JP2005163674A - 内燃機関の過給装置 - Google Patents

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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 (4)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
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