(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１）用過給システムの作動方法であって、
前記システムは、電動式過給装置（１０）と、電力を供給して過給装置を駆動する、バッテリ（１６）及びエンジン駆動式バッテリ再充電器（２７）を含む電源装置と、バッテリ（１６）と再充電器（２７）を接続したり切り離すスイッチ（５３）と、スイッチ（５３）及び過給装置（１０）の作動を制御するエンジン制御システム（３２）とを有し、
前記方法は、エンジン制御システム（３２）を用いて、
ｉ）電源装置（１６，２７）の稼働状態を決定し、
ｉｉ）前記稼働状態が第１の閾値（５７）を超えているときには、スイッチ（５３）を制御してバッテリ（１６）をエンジン駆動式バッテリ再充電器（２７）から少なくとも部分的に隔離し、バッテリ（１６）を用いて過給装置（１０）を駆動し、
段階ｉｉ）に続き、前記エンジン制御システム（３２）を用いて、
ｉｉｉ）前記稼働状態が第１の閾値（５７）に等しく又はこれよりも低い第２の閾値（５９）を下回っている場合、スイッチ（５３）を制御してバッテリ（１６）をエンジン駆動式バッテリ再充電器（２７）に再び接続する段階を有している、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
稼働状態が第１の閾値（５７）又は第２の閾値（５９）の状態であるときには、ヒステリシスを閾値（５７，５９）の一方又は両方に及ぼしてスイッチ（５３）のトグル動作を回避する、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記方法は、段階ｉｉ）に続き、エンジン制御システム（３２）を用いて、
ｉｖ）バッテリ電圧をモニタ（１１６）し、段階ｉｉ）の間、バッテリの電圧が過給装置（１０）の作動により低下すれば、バッテリ再充電器（２７）の出力電圧を、モニタしたバッテリ電圧に応じて制御し、バッテリ（１６）と再充電器（２７）が段階ｉｉｉ）において再び接続されると、過給装置（１０）の作動に起因するバッテリ電圧とバッテリ再充電器（２７）の電圧の差を減少させるようにする、
請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記方法は、段階ｉｉ）において、バッテリ再充電器（２７）を用いて追加の電気的消費装置に給電する段階をさらに有している、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
段階ｉｖ）に続き、バッテリ再充電器（２７）の出力電圧は、バッテリ（１６）をバッテリ再充電器（２７）で再充電するにつれ上昇する、
請求項３または４に記載の方法。
【請求項６】
稼働状態は、バッテリ再充電器（２７）から消費される電流に応じてエンジン制御システム（３２）によって決定される、
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
稼働状態は、バッテリの充電状態に応じてエンジン制御システム（３２）によって決定される、
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記充電状態は、前記バッテリ（１６）についての所定の最小供給電圧（７５，７６）である、
請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のトルク出力を増大させるのに用いられる電動式過給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
往復動ピストン形内燃機関により得られるトルク及びピーク出力を増大させる一方法は、エンジン内への空気質量流量を増大させる過給装置を用いることである。この場合、空気供給量の増大により、多量の燃料を各点火事象で燃焼させることができる。過給装置の例としては、ターボスーパーチャージャ及びスーパーチャージャが挙げられる。ターボスーパーチャージャは、全体的に又は部分的に排ガス流中のエネルギによって駆動される。これは、殆どの場合に無駄になるエネルギを有効利用するものであるが、かかる装置は、低エンジン速度（ｒｐｍ）では、ブースト圧力が得られない、又は、それほど高くないという欠点を持っている。運転手は、例えば追い越しの開始時に低ｒｐｍでエンジンから大きなトルクを要求する場合が多い。過給装置を排ガスだけで駆動しても、低ｒｐｍでは増大トルクは得られない。
この欠点を解決する一方法は、ターボスーパーチャージャに電気モータを連結し、ターボブースト圧力が不十分の場合に電気モータを付勢することにある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の電気駆動式過給装置は、ハードウェアコストの面で費用が高くつく。別の解決策は、排ガスタービン以外の手段により、例えばエンジンへの機械的なリンク装置により、或いは自動車バッテリ及び（又は）バッテリ充電システムから駆動される電気モータにより駆動されるスーパーチャージャ、即ち、コンプレッサ装置を用いることである。しかしながら、機械式スーパーチャージャシステムは機械的に嵩張っていて高価な場合がある。電動式スーパーチャージャシステムは、安価であってコンパクトな解決策であるが、駆動時に相当な量の電気エネルギ、例えば代表的な自動車の１２ボルトバッテリにより通常給電できる電流の最高３倍の電流を必要とする場合がある。自動車用オルタネータは典型的には、自動車全体についての電力要件の全て又は大部分を賄うような仕様になっており、バッテリは、自動車エンジンを始動させるのに十分な電力を蓄えるのに用いられるに過ぎず、場合によっては付属品の負荷がオルタネータの出力を超えると電力を送り出す。欧州型自動車用の代表的なオルタネータは、約１３０Ａの電流を生じさせるような仕様になっており、これに対し電動式スーパーチャージャは、３００Ａを超える電流を必要とする場合がある。この大電流を供給できるオルタネータは、従来型オルタネータよりもかなり高価であって重く、しかも、嵩張っている。
【０００４】
過給装置は１００％の効率を発揮できるわけではないので、過給装置と関連した避けられない電気的及び機械的損失もあり、かかる損失は、過給装置内の部品に相当大きな機械的及び熱的応力をもたらす場合がある。
【０００５】
自動車用バッテリ及び充電システムの容量を増加させ又は過給装置内の部品の固有の熱的及び機械的限度に対処して運転手の全ての要求レベルを満たすため出費は、電動式過給装置を用いる利点を容易に上回る場合がある。したがって、装置を効率的な方法で且つ自動車の電源装置の限度並びに装置それ自体の熱的及び機械的限度内で駆動することが重要である。それと同時に広い運転条件範囲にわたって運転手に知覚されるトルク増大の利点を最大にすることが重要である。電動式過給装置を駆動するレベルは、本質的にエンジンの作動速度とは本質的に無関係なので、システムの欠点を考慮に入れた過給装置を作動する適当な制御システムを開発することが必要である。
本発明の目的は、内燃機関から利用できるトルクを増大させる便利且つ経済的な電気式過給装置及び方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、内燃機関用過給システムの作動方法であって、システムは、電動式過給装置と、電力を供給して過給装置を駆動する、バッテリ及びエンジン駆動式バッテリ再充電器を含む電源装置と、バッテリと再充電器を接続したり切り離すスイッチと、スイッチ及び過給装置の作動を制御するエンジン制御システムとを有し、上記方法は、エンジン制御システムを用いて、ｉ）電源装置の稼働状態を決定し、ｉｉ）稼働状態が第１の閾値を超えている場合、スイッチを制御してバッテリをエンジン駆動式バッテリ再充電器から少なくとも部分的に隔離し、バッテリを用いて過給装置を駆動する段階を有し、段階ｉｉ）に続き、エンジン制御システムを用いて、ｉｉｉ）記稼働状態が第１の閾値に等しく又はこれよりも低い第２の閾値を下回っている場合、スイッチを制御してバッテリをエンジン駆動式バッテリ再充電器に再び接続する段階を有することを特徴とする方法が提供される。
この場合、バッテリ再充電器を用いて過給装置以外の追加の電気消費装置に給電するのがよい。
【０００７】
また、本発明によれば、内燃機関用過給システムの作動方法であって、システムは、電動式過給装置と、電力を供給して過給装置を駆動する、バッテリ及びエンジン駆動式バッテリ再充電器を含む電源装置と、バッテリと再充電器を接続したり切り離すスイッチと、スイッチ及び過給装置の作動を制御するエンジン制御システムとを有し、上記方法は、エンジン制御システムを用いて、ｉ）電源装置の稼働状態を決定し、ｉｉ）稼働状態が第１の閾値を超えている場合、スイッチを制御してバッテリをエンジン駆動式バッテリ再充電器から少なくとも部分的に隔離し、バッテリを用いて過給装置を駆動する段階を有することを特徴とする方法が提供される。
この場合、バッテリ再充電器を用いて過給装置以外の追加の電気消費装置に給電するのがよい。
【０００８】
過給装置を主として又は完全に、バッテリにより供給される電力を用いて駆動することにより、他の自動車用電気消費ユニット、例えば、ライト、電気加熱式（熱線入り）窓等は、オルタネータによりこれらの完全定格状態で引き続き電力供給を受けることができ、それにより、電動式過給装置によって必要とされる潜在的に大きな電流に起因して生じる場合のあるバッテリの電圧降下が回避される。
【０００９】
過給装置の作動は、許容動作限度内に制限されるので、これは、許容限度を超える装置の作動に起因する問題、例えば他の電気的ユニットを駆動するのに利用可能な電圧の降下を回避するのに役立ち、それにより一層経済的なシステム設計が可能になる。一般に、この結果として、装置の電力消費量が減少することにもなる。これら利点の両方はシステムの重さ、大きさ及び費用の軽減に寄与すると共に装置の電気的効率の向上に寄与する。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態では、過給装置は、電動式スーパーチャージャである。これは、多数の回転インペラ羽根を有するのがよい。各羽根の幾何学的形状は一定であり、スーパーチャージャを通って送り出される実際の給気量は、インペラ羽根の回転速度によって決められる。
【００１２】
スイッチのトグル動作を回避するため、稼働状態が第１の閾値又は第２の閾値の状態である場合、ヒステリシスを閾値の一方又は両方に及ぼすと好ましい。
【００１３】
段階ｉｉ）に続き、エンジン制御システムを用いて、バッテリ電圧をモニタするのがよい。段階ｉｉ）の間、バッテリの電圧が過給装置の作動により低下すれば、エンジン制御システムを用いてバッテリ再充電器の出力電圧を、モニタしたバッテリ電圧に応じて制御し、バッテリと再充電器が段階ｉｉｉ）において再び接続されると、過給装置の作動に起因するバッテリ電圧とバッテリ再充電器の電圧の差を減少させるようにするのがよい。
【００１４】
したがって、他の電気消費装置に電力供給するのに用いられる電圧が急激に降下して自動車の運転手がこれに気づくようなバッテリ電圧と再充電器電圧との著しい差を生じさせること無く、バッテリを再充電器に再び接続することができる。
バッテリをバッテリ用再充電器に再び接続すると、バッテリは、再充電され始め、バッテリ用再充電器の出力電圧が上昇する。
【００１５】
稼働状態は、バッテリ再充電器から消費される電流に応じてエンジン制御システムによって決定される。
稼働状態は、バッテリの充電状態に応じてエンジン制御システムによって決定される。特に、充電状態は、バッテリについての所定の最小供給電圧であるのがよい。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態では、システムは、バッテリとバッテリ再充電器との間に設けられたフィルタ回路を有し、段階ｉｉ）において、バッテリとバッテリ再充電器をフィルタ回路により部分的に隔離する。フィルタ回路により、バッテリは、オルタネータの安定器として働くことができ、電気消費ユニットからオルタネータに加わる電気負荷の突然の変化に起因するオルタネータの電圧の突然の変化を回避するのに役立つ。
【００１７】
また、本発明の好ましい実施形態では、段階ｉｉ）の間、エンジン制御システムは、バッテリ電圧を１以上の電気的許容動作限度を基準としてモニタする。その際、バッテリ電圧が動作限度を下回ると、エンジン制御システムは、過給装置の作動を制限する措置を取る。このように、過給装置の作動が制御され、そして必要ならば、バッテリを過度には放電させないよう制限される。
【００１８】
許容動作限度は、ソフトな動作限度とハードな動作限度の両方を含み、電動式過給装置の作動は、過給装置の作動がソフトな動作限度を超えたときに制限され、制限は、後になって過給装置の作動がハードな動作限度を超えることがないようなものであれば特に有利である。かかる制限は、幾つかの形態をとることができるが、過給装置の作動は、突然又は予期しないほどは制限されず、過給装置に対する電気的駆動は、これに対応する動作パラメータが硬い限度に近づくにつれて次第に制限されれば好ましい。
【００１９】
過給システムは、エンジンの吸気量を制御する電子制御スロットルを有するのがよい。この場合、このシステムは、電子制御装置を用いてエンジン吸気量を調整するスロットルポジションを設定し、エンジン作動条件に従って実際の給気量を決定し、所望給気量と実際の給気量を比較し、スロットルが広く開いている場合及びトルク要求量を自然吸気方式（無過給方式ともいう）だけで満たすことができない場合にのみ過給装置を駆動して所望給気量と実際の給気量の比較に従ってエンジン吸気量を増加させることができる。
【００２０】
次に、任意所与のエンジン速度におけるエンジントルク出力を、広く開いたスロットル以下のスロットルポジションでスロットルにより制御する。スロットルポジションがいったん広く開いたスロットルに達すると、制御システムは、所望給気量と実際の給気量の比較に従って、例えばこれら給気量の差を過給装置の定常作動の場合にゼロ（０）に減少させるような仕方で過給装置を作動させる。
【００２１】
したがって、過給装置の作動は、エンジントルク要求量を自然吸気方式だけでは満たすことができない領域に限定される。さらに、補助吸気方式の効率は、部分的に開いたスロットルによる制限を回避すること及び過給装置の電気的制御により実際の給気量を所望給気量にマッチさせることにより増大する。
次に、本発明を添付の図面を参照して詳細に説明するが、これは例示に過ぎない。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、直列４気筒のエンジンに、シリンダ２の各々に通じる吸気マニホルド４及びシリンダ２の各々から延びる排気マニホルド６を備えた往復動ピストン形の内燃機関を有する自動車７の一部分を概略的に示している。燃料噴射システム８が、燃料１１を当該技術分野で周知の方法でシリンダ２に供給する。過給装置、ここでは電動式スーパーチャージャ１０が吸気マニホルド１０の上流側に設けられている。
【００２３】
空気は、スーパーチャージャの動作中には、スーパーチャージャ１０を通って吸気マニホルド４に流れ、又スーパーチャージャの動作不能又はアイドリング時には、スーパーチャージャ１０と並列に設けられた空気バイパス導管１２を通って吸気マニホルド４に流れる。空気が、入口空気経路３に沿ってスーパーチャージャ１０及び（又は）バイパス１２に供給される。
【００２４】
空気バイパス導管１２は、空気弁１３を有し、この空気弁は、スーパーチャージャを通る空気流１８がエンジンシリンダ２に空気を供給するのが不十分な場合、入口空気５がスーパーチャージャ１０を符号１５のところでバイパスすることができるよう自動的に開く。次に、エンジン１への空気源１９をスーパーチャージャ１０及びバイパス１２の下流側に設けられた電子制御スロットル弁１７の設定及びスーパーチャージャ１０の作動により制御する。スーパーチャージャ１０が作動していない場合、エンジン１では自然吸気が行われ、スーパーチャージャ１０が作動しているとき、エンジンへの空気流が増加する。
【００２５】
スーパーチャージャ１０は、自動車用１２ボルトの鉛と酸の蓄電池（以下、「バッテリ」ともいう）１６によって給電されるスイッチ式リラクタンス電気モータ（Ｍ）１４によってのみ駆動される。バッテリは、エンジン駆動式バッテリ再充電器、ここでは、ベルト駆動式オルタネータ２７によって再充電される。バッテリ１６は、一般市場の４気筒エンジン付き自動車に対して通常定められる電流定格よりも約３０Ａ高い電流定格を有している。スーパーチャージャ１０への給電に加えて、バッテリ１６は、自動車の始動、照明及び点火に関する要件をも賄う。バッテリ１６は又、バッテリ１６及びスーパーチャージャ１０を包囲する中空エンクロージャ３０内の空気供給経路３内に位置しており、したがって吸気（吸入空気）５が、バッテリ１６の周りを流れるようになっている。バッテリ１６の下流側で且つスーパーチャージャ１０及び空気バイパス１２の上流側で空気供給経路３内に空気フィルタ９が設けられている。
【００２６】
自動車の運転手（図示せず）は、可動アクセルペダル組立体２０を介してエンジン出力を制御することができ、このアクセルペダル組立体は、アクセルペダルポジション（ＡＰＰ）を表す電気信号１２０をエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３２に送る。
【００２７】
エンジン制御ユニットは、９本の入力ライン１１６，１２０〜１２７を介して幾つかのエンジン動作パラメータをモニタする。１つのライン１１６は、バッテリ源に接続されていて、ＥＣＵ３２内のＡ／Ｄ変換器（図示せず）がバッテリ１６の電圧を測定することができるようになっている。別の入力ライン１２７は、オルタネータから延びており、このオルタネータは、オルタネータの温度をモニタし、更にオルタネータの温度、オルタネータの回転速度及びオルタネータから引き出される電流に応じてオルタネータの稼働状態を更にモニタするそれ自体の内部エレクトロニクス及びプロセッサ（図示せず）を有している。オルタネータの稼働状態は、オルタネータからライン１２７に沿ってＥＣＵ３２に伝えられる。
【００２８】
他の７本の入力ライン１２０〜１２６がそれぞれ、エンジン動作条件の測定のためにセンサ装置２０〜２６に対応関係をなして接続されている。センサとしては、運転手の要求量を測定するアクセルペダル組立体（ＡＰＰ）２０、エンジン速度を測定するクランクポジション（ＣＰ）センサ２１、スロットル１７の下流側に設けられていて、シリンダ２に入る空気の量を直接測定する空気質量流量センサ（ＭＡＦ）、大気圧を測定する大気圧（ＢＡＰ）センサ２３、エンジン内を循環する冷却剤の温度を測定するエンジン冷却剤温度（ＥＣＴ）センサ２４、吸気マニホルド４内の空気の圧力を測定するマニホルド空気圧力（ＭＡＰ）センサ２５及び吸気の温度を測定する吸気取入れ温度（ＡＣＴ）センサが挙げられる。加えて、周囲温度（ＡＴ）センサ２８が、周囲空気温度を測定し、このセンサは入力ライン１２８により電子制御ユニット３２に結合されている。
【００２９】
任意的に、ＥＢＤモータ１４内の制御エレクトロニクスは、温度信号（ＥＢＤＴ）１１０をエンジン制御ユニット３２に送る。変形例として、エンジン制御ユニットは、周囲温度センサ２８からの周囲温度信号１２８及びＥＢＤ１０の速度及びデューティサイクルに基づいてＥＢＤ１０のための温度パラメータを計算してもよい。
【００３０】
以下に詳細に説明するように、エンジン制御ユニット３２は、種々の入力信号からエンジントルク要求量を計算し、種々の自動車及びエンジン動作パラメータを制御する多数の出力信号を出し、この信号としては、燃料噴射制御信号１０８、スロットル弁制御信号１１７及びスーパーチャージャモータ制御信号１１４が挙げられる。したがって、エンジントルク要求量は少なくとも一部が、アクセルペダルのポジションによって設定される。
【００３１】
以下に詳細に説明するように、運転手がアクセルペダル２０を動かして、自然吸気でエンジン１が出力できるエンジントルクよりも大きなエンジントルクを要求した場合、スロットルバルブ１７は、最大設定値に動き、最大量の空気１９をシリンダ２内へ送り込む。すると、エンジン制御ユニット３２は、高いエンジン速度ではなく或る中程度又は低いエンジン速度でスーパーチャージャモータ１４を作動させる。トルク要求量がエンジンの自然吸気だけから得られるトルク要求量よりも大きい限り、増強されたエンジントルク出力は、スーパーチャージャ速度及びシリンダに供給される燃料の量によって制御される。トルク要求量が自然吸気から得られるトルク要求量内になると、スーパーチャージャモータ１７は電動式スーパーチャージャ１０を駆動しなくなる。これは、バッテリの寿命を節約するのに役立つと共にスーパーチャージャ１０の加熱を軽減し、それによりバッテリの容量を保存すると共にスーパーチャージャ１０の寿命を延ばす。エンジンが噴射式であれば、エンジン制御ユニット３２は、インジェクタ８の電気的制御１０８により燃料１１の噴射量を制御することができる。
【００３２】
スーパーチャージャの動作が必要な場合、エンジン制御ユニット３２は、スーパーチャージャ１０の速度と現在のトルク要求量に応じた燃料の送出し量の両方を設定する。エンジン制御ユニット３２は、種々のセンサ２０〜２６からの出力１２０〜１２６及びバッテリ電圧１１６をモニタし、次にスーパーチャージャ速度及び（又は）燃料１１の送出し量を調節してリッチ又はリーン状態のエンジン作動に関する適当なレベルを達成する。
【００３３】
図２は、例えば上述したような従来型直列４気筒エンジンであるが、過給方式ではないかかるエンジンについてのエンジントルクとエンジン速度のグラフ図である。図２の曲線３４から理解できるように、ほどほどに高いエンジン速度で良好な出力を生じさせるよう調整できる（「出力調整」）が、ローエンドトルクが犠牲になっている。
【００３４】
変形例として、曲線３６で示されているように、エンジンは、低く且つ程々のエンジン速度で良好なトルクを与えるよう調整できる（「トルク調整」）が、トップエンド出力が犠牲になっている。「出力調整」は、「スポーツカー感覚が好きな」運転手には魅力があるが、その結果、自動車所有者の大部分には満足の度合いが低くなる。良好な現実の「性能感覚」をもたらさなければならない場合、その結果として「トルク調整」曲線で示されるようなエンジントルク出力となるのが通例であり、この場合、高エンジン速度でのトルクは、３，５００ｒｐｍ以下のトルク出力を促進するために損なわれる。望ましくない特性を最小限に抑えるようエンジン伝動装置を選択できるが、実際には、従来型エンジンは妥協点を見いだすよう調整される。
【００３５】
図３を参照すると、本発明の好ましい実施形態では、比較的低容量、例えば約１．８リットル以下の容量のエンジンは、曲線３８で示すように低エンジン速度４１及び中程度エンジン速度４２でのトルクを犠牲にして高ｒｐｍ４３で良好なトルクを与えるよう調整される。これは、安定した高速道路運転速度を達成するよう広いスロットルの開き（開度）を用いる必要があることを通じて安定した高速道路運転速度での良好な燃費を可能にする副次的効果を有している。スーパーチャージャブースト（ＳＣＢ）についての曲線４０から理解できるように、この場合、運転手が自然吸気方式エンジンから得られる出力を超える出力を要求した場合、利用可能な最大エンジントルクの増大４４，４５，４６がある。ブーストは、低エンジン速度４１及び中程度エンジン速度４２の範囲内でのみエンジン制御ユニット３２の制御により利用可能になり、比較的高いエンジン速度４３の領域においてはブーストがかけられていないトルク曲線３８中のピーク４８の近く又はこのピークでのエンジン出力にスムーズに移行することが次第に制限される。これは、最大許容スーパーチャージャブーストをピーク箇所４８の近くに次第に制限することにより行われる。
かくして、エンジン制御ユニット３２により、コンプレッサ（圧縮機）トルクブースト方式のエンジントルク出力が、中程度エンジン速度４２の領域でピーク４９を有するような仕方でのみコンプレッサ１０を利用することができる。
【００３６】
図４は、エンジントルクスーパーチャージャブーストと０゜〜９０゜の運転手スロットル角要求量の関係を表すグラフを示している。グラフ上の斜めの直線は、１，２５０ｒｐｍと５，４００ｒｐｍとの間においてエンジン速度（単位：ｒｐｍ）で表示されている。縦の目盛は、ブーストがかけられたトルク曲線３８とブーストがかけられていないトルク曲線３６との間で図３のエンジントルクの差に相当している。最大スロットル角９０゜では、エンジントルクスーパーチャージャブーストは、図３に示す最大値である。スロットル角要求量が９０゜から減少するにつれて、エンジントルクスーパーチャージャブーストも減少し、ついにはこれが図３の曲線３６に相当するゼロブーストまで減少するようになる。
【００３７】
図４で理解できるように、エンジン速度が図３の移行箇所４８に向かって増大すると、エンジントルクスーパーチャージャブースト曲線の勾配は減少し、ついには移行箇所４８のところで、エンジントルクスーパーチャージャブーストがゼロになる。これは、スーパーチャージャブーストが次第に効かなくなっていく状態をグラフで示している。
【００３８】
次に、過給装置１０の動作状態を制御する電子制御システム５０を概略的に示す図５と、過給システムの制御システムアーキテクチャ６０の概略的に示す図６を参照して本発明を説明する。
【００３９】
図５は、システムの動作状態を制御する種々の出力を発生させるためにエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３２がどのように上述の種々の入力１１１，１２０〜１２６を受け取るかを示している。１つの出力は、スロットル１７を制御する電子スロットルポジションコントローラ２１７に送られる電子スロットルポジション（ＥＴＰ）コマンド１１７である。次に、ＥＴＰコントローラ２１７は、それに応じてスロットル１７のポジションを設定する。
【００４０】
ＥＣＵ３２は又、電子式ブースト又は過給装置（ＥＢＤ）コマンド１１４をＥＢＤコントローラ２１４に送り、このＥＢＤコントローラは、スーパーチャージャ用電気モータ１４を制御する。コンプレッサ１４を必要としない場合、コンプレッサモータ１４は、約１０，０００ｒｐｍの比較的低い調整速度で空転するよう制御され、これにより消費される電力は比較的少なく、しかもこれにより生じるブースト圧力はそれほど大きくない。スーパーチャージャを１０，０００ｒｐｍで空転させることにより、約６０，０００ｒｐｍの定格動作速度までのスピンアップ時間を０．３秒未満に減少させることができる。
【００４１】
ＥＢＤ１０は、バッテリ１６の蓄電量及びオルタネータ２７の充電電流の制約によりその最大出力で何時までも動作を行うことができない場合があり、したがってバッテリの充電状態（ＳＯＣ）が、動作を制限する場合がある。加えて、ＥＢＤ１０の幾つかの部品、例えば、軸受又はモータ巻線（図示せず）は、高い動作デューティファクターでは温度の設計限度を超える場合がある。したがって、これらの検討事項によりＥＢＤ１０の動作状態を拘束する必要のある場合もある。
【００４２】
ＥＢＤ１０への電力供給は通常の自動車用電気系統からのものであるのがよいが、ＥＢＤ１０が、アイドル速度（アイドルスピード）を超える動作中、少なくとも部分的にバッテリ充電システム２７から隔離され、主として又は完全にバッテリ１６から稼働されれば好ましい。
【００４３】
したがって、ＥＣＵ３２は、電源装置の状態に基づいて過給装置の動作状態に対する許容可能な動作限度を計算する。電源装置の状態が許容範囲内にあれば、スーパーチャージャは、エンジン駆動式バッテリ再充電器を用いて駆動され、電源装置の状態が許容範囲内になければ、バッテリは、オルタネータから隔離され、スーパーチャージャがバッテリだけを用いて駆動される。
【００４４】
本発明の好ましい実施形態では、ＥＣＵは、バッテリの電圧をモニタすることとオルタネータの稼働状態をモニタすることの両方により電源装置の状態を判定する。オルタネータに対する電気負荷がオルタネータを飽和させるに足るほど大きくなると、システム電圧は下がり、これにより、自動車用電気系統により給電される他の電気ユニットの機能性が著しく低下する場合がある。
【００４５】
このようなことを防ぐため、オルタネータがいったん飽和点に達すると、アイドル速度を超える動作中におけるＥＢＤ１０は、バッテリ充電システム２７から隔離され、バッテリ１６だけで稼働される。すると、オルタネータは、他の自動車用電気消費ユニット（ＣＵ）５１、例えば、ライト及び電気的付属品に給電することができ、したがって、これら消費ユニットは、ＥＢＤ１０によって必要とされる代表的には約１５０Ａ〜３００Ａの大電流によって、バッテリで生じる場合のある電圧降下から隔離される。この切換えは、ＥＣＵ３２から継電器５２及びスイッチ５３に送られるＥＢＤ電源選択コマンド１５２によって達成される。
【００４６】
したがって、ＥＣＵは、バッテリの充電状態が許容範囲内にあるときには、オルタネータを用いて過給装置を駆動し、バッテリの充電状態が許容範囲内に無ければ、バッテリをオルタネータから隔離し、バッテリだけを用いて過給装置を駆動する。
この場合、オルタネータ２７の安定化電圧設定値は、ＥＣＵ３２からオルタネータ２７に送られるオルタネータ電圧設定値コマンド１２７によって制御される。
【００４７】
次に、特に図６を参照すると、ＥＣＵ３２は、アクセルペダルポジションセンサ２０、クランクシャフトポジションセンサ２１及び気圧センサ２３からの入力１２０〜１２３を用いて所要エンジントルク６１を決定する。計算６１には、他の関連するファクタ、例えばエンジンの摩擦、付属品による損失、更に火花点火エンジンについては、その時点における点火進角も考慮に入れられることになる。このことから、所望給気量６２、即ち、各シリンダの点火事象に必要な空気の量を計算することが可能である。
【００４８】
次に、所望給気量６２を他の入力、特にクランクシャフトポジション１２１から計算されたエンジン速度及び測定された空気質量流量１２２及び（又は）測定されたマニホルド圧力１２５と共に、所要マニホルド圧力６４及び所要空気質量流量６５を決定する計算６３において用いられる。決定は、所望マニホルド圧力が気圧よりも大きいかどうかに基づいてＥＢＤ操作が必要であるかどうかについて計算６０内で行われ、もし所望マニホルド圧力が気圧よりも大きいと、ヒステリシス項がＥＢＤ１０の迅速なサイクル動作を回避するために適用される。
【００４９】
次に、ＥＣＵ３２は、所望スロットルポジション及びＥＢＤ速度６６をスケジュール設定することができ、これらから、ＥＣＵは、ＤＣスロットルポジションコントローラ２１７のためのＥＴＰコマンド１１７及び非拘束ＥＢＤ速度コマンド６７を生じさせる。
【００５０】
上述のように、ＥＢＤ速度コマンド６７は、或る場合には、例えば電子ブースト装置１０の過熱、強度及び潤滑に関する検討事項による装置の最大定格速度又はデューティサイクルに鑑み、又はバッテリの充電状態（ＳＯＣ）に関する制約条件に鑑みて拘束される必要があろう。また、制約条件をコンプレッサ１０がサージを起こす領域を回避するよう適用しなければならない場合がある。図６では、かかる２つの考えられる制約条件、即ち熱に関する推定値及び制約条件７０並びにバッテリに関する充電状態の制約条件７１のＥＣＵ３２による計算６８，６９が示されている。
【００５１】
ＥＣＵは次に、その時点における動作条件に従って拘束されたＥＢＤ速度コマンド１１４を計算し（７２）、これをＥＢＤモータ１４と関連したＥＢＤ速度コントローラ２１４に送る。
しかしながら、計算６３は、エンジン給気の閉ループ制御の一部である。実際の測定ＭＡＦ１２２又はＭＡＰ１２５を所望の値と比較し、所望設定値を正確に定めるために所望ＭＡＰ６４及び所望ＭＡＦ６５を生じさせるために調整を行う。ＥＢＤが拘束され、又はシステムの動作が何らかの方法で制約されている場合、閉ループ制御の動作は、コントローラのワインドアップを阻止するために制限する（７３）。
【００５２】
上述のように、コンプレッサ装置１０を作動させないで、即ち吸気マニホルド圧力（ＭＡＰ）が気圧（ＢＡＰ）よりも低い場合に達成できる全ての動作条件に関し、エンジントルク出力は、スロットル１７だけで調整されることになる。ＥＢＤ１０が不要な場合、ＥＢＤは、ブーストが生じないアイドル速度で動作するようスケジュール設定される。ＥＢＤが必要な場合、スロットルは、完全に開くようにスケジュール設定され、ＥＢＤ速度は、ＥＣＵ記憶装置（図示せず）内に保持されたＥＢＤ特性のブーストマップに従って気圧、所望マニホルド圧力及び所望マニホルド空気流量に基づいてスケジュール設定される。
【００５３】
好ましくは、ＥＢＤ熱及びＳＯＣ制約条件についての負担軽減要因は、必要に応じ適用されて最終拘束ＥＢＤ速度コマンド１１４を生じさせる。システムが熱的限度及びＳＯＣ検討事項の両方について拘束されている場合、最も大きな負担軽減要因を提供する。
【００５４】
負担軽減要因の計算は、負担軽減についての運転手の知覚を最小限に抑え、しかも突然の変化を回避することにより負担軽減性能を運転手にとって予測可能なようにするよう選択されるべきである。熱に関する負担軽減計算６８には、２つの部分、即ち調整部と推定部が含まれる。計算の推定部は、ＥＢＤ１０の動作条件に基づいている。ＥＢＤの重要な部分の現在と将来における定常温度の両方を推定する。重要な部分としては代表的には、ＥＢＤシャフトシース軸受及びＥＢＤモータの銅巻線が挙げられる。システムを初期化すると、これら部分の温度は、システムの作動を止めた際の温度、作動停止時間及び例えば周囲温度センサ２８から得たその時点における周囲温度に基づいて推定される。動的温度推定は、ＥＢＤを超えて流れる空気のばらつき、部品の熱慣性及び電気源と機械源の両方からのシステム中に生じる熱を説明する。
【００５５】
調整部は、推定又は測定温度に基づいて設計温度を超えるシステム中の部品がどれであるかの予測が含まれる。これらの場合、ＥＢＤ操作が設計基準内に留まるようにするためにこれを制限するのがよい。これは、これら部品の各々について「ソフトな」限度及び「ハードな」限度の校正によって達成される。温度がソフトな限度を下回っているとき、措置は取られない。温度がソフトな限度を上回り、所望ＥＢＤ操作レベルでの温度の結果として、定常操作においてハードな限度を超えている場合、ハードな限度を超えるのを回避するために何らかの措置を取らなければならない。フィードバックループ７３で示すように所定の割合の低下要因の出力を持つ制御ループを用いてＥＢＤの負担軽減を次第に行って、ついには予想定常温度がハードな限度に等しくなるようにし、その時点においてＥＢＤデューティを維持するのがよい。システムの２以上の部品が設計値を超える場合があるとき、各設計値について負担軽減要因を計算し、最も小さなものを選択して使用する。
【００５６】
バッテリの充電状態の計算６９を、上述のＥＢＤ熱計算６８と類似した方法で行う。計算の推定部は、バッテリ１６の蓄電量のコンピュータモデルを含む。これは、充電及び放電の履歴と共に用いられて、その時点における周囲条件で利用できる最大値と比較して現在蓄えられている電荷の推定を行う。加えて、放電速度を推定する。
【００５７】
次に、調整を以下のようにして行う。ＥＢＤ１０の電力消費量がオルタネータ２７の電力出力を飽和し、その結果バッテリ１６を用いてオルタネータを補充したときに、受認できない結果、例えばライトが暗くなることなどが生じる場合がある。これを防止するため、継電器５２をスイッチ５３に連携させ、ＥＢＤの電力をバッテリだけに供給し、他方残りの自動車システムはオルタネータ２７から電力供給される。
【００５８】
「ソフトな」限度をシステムの充電状態（ＳＯＣ）について校正し、これを超えると、バッテリの充電状態を保護するための措置を取る必要はない。「ハードな」限度も又、校正し、このＳＯＣを下回ってバッテリが低下するようにしてはならない。ＳＯＣがソフトな限度を下回ると、システムは、ＥＢＤ１０への出力の減少に起因するエンジン出力の急激な低下を生じさせないでＳＯＣのハードな限度で「軟着陸」を達成するよう措置を取り始めなければならない。フィードバックループ７３内でのＥＢＤに関する負担軽減要因は、ＥＢＤにより消費される電力がオルタネータ２７の過剰発電容量に等しくなるまで増大し、この時点において、オルタネータが今やＥＢＤ１０並びに残りの自動車電気系統に電力を供給するよう継電器５２を切り換えるのがよい。次に、ＥＢＤ１０の電力をオルタネータ２７が完全に飽和するようにはしないレベルに又はそれ以下に保持する。
【００５９】
自動車電源の制御は、図７、図８及び図９の概略的なグラフに示されている。図７は、時間に対する自動車電源の電圧をプロットし、図８は、時間に対する自動車供給電流をプロットし、図９は、時間に対する自動車用電気消費装置により消費される電流をプロットしている。
【００６０】
これらの図に示された例では、当初、時刻ｔ0では、オルタネータ２７は、バッテリ１６に接続され、自動車電源電圧ＶABは、公称１３．６ボルトである。自動車電気消費ユニット（ＣＵ）、例えばライト、熱線入り（電気加熱式）窓等はまず最初に、５０Ａ、そして一時的に７５Ａまで大きくなる中程度の電流の大きさＩCUを消費する。まず最初に、スーパーチャージャ１０を約１０，０００ｒｐｍのアイドリング状態に設定し、僅か数Ａの電流ＩSCを消費する。消費電流の合計ＩCU+SCが１５０Ａのオルタネータ２７の電気容量よりも小さいので、オルタネータ２７は継電器５２及びスイッチ５３を介してバッテリ１６に電気的に接続されている。
【００６１】
時刻ｔ1では、運転手の要求量がスーパーチャージャ１０の作動を必要とし、その後、スーパーチャージャの電流ＩSCは、急激に約１７５Ａに向かって上昇する。電流の合計ＩCU+SCが時刻ｔ2で１５０Ａの閾値５７に達すると、継電器５２によりスイッチ５３が開き、そしてオルタネータ２７は、部分的にバッテリ１６から隔離された状態になる。オルタネータの電圧に対して或る程度の平滑化をもたらすためにバッテリ１６とオルタネータ２７との間にはフィルタ５５が設けられており、もしそうでなければ、オルタネータ電圧は、電気負荷の突然の変化に対してオルタネータの応答が比較的遅いので変動する場合がある。フィルタ５５は、その最も簡単な形態では、０．１Ω抵抗器である。ただし、フィルタは、周波数依存性要素、例えば広域フィルタであってもよい。
【００６２】
スーパーチャージャ１０は、バッテリ１６からの非常に大きな電流ＩSCを自由に消費することができ、この大電流ＩSCにより、バッテリ電圧ＶBが著しく低下する場合がある。フィルタ５５は、オルタネータ２７とバッテリ１６との間の電流の流れを制限するので、オルタネータはスーパーチャージャ１０の全負荷にはさらされず、調整された電力を自動車系統の残部に提供し続けることができる。
【００６３】
大型電気付属品の動作中、バッテリは、バッテリ電圧ＶBの低下によって示されるように放電の度合いがますます大きくなる。時刻ｔ3では、バッテリ電圧ＶBは、１０ボルトでソフトな閾値レベル７５に達し、ＥＣＵ３２は、スーパーチャージャ電流ＩＳＣを減少させる措置を取り、したがってバッテリ電圧が９ボルトのハードな限度７６よりも高い状態のままになるようにする。
【００６４】
時刻ｔ4では、自動車の全電流ＩCU+SCが１５０Ａの閾値５７に低下し、そこでＥＣＵ３２がスイッチ５３を閉成するよう動作し、その後、全自動車電流は互いに接続状態のオルタネータ２７とバッテリ１６によって提供される。任意的に、１４５Ａの第２の閾値５９を、電流が下がってヒステリシスを生じさせたときに用いるのがよい。時刻ｔ6では、スーパーチャージャ電流ＩSCが例えば高エンジン速度４３に到達することによりアイドルレベルまで低下している。
【００６５】
図７に示すように、時刻ｔ2に続き、バッテリ電圧ＶBが低下しているとき、ＥＣＵ３２はオルタネータ電圧ＶAをちょうど１１ボルトを下回るまで次第に低下させる。これにより、電気消費装置中の電力が低下するが、低下がゆっくりなので、このことは自動車の運転手に気づかれることはない。時刻ｔ5においてオルタネータとバッテリは再び接続されると、全電圧ＶABは約１０．５ボルトであるが、オルタネータ２７がバッテリ１６を再充電すると着実に上昇する。
【００６６】
時刻ｔ2とｔ5との間でオルタネータ電圧ＶAを減少させる措置を取らなければ、オルタネータ２７とバッテリ１６を再び接続したときに、時刻ｔ5のところでシステム電圧の突然でしかも顕著な低下が生じる。スーパーチャージャ１０の動作中にオルタネータ電圧ＶAを次第に低下させることにより、この問題は軽減され又は解決される。
【００６７】
したがって、継電器スイッチ５３を閉成すると、システム電圧は、オルタネータ２７が飽和されず、電気系統電圧の突然の変化が生じないようにするほど低い。次に、システム電圧をバッテリ１６の充電により決定された速度で所望電圧まで再び次第に高めて戻し、それによりオルタネータが飽和されることがないようにすると共に常時電圧調整を行うことができるようにする。
【００６８】
上述の本発明は、火花点火エンジン及び圧縮エンジンの両方に適用できる。電気式過給装置（ＥＢＤ）は、システム中の唯一の吸気コンプレッサ装置であってもよく、或いは別のかかる装置、例えば排ガス駆動式ターボスーパーチャージャと組み合わせてもよい。
【００６９】
したがって、本発明は、内燃機関から利用できるトルクを増大させるための便利且つ経済的な電気式過給装置及び方法を提供する。電動式過給装置は、エンジンの吸気系統の一部として設けられ、完全に電子的に制御可能である。かかるコンプレッサ装置を用いることにより、運転手によって知覚される性能にとって重要なその動作範囲の部分全体にわたってエンジンの最大トルク出力が増大する。本発明の装置はコンパクトであり、自動車の電気系統の容量又は装置の熱的及び機械的定格を過度に増大させる必要がなく、かくして、手頃なシステム費用において、自動車の性能と総合燃費の両面で有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の過給システムを有する１．４リットルの４気筒エンジンシステムを搭載した自動車の略図である。
【図２】  自然吸気が行われ、中低エンジン速度での最大トルク又は中高エンジン速度での最大エンジントルクを得るために調整された場合の図１の１．４リットルエンジンについてのエンジントルクとエンジン速度の関係を表すグラフ図である。
【図３】  図２のグラフ図と類似したグラフ図であり、過給システムを用いた場合の図１のエンジンによるエンジントルク出力に対する影響を更に示している図である。
【図４】  図１のエンジンについてエンジンコンプレッサトルクブースト圧力と運転手のスロットルエンジン要求量の関係を表すグラフ図であり、種々のエンジン速度での過給システムのトルク増大効果を示す図である。
【図５】  過給装置の作動を制御する電子制御システムの略図である。
【図６】  過給装置の制御システムのアーキテクチャの略図である。
【図７】  自動車の電源装置がスーパーチャージャ及び他の自動車用電気消費ユニットによって消費される電流にどのように応動するかを概略的に示すグラフである。
【図８】  自動車の電源装置がスーパーチャージャ及び他の自動車用電気消費ユニットによって消費される電流にどのように応動するかを概略的に示すグラフである。
【図９】  自動車の電源装置がスーパーチャージャ及び他の自動車用電気消費ユニットによって消費される電流にどのように応動するかを概略的に示すグラフである。
【符号の説明】
１  内燃機関（エンジン）
４  吸気マニホルド
６  排気マニホルド
７  自動車
１０  過給装置
１６  バッテリ
２０  アクセルペダル組立体
２７  エンジン駆動式バッテリ再充電器
３２  エンジン制御ユニット
【図１】
0003686646.tif 000002
【図２】
0003686646.tif 000003
【図３】
0003686646.tif 000004
【図４】
0003686646.tif 000005
【図５】
0003686646.tif 000006
【図６】
0003686646.tif 000007
【図７】
0003686646.tif 000008
【図８】
0003686646.tif 000009
【図９】
0003686646.tif 000010