JP3389746B2

JP3389746B2 - 排気エネルギー回収装置

Info

Publication number: JP3389746B2
Application number: JP19587795A
Authority: JP
Inventors: 和成秋山
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1995-07-07
Filing date: 1995-07-07
Publication date: 2003-03-24
Anticipated expiration: 2015-07-07
Also published as: JPH0925828A

Description

【発明の詳細な説明】【０００１】【産業上の利用分野】本発明は、ターボチャージャに設
けた回転電機を、排気ガスにより回転させてエネルギー
を回収する排気エネルギー回収装置に関するものであ
る。【０００２】【従来の技術】ターボ車のターボチャージャは、排気ガ
スによりタービンを回転させて大気の吸入を促進してい
るが、発進を終え通常走行に移行した後における排気ガ
スは、タービンを回転させた後でも、まだ充分にエネル
ギーを有している。そこで、ターボチャージャに回転電
機を付設し、更に排気エネルギーを回収する装置が考え
られている。【０００３】図７は、そのような排気エネルギー回収装
置の構成を示す図である。図７において、１はエンジン
回転数センサ、２はプーリ、３はエンジン、４は排気
管、５はガバナ、６はベルト、７は吸気管、８はブース
ト圧センサ、９はターボチャージャ、１０はタービンブ
レード、１１はコンプレッサブレード、１２はターボチ
ャージャ回転電機、１２−１は回転子、１２−２は固定
子、１３はポジションセンサ、１４はプーリ、１５は車
両発電機、１６はパワーユニット、１７はバッテリ、１
８は電気負荷、１９はエンジンコントローラ、２０はエ
ネルギー回収コントローラ、２１はアクセルセンサであ
る。【０００４】プーリ２はエンジン３の軸に接続されてお
り、プーリ１４は車両発電機１５の軸に接続されてい
る。そして、プーリ２，１４は、ベルト６により連結さ
れている。ターボチャージャ９内には、ターボチャージ
ャ回転電機１２が設けられており、その回転子１２−１
は、ターボチャージャ９のコンプレッサブレード１１お
よびタービンブレード１０の回転軸に接続され、固定子
１２−２は、ターボチャージャ９内に固定される。ター
ボチャージャ回転電機１２としては同期機が用いられ、
時に応じて発電機運転されたりモータ運転されたりす
る。ポジションセンサ１３は、同期機であるターボチャ
ージャ回転電機１２の回転子１２−１の回転位置を検出
するセンサである。ポジションセンサ１３からの信号を
基にして、回転数も検出することが出来る。【０００５】車両発電機１５は、車両に搭載されている
通常の発電機であり、その発電電力は、周知のようにバ
ッテリ１７の充電や、電気負荷１８への給電に用いられ
る。しかし、ターボチャージャ回転電機１２で回収され
るエネルギーが大の場合、その発電電力でバッテリ１７
等への給電を行うほか、車両発電機１５をモータ運転も
し、エンジン３の回転を助けるトルク（アシストトル
ク）を付与することも行われる。【０００６】パワーユニット１６は、車両発電機１５，
ターボチャージャ回転電機１２，バッテリ１７等と接続
され、それらの間での電力の授受を制御する。そのブロ
ック構成は、後に図８で説明する。エンジンコントロー
ラ１９は、エンジン３のガバナ５にガバナ制御信号を発
して、エンジンを制御する。ガバナ制御信号は、エンジ
ンコントローラ１９に入力されてくるエンジン回転数セ
ンサ１，ブースト圧センサ８，アクセルセンサ２１から
の検出信号、およびその他の検出信号（例、車速信号，
ラック位置信号，クラッチ信号，ブレーキ信号等々）の
中から必要なものを考慮に入れてつくられる。【０００７】エネルギー回収コントローラ２０は、エン
ジン回転数センサ１，ブースト圧センサ８およびその他
の検出信号を考慮に入れ、エネルギーが回収できる運転
状態か否かを判断し、パワーユニット１６へ制御動作を
指示する信号を発する。【０００８】ターボチャージャ９のターボ作用が弱い
（ブースト圧がまだ小さい）発進時等には、ブースト圧
を上げるため、ターボチャージャ回転電機１２にも給電
してモータ運転することが指示される。その給電は車両
発電機１５からなされるが、モータ運転とされたターボ
チャージャ回転電機１２は、コンプレッサブレード１
１，タービンブレード１０の回転を助け、ターボ作用を
助長し、エンジンのトルクをアップする。【０００９】排気ガスのエネルギーが大であり、余分の
エネルギーを回収できる時には、ターボチャージャ回転
電機１２は発電機運転することが指示される。その発電
電力は、バッテリ１７の充電や電気負荷１８への給電に
用いられる。また、場合によっては車両発電機１５にも
給電され、車両発電機１５をモータ運転する。モータ運
転された車両発電機１５は、エンジン３にトルクを与
え、消費する燃料を少なくする。【００１０】図８は、パワーユニット１６の構成を示す
図である。符号は図７のものに対応し、３０はインバー
タ整流回路、３１は整流回路、３２はインバータ、３３
は平滑回路、３４は昇圧回路、３５はインバータ整流回
路、３６はインバータ、３７は整流回路、３８は平滑回
路、３９はレギュレータ、４０は切替回路、４１は制御
部である。【００１１】昇圧回路３４は、ターボチャージャ回転電
機１２をモータ運転する場合に、車両発電機１５の発電
電圧を昇圧して印加するためのものである。一般に、タ
ーボチャージャ回転電機１２の回転数は車両発電機１５
のそれより遙かに大であり、その誘起電圧は大である。
従って、ターボチャージャ回転電機１２をモータ運転す
るには、その誘起電圧より大なる電圧を印加してやる必
要があるが、車両発電機１５の発電電圧はその値に達し
ていないことがある。そこで、昇圧回路３４によって昇
圧して印加する。なお、昇圧回路３４の構成は、スイッ
チングトランジスタを用いた公知の昇圧回路である。【００１２】インバータ整流回路３０，３５は、ある時
にはインバータの役目を果たし、別のある時には整流回
路の役目も果たす回路である。その構成は、例えば、３
相ブリッジ接続されたスイッチングトランジスタのそれ
ぞれに、ダイオードを逆並列接続した構成である。【００１３】車両発電機１５の発電電圧は整流回路３０
で整流され、平滑回路３３で平滑され、点Ｐにその出力
電圧Ｖ_Pが現れる。同様に、ターボチャージャ回転電機
１２の発電電圧は整流回路３７で整流され、平滑回路３
８で平滑され、点Ｑにその出力電圧Ｖ_Qが現れる。各平
滑回路の出力電圧Ｖ_P，Ｖ_Qが切替回路４０へ入力され
ている場合、その内の高い方の電圧が選択されて、レギ
ュレータ３９に出力される。【００１４】レギュレータ３９は、切替回路４０からの
電圧を、バッテリ１７を充電したり電気負荷１８へ給電
したりするのに適した電圧に降圧制御するためのもので
ある。その構成は、例えば、スイッチングトランジス
タ，変圧器，整流平滑回路等で構成される公知のもので
ある。【００１５】図９は、エンジンにおけるトルクアップ必
要領域およびエネルギー回収領域を示す図である。横軸
はエンジン回転数を表し、縦軸はターボチャージャ回転
数を表している。なお、車両発電機１５の回転数は、エ
ンジン回転数とプーリ２，１４の回転数比とで決まる。
曲線イは、ターボチャージャ回転電機１２をモータ運転
したり発電運転したりしなかった場合の、ターボチャー
ジャ回転数の変化を示す。【００１６】エンジン回転数がＮ₁より低い領域として
示されているトルクアップ必要領域Ｄは、ターボチャー
ジャ９が排気ガスのエネルギーで回転しているだけでは
ブースト圧が低く、エンジンのトルクが小さい領域であ
る。この領域では、トルクアップが必要とされる。領域
を区切るエンジン回転数Ｎ₁は、エンジンの種類によっ
て異なる（例えば、９００ｒｐｍ）。【００１７】曲線ロの部分は、トルクアップのためにタ
ーボチャージャ回転電機１２をモータ運転し、ブースト
圧を所要の値にするべくターボチャージャ回転数を上げ
てやった場合の変化を示している。ターボチャージャ回
転電機１２をモータ運転する場合、車両発電機１５の発
電電力を、整流回路３０→平滑回路３３→昇圧回路３４
→インバータ３６→ターボチャージャ回転電機１２とい
う経路で供給する。【００１８】エンジン回転数がＮ₂より高い領域として
示されているエネルギー回収領域Ｅは、ターボチャージ
ャ９が排気ガスのエネルギーのままに回転していると、
必要以上にブースト圧が高くなってしまう領域であり、
この領域では、余分にブースト圧を高めているエネルギ
ーを、回収することが出来る。領域を区切るエンジン回
転数Ｎ₂は、エンジンの種類によって異なる（例えば、
１３００ｒｐｍ）。【００１９】曲線ハの部分は、ターボチャージャ回転電
機１２をエネルギー回収のために発電機運転した場合の
変化を示しており、ターボチャージャ回転数は下がる。
ターボチャージャ回転電機１２の発電電力は、整流回路
３７→平滑回路３８→切替回路４０→レギュレータ３９
という経路でバッテリ１７および電気負荷１８に供給さ
れると共に、整流回路３７→平滑回路３８→インバータ
３２→車両発電機１５という経路で、車両発電機１５に
供給される場合もある。かくして、排気ガスのエネルギ
ーが、電気的エネルギーおよび機械的エネルギーとして
回収される。【００２０】なお、排気エネルギー回収装置に関する従
来の文献としては、例えば、特開平５−152919号公報が
ある。【００２１】【発明が解決しようとする課題】（問題点）前記した従来の技術では、ターボチャージャ
回転電機１２の発電電力で車両発電機１５をモータ運転
して、エンジンの回転を助けるトルク（アシストトル
ク）を与える場合、必要以上にトルクアップをしてしま
うことがあるという問題点があった。【００２２】（問題点の説明）エンジン３が車両発電機
１５からアシストトルクを与えられる場合、エンジン３
全体が出すトルクは、エンジン３自身が出すトルクとア
シストトルクとの合計である。排気ガスのエネルギーが
大である場合、ターボチャージャ回転電機１２の発電電
力は大となるから、車両発電機１５へ送られる電力も大
となり、アシストトルクも大となる。そのため、エンジ
ン３全体が出すトルクは、その時必要としているトルク
より大となってしまう。【００２３】エンジン３自身の出すトルクは、エンジン
コントローラ１９からのガバナ制御信号に応じたもので
あり、これはアクセルセンサ２１からのアクセル開度信
号（ドライバーのアクセルペダル踏み込み量に対応）等
により決定されるものである。従って、トルクが必要以
上に出ているという状態は、ドライバーがそういう状態
に気が付いて、アクセルペダルの踏み込みを少なくする
まで継続する。それまでは、折角エネルギーを回収して
アシストトルクとして利用しているにもかかわらず、燃
料を必要以上に噴射し、無駄に消費する結果となってい
た。本発明は、このような問題点を解決することを課題
とするものである。【００２４】【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の排気エネルギー回収装置では、エネルギー
回収時にはモータ運転されエンジンにアシストトルクを
付与する車両発電機と、ターボチャージャに付設され、
ターボ作用が不足している場合にはモータ運転され、排
気エネルギーが大である場合には発電機運転されるター
ボチャージャ回転電機と、前記車両発電機，前記ターボ
チャージャ回転電機，バッテリおよび電気負荷間の電力
の流れを制御するパワーユニットと、エンジンを制御す
るエンジンコントローラと、前記パワーユニットでの制
御を指示すると共に、エネルギー回収時にはアシストト
ルク相当分だけアクセル開度を少なくした補正アクセル
開度を算出するエネルギー回収コントローラと、アクセ
ルセンサからの検出アクセル開度と前記補正アクセル開
度とが入力され、前記エネルギー回収コントローラから
の切り換え信号により、正常状態にて排気エネルギーを
回収する場合には前記補正アクセル開度を選択し、それ
以外の場合には検出アクセル開度を選択して前記エンジ
ンコントローラに入力するアクセル開度信号切換装置と
を具えることとした。【００２５】【作用】車両発電機の他にターボチャージャ回転電
機が設けられている排気エネルギー回収装置において、
エネルギー回収時に、ターボチャージャ回転電機の発電
電力で車両発電機をモータ運転し、エンジンにアシスト
トルクを与える場合、アシストトルクに相当する分だけ
アクセル開度を小にした補正アクセル開度を算出する。
そして、エンジンを制御するエンジンコントローラに対
しては、アクセルセンサから検出される実際のアクセル
開度ではなく、補正アクセル開度を入力し、これに従っ
てエンジンを制御させる。これにより、エンジン全体の
トルクを必要以上に大にすることがなく、しかも消費す
る燃料を少なくすることが可能となる。【００２６】【実施例】本発明は、排気エネルギー回収装置におい
て、回収したエネルギーをエンジンへのアシストトルク
として利用する場合、余分なトルクは出さないようにし
て燃料を節約するものであるが、まずその概要を説明す
る。最初にブースト圧を基にして、回収出来るエネルギ
ーを求める。回収出来るエネルギーがあれば、そのエネ
ルギーに基づき、車両発電機をモータ運転するために供
給できる電流を求める。次に、その電流でモータ運転し
た場合のアシストトルクをアクセル開度に換算し、実際
のアクセル開度よりその分だけ少ない「補正アクセル開
度」を求める。この補正アクセル開度でエンジンを制御
する。【００２７】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。図１は、本発明の排気エネルギー回収装
置のブロック図であり、符号は図７のものに対応し、２
２はアクセル開度信号切換装置、２３，２４は信号線、
２５は目標ブースト圧マップである。目標ブースト圧マ
ップ２５は、エネルギー回収コントローラ２０の中に、
予め記憶させておく。図７と同じ符号のものは同様のも
のであるので、その説明は省略する。【００２８】構成上、図７の従来例と相違する点は、ア
クセルセンサ２１とエンジンコントローラ１９との間
に、アクセル開度信号切換装置２２を設けた点である。
図４に、アクセル開度信号切換装置２２の構成を示す。
アクセル開度信号切換装置２２は、アクセルセンサ２１
からのアクセル開度信号Ａ₂₁と、エネルギー回収コント
ローラ２０から信号線２３を通って送られてくる補正ア
クセル開度信号Ａ₂₀とを切り換える。切り換え信号は、
エネルギー回収コントローラ２０から信号線２４を通っ
て送られて来る。【００２９】補正アクセル開度は、エネルギー回収コン
トローラ２０で算出する。その算出過程は、図２で説明
する。切り換え信号も、エネルギー回収コントローラ２
０で生成される。その生成過程は、図３で説明する。【００３０】図２は、補正アクセル開度を求める過程を
示す図である。ステップ１…エネルギー回収コントローラ２０に、アク
セル開度とエンジン回転数とを読み込む。アクセルセン
サ２１からのアクセル開度信号は、図１に示すように、
アクセル開度信号切換装置２２にも入力されるが、エネ
ルギー回収コントローラ２０にも入力される。エンジン
回転数は、エンジン回転数センサ１より入力される。【００３１】ステップ２…アクセル開度とエンジン回転
数とを基に、目標ブースト圧を求める。目標ブースト圧
とは、現時点でのエンジンの状況において望ましいブー
スト圧である。目標ブースト圧は、エンジンの種類によ
り、またアクセル開度とエンジン回転数との組み合わせ
により異なるが、その値を予め実験等により求めてお
き、マップとしてエネルギー回収コントローラ２０に記
憶させておく。図６は、目標ブースト圧マップを示す図
である。例えば、アクセル開度がＡ₂〜Ａ₃の範囲の値
であり、エンジン回転数がＮ₄〜Ｎ₅の範囲の値である
場合（つまり、図６の領域Ｈにある場合）には、目標ブ
ースト圧はＢ₅₃と求められる。【００３２】ステップ３…ブースト圧センサ８より、現
在のブースト圧（以下「現状ブースト圧」という）を読
み込む。ステップ４…現状ブースト圧と目標ブースト圧とを基に
して、車両発電機１５をモータ運転することの出来る電
流を求める。モータ運転電流は、回収可能エネルギーに
所定の係数を乗じた値として求められる。回収可能エネ
ルギーは、現状ブースト圧から目標ブースト圧を差し引
いたもので表すことが出来る。従って、回収可能エネル
ギー，モータ運転電流は、次式のように表される。【００３３】回収可能エネルギー＝（現状ブースト圧）−（目標ブースト圧）……（１）モータ運転電流Ｉ₁₅＝（回収可能エネルギー）×係数Ｋ₁ ……（２）但し、（１）式において、現状ブースト圧が目標ブース
ト圧より小である場合には、回収可能エネルギーはゼロ
として扱う。（１）式を（２）式に代入することによ
り、モータ運転電流Ｉ₁₅を求めることが出来る。なお、
（２）式の係数Ｋ₁は、ターボチャージャ回転電機１２
が発電する際に生ずる損失等を考慮して定める。【００３４】ステップ５…車両発電機１５がモータ運転
電流Ｉ₁₅でモータ運転された場合にエンジンに付与する
アシストトルクを、アクセルペダルをふかして発生させ
たとした場合のアクセル開度に換算する。その換算した
アクセル開度を、以下「アシストトルク換算アクセル開
度」（Ａ_M）という。換算は、次式によって行う。アシストトルク換算アクセル開度Ａ_M＝検出アクセル開度Ａ₂₁×（モータ運転電流Ｉ₁₅÷モータ運転電流最大値Ｉ_MAX）×係数Ｋ₂ …（３）ここに、検出アクセル開度Ａ₂₁は、アクセルセンサ２１
で検出されるアクセル開度である。なお、モータ運転電
流最大値Ｉ_MAXは、車両発電機１５の種類に応じて予め
決定しておく。【００３５】ステップ６…検出アクセル開度Ａ₂₁から、
アシストトルク換算アクセル開度Ａ_Mを差し引いたもの
を、補正アクセル開度Ａ₂₀とする。即ち、エンジンをど
の程度駆動するかというドライバーの意志は、検出アク
セル開度Ａ₂₁の大きさに現れる。しかし、その内のアシ
ストトルク換算アクセル開度Ａ_M分は、回収エネルギー
で実現されているから、それを差し引いたもの（補正ア
クセル開度Ａ₂₀）をアクセル開度として扱ってエンジン
３を制御してやればよい。補正アクセル開度Ａ₂₀＝検出アクセル開度Ａ₂₁−アシストトルク換算アクセル開度Ａ_M …（４）ステップ７…以上のようにして求めた補正アクセル開度
Ａ₂₀を、アクセル開度信号切換装置２２に送る。【００３６】図３は、アクセル開度信号切換装置の切り
換え信号の生成過程を説明する図である。ステップ１…エネルギー回収コントローラ２０には、エ
ンジン回転数，ブースト圧、アクセル開度等を初めとし
て、各種の検出信号が入力されているが、それらの値が
異常となっているかどうか調べる。各検出信号につい
て、それぞれ正常範囲の値があるわけであるが、それを
逸脱した値となっていれば、何らかの異常が発生してい
ることになる。【００３７】ステップ２…何らかの異常が発生している
と判断された場合には、エンジンコントローラ１９に入
力するアクセル開度としては、アクセルセンサ２１で検
出されたものを採用することにする。そのため、検出ア
クセル開度Ａ₂₁を採用するための切換信号を生成する。
何らかの原因で、補正アクセル開度Ａ₂₀が、異常値にな
るかも知れないからである。【００３８】ステップ３…異常がないと判断された場合
には、エンジン運転状況がエネルギー回収領域にあるか
否か調べる（図９参照）。エネルギー回収領域にない場
合は、ターボチャージャ回転電機１２を発電運転しない
から、その発電電力で車両発電機１５をモータ運転する
ということも有り得ない。従って、ステップ２に進み、
検出アクセル開度を採用する切り換え信号を生成する。ステップ４…エネルギー回収領域にある場合には、車両
発電機１５がモータ運転され、トルクアシストを行うか
ら、その分を差し引いた補正アクセル開度Ａ₂₀を採用し
た方が、燃費を改善することが出来る。そこで、補正ア
クセル開度Ａ₂₀を採用する切り換え信号を生成する。【００３９】図５は、本発明によるトルク分担を示す図
である。横軸はブースト差圧（＝現状ブースト圧−目標
ブースト圧）を表し、縦軸はトルクを表している。曲線
イは所要トルクであり、曲線ロはエンジン３自身が発生
するトルク（＝補正アクセル開度Ａ₂₀を基にしてガバナ
制御されて発生するトルク）である。Ｔ_Eは、ブースト
差圧がＢ_Dの時にエンジン３自身が発生しているトル
ク、Ｔ_Aは同じ時に車両発電機１５から与えられるアシ
ストトルクである。アシストトルクＴ_Aが増えると、そ
の分だけエンジントルクＴ_Eが減少され（従って、燃料
が節約される）、全体としては所要トルクを発生してい
る。【００４０】【発明の効果】以上述べた如く、本発明の排気エネルギ
ー回収装置によれば、エネルギー回収時に、ターボチャ
ージャ回転電機の発電電力で車両発電機をモータ運転
し、エンジンにアシストトルクを与える場合、アシスト
トルクに相当する分だけアクセル開度を小にした補正ア
クセル開度を算出する。そして、エンジンを制御するエ
ンジンコントローラに対しては、アクセルセンサから検
出される実際のアクセル開度ではなく、補正アクセル開
度を入力し、これに従ってエンジンを制御させるので、
エンジン全体のトルクを必要以上に大にすることがな
く、しかも消費する燃料を少なくすることが出来る。

【図面の簡単な説明】【図１】本発明の排気エネルギー回収装置のブロック
図【図２】補正アクセル開度を求める過程を示す図【図３】アクセル開度信号切換装置の切り換え信号の
生成過程を説明する図【図４】アクセル開度信号切換装置の構成を示す図【図５】本発明によるトルク分担を示す図【図６】目標ブースト圧マップを示す図【図７】従来の排気エネルギー回収装置のブロック図【図８】パワーユニットの構成を示す図【図９】トルクアップ必要領域およびエネルギー回収
領域を示す図【符号の説明】１…エンジン回転数センサ、２…プーリ、３…エンジ
ン、４…排気管、５…ガバナ、６…ベルト、７…吸気
管、８…ブースト圧センサ、９…ターボチャージャ、１
０…タービンブレード、１１…コンプレッサブレード、
１２…ターボチャージャ回転電機、１２−１…回転子、
１２−２…固定子、１３…ポジションセンサ、１４…プ
ーリ、１５…車両発電機、１６…パワーユニット、１７
…バッテリ、１８…電気負荷、１９…エンジンコントロ
ーラ、２０…エネルギー回収コントローラ、２１…アク
セルセンサ、２２…アクセル開度信号切換装置、２３，
２４…信号線、２５…目標ブースト圧マップ、３０…イ
ンバータ整流回路、３１…整流回路、３２…インバー
タ、３３…平滑回路、３４…昇圧回路、３５…インバー
タ整流回路、３６…インバータ、３７…整流回路、３８
…平滑回路、３９…レギュレータ、４０…切替回路、４
１…制御部

Claims

(57)【特許請求の範囲】【請求項１】エネルギー回収時にはモータ運転されエ
ンジンにアシストトルクを付与する車両発電機と、ター
ボチャージャに付設され、ターボ作用が不足している場
合にはモータ運転され、排気エネルギーが大である場合
には発電機運転されるターボチャージャ回転電機と、前
記車両発電機，前記ターボチャージャ回転電機，バッテ
リおよび電気負荷間の電力の流れを制御するパワーユニ
ットと、エンジンを制御するエンジンコントローラと、
前記パワーユニットでの制御を指示すると共に、エネル
ギー回収時にはアシストトルク相当分だけアクセル開度
を少なくした補正アクセル開度を算出するエネルギー回
収コントローラと、アクセルセンサからの検出アクセル
開度と前記補正アクセル開度とが入力され、前記エネル
ギー回収コントローラからの切り換え信号により、正常
状態にて排気エネルギーを回収する場合には前記補正ア
クセル開度を選択し、それ以外の場合には検出アクセル
開度を選択して前記エンジンコントローラに入力するア
クセル開度信号切換装置とを具えたことを特徴とする排
気エネルギー回収装置。