CN107476877B - 内燃机的增压系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种内燃机的增压系统，既能使发动机产生的扭矩相应于驾驶者的要求，又能提高将发动机、增压机及发电机组合在一起的系统整体的效率。增压系统包括具备电动发电机的增压机、及可变地设定进气阀的闭阀时机(IVC角度)的可变装置。涡轮转速控制部件在处于再生运转区域内时，朝关闭侧控制排气泄压阀的开度，并且调整电动发电机的发电量，由此来将涡轮转速控制为以涡轮效率得以最佳化的方式而决定的目标涡轮转速，扭矩控制部件在运转状态处于再生运转区域内且处于增压运转区域内时，对进气旁通阀的开度、IVC角度与进气节气阀的开度进行协调控制，由此来将产生扭矩控制为需求扭矩。

Description

内燃机的增压系统
技术领域
本发明涉及一种内燃机(internal combustion engine)的增压系统(supercharging system)。更详细而言，本发明涉及一种具备使用内燃机的排气能量(energy)来压缩进气的增压机、及将增压机的旋转轴的轴输出的一部分转换为电能的发电机(generator)的、内燃机的增压系统。
背景技术
提出有一种技术：在将设于内燃机的进气通路中的压缩机(compressor)与设于排气通路中的涡轮(turbine)利用旋转轴予以连结的增压机中，使用发电机来将通过使内燃机的排气作用于涡轮而获得的旋转轴的轴输出的一部分转换为电能(例如参照专利文献1)。而且，在专利文献2中展示了一种发明，其在认为涡轮效率高的特定转速区域内，执行发电机的再生发电。专利文献2所展示的发明中，当执行再生发电时，使用可变叶片(vane)或排气泄压阀(wastegate valve)来增大供给至涡轮的排气能量，以将增压压力维持为目标增压压力，由此来防止加速性能下降。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2004-162648号公报
专利文献2：日本专利特开2007-262970号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
专利文献2的发明中，设想了在车辆加速时因执行再生发电而增压压力低于目标增压压力，从而导致加速性能下降的情况。但是也要考虑下述情况，即：若为了执行再生发电而使排气作用于涡轮，则会导致进气被压缩机过剩地增压，从而相对于驾驶者的需求而产生不必要的扭矩(torque)，但在以往对此种情况并未作充分研讨。
而且，在专利文献2的发明中，作为对再生发电中的增压压力进行控制的部件，列举了可变叶片或排气泄压阀。因此，在再生发电的执行时产生剩余扭矩(surplus torque)的情况下，考虑使用这些设于排气系统中的装置来降低增压压力，但若如此，则供给至涡轮的排气能量将下降，通过再生发电获得的电能也将下降，结果，将增压机(supercharger)、发电机及内燃机合在一起的系统整体的效率也有下降之虞。
本发明的目的在于提供一种内燃机的增压系统，既能使内燃机产生的扭矩相应于驾驶者的需求，又能提高将内燃机、增压机及发电机组合在一起的系统整体的效率。
[解决问题的技术手段]
(1)内燃机(例如后述的发动机(engine)1)的增压系统(例如后述的增压系统S、Sa)包括：增压机(例如后述的增压机5)，包含设于内燃机的进气通路(例如后述的主进气管22)的压缩机(例如后述的压缩机51)、设于所述内燃机的排气通路(例如后述的主排气管27)的涡轮(例如后述的涡轮52)、连结所述涡轮与所述压缩机的旋转轴(例如后述的旋转轴53)、及将所述旋转轴的轴输出的一部分转换为电能的发电机(例如后述的电动发电机(motor generator)54)；排气泄压阀(例如后述的排气泄压阀29)，对相对于所述排气通路而连接在所述涡轮的入口侧与出口侧的排气旁通通路(例如后述的排气旁通管28)进行开闭；涡轮转速控制部件(例如后述的动力驱动单元(Power Drive Unit，PDU)55及电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)7以及后述的与涡轮转速控制的执行相关的部件)，使用所述排气泄压阀及所述发电机来控制涡轮转速；进气旁通阀(例如后述的进气旁通阀24)，对相对于所述进气通路而连接在所述压缩机的入口侧与出口侧的进气旁通通路(例如后述的进气旁通管23)进行开闭；闭阀时机可变装置(例如后述的IN侧可变正时控制(Variable Timing Control，VTC)15)，可变地设定所述内燃机的进气阀(例如后述的进气阀13)的闭阀时机(例如后述的进气阀关闭(Inlet Valve Closed，IVC)角度)；扭矩控制部件(例如后述的ECU7及后述的与扭矩控制的执行相关的部件)，使用所述进气旁通阀及所述闭阀时机可变装置来控制所述内燃机的产生扭矩；以及再生判定部件(例如后述的ECU7及与图2的S2及S3的处理的执行相关的部件)，判定所述内燃机的运转状态是否处于进行所述发电机的再生运转的再生运转区域内，在所述运转状态处于所述再生运转区域内的情况下，所述涡轮转速控制部件朝关闭侧控制所述排气泄压阀的开度，并且调整所述发电机的发电量，由此来将所述涡轮转速控制在以涡轮效率得以最佳化的方式而决定的目标范围内，在所述涡轮转速被控制在所述目标范围内且所述运转状态处于进行所述压缩机的增压运转的增压运转区域内的情况下，所述扭矩控制部件对所述进气旁通阀的开度与所述进气阀的闭阀时机进行协调控制，由此来将所述产生扭矩控制为需求扭矩。
(2)此时，优选的是，在所述涡轮转速被控制在所述目标范围内且所述运转状态处于所述增压运转区域外的情况下，所述扭矩控制部件将所述进气旁通阀的开度设为全开，并且调整所述进气阀的闭阀时机，由此来将所述产生扭矩控制为所述需求扭矩。
(3)此时，优选的是，所述内燃机的增压系统还包括：切断阀(例如后述的切断阀30)，设于所述进气通路中的由所述进气旁通通路绕过的区间(后述的连接部a至连接部b为止的区间)内，在所述涡轮转速被控制在所述目标范围内且所述运转状态处于所述增压运转区域外的情况下，所述扭矩控制部件将所述切断阀的开度设为全闭且将所述进气旁通阀的开度设为全开。
(4)此时，优选的是，在所述运转状态处于所述再生运转区域内的情况下，所述涡轮转速控制部件将所述排气泄压阀设为全闭。
(5)此时，优选的是，所述内燃机的增压系统还包括：进气节气阀(例如后述的进气节气阀25)，设于所述进气通路中的较由所述进气旁通通路绕过的区间(后述的连接部a至连接部b为止的区间)更下游侧，所述扭矩控制部件对所述进气旁通阀的开度、所述进气阀的闭阀时机与所述进气节气阀的开度进行协调控制，由此来将所述产生扭矩控制为所述需求扭矩。
(6)此时，优选的是，所述涡轮转速控制部件通过使用所述涡轮叶片的圆周速度U、与所述涡轮的入口和出口的理论绝热喷出速度C0的速度比U/C0，来设定所述目标范围，所述涡轮的入口和出口的理论绝热喷出速度C0是使用所述涡轮的入口焓H1及绝热膨胀时的所述涡轮的出口焓H2并使用下述式(1)而导出。
Figure BDA0001312723160000041
[发明的效果]
(1)本发明中，当内燃机的运转状态处于再生运转区域内时，朝关闭侧控制排气泄压阀的开度，使排气能量对涡轮的供给量增加，且调整发电机的发电量，由此来将涡轮转速控制在以涡轮效率得以最佳化的方式而决定的规定的目标范围内。若如此般着眼于使涡轮效率最佳化来控制涡轮转速，压缩机的工作量将较与需求扭矩相应的量而增加，结果，内燃机的燃烧室内有可能流入比恰当地实现需求扭矩所需的量更多的空气。不过，此种剩余空气的流入例如能够通过延迟进气阀的闭阀时机来防止。但是，只是简单地调整进气阀的闭阀时机，无法减少压缩机的工作量，因此有可能产生如下所述的新问题，即，压缩机的出口压力相对于入口压力而上升，从而产生湍振(surging)。若产生湍振，则有可能无法将涡轮转速维持在以涡轮效率得以最佳化的方式而决定的目标范围内，或者产生噪音或振动。因此，本发明中，如上所述，当涡轮转速被控制在目标范围内且运转状态处于进行使用压缩机的增压运转的增压运转区域内时，通过对进气旁通阀的开度与进气阀的闭阀时机进行协调控制，从而将产生扭矩控制为需求扭矩。若打开进气旁通阀，则空气将经由进气旁通通路而从压缩机的出口侧流向入口侧，从而能够减小压缩机的入口压力与出口压力之差，因此既能够如上所述般通过调整进气阀的闭阀时机来实现需求扭矩，也能够防止湍振的产生。因而，本发明中，通过组合执行使涡轮效率最佳化的涡轮转速控制、与进气旁通阀的开度及进气阀的闭阀时机的协调控制，从而既能够将内燃机的产生扭矩控制为与驾驶者的需求相应的需求扭矩，又能够防止增压机产生湍振，从而能够将涡轮转速维持在以涡轮效率得以最佳化的方式而决定的目标范围内，因此能够提高将内燃机、增压机与发电机组合在一起的系统整体的效率。
(2)本发明中，在因运转状态处于再生运转区域内而通过涡轮转速控制部件来将涡轮转速控制在目标范围内的情况且运转状态处于增压运转区域外的情况下，通过将进气旁通阀的开度设为全开，从而既极力抑制压缩机的出口压力、甚而极力抑制增压压力的上升，又通过调整进气阀的闭阀时机来将产生扭矩控制为需求扭矩。由此，即使处于不需要压缩机增压的增压运转区域外，也能够将涡轮转速控制在涡轮效率得以最佳化的目标范围内，并使用发电机来进行有效率的发电，还能够恰当地实现需求扭矩。
(3)本发明中，在通过涡轮转速控制部件来将涡轮转速控制在目标范围内的情况且运转状态处于增压运转区域外的情况下，将切断阀的开度设为全闭且将进气旁通阀的开度设为全开。若在涡轮旋转的同时将切断阀的开度设为全闭且将进气旁通阀的开度设为全开，则进气将在进气旁通通路中流动，压缩机将空转。因此，根据本发明，即使处于不需要压缩机增压的增压运转区域外，也能够使用发电机来进行有效率的发电，且能够恰当地实现需求扭矩。
(4)本发明中，当运转状态处于再生运转区域内时，将排气泄压阀设为全闭。由此，能够使排气能量对涡轮的供给量最大限度地增加，因此相应地，可由发电机回收的电能也能够增加。
(5)根据本发明，通过对进气旁通阀的开度、进气阀的闭阀时机与进气节气阀的开度进行协调控制，从而将产生扭矩控制为需求扭矩。由此，如上所述，能够防止湍振的产生并能够恰当地实现需求扭矩，除此以外，还能够抑制泵送损耗，因此能够进一步提高将内燃机、增压机与发电机组合在一起的系统整体的效率。
(6)涡轮效率具有相对于涡轮的叶片的圆周速度与涡轮的入口和出口的理论绝热喷出速度的速度比而上凸的特性。本发明中，通过如此般使用与涡轮效率存在相关的速度比，从而能够将涡轮转速的目标范围设定在涡轮效率高的适当范围内。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式的增压系统的结构的图。
图2是表示由ECU进行的涡轮转速控制的具体流程的流程图。
图3是表示涡轮效率与速度比的相关关系的图。
图4是表示由ECU进行的扭矩控制的具体流程的流程图。
图5是表示发动机的运转状态、与跟扭矩控制及涡轮转速控制相关的各种装置的操作量目标的关系的一例的图。
图6是表示本发明的第2实施方式的增压系统的结构的图。
图7是表示由ECU进行的扭矩控制的具体流程的流程图。
图8是表示发动机的运转状态、与跟扭矩控制及涡轮转速控制相关的各种装置的操作量目标的关系的一例的图。
[符号的说明]
S、Sa：增压系统
1：发动机(内燃机)
5：增压机
6：排气净化催化剂
7：ECU(涡轮转速控制部件、再生判定部件、增压判定部件、扭矩控制部件)
7a：ECU
11：气缸
12：曲轴
13：进气阀
14：排气阀
15：IN侧VTC(闭阀时机可变装置)
16：EX侧VTC
17：进气凸轮轴
18：排气凸轮轴
21：进气管
22：主进气管(进气通路)
23：进气旁通管
24：进气旁通阀
25：进气节气阀
26：排气管
27：主排气管(排气通路)
28：排气旁通管(排气旁通通路)
29：排气泄压阀
30：切断阀
51：压缩机
52：涡轮
53：旋转轴
54：电动发电机(发电机)
55：PDU(涡轮转速控制部件)
61：曲柄角传感器
62：加速踏板传感器
63：涡轮转速传感器
64：增压压力传感器
65：涡轮入口压力传感器
66：涡轮入口温度传感器
67：涡轮出口压力传感器
68：涡轮出口温度传感器
a～d：连接部
S1～S10、S21～S25、S31～S35：步骤
具体实施方式
＜第1实施方式＞
以下，参照附图来说明本发明的第1实施方式。
图1是表示本实施方式的内燃机的增压系统S的结构的图。增压系统S具备作为动力产生源的内燃机(以下简称作“发动机”)1、利用发动机1的排气能量来对发动机1的进气进行增压或发电的增压机5、对发动机1的排气进行净化的排气净化催化剂6、以及控制它们的电子控制单元(以下使用“ECU”这一简称)7，该增压系统S被搭载于未图示的车辆中。
发动机1具备例如两个以上的多个气缸11，是以汽油(gasoline)为燃料的多气缸的汽油发动机。图1中仅图示了多个气缸11中的一个。在发动机1中设有进气凸轮轴(camshaft)17及排气凸轮轴18，该进气凸轮轴17及排气凸轮轴18经由正时皮带(timing belt)而与曲轴(crank shaft)12连结，且与曲轴12联动地旋转。更具体而言，当曲轴12旋转两圈时，进气凸轮轴17及排气凸轮轴18将旋转一圈。在进气凸轮轴17上，设有对针对每个气缸11所设的进气阀13进行开闭驱动的进气凸轮，在排气凸轮轴18上，设有对针对每个气缸11所设的排气阀14进行开闭驱动的排气凸轮。由此，当进气凸轮轴17及排气凸轮轴18旋转时，进气阀13及排气阀14以与设于这些凸轮轴上的凸轮的轮廓(profile)相应的形态而进退(开闭)。
在进气凸轮轴17的一端部，设有对进气凸轮相对于曲轴12的凸轮相位进行变更的、进气侧的凸轮相位可变机构(以下称作“IN侧VTC”)15。而且，在排气凸轮轴18的一端部，设有对排气凸轮相对于曲轴12的凸轮相位进行变更的、排气侧凸轮相位可变机构(以下称作“EX侧VTC”)16。
IN侧VTC15根据来自ECU7的控制信号来使进气凸轮轴17的凸轮相位无级地提前或滞后，从而可变地设定进气阀13的开阀时机或闭阀时机。EX侧VTC16根据来自ECU7的控制信号来使排气凸轮轴18的凸轮相位无级地提前或滞后，从而可变地设定排气阀14的开阀时机或闭阀时机。
增压机5具备：压缩机51，可旋转地设在发动机1的进气所流经的进气管21中；涡轮52，可旋转地设在发动机1的排气所流经的排气管26中；旋转轴53，连结所述压缩机51及涡轮52；电动发电机54，具备作为电动机的功能及作为发电机的功能这两种功能，所述电动机是将该旋转轴53作为转子(rotor)而使用电能来旋转驱动，所述发电机是将旋转轴53的轴输出转换为电能；以及动力驱动单元(以下使用“PDU”这一简称)55，进行该电动发电机54与未图示的车载电池(battery)之间的电力授受。
涡轮52在从发动机1排出的排气产生作用时，使用排气能量即排气的热能或动能等来旋转。压缩机51经由旋转轴53而与涡轮52连接，在如上所述般通过使排气作用于涡轮52而涡轮52旋转的情况下、或使用电动发电机54来直接对旋转轴53进行旋转驱动的情况下旋转，从而对流经进气管21内的进气进行加压。
PDU55包含逆变器(inverter)或直流-直流(Direct Current-Direct Current，DC-DC)转换器(converter)等，根据来自ECU7的指令信号来控制电动发电机54与未图示的电池之间的电力授受。当使电动发电机54进行动力运转时，PDU55取出蓄积在电池中的电力来供给至电动发电机54，使旋转轴53与连结于该旋转轴53的压缩机51及涡轮52强制旋转。而且，当使电动发电机54进行再生运转时，PDU55将通过排气作用于涡轮52而旋转轴53旋转从而由电动发电机54所产生的感应电动势供给至电池。在该再生运转时，若加大电动发电机54的发电量，则由电动发电机从旋转轴的轴输出取出的电能将增加，作用于旋转轴的制动力将增加，因此相当于压缩机51、涡轮52及旋转轴53的旋转速度的涡轮转速将减少。而且，若减小再生运转时的电动发电机54的发电量，则作用于旋转轴的制动力将减少，因此涡轮转速增加。
进气管21被分为：主进气管22，是从增压系统S的外部到达发动机1的进气埠(port)的配管，设有增压机5的压缩机51；以及进气旁通管23，相对于该主进气管22而连接在压缩机51的入口侧的连接部a与出口侧的连接部b，绕过压缩机51。
在进气旁通管23中，设有对该进气旁通管23进行开闭的进气旁通阀24。在压缩机51旋转期间，当将该进气旁通阀24开阀时，经压缩机51压缩的进气的一部分经由进气旁通管23而从压缩机51的出口侧回流至入口侧，由此，压缩机51的出口压力下降，甚而，增压压力也下降。而且，在主进气管22中的较由进气旁通管23绕过的区间(图1中为从连接部a至连接部b为止的区间)更下游侧，设有对主进气管22进行开闭的进气节气阀25。
所述进气旁通阀24及进气节气阀25分别经由未图示的驱动电路而连接于ECU7。所述进气旁通阀24及进气节气阀25通过在ECU7中执行的扭矩控制(参照后述的图4)而控制为适当的开度。
排气管26被分为：主排气管27，是从发动机1的排气埠到达增压系统S的外部的配管，且设有增压机5的涡轮52；以及排气旁通管28，相对于该主排气管27而连接在涡轮52的入口侧的连接部c与出口侧的连接部d，绕过涡轮52。
在排气旁通管28中，设有对该排气旁通管28进行开闭的排气泄压阀29。当将排气泄压阀29闭阀时，排气作用于涡轮52，通过该排气能量，涡轮52旋转。该排气泄压阀29经由未图示的驱动电路而连接于ECU7。排气泄压阀29通过在ECU7中执行的涡轮转速控制(参照后述的图2)而控制为适当的开度。
ECU7包含对各种传感器(sensor)的检测信号进行模拟/数字(Analog/Digital，A/D)转换的输入/输出(Input/Output，I/O)接口(interface)、存储各种数据(data)的随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或只读存储器(Read Only Memory，ROM)等存储装置、及执行后述的扭矩控制或涡轮转速控制等各种运算处理的中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)等。
在ECU7上，连接有用于对发动机1的运转状态进行检测的多个传感器61～68。曲柄角传感器61对应于固定在曲轴12上的未图示的脉冲发生器(pulser)的旋转，在规定的每个曲柄角将脉冲信号发送至ECU7。在ECU7中，基于来自该曲柄角传感器61的脉冲信号来掌握实际的发动机转速。加速踏板(accelerator pedal)传感器62检测驾驶者所操作的加速踏板的踩踏量，并将与此相应的检测信号发送至ECU7。与从驾驶者对发动机1的产生扭矩的需求相当的、发动机1的需求扭矩是基于该加速踏板传感器62的检测信号或发动机转速等，而通过ECU7中的未图示的处理来算出。
涡轮转速传感器63检测增压机5的涡轮转速，并将与检测值相应的信号发送至ECU7。增压压力传感器64对与主进气管22中的进气旁通管23和主进气管22的较压缩机51更下游侧的连接部与进气节气阀25之间的压力相当的、增压压力进行检测，并将与检测值相应的信号发送至ECU7。
涡轮入口压力传感器65对与主排气管27中的由排气旁通管28绕过的区间内(图1中为从连接部c至连接部d为止的区间)的、较涡轮52更上游侧部分的压力相当的涡轮入口压力进行检测，并将与检测值相应的信号发送至ECU7。涡轮入口温度传感器66对与主排气管27中的由排气旁通管28绕过的区间内的、较涡轮52更上游侧部分的排气温度相当的涡轮入口温度进行检测，并将与检测值相应的信号发送至ECU7。
涡轮出口压力传感器67对与主排气管27中的由排气旁通管28绕过的区间内的、较涡轮52更下游侧部分的压力相当的涡轮出口压力进行检测，并将与检测值相应的信号发送至ECU7。涡轮出口温度传感器68对与主排气管27中的由排气旁通管28绕过的区间内的、较涡轮52更下游侧部分的排气温度相当的涡轮出口温度进行检测，并将与检测值相应的信号发送至ECU7。
接下来，对通过使用排气泄压阀或电动发电机等来控制增压机的涡轮转速的、涡轮转速控制的流程进行说明。
图2是表示由ECU进行的涡轮转速控制的具体流程的流程图。图2的涡轮转速控制是在发动机启动期间，以规定的周期而在ECU中反复执行。
首先，在S1中，ECU获取确定发动机运转状态的参数(parameter)的一例即需求扭矩，并前往S2。如上所述，需求扭矩是通过使用加速踏板传感器的检测信号或发动机转速等而算出。
在S2及S3中，ECU通过使用在S1中获取的需求扭矩，从而判定发动机的运转状态是否处于适合于进行电动发电机的再生运转的运转区域即再生运转区域内。更具体而言，在S2中，ECU判定在S1中获取的需求扭矩的值是否为规定的再生运转下限值以上。若需求扭矩的值小于再生运转下限值，则认为从发动机排出的排气的能量小，因此判断为不适合于进行再生运转。而且，在S3中，ECU判定在S1中获取的需求扭矩的值是否小于规定的再生运转上限值。若需求扭矩的值为再生运转上限值以上，则认为必须使电动发电机进行动力运转以尽可能提高增压压力，因此判断为不适合于进行再生运转。
若S2的判定为否，则ECU将排气泄压阀设为全开(参照S4)，并结束该处理。当将排气泄压阀设为全开时，从发动机排出的排气几乎全部流经排气旁通管而不作用于涡轮，因此涡轮转速大致为0。而且，若S3的判定为否，则ECU将排气泄压阀设为全闭(参照S5)，并前往S6。当将排气泄压阀设为全闭时，从发动机排出的排气几乎全部作用于涡轮，通过该排气能量，涡轮及压缩机旋转。在S6中，ECU取出蓄积在电池中的电力而使电动发电机进行动力运转，并结束该处理。
若S2及S3的判定均为是，即，若需求扭矩的值处于再生运转下限值与再生运转上限值之间，则ECU判定为发动机的运转状态处于再生运转区域内，前往S7以执行电动发电机的再生运转。在S7中，ECU朝关闭侧控制排气泄压阀，更具体而言，将排气泄压阀设为全闭，使从发动机排出的排气作用于涡轮，并前往S8。
在S8中，ECU算出涡轮的速度比U/C0的值，并前往S9。此处，所谓涡轮的速度比U/C0，是指跟与涡轮的工作量相对于供给至涡轮的排气能量的比例相当的涡轮效率存在相关的参数，其值是通过将涡轮的最外周圆周速度U的值除以理论绝热喷出速度C0的值而算出。此处，所谓最外周圆周速度U，相当于设于涡轮的多个叶片末端(tip end)的速度，其值是通过将使用涡轮转速传感器所获取的涡轮转速乘以涡轮叶片的外径而算出。而且，理论绝热喷出速度C0的值是通过如下述式(2)所示般，使用涡轮入口焓H1及绝热膨胀时的涡轮出口焓H2的值而算出。此处涡轮入口焓H1的值例如是通过使用从涡轮入口压力传感器65的输出获得的涡轮入口压力、或从涡轮入口温度传感器66的输出获得的涡轮入口温度等而算出。而且，涡轮出口焓H2的值例如是通过使用从涡轮出口压力传感器67的输出获得的涡轮出口压力、或从涡轮出口温度传感器68的输出获得的涡轮出口温度等而算出。
Figure BDA0001312723160000121
在S9中，ECU通过使用在S8中算出的速度比U/C0的值，从而设定与涡轮转速的目标相当的目标涡轮转速的值，并前往S10。
图3是表示涡轮效率与速度比U/C0的相关关系的图。如图3所示，涡轮效率存在相对于速度比U/C0而上凸的特性。即，涡轮效率存在当速度比U/C0的值处于规定的最佳范围(更具体而言为0.6～0.7左右)时达到最大的特性。而且，速度比U/C0与涡轮转速存在比例关系。S9中，ECU基于此种涡轮效率与速度比的关系来设定目标涡轮转速的值，以使速度比U/C0落在使涡轮效率最佳化的最佳范围内。
返回图2，在S10中，ECU通过使用在S9中设定的目标涡轮转速与由涡轮转速传感器所检测出的涡轮转速的偏差的反馈(feedback)控制，来调整电动发电机的发电量，换言之，调整从电动发电机作用于旋转轴的制动力，以使涡轮转速成为目标涡轮转速。
接下来，对通过协调使用进气旁通阀、IN侧VTC及进气阀等来控制发动机的产生扭矩的扣矩控制流程进行说明。
图4是表示由ECU进行的扭矩控制的具体流程的流程图。图4的扭矩控制是在发动机的启动期间内，与图2的涡轮转速控制并行地以规定的周期而在ECU中反复执行。
首先，在S21中，ECU与图2的S1同样地获取需求扭矩，并前往S22。在S22中，ECU算出为了恰当地实现在S21中获取的需求扭矩而在发动机中所需的进气流量的值，将其作为目标进气流量，并前往S23。在S23中，ECU使用增压压力传感器的输出信号来获取增压压力，并前往S24。
在S24及S25中，ECU对进气旁通阀的开度、进气节气阀的开度、与进气行程中的进气阀的闭阀时机进行协调控制，从而恰当地实现根据需求扭矩而设定的目标进气流量。更具体而言，在S24中，通过使用在先前的步骤中获取的需求扭矩、目标进气流量及增压压力等，从而算出用于实现目标进气流量，即，用于将发动机的产生扭矩控制为需求扭矩的进气旁通阀的目标开度、进气阀的闭阀时机及进气节气阀的目标开度等与扭矩控制相关的各种装置的操作量目标，并前往S25。以下，将发动机的运转状态定性地分为不同的四种状态，对于设定各种装置的操作量目标的具体流程，参照图5来对每种运转状态进行说明。
图5是表示发动机的运转状态、与跟涡轮转速控制及扭矩控制相关的各种装置的操作量的关系的一例的图。图5中上段的三个表示涡轮转速控制中的速度比U/C0、涡轮转速及排气泄压阀的开度和需求扭矩的关系。图5中下段的三个表示扭矩控制中的进气旁通阀的开度、进气节气阀的开度及与进气行程中的进气阀的闭阀时机相当的IVC角度(intake-valve-closing angle)和需求扭矩的关系。
发动机的运转状态被分为：1.处于再生运转区域外且需要增压机的压缩机的增压运转的增压运转区域外的情况；2.处于再生运转区域内且增压运转区域外的情况；3.处于再生运转区域内且增压运转区域内的情况；4.处于再生运转区域外且增压运转区域内的情况这四种。另外，当使用需求扭矩来作为确定发动机运转状态的参数时，增压运转区域如图5所示，是定义为需求扭矩的值成为设定在规定再生运转区域的再生运转下限值与再生运转上限值之间的增压运转阈值以上的区域。
首先，对发动机的运转状态处于再生运转区域外且增压运转区域外的情况进行说明。此时，进气旁通阀的目标开度不论需求扭矩的值而设定为其最大开度(即全开)。而且，在该区域中，将进气旁通阀维持为全开，且调整IVC角度与进气节气阀的开度以实现目标进气流量。此时，优选的是，需求扭矩越大，则越加大进气节气阀的目标开度，IVC角度越朝滞后侧变更。由此，既能实现目标进气流量，又能抑制不必要的泵送损耗。
接下来，对发动机的运转状态处于再生运转区域内且增压运转区域外的情况进行说明。由于该区域处于再生运转区域内，因此执行关闭排气泄压阀而将涡轮转速控制为目标涡轮转速的涡轮转速控制，因此会产生很多压缩机的工作。而且，由于该区域处于不需要压缩机增压的增压运转区域外，因此必须极力抑制增压压力的上升。因此，在该区域中，进气旁通阀的目标开度不论需求扭矩的值而设定为其最大开度，以使压缩机出口侧的空气尽可能回流至入口侧，由此来抑制压缩机的出口压力，甚而抑制增压压力的上升。而且，在该区域中，通过将进气旁通阀维持为全开，并根据需求扭矩的值来调整进气节气阀的目标开度及IVC角度，从而实现目标进气流量。更具体而言，优选的是，需求扭矩越大，则越加大进气节气阀的目标开度，IVC角度越朝滞后侧变更。由此，既能实现目标进气流量，又能抑制不必要的泵送损耗。
此外，根据图2的涡轮转速控制，当发动机的运转状态由再生运转区域外变化至再生运转区域内时，排气泄压阀由全开切换为全闭，压缩机开始旋转。此时，增压压力如上所述，因进气旁通阀维持为全开而不会大幅上升，但由于压缩机开始旋转，因而会较恰当地实现需求扭矩所需的压力稍许上升，从而有可能使超过目标进气流量的剩余空气流入。因此，当运转状态由再生运转区域外变化至再生运转区域内时，如图5所示，将IVC角度阶段状地朝滞后侧变更，以防止此种剩余空气的流入。另外，此种剩余空气的流入通过朝关闭侧阶段状地变更进气节气阀的开度也能够防止，但为了抑制不必要的泵送损耗，优选的是如图5所示般优先变更IVC角度。
接下来，对发动机的运转状态处于再生运转区域内且增压运转区域内的情况进行说明。在该区域中，首先，进气节气阀的目标开度不论需求扭矩的值而设定为其最大开度(即全开)，以尽可能抑制泵送损耗。而且，在该区域中，由于要控制涡轮转速以使涡轮效率最佳化，因而压缩机的工作量会较与需求扭矩相应的量而增加，结果，发动机的燃烧室内有可能流入超过恰当地实现需求扭矩所需的目标进气流量的剩余空气。为了防止此种剩余空气的流入，对于IVC角度，不论需求扭矩的值而在容许范围内设定为最小角度。即，通过在容许范围内将进气阀的闭阀时机设定至最滞后侧，从而极力防止剩余空气的流入。而且，在IVC角度的滞后化中，由于无法减少压缩机的工作量，因此压缩机的出口压力将相对于入口压力而上升，有可能产生湍振。并且，若产生湍振，则有可能无法将涡轮转速维持为目标涡轮转速，或者产生噪音或振动。因此，在该区域中，通过如上所述般设定进气节气阀的目标开度及IVC角度，并且进而对于进气旁通阀的目标开度，在其最大开度与最小开度(即全闭)之间根据需求扭矩的值来进行调整，从而实现目标进气流量。更具体而言，优选的是，如图5所示，进气旁通阀的目标开度是设定为，随着需求扭矩的增加，换言之，随着实现需求扭矩所需的增压压力的增加而变小。通过如此般控制进气旁通阀的开度，从而既能防止湍振的产生，又能恰当地实现目标进气流量。
接下来，对发动机的运转状态处于再生运转区域外且增压运转区域内的情况进行说明。在该区域中，进气旁通阀的目标开度不论需求扭矩的值而设定为其最小开度，进气节气阀的目标开度不论需求扭矩的值而设定为其最大开度。而且，在该区域中，IVC角度不论需求扭矩的值而设定为其最小角度。即，进气行程中的进气阀的闭阀时机不论需求扭矩的值而在容许范围内设定至最滞后侧。
在S25中，ECU驱动进气旁通阀、IN侧VTC及进气节气阀等，以实现在S24中如上所述般根据发动机的运转状态而分别协调地设定的目标，并结束该处理。
根据本实施方式的增压系统，起到以下效果。
(1)本实施方式中，当发动机的运转状态处于再生运转区域内时，朝关闭侧控制排气泄压阀的开度，使排气能量对涡轮的供给量增加，且调整电动发电机的发电量，由此来将涡轮转速控制在以涡轮效率得以最佳化的方式而决定的目标涡轮转速内。而且，本实施方式中，当涡轮转速被控制为目标涡轮转速且运转状态处于增压运转区域内时，通过对进气旁通阀的开度与进气阀的闭阀时机进行协调控制，从而将产生扭矩控制为需求扭矩。即，本实施方式中，通过组合执行使涡轮效率最佳化的涡轮转速控制、与进气旁通阀的开度及进气阀的闭阀时机的协调控制，从而既能够将内燃机的产生扭矩控制为需求扭矩，又能够防止增压机产生湍振，从而能够将涡轮转速维持为以涡轮效率得以最佳化的方式而决定的目标涡轮转速，因此能够提高将发动机、增压机与电动发电机组合在一起的增压系统整体的效率。
(2)本实施方式中，当发动机的运转状态处于再生运转区域内且增压运转区域外时，通过将进气旁通阀的开度设为全开，从而既极力抑制压缩机的出口压力、甚而极力抑制增压压力的上升，又通过调整进气阀的IVC角度来将产生扭矩控制为需求扭矩。由此，即使处于不需要压缩机增压的增压运转区域外，也能够将涡轮转速控制为目标涡轮转速，并使用电动发电机来进行有效率的发电，还能够恰当地实现需求扭矩。
(3)本实施方式中，当发动机的运转状态处于再生运转区域内时，将排气泄压阀设为全闭。由此，能够使排气能量对涡轮的供给量最大限度地增加，因此，相应地，可由发电机回收的电能也能够增加。
(4)根据本发明，通过对进气旁通阀的开度、进气阀的闭阀时机与进气节气阀的开度进行协调控制，从而将产生扭矩控制为需求扭矩。由此，如上所述，能够防止湍振的产生并能够恰当地实现需求扭矩，除此以外，还能够抑制泵送损耗，因此能够进一步提高将内燃机、增压机与发电机组合在一起的系统整体的效率。
(5)涡轮效率具有相对于涡轮叶片的圆周速度与涡轮的入口和出口的理论绝热喷出速度的速度比而上凸的特性。本发明中，通过使用存在此种相关的速度比，从而能够将目标涡轮转速设定在涡轮效率高的适当范围内。
＜第2实施方式＞
接下来，参照附图来说明本发明的第2实施方式的增压系统Sa。另外，在以下的说明中，对于与第1实施方式相同的结构，标注相同的符号并省略其详细说明。
图6是表示本实施方式的增压系统Sa的结构的图。本实施方式的增压系统Sa与第1实施方式的增压系统S的不同之处在于：在主进气管22中的由进气旁通管23绕过的区间内(图6中为从连接部a至连接部b为止的区间内)，设有对该主进气管22进行开闭的切断阀30。更具体而言，切断阀30设在由进气旁通管23绕过的区间内且较增压机5的压缩机51更下游侧。
在压缩机51旋转期间，当将该切断阀30闭阀且将进气旁通阀开阀时，进气流经进气旁通管23，压缩机51空转，因此增压压力的上升得以抑制。该切断阀30经由未图示的驱动电路而连接至ECU7a。该切断阀30通过在ECU7a中执行的扭矩控制(参照后述的图7)而控制为适当的开度。
图7是表示由ECU进行的扭矩控制的具体流程的流程图。图7的扭矩控制是在发动机的启动期间，与图2的涡轮转速控制并行地以规定的周期在ECU中反复执行。而且，图7所示的处理中的S31～S33分别与图4的S21～S23相同，因此省略说明。
在S34及S35中，ECU通过对进气旁通阀的开度、进气节气阀的开度、进气行程中的进气阀的闭阀时机、与切断阀的开度进行协调控制，从而实现根据需求扭矩而设定的目标进气流量。更具体而言，在S34中，通过使用在先前的步骤中获取的需求扭矩、目标进气流量及增压压力等，从而算出用于实现目标进气流量，即，用于将发动机的产生扭矩控制为需求扭矩的进气旁通阀的目标开度、进气阀的闭阀时机、进气节气阀的目标开度及切断阀的目标开度等与扭矩控制相关的各种装置的操作量目标，并前往S35。
图8是表示发动机的运转状态、与跟涡轮转速控制及扭矩控制相关的各种装置的操作量的关系的一例的图。图8中上段的三个表示涡轮转速控制中的速度比U/C0、涡轮转速及排气泄压阀的开度和需求扭矩的关系。图8中下段的四个表示扭矩控制中的进气旁通阀的开度、进气节气阀的开度、与进气行程中的进气阀的闭阀时机相当的IVC角度及切断阀的开度和需求扭矩的关系。
如图8所示，各运转区域中的进气旁通阀、进气节气阀及进气阀的操作量目标与第1实施方式的增压系统S同样，因此省略说明。而且，切断阀的目标开度如图8所示，在处于增压运转区域外且进气旁通阀被设为全开的期间，不论需求扭矩的值而设定为其最小开度(即全闭)，以使得即便压缩机旋转，增压压力也不会上升。而且，切断阀的目标开度在处于增压运转区域内的情况下，不论需求扭矩的值而设定为其最大开度(即全开)，以免妨碍增压压力的上升。
根据本实施方式的增压系统，除了所述(1)～(5)以外，还起到以下效果。
(6)本发明中，当通过涡轮转速控制部件将涡轮转速控制在目标范围内且运转状态处于增压运转区域外时，将切断阀的开度设为全闭且将进气旁通阀的开度设为全开。若使涡轮旋转并将切断阀的开度设为全闭且将进气旁通阀的开度设为全开，则进气流经进气旁通通路，压缩机空转。因此，根据本发明，即使处于不需要压缩机增压的增压运转区域外，也能够使用发电机来进行有效率的发电，且能够恰当地实现需求扭矩。
以上，对本发明的两个实施方式进行了说明，但本发明并不限于此。也可在本发明的主旨的范围内适当变更细节的结构。

Claims (9)

1.一种内燃机的增压系统，其包括：
增压机，包含设于内燃机的进气通路的压缩机、设于所述内燃机的排气通路的涡轮、连结所述涡轮与所述压缩机的旋转轴、及将所述旋转轴的轴输出的一部分转换为电能的发电机；以及
排气泄压阀，对相对于所述排气通路而连接在所述涡轮的入口侧与出口侧的排气旁通通路进行开闭，
所述内燃机的增压系统的特征在于包括：
涡轮转速控制部件，使用所述排气泄压阀及所述发电机来控制涡轮转速；
进气旁通阀，对相对于所述进气通路而连接在所述压缩机的入口侧与出口侧的进气旁通通路进行开闭；
闭阀时机可变装置，可变地设定所述内燃机的进气阀的闭阀时机；
扭矩控制部件，使用所述进气旁通阀及所述闭阀时机可变装置来控制所述内燃机的产生扭矩；以及
再生判定部件，判定所述内燃机的运转状态是否处于进行所述发电机的再生运转的再生运转区域内，
在所述运转状态处于所述再生运转区域内的情况下，所述涡轮转速控制部件朝关闭侧控制所述排气泄压阀的开度，并且调整所述发电机的发电量，由此来将所述涡轮转速控制在以涡轮效率得以最佳化的方式而决定的目标范围内，
在所述涡轮转速被控制在所述目标范围内且所述运转状态处于进行所述压缩机的增压运转的增压运转区域内的情况下，所述扭矩控制部件对所述进气旁通阀的开度与所述进气阀的闭阀时机进行协调控制，由此来将所述产生扭矩控制为需求扭矩。
2.根据权利要求1所述的内燃机的增压系统，其特征在于，
在所述涡轮转速被控制在所述目标范围内且所述运转状态处于所述增压运转区域外的情况下，所述扭矩控制部件将所述进气旁通阀的开度设为全开，并且调整所述进气阀的闭阀时机，由此来将所述产生扭矩控制为所述需求扭矩。
3.根据权利要求2所述的内燃机的增压系统，其特征在于，还包括：
设于所述进气通路中的由所述进气旁通通路绕过的区间内的切断阀，
在所述涡轮转速被控制在所述目标范围内且所述运转状态处于所述增压运转区域外的情况下，所述扭矩控制部件将所述切断阀的开度设为全闭且将所述进气旁通阀的开度设为全开。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的内燃机的增压系统，其特征在于，
在所述运转状态处于所述再生运转区域内的情况下，所述涡轮转速控制部件将所述排气泄压阀设为全闭。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的内燃机的增压系统，其特征在于，还包括：
进气节气阀，设于所述进气通路中的较由所述进气旁通通路绕过的区间更下游侧，
所述扭矩控制部件对所述进气旁通阀的开度、所述进气阀的闭阀时机与所述进气节气阀的开度进行协调控制，由此来将所述产生扭矩控制为所述需求扭矩。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的内燃机的增压系统，其特征在于，
所述涡轮转速控制部件通过使用所述涡轮叶片的圆周速度U、与所述涡轮的入口和出口的理论绝热喷出速度C0的速度比U/C0，来设定所述目标范围，所述涡轮的入口和出口的理论绝热喷出速度C0是使用所述涡轮的入口焓H1及绝热膨胀时的所述涡轮的出口焓H2并使用下述式(1)而导出：
Figure FDA0002185220970000021
7.根据权利要求4所述的内燃机的增压系统，其特征在于，还包括：
进气节气阀，设于所述进气通路中的较由所述进气旁通通路绕过的区间更下游侧，
所述扭矩控制部件对所述进气旁通阀的开度、所述进气阀的闭阀时机与所述进气节气阀的开度进行协调控制，由此来将所述产生扭矩控制为所述需求扭矩。
8.根据权利要求4所述的内燃机的增压系统，其特征在于，
所述涡轮转速控制部件通过使用所述涡轮叶片的圆周速度U、与所述涡轮的入口和出口的理论绝热喷出速度C0的速度比U/C0，来设定所述目标范围，所述涡轮的入口和出口的理论绝热喷出速度C0是使用所述涡轮的入口焓H1及绝热膨胀时的所述涡轮的出口焓H2并使用下述式(1)而导出：
Figure FDA0002185220970000031
9.根据权利要求5所述的内燃机的增压系统，其特征在于，
所述涡轮转速控制部件通过使用所述涡轮叶片的圆周速度U、与所述涡轮的入口和出口的理论绝热喷出速度C0的速度比U/C0，来设定所述目标范围，所述涡轮的入口和出口的理论绝热喷出速度C0是使用所述涡轮的入口焓H1及绝热膨胀时的所述涡轮的出口焓H2并使用下述式(1)而导出：
Figure FDA0002185220970000032
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