JP4529716B2 - エンジンの過給装置 - Google Patents

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Description

本発明は、過給によりエンジントルクの増大を図るエンジンの過給装置の技術分野に属する。
従来より、エンジントルクの増大を図る手段として吸気を過給するスーパーチャージャやターボチャージャが周知であるが、いずれも過給能力がエンジン回転数の影響を大きく受ける結果、低回転領域で過給圧が不足するという欠点がある。これに対し、電気的に駆動される電動過給機は、エンジン回転数の影響を受けることなく回転数を制御できるので、低回転領域でも十分な過給圧を発生し得る利点がある。
例えば特許文献1に記載のエンジンの過給装置は、吸気通路上に配置された電動過給機と、該過給機の上、下流側を連通するバイパス通路と、該バイパス通路上に設けられたバイパス弁とを有し、エンジンの運転状態が低回転高負荷領域の過給領域にあるときに、過給機を作動させると共にバイパス弁を閉じることにより、過給を行うようになっている。
特開2003−227342号公報
ところで、前記のような過給装置では、スロットル弁が開かれてエンジンの運転状態が過給領域に入ったときに、バイパス弁の閉動作に対して電動過給機の立ち上がりが遅れて、一時的に吸気通路内に大きな吸入負圧が発生することがある。そして、特にエンジン回転数が高回転数側に属する場合に、一層大きな吸入負圧が発生する。
このような状態で電動過給機が作動すると、前記吸入負圧が、電動過給機の回転抵抗が小さくなるように、もしくは電動過給機の回転を助長するように作用する。
その結果、図12の符号アで示す理想的な過給機の回転数の立ち上がり方に比べて、符号イで示すように回転数が急激に上昇し、これに伴って過給機に大電流が流れることになる。このように過給機に大電流が流れると、過給機への給電回路に備えられた遮断装置が作動して該過給機への給電が遮断されることにより、該過給機の作動が停止し、また、遮断装置が備えられていない場合は、符号ウで示すように目標回転数に至るまで急激に回転数が上昇して該過給機の焼損を生じるおそれがある。
そこで、本発明は、エンジンの過給装置において、エンジンの運転状態が過給領域に移行した際に電動過給機に大電流が流れることを防止することを課題とする。
前記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。
まず、本願の請求項1に記載の発明は、吸気通路に設けられた電動過給機と、吸気通路における該電動過給機の上、下流側を連通させるバイパス通路と、該バイパス通路を開閉するバイパス弁とを備え、エンジンの運転状態が所定の過給領域に属するときに、前記電動過給機を作動させると共にバイパス弁を閉動作させるエンジンの過給装置であって、エンジンの運転状態が過給領域に入ったときに、該過給領域の高回転側に設定された過電流領域に属するか否かを判定する過電流領域判定手段と、該判定手段により運転状態が過電流領域に属すると判定されたときに、スロットル弁の開動作を抑制するスロットル開度制御手段とを有することを特徴とする。
また、請求項2に記載の発明は、吸気通路に設けられた電動過給機と、吸気通路における該電動過給機の上、下流側を連通させるバイパス通路と、該バイパス通路を開閉するバイパス弁とを備え、エンジンの運転状態が所定の過給領域に属するときに、前記電動過給機を作動させると共にバイパス弁を閉動作させるエンジンの過給装置であって、エンジンの運転状態が過給領域に入ったときに、該過給領域の高回転側に設定された過電流領域に属するか否かを判定する過電流領域判定手段と、該判定手段により運転状態が過電流領域に属すると判定されたときに、バイパス弁の閉動作を抑制するバイパス弁制御手段とを有することを特徴とする。
また、請求項3に記載の発明は、前記請求項1または請求項2に記載のエンジンの過給装置において、エンジンの運転状態を判定する手段として回転数検出手段とスロットル開度検出手段とが備えられていると共に、前記過電流領域判定手段は、前記両検出手段により運転状態が過給領域中の所定回転数以上の領域にあることを検出したときに運転状態が過電流領域に属すると判定することを特徴とする。
そして、請求項4に記載の発明は、前記請求項1または請求項2に記載のエンジンの過給装置において、電動過給機は一定電力で駆動されるように構成され、かつ、電動過給機に電力を供給するバッテリと、該バッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出手段と、該検出手段により検出されたバッテリ電圧が低い時には、高い時に比べて低回転数側に過電流領域を拡大させる過電流領域変更手段とを有することを特徴とする。
エンジンの運転状態が過給領域に入ると、バイパス弁の閉動作と同時に電動過給機が作動することになるが、高エンジン回転状態では一時的に吸気通路内に大きな吸入負圧が発生する。
しかしながら、請求項1に記載の発明によれば、エンジンの運転状態が前記過電流領域に入ったときに、スロットル弁の開動作が抑制され、その開動作の増大が緩やかに行われるので、吸気通路内の吸入負圧の立ち上がりが緩やかになる。そして、このようにスロットル弁が緩やかに開動作する間、過給機の回転数が上昇するので、大きな吸入負圧の発生が回避されることになる。これによって、吸入負圧による過給機の回転数の急激な上昇が抑制され、該過給機に大電流が流れることが防止される。
また、請求項2に記載の発明によれば、エンジンの運転状態が前記過電流領域に入ったときに、バイパス弁の開動作が抑制され、その開動作の増大が緩やかに行われるので、吸気通路内の吸入負圧の立ち上がりが緩やかになる。そして、このようにバイパス弁が緩やかに開動作する間、過給機の回転数が上昇するので、大きな吸入負圧の発生が回避されることになる。これによって、吸入負圧による過給機の回転数の急激な上昇が抑制され、該過給機に大電流が流れることが防止される。
一方、請求項3に記載の発明によれば、過電流領域に移行したか否かを判定する具体的な方法として、回転数検出手段とスロットル開度検出手段とが備えられて、これらの手段により運転状態が過給領域中の所定回転数以上の領域にあることが検出されたときに、運転状態が過電流領域に属すると判定される。
ところで、電動過給機が一定の電力の供給により駆動されるように構成されている場合は、電力供給源であるバッテリの電圧が低いときは、過給機に供給される電流が増大されることになる。従って、バッテリ電圧が低い時は過給機に大電流が流れやすくなる。
これに対して、請求項4に記載の発明によれば、バッテリ電圧が低い時に、高い時に比べて低回転側に過電流領域が拡大されるので、バッテリ電圧の状態に拘らず確実に電動過給機に大電流が流れることが防止される。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
まず、本発明の第1の実施の形態について説明すると、図1は、本実施の形態に係るエンジンの吸気系1を示している。この吸気系1において、吸気通路2には、上流側からエアクリーナ3、電動過給機4、スロットル弁5、サージタンク6が設けられ、該サージタンク6から各気筒#1〜#4内にそれぞれ通じる複数の独立吸気通路7…7が分岐されている。
また、該吸気通路2における電動過給機4の上、下流側を直接連通させるバイパス通路8が設けられており、該バイパス通路8に、該通路8を通過する空気の流量を制御するバイパス弁9が設けられている。
前記電動過給機4は、コンプレッサ4aとモータ4bとを備え、モータ4bの駆動によりコンプレッサ4aが空気を吸入して各気筒#1〜#4に圧送することで、空気充填量ないしエンジントルクを増大させる。
また、このエンジンには、該エンジンの駆動により発電を行うオルタネータ20と、該オルタネータ20で発電された電力を蓄えるバッテリ21とが備えられている。
また、このエンジンを制御するエンジン制御装置100が備えられ、該制御装置100に、アクセル30aの踏込み量(エンジン負荷)を検出するアクセル開度センサ30からの信号、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ31からの信号、バッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出センサ32からの信号、電動過給機4の回転数を検出する過給機回転数センサ33等が入力されるようになっている。
そして、それらの入力信号に基いてスロットル弁5を開閉駆動するスロットルアクチュエータ34、各気筒#1〜#4に備えられた点火プラグ35…35、吸気系1を制御する吸気システムコントローラ101に各種の制御信号を出力する。さらに、前記吸気システムコントローラ101は、バイパス弁9を開閉駆動するバイパスアクチュエータ36、電動過給機4の回転数を制御する電動過給機コントローラ102などに制御信号を出力する。この電動過給機コントローラ102には、上記バッテリ21から電力が供給されるようになっている。
なお、前記吸気通路2、電動過給機4、バイパス通路8、及びバイパス弁9は、請求項1に記載の過給装置の前提となる構成要素に相当する。そして、エンジン制御装置100は請求項1〜3に記載の過給装置の過電流領域判定手段に相当し、吸気システムコントローラ101は請求項1に記載の過給装置の回転数制御手段に相当する。また、エンジン制御装置100は請求項2に記載の過給装置のスロットル開度制御手段に相当する。さらに、吸気システムコントローラ101は請求項3に記載の過給装置のバイパス弁制御手段に相当する。また、エンジン回転数センサ31が請求項4に記載の過給装置の回転数検出手段に相当し、アクセル開度センサ30が請求項4に記載の過給装置のスロットル開度検出手段に相当する。そして、バッテリ電圧検出センサ32が請求項5に記載の過給装置のバッテリ電圧検出手段に相当し、吸気システムコントローラ101が請求項5に記載の過給装置の過電流領域変更手段に相当する。
一方、前記エンジン制御装置100には、図2に示すエンジンの運転領域を設定したマップが記憶されている。このマップには、エンジン回転数とスロットル開度とをパラメータとした4つの領域が設定されている。即ち、全エンジン運転領域の高回転側及び低回転低負荷側には自然吸気領域、低負荷高回転側には過給領域が設定されている。また、過給領域内の低回転側にはサージング領域、過給領域の回転数Nx以上には過電流領域が設定されている。
前記自然吸気領域では、バイパス弁9が開いた状態で電動過給機4が作動しないように制御される。そして、吸気通路2に導入された空気は、図1の矢印Aに示すようにバイパス通路8を順方向に流れて、各気筒#1〜#4に供給される。
前記過給領域では、バイパス弁9を閉じた状態で電動過給機4が作動するように制御される。そして、吸気通路2に導入された空気は図1の矢印Bに示すように吸気通路2を流れて、過給機4に吸入され、下流側に圧送される。
前記サージング領域では、バイパス弁9を半開とした状態で電動過給機4が作動するように制御される。このサージング領域は、電動過給機4の下流側の圧力が高く、吸気の流量が少ない状態になって、吸気が電動過給機4を逆流し易い領域である。ここでは、バイパス弁9を半開にした状態で過給機4を作動させることにより、図1の矢印Cに示すように吸気の一部をバイパス通路8を逆流させて循環させるようにしている。
前記過電流領域では、電動過給機4を作動させると共にスロットル弁5を緩やかに開くように制御される。
一方、図3のマップは、電動過給機4の特性を示すもので、このマップには、吸入空気量を横軸にして、電動過給機4の上、下流側の圧力比が縦軸に示されている。そして、この電動過給機4の使用領域として、図に示す領域Xが設定されている。なお、領域Xの低吸入空気量高圧力比側の領域Yは、電動過給機4の下流側の圧力が高く、空気の流量は少ないので、前述のサージングが起き易い領域となる。
さらに、前記領域Xには、電動過給機4の消費電力に応じた領域a〜pが設定されている。これらの領域a〜pは、吸入空気量の増加に対して圧力比が減少するような複数の曲線で分割されてなる略短冊状の領域であり、低吸入空気量低圧力比側の領域aから順に消費電力は増加する。
また、領域Xには、電動過給機4の回転数の特性が示されている。この特性は、領域Xの低吸入空気量低圧力比側に回転数40000rpmの曲線が設定され、高吸入空気量高圧力比側に移るに従って回転数は増加することが示されている。
ところで、本実施の形態で使用する電動過給機4の定格電力は2kWであり、電動過給機4の消費電力が定格電力の半分の1kWで運転させる。例えば、要求される吸入空気量が2m/minのときは、1kWの領域h上の点Zに対応する回転数(62000rpm)で運転させることになる。
そして、電動過吸機4及びバイパス弁9は、エンジン制御装置100、吸気システムコントローラ101、及び電動過給機コントローラ102により、図4に示すフローチャートに従って制御される。
まず、ステップS1で、エンジン制御装置100により、各種信号を各センサから読み込むと共に、ステップS2で、これらの信号に基いて吸入空気量を求める。具体的には、アクセル開度センサ30により検出されたスロットル開度とエンジン回転数センサ31により検出されたエンジン回転数とに基いて吸入空気量を演算する。このとき、センサ等で吸入空気量を検出するようにしてもよい。
そして、ステップS3で、エンジンの運転状態が過給領域に属するか否かを判定し、過給領域に属さないときは、ステップS4に進んで電動過給機4を停止させ、ステップS5でバイパス弁9を全開に制御する。これによって、エアクリーナ3から導入された空気がバイパス通路8を介して各気筒#1〜#4に供給される自然吸気が実行される。
一方、ステップS3で、エンジンの運転状態が過給領域に属すると判定されたときは、ステップS6に進み、過給機回転数が目標回転数から所定値αを減算した値以上か否かを判定する。そして、過給機回転数が目標回転数から所定値αを減算した値よりも小さいときは、ステップS7に進んで過給機回転数のフィードフォワード制御を行う。フィードフォワード制御によって過給機回転数を制御することにより過給機4の立ち上がりの応答性を向上させる。
また、過給機回転数が目標回転数から所定値αを減算した値以上のときは、ステップS8に進んで過給機回転数のフィードバック制御を行う。なお、前記フィードフォワード制御及びフィードバック制御は、図3に示したように、過給機4の消費電力が1kWになるように維持されると共に、前記ステップS2で求めた吸入空気量が得られるように過給機4の回転数が制御される。
次に、ステップS9で、エンジンの運転状態がサージング領域に属するか否かを判定する。運転状態がサージング領域に属さないときは、ステップS10に進み、バイパス弁9を全閉に制御する。
一方、ステップS9で、エンジンの運転状態がサージング状態に属するときは、ステップS11に進み、バイパス弁9を半開に制御する。これによって、電動過給機4から吐出された空気の一部がバイパス通路8を逆流することになり、その結果、過給機4下流の吸気通路2の圧力が下がってサージングの発生が未然に回避される。
次に、この電動過給機4及びバイパス弁9の制御と並行して、スロットル弁5の開閉制御が図5のフローチャートに従って行われる。
まず、ステップS21で、エンジン制御装置100により、各種信号を各センサから読み込む。そして、ステップS22で、エンジンの運転状態が過電流領域に属するか否かを判定する。
このとき、過電流領域は、バッテリ電圧検出センサ32により検出されたバッテリ電圧の値に応じて変更される。即ち、過電流領域は、図6に示すように、バッテリ電圧が高いほど過電流領域の回転数下限を決めるNxの値が増加するように設定される。そして、このようにして設定された図2に示したマップにおいて、アクセル開度センサ30及びエンジン回転数センサ31による検出結果に基いて、運転状態が過電流領域に属するか否かを判定するのである。
そして、ステップS22で運転状態が過電流領域に属さないときは、ステップS23に進み、スロットル弁5の通常制御を行う。例えば、運転状態が過電流領域以外の過給領域に属する場合は、スロットル弁5は全開に制御される。
一方、ステップS22で、運転状態が過電流領域に属すると判定されたときは、ステップS24に進み、電動過給機4が前述のフィードフォワード制御中か否かを判定する。そして、フィードフォーワード制御中でないときは、ステップS23に進み、スロットル弁5の通常制御を行う。また、フィードフォワード制御中のときは、ステップS25に進み、前回過電流領域か否かを判定する。そして、前回過電流領域でないとき、即ち初めて過電流領域に属するときは、ステップS26に進み、スロットル弁5の徐開制御(図7参照)を行う。
また、ステップS25で、前回過電流領域のとき、即ち既に過電流領域にある状態のときは、ステップS27で、スロットル弁5が目標開度に一致しているか否かを判定する。ここで、スロットル弁5が目標開度に一致しているときは、ステップS23に進み、スロットル弁5の通常制御を行う。また、目標開度に一致しないときは、ステップS26に進み、スロットル弁5の徐開制御を行う。
そして、以上のような制御によると、図2に示すようにエンジンの運転領域が自然吸気領域にある点Pから過電流領域にある点Qに移行する場合、図7に示すように、スロットル弁5を即座に全開にせず、緩やかに開動作を行う徐開制御が行われる。その結果、過電流領域に移行した際に、吸気通路2内の吸入負圧の立ち上がりが緩やかになる。そして、このようにスロットル弁5が緩やかに開動作する間、過給機4の回転数が上昇するので、大きな吸入負圧の発生が回避されることになる。従って、過給機4の回転数が急激に立ち上がることが回避され、該過給機4に大電流が流れることが防止される。
また、電動過給機4が一定の電力の供給により駆動されるように構成されている場合は、バッテリ21の電圧が低いときは、過給機4に供給される電流が増大されることになる。従って、バッテリ電圧が低い時は過給機4に大電流が流れやすくなるが、前述のように、バッテリ電圧が低い時に、高い時に比べて低回転側に過電流領域が拡大されるので、バッテリ電圧の状態に拘らず確実に電動過給機4に大電流が流れることが防止される。
なお、ステップS22の説明におけるバッテリ電圧に応じて過電流領域を変更することが請求項4に記載の発明の主旨に相当し、エンジンの運転状態がこのようにして設定された過電流領域に属するか否かを図2のマップを用いてエンジン回転数及びアクセル開度(スロットル開度)に応じて判定することが請求項3に記載の発明の主旨に相当する。またステップS26が請求項1に記載の発明の主旨に相当する。
ここで、本発明の参考例について説明する。
この参考例においては、図2に示した過電流領域では、電動過給機4の回転数の上昇を抑制する制御が行われる。そして、電動過給機4及びバイパス弁9は、図8に示すフローチャートに従って制御される。なお、このフローチャートにおいて、ステップS31〜S41は、前記第1の実施の形態における図4のフローチャートのステップS1〜S11と同様の制御であるので、これらの説明は省略する。
ステップS40で、バイパス弁9を全閉に制御した後、ステップS42でエンジンの運転状態が過電流領域にあるか否かを判定する。そして、運転状態が過電流領域に属さないないときは、過給機回転数の通常制御を行う。この通常制御では、消費電力を1kWに維持して、ステップS32で演算した吸入空気量を実現するように過給機回転数が制御される。
また、運転状態が過電流領域に属するときは、ステップS43に進み、過給機4のフィードフォワード制御中か否かを判定する。フィードフォワード制御中でないときは、過給機回転数の通常制御を行い、フィードフォワード制御中のときは、ステップS44に進み、過給機回転数の抑制制御を行う。
過給機回転数の抑制制御は、具体的には、指示回転数を低下させる他、過給機4の駆動電力を低下させたり、別途用意した過電流領域用のマップに基いて過給機回転数を抑制するように制御するなどの方法がある。
そして、エンジンの運転状態が図2の点Pから点Qに移行したときに、図9に示すように、電動過給機4の回転数を低下させるように制御した結果、過給機4下流の吸気通路2に吸入負圧が発生するにも拘らず、過給機4の回転数が急激に立ち上がることがなくなり、該過給機4に大電流が流れることが防止される。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
この実施の形態においては、図2に示した過電流領域では、バイパス弁9の開動作を抑制する制御が行われる。そして、電動過給機4及びバイパス弁9は、図10に示すフローチャートに従って制御される。なお、このフローチャートにおいて、ステップS51〜S59は、前記第1の実施の形態における図4のフローチャートのステップS1〜S9と同様の制御であるので、これらの説明は省略する。
ステップS59でエンジンの運転状態がサージング領域に属するときは、ステップS60でバイパス弁9を半開に制御する。また、運転状態がサージング領域に属さないときは、ステップS61に進み、運転状態が過電流領域に属するか否かを判定する。運転状態が過電流領域に属さないときは、ステップS62に進み、バイパス弁9を全閉に制御する。一方、運転状態が過電流領域に属するときは、ステップS63で電動過給機4がフィードフォワード制御中か否かを判定する。フィードフォワード制御中でないときは、ステップS62に進み、フィードフォワード制御中のときは、ステップS64でバイパス弁9の徐閉制御(図11参照)を行う。
そして、図11に示すように、エンジンの運転状態が図2の点Pから点Qに移行したときに、バイパス弁9を緩やかに閉動作させる徐閉制御が行われるので、過給機4下流の吸気通路2における急激な吸入負圧の発生が防止され、該過給機4に大電流が流れることが防止される。このように、バイパス弁9を閉じるタイミングを遅らせることによって、バイパス通路8から流れる自然吸気により吸入負圧を相殺すると共に、この間過給機4の回転数を高め、該過給機4による吐出圧が吸入負圧より大きくなるタイミングでバイパス弁9が全閉になるように制御される。
なお、ステップS64が本発明の請求項2に記載の発明の主旨に相当する。
本発明は、エンジンの過給装置において、エンジンの運転状態が過給領域に移行した際に電動過給機に大電流が流れることを防止することを目的とする。本発明は、過給によりエンジントルクの増大を図るエンジンの過給装置の技術分野に広く好適である。
本発明の実施の形態に係るエンジンの吸気系である。 エンジンの運転領域を示すマップである。 電動過給機の特性を示すマップである。 吸気系の制御に係るフローチャートである。 スロットル弁の制御に係るフローチャートである。 バッテリ電圧に応じた過電流領域の回転数下限値を示すマップである。 吸気系の制御に係るタイムチャートである。 本発明の参考例における吸気系の制御に係るフローチャートである。 同吸気系の制御に係るタイムチャートである。 本発明の第2の実施の形態における吸気系の制御に係るフローチャートである。 同吸気系の制御に係るタイムチャートである。 従来の問題点の説明図である。
符号の説明
2 吸気通路
4 電動過給機
8 バイパス通路
9 バイパス弁
30 アクセル開度センサ
31 エンジン回転数センサ
33 バッテリ電圧検出センサ
100 エンジン制御装置
101 吸気システムコントローラ

Claims (4)

  1. 吸気通路に設けられた電動過給機と、吸気通路における該電動過給機の上、下流側を連通させるバイパス通路と、該バイパス通路を開閉するバイパス弁とを備え、エンジンの運転状態が所定の過給領域に属するときに、前記電動過給機を作動させると共にバイパス弁を閉動作させるエンジンの過給装置であって、
    エンジンの運転状態が過給領域に入ったときに、該過給領域の高回転側に設定された過電流領域に属するか否かを判定する過電流領域判定手段と、
    該判定手段により運転状態が過電流領域に属すると判定されたときに、スロットル弁の開動作を抑制するスロットル開度制御手段とを有することを特徴とするエンジンの過給装置。
  2. 吸気通路に設けられた電動過給機と、吸気通路における該電動過給機の上、下流側を連通させるバイパス通路と、該バイパス通路を開閉するバイパス弁とを備え、エンジンの運転状態が所定の過給領域に属するときに、前記電動過給機を作動させると共にバイパス弁を閉動作させるエンジンの過給装置であって、
    エンジンの運転状態が過給領域に入ったときに、該過給領域の高回転側に設定された過電流領域に属するか否かを判定する過電流領域判定手段と、
    該判定手段により運転状態が過電流領域に属すると判定されたときに、バイパス弁の閉動作を抑制するバイパス弁制御手段とを有することを特徴とするエンジンの過給装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載のエンジンの過給装置において、
    エンジンの運転状態を判定する手段として回転数検出手段とスロットル開度検出手段とが備えられていると共に、
    前記過電流領域判定手段は、前記両検出手段により運転状態が過給領域中の所定回転数以上の領域にあることを検出したときに運転状態が過電流領域に属すると判定することを特徴とするエンジンの過給装置。
  4. 請求項1または請求項2に記載のエンジンの過給装置において、
    電動過給機は一定電力で駆動されるように構成され、かつ、
    電動過給機に電力を供給するバッテリと、
    該バッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出手段と、
    該検出手段により検出されたバッテリ電圧が低い時には、高い時に比べて低回転数側に過電流領域を拡大させる過電流領域変更手段とを有することを特徴とするエンジンの過給装置。
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