JP2006188989A

JP2006188989A - 内燃機関用過給システム

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Publication number: JP2006188989A
Application number: JP2005001638A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Hoki; 雄介伯耆; Hisashi Oki; 久大木; Kiyoshi Fujiwara; 清藤原; Takashi Matsumoto; 崇志松本; Tsugufumi Aikawa; 嗣史藍川; Takashi Koyama; 崇小山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-01-06
Filing date: 2005-01-06
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2025-01-06
Also published as: JP4483584B2

Abstract

【課題】電動コンプレッサ又はターボ過給機の故障を検出し、これらの故障に対する対策をとることが可能な内燃機関用過給システムを提供する。
【解決手段】本発明の内燃機関用過給システムは、内燃機関に対して過給するターボ過給機２と、ターボ過給機２のコンプレッサ２ａの上流側の吸気管４に設けられた電動コンプレッサ３と、電動コンプレッサ３を迂回するバイパス通路６と、バイパス通路６を開閉するバイパス弁７と、電動コンプレッサ３の上流側の吸気管４に設けられて吸気流量を調整可能な第１スロットル弁１１と、を備え、電動コンプレッサ３の故障が判定された場合には、電動コンプレッサ３の作動を停止するとともに、バイパス弁７の開度及び第１スロットル弁１１の開度をそれぞれ開き側に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用過給システムに関する。

内燃機関用過給システムとして、ターボ過給機のコンプレッサの上流に電動コンプレッサを直列に配置し、電動コンプレッサの下流側吸気通路とターボ過給機のコンプレッサ上流側吸気通路との接合部にチェックバルブを設け、このチェックバルブにて上記下流側吸気通路又は上流側吸気通路の一方を選択的に閉じることにより、電動コンプレッサを経由する経路とこれを迂回する経路とに経路を切り替えるものが知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として、特許文献２〜４が存在する。

特表２００１−５１８５９０号公報特表２０００−５００５４４号公報特表２００１−５０９５６１号公報特開２００２−０２１５７３号公報

このようなシステムにおいては、電動コンプレッサが故障すると、故障した電動コンプレッサが吸気の抵抗となり圧損を生じて性能低下を来たす。また、電動コンプレッサの上流側及び下流側の圧力差が増大して電動コンプレッサの負荷が高まり損傷を助長する。一方、ターボ過給機が故障した場合には、故障の状況下でも電動コンプレッサの作動によりある程度過給圧が上昇するため、運転者がターボ過給機の故障に気が付くのが遅れ、故障したターボ過給機に負荷をかけて故障の程度を悪化させるおそれがある。しかしながら、上記の特許文献には、電動コンプレッサ又はターボ過給機の故障を検出する手段がなく、各部の故障に応じた対策をとることができない。

そこで、本発明は、電動コンプレッサ又はターボ過給機の故障を検出し、これらの故障に対する対策をとることが可能な内燃機関用過給システムを提供することを目的とする。

本発明の第１の過給システムは、タービン及びコンプレッサを有し、内燃機関の排気エネルギを利用して内燃機関に対して過給するターボ過給機と、前記ターボ過給機の前記コンプレッサの上流側の吸気通路に設けられた電動コンプレッサと、前記電動コンプレッサを迂回するバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、前記電動コンプレッサの上流側の吸気通路に設けられ、吸気流量を調整可能な調整弁と、前記バイパス弁の開度、前記調整弁の開度、及び前記電動コンプレッサの作動状態をそれぞれ制御する過給システム制御手段と、前記電動コンプレッサの故障を判定する電動コンプレッサ故障判定手段と、を備え、前記過給システム制御手段は、前記電動コンプレッサ故障判定手段にて前記電動コンプレッサの故障が判定された場合には、前記電動コンプレッサの作動を停止するとともに、前記バイパス弁の開度及び前記調整弁の開度をそれぞれ開き側に制御することにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この発明によれば、電動コンプレッサの故障が判定された場合に、バイパス弁の開度及び調整弁の開度がそれぞれ開き側に制御されるので、故障が判定された電動コンプレッサを迂回して吸気が導かれ圧損を低減できる。しかも、電動コンプレッサの作動が停止されるので、無理に電動コンプレッサが駆動されることが回避されるので、電動コンプレッサの故障の程度を悪化させることが抑制される。

本発明の第１の過給システムにおいて、電動コンプレッサの故障の判定は種々の形態で実現してもよいが、例えば、電動コンプレッサ故障判定手段により、前記電動コンプレッサの作動時の機関運転状態に基づいて予め求められた前記電動コンプレッサの下流の基準下流圧と実際に検出された実下流圧との差が所定圧力よりも乖離した場合、又は前記電動コンプレッサの作動時の機関運転状態に基づいて予め求められた前記電動コンプレッサの上下流の基準差圧と実際に検出された実差圧との差が所定差圧よりも乖離した場合に、前記電動コンプレッサの故障を判定してもよい（請求項２）。

本発明の第２の過給システムは、タービン及びコンプレッサを有し、内燃機関の排気エネルギを利用して内燃機関に対して過給するターボ過給機と、前記ターボ過給機の前記コンプレッサの上流側の吸気通路に設けられた電動コンプレッサと、前記内燃機関の運転状態及び前記電動コンプレッサの作動状態をそれぞれ制御する過給システム制御手段と、前記ターボ過給機の故障を判定するターボ過給機故障判定手段と、を備え、前記過給システム制御手段は、前記ターボ過給機故障判定手段にて前記ターボ過給機の故障が判定された場合には、前記電動コンプレッサの作動を停止するとともに、前記内燃機関の機関出力が制限される退避モードに切り替えられるように前記内燃機関の運転状態を制御することにより、上述した課題を解決する（請求項３）。

この発明によれば、ターボ過給機の故障が判定された場合には電動コンプレッサの作動が停止され、内燃機関の機関出力が制限されるので、ターボ過給機の損傷を助長することが抑制される。

本発明の第２の過給システムにおいて、ターボ過給機の故障の判定は種々の形態で実現してもよいが、例えば、ターボ過給機故障判定手段により、前記ターボ過給機の作動時の機関運転状態に基づいて予め求められた基準過給圧と、実際に検出された実過給圧との差が所定過給圧よりも乖離した場合に、前記ターボ過給機の故障を判定してもよい（請求項４）。

本発明の第２の過給システムにおいて、ターボ過給機の故障が判定された場合に切り替えられる退避モードとしては、内燃機関の機関出力が制限されるものであれば如何なる形態でもよい。例えば、アクセル開度を所定開度以下に制限する操作、燃料噴射量を所定量以下に制限する操作、及び前記タービンに導かれる排気流量を調整可能な絞り手段を所定量絞る操作の少なくとも一つが実行されてもよい（請求項５）。

本発明の第３の過給システムは、タービン及びコンプレッサを有し、内燃機関の排気エネルギを利用して内燃機関に対して過給するターボ過給機と、前記ターボ過給機の前記コンプレッサの上流側の吸気通路に設けられた電動コンプレッサと、前記ターボ過給機の前記コンプレッサの下流側の吸気通路に設けられ、吸気流量を調整可能なスロットル弁と、前記スロットル弁の開度及び前記電動コンプレッサの作動状態をそれぞれ制御する過給システム制御手段と、前記ターボ過給機の回転数を検出又は推定するターボ過給機回転数検出手段と、を備え、前記過給システム制御手段は、前記ターボ過給機回転数検出手段にて検出又は推定された結果に基づいて前記ターボ過給機の回転数を低下させる必要性を判定し、前記ターボ過給機の回転を低下させる必要があると判定した場合には、前記ターボ過給機の作動状態に応じて、前記電動コンプレッサを作動させる操作、又は前記スロットル弁の開度を閉じ側に制御する操作のいずれか一方を実行することにより、上述した課題を解決する（請求項６）。

電動コンプレッサを作動させると電動コンプレッサの下流側で、かつターボ過給機のコンプレッサの上流側の入口圧力が上昇する。このため、ターボ過給機のコンプレッサの下流側で、かつスロットル弁の上流側の出口圧力に対する入口圧力の圧力比（出口圧力／入口圧力）が低下する。また、スロットル弁の開度を閉じ側に制御すると出口圧力が高まり、圧力比（出口圧力／入口圧力）が上昇する。一般に、ターボ過給機のコンプレッサの仕事が一定の場合には、コンプレッサの効率が高くなるほどターボ過給機の回転数が上昇し、コンプレッサの効率が低くなるほどターボ過給機の回転数が低下する性質がある。そして、ターボ過給機の作動状態には、圧力比（出口圧力／入口圧力）が低下するとターボ過給機のコンプレッサの効率が低下する作動状態と、圧力比（出口圧力／入口圧力）が上昇するとターボ過給機のコンプレッサの効率が低下する作動状態が存在する。この発明によれば、ターボ過給機の作動状態に応じて、電動コンプレッサを作動させる操作、又はスロットル弁の開度を閉じ側に制御する操作のいずれか一方を実行することにより、ターボ過給機の効率を低下させてターボ過給機の回転数を低下できる。これにより、何らかの原因でターボ過給機の回転数が許容範囲を超える又は超えるおそれがある場合において、許容範囲を超えたターボ過給機の過回転を抑制又は回避できる。

以上説明したように、本発明によれば、電動コンプレッサの故障が判定された場合に、バイパス弁の開度及び調整弁の開度がそれぞれ開き側に制御されるので、故障が判定された電動コンプレッサを迂回して吸気が導かれ圧損を低減でき、しかも電動コンプレッサの作動が停止されるので、無理に電動コンプレッサが駆動されることが回避され、電動コンプレッサの故障の程度を悪化させることが抑制される。また、ターボ過給機の故障が判定された場合には電動コンプレッサの作動が停止され、内燃機関の機関出力が制限されるので、ターボ過給機の損傷を助長することが抑制される。更に、ターボ過給機の作動状態に応じて、電動コンプレッサを作動させる操作、又はスロットル弁の開度を閉じ側に制御する操作のいずれか一方を実行することにより、ターボ過給機の効率を低下させてターボ過給機の回転数を下げることができるので、何らかの原因でターボ過給機の回転数が許容範囲を超える又は超えるおそれがある場合において、許容範囲を超えたターボ過給機の過回転を抑制又は回避できる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の過給システムを内燃機関としてのディーゼルエンジン（以下、エンジンという。）１に適用した実施形態を示している。図１の過給システムは、エンジン１に対して過給するターボ過給機２と、電動コンプレッサ３とを備えている。なお、以下の説明において、電動コンプレッサ３をＭＣと略称する場合がある。ターボ過給機２は吸入した空気を圧縮するコンプレッサ２ａとコンプレッサ２ａを駆動するためのタービン２ｂとを有する周知の装置である。コンプレッサ２ａは吸気通路としての吸気管４に設けられ、タービン２ｂは排気管５に設けられている。また、タービン２ｂのハウジング内には、タービン２ｂに導かれる排気流量を調整可能な可変ノズル（絞り手段）２ｃが設けられている。可変ノズル２ｃは図示しない複数の可動ベーンにより構成されており、これら可動ベーンの傾きを変更することにより、可変ノズルの開度（開口面積）が変更される。エンジン１の低回転域ではこの可変ノズル２ｃの開度を閉じ側とする（絞る）ことにより、過給圧を上げ低速トルクを向上することができる。そして、エンジン１の高回転域では可変ノズル２ｃの開度を開き側にすることにより、エンジン１の背圧を下げることができる。

電動コンプレッサ３はターボ過給機２の上流側の吸気管４に設けられている。電動コンプレッサ３はその駆動装置として電気モータ３ａを備えている。電気モータ３ａは図示しない電源に接続されている。電気モータ３ａを駆動することにより、電動コンプレッサ３は作動し、吸気管４内の吸気を圧縮することができる。電動コンプレッサ３の上流側の吸気管４には圧力Ｐ_２を検出する上流側圧力センサ２１が、下流側の吸気管４には圧力Ｐ_１を検出する下流側圧力センサ２２がそれぞれ設けられている。ターボ過給機２は上述したように排気のエネルギーを利用しているため、所望の過給圧が得られるまでにタイムラグを生じる（いわゆるターボラグ）。特に、低速走行時に急加速が要求された場合に顕著である。そこで、このターボラグを補償し、所望の過給圧が得られるまでターボ過給機をアシストすべく電動コンプレッサ３により過給アシストが行われる。

図１の過給システムは、電動コンプレッサ３を迂回するバイパス通路６を備えている。バイパス通路６の途中には、バイパス通路６を開閉するバイパス弁７が設けられている。バイパス弁７は電動コンプレッサ３が作動中の場合には基本的に全閉され、バイパス通路６への空気の流入が禁止される。従って、電動コンプレッサ３の上流側の吸気は実質的に全て電動コンプレッサ３に導かれる。一方、バイパス弁７は電動コンプレッサ３が非作動の場合には基本的に全開され、バイパス通路６へ空気が導かれる。バイパス弁７はソレノイド等の駆動手段で最小開度から最大開度までの間をリニアに駆動してもよいが、開弁及び閉弁を切り替えることができればよい。また、バイパス弁７として、電動コンプレッサ３の下流の圧力と、バイパス通路６の入口の圧力との圧力のバランスで駆動するシャッターバルブを採用してもよい。この場合はバイパス弁７を駆動する駆動手段及びその制御手段が不要となるので、構成をシンプルにできる。

ターボ過給機２のコンプレッサ２ａの下流側の吸気管４には、コンプレッサ２ａにより圧縮された吸気を冷却するために第１インタークーラ８が設けられている。これにより過給効率を高めることができる。さらに、上記と同様の理由から電動コンプレッサ３とターボ過給機２のコンプレッサ２ａの間の吸気管４に第２インタークーラ９が設けられている。第２インタークーラ９を設けることにより、更なる過給効率の向上を図ることができるが、常に設ける必要はない。また、電動コンプレッサ３の上流側の吸気管４には吸入空気の異物を除去するエアクリーナ１０と、吸気流量に対応した信号を出力するエアフローメータ２３とがそれぞれ設けられている。

電動コンプレッサ３の上流側の吸気管４には、第１スロットル弁（調整弁）１１が設けられている。第１スロットル弁１１は、その開度を最小開度から最大開度までの間でリニアに変更することができるように、ソレノイド等の駆動手段にて駆動されている。第１スロットル弁１１の開度が最小開度に設定されたときに吸気管４は全閉状態とされ、第１スロットル弁１１の開度を調整することにより吸気流量を調整できる。更に、第１インタークーラ８の下流側の吸気管４には、吸気流量を調整してエンジン１に導かれる吸気の圧力（過給圧）を調整可能な第２スロットル弁１２が設けられている。第２スロットル弁１２の構造は第１スロットル弁１１の構造と同一であり、最大開度と最小開度との間で開度調整可能である。第２スロットル弁１２を最小開度に設定した場合には吸気管４が全閉状態とされる。

ターボ過給機２のコンプレッサ２ａの上流側で、かつ電動コンプレッサ３の下流側の吸気管４にはコンプレッサ２ａの入口圧力Ｐ_０を検出する入口圧力センサ２４が、ターボ過給機２のコンプレッサ２ａの下流側で、かつ第２スロットル弁１２の上流側の吸気管４にはコンプレッサ２ａの出口圧力Ｐ_３を検出する出口圧力センサ２５がそれぞれ設けられている。第２スロットル弁１２の下流側の吸気管４には、過給圧Ｐ_ｂに対応した信号を出力する過給圧センサ２６が設けられている。その他、本実施形態に係る過給システムは、システム各部の故障を運転者に報知するためのチェックランプ（ウォーニングランプ）１３を備えている。チェックランプ１３は故障の発生に応じて後述のＥＣＵ３０にて明滅制御される。なお、チェックランプ１３等の視覚に訴える警報装置の代わりに、視覚以外の他の五感に訴えて故障の有無を運転者に報知する警報装置を設けてもよい。なお、図１の符号２７は機関回転数（回転速度）を検出する機関回転数センサである。

以上の過給システムは、エンジン１の制御手段として主に機能するＥＣＵ３０によって制御される。ＥＣＵ３０は、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等の周辺機器を備えたコンピュータユニットとして構成されている。ＥＣＵ３０は、主にＲＯＭ等の記憶手段に格納された所定のプログラムに従ってエンジン１を適性な運転状態に制御することができる。ＥＣＵ３０には図１に示した各種センサ２１〜２７の出力信号が入力され、これらの信号に基づいてターボ過給機２の可変ノズル２ｃの開度、電動コンプレッサ３の作動状態、バイパス弁７の開度、第１スロットル弁１１の開度、及び第２スロットル弁１２の開度をそれぞれ制御する。但し、バイパス弁７として上述したシャッターバルブを採用した場合には、このバイパス弁７に対する制御は不要となる。なお、図１に示した各種のセンサは検出対象となる物理量そのものを検出するものでもよいし、この物理量を推定するものでもよい。

図２は、本実施形態に係る過給システムの制御ルーチンの概要を示したフローチャートである。本制御ルーチンはＥＣＵ３０のＲＯＭ等に格納されたプログラムに従って所定間隔で繰り返し実行される。この制御ルーチンをＥＣＵ３０に実行させることにより、ＥＣＵ３０を本発明の過給システム制御手段及び電動コンプレッサ故障判定手段としてそれぞれ機能させることができる。図２に示したように、ＥＣＵ３０は、まずステップＳ１１において、電動コンプレッサ３の故障を判定する。

電動コンプレッサ３の故障には、種々の態様があり、例えば電気モータ３ａが空転して有効な過給アシストが実行できない態様や、電動コンプレッサ３のインペラーがハウジングに干渉してインペラーが回り難くなり吸気抵抗が増大する態様などが存在する。ここでは、吸気抵抗が増大する故障に関して説明する。このような故障の判定は適宜の形態で実施してよい。このような故障の場合には、電動コンプレッサ３を作動させてバイパス弁７を閉弁すると電動コンプレッサ３が吸気抵抗となる。このため吸気流量の増大に伴って電動コンプレッサ３の下流側の圧力（下流圧）Ｐ_１が正常時よりも大幅に低下する状態を招く。そこで、例えば図３に示したように、正常時の下流圧Ｐ_１を基準下流圧Ｓ_１とし、これを吸気流量Ｇａに関連付けたマップを予めＲＯＭに記憶させておき、このマップを参照して現在の吸気流量に対応する基準下流圧Ｓ_１を取得する。そして、取得された基準下流圧Ｓ_１と現在の下流圧（実下流圧）Ｐ_１との差が所定圧力Ｄ_１よりも乖離した場合に電動コンプレッサ３の故障を判定してもよい。つまり、実下流圧Ｐ_１が図３の斜線部Ａに該当する場合に電動コンプレッサ３の故障が判定される。ＥＣＵ３０は、実下流圧Ｐ_１を下流側圧力センサ２２から、吸気流量Ｇａをエアフローメータ２３からそれぞれ取得できる。

なお、下流圧Ｐ_１の代わりに電動コンプレッサ３の上流側と下流側の差圧ΔＰ_ｍｏｔを使用して電動コンプレッサ３の故障を判定してもよい。この形態においても、正常時の差圧ΔＰ_ｍｏｔを基準差圧として吸気流量に関連付けたマップを予めＲＯＭに記憶させておき、このマップを参照して現在の吸気流量に対応する基準差圧を取得する。そして、取得された基準差圧と現在の差圧（実差圧）との差が所定差圧よりも乖離した場合に電動コンプレッサ３の故障を判定してよい。差圧ΔＰ_ｍｏｔは、上流側圧力センサ２１及び下流側圧力センサ２２のそれぞれから算出してもよいし、これらの圧力センサ２２、２３の代わりに電動コンプレッサ３の上流側と下流側を跨ぐようにして差圧センサ（不図示）を設け、これに基づいて取得してもよい。電動コンプレッサ３の作動時の機関運転状態としては、電動コンプレッサ３の故障の有無が見分けられるものであれば如何なるものでもよく、上述した吸気流量の他に機関運転状態として機関回転数を用いてもよい。機関回転数は回転数センサ２７からの入力信号に基づいて取得できる。所定下流圧及び所定差圧は、過給システムの仕様に応じて適宜に設定され、機関運転状態に関わらず一定でもよいし、機関運転状態に応じて変化させてもよい。

ステップＳ１１において電動コンプレッサ３の故障を判定した場合には、ＥＣＵ３０は続くステップＳ１２にて、チェックランプ１３を点灯させ、電動コンプレッサ３の作動を停止させ、バイパス弁７を全開状態に制御し、かつ第１スロットル弁１１を全開状態に制御する。バイパス弁７及び第１スロットル弁１１のそれぞれの開度は必ずしも全開状態でなくてもよく、故障による弊害を緩和できる開度に適宜に設定してもよい。一方、ステップＳ１１において故障を判定しない場合は電動コンプレッサ３が正常に動作していることになるので、ステップＳ１２をスキップして今回のルーチンを終了する。

本実施形態によれば、電動コンプレッサ３の故障が判定された場合に、チェックランプ１３が点灯されるので、運転者に故障の発生を知らせることができる。また、電動コンプレッサ３の作動が停止されるので、故障の程度を悪化させることを抑制できる。バイパス弁７及び第１スロットル弁１１がそれぞれ全開状態に制御されるので、故障が判定された電動コンプレッサ３を迂回させて吸気を導くことができ、圧損を低減できる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。この形態は、ターボ過給機２の故障を判定し、ターボ過給機２の故障に対する対策を実行する点で第１の実施形態とは相違する。システムの全体構成については第１の実施形態と同一であり、図１が参照される。

図４は、本実施形態に係る過給システムの制御ルーチンの概要を示したフローチャートである。本制御ルーチンはＥＣＵ３０のＲＯＭ等に格納されたプログラムに従って所定間隔で繰り返し実行される。この制御ルーチンをＥＣＵ３０に実行させることにより、ＥＣＵ３０を本発明の過給システム制御手段及びターボ過給機故障判定手段としてそれぞれ機能させることができる。図４に示したように、ＥＣＵ３０は、まずステップＳ２１において、ターボ過給機２の故障を判定する。故障の判定は種々の形態で実施してよい。ターボ過給機２が故障すると、所望の過給圧が得られない状態となる。このため、正常時の基準過給圧を、ターボ過給機の作動時の機関運転状態（例えば吸気流量）に関連付けたマップを予めＲＯＭに記憶させておき、このマップを参照して現在の吸気流量に対応する基準過給圧を取得する。そして、取得された基準過給圧と現在の過給圧（実過給圧）Ｐ_ｂ（図１参照）との差が所定過給圧よりも乖離した場合にターボ過給機２の故障を判定してもよい。なお、ターボ過給機２の作動時の機関運転状態としては、ターボ過給機２の故障の有無が見分けられるものであれば如何なるものでもよく、上述した吸気流量の他に機関運転状態として機関回転数を用いてもよい。

ステップＳ２１において、ターボ過給機２の故障を判定した場合には、ＥＣＵ３０は続くステップＳ２２にて、チェックランプ１３を点灯させ、電動コンプレッサ３の作動を停止させ、かつ、機関出力が制限される退避モードに切り替えられるようにエンジン１の運転状態を制御する。この場合、電動コンプレッサ３の作動の停止に伴いバイパス弁７の開度を全開状態に制御してもよい。退避モードは機関出力が制限される形態であれば、如何なる形態でもよく、例えば、アクセル開度を所定値に制限する操作、燃料噴射量を所定値に制限する操作、及び可変ノズル２ｃの開度を絞る操作のいずれか一つ、又はこれらを組合わせたものを退避モードとしてよい。本実施形態では、アクセル開度が２５％に未満に制限されるようにエンジン１が制御される。一方、ステップＳ２１において、故障を判定しない場合はターボ過給機２が正常に動作していることになるので、ステップＳ２２をスキップして今回のルーチンを終了する。

本実施形態によれば、ターボ過給機２の故障が判定された場合には電動コンプレッサ３の作動が停止され、しかもエンジン１の運転状態が退避モードに切り替えられてエンジン１の機関出力が制限されるので、ターボ過給機２の故障の程度を悪化させる事態を回避できる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。この実施形態は、ターボ過給機２の回転数を低下させる必要性があると判定した場合に、ターボ過給機２の回転数を低下させるものである。ターボ過給機２の回転数を低下させることが必要となる状況は、ターボ過給機２の故障、電動コンプレッサ３の故障を原因としたものもあるがそれらには限定されず、本実施形態は、何らかの原因でこのような状況に陥った場合にも適用できる。過給システムの全体構成は第１の実施形態と同一であるので、図１が参照される。

図５は、本実施形態に係る過給システムの制御ルーチンの概要を示したフローチャートである。本制御ルーチンはＥＣＵ３０のＲＯＭ等に格納されたプログラムに従って所定間隔で繰り返し実行される。この制御ルーチンをＥＣＵ３０に実行させることにより、ＥＣＵ３０を本発明の過給システム制御手段及びターボ過給機回転数検出手段としてそれぞれ機能させることができる。図５に示したように、ＥＣＵ３０は、まずステップＳ３１においてターボ過給機２の回転数を低下させる必要性があるか否かを判定する。回転数を低下させる必要がある場合としては、ターボ過給機２の回転数が許容範囲を超える場合、又は超える可能性が高い場合が含まれる。ターボ過給機２の回転数は、過給圧センサ２６が検出した過給圧Ｐ_ｂから推定することができるが、ターボ過給機２に回転数センサ（不図示）を設けて、回転数を直接検出してもよい。許容範囲はターボ過給機２の仕様に応じて適宜に設定される。ＥＣＵ３０は、検出された過給圧Ｐ_ｂが許容範囲を超えているか否かを判定する。又は、検出された過給圧Ｐ_ｂの変化率を算出し、その後のターボ過給機２の回転数を予測して、許容範囲を超える可能性を予測する。その結果、現にターボ過給機２の回転数が許容範囲を超えている場合、又は許容範囲を超える可能性が高い場合にターボ過給機２の回転数を低下させる必要があると判定する。回転数を低下させる必要があると判定した場合には、ＥＣＵ３０は処理をステップＳ３２に進める。一方、回転数を低下させる必要がないと判定したときは以後の処理をスキップして今回のルーチンを終了する。

ステップＳ３２において、ＥＣＵ３０は、ターボ過給機２の作動状態を判定する。図６は、ターボ過給機２のコンプレッサ２ａの効率η_ｃｏｍｐを、コンプレッサ２ａの出口圧力Ｐ_３に対する入口圧力Ｐ_０の圧力比Ｐ_３／Ｐ_０（図１も参照）及び吸気流量Ｇａに関連付けたマップの一例を示している。この図において、曲線Ｌ１〜Ｌ３はそれぞれ等効率線を示しており、曲線Ｌ１から曲線Ｌ３に向かって効率η_ｃｏｍｐが順次高くなる。

ターボ過給機２において、コンプレッサ２ａの消費仕事（タービン２ｂの供給仕事）Ｗは、吸気流量をＧａ、コンプレッサ２ａの入口温度をＴ_０、定圧比熱をＣ_ｐａ、比熱比をκ、コンプレッサ２ａの出口圧力をＰ_３、コンプレッサ２ａの入口圧力Ｐ_０、及びコンプレッサ２ａの効率をη_ｃｏｍｐとすると、式（１）で示される。

また、ターボ過給機２の作動状態が１から２に変化した場合、ターボ過給機２の回転数Ｎには、式（２）の関係が成立する。なお、以下の説明において、添え字１は状態１の場合を、添え字２は状態２の場合をそれぞれ意味する。

ここで、状態１から状態２への変化の時間が十分に短い場合、状態１から状態２への変化の過程で、吸気流量Ｇａ、入口温度Ｔ_０、定圧比熱Ｃ_ｐａ、比熱比κ、及びコンプレッサ消費仕事Ｗが一定であるとみなすことができるので、式（１）及び式（２）から次の式（３）が導かれる。

式（３）から明らかなように、状態１から状態２へ作動状態が変化した場合、コンプレッサ２ａの効率η_ｃｏｍｐが上がればターボ過給機２の回転数が上がり、逆にコンプレッサ２ａの効率η_ｃｏｍｐが下がればターボ過給機２の回転数が下がることが分かる。従って、ターボ過給機２の回転数を低下させるには、コンプレッサ２ａの効率η_ｃｏｍｐを下げればよい。但し、図６から明らかなように、コンプレッサ２ａの効率η_ｃｏｍｐが下がる方向は、ターボ過給機２の作動状態、本実施形態では吸気流量Ｇａと圧力比Ｐ_３／Ｐ_０に応じて変化する。

そこで、図５のステップＳ３２の判定処理では、ターボ過給機２の作動状態に応じてコンプレッサ２ａの効率η_ｃｏｍｐを適切に下げることができるように、圧力比Ｐ_３／Ｐ_０が上がることによりコンプレッサ２ａの効率η_ｃｏｍｐが下がる領域ＡＲ１に該当するか、又は圧力比Ｐ_３／Ｐ_０が下がることによりコンプレッサ２ａの効率η_ｃｏｍｐが下がる領域ＡＲ２に該当するかをそれぞれ判定する。ターボ過給機２の作動状態が領域ＡＲ１に該当すると判定した場合には、ＥＣＵ３０は処理をステップＳ３４に進め（ステップＳ３３）、第２スロットル弁３の開度を閉じ側に制御する。これにより、図６に示したように、コンプレッサ２ａの出口圧力Ｐ_３が上昇して圧力比Ｐ_３／Ｐ_０が矢印Ｑ１に示した方向に上がりコンプレッサ２ａの効率η_ｃｏｍｐが下がるので、ターボ過給機２の回転数を低下できる。一方、ターボ過給機２の作動状態が領域ＡＲ２に該当すると判定した場合には、ＥＣＵ３０は処理をステップＳ３５に進め（ステップＳ３３）、電動コンプレッサ３を作動させる。電動コンプレッサ３が作動することにより、図６に示したように、コンプレッサ２ａの入口圧力Ｐ_０が上昇して圧力比Ｐ_３／Ｐ_０が矢印Ｑ２に示した方向に下がりコンプレッサ２ａの効率η_ｃｏｍｐが下がるので、ターボ過給機２の回転数を低下できる。

以上本発明の内燃機関用過給システムを第１〜３の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。例えば、上記の各実施形態においては、本発明の過給システムの適用対象としてディーゼルエンジン１としたが、内燃機関の形式は問わない。従って、本発明を火花点火式のガソリンエンジンに適用してもよいし、他のガソリンエンジンに適用してもよい。また、上述した第１〜３の実施形態はそれぞれ別々に実現することもできるし、適宜に組合わせて実現することもできる。

また、第１及び第２の実施形態においては、電動コンプレッサ３又はターボ過給機２の故障を判定するパラメータとして圧力又は圧力差を用いたが、特に制限はなく電動コンプレッサ３又はターボ過給機２の正常時と異常時で異なる挙動を示すパラメータであればどのようなものでもよい。例えば、図１に示した形態と同一箇所の温度又は温度差でもよい。また、これらのパラメータを検出するセンサ等を図示の位置以外に設けてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る過給システムの全体構成を示す図。第１の実施形態に係る過給システムの制御ルーチンの概要を示したフローチャート。基準下流圧を吸気流量に関連付けたマップの一例を示した説明図。第２の実施形態に係る過給システムの制御ルーチンの概要を示したフローチャート。第３の実施形態に係る過給システムの制御ルーチンの概要を示したフローチャート。ターボ過給機のコンプレッサの効率を、コンプレッサの出口圧力に対する入口圧力の圧力比及び吸気流量に関連付けたマップの一例を示した説明図。

符号の説明

１ディーゼルエンジン（内燃機関）
２ターボ過給機
２ａコンプレッサ
２ｂタービン
２ｃ可変ノズル（絞り手段）
３電動コンプレッサ
４吸気管（吸気通路）
６バイパス通路
７バイパス弁
１１第１スロットル弁（調整弁）
１２第２スロットル弁（スロットル弁）
３０ＥＣＵ（過給システム制御手段、電動コンプレッサ故障判定手段、ターボ過給機故障判定手段、ターボ過給機回転数検出手段）

Claims

タービン及びコンプレッサを有し、内燃機関の排気エネルギを利用して内燃機関に対して過給するターボ過給機と、前記ターボ過給機の前記コンプレッサの上流側の吸気通路に設けられた電動コンプレッサと、前記電動コンプレッサを迂回するバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、前記電動コンプレッサの上流側の吸気通路に設けられ、吸気流量を調整可能な調整弁と、前記バイパス弁の開度、前記調整弁の開度、及び前記電動コンプレッサの作動状態をそれぞれ制御する過給システム制御手段と、前記電動コンプレッサの故障を判定する電動コンプレッサ故障判定手段と、を備え、
前記過給システム制御手段は、前記電動コンプレッサ故障判定手段にて前記電動コンプレッサの故障が判定された場合には、前記電動コンプレッサの作動を停止するとともに、前記バイパス弁の開度及び前記調整弁の開度をそれぞれ開き側に制御することを特徴とする内燃機関用過給システム。
前記電動コンプレッサ故障判定手段は、前記電動コンプレッサの作動時の機関運転状態に基づいて予め求められた前記電動コンプレッサの下流の基準下流圧と実際に検出された実下流圧との差が所定圧力よりも乖離した場合、又は前記電動コンプレッサの作動時の機関運転状態に基づいて予め求められた前記電動コンプレッサの上下流の基準差圧と実際に検出された実差圧との差が所定差圧よりも乖離した場合に、前記電動コンプレッサの故障を判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用過給システム。
タービン及びコンプレッサを有し、内燃機関の排気エネルギを利用して内燃機関に対して過給するターボ過給機と、前記ターボ過給機の前記コンプレッサの上流側の吸気通路に設けられた電動コンプレッサと、前記内燃機関の運転状態及び前記電動コンプレッサの作動状態をそれぞれ制御する過給システム制御手段と、前記ターボ過給機の故障を判定するターボ過給機故障判定手段と、を備え、
前記過給システム制御手段は、前記ターボ過給機故障判定手段にて前記ターボ過給機の故障が判定された場合には、前記電動コンプレッサの作動を停止するとともに、前記内燃機関の機関出力が制限される退避モードに切り替えられるように前記内燃機関の運転状態を制御することを特徴とする内燃機関用過給システム。
前記ターボ過給機故障判定手段は、前記ターボ過給機の作動時の機関運転状態に基づいて予め求められた基準過給圧と、実際に検出された実過給圧との差が所定過給圧よりも乖離した場合に、前記ターボ過給機の故障を判定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用過給システム。
前記過給システム制御手段は、前記退避モードとして、アクセル開度を所定開度以下に制限する操作、燃料噴射量を所定量以下に制限する操作、及び前記タービンに導かれる排気流量を調整可能な絞り手段を所定量絞る操作の少なくとも一つを実行することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用過給システム。
タービン及びコンプレッサを有し、内燃機関の排気エネルギを利用して内燃機関に対して過給するターボ過給機と、前記ターボ過給機の前記コンプレッサの上流側の吸気通路に設けられた電動コンプレッサと、前記ターボ過給機の前記コンプレッサの下流側の吸気通路に設けられ、吸気流量を調整可能なスロットル弁と、前記スロットル弁の開度及び前記電動コンプレッサの作動状態をそれぞれ制御する過給システム制御手段と、前記ターボ過給機の回転数を検出又は推定するターボ過給機回転数検出手段と、を備え、
前記過給システム制御手段は、前記ターボ過給機回転数検出手段にて検出又は推定された結果に基づいて前記ターボ過給機の回転数を低下させる必要性を判定し、前記ターボ過給機の回転を低下させる必要があると判定した場合には、前記ターボ過給機の作動状態に応じて、前記電動コンプレッサを作動させる操作、又は前記スロットル弁の開度を閉じ側に制御する操作のいずれか一方を実行することを特徴とする内燃機関用過給システム。