(57)【要約】【課題】燃費を向上させる電動アシストターボチャージャ制御装置を提供する。【解決手段】エンジン運転状態に応じて電気モータ８０７を制御する回転補助制御部３と、エンジン運転状態に応じてベーンを開度制御するベーン開度制御部４とを備え、さらに電気モータ８０７による回転補助なし時にエンジン運転状態に応じてベーンを開度制御し、電気モータ８０７による回転補助時にはベーンを全閉又は回転補助なし時より小さい開度に制御するベーン協調制御部５を備えた。【選択図】図１
2012092796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ軸の回転を補助する電気モータとタービンホイールへの排気ガス流を調節するベーンとを備えた電動アシストターボチャージャに対して前記電気モータと前記ベーンの制御を行う電動アシストターボチャージャ制御装置において、
前記電気モータによる回転補助なし時にエンジン運転状態に応じて前記ベーンを開度制御し、前記電気モータによる回転補助時には前記ベーンを全閉又は回転補助なし時より小さい開度に制御するベーン協調制御部を備えたことを特徴とする電動アシストターボチャージャ制御装置。
【請求項２】
前記ベーン協調制御部は、回転補助の終了時に、前記ベーンの開度を回転補助時の開度から回転補助なし時の開度まで変化させることを特徴とする請求項１記載の電動アシストターボチャージャ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃費を向上させる電動アシストターボチャージャ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンをダウンサイジングすると、軽量化と摩擦低減により燃費が向上すると共に、排気量の小さいエンジンが高トルクで運転されることで、効率が高まり燃費が向上する。燃費の向上は、二酸化炭素の排出低減にも繋がる。しかし、エンジンをダウンサイジングしたとき、それ以前と同じ動力性能を確保するには、ターボチャージャによる過給性能を高めることが必要となる。
【０００３】
ターボチャージャは、ターボ軸の両端にそれぞれ羽根車が取り付けられる。一方の羽根車をタービンホイール、他方の羽根車をコンプレッサホイールという。タービンホイールを収容した排気タービンにおいて、タービンホイールの羽根に排気ガス流を当ててタービンホイールを回転させ、コンプレッサホイールを収容した吸気コンプレッサにおいて、ターボ軸からの回転が伝達されたコンプレッサホイールが空気を圧縮する。このように、ターボチャージャは、排気ガスから取り出した仕事で吸入空気を圧縮する装置である。
【０００４】
ターボチャージャの一種として、排気タービン内にタービンホイールの羽根に当たる排気ガス流の強さを調節するベーンを設置したターボチャージャが知られる（特許文献１）。この種のターボチャージャは、ＶＧ（Variable Geometry）ターボチャージャ、可変ノズルターボ（登録商標）など多様な名称で呼ばれているが、技術的には同等のものである。
【０００５】
エンジン運転状態によりターボチャージャの過給性能が大きく異なるのに対し、エンジン運転状態に応じてベーンを開閉することで、排気ガス流の強さを調節してターボチャージャの過給性能を高めることができる。具体的には、ベーンを開くと、ターボ軸の回転が上がりにくく、排気ガス流量の増加に対する膨張比（入口圧／出口圧）の上昇が小さい。これに対しベーンを閉じると、ターボ軸の回転が上がりやすいため、排気ガス流量の増加に対する膨張比の上昇が大きい。
【０００６】
これにより、排気ガスエネルギが大きいエンジン運転状態（排気ガス温度が高い、排気ガス流量が多い）から排気ガスエネルギが小さいエンジン運転状態（排気ガス温度が低い、排気ガス流量が少ない）まで広いレンジでターボチャージャが使えるようになる。図７に、ベーンを備えないターボチャージャとベーンを備えるターボチャージャとの過給圧力特性を示す。破線で示すベーンなしターボチャージャの特性がエンジン回転速度の低い領域と高い領域で過給圧力が落ち込むのに対し、実線で示すベーン有りターボチャージャの特性は、エンジン回転速度の低い領域から高い領域まで、高い過給圧力を実現できることが分かる。
【０００７】
一方、エンジン運転状態によらず過給圧を高くできる手段として、ターボ軸の回転を電気モータで補助する電動アシストターボチャージャが知られる（特許文献２）。図８に電動アシストターボチャージャを示す。
【０００８】
図８に示されるように、電動アシストターボチャージャ８０１は、排気ガスにより回転されるタービンホイール８０２を有する排気タービン８０３と、回転により空気を圧縮するコンプレッサホイール８０４を有する吸気コンプレッサ８０５と、タービンホイール８０２とコンプレッサホイール８０４とに一体化され排気タービン側から吸気コンプレッサ側へ回転を伝達するターボ軸８０６と、ターボ軸８０６と同軸かつターボ軸８０６に一体化された電気モータ８０７の回転子（図示せず）と、回転子の外周に位置する電気モータ８０７の固定子（図示せず）とを備える。
【０００９】
電動アシストターボチャージャ８０１によれば、排気ガスのエネルギが不足しているエンジン運転状態においても、電気モータ８０７でターボ軸８０６を高回転させて高い過給圧を得ることができる（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３２３７５６５号公報
【特許文献２】特開２００６−３２０１４３号公報
【特許文献３】特開２０１０−２０９７３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、ベーンと電動アシストターボチャージャ８０１を組み合わせた電動アシストターボチャージャにおいては、電気モータ８０７による回転の補助を行っている回転補助時にベーンが開いていると、ターボ軸８０６の回転が上がりにくいという問題がある。
【００１２】
排気ガスエネルギが不足しているエンジン運転状態と言えども、排気ガスはエンジンから排出されている。回転補助時にベーンが閉じていれば、排気ガスの力がタービンホイール８０２に効率よく働くので、ターボ軸８０６の回転が上がりやすい。逆に、回転補助時にベーンが開いていると、排気ガスの力がタービンホイール８０２に効率よく働かないので、ターボ軸８０６の回転が上がりにくい。
【００１３】
このように、回転補助時にベーンが開いていると、ターボ軸８０６の回転が上がりにくく、ターボ軸８０６の回転が所望する回転数まで上昇するのに時間を要し、その間、電気モータ８０７によって電力が消費され、燃費が悪化する。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、燃費を向上させる電動アシストターボチャージャ制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために本発明は、ターボ軸の回転を補助する電気モータとタービンホイールへの排気ガス流を調節するベーンとを備えた電動アシストターボチャージャに対して前記電気モータと前記ベーンの制御を行う電動アシストターボチャージャ制御装置において、前記電気モータによる回転補助なし時にエンジン運転状態に応じて前記ベーンを開度制御し、前記電気モータによる回転補助時には前記ベーンを全閉又は回転補助なし時より小さい開度に制御するベーン協調制御部を備えたものである。
【００１６】
前記ベーン協調制御部は、回転補助の終了時に、前記ベーンの開度を回転補助時の開度から回転補助なし時の開度まで変化させてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１８】
（１）燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態を示す電動アシストターボチャージャ制御装置の構成図である。
【図２】電動アシストターボチャージャ制御装置を搭載したエンジンシステムの構成図である。
【図３】本発明の電動アシストターボチャージャ制御装置における制御手順を示すフローチャートである。
【図４】吸気コンプレッサにおける吸気流量対圧力比特性（マップ）を示すグラフである。
【図５】排気タービンにおける排気ガス流量対膨張比特性（マップ）を示すグラフである。
【図６】エンジンにおける筒内容積と筒内圧力の遷移軌跡を示すグラフである。
【図７】ベーンなしターボチャージャとベーン有りターボチャージャとの過給圧力特性を示すグラフである。
【図８】電動アシストターボチャージャの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２１】
図１に示されるように、本発明に係る電動アシストターボチャージャ制御装置１は、ターボ軸８０６の回転を補助する電気モータ８０７とタービンホイール８０２への排気ガス流を調節するベーン（図示せず）とを備えた電動アシストターボチャージャ２に対して電気モータ８０７とベーンの制御を行う電動アシストターボチャージャ制御装置１である。
【００２２】
電動アシストターボチャージャ制御装置１は、電気モータ８０７による回転補助とベーンの開度制御との連携を図るもので、エンジン運転状態に応じて電気モータ８０７を制御する回転補助制御部３と、エンジン運転状態に応じてベーンを開度制御するベーン開度制御部４とを備え、さらに電気モータ８０７による回転補助なし時にエンジン運転状態に応じてベーンを開度制御し、電気モータ８０７による回転補助時にはベーンを全閉又は回転補助なし時より小さい開度に制御するベーン協調制御部５を備える。
【００２３】
電動アシストターボチャージャ２は、図８で説明した電動アシストターボチャージャ８０１の排気タービン８０３内にベーン（図示せず）を設置したものである。ベーンは、アクチュエータ６によって開度が調節される。
【００２４】
回転補助制御部３は、エンジン運転状態に応じて電気モータ８０７を制御してターボ軸８０６の回転を補助するものであり、具体的には、エンジン回転速度とアクセル開度とで参照される回転補助マップ７に基づき、電気モータ８０７を駆動したり停止したり、電気モータ８０７の駆動量を増減するようになっている。例えば、車両発進時などエンジン回転速度が低回転かつアクセル開度が大きいときに電気モータ８０７を駆動して回転補助を行い、エンジン回転速度が高いとき、あるいはアクセル開度が小さいときは電気モータ８０７を停止して回転補助を行わないようにする。
【００２５】
ベーン開度制御部４は、エンジン運転状態に応じてベーンを開度制御してタービンホイール８０２の羽根に当たる排気ガス流の強さを調節するものであり、具体的には、エンジン回転速度とアクセル開度とで参照されるベーン開度マップ８に基づき、ベーンを全閉から全開まで最適な開度に制御するようになっている。
【００２６】
ベーン協調制御部５は、回転補助なし時にはベーン開度制御部による開度制御をそのまま実行させ、回転補助時にはベーンを無条件に全閉にするか、あるいはベーン開度制御部４が与える開度に対し開度補正マップ９を使用してベーンを閉じる方向へ補正をするようになっている。
【００２７】
図２に、電動アシストターボチャージャ制御装置１を搭載したエンジンシステム２００を示す。
【００２８】
エンジン２０１の排気マニホールド２０２には、エンジン２０１からの排気ガスを大気まで導いて排出する排気管２０３が接続され、排気管２０３の最上流には、排気マニホールド２０２から吸気マニホールド２０４へ排気ガスを循環させるためのＥＧＲ配管２０５が設けられている。ＥＧＲ配管２０５には、排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ２０６と、ＥＧＲ量（またはＥＧＲ率）を調整するためのＥＧＲ弁２０７が設けられている。
【００２９】
排気管２０３のＥＧＲ配管２０５より下流には、高圧段ターボチャージャ２０８の排気タービン２０９が設けられ、その下流には、低圧段ターボチャージャ２１０の排気タービン２１１が設けられている。排気タービン２１１の下流には、排気ガス浄化装置２１２が設けられ、さらに下流には、排気管２０３を開閉する排気スロットル２１３が設けられている。排気ガス浄化装置２１２は、ＮＯｘやＰＭを除去する公知のものである。排気スロットル２１３の下流の消音装置２１４を経て排気管２０３が大気に開放されている。
【００３０】
吸気マニホールド２０４には、大気からエンジン２０１に空気を取り込むための吸気管２１５が接続されている。吸気管２１５の最上流は大気に開放されており、その開放端の下流に塵埃等の異物を除去するエアクリーナ２１６が設けられている。エアクリーナ２１６の下流には、低圧段ターボチャージャ２１０の吸気コンプレッサ２１７が設けられ、さらに下流には、高圧段ターボチャージャ２０８の吸気コンプレッサ２１８が設けられている。吸気コンプレッサ２１８の下流には、高圧段ターボチャージャ２０８で圧縮された吸気を冷却するインタークーラ２１９が設けられ、その下流には、吸気量を制限するための吸気スロットル２２０が設けられている。吸気スロットル２２０の下流で、吸気管２１５にＥＧＲ配管２０５が合流され、その下流で吸気管２１５が吸気マニホールド２０４に接続されている。
【００３１】
このように、エンジンシステム２００は、高圧段ターボチャージャ２０８と低圧段ターボチャージャ２１０とを排気流及び吸気流に沿って直列配置した２ステージターボ方式のエンジンシステム２００である。なお、各段のターボチャージャの排気タービン２０９，２１１及び吸気コンプレッサ２１７，２１８に対して開閉制御可能なバイパス管を設けておき、エンジン状態に応じて使用する段の組み合わせを切り替えるとよい。
【００３２】
本実施形態では、高圧段ターボチャージャ２０８に電動アシストターボチャージャ２を用いる。
【００３３】
エンジンシステム２００には、エンジン運転状態に基づいてエンジンシステム２００の各部を電子制御することで、燃料噴射量などを制御する公知の電子制御回路（Engine Control Module；以下、ＥＣＭと言う）２２１が設けられる。本発明の回転補助制御部３、ベーン開度制御部４、ベーン協調制御部５、回転補助マップ７、ベーン開度マップ８、開度補正マップ９は、ＥＣＭ２２１内にプログラム、データとして追加するとよい。
【００３４】
次に、本発明の電動アシストターボチャージャ制御装置１の動作を説明する。
【００３５】
エンジン運転中、回転補助制御部３は、エンジン回転速度とアクセル開度で参照される回転補助マップ７に基づき電気モータ８０７を制御してターボ軸８０６の回転を補助する。例えば、車両発進時のようにエンジン回転速度が低回転かつアクセル開度が大きいときには、排気ガスエネルギが不足しているので回転補助を行い吸気量を増やす。一方、ベーン開度制御部４は、エンジン回転速度とアクセル開度で参照されるベーン開度マップ８に基づきベーンを開度制御しようとする。
【００３６】
図３に示されるように、エンジン運転中に、ステップＳ１にてベーン協調制御部５は、回転補助制御部３が電気モータ８０７による回転補助を行っているかどうか判定する。Ｎｏであれば、ステップＳ２へ進み、回転補助なし時であるから通常のベーン制御、すなわちベーン開度制御部４による開度制御をそのまま行う。
【００３７】
ステップＳ１の判定がＹｅｓであれば、ステップＳ３へ進み、回転補助時であるからベーンを全閉するかまたはベーン開度制御部４による開度制御より開度を小さく補正（例えば、５０％減の開度に）して開度制御を実行する。
【００３８】
ステップＳ３の後、回転補助制御部３が電気モータ８０７による回転補助を行っているかどうか判定する。Ｙｅｓであれば、ベーン全閉又は開度減の制御を継続する。Ｎｏであれば、ステップＳ５へ進み、通常のベーン制御、すなわちベーン開度制御部４による開度制御に戻る。ただし、ハンチングを防止するため、ベーン開度は徐々に戻すようにするのがよい。
【００３９】
次に、本発明の効果を説明する。
【００４０】
まず、図４により回転補助の効果を説明する。図４に示されるように、吸気コンプレッサ８０５に吸い込まれる空気流量を横軸にとり、吸気コンプレッサ８０５における圧力比（出口圧／入口圧）を縦軸にとり、ターボ回転（ターボ軸８０６の回転速度）ごとの作動点をプロットする。一点鎖線はターボ回転を表す。図示のように、あるターボ回転において、ある空気流量のとき、圧力比がひとつに決まる。黒丸は、回転補助がないときのそのような作動点のひとつである。左右の限界線Ｂ１，Ｂ２の内側に示された破線による渦模様は、効率が同じとなる作動点の領域を表している。吸気コンプレッサ８０５は、渦模様の中央寄りに作動点が来るよう設計される。
【００４１】
ここで回転補助によってターボ回転を高めると、作動点は破線に沿って圧力比が上がり、かつ、吸気流量が増大して、黒三角の作動点に移行する。
【００４２】
次に、図５によりベーンの開度制御の効果を説明する。図５に示されるように、排気タービン８０３から流れ出る排気ガス流量を横軸にとり、排気タービン８０３における膨張率（入口圧／出口圧）を縦軸にとり、ベーン開度ごとに作動点をプロットする。ただし、ここではプロット同士が重ならないよう、ベーン開度別に横軸方向にずらして描いてある。
【００４３】
ベーン全開のときは、排気ガス流量が少ないところでは、ターボ回転が低回転であり、排気ガス流量が増えても、膨張率は僅かに高くなる程度である。排気ガス流量が増えて、ターボ回転が中低回転、中高回転、高回転となるに従い、排気ガス流量の増加に対する膨張率の上昇の度合いは徐々に高くなる。これに対し、ベーン全閉のときは、排気ガス流量が少ないところでは、ターボ回転が低回転であり、排気ガス流量が増えると、膨張率はベーン全開のときよりもやや高くなる。しかし、ターボ回転が中低回転、中高回転、高回転では、排気ガス流量の増加に対する膨張率の上昇の度合いは顕著に高くなる。
【００４４】
このように、ベーンを開くと、ターボ軸８０６の回転が上がりにくいのに対しベーンを閉じると同じ排気ガス流量増加でもターボ軸８０６の回転が上がりやすい。ベーン開度が全開と全閉の中間であれば、特性も中間的な特性となる。従って、ベーンの開度制御により、排気ガス流量に対する膨張率の特性を所望の特性にすることができる。
【００４５】
次に、図５によりベーンの開度制御と回転補助を組み合わせることの効果を説明する。
【００４６】
例えば、発進時にベーンが全閉であるとする。発進時は、排気ガス流量が極端に少ないため、ターボ軸８０６の回転が上がりにくく、膨張率が高まらない。その結果、エンジン２０１への吸気量を増やすことができない（黒丸作動点）。このとき、回転補助を行うと、ターボ回転低の黒丸動作点からターボ回転中高の黒三角動作点に移行するので、膨張率が劇的に高まる。その結果、エンジン２０１への吸気量が増え、燃料噴射量を増やすことが可能になるので、発進が円滑となる。
【００４７】
なお、ベーンを閉じるとターボ回転は効率的に上げられるが、その反面、排気ガス流がベーンに妨げられて排気背圧（排気タービン８０３の入口の圧力）が高くなる。このとき、回転補助を行うと、排気マニホールド２０２の排気ガスが強制的に排気タービン８０３に引き込まれるため、排気背圧が下がる。一般に、エンジン２０１は、排気背圧が下がると燃費が向上するので、好ましい。
【００４８】
その後、エンジン状態が高エンジン回転速度、高負荷に変わって回転補助が終了となる。回転補助の終了により、ターボ回転は低下するが、排気ガス流量はエンジン運転状態に依存するので変化しない。このときベーンを適宜な開度で開くと排気ガス流量が同じで膨張率が低い黒四角作動点に移行させることができる。このように、排気ガス流量を変えずに膨張比を下げると、エンジン２０１の排気背圧が下がるため、燃費が向上する。
【００４９】
ここで、排気背圧が下がると燃費が向上する理由を説明する。
【００５０】
図６に示されるように、エンジン２０１の筒内容積と筒内圧力は、矢印に沿った軌跡を描いて遷移する。吸気行程ａでは、吸気バルブが開くと筒内圧力が低い吸気圧を保ちつつ筒内容積が増大する。圧縮行程ｂでは、筒内容積の減少に伴い筒内圧力が上昇する。膨張行程ｃでは、筒内容積の増大に伴い筒内圧力は圧縮行程ｂよりも高い圧力で下降する。排気行程ｄでは、排気バルブが開いている間、筒内圧力が吸気行程ａにおける吸気圧より高い排気圧を保ちつつ筒内容積が減少する。
【００５１】
図６中、軌跡が時計回りのループを描くとき、プラスの仕事がなされる。すなわち、エンジン２０１から外部へ仕事が取り出される。軌跡が反時計回りのループを描くとき、マイナスの仕事がなされる。すなわち、エンジン２０１が外部から仕事をされる。いずれの場合もループの面積が仕事の大きさを表す。排気行程ｄから吸気行程ａにかけての反時計回りのループにおいては、排気ポート及び吸気ポートを介して筒内へ気体を給排することによるポンピングロスが生じている。
【００５２】
図５の黒三角作動点における図６の軌跡（実線）について膨張行程ｃの終わり頃から排気行程ｄにかけて着目すると、排気背圧が高いため、筒内圧力が高く、反時計回りのループの面積が大きい。つまり、ポンピングロスが大きい。これに対し、図５の黒四角作動点における図６の軌跡（破線）について膨張行程ｃの終わり頃から排気行程ｄにかけて着目すると、排気背圧が低くなったことにより、筒内圧力が低くなり、反時計回りのループの面積が小さくなる。つまり、ポンピングロスが小さくなる。従って、破線の軌跡で運転すれば燃費が向上することがわかる。
【００５３】
以上説明したように、本発明では、回転補助なし時は通常のベーン開度制御を行い、回転補助時はベーン全閉又は減開度制御を行うようにしたので、回転補助時にターボ軸８０６の回転が上がりやすくなり、ターボ軸８０６の回転が所望する回転数まで上昇する時間が短縮され、電気モータ８０７の電力消費が節減され、燃費が向上する。
【００５４】
また、回転補助終了時はベーンを開く方向に制御するので、ポンピングロスが低減されて燃費が向上する。
【００５５】
本実施形態では、２ステージターボ方式のエンジンシステム２００に電動アシストターボチャージャ制御装置１を搭載するものとしたが、１ステージターボ方式のエンジンシステムに対しても本発明は有効である。
【符号の説明】
【００５６】
１  電動アシストターボチャージャ制御装置
２  電動アシストターボチャージャ
３  回転補助制御部
４  ベーン開度制御部
５  ベーン協調制御部
６  アクチュエータ
７  回転補助マップ
８  ベーン開度マップ
９  開度補正マップ
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図２】
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