JP2010180707A - ハイブリッドスーパーチャージャーシステム - Google Patents

Abstract

【課題】応答性良く過給圧を上昇させることができて、エンジン負荷を抑制することを可能としたハイブリッドスーパーチャージャーシステムを提供する。
【解決手段】エンジン１の吸気通路２に機械式スーパーチャージャー（機械式ＳＣ）３と電動式スーパーチャージャー（電動式ＳＣ）４を並列に配置し、機械式ＳＣ３の出口側にワンウェイバルブ１９を設けるとともに、機械式ＳＣ３の出口側と電動式ＳＣ４の入口側をリターン通路２０で接続する。低過給圧または低回転数域では電動式ＳＣ４が稼働し、高過給圧または高回転数域では機械式ＳＣ３が稼働する。ワンウェイバルブ１９は機械式ＳＣ３からエンジン１側への過給空気の導入を許容するものであって、機械式ＳＣ３の過給圧が電動式ＳＣ４の過給圧よりも大きい時に開動作する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの過給機としてスーパーチャージャーを備えたシステムに関し、特に機械式スーパーチャージャー（機械式過給機）と電動式スーパーチャージャー（電動式過給機）を備えたいわゆるハイブリッドスーパーチャージャーシステムに関するものである。

例えば内燃機関である自動車用エンジンの過給機としてはターボチャージャー（排気ターボ式過給機）やスーパーチャージャー（機械式過給機）が周知であり、それ以外にも特許文献１に記載のようにターボチャージャーと電動式スーパーチャージャー（電動式過給機）とを併用したもの、あるいは特許文献２に記載のようにターボチャージャーとスーパーチャージャーとを併用したものが知られている。

特開２００８−１９８３５号公報 特開平９−２６８９２１号公報 このような異種の過給機を併用するいわゆるハイブリッドシステムでは、エンジンの高回転数域ではターボチャージャーにより過給する一方、エンジンの低回転数域ではターボチャージャー以外の別の過給機にて過給する複合的なシステムである。これは、ターボチャージャーだけではエンジン低回転数域で十分な過給ができないため、エンジンの低回転数域では他の方式の過給機を用いるもので、このような複合システムすなわちハイブリッドシステムとすることによりエンジンの広い回転数域または全回転数域で過給による出力向上を図ることができるようになる。

自動車の運転性能向上のためには、アクセルペダルを踏み込んだ時にその踏み込み動作に遅れることなく加速ができることが求められている。

このような課題に対して、先のターボチャージャーの場合には、加速時にアクセルペダルを踏み込んでからエンジン出力が立ち上がるまでの応答時間（過給圧力の上昇がアクセルペダル操作に遅れる現象で、一般にターボラグと称されている。）があるため、なおも改善の余地を残している。

他方、スーパーチャージャーの場合には、加速時にアクセルペダルを踏み込んでからエンジン出力が立ち上がるまでの応答時間はターボチャージャーよりも短いものの、周知のようにスーパーチャージャーはエンジンのクランクシャフトにより駆動するため、特にスーパーチャージャー稼働域のうちでも高回転数域ではそのスーパーチャージャーの負荷がそのままエンジンの負荷となり、燃費向上の上でなおも改善の余地を残している。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、とりわけ応答性良く過給圧を上昇させることができて、しかもエンジンの負荷を抑制することを可能としたハイブリッドスーパーチャージャーシステムを提供するものである。

本発明は、請求項１に記載のように、エンジンの吸気系に機械式スーパーチャージャーと電動式スーパーチャージャーを並列に配置し、上記機械式スーパーチャージャーの出口側にワンウェイバルブを設けるとともに、その機械式スーパーチャージャーの出口側と電動式スーパーチャージャーの入口側をリターン通路で接続したことを特徴とする。

この場合において、請求項２に記載のように、低過給圧または低回転数域では電動式スーパーチャージャーが稼働し、所定の高過給圧または高回転数域で機械式スーパーチャージャーが稼働するものとする。

より具体的には、請求項３に記載のように、上記ワンウェイバルブは機械式スーパーチャージャーからエンジン側への過給空気の導入を許容するものであって、機械式スーパーチャージャーのうちワンウェイバルブよりも上流側にリターン通路のポートを開口形成してあるものとする。

そして、請求項４に記載のように、ワンウェイバルブは差圧開閉式のものであって、機械式スーパーチャージャーによる過給圧が電動式スーパーチャージャーによる過給圧よりも大きい時に開動作するものとする。

したがって、本発明では、上記のように、低過給圧または低回転数域では電動式スーパーチャージャーを稼働させる一方、所定値以上の高過給圧または高回転数域で機械式スーパーチャージャーを稼働させることで、低過給圧または低回転数域から高過給圧または高回転数域までの広い領域においてアクセルペダル操作のレスポンスひいては出力へのレスポンスが良好なものとなる。

本発明によれば、応答性良く短時間のうちに過給圧を上昇させることができて、低過給圧または低回転数域から高過給圧または高回転数域までの広い領域においてアクセルペダル操作のいわゆるレスポンスが向上する。

また、リターン通路を設けることで、機械式スーパーチャージャーの稼働によるエンジン負荷を抑制することが可能となる。

本発明に係るハイブリッドスーパーチャージャーシステムの実施の形態としてその概略構造を示す説明図。 図１のハイブリッドスーパーチャージャーシステムの稼働時の処理手順を示すフローチャート。 同じく図１のハイブリッドスーパーチャージャーシステムの稼働時の処理手順を示すフローチャート。 図１のハイブリッドスーパーチャージャーシステムでのエンジン回転数の変化と電動式スーパーチャージャー側のチャンバー、機械式スーパーチャージャー側のチャンバーおよびリターン通路のそれぞれの圧力変化を示す特性図。

図１は本発明に係るハイブリッドスーパーチャージャーシステムのより具体的な実施の形態としてその概略構造を示している。

図１に示すように、エンジン１の吸気通路２に対して機械式過給機としての機械式スーパーチャージャー３と電動式過給機としての電動式スーパーチャージャー４を並列に配置してある。吸気通路２の一部では部分的に隔壁５をもって二つの通路領域、ここでは並列関係にある二つのチャンバー６ａ，６ｂに分けられており、一方のチャンバー６ａに機械式スーパーチャージャー３のロータ（ブレードまたはベーン）７を、他方のチャンバー６ｂに電動式スーパーチャージャー４のロータ（ブレードまたはベーン）８をそれぞれに臨ませてある。なお、エンジン１には周知のように制御部（ＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）またはＥＣＭ（エンジン・コントロール・モジュール））９が付帯しており、エンジン１の始動あるいは停止等の指令制御のほか、エンジン１の稼働中において必要な種々の信号の授受が両者の間で行われることになる。

機械式スーパーチャージャー３のロータ７はプーリ１０，１１のほか所定のベルトやチェーン等の巻掛伝達手段１２を介してエンジン１のクランクシャフト１３により直接回転駆動される。他方、電動式スーパーチャージャー４のロータ８は電動モータ１４により回転駆動される。

機械式スーパーチャージャー３と電動式スーパーチャージャー４との間にはリターン通路２０を設けてある。このリターン通路２０の一端のポート２０ａは機械式スーパーチャージャー３側のチャンバー６ａの出口側に開口しているとともに、リターン通路２０の他端のポート２０ｂは電動式スーパーチャージャー４側のチャンバー６ｂの入口側に開口している。これにより、リターン通路２０は実質的に機械式スーパーチャージャー３の出口側と電動式スーパーチャージャー４の入口側とを相互に接続している。

そして、リターン通路２０の途中には例えばソレノイドその他のアクチュエータ１５の作動により開閉駆動される開閉バルブ１６を設けてある。この開閉バルブ１６は制御部９からの指令によりその開閉制御が行われることになる。

同様にして、電動式スーパーチャージャー４側のチャンバー６ｂの出口側にはソレノイドその他のアクチュエータ１７の作動により開閉駆動される開閉バルブ１８を設けてあるとともに、機械式スーパーチャージャー３側のチャンバー６ａの出口側にはフラップバルブタイプのワンウェイバルブ１９を設けてある。電動式スーパーチャージャー４側の開閉バルブ１８はリターン通路２０側の開閉バルブ１６と同様に制御部９からの指令によりその開閉制御が行われることになる。

他方、機械式スーパーチャージャー３の出口側のワンウェイバルブ１９はいわゆる差圧式のものであって（図１では閉状態を描いてある）、それぞれのスーパーチャージャー３，４の出口側において、後述するように電動式スーパーチャージャー４におけるチャンバー６ｂの出口側の過給圧と機械式スーパーチャージャー３におけるチャンバー６ａの出口側の過給圧とが干渉した際に、電動式スーパーチャージャー４の出口側の過給圧よりも機械式スーパーチャージャー３の出口側の過給圧が大きい場合のみ両者の差圧でワンウェイバルブ１９が開動作することになる。

したがって、このように構成されたハイブリッドスーパーチャージャーシステムによれば、通常運転時においては、制御部９からの指令により電動式スーパーチャージャー４側のチャンバー６ｂの開閉バルブ１８は開いていて、電動式スーパーチャージャー４も非稼働状態にある。そのため、吸気通路２の吸入空気は電気式スーパーチャージャー４を通過してエンジン１へと導入される。なお、後述するような加速を伴わない通常運転状態であるか否かは、図１の制御部９によって判定される。

他方、機械式スーパーチャージャー３のロータ７はエンジン１のクランクシャフト１３により直接的に回転駆動され、また制御部９からの指令によりリターン通路２０の開閉バルブ１２は開いている。そのため、吸入空気の一部が機械式スーパーチャージャー３に導入されたとしても当該機械式スーパーチャージャー３によって加圧されることはなく、機械式スーパーチャージャー３を通過した吸入空気はリターン通路２０を通して電動式スーパーチャージャー４の入口側へと戻されて、最終的にはエンジン１へと導入される。

故に、ワンウェイバルブ１９は閉じたままである。その結果、先に述べたように機械式スーパーチャージャー３のロータ７が回転駆動されてはいても、低過給圧状態あるいは低回転数域では実質的な仕事すなわち吸入空気を圧縮しないめに機械式スーパーチャージャー３としては機能しないことになる。そのために、ロータ７の回転が大きな機械的損失あるいはエンジン負荷となることはなく、エンジン１の回転負荷を抑制することが可能となる。

その上、リターン通路２０を通して電動式スーパーチャージャー４の入口側へと戻される吸入空気は、結果として電動式スーパーチャージャー４による過給をアシストするかたちとなるため、エネルギー効率に優れたものとなる。

その一方、制御部９では、図２に示すように、例えば図示外のアクセルペダルポジションセンサにより検出されるアクセルペダル踏み込み量をもって加速操作が行われたか否かを監視している（図２のステップＳ１，Ｓ２）。なお、この際には、先に述べたように、機械式スーパーチャージャー３のロータ７は常時回転しているとともに、開閉バルブ１８，１６は共に開いている（ステップＳ３〜Ｓ５）。なお、図２，３のフローチャートでは、機械式スーパーチャージャー３を「機械式ＳＣ３」と、電動式スーパーチャージャー４を「電動式ＳＣ４」と、それぞれ略して記載してある。

制御部９において加速と判定された場合には、電動式スーパーチャージャー４の電動モータ１４に駆動指令を与えてその電動式スーパーチャージャー４を稼働状態とし（ステップＳ６）、吸気通路２の吸入空気を電動式スーパーチャージャー４で加圧した上でエンジン１側に供給することになる。なお、電動式スーパーチャージャー４は、アクセルペダルが踏み込まれると、エンジン回転数が上昇し始める前に稼働状態となって、過給圧を速やかに上昇させることができる。

ステップＳ２において加速でないと判定された場合には、図３のステップＳ１７に進み、さらにステップＳ１８およびステップＳ１９の処理を経た上で（ステップＳ１７〜Ｓ１９の処理は、図２のステップＳ３〜Ｓ５の処理と同様である。）、ステップＳ２０において電動式スーパーチャージャー４の電動モータ１４を停止させ、その電動式スーパーチャージャー４を非稼働状態とする。

この状態では、先にも述べたように、吸入空気の一部が機械式スーパーチャージャー３に導入されたとしても当該機械式スーパーチャージャー３によって加圧されることはなく、当該機械式スーパーチャージャー３を通過した吸入空気はリターン通路２０を通して電動式スーパーチャージャー４の入口側へと戻されるだけであるから、当然のことながら機械式スーパーチャージャー３側のチャンバー６ａの圧力よりも電動式スーパーチャージャー４側のチャンバー６ｂの圧力の方が大きくなる（ステップＳ２１）。故に、ワンウェイバルブ１９は閉じたままであり（ステップＳ２２）、機械式スーパーチャージャー３を通過した吸入空気はリターン通路２０を通して電動式スーパーチャージャー４の入口側へと戻されるとともに、吸気通路２の吸入空気は電気式スーパーチャージャー４を通過した上でエンジン１へと導入されることになる（ステップＳ２３）。

制御部９において加速と判定された場合には、先のステップＳ６において電動式スーパーチャージャー４を稼働させて、吸入空気をその電動式スーパーチャージャー４で加圧した上でエンジン１側に供給することは先に述べたとおりである。

この場合において、過給圧およびエンジン回転数を例えば制御部９で監視していて、ステップＳ７において過給圧およびエンジン回転数のうち少なくともいずれか一方が予め設定してある所定値に到達したか否かを判定する。このステップＳ７での判定において、過給圧およびエンジン回転数のうち少なくともいずれか一方が予め設定してある所定値に到達している場合には、上記のように電動式スーパーチャージャー４による過給が行われれている過程でエンジン回転数がある程度まで上昇すると、エンジン１に連動して回転しているロータ７を有する機械式スーパーチャージャー３の過給効果を期待できるようになる。それにより、次のステップＳ８に示すように、電動式スーパーチャージャー４側のチャンバー６ｂの圧力（過給圧）よりも機械式スーパーチャージャー３側のチャンバー６ａの圧力の方が大きくなり、しかもステップＳ９のようにワンウェイバルブ１９も上記圧力によって開く蓋然性が高い。

なお、ここでの判定には、過給圧およびエンジン回転数のうちいずれか一方または双方を用いても良く、いずれの場合にもエンジン回転数の所定値とは例えば２５００ｒｐｍ程度とする。

そこで、ステップＳ７での判定において、過給圧およびエンジン回転数のうち少なくともいずれか一方が予め設定してある所定値に到達している場合には、その時点で電動式スーパーチャージャー４の電動モータ１４を直ちに停止させ（ステップＳ１０）、その電動式スーパーチャージャー４を非稼働状態にするとともに、リターン通路２０に設けられた開閉バルブ１６を閉状態とする（ステップＳ１１）。

同時に、電動式スーパーチャージャー４側のチャンバー６ｂに設けられた開閉バルブ１８を閉状態とする（ステップＳ１２）。これによって、吸気通路２の吸入空気は機械式スーパーチャージャー３での通過を許容されるだけとなり、結果として吸気通路２の吸入空気は機械式スーパーチャージャー３によって積極的に加圧（過給）された上でワンウェイバルブ１９を開いてエンジン１側へと供給されることになる（ステップＳ１３）。

ここで、ステップＳ７での判定において、過給圧およびエンジン回転数のうち少なくともいずれか一方が予め設定してある所定値に到達していないと判定された場合には、ステップＳ１４〜Ｓ１６において図３のステップＳ２１〜Ｓ２３と同様の処理が実行される。

図４には、上記のような一連の処理によるエンジン回転数の変化と電動式スーパーチャージャー４側のチャンバー６ｂ、機械式スーパーチャージャー３側のチャンバー６ａおよびリターン通路２０のそれぞれの圧力変化を示す。

このように本実施の形態によれば、低過給圧またはエンジンの低回転数域（エンジン回転数の低速域）では電動式スーパーチャージャー４が稼働する一方、高過給圧またはエンジンの高回転数域（エンジン回転数の高速域）では機械式スーパーチャージャー３が稼働することになる。そして、加速時に短時間で過給圧を上昇させることができ、低過給圧またはエンジンの低回転数域から高過給圧またはエンジンの高回転数域までの広い範囲でアクセルペダル操作のレスポンスが向上することになる。

１…エンジン
２…吸気通路
３…機械式スーパーチャージャー
４…電動式スーパーチャージャー
６ａ…機械式スーパーチャージャー側のチャンバー
６ｂ…電動式スーパーチャージャー側のチャンバー
１４…電動モータ
１６…開閉バルブ
１８…開閉バルブ
１９…ワンウェイバルブ
２０…リターン通路
２０ａ…ポート
２０ｂ…ポート

Claims (4)

1. エンジンの吸気系に機械式スーパーチャージャーと電動式スーパーチャージャーを並列に配置し、
   上記機械式スーパーチャージャーの出口側にワンウェイバルブを設けるとともに、
   その機械式スーパーチャージャーの出口側と電動式スーパーチャージャーの入口側をリターン通路で接続したことを特徴とするハイブリッドスーパーチャージャーシステム。
2. 低過給圧または低回転数域では電動式スーパーチャージャーが稼働し、高過給圧または高回転数域では機械式スーパーチャージャーが稼働するようになっていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドスーパーチャージャーシステム。
3. 上記ワンウェイバルブは機械式スーパーチャージャーからエンジン側への過給空気の導入を許容するものであって、
   機械式スーパーチャージャーのうちワンウェイバルブよりも上流側にリターン通路のポートを開口形成してあることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッドスーパーチャージャーシステム。
4. 上記ワンウェイバルブは差圧開閉式のものであって、機械式スーパーチャージャーによる過給圧が電動式スーパーチャージャーによる過給圧よりも大きい時に開動作するものであることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッドスーパーチャージャーシステム。

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