JP6665527B2 - 電動式過給機付きエンジンの電源システム - Google Patents

Description

この発明は、電動機で吸気を過給する電動式過給機を備えるエンジンにおける、その電動式過給機を駆動するためのエンジンの電源システムに関する。

排気ガスのエネルギを利用して、燃焼室に導入される吸気を過給する機械式過給機を備えたエンジンが広く採用されている。

この種の機械式過給機はターボチャージャとも呼ばれ、エンジンの吸気通路の途中にコンプレッサを配置し、排気通路の途中にタービンを配置し、排気通路を流れる排気ガスでタービンを回転させることによりコンプレッサを作動させ、燃焼室への吸入空気量を増大させて、エンジンのトルクの向上を図っている。

また、機械式過給機には、排気ガスの一部を分流させることにより、タービンへの流入量を調節するウェイストゲートバルブが備えられる。タービンを通過する排気ガスの量をウェイストゲートバルブで調整することで、吸気の過給圧を制御することができる。

従来のウェイストゲートバルブは、過給圧を動力源とした空圧式アクチュエータにより制御されていたが、近年は、電動機で開閉制御するようにした電動のウェイストゲートバルブも採用されている。ウェイストゲートバルブを電動式とすることで、過給圧が低い場合でも駆動でき、より緻密な制御が可能となっている。

さらに、近年は、排気ガスのエネルギを利用した過給機以外にも、コンプレッサを電動機で駆動するようにした電動式過給機が種々提案されている。電動式過給機は、エンジンの運転状態によらず、電力を供給することで任意に過給が出来るという利点がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１６３６７４号公報

ところで、電動式過給機を駆動させる場合、多くの電力を必要とする。しかし、電動式過給機を用いる運転領域が多くなるにつれて、あるいは、電動式過給機の容量が増大するにつれて、さらに大きな電力が必要になることが予想される。また、併せて機械式過給機のウェイストゲートバルブを電動式とすることで、必要な電力はさらに高まっていく傾向がある。このため、これらの過給機を駆動するための安定した電源の確保が望まれる。

そこで、この発明の課題は、電動式過給機及び電動のウェイストゲートバルブをもつ機械式過給機を用いたエンジンの電源システムにおいて、過給機を駆動するための安定した電源を確保することである。

上記の課題を解決するために、この発明は、エンジンの燃焼室へ電動機で吸気を過給する電動式過給機と、前記エンジンの燃焼室へ前記エンジンの排気エネルギを利用して過給する機械式過給機と、前記電動式過給機を駆動するための電力を供給する第一の電源装置と、前記エンジンの排気エネルギの回収量を調整する調整弁を駆動するための電力を供給する第二の電源装置と、前記エンジン又は前記エンジンを搭載する車両における回生発電で発生した電力を前記第一の電源装置及び前記第二の電源装置に分配する分配装置を備える回生電力蓄電手段と、を備える電動式過給機付きエンジンの電源システムを採用した。

ここで、前記回生電力蓄電手段は、エンジンの回転によって回生発電する回転電機と、前記回転電機による回生発電量を制御する電力制御手段と、を備え、前記第一の電源装置は、前記回転電機によって発電された回生電力を化学的エネルギにより蓄える蓄電池、を備える構成を採用することができる。

前記蓄電池として、例えば、一般的な車両搭載している鉛蓄電池を採用してもよいが、特に、リチウムイオン電池を採用することが可能である。

また、前記回生電力蓄電手段は、エンジンの回転によって回生発電する回転電機と、前記回転電機による回生発電量を制御する電力制御手段と、を備え、前記第一の電源装置は、前記回転電機によって発電された回生電力を静電気的に蓄えるコンデンサ、を備える構成を採用することができる。

これらの各構成において、前記第二の電源装置は、エンジンの始動や点火を行う装置及びそのエンジンを搭載する車両の電装品へ電力を供給する構成を採用することができる。

ここで、前記分配装置は、回生発電により発電された電力を前記第一の電源装置へ優先して蓄え、回生発電以外により発電された電力を前記第二の電源装置へ優先して蓄えるように切り替える構成を採用することができる。

また、前記電力制御手段は、前記回転電機によって発電されるべき電力として要求発電量を算出する要求発電量算出手段と、前記要求発電量を基に前記回転電機による回生発電量を制御する回転電機制御手段と、を備える構成を採用することができる。

この発明によれば、回生発電により、減速時に車両が持っている運動エネルギを電動式過給機の駆動用電源として活用でき、その結果、過給機を駆動するための安定した電源を確保し、さらに、エンジンの燃費を向上させることができる。

この発明の実施形態を示す電動式過給機付きエンジンの電源システムの模式図である。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、この実施形態の電動式過給機付きエンジンの電源システム１０（以下、単に「電源システム１０」と称する。）を概念的に示す模式図である。

この実施形態の電動式過給機付きエンジンは走行用駆動源として車両に搭載され、エンジン本体１の内部に燃焼室を有し、そのエンジン本体１は、燃焼室に吸気を送り込む吸気通路４、燃焼室から引き出された排気通路３、吸気通路４や燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置等を備えている。

燃焼室へ通じる吸気通路４には、燃焼室への接続部である吸気ポートから上流側に向かって、吸気通路４の流路面積を調節するスロットルバルブ５、吸気通路４を流れる吸気を冷却する吸気冷却装置６、排気エネルギによって吸気を過給する機械式過給機Ｔの機械式コンプレッサ１１、電動機の駆動力によって吸気を過給する電動式過給機３０、エアクリーナ７等が設けられる。

排気通路３には、燃焼室への接続部である排気ポートから下流側に向かって、排気エネルギによって回転する機械式過給機Ｔの排気タービン１２、排気中の未燃炭化水素（ＨＣ）等の有害物を除去する触媒等を備えた排気浄化部８、消音器９等が設けられる。

電動式過給機３０は、燃焼室への吸気を過給する電動機として電動式コンプレッサを備える。電力を供給することにより電動式コンプレッサを駆動すると、吸気通路４内を流れる吸気に過給が行われる。

機械式過給機Ｔは、吸気通路４に配置され燃焼室へ導入される吸気を過給する機械式コンプレッサ１１と、排気通路３に配置される排気タービン１２とで構成され、排気通路３を流れる排気ガスによって排気タービン１２が回転すると、その回転が吸気通路４の機械式コンプレッサ１１に伝達される。機械式コンプレッサ１１の回転によって、吸気通路４内を流れる吸気に過給が行われる。

また、排気通路３における排気タービン１２の上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路６１と、その排気バイパス通路６１を開閉する調整弁として排気バイパスバルブ６２とを備えた排気バイパス装置６０、いわゆるウェイストゲートバルブ装置が設けられている。排気バイパスバルブ６２を開放すれば、排気タービン１２側に流れている排気ガスの一部が排気バイパス通路６１側に分流され、排気タービン１２に加わる排気エネルギが低減される。

排気バイパスバルブ６２は電動機で開閉制御される電動のウェイストゲートバルブとなっている。

このエンジンを搭載する車両は、エンジンを制御するための電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５０を備える。電子制御ユニット５０は、燃料噴射装置による燃料噴射や、過給圧の制御、スロットルバルブ５の開度の制御、その他、エンジンの制御に必要な指令を行う。エンジンの稼働に必要な電力は、このエンジンを搭載する車両が備える電源装置４０から供給されるようになっている。

また、電子制御ユニット５０は、電動式過給機３０を制御する電動式過給機制御手段５６を備える。さらに、電子制御ユニット５０は、電動の排気バイパスバルブ６２の開閉を制御するウェイストゲートバルブ制御手段５７を備える。電動式過給機３０や排気バイパスバルブ６２の駆動電力は、同じく電源装置４０から供給されるようになっている。

電源システム１０は、電動式過給機３０を駆動するための電力を供給する電源装置４０としての第一の電源装置４１と、エンジンを搭載する車両の減速時における回生発電で発生した電力を、その第一の電源装置４１を含む電源装置４０に蓄える回生電力蓄電手段Ｅとを備える。

この回生電力蓄電手段Ｅの回生発電により、減速時に車両が持っている運動エネルギを、電動式過給機３０の駆動用電源として活用でき、その結果、エンジンの燃費を向上させることができる。すなわち、従来は、ブレーキの摩擦熱として廃棄されていたエネルギを、回生発電（回生ブレーキ）として電力に変換することで、燃費の向上が可能である。

ここで、電源装置４０は、電動式過給機３０を駆動するための電力を供給する第一の電源装置４１と、エンジンの始動や点火を行う装置及び車両に搭載された各種電装品へ電力を供給する第二の電源装置４２とは、別々に備えられている。

すなわち、第一の電源装置４１は、電動式過給機３０を駆動するための電力を供給する電源装置４０として機能し、第二の電源装置４２は、機械式過給機Ｔにおける電動の排気バイパスバルブ６２を駆動や、その他、エンジン各部や車両各部の装置を稼働させるための電力を供給する。

なお、電動式過給機３０が、電動式コンプレッサを駆動させない際に、吸気を電動式コンプレッサを通るルートとへ別のルートで供給する吸気バイパス通路を有する場合、この吸気バイパス通路に設けられる電動の吸気調整弁を、第一の電源装置４１からの電力で制御してもよい。

そして、回生電力は、電動式過給機３０用の第一の電源装置４１に優先して蓄電されるようになっている。このため、消費電力が大きい電動式過給機３０への電力の供給能力を高め、電動式過給機３０への電力の供給を安定させることを実現している。

ここで、回生発電で発生した電力を電源装置４０に蓄える回生電力蓄電手段Ｅは、エンジン本体１内のクランクシャフト２の回転によって回生発電するオルタネータ２２を備えた回転電機２０と、回転電機２０による回生発電量を制御する電力制御手段５１とを備える。また、電力制御手段５１からの指令により、回生発電の発電量や電源装置４０への充電量や充電先を制御する分配装置として充電コントローラ４５を備える。電力制御手段５１は、電子制御ユニット５０に備えられる。

また、この実施形態では、電源装置４０として、第一の電源装置４１と第二の電源装置４２のそれぞれに蓄電池を採用している。蓄電池は、回転電機２０によって発電された回生電力を、化学的エネルギにより蓄える機能を有するいわゆる化学電池である。化学電池は、内部に収容された物質自身が持つ化学的なエネルギを、化学反応によって直流の電力に変換する。

この蓄電池としては、一般的な車両が搭載している鉛蓄電池を採用してもよいが、特に、回生発電に対応するものとして、リチウムイオン電池を採用することが可能である。放電状態での性能低下が小さいリチウムイオン電池は、回生発電の受入性が鉛蓄電池等よりも良いので、減速時に廃棄されるエネルギをより多く回収でき、燃費を向上させることができる。回生発電に優先して対応する第一の電源装置４１として、このリチウムイオン電池を採用することが特に好ましい。

また、この蓄電池に代わる電源装置４０として、電力を静電気的に蓄えるコンデンサを採用してもよい。コンデンサの構造は、絶縁体からなる誘電体を介した二枚の電気伝導体平板を備える。この二枚の電気伝導体平板に直流電圧を加えると、電機エネルギとしての電荷が蓄えられるようになっている。

電源装置４０としてコンデンサを使った場合も、鉛蓄電池等を使った場合に比べて回生発電の受入性が良いので、同じく、減速時に廃棄されるエネルギをより多く回収でき、燃費を向上させることができる。回生発電に優先して対応する第一の電源装置４１として、このコンデンサを採用することが特に好ましい。

ここで、電力制御手段５１は、回生発電により発電された電力を第一の電源装置４１へ、回生発電以外により発電された電力を第二の電源装置４２へ、それぞれ優先して蓄えるように切り替える指示を、分配装置である充電コントローラ４５に指令する蓄電先制御手段５２を備える。

また、電力制御手段５１は、回転電機２０によって発電されるべき電力として要求発電量を算出する要求発電量算出手段５３と、要求発電量を充電コントローラ４５に指令する要求出力手段５４、要求発電量を基に回転電機２０による回生発電量を制御する回転電機制御手段５５を備える。

エンジン本体１には、エンジンのクランクシャフト２の回転速度を検出する回転速度センサ、アクセルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ、車両の速度を検出する車速センサ等が設けられている。

これらの各種センサ類の情報は、ケーブルを通じて電子制御ユニット５０が取得できるようになっている。車速センサは、車両の車速を検出でき、その情報に基づいて、電子制御ユニット５０は、その車両が加速中であるか、減速中であるか、停止中であるか等を判別することができる。

オルタネータ２２は、エンジン本体１のクランクシャフト２に取り付けられたクランクプーリ２１とベルト２３等の無端状部材を介して接続され、クランクシャフト２の回転が伝達されるようになっている。また、オルタネータ２２は、電力供給用のケーブルを介して、充電用コントローラ４５、第一の電源装置４１、第二の電源装置４２の各電源装置４０のプラス端子と電気的に接続されている。なお、第一の電源装置４１、第二の電源装置４２のマイナス端子は、車体等のアース４３に接続されている。

要求発電量算出手段５３は、第一の電源装置４１、第二の電源装置４２の各充電量を検出し、その充電量に基づいて、オルタネータ２２で発生させるべき発電量として要求発電量を算出する。要求発電量は、第一の電源装置４１、第二の電源装置４２の残充電量、すなわち、その時点で各電源装置４１、４２に充電されている電気の量が少なくなるにつれて、より多くなるように算出される。また、要求発電量算出手段５３は、第一の電源装置４１、第二の電源装置４２のそれぞれに対する要求発電量を、別々に算定することができるようになっている。

そして、要求出力手段５４は、要求発電量算出手段５３によって算出された要求発電量がゼロ（０）より大きい場合には要求発電信号として、その要求発電量を回転電機制御手段５５や充電コントローラ４５等の装置、その他の各制御手段へ発信する。また、要求発電量がゼロである場合には発電要求が無いので、要求発電信号の発信を行わない。

回転電機制御手段５５、充電コントローラ４５は、発信された要求発電量に基づいて、オルタネータ２２の発電量が要求発電量となるようにオルタネータ２２の動作を制御する。このときの制御を、回生発電が可能な運転状態である場合と、回生発電以外による発電が可能な運転状態とにわけて説明する。

車両の運転状態が、回生発電が可能な状態である場合は、オルタネータ２２の回生発電による電力は第一の電源装置４１へ優先して充電される。ただし、第一の電源装置４１が満充電状態、あるいは、予め決められた所定残充電量以上である場合は、第二の電源装置４２へ充電先を切り替えることができる。第一の電源装置４１と第二の電源装置４２の両方が満充電状態である場合は回生発電を行わず、オルタネータ２２による発電を停止する。これにより、回生ブレーキの作用は期待できなくなるので、必要に応じて機械式ブレーキの作動に切り替える等の制御を行う。

車両の運転状態が、回生発電ができない状態である場合は、オルタネータ２２の発電による電力は第二の電源装置４２へ優先して充電される。ただし、第二の電源装置４２が満充電状態、あるいは、予め決められた所定残充電量以上である場合は、第一の電源装置４１へ充電先を切り替えることができる。第一の電源装置４１と第二の電源装置４２の両方が満充電状態である場合の制御は、前述の場合と同様である。

ここで、運転状態が回生発電が可能な状態であるか、回生発電ができない状態であるかは、回転速度センサ、アクセル開度センサ、車速センサ等の情報に基づいて、電子制御ユニット５０が判別することができる。

過給が要求される運転状態で、第一の電源装置４１の残充電量が、電動過給機３０を駆動するために必要な最低残充電量以上である場合は、電動式過給機制御手段５６が電動式過給機コントローラ４６に駆動の指令を発信する。電動式過給機コントローラ４６は、電動式過給機３０を所定の出力で駆動し、運転に必要な吸気の過給を行う。

第一の電源装置４１の残充電量が、電動過給機３０を駆動するために必要な最低残充電量を下回った場合は、電動式過給機制御手段５６が電動式過給機コントローラ４６に駆動停止又は駆動力を下げる指令を発信する。電動式過給機コントローラ４６は、電動式過給機３０の駆動を停止するか、あるいは電動式過給機３０の出力を低下させる制御を行う。このとき、電動式過給機３０用の電源装置４０として、第二の電源装置４２も選択できるようになっている場合には、その第二の電源装置４２の残充電量が充分に大きい場合に限り、電動式過給機３０を駆動するための電源を、第二の電源装置４２に切り替えてもよい。

また、このとき、電動式過給機３０の出力の低下に合わせて、機械式過給機Ｔの過給圧を上昇させる制御を行ってもよい。機械式過給機Ｔによる過給圧を上昇させる制御は、ウェイストゲートバルブ制御手段５７が排気バイパスバルブ６２を閉じる方向へ制御することにより、排気タービン１２に供給される排気ガス量を高めることにより行うことができる。

以上のように、一般にエンジンを動力源とする車両では、発電機で発電した電力を蓄えるために、鉛蓄電池を従来から搭載してきた。鉛蓄電池は、放電状態では性能が劣化する特性があるので、充電された状態に維持しておくことが好ましい。しかし、回生発電で発電した電力を蓄えるためには、鉛蓄電池を放電状態にして電力の受け入れの準備をしておく必要がある。前述のように、鉛蓄電池を放電状態とすることは性能の劣化につながるので、回生発電で受入られる電力、すなわち、鉛蓄電池の回生発電に対する待機時の放電量には限度があった。

このため、この発明のように、電動式過給機３０を駆動するための電力を供給する装置である第一の電源装置４１を、機械式過給機Ｔの排気バイパスバルブ６２をはじめとする、電動式過給機３０以外の他の装置へ電力を供給する装置である第二の電源装置４２とは別に備えることにより、回生発電が行われた際の電力を蓄える大きな容量の確保を実現したのである。また、電動式過給機３０を駆動するための電力を供給する第一の電源装置４１として、鉛蓄電池に代えてリチウムイオン電池等を採用することにより、鉛蓄電池のような放電状態での待機による性能劣化の危惧も解消できる。

また、第一の電源装置４１を、電動式過給機３０以外の他の装置、特に、電動の排気バイパスバルブ６２へ電力を供給する装置である第二の電源装置４２とは別に備えたことにより、仮に、第一の電源装置４１から電動式過給機３０への電力の供給が故障等により出来なくなった際にも、ウェイストゲートバルブ制御手段５７が、第二の電源装置４２からの電力によって電動の排気バイパスバルブ６２を制御することによって、継続して過給のコントロールが可能である。また、逆に、第二の電源装置４２から電動の排気バイパスバルブ６２への電力の供給が故障等により出来なくなった際にも、電動式過給機制御手段５６が、第一の電源装置４１からの電力によって電動式過給機３０を制御することによって、継続して過給のコントロールが可能である。

この実施形態の電動式過給機付きエンジンは自動車用４サイクルガソリンエンジンとしたが、この実施形態には限定されず、例えば、ディーゼルエンジン等、電動式過給機を備えた他の形式のエンジンでもこの発明を適用できる。

１ エンジン本体
２ クランクシャフト
３ 排気通路
４ 吸気通路
５ スロットルバルブ
６ 吸気冷却装置
７ エアクリーナ
８ 排気浄化部
９ 消音器
１０ 電源システム
１１ 機械式コンプレッサ
１２ 排気タービン
２０ 回転電機
２２ オルタネータ
３０ 電動式過給機
４０ 電源装置
４１ 第一の電源装置
４２ 第二の電源装置
５０ 電子制御ユニット
５１ 電力制御手段
５２ 蓄電先制御手段
５３ 要求発電量算出手段
５４ 要求出力手段
５５ 回転電機制御手段
５６ 電動式過給機制御手段
５７ ウェイストゲートバルブ制御手段
６０ ウェイストゲートバルブ装置
６１ 排気バイパス通路
６２ 排気バイパスバルブ
Ｔ 機械式過給機

Claims (6)

1. エンジンの燃焼室へ電動機で吸気を過給する電動式過給機と、
   前記エンジンの燃焼室へ前記エンジンの排気エネルギを利用して過給する機械式過給機と、
   前記電動式過給機を駆動するための電力を供給する第一の電源装置と、
   前記エンジンの排気エネルギの回収量を調整する調整弁を駆動するための電力を供給する第二の電源装置と、
   前記エンジン又は前記エンジンを搭載する車両における回生発電で発生した電力を前記第一の電源装置及び前記第二の電源装置に分配する分配装置を備える回生電力蓄電手段と、
   を備え、
   前記分配装置は、
   前記第一の電源装置が予め定められた所定残充電量未満の場合に、回生発電により発電された電力を前記第一の電源装置へ優先して蓄えるように切り替え、
   前記第二の電源装置が予め定められた所定残充電量未満の場合に、回生発電以外により発電された電力を前記第二の電源装置へ優先して蓄えるように切り替える
   電動式過給機付きエンジンの電源システム。
2. 前記回生電力蓄電手段は、
   エンジンの回転によって回生発電する回転電機と、
   前記回転電機による回生発電量を制御する電力制御手段と、
   を備え、
   前記第一の電源装置は、
   前記回転電機によって発電された回生電力を化学的エネルギにより蓄える蓄電池、
   を備える請求項１に記載の電動式過給機付きエンジンの電源システム。
3. 前記蓄電池は、リチウムイオン電池である
   請求項２に記載の電動式過給機付きエンジンの電源システム。
4. 前記回生電力蓄電手段は、
   エンジンの回転によって回生発電する回転電機と、
   前記回転電機による回生発電量を制御する電力制御手段と、
   を備え、
   前記第一の電源装置は、
   前記回転電機によって発電された回生電力を静電気的に蓄えるコンデンサ、
   を備える請求項１に記載の電動式過給機付きエンジンの電源システム。
5. 前記第二の電源装置は、
   エンジンの始動や点火を行う装置及びそのエンジンを搭載する車両の電装品へ電力を供給する
   請求項１〜４の何れか１項に記載の電動式過給機付きエンジンの電源システム。
6. 前記電力制御手段は、
   前記回転電機によって発電されるべき電力として要求発電量を算出する要求発電量算出手段と、
   前記要求発電量を基に前記回転電機による回生発電量を制御する回転電機制御手段と、
   を備える請求項２〜４の何れか１項に記載の電動式過給機付きエンジンの電源システム。

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