JP2010116896A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動過給機を備えた内燃機関であっても、運転中に吸気負圧を増大させることができ、エンジンブレーキの効きを向上させることができる内燃機関の制御装置を得る。
【解決手段】車両に搭載された内燃機関１に設けられ、電動機９がコンプレッサホイール８を回転駆動することにより、吸気通路３を通ってシリンダ内に吸入される吸気を過給するとともに、吸気を過給する方向とは逆方向に電動機９を加速させることにより、吸気圧を減圧可能な電動過給機５と、車両の運転状態を検出する運転状態検出手段と、運転状態に基づいて吸気圧の目標値である目標過給圧を演算し、目標過給圧に応じて電動機９を制御する電動機制御装置１９とを備え、電動機制御装置１９は、運転状態が車両の加速を要しない加速不要状態である場合に、目標過給圧に応じた電動機９の制御を停止し、電動機９を逆方向に加速させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両の運転状態に応じて電動過給機を制御する内燃機関の制御装置に関する。

一般的に、内燃機関の出力を増大させるために、電動過給機を用いてシリンダ内に吸入される吸気の圧力（吸気圧）を増大させる（シリンダ内の吸気を過給する）ことが知られている。また、近年では、出力の増大という目的に加えて、内燃機関を小排気量化して燃費を低減させるために、内燃機関に電動過給機を設けることが知られている。

例えば、従来の内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気エネルギーを利用してシリンダ内を過給し、回転軸の回転が電動機によってアシストされる電動過給機を備え、アクセル開度や内燃機関の回転速度に基づいて決定される電動過給機の目標回転速度に基づいて、電動機によるアシスト力を制御している（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の制御装置によれば、電動機の制御性の良さを活かして、車両の運転状態に応じた制御を行うことができる。

また、従来の内燃機関の制御装置は、シリンダ内の吸気を過給する方向とは逆方向に電動機を作動させることで、吸気圧を減圧可能な電動過給機を備え、内燃機関の始動時に、電動機を逆方向に作動させて吸気圧を減圧させた後に、シリンダ内混合気の着火を開始している（例えば、特許文献２参照）。
特許文献２の制御装置によれば、シリンダ内の空気充填効率を低減させることで、始動時の振動や音を低減することができる。

特開２００７−７７９０９号広報 特開２００７−９２６７９号公報

しかしながら、従来技術には、次のような問題点があった。
引用文献１に記載された従来の内燃機関の制御装置では、シリンダ内の吸気を過給することにより、吸気負圧が減少する。ここで、電動過給機を備えた内燃機関および電動過給機を備えていない内燃機関について、アクセル開度と吸気負圧との関係を図５に例示する。図５より、電動過給機を備えた内燃機関について、特にアクセル開度が低い領域で吸気負圧が減少していることがわかる。吸気負圧が減少すると、シリンダのポンピングロスが減少し、エンジンブレーキの効きが悪くなるという問題点があった。

また、引用文献２に記載された従来の内燃機関の制御装置では、シリンダ内の吸気を過給する方向とは逆方向に電動機を作動させることにより、吸気圧を減圧して吸気負圧を増大させているが、これは内燃機関の始動時のみの処理である。そのため、内燃機関の運転中、すなわち車両の走行中には、上記引用文献１と同様に吸気負圧が減少した状態となり、エンジンブレーキの効きが悪くなるという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、電動過給機を備えた内燃機関であっても、運転中に吸気負圧を増大させることができ、ポンピングロスを増大してエンジンブレーキの効きを向上させることができる内燃機関の制御装置を得ることにある。

この発明に係る内燃機関の制御装置は、車両に搭載された内燃機関に設けられ、電動機がコンプレッサホイールを回転駆動することにより、吸気通路を通ってシリンダ内に吸入される吸気を過給するとともに、吸気を過給する方向とは逆方向に電動機を加速させることにより、吸気圧を減圧可能な電動過給機と、車両の運転状態を検出する運転状態検出手段と、運転状態に基づいて吸気圧の目標値である目標過給圧を演算し、目標過給圧に応じて電動機を制御する制御手段とを備え、制御手段は、運転状態が車両の加速を要しない加速不要状態である場合に、目標過給圧に応じた電動機の制御を停止し、電動機を逆方向に加速させるものである。

この発明の内燃機関の制御装置によれば、制御手段は、運転状態検出手段で検出された車両の運転状態が車両の加速を要しない加速不要状態である場合に、目標過給圧に応じた電動機の制御を停止し、吸気を過給する方向とは逆方向に電動過給機の電動機を加速させて、吸気圧を減圧する。
そのため、電動過給機を備えた内燃機関であっても、運転中に吸気負圧を増大させることができ、ポンピングロスを増大してエンジンブレーキの効きを向上させることができる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の制御装置を含むシステム全体を示す構成図である。図１に示した内燃機関１は、４気筒のガソリンエンジンであり、電動過給機５を用いてシリンダ内の吸気を過給することにより、高出力化とともに低燃費化を実現するものである。

なお、適用されるエンジンに気筒数の制限はない。また、エンジンの燃焼方式についても制限はなく、シリンダ内に燃料を直接噴射する直噴エンジンに適用されてもよいし、スロットルバルブ１１の下流側のインテークマニホールド１４に燃料を噴射するポート噴射エンジンに適用されてもよい。

図１において、内燃機関１のシリンダ部２には、吸気通路３と排気通路４とが接続されている。また、吸気通路３と排気通路４との間には、電動過給機５が設けられている。
電動過給機５は、シリンダ部２の各シリンダで発生した排気ガスによって回転するタービンホイール６と、タービンホイール６と回転軸７を介して同軸上に接続され、タービンホイール６の回転によって吸気を圧縮するコンプレッサホイール８と、回転軸７を回転駆動する電動機９とを有している。

また、電動過給機５は、シリンダ部２で発生した排気ガスまたは電動機９の回転駆動により、吸気通路３を通ってシリンダ内に吸入される吸気を過給するとともに、吸気を過給する方向とは逆方向に電動機９を加速させることにより、吸気圧を減圧して吸気負圧を増大することができる。なお、電動過給機５は、内燃機関１の低回転時には電動機９の回転駆動によって吸気を過給し、内燃機関１の高回転時には排気ガスによって吸気を過給する。

また、吸気通路３の電動過給機５よりも下流側には、吸気を冷却するインタークーラ１０が設けられている。インタークーラ１０の下流側には、吸気通路３を流れる吸気の流量を調節するスロットルバルブ１１が設けられている。スロットルバルブ１１には、スロットルバルブ１１を開閉駆動するスロットルアクチュエータ１２が取り付けられている。

また、スロットルバルブ１１の下流側には、電動過給機５の下流側の吸気圧を検出する吸気圧センサ１３（吸気圧検出手段）が設けられている。
また、吸気通路３のスロットルバルブ１１よりも下流側は、シリンダ部２の各シリンダに応じて分岐し、インテークマニホールド１４を形成している。また、排気通路４の上流側は、シリンダ部２の各シリンダに応じて分岐し、エギゾーストマニホールド１５を形成している。

ここで、内燃機関１の吸気通路３に取り込まれた吸気が排気通路４から排出されるまでの流れについて説明する。
まず、大気中から吸気通路３に取り込まれた吸気は、エアクリーナ（図示せず）によって塵埃が除去される。続いて、塵埃が除去された吸気は、電動過給機５のコンプレッサホイール８の回転により圧縮される。

次に、圧縮された吸気は、圧力上昇によって温度が上昇し、膨張しようとしているので、充填効率を向上させるために、インタークーラ１０で冷却される。続いて、冷却された吸気は、スロットルアクチュエータ１２によって駆動されるスロットルバルブ１１の開度に応じて流量が調節され、ポート噴射エンジンの場合は燃料が混合されて、シリンダ部２の各シリンダ内に吸入される。

次に、シリンダ内に吸入された混合気は着火され、シリンダ内のピストン（図示せず）が押し下げられる。続いて、クランク（図示せず）によってピストンの上下運動が回転運動に変換され、車両の推進力となる動力として利用される。

また、シリンダ内での燃焼によって発生した排気ガスは、エギゾーストマニホールド１５を介して排出される。続いて、シリンダ内から排出された排気ガスは、電動過給機５のタービンホイール６を通り、タービンホイール６を回転させる。タービンホイール６を回転させた排気ガスは、排気ガス浄化触媒等が一体化されたマフラー（図示せず）により浄化され、排気通路４から大気中に排出される。

また、内燃機関１には、ブレーキペダル１６を踏むことで発生するブレーキ力を補助する倍力装置１７が設けられており、倍力装置１７に吸気を導入する配管１８が、インテークマニホールド１４に接続されている。なお、ブレーキペダル１６は、ブレーキの踏み込み量をエンジン制御装置２０（後述する）に出力する。
ここで、倍力装置１７は、吸気通路３の吸気負圧を用いてブレーキ力を補助する公知の装置であり、詳細な説明は省略する。

また、電動過給機５の電動機９には、電動機制御装置１９（制御手段、アクセル操作検出手段）が接続され、電動機制御装置１９には、吸気圧センサ１３とエンジン制御装置２０とが接続されている。なお、電動機制御装置１９およびエンジン制御装置２０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどからなる算術論理演算可能回路である。

また、エンジン制御装置２０には、スロットルアクチュエータ１２、ブレーキペダル１６、加速度センサ２１（加速度検出手段）、車速センサ２２（車速検出手段）、勾配センサ２３（勾配角度検出手段）およびアクセルペダル２４（アクセル操作検出手段）が接続されている。

加速度センサ２１は、車両の加速度を検出してエンジン制御装置２０に出力する。車速センサ２２は、車両の車速を検出してエンジン制御装置２０に出力する。勾配センサ２３は、車両の進行方向に対する勾配角度を検出してエンジン制御装置２０に出力する。アクセルペダル２４は、アクセル開度をエンジン制御装置２０に出力する。

エンジン制御装置２０は、ブレーキペダル１６からのブレーキ踏み込み量、加速度センサ２１からの加速度、車速センサ２２からの車速、勾配センサ２３からの勾配角度およびアクセルペダル２４からのアクセル開度を受け取る。そして、エンジン制御装置２０は、スロットルアクチュエータ１２にスロットルバルブ１１の開度を制御する指令を出力するとともに、加速度、車速、勾配角度およびアクセル開度を運転状態として電動機制御装置１９に出力する。

電動機制御装置１９は、エンジン制御装置２０からの運転状態に基づいて必要な過給圧（目標過給圧）を演算し、吸気圧センサ１３で検出された吸気圧と比較して電動機９をフィードバック制御する。
具体的には、電動機制御装置１９は、検出された吸気圧が演算された必要過給圧よりも低い場合には、電動機９を過給方向に回転駆動させることで吸気圧を加圧し、検出された吸気圧が演算された必要過給圧よりも高い場合には、電動機９を過給方向とは逆方向に加速させることで吸気圧を減圧する。なお、コンプレッサホイール８が排気ガスにより十分な回転数を得られる場合には、電動機９を発電機として回生させてもよい。

また、電動機制御装置１９は、エンジン制御装置２０からの運転状態が、車両の加速を要しない加速不要状態である場合には、必要過給圧に応じた電動機９の制御を停止し、電動機９を過給方向とは逆方向に加速させることで吸気圧を減圧する。また、電動機制御装置１９は、エンジン制御装置２０からの運転状態が加速不要状態である場合に、運転状態に基づいて必要な吸気負圧であるブレーキ必要負圧（目標負圧）を演算し、吸気圧センサ１３で検出された吸気圧と比較して電動機９をフィードバック制御してもよい。
なお、電動機制御装置１９は、必要過給圧またはブレーキ必要負圧に基づいて電動機９をフィードフォワード制御してもよい。

ここで、加速不要状態とは、車両の加速度が負の値である場合、車両の車速が所定速度よりも大きい場合、車両の勾配角度が下り勾配を示す角度である場合、アクセルペダル２４が踏まれていない場合である。なお、これらの条件のうち、１つを満たした場合に加速不要状態と判定してもよいし、いくつかの条件を同時に満たした場合に加速不要状態と判定してもよい。

次に、図２のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置１９の動作の一例について説明する。
まず、電動機制御装置１９は、エンジン制御装置２０からアクセル開度を受け取り、アクセルペダル２４が踏まれているか否かを判定する（ステップＳ１）。

ステップＳ１において、アクセルペダル２４が踏まれていない（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、電動機制御装置１９は、ブレーキを使用する可能性があると判断し、ブレーキ必要負圧を確保すべくステップＳ２に移行する。

続いて、電動機制御装置１９は、エンジン制御装置２０から運転状態（加速度、車速および勾配角度）を受け取り（ステップＳ２）、運転状態に基づいてブレーキ必要負圧を演算する（ステップＳ３）。ここで、ブレーキ必要負圧の演算の基準となる運転状態の一例を図３に示す。図３より、減速時の加速度が大きい場合、車速が大きい場合、勾配角度が下り勾配である場合に、ブレーキ必要負圧が大きくなることが分かる。

次に、電動機制御装置１９は、吸気圧センサ１３で検出された吸気圧がブレーキ必要負圧よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ４）。
ステップＳ４において、吸気圧がブレーキ必要負圧よりも小さい（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、そのまま図２の処理を終了する。

一方、ステップＳ４において、吸気圧がブレーキ必要負圧以上である（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、電動機制御装置１９は、電動機９を過給方向とは逆方向に加速させて吸気圧を減圧し（ステップＳ５）、図２の処理を終了する。
なお、このときブレーキ必要負圧と吸気圧との差圧に応じて電動機９を駆動させることにより、最適なブレーキ必要負圧を確保することができる。

一方、ステップＳ１において、アクセルペダル２４が踏まれている（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、電動機制御装置１９は、内燃機関１の出力を向上させる必要があると判断し、吸気を過給すべくステップＳ６に移行する。

続いて、電動機制御装置１９は、エンジン制御装置２０から運転状態（加速度、車速および勾配角度）を受け取り（ステップＳ６）、運転状態に基づいて電動過給機５が必要とする過給圧（必要過給圧）を演算する（ステップＳ７）。ここで、必要過給圧の演算の基準となる運転状態の一例を図４に示す。図４より、加速時の加速度が大きい場合、車速が大きい場合、勾配角度が上り勾配である場合に、必要過給圧が大きくなることが分かる。

次に、電動機制御装置１９は、必要過給圧に応じて電動機９を過給方向に回転駆動させて吸気を過給し（ステップＳ８）、内燃機関１の出力を向上させて、図２の処理を終了する。

この発明の実施の形態１に係る内燃機関の制御装置によれば、制御手段は、運転状態検出手段で検出された車両の運転状態が車両の加速を要しない加速不要状態である場合、すなわち車両の加速度が負の値である場合、車両の車速が所定速度よりも大きい場合、車両の勾配角度が下り勾配を示す角度である場合、アクセルペダルが踏まれていない場合等に、吸気を過給する方向とは逆方向に電動過給機の電動機を加速させて、吸気圧を減圧する。
そのため、電動過給機を備えた内燃機関であっても、運転中に吸気負圧を増大させることができ、ポンピングロスを増大してエンジンブレーキの効きを向上させることができる。また、運転中に吸気負圧を増大させることにより、ブレーキ力を補助する倍力装置の効果を確保することができる。
また、制御手段が演算されたブレーキ必要負圧と吸気圧検出手段で検出された吸気圧との差圧に応じて電動機を駆動させることにより、最適なブレーキ必要負圧を確保することができる。

なお、上記実施の形態１では、電動過給機５が吸気通路３と排気通路４との間に設けられ、タービンホイール６とコンプレッサホイール８とが回転軸７によって互いに接続されていると説明した。しかしならが、これに限定されず、電動過給機５は、吸気通路３に設けられたコンプレッサホイール８と電動機９とからからなり、電気エネルギーのみで吸気を過給するいわゆる電動ブロアであってもよい。
また、電動過給機５のみでなく、電動過給機５の後段に機械式過給機をさらに備え、いわゆるツインチャージャーを構成してもよい。
これらの場合も、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態１では、電動機制御装置１９とエンジン制御装置２０とを別々のものとして説明した。しかしながら、これに限定されず、例えばエンジン制御装置２０等に機能を集約できる場合には、電動機制御装置１９は電動機９を駆動する単純なドライバとして機能してもよい。
この場合も、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態１では、内燃機関１としてスロットルバルブ１１を有するガソリンエンジンを例に挙げて説明した。しかしながら、これに限定されず、ディーゼルエンジンを含めたスロットルバルブ１１を有しない内燃機関１においても、運転中に吸気負圧を増大させることができる。

この発明の実施の形態１に係る内燃機関の制御装置を含むシステム全体を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１におけるブレーキ必要負圧の演算の基準となる運転状態の一例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１における必要過給圧の演算の基準となる運転状態の一例を示す説明図である。 電動過給機を備えた内燃機関および電動過給機を備えていない内燃機関について、アクセル開度と吸気負圧との関係を例示する説明図である。

符号の説明

１ 内燃機関、３ 吸気通路、５ 電動過給機、９ 電動機、１３ 吸気圧センサ（吸気圧検出手段）、１７ 倍力装置、１８ 配管、１９ 電動機制御装置（制御手段、アクセル操作検出手段）、２１ 加速度センサ（加速度検出手段）、２２ 車速センサ（車速検出手段）、２３ 勾配センサ（勾配角度検出手段）、２４ アクセルペダル。

Claims (8)

1. 車両に搭載された内燃機関に設けられ、電動機がコンプレッサホイールを回転駆動することにより、吸気通路を通ってシリンダ内に吸入される吸気を過給するとともに、吸気を過給する方向とは逆方向に前記電動機を加速させることにより、吸気圧を減圧可能な電動過給機と、
   前記車両の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記運転状態に基づいて吸気圧の目標値である目標過給圧を演算し、前記目標過給圧に応じて前記電動機を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記運転状態が前記車両の加速を要しない加速不要状態である場合に、前記目標過給圧に応じた前記電動機の制御を停止し、前記電動機を前記逆方向に加速させ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、前記運転状態が前記加速不要状態である場合に、前記運転状態に基づいて吸気負圧の目標値である目標負圧を演算し、前記目標負圧に応じて前記電動機を制御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. ブレーキ力を補助する倍力装置をさらに備え、
   前記倍力装置に吸気を導入する配管が前記吸気通路に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記運転状態検出手段は、前記車両の加速度を検出する加速度検出手段を含み、
   前記制御手段は、前記加速度が負の値である場合に、前記加速不要状態と判定することを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記運転状態検出手段は、前記車両の車速を検出する車速検出手段を含み、
   前記制御手段は、前記車速が所定速度よりも大きい場合に、前記加速不要状態と判定することを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記運転状態検出手段は、前記車両の進行方向に対する勾配角度を検出する勾配角度検出手段を含み、
   前記制御手段は、前記勾配角度が、下り勾配を示す角度である場合に、前記加速不要状態と判定することを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記運転状態検出手段は、前記車両のアクセルペダルが踏まれているか否かを検出するアクセル操作検出手段を含み、
   前記制御手段は、前記アクセルペダルが踏まれていない場合に、前記加速不要状態と判定することを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記吸気通路に設けられ、前記電動過給機の下流側の吸気圧を検出する吸気圧検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記吸気検出手段で検出された吸気圧に基づいて前記電動機をフィードバック制御することを特徴とする請求項１から請求項７までの何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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