(57)【要約】      （修正有）【課題】内燃機関に従動する発電機による負荷の大きさを精確に見積もり、内燃機関の出力の補正量の最適化を図る。【解決手段】発電機のコイルに通電して励磁し、同コイルへの通電を遮断して励磁を止めるレギュレータを介して発電機の出力を調整するものであり、レギュレータがコイルに通電するＯＮ時間ＴON及びコイルへの通電を遮断するＯＦＦ時間ＴOFFの長さを基に、当該コイルを流れる電流の実効値若しくは実効的なＤＵＴＹ比を求め、その電流の実効値若しくは実効的なＤＵＴＹ比を用いて発電機による負荷の大きさを推測し、内燃機関の出力トルクを補正する制御装置を構成した。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から回転トルクの伝達を受けて発電する発電機を制御する制御装置であって、
発電機のコイルに通電して励磁し、同コイルへの通電を遮断して励磁を止めるレギュレータを介して発電機の出力を調整するものであり、
前記レギュレータが前記コイルに通電するＯＮ時間及び前記コイルへの通電を遮断するＯＦＦ時間の長さを基に、当該コイルを流れる電流の実効値若しくは実効的なＤＵＴＹ比を求め、その電流の実効値若しくは実効的なＤＵＴＹ比を用いて前記発電機による負荷の大きさを推測し、内燃機関の出力トルクを補正する制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から回転トルクの伝達を受けて発電する発電機を制御する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、内燃機関を搭載した車両においては、内燃機関の出力トルクの一部を発電機に供給して発電を行い、その発電した電力を車両の電装系に供給し、また車載のバッテリに充電している。
【０００３】
発電機に付随するＩＣレギュレータは、バッテリの端子電圧を指令された目標電圧に追従させるべく、発電機の出力を調整する（例えば、下記特許文献を参照）。具体的には、バッテリ電圧が目標電圧よりも低いときに発電機のフィールドコイルに通電して励磁し、逆にバッテリ電圧が目標電圧よりも高いときには同コイルへの通電を遮断して励磁を止める。発電機は、フィールドコイルに通電されている間発電を行い、フィールドコイルへの通電が遮断されている間は発電を停止する。目標電圧は、内燃機関及び発電機の制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）から指令される。
【０００４】
さらに、ＥＣＵは、ＩＣレギュレータがフィールドコイルに通電するＯＮ時間と同コイルへの通電を遮断するＯＦＦ時間との割合である制御ＤＵＴＹ比（ｆＤＵＴＹ）、及び現在の発電機の回転数（エンジン回転数に比例する）等から、発電機の負荷トルクの大きさを推測して、その負荷分だけ内燃機関の出力を増大させる補正制御を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−００２０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
フィールドコイルを含むに通電回路には時定数が存在する。それ故、レギュレータがフィールドコイルへの通電を開始しても、フィールドコイルを流れるフィールド電流は即時には飽和値まで上昇しない。また、レギュレータがフィールドコイルへの通電を遮断しても、フィールド電流は即時には０まで低下しない。
【０００７】
このため、レギュレータのスイッチング動作の制御ＤＵＴＹ比と、現にフィールドコイルを流れるフィールド電流の実効的なＤＵＴＹ比（飽和値を１００％としたときのフィールド電流の平均値のパーセンテージ）との間に乖離が生じることがある。例えば、制御ＤＵＴＹ比が５０％であったとしても、フィールド電流の実効ＤＵＴＹ比は５０％よりも大きいかもしれないし、小さいかもしれない。しかも、これら制御ＤＵＴＹ比と実効ＤＵＴＹ比との差は、フィールドコイルへの通電のＯＮ／ＯＦＦの切り替わりの周期や発電機の回転数によって変動する。
【０００８】
発電機による発電量、換言すれば発電機の負荷トルクはフィールドコイルが発生させる磁界の大きさに依存し、フィールドコイルが発生させる磁界の大きさはフィールド電流の実効値ひいては実効ＤＵＴＹ比に依存する。にもかかわらず、これまでのところ、発電機の負荷トルクを制御ＤＵＴＹ比から推測しており、内燃機関の出力の補正量が必ずしも最適な大きさとなっていない。内燃機関の出力の補正量が実際の発電機の負荷トルクを上回ると、エンジン回転数の徒な上昇を招き、燃費性能の悪化につながる。逆に、内燃機関の出力の補正量が実際の発電機の負荷トルクを下回ると、エンジン回転数が低落して不安定化し、エンジンストールに陥りかねない。
【０００９】
以上の問題に初めて着目してなされた本発明は、発電機による負荷の大きさを精確に見積もり、内燃機関の出力の補正量の最適化を図ることを所期の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、内燃機関から回転トルクの伝達を受けて発電する発電機を制御する制御装置であって、発電機のコイルに通電して励磁し、同コイルへの通電を遮断して励磁を止めるレギュレータを介して発電機の出力を調整するものであり、前記レギュレータが前記コイルに通電するＯＮ時間及び前記コイルへの通電を遮断するＯＦＦ時間の長さを基に、当該コイルを流れる電流の実効値若しくは実効的なＤＵＴＹ比を求め、その電流の実効値若しくは実効的なＤＵＴＹ比を用いて前記発電機による負荷の大きさを推測し、内燃機関の出力トルクを補正する制御装置を構成した。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発電機による負荷の大きさを精確に見積もることができ、内燃機関の出力の補正量の最適化を図り得る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。
【図２】同実施形態における発電システムを示す回路図。
【図３】フィールドコイルに通電している期間におけるフィールド電流の逓増の推移を示すタイミング図。
【図４】制御信号電流及びフィールド電流の変動の模様を示すタイミング図。
【図５】フィールド電流の実効値若しくは実効ＤＵＴＹ比及びエンジン回転数（または、発電機の回転数）と、発電機の負荷トルクとの関係を規定するマップを例示する図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。
【００１４】
吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。
【００１５】
排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。
【００１６】
車両に搭載されている発電システムに関して述べる。発電機（オルタネータまたはモータジェネレータ）１１０は、ベルト及びプーリを要素とする巻掛伝動機構等を介して内燃機関のクランクシャフトに接続しており、クランクシャフトの回転に従動して回転し、発電した電力を車載バッテリ１２０に充電し、または車両に実装されている各種の電気負荷（照明灯、電動パワーステアリング装置、ラジエータファン、送風用ブロワ、デフォッガ、オーディオ機器、カーナビゲーションシステム等。図示せず）に給電する。
【００１７】
図２に、発電システムの等価回路を示す。発電機１１０は、ステータに巻回されたステータコイル１１１と、ステータの内側に配置され回転するロータに巻回されたフィールドコイル１１２とを有する。ステータコイル１１１は三相コイルであり、三相交流の誘起電流を発電する。この誘起電流は、ダイオードを用いてなる整流器１１３によって直流電流とした上でバッテリ１２０に蓄電する。
【００１８】
レギュレータ１３０は、発電機１１０に付随し、発電機１１０が発電して出力する電圧の大きさを制御するＩＣ式のものである。レギュレータ１３０は、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ等に代表されるパワーデバイス（電力用半導体素子）を用いた切替回路１３１を介してフィールドコイル１１２に通電する。
【００１９】
レギュレータ１３０の電圧制御回路１３２は、制御装置たるＥＣＵ０から発電機１１０の目標電圧を指令する信号ｌを受け付け、バッテリ１２０の端子電圧をその指令された目標電圧に追従させるべく、パワーデバイス１３１をスイッチ動作させる。即ち、図３に示しているように、バッテリ電圧が目標電圧よりも低いときにフィールドコイル１１２に通電して励磁し、バッテリ電圧が目標電圧よりも高いときに同コイル１１２への通電を遮断して励磁を止める。
【００２０】
発電機１１０は、内燃機関から見れば機械的な負荷となる。フィールドコイル１１２にフィールド電流が通電されると、発電機１１０が内燃機関のクランクシャフトの回転のエネルギを費やして電気エネルギを生成する仕事をする。その分、内燃機関のクランクシャフトから車両の駆動系ひいては車軸に供給されるトルクが減少する。
【００２１】
フィールドコイル１１２へのフィールド電流の通電が遮断されると、発電機１１０がクランクシャフトの回転のエネルギを費やして電気エネルギを生成する仕事をしなくなる。その分、内燃機関のクランクシャフトから駆動系及び車軸に供給されるトルクが増大する。
【００２２】
内燃機関及び発電機１１０の運転制御を司る制御装置たるＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。
【００２３】
入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｆ、バッテリ１２０に対して流出入する電流及びバッテリ１２０の端子電圧を検出するセンサから出力されるバッテリ電流・電圧信号ｇ、レギュレータ１３０の内蔵回路１３３から出力されるフィールド電流の通電／遮断（パワーデバイス１３１の点弧／消弧）の波形を示す信号ｈ等が入力される。
【００２４】
出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、発電機１１０の出力電圧を制御する電圧レギュレータ６５に対して電圧指令信号ｌ等を出力する。
【００２５】
ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、発電機１１０の出力電圧等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。
【００２６】
各種電気負荷への電力供給を安定させ、かつバッテリ１２０の寿命を延ばすために、バッテリ電圧は所要の目標電圧、例えば１４．５Ｖに維持することが求められる。因みに、１４．５Ｖの値は、普遍的な車載バッテリ１２０が満充電に近い状態にあるときの端子電圧である。
【００２７】
通常、ＥＣＵ０は、この目標電圧１４．５Ｖをレギュレータ１３０に指令ｌとして与える。これを受けたレギュレータ１３０は、バッテリ電圧が１４．５Ｖ未満であるときにフィールドコイル１１２に通電し、バッテリ電圧が１４．５Ｖ以上であるときにフィールドコイル１１２への通電を遮断する、フィードバック制御を実施する。
【００２８】
レギュレータ１３０がフィールドコイル１１２に通電している間、フィールドコイル１１２を流れるフィールド電流が非線形に逓増する。レギュレータ１３０がフィールドコイル１１２への通電を遮断すると、そのフィールド電流が非線形に逓減する。図３に、フィールド電流の逓増の模様を示す。フィールドコイル１１２を含む通電回路をＲＬ直列回路と仮定すると、ｔ＝０時点から当該通電回路に直流電圧Ｅを印加した場合のフィールド電流Ｉ（ｔ）は、
Ｉ（ｔ）＝｛１−ｅ-(R/L)t｝Ｅ／Ｒ
と表される。つまり、過渡現象としてフィールド電流Ｉは逓増するが、その増加の速さは徐々に衰える。十分に長い時間が経過（ｔが増大）すると、フィールド電流Ｉは飽和値Ｅ／Ｒに飽和する。
【００２９】
ＥＣＵ０は、レギュレータ１３０が実行するフィールド電流のスイッチング動作の模様を示す制御信号電流ｈを、レギュレータ１３０の内蔵回路１３３から受信する。そして、この制御信号ｈより、レギュレータ１３０がフィールドコイル１１２に通電するＯＮ時間ＴON、及びフィールドコイル１１２への通電を遮断するＯＦＦ時間ＴOFFの長さを各々計測することができる。
【００３０】
故に、ＥＣＵ０は、上記のＯＮ時間ＴONとＯＦＦ時間ＴOFFとの割合である制御ＤＵＴＹ比を把握できるのであるが、実際にフィールドコイル１１２を流れるフィールド電流の実効的なＤＵＴＹ比（飽和値を１００％としたときのフィールド電流の平均値のパーセンテージ）は、この制御ＤＵＴＹ比と常に一致するわけではない。
【００３１】
図４に、制御信号電流ｈ及びフィールド電流のそれぞれの波形を例示する。既に述べた通り、フィールドコイル１１２を含む通電回路には時定数が存在していることから、レギュレータ１３０がフィールドコイル１１２への通電を開始してもフィールド電流は即時には飽和値まで上昇しないし、レギュレータ１３０がフィールドコイル１１２への通電を遮断してもフィールド電流は即時には０まで低下しない。
【００３２】
このため、例えば制御ＤＵＴＹ比（図４中の網点部分が占める割合）がｘ％であったとしても、フィールド電流の実効ＤＵＴＹ比（図４中のハッチング部分が占める割合）はｘ％より大きくなることがあり、ｘ％より小さくなることもある。しかも、制御ＤＵＴＹ比と実効ＤＵＴＹ比との差は、フィールドコイルへ１１２の通電のＯＮ／ＯＦＦの切り替わりの周期や、発電機１１０の回転数によって変動する。
【００３３】
従って、制御ＤＵＴＹ比に基づいて発電機１１０の発電による負荷トルクの大きさを求めようとしても、実際の発電機１１０の負荷トルクから乖離するおそれがある。制御ＤＵＴＹ比に基づく不正確な負荷トルクに依拠して内燃機関の出力トルクの増大補正を実効すると、内燃機関の出力が大きすぎてエンジン回転数の徒な上昇を招くか、内燃機関の出力が小さすぎてエンジン回転数の低落を招いてしまう。このことは、特に、アイドル運転中の回転制御に悪影響をもたらす。
【００３４】
そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、制御信号電流ｈを参照して知得される、レギュレータ１３０がフィールドコイル１１２に通電するＯＮ時間ＴON及びフィールドコイル１１２への通電を遮断するＯＦＦ時間ＴOFFの長さを基に、フィールドコイル１１２を流れるフィールド電流の実効値若しくは実効的なＤＵＴＹ比を求める。そして、当該フィールド電流の実効値若しくは実効ＤＵＴＹ比を用いて発電機１１０による負荷トルクの大きさを推測し、その負荷トルク分を補うように内燃機関の出力トルクを補正する。
【００３５】
フィールドコイル１１２を含む通電回路の時定数（上式におけるＬ／Ｒ）は、予め実験的に求めることができる。通電回路に印加される電圧（上式におけるＥ）の大きさも既知である。よって、通電回路を流れるフィールド電流の大きさを、時間の関数として定義することができる。ＥＣＵ０は、当該関数にＯＮ時間ＴONやＯＦＦ時間ＴOFFを代入して、任意の時点におけるフィールド電流を算出することが可能である。さらには、当該関数を時間積分、または当該関数を用いて得たフィールド電流の瞬時値の時系列を積算することで、フィールド電流の実効値若しくは実効ＤＵＴＹ比を演算することができる。
【００３６】
発電機１１０の発電に起因して内燃機関に印加される負荷トルクは、フィールド電流の実効値若しくは実効ＤＵＴＹ比、及び発電機１１０の回転数に依存する。発電機１１０の回転数は、エンジン回転数に比例する。ＥＣＵ０のメモリには予め、フィールド電流の実効値若しくは実効ＤＵＴＹ比、及びエンジン回転数と、発電機１１０の負荷トルクとの関係を規定したマップデータが格納されている。図５に、マップデータを例示する。ＥＣＵ０は、現在のフィールド電流の実効値若しくは実効ＤＵＴＹ比、及びエンジン回転数をキーとして当該マップを検索し、現在の発電機１１０の負荷トルクの推測値を知得する。
【００３７】
しかして、ＥＣＵ０は、知得した発電機１１０の負荷トルクの大きさに応じてスロットルバルブ３２の開度を拡大させ、気筒１に充填される吸気量及び燃料噴射量を増量し、エンジントルクの増大を図る。
【００３８】
本実施形態では、内燃機関から回転トルクの伝達を受けて発電しバッテリ１２０を充電する発電機１１０を制御する制御装置０であって、バッテリ電圧が指令された電圧よりも低いときに発電機１１０のコイル１１２に通電して励磁し、バッテリ電圧が指令された電圧よりも高いときに同コイル１１２への通電を遮断して励磁を止めるレギュレータ１３０を介して発電機１１０の出力を調整するものであり、前記レギュレータ１３０が前記コイル１１２に通電するＯＮ時間ＴON及び前記コイル１１２への通電を遮断するＯＦＦ時間ＴOFFの長さを基に、当該コイル１１２を流れる電流の実効値若しくは実効的なＤＵＴＹ比を求め、その電流の実効値若しくは実効的なＤＵＴＹ比を用いて前記発電機１１０による負荷の大きさを推測し、内燃機関の出力トルクを補正する制御装置０を構成した。
【００３９】
本実施形態によれば、発電機１１０による負荷の大きさを精確に見積もり、内燃機関の出力の補正量の最適化を図ることができる。従って、内燃機関の出力の補正量が実際の発電機１１０の負荷トルクを顕著に上回ることがなくなり、エンジン回転数の徒な上昇を招かず、燃費性能の向上に寄与する。並びに、内燃機関の出力の補正量が実際の発電機１１０の負荷トルクを顕著に下回ることもなくなり、内燃機関の回転が安定化し、エンジンストールに陥る危険が回避される。
【００４０】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、フィールドコイル１１２の通電回路の抵抗値（上式におけるＲ）は、フィールドコイル１１２や当該通電回路の温度が上昇するほど増大する。そのため、電動機１１０の負荷トルクを推測するに際しては、フィールドコイル１１２、通電回路または電動機１１０の温度に応じて、フィールド電流の実効値若しくは実効ＤＵＴＹ比を補正を施すことが好ましい。
【００４１】
発電機１１０の出力電圧を目標電圧に追従させるフィールド電流の実効値または実効ＤＵＴＹ比を実現する制御ＤＵＴＹ比を逆算し、その制御ＤＵＴＹ比を以てレギュレータ１３０におけるスイッチング動作を惹起することも考えられる。
【００４２】
あるいは、発電機１１０の負荷トルクがある目標トルクとなるようなフィールド電流の実効値または実効ＤＵＴＹ比をマップデータから求め、これを実現する制御ＤＵＴＹ比を逆算して、その制御ＤＵＴＹ比を以てレギュレータ１３０におけるスイッチング動作を惹起することも考えられる。
【００４３】
その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関及びこれに付帯した発電機の制御に適用できる。
【符号の説明】
【００４５】
０…制御装置（ＥＣＵ）
１１０…発電機
１１２…コイル（フィールドコイル）
１３０…レギュレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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