(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たコンプレッサ、前記内燃機関の排気通路に設けられたタービン、前記タービンと前記コンプレッサとを連結する回転軸、及び前記回転軸の軸出力の一部を電気エネルギーに変換する発電機を備える過給機と、
前記排気通路に対し前記タービンの入口側と出口側とで接続された排気バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブと、を備える内燃機関の過給システムであって、
前記ウェイストゲートバルブ及び前記発電機を用いてタービン回転数を制御するタービン回転数制御手段と、
前記吸気通路に対し前記コンプレッサの入口側と出口側とで接続された吸気バイパス通路を開閉する吸気バイパス弁と、
前記内燃機関の吸気バルブの閉弁タイミングを可変設定する閉弁タイミング可変装置と、
前記吸気バイパス弁及び前記閉弁タイミング可変装置を用いて前記内燃機関の発生トルクを制御するトルク制御手段と、
前記内燃機関の運転状態が前記発電機の回生運転を行う回生運転領域内であるか否かを判定する回生判定手段と、を備え、
前記タービン回転数制御手段は、前記運転状態が前記回生運転領域内である場合には、前記ウェイストゲートバルブの開度を閉じ側へ制御するとともに、前記発電機による発電量を調整することによって前記タービン回転数をタービン効率が最適化されるように定められた目標範囲内に制御し、
前記トルク制御手段は、前記タービン回転数が前記目標範囲内に制御されかつ前記運転状態が前記コンプレッサの過給運転を行う過給運転領域内である場合には、前記吸気バイパス弁の開度と前記吸気バルブの閉弁タイミングとを協調制御することによって前記発生トルクを要求トルクに制御することを特徴とする内燃機関の過給システム。
【請求項２】
前記トルク制御手段は、前記タービン回転数が前記目標範囲内に制御されかつ前記運転状態が前記過給運転領域外である場合には、前記吸気バイパス弁の開度を全開にしながら前記吸気バルブの閉弁タイミングを調整することによって前記発生トルクを前記要求トルクに制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の過給システム。
【請求項３】
前記吸気通路のうち前記吸気バイパス通路によって迂回される区間内に設けられたシャットオフバルブをさらに備え、
前記吸気通路のうち前記コンプレッサを通過する通路であって前記吸気バイパス通路とは別のコンプレッサ通路を開閉するシャットオフバルブをさらに備え、
前記トルク制御手段は、前記タービン回転数が前記目標範囲内に制御されかつ前記運転状態が前記過給運転領域外である場合には、前記シャットオフバルブの開度を全閉にしかつ前記吸気バイパス弁の開度を全開にすることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の過給システム。
【請求項４】
前記タービン回転数制御手段は、前記運転状態が前記回生運転領域内である場合には、前記ウェイストゲートバルブを全閉にすることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の過給システム。
【請求項５】
前記吸気通路のうち前記吸気バイパス通路によって迂回される区間より下流側に設けられた吸気スロットル弁をさらに備え、
前記トルク制御手段は、前記吸気バイパス弁の開度と前記吸気バルブの閉弁タイミングと前記吸気スロットル弁の開度とを協調制御することによって前記発生トルクを前記要求トルクに制御することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の過給システム。
【請求項６】
前記タービン回転数制御手段は、前記タービンの翼の周速Ｕと、前記タービンの入口エンタルピーＨ１及び断熱膨張した場合の前記タービンの出口エンタルピーＨ２を用いて下記式（１）を用いて導出される前記タービンの入口と出口の理論断熱噴出速度Ｃ０との速度比Ｕ／Ｃ０を用いることによって前記目標範囲を設定することを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の内燃機関の過給システム。
【数１】
0006378251.tif 000004
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の過給システムに関する。より詳しくは、内燃機関の排気のエネルギーを用いて吸気を圧縮する過給機と、過給機の回転軸の軸出力の一部を電気エネルギーに変換する発電機とを備える内燃機関の過給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサと排気通路に設けられたタービンとを回転軸で連結した過給機において、タービンに内燃機関の排気を作用させることによって得られる回転軸の軸出力の一部を、発電機を用いて電気エネルギーに変換する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また特許文献２には、タービン効率が高いとされる特定の回転数領域内において発電機による回生発電を実行する発明が示されている。特許文献２に示された発明では、回生発電を実行する際には、過給圧が目標過給圧に維持されるように可変ベーンやウェイストゲートバルブを用いてタービンに供給する排気エネルギーを増大させており、これにより加速性能の低下を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１６２６４８号公報
【特許文献２】特開２００７−２６２９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献２の発明は、車両の加速時に回生発電を実行することによって過給圧が目標過給圧より低くなり、加速性能が低下する場合を想定したものである。しかしながら、回生発電を実行すべくタービンに排気を作用させると、コンプレッサによって吸気が過剰に過給されてしまい、運転者の要求に対し余分なトルクが発生する場合も考えられるが、従来ではこのような場合については十分に検討されていない。
【０００５】
また特許文献２の発明では、回生発電中の過給圧を制御する手段として可変ベーンやウェイストゲートバルブが挙げられている。このため、回生発電の実行時に余剰トルクが発生するような場合には、これら排気系に設けられた装置を用いて過給圧を低下させることが考えられるが、そうするとタービンに供給する排気エネルギーが低下し、回生発電によって得られる電気エネルギーも低下し、結果として過給機、発電機、及び内燃機関を合わせたシステム全体での効率が低下するおそれもある。
【０００６】
本発明は、内燃機関で発生するトルクを運転者の要求に応じたものにしつつ、内燃機関と過給機と発電機とを組み合わせたシステム全体の効率を向上できる内燃機関の過給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の過給システム（例えば、後述の過給システムＳ，Ｓａ）は、内燃機関の吸気通路（例えば、後述の主吸気管２２）に設けられたコンプレッサ（例えば、後述のコンプレッサ５１）、前記内燃機関の排気通路（例えば、後述の主排気管２７）に設けられたタービン（例えば、後述のタービン５２）、前記タービンと前記コンプレッサとを連結する回転軸（例えば、後述の回転軸５３）、及び前記回転軸の軸出力の一部を電気エネルギーに変換する発電機（例えば、後述のモータジェネレータ５４）を備える過給機（例えば、後述の過給機５）と、前記排気通路に対し前記タービンの入口側と出口側とで接続された排気バイパス通路（例えば、後述の排気バイパス管２８）を開閉するウェイストゲートバルブ（例えば、後述のウェイストゲートバルブ２９）と、前記ウェイストゲートバルブ及び前記発電機を用いてタービン回転数を制御するタービン回転数制御手段（例えば、後述のＰＤＵ５５及びＥＣＵ７、並びに後述のタービン回転数制御の実行に係る手段）と、前記吸気通路に対し前記コンプレッサの入口側と出口側とで接続された吸気バイパス通路（例えば、後述の吸気バイパス管２３）を開閉する吸気バイパス弁（例えば、後述の吸気バイパス弁２４）と、前記内燃機関の吸気バルブ（例えば、後述の吸気バルブ１３）の閉弁タイミング（例えば、後述のＩＶＣ角度）を可変設定する閉弁タイミング可変装置（例えば、後述のＩＮ側ＶＴＣ１５）と、前記吸気バイパス弁及び前記閉弁タイミング可変装置を用いて前記内燃機関の発生トルクを制御するトルク制御手段（例えば、後述のＥＣＵ７及び後述のトルク制御の実行に係る手段）と、前記内燃機関の運転状態が前記発電機の回生運転を行う回生運転領域内であるか否かを判定する回生判定手段（例えば、後述のＥＣＵ７及び図２のＳ２及びＳ３の処理の実行に係る手段）と、を備え、前記タービン回転数制御手段は、前記運転状態が前記回生運転領域内である場合には、前記ウェイストゲートバルブの開度を閉じ側へ制御するとともに、前記発電機による発電量を調整することによって前記タービン回転数をタービン効率が最適化されるように定められた目標範囲内に制御し、前記トルク制御手段は、前記タービン回転数が前記目標範囲内に制御されかつ前記運転状態が前記コンプレッサの過給運転を行う過給運転領域内である場合には、前記吸気バイパス弁の開度と前記吸気バルブの閉弁タイミングとを協調制御することによって前記発生トルクを要求トルクに制御する。
【０００８】
（２）この場合、前記トルク制御手段は、前記タービン回転数が前記目標範囲内に制御されかつ前記運転状態が前記過給運転領域外である場合には、前記吸気バイパス弁の開度を全開にしながら前記吸気バルブの閉弁タイミングを調整することによって前記発生トルクを前記要求トルクに制御することが好ましい。
【０００９】
（３）この場合、前記内燃機関の過給システムは、前記吸気通路のうち前記吸気バイパス通路によって迂回される区間（後述の接続部ａから接続部ｂまでの区間）内に設けられたシャットオフバルブ（例えば、後述のシャットオフバルブ３０）をさらに備え、前記トルク制御手段は、前記タービン回転数が前記目標範囲内に制御されかつ前記運転状態が前記過給運転領域外である場合には、前記シャットオフバルブの開度を全閉にしかつ前記吸気バイパス弁の開度を全開にすることが好ましい。
【００１０】
（４）この場合、前記タービン回転数制御手段は、前記運転状態が前記回生運転領域内である場合には、前記ウェイストゲートバルブを全閉にすることが好ましい。
【００１１】
（５）この場合、前記内燃機関の過給システムは、前記吸気通路のうち前記吸気バイパス通路によって迂回される区間（後述の接続部ａから接続部ｂまでの区間）より下流側に設けられた吸気スロットル弁（例えば、後述の吸気スロットル弁２５）をさらに備え、前記トルク制御手段は、前記吸気バイパス弁の開度と前記吸気バルブの閉弁タイミングと前記吸気スロットル弁の開度とを協調制御することによって前記発生トルクを前記要求トルクに制御することが好ましい。
【００１２】
（６）この場合、前記タービン回転数制御手段は、前記タービンの翼の周速Ｕと、前記タービンの入口エンタルピーＨ１及び断熱膨張した場合の前記タービンの出口エンタルピーＨ２を用いて下記式（１）を用いて導出される前記タービンの入口と出口の理論断熱噴出速度Ｃ０との速度比Ｕ／Ｃ０を用いることによって前記目標範囲を設定することが好ましい。
【数１】
0006378251.tif 000002
【発明の効果】
【００１３】
（１）本発明では、内燃機関の運転状態が回生運転領域内である場合には、ウェイストゲートバルブの開度を閉じ側へ制御し、排気エネルギーのタービンへの供給量を増加させつつ、発電機による発電量を調整することによりタービン回転数をタービン効率が最適化されるように定められた所定の目標範囲内に制御する。このようにタービン効率を最適化することを目指してタービン回転数を制御すると、コンプレッサの仕事量が要求トルクに応じた量よりも増えてしまい、結果として内燃機関の燃焼室には要求トルクを過不足なく実現するために必要とされる量よりも多くの空気が流入するおそれがある。もっとも、このような余剰空気の流入は、例えば吸気バルブの閉弁タイミングを遅らせることによって防ぐことができる。しかしながら単に吸気バルブの閉弁タイミングを調整するだけではコンプレッサの仕事量を減らすことはできないため、コンプレッサの入口圧力に対して出口圧力が上昇しサージングが発生する、という新たな課題が生じるおそれがある。サージングが発生すると、タービン効率が最適化されるように定めた目標範囲内にタービン回転数を維持できなくなったり、騒音や振動が発生したりするおそれがある。そこで本発明では、上記のようにタービン回転数が目標範囲内に制御されておりかつ運転状態がコンプレッサを用いた過給運転を行う過給運転領域内である場合には、吸気バイパス弁の開度と吸気バルブの閉弁タイミングとを協調制御することによって発生トルクを要求トルクに制御する。吸気バイパス弁を開くと、吸気バイパス通路を介してコンプレッサの出口側から入口側へ空気が流れ、コンプレッサの入口圧力と出口圧力の差を小さくすることができるので、上述のように吸気バルブの閉弁タイミングを調整することで要求トルクを実現しながらサージングの発生も防止できる。よって本発明では、タービン効率を最適化するタービン回転数制御と、吸気バイパス弁の開度及び吸気バルブの閉弁タイミングの協調制御とを組み合わせて実行することにより、内燃機関の発生トルクを運転者の要求に応じた要求トルクに制御しながら、過給機のサージングの発生を防止し、タービン回転数をタービン効率が最適化されるように定められた目標範囲内に維持できるので、内燃機関と過給機と発電機とを組み合わせたシステム全体の効率を向上することができる。
【００１４】
（２）本発明では、運転状態が回生運転領域内であることによってタービン回転数制御手段によってタービン回転数が目標範囲内に制御されている場合でありかつ運転状態が過給運転領域外である場合には、吸気バイパス弁の開度を全開にすることによってコンプレッサの出口圧力、ひいては過給圧の上昇を極力抑制しつつ、吸気バルブの閉弁タイミングを調整することによって発生トルクを要求トルクに制御する。これにより、コンプレッサによる過給が不要となる過給運転領域外であっても、タービン回転数をタービン効率が最適化される目標範囲内に制御し、発電機を用いて効率的な発電を行いつつ、要求トルクを過不足なく実現できる。
【００１５】
（３）本発明では、タービン回転数制御手段によってタービン回転数が目標範囲内に制御されている場合でありかつ運転状態が過給運転領域外である場合には、シャットオフバルブの開度を全閉にしかつ吸気バイパス弁の開度を全開にする。タービンを回転させながらシャットオフバルブの開度を全閉にしかつ吸気バイパス弁の開度を全開にすると、吸気は吸気バイパス通路を流れ、コンプレッサは空転する。したがって本発明によれば、コンプレッサによる過給が不要となる過給運転領域外であっても、発電機を用いて効率的な発電を行いつつ、要求トルクを過不足なく実現できる。
【００１６】
（４）本発明では、運転状態が回生運転領域内である場合には、ウェイストゲートバルブを全閉にする。これにより、排気エネルギーのタービンへの供給量を最大限増加させることができるので、その分、発電機で回収できる電気エネルギーも増加させることができる。
【００１７】
（５）本発明によれば、吸気バイパス弁の開度と吸気バルブの閉弁タイミングと吸気スロットル弁の開度とを協調制御することで発生トルクを要求トルクに制御する。これにより、上記のようにサージングの発生を防止しながら要求トルクを過不足なく実現できることに加えて、ポンピングロスも抑制できるので、内燃機関と過給機と発電機とを組み合わせたシステム全体の効率をさらに向上できる。
【００１８】
（６）タービン効率は、タービンの翼の周速とタービンの入口と出口の理論断熱噴出速度との速度比に対し上に凸の特性がある。本発明では、このようにタービン効率と相関のある速度比を用いることにより、タービン回転数の目標範囲をタービン効率が高くなる適切な範囲に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る過給システムの構成を示す図である。
【図２】ＥＣＵによるタービン回転数制御の具体的な手順を示すフローチャートである。
【図３】タービン効率と速度比との相関関係を示す図である。
【図４】ＥＣＵによるトルク制御の具体的な手順を示すフローチャートである。
【図５】エンジンの運転状態とトルク制御及びタービン回転数制御に係る各種装置の操作量の目標との関係の一例を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る過給システムの構成を示す図である。
【図７】ＥＣＵによるトルク制御の具体的な手順を示すフローチャートである。
【図８】エンジンの運転状態とトルク制御及びタービン回転数制御に係る各種装置の操作量の目標との関係の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関の過給システムＳの構成を示す図である。過給システムＳは、動力発生源である内燃機関（以下、単に「エンジン」という）１と、エンジン１の排気のエネルギーを利用してエンジン１の吸気を過給したり発電したりする過給機５と、エンジン１の排気を浄化する排気浄化触媒６と、これらを制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」との略称を用いる）７と、を備え、図示しない車両に搭載される。
【００２１】
エンジン１は、例えば、２以上の複数の気筒１１を備え、ガソリンを燃料とした多気筒のガソリンエンジンである。図１には、複数の気筒１１のうち１つのみを図示する。エンジン１には、クランクシャフト１２とタイミングベルトを介して連結され、クランクシャフト１２と連動して回転する吸気カムシャフト１７及び排気カムシャフト１８が設けられている。より具体的には、クランクシャフトが２回転すると、吸気及び排気カムシャフト１８は１回転するようになっている。吸気カムシャフト１７には、気筒１１毎に設けられた吸気バルブ１３を開閉駆動する吸気カムが設けられ、排気カムシャフト１８には、気筒１１毎に設けられた排気バルブ１４を開閉駆動する排気カムが設けられている。これにより吸気及び排気カムシャフト１８が回転すると、吸気バルブ１３及び排気バルブ１４は、これらカムシャフトに設けられたカムのプロファイルに応じた態様で進退（開閉）する。
【００２２】
吸気カムシャフト１７の一端部には、クランクシャフト１２に対する吸気カムのカム位相を変更する吸気側のカム位相可変機構（以下、「ＩＮ側ＶＴＣ」という）１５が設けられている。また排気カムシャフト１８の一端部には、クランクシャフト１２に対する排気カムのカム位相を変更するする排気側カム位相可変機構（以下、「ＥＸ側ＶＴＣ」という）１６が設けられている。
【００２３】
ＩＮ側ＶＴＣ１５は、ＥＣＵ７からの制御信号に応じて吸気カムシャフト１７のカム位相を無段階に進角又は遅角させることにより、吸気バルブ１３の開弁タイミングや閉弁タイミングを可変設定する。ＥＸ側ＶＴＣ１６は、ＥＣＵ７からの制御信号に応じて排気カムシャフト１８のカム位相を無段階に進角又は遅角させることにより、排気バルブ１４の開弁タイミングや閉弁タイミングを可変設定する。
【００２４】
過給機５は、エンジン１の吸気が流れる吸気管２１において回転可能に設けられたコンプレッサ５１と、エンジン１の排気が流れる排気管２６において回転可能に設けられたタービン５２と、これらコンプレッサ５１及びタービン５２を連結する回転軸５３と、この回転軸５３をロータとして電気エネルギーを用いて回転駆動する電動機としての機能及び回転軸５３の軸出力を電気エネルギーに変換する発電機としての機能の両方を備えたモータジェネレータ５４と、このモータジェネレータ５４と図示しない車載バッテリとの間での電力の授受を行うパワードライブユニット（以下、「ＰＤＵ」との略称を用いる）５５と、を備える。
【００２５】
タービン５２は、エンジン１から排出される排気が作用すると、排気エネルギー、すなわち排気の熱エネルギーや運動エネルギー等を用いて回転する。コンプレッサ５１は、タービン５２と回転軸５３を介して接続されており、上記のようにタービン５２に排気を作用させることによってタービン５２が回転した場合や、モータジェネレータ５４を用いて回転軸５３を直接回転駆動した場合に回転し、吸気管２１内を流れる吸気を加圧する。
【００２６】
ＰＤＵ５５は、インバータやＤＣ−ＤＣコンバータ等によって構成され、ＥＣＵ７からの指令信号に応じてモータジェネレータ５４と図示しないバッテリとの間の電力の授受を制御する。モータジェネレータ５４を力行運転する場合、ＰＤＵ５５は、バッテリに蓄えられた電力を持ち出してモータジェネレータ５４に供給し、回転軸５３及びこれに連結されたコンプレッサ５１及びタービン５２を強制的に回転させる。またモータジェネレータ５４を回生運転する場合、ＰＤＵ５５は、タービン５２に排気が作用し回転軸５３が回転することによってモータジェネレータ５４で発生した誘導起電力をバッテリに供給する。この回生運転時において、モータジェネレータ５４による発電量を大きくすると、回転軸の軸出力からモータジェネレータによって取り出される電気エネルギーが増加し、回転軸に作用する制動力が増加するため、コンプレッサ５１、タービン５２、及び回転軸５３の回転速度に相当するタービン回転数が減少する。また回生運転時におけるモータジェネレータ５４による発電量を小さくすると、回転軸に作用する制動力が減少するため、タービン回転数は増加する。
【００２７】
吸気管２１は、過給システムＳの外部からエンジン１の吸気ポートに至る配管であって過給機５のコンプレッサ５１が設けられる主吸気管２２と、この主吸気管２２に対しコンプレッサ５１の入口側の接続部ａと出口側の接続部ｂとで接続されコンプレッサ５１を迂回する吸気バイパス管２３と、に分けられる。
【００２８】
吸気バイパス管２３には、この吸気バイパス管２３を開閉する吸気バイパス弁２４が設けられる。コンプレッサ５１が回転している間にこの吸気バイパス弁２４を開弁すると、コンプレッサ５１によって圧縮された吸気の一部が吸気バイパス管２３を介してコンプレッサ５１の出口側から入口側へ還流し、これによりコンプレッサ５１の出口圧力が低下し、ひいては過給圧も低下する。また主吸気管２２のうち、吸気バイパス管２３によって迂回される区間（図１中、接続部ａから接続部ｂまでの区間）より下流側には、主吸気管２２を開閉する吸気スロットル弁２５が設けられている。
【００２９】
これら吸気バイパス弁２４及び吸気スロットル弁２５は、それぞれ図示しない駆動回路を介してＥＣＵ７と接続されている。これら吸気バイパス弁２４及び吸気スロットル弁２５は、ＥＣＵ７において実行されるトルク制御（後述の図４参照）によって適切な開度に制御される。
【００３０】
排気管２６は、エンジン１の排気ポートから過給システムＳの外部に至る配管であって過給機５のタービン５２が設けられる主排気管２７と、この主排気管２７に対しタービン５２の入口側の接続部ｃと出口側の接続部ｄとで接続されタービン５２を迂回する排気バイパス管２８と、に分けられる。
【００３１】
排気バイパス管２８には、この排気バイパス管２８を開閉するウェイストゲートバルブ２９が設けられる。ウェイストゲートバルブ２９を閉弁すると、タービン５２に排気が作用し、この排気エネルギーによってタービン５２が回転する。このウェイストゲートバルブ２９は、図示しない駆動回路を介してＥＣＵ７に接続されている。ウェイストゲートバルブ２９は、ＥＣＵ７において実行されるタービン回転数制御（後述の図２参照）によって適切な開度に制御される。
【００３２】
ＥＣＵ７は、各種センサの検出信号をＡ／Ｄ変換するＩ／Ｏインターフェース、各種データを記憶するＲＡＭやＲＯＭ等の記憶装置、及び後述のトルク制御やタービン回転数制御等の各種演算処理を実行するＣＰＵ等で構成される。
【００３３】
ＥＣＵ７には、エンジン１の運転状態を検出するための複数のセンサ６１〜６８が接続されている。クランク角センサ６１は、クランクシャフト１２に固定された図示しないパルサの回転に応じて、所定のクランク角毎にパルス信号をＥＣＵ７へ送信する。ＥＣＵ７では、このクランク角センサ６１からのパルス信号に基づいて実際のエンジン回転数が把握される。アクセルペダルセンサ６２は、運転者が操作するアクセルペダルの踏み込み量を検出し、これに応じた検出信号をＥＣＵ７へ送信する。エンジン１の発生トルクに対する運転者からの要求に相当するエンジン１の要求トルクは、このアクセルペダルセンサ６２の検出信号やエンジン回転数等に基づいて、ＥＣＵ７における図示しない処理によって算出される。
【００３４】
タービン回転数センサ６３は、過給機５のタービン回転数を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ７へ送信する。過給圧センサ６４は、主吸気管２２のうち、吸気バイパス管２３と主吸気管２２とのコンプレッサ５１より下流側の接続部と吸気スロットル弁２５との間の圧力に相当する過給圧を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ７へ送信する。
【００３５】
タービン入口圧力センサ６５は、主排気管２７のうち排気バイパス管２８によって迂回される区間内（図１中、接続部ｃから接続部ｄまでの区間）のうち、タービン５２より上流側の部分における圧力に相当するタービン入口圧力を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ７へ送信する。タービン入口温度センサ６６は、主排気管２７のうち排気バイパス管２８によって迂回される区間内のうち、タービン５２より上流側の部分における排気の温度に相当するタービン入口温度を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ７へ送信する。
【００３６】
タービン出口圧力センサ６７は、主排気管２７のうち排気バイパス管２８によって迂回される区間内のうち、タービン５２より下流側の部分における圧力に相当するタービン出口圧力を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ７へ送信する。タービン出口温度センサ６８は、主排気管２７のうち排気バイパス管２８によって迂回される区間内のうち、タービン５２より下流側の部分における排気の温度に相当するタービン出口温度を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ７へ送信する。
【００３７】
次に、ウェイストゲートバルブやモータジェネレータ等を用いることによって過給機のタービン回転数を制御するタービン回転数制御の手順について説明する。
図２は、ＥＣＵによるタービン回転数制御の具体的な手順を示すフローチャートである。図２のタービン回転数制御は、エンジンが始動している間、所定の周期でＥＣＵにおいて繰り返し実行される。
【００３８】
始めにＳ１では、ＥＣＵは、エンジンの運転状態を特定するパラメータの一例である要求トルクを取得し、Ｓ２に移る。上述のように要求トルクは、アクセルペダルセンサの検出信号やエンジン回転数等を用いることによって算出される。
【００３９】
Ｓ２及びＳ３では、ＥＣＵは、Ｓ１で取得した要求トルクを用いることによって、エンジンの運転状態が、モータジェネレータの回生運転を行うのに適した運転領域である回生運転領域内であるか否かを判定する。より具体的には、Ｓ２では、ＥＣＵは、Ｓ１で取得した要求トルクの値が所定の回生運転下限値以上であるか否かを判定する。要求トルクの値が回生運転下限値より小さい場合、エンジンから排出される排気のエネルギーが小さいと考えられるため、回生運転を行うには適していないと判断される。またＳ３では、ＥＣＵは、Ｓ１で取得した要求トルクの値が所定の回生運転上限値より小さいか否かを判定する。要求トルクの値が回生運転上限値以上である場合、できるだけ過給圧を高くするためにモータジェネレータを力行運転する必要があると考えられるため、回生運転を行うには適していないと判断される。
【００４０】
Ｓ２の判定がＮＯである場合、ＥＣＵは、ウェイストゲートバルブを全開にし（Ｓ４参照）、この処理を終了する。ウェイストゲートバルブを全開にすると、エンジンから排出される排気はほぼ全て排気バイパス管を流れ、タービンには作用しないため、タービン回転数はほぼ０になる。またＳ３の判定がＮＯである場合、ＥＣＵは、ウェイストゲートバルブを全閉にし（Ｓ５参照）、Ｓ６に移る。ウェイストゲートバルブを全閉にすると、エンジンから排出される排気はほぼ全てタービンに作用し、この排気エネルギーによってタービン及びコンプレッサが回転する。Ｓ６では、ＥＣＵは、バッテリに蓄えられた電力を持ち出してモータジェネレータを力行運転し、この処理を終了する。
【００４１】
Ｓ２及びＳ３の判定が何れもＹＥＳである場合、すなわち要求トルクの値が回生運転下限値と回生運転上限値との間である場合には、ＥＣＵは、エンジンの運転状態は回生運転領域内であると判定し、モータジェネレータの回生運転を実行するべくＳ７に移る。Ｓ７では、ＥＣＵは、ウェイストゲートバルブを閉じ側に制御、より具体的には全閉にし、エンジンから排出される排気をタービンに作用させ、Ｓ８に移る。
【００４２】
Ｓ８では、ＥＣＵは、タービンの速度比Ｕ／Ｃ０の値を算出し、Ｓ９に移る。ここでタービンの速度比Ｕ／Ｃ０とは、タービンに供給される排気エネルギーに対するタービンの仕事量の割合に相当するタービン効率と相関のあるパラメータであり、その値は、タービンの最外周周速Ｕの値を理論断熱噴出速度Ｃ０の値で除算することによって算出される。ここで最外周周速Ｕとは、タービンに設けられた複数の翼のチップ端の速度に相当し、その値は、タービン回転数センサを用いて取得されるタービン回転数にタービンの翼の外径を乗算することによって算出される。また理論断熱噴出速度Ｃ０の値は、下記式（２）に示すように、タービン入口エンタルピーＨ１及び断熱膨張した場合のタービン出口エンタルピーＨ２の値を用いることによって算出される。ここでタービン入口エンタルピーＨ１の値は、例えば、タービン入口圧力センサ６５の出力から得られるタービン入口圧力や、タービン入口温度センサ６６の出力から得られるタービン入口温度等を用いることによって算出される。またタービン出口エンタルピーＨ２の値は、例えば、タービン出口圧力センサ６７の出力から得られるタービン出口圧力や、タービン出口温度センサ６８の出力から得られるタービン出口温度等を用いることによって算出される。
【数２】
0006378251.tif 000003
【００４３】
Ｓ９では、ＥＣＵは、Ｓ８で算出した速度比Ｕ／Ｃ０の値を用いることによって、タービン回転数の目標に相当する目標タービン回転数の値を設定し、Ｓ１０に移る。
【００４４】
図３は、タービン効率と速度比Ｕ／Ｃ０との相関関係を示す図である。図３に示すように、タービン効率は速度比Ｕ／Ｃ０に対して上に凸の特性がある。すなわち、タービン効率は、速度比Ｕ／Ｃ０の値が所定の最適範囲（より具体的には、０．６〜０．７程度）にある場合に最大となる特性がある。また速度比Ｕ／Ｃ０はタービン回転数と比例関係がある。Ｓ９では、ＥＣＵは、このようなタービン効率と速度比との関係に基づいて、速度比Ｕ／Ｃ０がタービン効率を最適化する最適範囲内に収まるように、目標タービン回転数の値を設定する。
【００４５】
図２に戻り、Ｓ１０では、ＥＣＵは、Ｓ９で設定した目標タービン回転数とタービン回転数センサによって検出されるタービン回転数との偏差を用いたフィードバック制御によってタービン回転数が目標タービン回転数になるようにモータジェネレータによる発電量、換言すればモータジェネレータから回転軸に作用する制動力を調整する。
【００４６】
次に、吸気バイパス弁、ＩＮ側ＶＴＣ、及び吸気バルブ等を協調して用いることによってエンジンの発生トルクを制御するトルク制御の手順について説明する。
図４は、ＥＣＵによるトルク制御の具体的な手順を示すフローチャートである。図４のトルク制御は、エンジンが始動している間で、図２のタービン回転数制御と並行して所定の周期でＥＣＵにおいて繰り返し実行される。
【００４７】
始めにＳ２１では、ＥＣＵは、図２のＳ１と同様に要求トルクを取得し、Ｓ２２に移る。Ｓ２２では、ＥＣＵは、Ｓ２１で取得した要求トルクを過不足なく実現するためにエンジンにおいて必要となる吸気流量の値を算出し、これを目標吸気流量とし、Ｓ２３に移る。Ｓ２３では、ＥＣＵは、過給圧センサの出力信号を用いて過給圧を取得し、Ｓ２４に移る。
【００４８】
Ｓ２４及びＳ２５では、ＥＣＵは、吸気バイパス弁の開度と、吸気スロットル弁の開度と、吸気行程における吸気バルブの閉弁タイミングとを協調制御することによって、要求トルクに応じて設定された目標吸気流量を過不足なく実現する。より具体的には、Ｓ２４では、先のステップで取得した要求トルク、目標吸気流量、及び過給圧等を用いることによって、目標吸気流量を実現するため、すなわち、エンジンの発生トルクを要求トルクに制御するための吸気バイパス弁の目標開度、吸気バルブの閉弁タイミング、及び吸気スロットル弁の目標開度等、トルク制御に係る各種装置の操作量の目標を算出し、Ｓ２５に移る。以下では、エンジンの運転状態を定性的に異なる４つの状態に分け、各種装置の操作量の目標を設定する具体的な手順について、図５を参照しながら運転状態毎に説明する。
【００４９】
図５は、エンジンの運転状態とタービン回転数制御及びトルク制御に係る各種装置の操作量との関係の一例を示す図である。図５のうち上段の３つにはタービン回転数制御における速度比Ｕ／Ｃ０、タービン回転数、及びウェイストゲートバルブの開度と、要求トルクとの関係を示す。図５のうち下段の３つにはトルク制御における吸気バイパス弁の開度、吸気スロットル弁の開度、及び吸気行程における吸気バルブの閉弁タイミングに相当するＩＶＣ角度と、要求トルクとの関係を示す。
【００５０】
エンジンの運転状態は、１．回生運転領域外でありかつ過給機のコンプレッサによる過給運転が必要となる過給運転領域外である場合と、２．回生運転領域内でありかつ過給運転領域外である場合と、３．回生運転領域内でありかつ過給運転領域内である場合と、４．回生運転領域外でありかつ過給運転領域内である場合と、の４つに分けられる。なお、エンジンの運転状態を特定するパラメータとして要求トルクを用いた場合、過給運転領域は、図５に示すように、要求トルクの値が回生運転領域を規定する回生運転下限値と回生運転上限値との間に設定された過給運転閾値以上となる領域として定義される。
【００５１】
先ず、エンジンの運転状態が回生運転領域外でありかつ過給運転領域外である場合について説明する。この場合、吸気バイパス弁の目標開度は、要求トルクの値にかかわらずその最大開度（すなわち、全開）に設定する。またこの領域では、吸気バイパス弁を全開で維持しつつ、目標吸気流量が実現されるようにＩＶＣ角度と吸気スロットル弁の開度とを調整する。この場合、要求トルクが大きくなるほど、吸気スロットル弁の目標開度は大きくし、ＩＶＣ角度は遅角側へ変更することが好ましい。これにより、目標吸気流量を実現しつつ不要なポンピングロスを抑制できる。
【００５２】
次に、エンジンの運転状態が回生運転領域内でありかつ過給運転領域外である場合について説明する。この領域は回生運転領域内であることから、ウェイストゲートバルブが閉じられ、タービン回転数を目標タービン回転数に制御するタービン回転数制御が実行されるため、少なからずコンプレッサによる仕事が発生する。またこの領域は、コンプレッサによる過給を不要とする過給運転領域外であるため、過給圧の上昇は極力抑制する必要がある。そこでこの領域では、吸気バイパス弁の目標開度は要求トルクの値に関わらずその最大開度に設定し、コンプレッサの出口側の空気をできるだけ入口側に還流することにより、コンプレッサの出口圧力、ひいては過給圧の上昇を抑制する。またこの領域では、吸気バイパス弁を全開に維持しながら、要求トルクの値に応じて吸気スロットル弁の目標開度及びＩＶＣ角度を調整することによって、目標吸気流量を実現する。より具体的には、要求トルクが大きくなるほど、吸気スロットル弁の目標開度は大きくし、ＩＶＣ角度は遅角側へ変更することが好ましい。これにより目標吸気流量を実現しつつ不要なポンピングロスを抑制できる。
【００５３】
ところで、図２のタービン回転数制御によれば、エンジンの運転状態が回生運転領域外から回生運転領域内に変化するとウェイストゲートバルブは全開から全閉に切り替えられ、コンプレッサが回転し始める。この際過給圧は、上述のように吸気バイパス弁は全開に維持することによって大きく上昇することはないが、コンプレッサが回転し始めたことによって、要求トルクを過不足なく実現するために必要な圧力よりも僅かながら上昇し、目標吸気流量を超える余剰空気が流入するおそれがある。そこで運転状態が回生運転領域外から回生運転領域内へ変化する際には、図５に示すようにＩＶＣ角度を階段状に遅角側へ変更し、このような余剰空気の流入を防止する。なおこのような余剰空気の流入は、吸気スロットル弁の開度を階段状に閉じ側へ変更することによっても防止することができるが、不要なポンピングロスを抑制するためには、図５に示すようにＩＶＣ角度を優先して変更することが好ましい。
【００５４】
次に、エンジンの運転状態が回生運転領域内でありかつ過給運転領域内である場合について説明する。この領域では、先ずポンピングロスができるだけ抑制されるように、吸気スロットル弁の目標開度は、要求トルクの値に関わらずその最大開度（すなわち、全開）に設定する。またこの領域では、タービン効率が最適化されるようにタービン回転数が制御されるため、コンプレッサの仕事量が要求トルクに応じた量よりも増えてしまい、結果としてエンジンの燃焼室には要求トルクを過不足なく実現するために必要とされる目標吸気流量を超える余剰空気が流入するおそれがある。このような余剰空気の流入を防止するため、ＩＶＣ角度は、要求トルクの値に関わらず許容範囲内で最小の角度に設定する。すなわち、吸気バルブの閉弁タイミングを許容範囲内で最も遅角側に設定することにより、余剰空気の流入を極力防止する。またＩＶＣ角度の遅角化ではコンプレッサの仕事量を減らすことはできないため、コンプレッサの入口圧力に対して出口圧力が上昇し、サージングが発生するおそれがある。そしてサージングが発生すると、タービン回転数を目標タービン回転数で維持できなくなったり、騒音や振動が発生したりするおそれがある。そこでこの領域では、上記のように吸気スロットル弁の目標開度及びＩＶＣ角度を設定するとともに、さらに吸気バイパス弁の目標開度をその最大開度と最小開度（すなわち、全閉）との間で要求トルクの値に応じて調整することによって、目標吸気流量を実現する。より具体的には図５に示すように、吸気バイパス弁の目標開度は、要求トルクが増加するに従って、換言すれば要求トルクを実現するために必要となる過給圧が増加するに従って小さくなるように設定することが好ましい。このように吸気バイパス弁の開度を制御することにより、サージングの発生を防止しつつ目標吸気流量を過不足なく実現できる。
【００５５】
次に、エンジンの運転状態が回生運転領域外でありかつ過給運転領域内である場合について説明する。この領域では、吸気バイパス弁の目標開度は要求トルクの値にかかわらずその最小開度に設定し、吸気スロットル弁の目標開度は要求トルクの値にかかわらずその最大開度に設定する。またこの領域では、ＩＶＣ角度は要求トルクの値にかかわらずその最小角度に設定する。すなわち、吸気行程における吸気バルブの閉弁タイミングは要求トルクの値にかかわらず許容範囲内で最も遅角側に設定する。
【００５６】
Ｓ２５では、ＥＣＵは、Ｓ２４において上述のようにエンジンの運転状態に応じてそれぞれ協調して設定した目標が実現されるように、吸気バイパス弁、ＩＮ側ＶＴＣ、及び吸気スロットル弁等を駆動し、この処理を終了する。
【００５７】
本実施形態の過給システムによれば、以下の効果を奏する。
（１）本実施形態では、エンジンの運転状態が回生運転領域内である場合には、ウェイストゲートバルブの開度を閉じ側へ制御し、排気エネルギーのタービンへの供給量を増加させつつ、モータジェネレータによる発電量を調整することによりタービン回転数をタービン効率が最適化されるように定めた目標タービン回転数へ制御する。また本実施形態では、タービン回転数が目標タービン回転数へ制御されかつ運転状態が過給運転領域内である場合には、吸気バイパス弁の開度と吸気バルブの閉弁タイミングとを協調制御することによって発生トルクを要求トルクに制御する。すなわち本実施形態では、タービン効率を最適化するタービン回転数制御と、吸気バイパス弁の開度及び吸気バルブの閉弁タイミングの協調制御とを組み合わせて実行することにより、内燃機関の発生トルクを要求トルクに制御しながら、過給機のサージングの発生を防止し、タービン回転数をタービン効率が最適化されるように定められた目標タービン回転数に維持できるので、エンジンと過給機とモータジェネレータとを組み合わせた過給システム全体の効率を向上することができる。
【００５８】
（２）本実施形態では、エンジンの運転状態が回生運転領域内でありかつ過給運転領域外である場合には、吸気バイパス弁の開度を全開にすることによってコンプレッサの出口圧力、ひいては過給圧の上昇を極力抑制しつつ、吸気バルブのＩＶＣ角度を調整することによって発生トルクを要求トルクに制御する。これにより、コンプレッサによる過給が不要となる過給運転領域外であっても、タービン回転数を目標タービン回転数に制御し、モータジェネレータを用いて効率的な発電を行いつつ、要求トルクを過不足なく実現できる。
【００５９】
（３）本実施形態では、エンジンの運転状態が回生運転領域内である場合には、ウェイストゲートバルブを全閉にする。これにより、排気エネルギーのタービンへの供給量を最大限増加させることができるので、その分、発電機で回収できる電気エネルギーも増加させることができる。
【００６０】
（４）本発明によれば、吸気バイパス弁の開度と吸気バルブの閉弁タイミングと吸気スロットル弁の開度とを協調制御することで発生トルクを要求トルクに制御する。これにより、上記のようにサージングの発生を防止しながら要求トルクを過不足なく実現できることに加えて、ポンピングロスも抑制できるので、内燃機関と過給機と発電機とを組み合わせたシステム全体の効率をさらに向上できる。
【００６１】
（５）タービン効率は、タービンの翼の周速とタービンの入口と出口の理論断熱噴出速度との速度比に対し上に凸の特性がある。本発明では、このような相関のある速度比を用いることにより、目標タービン回転数をタービン効率が高くなる適切な範囲に設定することができる。
【００６２】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る過給システムＳａについて、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態と同じ構成については、同じ符号を付しまたその詳細な説明を省略する。
【００６３】
図６は、本実施形態に係る過給システムＳａの構成を示す図である。本実施形態に係る過給システムＳａは、主吸気管２２のうち吸気バイパス管２３によって迂回される区間内（図６中、接続部ａから接続部ｂまでの区間内）に、この主吸気管２２を開閉するシャットオフバルブ３０が設けられている点において、第１実施形態に係る過給システムＳと異なる。より具体的には、シャットオフバルブ３０は、吸気バイパス管２３によって迂回される区間内であって過給機５のコンプレッサ５１より下流側に設けられる。
【００６４】
コンプレッサ５１が回転している間にこのシャットオフバルブ３０を閉弁しかつ吸気バイパス弁を開弁すると、吸気は吸気バイパス管２３を流れ、コンプレッサ５１は空転するので、過給圧の上昇が抑制される。このシャットオフバルブ３０は、図示しない駆動回路を介してＥＣＵ７ａに接続されている。このシャットオフバルブ３０は、ＥＣＵ７ａにおいて実行されるトルク制御（後述の図７参照）によって適切な開度に制御される。
【００６５】
図７は、ＥＣＵによるトルク制御の具体的な手順を示すフローチャートである。図７のトルク制御は、エンジンが始動している間で、図２のタービン回転数制御と並行して所定の周期ＥＣＵにおいて繰り返し実行される。また図７に示す処理のうちＳ３１〜Ｓ３３は、それぞれ図４のＳ２１〜Ｓ２３と同じであるので説明を省略する。
【００６６】
Ｓ３４及びＳ３５では、ＥＣＵは、吸気バイパス弁の開度と、吸気スロットル弁の開度と、吸気行程における吸気バルブの閉弁タイミングと、シャットオフバルブの開度とを協調制御することによって、要求トルクに応じて設定された目標吸気流量を実現する。より具体的には、Ｓ３４では、先のステップで取得した要求トルク、目標吸気流量、及び過給圧等を用いることによって、目標吸気流量を実現するため、すなわち、エンジンの発生トルクを要求トルクに制御するための吸気バイパス弁の目標開度、吸気バルブの閉弁タイミング、吸気スロットル弁の目標開度、及びシャットオフバルブの目標開度等、トルク制御に係る各種装置の操作量の目標を算出し、Ｓ３５に移る。
【００６７】
図８は、エンジンの運転状態とタービン回転数制御及びトルク制御に係る各種装置の操作量との関係の一例を示す図である。図８のうち上段の３つにはタービン回転数制御における速度比Ｕ／Ｃ０、タービン回転数、及びウェイストゲートバルブの開度と、要求トルクとの関係を示す。図８のうち下段の４つには、トルク制御における吸気バイパス弁の開度、吸気スロットル弁の開度、吸気行程における吸気バルブの閉弁タイミングに相当するＩＶＣ角度、及びシャットオフバルブの開度と、要求トルクとの関係を示す。
【００６８】
図８に示すように、各運転領域における吸気バイパス弁、吸気スロットル弁、及び吸気バルブの操作量の目標については、第１実施形態の過給システムＳと同様であるので説明を省略する。またシャットオフバルブの目標開度は、図８に示すように、過給運転領域外であり吸気バイパス弁が全開にされている間では、コンプレッサが回転しても過給圧が上昇しないよう要求トルクの値に関わらずその最小開度（すなわち、全閉）に設定する。またシャットオフバルブの目標開度は、過給運転領域内である場合には、過給圧の上昇を妨げないよう要求トルクの値に関わらずその最大開度（すなわち、全開）に設定する。
【００６９】
本実施形態の過給システムによれば、上記（１）〜（５）に加えて以下の効果を奏する。
（６）本発明では、タービン回転数制御手段によってタービン回転数が目標範囲内に制御されている場合でありかつ運転状態が過給運転領域外である場合には、シャットオフバルブの開度を全閉にしかつ吸気バイパス弁の開度を全開にする。タービンを回転させながらシャットオフバルブの開度を全閉にしかつ吸気バイパス弁の開度を全開にすると、吸気は吸気バイパス通路を流れ、コンプレッサは空転する。したがって本発明によれば、コンプレッサによる過給が不要となる過給運転領域外であっても、発電機を用いて効率的な発電を行いつつ、要求トルクを過不足なく実現できる。
【００７０】
以上、本発明の２つの実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。
【符号の説明】
【００７１】
Ｓ，Ｓａ…過給システム
１…エンジン（内燃機関）
１３…吸気バルブ
１５…ＩＮ側ＶＴＣ（閉弁タイミング可変装置）
２２…主吸気管（吸気通路）
２３…吸気バイパス管
２４…吸気バイパス弁
２５…吸気スロットル弁
２７…主排気管（排気通路）
２８…排気バイパス管（排気バイパス通路）
２９…ウェイストゲートバルブ
３０…シャットオフバルブ
５…過給機
５１…コンプレッサ
５２…タービン
５３…回転軸
５４…モータジェネレータ（発電機）
５５…ＰＤＵ（タービン回転数制御手段）
７…ＥＣＵ（タービン回転数制御手段、回生判定手段、過給判定手段、トルク制御手段）
【図１】
0006378251.tif 000005
【図２】
0006378251.tif 000006
【図３】
0006378251.tif 000007
【図４】
0006378251.tif 000008
【図５】
0006378251.tif 000009
【図６】
0006378251.tif 000010
【図７】
0006378251.tif 000011
【図８】
0006378251.tif 000012