JP2005042552A - 内燃機関の過給装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エンジン14の排気ガスによって駆動するターボ過給機3と、ターボ過給機3の下流の吸気通路6に介装され、電動機16によって駆動する電動過給機23と、電動過給機23を迂回して、電動過給機23の上流側と下流側の吸気通路とを連通するバイパス通路30と、バイパス通路30に介装された、第1のインタークーラ7aおよびバイパス通路30を開閉するバイパス弁9と、バイパス弁9と電動過給機23とを関連付けて制御し、電動過給機23駆動開始後にバイパス弁9を閉じ、電動過給機23上流の圧力が下流の圧力より低い間はバイパス弁9を閉じたまま、電動過給機23上流の過給圧と下流の過給圧とがほぼ等しくなったときにバイパス弁9を開くよう制御するバイパス弁制御手段18と、を備えることを特徴とする内燃機関の過給装置。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の過給装置に関し、特に電動機により駆動する過給機を有する過給装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
エンジン出力を向上させる技術として、エンジンの排気ガスにより駆動され、吸入空気を加圧するターボ過給機が知られている。しかしながらターボ過給機には、エンジン低回転域では過給できないという問題や、過給に遅れが生じる、いわゆるターボラグという問題があった。
【0003】
そこで、前述したターボ過給機の欠点を補うべく、ターボ過給機に加えて、電動機によって駆動する電動過給機を設置する技術が特許文献1に開示されている。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−21573号公報
【0005】
【本発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1においてターボ過給機の下流に電動過給機を設ける場合に、電動過給機を迂回する吸気通路を設けていないので、ターボ過給機による過給圧が電動過給機による過給圧を超えた場合には電動過給機が吸気抵抗となり、また、電動過給機が停止している場合には電動過給機が吸気通路を閉塞してしまうといった問題があった。
【0006】
また、吸気通路中にインタークーラが設置されていないので、過給によって空気の温度が上昇する。これにより耐ノック性が低下したり空気密度の低下によって充填効率が低下したりするという問題があった。
【0007】
そこで本発明では、ターボ過給機による過給圧が電動過給機による過給圧を超えた場合や電動過給機停止時に電動過給機が吸気通路中で吸気抵抗となること、および吸気通路を閉塞すること、および耐ノック性、充填効率の低下を防止しつつ、過給の過渡応答性に優れる過給装置とすることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の過給装置は、エンジンの排気ガスによって駆動するターボ過給機と、前記ターボ過給機の下流の吸気通路に介装され、電動機によって駆動する電動過給機と、前記電動過給機を迂回して、前記電動過給機の上流側と下流側の吸気通路とを連通するバイパス通路と、前記バイパス通路中に介装された、第1のインタークーラおよび前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、前記バイパス弁と前記電動過給機とを関連付けて制御し、前記電動過給機駆動開始後に前記バイパス弁を閉じ、前記電動過給機上流の圧力が下流の圧力より低い間は前記バイパス弁を閉じたまま、前記電動過給機上流の過給圧と下流の過給圧とがほぼ等しくなったときに前記バイパス弁を開くよう制御するバイパス弁制御手段と、を備える。
【0009】
【作用・効果】
本発明によれば、バイパス通路中にインタークーラを備え、加速時にターボ過給機の回転速度が低い間はバイパス弁を閉じて電動過給機による過給を行うので、ターボ過給機を通過した空気はインタークーラを通過せずに電動過給機へと供給される。したがってインタークーラ通過による圧力損失はなく、加速時の過渡応答性に優れる。
【0010】
ターボ過給機の回転速度が高くなり電動過給機の上流の過給圧が下流の過給圧以上のときはバイパス弁を開くので、ターボ過給機によって過給された空気はバイパス通路を通過する。これにより電動過給機が吸気抵抗になることを防止でき、またターボ過給機によって過給されて高温となった空気はインタークーラによって冷却されるので、耐ノック性や充填効率の低下を防止できる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0012】
図1は車両に搭載した本発明のシステムを示す図であり、14はエンジン、3はエンジン14の排気ガスによって駆動するターボ過給機である。
【0013】
ターボ過給機3の上流の吸気通路2には図示しないエアクリーナから吸入した吸気量Qaを計測するエアフローメータ(AFM)1を設置する。
【0014】
ターボ過給機3の下流の吸気通路6には、駆動モータ16によってコンプレッサー4を駆動して過給を行う電動過給機23を備え、また、電動過給機23を迂回して吸気通路6と電動過給機23より下流の吸気通路10をつなぐバイパス通路30を設け、このバイパス通路30を開閉するバイパス弁9を介装する。バイパス弁9の開閉はバイパス弁制御手段であるコントロールユニット(ECM)19によって行われる。
【0015】
本実施形態に用いる電動過給機23はルーツタイプの容積型過給機であり、電動過給機23が停止しているときは空気がコンプレッサー4を通過することができないので、この状態ではバイパス通路30を介して空気をバイパスさせる。
【0016】
バイパス通路30の分岐点32より下流には第1のインタークーラ7aを、電動過給機23の下流かつ合流点31より上流に第2のインタークーラ7bを設ける。また、バイパス弁9の上流と下流にはそれぞれ通路圧力を検出する圧力センサー22、24を設ける。
【0017】
電動過給機23は、ECM19からの信号に基づいてモーターコントローラ18がバッテリ17の電力を電動機16に供給することにより駆動されるため、回転速度がエンジン14の回転数に依存せず、過給圧が高まるまでの時間がターボ過給機3よりも短い。
【0018】
そこでこの特性を生かして、エンジン14が低回転域にある状況や、過給に遅れが生じるターボラグのようにターボ過給機3が過給を行えない状況で、ターボ過給機3の過給が高まるまでの過給を賄うために電動過給機23を稼働させる。
【0019】
これら電動過給機23とバイパス弁9を制御するためにECM19が備えられる。ECM19は、車両の加速要求があったとき、特に加速初期にターボ過給機3によるターボラグがある間、例えば数秒間、電動過給機23を作動させると共にバイパス弁9を開閉させて過給圧のつながりが滑らかとなるように過給を行わせる。
【0020】
ECM19には、電動過給機23のコンプレッサー8と電動機16とを接続する回転シャフト23aの近傍に配置した回転速度センサー20によって検出したコンプレッサー4の回転速度および加速要求検出手段12によって検出した加速要求が、それぞれ回転速度検出信号Nc、加速要求検出信号Thとして読み込まれる。
【0021】
加速要求検出手段12は吸気通路10に介装したスロットルバルブ12の開度(あるいはアクセル開度)を検出するもので、スロットルバルブ12の開度が予め定めた閾値を超えた場合に、車両が加速要求状態であると判断し、加速要求検出信号ThをECM19に送る。ただし、前記閾値は一定の値、もしくはエンジン回転数に応じて徐々に大きくなるように決められる値となっている。
【0022】
加速要求信号ThがECM19に読み込まれると、ECM19は電動機16に駆動指令を送る。このときバイパス弁9は開いたままである。そのまま加速が継続すると電動機16の回転速度Nが上昇し、エンジン14が吸入する空気量Qaとコンプレッサー4を通過する空気量Qsが等しくなる。このときバイパス通路30を流れる空気量はゼロである。ECM19はこの状態を検知してバイパス弁9を閉じる。このままバイパス弁9を開いていると、電動過給機23の下流の吸気通路10の圧力が上流の圧力よりも高くなり、空気がバイパス通路30を逆流してしまい、エンジン14に供給される空気が少なくなるためである。
【0023】
エンジン14が吸入する空気量QaはAFM1によって検出する。
【0024】
電動過給機23を通過する空気量Qsは電動機16の回転速度Nによっておおよそ次式(1)のように定まる。
【0025】
Qs=変換係数A×コンプレッサー回転速度N ・・・(1)
変換係数A:コンプレッサー8が一回転毎に送り出す空気量等
上記のエンジン14が吸入する空気量Qaと電動過給機23を通過する空気量が一致した瞬間に、バイパス弁9が完全に閉じていることが理想である。この時の電動機16の回転数を目標回転速度NTとすると、電動機16が目標回転速度NTになった瞬間にバイパス弁9を閉じればよい。
【0026】
しかし、バイパス弁9に閉弁信号が入力されてから完全に閉じるまでには一定の遅れ時間Tが生じる。したがって、ECM19はこの遅れ時間Tを考慮した指令信号をバイパス弁9に送るようになっている。
【0027】
また、バイパス弁9を閉じて電動過給機23による過給を行っているときに、ターボ過給機3の回転速度が高まり電動過給機23の上流と下流の圧力がほぼ等しくなったら、バイパス弁9を開き、電動過給機23を停止する。これは、ターボ過給機3の回転速度がさらに高くなると、ターボ過給機3が圧送する空気量が電動過給機23が圧送する空気量よりも多くなり、電動過給機23が吸気抵抗となってしまうからである。
【0028】
図2にECM19で行われる本実施形態の制御フローを示す。
【0029】
ステップS100では、車両が加速中であるか否かの判定を行う。
【0030】
加速中である場合は、ステップS101に進み、電動過給機23が稼動中か否かの判定を行う。
【0031】
ステップS101で電動過給機23が稼動中であると判定した場合には、ステップS105に進み、バイパス弁9が開いているか否かの判定を行う。
【0032】
なお、ステップS101で電動過給機23が停止中である場合はステップS102に進み、電動過給機23を稼働させる。
【0033】
ステップS105でバイパス弁9が開いていると判定した場合は、ステップS106に進み、エンジン吸入空気量Qaから、前述した電動過給機23の目標回転速度NTを求める。バイパス弁9が閉じている場合には後述するステップS110に進む。
【0034】
ステップS107では、後述するフローに従って遅れ時間T経過後の予測回転速度NFを求めてステップS108に進む。
【0035】
ステップS107でECM19が行う制御を図3に示したフローチャートを用いて説明する。
【0036】
ステップS201では、電動過給機23のシャフト23a近傍に設けた回転センサー20によって検出した、現在の電動機16の回転速度Nを読み込む。
【0037】
ステップS202では、前記回転センサー20の検出値から実際の電動機16の回転上昇速度ΔNを読み込む。
【0038】
ステップS203では、電動機16の電流値I、電圧値Vを読み込む。
【0039】
ステップS204では、図4に示す回転上昇予測値のテーブルを検索して、遅れ時間Tの間に上昇する回転速度ΔNMAPを求める。図4のテーブルは、回転速度Nが高くなるほど回転上昇予測値が小さくなっている。これは、図5に示した一般的な電動機の特性図からわかるように、電動機は回転速度が高くなるほどトルクが低下する特性を持つので、回転速度が高くなるほど一定時間に上昇する回転数が少なくなるからである。
【0040】
ステップS205では、電動機16の回転上昇速度が電動機16にかかる負荷の変化や経時劣化等によって変化することを考慮して、回転上昇実速度ΔNを逐次検出し、この検出値から回転上昇予測値ΔNMAPの補正を行い、ΔN1とする。
【0041】
ステップS206では、電動機16の回転上昇速度が電流値Iにより変化することを考慮して、検出した電流値Iを用いてステップS205で求めた回転上昇予測値ΔN1を補正してΔN2とする。
【0042】
ステップS207では電動機16の回転上昇速度が電圧値Vにより変化することを考慮して、検出した電圧値Vを用いてステップS206で求めた回転上昇予測値ΔN2を補正してΔN3とする。
【0043】
ステップS208では、ステップS201で読み込んだ電動機16の回転速度Nに、上記で求めた回転上昇速度ΔN3と遅れ時間Tを積算して求めた上昇予測値ΔNEを加えて遅れ時間T後の予測回転速度NFを求める。
【0044】
以上のように予測回転速度NFを求め、図2のステップS108へと進む。
【0045】
なお、ステップS205〜S207において補正を行っているが、必ずしもすべての補正を行う必要はなく、いずれか1つのみ、もしくは2つでもかまわない。
【0046】
ステップS108では上記予測回転速度NFが目標回転速度NT以上であるか否かの判定を行い、予測回転速度NFが目標回転速度NTと一致もしくはそれ以上であった場合はステップS109に進み、バイパス弁9を閉じる。予測回転速度NFが目標回転速度NTより低い場合はバイパス弁9を開いたまま、ステップS100に戻る。
【0047】
ステップS105でバイパス弁9が閉じている場合には、ステップS110に進み、電動過給機23の上流の圧力P1と下流の圧力P2とを比較する。
【0048】
上流の圧力P1が下流の圧力P2以上であれば、ステップS111でバイパス弁9を開き、ステップS112で電動過給機23を停止する。
【0049】
上流の圧力P1の方が下流の圧力P2よりも低い場合にはそのまま電動過給機23による過給を続ける。
【0050】
ステップS100で車両が加速中でない場合にはステップS103でバイパス弁9を開き、ステップS104で電動過給機23を停止する。
【0051】
上記の制御を行った場合の、バイパス弁9閉弁動作のタイムチャートを図6に示す。
【0052】
スロットルバルブ12の開度が加速要求開度として設定した閾値を超えた瞬間(t=t0)にECM19は電動機駆動指令を出す。
【0053】
電動機16は駆動を開始して回転速度Nが上昇し、それに伴って予測回転速度NFも上昇する。そしてt=t1のときに予測回転速度NFが目標回転速度NTに達すると、ECM19はバイパス弁9に閉弁指令を出す。
【0054】
閉弁指令を受けたバイパス弁9は閉弁動作を開始するが、全閉状態になるのはt=t2である。このt1からt2までの時間が遅れ時間Tである。遅れ時間Tの間も電動機16の回転速度は上昇し続けて、t=t2の時点で目標回転速度NTになっている。
【0055】
また、図7にバイパス弁9の開弁動作のタイムチャートを示す。
【0056】
スロットルバルブ12の開度が加速要求開度として設定した閾値を超えた瞬間(t=t0)にECM19は電動機駆動指令を出す。
【0057】
電動機16がONになるのに伴って、前述したタイミングでバイパス弁9が閉弁し、上流側、下流側の圧力が共に上昇する。
【0058】
前述したようにターボ過給機3に比べて電動過給機23は回転速度の上昇が速いので、下流側の圧力P2の上昇速度は上流側の圧力P1よりも速い。電動機16の回転速度はt01で限界に達するが、エンジン回転速度は更に上昇して吸入空気量が増加するので、下流側の圧力P2は下降し始める。
【0059】
一方ターボ過給機3の回転速度はエンジン回転速度の上昇とともに高くなるので、上流側の圧力P1は上昇し続ける。
【0060】
t02で上流側と下流側の圧力が等しくなったときにバイパス弁9を開弁し、電動機16を停止するが、ターボ過給機3による過給が行われているので、吸気通路内の圧力は上昇を続ける。
【0061】
以上のことから、バイパス弁9が閉弁指令を受けてから全閉状態になるまでの遅れ時間Tの間に電動機16の回転速度が上昇することを考慮して予測回転速度NFを設定し、この予測回転速度NFが目標回転速度NTになった時点で閉弁指令を出すので、電動機16が目標回転速度になったときに、同時にバイパス弁9が全閉状態となり、閉弁時のトルクショックを防止することができる。
【0062】
回転上昇予測値テーブルから検索した回転上昇予測値を、逐次検出した回転上昇実速度ΔNに基づいて補正しているので、電動機16にかかる負荷の変化や経時劣化等によって回転上昇速度が変化しても、正確な予測回転速度NFを求めることができる。
【0063】
回転上昇予測値テーブルから検索した回転上昇予測値を、電動機16の電流値I、電圧値Vに基づいて補正しているので、運転状態、発電状態およびバッテリ容量等が変化しても正確な予測回転速度NFを求めることができる。
【0064】
バイパス弁9を閉じた状態で電動過給機23による過給を実行中に、ターボ過給機3の回転速度が高くなり電動過給機23の上流と下流の圧力がほぼ等しくなったときにはバイパス弁9を開き、電動過給機23を停止するので、空気はバイパス通路を通ってエンジン14へ供給されることになり、電動過給機23が吸気抵抗となることを防止できる。また、バイパス弁9を開くのは、上下流の圧力がほぼ等しいとき、つまりバイパス弁9を開いても空気がほとんど流れないときなので、バイパス弁9開弁時に吸気通路内の空気の流れが急激に変化することがない。したがって開弁時のトルクショックの発生を防止できる。
【0065】
以上より本実施形態では、以下のような効果が得られる。
【0066】
電動過給機23と並行するバイパス通路30およびバイパス通路30を開閉するバイパス弁9を設け、加速要求がなく電動過給機23が停止している場合、および加速要求時にターボ過給機3の過給効率が高まった状態ではバイパス弁9を開くので、バイパス通路30を通してエンジン14に要求通りの空気量が供給される。つまり、電動過給機23が停止時に吸気通路を閉塞したり、ターボ過給機3が高効率で稼動している時に電動過給機23が吸気抵抗になったりすることがない。
【0067】
インタークーラ7aをバイパス通路30内に設け、電動過給機23稼働時にはバイパス弁9を閉じるので、加速時に電動過給機23に供給される空気はインタークーラ7aを通過せず、これにより圧力損失が低減され、過渡応答性に優れる。
【0068】
また、ターボ過給機3の回転速度が上昇して、電動過給機の上下流の圧力がほぼ等しくなったらバイパス弁を開くので、ターボ過給機3によって過給されて温度上昇した空気はインタークーラ7aによって冷却され、耐ノック性や充填効率の低下を防止することができる。
【0069】
バイパス通路30のバイパス弁9および圧力センサー24の上流にインタークーラ7aを設けたので、インタークーラ7aとバイパス弁9との間の吸気脈動を抑制されて圧力センサー24の検出精度が向上する。
【0070】
ターボ過給機3の過給が立ち上がるまで補助的に過給を行う電動過給機23の駆動に排気ガスを用いず、電動機16のみによって駆動するので、排気ガスから電動過給機23への熱伝達がほとんどない。これにより電動機16の稼動中の温度上昇を抑制できるので、電流を流す時間を長くし、登坂路等においてターボ過給機3の過給圧がなかなか高まらず、電動過給機23が長時間過給しなければならない場合でも電動過給機23を止めることなく稼働させることも可能となる。
【0071】
バイパス弁9とターボ過給機3、電動過給機23を関連付けて制御し、バイパス通路30の吸気流れがほとんどないときにバイパス弁9を開閉するので、電動過給機23のON・OFFに伴うトルクショックや空燃比のずれを防止でき、また電動機16によって駆動するため従来の機械式過給機のようなクラッチ接続に伴うショックもない。よって加速要求時に運転者に不快なショックが伝わることが無くなる。
【0072】
電動過給機23の駆動に排気ガスを使用しないので、排気配管との位置関係に制約がなくなり、レイアウトの自由度が高くなる。したがって、電動過給機23からスロットルバルブ12までの経路長を可能な限り短くすることで、電動過給機23稼働時の過渡応答性の向上を図れる。
【0073】
電動過給機23の駆動に排気ガスを使用しないので、電動過給機23のON・OFFに伴う排気経路の切換えが必要なくなり、配管切換えに必要なバルブは吸気配管用のみ、特に本実施形態においてはバイパス通路30に設けたバイパス弁9のみとなる。これによりバイパス弁9とターボ過給機3、電動過給機23の関連付けた制御が複雑になることを防止できる。
【0074】
なお、インタークーラ7bの容量はインタークーラ7aの容量に比べて小さくしても構わない。これは、電動過給機23を駆動するときは加速時であり、過給の過渡応答性を重視するために、冷却効率よりも圧力損失の低減を重視するからである。また、インタークーラ7bが小型化されることによって吸気系路のレイアウトの自由度が増すという効果も得られる。
【0075】
また、加速時の過渡応答性をより重視する場合には、インタークーラ7bを設けなくても構わない。これにより電動過給機23を通過した空気の圧力損失をより低減することができるからである。
【0076】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態のシステム構成を表す図である。
【図2】バイパス弁の開閉制御のフローチャートである。
【図3】電動機の予測回転速度算出方法のフローチャートである。
【図4】電動機の回転上昇予測値のテーブルである。
【図5】電動機の特性図である。
【図6】閉弁動作のタイムチャートである。
【図7】開弁動作のタイムチャートである。
【符号の説明】
1 エアフローメータ(AFM)
3 ターボ過給機
4 コンプレッサー
6 吸気通路
7a インタークーラ(第1のインタークーラ)
7b インタークーラ(第2のインタークーラ)
9 バイパス弁
12 スロットルバルブ
14 エンジン
16 電動機
17 バッテリー
18 モーターコントローラ
19 コントロールユニット(ECM)
20 回転速度センサー
22 圧力センサー
24 圧力センサー
30 バイパス通路
Claims (3)
- エンジンの排気ガスによって駆動するターボ過給機と、
前記ターボ過給機の下流の吸気通路に介装され、電動機によって駆動する電動過給機と、
前記電動過給機を迂回して、前記電動過給機の上流側と下流側の吸気通路とを連通するバイパス通路と、
前記バイパス通路中に介装された、第1のインタークーラおよび前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、
前記バイパス弁と前記電動過給機とを関連付けて制御し、前記電動過給機駆動開始後に前記バイパス弁を閉じ、前記電動過給機上流の圧力が下流の圧力より低い間は前記バイパス弁を閉じたまま、前記電動過給機上流の過給圧と下流の過給圧とがほぼ等しくなったときに前記バイパス弁を開くよう制御するバイパス弁制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の過給装置。 - 前記電動過給機の下流、かつ前記バイパス通路との合流点より上流の吸気通路に第2のインタークーラを設けた請求項1に記載の内燃機関の過給装置。
- 前記第2のインタークーラは前記第1のインタークーラよりも容量が小さい請求項2に記載の内燃機関の過給装置。
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