(57)【要約】【課題】本発明の目的は、電動機付過給機の能力を有効に利用することのできる制御装置を提供すること。【解決手段】本発明の電動機付過給機の制御装置は、内燃機関１の吸気通路５上に配設されて電動機２０ａによって駆動される過給機２０と、電動機２０ａを制御して過給圧を制御する過給圧制御手段１６，２１と、内燃機関１の運転状態を検出する運転状態検出手段２７と、運転状態検出手段２７によって検出された運転状態に基づいて過給機２０によって過給可能な過給圧上限を設定する上限設定手段１６とを備えており、過給圧制御手段１６，２１は、上限設定手段１６によって設定された過給圧上限を超える過給機２０の駆動を禁止することを特徴としている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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過給圧制御手段と、
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態検出手段によって検出された運転状態に基づいて前記過給機によって過給可能な過給圧上限を設定する上限設定手段とを備えており、
前記過給圧制御手段は、前記上限設定手段によって設定された過給圧上限を超える前記過給機の駆動を禁止することを特徴とする電動機付過給機の制御装置。
【請求項２】
前記運転状態検出手段は、前記過給機による吸入空気量を運転状態として検出し、前記上限設定手段は、運転状態として検出された吸入空気量が多いほど、過給圧上限を小さく設定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。
【請求項３】
前記上限設定手段は、前記過給機の容量によって定まる物理的過給限界に基づいて、吸入空気量から過給圧上限を設定することを特徴とする請求項２に記載の電動機付過給機の制御装置。
【請求項４】
前記上限設定手段は、前記過給機の耐久限界に基づいて、吸入空気量から過給圧上限を設定することを特徴とする請求項２又は３に記載の電動機付過給機の制御装置。
【請求項５】
前記上限設定手段は、前記電動機の出力特性に基づいて、吸入空気量から過給圧上限を設定することを特徴とする請求項２〜４の何れか一項に記載の電動機付過給機の制御装置。
【請求項６】
過給圧制御手段は、過給圧上限を超えない領域であっても、前記内燃機関の出力を絞る車両挙動安定化制御の作動中には前記電動機を用いた過給を禁止することを特徴とする請求項２〜５の何れか一項に記載の電動機付過給機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの吸気通路上に電動機で駆動する過給機を配設し、この過給機による過給によって高出力（あるいは、低燃費）を得ようとする試みは以前から知られている。［特許文献１］にも同様な内燃機関が記載されている。［特許文献１］に記載の内燃機関においては、吸気通路上にモータで駆動される過給機を配設しており、モータを駆動させることで過給を行う。ここで、モータによる過給は、エンジン回転数が低いときにのみ行われる。これは、過給機容量に関係しており、エンジン回転数が高く、吸入空気量が多い状況ではこの過給機による過給効果を有効に得られないので、エンジン回転数が低いときにのみモータ駆動による過給を行うことで無駄な消費電力を抑制している。
【０００３】
【特許文献１】
特表２００１−５１８５９０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した［特許文献１］に記載のエンジンにおける過給機制御装置においては、エンジン回転数に応じて電動機付過給機を制御しているが、電動機付過給機が発揮し得る過給圧に上限があることが考慮されていない。このため、電動機付過給機の能力を有効に利用できない。従って、本発明の目的は、電動機付過給機の能力を有効に利用することのできる制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の電動機付過給機の制御装置は、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過給圧制御手段と、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、運転状態検出手段によって検出された運転状態に基づいて過給機によって過給可能な過給圧上限を設定する上限設定手段とを備えており、過給圧制御手段は、上限設定手段によって設定された過給圧上限を超える過給機の駆動を禁止することを特徴としている。
【０００６】
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、運転状態検出手段が過給機による吸入空気量を運転状態として検出し、上限設定手段が、運転状態として検出された吸入空気量が多いほど、過給圧上限を小さく設定することを特徴としている。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電動機付過給機の制御装置において、上限設定手段が、過給機の容量によって定まる物理的過給限界に基づいて、吸入空気量から過給圧上限を設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２又は３に記載の電動機付過給機の制御装置において、上限設定手段が、過給機の耐久限界に基づいて、吸入空気量から過給圧上限を設定することを特徴としている。請求項に５記載の発明は、請求項２〜４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、上限設定手段が、電動機の出力特性に基づいて、吸入空気量から過給圧上限を設定することを特徴としている。
【０００８】
請求項６に記載の発明は、請求項２〜５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、過給圧制御手段が、過給圧上限を超えない領域であっても、内燃機関の出力を絞る車両挙動安定化制御の作動中には電動機を用いた過給を禁止することを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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は、インジェクタ２によってシリンダ３内に燃料を噴射するタイプのエンジンである。このエンジン１は、いわゆるリーンバーンエンジンであり、成層燃焼も可能である。後述する電動機２０ａによる過給機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。
【００１２】
エンジン１は、圧縮行程にピストン４の上面に形成された窪みの内部に燃料を噴射することで成層燃焼を行うこともできるし、吸気行程噴射によって通常の均質燃焼も行える。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、ターボユニット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。
【００１３】
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、内蔵された電動機（モータ）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。
【００１４】
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。
【００１５】
ターボユニット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。即ち、本実施形態のエンジン１では、直列に配された過給機２０とターボユニット１１とによって過給を行うことができる。ターボユニット１１は、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ＥＣＵ１６によって制御される。バイパス路２４とターボユニット１１との間の吸気通路５上には、圧力センサ２９が配設されている。過給圧センサ２９によって、過給機２０によって過給した際の過給圧を検出する。ターボユニット１１の下流側には、過給機２０やターボユニット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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。これらのセンサ１５，１８，１９，２７，２９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。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１５、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。
【００１８】
上述した過給機２０のモータ２０ａもコントローラ２１を介してＥＣＵ１６に接続されており、ＥＣＵ１６及びコントローラ２１によって制御されている。ＥＣＵ１６及びコントローラ２１は、電動機２０ａを制御することで過給圧を制御し得るので、ここでは過給圧制御手段として機能している。また、本実施形態では、エンジン１の運転状態として吸入空気量を用いて過給圧制御を行う。吸入空気量はエアフロメータ２７によって検出されるので、ここではエアフロメータが運転状態検出手段として機能している。さらに、追って詳しく説明するが、検出された吸入空気量に基づいて過給可能な過給圧上限がＥＣＵ１６によって設定される。即ち、本実施形態においては、ＥＣＵ１６は上限設定手段としても機能している。
【００１９】
さらに、ＥＣＵ１６には、車両挙動安定化手段２８も接続されている。車両挙動安定化手段２８は公知のものであり、ヨーセンサや加速度センサや上述した各種センサによって車両挙動を検出し、これに基づいて油圧ブレーキなどを用いて車両挙動を安定化させるものである。車両挙動安定化制御中には、上述した油圧ブレーキによる制動の他、エンジン１の出力を絞ることもなされるが、この場合のエンジン１の制御はＥＣＵ１６によって行われる。
【００２０】
一方、排気通路６上には、ターボユニット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。
【００２１】
なお、本実施形態においては、過給機２０による過給圧を過給圧センサ２９によって検出し、この値を利用して過給機２０を制御する。しかし、吸気通路５上の圧力センサ１９によって吸気管内圧力（インマニ過給圧）を取得し、このインマニ過給圧とターボユニット１１の回転数とエアフロメータ２７によって検出される空気流量とに基づいて、過給機２０による過給圧（過給圧センサ２９によって検出される過給圧相当値）を取得することも可能である。このような場合は、インマニ過給圧とターボ回転数と空気流量との関係を予めマップ化しておき、このマップを参照するなどすればよい。このようにすれば、圧力センサ１９によって検出される過給圧に基づいて制御することもできる。
【００２２】
上述した過給機２０には過給し得る過給圧に上限がある。これらの上限を生じさせる原因は複数存在する。原因としては次のようなものが挙げられる。過給機２０自体の容量に起因する物理的な限界。過給機２０の耐久限界。過給機２０を駆動するモータ２０ａの出力特性に起因する限界。これらについては追って詳しく説明するが、本実施形態では、上述した原因を考慮して、エアフロメータ２７が検出した吸入空気量（エンジン１の運転状態）に基づいてＥＣＵ１６が過給圧上限を設定し、過給圧がこの上限値を超えることがないようにコントローラ２１と共にモータ２０ａを駆動制御する。
【００２３】
即ち、過給圧が上述した上限を超えるような場合は、ＥＣＵ１６及びコントローラ２１がモータ２１の駆動を禁止する。このようにすることで、上限を超えることなく過給機２０の機能を最大限有効利用することができる。過給機２０の能力を最大限利用することで、エンジン１の出力を増加させることが可能となり、また、エンジン１の出力に関して過渡性能を向上させることが可能となる。
【００２４】
上述した過給圧の上限が規定される場合についてそれぞれ説明する。まず、コンプレッサの容量が大きく、モータ２０ａの限界性能も十分に高い場合、過給機２０を利用できる範囲は図２の領域αのような範囲となる。図２のグラフは、横軸に空気流量、縦軸に過給圧をとったものである。過給圧は過給機２０のコンプレッサホイール回転数、即ち、モータ２０ａの回転数とほぼ比例するとみなすことができる。図２中の境界線Ａは、いわゆる過給機（遠心式圧縮機）２０がコンプレッササージ（サージング）を発生させる境界である。図１中において境界線Ａの左側のハッチングを施した側がサージ領域である。
【００２５】
一方、図２中の境界線Ｂは、過給機２０の等仕事曲線であり、過給機２０が行える仕事の上限を吸気流量と過給圧との関係で示したものである。なお、図２中の境界線Ｃは、過給機２０が過給によって送出し得る最大空気流量である。これらの二つの境界線Ａ，Ｂを超えない範囲が領域αとなる。しかし、現実には、これ以外の要因によっても限界が生じる。図３には、図２に対して過給機２０の等回転線Ｄを加えたものを示した。過給機２０の回転数によるが、図２の領域α内に等回転線が位置する場合も生じ得る。図２においては等回転線Ｄ’が領域αよりも上方に位置していると考えることもできる。
【００２６】
等回転線Ｄは、ある一定回転数での吸気流量と過給圧との関係を示したものである。エンジン１の出力としては、この等回転線Ｄに沿って右側に行くほど駆動力が大きくなる。等回転線Ｄは右下がりの線となるが、これは効率が悪くなって空気流量に対する過給圧が落ち込む。そして、その高流量側では、コンプレッサチョーク（チョーキング）が発生する。図３中境界線Ｅで示した右側がチョーク領域である。図３中には、境界線Ｅはほぼ垂直に示してあるが、右下がりの境界線ともなり得る。
【００２７】
図３のような場合、高流量側にはチョーク領域によって限界が規定されるが、低流量側の境界線ＤのＸで示した部分は、過給機２０の回転限界によって限界が規定される。モータ２０ａの回転限界とは、モータ２０ａへの印加電流が限界に達している、モータ２０ａがそれ以上の回転数となると過熱に至る等の限界であり、過給機２０の耐久限界であると言える。上述したように、過給圧とモータ２０ａの回転数とはほぼ比例すると見なせるので、このような限界が規定できる。過給機２０の耐久限界を超えて過給されることがなくなるので、過給機２０の耐久性を向上させることができる。なお、過給機２０のコンプレッサホイールがそれ以上の回転数となると過熱（回転軸の焼き付きなど）に至る限界も過給機２０の耐久限界であるが、通常この回転数（過給機に比例すると見なせる）はモータ２０ａの限界よりも十分高い。
【００２８】
図３の場合は、境界線Ａ，Ｄ（Ｘ部分），Ｅを超えない範囲が過給機２０を利用できる領域βとなる。なお、境界線ＤのＸ部分に関しては、空気流量（吸入空気量）が多いほど過給圧上限が小さくなると言える。また、上述した低流量側のサージ境界線Ａや高流量側のチョーク境界線Ｅが過給機２０の容量によって定まる物理的限界であると言える。過給機２０の物理的限界を超えて過給されることがなくなるので、無駄な電力消費を抑制することができる。このとき、境界線Ｅに関しても、空気流量（吸入空気量）が多いほど過給圧上限が小さくなると言える。
【００２９】
図４には、図２に対してモータ２０ａの出力特性線Ｆを加えたものを示した。モータ２０ａの特性によっては、図２の領域α内に出力特性線が位置する場合もある。図２においては出力特性線Ｆ’が領域αよりも上方に位置していると考えることもできる。モータ２０ａの出力は過給圧とほぼ比例すると見なせ、モータ２０ａの回転数は空気流量とはほぼ比例すると見なせるので、出力特性線Ｆがこのようになる。通常、モータ回転数を横軸にとり、縦軸にモータ出力をとって出力特性を示すが、この場合、出力特性線は三角形の山形となる。出力特性線を超える出力はできない。このモータ出力線を図４のように横軸に空気流量、縦軸に過給圧のグラフに適用したものが出力特性線Ｆである。
【００３０】
図４のように出力特性線Ｆの頂点が図２における領域αよりも上方にある場合は、図中Ｙ部分は図２の場合と同様に境界線Ｂによって過給圧上限が規定されるが、高流量側では境界線Ｂよりも下方に出力特性線Ｆが位置するので、図中Ｚ部分では出力特性線Ｆによって過給圧上限が規定される。モータ２０ａの出力特性を超えてモータ２０ａが駆動されることがないので、モータ２０ａの破損を防止できると共に無駄な電力の消費を抑止することもできる。図４の場合は、境界線Ａ，Ｂ（Ｙ部分），Ｆ（Ｚ部分）を超えない範囲が過給機２０を利用できる領域γとなる。なお、境界線ＦのＺ部分に関しても、空気流量（吸入空気量）が多いほど過給圧上限が小さくなると言える。
【００３１】
また、上述した境界線Ａ〜Ｆの全てが関連して過給上限が規定されるような場合も当然考えられる。上述したように、運転状態（本実施形態では吸入空気量）に応じて、種々の要因によって生じる過給上限を設定し、この上限を超えない範囲で過給機２０の能力を有効に使用して過給を行うことができる。そして、過給上限は、空気流量が多いほど小さく設定することで、有効に過給機２０の能力を利用できる。
【００３２】
さらに、本実施形態では、上述したような過給機２０の使用可能領域内であっても、過給機２０を用いた過給を行わない（禁止する）場合がある。それは、車両挙動安定化手段２８によってエンジン１の出力を絞る車両挙動安定化制御が実施されている場合である。車両挙動安定化制御（いわゆるスタビリティコントロールやトラクションコントロールなどと呼ばれているもの）では、エンジン１の出力を絞ることで車両速度や場合によってはヨーをコントロールする。このようにエンジン１の出力を絞ろうとしている制御中に、出力を増やす過給アシストを行うことは相反することとなる。そこで、ここでは、ＥＣＵ１６によって車両挙動安定化制御であると判断された場合は、ＥＣＵ１６はモータ２０ａを駆動して行う過給アシスト制御を実施しない。
【００３３】
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、上述した実施形態は、電動機２０ａ付きの過給機２０がターボユニット１１とは別に設けられたエンジン１に対して本発明を適用したものであった。しかし、このような過給機２０を設けずに、ターボユニット１１に電動機を内蔵させ、この電動機を制御するために本発明を適用することも可能である。
【００３４】
また、上述した実施形態では、運転状態として吸入空気量のみを利用したが、吸入空気量以外の情報量を運転状態として利用しても良い。また、単一の情報量のみを利用するのではなく、複数の情報量を組み合わせて利用しても良い。吸入空気量以外の情報量としては、クランクポジショニングセンサ２６で検出し得るエンジン回転数や、ＥＣＵ１６からインジェクタ２に対して噴射命令が送出される際の燃料噴射量などが挙げられる。
【００３５】
あるいは、運転状態としてモータ２０ａの状態を利用しても良い。例えば、モータ２０ａの固定子の温度やモータ２０ａの冷却用の冷却空気温度（出口部）、冷却空気温度差（入口−出口間）、冷却用の冷却液温度（出口部）、冷却液温度差（入口−出口間）、潤滑用の潤滑油温度（出口部）、潤滑油温度差（入口−出口間）等が挙げられる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の電動機付過給機の制御装置によれば、種々の要因によって生じる過給上限を運転状態に基づいて設定し、この上限を超えない範囲で過給機の能力を有効に使用して過給を行うことができる。種々の要因としては、過給機の容量によって決まる物理的限界や、過給機の耐久限界、あるいは、電動機の出力特性が挙げられ、これらを考慮することで過給機の性能を最大限有効に活用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】吸気流量と過給圧との関係に基づいて過給機の使用可能領域を示すグラフである。
【図３】吸気流量と過給圧との関係に基づいて過給機の使用可能領域を示すグラフ（過給機の等回転線、チョーク境界線有）である。
【図４】吸気流量と過給圧との関係に基づいて過給機の使用可能領域を示すグラフ（モータの出力特性線有）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、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、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…車両挙動安定化制御手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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