JP4959375B2 - 自動車用電動過給機及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用内燃機関に適用される電動過給機において、自動車の発進時又は加速時等における加速性を向上させた電動過給機及びその制御方法に関する。

従来、自動車用内燃機関の気筒内に吸入する給気の圧力を高めて、気筒内の空気の重量を増大させて１サイクル当りの出力を増大させることを狙いとする過給機は古くから知られている。こうした過給機のひとつとして、内燃機関の排出する排気ガスをタービンに導いて高速回転させ、このタービンと回転軸を共用するコンプレッサを駆動させて、内燃機関に過給を行なう過給機がある。

かかる過給機の稼動は内燃機関の排気が必要であり、発進時や急速加速時等にクイックレスポンスができない。また排気の圧力が上がると内燃機関に影響を与え、内燃機関の燃焼が悪化する、燃費が悪くなるなどの問題があった。

そこで蓄電装置と、該蓄電装置の電力を変換して電動機に供給するインバータとを備え、該電動機によりコンプレッサを駆動して内燃機関の給気を過給する電動過給機が提案されている（特許文献１）。該インバータは、ＦＥＴ等のスイッチング素子で構成され、該蓄電装置から送られた直流を交流に変換し、かつ電圧及び周波数を調整して電動機を駆動する。

自動車用内燃機関の電動過給機は、内燃機関の出力を増大させる目的及び内燃機関の出力の過度応答を改善する目的で使用される。電動過給機は、コンプレッサを電動機で高速回転させ、内燃機関に圧縮空気を送り込む。高速で回転する電動機のロータとコンプレッサはギアレス直結されており、回転数は数万〜十数万ｒｐｍに達する。この電動過給機の構成を図５で説明する。

図５において、コンプレッサ０１は、該コンプレッサを駆動する電動機０２及びインバータ０３と一体に構成され、筐体０４内に収納される。インバータ０３は、ＦＥＴ等のスイッチング素子で構成され、バッテリ０５からインバータ０３に送られる直流電力ｄを交流電力に変換し、電圧及び周波数を調整して電動機０２を駆動する。給気ａは、給気口０１ａからコンプレッサ０１内に吸引された後、内燃機関０６に供給される。吸入口０６ａからエンジン０６内に吸入された給気ａは内燃機関０６を駆動した後、排気口０６ｂから排気ｂとなって排出される。

特開２００６−２５８０９４号公報

従来、前記電動過給機の電動機を回転数制御で加速するためには、一定の加速レートで昇速するような回転数指令を与えている。内燃機関はアクセルの吹き込み量と連動するが、電動過給機のコンプレッサは、加速レートが一定のため、内燃機関を急加速することが困難であった。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、運転者の操作能力に対応して、自動車の急加速時には内燃機関をアクセルの吹き込み量と連動して速やかに増速させることを可能にする電動過給機を実現することを目的とする。
また高い効率で内燃機関への過給を行い、これによって電動過給機の小型、軽量化を達成することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の電動過給機の制御方法は、電動機に電力を供給する蓄電装置を備え、該電動機によりコンプレッサを駆動して内燃機関の給気を過給する自動車用電動過給機の制御方法において、
電動機の角速度又は回転数の関数として予め設定された最大発生トルク特性に基づいて、前記電動機の回転軸の角速度又は回転数に対する最大発生トルクＴｍを算出し、
該最大発生トルクＴｍと回転軸に付加されるトルクを検出するセンサによって検出された負荷トルクＴｌとの偏差（Ｔｍ−Ｔｌ）を算出し、
該算出した偏差を加速トルクとして電動機及び負荷の慣性モーメントＪと電動機回転軸の角速度ｗを用いて加速レート（ｄｗ／ｄｔ＝（Ｔｍ−Ｔｌ）／Ｊ）を算出し、
該加速レートを基に角速度ｗおよび回転数ｆの指令値を算出し、
前記最大発生トルクＴｍと負荷トルクＴｌとの偏差（Ｔｍ−Ｔｌ）の大きさが大きくなるに従って角速度ｗまたは回転数ｆの指令値を増大させるように制御することを特徴とする。
すなわち、下記の数式（１）〜（４）から該電動機の加速レート及び角速度指令値又は回転数指令値を算出し、
該加速レート及び角速度指令値又は回転数指令値に基づいて該電動機の作動を制御するものである。
加速トルク：Ｔａ＝Ｔｍ−Ｔｌ＝Ｊ・ｄｗ／ｄｔ （１）
（ただし、Ｔｍ：最大発生トルク、Ｔｌ：負荷トルク、Ｊ：電動機および負荷の慣性モーメント、ｗ：電動機の角速度、ｔ：時間））
加速レート：ｄｗ／ｄｔ＝Ｔａ／Ｊ＝（Ｔｍ−Ｔｌ）／Ｊ （２）
角速度指令値：ｗ＝∫（Ｔｍ−Ｔｌ）／Ｊ・ｄｔ （３）
回転数指令値：ｆ＝ｗ／２π （４）

また本発明の電動過給機は、電動機に電力を供給する蓄電装置を備え、該電動機によりコンプレッサを駆動して内燃機関の給気を過給する電動過給機において、
前記電動機の回転軸の角速度又は回転数を検出するセンサと、該回転軸に付加される負荷トルクを検出するセンサと、該センサによる角速度又は回転数及び負荷トルクの検出値が入力されるとともに、電動機の角速度又は回転数の関数として予め設定された最大発生トルク特性に基づいて、前記電動機の回転軸の角速度又は回転数に対する最大発生トルクＴｍを算出し、該最大発生トルクＴｍと前記センサによって検出された負荷トルクＴｌとの偏差（Ｔｍ−Ｔｌ）を算出し、該算出した偏差を加速トルクとして電動機及び負荷の慣性モーメントＪと電動機回転軸の角速度ｗを用いて加速レート（ｄｗ／ｄｔ＝（Ｔｍ−Ｔｌ）／Ｊ）を算出し、該加速レートを基に角速度ｗおよび回転数ｆの指令値を算出し、該角速度ｗおよび回転数ｆの指令値に基づいて該電動機の作動を制御する制御装置と、を備え、該制御装置によって前記最大発生トルクＴｍと負荷トルクＴｌとの偏差（Ｔｍ−Ｔｌ）の大きさが大きくなるに従って角速度ｗまたは回転数ｆの指令値を増大させるように制御することを特徴とする。
すなわち、前記の数式（１）〜（４）から該電動機の加速レート及び角速度指令値又は回転数指令値を算出し、該加速レート及び角速度指令値又は回転数指令値に基づいて該電動機の作動を制御する制御装置を備えたものである。

前記本発明方法では、前記数式（１）〜（４）からコンプレッサを駆動する電動機回転軸の回転数の加速レート及び角速度指令値又は回転数指令値を算出し、算出した該加速レートと該角速度指令値又は回転数指令値に基づいてコンプレッサを駆動する電動機を制御するようにしている。数式（１）〜（４）を用いることによって、電動機の最大発生トルクと負荷トルクとの差が大きい初期始動時ほど急勾配の加速レート及び角速度又は回転数を設定可能である。これによって、該電動機の発生トルクを最大限に利用してコンプレッサの加速を行なうことができる。そのため、従来のように回転数を一定の加速レートで行なうトルク制御と比べて、加速時間を短縮することができる。

また前記本発明装置では、センサによりコンプレッサを駆動する電動機の回転軸の回転数及び該回転軸に負荷されるトルクを検出し、これら検出値を制御装置に入力し、該制御装置においてこれら検出値に基づいて前記数式（１）〜（４）から該電動機の作動を制御するものである。これによって、電動機の最大発生トルクと負荷トルクとの差が大きい初期始動時ほど急勾配の加速レート及び角速度又は回転数を設定できるため、該電動機の発生トルクを最大限に利用してコンプレッサの加速を行なうことができる。従って、従来のように回転数を一定の加速レートで行なう加速制御と比べて加速時間を短縮することができる。

また、本発明装置および方法によれば、電動機の最大発生トルクＴｍが該電動機の角速度又は回転数に応じて変化するので、例えば誘導電動機を用いる場合、最大発生トルクＴｍを該電動機の角速度又は回転数の関数として予め設定して角速度指令値ｗ又は回転数指令値ｆを算出するようにする。これによって、電動機の最大発生トルクＴｍが電動機の角速度又は回転数で変化する場合であっても、電動機の発生トルクを最大限に利用できる。そのため、自動車の急加速又は急発進等を可能とする。

また電動機の発生トルクは電動機の周囲温度によって変化する場合がある。本発明装置において、好ましくは、電動機の温度を検出する温度センサを設け、前記制御装置に記憶した電動機の最大発生トルクＴｍの温度特性テーブルを用いて該電動機の最大発生トルクＴｍを補正するようにするとよい。これによって、温度による電動機特性の変化に対応して電動機の角速度又は回転数を調整できるため、電動機の発生トルクを最大限に利用できて、自動車の加速時間をさらに短縮することができる。

本発明方法によれば、電動機の最大発生トルクと該コンプレッサの角速度又は回転数に応じて変化する負荷トルクとの差に基づいて、前記数式（１）〜（４）から該電動機の加速レート及び角速度指令値又は回転数指令値を算出し、該加速レート及び角速度指令値又は回転数指令値に基づいて該電動機の作動を制御するようにしているので、電動機の最大発生トルクと負荷トルクとの差が大きい始動時ほど急勾配の加速レート及び回転数を設定可能である。

従って、高速応答が必要な電動過給機において、電動機の発生トルクを最大限利用したコンプレッサの加速を行うことができるため、トルク加速レートが一定の従来の電動過給機と比べて加速時間を短縮することができる。

また内燃機関の排気で駆動されるのではなく、電動機でコンプレッサを駆動するため、運転者の操作能力に対応して、自動車の加速時にはアクセルの吹き込み量と連動して急増速が可能であるまた高い加速レートで内燃機関への過給が可能となるので、内燃機関の小型化及び軽量化が可能になる。

また本発明装置によれば、電動機の回転軸の角速度又は回転数を検出するセンサと、該回転軸に負荷されるトルクを検出するセンサと、該センサによる角速度又は回転数及び負荷トルクの検出値を入力し、前記の数式（１）〜（４）から該電動機の角速度又は回転数の加速レート及び角速度指令値又は回転数指令値を算出し、該加速レート及び角速度指令値又は回転数指令値に基づいて該電動機の作動を制御する制御装置と、を備えているので、前記本発明方法による作用効果を奏することができる。
また、本発明装置および方法によれば、最大発生トルクＴｍを該電動機の角速度又は回転数の関数として予め設定して角速度指令値ｗ又は回転数指令値ｆを算出するので、電動機の最大発生トルクＴｍが電動機の角速度又は回転数で変化する場合であっても、電動機の発生トルクを最大限に利用できる。そのため、自動車の急加速又は急発進等を可能とする。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明をそれのみに限定する趣旨ではない。
（実施形態１）

本発明の第１実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１は本実施形態の電動過給機のブロック線図であり、図２は本実施形態のトルク加速レートを示す線図であり、図３は本実施形態の回転数指令値を示す線図である。

図１において、インバータ３ではバッテリ５からインバータ３に送られる直流電力ｄを交流電力に変換し、電圧及び周波数を調整して電動機２を駆動する。電動機２の回転軸２ａはコンプレッサ１の駆動軸と接続され、コンプレッサ１を駆動する。給気ａは、コンプレッサ１内に吸引された後、内燃機関６に供給される。回転軸２ａには回転軸２ａに負荷されるトルクを検出するトルクセンサ７と、回転軸2ａの回転数を検出する回転数センサ８が取り付けられている。また電動機には電動機２の温度を検出する温度センサ９が設けられている。これらセンサ７〜９の検出信号は制御装置１０に送られる。

制御装置１０では、センサ７〜９から回転軸２ａの回転数及び負荷トルクの検出値、及び電動機２の温度検出値を受信し、これらの検出値に基づき、下記の数式（１）〜（４）から、コンプレッサ１を駆動する電動機２の回転軸２ａの加速レート及び回転数指令値を算出する。
加速トルク：Ｔａ＝Ｔｍ−Ｔｌ＝Ｊ・ｄｗ／ｄｔ （１）
（ただし、Ｔｍ：電動機２の最大発生トルク、Ｔｌ：電動機２の負荷トルク、Ｊ：電動機および負荷の慣性モーメント、ｗ：電動機２の角速度、ｔ：時間）
加速レート：ｄｗ／ｄｔ＝Ｔａ／Ｊ＝（Ｔｍ−Ｔｌ）／Ｊ （２）
角速度指令値：ｗ＝∫（Ｔｍ−Ｔｌ）／Ｊ・ｄｔ （３）
回転数指令値：ｆ＝ｗ／２π （４）

図２は、本実施形態で算出した回転軸２ａの回転数の加速レートと電動機の回転軸の回転数が一定の従来の加速レートを示す線図である。図２において、縦軸は電動機２の回転軸２ａに付加されるトルクＴ、横軸は該回転軸２ａの回転数を示す。また曲線ｅは回転数に対する電動機２の負荷トルク特性を示し、曲線ｐは電動機２の最大発生トルク特性Ｔｍを示す。曲線ｈは一定の加速レートで昇速するような回転数指令を与える従来方式の場合のトルク曲線であり、曲線ｇは本実施形態によるトルク曲線である。

従来方式では、回転数を一定のレートで加速するような加速方式であるため、トルク曲線ｈは、負荷トルク曲線ｅの上方を負荷トルク曲線ｅと一定の差をもたせて上昇するトルク曲線となる。従って、電動機の回転軸が最大発生トルクＴｍに至るのに時間がかかる。

一方本実施形態のトルク曲線ｇは、電動機２の最大発生トルク特性Ｔｍと電動機２の負荷トルク特性Ｔｌとの差である加速トルクＴａに基づいて、加速レートｄｗ／ｄｔ及び回転数指令値ｆを算出する。従って、図２に示すように、本実施形態のトルク曲線ｇは、短時間で最大発生トルクＴｍに達する。そのため、初期始動時から電動機の最大発生トルクを用いることができるので、回転数の加速レートを大きくすることができる。

図３は、電動機回転軸２ａの回転数ｆと時間ｔとの関係を示す線図である。トルク曲線の場合と同様に、本実施形態の回転数曲線ｉは、急激な上昇勾配を呈して短時間で許容最大回転数ｆｍに達する。一方従来方式の回転数曲線ｊは、許容最大回転数ｆｍに達するのに時間がかかり、本実施形態と従来方式とではΔｔ分だけの時間差を生じる。従って、自動車の急速発進及び急速加速を可能とする。

なお、図２中の曲線ｐ’は、電動機回転軸２ａの最大発生トルクが電動機の回転数に応じて変化する場合、例えば誘導電動機等の場合の最大発生トルク曲線Ｔｍ’を示す。この場合、回転軸２ａの最大発生トルクＴｍ’を速度の関数として、前記数式（１）〜（４）で回転数指令値ｆを算出すればよい。これによって、電動機回転軸の最大発生トルクＴｍが電動機の回転数に応じて変化する場合でも、電動機の発生トルクを最大限に利用することができる。
（実施形態２）

次に本発明の第２実施形態を図４により説明する。図４は、電動機２の各温度条件における温度特性係数ｋを示す線図である。電動機の発生トルクは、電動機の周囲温度の影響で変化する。これは電動機の巻き線の電導度、ベアリング用潤滑油の粘度等が温度によって変化するためと考えられる。そこで本実施形態では、温度の影響による電動機の発生トルクの変化に対して、電動機回転軸２ａの加速レートを追従させることにより、最大発生トルクＴｍに到達する時間をさらに短縮可能にしたものである。

制御装置１０には図２に相当する温度特性テーブルが記憶されている。そして温度センサ９で検出した電動機２の温度検出値に対応した温度特性係数ｋを求める。求めた温度特性係数ｋを電動機２の最大発生トルクＴｍに乗じてｋ・Ｔｍを算出し、該ｋ・Ｔｍを数式（１）のＴｍに代入し、以下前記第１実施形態と同様にして、加速レートｄｗ／ｄｔ及び回転数指令値ｆを算出する。

これによって、本実施形態では、電動機２の温度に対する温度特性を加味してトルク回転軸２ａの加速レート及び回転数指令値を算出できるので、回転軸２ａの最大発生トルクＴｍ及び許容最大回転数Ｎｍに到達する時間をさらに短縮することができる。

なお、本発明において、電動機回転軸２ａに負荷されるトルクの検出は、前記第１実施形態及び第２実施形態のように、トルクセンサ７で直接検出してもよいが、回転軸２ａの回転数に対応したトルク曲線を示す特性テーブルを予め用意し、該特性テーブルから回転数ａのトルク曲線を求めるようにしてもよい。

本発明によれば、自動車用内燃機関の電動過給機において、始動時又は加速時等に最大発生トルクに達する時間を短縮することにより、過給機の角速度又は回転数の加速レートを増加させ、自動車の急発進及び急加速を可能とする。

本発明の第１実施形態の電動過給機のブロック線図である。 前記第２実施形態の加速レートを示す線図である。 前記第１実施形態の回転数指令値を示す線図である。 本発明の第２実施形態の温度特性曲線を示す線図である。 従来の電動過給機の構成図である。

１ コンプレッサ
２ 電動機
２ａ 電動機回転軸
３ インバータ
５ バッテリ（蓄電装置）
６ 内燃機関
７ トルクセンサ
８ 回転数センサ
９ 温度センサ
１０ 制御装置

Claims (3)

1. 電動機に電力を供給する蓄電装置を備え、該電動機によりコンプレッサを駆動して内燃機関の給気を過給する自動車用電動過給機の制御方法において、
   電動機の角速度又は回転数の関数として予め設定された最大発生トルク特性に基づいて、前記電動機の回転軸の角速度又は回転数に対する最大発生トルクＴｍを算出し、
   該最大発生トルクＴｍと回転軸に付加されるトルクを検出するセンサによって検出された負荷トルクＴｌとの偏差（Ｔｍ−Ｔｌ）を算出し、
   該算出した偏差を加速トルクとして電動機及び負荷の慣性モーメントＪと電動機回転軸の角速度ｗを用いて加速レート（ｄｗ／ｄｔ＝（Ｔｍ−Ｔｌ）／Ｊ）を算出し、
   該加速レートを基に角速度ｗおよび回転数ｆの指令値を算出し、
   前記最大発生トルクＴｍと負荷トルクＴｌとの偏差（Ｔｍ−Ｔｌ）の大きさが大きくなるに従って角速度ｗまたは回転数ｆの指令値を増大させるように制御することを特徴とする電動過給機の制御方法。
2. 電動機に電力を供給する蓄電装置を備え、該電動機によりコンプレッサを駆動して内燃機関の給気を過給する電動過給機において、
   前記電動機の回転軸の角速度又は回転数を検出するセンサと、
   該回転軸に付加される負荷トルクを検出するセンサと、
   該センサによる角速度又は回転数及び負荷トルクの検出値が入力されるとともに、
   電動機の角速度又は回転数の関数として予め設定された最大発生トルク特性に基づいて、前記電動機の回転軸の角速度又は回転数に対する最大発生トルクＴｍを算出し、該最大発生トルクＴｍと前記センサによって検出された負荷トルクＴｌとの偏差（Ｔｍ−Ｔｌ）を算出し、該算出した偏差を加速トルクとして電動機及び負荷の慣性モーメントＪと電動機回転軸の角速度ｗを用いて加速レート（ｄｗ／ｄｔ＝（Ｔｍ−Ｔｌ）／Ｊ）を算出し、該加速レートを基に角速度ｗおよび回転数ｆの指令値を算出し、該角速度ｗおよび回転数ｆの指令値に基づいて該電動機の作動を制御する制御装置と、を備え、該制御装置によって前記最大発生トルクＴｍと負荷トルクＴｌとの偏差（Ｔｍ−Ｔｌ）の大きさが大きくなるに従って角速度ｗまたは回転数ｆの指令値を増大させるように制御することを特徴とする自動車用電動過給機。
3. 前記電動機の温度を検出する温度センサを設け、前記制御装置に記憶した該電動機の最大発生トルクＴｍの温度特性テーブルを用いて該電動機の最大発生トルクＴｍを補正することを特徴とする請求項２に記載の電動過給機。

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