(57)【要約】【課題】エンジンから回収したエネルギを有効に利用可能とし、加速要求に対する応答性を向上させることができる過給装置および過給方法の提供。【解決手段】過給装置２０は、回生発電機３０と、回生発電機３０によって回収される回生電力を用いて充電可能なバッテリ３１とを含むエンジン１に適用され、エンジン１の排気により回転させられるタービンインペラ２１により圧縮機インペラ２２を回転駆動し、圧縮機インペラ２２によって吸入空気を圧縮するものであり、圧縮機インペラ２２を回転駆動可能なターボ用電動機２４を備える。ターボ用電動機２４は、バッテリ３１が満充電状態にある場合に、回生発電機３０によって回収される回生電力によって駆動される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回生発電機と、この回生発電機によって回収される回生電力を用いて充電可能なバッテリとを含むエンジンに適用され、当該エンジンの排気により回転させられるタービン要素により圧縮機要素を回転駆動し、この圧縮機要素によって吸入空気を圧縮する過給装置であって、
前記圧縮機要素に連結され、当該圧縮機要素を回転駆動可能な電動機と、
前記バッテリが満充電状態にある場合に、前記回生発電機によって回収される回生電力によって前記電動機が駆動されるようにする制御手段とを備えることを特徴とする過給装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記回生発電機によって回収される回生電力が前記バッテリの満充電状態までの余裕電力を超える場合に、前記バッテリの充電状態に拘わらず、前記回生電力によって前記電動機が駆動されるようにすることを特徴とする請求項１に記載の過給装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記エンジンの加減速頻度をモニタしており、前記加減速頻度が所定の頻度を上回っている場合には、前記バッテリの充電状態に拘わらず、前記回生電力によって前記電動機が駆動されるようにすることを特徴とする請求項１または２に記載の過給装置。
【請求項４】
回生発電機と、この回生発電機によって回収される回生電力を用いて充電可能なバッテリとを含むエンジンに適用され、当該エンジンの排気によりタービン要素を回転させて圧縮機要素を回転駆動し、この圧縮機要素によって吸入空気を圧縮するエンジンの過給方法において、
前記圧縮機要素に電動機を連結しておき、前記バッテリが満充電状態にある場合に、前記回生発電機によって回収される回生電力を用いて前記電動機を駆動することを特徴とするエンジンの過給方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過給装置およびエンジンの過給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、エンジンの過給装置として、吸入空気を圧縮する圧縮機インペラを回転駆動可能な電動機を備えた、いわゆるモータアシストターボチャージャーが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この従来の過給装置では、エンジンの低速回転時等に、バッテリに蓄えられた電力を用いて上記電動機が駆動される。これにより、圧縮機インペラによる過給圧が高められるので、エンジントルクを増大化させることができる。更に、この過給装置では、制動時に、過給圧を高める場合とは逆方向に電動機が駆動される。これにより、エンジンの排気マニホールド内における圧力が上昇することになり、ピストンのポンピングロスを高めて、制動力を増加させることが可能となる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１４１２５４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の過給装置は、基本的に加速要求がなされた段階から電動機を作動させるものであり、加速要求に対する応答性には依然として改善の余地が残されている。そして、このように加速要求に対する応答性が満足行くものではない場合、それを補うべく、加速要求がなされた際に過給装置の電動機に大きな電力を供給しなければならなくなる。また、上記従来例のように、制動時に過給装置を逆転作動させるということは、実質的に、エンジンから回収されたエネルギを浪費することに他ならない。従って、従来の過給装置は、エネルギ効率の面においても課題を有していた。
【０００５】
そこで、本発明は、エンジンから回収したエネルギを有効に利用可能とし、加速要求に対する応答性を向上させることができる過給装置およびエンジンの過給方法の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による過給装置は、回生発電機と、この回生発電機によって回収される回生電力を用いて充電可能なバッテリとを含むエンジンに適用され、当該エンジンの排気により回転させられるタービン要素により圧縮機要素を回転駆動し、この圧縮機要素によって吸入空気を圧縮する過給装置であって、圧縮機要素に連結され、当該圧縮機要素を回転駆動可能な電動機と、バッテリが満充電状態にある場合に、回生発電機によって回収される回生電力によって電動機が駆動されるようにする制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この過給装置では、回生発電機によって回収される回生電力を用いて充電され得るバッテリが満充電状態にある場合、回生発電機によって回収される回生電力が、圧縮機要素に連結されている電動機を駆動するために用いられる。これにより、この過給装置では、エンジンの減速時等、回生発電機の作動中であって、バッテリが満充電状態にある場合に、回生発電機によって回収された回生電力を有効に利用して、エンジンの吸入空気の圧力を高めておくことができる。この結果、本発明によれば、エンジンに対する加速要求がなされた際の過給装置の応答性を大幅に向上させることが可能となる。
【０００８】
また、制御手段は、回生発電機によって回収される回生電力がバッテリの満充電状態までの余裕電力を超える場合に、バッテリの充電状態に拘わらず、回生電力によって電動機が駆動されるようにすると好ましい。
【０００９】
このような構成を採用すれば、バッテリの充電に用いることができない余剰の回生電力を有効に利用して、エンジンの吸入空気の圧力を高めておくことが可能となる。
【００１０】
更に、制御手段は、エンジンの加減速頻度をモニタしており、加減速頻度が所定の頻度を上回っている場合には、バッテリの充電状態に拘わらず、回生電力によって電動機が駆動されるようにすると好ましい。
【００１１】
このような構成を採用すれば、エンジンを減速させる場合であって、その後に再加速される可能性が高い場合に、予め電動機を作動させて吸入空気の圧力を高めておくことができるので、過給装置の加速要求に対する応答性を極めて良好に向上させることが可能となる。
【００１２】
本発明によるエンジンの過給方法は、回生発電機と、この回生発電機によって回収される回生電力を用いて充電可能なバッテリとを含むエンジンに適用され、当該エンジンの排気によりタービン要素を回転させて圧縮機要素を回転駆動し、この圧縮機要素によって吸入空気を圧縮するエンジンの過給方法において、圧縮機要素に電動機を連結しておき、バッテリが満充電状態にある場合に、回生発電機によって回収される回生電力を用いて電動機を駆動することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による過給装置およびエンジンの過給方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による過給装置が適用されたエンジンを示す概略構成図である。同図に示されるエンジン１は、車両用の筒内噴射型多気筒エンジン（例えば、４気筒エンジン、ただし、図１には１気筒のみが示される）として構成されており、各燃焼室２内での混合気の燃焼によりピストン３を往復移動させて、クランクシャフトＳから動力を得るものである。なお、ここでは、エンジン１は、いわゆる筒内噴射型（ガソリン）エンジンとして説明されるが、これに限られるものではなく、本発明が吸気管内噴射型エンジンや、ディーゼルエンジン等にも適用され得ることはいうまでもない。
【００１５】
図１に示されるように、エンジン１のピストン３は、いわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面に凹部を有する。また、エンジン１のシリンダヘッドには、各燃焼室２内に臨むように複数のインジェクタ４が配設されている。インジェクタ４は、燃料供給管を介してガソリン等の液体燃料を貯留する燃料タンク（何れも図示省略）に接続されており、ガソリン等の燃料を対応する燃焼室２内に直接噴射する。更に、エンジン１のシリンダヘッドには、複数の点火プラグ５が各燃焼室２内に臨むように配設されている。
【００１６】
このように構成されるエンジン１では、各燃焼室２内に空気を大量に吸入させた状態で、インジェクタ４から各ピストン３の凹部に向けてガソリン等の燃料が直接噴射される。これにより、点火プラグ５の近傍に燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）される。この結果、エンジン１では、極めて希薄な混合気を用いて安定した希薄燃焼運転を実行することが可能となる。
【００１７】
各燃焼室２の吸気ポートは、吸気マニホールド（吸気路）６にそれぞれ接続され、各燃焼室２の排気ポートは、排気マニホールド（排気路）７にそれぞれ接続されている。また、エンジン１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが各気筒ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構８により開閉される。
【００１８】
吸気マニホールド６は、図１に示されるようにサージタンク９に接続されており、サージタンク９は、給気管１０を介してエアクリーナ１１に接続されている。吸入空気中のゴミや塵等は、エアクリーナ１１によって除去される。また、給気管１０の中途には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ１２が設置されている。本実施形態では、スロットルバルブ１２として、アクセルペダルＡＰの操作量（踏込量）を検出するアクセル位置センサ１３、スロットルバルブ１２を開閉するためのスロットルモータ１４およびスロットルバルブ１２の開度を検出するスロットル開度センサ１５を含む、いわゆる電子制御スロットルが採用されている。更に、給気管１０には、サージタンク９とスロットルバルブ１２との間に、給気管１０内の圧力（吸気圧）を検出する圧力センサ１６が配置されている。
【００１９】
一方、排気マニホールド７は、図１に示されるように、例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む触媒装置１７に接続されており、この触媒装置１７において各燃焼室２からの排気ガスが浄化される。また、本実施形態のエンジン１は、排気マニホールド７から吸気系統のサージタンク９に向けて排気ガスを還流させるためのＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕ１ａｔｉｏｎ）流路１８を有する。ＥＧＲ流路１８の中途には、排気ガスの還流量を調節するためのＥＧＲ弁１９が備えられている。
【００２０】
さて、上述のような筒内噴射型のエンジン１は、各燃焼室２に多くの吸入空気を導入して希薄燃焼運転を行うことにより、高出力化と低燃費化との双方を達成すべく、更に、過給装置（ターボチャージャー）２０を備える。過給装置２０は、図１に示されるように、タービンインペラ（タービン要素）２１と、圧縮機インペラ（圧縮機要素）２２とを含む。タービンインペラ２１と圧縮機インペラ２２とは、回転軸２３により互いに連結されて一体化している。
【００２１】
図１に示されるように、タービンインペラ２１は、排気マニホールド７と触媒装置１７との間に組み込まれたケーシングの内部に回転自在に配置されている。また、圧縮機インペラ２２は、給気管１０のエアクリーナ１１とスロットルバルブ１２との間に組み込まれたケーシングの内部に回転自在に配置されている。これにより、各燃焼室２からの排気ガスによって回転させられるタービンインペラ２１によって圧縮機インペラ２２を回転駆動することが可能となり、圧縮機インペラ２２により、エアクリーナ１１を介して吸入れられた空気を圧縮（過給）することが可能となる。
【００２２】
また、本実施形態の過給装置２０は、いわゆるモータアシストターボチャージャーとして構成されており、タービンインペラ２１と圧縮機インペラ２２とを連結する回転軸２３に装備されたターボ用電動機２４を有する。すなわち、過給装置２０は、エンジン１の排気ガスのエネルギのみを用いて吸入空気を圧縮する通常のターボチャージャーとして機能し得るだけではなく、ターボ用電動機２４を作動させて圧縮機インペラ２２を強制的に回転駆動することにより、吸入空気の圧力（過給圧）を更に増大化させ得るものである。ターボ用電動機２４としては、回転軸２３に固定されたロータと、その周囲に配置されたステータとを含む交流モータが採用され、図１に示されるように、ターボ用電動機２４はインバータユニット２５に接続される。なお、ターボ用電動機２４として、電動機および発電機の双方として機能し得る、いわゆるモータ／ジェネレータが採用されてもよい。これにより、排気ガスのエネルギを利用してターボ用電動機２４を発電機として作動させることにより、電気エネルギを回収することが可能となる。
【００２３】
また、過給装置２０は、圧縮機インペラ２２とスロットルバルブ１２との間に位置するように給気管１０に組み込まれたインタークーラ２６を含む。インタークーラ２６は、圧縮機インペラ２２によって圧縮されて昇温した吸入空気を冷却することにより、充填効率を向上させるものである。インタークーラ２６として、空冷式または液冷式の熱交換器が採用される。更に、給気管１０には、過給装置２０（圧縮機インペラ２２）の上流側と下流側とをバイパスするバイパス路２７が設けられている。このバイパス路２７は、その中途に設けられたエアバイパス弁２８によって開閉される。エアバイパス弁２８としては、電気的に開閉制御し得るバルブが用いられるとよく、圧縮機インペラ２２の下流側の圧力が上流側の圧力よりも所定値だけ高まった際に開弁する機械式一方向弁が用いられてもよい。
【００２４】
なお、本実施形態の過給装置２０は、いわゆる可変ノズルターボとして構成されており、タービンインペラ２１の外方に配設された複数の可動ベーンを有する。すなわち、これら可動ベーンの位置を変化させてタービンインペラ２１に流れ込む排気の流量を制御することにより、過給圧を自在に調整することが可能となる。また、過給装置２０は、タービン容量を可変制御する機構（Ａ／Ｒ可変機構）等を含むものであってもよい。更に、図示は省略されているが、排気マニホールド７に対しては、過給装置２０をバイパスする流路が設けられており、この流路の中途には、ウェイストゲートバルブが設置されている。ウェイストゲートバルブは、過給圧が所定圧力以上になると開弁し、タービンインペラ２１への排気流量を減じて過給圧を調整するものである。
【００２５】
また、上述の過給装置２０に加えて、エンジン１は、図１に示されるように、クランクシャフトＳに連結された回生発電機３０を有している。回生発電機３０は、図示されない油圧ブレーキユニットと協調作動する回生ブレーキユニットとして機能し得るものであり、インバータユニット２５を介して、各種補機の電源として用いられるバッテリ３１と接続されている。すなわち、回生発電機３０は、アクセルペダルＡＰが戻されるか、あるいは、エンジン１（車両）を減速または停止させるべき旨の指令が発せられると、エンジン１の運動エネルギを電気エネルギに変換・回収することにより、エンジン１に制動力を作用させる。そして、回生発電機３０によって回生された回生電力は、インバータユニット２５によって電圧変換され、バッテリ３１の充電に利用される。
【００２６】
なお、回生発電機３０（回生ブレーキ）による制動力と油圧ブレーキユニットによる制動力とは、エネルギ回収が最も効率的になされるように適宜組み合わされる。また、回生発電機３０として、電動機および発電機の双方として機能し得る、いわゆるモータ／ジェネレータを採用し、上述のエンジン１および過給装置２０を含む車両を、いわゆるハイブリッド車両として構成してもよい。
【００２７】
更に、上述のエンジン１は、制御手段として機能するＥＣＵ４０を含む。ＥＣＵ４０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および、記憶装置等を含むものである。そして、ＥＣＵ４０の入出力ポートには、上述のインジェクタ４、点火プラグ５、動弁機構８、アクセル位置センサ１３、スロットル開度センサ１５、スロットルモータ１４、圧力センサ１６、ＥＧＲ弁１９、インバータユニット２５、エアバイパス弁２８、クランク角センサ２９等が接続されている。ＥＣＵ４０は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に、各種センサの検出値等に基づいて、インジェクタ４、点火プラグ５、動弁機構８、スロットルバルブ１２等を制御する。そして、ＥＣＵ４０は、エンジン１の制動時に、過給装置２０（ターボ用電動機２４）の制御手段としても機能する。
【００２８】
次に、図２を参照しながら、上述のエンジン１の制動時における過給装置２０の動作、具体的には、エンジン１の制動時におけるターボ用電動機２４の制御手順について説明する。図２に示されるように、エンジン１の作動中（車両の走行中）、ＥＣＵ４０は、ユーザによるアクセルペダルＡＰの操作状態等を常時モニタしており、回生発電機３０がエンジン１を制動するように作動しているか否かを判定している（Ｓ１０）。ＥＣＵ４０は、Ｓ１０にて回生発電機３０が回生作動していないと判断した場合は、Ｓ１２にて、ターボ用電動機２４を停止させ（それまで電動機２４が停止させられていた場合は、停止させたままにしておき）、もとの待機状態に戻る。
【００２９】
これに対して、ＥＣＵ４０は、Ｓ１０にて回生発電機３０が回生作動しており、インバータ２５を介してバッテリ３１が充電されていると判断した場合、更に、図示されないバッテリ３１用の電流計や電圧計等からの信号に基づいて、バッテリ３１が満充電状態にあるか否かを判定する（Ｓ１４）。ＥＣＵ４０は、Ｓ１４にてバッテリ３１が満充電状態にあると判断した場合、更に、過給装置２０に設けられている回転数センサ（図示省略）の検出値に基づいて、回転軸２３（タービンインペラ２１および圧縮機インペラ２２）の回転数が予め定められた許容値以下であるか否かを判定する（Ｓ１６）。そして、ＥＣＵ４０は、Ｓ１６にて回転軸２３の回転数が許容値以下であると判断した場合、回生発電機３０によって回収された回生電力を利用して過給装置２０のターボ用電動機２４を駆動するようにインバータユニット２５に指令信号を与える（Ｓ１８）。
【００３０】
このように、過給装置２０では、回生発電機３０によって回収される回生電力を用いて充電され得るバッテリ３１が満充電状態にある場合、基本的に、回生発電機３０によって回収される回生電力が圧縮機インペラ２２に連結されているターボ用電動機２４を駆動するために用いられる。これにより、過給装置２０によれば、エンジン１を減速させるように回生発電機３０が回生作動している場合であって、かつ、バッテリ３１が満充電状態にある場合、回生発電機３０によって回収された回生電力を有効に利用して、エンジン１の吸入空気の圧力を高めておくことができる。
【００３１】
この結果、本発明によれば、エンジン１の減速後に加速要求がなされた際の過給装置２０の応答性を大幅に向上させることが可能となる。また、減速回生時からターボ用電動機２４を作動させて圧縮機インペラ２２（およびタービンインペラ２１）を回転駆動しておくことにより、ターボ用電動機２４を駆動するために要する電力自体を、加速要求がなされた時点から急速にターボ用電動機２４を作動させる場合よりも低減させることができる。なお、Ｓ１６にて、過給装置２０の回転軸２３の回転数が許容値を上回っていると判断された場合、ＥＣＵ４０の処理は、Ｓ１２に進み、回生電力を利用したターボ用電動機２４の駆動は実行されない。
【００３２】
一方、Ｓ１４にて、バッテリが満充電状態にはないと判断された場合、ＥＣＵ４０は、インバータユニット２５からの状態信号等に基づいて、回生発電機３０によって回収された回生電力がバッテリ３１の満充電までの余裕電力を超えているか否か、すなわち、回生発電機３０によって回収された回生電力がバッテリ３１の規定充電電力（バッテリ充電制限）を上回っているか否かを判定する（Ｓ２０）。ＥＣＵ４０は、Ｓ２０にて回生電力がバッテリ３１の規定充電電力を上回っていると判断した場合、Ｓ１６にて、過給装置２０の回転軸２３の回転数が予め定められた許容値以下であるか否かを判定する。
【００３３】
そして、ＥＣＵ４０は、Ｓ１６にて回転軸２３の回転数が許容値以下であると判断した場合、回生発電機３０によって回収された回生電力を利用して過給装置２０のターボ用電動機２４を駆動するようにインバータユニット２５に指令信号を与える（Ｓ１８）。この結果、バッテリ３１の規定充電電力を上回っていることにより、バッテリ３１の充電に用いることができない余剰の回生電力を有効に利用して、エンジン１の吸入空気の圧力を高めておくことが可能となる。なお、バッテリ３１が満充電状態にはなく、回生電力がバッテリ３１の規定充電電力を上回っており、かつ、Ｓ１６にて、過給装置２０の回転軸２３の回転数が許容値を上回っていると判断された場合、ＥＣＵ４０の処理は、Ｓ１２に進み、回生電力を利用したターボ用電動機２４の駆動は実行されない。
【００３４】
ここで、ＥＣＵ４０は、エンジン１の作動中に、加速時におけるスロットルバルブ１２の開度に関する情報等を記憶してデータベース化することにより、エンジン１における急減速および急加速の頻度をモニタしている。そして、ＥＣＵ４０は、Ｓ２０にて、回生電力がバッテリ３１の規定充電電力を上回っていないと判断した場合、エンジン１における加減速頻度が所定の頻度を上回っているか否か、すなわち、エンジン１において急加速または急減速の要求がなされる頻度が予め定められた頻度を超えているか否かを判定する（Ｓ２２）。
【００３５】
ＥＣＵ４０は、Ｓ２２にて、エンジン１において急加減速の要求がなされる頻度が予め定められた頻度を上回っている、すなわち、急加減速の頻度が高いと判断した場合、Ｓ１６にて過給装置２０の回転軸２３の回転数が予め定められた許容値以下であるか否かを判定し、回転軸２３の回転数が許容値以下であると判断した場合、回生発電機３０によって回収された回生電力を利用して過給装置２０のターボ用電動機２４を駆動するようにインバータユニット２５に指令信号を与える（Ｓ１８）。
【００３６】
これにより、エンジン１では、急加減速頻度が高い場合には、バッテリ３１の充電状態に拘わらず、回生電力によってターボ用電動機２４が駆動されることになる。この結果、エンジン１を減速させる場合であって、その後に再加速される可能性が高い場合に、予めターボ用電動機２４を作動させて吸入空気の圧力を高めておくことができるので、加速要求に対する過給装置２０の応答性を極めて良好に向上させることが可能となる。
【００３７】
Ｓ２２にて、エンジン１において急加減速の要求がなされる頻度が予め定められた頻度を上回っていない、すなわち、急加減速の頻度が低いと判断された場合、ＥＣＵ４０の処理は、Ｓ１２に進み、回生電力を利用したターボ用電動機２４の駆動は実行されない。また、Ｓ２２にて、急加減速の頻度が高いと判断されても、Ｓ１６にて、過給装置２０の回転軸２３の回転数が許容値を上回っていると判断された場合、ＥＣＵ４０の処理は、Ｓ１２に進み、回生電力を利用したターボ用電動機２４の駆動は実行されない。
【００３８】
なお、回生発電機３０は、上述のターボ用電動機２４の駆動およびバッテリ３１の充電により消費され得るエネルギを回生し、不足する制動力は、油圧ブレーキユニットにより発生されることはいうまでもない。また、ターボ用電動機２４が作動している状態で、緩加速要求がなされた場合、ＥＣＵ４０は、予め作成されているマップ等に従って、過剰なトルクを発生させないようにスロットルバルブ１２を制御して吸入空気量を絞る。更に、ターボ用電動機２４が作動している状態で、急加速要求がなされた場合、ＥＣＵ４０は、予め作成されているマップ等に従うと共に、過給圧と要求トルクとに応じてスロットルバルブ１２を制御する。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明によれば、エンジンから回収したエネルギを有効に利用して、加速要求に対する応答性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による過給装置を適用したエンジンを示す概略構成図である。
【図２】図１のエンジンの制動時における本発明による過給装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１  エンジン
２０  過給装置
２１  タービンインペラ
２２  圧縮機インペラ
２３  回転軸
２４  ターボ用電動機
２５  インバータユニット
３０  回生発電機
３１  バッテリ
【図１】
2004270602.tif 000003
【図２】
2004270602.tif 000004