JP4635793B2

JP4635793B2 - 内燃機関用過給システム

Info

Publication number: JP4635793B2
Application number: JP2005268422A
Authority: JP
Inventors: 修五十嵐; 正和田畑
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2025-09-15
Also published as: JP2007077909A; EP1934442B1; WO2007032157A1; US8006495B2; CN101268265B; CN101268265A; EP1934442A1; US20080312803A1

Description

本発明は、内燃機関用過給システムに関し、特に、その回転軸の回転が電動機によってアシストされ得る電動機付過給機を備えるものに関する。

気筒内に吸入する吸気の圧力を高めて出力を増大させる機能を担う過給機であって、この過給機の回転軸が出力軸となるように電動機が内蔵されている電動機付過給機を備える内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に係る内燃機関おいては、アクセル相当吸気管圧力（ブースト圧）と、吸気通路に備えた吸気管圧力（ブースト圧）センサにて検出する現吸気管圧力（ブースト圧）との差を演算し、この差が所定値よりも大であると判定したときに、電動機を作動させ、過給機の回転軸の回転速度を所望の回転速度まで上昇させている。
特許２７８２７１１号公報

一般的に、吸気管圧力による目標過給制御を行う場合には、吸気管圧力の脈動の影響を回避するためになまし処理するので、電動機付過給機による過渡応答性は低下する。

また、従来、ディーゼルエンジンにおいては、吸気管圧力センサの検出値に基づいて気筒内に供給する燃料量を制御している。一方、ガソリンエンジンにおいては、エアフローメータの検出値に基づいて気筒内に供給する燃料量を制御している。ゆえに、ガソリンエンジンにおいては、ディーゼルエンジンのように吸気管圧力センサを設けていない。

したがって、ガソリンエンジンに電動機付過給機を備える場合には以下のような不具合が生じる。つまり、吸気管圧力による目標過給制御を行う場合には、従来のガソリンエンジンには設けていない吸気管圧力センサを設けなければならなくなり、コストが高くなる。また、ディーゼルエンジンのように吸気管圧力センサのみを設けて、当該吸気管圧力センサの検出値に基づいて気筒内に供給する燃料量および電動機付過給機を制御するのでは、電動機付過給機を備えていないエンジンとは別の制御ロジックにしなければならず開発コストが高くなる。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、好適に電動機付過給機を制御する技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る内燃機関用過給システムにあっては、車両に搭載された内燃機関の排気エネルギーを利用して過給し、その回転軸の回転が電動機によってアシストされ得る電動機付過給機と、当該過給機の回転速度が目標回転速度となるように前記電動機によるアシスト力を制御する制御手段と、を備える内燃機関用過給システムであって、前記制御手段は、前記車両に設けられたアクセルの開度、又はアクセルの開度と内燃機関の回転速度に基づいて前記過給機の目標回転速度を決定し、当該目標回転速度となるように前記アシスト力を制御することを特徴とする。

このように、車両に設けられたアクセルの開度、又はアクセルの開度と内燃機関の回転速度に基づいて過給機の目標回転速度を決定し、当該目標回転速度となるように過給機の
回転速度を制御することで、従来の吸気管圧力による目標過給制御で行っていたなまし処理が不要となるので、過給機の過渡応答性を向上させることができる。

また、本発明に係る内燃機関用過給システムにあっては、車両に搭載された内燃機関の排気エネルギーを利用して過給し、その回転軸の回転が電動機によってアシストされ得る電動機付過給機と、当該過給機の回転速度が目標回転速度となるように前記電動機によるアシスト力を制御する制御手段と、を備える内燃機関用過給システムであって、前記制御手段は、内燃機関の吸気通路に設けられたスロットルバルブの実開度と内燃機関の回転速度に基づいて前記過給機の目標回転速度を決定し、当該目標回転速度となるように前記アシスト力を制御することを特徴とする。

このように、スロットルバルブの実開度と内燃機関の回転速度に基づいて過給機の目標回転速度を決定し、当該目標回転速度となるように過給機の回転速度を制御することで、従来の吸気管圧力による目標過給制御で行っていたなまし処理が不要となるので、過給機の過渡応答性を向上させることができる。

また、本発明に係る内燃機関用過給システムにあっては、車両に搭載された内燃機関の排気エネルギーを利用して過給し、その回転軸の回転が電動機によってアシストされ得る電動機付過給機と、当該過給機の回転速度が目標回転速度となるように前記電動機によるアシスト力を制御する制御手段と、を備える内燃機関用過給システムであって、前記制御手段は、内燃機関の吸気通路に設けられたスロットルバルブの目標開度と内燃機関の回転速度に基づいて前記過給機の目標回転速度を決定し、当該目標回転速度となるように前記アシスト力を制御することを特徴とする。

このように、主にアクセル開度と内燃機関の回転速度に基づいて決定されるスロットルバルブの目標開度と、内燃機関の回転速度に基づいて過給機の目標回転速度を決定し、当該目標回転速度となるように過給機の回転速度を制御することで、従来の吸気管圧力による目標過給制御で行っていたなまし処理が不要となるので、過給機の過渡応答性を向上させることができる。

また、特に、加速時などの過渡期においては、スロットルバルブの実開度が、アクセル開度及び内燃機関の回転速度に基づいて算出されるスロットルバルブの目標開度と等しくなるまでにはそれ相当の時間を要する。それゆえ、このようにスロットルバルブの目標開度を用いて過給機の目標回転速度を決定することにより、より精度よく内燃機関の状態に応じた目標回転速度にすることができる。

なお、前記制御手段は、前記電動機によるアシスト開始後、所定期間はスロットルバルブの目標開度に基づいて、前記所定期間経過後はスロットルバルブの実開度に基づいて、前記過給機の目標回転速度を決定することが好適である。

これは、前記相当の時間を経過した後は、スロットルバルブの実開度と目標開度は同一であると考えられるので、単に実開度に基づいて目標回転速度を決定する方がより簡易迅速に行うことができる。

また、前記制御手段は、前記目標回転速度を、内燃機関が前記電動機によるアシストなしで定常運転している時の前記過給機の回転速度より低めの回転速度とすることが好適である。これにより、ターボラグ発生時のみのアシストが可能となり、過給機の過過給、過回転、無駄な電力消費を防止することができる。

また、前記制御手段は、外気の気圧に基づいて前記目標回転速度を補正することが好適
である。外気の気圧が低くなるのに応じて酸素濃度が低くなるため、例えば、現時点の車両の位置が高地である場合には、低地に位置する場合よりも目標回転速度を上昇させるなど、外気の気圧に基づいて車両の高度を把握し、当該高度に基づいて目標回転速度を補正することにより確実に適切な回転速度に制御することができる。

また、前記制御手段は、内燃機関の気筒内で生じるノック強度を把握し、当該ノック強度に基づいて前記目標回転速度を補正することが好適である。例えば、過給機が目標回転速度であるとした場合に気筒内で生じるノック強度が大きい場合には目標回転速度を低めるように補正するなど、内燃機関の気筒内で生じるノック強度を把握し、当該ノック強度に基づいて目標回転速度を補正することで、信頼性を向上させることができる。

以上説明したように、本発明に係る内燃機関用過給システムによれば、好適に電動機付過給機を制御することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を以下の実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４気筒ガソリンエンジンである。

内燃機関１には、吸気通路３が接続されており、この吸気通路３は、エアクリーナボックス４に接続されている。そして、エアクリーナボックス４より下流の吸気通路３には、当該吸気通路３内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ５が取り付けられている。

また、吸気通路３の途中には、過給機（ターボチャージャー）６のコンプレッサハウジング６ａが設けられている。コンプレッサハウジング６ａより下流の吸気通路３にはインタークーラ７が取り付けられている。なお、過給機６は、この過給機の回転軸６ｃが出力軸となるように電動機６ｄが内蔵されている電動機付過給機である。

インタークーラ７より下流の吸気通路３には、当該吸気通路３内を流通する吸気の流量を調整するスロットルバルブ８が設けられている。このスロットルバルブ８には、当該スロットルバルブ８を開閉駆動するアクチュエータ９が取り付けられている。

各気筒の燃焼室からの排気は、排気ポート、排気マニホールド１０、過給機６のタービンハウジング６ｂなどから形成される排気通路を通る。そして、排気は、過給機６の下流の排気通路に設けられた排気浄化触媒１１にて浄化された後、マフラー（図示省略）を通り、大気中に排出される。

また、スロットルバルブ８の近傍には、当該スロットルバルブ８の開度に対応した電気信号を出力するスロットルポジションセンサ１２が取り付けられており、当該内燃機関１が搭載された車両のアクセル１３の近傍には、当該アクセル１３の開度に対応した電気信号を出力するアクセルポジションセンサ１４が取り付けられている。また、過給機６の回転軸６ｃの近傍には、当該回転軸６ｃの回転位相を検出する回転軸ポジションセンサ１５が取り付けられており、内燃機関１のクランクシャフト（図示省略）の近傍には、当該クランクシャフトの回転位相を検出するクランクポジションセンサ１６が取り付けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１とその吸排気系には、電子制御ユニット（ＥＣＵ：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等からなる算術論理演算回路である。

ＥＣＵ２０には、前述したエアフローメータ５、スロットルポジションセンサ１２、アクセルポジションセンサ１４、回転軸ポジションセンサ１５、クランクポジションセンサ１６、外気の圧力を検知する外気圧力センサ（図示省略）等の各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ２０に入力されるようになっている。

そして、ＥＣＵ２０は、一定時間毎に実行すべき基本ルーチンにおいて、各種センサの出力信号を入力する。そして、例えば、ＥＣＵ２０は、一定時間毎に、回転軸ポジションセンサ１５の信号の周波数から１分あたりの回転軸６ｃの回転数（以下、「ターボ回転速度」という。）と、クランクポジションセンサ１６の信号の周波数から１分あたりのクランクシャフトの回転数（以下、「エンジン回転速度」という。）を算出する。

一方、ＥＣＵ２０には、アクチュエータ９、電動機６ｄ等が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２０が、アクチュエータ９、電動機６ｄ等を制御することが可能になっている。

そして、電動機付過給機６を備える内燃機関用過給システムにおいては、ターボ回転速度が所望の目標ターボ回転速度となるように電動機６ｄを制御する。

概略としては、ターボ回転速度の目標回転速度を算出し、回転軸ポジションセンサ１５にて検出する現時点のターボ回転速度が、この目標ターボ回転速度より低い場合には電動アシストが必要であると判定し、ターボ回転速度が目標ターボ回転速度となるように電動機６ｄを制御する。

以下に、目標ターボ回転速度の決定手法について説明する。

（１）予め実験等の経験則に基づいてアクセル開度毎の最適な目標ターボ回転速度を算出し、目標ターボ回転速度とアクセル開度との相関関係を示すマップを作成しておく。このマップは、アクセル開度が０以上３０％未満である場合には目標ターボ回転速度は零、アクセル開度が３０％である場合の目標ターボ回転速度を３万（ｒｐｍ）とし、アクセル開度が３０％より大きくなるのに応じてアクセル開度に比例するように目標ターボ回転速度が３万（ｒｐｍ）より大きくなるように作成されるものであることを例示することができる。そして、アクセルポジションセンサ１４にて検出したアクセル開度を当該マップに代入することにより目標ターボ回転速度を算出して決定する。

（２）予め実験等の経験則に基づいてアクセル開度及びエンジン回転速度に対する最適な目標ターボ回転速度を算出し、図２に示すような目標ターボ回転速度、アクセル開度及びエンジン回転速度の相関関係を示すマップを作成しておく。そして、アクセルポジションセンサ１４にて検出したアクセル開度及びクランクポジションセンサ１６にて検出したエンジン回転速度を当該マップに代入することにより目標ターボ回転速度を算出して決定する。

（３）予め実験等の経験則に基づいて実スロットル開度及びエンジン回転速度に対する最適な目標ターボ回転速度を算出し、図３に示すような目標ターボ回転速度、実スロットル開度及びエンジン回転速度の相関関係を示すマップを作成しておく。そして、スロット
ルポジションセンサ１２にて検出した実スロットル開度及びクランクポジションセンサ１６にて検出したエンジン回転速度を当該マップに代入することにより目標ターボ回転速度を算出して決定する。アクセル開度はドライバの意志であるが、変速や他の車両制御との関係でエンジンにとっての意志はスロットル開度で決まる。そのため、このようにスロットル開度を用いることによりエンジン状態に応じて適切に目標ターボ回転速度を決定することができる。

（４）予め実験等の経験則に基づいて目標スロットル開度及びエンジン回転速度に対する最適な目標ターボ回転速度を算出し、図４に示すような目標ターボ回転速度、目標スロットル開度及びエンジン回転速度の相関関係を示すマップを作成しておく。そして、アクセルポジションセンサ１４にて検出したアクセル開度及びクランクポジションセンサ１６にて検出したエンジン回転速度に基づいて算出される目標スロットル開度、及びクランクポジションセンサ１６にて検出したエンジン回転速度を当該マップに代入することにより目標ターボ回転速度を算出して決定する。（３）においては実スロットル開度に基づいて目標ターボ回転速度を算出しているが、特に加速時などの過渡期においては、実スロットル開度がアクセル開度及びエンジン回転速度に基づいて算出される目標スロットル開度と等しくなるまでにはそれ相当の時間を要する。それゆえ、このように目標スロットル開度を用いることにより、より精度よくエンジン状態に応じて適切な目標ターボ回転速度に決定することができる。ただし、相当の時間を経過した後は、実スロットル開度と目標スロットル開度は同一であると考えられるので、単にスロットル開度センサにて検出した実スロットル開度に基づいて目標ターボ回転速度を算出する方がより簡易迅速に目標ターボ回転速度を算出することができる。

なお、上述した目標ターボ回転速度を算出するために用いるマップにおいては、所定のアクセル開度、実スロットル開度あるいは目標スロットル開度以上は、エンジン回転速度毎に一定の目標ターボ回転速度とする方がより早い加速を得られる。しかしながら、図２〜４に示すように、アクセル開度、実スロットル開度あるいは目標スロットル開度の上昇に伴い段階的に目標ターボ回転速度を上昇させることで、ドライバビリティを向上させることができる。

また、上述した目標ターボ回転速度を算出するために用いるマップを作成する際には、電動機にてターボ回転速度をアシストしない時（電動機非作動時）のエンジン定常状態での実ターボ回転速度に対して数％低い回転速度とすることが好適である。これにより、ターボラグ発生時のみの電動機作動が可能となる。その結果、過過給、過回転、無駄な電力消費を防止することができる。なお、エンジン定常状態でのターボ回転速度に対して低回転速度とする割合（前記数％）は、当該低められた回転速度までターボ回転速度が上昇したら、あとは排気エネルギー及び慣性力でエンジン定常状態でのターボ回転速度まで上昇するであろうと考えられる割合とするのが好適である。

以下、具体的に本実施例に係る電動アシスト制御の制御ルーチンについて図５に示すフローチャートに沿って説明する。この制御ルーチンは、予めＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶されているルーチンであり、一定時間毎、あるいはクランクポジションセンサからのパルス信号の入力などをトリガとした割り込み処理としてＥＣＵ１０が実行するルーチンである。

本制御ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ず、ステップ（以下、単に「Ｓ」という場合もある。）１０１において、アクセルポジションセンサ１４、回転軸ポジションセンサ１５、クランクポジションセンサ１６、エアフローメータ４等からの入力信号を処理する。

その後、Ｓ１０２へ進み、電動アシスト実施条件が成立しているか否かを判別する。電
動アシスト実施条件が成立している場合としては、電動機の温度が高温ではない、エンジン回転速度が過給機を作動させる回転速度である、過給機がサージ領域に入っていないなどを例示することができる。そして、肯定判定された場合は、Ｓ１０３へ進む。一方、否定判定された場合は、Ｓ１１０へ進み、電動アシストを実施せずに本ルーチンの実行を終了する。

Ｓ１０３においては、目標ターボ回転速度を決定する。これは上述した手法（１）〜（４）のいずれかを用いて決定するものである。

その後、Ｓ１０４へ進み、Ｓ１０３にて決定した目標ターボ回転速度に対して、高地補正が必要であるか否かを判別する。高地の酸素濃度は低地の酸素濃度より低いため、現時点の位置が高地である場合には、通常よりもターボ回転速度を上昇させる必要がある。それゆえ、本ステップにて、高地補正が必要であるか否か、つまり外気圧力センサの検出値に基づいて把握する現在の位置が所定高度より高いか否かを判別する。

そして、肯定判定、つまり現在の位置が所定高度より高く、高地補正が必要であると判定された場合には、Ｓ１０５へ進み、目標ターボ回転速度を補正する。これは、前記所定高度より高い場合には一律に所定回転速度だけ高くするようにしてもよいし、高度が大きくなるのに応じて回転速度を高めるようにしてもよい。

一方、Ｓ１０４にて否定判定された場合は、Ｓ１０６へ進み、これまでのステップにて決定された目標ターボ回転速度にした場合に、気筒内のノック強度が大きいか否かを判別する。これは、各センサの出力値を基に燃焼室の温度を把握するなど、現時点の気筒の状態を把握し、当該状態でこれまでのステップにて決定された目標ターボ回転速度にした場合にノック強度が所定値より大きくなるか否かを判定するものである。

そして、肯定判定された場合には、Ｓ１０７へ進み、目標ターボ回転速度を補正する。これは、ノック強度が所定値より大きい場合には一律に所定回転速度だけ低くするようにしてもよいし、ノック強度が大きくなるのに応じて回転速度を低めるようにしてもよい。所定値は予め実験等の経験則に基づいて決定されるものである。

一方、Ｓ１０６にて否定判定された場合は、Ｓ１０８へ進み、電動アシストが必要であるか否かを判別する。これは、現時点のターボ回転速度がこれまでのステップにて決定された目標ターボ回転速度より低い場合には電動アシストが必要であると判定するものである。そして、肯定判定された場合は、Ｓ１０９へ進み、ターボ回転速度がこれまでのステップにて決定された目標ターボ回転速度となるように電動アシストを実施する。一方、否定判定された場合は、Ｓ１１０へ進み、電動アシストを実施せずに本ルーチンの実行を終了する。

なお、上述した（４）の手法で目標ターボ回転速度が決定される場合には、加速時に、先ず、アクセル開度、エンジン回転速度に基づいて目標スロットル開度が決定され、当該目標スロットル開度、エンジン回転速度及び図４に示すマップに基づいて目標ターボ回転速度が決定され、当該目標ターボ回転速度となるように電動機６にてアシストされる。そして、その後、実スロットル開度がアクセル開度及びエンジン回転速度に基づいて算出される目標スロットル開度と等しくなる相当の時間（所定期間）を経過した後は、実スロットル開度と目標スロットル開度は同一であると考えられるので、単にスロットルポジションセンサ１２にて検出した実スロットル開度と図３に示すマップに基づいて目標ターボ回転速度を決定するのが好適である。かかる場合、前記相当の時間（所定期間）を、内燃機関の運転状態毎に、予め実験等の経験則に基づいて導き出しておき、電動アシスト実施開始後の経過時間が当該相当の時間（所定期間）を経過したか否かで切り替えることが好適
である。

実施例１に係る内燃機関及びその吸排気系の概略構成を示す図である。アクセル開度、エンジン回転速度及び目標ターボ回転速度の相関関係を示す図である。実スロットル開度、エンジン回転速度及び目標ターボ回転速度の相関関係を示す図である。目標スロットル開度、エンジン回転速度及び目標ターボ回転速度の相関関係を示す図である。実施例に係る電動アシスト制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１内燃機関
２気筒
３吸気通路
４エアクリーナボックス
５エアフローメータ
６過給機
６ｃ回転軸
６ｄ電動機
７インタークーラ
８スロットルバルブ
９アクチュエータ
１０排気マニホールド
１１排気浄化触媒
１２スロットルポジションセンサ
１３アクセル
１４アクセルポジションセンサ
１５回転軸ポジションセンサ
１６クランクポジションセンサ
２０ＥＣＵ

Claims

車両に搭載された内燃機関の排気エネルギーを利用して過給し、その回転軸の回転が電動機によってアシストされ得る電動機付過給機と、
当該過給機の回転速度が目標回転速度となるように前記電動機によるアシスト力を制御する制御手段と、
を備える内燃機関用過給システムであって、
前記制御手段は、前記電動機によるアシスト開始後、所定期間は内燃機関の吸気通路に設けられたスロットルバルブの目標開度と内燃機関の回転速度とに基づいて、前記所定期間経過後は前記スロットルバルブの実開度と内燃機関の回転速度とに基づいて、前記過給機の目標回転速度を決定し、当該目標回転速度となるように前記アシスト力を制御することを特徴とする内燃機関用過給システム。
前記制御手段は、外気の気圧に基づいて前記目標回転速度を補正することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用過給システム。
前記制御手段は、内燃機関の気筒内で生じるノック強度を把握し、当該ノック強度に基づいて前記目標回転速度を補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用過給システム。