(57)【要約】      （修正有）【課題】燃費効率を高め、過給圧を実現する方法の切り換え時に発生する過給圧の段差を抑えることの可能な可変ターボチャージャを提供する。【解決手段】可変ターボチャージャの排気通路にはウエストゲート通路５が備えられ、タービン７の上流側と、タービンの下流側とを連結している。電動機駆動手段１０は、電動機９によって、排気ガスでタービン７を回すときのトルクの大きさでシャフト８を回すので、排気ガスによりシャフトの駆動している状態から、電動機によりシャフトを駆動する状態へと切り換えるときに、大きなトルクの段差の発生を防ぐことができる。【選択図】図１
2006348761.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気通路に配置されたコンプレッサと、
前記内燃機関の排気通路に配置されたタービンと、
前記コンプレッサと前記タービンとを連結するシャフトと、
前記排気通路において、前記タービンの上流側と、前記タービンの下流側とを連結しているウエストゲート通路と、
排気ガスを前記ウエストゲート通路へ流入させるウエストゲートバルブと、
前記シャフトを電気エネルギーによって回す電動機と、
前記タービンを排気ガスによって回すときのトルクの大きさを算出する排気ガストルク算出手段と、
前記電動機によって、算出された前記トルクの大きさで前記シャフトを回す電動機駆動手段と、を備えることを特徴とする可変ターボチャージャ。
【請求項２】
前記電動機駆動手段は、前記電動機によって、算出された前記トルクの大きさで前記シャフトを回すと共に、前記ウエストゲートバルブを開いて前記排気ガスを前記ウエストゲート通路に流すことを特徴とする請求項１に記載の可変ターボチャージャ。
【請求項３】
さらに、前記電動機により前記トルクの大きさで前記シャフトを回すときの電気エネルギーの大きさと、前記タービンを排気ガスによって回すときの排気ガスのエネルギーの大きさと、を比較するエネルギー比較手段を有し、
前記電動機駆動手段は、前記タービンを排気ガスによって回すときの排気ガスのエネルギーの大きさの方が、前記電動機により前記トルクの大きさで前記シャフトを回すときの電気エネルギーの大きさよりも大きい場合には、前記電動機により前記トルクの大きさで前記シャフトを回すと共に、前記ウエストゲートバルブを開いて前記排気ガスを前記ウエストゲート通路に流すことを特徴とする請求項１乃至２に記載の可変ターボチャージャ。
【請求項４】
前記電動機駆動手段は、バッテリーの残量が所定量以上のときに、前記電動機により前記トルクの大きさで前記シャフトを回すことを特徴とする請求項１乃至２に記載の可変ターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃費効率を改善する可変ターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
可変ターボチャージャを備えた内燃機関では、過給により大きなトルクをコンプレッサに与えることができるが、その分の排気圧力が増大し、それによって、内燃機関が外部より空気を吸い込むときの抵抗であるポンピングロスが大きくなる。ポンピングロスが大きくなると、吸入される空気量は減少し、燃費効率が低下する。
【０００３】
上述したポンピングロスを防ぐ手段の一つとして、特許文献１には、電動機を有する可変ターボチャージャの制御装置において、内燃機関の負荷が燃費の高効率領域内に入るべく内燃機関の上限負荷を設定し、上限負荷以下になるように電動機のモータ回転数を制御する技術が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３８９６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、過給圧を実現するための手段として、電動機を有する可変ターボチャージャでは、電動機を駆動させてコンプレッサを駆動するか、もしくは、排気ガスによりタービンを回転させてコンプレッサを駆動するか、を燃費効率の観点から状況に応じて適切な制御を行う必要がある。
【０００６】
また、必要な過給圧を実現する制御方法を切り換える場合、制御方法の切り換えを適切に制御しないと、切り換え時に過給圧の段差を生じてしまう。この過給圧の段差は、直接内燃機関のトルクの段差となる。
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、燃費効率を高め、過給圧を実現する方法の切り換え時に発生する過給圧の段差を抑えることの可能な可変ターボチャージャを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの観点では、可変ターボチャージャは、内燃機関の吸気通路に配置されたコンプレッサと、前記内燃機関の排気通路に配置されたタービンと、前記コンプレッサと前記タービンとを連結するシャフトと、前記排気通路において、前記タービンの上流側と、前記タービンの下流側とを連結しているウエストゲート通路と、排気ガスを前記ウエストゲート通路へ流入させるウエストゲートバルブと、前記シャフトを電気エネルギーによって回す電動機と、前記タービンを排気ガスによって回すときのトルクの大きさを算出する排気ガストルク算出手段と、前記電動機によって、前記トルクの大きさで前記シャフトを回す電動機駆動手段と、を備える。
【０００９】
上記の可変ターボチャージャは、コンプレッサと、タービンと、前記コンプレッサと前記タービンとを連結するシャフトと、を備える。前記コンプレッサは、内燃機関の吸気通路に配置され、前記タービンは、内燃機関の排気通路に配置される。また、排気通路にはウエストゲート通路が備えられ、前記タービンの上流側と、前記タービンの下流側とを連結している。前記ウエストゲート通路には、ウエストゲートバルブが備えられており、ウエストゲートバルブは、排気ガスをウエストゲート通路に流入させる機能を有する。電動機は、前記シャフトを電気エネルギーによって回す機能を有する。排気ガストルク算出手段は、前記タービンを排気ガスによって回すときのトルクの大きさを算出する。電動機駆動手段は、前記電動機によって、前記トルクの大きさで前記シャフトを回す。このように、電動機によって、排気ガスでタービンを回すときのトルクの大きさでシャフトを回すので、排気ガスによりシャフトの駆動している状態から、電動機によりシャフトを駆動する状態へと切り換えるときに、大きなトルクの段差の発生を防ぐことができる。
【００１０】
上記の可変ターボチャージャの一態様では、前記電動機駆動手段は、前記電動機によって、算出された前記トルクの大きさで前記シャフトを回すと共に、前記ウエストゲートバルブを開いて前記排気ガスを前記ウエストゲート通路に流す。これにより、排気ガスはウエストゲート通路に流入して、エキマニ圧力が低下するので、ポンピングロスを抑え、排気ガスによりシャフトの駆動している状態から、電動機によりシャフトを駆動する状態へと素早く移行することができる。
【００１１】
上記の可変ターボチャージャの他の一態様では、さらに、前記電動機により前記トルクの大きさで前記シャフトを回すときの電気エネルギーの大きさと、前記タービンを排気ガスによって回すときの排気ガスのエネルギーの大きさと、を比較するエネルギー比較手段を有し、前記電動機駆動手段は、前記タービンを排気ガスによって回すときの排気ガスのエネルギーの大きさの方が、前記電動機により前記トルクの大きさで前記シャフトを回すときの電気エネルギーの大きさよりも大きい場合には、前記電動機により前記トルクの大きさで前記シャフトを回すと共に、前記ウエストゲートバルブを開いて前記排気ガスを前記ウエストゲート通路に流す。これにより、エネルギー効率の改善を促し、燃費効率の向上を図ることができる。
【００１２】
上記の可変ターボチャージャの他の一態様では、前記電動機駆動手段は、バッテリーの残量が所定量以上のときに、前記電動機により前記トルクの大きさで前記シャフトを回す。このようにすることで、バッテリーの残量が十分なときにのみ、電動機を駆動させて過給圧制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
【００１４】
[第１実施形態]
まず、本発明の第１実施形態について述べる。第１実施形態では、ハイブリッド（ＨＶ）車の場合における過給圧制御処理について述べる。
【００１５】
（可変ターボチャージャの構成）
まず、第１実施形態に係る可変ターボチャージャの構成について説明する。図１は、第１実施形態に係る可変ターボチャージャ１００を内燃機関に適用したときの概略構成を示す図である。
【００１６】
可変ターボチャージャ１００は、主に、内燃機関１に接続されている吸気通路２に備えられたコンプレッサ４と、内燃機関１に接続されている排気通路３に備えられたタービン７と、コンプレッサ４とタービン７を接続するシャフト８と、ＥＣＵ(Engine Control Unit)１０と、スロットル１５と、を備える。
【００１７】
外部からの空気は、吸気回路２を通じて、内燃機関１の図示しない気筒に流入する。内燃機関１としては、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンが挙げられる。気筒内において燃焼により生成された排気ガスは、排気通路３に排出される。排気通路３に排出された排気ガスは、その排気ガスのエネルギーによって、タービン７を回転させる。タービン７の回転トルクは、シャフト８を通じて、コンプレッサ４に伝達される。タービン７から伝達された回転トルクにより、コンプレッサ４は回転して、吸気通路２に流入した空気を圧縮する。
【００１８】
排気通路３には、タービン７の上流側と、タービン７の下流側を、直接連結するウエストゲート通路５が設置される。ウエストゲート通路５に流入する空気は、タービン７を迂回（バイパス）することができる。ウエストゲート通路５内には、ウエストゲート通路５を流れる空気の量を調節するためのウエストゲートバルブ６が設置される。このウエストゲートバルブ６は、ウエストゲート通路５内の任意の場所に設置可能である。
【００１９】
シャフト８には、シャフト８を電気エネルギーで回転させるための電動機９が取り付けられる。即ち、シャフト８は、排気ガスの排気エネルギーだけでなく、電動機９の電気エネルギーによっても、回転させることができる。従って、電動機９からシャフト８を介して伝達された回転トルクによっても、コンプレッサ４は、回転して、吸気通路２に流入した空気を圧縮する。
【００２０】
また、吸気通路２における内燃機関１の吸気口付近には、インテイクマニホールド（以下、「インマニ」と呼ぶ。）圧力Ｐｂを計測する圧力センサ１１が設置される。圧力センサ１１は、計測されたインマニ圧力Ｐｂを、信号Ｓ１としてＥＣＵ１０に供給する。排気通路３における内燃機関１の排気口付近には、エキゾーストマニホールド（以下、「エキマニ」と呼ぶ。）圧力Ｐ４を計測する圧力センサ１２が、タービン７の入口付近には、タービン７の入口の排気ガスの温度Ｔ４を計測する温度センサ１４が、それぞれ設置される。圧力センサ１２は、計測されたエキマニ圧力Ｐ４を信号Ｓ２として、温度センサ１４は、計測されたタービン７の入口の排気ガスの温度Ｔ４を信号Ｓ４として、それぞれＥＣＵ１０に供給する。排気通路３におけるタービン７の下流側には、タービン７の出口付近の圧力Ｐ６を計測する圧力センサ１３が設置される。圧力センサ１３は、計測された圧力Ｐ６を信号Ｓ３としてＥＣＵ１０に供給する。
【００２１】
ＥＣＵ１０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイスなどを含んで構成される。ＥＣＵ１０は、車両内の各種センサから供給される出力信号によって、車両内の制御を行う。第１実施形態においては、ＥＣＵ１０は、圧力センサ１１から供給された信号Ｓ１、圧力センサ１２から供給された信号Ｓ２、圧力センサ１３から供給された信号Ｓ３、温度センサ１４から供給された信号Ｓ４を基にして、電動機９を駆動させるか否かを決定する。具体的には、これらの信号を基にして、ポンピングロスによる損失エネルギーＥpumpと、過給圧を実現するための電動機９で消費する消費エネルギーＥmotorを求め、この２つのエネルギーを比較することにより、電動機９を駆動させるか否かを決定する。従って、ＥＣＵ１０は、エネルギー比較手段として機能する。
【００２２】
電動機９を駆動させる場合、ＥＣＵ１０は、電動機９に信号Ｓ６を供給することにより、電動機９を駆動する。なお、このとき、ＥＣＵ１０は、排気エネルギーがタービン７を回すときのトルクＴturboを計算し、シャフト８をトルクＴturboで回すことが可能な電気エネルギーを電動機９に発生させる。電動機９をトルクＴturboで回転させることにより、排気ガスによりシャフト８の駆動をする状態から、電動機９によりシャフト８を駆動する状態へと切り換える場合に発生するトルクの大きな段差をなくすことができる。従って、ＥＣＵ１０は、排気ガストルク算出手段として機能する。
【００２３】
また、ＥＣＵ１０は、電動機９を駆動させると同時に、ウエストゲートバルブ６に信号Ｓ５を供給することにより、ウエストゲートバルブ６も開いて、ウエストゲート通路５に排気ガスを逃がす。なぜならば、このとき、シャフト８は、電動機９の電気エネルギーによって回転しているため、排気ガスのエネルギーでタービン７を回転させる必要がなくなるからである。従って、ＥＣＵ１０は、電動機駆動手段として機能する。ウエストゲートバルブ６を開くことにより、ウエストゲート通路５に排気ガスが逃げるので、エキマニ圧力Ｐ４を減少させて、大気圧相当にすることができ、ポンピングロスを防ぐことができる。
【００２４】
（ハイブリッド車の場合における過給圧制御）
ハイブリッド（ＨＶ）車の場合における過給圧制御処理について、図２〜図４までの図を参照しつつ、具体的に述べる。ＨＶ車は、内燃機関と、電気モータの２種類の動力源を持つことで、ガソリン車よりも燃費を改善した車両である。ＨＶ車は、ガソリンによってエネルギー供給が行われ、電気モータを駆動するための電気エネルギーは、内燃機関の動力によって走行しているときに充電される。従って、ＨＶ車では、電気エネルギーを節約することによっても、燃費向上を図ることができる。
【００２５】
図２は、第１実施形態に係る過給圧制御処理を示すフローチャートである。まず、ＥＣＵ１０は、車両が定常走行状態であるか否かを判定し（ステップＳ１１）、車両が定常走行状態であると判定すれば、過給圧制御を行い（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、車両が定常走行状態でないと判定すれば、過給圧制御を行わず処理を終了する（ステップＳ１１：Ｎｏ）。なぜなら、定常走行状態でない場合、例えば、加速中の場合には、電動機９は加速性能を向上させるために駆動されている可能性が高いため、過給圧制御処理に電動機９を用いることができないからである。即ち、過給圧制御処理を行うことのできる定常走行状態とは、電動機９を駆動していない状態を指す。ＥＣＵ１０は、車両が定常走行状態であると判定したときに（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、ステップＳ１２に移行する。
【００２６】
ステップＳ１２では、ポンピングロスによる損失エネルギーＥpumpを計算する。まず、一般にポンピングトルクＴpumpは以下の式により計算される。
【００２７】
【数１】
2006348761.tif 000003
ポンピングロスによる損失エネルギーＥpumpは、内燃機関１の回転速度をｄθ／ｄｔとすると、先に求めたポンピングトルクＴpumpの式（１）を用いて、以下の式（２）で表すことができる。
【００２８】
【数２】
2006348761.tif 000004
ステップＳ１２でポンピングロスによる損失エネルギーＥpumpを求めた後、次に、過給圧を実現するための電動機９で消費する消費エネルギーＥmotorを求める。具体的には、まず、ステップＳ１３で、以下の式（３）を用いて、排気エネルギーがタービン７を回すときのトルクＴturboを計算する。
【００２９】
【数３】
2006348761.tif 000005
なお、タービン効率ηは、図３のグラフに示すようなタービン７の上流側の圧力Ｐ４と下流側の圧力Ｐ６の圧力比Ｐ４／Ｐ６と、タービン７の回転数の関係を示すグラフより求めることができる。図３のグラフでは、横軸に圧力比Ｐ４／Ｐ６を示し、縦軸にタービン効率ηを示している。図３の複数のグラフは、複数のタービン７の回転数のそれぞれの値についての圧力比Ｐ４／Ｐ６と、タービン効率ηの関係を示したものである。つまり、一つのグラフ（例えば、グラフ２１）は、タービン７の回転数を一定としたときの圧力比Ｐ４／Ｐ６と、タービン効率ηの関係を示したものである。また、複数のグラフ同士の間で見ると、タービン７の回転数が高ければ高いほど、タービン効率ηは向上することが分かる。
【００３０】
次に、トルクＴturboより、トルクＴturboを実現するための電動機９で発生させる電流Iturboを求める。図４は、計測された、トルクＴturboと、トルクＴturboを実現するための電動機９で発生させる電流Iturboの関係を示すグラフである。図４では、横軸に電流Ｉturboを示し、縦軸にトルクＴturboを示している。図４のグラフ３１に示すように、トルクＴturboと電流Ｉturboは、ほぼ比例関係にあるといえる。この図４を用いて、先に求めたトルクＴturboより、電流Ｉturboを求める。なお、図４のグラフを用いる代わりに、トルクＴturboと電流Ｉturboは、完全な比例関係にあるとして、計算により電流Ｉturboを求めるとしてもよい。
【００３１】
過給圧を実現するための電動機９で消費する消費エネルギーＥmotorは、電動機９にかける電圧Ｖｏｌと、求められた電流Ｉturboを用いて、以下の式（４）で表すことができる。
【００３２】
【数４】
2006348761.tif 000006
このようにして、過給圧を実現するための電動機９で消費する消費エネルギーＥmotorを求めることができる（ステップＳ１４）。
【００３３】
ステップＳ１５では、ステップＳ１２で求められたポンピングロスによる損失エネルギーＥpumpと、ステップＳ１４で求められた過給圧を実現するための電動機９で消費する消費エネルギーＥmotorを比較する。もし、ポンピングロスによる損失エネルギーＥpumpが、過給圧を実現するための電動機９で消費する消費エネルギーＥmotor以下の場合には（ステップＳ１５：Ｎｏ）、そのまま排気ガスによりシャフト８を駆動させる方が、エネルギー効率は良い。従って、この場合には、電動機９によるシャフト８の駆動に切り換えることなく過給圧制御処理を終了する。
【００３４】
一方、ポンピングロスによる損失エネルギーＥpumpの方が、過給圧を実現するための電動機９で消費する消費エネルギーＥmotorよりも大きい場合には（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、電動機９を駆動させてシャフト８を回転させる方が、エネルギー効率は良い。従って、この場合、ＥＣＵ１０は、電動機９にステップＳ１４において求められた電流Ｉturboをかけることにより、電動機９を駆動させると共に、ウエストゲートバルブ６を開く（ステップＳ１６）。これにより、排気ガスはウエストゲート通路５に流入する。排気ガスがウエストゲート通路５に流入することにより、エキマニ圧力Ｐ４が低下するため、ポンピングロスを抑えることができ、排気ガスによりシャフト８の駆動している状態から、電動機９によりシャフト８を駆動する状態へと素早く移行することができる。
【００３５】
また、先にも述べたように、電動機９をトルクＴturboで回転させることにより、排気ガスによりシャフト８の駆動をする状態から、電動機９によりシャフト８を駆動する状態へと切り換える場合に発生するトルクの大きな段差をなくすことができる。さらに、ここで、必要であれば、スロットル１５や点火時期を調整することにより、トルクの微調整を行うとすることもできる。以上述べたように、ポンピングロスによる損失エネルギーＥpumpと、過給圧を実現するための電動機９で消費する消費エネルギーＥmotorの比較を行い、過給圧制御処理を行うことで、エネルギー効率の改善を促し、燃費効率の向上を図ることができる。
【００３６】
[第２実施形態]
次に第２実施形態として、ガソリン車・ディーゼル車における過給圧制御処理について、図５を参照して、具体的に述べる。第２実施形態に係る可変ターボチャージャの構成は、図１に示す第１実施形態に係る可変ターボチャージャと同様の構成となる。
【００３７】
図５は、第２実施形態に係る過給圧制御処理を示すフローチャートである。第１実施形態に係る過給圧制御処理では、ＨＶ車についての処理であったため、電気エネルギーでシャフト８を駆動する場合と、排気エネルギーでタービン７を介してシャフト８を駆動する場合とで、エネルギー効率の良い方を選択する処理となっている。ガソリン車・ディーゼル車の場合、ＨＶ車の場合とは異なり、電気エネルギーを車両の駆動源とする訳ではないため、電気エネルギーを節約しても、直接燃費向上には結びつかない。そこで、第２実施形態に係る過給圧制御処理では、ポンピングロスによる損失エネルギーと、電動機９でシャフト８を駆動するのに消費するエネルギーの比較を行うことはせず、バッテリーの残量が十分であるならば、常に、電動機９でシャフト８を駆動することとする。
【００３８】
まず、ステップＳ２１では、第１実施形態に係る過給圧制御処理のときと同様、ＥＣＵ１０は、車両が定常走行状態であるか否かを判定し（ステップＳ２１）、車両が定常走行状態でないと判定すれば、過給圧制御を行わず処理を終了する（ステップＳ２１：Ｎｏ）。
【００３９】
ＥＣＵ１０は、車両が定常走行状態であると判定すれば（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、ステップＳ２２に移行する。ステップＳ２２において、ＥＣＵ１０は、バッテリーの残量が所定量以上であるか否かを判定し、バッテリーの残量が所定量以上でないと判断した場合には、過給圧制御処理を終了する（ステップＳ２２：Ｎｏ）。これは、バッテリーの残量が十分でないときに、電動機９を駆動させるために電気エネルギーを消費することは、さらにバッテリーの残量を減らすこととなり、当然のことながら車両全体の電気系統にとって好ましくない状態となるからである。なお、電動機９を駆動させるか否かの基準となる所定量は、予めＥＣＵ１０のＲＯＭ等に設定される。このようにすることで、ＥＣＵ１０は、バッテリーの残量が十分なときにのみ、電動機を駆動させて過給圧制御を行うことができる。
【００４０】
ＥＣＵ１０は、バッテリーの残量が十分にあると判断した場合（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、第１実施形態に係る過給圧制御処理におけるステップＳ１３〜１４のときと同様、式（３）を用いて、排気エネルギーがタービン７のシャフト８を回すときのトルクＴturboの計算を行い（ステップＳ２３）、さらに、図４に示した電流値ＩturboとトルクＴturboの関係を用いて、電流Ｉturboを求める（ステップＳ２４）。
【００４１】
次に、ＥＣＵ１０は、上述したように、ポンピングロスによる損失エネルギーと、過給圧を実現するための電動機９で消費するエネルギーの比較を行わず、電動機９にステップＳ１４において求められた電流Ｉturboをかけることにより、電動機９を駆動させると共に、ウエストゲートバルブ６を開く（ステップＳ２５）。このように、第２実施形態に係るガソリン車・ディーゼル車の場合の過給圧制御方法では、バッテリーの残量が十分であれば、常に、電気エネルギーでシャフト８を回すこととする。このようにすることで、ガソリン車・ディーゼル車の場合においても、エキマニ圧力を下げることができ、排気ガスのエネルギーによるポンピングロスを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１実施形態に係る可変ターボチャージャの概略構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る過給圧制御処理のフローチャートである。
【図３】タービンの上流側と下流側の圧力比とコンプレッサの効率の関係を示す図。
【図４】電動機の電流値とトルクの関係を示す図である。
【図５】第２実施形態に係る過給圧制御処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４３】
１  内燃機関
２  吸気通路
３  排気通路
４  コンプレッサ
５  ウエストゲート通路
６  ウエストゲートバルブ
７  タービン
８  シャフト
１０  ＥＣＵ
１００  可変ターボチャージャ
【図１】
2006348761.tif 000007
【図２】
2006348761.tif 000008
【図３】
2006348761.tif 000009
【図４】
2006348761.tif 000010
【図５】
2006348761.tif 000011