(57)【要約】【課題】クランク軸の動力で発電する発電機と、この発電機で発電された電力を充電する蓄電装置を備えた内燃機関において、内燃機関の過渡運転時に、蓄電装置の電力を、クランク軸の回転アシストに使用せず、内燃機関の過給アシストに使用することで、内燃機関の過渡運転時における過渡応答性を良くして、過渡運転時の初期の燃焼悪化を防止することができると共に、電力エネルギーを効率よくエンジン出力の増加に使用できて、燃費を向上させることができる内燃機関及び内燃機関の制御方法を提供する。【解決手段】吸気通路１２に蓄電装置２１からの電力で駆動する電動スーパーチャージャ４０を設けると共に、内燃機関１０の過渡運転時の初期に、蓄電装置２１に蓄電した電力を電動スーパーチャージャ４０に供給して過給補助する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク軸の動力で発電する発電機と、この発電機で発電された電力を充電する蓄電装置を備えた内燃機関において、
吸気通路に前記蓄電装置からの電力で駆動する電動スーパーチャージャを設けると共に、当該内燃機関を制御する制御装置が、当該内燃機関の過渡運転時の初期に、前記蓄電装置に蓄電した電力を前記電動スーパーチャージャに供給して過給補助する制御を行うように構成されたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記蓄電装置を、リチウムイオン電池、又は、鉛畜電池とキャパシタで形成した請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記電動発電機を、スターターとオルタネータというそれぞれのユニット、または、当該内燃機関と電動発電機を備えたハイブリッドシステムの前記電動発電機で形成した請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
クランク軸の動力で発電する発電機と、この発電機で発電された電力を充電する蓄電装置と、この蓄電装置からの電力で駆動する電動スーパーチャージャを備えた内燃機関の制御方法において、当該内燃機関の過渡運転時の初期に、前記蓄電装置に蓄電した電力を前記電動スーパーチャージャに供給して過給補助することを特徴とする内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の過渡運転時における過渡応答性を良くして、過渡運転時の初期の燃焼悪化を防止することができると共に、電力エネルギーを効率よくエンジン出力の増加に使用できて、燃費を向上させることができる内燃機関及び内燃機関の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、ディーゼルエンジンなどの内燃機関を搭載する車両では、図４に示すような、スターターとオルタネータが一体化した電動発電機で構成されるＩＳＧユニット（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｒ）２０を、プーリー１６ａ，１６ｂとベルト１６ｃで形成される動力伝達機構１６を介して、内燃機関１１のクランク軸１１ｄと接続したハイブリッドシステム１０Ｘを搭載する車両１Ｘが開発されている。
【０００３】
このハイブリッドシステム１０Ｘを搭載したハイブリッド車両１Ｘでは、車両１Ｘの制動時には、クランク軸１１ｄから動力伝達機構１６経由でＩＳＧユニット２０に動力を伝達して、ＩＳＧユニット２０を発電機として作動させて発電した電力を蓄電装置２１に充電している。また、車両１Ｘの加速時には、蓄電装置２１で放電した電力をＩＳＧユニット２０に供給してＩＳＧユニット２０を電動機として作動させて、電動機で発生した動力を、動力伝達機構１６経由でクランク軸１１ｄに伝達することで、エンジン出力を補助（アシスト）している。
【０００４】
しかしながら、クランク軸３１とＩＳＧユニット２０を接続する動力伝達機構１６はプーリー１６ａ、１６ｂ及びベルト１６ｃで構成される場合には、伝達可能な動力は大きくても１０ｋＷ程度である上に、ＩＳＧユニット２０に使用される電動発電機の容量は、現状では、２ｋＷ程度であるため、内燃機関１０Ｘに、排気量が大きく、また、過給率も高くて、エンジン出力が１００ｋＷ程度と大きいディーゼルエンジンが採用される場合には、２ｋＷ程度の補助出力では、相対的に僅かな量になってしまい、ＩＳＧユニット２０によるアシスト効果が小さいため、燃費の向上への寄与が少なく、エネルギー効率が悪いという問題がある。
【０００５】
一方、車両に搭載されるディーゼルエンジンなどの内燃機関では、ターボチャージャやスーパーチャージャにより、吸入した新気を加圧して過給することでエンジン出力を高めている。しかしながら、車両の加速時などの内燃機関の過渡運転時においては、ターボラグにより、過給が遅れ、１ｓ〜２ｓ程度の瞬時ではあるが、過渡運転時の初期に十分な空気を供給できず、気筒（シリンダ）内での燃焼が悪化して、エンジン出力が目標値まで上昇するのに時間を要してしまい、そのため、内燃機関の過渡応答性が悪く、燃費の向上に限界があるという問題がある。
【０００６】
これに関連して、エンジンから回収したエネルギーを有効に利用可能とし、加速要求に対する応答性を向上させる目的で、ターボチャージャにターボ用電動機を組み入れて、回生発電機によって発電された電力を、バッテリが満充電状態にない場合にはバッテリに充電して、バッテリが満充電状態にある場合に、ターボ用電動機に供給して駆動したり、エンジンの加減速頻度が所定の頻度を上回っている場合には、バッテリの充電状態に拘わらず、ターボ用電動機に電力を供給して駆動したりする過給装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
しかしながら、この過給装置で使用されるような、ターボ用電動機を組み入れたターボチャージャでは、排気ガスによって駆動されるタービンとこのタービンと同軸のコンプレッサとを有しており、回転慣性モーメントが大きいため、加速要求を感知してからターボ用電動機の駆動を開始したのでは、この大きな回転慣性モーメントにより回転数上昇までに時間がかかってしまい、過給開始初期のターボラグを解消することができないという問題がある。
【０００８】
これを解消するために、上記の過給装置では、予めターボ用電動機を作動させて吸入空気の圧力を高めておくことで、過給装置の加速要求に対する応答性を高めているが、エンジンの出力が大きい場合には、ターボ用電動機で使用する電力が大きく、バッテリの蓄電容量が大きくないと、肝心の加速要求が生じたときにターボ用電動機を回し続けておくことができない。この過給装置は、エンジン出力も小さく、排気量も少なく、エンジン出力に対して比較的大きな容量のバッテリを搭載できる乗用車等には、効果的と考えられるが、ディーゼルエンジン等の高出力の内燃機関では、大容量のバッテリが必要になるため、バッテリの重量が増加し、実用的ではないと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２７０６０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、クランク軸の動力で発電する発電機と、この発電機で発電された電力を充電する蓄電装置を備えた内燃機関において、内燃機関の過渡運転時に、蓄電装置の電力を、クランク軸の回転アシストに使用せず、内燃機関の過給アシストに使用することで、内燃機関の過渡運転時における過渡応答性を良くして、過渡運転時の初期の燃焼悪化を防止することができると共に、電力エネルギーを効率よくエンジン出力の増加に使用できて、燃費を向上させることができる内燃機関及び内燃機関の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、クランク軸の動力で発電する発電機と、この発電機で発電された電力を充電する蓄電装置を備えた内燃機関において、
吸気通路に前記蓄電装置からの電力で駆動する電動スーパーチャージャを設けると共に、当該内燃機関を制御する制御装置が、当該内燃機関の過渡運転時の初期に、前記蓄電装置に蓄電した電力を前記電動スーパーチャージャに供給して過給補助する制御を行うように構成される。
【００１２】
この構成によれば、内燃機関の過渡運転時において、初期に、回転慣性モーメントが小さく、小回りの利き、迅速に過給を開始できる電動スーパーチャージャを駆動するので、ターボラグの最中に過給空気を気筒内に供給することができるようになるので、過渡運転初期における瞬間的な気筒内の燃焼悪化を抑制でき、エンジン出力を速やかに上昇させることができるので、エンジンの過渡応答性が良くなり、ドライバビリティを向上できる。また、この燃焼悪化の抑制により、燃費を向上させることができる。また、内燃機関がディーゼルエンジンの場合は、過渡運転開始時に瞬間的に出るスモークを減らすことができる。
【００１３】
更に、エンジン出力が１００ｋＷ程度と大きい場合には、クランク軸に対して電動アシストするときのエンジン出力の増加は、２ｋＷ程度であるのに対して、過給補助によるエンジン出力の増加は２０ｋＷ〜３０ｋＷを見込めるので、電力エネルギーを効率よくエンジン出力の増加に使用でき、燃費を向上させることができる。
【００１４】
また、上記の内燃機関において、前記蓄電装置を、リチウムイオン電池、又は、鉛畜電池とキャパシタで形成すると、実用化可能な重量に収まる蓄電装置で、内燃機関の過渡運転の初期の１ｓ〜２ｓ程度の瞬時の間ではあるが、ターボチャージャのターボラグにおける過給不足を十分に補える過給補助を行うことができるだけの電力を、電動スーパーチャージャに供給できるようになる。
【００１５】
特に、内部の電気抵抗が大きく通電量の小さい鉛蓄電池を採用している場合でも、キャパシタを備えることにより、キャパシタは大きな容量の電力を短時間で放電できるので、瞬時に大きな通電量で電動スーパーチャージャに電力を供給できるようになる。そのため、短時間で過給補助量を大きくすることができ、応答性の向上に大きな効果がある。
【００１６】
また、上記の内燃機関において、前記電動発電機を、スターターとオルタネータというそれぞれのユニット、または、当該内燃機関と電動発電機を備えたハイブリッドシステムの前記電動発電機で構成すると、内燃機関に既に備わっている、それぞれの発電機能を有する装置を利用して、過給補助することができるので、新たな電動発電機を設ける必要がなくなる。
【００１７】
そして、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の制御方法は、クランク軸の動力で発電する発電機と、この発電機で発電された電力を充電する蓄電装置と、この蓄電装置からの電力で駆動する電動スーパーチャージャを備えた内燃機関の制御方法において、当該内燃機関の過渡運転時の初期に、前記蓄電装置に蓄電した電力を前記電動スーパーチャージャに供給して過給補助する方法である。
【００１８】
この方法によれば、内燃機関の過渡運転時において、初期に、回転慣性モーメントが小さく、小回りの利き、迅速に過給を開始できる電動スーパーチャージャを駆動するので、ターボラグの最中に過給空気を気筒内に供給することができて、過渡運転初期における瞬間的な気筒内の燃焼悪化の抑制、エンジン出力の速やかな上昇、エンジンの過渡応答性の向上、ドライバビリティの向上、燃費の向上という効果を得ることができる。
【００１９】
更に、エンジン出力が大きい場合には、クランク軸に対して電動アシストするときのエンジン出力の増加よりも、過給補助によるエンジン出力の増加の方が大きくなるので、電力エネルギーを効率よくエンジン出力の増加に使用でき、燃費を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の内燃機関及び内燃機関の制御方法によれば、クランク軸の動力で発電する発電機と、この発電機で発電された電力を充電する蓄電装置を備えた内燃機関において、内燃機関の過渡運転時に、蓄電装置の電力を、クランク軸の回転補助に使用せず、内燃機関の過給補助に使用することで、内燃機関の過渡運転時における過渡応答性を良くして、過渡運転時の初期の燃焼悪化を防止することができると共に、電力エネルギーを効率よくエンジン出力の増加に使用できて、燃費を向上させることができる。特に、ディーゼルエンジンの場合は、同時に瞬間的に出るスモークを減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る実施の形態の内燃機関の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の内燃機関を搭載した車両の構成を模式的に示す図である。
【図３】車両加速時における過給アシストを説明するための図である。
【図４】従来技術のＩＳＧユニットを備えた内燃機関の構成の一例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関及び内燃機関の制御方法について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本発明に係る実施の形態のエンジン（内燃機関）１０は、エンジン本体１１と吸気通路１２と排気通路１３とを備え、更に、クランク軸１１ｄの動力で発電する発電機２０と、この発電機２０で発電された電力を充電する蓄電装置２１を備えると共に、吸気通路１２に蓄電装置２１からの電力で駆動する電動機４０ａを有する電動スーパーチャージャ４０を設けている。
【００２３】
なお、図１に示すように、エンジン１０には、電動スーパーチャージャ４０をバイパスするバイパス通路４１及び開閉弁４２が設けられ、電動スーパーチャージャ４０の作動させないときには、この開閉弁４２を開状態として、新気Ａをバイパス通路４１に通過させる。
【００２４】
そして、大気から導入される新気Ａは、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａで加圧され、必要に応じて、ＥＧＲ通路（図示しない）から吸気通路１２に流入する排気ガス（ＥＧＲガス）を伴って、更に、必要に応じて，電動スーパーチャージャ４０によって過給補助されて、エンジン本体１１の吸気マニホールド１１ｂから気筒１１ａに送られる。
【００２５】
また、気筒１１ａで発生した排気ガスＧは、排気マニホールド１１ｃから排気通路１３に流出し、その一部はＥＧＲ通路にＥＧＲガスとして流れ、残りの排気ガスＧは、ターボチャージャ１４のタービン１４ａを駆動してから、排気ガス浄化装置（図示しない）に入り、浄化された後、マフラー（図示しない）を経由して大気中へ放出される。
【００２６】
また、この発電機２０は、ここでは、スターターとオルタネータの一体型ユニットのＩＳＧユニットで構成されるが、エンジン１０と電動発電機を備えたハイブリッドシステムの電動発電機で構成してもよく、エンジン１０に既に備わっている、発電機能を有する装置を利用して、過給補助すると、新たな電動発電機を設ける必要がなくなる。
【００２７】
なお、電動発電機２０をＩＳＧユニットとして構成した場合は、１００ｋＷ程度の出力のディーゼルエンジンに対して、ＩＳＧユニットの容量が１．５〜２．５ｋＷ程度になるのに対し、電動スーパーチャージャ４０の電動機４０ａの容量も１．０ｋＷ〜２．０ｋＷ程度でよいので、各装置における電力面のバランスもよくなる。
【００２８】
また、発電機２０の発電により得られる回生電力を充電して蓄電する蓄電装置２１は、リチウムイオン電池で形成したり、又は、鉛畜電池とキャパシタの組み合わせで形成したりする。これにより、実用化可能な重量に収まる蓄電装置２１で、図３に示すように、エンジン１０の過渡運転の初期の１ｓ〜２ｓ程度の瞬時の間Ｔ１ではあるが、ターボチャージャ１４のターボラグにおける過給不足を十分に補える過給補助を行うことができるだけの電力を、電動スーパーチャージャ４０に供給できるようになる。
【００２９】
特に、内部の電気抵抗が大きく通電量の小さい鉛蓄電池を採用している場合でも、キャパシタを備えることにより、キャパシタは大きな容量の電力を短時間で放電できるので、瞬時に大きな通電量で電動スーパーチャージャ４０に電力を供給できるようになる。そのため、短時間で過給補助量を大きくすることができ、応答性の向上に大きな効果がある。
【００３０】
そして、図１及び図２に示すように、エンジン本体１１のクランク軸１１ｄと発電機２０の間は、プーリー１６ａ、１６ｂ及びベルト１６ｃで形成される動力伝達機構１６を介して接続されている。
【００３１】
また、図２に示すように、このエンジン１０を搭載した車両１では、ＩＳＧユニット２０が接続していない側のクランク軸１１ｄには、エンジン本体１１に近い側より順に、変速機（トランスミッション）３０、プロペラシャフト３１、デファレンシャルギア３２、ドライブシャフト３３及び車輪３４が接続される。
【００３２】
これにより、エンジン本体１１のクランク軸１１ｄの回転動力が変速機３０に伝達され、更に、変速機３０よりプロペラシャフト３１を介してデファレンシャルギア３２に伝達され、デファレンシャルギア３２よりドライブシャフト３３を介して車輪３４に伝達されるので、車両１の走行が可能となる。
【００３３】
また、図１及び図２に示すように、エンジン１０を制御する制御装置５０を設ける。この制御装置５０は、通常は、エンジン１０に備えた各種センサー、または、エンジン１０を搭載した車両１に備えた各種センサーの情報に基づいて、エンジン１０の全般の制御を行うエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）として設けられる。
【００３４】
そして、このエンジン１０を制御する制御装置５０は、図３に示すように、エンジン１０の過渡運転時の初期Ｔ１に、蓄電装置２１に蓄電した電力を電動スーパーチャージャ４０に供給して、過給補助する制御を行うように構成される。この過給補助は、ターボラグの落ち込み（一点鎖線）に対して、Ｒ部分で行い、車速Ｖ又はエンジン回転数Ｎｅが円滑（図３では直線的に）に上昇するように行う。
【００３５】
このとき、蓄電装置２１に蓄電できる電力量には限界があり、また、クランク軸１１ｄへの回転補助（駆動補助）よりも、過給補助の方がエネルギー利用効率が高いので、このエンジン１０の過渡運転時では、蓄電装置２１の電力は、発電機２０に供給することなく、電動スーパーチャージャ４０の電動機４０ａのみに供給する。
【００３６】
また、一般的に、蓄電装置２１の蓄電可能な電力は限られているので、この電力を効率よく使用するために、エンジン１０の過渡運転時に、車両１を加速するために踏み込まれるアクセル開度αを検出し、このアクセル開度αが予め設定した過給補助判定閾値α１以上となったときのみ、過給補助するように構成することが好ましい。これにより、ターボラグが大きくなり易い大きな加速のときのみ、過給補助を行うので、蓄電装置２１に蓄電されている電力を効果的に使用することができるようになる。なお、過給補助期間Ｔ１と過給補助判定閾値α１は、予め実験等により算出して、制御装置５０に記憶させておく。
【００３７】
また、蓄電装置２１を過放電から保護するために、過給補助を予め設定された時間Ｔ１の間行うが、蓄電装置２１における電力の蓄電量が供給可能な最低値になったときには、蓄電装置２１からの電力供給を停止する。
【００３８】
次に、本発明の実施の形態の内燃機関の制御方法について説明する。この方法は、クランク軸１１ｄの動力で発電する発電機２０と、この発電機２０で発電された電力を充電する蓄電装置２１と、この蓄電装置２１からの電力で駆動する電動スーパーチャージャ４０を備えた内燃機関の制御方法であり、エンジン１０の過渡運転時の初期Ｔ１に、蓄電装置２１に蓄電した電力を電動スーパーチャージャ４０に供給して過給補助する方法である。
【００３９】
これにより、エンジン１０の過渡運転時において、初期に、回転慣性モーメントが小さく、小回りの利き、迅速に過給を開始できる電動スーパーチャージャ４０を駆動するので、ターボラグの最中に過給空気を気筒１１ａ内に供給することができるようになるので、過渡運転初期における瞬間的な気筒１１ａ内の燃焼悪化を抑制でき、エンジン出力を速やかに上昇させることができるので、エンジン１０の過渡応答性が良くなり、ドライバビリティを向上できる。また、この燃料悪化の抑制により、燃費を向上させることができる。また、エンジン１０がディーゼルエンジンの場合は、過渡運転開始時に瞬間的に出るスモークを減らすことができる。
【００４０】
更に、エンジン出力が１００ｋＷ程度と大きい場合には、クランク軸１１ｄに対して電動アシストするときのエンジン出力の増加は、２ｋＷ程度であるのに対して、過給補助によるエンジン出力の増加は２０ｋＷ〜３０ｋＷを見込めるので、電力エネルギーを効率よくエンジン出力の増加に使用でき、燃費を向上させることができる。
【００４１】
この方法によれば、内燃機関の過渡運転時において、初期に、回転慣性モーメントが小さく、小回りの利き、迅速に過給を開始できる電動スーパーチャージャを駆動するので、ターボラグの最中に過給空気を気筒内に供給することができて、過渡運転初期における瞬間的な気筒内の燃焼悪化の抑制、エンジン出力の速やかな上昇、エンジンの過渡応答性の向上、ドライバビリティの向上、燃費の向上という効果を得ることができる。
【００４２】
更に、エンジン出力が大きい場合には、クランク軸に対して回転補助するときのエンジン出力の増加よりも、過給補助によるエンジン出力の増加の方が大きくなるので、電力エネルギーを効率よくエンジン出力の増加に使用でき、燃費を向上させることができる。
【００４３】
従って、上記の構成の内燃機関及び内燃機関の制御方法によれば、クランク軸１１ｄの動力で発電する発電機２０と、この発電機２０で発電された電力を充電する蓄電装置２１を備えたエンジン１０において、エンジン１０の過渡運転時に、蓄電装置２１の電力を、クランク軸１１ｄの回転補助に使用せず、エンジン１０の過給補助に使用することで、エンジン１０の過渡運転時における過渡応答性を良くして、過渡運転時の初期Ｔ１の燃焼悪化を防止することができると共に、電力エネルギーを効率よくエンジン出力の増加に使用できて、燃費を向上させることができる。特に、ディーゼルエンジンの場合は、同時に瞬間的に出るスモークを減らすことができる。
【符号の説明】
【００４４】
１、１Ｘ  車両
１０、１０Ｘ  エンジン（内燃機関）
１１  エンジン本体
１１ａ  気筒
１１ｂ  吸気マニホールド
１１ｃ  排気マニホールド
１１ｄ  クランク軸
１２  吸気通路
１３  排気通路
１４  ターボチャージャ（ターボ式過給器）
１４ａ  コンプレッサ
１４ｂ  タービン
１５  インタークーラー
１６  動力伝達機構
１６ａ  プーリー
１６ｂ  プーリー
１６ｃ  ベルト
２０  発電機（ＩＳＧユニット、又は、電動発電機）
２１  蓄電装置（リチウム電池、又は、鉛蓄電池＋キャパシタ）
４０  電動スーパーチャージャ
４０ａ  電動機
４１  バイパス通路
４２  開閉弁
５０  制御装置
Ｔ１  過給補助期間
Ａ  新気
Ｇ  排気ガス
【図１】
2016084731.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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