JP2016205301A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＡＴを備えた内燃機関において、エンジントルクの変動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】モータアシストターボチャージャと、過給圧を検出する過給圧検出手段と、を備える内燃機関の制御装置において、過給圧が所定値以上、かつ、モータアシストターボチャージャ回転エネルギ上昇率が電動モータ投入電力以上である場合、モータアシストターボチャージャ回転エネルギ上昇率と電動モータ投入電力との差分だけ電動モータの回生発電を行う回生発電手段と、過給圧が所定値以上、かつ、モータアシストターボチャージャ回転エネルギ上昇率が電動モータ投入電力より小さい場合、モータアシストターボチャージャ回転エネルギ上昇率と電動モータ投入電力との差分だけ電動モータ投入電力を減少する投入電力減少手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。【選択図】図５

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特にモータアシストターボチャージャを備えた内燃機関に関する。

従来、例えば、特許文献１に開示されているように、ターボチャージャに電動モータが取り付けられたモータアシストターボチャージャ（以下、ＭＡＴとも称する。）を備えた内燃機関が知られている。

特許文献１の内燃機関では、内燃機関回転速度、又はＭＡＴ回転速度が閾値を上回った場合、ＭＡＴを発電機として機能させ、電力の回生を図る。これにより、内燃機関回転速度、及びＭＡＴ回転速度のオーバーシュートを防止できる。

特開２０１０−１８０７０８号公報 特開２００６−３２２４２５号公報 特開昭６２−０４８９３２号公報

特許文献１の内燃機関では、内燃機関回転速度、又はＭＡＴ回転速度が閾値を上回った場合、常に、ＭＡＴによる回生を行っている。このため、例えば、適切な回生電力以上の回生を行った場合、ＭＡＴ回転速度が目標回転速度に到達せずに、過給圧が目標よりも低くなるおそれがある。この結果、エンジントルクに変動が生じる可能性がある。

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、ＭＡＴを備えた内燃機関において、エンジントルクの変動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、
内燃機関の排気通路に設けられたタービンと、前記内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサと、前記コンプレッサを回転駆動する電動モータと、を有するモータアシストターボチャージャと、
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、を備える内燃機関の制御装置において、
前記過給圧検出手段によって検出された過給圧が所定値以上か否かを判定する第１の判定手段と、
前記モータアシストターボチャージャの回転エネルギの上昇率が前記電動モータへの投入電力以上であるか否かを判定する第２の判定手段と、
前記第１の判定手段によって過給圧が前記所定値以上と判定され、かつ、前記第２の判定手段によって前記モータアシストターボチャージャの回転エネルギの上昇率が前記電動モータへの投入電力以上であると判定された場合、前記モータアシストターボチャージャの回転エネルギの上昇率と前記電動モータへの投入電力との差分だけ前記電動モータの回生発電を行う回生発電手段と、
前記第１の判定手段によって過給圧が前記所定値以上と判定され、かつ、前記第２の判定手段によって前記モータアシストターボチャージャの回転エネルギの上昇率が前記電動モータへの投入電力より小さいと判定された場合、前記モータアシストターボチャージャの回転エネルギの上昇率と前記電動モータへの投入電力との差分だけ前記電動モータへの投入電力を減少する投入電力減少手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、トルクの変動を防止することができる。

実施の形態１のシステムの構成を表した図である。 ＭＡＴの軸にかかる力について説明するための図である。 実施の形態１の電動モータの制御について説明するための図である。 実施の形態１の電動モータの制御について説明するための図である。 実施の形態１のＥＣＵで実行される判定ルーチンを表した図である。

実施の形態１．
［システムの構成］
実施の形態１のエンジンは、ターボチャージャに電動モータが取り付けられたモータアシストターボチャージャ（ＭＡＴ）を備えたエンジンである。以下、実施の形態１のシステムの構成について、図１を参照して説明する。

図１は、実施の形態１のシステムの構成を表した図である。図１には、エンジン本体８が表されている。エンジン本体８には、吸気マニホールド７と排気マニホールド９とが取り付けられている。吸気マニホールド７には、吸気通路５が接続されている。排気マニホールド９には、排気通路１０が接続されている。

吸気通路５には、上流から順に、ターボコンプレッサ１、インタークーラ４が設けられている。インタークーラ４は、ターボコンプレッサ１によって圧縮された吸気を冷却するために設けられる。

排気通路１０には、タービン２が設けられている。タービン２は、ターボコンプレッサ１と回転軸を介して機械的に接続されている。タービン２を排気が通過することでタービン２が回転し、その回転と連動してターボコンプレッサ１が回転する。また、排気通路１０には、タービン２をバイパスするようにバイパス通路１１が設けられる。バイパス通路１１には、ウエストゲートバルブ（以下、ＷＧＶという。）６が取り付けられている。

タービン２とターボコンプレッサ１とを連結する回転軸には、電動モータ３が連結されている。電動モータ３は、主としてターボコンプレッサ１に回転力を付加するが、発電機として機能させ、排気エネルギを利用して回生発電を行うことができる。

また、インタークーラ４とエンジン本体８との間の吸気通路５には、過給圧検出手段として、過給圧センサ１２が設けられている。

実施の形態１のシステムの構成は、エンジン本体８の運転状態を制御する制御装置としてＥＣＵ１００（Electronic Control Unit）を備える。ＥＣＵ１００の入力側には、過給圧センサ１２が接続される。ＥＣＵ１００は、過給圧センサ１２が出力した信号から、吸気通路５内の過給圧を検出する。

ＥＣＵ１００の出力側には、ＷＧＶ６、電動モータ３などのアクチュエータが接続される。ＥＣＵ１００は、ＷＧＶ６に信号を出力して、ＷＧＶ６の開度を調節する。ＥＣＵ１００は、電動モータ３に信号を出力して、電動モータ３の回転速度を調節する。

［ＭＡＴの軸にかかる力のバランス］
ところで、実施の形態１のＭＡＴが回転する際に、ＭＡＴの軸に力がかかることが知られている。このＭＡＴの軸にかかる力について、図２を参照して説明する。

図２は、ＭＡＴの軸にかかる力について説明するための図である。図２には、ターボコンプレッサ１、タービン２、そして電動モータ３、を有するＭＡＴが表されている。図２には、ＭＡＴの軸にかかる力として、ターボコンプレッサ１で発生するコンプレッサ過給仕事率、電動モータ３の駆動時に発生する電動モータ駆動力、タービン２で発生するタービン回収仕事率、そしてターボコンプレッサ１を正回転させる向きに働くエネルギの上昇率であるＭＡＴ回転エネルギ上昇率が、それぞれ矢印によって示されている。また、これらのＭＡＴの軸にかかる力は、単位時間あたりの仕事量である仕事率で表される。これらのＭＡＴの軸にかかる力の関係は、下記式（１）によって表される。
コンプレッサ過給仕事率＋ＭＡＴ回転エネルギ上昇率＝タービン回収仕事率＋電動モータ駆動力・・・（１）

図２で説明したＭＡＴ回転エネルギ上昇率は、ターボコンプレッサ１の回転速度に影響を与える。このため、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率をゼロにしなければ、過給圧が変化して、トルクが変動するおそれがある。ＭＡＴ回転エネルギ上昇率をゼロにするためには、ＭＡＴ回転エネルギと反対方向の力を発生させて、ＭＡＴの軸にかかる力をバランスさせる必要がある。

そこで、実施の形態１では、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率と電動モータ駆動力との大きさから電動モータ３の制御内容を決定して、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率をゼロにする制御が行われる。以下、この制御について、図３及び図４を参照して説明する。

図３は、実施の形態１の電動モータ３の制御について説明するための図である。図３には、図２と同様に、ＭＡＴの軸にかかる力が矢印によって示されている。図３（ａ）は、実施の形態１の制御の実行前におけるＭＡＴの軸にかかる力について表した図である。ここで、図３（ａ）では、ＭＡＴの軸にかかる力を示す矢印の大きさによって、それぞれの力の大きさが表されている。図３（ａ）の矢印が示すように、電動モータ駆動力よりもＭＡＴ回転エネルギ上昇率の方が大きい。このような運転状態の場合には、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率と電動モータ３への投入電力との差分だけ電動モータ３において回生発電が行われる。以下、回生発電が行なわれた場合におけるＭＡＴの軸にかかる力の変化について、図３（ｂ）を参照して説明する。

図３（ｂ）は、実施の形態１の制御の実行後におけるＭＡＴの軸にかかる力について表した図である。図３（ｂ）には、電動モータ３を回生発電させることでモータ駆動力とは反対方向の力が発生している様子が矢印によって示されている。回生発電によって生じた力によって、電動モータ３の駆動力及びＭＡＴ回転エネルギ上昇率が相殺された様子が破線の矢印によって示されている。このように、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率がモータ駆動力よりも大きい場合には、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率と電動モータ３への投入電力との差分だけ電動モータ３で回生発電を行うことで、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率をゼロにすることができる。

図４は、実施の形態１の電動モータ３の制御について説明するための図である。図４には、図２と同様に、ＭＡＴの軸にかかる力が矢印によって示されている。図４（ａ）は、実施の形態１の制御の実行前におけるＭＡＴの軸にかかる力について表した図である。ここで、図４（ａ）では、ＭＡＴの軸にかかる力を示す矢印の大きさによって、それぞれの力の大きさが表されている。図４（ａ）の矢印が示すように、電動モータ駆動力よりもＭＡＴ回転エネルギ上昇率の方が小さい。このような運転状態の場合には、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率と電動モータ３への投入電力との差分だけ電動モータ３への投入電力を減少させて、電動モータ３の駆動力を減少させる。以下、電動モータ３の駆動力を減少させる制御が行なわれた場合のＭＡＴの軸にかかる力の変化について、図４（ｂ）を参照して説明する。

図４（ｂ）は、実施の形態１の制御の実行後におけるＭＡＴの軸にかかる力について表した図である。図４（ｂ）には、電動モータ３への投入電力を減少させてモータ駆動力が低下した様子が矢印によって示されている。この電動モータ３の駆動力の低下によって、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率がゼロになった様子が破線の矢印によって示されている。このように、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率がモータ駆動力よりも小さい場合には、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率と電動モータ３への投入電力との差分だけ電動モータ３への投入電力を減少させてモータ駆動力を低下させることで、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率をゼロにすることができる。

以下、実施の形態１のＥＣＵ１００で実行される具体的な処理について、図５を参照して説明する。

［判定ルーチン］
図５は、実施の形態１のＥＣＵ１００で実行される判定ルーチンを表した図である。ＥＣＵ１００は、本ルーチンを記憶するためのメモリーを有している。ＥＣＵ１００は、記憶した本ルーチンを実行するためのプロセッサを有している。

まず、ＥＣＵ１００は、車両が加速中であるか否かを判定する（Ｓ１００）。加速中ではないと判定した場合、本ルーチンは繰り返される。

一方、ＥＣＵ１００は、Ｓ１００において車両が加速中であると判定した場合、過給圧が所定値以上か否かを判定する（Ｓ１０２）。具体的には、ＥＣＵ１００は、まず、過給圧センサ１２の出力から過給圧を検出する。この過給圧が、予めＥＣＵ１００に設定してある所定値に達したか否かを判定する。ここで、上記の所定値は、目標過給圧そのもの、または目標過給圧より低い値に設定される。このように、所定値を目標過給圧よりも低い値にすることによって、過給圧センサ１２の検出の遅れ、及びＷＧＶ６を開いた後のタービン前圧力が急に下がらないこと等に起因する過給圧のオーバーシュートが抑制される。過給圧が所定値より小さいと判定された場合、本ルーチンは繰り返される。

一方、ＥＣＵ１００は、Ｓ１０２において、過給圧が所定値以上であると判定した場合には、過給圧を収束させる制御を実行する（Ｓ１０４）。

次に、ＥＣＵ１００は、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率がＭＡＴ投入電力以上か否かを判定する（Ｓ１０６）。ＥＣＵ１００は、まず、ＭＡＴ回転速度を電動モータ３の回転速度から算出する。そして、ＥＣＵ１００は、算出したＭＡＴ回転速度の履歴から、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率を算出する。また、ＥＣＵ１００は、電動モータ３への投入電力から電動モータ３の駆動力、または回生発電による電動モータ３の制動力を算出する。ＭＡＴ回転エネルギ上昇率が電動モータ３への投入電力より小さいと判定された場合、電動モータ３への投入電力が減らされる（Ｓ１１０）。次に、ＷＧＶ６が所定開度開かれる（Ｓ１１２）。その後、本ルーチンは繰り返される。

一方、ＥＣＵ１００は、Ｓ１０６において、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率が電動モータ３への投入電力よりも大きいと判定した場合、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率と電動モータ３への投入電力との差分の回生電力を電動モータ３で回生する（Ｓ１０８）。ＥＣＵ１００は、過給圧が目標過給圧に対して過大にも過小にもならないように、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率と電動モータ駆動力との差分に等しい電力で回生発電を行う。ここで、回生電力とＭＡＴ回転速度がわかればトルクを算出することができる。このため、回生発電によってトルクを制御できる。ＥＣＵ１００は、電動モータ３に接続されているインバータの周波数を調整して回生トルクを調整する。次に、ＷＧＶ６が所定開度開かれる（Ｓ１１２）。その後、本ルーチンは繰り返される。

実施の形態１の制御を実行することによって、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率をゼロにすることができる。このため、ＭＡＴ回転エネルギ上昇率の発生によるターボコンプレッサ１の回転速度の増加が抑制される。この結果、トルクの変動を防止することができる。

実施の形態１において、オーバーシュート防止の観点から、回生発電開始からＷＧＶ開度を漸増させるのがよい。ただし、バッテリの充電割合（ＳＯＣ）条件などを重視して回生発電を行う場合は、ＷＧＶ一定で所定時間回生発電した後、ＷＧＶ開度を漸増させてもよい。回生発電を続けると背圧上昇から燃費が低下するため、ＷＧＶ６を開いてタービン回収仕事率を下げて回生による電動モータ制動力を下げて回生発電を終了する。

なお、ＥＣＵ１００が、上記Ｓ１０２を実行することにより前記第１の発明の「第１の判定手段」が、上記Ｓ１０６を実行することにより前記第１の発明の「第２の判定手段」が、上記Ｓ１０８を実行することにより前記第１の発明の「回生発電手段」が、上記Ｓ１１０を実行することにより前記第１の発明の「投入電力減少手段」が、実現される。

１ ターボコンプレッサ
２ タービン
３ 電動モータ
５ 吸気通路
６ ウエストゲートバルブ（ＷＧＶ）
８ エンジン本体
１０ 排気通路
１２ 過給圧センサ
１００ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられたタービンと、前記内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサと、前記コンプレッサを回転駆動する電動モータと、を有するモータアシストターボチャージャと、
   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、を備える内燃機関の制御装置において、
   前記過給圧検出手段によって検出された過給圧が所定値以上か否かを判定する第１の判定手段と、
   前記モータアシストターボチャージャの回転エネルギの上昇率が前記電動モータへの投入電力以上であるか否かを判定する第２の判定手段と、
   前記第１の判定手段によって過給圧が前記所定値以上と判定され、かつ、前記第２の判定手段によって前記モータアシストターボチャージャの回転エネルギの上昇率が前記電動モータへの投入電力以上であると判定された場合、前記モータアシストターボチャージャの回転エネルギの上昇率と前記電動モータへの投入電力との差分だけ前記電動モータの回生発電を行う回生発電手段と、
   前記第１の判定手段によって過給圧が前記所定値以上と判定され、かつ、前記第２の判定手段によって前記モータアシストターボチャージャの回転エネルギの上昇率が前記電動モータへの投入電力より小さいと判定された場合、前記モータアシストターボチャージャの回転エネルギの上昇率と前記電動モータへの投入電力との差分だけ前記電動モータへの投入電力を減少する投入電力減少手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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