JP2005171896A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、電動機付ターボチャージャチャージャにおいて、電動機駆動による過給開始時の排気抵抗増加を抑制し、良好な過給性能の実現と燃費性能の悪化抑制とを実現することのできる内燃機関の制御装置を提供すること。
【解決手段】 本発明の内燃機関の制御装置は、ターボチャージャ１１を備えた内燃機関１を制御するのものであり、コンプレッサホイールを回転駆動し得ると共に、排気流によるタービンホイールの回転によって発電し得る電動機１１ａと、タービンホイールをバイパスするように排気通路８に対して設けられたバイパス路２７と、バイパス路２７を開放・遮断する開閉手段２８と、電動機１１ａ及び開閉手段２８を制御する制御手段１６とを備えており、制御手段１６が、電動機１１ａの駆動開始後に過給圧が立ち上がるまでは開閉手段２８によってバイパス路２７を開放することを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、吸気通路上に電動機で駆動される過給機を備えた内燃機関の制御装置に関する。

エンジン（内燃機関）の吸気通路上に電動機で駆動する過給機を配設し、この過給機による過給によって高出力（あるいは、低燃費）を得ようとする試みは以前から常用されている。［特許文献１］にも同様な内燃機関が記載されている。［特許文献１］に記載の内燃機関における過給機は、排気エネルギーを利用して過給を行うターボチャージャであり、電動機を過給して過給効果を増強するだけでなく、排気流を用いて電動機で回生発電を行ってエネルギーを回収することも可能である。回生発電時には、電動機は発電機として機能している。
特開平５−１４９１４３号公報

［特許文献１］に記載の内燃機関では、ターボチャージャのタービンをバイパスさせるバイパス路も設けられており、排気流にターボチャージャのタービンをバイパスさせることも可能となっている。バイパス路の開放・遮断制御は、バイパス路に設けれられたバルブによって行われる。［特許文献１］に記載の内燃機関では、エンジンブレーキ時（アクセルが踏まれていないとき）の回生効率向上を目的として上述したバルブの開放・遮断制御が行われる。即ち、アクセルオフ時には排気流をターボチャージャのタービンに導入させて回生発電を行うので、排気流はターボチャージャのタービンをバイパスしない（ウェイストゲートバルブも閉）。このため、アクセルオフの状態からアクセルペダルが踏まれて過給が開始される際にターボラグが生じるとタービンが排気抵抗となって燃費性能に悪影響が出るおそれがある。

従って、本発明の目的は、電動機付ターボチャージャチャージャにおいて、電動機駆動による過給開始時の排気抵抗増加を抑制し、良好な過給性能の実現と燃費性能の悪化抑制とを実現することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。

請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、吸気通路上にコンプレッサホイールを配すると共に排気通路上にタービンホイールを配したターボチャージャを備えた内燃機関を制御するのものであり、コンプレッサホイールを回転駆動し得ると共に、排気流によるタービンホイールの回転によって発電し得る電動機と、タービンホイールをバイパスするように排気通路に対して設けられたバイパス路と、バイパス路を開放・遮断する開閉手段と、電動機及び開閉手段を制御する制御手段とを備えており、制御手段が、電動機の駆動開始後に過給圧が立ち上がるまでは開閉手段によってバイパス路を開放することを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、制御手段が、電動機の駆動開始後に過給圧が立ち上がったら開閉手段によってバイパス路を遮断することを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、電動機の回転数を検出する回転数検出手段をさらに備えており、回転数検出手段によって検出された電動機の回転数に基づいて、電動機の過給圧が立ち上がったか否かを判断することを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、内燃機関の実過給圧を検出する実過給圧検出手段をさらに備えており、実過給圧検出手段によって検出された実過給圧に基づいて、電動機の過給圧が立ち上がったか否かを判断することを特徴としている。

請求項１に記載の内燃機関の制御装置では、電動機の駆動開始後に実過給が確実に立ち上がるまではバイパス路が開放された状態となる。このため、電動機の駆動開始後、実過給圧が立ち上がるまでの間は排気流がタービンホイールをバイパスするので、排気抵抗が増加することがなく、燃費性能が悪化するようなこともない。一方で、電動機の駆動によって過給は促進される。この結果、良好な過給性能の実現と燃費性能の悪化抑制とを実現することができる。

請求項２に記載の発明によれば、過給圧が立ち上がった後は、バイパス路が遮断されて排気流によってタービンホイールが回転されるようになる。この結果、排気エネルギーと電動機とで良好な過給性能を得ることができる。また、排気流の逆流も防止できる。なお、過給圧が立ち上がったときに電動機の回転駆動を停止させる場合もあり得る。この場合は、すでに過給圧が立ち上がっているので電気エネルギーを消費することなく、エネルギー効率よく排気流だけで過給を行うことができる。なお、排気流を利用して電動機で回生発電が可能な場合は過給圧が立ち上がったら回生発電を行うようにすれば、エネルギー効率のさらなる向上を実現できる。

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。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においては、吸気通路２を通して外気が吸入空気として取り込まれ、この吸入空気がシリンダ３の直前でインジェクタ４から噴射された燃料とを混合されて混合気とされる。混合気は、シリンダ３内に吸入され、ピストン５によって圧縮された後に点火プラグ６で着火されて燃焼する。このとき燃焼によってシリンダ内の圧力は上昇し、これをピストン５及びコネクティングロッドを介して出力として取り出している。シリンダ３の内部と吸気通路２との間は、吸気バルブ７によって開閉される。燃焼後の排気ガスは排気通路８に排気される。シリンダ３の内部と排気通路８との間は、排気バルブ９によって開閉される。吸気通路２上には、上流側からエアクリーナ１０、エアフロメータ２０、ターボチャージャ１１、インタークーラー１２、スロットルバルブ１３などが配置されている。

エアクリーナ１０は、吸入空気中のゴミや塵などを取り除くフィルタである。本実施形態のエアフロメータ２０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。ターボチャージャ１１は、吸気通路２と排気通路８との間に配されており、過給を行うものである。本実施形態のターボチャージャ１１においては、コンプレッサホイールとタービンホイールとが回転軸で連結されている（以下、この部分を単にタービン／コンプレッサと言うこととする）。また、本実施形態のターボチャージャ１１には、タービン／コンプレッサの回転軸が出力軸となるようにターボモータ（電動機）１１ａが組み込まれている。ターボモータ１１ａを駆動することで、過給をアシストすることが可能である。

また、ターボモータ１１ａは、排気エネルギーを用いて発電する発電機としても機能し得るもので、モータと発電機の機能を備えているためにモータジェネレータと呼ばれることもある。また、ターボチャージャ１１は、ターボモータ１１ａによってアシストすることなく、排気エネルギーのみによって過給を行う通常のターボチャージャとしても機能し得る。ターボモータ１１ａは、タービン／コンプレッサの回転軸に固定されたロータと、その周囲に配置されたステータとを主たる構成部分として有している。

吸気通路２上のターボチャージャ１１の下流側には、ターボチャージャ１１による過給で圧力上昇に伴って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１２が配されている。インタークーラー１２によって吸入空気の温度を下げ、充填効率を向上させる。インタークーラー１２の下流側には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ１３が配されている。

本実施形態のスロットルバルブ１３は、いわゆる電子制御式スロットルバルブであり、アクセルペダル１４の操作量（アクセル開度ＴＡ）をアクセルポジションセンサ１５で検出し、この検出結果と他の情報量とに基づいて後述する電子式コントロールユニット（ＥＣＵ：制御手段）１６によってスロットルバルブ１３の開度が決定される。スロットルバルブ１３は、これに付随して配設されたスロットルモータ１７によって開閉される。また、スロットルバルブ１３に付随して、その開度を検出するスロットルポジショニングセンサ１８も配設されている。スロットルバルブ１３の下流側のサージタンク内には、吸気通路２内の圧力（過給圧・吸気圧）を検出する圧力センサ（実過給圧検出手段）１９が配設されている。

一方、排気通路８上には、ターボチャージャ１１の下流側に排気ガスを浄化する排気浄化触媒２３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ニングセンサ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２６は、クランクポジションの位置変化からエンジン回転数Ｎｅを検出することもできる。上述したセンサ・アクチュエータ類はＥＣＵ１６に接続されており、その検出結果をＥＣＵ１６に送出するか、あるいは、ＥＣＵ１６からの信号で制御されている。ＥＣＵ１６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなる電子制御ユニットである。

ＥＣＵ１６には上述したターボモータ１１ａのコントローラ２１も接続されており、ＥＣＵ１６とコントローラ２１とが強調してターボモータ１１ａを制御している。なお、コントローラ２１は、ターボモータ１１ａの回転数を検出することもできる。コントローラ２１には、ターボモータ１１ａに供給する電気エネルギーを蓄えているバッテリ２２も接続されている。バッテリ２２はＥＣＵ１６とも接続されており、その電圧がＥＣＵ１６によって監視されている。上述したようにターボモータ１１ａによる回生発電が可能であり、ターボモータ１１ａにおいて発電された電力はコントローラ２１を介してバッテリ２２に蓄えられる。

上述したターボチャージャ１１の吸気側のコンプレッサホイールの上流側と下流側とをバイパスするように、吸気側バイパス路２４が設けられている。この吸気側バイパス路２４上には、吸気側バイパス路２４を経由する吸入空気量を調節するバルブ２５が配設されている。本実施形態のバルブ２５は、ＤＵＴＹ制御によってその流量を調節する事も可能であり、また、全開状態や全閉状態を維持することも可能である。バルブ２５の開度（開閉ＤＵＴＹ比）はＥＣＵ１６からの信号に基づいて電気的に制御され、吸気側バイパス路２４を通る空気流量を任意に調節することができる。バルブ２５を全開とすれば、コンプレッサホイールが吸気抵抗となっていれば、吸入空気は吸気抵抗のない（あるいは、少ない）吸気側バイパス路２４を通って吸入空気が下流側に流れ、コンプレッサホイールをバイパスする。

一方、上述したターボチャージャ１１の排気側のタービンホイールの上流側と下流側とをバイパスするように、排気側バイパス路２７が設けられている。この排気側バイパス路２７上には、排気側バイパス路２７を経由する排気ガス量を調節するバルブ（開閉手段）２８が配設されている。このバルブ２８も、上述したバルブ２５と同様に、ＤＵＴＹ制御によってその流量を調節する事が可能であり、また、全開状態や全閉状態を維持することも可能である。バルブ２８の開度もＥＣＵ１６からの信号に基づいて電気的に制御され、排気側バイパス路２７を通る排気ガス量を任意に調節することができる。バルブ２８を全開とすれば、タービンホイールが吸気抵抗となっていれば、排気ガスは吸気抵抗のない（あるいは、少ない）排気側バイパス路２７を通って下流側に流れ、タービンホイールをバイパスする。

次に、上述した制御装置による過給制御について説明する。過給制御のフローチャートを図２〜図４に示す。図２〜図４に示されるフローチャートの制御は繰り返し実行されている。なお、本発明は排気側バイパス路２７による排気流のバイパスに特徴を有したものであり、以下の説明においては上述した吸気側バイパス路２４の開放・遮断制御については触れていない。

まず、クランクポジショニングセンサ２６によってエンジン回転数Ｎｅを検出すると共に、アクセルポジションセンサ１５によってアクセル開度ＴＡを検出する（ステップ２００）。次いで、検出したエンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度ＴＡに基づいて、実験などによって予め作成され、ＥＣＵ１６のＲＯＭ内に格納されたマップより目標過給圧Ｔｐを決定する（ステップ２０５）。このとき使用するマップの例を図５に示す。図５のマップは、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度ＴＡとからなる二次元座標軸上に複数の目標過給圧Ｔｐ曲線が示されたものである。検出したエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度ＴＡとから求められる座標位置の目標過給圧Ｔｐ曲線に基づいて目標過給圧Ｔｐが決定される。なお、目標過給圧Ｔｐを求めるマップとしては、その他のパラメータを含めた三次元以上のマップであってもよい。

目標過給圧Ｔｐが決定されたら、圧力センサ１９によって、実過給圧Ｒｐを検出する（ステップ２１０）。なお、ここでは、実過給圧Ｒｐを吸気通路２上のサージタンクで計測しているが、インテークマニホールド部で計測してもよい。次いで、目標過給圧Ｔｐと実過給圧Ｒｐとから、その差分Ｅｐ＝Ｔｐ−Ｒｐを算出する（ステップ２１５）。差分Ｅｐが算出されたら、この差分Ｅｐが負の値であるか否かを判定する（ステップ２２０）。ステップ２２０が否定される場合、即ち、差分Ｅｐが正の値（またはゼロ）であり、実過給圧Ｒｐが目標過給圧Ｔｐよりも小さい場合は、ターボモータ１１ａによる過給の必要があると判断できるため、図３に示されるように、まずターボモータ１１ａへの通電加算量αを算出する（ステップ２２５）。この通電加算量αは、差分Ｅｐの関数ｆ（Ｅｐ）として求められる。そして、算出された加算量αを現在のモータ通電量Ｉｍに加算し、これを新たなモータ通電量Ｉｍとする（ステップ２３０）。

ターボモータ１１ａが駆動されていない状態から駆動が開始される場合、現在のモータ通電量Ｉｍはゼロであるから、ステップ２２５で算出された通電加算量αがそのままモータ通電量Ｉｍとなる。すでにターボモータ１１ａの駆動が開始されている場合は、Ｉｍ←Ｉｍ＋αとして新たなＩｍが算出される。次に、モータ過給中フラグが０であるか否かを判定する（ステップ２３５）。モータ過給中フラグは、ターボモータ１１ａによる過給が行われているか（過給圧が立ち上がっているか）否かを示すフラグであり、「１」であればターボモータ１１ａによる過給が行われていることを示し、「０」であればターボモータ１１ａによる過給が行われていない（過給圧が十分に立ち上がっていない状況を含む）ことを示す。

ステップ２３５が肯定される場合は、ターボモータ１１ａによる過給がまだ開始されておらず、ステップ２３０で決定された通電量Ｉｍによってこれから開始される状況であるといえる。この場合は、コントローラ（回転数検出手段）２１によってモータ回転数Ｎｍを検出し（ステップ２４０）、この回転数ＮｍをＮｍ0としてＥＣＵ１６内のＲＡＭ（あるいはコントローラ２１内の記憶領域）に記憶する（ステップ２４５）。そして、Ｎｍ0を記憶した後、ステップ２３０で算出したモータ通電量Ｉｍをターボモータ１１ａに通電して過給を促進する（ステップ２５０）。ターボモータ１１ａによる過給促進開始直後は、排気側バイパス路２７のバルブ２８を開放する（ステップ２２５）。このようにすることで、排気流がターボチャージャ１１のタービンホイールをバイパスする。

そして、ターボモータ１１ａの回転数Ｎｍが再度検出され（ステップ２６０）、この回転数Ｎｍがステップ２４５で記憶した回転数Ｎｍ0に所定回転数βを加算した回転数（Ｎｍ0＋β）を上回っているかを判定する（ステップ２６５）。即ち、ターボモータ１１ａの駆動を開始した後に過給圧が確実に立ち上がったか否かを、ターボモータ１１ａの回転数の上昇幅βに基づいて判定している。なお、本実施形態では、ターボモータ１１ａの回転数Ｎｍが所定回転数βだけ増加したら過給圧が立ち上がったと判断したが、ターボモータ１１ａの回転数Ｎｍが所定回転数に達したか否かで過給圧が立ち上がったどうかを判定してもよい。このときの所定回転数は、固定値とされてもよいし、エンジン回転数やアクセル開度などの値に基づいて可変する値とされてもよい。

また、ここでは、過給圧が立ち上がったがどうかをターボモータ１１ａの回転数Ｎｍに基づいて判断したが、ステップ２６０で実際の過給圧を圧力センサ１９によって再検出し、この再検出した実過給圧に基づいて過給圧が立ち上がったがどうかを判断することもできる。この場合も、ステップ２１０で検出した実過給圧Ｒｐからの圧力上昇幅に基づいて判断してもよいし、再検出した実過給圧Ｒｐが所定圧力に達したか否かで判断してもよい。また、この所定圧力を固定値としても可変値としてもよいのは上述した場合と同様である。

ステップ２６５が否定される場合は、ステップ２６０に戻り、Ｎｍ＞（Ｎｍ0＋β）が成立するまで、即ち、過給圧が立ち上がったと判定されるまでこれを繰り返す。一方、ステップ２６５が肯定される場合は、ターボモータ１１ａによる過給アシストによって過給圧が立ち上がったと判断できるので、上述したモータ過給中フラグに「１」を設定し、図２〜図４のフローチャートを一旦終了する。

ここでは、ターボモータ１１ａによる過給アシストが開始された後は、過給圧が十分に立ち上がったと判断されるまで排気側バイパス路２７のバルブ２８が開かれたままとなる［ステップ２５０〜２６５］。このため、過給圧が立ち上がるまでの間は排気流がタービンホイールをバイパスするので、排気抵抗が増加することがなく、燃費性能が悪化するようなことがない。また、ターボモータ１１ａの駆動によって過給アシストは行われるため、過給効果は得られる。

一方、ステップ２７０でモータ過給中フラグに「１」が設定された後、即ち、ターボモータ１１ａによる過給アシストがすでに行われている場合で、かつ、実過給圧Ｒｐが目標過給圧Ｔｐに達していない場合（ステップ２２０否定後で、かつ、ステップ２３５も否定される場合）は、ステップ２２５及びステップ２３０で新たに加算されたモータ通電量Ｉｍによってターボモータ１１ａが駆動される（ステップ２７５）。このときは、すでに過給圧が立ち上がっているため、排気側バイパス路２７のバルブ２８を閉じ、ターボモータ１１ａによる過給効果と排気流による過給効果とを併用する。

ターボモータ１１ａによる過給を続けるうちに、実過給圧Ｒｐが目標過給圧Ｔｐを超える状態となる。この場合は、繰り返し実行されている図２〜図４のフローチャートにおいて、ステップ２２０が肯定されることとなる。この場合は、即ち、差分Ｅｐが負の値であり、実過給圧Ｒｐが目標過給圧Ｔｐよりも大きい場合は、ターボモータ１１ａによる過給のもう必要はないと判断できるため、図４に示されるように、まずターボモータ１１ａへの通電量Ｉｍを所定幅γだけ減算する（ステップ２８５）。このとき、モータ通電量Ｉｍの下限はゼロにガードされる。具体的には、ステップ２８５で減算したモータ通電量Ｉｍが負であるか否か判定し（ステップ２９０）、負の値であればモータ通電量Ｉｍをゼロとする（ステップ２９５）。また、この場合は、ターボモータ１１ａに通電は行われないので、モータ過給中フラグに「０」を設定する（ステップ３００）。ステップ２９０が肯定され、上述したステップ２９５及びステップ３００が終了した後、あるいは、ステップ２９０が否定された場合は、決定されたモータ通電量Ｉｍをターボモータ１１ａに対して通する（モータ通電量Ｉｍ＝０の場合も含む）（ステップ３０５）。

ステップ３０５の後、目標過給圧Ｔｐが所定圧力εを超えているか否かを判定する（ステップ３１０）。この所定圧力εは、タービンホイールが排気抵抗となるかどうかの境界の過給圧として設定されている。目標過給圧Ｔｐがある程度高く、これに基づいて過給圧が制御されている場合は、タービンホイールは大きな排気抵抗としては作用しないと判断できる。反対に、目標過給圧Ｔｐがある程度低くなると、これに基づいて過給圧が制御されている際にタービンホイールが大きな排気抵抗として作用するおそれがある。

そこで、ステップ３１０が肯定される場合は、排気側バイパス路２７のバルブ２８を閉じて（ステップ３１５）、ターボモータ１１ａを駆動させることによる過給効果と排気流による過給効果との双方の効果を得ながら、ターボモータ１１ａによる駆動分を徐減する。一方、ステップ３１０が否定される場合は、排気側バイパス路２７のバルブ２８を開き、タービンホイールが排気抵抗となるのを回避しつつ、ターボモータ１１ａによる過給効果を徐減する。

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、バルブ２５、２７が開閉ＤＵＴＹ比を制御されることで流量を調節するものであった。しかし、これらのバルブを、スロットルバルブ１３などのようにＤＵＴＹ制御ではなく、開度量を調節することで流量を調節するようなものであっても良い。また、本発明において、排気側バイパス路２７を遮断するとは、排気側バイパス路２７を流れる排気流を実質的になくすことを意味している。即ち、僅かではあるが流れがあるような場合であっても、排気側バイパス路２７を経由する排気流を実質的に制限しているような場合は、本発明に言う遮断に相当する。

本発明の制御装置の一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。 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（前半部）である。 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（後半部１）である。 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（後半部２）である。 目標過給圧を決定する際に用いるマップである。

符号の説明

１…エンジン（内燃機関）、２…吸気通路、３…シリンダ、４…インジェクタ、５…ピストン、６…点火プラグ、７…吸気バルブ、８…排気通路、９…排気バルブ、１０…エアクリーナ、１１…ターボチャージャ、１１ａ…ターボモータ（電動機）、１３…スロットルバルブ、１４…アクセルペダル、１５…アクセルポジションセンサ、１６…ＥＣＵ（制御手段）、１９…圧力センサ（実過給圧検出手段）、２１…コントローラ（回転数検出手段）、２４…吸気側バイパス路、２５…バルブ、２６…クランクポジショニングセンサ、２７…排気側バイパス路、２８…バルブ（開閉手段）。

Claims (4)

1. 吸気通路上にコンプレッサホイールを配すると共に排気通路上にタービンホイールを配したターボチャージャを備えた内燃機関の制御装置において、
   前記コンプレッサホイールを回転駆動し得る電動機と、前記タービンホイールをバイパスするように前記排気通路に対して設けられたバイパス路と、前記バイパス路を開放・遮断する開閉手段と、前記電動機及び前記開閉手段を制御する制御手段とを備えており、
   前記制御手段は、前記電動機の駆動開始後に過給圧が立ち上がるまでは前記開閉手段によって前記バイパス路を開放することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記制御手段は、前記電動機の駆動開始後に過給圧が立ち上がったら前記開閉手段によって前記バイパス路を遮断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. 前記電動機の回転数を検出する回転数検出手段をさらに備えており、前記回転数検出手段によって検出された前記電動機の回転数に基づいて、前記電動機の過給圧が立ち上がったか否かを判断することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記内燃機関の実過給圧を検出する実過給圧検出手段をさらに備えており、前記実過給圧検出手段によって検出された実過給圧に基づいて、前記電動機の過給圧が立ち上がったか否かを判断することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。

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