JP4168925B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸気通路上に電動機で駆動される過給機を備えた内燃機関の制御装置に関する。

エンジン（内燃機関）の吸気通路上に電動機で駆動する過給機を配設し、この過給機による過給によって高出力（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。［特許文献１］にも同様な内燃機関が記載されている。［特許文献１］に記載の内燃機関においては、吸気通路が二股に分岐された後に再度合流するように構成されており、一方の分岐路上に電動機で駆動される過給機が配設されている。また、分岐路の合流部には、いずれの分岐路からの吸入空気を下流側に流すのかを切り換える切替弁が設けられている。軽〜中負荷域における電動過給時には、この切替弁によって過給機の設けられた分岐管流路を開放し、かつ、過給機の設けられていない分岐管流路を閉じる。反対に、軽〜中負荷域における非電動過給時には、過給機の設けられた分岐管流路を閉じ、かつ、過給機の設けられていない分岐管流路を開放する。
特表２００１−５１８５９０号公報

上述した［特許文献１］に記載の内燃機関における切替弁による動作では、過給機の電動機の駆動を開始して過給を行おうとした場合（例えば、実過給圧が目標過給圧を下回った場合など）には、電動機が駆動されてから過給機の設けられていない分岐管流路が閉じられることとなる（あるいは、電動機駆動と分岐管流路遮断が同時）。このようにすると、電動過給機側への吸入空気の供給が遅れて過給の立ち上がりに遅れが生じる可能性があり、さらなる改善が要望されていた。

従って、本発明の目的は、迅速な過給立ち上がりを実現することのできる電動機付過給機を備えた内燃機関を制御する制御装置を提供することにある。

請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、内燃機関の吸気通路上に配設されて電動機によって駆動される過給機と、過給機をバイパスするように吸気通路に対して設けられたバイパス路と、バイパス路を開放・遮断する開閉手段と、電動機及び開閉手段を制御する制御手段と、内燃機関の過給圧を検出する実過給圧検出手段と、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を備えている。そして、制御手段は、実過給圧検出手段によって検出された実過給圧が目標過給圧算出手段によって算出された目標過給圧の高圧側近傍を含む所定範囲内にある場合には、電動機の駆動状態にかかわらず、開閉手段によってバイパス路を遮断する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、吸気通路上の過給機の下流側に、排気エネルギーによってのみ過給を行うターボチャージャをさらに備えていることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、上述した所定範囲が、下記式（Ｉ）によって定められる範囲であることを特徴としている。
Ｔｐ≦Ｒｐ≦（Ｔｐ＋α） …（Ｉ）
Ｒｐ：実過給圧
Ｔｐ：目標過給圧
α：所定値（＞０）

請求項１に記載の内燃機関の制御装置では、実過給圧が目標過給圧の高圧側（目標過給圧より高い側）近傍を含む所定範囲内にあり、電動機による過給が開始される可能性が高い場合は、電動機の駆動状況にかかわらず、バイパス路を閉じて電動機付過給機に吸入空気を供給しておく。このように、電動機による過給が開始される可能性が高い場合は、電動機の駆動状況にかかわらずバイパス路を閉じておくことで、電動機付過給機による過給が開始されるとすぐに十分な過給が行われるので、過給の立ち上がりが遅れるようなことがない。

請求項２に記載の発明によれば、電動過給機の下流側に配設されたターボチャージャによって、排気エネルギーによる過給を行うことで、電動機の駆動頻度を低減でき、省エネルギーに寄与できる。

請求項３に記載の発明においては、実過給圧Ｒｐが目標過給圧Ｔｐに近く、Ｒｐ＜Ｔｐとなって電動機による過給が開始される可能性が高いと判断する所定範囲を、Ｔｐ≦Ｒｐ≦（Ｔｐ＋α）として定める。このようにすることで、電動機付過給機による過給開始時に、過給の立ち上がりが遅れるようなことがない。

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。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においては、吸気通路２を通して外気が吸入空気として取り込まれ、この吸入空気がシリンダ３の直前でインジェクタ４から噴射された燃料とを混合されて混合気とされる。混合気は、シリンダ３内に吸入され、ピストン５によって圧縮された後に点火プラグ６で着火されて燃焼する。このとき燃焼によってシリンダ内の圧力は上昇し、これをピストン５及びコネクティングロッドを介して出力として取り出している。シリンダ３の内部と吸気通路２との間は、吸気バルブ７によって開閉される。燃焼後の排気ガスは排気通路８に排気される。シリンダ３の内部と排気通路８との間は、排気バルブ９によって開閉される。吸気通路２上には、上流側からエアクリーナ１０、エアフロメータ２０、モータ（電動機）２９ａ付過給機２９、ターボチャージャ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。

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２０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。モータ２９付の過給機２９は、モータ２９ａを電気エネルギーで過給することで過給を行う過給機である。過給機２９においては、コンプレッサホイールの回転軸が出力軸となるように上述したモータ２９ａが組み込まれている。モータ２９ａを駆動することで、過給を行うことが可能である。

また、モータ２９ａは、吸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もので、モータと発電機の機能を備えているためにモータジェネレータと呼ばれることもある。モータ２９ａは、コンプレッサホイール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。過給機２９の下流側に配置されたターボチャージャ１１は、そのコンプレッサホイールを吸気通路２上に配置させ、そのタービンホイールを排気通路８上に配置させており、排気流を利用して過給を行う通常のターボチャージャである。

吸気通路２上のターボチャージャ１１の下流側には、過給機２９やターボチャージャ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。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（アクセル開度ＴＡ）をアクセルポジションセンサ１５で検出し、この検出結果と他の情報量とに基づいて後述する電子式コントロールユニット（ＥＣＵ：制御手段）１６によってスロットルバルブ１３の開度が決定される。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。スロットルバルブ１３の下流側のサージタンク内には、吸気通路２内の圧力（過給圧・吸気圧）を検出する圧力センサ（実過給圧検出手段）１９が配設されている。

一方、排気通路８上には、ターボチャージャ１１の下流側に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。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変化からエンジン回転数Ｎｅを検出することもできる。上述したセンサ・アクチュエータ類はＥＣＵ１６に接続されており、その検出結果をＥＣＵ１６に送出するか、あるいは、ＥＣＵ１６からの信号で制御されている。ＥＣＵ１６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなる電子制御ユニットである。

ＥＣＵ１６には上述したモータ２９ａのコントローラ２１も接続されており、ＥＣＵ１６とコントローラ２１とが強調してモータ２９ａを制御している。なお、コントローラ２１は、モータ２９ａの回転数を検出することもできる。コントローラ２１には、モータ２９ａに供給する電気エネルギーを蓄えているバッテリ２２も接続されている。バッテリ２２はＥＣＵ１６とも接続されており、その電圧がＥＣＵ１６によって監視されている。上述したようにモータ２９ａによる回生発電が可能であり、モータ２９ａにおいて発電された電力はコントローラ２１を介してバッテリ２２に蓄えられる。

上述した過給機２９をバイパスするように、吸気側バイパス路２４が設けられている。この吸気側バイパス路２４上には、吸気側バイパス路２４を経由する吸入空気量を調節するバルブ２５が配設されている。本実施形態のバルブ２５は、ＤＵＴＹ制御によってその流量を調節する事も可能であり、また、全開状態や全閉状態を維持することも可能である。バルブ２５の開度（開閉ＤＵＴＹ比）はＥＣＵ１６からの信号に基づいて電気的に制御され、吸気側バイパス路２４を通る空気流量を任意に調節することができる。バルブ２５を全開とすれば、過給機２９のコンプレッサホイールが吸気抵抗となっていれば、吸入空気は吸気抵抗のない（あるいは、少ない）吸気側バイパス路２４を通って吸入空気が下流側に流れる。

また、上述したターボチャージャ１１の排気側のタービンホイールをバイパスするように、排気側バイパス路２７が設けられている。この排気側バイパス路２７上には、排気側バイパス路２７を経由する排気ガス量を調節するバルブ（開閉手段）２８が配設されている。このバルブ２８も、上述したバルブ２５と同様に、ＤＵＴＹ制御によってその流量を調節する事が可能であり、また、全開状態や全閉状態を維持することも可能である。バルブ２８の開度もＥＣＵ１６からの信号に基づいて電気的に制御され、排気側バイパス路２７を通る排気ガス量を任意に調節することができる。バルブ２８を全開とすれば、タービンホイールが吸気抵抗となっていれば、排気ガスは吸気抵抗のない（あるいは、少ない）排気側バイパス路２７を通って排気ガスが下流側に流れる。

次に、上述した制御装置による過給制御について説明する。過給制御のフローチャートを図２に示す。図２に示されるフローチャートの制御は繰り返し実行されている。なお、本発明は吸気側バイパス路２４による吸入空気のバイパスに特徴を有したものであり、以下の説明においては上述した排気側バイパス路２７の開放・遮断制御については触れていない。

まず、クランクポジショニングセンサ２６によってエンジン回転数Ｎｅを検出すると共に、アクセルポジションセンサ１５によってアクセル開度ＴＡを検出する（ステップ２００）。次いで、検出したエンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度ＴＡに基づいて、実験などによって予め作成され、ＥＣＵ１６のＲＯＭ内に格納されたマップより目標過給圧Ｔｐを決定する（ステップ２０５）。これは、ＥＣＵ（目標過給圧算出手段）１６によって行われる。このとき使用するマップの例を図３に示す。図３のマップは、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度ＴＡとからなる二次元座標軸上に複数の目標過給圧Ｔｐ曲線が示されたものである。検出したエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度ＴＡとから求められる座標位置の目標過給圧Ｔｐ曲線に基づいて目標過給圧Ｔｐが決定される。なお、目標過給圧Ｔｐを求めるマップとしては、その他のパラメータを含めた三次元以上のマップであってもよい。

目標過給圧Ｔｐが決定されたら、圧力センサ１９によって、実過給圧Ｒｐを検出する（ステップ２１０）。なお、ここでは、実過給圧Ｒｐを吸気通路２上のサージタンクで計測しているが、インテークマニホールド部で計測してもよい。次いで、目標過給圧Ｔｐと実過給圧Ｒｐとから、その差分Ｅｐ＝Ｔｐ−Ｒｐを算出する（ステップ２１５）。差分Ｅｐが算出されたら、この差分Ｅｐがゼロ又は負の値であるか否かを判定する（ステップ２２０）。ステップ２２０が肯定される場合、即ち、差分Ｅｐがゼロ又は負の値であり、実過給圧Ｒｐが目標過給圧Ｔｐと等しいか大きい場合は、モータ２９ａによる過給の必要はないと判断できるため、まずモータ２９ａを停止する（ステップ２２５）。

モータ２９ａを停止させた後、次に、差分Ｅｐが所定値α’（＜０）よりも小さいか否かを判定する（ステップ２３０）。この所定値α’は、負の値であり、上述した式（Ｉ）と等しい絶対値を有している。即ち、α’とαとの間には、−α’＝αの関係がある。ステップ２３０が肯定される場合は、Ｅｐ＝（Ｔｐ−Ｒｐ）＜α’＝（−α）である。この不等式を整理すると、Ｒｐ＞（Ｔｐ＋α）となる。即ち、実過給圧Ｒｐは目標過給圧Ｔｐよりも十分に大きくなっており、近いうちに実過給圧Ｒｐが目標過給圧Ｔｐよりも小さくなってモータ２９ａを駆動させての過給が実行される可能性は低いと判断できる。

この場合は、バルブ２５を開いて吸気側バイパス路２４を開放して（ステップ２３５）、吸入空気を吸気側バイパス路２４を介して下流側に流して、過給機２９が吸気抵抗とならないようにする。このように、所定値αは、実過給圧Ｒｐと目標過給圧Ｔｐとの関係において、モータ２９ａを駆動させての過給が行われる可能性が高いか否かを判定するための値として設定されている。なお、所定値αは固定値として設定されてもよいし、可変値として設定されてもよい。所定値αを可変値として設定する場合としては、αを上述した差分Ｅｐの関数としたり、モータ２９ａの回転数の関数とするなどが考えられる。あるいは、目標過給圧Ｔｐに基づいて設定したり、エンジン回転数Ｎｅやアクセル開度ＴＡなどのエンジン１の運転状態量に基づく関数としてもよい。関数ではなく、マップ化してもよい。

一方、ステップ２３０が否定される場合は、Ｒｐ≦（Ｔｐ＋α）となる。即ち、実過給圧Ｒｐが目標過給圧Ｔｐの高圧側近傍を含む所定範囲内［ここではＴｐ≦Ｒｐ≦（Ｔｐ＋α）］にあり、実過給圧Ｒｐが目標過給圧Ｔｐに近く、近いうちに実過給圧Ｒｐが目標過給圧Ｔｐよりも小さくなってモータ２９ａを駆動させた過給を実行させる可能性が高いと判断できる。この場合は、バルブ２５を閉じて吸気側バイパス路２４を遮断し（ステップ２４０）、吸入空気を過給機２９側に流しておく。過給機２９側流された吸入空気は、過給機２９のコンプレッサホイールを回転させつつ、下流側に流れる。

このようにモータ２９ａを駆動させた過給を実行させる可能性が高い場合は、予め吸入空気を過給機２９側に導入させておくことで、モータ２９ａを駆動させたらすぐに過給圧が迅速に立ち上がるようにしている。一方、図２のフローチャートが繰り返し実行され、ステップ２２０が否定される場合、即ち、差分Ｅｐが正の値であり、実過給圧Ｒｐが目標過給圧Ｔｐよりも小さい場合は、モータ２９ａによる過給の必要があると判断できるため、まずモータ２９ａへの通電量Ｉｍを算出する（ステップ２４５）。この通電量Ｉｍは、差分Ｅｐの関数ｆ（Ｅｐ）として求められる。

そして、算出された通電量Ｉｍをモータ２９ａに通電して過給を促進する（ステップ２５０）。このとき、上述したステップ２３０→ステップ２４０の制御によって、吸気側バイパス路２４はすでに遮断されていることがほとんどである。（前回実行時にステップ２３０が否定され、今回実行時にステップ２２０が否定される場合も可能性としては存在する。）このため、モータ２９ａを駆動させたときには吸入空気はすでに過給機２９側に供給されており、過給圧は迅速に立ち上がる。

なお、モータ２９ａによる過給促進時には、バルブ２５によって吸気側バイパス路２４が遮断された状態が維持される（前回実行時にすでに吸気側バイパス路２４が遮断され手いる場合で、ステップ２５０後のステップ２４０）。なお、図２のフローチャートの制御の前回実行時に実過給圧Ｒｐが目標過給圧Ｔｐから大きく乖離しており、前回実行時に吸気側バイパス路２４が遮断されていなかった場合は、今回実行時のステップ２５０後のステップ２４０で吸気側バイパス路２４が遮断される。

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、上述した実施形態においては、バルブ２５、２７が開閉ＤＵＴＹ比を制御されることで流量を調節するものであった。しかし、これらのバルブを、スロットルバルブ１３などのようにＤＵＴＹ制御ではなく、開度量を調節することで流量を調節するようなものであっても良い。また、本発明において、吸気側バイパス路２４を遮断するとは、吸気側バイパス路２４を流れる排気流を実質的になくすことを意味している。即ち、僅かではあるが流れがあるような場合であっても、吸気側バイパス路２４を経由する排気流を実質的に制限しているような場合は、本発明に言う遮断に相当する。

また、上述した実施形態では、ステップ２３０が否定されて吸気側バイパス路２４が遮断される場合は、ステップ２２５において必ずモータ２９ａは停止されている制御が採用されていた。しかし、本発明は、上記式（Ｉ）が成立する状況では、モータ２９の駆動状況にかかわらず、吸気側バイパス路２４を遮断する。例えば、モータ２９ａの停止を行うステップが、ステップ２４０の後にあるような制御の場合、ステップ２３０が否定された後に吸気側バイパス路２４を遮断する際には、モータ２９ａは駆動されている場合もあれば停止されている場合もあり得るものとなる。このような場合も、本発明の制御装置では、上記式（Ｉ）が成立する状況では、モータ２９の駆動状況にかかわらず、吸気側バイパス路２４を遮断する。

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。 本発明の制御装置の一実施形態による過給制御のフローチャートである。 目標過給圧を決定する際に用いるマップである。

符号の説明

１…エンジン（内燃機関）、２…吸気通路、３…シリンダ、４…インジェクタ、５…ピストン、６…点火プラグ、７…吸気バルブ、８…排気通路、９…排気バルブ、１０…エアクリーナ、１１…ターボチャージャ、１３…スロットルバルブ、１４…アクセルペダル、１５…アクセルポジションセンサ、１６…ＥＣＵ（制御手段：目標過給圧算出手段）、１９…圧力センサ（実過給圧検出手段）、２１…コントローラ２４…吸気側バイパス路、２５…バルブ（開閉手段）、２６…クランクポジショニングセンサ、２７…排気側バイパス路、２８…バルブ、２９…過給機、２９ａ…モータ（電動機）。

Claims (3)

1. 内燃機関の吸気通路上に配設されて電動機によって駆動される過給機と、前記過給機をバイパスするように前記吸気通路に対して設けられたバイパス路と、前記バイパス路を開放・遮断する開閉手段と、前記電動機及び前記開閉手段を制御する制御手段と、前記内燃機関の過給圧を検出する実過給圧検出手段と、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を備えており、
   前記制御手段は、前記実過給圧検出手段によって検出された実過給圧が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の高圧側近傍を含む所定範囲内にある場合には、前記電動機の駆動状態にかかわらず、前記開閉手段によって前記バイパス路を遮断することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記吸気通路上の前記過給機の下流側に、排気エネルギーによってのみ過給を行うターボチャージャをさらに備えてい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. 前記所定範囲が、下記式（Ｉ）によって定められる範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
   Ｔｐ≦Ｒｐ≦（Ｔｐ＋α） …（Ｉ）
   Ｒｐ：実過給圧
   Ｔｐ：目標過給圧
   α：所定値（＞０）

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