JP2010261313A - 電動過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気通路に配置されるコンプレッサの駆動電動機を駆動制御するインバータから出力される信号に基づいてインバータ冷却水流量を制御することにより、効率的な冷却が行える電動過給機を提供する。
【解決手段】内燃機関１の吸気通路８に配置されるコンプレッサ７と、コンプレッサ１３を駆動する電動機５と、電動機５の駆動制御を行うインバータ１４と、インバータ１４の発熱部を冷却するインバータ冷却水路１５と、インバータ１４の発熱部への冷却水量を任意に調節できるバイパスバルブ１８を備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の吸気通路に設けられ、電動機で駆動される電動過給機に係り、特に、その電動機の制御装置に対する冷却手段を備えた電動過給機に関するものである。

従来、低燃費を目的とし、内燃機関の出力を増加させるために、吸気通路に電動機で駆動する過給機を設ける技術が知られている。この電動過給機に用いられる電動機は、タービンとコンプレッサとを結合する軸上に配置されており、低回転域では電動機、高回転域では排気ガスにより回転するという特徴を持っている。

電動過給機を制御する制御装置（以下、インバータという。）は、１０万ｒｐｍを超える超高速で制御する必要があり、また、一般に自動車の電圧は１４Ｖと低電圧のため大電流が必要となるが、この大電流での制御が必要となる。このような高回転／大電流状態での連続運転時においては、バッテリからの直流電力をスイッチングする半導体素子の損失や配線抵抗による損失が大きくなることにより、インバータの温度が上昇し、これらの部品が破損したり劣化が早まる可能性がある。

このようなインバータの温度上昇対策として、電動機とインバータに対する冷却装置を備え、通常は電動機とインバータの両者を冷却するが、インバータが限界温度を超えたときにはインバータのみを冷却し、その時のモータ温度がモータ限界温度を超えている場合はモータへの通電を停止する電動過給機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４１５１６１０号公報（特開２００６−２５６８号公報）

しかし、前記特許文献１に開示された電動過給機においては、冷却水を常にインバータに循環させるため、冷却水を循環させるウォーターポンプの動力損失が生じ、電動過給機に対する効率的な冷却が行われていないという課題がある。

この発明の目的は、前記の課題に鑑み、インバータから出力される信号に基づいてインバータ冷却水流量を制御し、効率的に冷却を行うことができる電動過給機を提供することにある。

前記課題を解決するために、この発明に係る電動過給機は、内燃機関の吸気通路に配置されるコンプレッサと、コンプレッサを駆動する電動機と、電動機の駆動制御を行うインバータと、を備えた電動過給機において、インバータの発熱部を冷却する冷却手段を備えたものである。

この発明に係る電動過給機によれば、内燃機関の吸気通路に配置されるコンプレッサと、コンプレッサを駆動する電動機と、電動機の駆動制御を行うインバータと、を備えた電動過給機において、インバータの発熱部を冷却する冷却手段を備えたので、インバータから出力される信号に基づいてインバータへの冷却水流量を制御することにより、効率的に電動過給機の冷却を行うことができる。

この発明の実施の形態１に係る電動過給機を説明する概略構成図である。 この発明の実施の形態１に係る電動過給機の部分拡大図である。 この発明の実施の形態１に係る電動過給機の動作を説明するフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係るもう一つの電動過給機を説明する概略構成図である。

以下、添付の図面を参照して、この発明に係る電動過給機について好適な実施の形態を説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電動過給機を説明する概略構成図である。図１において、エンジン１は後述する過給機本体２により多くの吸入空気を過給することで、高出力化および低燃費化も実現している。なお、エンジン１には気筒数の制限はない。また、エンジン１の燃焼方式についても制限はなく、シリンダ内に燃料を噴射する直噴エンジン、およびスロットルバルブ３の後段に設けられるインテークマニホールド４内に燃料を噴射するポート噴射エンジンに適用することも可能である。

電動機５は、排気ガスにより駆動される排気タービン６と過給機本体２のコンプレッサ７との軸上にある。なお、電動機５の詳しい動作については後述する。

エンジン１に供給される吸入空気は、吸入管８から吸入され、エアクリーナー９でゴミや塵などを取り除いた後、過給機本体２のコンプレッサ７で圧縮される。その後、圧縮された空気は通路１０を経てインタークーラ１１に入り、スロットルバルブ３の開度に応じてインテークマニホールド４よりエンジン１内に吸入される。インタークーラ１１は、吸入空気が圧縮されることにより上昇した温度を下げて充填効率を向上させる目的で配置される。

エンジン１で燃焼後の排気ガスは、エキゾーストマニホールド１２を通じて排気タービン６に供給される。これにより排気タービン６が駆動され、その後、排気ガスを浄化する排気浄化装置１３を通じて排出される。

排気タービン６の回転が十分でない、つまり排気タービン６が低回転の時は電動機５を駆動させることでコンプレッサ７を回転させ過給圧を上昇させる。一方、排気タービン６が高回転の時は排気タービン６の回転のみでコンプレッサ７を回転させる。なお、排気ガスにより十分な回転数が得られる場合は排気エネルギーを利用した発電による電力回生を行ってもよい。

電動機５を制御するためにインバータ１４が設けられている。インバータ１４は図示されていないがＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどの算術論理演算可能な回路で構成され、インバータ１４の冷却手段となるインバータ冷却水流路１５がインバータ１４を冷却するように配置される。

次に、冷却水流について説明する。冷却水流はウォーターポンプ１６を駆動することにより生じ、ウォーターポンプ１６より出力された流水は、冷却水流路１７からバイパスバルブ１８に流入し、バイパスバルブ１８によりインバータ冷却水流路１５とエンジン冷却水流路１９に分けられる。バイパスバルブ１８は、エンジン制御装置２０（以下、エンジンＥＣＵと言う。）の指示により、インバータ冷却水流量とエンジン冷却水流量を任意に調節できるようになっている。インバータ冷却水流路１５は、インバータ１４を冷却した後、エンジン１を冷却するためのエンジン冷却水流路１９と合流してラジエーター２１へ通じる。ラジエーター２１へ流入した冷却水流はここで冷却され、その後ウォーターポンプ１６へと流入し、再びウォーターポンプ１６から出力される。

次に、図２を参照しながら、インバータ冷却水流路１５とエンジン冷却水流路１９に冷却水の流量を任意に調整できるバイパスバルブ１８の動作について説明する。

バイパスバルブ１８は、エンジンＥＣＵ２０のインバータ冷却水流路開度指令に基づいてインバータ冷却水流量とエンジン冷却水流量を制御している。エンジンＥＣＵ２０は、図示されていないが、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどの算術論理演算可能な回路で構成されている。また、エンジンＥＣＵ２０は、エンジン回転数、車速、アクセルペダルの踏込量などの車両運転情報に基づいてエンジン１の制御を行う以外に、インバータ１４を駆動して電動機５の駆動制御も行っている。

インバータ１４の制御情報の中で、インバータ１４からエンジンＥＣＵ２０への信号の一つに、インバータ１４に配置される温度センサ２２で測定されたインバータ温度Ｔｉｎｖがある。エンジンＥＣＵ２０に入力されたインバータ温度Ｔｉｎｖは、エンジンＥＣＵ２０内にあるインバータ温度／インバータ冷却水流路開度マップ２３から、インバータ冷却水流路開度を演算し、インバータ冷却水流路開度指令としてバイパスバルブ１８に出力することで、バイパスバルブ１８の動作制御を行っている。

さらに、インバータ温度／インバータ冷却水流路開度マップ２３において、インバータ温度Ｔｉｎｖがある所定の温度Ｔ１以下の時は、インバータ冷却水は不要と判断し、インバータ冷却水流路１５への流量をなしとする制御を行っている。

次に、図３のフローチャートを参照しながら、具体的なインバータ冷却の動作について説明する。図３はスタートからエンドまでステップＳ１からステップＳ５を含んでいる。まず、ステップＳ１では電動過給機が動作しているかどうかを判断する。判断結果がＹＥＳの時は、ステップＳ２へ進む。一方、判断結果がＮＯのときは、ステップＳ５へ進みインバータ１４への冷却水は不要と判断し、インバータ冷却水流量をなしとするバイパスバルブ開度出力設定を行う。

次のステップＳ２では、インバータ温度Ｔｉｎｖが所定の値Ｔ１以下かどうかを判断する。判断結果がＹＥＳの時は、ステップＳ３へ進みインバータ１４への冷却水は不要と判断し、インバータ冷却水流量をなしとするバイパスバルブ開度出力設定を行う。一方、判断結果がＮＯの時は、ステップＳ４へ進みインバータ温度／インバータ冷却水流量開度マップを参照してインバータ温度に応じたバイパスバルブ開度出力設定を行う。

以上のように、インバータ冷却水流路１５への流量、およびエンジン冷却水流路１９への流量をバイパスバルブ１８により制御し、ウォーターポンプ１６の動力損失を低減することで効率的な電動過給機の冷却を実現することが可能となる。

なお、本実施の形態において、バイパスバルブ１８として三方弁を使用しても同様の効果を得ることが可能となる。

なお、本実施の形態では、バイパスバルブ１８を制御する方法としてインバータ１４の温度を測定し、その温度に基づいてインバータ冷却水流路１５の開度制御を行ったが、図４に示すように、インバータ発熱量をインバータ１４内のインバータ供給電力とインバータ損失をマップ化したインバータ損失マップ２４を用いて演算し、エンジンＥＣＵ２０内にあるインバータ発熱量／開度マップ２５から対応するインバータ冷却水流路開度を求めても同様の効果を得ることが可能となる。

また、前記インバータ損失マップ２５を使用する手段以外にも、インバータ入力端における単位時間当たりのインバータ供給電力、あるいはインバータ供給電力を時間的に積分した電力累積値またはインバータへの供給電力を時間積分した電力積分値と、インバータ出力端での電力出力との差分を求める演算を行うことでも同様の効果を得ることが可能となる。

なお、本実施の形態では、インバータ温度Ｔｉｎｖが所定の値Ｔ１以下と判断された場合、インバータ冷却水流量をなしとするバイパスバルブ開度出力設定を行ったが、インバータ発熱量Ｊｉｎｖが所定の値Ｊ１以下と判断された時、インバータ冷却水流量をなしとするバイパスバルブ開度出力設定を行うことでも同様の効果を得ることが可能となる。

この他にも、排気タービン６を除いて吸気通路に電動機２とコンプレッサ７のみを配設し、電気エネルギーのみで過給されるいわゆる電動コンプレッサといても良い。

以上、この発明についていくつかの実施の形態を挙げて説明したが、この発明はこれらの実施の形態のみに限られるものではなく、この発明の範囲内においては他に種々の実施の形態が可能であることは当業者にとって明らかである。

１ 内燃機関（エンジン）
２ 過給機本体
３ スロットルバルブ
４ インテークマニホールド
５ 電動機
６ 排気タービン
７ コンプレッサ
８ 吸入管
９ エアクリーナー
１０ 通路
１１ インタークーラ
１２ エキゾーストマニホールド
１３ 排気浄化装置
１４ インバータ
１５ インバータ冷却水流路
１６ ウォーターポンプ
１７ 冷却水流路
１８ バイパスバルブ
１９ エンジン冷却水流路
２０ エンジン制御装置（エンジンＥＣＵ）
２１ ラジエーター
２２ 温度センサ
２３ インバータ温度／インバータ冷却水流路開度マップ
２４ インバータ損失マップ
２５ インバータ発熱量／開度マップ

Claims (6)

1. 内燃機関の吸気通路に配置されるコンプレッサと、前記コンプレッサを駆動する電動機と、前記電動機の駆動制御を行うインバータと、を備えた電動過給機であって、
   前記インバータの発熱部を冷却する冷却手段を備えたことを特徴とする電動過給機。
2. 前記内燃機関を冷却するラジエーターを備えるとともに、前記インバータの発熱部を冷却する冷却手段は、前記ラジエーターの冷却水を分岐して前記インバータを冷却する流路と、前記インバータの発熱部への冷却水量を任意に調節できるインバータ冷却水量調整手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動過給機。
3. 前記インバータ発熱部の温度を測定するインバータ温度測定手段を備え、前記インバータ冷却水量調整手段は、前記インバータ温度測定手段の出力に基づいて前記インバータへの冷却水流量を調整することを特徴とする請求項２に記載の電動過給機。
4. 前記インバータ発熱部の発熱量を演算するインバータ発熱量演算手段を備え、前記インバータ冷却水量調整手段は、前記インバータ発熱量演算手段の出力に基づいて前記インバータへの冷却水流量を調整することを特徴とする請求項２に記載の電動過給機。
5. 前記インバータ温度測定手段のインバータ温度もしくは前記インバータ発熱量演算手段のインバータ発熱量の少なくとも一方が予め定められた所定値以下の時には、前記インバータへの冷却水流量をなしに制御することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の電動過給機。
6. 前記インバータへの供給電力に対する損失をマップ化したインバータ損失マップを備え、前記インバータ発熱量演算手段は、前記インバータ損失マップからインバータ発熱量を演算することを特徴とする請求項４に記載の電動過給機。