JP4380701B2 - 電動過給機付内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機付過給機を用いて過給圧を制御することのできる内燃機関の制御装置に関する。

過給機を用いてエンジン（内燃機関）の吸入空気量を過給し、高出力を得ようとする（あるいは低燃費を実現する）ことは従来から行われている。また、過給による出力増強効果を利用して、最高出力の引き上げではなく低排気量化を行い、エンジンのダウンサイジングを行うことも可能となる。このような過給機に電動機を組み込み、過給圧を制御しようとする技術も知られている（日本国特開２００３−２３９７５４号公報など）。

電動機付過給機は、過給圧を任意に制御できるため制御性がよい。また、過給機がターボチャージャである場合は、ターボラグの解消も可能である。ターボチャージャでは、タービン／コンプレッサホイールの慣性質量のために、ターボ回転が立ち上がるまでに遅れが生じて過給の立ち上がりが鈍化するという問題がある。このときに電動機で過給をアシストしてやることでターボラグを解消し得る。

ここで、変速機のギヤポジションが低速段にあるほど全開加速時におけるエンジン回転数の立ち上がり方は急峻となる。このようなことを考慮すると、過給機による過給立ち上がりはギヤポジションが低速段側であると、高速段側にあるときよりも過渡的に不足しがちになることが懸念されており、さらなる改善が要望されていた。従って、本発明の目的は、ギヤポジションによらず、全ての運転域で良好な過給性能を実現することのできる電動過給機付内燃機関の制御装置を提供することにある。

本発明の電動過給機付内燃機関の制御装置は、車両に搭載された内燃機関と、内燃機関の過給を行う電動機付過給機と、電動機による過給を制御する制御手段と、内燃機関の出力を変速する変速機とを備えており、制御手段が、変速機のギアポジションが低い場合に（あるいは、低いほど）、高い場合に比べて、電動機による過給アシスト量を増加させることを特徴としている。

なお、過給アシスト量の増加は、種々の手法がある。いくつかを例示するとすれば、目標過給圧を増加させる方法や電動機への供給電力量（電圧値及び／又は電流量）を増加させる方法などが考えられる。また、その際に、ギヤポジション毎にマップを用意する手法や、ギヤ段に応じた補正係数を求め、この補正係数によって低速段であるほど過給アシスト量が増加するようにする手法などが考えられる。

図１は、本発明の電動過給機付内燃機関の制御装置の一実施形態を有するエンジンの構成を示す構成図である。
図２は、過給圧制御のフローチャートである。
図３は、電動機による過給圧かさ上げ分を決定するためのマップである。
図４は、電動機のコントローラへの指示値を決定するためのマップである。

本発明の電動過給機付内燃機関の制御装置の一実施形態について以下に説明する。本実施形態の電動過給機付内燃機関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、車両に搭載された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は、インジェクタ２によってシリンダ３内のピストン４の上面に燃料を噴射するいわゆる筒内噴射型のエンジンである。このエンジン１は、均質燃焼だけでなく成層燃焼も可能である。また、このエンジン１は、希薄燃焼（リーンバーンエンジン）も可能であり、後述するターボチャージャ１１によってより多くの吸入空気を過給してリーンバーンを行うことによって、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。

エンジン１は、吸気通路５を介してシリンダ３内に吸入した空気をピストン４によって圧縮し、ピストン４の上面に形成された窪みの内部に燃料を噴射して濃い混合気を点火プラグ７近傍に集め、これに点火プラグ７で着火させて燃焼させる。このときの燃焼によってシリンダ３内の圧力は上昇してピストン４が往復運動され、この往復運動がコネクティングロッドによって回転運動に変換されて出力として取り出される。出力された駆動力はトランスミッション（変速機）２７によって減速又は増速されて（変速されて）駆動輪を回転させる。

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１０、ターボユニット（過給機）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。ターボユニット１１は、吸気通路５と排気通路６との間に配され、過給を行うものである。本実施形態のターボユニット１１においては、タービン側インペラーとコンプレッサ側インペラー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１１ａと言うこととする）。

また、本実施形態のターボチャージャは、タービン／コンプレッサ１１ａの回転軸が出力軸となるように電動機１１ｂが組み込まれている電動機付ターボチャージャである。電動機１１ｂは、交流モータであり、発電機としても機能し得る。ターボユニット１１は、排気エネルギーによってのみ過給を行う通常の過給機としても機能し得るが、電動機１１ｂによってタービン／コンプレッサ１１ａを強制的に駆動することでさらなる過給を行うこともできる。

さらに、排気エネルギーを利用して、タービン／コンプレッサ１１ａを介して電動機１１ｂを回転させることで回生発電させ、発電された電力を回収することもできる。図示されていないが、電動機１１ｂは、タービン／コンプレッサ１１ａ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５上のターボユニット１１の下流側には、ターボユニット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ＥＣＵ（制御手段）１６がスロットルバルブ１３の開度を決定するものである。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の下流側には、吸気通路５内の圧力（吸気圧）を検出する圧力センサ１９が配設されている。これらのセンサ１５，１８，１９はＥＣＵ１６に接続されており、その検出結果をＥＣＵ１６に送出している。ＥＣＵ１６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなる電子制御ユニットである。ＥＣＵ１６には、上述したインジェクタ２、点火プラグ７や、電動機１１ｂ、等が接続されており、これらはＥＣＵ１６からの信号によって制御されている。ＥＣＵ１６には、このほかにも、カムポジションを検出するカムポジションセンサ２０や、電動機１１ｂと接続されたコントローラ（制御手段）２１・バッテリ２２なども接続されている。コントローラ２１は、電動機１１ｂの駆動を制御するだけでなく、電動機１１ｂが回生発電した電力の電圧変換を行うインバータとしての機能も有している。回生発電による電力は、コントローラ２１によって電圧変換された後にバッテリ２２に充電される。

一方、排気通路６上には、排気ガスを浄化する排気浄化触媒２３がターボユニット１１の下流側に取り付けられている。そして、排気通路６（ターボユニット１１の上流部）から吸気通路５（圧力センサ１９の設置されたサージタンク部）にかけて排気ガスを還流させるためのＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ ＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）通路２４が配設されている。ＥＧＲ通路２４上には、排気ガス還流量を調節するＥＧＲバルブ２５が取り付けられている。ＥＧＲバルブ２５の開度制御も上述したＥＣＵ１６によって行われる。

また、エンジン１のクランクシャフト近傍には、エンジン回転数を検出する回転数センサ２６が取り付けられている。なお、トランスミッション２７は、内部のコントロールバルブ２８がＥＣＵ１６からの信号を受けて駆動されることで変速動作を行う。即ち、トランスミッション２７のギヤ位置は、ＥＣＵ１６によって把握されている。なお、図示したトランスミッション２７はオートマチックトランスミッション（前進５速・後退１速）であるが、マニュアルトランスミッションであっても良い。マニュアルトランスミッションの場合は、そのギアポジションを検出するセンサが設けられる。

上述した電動機１１ｂを用いた過給圧制御の基本部分を説明する。図２に、本制御のフローチャートを示す。図２に示されるフローチャートの制御は、所定時間毎（例えば、３２ｍｓ毎）に繰り返し実行されている。

まず、エンジン回転数が回転数センサ２６によって検出されると共に、エンジン負荷が吸入空気量（圧力センサ１９から推定）やスロットル開度（スロットルポジショニングセンサ１８によって検出）から推定される（ステップ２００）。次に、エンジン回転数とエンジン負荷とから、ベース目標過給圧Ｂが算出される（ステップ２０５）。ベース目標過給圧Ｂとは、定常運転時における所定エンジン回転数・所定エンジン負荷のときに発生すると予想される過給圧であり、予め実験などによって取得されてＥＣＵ１６内のＲＯＭ内にマップとして格納されている。

次に、回転数センサ２６によって検出されたエンジン回転数とアクセルポジションセンサ１５によって検出されるアクセル開度とに基づいて、電動機１１ｂによってかさ上げする分の過給圧Ｐを決定する（ステップ２１０）。エンジン回転数とアクセル開度とかさ上げ分の過給圧Ｐとの関係は、予め実験などを通じて決定されており、マップとしてＥＣＵ１６内のＲＯＭに格納されている。このマップを図３に示す。図３に示されるように、ここでは、エンジン回転数が所定回転数以下で、かつ、アクセル開度が所定開度以上である領域が特定運転領域として設定されており、エンジン１の状態がこの特定運転領域内で運転されているときにのみ、上述したかさ上げ分の過給圧Ｐが正の値として設定され、電動機１１ｂによるアシストが行われる。特定運転領域内でも、より低回転、より大きなアクセル開度となるほどかさ上げ過給圧Ｐが大きくなるようになされている。

エンジン１の状態が特定運転領域外の状態である場合には、上述したかさ上げ過給圧Ｐが０ではなく負の値として設定されることによって電動機１１ｂによるアシストが実質的に禁止されている。かさ上げ過給圧Ｐを負の値として設定することの意味は追って説明する。ステップ２１０の後、トランスミッション２７のギアポジションが検出され、このギアポジションに応じて補正係数Ｋが決定される。ここでは、以下の［表１］に基づいて補正係数Ｋが決定される（ステップ２１２）。

補正係数Ｋの決定後、目標過給圧Ｔ＝補正係数Ｋ×（ベース目標過給圧Ｂ＋かさ上げ分の過給圧Ｐ）として目標過給圧Ｔを算出する（ステップ２１５）。［表１］から明らかなように、目標過給圧Ｔは、補正係数Ｋによってギアポジションが低速段側である場合に（あるいは、低速段側であるほど）、高速段側である場合よりも高くなる。

なお、目標過給圧Ｔは、電動機１１ｂによる過給制御のために設定される制御上の目標値であり、実際に欲しい過給圧と一致しない場合もある。例えば、図３のマップから分かるように、低回転でアクセル開度が大きいときには、かさ上げ分Ｐが大きく設定され、目標過給圧Ｔは大きく設定される。しかし、このときの目標過給圧Ｔは実際には達成し得ない過給圧となる場合もある。このように目標過給圧Ｔを設定することで、電動機１１ｂによる過給圧のフルアシストが確実に継続して行われるようにすることもできる。特に、かさ上げ分Ｐが正に設定される場合、即ち、積極的に電動機１１ｂによる過給を行うべきと思われる状況では、この目標過給圧Ｔは、かさ上げ分Ｐを介して、実際に欲しいと思われる過給圧よりもやや大きめに設定され、電動機１１ｂによる過給が確実に行われるようにされる。

目標過給圧Ｔの算出後、圧力センサ１９によって吸気管内圧力を実過給圧Ｃとして検出し（ステップ２２０）、上述した目標過給圧Ｔと検出した実過給圧Ｃとの差ΔＰを算出する（ステップ２２５）。次いで、算出された差ΔＰが０より大きいか否かを判定し（ステップ２３０）、差ΔＰが０以下であれば、電動機１１ｂによるアシストの有無を示すアシストフラグＦａｓｓｉｓｔを０にして電動機１１ｂによる過給アシストを行わずに図２のフローチャートを一旦抜ける。ここで、上述したかさ上げ過給分Ｐが正の値であっても、差ΔＰが０以下であれば、電動機１１ｂによる過給は行われない。一方、ステップ２３０が肯定される場合、即ち、差ΔＰが０より大きい場合は、電動機１１ｂによる過給アシストを行うための指示値を差ΔＰに基づいて決定し、この指令値をコントローラ２１に対して出力する（ステップ２３５）。

差ΔＰとコントローラ２１に与える指令値との関係を図４に示す。図４の実線で示されるように、コントローラ２１への指令値は電圧値によって行われる。差ΔＰが大きいほど、大きな電圧値がコントローラ２１に対して送出される。その電圧値の範囲は、ここでは０〜４．３Ｖの範囲である。４．３Ｖの電圧がコントローラ２１に送出されると、コントローラ２１は電動機１１ｂをフル駆動させて過給をフルアシストする。コントローラ２１への指示値の送出後、アシストフラグＦａｓｓｉｓｔが１にされ（ステップ２４０）、コントローラ２１が受け取った指示値に基づいて電動機１１ｂが制御される（ステップ２４５）。

上述したように、目標過給圧Ｔは、トランスミッション２７のギアポジションが低速段側であるほど大きくなるようになされている。このため、トランスミッション２７のギアポジションが低速段側である場合に（あるいは、低速段側であるほど）、（同一条件で高速段側である場合に比べて）差ΔＰは大きくなる。この結果、電動機１１ｂへの供給電圧が高くなり、電動機１１ｂによる過給アシスト量が増加される。トランスミッション２７が低速段側である場合に（あるいは、低速段側であるほど）電動機の過給アシスト効果が増強されるため、タービン／コンプレッサ１１ａの回転は急峻に立ち上げられる。トランスミッション２７が低速段側である場合は、加速時のエンジン回転数の立ち上がりが急峻となるが、このようにタービン／コンプレッサ１１ａの回転も急峻に立ち上げられるため、過渡的な出力低下を防止することができる。

上述したように、トランスミッション２７のギアポジションが低速段側にある（車速が低い）場合は、追い越し加速（全開加速）等が行われると、エンジン回転数が最高回転数（ギヤシフトアップ時回転数）に達するまでの時間が比較的短くなる（高速段側に比べて短くなる）。本実施形態のようなギアポジションに応じた補正を行わないと、ターボ回転数の立ち上がりは、タービン／コンプレッサ１１ａの慣性モーメントの影響でエンジン回転数に対する応答遅れが大きくなってしまう。

なお、応答遅れが大きくなる要因としては、排気マニフォールドなどタービン上流側の排気系からの放熱に伴う排ガス温度低下も挙げられる。ターボユニット１１のタービンを回転させる排気エネルギーは、排気ガス温度にも影響を受けるため、排ガス温度が低下すればタービンを回転させるエネルギーも低下してしまう。また、この応答遅れのために、エンジンの大幅なダウンサイジングが計れずに実用燃費の改善ができないという側面もある。

本実施形態では、ギアポジションに応じた補正を行うことで上述した応答遅れを解消し、低速域での車両加速性能の過渡的な低下を抑止している。また、大幅なダウンサイジングによる実用燃費の改善も可能となる。なお、高速走行（ギアポジションが高速段側）での加速の場合は、走行抵抗も大きく、エンジン回転数の上昇速度も小さくなる結果、排気系そのものの温度上昇も高い（定常全負荷に近づく）。このため、高速域（ギアポジションが高速段側）となるほどターボ回転数の応答遅れは小さくなる。

また、上述した補正係数Ｋに対して制限を設けることも可能である。例えば、車両がトラクションコントロール制御を併用しているような場合に、車輪のスリップを検出したときに補正係数の大きさを小さくする制限を加えてもよい。車輪がスリップしている場合は、エンジンの出力を絞って車輪のスリップを抑止する。このため、車輪のスリップが検出された場合は、補正係数Ｋによって目標過給圧Ｔ（過給アシスト量）が増強されるのを抑止する。この場合、補正係数Ｋの利用を禁止しても良いし、補正係数Ｋの値をステップ２１２で決定されたものの８０％にするなどの手法がある。あるいは、補正係数Ｋ以外の補正係数を用いても良い。

また、ここでは、上述した特定運転領域外のときはかさ上げ過給分Ｐを負の値として設定している。このようにすることで、算出される目標過給圧Ｔがより少なく算出されることとなり、その結果、差ΔＰもより小さく算出されることになる。電動機１１ｂによる過給圧制御を行うか否かは、差ΔＰの大きさに基づいて判定するので、差ΔＰがより小さく算出されるということは、電動機１１ｂによる過給圧制御が行われにくくなるということになる。差ΔＰは、小さめに算出される目標過給圧Ｔと実過給圧Ｃとの差であるので、電動機１１ｂによる過給圧制御の要否を判定する上で、結果的に実過給圧Ｃに対してある程度の変動幅を確保することになる。

このようにすると、外乱などに起因して実過給圧Ｃが変動しただけのような、電動機１１ｂによるアシストを始めたくないような場合に電動機１１ｂによる過給圧が行われにくくなり、過給圧制御を安定して行うことができる。例えば、外乱などで実過給圧Ｃが微小な増減を繰り返して変動するような場合に電動機１１ｂによる過給の開始停止が頻繁に繰り返されてしまうと過給圧制御がかえって荒れてしまう。即ち、電動機１１ｂによる不要な過給圧制御が行われてしまう。そこで、電動機１１ｂによる過給が必要ないと思われるとき（特定運転領域外のとき）は、電動機１１ｂによる過給が開始されにくいようにしておくことによって過給圧制御の安定化を図っている。なお、上述した実施形態は、「変速機のギアポジションが低い場合に、高い場合に比べて、前記電動機による過給アシスト量を増加させる」実施形態であると共に、「変速機のギアポジションが低いほど、高い場合に比べて、前記電動機による過給アシスト量を増加させる」実施形態である。

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。上述した実施形態では、本発明の電動過給機付内燃機関の制御装置を直噴ガソリンエンジンに適用したが、直噴でないガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどに適用することも可能である。また、上述した実施形態では、過給機がターボチャージャであったが、ターボチャージャではなく、例えば、電動機付ターボチャージャの排気側を除いたような、電動式のコンップレッサなどであっても良い。さらに、上述した実施形態では、目標過給圧Ｔ＝補正係数Ｋ×（ベース目標過給圧Ｂ＋かさ上げ分の過給圧Ｐ）として目標過給圧Ｔを算出したが、目標過給圧Ｔ＝ベース目標過給圧Ｂ＋（かさ上げ分の過給圧Ｐ×補正係数Ｋ）として目標過給圧Ｔを算出しても良い。

本発明に記載の電動過給機付内燃機関の制御装置によれば、変速機が低速段にある場合に（あるいは、低速段側にあるほど）、高い場合に比べて、過給アシスト量が増加されるため、低速域での車両加速性能の過渡的な低下を抑止でき、全てのギヤポジション（即ち、全ての車速域）において好適な過給効果を得ることができる。

Claims (7)

1. 車両に搭載された内燃機関と、
   前記内燃機関の過給を行う電動機付過給機と、
   前記電動機による過給を制御する制御手段と、
   前記内燃機関の出力を変速する変速機とを備えており、
   前記制御手段が、前記変速機のギアポジションが低い場合に、高い場合に比べて、前記電動機による過給アシスト量を増加させることを特徴とする電動過給機付内燃機関の制御装置。
2. 車両に搭載された内燃機関と、
   前記内燃機関の過給を行う電動機付過給機と、
   前記電動機による過給を制御する制御手段と、
   前記内燃機関の出力を変速する変速機とを備えており、
   前記制御手段が、前記変速機のギアポジションが低いほど、高い場合に比べて、前記電動機による過給アシスト量を増加させることを特徴とする電動過給機付内燃機関の制御装置。
3. 前記過給機が、回転軸を共有するタービンインペラー及びコンプレッサインペラーとを備えており、前記電動機が、前記回転軸を出力軸として配設されており、前記回転軸の回転によって回生発電を行えるものであることを特徴とするクレーム１又は２に記載の電動過給機付内燃機関の制御装置。
4. 前記制御手段が、エンジン回転数とエンジン負荷とからベース目標過給圧を設定すると共に、エンジン回転数とアクセル開度によって前記電動機によるかさ上げ分過給圧を設定し、ベース目標過給圧とかさ上げ分過給圧とを加算して目標過給圧を設定し、前記変速機のギアポジションに応じて設定される補正係数を用いて、前記電動機による過給アシスト量の制御を行うことを特徴とするクレーム１〜３の何れか一項に記載の電動過給機付内燃機関の制御装置。
5. 前記制御手段が、エンジン回転数とエンジン負荷とからベース目標過給圧を設定すると共に、エンジン回転数とアクセル開度によって前記電動機によるかさ上げ分の過給圧を設定し、前記変速機のギアポジションに応じて設定される補正係数を用いて、前記変速機のギアポジションが低い場合に、高い場合に比べて、前記電動機による過給アシスト量を増加させるように前記かさ上げ分過給圧を補正し、ベース目標過給圧と補正後のかさ上げ分過給圧とを加算して目標過給圧を設定することを特徴とするクレーム１〜４の何れか一項に記載の電動過給機付内燃機関の制御装置。
6. 前記制御手段は、エンジン回転数が所定回転数以下で、かつ、アクセル開度が所定開度以上である特定運転領域内の場合に、前記変速機のギアポジションを考慮して補正した前記電動機による過給アシスト量よりも更に大きなアシスト量とすることを特徴とするクレーム１又は２に記載の電動過給機付内燃機関の制御装置。
7. 前記制御手段は、エンジン回転数が所定回転数以下で、かつ、アクセル開度が所定開度以上である特定運転領域外の場合に、前記電動機による過給アシストを禁止又は過給アシストが行われにくくなるようにすることを特徴とするクレーム１又は２に記載の電動過給機付内燃機関の制御装置。

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