JP6296079B2

JP6296079B2 - ターボ過給機付エンジン

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Publication number: JP6296079B2
Application number: JP2016039901A
Authority: JP
Inventors: 直之山形; 荒木　啓二; 啓二荒木
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2036-03-02
Also published as: JP2017155656A

Description

本発明は、エンジン本体と、エンジン本体に導入される吸気が流通する吸気通路と、各気筒から排出される排気が流通する排気通路と、排気通路に設けられる第１タービンおよび吸気通路に設けられる第１コンプレッサを含むターボ過給機とを備えたターボ過給機付エンジンに関する。

従来より、エンジンの加速性能を高めるために、排気通路に設けられたタービンと吸気通路に設けられてこのタービンにより回転駆動されるコンプレッサとを含み、排気のエネルギーを利用して吸気を過給することのできるターボ過給機を設けることが行われている。

しかしながら、ターボ過給機には、ターボラグがあるため加速性能が十分に得られないという問題がある。

これに対して、特許文献１に開示されるように、電力で駆動されるコンプレッサ（いわゆる電動コンプレッサ）を吸気通路に設けられることが検討されている。

この特許文献１のエンジンでは、吸気通路に、上流側から順にターボ過給機のコンプレッサと電動コンプレッサとが配設されるとともに、電動コンプレッサをバイパスするバイパス通路が設けられ、通常時はバイパス弁が開弁されてターボ過給機によってのみ過給が行われる一方、所定の加速時には、バイパス弁が閉弁されて電動コンプレッサが駆動され、ターボ過給機と電動コンプレッサとによって過給が行われる。

特開２０１３−１４８０６２号公報

特許文献１のエンジンのように電動コンプレッサを備えたものでは、所定の加速時においてこれを駆動することで、早期に過給圧を高めることができる。また、このエンジンのように、電動コンプレッサに加えてターボ過給機を有していれば、前記のように、所定の加速時でのみ電動コンプレッサを用い、通常時はターボ過給機によって過給圧を行うことが可能となるため、電動コンプレッサでの消費電力を小さく抑えつつ過給圧を適切に制御することができる。

しかしながら、特許文献１のエンジンにおいても、急加速が頻繁に行われた場合には電動コンプレッサの稼働機会は増大してしまい電動コンプレッサでの消費電力は増大する。また、加速性能をより高めるためには電動コンプレッサの稼働機会を積極的に増大することが望ましいが、このようにすると、当然ながら電動コンプレッサでの消費電力が増大してしまう。そのため、電動コンプレッサに供給する電力をより確実に確保することが望まれている。

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、過給圧を適切に制御しつつ電動コンプレッサに供給する電力をより確実に確保することのできるターボ過給機付エンジンを提供することを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、エンジン本体と、エンジン本体に導入される吸気が流通する吸気通路と、エンジン本体から排出される排気が流通する排気通路と、前記排気通路に設けられる第１タービンおよび前記吸気通路に設けられる第１コンプレッサを含むターボ過給機とを備えたターボ過給機付エンジンであって、前記第１コンプレッサよりも下流側の吸気通路に設けられて電力により駆動される第２コンプレッサと、前記第１タービンを通過した排気の全量が流入するように前記第１タービンよりも下流側の排気通路に配設されて、当該排気のエネルギーを受けて回転する発電用タービンと、前記発電用タービンにより駆動されて発電する発電機と、エンジンの各部を制御する制御手段とを備え、前記吸気通路は、前記第１コンプレッサよりも上流側の部分と下流側の部分とを連通して当該第１コンプレッサをバイパスする第１バイパス通路と、当該第１バイパス通路を開閉する第１バイパス弁と、前記第２コンプレッサよりも上流側の部分と下流側の部分とを連通して当該第２コンプレッサをバイパスする第２バイパス通路と、当該第２バイパス通路を開閉する第２バイパス弁と、前記第１バイパス通路の上流端が接続される部分と前記第１コンプレッサとの間の通路の流路面積を変更する絞り弁とを有し、前記制御手段は、通常時は、前記第２コンプレッサの駆動を停止するとともに、前記第１バイパス弁を閉じ、かつ、前記絞り弁および前記第２バイパス弁を開く一方、前記第２バイパス通路の下流端が接続される部分よりも下流側の圧力である過給圧が目標値に対して予め設定された基準量以上不足すると、前記第２バイパス弁を閉じ、前記第１バイパス弁を開いて、前記絞り弁を全開よりも小さい開度にするとともに、前記第２コンプレッサを駆動させ、かつ、前記発電機に発電を行わせることを特徴とするものである（請求項１）。

本発明では、通常時は、ターボ過給機のみによって過給が行われるとともに、第１バイパス弁が閉じられ、かつ、絞り弁および第２バイパス弁が開かれて、ターボ過給機の第１コンプレッサに吸気の全量が導入される。また、一方で、過給圧の目標値に対する不足量が基準量以上になると、第２コンプレッサが電力で駆動されてこれにより過給が行われる。そのため、第２コンプレッサの稼働機会を少なく抑えつつ、通常時においてターボ過給機により過給圧を適切な値に制御することができるとともに、加速等に伴って過給圧の前記不足量が基準量未満となった時において過給圧をより早期に高めることができる。

しかも、本発明では、排気通路に発電用のタービンが設けられて、排気のエネルギーによって発電用タービンおよび発電機が駆動される。そのため、システム全体のエネルギー効率を良好にしつつ、第２コンプレッサに供給する電力を確保することができる。特に、過給圧の目標値に対する不足量が基準量以上になり第２コンプレッサが駆動された際にこの発電機において発電が行われるため、第２コンプレッサに効率よく必要な電力を供給することができる。

また、この発電用のタービンが過給用タービンよりも下流側に設けられて、発電用タービンが過給用タービンに流入する排気に対して抵抗とならないように構成されている。そのため、通常時において、より高い排気エネルギーを過給用タービンに導入することができターボ過給機によって効率よく過給圧を高めることができる。

一方、このように過給用タービンよりも下流側に発電用のタービンを設け、かつ、前記のように過給圧の目標値に対する不足量が基準量未満になったときに発電用タービンによって発電機を駆動させた場合には、発電用タービンの上流側の圧力すなわち過給用タービンの背圧が高くなって過給用タービンの回転数の上昇が抑制され、ターボ過給機によって過給圧を適切に上昇できないおそれがある。すなわち、加速途中や、加速後に第２コンプレッサの駆動が停止されてターボ過給機のみによって過給が行われる場合において、過給圧の上昇が抑制されるおそれがある。

これに対して、本発明では、過給圧の目標値に対する不足量が基準量以上になると、絞り弁の開度が全開よりも小さい開度とされて、第１コンプレッサに流入する吸気の量すなわち第１コンプレッサの作動流体の量が低減される。そのため、第１コンプレッサの回転数を高めることができ、ターボ過給機による過給能力を高く維持することができる。従って、過給圧をより確実に適切な値に高めることができる。

なお、本発明において「弁を閉じる」とは、ガスの流通を規制することであり、実質的にこのガスの流通が規制されていればよく、弁を全閉にすることに限定されない。同様に、「弁を開く」とは、ガスの流通が規制されないようにすることであり、実質的にガスの流通が規制されない状態になっていればよく、弁を全開にすることに限定されない。

本発明において、前記排気通路のうち前記過給用タービンに流入する排気の流路面積を変更して当該排気の流速を変更可能な排気流速変更手段を備え、前記排気流速変更手段は、エンジン本体の稼働時において前記流路面積を所定の範囲で変更し、前記制御手段は、前記過給圧の目標値に対する不足量が前記基準量以上になると、前記排気流速変更手段によって前記流路面積を前記所定の範囲における最小面積よりも大きい面積にするのが好ましい（請求項２）。

この構成によれば、排気流速変更手段によって過給用タービンに流入する排気の流速が変更されることで、ターボ過給機による過給力ひいては過給圧をより精度よく適切な値にすることができる。

しかも、この構成では、過給圧の目標値に対する不足量が前記基準量以上になると、過給用タービンに流入する排気の流路面積が大きい面積とされて過給用タービンでの排気エネルギーの消費が抑制されて、発電用タービンにより多くの排気エネルギーが供給される。従って、発電量を高く確保することができる。

ここで、このように、過給用タービンでの排気エネルギーの消費が抑制されると、ターボ過給機の回転数の上昇が抑制されるおそれがあるが、本発明では、前記のように過給圧の目標値に対する不足量が前記基準量未満になるとターボ過給機の第１コンプレッサに流入する吸気の量が低減されてこれによってターボ過給機の回転上昇が促進されるため、前記のように発電量を高く確保しつつターボ過給機の回転数の低下を抑制することができる。

また、本発明において、前記制御手段は、前記過給圧の目標値に対する不足量が前記基準量以上になってから所定期間が経過すると、前記第２コンプレッサの駆動を停止し、前記第１バイパス弁を閉じ、かつ、前記絞り弁を開くとともに、これと同時あるいはこれよりも後に、前記第２バイパス弁を開くのが好ましい（請求項３）。

この構成では、第１コンプレッサの回転数が高められた状態で第２コンプレッサの駆動が停止されて第１ターボ過給機のみによる過給に切り替えられる。そして、このときに、第１バイパス弁が閉じられ、かつ、絞り弁が開かれて、吸気の全量が第１コンプレッサに導入されるようになる。従って、多量の吸気を回転数が十分に高められた第１コンプレッサによって過給することができ、過給圧を高くすることができる。しかも、第２バイパス弁が開かれるため、吸気を第２コンプレッサをバイパスしてより抵抗の小さい状態で流下させることができ、過給圧をより確実に高くすることができる。

また、前記構成において、前記所定期間は、前記過給圧の目標値に対する不足量が前記基準量以上になってから、前記第１コンプレッサの回転数が予め設定された基準回転数に到達するまでの期間であるのが好ましい（請求項４）。

このようにすれば、より確実に第１コンプレッサの回転数を高めた状態で第１ターボ過給機のみによる過給に切り替えることができ、過給圧をより確実に高くすることができる。

以上説明したように、本発明のターボ過給付エンジンによれば、過給圧を適切に制御しつつ電動コンプレッサに供給する電力をより確実に確保することができる。

本発明の一実施形態にかかるターボ過給付エンジンの全体構成を概略的に示す図である。ＶＧＴの概略断面図である。エンジンの制御系を示すブロック図である。バイパス弁等の制御手順を示したフローチャートである。加速時の各パラメータの時間変化を示した図である。コンプレッサの特性を説明するための図である。

（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるターボ過給付エンジンの全体構成を概略的に示す平面図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された４サイクルのガソリンエンジンであり、紙面に直交する方向に並ぶ複数（例えば４つ）の気筒２を有する直列多気筒型のエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路２０と、エンジン本体１で生成された燃焼ガス（排気）を排出するための排気通路３０と、排気通路３０を流通する排気により駆動されるターボ過給機５０と、電動コンプレッサ（第２コンプレッサ）６２と、排気通路３０を流通する排気により駆動されて発電する発電装置７０とを備えている。

エンジン本体１は、円筒状の気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、気筒２の上面を塞ぐようにシリンダブロック３に取り付けられたシリンダヘッド４と、各気筒２にそれぞれ往復動可能に挿入されたピストン５とを有している。

ピストン５の上方には燃焼室６が画成されており、この燃焼室６には、インジェクタ１１から噴射されるガソリンを主成分とする燃料が供給される。供給された燃料は燃焼室６で燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられることでピストン５は上下方向に往復運動する。

ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸１５が配設されている。クランク軸１５は、ピストン５とコネクティングロッド１４を介して連結され、ピストン５の往復運動に応じて中心軸回りに回転する。

シリンダヘッド４には、前記のように燃焼室６に向けて燃料（ガソリン）を噴射するインジェクタ１１と、インジェクタ１１から噴射された燃料と空気との混合気に点火する点火プラグ１２とが、各気筒２につき１組ずつ設けられている。

また、シリンダヘッド４には、各気筒２に対応して、吸気通路２０から供給される空気（吸気）を各気筒２に導入するための吸気ポート７と、各気筒２で生成された排気を排気通路３０に導出するための排気ポート８と、吸気ポート７を開閉可能に閉鎖する吸気弁９と、排気ポート８を開閉可能に閉鎖する排気弁１０とがそれぞれ設けられている。

吸気通路２０は、各吸気ポート７に繋がるように設けられている。吸気通路２０には、上流側から順に、エアクリーナ２１、第１コンプレッサ５２、電動コンプレッサ６２、インタークーラ２２、スロットルバルブ２３が設けられている。

第１コンプレッサ５２は、ターボ過給機５０の構成部品である。すなわち、ターボ過給機５０は、排気通路３０に設けられて排気により回転駆動される過給用タービン５４と、吸気通路２０に設けられて過給用タービン５４により回転駆動される第１コンプレッサ６２とを有しており、過給用タービン５４に排気が導入されて回転することで第１コンプレッサ５２が回転して吸気を過給する。

電動コンプレッサ６２は、電力を受けて回転して吸気を過給するものである。電動コンプレッサ６２には、これを電力により回転させる電動機６４が接続されている。電動機６４には、バッテリ（不図示）が接続されており、電動機６４にはバッテリから電力が供給される。

吸気通路２０には、第１コンプレッサ５２をバイパスする第１バイパス通路１２１と、電動コンプレッサ６２をバイパスする第２バイパス通路１２２とが設けられている。

具体的には、第１バイパス通路１２１は、第１コンプレッサ５２と電動コンプレッサ６２との間の部分１２１ｂと、第１コンプレッサ５２よりも上流側の部分１２１ｂとを連通している。また、第２バイパス通路１２２は、第１バイパス通路１２１の上流端が接続される部分よりも下流側の部分と、電動コンプレッサ６２よりも下流側の部分１２２ｂとを連通している。

第１バイパス通路１２１には、これを開閉する第１バイパス弁４１が設けられている。第１バイパス弁４１が全閉の状態（第１バイパス通路１２１を封鎖している状態）では、吸気の全量は第１コンプレッサ５２に流入する。一方、第１バイパス弁４１が開弁している状態では、吸気の多くは第１コンプレッサ５２をバイパスして流下する。すなわち、第１コンプレッサ５２は吸気の流通に対して抵抗となるため、第１バイパス弁４１が開弁している状態では、吸気の多くはより抵抗の小さい第１バイパス通路１２１に流入する。

同様に、第２バイパス通路１２２には、これを開閉する第２バイパス弁４２が設けられている。第２バイパス弁４２が全閉の状態（第２バイパス通路１２２を封鎖している状態）では、吸気の全量は電動コンプレッサ６２に流入する。一方、第２バイパス弁４２が開弁している状態では、吸気の多くは電動コンプレッサ６２をバイパスして流下する。すなわち、電動コンプレッサ６２は吸気の流通に対して抵抗となるため、第２バイパス弁４２が開弁している状態では、吸気の多くはより抵抗の小さい第２バイパス通路１２２に流入する。

さらに、吸気通路２０には、第１バイパス通路１２１の上流端が接続される部分１２１ａと第１コンプレッサ５２との間の通路２０ａに、この通路２０ａの流路面積を変更する絞り弁４３が設けられている。これに伴い、第１バイパス弁４１が開弁している状態において、絞り弁４３の開度が全開よりも小さい開度すなわち閉じ側とされると、第１コンプレッサ５２に流入する吸気の量は非常に少なくされ、より多くの吸気が第１バイパス通路１２２に流入する。

排気通路３０は、エンジン本体１の各排気ポート１１に繋がるように設けられている。排気通路３０には、上流側から順に、過給用タービン５４、発電用タービン６４、触媒装置９０が設けられている。

前記のように、過給用タービン５４は、排気のエネルギーを受けて第１コンプレッサ５２を回転駆動する。

発電用タービン７４は、発電装置７０の構成部品である。発電装置７０は、この発電用タービン７４と、これにより回転駆動される発電機７２とを有している。発電用タービン７４は、排気のエネルギーを受けて回転する。そして、発電機７２は、発電用タービン７４により回転駆動されることで発電する。具体的には、発電機７２は、発電用タービン７４と連動して回転するロータコイルを有しており当該ロータコイルの回転に伴う電磁誘導により発電を行う。発電機７２で生成された電力は、バッテリ（不図示）に蓄電される。

本実施形態では、過給用タービン５４は、複数の翼を有しこれら翼に排気が衝突することで回転するインペラである。また、本実施形態では、過給用タービン５４は、図２に示すように、ＶＧＴ（ＶａｒｉａｂｌｅＧｅｏｍｅｔｒｙＴｕｒｂｉｎｅ）であり、この過給用タービン５４の周囲には、角度変更可能な複数のノズルベーン５４ｂが設けられているとともに、各ノズルベーン５４ｂと連携されたロッド５４ｃと、ロッド５４ｃを進退駆動することにより各ノズルベーン５４ｂの角度を変更するベーンアクチュエータ５４ｄとが設けられている。ベーンアクチュエータ５４ｄおよびロッド５４ｃによってノズルベーン５４ｂが閉方向（隣接するノズルベーン５４ｂどうしの距離を狭める方向）に駆動されると、過給用タービン５４に流入する排気の流路の面積は小さくなり、過給用タービン５４に流入する排気の流速が増大する。

このように、本実施形態では、各ノズルベーン５４ｂと、ロッド５４ｃと、ベーンアクチュエータ５４ｄとが、過給用タービン５４に流入する排気の流路面積を変更してこの排気の流速を変更可能な排気流速変更手段として機能する。

ここで、排気通路３０には、過給用タービン５４をバイパスする通路は設けられておらず、過給用タービン５４を流下した排気はその全量が発電用タービン７４に導入される。

また、本実施形態のエンジンは、排気の一部を吸気に還流させるＥＧＲ装置８０を有しており、エンジンには、排気通路３０のうち過給用タービン５４よりも上流側の部分と、吸気通路２０のうちスロットルバルブ２３よりも下流側の部分とを連通するＥＧＲ通路８１と、これを開閉するＥＧＲバルブ８２と、ＥＧＲ通路８１内のガスを冷却するＥＧＲクーラ８３とが設けられている。

（２）制御系統
次に、図３を用いて、エンジンの制御系について説明する。本実施形態のエンジンシステムは、車両に搭載されたＥＣＵ（エンジン制御ユニット、制御手段）５００によって制御される。ＥＣＵ５００は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｆ等から構成されるマイクロプロセッサである。

ＥＣＵ５００には、各種センサからの情報が入力される。例えば、ＥＣＵ５００は、クランクシャフト１５の回転数すなわちエンジンの回転数を検出するためのエンジン回転数センサＳＮ１、各気筒２に導入される吸気量を検出するためのエアフローセンサＳＮ２、車両に設けられて運転者により操作されるアクセルペダル（不図示）の開度を検出するアクセル開度センサＳＮ３、過給圧（吸気通路２０のうち第２バイパス通路１２２の上流端が接続される部分よりも下流側の圧力）を検出する過給圧センサＳＮ４、第１コンプレッサ６２の回転数を検出する第１コンプレッサ回転数センサＳＮ５等と電気的に接続されており、これらのセンサからの入力信号を受け付ける。

ＥＣＵ５００は、各センサＳＮ１〜ＳＮ５からの入力信号等に基づいて種々の演算等を実行し、過給用タービン５４、各バイパス弁４１，４２、絞り弁４３、電動機６４、発電機７２およびその他のエンジンの各部（点火プラグ１２、インジェクタ１１、スロットルバルブ２３等）にそれぞれ制御信号を出力する。

具体的には、ＥＣＵ５００は、各弁４１，４２，４３を駆動するアクチュエータに指令を出して、これら弁４１，４２，４３を開閉させる。

また、ＥＣＵ５００は、過給用タービン５４の制御として、ベーンアクチュエータ５４ｄに駆動信号を出力して過給用タービン５４のノズルベーン５４ｂの角度（以下、適宜、ＶＧＴ開度という）を制御する。ここで、ＶＧＴ開度は、その値が大きいほど過給用タービン５４の各翼に向かう排気の流通通路の流路面積が大きくなり、その値が小さいほどこの流路面積が小さく絞られるようになるパラメータである。また、エンジン本体２の稼働中において、ＶＧＴ開度は全閉および全開とされることはなく、全閉よりも開き側に設定された最小開度と、全開よりも閉じ側に設定された最大開度との間で変更される。なお、ＶＧＴ開度が最小開度とされるのは、発電機７２で発電を実施しない場合であってエンジン回転数が低い低回転数領域で運転され、かつ、エンジン負荷が最大とされたときである。換言すると、ＶＧＴの最小開度は、発電機７２で発電を実施しない場合であってエンジン回転数が低い低回転数領域で運転され、かつ、エンジン負荷が最大とされたときの開度である。

ＥＣＵ５００による、各バイパス弁４１，４２、絞り弁４３、過給用タービン５４（ＶＧＴ開度）、電動機６４、発電機７２の制御内容について図４のフローチャートを用いて説明する。

まず、ＥＣＵ５００は、ステップＳ１にて、エンジン回転数、アクセル開度、過給圧、第１コンプレッサ回転数等を読み込む。

ステップＳ１の後は、ステップＳ２に進む。ステップＳ２では、過給圧の目標値である目標過給圧を設定する。例えば、ＥＣＵ５００は、目標過給圧をエンジン回転数とエンジン負荷とに関するマップで記憶しており、ステップＳ２において、現在のエンジン回転数とエンジン負荷とに応じた値をこのマップから抽出する。なお、エンジン負荷はエンジン回転数とアクセル開度等から算出される。

次に、ステップＳ３にて、実際の過給圧の目標過給圧に対する不足量（以下、過給圧不足量という場合がある）が予め設定された基準量以上か否かを判定する。すなわち、ＥＣＵ５００は、目標過給圧から実際の過給圧を差し引いた値が、基準量以上か否かを判定する。

ステップＳ３の判定がＮＯであって、過給圧不足量が基準量未満であって過給圧が目標過給圧付近である通常時（請求項における通常時）は、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、電動コンプレッサ６２の駆動を停止する（既に停止しているときは停止を維持する）。ステップＳ４の後は、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、絞り弁４３を全開にする。そして、ステップＳ５の後に進むステップＳ６にて、第１バイパス弁４１を全閉にする。また、ステップＳ６の後に進むステップＳ７にて第２バイパス弁４２を全開にする。ステップＳ７の後は、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８では、バッテリの残量が予め設定された基準残量以上か否かを判定する。

ステップＳ８の判定がＹＥＳであって、バッテリの残量が基準残量以上と高い場合には、ステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１では、発電機７２での発電を停止する。具体的には、発電機７２のロータコイルへの磁化用の電流の印加を停止する。

ステップＳ１１の後は、ステップＳ１２に進み、ＶＧＴ開度を基本ＶＧＴ開度にして処理を終了する（ステップＳ１に戻る）。基本ＶＧＴ開度は、発電機７２での発電を停止している状態において目標過給圧を実現することのできるＶＧＴの開度であって、予め実験等により設定されている。例えば、ＥＣＵ５００は、基本ＶＧＴ開度をエンジン回転数とエンジン負荷とに関するマップで記憶しており、ステップＳ１２において、現在のエンジン回転数とエンジン負荷とに応じた値をこのマップから抽出する。基本ＶＧＴ開度は、例えば、エンジン負荷が高いほど閉じ側の値に設定されている。なお、ステップＳ１２において、ＶＧＴの開度は、実際の過給圧に応じて補正されてもよい。

一方、ステップＳ８での判定がＮＯであってバッテリの残量が基準残量未満と少ない場合は、ステップＳ２１に進む。ステップＳ２１では、発電機７２での発電が実施される（既に発電が行われている場合は発電を維持する）。具体的には、発電機７２のロータコイルへ磁化用の電流を印加する。なお、この電流量は、バッテリの残量に応じて決定される発電量の要求値に応じて変更される。ステップＳ２１の後は、ステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２では、ＶＧＴ開度を発電用基本ＶＧＴ開度にして処理を終了する（ステップＳ１に戻る）。発電用基本ＶＧＴ開度は、発電機７２で発電を行っている状態で目標過給圧を実現することのできるＶＧＴの開度であって、予め実験等により設定されている。例えば、ＥＣＵ５００は、発電用基本ＶＧＴ開度を、エンジン回転数とエンジン負荷とバッテリの残量とに関するマップで記憶しており、ステップＳ２２において、現在のエンジン回転数とエンジン負荷とバッテリの残量とに応じた値をこのマップから抽出する。なお、ステップＳ２２において、ＶＧＴの開度は、実際の過給圧に応じて補正されてもよい。

このように、本実施形態では、過給圧不足量が基準量未満となる通常時は、電動コンプレッサ６２の駆動が停止されるとともに、絞り弁４３および第２バイパス弁４２が全開にされる一方、第１バイパス弁４１が全閉にされる。これにより、第１コンプレッサ５２に吸気の全量が供給されるとともに、この吸気の全量が第１コンプレッサ５２のみによって過給される。また、過給された吸気は、電動コンプレッサ６２をバイパスしてエンジン本体２に導入される。

そして、この場合において、バッテリの残量が多い場合は、発電機７２での発電が停止されるとともに、ＶＧＴ開度が基本ＶＧＴ開度とされる。一方、バッテリの残量が少ない場合は、発電機７２での発電が実施されるとともに、ＶＧＴ開度が発電用基本ＶＧＴ開度とされる。なお、ここでは、バッテリの残量に応じて発電機７２での発電を行うか否かを決定した場合について説明したが、その他、バッテリに接続されている電気機器での負荷が増加した場合等に発電機７２において発電を行うようにしてもよい。

一方、ステップＳ３の判定がＹＥＳであって、過給圧不足量が基準量以上の場合は、ステップＳ３１に進む。

ステップＳ３１では、電動コンプレッサ６２を駆動する。具体的には、バッテリから電動機６４に電力を供給し電動機６４によって電動コンプレッサ６２を回転させる。

ステップＳ３１の後はステップＳ３２に進み、第２バイパス弁４２を全開にする。また、ステップＳ３２の後はステップＳ３３に進み、第１バイパス弁４１を全開にする。また、ステップ３３の後はステップＳ３４に進み、絞り弁４３の開度を全開よりも閉じ側の開度にする。ステップＳ３４の後は、ステップＳ３５に進む。

ステップＳ３５では、ＶＧＴ開度を電動過給用開度にする。電動過給用開度は、前記最小開度よりも開き側の開度に設定された開度である。本実施形態では、この電動過給用開度は、前記最大開度付近の開度に設定されている。ステップＳ３５の後は、ステップＳ３６に進む。

ステップＳ３６では、発電機７２での発電を実施する。

ステップＳ３６の後は、ステップＳ３７に進み、第１コンプレッサ回転数が予め設定された基準回転数以上か否かを判定する。

ステップＳ３７の判定がＹＥＳであって、第１コンプレッサ回転数が基準回転数以上に高められている場合は、ステップＳ４に進む。そして、ステップＳ４以降を実施する。すなわち、絞り弁４３を全開にし、第１バイパス弁４１を全閉にするとともに、第２バイパス弁４２を全開にする。

一方、ステップＳ３７の判定がＮＯであって、第１コンプレッサ回転数が基準回転数にまだ到達していない場合は、ステップＳ３１に戻る。そして、ステップＳ３１〜Ｓ３７を繰り返す。

このように、本実施形態では、過給圧不足量が基準量以上になると、電動コンプレッサ６２が駆動されるとともに、第１バイパス弁４１が全開にされ、第２バイパス弁４２が全閉にされるとともに、絞り弁４３が全開よりも閉じ側の開度にされる。従って、吸気の全量が電動コンプレッサ６２に導入されるとともに、吸気の多くが第１コンプレッサ５２をバイパスしてこれによる抵抗を受けずに円滑に電動コンプレッサ６２に流入する。また、ＶＧＴ開度が最小開度よりも開き側の開度とされて、過給用タービン５４での排気のエネルギーの消費量が小さくされる。

そして、第１コンプレッサ５２の回転数が基準回転数に到達すると、電動コンプレッサ６２の駆動が停止されるとともに、絞り弁４３が全開にされ、第１バイパス弁４１が全閉にされ、第２バイパス弁４２が全開にされて、通常時の制御が実施される。なお、電動コンプレッサ６２を駆動した直後では、バッテリの残量が少なくなっている可能性が高く、ステップＳ３７の判定がＹＥＳになった後はステップＳ８の判定がＮＯとなる可能性が高い。

（３）作用等
図５は、時刻ｔ１で加速が開始されて過給圧不足量が基準量以上となったときの各パラメータの変化を模式的に示したものである。なお、この図５において、電動機供給電力とは、電動機６４に供給する電力である。

この図５に示すように、本実施形態では、時刻ｔ１にて、加速が開始されて過給圧不足量が基準不足量以上になると、電動機６４への電力供給が開始されて電動コンプレッサ６２が駆動される。ここで、電動コンプレッサ６２は、電動機６４により強制的に回転駆動されるものであり、その回転数は即座に上昇する。そのため、時刻ｔ１において電動機６４への電力供給が開始されてこれにより電動コンプレッサ６２が駆動されることで、図５に示すように、電動コンプレッサの回転数は時刻ｔ１直後から上昇する。

また、本実施形態では、時刻ｔ１にて、電動コンプレッサ６２の駆動と同時に、第１バイパス弁４１が全閉から全開に切り替えられ、第２バイパス弁４２が全開から全閉に切り替えられるとともに、絞り弁４３の開度が全開よりも小さい開度とされる。そのため、前記のように、吸気の多くを円滑に電動コンプレッサ６２に導入することができるとともに、吸気の全量を電動コンプレッサ６２に導入することができる。すなわち、時刻ｔ１後において、電動コンプレッサ６２に流入する吸気の流量を増大させることができる。従って、時刻ｔ１後では、前記のように回転数が高められた電動コンプレッサ６２によって吸気が効果的に過給されることになり、図５に示すように、過給圧を早期に高めることができる。

しかも、本実施形態では、時刻ｔ１で電動コンプレッサ６２が駆動されるのと同時に発電機７２による発電が開始される。そのため、高い効率（送電効率）で電動コンプレッサ６２を駆動することができる。すなわち、この場合には、バッテリは、発電機からの電力を受けつつ電動コンプレッサ６２に電力を供給することになる。そのため、これらの一部が相殺されてバッテリの最終的な入力電力あるいは出力電力は小さくなり、高い効率（送電効率）で電動コンプレッサ６２を駆動することが可能になる。

特に、本実施形態では、発電用タービン７４を介して排気のエネルギーによって発電機７２が駆動される。そのため、システム全体のエネルギー効率を良好にしつつ、電動コンプレッサ６２に供給する電力を確保することができる。

また、本実施形態では、前記のように時刻ｔ１にて電動コンプレッサ６２が駆動され、かつ、発電機７２による発電が開始されるのと同時に、過給用タービン５４のＶＧＴ開度が全閉よりも開き側に設定された電動過給用開度とされる。例えば、図５に示した例では、ＶＧＴ開度が時刻ｔ１にて開き側に変更されて電動過給用開度とされる。そのため、過給用タービン５４での排気エネルギーの消費量を少なく抑えることができ、発電用タービン７４により多くの排気エネルギーを供給することができる。従って、発電機７２での発電量をより確実に多くすることができる。

ここで、発電用タービン７４を過給用タービン５４よりも上流側に配置した場合には、発電用タービン７４が発電を行っていない場合でも、発電用タービン７４が抵抗となることで過給用タービン５４に流入する排気のエネルギーは小さくなる。これに対して、本実施形態では、発電用タービン７４が過給用タービン５４よりも下流側に配置されているので、発電が行われていない場合において、過給用タービン５４に流入する排気のエネルギーを高くしてターボ過給機５０の過給性能を高く維持することができる。

一方、このように過給用タービン５４よりも下流側に発電用タービン７４を設けた場合には、発電用タービン７４によって発電機７２を駆動させると発電用タービン７４の上流側の圧力すなわち過給用タービン５４の背圧が高くなって過給用タービン５４の回転数の上昇が抑制されるおそれがある。特に、前記のように過給用タービン５４の開度を開き側として過給用タービン５４で消費される排気のエネルギーを小さくした場合には、第１コンプレッサ５２を駆動する駆動力が小さくなる結果、第１コンプレッサ５２の回転数が十分に高められない、あるいは、低下するおそれがある。

これに対して、本実施形態では、前記のように、過給圧不足量が基準量以上になると、絞り弁４３の開度が全開よりも小さい開度とされて、第１コンプレッサ５２に流入する吸気の量すなわち第１コンプレッサ５２の作動流体の量が低減される。そのため、第１コンプレッサ５２の回転数を高めることができ、ターボ過給機５０による過給能力を高く維持することができる。

図６を用いて詳細に説明する。図６は、コンプレッサの特性を示した図であり、横軸をコンプレッサに流入する作動流体の流量、縦軸をコンプレッサの前後の圧力比（上流側の圧力を下流側の圧力で割ったもの）として、コンプレッサの回転数と、コンプレッサの駆動力（コンプレッサを駆動するのに必要な力）を示した図である。具体的には、図６において、各実線はそれぞれ駆動力が互いに同じとなる点をつないだ線であり、各破線Ｎｃ１〜Ｎｃ５はそれぞれコンプレッサの回転数が互いに同じとなる点をつないだ線である。ここで、回転数は、Ｎｃ１からＮｃ５に向けて高くなっている。また、図６には、合わせて、鎖線でコンプレッサの効率も示している（各鎖線は、それぞれ効率が同じとなる点をつないだ線である）。

この図６に示されるように、コンプレッサの駆動力が低下するとコンプレッサの回転数は低下する。例えば、点Ａにある状態からコンプレッサの駆動力が低下すると点Ｂに移行してコンプレッサの回転数は低下する。一方で、この図６に示されるように、駆動力が同じであっても、コンプレッサの作動流体の流量が小さくなるとコンプレッサの回転数は高くなる。例えば、点Ｂにある状態から前記流量が小さくなると点Ｃに移行し、コンプレッサの回転数は点Ａの回転数以上になる。

従って、前記のように絞り弁４３が全開よりも小さい開度とされて第１コンプレッサ６２に流入する吸気の量すなわち第１コンプレッサ６２の作動流体の流量が低減されることで、第１コンプレッサ６２の駆動力が低下するにも関わらず回転数は高くなる。また、図６から明らかなように、このように作動流体の流量が低減されて回転数が高められるとコンプレッサの圧力比も増大する。そのため、絞り弁４３が全開よりも小さい開度とされることによって第１コンプレッサ６２による過給も促進されることになり、過給圧はより一層高められる。

このように、本実施形態では、時刻ｔ１であって加速等に伴い過給圧不足量が基準量以上になった場合において、過給圧を高めつつ、電力を効果的に生成して電動コンプレッサ６２を駆動するための電力を確保することができる。

また、本実施形態では、時刻ｔ２において第１コンプレッサ５２の回転数が基準回転数に到達すると、電動コンプレッサ６２の駆動が停止されて、第１ターボ過給機５０によって吸気が過給されるようになるが、前記のように、時刻ｔ１後において、第１コンプレッサ５２の回転数は十分に高められているため、時刻ｔ２後においても、ターボ過給機５０によって過給圧を適切に高めること、あるいは、適切な値に維持することが可能になる。

また、このときには、前記のように、第１バイパス弁４１が全閉とされるとともに絞り弁４３が全開とされて第１コンプレッサ５２に吸気の全量が導入される。そのため、ターボ過給機５０によってより確実に過給圧を高めることができる。さらに、このとき、第２バイパス弁４２が全開とされて、吸気抵抗が小さく抑えられる。従って、ターボ過給機５０によって圧力が高められた吸気をその高い圧力を維持したままエンジン本体１に導入することができ、エンジントルクを高く確保することができる。

なお、図５に示すように、時刻ｔ２後であっても、しばらくの間は、電動コンプレッサ９は回転し続ける。そのため、時刻ｔ２直後は第２バイパス弁４２を全開よりも閉じ側とし、一部の吸気を電動コンプレッサ６２に導入してもよい。このようにすれば、電動コンプレッサ６２によっても吸気を過給することができ、過給圧をより一層高めることができる。

ここで、図５では、時刻ｔ２後において発電要求がない場合の例を示しており、この場合は、この図５に示すように、時刻ｔ２において発電量は０とされる。また、ＶＧＴ開度は基本ＶＧＴ開度とされる。なお、時刻ｔ２後において発電要求がある場合は、時刻ｔ２以後においても発電は行われ、ＶＧＴ開度は発電用基本ＶＧＴ開度に制御されることになる。

（４）変形例
前記実施形態では、過給圧不足量が基準量以上になってから第１コンプレッサ５２の回転数が基準回転数に到達すると、第１バイパス弁４１を全開から全閉に、絞り弁４３を全開よりも小さい開度から全開に、第２バイパス弁４２を全閉から全開にそれぞれ切り替える場合について説明したが、この切替を行うタイミングは、前記に限らない。

例えば、過給圧不足量が基準量以上になってからの経過時間が予め設定された所定時間（所定期間）を経過すると前記切替を実施するようにしてもよい。

ただし、前記実施形態のようにすれば、第１コンプレッサ５２の回転数が確実に高められている状態でターボ過給機５０による過給に切り替えられため、ターボ過給機５０によってより確実に過給圧を高くすること、あるいは、高く維持することができる。

また、前記実施形態では、前記各切替をすべて同時に行った場合について説明したが、これらは順次行われてもよい。特に、第２バイパス弁４２を全閉から全開に切り替えるタイミングを、他の切替タイミングよりも遅くしてもよい。すなわち、図６に示すように、電動コンプレッサ６２は、電力供給が停止されてもしばらくの間は回転し続ける。従って、このときに第２バイパス弁４２を閉じ側にしておけば、電動コンプレッサ６２によっても吸気を過給することができ、過給圧をより一層高くすることができる。

また、前記実施形態では、第１コンプレッサ５２の回転数が基準回転数に到達すると、第１バイパス弁４１を全開から全閉に、絞り弁４３を全開よりも小さい開度から全開に、第２バイパス弁４２を全閉から全開にそれぞれ切り替える場合について説明したが、これらの開度を徐々に変更してもよい。例えば、第１コンプレッサ５２の回転数が前記基準回転数よりも小さい所定の回転数に到達すると、各弁４１〜４３の開度を全閉あるいは全開に向けて徐々に変化させるようにしてもよい。

また、前記実施形態では、過給用タービン５４をＶＧＴとした場合について説明したが、過給用タービン５４は、ノズルベーン５４ｂを有しない通常のタービンであってもよい。ただし、過給用タービン５４をＶＧＴとすれば、過給圧をより高くすることができるとともに、より精度よく変更することができる。

また、前記実施形態では、各バイパス弁４１，４２を全閉と全開とに切り替える場合について説明したが、必ずしも全閉と全開とに切り替える必要はない。すなわち、各弁４１，４２が所定量開いていても、実質的に全閉にしたときと同様に各弁４１，４２によってガスの流通が規制される場合（ほとんどガスが流れない場合）には、前記実施形態における各バイパス弁４１，４２を全閉にするという制御に代えて各バイパス弁４１，４２の開度を前記の所定量以下にするという制御を行ってもよい。同様に、各弁４１，４２が全開から所定量閉じていても、実質的に全開にしたときと同様に各弁４１，４２によってガスの流通がほとんど規制されない場合には、前記実施形態における各バイパス弁４１，４２を全開にするという制御に代えて各バイパス弁４１，４２の開度を前記の所定量以上にするという制御を行ってもよい。また、絞り弁４８においても、絞り弁４８を全開にする制御に代えて、絞り弁４８の開度を所定量以上にするという制御を行ってもよい。

１エンジン本体
２０吸気通路
３０排気通路
４１第１バイパス弁
４２第２バイパス弁
４３絞り弁
５０ターボ過給機
５２第１コンプレッサ
５４過給用タービン
６２電動コンプレッサ（第２コンプレッサ）
６４電動機
７４発電用タービン
７６発電機
１２１第１バイパス通路
１２２第２バイパス通路

Claims

エンジン本体と、エンジン本体に導入される吸気が流通する吸気通路と、エンジン本体から排出される排気が流通する排気通路と、前記排気通路に設けられる第１タービンおよび前記吸気通路に設けられる第１コンプレッサを含むターボ過給機とを備えたターボ過給機付エンジンであって、
前記第１コンプレッサよりも下流側の吸気通路に設けられて電力により駆動される第２コンプレッサと、
前記第１タービンを通過した排気の全量が流入するように前記第１タービンよりも下流側の排気通路に配設されて、当該排気のエネルギーを受けて回転する発電用タービンと、
前記発電用タービンにより駆動されて発電する発電機と、
エンジンの各部を制御する制御手段とを備え、
前記吸気通路は、前記第１コンプレッサよりも上流側の部分と下流側の部分とを連通して当該第１コンプレッサをバイパスする第１バイパス通路と、当該第１バイパス通路を開閉する第１バイパス弁と、前記第２コンプレッサよりも上流側の部分と下流側の部分とを連通して当該第２コンプレッサをバイパスする第２バイパス通路と、当該第２バイパス通路を開閉する第２バイパス弁と、前記第１バイパス通路の上流端が接続される部分と前記第１コンプレッサとの間の通路の流路面積を変更する絞り弁とを有し、
前記制御手段は、通常時は、前記第２コンプレッサの駆動を停止するとともに、前記第１バイパス弁を閉じ、かつ、前記絞り弁および前記第２バイパス弁を開く一方、
前記第２バイパス通路の下流端が接続される部分よりも下流側の圧力である過給圧が目標値に対して予め設定された基準量以上不足すると、前記第２バイパス弁を閉じ、前記第１バイパス弁を開いて、前記絞り弁を全開よりも小さい開度にするとともに、前記第２コンプレッサを駆動させ、かつ、前記発電機に発電を行わせることを特徴とするターボ過給機付エンジン。
請求項１に記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
前記排気通路のうち前記過給用タービンに流入する排気の流路面積を変更して当該排気の流速を変更可能な排気流速変更手段を備え、
前記排気流速変更手段は、エンジン本体の稼働時において前記流路面積を所定の範囲で変更し、
前記制御手段は、前記過給圧の目標値に対する不足量が前記基準量以上になると、前記排気流速変更手段によって前記流路面積を前記所定の範囲における最小面積よりも大きい面積にすることを特徴とするターボ過給機付エンジン。
請求項１または２に記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
前記制御手段は、前記過給圧の目標値に対する不足量が前記基準量以上になってから所定期間が経過すると、前記第２コンプレッサの駆動を停止し、前記第１バイパス弁を閉じ、かつ、前記絞り弁を開くとともに、これと同時あるいはこれよりも後に、前記第２バイパス弁を開くことを特徴とするターボ過給機付エンジン。
請求項３に記載のターボ過給機付エンジンにおいて、
前記所定期間は、前記過給圧の目標値に対する不足量が前記基準量以上になってから、前記第１コンプレッサの回転数が予め設定された基準回転数に到達するまでの期間であることを特徴とするターボ過給機付エンジン。