JP2015007385A - 給気システム - Google Patents

Abstract

【課題】良好なドライバビリティを実現でき、エネルギーの無駄が少なく効率のよい動作が可能であり、かつ簡単な制御で実現可能な給気システムを提供する。
【解決手段】エンジン２の吸気管３に設けられた容積型のコンプレッサ４と、コンプレッサ４を駆動する回転数可変のモータ５と、モータ５の回転数を制御することで、コンプレッサ４によるエンジン２への給気量を制御する演算回路６と、を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、給気システムに関するものである。

近年、省燃費化のためにエンジンの排気量を減少させるダウンサイジングが盛んに行われている。ダウンサイジングを行う際には、エンジンの排気量を減らして吸気損失や機械損失を減少させると共に、排気量減によって減少したトルク、出力を過給（大気圧以上の圧力でエンジンに吸気させること）によって補うことが一般的である。

過給は、エンジンの排気でタービンを回転させてコンプレッサを作動させるターボや、専用の電磁クラッチを介してエンジンの出力軸で作動するスーパーチャージャ、またはその両方を用いて行われるのが一般的である。

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がある。

国際公開第２００５／０８５６１１号

しかしながら、ターボは、エンジンの排気でタービンを回転させるため、アクセルを踏んでから十分なトルクが出力されるまでに時間がかかり、ドライバビリティの観点から問題がある。

また、ターボでは、排気の力で駆動されるために給気量のコントロールを行うことは困難であり、過給圧力が高くなりすぎた場合（例えば、アクセルを急に戻したような場合）にはウェイストゲートから圧縮空気を捨てるしかなく、エネルギーの無駄になるという問題もある。

他方、スーパーチャージャでは、トルクは素早く得られるものの、エンジンの出力軸で作動するため、その分出力が低下することとなり、特に高回転時に作動させると効率が悪化してしまうという問題がある。

また、スーパーチャージャは、オンオフのコントロールしかできないため、わずかな過給圧力しか必要がないときにも１００％の過給が行われ、余った圧縮空気は捨てられることになり、エネルギーの無駄になる。

さらに、スーパーチャージャは電磁クラッチによる制御を行うため、制御が複雑でアクセルと出力トルクとの関係を滑らかとすることが困難であり、作動が滑らかに行われるためには、各部を細かく最適化する必要があるという問題もある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、良好なドライバビリティを実現でき、エネルギーの無駄が少なく効率のよい動作が可能であり、かつ簡単な制御で実現可能な給気システムを提供することを目的とする。

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、エンジンの吸気管に設けられた容積型のコンプレッサと、前記コンプレッサを駆動する回転数可変のモータと、前記モータの回転数を制御することで、前記コンプレッサによる前記エンジンへの給気量を制御する演算回路と、を備えた給気システムである。

前記演算回路は、前記エンジンのエンジン回転数と給気流量とインテークマニホールドの圧力のうち少なくとも２つのパラメータと、アクセル開度とを基に、前記エンジンへの給気量を決定し、当該決定した給気量となるように前記モータの回転数を制御するように構成されてもよい。

前記コンプレッサとして、スクリュー型のコンプレッサを用いてもよい。

前記吸気管に、前記コンプレッサの上流側の前記吸気管と、前記コンプレッサの下流側の前記吸気管とを接続するバイパス流路をさらに備えてもよい。

前記演算回路は、前記エンジンのエンジン回転数がアイドル回転数であるとき、前記コンプレッサを停止させるように構成されてもよい。

前記エンジンのノッキングを検出するノックセンサを備え、前記演算回路は、前記ノックセンサの出力を基に、前記モータの回転数を制御するように構成されてもよい。

回生ブレーキを備えた自動車に搭載されてもよい。

本発明によれば、良好なドライバビリティを実現でき、エネルギーの無駄が少なく効率のよい動作が可能であり、かつ簡単な制御で実現可能な給気システムを提供できる。

本発明の一実施の形態に係る給気システムの概略構成図である。 図１の給気システムをモジュール化した給気モジュールの概略構成図である。

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給気システムの概略構成図である。

図１に示すように、給気システム１は、エンジン２の吸気管３に設けられた容積型のコンプレッサ４と、コンプレッサ４を駆動する回転数可変のモータ５と、モータ５の回転数を制御することで、コンプレッサ４によるエンジン２への給気量を制御する演算回路（コントローラ）６と、を備えている。

エンジン２は、ガソリンエンジンである。本実施の形態では、ガソリンエンジンでは通常一般に備えられているスロットルバルブを廃止し、過給時と非過給時のいずれにおいても、コンプレッサ４のみで給気量（過給量）を調整する。

吸気管３は、一端がエンジン２のインテークマニホールド（吸気マニホールド）７に接続され、他端が大気開放されている。コンプレッサ４の上流側（エンジン２と反対側）の吸気管３にはエアクリーナ８が設けられ、コンプレッサ４の下流側（エンジン２側）の吸気管３にはインタークーラ９が設けられている。

また、コンプレッサ４の下流側でかつインタークーラ９の上流側の吸気管３には、給気流量を測定する流量センサ（エアフローセンサ）１０と、圧力センサ１１とが設けられている。エンジン２には、エンジン回転数を検出する回転数センサ１２が設けられている。

コンプレッサ４としては、空気の流れを絞ることができ、また、空気が逆流しない構造のものを用いる必要があるため、容積型のものを用いる。コンプレッサ４は、エンジン駆動時にはほぼ常時駆動されることになるため、なるべく効率の高いものを用いることが望ましく、高効率の作動が可能なスクリュー型のコンプレッサを用いることが望ましい。

コンプレッサ４は、モータ５の出力軸に連結され駆動される。モータ５としては、回転数可変のものを用いる。ここでは、モータ５としてインバータ制御モータを用いた。モータ５には、モータ５の駆動制御を行うインバータ１３が接続されている。インバータ１３には、バッテリー（電源装置）１４が接続されている。

演算回路６は、モータ５の回転数を制御することで、コンプレッサ４によるエンジン２への給気量を制御するものである。演算回路６は、インバータ１３を介してモータ５を所望の回転数に制御するように構成される。なお、モータ５はほぼ常時コンプレッサ４を駆動しているため、消費電力増大が懸念されるが、自動車走行時の大半はインテークマニホールド７の圧力が大気圧より低く、コンプレッサ４は仕事をしないため、モータ５は回転していても負荷がごく軽い状態である。

演算回路６には、流量センサ１０、圧力センサ１１、回転数センサ１２、ノックセンサ１５、アクセル開度センサ１６からの出力信号が入力される入力用の信号線が接続されている。また、演算回路６には、インバータ１３へ接続される出力用の信号線が接続されている。

演算回路６は、回転数センサ１２により測定したエンジン２のエンジン回転数、流量センサ１０で測定した給気流量、圧力センサ１１で測定したインテークマニホールド７の圧力、およびアクセル開度センサ１６から得たアクセル開度を基に、エンジン２への給気量を決定し、当該決定した給気量となるようにモータ５の回転数を制御するように構成される。

なお、エンジン回転数、給気流量、およびインテークマニホールド７の圧力の３つのパラメータについては、各々が独立したパラメータではなく、例えば、エンジン回転数とインテークマニホールド７の圧力から給気流量は算出可能である。よって、これら３つのパラメータのうち２つのパラメータと、アクセル開度とを基に、エンジン２への給気量を決定するように演算回路６を構成することも可能である。

また、本実施の形態では、吸気管３に設けた圧力センサ１１で測定した圧力を、近似的なインテークマニホールド７の圧力として用いているが、圧力センサ１１をインテークマニホールド７に設けることも勿論可能である。

各パラメータを基に給気量（モータ５の回転数）を決定する方法は、特に限定するものではないが、例えば、各パラメータで参照される給気量のマップと、給気量とモータ５の回転数の関係を示すマップを演算回路６に予め搭載しておき、これらマップを用いて、各パラメータを基に運転状態に応じた適切な給気量（過給量）と、それに応じたモータ５の回転数を決定するように構成することができる。

本実施の形態に係る給気システム１では、コンプレッサ４のみで給気量を調整するため、演算回路６による制御の内容によって、ドライバビリティや燃費等の特性を大きく変化させることが可能である。よって、複数パターンのマップを搭載するなどして、例えば、アクセル操作に対して敏感な反応を得られるモードにしたり、あるいは加速を緩やかにして燃費を抑えるモードにしたり、ユーザの好みに応じて特性（運転モード）を切り替えられるように演算回路６を構成することも可能である。

また、給気システム１では、コンプレッサ４の上流側の吸気管３と、コンプレッサ４の下流側の吸気管３とを接続し、コンプレッサ４を迂回して空気を導くバイパス流路１７をさらに備え、アイドリング状態であるときには、バイパス流路１７を用いて、コンプレッサ４を用いずに給気を行うように構成している。図示していないが、バイパス流路１７には、空気の逆流を防ぐための逆止弁が設けられている。

演算回路６は、エンジン２のエンジン回転数がアイドル回転数であるとき、コンプレッサ４およびモータ５を停止させるように構成される。これにより、アイドリング状態であるときにはコンプレッサ４とモータ５を停止して電力の消費を抑制することが可能になる。

なお、過給圧力が高くなりすぎると、エンジン２の筒内で異常燃焼が発生してノッキングが発生するので、ノックセンサ１５によりエンジン２にノッキングが発生したことを検出したとき、ノッキングが抑制されるまで給気量を減少させる制御を行うように演算回路６を構成してもよい。

また、逆に、ノッキングが発生するまでは過給圧力を上昇させてもよいということになるので、過給時には、ノックセンサ１５によりエンジン２にノッキングが発生したことが検出されるまで、過給圧力を上昇させる制御を行うように演算回路６を構成することも可能である。

さらに、吸気システム１は、制動時に自動車の運動エネルギーを電力として回収する回生ブレーキ１８を備えた自動車に搭載され、モータ５を回生ブレーキ１８によって得た電力によって駆動するようになっている。回生ブレーキ１８で発電しバッテリー１４に充電しておいた電力でモータ５を駆動し、コンプレッサ４を駆動すれば、回生ブレーキ１８で回収したエネルギーを自動車を推進する力に変えていることになり、ハイブリッド自動車と同様の動作が得られることになる。

給気システム１は、図２に示すように、モジュール化することも可能である。なお、図２の給気モジュール２１では、バイパス流路１７を省略している。

通常のガソリンエンジンを備えた自動車に、図２の給気モジュール２１（給気システム１）を取り付けるだけで、省燃費で力強く、かつ滑らかな動作の自動車が得られることになる。

なお、通常のガソリンエンジンを備えた自動車に、給気モジュール２１を取り付けただけでは、過給時に圧縮比が高くなりすぎノッキングが発生するので、ターボ等の過給器を搭載する場合に通常一般に行われているように、燃料噴射を筒内直接噴射とするか、エンジン２の吸気バルブの閉じるタイミングを遅らせる等の方法によりアトキンソンサイクル（ミラーサイクル）動作化することが望ましい。

アトキンソンサイクルエンジンは、圧縮比よりも膨張比を増やし、燃焼ガスのエネルギーを極力ピストンを押す力に使い切るエンジンであるため、燃焼効率は向上し、排気温度は低下する。しかし、過給が無い状態では同じ排気量に対して出力トルクが低下すること、および排気温度が低下することから、ターボとは相性が悪い。低速トルクが得にくいターボの欠点がさらに悪化してしまうためである。

排気ガスとして捨てていたエネルギーを回収して使うのがターボであるが、アトキンソンサイクルエンジンでは、捨てるはずのエネルギーをピストンの軸出力で回収している。そのため、効率の良いアトキンソンサイクルエンジンは、スーパーチャージャを用いることによって初めて実用的にダウンサイジングパワートレーン向けに使用可能となっていた。しかし、エンジン軸出力で駆動する一般のスーパーチャージャでは、軸出力を消費するために出力パワーが低下してしまう。

本実施の形態に係る給気システム１では、エンジン軸出力を用いずにモータ５により電動でコンプレッサ４を駆動しているため、その分エンジン出力が増し、自動車を推進する力に使用することが可能になる。コンプレッサ４を駆動する電力を、回生ブレーキ１８によって得た電力でまかなうようにすれば、よりエネルギー効率のよい（つまり燃費のよい）自動車が実現できることになる。

以上説明したように、本実施の形態に係る給気システム１では、エンジン２の吸気管３に設けられた容積型のコンプレッサ４と、コンプレッサ４を駆動する回転数可変のモータ５と、モータ５の回転数を制御することで、コンプレッサ４によるエンジン２への給気量を制御する演算回路６と、を備えている。

給気システム１では、モータ５によりコンプレッサ４を駆動しているため、アクセル操作に対して遅延無く適切な給気量をエンジン２に供給することが可能であり、良好なドライバビリティを実現できる。

給気システム１では、エンジン２への給気をコンプレッサ４のみで制御しているため、従来のように過給と給気量の調整を別の装置（ターボやスーパーチャージャとスロットルバルブ）で行った場合のように、圧縮空気を捨てることがなくなり、エネルギーの無駄が少なく効率のよい動作が可能になる。

また、給気システム１では、クラッチ等の複雑な制御が不要であり、各パラメータに応じて給気量（モータ５の回転数）を決定する簡単な制御で実現可能である。

さらに、給気システム１では、スロットルバルブを用いないため、その分低コスト化が可能である。

また、給気システム１では、コンプレッサ４で通常の給気と過給の両方を行うため、過給状態（インテークマニホールドが大気圧以上）と非過給状態の境界を無くし、非常にスムーズなエンジンコントロールが可能になる。

なお、非過給状態では給気圧力を上昇させず（コンプレッサ４に圧縮の仕事をさせず）、必要最小限の圧縮を行うように演算回路６を構成することで、コンプレッサ４を駆動するモータ５の消費電力（電力損失、動力損失）を小さく抑えることが可能である。

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言及しなかったが、本発明の給気システム１を、ターボやスーパーチャージャと併用することも可能である。例えば、高速走行時のモータ５での電力消費を抑制するために、ターボを併用すること等が考えられる。ただし、この場合、給気量（過給量）を制御するためのスロットルバルブに変わる流量調整手段を別途設ける必要がある。

１ 給気システム
２ エンジン
３ 吸気管
４ コンプレッサ
５ モータ
６ 演算回路

Claims (7)

1. エンジンの吸気管に設けられた容積型のコンプレッサと、
   前記コンプレッサを駆動する回転数可変のモータと、
   前記モータの回転数を制御することで、前記コンプレッサによる前記エンジンへの給気量を制御する演算回路と、
   を備えたことを特徴とする給気システム。
2. 前記演算回路は、前記エンジンのエンジン回転数と給気流量とインテークマニホールドの圧力のうち少なくとも２つのパラメータと、アクセル開度とを基に、前記エンジンへの給気量を決定し、当該決定した給気量となるように前記モータの回転数を制御するように構成される
   請求項１記載の給気システム。
3. 前記コンプレッサとして、スクリュー型のコンプレッサを用いた
   請求項１または２記載の給気システム。
4. 前記吸気管に、前記コンプレッサの上流側の前記吸気管と、前記コンプレッサの下流側の前記吸気管とを接続するバイパス流路をさらに備えた
   請求項１〜３いずれかに記載の給気システム。
5. 前記演算回路は、前記エンジンのエンジン回転数がアイドル回転数であるとき、前記コンプレッサを停止させるように構成される
   請求項４記載の給気システム。
6. 前記エンジンのノッキングを検出するノックセンサを備え、
   前記演算回路は、前記ノックセンサの出力を基に、前記モータの回転数を制御するように構成される
   請求項１〜５いずれかに記載の給気システム。
7. 回生ブレーキを備えた自動車に搭載される
   請求項１〜５いずれかに記載の給気システム。