JP6672784B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

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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、エンジンが低回転域にある状態では排気ガスの量が少ないので、機械式過給機を作動させるのに充分な排気ガスを確保できない場合が多い。このため、エンジンの低回転域からアクセルを踏み込んで加速するような運転状態では、加速に必要な吸気の過給圧を早期に確保することができない。
ここで、機械式過給機への排気ガスの供給量を増やすために、ウェイストゲートバルブを閉じる手法が考えられる。しかし、エンジンの低回転域では、燃焼室から排出される排気ガスの総量が少ないため、ウェイストゲートバルブを閉じても機械式過給機のタービン回転速度は上昇しない。このため、エンジンの低回転域からの加速要求時に、適切な吸気の過給圧を早期に確保したいという要請がある。
そこで、この発明の課題は、エンジンの低回転域からの加速要求時に、適切な吸気の過給圧を早期に確保すると共に、迅速にトルクを増大させることである。
上記の課題を解決するために、この発明は、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過給機と排気通路に配置される排気タービンと、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、前記吸気通路に配置され燃焼室への吸気を過給する電動式過給機と、を備え、前記排気バイパスバルブを開状態にし前記電動式過給機を作動するエンジンの制御装置を採用した。
前記エンジンの制御装置は、前記電動式過給機の作動領域か否かを判定する判定部と、
前記吸気通路における前記電動式過給機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、前記電動式過給機の作動領域と判定した場合に、前記排気バイパスバルブを開状態にした後に前記吸気バイパスバルブを閉状態にし前記電動式過給機を作動する構成を採用することができる。
また、前記エンジンの制御装置は、前記電動式過給機の作動領域から前記機械式過給機の作動領域へ移る際に前記排気バイパスバルブを閉状態にし前記電動式過給機の作動を停止する構成を採用することができる。
さらに、前記エンジンの制御装置は、前記電動式過給機の作動領域から前記機械式過給機の作動領域へ移る際に前記排気バイパスバルブを閉状態にした後に前記吸気バイパスバルブを開状態にし前記電動式過給機を停止する構成を採用することができる。
ここで、前記判定部は、前記吸気通路内の過給圧が所定圧以上となった場合、又は、前記電動式過給機が使用した電力量が所定電力量以上となった場合、又は、前記電動式過給機の使用時間が所定時間以上となった場合、又は、前記電動式過給機の発熱量が所定発熱量以上となった場合に前記電動式過給機の作動領域から外れたと判定する構成を採用することができる。
開状態から閉状態へ移行する際の前記排気バイパスバルブの開度は、前記電動式過給機による過給の出力に基づいて決定される構成を採用することができる。
この発明によれば、エンジンの低回転域からの加速要求時に、排気バイパスバルブを開状態とし且つ電動式過給機を駆動するようにしたので、加速要求に必要な適切な吸気の過給圧を確保すると共に、迅速にトルクを増大させることができる。
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、流路面積を調節する第二スロットルバルブ7、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を備える。排気通路14には、機械式コンプレッサ11を回転させるための排気タービン12が配置される。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。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は閉鎖しておくことが必要となる。
排気バイパスバルブ42や電動式コンプレッサ32、吸気バイパスバルブ34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、吸気バイパスバルブ34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の機械式コンプレッサ11と第二スロットルバルブ7との中途部分は、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の開閉と第二スロットルバルブ7の開閉に伴う吸気通路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1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や第二スロットルバルブ7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を備える。さらに、電子制御ユニット50は、電動式過給機30の作動領域か否かを判定する判定部55を備えている。
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、第二スロットルバルブ7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が設けられ、また、エンジン1を搭載する車両の車体(図示せず)には、アクセルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ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。
以下、このエンジン1の加速時における制御を、図4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、加速要求があったものとする。すなわち、運転者がアクセル操作により、アクセルペダルを所定踏み込み量以上深く踏み込んだ状態となったものとする。
ステップS2では、S1で検出した加速要求に応じた現在のエンジン1が出力すべきトルクから、エンジン1に必要とする目標吸気量を算出する。この目標吸気量から電子制御ユニット50に記憶されたマップ等に基づいて目標とする過給圧が設定される。
ここでは、アクセル開度センサkによって検出されるアクセル開度や、水温センサiによって検出される冷却水の水温等、エンジン1の回転数、エンジン1のトルク、その他、エンジン1の制御に必要な情報が、電子制御ユニット50に読み込まれている。
つぎに、ステップS3では、ステップS2で算出した目標吸気量が、電動過給機30の運転領域か否かを電子制御ユニット50の判定部55が判断する。ここで、電子制御ユニット50には、例えば、後述する図2のように、電動過給機30と機械式過給機10の特性に応じて低吸気量では電動過給機30による過給を行い、高吸気量では機械式過給機10で過給するように領域を設定したマップが記録されている。電動過給機30の運転領域か否かの判断は、ステップS2で求めた目標吸気量と目標過給圧を、このマップに照らしあわせて判断する。また、さらに、電動過給機30の作動領域か否かは、電動過給機30に電力を供給するバッテリ60の充電量や、電動コンプレッサ32を駆動させるモータの耐久性によっても併せて判断される。
ステップS3で、電動過給機の運転領域であると判断された場合は、ステップS4で吸気バイパスバルブ34を閉状態に制御して吸気バイパス通路33を閉鎖したうえで、ステップS5で排気バイパスバルブ(ウェイストゲートバルブ)42を開状態に制御する。その後、ステップS6で電動過給機30を作動させ電動式コンプレッサ32を駆動することで過給を開始する。
このように、電動過給機30が作動する際に、排気バイパスバルブ42が開状態に制御されることで、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とで、排気ポート13内の圧力の上昇が抑制される。
一方で、電動式過給機30が作動することで電動式コンプレッサ32の過給によって吸気側の圧力が上昇する。このように、吸気側の圧力が排気側の圧力より高くなると、排気が筒内に逆流することを防止することができる。すなわち、シリンダ内の掃気効果が強化されて、筒内残留燃焼ガス量が低下する。筒内残留ガス量が低下すると筒内ガス温度が低下し、ノッキングが抑制されるため、点火時期を進めることが可能となる。点火時期を進めると熱効率が増大し、エンジン出力が増加するので、加速性能を向上させることができる。
さらに、吸気バイパスバルブ34を閉状態に制御した後、電動過給機30が作動(電動式コンプレッサ32が駆動)する前に排気バイパスバルブ42を開状態に制御することで、電動過給機30による過給が気内に供給される前に排気圧力を予め低下させておくことで、掃気効果を得やすい。なお、このエンジン1の制御では、吸気通路4の燃焼室への開口を開閉する吸気バルブと、排気通路14の燃焼室への開口を開閉する排気バルブの両方が開放された状態であるバルブオーバーラップ期間が設定されているので、掃気効果が期待できる。
次に、ステップ2で算出した目標吸気量が、電動過給機30による運転領域でない場合について、説明する。
ステップS3では、ステップS2で算出した吸気量が電動過給機30の運転領域でないと判定した場合、ステップS9で排気バイパスバルブ42が開状態の場合は閉状態に制御する。このとき、機械式過給機10の排気タービン12に排気が供給され排気タービン12と同軸上に配置された機械式コンプレッサ11が過給を開始する。その後、ステップS10で吸気バイパスバルブ34を開状態に制御し、最後にステップS11で電動過給機30の作動を停止し、電動式コンプレッサ32による過給を停止する。このように、排気バイパスバルブ42を閉状態に制御したのち、電動過給機30の作動を停止する前に吸気バイパスバルブ33を開状態に制御することで、電動式コンプレッサ32と機械式コンプレッサ11の双方による過給が発生した状態をつくることで、過給応答おくれによって吸気量が不足し、エンジン1のトルクが落ちることを防止している。
その後、ステップS7で吸気量を検出し、ステップS8で電動過給機30又は機械式過給機10による過給した吸気量がステップS2で設定した目標とした吸気量に至ったか否かを判定し、目標とする吸気量に至っていない場合は、ステップS2に戻り目標とする吸気量まで同じ制御を繰り返す。
一方、目標とする吸気量に至った場合は、機械式過給機10又は電動過給機30の過給を停止させるために、機械式過給機10が作動し排気バイパスバルブ42が閉じている場合は、ステップS12で排気バイパスバルブ42を開いて過給が発生しないようにし、電動過給機30の電動式コンプレッサ32が駆動している場合は、ステップ13で吸気バイパスバルブ42を開いて、ステップS14で電動過給機30を停止させてステップS15で制御を終了する。
ここで、運転領域が、電動式過給機30の作動領域から外れたかどうかを判定する基準として、以下の判断基準を採用することができる。
例えば、電動式コンプレッサ32を駆動するモータの耐久性や駆動力を考慮し、吸気通路4内の過給圧が、加速要求に対応して電動式過給機30に求められる圧力として設定された所定圧以上となった場合に加えて、電動式コンプレッサ32が使用した電力量が予め決められた所定電力量以上となった場合に、又は、電動式コンプレッサ32の使用時間が予め決められた所定時間以上となった場合に、あるいは、電動式コンプレッサ32の発熱量が予め決められた所定発熱量以上となった場合に、電動式過給機30が作動領域から外れたと判断されるようにしている。
電動式コンプレッサ32は大きな電力を使用するので、バッテリ60の容量を勘案して使用限界となる所定電力量が設定される。又は、電動式コンプレッサ32の使用時間に、その上限となる所定時間を設定してもよいし、あるいは、電動式コンプレッサ32の発熱量に、その上限となる所定発熱量を設定してもよい。すなわち、これらの電力量や使用時間、発熱量が、対応する各所定値以上となった場合に、それ以上の電動式コンプレッサ32の作動は好ましくないので、運転領域が、電動式過給機30の作動領域から外れたと判定する。
なお、上記のステップS9において、開状態から閉状態へ移行する際の排気バイパスバルブ42の開度は、電動式コンプレッサ32による過給の出力に基づいて決定されるようにしてもよい。すなわち、ステップS11において、電動式コンプレッサ32による過給の出力が徐々に低下していくにつれて、排気バイパスバルブ42が徐々に閉鎖されてその開度が徐々に減少していく。ここで、電動式コンプレッサ32による過給の出力に対応して、その都度、マップ等を用いて排気バイパスバルブ42の開度が決定される。
図2は、エンジン1の低回転域からの加速要求時における、燃焼室内に導入される空気量と、エンジン1の吸気の過給圧との関係を示している。図2のグラフ中に示す符号Aは、電動式過給機30が過給に対応できる運転領域を、符号Bは、機械式過給機10が過給に対応できる運転領域をそれぞれ示している。
上記の制御では、低回転域からの加速要求時に、電動式過給機30による過給を終えて、機械式過給機10による過給へ移行する際に、排気バイパスバルブ42の閉鎖、電動式コンプレッサ32の駆動の停止を行っている。この排気バイパスバルブ42の閉鎖、電動式コンプレッサ32の駆動の停止のタイミングは、図2のグラフ中の符号p2の位置に対応する。すなわち、電動式過給機30の運転領域と、機械式過給機10の運転領域との重複部分t1の終期である符号p2が、排気バイパスバルブ42の閉鎖を開始する時期、電動式コンプレッサ32の駆動の出力の減少を開始する時期となっている。排気バイパスバルブ42の閉鎖を開始してから完全に閉鎖するまでの時間、電動式コンプレッサ32の駆動の出力の減少を開始してから駆動を完全に停止するまでの時間は、目標過給圧の大小など運転状況に応じて適宜決定される。
なお、排気バイパスバルブ42の閉鎖を開始する時期、電動式コンプレッサ32の駆動の出力の減少を開始するタイミングは、電動式過給機30の運転領域と、機械式過給機10の運転領域との重複部分t1の始期である符号p1のタイミングとしてもよい。あるいは、その符号p1に示す位置と、符号p2に示す位置との間のいずれかのタイミングとしてもよい。
図3は、エンジン1の低回転域からの加速要求時における、加速要求の開始時点からの経過時間と、吸気通路4内の過給圧との関係を示している。図3のグラフ中に示す符号A’は、電動式過給機30による過給圧の変化を、符号B’は、機械式過給機10による過給圧の変化をそれぞれ示している。
電動式過給機30による過給を終えて、機械式過給機10による過給へ移行する際に、図3では、符号q2に示すタイミングで、排気バイパスバルブ42の閉鎖を開始、電動式コンプレッサ32の駆動の出力の減少を開始している。この実施形態では、それらの開始のタイミングは、図2のグラフ中の符号p2の位置に対応する。排気バイパスバルブ42の閉鎖を開始してから完全に閉鎖するまでの時間、電動式コンプレッサ32の駆動の出力の減少を開始してから駆動を完全に停止するまでの時間は、目標過給圧の大小など運転状況に応じて適宜決定されるが、図3では、符号q3のタイミングで排気バイパスバルブ42が完全に閉鎖、電動式コンプレッサ32の駆動が完全に停止している。
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 判定部

Claims (4)

  1. 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過給機と排気通路に配置される排気タービンと、
    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、
    前記吸気通路に配置され燃焼室への吸気を過給する電動式過給機と、
    前記電動式過給機の作動領域か否かを判定する判定部と、
    前記吸気通路における前記電動式過給機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、
    前記判定部が前記電動式過給機の作動領域と判定した場合に前記排気バイパスバルブを開状態にした後に前記吸気バイパスバルブを閉状態にし前記電動式過給機を作動し、
    前記電動式過給機の作動領域から前記機械式過給機の作動領域へ移る際に前記排気バイパスバルブを閉状態にし前記電動式過給機の作動を停止するエンジンの制御装置。
  2. 前記エンジンの制御装置は、
    前記電動式過給機の作動領域から前記機械式過給機の作動領域へ移る際に前記排気バイパスバルブを閉状態にした後に前記吸気バイパスバルブを開状態にし前記電動式過給機を停止する請求項に記載のエンジンの制御装置。
  3. 前記判定部は、
    前記吸気通路内の過給圧が所定圧以上となった場合、又は、前記電動式過給機が使用した電力量が所定電力量以上となった場合、又は、前記電動式過給機の使用時間が所定時間以上となった場合、又は、前記電動式過給機の発熱量が所定発熱量以上となった場合に、前記電動式過給機の作動領域から外れたと判定する
    請求項1又は2に記載のエンジンの制御装置。
  4. 開状態から閉状態へ移行する際の前記排気バイパスバルブの開度は、前記電動式過給機による過給の出力に基づいて決定される
    請求項に記載のエンジンの制御装置。
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