル開度センサ１８等の検出信号が読み込まれ、これら検出信号に基づいて、バイパスバルブ６及びスロットルバルブ７の開度制御、電磁クラッチ９の締結・解放制御等を行う。

図２は、加速時における電磁クラッチ９の締結・解放制御の基本的な考え方を説明するための図である。縦軸はエンジントルク、横軸はエンジン回転数であり、図中の実線は機械式過給機８とターボ過給機１５とを併用する上記システムのトルク特性を示し、破線はターボ過給機１５のみの場合のトルク特性を示している。

加速要求があった場合に、エンジン回転数Ｎｅとトルクで定まる運転点が回転数Ｎｅｃｈ以下の領域であれば、電磁クラッチ９を締結した状態とし、機械式過給機８及びターボ過給機１５により過給を行う。これにより図中破線で示すようにターボ過給機１５の過給圧が低い低回転領域から、機械式過給機８によって過給圧が高めることができる。なお、図２において、機械式過給機８とターボ過給機１５によるトルクが上昇して全負荷となった後は一定となっているのは、ターボ過給機１５の過給圧上昇に合わせてバイパスバルブ６の開度を拡げているためである。

回転数がＮｅｃｈより高い領域であれば、電磁クラッチ９を解放し、ターボ過給機１５のみで過給を行う。これは、ターボ過給機１５のみによるトルクが、機械式過給機８とターボ過給機１５とを併用する場合のトルクと同等まで上昇しているので、実質的には機械式過給機８による過給が行われない状態（いわゆる空まわしの状態）となり、電磁クラッチ９を締結したままにすると、機械式過給機８を駆動することによる出力損失によって燃費が悪化してしまうからである。

しかし、ターボ過給機１５の過給圧上昇には応答遅れが生じ、この応答遅れは吸気流量、タービン１５ｂの回転数、機関負荷等により変化する。そこで、本実施形態では、次に説明するような制御により、電磁クラッチ９の締結・解放を決定する。

図３は、コントローラ１７が実行する電磁クラッチ９の締結タイミング制御のフローチャートである。本制御は、加速要求があった場合に繰り返し実行するものである。

ステップＳ１では、エンジン回転数Ｎｅ、ターボ過給機１５の過給圧Ｐｔ、機械式過給機８の過給圧Ｐｓｃ、アクセル開度ＡＰＯを読み込む。なお、ターボ過給機１５の過給圧Ｐｔは圧力センサ１２の検出値、機械式過給機８の過給圧Ｐｓｃは圧力センサ１１の検出値、アクセル開度ＡＰＯはアクセル開度センサ１８の検出値を読み込む。

ステップＳ２では、要求トルクが閾値１より小さいか否かの判定を図４のマップに基づいて行う。図４は縦軸がトルク、横軸がエンジン回転数であり、図中の曲線は電磁クラッチ９締結領域と解放領域との境界線（つまり、ターボ過給機１５のみで達成可能なトルク）である閾値１を示している。要求トルクはエンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度ＡＰＯから算出し、この要求トルクが閾値１より小さいか否かを判定する。要求トルクの方が小さい場合にはステップＳ３に進み、大きい場合にはステップＳ１１に進む。

ステップＳ３では、加速意図（つまりアクセル開度の時間変化量）ΔＡＰＯが閾値２より小さいか否かを、図５のマップに基づいて判定する。図５は縦軸が加速意図ΔＡＰＯ、横軸がエンジン回転数であり、図中の実線は、ターボ過給機１５の応答時間で決まる値である閾値２である。加速意図ΔＡＰＯの方が小さい場合はステップＳ４に進み、大きい場合にはステップＳ１１に進む。

ステップＳ４では、電磁クラッチ９の締結トルクを図６のテーブルに基づいて変化させる。図６は縦軸がクラッチ締結トルクＴｃｒ、横軸がターボ過給機１５の過給圧Ｐｔｃであり、過給圧Ｐｔｃが高くなるほどクラッチ締結トルクＴｃｒが大きくなっている。これは、より高い回転数で電磁クラッチ９を締結することになるため、より大きな締結トルクが必要となるからである。

ステップＳ５では、ターボ過給機１５の目標圧力上昇速度ΔＰｅｓｔを算出する。ここでは、目標圧力上昇速度ΔＰｅｓｔを加速意図ΔＡＰＯとエンジン回転数Ｎｅに割り付けたマップを予め作成しておき、これを検索することにより算出する。

ステップＳ６では、ターボ過給機１５の実際の圧力上昇速度ΔＰｒｅａｌを算出する。ここでは、現在の過給圧Ｐｔｃと前回演算時の過給圧Ｐｔｃとの偏差を、演算間隔時間で除することにより算出する。

ステップＳ７では、実際の圧力上昇速度ΔＰｒｅａｌが目標圧力上昇速度ΔＰｅｓｔ以上であるか否かを判定する。この結果、実際の圧力上昇速度ΔＰｒｅａｌが目標圧力上昇速度ΔＰｅｓｔ以上の場合はステップＳ８に進み、目標圧力上昇速度ΔＰｅｓｔより小さい場合はステップＳ９に進む。

ステップＳ８では、電磁クラッチ９を解放したままにする。

ステップＳ９では、スロットル開度ＴＶＯが最大になっているか否かを判定する。最大でない場合には、ステップＳ１０に進み、スロットル開度ＴＶＯを所定値だけ大きくし、ステップＳ５に戻る。最大の場合にはステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１では、電磁クラッチ９を締結する。なお、電磁クラッチ９への供給電力は、ステップＳ２またはＳ３からステップＳ１１に進んだ場合には、予め設定した値とし、ステップＳ９からステップＳ１１に進んだ場合には、ステップＳ４で算出したクラッチ締結トルクＴｃｒに基づいて定まる値に設定する。

上記のように、加速要求に応じて定まる目標トルクに応じて、機械式過給機８とターボ過給機１５とを併用する過給か、ターボ過給機１５のみの過給かを選択することとし、過給圧の実際の圧力上昇速度ΔＰｒｅａｌが目標圧力上昇速度ΔＰｅｓｔより小さい場合には、まずスロットルバルブ７の開度を大きくし、それでも目標圧力上昇速度ΔＰｅｓｔより大きくならない場合に電磁クラッチ９を締結して機械式過給機８による過給を開始する。これにより、機械式過給機８の駆動頻度を抑えて、燃費の悪化を抑制することができる。

図７は、上記制御を実行し、ステップＳ２、Ｓ３における判定の結果、ステップＳ４以降を実施することとなった場合のタイムチャートである。機械式過給機８の過給圧Ｐｓｃのチャート中で、一点鎖線は電磁クラッチ９を締結したと仮定した場合の目標過給圧、破線は同じく実過給圧、実線は実際の過給圧を示す。ターボ過給機１５の過給圧Ｐｔｃのチャート中で、実線は目標過給圧、破線は実過給圧を示す。

時刻ｔ１からｔ２の間、アクセル開度ＡＰＯが増大し、これに応じてスロットルバルブ７の開度も増大している。

そこで、時刻ｔ２で最初の演算を行うと、上述したようにステップＳ２、Ｓ３の判定の結果ステップＳ４以降を実行することとなり、ここでは圧力上昇速度は目標値、実測値ともにゼロなので、電磁クラッチ９は解放したままターボ過給機１５のみで過給を開始することとなる。

時刻ｔ３で２回目の演算を行った結果、過給圧の実際の圧力上昇速度ΔＰｒｅａｌが目標圧力上昇速度ΔＰｅｓｔより小さかったとする。この場合、図７に示すようにスロットル開度ＴＶＯがまだ全開になっていないので、スロットル開度ＴＶＯを増大させる。これにより、ターボ過給機１５の圧力上昇速度ΔＰｒｅａｌが増大する。

時刻ｔ４で３回目の演算を行った結果、まだ過給圧の実際の圧力上昇速度ΔＰｒｅａｌが目標圧力上昇速度ΔＰｅｓｔより小さかったとする。この場合、スロットル開度ＴＶＯはすでに全開になっているので、電磁クラッチ９を締結し、機械式過給機８による過給を開始することになる。

このように、過給圧の応答遅れが大きい場合に、まずスロットル開度ＴＶＯを増大させること過給圧の上昇速度を増大させ、それでもまだ上昇速度が遅い場合に電磁クラッチ９を締結するので、機械式過給機８の作動開始を時刻ｔ４まで遅らせることができる。

以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。

（１）内燃機関１の排気により駆動されるターボ過給機１５と、ターボ過給機１５より下流側の吸気通路４に位置し内燃機関１の出力軸１ａにより駆動される機械式過給機８と、機械式過給機８と内燃機関１の出力軸とが連結している締結状態と両者が切り離された解放状態とを切り換え可能な電磁クラッチ９と、を備える過給機付き内燃機関の制御装置において、ターボ過給機１５下流かつ機械式過給機８上流の過給圧を検出する圧力センサ１２と、機関回転数を検出するクランク角センサ１３と、加速要求の有無及び要求加速度の大きさを検出するアクセル開度センサ１８と、加速要求時の要求トルクを算出し、加速要求時に機関回転数及び要求トルクに基づいて電磁クラッチの締結・解放を選択するコントローラ１７と、を有し、コントローラ１７は、圧力センサ１２の検出値に応じて電磁クラッチ９の締結・解放を選択する際の判定基準を変化させるので、運転状態に応じた電磁クラッチ９の締結・解放制御が可能となる。

（２）加速要求時に目標圧力上昇速度ΔＰｅｓｔと、実際の圧力上昇速度ΔＰｒｅａｌとを比較し、実圧力上昇速度ΔＰｒｅａｌの方が小さい場合に電磁クラッチ９を締結するので、要求加速度が小さい場合には機械式過給機８を駆動しなくなり、燃費の悪化を抑制することができる。

（３）実圧力上昇速度ΔＰｒｅａｌが目標圧力上昇速度ΔＰｅｓｔより小さく、かつスロットル開度ＴＶＯが最大になっていない場合には、スロットル開度ＴＶＯを増大させ、スロットル開度ＴＶＯが最大になっても実圧力上昇速度ΔＰｒｅａｌが目標圧力上昇速度ΔＰｅｓｔより小さいときに電磁クラッチ９を締結するので、ターボ過給機１５のみによる過給では加速要求を満たすことができない場合にのみ機械式過給機８を駆動させることとなる。これにより、動力性能を満足することができる。

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。

本実施形態を適用する内燃機関のシステム図である。 基本的な電磁クラッチの締結・解放制御マップである。 電磁クラッチの締結制御のフローチャートである。 要求トルクとクラッチ締結・解放閾値との関係を表わすマップである。 アクセル開度変化量とクラッチ締結・解放閾値との関係を表わすマップである。 クラッチ締結トルクと過給圧との関係を表わすマップである。 図３の制御を実行した場合のタイムチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気マニホールド
３ 排気マニホールド
４ 吸気通路
５ バイパス通路
６ バイパスバルブ
７ スロットルバルブ
８ 機械式過給機
９ 電磁クラッチ
１０ ベルト
１１ 圧力センサ
１２ 圧力センサ
１３ クランク角センサ
１４ 回転センサ
１５ ターボ過給機
１７ コントローラ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気により駆動されるターボ過給機と、
   前記ターボ過給機より下流側の吸気通路に位置し内燃機関の出力軸により駆動される機械式過給機と、
   前記機械式過給機と内燃機関の出力軸とが連結している締結状態と両者が切り離された解放状態とを切り換え可能な電磁クラッチと、
   を備える過給機付き内燃機関の制御装置において、
   前記ターボ過給機下流かつ前記機械式過給機上流の過給圧を検出するターボ過給機過給圧検出手段と、
   機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、
   加速要求の有無及び要求加速度の大きさを検出する加速要求検出手段と、
   加速要求時の要求トルクを算出する要求トルク算出手段と、
   加速要求時に機関回転数及び要求トルクに基づいて前記電磁クラッチの締結・解放を選択するクラッチ制御手段と、
   を有し、
   前記電磁クラッチ制御手段は、前記ターボ過給機過給圧検出手段の検出値に応じて前記電磁クラッチの締結・解放を選択する際の判定基準を変化させることを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。
2. 前記電磁クラッチ制御手段は、加速要求時に要求加速度の大きさ及び機関回転数に基づいて算出する前記ターボ過給機下流側の目標圧力上昇速度と、前記ターボ過給機過給圧検出手段の検出値に基づいて算出する実圧力上昇速度とを比較し、実圧力上昇速度の方が小さい場合に前記電磁クラッチを締結することを特徴とする請求項１に記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
3. 前記機械式過給機の下流側に位置する吸気量調節手段を備え、
   前記電磁クラッチ制御手段は、前記実圧力上昇速度が前記目標圧力上昇速度より小さく、かつ前記吸気量調節手段の開度が最大になっていない場合には、前記吸気量調節手段の開度を増大するよう制御し、開度が最大になっても前記実圧力上昇速度が前記目標圧力上昇速度より小さいときに前記電磁クラッチを締結することを特徴とする請求項２に記載の過給機付き内燃機関の制御装置。

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