JP2019034678A

JP2019034678A - 過給システム

Info

Publication number: JP2019034678A
Application number: JP2017158350A
Authority: JP
Inventors: 斉相園; Hitoshi Aizono
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2037-08-21
Also published as: JP7009832B2

Abstract

【課題】燃費の悪化を抑制しつつターボラグを抑制することができる過給システムを提供する。【解決手段】過給システム１０は、車両１に搭載されたエンジン２の排気のエネルギを受けてエンジン２の吸気を過給するターボチャージャ２０と、車両１の制動時に回生発電を行う発電機６０と、発電機６０が回生発電した電力を利用して、ターボチャージャ２０に流入する排気を加熱する排気加熱装置８０と、車両１の運転状態がターボチャージャ２０にターボラグが生じる状態の場合に排気加熱装置８０が排気加熱を開始するように排気加熱装置８０を制御する制御装置９０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は過給システムに関する。

従来、エンジンの排気のエネルギを利用してエンジンの吸気を過給するターボチャージャを有する過給システムが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１３−７２９２号公報

例えばエンジンを搭載した車両が停止した状態から急加速した場合等において、ターボチャージャにターボラグ（過給遅れ）が生じることがある。これに関して、燃費の悪化を抑制しつつ、このようなターボラグを抑制することができる技術が求められているが、このような技術は開発されていなかった。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、燃費の悪化を抑制しつつターボラグを抑制することができる過給システムを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る過給システムは、車両に搭載されたエンジンの排気のエネルギを受けて前記エンジンの吸気を過給するターボチャージャと、前記車両の制動時に回生発電を行う発電機と、前記発電機が回生発電した電力を利用して、前記ターボチャージャに流入する排気を加熱する排気加熱装置と、前記車両の運転状態が前記ターボチャージャにターボラグが生じる状態の場合に前記排気加熱装置が排気加熱を開始するように前記排気加熱装置を制御する制御装置と、を備える。

本発明によれば、車両の運転状態がターボチャージャにターボラグが生じる状態の場合に、排気加熱装置によってターボチャージャに流入する排気を加熱することができる。これにより、排気のエネルギが増大するので、ターボラグを抑制することができる。また、排気加熱装置が車両の制動時に発電機が回生発電した電力を利用して排気を加熱しているので、排気加熱装置の排気加熱に伴う燃費の悪化を抑制することができる。したがって、本発明によれば、燃費の悪化を抑制しつつターボラグを抑制することができる。

実施形態に係る車両の構成を模式的に示す構成図である。制御装置が排気加熱装置を制御する際に実行するフローチャートの一例である。

まず、本発明の実施形態に係る過給システム１０を備える車両１の全体構成について説明し、次いで、本実施形態に係る過給システム１０について説明する。図１は車両１の構成を模式的に示す構成図である。車両１の種類は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、一例として、トラック等の商用車両を用いている。

車両１は、エンジン２と、吸気通路３と、排気通路４と、吸気スロットルバルブ５とを備えている。エンジン２の具体的な種類は特に限定されるものではないが、本実施形態では一例としてディーゼルエンジンを用いている。吸気通路３は、エンジン２に吸入される吸気が通過する通路である。なお、吸気通路３の上流側端部から流入する吸気は空気（新気）である。排気通路４は、エンジン２から排出された排気（Ｅｘ）が通過する通路である。吸気スロットルバルブ５はエンジン２に吸入される吸気の流量を制御するバルブである。本実施形態に係る吸気スロットルバルブ５は、一例として、吸気通路３の吸気マニホールドよりも上流側の部分、且つ、後述するインタークーラ４０よりも下流側の部分に配置されている。

なお、車両１は、後述するタービン２１よりも下流側の排気通路４の部分に、排気を処理する排気処理装置（図示せず）を備えている。この排気処理装置は、酸化触媒（すなわちディーゼル酸化触媒）と、この酸化触媒よりも下流側に配置されたＰＭ捕集用のフィルタと、このフィルタよりも下流側に配置された尿素ＳＣＲ装置とを備えている。

また車両１は、ＥＧＲシステム（ＥＧＲ通路６、ＥＧＲバルブ７及びＥＧＲクーラ８）を備えている。ＥＧＲ通路６は、排気通路４の排気の一部を吸気通路３に導入する通路である。具体的には本実施形態に係るＥＧＲ通路６は、その一端が後述する排気加熱装置８０よりも上流側且つ排気マニホールドよりも下流側の排気通路４の部分に接続し、その他端が吸気通路３の吸気マニホールドの部分に接続している。ＥＧＲバルブ７及びＥＧＲクーラ８は、ＥＧＲ通路６の途中に配置されている。ＥＧＲバルブ７は制御装置９０の指示を受けて開閉作動するバルブである。ＥＧＲクーラ８はＥＧＲ通路６を通過する排気（以下、ＥＧＲガスと称する）を冷媒との熱交換によって冷却する熱交換器である。ＥＧＲバルブ７が開弁状態になった場合、排気通路４の排気の一部は、ＥＧＲ通路６に流入し、このＥＧＲ通路６を流動する際にＥＧＲクーラ８によって冷却され、その後、吸気通路３に導入される。

続いて過給システム１０について説明する。過給システム１０は、ターボチャージャ２０と、バイパス通路３０と、バイパスバルブ３１と、インタークーラ４０と、動力伝達機構５０と、発電機６０と、バッテリ７０と、排気加熱装置８０と、制御装置９０とを備えている。

ターボチャージャ２０は、エンジン２の排気のエネルギを利用してエンジン２の吸気を過給する装置である。具体的にはターボチャージャ２０は、排気通路４に配置されたタービン２１と、吸気通路３に配置されたコンプレッサ２２と、タービン２１及びコンプレッサ２２を連結する連結軸２３とを備えている。タービン２１が排気のエネルギを受けて回転することで、タービン２１に連結軸２３を介して接続されたコンプレッサ２２も回転する。このコンプレッサ２２の回転によって、吸気通路３の吸気は過給される。

バイパス通路３０は、吸気通路３におけるコンプレッサ２２よりも上流側の部分と下流側の部分とを連通している。バイパスバルブ３１は、このバイパス通路３０に配置されており、制御装置９０の指示を受けて開閉することで、バイパス通路３０の吸気流量を制御する。バイパスバルブ３１の開度が大きくなるほど、バイパス通路３０を通過する吸気流量は多くなる。この結果、コンプレッサ２２を通過する吸気流量が少なくなり、これにより、コンプレッサ２２の出力が低下して過給圧が低下する。制御装置９０は、過給圧が所定の上限値以上にならないようにバイパスバルブ３１の開度を制御する。

インタークーラ４０は、吸気通路３のコンプレッサ２２よりも下流側の部分（具体的には、コンプレッサ２２よりも下流側且つ吸気スロットルバルブ５よりも上流側の部分）に
配置されており、コンプレッサ２２によって過給された吸気を、冷媒との熱交換によって冷却する熱交換器である。このインタークーラ４０によって、エンジン２に吸入される吸気の温度が高温になり過ぎることが抑制されている。

動力伝達機構５０は、エンジン２と発電機６０との間で動力の伝達を行う機構であり、本実施形態では一例として、巻き掛け伝導機構を用いている。具体的には、動力伝達機構５０は、エンジン２のクランクシャフト（回転軸）に接続された回転体５１ａと、発電機６０の回転軸に接続された回転体５１ｂと、回転体５１ａ及び回転体５１ｂに巻き掛けられたベルト状部材５２とを備えている。なお、回転体５１ａ，５１ｂとしては、例えばプーリやスプロケット等を用いることができる。

発電機６０は、少なくとも車両１の制動時において回生発電を行うことができるものであればよい。本実施形態では、この発電機６０の一例として、モータージェネレータ（ＭＧ）を用いている。制御装置９０は、車両１の制動時において、発電機６０を制御して発電機６０に回生発電を行わせる。なお、このような車両１の制動時に回生発電を行う発電機６０の機構自体は、公知の技術（例えば公知のハイブリッド車両等に用いられている回生発電技術）を適用できるものであるため、これ以上詳細な説明は省略する。

なお、車両１の制動時の一例として、本実施形態では、車両１の走行時に車両１のブレーキペダルが踏まれた時を用いている。

バッテリ７０は、発電機６０と電気的に接続されており、発電機６０が車両１の制動時に回生発電した電力を蓄積する蓄電池である。なお、具体的には、バッテリ７０は、インバータ（図示せず）を介して発電機６０と電気的に接続されている。

排気加熱装置８０は、発電機６０が車両１の制動時に回生発電した電力を利用して、ターボチャージャ２０のタービン２１に流入する排気を加熱する装置である。このような機能を有するものであれば、排気加熱装置８０の具体的な構成は特に限定されるものではないが、本実施形態では一例として以下の構成を有している。

まず、排気加熱装置８０は、排気通路４のうちＥＧＲ通路６の接続箇所よりも下流側の部分であり且つタービン２１よりも上流側の部分に配置されている。また、排気加熱装置８０は、バッテリ７０（前述したように、これは、発電機６０が車両１の制動時に回生発電した電力を蓄積している）と電気的に接続された電熱ヒータを備えている。この電熱ヒータは、バッテリ７０からの電力が供給された場合に発熱することで、排気を加熱する。また、本実施形態に係る電熱ヒータは、排気通路４を構成する配管の内部に配置されている。これにより、電熱ヒータは、発熱することで、排気通路４内の排気を直接的に加熱する。但し、電熱ヒータの配置態様はこれに限定されるものではなく、例えば、電熱ヒータは、排気通路４の配管の外側（管壁部の外側）に配置されて、この配管を加熱することで、排気通路４の排気を間接的に加熱してもよい。

また、排気加熱装置８０の排気加熱、及び、排気加熱の停止は、制御装置９０によって制御されている。具体的には、制御装置９０は、排気加熱装置８０の電熱ヒータへの電力供給の開始及び停止を行うスイッチ（図示せず）を制御することで、電熱ヒータによる排気加熱及び排気加熱停止を制御する。排気加熱装置８０は以上のような構成になっている。

制御装置９０は、各種の制御処理を実行する制御部としての機能を有するＣＰＵ９１と、このＣＰＵ９１の動作に用いられる各種情報やプログラム等を記憶する記憶部９２とを有するマイクロコンピュータを備えている。なお、記憶部９２としては、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ等を用いることができる。制御装置９０は、バイパスバルブ３１、発電機６０、及び排気加熱装置８０を制御することで、過給システム１０を統合的に制御する。また、本実施形態に係る制御装置９０は、エンジン２の燃料噴射時期、燃料噴射量等や、ＥＧＲバルブ７も制御している。すなわち、本実施形態においては、車両１の被制御部を統合的に制御する制御装置９０が、過給システム１０の制御装置としての機能を兼務している。但し、過給システム１０の構成はこれに限定されるものではなく、例えば、過給システム１０は、車両１の被制御部を統合的に制御する制御装置９０とは別に、過給システム１０専用の制御装置を備えていてもよい。

続いて、制御装置９０による排気加熱装置８０の制御について説明する。図２は、制御装置９０が排気加熱装置８０を制御する際に実行するフローチャートの一例である。なお、図２の各ステップは、制御装置９０の具体的にはＣＰＵ９１が実行する。また、制御装置９０は、エンジン２の始動開始と同時（スタートスイッチがオンにされた時）に図２のフローチャートを最初にスタートする。

ステップＳ１０において、制御装置９０は、車両１の運転状態がターボチャージャ２０にターボラグが生じる状態であるか否かを判定する。この一例として、本実施形態に係る制御装置９０は、車両１が停止した状態（すなわち、エンジン２がアイドル運転している状態）から急発進した状態（単位時間当たりのアクセルペダルの踏み込み量が所定値以上の状態）になった場合に、車両運転状態がターボラグの生じる状態であると判定する（ＹＥＳ）。なお、ターボラグが生じる車両運転状態の具体例は、これに限定されるものではなく、例えば予め、実験、シミュレーション等を行うことで適切な状態を求めておき、記憶部９２に記憶させておけばよい。

ステップＳ１０でＮＯと判定された場合、制御装置９０はフローチャートをスタートから再度実行する（リターン）。一方、ステップＳ１０でＹＥＳと判定された場合、制御装置９０は、排気加熱装置８０を制御して、排気加熱装置８０に排気加熱を開始させる（ステップＳ２０）。具体的には制御装置９０は、排気加熱装置８０の電熱ヒータへの電力供給の開始及び停止を行うスイッチをＯＮに制御することで、バッテリ７０に蓄積された電力を排気加熱装置８０の電熱ヒータへ供給させて、排気加熱を開始させる。

このステップＳ２０において、排気加熱装置８０がターボチャージャ２０に流入する排気を加熱することで、この排気のエネルギが増大する。これにより、ターボラグが抑制される。

次いで制御装置９０は、排気加熱装置８０の排気加熱を停止させる条件（加熱停止条件）が満たされたか否かを判定する（ステップＳ３０）。このステップＳ３０の具体的な実行内容は特に限定されるものではないが、本実施形態に係る制御装置９０は一例として、ステップＳ２０に係る排気加熱開始からの経過時間が予め設定された所定時間以上になったか否かを判定し、この判定の結果、経過時間が所定時間以上になったと判定された場合に、加熱停止条件が満たされたと判定する。なお、この所定時間は、実験、シミュレーション等によって予め適切な時間を求めておき、記憶部９２に記憶しておけばよい（すなわち予め設定しておけばよい）。

なお、ステップＳ３０の他の一例を挙げると、例えば制御装置９０は、ターボラグが生じる車両運転状態でなくなったときに加熱停止条件が満たされたと判定することもできる。具体的には、この場合、制御装置９０は、例えば単位時間当たりのアクセルペダルの踏み込み量が所定値未満になった場合に、ターボラグが生じる車両運転状態でなくなったと判定して、加熱停止条件が満たされたと判定する。

ステップＳ３０はＹＥＳと判定されるまで繰り返し実行される。ステップＳ３０でＹＥＳと判定された場合（すなわち、加熱停止条件が満たされたと判定された場合）、制御装置９０は、排気加熱装置８０を制御して、排気加熱装置８０による排気加熱を停止させる（ステップＳ４０）。具体的には制御装置９０は、排気加熱装置８０の電熱ヒータへの電力供給の開始及び停止を行うスイッチをＯＦＦに制御することで、電熱ヒータへの電力供給を停止させて、排気加熱を停止させる。ステップＳ４０の後に制御装置９０は、フローチャートをスタートから再度実行する（リターン）。

続いて本実施形態に係る過給システム１０の作用効果について説明する。本実施形態によれば、車両運転状態がターボチャージャ２０にターボラグが生じる状態の場合（ステップＳ１０でＹＥＳの場合）に、ステップＳ２０において排気加熱装置８０の排気加熱を開始させて、ターボチャージャ２０に流入する排気を加熱することができる。これにより、排気のエネルギを増大させて、ターボラグを抑制することができる。

また、この排気加熱装置８０は発電機６０が車両１の制動時に回生発電した電力を利用して排気を加熱しているので、このような構成になっていない過給システムに比較して、排気加熱装置８０の排気加熱に伴う燃費の悪化を抑制することができる。

具体的には、例えば、いわゆるミスファイアリング（アクセルオフ時にエンジン２を故意に失火状態にすることで、排気マニホールド内で未燃焼ガスを燃焼させて排気を加熱すること）等の実行によっても、排気のエネルギを増大させることは可能であり、この結果、ターボラグを抑制することは可能である。しかしながら、この場合、ミスファイアリングの実行のために燃料を余分に消費することになるため、燃費が悪化してしまう。これに対して、本実施形態によれば、このようなターボラグ抑制のための燃料の余分な消費がない分、燃費の悪化が抑制されている。

あるいは、排気加熱装置が車両１の制動時に回生発電された電力を利用するのではなく、オルタネータ（これはエンジン２によって常時駆動されて発電する発電機である）が発電した電力のみを利用して排気加熱することによっても、ターボラグを抑制することは可能である。しかしながら、この場合、オルタネータは排気加熱用の電力を余分に発電する必要があり、このオルタネータを駆動するためにエンジン２は通常運転時において余分に燃料を消費して回転する必要が生じる。このため、燃費が悪化してしまう。これに対して、本実施形態によれば、排気加熱装置が車両１の制動時に回生発電された電力を利用しているので、このような例の場合に比較して、燃費の悪化が抑制されている。

また、前述したようなミスファイアリングを行った場合、エンジン部品にダメージが生じたり、大きな爆発音が生じたりする可能性もあるが、本実施形態によれば、このようなミスファイアリングを行うことなくターボラグを抑制できるので、このような問題が生じることも抑制されている。すなわち、本実施形態によれば、ミスファイアリングを行う場合に比較して、前述したように燃費の悪化を抑制できるのみならず、エンジン部品のダメージを抑制してエンジン部品の寿命を延ばすことができるとともに、大きな爆発音によって車両１の乗員が不快に感じることも抑制することができる。

また、本実施形態によれば、排気加熱装置８０が、排気通路４のうちＥＧＲ通路６の接続箇所よりも下流側の部分であり且つタービン２１よりも上流側の部分に配置されているので、排気加熱装置８０によって加熱された排気の一部がＥＧＲ通路６を通過してエンジン２に吸入されることが抑制されている。これにより、排気加熱装置８０によってタービン２１に流入する排気を効率的に加熱することができるので、ターボラグを効率的に抑制することができる。

また、本実施形態によれば、排気加熱装置８０の電熱ヒータが排気通路４の配管の内部に配置されているので、電熱ヒータが排気通路４の配管の外側に配置されている場合に比較して、排気加熱装置８０による排気の加熱効率を高めることができるとともに、電熱ヒータに排気中の煤を付着させることもできる。このように電熱ヒータに煤が付着した場合、電熱ヒータが発熱したときにこの煤を燃焼させ、この煤の燃焼によって排気を効果的に加熱することができる。これにより、ターボラグを効果的に抑制することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１車両
２エンジン
３吸気通路
４排気通路
６ＥＧＲ通路
１０過給システム
２０ターボチャージャ
２１タービン
２２コンプレッサ
５０動力伝達機構
６０発電機
７０バッテリ
８０排気加熱装置
９０制御装置

Claims

車両に搭載されたエンジンの排気のエネルギを受けて前記エンジンの吸気を過給するターボチャージャと、
前記車両の制動時に回生発電を行う発電機と、
前記発電機が回生発電した電力を利用して、前記ターボチャージャに流入する排気を加熱する排気加熱装置と、
前記車両の運転状態が前記ターボチャージャにターボラグが生じる状態の場合に前記排気加熱装置が排気加熱を開始するように前記排気加熱装置を制御する制御装置と、を備える、過給システム。
前記エンジンの排気通路のうち前記ターボチャージャのタービンが配置されている箇所よりも上流側の部分にはＥＧＲ通路が接続しており、
前記排気加熱装置は、前記排気通路のうち前記ＥＧＲ通路の接続箇所よりも下流側の部分であり且つ前記タービンよりも上流側の部分に配置されている請求項１記載の過給システム。
前記排気加熱装置は、前記発電機が回生発電した電力を利用して発熱する電熱ヒータを有し、
前記電熱ヒータは、前記エンジンの排気通路を構成する配管の内部に配置されている請求項１又は２に記載の過給システム。