JP2017214891A - ターボ過給機付エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】燃費性能の過剰な悪化を抑制しながら発電量を確保することのできるターボ過給機付エンジンを提供する。【解決手段】可変容量タービンからなる過給用タービン６４を含むターボ過給機６０と、排気通路に過給用タービン６４と上下流方向に並ぶように設けられた発電用タービン７４および発電用タービン７４により回転駆動されて発電する発電機７２を含む発電装置７０とを設け、高負荷領域Ａ１のうちエンジン回転数が第１回転数Ｎ１以上の特定領域Ｒ１では、排気圧力が過給圧よりも低くなるように可変ベーン６４ｃの開度を最小開度よりも大きくし、特定領域Ｒでは発電要求があれば発電機７２に発電させる一方、他の領域では、条件に応じて発電を停止または実行する。【選択図】図９

Description

本発明は、ターボ過給機付エンジンに関する。

従来より、エンジンシステムにおいて、エンジントルクを高めるためにターボ過給機を設けることが行われているとともに、エンジンシステム全体でのエネルギ効率を高めることが検討されている。

例えば、特許文献１には、ターボ過給機を備えたエンジンであって、ターボ過給機に加えて、発電用のタービンをターボ過給機のタービンの下流側に設けたものが開示されている。特許文献１のエンジンでは、過給用のタービンから流下した排気によって発電用のタービンを回転させることで発電を行わせることができ、排気のエネルギを効率よく利用することができる。

特開２０１５−１０８３３０号公報

しかしながら、前記特許文献１のエンジンのように排気通路に過給用のタービンと発電用のタービンとを上下流方向に並設した場合には、発電用のタービンを駆動させて発電を行ったときに発電用のタービンの上流側の圧力ひいてはエンジンの背圧が上昇してポンピングロスが増大し、燃費性能が悪化しやすいという問題がある。

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃費性能の過剰な悪化を抑制しながら発電量を確保することのできるターボ過給機付エンジンを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、ターボ過給機付エンジンであって、エンジン本体と、前記エンジン本体に接続される吸気通路および排気通路と、前記吸気通路に設けられるコンプレッサおよび前記排気通路に設けられる過給用タービンを含むターボ過給機と、前記排気通路に前記過給用タービンと上下流方向に並ぶように設けられて排気のエネルギを受けて回転する発電用タービンおよび前記発電用タービンにより駆動されて発電する発電機を含む発電装置と、前記発電機を含むエンジンの各部を制御可能な制御手段とを備え、前記過給用タービンは、複数の翼を有し排気のエネルギを受けて回転するインペラと当該インペラに流入する排気の流路を開閉可能な可変ベーンとを備えた可変容量ターボであり、前記制御手段は、エンジン負荷が所定負荷以上の高負荷領域のうちエンジン回転数が第１回転数以下の領域でエンジンが運転されている場合は、前記可変ベーンの開度をエンジン運転中に設定される最小の開度にし、前記高負荷領域のうち前記第１回転数よりエンジン回転数が高い特定領域でエンジンが運転されている場合は、前記発電機の停止状態で前記両タービンよりも上流側の前記排気通路の圧力である排気圧力が前記コンプレッサの過給圧よりも低くなるように前記可変ベーンの開度を前記最小の開度よりも大きい開度にし、前記特定領域において前記発電機に対する発電要求がある場合は、前記発電機に発電を行わせ、前記特定領域以外の運転領域でエンジンが運転されており、かつ、前記発電要求がある場合は、条件に応じて前記発電機による発電を実施または停止する、ことを特徴とするターボ過給機付エンジンを提供する（請求項１）。

この構成によれば、特定領域において、可変ベーンの開度が最小開度よりも大きくされるので、過給用タービンを通過する排気の流路面積が比較的大きくなって、排気圧力すなわちエンジン本体の背圧の上昇が制御される。そのため、特定領域において、ポンピングロスを小さく抑えることができる。そして、この特定領域において、発電要求があるときは必ず発電が行われる一方、特定領域以外の運転時には、発電要求があっても条件（例えば発電要求レベルの低さ）によっては発電が停止される。このように、この構成では、ポンピングロスを小さく抑えることが可能な特定領域において優先的に発電が実施される。そのため、発電量を確保しつつ発電に伴って燃費性能が過剰に悪化するのを抑制することができる。

しかも、この構成によれば、過給用タービンが可変容量タービンすなわちいわゆるＶＧＴ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅａｍｅｔｒｙ Ｔｕｒｂｉｎｅ）であることで、発電量と燃費性能とを確保しながら過給圧を高くすることができる。

具体的には、可変容量タービンでは、排気の流量が小さくタービンに供給される排気のエネルギが比較的小さい運転条件下であっても、可変ベーンの開度を小さくして排気の流速を高くすることで高い過給圧を実現することができる。そのため、可変容量タービンでは、排気の流量が小さいエンジン回転数の低い領域でタービンの効率を高める必要性が小さく、エンジン回転数がより高い領域においてタービン効率を高くすることができる。従って、この構成では、エンジン回転数が比較的高い特定領域においてタービン効率を高くして、当該特定領域において高い過給圧を実現しながら可変ベーンの開度を大きくしてエンジン本体の背圧を小さく抑えることができる。従って、ポンピングロスを低減して燃費性能を高めることができる。

ここで、エンジン回転数が高く排気の流量が十分に大きい場合には、過給用タービンの上流側の圧力すなわち排気圧力を十分に小さく抑えることが困難になりやすい。従って、前記特定領域は、前記高負荷領域のうちエンジン回転数が前記第１回転数より高くかつエンジン運転中の最大回転数よりも低い第２回転数未満の領域に設定されているのが好ましい（請求項２）。

前記構成において、前記高負荷領域において、前記過給用タービンの効率と前記コンプレッサの効率とは、それぞれ前記特定領域で最大となるように設定されているのが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、特定領域において過給圧を高くしつつ排気圧力を過給圧に対してより小さく抑えることができ、より確実に高い過給圧と発電量とを実現しながら燃費性能を高めることができる。

前記構成において、前記排気圧力を検出する排気圧力検出手段と、前記コンプレッサの過給圧を検出する過給圧検出手段とをさらに備え、前記制御手段は、前記特定領域での運転中でかつ前記発電要求がある場合に、前記排気圧力検出手段で検出された前記排気圧力が前記過給圧検出手段で検出された前記過給圧以下となるように前記発電機の発電量を制御するのが好ましい（請求項４）。

このようにすれば、特定領域において、ポンピングロス低減の効果を損なわない範囲で発電を行うことができる。

前記構成において、前記制御手段は、前記特定領域での運転中でかつ前記発電要求がある場合に、前記発電機の停止状態で生じる前記排気圧力と前記過給圧との差が大きくなる条件であるほど前記発電機の発電量を増大させるのが好ましい（請求項５）。

このようにすれば、特定領域において、ポンピングロス低減の効果を損なわない範囲で発電を行うことができる。

前記構成において、前記制御手段は、前記発電機の発電時に、前記過給圧がその目標値である目標過給圧となるように前記可変ベーンの開度を調整するのが好ましい（請求項６）。

このようにすれば、発電時においても過給圧を目標過給圧に制御することができる。

以上説明したように、本発明のターボ過給機付エンジンによれば、燃費性能の過剰な悪化を抑制しながら発電量を確保することができる。

エンジンシステムの概略構成図である。 エンジン本体の概略断面図である。 ＶＧＴの概略断面図である。 高負荷領域および特定領域を示した図である。 高負荷領域におけるエンジン回転数とタービン効率およびコンプレッサ効率との関係を示した図である。 高負荷領域におけるエンジン回転数と過給圧および排気圧力との関係を示した図である。 高負荷領域におけるエンジン回転数と基本ＶＧＴ開度との関係を示した図である。 制御ブロックを示した図である。 ＶＧＴ開度およびジェネレータの制御手順を示したフローチャートである。 特定領域における発電量の一例を示した図である。

（１）全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるターボ過給機付エンジン１００（以下、適宜エンジンシステム１００という）の概略構成図である。

エンジンシステム１００は、エンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路１２０と、エンジン本体１から導出される排気（燃焼ガス）が流通する排気通路１３０と、排気通路１３０を流通する排気により駆動されるターボ過給機６０と、排気通路１３０を流通する排気により駆動されて発電する発電装置７０とを備える。ここでは、図１等に示すように、エンジン本体１が、４ストロークの直列４気筒ガソリンエンジンであって、車両に駆動源として搭載される場合について説明する。

図２は、エンジン本体１の概略断面図である。

エンジン本体１は、気筒１０が内部に形成されたシリンダブロック１０１と、シリンダブロック１０１の上面に設けられたシリンダヘッド１０２と、気筒１０に往復摺動可能に挿入されたピストン１０３とを有している。

ピストン１０３の上方には燃焼室５が形成されている。シリンダブロック１０１の側壁には、燃焼室５内を臨むようにインジェクタ１０５が取り付けられている。燃焼室５内には、インジェクタ１０５から燃料が噴射される。噴射された燃料と空気との混合気は燃焼室５で燃焼し、ピストン１０３はその燃焼による膨張力で押し下げられて上下に往復運動する。なお、インジェクタ１０５は、シリンダヘッド１０２に取り付けられていてもよい。

ピストン１０３はコネクティングロッドを介してクランクシャフト１０６と連結されており、ピストン１０３の往復運動に応じて、クランクシャフト１０６はその中心軸回りに回転する。シリンダブロック１０１には、クランクシャフト１０６の回転数すなわちエンジン本体１の回転数を検出するためのエンジン回転数センサＳＮ１が取り付けられている。

シリンダヘッド１０２には、インジェクタ１０５から噴射された燃料と空気との混合気に対し火花放電による点火を行う点火プラグ１８が設けられている。

シリンダヘッド１０２には、各気筒１０にそれぞれ対応して、吸気通路１２０から供給される空気を各気筒１０の燃焼室５に導入するための吸気ポート１３と、吸気ポート１３を開閉する吸気弁１４と、各気筒１０の燃焼室５で生成された排気をエンジン本体１の外部に導出するための排気ポート１１と、排気ポート１１を開閉する排気弁１２とが設けられている。

吸気通路１２０は、各吸気ポート１３に繋がるように設けられている。吸気通路１２０には、上流側から順に、コンプレッサ６２、インタークーラ１２２、スロットルバルブ１２３、サージタンク１２５が設けられている。

コンプレッサ６２は、ターボ過給機６０の構成部品である。すなわち、ターボ過給機６０は、排気通路１３０に設けられて排気により回転駆動される過給用タービン６４と、吸気通路１２０に設けられて過給用タービン６４により回転駆動されるコンプレッサ６２とを有しており、過給用タービン６４（詳細には過給用タービン６４の後述するインペラ６４ａ）が排気の導入を受けて回転することでコンプレッサ６２が回転して吸気を過給する。

吸気通路１２０のうちコンプレッサ６２よりも下流側の部分には、この部分の圧力すなわちコンプレッサ６２の過給圧を検出するための過給圧センサ（過給圧検出手段）ＳＮ２が設けられている。本実施形態では、過給圧センサＳＮ２は、サージタンク１２５内の圧力を過給圧として検出する。

（２）排気系
排気通路１３０は、エンジン本体１の各排気ポート１１に繋がるように設けられている。排気通路１３０には、上流側から順に、過給用タービン６４、発電用タービン７４、触媒装置９０が設けられている。

図３に示すように、本実施形態では、過給用タービン６４は、可変容量タービンすなわちＶＧＴ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ Ｔｕｒｂｉｎｅ）であり、排気のエネルギを受けて回転するインペラ６４ａと、インペラ６４ａの周囲に設けられて角度変更可能な複数のノズルベーン（可変ベーン）６４ｂと、各ノズルベーン６４ｂと連携されたロッド６４ｃと、ロッド６４ｃを進退駆動することにより各ノズルベーン６４ｂの角度を変更するベーンアクチュエータ６４ｄとを備える。ベーンアクチュエータ６４ｄおよびロッド６４ｃによってノズルベーン６４ｂが閉方向（隣接するノズルベーン６４ｂどうしの距離を狭める方向）に駆動されると、過給用タービン６４のインペラ６４ａに流入する排気の流路の面積は小さくなり排気の流速が増大される。

以下では、ノズルベーン６４ｂの角度をＶＧＴ開度という。このＶＧＴ開度は、その値が大きいほど過給用タービン６４の各翼に向かう排気の流通通路の流路面積が大きくなって各翼に衝突する排気の流速が低くなり、その値が小さいほどこの流路面積が小さく絞られて前記排気の流速が高くなることを示すパラメータである。

本実施形態では、エンジンの稼働中において、ＶＧＴ開度は全閉（流通通路を完全に閉鎖する状態）よりも開き側の所定の開度以上となるように制御されている。そして、ここでは、この所定の開度であってエンジン稼働中に制御される最小の開度をＶＧＴ開度の最小開度という。ＶＧＴ開度が最小開度とされた場合であっても過給用タービン６４には所定量の排気が流入することになる。

このように構成された過給用タービン６４の効率すなわちタービン効率は、エンジン負荷が基準負荷（所定負荷）Ｔ１以上の高負荷領域Ａ１（図４参照）において、図５に示すように、エンジン回転数の増大に伴って高くなり、エンジン回転数が所定のタービン効率最大回転数Ｎ＿Ｔηにて最大となった後、エンジン回転数の増大に伴って徐々に低くなるようになっている。

なお、図４に示すように、高負荷領域Ａ１は、全負荷を含む領域であって、基準負荷Ｔ１は各エンジン回転数についてそれぞれその回転数におけるエンジン負荷の最大値から所定負荷だけ低い値に設定されている。

また、図５に示すように、高負荷領域Ａ１におけるコンプレッサ６２の効率すなわちコンプレッサ効率も、エンジン回転数の増大に伴って高くなり、エンジン回転数が所定のコンプレッサ効率最大回転数Ｎ＿Ｃηにて最大となった後、エンジン回転数の増大に伴って低くなるようになっている。

本実施形態では、コンプレッサ効率最大回転数Ｎ＿Ｃηとタービン効率最大回転数Ｎ＿Ｔηとは比較的近い値に設定されており、高負荷領域Ａ１のうちこれらコンプレッサ効率最大回転数Ｎ＿Ｃηおよびタービン効率最大回転数Ｎ＿Ｔη付近の領域においてターボ効率が最大となるようになっている。なお、コンプレッサ効率最大回転数Ｎ＿Ｃηは、タービン効率最大回転数Ｎ＿Ｔηよりも高い値に設定されている。

ここで、前記のように過給用タービン６４がＶＧＴであることに伴い、タービン効率が最大となるエンジン回転数を、過給用タービンを仮に固定容量タービン（いわゆるＦＧＴ：Ｆｉｘｅｄ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ Ｔｕｒｂｉｎｅ）であってインペラに流入する排気の流路面積が一定に固定されたタービンよりも高くすることができ、タービン効率最大回転数Ｎ＿Ｔηは比較的高い回転数に設定されている。

具体的には、エンジン回転数が低い場合には排気の流量が小さいため、過給圧を高くするのが難しい。そのため、固定容量タービンでは、排気の流量が小さい領域で過給圧をより効率よく高めることができるように、この領域においてタービン効率を高くする必要がある。これに対して、ＶＧＴでは、エンジン回転数が低い場合でも、ＶＧＴ開度を調整して（ＶＧＴ開度を閉じ側に制御して）排気の流速を高めることで過給圧を高めることができる。そのため、ＶＧＴでは、タービン効率をエンジン回転数が比較的高い領域において最大となるように設定することができる。

なお、タービン効率が最大となるエンジン回転数は、タービンの容量が大きいほど高くなり、本実施形態に係る過給用タービン６４の容量は、同等の過給圧を実現できるＦＧＴの容量よりも大きくなっている。

図１に戻り、発電用タービン７４は、発電装置７０の構成部品である。発電装置７０は、この発電用タービン７４と、これにより回転駆動されるジェネレータ（発電機）７２と、ジェネレータ７２を駆動するジェネレータ制御装置７５とを有している。

発電用タービン７４は、排気のエネルギを受けて回転するタービンであり、ジェネレータ７２は、発電用タービン７４により回転駆動されることで発電する。具体的には、ジェネレータ７２は、発電用タービン７４と連動して回転するロータコイルを有しており、当該ロータコイルの回転に伴う電磁誘導により発電を行う。ジェネレータ７２で生成された電力は、バッテリ（不図示）に蓄電される、あるいは、各種電気機器（不図示）に供給される。

ジェネレータ制御装置７５は、ジェネレータ７２による発電の実施／停止すなわちジェネレータ７２のロータコイルへの磁化用の電流の印加の実施／停止を切り替えるとともに、ジェネレータ７２の発電量を変更する。

触媒装置９０は、排気を浄化するための装置であり、例えば、酸化触媒等を含む。

排気通路１３０のうち過給用タービン６４と発電用タービン７４との間の通路１３１には分岐通路が設けられておらず、過給用タービン６４を流下した排気は全量、発電用タービン７４に流入する。

一方、排気通路１３０には、発電用タービン７４と過給用タービン６４とをバイパスする触媒用バイパス通路（触媒用通路）１３２と、これを開閉するウエストゲートバルブ１３３とが設けられている。具体的には、触媒用バイパス通路１３２は、排気通路１３０のうち過給用タービン６４よりも上流側の部分と発電用タービン７４よりも下流側の部分とを接続している。従って、ウエストゲートバルブ１３３が開いている状態では、エンジン本体１から排出された排気の少なくとも一部は、これらタービン６４，７４のいずれをも通過せずに触媒装置９０に流入する。なお、本実施形態では、ウエストゲートバルブ１３３は、触媒装置９０が活性温度に到達していな場合にのみ開弁される。

排気通路１３０のうち過給用タービン６４よりも上流側の部分には、この部分の圧力である排気圧力すなわちエンジン本体１の背圧を検出するための排気圧力センサ（排気圧力検出手段）ＳＮ４が設けられている。

（３）制御系
図８を用いて、エンジンシステムの制御系について説明する。当実施形態のエンジンシステムは、車両に搭載されたＥＣＵ（エンジン制御ユニット、制御手段）５００によって制御される。ＥＣＵ５００は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｆ等から構成されるマイクロプロセッサである。

ＥＣＵ５００には、各種センサからの情報が入力される。例えば、ＥＣＵ５００は、エンジン回転数センサＳＮ１、過給圧センサＳＮ２、排気圧力センサＳＮ３、車両に設けられて運転者により操作されるアクセルペダル（不図示）の開度を検出するアクセル開度センサＳＮ４等と電気的に接続されており、これらのセンサからの入力信号を受け付ける。また、ＥＣＵ５００には、バッテリの電圧や各種電気機器の操作信号も入力される。

ＥＣＵ５００は、各センサＳＮ１〜ＳＮ４からの入力信号等に基づいて種々の演算等を実行し、過給用タービン６４（ＶＧＴ開度）、ジェネレータ制御装置７５、ウエストゲートバルブ１３３およびその他のエンジンの各部（点火プラグ１８、インジェクタ１０５、スロットルバルブ１２３等）をそれぞれ制御する。詳細には、ＥＣＵ５００は、過給用タービン６４のうちベーンアクチュエータ６４ｄを駆動する駆動装置に対して制御信号を出力して、ＶＧＴ開度を制御する。また、ＥＣＵ５００は、ウエストゲートバルブ１３３を開閉するアクチュエータに制御信号を出力して、これの開度を制御する。

ＥＣＵ５００による、過給用タービン６４、ジェネレータ制御装置７５に対する制御内容について、特に、本発明の特徴部分である高負荷領域Ａ１における制御内容について次に説明する。

コントローラ５００は、運転条件に応じて、ＶＧＴ開度の基本的な開度である基本ＶＧＴ開度を設定するとともに、過給圧の目標値である目標過給圧を設定する。

高負荷領域Ａ１における目標過給圧は、図６に示すように設定されている。すなわち、高負荷領域Ａ１における目標過給圧は、エンジン回転数が予め設定されたＶＧＴ基準回転数Ｎ＿Ｖ以下の領域ではエンジン回転数にほぼ比例して増大するように設定され、エンジン回転数がＶＧＴ基準回転数Ｎ＿Ｖよりも高い領域では、エンジン回転数がＶＧＴ基準回転数Ｎ＿Ｖ以下の領域における目標過給圧の最大値が維持されるように設定されている。

そして、高負荷領域Ａ１における基本ＶＧＴ開度は、図７に示すように設定されている。すなわち、高負荷領域Ａ１における基本ＶＧＴ開度は、エンジン回転数が予め設定されたＶＧＴ基準回転数Ｎ＿Ｖ未満の領域では最小開度に設定されて、エンジン回転数がＶＧＴ基準回転数Ｎ＿Ｖ以上の領域ではエンジン回転数にほぼ比例して最小開度から増大するように設定されている。

さらに、エンジン回転数がＶＧＴ基準回転数Ｎ＿Ｖよりも高い第１回転数Ｎ１より高く、かつ、第１回転数Ｎ１よりも高い第２回転数Ｎ２未満の特定領域Ｒ１における基本ＶＧＴ開度は、特定領域Ｒ１においてジェネレータ７２による発電が停止している状態で、排気圧力を過給圧（前記のように設定された目標過給圧）よりも低くすることができる開度に設定されている。換言すると、目標過給圧は、特定領域Ｒ１において排気圧力よりも低くなるように設定されている。ここで、第２回転数Ｎ２は、エンジンの稼働中に実現される最大回転数よりも小さい回転数に設定されている。

図６を参照しながら、過給圧（目標過給圧）と排気圧力との関係についてより詳しく説明する。図６における破線は、高負荷領域Ａ１においてジェネレータ７２による発電を停止した状態でＶＧＴ開度を基本ＶＧＴ開度としたときの排気圧力を示したものである。

まず、エンジン回転数がＶＧＴ基準回転数Ｎ＿Ｖ未満の低速の領域では排気の流量が小さい。これに対して、前記のようにＶＧＴ開度を最小開度とすれば過給圧を高めることができる。ただし、このようにＶＧＴ開度を最小開度にすると、過給用タービン６４のインペラ６４ａに向かう排気の流路面積が非常に小さくなる結果、過給用タービンの上流側の圧力すなわち排気圧力が高くなる。そのため、この低速の領域では、高い目標過給圧を実現しようとすると排気圧力が過給圧よりも高くなる。

一方、エンジン回転数がＶＧＴ基準回転数Ｎ＿Ｖ以上になると、排気の流量が増大することでＶＧＴ開度を最小開度よりも大きい開度にしても過給圧を高くすることが可能となる。

ただし、ＶＧＴ基準回転数Ｎ＿Ｖ付近では、まだＶＧＴ開度を十分に大きくすることができない。そのため、エンジン回転数が第１回転数Ｎ１以下では、排気圧力はまだ過給圧（目標過給圧）以上になる。

これに対して、エンジン回転数が第１回転数Ｎ１より高くなると、排気流量が大きくなることに伴って高い目標過給圧を実現しつつＶＧＴ開度を十分に大きくすることが可能となる。従って、エンジン回転数が第１回転数Ｎ１より高くなると、排気圧力を十分に小さくすることが可能となり排気圧力が過給圧（目標過給圧）よりも低くなる。

特に、前記のように、過給用タービン６４がＶＧＴであってエンジン回転数が比較的高い領域でタービン効率が高くなるように構成されている。そのため、エンジン回転数が第１回転数Ｎ１より高い領域において、排気圧力を過給圧よりも低い値にまで抑えることができる。

ここで、本実施形態では、図５に示すように、高負荷領域Ａ１において、過給用タービン６４のタービン効率が最大となるタービン効率最大回転数Ｎ＿Ｔηおよびコンプレッサ効率が最大となるコンプレッサ効率最大回転数Ｎ＿Ｃηとがそれぞれ特定領域Ｒ１内に設定されている。そのため、特定領域Ｒ１において、高い目標過給圧を実現しつつ排気圧力をこの過給圧よりも十分に小さい圧力にすることができる。

しかしながら、エンジン回転数が第２回転数Ｎ２以上の非常に高い回転数になると、今度は、過給用タービン６４に流入する排気の流量が非常に大きくなり、過給用タービン６４の上流側の圧力が高くなってしまう。そのため、図６に示すように、エンジン回転数が第２回転数Ｎ２以上の領域では、再び、排気圧力が過給圧を上回ることになる。特に、本実施形態では、前記のように、タービン効率最大回転数Ｎ＿Ｔηおよびコンプレッサ効率最大回転数Ｎ＿Ｃηが特定領域Ｒ１内に設定されているため、これら効率が最大となる領域から外れることで、エンジン回転数が第２回転数Ｎ２以上の領域では、高い目標過給圧を実現した状態で排気圧力はこの過給圧よりも高くなる。

具体的には、排気圧力は、ＶＧＴ基準回転数Ｎ＿Ｖからエンジン回転数の増大に伴って一旦低下するが、第１回転数Ｎ１と第２回転数Ｎ２との間の所定の回転数から再び増大していき、過給圧（目標過給圧）を超える。

次に、図９のフローチャートを用いて、ＶＧＴ開度およびジェネレータ７２の制御手順について説明する。

まず、ステップＳ１にて、コントローラ５００は、各センサＳＮ１〜ＳＮ４により検出されたエンジン回転数、アクセル開度、過給圧、排気圧力を読み込むとともに、バッテリ残量であるＳＯＣ等を読み込む。なお、ＳＯＣは、バッテリに接続された電流センサ等から検出される。

次に、ステップＳ２にて、前記のように設定された基本ＶＧＴ開度および目標過給圧を読み込む。例えば、コントローラ５００は、基本ＶＧＴ開度および目標過給圧を予めエンジン回転数とエンジン負荷とについてのマップで記憶しており、現在のエンジン回転数とエンジン負荷とに対応する各値をマップから抽出する。なお、エンジン負荷は、エンジン回転数とアクセル開度等から算出される。

次に、ステップＳ３にて、ＶＧＴ開度をステップＳ２で読み込んだ基本ＶＧＴ開度に制御する。すなわち、コントローラ５００は、ＶＧＴ開度が基本ＶＧＴ開度になるように、ベーンアクチュエータ６４ｄに指令信号を出力する。

次に、ステップＳ４にて、ジェネレータ７２に対する発電要求があるか否かを判定する。

具体的には、コントローラ５００は、ＳＯＣや各種電気機器の電気負荷等に基づいて、所定の電力量に対して現在不足している電力量を算出し、この電力不足量が所定値以上であれば発電要求があると判定する。所定の電力量は、例えば、バッテリの最大蓄電量であり、この最大蓄電量から現在のバッテリの蓄電量および各種電気機器で消費されている電力量を差し引くことで算出される。

ステップＳ４の判定がＮＯであって発電要求がない場合はステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、ジェネレータ７２の発電を停止する（既に停止している場合は停止を維持する）。具体的には、ジェネレータ制御装置７５によってジェネレータ７２のロータコイルへの磁化用の電流の印加を停止させる。ステップＳ１０の後は、ステップＳ７に進む。

一方、ステップＳ４の判定がＹＥＳであって発電要求がある場合はステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、発電要求が高いか否かを判定する。具体的には、前記電力不足量が前記所定値よりも高い値に設定された基準不足量よりも大きく、電力が大きく不足（所定の電力量に対して）している場合に、発電の緊急度が高く発電要求が高いと判定される。例えば、ＳＯＣが所定値未満に低下しており、発電をしなければ間もなく電力不足（必要な電気機器を正常に動かせない状態）に陥る可能性のある場合には、この判定はＹＥＳとなる。

ステップＳ５の判定がＹＥＳであって発電要求のレベルが高い場合は、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、ジェネレータ７２による発電を実施する（既に実施している場合は実施を維持する）。具体的には、ジェネレータ制御装置７５によってジェネレータ７２のロータコイルへ磁化用の電流を印加させる。このとき、ジェネレータ７２の発電量は、電力不足量に対応した値に制御される。

一方、ステップＳ５の判定がＮＯであって発電要求のレベルが低い場合はステップＳ２０に進む。例えば、ＳＯＣが十分に高い場合等には、この判定はＮＯとなり、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、現在の運転領域が特定領域Ｒ１か否かを判定する。

ステップＳ２０の判定がＹＥＳであって特定領域Ｒ１でエンジン本体１が運転されている場合は、ステップＳ２１に進む。

ステップＳ２１では、ジェネレータ７２による発電を実施する。

ステップＳ２１の後は、ステップＳ２２に進み、発電量を設定する。具体的には、ステップＳ１で読み込んだ過給圧と排気圧力とに基づき、排気圧力が過給圧以下となるような発電量を設定する。

本実施形態では、排気圧力と過給圧の偏差と、排気圧力を過給圧以下に抑えることが可能な発電量の最大値との関係が、特定領域Ｒ１内の各エンジン回転数について予め実験等により調べられて、コントローラ５００に、エンジン回転数と前記偏差と前記発電量の最大値との関係がマップで記憶されており、ステップＳ２２において、コントローラ５００は、ステップＳ１で読み込んだ過給圧と排気圧力との偏差を算出し、前記マップからこの偏差と現在のエンジン回転数とに対応する発電量の最大値を抽出する。そして、この最大値と電量不足量とを比較して、小さい方の値を発電量として設定する。

ステップＳ２２の後は、ステップＳ７に進む。

一方、ステップＳ２０の判定がＮＯであって特定領域Ｒ１でエンジン本体１が運転されていない場合、すなわち、高負荷領域Ａ１のうち特定領域Ｒ１を除く領域でエンジン本体１が運転されている場合は、ステップＳ１０に進む。そして、前記のように、ジェネレータ７２による発電を停止し、その後、ステップＳ７に進む。

このように、本エンジンシステム１００では、高負荷領域Ａ１において、特定領域Ｒ１では発電要求があり次第発電を実施する一方、特定領域Ｒ１を除く領域では、発電要求が高い場合（電力不足量が基準不足量よりも大きい場合）にのみ発電を実施する。

ステップＳ７では、目標過給圧が実現されているか否かを判定する。この判定がＮＯであって過給圧が目標過給圧に制御されていない場合は、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８では、ＶＧＴ開度を補正する。具体的には、過給圧が目標過給圧よりも低い場合は、ＶＧＴ開度を閉じ側に補正し、過給圧が目標過給圧よりも高い場合は、ＶＧＴ開度を開き側に補正する。例えば、ＶＧＴ開度が基本ＶＧＴ開度とされている場合には、この基本ＶＧＴ開度からＶＧＴ開度を大きくあるいは小さくする。

一方、ステップＳ７の判定がＹＥＳであって過給圧が目標過給圧に制御されている場合は、ＶＧＴ開度を補正することなく処理を終了する。

なお、ステップＳ８では、過給圧が目標過給圧と完全に一致している場合に限らず、過給圧と目標過給圧との差が所定値以下である場合に過給圧が目標過給圧と一致していると判定されてもよい。

（４）作用等
以上のように、本エンジンシステム１００では、高負荷領域Ａ１のうちエンジン回転数が第１回転数Ｎ１より高くかつ第２回転数Ｎ２未満の特定領域Ｒ１において、ジェネレータ７２での発電が停止している状態で過給圧が排気圧力よりも高くなるようにＶＧＴ開度が最小開度よりも大きい開度とされ、かつ、この特定領域Ｒ１において優先的に発電が実施される（発電要求が低くとも他の領域と異なり常に発電が実施される）。

そのため、発電量および過給圧を高く確保しつつ発電に伴って燃費性能が過剰に悪化するのを抑制することができる。

具体的には、ジェネレータ７２による発電が実施されると発電用タービン７４に回転負荷がかかり、発電用タービン７４の上流側の圧力が増大し、これに伴って、エンジンの背圧すなわち排気圧力が増大する。しかしながら、前記のように、本実施形態では、特定領域Ｒ１において、エンジン回転数および排気の流量が比較的高いことに伴ってＶＧＴ開度を比較的大きい開度とすることができ、これによって、過給圧を高くしつつ排気圧力すなわちエンジンの背圧を過給圧よりも小さくできる（発電が停止している状態で）。そのため、発電に伴ってエンジンの背圧が増大してもこの背圧の過給圧に対する増加量を小さく抑えることができ、ポンピングロスの過剰な悪化を抑制することができる。従って、特定領域Ｒ１で優先的に発電が実施されることで、このエンジンシステム１００では、発電量を確保しながら、かつ、過給圧を高く維持しながら、燃費性能の悪化を抑制することができる。

特に、本実施形態では、前記のように、高負荷領域Ａ１において、過給用タービン６４のタービン効率が最大となるタービン効率最大回転数Ｎ＿Ｔηおよびコンプレッサ効率が最大となるコンプレッサ効率最大回転数Ｎ＿Ｃηとがそれぞれ特定領域Ｒ１内に設定されている。そのため、特定領域Ｒ１において、高い目標過給圧を実現しつつ排気圧力を十分に低く抑えることができる。従って、発電量および過給圧の確保と燃費性能の悪化抑制とをより確実に実現することができる。

また、本実施形態では、特定領域Ｒ１にて発電を実施する場合においても、排気圧力が過給圧以下に抑えられるように発電量が調整される。そのため、発電時においてもポンピングロスの発生が抑制され、燃費性能をより確実に高くすることができる。

また、本実施形態では、ステップＳ７、Ｓ８が実施されて、発電時においても過給圧が目標過給圧となるようにＶＧＴ開度が調整される。そのため、過給性能を高く維持することができる。

（５）変形例
前記実施形態では、特定領域Ｒ１をエンジン回転数が第１回転数Ｎ１より高くかつ第２回転数Ｎ２未満の領域に設定した場合について説明したが、特定領域Ｒ１を、高負荷領域Ａ１のうち第１回転数Ｎ１以上の全領域としてもよい。

ここで、前記のように、エンジン回転数が非常に高い領域では、過給用タービンに流入する排気の流量が非常に大きくなり、過給用タービンの上流側の圧力を小さく抑えにくくなる。そのため、この場合には、ターボ過給機の効率をより回転数の高い側で最大となるように設定すればよい。ただし、このように構成した場合には、過給圧を高くし難い低速領域での過給性能が良好に維持されないおそれがある。従って、前記実施形態のように、特定領域Ｒ１を第２回転数Ｎ２未満の領域として、この領域において排気圧力が過給圧未満となるように制御した方が、より広いエンジン回転数領域で過給性能を良好にすることができる。

また、タービン効率最大回転数Ｎ＿Ｔηおよびコンプレッサ効率最大回転数Ｎ＿Ｃηは、それぞれ前記特定領域Ｒ１内に設定されていなくともよい。

また、前記実施形態では、特定領域Ｒ１にて発電を実施する場合において、排気圧力を過給圧以下に抑えるための具体的な手順は、前記ステップＳ２２の手順に限らない。例えば、ステップＳ２２に代えて、ステップＳ１で読み込んだ排気圧力と過給圧とを比較して、排気圧力が過給圧よりも高ければ発電量を減少するようにしてもよい。あるいは、ステップＳ２２に加えてこの手順を加えてもよい。

また、ステップＳ２２の発電量を設定するステップとして、前記実施形態に係るステップに代えて、発電量を図１０に示すようにエンジン回転数に応じて設定するようにしてもよい。具体的には、図６の破線で示した排気圧力と過給圧との差に対応させて、発電停止時のこの差が大きいほど発電量を大きい量に設定してもよい。

このようにすれば、発電時の排気圧力の過給圧に対する上昇をより確実に抑制することができ、燃費性能の過剰な悪化をより確実に抑制することができる。

なお、このように発電停止時の排気圧力と過給圧との差に応じて、かつ、排気圧力が過給圧以下になるように発電量を設定してもよい。例えば、発電停止時の前記差に応じて発電量を設定した後、検出された排気圧力と過給圧との偏差に応じてこの発電量を調整するようにしてもよい。

また、前記実施形態では、過給用タービン６４を発電用タービン７４よりも上流側に配置した場合について説明したが、過給用タービン６４を発電用タービン７４よりも下流側に配置してもよい。ただし、過給用タービン６４を上流側に設けた方が、過給性能をより良好にすることができる。

また、前記実施形態では、電力を蓄える手段としてバッテリが用いられる場合について説明したが、バッテリ以外の手段を用いて電力を蓄えるようにしてもよい。

また、電力不足量に代えて、電気機器での消費電力が所定値以上になると発電要求があると判定されるように構成してもよい。

また、ジェネレータ７２は発電用タービン７４により駆動されて、発電の実施と停止とを切り替えることが可能なものであればよく、具体的な構成は前記に限らない。例えば、ジェネレータと発電用タービンとの連結が解除されることでジェネレータでの発電が停止されるものであってもよい。

また、前記実施形態では、エンジン本体１が４気筒のガソリンエンジンの場合について説明したが、エンジン本体１の種類はこれに限らない。例えば、ディーゼルエンジンや、その他の気筒数を有するエンジンであってもよい。

１ エンジン本体
６４ 過給用タービン
６４ｂ ノズルベーン（可変ベーン）
７２ ジェネレータ（発電機）
７４ 発電用タービン
１００ エンジンシステム（ターボ過給機付エンジン）
１２０ 吸気通路
１３０ 排気通路
５００ ＥＣＵ（制御手段）
Ｒ１ 特定領域
ＳＮ２ 過給圧センサ（過給圧検出手段）
ＳＮ３ 排気圧力センサ（排気圧力検出手段）

Claims (6)

1. ターボ過給機付エンジンであって、
   エンジン本体と、
   前記エンジン本体に接続される吸気通路および排気通路と、
   前記吸気通路に設けられるコンプレッサおよび前記排気通路に設けられる過給用タービンを含むターボ過給機と、
   前記排気通路に前記過給用タービンと上下流方向に並ぶように設けられて排気のエネルギを受けて回転する発電用タービンおよび前記発電用タービンにより駆動されて発電する発電機を含む発電装置と、
   前記発電機を含むエンジンの各部を制御可能な制御手段とを備え、
   前記過給用タービンは、複数の翼を有し排気のエネルギを受けて回転するインペラと当該インペラに流入する排気の流路を開閉可能な可変ベーンとを備えた可変容量ターボであり、
   前記制御手段は、
   エンジン負荷が所定負荷以上の高負荷領域のうちエンジン回転数が第１回転数以下の領域でエンジンが運転されている場合は、前記可変ベーンの開度をエンジン運転中に設定される最小の開度にし、
   前記高負荷領域のうち前記第１回転数よりエンジン回転数が高い特定領域でエンジンが運転されている場合は、前記発電機の停止状態で前記両タービンよりも上流側の前記排気通路の圧力である排気圧力が前記コンプレッサの過給圧よりも低くなるように前記可変ベーンの開度を前記最小の開度よりも大きい開度にし、
   前記特定領域において前記発電機に対する発電要求がある場合は、前記発電機に発電を行わせ、
   前記特定領域以外の運転領域でエンジンが運転されており、かつ、前記発電要求がある場合は、条件に応じて前記発電機による発電を実施または停止する、ことを特徴とするターボ過給機付エンジン。
2. 請求項１に記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
   前記特定領域は、前記高負荷領域のうちエンジン回転数が前記第１回転数より高くかつエンジン運転中の最大回転数よりも低い第２回転数未満の領域に設定されていることを特徴とするターボ過給機付エンジン。
3. 請求項１または２に記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
   前記高負荷領域において、前記過給用タービンの効率と前記コンプレッサの効率とは、それぞれ前記特定領域で最大となるように設定されていることを特徴とするターボ過給機付エンジン。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
   前記排気圧力を検出する排気圧力検出手段と、前記コンプレッサの過給圧を検出する過給圧検出手段とをさらに備え、
   前記制御手段は、前記特定領域での運転中でかつ前記発電要求がある場合に、前記排気圧力検出手段で検出された前記排気圧力が前記過給圧検出手段で検出された前記過給圧以下となるように前記発電機の発電量を制御することを特徴とするターボ過給機付エンジン。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
   前記制御手段は、前記特定領域での運転中でかつ前記発電要求がある場合に、前記発電機の停止状態で生じる前記排気圧力と前記過給圧との差が大きくなる条件であるほど前記発電機の発電量を増大させることを特徴とするターボ過給機付エンジン。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
   前記制御手段は、前記発電機の発電時に、前記過給圧がその目標値である目標過給圧となるように前記可変ベーンの開度を調整することを特徴とするターボ過給機付エンジン。