JP5518234B1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
内燃機関の制御装置において、バッテリ蓄電量や車載電気負荷の状態まで考慮した外部ＥＧＲ制御と発電制御との協調が可能な内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】
発電機と、電力を蓄えるバッテリと、内燃機関の排気を吸気側へ再循環させるＥＧＲ通路及び排ガスの還流量を調節するＥＧＲバルブを有する外部ＥＧＲ部と、バッテリ蓄電量検出部と、車載電気負荷検出手段と、吸排気圧力、吸排気温度、内燃機関温度、内燃機関パワー、スロットル開度、内燃機関回転数のうち、少なくとも１つを検出する内部状態検出部を有し、内部状態検出部の内部状態信号に基づいて目標ＥＧＲバルブ開度を判断し、蓄電量と車載電気負荷の状態に応じて、ＥＧＲバルブの開度を補正するＥＧＲバルブ開度補正手段を備えた制御部を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、発電機を備えた内燃機関の制御方法に係り、特に発電機の動作とＥＧＲの動作に対する内燃機関の制御装置に関するものである。

内燃機関(エンジン)においては、従来から、排気ガスの一部を吸気側に還流させることで排出ＮＯｘの低減を図るＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)機構が利用されている。
ＥＧＲ機構は、排気通路から吸気通路にかけて還流路を配設し、還流路両端の圧力差によって排気ガスを還流させる外部ＥＧＲ機構と、吸排気バルブの開閉タイミングによって排気ガスを還流させる内部ＥＧＲ機構とが利用されている。外部ＥＧＲ機構においては、排気ガス還流量を調節するために還流路上にＥＧＲバルブが設けられる。

不活性ガスである二酸化炭素を含む排気ガスを吸気側に還流させると、最高燃焼温度が低下するので窒素ガスの酸化が抑制され、ＮＯｘの排出量が減る。また、同一燃料量でリーンバーンさせると、ポンプ損失が減少すると共に燃焼ガス温度が減少するので冷却損失も減少する。この結果、同一出力で比較すれば、ＥＧＲ機構を用いることで燃費を改善することができる場合もある。

また、エンジン（内燃機関）の吸入空気をターボチャージャで過給して、高出力（あるいは、低燃費）を得ようとする内燃機関のダウンサイジングによる燃費向上もある。一般に、自動車用の内燃機関において、その出力向上のためには、燃焼室へ充填される空気の量を増やすことが好ましい。そこで従来は、ピストンの移動に伴って燃焼室内に発生する負圧により空気を燃焼室に吸入するだけでなく、排気ガスのエネルギーで駆動する排気タービンによりコンプレッサを駆動して吸入空気を内燃機関に過給、すなわち、圧縮して供給することで、空気を強制的に燃焼室へ送り込んで、同燃焼室への空気の充填効率を従来より高める過給機が提案、実用化され、過給機による過給圧を高く設定することで該内燃機関のさらなる高出力化を実現するものがあり、これにより従来の同出力内燃機関と比較して小さい排気量でありながら実質的な大排気量を実現している。

ただし、ターボチャージャの課題の一つに排ガスエネルギーを利用して吸入空気を過給するというターボチャージャの原理で排ガスエネルギーの少ない発進・加速時に必要になるような低回転域の過給圧の立ち上がりが悪く、低回転域でのエンジン出力特性が良好でないというものがある。

これを改善するために、ターボチャージャに電動機を組み込んで強制的にターボチャージャを駆動して所望の過給圧を得ようとする試みもなされている。このような場合は、電動機を排ガス発電機として動作させ、排ガスエネルギーを利用し発電を行うことも可能である。排ガスエネルギーを電気エネルギーとして回収し、蓄電装置に供給することで、低燃費を実現できる。

なお、外部ＥＧＲ機構は吸排気通路内の圧力を利用するが、電動機付ターボチャージャは電力を加えることで電動機がターボチャージャのタービンを回転させることにより吸排気通路内圧力を変化できるので、吸排気通路内の圧力は変動し得る。このため、電動機付ターボチャージャと外部ＥＧＲ制御とを併用しようとした場合、ＥＧＲ制御がターボ制御による影響を受け、正確なＥＧＲ制御が行えなくなることが懸念される。これに対して、特許文献1には電動機付ターボチャージャの電動機の制御量や発電量に応じてＥＧＲバルブの開度を補正することで、適切な排気ガス還流量を得て、電動機による過給圧制御と外部ＥＧＲ制御、発電量制御を効果的に協調させている。

特開２００３−３２８８６１号公報

特許文献1では外部ＥＧＲ制御と発電制御が行われているが、バッテリ蓄電量や車載電気負荷の状態まで考慮していない。ここで前記の車載電気負荷とはバッテリにつながる電気機器（例えばスタータやエアコン等）が使用する電気量のことで、典型的には電気機器の総電流量のことである。そのため、通常利用時の平均値と比較して車載電気負荷が大きく、通常想定した中で大きな電力が必要な場合、かつタービンの仕事（ここではタービンがエネルギーを回収できる能力という意味）が余分に余っている場合でも、車載電気負荷を検出していないため、最適な発電量を得られていない懸念がある。また、バッテリの状態を考慮していないので排ガス発電機で発電した電力を利用できない場合があると考えられる。このとき、排ガス発電機は圧損になり、エンジンの燃費を悪化させることも懸念される。ここで、圧損とは、排気管にタービンを入れると配管に栓をする形になり、排圧が高くなってポンプ損失が大きくなり内燃機関の出力を低下させることを意味する。

本発明は、発電機（排ガス発電機を含む）とＥＧＲを備えた内燃機関（エンジン）の制御装置において、バッテリ蓄電量や車載電気負荷の状態まで考慮した外部ＥＧＲ制御と発電制御との協調が可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。

本発明に関わる内燃機関の制御装置は、
車両の内燃機関の排気通路に配置され排気ガスを利用して回転するタービンと、
前記タービンにより駆動されて発電する発電機と
前記発電機により発電された電力を蓄えるバッテリと、
前記内燃機関の排気の一部を吸気側へ再循環させるためのＥＧＲ通路及び排ガスの還流量を調節するために還流路にＥＧＲバルブを有する外部ＥＧＲ部と、
前記バッテリの蓄電量を検出する蓄電量検出部と
前記バッテリにつながる車載電気負荷を検出する車載電気負荷検出部と
前記内燃機関の吸排気圧力、吸排気温度、エンジン温度、エンジンパワー、スロットル開度、エンジン回転数等の内部状態のうち、少なくとも一つを検出する内部状態検出部と、前記内部状態検出部が検出した内部状態信号と前記蓄電量と前記車載電気負荷の状態に応じて、前記ＥＧＲバルブの開度を制御するＥＧＲバルブ開度制御部と、
を備えたものである。

本発明によれば、ＥＧＲバルブ開度と発電量の協調制御において、車載電気負荷が通常の平均値と比較して高い場合に発電量を、目標ＥＧＲ開度時の発電量と比較して多くし、バッテリの消費を抑え、満充電で発電が不要なときやエンジン冷間時に発電を抑制することでエンジン出力低下を抑え、燃費向上を可能にする。

本発明の実施形態１による発電機とＥＧＲを備えた内燃機関の制御装置の全体構成を示す図である。 本発明の実施形態１による発電機とＥＧＲを備えた内燃機関の制御装置の排ガス発電とＥＧＲバルブ開度協調制御のフローチャートを示す図である。 本発明の実施形態１による発電機とＥＧＲを備えた内燃機関の制御装置の排ガス発電とＥＧＲバルブ開度協調制御のフローチャートを示す図で、図２に続く図面である。 本発明の実施形態２による発電機とＥＧＲを備えた内燃機関の制御装置の全体構成を示す図である。 本発明の実施形態２による発電機とＥＧＲを備えた内燃機関の制御装置の排ガス発電とＥＧＲバルブ開度協調制御のフローチャートを示す図である。 本発明の実施形態２による発電機とＥＧＲを備えた内燃機関の制御装置の排ガス発電とＥＧＲバルブ開度協調制御のフローチャートを示す図で、図５に続く図面である。

以下、本発明の発電機とＥＧＲを備えた内燃機関の制御装置の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による発電機（排ガス発電機を含む。以下同様）とＥＧＲを備えた内燃機関の制御装置の全体構成を示す図であり、好ましい形態の１つを示す概略構成図である。

ここで、本実施の形態で説明する内燃機関１は、多気筒エンジンであり、図１においては、そのうちの三気筒エンジンとして記載している。しかしながら、本発明は特にエンジン気筒数を制限するものではない。また、図１において、内燃機関１は自然吸気エンジンとして記載しているが、過給機を備える過給エンジンとしてもよい。

内燃機関１において、外部の空気は、吸気通路２を通じてスロットルバルブ３を通り、シリンダに吸入される。この場合、スロットルバルブ３の開度によって、シリンダ内に吸い込まれる吸気圧を変えることができる。

定常運転時には、運転者はアクセル開度をほぼ一定に維持している。車両の負荷とつり合う出力で内燃機関１は、ほぼ一定の出力となる。制御部４は、その状態でのスロットル開度、インテークマニホールド圧、エンジンパワーからＥＧＲバルブ５の目標ＥＧＲ開度を算出し、ＥＧＲバルブ５の開度を制御する。

ここで、インテークマニホールド圧は圧力センサから検出し、スロットル開度はスロットルバルブ３のセンサから検出し、エンジンパワーはセンサから検出した吸排気温度、吸入空気流量、空燃比から算出する。また記載の検出方法以外の公知の手段、例えばエンジン回転数、インテークマニホールド圧からエンジンパワーを算出する等でも本発明の効果は変わらないので適用可能である。さらに、ここではスロットル開度及びエンジンパワー、インテークマニホールド圧とＥＧＲバルブ５の開度との関係を予めマップとして制御部４に用意しておく。

上述の通り内燃機関１の定常出力が決まると、内燃機関１の制御部４で目標ＥＧＲバルブ開度が決定され、制御部４より補正指示がＥＧＲ通路６にあるＥＧＲバルブ５に与えられる。この定常時に算出されるＥＧＲバルブ５の開度は、車載電気負荷１０の状態やバッテリ８の蓄電量を考慮した発電機とＥＧＲバルブ開度制御における目標ＥＧＲ開度として利用される。車載電気負荷１０の状態やバッテリ８の蓄電量を考慮した発電量とＥＧＲバルブ開度の協調制御時には、この目標ＥＧＲ開度を補正して最終的な制御開度を決定する。なぜなら、発電機７によって発電することで、吸排気圧力、エンジンパワーが変動するために、目標ＥＧＲ開度のみでは適切なＥＧＲ制御は行えないからである。

次に発電機７に関して説明する。発電機７は発電を始め、発電された電力はバッテリ８に蓄電される。また、バッテリ８に蓄電されている電力はバッテリ８に取り付けてある蓄電量検出部９より電圧として検出される。ここで、帯電量検出部とは帯電電圧を測るためのセンサ、及びこのセンサと制御部間に配線されたケーブル類（図中、一点鎖線で示した部分。以下同様）を合わせた部分のことである。さらに、バッテリ８は車載電気負荷１０に電力を送り、車載電気負荷で使用された分を車載電気負荷検出部１１の電流センサで検出する。ここで、車載電気負荷検出部とは車両の電気負荷を測るためのセンサ、及びこのセンサと制御部間に配線されたケーブル類を合わせた部分のことである。それら検出された発電量、車載電気負荷に基づいて、制御部４から目標ＥＧＲ開度に補正量を与える指示を出し、ＥＧＲバルブ開度を補正する。

また、バッテリ８が満充電のときやエンジンの温度が低温のときは発電機のバイパス通路１２にあるバイパスバルブ１３を用いて内燃機関の排ガスを通過させ内燃機関１の出力低下を抑制する。ここで、低温とは外気温を基準にそれ以上に低い場合のことである。このバイパス通路１２はタービン１４と発電機７で構成される排ガス発電機と並列に備えられ、内燃機関（エンジン）からタービン１４へ流れる排気ガスの流量をバイパスバルブ１３の開度を調整することで、タービン１４が回収できるエネルギーや排気圧を調整することができる。

以下、上述の制御の方法（段落００１６〜段落００２２参照）について、フローチャートを用いて説明する。図２及び図３に本実施の形態１でのＥＧＲバルブ５の開度制御のフローチャートを示す（図３は図２に続く図面である）。まず、インテークマニホールド圧、エンジンパワーとスロットル開度とを読みとる（ステップ２０１）。図２、図３のフローチャートでは、インテークマニホールド圧は圧力と略称する。ここで、インテークマニホールド圧は圧力センサによって検出し、スロットル開度はスロットルにあるスロットルポジショニングセンサによって検出する。また、エンジンパワーはセンサから検出した吸排気温度、吸入空気流量、空燃比から算出する。次に、エンジンパワー、圧力とスロットル開度とから、目標ＥＧＲ開度を算出する（ステップ２０２）。ここでは、上述したように制御部４内に用意されたマップから読み取る。目標ＥＧＲ開度が算出された時点で、まず、ＥＧＲバルブ５の開度がこの目標ＥＧＲ開度となるように、制御部４からＥＧＲバルブ５に対して制御信号が送出され、ＥＧＲバルブ５の開度が目標ＥＧＲ開度とされる（ステップ２０３）。

次に、車載電気負荷やバッテリ蓄電量に基づいて発電量を判定すべく、まず車載電気負荷１０から現段階の負荷の状態を車載電気負荷検出部１１の電流センサから読み取ると共に、バッテリ８から現段階の蓄電量の状態を蓄電量検出部９の充電電圧計から検出する。また、内燃機関１が冷間状態（ここで冷間状態とは、内燃機関が外気温と同様かそれ以上に冷えている状態のこと）にあるか否か判断すべく、内燃機関の内部状態検出部１５から温度を検出する（ステップ２０４）。ここで、内部状態検出部とは内燃機関の圧力や温度等の状態を知るためのセンサ、及びこのセンサと制御部間に配線されたケーブル類を合わせた部分のことである。

そして、検出した温度が所定値Ａより低いか否か判断する（ステップ２０５）。所定値Ａは外気温程度かそれ以下に設定され、検出した内燃機関１の温度が所定値Ａより低ければ、内燃機関１は冷間状態と判断できる。冷間状態の場合、始動にエンジンパワーを使うことが望ましいため、発電せず、バイパス通路１２にあるバイパスバルブ１３を開く（ステップ２０８）。これによって始動に必要なエンジンパワーを確保でき、スムーズな発進ができる。

一方、検出した温度が所定値Ａ以上である場合には、バッテリ８の蓄電量が所定値Bより大きいか否か判断する（ステップ２０６）。所定値Bはバッテリ８が満充電状態と判断される値に設定されており、検出した蓄電量がＢより大きければ満充電状態と判断される。満充電状態の場合、発電機７で発電せずにバイパス通路１２にあるバイパスバルブ１３を開く（ステップ２０９）。

満充電の場合、発電機７で発電されたとしてもバッテリ８は充電できないため、バイパスバルブ１３を開いて内燃機関１の出力低下を抑え、燃費の向上を図る。

一方、バッテリ８の蓄電量が所定値B以下の場合には、発電機の発電制御を行うため、目標発電量をエンジン回転数、エンジントルク、ＥＧＲバルブ開度、バイパスバルブ開度から制御部４で算出する。算出方法としては目標発電量及びエンジン回転数、エンジントルク、バイパスバルブ１３の開度とＥＧＲバルブ５の開度との関係を予めマップとして制御部４に用意しておき、読み取る（ステップ２１３）。算出した目標発電量をもとに発電機に発電指示を与え、発電する。その結果、得られた発電量を発電機７から検出する。（ステップ２１４）

さらに、車載電気負荷１０の状態検出量が所定値Cより大きいか否か判断する（ステップ２０７）。所定値Cは予め比較用車載電気負荷量として制御部４に用意しておく。車載電気負荷１０の状態検出量が大きい場合、必要電力が大きいため、発電機７の発電量を大きくする。そのため、制御部４はＥＧＲバルブ５の開度を閉じ側へ補正量を与える（ステップ２１０）。これについて以下詳しく説明する。ここでは発電量を大きくすることが望ましいため、発電機７前後の圧力差が大きいほうが良い。発電機７後の排気ガスの圧力は大気圧程度になると考えられる。そこで発電機７前の圧力を内燃機関の出力が低下しない程度でＥＧＲバルブ５を制御する必要がある。ＥＧＲバルブ５が閉じている場合、内燃機関１から吐き出される排ガスが溜まり圧力が高くなり、発電量が目標ＥＧＲ開度時の発電量と比較して大きくなる。したがって、ＥＧＲバルブ５の開度を閉じ側へ補正量を与えることとなる。つまり、補正量と発電量の関係はＥＧＲバルブが閉じると内燃機関直後の排圧が高まり、発電機７のタービンが回収できるエネルギーが増え、発電量が増えることになる。

これによって車載電気負荷が大きく電力が必要な場合、かつタービンの仕事が余分に余っている場合でも車載電気負荷に応じた最適な発電量を得られる。

一方、発電量が目標EGR開度で通常使う場合から著しく乖離して大きくなると、ポンプ損失（内燃機関の損失のうち吸排気損失のこと）のため、内燃機関１の出力低下が発生する。これは内燃機関において排気側圧力が吸気側圧力より高くなると負の仕事であるポンプ損失が大きくなり、エンジンブレーキがかかっているような状態となるためである。これを防ぐため、内燃機関の内部状態検出部１５で吸排気圧力、温度を検出し（ステップ２１１）、出力低下や急激（ここで、急激とは目標EGR開度で通常使う場合から著しく乖離
した場合を意味する）な圧力、温度上昇変動が一定時間（ここで、一定時間とは異常値とノイズを区別できるだけの時間を意味する。）以上検出された場合、または発電機７の発電量が目標ＥＧＲ開度の発電量からかけ離れた異常に大きい場合（ステップ２１２）、発電機７に発電停止指示を制御部４から指示し（ステップ２１５）、バイパスバルブ１３の開度へ補正量を与え、バイパスバルブ１３を全開にする（ステップ２１６）。

以上のようにすることで排圧が異常に高くなることを抑制し、発電機７の発電量を増加させることができる。

なお、本実施の形態１においては、自然吸気エンジンを例に説明したが、本発明は、本実施の形態１に限定されるものではなく、公知の内燃機関に適用できる。
さらに、コンプレッサ付きエンジンや電動コンプレッサ付きエンジンにも同様に適用でき、コンプレッサや電動コンプレッサによって吸気側の圧力も制御できると、より効果的に協調制御することが出来る（ここで、電動コンプレッサとはコンプレッサ、電動機とその制御装置のことを意味する）。例えば、図１において発電機７のタービン１４にコンプレッサや電動コンプレッサが接続していない場合を記載しているが、発電機７のタービン１４にコンプレッサや電動コンプレッサを接続してもよい。その一例として、電動アシストターボチャージャは排圧増大によるエンジン出力低下を過給で補うことで、ポンプ損失を電動アシストターボチャージャがないときよりも抑えて高出力を達成しながら、実施の形態1と同等の効果を得ることができる。

また、バッテリ８に関しては、一般的にはリチウムイオン電池が適用されるが、鉛バッテリ、ニッケル水素電池や高電圧のキャパシタなどを適用することも可能である。さらに、本発明には、上記以外の電源システムが適用できるものとする。

実施の形態２．
本実施形態２は、上記実施の形態１において図１等に示したバイパス通路、及びバイパスバルブがない場合である。この場合の構成を図４に示す。図４の構成においては、一般的な発電機とＥＧＲを備えた内燃機関の制御装置（例えば、上記特許文献１の図１参照）と比較して、帯電量検出部や車載電気負荷検出部を有している点が異なる。従って、従来例では、帯電量や車載電気負荷の値による制御が不可能であるが、本発明ではこれらの値による制御が可能となる効果がある。

また、図５、及び図６には、本発明の実施形態２に係る装置の動作のフローチャートを示す（図６は図５に続く図面である）。この図５、及び図６のフローチャートについての上記実施の形態１との違いを、図２、図３と異なる部分について以下説明する。まず、温度がある一定の値より小さい場合には、発電機のバイパスを開くのではなく発電機７に発電停止指示を与える。また、温度がある一定の値以上であって、かつ帯電量がある一定の値より大きい場合にも、発電機のバイパスを開くのではなく発電機７に発電停止指示を与える。上記異なる部分以外の部分は、上記図２、及び図３の説明内容と同様であるのでここではその説明を省略する。このように、バイパスバルブがない場合でも発電機７が発電をしないことで、実施の形態１に係る発明の場合と同様の効果を奏することができる。なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 内燃機関、２ 吸気通路、３ スロットルバルブ、４ 制御部、５ ＥＧＲバルブ、６ ＥＧＲ通路、７ 発電機、８ バッテリ、９ 蓄電量検出部、１０ 車載電気負荷、１１ 車載電気負荷検出部、１２ バイパス通路、１３ バイパスバルブ、１４ タービン、１５ 内部状態検出部、１６ 排気通路。

Claims (6)

1. 車両の内燃機関の排気通路に配置され排気ガスを利用して回転するタービンと、
   前記タービンにより駆動されて発電する発電機と
   前記発電機により発電された電力を蓄えるバッテリと、
   前記内燃機関の排気の一部を吸気側へ再循環させるためのＥＧＲ通路及び排ガスの還流量を調節するために還流路にＥＧＲバルブを有する外部ＥＧＲ部と、
   前記バッテリの蓄電量を検出する蓄電量検出部と
   前記バッテリにつながる車載電気負荷を検出する車載電気負荷検出部と
   前記内燃機関の吸排気圧力、吸排気温度、エンジン温度、エンジンパワー、スロットル開度、エンジン回転数等の内部状態のうち、少なくとも一つを検出する内部状態検出部と、前記内部状態検出部が検出した内部状態信号と前記蓄電量と前記車載電気負荷の状態に応じて、前記ＥＧＲバルブの開度を制御するＥＧＲバルブ開度制御部と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記車載電気負荷が所定値より高いと判断された場合、または前記蓄電量が所定値より低いと判断された場合、ＥＧＲバルブの開度を閉じ側にす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. 前記発電機は前記内燃機関の排ガスの一部を通過させる排気通路とは異なるバイパス通路とこのバイパス通路を流れる排ガスの流量を調整するバイパスバルブを前記排気通路と並列に備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記内燃機関の内部状態、前記蓄電量、前記車載電気負荷から、発電が必要ないと判断した場合、前記バイパス通路のバイパスバルブの開度を開の方へ補正することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記内燃機関の内部状態信号である吸排気圧力、吸排気温度、エンジンパワーのうち、少なくとも1つに急激な変動があったと判断された場合、前記バイパスバルブの開度を開き側にすることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記タービンに繋がるコンプレッサを備えるとともに、このコンプレッサを駆動する電動機を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
   

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