JP4124143B2 - 電動機付過給機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載された内燃機関の吸気通路上に配設された電動機付過給機を制御する電動機付過給機の制御装置に関する。

エンジンの吸気通路上にターボチャージャを配設し、このターボチャージャによる過給によって高出力（あるいは、低燃費）を得る内燃機関はよく知られている。下記［特許文献１］にもターボチャージャを備えた内燃機関が開示されている。
特開平１１−１３２０４９号公報

内燃機関は大気から空気を吸入して燃焼に使用している。吸入空気量が減れば出力が減ってしまう。例えば、大気圧が低下すると、空気質量が低下するので出力が低下してしまう。通常は、スロットル開度を大きくするなどして吸気体積を増やして空気質量が減らないようにする。ただし、ターボチャージャに何らかの可変制御機構を備えているものでは、この機構を用いて過給圧を増加させて出力を補償することが行われる。このような機構の一例としては、上述した［特許文献１］に記載のターボチャージャが有しているようなバリアブルノズル機構を挙げることができる。

バリアブルノズル機構は、タービンホイールへの排気流入部に複数のベーンを配置し、各ベーン間の隙間量（バリアブルノズル開度）を変えて排気流速を可変制御するものである。バリアブルノズル開度を可変制御することでタービン出力を最適化する。しかし、内燃機関が低負荷域にあるときはバリアブルノズル機構はすでに最小開度側にあり、大気圧低下時に過給圧を向上させる余裕がない場合がほとんどである。また、ノズル開度をあまりにも絞りすぎると、ターボチャージャとしての過給効率の低下（背圧の上昇）につながり、燃費を悪化させてしまう。このため、このような場合の出力補償が要望されていた。従って、本発明の目的は、大気圧低下時にも出力を効果的に補償することが可能な電動機付過給機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、電動機を制御して過給圧を制御する制御手段と、大気圧状態を検出する気圧検出手段と、吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、内燃機関の排気流を利用して過給を行うターボチャージャと、ターボチャージャによる過給状態を可変制御するバリアブルノズル機構とを備え、制御手段は、気圧検出手段によって検出された大気圧が所定値未満となった場合には、大気圧が所定値以上であるときに比べて電動機の駆動力を大きくし、バリアブルノズル機構は、気圧検出手段によって検出された大気圧が所定値以上である場合には、吸入空気量検出手段によって検出された吸入空気量と運転状態に基づいて決定される目標吸入空気量との偏差に基づいてバリアブルノズル開度をフィードバック制御し、気圧検出手段によって検出された大気圧が所定値未満となった場合には、吸入空気量と目標吸入空気量との偏差に基づくバリアブルノズル開度のフィードバック制御を禁止し内燃機関の回転数と負荷により目標バリアブルノズル開度を演算しこの目標バリアブルノズル開度を用いてバリアブルノズル開度を制御することを特徴とする。

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の制御装置において、バリアブルノズル機構が、気圧検出手段によって検出された大気圧が所定値未満となった場合には、目標バリアブルノズル開度を吸気圧フィードバックにより補正してバリアブルノズル開度を制御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の制御装置において、制御手段が、気圧検出手段によって検出された大気圧が所定値未満となった場合には、吸入空気量検出手段によって検出された吸入空気量と運転状態に基づいて決定される目標吸入空気量との偏差に基づいて電動機の駆動力増加分を決定することを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の電動機付過給機の制御装置において、電動機がターボチャージャに内蔵されており、過給機とターボチャージャとが一体化されていることを特徴としている。

本発明の電動機付過給機の制御装置によれば、電動機付ターボチャージャによって過給圧を可変制御し、最適な過給効果を得ることができる。また、大気圧の状態を気圧検出手段で検出し、大気圧が所定値未満となった場合には、大気圧が所定値以上であるときに比べて電動機の駆動力を大きくすることで、大気圧低下による出力低下を効果的に防止することができる。

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。

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。

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では、インジェクタ２によってインテークポートに燃料を噴射して吸気通路５を介して吸入した吸入空気と混合して混合気を生成する。生成された混合気はシリンダ３内に導入され、点火プラグ７で点火・燃焼される。後述する電動機２０ａを有する過給機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。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、ターボチャージャ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。

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（吸入空気量検出手段）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、内蔵されたモータ（電動機）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ホイールが直結されている。過給機２０のモータ２０ａは、コントローラ（制御手段）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、コンプレッサホイールの回転数）はコントローラ２１によって検出し得る。

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。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。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。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、バルブ２５によってバイパス路２４を開放して過給機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の作動時には、過給機２０によって過給された吸入空気がバイパス路２４を介して逆流するのを防止するために、バルブ２５によってバイパス路２４を遮断する。

ターボチャージャ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。ターボチャージャ１１は、公知のものであるが、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ＥＣＵ（制御手段）１６によって制御される。本実施形態のエンジン１では、直列に配された過給機２０とターボチャージャ１１とによって過給を行うことができる。ターボチャージャ１１の下流側には、過給機２０やターボチャージャ１１の過給による圧力増加で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。

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。

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。過給圧を検出するセンサは、インテークマニホールド部に取り付けられても良い。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。また、ＥＣＵ１６には、大気圧を検出する大気圧センサ（気圧検出手段）３０も接続されている。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、バルブ２５、エアフロメータ２７、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。

一方、排気通路６上には、ターボチャージャ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。

また、排気通路６（ターボチャージャ１１の上流側）から吸気通路５（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２８が配設されている。ＥＧＲ通路２８上には、排気ガス還流量（ＥＧＲ量）を調節するＥＧＲバルブ２９が取り付けられている。ＥＧＲバルブ２９の開度（ＤＵＴＹ比）制御も上述したＥＣＵ１６によって行われる。なお、図示していないが、ＥＧＲバルブ２９と吸気通路５のサージタンクとの間に、エンジン１の冷却水を利用してＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラーが設けられている。

次に、本実施形態のエンジン１における過給制御について説明する。本実施形態では、大気圧が低下したとき（所定値未満となったとき）には、出力低下を防止するためにモータ２０ａの駆動量を大気圧が低下していないときに比べて増やして過給機２０による過給効果を増強する。また、ターボチャージャ１１がバリアブルノズル機構１１ａを備えているため、これとも協調制御される。さらに、エンジン１がＥＧＲ機構を備えているので、ＥＧＲシステムとの協調も行われる。

図１に過給制御のフローチャートを示す。まず、エンジン回転数Ｎｅ・エンジン負荷を読み込む（ステップ２００）。エンジン回転数はクランクポジショニングセンサ２６によって検出される。エンジン負荷は、エアフロメータ２７によって検出される吸入空気量や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スロットル開度に基づいて算出される。次に、検出したエンジン回転数Ｎｅ・エンジン負荷に基づいて、ＥＧＲ制御を行う領域であるか否かが判定される（ステップ２０５）。

このとき用いられるマップの例を図３に示す。図３のマップは、横軸にエンジン回転数Ｎｅ、縦軸にエンジン負荷を取ったもので、マップ中のハッチングを示した領域ＡではＥＧＲ制御が実行され、排気ガスが吸気側に還流される。図３のマップから明らかなように、高回転域あるいは高負荷域では、排気ガスの還流は行われない。ステップ２０５が否定される場合は、圧力センサ１９で検出した吸気圧に基づくフィードバック制御による通常制御が実施される（ステップ２１０）。

一方、ステップ２０５が肯定され、ＥＧＲ制御が実施される場合は、目標バリアブルノズル開度ＶＮ0が算出され、バリアブルノズル機構１１ａに対して算出された目標バリアブルノズル開度ＶＮ0が出力される（ステップ２１５）。バリアブルノズル機構１１ａは、この信号に基づいてその開度が変更される。このとき、目標バリアブルノズル開度ＶＮ0の算出には、図４に示されるようなマップが用いられる。図４のマップは、横軸にエンジン回転数Ｎｅ、縦軸にエンジン負荷を取り、マップ中の各領域毎に目標バリアブルノズル開度ＶＮ0の数値が割り当てられている。低回転・高負荷であるほど目標バリアブルノズル開度ＶＮ0は小さく、高回転・低負荷であるほど目標バリアブルノズル開度ＶＮ0は大きくなる。

ステップ２１５に続いて、目標バリアブルノズル開度ＶＮ0となるようにバリアブルノズル機構１１ａの制御が開始された後に新たに吸入した吸入空気量である新気量ＡＦを読み込む（ステップ２２０）。新気量ＡＦは、エアフロメータ２７によって検出される。ここでは、大気から吸入した新気と還流された排気ガスとが混合され、その後、燃料が噴射されて混合気となってからシリンダ３内に導入される。次いで、新気量の目標値ＡＦtを算出する（ステップ２２５）。このとき、新気量目標値ＡＦtの算出には、図５に示されるようなマップが用いられる。図５のマップは、横軸にエンジン回転数Ｎｅ、縦軸にエンジン負荷を取り、マップ中の各領域毎に新気量目標値ＡＦtの数値が割り当てられている。低回転・低負荷であるほど新気量目標値ＡＦtは少なく、高回転・高負荷であるほど新気量目標値ＡＦtは多くなる。

ステップ２２５に続いて、目標値と実際値との偏差ＡＦe＝ＡＦt−ＡＦを算出する（ステップ２３０）。さらに、圧力センサ１９によって、大気圧Ｐ0も検出する（ステップ２３５）。そして、検出された大気圧Ｐ0が所定圧力（ここでは９０ｋＰａ）未満であるか否かを判定する（ステップ２４０）。大気圧Ｐ0が所定圧力未満である場合は、吸気密度が低下していると判断でき、この場合はモータ２０ａの駆動力を増強して吸気体積を増加させて吸気質量を確保すべく、上述した偏差ＡＦeの関数ｆ（ＡＦe）に基づいてモータ２０ａへの指令値（駆動電流値など）ｉを算出する。算出された指令値ｉはモータ２０ａに対して出力される（ステップ２４５）。モータ２０ａは、この指令値ｉに基づいて駆動される。この指令値ｉは大気圧が所定圧力以上であるときに比べて駆動力が大きくなるように設定される。還元すれば、上述した関数ｆ（ＡＦe）はそのように定められている。モータ２０ａの制御は、圧力センサ１９による吸気圧フィードバック制御とエアフロメータ２７による吸入空気量フィードバック制御とを組み合わせたものとなる。

なお、ステップ２４０が肯定され、大気圧Ｐ0が所定圧力未満である場合は、バリアブルノズル機構１１ａの制御に関しては、上述した目標バリアブルノズル開度ＶＮ0によるマップ制御と圧力センサ１９による吸気圧フィードバック制御とを組み合わせた制御となる。即ち、このときは、バリアブルノズル開度を決定する際に吸入空気量を参酌することが禁止される。これは、大気圧Ｐ0が所定圧力未満である場合は、出力を補償するためにバリアブルノズル開度を絞ると背圧が上昇し、ターボチャージャ１１の効率悪化による燃費悪化を防止するためである。

また、ここでは、上述した偏差ＡＦeに基づいてモータ２０ａへの指令値ｉ、即ち、モータ２０ａの駆動力増強分が決定されている。このようにすることで、ＥＧＲ量を減少させなくてもスモークを発生させないだけの新気量を確実に確保することができる。ここでは詳しく述べていないが、ＥＧＲ量域では、ＥＧＲ率が目標値となるようにフィードバック制御が行われており、これによって燃焼温度低下によるＮＯｘ排出量低減を図っている。このように新気量を確保することでＥＧＲ率を維持し、排ガス浄化も確実に行うことができる。

本実施形態のように大気圧低下時にモータ２０ａによって新気量を確保することができない場合は、高地などに行って大気圧低下に伴う吸入空気量の現象が生じると、スモークを排出しないように大気圧低下に応じてＥＧＲ量を減じるしかない。しかし、本実施形態によれば、新気量を確保しつつＥＧＲ量も確保し、走行性能と排ガス浄化性能とを大気圧が低下しないときと同等の水準に維持することができる。

一方、ステップ２４０が否定される場合は、上述した偏差ＡＦeの関数ｇ（ＡＦe）に基づいてバリアブルノズル機構１１ａの補正量ＶＮcが算出される（ステップ２５０）。バリアブルノズル機構１１ａに対しては、上述した目標開度ＶＮ0＋補正量ＶＮcで算出される開度が指令値として出力される。関数ｇは、上述した偏差ＡＦeが大きいほど、その偏差を小さくするようにバリアブルノズル開度を開くあるいは絞る側に補正量ＶＮcを決定するものである。なお、ステップ２４０が否定される場合、モータ２０ａの制御は、、圧力センサ１９による吸気圧フィードバック制御のみであり、エアフロメータ２７による吸入空気量フィードバック制御は行われない。

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、気圧検出手段が大気圧センサ（圧力センサ）３０であった。しかし、気圧検出手段は、カーナビゲーションシステムなどであっても良い。ナビゲーションシステムから、土地高低差を取得し、これに基づいて大気圧を検出（推定）しても良い。また、ナビゲーションシステムが通信機能を有し、通信機能を介して取得した気象情報（大気圧を含む）と位置情報とに基づいて大気圧を検出しても良い。

また、図１に示される実施形態では、ターボチャージャ１１とは別に、その上流側にモータ２０ａ付きの過給機２０が設けられた。しかし、本発明は電動機（モータ）付過給機に対して適用し得るものであり、図６に示されるように、ターボチャージャ１１の内部に電動機（モータ）１１ｂを内蔵させたものに対しても適用し得る。図６に記載の実施形態は、モータ１１ｂの配設（及び過給機２０が配設されていないこと）以外は図１に記載のものとほぼ同様の構成であるため、同一の構成部分には同一の符号を付してその詳しい説明は省略する。図６に記載の実施形態では、ターボチャージャ１１のタービン／コンプレッサホイールの回転軸が出力軸となるようにモータ１１ｂが内蔵されている。

このようにすれば、ユニット数を減らすことができ、エンジンコンパートメント内のスペース効率を向上させることができる。また、エンジン１の組み立ても容易となる。モータ２０ａへの印加電力と過給効果との関係などは変わるため各種制御マップは図１のものと異なることとなるが、基本的に図２のフローチャートで示される制御は同様に実行することができ、同様の効果を得ることができる。

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過給制御のフローチャートである。 ＥＧＲ実行領域か否かの判定時に利用するマップである。 バリアブルノズル開度の目標値ＶＮ0を決定する際に利用するマップである。 新気量の目標値ＡＦtを決定する際に利用するマップである。 本発明の制御装置の他の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。

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（制御手段）、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…過給機、２０ａ…モータ（電動機）、２１…コントローラ（制御手段）、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、２８…ＥＧＲ通路、２９…ＥＧＲバルブ、３０…大気圧センサ（気圧検出手段）。

Claims (4)

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、
   前記電動機を制御して過給圧を制御する制御手段と、
   大気圧状態を検出する気圧検出手段と、
   吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
   前記内燃機関の排気流を利用して過給を行うターボチャージャと、
   前記ターボチャージャによる過給状態を可変制御するバリアブルノズル機構と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記気圧検出手段によって検出された大気圧が所定値未満となった場合には、大気圧が所定値以上であるときに比べて前記電動機の駆動力を大きくし、
   前記バリアブルノズル機構は、前記気圧検出手段によって検出された大気圧が所定値以上である場合には、前記吸入空気量検出手段によって検出された吸入空気量と運転状態に基づいて決定される目標吸入空気量との偏差に基づいてバリアブルノズル開度をフィードバック制御し、前記気圧検出手段によって検出された大気圧が所定値未満となった場合には、前記吸入空気量と前記目標吸入空気量との偏差に基づくバリアブルノズル開度のフィードバック制御を禁止し前記内燃機関の回転数と負荷により目標バリアブルノズル開度を演算しこの目標バリアブルノズル開度を用いてバリアブルノズル開度を制御すること、
   を特徴とする電動機付過給機の制御装置。
2. 前記バリアブルノズル機構は、前記気圧検出手段によって検出された大気圧が所定値未満となった場合には、前記目標バリアブルノズル開度を吸気圧フィードバックにより補正してバリアブルノズル開度を制御すること、
   を特徴とする請求項１に記載の電動機付過給機の制御装置。
3. 前記制御手段は、前記気圧検出手段によって検出された大気圧が所定値未満となった場合には、前記吸入空気量検出手段によって検出された吸入空気量と運転状態に基づいて決定される目標吸入空気量との偏差に基づいて前記電動機の駆動力増加分を決定すること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の電動機付過給機の制御装置。
4. 前記電動機が前記ターボチャージャに内蔵されており、前記過給機と前記ターボチャージャとが一体化されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の電動機付過給機の制御装置。
   

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