JP2016200034A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動コンプレッサを備えた内燃機関において、消費電力の増加を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】吸気通路に設けられる電動コンプレッサと、過給圧検出手段と、内燃機関回転速度検出手段と、アクセル開度検出手段と、を備えた内燃機関の制御装置において、目標過給圧算出手段と、アクセル開度が所定値以上、かつ、目標過給圧算出手段によって算出された目標過給圧と過給圧検出手段によって検出された過給圧との偏差が所定値以上の場合、電動コンプレッサを駆動する電動コンプレッサ駆動手段と、を備え、電動コンプレッサ駆動手段は、目標過給圧と検出された過給圧との偏差が大きいほど電動コンプレッサの回転速度を上昇させ、または、内燃機関回転速度が速いほど電動コンプレッサの回転速度を上昇させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【選択図】図４

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、吸気通路に設けられるターボコンプレッサと排気通路に設けられるタービンとを含むターボチャージャを備え、当該ターボコンプレッサの上流の吸気通路に電動コンプレッサを備えた内燃機関が知られている。特許文献１には、目標過給圧と実際の過給圧との差が所定値以上となった場合に電動コンプレッサを駆動する内燃機関が開示されている。これにより、内燃機関の過給不足のときに効果的に電動コンプレッサによる過給アシストを行うことができる。

特開２００５−２２０８２２号公報 特開２００５−１７１８４４号公報

しかしながら、特許文献１では、電動コンプレッサの回転速度の制御については開示されていない。このため、電動コンプレッサの駆動による消費電力が増加するおそれがある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電動コンプレッサを備えた内燃機関において、消費電力の増加を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
吸気通路に設けられる電動コンプレッサと、
前記吸気通路における過給圧を検出する過給圧検出手段と、
内燃機関の回転速度である内燃機関回転速度を検出する内燃機関回転速度検出手段と、
前記内燃機関におけるアクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、を備えた内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関の運転状態に基づいて目標過給圧を算出する目標過給圧算出手段と、
前記アクセル開度が所定値以上、かつ、前記目標過給圧算出手段によって算出された目標過給圧と前記過給圧検出手段によって検出された過給圧との偏差が所定値以上の場合、前記電動コンプレッサを駆動する電動コンプレッサ駆動手段と、を備え、
前記電動コンプレッサ駆動手段は、前記電動コンプレッサの駆動時における前記目標過給圧算出手段によって算出された目標過給圧と前記過給圧検出手段によって検出された過給圧との偏差が大きいほど前記電動コンプレッサの回転速度を上昇させ、または、前記電動コンプレッサの駆動時における内燃機関回転速度が速いほど前記電動コンプレッサの回転速度を上昇させることを特徴とする内燃機関の制御装置。

第１の発明によれば、最適な電力消費量を維持したまま、電動コンプレッサの加速性能を維持することができる。

実施の形態１のシステムの構成を説明するための概略構成図である。 電動コンプレッサ回転速度調節制御が実行された際の、電動コンプレッサの目標回転速度の時系列の変化を示した図である。 電動コンプレッサの目標回転速度を算出するマップの構想について説明するための図である。 実施の形態１において、ＥＣＵに実装されるマップについて説明するための図である。 図４のＸの破線で示すエンジン回転速度における電動コンプレッサの目標回転速度の変化を示した図である。 図４のＹの破線で示すエンジン回転速度における電動コンプレッサの目標回転速度の変化を示した図である。 電動コンプレッサ回転速度調節制御が実行された際の各種パラメータの変化をタイムチャートで示した図である。 実施の形態１のＥＣＵにおいて実行される電動コンプレッサ回転速度調節フローを表す図である。

実施の形態１．
［システムの構成］
図１は、実施の形態１のシステムの構成を説明するための概略構成図である。図１に示すシステムは、エンジン１０を備える。エンジン１０は、過給ディーゼルエンジンである。

実施の形態１では過給機として、排気を利用して吸気を圧縮するターボチャージャが採用されている。ターボチャージャは、吸気通路２６に設けられるターボコンプレッサ２２と排気通路３５に設けられるタービン３２とが軸を介在して連結される構造をとっている。

さらに、エンジン１０は、吸気を圧縮する電動コンプレッサ１８を備えている。電動コンプレッサ１８には電動機１９が接続されている。電動機１９は、電動コンプレッサ１８を回転させる。また、吸気通路２６には、電動コンプレッサ１８をバイパスするバイパス通路２０が設けられている。バイパス通路２０には、バイパスバルブ２１が設けられている。

エンジン１０の燃焼室５０には、燃料噴射弁４８が設けられている。燃料噴射弁４８は、燃焼室５０内に燃料を噴射する。

燃焼室５０には、インテークマニホールド４０を介して、吸気通路２６が接続されている。吸気通路２６は、その入口にエアクリーナ１４を備えている。エアクリーナ１４の下流には、電動コンプレッサ１８、ターボコンプレッサ２２がこの順に設けられている。ターボコンプレッサ２２の下流には、インタークーラ２４、スロットルバルブ２７が設けられている。

次に、吸気通路２６における吸気の流れについて説明をする。吸気は、エアクリーナ１４から吸入された後、バイパスバルブ２１が開弁しているときはバイパス通路２０を通過して、バイパスバルブ２１が閉弁しているときは電動コンプレッサ１８によって圧縮される。その後、バイパス通路２０または電動コンプレッサ１８を通過した吸気は、ターボコンプレッサ２２により圧縮された後、インタークーラ２４により冷却される。インタークーラ２４により冷却された吸気は、スロットルバルブ２７を通過して、エンジン１０の燃焼室５０内へ取り込まれる。

また、燃焼室５０には、エキゾーストマニホールド４２を介して、排気通路３５が接続されている。排気通路３５には、燃焼室５０から下流に向けて、タービン３２、触媒３４が設けられている。燃焼室５０からの排気によりタービン３２が回転する。タービン３２が回転することにより、軸を介してターボコンプレッサ２２が回転して過給が行われている。

インテークマニホールド４０には、インテークマニホールド４０内の圧力に応じた信号を出力するインマニ圧力センサ３６が取り付けられている。インマニ圧力センサ３６は、ターボコンプレッサ２２及び電動コンプレッサ１８によって過給された吸気の圧力（以下、過給圧という。）を検出するために設けられる。また、実施の形態１のシステムには、アクセルの開度を検出するため、アクセル開度センサ５４が設けられる。

実施の形態１のシステムの構成は、エンジン１０の運転状態を制御するＥＣＵ１００（Electric Control Unit）を備える。ＥＣＵ１００の入力側には、インマニ圧力センサ３６、アクセル開度センサ５４、クランク角センサ（不図示）、などの各種センサが接続されている。ＥＣＵ１００は、インマニ圧力センサ３６の出力から実際のインマニ圧力（以下、実過給圧という。）を検出する。ＥＣＵ１００には、アクセル開度センサ５４の出力からアクセル開度を検出する。ＥＣＵ１００は、クランク角センサの出力からエンジン回転速度を検出する。なお、実過給圧は、センサの出力に基づいて検出されているがこれに限るものではない。例えば、実過給圧は、予めＥＣＵ１００に記憶されているモデル式にスロットル開度、通路内温度、吸入空気量などの各種パラメータを代入することによって推定されるものであってもよい。

一方、ＥＣＵ１００の出力側には、スロットルバルブ２７、バイパスバルブ２１、電動コンプレッサ１８の電動機１９、燃料噴射弁４８などのアクチュエータがそれぞれ接続される。ＥＣＵ１００は、運転状態に応じて、各種アクチュエータを操作するための信号を出力する。例えば、ＥＣＵ１００は、運転状態に応じて電動コンプレッサ１８の電動機１９を駆動させるための信号を出力する。ＥＣＵ１００は、燃料噴射弁４８の開弁期間を調整して燃料噴射量を決定する。

ところで、実施の形態１のシステムでは、エンジン１０の運転状態に基づいて、目標過給圧が算出される。この目標過給圧に実過給圧が到達するように、ターボコンプレッサ２２の過給が行われる。ここで、ターボコンプレッサ２２の回転が開始されてから所望の回転速度に到達するまでに、ターボラグが発生することがある。ターボコンプレッサ２２の過給をアシストしてこのターボラグを解消するために、電動コンプレッサ１８が設けられている。

ターボラグ解消のために電動コンプレッサ１８を駆動する場合、そのターボラグの大きさに応じて、電動コンプレッサ１８の回転速度を制御する必要がある。この際、電動コンプレッサ１８の回転速度を適切に調節することができれば、電動コンプレッサ１８の駆動に伴う無駄な電力の消費を抑制することができる。

そこで、実施の形態１では、電動コンプレッサ１８を駆動する際の回転速度を制御する「電動コンプレッサ回転速度調節制御」が行われる。以下、電動コンプレッサ回転速度調節制御について、図２乃至図７を参照して説明する。

［電動コンプレッサ回転速度調節制御］
図２は、電動コンプレッサ回転速度調節制御が実行された際の、電動コンプレッサ１８の目標回転速度の時系列の変化を示した図である。図２において、縦軸には電動コンプレッサ１８の目標回転速度の高さが、横軸には時間の変化が示されている。

図２には、実線と破線の２種類の電動コンプレッサ１８の目標回転速度のデータが示されている。ここで、実線のデータは、破線のデータよりも、より大きなアシストが求められる場合の電動コンプレッサ１８の目標回転速度を示している。実線のデータ及び破線のデータを比較すると、実線のデータの方が、破線のデータよりも、高い目標回転速度を示している。このように、より大きなアシストが求められる場合、例えば、エンジン回転速度が高い場合や目標過給圧と実過給圧との偏差が大きい場合には、電動コンプレッサ１８の目標回転速度を高くする。これは、より大きなアシストが求められる場合には、ターボコンプレッサ２２のターボラグが大きくなり、このターボラグを解消するために電動コンプレッサ１８の回転速度を高くする必要があるからである。

図３は、電動コンプレッサ１８の目標回転速度を算出するマップの構想について説明するための図である。このマップは、エンジン回転速度及び目標過給圧と実過給圧との偏差に基づいて、電動コンプレッサ１８の目標回転速度を算出するマップである。以下、このマップの特性について詳述する。

上記マップは、エンジン回転速度が高くなるほど、電動コンプレッサ１８の目標回転速度が高くなる特性がある。これは、エンジン回転速度が高くなるほど吸気ガス流量（ｇ／ｓｅｃ）が高くなるためである。さらに、エンジン回転速度が高くなるほどＥＧＲガスは減量され、吸気ガス流量が高くなるためでもある。また、目標過給圧と実過給圧との偏差が大きくなるほど、電動コンプレッサ１８の目標回転速度が高くなる特性がある。これは、目標過給圧と実過給圧との偏差が大きいほど過給アシストが必要であり、電動コンプレッサ１８を高い回転速度で回転させる必要があるためである。

以下、実際に実施の形態１のＥＣＵ１００に実装されるマップについて、図４を参照して説明する。

図４は、実施の形態１において、ＥＣＵ１００に実装されるマップについて説明するための図である。実施の形態１では、図４に示すマップが算出した目標回転速度に追従するように電動コンプレッサ１８の回転速度が調節される。ここで、図４には、２種類のエンジン回転速度を示す破線が示されている。Ｘで示す破線は、Ｙで示す破線よりも、エンジン回転速度が高い。以下、ＸとＹのそれぞれのエンジン回転速度における電動コンプレッサ１８の目標回転速度の違いについて、図５、図６を参照して説明する。

図５は、図４のＸの破線で示すエンジン回転速度における電動コンプレッサ１８の目標回転速度の変化を示した図である。また、図６は、図４のＹの破線で示すエンジン回転速度における電動コンプレッサ１８の目標回転速度の変化を示した図である。図５と図６を比較すると、同じ目標過給圧と実過給圧との偏差であれば、図５の方が、電動コンプレッサ１８の目標回転速度が高くなる。このように、実施の形態１において電動コンプレッサ回転速度調節制御で用いられるマップは、エンジン回転速度が高い場合は、ガス流量の急激な増加が見込まれるため、目標過給圧と実過給圧との偏差に対する目標回転速度の傾きが大きく設定される。

以下、電動コンプレッサ回転速度調節制御によって各種パラメータがどのように変化するかについて、図７を参照して説明する。

図７は、電動コンプレッサ回転速度調節制御が実行された際の各種パラメータの変化をタイムチャートで示した図である。図７には、アクセル開度（ａ）、燃料噴射量（ｂ）、エンジン回転速度（ｃ）、過給圧（ｄ）、電動コンプレッサ１８の回転速度（ｅ）、そして、電動コンプレッサ１８の電流値（ｆ）のそれぞれの変化が示されている。図７の破線は、電動コンプレッサ１８の始動及び停止のタイミングを示している。

まず、運転者の加速要求によってアクセル開度（ａ）がより大きくなると、それに伴い、燃料噴射量（ｂ）が増加し、さらにエンジン回転速度（ｃ）が上昇する。ここで、燃料噴射量（ｂ）のグラフには、２種類のデータが示されており、実線はアクセル開度（ａ）から決まる燃料噴射量であり、一点鎖線は加速ショックなどを考慮した燃料噴射量である。この一点鎖線が示す燃料噴射量のデータは、アクセル開度から決まる燃料噴射量のデータに、加速ショックによる急激な燃料噴射量の変化を抑えるための処理を行ったデータであり、燃焼室５０に実際に噴射される燃料噴射量を示すデータである。この処理として、例えば、直近のデータと直前のデータにそれぞれなまし係数を設定するなまし処理、フィルタ時定数を設定する一次遅れフィルタ処理、または、データのサンプリング数を増減させ、直近のデータに重み付け定数を設定する移動平均処理などがある。

燃料噴射量（ｂ）が増加した結果、エンジン１０の運転に必要な吸気量が増加する。このため、運転状態に基づいて算出される目標過給圧が高くなる。図７（ｄ）は、目標過給圧の変化、及び、実過給圧の変化について示している。図７（ｄ）の実線は、アクセル開度から決まる燃料噴射量及びエンジン回転速度から算出される目標過給圧を示している。図７（ｄ）の一点鎖線は、燃焼室５０に実際に噴射される燃料噴射量及びエンジン回転速度から算出される目標過給圧を示している。図７（ｄ）の破線は、実過給圧を示している。

ここで、電動コンプレッサ１８は、アクセル開度が所定値以上、かつ、目標過給圧と実過給圧との偏差が所定値以上の場合に駆動される。そして、電動コンプレッサ１８の駆動判定には、偏差Ａが用いられる。偏差Ａは、アクセル開度から決まる燃料噴射量及びエンジン回転速度から求められた目標過給圧と、実過給圧との偏差である。偏差Ａを用いて駆動判定をする理由は、ドライバの加速要求を示すアクセル開度から決まる燃料噴射量を反映させることで、電動コンプレッサ１８の回転速度の上昇速度を速くすることができるからである。偏差Ａを駆動判定に用いることで、応答性が良くなる。一方、電動コンプレッサ１８の停止判定には、偏差Ｂが用いられる。偏差Ｂは、加速ショックなどを考慮した燃料噴射量及びエンジン回転速度から求められた目標過給圧と実過給圧との偏差である。偏差Ｂを用いて停止判定をする理由は、偏差Ａで停止判定をする場合よりも、現実の運転状態に基づいて判定をすることができるからである。偏差Ｂを用いて停止判定をすることで、電動コンプレッサ１８を無駄に長く駆動させることを抑制することができる。

図７（ｅ）は、電動コンプレッサ１８の回転速度の変化を示しており、実線は、図２及び図３で説明したマップに基づいて算出された目標回転速度を、破線は実際の電動コンプレッサ１８の回転速度を示している。電動コンプレッサ１８は、アクセル開度が所定値以上、かつ、偏差Ａが所定値以上になった場合に駆動する。また、電動コンプレッサ１８は、偏差Ｂがゼロを含む所定の範囲内になった場合、つまり加速ショックなどを考慮した燃料噴射量及びエンジン回転速度から求められた目標過給圧と実過給圧との偏差がゼロに近づくほど小さくなった場合に停止する。

図７（ｆ）は、電動コンプレッサ１８の電流値の変化が示されている。電動コンプレッサ１８の始動開始時には、電流のオーバーシュートが生じる。その後、電動コンプレッサ１８の回転速度の変化に応じて電流値が変化する。

以下、ＥＣＵ１００で実行される電動コンプレッサ回転速度調節制御の具体的な処理について、図８を参照して説明する。

［電動コンプレッサ回転速度調節フロー］
図８は、実施の形態１のＥＣＵ１００において実行される電動コンプレッサ回転速度調節フローを表す図である。ＥＣＵ１００は、本フローを記憶するためのメモリーを有している。ＥＣＵ１００は、記憶した本フローを実行するためのプロセッサを有している。

まず、ＥＣＵ１００は、電動コンプレッサ１８の目標回転速度を算出する（Ｓ１００）。ＥＣＵ１００は、図２及び図３で説明したマップに基づいて電動コンプレッサ１８の目標回転速度を算出する。

次に、ＥＣＵ１００は、電動コンプレッサ１８が停止（ＯＦＦ）領域であるか否かを判定する（Ｓ１０２）。停止領域とは、アクセル開度が所定値より小さく、または、目標過給圧と実際の過給圧との偏差が所定値より小さいときの運転領域をいう。電動コンプレッサ１８が停止（ＯＦＦ）領域である場合には、本フローは終了する。

一方、ＥＣＵ１００は、電動コンプレッサ１８が停止（ＯＦＦ）領域ではないと判定した場合、電動コンプレッサ１８を駆動（ＯＮ）する（Ｓ１０４）。

次に、ＥＣＵ１００は、Ｓ１００で算出した目標回転速度に追従するように電動コンプレッサ１８の回転速度を制御する（Ｓ１０６）。

次に、ＥＣＵ１００は、偏差Ｂが所定の範囲内にあるか否かを判定する（Ｓ１０８）。偏差Ｂは、図７（ｄ）で説明した電動コンプレッサ１８の停止判定に用いられるパラメータである。偏差Ｂが所定の範囲内にないと判定された場合、本フローは終了する。

一方、ＥＣＵ１００は、偏差Ｂが所定の範囲内にあると判定した場合、電動コンプレッサ１８を停止（ＯＦＦ）する（Ｓ１１０）。その後、本フローは終了する。

実施の形態１によれば、最適な電力消費量を維持したまま、電動コンプレッサの加速性能を維持することができる。

１０ エンジン
１８ 電動コンプレッサ
１９ 電動機
２６ 吸気通路
３６ インマニ圧力センサ
４０ インテークマニホールド
４８ 燃料噴射弁
５０ 燃焼室
５４ アクセル開度センサ
１００ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 吸気通路に設けられる電動コンプレッサと、
   前記吸気通路における過給圧を検出する過給圧検出手段と、
   内燃機関の回転速度である内燃機関回転速度を検出する内燃機関回転速度検出手段と、
   前記内燃機関におけるアクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、を備えた内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関の運転状態に基づいて目標過給圧を算出する目標過給圧算出手段と、
   前記アクセル開度が所定値以上、かつ、前記目標過給圧算出手段によって算出された目標過給圧と前記過給圧検出手段によって検出された過給圧との偏差が所定値以上の場合、前記電動コンプレッサを駆動する電動コンプレッサ駆動手段と、を備え、
   前記電動コンプレッサ駆動手段は、前記電動コンプレッサの駆動時における前記目標過給圧算出手段によって算出された目標過給圧と前記過給圧検出手段によって検出された過給圧との偏差が大きいほど前記電動コンプレッサの回転速度を上昇させ、または、前記電動コンプレッサの駆動時における内燃機関回転速度が速いほど前記電動コンプレッサの回転速度を上昇させることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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