JP6642190B2

JP6642190B2 - 内燃機関システム

Info

Publication number: JP6642190B2
Application number: JP2016064985A
Authority: JP
Inventors: 浅野　雅樹; 雅樹浅野; 斉相園
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2020-02-05
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: JP2017180158A

Description

本発明は、内燃機関システムに関し、詳しくはスーパーチャージャを備える内燃機関システムに関する。

従来、内燃機関システムとして、内燃機関及びモータージェネレータの両方によって駆動可能なスーパーチャージャを備えるものが知られている（例えば特許文献１参照）。具体的には特許文献１には、モータージェネレータの回転軸に固定支持されるとともにスーパーチャージャの入力軸にベルトを介して接続された第１プーリと、モータージェネレータの回転軸に相対回転自在に支持されるとともに内燃機関の出力軸にベルトを介して接続された第２プーリと、第１プーリと第２プーリとの間に配置されて両者の接続、切断を行うエンジン用クラッチとを備えるスーパーチャージャが開示されている。

特開２０１４−１９４２０９号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、第１プーリ及び第２プーリのプーリ比が変更できないので、内燃機関及びモータージェネレータの動力がスーパーチャージャに伝達された場合に、スーパーチャージャの回転数が許容回転数を超える可能性がある。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、スーパーチャージャの回転数が許容回転数を超えることを抑制できる内燃機関システムを提供することである。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関システムは、内燃機関と、前記内燃機関の吸気通路の吸気を過給するスーパーチャージャと、モータージェネレータと、を備える
内燃機関システムにおいて、前記スーパーチャージャに接続されたサンギアと、前記モータージェネレータに接続されたリングギアと、前記サンギア及び前記リングギアに係合するとともに前記内燃機関に接続されたキャリアギアと、を有する遊星歯車装置と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記内燃機関及び前記モータージェネレータの動力が前記遊星歯車装置を介して前記スーパーチャージャに伝達された場合において、前記スーパーチャージャの回転数が予め設定された許容回転数よりも低い所定回転数以上になった場合に、前記モータージェネレータに励磁ブレーキをかける際のトルク指示値を変更することで、前記キャリアギアの公転速度よりも前記リングギアの自転速度が遅くなるように前記モータージェネレータを制御するように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、上記のようにスーパーチャージャの回転数が所定回転数以上になった場合に、キャリアギアの公転速度よりもリングギアの自転速度を遅くすることによって、サンギアの自転速度を低下させて、スーパーチャージャの回転数の上昇を抑制することができる。これにより、スーパーチャージャの回転数が許容回転数を超えることを抑制することができる。

また、上記のようにスーパーチャージャの回転数が許容回転数を超えることが抑制されているので、スーパーチャージャの常用回転数を高めに設定することができる。これによ
り、内燃機関の回転数が低い段階からスーパーチャージャが高回転で回転できるので、過給性能を向上させて、内燃機関の発進過渡トルクを大きくすることができる。これにより、トランスミッションのギア比を小さくすることができるので、高速走行時に内燃機関の回転数を低くすることができ、燃費を向上させることができる。

本発明によれば、スーパーチャージャの回転数が許容回転数を超えることを抑制できる。また本発明によれば、燃費を向上させることができる。

実施形態に係る内燃機関システムの全体構成を模式的に示す概略図である。実施形態に係る内燃機関システムの遊星歯車装置とその周辺構成を拡大して模式的に示す拡大概略図である。図３（ａ）は通常時における内燃機関システムの動作を示す模式図である。図３（ｂ）は、加速時や高負荷時における内燃機関システムの動作を示す模式図である。図４（ａ）は、減速時や低負荷時における内燃機関システムの動作を示す模式図である。図４（ｂ）は、始動時や発進時における内燃機関システムの動作を示す模式図である。実施形態に係る励磁ブレーキ制御処理の効果を説明するための模式図である。

以下、本発明の実施の形態に係る内燃機関システム１について図面を参照しつつ説明する。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように実際の製品から寸法を変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さなどの比率も必ずしも実際の製品の比率と一致しているとは限らない。

図１は、本実施形態に係る内燃機関システム１の全体構成を模式的に示す概略図である。この内燃機関システム１が搭載されている車両の具体的な種類は特に限定されるものではないが、本実施形態においてはバスやトラック等の大型車両を用いる。図１に示す内燃機関システム１は、内燃機関１０、スーパーチャージャ２０、モータージェネレータ３０、遊星歯車装置４０、及び制御装置５０を備えている。

内燃機関１０の種類は特に限定されるものではなく、ディーゼル機関やガソリン機関等、種々の内燃機関を用いることができる。本実施形態では内燃機関１０の一例としてディーゼル機関を用いている。内燃機関１０の燃料噴射量や燃料噴射時期等は、制御装置５０によって制御されている。

この制御装置５０は、制御部としての機能を有するＣＰＵや、ＣＰＵの動作に必要なプログラムや各種情報等を記憶する記憶部としての機能を有するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えるマイクロコンピュータを備えている。

スーパーチャージャ２０は、内燃機関１０の吸気通路６０に配置されており、吸気通路６０の吸気（空気）を過給する機械式の過給機である。本実施形態に係るスーパーチャージャ２０は、一例として、ロータ２１ａ、ロータ２１ｂ、及びロータ回転軸２２を備えて
おり、ロータ回転軸２２が回転するとロータ２１ａ及びロータ２１ｂが回転して、吸気通路６０の吸気を過給する構成となっている。すなわち、本実施形態に係るスーパーチャージャ２０は、リショルム式のスーパーチャージャである。

また、本実施形態に係るスーパーチャージャ２０は、クラッチ２３を備えている。このクラッチ２３は、制御装置５０に制御されることで、断状態（切断された状態）と接状態（接続された状態）との間で変化する。このクラッチ２３は、断状態の場合にはロータ回転軸２２の回転を許容し、接状態の場合にはロータ回転軸２２の回転を停止させるように構成されている。これにより、クラッチ２３が断状態から接状態に変化することでスーパーチャージャ２０の過給は停止される。

また、本実施形態に係る内燃機関システム１は、吸気通路６０のスーパーチャージャ２０よりも上流側の吸気をスーパーチャージャ２０をバイパスさせて吸気通路６０のスーパーチャージャ２０よりも下流側に流動させるバイパス通路６１と、制御装置５０の指示を受けてバイパス通路６１を開閉するバイパスバルブ６２とを備えている。制御装置５０は、所定の条件が満たされた場合に、バイパスバルブ６２を開弁させる。これにより、スーパーチャージャ２０よりも上流側の吸気はバイパスバルブ６２を通過して、スーパーチャージャ２０よりも下流側に流動する（すなわち、スーパーチャージャ２０をバイパスする）。なお、本実施形態に係る制御装置５０は、スーパーチャージャ２０の回転を停止させる場合（すなわち過給を停止させる場合）に、バイパスバルブ６２を開弁させる。

モータージェネレータ３０は、バッテリ（図示せず）に電気的に接続されている。モータージェネレータ３０の回転動作は制御装置５０が制御する。モータージェネレータ３０のモータ回転軸３１は、後述する遊星歯車装置４０に接続している。モータージェネレータ３０がバッテリの電力を用いて回転した場合、モータージェネレータ３０の動力は遊星歯車装置４０に伝達される。一方、遊星歯車装置４０の回転によってモータージェネレータ３０が回転した場合、モータージェネレータ３０は回生発電を行う。この回生発電で生じた電力はバッテリに充電される。

また、本実施形態に係るモータージェネレータ３０は、通常時には、制御装置５０によって指示されたトルク指示値のトルクを発生するように回転する。また制御装置５０は、モータージェネレータ３０に対して、通常時とは逆回転方向のトルク指示値を送信することで、モータージェネレータ３０に対して励磁ブレーキをかける。

図２は、内燃機関システム１の遊星歯車装置４０とその周辺構成を拡大して模式的に示す拡大概略図である。遊星歯車装置４０は、サンギア４１、キャリアギア４２（これは複数個存在している）、及びリングギア４３を備えている。サンギア４１は遊星歯車装置４０の中央で回転するギアである。リングギア４３は遊星歯車装置４０の外周部で回転するギアである。キャリアギア４２は、サンギア４１とリングギア４３との間の部分に配置されており、サンギア４１及びリングギア４３に係合し、自転しながらサンギア４１の周囲を公転するギアである。

サンギア４１には、スーパーチャージャ２０が接続されている。具体的には本実施形態においては、一例として、スーパーチャージャ２０のロータ回転軸２２がサンギア４１の回転中心部に接続している。

リングギア４３には、モータージェネレータ３０が接続されている。具体的には本実施形態においては、一例として、モータージェネレータ３０のモータ回転軸３１とリングギア４３の外周歯との間にリングギア接続機構７０（これは歯車機構によって構成されている）が配置されており、モータージェネレータ３０はリングギア接続機構７０を介してリ
ングギア４３に接続している。

キャリアギア４２には、内燃機関１０が接続されている。具体的には本実施形態では、一例として、内燃機関１０の回転軸であるクランクシャフト１１が、キャリアギア接続機構８０を介してキャリアギア４２に接続している。キャリアギア接続機構８０の具体的構成は特に限定されるものではないが、本実施形態では一例として、第１プーリ８１、第２プーリ８２、動力伝達ベルト８３、及び接続部材８４を備えている。

第１プーリ８１は、クランクシャフト１１の先端部に接続されている。動力伝達ベルト８３は、第１プーリ８１及び第２プーリ８２に巻き掛けられている。接続部材８４は第２プーリ８２の回転中心と各々のキャリアギア４２の回転中心とを接続している。内燃機関１０のクランクシャフト１１の回転動力は、第１プーリ８１、動力伝達ベルト８３、第２プーリ８２及び接続部材８４を介して、各々のキャリアギア４２に伝達される。

続いて内燃機関システム１の動作について、図３及び図４を用いて説明する。図３（ａ）は、通常時における内燃機関システム１の動作を模式的に図示している。なお、本実施形態において、この通常時とは、具体的には、内燃機関１０の始動時や車両の発進時でない状態の時であり、且つ定常走行時（加速時や減速時でない走行時）や中負荷時（高負荷時や低負荷時でない負荷時）をいう。図３（ｂ）は、加速時や高負荷時における内燃機関システム１の動作を模式的に図示している。また図４（ａ）は、減速時や低負荷時における内燃機関システム１の動作を模式的に図示しており、図４（ｂ）は、始動時や発進時における内燃機関システム１の動作を模式的に図示している。

図３（ａ）に示すように、通常時において、制御装置５０は、クラッチ２３を断状態にし、またモータージェネレータ３０を停止させる。この場合、内燃機関１０の動力（Ｆ）は、遊星歯車装置４０のキャリアギア４２及びサンギア４１を介してスーパーチャージャ２０に伝達される。すなわち、この場合、内燃機関１０の動力のみによってスーパーチャージャ２０は駆動される。

図３（ｂ）に示すように、加速時や高負荷時において、制御装置５０は、クラッチ２３を断状態にし、またモータージェネレータ３０をバッテリの電力によって駆動させる。この場合、内燃機関１０の動力（Ｆ）は遊星歯車装置４０のキャリアギア４２及びサンギア４１を介してスーパーチャージャ２０に伝達され、モータージェネレータ３０の動力（Ｆ）は遊星歯車装置４０のリングギア４３、キャリアギア４２及びサンギア４１を介してスーパーチャージャ２０に伝達される。すなわち、この場合、内燃機関１０の動力に加えて、モータージェネレータ３０の動力によってスーパーチャージャ２０の回転がアシストされる。

また、制御装置５０は、内燃機関１０の動力及びモータージェネレータ３０の動力が遊星歯車装置４０を介してスーパーチャージャ２０に伝達された状態で、スーパーチャージャ２０の回転数が予め設定された許容回転数よりも低い所定回転数以上になった場合には、キャリアギア４２の公転速度よりもリングギア４３の自転速度が遅くなるようにモータージェネレータ３０を制御する制御処理を実行する（以下、この制御処理を「励磁ブレーキ制御処理」と称する）。

具体的には、本実施形態に係る制御装置５０は、スーパーチャージャ２０の回転数（具体的にはロータ回転軸２２の回転数）を検出する回転数センサ９０（図１に図示されている）の検出結果に基づいて、スーパーチャージャ２０の回転数を取得する。そして、制御装置５０は、この取得されたスーパーチャージャ２０の回転数が、予め記憶部（例えばＲＯＭ等）に記憶されている所定回転数（これは許容回転数よりも低い）以上になったか否
かを判定し、この回転数が所定回転数以上になったと判定した場合に、上記の励磁ブレーキ制御処理を実行する。

そして、この励磁ブレーキ制御処理において、制御装置５０は、モータージェネレータ３０に励磁ブレーキをかける際のトルク指示値を変更することで、キャリアギア４２の公転速度よりもリングギア４３の自転速度を遅くする。より具体的には、本実施形態に係る制御装置５０は、通常時に励磁ブレーキをかける場合よりも、励磁ブレーキのトルク指示値を小さい値に変更することで、励磁ブレーキを緩めて、キャリアギア４２の公転速度よりもリングギア４３の自転速度を遅くする。

上記のようにスーパーチャージャ２０の回転数が所定回転数以上になった場合に、キャリアギア４２の公転速度よりもリングギア４３の自転速度を遅くすることによって、サンギア４１の自転速度を低下させることができる。これにより、スーパーチャージャ２０の回転数の上昇を抑制することができるので、スーパーチャージャ２０の回転数が許容回転数を超えることを抑制することができる。

なお、この所定回転数は、許容回転数よりも小さい値であれば、その具体的な値は特に限定されるものではなく、例えば、実験、シミュレーション等によって適切な値を求めておき、記憶部に記憶させておけばよい。なお、所定回転数の求め方の一例を挙げると、この所定回転数の値が小さいほど、許容回転数と所定回転数との差が大きくなるので、スーパーチャージャ２０の回転数が許容回転数を超えることをより確実に抑制することができる。一方、所定回転数の値が大きいほど、より遅い時期にモータージェネレータ３０によってスーパーチャージャ２０の回転数上昇の抑制を開始させることができる。そこで、これらのバランスを考慮して、所定回転数として、適切な値を求めればよい。

図４（ａ）に示すように、減速時や低負荷時において、制御装置５０は、クラッチ２３を接状態にする。なお、この場合、モータージェネレータ３０のバッテリの電力による駆動は停止されている。このようにクラッチ２３が接状態になることで、スーパーチャージャ２０の駆動は停止される（すなわち、過給は停止される）。また、これに伴い、制御装置５０はバイパスバルブ６２を開弁させる。これにより、スーパーチャージャ２０よりも上流側の吸気はバイパス通路６１を通過してスーパーチャージャ２０よりも下流側の吸気通路６０に流入して、内燃機関１０に供給される。

また、図４（ａ）において、モータージェネレータ３０のバッテリの電力による駆動が停止した状態で、クラッチ２３が接状態になることでスーパーチャージャ２０の駆動が停止した場合、内燃機関１０の動力（Ｆ）は、遊星歯車装置４０のキャリアギア４２及びリングギア４３を介してモータージェネレータ３０に伝達される。これにより、モータージェネレータ３０は回生発電を行う。

図４（ｂ）に示すように、始動時や発進時において、制御装置５０は、クラッチ２３を接状態にし、バイパスバルブ６２を開弁させる。このようにクラッチ２３が接状態になることで、スーパーチャージャ２０の駆動は停止される。しかしながら、バイパスバルブ６２が開弁するので、スーパーチャージャ２０よりも上流側の吸気はバイパス通路６１を通過してスーパーチャージャ２０よりも下流側の吸気通路６０に流入して、内燃機関１０に供給される。

また、制御装置５０は、始動時や発進時において、クラッチ２３を接状態にした後に、モータージェネレータ３０をバッテリの電力で駆動させる。この場合、モータージェネレータ３０の動力（Ｆ）は、遊星歯車装置４０のリングギア４３及びキャリアギア４２を介して内燃機関１０に伝達される。これにより、例えば内燃機関１０の始動時（つまり停止した状態の内燃機関１０を始動させる時）には、モータージェネレータ３０の動力によって内燃機関１０のクランキングを行って、内燃機関１０を始動させることができる。また、例えば車両の発進時には、モータージェネレータ３０によって内燃機関１０の回転をアシストすることができる。

続いて本実施形態の作用効果について説明する。まず、本実施形態によれば、スーパーチャージャ２０の回転数が所定回転数（これは予め設定された許容回転数よりも低い値である）以上になった場合に、前述した励磁ブレーキ制御処理が実行されているので、サンギア４１の自転速度を低下させて、スーパーチャージャ２０の回転数の上昇を抑制することができる。これにより、スーパーチャージャ２０の回転数が許容回転数を超えることを抑制することができる。

上述した励磁ブレーキ制御処理の効果について、図を用いて説明すると次のようになる。図５は、本実施形態に係る励磁ブレーキ制御処理の効果を説明するための模式図である。具体的には図５の縦軸は、スーパーチャージャ２０の回転数（ＳＣ回転数）を示し、横軸は内燃機関１０の回転数（ＥＧ回転数）を示している。曲線１００は、本実施形態に係る励磁ブレーキ制御処理が行われた場合のスーパーチャージャ２０の回転数の変化を模式的に示している。曲線２００は、本実施形態に係る励磁ブレーキ制御処理が行われない場合のスーパーチャージャ（以下、比較例に係るスーパーチャージャと称する）の回転数の変化を模式的に示している。

曲線２００に示す比較例に係るスーパーチャージャの場合、本実施形態に係る励磁ブレーキ制御処理を行わずにスーパーチャージャの回転数が許容回転数（Ｒｍ）を超えることを抑制するために、スーパーチャージャの常用回転数が低めに設定されている。そのため、曲線２００に示す比較例に係るスーパーチャージャの場合、スーパーチャージャの回転数は全体的に低めになっている。したがって、比較例に係るスーパーチャージャの過給性能は良好とはいえない。また、比較例の場合、スーパーチャージャの回転数が許容回転数（Ｒｍ）近傍になった場合に、スーパーチャージャのクラッチによってスーパーチャージャの回転に急ブレーキをかけているので、スーパーチャージャの回転数が許容回転数（Ｒｍ）近傍になった後にスーパーチャージャの回転数は急激に減少している。この点においても、比較例に係るスーパーチャージャの過給性能は良好とはいえない。

これに対して曲線１００に示す本実施形態の場合、スーパーチャージャ２０の回転数が許容回転数（Ｒｍ）よりも低い所定回転数（Ｒｔ）以上になった場合に、励磁ブレーキ制御処理によってスーパーチャージャ２０の回転数の上昇が抑制されて、スーパーチャージャ２０の回転数が許容回転数（Ｒｍ）を超えることが抑制されている。

そして、本実施形態によれば、上記のようにスーパーチャージャ２０の回転数が許容回転数を超えることが抑制されているので、スーパーチャージャ２０の常用回転数を高めに設定することができる。これにより、内燃機関１０の回転数が低い段階からスーパーチャージャ２０が高回転で回転できるので、過給性能を向上させて、内燃機関１０の発進過渡トルクを大きくすることができる。これにより、トランスミッション（車両の変速機）のギア比を小さくすることができるので、高速走行時に内燃機関１０の回転数を低くすることができる。この結果、燃費を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、励磁ブレーキ制御処理によって緩やかにスーパーチャージャ２０の回転数が許容回転数を超えることを抑制しているので、曲線１００に示すように、スーパーチャージャ２０の回転数が所定回転数（Ｒｔ）以上になった場合であっても、スーパーチャージャ２０の回転数が急激に減少することが抑制されている。この点においても、本実施形態によれば、スーパーチャージャ２０による過給性能を向上させることができる。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１内燃機関システム
１０内燃機関
２０スーパーチャージャ
３０モータージェネレータ
４０遊星歯車装置
４１サンギア
４２キャリアギア
４３リングギア
５０制御装置
６０吸気通路

Claims

内燃機関と、前記内燃機関の吸気通路の吸気を過給するスーパーチャージャと、モータージェネレータと、を備える内燃機関システムにおいて、
前記スーパーチャージャに接続されたサンギアと、前記モータージェネレータに接続されたリングギアと、前記サンギア及び前記リングギアに係合するとともに前記内燃機関に接続されたキャリアギアと、を有する遊星歯車装置と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記内燃機関及び前記モータージェネレータの動力が前記遊星歯車装置を介して前記スーパーチャージャに伝達された場合において、前記スーパーチャージャの回転数が予め設定された許容回転数よりも低い所定回転数以上になった場合に、前記モータージェネレータに励磁ブレーキをかける際のトルク指示値を変更することで、前記キャリアギアの公転速度よりも前記リングギアの自転速度が遅くなるように前記モータージェネレータを制御するように構成されていることを特徴とする内燃機関システム。