JP4232624B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸入負圧によりローターを回転させることによっ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過給機を迂回する吸気通路を有さず、吸入空気量の制御を容積型過給機のみで行っている。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、例えば、急激な加速をした場合、エンジンの回転数の上昇に伴ってエンジンの要求吸入空気量は増加するが、容積型過給機の回転による供給空気量が追いつかず、要求吸入空気量を満足できない場合がある。かといって、発電機の負荷を下げて容積型過給機の回転数を上げようとすると、今度は発電要求を満足できない場合がある。よって、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。

そこで、本発明では吸入負圧によって回転する容積型過給機から電力を回収するシステムにおいて、発電要求とエンジンの吸入空気量要求を同時に満足するよう制御する制御装置の提供を目的とする。

本発明の過給装置は、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なう発電機と、前記発電機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、内燃機関のシリンダ内に吸入される吸気の吸入圧力を検出する吸入圧力検出手段と、内燃機関の目標吸入圧力を算出する目標吸入圧力算出手段と、前記バイパス通路と前記吸気通路とが合流する合流部の下流に設けた吸気絞り手段と、前記発電機による発電時に、前記検出した吸入圧力と前記目標吸入圧力とに基づいて、前記バイパス通路よりも前記ローターに優先的に吸気が流れるように前記バイパス弁及び前記吸気絞り手段の開度を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記目標吸入圧力が前記検出した吸入圧力よりも高いときは、前記吸気絞り手段を所定開度α開いて保持し、前記目標吸入圧力と前記検出した吸入圧力との差に応じて前記バイパス弁の開度を制御する。一方、前記目標吸入圧力が前記検出した吸入圧力よりも低いときは、前記バイパス弁を所定開度β閉じて保持し、前記目標吸入圧力と前記検出した吸入圧力との差に応じて前記吸気絞り手段の開度を制御する。

本発明によれば、目標吸入圧力とシリンダへ吸入される吸気の圧力とに基づいてバイパス弁の開度を制御することで、機関に要求される吸入空気量を満たしつつ、ローターを通過する空気量が確保されるので、高い発電効率を確保することができる。

つまり、発電要求を満足しつつ、さまざまな運転要求に対応することが可能となる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態のシステム構成を表した図である。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つに分岐しており、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には容積型の過給機と同様の構造のローター４が配置される。

過給機４はシャフト５を介して発電機能付き電動機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。
バイパス通路３にはステップモータ等で開閉されるバイパス弁６が設けられている。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される、吸気絞り弁としてのスロットルバルブ７が設けられ、更に下流の吸気マニホールド３０には圧力センサー（吸入圧力検出手段）２０が設けられる。また、エンジン８にはエンジン８の回転数を検出するエンジン回転数センサー１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサー１３が設けられる。これら各センサーの検出値はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）９に出力され、それに基いて上記バイパス弁６、スロットルバルブ７の開度が後述するように制御される。

前記発電機４ａは非過給時、すなわちエンジン８が低中負荷運転されているときに発電を行う。発電の原理は以下のとおりである。エンジン８が吸気行程において吸入負圧を発生すると、ローター４は負圧に引かれて回転する。このときローター４に接続された発電機４ａも回転するので発電が行われる。発電機４ａの発電量は図４の発電可能量マップに示すように、エンジン負荷が小さく、エンジン回転数が高いほど大きくなる。

これにより従来のエンジンが空気流量制御を行うスロットル部で損失しているエネルギー（ポンピングロス）を回収可能としたものである。

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発電機４ａ自身で行っている。

また、ＥＣＵ９は加速時等のエンジン８が高負荷運転時には、発電機４ａに電力を供給してローター４を駆動して過給を行う。過給を行うか否かの判定は、例えば、予めアクセル開度に高負荷に相当するしきい値を設けておき、アクセル開度センサー１３の検出値がしきい値より大きくなれば過給、小さければ非過給というように判定する。

次にＥＣＵ９が行う本システムの制御について図２を用いて詳細に説明する。

図２は本システムの非過給時の制御フローチャートである。非過給時には、発電機４ａは発電要求によっ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、吸気マニホールド内の圧力に基いて吸入空気量を推定し、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、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が要求するトルクを発生させるための吸気マニホールド３０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に示すような必要トルクをアクセル開度に割付けたマップから、アクセル開度信号によって必要トルクを検索する。

次に図６に示すようなマニホールド圧力を必要トルクとエンジン回転数とに割付けたマップを用いて、先に求めた必要トルクとエンジン回転数センサー１４の検出値とから目標吸入圧力Ｐｔを決定する。

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に所定開度の開指令を出す。

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に所定開度の開指令を出す。

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が全開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ため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に所定開度の閉指令を出す。

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に所定開度の閉指令を出す。

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、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ようにして、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。

バイパス弁６をできるだけ閉じておくことにより、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。したがって発電機４ａの発電効率を気にすることなくエンジン８の要求通りに空気量を調節することができる。

上記制御に基くバイパス弁６とスロットルバルブ７の開度の変化を図３のタイムチャートに示す。図中実線で示した圧力が実際の吸入圧力Ｐｍ、点線で示した圧力が目標吸入圧力Ｐｔである。

ｔ０以前では、目標吸入圧力Ｐｔが実際の吸入圧力Ｐｍよりも高いので、スロットルバルブ７を開いて吸入空気量を増やしている。ｔ０でスロットルバルブ７が全開となるが、まだ目標吸入圧力Ｐｔの方が実際の吸入圧力Ｐｍより高いので、さらに吸入空気量を増やすためにバイパス弁６を開く。

ｔ１で目標吸入圧力Ｐｔと実際の吸入圧力Ｐｍとが等しくなり、バイパス弁６、スロットルバルブ７の開度は一定になる。

その後ｔ２で目標吸入圧力Ｐｔが実際の吸入圧力Ｐｍより低くなると、吸入空気量を絞る為にまずバイパス弁６を閉じる。

ｔ３でバイパス弁６が全閉になるが、実際の吸入圧力Ｐｍはまだ目標吸入圧力Ｐｔよりも高いので、さらに吸入空気量を絞る為にスロットルバルブ７を閉じ始める。

その後、実際の吸入圧力Ｐｍと目標吸入圧力Ｐｔとが等しくなり、ｔ４で再び目標吸入圧力Ｐｔの方が高くなるので、ｔ０以前と同様に、まずスロットルバルブ７を開いて吸入空気量を増やす。そしてｔ５で実際の吸入圧力Ｐｍと目標吸入圧力Ｐｔとが等しくなる。このときスロットルバルブ７は全開になっていないので、当然バイパス弁６は全閉のままである。

なお、バイパス弁６及びスロットルバルブ７の開閉速度はできるだけ速くする。吸入圧力の変化に追従する為である。

以上により、本実施形態では、以下のような効果が得られる。

実際の吸入圧力Ｐｍが目標吸入圧力Ｐｔより低く、吸入空気量を増やす必要がある場合には、まずスロットルバルブ７を開き、スロットルバルブ７が全開になっても吸入空気量が足りない場合にバイパス弁６を開き、逆に、実際の吸入圧力Ｐｍが目標吸入圧力Ｐｔより高く、吸入空気量を絞る必要がある場合には、まずバイパス弁６を閉じ、バイパス弁６が全閉になってもさらに吸入空気量を絞る必要がある場合にスロットルバルブ７を閉じるので、エンジン８の運転要求が変化（吸入空気量の変化）した場合にも、エンジン８に供給される空気のほとんどがローター４を通過することとなる。なお、ローター４の回転数は通過する空気量及び発電要求により定まるが、上記のようにローター４を通過する空気量が確保されていれば、安定して、発電要求に応じた発電を行うことが可能である。したがって、ローター４は安定して回転し、高い発電効率を維持することが可能となる。つまり発電要求を満足しつつ、さまざまな運転要求に対応することが可能である。

加速要求が検出されて、ローター４による過給を開始する場合に、本実施形態では上記のようにローター４が常に回転しているので、過給の立ち上がり早くなり、加速の過渡応答性に優れる。

エンジン８の運転要求と実際の運転状態との比較を吸気マニホールド内の圧力に基いて行うので、吸入空気量を検出するためにエアフローメータ等を設ける必要がなく、レイアウトの自由度が増し、またコストの低減が可能となる。

なお、本実施形態では加速要求時には発電機４ａによりローター４を駆動して過給を行なっているが、過給機としての機能をなくし、常に非過給時と同様の制御を行ってもよい。

また、本実施形態では、吸入圧力検出手段として吸気マニホールド内の圧力を検出しているが、これに限らず、スロットルバルブ等の吸気絞り手段がある場合には、吸気絞り手段下流の吸気通路の任意の位置の圧力を検出してもよく、吸気絞り手段がない場合には、ローター下流あるいはバイパス弁下流のバイパス通路の任意の位置の圧力を検出してもよい。

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、内燃機関の発電装置に適用するができる。

本実施形態の構成を表す図である。 本実施形態の制御フローチャートである。 本実施形態の制御を行なった場合のタイムチャートである。 電動過給機の発電可能量マップである。 トルクをアクセル開度に割り付けたマップである。 マニホールド圧力をトルクとエンジン回転数とに割り付けたマップである。

符号の説明

３ バイパス通路
４ ローター
４ａ 発電機
６ バイパス弁
７ スロットルバルブ
８ エンジン
９ コントロールユニット（ＥＣＵ）
１３ アクセル開度センサー
１４ エンジン回転数センサー
１５ エアフローメータ（ＡＦＭ）

Claims (6)

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なう発電機と、
   前記発電機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、
   内燃機関のシリンダ内に吸入される吸気の吸入圧力を検出する吸入圧力検出手段と、
   内燃機関の目標吸入圧力を算出する目標吸入圧力算出手段と、
   前記バイパス通路と前記吸気通路とが合流する合流部の下流に設けた吸気絞り手段と、
   前記発電機による発電時に、前記検出した吸入圧力と前記目標吸入圧力とに基づいて、前記バイパス通路よりも前記ローターに優先的に吸気が流れるように前記バイパス弁及び前記吸気絞り手段の開度を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記目標吸入圧力が前記検出した吸入圧力よりも高いときは、前記吸気絞り手段を所定開度α開いて保持し、前記目標吸入圧力と前記検出した吸入圧力との差に応じて前記バイパス弁の開度を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記発電機は、車両の加速要求時には前記ローターを駆動して過給機として機能する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記所定開度αが全開である請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 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なう発電機と、
   前記発電機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、
   内燃機関のシリンダ内に吸入される吸気の吸入圧力を検出する吸入圧力検出手段と、
   内燃機関の目標吸入圧力を算出する目標吸入圧力算出手段と、
   前記バイパス通路と前記吸気通路とが合流する合流部の下流に設けた吸気絞り手段と、
   前記発電機による発電時に、前記検出した吸入圧力と前記目標吸入圧力とに基づいて、前記バイパス通路よりも前記ローターに優先的に吸気が流れるように前記バイパス弁及び前記吸気絞り手段の開度を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記目標吸入圧力が前記検出した吸入圧力よりも低いときは、前記バイパス弁を所定開度β閉じて保持し、前記目標吸入圧力と前記検出した吸入圧力との差に応じて前記吸気絞り手段の開度を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 前記所定開度βが全閉である請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記目標吸入圧力算出手段は、内燃機関の回転速度とアクセル開度とに基づいて、目標吸入圧力を算出する請求項１〜５のいずれか一つに記載の内燃機関の制御装置。

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