JP2013199902A - 内燃機関の過給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の過給装置に関し、内燃機関の排気抵抗や電動モータの駆動による損失を増加させることなく過給機を駆動させる。
【解決手段】エンジン１０の排気通路２２に設けられて排気熱を電気エネルギに変換するペルチェ素子１１と、ペルチェ素子１１により変換された電気エネルギで駆動する電動モータ１５及び、エンジン１０の吸気通路２２に設けられると共に電動モータ１５により回転されて吸気を圧縮供給するコンプレッサ１３ａを有する過給機１３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の過給装置に関する。

内燃機関においては、排気エネルギを利用してエンジンに吸気を圧縮供給することで内燃機関の出力を向上させる過給機としてのターボチャージャが知られている。このターボチャージャは、排気通路に設けられたタービンで排気エネルギを回収するとともに、タービンで駆動されるコンプレッサにより過給を行うことで内燃機関の高出力化を図っている（例えば、特許文献１参照）。

また、タービンとコンプレッサとを連結する回転軸に電動モータを設け、排気エネルギが十分に回収できない運転領域では電動モータを駆動させて電動アシストすることで過給効率を向上させる電動機付ターボチャージャも知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９−２３０５号公報 特開２００７−１２７０９９号公報

ところで、上述の過給機においては、タービンの駆動や電動モータへの電力の供給など、内燃機関に負荷をかけた状態で作動するため、実質的な効果は過給機による効果から過給機を駆動させる損失を差し引いた分になる。

そのため、過給機が効率よく作動する運転領域では内燃機関の出力や燃費を向上することができるが、過給機の効率が低下する運転領域では内燃機関の出力や燃費を悪化させる可能性がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、内燃機関の排気抵抗や電動モータの駆動による損失を増加させることなく過給機を駆動させて、内燃機関の出力や燃費を効果的に向上させることにある。

上述の目的を達成するため、本発明の内燃機関の過給装置は、内燃機関の排気通路に設けられて排気熱を電気エネルギに変換する熱電気変換手段と、前記熱電気変換手段により変換された電気エネルギで駆動する電動機及び、前記内燃機関の吸気通路に設けられると共に前記電動機により回転されて吸気を圧縮供給するコンプレッサを有する過給手段とを備えることを特徴とする。

また、前記過給手段は、前記内燃機関の排気通路に設けられると共に前記コンプレッサに回転軸で連結されたタービンをさらに備え、前記電動機は、前記過給手段の駆動を電動アシストするものであってもよい。

また、前記熱電気変換手段により変換された電気エネルギを蓄電するバッテリをさらに備え、前記熱電気変換手段が排気熱を電気エネルギに変換できない時は、前記バッテリに蓄電された電力を前記電動機に供給するようにしてもよい。

また、前記内燃機関は複数の気筒を備えると共に、前記熱電気変換手段を前記複数の気筒の各排気マニホールドにそれぞれ設けてもよい。

本発明の内燃機関の過給装置によれば、内燃機関の排気抵抗や電動モータの駆動による損失を増加させることなく過給機を駆動させて、内燃機関の出力や燃費を効果的に向上させることができる。

本発明の第一実施形態に係る内燃機関の過給装置を示す模式的な全体構成図である。 本発明の第一実施形態に係る内燃機関の過給装置による制御内容を示すフローチャートである。 本発明の第二実施形態に係る内燃機関の過給装置を示す模式的な全体構成図である。 本発明の第二実施形態に係る内燃機関の過給装置による制御内容を示すフローチャートである。 他の実施形態に係る内燃機関の過給装置を示す模式的な全体構成図である。

以下、図１，２に基づいて、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の過給装置１を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、本実施形態に係る内燃機関の過給装置１は、内燃機関としてのディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０に適用されるもので、熱電気交換手段としてのペルチェ素子１１と、ペルチェ素子１１で変換された電気エネルギを蓄電するバッテリ１２と、電動機としての電動モータ１５及び吸気を圧縮供給するコンプレッサ１３ａを有する過給機１３と、電動モータ１５の駆動を制御するモータドライバ１６と、モータドライバ１６に指示信号を出力する電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）１７とを備え構成されている。

なお、図１にはエンジン１０の複数気筒のうち一気筒のみを示し、他の気筒については図示を省略している。

ペルチェ素子１１は公知の構造であって、エンジン１０の排気通路２１に設けられている。このペルチェ素子１１は、何れも図示しない排気通路２１の内側に臨む高温側電極と排気通路２１の外側に臨む低温側電極とを備えており、これら２枚の電極間に温度差が生じることで起電力を発生させる。すなわち、ペルチェ素子１１は、排気通路２１内の排気温度の上昇により２枚の電極間に温度差が生じると、排気熱を電気エネルギに変換して回生電力を発電するように構成されている。

なお、本実施形態では、熱電気交換手段としてペルチェ素子１１を用いているが、排気熱を電気エネルギに変換して回生電力を発電しうるものであれば、例えばスターリングエンジン発電機や蒸気エンジン発電機を用いてもよい。

バッテリ１２は電気配線を介してペルチェ素子１１と接続されており、このペルチェ素子１１で発電された回生電力を蓄電する。また、バッテリ１２は電気配線を介してモータドライバ１６とも接続されている。さらに、バッテリ１２には、バッテリ１２の充電残量（State Of Charge：以下、ＳＯＣという）を検出する図示しないバッテリセンサが設けられている。

過給機１３の電動モータ１５は、モータドライバ１６によりその駆動を制御されている。この電動モータ１５の回転軸は、エンジン１０の吸気通路２２に設けられたコンプレッサ１３ａに連結されている。すなわち、過給機１３は、電動モータ１５の駆動によりコンプレッサ１３ａを回転させることで、エンジン１０の筒内に吸気を圧縮供給するように構成されている。

モータドライバ１６は、ＥＣＵ１７から出力される回転数指示信号に従って、電動モータ１５がこの指示信号に応じた回転数で駆動されるように電力を供給する。この電動モータ１５に供給される電力は、ペルチェ素子１１の２枚の電極間の温度差が排気熱を電気エネルギに変換するのに十分な所定温度に達していない場合はバッテリ１２に蓄電された電力を用いる一方、２枚の電極間の温度差が所定温度に達している場合はペルチェ素子１１で発電される回生電力を直接供給するように構成されている。

ＥＣＵ１７は、エンジン１０の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うために、ＥＣＵ１７には、何れも図示しないクランク角度センサ、アクセル開度センサ、車速センサ等の各種センサの出力信号がＡ／Ｄ変換された後に入力される。

また、ＥＣＵ１７は、エンジン１０の運転状態に応じてモータドライバ１６に電動モータ１５の回転数指示信号を出力する。より詳しくは、ＥＣＵ１７には、予め作成されたエンジン１０の運転状態と電動モータ１５の最適回転数との関係を示す回転数設定マップ（不図示）が記憶されている。ＥＣＵ１７は、この回転数設定マップからエンジン１０の運転状態に応じた最適回転数を読み取ると共に、読み取った最適回転数を回転数指示信号として出力するように構成されている。

次に、本実施形態の過給装置１による制御フローを図２に基づいて説明する。なお、本制御はエンジン１０の始動（イグニッションスイッチのキースイッチＯＮ）と同時にスタートする。

ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、ＥＣＵ１７によりエンジン１０の運転状態が過給機１３による過給を必要とする運転状態にあるか否かが確認される。過給が必要な場合はＳ１１０に進む一方、過給が不必要な場合はＳ２００へと進む。

Ｓ１１０では、ＥＣＵ１７により回転数設定マップからエンジン１０の運転状態に応じた最適回転数が読み取られる。さらに、Ｓ１２０では、Ｓ１１０で読み取られた最適回転数がＥＣＵ１７からモータドライバ１６に回転数指示信号として出力される。

Ｓ１３０では、ペルチェ素子１１の２枚の電極間の温度差が排気熱を電気エネルギに変換するのに十分な所定温度に達しているか否かが確認される。エンジン１０の始動直後など排気温度が低く、２枚の電極間の温度差が所定温度に達していない場合は、ペルチェ素子１１による発電が不可能なためＳ１４０へと進む。一方、エンジン１０の暖機終了後など排気温度が上昇し、２枚の電極間の温度差が所定温度に達している場合は、ペルチェ素子１１による発電が可能なためＳ１５０へと進む。

Ｓ１４０に進んだ場合は、モータドライバ１６によりバッテリ１２に蓄電された回生電力が電動モータ１５に供給されて、電動モータ１５は指示信号に応じた回転数で駆動される。一方、Ｓ１５０に進んだ場合は、モータドライバ１６によりペルチェ素子１１で発電される回生電力が電動モータ１５に直接供給されて、電動モータ１５は指示信号に応じた回転数で駆動される。

上述のＳ１００で過給機１３による過給が不必要と判定されてＳ２００に進んだ場合は、バッテリ１２のＳＯＣが十分に残っているか否かが確認される。バッテリのＳＯＣが所定の閾値未満（例えば９０％未満）の場合はＳ２１０に進む一方、ＳＯＣが所定の閾値以上（例えば９０％以上）ある場合はリターンされる。

Ｓ２１０では、ペルチェ素子１１の２枚の電極間の温度差が排気熱を電気エネルギに変換するのに十分な所定温度に達しているか否かが確認される。エンジン１０の始動直後など排気温度が低く、ペルチェ素子１１の２枚の電極間の温度差が所定温度に達していない場合はバッテリ１２の充電が不可能なため、本制御はリターンされる。一方、ペルチェ素子１１の電極間の温度差が所定温度に達している場合は、Ｓ２２０でペルチェ素子１１により発電される回生電力がバッテリ１２に蓄電されて本制御はリターンされる。その後、上述の制御フローはエンジン１０の停止（イグニッションスイッチのキースイッチＯＦＦ）まで繰り返し実行される。

次に、本実施形態に係る内燃機関の過給装置１による作用効果について説明する。

本実施形態の過給装置１では、過給機１３による過給を行うべく電動モータ１５に供給される電力は、ペルチェ素子１１で排気熱から変換された電気エネルギが用いられる。すなわち、本実施形態の過給装置１によれば、電動モータ１５は排気熱を駆動源とするため、エンジン１０の排気抵抗や軸動力損失を増加させることなく過給機１３を駆動することが可能となり、エンジン１０の出力や燃費を効果的に向上することができる。

また、エンジン１０の始動直後等、排気温度が低くペルチェ素子１１による発電が十分に行えない場合は、バッテリ１２に蓄電された回生電力が電動モータ１５に供給される。したがって、エンジン１０の始動直後から過給機１３を駆動させることが可能となり、過給機１３の始動性や応答性を効果的に向上することができる。

次に、図３，４に基づいて本発明の第二実施形態に係る内燃機関の過給装置２について説明する。この第二実施形態の過給装置２は、上述の第一実施形態の過給機１３がタービン１４ｂを有する過給機１４に置き換えられ、その回転力を電動モータ１５により電動アシストするようにしたものである。したがって、第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付すると共に、それらの詳細な説明は省略する。

図３に示すように、過給機１４のタービン１４ｂは排気通路２１に設けられており、回転軸１４ｃを介してコンプレッサ１４ａに連結されている。また、この回転軸１４ｃには、過給機１４の回転力を電動アシストする電動モータ１５が設けられている。すなわち過給機１４は、エンジン１０の排気エネルギでタービン１４ｂが駆動して回転数を上昇させる共に、電動モータ１５のアシストによっても回転数が上昇されるように構成されている。

モータドライバ１８は、ＥＣＵ１９から出力されるアシスト指示信号に従って、電動モータ１５がこの指示信号に応じて駆動するように電力を供給する。この電動モータ１５に供給される電力は、ペルチェ素子１１の２枚の電極間の温度差が排気熱を電気エネルギに変換するのに十分な所定温度に達していない場合はバッテリ１２に蓄電された電力を用いる一方、２枚の電極間の温度差が所定温度に達している場合はペルチェ素子１１で発電される回生電力を直接供給するように構成されている。

ＥＣＵ１９は、エンジン１０の運転状態に応じてモータドライバ１８にアシスト指示信号を出力する。より詳しくは、ＥＣＵ１９には、予め作成されたエンジン１０の運転状態と電動モータ１５によるアシスト実行領域との関係を示すアシストＯＮ・ＯＦＦマップ（不図示）が記憶されている。このアシストＯＮ・ＯＦＦマップ上のアシスト実行領域としては、例えば排気エネルギが低下するエンジン回転数の低い運転領域等、タービン１４ｂの回転数低下によりコンプレッサ１４ａで十分な過給を行えない運転領域が設定されている。ＥＣＵ１９は、エンジン１０の運転状態がマップ上のアシスト実行領域にある場合はモータドライバ１８にアシストＯＮ信号を出力する一方、アシスト実行領域にない場合はアシストＯＦＦ信号を出力するように構成されている。

次に、本実施形態の過給装置２による制御フローを図４に基づいて説明する。なお、本制御はエンジン１０の始動（イグニッションスイッチのキースイッチＯＮ）と同時にスタートする。

Ｓ３００では、ＥＣＵ１９によりエンジン１０の運転状態がアシストＯＮ・ＯＦＦマップ上のアシスト実行領域にあるか否かが確認される。アシスト実行領域にある場合はＳ３１０でモータドライバ１８にアシストＯＮ信号が出力される一方、アシスト実行領域にない場合はＳ４１０でモータドライバ１８にアシストＯＦＦ信号が出力される。

Ｓ３２０では、ペルチェ素子１１の２枚の電極間の温度差が排気熱を電気エネルギに変換するのに十分な所定温度に達しているか否かが確認される。エンジン１０の始動直後など排気温度が低く、２枚の電極間の温度差が所定温度に達していない場合は、ペルチェ素子１１による発電が不可能なためＳ３３０へと進む。一方、エンジン１０の暖機終了後など排気温度が上昇し、２枚の電極間の温度差が所定温度に達している場合は、ペルチェ素子１１による発電が可能なためＳ３４０へと進む。

Ｓ３３０に進んだ場合は、モータドライバ１８によりバッテリ１２に蓄電された回生電力が電動モータ１５に供給されて、電動モータ１５による過給機１４の電動アシストが実行される。一方、Ｓ３４０に進んだ場合は、モータドライバ１８によりペルチェ素子１１で発電される回生電力が電動モータ１５に直接供給されて、電動モータ１５による過給機１４の電動アシストが実行される。

上述のＳ４１０でモータドライバ１８にアシストＯＦＦ信号が出力されてＳ４２０に進むと、バッテリ１２のＳＯＣが十分か否かが確認される。バッテリのＳＯＣが所定の閾値未満（例えば９０％未満）の場合はＳ４３０に進む一方、ＳＯＣが所定の閾値以上（例えば９０％以上）ある場合はリターンされる。

Ｓ４３０では、ペルチェ素子１１の２枚の電極間の温度差が排気熱を電気エネルギに変換するのに十分な所定温度に達しているか否かが確認される。エンジン１０の始動直後など排気温度が低く、ペルチェ素子１１の２枚の電極間の温度差が所定温度に達していない場合はバッテリ１２の充電が不可能なため、本制御はリターンされる。一方、ペルチェ素子１１の電極間の温度差が所定温度に達している場合は、Ｓ４４０でペルチェ素子１１により発電される回生電力がバッテリ１２に蓄電されて本制御はリターンされる。その後、上述の制御フローはエンジン１０の停止（イグニッションスイッチのキースイッチＯＦＦ）まで繰り返し実行される。

次に、本実施形態に係る内燃機関の過給装置２による作用効果について説明する。

本実施形態の過給装置２では、電動モータ１５による電動アシストを実行すべく供給される電力は、ペルチェ素子１１で排気熱から変換された電気エネルギが用いられる。すなわち、本実施形態の過給装置２によれば、電動モータ１５は排気熱を駆動源とするため、エンジン１０の排気抵抗や軸動力損失を増加させることなく電動アシストを行うことが可能となり、エンジン１０の出力や燃費を効果的に向上することができる。

また、エンジン１０の始動直後等、排気温度が低くペルチェ素子１１による発電が十分に行えない場合は、バッテリ１２に蓄電された回生電力が電動モータ１５に供給される。したがって、エンジン１０の始動直後から電動モータ１５による電動アシストが可能となり、過給機１４の始動性や応答性を効果的に向上することができる。

なお、本発明は、上述の各実施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、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、ペルチェ素子１１は必ずしも排気通路２１に設けられる必要はなく、図５に示すように、エンジン１０の各排気マニホールド２３にそれぞれ対応させて設けてもよい。この場合はペルチェ素子１１の吸熱面積が増加するので、回生電力の発電効率を効果的に向上することが可能となる。

１０ エンジン（内燃機関）
１１ ペルチェ素子（熱電気変換手段）
１２ バッテリ
１３ 過給機（過給手段）
１３ａ コンプレッサ
１５ 電動モータ（電動機）
１６ モータドライバ
１７ ＥＣＵ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられて排気熱を電気エネルギに変換する熱電気変換手段と、
   前記熱電気変換手段により変換された電気エネルギで駆動する電動機及び、前記内燃機関の吸気通路に設けられると共に前記電動機により回転されて吸気を圧縮供給するコンプレッサを有する過給手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の過給装置。
2. 前記過給手段は、前記内燃機関の排気通路に設けられると共に前記コンプレッサに回転軸で連結されたタービンをさらに備え、
   前記電動機は、前記過給手段の駆動を電動アシストする請求項１に記載の内燃機関の過給装置。
3. 前記熱電気変換手段により変換された電気エネルギを蓄電するバッテリをさらに備え、
   前記熱電気変換手段が排気熱を電気エネルギに変換できない時は、前記バッテリに蓄電された電力を前記電動機に供給する請求項１又は２に記載の内燃機関の過給装置。
4. 前記内燃機関は複数の気筒を備えると共に、前記熱電気変換手段を前記複数の気筒の各排気マニホールドにそれぞれ設けた請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の過給装置。