(57)【要約】【課題】吸気配管を複雑にすることなく、インバータを効率よく冷却することができるエンジンを得る。【解決手段】この発明に係るエンジンは、吸気配管２、コンプレッサインペラ２２及びハウジング２３を有する過給機２０と、この過給機２０を駆動する電動機１９と、吸気配管２の吸気配管部２Ａに並設され、コンプレッサインペラ２２を迂回したバイパス配管と、バイパス配管を流通する吸入空気の流量を調整する空気流量調整弁と、電動機１９を駆動制御するインバータ４０と、空気流量調整弁の作動を制御する調整弁制御手段４１と、ハウジング２３及びインバータ４０に接続した放熱ブロック２７とを備え、インバータ４０からの熱が放熱ブロック２７、ハウジング２３を介してコンプレッサインペラ２２に伝導される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入空気が流通する吸気配管と、
この吸気配管内に配置されたコンプレッサインペラ、及びコンプレッサインペラを囲ったハウジングを有する過給機と、
この過給機を駆動する電動機と、
前記吸気配管の前記コンプレッサインペラの上流側と下流側との間の吸気配管部に並設され、コンプレッサインペラを迂回したバイパス配管と、
このバイパス配管に設けられバイパス配管を流通する前記吸入空気の流量を調整する空気流量調整弁と、
前記電動機を駆動制御するインバータと、
前記空気流量調整弁の作動を制御する調整弁制御手段と、
前記ハウジング及び前記インバータに接続した放熱ブロックとを備え、
前記インバータからの熱が前記放熱ブロック、前記ハウジングを介して前記コンプレッサインペラに伝導されることを特徴とするエンジン。
【請求項２】
前記電動機には、電動機の駆動力を検出する駆動力検出手段が設けられ、
この駆動力検出手段から得られた値から前記インバータの温度を推定し、
前記調整弁制御手段は、前記駆動力検出手段からの前記温度が前記インバータの使用適正温度よりも大きい場合には、前記空気流量調整弁を全閉するように制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記インバータには、インバータの温度を検出するインバータ温度検出手段が設けられ、
前記調整弁制御手段は、前記電動機が駆動中であって、前記インバータ温度検出手段からの前記温度が前記インバータの使用適正温度よりも高い場合には、前記空気流量調整弁を全閉するように制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項４】
前記電動機には、電動機への供給電力を検出する供給電力検出手段が設けられ、
この供給電力検出手段から得られた値から前記インバータの温度を推定し、
前記調整弁制御手段は、前記供給電力検出手段からの前記温度が前記インバータの使用適正温度よりも高い場合には、前記空気流量調整弁を全閉するように制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項５】
前記調整弁制御手段は、前記電動機への供給電力を停止後、所定時間、前記空気流量調整弁を全閉するように制御し、前記放熱ブロックを冷却することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項６】
前記調整弁制御手段は、前記電動機への供給電力を停止後、所定時間、前記空気流量調整弁を全閉するように制御して、前記放熱ブロックを冷却し、
また、前記吸入空気の温度を検出する吸気温度検出手段を備え、
前記所定時間は、この吸気温度検出手段で検出された温度と、前記インバータ温度検出手段、または前記供給電力検出手段からの前記インバータの温度とに基づいて決定されることを特徴とする請求項３または４に記載のエンジン。
【請求項７】
前記調整弁制御手段は、前記空気流量調整弁を開くときは、閉じるときと比較して漸次開放するように、制御することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項８】
前記エンジンの出力を検出するエンジン出力検出手段を備え、
前記調整弁制御手段は、前記電動機が停止中でおいて、前記エンジンの前記出力が所定値以上であって、かつ前記インバータ温度検出手段からの前記温度が前記インバータの使用適正温度よりも高い場合には、部分的に閉じるように前記流量調整弁を制御して、前記吸入空気は、前記吸気配管部及び前記バイパス配管を並流することを特徴とする請求項３に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、インバータにより電動機を駆動制御する電動過給機を備えたエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の低燃費を目的とし、エンジンの出力を増加させるために吸気配管に電動機で駆動する過給機を設けた電動過給機が知られている。
この電動過給機の一例として、過給機の出口部が、エンジンの排気ガスの動圧で駆動されるターボチャージャーのコンプレッサ入口部に連結されたものが知られている（特許文献１）。
この電動過給機は、電力により自由に過給できる過給機を備えることで、エンジンの加速性を高め、エンジンの背圧を低下させ及び未燃焼燃料を少なくするものである。
【０００３】
一方、電動過給機の電動機の駆動を制御するインバータは、１０万ｒｐｍを超える超高速で制御する必要があるという点や、一般に自動車の電圧は１４Ｖと低電圧のため電動機を駆動するには大電流が必要となる。
このような高回転／大電流状態での連続運転時においては、バッテリからの直流電力をスイッチングする半導体素子の損失や配線抵抗による損失が大きくなり、インバータの温度が上昇し、インバータを構成する各部品が破損し、また劣化することが考えられる。
【０００４】
このようなインバータの温度上昇防止対策として、吸気配管を、電動機及びインバータの発熱部を通過した後に過給機に至る直列配管と、電動機及びインバータをバイパスして過給機に至る第一のバイパス配管と、電動機、インバータ及び過給機をバイパスしてエンジンに至る第二のバイパス配管との三配管で構成し、三配管の何れかを通るように切換え可能にしたものが知られている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０００-５００５４４号公報
【特許文献２】特開２００８-２１５０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献２のものは、インバータの冷却は可能になるものの、吸気配管が三配管で構成され、吸気配管が複雑になるという問題点があった。
また、吸気配管内にインバータ及び電動機が配設されるため、エンジンの吸気抵抗が大きいという問題点もあった。
【０００７】
この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、吸気配管を複雑にすることなく、インバータを効率よく冷却することができるエンジンを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るエンジンは、吸入空気が流通する吸気配管と、この吸気配管内に配置されたコンプレッサインペラ、及びコンプレッサインペラを囲ったハウジングを有する過給機と、この過給機を駆動する電動機と、前記吸気配管の前記コンプレッサインペラの上流側と下流側との間の吸気配管部に並設され、コンプレッサインペラを迂回したバイパス配管と、このバイパス配管に設けられバイパス配管を流通する前記吸入空気の流量を調整する空気流量調整弁と、前記電動機を駆動制御するインバータと、前記空気流量調整弁の作動を制御する調整弁制御手段と、前記ハウジング及び前記インバータに接続した放熱ブロックとを備え、前記インバータからの熱が前記放熱ブロック、前記ハウジングを介して前記コンプレッサインペラに伝導される。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係るエンジンによれば、過給機のハウジングと、過給機を駆動する電動機を制御するインバータとを放熱ブロックで接続したので、インバータからの熱が放熱ブロック、ハウジングを介して過給機のコンプレッサインペラに伝導され、簡単な構造で、かつ大型化することなくインバータが効率良く冷却される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係るエンジンの全体構成図である。
【図２】図１の電動過給機を示す構成図である。
【図３】図１の電動過給機の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１のエンジンについて、図に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施の形態１によるエンジンを示す全体構成図である。
このエンジンは、多気筒であるが、図１では一気筒のみが示されている。
エンジンは、エンジン本体１と、内部にスロットルバルブ３が設けられ吸入空気をエンジン本体１に導く吸気配管２と、エンジン本体１からの排気ガスを排気浄化装置５に導く排気配管４と、吸気配管２に取付けられたインタークーラ６と、このインタークーラ６の上流側の吸気配管２に設けられた電動過給機７と、この電動過給機７の下流側の吸気配管２と排気配管４との間に設けられたターボチャージャー８とを備えている。
【００１２】
上記エンジン本体１は、シリンダ１０と、シリンダ１０内をクランク１６の回転により上下動するピストン１１と、シリンダ１０の頭部に設けられた点火プラグ１２と、先端部がシリンダ１０の上部空間に臨み燃料を上部空間に噴射するインジェクタ１３と、シリンダ１０の上部に設けられ、吸入口を開放することで吸気配管２からの吸入空気がシリンダ１０内に吸入する吸入弁１４と、シリンダ１０の上部に設けられ、排気口を開放することでシリンダ１０内の排気ガスを排気配管４に排出する排気弁１５とを備えている。
【００１３】
上記電動過給機７は、図２に示すように、電動機１９と、この電動機１９に隣接して設けられ吸気配管２２内の空気を過給する過給機２０と、バッテリ２４に配線２６を通じて接続されバッテリ２４から得られる供給電力を電動機１９の駆動電力に変換して電動機を駆動制御するインバータ４０と、このインバータ４０及び過給機２０にボンドで接着されたアルミニウム製の放熱ブロック２７とを備えている。
過給機２０は、放熱ブロック２７が面接触したハウジング２３と、電動機１９のシャフト２１の先端部に取付けられハウジング２３内で回転し、吸気配管２２内の空気を圧縮するコンプレッサインペラ２２とを備えている。
上記ターボチャージャー８は、排気配管４内に設けられた排気タービン２８と、この排気タービン２８と軸２９を介して接続され吸気配管２内に設けられたコンプレッサインペラ３０とを備えている。
過給機２０及びターボチャージャー８は、コンプレッサインペラ２２及びコンプレッサインペラ３０の回転により、吸気配管２内の空気を圧縮してシリンダ１０内に送り、高出力化だけでなく低燃費化が実現される。
【００１４】
吸気配管２における、コンプレッサインペラ２２の上流側と下流側との間の部位である吸気配管部２Ａには、コンプレッサインペラ２２を迂回したバイパス配管３１が並設されている。
このバイパス配管３１には、バイパス配管３１を通過する吸入空気の流量を調整する空気流量調整弁３２が設けられている。この空気流量調整弁３２は、例えば電気的に駆動される電磁バルブが用いられる。
【００１５】
空気流量調整弁３２の開閉は、調整弁制御手段４１からの信号を受けて調整される。
調整弁制御手段４１には、インバータ４０を構成する半導体チップ（図示せず）の温度を検出するインバータ温度検出手段（図示せず）からの検出温度が伝達される。
調整弁制御手段４１は、電動過給機７が駆動中、即ち電動機１９が駆動中であって、吸入空気が吸気配管部２Ａとともにバイパス配管３１にも流通した状態において、インバータ温度検出手段の検出温度がインバータ４０の使用適正温度よりも高い温度の場合には、空気流量調整弁３２を全閉するように制御している。
また、調整弁制御手段４１は、電動過給機７の駆動が停止中、即ち電動機１９の駆動が停止中であって、エンジンの出力を検出するエンジン出力検出手段（図示せず）からの出力値が、所定値以上であって、かつインバータ温度検出手段からの温度がインバータの使用適正温度よりも高い場合には、空気流量調整弁３２を部分的に閉じるように制御している。
また、調整弁制御手段４１は、電動機１９への供給電力を停止後、所定時間、空気流量調整弁３２を全閉するように制御している。
この所定時間は、吸入空気の温度を検出する吸気温度検出手段（図示せず）で検出された温度と、インバータ温度検出手段とに基づいて決定される。
また、調整弁制御手段４１は、空気流量調整弁３２を開くときは、閉じるときと比較して漸次開放するように制御している。
なお、上記調整弁制御手段４１は、インバータ４０とともに、放熱ブロック２７、電動機１９に固定された制御装置２５の内部に設けられているが、インバータ４０と個別に設けるようにしてもよい。
【００１６】
次に、インバータ４０により駆動する、過給圧及びコンプレッサインペラ２２の機構慣性を補償する電動機１９に関して説明する。
電動過給機７のインバータ４０は、クランク１６の回転数、スロットルバルブ３のポジション、吸入圧、吸入空気量等の指令値に基づいて電動機１９を駆動制御する。
ここで、スロットルバルブ３のポジションとはドライバのアクセル操作を反映させるものであり、例えば電子ストットルのない車両等ではアクセル開度で代用される。
吸入圧に関しては、例えばスロットルバルブ３の下流後の吸気配管２内に圧力センサ等を設け吸入圧を得ることが可能である。
吸入空気量に関しては、例えば吸気配管２内のエアクリーナ３３の下流等にエアーフローセンサ等を設けることにより検出が可能である。
インバータ４０は、バッテリ２４から配線２６を通じて得られる供給電力を電動機１９の駆動電力に変換し電動機１９を駆動する。
このとき電動機１９に必要とされる電力は大きい（例えば、１４Ｖのバッテリ２４の場合、２００Ａ以上である。）ため、インバータ４０においても相当の発熱がある。
このインバータ４０で生じた熱は、インバータ４０に面接触した放熱ブロック２７、放熱ブロック２７に面接触したハウジング２３を通じてコンプレッサインペラ２２に伝達され、コンプレッサインペラ２２に伝達された熱は、吸気配管２内を通過する吸入空気により奪われる。
【００１７】
この放熱ブロック２７は、インバータ４０で発生した熱を吸入空気を利用して放出するために設けられており、例えば過渡的に発生するインバータ４０の熱を放熱するためのブロックである。
【００１８】
なお、電動機１９が駆動していないときには、電動機１９に連結されたコンプレッサインペラ２２は、吸入空気の吸気抵抗となるが、エンジンの出力が所定値以上であって、インバータ４０の温度が所定値以下の場合には、空気流量調整弁３２が全開であり、吸入空気は、コンプレッサインペラ２２を迂回したバイパス配管３１を流通する。
【００１９】
上記構成のエンジンでは、電動過給機７が駆動中のときは、吸気配管２内を流れる吸入空気は、まずエアクリーナ３３でゴミや塵などを取り除かれた後、少なくとも吸気配管部２Ａ内に流入する。
吸気配管部２Ａ内に流入した吸入空気は、過給機２０のコンプレッサインペラ２２、ターボチャージャー８のコンプレッサインペラ３０を介してインタークーラ６を通過する。このインタークーラ６では、コンプレッサインペラ２２及びコンプレッサインペラ３０での過給による圧力上昇に伴って温度上昇した吸入空気を冷却し、シリンダ１０内の空気充填効率を向上させる。
この後、吸入空気は、スロットルバルブ３を通過した後、開弁した吸入弁１４を通じてシリンダ１０内に吸入される。
【００２０】
また、シリンダ１０の上部空間には、インジェクタ１３から燃料が噴射され、燃料と空気とが混合された混合気は、ピストン１１の上動により圧縮される。
圧縮された混合気は、点火プラグ１２が火花放電されることで、着火し、燃焼する。燃焼した混合気は、開弁した排気弁１５の排気口から排気ガスとして排気配管４に排気される。
この排気ガスは、排気配管４を通過する際に、吸入空気を過給するコンプレッサインペラ３０に連動した排気タービン２８を駆動し後、排気浄化装置５で浄化される。
【００２１】
次に、電動過給機７の動作について図３のフローチャートに基づいて説明する。
先ず、電動過給機７の制御装置２５は、インバータ温度検出手段で検出されたインバータ温度をマイクロコンピュータのメモリ（図示しない）に読み込み、記憶する（ステップＳ１０１）。
次に、電動過給機７が駆動中か否かを判定する（ステップＳ１０２）。このときの電動過給機７が駆動か否かを判定するのは例えばエンジンコンピュータ（図示しない）からの電動過給要求信号や電動機１９のシャフト２１の回転数から判定すればよい。他にもコンプレッサインペラ２２の下流の空気圧力など電動過給機７が駆動状態と判定できる信号を代替できるものであればよい。
このステップＳ１０２で電動過給機７が駆動中と判定された場合には、空気流量調整弁３２は、バイパス配管３１の通路を遮断してバイパス配管３１に空気が流れないように制御する（ステップＳ１０５）。
一方、ステップＳ１０２で電動過給機７が駆動中でないと判定された場合には、次にエンジン出力が所定値以下かどうか判定する（ステップＳ１０３）。
そして、ステップＳ１０３でエンジン出力が所定値より小さいと判定された場合には、吸入空気量は少なく、コンプレッサインペラ２２がエンジンの吸気抵抗となっても出力の低下が少ないので、空気流量調整弁３２は、そのままバイパス配管３１の通路を遮断してバイパス配管３１に吸入空気が流れないよう制御する（ステップＳ１０５）。
なお、エンジン出力はクランク１６の回転数、吸入空気量、燃料噴射量等から定められるマップを参照することにより得られる。
【００２２】
ステップＳ１０３でエンジン出力が所定値より大きいと判定された場合には、吸入空気量も多く、電動過給機７のコンプレッサインペラ２２がエンジンの吸気抵抗となり出力を低下させる可能性がある。
【００２３】
この場合には、制御装置２５は、インバータ４０の温度が所定値以上か否かを判定する（ステップＳ１０４）。
ステップＳ１０４でインバータ４０の温度が所定値未満の場合には、コンプレッサインペラ２２が吸気抵抗となり、エンジン出力が低下するのを防止するために、空気流量調整弁３２を全開し、バイパス配管３１に吸入空気が流れるように制御する（ステップＳ１０７）。
一方、インバータ４０の温度が使用適正温度以上の場合には、インバータ４０の熱源となる半導体素子やコンデンサが破壊もしくは寿命が短くなる可能性があるために、エンジン出力が低下するも、空気流量調整弁３２を所定量回動して、バイパス配管３１とともにコンプレッサインペラ２２が配置された吸気配管部２Ａにも吸入空気が流れるように制御する（ステップＳ１０６）。
【００２４】
ステップＳ１０２で電動過給機７が駆動中と判定された場合には、空気流量調整弁３２は、バイパス配管３１の通路を遮断してバイパス配管３１に空気が流れないように制御する（ステップＳ１０５）。
【００２５】
なお、図３のステップＳ１０５は、電動過給機７が駆動中と判定された場合における一例である。
電動過給機７が駆動中において、調整弁制御手段４１は、エンジンの運転状態検出手段（図示せず）からのエンジンの運転状態の検出結果に基づいて、最適な過給を行うことができるように、空気流量調整弁３２を所定量回動するように制御しており、吸気配管部２Ａとともにバイパス配管３１にも吸入空気が流通する場合もある。
この場合、調整弁制御手段４１は、インバータ温度検出手段の検出温度がインバータ４０の使用適正温度よりも高い温度の場合には、空気流量調整弁３２を全閉する。
【００２６】
以上説明したように、この実施の形態１のエンジンによれば、過給機２０のハウジング２３とインバータ４０との間に放熱ブロック２７も設け、インバータ４０からの熱が放熱ブロック２７、ハウジング２３を介して、吸入空気に曝されたコンプレッサインペラ２２に伝導されるので、簡単な構造で、かつ大型化することなくインバータ４０が効率良く冷却される。
【００２７】
また、インバータ４０には、インバータ４０の温度を検出するインバータ温度検出手段が設けられ、調整弁制御手段４１は、電動機１９が駆動中であって、インバータ温度検出手段からのインバータ４０の温度がインバータ４０の使用適正温度よりも高い場合には、空気流量調整弁３２を全閉するので、吸入空気は、コンプレッサインペラ２２を１００％流通する。
従って、コンプレッサインペラ２２に熱伝導されたインバータ４０を熱は、吸入空気に放出され、インバータ４０の熱破損を抑制することができる。
【００２８】
また、調整弁制御手段４１は、電動機１９への供給電力を停止後、所定時間、空気流量調整弁３２を全閉するように制御するので、電動機１９への供給電力を停止後も吸入空気は、コンプレッサインペラ２２を１００％流通する。
従って、蓄熱した放熱ブロック２７の熱は、吸入空気に放出され、放熱ブロック２７は冷却されるので、放熱ブロック２７とインバータ４０との温度差が確保され、インバータ４０からの熱は放熱ブロック２７に効率良く伝導される。
【００２９】
また、調整弁制御手段４１は、空気流量調整弁３２を開くときは、閉じるときと比較して漸次開放するように制御している。
従って、空気流量調整弁３２が開放されたとき、過給された吸入空気が急激に開放され、逆流を伴う不連続な吸入空気の流通が生じるのを防止でき、エンジンは円滑に駆動する。
なお、空気流量制御弁３２を閉じる前は、バイパス配管３１内は大気圧下であり、空気流量制御弁３２を急激に閉じた場合でも吸入空気の流通に与える影響は少ない。
【００３０】
また、エンジンの出力を検出するエンジン出力検出手段を備え、調整弁制御手段４１は、電動機１９の駆動が停止中において、エンジンの出力が所定値以上であって、かつインバータ温度検出手段からの温度がインバータ４０の使用適正温度よりも高い場合には、部分的に閉じるように流量調整弁３２を制御して、吸入空気は、吸気配管部２Ａ及びバイパス配管３１を並流するようになっている。
従って、電動機１９の駆動が停止中であっても、インバータ４０が使用適正温度よりも高い場合には、コンプレッサインペラ２２が吸気抵抗となり、エンジンの出力が少し低下するも、インバータ４０を熱は、コンプレッサインペラ２２を通じて吸入空気に放出され、インバータ４０の熱破損が抑制される。
【００３１】
なお、上記実施の形態１のエンジンでは、インバータ４０の温度をインバータ温度検出手段により検出したが、インバータ４０の温度を知る手段は、このものに限定されない。
例えば、電動機１９に電動機１９の駆動力を検出する駆動力検出手段を設け、この駆動力検出手段から得られた値からインバータ４０の温度を推定するようにしてもよい。
この場合には、調整弁制御手段４１は、駆動力検出手段から間接的に有られた温度がインバータ４０の使用適正温度よりも高い場合には、空気流量調整弁３２を全閉するように制御する。
【００３２】
また、電動機１９に電動機１９への供給電力を検出する供給電力検出手段を設け、この供給電力検出手段から得られた値からインバータ４０の温度を推定するようにしてもよい。
この場合には、調整弁制御手段４１は、供給電力検出手段から間接的に得られた温度がインバータ４０の使用適正温度よりも高い場合には、空気流量調整弁３２を全閉するように制御する。
【００３３】
また、吸入空気の温度を検出する吸気温度検出手段を備え、調整弁制御手段４１は、電動機１９への供給電力を停止後、空気流量調整弁３２を全閉する所定時間を、この吸気温度検出手段で検出された温度と、インバータ温度検出手段、または供給電力検出手段からのインバータの温度とに基づいて決定するようにしてもよい。
空気流量調整弁３２を全閉する所定時間を判断するのに、吸入空気の温度も考慮することで、放熱ブロック２７を所定の温度に冷却されるのに必要とする時間をより正確に把握することができる。
【００３４】
また、この発明に係るエンジンは、シリンダ１０内に燃料を噴射する直墳エンジンだけでなく、スロットルバルブ３後の吸気配管２に燃料を噴射するポート噴射エンジンにも適用することができるのは勿論である。
また、放熱ブロック２７は、図２に示した配置に限定されるものではなく、インバータ４０及びハウジング２３に接続するのであればよい。
また、放熱ブロックは、インバータまたはハウジングに最初から一体化されたものでもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１  エンジン、２  吸気配管、２Ａ  吸気配管部、３  スロットルバルブ、４  排気配管、５  排気浄化装置、６  インタークーラ、７  電動過給機、８  ターボチャージャー、１０  シリンダ、１１  ピストン、１２  点火プラグ、１３  インジェクタ、１４  吸入弁、１５  排気弁、１６  クランク、１９  電動機、２０  過給機、２１  シャフト、２２  コンプレッサインペラ、２３  ハウジング、２４  バッテリ、２５  制御装置、２６  配線、２７  放熱ブロック、２８  排気タービン、２９  軸、３０  コンプレッサインペラ、３１  バイパス配管、３２  空気流量調整弁、３３  エアクリーナ、４０  インバータ、４１  調整弁制御手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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