WO2005085610A1

WO2005085610A1 - 電動機付過給機の制御装置

Info

Publication number: WO2005085610A1
Application number: PCT/JP2005/004023
Authority: WO
Inventors: Koichi Akita
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2005-09-15
Also published as: JP4124143B2; JP2005248860A; DE112005000486B4; US20080148730A1; US7530229B2; DE112005000486T5; CN1926316A

Abstract

本発明の目的は、大気圧低下時にも出力を効果的に補償することが可能な電動機付過給機の制御装置を提供することにある。本発明の電動機付過給機の制御装置は、車両に搭載された内燃機関１の吸気通路５上に配設されて電動機２０ａによって駆動される過給機２０と、電動機２０ａを制御して過給圧を制御する制御手段１６，２１と、大気圧状態を検出する気圧検出手段３０とを備えており、気圧検出手段３０によって検出された大気圧が所定値未満となった場合には、大気圧が所定値以上であるときに比べて、制御手段１６，２１が電動機２０ａの駆動力を大きくすることを特徴としている。

Description

明糸田書

電動機付過給機の制御装置 '

技術分野

【0 0 0 1】本発明は、車両に搭載された内燃機関の吸気通路上に配設された電動機付過給機を制御する電動機付過給機の制御装置に関する。

背景技術

【0 0 0 2】エンジンの吸気通路上にターボチャージャを配設し、このターボチャージャによる過給によって高出力（あるいは、低燃費）を得る内燃機関はよく知られている。日本国特開平 1 1一 1 3 2 0 4 9号公報にもターボチャージャを備えた内燃機関が開示されている。

発明の開示

【0 0 0 3】内燃機関は大気から空気を吸入して燃焼に使用している。吸入空気量が減れば出力が減ってしまう。例えば、大気圧が低下すると、単位体積あたりの空気質量が低下するので出力が低下してしまう。通常は、スロットル開度を大きくするなどして吸気体積を増やして空気質量が減らないようにする。ただし、ターボチャージャに何らかの可変制御機構を備えているものでは、この機構を用いて過給圧を増加させて出力を捕償することが行われる。このような機構の一例としては、上述した公報に記載のターボチャージャが有しているようなバリアブルノズル機構を挙げることができる。

【0 0 0 4】パリアプルノズル機構は、タービンホイールへの排気流入部に複数のベーンを配置し、各べーン間の隙間量（バリアブルノズノレ開度）を変えて排気流速を可変制御するものである。バリアブルノズル開度を可変制御することでタービン出力を最適化する。し力、し、内燃機関が低負荷域にあるときはバリアブルノズル機構はすでに最小開度とされており、大気圧低下時に過給圧を向上させる余裕がない場合がほとんどである。また、ノズル開度をあまりにも絞りすぎると、ターボチャージャとしての過給効率の低下（背圧の上昇）につながり、燃費を悪化させてしまう。このため、このような場合の出力補償が要望されていた。従って、本発明の目的は、大気圧低下時にも出力を効果的に補償することが可能な電動機付過給機の制御装置を提供することにある。

【0 0 0 5】本発明の電動機付過給機の制御装置は、車両に搭載された内燃機関の吸気通路上に配設されて電動機によって駆動される過給機と、電動機を制御して過給圧を制御する制御手段と、大気圧状態を検出する気圧検出手段とを備えており、気圧検出手段によつて検出された大気圧が所定値未満となつた場合には. 大気圧が所定値以上であるときに比べて、制御手段が電動機の駆動力を大きくすることを特徴としている。

【0 0 0 6】ここで、吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段をさらに備えており、制御手段が、吸入空気量検出手段によって検出された吸入空気量と内燃機関の運転状態に基づいて決定される目標吸入空気量との偏差に基づいて、電動機の駆動力増加分を決定することが好ましい。

【0 0 0 7】あるいは、ここで、内燃機関の排気流を利用して過給を行うターボチャージャと、ターボチャージャによる過給状態を可変制御するバリアブルノズル機構とをさらに備えており、気圧検出手段によつて検出された大気圧が所定値未満となった場合には、バリァブルノズル機構の制御量の決定に際して吸入空気量を参酌することが禁止されることが好ましい。

【0 0 0 8】さらにここで、電動機がターボチャージャに内蔵されており、過給機とターボチャージャとが一体化されていることが好ましい。

図面の簡単な説明

【0 0 0 9】図 1は、本発明の制御装置の一実施形態を有する内燃機関（ェンジン）の構成を示す構成図である。

図 2は、本発明の制御装置の一実施形態による過給制御のフローチャートである。

図 3は、 E G R実行領域か否かの判定時に利用するマップである。図 4は、バリアプルノズル開度の目標値 VN0を決定する際に利用するマップである。

図 5は、新気量の目標値 A F tを決定する際に利用するマップである。

図 6は、本発明の制御装置の他の実施形態を有する内燃機関（エンジン）の構成を示す構成図である。

発明を実施するための最良の形態

【0 0 1 0】本発明の制御装置の一実施形態について以下に説明する。本実施形態の制御装置を有するエンジン 1を図 1に示す。

【0 0 1 1】なお、「過給圧」の語は大気圧に対しての差圧を示すものを指す語として用いられる場合がある。一方で、「過給圧」の語は吸気管内の絶対圧力を指す語として用いられる場合もある。以下、両者を明確に分けて説明する必要がある場合は、その指すところが明確となるような説明を行う。例えば、吸気管内圧力を検出する圧力センサの出力に基づいて過給圧制御を行う場合、この圧力センサが大気圧に対する差圧を検出するセンサであれば過給圧制御は「大気圧に対する差としての過給圧」に基づいて制御されることが容易であるし、圧力センサが絶対圧力を検出するセンサであれば過給圧制御は「絶対圧力としての吸気圧」に基づいて制御されるのが容易である。

【0 0 1 2】本実施形態で説明するエンジン 1は、多気筒エンジンであるが、ここではそのうちの一気筒のみが断面図として図 1に示されている。エンジン 1 では、インジェクタ 2によってインテークポートに燃料を噴射して吸気通路 5を介して吸入した吸入空気と混合して混合気を生成する。生成された混合気はシリンダ 3内に導入され、点火ブラグ 7で点火 ·燃焼される。後述する電動機 2 0 a を有する過給機 2 0とターボチャージャ 1 1とによってより多くの吸入空気を過給して、高出力化だけでなく低燃費化をも実現し得るものである。シリンダ 3の内部と吸気通路 5との間は、吸気バルブ 8によって開閉される。燃焼後の排気ガスは排気通路 6に排気される。シリンダ 3の内部と排気通路 6との間は、排気バルブ 9によって開閉される。吸気通路 5上には、上流側からエアクリーナ 1 0、ェアフロメータ 2 7、過給機 2 0、ターボチャージャ 1 1、ィンタークーラー 1 2、スロットルバルブ 1 3などが配置されている。

【0 0 1 3】エアクリーナ 1 0は、吸入空気中のゴミゃ塵などを取り除くフィルタである。本実施形態のェアフロメータ（吸入空気量検出手段） 2 7は、ホットワイヤ式のものであり、吸入空気量を質量流量として検出するものである。過給機 2 0は、内蔵されたモータ（電動機） 2 0 aによって電気的に駆動されるものである。モータ 2 0 aの出力軸にコンプレッサホイールが直結されている。過給機 2 0のモータ 2 0 aは、コントローラ（制御手段） 2 1を介してバッテリ 2 2と接続されている。コントローラ 2 1は、モータ ² 0 aへの供給電力を制御してモータ 2 0 aの駆動を制御する。モータ 2 0 aの回転数（即ち、コンプレッサホイールの回転数）はコントローラ 2 1によって検出し得る。

【0 0 1 4】過給機 2 0の上流側と下流側とをバイパスするように、バイパス路 2 4が設けられている。このパイパス路 2 4上には、バイパス路 2 4を経由する吸入空気量を調節するバルブ 2 5が配設されている。バルブ 2 5は電気的に駆動され、バイパス路 2 4を通る空気流量を任意に調節する。過給機 2 0が作動していないときは、過給機 2 0は吸気抵抗として作用してしまうので、バルブ 2 5 によってバイパス路 2 4を開放して過給機 2 0が吸気抵抗となってしまうのを回避する。反対に、過給機 2 0の作動時には、過給機 2 0によって過給された吸入空気がバイパス路 2 4を介して逆流するのを防止するために、バルブ 2 5によつてバイパス路 2 4を遮断する。

【0 0 1 5】ターボチャージャ 1 1は、吸気通路 5と排気通路 6との間に配されて過給を行うものである。ターボチャージャ 1 1は、公知のものであるが、バリアプルジオメトリ機構としてバリアブルノズル機構 1 1 aを有している。バリァブルノズル機構 1 1 aは後述する E C U (制御手段） 1 6によつて制御される。本実施形態のエンジン 1では、直列に配された過給機 2 0とターボチャージャ 1 1とによって過給を行うことができる。ターボチャージャ 1 1の下流側には、過給機 20やターボチャージャ 1 1の過給による圧力増加で温度が上昇した吸入空気の温度を下げる空冷式インタークーラー 1 2が配されている。インタークーラ一 1 2によって吸入空気の温度を下げ、充填効率を向上させる。

【001 6】インタークーラー 1 2の下流側には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ 1 3が配されている。本実施形態のスロットルバルブ 1 3は、いわゆる電子制御式スロットルバルブであり、ァクセノレペダル 1 4の操作量をァクセルポジショニングセンサ 1 5で検出し、この検出結果と他の情報量とに基づいて ECU 1 6がスロットルバルブ 1 3の開度を決定するものである。スロットノレノルブ 1 3は、これに付随して配設されたスロットルモータ 1 7によって開閉される。また、スロットルバルブ 1 3に付随して、その開度を検出するスロットルポジショユングセンサ 1 8も配設されている。

【00 1 7】スロットルバルブ 1 3の下流側には、吸気通路 5内の圧力（過給圧 ·吸気圧）を検出する圧力センサ 1 9も配設されている。過給圧を,検出するセンサは、インテークマ二ホールド部に取り付けられても良い。これらのセンサ 1 5， 1 8， 1 9， 2 7は ECU 1 6に接続されており、その検出結果を ECU 1 6に送出している。また、 ECU 1 6には、大気圧を検出する大気圧センサ（気圧検出手段） 3 0も接続されている。 ECU 1 6は、 C PU, ROM, RAM等からなる電子制御ュニットである。 ECU 1 6には、上述したインジェクタ 2、点火プラグ 7、バルブ 2 5、ェアフロメータ 2 7、コントローラ 2 1ゃバッテリ

22等が接続されており、これらは E CU 1 6からの信号によって制御されていたり、その状態（バッテリ 2 2であれば充電状態）が監視されている。

【00 1 8】一方、排気通路 6上には、ターボチャージャ 1 1の下流側に排気ガスを浄化する排気浄化触媒 2 3が取り付けられている。また、エンジン 1のクランクシャフト近傍には、クランクシャフトの回転位置を検出するクランクポジショエングセンサ 26が取り付けられている。クランクポジショニングセンサ 2 6は、クランクポジションの位置からエンジン回転数を検出することもできる。【001 9】また、排気通路 6 (ターボチャージャ 1 1の上流側）から吸気通路 5 (サージタンク部) にかけて排気ガスを還流させるための EGR (Ex h a u s t Ga s R e c i r c u l a t i o n) 通路 28が酉 S設されている。 E GR通路 28上には、排気ガス還流量（EGR量）を調節する E G Rバルブ 29 が取り付けられている。 £01 バルブ²9の開度（DUTY比）制御も上述した ECU 16によって行われる。なお、図示していないが、 £。11バ《レブ29と吸気通路 5のサージタンクとの間に、エンジン 1の冷却水を利用して EGRガスを冷却する EGRクーラーが設けられている。

【0020】次に、本実施形態のエンジン 1における過給制御について説明する。本実施形態では、大気圧が低下したとき（所定値未満となったとき）には、出力低下を防止するためにモータ 20 aの駆動量を大気圧が低下していないときに比べて増やして過給機 20による過給効果を増強する。また、ターボチャージャ 1 1がバリアプルノズル機構 11 aを備えているため、これとも協調制御される。さらに、エンジン 1が EGR機構を備えているので、 EGRシステムとの協調も行われる。

【0021】図 1に過給制御のフローチャートを示す。まず、エンジン回転数 N e ·エンジン負荷を読み込む（ステップ 200) 。エンジン回転数はクランクポジショニングセンサ 26によって検出される。エンジン負荷は、エアフロメ一タ 27によって検出される吸入空気量やスロットルポジショニングセンサ 1 8によって検出されるスロットル開度に基づいて算出される。次に、検出したェンジン回転数 Ne ■エンジン負荷に基づいて、 EGR制御を行う領域であるか否かが判定される（ステップ 205) 。

【0022】このとき用いられるマップの例を図 3に示す。図 3のマップは、横軸にエンジン回転数 Ne、縦軸にエンジン負荷を取ったもので、マップ中のハツチングを示した領域 Aでは E GR制御が実行され、排気ガスが吸気側に還流される。図 3のマップから明らかなように、高回転域あるいは高負荷域では、排気ガスの還流は行われない。ステップ 205が否定される場合は、圧力センサ 19 で検出した吸気圧に基づくフィードバック制御による通常制御が実施される（ステツプ 210) 。

【0023】一方、ステップ 205が肯定され、 EGR制御が実施される場合は、目標バリァブルノズル開度 VN0.が算出され、バリアブズレノズル機構 1 1 a に対して算出された目標バリアブルノズル開度 V NOが出力される（ステップ 2 15) 。バリアブルノズル機構 1 1 aは、この信号に基づいてその開度が変更される。このとき、目標バリアブルノズル開度 V NOの算出には、図 4に示されるようなマップが用いられる。図 4のマップは、横軸にエンジン回転数 Ne、縦軸にエンジン負荷を取り、マップ中の各領域毎に目標バリァブルノズル開度 V NO の数値が割り当てられている。低回転 ·高負荷であるほど目標バリアプルノズル開度 VN0は小さく、高回転 ·低負荷であるほど目標バリアプルノズル開度 VN 0は大きくなる。

【0024】ステップ 21 5に続いて、目標バリアプルノズル開度 VNOとなるようにバリァブルノズル機構 1 1 aの制御が開始された後に新たに吸入した吸入空気量である新気量 A Fを読み込む（ステップ 220) 。新気量 AFは、エアフロメータ 27によって検出される。ここでは、大気から吸入した新気と還流された排気ガスとが混合され、その後、燃料が噴射されて混合気となつてからシリンダ 3内に導入される。次いで、新気量の目標値 AFtを算出する（ステップ 2 25) 。このとき、新気量目標値 AFtの算出には、図 5に示されるようなマツプが用いられる。図 5のマップは、横軸にエンジン回転数 Ne、縦軸にエンジン負荷を取り、マツプ中の各領域毎に新気量目標値 A F tの数値が割り当てられている。低回転 ·.低負荷であるほど新気量目標値 AFtは少なく、高回転'高負荷であるほど新気量目標値 A Ftは多くなる。

【0025】ステップ 225に続いて、目標値と実際値との偏差 AFe = AFt 一 AFを算出する（ステップ 230) 。さらに、圧力センサ 1 9によって、大気圧 P0も検出する（ステップ 23 5) 。そして、検出された大気圧 P0が所定圧力（ここでは 90 k P a) 未満であるか否かを判定する（ステップ 240) 。大気圧 P0が所定圧力未満である場合は、吸気密度が低下していると判断でき、この場合はモータ 20 aの駆動力を增強して吸気体積を增加させて吸気質量を確保すべく、上述した偏差 AFeの関数 ί (AFe) に基づいてモータ 20 aへの指令値（駆動電流値など） iを算出する。算出された指令値 iはモータ 20 aに対して出力される（ステップ 245) 。モータ 20 aは、この指令値 iに基づいて駆動される。この指令値 iは大気圧が所定圧力以上であるときに比べて駆動力が ' 大きくなるように設定される。換言すれば、上述した関数 f (AFe) はそのように定められている。モータ 20 aの制御は、圧力センサ 1 9による吸気圧フィードバック制御とェアフロメータ 27による吸入空気量フィードバック制御とを組み合わせたものとなる。

【0026】なお、ステップ 240が肯定され、大気圧 P0が所定圧力未満である場合は、バリアブルノズノレ機構 1 1 aの制御に関しては、上述した目標バリアプルノズル開度 VN0によるマップ制御と圧力センサ 1 9による吸気圧フィードバック制御とを組み合わせた制御となる。即ち、このときは、バリアブルノズル開度を決定する際に吸入空気量を参酌することが禁止される。これは、大気圧 P0が所定圧力未満である場合は、出力を補償するためにバリアブルノズル開度を絞ると背圧が上昇してターボチャージャ 1 1の効率悪化によって燃費が悪化するのを防止するためである。

【0027】また、ここでは、上述した偏差 AFeに基づいてモータ 20 aへの指令値 i、即ち、モータ 20 aの駆動力増強分が決定されている。このようにすることで、 EGR量を減少させなくてもスモークを発生させないだけの新気量を確実に確保することができる。ここでは詳しく述べていないが、 EGR量域では、 EGR率が目標値となるようにフィードバック制御が行われており、これによって燃焼温度低下による N O x排出量低減を図っている。このように新気量を確保することで E G R率を維持し、排ガス浄化も確実に行うことができる。

【0 0 2 8】大気圧低下時にモータ 2 0 aによって新気量を確保することができない場合は、高地などに行って大気圧低下に伴う吸入空気量の現象が生じると、スモークを排出しないように大気圧低下に応じて E G R量を減じるしかない。しかし、本実施形態によれば、新気量を確保しつつ E G R量も確保し、走行性能と排ガス浄化性能とを大気圧が低下しないときと同等の水準に維持することができる。

【0 0 2 9】一方、ステップ 2 4 0が否定される場合は、上述した偏差 A F e の関数 g (A F e) に基づいてバリアブルノズル機構 1 1 aの捕正量 V Ncが算出される（ステップ 2 5 0 ) 。バリアブルノズル機構 1 1 aに対しては、上述した目標開度 V N0 +補正量 V Ncで算出される開度が指令値として出力される。関数 gは、上述した偏差 A F eが大きいほど、その偏差を小さくするようにバリァブルノズル開度を開くあるいは絞る側に補正量 VNcを決定するものである。 . なお、ステップ 2 4 0が否定される場合、モータ 2 0 aの制御は、圧力センサ 1 9による吸気圧フィードバック制御のみであり、ェアフロメータ 2 7による吸入空気量フィ一ドパック制御は行われない。

【0 0 3 0】なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、気圧検出手段が大気圧センサ（圧力センサ） 3 0であった。しかし、気圧検出手段は、カーナビゲーシヨンシステムなどであっても良い。ナビゲーシヨンシステムから、土地高低差を取得し、これに基づいて大気圧を検出（推定）しても良い。また、ナビゲーシヨンシステムが通信機能を有し、通信機能を介して取得した気象情報（大気圧を含む）と位置情報とに基づいて大気圧を検出しても良い。 .

【0 0 3 1】また、図 1に示される実施形態では、ターボチャージャ 1 1とは別に、その上流側にモータ 2 0 a付きの過給機 2 0が設けられた。しかし、本発明は電動機（モータ）付過給機に対して適用し得るものであり、図 6に示されるように、ターボチャージャ 1 1の内部に電動機（モータ） l i bを内蔵させたものに対しても適用し得る。図 6に記載の実施形態は、キータ 1 l bの配設（及び過給機 2 0が配設されていないこと）以外は図 1に記載のものとほぼ同様の構成であるため、同一の構成部分には同一の符号を付してその詳しい説明は省略する。図 6に記載の実施形態では、ターボチャージャ 1 1のタービン Zコンプレッサホィールの回転軸が出力軸となるようにモータ 1 1 bが内蔵されている。

【0 0 3 2】このようにすれば、ユニット数を減らすことができ、エンジンコンパートメント内のスペース効率を向上させることができる。また、エンジン 1 の組み立ても容易となる。モータ 2 0 aへの印加電力と過給効果との関係などは変わるため各種制御マップは図 1のものと異なることとなるが、基本的に図 2のフローチャートで示される制御は同様に実行することができ、同様の効果を得ることができる。

産業上の利用可能性

【0 0 3 3】本発明の電動機付過給機の制御装置によれば、電動機付過給機によって過給圧を可変制御し、最適な過給効果を得ることができる。また、大気圧の状態を気圧検出手段で検出し、大気圧が所定値未満となった場合には、大気圧が所定値以上であるときに比べて電動機の駆動力を大きくすることで、大気圧低下による出力低下を効果的に防止することができる。

Claims

言青求の範囲

1 . 車両に搭載された内燃機関の吸気通路上に配設されて電動機によつて駆動される過給機と、前記電動機を制御して過給圧を制御する制御手段と、大気圧状態を検出する気圧検出手段とを備えており、

前記気圧検出手段によって検出された大気圧が所定値未満となった場合には、大気圧が所定値以上であるときに比べて、前記制御手段が前記電動機の駆動力を大きくすることを特徴とする電動機付過給機の制御装置。

2 . 吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段をさらに備えており、前記電動機制御手段が、前記吸入空気量検出手段によって検出された吸入空気量と前記内燃機関の運転状態に基づいて決定される目標吸入空気量との偏差に基づいて、前記電動機の駆動力増加分を決定することを特徴とするクレーム 1に記載の電動機付過給機の制御装置。

3 . 前記内燃機関の排気流を利用して過給を行うターボチャージャと、前記ターボチャージャによる過給状態を可変制御するバリアブルノズル機構とをさらに備えており、

前記気圧検出手段によって検出された大気圧が所定値未満となった場合には、前記バリァブルノズル機構の制御量の決定に際して吸入空気量を参酌することが禁止されることを特徴とするクレーム 1又は 2に記載の電動機付過給機の制御装置。

4 . 前記電動機が前記ターボチャージャに内蔵されており、前記過給機と前記ターボチャージャとが一体化されていることを特徴とするクレーム 3に記載の電動機付過給機の制御装置。