JP6201439B2 - 内燃機関の制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、吸気通路に電動過給機およびバイパス通路を備えてなる内燃機関の制御装置および制御方法に関する。

吸気系に電動過給機を備えた内燃機関が知られている。特許文献１には、電動過給機の非作動時に該電動過給機が通気抵抗とならないようにするために、電動過給機と並列にバイパス通路を設けるとともに、このバイパス通路にバイパス弁を設けた構成が開示されている。このバイパス通路に設けたバイパス弁は、例えばソレノイドによって駆動され、電動過給機の非作動時にはバイパス通路を開き、電動過給機の作動時にはバイパス通路を閉じる構成となっている。

特開２００５−２２６５０５号公報

しかしながら、上記のように電動過給機に並列に設けたバイパス通路をバイパス弁によって開閉する構成においては、運転条件の変化に伴い電動過給機が作動開始したときに、バイパス弁が速やかに全閉とならないと、電動過給機による過給圧の立ち上がりが悪化する。従って、バイパス弁に高い応答性が要求され、アクチュエータとして例えば大型のソレノイド等が必要となる。

この発明は、目標トルクに応じて動作する電動過給機を吸気通路に備えるとともに、この電動過給機をバイパスするバイパス通路を備え、かつこのバイパス通路に、上記電動過給機の非作動・作動に応じて該バイパス通路を開閉するバイパス弁を備えてなる内燃機関の制御装置であって、
上記内燃機関は、ターボ過給機をさらに備え、該ターボ過給機のコンプレッサと上記電動過給機とが直列に配置されており、
上記目標トルクが非過給領域でかつ機関回転速度が所定回転速度より低いときに、上記バイパス弁を中間開度に保持する一方、非過給領域でかつ機関回転速度が上記所定回転速度以上のときには、上記バイパス弁を全開とする、ことを特徴としている。

このように非過給領域において中間開度に保持しておくことにより、目標トルクが上昇して電動過給機が作動開始したときに、直ちにバイパス弁を全閉とすることができ、過給圧の立ち上がりが向上する。また非過給領域であっても機関回転速度が所定回転速度以上のときには、上記バイパス弁を全開とすることで、電動過給機が通気抵抗とならず、電動過給機がターボ過給機の応答性を損なうことがない。

好ましい一つの態様では、上記目標トルクを実現するのに必要な吸入空気量を算出する手段を有し、上記中間開度は、上記吸入空気量に応じて可変的に設定される。すなわち、目標トルクが非過給領域であるときに、吸入空気量を制限しない範囲内で最小の開度にバイパス弁の中間開度が設定され、ポンプ損失の増大を伴わずに、過給圧の立ち上がりの向上が最大限に図れる。

この発明によれば、目標トルクの上昇に伴って電動過給機が作動開始する際に、バイパス通路が速やかに閉じ、過給圧の立ち上がりが向上する。また、バイパス弁を駆動するアクチュエータとして比較的小型のものを用いることが可能となり、駆動エネルギの低減等の上で有利となる。

この発明の一実施例のシステム構成を示す構成説明図。 一実施例の制御の流れを示すフローチャート。 目標トルクと回転速度とをパラメータとした運転領域上での電動過給機の作動領域等を示す説明図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明の一実施例として、電動過給機２とターボ過給機３とを併用してなる内燃機関１を示している。この内燃機関１は、例えば４ストロークサイクルの火花点火式ガソリン機関であって、その排気通路６には、ターボ過給機３の排気タービン４が配置され、該排気タービン４の下流側に、例えば三元触媒を用いた触媒コンバータ７が配置されている。なお、排気通路２のさらに下流側には、図示せぬ排気消音器が設けられており、該排気消音器を介して排気通路６は外部へ開放されている。上記排気タービン４は、過給圧制御のための公知のウェストゲートバルブ８を備えている。内燃機関１は、例えば筒内直噴型の構成であり、シリンダ内に燃料を噴射する図示せぬ燃料噴射弁が各気筒毎に設けられているとともに、点火プラグ９をそれぞれ備えている。上記燃料噴射弁の噴射時期ならびに噴射量、および上記点火プラグ９の点火時期は、エンジンコントロールユニット１０によって制御される。

内燃機関１の吸気通路１１には、上流側から順に、エアクリーナ１２、エアフロメータ１３、スロットル弁１４、が配置されており、上記ターボ過給機３のコンプレッサ５が、上記エアフロメータ１３と上記スロットル弁１４との間に配置されている。そして、上記コンプレッサ５と上記エアフロメータ１３との間に、上記電動過給機２が配置されている。つまり、ターボ過給機３のコンプレッサ５と電動過給機２とは、電動過給機２が相対的に上流側となるようにして互いに直列に配置されている。そして、上記電動過給機２の入口側と出口側とを電動過給機２を経由せずに接続するように、バイパス通路１５が設けられている。このバイパス通路１５には、該バイパス通路１５を開閉するバイパス弁１６が設けられている。また上記コンプレッサ５とスロットル弁１４との間には、インタークーラ１７が介装されている。上記スロットル弁１４は、コレクタ部１１ａの入口部に位置し、このコレクタ部１１ａよりも下流側の吸気通路１１は、各気筒毎のブランチ部として分岐している。なお、本発明においては、ターボ過給機３のコンプレッサ５の下流側に電動過給機２を配置した構成も可能である。

上記スロットル弁１４は、電動モータ等のアクチュエータを具備したものであり、運転者により操作される図示せぬアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ２１の検出信号に基づいて、上記エンジンコントロールユニット１０からの制御信号によって、その開度が制御される。スロットル弁１４によって制御された吸入空気量は、エアフロメータ１３によって検出される。上記エンジンコントロールユニット１０には、機関回転速度を示すクランク角センサ２２からの検出信号と、吸入空気量を示す上記エアフロメータ１３からの検出信号と、を含む種々のセンサ類の検出信号が入力されている。

上記電動過給機２は、吸気通路１１に介在するコンプレッサ部２ａと、このコンプレッサ部２ａを駆動する電動モータ２ｂと、を有している。なお、図１には、コンプレッサ部２ａがターボ過給機３のコンプレッサ５と同様に遠心形コンプレッサとして図示されているが、本発明においては、ルーツブロアやスクリュー形コンプレッサなど任意の形式のコンプレッサを利用することが可能である。同様に、上記バイパス弁１６は、図１では、ソレノイドもしくは電動モータによって開閉されるバタフライ形バルブが例示されているが、本発明においては、バタフライ形バルブに限らず、他の形式の弁であってもよい。これらの電動過給機２およびバイパス弁１６は、後述するように、上記エンジンコントロールユニット１０によって制御される。

次に、図３は、上記内燃機関１の目標トルクｔＴｅと回転速度Ｎｅとをパラメータとして、電動過給機２の作動領域等を図示した説明図であり、以下、これに基づいて、電動過給機２およびバイパス弁１６の制御の概略を説明する。

図３において、破線Ｔ０は、過給圧が大気圧相当となるトルク（負荷）を示しており、従って、これよりも上方の運転領域は過給領域となり、下方の運転領域は非過給領域となる。本実施例では、過給領域がさらに３つの運転領域に分けられる。すなわち、過給領域は、図示するように、低速高負荷域に位置する第１過給領域Ａと、回転速度Ｎｅが高い高速域に位置する第３過給領域Ｃと、両者間に位置する第２過給領域Ｂと、を含んでいる。

ここで、運転領域全体を囲む「ＷＯＴ」として示す線は、電動過給機２とターボ過給機３との双方を利用する内燃機関１全体の全開特性を示しており、これに対し「ＷＯＴ１」として示す線は、電動過給機２に依存せずにターボ過給機３のみで定常状態で実現可能なトルクを示している。このようにターボ過給機３のみで定常的で得られるトルクは、低速回転領域では比較的低く、排気量が排気タービン４の駆動に十分となるある回転速度以上で最大トルクとなる。第１過給領域Ａは、この低速回転領域でのトルク不足を補うように設定されており、従って、低速回転領域での線ＷＯＴと線ＷＯＴ１との間が第１過給領域Ａとなる。この第１過給領域Ａでは、電動過給機２が作動し、かつバイパス弁１６は全閉に保たれる。

第３過給領域Ｃは、ターボ過給機３が十分に作用する比較的高速側の領域であり、ターボ過給機３のみで目標トルクｔＴｅの実現が可能である。従って、この第３過給領域Ｃでは、電動過給機２は非作動となる。そして、電動過給機２が通気抵抗とならないようにするために、バイパス弁１６は全開となる。全開特性ＷＯＴの線上では、ある回転速度において、第３過給領域Ｃと第１過給領域Ａとが実質的に隣接している。

第２過給領域Ｂは、定常状態ではターボ過給機３の過給のみで目標トルクｔＴｅの実現が可能である（つまりＷＯＴ１の領域内に含まれている）ものの、過渡時にはターボ過給機３の応答遅れによって目標トルクｔＴｅを得ることが困難な運転領域に相当する。第２過給領域Ｂと第３過給領域Ｃとの境界となる回転速度は、高負荷側では、第１過給領域Ａと第３過給領域Ｃとの境界と実質的に一致している。そして、低負荷側では、これよりも多少高回転側の回転速度Ｎｅｔｈが第２過給領域Ｂと第３過給領域Ｃとの境界となる。この第２過給領域Ｂでは、運転条件が当該第２過給領域Ｂに移行してから所定時間の間は、電動過給機２が作動し、かつバイパス弁１６が全閉となる。これにより、ターボ過給機３による過給圧の立ち上がりが電動過給機２によってアシストされ、加速性能が向上する。所定時間経過後は、電動過給機２が非作動となり、かつバイパス弁１６は全開となる。このようにバイパス弁１６を全開とすることで、バイパス弁１６による圧力損失の発生が回避され、その後のターボ過給機３による過給圧の立ち上がりを阻害することがない。

一方、過給圧が負圧となる非過給領域は、さらに、低速側の第１非過給領域Ｄと高速側の第２非過給領域Ｅとに分けられる。これらの２つの領域は、上記の第２過給領域Ｂと第３過給領域Ｃとの境界となる回転速度Ｎｅｔｈを境界として区分されている。この回転速度Ｎｅｔｈは、回転速度Ｎｅがこれ以上のとき、アクセルペダルが踏み込まれて運転条件が過給領域へ移行しても電動過給機２を作動させる必要がない回転速度に相当する。

第２非過給領域Ｅでは、電動過給機２は非作動であり、かつ電動過給機２が通気抵抗とならないようにするために、バイパス弁１６は全開となる。従って、電動過給機２がターボ過給機３の応答性を損なうことがない。

これに対し、第１非過給領域Ｄでは、過給が不要な非過給領域であるため電動過給機２は非作動であるが、バイパス弁１６は、全開ではなく中間開度に保持される。より具体的には、各運転条件の下での吸入空気量に対応して、吸入空気量を制限することがない最小開度に保持される。このように中間開度に保持しておくことで、目標トルクｔＴｅが過給領域に移行したときに、直ちにバイパス弁１６を全閉とすることができ、電動過給機２の作動開始に伴って過給圧が速やかに上昇する。

次に、図２のフローチャートに基づいて、上記実施例の電動過給機２およびバイパス弁１６の制御をより詳しく説明する。

図２に示す制御ルーチンは、エンジンコントロールユニット１０において所定時間毎に繰り返し実行されるものであって、ステップ１で、アクセル開度センサ２１により検出されるアクセル開度ＡＰＯとクランク角センサ２２により検出される機関回転速度Ｎｅとを読み込む。

ステップ２では、アクセル開度ＡＰＯと回転速度Ｎｅとに基づき、内燃機関１の目標トルク（目標負荷）ｔＴｅを算出する。そして、ステップ３で、目標とする運転条件（目標トルクｔＴｅ、回転速度Ｎｅ）が非過給領域（図３参照）にあるか否かを判断する。ここでＹＥＳの場合はステップ４へ進み、ＮＯの場合はステップ８へ進む。

ステップ４では、回転速度Ｎｅが前述した所定回転速度Ｎｅｔｈより低いか否かを判断する。つまり、図３の第１非過給領域Ｄであるか第２非過給領域Ｅであるかを判別する。ここでＹＥＳつまり第１非過給領域Ｄの場合はステップ５へ進み、ＮＯつまり第２非過給領域Ｅの場合はステップ６へ進む。

ステップ５では、目標トルクｔＴｅと回転速度Ｎｅとに基づき、バイパス弁開度ＢＶＯを算出する。具体的には、目標トルクｔＴｅと回転速度Ｎｅとから必要となる吸入空気量が決まるので、その吸入空気量に対しバイパス弁１６が律速とならない最小開度をバイパス弁開度ＢＶＯとする。バイパス弁１６は、図示せぬ他のルーチンにより、本ステップ５で算出されたバイパス弁開度ＢＶＯに応じて中間開度に制御される。なお、中間開度ＢＶＯの設定の際にエアフロメータ１３が検出する吸入空気量を用いることもできるが、上記のように目標トルクｔＴｅに基づいて算出した吸入空気量を用いた方が、過渡時により適切な開度に保つことができる。

このようにバイパス弁１６を中間開度に制御しておくことで、要求の運転条件が第１非過給領域Ｄから第１過給領域Ａや第２過給領域Ｂへ移行したとき（例えば、図３に示すＤ１点からＡ１点への移行、あるいは、Ｄ２点からＢ１点への移行）に、バイパス弁１６を直ちに全閉することが可能となり、電動過給機２による過給圧を速やかに上昇させることができる。

ステップ４の判断がＮＯつまり第２非過給領域Ｅの場合に実行されるステップ６では、バイパス弁開度ＢＶＯを全開に設定する。回転速度Ｎｅが所定回転速度Ｎｅｔｈ以上である場合、アクセルペダルが踏み込まれて運転条件が過給領域へ移行（例えば、図３に示すＥ１からＣ１へ移行）しても、移行先である第３過給領域Ｃは電動過給機２を作動させない領域であるから、バイパス弁１６が閉じることはない。むしろターボ過給機３による過給圧の立ち上がりを阻害することがないように、予めバイパス弁開度ＢＶＯを全開とするのである。

ステップ５、ステップ６のいずれの場合もステップ７へ進む。このステップ７では、目標とする運転条件が非過給領域にあるので、電動過給機２を停止する。

一方、目標とする運転条件が過給領域内である場合に実行されるステップ８では、さらに、運転条件が第１過給領域Ａ内にあるか否かを判断する。前述したように、第１過給領域Ａは、ターボ過給機３のみでは目標トルクｔＴｅを実現できない運転領域である。従って、ここでＹＥＳである場合はステップ９へ進み、バイパス弁開度ＢＶＯを全閉に設定するとともに、ステップ１３において、電動過給機２を作動させる。

ステップ８の判断がＮＯの場合には、ステップ１０で、さらに、目標とする運転条件が第２過給領域Ｂ内にあるか否かを判断する。第２過給領域Ｂは、前述したように、定常的にはターボ過給機３のみで目標トルクｔＴｅを実現可能であるが、回転速度Ｎｅが比較的低いため、過給圧の立ち上がりの遅れ（いわゆるターボラグ）が問題となる領域である。従って、この領域に運転条件が移行してきた初期にのみ、電動過給機２によって過給圧のアシストを行う。

ステップ１０において第２過給領域Ｂ内と判断した場合は、ステップ１１へ進み、運転条件が第２過給領域Ｂに移行してきてから所定時間（電動過給機２によるアシストが必要な時間）内か否かを判断する。ここで所定時間内であれば、ステップ１２へ進み、バイパス弁開度ＢＶＯを全閉に設定するとともに、ステップ１３において、電動過給機２を作動させる。

ステップ１１で所定時間経過後と判断した場合は、ステップ１４へ進み、バイパス弁開度ＢＶＯを全開に設定するとともに、ステップ１５において、電動過給機２を非作動とする。つまり、以後は、ターボ過給機３のみで過給が行われる。

一方、ステップ１０で第２過給領域Ｂ内でないと判断した場合は、目標とする運転条件は第３過給領域Ｃ内にある。この場合は、ターボ過給機３のみで目標トルクｔＴｅを実現できるので、ステップ１４へ進み、バイパス弁開度ＢＶＯを全開に設定するとともに、ステップ１５において、電動過給機２を非作動とする。

以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、上記実施例では、電動過給機２とターボ過給機３とを併用した実施例について説明したが、本発明は、電動過給機のみを備えた内燃機関においても同様に適用が可能である。この場合、電動過給機は一般に低速側のみで使用されるので、低速側の非過給領域では中間開度とし、高速側で電動過給機が非作動となる運転条件では全開とすればよい。

また上記実施例では、吸入空気量に応じて中間開度を可変的に設定しているが、制御の簡易化のために、一定の中間開度とするようにしてもよい。

さらに、電動過給機は、単純にオン・オフ制御されるものに限定されず、作動時に、その容量が可変に制御されるものであってもよい。

１…内燃機関
２…電動過給機
３…ターボ過給機
１０…エンジンコントロールユニット
１５…バイパス通路
１６…バイパス弁

Claims (5)

1. 目標トルクに応じて動作する電動過給機を吸気通路に備えるとともに、この電動過給機をバイパスするバイパス通路を備え、かつこのバイパス通路に、上記電動過給機の非作動・作動に応じて該バイパス通路を開閉するバイパス弁を備えてなる内燃機関の制御装置であって、
   上記内燃機関は、ターボ過給機をさらに備え、該ターボ過給機のコンプレッサと上記電動過給機とが直列に配置されており、
   上記目標トルクが非過給領域でかつ機関回転速度が所定回転速度より低いときに、上記バイパス弁を中間開度に保持する一方、非過給領域でかつ機関回転速度が上記所定回転速度以上のときには、上記バイパス弁を全開とする、ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 目標トルクと機関回転速度とから上記電動過給機の作動領域が定められてい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. 上記ターボ過給機の過給のみで実現可能な運転領域が上記作動領域に含まれており、この領域では、所定時間経過後に、上記電動過給機を非作動とするとともに上記バイパス弁を全開とすることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 上記目標トルクを実現するのに必要な吸入空気量を算出する手段を有し、
   上記中間開度は、上記吸入空気量に応じて可変的に設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
5. 目標トルクに応じて動作する電動過給機を吸気通路に備えるとともに、この電動過給機をバイパスするバイパス通路を備え、かつこのバイパス通路に、上記電動過給機の非作動・作動に応じて該バイパス通路を開閉するバイパス弁を備え、さらにターボ過給機を備え、該ターボ過給機のコンプレッサと上記電動過給機とが直列に配置されてなる内燃機関において、
   上記目標トルクが非過給領域でかつ機関回転速度が所定回転速度より低いときに、上記バイパス弁を中間開度に保持する一方、非過給領域でかつ機関回転速度が上記所定回転速度以上のときには、上記バイパス弁を全開とする、ことを特徴とする内燃機関の制御方法。

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