JP3938140B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸入負圧を利用して発電を行なう発電機を備える内燃機関の制御装置に関する。

従来からエンジン出力を上げる技術として、エンジン吸気通路に設けるエンジンや電動機により駆動される容積型過給機、いわゆるスーパーチャージャーが知られている。

特許文献１には、電動機および発電機に連結された容積型過給機を用いて、高負荷時には電動機により容積型過給機を駆動して過給をおこない、低負荷時にはエンジンの吸入負圧によって回転する容積型過給機と連結された発電機によって発電を行う技術が開示されている。
特開２００２−３５７１２７号

しかしながら、特許文献１に記載のシステムはスロットルバルブを有さず、吸入空気量の制御も容積型過給機で行っている。これは船舶のようにエンジンが一定の条件で運転されることが多い場合においては有効な技術である。しかし、自動車のようにエンジンの運転状況が常に変化する場合には制御が困難である。また、発電要求は、そのときの電力消費量と電気蓄積可能量で決定されている。

したがって、自動車用の過給装置として考えると、容積型過給機がスロットルバルブの機能を兼用する特許文献１のシステムでは、上記の発電要求と吸入空気量要求を同時に満足することは非常に困難である。

また、特許文献１に記載されている構成では、例えば、車両の電気負荷が増大すると、発電機に大きな負荷がかかり、容積型過給機の回転による供給空気量が減少するという減少が生じ、そのような状況で、更に、急激な加速をした場合、エンジン回転数の上昇に伴い、ピストンのポンピングによる吸入空気量が増大することで、容積型過給機下流の圧力が過剰に低下し、吸気通路が変形することが
懸念される。

そこで、本発明では、吸入負圧を利用して発電を行うシステムにおいて、ローター下流の吸気系の変形を防止することを目的とする。

本発明の制御装置は、内燃機関の吸気通路に介装されたローターと、前記ローターに接続され、前記ローターが回転することによって発電を行う発電機と、前記ローター下流の吸気通路内の圧力を検知する手段と、を備え、前記ローター下流の吸気通路内の圧力が所定値より下がると、前記発電機の発電量を減少させる発電量減少手段と、を有する。

本発明によれば、ローター下流の吸気通路内の圧力が所定値より低くなった場合には発電量を減少させることによりローターの回転負荷を小さくして、ローター下流の吸気通路内の圧力が過剰に低下することを防止するので、ローター下流の吸気系の変形を防止することができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態の構成を表す図である。
８はエンジンであり、エンジン８の吸気通路１は分岐部１１で２つに分岐し、一方を吸気通路２、他方をバイパス通路３とする。吸気通路２には容積型過給機のブロワー部分と同様の構造のローター４が配置される。

ローター４はシャフト５を介して発電機４ａと接続され、シャフト５の近傍にはシャフト５の回転数を検出する回転センサー１０が設けられている。発電機４ａで発電した電力は、車載装備の駆動に使用されたり、図示しないバッテリに蓄電されたりする。

バイパス通路３にはステップモータ等で開閉するバイパス弁６が設けられており、バイパス弁６は閉弁時にはバイパス通路３の連通を遮断する。

ローター４下流の吸気通路２ｂとバイパス弁６下流のバイパス通路３ｂは合流部１２で合流している。合流部１２下流には、ステップモータ等で開閉する、吸気絞り手段としてのスロットルバルブ７が設けられている。

バイパス弁６及びスロットルバルブ７の開度は、コントロールユニット（ＥＣＵ）９によって制御される。ＥＣＵ９には、吸入空気温度を検出する吸気温度センサー２０、吸気マニホールド内圧力を検出する圧力センサー１５、およびエンジン冷却水温を検出するエンジン冷却水温センサー２１、さらにアクセル開度を検出するアクセル開度センサー１３の各検出値が入力される。

なお、ローター４下流の圧力を検出するのに圧力センサー１５を用いたが、エンジン８８の回転数、アクセル開度、ローター４の回転数等から算出することもできる。

また、発電機４ａの発電量は図８の発電可能量マップに示すように、エンジン負荷が小〜中程度でエンジン回転数が高いときに大きくなる。なお、発電機４ａは従来のオルタネータと同様のもので、車両の電気負荷状態とバッテリの状態に応じて発電のコントロールを電動機４ａ自身で行っている。

本実施形態では、発電機４ａは発電要求に応じて任意の回転数で回っているので、ローター４を通過する空気量はエンジン８の運転要求を満足する空気量と常に一致しているとは限らない。

そこで、図２のフローチャートにしたがって、発電要求と吸入空気量要求とを同時に満足するようバイパス弁６とスロットルバルブ７の開度を制御する。なお、本実施形態では吸入空気量を検出せずに、吸気マニホールド２２内の圧力に基いて、エンジン８の運転要求と実際の運転状態との比較を行う。これにより、エアフローメータ等を設ける必要がなくなり、エンジンルーム内のレイアウトの自由度が増し、またコストの低減も可能となる。

ステップＳ１００では、アクセル開度センサー１３の検出値（アクセル開度信号）に基いてエンジン８が要求するトルク（以下、要求トルクという）を発生させる為の吸気マニホールド２２内の圧力（目標吸入圧力）を算出する。具体的には、例えばまず図５に示すようなマップを用いてアクセル開度から要求トルクを求める。図５は要求トルクをアクセル開度に割り付けたマップであり、アクセル開度が大きくなるにつれて要求トルクも大きくなっている。次に図６に示すようなマップを用いて要求トルクとエンジン回転数から目標吸入圧力を求める。図６は吸入圧力を要求トルクとエンジン回転数に割付けたマップであり、要求トルクが大きく、エンジン回転数が高くなるほど吸入圧力が高くなっている。

目標吸入圧力Ｐｔを算出したら、ステップＳ１０１に進み、圧力センサー２０で検出した実際の吸入圧力Ｐｍを読込む。

ステップＳ１０２では、目標吸入圧力Ｐｔと実際の吸入圧力Ｐｍとを比較し、両者が等しければ処理を終了する。等しくない場合にはステップＳ１０３に進み、実際の吸入圧力Ｐｍが目標吸入圧力Ｐｔより高いか否かの判定を行う。

目標吸入圧力Ｐｔの方が高い場合、つまり吸入空気量が足りていない場合には、ステップＳ１０４に進みスロットルバルブ７が全開か否かの判定を行う。スロットルバルブ７が全開の場合は、これ以上吸入空気量を増やす為にはバイパス弁６を開くしかないので、ステップＳ１０５でバイパス弁６に開指令を出す。

スロットルバルブ７が全開でない場合には、スロットルバルブ７を開くことによって吸入空気量を増やすことができるので、ステップＳ１０６でスロットルバルブ７に開指令を出す。

ステップＳ１０３で実際の吸入圧力の方が高かった場合、つまり実際の吸入空気量がエンジン８の要求する吸入空気量より多い場合には、ステップＳ１０７に進み、バイパス弁６が全閉か否かの判定を行う。

バイパス弁６が全閉の場合は、これ以上吸入空気量を絞る為にはスロットルバルブ７の開度を絞るしかないので、ステップＳ１０９でスロットルバルブ７に閉指令を出す。

バイパス弁６が全閉でない場合には、バイパス弁６を閉じることで吸入空気量を絞ることができるので、ステップＳ１０８でバイパス弁６に閉指令を出す。

上記のように、本実施形態では、エンジン８の運転要求に応じて吸入空気量を調節する場合に、バイパス弁６は極力閉じた状態にしておき、スロットルバルブ７の開度を変化させることにより調節するようにし、スロットルバルブ７だけでは調節しきれない場合にのみバイパス弁６を開くよう制御している。したがって、エンジン８に供給される空気量の多くがローター４を通過することになるので、発電機４ａの発電効率を確保しつつ、エンジン８の要求通りに空気量を調節することができる。

ところで、本実施形態では上述したようにバイパス弁６を極力閉じておくので、エンジン８の吸入負圧によって外部から吸気通路内に吸込まれた空気のほとんどは、一旦、ローター４に堰き止められてからローター４を通過することになる。このため、バイパス弁６を閉じて発電を行なっているときに、例えばアクセル開度が急激に大きくなると、エンジン８の要求吸気量の急激な増加に対して、ローター４の回転数の応答が遅れ、ローター４で空気が堰き止められてしまい、ローター４下流の吸気通路内の負圧が上昇する場合がある。負圧が上昇しすぎた場合には、吸気通路２ｂや吸気マニホールド２２（以下、吸気系という）が潰れてしまう可能性がある。

そこで、図３に示すフローチャートにしたがって、ＥＣＵ９にてバイパス弁６の開閉、発電機４ａの発電実行、停止を制御して、吸気系の潰れを防止する。

以下、フローチャートにしたがって説明する。

ステップＳ２００では、ローター４下流の吸気通路内の圧力Ｐｃを圧力センサー１５によって検出する。

ステップＳ２１０では、圧力Ｐｃが判定値より低いか否かを判定する。高い場合はステップＳ２２０へ、低い場合はステップＳ２３０へ進む。なお、判定値とは、まず吸気系がどの程度の負圧まで潰れないかを実験等によって求め、これに基づいて予め定めた値であり、例えば約−８０ｋＰａ程度とする。

ステップＳ２２０では、エンジン８が要求する空気量をまかなえる範囲内でバイパス弁６を閉じる。これは、ステップＳ２１０で吸気系が潰れることはないと判定されたので、発電効率を優先するためである。なお、バイパス弁６を全閉にした状態では要求空気量をまかなえない場合にはバイパス弁６を要求空気量を満足するように開くが、このときバイパス弁６を開いてもローター４を通過する空気量は減少しないので、発電効率が低下することはない。

ステップＳ２３０では、発電機４ａの発電を停止し、ステップＳ２４０でバイパス弁６を徐々に開いてゆく。このときエンジン吸入空気量のコントロールはスロットルバルブ７で行う。このとき、バイパス弁６を開くことによりエンジンの要求空気量よりも多くの空気が流れる可能性があるので、スロットルバルブ７は閉じる方向に操作することになる。

上記のようにバイパス弁６、スロットルバルブ７、発電機４ａを制御することによって、前述したローター４の回転数の応答遅れによって生じるローター４下流の吸気系の潰れを防止することができる。また、ローター４や発電機４ａが故障により固着した場合にも、バイパス通路３を通して吸入空気をエンジン８に供給することができる。

上記の制御を行った場合のローター４下流の圧力、発電指令、バイパス弁開度、スロットル開度の変化を、図７のタイムチャートに示す。

ｔ０では、ローター４下流の圧力Ｐｃが判定値よりも大きく、バイパス弁６を全閉にして発電を行なっている状態である。運転状況に応じてローター４下流の圧力Ｐｃは変動するが、判定値より大きい間はそのままの状態で発電を続行する。

ｔ１で下流圧力Ｐｃが判定値より小さくなると、発電を停止する指令が出すとともにバイパス弁６を開き、スロットルバルブ７は閉じる方向に操作する。

ｔ２ではバイパス弁６が全開となり、ローター４下流の圧力Ｐｃは低下から上昇に転じる。

以上により、本実施形態では、ローター４下流の圧力を検知して、この圧力が予め定めた判定値よりも小さくなった場合には発電を停止し、バイパス弁６を開き、スロットルバルブ７によってエンジン８への吸気量を調整するので、スロットル開度に対するローター４の応答遅れや発電機４ａ等が故障した場合であっても、ローター４下流の負圧が過剰に大きくなることはなく、吸気系が負圧によって潰れることを防止できる。

なお、ローター４下流の圧力Ｐｃが判定値より小さいと判定した場合に、発電を停止しない制御も考えられる。図４はこの制御の制御フローチャート、図９はこの制御を行なった場合のタイムチャートを示す。

図４のフローチャートは図３のフローチャートから、ステップＳ２３０に相当するステップを省いた以外は図３と同様である。図９は発電指令が図７のタイムチャートと異なるだけである。

この制御によれば、ローター４の回転が急激なアクセル開度の変化に追いつかずに負圧が大きくなった場合には、エンジン８へ供給する空気量を確保しつつ発電を行なうことが可能であり、また、ローター４や発電機４ａが故障してローター４が回転不能になった場合であってもバイパス通路３を通してエンジン８に空気を供給することができる。

次に第２実施形態について図１０、１１を参照して説明する。

図１０は本実施形態のシステムの構成をしめしたものであり、図１のシステムの構成からバイパス通路３およびバイパス弁６を除いたものである。

図１１は本実施形態の制御フローチャートであり、ステップＳ４００、Ｓ４１０は図３のステップＳ２００、Ｓ２１０と同様である。

ステップＳ４１０でローター４下流の圧力Ｐｃが判定値より大きい場合にはステップＳ４２０に進み、スロットルバルブ７でエンジン８が要求する空気量に調整する。

ローター４下流の圧力Ｐｃが判定値より小さい場合には、ステップＳ４３０で発電機４ａ発電を停止して、ステップＳ４２０に進む。

ローター４下流の負圧が上昇する原因としては、前述したように、アクセル開度の変化に対するローター４の応答遅れがある。本実施形態では、ローター４下流の負圧が上昇し過ぎたと判定した場合には発電を停止するので、ローター４の回転抵抗は小さくなる。これにより、アクセル開度の変化に対するローター４の応答遅れを小さくし、負圧の上昇を抑えることができる。

バイパス通路３やバイパス弁６を設けないので、シンプルな構成および制御で負圧の上昇を抑えることができる。

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。

本発明は、吸入負圧により発電を行う発電機を備える内燃機関に適用可能である。

第１実施形態のシステムの構成を表す図である。 第１実施形態のシステムの基本的な制御のフローチャートである。 第１実施形態においてローター下流の負圧の過剰な上昇に対応する制御のフローチャートである。 負圧上昇時に発電停止をせずにバイパス弁を開く制御のフローチャートである。 アクセル開度から要求トルクを求めるためのマップである。 エンジン回転数と要求トルクとから目標マニホールド圧力を求めるマップである。 第１実施形態の制御を実行した場合のタイムチャートである。 発電機の発電可能量マップである。 負圧上昇時に発電停止をせずにバイパス弁を開く制御を実行した場合のタイムチャートである。 第２実施形態のシステムの構成を表す図である。 負圧の過剰な上昇を防止するための制御のフローチャートである。

符号の説明

１ 吸気通路
２ 吸気通路
３ バイパス通路
４ ローター
４ａ 発電機
５ シャフト
６ バイパス弁
７ スロットルバルブ（吸気絞り弁）
８ エンジン
９ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１０ 回転センサー
１1 分岐部
１２ 合流部
１３ アクセル開度センサー
１５ 圧力センサー
２０ 吸気温度センサー
２１ エンジン冷却水水温センサー
２２ 吸気マニホールド
２３ エンジン回転数センサー

Claims (5)

1. 内燃機関の吸気通路に介装されたローターと、
   前記ローターに接続され、前記ローターが回転することによって発電を行う発電機と、
   前記ローター下流の吸気通路内の圧力を検知する手段と、を備え、
   前記ローター下流の吸気通路内の圧力が所定値より下がると、前記発電機の発電量を減少させる発電量減少手段と、を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記発電量減少手段は、発電機の発電を停止させる請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記ローターを迂回して吸気を流すバイパス通路と、前記バイパス通路に配置したバイパス弁と、を有し、前記発電量減少手段はバイパス弁の開度を増加させるとともに、発電機の発電を停止させる請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記吸気通路中の前記バイパス通路内を除く部位に配置した吸気絞り手段を有し、前記発電量減少手段は、バイパス弁の開度を増加させるとともに、前記吸気絞り手段の開度を減少させる請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記発電量減少手段は、バイパス弁の開度を増加させるとともに、発電機の発電を停止させる請求項３または４に記載の内燃機関の制御装置。

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