JP2013204428A - 電動過給機を備えた内燃機関制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機で駆動される電動過給機を備えた内燃機関の制御装置において、車両の燃費向上を図るものである。
【解決手段】電動機により駆動される電動過給機と、内燃機関の出力を動力として発電を行う発電機と、この発電機により充電され、電力を蓄えることができる蓄電装置と、アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段を備え、
アクセル開度検出手段の出力と、アクセル開度に応じて算出される電動過給機で必要な出力と、蓄電装置の蓄電量とから電動過給機への供給電力と発電機による発電電力を制御するようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、電動機で駆動される電動過給機を備えた内燃機関の制御装置に係り、特に車両の燃費向上を図る制御装置に関するものである。

近年、内燃機関の燃費向上を目的として過給機により出力を維持しつつ排気量を小さくすることによって内燃機関のポンピングロスやフリクションロスなどのメカニカルロスを小さくし、内燃機関の効率と燃費を向上させるダウンサイジングの技術が広く知られている。このダウンサイジングを行なうために、過給機に電動機を取り付けた電動過給機の技術があるが、この電動過給機の出力向上を目的として電動機の駆動電圧を従来の１２ボルトから４８ボルトや１００ボルトといった高電圧に変更する技術が知られている。この場合、電動過給機動作時の消費電力増大に対して発電機による発電を行なわないと、蓄電装置の蓄電量が短期間で底をつくことが懸念されるが、発電機も内燃機関の動力を用いるため、蓄電量の確保と内燃機関出力の両立が難しいという問題がある。

このような問題の対策として、電動過給機による過給を必要とする場合に蓄電装置の蓄電量（以下、ＳＯＣと称す）（State Of Charge）が十分にある場合は、発電を行なわ
ずに蓄電装置からの電力で電動過給機を動作させることにより内燃機関の出力を確保するものが提案されている。（特許文献１）

また、電動過給機と、駆動および発電を行なえるモータジェネレータとを備えるシステムで、蓄電装置のＳＯＣが高い場合はモータジェネレータで車両の駆動をアシストするが、蓄電装置のＳＯＣが低下してきた際は電動過給機による過給を行なうことで、内燃機関の出力を確保するものが提案されている。（特許文献２）

特開2011-169286号公報 特開2005-240580号公報

しかしながら、特許文献１においては、電動過給機と発電機に関する制御を行なうのは、要求される過給圧が高く蓄電装置のＳＯＣが高い状態において車両の動力を確保するために行なう制御であり、通常の過給時は常に発電を行なっているため、車両の運転効率や燃費を考慮していないという課題がある。

また、特許文献２においても、電動過給機とモータジェネレータに関して制御を行なっているが、蓄電装置のＳＯＣに応じて両者の動作を制御することで加速力などの動力を確保する制御であり、車両の運転効率や燃費を考慮していないという課題がある。

この発明は、上記の課題に鑑み、電動過給機と発電機を備えた内燃機関の車両において、運転者の加速要求を満たす加速を得つつ良好な車両の効率や燃費が得られる電動過給機を備えた内燃機関の制御装置を提供するものである。

この発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の吸気通路に配置され、電動機により駆動される電動過給機と、前記内燃機関の出力を動力として発電を行う発電機と、この発電機により充電され、電力を蓄えることができる蓄電装置と、アクセル開度を検出する
アクセル開度検出手段を備え、前記アクセル開度検出手段の出力と、前記アクセル開度に応じて算出される前記電動過給機で必要な出力と、前記蓄電装置の蓄電量とから前記電動過給機への供給電力と前記発電機による発電電力を制御するように構成したものである。

この発明によれば、電動過給機を備えた内燃機関の制御装置において、蓄電装置のＳＯＣとアクセル開度に応じて電動過給機の駆動電力と発電機の発電量とを制御することによって、ドライバの要求するトルクを実現しながらも好適な燃費を実現することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る電動過給機を備えた内燃機関の制御装置を適用する車両の要部構成を示す概要図である。 この発明の実施の形態１に係る動作を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る電動過給機と発電機の動作割合を定義するマップである。 この発明の実施の形態１に係る電動過給機と発電機の効率が良い場合の電動過給と発電機の動作割合を定義するマップである。 この発明の実施の形態１に係る電動過給機と発電機の効率が悪い場合の電動過給と発電機の動作割合を定義するマップである。

実施の形態１．
以下、この発明を実施例である図に基づいて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の制御装置を適用した車両の要部構成を示す概要図である。

図１において、内燃機関１には、吸入空気路２、エアクリーナ３、上流通路４a、下
流通路４b、インタークーラ５、スロットルバルブ６を介して外部の空気がシリンダ内に
供給される。また、上流通路４aと下流通路４bとの間には、電動過給機７が設けられ、吸入空気を圧縮してインタークーラ５に供給するとともに電動過給機バイパス弁８を有するバイパス路９を通して内燃機関１に吸入空気を供給することを可能としている。さらに、スロットルバルブ６の上流側には、内燃機関１に吸入される空気の吸気量や圧力を計測するセンサ（エアーフローセンサや圧力センサ）１０が配置されている。

なお、スロットルバルブ６は、運転者のアクセル操作に伴って開閉され、内燃機関１の運転状態を制御し、インタークーラ５は、過給による圧力上昇に伴って温度が上昇した吸入空気の温度を下げ、充填効率を向上させるものである。
また、内燃機関１は、三気筒内燃機関を例として図示しているが、特に、内燃機関の気筒数を制限するものではなく、また、シリンダ内に燃料を噴射する直墳式内燃機関だけでなく、スロットルバルブ６後の吸気通路に燃料を噴射するポート噴射式内燃機関であってもよい。

ところで、電動過給機７は、コンプレッサインペラ７ａと、このコンプレッサインペラ７ａを駆動する電動過給機用電動機７ｂと、電動過給機用電動機７ｂを制御する電動過給機制御装置７ｃとから構成され、上流通路４aに吸入された空気を圧縮して下流通路４bに流す機能を有している。
ここで、電動過給機７の駆動を必要としない運転領域に車両がある場合、電動過給機７が吸入空気の流路抵抗となるため、電動過給機バイパス弁８を開けることによってバイ
パス路９を通して内燃機関1に吸入空気を供給することが可能となっており、また、過給
状態から急にスロットル６を閉じた場合にも、電動過給機バイパス弁８を開けることによって電動過給機７の下流通路４ｂの圧力を低下させる機能を持たせることも可能となっている。

さらに、この電動過給機７には、各種のセンサ出力に基づいて制御目標値が制御装置１１から入力されるとともに蓄電装置１２から駆動電力が供給されている。
この蓄電装置１２には、発電機１３により電力が供給されて充電されるとともに、内部状態検出手段により内部抵抗、電圧、温度など動作状態を検出するように構成されている。一方、発電機１３は、制御装置１１により制御されるとともに、ベルト１４を介して内燃機関１に連結され、内燃機関１の回転に伴って発電を行なうように構成されている。

なお、電動過給機制御装置７ｃは、電動過給機用電動機７ｂを駆動するためのマイコンや蓄電装置１２から入力される電力を電動過給機用電動機７ｂの駆動用電力に変換するインバータも備えている。
ところで、発電機１３の発電動力は、内燃機関１から得るため、発電時は発電に必要な動力が内燃機関１の出力から減じられることになる。

次に、図２に示すフローチャートに基づいて、電動過給機を備えた内燃機関の制御装置の動作について説明する。
図２において、まず、ステップS201で運転者のアクセルペダルの操作に伴うアクセル開度を検出して内燃機関１に必要なインテークマニホールド圧を演算し、記憶する。次に、ステップS202でインテークマニホールド圧が過給を必要とする車両の運転領域か否かを判断し、過給を必要とする領域にない場合、電動過給機７を動作させず、フローを終了する。

ステップS202で過給が必要と判断すると、ステップS203で電動過給機７に必要とする電力量を計算する。このとき、要求駆動力に必要な内燃機関１の動作点から必要な電力Ｐｅｃをマップとしてメモリに持たせて置き、これを読み出したり、電動過給機７を通過する空気流量Ｑ（エアーフローセンサ出力）と電動過給機７の目標過給圧ｐ（過給圧センサ出力）の乗算により求められる電動過給機７の仕事量をインペラ効率ηinpeller、モータ効率ηmotor、インバータ効率ηinverterの少なくとも１つにより除算することによって
電動過給機７が必要とする電力Ｐｅｃを求めてもよい。

次に、ステップS204では、、蓄電装置１２の内部状態検出手段によりバッテリＳＯＣと内部抵抗とを検出し、ステップS205で蓄電装置１２の内部抵抗値とセル温度の大小を判定する。
蓄電装置１２の内部抵抗が低い場合は、ステップS206で電動過給機７の必要電力ＰｅｃとステップS201で求めたアクセル開度とバッテリＳＯＣとに基づいて発電機１３の発電電力を図３に示すようなマップによって決定する。

図３においては、バッテリＳＯＣが高い場合は発電量を小さくし、バッテリＳＯＣが低い場合は発電量を大きくすることを示しており、また、アクセル開度が小さい場合は、アクセル開度が中の場合に比し、高ＳＯＣでも発電量を大きくし、アクセル開度が大きい場合は、低ＳＯＣでも発電量を減らすことを示している。これによってバッテリＳＯＣが減少しても内燃機関１に余力が無い場合は極力発電を行わず、バッテリＳＯＣが大きくても内燃機関１に余力がある場合はなるべく発電を行なうように制御することが可能となる。

ここで、電動過給機７の効率や発電機１３の効率は、エンジン動作点や発電機１３の
界磁電流によって異なるため、電動過給機７の効率や発電機１３の効率に応じてマップを変更してもよい。すわなち、電動過給機７の効率が良く発電機１３の効率が良いエンジン動作点の場合は、図４に示すように、発電機１３を積極的に動作させ、同動力は電動過給機７を動作させることで電力を回収し、蓄電装置１２に蓄電する。

また、電動過給機７の効率が悪く発電機１３の効率が悪いエンジン動作点の場合は、図５に示すように、発電機１３を積極的に動作させずに蓄電装置１２からの電力によって電動過給機７を動作させる。なお、図３、図４、図５においては、バッテリＳＯＣと発電機発電量との関係を放物線で示したが、同様の傾向を持った階段状の特性としてもよい。

次に、ステップS205で蓄電装置１２の内部抵抗が高く、かつセル温度が高いと判定された場合は、ステップS207で発電機１３の発電電力を電動過給機７の要求するＰｅｃと相等しくする。これにより電動過給機７の消費電力は、すべて発電機１３の発電電力でカバーできるため、蓄電装置１２からの電力出力や蓄電装置１２への電力入力は発生せず、この結果、内部抵抗による蓄電装置１２の発熱を抑えることができる。
通常、蓄電装置１２はセル温度が低い場合、極端に内部抵抗が高くなる傾向があるため、この状態で蓄電装置１２の電力の入出力を行なうと蓄電装置１２での損失が非常に大きくなる。したがって、ステップS205で蓄電装置１２の内部抵抗が高く、セル温度が低いと判定された場合は、セル温度を高めることで蓄電装置１２の内部抵抗を低くし蓄電装置１２での損失を改善することを目的として、ステップS206で蓄電装置１２への電力の入出力を行なう。

ところで、発電機１３の発電には、内燃機関１の動力が必要であるため、発電量を上げると内燃機関１の出力は減ぜられることになり、したがって、電動過給機７への電力供給と発電機１３による発電は細かい補正を行なう必要があるが、ここでは説明を省略する。

ここで、電動過給機７による内燃機関１の出力増加分は、電動過給機７に投入した電力の数倍になることが一般的である。よって、発電機１３で内燃機関１の出力を使用して発電しながら電動過給機７に電力を供給した場合でも内燃機関1の出力をトータルで向上する
ことが可能となる。

以上説明したように、この実施形態１によれば、運転者の要求駆動力に対してレスポンス良く追従するとともに、電動過給機による過給空気を内燃機関に充填し、燃焼効率および燃費の良い内燃機関制御を行なうことが可能となる。また、電動過給機にかかる電力を発電機で発電することによって電動過給機の運転を継続させることが可能となる。

さらに、蓄電装置１２としてＤＣ／ＤＣコンバータが搭載されているのが一般的であり、このＤＣ／ＤＣコンバータは、高電圧である蓄電装置１２の電圧を既存の一般的な車両で使われている約１２ボルトへと降圧して車載電装品へ電力を供給することを目的としたものである。したがって、この場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力も考慮して発電機１３の発電電力を制御する必要がある。

また、この実施の形態１においては、電動過給機７として電動コンプレッサを例に説明したが、本発明はこれに限らず、コンプレッサと同軸上の電動機に加えて内燃機関の排気ガスで駆動されるタービンを備えた電動アシストターボにも適用することができる。
また、発電機を例に説明したが、駆動と回生を行なうことができるモータジェネレータを備え、かつ、モータジェネレータによる車両の駆動を行なうことができるようなハイブリッドシステムを備えた車両にも適用することができる。
蓄電装置１２については、一般的にはリチウムイオン電池が適用されるが、ニッケル水素電池や高電圧のキャパシタなど３６ボルト以上のあらゆる電源システムに適用するこ
とができる。

なお、実施の形態１においては、効率よく発電を行なうことが可能であるため、小頻度であるが、電動過給機７の高出力が長く継続された場合、蓄電装置１２のＳＯＣをすべて使い切る可能性があるため、警告装置を設けてこれにより運転者に知らせるように構成することもできる。
また、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１：内燃機関 ２：吸入空気路 ３：エアクリーナ
５：インタークーラ ６：スロットルバルブ ７：電動過給機
７ａ：コンプレッサインペラ ７ｂ：電動過給機用電動機 ７ｃ：電動過給機制御装置
８：電動過給機バイパス弁 ９：バイパス路 １１：内燃機関制御装置
１２：蓄電装置 １３：発電機 １４：ベルト

この発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の吸気通路に配置され、電動機により駆動される電動過給機と、前記内燃機関の出力を動力として発電を行う発電機と、この発電機により充電され、電力を蓄えることができる蓄電装置と、アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、前記アクセル開度検出手段の出力と前記アクセル開度に応じて算出される前記電動過給機で必要な出力と前記蓄電装置の蓄電量とから予め定められたマップに基づいて前記電動過給機への供給電力と前記発電機による発電電力を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記蓄電装置の蓄電量が高い場合は発電量を小さく、蓄電量が低い場合は発電量を大きくするとともに、前記アクセル開度が小さい場合は発電量を大きく、前記アクセル開度が大きい場合は発電量を減らすように制御するように構成したものである。

ここで、電動過給機７の効率や発電機１３の効率は、エンジン動作点や発電機１３の界磁電流によって異なるため、電動過給機７の効率や発電機１３の効率に応じてマップを変更してもよい。すなわち、電動過給機７の効率が良く発電機１３の効率が良いエンジン動作点の場合は、図４に示すように、発電機１３を積極的に動作させ、同動力は電動過給機７を動作させることで電力を回収し、蓄電装置１２に蓄電する。

Claims (7)

1. 内燃機関の吸気通路に配置され、電動機により駆動される電動過給機と、前記内燃機関の出力を動力として発電を行う発電機と、この発電機により充電され、電力を蓄えることができる蓄電装置と、アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段を備え、
   前記アクセル開度検出手段の出力と、前記アクセル開度に応じて算出される前記電動過給機で必要な出力と、前記蓄電装置の蓄電量とから前記電動過給機への供給電力と前記発電機による発電電力を制御することを特徴とした内燃機関の制御装置。
2. 前記アクセル開度検出手段の出力と、前記アクセル開度に応じて算出される前記電動過給機で必要な出力と、前記蓄電装置の蓄電量とから予め定められたマップに基づいて前記電動過給機への供給電力と前記発電機による発電電力を制御することを特徴とした請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記内燃機関の運転状態によって定められる前記内燃機関の効率、前記電動過給機のインペラ効率、前記電動過給機のモータ効率、前記電動過給機のインバータ効率、前記発電機の効率の少なくとも一つに応じて前記電動過給機への供給電力と前記発電機による発電電力を制御することを特徴とした請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記蓄電装置の内部状態を検出する内部状態検出手段を備え、
   前記内部状態検出手段によって検出される電圧、温度、内部抵抗の少なくとも１つに応じて前記電動過給機への供給電力と前記発電機による発電電力を制御することを特徴とした請求項１乃至３のいずれかに記載の電動過給機を備えた内燃機関の制御装置。
5. 前記蓄電装置内部状態検出手段によって検出される蓄電装置の温度と内部抵抗が所定値以上ある場合には、前記電動過給機への供給電力と前記発電機による発電電力を相等しく制御することを特徴とした請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記蓄電装置は、３６Ｖ以上のリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、高電圧キャパシタのいずれかであることを特徴とした請求項１乃至５のいずれかに記載の電動過給機を備えた内燃機関の制御装置。
7. ＳＯＣ低下でドライバーに警告
   前記車両の運転者に警告を発する警告装置を備え、
   前記蓄電装置の蓄電量に応じて前記警告装置を動作することを特徴とした請求項１乃至６記載の電動過給機を備えた内燃機関の制御装置。