JP4023428B2 - 電動機付過給機を有する内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸気通路上に配設された電動機付過給機を有する内燃機関を制御する、電動機付過給機を有する内燃機関の制御装置に関する。

エンジン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知られている。また、このような過給機を利用して、エンジンの始動性や暖機性を向上させようとする試みも知られている。［特許文献１］にも上述したようなエンジンが記載されている。［特許文献１］に記載の内燃機関においては、エンジンの始動直後に電動機付過給機の電動機をエンジン出力で発電する発電機の電力で駆動させ、エンジン負荷を増大させてエンジン１の暖機性を向上させている。
特開平５−３２１６８２号公報

［特許文献１］に記載のエンジンにおいては、過給による圧力上昇で吸気温度が上昇するので、この点からも暖機性が向上されることも考えられる。しかし、［特許文献１］に記載のエンジンにおいては、始動直後にエンジン負荷を増大させるため運転が不安定になりやすい。また、過給による圧力上昇に伴う吸気温上昇の効果は十分ではなかった。従って、本発明の目的は、始動性や暖機性を確実に向上させることのできる、電動機付過給機を有する内燃機関の制御装置を提供することにある。

請求項１に記載の電動機付過給機を有する内燃機関の制御装置は、車両に搭載された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、内燃機関の暖機時に電動機を駆動させて過給を行う暖機時過給手段と、内燃機関に供給する吸気を暖機時過給手段によって複数回過給する複数回過給手段と、暖機時過給手段による暖機時に過給機の過給効率を低下させる過給効率低下手段と、を備え、複数回過給手段が、過給機の上流側吸気通路−下流側吸気通路間を接続する接続路と、過給機によって過給された吸気流を接続路を介して吸気通路の上流側に還流させるか下流側に流すかを切り換える吸気流切替手段とを有し、暖機時過給手段による電動機の駆動状況に基づいて吸気流切替手段を制御することを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電動機付過給機を有する内燃機関の制御装置において、暖機時過給手段が、内燃機関の始動前に内燃機関の暖機を実行することを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の電動機付過給機を有する内燃機関の制御装置において、過給機のサージ発生を予測するサージ予測手段と、サージ予測手段によってサージ発生が予測された場合に、過給機によって過給された吸気を吸気流切替手段によって吸気通路の上流側に還流させるサージ抑制手段とをさらに備えていることを特徴としている。

本発明の電動機付過給機を有する内燃機関の制御装置によれば、内燃機関の暖機時に電動機を駆動させて過給を行う暖機時過給手段を用いて、複数回過給手段によって内燃機関に供給する吸気を複数回過給するので、吸気を十分に昇温させて暖機することができ、暖機を効果的に行うことができる。また、ここで、内燃機関の始動前に暖機時過給手段及び複数回過給手段を用いて暖機を行うことで、始動性を向上させることができる。

さらに、上述した吸気流切替手段を設けることで、容易に複数回過給を実現できる。また、サージ予測手段及びサージ抑止手段を設けることで、サージ予測手段によって過給機のサージ発生を予測し、サージ発生が予測された場合にはサージ抑制手段によって吸気流切替手段を制御し、過給された吸気を吸気通路の上流側に還流させて過給機のサージングを回避することも可能となる。また、過給効率低下手段を設けることで、暖機時過給手段による暖機時に過給効率低下手段によって過給機の過給効率を低下させて吸気温度を上昇させることができ、さらなる暖機効果を得ることが可能となる。

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。

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。このエンジン１は、ターボユニット（過給機）２を有している。ターボユニット２は、排気通路３上に配置されたタービンホイールと吸気通路４上に配置されたコンプレッサホイールとが同一回転軸で連結されている。この点は通常のターボユニットと同一であるが、本実施形態のターボユニットは、この回転軸が出力軸となるようにモータ（電動機）２ａが内蔵されている。

このモータ２ａは、コントローラ５に接続されており、このコントローラ５にはエンジン１全体の制御を司る電子制御ユニット（ＥＣＵ）６及びバッテリ７が接続されている。モータ２ａは、ＥＣＵ６及びコントローラ５によって印可電力が制御されており、これによって回転数制御されている。即ち、モータ２ａの回転数を制御することでターボユニット２をモータ駆動させた際の過給圧を制御している。過給圧制御時には、吸気通路４上のターボユニット２よりも上流側に配設されたに配置されたエアフロメータ８や、吸気通路４上のサージタンク内に配設された圧力センサ９等の検出結果が利用される。これらのセンサは上述したＥＣＵ６に接続されている。

ターボユニット２と圧力センサ９が配設されたサージタンクとの間には、上流寄りから、温度センサ１０、切替バルブ１１、インタークーラー１２、スロットルバルブ１３も配設されている。また、吸気通路４は、ターボユニット２の上流側と下流側とが接続路１４によって連通されている。上述した切替バルブ１１は、この接続路１４のとターボユニット２の下流側吸気通路４との合流部に配設された三方弁である。切替バルブ１１によって、ターボユニット２によって過給された吸気を、接続路１４を介して上流側に還流させるか、そのまま下流側に流してエンジン１のシリンダ１５に供給するかを切り換えることができる。

切替バルブ１１もＥＣＵ６に接続されており、ＥＣＵ１６によってその動作が制御される。切替バルブ１１は、電磁バルブなどで構成され、ＥＣＵ１６によって任意の時に流路切替を行える。温度センサ１０は、ターボユニット２によって過給された吸気温度を検出するものである。温度センサ１０のＥＣＵ６に接続されている。上述した構成のエンジン１は、エンジン１の始動前に、モータ２ａを駆動させて過給を行うことで、暖機を行うことができる。暖機は、エンジン１本体だけの場合もあれば、排気通路３上の排気浄化触媒１６の場合、双方の場合がある。過給を行うことで吸気圧力が上昇し、圧力上昇に伴って温度上昇が生じ、これによって各部を暖機する。このこと自体は従来技術として説明した。

本実施形態では、このエンジン１の始動前に行う暖機効果をさらに確実なものとするため、始動前暖機時にはターボユニット２で過給した吸気流を接続路１４を介して再度上流側に還流させ、複数回過給する。複数回の過給によって吸気温度は暖機に十分な程度まで昇温され、暖機が効果的に実施される。以下にこの制御について説明する。なお、この制御において、ＥＣＵ６やコントローラ５が暖機時過給手段として機能する。また、切替バルブ１１が吸気流切替手段として機能し、この切替バルブ１１や接続路１４が複数回過給手段として機能する。

図２に制御フローチャートを示す。図２のフローチャートは切替バルブ１１の切替制御に関するものであり、始動前暖機のためのモータ２ａの制御は別のルーチンによって行われる。また、図２のフローチャートの制御は、エンジン１が始動されるであろうことが予測される条件が成立したときに開始される。例えば、エンジン１を搭載した車両のドアが開けられたとき、着座センサによって運転席に運転者が着座したことが検出されたとき、始動用キーがキーシリンダに挿し込まれたことが検出されたとき、などである。上述した始動前暖機制御におけるモータ２ａの制御もこれらの条件が検出された時点から開始される。

まず、モータ２ａの駆動による始動前暖機が実施中であるか否かを判定（ステップ２００）。エンジン１がまだ運転されていないのにモータ２ａが駆動されていれば、始動前暖機が実施中である。エンジン１がまだ運転されておらず、モータ２ａも駆動されていなければ、始動前暖機は実施されていない。始動前暖機制御が実行中でなければ（始動前暖機開始前、又は、暖機終了後）、切替バルブ１１は通常通り吸気流をシリンダ１５に導入する側に切り換えられ（ステップ２２０）、一旦図２のフローチャートを抜ける。一方、始動前暖機制御が実行中であるときは、温度センサ１０によって検出した温度が所定温度以上であるか否かを判定する（ステップ２１０）。

この所定温度は、暖機に十分な温度として設定されている。ステップ２１０が否定される場合、即ち、吸気温度が所定温度に達していない場合は、切替バルブ１１は吸気流を上流に還流させる側に切り換えられる（ステップ２３０）。ステップ２３０の後、ステップ２００から再度実行される。還流された吸気はターボユニット２によって再度過給されることで温度が上昇する。所定温度に達するまで過給が繰り返される。ステップ２１０が否定されてステップ２３０を経由していた場合でも、最終的に吸気温度が所定温度に達するとステップ２１０が肯定されるようになって、切替バルブ１１は通常通り吸気流をシリンダ１５に導入する側に切り換えられる（ステップ２２０）。

このようにして十分に暖められた吸気によって暖機を行い、各部を暖機する。なお、十分に暖められた吸気がシリンダ１５側に供給されたことで、温度センサ１０によって検出される温度が所定温度以下となるようであれば、切替バルブ１１が吸気流を上流に還流させる側に切り換えられ、同様に吸気を十分に昇温させる。このようにすることで、暖機を効果的に行うことができる。また、吸気が十分に昇温されることで燃料の霧化が促進され、始動性も向上する。

なお、このモータ２ａを駆動させることによって行う暖機は、エンジン１の始動前（始動前暖機）だけでなく、始動後においても継続して行われても構わない。この場合も、モータ２ａの駆動状況や温度センサ１０の検出結果に基づいて切替バルブ１１の操作を行うことができる。あるいは、モータ２ａを駆動させることによって行う暖機をエンジン１の始動後に開始して、早期暖機を促進するように利用してもよい。

また、本実施形態では、上述した接続路１４を利用して、エンジン１始動後のターボユニット２のサージ回避も行っている。ターボチャージャにおいては、急激な圧力変動によるサージ（サージング）という現象が生じ得る。サージ時の圧力変動は急激で、ターボユニット２を振動させると共に騒音を発生させる。このため、ターボユニット２の破損防止、及び、静粛性のため、サージを回避する必要がある。これには、サージの発生を予測し、サージが発生することが予測されるようになった場合には、ターボユニット２下流側の過給によって圧力の上がった吸気を上流側に還流（リリーフ）させることで圧力変動を緩和させる。

本実施形態の場合、サージ発生の予測は、ターボユニット２のコンプレッサの空気流量と、ターボユニット２による過給圧に基づいて行われる。過給圧が所定の過給圧より高い場合にサージ発生が予測され、この所定の過給圧は空気流量が少ないほど低い値とされる。即ち、空気流量が少ない場合には、空気流量が多い場合に比べて低い過給圧でサージ発生すると予測されるのである。本実施形態では、エアフロメータ８の値から求められるターボユニット２のコンプレッサの空気流量と、圧力センサ９の検出値及びターボ回転数から算出したターボユニット２による過給圧とに基づいてサージ発生を予測している。即ち、ここでは、エアフロメータ８、圧力センサ９、ターボ回転数検出手段、及び、ＥＣＵ６がサージ予測手段として機能し、切替バルブ（吸気流切替手段）１１や接続路１４がサージ抑制手段として機能している。

ここで、サージの発生が予測される場合は、切替バルブ１１が吸気流を上流に還流させる側に切り換えられ、サージ発生が抑止される。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。例えば、上述した図１に示される実施形態では、ターボユニット２にモータ２ａが内蔵されたものであった。このような構成ではなく、（排気エネルギーを利用せずに）単にモータの駆動によってのみ過給を行う過給機（いわゆるスーパーチャージャーなど）に対しても本発明は適用し得る。

さらに、上述した実施形態では、ターボユニット２の過給効率を低下させる機構（過給効率低下手段）も組み込まれており、モータ２ａ駆動及び過給後吸気還流による過給によって暖機を行う際に過給効率を意図的に低下させている。この機構を図３に示す。図３に示されるように、ターボユニット２のタービン／コンプレッサ２ｂのコンプレッサホイール２ｃ近傍に過給効率を低下させる二つの機構が組み込まれている。一つ目は、コンプレッサホイール２ｃとターボユニット２の内壁表面との距離を可変させる機構である。この機構では、ターボユニット２の内壁部の一部が移動可能な移動壁部２ｄとして構成されている。

図３中の移動壁部２ｄは、図中左方一杯にまで移動された状態が示されているが、その移動を制御する油圧によって図中点線で示される位置まで突出され得る。図３中に示されている状態が、吸気通路断面積を大きく確保して過給効率を低下させた状態である。暖機時ではない通常の過給時（機関出力増強時）には、移動壁部２ｄは図３中点線で示される位置にある。なお、移動壁部２ｄは、ターボユニット２内に形成されたオイル流路２ｅと、このオイル流路２ｅ内の油圧を昇降させるポンプ２ｆとによって移動される。ポンプ２ｆは、ＥＣＵ６に接続されており、移動壁部２ｄの位置はＥＣＵ６によって制御される。本実施形態の移動壁部２ｄは、環状に形成されているが、環状の一部のみが移動するように（例えば、一定間隔おきに環状に配置された複数の移動部分として）形成されても良い。

過給効率を低下させる二つ目の機構は、ターボユニット２のコンプレッサホイール２ｃから吐き出される吸気流を邪魔するように突出される複数の突起２ｇとして構築されている。図３中の突起２ｇは、一定間隔をおいて環状に配置されている。各突起２ｇの基端部は、ターボユニット２の内部に形成された環状のオイル流路２ｈに位置しており、オイル流路２ｈ内の油圧が高くなると吸気通路４内に突出され、オイル流路２ｈ内の油圧が低くなると引っ込んで吸気通路４内に突出した部分がなくなる。図３には、突起２ｇを吸気通路４内に突出させた状態が示されている。このような状態とすることで、吸気に乱れを生じさせ、過給効率が低下される。なお、オイル流路２ｈは、内部の油圧を昇降させるポンプ２ｉに接続されており、ポンプ２ｉはＥＣＵ６に接続されている。突起２ｇの位置はＥＣＵ６によって制御される。

モータ２ａを駆動させて暖機を行う（本実施形態では過給後吸気還流も併用している）際には、これらの機構によって過給効率を低下させることで、吸気温度を上昇させることができる。同等圧力比（ターボユニット２の上流側及び下流側の圧力比）・同等流量であれば、過給効率が低いほど吸気流の昇温量は高くなる。エンジン１の出力増大という点から考えれば、吸気温度を下げて吸気密度を上げつつ過給効率を向上させて空気充填量を増加させることとなる。しかし、ここでは、これとは反対に過給効率を意図的に低下させることで吸気温度を上昇させて、暖機性のさらなる向上を図っている。

なお、移動壁部２ｄによる過給効率低下と突起２ｇによる過給効率低下とは、同時に行っても良いし、何れか一方のみを行っても良い。ただし、併用することでより効果的に過給効率を低下させることができる。過給効率を低下させるとタービン／コンプレッサ２ｂの回転が低下するが、その分を補償するためにモータ２ａの駆動力を増加させて高回転を維持させ、断熱圧縮温度上昇を促進することでより大きな暖機効果を得ることができる。ただし、モータ２ａの駆動力を増大させずにモータ２ａの駆動力を一定としても、暖機性向上効果は得られる。このとき、ターボユニット２による過給圧が所定値となるように上述した機構を用いて過給効率を低下させた後、モータ２ａの駆動力を制御すると暖機性向上効果を効率よく得ることができる。

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。例えば、上述した実施形態では、吸気流切替手段を三方弁である切替バルブ１１によって構成した。しかし、一つの切替バルブ１１の代わりに、二つのバルブを用いて同様のことを行うことも可能である。図１における切替バルブの右側流路を開閉するバルブと左側流路を開閉するバルブとを設け、一方を開・他方を閉とすれば、開かれている流路にのみ吸気流を導くことができる。

また、上述した実施形態では、温度センサ１０によって吸気温をモニタし、検出した吸気温が所定温度以上であるか否かで切替バルブ１１の切替を行った。しかし、エンジン１の始動時に温度センサ１０によって吸気温を一回検出し、この温度が所定値以下の場合には、切替バルブ１１を吸気流を上流側に還流させる側に所定時間だけ切り換える（その後は通常通り吸気流をシリンダ１５側に導入させる側に切り換える）ようにしても良い。

また、上述した実施形態では、始動前暖機でのモータ２ａの駆動状況に基づいて切替バルブ１１の切替を行う際に、温度センサ１０の検出結果も利用した。しかし、温度センサ１０の検出結果を利用せずに、始動前暖機でのモータ２ａの駆動状況（始動前暖機によってモータ２ａが駆動されているか否か）のみに基づいて切替バルブ１１の切替を行ってもよい。例えば、始動前暖機によるモータ２ａの駆動が実施されている場合には、予め定められた所定時間だけ切替バルブ１１を吸気流を上流側に還流させる側に切り換える（その後は通常通り吸気流をシリンダ１５側に導入させる側に切り換える）ようにしても良い。

また、電動機によって駆動される過給機が吸気通路上に直列に配置されていても（例えば、電動機のみによって駆動する過給機と、電動機付ターボチャージャを直列に配置させた場合など）、吸気流を電動機付過給機で複数回過給することができる。これらのように制御しても、吸気がモータ２ａを有するターボユニット２で複数回過給されることで十分に昇温されるため、効果的な暖機を行うことができる。

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。 本発明の制御装置の一実施形態による制御のフローチャートである。 本発明の制御装置の一実施形態におけるターボユニットを示す断面図である。

符号の説明

１…エンジン（内燃機関）、２…ターボユニット（過給機）、２ａ…モータ（電動機）、２ｃ…コンプレッサホイール、２ｄ…移動壁部（過給効率低下手段）、２ｇ…突起（過給効率低下手段）、２ｅ，２ｈ…オイル流路２ｆ，２ｉ…ポンプ、３…排気通路、４…吸気通路、５…コントローラ、６…ＥＣＵ、７…バッテリ、８…エアフロメータ、９…圧力センサ、１０…温度センサ、１１…切替バルブ、１２…インタークーラー、１３…スロットルバルブ、１４…接続路、１５…シリンダ、１６…排気浄化触媒。

Claims (3)

1. 車両に搭載された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、
   前記内燃機関の暖機時に前記電動機を駆動させて過給を行う暖機時過給手段と、
   前記内燃機関に供給する吸気を前記暖機時過給手段によって複数回過給する複数回過給手段と、
   前記暖機時過給手段による暖機時に前記過給機の過給効率を低下させる過給効率低下手段と、を備え、
   前記複数回過給手段が、前記過給機の上流側吸気通路−下流側吸気通路間を接続する接続路と、前記過給機によって過給された吸気流を前記接続路を介して前記吸気通路の上流側に還流させるか下流側に流すかを切り換える吸気流切替手段とを有し、前記暖機時過給手段による前記電動機の駆動状況に基づいて前記吸気流切替手段を制御することを特徴とする電動機付過給機を有する内燃機関の制御装置。
2. 前記暖機時過給手段が、前記内燃機関の始動前に前記内燃機関の暖機を実行することを特徴とする請求項１に記載の電動機付過給機を有する内燃機関の制御装置。
3. 前記過給機のサージ発生を予測するサージ予測手段と、前記サージ予測手段によってサージ発生が予測された場合に、前記過給機によって過給された吸気を前記吸気流切替手段によって前記吸気通路の上流側に還流させるサージ抑制手段とをさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動機付過給機を有する内燃機関の制御装置。
   

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