JP2005163674A

JP2005163674A - 内燃機関の過給装置

Info

Publication number: JP2005163674A
Application number: JP2003404897A
Authority: JP
Inventors: Naoteru Mishima; 直輝三嶋
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】複数の過給機を備えるシステムにおいて、過給機切換え時のトルク段差の発生を防止する。
【解決手段】本発明の内燃機関の過給装置は、エンジン１３の排気ガスによって駆動するターボ過給機６と、前記ターボ過給機６の上流の吸気通路２１に介装され、電動機１５によって駆動する電動過給機４と、前記電動過給機４を迂回して、前記電動過給機４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２０と、前記バイパス通路２０内に介装され、前記バイパス通路２０の流量を前記電動過給機４が設けられた吸気通路２１とは独立して制御できるバイパスバルブ３と、を備え、前記バイパスバルブ３と前記電動過給機４とを関連付けて制御し、前記電動過給機駆動開始時に前記バイパスバルブ３を開いておき、前記電動過給機４の駆動開始から所定時間ｔＡ経過したら前記バイパスバルブ３を閉じる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気によって駆動されるターボ過給機と、電動機によって駆動される電動過給機とを併せ持つ内燃機関の過給システムに関する。

エンジン出力を向上させるために、排気圧力により吸入空気を加圧するターボ過給機を装着する技術が知られている。しかしながら、ターボ過給機には、過給に遅れが生じる、いわゆるターボラグや、エンジン低回転域では過給できないといった欠点がある。

そこで、ターボ過給機の他に、電動で作動する電動過給機を設ける技術が特許文献１に開示されている。

特許文献１では、電動過給機のコンプレッサとターボ過給機のコンプレッサとの間に、吸気経路を切換えるバイパス弁を配置し、電動過給機の運転状態に応じてバイパス弁の動作を制御している。
特開２００２−２１５７３号

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、電動過給機を設けた吸気通路と設けない吸気通路の切換えを、両通路の合流部に設けた三方弁で行うという構成になっているので、前記量両通路を同時に全開にすることができない。

そのため、加速要求を検知して電動過給機による過給を行なうために吸気通路を電動過給機側の吸気通路に切換えると、電動過給機の回転数が上昇するまでは電動過給機が吸気通路中で抵抗となり、吸気通路切換え前に比べて十分な空気量をエンジンに送ることができない。

上記のように吸気通路切換え直後にエンジンの吸入空気量が急激に減少すると、トルクショックを発生することになる。

そこで、本発明では電動過給機による過給開始時に電動過給機が吸気抵抗とならないような吸気通路切換えを行い、トルク段差の発生を防止することを目的とする。

本発明の内燃機関の過給装置は、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上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、前記バイパス通路内に介装され、前記バイパス通路の流量を前記電動過給機が設けられた吸気通路とは独立して制御できるバイパスバルブと、を備え、前記バイパスバルブ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時に前記バイパスバルブを開いておき、前記電動過給機の駆動開始から所定時間ｔＡ経過したら前記バイパスバルブを閉じる。

本発明によれば、加速要求を検知して電動過給機を駆動するときにバイパスバルブを開いておくので、吸入空気はバイパス通路を通過でき、電動過給機が吸気抵抗となることがない。そして、所定時間ｔＡが経過して、例えば、全吸入空気量Ｑａと電動過給機通過空気量Ｑｓとが等しくなったとき、つまりバイパス通路を吸入空気が流れていない状態でバイパスバルブを閉じることで、バイパスバルブを閉じても吸入空気量が急激に減少することがなく、トルク段差を生じない。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態のシステムの構成を表した図であり、１３はエンジン、６はエンジン１３の排気ガスにより駆動されるターボ過給機、４はモータ１５により駆動される電動過給機、１は吸入空気量Ｑａを測定するエアフローメータ（以下、ＡＦＭという）である。

ＡＦＭ１下流の吸気管２は、電動過給機４が介装されている吸気通路（以下、電動過給機側通路という）２１と、電動過給機４の上流の分岐部２２にて電動過給機側通路２１と分岐して、電動過給機４の下流の合流部２３で合流するバイパス通路２０とに分岐している。

バイパス通路２０中の分岐部２２と合流部２３の間には、アクチュエータにより開閉され、バイパス通路２０を通過する空気量を制御するバイパスバルブ３が介装されている。

合流部２３より下流の吸気管５にはターボ過給機６のコンプレッサ７が介装されている。

コンプレッサ７はタービン８とシャフトを介して接続されており、エンジン１３の排気マニホールド１４下流の排気管２４に介装されたタービン８がエンジン１３の排気ガスの圧力によって回転することによって回転し、吸気管５を通過する空気を圧縮する。

コンプレッサ７に圧縮された空気はコンプレッサ７の下流に設けられたインタークーラ９を通過することにより冷却され、更に下流に設けられたスロットルチャンバー１１により流量を制限されて、吸気インテークマニホールド１２からエンジン１３の各気筒に吸入される。

電動過給機４のＯＮ・ＯＦＦはエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵという）１８により制御され、ＥＣＵ１８からの信号に基いてモータコントローラ１７が電源１６の電力をモータ１５に供給して行われる。

なお、電動過給機４を駆動するか否かは、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ２０からの信号により判定する。例えば、アクセル開度が予め定めた所定開度を超えたときや、アクセル開度の開度変化速度が予め定めた所定値より速くなったときに、加速要求があると判定する。

バイパスバルブ３の開閉はＥＣＵ１８によって電動過給機４のＯＮ・ＯＦＦに関連付けて制御される。

次にＥＣＵ１８が実行する制御について説明する。

ターボ過給機６は前述したようにエンジン１３の排気ガスにより駆動されるが、排気ガスの圧力が高まるまでは十分に過給できないという欠点がある。一方、電動過給機４はモータ１５により駆動されるので、ターボ過給機６に比べて過給の立ち上がりが早い。

そこで、ターボ過給機６が十分に過給できない領域では電動過給機４による過給を行い、加速要求に対する過給圧の応答性を高めている。

このときＥＣＵ１８は、電動過給機４の駆動開始、終了時にトルク段差が発生しないように、図２のフローチャートに示すように、アクセル開度、電動機過給機４の駆動時間等に応じてバイパスバルブ３の開閉を制御制御している。

以下、図２のフローチャートにしたがって本実施形態の制御の説明を行う。

制御開始時点では、電動過給機４はＯＦＦで、バイパスバルブ３は開いた状態である。

ステップＳ１１０では、加速要求の有無の判定を行う。例えば、アクセル開度センサ２５により検出されたアクセル開度が所定値以上であれば加速要求有り、所定値以下であれば加速要求なしと判定する。

加速要求があると判定されたときには、ステップＳ１２０に進み、電動過給機４をＯＮにする。加速要求がない場合には、加速要求の判定を繰り返す。

ステップＳ１２０で電動過給機４をＯＮにしたら、ステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１３０では、所定時間ｔＡ以上加速要求が継続するか否かの判定を行う。所定時間ｔＡは、電動過給機４の回転速度が上昇して、ＡＦＭ１を通過する空気量Ｑａと電動過給機４を通過する空気量Ｑｓとが等しくなるまでに要する時間であり、予め計算や実験により電動過給機４の回転数上昇の特性を求めておき、電動過給機４ＯＮ時のＡＦＭ１通過空気量Ｑａに応じて設定する。

なお、所定時間ｔＡの代わりに、電動過給機４のコンプレッサが１回転あたりに圧送する空気量を求めておき、この１回転あたりに圧送する空気量と回転センサ１９によって検出されるコンプレッサの回転数とから、電動過給機４を通過する空気量Ｑｓを逐次演算してＡＦＭ１通過空気量Ｑａとの比較をして、両者が等しくなる時点を検出してもよい。

所定時間ｔＡ経過前にアクセル開度が小さくなる等、加速要求が解除された場合には、早急に加速する必要がなくなるため、ステップＳ１８０に進み電動過給機４をＯＦＦにする。

加速要求が所定時間ｔＡ継続した場合にはステップＳ１４０に進み、バイパスバルブ３を閉じる。

電動過給機４の駆動開始から所定時間ｔＡ経過後にバイパスバルブ３を閉じるのは、以下の理由による。

加速要求が出されて電動過給機４を駆動しても、駆動直後は電動過給機４の回転数が低く、ＡＦＭ１通過空気量Ｑａに比べて電動過給機４通過空気量Ｑｓは少ない。したがって、ＡＦＭ１を通過した空気は、電動過給機４側の吸気通路２１を通過するものと、バイパスバルブ３側の吸気通路２０を通過するものに分かれて流れる。

この状態でバイパスバルブ３を閉じると、ＡＦＭ１を通過した空気は全て電動過給機４側の吸気通路２１を流れることになる。しかし、電動過給機４の回転数が高まっていないために電動過給機４が吸気通路中で抵抗となってしまい、バイパスバルブ３を開いていた状態と比べてエンジン１３に供給される空気量が急激に減少して、トルク段差が発生してしまう。

また、バイパスバルブ３を閉じた後、電動過給機４の回転数が高まるまでの間は、電動過給機４を通過することによる圧力損失があるため、ターボ過給機６にはより多くの過給仕事が要求されることになる。

そこで、電動過給機４の駆動開始後もバイパスバルブ３を開いておき、電動過給機４の回転数が十分に高まってＡＦＭ１通過空気量Ｑａと電動過給機４通過空気量Ｑｓとが等しくなったとき、つまり、バイパスバルブ３を通過する空気がなくなったときにバイパスバルブ３を閉じるようにする。これにより、バイパスバルブ３を閉じてもエンジン２に供給される空気量は変化しないので、トルク段差の発生を防止でき、また、電動過給機４通過による圧力損失が生じないのでターボ過給機６の過給仕事が増大しない。

ステップＳ１４０でバイパスバルブ３を閉じた後、ステップＳ１５０に進み、所定時間ｔＢ以上加速要求が継続するか否かの判定を行う。

所定時間ｔＢ経過前に加速要求が解除された場合は、ステップＳ１７０に進み、加速要求が解除されたときにバイパスバルブ３を開き、ステップＳ１８０で電動過給機４をＯＦＦにする。

所定時間ｔＢ以上加速要求が継続した場合には、ステップＳ１６０に進み、所定時間ｔＢ経過後にバイパスバルブ３を開き、電動過給機４をＯＦＦにする。

これは、ターボ過給機６の回転数が十分に高くなって電動過給機４通過空気量Ｑｓ以上の空気量をエンジン２に圧送できるようになれば、電動過給機４による過給を行う必要がなくなり、そのままで動過給機４を駆動することによって電動過給機４が吸気抵抗となってしまうのを防止するためである。

所定時間ｔＢは、加速要求検知後、ターボ過給機６の回転数が高まってターボ過給機６を通過する空気量と電動過給機４を通過する空気量Ｑｓとが等しくなるまでの時間を予め実験等により求めて設定する。

なお、ターボ過給機６の上下流に圧力センサを設置し、上下流の圧力差を逐次演算することによってターボ過給機６の上下流の圧力差がゼロになる時点を検出してもよい。

また、モータ１５の耐久性を考慮して、上記条件を満たさない場合であっても、モータ１５が最高回転数に達した後、一定時間が経過した場合には電動過給機４を停止することとしてもよい。

上記の制御を行った場合の空気量や電動過給機４の回転数等の変化について、図３のタイムチャートを参照して説明する。

ｔ０でアクセル開度（図３中の実線Ｅ）が所定値を超えたため、加速要求ありと判定して、電動過給機４をＯＮにする（図３中の実線Ｄ）。なお、この時バイパスバルブ３はまだ開いたままである（図３中の実線Ｆ）。

ｔ０で電動過給機４をＯＮにしても、電動過給機４の回転数が上昇し始めるまでに時間遅れがあり、ｔ１になってから上昇を始める。

そして、電動過給機４をＯＮにしてから前述した所定時間ｔＡ経過後のｔ２でバイパスバルブ３を閉じる（図３中の実線Ｆ）。このとき、電動過給機４の回転数は上昇して、電動過給機４通過空気量ＱｓとＡＦＭ１通過空気量Ｑａとが等しくなっている（図３中の実線Ａ）。

なお、バイパスバルブ３を流れる空気量は、ＡＦＭ１通過空気量Ｑａと電動過給機４との差であるので、電動過給機４通過空気量Ｑｓの増加に伴って、図３中の点線Ｂのように減少しており、ｔ２でゼロになる。

仮に、加速要求検出と同時にバイパスバルブ３を閉じると、電動過給機４の回転数が上昇しておらず、かつバイパスバルブ３が閉じられたためにターボ過給機６に供給される空気量は急激に減少（図３中の点線Ｇ）、つまりエンジン１３に供給される空気量が急激に減少することとなり、トルク段差の原因となる。

これに対して、本実施形態では前述したように、電動過給機４をＯＮにした後も電動過給機４通過空気量ＱｓとＡＦＭ１通過空気量Ｑａとが等しくなるｔ２までバイパスバルブ３を開いておくので、電動過給機４通過空気量Ｑｓとバイパスバルブ３を通過する空気量との合計は常にＡＦＭ１通過空気量Ｑａとなっており（図３中に実線Ｈ）、バイパスバルブ３を通過する空気がないときにバイパスバルブ３をとじるので、エンジン２に供給される空気量が変化せず、トルクショックの発生を防止することができる。

ｔ２〜ｔ３間で電動過給機４の回転数は最高回転数に達し、その後は一定回転数で回転する。

図３中の実線Ｃはターボ過給機６を通過する空気量を表している。前述したようにターボ過給機６は電動過給機４に比べて回転の上昇が遅いので、通過する空気量の増加も遅くなり、ｔ３で電動過給機通過空気量Ｑｓと略等しくなる。ここで、加速要求検出からターボ過給機６通過空気量と電動過給機４通過空気量Ｑｓとが等しくなるまでの時間（ｔ０〜ｔ３）を所定時間ｔＢとする。

そして、所定時間ｔＢが経過したらバイパスバルブ３を開く。これは、所定時間ｔＢ経過後はターボ過給機６の回転数が十分に高くなり、電動過給機４が最高回転数で圧送する空気量Ｑｓよりも多くの空気量を圧送することができるので、電動過給機４が吸気抵抗となってしまうからである。そこで、バイパスバルブ３を開き、吸気抵抗の少ない状態で吸気をおこなうようにする。

なお、所定時間ｔＢの替わりに、電動過給機４が最高回転数に達してから所定時間経過したらバイパスバルブ３を開くこととしてもよい。これにより、電動過給機４、モータ１５の負担を軽減することができる。

以上により、本実施形態では、エンジン１３の排気ガスにより駆動されるターボ過給機６の上流にモータ１５により駆動される電動過給機４を設けて、ターボ過給機６の回転数が高まるまでの間電動過給機４による過給を行うので、ターボ過給機６のいわゆるターボラグを解消し、加速要求に対する応答性を高めることが可能である。なお、電動過給機４からターボ過給機６までの吸気通路長さを短くすると、より応答性を高めることが可能である。

電動過給機４を迂回するバイパス通路２０を設け、バイパス通路２０内にバイパスバルブ３を介装し、加速要求時にＡＦＭ１通過空気量Ｑａと電動過給機４通過空気量Ｑｓとが等しくなったときにバイパスバルブ３により吸気通路の切換えを行うので、電動過給開始時にターボ過給機６の吸入空気量に段差が発生することを防止し、トルク段差の発生を防止することができる。また、電動過給機４の回転数が高まるまではバイパス通路２０からターボ過給機６に空気が流れるので、ターボ過給機６の上流での圧力損失がほとんどなく、ターボ過給機６の過給仕事が増大することを防止できる。

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。

本発明は、２以上の過給機を備える過給システムに適用することができる。

本実施形態のシステムの構成を表す図である。バイパスバルブの開閉制御のフローチャートである。本実施形態を実行した場合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）
２吸気管
３バイパスバルブ
４電動過給機
５吸気管
６ターボ過給機
７コンプレッサ
８タービン
９インタークーラ
１０吸気管
１１スロットルチャンバー
１２吸気マニホールド
１３エンジン
１４排気マニホールド
１５モータ
１６電源
１７モータコントローラ
１８コントロールユニット（ＥＣＵ）
１９回転センサ
２０バイパス通路
２５アクセル開度センサ（加速要求検出手段）

Claims

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上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、
前記バイパス通路内に介装され、前記バイパス通路の流量を前記電動過給機が設けられた吸気通路とは独立して制御できるバイパスバルブと、を備え、
前記バイパスバルブ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時に前記バイパスバルブを開いておき、前記電動過給機の駆動開始から所定時間ｔＡ経過したら前記バイパスバルブを閉じることを特徴とする内燃機関の過給装置。
前記所定時間ｔＡは、前記電動過給機駆動開始から、前記電動過給機を通過する空気量が全吸入空気量と等しくなるまでの時間とする請求項１に記載の内燃機関の過給装置。
前記所定時間ｔＡ経過後にバイパスバルブを閉じた場合、前記電動過給機駆動開始から所定時間ｔＢが経過したら前記バイパスバルブを開く請求項１または２に記載の内燃機関の過給装置。
前記所定時間ｔＢは、前記ターボ過給機を通過する空気と空気量とが等しくなるまでの時間とする請求項３に記載の内燃機関の過給装置。