JP4182846B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、排気のエネルギーを回収するためのタービン発電機を備える内燃機関において、このタービン発電機の作動を制御する内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関への吸気効率を促進するため、排気のエネルギーを利用した過給を行うターボチャージャーが古くから知られている。さらに、低回転高負荷時などの排気エネルギーが小さい場合でも十分な過給を行うために、電動機によりターボチャージャーを強制駆動して過給を行う電動機付ターボチャージャーがある（例えば、特許文献１参照）。

この種の電動機付ターボチャージャーにおいては、排気エネルギーによってターボチャージャーのタービン翼を回転させ、電動機を発電機として用いることで排気エネルギーの一部を電力として回収（回生）し、バッテリを充電することが可能である。特許文献１の技術では、吸気通路にターボチャージャーのコンプレッサをバイパスするバイパス路を設け、コンプレッサの出入口に弁を設けて、コンプレッサを通過する空気量を制御してその負荷を制御することで、過給機能と発電機能との適正化を図っている。
特開平４−１２１３１号公報（第２、３頁、第１図、第２図）

ところで、特許文献１に開示されている技術のように、電動機付ターボチャージャやタービン発電機によって過給機能や発電機能を適正化したとしても、種々の条件によっては機関出力を制限しなければならない場合がある。

そこで本発明は、機関出力を適正に制限しながらエネルギー回生を行うことが可能なタービン発電機を備える内燃機関の制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気を用いるタービン発電機を備える内燃機関の制御装置であって、バッテリが充電可能で充電必要性を満たす要求がある状態である回生実行条件が成立しているか否かを判定し、回生実行条件が成立していると判定された場合に、内燃機関に必要なトルク出力を発生させた上で、燃料噴射量または吸入空気量を増大させて、必要なトルク以上の増大トルクを発生させると共に、排気通路を流れる排ガスによりタービン発電機を駆動して増大トルク分に相当する電力を発生させる回生動作を実行して、機関出力を制限することを特徴とする。

回生実行条件が成立している場合に、内燃機関に必要なトルク出力を発生させた上で、燃料噴射量または吸入空気量を増大させて、必要なトルク以上の増大トルクを発生させると共に、タービン発電機による回生動作を実行する。つまり、発電を実行することで、出力トルクを減少せしめるので、機関出力が適正に制限される。

機関の純出力が所定出力を超える所定の機関回転数領域である場合に、機関出力を制限することが好ましい。この所定出力とは、変速系の入力トルク制限値である。

エンジン本体としては、機関出力に余裕がある領域でも、車両の他の条件、例えば、変速系（ミッション、デファレンシャル・ギヤ等）の入力トルク制限により、機関出力に制限をかける場合がある。

車両運動安定化制御手段によって機関出力制限が指示された場合に、機関出力を制限することが好ましい。旋回時や車両の挙動を安定化させるため、機関出力の制限指示を行う制御手段としては、ＴＲＣ（Traction Control System）、ＶＳＣ（Vehicle Stability Control＝車両安定性制御システム）がある。

このタービン発電機は、例えば、電動機付のターボチャージャーであり、電動機を発電機として機能させることで、回生動作を行う。

本発明によれば、回生実行条件が成立している場合に、内燃機関に必要なトルク出力を発生させた上で、燃料噴射量または吸入空気量を増大させて必要なトルク以上の増大トルクを発生させると共に、回生動作を行うことで、タービン回転数が低下することにより、過給気圧が低下し、機関出力の制限を実現できるとともに、エネルギーの回収を行うことができる。特に、機関出力が変速系によって制限されるような場合、機関としてはこの制限出力以上の出力を発生させる余裕があり、エミッション的にも有利であるため、エミッションの悪化を招くことなく、回生動作を行うことができる。また、車両の挙動安定化のため、機関出力を制限するような場合には、速やかに機関出力を減少させて、車両の挙動を早期に安定化させることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係る内燃機関の制御装置を含む内燃機関の概略構成図である。ここでは、タービン発電機として電動機付のターボチャージャを用いた場合を例に説明する。また、ここでは、筒内噴射型のガソリンエンジンを例に説明するが、吸気管内に燃料を噴射するタイプのガソリンエンジンや、ディーゼルエンジンに対しても同様に適用可能である。

このエンジン１は、多気筒エンジンであるが、ここでは、そのうちの１気筒のみの断面を示している。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、成層燃焼を可能とした、いわゆるリーンバーンエンジンである。すなわち、エンジン１は、吸気通路５を通過してシリンダ３内へと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へとインジェクタ２から燃料を噴射することで、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。これによって、燃焼室全体の空気に対して少ない燃料量での燃焼を可能としている。そして、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つつ、希薄燃焼を行うことによって、燃料消費量を抑え、高出力化だけでなく低燃費化をも実現している。

シリンダ３には、吸気通路５と排気通路６が接続され、それぞれの間に設けられた吸気バルブ８と排気バルブ９によってその開閉が制御される。吸気通路５上には、上流側からエアクリーナ１０、ターボユニット１１のコンプレッサ側インペラー１１ｃ、インタークーラー１２、スロットルバルブ１３、吸気圧センサ１９が配置されている。一方、排気通路６上には、上流側からターボユニット１１のタービン側インペラー１１ｄ、排気浄化触媒２３が配置されている。つまり、ターボユニット１１は、吸気通路５と排気通路６にまたがるように配置されている。

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。ターボユニット１１は、吸気通路５側に配置される回転翼であるコンプレッサ側インペラー１１ｃ（吸気を圧縮するコンプレッサとして機能する。以下、単にコンプレッサと称する。）と、排気通路６側に配置される回転翼であるタービン側インペラー１１ｄ（排気エネルギーにより回転駆動されるタービンとして機能する。以下、単にタービンと称する。）とが共通の回転軸１１ａで連結されている。さらに、この回転軸１１ａには、ロータ（永久磁石）が固定され、その周囲にステータ（鉄心に巻かれたコイル）が配置されて、回転軸を出力軸とする電動機１１ｂを構成する。この電動機１１ｂは、インバータ２１に電気的に接続された交流モータであり、回転軸１１ａを入力軸とする発電機としても機能する。インバータ２１はバッテリ２２に電気的に接続されている。

吸気通路５上のコンプレッサ１１ｃの下流側には、空冷式のインタークーラー１２が配置されている。このインタークーラー１２は、ターボユニット１１のコンプレッサ１１ｃによる過給時の空気圧縮（圧力上昇）に伴い、温度が上昇した吸入空気を冷却することで、その容積を減らし、シリンダ３への充填効率を向上させるものである。

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が配置されている。こ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、スロットルモータ１７によって駆動される。そして、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が配置されている。

クランクシャフトにはクランク角センサ２６が、アクセルペダル１４にはアクセル開度センサ１５が設けられ、エンジン制御用のエンジンＥＣＵ１６にその信号が入力されている。エンジンＥＣＵ１６には、そのほか、スロットルポジショニングセンサ１８、吸気圧センサ１９、バッテリ２２（電圧）から信号が入力され、インジェクタ２、点火プラグ７、スロットルモータ１７、インバータ２１の作動を制御する。このエンジンＥＣＵ１６は、本発明に係る内燃機関の制御装置である。

本実施形態のターボユニット１１は、排気エネルギーによってのみ過給を行う通常のターボチャージャとして作動させることもできるが、電動機１１ｂによってコンプレッサ１１ｃ、タービン１１ｄを強制的に駆動することで、過給効率を上げることも可能である。特に、運転者がアクセルペダル１４を踏み込んだような場合に、この強制駆動を行うことでターボチャージャーの作動のタイムラグを小さくして、エンジン回転数を早期に増大させることができ、レスポンスが向上する。また、排気によってタービン１１ｄを駆動して、電動機１１ｂの入力軸である回転軸１１ａを回転させることにより、回生発電させ、発電された電力をバッテリ２２に貯めて、排気エネルギーの一部を回収することもできる。

以下、この回生発電の実行制御について説明する。図２は、その制御ルーチンを示すフローチャートであり、図３は、エンジン１の性能線図である。エンジン１は、図３に示されるように、回転数Ｎｅが約２５００ｒｐｍで最大出力トルクを出力し、それより回転数Ｎｅが高く、あるいは、低くなるにつれて出力トルクが小さくなるトルク特性を有している。ここで、本エンジン１が搭載される車両においては、図示していない変速系のデファレンシャル・ギヤ、ミッション等の強度を考慮し、図３中ハッチングで示す領域（エンジン回転数１６００〜３２００ｒｐｍの領域。以下、トルク制限範囲と称する。）のトルク出力を禁止し、最大出力トルクを２５０Ｎｍに制限しているものとする。このトルク制限は、通常においては、エンジンＥＣＵ１６が、クランク角センサ２６の出力から求めたエンジン回転数を監視し、インジェクタ２からの燃料噴射量を抑えることで実現される。

図２に示される制御ルーチンは、エンジンＥＣＵ１６によって、車両の電源スイッチがオンにされて、エンジン１が起動されている間、所定のタイミングで繰り返し実行される。まず、ステップＳ１では、回生実行条件が成立しているか否かを判定する。この回生実行条件とは、バッテリ２２の電圧が所定電圧以下で、充電可能な状態にあり、かつ、エンジン回転数が図３に示されるトルク制限範囲にある場合に満たされる。

回生条件が満たされている場合には、ステップＳ３へと移行し、回生動作を行う（回生動作中の場合には、回生動作を継続する）。具体的には、燃料噴射量を通常のトルク制限時より増大させて、エンジン１単体でなら図３のハッチング領域のトルクが出力されるだけの燃料を噴射する。また、スロットルモータ１７により、スロットルバルブ１３を開いて、吸入空気量を増大させる。そして、排気通路６を流れる排気ガスにより、タービン１１ｃを駆動し、回転軸１１ａを回転させて、電動機１１ｂを発電機として機能させることで、増大トルク分に相当する電力を発生させ、バッテリ２２の充電を行う。発電量は、インバータ２１により電動機１１ｂにおける回転軸１１ａの回転数を制御することで調整される。

このようにトルク制限範囲において、回生を行うことにより、必要なトルク出力を維持したまま、回生を行うことができるので、回生によって運転者の意図しないエンジン出力の変動が発生することがない。また、このトルク制限範囲においては、他の回転数領域に比べて排気エミッションに余裕があるため、ターボ回転数の低下に伴う過給圧低下により、エミッションが非回生時より低下するとしても、それは他の回転数領域における非回生時のエミッションより良好なものであり、回生を行うことによるエミッションの悪化を抑制することができる。

一方、回生条件が満たされていない場合には、ステップＳ５へと移行して、現在回生動作中か否かを判定する。回生動作中でない場合には、その後の処理をスキップして終了する。これにより、回生動作を行わない状態を継続する。一方、回生動作中の場合には、ステップＳ７へと移行して、回生動作の停止制御を実行する。具体的には、増量していた燃料量を通常時に戻し、スロットルモータ１７によってスロットルバルブ１３を通常の空気量に調整して、インバータ２１による電力回収を停止する。

このように、トルク制限範囲のみで回生動作を行うことにより、運転者の意図しない出力変動やエミッションの悪化を抑制し、効果的な回生を行うことができるので、燃費も向上する。

本発明に係る回生制御はこのように、エンジン１の出力トルクが予め所定の範囲内に制限されている場合に限られるものではない。例えば、車両の挙動制御装置からの信号により、出力トルクを減少させる制限を行う場合に回生制御を行ってもよい。図４は、この回生制御ルーチンのフローチャートである。この制御ルーチンも図２の制御ルーチンと同様に、車両の電源スイッチがオンにされて、エンジン１が起動されている間、所定のタイミングで繰り返し実行されるものである。

まず、ステップＳ１１では、図示していない車両挙動制御装置、例えば、ＴＲＣやＶＳＣの制御ユニットからエンジン１の出力低下指令を受信したか否かを判定する。出力低下指令を受信していない場合は、その後の処理をスキップして処理を終了する。一方、出力低下指令を受信した場合には、ステップＳ１２へと移行して、バッテリ２２の電圧が所定電圧以下で、充電可能な状態にあるか否かを判定する。

充電可能な状態にある場合には、ステップＳ１３へと移行して回生動作を行う（回生中の場合には、回生動作を継続する）。具体的には、燃料噴射量、スロットル開度を維持したまま、排気通路６を流れる排気ガスにより、タービン１１ｄを駆動し、回転軸１１ａを回転させて、電動機１１ｂを発電機として機能させることで、電力を発生させ、バッテリ２２の充電を行う。この回生によってエンジン１の出力トルクを発電量に応じた所定量だけ減少させる。発電量は、インバータ２１により電動機１１ｂにおける回転軸１１ａの回転数を制御することで調整され、これにより、出力トルクの減少量を調整できる。

このように、回生によってエンジン１の出力トルクを抑制することで、エンジンの出力トルクの削減を速やかに行うことができ、車両挙動の早期の安定化に役立ち、的確な挙動制御を行うことができる。

一方、ステップＳ１１でトルク制限指令がないと判定した場合と、ステップＳ１２でバッテリ２２の電圧が十分で、充電の必要がないと判定した場合には、ステップＳ１４へと移行して、現在回生動作中か否かを判定する。回生動作中の場合には、ステップＳ１５へと移行して、回生動作の停止制御を実行する。具体的には、インバータ２１による電力回収を停止し、回生分のスロットルバルブ１３の開度の増量分だけスロットルバルブ１３を閉じてステップＳ１６へと移行する。回生動作中でない場合には、回生動作を行わない状態を継続したまま、ステップＳ１６へと移行する。ステップＳ１６では、車両挙動装置からの出力低下指令分に応じてスロットル開度を閉じ、燃料噴射量を削減する。これにより、回生が行えない場合でも、出力トルクを確実に低下させる。

このように、動的なトルク制限を行う場合にも、回生制御を実行して出力トルクを制限することで、速やかなトルク制限を可能とし、車両の安定化にも寄与する。

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、電動機１１ｂの入出力軸である回転軸１１ａがコンプレッサ１１ｃ／タービン１１ｄの回転軸に一致していた。しかし、電動機１１ｂの出力軸とコンプレッサ１１ｃ／タービン１１ｄの回転軸が一致しないような（例えばギアなどによる減速機構を介している場合）電動機付ターボチャージャに対しても本発明は適用し得る。

さらに、本発明に係る過給機は、電動機付ターボチャージャーに限られるものではなく、排気エネルギーを利用して発電を行い、電力を回収するタイプのタービン発電機であってもよい。

ここでは、機関出力を制限する場合のみに回生動作を実行する例を説明したが、さらに、それ以外の機関出力を制限する必要のない場合においても、バッテリの充電必要性を満たす場合は回生動作を行ってよい。

本発明に係る内燃機関の制御装置を含む内燃機関の概略構成図である。 図１の制御装置による回生発電の実行制御ルーチンのフローチャートである。 図１のエンジンの性能線図である。 図１の制御装置による回生発電の別の実行制御ルーチン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…回転軸、１１ｂ…電動機、１１ｃ…コンプレッサ側インペラー（コンプレッサ）、１１ｄ…タービン側インペラー（タービン）、１２…インタークーラー、１３…スロットルバルブ、１４…アクセルペダル、１５…アクセル開度センサ、１６…エンジン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…吸気圧センサ、２６…クランク角センサ、２１…インバータ、２２…バッテリ、２３…排気浄化触媒。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気を用いるタービン発電機を備える内燃機関の制御装置であって、
   バッテリが充電可能で充電必要性を満たす要求がある状態である回生実行条件が成立しているか否かを判定し、
   前記回生実行条件が成立していると判定された場合に、前記内燃機関に必要なトルク出力を発生させた上で、燃料噴射量または吸入空気量を増大させて前記必要なトルク以上の増大トルクを発生させると共に、排気通路を流れる排ガスにより前記タービン発電機を駆動して前記増大トルク分に相当する電力を発生させる回生動作を実行して、機関出力を制限することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記機関の純出力が所定出力を超える所定の機関回転数領域である場合に、機関出力を
   制限することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記所定出力とは、変速系の入力トルク制限値であることを特徴とする請求項２記載の
   内燃機関の制御装置。
4. 前記タービン発電機は、電動機付のターボチャージャーであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
   

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