JP6623749B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

電動機で吸気を過給する電動式過給機と、排気ガスのエネルギをタービンで回収して吸気を過給する機械式過給機を備えるエンジンの制御装置に関する。

排気ガスのエネルギを利用して、燃焼室に導入される吸気を過給する機械式過給機を備えたエンジンが広く採用されている。

この種の機械式過給機はターボチャージャとも呼ばれ、エンジンの吸気通路の途中にコンプレッサを配置し、排気通路の途中にタービンを配置し、排気通路を流れる排気ガスでタービンを回転させることによりコンプレッサを作動させ、燃焼室への吸入空気量を増大させて、エンジンのトルクの向上を図っている。

また、近年は、排気ガスのエネルギを利用した過給機以外にも、コンプレッサを電動機で駆動するようにした電動式過給機が種々提案されている。電動式過給機は、エンジンの運転状態によらず、電力を供給することで任意に過給が出来るという利点がある（例えば、特許文献１参照）。

また、排気ガスのエネルギを利用する機械式過給機は、排気ガスの一部を分流させることにより、タービンへの流入量を調節するウェイストゲートバルブが採用される。タービンを通過する排気ガスの量をウェイストゲートバルブで調整することで、吸気の過給圧を制御することができる。

従来のウェイストゲートバルブは、過給圧を動力源とした空圧式アクチュエータにより制御されていたが、近年は、電動機で開閉制御するようにした電制式ウェイストゲートバルブも採用されている。ウェイストゲートバルブを電制式とすることで、過給圧が低い場合でも駆動でき、より緻密な制御が可能となっている。

特開２００５−１６３６７４号公報

ところで、エンジン吸入空気量を制御するスロットルバルブが、何らかの原因で運転中に固着する場合がある。例えば、スロットルバルブの弁体と流路の内壁との間に異物が噛み込んだり、あるいは、寒冷地等において、スロットルバルブの周囲に滞留した水分が凍った場合等が挙げられる。

このように、スロットルバルブが固着すると、燃焼室へ導入する吸気量が制御できないので、運転を継続することができない。特に、スロットルバルブが開状態で固着すると、エンジンは回転数が高い状態に維持されるので、運転を継続することは困難である。しかし、運転の停止、車両の停車は何処でもできるわけではなく、安全が確保される場所で行う必要がある。

そこで、この発明の課題は、スロットルバルブが固着した場合であっても、安全が確保される場所までの退避運転を可能とすることである。

上記の課題を解決するために、この発明は、燃焼室へ通じる吸気通路に配置されるスロットルバルブと、前記吸気通路に配置され前記燃焼室への吸気を過給する電動式コンプレッサを備えた電動式過給機と、前記吸気通路における前記電動式コンプレッサの上流側と下流側とを接続する吸気バイパス通路を開閉する吸気バイパスバルブとを備え、前記スロットルバルブの固着時に、前記スロットルバルブの制御に代えて前記吸気バイパスバルブを制御することによって前記燃焼室へ導入される吸気量を調整するエンジンの制御装置を採用した。

ここで、固着した前記スロットルバルブの開度が所定開度未満の場合に、前記電動式コンプレッサを駆動させて前記燃焼室へ導入される吸気量を調整する構成を採用することができる。

また、前記スロットルバルブの固着時における前記吸気バイパスバルブの制御による吸気量の調整又は前記電動式コンプレッサの駆動による吸気量の調整ができない場合に、エンジンを停止させる指令を行う運転停止指令手段を備える構成を採用することができる。

前記電動式コンプレッサは容積型コンプレッサである構成を採用することができる。

これらの各構成において、吸気通路に配置され燃焼室へ導入される吸気を過給する機械式コンプレッサと排気通路に配置される排気タービンとを備えた機械式過給機と、前記排気通路における前記排気タービンの上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路を開閉する排気バイパスバルブと、を備え、前記スロットルバルブの固着時に、前記排気バイパスバルブを開状態とする構成を採用することができる。

この発明によれば、スロットルバルブの制御に代えて、電動式コンプレッサの吸気バイパスバルブを制御することによって燃焼室へ導入される吸気量を調整するようにしたので、スロットルバルブが固着した場合であっても、安全が確保される場所までの退避運転が可能である。

この発明の実施形態を示すエンジンの制御装置の模式図である。 この発明のエンジンの始動時を示すグラフ図である。 この発明のエンジンの制御を示すフローチャートである。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、この実施形態のエンジンの制御装置Ｅを概念的に示す模式図である。

この実施形態のエンジン１は自動車用４サイクルガソリンエンジンである。エンジン１の構成は、図１に示すように、内部に燃焼室を有する気筒２内に吸気を送り込む吸気ポート３、その吸気ポート３に通じる吸気通路４、排気ポート１３から引き出された排気通路１４、吸気ポート３又は燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置等を備えている。吸気ポート３及び排気ポート１３は、それぞれバルブによって開閉される。

この実施形態では４つの気筒を備えた４気筒エンジンを想定しているが、気筒の数に関わらずこの発明を適用可能である。

燃焼室へ通じる吸気通路４には、燃焼室への接続部である吸気ポート３から上流側に向かって、吸気ポート３への流路面積を調節するスロットルバルブ５、吸気通路４を流れる吸気を冷却する吸気冷却装置（インタークーラ）６、機械式過給機（ターボチャージャ）１０の機械式コンプレッサ１１が、さらに上流側の吸気通路４には、エアクリーナ（図示せず）等が設けられる。

排気通路１４には、燃焼室への接続部である排気ポート１３から下流側に向かって、機械式過給機１０のタービン１２、排気中の未燃炭化水素（ＨＣ）等を除去する触媒等を備えた排気浄化部１５、消音器１６等が設けられる。

機械式過給機１０は、図１に示すように、吸気通路４に配置され燃焼室へ導入される吸気を過給する機械式コンプレッサ１１と、排気通路１４に配置される排気タービン１２とで構成される。排気通路１４を流れる排気ガスによって排気タービン１２が回転すると、その回転が吸気通路４の機械式コンプレッサ１１に伝達される。機械式コンプレッサ１１の回転によって、吸気通路４内を流れる吸気に過給が行われる。

また、排気通路１４における排気タービン１２の上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路４１と、その排気バイパス通路４１を開閉する排気バイパスバルブ４２とを備えた排気バイパス装置４０、いわゆるウェイストゲートバルブ装置が設けられている。排気バイパスバルブ４２を開放すれば、排気タービン１２側に流れている排気ガスの一部が排気バイパス通路４１側に分流され、排気タービン１２に加わる排気エネルギが低減される。

この実施形態では、排気バイパスバルブ４２は電動機で開閉制御される電制式ウェイストゲートバルブとなっている。

さらに、吸気通路４の途中には、電動式過給機３０が配置されている。電動式過給機３０は、吸気通路４に配置され燃焼室への吸気を過給する電動式コンプレッサ３２を備える。電力を供給することにより電動式コンプレッサ３２を駆動すると、吸気通路４内を流れる吸気に過給が行われる

また、吸気通路４には、電動式コンプレッサ３２の上流側と下流側とを接続する吸気バイパス通路３３と、その吸気バイパス通路３３を開閉する吸気バイパスバルブ３４が設けられている。吸気バイパスバルブ３４を開放すれば、吸気の大部分は抵抗の少ない吸気バイパス通路３３側へ流れ、電動式コンプレッサ３２のある電動過給側流路３１側へはほとんど流れなくなる。なお、電動式コンプレッサ３２を駆動する際には、吸気バイパスバルブ３４は閉鎖しておく。このように閉鎖しなければ、吸気バイパス通路３３は大気圧力となり、電動式コンプレッサ３２で過給された空気が圧力が低い吸気バイパス通路３３へ逆流する。吸気バイパスバルブ３４を閉鎖することで、このような状態を防止する。

排気バイパスバルブ４２や電動式コンプレッサ３２の駆動電力は、バッテリ６０から供給されるようになっている。ここでは、排気バイパスバルブ４２や電動式コンプレッサ３２に電力を供給するバッテリ６０を、エンジン１の他の部分やこのエンジン１を搭載する車両全般に電力を供給するバッテリと共通としている。ただし、排気バイパスバルブ４２や電動式コンプレッサ３２の駆動電力を供給するバッテリは、エンジン１や車両全体に電力を供給するバッテリとは別に設けることもできる。

排気通路１４の排気タービン１２の下流側と、吸気通路１１の電動式コンプレッサ３２の上流側は、排気ガス再循環装置２０を構成する排気還流通路２１によって連通している。排気還流通路２１を介して、燃焼室から排出される排気ガスの一部が、還流ガスとして吸気通路４の機械式コンプレッサ１１及び電動式コンプレッサ３２の上流側に還流する。この排気還流通路２１には排気還流バルブ２２が設けられている。排気還流バルブ２２の開閉と吸気通路４内の圧力状態に応じて、還流ガスが吸気通路４内の吸気に合流する。

このエンジンＥを搭載する車両は、エンジンを制御するための電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５０を備える。

電子制御ユニット５０は、吸気ポート３又は燃焼室内に設けた燃料噴射装置（図示せず）による燃料噴射や、過給圧の制御、スロットルバルブ５の開度の制御、排気ガス再循環装置２０の制御、その他、エンジンの制御に必要な指令を行う。

また、電子制御ユニット５０は、機械式過給機１０を制御する機械式過給機制御手段５１、電動式過給機３０を制御する電動式過給機制御手段５２、吸気バイパスバルブ３４を制御する吸気バイパス装置制御手段５３、排気バイパス装置４０の排気バイパスバルブ４２を制御する排気バイパス装置制御手段５４、スロットルバルブ５の異常の有無を検知するスロットルバルブ状態検知手段５５を備える。

また、電子制御ユニット５０は、故障等の所定の条件の下で、エンジンを停止させる指令を行う運転停止指令手段５６を備える。エンジンを停止させる指令とは、異常が発生した場合に、音声や視覚により運転者にエンジン停止を促す警告を発する機能の他、エンジンを保護する上で緊急性が高い異常の場合はエンジンの稼働を強制的に停止させる機能を含んでいる。

また、図１に示すように、吸気通路４には、燃料タンクで発生した蒸発燃料をキャニスタ等において一時的に蓄え、それをスロットルバルブ５の下流側に導入するパージ装置ａが設けられている。また、エンジン１の内部に漏出した未燃焼ガスを主成分とするブローバイガスを、吸気ポート３に還流させるブローバイガス還流装置ｂ、電動式コンプレッサ３２の上流側に開口してクランクケース内の圧力を逃がすためのブリーザ装置ｅ等が設けられている。これらの装置も、電子制御ユニット５０が制御する。

さらに、吸気通路４には、エンジン１の制御に必要な情報を取得するセンサ装置として、スロットルバルブ５の下流側の圧力センサｃ、スロットルバルブ５の上流側の圧力センサｄ、吸気通路４内を流れる空気の量を検出するエアーフローセンサｆ等が設けられている。

排気通路１４には、エンジン１の制御に必要な情報を取得するセンサ装置として、排気ガスの温度を検出する排気温度センサｇが設けられている。

また、エンジン１には、シリンダブロック等を冷却する冷却水の温度を検出する水温センサｉ、エンジン１のクランクシャフトの回転速度を検出する回転速度センサｊ、スロットルバルブ５の開度を検出するスロットルポジションセンサｋ等が設けられている。

これらの各種センサ類の情報は、ケーブルを通じて電子制御ユニット５０が取得できるようになっている。

スロットルポジションセンサｋとして種々の構成を採用してよいが、例えば、以下のような構成を採用できる。

そのスロットルポジションセンサｋの一例を説明すると、スロットルバルブ５の弁体５ａを支持するスロットルシャフト５ｂに、そのスロットルシャフト５ｂの軸周り回動に追従して動くロータが備えられている。また、そのロータに取付けられたブラシと、そのブラシの軌跡に沿って配置された複数の接触子を備えている。複数の接触子は、スロットルバルブ５のハウジング側に不動に固定されており、可変抵抗の抵抗パターンを構成している。

ロータの回動とともにブラシは可変抵抗の複数の接触子上を順に摺動しながら移動し、この移動により、抵抗パターンを含む電気回路の抵抗値が変動するようになっている。このため、スロットルバルブ５の開閉に伴ってスロットルシャフト５ｂが回動すると、可変抵抗の抵抗値の変化に基づいて電圧が変動するので、その電圧変動に基づいてスロットルバルブ５の開度が検出される。

ここでは、スロットルポジションセンサｋは、このような可変抵抗を備えた電気回路を、電気回路ａと電気回路ｂの２系統備えている。

このため、例えば、スロットルバルブ５の全開時（図２中の領域Ａ）と全閉時（図２中の領域Ｂ）で測定を行うとする。このとき、電子制御ユニット５０の指令は全開又は全閉であるので、スロットルシャフト５ｂを駆動するモータ５ｃには、全開又は全閉位置までスロットルシャフト５ｂを回動させる指令が発せられ、その指令に基づいて設定された位置で電圧が測定される。

ここで、図２のグラフに示すように、予め用意されているスロットルバルブ５の開度と電圧との関係を示す角度電圧特性図に対して、測定された各電気回路ａ、ｂの電圧が、角度電圧特性図に示す正規の全開時電圧Ｖ_１又はＶ_２、全閉時電圧Ｖ_２又はＶ_１に一致していれば、スロットルバルブ５は正常に開閉動作していると判別できる。また、測定された電圧が角度電圧特性図に示す正規の全開時電圧、全閉時電圧に一致していなければ、スロットルバルブ５が指令に基づく正常な開度になるように回動動作していないか、あるいは、スロットルポジションセンサｋ等に異常があると判別される。

また、スロットルバルブ５の全開時と全閉時以外での開度（図２中の領域Ｃ）で測定を行うとする。このとき、電子制御ユニット５０の指示は全開と全閉との間の特定の開度ｃ１であるので、スロットルシャフト５ｂを駆動するモータ５ｃには、その特定の開度ｃ１までスロットルシャフト５ｂを回動させる指令が発せられ、その指令に基づいて設定された位置で電圧が測定される。

ここで、同じく図２のグラフに示す角度電圧特性図に対して、測定された各電気回路ａ、ｂの電圧が、角度電圧特性図に示す開度ｃ１に対応する正規の電圧Ｖ_３又はＶ_４に一致していれば、スロットルバルブ５は正常に開閉動作していると判別できる。また、測定された電圧が角度電圧特性図に示す正規の電圧Ｖ_３又はＶ_４に一致していなければ、スロットルバルブ５が指令に基づく正常な開度になるように回動動作していないか、あるいは、スロットルポジションセンサｋ等に異常があると判別される。

また、各電気回路ａ、ｂの電圧のいずれか一方が正規の電圧を示しているのに対し、他方が正規の電圧を示していない場合は、スロットルバルブ５は正常に回動動作しているが、他方側の電気回路等に異常があると判別される。

さらに、電子制御ユニット５０によるスロットルバルブ５の開閉の指令にも係わらず、各電気回路ａ、ｂの電圧の両方の電圧が変化しない、あるいは、変化したとしてもその変化の量が所定電圧差未満である場合は、スロットルバルブ５は固着して動かない、あるいは、ある領域（方位）の外へは回動できない異常状態であると判別される。

これらのスロットルバルブ５の異常の有無の検出、及び、その検出した異常の内容の判別、すなわち、その異常が、スロットルバルブ５の開度の異常（指令に基づく正常な開度に対してズレがある等）であるのか、センサ類の異常であるのか、あるいは、スロットルバルブ５の固着して動かなくなっている異常であるのかどうか等の判別は、電子制御ユニット５０が備えるスロットルバルブ状態検知手段５５が行う。

以下、このエンジン１の始動時における制御を、図３のフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップＳ１において、スロットルバルブ５の異常の有無に基づく制御を開始する。ステップＳ２において、スロットルバルブ５の異常の有無が判別される。スロットルバルブ５の異常が検出された場合はステップＳ３へ、異常が無い場合は、ステップＳ１３へ移行し、通常の制御を継続する。

スロットルバルブ５の異常検出された場合、ステップＳ３では、その異常がスロットルバルブの固着であるかどうかが判別される。検出されたスロットルバルブ５の異常が、スロットルバルブの固着である場合は、ステップＳ４へ移行する。検出されたスロットルバルブ５の異常が、スロットルバルブの固着ではない場合は、センサ類の異常等が考えられるので、運転者に対してその異常が警報として通知される。この警報の通知は、電子制御ユニット５０が備える運転停止指令手段５６が行う。

スロットルバルブ５の固着があると判別された場合、それ以上の運転継続は困難であるので、車両を安全な場所まで走行させて退避させる退避運転を行うための制御へ移行する。退避運転は、現在走行中の場所が停車するには危険な場所である場合に、最寄りの安全な場所まで走行するための最小限の走行である。

ここで、スロットルバルブ５の固着の位置が、スロットルバルブ５の開度が予め決められた所定開度以上である場合には、スロットルバルブ５による燃焼室へ導入される吸気量の調整の制御に代えて、吸気バイパスバルブ３４を制御することによって燃焼室へ導入される吸気量を調整する制御を行う（ステップＳ８参照）。

ここで、電動式コンプレッサ３２は容積型コンプレッサである場合には、その電動式コンプレッサ３２を通る吸気通路４は、電動式コンプレッサ３２を挟んで上流側と下流側とが閉塞しているので、吸気バイパスバルブ３４による吸気量の制御を行いやすいという特徴がある。それに対して、電動式コンプレッサ３２が速度型コンプレッサである場合には、その電動式コンプレッサ３２を通る吸気通路４は、電動式コンプレッサ３２を挟んで上流側と下流側とが隙間を通じて連通しているので、吸気バイパスバルブ３４による吸気量の制御では、やや吸気量を把握しにくいという特徴がある。

また、スロットルバルブ５の固着の位置が、スロットルバルブ５の開度が所定開度未満の場合には、電動式コンプレッサ３２を駆動させるとともに、吸気バイパスバルブ３４を制御して、燃焼室へ導入される吸気量を調整する制御を行う（ステップＳ５、ステップＳ６参照）。

このとき、電動式コンプレッサ３２を駆動するので、吸気バイパスバルブ３４は全閉状態とする。

このように、燃料室への吸気量を制御するスロットルバルブ５が開いた状態で固着した場合、通常は、吸気量の制御が出来ない状況である。しかし、電動式過給機３０を停止した状態で、電動式過給機３０を迂回する吸気バイパス通路３３の開閉を制御する吸気バイパスバルブ３４を制御することで吸気量を制御することができ、これにより退避運転が可能となる。また、吸気バイパスバルブ３４を閉鎖した状態で、電動式過給機３０を駆動することによっても吸気量を制御することができ、退避運転が可能となる。

さらに、このようなスロットルバルブ５の固着時には、機械式過給機１０の排気タービン１２の上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路４１を開閉する排気バイパスバルブ４２を開状態とする（ステップＳ７参照）ことで、さらに安全な退避運転が可能となる。

スロットルバルブ５の固着時における制御は、必要最小限の退避運転のみを可能とするものであるため、運転者の要求の有無にかかわらず、排気バイパスバルブ４２を開状態、望ましくは全開状態を保持することにより、機械式過給機１０の過給による退避運転に不要な高出力が発生しないようにすることができる。

また、上記のような、スロットルバルブ５の固着時における吸気バイパスバルブ３４の開閉制御、又は、電動式コンプレッサ３２の駆動によっても、退避運転に必要な吸気量の調整ができない場合も想定される。例えば、吸気バイパスバルブ３４の開閉制御や電動式コンプレッサ３２の駆動を行っても、エンジンの回転数が上がらない、アイドリングを維持できない、あるいは、異常な高回転になってしまう等の事態も考えられる。このように、退避運転に必要な吸気量の調整ができない場合は、それ以上の運転は困難である。

そこで、ステップＳ１０では、退避運転に必要な吸気量の調整ができない場合に該当するかどうかを判別する。退避運転に必要な吸気量の調整が可能であれば、必要な吸気量の制御が継続され、退避運転が実施される（ステップＳ１１）とともに、退避運転が終了すれば、ステップＳ１３でその制御を終了する。退避運転に必要な吸気量の調整が不可能であれば、ステップＳ１２へ移行し、エンジンを停止させる指令を行う。この指令は運転停止指令手段５６が行い、音声や視覚により運転者にエンジン停止を促す警報が発せられる。あるいは、エンジンを保護する上で緊急性が高い異常の場合は、エンジンの稼働を強制的に停止させる制御が行われる。

この実施形態では、排気バイパス装置４０、すなわち、ウェイストゲートバルブ装置を電制式とすることで、過給圧が低い場合でも駆動でき、より緻密な制御を可能としているが、ウェイストゲートバルブ装置は、過給圧を動力源とした空圧式アクチュエータにより制御してもよい。このとき、バキュームポンプを用いた負圧式とすることが望ましい。

この実施形態のエンジン１は自動車用４サイクルガソリンエンジンとしたが、この実施形態には限定されず、他の形式のガソリンエンジンの他、ディーゼルエンジンでもこの発明を適用できる。

１ エンジン
２ 気筒
３ 吸気ポート
４ 吸気通路
５ スロットルバルブ
６ 吸気冷却装置（インタークーラ）
７ 第二スロットルバルブ
１０ 機械式過給機
１１ 機械式コンプレッサ
１２ 排気タービン
１３ 排気ポート
１４ 排気通路
１５ 排気浄化部
１６ 消音器
２０ 排気還流装置
２１ 排気還流通路
２２ 排気還流バルブ
３０ 電動式過給機
３２ 電動式コンプレッサ
３３ 吸気バイパス通路
３４ 吸気バイパスバルブ
４０ 排気バイパス装置
４１ 排気バイパス通路
４２ 排気バイパスバルブ
５０ 電子制御ユニット
５１ 機械式過給機制御手段
５２ 電動式過給機制御手段
５３ 吸気バイパス装置制御手段
５４ 排気バイパス装置制御手段
５５ スロットルバルブ状態検知手段
５６ 運転停止指令手段

Claims (4)

1. 燃焼室へ通じる吸気通路に配置されるスロットルバルブと、
   前記吸気通路に配置され前記燃焼室への吸気を過給する電動式コンプレッサを備えた電動式過給機と、
   前記吸気通路における前記電動式コンプレッサの上流側と下流側とを接続する吸気バイパス通路を開閉する吸気バイパスバルブと、
   を備え、
   前記スロットルバルブの固着時に、前記スロットルバルブの制御に代えて前記吸気バイパスバルブを制御することによって前記燃焼室へ導入される吸気量を調整し、
   固着した前記スロットルバルブの開度が所定開度未満の場合に、前記電動式コンプレッサを駆動させて前記燃焼室へ導入される吸気量を調整するエンジンの制御装置。
2. 前記スロットルバルブの固着時における前記吸気バイパスバルブの制御による吸気量の調整又は前記電動式コンプレッサの駆動による吸気量の調整ができない場合に、エンジンを停止させる指令を行う運転停止指令手段を備える
   請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 前記電動式コンプレッサは容積型コンプレッサである
   請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。
4. 吸気通路に配置され燃焼室へ導入される吸気を過給する機械式コンプレッサと排気通路に配置される排気タービンとを備えた機械式過給機と、
   前記排気通路における前記排気タービンの上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路を開閉する排気バイパスバルブと、
   を備え
   前記スロットルバルブの固着時に、前記排気バイパスバルブを開状態とする
   請求項１〜３の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。

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