JP2004169673A - 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による回生発電時の内燃機関の出力変動を抑制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、内燃機関１に付随して配設されたターボチャージャ１１と、排気流によって該ターボチャージャ１１のタービン／コンプレッサ１１ａを回転させて発電を行い得る電動機１１ｂと、電動機１１ｂによる発電時に、内燃機関１の出力を増大させる出力増大手段とを備えていることを特徴としている。出力増大手段としては、スロットルバルブ１３の開度を開き方向に補正するものが挙げられる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービンの回転を利用して発電を行うことのできる電動機を備えたターボチャージャを有する内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン（内燃機関）の吸入空気をターボチャージャで過給して、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。ターボチャージャの改善が要望されている点の一つとして、低回転域の過給圧の立ち上がりが悪く、低回転域でのエンジン出力特性が良好でないというものがある。これは、排気エネルギーを利用して吸入空気を過給するというターボチャージャの原理上、排気エネルギーの少ない低回転域で発生する現象であった。これを改善するために、ツインターボ化などが一般に行われているが、タービン／コンプレッサに電動機（モータ）を組み込んで強制的にタービン／コンプレッサを駆動して所望の過給圧を得ようとする試みもなされている。このような場合は、排気エネルギーを利用して電動機に回生発電を行わせることも可能である。このような電動機付ターボチャージャを有する内燃機関としては、［特許文献１］に記載のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−２４００５８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
［特許文献１］に記載の内燃機関においては、電動機付ターボチャージャの電動機を用いて発電を行う場合には、排気エネルギーの一部が発電に消費されるため、その分の過給効果が減って内燃機関の出力が低下してしまう。［特許文献１］においては、ターボチャージャに付随した電動機で発電する際には、オルタネータでの発電を停止して内燃機関への負荷を軽減する旨の開示があるが、根本的な対策ではなく更なる改善が要望されるものであった。
【０００５】
従って、本発明の目的は、電動機付ターボチャージャにおよる回生発電時の内燃機関の出力変動を抑制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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、内燃機関に付随して配設されたターボチャージャと、排気流によって該ターボチャージャのタービン／コンプレッサを回転させて発電を行い得る電動機と、電動機による発電時に、内燃機関の出力を増大させる出力増大手段とを備えていることを特徴としている。
【０００７】
また、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、出力増大手段は、内燃機関の出力を増大させるに際して、スロットルバルブの開度調整による出力増大を優先して行うことを特徴としている。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、出力増大手段は、スロットルバルブの開度が全開の時には、燃料噴射量調節によって出力増大を行うことを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
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。
【００１０】
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タイプのエンジンである。このエンジン１は、成層燃焼が可能であり、いわゆるリーンバーンエンジンである。後述するターボチャージャ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。
【００１１】
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得る（成層燃焼）。吸気行程に燃料噴射すれば、通常の均質燃焼も行える。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、エアフロメータ２７、ターボユニット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。
【００１２】
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２７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）。
【００１３】
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、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。なお、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。
【００１４】
また、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。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。
【００１５】
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ニングセンサ１５で検出し、この検出結果と他の情報量とに基づいてＥＣＵ１６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。
【００１６】
スロットルバルブ１３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１９が配設されている。これらのセンサ１５，１８，１９，２７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、吸気バルブ８の開閉タイミングを制御する可変バルブタイミング機構２０の油圧や、電動機１１ｂと接続されたコントローラ２１、バッテリ２２なども接続されている。
【００１７】
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、ターボユニット１１の上流側に、排気空燃比を検出する空燃比センサ２８が配されている。空燃比センサ２８の上述したＥＣＵ１６に接続されており、その検出結果をＥＣＵ１６に送出している。
【００１８】
また、ターボユニット１１の下流側には、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。そして、排気通路６（空燃比センサ２８の上流側）から吸気通路５（圧力センサ１９の下流側に形成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 Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）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、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からエンジン回転数を検出することもできる。
【００１９】
上述した内燃機関における制御について説明する。図２に、本実施形態における制御のフローチャートを示す。
【００２０】
まず、発電要求があるか否かが判定される（ステップ２００）。エンジン１の制御全般はＥＣＵ１６によって行われており、電動機１１ｂの制御はこのＥＣＵ１６とコントローラ２１とによって協調制御されている。ＥＣＵ１６は、エンジン１の状態を上述した各種センサによって検出されるエンジン回転数や吸入空気量、スロットル開度などの情報量から判断しており、電動機１１ｂによって回生発電をさせてエネルギーを回収するか否かの判断もしている。そして、ＥＣＵ１６によって電動機１１ｂに回生発電をさせると判断された場合には、発電量要求指令が生成され、これに基づいてコントローラ２１などによって電動機１１ｂによって回生発電が行われる。ステップ２００では、この発電要求指令が生成されているか否かを判定している。
【００２１】
発電要求がない場合、即ち、ステップ２００が否定される場合は、後述する補正係数α，βがクリアされ（ステップ２７０）、電動機１１ｂによる回生発電は行われない（ステップ２８０）。なお、ステップ２８０において、電動機１１ｂによる回生発電が既に行われている場合は停止される。
【００２２】
一方、発電要求がある場合、即ち、ステップ２００が肯定される場合、次に、エンジン回転数がクランクポジショニングセンサ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）から算出（推定）される。なお、吸入空気量は、エアフロメータ２７にて測定されるか、又は、圧力センサ１９の検出結果から推定される。また、スロットル開度は、スロットルポジショニングセンサ１８によって検出される。
【００２３】
ステップ２１０の後、検出されたスロットル開度が全開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、スロットルバルブ１３にまだその開度を開く余裕がある場合は、電動機１１ｂによる発電によって減少する過給効果を吸入空気量を増加させる（それに伴って燃料も増加することもあり得る）ことで補うべく、スロットル開度補正係数αが算出される（ステップ２３０）。スロットル開度補正係数αは、基本となるスロットル開度に対して、その基本開度を何％増しとなるように指示するための係数である。なお、係数でなく、単純に開度の増分を指示する補正値で補正するなどの他の手法も採用し得る。
【００２４】
スロットル開度補正係数αは、エンジン回転数とエンジン負荷とに基づく二次元マップとしてＥＣＵ１６内に格納されており、ステップ２１０において検出・算出されたエンジン回転数とエンジン負荷とに基づいて算出（決定）される。補正係数αは、エンジン回転数が高い程、また、エンジン負荷が高い程、スロットルバルブ１３の開度を大きくする値となる。この補正係数αは、実際に発電を実行したときのエンジン１のトルク低下（出力低下）を補償する値として実験を通じて予め決定されたものである。
【００２５】
ステップ２３０において補正係数αが算出された後、この補正係数を反映させてスロットルバルブ１３の開度を開く側に補正すると同時に、電動機１１ｂによる回生発電を開始する。スロットルバルブ１３を開く側に補正することでエンジン１の出力は増大側に補正される。これによって、回生発電によって減る過給効果の分が打ち消され、エンジン１の出力に段差などが生じずに円滑に電動機１１ｂによる回生発電を開始できる。
【００２６】
特に、ここでは、スロットルバルブ１３の開度を大きくして吸入空気量を増加させることを優先している。このようにすると、増加した吸入空気量に見合う最適空燃比に基づいて燃料噴射量が増加されるので、エンジン１の出力が増加する。即ち、最適な空燃比を維持しつつ出力増加させて、回生発電によって減る過給効果の分を効果的に打ち消すことができる。なお、ここでは、スロットルバルブ１３や、ＥＣＵ１６、スロットルモータ１７、スロットルポジショニングセンサ１８などが、出力増大手段として機能している。
【００２７】
一方、ステップ２２０が肯定され、スロットルバルブ１３が全開である場合は、電動機１１ｂによる発電によって減少する過給効果を燃料噴射量を増やすことで補うべく、燃料増量補正係数βが算出される（ステップ２５０）。燃料増量補正係数βは、基本となる燃料噴射量に対して、その基本燃料噴射量を何％増しとなるように指示するための係数である。なお、係数でなく、単純に噴射量の増分を指示する補正値で補正するなどの他の手法も採用し得る。
【００２８】
燃料増量補正係数βも、エンジン回転数とエンジン負荷とに基づく二次元マップとしてＥＣＵ１６内に格納されており、ステップ２１０において検出・算出されたエンジン回転数とエンジン負荷とに基づいて算出（決定）される。補正係数βも、エンジン回転数が高い程、また、エンジン負荷が高い程、噴射燃料量を多くする値となる。この補正係数βも、実際に発電を実行したときのエンジン１のトルク低下（出力低下）を補償する値として実験を通じて予め決定されたものである。
【００２９】
ステップ２５０において補正係数βが算出された後、この補正係数を反映させて燃料噴射量を増量する側に補正すると同時に、電動機１１ｂによる回生発電を開始する。燃料噴射量を増量する側に補正することでエンジン１の出力は増大側に補正される。これによって、回生発電によって減る過給効果の分が打ち消され、エンジン１の出力に段差などが生じずに円滑に電動機１１ｂによる回生発電を開始できる。なお、ここでは、燃料噴射量を決定するＥＣＵ１６などが、出力増大手段として機能している。
【００３０】
なお、上述した実施形態では、スロットルバルブ開度を介して吸入空気量を調節することで出力を増大させることと、燃料噴射量を増量させることで出力を増大させること（スロットル全開時）とを併用した。しかし、スロットルバルブ開度を介して吸入空気量を調節することだけを単独で採用しても良い。この場合、スロットルバルブが全開である場合は、内燃機関の出力に段差が生じ得てしまうのを許容しても良いし、スロットルバルブが全開である場合には電動機付ターボチャージャの電動機による回生発電を禁止するようにしても良い。
【００３１】
また、上述した実施形態においては、圧力センサ１９とエアフロメータ２７とが併用されていた。しかし、吸気管内圧から吸入空気量を推定するようなシステムが構築できるのであれば、必ずしもエアフロメータ２７を設けなくても良い。あるいは、エアフロメータ２７のみで制御が可能であるなら、圧力センサ１９を設けなくても良い。また、上述した実施形態では、電動機１１ｂの回生発電時の補正量（回生発電による目減り分を補償する出力増大量）はエンジン回転とエンジン負荷とに基づいて決定されたが、他のパラメータを用いたり併用することで決定しても良い。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の制御装置は、電動機による発電時に内燃機関の出力を増大させる出力増大手段を備えており、電動機付ターボチャージャにおいて回生発電を行う際には回生発電によって減じられる過給効果分を補償するために内燃機関の出力を増大させる。これによって、内燃機関の出力を低下させることなく、かつ、回生発電に伴って内燃機関の出力に段差などを生じさせずに円滑に回生発電を行わせることができる。ここで、出力増大手段が、内燃機関の出力を増大させるに際してスロットルバルブの開度調整による出力増大を優先して行うようにすることで、最適な空燃比を維持しつつ出力増加させることができる。さらにここで、スロットルバルブの開度が全開の時には、出力増大手段が燃料噴射量調節によって出力増大を行うようにすれば、内燃機関の出力をさらに増加させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】本発明の制御装置の一実施形態による回生発電時の内燃機関制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１…エンジン、２…インジェクタ、３…シリンダ、４…ピストン、５…吸気通路、６…排気通路、７…点火プラグ、８…吸気バルブ、９…排気バルブ、１０…エアクリーナ、１１…ターボユニット、１１ａ…タービン、１１ｂ…電動機、１２…インタークーラー、１３…エアクリーナ、１３…スロットルバルブ、１４…アクセルペダル、１５…アクセルポジショニングセンサ、１６…ＥＣＵ、１７…スロットルモータ、１８…スロットルポジショニングセンサ、１９…圧力センサ、２０…可変バルブタイミング機構、２１…コントローラ、２２…バッテリ、２３…排気浄化触媒、２４…ＥＧＲ通路、２５…ＥＧＲバルブ、２６…クランクポジショニングセンサ、２７…エアフロメータ、２８…空燃比センサ。

Claims (3)

1. 内燃機関に付随して配設されたターボチャージャと、排気流によって該ターボチャージャのタービン／コンプレッサを回転させて発電を行い得る電動機とを備えた内燃機関の制御装置において、
   前記電動機による発電時に、前記内燃機関の出力を増大させる出力増大手段をさらに備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記出力増大手段は、前記内燃機関の出力を増大させるに際して、スロットルバルブの開度調整による出力増大を優先して行う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. 前記出力増大手段は、前記スロットルバルブの開度が全開の時には、燃料噴射量調節によって出力増大を行うことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。

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