JP3941010B2 - 過給装置およびエンジンの過給方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、過給装置およびエンジンの過給方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、エンジンの過給装置として、吸入空気を圧縮する圧縮機インペラを回転駆動可能な電動機を備えた、いわゆるモータアシストターボチャージャーが知られている(例えば、特許文献1参照。)。この従来の過給装置では、エンジンの低速回転時等に、バッテリに蓄えられた電力を用いて上記電動機が駆動される。これにより、圧縮機インペラによる過給圧が高められるので、エンジントルクを増大化させることができる。更に、この過給装置では、制動時に、過給圧を高める場合とは逆方向に電動機が駆動される。これにより、エンジンの排気マニホールド内における圧力が上昇することになり、ピストンのポンピングロスを高めて、制動力を増加させることが可能となる。
【0003】
【特許文献1】
特開平5−141254号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の過給装置は、基本的に加速要求がなされた段階から電動機を作動させるものであり、加速要求に対する応答性には依然として改善の余地が残されている。そして、このように加速要求に対する応答性が満足行くものではない場合、それを補うべく、加速要求がなされた際に過給装置の電動機に大きな電力を供給しなければならなくなる。また、上記従来例のように、制動時に過給装置を逆転作動させるということは、実質的に、エンジンから回収されたエネルギを浪費することに他ならない。従って、従来の過給装置は、エネルギ効率の面においても課題を有していた。
【0005】
そこで、本発明は、エンジンから回収したエネルギを有効に利用可能とし、加速要求に対する応答性を向上させることができる過給装置およびエンジンの過給方法の提供を目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明による過給装置は、回生発電機と、この回生発電機によって回収される回生電力を用いて充電可能なバッテリとを含むエンジンに適用され、当該エンジンの排気により回転させられるタービン要素により圧縮機要素を回転駆動し、この圧縮機要素によって吸入空気を圧縮する過給装置であって、圧縮機要素に連結され、当該圧縮機要素を回転駆動可能な電動機と、バッテリが満充電状態にある場合に、回生発電機によって回収される回生電力によって電動機が駆動されるようにする制御手段とを備えることを特徴とする。
【0007】
この過給装置では、回生発電機によって回収される回生電力を用いて充電され得るバッテリが満充電状態にある場合、回生発電機によって回収される回生電力が、圧縮機要素に連結されている電動機を駆動するために用いられる。これにより、この過給装置では、エンジンの減速時等、回生発電機の作動中であって、バッテリが満充電状態にある場合に、回生発電機によって回収された回生電力を有効に利用して、エンジンの吸入空気の圧力を高めておくことができる。この結果、本発明によれば、エンジンに対する加速要求がなされた際の過給装置の応答性を大幅に向上させることが可能となる。
【0008】
また、制御手段は、回生発電機によって回収される回生電力がバッテリの満充電状態までの余裕電力を超える場合に、バッテリの充電状態に拘わらず、回生電力によって電動機が駆動されるようにすると好ましい。
【0009】
このような構成を採用すれば、バッテリの充電に用いることができない余剰の回生電力を有効に利用して、エンジンの吸入空気の圧力を高めておくことが可能となる。
【0010】
更に、制御手段は、エンジンの加減速頻度をモニタしており、加減速頻度が所定の頻度を上回っている場合には、バッテリの充電状態に拘わらず、回生電力によって電動機が駆動されるようにすると好ましい。
【0011】
このような構成を採用すれば、エンジンを減速させる場合であって、その後に再加速される可能性が高い場合に、予め電動機を作動させて吸入空気の圧力を高めておくことができるので、過給装置の加速要求に対する応答性を極めて良好に向上させることが可能となる。
【0012】
本発明によるエンジンの過給方法は、回生発電機と、この回生発電機によって回収される回生電力を用いて充電可能なバッテリとを含むエンジンに適用され、当該エンジンの排気によりタービン要素を回転させて圧縮機要素を回転駆動し、この圧縮機要素によって吸入空気を圧縮するエンジンの過給方法において、圧縮機要素に電動機を連結しておき、バッテリが満充電状態にある場合に、回生発電機によって回収される回生電力を用いて電動機を駆動することを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による過給装置およびエンジンの過給方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【0014】
図1は、本発明による過給装置が適用されたエンジンを示す概略構成図である。同図に示されるエンジン1は、車両用の筒内噴射型多気筒エンジン(例えば、4気筒エンジン、ただし、図1には1気筒のみが示される)として構成されており、各燃焼室2内での混合気の燃焼によりピストン3を往復移動させて、クランクシャフトSから動力を得るものである。なお、ここでは、エンジン1は、いわゆる筒内噴射型(ガソリン)エンジンとして説明されるが、これに限られるものではなく、本発明が吸気管内噴射型エンジンや、ディーゼルエンジン等にも適用され得ることはいうまでもない。
【0015】
図1に示されるように、エンジン1のピストン3は、いわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面に凹部を有する。また、エンジン1のシリンダヘッドには、各燃焼室2内に臨むように複数のインジェクタ4が配設されている。インジェクタ4は、燃料供給管を介してガソリン等の液体燃料を貯留する燃料タンク(何れも図示省略)に接続されており、ガソリン等の燃料を対応する燃焼室2内に直接噴射する。更に、エンジン1のシリンダヘッドには、複数の点火プラグ5が各燃焼室2内に臨むように配設されている。
【0016】
このように構成されるエンジン1では、各燃焼室2内に空気を大量に吸入させた状態で、インジェクタ4から各ピストン3の凹部に向けてガソリン等の燃料が直接噴射される。これにより、点火プラグ5の近傍に燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成(成層化)される。この結果、エンジン1では、極めて希薄な混合気を用いて安定した希薄燃焼運転を実行することが可能となる。
【0017】
各燃焼室2の吸気ポートは、吸気マニホールド(吸気路)6にそれぞれ接続され、各燃焼室2の排気ポートは、排気マニホールド(排気路)7にそれぞれ接続されている。また、エンジン1のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Viと、排気ポートを開閉する排気弁Veとが各気筒ごとに配設されている。各吸気弁Viおよび各排気弁Veは、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構8により開閉される。
【0018】
吸気マニホールド6は、図1に示されるようにサージタンク9に接続されており、サージタンク9は、給気管10を介してエアクリーナ11に接続されている。吸入空気中のゴミや塵等は、エアクリーナ11によって除去される。また、給気管10の中途には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ12が設置されている。本実施形態では、スロットルバルブ12として、アクセルペダルAPの操作量(踏込量)を検出するアクセル位置センサ13、スロットルバルブ12を開閉するためのスロットルモータ14およびスロットルバルブ12の開度を検出するスロットル開度センサ15を含む、いわゆる電子制御スロットルが採用されている。更に、給気管10には、サージタンク9とスロットルバルブ12との間に、給気管10内の圧力(吸気圧)を検出する圧力センサ16が配置されている。
【0019】
一方、排気マニホールド7は、図1に示されるように、例えばNOx吸蔵還元触媒を含む触媒装置17に接続されており、この触媒装置17において各燃焼室2からの排気ガスが浄化される。また、本実施形態のエンジン1は、排気マニホールド7から吸気系統のサージタンク9に向けて排気ガスを還流させるためのEGR(Exhaust Gas Recircu1ation)流路18を有する。EGR流路18の中途には、排気ガスの還流量を調節するためのEGR弁19が備えられている。
【0020】
さて、上述のような筒内噴射型のエンジン1は、各燃焼室2に多くの吸入空気を導入して希薄燃焼運転を行うことにより、高出力化と低燃費化との双方を達成すべく、更に、過給装置(ターボチャージャー)20を備える。過給装置20は、図1に示されるように、タービンインペラ(タービン要素)21と、圧縮機インペラ(圧縮機要素)22とを含む。タービンインペラ21と圧縮機インペラ22とは、回転軸23により互いに連結されて一体化している。
【0021】
図1に示されるように、タービンインペラ21は、排気マニホールド7と触媒装置17との間に組み込まれたケーシングの内部に回転自在に配置されている。また、圧縮機インペラ22は、給気管10のエアクリーナ11とスロットルバルブ12との間に組み込まれたケーシングの内部に回転自在に配置されている。これにより、各燃焼室2からの排気ガスによって回転させられるタービンインペラ21によって圧縮機インペラ22を回転駆動することが可能となり、圧縮機インペラ22により、エアクリーナ11を介して吸入れられた空気を圧縮(過給)することが可能となる。
【0022】
また、本実施形態の過給装置20は、いわゆるモータアシストターボチャージャーとして構成されており、タービンインペラ21と圧縮機インペラ22とを連結する回転軸23に装備されたターボ用電動機24を有する。すなわち、過給装置20は、エンジン1の排気ガスのエネルギのみを用いて吸入空気を圧縮する通常のターボチャージャーとして機能し得るだけではなく、ターボ用電動機24を作動させて圧縮機インペラ22を強制的に回転駆動することにより、吸入空気の圧力(過給圧)を更に増大化させ得るものである。ターボ用電動機24としては、回転軸23に固定されたロータと、その周囲に配置されたステータとを含む交流モータが採用され、図1に示されるように、ターボ用電動機24はインバータユニット25に接続される。なお、ターボ用電動機24として、電動機および発電機の双方として機能し得る、いわゆるモータ/ジェネレータが採用されてもよい。これにより、排気ガスのエネルギを利用してターボ用電動機24を発電機として作動させることにより、電気エネルギを回収することが可能となる。
【0023】
また、過給装置20は、圧縮機インペラ22とスロットルバルブ12との間に位置するように給気管10に組み込まれたインタークーラ26を含む。インタークーラ26は、圧縮機インペラ22によって圧縮されて昇温した吸入空気を冷却することにより、充填効率を向上させるものである。インタークーラ26として、空冷式または液冷式の熱交換器が採用される。更に、給気管10には、過給装置20(圧縮機インペラ22)の上流側と下流側とをバイパスするバイパス路27が設けられている。このバイパス路27は、その中途に設けられたエアバイパス弁28によって開閉される。エアバイパス弁28としては、電気的に開閉制御し得るバルブが用いられるとよく、圧縮機インペラ22の下流側の圧力が上流側の圧力よりも所定値だけ高まった際に開弁する機械式一方向弁が用いられてもよい。
【0024】
なお、本実施形態の過給装置20は、いわゆる可変ノズルターボとして構成されており、タービンインペラ21の外方に配設された複数の可動ベーンを有する。すなわち、これら可動ベーンの位置を変化させてタービンインペラ21に流れ込む排気の流量を制御することにより、過給圧を自在に調整することが可能となる。また、過給装置20は、タービン容量を可変制御する機構(A/R可変機構)等を含むものであってもよい。更に、図示は省略されているが、排気マニホールド7に対しては、過給装置20をバイパスする流路が設けられており、この流路の中途には、ウェイストゲートバルブが設置されている。ウェイストゲートバルブは、過給圧が所定圧力以上になると開弁し、タービンインペラ21への排気流量を減じて過給圧を調整するものである。
【0025】
また、上述の過給装置20に加えて、エンジン1は、図1に示されるように、クランクシャフトSに連結された回生発電機30を有している。回生発電機30は、図示されない油圧ブレーキユニットと協調作動する回生ブレーキユニットとして機能し得るものであり、インバータユニット25を介して、各種補機の電源として用いられるバッテリ31と接続されている。すなわち、回生発電機30は、アクセルペダルAPが戻されるか、あるいは、エンジン1(車両)を減速または停止させるべき旨の指令が発せられると、エンジン1の運動エネルギを電気エネルギに変換・回収することにより、エンジン1に制動力を作用させる。そして、回生発電機30によって回生された回生電力は、インバータユニット25によって電圧変換され、バッテリ31の充電に利用される。
【0026】
なお、回生発電機30(回生ブレーキ)による制動力と油圧ブレーキユニットによる制動力とは、エネルギ回収が最も効率的になされるように適宜組み合わされる。また、回生発電機30として、電動機および発電機の双方として機能し得る、いわゆるモータ/ジェネレータを採用し、上述のエンジン1および過給装置20を含む車両を、いわゆるハイブリッド車両として構成してもよい。
【0027】
更に、上述のエンジン1は、制御手段として機能するECU40を含む。ECU40は、何れも図示されないCPU、ROM、RAM、入出力ポート、および、記憶装置等を含むものである。そして、ECU40の入出力ポートには、上述のインジェクタ4、点火プラグ5、動弁機構8、アクセル位置センサ13、スロットル開度センサ15、スロットルモータ14、圧力センサ16、EGR弁19、インバータユニット25、エアバイパス弁28、クランク角センサ29等が接続されている。ECU40は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に、各種センサの検出値等に基づいて、インジェクタ4、点火プラグ5、動弁機構8、スロットルバルブ12等を制御する。そして、ECU40は、エンジン1の制動時に、過給装置20(ターボ用電動機24)の制御手段としても機能する。
【0028】
次に、図2を参照しながら、上述のエンジン1の制動時における過給装置20の動作、具体的には、エンジン1の制動時におけるターボ用電動機24の制御手順について説明する。図2に示されるように、エンジン1の作動中(車両の走行中)、ECU40は、ユーザによるアクセルペダルAPの操作状態等を常時モニタしており、回生発電機30がエンジン1を制動するように作動しているか否かを判定している(S10)。ECU40は、S10にて回生発電機30が回生作動していないと判断した場合は、S12にて、ターボ用電動機24を停止させ(それまで電動機24が停止させられていた場合は、停止させたままにしておき)、もとの待機状態に戻る。
【0029】
これに対して、ECU40は、S10にて回生発電機30が回生作動しており、インバータ25を介してバッテリ31が充電されていると判断した場合、更に、図示されないバッテリ31用の電流計や電圧計等からの信号に基づいて、バッテリ31が満充電状態にあるか否かを判定する(S14)。ECU40は、S14にてバッテリ31が満充電状態にあると判断した場合、更に、過給装置20に設けられている回転数センサ(図示省略)の検出値に基づいて、回転軸23(タービンインペラ21および圧縮機インペラ22)の回転数が予め定められた許容値以下であるか否かを判定する(S16)。そして、ECU40は、S16にて回転軸23の回転数が許容値以下であると判断した場合、回生発電機30によって回収された回生電力を利用して過給装置20のターボ用電動機24を駆動するようにインバータユニット25に指令信号を与える(S18)。
【0030】
このように、過給装置20では、回生発電機30によって回収される回生電力を用いて充電され得るバッテリ31が満充電状態にある場合、基本的に、回生発電機30によって回収される回生電力が圧縮機インペラ22に連結されているターボ用電動機24を駆動するために用いられる。これにより、過給装置20によれば、エンジン1を減速させるように回生発電機30が回生作動している場合であって、かつ、バッテリ31が満充電状態にある場合、回生発電機30によって回収された回生電力を有効に利用して、エンジン1の吸入空気の圧力を高めておくことができる。
【0031】
この結果、本発明によれば、エンジン1の減速後に加速要求がなされた際の過給装置20の応答性を大幅に向上させることが可能となる。また、減速回生時からターボ用電動機24を作動させて圧縮機インペラ22(およびタービンインペラ21)を回転駆動しておくことにより、ターボ用電動機24を駆動するために要する電力自体を、加速要求がなされた時点から急速にターボ用電動機24を作動させる場合よりも低減させることができる。なお、S16にて、過給装置20の回転軸23の回転数が許容値を上回っていると判断された場合、ECU40の処理は、S12に進み、回生電力を利用したターボ用電動機24の駆動は実行されない。
【0032】
一方、S14にて、バッテリが満充電状態にはないと判断された場合、ECU40は、インバータユニット25からの状態信号等に基づいて、回生発電機30によって回収された回生電力がバッテリ31の満充電までの余裕電力を超えているか否か、すなわち、回生発電機30によって回収された回生電力がバッテリ31の規定充電電力(バッテリ充電制限)を上回っているか否かを判定する(S20)。ECU40は、S20にて回生電力がバッテリ31の規定充電電力を上回っていると判断した場合、S16にて、過給装置20の回転軸23の回転数が予め定められた許容値以下であるか否かを判定する。
【0033】
そして、ECU40は、S16にて回転軸23の回転数が許容値以下であると判断した場合、回生発電機30によって回収された回生電力を利用して過給装置20のターボ用電動機24を駆動するようにインバータユニット25に指令信号を与える(S18)。この結果、バッテリ31の規定充電電力を上回っていることにより、バッテリ31の充電に用いることができない余剰の回生電力を有効に利用して、エンジン1の吸入空気の圧力を高めておくことが可能となる。なお、バッテリ31が満充電状態にはなく、回生電力がバッテリ31の規定充電電力を上回っており、かつ、S16にて、過給装置20の回転軸23の回転数が許容値を上回っていると判断された場合、ECU40の処理は、S12に進み、回生電力を利用したターボ用電動機24の駆動は実行されない。
【0034】
ここで、ECU40は、エンジン1の作動中に、加速時におけるスロットルバルブ12の開度に関する情報等を記憶してデータベース化することにより、エンジン1における急減速および急加速の頻度をモニタしている。そして、ECU40は、S20にて、回生電力がバッテリ31の規定充電電力を上回っていないと判断した場合、エンジン1における加減速頻度が所定の頻度を上回っているか否か、すなわち、エンジン1において急加速または急減速の要求がなされる頻度が予め定められた頻度を超えているか否かを判定する(S22)。
【0035】
ECU40は、S22にて、エンジン1において急加減速の要求がなされる頻度が予め定められた頻度を上回っている、すなわち、急加減速の頻度が高いと判断した場合、S16にて過給装置20の回転軸23の回転数が予め定められた許容値以下であるか否かを判定し、回転軸23の回転数が許容値以下であると判断した場合、回生発電機30によって回収された回生電力を利用して過給装置20のターボ用電動機24を駆動するようにインバータユニット25に指令信号を与える(S18)。
【0036】
これにより、エンジン1では、急加減速頻度が高い場合には、バッテリ31の充電状態に拘わらず、回生電力によってターボ用電動機24が駆動されることになる。この結果、エンジン1を減速させる場合であって、その後に再加速される可能性が高い場合に、予めターボ用電動機24を作動させて吸入空気の圧力を高めておくことができるので、加速要求に対する過給装置20の応答性を極めて良好に向上させることが可能となる。
【0037】
S22にて、エンジン1において急加減速の要求がなされる頻度が予め定められた頻度を上回っていない、すなわち、急加減速の頻度が低いと判断された場合、ECU40の処理は、S12に進み、回生電力を利用したターボ用電動機24の駆動は実行されない。また、S22にて、急加減速の頻度が高いと判断されても、S16にて、過給装置20の回転軸23の回転数が許容値を上回っていると判断された場合、ECU40の処理は、S12に進み、回生電力を利用したターボ用電動機24の駆動は実行されない。
【0038】
なお、回生発電機30は、上述のターボ用電動機24の駆動およびバッテリ31の充電により消費され得るエネルギを回生し、不足する制動力は、油圧ブレーキユニットにより発生されることはいうまでもない。また、ターボ用電動機24が作動している状態で、緩加速要求がなされた場合、ECU40は、予め作成されているマップ等に従って、過剰なトルクを発生させないようにスロットルバルブ12を制御して吸入空気量を絞る。更に、ターボ用電動機24が作動している状態で、急加速要求がなされた場合、ECU40は、予め作成されているマップ等に従うと共に、過給圧と要求トルクとに応じてスロットルバルブ12を制御する。
【0039】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明によれば、エンジンから回収したエネルギを有効に利用して、加速要求に対する応答性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による過給装置を適用したエンジンを示す概略構成図である。
【図2】図1のエンジンの制動時における本発明による過給装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
1 エンジン
20 過給装置
21 タービンインペラ
22 圧縮機インペラ
23 回転軸
24 ターボ用電動機
25 インバータユニット
30 回生発電機
31 バッテリ
Claims (11)
- 発電機と、この発電機によって回収される電力を用いて充電可能なバッテリとを含むエンジンに適用され、当該エンジンの排気により回転させられるタービン要素により圧縮機要素を回転駆動し、この圧縮機要素によって吸入空気を圧縮する過給装置であって、
前記圧縮機要素に連結され、当該圧縮機要素を回転駆動可能な電動機と、
前記バッテリが満充電状態にある場合に、前記発電機によって回収される電力によって、前記発電機による電力の回収時に前記電動機が駆動されるようにして、次の前記エンジンの加速要求に備える制御手段とを備えることを特徴とする過給装置。 - 前記発電機により回収される電力は前記エンジンを減速又は停止させる時に回収されることを特徴とする請求項1に記載の過給装置。
- 前記制御手段は、前記発電機によって回収される電力が前記バッテリの満充電状態までの余裕電力を超える場合に、前記バッテリの充電状態に拘わらず、前記回収される電力によって前記電動機が駆動されるようにすることを特徴とする請求項1又は2に記載の過給装置。
- 前記制御手段は、前記バッテリを介さずに前記発電機により回収される電力によって、前記発電機による電力の回収時に前記電動機を駆動することを特徴とする請求項3に記載の過給装置。
- 前記制御手段は、前記エンジンの加減速頻度をモニタしており、前記加減速頻度が所定の頻度を上回っている場合には、前記バッテリの充電状態に拘わらず、前記回生される電力によって前記電動機が駆動されるようにすることを特徴とする請求項1乃至4いずれかに記載の過給装置。
- 発電機と、この発電機によって回収される電力を用いて充電可能なバッテリとを含むエンジンに適用され、当該エンジンの排気によりタービン要素を回転させて圧縮機要素を回転駆動し、この圧縮機要素によって吸入空気を圧縮するエンジンの過給方法において、
前記圧縮機要素に電動機を連結しておき、前記バッテリが満充電状態にある場合に、前記発電機によって回収される電力を用いて、前記発電機による電力の回収時に前記電動機を駆動し、次の前記エンジンの加速要求に備えることを特徴とするエンジンの過給方法。 - 前記発電機により回収される電力は前記エンジンを減速又は停止させる時に回収されることを特徴とする請求項6に記載のエンジンの過給方法。
- 前記電動機を駆動する際に、前記バッテリを介さずに前記発電機により回収される電力によって、前記発電機による電力の回収時に前記電動機を駆動することを特徴とする請求項6又は7に記載の過給装置。
- 発電機と、この発電機によって回収される電力を用いて充電可能なバッテリとを含むエンジンに適用され、当該エンジンの排気により回転させられるタービン要素により圧縮機要素を回転駆動し、この圧縮機要素によって吸入空気を圧縮する過給装置であって、
前記圧縮機要素に連結され、当該圧縮機要素を回転駆動可能な電動機と、
前記発電機によって回収される電力によって、前記発電機による電力の回収時に前記電動機が駆動されるようにして、次の前記エンジンの加速要求に備える制御手段とを備えることを特徴とする過給装置。 - 前記制御手段は、前記エンジンの加減速頻度をモニタしており、前記加減速頻度が所定の頻度を上回っている場合には、前記バッテリの充電状態に拘わらず、前記回収される電力によって前記電動機を駆動し、前記加減速頻度が所定の頻度を下回っている場合には、前記電動機を駆動しないことを特徴とする請求項9記載の過給装置。
- 前記発電機により回収される電力は前記エンジンを減速又は停止させる時に回収されることを特徴とする請求項9又は10に記載の過給装置。
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