JP4544120B2 - エンジンの過給装置 - Google Patents

Description

本発明は、遠心式過給機をバイパスするバイパス吸気通路と、バイパス吸気通路を開閉制御する吸気制御弁（バイパスバルブ）とを有し、エンジンの運転状態が所定の過給領域にあるときに吸気制御弁を閉じるとともに遠心式過給機を作動させて過給を行うようなっているエンジンの過給装置に関するものである。

排気ターボ式、機械式、あるいは電動式の遠心式過給機を設けて吸気の充填効率を高めるようにした過給機付きエンジンは従来知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、一般に遠心式過給機では、空気流量が少なく、かつ圧力比が高いサージング領域（低回転・高負荷領域の一部）では過給機にサージングが発生し、かかるサージングは過給効率を低下させるとともに過給機（とくにインペラ）の材料を疲労させる。そこで、エンジンの運転状態がサージング領域に近づいたときに、加圧された吸気の一部を、例えば過給機より上流の吸気系、あるいは排気系に逃がすことによりサージングを回避ないしは抑制するようにしたエンジンが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−３４６９１０号公報（段落［００１２］、図１） 特開２００４−２５１２４０号公報（段落［００２０］、図２）

そして、例えば特許文献２に記載されている従来の過給機付きエンジンでは、吸気流量と、過給機下流の吸気圧ひいては圧力比とに基づいてサージングが発生するか否かを予測し、サージングが発生すると予測されるときには、加圧された吸気の一部を逃がすようにしている。しかしながら、サージングが発生する条件は、吸気流量と圧力比とによって一義的に決まるわけではない。このため、従来のこの種のエンジンでは、サージングを確実かつ迅速に回避ないしは抑制することは困難であるといった問題がある。また、不必要に吸気を逃がして過給性能を低下させ、燃費性能の低下を招くといった問題もある。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、過給性能ひいては燃費性能を低下させることなく、遠心式過給機のサージングを確実かつ迅速に回避、解消ないしは抑制することができるエンジンの過給装置を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明に係るエンジンの過給装置（以下、略して「過給装置」という。）は、遠心式過給機が配設された過給吸気通路（共通吸気通路）と、遠心式過給機をバイパスするバイパス吸気通路と、バイパス吸気通路を開閉制御する吸気制御弁（バイパスバルブ）とを有し、エンジンの運転状態が所定の過給領域にあるときに、吸気制御弁を閉じるとともに遠心式過給機を作動させて過給を行うようなっている。そして、この過給装置は、遠心式過給機のサージングを検出するサージング検出手段と、過給時にサージング検出手段によってサージングが検出されたときに吸気制御弁を開弁方向に制御する（動作させる）一方、サージングが検出されなくなったときに吸気制御弁を閉弁方向に制御する（動作させる）吸気制御弁制御手段とを備えている。吸気制御弁制御手段は、吸気制御弁を閉弁方向に制御するときの弁開度変化速度（閉弁速度）が開弁方向に制御するときの弁開度変化速度（開弁速度）よりも小さくなるよう、吸気制御弁を制御する。
ここで、遠心式過給機としては、例えばモータによって駆動される遠心式電動過給機などを用いることができる。この場合、サージング検出手段が、モータの回転数の振動に基づいて遠心式過給機のサージングを検出するようになっているのが好ましい。

本発明に係る過給装置においては、吸気制御弁制御手段が、エンジン回転数の変化率（変化量）が大きいときほど、吸気制御弁を閉弁方向に制御するときの弁開度変化速度（閉弁速度）が大きくなるよう、吸気制御弁を制御するようになっているのが好ましい。

また、本発明に係る過給装置においては、サージング検出手段が、遠心式過給機より下流側の吸気系統に配設された吸気圧力センサの検出値の振動周波数に基づいて遠心式過給機のサージングを検出するようになっているのが好ましい。この場合、サージング検出手段が、吸気圧力センサの検出値の振動周波数がサージングに対応（関連）するサージング関連周波数であるときに、遠心式過給機のサージングを検出するようになっているのが、より好ましい。

本発明に係る過給装置においては、過給時に遠心式過給機のサージングが検出されたときには、吸気制御弁が比較的大きい開弁速度で開弁されるので、サージングを迅速かつ確実に解消する（消滅させる）ことができる。他方、サージングが検出されなくなったときには、吸気制御弁が比較的小さい閉弁速度で閉弁されるので、吸気制御弁の開度を、サージングの回避と過給性能の維持とが両立する最適な開度に可及的に長くとどまらせることができる。したがって、サージングを回避しつつ過給性能ひいては燃費性を高く維持することができる。なお、遠心式過給機として遠心式電動過給機を用いる場合は、遠心式電動過給機の消費電力を低減することができ、ひいては燃費性能の低下を防止ないしは抑制することができる。

一般に、この種の過給機付きのエンジンでは、エンジン回転数の変化が大きいときほど、エンジンに吸入される単位時間当たりの吸入空気量が増加するので、サージングが発生しにくくなり、またサージングが解消されやすくなる。したがって、本発明に係る過給装置において、エンジン回転数の変化率が大きいときほど吸気制御弁の閉弁速度を大きくする場合は、サージングのこのような特性に応じて適切に吸気制御弁を閉弁制御することができ、サージングの解消ないしは抑制と過給性能ないしは燃費性能の向上とを、より有効に両立させることができる。

本発明に係る過給装置において、吸気圧力センサの検出値の振動周波数に基づいてサージングを検出するようになっている場合、あるいは吸気圧力センサの検出値の振動周波数が関連周波数であるときに遠心式過給機のサージングを検出するようになっている場合は、サージング以外の原因による振動、例えばアクセルペダル操作に伴って生じる振動とサージングに起因する振動とを識別ないしは区別することができる。したがって、サージング以外の原因による振動を、サージングに起因する振動と誤認するのを防止することができる。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態（本発明を実施するための最良の形態）を具体的に説明する。
図１に示すように、本発明に係るエンジン１には、第１〜第４気筒＃１〜＃４に燃料燃焼用の空気（以下「吸入空気」という。）を供給する吸気装置２が設けられている。吸気装置２には、先端が大気に開口する共通吸気通路３（過給吸気通路）が設けられ、この共通吸気通路３には、吸入空気の流れ方向にみて上流側から順に、吸入空気中のダストを除去するエアクリーナ４と、吸入空気の流量を検出するエアフローセンサ６と、遠心式電動過給機５（以下、略して「電動過給機」という。）と、共通吸気通路３の通路断面（ないしは吸入空気）を絞るスロットル弁７とが設けられている。なお、エアフローセンサ６は、順流方向及び逆流方向に吸入空気の流量を検出することができるようになっているのが好ましい。

そして、共通吸気通路３の下流端は、吸入空気の脈動を打ち消して吸入空気の流れを安定させるサージタンク８に接続されている。サージタンク８には、それぞれ互いに独立して、サージタンク８内の空気を第１〜第４気筒＃１〜＃４に供給する４つの独立吸気通路９が接続されている。

さらに、吸気装置２には、電動過給機６をバイパスして、共通吸気通路３の電動過給機６より上流側の部分と下流側の部分とを連通させるバイパス吸気通路１０と、該バイパス吸気通路１０を開閉するバイパスバルブ１１（吸気制御弁）とが設けられている。バイパスバルブ１１は、バイパスバルブアクチュエータ１２によって駆動ないし制御され、バイパス通路１０を閉止又は開放し、あるいはバイパス通路１０の流路断面ひいては吸入空気の流量を制御するようになっている。

電動過給機６は、共通吸気通路３内において上流側から吸入空気を吸入して加圧し下流側に吐出するコンプレッサ６ａと、該コンプレッサ６ａを回転駆動するモータ６ｂとを有している。そして、モータ６ｂによってコンプレッサ６ａが回転駆動されているときには、スロットル弁開度が同一であれば、自然吸気の場合に比べて第１〜第４気筒＃１〜＃４に供給される吸入空気の圧力が高くなり、吸気充填効率が高められてエンジン１の出力トルクが増加する。

また、エンジン１には、クランク軸（図示せず）によって回転駆動されるオルタネータ１３（発電機）が設けられ、このオルタネータ１３によって生成された電力はバッテリ１４に蓄えられるようになっている。そして、バッテリ１４に蓄えられている電力は、該エンジン１を搭載している車両の各種電気製品に供給されるほか、ブーストドライバ１５を介してモータ６ｂに供給される。なお、ブーストドライバ１５は、コントロールユニット２０からの制御信号に従って、モータ６ｂの回転数ひいては過給の度合いないしは強度を制御する。

スロットル弁７は、アクセルペダル１７の踏み込み量に応じて、スロットル弁アクチュエータ１６によって開閉制御され、共通吸気通路３の通路断面を絞って、第１〜第４気筒＃１〜＃４に供給される吸入空気の量ひいてはエンジン１の出力を制御するようになっている。なお、このエンジン１では、アクセルセンサ１８によってアクセルペダル１７の踏み込み量（以下「アクセル踏み込み量」という。）が検出され、このアクセル踏み込み量はコントロールユニット２０に入力される。そして、コントロールユニット２０は、アクセル踏み込み量に応じてスロットル弁開度を設定し、スロットル弁アクチュエータ１６を駆動してスロットル弁開度をこの設定値に一致させるようになっている。

第１〜第４気筒＃１〜＃４では、それぞれ、吸入空気と燃料（例えば、ガソリン）の混合物である混合気が、点火プラグ１９によって点火され、混合気の燃焼によって生じる熱エネルギが、図示していないピストン、コネクチングロッド、クランクピン、クランクアーム等により機械エネルギに変換され、クランク軸を回転させるようになっている。なお、点火プラグ１９の点火時期（進角量）は、コントロールユニット２０によって制御される。

コントロールユニット２０は、コンピュータ及びメモリ等を備えたエンジン１の総合的ないしは全体的な制御装置であって、前記の「サージング検出手段」及び「吸気制御弁制御手段」を兼ねている。このコントロールユニット２０には、エアフローセンサ５によって検出される吸入空気流量、モータ回転数センサ２１によって検出されるモータ６ａの回転数、吸気圧力センサ２２によって検出されるサージタンク８内の吸入空気圧力、吸気温センサ２３によって検出される電動過給機下流における吸入空気温度、エンジン回転数センサ２４によって検出されるエンジン回転数、水温センサ２５によって検出されるエンジン水温等が制御情報として入力される。

そしてコントロールユニット２０は、これらの制御情報に基づいて、一般的な各種エンジン制御（例えば、燃料噴射制御、点火時期制御、過給圧制御、ＥＧＲ制御、等）を行うほか、電動過給機６のサージングの検出を行うとともに、サージングが検出されたときにはバイパスバルブアクチュエータ１２を介してバイパスバルブ１１を制御し、電動過給機６のサージングを回避（解消）ないしは抑制するといった制御（以下「サージング検出回避制御」という。）を行うようになっている。

次に、図２及び図３（ａ）、（ｂ）を参照しつつ電動過給機６の運転手法ないしは機能を説明する。コントロールユニット２０のメモリには、図２に示すような、エンジン負荷及びエンジン回転数をパラメータとしてエンジン１の運転領域を設定したマップが記憶されている。図２に示すように、このマップでは、運転領域は、基本的には、曲線Ｈ１より低回転・低負荷側に設定された自然吸気領域と、曲線Ｈ１と曲線Ｈ２との間に設定された過給領域とに分けられている。ここで、過給領域は、おおむね、エンジン回転数がＮ１以下でありエンジン負荷がα１以上である低回転・高負荷領域に設定されている。また、過給領域内の破線Ｈ３より低回転・高負荷側の部分は、電動過給機６にサージングが発生すると予測されるサージング領域である。なお、このエンジン１では、電動過給機６は、主として低回転・高負荷領域における燃費性能を高めるために設けられている。

かくして、自然吸気領域では、バイパスバルブ１１が完全に開弁される一方、電動過給機６の駆動は停止される。この場合、図１中の矢印Ａで示すように、吸入空気は電動過給機６のコンプレッサ６ａをバイパスして、全面的にバイパス吸気通路１０を流れる。他方、過給領域では、バイパスバルブ１１が完全に閉弁される一方、電動過給機６が駆動される。この場合、図１中の矢印Ｂで示すように、吸入空気は電動過給機６のコンプレッサ６ａによって加圧され、第１〜第４気筒＃１〜＃４に供給される。

しかしながら、過給運転中に、電動過給機６のサージングが検出されたときには、コントロールユニット２０及びバイパスバルブアクチュエータ１２によってバイパスバルブ１１が開弁方向に制御される。このとき、バイパスバルブ１１は比較的大きい開弁速度で適度に開弁され、電動過給機６（コンプレッサ６ａ）から下流側に吐出された吸入空気の一部は、図１中の矢印Ｃで示すように、バイパス吸気通路１０を介して、電動過給機６より上流側の共通吸気通路３に還流させられる。この場合、各気筒＃１〜＃４に供給される吸入空気の流量は変わらないが、コンプレッサ６ａを通過する吸入空気の流量が増加するとともに圧力比が低下するので、電動過給機６のサージングが迅速かつ確実に解消ないしは抑制される。

また、このようにサージングが検出されてバイパスバルブ１１が開弁方向に制御された後、サージングが検出されなくなったときには、コントロールユニット２０及びバイパスバルブアクチュエータ１２によってバイパスバルブ１１が閉弁方向に制御される。このとき、バイパスバルブ１１は比較的小さい閉弁速度で閉弁される。すなわち、バイパスバルブ１１の閉弁速度は開弁速度よりも小さい。なお、この閉弁速度は、エンジン回転数の変化率が大きいときほど大きくなるように設定されている。

図３（ａ）は、電動過給機６の過給特性を示すマップである。このマップにおいて、横軸は吸入空気の体積流量（以下「吸入空気量」という。）を示し、縦軸は電動過給機６の圧力比、すなわち電動過給機６より下流側（ただし、スロットル弁７より上流側）の吸入空気の圧力と上流側の吸入空気の圧力の比を示している。なお、吸入空気量はエンジン回転数に対応する。図３（ａ）に示すマップ中の領域Ｘは、サージングを起こすことなく過給を行うことができる領域（通常過給領域）である。

この領域Ｘには、電動過給機６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、吸入空気の流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、ａ〜ｐの順に消費電力は増加する。さらに、領域Ｘには、電動過給機６の回転数の特性が示されている。この特性は、領域Ｘの左下側に回転数４００００ｒｐｍの曲線が設定され、右上方向に移るに従って回転数は増加し、領域Ｘの右上側に回転数８００００ｒｐｍの曲線が設定されている。

図３（ａ）に示すマップ中の領域Ｙはサージング領域である。エンジン１の運転状態がこの領域Ｙに入っているときには、サージングを解消ないしは抑制するため、バイパスバルブ１１が開弁方向に制御されて適度に開弁され、電動過給機６（コンプレッサ６ａ）から下流側に吐出された吸入空気の一部が電動過給機６より上流側の共通吸気通路３に還流させられる。この場合、バイパスバルブ１１の開度ひいては吸入空気の還流量は、エンジン１の運転状態が図３（ａ）中の領域Ｘと領域Ｙの境界線Ｈ４上に保持されるよう、エンジン回転数（吸入空気の体積流量）に応じて制御される。

図３（ｂ）は、アイドル状態から過給を開始する際の、吸入空気量と圧力比の関係を示すグラフ（曲線Ｌ）である。図３（ｂ）において、直線Ｐ１（破線）はアイドル状態おける吸入空気量を示し、直線Ｐ２（実線）はサージング領域と通常過給領域との境界を示している。双方向矢印Ａ１は、アイドル時にエンジン１に実際に吸入される空気量を示している。ここで、過給開始時におけるサージングを解消するには、少なくとも双方向矢印Ａ２で示す量の空気を、バイパス吸気通路１０を介して上流側の共通吸気通路３に還流させなければならない。つまり、双方向矢印Ａ２は、過給開始時においてサージングを解消するための最適な空気還流量を示している。したがって、サージングを解消するために、空気還流量が双方向矢印Ａ２で示す量となるようにバイパスバルブ１１を開く必要がある。なお、エンジン回転数の上昇に伴って、エンジン１に吸入される空気が増えるので、最適な空気還流量ないしはバイパスバルブ１１の開度は小さくなる。

以下、図４及び図５に示すフローチャートに従って、コントロールユニット２０によって実行されるサージング検出回避制御（すなわち、電動過給機６のサージングの検出及び解消ないしは抑制）の具体的な制御手法を説明する。

図４及び図５に示すように、このサージング検出回避制御においては、まずステップＳ１で、エンジン１の運転状態が過給領域（図２参照）に入っているか否かが判定される。運転状態が過給領域に入っていないと判定された場合（ＮＯ）、エンジン１が過給中であれば、ステップＳ５でモータ６ｂへの電力供給が停止され、電動過給機６（コンプレッサ６ａ）による過給が停止される。続いて、ステップＳ６でバイパスバルブ１１が全開された後、再びステップＳ１が実行される。なお、エンジン１が過給中でなければ、非過給状態が維持されるだけである。

他方、ステップＳ１で運転状態が過給領域に入っていると判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ２でエンジン１が過給中であるか否かが判定される。エンジン１が過給中でないと判定された場合は（ＮＯ）、ステップＳ３でモータ６ｂへの電力供給が開始され、電動過給機６による過給が開始される。続いて、ステップＳ４でバイパスバルブ１１が全閉された後、ステップＳ７が実行される。また、ステップＳ２でエンジン１が過給中であると判定された場合は（ＹＥＳ）、すでに電動過給機６による過給が開始され、かつバイパスバルブ１１が全閉されているので、ステップＳ３、Ｓ４をスキップしてステップＳ７が実行される。

ステップＳ７では、エアフローセンサ５によって吸入空気流量が検出される（ＡＦＳ検出）。続いて、ステップＳ８で、バンドパスフィルタ処理により吸入空気流量の振動の有無が検出される。ここで、吸入空気流量の振動が検出されれば、吸入空気流量の視点から電動過給機６にサージングが発生していると判定される（吸入空気流量によるサージング判定）。

さらに、ステップＳ９で、モータ回転数センサ２１によって、モータ６ｂの回転数（以下「モータ回転数」という。）が検出される。続いて、ステップＳ１０で、バンドパスフィルタ処理により、モータ回転数の振動の有無が検出される。ここで、モータ回転数の振動が検出されれば、モータ回転数の視点から電動過給機６にサージングが発生していると判定される（モータ回転数によるサージング判定）。サージングは、電動過給機６のコンプレッサ６ａのインペラ翼の周りに空気の流れの剥離（渦）が発生することにより起こる。そして、このとき空気流の剥離によりモータ６ｂの駆動力に微小な増減が発生し、モータ回転数が振動する。このため、モータ回転数の振動を検出することにより、サージングの発生を検出することができる。

ところで、電動過給機６の下流の吸入空気圧力、例えばサージタンク８内の吸入空気圧力（以下「サージタンク圧」という。）の振動を検出することによっても、電動過給機６のサージングを検出することができる。しかし、この場合、コンプレッサ６ａのインペラ翼の周りの空気流の剥離現象を、サージタンク圧変化といった間接的な方法で検出するため、どうしても検出に時間遅れが生じる。また、サージタンク圧の振動は、サージング以外の原因、例えばアクセルペダルの操作等によっても生じる。したがって、サージタンク圧の振動に基づいてサージングを検出する場合は、該振動がサージングによるものか否かを識別ないしは区別することが必要である。

そこで、サージタンク圧の振動を検出することによりサージングの発生を検知する場合は、サージタンク圧の振動周波数に基づいてサージングを検出することにより、例えば、特定の周波数（１２〜２０Ｈｚのサージング関連周波数）の振動でもってサージングを検出することにより、サージング以外の原因による振動とサージングに起因振動とを識別ないしは区別すればよい。

なお、モータ回転数の振動は、空気流の剥離に起因するモータ６ｂのトルクの増減によって直接的に生じるので、時間遅れはほとんど生じない。また、モータ回転数の振動は、電動過給機６のサージング以外の原因によって生じることはまずありえない。したがって、該振動がサージングによるものか否かを識別ないしは区別する必要はない。

次に、一連のステップＳ１１〜Ｓ１３で、吸入空気流量によるサージング判定結果とモータ回転数によるサージング判定とに基づいて、電動過給機６におけるサージングの有無及び強度が判定される。電動過給機６にサージングが発生した場合、吸入空気流量の振動は、モータ回転数の振動に比べてかなり弱い。そこで、このサージング検出制御では、モータ回転数の視点からサージングが検出される一方、吸入空気流量の視点からはサージングが検出されていないときは、サージングは弱いものと判定するようにしている。他方、モータ回転数及び吸入空気流量の両方の視点からサージングが検出されているときは、サージングは強いものと判定するようにしている。

具体的には、ステップＳ１１で、モータ回転数及び吸入空気流量の両方の視点からサージングが検出されているか（ＭＳ＝サージ、かつ、ＡＳ＝サージ）否かが判定される。この判定がＹＥＳであれば、ステップＳ１４で電動過給機６に発生しているサージングは強いものと判定される（強サージ検知）。この場合、ステップＳ１５で、バイパスバルブ１１の開弁速度（開速度）が、サージングが弱い場合に比べて、比較的大きい値に設定される。なお、サージングの強弱にかかわらず、バイパスバルブ１１の開弁速度は、後で説明するバイパスバルブ１１の閉弁速度（閉じ速度）よりは大きい。

ステップＳ１１における判定がＮＯである場合は、ステップＳ１２で、モータ回転数の視点からはサージングは検出されず、かつ、吸入空気流量の視点からはサージングが検出されているか（ＭＳ＝否サージ、かつ、ＡＳ＝サージ）否かが判定される。この判定がＹＥＳであれば、ステップＳ１７で、モータ回転数の視点からのサージング判定は異常であると判定される。なぜなら、感度が低い吸入空気流量によるサージング判定がＹＥＳで、感度が高いモータ回転数によるサージング判定がＮＯであるという事態は通常はありえず、このような場合はモータ回転数の視点からのサージング判定は異常であると考えられるからである。続いて、ステップＳ１８で、少なくとも吸入空気流量の視点からはサージングが検出されているので、電動過給機６に発生しているサージングは強いものと判定される（強サージ検知）。この場合も、ステップＳ１５で、バイパスバルブ１１の開弁速度（開速度）が比較的大きい値に設定される。

ステップＳ１２における判定がＮＯである場合は、ステップＳ１３で、モータ回転数の視点からはサージングが検出され、かつ、吸入空気流量の視点からはサージングが検出されていないか（ＭＳ＝サージ、かつ、ＡＳ＝否サージ）否かが判定される。この判定がＹＥＳであれば、ステップＳ１９で電動過給機６に発生しているサージングは弱いものと判定される（弱サージ検知）。この場合、ステップＳ２０で、バイパスバルブ１１の開弁速度（開速度）が、サージングが強い場合に比べて、比較的小さい値（ただし、閉弁速度よりは大きい）に設定される。

ステップＳ１３における判定がＮＯである場合、すなわちモータ回転数及び吸入空気流量の両方の視点からサージングが検出されていない場合は（ＭＳ＝否サージ、かつ、ＡＳ＝否サージ）、ステップＳ２１で電動過給機６にサージングは発生していないものと判定される。この場合、ステップＳ２２で、エンジン回転数変化率（変化量）に応じてバイパスバルブ１１の閉弁速度（閉じ速度）が決定される。具体的には、エンジン回転数変化率が大きいときほど、閉弁速度を大きくするようにしている。これは、エンジン回転数の上昇により、吸入空気流量が増えるので、サージングが回避される傾向が強くなるからである。

かくして、電動過給機６のサージングが検出されたときには、ステップＳ１６でバイパスバルブ１１が、サージングの強度に応じて、ステップＳ１５又はステップＳ２０で設定された開弁速度で、所定の最大開度まで開弁される。この最大開度は、過給状態にかかわらずサージングを迅速かつ確実に解消させることができる開度（例えば、６％）に設定される。ここで、バイパスバルブ１１の開弁速度（バルブ回転角の変化速度）は、例えば、サージングが弱い場合は２２．５度／秒に設定され、サージングが強い場合は３０．０度／秒に設定される。

また、サージングの発生が検出された後、バイパスバルブ１１が開かれてサージングが検出されなくなったときには、ステップＳ２３で、バイパスバルブ１１が、ステップＳ２２で設定された閉弁速度で、開度０まで閉弁される。この場合、バイパスバルブ１１の閉弁速度は、例えば、エンジン回転数変化率が０のときには０．９度／秒に設定され、エンジン回転数変化率が大きくなるほど閉弁速度が大きくなる。

図６に、このようなサージング検出回避制御が行われた場合の、サージングの発生状況（グラフＧ１）、サージングの検出態様（グラフＧ２）及びバイパスバルブ１１の開度（グラフＧ３）の時間に対する変化特性を示す。図６に示す例では、時刻ｔ_１に電動過給機６のサージングが発生し、時刻ｔ_２でバイパスバルブ１１の開弁が開始され、ｔ_３でサージングが解消され、時刻ｔ_４でバイパスバルブの閉弁が開始され、時刻ｔ_５でバイパスバルブ１１が完全に閉弁されている。

図６において、直線Ｇ４は、サージングの回避と過給性能の維持とが最適な状態で両立するバイパスバルブ１１の開度（最適開度）を示している。なお、このバイパスバルブ１１の最適開度は、エンジン回転数、コンプレッサ６ａの回転数に応じて変化する。バイパスバルブ１１を閉じて過給運転を行うとサージングが発生する運転状態で、バイパスバルブ１１を最大開度まで開弁しておけばサージングは確実に回避されるが、過給効率が低下して燃費性能が低下する。したがって、この運転状態で過給効率ないしは燃費性能を最大限に高めるには、バイパスバルブ１１の開度を、サージングが発生しない限度で最小の開度に維持する必要がある。この最小の開度が最適開度である。

また、図６において、最適開度（直線Ｇ４）を中心とする領域Ｒは、サージングの回避と過給性能の維持とが両立するバイパスバルブ１１の開度の許容範囲を示している。サージング検出回避制御を行っているときには、バイパスバルブ１１の開度を、できるだけ長時間この許容範囲内にとどまらせるのが好ましい。なお、実験により、バイパスバルブ１１の開度を６％にすれば電動過給機６のサージングを完全に回避ないし解消することができることがわかっているので、図６に示す例では、バイパスバルブ１１の最大開度を６％に設定している。

このように、このエンジン１では、サージングを検出してこれを回避ないしは解消するためのサージング検出回避制御を行うようにしているが、そのときサージングの検出と実際の現象との間には時間遅れが生じる。このため、この時間遅れを考慮して、最適な開閉速度でバイパスバルブ１１を開閉することにより、サージング検出回避制御を行う際に、電動過給機６の消費電力の低減とサージング回避性能の向上とを両立させるようにしている。

図６から明らかなとおり、このサージング検出回避制御では、バイパスバルブ１１の閉弁速度は開弁速度よりも小さい値に設定されている。つまり、このサージング検出回避制御においては、バイパスバルブ１１の開閉速度を、バイパスバルブ１の開弁側と閉弁側とで変えているが、その技術的な理由は以下のとおりである。

すなわち、バイパスバルブ１１の開度は、前記のとおり、サージングを回避するための最適開度（サージングを回避できる最小開度）で安定させるのが望ましい。しかし、次の理由により、サージングを検知したときには、完全にサージング現象が発生している。
（１）普通のサージングの検出手法では、サージングの有無しか検知できない。
（２）サージングの検出タイミングが実際のサージング現象よりも遅れる。

そこで、サージングをなるべく早期に回避ないしは解消するため、バイパスバルブ１１を最大開度まで迅速に開弁するようにしている。このように、サージング回避の観点からは、バイパスバルブ１をなるべく迅速に開くのが有利であるが、迅速に開くと過給圧の無駄が発生し、消費電力が無駄になる。しかし、サージングを回避する際には、消費電力よりもサージング回避性を重視し、バイパスバルブ１１を迅速に開弁するようにしている。ただし、バイパスバルブ１１の開度を、最適開度付近にできる限り長時間とどまらせるため、従来のこの種のエンジンと同様の開弁速度で開弁するようにしている。

他方、バイパスバルブ１１を閉じる場合、サージングの解消（通常状態）を検知したときには、１００％確実にサージング現象は回避ないしは解消できている。しかし、ここでバイパスバルブ１１を大きい閉弁速度で迅速に閉じると、バイパスバルブ１１の開度が最適開度付近の許容範囲（領域Ｒ）にとどまっている時間が短くなる。そこで、バイパスバルブ１１をゆっくり閉じて、バイパスバルブ１１の開度ができるだけ長く許容範囲（領域Ｒ）にとどまるようにしている。ただし、バイパスバルブ１１をゆっくり閉じると、バイパスバルブ１１が開いている間に過給圧が逃げ、電動過給機６の消費電力が無駄になるので、バイパスバルブ１１を迅速に閉じるといったことも考えられる。しかし、バイパスバルブ１１を開度０まで迅速に閉弁すると、再び電動過給機６のサージングサージングが発生し、このようなサージングの発生・解消のサイクリング現象が生じるおそれがある。したがって、バイパスバルブ１１を迅速に閉じるのは好ましくない。

このように、このサージング検出回避制御によれば、過給中は、サージングの発生の有無によってバイパスバルブ１１の開閉が繰り返される。そして、前記のとおり、バイパスバルブ１１の開弁速度が閉弁速度より大きいので、バイパスバルブ１１の平均開度はサージングを回避ないしは解消することができる開度に収束する。

図７に、バイパスバルブ１１の閉速度と開速度の比（以下「速度比」という。）と、サージングの発生頻度との関係を示す。図７に示すように、速度比が小さいときほど、サージングの発生頻度が低くなっている。なお、バイパスバルブ１１の閉速度が開速度よりも小さい（速度比が１未満）ときには、サージングの発生頻度は５０％以下である。したがって、このサージング検出回避制御では、バイパスバルブ１１の閉弁速度が開弁速度よりも小さいので、サージングの発生頻度は小さくなる。

以上、本発明の実施の形態によれば、電動過給機６のサージングの発生を確実かつ迅速に検出することができ、かつサージングを確実かつ迅速に解消ないしは抑制することができる。

本発明に係る過給装置を備えたエンジンの構成を示す模式図である。 図１に示すエンジンの過給領域及び自然吸気領域を示すマップである。 （ａ）は、図１に示すエンジンの電動過給機の過給特性を示すマップであり、（ｂ）は、アイドル状態から過給を開始する際の吸入空気量と圧力比の関係を示すグラフである。 本発明に係るサージング検出抑制制御の手順を示すフローチャートである。 本発明に係るサージング検出抑制制御の手順を示すフローチャートである。 サージング検出制御を行うときの、サージングの発生状況、サージングの検出態様及びバイパスバルブの開度の時間に対する変化特性を示すグラフである。 バイパスバルブの閉速度と開速度の比と、サージングの発生頻度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ エンジン、２ 吸気装置、３ 共通吸気通路、４ エアクリーナ、５ エアフローセンサ、６ 遠心式電動過給機、６ａ コンプレッサ、６ｂ モータ、７ スロットル弁、８ サージタンク、９ 独立吸気通路、１０ バイパス吸気通路、１１ バイパスバルブ（吸気制御弁）、１２ バイパスバルブアクチュエータ、１３ オルタネータ、１４ バッテリ、１５ ブーストドライバ、１６ スロットル弁アクチュエータ、１７ アクセルペダル、１８ アクセルセンサ、１９ 点火プラグ、２０ コントロールユニット、２１ モータ回転数センサ、２２ 吸気圧力センサ、２３ 吸気温センサ、２４ エンジン回転数センサ、２５ エンジン水温センサ、＃１〜＃４ 第１〜第４気筒。

Claims (6)

1. 遠心式過給機が配設された過給吸気通路と、遠心式過給機をバイパスするバイパス吸気通路と、バイパス吸気通路を開閉制御する吸気制御弁とを有し、エンジンの運転状態が所定の過給領域にあるときに、吸気制御弁を閉じるとともに遠心式過給機を作動させて過給を行うようなっているエンジンの過給装置において、
   遠心式過給機のサージングを検出するサージング検出手段と、
   過給時にサージング検出手段によってサージングが検出されたときに吸気制御弁を開弁方向に制御する一方、サージングが検出されなくなったときに吸気制御弁を閉弁方向に制御する吸気制御弁制御手段とを備えていて、
   吸気制御弁制御手段が、吸気制御弁を閉弁方向に制御するときの弁開度変化速度が開弁方向に制御するときの弁開度変化速度よりも小さくなるよう吸気制御弁を制御することを特徴とするエンジンの過給装置。
2. 遠心式過給機が、モータによって駆動される遠心式電動過給機であることを特徴とする、請求項１に記載のエンジンの過給装置。
3. サージング検出手段が、モータの回転数の振動に基づいて遠心式過給機のサージングを検出するようになっていることを特徴とする、請求項２に記載のエンジンの過給装置。
4. 吸気制御弁制御手段が、エンジン回転数の変化率が大きいときほど、吸気制御弁を閉弁方向に制御するときの弁開度変化速度が大きくなるよう吸気制御弁を制御することを特徴とする、請求項１に記載のエンジンの過給装置。
5. サージング検出手段が、遠心式過給機より下流側の吸気系統に配設された吸気圧力センサの検出値の振動周波数に基づいて遠心式過給機のサージングを検出するようになっていることを特徴とする、請求項１に記載のエンジンの過給装置。
6. サージング検出手段が、吸気圧力センサの検出値の振動周波数がサージングに対応するサージング関連周波数であるときに、遠心式過給機のサージングを検出するようになっていることを特徴とする、請求項５に記載のエンジンの過給装置。

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