JP2010077837A - 吸入空気量設定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電装システムの電気的な負荷に応じた発電量を供給する上で、内燃機関の回転を制御するための吸入空気量を推定する吸入空気量設定装置を提供する。
【解決手段】発電機（３０）の電圧（Ｖａｃｇ）を検出する検出手段（１２）と、バッテリ（４０）の電圧（Ｖｂａｔ）と発電機（３０）の電圧（Ｖａｃｇ）との差電圧を検出する検出手段（１３）と、吸入空気量算出手段（１１）と、を備え、吸入空気量算出手段（１１）は、差電圧をバッテリ（４０）と発電機（３０）とを接続する配線の配線抵抗（Ｒ）で除して発電電流（Ｉａｃｇ）を算出し、発電電流（Ｉａｃｇ）に発電機（３０）の電圧（Ｖａｃｇ）を乗じて発電電力（Ｗ）を算出し、発電電力（Ｗ）と吸入空気量（ＬＡＣＧ）との予め求められた関係から吸入空気量（ＬＡＣＧ）を設定するよう構成されている吸入空気量設定装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の発電機の制御にかかり、詳しくは、電装システムの電気的な負荷に応じた発電量を供給する上で、内燃機関の回転を制御するための吸入空気量を設定する吸入空気量設定装置に関する。

車両の電装システムには、エンジンシステム運転に関わるインジェクタ、クランクセンサ等、走行に関わる照明、スイッチ類、モジュレータ、センサ類等、車室内の装備等、多くの電装部品が備えられている。これらのいわゆる補機は、電気的に作動するものが多く、車両の電装システムを制御する制御装置（以下「ＥＣＵ」という。）と電気的に接続されている。そして、補機を作動させるための電力は、内燃機関の回転駆動によって発電する発電機から、もしくは、発電された電気を充電するバッテリから供給されている。

バッテリは充電容量が定まっており、電気が流入しても、この充電容量を超えて充電することはできない。一方、充電量（充電状態ＳＯＣ）が充電容量に対して不足している場合は、補機を作動させるための電力が不足するおそれがあることから、発電機からの電気をバッテリへ供給し、充電させる必要がある。

かかる状況を鑑みて、充電量が充電容量に到達しているときには内燃機関の回転数を下げ、不足しているときには回転数を上げる、というエンジンシステムの運転制御技術が開発されている。このように制御することによって、燃費の向上を図ることができ、また、エンジンシステムの運転に支障を来すことも防止することができる。

かかる制御における観測量の一つとしては発電機の出力端子とバッテリとを繋ぐ充電線を流れる電流があり、発電機とバッテリとの差電圧および充電線に流す励磁電流から充電線抵抗値を求め、差電圧と充電線抵抗値から発電中の充電電流値を求める技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３０２１６８９号公報

前記した公知技術は、センサを用いずに充電電流を推定する手段を開示している。すなわち、電流値は、発電停止時、通電手段により充電線に流された設定量の励磁電流をもとに抵抗値が求めることによって推定されている。

しかしながら、制御については、推定した電流値と予め設定された監視電流値とを比較し、アイドル回転数を減少、増加させる旨のみが開示されており、観測量である電流値と制御量であるアイドル回転数との関係が具体化されていない。また、バッテリと発電機とを結ぶ充電線を流れる推定電流であることから、発電機の発電状態は観測量に含まれていない（特許文献１）。

補機の作動状況によって電装システムの電気的な負荷は大きく変動する。そして、発電機の回転のトルクも発電量が同じであっても電圧が変化すれば変動する。従って、開示された技術による制御量では、適正な発電量からズレが生じ、発電機の高負荷状態が継続される、もしくは、発電効率が悪い状態での発電が継続されるおそれがあった。かかる状況は、発電機の負荷を高め寿命を短くするとともに、無駄な発電によって車両の燃費を悪化させるおそれがあった。

本発明は、前記した課題を鑑み、電装システムの電気的な負荷に応じた発電量を供給する上で、内燃機関の回転を制御するための吸入空気量を設定する吸入空気量設定装置を提供することを目的とする。

前記問題を解決するため、本発明の一の実施形態は、内燃機関の回転駆動によって発電する発電機と、前記発電機と並列に配設され、発電された電気を充電するバッテリと、前記発電機および前記バッテリの一方または両方から供給される電気によって作動する補機と、を備えた電装システムに前記内燃機関への吸入空気量を設定する吸入空気量設定装置を設ける。

この吸入空気量設定装置は、前記発電機の電圧を検出する検出手段と、前記バッテリの電圧と前記発電機の電圧との差電圧を検出する検出手段と、吸入空気量算出手段と、を備えている。

前記吸入空気量算出手段は、前記差電圧を前記バッテリと前記発電機とを接続する配線の配線抵抗で除して発電電流を算出し、前記発電電流に前記発電機の電圧を乗じて発電電力を算出し、前記発電電力と前記吸入空気量との予め求められた関係から吸入空気量を設定する構成としている。

アイドル回転数で回転している内燃機関が通常必要とする吸入空気量のいわゆる基本値がある。しかし、発電電圧等に起因して回転の負荷が高くなると、基本値では、回転数が不足する場合がある。そこで、本実施形態は、電装システムが電気的な負荷を受けている状態における発電機とバッテリとの差電圧と配線抵抗とから、電力を算出し、この電力と吸入空気量との関係を予め取得する。そして、この関係から、基本値に対する吸入空気量の補正量を設定するようにしている。なお、吸入空気量全体として設定してもよいことは言うまでもない。

算出された電力は、補機等の電力消費分も含み、実環境に近い電装システムの電気的な負荷状態を表すことができる。また、電装システムの電力系を包括する観測量である電力と吸入空気量との関係は、バッテリの電圧の変動によって影響を受けることが少ないことから、電装システムの電気的な負荷に応じた発電量を供給する上で、内燃機関の回転を制御するために適正な吸入空気量の補正量または吸入空気量を設定することができる。

前記した実施形態に加えて、内燃機関の空気流入量を検出する空気流入量検出手段と、前記空気流入量を調節する空気流入量調節手段と、をさらに備え、設定された前記吸入空気量は補正量であって、前記吸入空気量検出手段により検出される空気流入量を前記補正量だけ増量するように前記吸入空気量調節手段に空気流入量の調節を指令するように構成してもよい。

また、検出された前記空気流入量と設定された前記吸入空気量とを比較し、その差分を補正量として前記吸入空気量調節手段に空気流入量の調節を指令するように構成してもよい。

かかる構成によって、空気流入手段は設定された補正量分の空気を流入もしくは流入を抑制することによって、内燃機関の回転数を制御することができる。

本発明にかかる吸入空気量設定装置は、電装システムの電気的な負荷に応じた発電量を供給する上で、内燃機関の回転を制御するために適正な吸入空気量の補正量または吸入空気量を設定することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態にかかる空気吸入量設定装置を備えた電装システムの構成を示すブロック図である。

車両には、エンジンシステムの内燃機関２０の回転によって発電するオルタネータと呼ばれる発電機３０が搭載されている。内燃機関２０が回転している間は、発電機３０が発電した電力は、車両の電気的負荷に供給されるとともに、余剰分の電気はバッテリ４０によって充電される。

車両の電気的負荷とは、車両の電装システムであり、エンジンシステム運転に関わるインジェクタ、クランクセンサ等、走行に関わる照明、スイッチ類、モジュレータ、センサ類等、車室内の装備等、多くの電装部品が該当する。これらのいわゆる補機５０は、車両の電装システムを制御する制御装置ＥＣＵ（図示せず）と電気的に接続されている。

本実施形態も同様であって、図１に示すように、内燃機関２０の回転駆動によって発電する発電機３０と、発電機３０と並列に配設され、発電された電気を充電するバッテリ４０と、発電機３０で発電された電気およびバッテリ４０から供給される電気の一方または両方によって作動する補機５０と、を備えた車両の電装システムである。

そして、この電装システムには吸入空気量設定装置１０が設けられている。吸入空気量設定装置１０は、後記する空気吸入量を算出する吸入空気量算出部１１と、発電機３０の状態を検出する発電機状態検出部１２と、バッテリ４０の状態を検出するバッテリ状態検出部１３と、を主に備えている。さらに、内燃機関２０に流入される空気の量を検出する空気流入量検出部６０、および、検出された空気流入量と、吸入空気量算出部１１によって算出された吸入空気量と、を比較し、内燃機関２０への空気流入量を調節する空気流入量調節部６１を備えることもできる。

ここで、発電機状態検出手段１２は、少なくとも発電機の電圧を検出し、バッテリ状態検出手段１３は、少なくともバッテリ４０の電圧と発電機３０の電圧との差電圧を検出する。また、バッテリ４０と発電機３０との間の配線の抵抗Ｒは、既知のものである。

次に、図２および図３を参照して、本実施形態にかかる吸入空気量の設定について説明する。

図２（ａ）は内燃機関２０の回転数が８００ｒｐｍの場合の発電機３０の発電仕事量ＦＤＵＴＹ（％）と、吸入空気量ＬＡＣＧ（Ｌ（リットル）／Ｍｉｎ（分））と、の関係を表すグラフであり、図３（ａ）は内燃機関２０の回転数が７００ｒｐｍの場合の発電機３０の発電仕事量ＦＤＵＴＹ（％）と、吸入空気量ＬＡＣＧ（Ｌ（リットル）／Ｍｉｎ（分））と、の関係を表すグラフである。

図２（ｂ）は内燃機関２０の回転数が８００ｒｐｍの場合の後記する電力（Ｗ）と、吸入空気量ＬＡＣＧ（Ｌ（リットル）／Ｍｉｎ（分））と、の関係を表すグラフであり、図３（ｂ）は内燃機関２０の回転数が７００ｒｐｍの場合の電力（Ｗ）と、吸入空気量ＬＡＣＧ（Ｌ（リットル）／Ｍｉｎ（分））と、の関係を表すグラフである。

図２と図３における複数の線種は、調整される発電機３０の発電電圧Ｖａｃｇを変えたものであり、実線は１４．５Ｖ、一点鎖線は１３．５Ｖ、破線は１３．０Ｖ、二点鎖線は１２．５Ｖを表す。なお、詳しくは後記する。

内燃機関２０は、燃料と酸化剤となる空気とを混合させて燃焼させ、機関を回転駆動させることによって動力を獲得している。吸入する空気量を多くし、適正な混合比となる燃料を流入することによって、多くの熱エネルギを得ることができ、機関の回転数も上昇する。

発電機３０は、内燃機関２０の回転駆動によって発電しており、内燃機関２０の回転数が上昇すれば、発電量も増加する。このように吸入空気量は、機関の回転数を決定する制御量の一つとなる。

アイドリング運転中（エンジンシステム運転中にアクセルペダルを離している状態）の内燃機関２０は、回転数の低いアイドル回転で作動している。回転数が低いため、アイドリング運転中における発電機３０の発生電圧は低く、このとき充電量が充電容量に対して不足している場合、補機５０を作動させるための電力が不足するおそれがある。このような場合にはバッテリ４０に電気を充電する必要があるため、電流値を検出して制御することによって、発電量を増加させるべく、内燃機関２０の回転数を高くしている。このときの発電機３０の電圧を発電電圧Ｖａｃｇとしている。

一方、バッテリ４０が十分に充電されているときに、高いアイドル回転で発電しても、発電された電気は充電できないとともに、内燃機関２０の燃費を低下させるおそれがある。このような場合には、アイドル回転数を下降させて発電機３０の出力電圧を減少させる必要があり、発電電圧Ｖａｃｇを下げる必要がある。

前記したように、吸入空気量が内燃機関２０の回転数の制御量となることから、充電量が不足しているときは吸入空気量を増加させ、十分に充電されているときは吸入空気量を減少させることで、効率的な運転をすることができる。

充電容量に対する充電量の推定は、前記した特許文献１のように、観測量の一つとして発電機３０の出力端子とバッテリ４０とを繋ぐ充電線を流れる電流を用い、発電機３０とバッテリ４０との差電圧および充電線に流す電流から充電線抵抗値を求め、差電圧と充電線抵抗値から発電中の充電電流値を求めることが可能である。

しかし、この手法では、適正な発電量からズレが生じ、発電機の高負荷状態が継続される、もしくは、発電効率が悪い状態での発電が継続されるおそれがあった。

また、制御量である吸入空気量の設定手法としては、発電機３０の発電仕事量ＦＤＵＴＹ（％）と吸入空気量との関係を取得し、このグラフを制御線図として使用する手法がある。この手法であれば、内燃機関２０を実際に作動させた状態となるため、前記した特許文献１の問題点を解決することができる。しかし、図２（ａ）、図３（ａ）に示すように、同じ発電仕事量ＦＤＵＴＹ（％）に対応する吸入空気量ＬＡＣＧは、発電電圧Ｖａｃｇによって異なり、発電電圧Ｖａｃｇが高い方が多くの吸入空気量ＬＡＣＧを必要とするように表されている。そして、この差は、発電仕事量ＦＤＵＴＹ（％）が大きくなればなるほど大きくなっている。

この差は、発電機３０のトルクは同一発電量であっても電圧が変化すれば変わるために生じている。すなわち、同じアイドル回転数であっても、発電電圧Ｖａｃｇが高い方が回転の抵抗による負荷が大きくなり、この結果として発電仕事量ＦＤＵＴＹ（％）に対する吸入空気量ＬＡＣＧも変動するためである。

かかる手法を適用するためには、電圧と内燃機関３０の回転数ＮＥとをパラメータとして、図２（ａ）や図３（ａ）のようなデータを多数取得する必要がある。そして、制御量である吸入空気量ＬＡＣＧの算出においても多くのデータを参照し、制御線図にプロットする等の煩雑な作業が必要となり、現実的ではない。

そこで、本実施形態は、実環境に近い電装システムの電気的な負荷状態を表すことができる電力に注目している。電力Ｗは次のように算出することができる。

バッテリ４０の電圧Ｖｂａｔは、発電機３０の発電電圧Ｖａｃｇから、発電機３０の発電電流Ｉａｃｇと配線の抵抗Ｒとによる電圧降下を差し引くことによって算出することができる。
Ｖｂａｔ＝Ｖａｃｇ−（Ｉａｃｇ×Ｒ）

従って、発電機３０の発電電流Ｉａｃｇは（Ｖａｃｇ−Ｖｂａｔ）／Ｒとなる（ステップ１）。

電力は次のように表すことができる（ステップ２）。
電力Ｗ（Ｗ）＝Ｖａｃｇ×（（Ｖａｃｇ−Ｖｂａｔ）／Ｒ）

ここで、発電電圧Ｖａｃｇは発電機状態検出部１２によって検出された発電機３０の電圧であり、Ｖｂａｔはバッテリ状態検出部１３によって検出されたバッテリ４０の電圧であり、Ｒはバッテリ４０と発電機３０との間の配線の抵抗である。

吸入空気量ＬＡＣＧと、電力Ｗと、の関係を図２（ｂ）、図３（ｂ）に示す。各図から分かるように、図２（ａ）、図３（ａ）に見られたような発電電圧Ｖａｃｇの違いによるバラツキが発生しておらず、発電電圧Ｖａｃｇに依存しない比例関係を得ることができる。

かかる手段によって検出された回転数ＮＥをパラメータとして、吸入空気量ＬＡＣＧと電力Ｗとの関係を取得しておき、ステップ２で算出した電力Ｗに対応する吸入空気量ＬＡＣＧを設定する（ステップ３）。

そして、吸入空気量設定装置１０は、空気流入量検出部６０によって検出された内燃機関２０の空気流入量を前記した手順によって設定された吸入空気量ＬＡＣＧに近づけるように空気流入量調節部６１に空気流入量を調節している。

要約すれば、電装システムが電気的な負荷を受けている状態における発電機とバッテリとの差電圧と配線抵抗とから、電力を算出し、この電力と吸入空気量との関係を予め取得する。そして、この関係から、アイドル回転数の吸入空気量の基本値に対する補正量を設定し、この補正量で吸入空気量を調整するようにしている。なお、吸入空気量全体として設定して制御してもよい。

かかる構成によって、本実施形態は、吸入空気量ＬＡＣＧと電力Ｗとの関係が安定していることを利用して、煩雑な制御を必要とせず、かつ、内燃機関の負荷状態に応じて安定した電力供給を提供している。

以上、本発明について好適な実施形態を説明した。本発明は、図面に記載したものに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で設計変更が可能である。

本発明の一実施形態にかかる空気吸入量設定装置を備えた電装システムの構成を示すブロック図である。 内燃機関の回転数が８００ｒｐｍの場合の吸入空気量を表すグラフである。 内燃機関の回転数が７００ｒｐｍの場合の吸入空気量を表すグラフである。

符号の説明

１０ 吸入空気量設定装置
１１ 吸入空気量算出部
１２ 発電機状態検出部
１３ バッテリ状態検出部
２０ 内燃機関
３０ 発電機
４０ バッテリ
５０ 補機
６０ 空気流入量検出部
６１ 空気流入量調節部

Claims (3)

1. 内燃機関の回転駆動によって発電する発電機と、前記発電機と並列に配設され、発電された電気を充電するバッテリと、前記発電機および前記バッテリの一方または両方から供給される電気によって作動する補機と、を備えた電装システムに設けられ、前記内燃機関への吸入空気量を設定する吸入空気量設定装置であって、
   前記発電機の電圧を検出する検出手段と、
   前記バッテリの電圧と前記発電機の電圧との差電圧を検出する検出手段と、
   吸入空気量算出手段と、を備え、
   前記吸入空気量算出手段は、
   前記差電圧を前記バッテリと前記発電機とを接続する配線の配線抵抗で除して発電電流を算出し、
   前記発電電流に前記発電機の電圧を乗じて発電電力を算出し、
   前記発電電力と前記吸入空気量との予め求められた関係から吸入空気量を設定するよう構成されている、吸入空気量設定装置。
2. 内燃機関の空気流入量を検出する空気流入量検出手段と、前記空気流入量を調節する空気流入量調節手段と、をさらに備え、
   設定された前記吸入空気量は補正量であって、前記吸入空気量検出手段により検出された空気流入量を前記補正量だけ増量するように前記吸入空気量調節手段に空気流入量の調節を指令する、請求項１に記載の吸入空気量設定装置。
3. 内燃機関の空気流入量を検出する空気流入量検出手段と、前記空気流入量を調節する空気流入量調節手段と、をさらに備え、
   検出された前記空気流入量と設定された前記吸入空気量とを比較し、その差分を補正量として前記吸入空気量調節手段に空気流入量の調節を指令する、請求項１に記載の吸入空気量設定装置。

Images