JP4487838B2 - 電動機付き過給機を有する内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機により駆動可能な過給機を有する内燃機関の制御装置に関する。

電動機により駆動可能な過給機を有する内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この内燃機関によれば、車両が急加速する前に、電動機を駆動して過給圧を上昇させておくことで、急加速時のターボラグを解消することができる。

特開平４−８１５３１号公報

しかしながら、良好な加速を実現するために電動機の駆動量を大きくすると、電動機による余分な電力消費が行われるため、車両の燃費が悪くなる可能性があった。よって、上記従来の内燃機関は、電動機の駆動量、すなわち、電動機による過給アシスト量を算出する点について未だ改良の余地を残すものであった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電動機の駆動量を精度良く制御することで、車両の燃費を向上させることを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサと、該コンプレッサを駆動可能な電動機とを有する過給機と、
変速機の変速比値を取得する変速比値取得手段と、
前記変速比値取得手段により取得された変速比値が大きい場合には、変速比値が小さい場合に比べて前記電動機の駆動量を小さくする電動機制御手段とを備えたことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段を更に備え、
前記電動機制御手段は、前記機関回転数検出手段により検出された機関回転数が大きい場合には、機関回転数が小さい場合に比べて前記電動機の駆動量を小さくするものであることを特徴とする。

第１の発明によれば、変速機の変速比値が大きい場合には、変速比値が小さい場合に比べてコンプレッサの回転数が上昇しやすいため、電動機の駆動量を小さくする。このため、電動機の余分な駆動を抑えることができ、電動機を効率良く駆動させることができる。よって、車両の燃費を向上させることができる。

第２の発明によれば、機関回転数が大きい場合には、機関回転数が小さい場合に比べてコンプレッサの回転数が上昇しやすいため、電動機の駆動量を小さくする。このため、電動機の余分な駆動を更に抑えることができ、電動機を更に効率良く駆動させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施の形態によるシステム構成を示す図である。本実施の形態のシステムは、電動機付き過給機（モータアシストターボチャージャ）を有するディーゼルエンジンである。
本実施の形態のシステムは、複数の気筒２ａを有するエンジン本体２を備えている。エンジン本体２には冷却水温センサ４が設けられている。図１に示すシステムにおいて、エンジン本体２は、４つの気筒２ａに対応して、４つのインジェクタ６を有している。インジェクタ６は、高圧の燃料を気筒２ａ内に直接噴射するように構成されている。複数のインジェクタ６は、共通のコモンレール８に接続されている。コモンレール８は、サプライポンプ１０を介して燃料タンク１２に連通している。サプライポンプ１０は、燃料タンク１２から汲み上げた燃料を所定の圧力まで圧縮し、この圧縮された燃料をコモンレール８に供給するように構成されている。

エンジン本体２には、吸気マニホールド１４が接続されている。吸気マニホールド１４には、過給圧センサ１６が設けられている。過給圧センサ１６は、後述するコンプレッサ２６ａによって過給された空気（以下「過給空気」という。）の圧力、すなわち、過給圧を測定するように構成されている。吸気マニホールド１４には吸気通路１８が接続されている。吸気マニホールド１４と吸気通路１８との接続部近傍には、吸気温度センサ２０が設けられている。吸気温度センサ２０は、過給空気の温度を測定するように構成されている。吸気通路１８における吸気温度センサ２０の上流には、吸気絞り弁２２が設けられている。さらに、吸気絞り弁２２の上流には、インタークーラ２４が設けられている。インタークーラ２４は、過給空気を冷却するように構成されている。

インタークーラ２４の上流には、電動機付きターボチャージャ（以下「ＭＡＴ」という。）２６のコンプレッサ２６ａが設けられている。コンプレッサ２６ａは、図示しない連結軸を介してタービン２６ｂと連結されている。タービン２６ｂは、後述する排気通路４０に設けられている。このタービン２６ｂが排気エネルギにより回転駆動されることによって、コンプレッサ２６ａが回転駆動される。
コンプレッサ２６ａとタービン２６ｂの間には、電動機２６ｃである交流モータが設けられている。電動機２６ｃは、モータコントローラ２８に接続されている。モータコントローラ２８にはバッテリ２９が接続されている。モータコントローラ２８は、バッテリ２９に蓄えられた電力を電動機２６ｃに供給するように構成されている。さらに、モータコントローラ２８は、電動機２６ｃが回生発電した電力をバッテリ２９に充電するように構成されている。バッテリ２９には、該バッテリ２９の電圧を検出するバッテリ電圧センサ２９ａが設けられている。電動機２６ｃの駆動軸は、上記連結軸を兼ねている。よって、コンプレッサ２６ａは、電動機２６ｃにより強制的に回転駆動可能に構成されている。

コンプレッサ２６ａの上流にはエアフロメータ３０が設けられている。エアフロメータ３０は、大気中から吸気通路１８内に吸入される空気の量（吸入空気量）を測定するように構成されている。エアフロメータ３０の上流にはエアクリーナ３２が設けられている。さらに、エアクリーナ３２の上流は、大気に開放されている。

コンプレッサ２６ａとエアフロメータ３０との間には、吸気バイパス通路３４の一端が接続されている。吸気バイパス通路３４の他端は、コンプレッサ２６ａとインタークーラ２４の間に接続されている。吸気通路１８と吸気バイパス通路３４の他端との接続部には、吸気バイパス弁３６が設けられている。この吸気バイパス弁３６が開弁されると、ＭＡＴ２６により過給された空気の一部が吸気バイパス通路３４を通ってコンプレッサ２６ａの吸気側に戻される。これにより、コンプレッサ２６ａの圧力を低減することができる。

また、エンジン本体２には、上記吸気マニホールド１４と対向するように排気マニホールド３８が接続されている。排気マニホールド３８には排気通路４０が接続されている。上述したように、排気通路４０には、ＭＡＴ２６のタービン２６ｂが設けられている。タービン２６ａは、排気通路４０を流通する排気ガスのエネルギによって回転駆動されるように構成されている。

排気通路４０におけるタービン２６ｂの下流には、排気ガスを浄化するための触媒４２が設けられている。

排気マニホールド３８にはＥＧＲ通路４４の一端が接続されている。ＥＧＲ通路４４の他端は、吸気マニホールド１４と吸気通路１８との接続部近傍に接続されている。吸気通路１８とＥＧＲ通路４４の他端との接続部近傍には、ＥＧＲバルブ４６が設けられている。ＥＧＲ通路４４の途中には、ＥＧＲ通路４４を流れる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ４８が設けられている。このＥＧＲバルブ４６が開弁されると、排気ガスの一部がＥＧＲ通路４４及びＥＧＲクーラ４８を通って吸気通路１８に戻される。排気ガスは空気に比べて酸素量が少ないため、ＮＯｘの生成量を低減することができる。

本実施の形態のシステムは、制御装置であるＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０を備えている。
ＥＣＵ６０の入力側には、冷却水温センサ４、過給圧センサ１６、吸気温度センサ２０、バッテリ電圧センサ２９ａ、エアフロメータ３０のほか、クランク角センサ５２、変速段検出センサ５４等が接続されている。クランク角センサ５２は、図示しないクランク軸の回転角度を検出するように構成されている。変速段検出センサ５４は、変速機の変速段を検出するように構成されている。
また、ＥＣＵ６０の出力側には、インジェクタ６、ポンプ１０、モータコントローラ２８、吸気バイパス弁３６、ＥＧＲバルブ４６等が接続されている。
ＥＣＵ６０は、クランク角センサ５２の出力に基づいて、機関回転数NEを算出する。
ＥＣＵ６０は、後述するように、電動機２６ｃの駆動量（過給アシスト量）、つまり、ＭＡＴ２６への電力供給量を算出する。ＥＣＵ６０は、モータコントローラ２８に対し、算出した電力を電動機２６ｃに供給するように指示する。

［実施の形態の特徴］
上記システムによれば、排気エネルギによるタービン２６ｂの回転に伴うコンプレッサ２６ａの回転によって、過給圧を上昇させることができる。しかし、タービン２６ｂが回転してからターボ回転数が上昇して過給圧が上昇するまでの時間差、すなわち、ターボラグが生じてしまうことが知られている。このターボラグを解消するため、上記システムは、電動機２６ｃを用いてコンプレッサ２６ａを強制回転駆動させることができる。

ところで、変速機の変速段が低い場合、つまり、変速機の変速比値が大きい場合には、コンプレッサ２６ａの回転数（以下「ターボ回転数」という。）が上昇しやすい。この場合、電動機２６ｃの駆動量（アシスト量）が少なくても、つまり、電動機２６ｃへの電力供給量が少なくても、ターボ回転数を十分上昇させることができ、過給圧を十分高めることができる。逆に、電動機２６ｃの駆動量を多くすると、つまり、電動機２６ｃへの電力供給量を多くすると、過給圧を十分高めることができるものの、車両の燃費が悪くなってしまう事態や、バッテリ２９が早期に劣化してしまう事態が生じ得る。よって、変速機の変速比値が大きい場合には、過給圧を効率良く高めるために、電動機２６ｃの駆動量をできるだけ少なくする必要がある。
一方、変速機の変速段が高い場合、つまり、変速機の変速比値が小さい場合には、ターボ回転数が上昇しにくい。この場合、電動機２６ｃの駆動量が少ないと、ターボ回転数を十分上昇させることができず、過給圧の上昇が不十分となってしまう。よって、変速比値が小さい場合には、ターボ回転数を十分上昇させるために、電動機２６ｃの駆動量を多くする必要がある。

また、機関回転数NEが大きい場合には、排気エネルギによるタービン２６ｂの回転によりコンプレッサ２６ａもある程度回転しているため、既にある程度ターボ回転数が高くなっていると推定できる。このため、電動機２６ｃの駆動量が少なくても、ターボ回転数を十分上昇させることができ、過給圧を十分高めることができる。逆に、電動機２６ｃの駆動量を多くすると、過給圧を十分高めることができるものの、車両の燃費が悪くなってしまう事態や、バッテリ２９が早期に劣化してしまう事態が生じ得る。よって、機関回転数NEが大きい場合には、過給圧を効率良く高めるために、電動機２６ｃの駆動量をできるだけ少なくする必要がある。
一方、機関回転数NEが小さい場合には、ターボ回転数が上昇しにくい。この場合、電動機２６ｃの駆動量が少ないと、ターボ回転数を十分上昇させることができず、過給圧の上昇が不十分となってしまう。よって、機関回転数NEが小さい場合には、ターボ回転数を十分上昇させるために、電動機２６ｃの駆動量を多くする必要がある。

そこで、本実施の形態では、機関回転数NEが小さい場合、及び／又は、変速比値が大きい場合には、電動機２６ｃの駆動量を大きくする。一方、機関回転数NEが大きい場合、及び／又は、変速比値が小さい場合には、電動機２６ｃの駆動量を小さくする。つまり、ターボ回転数が上昇しにくい場合には電動機２６ｃの駆動量を大きくし、ターボ回転数が上昇しにくい場合には電動機２６ｃの駆動量を小さくする。これにより、電動機２６ｃを効率良く駆動させつつ、ターボ回転数を十分上昇させることができる。よって、過給圧を十分上昇させることができると共に、車両の燃費を向上させることができる。

また、寒冷地等の条件によってはバッテリ電圧が低下してしまう場合がある。この場合に、電動機２６ｃを駆動させると、更にバッテリ電圧が低下してしまう。そこで、本実施の形態では、バッテリ電圧が所定値以下である場合には、電動機２６ｃの駆動を禁止する。よって、過給圧の上昇よりも優先して、バッテリの更なる劣化を防止することができる。

［実施の形態における具体的処理］
図２は、本実施の形態において、ＥＣＵ６０が実行するルーチンを示すフローチャートである。
図２に示すフローによれば、先ず、機関回転数NE(rpm)、変速段、バッテリ電圧(V)、過給圧の各値を取り込む（ステップ１００）。ＥＣＵ６０は、過給圧が目標過給圧に達していないと判別する場合に、以下の処理を実行する。

次に、図３に示すマップを参照して、機関回転数NEに応じたベースアシスト量Dn(%)を算出する（ステップ１０２）。ここで、ベースアシスト量Dn(%)は、電動機２６ｃの駆動量を示す値であり、具体的には、電動機２６ｃに対して最高出力の何％を出力させるかを示す値である。よって、ベースアシスト量Dnの値が大きいほど、電動機２６ｃの駆動量が大きくなる。図３は、ベースアシスト量Dn(%)を算出するためにＥＣＵ６０が記憶しているマップの一例を示す図である。該マップでは、機関回転数NEが大きいほど、ベースアシスト量Dn(%)が小さくなるように設定されている。このマップによれは、機関回転数NEが大きい場合、すなわち、ターボ回転数が上昇しやすい場合には、電動機２６ｃの駆動量が小さく設定される。一方、機関回転数NEが小さい場合、すなわち、ターボ回転数が上昇しにくい場合には、電動機２６ｃの駆動量が大きく設定される。

次に、図４に示すマップを参照して、変速段に応じた係数kを決定する（ステップ１０４）。ここで、係数kは、電動機２６ｃの駆動量を補正するための係数である。この係数kの値が大きいほど、電動機２６ｃの駆動量が大きくなる（つまり、電動機２６ｃへの供給電力が大きくなる。）。図４は、係数kを決定するためにＥＣＵ６０が記憶しているマップの一例を示す図である。該マップでは、変速段が高速段側であるほど、つまり、変速比値が小さいほど、係数kが大きくなるように設定されている。このマップによれば、変速段が高速段側である場合（変速比値が小さい場合）、すなわち、ターボ回転数が上昇しやすい場合には、電動機２６ｃの駆動量が小さく設定される。一方、変速段が低速段側である場合（変速比値が大きい場合）、すなわち、ターボ回転数が上昇しにくい場合には、電動機２６ｃの駆動量が大きく設定される。また、図４に示すマップでは、変速段がReverse(後退)の場合には、係数kがゼロに設定されている。よって、車両が後退するときには、電動機２６ｃの駆動は行われない。

次に、最終アシスト量Df(%)を算出する（ステップ１０６）。この最終アシスト量Df(%)は、実際の電動機２６ｃの駆動量を示す値であり、実際に電動機２６ｃに対して最高出力の何％を出力させるかを示す値である。本ステップ１０６において、最終アシスト量Dfは、上記ステップ１０２で算出されたベースアシスト量Dnに、上記ステップ１０４で決定された係数kを乗算することにより求められる。よって、最終アシスト量Dfは、機関回転数NEと変速段とが考慮された値、すなわち、ターボ回転数の上昇しやすさが考慮された値である。

次に、バッテリ電圧が所定値よりも大きいか否かを判別する（ステップ１０８）。このステップ１０８では、電動機２６ｃの駆動を許容できるだけのバッテリ電圧であるか否かが判別される。この所定値は、車両の種類、或いは、車両に搭載されるバッテリ２９の種類に応じて、予め定められた値である。ステップ１０８でバッテリ電圧が所定値よりも大きい場合には、ＥＣＵ６０からモータコントローラ２８に電力供給指示が出される（ステップ１１０）。この電力供給指示により、バッテリ２９から電動機２６ｃに対して、上記ステップ１０６で算出された最終アシスト量Df(%)に対応する電力が供給され、電動機２６ｃによってＭＡＴ２６が強制駆動される（ＭＡＴアシストＯＮ）。

一方、ステップ１０８でバッテリ電圧が所定値よりも小さい場合、ＥＣＵ６０からモータコントローラ２８に電力供給禁止指示が出される（ステップ１１２）。この電力供給禁止指示により、バッテリ２９から電動機２６ｃへの電力供給が禁止され、電動機２６ｃの駆動が禁止される（ＭＡＴアシスト禁止）。よって、更なるバッテリ電圧の低下が抑止される。
ＥＣＵ６０は、所定の周期毎に、以上説明した本ルーチンを実行する。

以上説明したように、図２に示すルーチンによれば、機関回転数NEに応じてベースアシスト量Dnが算出され、変速機の変速段に応じて係数kが決定される。そして、ベースアシスト量Dnと係数kとを掛け合わせることにより、最終的なアシスト量Dfが算出される。よって、機関回転数NEと変速段とを考慮して電動機２６ｃの駆動が実行される。具体的には、機関回転数NEが低い場合や変速段が高速段側である場合には、ターボ回転数が上昇しにくいため、電動機２６ｃの駆動量が大きく算出される。これにより、確実にターボ回転数を十分上昇させることができる。一方、機関回転数NEが高い場合や変速段が低速段側である場合には、ターボ回転数が上昇しやすいため、電動機２６ｃの駆動量が小さく算出される。これにより、電動機２６ｃの余分な駆動、すなわち、電動機２６ｃによる余分な電力消費を減らすことができる。よって、ターボ回転数の上昇しやすさを考慮して、電動機２６ｃを効率良く駆動させることができるため、車両の燃費を向上させることができ、バッテリ２９の早期の劣化を防止することができる。
また、本ルーチンによれば、バッテリ電圧が低い場合には、電動機２６ｃの駆動が禁止される。これにより、バッテリ電圧が異常低下している場合、つまり、バッテリ２９が劣化している場合には、バッテリ電圧の更なる低下を抑止することができる。

ところで、本実施の形態では、ディーゼルエンジンのシステムについて説明したが、本発明を、ＭＡＴを有するガソリンエンジンのシステムに対しても適用することができる。
また、本実施の形態では、変速段センサ５４により変速段を検出し、変速比値を取得するシステムについて説明したが、変速機がオートマチックトランスミッションである場合には、ＥＣＵ６０が変速段を把握しているため、変速段センサを用いることなく変速比値を取得することができる。また、変速機が無段階変速機である場合にも、ＥＣＵ６０が変速比値を制御しているため、センサを用いることなく変速比値を取得することができる。

尚、本実施の形態において、ＥＣＵ６０が、ステップ１００の処理を実行することにより第１の発明における「変速比値取得手段」が、ステップ１０４の処理を実行することにより第１の発明における「電動機制御手段」が、それぞれ実現されている。
また、ＥＣＵ６０が、ステップ１００の処理を実行することにより第２の発明における「機関回転数検出手段」が、ステップ１０２の処理を実行することにより第２の発明における「電動機制御手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態によるシステム構成を示す図である。 本発明の実施の形態において、ＥＣＵ６０が実行するルーチンを示すフローチャートである。 ベースアシスト量Dnを算出するためにＥＣＵ６０が記憶しているマップの一例を示す図である。 係数kを決定するためにＥＣＵ６０が記憶しているマップの一例を示す図である。

符号の説明

２ エンジン本体
２ａ 気筒
４ 冷却水温センサ
６ インジェクタ
８ コモンレール
１０ サプライポンプ
１２ 燃料タンク
１４ 吸気マニホールド
１６ 過給圧センサ
１８ 吸気通路
２０ 吸気温度センサ
２２ 吸気絞り弁
２４ インタークーラ
２６ ターボチャージャ
２６ａ コンプレッサ
２６ｂ タービン
２６ｃ 電動機
２８ モータコントローラ
２９ バッテリ
２９ａ バッテリ電圧センサ
３０ エアフロメータ
３２ エアクリーナ
３４ 吸気バイパス通路
３６ 吸気バイパス弁
３８ 排気マニホールド
４０ 排気通路
４１ 可変ノズル機構
４２ 触媒
４４ ＥＧＲ通路
４６ ＥＧＲバルブ
４８ ＥＧＲクーラ
５２ クランク角センサ
５４ 変速段検出センサ
６０ ＥＣＵ

Claims (2)

1. 内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサと、該コンプレッサを駆動可能な電動機とを有する過給機と、
   変速機の変速比値を取得する変速比値取得手段と、
   前記変速比値取得手段により取得された変速比値が大きい場合には、変速比値が小さい場合に比べて前記電動機の駆動量を小さくする電動機制御手段とを備えたことを特徴とする電動機付き過給機を有する内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の電動機付き過給機を有する内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段を更に備え、
   前記電動機制御手段は、前記機関回転数検出手段により検出された機関回転数が大きい場合には、機関回転数が小さい場合に比べて前記電動機の駆動量を小さくするものであることを特徴とする電動機付き過給機を有する内燃機関の制御装置。

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