JP4601695B2 - 内燃機関の電動過給機制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、電動機で駆動される過給機を吸気通路に設けた内燃機関の電動過給機制御装置に関するものである。

従来から、自動車の低燃費化を目的として、内燃機関（エンジン）の出力を増加させるために、吸気通路上に電動機で駆動される過給機を設ける技術が知られている。
この場合、過給機はタービンとコンプレッサとを結ぶ軸上に配設され、エンジン低回転時には電動機により回転駆動され、エンジン高回転時には排気タービン（排気ガス）により回転駆動される。

一方、過給機のコンプレッサは、エンジン回転速度が低い（吸入空気量が少ない）状態でコンプレッサ圧縮圧が低下すると、サージ現象を引き起こして衝撃や振動により過給機内の軸受やインペラなどを破損する可能性がある。
逆に、電動機への供給電力の低下などにより、空気流量に対して十分な回転速度を確保できない場合には、過給機が吸気損失となる可能性がある。

そこで、従来の内燃機関の電動過給機制御装置として、バイパス通路上に逆止弁を設け、コンプレッサの上流側から下流側への吸入空気の流動のみを許容する技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、吸気通路を２方向に分岐した後に合流させる構成とし、一方の分岐路上には電動機で駆動される過給機を設け、分岐路の合流部には流量調整手段（いずれかの分岐路からの吸入空気を下流側に流すかを調整する手段）を設ける装置も提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００７−７１１５０号公報 特開２００４−３０８４９０号公報

従来の内燃機関の電動過給機制御装置は、特許文献１の場合には、逆止弁を用いているので、流量を調整することができず、過給機が吸入空気抵抗となる場合には最適な過給機能を実現することができないという課題があった。
また、特許文献２の流量調整手段は、バイパス通路と過給機の空気量が同等となった場合にバイパス通路を遮断することから、供給電力の低下を考慮していないので、適正な空気量が得られず、過給機が吸気損失となる可能性があるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、過給機供給電力に応じて、過給機が吸気損失とならないように、バイパス通路側と過給機側との空気量を制御し、最適な過給が可能な内燃機関の電動過給機制御装置を得ることを目的とする。

この発明による内燃機関の電動過給機制御装置は、内燃機関の吸気通路に配置された過給機と、過給機を駆動する電動機と、過給機の上流側の吸気通路と過給機の下流側の吸気通路とを連通させて、過給機をバイパスするバイパス通路と、バイパス通路を通過する空気流量を調整する流量調整手段と、電動機および流量調整手段を制御する制御装置と、制御装置に入力される過給機供給電力を検出する電力検出手段とを備え、制御装置は、あらかじめ定められた電力基準値と過給機供給電力とを比較し、過給機供給電力が電力基準値を下回った場合に、流量調整手段を開放制御するものである。

この発明によれば、過給機供給電力に応じて、過給機が吸気損失とならないように、バイパス通路側と過給機側との空気量を制御することにより、最適な過給機能を実現することができる。

実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
図１はこの発明の実施の形態１に係る内燃機関の電動過給機制御装置の全体構成を概略的に示すブロック構成図である。

図１において、エンジン１は、インジェクタ１２によってシリンダ１８内に燃料が噴射される筒内噴射タイプからなり、多気筒エンジンのうちの１気筒のみが断面図として示されている。
シリンダ１８内には、クランク２０を回転駆動するピストン１９が、摺動自在に設けられている。

なお、エンジン１としては、シリンダ１８内に燃料を直接噴射する筒内噴射タイプ（図１参照）に限らず、スロットルバルブ８の下流側の吸気通路１７に燃料を噴射するポート噴射タイプ（図示せず）を適用することも可能である。

エンジン１は、電動機１４によって駆動される過給機１３により、多くの吸入空気を過給して、高出力化のみでなく低燃費化を実現するとように構成されている。
電動機１４は、排気ガスにより駆動される排気タービン１５と過給機１３とを結ぶ軸上に設置されており、制御装置１６からの制御信号を受けて動作する。過給機１３および電動機１４の詳細動作については後述する。

エンジン１に供給される吸入空気は、まず、上流側の吸気通路２に設置されたエアクリーナ３によりゴミや塵などが取り除かれた後、過給機１３が設けられた吸気通路４に導入される。
ここで、吸気通路２は、過給機１３に通じる吸気通路４と、バイパス通路５との２方向に分岐された後、それぞれの下流側で合流される。

バイパス通路５上には、バイパス弁の空気流量（バイパス通路５内を通過するバイパス空気流量）を任意に調整可能な流量調整手段６が設けられており、流量調整手段６は、制御装置１６からの制御信号を受けてバイパス空気流量を調整する。
なお、流量調整手段６は、たとえば電気的に駆動される電磁バルブなどにより実現可能である。流量調整手段６の詳細動作については後述する。

吸気通路４およびバイパス通路５は再合流した後、インタークーラ７に導入される。
インタークーラ７は、過給機１３によって圧力および温度が上昇した吸入空気の温度を下げることにより、充填効率を向上させる。
過給された吸入空気は、さらにスロットルバルブ８および吸気通路１７を通じて、エンジン１のシリンダ１８に吸入される。

エンジン１において、過給された吸入空気は、吸入弁９の開放時にシリンダ１８内に充填され、インジェクタ１２からの燃料噴射により混合気となった後、点火プラグ１０の駆動により点火燃焼される。

燃焼後の混合気は、排気弁１１の開放時に排気され、排気ガスとなって排気タービン１５を駆動する。また、排気通路には、排気ガスを浄化するための排気浄化触媒２１が取り付けられている。

図１のように、内燃機関の電動過給機制御装置は、エンジン１の吸気通路４上に設置されて電動機１４により駆動される過給機１３と、過給機１３をバイパスするように過給機１３の上流と下流とを連通するバイパス通路５と、バイパス通路５内の流量を調整するためのバイパス弁を有する流量調整手段６と、過給機１３を駆動するための制御装置１６とを備えている。

また、各種センサ（図示せず）として、制御装置１６に供給される過給機供給電力を検出する電力検出手段と、吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段とを備えている。
制御装置１６は、過給機供給電力および吸入空気量を用いてバイパス通路５内のバイパス弁を制御することにより、過給機供給電力が低下した場合でも適正な過給圧を得るように構成されている。

次に、制御装置１６の制御下でバイパス空気流量および過給空気流量を調整する流量調整手段６および電動機１４の動作について説明する。
制御装置１６は、各種センサからの指令値（エンジン回転速度、アクセル開度、過給機供給電力、吸入圧、吸入空気量など）を受けて、流量調整手段６および電動機１４を駆動制御する。

具体的には、上記指令値のうちの過給機供給電力については、たとえば供給電流を検出すればよい。供給電流を検出することができれば、制御装置１６において、電流値と電圧値との乗算により過給機供給電力の演算が可能となる。

また、吸入圧については、たとえばスロットルバルブ８の下流側の吸気通路１７内に圧力センサなどを設けることにより検出可能となる。
さらに、吸入空気量については、たとえばエアクリーナ３の後方などにエアーフローセンサなどを設けることにより検出可能である。

制御装置１６は、たとえばエンジンコンピュータ（図示せず）からの過給指令値を受けて、電動機１４を制御する。
このとき、吸気圧が必要過給圧に達していない場合には、電動機１４を駆動して過給機１３による過給圧を助成する。一方、エンジン１の排気ガスによって電動機１４の回転速度が十分に得られる場合には、電動機１４を発電機として作用させることができる。
なお、排気タービン１５を除去して、吸気通路４に電動機１４および過給機１３のみを配設し、電気エネルギーのみで過給されるいわゆる電動ブロアを適用してもよい。

以下、図２のフローチャートおよび図３の説明図を参照しながら、図１に示したこの発明の実施の形態１による制御装置１６の具体的な動作について説明する。
図２において、まず、制御装置１６は、エンジン回転速度、アクセル開度、過給機供給電力、吸入圧、吸入空気量を、マイクロコンピュータのメモリ（図示せず）に読み込み、指令値として記憶する（ステップＳ２０１）。

続いて、エンジン回転速度およびアクセル開度を用いて、電動機１４による目標過給アシスト量を演算する（ステップＳ２０２）。
具体的には、たとえば、エンジン回転速度およびアクセル開度に応じて、必要な過給アシスト量をマップデータとしてあらかじめ記憶しておき、マップ参照により演算すれことができる。なお、目標過給アシスト量のマップデータは、個々の車両に応じて異なることは言うまでもない。

続いて、制御装置１６は、吸入圧および吸入空気量を用いて過給電力換算値（目標過給アシスト量に対応した電力基準値）を演算する（ステップＳ２０３）。
このとき、過給電力換算値は、たとえば図３に示す過給電力換算線（実線参照）をマップデータとしてあらかじめ保有しておくことにより、マップ演算から取得することができる。

次に、過給電力換算値と過給機供給電力とを比較し（ステップＳ２０４）、過給機１３による過給が可能であるか否かを判定する（ステップＳ２０５）。
ステップＳ２０５において、過給機供給電力があらかじめマイクロコンピュータに定めてある閾値（電力基準値）以上であって、過給機１３での過給が可能（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、流量調整手段６によりバイパス通路５を閉成して、過給機側からのみ空気が流れるようにして（ステップＳ２０６）、図２の処理ルーチンを終了する。

一方、ステップＳ２０５において、過給機供給電力が電力基準値を下回り、過給機１３での過給が不可能（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、過給機１３が吸入空気抵抗とならないように、流量調整手段６によりバイパス通路５を開放して、バイパス通路５からのみ吸入空気が流れるようにして（ステップＳ２０７）、図２の処理ルーチンを終了する。

このように、制御装置１６に対する過給機供給電力が低下した場合に、バイパス通路５を開放することにより、過給機１３において過給圧が低下して過給機１３が吸入空気抵抗となることを抑制することができ、適正な過給圧を得ることができる。

なお、上記説明では特に言及しなかったが、たとえば排気ガスにより高負荷で過給される場合などにおいては、前述したサージによる過給機１３の破損を予防するために、バイパス通路５を開放制御してもよい。
また、逆に、低負荷時のチョークを回避するように、バイパス通路５を開放制御してもよい。

このとき、サージまたはチョークを回避するための制御基準として、図３内のサージ線（１点鎖線参照）またはチョーク線（２点鎖線参照）が用いられる。
このように、種々の状況に応じて流量調整手段６を制御することにより、さらに最適な過給圧を得ることが可能となる。

以上のように、この発明の実施の形態１による制御装置１６は、過給機供給電力に応じて、電動機１４による過給が可能であるか否かの制御信号を調整するのみでなく、サージやチョークを予防するための制御信号をも調整して、バイパス通路５における流量調整手段６を制御するので、最適な過給圧を得ることが可能となる。

また、制御装置１６は、電力検出手段からの過給機供給電力に応じて流量調整手段６を制御したが、過給機１３の下流側の第１の吸入空気量を検出する第１の吸入空気量検出手段（図示せず）をさらに設け、過給機供給電力と第１の吸入空気量とに応じて流量調整手段６を制御してもよい。

また、バイパス通路５を経由する第２の吸入空気量を検出する第２の吸入空気量検出手段（図示せず）をさらに設け、過給機供給電力と第１および第２の吸入空気量とに応じて流量調整手段６を制御してもよい。
さらに、過給機１３の下流側の空気圧を過給圧として検出する過給圧検出手段（図示せず）を設け、過給機供給電力と過給圧とに応じて流量調整手段６を制御してもよい。
上記のいずれの場合も、前述と同等の作用効果を奏する。

この発明の実施の形態１に係る内燃機関の電動過給機制御装置（図１）は、内燃機関の吸気通路４に配置された過給機１３と、過給機１３を駆動する電動機１４と、過給機１３の上流側の吸気通路と過給機１３の下流側の吸気通路とを連通させて、過給機１３をバイパスするバイパス通路５と、バイパス通路５を通過する空気流量を調整する流量調整手段６と、電動機１３および流量調整手段６を制御する制御装置１６と、制御装置１６に入力される過給機供給電力を検出する電力検出手段とを備え、制御装置１６は、過給機供給電力に応じて流量調整手段６を制御する。

また、過給機１３の下流側の第１の吸入空気量を検出する第１の吸入空気量検出手段を備え、制御装置１６は、過給機供給電力および第１の吸入空気量に応じて流量調整手段を制御する。
また、バイパス通路５を経由する第２の吸入空気量を検出する第２の吸入空気量検出手段を備え、制御装置１６は、過給機供給電力と第１および第２の吸入空気量とに応じて、流量調整手段を制御する。

また、過給機１３の下流側の空気圧を過給圧として検出する過給圧検出手段を備え、制御装置１６は、過給機供給電力と過給圧とに応じて流量調整手段６を制御する。
さらに、制御装置１６は、過給機供給電力があらかじめ定められた電力基準値を下回った場合に、流量調整手段６を制御してバイパス通路５を開放する。

なお、上記実施の形態１では、電力検出手段において、供給電流に基づいて過給機供給電力を演算したが、バッテリから電力供給される場合には、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：残容量）センサなどの電力容量監視センサを用いても同様の効果を得ることが可能となる。

また、制御装置１６として、たとえばエンジンコンピュータなどにより機能を集約できる場合には、制御装置１６は、電動機１４を駆動する単純なドライバ機能のみを有していてよく、同様の効果を得ることが可能となる。

また、電力基準値として、吸入圧および吸入空気量を用いて過給電力換算値（図３）を演算したが、これらの値が一義的に得られない場合には、エンジン回転速度やアクセル開度から推定演算してもよい。これにより、簡素な構成で同様の効果を得ることが可能となる。

さらに、図１の構成例に限らず、たとえば、過給機１３の下流側に機械式ターボチャージャー（図示せず）が設けられた、いわゆるツインターボ構成においても、同様の効果が得られる。

以上、この発明の実施の形態１について説明したが、この発明は上記構成に限定されるものではなく、この発明の範囲内において種々の形態が実施可能であることは、当業者にとって明らかである。

この発明の実施の形態１に係る内燃機関の電動過給機制御装置の全体構成を概略的に示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態１による制御動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に適用される電力、過給圧および空気流量のマップデータを示す説明図である。

符号の説明

１ エンジン、２、４、１７ 吸気通路、５ バイパス通路、６ 流量調整手段、８ スロットルバルブ、９ 吸入弁、１０ 点火プラグ、１１ 排気弁、１２ インジェクタ、１３ 過給機、１４ 電動機、１５ 排気タービン、１６ 制御装置、１８ シリンダ。

Claims (4)

1. 内燃機関の吸気通路に配置された過給機と、
   前記過給機を駆動する電動機と、
   前記過給機の上流側の吸気通路と前記過給機の下流側の吸気通路とを連通させて、前記過給機をバイパスするバイパス通路と、
   前記バイパス通路を通過する空気流量を調整する流量調整手段と、
   前記電動機および前記流量調整手段を制御する制御装置と、
   前記制御装置に入力される過給機供給電力を検出する電力検出手段と
   を備え、
   前記制御装置は、あらかじめ定められた電力基準値と前記過給機供給電力とを比較し、前記過給機供給電力が前記電力基準値を下回った場合に、前記流量調整手段を開放制御することを特徴とする内燃機関の電動過給機制御装置。
2. 前記過給機の下流側の第１の吸入空気量を検出する第１の吸入空気量検出手段を備え、
   前記制御装置は、前記過給機供給電力と前記第１の吸入空気量とに応じて前記流量調整手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の電動過給機制御装置。
3. 前記バイパス通路を経由する第２の吸入空気量を検出する第２の吸入空気量検出手段を備え、
   前記制御装置は、前記過給機供給電力と前記第１および第２の吸入空気量とに応じて、流量調整手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の電動過給機制御装置。
4. 前記過給機の下流側の空気圧を過給圧として検出する過給圧検出手段を備え、
   前記制御装置は、前記過給機供給電力と前記過給圧とに応じて前記流量調整手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の電動過給機制御装置。

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