(57)【要約】電気支援型ターボチャージャにおけるコンプレッササージを防止／制御するシステムは、ターボチャージャ軸の周りに配された電動機（１８）を有するターボチャージャ（１０）を備える。電動機コントローラ（３０）は電動機に結合され、電動機がターボチャージャ軸に与える回転運動を制御する。メモリはコントローラに結合され、コンプレッササージ条件の多次元マップを格納する。センサ（３２）は、格納されたマップ・データと比較されるエンジン及び／又はターボチャージャの動作情報を与える。センサはコントローラに結合される。コントローラは、センサの提供する実際の動作情報を、格納されたマップにプロットして、ターボチャージャが異なる動作領域で動作しているかを評価する。プロットされたターボチャージャの動作がサージ危険性又はサージ状態の領域内にある場合、コントローラは電動機を制御して、ターボチャージャ軸の回転速度を低減する。
2007515590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に結合されている電気的支援型ターボチャージャにおけるコンプレッサ・サージを制御するシステムであって、
一側の軸端部にコンプレッサが取り付けられ且つその反対側の軸端部にタービンが取り付けられるターボチャージャ軸の周りに配される電動機と、
前記電動機に電気的に結合された電動機コントローラと、
前記電動機コントローラに電気的に結合され、コンプレッサのサージ条件の多次元マップを格納する記憶手段と、
前記電動機コントローラに電気的に結合された少なくとも２つのセンサであって、当該センサに結合された前記ターボチャージャ及び前記内燃機関の少なくとも１つの動作状態を監視するように構成されるセンサと、
を備え、
前記電動機コントローラは更に、前記センサから与えられる信号であって、前記記憶手段に格納されている前記サージ条件の多次元マップに対して相関付けられる信号に応答して、前記電動機の動作を制御するように構成され、
前記電動機コントローラは更に、エンジン回転速度センサ及びターボチャージャ回転速度検知手段のうちの少なくとも１つからの信号であって、前記記憶手段に格納されている前記サージ条件の多次元マップに対して相関付けられる信号に応答して、コンプレッサ・サージ状態が検出された場合には、前記電動機に対する電力を逆転させるように構成される、
システム。
【請求項２】
内燃機関に結合されている電気的支援型ターボチャージャにおけるコンプレッサ・サージを制御するシステムであって、
ターボチャージャ軸の周りに配され、該ターボチャージャ軸に回転運動を与える電動機と、
前記電動機に電気的に結合され、該電動機の動作を制御する電動機コントローラと、
前記電動機コントローラに電気的に結合され、前記内燃機関の回転速度を検知するエンジン回転速度センサと、
前記電動機コントローラに電気的に結合され、前記ターボチャージャ軸の回転速度を検知するターボチャージャ回転速度検知手段と、
前記電動機コントローラに電気的に結合され、前記内燃機関の回転速度及び前記ターボチャージャ軸の回転速度に対して相関付けるサージ条件の多次元マップを格納するメモリと、
を備え、
前記電動機コントローラは更に、前記エンジン回転速度センサ及び前記ターボチャージャ回転速度検知手段から与えられる信号であって、前記メモリに格納された前記サージ条件の多次元マップに対して相関付けられる信号に応答して、前記電動機を制御するように構成され、
前記電動機コントローラは更に、前記エンジン回転速度センサ及び前記ターボチャージャ回転速度検知手段のうちの少なくとも１つからの信号であって、前記記メモリに格納されている前記サージ条件の多次元マップに対して相関付けられる信号に応答して、コンプレッサ・サージ状態が検出された場合には、前記電動機に対する電力を逆転させるように構成される、
システム。
【請求項３】
内燃機関に結合されている電気的支援型ターボチャージャにおけるコンプレッサ・サージを制御するシステムであって、
ターボチャージャ軸の周りに配され、該ターボチャージャ軸に回転運動を与える電動機と、
前記電動機に結合され、該電動機により与えられる回転運動を制御する電動機コントローラと、
前記電動機コントローラに結合され、前記ターボチャージャに入る空気の量を検知する吸気センサと、
前記電動機コントローラに結合され、コンプレッサ圧力比を検知する圧力比センサと、
前記電動機コントローラに電気的に結合され、前記ターボチャージャに入る空気の量及び前記コンプレッサ圧力比に対して相関付けるサージ条件の多次元マップを格納するメモリと、
を備え、
前記電動機コントローラは更に、前記吸気センサ及び前記圧力比センサから与えられる信号であって、前記メモリに格納されている前記サージ条件の多次元マップに対して相関付けられる信号に応答して、前記電動機を制御するように構成され、
前記電動機コントローラは更に、前記吸気センサ及び前記圧力比センサのうちの少なくとも１つからの信号であって、前記メモリに格納されている前記サージ条件の多次元マップに対して相関付けられる信号に応答して、コンプレッサ・サージ状態が検出された場合には、前記電動機に対する電力を逆転させるように構成される、
システム。
【請求項４】
内燃機関に結合されている電気的支援型ターボチャージャにおけるコンプレッサ・サージを制御する方法であって、前記ターボチャージャが、ターボチャージャ軸の周りに配されて該ターボチャージャ軸に回転運動を与える電動機を含むものである、方法において、
前記内燃機関の回転速度を示す第１のパラメータを検知するステップと、
前記ターボチャージャ軸の回転速度を示す第２のパラメータを検知するステップと、
コンプレッサ・サージ条件と前記内燃機関の回転速度及び前記ターボチャージャの回転速度とを相関付ける多次元マップに基づいて、サージを回避するように、前記第１のパラメータ及び前記第２のパラメータに応答して前記電動機を制御するステップと
を備え、
前記制御するステップは電動機コントローラにより実行されるものであり、前記電動機コントローラは、前記電動機に結合されおり、且つ該電動機コントローラに接続され且つサージ条件の多次元マップを格納するメモリを含み、
前記制御するステップは、前記電動機コントローラが、検出されたサージ状態に応答して前記電動機に対する電力を逆転させるステップを備える、
方法。
【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し、より詳細には、電気的に支援されるターボチャージャ（電気支援型ターボチャージャ）においてコンプレッサ・サージに対する保護を提供するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリン及びディーゼル内燃機関用のターボチャージャは、内燃機関を出る排気ガスの熱及び流れを用いることにより、内燃機関の燃焼室へ送られた吸気の流れに加圧又は増圧するため用いられる当該技術では既知の装置である。特に、内燃機関を出る排気ガスは、排気ガスで駆動されるタービンをハウジング内で回転させるように、ターボチャージャのタービン・ハウジングの中を通される。排気ガスで駆動されるタービンは軸の一端に取り付けられ、この軸は、ラジアル・エア・コンプレッサ（ｒａｄｉａｌ  ａｉｒ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）と共用とされ、ラジアル・エア・コンプレッサはこの軸の他端に取り付けられる。こうして、タービンの回転動作により、エア・コンプレッサが、排気ハウジングとは別のターボチャージャのコンプレッサ・ハウジング内で回転する。エア・コンプレッサの回転動作により、吸気がコンプレッサ・ハウジングに入り、その吸気が燃料と混合されて内燃機関の燃焼室内で燃焼される前に、所望の量だけ加圧又は増圧される。
【０００３】
タービンの回転動作は、内燃機関から出る排気ガスの熱及び流量に依存するので、ターボチャージャは、多くの場合、そのターボチャージャが結合されている内燃機関が低速度で動作されるときには、効率が低減される。この効率の低減は、多くの場合、ターボラグ（ｔｕｒｂｏ−ｌａｇ）に分類される。排気ガスの熱及び流量が低いときにターボラグを克服するために、軸を回転させてコンプレッサが回転することを誘発する電動機が、知られている。
【０００４】
しかしながら、電気支援型ターボチャージャは、特に、コンプレッサ・サージ状態に入りやすい。なぜなら、コンプレッサをそのように電気制御した場合には、コンプレッサが内燃機関の動作状態から比較的独立して機能することを可能にするからである。一般的に言えば、コンプレッサ・サージはターボチャージャの状態であり、それにより、コンプレッサにより生成された加圧された空気が、内部システム抵抗とぶつかり、多くの場合、加圧された空気がターボチャージャを介して強制的に戻される。サージは、異なるターボチャージャ動作状態から生じることもあり、減速のエンジン動作状態中に生じることが知られている。コンプレッサ・サージは一般に望ましくない状態であり、雑音の問題から部品故障の問題までの幾つかの問題を引き起こし、それは、ターボチャージャの寿命及び性能にとって有害である。これらの理由のため、コンプレッサ・サージは、望ましくないものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、電気支援型ターボチャージャと共に使用するシステムであって、電動機を制御して、コンプレッサがコンプレッサ・サージ状態に入るのを防止して、ターボチャージャの実用寿命及び所望されるターボチャージャ性能を延ばすシステムを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の原理に従って構成される、電気支援型ターボチャージャにおけるコンプレッサ・サージを防止／制御するシステムはターボチャージャを備え、該ターボチャージャは、ターボチャージャ軸の周りに配された電動機を有し、ターボチャージャ軸の一側の軸端にはコンプレッサが取り付けられ、その反対側の軸端にはタービンが取り付けられている。電動機コントローラは、電動機に電気的に結合され、電動機によりターボチャージャ軸に与えられる回転運動を制御する。
【０００７】
メモリ手段が、電動機コントローラに電気的に結合される。メモリ手段は、コンプレッサ・サージ状態の多次元マップを格納している。例示的な実施形態において、このマップは、コンプレッサ・サージを予測するために、異なる実際のエンジン及び／又はターボチャージャの動作パラメータに基づく或る一定のコンプレッサ動作領域を提供する。
【０００８】
センサを用いて、上記の格納されたマップ・データと比較するために所望されるエンジン及び／又はターボチャージャ動作情報を提供する。センサは、電動機コントローラに電気的に結合されている。このコントローラは、センサにより与えられる実際の動作情報を、格納されたマップ上にプロットして、ターボチャージャが異なる動作領域で動作しているかどうかを評価する。例示の実施形態においては、マップは、正常動作領域、サージ危険性動作領域、及びサージ状態動作領域の３つの動作領域を提供するように構成されている。
【０００９】
電動機コントローラは、格納されたマップ上のプロットに従って、ターボチャージャが動作している領域に基づいて、電動機の動作を制御するように構成されている。正常動作領域では、電動機コントローラは、電動機が通常通りに動作するのを可能にする。サージ危険性領域では、電動機コントローラは、電動機へ送られる電流を低減して、ターボチャージャ軸の回転を遅くする。サージ状態動作領域では、電動機コントローラは、電動機へ送られる電流の極性を反転して、ターボチャージャ軸へ反対向きのトルクをかけ、それによりコンプレッサの回転速度を急速に低減する。
【００１０】
本発明の形態は、添付の図面及び以下の詳細な説明と連携して考慮されると一層容易に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の一実施形態において、電気支援型ターボチャージャの電動機がコンプレッサをサージ動作の方へと駆動するのを防止するためのシステムは、電動機コントローラに電気的に結合された複数のセンサを有する。複数の検知された特性と関連したコンプレッサ・サージについての情報を含む多次元マップが、電動機コントローラの中にプログラムされる。電動機コントローラは、システムがサージ状態に近づいているという情報を複数のセンサから受け取ると、電気支援型ターボチャージャの電動機へ供給される電力を調整するために、多次元マップを用いる。センサが、サージ状態に入ってしまったことを示す場合、コンプレッサがサージするのを防止するために、電動機の速度は、低減されるか又は速度にブレーキをかけるようにされる（軸回転に対して反対方向の電動機トルクを印加する）。
【００１２】
図１は、電気支援型ターボチャージャ１０を備える本発明のサージ制御／防止システムを示す。電気支援型ターボチャージャ１０は、一般に（図１を左から右へ見ていく）、コンプレッサ１２を備え、コンプレッサ１２は、コンプレッサ・ハウジング１４内に配され、軸１６の端部に取り付けられている。電動機１８は、電動機ハウジング２０内に配され、コンプレッサ・ハウジング１４に取り付けられている。電動機は、軸２２の一部分の周りに配されて、電動機へ送られる電流により軸を回転運動させる。
【００１３】
軸１６は、電動機ハウジング２０から中央ハウジング２４の中へ通り、中央ハウジング２４は、軸１６を担持し且つ必要な潤滑を与えるためのベアリング組立体（図示せず）を含む。最後に、タービン２６が、軸１６のもう一方の端部に取り付けられ、タービン・ハウジング２８内に配される。このように構成されて、電動機は、必要に応じてコンプレッサの速度を補うように機能して、エンジンが低いＲＰＭの状態で動作しているときのターボラグのような、望ましくないターボチャージャ性能特性を回避させる。
【００１４】
電動機コントローラは、電動機１８の速度を制御する目的のために電動機１８に電気的に結合されている。電動機コントローラ３０は、電動機１８へ送られる電流量を調整することにより、及び／又は電動機１８へ送られる電流の極性を変えることによりそのような制御を提供するように、構成される。
【００１５】
電動機コントローラ３０は、複数のセンサ３２に電気的に結合されている。センサ３２は、多数の異なるエンジン及び／又はターボチャージャ動作条件／パラメータを監視するように構成されている。本発明の一実施形態において、センサ３２は、次の性能パラメータ、即ち、（１）１分当たりの回転数（ＲＰＭ）で示すエンジン速度、（２）エンジン負荷、（３）吸気流量、（４）コンプレッサの前後のターボチャージャ動作圧力、及び（５）１分当たりの回転数（ＲＰＭ）で示すターボチャージャ速度のうちの少なくとも２つを検知するよう構成されている。
【００１６】
電動機コントローラ３０は、複数の確認可能なエンジン及びコンプレッサの特性と関連した特定のコンプレッサのサージ状態についての情報を含む多次元マップを格納してそれを読み出す能力を有するように、構成されている。電動機コントローラ３０は、多次元マップを、センサ３２により検知された状態と組み合わせて用いて、コンプレッサがサージ状態に近づいているときにターボチャージャの電動機１８への電力を制限する（また、逆にすることもある）。
【００１７】
本発明の一実施形態において、サージ防止システムは、エンジン回転速度をモニタするように構成されているセンサ３２と、ターボチャージャ回転速度をモニタするように動作する検知手段とを備える。このターボチャージャ回転速度検知手段は、様々な種類のデバイスやシステムを含むことができ、例えば、エンコーダ又はそれと類似のもののような個別の速度センサを含むが、これに限定されるものではない。代替例として、電動機が、ステータにおける回転磁界を監視することによりモータ速度を判断するように動作する制御装置を有するセンサレス（センサ無し）・モータである場合、そのセンサレス・モータは、ターボチャージャ回転速度を監視する検知手段を提供する。制御されている特定の電気支援型ターボチャージャについて、エンジン回転速度及びターボチャージャ回転速度をサージ条件と相関させる多次元マップが、生成される、即ち、特定のコンプレッサ設計に対して考慮され得るサージの型をプロットして生成される。ここで、図２を参照すると、そのようなマップは、３つの異なる領域、即ち、正常な動作範囲の第１の領域、サージ危険性の第２の領域、及びサージ状態の第３の領域に分けられている。図２の多次元マップは、仮想のターボチャージャ及びエンジン・システムに関するそのような３つの領域を表し、これは参考のために提供されている。この３つの領域は、特定の応用及びターボチャージャの設計の特性に応じて、プロット上で異なる位置を占めるであろうことを理解すべきである。
【００１８】
マップは、電動機コントローラによりアクセスされるメモリに格納される。それぞれのエンジン及びコンプレッサが異なるサージ状態を有するので、特定のエンジン及びコンプレッサの組み合わせに特有の情報を含む多次元マップが生成される。エンジン回転速度センサ及びターボチャージャ回転速度センサにより、エンジン回転速度及びターボチャージャ回転速度が電動機コントローラへ通信されるたびに、電動機コントローラは、エンジン回転速度及びターボチャージャ回転速度を、上記の格納された多次元マップ上にプロットする。
【００１９】
与えられたセンサ情報から取られたプロットが、ターボチャージャが正常な動作範囲で動作していることを示す場合、電動機コントローラにより電力がターボチャージャの電動機へ通常通りに与えられる。ターボチャージャが正常な範囲で動作している例としては、エンジンが約４０００回転／分の速度で動作しており、且つターボチャージャが約２００００回転／分の速度で動作している場合がある。図２に示されるマップ上にプロットすると、これらの動作条件は点Ａで示される位置に対応するものであり、この位置は、マップの正常な動作範囲にある。
【００２０】
しかしながら、センサ情報から取られたプロットが、サージ危険性が存在することを示す場合、電動機への入力電流は制限される。サージ危険性が存在する例としては、エンジンが２０００回転／分の速度で動作しており、且つターボチャージャが２００００回転／分の速度で動作している場合がある。図２に示されるマップ上にプロットすると、そのような条件は点Ｂで示される位置に対応するものであり、この位置は、マップのサージ危険性部分にある。マップのサージ警告部分の中のプロットは、電動機コントローラが、電動機へ送られる電力又は電流を低減することにより、ターボチャージャ軸の速度を低減するように動作させる。
【００２１】
センサ情報から取られたプロットがサージ状態に入ったことを示す場合、電動機コントローラは、ターボチャージャ回転速度を迅速に低減させるように、電動機を動作させる。サージ状態に達した例としては、エンジンが約１０００回転／分の速度で動作しており、且つターボチャージャが３００００回転／分の速度で動作している場合がある。図２に示されるマップ上にプロットすると、そのような動作条件は点Ｃで示されるところにプロットされ、この位置は、マップのサージ部分にある。マップのサージ部分では、電動機コントローラは、電動機へ送られる電力の極性を反転することにより、軸運動の反対方向にトルクを与えて、迅速にターボチャージャの速度をおとしてサージ状態を終わらせる。
【００２２】
図２のマップは、３つの異なるコンプレッサの動作状態を有する２次元マップの一例である。本発明の追加の実施形態においては、マップは、３つよりも多くの状態に分けられ、各状態が異なる動作方針を有する。さらには、マップは、２つより多くのの異なるエンジン及び／又はターボチャージャの性能パラメータに基づくことができる。
【００２３】
本発明の代替実施形態において、センサは、コンプレッサへの空気流量を監視するように構成されているセンサである。コンプレッサの圧力比を測定する追加のセンサが設けられる。この代替実施形態において、コンプレッサへの空気流量及びコンプレッサの入出力間の圧力比をサージ条件と相関させる多次元マップが生成される。多次元マップは、用いられる特定のコンプレッサに特有の情報を含む。
【００２４】
センサから受け取られたサージ情報は、吸気流量及びコンプレッサ圧力比の関数として多次元マップに格納される。吸気流量及びコンプレッサ圧力比データが電動機コントローラに通信されるたびに、電動機コントローラは、その吸気流量及びコンプレッサ圧力比を、上記の格納された多次元マップ上にプロットする。上記の例示的実施形態（エンジン回転速度及びターボチャージャ回転速度に関してのもの）と同様に、プロットが、ターボチャージャが正常な動作範囲で動作していることを示す場合、電力は、通常通りに電動機に与えられる。しかしながら、プロットが、サージの危険性が近づいていることを示す場合、電動機への入力電流は制限される。プロットが、サージ状態に入ったことを示す場合、電動機は、ターボチャージャ回転速度を迅速に低減するように制御される。
【００２５】
特許法が要求するように本発明をこれまで詳細に説明したが、当業者は、本明細書に開示された特定の実施形態に対する変更例及び代替例を認識するであろう。そのような変更は、本発明の範囲及び意図内にある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の原理に従って構成され、電気支援型ターボチャージャと組み合わせて用いられるサージ制御／防止システムを示す概略図である。
【図２】図２は、エンジン回転速度（ｘ軸）及びターボチャージャ回転速度（ｙ軸）の関数として、サージ状態の多次元マップを表すグラフである。
【図１】
2007515590.tif 000003
【図２】
2007515590.tif 000004
【国際調査報告】
2007515590.tif 000005
2007515590.tif 000006
2007515590.tif 000007