JP2000179348A

JP2000179348A - ターボチャージャ

Info

Publication number: JP2000179348A
Application number: JP10359406A
Authority: JP
Inventors: Toshihide Miyajima; 寿英宮島
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2000-06-27
Anticipated expiration: 2018-12-17
Also published as: JP3670149B2

Abstract

(57)【要約】【課題】排気通路のバイパスに設けられた調節弁を不
要にするとともに、排気エネルギをさらに効率的に利用
できるようにする。【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられ排気圧力
により回転駆動する第一のタービンの上流側と下流側と
を連通するバイパスを通過する排気により第二のタービ
ンを駆動し、この第二のタービンにより回転駆動する発
電機の回転速度、内燃機関の回転速度、およびブロア下
流側の過給圧力を制御情報として発電機に供給する界磁
電流を調節制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関に利用す
る。本発明は、内燃機関の吸気圧力をその内燃機関の排
気圧力を利用して加圧するターボチャージャの改良に関
する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気通路に設けられ排気圧力
により回転駆動するタービンと、その内燃機関の吸気通
路に設けたブロアとを備え、このブロアの回転軸を前記
タービンの回転軸に連結し、排気圧力を利用して吸気圧
力を加圧することにより内燃機関の効率を改善するター
ボチャージャ（過給装置）が広く知られている。

【０００３】このようなターボチャージャは、排気通路
に設けたタービンの上流側通路と下流側通路とを連通す
るバイパスと、このバイパスの流量を加減する調節弁
（ウエイスト・ゲートバルブ）とを設け、この調節弁を
加減することにより、タービンの回転速度を調節するよ
うに構成されている。すなわち、この調節弁を閉じる方
向に制御すると、バイパスを通過する流量が小さくなり
タービンを通過する排気流量が大きくなるからタービン
は高速に回転することになり、この調節弁を開く方向に
制御すると、バイパスを通過する排気流量が大きくなっ
て、相対的にタービンを通過する排気流量が小さくなる
からタービンは低速に回転するようになる。

【０００４】一般に、このようなターボチャージャを設
けて、排気通路を通過する排気によるエネルギを吸気圧
力の加圧に利用しても、なお排気通路を通過する排気は
高温であり、その流速は大きく、排気通路で利用するこ
とができるエネルギを無駄に大気に排出していることに
なる。

【０００５】これをさらに利用してエネルギ利用効率を
向上するために、図５（ａ）に示すように、前記バイ
パスにもう一つタービンを設けて、このタービンにより
内燃機関の主回転軸を駆動加速するように構成した装置
が提案された（実公昭６２−４６８２５号公報）。ま
た、図５（ｂ）に示すように、同様にエネルギ利用効
率を向上させるために、ターボチャージャの回転軸に発
電機を連結する装置（特開平６−３３６９３３号公
報）、図５（ｃ）に示すように、ターボチャージャの
タービンの供給路に第二のタービンを設けて、これに発
電機を連結する装置（特公平４−５８０４号公報）、あ
るいは本願出願人が提案した装置であって、図５
（ｄ）に示すように、前記バイパスに第二のタービンを
設けて、この第二のタービンに発電機を連結する装置
（特願平９−６０９２９２号、本願出願時において未公
開）などが知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来技術
は、ターボチャージャに利用してもなお排気通路で利用
できるエネルギを効率的に利用するものであるが、ター
ボチャージャの回転速度を優先的に制御するために、バ
イパスには調節弁（ウエイスト・ゲートバルブ）を必ず
設ける必要があった。

【０００７】このように、バイパスに調節弁を設けるこ
とは、この調節弁を駆動するアクチュエータを設ける必
要があり機構的に複雑になる。また、調節弁は常時高温
にさらされるのでこの高温環境に対応できる耐久性のあ
るものが必要となり、さらに、排気ガスが調節弁を通過
することによるエネルギ損失を生じ利用効率を低下させ
る。

【０００８】本発明は、このような背景に行われたもの
であって、排気通路で利用することができるエネルギを
効率的に利用するものであって、しかもバイパスに設け
る調節弁を不要にすることができるターボチャージャを
提供することを目的とする。本発明は、調節弁を不要と
することにより機構を簡単化するとともに、その調節弁
を駆動する機構を不要とするターボチャージャを提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ターボチャー
ジャの駆動用タービンに供給する排気圧力を調節するた
めに、開閉弁に代えて第二のタービンと、その第二のタ
ービンに連結された発電機とを備え、この発電機の負荷
電流を調節することにより、実質的に駆動用タービンに
供給する排気圧力を調節することを特徴とする。

【００１０】すなわち、本発明は、内燃機関の排気通路
に設けられ排気圧力により回転する第一のタービンと、
このタービンの回転軸に連結され前記内燃機関の吸気を
加圧するブロアと、排気通路の前記タービンの上流側と
下流側とを連通するバイパスと、このバイパスの流量を
加減する調節弁とを備えたターボチャージャにおいて、
前記調節弁に代えて、前記バイパスを通過する排気圧力
により回転する第二のタービンと、この第二のタービン
の回転軸に連結された発電機と、この発電機の負荷電流
を調節する手段とを備えたことを特徴とする。

【００１１】前記負荷電流を調節する手段は、前記発電
機の界磁電流を調節する手段と、前記内燃機関の回転を
検出する第一の回転センサと、前記発電機の回転を検出
する第二の回転センサと、前記ブロアの下流側吸気圧力
を検出する圧力センサと、前記二つの回転センサおよび
この圧力センサの出力を取込み演算パラメタとする制御
回路とを含むことが望ましい。

【００１２】さらに、前記発電機の負荷電流を前記内燃
機関の蓄電装置の充電電流として供給する電気回路を備
え、前記発電機は交流発電機であり、前記電気回路はイ
ンバータを含み、前記制御回路の制御出力はこのインバ
ータの制御入力に接続されることが望ましい。

【００１３】内燃機関からの排気は、排気通路およびこ
の排気通路から分岐したバイパスに分流する。排気通路
に分流した排気は第一のタービンを回転駆動し、この第
一のタービンの駆動力によりブロアが回転して内燃機関
の吸気圧力を昇圧させ高密度の空気をシリンダ内に供給
する。

【００１４】一方、バイパスに分流した排気は、第二の
タービンを回転駆動し、この第二のタービンの駆動力に
より発電機が回転して電気エネルギを発生する。この発
電機の負荷電流を調節することにより発生する電気エネ
ルギを制御して第二のタービンにかかる負荷を調節する
ことができる。

【００１５】負荷電流の調節は発電機に与える界磁電流
を調節することにより行う。発電機の負荷を大きくする
ときは界磁巻線の電流位相の進角を大きくし、発電機の
負荷を小さくするときは供給する界磁巻線の電流位相の
進角を小さくする。これにより、第二のタービンにかか
る負荷を調節することができる。

【００１６】すなわち、第二のタービンにかかる負荷を
大きくすると、バイパス側に流入した排気ガスの受ける
抵抗は大きくなり、実質的に管路が絞られたことと同じ
になってバイパス側への排気の流入量は減少する。ま
た、第二のタービンにかかる負荷を小さくすると、バイ
パス側に流入した排気ガスの受ける抵抗は小さくなり、
実質的に管路が開放されたことと同じになってバイパス
側への排気の流量は増大する。

【００１７】このように発電機の負荷電流を調節するこ
とにより、実質的にバイパス側管路を開閉する機能をも
たせることができ、バイパス側に調節弁を設けなくて
も、バイパス側の排気の流量を制御することが可能とな
り、排気エネルギを効率的に利用することができる。さ
らに、調節弁が不要になるので開閉弁を駆動する機能が
不要となり、排気の分流制御に必要とされる機構全体を
簡単化することができる。

【００１８】発電機の負荷電流の調節は制御回路の制御
にしたがって行う。制御回路は制御情報として、第一の
回転センサ、第二の回転センサおよび圧力センサから内
燃機関の回転速度、発電機の回転速度およびブロアの下
流側の吸気圧力を取込み、これらの検出出力を演算パラ
メタとして発電機の負荷電流を制御する。すなわち、内
燃機関への吸気量を増大させるときは発電機への界磁巻
線の電流位相を大きくし、内燃機関への吸気量を減少さ
せるときは界磁巻線の電流位相を小さくする制御を行
う。

【００１９】発電機が発生した負荷電流は内燃機関の蓄
電装置に充電電流として供給する。発電機には交流発電
機を用い、発生した交流電気エネルギをインバータによ
り直流電気エネルギに変換し蓄電装置に充電する。この
ようにしてインバータを制御することにより発電機の負
荷電流を調節することができる。

【００２０】本願出願人がＨＩＭＲの名称で実用化して
いるハイブリッド自動車に本発明を適用した場合は、す
でにインバータが実装されているので、そのインバータ
を利用し蓄電池への充電を行うことができる。また、内
燃機関の駆動力だけで走行する通常の自動車に適用した
場合には、従来装着されていた充電用発電機を廃止する
ことができ、装着を要することがあればその容量を小さ
くすることができる。

【００２１】この蓄電装置への充電は、常に定格充電容
量まで充電させたのでは、第二のタービンにより駆動さ
れる発電機が発生する電気エネルギを効率的に回生させ
ることはできない。一方、そのために充電の目標容量を
あまり低く設定すると、運転状況によって始動を多数回
繰り返さなければならないことが発生したときなどに充
電されたエネルギを消費しきってしまう事態が起こり得
る。

【００２２】このようなことから、本発明の装置では、
その目標容量を制動装置の性能、自動車の運転状態、蓄
電装置の絶対容量、使用温度、その他各種の条件により
選択設定し、蓄電装置の充電状態が定常状態においてそ
の定格充電容量より小さい所定の目標容量になるように
制御する。その目標容量としては５０％〜７０％が適当
である。

【００２３】蓄電装置に充電された電気エネルギが次第
に大きくなり、目標容量を越えるようになると、制御回
路は内燃機関の回転駆動により発生する電気エネルギを
抑制するとともに、補助駆動力などにより積極的に消費
する制御を行い、充電量が設定された目標容量を越えな
いようにする。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の特徴とするところは、タ
ーボチャージャの駆動用タービンに供給する排気圧力を
調節するための手段として、開閉弁（ウエイスト・ゲー
トバルブ）に代えて、第二のタービン、およびこの第二
のタービンに連結された発電機を備え、この発電機の負
荷電流を調節することにより、内燃機関への過給を行う
第一のタービンへの排気圧力を実質的に調節することに
ある。

【００２５】図１は本発明によるターボチャージャの基
本的構成を示す図である。

【００２６】本発明によるターボチャージャは、内燃機
関３の排気通路４に設けられ排気圧力により回転する第
一のタービン１と、この第一のタービン１の回転軸に連
結され内燃機関３の吸気を加圧するブロア５と、排気通
路４の第一のタービン１の上流側と下流側とを連通する
バイパス６と、このバイパスの流量を加減する調節弁に
代えて備えられたバイパス６を通過する排気圧力により
回転する第二のタービン２、この第二のタービン２の回
転軸に連結された発電機７およびこの発電機７の負荷電
流を調節する制御回路１０とにより基本的に構成され
る。

【００２７】第一のタービン１は内燃機関３の排気通路
から排気される排気ガスの圧力により回転力を受けてブ
ロア５を回転駆動し過給を行う。一方、バイパス６に分
流した排気流は第二のタービン２に回転力を与え、この
回転力により発電機７を駆動する。制御回路１０は第一
の回転センサ１１、第二の回転センサ１２および圧力セ
ンサ８の出力を取込み、これらの制御情報を演算パラメ
タとして発電機７の界磁巻線に与える電流位相を制御す
る。

【００２８】すなわち、第一のタービン１による内燃機
関の過給を大きくする場合には、界磁巻線に与える電流
位相の進角を大きくする。これにより発電機７の負荷が
大きくなり、実質的にバイパス６の管路が絞られ、第一
のタービン１側への排気ガスの量が増加して、ブロア５
による過給量が増大する。

【００２９】また、過給を小さくする場合には、界磁巻
線に与える電流位相の進角を小さくする。これにより、
発電機７の負荷が小さくなって実質的にバイパス６の管
路が開放され、第一のタービン１側への排気ガスの流量
が減少し過給量は小さくなる。

【００３０】

【実施例】（第一実施例）次に、本発明第一実施例を図
面に基づいて説明する。図２は本発明第一実施例の要部
の構成を示すブロック図である。本第一実施例はハイブ
リッド自動車を例に説明する。

【００３１】本発明第一実施例は、内燃機関３の排気通
路４に設けられ排気圧力により回転する第一のタービン
１と、この第一のタービン１の回転軸に連結され内燃機
関３の吸気を加圧するブロア５と、排気通路の第一のタ
ービン１の上流側と下流側とを連通するバイパス６と、
このバイパス６を通過する排気圧力により回転する第二
のタービン２と、この第二のタービン２の回転軸に連結
された発電機７と、この発電機７の負荷電流を調節する
手段とが備えられる。

【００３２】前記負荷電流を調節する手段には、発電機
７の界磁電流を調節する手段と、内燃機関３の回転を検
出する第一の回転センサ１１と、発電機７の回転を検出
する第二の回転センサ１２と、ブロアの下流側吸気圧力
を検出する圧力センサ８と、第一の回転センサ１１、第
二の回転センサ１２およびこの圧力センサ８の出力を取
込み演算パラメタとする制御回路１０とが含まれる。

【００３３】さらに、発電機７の負荷電流を内燃機関３
の蓄電装置２１の充電電流として供給する電気回路が備
えられ、発電機７には交流発電機が用いられ、前記電気
回路にはインバータ９が含まれる。制御回路１０の制御
出力はこのインバータ９の制御入力に接続される。

【００３４】内燃機関３の回転軸には電動発電機２２が
直結され、この電動発電機２２の交流回路と蓄電装置２
１の直流回路とを双方向に電気エネルギを変換して結合
する主インバータ２３と、この主インバータ２３を制御
するプログラム制御回路２０とが備えられる。

【００３５】制御回路１０とプログラム制御回路２０と
は通信手段２４により接続され、ブロア５はクーラ２５
を介して内燃機関３の吸気通路に接続される。

【００３６】インバータ９を制御する制御回路１０は、
主インバータ２３を制御するプログラム制御回路２０の
内部に設ける構成にすることもでき、このような一体構
成にすることによって制御系の統合をはかることができ
る。また、保守点検を行ないやすくし、かつ製造コスト
を低減することができる。

【００３７】次に、このように構成された本発明第一実
施例の制御動作について説明する。

【００３８】内燃機関３の排気流は排気通路４を通って
第一のタービン１に供給される。第一のタービン１はこ
の排気流の供給によって回転駆動し、直結されたブロア
５に回転力を与える。このブロア５の回転により外気が
取り込まれ、クーラ２５により冷却されて高密度となっ
た空気が内燃機関３内のシリンダに供給される。

【００３９】内燃機関３からの排気ガス量が増加すれば
第一のタービン１の駆動力が増大し、これにともなって
ブロア５の回転速度が増加し、内燃機関３への空気供給
量が増大する。排気ガスの量が減少すれば第一のタービ
ン１への排気量は少なくなり内燃機関３への空気の過給
量は減少する。

【００４０】このようにして内燃機関３から排出される
排気を動力源として内燃機関３への過給を行う。この過
給時に、制御回路１０は、制御情報として、第一の回転
センサ１１、第二の回転センサ１２、および圧力センサ
８から内燃機関３の回転速度、発電機７の回転速度、お
よびブロア５の下流側の吸気圧力を取込み、その検出出
力に基づいてインバータ９を制御して発電機７の界磁電
流を調節し、内燃機関３の低、中、高速回転域にマッチ
ングした過給を行う。

【００４１】発電機７が発電する発電量とバイパス６か
ら第二のタービン２に供給する排気ガス量との関係はあ
らかじめ設定することができる。したがって、バイパス
６側に分岐させる排気ガス量は発電機７の発電量を調節
することによって制御することができる。

【００４２】図３は本発明第一実施例における発電機の
発電量とバイパスへの排気ガス量との関係の一例を示す
図である。このように発電機７に発生させる発電量を増
大させるとバイパス６に流入する排気ガス量は減少す
る。発電機７に発生させる発電量を少なくするとバイパ
ス６に流入する排気ガス量は増加する。

【００４３】一方、第二のタービン２にかかる負荷が大
きければ、バイパス６に流入した排気ガスの受ける抵抗
は大きくなり、内燃機関３から排出された排気ガスのバ
イパス６に流入する量は減少する。これにより第一のタ
ービン１への排気ガス量が増加して回転駆動力が大きく
なり、第一のタービン１に連結されたブロア５による内
燃機関３への過給量が大きくなる。すなわち調節弁を絞
った状態と同じになる。

【００４４】また、第二のタービン２にかかる負荷が小
さければ、バイパス６に流入した排気ガスの受ける抵抗
は小さくなり、内燃機関３から排出された排気ガスのバ
イパス６に流入する量は増加する。これにより第一のタ
ービン１への排気ガス量は減少して回転駆動力は小さく
なり、ブロア５による内燃機関３への過給量が少なくな
る。すなわち調節弁を開放した状態と同じになる。

【００４５】このような発電機７の発電量とバイパス６
への排気ガス量との関係を利用して、制御回路１０は、
取込んだ内燃機関３の回転速度、発電機７の回転速度、
およびブロア５の下流側の圧力値を演算パラメタとし、
内燃機関３への過給量を演算し、その演算値に基づく制
御信号をインバータ９に送出する。インバータ９はこの
制御信号にしたがって、発電機７に供給する界磁電流を
調節する。

【００４６】界磁電流の位相進角量を大きく制御すると
発電機７により発電される発電量は大きくなり、第二の
タービン２が受ける負荷は大きくなる。また、界磁電流
の位相進角量を小さくした場合には発電機７が発電する
発電量は小さくなり、第二のタービン２が受ける負荷は
小さくなる。このような制御を行うことにより内燃機関
３に供給する吸気の量を制御することができる。

【００４７】発電機７が発生した交流電気エネルギは制
御回路１０の制御にしたがってインバータ９で直流電気
エネルギに変換され蓄電装置２１に充電される。

【００４８】すなわち制御回路１０は、通信手段２４を
介してプログラム制御回路２０から蓄電装置２１の端子
電圧を取込み、発電機７からインバータ９に供給され変
換された直流電力の電圧が蓄電装置２１の端子電圧を越
えたか否かを判定し、越えていればインバータ９を充電
側に制御し蓄電装置２１への充電を行う。インバータ９
により変換された直流電力の電圧が蓄電装置２１の端子
電圧を下回ったときには、インバータ９からの蓄電装置
２１への充電を停止する。

【００４９】蓄電装置２１の端子電圧は一定ではなく常
時変動する。すなわち、プログラム制御回路２０の制御
により、補助制動時には内燃機関３の回転軸に連結され
た電動発電機２２からの交流出力が主インバータ２３で
直流電力に変換され、蓄電装置２１に回生充電される。
また、補助加速時には蓄電装置２１から直流電力が取り
出され、主インバータ２３で交流電力に変換され電動発
電機２２が電動機として駆動し補助加速が行われる。そ
のために蓄電装置２１の端子電圧は、通常走行時、補助
加速時および補助制動時によってその端子電圧の値がそ
れぞれ異なる。プログラム制御回路２０は蓄電装置２１
からその端子電圧の値を常時取込み、制御回路１０は通
信手段２４を介してこの値を入力し、発電出力をその端
子電圧に対し所定電圧だけ越えるように制御を行い、イ
ンバータ９により蓄電装置２１への回生充電を行う。

【００５０】発電機７による蓄電装置２１への充電は、
常に定格充電容量まで充電させたのでは、満杯の状態に
あって第二のタービン２により駆動される発電機７の発
生する電気エネルギを効率的に回生させることはできな
い。また、充電の目標容量をあまり低く設定すると、運
転状況によって始動を多数回繰り返さなければならない
ことが発生したときなどに充電されたエネルギを消費し
きってしまう。

【００５１】このようなことを回避するために、その目
標容量を制動装置の性能、自動車の運転状態、蓄電装置
２１の絶対容量、使用温度、その他各種の条件により選
択設定し、蓄電装置２１の充電状態が定常状態において
その定格充電容量より小さい所定の目標容量になるよう
に制御する。その目標容量としては５０％〜７０％が望
ましい。

【００５２】蓄電装置２１に充電された電気エネルギが
次第に大きくなり、目標容量を越えるようになると、制
御回路は内燃機関３の回転駆動により発生する電気エネ
ルギを抑制して、補助駆動力などにより積極的に消費さ
せ、充電量が設定された目標容量を越えないように制御
する。

【００５３】（第二実施例）図４は本発明第二実施例の
要部の構成を示すブロック図である。本第二実施例は内
燃機関だけにより走行する車両に適用した例を示したも
のである。

【００５４】本発明第二実施例は、図２に示す第一実施
例の構成から主インバータ２３、この主インバータ２３
を制御するプログラム制御回路２０および通信手段２４
が取除かれる。その他は第一実施例同様に構成され、制
御回路１０による発電機７の界磁電流調節制御が同様に
行われる。第二実施例の場合は、従来実装されていた内
燃機関３により駆動される充電用発電機をなくすことが
でき、実装を要する場合でもその容量を小さくすること
ができる。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、バ
イパス管路からの排気ガスにより回転駆動される発電機
の負荷電流を調節することにより、実質的にバイパス側
管路を開閉する機能をもたせることができ、バイパス側
に調節弁を設けなくても、バイパス側に分岐させる排気
の流量を制御することが可能となり、排気エネルギを効
率的に利用することができる。さらに、調節弁が不要に
なるので、開閉弁を駆動する機構が不要となり、排気の
分流制御に必要とされる機構全体を簡単化することがで
きる。内燃機関の駆動力だけで走行を行う通常の自動車
に適用した場合には、従来実装されていた充電用発電機
を廃止することができ、実装を要する場合にはその容量
を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるターボチャージャの基本的構成を
示す図。

【図２】本発明第一実施例の要部の構成を示すブロック
図。

【図３】本発明第一実施例における発電機の発電量とバ
イパスへの排気ガス量との関係の一例を示す図。

【図４】本発明第二実施例の要部の構成を示すブロック
図。

【図５】（ａ）〜（ｄ）は従来例の要部の構成を示すブ
ロック図。

【符号の説明】

１第一のタービン２第二のタービン３内燃機関４排気通路５ブロア６バイパス７発電機８圧力センサ９インバータ１０制御回路１１第一の回転センサ１２第二の回転センサ２０プログラム制御回路２１蓄電装置２２電動発電機２３主インバータ２４通信手段２５クーラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気通路に設けられ排気圧力
により回転する第一のタービンと、このタービンの回転
軸に連結され前記内燃機関の吸気を加圧するブロアと、
排気通路の前記タービンの上流側と下流側とを連通する
バイパスと、このバイパスの流量を加減する調節弁とを
備えたターボチャージャにおいて、前記調節弁に代えて、前記バイパスを通過する排気圧力
により回転する第二のタービンと、この第二のタービン
の回転軸に連結された発電機と、この発電機の負荷電流
を調節する手段とを備えたことを特徴とするターボチャ
ージャ。
【請求項２】前記負荷電流を調節する手段は、前記発
電機の界磁電流を調節する手段を含む請求項１記載のタ
ーボチャージャ。
【請求項３】前記負荷電流を調節する手段は、前記内
燃機関の回転を検出する第一の回転センサと、前記発電
機の回転を検出する第二の回転センサと、前記ブロアの
下流側吸気圧力を検出する圧力センサと、前記二つの回
転センサおよびこの圧力センサの出力を取込み演算パラ
メタとする制御回路とを含む請求項２記載のターボチャ
ージャ。
【請求項４】前記発電機の負荷電流を前記内燃機関の
蓄電装置の充電電流として供給する電気回路を備えた請
求項２記載のターボチャージャ。
【請求項５】前記発電機は交流発電機であり、前記電
気回路はインバータを含み、前記制御回路の制御出力は
このインバータの制御入力に接続された請求項４記載の
ターボチャージャ。