JP5552983B2

JP5552983B2 - 電動ターボシステム

Info

Publication number: JP5552983B2
Application number: JP2010207969A
Authority: JP
Inventors: 章飯島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: JP2012062823A

Description

本発明は、電動ターボシステムに関する。

ターボ（ターボチャージャー）は、自身のイナーシャ（inertia）のため瞬時には回転速度を上昇させることができない。特に車両発進時には、１〜２秒後にようやくブースト圧が上昇し車両が加速を開始するという所謂ターボラグが生じ得る。そのターボラグを回避するために電動ターボ（或いはターボチャージャージェネレーター）を用いることが考えられる。図５に電動ターボを用いたターボシステムの例を示す。

図５に示すターボシステム５０においては、電動ターボＴＣＧは、エンジンＥＮＧの排気通路５１に配設されたタービンＴと、エンジンＥＮＧの吸気通路５２に配設されたコンプレッサーＣと、タービンＴとコンプレッサーＣとを接続する回転軸５３と、回転軸５３に装着されたモータージェネレーターＭ／Ｇとから主に構成されている。

図５に示すターボシステム５０においては、車両の発進・加速時は、エンジンＥＮＧに装着された発電機ＡＣＧで発電すると共に、発電機ＡＣＧで発電した電気でモータージェネレーターＭ／Ｇを回転させるようになっている。また、高速高負荷時には、モータージェネレーターＭ／Ｇで発電すると共に、モータージェネレーターＭ／Ｇで発電した電気で発電機ＡＣＧを回転させるようになっている。

また、図示はしないが、電動ターボをハイブリッドシステムと組み合わせ、電動ターボで発電した電気をエンジン側のモータージェネレーターで回収するようにしたものもある。

特開２００９−２７５５４６号公報

ところで、図５に示すターボシステム５０において、３Ｌディーゼルエンジンの場合、モータージェネレーターＭ／Ｇでの発電量は３００Ｗ程度であるが、コンプレッサーＣの駆動力は１〜２ｋｗである。そのため、発電機ＡＣＧからの持ち出しの方が大きく、エンジン出力がその分に取られることになり、燃費が悪化してしまう。

また、電動ターボをハイブリッドシステムと組み合わせたものは、図５に示すターボシステム５０のように燃費が悪化するということはないが、エンジンにモータージェネレーターを組み込む必要があるので、システムが複雑となり、且つエンジン単独では成立しない。

つまり、車両の発進性を改善するために電動ターボを用いると、図５に示すターボシステムのように構造は簡便だが燃費が悪くなるか、電動ターボをハイブリッドシステムと組み合わせたもののように燃費は悪くならないが構造が複雑になるかである。

そこで、本発明の目的は、構造を複雑にすることなく、車両の発進性を改善することができる電動ターボシステムを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、エンジンの排気通路に配設された高圧段タービンと前記エンジンの吸気通路に配設された高圧段コンプレッサーとを有する高圧段ターボと、前記高圧段タービンよりも下流の前記排気通路に配設された低圧段タービンと前記高圧段コンプレッサーよりも上流の前記吸気通路に配設された低圧段コンプレッサーとを有する低圧段ターボと、該低圧段ターボの回転軸に設けられた電動発電機と、該電動発電機に接続された蓄電装置と、前記低圧段コンプレッサーをバイパスする第一吸気バイパス通路と、前記高圧段コンプレッサーをバイパスする第二吸気バイパス通路と、吸気が前記低圧段コンプレッサーを流れた後に前記高圧段コンプレッサーをバイパスして前記第二吸気バイパス通路を流れる第一吸気経路と、吸気が前記低圧段コンプレッサーをバイパスして前記第一吸気バイパス通路を流れた後に前記高圧段コンプレッサーを流れる第二吸気経路との間で吸気経路を切り換える吸気経路切換手段と、制御装置とを備え、該制御装置は、車両の発進時に、前記吸気経路切換手段で吸気経路を前記第一吸気経路に切り換えると共に、前記蓄電装置で前記電動発電機を回転させ、前記車両の発進後に所定の切換条件が成立したときに、前記吸気経路切換手段で吸気経路を前記第二吸気経路に切り換えると共に、前記電動発電機で発電する電気を前記蓄電装置に蓄えるべく前記電動発電機を発電作動に変更するものである。

また、前記低圧段タービンをバイパスする排気バイパス通路と、排気が前記高圧段タービンを流れた後に前記低圧段タービンをバイパスして前記排気バイパス通路を流れる第一排気経路と、排気が前記高圧段タービンを流れた後に前記低圧段タービンを流れる第二排気経路との間で排気経路を切り換える排気経路切換手段とを更に備え、前記制御装置は、前記車両の発進時に、前記排気経路切換手段で排気経路を前記第一排気経路に切換え、前記車両の発進後に前記切換条件が成立したときに、前記排気経路切換手段で排気経路を前記第二排気経路に切り換えるものであっても良い。

本発明によれば、構造を複雑にすることなく、車両の発進性を改善することができる電動ターボシステムを提供することができるという優れた効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る電動ターボシステムの概略図である。車両発進時を示す電動ターボシステムの概略図である。通常走行時（低速低負荷時）を示す電動ターボシステムの概略図である。制御装置による処理フローチャートを示す図である。従来例に係る電動ターボシステムの概略図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示すように、本実施形態に係る電動ターボシステム１０は、車両に搭載されたエンジン（本実施形態では、ディーゼルエンジン）１１と、エンジン１１に直列に接続された高圧段ターボ（高圧段ターボチャージャー）１２及び低圧段ターボ（低圧段ターボチャージャー）１３とを備える。

本実施形態の高圧段ターボ１２は、低圧段ターボ１３よりも過給容量が小さいものである。高圧段ターボ１２は、エンジン１１の排気通路（排気管）１４に配設された高圧段タービン１５と、エンジン１１の吸気通路（吸気管）１６に配設された高圧段コンプレッサー１７と、高圧段タービン１５と高圧段コンプレッサー１７とを接続する回転軸１８とを有する。

一方、本実施形態の低圧段ターボ１３は、高圧段ターボ１２よりも過給容量が大きいものである。低圧段ターボ１３は、高圧段タービン１５よりも下流の排気管１４に配設された低圧段タービン１９と、高圧段コンプレッサー１７よりも上流の吸気管１６に配設された低圧段コンプレッサー２０と、低圧段タービン１９と低圧段コンプレッサー２０とを接続する回転軸２１と、回転軸２１に装着された電動発電機（モータージェネレーター）２２とを有する。

モータージェネレーター２２には、インバーター２３を介して蓄電装置２４が接続されており、モータージェネレーター２２は、制御装置（コントローラー）２５によってインバーター２３を介して駆動される。本実施形態の蓄電装置２４は、バッテリーからなる。

即ち、本実施形態は、過給容量の異なる二つのターボ１２、１３をエンジン１１に直列に接続した二段ターボシステムとし、それら二つのターボ１２、１３の内の一つ（低圧段ターボ１３）を電動ターボとしたものである。

また、本実施形態に係る電動ターボシステム１０は、高圧段コンプレッサー１７よりも下流の吸気管１６に配設されたインタークーラー２６と、吸気管１６に接続され、低圧段コンプレッサー２０をバイパスする第一吸気バイパス通路（第一吸気バイパス管）２７と、吸気管１６に接続され、高圧段コンプレッサー１７及びインタークーラー２６をバイパスする第二吸気バイパス通路（第二吸気バイパス管）２８と、排気管１４に接続され、低圧段タービン１９をバイパスする排気バイパス通路（排気バイパス管）２９とを備える。

具体的には、第一吸気バイパス管２７は、低圧段コンプレッサー２０上流側と低圧段コンプレッサー２０及び高圧段コンプレッサー１７間とを連通する。また、第二吸気バイパス管２８は、低圧段コンプレッサー２０及び高圧段コンプレッサー１７間とインタークーラー２６下流側とを連通する。さらに、排気バイパス管２９は、高圧段タービン１５及び低圧段タービン１９間と低圧段タービン１９下流側とを連通する。

さらに、本実施形態に係る電動ターボシステム１０は、吸気経路を切り換える吸気経路切換手段と、排気経路を切り換える排気経路切換手段とを備える。

本実施形態では、前記吸気経路切換手段は、吸気が低圧段コンプレッサー２０を流れた後に高圧段コンプレッサー１７及びインタークーラー２６をバイパスして第二吸気バイパス管２８を流れる第一吸気経路（図２参照）と、吸気が低圧段コンプレッサー２０をバイパスして第一吸気バイパス管２７を流れた後に高圧段コンプレッサー１７及びインタークーラー２６を流れる第二吸気経路（図３参照）との間で吸気経路を切り換える。具体的には、前記吸気経路切換手段は、第一吸気バイパス管２７の分岐部に配設された第一切換バルブＳＶ１と、第二吸気バイパス管２８の分岐部に配設された第二切換バルブＳＶ２とから構成される。

また、前記排気経路切換手段は、排気が高圧段タービン１５を流れた後に低圧段タービン１９をバイパスして排気バイパス管２９を流れる第一排気経路（図２参照）と、排気が高圧段タービン１５を流れた後に低圧段タービン１９を流れる第二排気経路（図３参照）との間で排気経路を切り換える。具体的には、前記排気経路切替手段は、排気バイパス管２９の分岐部に配設された第三切換バルブＳＶ３とから構成される。

次に、本実施形態に係る電動ターボシステム１０の作動を説明する。

車両発進時は、図２に示すように、コントローラー２５は、第一切換バルブＳＶ１及び第二切換バルブＳＶ２を制御して、吸気経路を第一吸気経路に切り換え、且つ、第三切換バルブＳＶ３を制御して、排気経路を第一排気経路に切り換えると共に、インバーター２３を制御して、バッテリー２４でモータージェネレーター２２を回転させて、低圧段コンプレッサー２０を回転させる。すると、低圧段コンプレッサー２０のみで吸気が過給され、低圧段コンプレッサー２０で加圧された空気（吸気）がエンジン１１内に流れ、エンジン１１内での燃焼により、排気温度及び排気圧力が上昇し、高圧段タービン１５が加速する。その際、高圧段コンプレッサー１７は空回りするだけなので、高圧段コンプレッサー１７が空気を圧縮することによる駆動損失が生じないため、急激に高圧段ターボ１２（つまり、高圧段タービン１５、高圧段コンプレッサー１７）の回転数が上昇する。その結果、モータージェネレーター２２による低圧段コンプレッサー２０の駆動は極めて短時間（０．１秒程度）で良く、瞬時に高圧段コンプレッサー１７だけで吸気を充分過給できるようになる。

本実施形態では、車両発進時は、吸気がインタークーラー２６をバイパスしてエンジン１１に至るので、吸気の過冷却を抑制して車両の発進性を更に向上させることが可能になる。また、本実施形態では、車両発進時は、排気が低圧段タービン１９をバイパスして排気管１４から排出されるので、過度の背圧上昇を抑制することが可能になる。

また、通常走行時（低速低負荷時）は、図３に示すように、コントローラー２５は、第一切換バルブＳＶ１及び第二切換バルブＳＶ２を制御して、吸気経路を第二吸気経路に切り換え、且つ、第三切換バルブＳＶ３を制御して、排気経路を第二排気経路に切り換えると共に、インバーター２３を制御して、モータージェネレーター２２を発電作動に変更する。すると、高圧段コンプレッサー１７のみで吸気が過給され、空気（排気）が低圧段タービン１９に流れ、排気で低圧段タービン１９が回転され、モータージェネレーター２２が回転される。その際、モータージェネレーター２２で発電するので、モータージェネレーター２２で発電した電気をバッテリー２４に蓄える。また、低圧段コンプレッサー２０は空回りするだけなので、低圧段コンプレッサー２０が空気を圧縮することによる駆動損失が生じない。そして、バッテリー２４に蓄えた電気を、図２に示す車両発進時に使う。

また、通常走行時（中速中負荷時）は、図示はしないが、コントローラー２５は、吸気が低圧段コンプレッサー２０を流れた後に更に高圧段コンプレッサー１７へ流れるように、第一切換バルブＳＶ１及び第二切換バルブＳＶ２を制御し、且つ、排気が低圧段タービン１９に流れるように第三切換バルブＳＶ３を制御して、低圧段コンプレッサー２０及び高圧段コンプレッサー１７の両方で過給する（二段過給）。

さらに、通常走行時（高速高負荷時）は、図示はしないが、コントローラー２５は、吸気が低圧段コンプレッサー２０を流れた後に高圧段コンプレッサー１７をバイパスして第二吸気バイパス管２８へ流れるように、第一切換バルブＳＶ１及び第二切換バルブＳＶ２を制御し、且つ、排気が低圧段タービン１９に流れるように第三切換バルブＳＶ３を制御して、低圧段コンプレッサー２０のみで吸気を過給する。

次に、図４のフローチャートに基づき本実施形態に係る電動ターボシステム１０の作動の一例を説明する。図４のフローチャートは、コントローラー２５により実行される。

ステップＳ１では、コントローラー２５は、車両が発進したか否かを判断する。例えば、コントローラー２５は、クラッチセンサ（図示せず）の出力がＯＮ（クラッチ接）であり、且つ、車速センサ（図示せず）により検出される車速がゼロでなくなったときに、車両が発進したと判断する。

コントローラー２５は、ステップＳ１で車両が発進したと判断すると、ステップＳ２で、第一切換バルブＳＶ１及び第二切換バルブＳＶ２を制御して、吸気経路を第一吸気経路に切り換え、ステップＳ３で、第三切換バルブＳＶ３を制御して、排気経路を第一排気経路に切り換え、ステップＳ４で、インバーター２３を制御して、バッテリー２４でモータージェネレーター２２を回転させる（図２参照）。

ステップＳ５では、コントローラー２５は、車両の発進後に所定の切換条件が成立したか否かを判断する。具体的には、コントローラー２５は、バッテリー２４によるモータージェネレーター２２の駆動開始から所定時間（例えば、０．１秒）が経過したときに、車両の発進後に前記切換条件が成立したと判断する。

コントローラー２５は、ステップＳ５でバッテリー２４によるモータージェネレーター２２の駆動開始から所定時間が経過したと判断すると、ステップＳ６で、第一切換バルブＳＶ１及び第二切換バルブＳＶ２を制御して、吸気経路を第二吸気経路に切り換え、ステップＳ７で、第三切換バルブＳＶ３を制御して、排気経路を第二排気経路に切り換え、ステップＳ８で、インバーター２３を制御して、モータージェネレーター２２を発電作動に変更する（図３参照）。

ここで、駆動力が２ｋＷの低圧段コンプレッサー２０を０．１ｓｅｃだけ車両発進時に回転させるために必要な電力量は、２ｋＷ×０．１ｓｅｃ／３６００＝０．０６Ｗｈである。

図３に示す通常走行時におけるモータージェネレーター２２での発電量を３００Ｗとすると、一回の車両発進動作のためには、（０．０６／３００）ｈ＝０．７２ｓｅｃ以上通常走行すれば良いことになる。

但し、これはバッテリー２４の充放電効率を１００％としたときである。

一般的な鉛蓄電池の充放電効率は８０％程度なので、０．７２／０．８＝０．９ｓｅｃ通常走行すれば、一回の車両発進動作ができることになる。

そして、本実施形態（０．１ｓｅｃの車両発進動作のために、０．９ｓｅｃの通常走行）は充分実用可能なレベルであり、図３に示す通常走行時（低速低負荷時）におけるモータージェネレーター２２での発電量の方が、図２に示す車両発進時に低圧段コンプレッサー２０の駆動に要する電力量よりも多くて余る。

本実施形態に対して、図５に示す電動ターボシステム５０（従来例）の場合は、車両発進時にモータージェネレーターＭ／ＧでコンプレッサーＣを加速する際に、コンプレッサーＣが空気を圧縮することによる駆動損失が生じるため、タービンＴ、コンプレッサーＣがなかなか加速せず、モータージェネレーターＭ／Ｇを本実施形態よりも長時間（例えば、１〜２秒）作動させる必要がある。電動ターボをハイブリッドシステムと組み合わせたものも同様である。

然るに本実施形態では、車両発進時には、高圧段コンプレッサー１７は空回りするだけで吸気を過給しないので、高圧段コンプレッサー１７が空気を圧縮することによる駆動損失を生じない。よって、モータージェネレーター２２の作動は極めて短時間（０．１秒程度）で良い。即ち、発電される電力量の余裕が増える。その電力量の余裕をエンジン１１以外に回せるので、元々エンジン１１に装着されている発電機（ＡＣＧ）の出力を下げることができる。その分、発電機（ＡＣＧ）の駆動損失が減るので、燃費が向上する。また、本実施形態は、電動ターボをハイブリッドシステムと組み合わせたもののようにエンジンにモータージェネレーターを組み込む必要がなく、エンジン１１単独で成立する簡単なシステムである。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、上述の実施形態では、蓄電装置２４がバッテリーであるとしたが、これには限定はされず、例えば、蓄電装置２４がキャパシターであっても良い。

また、上述の実施形態では、前記切換条件がバッテリー２４によるモータージェネレーター２２の駆動開始から所定時間が経過したときに成立するとしたが、これには限定はされず、例えば、前記切換条件がブースト圧センサ（図示せず）により検出されるブースト圧が所定の圧力に達したときに成立するとしても良く、前記切換条件が回転センサ（図示せず）により検出される高圧段ターボ１２の回転数が所定の回転数に達したときに成立するとしても良い。

１０電動ターボシステム
１１エンジン
１２高圧段ターボ
１３低圧段ターボ
１４排気通路（排気管）
１５高圧段タービン
１６吸気通路（吸気管）
１７高圧段コンプレッサー
１９低圧段タービン
２０低圧段コンプレッサー
２１低圧段ターボの回転軸
２２電動発電機（モータージェネレーター）
２４蓄電装置（バッテリー）
２５制御装置（コントローラー）
２７第一吸気バイパス通路（第一吸気バイパス管）
２８第二吸気バイパス通路（第二吸気バイパス管）
２９排気バイパス通路（排気バイパス管）
ＳＶ１第一切換バルブ（吸気経路切換手段）
ＳＶ２第二切換バルブ（吸気経路切換手段）
ＳＶ３第三切換バルブ（排気経路切換手段）

Claims

エンジンの排気通路に配設された高圧段タービンと前記エンジンの吸気通路に配設された高圧段コンプレッサーとを有する高圧段ターボと、
前記高圧段タービンよりも下流の前記排気通路に配設された低圧段タービンと前記高圧段コンプレッサーよりも上流の前記吸気通路に配設された低圧段コンプレッサーとを有する低圧段ターボと、
該低圧段ターボの回転軸に設けられた電動発電機と、
該電動発電機に接続された蓄電装置と、
前記低圧段コンプレッサーをバイパスする第一吸気バイパス通路と、
前記高圧段コンプレッサーをバイパスする第二吸気バイパス通路と、
吸気が前記低圧段コンプレッサーを流れた後に前記高圧段コンプレッサーをバイパスして前記第二吸気バイパス通路を流れる第一吸気経路と、吸気が前記低圧段コンプレッサーをバイパスして前記第一吸気バイパス通路を流れた後に前記高圧段コンプレッサーを流れる第二吸気経路との間で吸気経路を切り換える吸気経路切換手段と、
制御装置とを備え、
該制御装置は、
車両の発進時に、前記吸気経路切換手段で吸気経路を前記第一吸気経路に切り換えると共に、前記蓄電装置で前記電動発電機を回転させ、
前記車両の発進後に所定の切換条件が成立したときに、前記吸気経路切換手段で吸気経路を前記第二吸気経路に切り換えると共に、前記電動発電機で発電する電気を前記蓄電装置に蓄えるべく前記電動発電機を発電作動に変更する
ことを特徴とする電動ターボシステム。
前記低圧段タービンをバイパスする排気バイパス通路と、
排気が前記高圧段タービンを流れた後に前記低圧段タービンをバイパスして前記排気バイパス通路を流れる第一排気経路と、排気が前記高圧段タービンを流れた後に前記低圧段タービンを流れる第二排気経路との間で排気経路を切り換える排気経路切換手段とを更に備え、
前記制御装置は、前記車両の発進時に、前記排気経路切換手段で排気経路を前記第一排気経路に切換え、前記車両の発進後に前記切換条件が成立したときに、前記排気経路切換手段で排気経路を前記第二排気経路に切り換える
請求項１に記載の電動ターボシステム。