JPWO2016121092A1 - 過給システム及び過給システム用制御装置並びに過給システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】過給システムは、第１コンプレッサを有する第１過給機と、第２コンプレッサを有する第２過給機と、第１及び第２過給機を制御するための制御装置とを備え、前記第１又は第２過給機は、前記コンプレッサを駆動する電動機を有し、前記第１又は第２過給機は、エンジンからの排ガスにより回転駆動されるタービンと、前記タービンへの排ガスの流路面積を調節するノズルベーンとを有し、前記制御装置は、バッテリの充電量が第１閾値未満のときに、前記電動機の出力指令値の上限値を低く設定する又は前記電動機を回生運転に切り替えるための電動機制御部と、前記バッテリの充電量が第１閾値未満のときに、前記電動機制御部による前記電動機の制御に伴い、前記流路面積が小さくなるように前記ノズルベーンの開度を制御するためのベーン制御部とを含む。

Description

本開示は、過給システム及び過給システム用制御装置並びに過給システムの運転方法に関する。

バッテリにより駆動される電動機（モータ）を備える過給機が知られている。
例えば、特許文献１には、バッテリにより駆動される電動機を備えるターボ過給機が開示されている。このターボ過給機では、排気タービンの回転数を早期に上昇させるために、電動機によって排気タービンの回転をアシストするようになっている。

特許第４４３３０５１号公報

特許文献１に記載のターボ過給機では、バッテリの充電量が低下したときには、電動機による排気タービンのアシストが禁止されるとともに、過給圧を調整するために可変ノズルの開度が制御されるようになっている。このように、電動機を備える過給機を１つ含む単段の過給システムでは、電動機が停止した場合には、過給圧を維持する方向に可変ノズルの開度を制御する、という比較的単純な制御により過給圧の調整が可能である。
一方、複数の過給機を含む過給システムにおいては、上述のような単段の構成に比べて制御対象が多く制御が複雑であり、バッテリの充電量が低下した時に適切に制御しなければ、エンジン出力及び車速が急に低下してドライバビリティが低下する可能性がある。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、複数の過給機を備える過給システムにおいて、バッテリ充電量の低下に起因するドライバビリティの悪化を緩和可能な過給システムを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る過給システムは、
エンジンに供給される空気を圧縮するための第１コンプレッサを有する第１過給機と、
前記第１コンプレッサにより圧縮された空気をさらに圧縮するための第２コンプレッサを有する第２過給機と、
前記第１過給機及び前記第２過給機を制御するための制御装置と、
を備える過給システムであって、
前記第１過給機又は前記第２過給機の少なくとも一方は、前記第１コンプレッサ又は前記第２コンプレッサを駆動するための電動機をさらに有し、
前記第１過給機又は前記第２過給機の少なくとも一方は、前記エンジンからの排ガスにより回転駆動されるように構成されたタービンと、前記タービンに流入する前記排ガスの流路面積を調節するように構成されたノズルベーンと、をさらに有し、
前記制御装置は、
前記電動機に電力を与えるためのバッテリの充電量が第１閾値未満のときに、前記バッテリの充電量が前記第１閾値以上のときに比べて前記電動機の出力指令値の上限値を低く設定するように、又は、前記電動機を回生運転に切り替えるように構成された電動機制御部と、
前記バッテリの充電量が前記第１閾値未満のときに、前記電動機制御部による前記電動機の制御に伴い、前記流路面積が小さくなるように前記ノズルベーンの開度を制御するためのベーン制御部と、を含む。

電動機により回転駆動される過給機においては、電動機の出力を低下させることで、過給圧は低下する。また、電動機により回転駆動される過給機においては、電動機を回生運転に切り替えたときには電動機の加勢出力はゼロとなるので、過給圧は低下する。一方、タービンに流入する排ガスの流路面積を調節可能に構成されたノズルベーンを備える過給機では、ノズルベーンの開度を小さくして流路面積を絞ることで、過給圧は上昇する。
上記（１）の構成によれば、バッテリの充電量が低下して第１閾値未満となったときに、該充電量が第１閾値以上であるときよりも電動機の出力指令値の上限値が低く設定され、又は、電動機が回生運転に切り替えられるとともに、ノズルベーンの開度が減少させられる。すなわち、電動機の出力指令値の低下又は回生運転への切り替えによる過給圧の低下に応じて、ノズルベーンの開度を小さくして過給圧を上昇させるので、電動機制御部による制御を行いながら、過給システムによる過給圧を確保することができる。よって、バッテリ充電量の低下に起因するドライバビリティの悪化を緩和することができる。
また、バッテリの充電量が低下した時に電動機の出力指令値の上限値が低く設定されるので、バッテリの枯渇を遅延させることができる。あるいは、バッテリの充電量が低下した時に電動機を回生運転に切り替えるので、バッテリの充電量を回復させることができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記電動機制御部は、
前記バッテリの充電量が前記第１閾値未満、且つ、前記第１閾値よりも小さい第２閾値以上である場合に、前記電動機の出力指令値の前記上限値を前記バッテリの充電量が前記第１閾値以上の場合に比べて小さく、且つ、ゼロよりも大きい値に設定し、
前記バッテリの充電量が前記第２閾値未満である場合に、前記電動機の出力指令値の前記上限値をゼロに設定するように構成される。
上記（２）の構成では、バッテリの充電量が低下して第１閾値未満となったときに電動機の出力指令値の上限値をゼロより大きい値に設定し、第１閾値よりも小さい第２閾値未満となったときに電動機の出力指令値の上限値をゼロに設定する。このように、バッテリの充電量の低下に従い電動機の出力指令値の上限値を段階的に減少させるので、バッテリの充電量が少なくなった際に直ちに電動機が停止される場合に比べて、緩やかに電動機出力が低下されるので、ドライバビリティの悪化が緩和される。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記制御装置は、前記エンジンによって駆動されて前記電動機に与える電力を生成するためのオルタネータの負荷に基づいて、前記第１閾値及び前記第２閾値を決定するように構成された閾値決定部をさらに含む。
上記（３）の構成によれば、オルタネータの負荷に応じて、電動機の出力指令値の上限値を制限するバッテリ充電量の閾値を決定するようにしたので、オルタネータ及びバッテリによる電力の供給状況に応じて適切に電動機出力を制御することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、前記閾値決定部は、前記オルタネータの負荷の増加とともに、前記第１閾値及び前記第２閾値を増大するように構成される。
上記（４）の構成によれば、オルタネータの負荷が増加してオルタネータの出力余裕が小さくなったときに、第１閾値及び第２閾値を増大させて、バッテリ充電量が比較的大きいうちに電動機の出力に制限をかけるので、バッテリの充電量を適切に維持することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）の何れかの構成において、前記電動機制御部は、前記バッテリの充電量が前記第１閾値未満であり、且つ、前記ノズルベーンの開度が第３閾値以上のときに、前記電動機を回生運転に切り替えるように構成される。
上記（５）の構成によれば、ノズルベーンの開度が所定の第３閾値以上であるとき、すなわち、ノズルベーンの開度を第３閾値未満に小さくして過給圧をより大きくするための余裕があるときに電動機を回生運転に切り替えるので、過給圧を維持しながら、回生運転によりバッテリの充電量を回復させることができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（５）の何れかの構成において、前記電動機制御部は、前記ノズルベーンの開度に基づいて前記電動機による目標回生量を決定し、前記電動機による回生量を前記目標回生量に制御するように構成される。
上記（６）の構成によれば、電動機による回生量がノズルベーンの開度に基づいて決定された目標回生量に制御されるので、ノズルベーンの開度に応じた適切な回生量にて電動機の回生運転を行うことができる。例えば、過剰な回生量での回生運転により過給圧が不足する事態を防ぐことができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、前記電動機制御部は、前記ノズルベーンの開度の減少とともに、前記目標回生量を減少させるように構成される。
上記（７）の構成によれば、ノズルベーンの開度が減少して過給不足を補う余裕が少なくなるに従って目標回生量を減少させるので、過給システムによる過給圧を適切に維持することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（７）の何れかの構成において、前記電動機制御部は、前記バッテリの充電量に基づいて前記電動機による目標回生量を決定し、前記電動機による回生量を前記目標回生量に制御するように構成される。
上記（８）の構成によれば、電動機による回生量がバッテリの充電量に基づいて決定された目標回生量に制御されるので、バッテリの充電量に応じた適切な回生量にて電動機の回生運転を行うことができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（８）の構成において、前記電動機制御部は、前記バッテリの最大容量と前記バッテリの充電量との差が小さくなるとともに、前記目標回生量を減少させるように構成される。
上記（９）の構成によれば、バッテリの充電量が十分である場合には、目標回生量が低く設定されるので、回生量を減らして、過給システムによる過給圧の確保を優先させることができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（９）の何れかの構成において、
前記第１過給機又は前記第２過給機のうち前記一方は、前記第１コンプレッサ又は前記第２コンプレッサに連結された前記電動機を備えた電動スーパーチャージャであり、
前記電動機制御部は、前記バッテリの充電量が第１閾値未満のときに、前記出力指令値の前記上限値をゼロに設定し、吸気による前記第１コンプレッサ又は前記第２コンプレッサの回転によって前記電動機が回生モードで駆動されるように構成される。
電動スーパーチャージャの場合、タービンが存在しないため、エンジンの排ガスから回収したエネルギーによって電動機を回生運転させることができない。
この点、上記（１０）の構成によれば、電動機の出力がゼロに設定されるとともに、吸気によるコンプレッサの回転により電動機を回生モードで駆動するようにしたので、電動スーパーチャージャの電動機を回生運転させてバッテリ充電を行うことができる。

（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係る過給システム用制御装置は、上記（１）〜（１０）の何れかの構成を有する過給システムに用いられる制御装置であって、
前記電動機に電力を与えるためのバッテリの充電量が第１閾値未満のときに、前記バッテリの充電量が前記第１閾値以上のときに比べて前記電動機の出力指令値の上限値を低く設定するように、又は、前記電動機を回生運転に切り替えるように構成された電動機制御部と、
前記バッテリの充電量が前記第１閾値未満のときに、前記電動機制御部による前記電動機の制御に伴い、前記流路面積が小さくなるように前記ノズルベーンの開度を制御するためのベーン制御部と、
を備える。

上記（１１）の構成によれば、バッテリの充電量が低下して第１閾値未満となったときに、該充電量が第１閾値以上であるときよりも電動機の出力指令値の上限値が低く設定され、又は、電動機が回生運転に切り替えられるとともに、ノズルベーンの開度が減少させられる。すなわち、電動機の出力指令値の低下又は回生運転への切り替えによる過給圧の低下に応じて、ノズルベーンの開度を小さくして過給圧を上昇させるので、電動機制御部による制御を行いながら、過給システムによる過給圧を確保することができる。よって、バッテリ充電量の低下に起因するドライバビリティの悪化を緩和することができる。
また、バッテリの充電量が低下した時に電動機の出力指令値の上限値が低く設定されるので、バッテリの枯渇を遅延させることができる。あるいは、バッテリの充電量が低下した時に電動機を回生運転に切り替えるので、バッテリの充電量を回復させることができる。

（１２）本発明の少なくとも一実施形態に係る過給システムの運転方法は、
エンジンに供給される空気を圧縮するための第１コンプレッサを有する第１過給機と、前記第１コンプレッサにより圧縮された空気をさらに圧縮するための第２コンプレッサを有する第２過給機と、を備える過給システムの運転方法であって、
前記第１過給機又は前記第２過給機の少なくとも一方は、前記第１コンプレッサ又は前記第２コンプレッサを駆動するための電動機をさらに有し、
前記第１過給機又は前記第２過給機の少なくとも一方は、前記エンジンからの排ガスにより回転駆動されるように構成されたタービンと、前記タービンに流入する前記排ガスの流路面積を調節するように構成されたノズルベーンと、をさらに有し、
前記電動機に電力を与えるためのバッテリの充電量を取得する充電量取得ステップと、
前記バッテリの充電量が第１閾値未満のときに、前記バッテリの充電量が前記第１閾値以上のときに比べて前記電動機の出力指令値の上限値を低く設定する、又は、前記電動機を回生運転に切り替える電動機制御ステップと、
前記バッテリの充電量が前記第１閾値未満のときに、前記電動機制御ステップでの前記電動機の制御に伴い、前記流路面積が小さくなるように前記ノズルベーンの開度を制御するベーン開度制御ステップと、を備える。

上記（１２）の方法によれば、バッテリの充電量が低下して第１閾値未満となったときに、該充電量が第１閾値以上であるときよりも電動機の出力指令値の上限値が低く設定され、又は、電動機が回生運転に切り替えられるとともに、ノズルベーンの開度が減少させられる。すなわち、電動機の出力指令値の低下又は回生運転への切り替えによる過給圧の低下に応じて、ノズルベーンの開度を小さくして過給圧を上昇させるので、電動機制御部による制御を行いながら、過給システムによる過給圧を確保することができる。よって、バッテリ充電量の低下に起因するドライバビリティの悪化を緩和することができる。
また、バッテリの充電量が低下した時に電動機の出力指令値の上限値が低く設定されるので、バッテリの枯渇を遅延させることができる。あるいは、バッテリの充電量が低下した時に電動機を回生運転に切り替えるので、バッテリの充電量を回復させることができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、複数の過給機を備える過給システムにおいて、バッテリ充電量の低下に起因するドライバビリティの悪化を緩和可能な過給システムが提供される。

一実施形態に係る過給システムの構成を示す図である。 一実施形態に係る過給システムの構成を示す図である。 一実施形態に係る過給システムの構成を示す図である。 一実施形態に係る過給システムの構成を示す図である。 一実施形態に係る過給システムの構成を示す図である。 一実施形態に係る過給機の有するタービンの概略断面図である。 一実施形態に係る過給システム用制御装置の構成を示す図である。 一実施形態に係る過給システムの運転方法のフローチャートである。 一実施形態における閾値決定部による処理フローを示す図である。 一実施形態における電動機制御部の処理フローを示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１〜図５は、それぞれ、一実施形態に係る過給システムの構成を示す図である。図１〜図５に示すように、過給システム１は、エンジン８に供給される空気を圧縮するための第１コンプレッサ１０を有する低圧段の第１過給機２と、第１コンプレッサ１０により圧縮された空気をさらに圧縮するための第２コンプレッサ２０を有する高圧段の第２過給機６と、第１過給機２及び第２過給機６を制御するための制御装置１００と、を備える。

過給システム１において、第１過給機２又は第２過給機６の少なくとも一方は、第１コンプレッサ１０又は第２コンプレッサ２０を駆動するための電動機１２をさらに有する。図１〜図５の各図に示される実施形態の中で、図１、図３及び図５に示す過給システム１においては、低圧段の第１過給機２が第１コンプレッサ１０を駆動するための電動機１２を有し、図２及び図４に示す過給システム１においては、高圧段の第２過給機６が第２コンプレッサ２０を駆動するための電動機１２を有する。

図１及び図２において、電動機１２を有する過給機（第１過給機２又は第２過給機６）は、第１コンプレッサ１０又は第２コンプレッサ２０が電動機１２によって駆動される電動スーパーチャージャである。ここで、電動機１２は、バッテリ３０からの直流電圧を三相交流電圧に変換して電動機巻線に供給するためのインバータ２８を含み、インバータ２８を介してバッテリ３０から電力の供給を受けて、回転エネルギーを生成するように構成される。この場合、第１コンプレッサ１０又は第２コンプレッサ２０は、回転軸１１を介して電動機１２に接続されており、電動機１２により生成された回転エネルギーによって回転軸１１が回転して第１コンプレッサ１０又は第２コンプレッサ２０が回転駆動されて、第１コンプレッサ１０又は第２コンプレッサ２０に流入した吸気が圧縮されるようになっている。

一方、図３〜図５において、電動機１２を有する過給機（第１過給機２又は第２過給機６）は、タービン（１４又は２４）をさらに備え、エンジン８からの排ガスによりタービン（１４又は２４）が回転駆動されるとともに、排ガスによるタービン（１４又は２４）の回転駆動が電動機１２によって補助される電動アシストターボチャージャである。すなわち、タービン（１４又は２４）は、エンジン８からの排ガス及び電動機１２により回転駆動可能に構成される。この第１過給機２又は第２過給機６では、タービン（１４又は２４）が回転軸１１を介して第１コンプレッサ１０又は第２コンプレッサ２０と接続されており、第１コンプレッサ１０又は第２コンプレッサ２０と同軸で回転可能に構成される。第１過給機２又は第２過給機６において、タービン（１４又は２４）は、エンジン８からの排ガスが流入することにより回転駆動されて、これに伴い回転軸１１を介して第１コンプレッサ１０又は第２コンプレッサ２０が同軸駆動されて、第１コンプレッサ１０又は第２コンプレッサに流入した吸気が圧縮されるようになっている。

バッテリ３０は、エンジン８によって駆動されて電動機１２ならびに他の車載電装品に与える電力を生成するためのオルタネータ６０に接続されており、オルタネータ６０により生成された電力を蓄電可能に構成される。

図３〜図５に示す電動機１２を有する過給機（第１過給機２又は第２過給機６）において、電動機１２は、図１等に示す第１過給機２と同様に、バッテリ３０からの直流電圧を三相交流電圧に変換して電動機巻線に供給するためのインバータ２８を含み、インバータ２８を介してバッテリ３０から電力の供給を受けて、回転エネルギーを生成するように構成される。そして、回転軸１１の回転又は第１コンプレッサ１０若しくは第２コンプレッサ２０の回転駆動を補助するように構成される。

また、過給システム１において、第１過給機２又は第２過給機６の少なくとも一方は、エンジン８からの排ガスにより回転駆動されるように構成されたタービン（１４又は２４）と、タービン（１４又は２４）に流入する排ガスの流路面積を調節するように構成されたノズルベーン（１６又は２６）と、をさらに有する。
図１〜図５の各図に示される実施形態の中で、図１及び図３に示す過給システム１においては、高圧段の第２過給機６がタービン２４に流入する排ガスの流路面積を調節するように構成されたノズルベーン２６を有する。また、図２、図４及び図５に示す過給システム１においては低圧段の第１過給機２がタービン１４に流入する排ガスの流路面積を調節するように構成されたノズルベーン１６を有する。

すなわち、図１〜図４に示す過給システム１では、第１過給機２又は第２過給機６のいずれか一方が電動機１２を有し、他方がノズルベーン（１６又は２６）を有する。また、図５に示す過給システム１では、第１過給機２が電動機１２を有するとともにノズルベーン１６を有する。

ここで、図６を参照して、ノズルベーンによる排ガスの流路面積の調節について説明する。図６は、一実施形態に係る過給機の有するタービン（タービン１４）の概略断面図である。ここでは、タービン１４及びノズルベーン１６について説明するが、タービン２４及びノズルベーン２６についても同様に説明できる。図６に示すように、タービン１４は、タービンケーシング５０内に複数の動翼５６が取り付けられたタービンロータ５４を備える。タービンロータ５４は回転軸１１を介して第１コンプレッサ１０に接続される。エンジン８からの排ガスがタービン１４に流入すると、動翼５６が排ガスの流れを受けてタービンロータ５４が回転し、これにより第１コンプレッサ１０が回転駆動されるようになっている。タービンロータ５４の外周側には、支持軸１７を回動軸として回動自在に構成された複数のノズルベーン１６が設けられている。

複数のノズルベーン１６は、アクチュエータ（不図示）によって支持軸１７を回転させることで開度を変化させることができるようになっている。図６において、破線で示されるノズルベーン１６ａは、実線で示されるノズルベーン１６よりも開度が大きい状態である。すなわち、破線で示されるノズルベーン１６ａ同士の間の距離Ｄ２は、実線で示されるノズルベーン１６同士の間の距離Ｄ１よりも大きい。このため、排ガスの流路面積は、開度が小さい時に比べて、開度が大きい時の方が大きくなる。
ノズルベーン１６の開度を減少させる（すなわち、排ガスの流路面積を減少させる）ことで、排ガスのタービン１４への流入速度が上昇するため、過給システム１による過給圧を上昇させることができる。また、ノズルベーン１６の開度を開く（すなわち、排ガスの流路面積を増加させる）ことで、排ガスのタービン１４への流入速度が減少するため、過給システム１による過給圧を減少させることができる。このようにして、ノズルベーン１６の開度を調整することにより、過給システム１による過給圧を調節することができる。

図１〜図５に示す過給システム１では、吸気管路３２に導入された空気（吸気）は、第１過給機２の第１コンプレッサ１０に流入し、第１コンプレッサ１０の回転により圧縮される。第１コンプレッサ１０で圧縮された吸気は、第２過給機６の第２コンプレッサ２０に流入し、第２コンプレッサ２０の回転によりさらに圧縮される。第２コンプレッサ２０で圧縮された給気は、インタークーラ３４で冷却され、スロットルバルブ（不図示）でその吸気量が調整されて、吸気マニフォールド３６を介してエンジン８の各気筒に供給されるようになっている。エンジン８の各気筒には、圧縮空気及び燃料が供給されて、これらが燃焼して生成した排ガスは、排気マニフォールド３８を介して排気管路４０に排出されるようになっている。
なお、吸気管路３２において、吸気マニフォールド３６よりも上流側には、エンジン８に供給される空気の圧力（過給圧）を計測するための圧力センサ５が設けられていてもよい。

図１〜図５に示す過給システム１は、低圧段過給機である第１過給機２の第１コンプレッサ１０及び高圧段過給機である第２過給機６の第２コンプレッサ２０が配置される吸気管路３２において、第２過給機６の第２コンプレッサ２０の上流側と下流側を結び、第２コンプレッサ２０をバイパスするように設けられた再循環通路４６と、再循環通路４６に設けられた再循環バルブ４７とを含む。過給システム１におけるサージングを抑制するために、吸気管路３２に導入されて第１過給機２の第１コンプレッサ１０及び高圧段過給機である第２過給機６の第２コンプレッサ２０により圧縮された空気の一部を、再循環バルブ４７を介して再循環通路４６を通して第２過給機６の第２コンプレッサ２０の入口に戻すことができるようになっている。

図１及び図２に示す過給システム１では、エンジン８からの排ガスは、ノズルベーン（１６又は２６）を有する過給機（図１においては第２過給機６、図２においては第１過給機２）のタービン（１４又は２４）に流入し、タービン（１４又は２４）で仕事をした後の排ガスが排気管路４０に排出されるようになっている。
排気管路４０には、タービン（１４又は２４）を迂回するバイパス管路４２が接続されていてもよく、バイパス管路４２には、ウェイストゲートバルブ４３が設けられていてもよい。ウェイストゲートバルブ４３の開度を調節することにより、タービン（１４又は２４）に流入する排ガスの流量及びバイパス管路４２に流れる排ガスの流量を調節することができ、これにより、タービン（１４又は２４）及びこれと同軸駆動するコンプレッサ（１０又は２０）の回転数を制御できるようになっている。ウェイストゲートバルブ４３の開度は、制御装置１００によって制御されるようになっていてもよい。

図３〜図５に示す過給システム１では、エンジン８からの排ガスは、高圧段過給機である第２過給機６のタービン２４及び低圧段過給機である第１過給機２のタービン１４に、この順に流入し、第１過給機２のタービン１４で仕事をした後の排ガスが排気管路４０に排出されるようになっている。
排気管路４０には、第１過給機２のタービン１４を迂回するバイパス管路４２が接続されていてもよく、バイパス管路４２には、ウェイストゲートバルブ４３が設けられていてもよい。ウェイストゲートバルブ４３の開度を調節することにより、第１過給機２のタービン１４に流入する排ガスの流量及びバイパス管路４２に流れる排ガスの流量を調節することができ、これにより、第１過給機２のタービン１４及びこれと同軸駆動する低圧段過給機９０のコンプレッサ（１０又は２０）の回転数を制御できるようになっている。ウェイストゲートバルブ４３の開度は、制御装置１００によって制御されるようになっていてもよい。
また、排気管路４０と排気マニフォールド３８とは、第２過給機６のタービン２４を迂回するように構成された第２バイパス流路４８により接続される。エンジン８からの排気の一部は、第２バイパス流路４８に設けられたバイパス弁４５を介して、第２過給機６のタービン２４を通らずに、第１過給機２のタービン１４に流入できるようになっている。そして、バイパス弁４５の開度を調節することにより、第２過給機６のタービン２４及び第１過給機２のタービン１４に流入する排ガスの流量を調節することができ、これにより、第２過給機６のタービン２４及び第１過給機２のタービン１４及びこれと同軸駆動する第２過給機６の第２コンプレッサ２０及び第１過給機２の第１コンプレッサ１０の回転数を制御できるようになっている。バイパス弁４５の開度は、制御装置１００によって制御されるようになっていてもよい。

図７は、一実施形態に係る過給システム用制御装置の構成を示す図である。図７に示すように、一実施形態に係る過給システム１に用いられる制御装置１００は、電動機１２の制御をするための電動機制御部１０２と、ノズルベーン（１６又は２６）を制御するためのベーン制御部１０４と、閾値決定部１０６と、を備える。
制御装置１００は、過給システム１を制御するためのＥＣＵであってもよい。また、制御装置１００は、エンジン８を制御するためのエンジンＥＣＵとは独立に設けられたＥＣＵであってもよい。
制御装置１００は、中央処理装置（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、およびＩ／Ｏインターフェイス等を含んで構成されたマイクロコンピュータであってもよい。

一実施形態に係る制御装置１００を用いた過給システム１の運転方法について、図８のフローチャートに沿って説明する。図８は、一実施形態に係る過給システムの運転方法のフローチャートである。

まず、第１過給機２又は第２過給機６が有する電動機１２に電力を与えるためのバッテリ３０の充電量を取得する（Ｓ２）。取得された充電量は、電気信号として制御装置１００に送られるようになっている。

次に、制御装置１００により、Ｓ２におけるバッテリ３０の充電量が予め設定された第１閾値未満であるか否かを判定する（Ｓ４）。制御装置１００は記憶部（メモリ）を備えていてもよく、第１閾値は、予め記憶部に記憶されていてもよい。そして、制御装置１００は、記憶部に記憶された第１閾値と、バッテリ３０の充電量とを比較するように構成されていてもよい。

Ｓ４においてバッテリ３０の充電量が第１閾値以上であると判定された場合（Ｓ４のＮｏ）、特に何も行わずにフローを終了する。あるいは、再度Ｓ２に戻ってバッテリ３０の充電量を取得するステップを行ってもよい。
一方、Ｓ４においてバッテリ３０の充電量が第１閾値未満であると判定された場合（Ｓ４のＹｅｓ）、電動機制御部１０２によって、バッテリ３０の充電量が第１閾値以上のときに比べて電動機１２の出力指令値の上限値を低く設定して、該上限値以下の範囲内にて電動機１２の出力を制御するか（Ｓ１０又はＳ１２）、あるいは、電動機１２を回生運転に切り替えて、バッテリ３０の充電を行う（Ｓ１４）。さらに、ベーン制御部１０４によって、電動機制御部１０２による前述の電動機１２の制御に伴い、第１過給機２又は第２過給機６が有するタービン（１４又は２４）に流入するエンジン８からの排ガスの流路面積が小さくなるようにノズルベーン（１６又は２６）の開度を制御する（Ｓ１６）。
このように、バッテリ３０の充電量が低下して第１閾値未満となったときに、充電量が第１閾値以上であるときよりも電動機１２の出力指令値の上限値が低く設定され、又は、電動機１２が回生運転に切り替えられるとともに、ノズルベーン（１６又は２６）の開度が減少させられる。すなわち、電動機１２の出力指令値の低下又は回生運転への切り替えによる過給圧の低下に応じて、ノズルベーン（１６又は２６）の開度を小さくして過給圧を上昇させるので、電動機制御部１０２による制御を行いながら、過給システム１による過給圧を確保することができる。よって、バッテリ３０の充電量の低下に起因するドライバビリティの悪化を緩和することができる。
また、バッテリ３０の充電量が低下した時に電動機１２の出力指令値の上限値が低く設定されるので、バッテリ３０の枯渇を遅延させることができる。あるいは、バッテリ３０の充電量が低下した時に電動機１２を回生運転に切り替えるので、バッテリ３０の充電量を回復させることができる。
なお、電動機制御部１０２は、電動機１２の出力を制御するために、電動機１２の出力が所望の値となるように、インバータ２８が電動機１２に与える電圧を制御するようになっていてもよい。

上述のＳ４においてバッテリ３０の充電量が第１閾値未満であると判定された場合（Ｓ４のＹｅｓ）、さらに、制御装置１００によりノズルベーン（１６又は２６）の開度が第３閾値以上であるか否かを判定し（Ｓ６）、ノズルベーン（１６又は２６）の開度が第３閾値以上である場合に（Ｓ６のＹｅｓ）、電動機制御部１０２によって電動機１２を回生運転に切り替えるようにしてもよい。
ノズルベーン（１６又は２６）の開度が所定の第３閾値以上であるとき、すなわち、ノズルベーン（１６又は２６）の開度を第３閾値未満に小さくして過給圧をより大きくするための余裕があるときに電動機１２を回生運転に切り替えることで、過給圧を維持しながら、回生運転によりバッテリ３０の充電量を回復させることができる。

第３閾値は、制御装置１００の記憶部に予め記憶されていてもよい。そして、制御装置１００は、記憶部に記憶された第３閾値と、ノズルベーン（１６又は２６）の開度とを比較するように構成されていてもよい。

また、上述のＳ４においてバッテリ３０の充電量が第１閾値未満であると判定された場合（Ｓ４のＹｅｓ）、さらに、制御装置１００により、バッテリ３０の充電量が第１閾値よりも小さい第２閾値未満であるか否かを判定する（Ｓ８）ようにしてもよい。そして、Ｓ８においてバッテリ３０の充電量が第２閾値以上であるときには（Ｓ８のＮｏ）、電動機制御部１０２により、電動機１２の出力指令値の上限値をバッテリ３０の充電量が第１閾値以上の場合に比べて小さく、且つ、ゼロよりも大きい値に設定する（Ｓ１０）。一方、Ｓ８においてバッテリ３０の充電量が第２閾値未満であるときには（Ｓ８のＹｅｓ）、電動機制御部１０２により、電動機１２の出力指令値の上限値をゼロに設定する（Ｓ１２）。
このように、バッテリ３０の充電量の低下に従い電動機１２の出力指令値の上限値を段階的に減少させるので、バッテリ３０の充電量が少なくなった際に直ちに電動機１２が停止される場合に比べて、緩やかに電動機１２の出力が低下されるので、ドライバビリティの悪化が緩和される。

第２閾値は、制御装置１００の記憶部に予め記憶されていてもよい。そして、制御装置１００は、記憶部に記憶された第２閾値と、バッテリ３０の充電量とを比較するように構成されていてもよい。

図９は、一実施形態における閾値決定部による処理フローを示す図である。一実施形態では、上記Ｓ４での第１閾値及びＳ８での第２閾値は、図９に示すように、エンジン８によって駆動されて電動機１２に与える電力を生成するためのオルタネータ６０の負荷に基づいて、閾値決定部１０６により決定される。すなわち、オルタネータ６０の負荷に応じて、第１及び第２閾値を可変とする。
オルタネータ６０の負荷に応じて、電動機１２の出力指令値の上限値を制限するバッテリ３０の充電量の閾値（第１閾値及び第２閾値）を決定することで、オルタネータ６０及びバッテリ３０による電力の供給状況に応じて適切に電動機１２の出力を制御することができる。

例えば、閾値決定部１０６は、オルタネータ６０の負荷の増加とともに、第１閾値及び第２閾値を増大するように構成される。
オルタネータ６０の負荷が増加してオルタネータ６０の出力余裕が小さくなったときに、第１閾値及び第２閾値を増大させて、バッテリ３０の充電量が比較的大きいうちに電動機１２の出力に制限をかけることで、バッテリ３０の充電量を適切に維持することができる。

図１０は、一実施形態における電動機制御部の処理フローを示す図である。一実施形態では、上記Ｓ１４において電動機１２を回生運転に切り替える際の電動機１２による目標回生量は、図１０に示すように、ノズルベーン（１６又は２６）の開度に基づいて、電動機制御部１０２により決定される。また、電動機制御部１０２により、電動機１２による回生量を決定された目標回生量に制御する。
電動機１２による回生量がノズルベーン（１６又は２６）の開度に基づいて決定された目標回生量に制御することで、ノズルベーン（１６又は２６）の開度に応じた適切な回生量にて電動機１２の回生運転を行うことができる。例えば、過剰な回生量での回生運転により過給圧が不足する事態を防ぐことができる。

例えば、電動機制御部１０２は、ノズルベーン（１６又は２６）の開度の減少とともに、目標回生量を減少させるように構成される。
この場合、ノズルベーン（１６又は２６）の開度が減少して過給不足を補う余裕が少なくなるに従って目標回生量を減少させるので、過給システム１による過給圧を適切に維持することができる。

また、一実施形態では、上記Ｓ１４において電動機１２を回生運転に切り替える際の電動機１２による目標回生量は、図１０に示すように、バッテリ３０の充電量に基づいて、電動機制御部１０２により決定される。また、電動機制御部１０２により、電動機１２による回生量を決定された目標回生量に制御する。
電動機１２による回生量をバッテリ３０の充電量に基づいて決定された目標回生量に制御することで、バッテリ３０の充電量に応じた適切な回生量にて電動機１２の回生運転を行うことができる。

例えば、電動機制御部１０２は、バッテリ３０の最大容量とバッテリ３０の充電量との差が小さくなるとともに、電動機１２による目標回生量を減少させるように構成される。
この場合、バッテリ３０の充電量が十分である場合には、目標回生量が低く設定されるので、回生量を減らして、過給システムによる過給圧の確保を優先させることができる。

ところで、一実施形態に係る過給システム１において、第１過給機２又は第２過給機６のうち一方は、第１コンプレッサ１０又は第２コンプレッサ２０に連結された電動機１２を備えた電動スーパーチャージャであり、電動機制御部１０２は、バッテリ３０の充電量が第１閾値未満のときに、電動機１２の出力指令値の上限値をゼロに設定し、吸気による第１コンプレッサ１０又は第２コンプレッサ２０の回転によって電動機１２が回生モードで駆動されるように構成される。
電動スーパーチャージャにおいてはタービンが存在しないため、エンジン８の排ガスから回収したエネルギーによって電動機１２を回生運転させることができない。
そこで、電動機１２の出力がゼロに設定されるとともに、吸気によるコンプレッサの回転により電動機１２を回生モードで駆動することで、電動スーパーチャージャの電動機１２を回生運転させてバッテリ３０の充電を行うことができる。

例えば、図１に示す過給システム１において、低圧段の第１過給機２は、第１コンプレッサ１０に連結された電動機１２を備える電動スーパーチャージャであり、高圧段の第２過給機６は、タービン２４及びノズルベーン２６を備えるターボチャージャである。このような過給システム１において、電動機１２の出力指令値の上限をゼロに設定し（すなわち電動機１２の出力をゼロに設定し）、エンジン８からの排気のエネルギーにより第２過給機６を駆動させると、吸気管路３２から空気が吸い込まれることにより、第１過給機２（電動スーパーチャージャ）の第１コンプレッサ１０が回転するようにしておく。そして、第１コンプレッサの回転によって、電動機１２が回生モードで（すなわち発電機として）駆動されるようにしておく。このようにして、バッテリ３０の充電量が第１閾値未満のときに、電動機１２の出力指令値の上限をゼロに設定して電動スーパーチャージャの電動機１２を回生運転させることで、バッテリ３０の充電を行うことができる。
また、この際、ベーン制御部１０４により、タービン２４に流入するエンジン８からの排ガスの流路面積が小さくなるようにノズルベーン２６の開度を制御して、過給システム１による過給圧を維持するようにしてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また、本明細書において、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

１ 過給システム
２ 第１過給機
５ 圧力センサ
６ 第２過給機
８ エンジン
１０ 第１コンプレッサ
１１ 回転軸
１２ 電動機
１４ タービン
１６ ノズルベーン
１７ 支持軸
２０ 第２コンプレッサ
２４ タービン
２６ ノズルベーン
２８ インバータ
３０ バッテリ
３２ 吸気管路
３４ インタークーラ
３６ 吸気マニフォールド
３８ 排気マニフォールド
４０ 排気管路
４２ バイパス管路
４３ ウェイストゲートバルブ
４５ バイパス弁
４６ 再循環通路
４７ 再循環バルブ
４８ 第２バイパス流路
５０ タービンケーシング
５４ タービンロータ
５６ 動翼
６０ オルタネータ
９０ 低圧段過給機
１００ 制御装置
１０２ 電動機制御部
１０４ ベーン制御部
１０６ 閾値決定部

Claims (12)

1. エンジンに供給される空気を圧縮するための第１コンプレッサを有する第１過給機と、
   前記第１コンプレッサにより圧縮された空気をさらに圧縮するための第２コンプレッサを有する第２過給機と、
   前記第１過給機及び前記第２過給機を制御するための制御装置と、
   を備える過給システムであって、
   前記第１過給機又は前記第２過給機の少なくとも一方は、前記第１コンプレッサ又は前記第２コンプレッサを駆動するための電動機をさらに有し、
   前記第１過給機又は前記第２過給機の少なくとも一方は、前記エンジンからの排ガスにより回転駆動されるように構成されたタービンと、前記タービンに流入する前記排ガスの流路面積を調節するように構成されたノズルベーンと、をさらに有し、
   前記制御装置は、
   前記電動機に電力を与えるためのバッテリの充電量が第１閾値未満のときに、前記バッテリの充電量が前記第１閾値以上のときに比べて前記電動機の出力指令値の上限値を低く設定するように、又は、前記電動機を回生運転に切り替えるように構成された電動機制御部と、
   前記バッテリの充電量が前記第１閾値未満のときに、前記電動機制御部による前記電動機の制御に伴い、前記流路面積が小さくなるように前記ノズルベーンの開度を制御するためのベーン制御部と、
   を含むことを特徴とする過給システム。
2. 前記電動機制御部は、
   前記バッテリの充電量が前記第１閾値未満、且つ、前記第１閾値よりも小さい第２閾値以上である場合に、前記電動機の出力指令値の前記上限値を前記バッテリの充電量が前記第１閾値以上の場合に比べて小さく、且つ、ゼロよりも大きい値に設定し、
   前記バッテリの充電量が前記第２閾値未満である場合に、前記電動機の出力指令値の前記上限値をゼロに設定する
   ように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の過給システム。
3. 前記制御装置は、前記エンジンによって駆動されて前記電動機に与える電力を生成するためのオルタネータの負荷に基づいて、前記第１閾値及び前記第２閾値を決定するように構成された閾値決定部をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の過給システム。
4. 前記閾値決定部は、前記オルタネータの負荷の増加とともに、前記第１閾値及び前記第２閾値を増大するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の過給システム。
5. 前記電動機制御部は、前記バッテリの充電量が前記第１閾値未満であり、且つ、前記ノズルベーンの開度が第３閾値以上のときに、前記電動機を回生運転に切り替えるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の過給システム。
6. 前記電動機制御部は、前記ノズルベーンの開度に基づいて前記電動機による目標回生量を決定し、前記電動機による回生量を前記目標回生量に制御するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の過給システム。
7. 前記電動機制御部は、前記ノズルベーンの開度の減少とともに、前記目標回生量を減少させるように構成されたことを特徴とする請求項６に記載の過給システム。
8. 前記電動機制御部は、前記バッテリの充電量に基づいて前記電動機による目標回生量を決定し、前記電動機による回生量を前記目標回生量に制御するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の過給システム。
9. 前記電動機制御部は、前記バッテリの最大容量と前記バッテリの充電量との差が小さくなるとともに、前記目標回生量を減少させるように構成されたことを特徴とする請求項８に記載の過給システム。
10. 前記第１過給機又は前記第２過給機のうち前記一方は、前記第１コンプレッサ又は前記第２コンプレッサに連結された前記電動機を備えた電動スーパーチャージャであり、
    前記電動機制御部は、前記バッテリの充電量が第１閾値未満のときに、前記出力指令値の前記上限値をゼロに設定し、吸気による前記第１コンプレッサ又は前記第２コンプレッサの回転によって前記電動機が回生モードで駆動されるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の過給システム。
11. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載の過給システムに用いられる制御装置であって、
    前記電動機に電力を与えるためのバッテリの充電量が第１閾値未満のときに、前記バッテリの充電量が前記第１閾値以上のときに比べて前記電動機の出力指令値の上限値を低く設定するように、又は、前記電動機を回生運転に切り替えるように構成された電動機制御部と、
    前記バッテリの充電量が前記第１閾値未満のときに、前記電動機制御部による前記電動機の制御に伴い、前記流路面積が小さくなるように前記ノズルベーンの開度を制御するためのベーン制御部と、
    を備えることを特徴とする過給システム用制御装置。
12. エンジンに供給される空気を圧縮するための第１コンプレッサを有する第１過給機と、前記第１コンプレッサにより圧縮された空気をさらに圧縮するための第２コンプレッサを有する第２過給機と、を備える過給システムの運転方法であって、
    前記第１過給機又は前記第２過給機の少なくとも一方は、前記第１コンプレッサ又は前記第２コンプレッサを駆動するための電動機をさらに有し、
    前記第１過給機又は前記第２過給機の少なくとも一方は、前記エンジンからの排ガスにより回転駆動されるように構成されたタービンと、前記タービンに流入する前記排ガスの流路面積を調節するように構成されたノズルベーンと、をさらに有し、
    前記電動機に電力を与えるためのバッテリの充電量を取得する充電量取得ステップと、
    前記バッテリの充電量が第１閾値未満のときに、前記バッテリの充電量が前記第１閾値以上のときに比べて前記電動機の出力指令値の上限値を低く設定する、又は、前記電動機を回生運転に切り替える電動機制御ステップと、
    前記バッテリの充電量が前記第１閾値未満のときに、前記電動機制御ステップでの前記電動機の制御に伴い、前記流路面積が小さくなるように前記ノズルベーンの開度を制御するベーン開度制御ステップと、
    を備えることを特徴とする過給システムの運転方法。

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