JP2012097605A - ターボ過給システム - Google Patents

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Abstract

【課題】エンジン・ダウンサイジングによる燃費向上と、良好な耐衝撃負荷の性能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】架装を有する車両に搭載され、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、架装を駆動されているときに電気モータ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、建設機械用車両等、エンジンに衝撃的な負荷がかかる車両に適用され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２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、アイドル運転域などエンジン速度が低速の領域（図２で破線で囲った領域）では、排気エネルギが小さくターボチャージャが働かないため、トルクアップは望めない。
また、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たエンジンシステム（実線）では、ターボチャージャの過給遅れ（ターボラグという）により、同等のエンジントルクを発生する大排気量のエンジンシステム（破線）と比較して、エンジントルクの発生に遅れが生じる。
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
ところで、近年、ユンボやショベルカーといった建設機械用車両においても、エンジン・ダウンサイジングによる燃費向上が進められている。
しかしながら、エンジン・ダウンサイジングにより小排気量化したエンジンシステムでは、従来の大排気量のエンジンシステムと比較して、トルク変動の吸収力が劣り、耐衝撃負荷の性能が悪化するという問題がある。
例えば、エンジン・ダウンサイジングにより小排気量化したエンジンシステムでは、ショベルカーで地面にショベルが衝突するなどしてエンジンに衝撃的な負荷（ショックトルク）がかかった場合、ターボラグによるブースト圧の上昇の遅れによりエンジンに供給される酸素が不足して、エンジンにて十分なトルクを発生できず、エンジン回転が急激に落ち込み、ショベル等の運転が困難になる。
同様に、アイドル運転域などエンジン速度が低速の領域で衝撃的な負荷がかかると、エンジンにて十分なトルクを発生できず、エンジンが停止するなどしてショベル等の運転が困難になる。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、エンジン・ダウンサイジングによる燃費向上と、良好な耐衝撃負荷の性能の両立が可能な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、架装を有する車両に搭載され、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、前記架装を駆動されている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、前記架装を駆動するスイッチがオンであるとき、前記電気モータを駆動するようにされてもよい。
前記電気モータ制御部は、前記架装を操作する操作手段が操作されたとき、前記電気モータを駆動するようにされてもよい。
前記電気モータ制御部は、エンジン速度に応じた回転数で前記電気モータを駆動するようにされてもよい。
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、良好な耐衝撃負荷の性能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。 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。 従来のターボ過給システムにおいて、ターボラグを説明する図である。
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。
ここでは、図１のエンジンシステムを搭載する車両がショベルカーである場合を説明する。ただし、本発明は、ショベルカーに限らず、ユンボやブルドーザなどの他の建設機械用車両や、消防車、塵芥車など、エンジンにより駆動される架装を有する車両であれば、どのような車両でも適用可能である。
図１に示すように、ターボ過給システム１は、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。
また、このエンジンシステムは、架装を駆動するスイッチとしてのモードスイッチ１９を備えている。ここでは、モードスイッチ１９は、ショベルを使用しない走行モード（スイッチオフ）と、ショベルを使用するショベルモード（スイッチオン）とを切り替え可能に構成されている。なお、モードスイッチ１９は、従来からあるものを使用してもよいし、モードスイッチ１９を備えない車両については、新たに設けるようにしてもよい。
ターボ過給システム１は、架装を駆動されているとき電気モータ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、すなわち、エンジンＥに衝撃的な負荷（ショックトルク）がかかることが予測されるとき、電気モータ５を予め駆動しておくものである。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。
モードスイッチ１９がショベルモードに切り替えられているとき（スイッチがオンのとき）は、ショベルを使用して作業を行うため、エンジンＥに衝撃的な負荷がかかることが予測される。そこで、電気モータ制御部２１は、モードスイッチ１９がショベルモードに切り替えられているとき、電気モータ５を駆動しておくようにされる。
なお、ここでは、電気モータ制御部２１を、モードスイッチ１９がオン（ショベルモード）のときに、電気モータ５を駆動するように構成したが、これに限らず、架装を操作する操作手段（例えば、ショベルを操作する操作レバー）が操作されたときに、電気モータ５を駆動するようにしてもよい。この場合、操作レバーが操作されたときに電気モータ５を駆動し、操作レバーが操作されなくなってから所定時間経過したときに、電気モータ５を停止するようにすればよい。
また、電気モータ制御部２１は、エンジン速度（エンジン回転数）に応じた回転数で電気モータ５を駆動するようにされる。具体的には、エンジン速度ごとに電気モータ５の回転数（すなわちターボチャージャ２の回転数）を設定した回転数マップ（図示せず）を備え、エンジン速度で回転数マップを参照して得た回転数となるように、電気モータ５の駆動量を制御（例えば、電気モータ５に印加する電圧の大きさを制御）するよう、電気モータ制御部２１を構成すればよい。
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と、架装を駆動されているときに電気モータ５を駆動する電気モータ制御部２１と、を備えている。
これにより、例えば工事の作業中など、エンジンＥに衝撃的な負荷がかかることが予測されるときに、予め電気モータ５によりターボチャージャ２を回転させて、エンジンＥに余裕をもって空気を送り込むことができる。よって、実際に衝撃的な負荷がかかったときに、燃料を噴射すれば瞬時に大きなエンジントルクを得て、エンジン回転の落ち込みを防ぐことが可能となり、耐衝撃負荷の性能を向上できる。
また、従来のエンジンシステムでは、エンジン・ダウンサイジングにより小排気量化すると、エンジンＥに衝撃的な負荷が加わったときにエンジン回転が急激に落ちてショベル等の運転が困難になるといった不具合が発生していたが、本発明によれば、耐衝撃負荷の性能を向上できるため、エンジン・ダウンサイジングにより小排気量化しても、上述のような不具合の発生を抑制することが可能になる。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。
つまり、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、良好な耐衝撃負荷の性能を両立することが可能となる。
なお、電気モータ５を駆動する際には電力を消費するため多少燃費が悪化するが、電気モータ５の駆動による燃費悪化よりも、エンジン・ダウンサイジングによる低燃費化の効果の方が大きい。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。
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 (4)

  1. 架装を有する車両に搭載され、
    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、
    前記架装を駆動されている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、前記架装を駆動するスイッチがオンであるとき、前記電気モータを駆動するようにされる
    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、前記架装を操作する操作手段が操作されたとき、前記電気モータを駆動するようにされる
    請求項１記載のターボ過給システム。
  4. 前記電気モータ制御部は、エンジン速度に応じた回転数で前記電気モータを駆動するようにされる請求項１〜３いずれかに記載のターボ過給システム。
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