JP4548122B2

JP4548122B2 - エンジンの過給装置

Info

Publication number: JP4548122B2
Application number: JP2005008601A
Authority: JP
Inventors: 幹公藤井; 直之山形
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2025-01-17
Also published as: JP2006194206A

Description

本発明は、過給によりエンジントルクの増大を図るエンジンの過給装置の技術分野に属する。

従来より、エンジントルクの増大を図る手段として吸気を過給するスーパーチャージャやターボチャージャが周知であるが、いずれも過給能力がエンジン回転数の影響を大きく受ける結果、低回転領域で過給圧が不足するという問題がある。これに対し、電気的に駆動される電動過給機は、エンジン回転数の影響を受けることなく回転数を制御できるので、低回転領域でも十分な過給圧を発生し得るという利点を有する。

例えば特許文献１に記載の過給装置は、吸気通路上に配置された電動過給機と、該過給機の上、下流側を連通するバイパス通路と、該バイパス通路上に設けられたバイパス弁とを有し、エンジンの所定運転領域で、過給機を作動させると共にバイパス弁を閉じることにより、過給を行うようになっている。
特開２００３−２２７３４２号公報

ところで、前記特許文献１に記載のような過給装置では、電動過給機の消費電力の増大に応じて吐出圧が増大し、これに伴って理論上はエンジントルクが増加することになるが、実際には、図９に示すように、電動過給機の吐出圧つまり消費電力が所定値ｘを超えるとノッキングが発生し易くなり、このノッキングを抑制するために点火時期のリタード制御を行うので、実際に得られるエンジントルクは過給機の消費電力に比例して理論上のエンジントルクよりも少なくなる。

また、消費電力の増加に伴ってオルタネータによる発電量つまり該オルタネータによるトルク消費量が増加する。そのため、消費電力が所定値ｘ以上の領域では、実際の得られるトルクがさらに抑制され、その結果、前記所定値ｘ以上の領域では過給機の消費電力を増加させても、エンジンの正味の実トルクはほとんど増加しない。

そこで、本発明は、エンジンの過給装置において、無駄な電力消費を抑制して、効率的なエンジントルクの増大を図ることを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、吸気通路に設けられた電動過給機と、吸気通路における該電動過給機の上、下流側を連通させるバイパス通路と、該バイパス通路を開閉するバイパス弁と、所定のエンジン運転領域で前記バイパス弁を閉じると共に電動過給機を作動させる過給制御手段とが備えられたエンジンの過給装置であって、エンジンに吸入される空気量に関するパラメータを検出する吸入空気量パラメータ検出手段と、ノッキング限界の吐出圧が得られる前記電動過給機の消費電力を設定する消費電力設定手段と、前記電動過給機の消費電力を前記消費電力設定手段で設定された値にほぼ維持しながら、前記検出手段で検出したパラメータに応じた吸入空気量が得られる電動過給機の回転数を所定の特性に基づいて求める過給機回転数演算手段とが備えられ、前記過給制御手段は、エンジン回転数が所定回転数以下でエンジン負荷が所定負荷以上のエンジン運転領域での電動過給機作動時に、該演算手段で演算した回転数となるように過給機を制御することを特徴とする。なお、前記吸入空気量パラメータ検出手段は、吸入空気量に関するパラメータをエンジン負荷及びエンジン回転数から演算する方法と、センサ等で直接吸入空気量のパラメータを検出する方法とがある。

また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載のエンジンの過給装置において、前記過給機回転数演算手段は、パラメータに応じた吸入空気量が大きいほど過給機の回転数が低下するように演算することを特徴とする。

そして、請求項３に記載の発明は、前記請求項１又は請求項２に記載のエンジンの過給装置において、ノッキングの発生を検出するノッキング検出手段と、該ノッキング検出手段によりノッキングの発生が検出されたときに点火時期をリタードさせる点火時期制御手段とを有し、前記過給機回転数演算手段は、該点火時期制御手段により点火時期をリタードさせたときに、そのリタードによる低下エンジントルク相当分を補完するために、過給機の回転数が増加するように演算することを特徴とする。

まず、請求項１に記載の発明によれば、消費電力設定手段により、予めノッキング限界の吐出圧が得られる電動過給機の消費電力が設定され、この消費電力を維持しながら運転状態に応じて要求される吸入空気量が得られるように、過給機回転数演算手段により所定の特性に基づいて電動過給機の回転数が求められ、この回転数となるように電動過給機が制御されるので、消費電力に対して得られるエンジントルクの効率がノッキングの発生により低下する領域で電動過給機が使用されることから回避されるので、無駄な電力消費が抑制されて効率的なトルク増大を図ることができる。

また、請求項１に記載の発明による具体的な制御として、請求項２に記載の発明によれば、消費電力を一定に維持しながら吸入空気量を増やすと回転数が低下するという電動過給機の特性に従って該過給機の回転数の演算が行われるので、請求項１に記載の発明の効果が得られることになる。

一方、前記のような制御にも拘らず、ノッキングの発生が検出されたときは、点火時期のリタードを行うことによってこれを抑制することになるが、このとき、エンジントルクが低下する。

これに対し、請求項３に記載の発明によれば、点火時期のリタードにより低下したトルク相当分を電動過給機の回転数を増加させて補完するので、ノッキングの発生を抑制しながら、エンジントルクの低下が回避されることになる。このとき、前記請求項１、２に記載の発明のように電動過給機の消費電力がノッキング限界に設定され、定格出力に対して電力に余裕が残されているので、このように過給機の回転数を増加させることができるのである。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

まず、本発明の第１の実施の形態について説明すると、図１は、本実施の形態に係るエンジンの吸気系１を示している。この吸気系１において、吸気通路２には、上流側からエアクリーナ３、電動過給機４、スロットルバルブ５、サージタンク６が設けられ、該サージタンク６から各気筒＃１〜＃４内にそれぞれ通じる複数の独立吸気通路７…７が分岐されている。

また、該吸気通路２における電動過給機４の上、下流側を直接連通させるバイパス通路８が設けられており、該バイパス通路８に、該通路８を通過する空気の流量を制御するバイパス弁９が設けられている。

前記電動過給機４は、コンプレッサ４ａとモータ４ｂとを備え、モータ４ｂの駆動によりコンプレッサ４ａが空気を吸入して各気筒＃１〜＃４に圧送することにより、空気量を充填ないしエンジントルクを増大させる。また、以下説明において、電動過給機４の回転数とはモータ４ｂの回転数である。

また、このエンジンを制御するエンジン制御装置１００が備えられ、該制御装置１００に、運転者によるアクセルペダル１０ａの踏込量（エンジン負荷）を検出するアクセル開度センサ１０からの信号、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ１１からの信号、吸気温度を検出する吸気温度センサ１２からの信号、ノッキングの発生を検出するノッキングセンサ１３からの信号等が入力されるようになっている。

そして、それらの入力信号に基いてスロットルバルブ６を開閉駆動するスロットルアクチュエータ１４、各気筒＃１〜＃４に備えられた点火プラグ１５…１５、吸気系１を制御する吸気システムコントローラ１０１に各種の制御信号を出力する。さらに、前記吸気システムコントローラ１０１は、バイパス弁９を開閉駆動するバイパスアクチュエータ１６、電動過給機４の回転数を制御する電動過給機コントローラ１０２などに制御信号を出力する。

なお、前記吸気通路２、電動過給機４、バイパス通路８、及びバイパス弁９は、請求項１に記載の過給装置の前提となる構成要素に相当する。

また、このエンジンには、該エンジンの駆動により発電を行うオルタネータ２０と、該オルタネータ２０で発電された電力を蓄えるバッテリ２１とが備えられ、該バッテリ２１から前記電動過給機コントローラ１０２に電力が供給されるようになっている。

なお、前記アクセル開度センサ１０及びエンジン回転数センサ１１は請求項１に記載の過給装置における吸入空気量パラメータ検出手段に相当し、吸気システムコントローラ１０１は請求項１に記載の過給装置における過給機制御手段に相当する。また、エンジン制御装置１００は請求項１に記載の過給装置における過給機回転数演算手段及び請求項３に記載の過給装置における点火時期制御手段に相当し、ノッキングセンサ１３は請求項３に記載の過給装置におけるノッキング検出手段に相当する。

一方、前記エンジン制御装置１００には、図２に示すエンジンの運転領域を設定したマップが記憶されている。このマップにおいては、エンジン回転数とエンジン負荷とをパラメータとした４つの領域が設定されている。即ち、高回転側（エンジン回転数がＮ１以上）には、バイパス弁９が開いた状態で電動過給機４が作動しない自然吸気領域が設定されている。この自然吸気領域では、吸気通路２に導入された空気は図１の矢印Ａに示すようにバイパス通路８を流れる。
また、低負荷低回転側（エンジン回転数がＮ１以上、エンジン負荷がα１以下）には、バイパス弁９が閉じ気味にされた状態で電動過給機４が作動する予回転予圧領域が設定されている。そして、高負荷低回転側（エンジン回転数がＮ１以下、エンジン負荷がα１以上）には、バイパス弁９を閉じた状態で電動過給機４を作動させる過給領域が設定され、該過給領域内の低回転側には、バイパス弁９が半開状態で電動過給機４を作動させるサージング領域が設定されている。

前記予回転予圧領域は、吸気通路２における電動過給機４の下流側の圧力を予め高めておくことにより、運転領域が過給領域に移行した際の過給圧の応答性を向上させる。このとき、同時にスロットルバルブ６の絞り制御を行うことにより各気筒＃１〜＃４内に導入する吸気量が必要以上に多くならないようにしている。

前記過給領域では、吸気通路２に導入された空気は図１の矢印Ｂに示すように吸気通路２を流れる。またサージング領域は、電動過給機４の下流側の圧力が高く、吸気の流量が少ないときに、吸気が電動過給機４を逆流する可能性のある領域であって、ここでは、バイパス弁９を半開にすることにより、図１の矢印Ｃに示すように吸気の一部をバイパス通路８を逆流させて循環させるようにしている。

一方、図３のマップは、電動過給機４の特性を示すもので、これによると、横軸の吸入空気量に対して、電動過給機４の上、下流側の圧力比を縦軸に示している。そして、この電動過給機４の使用領域として、図に示す領域Ｘが設定されている。なお、領域Ｘの低吸入空気量高圧力比側の領域Ｙは、電動過給機４の下流側の圧力が高く、空気の流量は少ないので、前述のサージングが起こる領域となる。

さらに、前記領域Ｘには、電動過給機４の消費電力に応じた領域ａ〜ｐが設定されている。これらの領域ａ〜ｐは、吸入空気量の増加に対して圧力比が減少するような複数の曲線で分割されてなる略短冊状の領域であり、ａ〜ｐの順に消費電力は増加する。

また、領域Ｘには、電動過給機４の回転数の特性が示されている。この特性は、領域Ｘの左下側に回転数４００００ｒｐｍの曲線が設定され、右上方向に移るに従って回転数は増加し、領域Ｘの右上側に回転数８００００ｒｐｍの曲線が設定されている。

ところで、図９を用いて説明したように、電動過給機の消費電力がある値ｘを超えると、これに応じた吐出圧の上昇により、ノッキングが発生し易く、このノッキングを抑制するために点火時期のリタード制御を行うので、実際に得られるエンジントルクは穏やかな増加となる。また、電動過給機４の消費電力に応じてオルタネータ２０による消費トルクが増加するので、実際に得られるトルクがさらに抑制され、その結果、過給機４の消費電力がｘ以上の領域では過給機４の消費電力をこれ以上増加させても、正味の実トルクはほとんど増加しない。

そして、前記吸気系１は、エンジン制御装置１００、吸気システムコントローラ１０１、及び電動過給機コントローラ１０２により、図４に示すフローチャートに従って制御される。

なお、以下の説明では、前述のノッキングが起き易くなるときの電動過給機４の消費電力（ｘ）が定格電力の半分の１ｋＷであるものとする。

まず、ステップＳ１で、エンジン制御装置１００により、各種信号を各センサから読み込むと共に、これらの信号に基いて吸入空気量を求める。具体的には、アクセル開度センサ１０により検出されたエンジン負荷とエンジン回転数センサ１１により検出されたエンジン回転数とに基いて吸入空気量を演算する。このとき、センサ等で吸入空気量を検出するようにしてもよい。

そして、ステップＳ２で、エンジン回転数がＮ１より大きいか否かを判定し、Ｎ１より大きいときは自然吸気領域であるから、ステップＳ３に進んで電動過給機４を停止させると共に、ステップＳ４でバイパス弁９を全開にする。これによって、エアクリーナ３から導入された空気がバイパス通路８を介して各気筒＃１〜＃４に供給される自然吸気が実行される。

一方、ステップＳ２で、エンジン回転数がＮ１以下のときは、ステップＳ５に進んでエンジン負荷がα１以上か否かを判定する。そして、エンジン負荷がα１より大きいときは運転領域が過給領域であり、ステップＳ６で、運転領域がサージング領域か否かを判定する。

そして、ステップＳ６で運転領域がサージング領域でないときは、ステップＳ７に進んでバイパス弁９を閉じ、ステップＳ８で１ｋＷ運転制御を行う。１ｋＷ運転制御は、図３に示した電動過給機４の消費電力の領域ａ〜ｐのうち、１ｋＷに相当する領域ｈ上で、ステップＳ１で求めた吸入空気量が得られる過給機４の回転数を読み出し、過給機４の回転数をこの回転数に制御する。

例えばステップＳ１で求めた吸入空気量が２ｍ^３／ｍｉｎのときの１ｋＷ運転制御では、図３のマップにおいて領域ｈ上の点Ｚにおける電動過給機４の回転数を読み出す。点Ｚは、回転数が６００００ｒｐｍから少し７００００ｒｐｍ寄りの位置にあり、補間によって６２０００ｒｐｍが求められる。そして、エンジン制御装置１００が吸気システムコントローラ１０１を介して電動過給機コントローラ１０２に信号を送り、過給機４がこの回転数になるように制御し、これによって消費電力が１ｋＷで回転数が６２０００ｒｐｍの運転が実現される。

なお、このステップＳ８の１ｋＷ運転制御が、請求項１、２に記載の発明の主旨に相当する。

次に、ステップＳ９に進んでノッキングセンサ１３によりノッキングが発生しているか否かを判定する。ノッキングの発生が検出されなかったときは、そのまま前記１ｋＷ運転制御を継続し、ノッキングの発生が検出されたときは、ステップＳ１０に進んでエンジン制御装置１００は各点火プラグ１５…１５に点火時期をリタードさせる信号を送り、点火時期のリタード実行させる。

そして、ステップＳ１１で点火時期のリタードによるエンジントルク低下分に応じて電動過給機４の回転数を増加させる。このとき過給機回転数の増加量は、吸気温度センサ１２により検出された吸気温度、使用燃料のオクタン価等の各種ノッキング発生要因に応じて設定される。例えば、図５に示すように、吸気温度が高いときほどノッキングが起こりやすく、その分点火時期のリタードによるエンジントルク低下量が大きいので、これを補完するために過給機４の回転数を大きく増加させるようにしている。また、図６に示すように、同様に、使用燃料のオクタン価が低い時ほど過給機４の回転数を大きく増加させるようにしている。

なお、このステップＳ１１が請求項３に記載の発明の主旨に相当する。

一方、ステップＳ６で、運転領域がサージング領域のときは、ステップＳ１２に進んでバイパス弁９を半開にし、ステップＳ１３で前述の１ｋＷ運転制御を行う。これによって、電動過給機４から吐出された空気の一部がバイパス通路８を逆流することになり、その結果、過給機４の下流の圧力が下がってサージングが未然に回避される。また、このように空気の一部を循環させるので、実際に吸入される空気量が要求されたものより少なくなる。これに対して、バイパス通路８を循環させる空気量をβとすると、１ｋＷ運転制御の際には空気量βを補うために、β相当分増大された吸入空気量が要求されたものとして図３のマップを適用することになる。例えばステップＳ１で演算された吸入空気量が２ｍ^３／ｍｉｎのときは、循環させる空気量βを加えた２＋βｍ^３／ｍｉｎを吸入空気量の値として、この吸入空気量に対応する領域ｈ上の点Ｚ′の回転数（約５８０００ｒｐｍ）を読み出すことになる。

ところで、前記ステップＳ５でエンジン負荷がα１以下のときは、運転領域が予回転予圧領域であるから、ステップＳ１４でバイパス弁９をほぼ閉じるように制御し、ステップＳ１５で電動過給機４の回転数を予め設定された予回転予圧制御用の回転数に制御し、ステップＳ９に進む。予回転予圧領域の電動過給機４の回転数は、例えば過給領域よりも低くなるように設定される。

次に、本発明の第２の実施の形態として、図７に示すマップに示した運転領域が設定されている場合について説明する。このマップは、図２のマップの低負荷低回転領域に設定された予回転予圧領域を予回転領域に変更したものである。

この予回転領域で行われる予回転制御は、バイパス弁９を開いた状態で電動過給機４を作動させ、空気をバイパス通路８を循環させて過給領域に移行したときの過給圧の応答性を向上させる。なお、予回転領域では、バイパス弁９が開いた状態とされるため、予圧は行われない状態とされている。

そして、この実施の形態では、吸気系１は、図８に示すフローチャートに従って制御される。なお、このフローチャートにおいて、ステップＳ２１〜Ｓ３３は前記第１の実施の形態における図５のステップＳ１〜Ｓ１３と同様の制御であるので、これらの説明は省略し、ここでは予回転制御に係るステップＳ３４、Ｓ３５についてのみ説明する。

即ち、ステップＳ３４ではバイパス弁９を全開に制御し、ステップＳ３５では電動過給機４の回転数を予め設定された予回転制御用の回転数に制御する。

以上のように、予めノッキング限界の吐出圧が得られる電動過給機４の消費電力が１ｋＷであることを求め、この消費電力１ｋＷを保持しながら所定の吸入空気量が得られるように電動過給機４の回転数を制御するので、消費電力に対して得られるエンジントルクの効率が低下する領域（１ｋＷ以上）で電動過給機が使用されることから回避されるので、無駄な電力消費が抑制されて、効率的なトルク増大を図ることができる。

また、具体的な制御として、図３に示したように、電動過給機４の消費電力を１ｋＷに維持しながら吸入空気量を増やすと回転数が低下するという電動過給機４の特性に従って該過給機４の回転数の演算を行うことにより前述の効果が得られることになる。

一方、このような制御にも拘らず、ノッキングの発生が検出されたときは、点火時期のリタードを行うことによってこれを抑制することになるが、このとき、エンジントルクは低下する。

これに対して、点火時期のリタードにより低下したトルク相当分を電動過給機４の回転数を増加させて補完することにより、エンジントルクの低下が回避されることになる。また、１ｋＷ運転により電動過給機４の定格出力に対して電力に余裕が残されているので、このように過給機４の回転数を増加させることができるのである。

本発明は、エンジンの過給装置において、無駄な電力消費を抑制し、効率的なトルク増大を図ることを目的とする。本発明は、過給によりエンジントルク増大を図るエンジンの過給装置の技術分野に広く好適である。

本発明の実施の形態に係るエンジンの吸気系である。エンジンの運転領域を示すマップである。電動過給機の特性を示すマップである。吸気系のシステムの制御に係るフローチャートである。吸気温度に応じた電動過給機の回転数増加量を決定するためのマップである。オクタン価に応じた電動過給機の回転数増加量を決定するためのマップである。本発明の第２の実施の形態に係るエンジンの運転領域を示すマップである。同吸気系のシステムの制御に係るフローチャートである。過給機の消費電力に対するエンジントルクの増加特性を示すマップである。

符号の説明

２吸気通路
４電動過給機
８バイパス通路
９バイパス弁
１０アクセル開度センサ
１１エンジン回転数センサ
１３ノッキングセンサ
１００エンジン制御装置
１０１吸気システムコントローラ

Claims

吸気通路に設けられた電動過給機と、吸気通路における該電動過給機の上、下流側を連通させるバイパス通路と、該バイパス通路を開閉するバイパス弁と、所定のエンジン運転領域で前記バイパス弁を閉じると共に電動過給機を作動させる過給制御手段とが備えられたエンジンの過給装置であって、
エンジンに吸入される空気量に関するパラメータを検出する吸入空気量パラメータ検出手段と、
ノッキング限界の吐出圧が得られる前記電動過給機の消費電力を設定する消費電力設定手段と、
前記電動過給機の消費電力を前記消費電力設定手段で設定された値にほぼ維持しながら、前記検出手段で検出したパラメータに応じた吸入空気量が得られる電動過給機の回転数を所定の特性に基づいて求める過給機回転数演算手段とが備えられ、
前記過給制御手段は、エンジン回転数が所定回転数以下でエンジン負荷が所定負荷以上のエンジン運転領域での電動過給機作動時に、該演算手段で演算した回転数となるように過給機を制御することを特徴とするエンジンの過給装置。
請求項１に記載のエンジンの過給装置において、
前記過給機回転数演算手段は、パラメータに応じた吸入空気量が大きいほど過給機の回転数が低下するように演算することを特徴とするエンジンの過給装置。
請求項１または請求項２に記載のエンジンの過給装置において、
ノッキングの発生を検出するノッキング検出手段と、
該ノッキング検出手段によりノッキングの発生が検出されたときに点火時期をリタードさせる点火時期制御手段とを有し、
前記過給機回転数演算手段は、該点火時期制御手段により点火時期をリタードさせたときに、そのリタードによる低下エンジントルク相当分を補完するために、過給機の回転数が増加するように演算することを特徴とするエンジンの過給装置。