JP2016205239A - 内燃機関の過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の過給システムに関し、電動コンプレッサの過給応答性に留まらず、ターボチャージャの過給応答性をも改善することを目的とする。【解決手段】電動コンプレッサ１６と直列にターボチャージャ２６のコンプレッサ２８を配置する。電動コンプレッサ１６及びターボチャージャ２６のコンプレッサ２８をバイパスして吸気通路１４と内燃機関１０を連通させる循環路３４を設ける。循環路３４に循環弁３６を設ける。電動コンプレッサ１６、ターボチャージャ２６、及び循環路３４を還流する循環流（４）が生じるように電動コンプレッサ１６及び循環弁３６を制御することにより、電動コンプレッサ１６とターボチャージャ２６の双方に予回転を生じさせる。【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の過給システムに係り、特に、車載用内燃機関との組み合わせに適した過給システムに関する。

特許文献１には、電動コンプレッサを用いた内燃機関の過給システムが開示されている。このシステムは、吸気通路に配置された電動コンプレッサを備えている。吸気通路には、電動コンプレッサをバイパスするバイパス路と、バイパス路に配置されたバイパス弁を備えている。

上記従来のシステムでは、過給の必要がない場合には、バイパス弁が開かれ、かつ電動コンプレッサが停止状態とされる。この場合、空気はバイパス弁を流通して内燃機関に供給されることになる。一方、過給が必要な場面では、バイパス弁が閉じられた状態で電動コンプレッサが作動させられる。この場合、内燃機関には、電動コンプレッサの吐出空気が供給されることになる。

ところで、上記従来のシステムは、内燃機関の運転状態が過給領域に移行する前に、過給の応答性を高めるべく、電動コンプレッサの予回転制御を実行することができる。予回転制御では、バイパス弁が開かれた状態で電動コンプレッサが作動させられる。この場合、電動コンプレッサから吐出された空気の一部は、バイパス路を逆流して電動コンプレッサの吸入側に循環する。

このように、予回転制御によれば、電動コンプレッサに予回転を与え、かつ、電動コンプレッサを通過する循環流を発生させておくことができる。過給の開始に先立ってこのような状態を作り出しておくと、過給の開始に伴って優れた応答性をもって内燃機関に圧縮空気を供給し始めることができる。このため、上記従来のシステムによれば、優れた過給応答性を実現することができる。

特開２００７−１８７０８０号公報 特開２００８−２８０９２３号公報 特開２００７−１８２７９５号公報 特開２００３−２２７３４２号公報

内燃機関の過給機としては、上述した電動コンプレッサの他に、例えばターボチャージャが知られている。そして、所謂ターボラグを解消する手法としては、電動コンプレッサとターボチャージャとを直列に配置して用いることが考えられる。このような構成によれば、加速要求が生じた後、排気圧が立ち上がるまでの期間中、電動コンプレッサにより過給をアシストすることができ、優れた過給応答性を得ることができる。

更に、ターボチャージャと組み合わせる電動コンプレッサについて、上述した予回転制御を行うこととすれば、電動コンプレッサによる過給アシストの応答性を高めることができる。従って、このような組み合わせによれば、内燃機関に対して、優れた加速応答性を付与することができる。

しかしながら、上記従来の予回転制御は、電動コンプレッサの過給応答性を改善するに留まり、ターボチャージャの過給応答性を改善する機能は有していない。この点、上記従来の過給システムは、ターボチャージャと組み合わせた場合に、必ずしも最適なシステムを実現し得るものではない。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電動コンプレッサの過給応答性に留まらず、ターボチャージャの過給応答性をも改善することのできる内燃機関の過給システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の過給システムであって、
電動コンプレッサと、
前記電動コンプレッサと直列に配置されるコンプレッサを備えるターボチャージャと、
前記電動コンプレッサ及び前記コンプレッサをバイパスして吸気通路と内燃機関とを連通させる循環路と、
前記循環路の通気面積を調整する循環弁と、を備え、
前記電動コンプレッサをバイパスして前記吸気通路と前記コンプレッサとを連通させるバイパス路と、
前記バイパス路の通気面積を調整するバイパス弁と、を備え、
前記電動コンプレッサと前記ターボチャージャに予回転を生じさせる予回転モードを実行する予回転モード制御手段をさらに備え、
前記予回転モード制御手段は、前記電動コンプレッサを作動させ、前記バイパス弁を閉じ、かつ前記循環弁を開くことにより前記予回転モードを実行することを特徴とする。

第１の発明において予回転モードが実行されると、電動コンプレッサの吐出空気によって、電動コンプレッサ、ターボチャージャのコンプレッサ、及び循環路を還流する循環流が生成される。このような循環流が生成されると、その流速によりターボチャージャに予回転が与えられる。つまり、本発明によれば、予回転モードによって、電動コンプレッサ及びターボチャージャの双方に予回転を与え、かつ、それら双方を流通する循環流を発生させることができる。これらの予回転及び循環流が発生した状態で過給を開始すれば、極めて優れた過給応答性を実現することができる。このため、本発明によれば、内燃機関に対して極めて優れた加速応答性を付与することができる。

本発明の実施の形態１の構成を示す図である。 図１に示す構成の基本動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態１で用いられる予回転領域を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 図４に示すルーチンにより実現される動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態は、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０の吸気マニホールド１２には吸気通路１４が連通している。

吸気通路１４は、電動コンプレッサ１６を備えている。電動コンプレッサ１６は、コンプレッサ１８と電動機２０を備えている。コンプレッサ１８は、電動機２０に駆動されることにより、図示しないエアクリーナ側から吸入した空気を吐出口から吐出することができる。

吸気通路１４には、電動コンプレッサ１６をバイパスするバイパス路２２が設けられている。バイパス路２２には、バイパス弁２４が設けられている。バイパス弁２４は、外部からの信号を受けて開閉することで、バイパス路２２を導通状態又は遮断状態とすることができる。

電動コンプレッサ１６の吐出口は、バイパス路２２と共に、ターボチャージャ２６のコンプレッサ２８に連通している。コンプレッサ２８は、ターボチャージャ２６のタービン３０に連結されている。タービン３０は、内燃機関１０の排気通路３１に配置されており、排気マニホールド３２に連通している。コンプレッサ２８は、タービン３０に駆動されることにより、吸入した空気を圧縮して吐出することができる。コンプレッサ２８の吐出口は、インタークーラ３３を介して、内燃機関１０の吸気マニホールド１２に連通している。

吸気通路１４には、直列に配置されている電動コンプレッサ１６とコンプレッサ２８の双方をバイパスする循環路３４が設けられている。循環路３４は、より具体的には、インタークーラ３３の出口と、電動コンプレッサ１６の吸入口とを連通するように設けられている。また、循環路３４には、外部からの信号を受けて開閉する循環弁３６が設けられている。循環弁３６によれば、循環路３４の導通状態と遮断状態とを切り替えることができる。

本実施形態のシステムは、電子制御ユニット（ECU）４０を備えている。ECU４０は、入出力インターフェース、CPU、メモリ等のハードウェアを備えると共に、後述するルーチンを実行するためのプログラムを記憶している。ECU４０には、図１に示すように、機関回転速度センサ（NEセンサ）４２、アクセル開度センサ（Accセンサ）４４、過給圧センサ（Pinセンサ）４６など、内燃機関１０に搭載される各種センサが接続されている。ECU４０は、それらのセンサから供給される各種情報に基づいて、バイパス弁２４及び循環弁３６に対して開度指令を与えることができ、更に、電動コンプレッサ１６に駆動信号を与えることができる。

［図１に示す構成の基本動作］
図２は、図１に示す構成の基本動作を説明するための図である。図２中に符号（１）を付して示す矢印は、通常時に用いられる吸気流を示す。吸気流（１）は、下記の条件１により発生させることができる。
≪条件１≫
バイパス弁２４ ：開弁
循環弁３６ ：閉弁
電動コンプレッサ１６：停止
条件１の下では、内燃機関１０に対して、ターボチャージャ２６が単独で生成した過給空気を供給することができる。

図２中に符号（２）を付して示す矢印は、電動コンプレッサ１６によるアシストが働いている場合に生ずるアシスト流を示す。アシスト流（２）は、下記の条件２により発生させることができる。
≪条件２≫
バイパス弁２４ ：閉弁
循環弁３６ ：閉弁
電動コンプレッサ１６：作動
この条件２の下では、電動コンプレッサ１６によるアシスト流（２）がターボチャージャ２６のコンプレッサ２８に供給される。従って、内燃機関１０には、電動コンプレッサ１６とターボチャージャ２６の双方で圧縮された過給空気を供給することができる。

図２中に符号（３）を付して示す矢印は、電動コンプレッサ１６に予回転を与えるための循環流を示す。循環流（３）は、下記の条件３により発生させることができる。
≪条件３≫
バイパス弁２４ ：開弁
電動コンプレッサ１６：作動
上記の条件３によれば、内燃機関１０に対して過給空気を供給することなく、電動コンプレッサ１６に予回転を与え、かつ、電動コンプレッサ１６内を順方向に流通する空気の流れを発生させることができる。内燃機関１０に対して加速要求が生じた場合、その後速やかに過給圧を上昇させ得ることが望ましい。特に、電動コンプレッサ１６によるアシストを必要とする状態で加速要求が生じた際には、その後速やかに、電動コンプレッサ１６によるアシスト流（２）を立ち上げ得ることが望ましい。電動コンプレッサ１６に予回転を与えておき、かつ、その内部に循環流（３）を発生させておけば、上記の条件２への切り替えの後、即座にアシスト流（２）を発生させることができる。この点、上記条件３は、内燃機関１０の過給応答性を改善するうえで有用である。

図２中に符号（４）を付して示す矢印は、電動コンプレッサ１６とターボチャージャ２６の双方に予回転を与えるための循環流を示す。循環流（４）は、下記の条件４により発生させることができる。
≪条件４≫
バイパス弁２４ ：閉弁
循環弁３６ ：開弁
電動コンプレッサ１６：作動
上記の条件４によれば、電動コンプレッサ１６から吐出された空気はターボチャージャ２６のコンプレッサ２８に流入する。この空気は、ターボチャージャ２６に予回転を与えた後、循環路３４を通って電動コンプレッサ１６の吸入口に循環する。つまり、上記の条件４によれば、電動コンプレッサ１６に予回転を与え、その内部に吸気の流を発生させておくことに加えて、ターボチャージャ２６にも予回転を与え、かつ、その内部にも吸気の流を発生させることができる。内燃機関１０は、電動コンプレッサ１６のみに予回転が与えられている場合に比して、電動コンプレッサ１６とターボチャージャ２６の双方に予回転が与えられている場合の方が優れた過給応答性を示す。この点、本条件４による循環流（４）は、上記条件３による循環流（３）に比して、加速応答性の改善を図るうえで更に優れている。そこで、本実施形態では、電動コンプレッサ１６によるアシスト流（２）を素早く立ち上げることが要求される運転領域では、加速要求の発生に先立って、本条件４により循環流（４）を発生させることとした。以下、循環流（４）を発生させる運転領域を「予回転領域」と称す。また、循環流（４）を発生させるモードを「予回転モード」と称す。

［実施の形態１の動作］
図３は、本実施形態における予回転領域を説明するための図である。上述した通り、予回転モードは、電動コンプレッサ１６によるアシスト流（２）を素早く立ち上げることが要求される領域で実行すべきモードである。ターボチャージャ２６は、排気圧がある程度高圧であれば電動コンプレッサ１６によるアシストをさほど要せずに十分な過給圧を発生する能力を有している。このため、本実施形態では、図３に示す低負荷低回転領域を予回転領域として設定している。

図４は、本実施形態においてECU４０が実行するルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンは、内燃機関１０の始動と共に起動される。このルーチンが起動されると、先ず、バイパス弁２４及び循環弁３６が初期状態とされる。具体的には、バイパス弁２４が開弁され、一方、循環弁３６が閉弁される（ステップ１００）。これにより、上記条件１が満たされ、内燃機関１０にターボチャージャ２６の過給圧が供給される状態が形成される。

次に、内燃機関１０の運転領域が予回転領域であるかが判別される（ステップ１０２）。具体的には、現在の機関回転速度NE及びトルク（アクセル開度）が、図３に示す予回転領域に属しているか否かが判別される。

上記の判別が肯定された場合は、以後、循環流（４）を発生させるための処理が行われる。具体的には、電動コンプレッサ１６に予回転の指令が発せられ、かつ、バイパス弁２４に閉弁指令が、循環弁３６に開弁指令が、それぞれ発せられる（ステップ１０４）。これにより、上記条件４が満たされ、直列に配置された２つのコンプレッサ１８、２８の双方を流れる循環流（４）が生成される。

上記の処理が終わると、次に、内燃機関１０に加速要求が生じているかが判別される（ステップ１０６）。加速要求の有無は、例えばアクセル開度Accに基づいて公知の手法で判断することができる。本ステップ１０６にて加速要求が生じていないと判定された場合は、過給圧を高める必要がないと判断できる。この場合は、以後、ステップ１００に戻って上記の処理が繰り返される。

一方、ステップ１０６にて加速要求が有ると判定された場合は、次に、電動コンプレッサ１６によるアシスト要求が発生しているか否かが判定される（ステップ１０８）。ECU４０は、目標過給圧のマップを記憶している。このマップには、内燃機関１０の運転状態毎に、加速要求時に発生させるべき過給圧の目標値が定められている。本ステップ１０８では、現状の目標過給圧に対する過給圧Pin（実測値）の不足量が判定値を超えているか否かに基づいてアシスト要求の有無が判断される。

即ち、実測された過給圧Pinの不足量が判定値を超えている場合は、速やかに過給圧Pinを立ち上げる必要があると判断できる。この場合、電動コンプレッサ１６によるアシスト要求が有ると判定され、バイパス弁２４と循環弁３６が共に閉弁される(ステップ１１０)。その結果、上述した条件２が成立し、ターボチャージャ２６にアシスト流（２）が供給され始める。

この際、本実施形態のシステムでは、電動コンプレッサ１６及びターボチャージャ２６の双方に予回転が与えられている。また、直列に配置された２つのコンプレッサ１８、２８並びに循環路３４を含む大きな経路内に循環流（４）が発生していることから、システムの内部には大きな循環エネルギーが蓄積されている。このため、上記ステップ１１０の処理が実行されると、その後速やかにターボチャージャ２６の回転速度が上昇し、内燃機関１０の過給圧Pinが極めて速やかに上昇する。

以後、アシストオフの判定がされるまで、ステップ１１０の設定状態が維持される（ステップ１１２）。ここで、アシストオフの判定は、過給圧Pinの実測値が十分に目標過給圧に近づいた時点でなされるものとする。

アシストオフが判定された場合は、電動コンプレッサ１６によるアシストが最早必要でないと判断できる。この場合、初期状態に戻すべく、バイパス弁２４が開弁され、かつ、循環弁３６が閉弁される。その結果、ターボチャージャ２６の過給圧が内燃機関１０に供給される状態が再び形成される。

図４に示すルーチン中、ステップ１０８において、電動コンプレッサ１６によるアシスト要求が無いと判断された場合は、ステップ１１０及び１１２の処理がジャンプされ、その後速やかにステップ１１４の処理が実行される。この場合、以後、ターボチャージャ２６による過給が行われることになる。

この場合も、ステップ１１４の実行に先立って、電動コンプレッサ１６とターボチャージャ２６双方の予回転が実行されており、かつ、大きな循環流（４）が発生している。このため、この場合においても、加速要求の発生後、内燃機関１０の過給圧を極めて速やかに立ち上げることができる。

内燃機関１０の運転領域が、図３に示す予回転領域を超えている場合は、ステップ１０２において、予回転領域の判定が否定される。この場合、初期状態（バイパス弁２４開、循環弁３６閉）が維持されたまま、加速要求の有無が判定される（ステップ１１６）。ここで、加速要求の有無は、上述したステップ１０６の場合と同様に判定される。

その結果、加速要求がないと判定された場合は、過給圧を立ち上げる必要がないため、以後、ステップ１００移行の処理が再び実行される。一方、加速要求が有ると判定された場合は、ステップ１１６に続いて、電動コンプレッサ１６によるアシスト要求が有るかが判別される（ステップ１１８）。ここで、アシスト要求の有無は、上記ステップ１０８の場合と同様に判定される。

予回転領域を超える運転領域でも、現実の過給圧Pinが目標過給圧から大きく乖離してしまう事態は生じ得る。このような場合には、上記ステップ１１８にて、電動コンプレッサ１６によるアシストが必要であると判定される。この場合、以後、上述したステップ１１０以降の処理により、過給圧Pinが立ち上げられる。

一方、上記ステップ１１８において、電動コンプレッサ１６によるアシスト要求は存在しないと判定された場合は、以後、初期状態を維持したまま今回のルーチンが終了される。この場合、内燃機関１０には、ターボチャージャ２６による過給空気が供給されることになる。

図５は、上記のルーチンが実行されることにより実現される本実施形態の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。図５は、時刻t1に予回転領域の判定がなされ（Ｂ）、バイパス弁２４が閉（Ｅ）、循環弁３６が開（Ｆ）、電動コンプレッサ１６のアシスト信号がオン（Ｄ）とされた例を示している。その結果、時刻t1において、電動コンプレッサ１６の回転速度は予回転の回転速度に上昇している（Ｃ）。

図５は、また、時刻t2においてアクセルが全開とされ（Ａ）、電動コンプレッサ１６によるアシスト要求と共に（Ｄ）、加速要求が生じた状態を示している。その結果、時刻t2以降、電動コンプレッサ１６の回転速度は最大となり（Ｃ）、バイパス弁２４及び循環弁３６が共に閉弁されている。これによりアシスト流（２）がターボチャージャに供給され、速やかな過給圧上昇が図られている。

図５は、更に、時刻t3において、過給圧が十分に目標過給圧に近づきアシストオフの判定がなされたことを示している。これにより、電動コンプレッサ１６によるアシストが終了され（Ｃ，Ｄ）、バイパス弁２４及び循環弁３６が共に初期状態に戻されている（Ｅ，Ｆ）。

以上説明したとおり、本実施形態のシステムによれば、内燃機関１０が予回転領域にある場合に、加速要求の発生に先立って、電動コンプレッサ１６とターボチャージャ２６の双方に予回転を与えることができる。同時に、このシステムによれば、大きな循環エネルギーの蓄積を伴う循環流（４）を発生させることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、予回転領域で加速要求が生じた場合に、その後極めて速やかに過給圧Pinを立ち上げることができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、電動コンプレッサ１６及びバイパス路２２を、ターボチャージャ２６のコンプレッサ２８より上流側に配置することとしているが、本発明の構成はこれに限定されるものではない。即ち、電動コンプレッサ１６及びバイパス路２２は、コンプレッサ２８と内燃機関１０の間に配置することとしてもよい。

１０ 内燃機関
１６ 電動コンプレッサ
２２ バイパス路
２４ バイパス弁
２６ ターボチャージャ
２８ コンプレッサ
３４ 循環路
３６ 循環弁
４０ 電子制御ユニット（ECU）

Claims (1)

1. 電動コンプレッサと、
   前記電動コンプレッサと直列に配置されるコンプレッサを備えるターボチャージャと、
   前記電動コンプレッサ及び前記コンプレッサをバイパスして吸気通路と内燃機関とを連通させる循環路と、
   前記循環路の通気面積を調整する循環弁と、を備え、
   前記電動コンプレッサをバイパスして前記吸気通路と前記コンプレッサとを連通させるバイパス路と、
   前記バイパス路の通気面積を調整するバイパス弁と、を備え、
   前記電動コンプレッサと前記ターボチャージャに予回転を生じさせる予回転モードを実行する予回転モード制御手段をさらに備え、
   前記予回転モード制御手段は、前記電動コンプレッサを作動させ、前記バイパス弁を閉じ、かつ前記循環弁を開くことにより前記予回転モードを実行する内燃機関の過給システム。

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