JP4048828B2 - 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、ターボチャージャのコンプレッサ及び／又はタービンを電動機で駆動することができるようにした電動機付ターボチャージャを備えた内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関においては、従来から、排気ガスの一部を吸気側に還流させることで、排出NOx低減を図るＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)機構が利用されている。不活性ガスである二酸化炭素を含む排気ガスを吸気側に還流させると、最高燃焼温度が低下するのでNOxの排出量が減る。また、同一燃料量でリーンとするとポンプ損失が減少すると共に燃焼ガス温度が減少するので冷却損失も減少する。この結果、同一出力で比較すれば、ＥＧＲ機構を用いることで燃費を改善することができる場合もある。ＥＧＲ機構は、排気通路から吸気通路にかけて還流路を配設し、還流路両端の圧力差によって排気ガスを還流させる外部ＥＧＲ機構と、吸排気バルブの開閉タイミングによって排気ガスを還流させる内部ＥＧＲ機構とが利用されている。外部ＥＧＲ機構においては、排気ガス還流量を調節するために還流路上にＥＧＲバルブが設けられる。
【０００３】
一方、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も以前から常用されている。ここで、ターボチャージャの改善要望点の一つとして、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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、外部ＥＧＲ機構は吸排気通路内の圧力を利用するが、電動機付ターボチャージャを用いることで吸排気通路内の圧力は変動し得る。このため、電動機付ターボチャージャと外部ＥＧＲ制御とを併用しようとした場合、ＥＧＲ制御がターボ制御による影響を受け、正確なＥＧＲ制御が行えなくなることが懸念される。過給圧制御と外部ＥＧＲ制御とに関するものとして、バリアブルノズルターボ（電動機付ターボチャージャではない）と外部ＥＧＲ制御とに関する記載が特開2000-356158号公報にあるが、この公報に記載されている技術などでは圧力センサなどを設ける必要がある。
【０００５】
本発明の目的は、電動機ターボチャージャを有する内燃機関の制御装置において、過給圧制御と外部ＥＧＲ制御とを効果的に協調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】
本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関に付随して配設されたターボチャージャと、ターボチャージャのコンプレッサを回転駆動させる電動機と、内燃機関の排気ガスの一部を吸気側に還流させる還流路及び排気ガスの還流量を調節するために還流路上に配設されたＥＧＲバルブを有する外部ＥＧＲ手段と、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、エンジン回転数と電動機の印加電流量とに応じて、ＥＧＲバルブの開度を補正するＥＧＲバルブ開度補正手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置であり、内燃機関に付随して配設されたターボチャージャと、ターボチャージャのタービンの回転を利用して発電制御させる電動機と、内燃機関の排気ガスの一部を吸気側に還流させる還流路及び排気ガスの還流量を調節するために還流路上に配設されたＥＧＲバルブを有する外部ＥＧＲ手段と、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、エンジン回転数と電動機の発電量とに応じて、ＥＧＲバルブの開度を補正するＥＧＲバルブ開度補正手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の内燃機関の制御装置の一実施形態について以下に説明する。本実施形態の内燃機関の制御装置を有するエンジン１を図１に示す。
【０００８】
なお、「過給圧」の語は大気圧に対しての差圧を示すものを指す語として用いられる場合がある。一方で、「過給圧」の語は吸気管内の絶対圧力を指す語として用いられる場合もある。以下、両者を明確に分けて説明する必要がある場合は、その指すところが明確となるような説明を行う。例えば、吸気管内圧力を検出する圧力センサの出力に基づいて過給圧制御を行う場合、この圧力センサが大気圧に対する差圧を検出するセンサであれば過給圧制御は大気圧に対する差としての過給圧に基づいて制御されることが容易であるし、圧力センサが絶対圧力を検出するセンサであれば過給圧制御は絶対圧力としての吸気圧に基づいて制御されるのが容易である。また、「過給圧」という語の他に、吸気管内圧力という意味で「吸気圧」という語も用いる。
【０００９】
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。
【００１０】
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、エアフロセンサ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。
【００１１】
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センサ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。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）。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、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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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が回生発電した電力の電圧変換を行うインバータとしての機能も有している。回生発電による電力は、コントローラ２１によって電圧変換された後にバッテリ２２に充電される。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。
【００１６】
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通路（還流路）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。また、エンジン１のクランクシャフト近傍には、エンジン回転数を検出する回転数センサ２６が取り付けられている。
【００１７】
上述した内燃機関においては、ＥＧＲ通路２４やＥＧＲバルブ２５が外部ＥＧＲ手段として機能し、ＥＣＵ１６などがＥＧＲバルブ開度補正手段として機能している。次に、上述した内燃機関における過給・ＥＧＲ制御について説明する。
【００１８】
まず概要であるが、定常運転時には、運転者はアクセル開度をほぼ一定に維持している。車両の負荷とつり合う出力でエンジン１はほぼ一定の回転速度となる。ＥＣＵ１６は、その状態でのスロットル開度、エンジン回転数を読み取り、これらの値からＥＧＲバルブ２５の開度を算出し、ＥＧＲバルブ２５の開度を制御する。なお、ここでは、スロットル開度及びエンジン回転数とＥＧＲバルブ２５の開度との関係は予めマップとしてＥＣＵ１６のＲＯＭに格納されている。
【００１９】
この定常時に算出されるＥＧＲバルブ２５の開度は、過渡時（加減速時）における基本開度として利用される。過渡時には、この基本開度を補正して最終的な制御開度を決定する。定常時には、電動機１１ｂを用いた過給（回生発電）は行われないので、ターボチャージャ１１は、通常の排気エネルギーのみを利用した過給機として機能する。上述したマップには、電動機１１ｂを利用しないターボチャージャ１１の影響は反映されており、基本開度の補正は必要ない。即ち、定常時には基本開度が制御開度となる。
【００２０】
しかし、加速時の場合は、電動機１１ｂによる過給制御が行われ、その制御量も一定ではないので、上述した基本開度のみでは的確なＥＧＲ制御を行えない。そこで、上述したように、基本開度を補正する補正開度を求め、これを用いて基本開度を補正して最終的な制御開度を決定する。具体的には、加速時には運転者はアクセルペダル１４を踏み込むので、アクセル開度の変化率は正となる。本実施形態では、アクセル開度の変化率と吸入空気量に応じて電動機１１ｂの制御量（印可電流量）を制御するので、印可電流量とエンジン回転数から補正開度を算出する。
【００２１】
また、減速時の場合も、電動機１１ｂによる回生発電制御が行われ、その発電量を制御することも考えられるので、上述した基本開度のみでは的確なＥＧＲ制御を行えない。この場合は、発電量から補正開度を算出する。なお、発電量は、コントローラ２１によって検出できる。
【００２２】
以下、この制御をフローチャートを用いて説明する。図２に本実施形態でのＥＧＲバルブ２５の開度制御のフローチャートを示す。まず、エンジン回転数とスロットル開度とを読みとる（ステップ２００）。エンジン回転数は回転数センサ２６によって検出され、スロットル開度はスロットルポジショニングセンサ１８によって検出される。次に、検出したエンジン回転数とスロットル開度とから、基本ガイドを算出する（ステップ２０５）。ここでは、上述したようにＥＣＵ１６内に格納されたマップから読み取る。
【００２３】
基本開度が算出された時点で、まず、ＥＧＲバルブ２５の開度がこの基本開度となるように、ＥＣＵ１６からＥＧＲバルブに対して制御信号が送出され、ＥＧＲバルブ２５の開度が基本開度とされる（ステップ２１０）。さらに、アクセル開度を検出し、検出したアクセル開度からその開度変化率を算出する（ステップ２１５）。アクセル開度の変化率は、アクセルポジショニングセンサ１５によって検出したアクセル開度の時間変化から求められる。
【００２４】
次に、加減速状態（過渡状態）であるか定常状態であるかを判定すべく、まず、ステップ２１５で算出したアクセル開度変化率が所定値Ａより大きいか否かを判定する（ステップ２２０）。所定値Ａは正の値又はゼロで、アクセル開度変化率が所定値Ａより大きい場合は、アクセルペダル１４が踏み込まれて加速状態と判断できる。このような加速時、即ち、ステップ２２０が肯定される場合は、ターボラグのない力強い加速を行えるように電動機１１ｂによって過給をアシストするため、電動機１１ｂに電流を印可させる電流印可モードに移行する（ステップ２２５）。
【００２５】
電流印可モードに移行した場合は、まず吸入空気量を検出する（ステップ２３０）。吸入空気量は、エアフロメータ２７によって検出される。次に、検出した空気量とステップ２１５で算出したアクセル開度変化率とに基づいて、電動機１１ｂに印可する電流量を算出する（ステップ２３５）。ここで、空気量をも加味するのは、その時点でエンジンがどの程度の運転をされている（車両走行に当てはめればどの程度の速度で走行をしている）のかを反映させるためである。アクセル開度変化率が同じでも、市街地での加速時と高速道での高速走行時の加速とでは電動機１１ｂに印可すべき電流量が異なるからである。
【００２６】
このとき、図３に示されるようなマップが用いられる。アクセル開度の変化率が大きいほど、電動機１１ｂに印可する電流量は多くなる。これは、アクセル開度変化率が大きい、即ち、アクセルペダル１４の踏み込み速度が速いほど、より早く加速を行いたく、より多くの過給を必要としていると判断できるからである。また、図３から分かるように、同じアクセル開度変化率であっても、空気量が多いほど、電動機１１ｂに印可する電流量は大きくなる。これは、電動機１１ｂによる過給アシスト（補正）量が増えることを意味するが、絶対的な空気量が多いので補正量が増えるためである。
【００２７】
印可電流量が算出されたら、算出された印可電流量を電動機１１ｂに印可させ、電動機１１ｂによって過給を促進する（同ステップ２３５）。さらに、算出された印可電流量と、ステップ２００で検出したエンジン回転数とに基づいて、ＥＧＲバルブ２５の補正開度を算出する（ステップ２４０）。算出された補正開度の分だけ、さらにＥＧＲバルブ２５の開度が開閉される。このとき、図４に示されるようなマップが用いられる。加速状態の場合は、基本開度に加えて、図４のマップによって決定される補正開度の分だけさらにＥＧＲバルブ２５が開かれることとなる。
【００２８】
図４から分かるように、電動機１１ｂへの印可電流量が大きいほど、補正開度は大きくなる。印可電流量が大きいほど過給圧が大きくなるので吸気通路５側圧力が高くなり、排気ガスが還流しにくくなる。そこで、ＥＧＲバルブ２５をより大きく開く側に補正して不足気味となりがちな排気ガス還流量を補い、NOx排出量低減を効果的に行う。また、低回転域では残留ガスが多く燃焼が不安定になりやすいため、また、高回転域ではより多くの出力が欲しいため、より新しい空気が欲しい状況であると言える。そこで、このような場合は、同じアクセル開度変化率であっても、より多くの新しい空気を取り入れるべく、ＥＧＲバルブ２５の補正量は少な目に設定される。ステップ２４０で補正開度が決定されたら、決定された補正開度の分だけさらにＥＧＲバルブ２５の開度を変化させる（ステップ２４５）。
【００２９】
一方、ステップ２２０が否定された場合は、今度はステップ２１５で算出したアクセル開度変化率が所定値Ｂより小さいか否かを判定する（ステップ２５０）。所定値は負の値又はゼロで、アクセル開度変化率が所定値Ｂより小さい場合は、アクセルペダル１４が戻されている減速状態と判断できる。このような減速時、即ち、ステップ２５０が肯定される場合は、発電モードに移行して電動機１１ｂに回生発電させてエネルギーを回収する（ステップ２５５）。
【００３０】
そして、発電印可モードに移行した場合は、コントローラ２１によってその発電量を検出し（ステップ２６０）、検出した発電量と、ステップ２００で検出したエンジン回転数とに基づいて、ＥＧＲバルブ２５の補正開度を算出する（ステップ２６５）。算出された補正開度の分だけ、さらにＥＧＲバルブ２５の開度が開閉される。このとき、図５に示されるようなマップが用いられる。減速状態の場合は、基本開度に対して、図５のマップによって決定される補正開度の分だけＥＧＲバルブ２５が閉じ側に補正されることとなる。
【００３１】
図５から分かるように、電動機１１ｂの発電量が大きいほど、補正開度は大きくなる（より多く閉じられる）。発電量が大きいほどタービン／コンプレッサ１１ａの回転に抵抗が加わっているということであり、吸気通路５側圧力が低くなりやすくなって排気ガスが還流しやすくなる。そこで、ＥＧＲバルブ２５を閉じる側に補正して多くなりがちな排気ガス還流量を適正な値に補正する。また、同じ発電量のときは、高回転であるほど補正開度は小さく（閉じ側への補正量が少なく）なる。これは、高回転であればタービン／コンプレッサ１１ａに加わる回転抵抗が少なく、発電による吸気通路５側の圧力変動に与える影響が少ないと考えられるためである。ステップ２６５で補正開度が決定されたら、決定された補正開度の分だけさらにＥＧＲバルブ２５の開度を変化させる（ステップ２７０）。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の内燃機関制御装置によれば、電動機付ターボチャージャの電動機の制御量や発電量に応じてＥＧＲバルブの開度を補正するので、的確な排気ガス還流量を得ることができ、電動機による過給圧制御と外部ＥＧＲ制御とを効果的に協調させることができる。
【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・ＥＧＲ制御のフローチャートである。
【図３】電動機への印可電流量算出時に用いるマップである。
【図４】ＥＧＲバルブの補正開度算出時（過渡加速状況）に用いるマップである。
【図５】ＥＧＲバルブの補正開度算出時（過渡減速時）に用いるマップである。
【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…回転数センサ、２７…エアフロメータ、２８…空燃比センサ。

Claims (9)

1. 内燃機関に付随して配設されたターボチャージャと、
   前記ターボチャージャのコンプレッサを回転駆動させる電動機と、
   前記内燃機関の排気ガスの一部を吸気側に還流させる還流路及び排気ガスの還流量を調節するために前記還流路上に配設されたＥＧＲバルブを有する外部ＥＧＲ手段と、
   エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、
   前記エンジン回転数と前記電動機の印加電流量とに応じて、前記ＥＧＲバルブの開度を補正するＥＧＲバルブ開度補正手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記ＥＧＲバルブ開度補正手段は、同じエンジン回転数において前記電動機の印加電流量が大きい場合は小さい場合と比較してＥＧＲバルブ開度補正量を開き側へ大とすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. アクセル開度変化率と吸入空気量とに基づいて前記電動機の印加電流量を決定する制御部を更に有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
4. 内燃機関の制御装置であって、
   同じアクセル変化率において吸入空気量が多い場合は少ない場合と比較して前記電動機の印加電流量を大きくすることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 内燃機関に付随して配設されたターボチャージャと、
   前記ターボチャージャのタービンの回転を利用して発電制御させる電動機と、
   前記内燃機関の排気ガスの一部を吸気側に還流させる還流路及び排気ガスの還流量を調節するために前記還流路上に配設されたＥＧＲバルブを有する外部ＥＧＲ手段と、
   エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、
   前記エンジン回転数と前記電動機の発電量とに応じて、前記ＥＧＲバルブの開度を補正するＥＧＲバルブ開度補正手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
6. 前記ＥＧＲバルブ開度補正手段は、同じ前記発電量においてエンジン回転数が高い場合は低い場合と比較してＥＧＲバルブ開度補正量を開き側へ大とすることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記ＥＧＲバルブ開度補正手段は、同じ前記エンジン回転数において発電量が多い場合は少ない場合と比較して前記ＥＧＲバルブ開度の閉じ側への補正量を大きくとることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記ターボチャージャの前記コンプレッサはタービンに連結され、前記電動機に前記タービンの回転を利用して発電制御させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記ターボチャージャの前記タービンはコンプレッサに連結され、前記電動機に前記コンプレッサを回転駆動させることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の制御装置。

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