(57)【要約】      （修正有）【課題】吸気通路に旋回翼を設けることなくターボコンプレッサにおけるサージの発生を抑制することができる内燃機関を提供する。【解決手段】タービンを排気通路１４に備え、タービン１１により駆動されて吸入空気を過給するターボコンプレッサ３を吸気通路１３に備えるターボ過給機と、ターボコンプレッサ３よりも上流側の吸気通路１３に配置されたインペラと、インペラを駆動する電動機１６とを含み、インペラへの吸気流入方向からみたインペラの回転方向がターボコンプレッサ３の回転方向と同一となるように電動機１６によりインペラを駆動することで吸入空気を過給する遠心式の電動コンプレッサ１と、電動コンプレッサ１より上流の吸気通路１３と、バイパス通路１５と、制御装置と、を備え、制御装置は、ターボコンプレッサ３にサージが発生することが予測された場合、電動コンプレッサ１を駆動させることを特徴とする。【選択図】図１
2016050567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気エネルギにより作動するタービンを排気通路に備え、前記タービンにより駆動されて吸入空気を過給するターボコンプレッサを吸気通路に備えるターボ過給機と、
前記ターボコンプレッサよりも上流側の前記吸気通路に配置されたインペラと、前記インペラを駆動する電動機とを含み、前記インペラへの吸気流入方向からみた前記インペラの回転方向が前記ターボコンプレッサの回転方向と同一となるように前記電動機により前記インペラを駆動することで吸入空気を過給する遠心式の電動コンプレッサと、
前記電動コンプレッサより上流の吸気通路と、前記電動コンプレッサ及び前記ターボコンプレッサの間の吸気通路とを連通するバイパス通路と、
前記バイパス通路に設けられ、前記バイパス通路を開閉するバイパスバルブと、
前記電動コンプレッサと前記バイパスバルブとを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記バイパスバルブが全開でありかつ前記電動コンプレッサの停止時に、前記ターボコンプレッサにサージが発生することが予測された場合、前記電動コンプレッサを駆動させることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
内燃機関の排気エネルギにより作動するタービンを排気通路に備え、前記タービンにより駆動されて吸入空気を過給するターボコンプレッサを吸気通路に備えるターボ過給機と、
前記ターボコンプレッサよりも上流側の前記吸気通路に配置されたインペラと、前記インペラを駆動する電動機とを含み、前記インペラへの吸気流入方向からみた前記インペラの回転方向が前記ターボコンプレッサの回転方向と同一となるように前記電動機により前記インペラを駆動することで吸入空気を過給する遠心式の電動コンプレッサと、
前記電動コンプレッサより上流の吸気通路と、前記電動コンプレッサ及び前記ターボコンプレッサの間の吸気通路とを連通するバイパス通路と、
前記バイパス通路に設けられ、前記バイパス通路を開閉するバイパスバルブと、
前記電動コンプレッサと前記バイパスバルブとを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記バイパスバルブが全開でありかつ前記電動コンプレッサの停止時に、前記ターボコンプレッサにサージが発生することが予測された場合、前記電動コンプレッサを吸入空気によって空転させるとともに前記バイパスバルブの開度を小さくすることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、排気を利用して吸気通路に設けられたターボコンプレッサを回転させて吸気を圧縮するターボ過給機を備えた内燃機関が知られている。例えば、特許文献１には、ターボコンプレッサの上流の吸気通路に旋回翼が設置された内燃機関が開示されている。旋回翼を設置することにより、ターボコンプレッサに導入される吸気に旋回流を発生させることができる。これにより、ターボコンプレッサのインペラの吸気に対する迎角を小さくすることができる。この結果、ターボコンプレッサにおけるサージの発生を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０９０８０６号公報
【特許文献２】特開２０１０−１８５３１４号公報
【特許文献３】特開２００５−２０１０９２号公報
【特許文献４】特開２００８−０７５５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、吸気通路に上記の旋回翼を設けると部品コストが増加する。さらに、旋回翼は、サージの発生しない運転領域では、吸気の抵抗となる。このため、吸気通路における圧力損失が増加して、燃費が低下するおそれがある。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、吸気通路に旋回翼を設けることなくターボコンプレッサにおけるサージの発生を抑制することができる内燃機関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】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関であって、
内燃機関の排気エネルギにより作動するタービンを排気通路に備え、前記タービンにより駆動されて吸入空気を過給するターボコンプレッサを吸気通路に備えるターボ過給機と、
前記ターボコンプレッサよりも上流側の前記吸気通路に配置されたインペラと、前記インペラを駆動する電動機とを含み、前記インペラへの吸気流入方向からみた前記インペラの回転方向が前記ターボコンプレッサの回転方向と同一となるように前記電動機により前記インペラを駆動することで吸入空気を過給する遠心式の電動コンプレッサと、
前記電動コンプレッサより上流の吸気通路と、前記電動コンプレッサ及び前記ターボコンプレッサの間の吸気通路とを連通するバイパス通路と、
前記バイパス通路に設けられ、前記バイパス通路を開閉するバイパスバルブと、
前記電動コンプレッサと前記バイパスバルブとを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記バイパスバルブが全開でありかつ前記電動コンプレッサの停止時に、前記ターボコンプレッサにサージが発生することが予測された場合、前記電動コンプレッサを駆動させることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関であって、
内燃機関の排気エネルギにより作動するタービンを排気通路に備え、前記タービンにより駆動されて吸入空気を過給するターボコンプレッサを吸気通路に備えるターボ過給機と、
前記ターボコンプレッサよりも上流側の前記吸気通路に配置されたインペラと、前記インペラを駆動する電動機とを含み、前記インペラへの吸気流入方向からみた前記インペラの回転方向が前記ターボコンプレッサの回転方向と同一となるように前記電動機により前記インペラを駆動することで吸入空気を過給する遠心式の電動コンプレッサと、
前記電動コンプレッサより上流の吸気通路と、前記電動コンプレッサ及び前記ターボコンプレッサの間の吸気通路とを連通するバイパス通路と、
前記バイパス通路に設けられ、前記バイパス通路を開閉するバイパスバルブと、
前記電動コンプレッサと前記バイパスバルブとを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記バイパスバルブが全開でありかつ前記電動コンプレッサの停止時に、前記ターボコンプレッサにサージが発生することが予測された場合、前記電動コンプレッサを吸入空気によって空転させるとともに前記バイパスバルブの開度を小さくすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、サージの発生しない運転領域では吸気の抵抗となる旋回翼を設けることなく、ターボコンプレッサと同一の回転方向の旋回流となった吸気をターボコンプレッサに流入させることができる。このため、ターボコンプレッサのインペラの吸気に対する迎角を小さくすることができる。この結果、ターボコンプレッサにおけるサージの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１のシステムの構成を表した図である。
【図２】電動コンプレッサ内の吸気の流れについて説明する図である。
【図３】電動コンプレッサの断面図である。
【図４】電動コンプレッサによって圧縮された吸気がターボコンプレッサに供給される様子を表した図である。
【図５】回転しているターボコンプレッサのインペラに吸気がどのように当たるかを説明するための図である。
【図６】実施の形態１のサージ抑制制御の具体的な内容を表すルーチンを表したフローチャートである。
【図７】実施の形態２のサージ抑制制御の具体的な内容を表すルーチンを表したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
［システムの構成］
図１は、実施の形態１のシステムの構成を表した図である。図１には、エンジン本体８が表されている。エンジン本体８には、吸気マニホールド７と排気マニホールド９とが取り付けられている。吸気マニホールド７には、吸気通路１３が接続されている。排気マニホールド９には、排気通路１４が接続されている。
【００１１】
吸気通路１３には、上流から順に、電動コンプレッサ１、ターボコンプレッサ３、インタークーラ４が設けられている。ターボコンプレッサ３は、排気を利用して吸気を圧縮するターボ過給機を構成する装置である。電動コンプレッサ１は、ケーシングに格納されたインペラとインペラを回転させる電動機１６とを含んでいる。電動コンプレッサ１は、電気によって電動機１６を駆動してインペラを回転させて、吸気を圧縮する装置である。電動コンプレッサ１は、ターボ過給機のターボラグ発生時の過給圧を補償したり、さらに急加速時に過給を補助したりする等の目的で設けられている。
【００１２】
ここで、電動コンプレッサ１とターボコンプレッサ３とは、吸気通路１３内で直列に設置されている。さらに、電動コンプレッサ１は、電動コンプレッサ１のインペラへの吸気流入方向からみたインペラの回転方向がターボコンプレッサ３の回転方向と同一となるように設置されている。
【００１３】
さらに、吸気通路１３には、電動コンプレッサ１より上流の吸気通路１３と、電動コンプレッサ１及びターボコンプレッサ３の間の吸気通路１３とを連通するバイパス通路１５が接続されている。バイパス通路１５には、バイパス通路１５を開閉するバイパスバルブ２が設けられている。
【００１４】
排気通路１４には、ターボ過給機を構成する装置であるタービン１１が設けられている。タービン１１を排気が通過することでタービン１１が回転し、その回転と連動してターボコンプレッサ３が回転する。
【００１５】
また、インタークーラ４とエンジン本体８との間の吸気通路１３には、過給圧センサ５及びエアフロメータ６が設けられている。
【００１６】
実施の形態１のシステムの構成は、エンジン本体８の運転状態を制御する制御装置としてＥＣＵ１００（Electronic Control Unit）を備える。ＥＣＵ１００の入力側には、過給圧センサ５及びエアフロメータ６が接続される。ＥＣＵ１００は、過給圧センサ５が出力した信号から、吸気通路１３内の過給圧を検出する。ＥＣＵ１００は、エアフロメータ６が出力した信号から、吸気流量を検出する。
【００１７】
ＥＣＵ１００の出力側には、電動コンプレッサ１及びバイパスバルブ２などのアクチュエータが接続される。ＥＣＵ１００は、電動コンプレッサ１に信号を出力して、電動コンプレッサ１を稼働させる。ＥＣＵ１００は、バイパスバルブ２に信号を出力して、バイパスバルブ２の開度を調節する。
【００１８】
ところで、ターボコンプレッサ３の上流側と下流側との圧力比（下流圧力／上流圧力）が高くなり過ぎると、吸気が逆流するサージが発生する。サージは、ターボコンプレッサ３のインペラの吸気に対する迎角を小さくすることで防止することができる。これは、迎角を小さくすることで、吸気がインペラに沿って流れるようになり、インペラから吸気が剥離しにくくなるからである。
【００１９】
そこで、実施の形態１では、ターボコンプレッサ３にサージが発生する領域になった際に、電動コンプレッサ１を駆動して吸気に旋回流を引き起こさせる。これによって、インペラの吸気に対する迎角を小さくし、ターボコンプレッサ３におけるサージの発生を抑制する。以下、電動コンプレッサ１によって生じる旋回流について、図２、図３、図４、図５を参照して説明する。
【００２０】
［電動コンプレッサによる吸気の旋回流について］
図２は、電動コンプレッサ１内の吸気の流れについて説明する図である。図２には、電動コンプレッサ１が表されている。電動コンプレッサ１のインペラ（図示略）は、ケーシング３０に収容されている。ケーシング３０の径方向の外側には、環状のスクロール３４が設けられている。
【００２１】
図２には、電動コンプレッサ１の中央部から吸気が流入する様子が示されている。電動コンプレッサ１に流入した吸気は、電動コンプレッサ１内のインペラによって圧縮される。圧縮された吸気は、電動コンプレッサ１のスクロール３４に導入され、スクロール３４内で旋回流となる。この旋回流は、図２の符号Ｋで示す矢印によって示されている。
【００２２】
図３は、電動コンプレッサ１の断面図である。図３には、電動コンプレッサ１のインペラ３２が表されている。図３の符号Ｋで示す矢印は、図２の符号Ｋで示す矢印と同様に、電動コンプレッサ１のスクロール３４において吸気が旋回流となった様子を示している。
【００２３】
図４は、電動コンプレッサ１によって圧縮された吸気がターボコンプレッサ３に供給される様子を表した図である。図４の実線の矢印は、電動コンプレッサ１を通過して旋回流となった吸気を示している。図４の実線の矢印は、旋回流が強いほど矢印が横向きになる。図４の符号Ｘは、ターボコンプレッサ３のインペラを示している。ターボコンプレッサ３のインペラは、一点鎖線の矢印の方向に回転している。
【００２４】
図４は、回転しているターボコンプレッサ３のインペラに旋回流が当たる様子を絶対座標で示している。ここで、実際に回転しているターボコンプレッサ３のインペラに当たる旋回流について表現するためには、ターボコンプレッサ３のインペラからみた相対座標で表す必要がある。以下、ターボコンプレッサ３のインペラに当たる旋回流を相対座標で表した図５を参照して説明する。
【００２５】
図５は、回転しているターボコンプレッサ３のインペラに吸気がどのように当たるかを説明するための図である。符号Ａで示す実線の矢印は、電動コンプレッサ１によって圧縮された吸気がターボコンプレッサ３に流入したときの流れを示している。ここで、ターボコンプレッサ３のインペラは回転しているため、吸気の相対的な流入角は、符号Ｂで示す実線の矢印のようになる。
【００２６】
また、図５の符号Ａ’で示す破線の矢印は、電動コンプレッサ１によって圧縮されることなくターボコンプレッサ３に流入した吸気の流れを示している。さらに、この吸気の相対的な流入角は、符号Ｂ’で示す破線の矢印のようになる。
【００２７】
図５に示すように、ターボコンプレッサ３へ流入する吸気が旋回しない場合（破線の矢印Ｂ’）と比べ、流入する吸気がターボコンプレッサ３のインペラと同方向に旋回している場合（実線の矢印Ｂ）には、吸気に対するインペラの迎角が小さくなる。このため、実施の形態１の電動コンプレッサ１及びターボコンプレッサ３の配置にすれば、吸気のインペラ翼面からの剥離を抑えて、ターボコンプレッサ３におけるサージの発生を抑制することができる。
【００２８】
ここで、電動コンプレッサ１は、エンジンの運転状態にかかわらず、任意のタイミングで運転が可能である。このため、ターボコンプレッサ３におけるサージを予測して電動コンプレッサ１を稼働させる制御を行えば、適切なサージ対策が可能になる。実施の形態１では、このような制御をサージ抑制制御として行っている。以下、実施の形態１におけるサージ抑制制御の具体的な制御内容について、図６を参照して説明する。
【００２９】
［サージ抑制制御］
図６は、実施の形態１のサージ抑制制御の具体的な内容を表すルーチンを表したフローチャートである。ＥＣＵ１００は、本ルーチンを記憶するためのメモリーを有している。ＥＣＵ１００は、記憶した本ルーチンを実行するためのプロセッサを有している。
【００３０】
まず、ＥＣＵ１００は、電動コンプレッサ１が停止しており、かつバイパスバルブ２が全開になっているか否かを判定する（Ｓ１００）。これは、電動コンプレッサ１が稼働している場合にはサージ抑制制御を実行する必要がなく、バイパスバルブ２が閉じている場合には実施の形態２のサージ抑制制御で説明する効果が既に得られるからである。ＥＣＵ１００は、電動コンプレッサ１が停止しており、かつバイパスバルブ２が全開になっていないと判定した場合、本ルーチンを終了させる。なお、Ｓ１００において、バイパスバルブ２が全開になっているか否かを判定したが、ここでいう全開とは、制御上最大開度として設定されている開度である。
【００３１】
一方、ＥＣＵ１００は、Ｓ１００において、電動コンプレッサ１が停止していて、かつバイパスバルブ２が全開になっていると判定した場合、ターボコンプレッサ３におけるサージが発生するか否かを予測する（Ｓ１０２）。具体的に、ＥＣＵ１００は、過給圧センサ５から検出した過給圧及びその変化速度とエアフロメータ６から検出した吸気流量及びその変化速度との関係に基づいて、ターボコンプレッサ３におけるサージの発生を予測する。あるいは、ＥＣＵ１００は、運転者が要求するトルクによって決まる目標過給圧及び目標吸気流量に基づいて、サージの発生を予測する。ＥＣＵ１００は、ターボコンプレッサ３におけるサージが発生しないと予測した場合、本ルーチンを終了させる。
【００３２】
一方、ＥＣＵ１００は、Ｓ１０２において、ターボコンプレッサ３におけるサージが発生すると予測した場合、電動コンプレッサ１を稼働する（Ｓ１０４）。ここでの電動コンプレッサ１の回転速度及び駆動時間は、予め試験をして求めた十分な旋回流が発生する回転速度及び駆動時間に設定される。
【００３３】
次に、ＥＣＵ１００は、目標過給圧になるようにバイパスバルブ２の開度及びウエストゲートバルブ（ＷＧＶ）の開度を調節する（Ｓ１０６）。ここで、過給圧をウエストゲートバルブのみで目標過給圧に設定できる場合、バイパスバルブ２の開度を調節することなくウエストゲートバルブのみを調節してもよい。その後、本ルーチンは終了する。
【００３４】
実施の形態１の制御が行われることによって、旋回流を引き起こした吸気をターボコンプレッサ３に流入させることができる。このため、ターボコンプレッサ３のインペラの吸気に対する迎角を小さくすることができる。この結果、ターボコンプレッサ３におけるサージの発生を抑制することができる。
【００３５】
実施の形態２．
実施の形態２は、サージ抑制制御において、電動コンプレッサ１を稼働するのではなくバイパスバルブ２の開度を制御する点で実施の形態１と相違する。以下、実施の形態２のサージ抑制制御について説明する。
【００３６】
図７は、実施の形態２のサージ抑制制御の具体的な内容を表すルーチンを表したフローチャートである。なお、Ｓ２００及びＳ２０２は、実施の形態１のＳ１００及びＳ１０２と同様の処理であるため説明を省略する。
【００３７】
ＥＣＵ１００は、Ｓ２０２において、ターボコンプレッサ３でサージが発生すると予測した場合、電動コンプレッサ１を吸気によって空転できる状態にする（Ｓ２０４）。具体的に、ＥＣＵ１００は、電動コンプレッサ１の電動機１６に通電しないことによって、電動コンプレッサ１のインペラ３２が吸気によって空転できる状態にする。さらに、電動コンプレッサ１のインペラ３２が電動機１６と切り離せる場合は、それらを切り離してもよい。
【００３８】
次に、ＥＣＵ１００は、バイパスバルブ２を所定開度まで閉じる（Ｓ２０６）。具体的には、ＥＣＵ１００に予め設定されているマップによって開度を決定して、バイパスバルブ２を全閉もしくは部分的に閉める制御が行われる。より詳しくは、ターボコンプレッサ３の回転速度が高いほどバイパスバルブ２の開度は低く設定される。ＥＣＵ１００に設定されているマップは、バイパスバルブ２の開度とターボコンプレッサ３の回転速度とを関連付けたマップである。このように、バイパスバルブ２を所定開度まで閉じることで、バイパス通路１５を流れていた吸気が電動コンプレッサ１を通過するようになる。このため、電動コンプレッサ１を吸気の流れで回転させることができる。この結果、電動コンプレッサ１のスクロール３４において旋回流が発生する。なお、Ｓ２０６において、バイパスバルブ２を全閉にする制御について述べたが、ここでいう全閉とは、バイパスバルブ２の開度が０％の状態に限らず、制御上最低開度として設定されている開度でもよい。
【００３９】
次に、ＥＣＵ１００は、目標過給圧になるようにウエストゲートバルブ（ＷＧＶ）の開度を調整する（Ｓ２０８）。その後、本ルーチンは終了する。
【００４０】
実施の形態２のサージ抑制制御を行うことによって、実施の形態１と同様に、電動コンプレッサ１のスクロール３４に吸気を導入して旋回流を引き起こさせてから、その吸気をターボコンプレッサ３に流入させることができる。この結果、ターボコンプレッサ３におけるサージの発生を抑制することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  電動コンプレッサ
２  バイパスバルブ
３  ターボコンプレッサ
５  過給圧センサ
６  エアフロメータ
８  エンジン本体
１５  バイパス通路
１００  ＥＣＵ
【図１】
2016050567.tif 000003
【図２】
2016050567.tif 000004
【図３】
2016050567.tif 000005
【図４】
2016050567.tif 000006
【図５】
2016050567.tif 000007
【図６】
2016050567.tif 000008
【図７】
2016050567.tif 000009