(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気通路に設けられるコンプレッサホイールと、
前記内燃機関の排気通路に設けられるタービンホイールと、
前記コンプレッサホイールと前記タービンホイールとの間に配置され、前記コンプレッサホイールを回転駆動するモータと、を備える電動過給機であって、
前記タービンホイールと前記モータとの間に介在されるクラッチと、
前記クラッチの接続及び切断を行うクラッチ制御部と、を備え、
前記排気通路は、前記タービンホイールを迂回する排気バイパス通路を有し、
前記排気バイパス通路には、前記排気バイパス通路に流れる排気の流量を調整するウェイストゲートバルブが設けられており、
前記クラッチ制御部は、前記ウェイストゲートバルブにより前記タービンホイールに流入する排気の流量を調整して前記タービンホイールの回転数を調節し、前記タービンホイールと前記モータの回転数が同期した状態で、前記クラッチを接続する電動過給機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンプレッサホイールを回転駆動するモータを備える電動過給機に関する。特に、タービンホイールとモータとの間に介在されるクラッチを接続して、コンプレッサホイールの駆動をモータによる駆動からタービンホイールによる駆動に切り替える際に、クラッチへのダメージを低減できる電動過給機に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関（エンジン）の出力を高める装置の一つとして、内燃機関から排出される排気ガスの排気エネルギー（排圧）を利用して、内燃機関に吸入される空気を圧縮して過給する過給機（ターボチャージャー）が知られている。従来の一般的な過給機は、排気通路に設けられたタービンホイールを排気により回転させることによって吸気通路に設けられたコンプレッサホイールを回転駆動させ、吸気を過給する。このような過給機は、コンプレッサホイールの駆動に内燃機関の排気が必要であり、内燃機関の始動時や低回転域では、コンプレッサホイールの駆動に必要な十分な排気エネルギーが得られないため、十分な過給を行うことができない場合がある。そこで、最近では、過給機にモータを組み込み、モータにより駆動する電動過給機が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１には、吸気側タービン（コンプレッサーホイール）と排気側タービン（タービンホイール）との間にモータが連結され、モータと各タービン間にクラッチ機構が設けられた電動式過給機が開示されている（特許文献１の図１，図２参照）。特許文献１の電動過給機では、内燃機関の始動時や低回転域において、吸気側タービンとモータとの間の吸気側クラッチを接続すると共に排気側タービンとモータとの間の排気側クラッチを切断して、モータの駆動により吸気側タービンを回転させる。そして、内燃機関の回転速度が所定値を超えた場合は、十分な排圧が得られている判断し、排気側クラッチを接続して、排気による排気側タービンの駆動により吸気側タービンを回転させると共に、モータを停止する。つまり、内燃機関の始動時や低回転域では、吸気側タービンをモータにより駆動してモータによる過給を行い、内燃機関の回転速度が一定以上になったときは、吸気側タービンの駆動をモータによる駆動からタービンホイールによる駆動に切り替えて、排気による過給を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１８５５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
排気による駆動とモータによる駆動が可能な電動過給機において、更なる信頼性の向上が望まれる。上述した特許文献１の電動過給機では、内燃機関の回転速度が所定値を超えた場合に排気側タービン（タービンホイール）とモータとの間のクラッチを接続しているが、その際、タービンホイール及びモータの回転数に関係なく、クラッチの接続を行っている。そのため、タービンホイールの回転数とモータの回転数が異なり、両者の回転数の差が大きい場合は、クラッチにかかる負荷が大きく、クラッチに与えるダメージが大きい。したがって、これを回避するため、クラッチへのダメージを低減することが求められる。また、タービンホイールとモータとの回転数が同期していない状態でクラッチを接続した場合、コンプレッサホイールの回転数の変動が大きくなり、過給性能の低下を招く虞がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、タービンホイールとモータとの間に介在されるクラッチを接続して、コンプレッサホイールの駆動をモータによる駆動からタービンホイールによる駆動に切り替える際に、クラッチへのダメージを低減できる電動過給機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一形態に係る電動過給機は、内燃機関の吸気通路に設けられるコンプレッサホイールと、前記内燃機関の排気通路に設けられるタービンホイールと、前記コンプレッサホイールと前記タービンホイールとの間に配置され、前記コンプレッサホイールを回転駆動するモータと、を備える。そして、この電動過給機は、前記タービンホイールと前記モータとの間に介在されるクラッチと、前記クラッチの接続及び切断を行うクラッチ制御部と、を備える。前記クラッチ制御部は、前記タービンホイールと前記モータの回転数とが同期した状態で、前記クラッチを接続する。
【発明の効果】
【０００８】
上記電動過給機によれば、クラッチ制御部によってタービンホイールとモータとの回転数が同期した状態でクラッチを接続することで、コンプレッサホイールの駆動をモータによる駆動からタービンホイールによる駆動に切り替える際に、クラッチへのダメージを低減できる。したがって、クラッチの損傷を抑制でき、電動過給機の信頼性を向上できる。また、タービンホイールとモータとの回転数が同期した状態でクラッチを接続することで、スムーズにクラッチを接続することができ、コンプレッサホイールの回転数の変動を低減できる。よって、過給性能の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る電動過給機を備える内燃機関のシステムの一例を示す構成図である。
【図２】実施形態に係る電動過給機を備える内燃機関のシステムの別の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係る電動過給機の具体例を説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。図１は、自動車などの車両における内燃機関のシステム構成の一例を示す図である。最初に、図１を参照して、電動過給機を備える内燃機関のシステムの概略を説明し、その後、実施形態に係る電動過給機について詳細に説明する。
【００１１】
［実施形態１］
図１に示す内燃機関（エンジン）のシステムは、エンジン１００と、吸気通路１１０と、排気通路１３０と、電動過給機１０と、制御装置（例、ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）２００とを備える。
【００１２】
（エンジン）
エンジン１００は、例えばガソリンエンジンであり、吸気通路１１０を通って吸入された空気と燃料とを混合した混合ガスを燃焼室内で燃焼させ、その膨張力によって回転動力を出力する。燃焼室内で燃焼したガス（排気）は、排気通路１３０を通って排出される。
【００１３】
（吸気通路）
吸気通路１１０は、外部から取り入れた空気（吸気）をエンジン１００に供給する。吸気通路１１０には、その上流から順に、吸気中の異物を除去するエアクリーナ１１１と、電動過給機１０のコンプレッサホイール２０と、コンプレッサホイール２０により圧縮された吸気を冷却するインタクーラ１１２と、エンジン１００に吸入される吸気量を調整するスロットルバルブ１２０とが設けられている。スロットルバルブ１２０は、アクセルペダル（スロットルペダルとも呼ばれる）の踏み込み量に応じて開閉し、アクセルペダルの踏み込み量が大きいほど、スロットルバルブ１２０が開いて吸気量が増え、エンジン１００の回転数が上がる。エアクリーナ１１１の下流側で且つコンプレッサホイール２０の上流側には、エンジン１００に吸入される吸気量を検出するエアフロセンサ１２１が設けられている。
【００１４】
（排気通路）
排気通路１３０は、エンジン１００で発生した排気を送り出す。排気通路１３０には、電動過給機１０のタービンホイール３０が設けられている。排気は、排気通路１３０を通って浄化装置（図示せず）に導かれ、浄化された後、大気中に排出される。タービンホイール３０の下流側で且つ浄化装置の上流側には、排気中の酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサ１３１が設けられている。Ａ／Ｆセンサ１３１により検出された酸素濃度から空燃比（Ａ／Ｆ）を算出できる。また、電動過給機１０における排気の入口側（タービンホイール３０の上流側）には、タービンホイール３０に流入する排気の温度を検出するタービン入口温度センサ６１と、排気の排圧を検出するタービン入口排圧センサ６２とが設けられている。更に、電動過給機１０における排気の出口側（タービンホイール３０の下流側）には、タービンホイール３０から流出した排気の排圧を検出するタービン出口排圧センサ６３が設けられている。
【００１５】
（制御装置）
制御装置２００は、エンジン１００や電動過給機１０などの各種装置の制御を行う。制御装置２００は、各種装置の制御プログラムを実行したりデータを処理するＣＰＵ（中央演算処理装置）、制御プログラムやデータなどを記憶するメモリ、各種センサからの情報を取得する入力インターフェース、及び各種装置に制御信号を送る出力インターフェースなどを備えるコンピュータにより構成されている。
【００１６】
（電動過給機）
電動過給機１０は、エンジン１００の排気（排圧）を利用して吸気を圧縮する装置（所謂、ターボチャージャ）である。図１に示す電動過給機１０は、コンプレッサホイール２０と、タービンホイール３０と、モータ４０と、クラッチ５０と、クラッチ制御部２５０とを備える。
【００１７】
〈コンプレッサホイール・タービンホイール〉
コンプレッサホイール２０は、吸気通路１１０に設けられ、回転することにより吸気を過給する。タービンホイール３０は、排気通路１３０に設けられ、排気により回転する。
【００１８】
〈モータ〉
モータ４０は、コンプレッサホイール２０とタービンホイール３０との間に配置され、コンプレッサホイール２０を回転駆動することが可能である。モータ４０は、バッテリー（図示せず）からの供給電力により駆動する。モータ４０への供給電力は制御装置２００により制御され、供給電力量によりモータ４０の回転数を制御できる。
【００１９】
〈クラッチ〉
クラッチ５０は、タービンホイール３０とモータ４０との間に介在され、タービンホイール３０とモータ４０との間で回転力を伝達したり遮断したりできる。図１に示す電動過給機１０では、モータ４０の駆動軸４１の一端にコンプレッサホイール２０が接続されており、駆動軸４１の他端には、クラッチ５０を介してタービンホイール３０が接続されている。具体的には、クラッチ５０の一端に駆動軸４１の他端が接続され、クラッチ５０の他端にタービンホイール３０の回転軸３１が接続されている。クラッチ５０が接続されると、タービンホイール３０の回転力がモータ４０（駆動軸４１）に伝達され、駆動軸４１を介してコンプレッサホイール２０に伝達される。クラッチ５０が切断されると、タービンホイール３０とモータ４０との間の回転力の伝達が遮断される。
【００２０】
〈クラッチ制御部〉
クラッチ制御部２５０は、クラッチ５０に接続及び切断するように指令し、クラッチ５０の接続及び切断を行う。このクラッチ制御部２５０は、タービンホイール３０とモータ４０との回転数が同期した状態でクラッチ５０を接続する。この例では、クラッチ制御部２５０は制御装置２００に組み込まれている。「同期した状態」とは、タービンホイール３０とモータ４０との回転数の差が所定の範囲内であることを意味し、例えば、タービンホイール３０とモータ４０との回転数の差が、モータ４０の回転数に対して１０％以内、更に５％以内であることが挙げられる。
【００２１】
モータ４０の回転数は、モータ４０への供給電力量から算出することが可能である。タービンホイール３０の回転数は、例えば図１に示すように、タービンホイール３０（回転軸３１）の回転数を検出する回転センサ３２を設けることで、回転センサ３２から取得することが可能である。また、タービンホイール３０の回転数は、例えば、エアフロセンサ１２１から取得した吸気量（Ａ）と、Ａ／Ｆセンサ１３１から取得した空燃比（Ａ／Ｆ）と、タービン入口温度センサ６１から取得した入口温度（Ｔi）と、タービン入口排圧センサ６２から取得した入口排圧（Ｐｉ）と、タービン出口排圧センサ６３から取得した出口排圧（Ｐｏ）とを用いて算出することも可能である。これら各種センサからの情報を用いてタービンホイール３０の回転数を算出する方法を以下に説明する。
【００２２】
タービンホイール３０が回転すると、回転数によって下記修正流量及び膨張比が変化する。そして、タービンホイール３０の回転数と修正流量及び膨張比には一定の関係があり、これらの関係は電動過給機１０の仕様で決まる。したがって、修正流量及び膨張比が分かれば、タービンホイール３０の回転数を推定することが可能である。ここで、修正流量及び膨張比は、次のようにして求められる。
修正流量＝［排気流量Ｇ×√Ｔi］／Ｐｉ
膨張比＝Ｐｉ／Ｐｏ
【００２３】
排気流量（Ｇ）は、エンジン１００で燃焼させた混合ガス量と同じとみなすことができ、吸気量（Ａ）と燃料量（Ｆ）とを加算（Ａ＋Ｆ）することで求められる。燃料量（Ｆ）は、吸気量（Ａ）を空燃比（Ａ／Ｆ）で除算（Ａ／［Ａ／Ｆ］）することで求められる。
【００２４】
電動過給機１０の仕様に定められた、タービンホイール３０の回転数と修正流量及び膨張比との関係データを制御装置２００のメモリに予め格納しておく。そして、算出された修正流量及び膨張比から上記関係データに基づいて回転数を演算する。
【００２５】
このように、タービンホイール３０の回転数は、エアフロセンサ１２１、Ａ／Ｆセンサ１３１、タービン入口温度センサ６１、タービン入口排圧センサ６２、及びタービン出口排圧センサ６３の各種センサの情報を用いて、取得することが可能である。通常、これら各種センサは、過給機を備えるエンジンシステムに使用されている。一般に、回転センサは高価であり、コストアップの要因となる。したがって、既存の上記各種センサを用いることで、コストアップの要因となる回転センサ３２を用いることなく、タービンホイール３０の回転数を求めることでき、コストダウンを図れる。
【００２６】
（電動過給機の動作）
電動過給機１０の動作について説明する。電動過給機１０は、モータ４０の駆動によりコンプレッサホイール２０を回転させることができると共に、クラッチ５０を接続することで、排気によるタービンホイール３０の駆動によりコンプレッサホイール２０を回転させることができる。つまり、電動過給機１０は、排気による駆動とモータによる駆動が可能であり、排気による過給とモータによる過給を行うことができる。例えば、クラッチ５０が切断状態の場合、コンプレッサホイール２０をモータ４０のみにより駆動することができる。また、クラッチ５０が接続状態の場合、コンプレッサホイール２０をモータ４０とタービンホイール３０により駆動したり、この状態でモータ４０への供給電力を停止してモータ４０を空転させ、コンプレッサホイール２０をタービンホイール３０のみにより駆動できる。したがって、クラッチ制御部２５０によりクラッチ５０の接続と切断とを切り替えることによって、コンプレッサホイール２０の駆動をモータ４０による駆動からタービンホイール３０による駆動に移行できる。即ち、モータによる過給から排気による過給に移行できる。以下、電動過給機１０の動作を具体的に説明する。
【００２７】
エンジン１００の始動時や低回転域では、クラッチ制御部２５０によってクラッチ５０を切断すると共に、モータ４０の駆動によりコンプレッサホイール２０を回転させ、モータ４０による過給を行う。
【００２８】
次に、エンジン１００の回転数が一定以上になり、エンジン１００から排出される排気量が増え、高い排圧が発生する高回転域では、クラッチ制御部２５０によりクラッチ５０を接続すると共に、モータ４０を停止する。これにより、タービンホイール３０の回転力を駆動軸４１を介してコンプレッサホイール２０に伝達して、タービンホイール３０の駆動によりコンプレッサホイール２０を回転させ、排気による過給を行う。つまり、コンプレッサホイール２０の駆動をモータ４０による駆動からタービンホイール３０による駆動に切り替え、モータによる過給から排気による過給に移行する。このとき、クラッチ制御部２５０は、タービンホイール３０とモータ４０との回転数が同期した状態でクラッチ５０の接続を行う。高回転域から低回転域へ移行した場合は、再度モータによる過給に移行する。
【００２９】
（作用効果）
上述した実施形態に係る電動過給機１０は、モータ４０を備えることで、エンジン１００の始動時や低回転域といった十分な排圧が得られない場合であっても、モータ４０でコンプレッサホイール２０を回転させ、過給を行うことができる。このとき、クラッチ５０を切断しておくことで、モータ４０からタービンホイール３０への回転力の伝達が遮断されるため、タービンホイール３０の回転損失を無くすことができる。よって、モータ４０の駆動損失を低減でき、過給効率が向上する。
【００３０】
クラッチ制御部２５０によってクラッチ５０を接続することで、コンプレッサホイール２０の駆動をモータ４０による駆動からタービンホイール３０による駆動に切り替えることができる。その際に、タービンホイール３０とモータ４０との回転数が同期した状態で接続することで、スムーズにクラッチ５０を接続でき、クラッチ５０へのダメージを低減できる。また、タービンホイール３０とモータ４０との回転数を同期させずに接続する場合に比較して、コンプレッサホイール２０の回転数の変動を低減でき、過給性能の低下を抑制できる。
【００３１】
更に、車両の走行中、エンジン１００の回転数が一定以上で、スロットルバルブ１２０が閉じられた場合（例えば車両が減速状態になった場合）は、モータ４０を発電機として機能させ、モータ４０で発電することも可能である。具体的には、クラッチ５０を接続した状態で、モータ４０が発電機として機能するように電気回路を切り替える。これにより、タービンホイール３０の回転力を伝達してモータ４０を回転させ発電することができ、発電した電力でバッテリーを充電できる。
【００３２】
［実施形態２］
図２を参照して、電動過給機を備える内燃機関のシステムの別の一例を説明する。図２に示す実施形態２の内燃機関のシステムは、上述した図１に示す実施形態１の内燃機関のシステムと排気通路の構成が異なっている。以下では、実施形態１との相違点を中心に説明し、実施形態１と同様の構成については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００３３】
図２に示す排気通路１３０は、電動過給機１０におけるタービンホイール３０を迂回する排気バイパス通路１４０を有し、排気バイパス通路１４０には、排気通路１３０から分岐して排気バイパス通路１４０に流れる排気の流量を調整するウェイストゲートバルブ１４１が設けられている。ウェイストゲートバルブ１４１は制御装置２００により制御できるようになっている。
【００３４】
ウェイストゲートバルブ１４１により排気バイパス通路１４０に流れる排気の流量を調整することによって、タービンホイール３０に流入する排気の流量を調整でき、タービンホイール３０の回転数を調節できる。具体的には、ウェイストゲートバルブ１４１を開くことで、タービンホイール３０に流入する排気の流量が減り、タービンホイール３０の回転数を下げることができる。ウェイストゲートバルブ１４１を閉じることで、タービンホイール３０に流入する排気の流量が増え、タービンホイール３０の回転数を上げることができる。つまり、ウェイストゲートバルブ１４１の開度を調整することで、タービンホイール３０の回転数を調節できる。
【００３５】
図２に示すエンジンシステムでは、エンジン１００の始動時や低回転域では、ウェイストゲートバルブ１４１を開いておく。エンジン１００の回転数が一定以上になると、ウェイストゲートバルブ１４１を徐々に閉じる。そして、モータによる過給から排気による過給に移行する際に、タービンホイール３０の回転数がモータ４０の回転数と合うようにウェイストゲートバルブ１４１の開度を調整しながら、クラッチ制御部２５０によってタービンホイール３０とモータ４０との回転数が同期した状態でクラッチ５０を接続する。このシステムでは、ウェイストゲートバルブ１４１によりタービンホイール３０の回転数を調節できることから、モータによる過給から排気による過給に移行する際にタービンホイール３０の回転数を安定させることができる。よって、タービンホイール３０の回転数が安定した状態でクラッチ５０を接続することができるので、よりスムーズにクラッチ５０を接続でき、クラッチ５０へのダメージをより低減することが可能である。また、クラッチ５０を接続した際のコンプレッサホイール２０の回転変動をより低減して、過給性能の低下をより抑制し易い。
【００３６】
［変形例］
図１，図２に示す電動過給機１０では、モータ４０の駆動軸４１の一端にコンプレッサホイール２０が接続されている形態を例に挙げて説明したが、電動過給機１０において、コンプレッサホイール２０とモータ４０との間にもクラッチを介在させてもよい。この場合、車両が減速状態など、モータ４０を発電機として機能させる際に、クラッチ制御部によりコンプレッサホイール２０とモータ４０との間のクラッチを切断する。これにより、タービンホイール３０の回転力がコンプレッサホイール２０に伝達されないので、コンプレッサホイール２０の回転損失を無くすことができる。よって、コンプレッサホイール２０とモータ４０とが接続され一体に回転する場合に比較して、モータ４０による発電効率が向上する。
【００３７】
本発明は、これらの例示に限定されず、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の電動過給機は、自動車のエンジンシステムに好適に利用できる。
【符号の説明】
【００３９】
１０  電動過給機
２０  コンプレッサホイール
３０  タービンホイール    ３１  回転軸    ３２  回転センサ
４０  モータ    ４１  駆動軸
５０  クラッチ
６１  タービン入口温度センサ
６２  タービン入口排圧センサ    ６３タービン出口排圧センサ
１００  エンジン（内燃機関）
１１０  吸気通路
１１１  エアクリーナ    １１２  インタクーラ
１２０  スロットルバルブ    １２１  エアフロ     センサ
１３０  排気通路
１３１  Ａ／Ｆセンサ
１４０  排気バイパス通路    １４１  ウェイストゲートバルブ
２００  制御装置
２５０  クラッチ制御部
【図１】
0006562505.tif 000002
【図２】
0006562505.tif 000003