JP2012092791A - ターボ過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン・ダウンサイジングによる燃費向上と、良好な坂路発進性の両立が可能なターボ過給システムを提供する。
【解決手段】エンジンＥの排気通路６に配置されて排気により駆動されるタービン３と、吸気通路７に配置されてタービン３の回転トルクにより駆動されるコンプレッサ４と、コンプレッサ４の駆動力をアシストする電気モータ５と、を有する電動アシストターボチャージャ２と、坂道時の発進動作を検出したときに電気モータ５を駆動する電気モータ制御部２１と、を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン・ダウンサイジングしても良好な坂路発進性を実現できるターボ過給システムに関するものである。

近年、車両の燃費向上及びＣＯ₂排出量の低減のために、エンジンの排気量を小さく（エンジン・ダウンサイジング）し、ターボチャージャ等の過給機で動力性能を確保する技術の開発が盛んに行われている。

エンジン・ダウンサイジング時に使用されるターボチャージャは、排気エネルギにより駆動され、ターボチャージャの回転体にイナーシャを持つことから、定常運転に対して、過渡の運転では過給圧（ブースト圧）を得にくいという特徴がある。

図３に示すように、エンジン・ダウンサイジングにより小排気量化しても、ターボチャージャを搭載することにより、エンジントルクを向上させて大排気量のエンジンと同等の動力性能を実現できる。ただし、坂道発進時の運転領域、すなわち、高負荷でエンジン速度（エンジン回転数）の低い領域（図３で破線で囲った領域）ではトルクアップは望めない。これは、車両発進時にはエンジン速度が極低速で排気エネルギ（排気ガスの流量）が小さく、コンプレッサを回す動力が得られず、重ねて、発進時の様な過渡の条件では、ターボチャージャの回転体のイナーシャのため、ターボチャージャを駆動しにくく、殆ど過給ができないためである。よって、エンジン・ダウンサイジングを進める際には、車両の坂路発進性が制約となることが多い。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１，２、非特許文献１がある。

特開２００６−１７７１７１号公報 特開２０１０−２０９７３５号公報

茨木誠一、他４名、「電動アシストターボチャージャ"ハイブリッドターボ"の開発」、三菱重工技報、Ｖｏｌ．４３、Ｎｏ．３、２００６年、ｐ．３６−４０

上述のように、ターボチャージャはエンジン低速や過渡の条件では、過給性能を発揮し難いため、エンジン・ダウンサイジングの限界は坂路発進性で決まる場合が多い。

エンジン・ダウンサイジング時の坂路発進性を確保するためには、機械式のスーパーチャージャの追加や、ハイブリッド技術の追加等が必要となり、価格やシステム規模が増大してしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、良好な坂路発進性を実現でき、エンジン・ダウンサイジングによるさらなる燃費向上を可能とするターボ過給システムを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、エンジンの排気通路に配置されて排気により駆動されるタービンと、吸気通路に配置されて前記タービンの回転トルクにより駆動されるコンプレッサと、前記コンプレッサの駆動力をアシストする電気モータと、を有する電動アシストターボチャージャと、坂道時の発進動作を検出したときに前記電気モータを駆動する電気モータ制御部と、を備えたターボ過給システムである。

前記電気モータ制御部は、車両が発進する道路の勾配に応じた回転数で前記電気モータを駆動するように構成されてもよい。

前記電気モータ制御部は、車両が発進する道路の勾配が所定の閾値よりも大きいとき、発進時に予め前記電気モータを駆動するように構成されてもよい。

前記電気モータ制御部は、車両が発進する道路の勾配に応じた回転数を大気圧で補正し、その補正した回転数で前記電気モータを駆動するように構成されてもよい。

前記電気モータ制御部は、車両が発進する道路の勾配に応じた回転数を吸気温度で補正し、その補正した回転数で前記電気モータを駆動するように構成されてもよい。

本発明によれば、エンジン・ダウンサイジングによる燃費向上と、良好な坂路発進性の両立が可能なターボ過給システムを提供できる。

本発明の一実施の形態に係るターボ過給システムを用いたエンジンシステムの概略構成図である。 図１のターボ過給システムにおいて、電気ターボの駆動有り、電気ターボの駆動無しのそれぞれの場合のエンジン速度に対するエンジントルクの関係を示す図である。 従来のターボ過給システムにおいて、エンジン速度に対するエンジントルクの関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る本実施の形態に係るターボ過給システムを用いたエンジンシステムの概略構成図である。

図１に示すように、ターボ過給システム１は、ディーゼルエンジンであるエンジンＥの排気通路６に配置されて排気により駆動されるタービン３と、吸気通路７に配置されてタービン３の回転トルクにより駆動されるコンプレッサ４と、コンプレッサ４の駆動力をアシストする（タービン３の回転トルクをアシストする）電気モータ５と、を有する電動アシストターボチャージャ（ハイブリッドターボ）２を備えている。

電動アシストターボチャージャ２の電気モータ５は、タービン３とコンプレッサ４の間、より具体的には、タービン３のタービンホイール３ａとコンプレッサ４のコンプレッサホイール４ａとを連結するターボ軸８に一体に設けられる。電気モータ５は、例えばＤＣサーボモータからなる。なお、電気モータ５はターボ軸８と一体に設けられているため、電気モータ５の回転数は電動アシストターボチャージャ２の回転数（ターボ回転数）と等しくなる。以下、電動アシストターボチャージャ２を単にターボチャージャ２と呼称する。

排気通路６の最上流はエンジンＥの排気マニホールド９に接続され、その下流側の排気通路６には、ターボチャージャ２のタービン３、排気スロットル１１、排気ガス浄化装置１２が順次設けられ、排気通路６の最下流は大気開放される。

吸気通路７の最上流にはエアフィルタ１３が設けられ、その下流側の吸気通路７には、ターボチャージャ２のコンプレッサ４、インタークーラ（チャージエアクーラ）１４、給気スロットル１５が順次設けられ、吸気通路７の最下流はエンジンＥの吸気マニホールド１０に接続される。

また、このエンジンシステムでは、エンジンＥから排出される排気ガスの一部を吸気側に還流させるＥＧＲ制御を行うようになっている。具体的には、タービン３の上流側の排気通路６と、給気スロットル１５の下流側の吸気通路７とを接続するようにＥＧＲ管１８が設けられ、そのＥＧＲ管１８には、吸気側に還流させる排気ガスの量であるＥＧＲ量（あるいはＥＧＲ率）を調整するためのＥＧＲバルブ１６と、吸気側に還流させる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ１７とがそれぞれ設けられる。

ターボ過給システム１は、坂道時の発進動作を検出したときに電気モータ５を駆動する電気モータ制御部２１を備えている。電気モータ制御部２１は、車両が発進する道路の状況を判定し、所謂坂路発進時にのみ、電気モータ５を予め回転させるよう構成される。電気モータ制御部２１は、電子制御装置（Electronical Control Unit；ＥＣＵ）２０にプログラムとして組み込まれる。なお、ＥＣＵ２０には、エンジンＥの制御を行うため、エンジン速度や燃料噴射量、アクセル開度、大気圧（外気圧）、吸気温度（大気温）など、あらゆるエンジンパラメータが認識されるようになっている。

電気モータ制御部２１は、下記の（１），（２）の坂路発進アシスト条件を共に満たすときに、発進時に予め電気モータ５を駆動するように構成される。
（１）停車中でかつ車両のドアが閉じている。
（２）車両が発進する道路の勾配（車両の進行方向の勾配）が大きい。

坂路発進アシスト条件の（１）において、車両が停車中であるかは、例えば、車速センサで検出した車速が０（あるいは所定の閾値以下）となっているかにより判定できる。また、ドアが閉じているかは、ドアセンサにより判定できる。

坂路発進アシスト条件の（２）については、車両が停車している道路の勾配（車両の進行方向の勾配）を検出し、その勾配の大きさが所定の閾値よりも大きいときに、坂路発進アシスト条件の（２）を満たすとすればよい。

道路の勾配を検出する方法は特に限定するものではないが、例えば、ＡＢＳ（Anti-lock Brake System）など他の制御で用いているＧセンサの出力を基に勾配を検出したり、ナビゲーションシステムに搭載されたジャイロ（角速度センサ）の検出履歴（ピッチ角、ヨー角、ロール角の検出履歴）から勾配を検出したり、あるいは、ＧＰＳ（Global Positioning System）で自車位置と進行方向を検出すると共に、ナビゲーションシステムに搭載されたナビソフト等で自車位置とその周辺の標高情報を取得し、得られた標高情報から自車の進行方向の勾配を検出するとよい。

なお、坂路発進アシスト条件の（２）では、坂路発進であることを判定できればいいので、道路の勾配を間接的に検出するようにしても問題ない。例えば、ブレーキブースト圧（又はブレーキ油圧）が閾値以上であるときに、坂路発進アシスト条件の（２）を満たすとしてもよいし、さらには、パーキングブレーキが作動しているときに、坂路発進アシスト条件の（２）を満たすとしてもよい。

電気モータ制御部２１は、上述の坂路発進アシスト条件を満たす場合、ドライバーの発進動作を検出したとき、すなわち発進の直前に、電気モータ５の駆動を開始するようにされる。なお、停車中に電気モータ５を駆動し続けることも考えられるが、この場合、停車時間が長いと電気モータ５を駆動する電力が無駄となり、燃費が悪化する。

ドライバーの発進動作は、例えば、ＭＴ車においてはギアイン、クラッチリリース信号、ＡＴ車においてはブレーキリリース信号等で検出することができる。ブレーキリリース信号は、ブレーキブースト圧（又はブレーキ油圧）、ブレーキランプの点灯等に用いられるブレーキスイッチ、エアブレーキのエアアシスト等に用いられるブレーキセンサ等により検出すればよい。なお、ブレーキリリース後のアクセルペダル操作時に電気モータ５の駆動を開始してもよいが、この場合、発進時にブースト圧の上昇が間に合わず、十分なエンジントルクが得られない場合がある。

電気モータ制御部２１は、車両が発進する道路の勾配に応じた回転数で電気モータ５を駆動するように構成される。これにより、勾配が大きいほど電気モータ５の回転数を大きくし、ブースト圧を上昇させて発生するエンジントルクを大きくできる。

また、電気モータ制御部２１は、車両が発進する道路の勾配に応じた回転数を大気圧（外気圧）と吸気温度（大気温）で補正し、その補正した回転数で電気モータ５を駆動するように構成される。これは、例えば高地など大気圧が低い場所では、所望のブースト圧を得るためには、コンプレッサ４の入口と出口の圧力差をより大きくしなければならず、ターボ回転数を大きくする必要があるためである。また、温度により空気の密度が変化し、所望のブースト圧を得るためのコンプレッサ４の仕事量が変化するため、吸気温度（大気温）による補正も行う必要がある。

これらの補正（環境補正）は、大気圧で参照される第１の補正係数マップ（図示せず）と、吸気温度で参照される第２の補正係数マップ（図示せず）をＥＣＵ２０に搭載しておき、両補正係数マップで得た２つの補正係数を、車両が発進する道路の勾配に応じた回転数に掛け合わせて、補正後の回転数を求めるようにすればよい。大気圧は大気圧センサ（baroセンサ）、吸気温度は大気温センサ、あるいは吸気通路７に設けた温度センサにより検出することができる。なお、大気圧はほぼ標高に比例することから、大気圧に代えて、標高により回転数の補正を行うようにしてもよい。この場合、例えば、ＧＰＳにより得た自車位置における標高を検出し、得られた標高で補正係数マップを参照して、得られた補正係数を、車両が発進する道路の勾配に応じた回転数に掛け合わせて、補正後の回転数を求めるとよい。

さらに、電気モータ制御部２１は、電気モータ５を駆動し坂路発進を行った後、下記の（１），（２）いずれかの電動アシスト停止条件を満たしたときに、電気モータ５の駆動を停止するようにされる。
（１）ブースト圧が、エンジン速度とエンジントルクごとに設定された目標ブースト圧以上となったとき。
（２）エンジン速度とエンジントルクの関係が、電気モータ５を駆動しなくても十分に過給可能な運転領域に入ったとき。

電動アシスト停止条件の（１）については、エンジン速度とエンジントルクごとに目標ブースト圧が設定された目標ブースト圧マップ（図示せず）をＥＣＵ２０に搭載しておき、実際に測定したブースト圧（吸気マニホールド１０の圧力）が、目標ブースト圧マップを参照して得た目標ブースト圧以上となったときに、電気モータ５の駆動を停止するようにすればよい。なお、エンジントルクは、燃料噴射量等のエンジンパラメータから求めることができる。

電動アシスト停止条件の（２）については、図２を用いて説明する。図２は、本発明のターボ過給システム１において、電気モータ５の駆動有り（実線）、電気モータ５の駆動なし（破線）のそれぞれの場合における全負荷トルクの特性を示したグラフ図である。なお、図２では、参考のため、ターボチャージャ無しの場合を一点鎖線で併せて示してある。

図２に示すように、ターボ過給システム１では、電気モータ５を駆動することで、エンジン速度が極低速の領域におけるトルクを向上することが可能となる。ここで、図２にハッチングで示される運転領域Ａ、すなわち電気モータ５の駆動なしの全負荷トルクの特性（破線）に囲まれた運転領域Ａは、電気モータ５を駆動しなくとも十分に過給できる運転領域である。よって、図示矢印Ｂのように、エンジン速度とエンジントルクの関係が運転領域Ａに入ったときに、電気モータ５の駆動を停止すればよい。

また、電気モータ制御部２１は、電気モータ５での消費電力が所定の閾値以上となったとき、あるいは、電気モータ５の回転数が所定の閾値以上となったときに、電気モータ５の駆動を強制的に中止するように構成される。

電気モータ５での消費電力が所定の閾値以上となったときに電気モータ５の駆動を強制的に中止するのは、バッテリーの電力が消耗し過ぎることを抑制し、所謂バッテリーあがりを防止するためである。

電気モータ５の回転数が所定の閾値以上となったときに電気モータ５の駆動を強制的に中止するのは、電気モータ５のオーバーランを防止し、電気モータ５を保護するためである。

以上説明したように、本実施の形態に係るターボ過給システム１では、コンプレッサ４の駆動力をアシストする電気モータ５を有する電動アシストターボチャージャ２を備え、坂道時の発進動作を検出したときに電気モータ５を駆動するようにしている。

これにより、排気エネルギが小さい坂路発進時でも、エンジンＥに余裕をもって空気を送り込むことができ、ブースト圧を高めて、発進時に大きなエンジントルクを得ることが可能となる。つまり、本発明によれば、良好な坂路発進性を実現できる。

従来、アイドリング回転数が低く設定されていると坂路発進性が悪化し、また、坂路発進をする際にはアクセルの踏み込み量を大きくしないと十分なエンジントルクが得られなかったが、本発明によれば、発進時に予め十分なブースト圧が得られているため、アイドリング回転数が低く設定されていたり、あるいは発進時のアクセルの踏み込み量が小さくても、十分なエンジントルクを得ることができる。つまり、本発明によれば、アイドリング回転数やアクセルのオンオフによらず、坂路発進時のエンジントルクを向上できる。

また、本発明によれば、エンジン・ダウンサイジングにより小排気量化しても、良好な坂路発進性を確保することが可能となる。よって、さらなるエンジン・ダウンサイジングが可能となり、燃費をより向上させることが可能となる。

さらに、本発明では、機械式のスーパーチャージャを追加したり、あるいはハイブリッド技術を追加する従来技術と比較して、システム規模が小さく低コストである。

また、ターボ過給システム１では、車両が発進する道路の勾配に応じた回転数を大気圧と吸気温度で補正し、その補正した回転数で電気モータ５を駆動するようにしているため、走行場所の高度や大気温によらず、坂路発進時に常に十分なエンジントルクを得ることが可能になる。

また、電動アシストターボチャージャ２では、排気エネルギに余裕があるときには、電気モータ５を発電機として用いて回生電力を得ることもできる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、エンジンＥがディーゼルエンジンである場合を説明したが、本発明は、ディーゼルエンジンの他にガソリンエンジン等にも適用可能である。

１ ターボ過給システム
２ 電動アシストターボチャージャ
３ タービン
４ コンプレッサ
５ 電気モータ
６ 排気通路
７ 吸気通路
２１ 電気モータ制御部

Claims (5)

1. エンジンの排気通路に配置されて排気により駆動されるタービンと、吸気通路に配置されて前記タービンの回転トルクにより駆動されるコンプレッサと、前記コンプレッサの駆動力をアシストする電気モータと、を有する電動アシストターボチャージャと、
   坂道時の発進動作を検出したときに前記電気モータを駆動する電気モータ制御部と、
   を備えたことを特徴とするターボ過給システム。
2. 前記電気モータ制御部は、車両が発進する道路の勾配に応じた回転数で前記電気モータを駆動するように構成される
   請求項１記載のターボ過給システム。
3. 前記電気モータ制御部は、車両が発進する道路の勾配が所定の閾値よりも大きいとき、発進時に予め前記電気モータを駆動するように構成される
   請求項１または２記載のターボ過給システム。
4. 前記電気モータ制御部は、車両が発進する道路の勾配に応じた回転数を大気圧で補正し、その補正した回転数で前記電気モータを駆動するように構成される
   請求項３記載のターボ過給システム。
5. 前記電気モータ制御部は、車両が発進する道路の勾配に応じた回転数を吸気温度で補正し、その補正した回転数で前記電気モータを駆動するように構成される
   請求項３または４記載のターボ過給システム。