JP2009041556A

JP2009041556A - 車両用過給装置

Info

Publication number: JP2009041556A
Application number: JP2008132251A
Authority: JP
Inventors: Masaya Inoue; 正哉井上; Yoshito Asao; 淑人浅尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-07-18
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2028-05-20
Also published as: JP2010001896A; JP4491490B2

Abstract

【課題】この発明は、電動発電機とエンジンとを一方向クラッチ付きプーリを用いてベルト結合し、コンプレッサを、低速域では発電電動機で駆動し、高速域ではエンジンで駆動できるようにして、インバータおよびバッテリの大容量化を抑え、さらにインバータが故障しても、コンプレッサをエンジンで駆動できる安価な車両用過給装置を得る。
【解決手段】電動発電機１０とエンジン１とがクランク軸２に装着されたクランクプーリ３と、回転軸１３に装着された一方向クラッチ付きプーリ２２とに掛け渡された第１ベルト４により連結されている。そして、電子制御ユニット４０が、エンジン回転数が所定値以下の場合に、電動発電機１０を電動機として駆動して、コンプレッサ７を電動発電機１０により駆動させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両用過給装置に関し、特にエンジン軸と電動発電機軸との双方で駆動される遠心型コンプレッサが搭載される車両用過給装置に関するものである。

エンジンに接続されたベルトおよびプーリからトルクを受けるスーパチャージャとしての車両用過給装置は、エンジンによって使用される空気を加圧して、エンジンがより大量の燃料を燃焼させることを可能とし、それによって出力とトルクを増大させるものである。この車両用過給装置には、容積式と遠心式という２つの基本形式がある。そして、遠心式の車両用過給装置は、容積式のものに比べ効率が良く、軽量であるが、低速域における過給能力が不足するという課題がある。

そこで、高歯車比配列と低歯車比配列とを有する遊星歯車セットを設け、所定のエンジン毎分回転数までは高歯車比配列の遊星歯車セットに切り換え、所定のエンジン毎分回転数を超えると低歯車比配列の遊星歯車セットに切り換えて、低速域における過給能力の不足を解消する多段速度歯車装置が提案されていた（例えば、特許文献１参照）。

しかし、特許文献１に記載の遊星歯車セットの構成で歯車比を大きくするには限界があり、アイドリング〜１５００ｒｐｍ程度の微低速回転域では、遠心型過給装置による過給能力が不足する。また、エンジン停止時における駆動は原理的に不可能であり、アイドルストップからの再始動直後などでは十分な過給圧が得られない。特にディーゼルエンジン車などでは、ターボラグが発生すると、空気の量が不足し、粒子状物質（ＰＭ）が増加する。

このような状況を鑑み、モータと、エンジンの吸気系に配置されたコンプレッサと、エンジンの駆動軸に接続されたサンギヤ、モータに接続されたプラネタリギヤ、およびコンプレッサに接続されたリングギヤを有する遊星歯車機構と、モータを駆動して、プラネタリギヤのギヤの回転数を制御する制御ユニットとを備え、プラネタリギヤのギヤの回転数の制御により、コンプレッサの回転数を、エンジンの回転数から独立して制御するようにした過給機が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
また、スーパチャージャをバッテリによって給電されるスイッチ式リアクタンス電機モータによってのみ駆動するようにし、エンジンの回転数から独立して制御する電子制御式過給装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００２−２４２６８７号公報特開２００４−３６０４８７号公報特許第３６８６６４５号公報

特許文献２に記載のものは、コンプレッサの回転数を制御するモータを新たに導入する必要があり、かつプラネタリギヤ、サンギヤおよびリングギヤをモータ、エンジンおよびコンプレッサの３軸に連結するため遊星歯車機構の構造が複雑となり、高度な制御が必要となり、コストアップするという不具合があった。また、モータが故障すると、コンプレッサの回転数制御ができなくなり、運転継続が実質的に不可能となるという課題もある。

特許文献３に記載のものでは、スーパチャージャが電気モータにより駆動されるので、電気モータが故障すると、運転継続が実質的に不可能となるという課題がある。また、スーパチャージャを高速回転領域で駆動するので、電気モータに要求される電力が１ｋＷを超え、車両における１２Ｖ系などの低電圧系では、大容量のインバータやバッテリが必要となり、大幅なコストアップが避けられないという課題もある。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、既設に電動発電機とエンジンとを一方向クラッチ付きプーリを用いてベルト結合し、コンプレッサを、低速域では発電電動機で駆動し、高速域ではエンジンで駆動できるようにして、インバータおよびバッテリの大容量化を抑え、さらにインバータが故障しても、コンプレッサをエンジンで駆動できる安価な車両用過給装置を得ることを目的とする。

この発明に係る車両用過給装置は、エンジンと、発電機能と電動機能とを備えた電動発電機と、上記エンジンの吸気配管に配設されたコンプレッサと、上記エンジンのクランク軸の駆動トルクを上記電動発電機の回転軸に伝達する動力伝達手段と、上記電動発電機の回転軸の駆動トルクを所定の増速比で上記コンプレッサのタービン軸に伝達する増速機構と、バッテリと、上記電動発電機と上記バッテリとの間で電力を直流−交流変換するインバータと、上記インバータを制御する制御手段と、を備えている。上記動力伝達手段は、上記エンジンのクランク軸に装着されたクランクプーリと、上記電動発電機の回転軸に装着された電動発電機プーリと、上記クランクプーリと上記電動発電機プーリとに掛け渡された第１ベルトと、上記電動発電機の回転軸と上記電動発電機プーリとの間に介装された一方向クラッチ付きプーリと、を有する。そして、上記一方向クラッチ付きプーリは、上記電動発電機の回転軸の駆動トルクが上記コンプレッサのタービン軸の負荷トルクより大きい場合に、上記エンジンのクランク軸と上記電動発電機の回転軸とが相対的に非結合状態動作となり、上記電動発電機の回転軸の駆動トルクが上記コンプレッサのタービン軸の負荷トルクより小さい場合に、上記エンジンのクランク軸と上記電動発電機の回転軸とが相対的に結合状態動作となるように構成され、上記制御手段は、エンジン回転数が所定値以下の場合に、上記インバータを制御して上記電動発電機を電動機として駆動し、上記コンプレッサを該電動発電機により駆動させる。

この発明によれば、電動発電機とエンジンとが一方向クラッチ付きプーリを介してベルト結合され、一方向クラッチ付きプーリは、電動発電機の回転軸の駆動トルクがコンプレッサのタービン軸の負荷トルクより大きい場合に、エンジンのクランク軸と電動発電機の回転軸とが相対的に非結合状態動作となり、電動発電機の回転軸の駆動トルクがコンプレッサのタービン軸の負荷トルクより小さい場合に、エンジンのクランク軸と電動発電機の回転軸とが相対的に結合状態動作となるように構成されている。

そこで、コンプレッサの負荷トルクが比較的小さい低速域では、一方向クラッチ付きプーリが非結合状態となり、コンプレッサは発電電動機の駆動トルクによって駆動される。また、コンプレッサの負荷トルクが大きくなる高速域では、発電電動機の駆動トルクだけではコンプレッサを駆動するには不十分となるので、一方向クラッチ付きプーリが結合状態となり、コンプレッサはエンジンの駆動トルクによって駆動される。このような構成により、電動発電機によるコンプレッサの駆動が低速域に限られ、インバータおよびバッテリの大容量化が抑えられ、低価格化が図られる。また、インバータが故障しても、コンプレッサはエンジンで駆動されるので、運転を継続することができる。

また、エンジン回転数が所定値以下の場合、電動発電機が電動機として駆動され、コンプレッサが電動発電機により駆動される。所定値とは、コンプレッサの動作が過給機として有効となるタービン軸の回転数、例えば４．５×１０^４ｒｐｍ程度の回転数が得られるエンジン回転数である。これにより、タービン軸の回転数が、コンプレッサが過給機として有効に動作する回転数まで上昇し、過給圧が確保される。従って、アイドルストップやアイドリング時の低速域においても、過給圧が確保される。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用過給装置を示すシステム構成図、図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用過給装置における動力伝達経路を模式的に示す断面図、図３はこの発明の実施の形態１に係る車両用過給装置に適用される一方向クラッチ付きプーリを示す断面図である。

図１において、エンジン１は、空気が吸気配管５を介して供給され、燃焼後の排気ガスが排気配管６を介して排出される。クランクプーリ３がエンジン１の出力軸であるクランク軸２に固着されている。

車両用過給装置は、吸気配管５に配設され、エンジン１に供給される空気を圧縮するコンプレッサ７と、電動機能と発電機能とを備え、回転軸１３に装着された一方向クラッチ付きプーリ２２とクランクプーリ３とに掛け渡された第１ベルト４により、エンジン１の回転駆動力（駆動トルク）が伝達される電動発電機１０と、電動発電機１０の回転駆動力（駆動トルク）を所定の増速比でコンプレッサ７に伝達する増速機構としての遊星歯車装置３０と、電動発電機１０とバッテリ３５との間で電力を双方向に直流−交流変換するインバータ３６と、制御手段としての電子制御ユニット４０と、を備えている。インバータ３６を構成する複数のスイッチング素子がヒートシンク３７上に実装されている。そして、ヒートシンク３７が、その放熱フィンを吸気配管５内のコンプレッサ７の上流側に露出するように配設され、スイッチング素子がコンプレッサ７で圧縮される前の高速の吸気流により効果的に冷却される。

電子制御ユニット４０は、図示していないが、車両の各部から送られてくるデータを受け入れる入力インターフェース、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されているメモリ、および車両の各部の制御を行うための制御信号を送る出力インターフェースなどを備えている。ここでは、電子制御ユニット４０が、各部から送られてくるデータに基づいて、インバータ３６のスイッチング素子（図示せず）をＯＮ／ＯＦＦ制御している。

つぎに、電動発電機１０、遊星歯車装置３０およびコンプレッサ７の構成について図２および図３を参照しつつ説明する。
コンプレッサ７は、タービン軸８と、タービン軸８に装着された遠心型ファン形状のタービン９と、を備える、そして、コンプレッサ７はタービン９が装着されたタービン軸８を回転駆動して、空気を圧縮して大気圧以上の圧力で矢印方向に送り込む。

電動発電機１０は、ハウジング１１の軸心位置に回転自在に支持された回転軸１３に固着された回転子１２と、この回転子１２を囲繞するようにハウジング１１に保持された固定子と、を備える。回転子１２は、回転軸１３に固着されたランデル型の回転子鉄心１４と、回転子鉄心１４に巻装された界磁巻線１５と、を備える。そして、冷却ファン１６が回転子鉄心１４の軸方向両端面に固着されている。固定子１７は、円筒状の固定子鉄心１８と、固定子鉄心１８に巻装された電機子巻線１９と、を備える。そして、一方向クラッチ付きプーリ２２がハウジング１１から延出する回転軸１３の一端に装着されている。また、界磁巻線１５に電流を供給する一対のスリップリング２０が、回転軸２８の他端側のハウジング１１内の部位に固着されている。ブラシ２１が、各スリップリング２０に摺接するように配設されている。この電動発電機１０は、スリップリング２０を介して界磁巻線１５に流す界磁電流量を調整することにより、回転数範囲が広い用途でも、電圧を一定に保つことができる。

一方向クラッチ付きプーリ２２は、インナクラッチ２３とアウタクラッチ２４とが同心状に配置され、楔状空間２５がインナクラッチ２３とアウタクラッチ２４との隙間に周方向に複数形成され、ローラ２６が各楔状空間２５内に配設され、スプリング２７がローラ２６を楔状空間２５の狭まる方向（図３中反時計回り方向）に付勢するように楔状空間２５内に配設されて構成されている。そして、アウタクラッチ２４の外周面にＶ溝が形成され、電動発電機プーリを構成する。つまり、電動発電機プーリがアウタクラッチ２４に一体に構成されている。この一方向クラッチ付きプーリ２２は、インナクラッチ２２を回転軸１３に固着して取り付けられ、クランク軸２が電動発電機１０に対して駆動側となる時に、インナクラッチ２３とアウタクラッチ２４とが係合し、電動発電機１０がクランク軸２に対して駆動側となる時に、インナクラッチ２３とアウタクラッチ２４との係合が解除される。

ここで、クランクプーリ３、一方向クラッチ付きプーリ２２および第１ベルト４が動力伝達手段を構成している。また、電動発電機プーリはアウタクラッチ２４と一体物で構成する必要はなく、別部材で作製し、電動発電機プーリをアウタクラッチに圧入などにより固着して一体化してもよい。

遊星歯車装置３０は、コンプレッサ７のタービン軸８に連結されたサンギヤ３１と、複数のプラネタリギヤ３２と、電動発電機１０のハウジング１１から延出する回転軸１３の他端に連結されたリングギヤ３３と、を備える。電動発電機１０の回転数は、エンジン回転数の２〜３倍程度であるため、最高でも２×１０^４ｒｐｍ程度までしか上がらない。一方、過給機として有効に動作するためのコンプレッサ７の回転数は、少なくとも４×１０^４〜５×１０^４ｒｐｍ程度が必要となる。そこで、この遊星歯車装置３０は、電動発電機１０がリングギヤ３３に連結され、プラネタリギヤ３２の内周側に配置されたサンギヤ３１を出力軸とすることで、増速機として機能し、コンプレッサ７に必要な回転数を確保する。

ここで、電動発電機１０と遊星歯車装置３０とのギヤ比（増速ギヤ比）が大きければ大きいほど、タービン９側が高速化して、過給能力を増すことができる。しかし、タービン軸８には、遠心力や軸受の寿命から速度上限がある。つまり、エンジン最高回転数×クランクプーリ３と一方向クラッチ付きプーリ２２とのプーリ比×増速ギヤ比＝タービン軸８の限界速度の関係がある。

例えば、エンジン最高回転数は、通常、ガソリンエンジン車で６，０００ｒｐｍ、ディーゼルエンジン車で５，０００ｒｐｍである。また、クランクプーリ３と一方向クラッチ付きプーリ２２とのプーリ比は、１：２〜１：３程度である。さらに、通常の軸受を用いた遠心型の過給機として成立するには、タービン軸８の回転数は１０×１０^４〜２０×１０^４ｒｐｍ程度が事実上の限界である。従って、増速ギヤ比は、ガソリンエンジン車で５〜１７程度、ディーゼルエンジン車で６〜２０程度となる。

このように構成された車両用過給装置においては、コンプレッサ７を駆動するため駆動手段として既設の電動発電機１０を用いており、遊星歯車装置３０のサンギヤ３１およびリングギヤ３３をコンプレッサ７および電動発電機１０の２軸に連結しているので、遊星歯車装置３０の構造が簡素化され、高度な制御も必要ない。また、一方向クラッチ付きプーリ２２を用い、コンプレッサ７を、低速域では電動発電機１０で駆動し、高速域ではエンジン１で駆動しているので、電動発電機１０に要求される電力が少なくなり、インバータ３６およびバッテリ３５の大容量化が不要となる。これにより、安価の車両用過給装置を実現できる。
また、電動発電機１０がランデル型の車両用電動発電機であり、固定子１７の電機子巻線１９に通電される電機子電流で電動制御される。そこで、時定数の小さな固定子１７への電機子電流で駆動トルクが制御でき、効率の良い駆動トルクと電力の活用ができる。

また、インバータ３６が故障しても、コンプレッサ７がエンジン１で駆動され、運転を継続することができる。
さらに、コンプレッサ７が第１ベルト４を介して伝達されるエンジン１の駆動トルクにより駆動されるので、コンプレッサ７を排ガスの高熱源から遠ざけることができ、コンプレッサ７と電動発電機１０との一体化の困難性を排除できる。

つぎに、このように構成された車両用過給装置の動作について具体的に説明する。ここでは、エンジン１は、回転数５，０００ｒｐｍを上限とするディーゼルエンジンであり、クランク軸２と一方向クラッチ付きプーリ２２とのプーリ比は３であり、コンプレッサ７の動作が過給機として有効となる回転数が４．５×１０^４ｒｐｍ程度の遠心型ファン形状のタービンであり、増速ギヤ比を１０とする。

［動作１］省エネなどを目的としてエンジン１のアイドリングを停止させた状態から、エンジン１を再始動させる場合。
例えば、エンジン始動釦によるエンジン１の始動操作、あるいは停車時にロックさせた車両停止保持用のサイドブレーキを解除する操作により、エンジン１の始動動作を事前に検知すると、電子制御ユニット４０がエンジン再始動を指令として発生させる。これにより、直流モータ式のスタータ、クランク軸２に直結した交流モータなどにより、クランク軸２を回転させてエンジン１を再始動させる。

ここで、クランク軸２の回転速度は、停止状態、若しくは始動直後で数百ｒｐｍ以下であるので、クランク軸２とタービン軸８とを直接結合している場合には、タービン軸８の回転数が低く、過給動作は期待できない。つまり、タービン軸８の回転数は、過給機として動作するに有効な４．５×１０^４ｒｐｍ程度を大きく下回る。
そこで、電子制御ユニット４０は、スタータ、直結交流モータなどによるクランク軸２の回転動作と同時、若しくは先行して、インバータ３６を動作させ、バッテリ３５の電力を電動発電機１０に供給し、電動発電機１０を電動機として動作させる。

そして、電動発電機１０の回転軸１３の回転数を４，５００ｒｐｍ付近まで速度を上げて駆動する。電動発電機１０は、増速ギヤ比１０の遊星歯車装置３０を介してタービン軸８を回転駆動する。これにより、タービン軸８の回転数が４．５×１０^４ｒｐｍ程度まで上昇し、コンプレッサ７が過給機として動作する。この時、タービン軸８は比較的低速域にあって、電動発電機１０がタービン駆動のための駆動トルクより大きな駆動トルクを確保されていれば、電動発電機１０の回転軸１３の回転数（４，５００ｒｐｍ）が数百ｒｐｍ（クランク軸２の回転数）×３（プーリ比）より大きくなっても、電動発電機１０単独でタービン軸８を駆動可能となり、インナクラッチ２３とアウタクラッチ２４との係合は解除される。そこで、インナクラッチ２３はアウタクラッチ２４に対して空転し、エンジン１と電動発電機１０との機械的な結合が解除される。

ここで、電動発電機１０で駆動されたタービン９が回転し、吸気配管５を流れる空気の流速が所定値まで迅速に高まる。これにより、吸気配管５内の空気は流動を開始し、空気の慣性により流れは生じている。
そこで、エンジン１の再始動と同時、若しくは再始動直後から、吸気圧を自然吸気状態より高く設定でき、十分な酸素量を確保することができるので、再始動時および再始動直後などの極低速からのアクセル操作に対するエンジン駆動トルクの追従性を確保できる。

また、通常のディーゼルエンジン車では、発進時にエンジン回転数が低いと、電動発電機１０の回転数が低く、タービン軸８の回転数が低く、過給圧が不足する。その状態で、アクセル操作により燃料を増量しても、エンジン回転数が上昇して所定の吸気圧に高められるまでは、酸素不足状態となり、黒煙が発生する。しかし、本発明では、アクセル操作による燃料増量やエンジン回転動作に先行して、或いは同時にコンプレッサ７が動作しているので、過給圧が確保されており、酸素不足に起因する黒鉛の発生を最小限に抑制することができる。

また、アクセル操作による燃料増量やエンジン回転動作に先行して、コンプレッサ７を動作させてタービン軸８の回転数を大きくすることは、加速時間を長く取る手段であり、電動発電機１０の回転角加速度を小さくすることによって駆動トルクを低減する作用がある。これにより、インバータ３６やバッテリ３５の容量を低減でき、低コスト化を図ることができる。

［動作２］エンジン１の始動直後や車両が信号などで停止した後、エンジン回転数がアイドリング域から加速を行う場合。
通常の車両のアイドリング回転数は５００ｒｐｍ程度である。プーリ比３であると、電動発電機１０は１，５００ｒｐｍで回転し、界磁巻線１５への通電量の調整によって発電動作を行っている。つまり、電動発電機１０は発電機能で動作している。この状態では、エンジン負荷は小さいので、コンプレッサ７の過給動作は必要ではない。

ついで、電子制御ユニット４０が車両発進時にアクセル操作を検出すると、インバータ３６を動作させ、バッテリ３５の電力を電動発電機１０に供給し、電動発電機１０を電動機として動作させる。そして、電動発電機１０が所定の過給圧が得られる４，５００ｒｐｍ付近まで駆動される。この時、電動発電機１０の回転軸１３の回転数がクランク軸２の回転数×プーリ比より大きく、インナクラッチ２３とアウタクラッチ２４との係合は解除される。そこで、コンプレッサ７は電動発電機１０で駆動され、タービン軸８の回転数が上昇し、過給圧が確保される。この過給圧が確保された状態で、エンジン回転数が１，５００ｒｐｍを超え始めると、タービン軸８の負荷トルクが大きくなり電動発電機１０の駆動トルクを超えて、電動発電機１０単独でのタービン軸８の駆動が困難となる。その結果、回転軸１３の回転数がクランク軸２の回転数×プーリ比より大きくならず、インナクラッチ２３とアウタクラッチ２４とが係合する。

その後、アクセルＯＮ操作が更に継続した場合には、エンジン回転数がさらに増速する。そこで、電子制御ユニット４０は、エンジン回転数が１，５００ｒｐｍを超えると、インバータ３６を介して電動発電機１０に供給されるバッテリ３５の電力を少なくし、電動発電機１０の駆動トルクを徐々に低減する。ついには、エンジン１の駆動トルクが電動発電機１０の回転軸１３に伝達され、エンジン１の駆動トルクがクランク軸２、クランクプーリ３、第１ベルト４、一方向クラッチ付きプーリ２２、回転軸１３、遊星歯車装置３０を介してタービン軸８に伝達される。これにより、コンプレッサ７がエンジン１により駆動される。

ここで、電動発電機１０で駆動されたタービン９が回転し、吸気配管５を流れる空気の流速が所定値まで迅速に高まる。これにより、吸気配管５内の空気は流動を開始し、空気の慣性により流れは生じている。
そこで、車両の加速開始時のエンジン回転数が低い状態でも、吸気圧を大気より高く設定でき、十分な酸素量を確保することができるので、発進直後などの極低速からのアクセル操作に対するエンジン駆動トルクの追従性を確保できる。

また、通常のディーゼルエンジン車では、発進時にエンジン回転数が低いと、電動発電機１０の回転数が低く、タービン軸８の回転数が低く、過給圧が不足する。その状態で、アクセル操作により燃料を増量しても、エンジン回転数が上昇して所定の吸気圧に高められるまでは、酸素不足状態となり、黒煙が発生しやすい状況となる。しかし、この実施の形態１では、アクセル操作による燃料増量やエンジン回転動作に先行して、或いは同時にコンプレッサ７が動作しているので、過給圧が確保されており、酸素不足に起因する黒鉛の発生を最小限に抑制することができる。

また、エンジン回転数が上昇し始めると、所定のプーリ比で決まる電動発電機１０の同期回転数を超えようとする。その際、電動発電機１０の加速駆動力を徐々に弱めて行くことで、インナクラッチ２３とアウタクラッチ２４との係合を滑らかに行うことができる。その結果、インナクラッチ２３とアウタクラッチ２４との係合時の衝撃力は弱くなり、一方向クラッチ付きプーリ２２の摩耗や損傷を低減することができる。
また、特別な切り替え機構を用いることなく、一方向クラッチ付きプーリ２２を用いるだけで、コンプレッサ７の駆動を高速域ではエンジン１で駆動し、低速域では電動発電機１０で駆動するように切り換えることができ、安価で信頼性の高い過給システムを実現できる。

この発進時の動作において、コンプレッサ７を高速域ではエンジン１で駆動し、低速域では電動発電機１０で駆動しているが、コンプレッサ７を動作させるのに必要な駆動トルクはタービン軸８の回転数の３乗に比例する。
例えば、４，０００ｒｐｍまでの全域を電動発電機１０で駆動すると、電動発電機１０を駆動する動力は１，５００ｒｐｍに対して回転数で２．６倍、駆動出力で１９倍と大きな動力が必要となる。コンプレッサ７には数ｋＷクラスの大きな動力を必要とし、そのインバータ３６やバッテリ３５が大型化する懸念がある。本発明では、エンジン回転数が上昇する高速域ではエンジン１の動力を使用してコンプレッサ７を駆動するので、電動発電機１０に求められる駆動トルクは低速域の範囲に限定され、電動発電機１０の駆動装置の容量を数百Ｗクラスまで下げることができる。これにより、インバータ３６やバッテリ３５の小型化が可能となり、安価で低コストの過給システムが実現できる。

また、インバータ３６が故障した場合、電動発電機１０によりコンプレッサ７を駆動できない。その場合、タービン軸８の回転数が低い場合から加速しようとすると、エンジン１側からタービン軸８を駆動することになり、インナクラッチ２３とアウタクラッチ２４とが係合状態となる。そこで、エンジン回転数でアイドリングから１，５００ｒｐｍの回転付近までの低速域の過給は不十分となるが、急加速時などでエンジン回転数が上昇し、１，５００ｒｐｍを超えると十分な過給圧が確保される。そこで、インバータ３６が故障するという最悪条件でも、部分的な性能低下に留まり、エンジン回転数が１，５００ｒｐｍを超える高速道路などの走行などは継続できる。従って、修理工場などへの運転を行うことができ、故障時の車両停止や過給不足によって生じる極端な出力低下などの最悪状態を避けることができる。

［動作３］車両加速中の変速機シフトアップの場合。
車両加速時に、運転者が加速を継続する場合、変速機シフトアップ指令動作が発せられ、２速から３速など、ハイギヤ側に変速する。このギヤ変速に伴い、車両では自動変速機および手動変速機のいずれの場合でも、エンジン回転数を瞬間的に低減させ、その後再上昇させてハイギヤ側に合わせる。そして、エンジン回転数が急降下すると、インナクラッチ２３とアウタクラッチ２４との係合が解除され、電動発電機１０とエンジン１との結合が切り離される。そこで、電動発電機１０およびコンプレッサ７は回転慣性によって回転を継続し、過給圧が確保される。電子制御ユニット４０は、この変速動作時に、電動発電機１０が発電機として動作している場合には、発電を停止させる。そして、エンジン回転数が再上昇すると、インナクラッチ２３とアウタクラッチ２４とが係合し、コンプレッサ７がエンジン１により駆動され、過給圧が確保される。

ここで、一方向クラッチ付きプーリ２２に代えて単なるプーリを用いた場合、タービン軸８の回転数がエンジン回転数の急降下に追従して急降下する。タービン９は吸気配管５中の吸気流速をある程度確保した吸気流にとって吸気抵抗となり吸気ロスを招く。
本発明では、一方向クラッチ付きプーリ２２を用いているので、変速機のシフトアップ時におけるエンジン回転数の急降下時に、電動発電機１０とエンジン１との結合が切り離される。そこで、電動発電機１０およびコンプレッサ７は回転慣性によって高速回転を継続し、上昇した吸気流速を維持し、変速機シフトアップに起因する吸気ロスをなくすことができる。

また、電動発電機１０とエンジン１との結合が切り離されていても、電動発電機１０が発電機として動作していると、発電トルクにより、電動発電機１０およびコンプレッサ７の速度が低下してしまう。
本発明では、電動発電機１０の発電機としての動作を禁止するので、発電トルクによるコンプレッサ７の速度低下はない。そして、コンプレッサ７の速度は慣性エネルギーにより徐々に低下するものの、変速動作のように短時間であれば、コンプレッサ７は比較的高速回転を維持できる。その結果、エンジン回転数の上昇やコンプレッサ７による過給動作で得た吸気流速を維持することができ、加速時における吸気圧不足をなくすことができる。

ディーゼルエンジン車では、スロットルバルブがないため、スロットバルブの急閉によって生じるタービン９への圧力上昇保護装置（ブローオフバルブ）も不要で、常にある程度の吸気流速を確保することによる障害も少ない。そこで、ディーゼルエンジン車におけるアクセルレスポンス改善効果を得るために本過給装置を採用することは特に有効である。

［動作４］アクセル加速操作に連動して吸気空気量を調整する吸気側スロットル弁が動作する場合。
車両が加速を完了し、運転者がアクセル操作量を減少して定常速度走行に移行する際、アクセル操作量の減少に起因してエンジン回転数が低下し、電動発電機１０の慣性回転によりインナクラッチ２３とアウタクラッチ２４との係合が解除される。そこで、電子制御ユニット４０が、車両の加速が完了し、アクセル操作量の減少を検知すると、吸気側スロットル弁を開方向に動作させると同時に、電動発電機１０を発電機として駆動する。
その後、運転者がアクセル操作量を増加させ、車両を加速させると、電動発電機１０を電動機として駆動し、コンプレッサ７を回転駆動し、過給圧を確保する。そして、エンジン回転数が上昇すると、電動発電機１０の電動機として動作を停止するとともに、インナクラッチ２３とアウタクラッチ２４とが係合し、コンプレッサ７がエンジン１により駆動される。

エンジン回転数が上昇し、吸気流速が速い領域においては、加速が完了して定常速度走行に移行する際に吸気側スロットル弁を閉じると、吸気抵抗が発生し、通常ガソリン式エンジンではポンピングロスが生じる。
本発明では、吸気側スロットル弁を開いて吸気抵抗を最小にしつつ、電動発電機１０を発電機として動作させる。これにより、コンプレッサ７の駆動トルクが電動発電機１０で電気エネルギーに変換され、タービン軸８の回転数が減少する。つまり、コンプレッサ７が回生制動され、吸気抵抗がタービン９により増大し、吸気量が制限される。このように、スロットルで捨てられていたポンピングエネルギーを電力として回生できる。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係る車両用過給装置を示すシステム構成図である。
図４において、第１プーリ４１が一方向クラッチ付きプーリ２２と並んで回転軸１３に固着されている。オイルポンプ４２は、回転軸４３に固着された第２プーリ４４を備え、遊星歯車装置３０にオイルを供給して潤滑する。そして、第２ベルト４５が第１および第２プーリ４１，４４に掛け渡され、電動発電機１０の駆動トルクがオイルポンプ４２に伝達される。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態２によれば、エンジン１の停止時に、電動発電機１０を電動機として動作させることで、オイルポンプ４２を駆動できる。そこで、電動発電機１０でコンプレッサ７を高速駆動する際には、オイルポンプ４２から遊星歯車装置３０に常に給油され、遊星歯車装置３０での潤滑不足による故障の発生を未然に回避することができる。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３に係る車両用過給装置を示すシステム構成図、図６はこの発明の実施の形態３に係る車両用過給装置における動力伝達経路を模式的に示す断面図である。
図５および図６において、電動発電機１０のハウジング１１には、吸気孔１１ａと排気孔１１ｂとが設けられ、吸気配管５のコンプレッサ７の上流側が排気孔１１ｂに連結されている。これにより、コンプレッサ７の駆動によって、空気が吸気孔１１ａからハウジング１１内に吸入され、回転子１２および固定子１７を冷却した後ハウジング１１の排気孔１１ｂから排出され、吸気配管５内を流通してコンプレッサ７に供給される吸気流Ａが形成される。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態３によれば、回転子１２および固定子１７がコンプレッサ７の駆動によって得られる吸気流Ａにより冷却されるので、冷却ファン１６が不要となり、電動発電機１０の軸方向サイズを縮小できる。これにより、遊星歯車装置３０およびコンプレッサ７を電動発電機１０の反負荷側に取り付けることに起因する軸方向サイズの増大をある程度相殺でき、過給装置の狭いエンジンルームなどへの搭載性を向上できる。
また、電動発電機１０の発電電力を整流するダイオードブリッジをスイッチング素子とともにインバータ３６に組み込むことで、ハウジング１１内の反負荷側に取り付けられる整流装置などの部品が省略でき、電動発電機１０の軸方向サイズの一層の縮小化が図られる。

なお、上記各実施の形態では、電動発電機１０は界磁式の回転子１２を用いるものとしているが、界磁式の回転子１２に代えて永久磁石式の回転子を用いてもよい。この場合、スリップリング２０やブラシ２１等が不要となるとともに、インバータ３６の容量を削減することができる。
また、上記各実施の形態では、増速機構として遊星歯車装置３０を用いるものとしているが、増速機構は遊星歯車装置３０に限定されるものではなく、例えば遊星ローラ装置を用いてもよい。

この発明の実施の形態１に係る車両用過給装置を示すシステム構成図である。この発明の実施の形態１に係る車両用過給装置における動力伝達経路を模式的に示す断面図である。この発明の実施の形態１に係る車両用過給装置に適用される一方向クラッチ付きプーリを示す断面図である。この発明の実施の形態２に係る車両用過給装置を示すシステム構成図である。この発明の実施の形態３に係る車両用過給装置を示すシステム構成図である。この発明の実施の形態３に係る車両用過給装置における動力伝達経路を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１エンジン、２クランク軸、３クランクプーリ（動力伝達手段）、４第１ベルト（動力伝達手段）、５吸気配管、７コンプレッサ、８タービン軸、９タービン、１０電動発電機、１１ハウジング、１１ａ吸気孔、１１ｂ排気孔、１２回転子、１３回転軸、１７固定子、１９電機子巻線、２２一方向クラッチ付きプーリ（動力伝達手段）、２４アウタクラッチ（電動発電機プーリ）、３０遊星歯車装置（増速機構）、３５バッテリ、３６インバータ、３７ヒートシンク、４０電子制御ユニット（制御手段）、４１第１プーリ、４２オイルポンプ、４４第２プーリ、４５第２ベルト。

Claims

エンジンと、発電機能と電動機能とを備えた電動発電機と、上記エンジンの吸気配管に配設されたコンプレッサと、上記エンジンのクランク軸の駆動トルクを上記電動発電機の回転軸に伝達する動力伝達手段と、上記電動発電機の回転軸の駆動トルクを所定の増速比で上記コンプレッサのタービン軸に伝達する増速機構と、バッテリと、上記電動発電機と上記バッテリとの間で電力を直流−交流変換するインバータと、上記インバータを制御する制御手段と、を備えた車両用過給装置において、
上記動力伝達手段は、上記エンジンのクランク軸に装着されたクランクプーリと、上記電動発電機の回転軸に装着された電動発電機プーリと、上記クランクプーリと上記電動発電機プーリとに掛け渡された第１ベルトと、上記電動発電機の回転軸と上記電動発電機プーリとの間に介装された一方向クラッチ付きプーリと、を有し、
上記一方向クラッチ付きプーリは、上記電動発電機の回転軸の駆動トルクが上記コンプレッサのタービン軸の負荷トルクより大きい場合に、上記エンジンのクランク軸と上記電動発電機の回転軸とが相対的に非結合状態動作となり、上記電動発電機の回転軸の駆動トルクが上記コンプレッサのタービン軸の負荷トルクより小さい場合に、上記エンジンのクランク軸と上記電動発電機の回転軸とが相対的に結合状態動作となるように構成され、
上記制御手段は、エンジン回転数が所定値以下の場合に、上記インバータを制御して上記電動発電機を電動機として駆動し、上記コンプレッサを該電動発電機により駆動させることを特徴とする車両用過給装置。
上記電動発電機の回転軸に固着された第１プーリと、上記増速機構を潤滑するオイルポンプと、該オイルポンプの回転軸に固着された第２プーリと、上記第１プーリと上記第２プーリとの間に掛け渡された第２ベルトと、をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の車両用過給装置。
上記インバータは、ヒートシンクを有し、該ヒートシンクが上記吸気配管の上記コンプレッサの上流側に配設されていることを特徴とする請求項１記載の車両用過給装置。
上記電動発電機のハウジングには吸気孔と排気孔とが設けられ、上記吸気配管の上記コンプレッサの上流側が上記ハウジングに設けられた排気孔に連結され、上記コンプレッサの駆動により、空気が上記吸気孔から上記ハウジング内に流入し、該ハウジング内を流通した後上記排気孔から排気され、該吸気配管内を流通することを特徴とする請求項１記載の車両用過給装置。
上記制御手段は、車両加速中の変速機のシフトアップ時に、上記電動発電機の発電機としての動作を禁止するように制御することを特徴とする請求項１記載の車両用過給装置。
上記制御手段は、車両の加速が完了し、かつアクセル操作量の減少を検知すると、吸気側スロットル弁を開方向に動作させると共に、上記電動発電機を発電機として動作させることを特徴とする請求項１記載の車両用過給装置。
上記電動発電機は、ランデル型の交流電動発電機であり、固定子の電機子巻線に通電される電機子電流で電動制御されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の車両用過給装置。