JP2013181392A - エンジンの過給システム - Google Patents
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Abstract
【課題】スーパーチャージャーの駆動によるエンジンの機械損失を低減できると共に、エンジン回転速度に依存することなくスーパーチャージャーによる過給圧を最適に制御でき、もって燃費を向上できるエンジンの過給システムを提供する。
【解決手段】ハイブリッド車両において、エンジン2のクランク軸2aにS/C用クラッチ51を介してスーパーチャージャー45を連結すると共に、このスーパーチャージャー45にS/C駆動モータ65を連結する。バッテリ18のSOCが判定値SOC0以上のときにはS/C用クラッチ51を切断し、S/C駆動モータ65をモータ作動させてスーパーチャージャー45を駆動する。また、SOCが判定値SOC0未満のときにはS/C用クラッチ51を接続し、エンジン2でスーパーチャージャー45を駆動すると共に、その駆動力を利用してS/C駆動モータ65をジェネレータ作動させて発電する。
【選択図】図2
【解決手段】ハイブリッド車両において、エンジン2のクランク軸2aにS/C用クラッチ51を介してスーパーチャージャー45を連結すると共に、このスーパーチャージャー45にS/C駆動モータ65を連結する。バッテリ18のSOCが判定値SOC0以上のときにはS/C用クラッチ51を切断し、S/C駆動モータ65をモータ作動させてスーパーチャージャー45を駆動する。また、SOCが判定値SOC0未満のときにはS/C用クラッチ51を接続し、エンジン2でスーパーチャージャー45を駆動すると共に、その駆動力を利用してS/C駆動モータ65をジェネレータ作動させて発電する。
【選択図】図2
Description
本発明はエンジンの過給システムに係り、詳しくは過給機としてスーパーチャージャー及びターボチャージャーを備えたエンジンの過給システムに関する。
従来からエンジン性能の向上のための手法の一つとして、エンジンの吸入空気を圧縮して筒内に供給することにより平均有効圧を向上させる過給機が実用化されている。代表的な過給機には、スーパーチャージャーとターボチャージャーとがある。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軸により回転駆動されて吸入空気を圧縮する原理を採り、ターボチャージャーは、排ガスによりタービンを回転駆動して、タービンと同軸上にあるコンプレッサにより吸入空気を圧縮する原理を採っている。
このような原理の相違に起因してスーパーチャージャーとターボチャージャーとは特性が異なることから、双方の過給機を共に備えて相互に連携して作動させるようにした技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。当該特許文献1に記載されたハイブリッド車両では、ターボチャージャーに発電も可能な電動発電機を連結しており、エンジンの運転領域に応じてスーパーチャージャーとターボチャージャーとを切り換えると共に、ターボチャージャーの作動時には上記排気駆動に加えて電動発電機による駆動や発電を適宜切り換えるようにしている。
このような原理の相違に起因してスーパーチャージャーとターボチャージャーとは特性が異なることから、双方の過給機を共に備えて相互に連携して作動させるようにした技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。当該特許文献1に記載されたハイブリッド車両では、ターボチャージャーに発電も可能な電動発電機を連結しており、エンジンの運転領域に応じてスーパーチャージャーとターボチャージャーとを切り換えると共に、ターボチャージャーの作動時には上記排気駆動に加えて電動発電機による駆動や発電を適宜切り換えるようにしている。
しかしながら、上記特許文献1の技術では、スーパーチャージャーをエンジンにより駆動しているため、その駆動分だけ常にエンジンの機械損失が増加してしまう。また、スーパーチャージャーの駆動状態はエンジン回転速度に依存するため、エンジンの運転領域に対して適切に過給圧を制御することが困難である。これらの要因は燃費悪化を引き起こすことから、改善の余地があった。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、スーパーチャージャーの駆動によるエンジンの機械損失を低減できると共に、エンジン回転速度に依存することなくスーパーチャージャーによる過給圧を最適に制御でき、もって燃費を向上することができるエンジンの過給システムを提供することにある。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、スーパーチャージャーの駆動によるエンジンの機械損失を低減できると共に、エンジン回転速度に依存することなくスーパーチャージャーによる過給圧を最適に制御でき、もって燃費を向上することができるエンジンの過給システムを提供することにある。
上記目的を達成するため、請求項1の発明は、走行用駆動源としてエンジン及び走行用モータを備えたハイブリッド車両に搭載され、エンジンの過給機としてスーパーチャージャー及びターボチャージャーを備えたエンジンの過給システムにおいて、バッテリと、バッテリから電力を供給されてスーパーチャージャーを駆動可能な電動発電機と、電動発電機の駆動状態を制御する電動発電機制御手段と、スーパーチャージャーとエンジンの駆動軸との間に介装されるクラッチと、クラッチの断接状態を制御するクラッチ制御手段を備えており、クラッチ制御手段が、スーパーチャージャーを電動発電機により駆動する場合にはクラッチを切断状態に切り換え、スーパーチャージャーをエンジンにより駆動する場合にはクラッチを接続状態に切り換えるものである。
請求項2の発明は、請求項1において、スーパーチャージャー及びターボチャージャーを制御する過給機制御手段を備え、過給機制御手段は、エンジンの低回転数領域では、スーパーチャージャーだけでエンジンを過給し、エンジンの中回転数領域では、スーパーチャージャー及びターボチャージャーでエンジンを過給し、エンジンの高回転数領域では、ターボチャージャーだけでエンジンを過給するよう制御するものである。
請求項3の発明は、請求項1または2において、バッテリの充電状態を検出するバッテリ充電状態検出手段を備え、バッテリ充電状態検出手段により検出されたバッテリの充電状態が所定充電量以上の場合は、クラッチ制御手段によりクラッチを切断状態に切り換え、電動発電機によりスーパーチャージャーを駆動し、バッテリの充電状態が所定充電量未満の場合は、クラッチ制御手段によりクラッチを接続状態に切り換え、エンジンによりスーパーチャージャーを駆動すると共に、電動発電機制御手段により電動発電機を発電機として作動させ、発電電力をバッテリに充電する回生制御を実行するものである。
請求項4の発明は、請求項2または3において、エンジンの吸入空気をスーパーチャージャーからバイパスさせるバイパス路と、エンジンの筒内燃焼圧の上昇に応じて吸入空気をバイパス路側に案内してスーパーチャージャーへの流入量を制限する過給圧制限手段とを備えたものである。
請求項4の発明は、請求項2または3において、エンジンの吸入空気をスーパーチャージャーからバイパスさせるバイパス路と、エンジンの筒内燃焼圧の上昇に応じて吸入空気をバイパス路側に案内してスーパーチャージャーへの流入量を制限する過給圧制限手段とを備えたものである。
以上説明したように請求項1の発明のエンジンの過給システムによれば、スーパーチャージャーとエンジンの駆動軸との間にクラッチを介装すると共に、バッテリからの電力供給により電動発電機によりスーパーチャージャーを駆動可能とし、スーパーチャージャーを電動発電機により駆動する場合にはクラッチを切断状態に切り換え、スーパーチャージャーをエンジンにより駆動する場合にはクラッチを接続状態に切り換えるようにした。
このように、クラッチを切断状態に切り換えて電動発電機によりスーパーチャージャーを駆動可能なため、スーパーチャージャーの駆動のためのエンジンの機械損失を低減できる。また、電動発電機による駆動時にはクラッチが切断されるため、エンジンが駆動負荷にならず効率よくスーパーチャージャーを駆動できる。さらに、エンジン回転速度に依存することなく、電動発電機によるスーパーチャージャーの駆動状態に応じて過給圧を最適に制御可能となる。結果としてエンジンのトルク増大及びレスポンス向上を達成でき、エンジンのダウンサイジング及びダウンスピーディングにより実用燃費を向上することができる。
このように、クラッチを切断状態に切り換えて電動発電機によりスーパーチャージャーを駆動可能なため、スーパーチャージャーの駆動のためのエンジンの機械損失を低減できる。また、電動発電機による駆動時にはクラッチが切断されるため、エンジンが駆動負荷にならず効率よくスーパーチャージャーを駆動できる。さらに、エンジン回転速度に依存することなく、電動発電機によるスーパーチャージャーの駆動状態に応じて過給圧を最適に制御可能となる。結果としてエンジンのトルク増大及びレスポンス向上を達成でき、エンジンのダウンサイジング及びダウンスピーディングにより実用燃費を向上することができる。
請求項2の発明のエンジンの過給システムによれば、請求項1に加えて、スーパーチャージャー及びターボチャージャーを制御する過給機制御手段を備え、過給機制御手段は、エンジンの低回転数領域ではスーパーチャージャーだけで、中回転数領域ではスーパーチャージャー及びターボチャージャーで、高回転数領域ではターボチャージャーだけでそれぞれエンジンを過給するように制御する。従って、エンジンの全回転数領域で効率的に過給でき、エンジンのダウンサイジング及びダウンスピーディングを一層促進することができる。
請求項3の発明のエンジンの過給システムによれば、請求項1または2に加えて、バッテリの充電状態が所定充電量以上の場合は、クラッチを切断状態に切り換えて電動発電機でスーパーチャージャーを駆動し、バッテリの充電状態が所定充電量未満の場合は、クラッチを接続状態に切り換えてエンジンでスーパーチャージャーを駆動すると共に、電動発電機で発電するようにした。
請求項3の発明のエンジンの過給システムによれば、請求項1または2に加えて、バッテリの充電状態が所定充電量以上の場合は、クラッチを切断状態に切り換えて電動発電機でスーパーチャージャーを駆動し、バッテリの充電状態が所定充電量未満の場合は、クラッチを接続状態に切り換えてエンジンでスーパーチャージャーを駆動すると共に、電動発電機で発電するようにした。
従って、バッテリの充電量が少なく電動発電機が使用できない場合であっても、エンジンによりスーパーチャージャーを駆動してエンジンを過給することができる。また、エンジンの駆動力を利用して電動発電機を発電機として作動させるため、発電電力の充電によりバッテリ充電量を回復させることができる。
請求項4の発明のエンジンの過給システムによれば、請求項2または3に加えて、エンジンの筒内燃焼圧の上昇に応じて吸入空気をバイパス路側に案内するようにした。従って、エンジンの筒内燃焼圧が上昇すると吸入空気がバイパス路側に案内されてスーパーチャージャーへの流入量が制限されるため、過剰な筒内燃焼圧に起因する不具合を未然に防止することができる。
請求項4の発明のエンジンの過給システムによれば、請求項2または3に加えて、エンジンの筒内燃焼圧の上昇に応じて吸入空気をバイパス路側に案内するようにした。従って、エンジンの筒内燃焼圧が上昇すると吸入空気がバイパス路側に案内されてスーパーチャージャーへの流入量が制限されるため、過剰な筒内燃焼圧に起因する不具合を未然に防止することができる。
以下、本発明を具体化したエンジンの過給システムの一実施形態を説明する。
図1は本実施形態のエンジンの過給システムが適用されたハイブリッド電気自動車を示す全体構成図である。過給システムの説明に先立って、まず同図に基づき車両全体の構成について述べる。
ハイブリッド電気自動車1はいわゆるパラレル型ハイブリッド車両であり、本実施形態ではトラックとして構成されている。なお、以下の説明では、ハイブリッド電気自動車1を車両と称する場合もある。
ディーゼルエンジン(以下、エンジンという)2の出力軸には走行用クラッチ4の入力軸が連結されており、走行用クラッチ4の出力軸には例えば永久磁石式同期電動機のように発電も可能な走行用モータ6の回転軸を介して自動変速機8の入力軸が連結されている。自動変速機8は一般的な手動変速機をベースとして走行用クラッチ4の断接操作及び変速段の切換操作を自動化したものであり、本実施形態では、前進6速後退1速の変速段を有し、発進段としては第2速が設定されている。当然ながら、エンジン2や変速機8の形式はこれに限定されるものではなく任意に変更可能であり、例えばガソリンエンジンに具体化したり、通常の手動変速機に具体化したりしてもよい。
図1は本実施形態のエンジンの過給システムが適用されたハイブリッド電気自動車を示す全体構成図である。過給システムの説明に先立って、まず同図に基づき車両全体の構成について述べる。
ハイブリッド電気自動車1はいわゆるパラレル型ハイブリッド車両であり、本実施形態ではトラックとして構成されている。なお、以下の説明では、ハイブリッド電気自動車1を車両と称する場合もある。
ディーゼルエンジン(以下、エンジンという)2の出力軸には走行用クラッチ4の入力軸が連結されており、走行用クラッチ4の出力軸には例えば永久磁石式同期電動機のように発電も可能な走行用モータ6の回転軸を介して自動変速機8の入力軸が連結されている。自動変速機8は一般的な手動変速機をベースとして走行用クラッチ4の断接操作及び変速段の切換操作を自動化したものであり、本実施形態では、前進6速後退1速の変速段を有し、発進段としては第2速が設定されている。当然ながら、エンジン2や変速機8の形式はこれに限定されるものではなく任意に変更可能であり、例えばガソリンエンジンに具体化したり、通常の手動変速機に具体化したりしてもよい。
また、変速機8の出力軸はプロペラシャフト10、差動装置12及び駆動軸14を介して左右の駆動輪16に接続されている。従って、走行用クラッチ4の切断時には走行用モータ6のみが変速機8を介して駆動輪16側と連結され、走行用クラッチ4の接続時にはエンジン2及び走行用モータ6が共に変速機8を介して駆動輪16側と連結される。
走行用モータ6は、走行用バッテリ18に蓄えられた直流電力がインバータ20によって交流電力に変換されて供給されることによりモータとして作動し、その駆動トルクが変速機8により適宜変速された後に駆動輪16に伝達されることにより車両1を走行させる。また、アクセルオフにより車両1が減速する惰行運転時やブレーキオンにより車両1が減速する減速運転時には、走行用モータ6が発電機として作動して交流電力を発電すると共に、回生トルクを発生させて駆動輪16に制動力を作用させながら車両1を減速させる。そして、発電された交流電力はインバータ20によって直流電力に変換された後にバッテリ18に充電され、これにより車両1の減速エネルギが電気エネルギとして回収されて、その後に走行用モータ6による走行に有効利用される。
走行用モータ6は、走行用バッテリ18に蓄えられた直流電力がインバータ20によって交流電力に変換されて供給されることによりモータとして作動し、その駆動トルクが変速機8により適宜変速された後に駆動輪16に伝達されることにより車両1を走行させる。また、アクセルオフにより車両1が減速する惰行運転時やブレーキオンにより車両1が減速する減速運転時には、走行用モータ6が発電機として作動して交流電力を発電すると共に、回生トルクを発生させて駆動輪16に制動力を作用させながら車両1を減速させる。そして、発電された交流電力はインバータ20によって直流電力に変換された後にバッテリ18に充電され、これにより車両1の減速エネルギが電気エネルギとして回収されて、その後に走行用モータ6による走行に有効利用される。
一方、エンジン2の駆動力は、走行用クラッチ4が接続されているときに走行用モータ6の回転軸を経由して変速機8に伝達され、適宜変速された後に駆動輪16に伝達される。従って、エンジン2の駆動力が駆動輪16に伝達されているとき、走行用モータ6がモータとして作動しない場合には、エンジン2の駆動力のみが変速機8を介して駆動輪16に伝達され、走行用モータ6がモータとして作動する場合には、エンジン2及び走行用モータ6の駆動力が共に変速機8を介して駆動輪16に伝達されることになる。
また、バッテリ18の残存容量(SOC:State Of Charge)が低下してバッテリ18の充電が必要になると、車両1の走行中であっても走行用モータ6が発電機として作動すると共に、エンジン2の駆動力の一部を用いて走行用モータ6を作動することにより発電が行われ、発電された交流電力をインバータ20によって直流電力に変換した後にバッテリ18に充電するようにしている。
車両ECU22は、車両1やエンジン2の運転状態、及びエンジンECU24、インバータECU26並びにバッテリECU28(バッテリ充電状態検出手段)からの情報などに応じて、図示しないアクチュエータを駆動制御して走行用クラッチ4の断接制御及び変速機8の変速制御を行うと共に、これらの制御状態や車両1の走行状態に合わせてエンジン2や走行用モータ6を適切に運転するための統合制御を行う。
車両ECU22は、車両1やエンジン2の運転状態、及びエンジンECU24、インバータECU26並びにバッテリECU28(バッテリ充電状態検出手段)からの情報などに応じて、図示しないアクチュエータを駆動制御して走行用クラッチ4の断接制御及び変速機8の変速制御を行うと共に、これらの制御状態や車両1の走行状態に合わせてエンジン2や走行用モータ6を適切に運転するための統合制御を行う。
そして車両ECU22には、このような制御のために、アクセルペダル30の操作量Accを検出するアクセルセンサ32、車両1の速度Vを検出する車速センサ34、エンジン2の出力軸の回転速度Neを検出するエンジン回転速度センサ35、走行用モータ6の回転速度Ng(変速機8の入力回転速度)を検出する電動機回転速度センサ36、及びブレーキペダル39の踏込操作を検出するブレーキセンサ40などのセンサ類が接続されている。これらの検出情報に基づき車両ECU22は、車両1の走行に必要な要求トルクを演算し、この要求トルクをエンジン2側と走行用モータ6側とに配分する。
また、これと並行して要求トルク、車両1の走行状態、エンジン2及び走行用モータ6の運転状態、或いはバッテリ18のSOCなどに基づき走行モード(エンジン走行、モータ走行、エンジン・モータ走行)を選択し、選択した走行モードを実行すべくエンジンECU24及びインバータECU26に指令を出力すると共に、適宜変速機8の変速制御を実行する。
また、これと並行して要求トルク、車両1の走行状態、エンジン2及び走行用モータ6の運転状態、或いはバッテリ18のSOCなどに基づき走行モード(エンジン走行、モータ走行、エンジン・モータ走行)を選択し、選択した走行モードを実行すべくエンジンECU24及びインバータECU26に指令を出力すると共に、適宜変速機8の変速制御を実行する。
エンジンECU24は、車両ECU22によって設定された走行モード及びエンジントルクを達成するように、燃料噴射量制御や燃料噴射時期制御、後述するスーパーチャージャー45及びターボチャージャー42の運転制御(過給機制御手段)などを実行してエンジン2を運転させる。
また、インバータECU26は、車両ECU22によって設定された走行モード及び走行用モータ6のトルクを達成するように、インバータ20を駆動制御して走行用モータ6を力行制御によりモータ作動させたり、回生制御によりジェネレータ作動させたりする。
また、バッテリECU28は、バッテリ18の温度、バッテリ18の電圧、インバータ20とバッテリ18との間に流れる電流などを検出すると共に、これらの検出結果からバッテリ18のSOCを求め、そのSOCを検出結果と共に車両ECU22に出力する。
また、インバータECU26は、車両ECU22によって設定された走行モード及び走行用モータ6のトルクを達成するように、インバータ20を駆動制御して走行用モータ6を力行制御によりモータ作動させたり、回生制御によりジェネレータ作動させたりする。
また、バッテリECU28は、バッテリ18の温度、バッテリ18の電圧、インバータ20とバッテリ18との間に流れる電流などを検出すると共に、これらの検出結果からバッテリ18のSOCを求め、そのSOCを検出結果と共に車両ECU22に出力する。
本実施形態の車両1は以上のように構成されており、そのエンジン2には過給システムとしてスーパーチャージャー45及びターボチャージャー42が備えられている。以下、この過給システムの構成を図2に従って詳述する。
エンジン2の吸気通路41には上流側より、ターボチャージャー42のコンプレッサ42a、第1インタークーラ43、第1バルブ44、スーパーチャージャー45及び第2インタークーラ46が配設され、吸気通路41の下流側はエンジン2の吸気マニホールド47に接続されている。吸気通路41の第1インタークーラ43の上流側とスーパーチャージャー45の下流側とはバイパス通路48を介して接続され、バイパス通路48には第2バルブ49が介装されている。以下、バイパス通路48に対して並列関係にある吸気通路41の箇所を過給通路50という。
なお、第1及び第2インタークーラ43,46は過給により温度上昇した吸入空気を冷却する機能を奏するが、その形式は空冷式でも水冷式でもよい。
エンジン2の吸気通路41には上流側より、ターボチャージャー42のコンプレッサ42a、第1インタークーラ43、第1バルブ44、スーパーチャージャー45及び第2インタークーラ46が配設され、吸気通路41の下流側はエンジン2の吸気マニホールド47に接続されている。吸気通路41の第1インタークーラ43の上流側とスーパーチャージャー45の下流側とはバイパス通路48を介して接続され、バイパス通路48には第2バルブ49が介装されている。以下、バイパス通路48に対して並列関係にある吸気通路41の箇所を過給通路50という。
なお、第1及び第2インタークーラ43,46は過給により温度上昇した吸入空気を冷却する機能を奏するが、その形式は空冷式でも水冷式でもよい。
上記スーパーチャージャー45として、本実施形態ではリショルム式のものが用いられている。周知のようにリショルム式スーパーチャージャー45は、ギヤを介して同期回転する一対のスクリュー45a間で吸入空気を軸方向に移送しながら圧縮する原理を採っている。スーパーチャージャー45の一方のスクリュー45aから突出した第1駆動軸45bにはスーパーチャージャー用クラッチ51(以下、S/C用クラッチという)を介して中間軸52が接続され、中間軸52にはベルト53を介してエンジン2のクランク軸2a(駆動軸)が連結されている。
エンジン2の運転中にはクランク軸2aにより中間軸52が常に回転駆動されており、S/C用クラッチ51の切断時には中間軸52の回転がスーパーチャージャー45の第1駆動軸45bに伝達されず、S/C用クラッチ51の接続時には中間軸52の回転が第1駆動軸45bに伝達される。そして、クラッチ接続により第1駆動軸45bが回転駆動されるとスーパーチャージャー45が作動を開始し、スクリュー45aの同期回転により過給通路50の上流側の吸入空気を吸い込んでスクリュー45a間で圧縮し、圧縮後の吸入空気を過給通路50の下流側へと吐出する。
なお、スーパーチャージャー45の種類はこれに限らず任意に変更可能であり、例えばルーツ式やスクロール式のスーパーチャージャーを採用してもよい。
エンジン2の運転中にはクランク軸2aにより中間軸52が常に回転駆動されており、S/C用クラッチ51の切断時には中間軸52の回転がスーパーチャージャー45の第1駆動軸45bに伝達されず、S/C用クラッチ51の接続時には中間軸52の回転が第1駆動軸45bに伝達される。そして、クラッチ接続により第1駆動軸45bが回転駆動されるとスーパーチャージャー45が作動を開始し、スクリュー45aの同期回転により過給通路50の上流側の吸入空気を吸い込んでスクリュー45a間で圧縮し、圧縮後の吸入空気を過給通路50の下流側へと吐出する。
なお、スーパーチャージャー45の種類はこれに限らず任意に変更可能であり、例えばルーツ式やスクロール式のスーパーチャージャーを採用してもよい。
また、エンジン2の排気マニホールド55には排気通路56が接続され、排気通路56には上流側より、第3バルブ57、上記ターボチャージャー42のコンプレッサ42aに対して同軸上に設けられたタービン42b、後処理装置58、及び図示しない消音器が配設されている。なお、本実施形態では、後処理装置58をDPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)及びSCR(選択還元型NOx触媒)で構成したが、これに限ることはなく任意に変更可能である。
排気通路の第3バルブ57の上流側とタービン42bの下流側とはバイパス通路59を介して接続され、バイパス通路59には第4バルブ60が介装されている。以下、バイパス通路59に対して並列関係にある排気通路56の箇所を過給通路61という。
排気マニホールド55の一側と吸気マニホールド47の入口付近とはEGR通路62を介して接続され、EGR通路62にはEGRバルブ63及びEGRクーラ64が配設されている。
排気通路の第3バルブ57の上流側とタービン42bの下流側とはバイパス通路59を介して接続され、バイパス通路59には第4バルブ60が介装されている。以下、バイパス通路59に対して並列関係にある排気通路56の箇所を過給通路61という。
排気マニホールド55の一側と吸気マニホールド47の入口付近とはEGR通路62を介して接続され、EGR通路62にはEGRバルブ63及びEGRクーラ64が配設されている。
上記S/C用クラッチ51、第1〜4バルブ44,49,57,60及びEGRバルブ63はエンジンECU24に接続され、このエンジンECU24によりS/C用クラッチ51の断接制御(クラッチ制御手段)、各バルブ44,49,57,60,63の開閉制御が行われるようになっている。
一方、上記スーパーチャージャー45の他方のスクリュー45aからは第2駆動軸45cが突出しており、この第2駆動軸45cを回転駆動しても、第1駆動軸45bの場合と同様にスーパーチャージャー45が作動して吸入空気を圧縮するようになっている。第2駆動軸45cにはスーパーチャージャー駆動モータ(以下、S/C駆動モータという)65(電動発電機)が連結され、S/C駆動モータ65はDC-DCコンバータ66及び上記インバータ20を介して走行用バッテリ18に接続されている。
インバータECU26によりS/C駆動モータ65が力行制御または回生制御される。S/C駆動モータ65の力行制御時には、走行用バッテリ18からの直流電力がインバータ20で交流電力に変換された後にDC-DCコンバータ66で降圧され、その電力供給によりS/C駆動モータ65が第2駆動軸45cを回転駆動してスーパーチャージャー45を作動させる。また、S/C駆動モータ65の回生制御時には、スーパーチャージャー45の第2駆動軸45cからの回転伝達によりS/C駆動モータ65が発電し、その発電電力がDC-DCコンバータ66で昇圧されてインバータ20で直流電力に変換された後に走行用バッテリ18に充電される。
一方、上記スーパーチャージャー45の他方のスクリュー45aからは第2駆動軸45cが突出しており、この第2駆動軸45cを回転駆動しても、第1駆動軸45bの場合と同様にスーパーチャージャー45が作動して吸入空気を圧縮するようになっている。第2駆動軸45cにはスーパーチャージャー駆動モータ(以下、S/C駆動モータという)65(電動発電機)が連結され、S/C駆動モータ65はDC-DCコンバータ66及び上記インバータ20を介して走行用バッテリ18に接続されている。
インバータECU26によりS/C駆動モータ65が力行制御または回生制御される。S/C駆動モータ65の力行制御時には、走行用バッテリ18からの直流電力がインバータ20で交流電力に変換された後にDC-DCコンバータ66で降圧され、その電力供給によりS/C駆動モータ65が第2駆動軸45cを回転駆動してスーパーチャージャー45を作動させる。また、S/C駆動モータ65の回生制御時には、スーパーチャージャー45の第2駆動軸45cからの回転伝達によりS/C駆動モータ65が発電し、その発電電力がDC-DCコンバータ66で昇圧されてインバータ20で直流電力に変換された後に走行用バッテリ18に充電される。
次に、このように構成されたエンジン2の過給システムの制御状況を説明する。
図3はエンジン2の運転領域に応じてスーパーチャージャー45及びターボチャージャー42を作動させるための制御マップを示す図である。このマップに基づき、基本的に過給システムの制御はエンジンECU24により行われ、スーパーチャージャー45を駆動するS/C駆動モータ65に関しても、エンジンECU24からの指令に基づきインバータECU26により制御される(電動発電機制御手段)。
エンジンECU24から指令されたエンジン2側の要求トルク、及びエンジン回転速度Neに基づき現在のエンジン2の運転領域が判定され、その運転領域に対応してスーパーチャージャー45及びターボチャージャー42が制御される。図に示すように、エンジン2の運転領域はスーパーチャージャー45のみを作動させる領域(以下、S/C領域という)、スーパーチャージャー45とターボチャージャー42を共に作動させる領域(以下、S/C+T/C領域という)、及びターボチャージャー42のみを作動させる領域(以下、T/C領域という)の3種に区分されている。
全体として各運転領域はエンジン回転速度Neの増減方向に配置されているため、主に要求トルクの増減よりもエンジン回転速度Neの増減に応じて運転領域が切り換えられる。
図3はエンジン2の運転領域に応じてスーパーチャージャー45及びターボチャージャー42を作動させるための制御マップを示す図である。このマップに基づき、基本的に過給システムの制御はエンジンECU24により行われ、スーパーチャージャー45を駆動するS/C駆動モータ65に関しても、エンジンECU24からの指令に基づきインバータECU26により制御される(電動発電機制御手段)。
エンジンECU24から指令されたエンジン2側の要求トルク、及びエンジン回転速度Neに基づき現在のエンジン2の運転領域が判定され、その運転領域に対応してスーパーチャージャー45及びターボチャージャー42が制御される。図に示すように、エンジン2の運転領域はスーパーチャージャー45のみを作動させる領域(以下、S/C領域という)、スーパーチャージャー45とターボチャージャー42を共に作動させる領域(以下、S/C+T/C領域という)、及びターボチャージャー42のみを作動させる領域(以下、T/C領域という)の3種に区分されている。
全体として各運転領域はエンジン回転速度Neの増減方向に配置されているため、主に要求トルクの増減よりもエンジン回転速度Neの増減に応じて運転領域が切り換えられる。
この運転領域の特性は、スーパーチャージャー45とターボチャージャー42との特性の相違に基づくものである。即ち、周知のようにエンジン2或いはS/C駆動モータ65で駆動されるスーパーチャージャー45は低回転側での過給特性に優れ、エンジン2の排ガスで駆動されるターボチャージャー42は高回転での過給特性に優れる。このため、エンジン2の低回転数領域を主にS/C領域としてスーパーチャージャー45のみを作動させ、中回転数領域を主にS/C+T/C領域としてスーパーチャージャー45及びターボチャージャー42を作動させ、高回転数領域を主にT/C領域としてターボチャージャー42のみを作動させているのである。
このような制御マップに基づき過給機の切換を達成するために、エンジンECU24により表1に基づき各バルブ44,49,57,60が切換制御されている。表中の○は開弁を表し、×は閉弁を表し、△は開度制御を表す。
このような制御マップに基づき過給機の切換を達成するために、エンジンECU24により表1に基づき各バルブ44,49,57,60が切換制御されている。表中の○は開弁を表し、×は閉弁を表し、△は開度制御を表す。
例えばエンジン2の運転領域がS/C領域にあるとき、エンジンECU24は第1バルブ44及び第4バルブ60を開弁すると共に、第2バルブ49及び第3バルブ57を閉弁する。この処理と並行して、エンジンECU24はエンジン2またはS/C駆動モータ65によりスーパーチャージャー45を駆動するが、その詳細は後述する。
従って、吸気通路41内に流入した吸入空気はターボチャージャー42のコンプレッサ42aを経て過給通路50側に案内され、第1インタークーラ43及び第1バルブ44を経てスーパーチャージャー45により圧縮される。
圧縮後の吸入空気は第2インタークーラ46を経て吸気マニホールド47からエンジン2の各気筒の筒内に導入され、噴射燃料の燃焼に供される。燃焼後の排ガスは各気筒の筒内から排気マニホールド55を経て排気通路56に排出され、バイパス通路59側に案内されて第4バルブ60から後処理装置58を経て外部に排出される。排ガスがタービン42bをバイパスするためターボチャージャー42は作動せず、上記したスーパーチャージャー45による過給のみが行われる。
従って、吸気通路41内に流入した吸入空気はターボチャージャー42のコンプレッサ42aを経て過給通路50側に案内され、第1インタークーラ43及び第1バルブ44を経てスーパーチャージャー45により圧縮される。
圧縮後の吸入空気は第2インタークーラ46を経て吸気マニホールド47からエンジン2の各気筒の筒内に導入され、噴射燃料の燃焼に供される。燃焼後の排ガスは各気筒の筒内から排気マニホールド55を経て排気通路56に排出され、バイパス通路59側に案内されて第4バルブ60から後処理装置58を経て外部に排出される。排ガスがタービン42bをバイパスするためターボチャージャー42は作動せず、上記したスーパーチャージャー45による過給のみが行われる。
また、エンジン2の運転領域がS/C+T/C領域にあるとき、エンジンECU24は第1バルブ44及び第3バルブ57を開弁すると共に、第4バルブ60を閉弁し、第2バルブ49を開度制御する。これと並行してS/C領域と同じく、エンジン2またはS/C駆動モータ65によりスーパーチャージャー45を駆動する。
従って、吸入空気はコンプレッサ42aを経て主に過給通路50側に案内されてスーパーチャージャー45により圧縮され、一部の吸入空気は第2バルブ49の開度に応じてスーパーチャージャー45に圧縮されることなくバイパス通路48側に案内される。双方の吸入空気は吸気通路41で合流して第2インタークーラ46を経てエンジン2の各気筒の筒内に導入される。
燃焼後の排ガスは各気筒の筒内から排気通路56に排出され、過給通路61側に案内されて第3バルブ57及びタービン42bを経て外部に排出される。排ガスがタービン42bを駆動することになるため、ターボチャージャー42が作動してコンプレッサ42aにより吸入空気が圧縮され、上記したスーパーチャージャー45の過給に加えてターボチャージャー42による過給が行われる。
従って、吸入空気はコンプレッサ42aを経て主に過給通路50側に案内されてスーパーチャージャー45により圧縮され、一部の吸入空気は第2バルブ49の開度に応じてスーパーチャージャー45に圧縮されることなくバイパス通路48側に案内される。双方の吸入空気は吸気通路41で合流して第2インタークーラ46を経てエンジン2の各気筒の筒内に導入される。
燃焼後の排ガスは各気筒の筒内から排気通路56に排出され、過給通路61側に案内されて第3バルブ57及びタービン42bを経て外部に排出される。排ガスがタービン42bを駆動することになるため、ターボチャージャー42が作動してコンプレッサ42aにより吸入空気が圧縮され、上記したスーパーチャージャー45の過給に加えてターボチャージャー42による過給が行われる。
第2バルブ49の開度制御は、過剰な過給圧の抑制を目的として行われる。即ち、S/C+T/C領域ではスーパーチャージャー45とターボチャージャー42との2段過給となるため、主にエンジンの全負荷領域において筒内燃焼圧が設計上限値を超える場合がある。そこで、筒内燃焼圧が設計上限値を超えない限り第2バルブ49を全閉に保持し、筒内燃焼圧が上昇して設計上限値に近づくと、第2バルブ49の開度を次第に開側に制御して吸入空気の一部をバイパス通路48側に案内し、スーパーチャージャー45への流入量を制限して過給圧を下げる。これにより2段過給による高過給圧を保ちつつ、全負荷領域での設計上限値を超えた筒内燃焼圧による不具合、例えばデトネーションやエンジン破損などを未然に防止することができる。
なお、第2バルブ49の開度制御は、2段過給後の過給圧に基づき実行してもよいし、筒内圧センサで検出した実際の筒内圧に基づき実行してもよい。また、予め台上試験に基づきS/C+T/C領域内の運転領域に応じてバルブ開度の目標値をマップ設定しておき、マップから目標値を読み取って第2バルブ49を開度制御してもよい。
なお、第2バルブ49の開度制御は、2段過給後の過給圧に基づき実行してもよいし、筒内圧センサで検出した実際の筒内圧に基づき実行してもよい。また、予め台上試験に基づきS/C+T/C領域内の運転領域に応じてバルブ開度の目標値をマップ設定しておき、マップから目標値を読み取って第2バルブ49を開度制御してもよい。
一方、エンジン2の運転領域がT/C領域にあるとき、エンジンECU24は第2バルブ49及び第3バルブ57を開弁すると共に、第1バルブ44及び第4バルブ60を閉弁する。また、このときエンジンECU24は、スーパーチャージャー45を停止保持すべくS/C用クラッチ51を切断状態とすると共に、インバータECU26に対してS/C駆動モータ65の停止指令を出力する。
従って、吸入空気はコンプレッサ42aを経た後にスーパーチャージャー45に圧縮されることなくバイパス通路48側に案内され、第2インタークーラ46を経てエンジン2の各気筒の筒内に導入される。燃焼後の排ガスは各気筒の筒内から排気通路56に排出され、過給通路61側に案内されて第3バルブ57及びタービン42bを経て外部に排出される。スーパーチャージャー45は作動せず、一方、排ガスがタービン42bを駆動することでターボチャージャー42が作動してコンプレッサ42aにより吸入空気が圧縮されるため、ターボチャージャー42による過給のみが行われる。
従って、吸入空気はコンプレッサ42aを経た後にスーパーチャージャー45に圧縮されることなくバイパス通路48側に案内され、第2インタークーラ46を経てエンジン2の各気筒の筒内に導入される。燃焼後の排ガスは各気筒の筒内から排気通路56に排出され、過給通路61側に案内されて第3バルブ57及びタービン42bを経て外部に排出される。スーパーチャージャー45は作動せず、一方、排ガスがタービン42bを駆動することでターボチャージャー42が作動してコンプレッサ42aにより吸入空気が圧縮されるため、ターボチャージャー42による過給のみが行われる。
以上のようにエンジン2の運転領域に応じてスーパーチャージャー45及びターボチャージャー42が適宜作動して過給が行われる。その結果、エンジン2の全回転数領域で効率的に過給することができる。
そして、スーパーチャージャー45を作動させるS/C領域及びS/C+T/C領域において、エンジンECU24はバッテリ18のSOCに応じてスーパーチャージャー45の駆動源を切り換えており、以下、当該制御について詳述する。
そして、スーパーチャージャー45を作動させるS/C領域及びS/C+T/C領域において、エンジンECU24はバッテリ18のSOCに応じてスーパーチャージャー45の駆動源を切り換えており、以下、当該制御について詳述する。
図4はエンジンECU24が実行するS/C駆動源切換ルーチンを示すフローチャートであり、車両走行中にエンジンECU24は当該ルーチンを所定の制御インターバルで実行している。
まず、ステップS2でエンジン2の運転領域がS/C領域またはS/C+T/C領域にあるか否かを判定し、スーパーチャージャー45を作動させないT/C領域のときにはNo(否定)の判定を下して一旦ルーチンを終了する。またステップS2の判定がYes(肯定)のときにはステップS4に移行し、バッテリECU28で算出された現在のバッテリ18のSOCを読み込む。続くステップS6では、バッテリ18のSOCが予め設定された判定値SOC0以上であるか否かを判定する。
まず、ステップS2でエンジン2の運転領域がS/C領域またはS/C+T/C領域にあるか否かを判定し、スーパーチャージャー45を作動させないT/C領域のときにはNo(否定)の判定を下して一旦ルーチンを終了する。またステップS2の判定がYes(肯定)のときにはステップS4に移行し、バッテリECU28で算出された現在のバッテリ18のSOCを読み込む。続くステップS6では、バッテリ18のSOCが予め設定された判定値SOC0以上であるか否かを判定する。
ステップS6の判定がYesのときにはステップS8に移行してS/C用クラッチ51を切断し、続くステップS10ではS/C駆動モータ65を力行制御するようにインバータECU26に指令を出力し、その後にルーチンを終了する。また、ステップS6の判定がNoのときにはステップS12に移行してS/C用クラッチ51を接続し、続くステップS14ではS/C駆動モータ65を回生制御するようにインバータECU26に指令を出力してルーチンを終了する。
従って、S/C領域やS/C+T/C領域において、バッテリSOCが判定値SOC0以上でバッテリ電力に余力があるときには、S/C駆動モータ65によりスーパーチャージャー45が駆動される。このためエンジン2でスーパーチャージャー45を駆動したときの機械損失の発生を防止できると共に、S/C用クラッチ51が切断されることでS/C駆動モータ65の駆動に対してエンジン2が負荷として作用しなくなるため、S/C駆動モータ65の効率低下を防止することができる。
また、エンジン回転速度Neに依存することなく、S/C駆動モータ65によるスーパーチャージャー45の駆動状態に応じて過給圧を最適に制御することができる。以上の要因によりエンジン2のトルク増大及びレスポンス向上を達成できるため、エンジン2のダウンサイジングやダウンスピーディングを実施して実用燃費を向上することができる。
従って、S/C領域やS/C+T/C領域において、バッテリSOCが判定値SOC0以上でバッテリ電力に余力があるときには、S/C駆動モータ65によりスーパーチャージャー45が駆動される。このためエンジン2でスーパーチャージャー45を駆動したときの機械損失の発生を防止できると共に、S/C用クラッチ51が切断されることでS/C駆動モータ65の駆動に対してエンジン2が負荷として作用しなくなるため、S/C駆動モータ65の効率低下を防止することができる。
また、エンジン回転速度Neに依存することなく、S/C駆動モータ65によるスーパーチャージャー45の駆動状態に応じて過給圧を最適に制御することができる。以上の要因によりエンジン2のトルク増大及びレスポンス向上を達成できるため、エンジン2のダウンサイジングやダウンスピーディングを実施して実用燃費を向上することができる。
一方、S/C領域やS/C+T/C領域において、バッテリSOCが判定値SOC0未満でバッテリ電力に余力がないときには、エンジン2によりスーパーチャージャー45が駆動される。そして、エンジン駆動力の一部はスーパーチャージャー45を介してS/C駆動モータ65にも伝達されるため、その駆動力を利用してS/C駆動モータ65をジェネレータ作動させることができ、発電電力をインバータ20により直流電力に変換してバッテリ18に充電することができる。
結果として、スーパーチャージャー45の駆動源としてS/C駆動モータ65を使用できないときであっても、エンジン2によりスーパーチャージャー45を駆動してエンジン2を過給することができる。また、S/C駆動モータ65により発電された電力により、不足気味であったバッテリSOCを回復させることができる。
結果として、スーパーチャージャー45の駆動源としてS/C駆動モータ65を使用できないときであっても、エンジン2によりスーパーチャージャー45を駆動してエンジン2を過給することができる。また、S/C駆動モータ65により発電された電力により、不足気味であったバッテリSOCを回復させることができる。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、ハイブリッド電気自動車1をトラックとして構成したが、これに代えてバスや乗用車に具体化してもよい。また、ハイブリッド電気自動車1の形式についても任意に変更可能であり、例えばエンジン2と走行用モータ6との間に走行用クラッチ4を設ける代わりに、エンジン2に走行用モータ6を直結して、走行用モータ6と変速機8との間に走行用クラッチ4を設けてもよい。
また上記実施形態では、ハイブリッド型電気自動車1であるトラックの走行用バッテリ18を利用してS/C駆動モータ65を作動させたが、これに限ることはなく、例えば図示しない車載の12Vバッテリからの電力供給によりS/C駆動モータ65を作動させてもよい。
さらに走行用バッテリ18と12Vバッテリとを適宜切り換えるようにしてもよい。例えば通常時には走行用バッテリ18からの電力でS/C駆動モータ65を作動させ、図4のステップS6でバッテリSOCが判定値SOC0未満になると、ステップS12,14のようにS/C駆動モータ65をジェネレータ作動させる代わりに、電源を12Vバッテリに切り換えてS/C駆動モータ65の作動を継続するようにしてもよい。
また上記実施形態では、ハイブリッド型電気自動車1であるトラックの走行用バッテリ18を利用してS/C駆動モータ65を作動させたが、これに限ることはなく、例えば図示しない車載の12Vバッテリからの電力供給によりS/C駆動モータ65を作動させてもよい。
さらに走行用バッテリ18と12Vバッテリとを適宜切り換えるようにしてもよい。例えば通常時には走行用バッテリ18からの電力でS/C駆動モータ65を作動させ、図4のステップS6でバッテリSOCが判定値SOC0未満になると、ステップS12,14のようにS/C駆動モータ65をジェネレータ作動させる代わりに、電源を12Vバッテリに切り換えてS/C駆動モータ65の作動を継続するようにしてもよい。
また上記実施形態では、バッテリSOCが判定値SOC0以上のときにはS/C駆動モータ65によりスーパーチャージャー45を駆動し、判定値SOC0未満のときにはエンジン2によりスーパーチャージャー45を駆動すると共に、その駆動力を利用してS/C駆動モータ65で発電したが、これに限ることはない。例えばバッテリSOCが判定値SOC0未満のときにはエンジン2による駆動のみを行い、発電は行わなくてもよい。
また、高低2つの判定値SOC1、SOC2(SOC1>SOC2)を設定し、バッテリSOCが判定値SOC1以上のときにはS/C駆動モータ65によりスーパーチャージャー45を駆動し、判定値SOC1〜SOC2のときにはエンジン2によりスーパーチャージャー45を駆動し、判定値SOC2未満のときには、エンジン2によりスーパーチャージャー45を駆動しながらS/C駆動モータ65で発電するようにしてもよい。
また、高低2つの判定値SOC1、SOC2(SOC1>SOC2)を設定し、バッテリSOCが判定値SOC1以上のときにはS/C駆動モータ65によりスーパーチャージャー45を駆動し、判定値SOC1〜SOC2のときにはエンジン2によりスーパーチャージャー45を駆動し、判定値SOC2未満のときには、エンジン2によりスーパーチャージャー45を駆動しながらS/C駆動モータ65で発電するようにしてもよい。
2 エンジン
2a クランク軸(駆動軸)
6 走行用モータ
18 走行用バッテリ
24 エンジンECU(クラッチ制御手段、過給機制御手段)
26 インバータECU(電動発電機制御手段)
28 バッテリECU(バッテリ充電状態検出手段)
42 ターボチャージャー
45 スーパーチャージャー
48 バイパス路
65 S/C駆動モータ(電動発電機)
2a クランク軸(駆動軸)
6 走行用モータ
18 走行用バッテリ
24 エンジンECU(クラッチ制御手段、過給機制御手段)
26 インバータECU(電動発電機制御手段)
28 バッテリECU(バッテリ充電状態検出手段)
42 ターボチャージャー
45 スーパーチャージャー
48 バイパス路
65 S/C駆動モータ(電動発電機)
Claims (4)
- 走行用駆動源としてエンジン及び走行用モータを備えたハイブリッド車両に搭載され、前記エンジンの過給機としてスーパーチャージャー及びターボチャージャーを備えたエンジンの過給システムにおいて、
バッテリと、
前記バッテリから電力を供給されて前記スーパーチャージャーを駆動可能な電動発電機と、
前記電動発電機の駆動状態を制御する電動発電機制御手段と、
前記スーパーチャージャーと前記エンジンの駆動軸との間に介装されるクラッチと、
前記クラッチの断接状態を制御するクラッチ制御手段を備えており、
前記クラッチ制御手段は、前記スーパーチャージャーを前記電動発電機により駆動する場合には前記クラッチを切断状態に切り換え、前記スーパーチャージャーを前記エンジンにより駆動する場合には前記クラッチを接続状態に切り換えることを特徴とするエンジンの過給システム。 - 前記スーパーチャージャー及びターボチャージャーを制御する過給機制御手段を備え、
前記過給機制御手段は、
前記エンジンの低回転数領域では、前記スーパーチャージャーだけで該エンジンを過給し、
前記エンジンの中回転数領域では、前記スーパーチャージャー及びターボチャージャーで該エンジンを過給し、
前記エンジンの高回転数領域では、前記ターボチャージャーだけで該エンジンを過給するよう制御することを特徴とする請求項1記載のエンジンの過給システム。 - 前記バッテリの充電状態を検出するバッテリ充電状態検出手段を備え、
前記バッテリ充電状態検出手段により検出されたバッテリの充電状態が所定充電量以上の場合は、前記クラッチ制御手段により前記クラッチを切断状態に切り換え、前記電動発電機により前記スーパーチャージャーを駆動し、前記バッテリの充電状態が所定充電量未満の場合は、前記クラッチ制御手段により前記クラッチを接続状態に切り換え、前記エンジンにより前記スーパーチャージャーを駆動すると共に、前記電動発電機制御手段により前記電動発電機を発電機として作動させ、発電電力を前記バッテリに充電する回生制御を実行することを特徴とする請求項1または2記載のエンジンの過給システム。 - 前記エンジンの吸入空気を前記スーパーチャージャーからバイパスさせるバイパス路と、
前記エンジンの筒内燃焼圧の上昇に応じて前記吸入空気をバイパス路側に案内して前記スーパーチャージャーへの流入量を制限する過給圧制限手段と
を備えたことを特徴とする請求項2または3記載のエンジンの過給システム。
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