(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【発明の詳細な説明】
【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
【図１】
0003670149.tif 000002
【図２】
0003670149.tif 000003
【図３】
0003670149.tif 000004
【図４】
0003670149.tif 000005
【図５】
0003670149.tif 000006