JP2007182795A - エンジンの過給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電動過給機を備えたエンジンの過給装置において、予回転領域のときに吸気の昇温を抑制する。
【解決手段】 電動過給機が配設された過給通路と、該過給通路における過給機の上、下流側をバイパスすると共にバイパス制御弁が配設されたバイパス通路とを有し、エンジンの運転状態が所定の過給領域にあるときは、過給機を作動させると共にバイパス制御弁を閉作動させ、かつ前記過給領域よりも低負荷側の予回転領域にあるときは、過給機を作動させると共にバイパス制御弁を開作動させるように構成されたエンジンの過給装置であって、前記過給通路におけるバイパス通路の分岐部と電動過給機との間に配設された吸気圧制御弁を備え、前記予回転領域のときに、前記吸気圧制御弁の開度を閉側に制御して、過給通路における過給機下流の圧力を略大気圧に低下させる（ステップＳ１０）。
【選択図】 図４

Description

本発明は、電動過給機を有するエンジンの過給装置に関し、エンジンの吸気システムの技術分野に属する。

従来より、エンジントルクの増大を図る手段として吸気を過給するスーパーチャージャやターボチャージャが周知であるが、いずれも過給能力がエンジン回転数の影響を大きく受ける結果、低回転領域で過給圧が不足するという欠点がある。これに対し、電気的に駆動される電動過給機は、エンジン回転数の影響を受けることなく回転数を制御できるので、低回転領域でも十分な過給圧を発生し得る利点がある。

そして、このような電動過給機を備えたエンジンの過給装置として、特許文献１に開示されたものは、電動過給機が配設された過給通路と、該過給通路における過給機の上、下流側をバイパスすると共にバイパス制御弁が配設されたバイパス通路とを有している。この過給装置では、エンジンの運転状態が所定の過給領域にあるときは、過給機を作動させると共にバイパス制御弁が閉作動されるので、過給機の作動により新気が過給通路の上流側から吸入されて下流側に圧送され、この結果、充填効率が高められる。また、運転状態が過給領域にないときは、過給機が非作動とされると共にバイパス制御弁が開作動され、新気がバイパス通路を通って直接燃焼室に供給される。

さらに、この特許文献１に開示された過給装置は、エンジンの運転状態が過給領域に移行する前に予めバイパス制御弁を開いた状態で電動過給機を作動させる予回転制御を行うようになっている。予回転制御では、過給機により過給通路の下流側に吐出された空気の一部又は全部がバイパス通路を逆流し、再度過給通路における過給機の上流側に吸入されて下流側に圧送される。このとき、過給通路におけるバイパス通路の分岐部において、バイパス通路を逆流した空気と新気とが合流する。この結果、予回転制御においては空気が過給通路及びバイパス通路を循環することになる。そして、この予回転制御により、予め過給機の回転数が高められるので、過給領域に移行した際の過給圧の応答性が向上する。
特開２００３−２２７３４２号公報

ところで、前記特許文献１に開示された過給装置の構成においては、予回転制御中に、過給通路及びバイパス通路を通って循環する空気の昇温が問題になる。つまり、電動過給機の作動により過給通路における該過給機の下流側の圧力が高くなり、この高圧の空気がバイパス通路を逆流するため、過給通路におけるバイパス通路の分岐部で外気から吸入された大気圧若しくはやや負圧の新気と合流するときに圧力降下が生じることになる。そして、この圧力降下において圧力エネルギが熱エネルギに変換されるため、循環する空気が昇温されるのである。このように吸気の温度が上昇すると、運転状態が予回転領域から過給領域に移行した際の充填効率の低下を招くことになる。

そこで、本発明は、電動過給機を備えたエンジンの過給装置において、予回転領域のときに吸気の昇温を抑制することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、電動過給機が配設された過給通路と、該過給通路における過給機の上、下流側をバイパスすると共にバイパス制御弁が配設されたバイパス通路とを有し、エンジンの運転状態が所定の過給領域にあるときは、過給機を作動させると共にバイパス制御弁を閉作動させ、かつ前記過給領域よりも低負荷側の予回転領域にあるときは、過給機を作動させると共にバイパス制御弁を開作動させるように構成されたエンジンの過給装置であって、前記過給通路におけるバイパス通路の分岐部と電動過給機との間に配設された吸気圧制御弁と、前記予回転領域のときに、前記吸気圧制御弁の開度を閉側に制御する吸気圧制御手段とが備えられていることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載のエンジンの過給装置において、前記吸気圧制御手段は、過給通路における電動過給機の下流側の圧力が略大気圧状態になるように、前記吸気圧制御弁の開度を制御することを特徴とする。

さらに、請求項３に記載の発明は、前記請求項２に記載のエンジンの過給装置において、前記吸気圧制御弁の開度の制御は、運転状態に応じて行われることを特徴とする。

そして、請求項４に記載の発明は、前記請求項１から請求項３のいずれかに記載のエンジンの過給装置において、前記電動過給機は、所定の回転数に制御されている状態で、空気流量が減少するときに過給通路における該過給機の上、下流側の圧力比が増加すると共に、空気流量が小さいほど所定の減少度合いで消費電力が低下し、圧力比が小さいほど前記所定の減少度合いよりも緩やかな減少度合いで消費電力が低下する特性を有していることを特徴とする。

まず、請求項１に記載の発明によれば、過給領域よりも低負荷側の予回転領域のときに、過給機から吐出された空気の一部または全部がバイパス通路を逆流し、新気と合流して再び過給通路の上流側に吸入されるのであるが、過給通路におけるバイパス通路の分岐部と電動過給機との間に吸気圧制御弁が配設され、予回転領域においては吸気圧制御手段により前記吸気圧制御弁の開度が閉側に制御されるので、過給通路における該吸気圧制御弁の下流側かつ過給機の上流側に負圧が生じる。そして、過給機はこのような負圧の空気を吸入して下流側に吐出するので、過給通路における過給機の下流側の空気の圧力の高まりが抑制される。この結果、この空気がバイパス通路を逆流して新気と合流する際の圧力降下代が小さくなる。

このように、過給通路における吸気圧制御弁の下流側かつ過給機の上流側で空気が負圧になるため、予回転領域において過給通路及びバイパス通路を循環する空気が一旦負圧となって温度が低下すると共に、循環する空気が新気と合流する際の圧力降下代が小さいので、圧力エネルギが熱エネルギに変換されることが抑制され、循環する空気の昇温が抑制される。これらの結果、吸気の昇温が抑制され、予回転領域から過給領域に移行した際の充填効率の低下が抑制される。

また、請求項２に記載の発明によれば、吸気圧制御手段により、過給通路における電動過給機の下流側の圧力が略大気圧状態になるように、前記吸気圧制御弁の開度が制御されるので、バイパス通路を逆流した空気が略大気圧の吸気と混合されるときの圧力降下代が略ゼロになる。この結果、過給通路及びバイパス通路を循環する空気の昇温がより効果的に抑制されることになる。

ところで、運転状態に応じてエンジンに要求される空気量が異なるため、吸気圧制御弁の開度が一定とされて空気流量が増減すると、過給通路における電動過給機の下流側の圧力が略大気圧状態にならないことがある。例えば運転状態が低回転数のときは、高回転数のときに比べてエンジンに吸入される空気量が小さいため、過給通路における電動過給機の下流側の圧力が高くなり、新気と合流する際の圧力降下により循環する空気が昇温することがある。

これに対し、請求項３に記載の発明によれば、吸気圧制御手段により、過給通路における電動過給機の下流側の圧力が略大気圧状態になるように、運転状態に応じて吸気圧制御弁の開度が閉側に制御されるので、運転状態に拘らず過給通路における過給機の下流側の圧力が大気圧に維持されることになって、過給通路及びバイパス通路を循環する空気の昇温が一層効果的に抑制されることになる。

ところで、図８に示すように、電動過給機は、一定の回転数に維持される場合に、空気流量が増加すると圧力比が減少する特性を有するものがある。さらに、このような過給機において、低空気流量及び低圧力比側（領域ａ側）が低消費電力の領域となり、空気流量及び高圧力比側（領域ｊ側）が高消費電力の領域となる消費電力の領域ａ〜ｊが形成されるものがある。ここでは、各領域ａ〜ｊを隔てる直線は傾きが（−１）の直線であり、空気流量と圧力比の減少に応じて同じ割合で消費電力が減少する。

そして、請求項４に記載の発明によれば、図９に示すように、空気流量が小さいほど所定の減少度合いで消費電力が低下し、圧力比が小さいほど前記所定の減少度合いよりも緩やかな減少度合いで消費電力が低下する特性となっているので、各領域ａ〜ｊを隔てる直線が図８に示したものに比べて急な傾きになる。この結果、例えば空気流量がＱ１からＱ２に減少したときに、図８に示した例においては消費電力が領域ｇから領域ｅに減少するのに対して、図９に示す例においては消費電力が領域ｇから領域ｄまで減少し、消費電力の減少量がより大きくなる。

そして、前記請求項１〜３に記載の発明にように予回転領域において吸気圧制御弁の絞り制御が行われ、空気流量が抑制されるので、請求項４に記載の発明に係る図９に示したような特性を有する電動過給機が使用されることによって省電力化が実現される。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本実施の形態に係るエンジンの吸気システム１を示している。この吸気システム１において、外気から新気を吸入する吸気通路２は、上流側にエアクリーナ３が配設されていると共に、上流スロットル弁４及び電動過給機５が配設された過給通路２１と、該過給通路２１における電動過給機５の上、下流側をバイパスすると共にバイパス制御弁６が配設されたバイパス通路２２と、該過給通路２１とバイパス通路２２の下流側を合流して形成されると共にスロットル弁７が配設された合流通路２３とを有する構成とされている。また、該合流通路２３の下流側にサージタンク２４が設けられ、該サージタンク２４から各気筒＃１〜＃４に通じる複数の独立吸気通路２５…２５が分岐されている。

前記上流スロットル弁４は、過給通路２１におけるバイパス通路２２との分岐部２１ａと電動過給機５との間に配設され、開閉することにより過給通路２１を流れる空気を制限可能となっている。また、前記電動過給機５は、モータ５ａの駆動により回転するコンプレッサ５ｂを有し、該コンプレッサ５ｂの回転により過給通路２１の上流側から空気を吸入して下流側に圧送するようになっている。さらに、前記バイパス制御弁６は、開閉することによりバイパス通路２２を流れる空気を制限可能となっている。

一方、この吸気システム１を制御する吸気システムコントローラ１００が備えられている。この吸気システムコントローラ１００は、エンジン全体の制御を行うエンジン制御装置１０１から各種信号を入力すると共に、前記電動過給機５のモータ５ａの回転数を制御する電動過給機コントローラ１０２などに信号を出力するようになっている。

前記エンジン制御装置１０１は、エンジン負荷を検出するものとしてアクセルペダル３０ａの踏込み量を検出するアクセル開度センサ３０からの信号や、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ３１からの信号等を入力する。そして、吸気システムコントローラ１００は、これらの信号に基づいて、上流スロットル弁４を作動させる上流スロットルアクチュエータ３２、バイパス制御弁６を作動させるバイパス制御弁アクチュエータ３３、スロットル弁７を作動させるスロットルアクチュエータ３４、及び電動過給機コントローラ１０２等に各種の制御信号を出力する。

また、前記電動過給機コントローラ１０２に電力供給を行うバッテリ１１０と、エンジン駆動により発電して該バッテリ１１０を充電するオルタネータ１１１とが備えられている。

ところで、前記電動過給機５は、図２に示すような特性を有している。この特性によれば、領域Ｘにおいて一定の回転数を実現する際に、空気流量と過給通路２１における過給機５の上、下流側の圧力比とに応じて消費電力の領域ａ〜ｐが変化するようになっている。即ち、空気流量が大きいほど、或いは圧力比が大きいほど、消費電力の小さな領域ａから消費電力の大きな領域ｐ側に移行することになる。また、領域Ｘの低空気流量高圧力比側にはサージング領域Ｙが存在し、この領域Ｙでは、電動過給機５の下流側の圧力が高く、吸気の流量が少ないので、吸気が電動過給機５を逆流するサージングが起こる可能性がある。

また、前記電動過給機５は定格出力が２ｋＷであるが、消費電力が１ｋＷ以上になるとノッキングが発生し易くなるので、得られるエンジントルクが抑制されると共に、オルタネータ１１１の発電による損失トルクが大きくなるので、１ｋＷ以上で実質的にトルクはほとんど増加しないことがわかっている。このため、過給時には過給機５を領域ｈの１ｋＷの消費電力で効率的に運転させるようになっている。

一方、エンジン制御装置１０１には、図３に示すようなエンジン回転数とアクセル開度とに応じた制御マップが記憶されている。この制御マップは、高回転側に自然吸気領域が設定され、低回転低負荷側に予回転領域が設定され、低回転高負荷側に過給領域が設定され、該過給領域における低回転高負荷側にサージング制御領域が設定されている。

なお、前記上流スロットル弁４は請求項１に記載のエンジンの過給装置における吸気圧制御弁に相当し、前記吸気システムコントローラ１００は同じく吸気圧制御手段に相当する。

次に、前記吸気システム１の制御を図４のフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップＳ１で、各種信号の読み込みを行う。ここで読み込まれる信号は、アクセル開度センサ３０によるアクセル開度の信号、エンジン回転数センサ３１によるエンジン回転数の信号等である。

次に、ステップＳ２で、これらの信号に基づいて吸入空気量を演算する。そして、ステップＳ３で、前記ステップＳ１で読み込んだエンジン回転数が所定値Ｎ１以下であるか否かを判定する。

ここでエンジン回転数がＮ１より大きいとき（ＮＯ）は、図３の制御マップに示したように、自然吸気領域であるから、ステップＳ４に進み、バイパス制御弁アクチュエータ３３に信号を出力してバイパス制御弁６を全開とすると共に、ステップＳ５で電動過給機コントローラ１０２に信号を出力して電動過給機５を停止させ、ステップＳ６で上流スロットルアクチュエータ３２に信号を出力して上流スロットル弁４を全開とする。

この自然吸気領域では、図１の矢印Ａで示すように、吸気通路２に吸入された空気は、専らバイパス通路２２を通って合流通路２３に導入されることになる。なお、前記ステップＳ５では電動過給機５のモータ５ａの回転位相を認識しておくためにごく低回転で回転させるようにしてもよい。

一方、前記ステップＳ３でエンジン回転数がＮ１以下のとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ７でアクセル開度がα１より大きいか否かについて判定を行う。

ここでエンジン負荷がα１以下のとき（ＮＯ）は、図３の制御マップに示したように、予回転領域であるから、ステップＳ８に進み、バイパス制御弁アクチュエータ３３に信号を出力してバイパス制御弁６を全開に制御すると共に、ステップＳ９で電動過給機コントローラ１０２に信号を出力して電動過給機５を予回転制御用の回転数に制御し、ステップＳ１０で上流スロットルアクチュエータ３２に信号を出力して上流スロットル弁４を過給通路２１における過給機５の下流側の圧力が略大気圧になるように制御する。

前記予回転制御では、電動過給機５の回転数が５０００ｒｐｍ以上の一定回転数に維持され、これによってエンジンの運転状態が予回転領域から過給領域に移行したときの過給圧の応答性が確保されるようになっている。このとき、バイパス制御弁６が全開とされているので、過給機５から吐出された空気は、図１の矢印Ｂに示すように、バイパス通路２２を逆流し、過給通路２１におけるバイパス通路２２の分岐部２１ａで新気と合流して再度過給機５に吸入される。この結果、予回転制御においては過給通路２１とバイパス通路２２とを空気が循環する。

さらに、過給通路２１における過給機５の下流側の圧力が大気圧になるように、上流スロットル弁４が絞り制御されるようになっているが、図５に示すようにエンジン回転数に応じて絞り量が制御されるようになっている。即ち、エンジン回転数が大きいほど、エンジンに吸入される時間当りの空気量が増大し、過給通路２１における過給機５の下流側が負圧傾向となるので、上流スロットル弁４の絞り量が小さくされ、過給機５の下流側の大気圧が維持されるようになっている。

そして、予回転制御においては、過給通路２１における上流スロットル弁４の下流側かつ過給機５の上流側（図１に領域ｚで示す）に負圧が生じると共に、過給機５から吐出された空気が大気圧となるので、この空気がバイパス通路２２を逆流して分岐部２１ａにおいて大気圧の新気と合流するときに、圧力降下が生じることがない。

一方、前記ステップＳ７でアクセル開度がα１より大きいとき（ＹＥＳ）は、過給領域であるから、ステップＳ１１に進み、サージング制御領域か否かについて判定する。ここで、サージング制御領域でないとき（ＮＯ）は、ステップＳ１２に進み、バイパス制御弁６を閉じると共に、ステップＳ１３で過給機５を消費電力が１ｋＷになるように前記ステップＳ２で演算した吸入空気量に応じて回転数を制御し、ステップＳ６で上流スロットル弁４を全開とする。

このような過給領域における制御は、バイパス制御弁６が閉じられると共に電動過給機５が１ｋＷ運転制御され、さらに上流スロットル弁４が全開とされているので、外気から吸気通路２に吸入された空気は、過給通路２１を通り、全開とされた上流スロットル弁４を通過し、過給機５に吸入され、該過給機５の下流側に吐出されて合流通路２３に導入される。このときバイパス制御弁６が閉じられているので、合流通路２３の圧力が高まり、充填効率を向上させることができる。この結果、図６に示すように、自然吸気のみ、或いは予回転制御時に得られるエンジントルク以上のトルクが得られることになる。

また、ステップＳ１１でサージング制御領域であると判定されたときは、ステップＳ１４に進み、バイパス制御弁６を半開に制御すると共に、ステップＳ１５で過給機５を消費電力が１ｋＷになるように前記ステップＳ２で演算した吸入空気量に応じて回転数を制御し、ステップＳ６で上流スロットル弁４を全開とする。ここでは、前述の過給時の制御に比べて、バイパス制御弁６が半開とされているので、過給機５から吐出された一部の空気がバイパス通路２２を逆流し、過給通路２１における過給機５の下流側の圧力の高まりが抑制され、前述のサージングの発生が防止される。また、このサージング制御においても、図６に示したように、自然吸気のみ、或いは予回転制御時に得られるエンジントルク以上のトルクが得られる。

以上のように、運転状態が予回転領域のときに、過給機５から吐出された空気の一部または全部がバイパス通路２２を逆流し、再び過給通路２１の上流側に吸入されるのであるが、過給通路２１における電動過給機５の上流側に上流スロットル弁４が配設され、該上流スロットル弁４の開度が閉側に制御されるので、過給通路２１における該上流スロットル弁４の下流側かつ過給機５の上流側に負圧が生じる。そして、過給機５はこのような負圧の空気を吸入して下流側に吐出するので、過給通路２１における過給機５の下流側の空気の圧力の高まりが抑制される。この結果、この空気がバイパス通路２２を逆流して新気と合流する際の圧力降下代が小さくなる。

そして、このように過給通路２１における上流スロットル弁４の下流側かつ過給機５の上流側で循環する空気が負圧になるため、循環する空気の昇温が抑制されると共に、循環する空気が新気と合流する際の圧力降下代が小さいので、圧力エネルギが熱エネルギに変換されることが抑制され、図７に示すように、上流スロットル弁４が全開とされる場合に比べて循環する吸気の温度の上昇が緩やかになる。この結果、循環する空気の昇温が抑制されて、予回転領域から過給領域に移行した際の充填効率の低下が抑制される。

なお、電動過給機５から吐出された空気が大気圧になるように上流スロットル弁４の開度を制御することによって最も効率的に空気の温度上昇が抑制されるのであるが、これに限らず、上流スロットル弁４を絞り制御し、圧力降下代を低減させるようにすれば、循環する空気の温度上昇が抑制される効果が得られる。

また、図５に示したように、エンジン回転数等の運転状態に応じて上流スロットル弁４の開度が制御され、過給通路２１における電動過給機５の下流側の圧力が大気圧になるように制御されるので、運転状態に拘らず循環する空気の温度上昇が抑制されることになる。なお、ここではエンジン回転数に応じた上流スロットル弁４の制御のみを示したが、例えばアクセル開度が大きいほど上流スロットル弁４の開度を大きくし、過給機５の下流側を大気圧に維持するようにしてもよい。

また、図１に破線で示すように、吸気通路２における過給通路２１とバイパス通路２２との分岐点の上流側に、排気ターボチャージャのコンプレッサ４０が配置されることがある。この構成において、運転状態が予回転領域にあるときは、前記コンプレッサ４０の回転により過給通路２１に圧送される空気の圧力が大気圧よりも高くなる。このため、このような構成においては、過給通路２１における過給機５の下流側の圧力が前記コンプレッサ４０に圧送された空気の圧力に略等しくなるように、上流スロットル弁４の絞り量が比較的小さくなるように制御される。この結果、過給機５の下流側の空気がバイパス通路２２の上流側に逆流して新気と合流する際に、圧力降下を生じることがなく、循環する空気の昇温が抑制される。

また、図２に示した電動過給機５の特性によれば、一定の回転数のラインが領域ａ〜ｐに跨って形成されている。ここで、空気流量が小さくなれば、或いは圧力比が小さくなれば消費電力が小さくなることになるが、空気流量を低下させたときは、圧力比を低下させたときに比べて消費電力の低下度合いが大きい特性となっている。そのため、予回転制御において上流スロットル弁４を絞り、空気流量を低下させることにより、省電力化が実現される。

本発明は、電動過給機を備えたエンジンの過給装置に関し、自動車産業に広く利用可能である。

本発明の実施の形態に係る吸気システムの全体図である。 電動過給機の特性図である。 制御マップの説明図である。 吸気システムの制御に係るフローチャートである。 エンジン回転数に応じた上流スロットル弁の開度のマップである。 過給によるエンジントルクの説明図である。 上流スロットル弁の開度に応じた吸気温度の説明図である。 空気流量及び圧力比に応じた消費電力の説明図である。 請求項４に係る空気流量及び圧力比に応じた消費電力の説明図である。

符号の説明

１ 吸気システム
４ 上流スロットル弁
５ 電動過給機
６ バイパス制御弁
２１ 過給通路
２１ａ 分岐部
２２ バイパス通路
１００ 吸気システムコントローラ

Claims (4)

1. 電動過給機が配設された過給通路と、該過給通路における過給機の上、下流側をバイパスすると共にバイパス制御弁が配設されたバイパス通路とを有し、エンジンの運転状態が所定の過給領域にあるときは、過給機を作動させると共にバイパス制御弁を閉作動させ、かつ前記過給領域よりも低負荷側の予回転領域にあるときは、過給機を作動させると共にバイパス制御弁を開作動させるように構成されたエンジンの過給装置であって、
   前記過給通路におけるバイパス通路の分岐部と電動過給機との間に配設された吸気圧制御弁と、
   前記予回転領域のときに、前記吸気圧制御弁の開度を閉側に制御する吸気圧制御手段とが備えられていることを特徴とするエンジンの過給装置。
2. 前記請求項１に記載のエンジンの過給装置において、
   前記吸気圧制御手段は、過給通路における電動過給機の下流側の圧力が略大気圧状態になるように、前記吸気圧制御弁の開度を制御することを特徴とするエンジンの過給装置。
3. 前記請求項２に記載のエンジンの過給装置において、
   前記吸気圧制御弁の開度の制御は、運転状態に応じて行われることを特徴とするエンジンの過給装置。
4. 前記請求項１から請求項３のいずれかに記載のエンジンの過給装置において、
   前記電動過給機は、所定の回転数に制御されている状態で、空気流量が減少するときに過給通路における該過給機の上、下流側の圧力比が増加すると共に、空気流量が小さいほど所定の減少度合いで消費電力が低下し、圧力比が小さいほど前記所定の減少度合いよりも緩やかな減少度合いで消費電力が低下する特性を有していることを特徴とするエンジンの過給装置。

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