(57)【要約】【課題】発電機を備える過給機において、発電効率に優れる過給機を提供する。【解決手段】過給機１０は、タービンホイール３０と、コンプレッサホイール２０と、発電機と、クラッチ５０と、クラッチ制御部２５０とを備える。タービンホイール３０は、内燃機関の排気通路１３０に設けられる。コンプレッサホイール２０は、内燃機関の吸気通路１１０に設けられる。発電機は、タービンホイール３０とコンプレッサホイール２０との間に配置されて、減速時に吸気通路１１０を逆流する気体によりコンプレッサホイール２０が回転することで発電する。クラッチ５０は、タービンホイール３０と発電機との間に介在される。クラッチ制御部２５０は、減速時にクラッチ５０を切断して、タービンホイール３０と発電機とを切り離す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられるタービンホイールと、
前記内燃機関の吸気通路に設けられるコンプレッサホイールと、
前記タービンホイールと前記コンプレッサホイールとの間に配置されて、減速時に前記吸気通路を逆流する気体により前記コンプレッサホイールが回転することで発電する発電機と、
前記タービンホイールと前記発電機との間に介在されるクラッチと、
前記減速時に前記クラッチを切断して、前記タービンホイールと前記発電機とを切り離すクラッチ制御部とを備える過給機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機を備える過給機に関する。特に、発電効率に優れる過給機に関する。
【背景技術】
【０００２】
過給機は、排気ガスを利用して圧縮した高密度な空気を内燃機関内に送り込むことで内燃機関の出力を高める。例えば、特許文献１は、内燃機関の吸気通路に設けられて吸気を過給する吸気側タービン（コンプレッサホイール）と、内燃機関の排気通路に設けられて排気ガスの圧力により回転する排気側タービン（タービンホイール）との間にモータが配置された電動式過給機を開示している。この電動式過給機は、モータと各タービンとの間のそれぞれにクラッチ機構が設けられている。
【０００３】
この電動式過給機では、車両の減速状態になると、モータが発電機として機能するように電気回路が切り替えられ、排気通路の排気ガスにより排気側タービンが回転することでモータが回転されて発電する。このとき、この電動式過給機では、吸気側のクラッチを開放して排気側のクラッチを接続している。そうして、吸気側及び排気側の両タービンがモータに接続されている場合に比較して、モータに対する吸気側タービンの回転抵抗が小さくなり、吸気側タービンの回転損失を抑えている。それにより、電動式過給機での発電効率を向上している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１８５５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発電機を備える過給機の発電効率の更なる向上が望まれている。上述の過給機の発電効率は、上記減速状態で排気側タービンを回転させる排気ガスの流量、即ち、排気通路のうち内燃機関の出口からタービンホイールに亘る通路の容積に実質的に依存する。上記減速状態では、内燃機関内に空気が殆ど供給されない上に点火もしないので排気ガスを生成しないからである。一般に、上記容積は小さく、スペースの制約により大きくすることが難しい。そのため、発電機で発電するためのエネルギーが少なく、過給機での発電効率を向上することが難しい。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、発電機を備える過給機において、発電効率に優れる過給機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る過給機は、タービンホイールと、コンプレッサホイールと、発電機と、クラッチと、クラッチ制御部とを備える。タービンホイールは、内燃機関の排気通路に設けられる。コンプレッサホイールは、内燃機関の吸気通路に設けられる。発電機は、タービンホイールとコンプレッサホイールとの間に配置されて、減速時に吸気通路を逆流する気体によりコンプレッサホイールが回転することで発電する。クラッチは、タービンホイールと発電機との間に介在される。クラッチ制御部は、減速時にクラッチを切断して、タービンホイールと発電機とを切り離す。
【発明の効果】
【０００８】
上記過給機は、発電効率に優れる。上記過給機の発電効率は、吸気通路を逆流してコンプレッサホイールを回転させる気体（逆流気体）の流量に実質的に依存する。上記逆流気体は、吸気通路に設けられて開度を調整することで気体の内燃機関への吸気量を調整するスロットルバルブが上記減速時に吸気通路を閉鎖したとき、吸気通路内の圧縮された上記気体がスロットルバルブに反射することで生じる。このスロットルバルブは、一般に、吸気通路内の内燃機関の入口近くに設けられる。吸気通路におけるコンプレッサホイールからスロットルバルブに亘る通路（コンプレッサ下流区間）の長さは、排気通路における内燃機関の出口からタービンホイールに亘る通路（タービン上流区間）に比較して長い。その上、上記コンプレッサ下流区間には一般に上記気体を冷却するインタクーラが設けられることが多い。そのため、上記コンプレッサ下流区間の容積は、上記タービン上流区間に比較して大きい。即ち、上記逆流気体の流量は、上記コンプレッサ下流区間の容積に依存するため、排気ガスに比べて多い。従って、発電に上記逆流気体を利用する上記過給機は、排気ガスを利用する従来の過給機に比較して発電機で発電するためのエネルギーが多いので、発電効率に優れる。特に、インタクーラを備える場合、上記逆流気体は、インタクーラにより冷却された気体を含むため、排気ガスに比べて密度が大きいことからも、従来に比べて発電するためのエネルギーが多くて発電効率に優れる。
【０００９】
また、上記過給機は、発電の際、クラッチ制御部によりクラッチを切断してタービンホイールと発電機とを切り離すことで、コンプレッサホイールの回転がタービンホイールへ伝達することを抑制できる。そのため、コンプレッサホイールの回転エネルギーをタービンホイールの回転に利用することなく、発電機による発電に実質的にその回転エネルギーの全てを利用できるため、発電効率を向上できる。その上、タービンホイールが逆回転することを抑制できるので、排気通路内の排気ガスが内燃機関内へ逆流することを抑制できる。
【００１０】
更に、上記過給機は、上記逆流気体のエネルギーを発電に利用することで、その逆流気体のエネルギーを吸収して消費するため、逆流気体による騒音を低減できる。
【００１１】
そして、上記過給機は、コンプレッサホイールをバイパスするバイパス通路を不要にできる。そのため、バイパス通路の途中に設けられるバイパスバルブをも不要にできる。このバイパス通路の省略により、バイパス通路のためのスペースを確保する必要がなく、設計の制約を受け難い上に、バイパス通路のためのスペースを有効活用できる。その上、軽量化、及び低コスト化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態１に係る過給機を備える内燃機関の過給システムを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の過給機の実施形態１を、図１を参照しつつ以下に説明する。
【００１４】
《実施形態１》
実施形態１に係る過給機１０は、吸気ガスＩＧ（空気又は空気と排気ガスとの混合気体）を圧縮した高密度な気体（圧縮気体ＣＧ）を内燃機関（エンジン）１００内に送り込む。それにより、エンジン１００の出力を高めることができる。この過給機１０は、吸気通路１１０に設けられるコンプレッサホイール２０と、排気通路１３０に設けられるタービンホイール３０とを備える。過給機１０の主たる特徴とするところは、両ホイール２０，３０間に配置される発電機と、タービンホイール３０と発電機との間に介在されるクラッチ５０と、クラッチ５０を切断するクラッチ制御部２５０とを備える点にある。詳しくは後述するが、この過給機１０では、特定の状況下で吸気通路１１０を逆流する気体（逆流気体ＲＧ）を利用してコンプレッサホイール２０を回転させることで発電機による発電効率を向上できる。ここでは、発電機には、電動機を兼備する電動発電機４０を用いている。以下、過給機１０を備える内燃機関の過給システムの概要を説明した後、過給機１０の詳細を説明する。図１の黒塗り矢印は、吸気ガスＩＧ、圧縮気体ＣＧ、及び排気ガスＥＧの順流の流れを示し、二点鎖線矢印は逆流気体ＲＧの流れを示す。
【００１５】
〔内燃機関の過給システムの概要〕
内燃機関の過給システムは、エンジン１００と、エンジン１００に吸気ガスＩＧ及び圧縮気体ＣＧを供給する吸気通路１１０と、エンジン１００の排気ガスＥＧを排出する排気通路１３０と、過給機１０と、制御装置２００（例えば、ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）と、制御装置２００を含む電気機器に電力を供給するバッテリー（図示略）とを備える。吸気通路１１０における過給機１０のコンプレッサホイール２０の上流には、吸気ガスＩＧの異物を除去するエアクリーナ１１１が設けられている。吸気通路１１０におけるコンプレッサホイール２０の下流には、下流に向かって順に、圧縮気体ＣＧを冷却するインタクーラ１１２と、吸気通路１１０の流路断面積を可変して圧縮気体ＣＧのエンジン１００への吸気量を調整するスロットルバルブ１２０とが設けられている。この内燃機関の過給システムでは、吸気ガスＩＧを吸気通路１１０の上流側から順にエアクリーナ１１１、コンプレッサホイール２０、インタクーラ１１２、スロットルバルブ１２０に流通させてエンジン１００内へ供給し、燃焼に利用する。そして、エンジン１００の排気ガスＥＧを排気通路１３０の過給機１０のタービンホイール３０に流通させて、最終的に車外へ排出する。
【００１６】
制御装置２００は、エンジン１００やスロットルバルブ１２０、過給機１０などの各種装置の制御を行う。制御装置２００は、例えば、アクセルペダルの踏み込み量に応じてスロットルバルブ１２０の開度を調整する。そうして、吸気通路１１０の流路断面積を可変させる。上記踏み込み量が大きいほど上記開度が大きくなって吸気量が増え、エンジン１００の回転数が上がる。一方、アクセルペダルを離すとスロットルバルブ１２０が吸気通路１１０を閉鎖し、エンジン１００の回転数が低下して車両を減速させる。また、制御装置２００は、アクセルペダルの踏み込み量と、エンジン１００の回転速度とに応じて、後述する電動発電機４０を制御したりする。電動発電機４０の制御は、発電機と電動機との切り替え（電気回路の切り替え）や、電動機の駆動（バッテリーからの電力供給）及び停止（バッテリーからの供給電力を遮断）などしたりする。この電動発電機４０で発電した電力は、バッテリーに充電される。
【００１７】
［過給機］
過給機１０は、エンジン１００の低回転時と高回転時と車両の減速時との３つの状況に応じてクラッチ５０を接続したり切断したりして、電動発電機４０や排気ガスＥＧを利用して過給したり電動発電機４０で発電したりする。以下、上記３つの状況を、単に「低回転時」、「高回転時」、「減速時」という。低回転時とは、エンジン１００の回転速度が所定値以下の場合を言う。通常、エンジン１００の始動時か減速時の後である。このとき、タービンホイール３０を回転させる排気エネルギーが不十分な場合が多い。排気エネルギーが不十分とは、クラッチ５０を接続してタービンホイール３０の回転をコンプレッサホイール２０に伝達しても、コンプレッサホイール２０の回転により吸気ガスＩＧを十分に圧縮できない場合である。高回転時とは、エンジン１００の回転速度が所定値超を言う。通常、低回転時の後か減速時の後である。このとき、タービンホイール３０を回転させる排気エネルギーは十分である。即ち、圧縮気体ＣＧをエンジン１００に供給できる。減速時とは、スロットルバルブ１２０が吸気通路１１０を閉鎖した場合を言う。通常、低回転時の後か高回転時の後である。このとき、吸気通路１１０内の圧縮気体ＣＧがスロットルバルブ１２０に反射することで吸気通路１１０内を逆流する。
【００１８】
（コンプレッサホイール）
コンプレッサホイール２０は、上記３つの状況に応じて、電動発電機４０の電動機としての駆動又はタービンホイール３０の回転で回転されることで吸気ガスＩＧを過給して圧縮気体ＣＧを作製したり、逆流気体ＲＧにより回転することで回転軸４１を回転させて電動発電機４０で発電したりする。コンプレッサホイール２０には、電動発電機４０の回転軸４１の一端が接続されている。コンプレッサホイール２０の回転方向は、圧縮空気ＣＧの作製と発電とで逆方向になる。
【００１９】
（タービンホイール）
タービンホイール３０は、排気ガスＥＧにより回転する。この回転により、タービンホイール３０はコンプレッサホイール２０を回転させたりする。タービンホイール３０には、回転軸３１の一端が接続されている。この回転軸３１の他端は、クラッチ５０の一方の摺動体に接続されている。
【００２０】
（電動発電機）
電動発電機４０は、コンプレッサホイール２０とクラッチ５０との間に設けられていて、コンプレッサホイール２０の回転により発電する。電動発電機４０は、回転軸４１を備える。この回転軸４１の一端は、コンプレッサホイール２０に接続され、他端は、クラッチ５０の他方の摺動体に接続されている。この回転軸４１は、コンプレッサホイール２０の回転軸と同軸である。本例では電動発電機４０は電動機を兼備するため、バッテリーから電動発電機４０に電力を供給して回転軸４１を回転させることができる。そのため、コンプレッサホイール２０を回転させられる。
【００２１】
（クラッチ）
クラッチ５０は、タービンホイール３０と電動発電機４０との間に介在されて、タービンホイール３０と電動発電機４０との間での回転力の伝達と遮断とを行う。クラッチ５０を接続すると、タービンホイール３０の回転軸３１と電動発電機４０の回転軸４１とは連結され、両回転軸３１，４１を介してタービンホイール３０の回転をコンプレッサホイール２０に伝達できる。クラッチ５０を切断すると、両回転軸３１，４１は切り離され、両ホイール２０，３０間での回転の伝達を遮断できる。
【００２２】
（クラッチ制御部）
クラッチ制御部２５０は、表１に示すように状況の変化に応じてクラッチ５０の接続と切断とを行うように指令する。状況が低回転時に変化した場合は、クラッチ５０の接続・切断状況に変化はなく、クラッチ５０は切断されたままである。状況の変化前は、エンジン１００の始動時又は減速時であり、いずれもクラッチ５０が切断された状態だからである。状況が高回転時に変化した場合は、クラッチ制御部２５０はクラッチ５０を接続させる。状況の変化前は、低回転時又は減速時であり、いずれもクラッチ５０が切断された状態だからである。状況が減速時に変化した場合は、変化前が低回転時であればクラッチ５０の接続・切断状況に変化はなくクラッチ５０は切断されたままであり、変化前が高回転時であればクラッチ５０を切断させる。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
（動作手順）
低回転時、高回転時、及び減速時における内燃機関の過給システムの動作手順を順に説明する。
【００２５】
〈始動時又は減速時→低回転時〉
低回転時、クラッチ５０は切断された状態である。即ち、タービンホイール３０の回転軸３１と電動発電機４０の回転軸４１とは切り離されている。このとき、バッテリーから電動発電機４０に電力が供給されて電動発電機４０の回転軸４１が回転し、コンプレッサホイール２０を回転させる。このコンプレッサホイール２０の回転により圧縮気体ＣＧをエンジン１００へ送り込む。
【００２６】
〈低回転時又は減速時→高回転時〉
高回転時になると、クラッチ制御部２５０がクラッチ５０を接続させる。それにより、タービンホイール３０の回転軸３１と電動発電機４０の回転軸４１とが連結して、排気ガスＥＧによるタービンホイール３０の回転をコンプレッサホイール２０に伝達する。そして、制御装置２００が電動発電機４０への供給電力を停止する。このとき、タービンホイール３０を回転させる排気エネルギーが十分であるため、電動発電機４０の回転軸４１がコンプレッサホイール２０を回転させなくてもよい。コンプレッサホイール２０の回転により吸気ガスＩＧを十分に圧縮できる。そのため、圧縮気体ＣＧをエンジン１００に供給できる。この状況では、電動機から発電機への切り替えを行わない場合、電動発電機４０は発電しない。
【００２７】
〈低回転時→減速時〉
低回転時から減速時になると、クラッチ制御部２５０はクラッチ５０に指令を出さず、制御装置２００はバッテリーから電動機への電力供給を停止して電動発電機４０を電動機から発電機に切り替える。このとき、制御装置２００がスロットルバルブ１２０により吸気通路１１０を閉鎖している。そのため、圧縮気体ＣＧが逆流し、逆流気体ＲＧがコンプレッサホイール２０を回転させる。コンプレッサホイール２０の回転は、回転軸４１を回転させて電動発電機４０で発電する。タービンホイール３０の回転軸３１と電動発電機４０の回転軸４１とは切り離されているため、回転軸４１の回転はタービンホイール３０に伝達されない。
【００２８】
〈高回転時→減速時〉
高回転時から減速時になると、クラッチ制御部２５０はクラッチ５０を切断させる。このとき、電動機への電力供給はすでに停止しており、電動発電機４０は発電機として機能する。その後の電動発電機４０による発電は、上記低回転時から減速時になった場合と同じである。
【００２９】
《作用効果》
以上説明した実施形態１に係る過給機１０は、以下の効果を奏することができる。
【００３０】
（１）逆流気体ＲＧを電動発電機４０での発電に利用することで、排気ガスＥＧを利用する従来の過給機に比較して、発電するためのエネルギーが大きいため、発電効率に優れる。吸気通路１１０の長さは排気通路１３０よりも長い。その上、吸気通路１１０の容積は、吸気通路１１０のコンプレッサホイール２０とスロットルバルブ１２０との間にはインタクーラ１１２が設けられていることで、排気通路１３０よりも大きい。そのため、逆流気体ＲＧの流量は排気ガスＥＧに比べて多いからである。
【００３１】
（２）発電の際、クラッチ制御部２５０がクラッチ５０を切断してタービンホイール３０と電動発電機４０とを切り離すことで、コンプレッサホイール２０の回転がタービンホイール３０へ伝達することを抑制できる。そのため、コンプレッサホイール２０の回転エネルギーを実質的に全て電動発電機４０での発電に利用できるため、発電効率を向上できる。その上、タービンホイール３０が逆回転することを抑制できるので、排気通路１３０内の排気ガスＥＧがエンジン１００内へ逆流することを抑制できる。
【００３２】
（３）逆流気体ＲＧのエネルギーを発電に利用することで、その逆流気体ＲＧのエネルギーを吸収して消費するため、逆流気体ＲＧによる騒音を低減できる。
【００３３】
（４）逆流気体ＲＧのコンプレッサホイール２０への流通を回避するために、コンプレッサホイール２０の下流とコンプレッサホイール２０の上流を連結してコンプレッサホイール２０をバイパスするバイパス通路を不要にできる。そのため、バイパス通路の途中に設けられるエアバイパスバルブ（ブローオフバルブ）をも不要にできる。このバイパス通路の省略により、バイパス通路のためのスペースを確保する必要がなく、設計の制約を受け難い上に、バイパス通路のためのスペースを有効活用できる。その上、軽量化、及び低コスト化を図れる。
【００３４】
（５）低回転時に電動発電機４０によりコンプレッサホイール２０を回転させられる。そのため、排気エネルギーが十分に得られ難くて、タービンホイール３０の回転をコンプレッサホイール２０に伝達しても吸気ガスＩＧを十分に圧縮し難い低回転時であっても、吸気ガスＩＧを十分に圧縮できてエンジン１００の出力を向上できる。特に、クラッチ５０が切断されていることで、実施的に回転軸４１の回転エネルギーの全てをコンプレッサホイール２０の回転に利用できるため、十分に高密度な圧縮気体ＣＧとすることができる。
【００３５】
なお、本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の過給機は、出力の向上が望まれる内燃機関、特に、電力の効率的な利用も望まれる自動車に好適に利用できる。
【符号の説明】
【００３７】
１０  過給機
２０  コンプレッサホイール
３０  タービンホイール  ３１  回転軸
４０  電動発電機  ４１  回転軸
５０  クラッチ
１００  エンジン（内燃機関）
１１０  吸気通路
１１１  エアクリーナ
１１２  インタクーラ
１２０  スロットルバルブ
１３０  排気通路
２００  制御装置
２５０  クラッチ制御部
ＩＧ  吸気ガス  ＣＧ  圧縮気体  ＲＧ  逆流気体  ＥＧ  排気ガス
【図１】
2017025786.tif 000004