JP3670149B2

JP3670149B2 - Turbocharger

Info

Publication number: JP3670149B2
Application number: JP35940698A
Authority: JP
Inventors: 寿英宮島
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2018-12-17
Also published as: JP2000179348A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関に利用する。本発明は、内燃機関の吸気圧力をその内燃機関の排気圧力を利用して加圧するターボチャージャの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気通路に設けられ排気圧力により回転駆動するタービンと、その内燃機関の吸気通路に設けたブロアとを備え、このブロアの回転軸を前記タービンの回転軸に連結し、排気圧力を利用して吸気圧力を加圧することにより内燃機関の効率を改善するターボチャージャ（過給装置）が広く知られている。
【０００３】
このようなターボチャージャは、排気通路に設けたタービンの上流側通路と下流側通路とを連通するバイパスと、このバイパスの流量を加減する調節弁（ウエイスト・ゲートバルブ）とを設け、この調節弁を加減することにより、タービンの回転速度を調節するように構成されている。すなわち、この調節弁を閉じる方向に制御すると、バイパスを通過する流量が小さくなりタービンを通過する排気流量が大きくなるからタービンは高速に回転することになり、この調節弁を開く方向に制御すると、バイパスを通過する排気流量が大きくなって、相対的にタービンを通過する排気流量が小さくなるからタービンは低速に回転するようになる。
【０００４】
一般に、このようなターボチャージャを設けて、排気通路を通過する排気によるエネルギを吸気圧力の加圧に利用しても、なお排気通路を通過する排気は高温であり、その流速は大きく、排気通路で利用することができるエネルギを無駄に大気に排出していることになる。
【０００５】
これをさらに利用してエネルギ利用効率を向上するために、▲１▼図５（ａ）に示すように、前記バイパスにもう一つタービンを設けて、このタービンにより内燃機関の主回転軸を駆動加速するように構成した装置が提案された（実公昭６２−４６８２５号公報）。また、▲２▼図５（ｂ）に示すように、同様にエネルギ利用効率を向上させるために、ターボチャージャの回転軸に発電機を連結する装置（特開平６−３３６９３３号公報）、▲３▼図５（ｃ）に示すように、ターボチャージャのタービンの供給路に第二のタービンを設けて、これに発電機を連結する装置（特公平４−５８０４号公報）、あるいは本願出願人が提案した装置であって、▲４▼図５（ｄ）に示すように、前記バイパスに第二のタービンを設けて、この第二のタービンに発電機を連結する装置（特願平９−６０９２９２号、本願出願時において未公開）などが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来技術は、ターボチャージャに利用してもなお排気通路で利用できるエネルギを効率的に利用するものであるが、ターボチャージャの回転速度を優先的に制御するために、バイパスには調節弁（ウエイスト・ゲートバルブ）を必ず設ける必要があった。
【０００７】
このように、バイパスに調節弁を設けることは、この調節弁を駆動するアクチュエータを設ける必要があり機構的に複雑になる。また、調節弁は常時高温にさらされるのでこの高温環境に対応できる耐久性のあるものが必要となり、さらに、排気ガスが調節弁を通過することによるエネルギ損失を生じ利用効率を低下させる。
【０００８】
本発明は、このような背景に行われたものであって、排気通路で利用することができるエネルギを効率的に利用するものであって、しかもバイパスに設ける調節弁を不要にすることができるターボチャージャを提供することを目的とする。本発明は、調節弁を不要とすることにより機構を簡単化するとともに、その調節弁を駆動する機構を不要とするターボチャージャを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ターボチャージャの駆動用タービンに供給する排気圧力を調節するために、開閉弁に代えて第二のタービンと、その第二のタービンに連結された発電機とを備え、この発電機の負荷電流を調節することにより、実質的に駆動用タービンに供給する排気圧力を調節することを特徴とする。
【００１０】
すなわち、本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ排気圧力により回転する第一のタービンと、このタービンの回転軸に連結され前記内燃機関の吸気を加圧するブロアと、排気通路の前記タービンの上流側と下流側とを連通するバイパスと、このバイパスの流量を加減する調節弁とを備えたターボチャージャにおいて、前記調節弁に代えて、前記バイパスを通過する排気圧力により回転する第二のタービンと、この第二のタービンの回転軸に連結された発電機と、この発電機の負荷電流を調節する手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
前記負荷電流を調節する手段は、前記発電機の界磁電流を調節する手段と、前記内燃機関の回転を検出する第一の回転センサと、前記発電機の回転を検出する第二の回転センサと、前記ブロアの下流側吸気圧力を検出する圧力センサと、前記二つの回転センサおよびこの圧力センサの出力を取込み演算パラメタとする制御回路とを含むことが望ましい。
【００１２】
さらに、前記発電機の負荷電流を前記内燃機関の蓄電装置の充電電流として供給する電気回路を備え、前記発電機は交流発電機であり、前記電気回路はインバータを含み、前記制御回路の制御出力はこのインバータの制御入力に接続されることが望ましい。
【００１３】
内燃機関からの排気は、排気通路およびこの排気通路から分岐したバイパスに分流する。排気通路に分流した排気は第一のタービンを回転駆動し、この第一のタービンの駆動力によりブロアが回転して内燃機関の吸気圧力を昇圧させ高密度の空気をシリンダ内に供給する。
【００１４】
一方、バイパスに分流した排気は、第二のタービンを回転駆動し、この第二のタービンの駆動力により発電機が回転して電気エネルギを発生する。この発電機の負荷電流を調節することにより発生する電気エネルギを制御して第二のタービンにかかる負荷を調節することができる。
【００１５】
負荷電流の調節は発電機に与える界磁電流を調節することにより行う。発電機の負荷を大きくするときは界磁巻線の電流位相の進角を大きくし、発電機の負荷を小さくするときは供給する界磁巻線の電流位相の進角を小さくする。これにより、第二のタービンにかかる負荷を調節することができる。
【００１６】
すなわち、第二のタービンにかかる負荷を大きくすると、バイパス側に流入した排気ガスの受ける抵抗は大きくなり、実質的に管路が絞られたことと同じになってバイパス側への排気の流入量は減少する。また、第二のタービンにかかる負荷を小さくすると、バイパス側に流入した排気ガスの受ける抵抗は小さくなり、実質的に管路が開放されたことと同じになってバイパス側への排気の流量は増大する。
【００１７】
このように発電機の負荷電流を調節することにより、実質的にバイパス側管路を開閉する機能をもたせることができ、バイパス側に調節弁を設けなくても、バイパス側の排気の流量を制御することが可能となり、排気エネルギを効率的に利用することができる。さらに、調節弁が不要になるので開閉弁を駆動する機能が不要となり、排気の分流制御に必要とされる機構全体を簡単化することができる。
【００１８】
発電機の負荷電流の調節は制御回路の制御にしたがって行う。制御回路は制御情報として、第一の回転センサ、第二の回転センサおよび圧力センサから内燃機関の回転速度、発電機の回転速度およびブロアの下流側の吸気圧力を取込み、これらの検出出力を演算パラメタとして発電機の負荷電流を制御する。すなわち、内燃機関への吸気量を増大させるときは発電機への界磁巻線の電流位相を大きくし、内燃機関への吸気量を減少させるときは界磁巻線の電流位相を小さくする制御を行う。
【００１９】
発電機が発生した負荷電流は内燃機関の蓄電装置に充電電流として供給する。発電機には交流発電機を用い、発生した交流電気エネルギをインバータにより直流電気エネルギに変換し蓄電装置に充電する。このようにしてインバータを制御することにより発電機の負荷電流を調節することができる。
【００２０】
本願出願人がＨＩＭＲの名称で実用化しているハイブリッド自動車に本発明を適用した場合は、すでにインバータが実装されているので、そのインバータを利用し蓄電池への充電を行うことができる。また、内燃機関の駆動力だけで走行する通常の自動車に適用した場合には、従来装着されていた充電用発電機を廃止することができ、装着を要することがあればその容量を小さくすることができる。
【００２１】
この蓄電装置への充電は、常に定格充電容量まで充電させたのでは、第二のタービンにより駆動される発電機が発生する電気エネルギを効率的に回生させることはできない。一方、そのために充電の目標容量をあまり低く設定すると、運転状況によって始動を多数回繰り返さなければならないことが発生したときなどに充電されたエネルギを消費しきってしまう事態が起こり得る。
【００２２】
このようなことから、本発明の装置では、その目標容量を制動装置の性能、自動車の運転状態、蓄電装置の絶対容量、使用温度、その他各種の条件により選択設定し、蓄電装置の充電状態が定常状態においてその定格充電容量より小さい所定の目標容量になるように制御する。その目標容量としては５０％〜７０％が適当である。
【００２３】
蓄電装置に充電された電気エネルギが次第に大きくなり、目標容量を越えるようになると、制御回路は内燃機関の回転駆動により発生する電気エネルギを抑制するとともに、補助駆動力などにより積極的に消費する制御を行い、充電量が設定された目標容量を越えないようにする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴とするところは、ターボチャージャの駆動用タービンに供給する排気圧力を調節するための手段として、開閉弁（ウエイスト・ゲートバルブ）に代えて、第二のタービン、およびこの第二のタービンに連結された発電機を備え、この発電機の負荷電流を調節することにより、内燃機関への過給を行う第一のタービンへの排気圧力を実質的に調節することにある。
【００２５】
図１は本発明によるターボチャージャの基本的構成を示す図である。
【００２６】
本発明によるターボチャージャは、内燃機関３の排気通路４に設けられ排気圧力により回転する第一のタービン１と、この第一のタービン１の回転軸に連結され内燃機関３の吸気を加圧するブロア５と、排気通路４の第一のタービン１の上流側と下流側とを連通するバイパス６と、このバイパスの流量を加減する調節弁に代えて備えられたバイパス６を通過する排気圧力により回転する第二のタービン２、この第二のタービン２の回転軸に連結された発電機７およびこの発電機７の負荷電流を調節する制御回路１０とにより基本的に構成される。
【００２７】
第一のタービン１は内燃機関３の排気通路から排気される排気ガスの圧力により回転力を受けてブロア５を回転駆動し過給を行う。一方、バイパス６に分流した排気流は第二のタービン２に回転力を与え、この回転力により発電機７を駆動する。制御回路１０は第一の回転センサ１１、第二の回転センサ１２および圧力センサ８の出力を取込み、これらの制御情報を演算パラメタとして発電機７の界磁巻線に与える電流位相を制御する。
【００２８】
すなわち、第一のタービン１による内燃機関の過給を大きくする場合には、界磁巻線に与える電流位相の進角を大きくする。これにより発電機７の負荷が大きくなり、実質的にバイパス６の管路が絞られ、第一のタービン１側への排気ガスの量が増加して、ブロア５による過給量が増大する。
【００２９】
また、過給を小さくする場合には、界磁巻線に与える電流位相の進角を小さくする。これにより、発電機７の負荷が小さくなって実質的にバイパス６の管路が開放され、第一のタービン１側への排気ガスの流量が減少し過給量は小さくなる。
【００３０】
【実施例】
（第一実施例）
次に、本発明第一実施例を図面に基づいて説明する。図２は本発明第一実施例の要部の構成を示すブロック図である。本第一実施例はハイブリッド自動車を例に説明する。
【００３１】
本発明第一実施例は、内燃機関３の排気通路４に設けられ排気圧力により回転する第一のタービン１と、この第一のタービン１の回転軸に連結され内燃機関３の吸気を加圧するブロア５と、排気通路の第一のタービン１の上流側と下流側とを連通するバイパス６と、このバイパス６を通過する排気圧力により回転する第二のタービン２と、この第二のタービン２の回転軸に連結された発電機７と、この発電機７の負荷電流を調節する手段とが備えられる。
【００３２】
前記負荷電流を調節する手段には、発電機７の界磁電流を調節する手段と、内燃機関３の回転を検出する第一の回転センサ１１と、発電機７の回転を検出する第二の回転センサ１２と、ブロアの下流側吸気圧力を検出する圧力センサ８と、第一の回転センサ１１、第二の回転センサ１２およびこの圧力センサ８の出力を取込み演算パラメタとする制御回路１０とが含まれる。
【００３３】
さらに、発電機７の負荷電流を内燃機関３の蓄電装置２１の充電電流として供給する電気回路が備えられ、発電機７には交流発電機が用いられ、前記電気回路にはインバータ９が含まれる。制御回路１０の制御出力はこのインバータ９の制御入力に接続される。
【００３４】
内燃機関３の回転軸には電動発電機２２が直結され、この電動発電機２２の交流回路と蓄電装置２１の直流回路とを双方向に電気エネルギを変換して結合する主インバータ２３と、この主インバータ２３を制御するプログラム制御回路２０とが備えられる。
【００３５】
制御回路１０とプログラム制御回路２０とは通信手段２４により接続され、ブロア５はクーラ２５を介して内燃機関３の吸気通路に接続される。
【００３６】
インバータ９を制御する制御回路１０は、主インバータ２３を制御するプログラム制御回路２０の内部に設ける構成にすることもでき、このような一体構成にすることによって制御系の統合をはかることができる。また、保守点検を行ないやすくし、かつ製造コストを低減することができる。
【００３７】
次に、このように構成された本発明第一実施例の制御動作について説明する。
【００３８】
内燃機関３の排気流は排気通路４を通って第一のタービン１に供給される。第一のタービン１はこの排気流の供給によって回転駆動し、直結されたブロア５に回転力を与える。このブロア５の回転により外気が取り込まれ、クーラ２５により冷却されて高密度となった空気が内燃機関３内のシリンダに供給される。
【００３９】
内燃機関３からの排気ガス量が増加すれば第一のタービン１の駆動力が増大し、これにともなってブロア５の回転速度が増加し、内燃機関３への空気供給量が増大する。排気ガスの量が減少すれば第一のタービン１への排気量は少なくなり内燃機関３への空気の過給量は減少する。
【００４０】
このようにして内燃機関３から排出される排気を動力源として内燃機関３への過給を行う。この過給時に、制御回路１０は、制御情報として、第一の回転センサ１１、第二の回転センサ１２、および圧力センサ８から内燃機関３の回転速度、発電機７の回転速度、およびブロア５の下流側の吸気圧力を取込み、その検出出力に基づいてインバータ９を制御して発電機７の界磁電流を調節し、内燃機関３の低、中、高速回転域にマッチングした過給を行う。
【００４１】
発電機７が発電する発電量とバイパス６から第二のタービン２に供給する排気ガス量との関係はあらかじめ設定することができる。したがって、バイパス６側に分岐させる排気ガス量は発電機７の発電量を調節することによって制御することができる。
【００４２】
図３は本発明第一実施例における発電機の発電量とバイパスへの排気ガス量との関係の一例を示す図である。このように発電機７に発生させる発電量を増大させるとバイパス６に流入する排気ガス量は減少する。発電機７に発生させる発電量を少なくするとバイパス６に流入する排気ガス量は増加する。
【００４３】
一方、第二のタービン２にかかる負荷が大きければ、バイパス６に流入した排気ガスの受ける抵抗は大きくなり、内燃機関３から排出された排気ガスのバイパス６に流入する量は減少する。これにより第一のタービン１への排気ガス量が増加して回転駆動力が大きくなり、第一のタービン１に連結されたブロア５による内燃機関３への過給量が大きくなる。すなわち調節弁を絞った状態と同じになる。
【００４４】
また、第二のタービン２にかかる負荷が小さければ、バイパス６に流入した排気ガスの受ける抵抗は小さくなり、内燃機関３から排出された排気ガスのバイパス６に流入する量は増加する。これにより第一のタービン１への排気ガス量は減少して回転駆動力は小さくなり、ブロア５による内燃機関３への過給量が少なくなる。すなわち調節弁を開放した状態と同じになる。
【００４５】
このような発電機７の発電量とバイパス６への排気ガス量との関係を利用して、制御回路１０は、取込んだ内燃機関３の回転速度、発電機７の回転速度、およびブロア５の下流側の圧力値を演算パラメタとし、内燃機関３への過給量を演算し、その演算値に基づく制御信号をインバータ９に送出する。インバータ９はこの制御信号にしたがって、発電機７に供給する界磁電流を調節する。
【００４６】
界磁電流の位相進角量を大きく制御すると発電機７により発電される発電量は大きくなり、第二のタービン２が受ける負荷は大きくなる。また、界磁電流の位相進角量を小さくした場合には発電機７が発電する発電量は小さくなり、第二のタービン２が受ける負荷は小さくなる。このような制御を行うことにより内燃機関３に供給する吸気の量を制御することができる。
【００４７】
発電機７が発生した交流電気エネルギは制御回路１０の制御にしたがってインバータ９で直流電気エネルギに変換され蓄電装置２１に充電される。
【００４８】
すなわち制御回路１０は、通信手段２４を介してプログラム制御回路２０から蓄電装置２１の端子電圧を取込み、発電機７からインバータ９に供給され変換された直流電力の電圧が蓄電装置２１の端子電圧を越えたか否かを判定し、越えていればインバータ９を充電側に制御し蓄電装置２１への充電を行う。インバータ９により変換された直流電力の電圧が蓄電装置２１の端子電圧を下回ったときには、インバータ９からの蓄電装置２１への充電を停止する。
【００４９】
蓄電装置２１の端子電圧は一定ではなく常時変動する。すなわち、プログラム制御回路２０の制御により、補助制動時には内燃機関３の回転軸に連結された電動発電機２２からの交流出力が主インバータ２３で直流電力に変換され、蓄電装置２１に回生充電される。また、補助加速時には蓄電装置２１から直流電力が取り出され、主インバータ２３で交流電力に変換され電動発電機２２が電動機として駆動し補助加速が行われる。そのために蓄電装置２１の端子電圧は、通常走行時、補助加速時および補助制動時によってその端子電圧の値がそれぞれ異なる。プログラム制御回路２０は蓄電装置２１からその端子電圧の値を常時取込み、制御回路１０は通信手段２４を介してこの値を入力し、発電出力をその端子電圧に対し所定電圧だけ越えるように制御を行い、インバータ９により蓄電装置２１への回生充電を行う。
【００５０】
発電機７による蓄電装置２１への充電は、常に定格充電容量まで充電させたのでは、満杯の状態にあって第二のタービン２により駆動される発電機７の発生する電気エネルギを効率的に回生させることはできない。また、充電の目標容量をあまり低く設定すると、運転状況によって始動を多数回繰り返さなければならないことが発生したときなどに充電されたエネルギを消費しきってしまう。
【００５１】
このようなことを回避するために、その目標容量を制動装置の性能、自動車の運転状態、蓄電装置２１の絶対容量、使用温度、その他各種の条件により選択設定し、蓄電装置２１の充電状態が定常状態においてその定格充電容量より小さい所定の目標容量になるように制御する。その目標容量としては５０％〜７０％が望ましい。
【００５２】
蓄電装置２１に充電された電気エネルギが次第に大きくなり、目標容量を越えるようになると、制御回路は内燃機関３の回転駆動により発生する電気エネルギを抑制して、補助駆動力などにより積極的に消費させ、充電量が設定された目標容量を越えないように制御する。
【００５３】
（第二実施例）
図４は本発明第二実施例の要部の構成を示すブロック図である。本第二実施例は内燃機関だけにより走行する車両に適用した例を示したものである。
【００５４】
本発明第二実施例は、図２に示す第一実施例の構成から主インバータ２３、この主インバータ２３を制御するプログラム制御回路２０および通信手段２４が取除かれる。その他は第一実施例同様に構成され、制御回路１０による発電機７の界磁電流調節制御が同様に行われる。第二実施例の場合は、従来実装されていた内燃機関３により駆動される充電用発電機をなくすことができ、実装を要する場合でもその容量を小さくすることができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、バイパス管路からの排気ガスにより回転駆動される発電機の負荷電流を調節することにより、実質的にバイパス側管路を開閉する機能をもたせることができ、バイパス側に調節弁を設けなくても、バイパス側に分岐させる排気の流量を制御することが可能となり、排気エネルギを効率的に利用することができる。さらに、調節弁が不要になるので、開閉弁を駆動する機構が不要となり、排気の分流制御に必要とされる機構全体を簡単化することができる。内燃機関の駆動力だけで走行を行う通常の自動車に適用した場合には、従来実装されていた充電用発電機を廃止することができ、実装を要する場合にはその容量を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるターボチャージャの基本的構成を示す図。
【図２】本発明第一実施例の要部の構成を示すブロック図。
【図３】本発明第一実施例における発電機の発電量とバイパスへの排気ガス量との関係の一例を示す図。
【図４】本発明第二実施例の要部の構成を示すブロック図。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は従来例の要部の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１第一のタービン
２第二のタービン
３内燃機関
４排気通路
５ブロア
６バイパス
７発電機
８圧力センサ
９インバータ
１０制御回路
１１第一の回転センサ
１２第二の回転センサ
２０プログラム制御回路
２１蓄電装置
２２電動発電機
２３主インバータ
２４通信手段
２５クーラ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is used for an internal combustion engine. The present invention relates to an improvement in a turbocharger that pressurizes an intake pressure of an internal combustion engine using an exhaust pressure of the internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
A turbine provided in an exhaust passage of an internal combustion engine and driven to rotate by exhaust pressure, and a blower provided in the intake passage of the internal combustion engine are connected to the rotation shaft of the turbine to utilize the exhaust pressure. A turbocharger (supercharger) that improves the efficiency of an internal combustion engine by increasing the intake pressure is widely known.
[0003]
Such a turbocharger is provided with a bypass communicating with the upstream side passage and the downstream side passage of the turbine provided in the exhaust passage, and a control valve (Waste gate valve) for adjusting the flow rate of the bypass. By adjusting this, the rotational speed of the turbine is adjusted. That is, if the control valve is controlled in the closing direction, the flow rate passing through the bypass decreases and the exhaust gas flow rate through the turbine increases, so the turbine rotates at a high speed, and when the control valve is controlled in the opening direction, Since the exhaust flow rate passing through the bypass increases and the exhaust flow rate passing through the turbine becomes relatively small, the turbine rotates at a low speed.
[0004]
In general, even if such a turbocharger is provided and the energy from the exhaust gas passing through the exhaust passage is used for pressurization of the intake pressure, the exhaust gas passing through the exhaust passage is still hot and the flow velocity is large. This means that energy that can be used in the system is wasted to the atmosphere.
[0005]
In order to further improve the energy utilization efficiency by using this, (1) as shown in FIG. 5 (a), another turbine is provided in the bypass, and the main rotary shaft of the internal combustion engine is driven by this turbine. An apparatus configured to accelerate was proposed (Japanese Utility Model Publication No. 62-46825). (2) As shown in FIG. 5 (b), in order to improve the energy utilization efficiency, an apparatus for connecting a generator to the rotating shaft of a turbocharger (Japanese Patent Laid-Open No. 6-336933), (3) As shown in FIG. 5 (c), a second turbine is provided in the turbocharger turbine supply path, and a generator is connected to the second turbine (Japanese Patent Publication No. 4-5804), or the applicant of the present application (4) As shown in FIG. 5 (d), the proposed apparatus is provided with a second turbine in the bypass and a generator is connected to the second turbine (Japanese Patent Application No. 9-609292). No. and unpublished at the time of filing this application) are known.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The prior art as described above efficiently uses the energy that can still be used in the exhaust passage even if it is used for a turbocharger. However, in order to preferentially control the rotation speed of the turbocharger, there is no bypass. It was necessary to provide a control valve (waste gate valve).
[0007]
As described above, the provision of the control valve in the bypass requires an actuator for driving the control valve, which is mechanically complicated. Further, since the control valve is constantly exposed to high temperature, it is necessary to have a durable one that can cope with this high temperature environment, and further, energy loss occurs due to exhaust gas passing through the control valve, thereby reducing the utilization efficiency.
[0008]
The present invention has been carried out against such a background, and efficiently uses energy that can be used in the exhaust passage, and can eliminate the need for a control valve provided in the bypass. The purpose is to provide a turbocharger. It is an object of the present invention to provide a turbocharger that simplifies the mechanism by eliminating the need for a control valve and eliminates the need for a mechanism that drives the control valve.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes a second turbine instead of the on-off valve and a generator connected to the second turbine in order to adjust the exhaust pressure supplied to the turbine for driving the turbocharger. By adjusting the load current of the exhaust gas, the exhaust pressure supplied to the drive turbine is substantially adjusted.
[0010]
That is, the present invention provides a first turbine that is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine and rotates by exhaust pressure, a blower that is connected to a rotation shaft of the turbine and pressurizes intake air of the internal combustion engine, and the turbine in the exhaust passage. A turbocharger comprising a bypass communicating with an upstream side and a downstream side, and a regulating valve for adjusting the flow rate of the bypass, a second turbine rotating by exhaust pressure passing through the bypass instead of the regulating valve And a generator connected to the rotating shaft of the second turbine, and means for adjusting the load current of the generator.
[0011]
The means for adjusting the load current includes means for adjusting the field current of the generator, a first rotation sensor for detecting rotation of the internal combustion engine, and a second rotation sensor for detecting rotation of the generator. And a pressure sensor that detects an intake pressure downstream of the blower, and a control circuit that takes the outputs of the two rotation sensors and the pressure sensors and uses them as operation parameters.
[0012]
And an electric circuit that supplies a load current of the generator as a charging current of the power storage device of the internal combustion engine, the generator is an AC generator, the electric circuit includes an inverter, and a control output of the control circuit Is preferably connected to the control input of this inverter.
[0013]
Exhaust gas from the internal combustion engine is divided into an exhaust passage and a bypass branched from the exhaust passage. The exhaust gas divided into the exhaust passage rotates and drives the first turbine, and the blower rotates by the driving force of the first turbine to increase the intake pressure of the internal combustion engine and supply high-density air into the cylinder.
[0014]
On the other hand, the exhaust gas diverted to the bypass rotationally drives the second turbine, and the generator is rotated by the driving force of the second turbine to generate electric energy. The load applied to the second turbine can be adjusted by controlling the electric energy generated by adjusting the load current of the generator.
[0015]
The load current is adjusted by adjusting the field current applied to the generator. When the generator load is increased, the current phase advance angle of the field winding is increased, and when the generator load is decreased, the current phase advance angle of the supplied field winding is decreased. Thereby, the load concerning a 2nd turbine can be adjusted.
[0016]
In other words, when the load applied to the second turbine is increased, the resistance received by the exhaust gas flowing into the bypass side increases, which is substantially the same as when the pipe line is throttled, and the inflow amount of exhaust gas to the bypass side Decrease. In addition, when the load applied to the second turbine is reduced, the resistance received by the exhaust gas flowing into the bypass side is reduced, and the flow rate of the exhaust gas to the bypass side is substantially the same as when the pipe line is opened. Increase.
[0017]
By adjusting the load current of the generator in this way, it is possible to have a function to open and close the bypass side pipe line substantially, and control the flow rate of the exhaust on the bypass side without providing an adjustment valve on the bypass side. This makes it possible to use exhaust energy efficiently. Further, since the control valve is not required, the function of driving the on-off valve is not required, and the entire mechanism required for the exhaust gas diversion control can be simplified.
[0018]
The load current of the generator is adjusted according to the control of the control circuit. The control circuit takes in the rotation speed of the internal combustion engine, the rotation speed of the generator, and the intake pressure on the downstream side of the blower from the first rotation sensor, the second rotation sensor, and the pressure sensor as control information, and calculates these detection outputs The generator load current is controlled as a parameter. That is, when increasing the intake air amount to the internal combustion engine, the current phase of the field winding to the generator is increased, and when decreasing the intake air amount to the internal combustion engine, the current phase of the field winding is decreased. I do.
[0019]
The load current generated by the generator is supplied as a charging current to the power storage device of the internal combustion engine. An AC generator is used as a generator, and the generated AC electric energy is converted into DC electric energy by an inverter and the power storage device is charged. The load current of the generator can be adjusted by controlling the inverter in this way.
[0020]
In the case where the present invention is applied to a hybrid vehicle that has been put into practical use under the name of HIMR by the applicant of the present application, since the inverter is already mounted, the storage battery can be charged using the inverter. In addition, when applied to a normal automobile that runs only with the driving force of an internal combustion engine, the charging generator that has been installed in the past can be abolished, and if it needs to be installed, its capacity must be reduced. Can do.
[0021]
If the power storage device is always charged to the rated charge capacity, the electric energy generated by the generator driven by the second turbine cannot be efficiently regenerated. On the other hand, if the target capacity for charging is set too low for that purpose, there may occur a situation where the charged energy is completely consumed when it is necessary to start many times depending on the driving situation.
[0022]
Therefore, in the device of the present invention, the target capacity is selected and set according to the performance of the braking device, the driving state of the automobile, the absolute capacity of the power storage device, the operating temperature, and various other conditions, and the charge state of the power storage device Control is performed so that a predetermined target capacity is smaller than the rated charge capacity in a steady state. As the target capacity, 50% to 70% is appropriate.
[0023]
When the electric energy charged in the power storage device gradually increases and exceeds the target capacity, the control circuit suppresses the electric energy generated by the rotational drive of the internal combustion engine and actively consumes the auxiliary drive force. To prevent the charge amount from exceeding the set target capacity.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A feature of the present invention is that, as means for adjusting the exhaust pressure supplied to the turbine for driving the turbocharger, instead of the on-off valve (waste gate valve), the second turbine and the second turbine A generator connected to the turbine is provided, and by adjusting the load current of the generator, the exhaust pressure to the first turbine that supercharges the internal combustion engine is substantially adjusted.
[0025]
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a turbocharger according to the present invention.
[0026]
A turbocharger according to the present invention includes a first turbine 1 provided in an exhaust passage 4 of an internal combustion engine 3 and rotated by exhaust pressure, and a blower that is connected to a rotation shaft of the first turbine 1 and pressurizes intake air of the internal combustion engine 3. 5 and a bypass 6 communicating with the upstream side and the downstream side of the first turbine 1 in the exhaust passage 4, and rotation by exhaust pressure passing through the bypass 6 provided in place of the control valve for adjusting the flow rate of the bypass The second turbine 2 is basically composed of a generator 7 connected to the rotating shaft of the second turbine 2 and a control circuit 10 for adjusting the load current of the generator 7.
[0027]
The first turbine 1 receives the rotational force from the pressure of the exhaust gas exhausted from the exhaust passage of the internal combustion engine 3 and rotationally drives the blower 5 to perform supercharging. On the other hand, the exhaust flow divided into the bypass 6 gives a rotational force to the second turbine 2, and the generator 7 is driven by this rotational force. The control circuit 10 takes in the outputs of the first rotation sensor 11, the second rotation sensor 12, and the pressure sensor 8, and controls the current phase applied to the field winding of the generator 7 using these control information as calculation parameters.
[0028]
That is, when the supercharging of the internal combustion engine by the first turbine 1 is increased, the advance angle of the current phase applied to the field winding is increased. As a result, the load on the generator 7 is increased, the pipeline of the bypass 6 is substantially throttled, the amount of exhaust gas to the first turbine 1 side is increased, and the supercharging amount by the blower 5 is increased.
[0029]
When the supercharging is reduced, the advance angle of the current phase applied to the field winding is reduced. As a result, the load on the generator 7 is reduced, the pipe line of the bypass 6 is substantially opened, the flow rate of the exhaust gas to the first turbine 1 side is reduced, and the supercharging amount is reduced.
[0030]
【Example】
(First Example)
Next, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the main part of the first embodiment of the present invention. The first embodiment will be described by taking a hybrid vehicle as an example.
[0031]
In the first embodiment of the present invention, a first turbine 1 provided in an exhaust passage 4 of an internal combustion engine 3 and rotated by exhaust pressure, and connected to a rotary shaft of the first turbine 1 to pressurize intake air of the internal combustion engine 3. A blower 5, a bypass 6 that communicates the upstream side and the downstream side of the first turbine 1 in the exhaust passage, a second turbine 2 that is rotated by exhaust pressure that passes through the bypass 6, and the second turbine 2 A generator 7 connected to the rotary shaft of the generator 7 and means for adjusting the load current of the generator 7 are provided.
[0032]
The means for adjusting the load current includes means for adjusting the field current of the generator 7, a first rotation sensor 11 for detecting the rotation of the internal combustion engine 3, and a second for detecting the rotation of the generator 7. A rotation sensor 12, a pressure sensor 8 that detects the intake pressure downstream of the blower, a first rotation sensor 11, a second rotation sensor 12, and a control circuit 10 that takes an output of the pressure sensor 8 and uses it as a calculation parameter. included.
[0033]
Furthermore, an electric circuit for supplying the load current of the generator 7 as a charging current for the power storage device 21 of the internal combustion engine 3 is provided. An AC generator is used for the generator 7, and the electric circuit includes an inverter 9. . The control output of the control circuit 10 is connected to the control input of the inverter 9.
[0034]
A motor generator 22 is directly connected to the rotating shaft of the internal combustion engine 3, and a main inverter 23 that couples the AC circuit of the motor generator 22 and the DC circuit of the power storage device 21 by converting electric energy bidirectionally, And a program control circuit 20 for controlling the main inverter 23.
[0035]
The control circuit 10 and the program control circuit 20 are connected by communication means 24, and the blower 5 is connected to the intake passage of the internal combustion engine 3 via the cooler 25.
[0036]
The control circuit 10 that controls the inverter 9 can be configured to be provided inside the program control circuit 20 that controls the main inverter 23, and the integration of the control system can be achieved by such an integrated configuration. In addition, maintenance and inspection can be facilitated, and the manufacturing cost can be reduced.
[0037]
Next, the control operation of the first embodiment of the present invention thus configured will be described.
[0038]
The exhaust flow of the internal combustion engine 3 is supplied to the first turbine 1 through the exhaust passage 4. The first turbine 1 is rotationally driven by the supply of this exhaust flow, and applies a rotational force to the blower 5 directly connected. Outside air is taken in by the rotation of the blower 5, and the air that has been cooled by the cooler 25 and has a high density is supplied to a cylinder in the internal combustion engine 3.
[0039]
When the amount of exhaust gas from the internal combustion engine 3 increases, the driving force of the first turbine 1 increases, and accordingly, the rotational speed of the blower 5 increases and the amount of air supplied to the internal combustion engine 3 increases. If the amount of exhaust gas decreases, the amount of exhaust to the first turbine 1 decreases and the amount of supercharging of air to the internal combustion engine 3 decreases.
[0040]
In this way, the internal combustion engine 3 is supercharged using the exhaust gas discharged from the internal combustion engine 3 as a power source. At the time of supercharging, the control circuit 10 uses the first rotation sensor 11, the second rotation sensor 12, and the pressure sensor 8 as control information from the rotation speed of the internal combustion engine 3, the rotation speed of the generator 7, and the blower 5 as control information. Is taken in, the inverter 9 is controlled based on the detected output to adjust the field current of the generator 7, and supercharging matching the low, medium and high speed rotation regions of the internal combustion engine 3 is performed. .
[0041]
The relationship between the amount of power generated by the generator 7 and the amount of exhaust gas supplied from the bypass 6 to the second turbine 2 can be set in advance. Therefore, the amount of exhaust gas branched to the bypass 6 side can be controlled by adjusting the power generation amount of the generator 7.
[0042]
FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the power generation amount of the generator and the exhaust gas amount to the bypass in the first embodiment of the present invention. When the amount of power generated by the generator 7 is increased in this way, the amount of exhaust gas flowing into the bypass 6 decreases. When the amount of power generated by the generator 7 is reduced, the amount of exhaust gas flowing into the bypass 6 increases.
[0043]
On the other hand, if the load applied to the second turbine 2 is large, the resistance received by the exhaust gas flowing into the bypass 6 increases, and the amount of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine 3 flows into the bypass 6 decreases. As a result, the amount of exhaust gas to the first turbine 1 increases and the rotational driving force increases, and the amount of supercharging to the internal combustion engine 3 by the blower 5 connected to the first turbine 1 increases. That is, it is the same as when the control valve is throttled.
[0044]
Further, if the load applied to the second turbine 2 is small, the resistance received by the exhaust gas flowing into the bypass 6 decreases, and the amount of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine 3 flows into the bypass 6 increases. As a result, the amount of exhaust gas to the first turbine 1 decreases, the rotational driving force decreases, and the amount of supercharging to the internal combustion engine 3 by the blower 5 decreases. That is, the state is the same as when the control valve is opened.
[0045]
Using such a relationship between the power generation amount of the generator 7 and the exhaust gas amount to the bypass 6, the control circuit 10 can capture the rotational speed of the internal combustion engine 3, the rotational speed of the generator 7, and the blower 5. Is used as a calculation parameter to calculate the amount of supercharging to the internal combustion engine 3, and a control signal based on the calculated value is sent to the inverter 9. The inverter 9 adjusts the field current supplied to the generator 7 according to this control signal.
[0046]
When the phase advance amount of the field current is controlled to be large, the amount of power generated by the generator 7 increases and the load received by the second turbine 2 increases. Further, when the phase advance amount of the field current is reduced, the amount of power generated by the generator 7 is reduced, and the load received by the second turbine 2 is reduced. By performing such control, the amount of intake air supplied to the internal combustion engine 3 can be controlled.
[0047]
The AC electrical energy generated by the generator 7 is converted into DC electrical energy by the inverter 9 according to the control of the control circuit 10 and charged in the power storage device 21.
[0048]
That is, the control circuit 10 takes in the terminal voltage of the power storage device 21 from the program control circuit 20 through the communication means 24, and the voltage of the DC power supplied from the generator 7 to the inverter 9 and converted into the terminal voltage of the power storage device 21. It is determined whether or not it has exceeded, and if it exceeds, the inverter 9 is controlled to the charging side to charge the power storage device 21. When the voltage of the DC power converted by the inverter 9 is lower than the terminal voltage of the power storage device 21, the charging of the power storage device 21 from the inverter 9 is stopped.
[0049]
The terminal voltage of the power storage device 21 is not constant and constantly varies. That is, under the control of the program control circuit 20, during auxiliary braking, the AC output from the motor generator 22 connected to the rotating shaft of the internal combustion engine 3 is converted into DC power by the main inverter 23 and regeneratively charged to the power storage device 21. . Further, at the time of auxiliary acceleration, DC power is taken out from the power storage device 21, converted into AC power by the main inverter 23, and the motor generator 22 is driven as an electric motor to perform auxiliary acceleration. For this reason, the terminal voltage of the power storage device 21 varies depending on the normal driving, the auxiliary acceleration, and the auxiliary braking. The program control circuit 20 always takes in the value of the terminal voltage from the power storage device 21, and the control circuit 10 inputs this value via the communication means 24, and performs control so that the power generation output exceeds the terminal voltage by a predetermined voltage. Then, the inverter 9 performs regenerative charging to the power storage device 21.
[0050]
Charging of the power storage device 21 by the generator 7 is always performed up to the rated charge capacity, so that the electric energy generated by the generator 7 driven by the second turbine 2 in a full state is efficiently obtained. It cannot be regenerated. Further, if the target capacity for charging is set too low, the charged energy is consumed when the start must be repeated many times depending on the driving situation.
[0051]
In order to avoid such a situation, the target capacity is selected and set according to the performance of the braking device, the driving state of the vehicle, the absolute capacity of the power storage device 21, the operating temperature, and various other conditions, and the charge state of the power storage device 21 is determined. Control is performed so that a predetermined target capacity is smaller than the rated charge capacity in a steady state. The target capacity is preferably 50% to 70%.
[0052]
When the electric energy charged in the power storage device 21 gradually increases and exceeds the target capacity, the control circuit suppresses the electric energy generated by the rotational driving of the internal combustion engine 3 and actively consumes it by the auxiliary driving force or the like. And control so that the charged amount does not exceed the set target capacity.
[0053]
(Second embodiment)
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the main part of the second embodiment of the present invention. This second embodiment shows an example applied to a vehicle that travels only by an internal combustion engine.
[0054]
In the second embodiment of the present invention, the main inverter 23, the program control circuit 20 for controlling the main inverter 23, and the communication means 24 are removed from the configuration of the first embodiment shown in FIG. The rest of the configuration is the same as in the first embodiment, and the field current adjustment control of the generator 7 by the control circuit 10 is similarly performed. In the case of the second embodiment, the charging generator driven by the internal combustion engine 3 that has been conventionally mounted can be eliminated, and the capacity can be reduced even when mounting is required.
[0055]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by adjusting the load current of the generator that is rotationally driven by the exhaust gas from the bypass pipe, it is possible to have a function of substantially opening and closing the bypass pipe. Even without providing a regulating valve on the bypass side, it becomes possible to control the flow rate of the exhaust gas branched to the bypass side, and the exhaust energy can be used efficiently. Furthermore, since the control valve is not required, a mechanism for driving the on-off valve is not required, and the entire mechanism required for the exhaust gas diversion control can be simplified. When applied to an ordinary automobile that travels only with the driving force of the internal combustion engine, the charging generator that has been mounted in the past can be abolished, and the capacity can be reduced if mounting is required. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a turbocharger according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a main part of the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a relationship between a power generation amount of a generator and an exhaust gas amount to a bypass in the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a main part of a second embodiment of the present invention.
FIGS. 5A to 5D are block diagrams showing a configuration of a main part of a conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st turbine 2 2nd turbine 3 Internal combustion engine 4 Exhaust passage 5 Blower 6 Bypass 7 Generator 8 Pressure sensor 9 Inverter 10 Control circuit 11 First rotation sensor 12 Second rotation sensor 20 Program control circuit 21 Power storage device 22 Motor generator 23 Main inverter 24 Communication means 25 Cooler

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ排気圧力により回転する第一のタービンと、このタービンの回転軸に連結され前記内燃機関の吸気を加圧するブロアと、排気通路の前記タービンの上流側と下流側とを連通するバイパスと、このバイパスの流量を加減する調節弁とを備えたターボチャージャにおいて、
前記調節弁に代えて、前記バイパスを通過する排気圧力により回転する第二のタービンと、この第二のタービンの回転軸に連結された発電機と、この発電機の負荷電流を調節する手段とを備え、
前記負荷電流を調節する手段は、前記内燃機関の回転を検出する第一の回転センサと、前記発電機の回転を検出する第二の回転センサと、前記ブロアの下流側吸気圧力を検出する圧力センサと、前記二つの回転センサおよびこの圧力センサの出力を取込み演算パラメタとする制御回路とを含む
ことを特徴とするターボチャージャ。A first turbine provided in an exhaust passage of the internal combustion engine and rotated by exhaust pressure; a blower connected to a rotating shaft of the turbine for pressurizing intake air of the internal combustion engine; an upstream side and a downstream side of the turbine in an exhaust passage; In a turbocharger having a bypass communicating with the control valve and a control valve for adjusting the flow rate of the bypass,
Instead of the control valve, a second turbine that rotates by exhaust pressure passing through the bypass, a generator connected to the rotating shaft of the second turbine, and means for adjusting the load current of the generator equipped with a,
The means for adjusting the load current includes a first rotation sensor for detecting the rotation of the internal combustion engine, a second rotation sensor for detecting the rotation of the generator, and a pressure for detecting the intake air pressure downstream of the blower. A turbocharger comprising: a sensor; and a control circuit that takes the outputs of the two rotation sensors and the pressure sensor and uses them as operation parameters .

前記負荷電流を調節する手段は、前記内燃機関の吸気量を増大させるときは前記発電機の界磁巻線の電流位相を大きくし、前記内燃期間の吸気量を減少させるときは界磁巻線の電流位相を小さくする制御手段を含む請求項１記載のターボチャージャ。The means for adjusting the load current increases the current phase of the field winding of the generator when increasing the intake air amount of the internal combustion engine, and field winding when decreasing the intake air amount during the internal combustion period. The turbocharger according to claim 1 , further comprising a control means for reducing a current phase of the turbocharger.