(57)【要約】電気的にアシストされるターボチャージャ(10)をコントロールするシステムは、ターボチャージャ内に配置される電気モータ(12)と、同じことをコントロールする目的で、それと電気的に接続された電気モータ・コントローラ(26)と、を含む。メモリは、電気モータ・コントローラと電気的に接続され、また、電気モータ指示とエンジン及びターボチャージャの状態とを相互的に関連させる状態マップで構成される。システムは、複数のセンサを備え、それらは、電気モータ・コントローラと電気的に接続され、また、ターボチャージャ及びそれに接続された内部燃焼エンジンの少なくとも１つの状態を検知するように構成される。電気モータ・コントローラは、多次元の状態マップに含まれるデータと比較して、複数のセンサから受け取った入力に基づいて、電気モータをコントロールするように構成される。システムは、電気モータ・スピード・コントロールとブースト圧力コントロール・ダンパーとを提供し、また、特定の動作状態に依存して電気モータからの電気を生成するために使用することができる。
2005500452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部燃焼エンジンに接続された電気アシスト・ターボチャージャをコントロールするためのシステムであって、該システムは、
電気モータと、
電気モータの動作をコントロールする電気モータ・コントローラと、
電気モータ・コントローラと電気的に接続されたメモリであって、電気モータ指示とエンジン及びターボチャージャの状態とを多次元的に相互的に関連させる状態マップを有するメモリと、
電気モータ・コントローラと電気的に接続された複数のセンサであって、ターボチャージャ、内部燃焼エンジン及びドライブ・トレインのうちの少なくとも１つの状態を検知するセンサと、
を備え、
電気モータ・コントローラは、多次元的な状態マップの上にプロットされる複数のセンサからの信号に基づいて、電気モータをコントロールするように構成される、システム。
【請求項２】
請求項１に記載の内部燃焼エンジンに接続された電気アシスト・ターボチャージャをコントロールするためのシステムであって、
複数のセンサのうちの１つは、クラッチがかみ合っているかを検知するクラッチかみ合いセンサを備え、
電気モータ・コントローラは、クラッチかみ合いセンサがクラッチがかみ合っていないことを示すときに、電気モータへの電力を取り除くように構成される、システム。
【請求項３】
請求項１に記載の内部燃焼エンジンに接続された電気アシスト・ターボチャージャをコントロールするためのシステムであって、
複数のセンサのうちの１つは、ブレーキがかみ合っているかを検知するブレーキかみ合いセンサを備え、
電気モータ・コントローラは、ブレーキかみ合いセンサがブレーキがかみ合っていないことを示すときに、電気モータへの電力を取り除くように構成される、システム。
【請求項４】
請求項１に記載の内部燃焼エンジンに接続された電気アシスト・ターボチャージャをコントロールするためのシステムであって、
複数のセンサのうちの１つは、ターボチャージャ内のブースト圧力を検知するブースト圧力センサを備え、
電気モータ・コントローラは、ターボチャージャ及び内部燃焼エンジンの少なくとも１つの検知された状態をメモリ内の状態マップに適用して、ターゲットのブースト圧力を選択し；ブースト圧力センサによって検知されたブースト圧力が選択されたブースト圧力よりも低いとき、増加した電力を電気モータに供給し；ブースト圧力センサによって検知されたブースト圧力が選択されたブースト圧力よりも高いとき、減少した電力を電気モータに供給するように構成される、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ターボチャージャの分野に関連し、より詳細には、電気によってアシストされるターボチャージャを制御するためのシステムに関連する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリン及びディーゼルの内部燃焼エンジン用のターボチャージャは、当該技術分野で知られているデバイスであり、それは、エンジンの燃焼チャンバに送られる、吸い込みエア・ストリームを、エンジンを出る排出ガスの熱及び体積流量を使用することによって、加圧又はブーストするために用いられる。特に、エンジンを出る排出ガスは、ターボチャージャのタービン・ハウジングに送られ、排出ガス駆動タービンが、ハウジング内で回転する。排出ガス駆動タービンは、放射状のエア・コンプレッサと共通のシャフトの１端上に載せられ、エア・コンプレッサは、そのシャフトの他端上に載せられている。このようにして、タービンの回転動作もまた、排出ハウジングから離れているターボチャージャのコンプッサ・ハウジング内で、エア・コンプレッサを回転させる。エア・コンプレッサの回転動作によって、吸い込みエアが、コンプレッサ・ハウジングに入り、適切な量だけ加圧又はブーストされ、その後に、燃料と混合され、エンジン燃焼チャンバ内で燃焼する。
【０００３】
タービンの回転動作は、エンジンを出る排出ガスの熱及び体積流量に依存しないので、ターボチャージャは、それが結合しているエンジンが低い速度で動くとき、効率性が減少する。減少した効率性は、しばしばターボ・ラグ（ｔｕｒｂｏ−ｌａｇ）と呼ばれる。排出ガスの熱及び体積流量が低いときのターボ・ラグを克服するために、電気モータが知られており、それは、シャフトを回転させ、コンプレッサが回転するように仕向ける。
【０００４】
電気モータへの適切なタイミング及び電力供給なしで、電気モータは、ターボチャージャの性能を増大させるのではなく低下させることができる。従って、エンジンの性能を最大にし、且つ、信頼できる電気電力管理システムを提供するために、電気モータへのインテリジェントな動作コントロールを提供することが望まれる。そのようなインテリジェントな動作コントロール・システムは、ターボチャージャのアシストを要求しないエンジン動作状態の間、電気的にアシストされるターボチャージャの電気モータに電力を供給することを妨げるように構成されることが望まれる。
【０００５】
さらに、エンジン設計者は、絶えず、エンジンへのブースト圧力をコントロールするための改善を捜し求める。ブースト圧力をより迅速に且つより正確にコントロールするために、従来のターボチャージャにおいて、設計者は、ウェストゲート・バルブ及び可変容量ブレードを動かすために、空気アクチュエータを電気制御アクチュエータに取り替えていた。電気アクチュエータは、エンジンの電気コントロール・ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）及び様々なセンサからの指示を受け取る。この結果、ターゲットのブースト圧力に到達する時間が減少し、オーバー・ブースト及びアンダー・ブーストのエラー限界が小さくなる。
【０００６】
また、したがって、電気的にアシストされるターボチャージャに用いるためのインテリジェントな動作コントロール・システムは、ターゲットのブースト圧力に到達するために必要な時間を減少させ、また、オーバー・ブースト及びアンダー・ブーストのエラー限界を減少させるように構成されることが望ましく、これにより、ターボチャージャの効率度を改善することができる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（発明の概要）
本発明の原理に従って構成される、電気的にアシストされるターボチャージャをコントロールするシステムは、ターボチャージャ内に配置される電気モータと、同じことをコントロールする目的で、それと電気的に接続された電気モータ・コントローラと、電気モータ・コントローラと電気的に接続されたメモリ手段と、を備える。メモリ手段は、電気モータ指示とエンジン及びターボチャージャの状態とを相互的に関連させる状態マップを有するように構成される。システムは、電気モータ・コントローラと電気的に接続された沢山のセンサを備える。センサは、ターボチャージャ及びそれに接続された内部燃焼エンジンの少なくとも１つの状態を検知するように構成される。
【０００８】
電気モータ・コントローラは、多次元の状態マップに含まれるデータと比較して、複数のセンサから受け取った入力に基づいて、電気モータをコントロールするように構成される。具体的な発明の実施形態において、モータ・コントローラは、所望のエンジン性能を提供するために最も適切な方法で、電気的にアシストされるターボチャージャの電気モータを動作させるように構成される。例えば、システムは、クラッチがかみ合っているかを検知するクラッチかみ合いセンサ及び／又はブレーキがかみ合っているかを検知するブレーキかみ合いセンサと、クラッチかみ合いセンサ及び／又はブレーキかみ合いセンサが、クラッチがかみ合っていない又はブレーキが活動的であることを示すときに、電気モータへの電力を取り除くように構成される電気モータ・コントローラと、を備える。
【０００９】
もう１つの本発明の実施形態において、システムは、ターボチャージャ内のブースト圧力を検知するブースト圧力センサを備え、ターゲットのブースト圧力に到達し、また、オーバーブースト及びアンダーブーストのエラー限界を減少する
を達成するように構成される。このような実施形態において、電気モータ・コントローラは、ターボチャージャ及び内部燃焼エンジンの少なくとも１つの検知された状態をメモリ内の状態マップに適用することに基づいて、ターゲットのブースト圧力を選択するように構成される。システムは、ブースト圧力センサによって検知されたブースト圧力が選択されたブースト圧力よりも低いとき、増加した電力を電気モータに供給し、また、ブースト圧力センサによって検知されたブースト圧力が選択されたブースト圧力よりも高いとき、減少した電力を電気モータに供給するように構成される。さらに、システムは、ジェネレータ・モード内で動作するように構成され、それにより、電気モータは、排出ガスによるタービンの回転に基づく電気を生成するように動作する。
【００１０】
なお、本発明は、添付の図面及び以下の詳細な説明を考慮するとき、より容易に理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の原理に従って構成される、電気的にアシストされるターボチャージャのためのコントロール・システムは、コントロール手段を備え、それは、ターボチャージャの電気モータに電気的に結合され、また、それは、たくさんの異なるエンジン及び又はターボチャージャの動作パラメータをモニタするために設計された複数のセンサに接続されている。メモリ手段は、コントロール手段に結合され、また、エンジン及び／又はターボチャージャの所定の動作状態に関連する情報を備える状態マップをその内に記憶する。システムは、検知された動作状態をモニタし、また、特定のエンジン動作要求に最適に対応するように、状態マップによって提供される信頼できる所定の動作指示に従ってターボチャージャ内の電気モータを動かす。
【００１２】
図１に示されるように、電気的にアシストされるターボチャージャ１０は、概して、電気モータ１２を備え、それは、タービン１６とコンプレッサ１８とを相互に連結するターボチャージャ・シャフト１４の周りに配置される。電気モータ１２は、センター・ハウジング２０に隣り合ったターボチャージャ内に配置され、また、軸の方向に、センター・ハウジングとコンプレッサ１８を収容するコンプレッサ・ハウジング２２との間に配置される。タービン１６は、タービン・ハウジング２４内に配置される。
【００１３】
電気的にアシストされるアシスト・ターボチャージャをコントロールするための電気モータ・コントロール・システム／コントローラ２６は、電気モータ１２に電気的に結合される。１例の実施形態において、コントロール・システムは、エンジン電気コンロトール・ユニット（ＥＣＵ）２８と独立した電力コントローラ３０とを備える。エンジンＥＣＵは、独立電力コントローラ３０に電気的に結合される。システムはまた、エンジンＥＣＵ２８及び独立電力コントローラ３０の少なくとも１つに電気的に結合されるマルチ・センサ３２を備える。独立電力コントローラ３０は、ターボチャージャ１０の電気モータ１２に電気的に結合される。電気モータ１２は、ターボチャージャ・シャフト１４の周りに配置され、また、コンプレッサ１８に取り付けられ、回転の何れか一方の方向で、トルクをシャフトに加えるように構成される。
【００１４】
メモリ及びマイクロプロセッサは、エンジンＥＣＵ２８及び電力コントローラ３０の少なくとも１つに接続され、又は少なくとも１つの一部であり得る。メモリは、マイクロプロセッサに電気的に結合され、異なるターボチャージャ・コントロール・スキーム用の複数の状態マップを有するようにプログラムされる。状態マップは、電気モータ１２の所望の動作を、確定できるエンジン及びターボチャージャの性能に互いに関連させるように構成される。マイクロプロセッサは、メモリ内に記憶される状態マップ・データと共同するエンジン信号及びセンサ入力を使用して、電気的にアシストされるターボチャージャ１０の電気モータ１２をコントロールする。独立電力コントローラ３０は、電気モータ１２への電力の流れをコントロールするために使用される。本発明の１実施形態において、独立電力コントローラは、電気モータへの電力を、（例えば、輸送手段に搭載されたバッテリから供給される）直流（ＤＣ）から、電気モータの電力を供給するために使用される交流（ＡＣ）に、変換するように機能する。幾つかの動作例において、電気的にアシストされるターボチャージャ１０の電気モータ１２は、ジェネレータとして働くように動作すうことができ、排出ガス圧力によって引き起こされるタービン１６の回転から電力を引き出す。電気モータ１２が、ジェネレータの機能内で実行するように動作するとき、独立電力コントローラは、電気モータから供給される電力をＡＣからＤＣに変換するように動作する。この生成された電力は、輸送手段の所望の電気的特徴に電力を供給するために使用することができ、又は、単に、搭載バッテリの充電を維持するために使用することできる。独立電力コントローラはまた、電力調整を実行するように構成され、また、インテリジェントなスピード・コントロールを可能にする。
【００１５】
本発明のコントロール・システムは、以下のコントロール・スキームに従って、電気モータの動作をコントロールするように構成される。エンジンの現在の動作条件とドライバによって要求される性能とに依存して、システムは、以下の３つのモードの１つで動作するように構成される：（１）モータ・モード；（２）ジェネレータ・モード；又は（３）ニュートラル・モード。モータ・モードにおいて、電気モータは、ターボチャージャのシャフト１４を回転させるようにコントローラによって作動され、エンジンへの吸い込みエアのブーストが、増加する。ニュートラル・モードにおいて、ターボチャージャは、電気モータからのいずれのアシストもなしで、エンジンの排出ガスの温度及び体積に基づいて動く。ジェネレータ・モードにおいて、電気モータは、エンジンの排出ガスによるエンジン１６の回転に基づく電気を生成するように動く。
【００１６】
電気モータに供給され又はモータから生成される電力の大きさは、特定のエンジン及び／又はターボチャージャの動作状態に依存して変化することができ、また、状態マップ内にプログラムされるような電流動作状態（１つ又はそれ以上のセンサによってモニタされる状態）とドライバの要求性能との間の差によって決定される。従って、ドライバは、エンジンが最大の推力を提供するように要求するとき、その後、システムは、電気を生成するジェネレータのようにではなく、コンプレッサによって提供されるブーストを増大させるために電気モータを活動的にするように動作する。システムは、様々なアプリケーション用の様々なコントロール・アルゴリズムに順応するための柔軟性を有する。本発明の実施形態において、コントロール・アルゴリズムは、電気モータによる幾らかの電力生成を犠牲にして、ターボチャージャからの最大のブーストのために設計される。本発明の追加的な実施形態において、コントロール・アルゴリズムは、幾らかのブーストを犠牲にして、ターボチャージャの電気モータからの可能な電気の最大量を生成するために設計される。コントロール・タスクを実行するように動作するエンジンＥＣＵ及び電気コントローラの機能は、アプリケーションによって変化する。
【００１７】
センサ３２は、以下の具体的な例のエンジン及びターボチャージャの条件のうちの少なくとも１つをモニタするように構成される：吸い込みエア・フロー；１分当たりのエンジン回転（ＲＰＭ）；エンジン負荷；ブースト圧力及び温度；吸い込みの多様な圧力及び温度；アクセルの位置；アクセルの変化率；給油率；エンジン温度；エンジン・タイミング；バッテリ電圧；電気モータ電流フロー；周囲の温度及び圧力；ブレーキ圧力；クラッチ圧力；オイル圧力；ターボチャージャ・スピード；及びターボチャージャ内で環状に動く電気モータの温度。
【００１８】
本発明の実施形態において、システムは、必要でないとき、ターボチャージャ内の電気モータの望まれていない電力を防ぐように構成される。ターボチャージャの電気モータ電力が必要でない１つの状況は、ドライバが、停止ライトでエンジンの「回転速度を上げる」ときである。ドライバは、アクセルを下に押しているけれど、ドライバは、ターボチャージャを活動的にすることを必要としない。ターボチャージャの電気モータの電力が必要でない追加的な状況は、変速レバー輸送手段のドライバがギアを変えるとき、即ち、クラッチが押し下げられているときである。
【００１９】
ドライバが停止ライトでエンジンの回転速度を上げるとき及びドライバがマニュアル・トランスミッション・ギアを切り替えているときにターボチャージャの電気モータの活動化を妨げるために、第１のセンサは、クラッチがかみ合っているかを検知するために提供される。第２のセンサは、フレーキがかみ合っているかを検知するために提供される。
【００２０】
コントロール・アルゴリズムが通常のドライブのために構成されている実施形態において、電気モータへの電流フローは、ドライバがギアをシフトすることを示す、第１のセンサがクラッチがかみ合っていないことを検知するときに妨げられる。同様に、電気モータへの電流フローは、ドライバが停止ライトでエンジンの回転速度を上げることを示す、第２のセンサがブレーキがかみ合っていることを検知するときに妨げられる。代替的な実施形態において、コントローラは、マイクロプロセッサによって利用される特定のコントロール・アルゴリズムに従って、多様に動作するように構成されてもよい。
【００２１】
本発明の追加的な実施形態において、上述のシステムは、電気的にアシストされるターボチャージャのブースト圧力コントロールを改善するために使用される。従来の可変容量ターボチャージャにおいて、エンジンのＥＣＵは、ターボチャージャがターゲットのブースト圧力まで回転を上げるべきだと判定するとき、ＥＣＵは、可変容量ターボチャージャのノズル羽根に、クローズするように合図する。ターゲットのブースト圧力が達成されるまで、羽根は、クローズを維持するように、ＥＣＵによってコントロールされる。一旦、ターゲットのブースト圧力が達成されると、羽根は、オープンするように合図される。一旦、羽根がオープンすると、実際のブースト圧力とターゲットのブースト圧力との間に許容可能なエラー限界が存在するまで、システムは、ターゲットのブースト圧力のアンダーシュート及ぶオーバーシュートのサイクルを経験する。
【００２２】
イベントの同じサイクルは、ウェストゲートを備える従来のターボチャージャ内で起こる。エンジンのＥＣＵは、ターボチャージャがターゲットのブースト圧力まで回転を上げるべき判定するとき、ＥＣＵは、ウェストゲート・アクチュエータに、ウェストをクローズするように合図し、また、ターゲットのブースト圧力が満たされるまで、ウェストのクローズを保つように合図する。一旦、ブーストの圧力が満たされると、その後、ウェストゲートは、オープンするように合図され、システムは、実際のブースト圧力とターゲットのブースト圧力との間に許容可能なエラー限界が存在するまで、システムは、ターゲットのブースト圧力のアンダーシュート及ぶオーバーシュートのサイクルを経験する。
【００２３】
上述の可変容量羽根及びウェストゲートのシステムに加えて、この発明のコントロール・システムは、電気的にアシストされるターボチャージャに用いることができ、上述のアンダーシュート及びオーバーシュートを弱めるような方法で電気モータをコントロールする。図２は、現実のダンパーの影響をグラフを用いて表し、電気モータ・コントロールは、本発明の原理に従ってコントロールされるとき、上述の従来のターボチャージャと比較して、相対的に一定な又は安定したターゲットのブースト圧力が得られるために必要な時間の減少を有する。本発明の電気ダンパー・システムは、より短い時間で、減少したエラー限界で、同じ動作条件に反応することができる。図３は、本発明の原理に従った、電気的にアシストされるターボチャージャのブースト圧力をコントロールするためのコントロール・スキームを示す。メモリ内に記憶される状態マップは、予め特定されたセットのエンジン及びターボチャージャのパラメータの下でターゲットのブースト圧力を含む。エンジンのＥＣＵ及び独立電力コントローラのうちの少なくとも１つの中に位置するマイクロプロセッサは、複数のセンサから、また、エンジンＥＣＵから、エンジン及びターボチャージャのパラメータを受け取る（ボックス３０）。マイクロプロセッサは、エンジン及びターボチャージャのパラメータを、記録される状態マップ上にプロットする（ボックス３２）。エンジン及びターボチャージャのパラメータは、ターゲットのブースト圧力をもたらす（ボックス３４）。
【００２４】
マイクロプロセッサは、ブースト圧力センサから実際のブースト圧力を受け取る（ボックス３６）。マイクロプロセッサは、実際のブースト圧力がターゲットのブースト圧力よりも大きいのかを判定する（ボックス３８）。実際のブースト圧力がターゲットの圧力よりも小さい場合、マイクロプロセッサは、電気的にアシストされるターボチャージャの電気モータを使用して、実際のブースト圧力を増加させる（ボックス４０）。或いは、実際のブースト圧力がターゲットの圧力よりも小さくない場合、その後、マイクロプロセッサは、実際のブースト圧力がターゲットのブースト圧力よりも高いのかを判定する（ボックス４２）。実際のブースト圧力がターゲットのブースト圧力よりも高い場合、その後、マイクロプロセッサは、電気的にアシストされるターボチャージャの電気モータを使用して、実際のブースト圧力を低下させる（ボックス４４）。
【００２５】
実際のブースト圧力がターゲットのブースト圧力を下回ったとき、電気モータは、ターボチャージャ・シャフトの回転方向に、トルクを置く。図２のポイント「Ａ」は、実際に測定されたブースト圧力がターゲットのブースト圧力を下回っている状態を表す。この動作状態において、独立電力コントローラは、電気モータに、ターボチャージャ・シャフトの回転方向にトルクを置かせるように動作し、これにより、ブーストの圧力はターゲットのブースト圧力に向かってより急速に増加する。
【００２６】
同様に、実際のブースト圧力がターゲットのブースト圧力を上回っているとき、電気モータは、ターボチャージャ・シャフトの回転に逆らうトルクを適用する。図２のポイント「Ｂ」は、実際に測定されたブースト圧力が所望のターゲット圧力よりも上回った動作状態を表す。この動作状態において、独立電力コントローラは、ターボチャージャ・シャフトの回転方向に逆らうトルクを引き起こすために、電気モータへの電力を逆にする。これにより、ブースト圧力は、ターゲットのブースト圧力に向かって減少する。
【００２７】
適用されるトルクの大きさは、ターゲットのブースト圧力からの距離が増加するときに増加する。従って、ポイントＢで、実際のブースト圧力は、ポイントＣよりも、ターゲットのブースト圧力から離れているので、適用されるトルクの大きさは、ポイントＣよりもポイントＢで高い。
【００２８】
本発明の追加的な実施形態において、ブースト圧力サイクルの電気ダンパーは、ターボチャージャをターゲットのブースト圧力まで持っていくことに関連するオーバーブーストを予想することを含んでいる。一旦、ターゲット・ブーストの一定のパーセンテージ（例えば９０％）に達すると、オーバーブーストを予想するシステムは、例えば、ウェストゲート・バルブ又は可変容量ブレードをオープンするように構成されてもよい。或いは、オーバーブーストを予想するシステムは、ブースト圧力変化の割合を計算し、ブースト圧力の変化率を、ターゲットと実際のブースト圧力との差とともに使用して、バルブ及びブレードをオープンすることを開始してもよい。このような場合において、電気ダンパー・システムは、使用される予想方法に適用することができ、また、オーバーブースト及びアンダーブーストの間、依然としてダンパーを提供するだろう。
【００２９】
特許法によって要求されるように本発明を詳細に記述したが、当該技術分野における当業者は、ここに開示した特定の実施形態に対する変形及び置換を認識できるであろう。このような変形は、本発明の範囲及び意図の中にある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の原理に従って構成された、電気的にアシストされるターボチャージャ・コントロール・システムを示す概念図である。
【図２】ブースト圧力コントロールを改善するために、本発明の原理に従った、電気ダンパーの使用の影響を示す、時間（ｘ軸）の関数としてのブースト圧力（ｙ軸）のグラフである。
【図３】本発明の実施形態に従ったブースト圧力コントロールを提供するためのシステムを示すフロー図である。
【図１】
2005500452.tif 000003
【図２】
2005500452.tif 000004
【図３】
2005500452.tif 000005
【国際公開パンフレット】
2005500452.tif 000006
2005500452.tif 000007
2005500452.tif 000008
2005500452.tif 000009
2005500452.tif 000010
2005500452.tif 000011
2005500452.tif 000012
2005500452.tif 000013
2005500452.tif 000014
2005500452.tif 000015
2005500452.tif 000016
2005500452.tif 000017
2005500452.tif 000018
2005500452.tif 000019
2005500452.tif 000020
2005500452.tif 000021
2005500452.tif 000022
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005500452.tif 000023
2005500452.tif 000024
【国際調査報告】
2005500452.tif 000025
2005500452.tif 000026