JP3994867B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンプレッサタービンの回転をアシストして過給圧を増加させ得る電動機付のターボチャージャを有する内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン（内燃機関）の吸入空気をターボチャージャで過給して、高出力（あるいは、低燃費）を得ようとする試みは以前から常用されている。ターボチャージャの改善が要望されている点の一つとして、低回転域の過給圧の立ち上がりが悪く、低回転域でのエンジン出力特性が良好でないというものがある。これは、排気エネルギーを利用して吸入空気を過給するというターボチャージャの原理上、排気エネルギーの少ない低回転域で発生する現象であった。これを改善するために、ツインターボ化などが一般に行われているが、タービン／コンプレッサに電動機（モータ）を組み込んで強制的にタービン／コンプレッサを駆動して所望の過給圧を得ようとする試みもなされている。このような場合は、排気エネルギーを利用して電動機に回生発電を行わせることも可能である。このような電動機付ターボチャージャを有する内燃機関としては、［特許文献１］に記載のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−３２１６８２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
［特許文献１］に記載の内燃機関においては、内燃機関の始動前に電動機を駆動させて過給することで暖機を行い、冷間始動時の始動性を向上させるものである。しかし、［特許文献１］に記載の内燃機関においては、極高温時での始動性向上については何ら考慮されていない。ここに言う極高温時とは、外気温が４０℃以上であったり、冷却水温（即ち、内燃機関自体や燃焼室の温度）が１００℃前後あるいはそれ以上となる環境を指す。このような環境下では、点火プラグによる点火以前に混合気が燃焼してしまう異常燃焼や、高温による吸入空気の低密度化や燃焼室内の残留燃料などによってリッチな非正常燃焼が原因の始動不良が生じ得る。
【０００５】
従って、本発明の目的は、内燃機関の極高温時における始動性を向上させることのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、コンプレッサを回転させ得る電動機を有するターボチャージャを備えた内燃機関を制御する制御装置であり、内燃機関の始動前に電動機に電力を供給して駆動させて該内燃機関の一つ又は複数の燃焼室内を掃気する電動機掃気モードを実行する電動機制御手段と、燃焼室の温度を検出する燃焼室温検出手段と、外気温を検出する外気温検出手段とを備え、電動機制御手段が、燃焼室温検出手段によって検出された燃焼室温度と外気温検出手段によって検出された外気温との差に基づいて、電動機への供給電力量を制御し、燃焼室温検出手段によって検出される温度が所定温度よりも高温である場合に、電動機掃気モードを実行することを特徴としている。
【０００７】
なお、ここに言う所定温度とは、冷間始動や通常の温間始動ではなく、内燃機関がかなりの高温状態となっているとみなすこととなる温度である。電動機掃気モードによって、掃気を行って燃焼室を冷却して極高温時での始動性を向上させることができる。また、検出する燃焼室温度とは、燃焼室内の温度を直接検出することはもとより、燃焼室内の温度と相関のある温度（例えば燃焼室近傍の冷却水温度）を検出することで燃焼室温度を間接的に検出しても良い。
【０００８】
また、請求項１に記載の発明は、電動機制御手段が、燃焼室温検出手段によって検出された燃焼室温度と、外気温検出手段によって検出された外気温との差に基づいて、電動機への供給電力量を制御することを特徴としている。電動機への供給電力量を変えることで、掃気による内燃機関の冷却効果が変わるので、燃焼室温度と外気温との差に基づいて供給電力量を制御することで最適な冷却効果が得られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の制御装置の一実施形態について以下に説明する。本実施形態の制御装置を有するエンジン１を図１に示す。
【００１０】
本実施形態で説明するエンジン１は、多気筒エンジンであるが、ここではそのうちの一気筒のみが断面図として図１に示されている。エンジン１は、インジェクタ２によってシリンダ３内のピストン４の上面に燃料を噴射するタイプのエンジンである。このエンジン１は、成層燃焼が可能であり、いわゆるリーンバーンエンジンである。後述するターボチャージャによってより多くの吸入空気を過給してリーンバーンを行うことによって、高出力化だけでなく低燃費化をも実現し得るものである。
【００１１】
エンジン１は、吸気通路５を介してシリンダ３内に吸入した空気をピストン４によって圧縮し、ピストン４の上面に形成された窪みの内部に燃料を噴射して濃い混合気を点火プラグ７近傍に集め、これに点火プラグ７で着火させて燃焼させ得る（成層燃焼）。吸気行程に燃料噴射すれば、通常の均質燃焼も行える。シリンダ３の内部と吸気通路５との間は、吸気バルブ８によって開閉される。燃焼後の排気ガスは排気通路６に排気される。シリンダ３の内部と排気通路６との間は、排気バルブ９によって開閉される。吸気通路５上には、上流側からエアクリーナ１０、エアフロメータ２７、ターボユニット１１、インタークーラー１２、スロットルバルブ１３などが配置されている。
【００１２】
エアクリーナ１０は、吸入空気中のゴミや塵などを取り除くフィルタである。本実施形態のエアフロメータ２７は、ホットワイヤ式のものであり、吸入空気量を質量流量として検出するものである。また、本実施形態のエアフロメータ２７内にはサーミスタタイプの吸気温センサも内蔵されており、エアフロメータ２７は吸入空気の温度（外気温）も測定することができる。即ち、本実施形態のエアフロメータ２７は外気温検出手段としても機能している。ターボユニット１１は、吸気通路５と排気通路６との間に配され、過給を行うものである。本実施形態のターボユニット１１においては、タービン側インペラーとコンプレッサ側インペラーとが回転軸で連結されている（以下、この部分を単にタービン／コンプレッサ１１ａと言うこととする）。
【００１３】
また、本実施形態のターボチャージャは、タービン／コンプレッサ１１ａの回転軸が出力軸となるように電動機（ターボモータ）１１ｂが組み込まれている電動機付ターボチャージャである。電動機１１ｂは、排気エネルギーを用いて発電する発電機としても機能し得る。なお、ターボユニット１１は、排気エネルギーによってのみ過給を行う通常の過給機としても機能し得るが、電動機１１ｂによってタービン／コンプレッサ１１ａを強制的に駆動することでさらなる過給を行うこともできる。
【００１４】
また、排気エネルギーを利用して、タービン／コンプレッサ１１ａを介して電動機１１ｂを回転させることで回生発電させ、発電された電力を回収することもできる。電動機１１ｂは、タービン／コンプレッサ１１ａの回転軸に固定されたロータと、その周囲に配置されたステータとを主たる構成部分として有している。吸気通路５上のターボユニット１１の下流側には、ターボユニット１１による過給で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る空冷式インタークーラー１２が配されている。インタークーラー１２によって吸入空気の温度を下げ、充填効率を向上させる。
【００１５】
インタークーラー１２の下流側には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ１３が配されている。本実施形態のスロットルバルブ１３は、いわゆる電子制御式スロットルバルブであり、アクセルペダル１４の操作量をアクセルポジショニングセンサ１５で検出し、この検出結果と他の情報量とに基づいてＥＣＵ１６がスロットルバルブ１３の開度を決定するものである。スロットルバルブ１３は、これに付随して配設されたスロットルモータ１７によって開閉される。また、スロットルバルブ１３に付随して、その開度を検出するスロットルポジショニングセンサ１８も配設されている。
【００１６】
スロットルバルブ１３の下流側には、吸気通路５内の圧力（過給圧・吸気圧）を検出する圧力センサ１９が配設されている。これらのセンサ１５，１８，１９，２７はＥＣＵ１６に接続されており、その検出結果をＥＣＵ１６に送出している。ＥＣＵ１６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなる電子制御ユニットである。ＥＣＵ１６には、上述したインジェクタ２、点火プラグ７や、電動機１１ｂ、等が接続されており、これらはＥＣＵ１６からの信号によって制御されている。ＥＣＵ１６には、このほかにも、吸気バルブ８の開閉タイミングを制御する可変バルブタイミング機構２０の油圧や、電動機１１ｂと接続されたコントローラ２１、バッテリ２２なども接続されている。
【００１７】
コントローラ２１は、電動機１１ｂの駆動を制御するだけでなく、電動機１１ｂが回生発電した交流電流を直流電流に変換するインバータとしての機能も有している。コントローラ２１は、ＥＣＵ１６と協働して電動機１１ｂの駆動及び回生発電を制御する。即ち、ＥＣＵ１６やコントローラ２１が電動機制御手段として機能している。なお、回生発電による電力は、コントローラ２１によって交流から直流に変換された後にバッテリ２２に充電される。
【００１８】
一方、排気通路６上には、ターボユニット１１の上流側に、排気空燃比を検出する空燃比センサ２８が配されている。空燃比センサ２８の上述したＥＣＵ１６に接続されており、その検出結果をＥＣＵ１６に送出している。また、ターボユニット１１の下流側には、排気ガスを浄化する排気浄化触媒２３が取り付けられている。そして、排気通路６（空燃比センサ２８の上流側）から吸気通路５（圧力センサ１９の下流側に形成されたサージタンク部）にかけて排気ガスを還流させるためのＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)通路２４が配設されている。ＥＧＲ通路２４上には、排気ガス還流量を調節するＥＧＲバルブ２５が取り付けられている。ＥＧＲバルブ２５の開度制御も上述したＥＣＵ１６によって行われる。
【００１９】
また、エンジン１のクランクシャフト近傍には、クランクシャフトの回転位置を検出するクランクポジショニングセンサ２６が取り付けられている。クランクポジショニングセンサ２６は、クランクポジションの位置からエンジン回転数を検出することもできる。さらに、シリンダブロックの冷却水流路に面して、水温センサ２９が取り付けられている。シリンダブロック内の冷却水温とシリンダ３内部の温度はほぼ同じか、多少異なっていても相関があるので、水温センサ２９によって、冷却水温を介してシリンダ（燃焼室）３の温度を検出し得る。即ち、水温センサ２９は燃焼室温検出手段として機能している。クランクポジショニングセンサ２６や水温センサ２９もＥＣＵ１６に接続されている。
【００２０】
次に、極高温下でのエンジン始動時におけるターボチャージャの電動機制御について説明する。図２に、本実施形態における制御のフローチャートを示す。
【００２１】
まず、エンジン１に対する始動要求が生成されているか否かを判定する（ステップ２００）。ステップ２００が否定される場合は、エンジン１は始動されないので図２に示されるフローチャートの制御を一旦終える。ステップ２００が肯定される場合は、水温センサ２９によってシリンダブロック部分の冷却水温を検出すると共に、エアフロメータ２７によって外気温を検出する（ステップ２１０）。次いで、検出した冷却水温が所定温度αを超えているか否かを判定する（ステップ２２０）。この所定温度αは、冷間始動や通常の温間始動ではなく、内燃機関がかなりの高温状態となっているとみなすこととなる温度であり、例えば１００℃である。
【００２２】
シリンダブロック部分の冷却水温度はシリンダ３内部の温度とほぼ等しいとみなせる（あるいは、異なっていても相関がある）。このため、ここでは冷却水温を検出することでシリンダ３内の温度を検出している。この温度が、上述した所定温度αを超えている場合は、点火プラグによる点火以前に混合気が燃焼してしまう異常燃焼や、高温による吸入空気の低密度化や燃焼室内の残留燃料などによってリッチな燃焼となって始動不良が生じ易い状況であると判断できる。そこで、ステップ２２０が肯定される場合は、電動機１１ｂを用いて掃気することでシリンダ３内部の温度を低下させて上述した異常燃焼や始動不良を回避すべく電動機掃気モードに移行する。ステップ２２０が否定される場合は、掃気を行う必要はないと判断でき（冷間始動か通常の温間始動）、図２に示されるフローチャートの制御を終える。
【００２３】
電動機掃気モードを実行するに際して、電動機１１ｂの駆動の度合いによっては吸入空気の圧力上昇によってシリンダ３内部などの温度をかえって上昇させてしまうこともあり得る。このため、ここではそのようなことが生じないように電動機１１ｂの駆動度合い、即ち、電動機１１ｂへの供給電力を調節する。このとき、電動機１１ｂによってコンプレッサタービンを回転させて掃気を行うが、コンプレッサではなくブロワとして機能させる場合も当然生じ得る。なお、本実施形態の電動機１１ｂは電流制御型のものであるので、通電量として電流値を用いて制御される。電動機の種類によっては、通電量として電圧値を用いて制御する場合や、交流電源の周波数を用いて制御する場合もあり得る。
【００２４】
ここでは、ステップ２１０において検出した冷却水温と外気温との差に基づいて電動機１１ｂへの供給電力量（本実施形態では供給電流量）を決定する。電動機１１ｂへの通電量、即ち、電動機１１ｂによるアシストの度合いと吸入空気の温度上昇幅との間には相関がある。アシスト度合いが少なければ温度上昇をほとんど伴わないか伴っても僅かであるが、アシスト度合いを増やすにつれて温度上昇幅は大きくなる。一方、シリンダ３を外気温を用いて掃気して冷却するので、外気温と燃焼室温度との差が大きい程冷却効果は高い。また、アシスト度合いを大きくしても、それによって外気温が上昇した後の温度が燃焼室温度よりも低ければ、掃気による冷却効果が得られる。
【００２５】
また、電動機１１ｂによるアシストの度合いを多くする程、掃気時の流量は増え、シリンダ３近傍から単位時間内に奪われる熱を増やすこととなる。しかし、一方で、上述したようにアシスト度合いを多くし過ぎれば吸入空気の温度上昇を伴ってしまう。ここでは、これらのことを考慮して、冷却水温と外気温との差に基づいて、掃気による冷却効果が最適となるような供給電力量が決定される。この供給電力量と冷却水温−外気温間の温度差との関係は予め実験などによって決定されており、マップ化されてＥＣＵ１６内のＲＯＭなどに格納されている。ステップ２３０では、このマップに基づいて供給電力量を算出（決定）している。
【００２６】
ステップ２３０の後、算出された電力を電動機（ターボモータ）１１ｂに供給することで掃気を行う（ステップ２４０）。ステップ２４０の後、始動要求が以前継続しているか判定し（ステップ２５０）、依然として要求が継続している場合、即ち、エンジン１の始動が完全に終了していない（始動完了と同時に始動要求は無くなる）場合は、電動機１１ｂを駆動させることによる掃気を継続させるべく、電動機１１ｂへの電力供給を継続する（ステップ２６０）。実際には、電動機掃気モードは一秒前後から数秒程度行われる。一方、ステップ２５０が否定される場合は、エンジン１の始動が完了している場合であり、電動機１１ｂへの電力供給を停止する（ステップ２７０）。
【００２７】
なお、エンジン１の始動前に掃気を行うこととなるのであるが、複数ある全部のシリンダ３の内部を掃気できることが好ましいが、多気筒エンジンの場合に必ずしも全ての気筒について掃気を行わなくてはならないというものではない。エンジン１を停止するタイミングによっては、吸気バルブ８が閉じているシリンダ３もあるが、吸気バルブ８が開いているシリンダ３もある。吸気バルブ８が開いているシリンダ３のみについて掃気が行われても、極高温時の始動性向上の効果は得られる。また、掃気という観点からは、各シリンダ３において吸気バルブ８と排気バルブ９とが双方とも開いている（バルブ開がオーバーラップしている状態）方が好ましいが、必ずしもそうでなくとも掃気の効果は得られる。
【００２８】
本実施形態では、カムシャフトによって吸排気バルブ８，９の開閉タイミングはほぼ固定されている。ある程度は可変バルブタイミング機構２０によって吸気バルブの開閉タイミングを制御可能かもしれないが、その制御幅は大きくない。そこで、吸排気バルブ８，９を電磁バルブ（閉動作か開動作のどちらかにバルブスプリングを利用しても良い）として任意のタイミングで開閉を行うことのできる機構を採用しても良い。このような機構を採用すれば、電動機掃気モード中にすべての（あるいは任意の）シリンダ３についてより確実な掃気を行うことが可能となる。なお、電動機掃気モード中は、電子制御式のスロットルバルブ１３の開度を全開とすると共に、ＥＧＲバルブ２５を閉じておく。なお、スロットルバルブ１３が開かれない場合でも、アイドル時を考慮したバイパス路（図示せず）などによって吸気通路５内に吸気の流れは生じるので掃気の効果はある。
【００２９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、エンジン１の始動前の掃気による冷却のために電動機１１ｂを駆動させる場合について説明したが、エンジン１の始動前の過給による暖機のために電動機１１ｂを駆動させる制御とを併用しても良い。この場合は、エンジン１の状態（例えば冷却水温に基づいて判断）によって、掃気による冷却、過給による暖機、あるいはエンジン始動前の電動機１１ｂの駆動無し、の何れかが選択的に行われることとなる。
【００３０】
また、上述した実施形態においては、圧力センサ１９とエアフロメータ２７とが併用されていた。しかし、吸気管内圧から吸入空気量を推定するようなシステムが構築できるのであれば、必ずしもエアフロメータ２７を設けなくても良い。あるいは、エアフロメータ２７のみで制御が可能であるなら、圧力センサ１９を設けなくても良い。さらに、上述した実施形態においては、エアフロメータ２７によって吸入空気の温度として外気温を検出したが、外気温を直接検出する外気温センサを別に設けてもよい（エアフロメータを配設せずに圧力センサのみを配設する場合など）。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の制御装置によれば、燃焼室の温度が所定温度よりも高温である場合には、電動機を駆動して電動機掃気モードを実行する。この結果、燃焼室の温度を下げることによって、燃焼室が極高温である際に生じ得る異常燃焼や始動不良を抑止することができ、極高温時における始動性を向上させることができる。また、燃焼室内の残留燃料などによるリッチ燃焼が原因で生じる始動不良なども、掃気を行うことで残留燃料を除去でき、かつ、温度低下による吸入空気の高密度化が見込めるため、本発明による抑止効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御装置の一実施形態を有する内燃機関（エンジン）の構成を示す構成図である。
【図２】本発明の制御装置の一実施形態による電動機掃気モードに関する電動機制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１…エンジン、２…インジェクタ、３…シリンダ、４…ピストン、５…吸気通路、６…排気通路、７…点火プラグ、８…吸気バルブ、９…排気バルブ、１０…エアクリーナ、１１…ターボユニット、１１ａ…タービン、１１ｂ…電動機、１２…インタークーラー、１３…エアクリーナ、１３…スロットルバルブ、１４…アクセルペダル、１５…アクセルポジショニングセンサ、１６…ＥＣＵ、１７…スロットルモータ、１８…スロットルポジショニングセンサ、１９…圧力センサ、２０…可変バルブタイミング機構、２１…コントローラ、２２…バッテリ、２３…排気浄化触媒、２４…ＥＧＲ通路、２５…ＥＧＲバルブ、２６…クランクポジショニングセンサ、２７…エアフロメータ、２８…空燃比センサ、２９…水温センサ。

Claims (1)

1. コンプレッサを回転させ得る電動機を有するターボチャージャを備えた内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関の始動前に前記電動機に電力を供給して駆動させて該内燃機関の一つ又は複数の燃焼室内を掃気する電動機掃気モードを実行する電動機制御手段と、
   前記燃焼室の温度を検出する燃焼室温検出手段と、
   外気温を検出する外気温検出手段と、
   を備え、
   前記電動機制御手段が、前記燃焼室温検出手段によって検出された燃焼室温度と前記外気温検出手段によって検出された外気温との差に基づいて、前記電動機への供給電力量を制御し、前記燃焼室温検出手段によって検出される温度が所定温度よりも高温である場合に、電動機掃気モードを実行することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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