JP4023421B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気通路上に設けられて排気流の持つエネルギーを利用して発電を行う発電機付タービンを備えた内燃機関の制御装置に関する。

［特許文献１］に記載されているように、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。また、このような電動機付過給機を利用して、エンジンの排気流の持つエネルギーを利用して発電を行い得ることも知られている。［特許文献１］に記載の内燃機関では、バッテリ電圧に応じて電動機で過給を促進するか電動機を発電気として用いて発電を行うかを切り換えると共に、オルタネータの動作／非動作も切り換えている。これによって、オルタネータを動作させることによって生じる内燃機関のトルク低下を抑制している。
特開平５−２４００５８号公報

排気流の持つエネルギーによってタービンを回転させて発電を行う場合、発電によって内燃機関側に負荷が加わる。この結果、背圧が上昇してポンピングロスが増大するなどの現象などが生じ、機関出力は低下してしまう。このとき、機関出力の低下分が発電によって得られる電力よりも大きければ発電によってエネルギー損失を生じてしまうが、［特許文献１］に記載の内燃機関などではこの点に関する考慮はなされていない。従って、本発明の目的は、排気通路上に設けられた発電機付タービンによる無駄な発電を抑制し、無駄なエネルギー消費を抑制することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。

請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、排気通路上に設けられて排気流の持つエネルギーを利用して発電を行う発電機付タービンを備えた内燃機関を制御するもので、内燃機関の運転状態に基づいて発電機での発電電力量を算出する発電量算出手段と、発電機による発電によって低下する内燃機関の出力量を出力低下量として算出する出力低下量算出手段と、発電量算出手段によって算出された発電電力量が出力低下量算出手段によって算出された出力低下量よりも所定値以上大きい場合にのみ発電機による発電を実行する発電制御手段とを備えていることを特徴としている。

なお、発電電力量の算出や出力低下量の算出とは、既に実行されている発電に基づいて発電電力量や出力低下量を算出する場合と、実行しようとしている発電によって生じ得る発電電力量や出力低下量を予測して算出する場合との双方を含む。また、発電制御手段は発電電力量が出力低下量よりも所定値以上大きい場合にのみ発電を実行するが、ここに言う実行には、既に実行されている発電の継続と、発電未実行の状態から発電を開始する場合との双方を含む。さらに、ここに言う所定値とは正の値をとるものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、発電機付タービンが電動機付ターボチャージャであり、発電制御手段が、電動機付ターボチャージャによる消費電力履歴が大きいほど、所定値を小さくすることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、発電制御手段は、発電機兼電動機を駆動させることによる過給促進が禁止されている場合には、発電量算出手段によって算出された発電電力量及び出力低下量算出手段によって算出された出力低下量にかかわらず、発電機による発電を禁止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１に記載の内燃機関の制御装置において、発電機に加えて、排気エネルギーによらない他の発電手段と、該発電手段の故障を検出する故障検出手段とをさらに備えており、発電制御手段は、故障検出手段によって発電手段の故障が検出された場合には、発電量算出手段によって算出された発電電力量及び出力低下量算出手段によって算出された出力低下量にかかわらず、発電機による発電を実行又は継続することを特徴としている。

また、請求項５に記載の内燃機関の制御装置は、排気通路上に設けられて排気流の持つエネルギを利用して発電を行う発電機付タービンを備えた内燃機関を制御するもので、内燃機関の機関回転数の増大に伴って機関出力トルクが増加する機関回転数領域内で、かつ、機関出力トルクが所定値以上である場合には、発電機による発電を禁止する発電禁止手段を備えていることを特徴としている。

請求項１に記載の内燃機関の制御装置によれば、発電電力量が出力低下量よりも所定値以上大きい場合にのみ発電機による発電が行われるので、内燃機関全体のエネルギー収支の観点から見て無駄なエネルギー消費が生じる発電を抑制することができる。また、無駄なエネルギー消費が生じる発電を抑制するに際して、所定値の設定によって発電の頻度を調節することができる。

請求項２に記載の内燃機関の制御装置によれば、発電機付タービンが電動機付ターボチャージャであり、電気エネルギーを消費することで過給を促進できるので、過給促進によって電気エネルギーを消費した場合には所定値を小さくすることで発電機（兼電動機）による発電を行いやすくする。このようにすることで、過給促進によるエネルギー消費が大きいほど、発電実行条件を緩和してより多くのエネルギーを回収することができる。

請求項３に記載の内燃機関の制御装置によれば、過給促進が禁止されている場合には、発電電力量及び出力低下量にかかわらず発電も禁止される。このようにすることで、発電機（兼電動機）を作動させるべきでないときには確実にその作動を抑止することができる。

請求項４に記載の内燃機関の制御装置によれば、排気エネルギーによらない他の発電手段が故障して発電を行えない場合は、発電電力量及び出力低下量にかかわらず発電が実行される。このようにすることで、必要な電力を確保することができる。

また、請求項５に記載の内燃機関の制御装置よれば、機関出力トルクが増加する機関回転数領域内で、かつ、機関出力トルクが所定値以上である場合には、発電禁止手段が発電機による発電を禁止する。機関出力トルクが増加する機関回転数領域内で、かつ、機関出力トルクが所定値以上である場合は、発電機によって発電した場合にその発電電力量が発電によって低下する内燃機関の出力量、即ち、出力低下量より大きくなる蓋然性が高い。本発明は、このような場合は、発電禁止手段が発電を禁止するので、内燃機関全体のエネルギー収支の観点から見て無駄なエネルギー消費が生じる発電を抑制することができる。

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。

本実施形態で説明するエンジン（内燃機関）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においては、吸気通路２を通して取り込んだ吸入空気がシリンダ３の直前でインジェクタ４から噴射された燃料と混合されて混合気とされる。混合気は、シリンダ３内に吸入され、ピストン５によって圧縮された後に点火プラグ６で着火されて燃焼する。このとき燃焼によってシリンダ３内の圧力は上昇してピストン５が往復運動され、この往復運動がコネクティングロッドによって回転運動に変換されて出力として取り出される。シリンダ３の内部と吸気通路２との間は、吸気バルブ７によって開閉される。燃焼後の排気ガスは排気通路８に排気される。シリンダ３の内部と排気通路８との間は、排気バルブ９によって開閉される。

このエンジン１は、ターボユニット（過給機）１０を有している。ターボユニット１０は、吸気通路２上に配置されたコンプレッサホイールと排気通路８上に配置されたタービンホイールとが同一回転軸で連結されている（以下、この部分を単にタービン／コンプレッサ１０ａと言う）。本実施形態のターボユニットは、この回転軸が出力軸となるようにモータ（電動機）１０ｂが内蔵されている。即ち、本実施形態のターボユニット１０は電動機付ターボチャージャである。ターボユニット１０は、排気流の持つエネルギー（排気エネルギー）によって過給を行う通常の過給機としても機能し得るが、バッテリから供給される電気エネルギーによってタービン／コンプレッサ１０ａを強制的に駆動することでさらなる過給を行うこともできる。

また、排気エネルギーを利用して、タービン／コンプレッサ１０ａを介してモータ１０ｂを回転させて回生発電させ、発電された電力を回収することもできる。即ち、本実施形態の電動機付ターボチャージャは、発電機付タービンとしても機能し得る。このため、モータ１０ｂは、モータジェネレータ（ＭＧ）とも呼ばれることがある。モータ１０ｂは、タービン／コンプレッサ１０ａの回転軸に固定されたロータと、その周囲に配置されたステータとを主たる構成部分として有している。

さらに、本実施形態のターボユニット１０は、タービンホイールへの排気流量を調節するバリアブルノズル１０ｃも有している。バリアブルノズル１０ｃは、排気側タービンの外方に位置するノズル部分に複数の可動ベーンを配置させたもので、タービンノズルから排気側タービンに向けて流れる排気流量を可変制御する。バリアブルノズル１０ｃを制御することによって過給圧を変更できる。バリアブルノズル１０ｃを駆動するアクチュエータは、後述するＥＣＵ１１に接続されており、バリアブルノズル１０ｃはＥＣＵ１１によって制御されている。

このモータ１０ｂは、コントローラ１２に接続されており、このコントローラ１２にはエンジン１全体の制御を司る電子制御ユニット（ＥＣＵ）１１及びバッテリ１３が接続されている。モータ１０ｂは、ＥＣＵ１１及びコントローラ１２によって印可電力等が制御されており、これによって回転数制御、即ち、過給圧制御が行われている。過給圧制御時には、吸気通路２上のターボユニット１０よりも上流側に配設されたエアフロメータ１４や、吸気通路２上のサージタンク内に配設された圧力センサ１５等の検出結果が利用される。本実施形態のエアフロメータ１４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。エアフロメータ１４にはサーミスタ式の吸気温センサも内蔵されており、エアフロメータ１４は吸気温センサとしての機能も持たされている。

コントローラ１２は、モータ１０ｂの駆動を制御するだけでなく、モータ１０ｂが回生発電した電力の電圧変換を行うインバータとしての機能も有している。回生発電による電力は、コントローラ１２によって電圧変換された後にバッテリ１３に充電される。回生発電による電力は、バッテリ１３に充電されずに直接エンジン１やその他の電装系機器によって消費される場合もある。モータ１０ｂは、回転数制御を行う機構によって回転数の検出も可能となっている。また、バッテリ１３も、ＥＣＵ１１に接続されており、その電圧がＥＣＵ１１によって監視されている。

吸気通路２上のターボユニット１０の下流側には、インタークーラー１６が配設されている。インタークーラー１６によって吸入空気の温度を下げ、充填効率を向上させている。インタークーラー１６の下流側には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ１７が配されている。本実施形態のスロットルバルブ１７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１８の操作量をアクセルポジショニングセンサ１９で検出し、この検出結果と他の情報量とに基づいてＥＣＵ１１がスロットルバルブ１７の開度を決定する。スロットルバルブ１７は、これに付随して配設されたスロットルモータ２０によって開閉される。また、スロットルバルブ１７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２１も配設されている。

一方、排気通路８上には、排気ガスを浄化する排気浄化触媒２２がターボユニット１０の下流側に取り付けられている。そして、排気通路８（ターボユニット１０の上流部）から吸気通路２のサージタンク部にかけて排気ガスを還流させるためのＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)通路２３が配設されている。ＥＧＲ通路２３上には、排気ガス還流量を調節するＥＧＲバルブ２４が取り付けられている。ＥＧＲバルブ２４の開度制御（開閉ＤＵＴＹ制御）も上述したＥＣＵ１１によって行われる。さらに、エンジン１のクランクシャフト近傍には、エンジン回転数を検出する回転数センサ２５が取り付けられている。

また、ＥＣＵ１１には、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサ２６やノックセンサ２７も接続されている。ノックセンサ２７は、エンジンブロックに固定されており、エンジン振動を検出するものである。ＥＣＵ１１は、その検出結果から、エンジン１にノッキング時特有の振動が生じているか否かを判定してノッキングの有無を検出している。さらに、図示されていないが、本実施形態のエンジン１は、連続可変式のバルブタイミング可変機構を吸気バルブ７側に有している。本実施形態におけるバルブタイミング可変機構は公知のもので、吸気バルブ７側のカムシャフトのスプロケットに内蔵されている。このため、吸気側のカムシャフトの近傍には、吸気バルブ７（及び排気バルブ９）の開閉タイミングを検出するカムポジショニングセンサ２８が取り付けられている。

上述したセンサ類はＥＣＵ１１に接続されており、その検出結果をＥＣＵ１１に送出している。ＥＣＵ１１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなる電子制御ユニットである。ＥＣＵ１１には、上述したモータ１０ｂ他のアクチュエータ類も接続されており、これらはＥＣＵ１１からの信号によって制御されている。ＥＣＵ１１には、このほかにも、上述したようにコントローラ１２やバッテリ１３なども接続されている。

図２には、エンジン回転数とエンジン出力トルクとの関係を模式的に示したグラフを示す。図中、ａ−ｃ線で表される線が、エンジン１が出力することのできる最大トルクを示している。また、出力トルクが０以下となる部分（領域Ｃ）は、エンジンブレーキなどを行っている領域である。上述したように、本実施形態のターボユニット１０では、排気エネルギーを利用して回生発電を行うことができる。しかし、回生発電を行った場合は、タービンが排気抵抗となって背圧上昇によるポンピングロス増大の要因ともなり、エンジン１に対しては負荷となる。このため、回生発電は少なからずエンジン１の出力低下の要因となる。

ここで、回生発電によって回収できるエネルギー量と、回生発電によって低下するエンジン出力量との関係を考える。説明上、ここでは仕事率（ワットやキロワット）に揃えて説明するが、他の単位に基づいて制御が行われても良いのは言うまでもない。回生発電によって回収できる電力をＷｇ、回生発電に起因するエンジン出力低下量をＷｄとした場合、図２のグラフ中ｂ−ｃ線上がＷｇ＝Ｗｄとなる部分である。そして、領域Ａは、Ｗｇ＜Ｗｄとなり、回生発電による回収電力量よりもエンジン出力低下量の方が大きくなる領域である。領域Ｂは、Ｗｇ＞Ｗｄとなり、回生発電による回収電力量の方がエンジン出力低下量よりも大きくなる領域である。

即ち、エンジン１全体のエネルギー収支で考えた場合、エンジン１が領域Ａ内で運転されているときにターボユニット１０によって回生発電を行うと、エネルギー損失が生じてしまう。そこで、本実施形態では、このような場合には、回生発電を行わないようにする。そして、このとき、単純に発電電力量Ｗｇと出力低下量Ｗｄとの差が正か負かで回生発電実行の可否を決定するのではなく、発電電力量Ｗｇが出力低下量Ｗｄよりも所定値α以上大きい場合にのみ発電機による発電を実行するようにし、所定値αを可変制御することで回生発電の実行頻度を調節し得るようにしている。

即ち、（Ｗｇ−Ｗｄ）＞αである場合に回生発電を行う。所定値αが大きいほど回生発電は行われにくくなり、所定値αが小さいほど回生発電は行われやすくなる。このαは正の値を取る。ただし、エンジン１の状態によっては、発電電力量Ｗｇ及び出力低下量Ｗｄの値にかかわらず、回生発電を強制的に実行したり、回生発電を禁止する場合もある。以下、これらの制御について詳しく説明する。

図３〜図６にエンジン１におけるモータ１０ｂによる回生発電制御フローチャートを示す。まず、図３及び図４に示した、回生基準値αの算出・記憶制御について説明する。この回生基準値αは上述した所定値にあたる。まず、制御に用いる各種情報量を取得する（ステップ３００）。ここで取得する情報量としては、インジェクタ４によって噴射する燃料噴射量（制御元となるＥＣＵ１１にて算出されている）、回転数センサ２５によって検出されるエンジン回転数、圧力センサ１５によって検出される吸気管圧力、アクセルポジショニングセンサ１９によって検出されるアクセル開度である。

なお、吸気管圧力は、吸入空気量を得るために用いられる。本実施形態のエンジン１は、エアフロメータ１４も有しているので、エアフロメータ１４によって吸入空気量を流量質量として検出しても良い。また、燃料噴射量に代えて、機関負荷率を取得しても良い。機関負荷率とは、１回転あたりの吸入空気量（質量流量）であり、吸入空気量とエンジン回転数とから求められる。これらの情報量に基づいて、予め実験などを通して作成されたマップに基づいて、回生抑制補正値αｈが求められる（ステップ３０５）。回生抑制補正値αｈは、エンジンの状態や運転者の出力要求などに基づいて回生発電を抑制すべき時には回生発電が行われにくくなるように、回生基準値αの値を大きくする補正値である。

エンジン１の運転状態は、燃料噴射量、エンジン回転数、吸気管圧力から判断され、運転者の出力要求はアクセル開度から判断している。例えば、排気浄化に対して敏感な低回転域（エンジン１の運転状態）やフル出力要求時（運転者の出力要求）は、回生抑制補正値αｈの値は回生基準値αの値を大きくするような値に設定される。後述するが、回生抑制補正値αｈは、最終的に回生基準値αに対して加算される補正値であり、回生基準値αの値を大きく補正する場合ほど大きく設定される。

以下に説明する数ステップは、消費補正値αａに関するものである。消費補正値αａは、モータ１０ｂを駆動させて過給促進した頻度（時間）が高いほど、モータ１０ｂによる回生発電をより多く（長く）行わせるために、回生基準値αの値を小さくする補正値である。なお、本実施形態の制御の基本的な考え方として、モータ１０ｂによる回生発電はモータ１０ｂによって消費した電力分を補う程度に行われ、エンジン１の出力を低下させ得る回生発電が必要以上実行されないようにする。消費補正値αａは、モータ１０ｂによる電力消費と回生発電との間のバランスを取るための補正値である。消費補正値αａの値は、モータ１０ｂによる過給アシストが行われる頻度（時間）が高いほど、回生基準値αの値を小さくするような値に設定される。後述するが、消費補正値αａは、最終的に回生基準値αに対して減算される補正値であり、回生基準値αの値を小さく補正する場合ほど大きく設定される。

ステップ３０５の後、ステップ３０５に続いて、モータ１０ｂが駆動され、過給が促進されているか（力行中であるか）否かを判定する（ステップ３１０）。モータ１０ｂによる過給促進中（力行中）である場合は、まず、アシスト指令量を取得する（ステップ３１５）。アシスト指令値は、モータ１０ｂを駆動させて過給アシストさせる際の指令値であり、この指令値はモータ１０ｂを駆動させたときの消費電力と相関関係がある。アシスト指令値は、燃料噴射量（又は負荷率）、吸気管圧力（過給圧）、エンジン回転数に基づいて決定されている。

取得したアシスト指令値に基づいて、予め実験などを通して作成されたマップに基づいて、力行電力消費補正分Ｗａが求められる（ステップ３２０）。力行電力消費補正分Ｗａは、上述した消費補正値αａを増加させるための値であり、モータ１０ｂが駆動されている場合はその駆動量に応じて大きな値を取る。このようにして求められた力行電力消費補正分Ｗａは、その時点の消費補正値αａに対して積算（加算）される（ステップ３２５）。即ち、モータ１０ｂの駆動による過給アシストが行われると、その過給アシストによる電力消費量に応じて（＝力行電力消費補正分Ｗａを介して）消費補正値αａが増大される。

一方、ステップ３１０が否定される場合、即ち、モータ１０ｂが回生発電しているか、駆動も発電もしていない場合は、その時点の消費補正値αａが一定の割合で減じられる（ステップ）。即ち、モータ１０ｂによる過給アシストが行われておらず、モータ１０ｂによる電力消費がない場合は消費補正値αａが減じられることで、その分回生基準値αは減じられなくなって回生発電の実行頻度が減少する。また、モータ１０ｂによる回生発電が行われている場合は、過給アシストによる電流消費分を徐々に回収していると見なせるため、この場合も消費補正値αａが小さくなり、その分回生基準値αは減じられずに回生発電の実行頻度が減少する。

ステップ３２５又はステップ３３０の後、バッテリ１３の状態に基づいて回生基準値αを補正すべく、まず、バッテリ電圧が検出される（ステップ３３５）。バッテリ１３の電圧は、バッテリ１３と接続されているＥＣＵ１１によって検出し得る。検出したバッテリ電圧に基づいて、予め実験などを通して作成されたマップに基づいて、バッテリ補正値αｂが求められる（ステップ３４０）。バッテリ補正値αｂは、バッテリ１３の充電量不足気味の時にはより回生発電が行われやすくするなるように、回生基準値αの値を小さくする補正値である。逆に言えば、バッテリ１３の充電状態が十分であれば、エンジン１の出力を低下させ得る回生発電が行われにくくなるように、回生基準値αの値を大きくする補正値である。

バッテリ補正値αｂの値は、バッテリ電圧が低いほど、回生基準値αの値を小さくするような値に設定される。後述するが、バッテリ補正値αｂは、最終的に回生基準値αに対して減算される補正値であり、回生基準値αの値を小さく補正する場合ほど小さく設定される。ステップ３４０の後、回生基準値αの学習履歴があるかないかを示す学習履歴フラグＦＬｓがＯＮであるか否かを判定する（ステップ３４５）。通常、回生基準値αは常に学習状態にあるため、学習履歴フラグＦＬｓはＯＮとなっている。バッテリクリア時や何らかの理由によって回生発電制御がフェールした場合には学習履歴フラグＦＬｓがＯＦＦにリセットされる。

ステップ３４５が肯定され、学習履歴フラグＦＬｓがＯＮである場合は、既にＥＣＵ１１内のメモリに記憶されている学習値αｍが回生基準値αに対して適用される（ステップ３５０）。一方、ステップ３４５が否定され、学習履歴フラグＦＬｓがＯＦＦである場合は、予め用意された初期値α0が回生基準値αに対して適用される（ステップ３５５）。次いで、まず、上述したバッテリ補正値αｂによって回生基準値αを補正する（ステップ３６０）。ここでは、（α−αｂ）を新たなαとして設定する。

その後、回生基準値αが所定値の下限値αｍｉｎ未満である場合は下限値αｍｉｎとし、回生基準値αが所定値の上限値αｍａｘ未満である場合は上限値αｍａｘとする。即ち、回生基準値αの上限及び下限をガードし、αｍｉｎ≦α≦αｍａｘの範囲内に収まるようにする（ステップ３６５）。そして、この回生基準値αを学習値αｍとしてＥＣＵ１１内のメモリに保存する（ステップ３７０）。

次に、上述した回生抑制補正値αｈによって回生基準値αを補正する（ステップ３７５）。ここでは、（α＋αｈ）を新たなαとして設定する。さらに、上述した消費補正値αａによって回生基準値αを補正する（ステップ３８０）。ここでは、（α−αａ）を新たなαとして設定する。これらの回生抑制補正値αｈ及び消費補正値αａについては、学習値αｍのメモリへの保存後に回生基準値αに対して適用されるため、学習値には積算されて反映されることはない。その後、ステップ３６５と同様に回生基準値αの上限及び下限がガードされ（ステップ３８５）、学習履歴フラグＦＬｓがＯＮにされる（ステップ３９０）。ステップ３８５の後の回生基準値αが、後述する制御に利用される。

次に、図５に示されたフローチャートに基づいて、モータ１０ｂの力行／回生を禁止する場合やモータ１０ｂを強制的に回生させる場合に利用するフラグの設定制御について説明する。まず、モータ１０ｂの回転子の温度Ｔｍを検出し、この温度が所定の閾値ＴＣＲよりも大きいか否かを判定する（ステップ５００）。モータ１０ｂの回転子の温度Ｔｍは、モータ１０ｂの内部に設けられた温度センサによって検出される。この温度センサもＥＣＵ１１に接続されている。閾値ＴＣＲは、モータ１０ｂに異常があって回転子の温度が上昇したと判断し得る温度として予め設定されている。即ち、ステップ５００が肯定される場合は、モータ１０ｂに異常があると判断し得る。この場合は、モータ１０ｂの駆動及びモータ１０ｂによる回生発電を禁止すべく、力行／回生禁止フラグＦＬｎがＯＮに設定される（ステップ５２０）。

一方、ステップ５００が否定される場合は、次にコントローラ１２に異常が発生しているか（ファイルしているか）否かを判定する（ステップ５０５）。ファイルしているか否かは、コントローラ１２の出力をＥＣＵ１１が監視することで行っても良いし、亜所定の診断モードをＥＣＵ１１が実行するようにしてもよい。ステップ５０５が肯定され、コントローラ１２がフェイルしていると判定された場合は、ステップ５００が肯定された場合と同様に、力行／回生禁止フラグＦＬｎがＯＮに設定される（ステップ５２０）。

一方、ステップ５０５が否定される場合は、次に運転者によってモータ１０ｂによる過給アシスト及び回生発電が禁止されているか否かを判定する（ステップ５１０）。例えば、運転席近傍にモータ１０ｂによる過給アシスト及び回生発電のオン−オフスイッチを設けておき、このスイッチがオフとされている場合は、運転者（ユーザー）によって過給アシスト及び回生発電が禁止する。ステップ５１０が肯定され、運転者によって過給アシスト及び回生発電が禁止された状態であると判定された場合は、ステップ５００が肯定された場合と同様に、力行／回生禁止フラグＦＬｎがＯＮに設定される（ステップ５２０）。

一方、ステップ５１０が否定される場合は、ステップ５００及びステップ５０５も否定されており、モータ１０ｂの過給アシスト及び回生発電が禁止される状況ではないとして力行／回生禁止フラグＦＬｎがＯＦＦに設定される（ステップ５１５）。力行／回生禁止フラグＦＬｎの設定が終了したら、次に、オルタネータが故障しているか否かを判定する（ステップ５２５）。オルタネータは、図１中に図示されていないが、エンジン１の出力を利用して発電を行う、通常の一般的なオルタネータである。即ち、オルタネータは、排気エネルギーによらない他の発電手段として機能している。

オルタネータが故障している場合は、オルタネータによる発電が行えない場合であるので、この不足分をモータ１０ｂによる回生発電によって補うべく、モータ１０ｂを強制的に回生発電させる。このため、ステップ５２５が肯定される場合は、強制回生フラグＦＬｘがＯＮに設定される（ステップ５３５）。一方、ステップ５２５が否定され、オルタネータが正常である場合は、強制回生フラグＦＬｘはＯＦＦに設定される（ステップ５３０）。このようにして、力行／回生禁止フラグＦＬｎ及び強制回生フラグＦＬｘが設定される。

次に、上述した回生基準値αや力行／回生禁止フラグＦＬｎ及び強制回生フラグＦＬｘを用いたモータ１０ｂの回生制御について、図６を参照しつつ説明する。まず、力行／回生禁止フラグＦＬｎがＯＮであるか否かを判定し（ステップ６００）、ＯＮである場合は、回生発電制御は行われない（ステップ６０５）。ステップ６００が否定されてステップ６０５の処理が行われる場合は、エンジン１の状態などに基づいて目標とする回生発電量が算出されることもなければ、上述した発電電力量Ｗｇ及び出力低下量Ｗｄの算出も行われない。

一方、力行／回生禁止フラグＦＬｎがＯＦＦで、ステップ６００が否定される場合は、続いて、強制回生フラグＦＬｘがＯＮであるか否かを判定し（ステップ６１０）、ＯＮである場合は、モータ１０ｂによって最大限回生発電を行うべく、回生指令値Ｘｇに最大値が代入される（ステップ６１５）。回生指令値Ｘｇとは、ＥＣＵ１１からコントローラ１２に対して送出される回生発電の目標値に基づく指令値であり、コントローラ１２はこの指令値に基づいて回生発電を行う。ステップ６１５の処理が行われる場合は、エンジン１の状態などに基づいて回生指令値が変わるのであればマップからその値を検索することなどは行われ得るが、上述した発電電力量Ｗｇ及び出力低下量Ｗｄの算出が行われることはない。

力行／回生禁止フラグＦＬｎ及び強制回生フラグＦＬｘの双方がＯＦＦである場合は、ステップ６１０の後ステップ６２０に移行し、燃料噴射量、エンジン回転数、吸気管圧力、及び、上述した図３及び図４に示されたフローチャートの制御によって決定された回生基準値αとを取得する（ステップ６２０）。吸気管圧力に代えてエアフロメータ１４によって検出した吸入空気量を用いても良く、燃料噴射量に代えて機関負荷率を用いても良いのは回生基準値αの算出時に説明したのと同様である。

これらのエンジン１の状態量及び回生基準値αに基づいて、マップより回生電力Ｗｇを算出する。この回生電力Ｗｇは、理論上は下記（Ｉ）式によって求められる。
Ｗｇ＝（Ｗｅｘ×ηｔ×ηｍ−Ｗｉｎ）×ηｇｅ×ηｉｎ×ηｔｒ×Ｘｇ …（Ｉ）
ここで、Ｗｅｘは排気ガスの持つエネルギーであり、下記（ＩＩ）式に示されるように、エンジン回転数ＮＥと単位時間当たりの燃料噴射量ＧＦ（ＧＦは機関負荷率に置き換えても良い）と単位時間当たりの吸入空気量ＧＡとの関数ｆ２として得られる。
Ｗｅｘ＝ｆ２（ＮＥ，ＧＦ，ＧＡ） …（ＩＩ）
また、単位時間当たりの吸入空気量ＧＡは、下記（ＩＩＩ）式に示されるように、エンジン回転数ＮＥと吸気管圧力ＰＢとの関数ｆ３として得られる。
ＧＡ＝ｆ３（ＮＥ，ＰＢ） …（ＩＩＩ）

また、式（Ｉ）中のＷｅｘ以外の各記号は以下の値を示している。
ηｔ：タービン効率
ηｍ：機械効率
Ｗｉｎ：ターボユニット１０のコンプレッサに対する入力エネルギー
ηｇｅ：発電時のモータ効率
ηｉｎ：インバータ効率
ηｔｒ：バッテリまでの電力伝送効率
Ｘｇ：回生指令値（前回値）

回生電力Ｗｇは、理論上は上述したように求められるが、ここでは、予め実験によって、回生指令値Ｘｇ（前回値）とターボ回転数（タービン／コンプレッサ１０ａの回転数）ＮＴとによって決まるようなマップを作成し、このマップをＥＣＵ１１内のメモリに記憶させてある。即ち、ステップ６２５では、回生電力Ｗｇは下記（ＩＶ）式に示されるようなマップより求められる。
Ｗｇ＝ｍａｐ１（Ｘｇ，ＮＴ） …（ＩＶ）
ここで、ターボ回転数ＮＴは、モータ１０ｂを内蔵しているため直接センシングすることができる。あるいは、直接センシングせずに、下記式（Ｖ）で示されるような関数ｆ４に基づいて算出することも可能である。
ＮＴ＝ｆ４（ＮＥ，ＧＦ，ＰＢ） …（Ｖ）

一方、モータ１０ｂによって回生発電を行った場合のエンジン１の出力低下量Ｗｄについても、マップから算出される（ステップ６３０）。排気ガスによっておこなわれる過給の仕事から発電に要した仕事を引いた分が、過給圧（空気量増加）としてエンジン１に供給される仕事になるので、出力低下量Ｗｄは、以下のように下記式（ＶＩ）で示されるような関数ｆ５として表すことができ、ここでは、回生指令値Ｘｇとターボ回転数ＮＴとのマップに基づいて決定される。
Ｗｄ＝ｆ５（ＮＥ，ＧＦ，ＧＡ，Ｗｇ）＝ｍａｐ２（Ｘｇ，ＮＴ） …（ＶＩ）

回生電力Ｗｇと出力低下量Ｗｄが算出されたので、両者の差（Ｗｇ−Ｗｄ）が回生基準値α以上であるか否かを判定する（ステップ６３５）。両者の差（Ｗｇ−Ｗｄ）が回生基準値α以上であれば、回生発電を実行しても（開始あるいは継続しても）エネルギー損失が生じることはないので、回生発電のための回生指令値Ｘｇを下記（ＶＩＩ）式に基づいて算出する（ステップ６４０）。
Ｘｇ＝（Ｗｇ−Ｗｄ）／α×Ｃｇ …（ＶＩＩ）

Ｃｇは実験によって予め定められる定数であり、Ｃｇ＞０である。αは上述した回生基準値であり、ここでは（Ｗｇ−Ｗｄ）をこの回生基準値αで割っている。Ｃｇ＞０であるので、αが小さいほど回生指令値Ｘｇは大きくなり、回生発電量は大きくなる。既に説明したが、αが小さいほど、回生発電は行われやすくなる。反対に、αが大きいほど回生指令値Ｘｇは小さくなり、回生発電量は小さくなる。これについても既に説明したが、αが大きいほど、回生発電は行われにくくなる。

なお、ステップ６３５が否定された場合は、回生発電制御は行われない（ステップ６０５）。ステップ６３５が否定されてステップ６０５の処理が行われる場合は、ステップ６００否定後のステップ６０５とは異なり、発電電力量Ｗｇ及び出力低下量Ｗｄの算出は行われている。ステップ６４０及び上述したステップ６１５の後、決定された回生指令値ＸｇがＥＣＵ１１からコントローラ１２に送られ、コントローラ１２は回生指令値Ｘｇに基づいてモータ１０ｂに回生発電をさせる（ステップ６４５）。

本実施形態においては、発電電力量Ｗｇ及び出力低下量Ｗｄの算出はＥＣＵ１１において行われる。即ち、ＥＣＵ１１が、発電量算出手段や出力低下量算出手段として機能している。また、ＥＣＵ１１やコントローラ１２が発電制御手段として機能している。なお、ＥＣＵ１１は、オルタネータの出力電圧も監視して、この電圧に基づいてオルタネータの故障も検出しており、排気エネルギーによらない他の発電手段であるオルタネータの故障検出手段としても機能している。

さらに、本実施形態の制御は、エンジン１のエンジン回転数の増大に伴って機関出力トルクが増加する機関回転数領域内で、かつ、機関出力トルクが所定値以上である場合に、モータ１０ｂによる回生発電を禁止していると見ることもできる。図２に示したように、（Ｗｇ−Ｗｄ）≧α、即ち、［（Ｗｇ−Ｗｄ）−α］≧０となる領域は、エンジン１のエンジン回転数の増大に伴って機関出力トルクが増加する機関回転数領域内で、かつ、機関出力トルクが所定値以上である状況に相当する。なお、ここでの所定値は、Ｗｇ＝Ｗｄを示すｂ−ｃ線をα分だけ上方に平行移動した線で表されると言える。

なお、図２中のｂ−ｃ線（Ｗｇ＝Ｗｄ）は、回生発電量によって移動し得る。回生発電量が少なければ、ｂ−ｃ線は図中上方に移動し、領域Ａは狭くなる。反対に、回生発電量が多ければ、ｂ−ｃ線は図中下方に移動し、領域Ａは広くなる。しかし、このように回生発電量が変化しても、上述した所定値が変わっているだけで、エンジン１のエンジン回転数の増大に伴って機関出力トルクが増加する機関回転数領域内で、かつ、機関出力トルクが所定値以上である場合に、モータ１０ｂによる回生発電を禁止していると見ることができる。この回生発電の禁止も、やはりＥＣＵ１１によって制御されており、ＥＣＵ１１は発電禁止手段としても機能している。

このように、発電電力量Ｗｇが出力低下量Ｗｄよりも回生基準値α以上大きい場合、即ち、（Ｗｇ−Ｗｄ）が回生基準値α以上である場合にのみモータ１０ｂによる回生発電を実行するので、エンジン１全体のエネルギー収支の観点から見て無駄なエネルギー消費が生じる発電を抑制することができる。また、無駄なエネルギー消費が生じる発電を抑制するに際しては、この回生基準値αを可変制御することで回生発電の頻度を調節することができる。

ここでは、回生基準値αを可変制御するのに、モータ１０ｂつきのターボユニット１０で過給アシストを実行して電気エネルギーを消費した場合には回生基準値αを小さくしている。このようにすることでモータ１０ｂによって電力を消費した場合は、回生発電を行いやすくし、モータ１０ｂによる電力消費が多いほどより多くのエネルギーを回収することができるようにしている。

ただし、過給促進が禁止するような状況、即ち、上述した実施形態では、ステップ５００、ステップ５０５、及びステップ５１０が肯定されるような状況では、発電電力量Ｗｇ、出力低下量Ｗｄ及び回生基準値αがどのような関係であっても（これらの算出が行われない場合も含む）、回生発電を（本実施形態では駆動も）禁止する。このようにすることで、モータ１０ｂを作動させるべきでないときには確実にその作動を抑止することができる。

また、排気エネルギーによらない他の発電手段であるオルタネータが故障して発電を行えない場合は、発電電力量Ｗｇ、出力低下量Ｗｄ及び回生基準値αがどのような関係であっても（これらの算出が行われない場合も含む）、モータ１０ｂによる回生発電を実行する。このようにすることで、必要な電力を確保することが可能となる。

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、上述した実施形態においては、モータ１０ｂの回生発電及び駆動を禁止する際には力行／回生禁止フラグＦＬｎを設定した。しかし、モータ１０ｂの回生発電及び駆動を禁止する際に、回生基準値αを実際には生じ得ない値にまで大きく設定するようにしても良い。このようにすれば、実際上はモータ１０ｂの回生発電及び駆動を禁止することができる。同様に、上述した実施形態においては、モータ１０ｂを強制的に回生発電させる際には強制回生フラグＦＬｘを設定した。しかし、モータ１０ｂを強制的に回生発電させる際に、回生基準値αを実際には生じ得ない値にまで小さく（この場合はαは負の値でも可）設定するようにしても良い。このようにすれば、実際上はモータ１０ｂを強制的に回生発電させることができる。

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。 エンジン回転数−エンジン出力座標軸上に示したエンジン運転領域を、回生発電実行領域・非実行領域に模式的に分類した説明図である。 回生基準値αの算出制御を示すフローチャート（前半部）である。 回生基準値αの算出制御を示すフローチャート（後半部）である。 回生禁止フラグ・強制回生フラグの設定制御を示すフローチャートである。 回生発電制御を示すフローチャート（前半部）である。

符号の説明

１…エンジン、２…吸気通路、３…シリンダ、４…インジェクタ、６…点火プラグ、８…排気通路、１０…ターボユニット、１０ａ…タービン／コンプレッサ、１０ｂ…モータ、１０ｃ…バリアブルノズル、１１…ＥＣＵ（発電量算出手段・出力低下量算出手段・発電制御手段・発電禁止手段）、１２…コントローラ（発電制御手段）、１３…バッテリ、１４…エアフロメータ、１５…圧力センサ、１７…スロットルバルブ、１９…アクセルポジショニングセンサ、２１…スロットルポジショニングセンサ、２５…回転数センサ。

Claims (5)

1. 排気通路上に設けられて排気流の持つエネルギーを利用して発電を行う発電機付タービンを備えた内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の運転状態に基づいて前記発電機での発電電力量を算出する発電量算出手段と、
   前記前記発電機による発電によって低下する前記内燃機関の出力量を出力低下量として算出する出力低下量算出手段と、
   前記発電量算出手段によって算出された発電電力量が前記出力低下量算出手段によって算出された出力低下量よりも所定値以上大きい場合にのみ前記発電機による発電を実行する発電制御手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記発電機付タービンが電動機付ターボチャージャであり、
   前記発電制御手段が、前記電動機付ターボチャージャによる消費電力履歴が大きいほど、前記所定値を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記発電制御手段は、前記発電機兼電動機を駆動させることによる過給促進が禁止されている場合には、前記発電量算出手段によって算出された発電電力量及び前記出力低下量算出手段によって算出された出力低下量にかかわらず、前記発電機による発電を禁止することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記発電機に加えて、排気エネルギーによらない他の発電手段と、該発電手段の故障を検出する故障検出手段とをさらに備えており、
   前記発電制御手段は、前記故障検出手段によって前記発電手段の故障が検出された場合には、前記発電量算出手段によって算出された発電電力量及び前記出力低下量算出手段によって算出された出力低下量にかかわらず、前記発電機による発電を実行又は継続することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
5. 排気通路上に設けられて排気流の持つエネルギを利用して発電を行う発電機付タービンを備えた内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の機関回転数の増大に伴って機関出力トルクが増加する機関回転数領域内で、かつ、機関出力トルクが所定値以上である場合には、前記発電機による発電を禁止する発電禁止手段を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。

Images