JP3952974B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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いては、吸気通路が二股に分岐された後に再度合流するように構成されており、一方の分岐路上に電動機で駆動される過給機が配設されている。また、分岐路の合流部には、いずれの分岐路からの吸入空気を下流側に流すのかを切り換える切替弁が設けられている。この切替弁によって、過給機作動時には、過給機の設けられた分岐管流路を開放し、かつ、過給機の設けられていない分岐管流路を閉じる。反対に、過給機非作動時には、過給機の設けられた分岐管流路を閉じ、かつ、過給機の設けられていない分岐管流路を開放する。このようにすることで、過給機が吸気損失とならないようにしつつ、吸入空気の逆流を防止している。
【０００３】
【特許文献１】
特表２００１−５１８５９０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した［特許文献１］に記載の内燃機関における切替弁は、その前後の各分岐管内圧及び下流側吸気管内圧の圧力差によって切り換えられる。このような圧力差を用いた切替弁であると、切替弁の切り替えが適切ではなく、吸入空気が一瞬途絶えるようなことが生じ得た。例えば、過給機による過給を停止させた場合、過給機が停止した後に切替弁が切り換えられ、それから過給機が配されていない分岐管側に空気の流れが発生する。このとき、吸入空気の流れにとぎれが生じ、内燃機関の運転に不連続が生じることもあるものであった。
【０００５】
従って、本発明の目的は、運転状態に応じて最適な過給を行うことのできる電動機付過給機を備えた内燃機関を制御する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、内燃機関の吸気通路上に配設されて電動機によって駆動される過給機と、過給機をバイパスするように吸気通路に対して設けられたバイパス路と、電気的に駆動されることによってバイパス路を通る空気流量を任意に調節可能な流量調節手段と、電動機及び流量調節手段を制御する制御手段とを備えており、制御手段は、流量調節手段を駆動させてパイパス路を介した吸気を開始させ、前記バイパス路を介した吸気の流れを発生させた後に、過給機による過給を停止させることを特徴としている。
【０００７】
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、目標過給圧を設定して該目標過給圧に基づいて電動機を制御するもので、目標過給圧を過給機の能力を超えた値として設定した場合には、過給機による過給を停止させる以前に、流量調節手段を駆動させてパイパス路を介した吸気を徐々に又は段階的に開始させることを特徴としている。
【０００８】
【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。
【０００９】
なお、「過給圧」の語は大気圧に対しての差圧を示すものを指す語として用いられる場合がある。一方で、「過給圧」の語は吸気管内の絶対圧力を指す語として用いられる場合もある。以下、両者を明確に分けて説明する必要がある場合は、その指すところが明確となるような説明を行う。例えば、吸気管内圧力を検出する圧力センサの出力に基づいて過給圧制御を行う場合、この圧力センサが大気圧に対する差圧を検出するセンサであれば過給圧制御は「大気圧に対する差としての過給圧」に基づいて制御されることが容易であるし、圧力センサが絶対圧力を検出するセンサであれば過給圧制御は「絶対圧力としての吸気圧」に基づいて制御されるのが容易である。
【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、いわゆるリーンバーンエンジンであり、成層燃焼も可能である。後述する電動機２０ａによる過給機２０とターボチャージャ１１とによってより多くの吸入空気を過給して、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、過給機２０、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。過給機２０は、内蔵された電動機（モータ）２０ａによって電気的に駆動されるものである。モータ２０ａの出力軸にコンプレッサタービンが直結されている。過給機２０のモータ２０ａは、コントローラ２１を介してバッテリ２２と接続されている。コントローラ２１は、モータ２０ａへの供給電力を制御してモータ２０ａの駆動を制御する。モータ２０ａの回転数（即ち、コンプレッサタービンの回転数）はコントローラ２１によって検出し得る。
【００１３】
過給機２０の上流側と下流側とをバイパスするように、バイパス路２４が設けられている。即ち、この区間に関しては、吸気通路５が分岐されて二つの流路が併設されている。そして、このバイパス路２４上には、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ものであり、当然全開状態や全閉状態を維持することも可能である。このバルブ２５が、流量調節手段として機能している。バルブ２５は電気的に駆動され、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。
【００１４】
過給機２０が作動していないときは、過給機２０は吸気抵抗として作用してしまうので、このような場合はバイパス路を用いて吸入空気をバイパスさせて、過給機２０が吸気抵抗となってしまうのを回避する。反対に、過給機２０を始動させるときにバイパス路をそのまま開いておくと、過給機２０によって過給された吸入空気がバイパス路２４を介して逆流してしまうので、バイパス路２４を遮断する。過給機２０が過給を終えた場合は、閉じられている（あるいは流量を規制されている）バイパス路２４を開放させる。
【００１５】
しかし、過給機２０の駆動・停止に合わせて単にバイパス路２４の遮断・開放を行ったのでは、吸入空気の流れにとぎれが生じやすく、エンジン１の出力や排気エミッション性能上好ましくない。そこで、本実施形態では、吸入空気の流れにとぎれを生じさせることがないようにバルブ２５の駆動を制御し、最適な過給を行う。この制御については追って詳しく説明する。
【００１６】
ターボユニット１１は、吸気通路５と排気通路６との間に配されて過給を行うものである。即ち、本実施形態のエンジン１では、直列に配された過給機２０とターボユニット１１とによって過給を行うことができる。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。ターボユニット１１は、バリアブルジオメトリ機構としてバリアブルノズル機構１１ａを有している。バリアブルノズル機構１１ａは後述するＥＣＵ１６によって制御される。
【００１７】
吸気通路５上のターボユニット１１の下流側には、過給機２０やターボユニット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。
【００１８】
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。
【００１９】
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も配設されている。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、コントローラ２１やバッテリ２２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たり、その状態（バッテリ２２であれば充電状態）が監視されている。
【００２０】
ＥＣＵ１６には、上述したバイパス路２４上のバルブ２５も接続されており、バルブ２５はＥＣＵ１６からの信号に基づいて電気的に駆動される。ＥＣＵ１６は、各種センサ類の検出結果などからエンジン１の運転状態を検出し、この検出結果に基づいてバルブ２５の駆動を行う。即ち、ＥＣＵ１６は、バルブ２５の駆動を制御すると共に、コントローラ２１と共にモータ２０ａを制御する制御手段として機能している。
【００２１】
一方、排気通路６上には、ターボユニット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からエンジン回転数を検出することもできる。
【００２２】
上述した過給機２０及びバルブ２５の制御について説明する。図２に、この制御のフローチャートを示す。図２のフローチャートを参照しつつ、どのようにバルブ２５による流量調節を行っているのかについて説明する。以下に説明する制御は、特に、過給機２０によって行われている過給を停止する際の制御である。即ち、図２のフローチャートの開始以前は、バルブ２５はバイパス路２４を遮断する状態となっている。
【００２３】
まず、モータ２０ａに印加する電力が別のルーチンで決定される（ステップ２００）。このモータ２０ａへの印加電力は、目標過給圧Ｐｔと実過給圧Ｐｒとに基づいて決定される。この別ルーチンで行われる過給制御について簡単に説明しておく。
【００２４】
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。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Ｐｂが算出される。ベース目標過給圧Ｐｂ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。上述したバリアブルノズルの制御は、このベース目標過給圧Ｐｂに基づいて行われる。
【００２５】
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ニングセンサ１５によって検出されるアクセル開度とに基づいて、過給機２０によってかさ上げする分の過給圧Ｐａを決定する。エンジン回転数とアクセル開度とかさ上げ分の過給圧Ｐａ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内でエンジン１が運転されているときにのみ、上述したかさ上げ過給圧Ｐａが正の値として設定され、過給機２０によるアシストが行われる。上述した領域内でも、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Ｐａが大きくなるようになされている。
【００２６】
エンジン１の状態が上述した領域外の状態である場合には、上述したかさ上げ分の過給圧Ｐａが０ではなく負の値として設定されることによって過給機２０によるアシストが実質的に禁止されている（過給圧Ｐａを負の値とする意味は後述する）。その後、ベース目標過給圧Ｐｂに過給機２０によるかさ上げ分の過給圧Ｐａを加えたものを目標過給圧Ｐｔとして算出する。この目標過給圧Ｐｔは、過給機２０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、本来欲しい過給圧と一致しない場合もある。
【００２７】
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の過給圧Ｐａが大きく設定されるので、目標過給圧Ｐｔは大きく設定される。しかし、このときの目標過給圧Ｐｔは、過給機２０の能力を考えても実際には達成し得ない過給圧となる場合がある。このような目標過給圧Ｐｔを設定することで、過給機２０による過給アシストが確実に、かつ、継続して行われるようにすることができる。また、過給機２０の能力内で目標過給圧Ｐｔが設定される場合であっても、かさ上げ分の過給圧Ｐａを介して目標過給圧Ｐｔが本来欲しいと思われる過給圧よりもやや大きめに設定して過給機２０による過給がより確実に行われるようにすることも可能である。
【００２８】
目標過給圧Ｐｔ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Ｐｒとして検出し、目標過給圧Ｐｔと検出した実過給圧Ｐｒとの差ΔＰを算出する。ここで、上述したかさ上げ分の過給圧Ｐａが正の値であっても、差ΔＰ（＝Ｐｔ−Ｐｒ）が０以下であれば過給機２０による過給は行われないので、モータ２０ａへの印加電力は０となる。一方、これに対して、差ΔＰが０より大きい場合は、過給機２０による過給アシストを行うために、差ΔＰに基づいてモータ２０ａへの印加電力を決定する。
【００２９】
なお、上述したように、かさ上げ分の過給圧Ｐａが負の値に設定されることがある。このようにすることで、算出される目標過給圧Ｐｔがより少なく算出されるので、差ΔＰもより小さく算出されることになる。この結果、外乱などに起因して実過給圧Ｐｒが変動しただけのような場合など、過給機２０によるアシストを始めたくないような場合に過給機２０による過給圧が行われにくくなり、過給圧制御を安定させることができる。そこで、過給機２０による過給が必要ないと思われる状況のかさ上げ分の過給圧Ｐａを負の値に設定して過給機２０による過給が行われにくくすることで過給圧制御の安定化を図っている。
【００３０】
上述したように、ステップ２００においてモータ２０ａへの印加電力が決定された後、パイパス路２４の流量調節のためにバルブ２５を駆動すべく、まず、圧力センサ１９によって検出された実過給圧Ｐｒが算出された目標過給圧Ｐｔ以上であるか否かを判定する（ステップ２１０）。ステップ２１０が肯定される場合は、すでに実過給圧Ｐｒが目標過給圧Ｐｔに達しているので、パイパス路２４を開放すべくバルブ２５を開状態とし（ステップ２２０）た後に、モータ２０ａにステップ２００で決定された印加電力（０を含む）を印加する（ステップ２３０）。モータ２０ａへの電力の印加は、ＥＣＵ１６によって決定された指令値をコントローラ２１に対して出力することで、モータ２０ａに電力が印加され、モータ２０ａが駆動される。
【００３１】
ただし、ここでは、ステップ２１０が肯定される場合であるため、実過給圧Ｐｒが目標過給圧Ｐｔ以上なのでステップ２００で決定された印加電力は０であり、実際にモータ２０ａは駆動されない（駆動されていた場合は停止される）。また、この場合、ステップ２２０とステップ２３０との間に積極的に所定時間を確保しても良い。このため、モータ２０ａが停止される場合は、まずバイパス路２４が開放された（全開放・一部開放のどちらでも良い）後にモータ２０ａが停止される。
【００３２】
一方、ステップ２１０が否定される場合、即ち、実過給圧Ｐｒが目標過給圧Ｐｔに達していない場合は、まず、現在の状態がモータ２０ａの能力範囲内に目標過給圧Ｐｔが設定されているのか、あるいは、モータ２０ａを確実に駆動させ続けるためにモータ２０ａの能力限界以上の目標過給圧Ｐｔが設定されているのかを判定する（ステップ２４０）。ステップ２４０が肯定される場合、即ち、目標過給圧Ｐｔがモータ２０ａの能力範囲内に設定されている場合は、バルブ２５によってバイパス路２４を遮断させた状態を維持したまま、モータ２０ａにステップ２００で決定された印加電力を印加する（ステップ２３０）。
【００３３】
一方、ステップ２４０が否定される場合、即ち、モータ２０ａを確実に駆動させて過給機２０による過給を続けさせるためにモータ２０ａの能力の限界以上の目標過給圧Ｐｔが設定されている場合は、いつまで待っても実過給圧Ｐｒが目標過給圧Ｐｔに達することはない。このような場合は、上述した差ΔＰに基づいて、バイパス路２４を徐々に開放させるべくバルブ２５のＤＵＴＹ比を設定して駆動させると共に、モータ２０ａに印加する電力もステップ２００において決定した印加電力をそのまま印加せずに徐々に減じさせ手から印加する（ステップ２５０）。最終的には、バイパス路２４はバルブ２５によって全開放され、モータ２０ａは停止される。この場合も、バルブ２５によるバイパス路２４の開放が先行し、その後モータ２０ａが停止されることとなる。
【００３４】
なお、上述した徐開／徐減は、上述したように差ΔＰに基づいて行っても良いし、実過給圧Ｐｒが所定過給圧（例えば、目標過給圧Ｐｔの８０％）に達したら所定の割合で徐開／徐減させるようにしても良い。このように、目標過給圧Ｐｔがモータ２０ａの能力を超えて設定されている場合は、過給効果を積極的に得たい状況であるので過給による吸入空気量が多い。このような状況下でバイパス路２４を直ちに全開放させてしまうと、過給機２０によって過給した吸入空気がバイパス路２４を介して逆流してしまう。そこで、目標過給圧Ｐｔがモータ２０ａの能力を超えて設定されている場合は、バルブ２５を制御してバイパス路２４を徐々に開放させ（本実施形態では、これに伴ってモータ２０ａの印加電力も徐減）、吸入空気の逆流を防止している。
【００３５】
上述した本実施形態によれば、過給機による過給を円滑に行うことができる。モータ２０ａを停止させて過給機２０による過給を停止させる場合、モータ２０ａの駆動を急に停止させてからバイパス路２４を開放させると、バイパス路２４内に吸入空気の流れが十分に発生しないうちに過給機２０からの吸入空気が急激に減る（あるいは、なくなる）ため、吸入空気の流れにとぎれを生じさせてしまう。そこで、本実施形態では、上述したように過給機２０による過給を停止させる際には、まず、バイパス路２４の開放を先行させ、バイパス路２４内に吸入空気の流れを生じさせた後に過給機２０のモータ２０ａを停止させる。このようにすることで、吸入空気の流れにとぎれが生じることによるエンジン１の不安定化を防止している。
【００３６】
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、流量調節手段であるバルブ２５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、流量調節手段は、スロットルバルブ１３などのように、その開度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、バルブ２５を徐々に開いて（＝ＤＵＴＹ比を連続的に変化させて）バイパス路２４を徐々に開放させたが、バルブ２５を段階的に（＝ＤＵＴＹ比をステップ状に変化させて）バイパス路２４を段階的に開放させてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１に記載の内燃機関の制御装置では、バイパス路を通る吸入空気量を電気的に任意に調節する流量調節手段を有しているので、過給機による過給を停止させる際には、流量調節手段を駆動させてパイパス路を介した吸気を開始させた後に過給機による過給を停止させる。このようにすることで、バイパス路を介した吸入空気の流れを発生させてから過給機を閉じるため、過給機側の流路を介した吸入空気が急減しても（あるいは、なくなっても）吸入空気の流れにとぎれが生じることはない。この結果、内燃機関の運転を不安定にさせることなく、過給機による過給を円滑に行うことができる。
【００３８】
請求項２に記載の発明によれば、目標過給圧が過給機の能力を超えた値として設定された場合には、過給機による過給を停止させる以前に流量調節手段を駆動させてパイパス路を介した吸気を徐々に又は段階的に開始させ、その後に過給機による過給を停止させる。このようにすることで、過給機によって過給した吸入空気がバイパス路を介して逆流してしまうことを防止しつつ（かつ、吸入空気の流れにとぎれも生じさせず）過給機による過給を円滑に行うことができる。
【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バルブ制御のフローチャートである。
【図３】目標過給圧決定時に用いる過給圧かさ上げ分を算出するためのマップである。
【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…バリアブルノズル機構、１２…インタークーラー、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、２１…コントローラ、２２…バッテリ、２３…排気浄化触媒、２４…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…エアフロメータ。

Claims (2)

1. 内燃機関の吸気通路上に配設されて電動機によって駆動される過給機と、
   前記過給機をバイパスするように前記吸気通路に対して設けられたバイパス路と、
   電気的に駆動されることによって前記バイパス路を通る空気流量を任意に調節可能な流量調節手段と、
   前記電動機及び前記流量調節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、前記流量調節手段を駆動させて前記パイパス路を介した吸気を開始させ、前記バイパス路を介した吸気の流れを発生させた後に、前記過給機による過給を停止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、目標過給圧を設定して該目標過給圧に基づいて前記電動機を制御するもので、目標過給圧を前記過給機の能力を超えた値として設定した場合には、前記過給機による過給を停止させる以前に、前記流量調節手段を駆動させて前記パイパス路を介した吸気を徐々に又は段階的に開始させ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。

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