CN103180581A - 涡轮增压系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种涡轮增压系统，能够兼顾由发动机尺寸减小带来的燃料消耗率提高和良好的坡道起步性。该涡轮增压系统具备：电动辅助涡轮增压器(2)，具有配置在发动机的排气通路(6)中而通过排气来驱动的涡轮机(3)、配置在进气通路(7)中而通过涡轮机(3)的转矩来驱动的压缩机(4)、及辅助压缩机(4)的驱动力的电动马达(5)；以及电动马达控制部(21)，在检测到坡道时的起步动作时驱动电动马达(5)。

Description

涡轮增压系统
技术领域
本发明涉及一种涡轮增压系统，即使发动机尺寸减小也能够实现良好的坡道起步性。
背景技术
近年来，为了车辆的燃料消耗率提高及CO2排出量的降低，如下技术的开发盛行：减小发动机的排量(发动机尺寸减小(engine downsizing))，通过涡轮增压器等增压器来确保动力性能。
发动机尺寸减小时所使用的涡轮增压器，通过排气能量来驱动，由于涡轮增压器的旋转体具有惯性，因此相对于稳态运转，在瞬态的运转中具有难以得到增压压力(boost pressure)的特征。
如图3所示，即使通过发动机尺寸减小来进行小排量化，通过搭载涡轮增压器，也能够提高发动机扭矩而实现与大排量发动机同等的动力性能。但是，在坡道起步时的运转区域、即在高负荷且发动机速度(发动机转速)较低的区域(在图3中由虚线包围的区域)，得不到扭矩提高。这是因为，在车辆起步时发动机速度为极低速、排气能量(废气流量)较小，而得不到使压缩机转动的动力，并且，在起步时那样的瞬态的条件下，由于涡轮增压器的旋转体的惯性，而难以驱动涡轮增压器，几乎不能够增压。因此，在推进发动机尺寸减小时，车辆的坡道起步性成为制约的情况较多。
另外，作为与本申请的发明相关联的现有技术文献信息，存在专利文献1、2、非专利文献1。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-177171号公报
专利文献2：日本特开2010-209735号公报
非专利文献
非专利文献1：茨木诚一及其他四名，“电动辅助涡轮增压器‘混合动力涡轮’的开发”，三菱重工技报，Vol.43，No.3，2006年，p.36-40
发明内容
发明要解决的课题
如上述那样，涡轮增压器在发动机低速、瞬态的条件下，难以发挥增压性能，因此发动机尺寸减小的极限由坡道起步性来决定的情况较多。
为了确保发动机尺寸减小时的坡道起步性，需要增加机械式的增压器、增加混合动力技术等，价格、系统规模会增大。
因此，本发明的目的在于提供一种涡轮增压系统，解决上述课题，能够实现良好的坡道起步性，并能够通过发动机尺寸减小来进一步提高燃料消耗率。
用于解决课题的手段
本发明是为了实现上述目的而进行的，本发明的涡轮增压系统具备：电动辅助涡轮增压器，具有配置在发动机的排气通路中而通过排气来驱动的涡轮机、配置在进气通路中而通过上述涡轮机的转矩来驱动的压缩机、及对上述压缩机的驱动力进行辅助的电动马达；以及电动马达控制部，在检测到坡道时的起步动作时，驱动上述电动马达。
上述电动马达控制部也可以构成为，以与车辆进行起步的道路的坡度相应的转速来驱动上述电动马达。
上述电动马达控制部也可以构成为，在车辆进行起步的道路的坡度大于规定阈值时，在起步时预先驱动上述电动马达。
上述电动马达控制部也可以构成为，根据大气压来修正与车辆进行起步的道路的坡度相应的转速，并以该修正后的转速来驱动上述电动马达。
上述电动马达控制部也可以构成为，根据进气温度来修正与车辆进行起步的道路的坡度相应的转速，并以该修正后的转速来驱动上述电动马达。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种涡轮增压系统，能够兼顾由发动机尺寸减小带来的燃料消耗率提高和良好的坡道起步性。
附图说明
图1是使用了本发明的一个实施方式的涡轮增压系统的发动机系统的概略构成图。
图2是表示在图1的涡轮增压系统中、发动机扭矩相对于有电子涡轮的驱动、无电子涡轮的驱动的各个情况下的发动机速度的关系的图。
图3是表示在以往的涡轮增压系统中、发动机扭矩相对于发动机速度的关系的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
图1是使用了本实施方式的涡轮增压系统的发动机系统的概略构成图。
如图1所示，涡轮增压系统1具备电动辅助涡轮增压器(混合动力涡轮)2，该电动辅助涡轮增压器2具有配置在柴油机即发动机E的排气通路6中而通过排气来驱动的涡轮机3、配置在进气通路7中而通过涡轮机3的转矩来驱动的压缩机4、及辅助压缩机4的驱动力(辅助涡轮机3的转矩)的电动马达5。
电动辅助涡轮增压器2的电动马达5一体地设置在涡轮机3和压缩机4之间，更具体地，一体地设置在将涡轮机3的涡轮机叶轮3a和压缩机4的压缩机叶轮4a连结的涡轮轴8上。电动马达5例如由DC伺服马达构成。另外，电动马达5与涡轮轴8一体地设置，因此电动马达5的转速与电动辅助涡轮增压器2的转速(涡轮转速)相等。以下，将电动辅助涡轮增压器2简称为涡轮增压器2。
排气通路6的最上游与发动机E的排气歧管9连接，在其下游侧的排气通路6中依次设置有涡轮增压器2的涡轮机3、排气节气门11、及废气净化装置12，排气通路6的最下游向大气开放。
在进气通路7的最上游设置有空气滤清器13，在其下游侧的进气通路7中依次设置有涡轮增压器2的压缩机4、中冷器(增压空气冷却器)14、及进气节气门15，进气通路7的最下游与发动机E的进气歧管10连接。
此外，在该发动机系统中，进行使从发动机E排出的废气的一部分向进气侧回流的EGR控制。具体地，设置EGR管18，以便将涡轮机3上游侧的排气通路6与进气节气门15下游侧的进气通路7连接，在该EGR管18上分别设置有用于调整向进气侧回流的废气量即EGR量(或者EGR率)的EGR阀16、及对向进气侧回流的废气进行冷却的EGR冷却器17。
涡轮增压系统1具备电动马达控制部21，该电动马达控制部21在检测到坡道时的起步动作时驱动电动马达5。电动马达控制部21构成为，判定车辆进行起步的道路的情况，仅在所谓坡道起步时，预先使电动马达5旋转。电动马达控制部21作为程序而组入到ECU(Electronical Control Unit：电子控制装置)20中。另外，在ECU20中，为了进行发动机E的控制，而识别发动机速度、燃料喷射量、油门开度、大气压(外界气压)、进气温度(大气温度)等所有发动机参数。
电动马达控制部21构成为，在同时满足下述(1)、(2)的坡道起步辅助条件时，在起步时预先驱动电动马达5。
(1)为停车中且车辆的门关闭。
(2)车辆进行起步的道路的坡度(车辆行驶方向的坡度)较大。
在坡道起步辅助条件(1)中，车辆是否为停车中，例如能够通过由车速传感器检测到的车速是否为0(或者规定阈值以下)来判定。此外，门是否关闭，能够通过门传感器来判定。
关于坡道起步辅助条件(2)，检测车辆所停车的道路的坡度(车辆行驶方向的坡度)，在该坡度的大小大于规定阈值时，设为满足坡道起步辅助条件(2)即可。
检测道路的坡度的方法并不特别限定，例如，可以基于ABS(Anti-lockBrake System：防抱死系统)等其他控制中所使用的G传感器的输出来检测坡度；或者根据导航系统中搭载的陀螺仪(角速度传感器)的检测履历(纵摆角、横摆角、侧摆角的检测履历)来检测坡度；或者通过GPS(Global PositioningSystem：全球定位系统)来检测自车位置和行驶方向，并且通过导航系统中搭载的导航软件等来取得自车位置和其周边的标高信息，并根据所得到的标高信息来检测自车行驶方向的坡度。
另外，在坡道起步辅助条件(2)中，只要能够判定为是坡道起步即可，因此即使间接地检测道路的坡度也没有问题。例如，在制动增压压力(或制动液压)为阈值以上时，也可以设为满足坡道起步辅助条件(2)，并且，在驻车制动器工作时，也可以设为满足坡道起步辅助条件(2)。
电动马达控制部21为，在满足上述坡道起步辅助条件的情况下，在检测到驾驶员的起步动作时、即在起步紧前，开始电动马达5的驱动。另外，也可以考虑在停车中持续驱动电动马达5，但在这种情况下，当停车时间较长时，驱动电动马达5的电力变得浪费，燃料消耗率恶化。
驾驶员的起步动作，例如，在MT车中能够通过挂档、离合器分离信号来检测，在AT车中能够通过制动器回位信号等来检测。制动器回位信号通过制动增压压力(或制动液压)、制动灯的点灯等所使用的制动开关、空气制动器的空气辅助等所使用的制动传感器等来检测即可。另外，也可以在制动器回位后的油门踏板操作时开始电动马达5的驱动，但在这种情况下，在起步时，有时增压压力的上升来不及，而得不到充分的发动机扭矩。
电动马达控制部21构成为，以与车辆进行起步的道路的坡度相应的转速来驱动电动马达5。由此，坡度越大则使电动马达5的转速越大，能够使增压压力上升而增大产生的发动机扭矩。
此外，电动马达控制部21构成为，根据大气压(外界气压)和进气温度(大气温度)来修正与车辆进行起步的道路的坡度相应的转速，并以该修正后的转速来驱动电动马达5。这是因为，例如在高地等大气压较低的场所，为了得到所希望的增压压力，必须使压缩机4的入口与出口的压力差更大，并需要增大涡轮转速。此外，由于空气密度根据温度而变化，用于得到所希望的增压压力的压缩机4的功量变化，因此还需要进行基于进气温度(大气温度)的修正。
这些修正(环境修正)如下进行即可：将根据大气压来参照的第一修正系数映射(未图示)和根据进气温度来参照的第二修正系数映射(未图示)预先搭载在ECU20中，将根据两个修正系数映射而得到的两个修正系数和与车辆进行起步的道路的坡度相应的转速相乘，而求出修正后的转速。大气压能够由大气压传感器(baro传感器)来检测，进气温度能够由大气温度传感器或者设置在进气通路7中的温度传感器来检测。另外，由于大气压大致与标高成正比例，因此也可以取代大气压，而根据标高来进行转速的修正。在这种情况下，例如可以检测通过GPS得到的自车位置的标高，根据所得到的标高来参照修正系数映射，将所得到的修正系数和与车辆进行起步的道路的坡度相应的转速相乘，而求出修正后的转速。
并且，电动马达控制部21为，在驱动电动马达5并进行了坡道起步之后，在满足了下述(1)、(2)任一个电动辅助停止条件时，停止电动马达5的驱动。
(1)增压压力成为按照发动机速度和发动机扭矩设定的目标增压压力以上时。
(2)发动机速度和发动机扭矩的关系进入了即使不驱动电动马达5也能够充分增压的运转区域时。
关于电动辅助停止条件(1)，将按照发动机速度和发动机扭矩设定了目标增压压力的目标增压压力映射(未图示)预先搭载在ECU20中，在实际测定的增压压力(进气歧管10的压力)成为参照目标增压压力映射而得到的目标增压压力以上时，停止电动马达5的驱动即可。另外，发动机扭矩能够根据燃料喷射量等发动机参数来求出。
关于电动辅助停止条件(2)，使用图2进行说明。图2是表示在本发明的涡轮增压系统1中、有电动马达5的驱动(实线)、无电动马达5的驱动(虚线)的各个情况下的全负荷扭矩的特性的曲线图。另外，在图2中，为了参考，还同时以点划线表示了无涡轮增压器的情况。
如图2所示，在涡轮增压系统1中，通过驱动电动马达5，能够提高发动机速度为极低速的区域中的扭矩。此处，在图2中由影线表示的运转区域A、即由无电动马达5的驱动的全负荷扭矩的特性(虚线)包围的运转区域A为，即使不驱动电动马达5也能够充分地增压的运转区域。因此，如图示箭头B那样，在发动机速度和发动机扭矩的关系进入了运转区域A时，停止电动马达5的驱动即可。
此外，电动马达控制部21构成为，在电动马达5中的消耗电力成为规定阈值以上时、或者电动马达5的转速成为规定阈值以上时，强制地中止电动马达5的驱动。
在电动马达5中的消耗电力成为规定阈值以上时强制地中止电动马达5的驱动，是为了抑制过度地消耗蓄电池的电力、防止所谓的电池耗尽。
在电动马达5的转速成为规定阈值以上时强制地中止电动马达5的驱动，是为了防止电动马达5的超速运转、保护电动马达5。
如以上所说明的那样，在本实施方式的涡轮增压系统1中具备电动辅助涡轮增压器2，该电动辅助涡轮增压器2具有辅助压缩机4的驱动力的电动马达5，在检测到坡道时的起步动作时驱动电动马达5。
由此，即使在排气能量较小的坡道起步时，也能够具有余量地向发动机E送入空气，能够提高增压压力而在起步时得到较大的发动机扭矩。即，根据本发明，能够实现良好的坡道起步性。
以往，当将怠速转速设定得较低时，坡道起步性恶化，此外，在进行坡道起步时，当不增大油门踏板的踩下量时，就得不到充分的发动机扭矩，但根据本发明，在起步时预先得到了充分的增压压力，因此即使将怠速转速设定得较低、或者起步时的油门踏板的踩下量较小，也能够得到充分的发动机扭矩。即，根据本发明，能够与怠速转速、油门的接通断开无关地提高坡道起步时的发动机扭矩。
此外，根据本发明，即使通过发动机尺寸减小来进行小排量化，也能够确保良好的坡道起步性。因此，能够实现进一步的发动机尺寸减小，并能够进一步提高燃料消耗率。
并且，在本发明中，与追加机械式的增压器或者追加混合动力技术的现有技术相比较，系统规模较小且成本较低。
此外，在涡轮增压系统1中，根据大气压和进气温度来修正与车辆进行起步的道路的坡度相应的转速，并以该修正后的转速驱动电动马达5，因此能够与行驶场所的高度、大气温度无关地在坡道起步时总是得到充分的发动机扭矩。
此外，在电动辅助涡轮增压器2中，在排气能量存在余量时，还能够将电动马达5用作为发电机而得到再生电力。
本发明并不限定于上述实施方式，当然能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变更。
例如，在上述实施方式中，说明了发动机E为柴油机的情况，但本发明除了柴油机以外还能够应用于汽油机等。
符号的说明
1 涡轮增压系统
2 电动辅助涡轮增压器
3 涡轮机
4 压缩机
5 电动马达
6 排气通路
7 进气通路
21 电动马达控制部

Claims (5)

1.一种涡轮增压系统，其特征在于，具备：
电动辅助涡轮增压器，具有配置在发动机的排气通路中而通过排气来驱动的涡轮机、配置在进气通路中而通过上述涡轮机的转矩来驱动的压缩机、及对上述压缩机的驱动力进行辅助的电动马达；以及
电动马达控制部，在检测到坡道时的起步动作时，驱动上述电动马达。
2.如权利要求1所述的涡轮增压系统，其中，
上述电动马达控制部构成为，以与车辆进行起步的道路的坡度相应的转速来驱动上述电动马达。
3.如权利要求1或2所述的涡轮增压系统，其中，
上述电动马达控制部构成为，在车辆进行起步的道路的坡度大于规定阈值时，在起步时预先驱动上述电动马达。
4.如权利要求3所述的涡轮增压系统，其中，
上述电动马达控制部构成为，根据大气压来修正与车辆进行起步的道路的坡度相应的转速，并以该修正后的转速来驱动上述电动马达。
5.如权利要求3或4所述的涡轮增压系统，其中，
上述电动马达控制部构成为，根据进气温度来修正与车辆进行起步的道路的坡度相应的转速，并以该修正后的转速来驱动上述电动马达。
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