(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に対して過給を行うターボチャージャにおいて、
コンプレッサを回転駆動させ得る電動機と、前記内燃機関の内部温度を検出する内部温度検出手段と、前記電動機の出力を制御して過給圧を変更する過給圧制御手段とを備えており、前記内部温度検出手段によって検出された前記内燃機関の内部温度が所定温度以下の場合には、前記過給圧制御手段が、前記電動機による過給圧増加分を少なくなるように該電動機を制御することを特徴とするターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボチャージャのコンプレッサを電動機で駆動することができるようにした電動機付ターボチャージャに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン（内燃機関）の吸入空気量をターボチャージャで過給して、高出力（あるいは、低燃費）を得ようとする試みは以前から常用されている。ターボチャージャの改善が要望されている点の一つとして、低回転域の過給圧の立ち上がりが悪く、低回転域でのエンジン出力特性が良好でないというものがある。これは、排気エネルギーを利用して吸入空気を過給するというターボチャージャの原理上、排気エネルギーの少ない低回転域で発生する現象であった。これを改善するために、ツインターボ化などが一般に行われているが、タービン／コンプレッサに電動機（モータ）を組み込んで強制的にタービンを駆動して所望の過給圧を得ようとする試みもなされている。このような電動機付ターボチャージャとしては、特開平6-280723号公報に記載のようなものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に記載の電動機付ターボチャージャにおいては、キースイッチがオンとされると同時に電動機でタービン／コンプレッサを回転させて過給を行う。このようにすることによって、圧縮比の低いエンジンでも始動性を向上させることができ、高圧縮比エンジンによる弊害を避けつつ良好な始動性（特に冷間始動性）を確保することをねらっている。過給によって始動性が向上するのは、過給を行うことによって吸入空気温度が上昇し混合気への着火性が向上するからである。
【０００４】
しかし、上記公報に記載の電動機付ターボチャージャでは、キースイッチオンと同時にタービン／コンプレッサが高速回転されることとなるので、タービン／コンプレッサの回転軸の焼き付きが懸念される。回転軸の焼き付きを防止するためには、確実に回転軸の潤滑を行う必要がある。冷間始動直後だけでなくタービン／コンプレッサの回転軸の潤滑は重要で、電動機付ターボチャージャの場合は任意のときにタービン／コンプレッサを高速回転させることができるので、タービン／コンプレッサの回転軸の焼き付き防止に関しては更なる改善が要望されていた。
【０００５】
従って、本発明の目的は、コンプレッサを回転駆動させる電動機を備えたターボチャージャにおいて、コンプレッサの回転軸の潤滑を制御して回転軸の焼き付きを確実に防止することのできるターボチャージャを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のターボチャージャは、内燃機関に対して過給を行うターボチャージャにおいて、コンプレッサを回転駆動させ得る電動機と、内燃機関の内部温度を検出する内部温度検出手段と、電動機の出力を制御して過給圧を変更する過給圧制御手段とを備えており、内部温度検出手段によって検出された内燃機関の内部温度が所定温度以下の場合には、過給圧制御手段が、電動機による過給圧増加分を少なくなるように電動機を制御することを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のターボチャージャの一実施形態について以下に説明する。まず、第一実施形態のターボチャージャを有するエンジン１を図１に示す。本実施形態で説明するエンジン１は筒内噴射型のガソリンエンジンであるが、吸気通路上に燃料を噴射するタイプのガソリンエンジンや、ディーゼルエンジンに対して適用することも可能である。
【００１２】
本実施形態で説明するエンジン１は、多気筒エンジンであるが、ここではそのうちの一気筒のみが断面図として図１に示されている。エンジン１は、インジェクタ２によってシリンダ３内のピストン４の上面に燃料を噴射するタイプのエンジンである。このエンジン１は、成層燃焼が可能であり、いわゆるリーンバーンエンジンである。後述するターボチャージャによってより多くの吸入空気を過給してリーンバーンを行うことによって、高出力化だけでなく低燃費化をも実現し得るものである。
【００１３】
エンジン１は、吸気通路５を介してシリンダ３内に吸入した空気をピストン４によって圧縮し、ピストン４の上面に形成された窪みの内部に燃料を噴射して濃い混合気を点火プラグ７近傍に集め、これに点火プラグ７で着火させて燃焼させる。シリンダ３の内部と吸気通路５との間は、吸気バルブ８によって開閉される。燃焼後の排気ガスは排気通路６に排気される。シリンダ３の内部と排気通路６との間は、排気バルブ９によって開閉される。吸気通路５上には、上流側からエアクリーナ１０、ターボユニット１１、インタークーラー１２、スロットルバルブ１３などが配置されている。
【００１４】
エアクリーナ１０は、吸入空気中のゴミや塵などを取り除くフィルタである。ターボユニット１１は、吸気通路５と排気通路６との間に配され、過給を行うものである。本実施形態のターボユニット１１においては、タービン側インペラーとコンプレッサ側インペラーとが回転軸で連結されている（以下、この部分を単にタービン／コンプレッサ１１ａと言うこととする）。また、本実施形態のターボチャージャは、タービン／コンプレッサ１１ａの回転軸が出力軸となるように電動機１１ｂが組み込まれている電動機付ターボチャージャである。電動機１１ｂは、交流モータであり発電機としても機能し得る。ターボユニット１１は、排気エネルギーによってのみ過給を行う通常の過給機としても機能し得るが、電動機１１ｂによってタービン／コンプレッサ１１ａを強制的に駆動することでさらなる過給を行うこともできる。
【００１５】
また、排気エネルギーを利用して、タービン／コンプレッサ１１ａを介して電動機１１ｂを回転させることで回生発電させ、発電された電力を回収することもできる。図示されていないが、電動機１１ｂは、タービン／コンプレッサ１１ａの回転軸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主たる構成部分として有している。吸気通路５上のターボユニット１１の下流側には、ターボユニット１１による過給で圧力上昇に伴って温度が上昇した吸入空気の温度を下げる空冷式インタークーラ１２が配されている。インタークーラー１２によって吸入空気の温度を下げ、充填効率を向上させる。
【００１６】
インタークーラー１２の下流側には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ１３が配されている。本実施形態のスロットルバルブ１３は、いわゆる電子制御式スロットルバルブであり、アクセルペダル１４の操作量をアクセルポジショニングセンサ１５で検出し、この検出結果と他の情報量とに基づいてＥＣＵ１６がスロットルバルブ１３の開度を決定するものである。スロットルバルブ１３は、これに付随して配設されたスロットルモータ１７によって開閉される。また、スロットルバルブ１３に付随して、その開度を検出するスロットルポジショニングセンサ１８も配設されている。
【００１７】
スロットルバルブ１３の下流側には、吸気通路５内の圧力（吸気圧・過給圧）を検出する圧力センサ１９が配設されている。これらのセンサ１５，１８，１９はＥＣＵ１６に接続されており、その検出結果をＥＣＵ１６に送出している。ＥＣＵ１６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなる電子制御ユニットである。ＥＣＵ１６には、上述したインジェクタ２、点火プラグ７や、電動機１１ｂ、等が接続されており、これらはＥＣＵ１６からの信号によって制御されている。ＥＣＵ１６には、このほかにも、吸気バルブ８の開閉タイミングを制御する可変バルブタイミング機構２０や、電動機１１ｂと接続されたコントローラ２１、バッテリ２２なども接続されている。
【００１８】
コントローラ２１は、電動機１１ｂの駆動を制御するだけでなく、電動機１１ｂが回生発電した電力の電圧変換を行うインバータとしての機能も有している。回生発電による電力は、コントローラ２１によって電圧変換された後にバッテリ２２に充電される。一方、排気通路６上には、排気ガスを浄化する排気浄化触媒２３がターボユニット１１の下流側に取り付けられている。また、エンジン本体内の冷却水通路に臨むように水温センサ２４が取り付けられており、この水温センサ２４もＥＣＵ１６に接続されている。水温センサ２４は、エンジン１内部の温度を検出する内部温度検出手段として機能している。
【００１９】
なお、ＥＣＵ１６は、コントローラ２１を介して電動機１１ｂを制御することによって過給圧を制御することができ、過給圧制御手段として機能している。さらに、図示されていないが、排気通路６上には、ターボユニット１１をバイパスする流路も設けられており、この流路上にウェイストゲートバルブが配されている。ウェイストゲートバルブは、過給圧が所定圧力以上となると開かれ、タービン／コンプレッサ１１ａへの排気流量を減じることによって過給圧を制御するものである。
【００２０】
また、ターボユニット１１のタービン／コンプレッサ１１ａよりも上方に貯留タンク２５が配設されている。貯留タンク２５は、タービン／コンプレッサ１１ａの潤滑に用いるオイル用のオイルタンクである。この貯留タンク２５からタービン／コンプレッサ１１ａの回転軸までは、オイルパイプ（液供給路）２６が配設されており、オイルパイプ２６上には貯留タンク２５からタービン／コンプレッサ１１ａの回転軸に供給するオイルの流量を制御する制御バルブ（流量制御弁）２７が配設されている。制御バルブ２７もＥＣＵ１６に接続されており、ＥＣＵ１６によってその開度やデューティー比が制御されることによって、供給オイル量を制御する。なお、制御バルブ２７は単なる開閉弁でも良い。
【００２１】
貯留タンク２５はタービン／コンプレッサ１１ａの回転軸よりも上方に配置されているので、制御バルブ２７を開く（デューティー制御）だけで貯留タンク２５内のオイルは重力によってタービン／コンプレッサ１１ａに供給され、タービン／コンプレッサ１１ａの潤滑が行われる。オイルの送出ポンプなどが必要ないので、構造が複雑になることもないし、オイルの送出にエネルギーを使用する必要もない。
【００２２】
なお、ここでの貯留タンク２５は開放型ではなく密閉型であり、その貯留容量もターボチャージャの始動時潤滑に必要充分な程度に小さい。また、エンジン１本体の潤滑のためのオイル流路の一部が貯留タンク２５を通るようになされている。従って、エンジン１が始動されれば、通常の潤滑用オイルポンプによって貯留タンク２５は満たされる。タービン／コンプレッサ１１ａの回転軸を潤滑した後のオイルは、供給経路とは別の経路でエンジン１本体の潤滑用オイル経路に戻される。
【００２３】
エンジン１本体の潤滑などはエンジン１自体の出力を利用してエンジンオイルを潤滑させる構造上、エンジン１が回転していないと潤滑を行えない。しかし、本実施形態におけるタービン／コンプレッサ１１ａの潤滑は、エンジン１の出力を利用しないので、エンジン１の非運転時にもタービン／コンプレッサ１１ａの潤滑を行うことができ、タービン／コンプレッサ１１ａの焼き付きを確実に防止することができる。電動機１１ｂを有するターボチャージャはエンジン１の非運転時にも駆動させ得るので、このようにしておくことが有効である。
【００２４】
例えば、本実施形態のターボチャージャを用いて、冷間始動時の始動性向上を図ることもできる。上述したように、電動機付ターボチャージャを用いて冷間始動時の始動性を向上させることができるが、この際には、エンジン始動前から過給を行い、圧力上昇に伴う温度を利用して吸入空気温度を上昇させる。吸入空気温度が上昇すると着火性が良くなるので冷間始動性が良くなる。このとき、タービン／コンプレッサ１１ａをエンジン１の始動前から高速回転させる必要があるが、潤滑を行っていないとタービン／コンプレッサ１１ａが焼き付いてしまう。
【００２５】
そこで、本実施形態では、エンジン１の始動に先立って制御バルブ２７を開いてタービン／コンプレッサ１１ａにオイルを供給し、その後（あるいは同時に）電動機１１ｂの駆動を開始する。このようにすれば、タービン／コンプレッサ１１ａの焼き付きを防止しつつ、過給による冷間始動性向上を行うことができる。制御バルブ２７を開くタイミングとしては、例えば、キーシリンダへのキーの挿入を検出した直後などが挙げられる。
【００２６】
また、本実施形態においては、エンジン１内部の温度に基づいて電動機１１ｂによる過給増加分を制御するようになされている。具体的には、エンジン１の内部温度の一つの指標として冷却水温を利用し、水温センサ２４によって検出される水温が所定水温以下の場合には、電動機１１ｂによる過給増加分が少なくなるように、電動機１１ｂを制御している。なお、エンジン１の内部温度としては、エンジンオイルの油温等を用いても良い。
【００２７】
例えば、エンジン１が運転された後に停止され、その後あまり間を置かずに再度運転されるような場合には、エンジン１自体はほぼ暖機が終了した状態となっており、タービン／コンプレッサ１１ａの潤滑もほぼ十分な状態であると言える。このときは、エンジン１の内部温度は所定温度以上となっていると判断できる。反対に、エンジン１の内部温度が所定温度より低い場合は、エンジン１が冷間始動されている、あるいは、冷間始動に近い状態や暖機が完全に終了していない状態であると推測できる。このような状況では、タービン／コンプレッサ１１ａの潤滑が十分でなく、電動機１１ｂによってフル過給を行うとタービン／コンプレッサ１１ａが焼き付いてしまうことが懸念される。
【００２８】
そこで、エンジン１内部の温度、本実施形態では冷却水温度が所定温度以下の場合には、電動機１１ｂによる過給増加分が少なくなるように、即ち、タービン／コンプレッサ１１ａの回転数を低くして焼き付きが生じないように制御する。本実施形態によれば、エンジン１が駆動していない状態でもタービン／コンプレッサ１１ａの潤滑を行える電動機１１ｂ付タービン／コンプレッサ１１ａの焼き付き防止と、エンジン１の内部温度に応じた電動機１１ｂ制御によるタービン／コンプレッサ１１ａの焼き付き防止とを併用することで、より確実な焼き付き防止を行うことができる。なお、これらの二つの焼き付き防止策は必ず併用しなければならないということではなく、それぞれ独立して採用可能なものである。
【００２９】
次に、第二実施形態について説明する。第二実施形態のターボチャージャ及びこれを有するエンジンは、上述した第一実施形態に準じた構成を有している。このため、同一又は同等の構成部分については同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。以下には、特に異なる部分と異なってはいないが第一実施形態では説明しなかった部分について詳しく説明する。
【００３０】
本実施形態のターボチャージャも、タービン／コンプレッサ１１ａに対して潤滑液となるオイルを供給するオイルパイプ２８が配設されている。しかし、本実施形態のオイルパイプ２８は、エンジン１本体の潤滑を行うためのオイルポンプ２９に接続されている。オイルポンプ２９は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）の回転を駆動力として駆動され、オイルパン内部のオイルをエンジン各部に送出するものである。そして、エンジン１の出力軸には、通常のエンジンと同様に、フライホイール３０が取り付けられており、フライホイール３０の外周縁にはスタータモータ３１と噛み合うギアが形成されている。
【００３１】
スタータモータ３１は、ＥＣＵ１６からの信号によって駆動される。通常のエンジンであれば、キーシリンダにキーが差し込まれた後にイグニッションオンの位置までひねられたときに、スタータモータによってクランクシャフトを回転させつつ（クランキングさせつつ）、シリンダ内に混合気を導入・点火してエンジンを始動させる。しかし、本実施形態のエンジンにおいては、ターボチャージャのタービン／コンプレッサ１１ａの焼き付きを防止するため、キーシリンダ３２に対してキーが差し込まれたときに直ぐにスタータモータ３１を駆動させて所定時間クランキングを行う。所定時間クランキングを行うことによって、オイルポンプ２９によってタービン／コンプレッサ１１ａにオイルパイプ２８を介してオイルが供給され、潤滑が行われる。
【００３２】
このように、エンジン１の始動以前にタービン／コンプレッサ１１ａにオイルを供給して潤滑を行うモード（タービン潤滑モード）を設定し、このモードが終了してから電動機１１ｂを駆動して過給を行い、吸入空気の温度を上昇させて冷間始動性を向上させるようにしている。なお、このモード中は、エンジン１での燃焼を積極的に停止（抑止）している。そして、その後、エンジン１が実際に始動される。さらに、本実施形態においても、エンジン１内部の温度に応じた電動機１１ｂの制御が行われている。本実施形態によれば、エンジン１の始動以前にタービン潤滑モードを所定時間設け、このモード終了後に始めて電動機１１ｂが駆動されるようにして、タービン／コンプレッサ１１ａが駆動されるときには潤滑が既に終了しているので、タービン／コンプレッサ１１ａの焼き付きを確実に防止することができる。
【００３３】
なお、本実施形態においては、エンジン１が始動される以前にキーシリンダ３２にキーが差し込まれたときを検出してオイルをタービン／コンプレッサ１１ａに対して供給した。しかし、このタイミングはエンジン１の始動以前であるなら他のタイミングであっても良い。例えば、シートに乗員の有無を検出するセンサを組み込んでおき、乗員が検出された直後などや、近年では非接触型のエンジンキーも開発されており、運転者が車に接近したことを検知できるものもあるので、運転者が所定範囲内に接近すると同時にタービン／コンプレッサ１１ａにオイルを供給するなどしても良い。
【００３４】
さらに、本発明の他の実施形態としては以下のようなものも考えられる。ターボチャージャのタービン／コンプレッサの潤滑のために、専用の流路、専用のポンプ、及び、専用の潤滑液貯留タンクを設ける。ここで、ポンプはバッテリからの電力によって駆動されるものである。そして、タービン／コンプレッサの潤滑を、エンジン本体の潤滑とは独立させて行う。例えば、エンジンの始動前に電動機でコンプレッサを回転させて過給を行い、始動性を向上させるような場合は、電動機をバッテリの電力を用いて駆動させる。このとき、電動機の始動以前にバッテリの電力を用いてポンプを駆動し、タービン／コンプレッサの回転軸の潤滑を行うことによって、タービン／コンプレッサの焼き付きを防止する。
【００３５】
さらに他の実施形態としては以下のようなものもある。ターボチャージャのタービン／コンプレッサの潤滑のために、専用の流路、及び、専用のポンプを設ける。ただし、潤滑液（オイル）貯留タンクはエンジン本体の潤滑系と共用する。ここで、ポンプはバッテリからの電力によって駆動されるものである。そして、タービン／コンプレッサの潤滑を、エンジン本体の潤滑とは独立させて行う。例えば、エンジンの始動前に電動機でコンプレッサを回転させて過給を行い、始動性を向上させるような場合は、電動機をバッテリの電力を用いて駆動させる。このとき、電動機の始動以前にバッテリの電力を用いてポンプを駆動し、タービン／コンプレッサの回転軸の潤滑を行うことによって、タービン／コンプレッサの焼き付きを防止する。
【００３６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、タービン／コンプレッサ１１ａの潤滑液はオイルを用いたが、オイル以外の液体を潤滑液として使用することも可能である。また、過給圧制御手段は、単一の部品で構成されなければならないというものではなく、複数の部品（例えば、ＥＣＵ、アクチュエータ、センサ等）によって構成されて構わない。
【００３７】
また、上述した実施形態においては、タービン側インペラとコンプレッサ側インペラとが回転軸で一体化され、両者は必ず一体的に回転するものであった。しかし、例えば、回転軸の途中にクラッチが配されているような形態のタービン／コンプレッサを有するターボチャージャに対しても本発明は適用し得る。この場合、電動機による過給が行われる場合はコンプレッサ側の回転軸が電動機によって回転駆動される状態となっており、電動機による回生発電が行われる場合はタービン側の回転軸と電動機とが連結されている。あるいは、タービン回転駆動用の電動機とコンプレッサ回転駆動用の電動機とが併設される形態なども考えられる。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１に記載のターボチャージャによれば、内燃機関の非運転時にも潤滑液供給手段によってコンプレッサの潤滑を行うことができるので、コンプレッサの焼き付きを確実に防止することができる。
【００３９】
請求項２に記載のターボチャージャによれば、コンプレッサの回転軸よりも貯留タンクを上方に配置したため、コンプレッサへの潤滑液の供給にポンプなどのエネルギーを消費するものが必要がなくなり、簡便化構造で、エネルギー効率よく確実にタービンの焼き付き防止を行うことができる。
【００４０】
請求項３に記載のターボチャージャによれば、コンプレッサの焼き付きを防止しつつ、内燃機関の冷間始動性の向上及び早期暖機を行うことができ、内燃機関の始動性向上、燃費向上などを実現することができる。
【００４１】
請求項４に記載のターボチャージャによれば、コンプレッサの焼き付き防止のために新たな機構などを採用する必要なく、確実にコンプレッサの焼き付き防止を行うことができる。
【００４２】
請求項５に記載のターボチャージャによれば、内燃機関の内部温度からコンプレッサの焼き付きが起こりやすいか否かを判断し、これに基づいて電動機を制御することによって、コンプレッサの焼き付きを確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のターボチャージャの第一実施形態を有するエンジン構成を示す構成図である。
【図２】本発明のターボチャージャの第二実施形態を有するエンジン構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１…エンジン、２…インジェクタ、３…シリンダ、４…ピストン、５…吸気通路、６…排気通路、７…点火プラグ、８…吸気バルブ、９…排気バルブ、１０…エアクリーナ、１１…ターボユニット、１１ａ…タービン／コンプレッサ、１１ｂ…電動機、１２…インタークーラー、１３…エアクリーナ、１３…スロットルバルブ、１４…アクセルペダル、１５…アクセルポジショニングセンサ、１６…ＥＣＵ、１７…スロットルモータ、１８…スロットルポジショニングセンサ、１９…圧力センサ、２０…可変バルブタイミング機構、２１…コントローラ、２２…バッテリ、２３…排気浄化触媒、２４…水温センサ、２５…貯留タンク、２６…オイルパイプ、２７…制御バルブ、２８…オイルパイプ、２９…オイルポンプ、３０…フライホイール、３１…スタータモータ、３２…キーシリンダ。
【図１】
0003903805.tif 000002
【図２】
0003903805.tif 000003