JP4244803B2

JP4244803B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4244803B2
Application number: JP2003428036A
Authority: JP
Inventors: 健一藤村; 克彦川村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: JP2005188320A

Description

本発明は、吸入負圧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を利用して発電を行なうシステムにおいて、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。

本発明の内燃機関の制御装置は、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り発電する発電機と、前記ローター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へ吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、内燃機関の要求吸入空気量を算出する要求吸入空気量算出手段と、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、前記シリンダへの吸入空気量と前記要求吸入空気量とに基づいて、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、前記発電機による発電時に、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弁の開度を制御する。また、前記要求吸入空気量が前記検出した吸入空気量より小さい場合には、前記バイパス弁の開度を低減させ、所定開度βに達したらこの開度を保持しつつ、前記要求吸入空気量と前記検出した吸入空気量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、シリンダへ供給される吸入空気量と要求吸入空気量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には容積型過給機のブロワーと同様の構造をもつローター４が配置される。

ローター４はシャフト５を介して発電機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下流には吸入空気量測定手段としてのエアフローメータ（ＡＦＭ）１５が設けられ、更にその下流には、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が設けられている。

また、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、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に出力される。

上記バイパス弁６、スロットルバルブ７の開度は開度制御手段としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）９によって、ＡＦＭ１５によって検出された実際の空気量（ＡＦＭ通過空気量）Ｑ_ＡＦＭ、後述する要求吸入空気量Ｑ_Ｔ、前記エンジン回転数センサー１４およびアクセル開度センサー１３の検出値に応じて制御される。

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。このときシャフト５を介してローター４に接続された発電機４ａも回転して発電が行われる。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）を電力として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、この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転しているので、ローター４を通過する空気量はエンジン８が要求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の開度を調節して、発電要求を満たしつつ、エンジン８に供給する空気量を調節する。

ステップＳ００１ではアクセル開度センサー１３で検出したアクセル開度、エンジン回転数センサー１４で検出したエンジン回転数に基いて、エンジン８に供給する要求吸入空気量Ｑ_Ｔを算出する。具体的な算出方法としては、例えば、図５に示すような、要求トルクをアクセル開度に割り付けたマップを用いて、アクセル開度から要求トルクを求め、次に図６に示すような要求吸入空気量Ｑ_Ｔを要求トルク及びエンジン回転数に割り付けたマップを用いて、先に求めた要求トルク、及びエンジン回転数から要求吸入空気量Ｑ_Ｔを求める。なお、図５はアクセル開度が大きくなるにつれて要求トルクも大きくなっており、図６は要求吸入空気量Ｑ_Ｔを要求トルクとエンジン回転数とに割り付けたものであり、要求トルクが大きくなるほど、またエンジン回転数が高くなるほど要求吸入空気量Ｑ_Ｔは大きくなる。

ステップＳ００２では、ＡＦＭ１５によって実際の空気量（ＡＦＭ通過空気量）Ｑ_ＡＦＭを検出する。

ステップＳ００３では、ＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭと要求吸入空気量Ｑ_Ｔとを比較する。両者が等しい場合は、バイパス弁６及びスロットルバルブ７の開度を変更する必要がないので、そのまま処理を終了し、等しくない場合にはステップＳ００４に進む。

ステップＳ００４ではＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭが要求吸入空気量Ｑ_Ｔより多いか否かの判定を行う。ＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭの方が多い場合には、ステップＳ００５に進み、少ない場合にはステップＳ００８に進む。

ステップＳ００５ではバイパス弁６が全閉であるか否かを判定する。全閉である場合には、ステップＳ００６に進みスロットルバルブ７に閉弁指令を出す。全閉でない場合にはステップＳ００７に進みバイパス弁６に閉弁指令を出す。

ステップＳ００４でＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭが要求吸入空気量Ｑ_Ｔ以下である場合には、ステップＳ００８に進み、スロットルバルブ７が全開であるか否かを判定する。スロットルバルブ７が全開である場合にはステップＳ００９に進み、バイパス弁６に開弁指令を出す。全開でない場合にはステップＳ０１０に進みスロットルバルブ７に開弁指令を出す。

上記制御に基くバイパス弁６とスロットルバルブ７の開度を制御を図３のタイムチャートに示す。図３において点線で示した空気量は要求吸入空気量Ｑ_Ｔ、実線で示した空気量はＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭである。

ｔ０ではＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭが要求吸入空気量Ｑ_Ｔより少ないので、スロットルバルブ７の開弁動作を開始する。

ｔ１でスロットルバルブ７は全開になっているが、ＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭが要求吸入空気量Ｑ_Ｔよりも少ないので、バイパス弁６の開弁動作を開始する。

ｔ２でＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭが要求吸入空気量Ｑ_Ｔと等しくなるので、バイパス弁６の開弁動作を停止する。その後、ｔ３まではＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭと要求吸入空気量Ｑ_Ｔとが等しいので、バイパス弁６及びスロットルバルブ７の開度は変化させない。
ｔ３で要求吸入空気量Ｑ_ＴがＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭより少なくなるとバイパス弁６の閉弁動作を開始する。

ｔ４でバイパス弁６は全閉となるが、まだＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭは要求吸入空気量Ｑ_Ｔよりも多いので、スロットルバルブ７の閉弁動作を開始する。

ｔ５でＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭと要求吸入空気量Ｑ_Ｔとが等しくなるので、スロットルバルブ７の閉弁動作を停止する。ｔ６まではＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭと要求吸入空気量Ｑ_Ｔとが等しいので、バイパス弁６及びスロットルバルブ７の開度は変化させない。

ｔ６で再び要求吸入空気量Ｑ_ＴがＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭより多くなると、スロットルバルブ７の開弁動作を開始する。

ｔ７でＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭと要求吸入空気量Ｑ_Ｔとが等しくなるので、スロットルバルブ７の開弁動作を停止する。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、バイパス弁６は全閉のままである。

上記のように、本システムではＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭと要求吸入空気量Ｑ_Ｔとが等しくなるようにバイパス弁６とスロットルバルブ７の開度を調節しており、ＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭが要求吸入空気量Ｑ_Ｔより多い場合には、まずバイパス弁６の開度を小さくすることによりＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭを減少させ、バイパス弁６が全閉になってもまだＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭの方が要求吸入空気量Ｑ_Ｔより多い場合には、スロットルバルブ７の開度を小さくして、ＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭが要求吸入空気量Ｑ_Ｔとなるよう制御する。

また、ＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭが要求吸入空気量Ｑ_Ｔより少ない場合には、まずスロットルバルブ７の開度を大きくすることによりＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭを増加させ、スロットルバルブ７が全開になってもまだＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭが要求吸入空気量Ｑ_Ｔより少ない場合には、バイパス弁６の開度を大きくして、ＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭが要求吸入空気量Ｑ_Ｔとなるように制御する。

つまり、バイパス弁６はできる限り閉じておくように制御され、スロットルバルブ７を全開にしてもバイパス弁６が閉じた状態ではＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭが要求吸入空気量Ｑ_Ｔより少ない場合にのみバイパス弁６を開くように制御される。

これにより、要求吸入空気量Ｑ_Ｔのうちできるだけ多くの空気がローター４を通過するようになるので、ローター４の上流と下流との圧力差をできるだけ大きくすることができ、エンジン８の吸入負圧で回転するローター４は回転しやすくなり、発電効率が高くなる。

以上により、本実施形態ではＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭが要求吸入空気量Ｑ_Ｔより多い場合には、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ＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭの方が多い場合にはスロットルバルブ７を閉じ、ＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭが要求吸入空気量Ｑ_Ｔより少ない場合には、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ＡＦＭ通過空気量Ｑ_ＡＦＭの方が少ない場合にはバイパス弁６を開くよう制御するので、エンジン８の要求する空気量（要求吸入空気量Ｑ_Ｔ）を満足しつつ、ローター４による発電効率を最適にすることが可能となる。

なお、本実施形態では、加速要求時には発電機４ａがローター４を駆動して過給を行なうが、過給機としての機能をなくし、常に非過給時と同様に発電量制御を行ってもよい。

また、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、エンジンの吸入負圧によって発電を行う発電機を有するシステムに適用することができる。

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。要求トルクをアクセル開度に割り付けたマップである。要求吸入空気量を要求トルク及びエンジン回転数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

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り発電する発電機と、
前記ローター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へ吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
内燃機関の要求吸入空気量を算出する要求吸入空気量算出手段と、
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、
前記シリンダへの吸入空気量と前記要求吸入空気量とに基づいて、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、前記要求吸入空気量が前記検出した吸入空気量より大きい場合には、前記吸気絞り手段の開度を増大させ、所定開度αに達したらこの開度を保持しつつ、前記要求吸入空気量と前記検出した吸入空気量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。
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り発電する発電機と、
前記ローター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へ吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
内燃機関の要求吸入空気量を算出する要求吸入空気量算出手段と、
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、
前記シリンダへの吸入空気量と前記要求吸入空気量とに基づいて、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、前記要求吸入空気量が前記検出した吸入空気量より小さい場合には、前記バイパス弁の開度を低減させ、所定開度βに達したらこの開度を保持しつつ、前記要求吸入空気量と前記検出した吸入空気量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。
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り発電する発電機と、
前記ローター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へ吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
内燃機関の要求吸入空気量を算出する要求吸入空気量算出手段と、
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、
前記シリンダへの吸入空気量と前記要求吸入空気量とに基づいて、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、前記要求吸入空気量が前記検出した吸入空気量より大きい場合には、前記吸気絞り手段の開度を増大させ、所定開度αに達したらこの開度を保持しつつ、前記要求吸入空気量と前記検出した吸入空気量との差に応じて前記バイパス弁の開度を制御し、かつ前記要求吸入空気量が前記検出した吸入空気量より小さい場合には、前記バイパス弁の開度を低減させ、所定開度βに達したらこの開度を保持しつつ、前記要求吸入空気量と前記検出した吸入空気量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。
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から３のいずれか一つに記載の内燃機関の制御装置。
前記所定開度αが全開である請求項１、３または４のいずれか一つに記載の内燃機関の制御装置。
前記所定開度βが全閉である請求項２から４のいずれか一つに記載の内燃機関の制御装置。
前記要求吸入空気量算出手段は、内燃機関の回転速度とアクセル開度とに基いて要求吸入空気量を算出する請求項１〜６のいずれか一つに記載の内燃機関の制御装置。