JP2007016721A - 電動過給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自動車の内燃機関に適用して過給による加速性能の向上が最大限に発揮できるようにした電動式の過給装置を提供すること。
【解決手段】 内燃機関１０１の吸気管１０２に設置されたコンプレッサ１０６を電動機１０７で駆動し、内燃機関１０１を過給するようにした電動式過給機の制御装置において、電動機１０７によりコンプレッサ１０６を駆動して内燃機関１０１を過給する際には、内燃機関１０１で駆動されている発電機１１１による発電量を低減させ、或は発電量を０に制御して、過給による内燃機関１０１の出力増加分が発電機１１１の駆動により相殺されてしまうのが抑えられるようにしたもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動機駆動方式の過給装置に係り、特に、自動車用の内燃機関に好適な電動式過給装置に関する。

内燃機関の出力を高め燃費の向上を図る装置として、過給機、いわゆるスーパーチャージャーは良く知られているところであるが、このときの過給用コンプレッサ(圧縮機)の駆動方式としては、従来から、排気ガスタービンを用いた、いわゆるターボチャージャーが主流を占めているが、内燃機関の出力で直接駆動するようにした、いわゆるメカニカルドリブン方式も、少数派ではあるが、実績がある。

更に近年は、過給用のコンプレッサを電動機で駆動するようにした、いわゆる電動式過給装置もいくつかの従来技術として見られるようになっている(例えば、特許文献１、特許文献２参照。)。

そして、この従来技術の一例では、過給装置に電力を供給するバッテリと、このバッテリに充電するための内燃機関駆動式バッテリ再充電器を含む電源装置と、過給装置及び電源装置の動作を制御する電子制御装置とを有し、電子制御装置が、電源装置の状態に基づき、過給装置の動作にとっての１以上の許容動作限度を決定し、電源装置の状態が許容範囲内にある場合、内燃機関駆動式バッテリ再充電器を用いて過給装置を駆動し、電源装置の状態が許容範囲内には無い場合、バッテリを内燃機関駆動式バッテリ再充電器から少なくとも部分的に隔離し、バッテリを用いて過給装置を駆動するよう構成されている。

また、上記従来技術の他の一例では、バッテリが満充電状態のときは、内燃機関で駆動されている発電機から圧縮機駆動用電動機に電力が供給されるようになっている。
特開２００３−１６１１５６号公報 特開２００４−２７０６０２号公報

上記従来技術は、過給機駆動用のエネルギーが内燃機関から供給されている点に配慮がされておらず、自動車用内燃機関の場合、加速性能の向上に問題があった。

内燃機関を過給してやれば、内燃機関のトルクが増加されるので、特に自動車の加速性能の向上に有効であるが、電動式過給装置の場合、過給用のコンプレッサは、バッテリなどの蓄電手段又は内燃機関駆動の発電手段から供給される電力により駆動される。

ここで、コンプレッサ駆動用の電力が発電手段から供給されている場合、過給により増加された内燃機関の出力が発電手段を駆動するために消費されてしまうことになり、従って、内燃機関の出力の中で、自動車の加速のために使われる部分は、コンプレッサを駆動しない場合に比べてむしろ減少してしまうことになり、加速性能の向上に問題が生じてしまうのである。

本発明の目的は、自動車の内燃機関に適用して過給による加速性能の向上が最大限に発揮できるようにした電動過給装置を提供することにある。

上記目的は、内燃機関の吸気管に設置された過給手段と、前記過給手段を駆動する電動機と、前記電動機に電力を供給する蓄電手段と、内燃機関によって駆動される発電手段とを備えた電動式過給機の制御装置において、前記電動機と前記発電手段を制御する制御手段を設け、前記制御手段は、前記電動機を制御して前記過給手段を駆動させたとき、前記発電手段による前記蓄電手段の充電動作を抑制又は停止させるように構成されていることにより達成される。

このとき、前記制御手段は、前記電動機を制御する際、前記蓄電手段と前記電動機の状態によって制限される範囲内で最大と最小の駆動指令値を切替えた後、目標とする過給状態を保持するように前記電動機を制御するようにしても上記目的が達成され、同じく、ここで、前記過給手段を電動機で過給する際には、前記吸気管に設置されているスロットルを全開にするようにしても上記目的が達成される。

また、このとき前記過給手段が並列に配置されたバイパス弁を備え、前記制御手段は、前記電動機により前記過給手段を駆動する際には、当該過給手段の運転状態に基づいて前記バイパス弁を閉じるようにしても上記目的が達成され、ここで前記内燃機関の排気管に配置されたタービンと、このタービンで駆動されるコンプレッサを前記過給手段の上流に設け、前記タービンで駆動されるコンプレッサの下流の圧力が目標圧力に達したときは、前記電動機で駆動される過給手段を停止させるようにしても上記目的が達成される。

同じく、このとき、前記排気管にタービンを配置し、前記過給手段に前記タービンの回転軸が連結されているようにしても上記目的が達成でき、更に、このとき、前記蓄電手段が２次電池とキャパシタの組み合わせで構成されているようにしても上記目的が達成できる。

本発明によれば、電動機でコンプレッサを駆動して内燃機関を過給する際、内燃機関で駆動されている発電機の発電量が低減、或は０にされるので、過給による内燃機関の出力増加分が発電機の駆動により相殺されてしまうのが抑えられ、自動車の加速性能が向上する。

また、このとき、電動機への制御指令値を最大値と最小値との間で切り替えて効果的にコンプレッサの回転を立ち上げた後に過給状態を保持する制御に移るようにすることができるので、応答性良く、且つ効率よく、内燃機関を過給することができる。

また、この結果、より小さな内燃機関をベースにして大きな出力を得ることが可能にするので、内燃機関のポンピングロスの低減に貢献し、内燃機関の軽量化や、自動車の燃費向上に寄与する。

以下、本発明による電動過給装置について、図示の実施の形態により詳細に説明することにする。

図１は、本発明の一実施形態で、ガソリンエンジンなどの内燃機関１０１は、吸気管１０２を介して大気から空気を吸入し、空気と燃料の混合気を燃焼させることにより、吸気量にほぼ比例した出力を発生する。そして燃焼後の混合気は、排気管１０３を介して、排気(排ガス)として大気に排出する。

このとき、アクセルペダルなどの加速設定手段１０４による設定値に応じてスロットル弁１０５の開度、つまりスロットル角を制御し、内燃機関１０１への吸気を絞ることで内燃機関１０１の出力が制御されるようになっている。そして、スロットル弁１０５が全開のときの出力よりさらに大きい出力を必要とするときは、コンプレッサ１０６を電動機１０７で駆動し、より多くの空気が内燃機関１０１に送り込まれるようにする。

これが過給でブーストを効かすというが、コンプレッサ１０６が電動機１０７で回転駆動されていないときにはバイパス弁１０８を開き、コンプレッサ１０６が空気の流れを阻害しないようにする。そして、コンプレッサ１０６を駆動してブーストを効かすときにはバイパス弁１０８を閉じる。

コンプレッサ１０６を駆動するための電動機１０７の運転状態は、加速設定手段１０４による設定値に応じて、制御手段１０９により制御されるが、このときの電動機１０７の電力はバッテリなどの蓄電手段１１０から供給される。そして、この蓄電手段１１０は発電機１１１が発生する電力により充電されるが、この発電機１１１は内燃機関１０１により駆動されている。

このときの発電機１１１は、通常、オルタネータと呼ばれるもので、このオルタネータが発電する電力は、界磁電流と回転子の回転数によって決まるが、回転子の回転数は内燃機関１０１の回転数により決まってしまう。そこで、制御手段１０９は、発電機１１１の界磁電流を制御することにより発電量を制御する。

蓄電手段１１０には、通常、鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などの２次電池が使用されるが、このときキャパシタ(コンデンサ)を使用するようにしてもよく、或は図２に示すように、２次電池２０１とキャパシタ２０２を組合わせて蓄電手段１１０を実現しても良い。特に、鉛電池の場合は充放電特性が鈍いので、キャパシタと組合わせることにより充放電特性の優れた蓄電手段を安価に実現できる。

ここで、まず、スロットル弁１０５が全開のときの内燃機関１０１による吸気量(自然吸気量)に対して、過給したときの吸気の超過量の比を過給度と呼ぶことにし、スロットル弁１０５の開度と過給度を同一の加速設定手段１０４により制御するものとすると、例えば図３に示すように、加速設定値が最小値から最大値に達するまではスロットル弁１０５の開度を加速設定値に応じて全閉から全開に制御し、それより大きな加速設定値が入力されたら、スロットル弁１０５は全開にしたままで過給度を大きくしていくことで内燃機関１０１の出力を制御する。

このとき、過給度については、それをコンプレッサ１０６の回転数として定義することもできるし、スロットル弁１０５の下流圧力として定義することもできる。ここで、まず、過給度をコンプレッサ１０６の回転数として定義した場合の、加速設定値とスロットル開度、コンプレッサ回転数の関係の一例を図４に示し、次に、過給度をスロットル下流圧力として定義した場合の、加速設定値とスロットル開度、スロットル下流圧力の関係の一例を図５に示す。

ところで、電動機１０７によりコンプレッサ１０６を駆動して過給を行なった場合、内燃機関１０１の出力は増加する。しかし、このとき発電機１１１で発電を行うと、出力の増加分が発電機１１１を駆動するために消費されてしまい、過給した意味がなくなってしまう場合がある。

そこで、この実施形態では、過給する際には発電機１１１の界磁電流を減らすなどして発電量を減らし、内燃機関１０１の出力が過給によって増加したら、それが自動車の加速により多く利用されるようにしたものである。このとき蓄電手段１１０の容量が許すのであれば、発電機１１１の発電量を０にしてもよい。

そして、この実施形態では、このような考え方に基づいて、図６の流れ図に従って制御を実行する。最初、加速設定値と過給閾値を比較する(ステップ６０１)。そして、加速設定値が過給閾値より大きいとき、つまり加速設定値≧過給閾値のとき、以下の３種の処理を実行する。

まず、発電機１１１の発電量を低減する(ステップ６０２)。このよき蓄電手段１１０の容量に余裕がある場合は発電量を０にする。次いで、スロットル弁１０５を全開にする(ステップ６０３)。そして、電動機１０７によるコンプレッサ１０６の駆動を開始するのである(ステップ６０３)。

このとき、これらステップ６０１、６０２、６０３の３種の処理の実行順序は任意でよいが、この場合、実行間隔は可能な限り小さくするのが望ましい。一方、同時に並行して実行されるようにしてもよい。

次に、この電動機１０７の駆動に対するコンプレッサ１０６の応答状況を判定する(ステップ６０５)。これは、コンプレッサ１０６が応答して、コンプレッサ下流圧力≧コンプレッサ上流圧力となっているか否かを判定するためであり、このため、以下の何れかの方法により判定する。

このときスロットル弁１０５が全開になっている。そこで、まず、コンプレッサ下流圧力＝スロットル下流圧力と考えて、スロットル下流圧力が運転状態によって定められる閾値を超えたときにコンプレッサ１０６が応答していると判定してもよい。次に、コンプレッサ１０６の回転数が内燃機関１０１の運転状態によって定められる閾値以上になったときにコンプレッサ１０６が応答していると判定してもよい。更に、コンプレッサ１０６の駆動を開始してから一定時間が経過したときにコンプレッサ１０６が応答していると判定しても良い。

そして、このような方法でコンプレッサ１０６が応答していると判定されたら、バイパス弁１０８を閉じ(ステップ６０６)、過給した空気がバイパス弁１０８を介して逃げてしまうのを防ぐ。

このとき、電動機１０７に対する駆動指令を、図７の(a)に示すように、最初の時刻ｔ１で過給状態の保持に必要な目標値までステップ状に与えたとすると、図７(b)、(c)に示すように、コンプレッサ１０６の回転数やコンプレッサ下流圧力などの過給状態が応答するのに時間が掛って応答が悪くなってしまう。そこで、この実施形態では、以下に説明するように、駆動指令を最大化したり最小化したりして、過給状態の応答性向上を図るようにしている。

例えば、いま、コンプレッサ１０６の回転数を過給状態として見た場合、図８(a)に示すように、まず、最初の時刻ｔ１では、過給状態の保持に必要な目標値よりも高い最大値の駆動指令を与え、その後、図８(b)に示すように、コンプレッサ１０６の回転数が目標値に達した時刻ｔ２で、駆動指令を目標値に戻すのである。この結果、図８(c)に示すように、コンプレッサ下流圧力を目標値に収斂させることができる。

従って、この図８の場合、制御処理は図９の流れ図に示すようになる。すなわち、最初は最大の駆動指令を電動機１０７に与える(ステップ９０１)。そして、回転数が目標値に達したら(ステップ９０２)、この後はコンプレッサ１０６の回転数を目標値に保つように制御するのである(ステップ９０３)。このようにすることで、コンプレッサ１０６の回転数が目標値に到達する時間を短縮することができる。

次に、コンプレッサ１０６の下流の圧力を過給状態として考えた場合は、図１０(a)に示すように、最初の時刻ｔ１では、過給状態の保持に必要な目標値よりも高い最大値の駆動指令を与える。これは図８のときと同じであるが、しかし、この場合は、その後の時刻ｔ２で一旦、駆動指令を最小値、例えばゼロにする。そして、図１０(b)に示すように、コンプレッサ１０６の回転数が目標値にまで低下し、図１０(c)に示すように、コンプレッサ下流圧力が目標値に達した時刻た時刻ｔ３で、駆動指令を目標値に戻すのである。

従って、この図１０の場合、制御処理は図１１の流れ図に示すようになる。すなわち、最初は最大の駆動指令を電動機１０７に与える(ステップ１１０１)。しかし、この後、駆動指令を一旦、最小値にする(ステップ１１０２)。そして、この後で、回転数が目標値に達したら(ステップ１１０３)、この後はコンプレッサ１０６の回転数を目標値に保つように制御するのである(ステップ１１０４３)。

このときの指令値を最大から最小に切替えるタイミングである時刻ｔ３は、制御周期ごとに判定される。そこで、この判定方法を図１２の流れ図により説明する。まず、最小の駆動指令を電動機１０７に与え続けたときにコンプレッサ１０６の回転数が目標値に到達する時間ｔ３を予測する(ステップ１２０１)。次に、時刻ｔ３におけるコンプレッサ１０６の下流圧力Ｐ３を予測し(ステップ１２０２)、この予測した下流圧力Ｐ３が目標圧力以上になったら(ステップ１２０３)、ここで指令値を最大から最小に切替えるのである(ステップ１２０４)。

このように、コンプレッサ１０６を駆動する際に発電機１１１の発電量を低減させ、或は発電を停止させると共に、コンプレッサ１０６に連結された電動機１０７には最大指令値と最小指令値の切り替えの後に過給度を保つ制御を行うようにしたので、この実施形態によれは、自動車の加速応答性を向上することができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明すると、図１３は、本発明の第２の実施形態を示したもので、この図１３の実施形態は、図１に示した実施形態の構成に、内燃機関１０１の排気によって駆動されるガスタービン１３０１と、吸気を加給するためのコンプレッサ１３０２、タービン１３０１の回転駆動力をコンプレッサ１３０１に伝達するシャフト１３０３とで構成されているターボチャージャ１３０４を追加したものである。

ここで、図１４は、電気駆動コンプレッサもターボチャージャも備えていない、いわなる自然吸気内燃機関のトルク特性Ａと、ターボチャージャなどの過給手段を備えた内燃機関のトルク特性Ｂを示したもので、この図１４から明らかなように、排気のエネルギーにより駆動されるターボチャージャは、内燃機関の回転数が大きいときには十分な過給性能が得られ、十分なトルクが得られるが、内燃機関の回転数が小さい低いときには十分なトルクが得られない。

そこで、内燃機関の回転数が小さいときだけ電気駆動のコンプレッサ１０６で過給し、ターボチャージャ１３０４だけでは不足するトルクを補おうというのが本実施形態の狙いで、次に、この第２の実施形態の動作について、図１５と図１６を用いて説明する。

始めに図１５の流れ図により説明する。ここで処理を開始したら、まず、加速設定値が過給閾値以上になったか否かを調べる(ステップ１６０１)。そして、加速設定値が過給閾値以上になったら発電量を低減、或は発電を停止させ(ステップ１６０２)、スロットル弁１０５を全開にし(ステップ１６０３)、コンプレッサ１０６の駆動を開始させ(ステップ１６０４)、ここでコンプレッサ１０６が応答条件を満たしたか否かを調べる(ステップ１６０５)。

こうしてコンプレッサ１０６が応答条件を満たしたらバイパス弁１０８を閉じ(ステップ１６０６)、ここで電動機１０７に最大指令値と最小指令値を与えると、図１６に示すように、時刻ｔ３で過給状態は目標状態に収束するが、この間にターボチャージャ１３０４の回転が増加してきてターボチャージャ１３０４の下流圧が増加し、このターボチャージャ１３０４の下流圧の増加分だけ、コンプレッサ１０６により補わなければならない過給分の強さは低減する。

そこで、コンプレッサ１０６の回転数は、図１６に示すように、時刻ｔ３から徐々に減少に転じ、時刻ｔ４でターボチャージャ１３０４の下流圧力が目標圧力に達したら(ステップ１６０７)、ここでコンプレッサ１０６による過給の必要がなくなるので、電動機１０７に対する駆動指令を０にし(ステップ１６０８)、バイパス弁１０８を開にするのである(ステップ１６０９)。

そして、時刻ｔ４を過ぎターボチャージャ１３０４の下流圧が目標圧を超過したら、その分、スロットル弁１０５を絞り、内燃機関１０１の吸入空気量を調節するのである(ステップ１６１０)。このとき、更に続いて、低減させていた発電量を元に戻すようにしても良い(ステップ１６１１)。

従って、この第２の実施形態によれば、過給による内燃機関１０１のトルク増加を、当該内燃機関の回転領域全体に渡って十分に得ることができる。

次に、図１７は、本発明の第３の実施形態で、これは、図１に示した第１の実施形態におけるコンプレッサ１０６に、内燃機関１０１の排気によって駆動されるガスタービン１３０１の回転軸１３０３を連結させ、コンプレッサ１０６によりターボチャージャ１３０４のコンプレッサを兼用させるようにしたものであり、これに伴いターボチャージャ１３０４本来のコンプレッサとバイパス弁(図１のバイパス弁１０８)は削除されている。

この図１７の実施形態の目的は、図１３の実施形態の目的と同じで、内燃機関１０１の回転数がある程度大きくなるまでは十分な過給性能が得られないターボチャージャ１３０４の過給性能を、電動機１０７により駆動されるコンプレッサ１０６により補い、内燃機関１０１の回転数が低いときでも必要とする過給性能が得られるようにしたものであり、制御方法については、第２の実施形態と同じである。

従って、この第３の実施形態によっても、第２の実施形態と同じく、過給による内燃機関１０１のトルク増加を、内燃機関１０１の回転領域全体に渡って十分に得ることができる。

本発明による電動過給装置の一実施形態を示すブロック構成図である。 本発明の一実施形態における蓄電手段の一例を示すブロック構成図である。 本発明の一実施形態における加速設定値とスロットル開度及び過給度の関係を示す特性図である。 本発明の一実施形態における加速設定値とスロットル開度及びコンプレッサ回転数の関係を示す特性図である。 本発明の一実施形態における加速設定値とスロットル下流圧力の関係を示す特性図である。 本発明の一実施形態の動作手順を示す流れ図である。 本発明の一実施形態における電動機制御指令値の一例を示す特性図である。 本発明の一実施形態における電動機制御指令値の他の一例を示す特性図である。 本発明の一実施形態における電動機の制御方法の一例を示す流れ図である。 本発明の一実施形態における電動機制御指令値の更に別の一例を示す特性図である。 本発明の一実施形態における電動機の制御方法の他の一例を示す流れ図である。 本発明の一実施形態における電動機の制御方法の更に別の一例を示す流れ図である。 本発明による電動過給装置の他の一実施形態を示すブロック構成図である。 自然吸気内燃機関とターボチャージャ付内燃機関のトルク特性の一例を示す説明図である。 本発明の他の一実施形態の動作手順を示す流れ図である。 本発明の他の一実施形態による動作の一例を示す特性図である。 本発明による電動過給装置の更に別の一実施形態を示すブロック構成図である。

符号の説明

１０１：内燃機関
１０２：吸気管
１０３：排気管
１０４：加速設定手段
１０５：スロットル弁
１０６：コンプレッサ(電動機駆動)
１０７：電動機
１０８：バイパス弁
１０９：制御装置
１１０：蓄電手段
１１１：発電機(充電手段)
２０１：２次電池
２０２：キャパシタ
１３０１：タービン
１３０２：コンプレッサ(ターボ駆動)
１３０３：シャフト
１３０４：ターボチャージャ

Claims (7)

1. 内燃機関の吸気管に設置された過給手段と、前記過給手段を駆動する電動機と、前記電動機に電力を供給する蓄電手段と、内燃機関によって駆動される発電手段とを備えた電動式過給機の制御装置において、
   前記電動機と前記発電手段を制御する制御手段を設け、
   前記制御手段は、前記電動機を制御して前記過給手段を駆動させたとき、前記発電手段による前記蓄電手段の充電動作を抑制又は停止させるように構成されていることを特徴とする電動過給装置。
2. 請求項１に記載の電動過給装置において、
   前記制御手段は、前記電動機を制御する際、前記蓄電手段と前記電動機の状態によって制限される範囲内で最大と最小の駆動指令値を切替えた後、目標とする過給状態を保持するように前記電動機を制御することを特徴とする電動過給装置。
3. 請求項１に記載の電動過給装置において、
   前記過給手段を電動機で過給する際には、前記吸気管に設置されているスロットルを全開にすることを特徴とする電動過給装置。
4. 請求項１に記載の電動過給装置において、
   前記過給手段が並列に配置されたバイパス弁を備え、
   前記制御手段は、前記電動機により前記過給手段を駆動する際には、当該過給手段の運転状態に基づいて前記バイパス弁を閉じることを特徴とする電動過給装置。
5. 請求項１に記載の電動過給装置において、
   前記内燃機関の排気管に配置されたタービンと、このタービンで駆動されるコンプレッサを前記過給手段の上流に設け、
   前記タービンで駆動されるコンプレッサの下流の圧力が目標圧力に達したときは、前記電動機で駆動される過給手段を停止させることを特徴とする電動過給装置。
6. 請求項１に記載の電動過給装置において、
   前記排気管にタービンを配置し、前記過給手段に前記タービンの回転軸が連結されていることを特徴とする電動過給装置。
7. 請求項１〜請求項６の何れかに記載の電動過給装置において、
   前記蓄電手段が２次電池とキャパシタの組み合わせで構成されていることを特徴とする電動過給装置。
   

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