JP2016079821A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】電動コンプレッサを駆動して加速性能を向上させつつ燃費の低下を防止することができる内燃機関を提供する。
【解決手段】吸気通路に設けられる電動コンプレッサと、各気筒に燃料を噴射する燃料噴射弁と、電動コンプレッサを駆動に電力を供給するバッテリと、電動コンプレッサを制御する制御装置と、を備えた内燃機関において、制御装置は、内燃機関が定常状態のときの電動コンプレッサを駆動する手段と、電動コンプレッサを駆動したときのポンピングロス低減量を算出する手段と、ポンピングロス低減量に応じて燃料噴射弁から噴射される燃料を減量する手段と、バッテリの充電量の増加率に応じて電動コンプレッサの出力を調整する手段と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関、特に電動コンプレッサを備えた内燃機関に関する。

従来、吸気通路に設けられるターボコンプレッサと排気通路に設けられるタービンとから構成されるターボチャージャを備えた内燃機関が知られている。ターボチャージャを備えた内燃機関では、タービンが排気エネルギーを利用して回転することで、タービンと連結されているコンプレッサが回転して吸気を過給する。ここで、必要な過給圧を発生させるためには、タービンの前後で十分な圧力降下を発生させる必要がある。このためには、排気圧力を上昇させる必要がある。この際に、排気圧力が上昇しすぎると、燃焼室内のピストンの上昇動作が抑えられる。この結果、ポンピングロスが増大する可能性がある。

特許文献１には、ターボチャージャを備えた内燃機関において、電動コンプレッサをターボコンプレッサと直列に連結した内燃機関が開示されている。特許文献１の内燃機関によれば、必要な過給圧を発生させるための仕事をターボコンプレッサと電動コンプレッサとで分配することができる。このため、排気圧力を上昇させすぎることなく吸気を過給できる。この結果、ポンピングロスの発生を抑制することができる。

特開２０００−５００５４４号公報 特開２０１２−１０２６３４号公報

上記のように電動コンプレッサを駆動することで吸入空気量を増大させて、ポンピングロスの発生を抑制することができる。

しかしながら、電動コンプレッサを駆動するための電力が必要となる。通常、内燃機関において電力を発生させるためには燃料が消費される。このため、燃料の消費を抑えつつ電動コンプレッサを駆動するための電力を供給する必要がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、余剰な電力を電動コンプレッサの駆動に用いてポンピングロスの発生を抑制することができる内燃機関を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関であって、
吸気通路に設けられる電動コンプレッサと、
各気筒に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記電動コンプレッサに電力を供給するバッテリと、
前記電動コンプレッサを制御する制御装置と、を備えた内燃機関において、
前記制御装置は、
前記内燃機関が定常状態のときに前記電動コンプレッサを駆動する手段と、
前記電動コンプレッサを駆動したときのポンピングロス低減量を算出する手段と、
前記ポンピングロス低減量に応じて前記燃料噴射弁から噴射される燃料を減量する手段と、
前記バッテリの充電量の増加率に応じて前記電動コンプレッサの出力を調整する手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、余剰な電力を使用して電動コンプレッサを駆動することができる。これにより、吸入空気量を増加させて、ポンピングロスを低減することができる。そして、低減したポンピングロスに基づいて燃料噴射量を減量することができる。この結果、燃費を向上させることができる。

実施の形態１のシステムの構成を説明するための概略構成図である。 エンジンにおける燃焼サイクルのＰ−Ｖ線図である。 実施の形態１の制御装置であるＥＣＵの構成を示すブロック図である。 エンジンの定常状態を説明するための図である。 実施の形態１のＥＣＵで実行されるポンピングロス低減制御のルーチンを表した図である。 実施の形態１において、電動コンプレッサを駆動したときのバッテリの充電量の変化を表した図である。

実施の形態１．
［システムの構成］
図１は、実施の形態１のシステムの構成を説明するための概略構成図である。図１に示すシステムは、エンジン１０を備える。エンジン１０は、過給ディーゼルエンジンである。

実施の形態１では過給機として、排気を利用して吸気を圧縮するターボチャージャが採用されている。ターボチャージャは、吸気通路２６に設けられるコンプレッサ２２と排気通路３５に設けられるタービン３２とが軸を介在して連結される構造をとっている。

さらに、エンジン１０は、吸気を圧縮する電動コンプレッサ１８を備えている。また、吸気通路２６には、電動コンプレッサ１８をバイパスするバイパス通路２０が設けられている。バイパス通路２０には、バイパスバルブ２１が設けられている。

また、電動コンプレッサ１８を回転させる電動機１９には、バッテリ７０及び発電装置６０が接続されている。さらに、バッテリ７０と発電装置６０とが接続されている。発電装置６０として、ソーラパネル、回生ブレーキなどの装置が用いられる。発電装置６０によって生じた電力によってバッテリ７０が充電される。バッテリ７０に充電された電力によって電動コンプレッサ１８の電動機１９が回転する。これにより、電動コンプレッサ１８が駆動する。

エンジン１０の燃焼室５０には、燃料噴射弁４８が設けられている。燃料噴射弁４８は、燃焼室５０内に燃料を噴射する。

燃焼室５０には、インテークマニホールド４０を介して、吸気通路２６が接続されている。吸気通路２６は、その入口にエアクリーナ１４を備えている。エアクリーナ１４の下流には、電動コンプレッサ１８、コンプレッサ２２がこの順に設けられている。コンプレッサ２２の下流には、インタークーラ２４、スロットルバルブ２７が設けられている。

次に、吸気通路２６における吸気の流れについて説明をする。吸気は、エアクリーナ１４から吸入された後、バイパスバルブ２１が開弁しているときはバイパス通路２０を通過して、バイパスバルブ２１が閉弁しているときは電動コンプレッサ１８によって圧縮される。その後、バイパス通路２０または電動コンプレッサ１８を通過した吸気は、コンプレッサ２２により圧縮された後、インタークーラ２４により冷却される。インタークーラ２４により冷却された吸気は、スロットルバルブ２７を通過して、エンジン１０の燃焼室５０内へ取り込まれる。

また、燃焼室５０には、エキゾーストマニホールド４２を介して、排気通路３５が接続されている。排気通路３５には、燃焼室５０から下流に向けて、タービン３２、触媒３４が設けられている。燃焼室５０からの排気によりタービン３２が回転する。タービン３２が回転することにより、軸を介してコンプレッサ２２が回転して過給が行われている。

インテークマニホールド４０には、インテークマニホールド４０内の圧力（以下、インマニ圧力という。）を検出するインマニ圧力センサ３６が取り付けられている。エキゾーストマニホールド４２には、エキゾーストマニホールド４２内の圧力（以下、エキマニ圧力という。）を検出するエキマニ圧力センサ３８が取り付けられている。

実施の形態１のシステムの構成は、エンジン１０の運転状態を制御するＥＣＵ１００（Electric Control Unit）を備える。ＥＣＵ１００の入力側には、インマニ圧力センサ３６、エキマニ圧力センサ３８、クランク角センサ（不図示）、エアフロメータ（不図示）などの各種センサが接続されている。ＥＣＵ１００は、インマニ圧力センサ３６の出力からインマニ圧力を検出する。ＥＣＵ１００は、エキマニ圧力センサ３８の出力からエキマニ圧力を検出する。ＥＣＵ１００は、クランク角センサの出力からエンジン回転速度を検出する。ＥＣＵ１００は、エアフロメータの出力から吸入空気量を検出する。ＥＣＵ１００は、エンジン回転速度及び吸入空気量からエンジン負荷を算出する。なお、インマニ圧力とエキマニ圧力とは、それぞれのセンサの出力に基づいて検出されているがこれに限るものではない。例えば、インマニ圧力とエキマニ圧力とは、予めＥＣＵ１００に記憶されているモデル式にスロットル開度、通路内温度、吸入空気量などの各種パラメータを代入することによって推定されるものであってもよい。

一方、ＥＣＵ１００の出力側には、スロットルバルブ２７、バイパスバルブ２１、電動コンプレッサ１８の電動機１９、燃料噴射弁４８などのアクチュエータがそれぞれ接続される。ＥＣＵ１００は、運転状態に応じて、各種アクチュエータを操作するための信号を出力する。例えば、ＥＣＵ１００は、運転状態に応じて電動コンプレッサ１８の電動機１９を駆動させるための信号を出力する。ＥＣＵ１００は、燃料噴射弁４８の開弁期間を調整して燃料噴射量を決定する。

また、ＥＣＵ１００は、バッテリ７０と接続されている。ＥＣＵ１００は、バッテリ７０に充電されている電力量である充電量を検出する。

ところで、エンジン１０内の燃焼において、ポンピングロスが発生することがある。以下、ポンピングロスについて図２を参照して説明する。

図２は、エンジン１０における燃焼サイクルのＰ−Ｖ線図である。図２の縦軸は燃焼室５０内の圧力Ｐであり、横軸は燃焼室５０内の容積Ｖを示している。図２に示すように、ポンピングロスは、燃焼室５０内の圧力が低下して容積が大きくなるとき、つまり燃焼室５０内の燃焼ガスが排出された後に吸気が吸入されてピストンが下降する際に発生する。言い換えると、インマニ圧力がエキマニ圧力よりも小さくなる場合にポンピングロスが発生する。ポンピングロスの発生を防止するためには、吸入空気量を増加させて燃焼室５０内の圧力を高くする必要がある。

そこで、実施の形態１では、ポンピングロスの発生を防止するために、電動コンプレッサ１８を駆動して吸入空気量を増加させる制御を行う。ここで、電動コンプレッサ１８の駆動には、バッテリ７０に充電される余剰な電力を利用する。余剰な電力を利用することで、燃費を向上させることができる。

具体的には、バッテリ７０の充電量が増加傾向でありエンジン１０が定常状態である場合、電動コンプレッサ１８を駆動して吸入空気量を増加させてポンピングロスを低減させる。そして、その低減したポンピングロスの分だけ燃料噴射量を減量させる制御が行われる。以下、実施の形態１で実行されるこの制御をポンピングロス低減制御という。

ポンピングロス低減制御では、燃料噴射量を減量させる制御が行われる。以下、燃料噴射量の減少量の算出について、図３を参照して説明する。

図３は、実施の形態１の制御装置であるＥＣＵ１００の構成を示すブロック図である。図３に示すように、ＥＣＵ１００は、第１のポンピングロス算出部１０２、第２のポンピングロス算出部１０４、ポンピングロス低減量算出部１０６、燃料噴射量減少量算出部１０８を備えている。第１のポンピングロス算出部１０２は、電動コンプレッサ１８を駆動しないときのポンピングロスを算出するマップを記憶している。第２のポンピングロス算出部１０４は、Ｐ−Ｖ線図に基づいて作成された電動コンプレッサ１８を駆動したときのポンピングロスを算出するマップを記憶している。燃料噴射量減少量算出部１０８は、後述するポンピングロス低減量から燃料噴射量の減少量を算出するマップを記憶している。

以下、ポンピングロス低減制御における燃料噴射量の減少量の算出の流れについて説明する。

まず、第１のポンピングロス算出部１０２は、エンジン回転速度及びエンジン負荷を電動コンプレッサ１８を駆動しないときのポンピングロスを算出するマップに代入して、ベースのポンピングロスを算出する。また、第２のポンピングロス算出部１０４は、エキマニ圧力及びインマニ圧力を電動コンプレッサ１８を駆動したときのポンピングロスを算出するマップに代入して、電動コンプレッサ１８駆動中のポンピングロスを算出する。次に、ポンピングロス低減量算出部１０６は、ベースのポンピングロスと電動コンプレッサ１８駆動中のポンピングロスとの差分であるポンピングロス低減量を算出する。次に、燃料噴射量減少量算出部１０８は、ポンピングロス低減量に基づいて、燃料噴射量の減少量を算出する。

上述のポンピングロス低減制御における燃料噴射量の減量は、エンジン１０が定常状態にあるときに行われる。以下、これについて図４を参照して説明する。

図４は、エンジン１０の定常状態を説明するための図である。図４の縦軸は車速を示しており、横軸は経過時間を示している。図４に示すように、車速が変化しない状態が定常状態である。この定常状態においてポンピングロス低減制御の燃料噴射量の減量が実行される。定常状態以外、例えば図４のＳで示す加速時にポンピングロス低減制御における燃料噴射量の減量を行った場合、燃料噴射量の低下によりエンジンの出力が低下するため、ドライバの加速要求を満たすことができない可能性がある。したがって、このような状態ではポンピングロス低減制御における燃料噴射量の減量を実施しない。また、図４のＲで示す減速中には、燃料噴射をカットする。したがって、ポンピングロス低減制御における燃料噴射量の減量は行われない。

以下、ＥＣＵ１００で実行されるポンピングロス低減制御の具体的な内容について図５を参照して説明する。

［ポンピングロス低減制御ルーチン］
図５は、実施の形態１のＥＣＵ１００で実行されるポンピングロス低減制御のルーチンを表した図である。ＥＣＵ１００は、本ルーチンを記憶するためのメモリーを有している。ＥＣＵ１００は、記憶した本ルーチンを実行するためのプロセッサを有している。

まず、ＥＣＵ１００は、バッテリ７０の充電量が増加しているか否かを判定する（Ｓ１００）。バッテリ７０の充電量が増加していないと判定された場合、本ルーチンは終了する。

一方、ＥＣＵ１００は、Ｓ１００において、バッテリ７０の充電量が増加していると判定した場合、バッテリ７０の充電量が所定値Ａ以上か否かを判定する（Ｓ１０２）。バッテリ７０の充電量が所定値Ａより小さいと判定された場合、本ルーチンは終了する。なお、ここでいう所定値Ａとは、電動コンプレッサ１８を駆動することができる基準となるバッテリ７０の充電量である。

一方、ＥＣＵ１００は、Ｓ１０２において、バッテリ７０の充電量が所定値Ａ以上と判定した場合、電動コンプレッサ１８へ他の制御から作動要求があるか否かを判定する（Ｓ１０４）。電動コンプレッサ１８へ他の制御から作動要求があると判定した場合、本ルーチンは終了する。

一方、ＥＣＵ１００は、Ｓ１０４において、電動コンプレッサ１８へ他の制御から作動要求がないと判定した場合、燃料噴射量が空気量制約となっているか否か、つまり加速時か否かを判定する（Ｓ１０６）。燃料噴射量が空気量制約となっていると判定された場合、本制御により電動コンプレッサ１８が駆動中か否かを判定する（Ｓ１２２）。Ｓ１２２において、本制御により電動コンプレッサ１８が駆動中ではないと判定された場合、本ルーチンは終了する。一方、Ｓ１２２において、本制御により電動コンプレッサ１８が駆動中であると判定された場合、電動コンプレッサ１８の駆動が停止され（Ｓ１１８）、後述するＳ１１４において減量された燃料噴射量が通常の燃料噴射量に戻される（Ｓ１２０）。その後、本ルーチンは終了する。

一方、Ｓ１０６において、ＥＣＵ１００は、燃料噴射量が空気量制約となっていないと判定した場合、燃料カット中か否か、つまり減速時か否かを判定する（Ｓ１０８）。燃料カット中であると判定された場合、本制御により電動コンプレッサ１８が駆動中か否かを判定する（Ｓ１２２）。本制御により電動コンプレッサ１８が駆動中ではないと判定された場合、本ルーチンは終了する。一方、本制御により電動コンプレッサ１８が駆動中であると判定された場合、電動コンプレッサ１８の駆動が停止され（Ｓ１１８）、後述するＳ１１４において減量された燃料噴射量が通常の燃料噴射量に戻される（Ｓ１２０）。その後、本ルーチンは終了する。

一方、Ｓ１０８において、ＥＣＵ１００は、燃料カット中でないと判定した場合、電動コンプレッサ１８を駆動する（Ｓ１１０）。

次に、ＥＣＵ１００は、バッテリ７０の充電量の増加率から電動コンプレッサ１８の出力を調整する（Ｓ１１２）。

以下、Ｓ１１２における電動コンプレッサ１８の出力調整について図６を参照して説明する。

図６は、実施の形態１において、電動コンプレッサ１８を駆動したときのバッテリ７０の充電量の変化を表した図である。図６の縦軸はバッテリ７０の充電量であり、横軸は経過時間を示している。図６の実線はＳ１１２における電動コンプレッサ１８の出力調整をした場合のバッテリ７０の充電量の変化を示しており、破線はＳ１１２における電動コンプレッサ１８の出力調整をしなかった場合のバッテリ７０の充電量の変化を示している。

図６の破線が示すように、Ｓ１１２における電動コンプレッサ１８の出力調整をしていないときには、バッテリ７０の充電量の増加率が電動コンプレッサ１８の出力より低い場合、電動コンプレッサ１８の駆動後にバッテリ７０の充電量が低下する。その後、所定値Ａ及び所定値Ｂとの間で電動コンプレッサ１８のＯＮ／ＯＦＦが繰り返される。ここで、所定値Ｂとは、電動コンプレッサ１８を駆動することができなくなる基準となるバッテリ７０の充電量である。このように、電動コンプレッサ１８の出力調整がされない場合、電動コンプレッサ１８のハンチングが引き起こされる。

一方、図６の実線が示すように、Ｓ１１２における電動コンプレッサ１８の出力調整を行う場合は、電動コンプレッサ１８の駆動後にバッテリ７０の充電量を変化させないようにできる。これは、出力調整を行うと、電動コンプレッサ１８が消費する電力と発電装置６０がバッテリ７０に供給する電力とが吊り合うように電動コンプレッサ１８の出力が制御されるからである。つまり、バッテリ７０の充電量の増加率に応じて電動コンプレッサ１８の出力が調整される。このように電動コンプレッサ１８の出力を制御することで、電動コンプレッサ１８を駆動させ続けながらバッテリ７０に余剰に電力が充電されることを防止できる。そして、余剰に充電されるはずだった電力を電動コンプレッサ１８の駆動に使用できる。このため、使用した電力の分だけ吸入空気量が増加する。この結果、ポンピングロスを低減することができる。

次に、ＥＣＵ１００は、ポンピングロス低減量に応じて燃料噴射量を減量する（Ｓ１１４）。ポンピングロス低減量及び燃料噴射量の減少量は、図４で説明したように、ＥＣＵ１００によって算出される。

次に、ＥＣＵ１００は、バッテリ７０の充電量が所定値Ｂ以下であるか否かを判定する（Ｓ１１６）。バッテリ７０の充電量が所定値Ｂより大きいと判定された場合、Ｓ１０４が再度実行される。

一方、ＥＣＵ１００は、バッテリ７０の充電量が所定値Ｂ以下であると判定した場合、電動コンプレッサ１８を停止する（Ｓ１１８）。

次に、ＥＣＵ１００は、Ｓ１１４で減量した燃料噴射量を通常時の燃料噴射量に戻す（Ｓ１２０）。その後、本ルーチンは終了する。

ポンピングロス低減制御を実行することで、余剰な電力を使用して電動コンプレッサ１８を駆動することで削減できるポンピングロスの量であるポンピングロス低減量を算出することができる。そして、このポンピングロス低減量に基づいて燃料噴射量を減量することができる。これにより、バッテリ７０に余剰に充電されるはずだった電力を使用して燃費を向上させることができる。

実施の形態１では、ディーゼルエンジンについてポンピングロス低減制御を適用したがこれに限るものではない。ガソリンエンジンにポンピングロス低減制御を適用してもよい。

１０ エンジン
１８ 電動コンプレッサ
１９ 電動機
４８ 燃料噴射弁
６０ 発電装置
７０ バッテリ
１００ ＥＣＵ
１０２ 第１のポンピングロス算出部
１０４ 第２のポンピングロス算出部
１０６ ポンピングロス低減量算出部
１０８ 燃料噴射量減少量算出部

Claims (1)

1. 吸気通路に設けられる電動コンプレッサと、
   各気筒に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記電動コンプレッサに電力を供給するバッテリと、
   前記電動コンプレッサを制御する制御装置と、を備えた内燃機関において、
   前記制御装置は、
   前記内燃機関が定常状態のときに前記電動コンプレッサを駆動する手段と、
   前記電動コンプレッサを駆動したときのポンピングロス低減量を算出する手段と、
   前記ポンピングロス低減量に応じて前記燃料噴射弁から噴射される燃料を減量する手段と、
   前記バッテリの充電量の増加率に応じて前記電動コンプレッサの出力を調整する手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関。

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