(57)【要約】吸気通路におけるスロットルより上流側に配在されたモータ駆動のコンプレッサを有する電動過給機を備え、アイドル時や減速時等に、前記電動過給機により吸気を加圧して圧縮し、この加圧された圧縮空気を前記吸気通路における前記コンプレッサと前記スロットルとの間に形成される蓄圧部に蓄えておき、加速時等の大きなトルクが必要とされるとき、前記蓄えられている圧縮空気を用いて過給を行うようになし、もって、小排気量であっても大きな出力を得るとともに、特に低回転時のターボラグを無くして、運転性、応答性、燃費等を向上させる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路におけるスロットルより上流側に配在されたコンプレッサを有する過給機を備え、アイドル時や減速時等に、前記過給機により吸気を加圧して圧縮し、この加圧された圧縮空気を前記吸気通路における前記コンプレッサと前記スロットルとの間に形成される蓄圧部に蓄えておき、加速時等の大きなトルクが必要とされるとき、前記蓄えられている圧縮空気を用いて過給を行うことができるようにされていることを特徴とする過給機付きエンジン。
【請求項２】
前記過給機は、モータにより駆動されるコンプレッサを有する電動過給機であることを特徴とする請求項１に記載の過給機付きエンジン。
【請求項３】
外部からの空気を前記吸気通路における前記コンプレッサ下流に導くバイパス通路が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の過給機付きエンジン。
【請求項４】
前記吸気通路における前記スロットル下流にサージタンクが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の過給機付きエンジン。
【請求項５】
前記蓄圧部、前記スロットルを収容するスロットルボディ、及び前記サージタンクは、同一の素材で一体的に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の過給機付きエンジン。
【請求項６】
前記蓄圧部の容積は、前記サージタンクの容積より大きくされていることを特徴とする請求項４に記載の過給機付きエンジン。
【請求項７】
前記過給機により加圧圧縮された空気を排気通路における排気浄化用触媒上流に導く２次空気通路が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の過給機付きエンジン。
【請求項８】
前記吸気通路の最下流部分を形成する、各気筒の燃焼室に連通せしめられる分岐通路部が、上段側通路部分と下段側通路部分とに仕切られて、その下段側通路部分に、前記燃焼室においてタンブル流を生成するためのタンブル生成弁が配在されていることを特徴とする請求項１に記載の過給機付きエンジン。
【請求項９】
前記モータの駆動制御を行うためのインバータを備えていることを特徴とする請求項２に記載の過給機付きエンジン。
【請求項１０】
前記電動過給機を用いた空気圧縮運転と前記バイパス通路を用いた自然吸気運転との切り換えを行うための切換手段が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の過給機付きエンジン。
【請求項１１】
クランク軸により駆動される発電手段を備えていることを特徴とする請求項２に記載の過給機付きエンジン。
【請求項１２】
前記発電手段は、水冷式オルタネータであることを特徴とする請求項１１に記載の過給機付きエンジン。
【請求項１３】
前記蓄圧部は、吸気レゾネータとしても機能するようにされていることを特徴とする請求項１に記載の過給機付きエンジン。
【請求項１４】
前記吸気通路外に別途に蓄圧タンクが設けられ、前記過給機により加圧された圧縮空気を前記蓄圧タンクに導入して蓄え、かつ、前記蓄圧タンクに蓄えられた圧縮空気を必要に応じて前記蓄圧部に導入することができるようにされていることを特徴とする請求項１に記載の過給機付きエンジン。
【請求項１５】
吸気通路における電制スロットルより上流側に配在されたモータ駆動のコンプレッサを有する電動過給機と、外部からの空気を前記吸気通路における前記コンプレッサ下流に導くバイパス通路と、前記電動過給機を用いた空気圧縮運転と前記バイパス通路を用いた自然吸気運転との切り換えを行うための切換手段と、前記モータの駆動制御を行うためのインバータと、を備えた過給機付きエンジンの制御装置であって、前記電制スロットル、前記モータ、及び前記切換手段の制御を行う制御手段を備え、該制御手段は、アイドル時や減速時等に、前記電動過給機により吸気を加圧して圧縮し、この加圧された圧縮空気を前記吸気通路における前記コンプレッサと前記スロットルとの間に形成される蓄圧部に蓄えておき、加速時等の大きなトルクが必要とされるとき、前記蓄えられている圧縮空気を用いて過給する制御を行うようにされていることを特徴とする過給機付きエンジンの制御装置。
【請求項１６】
前記制御手段は、前記電動過給機を用いた空気圧縮運転時において、エンジンが高負荷高回転域に達して前記空気圧縮運転を行えない状態になったとき、前記空気圧縮運転から前記自然吸気運転に切り換えるようにされていることを特徴とする請求項１５に記載の制御装置。
【請求項１７】
前記制御手段は、前記電動過給機を用いた空気圧縮運転時において、前記蓄圧部の内圧が設定圧に達したとき、前記蓄圧部の内圧が前記設定圧を維持するように前記モータの回転数等を調節することを特徴とする請求項１５に記載の制御装置。
【請求項１８】
前記エンジンに、前記過給機により加圧圧縮された空気を排気通路における排気浄化用触媒上流に導く２次空気通路が設けられており、前記制御手段は、少なくとも前記エンジンの始動直後の所定期間、前記電動過給機を用いた空気圧縮運転を行うとともに、前記２次空気通路を通じて前記排気通路に空気を供給するようにされていることを特徴とする請求項１５に記載の制御装置。
【請求項１９】
前記制御手段は、前記エンジンを搭載した車両の停止時、減速時、定常走行時に、前記電動過給機を用いた空気圧縮運転を行い、次の加速時に、前記蓄えられている圧縮空気を用いて過給するようにされていることを特徴とする請求項１５に記載の制御装置。
【請求項２０】
前記制御手段は、前記エンジンを搭載した車両の停止時にアイドルストップを行うようにされ、かつ、該アイドルストップ時に前記電動過給機を用いて前記蓄圧部に圧縮空気を蓄えて、前記蓄圧部の内圧を設定圧に保つようにされていることを特徴とする請求項１５に記載の制御装置。
【請求項２１】
前記制御手段は、前記エンジンを搭載した車両の減速時に、前記エンジンに付設されたオルタネータの発電量を上げて減速効果を増大させるようにされていることを特徴とする請求項１５に記載の制御装置。
【請求項２２】
前記エンジンの吸気通路外に別途に蓄圧タンクが設けられ、前記制御手段は、前記電動過給機により加圧された圧縮空気を前記蓄圧タンクに導入して蓄え、かつ、前記蓄圧タンクに蓄えられた圧縮空気を、前記蓄圧部の内圧が設定圧より下がったとき等、必要に応じて前記蓄圧部に導入する制御を行うようにされていることを特徴とする請求項１５に記載の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、吸気を加圧して圧縮し、燃焼室により多くの空気を送り込むことができるようにされた過給機付きエンジン及びその制御装置に関する。
【背景技術】  エンジンの出力向上のため、ターボチャージャー（過給機）を用いて過給を行うエンジンが知られている。このターボチャージャー付きエンジンは、排気エネルギを利用し、排気通路に配置されたタービンを回転させて同一軸上にあるコンプレッサを回転駆動し、吸気を加圧してその密度を上げ、燃焼室により多くの空気を送りこんで燃焼させ、比較的排気量の小さいエンジンでも大きなトルクが得られるようにしたものである。
しかし、特に、車両発進時等の低回転時には、運転者がアクセルペダルを踏み込んでも、すぐには出力トルクが上昇せず、排気エネルギの増加に伴い過給圧が上昇するため、アクセル操作と出力トルクとの間にターボラグと呼ばれる遅れが生じ、運転性、応答性等が必ずしも良いとは言えなかった。
これを解決するため、例えば特開平２−１２３２４２号公報に示されているような、アクセルペダル踏み込み以前に過給圧を上昇させる、いわゆるフライングブーストアップを行うものがある。
これは、ターボチャージャーのタービンとコンプレッサーとの間（共通軸上）に電動（兼発電）機を設け、運転者の発進意図（車両の発進準備完了）を検知して、前記電動機によりタービン／コンプレッサーを回転駆動して過給圧を上昇させるものである。
しかしながら、かかる構成の過給機付きエンジンにおいては、次のような問題がある。
まず、排気通路にターボチャージャーのタービンを配在することが必要であり、このタービンを排気ガスの高温に耐えて高速かつ安定的に回転させるためには、特殊な素材と高い加工精度が必要で、相当のコストがかかる。
また、同じく排気通路にタービン及びケーシングが存在するため、排気通路の熱容量が大きくなり、特に始動直後には、これらの排気系部材に熱が奪われやすく、排気浄化用の触媒の温度が上がりにくくなり、その結果、触媒の活性化が遅れ、始動直後における排気浄化性が悪くなる。これを解決するためには、触媒の容量増等が必要となり、コストアップを招く。
さらに、前記フライングブーストアップを行うことにより、前記ターボラグは短縮されるが、やはりタービンを備えている関係上、タービン回転軸周りの慣性質量が大きく、また構造上タービンとコンプレッサーの両方を回転させなければならないため、駆動損失が大きくなり、応答性向上等を充分には図れない。
一方、過給機としては、前記ターボチャージャの他、エンジン（クランク軸）により駆動する、いわゆるスーパーチャージャ等も知られているが、このものでは、過給圧がエンジン回転数に比例するので、エンジン回転数が低い車両発進時等においては、充分には機能しない。
本発明は、前記した従来の問題を解消すべくなされたもので、その目的とするところは、比較的簡素な構成でありながら、小排気量であっても大きな出力を得ることができるとともに、特に低回転時のターボラグを無くすことができて、運転性、応答性、燃費等を向上させることができ、さらには、始動後迅速に排気浄化用触媒を活性化させて排気エミッション特性を改善できるようにされた過給機付きエンジン及びその制御装置を提供することにある。
【発明の開示】
前記目的を達成すべく，本発明に係る過給機付きエンジンは、基本的には、吸気通路におけるスロットルより上流側に配在されたコンプレッサを有する過給機を備え、アイドル時や減速時等に、前記過給機により吸気を加圧して圧縮し、この加圧された圧縮空気を前記吸気通路における前記コンプレッサと前記スロットルとの間に形成される蓄圧部に蓄えておき、加速時等の大きなトルクが必要とされるとき、前記蓄えられている圧縮空気を用いて過給を行うことができるようにされてなる。
前記過給機は、好ましくは、モータにより駆動されるコンプレッサを有する電動過給機とされる。
好ましい態様では、外部からの空気を前記吸気通路における前記コンプレッサ下流に導くバイパス通路が設けられ、また、前記吸気通路における前記スロットル下流にサージタンクが設けられる。
前記蓄圧部、前記スロットルを収容するスロットルボディ、及び前記サージタンクは、好ましくは同一の素材で一体的に形成される。
前記蓄圧部の容積は、好ましくは、前記サージタンクの容積より大きくされる。
他の好ましい態様では、前記過給機により加圧圧縮された空気を排気通路における排気浄化用触媒上流に導く２次空気通路が設けられる。
また、別の好ましい態様では、前記吸気通路の最下流部分を形成する、各気筒の燃焼室に連通せしめられる分岐通路部が、上段側通路部分と下段側通路部分とに仕切られて、その下段側通路部分に、前記燃焼室においてタンブル流を生成するためのタンブル生成弁が配在される。
さらに他の好ましい態様では、前記モータの駆動制御を行うためのインバータを備え、また、前記電動過給機を用いた空気圧縮運転と前記バイパス通路を用いた自然吸気運転との切り換えを行うための切換手段が設けられる。
また、他の別の好ましい態様では、クランク軸により駆動される発電手段を備え、該発電手段は、好ましくは、水冷式オルタネータとされる。
前記蓄圧部は、好ましくは、吸気レゾネータとしても機能するようにされる。
他の好ましい態様では、前記吸気通路外に別途に蓄圧タンクが設けられ、前記過給機により加圧された圧縮空気を前記蓄圧タンクに導入して蓄え、かつ、前記蓄圧タンクに蓄えられた圧縮空気を必要に応じて前記蓄圧部に導入することができるようにされる。
一方、本発明に係る過給機付きエンジンの制御装置は、吸気通路における電制スロットルより上流側に配在されたモータ駆動のコンプレッサを有する電動過給機と、外部からの空気を前記吸気通路における前記コンプレッサ下流に導くバイパス通路と、前記電動過給機を用いた空気圧縮運転と前記バイパス通路を用いた自然吸気運転との切り換えを行うための切換手段と、前記モータの駆動制御を行うためのインバータと、を備えた過給機付きエンジンに適用されるもので、前記電制スロットル、前記モータ、及び前記切換手段の制御を行う制御手段を備え、該制御手段は、アイドル時や減速時等に、前記電動過給機により吸気を加圧して圧縮し、この加圧された圧縮空気を前記吸気通路における前記コンプレッサと前記スロットルとの間に形成される蓄圧部に蓄えておき、加速時等の大きなトルクが必要とされるとき、前記蓄えられている圧縮空気を用いて過給する制御を行うようにされる。
前記制御手段は、好ましくは、前記電動過給機を用いた空気圧縮運転時において、エンジンが高負荷高回転域に達して前記空気圧縮運転を行えない状態になったとき、前記空気圧縮運転から前記自然吸気運転に切り換えるようにされる。
前記制御手段は、好ましくは、前記電動過給機を用いた空気圧縮運転時において、前記蓄圧部の内圧が設定圧に達したとき、前記蓄圧部の内圧が前記設定圧を維持するように前記モータの回転数等を調節するようにされる。
他の好ましい態様では、前記エンジンに、前記過給機により加圧圧縮された空気を排気通路における排気浄化用触媒上流に導く２次空気通路が設けられており、前記制御手段は、好ましくは、少なくとも前記エンジンの始動直後の所定期間、前記電動過給機を用いた空気圧縮運転を行うとともに、前記２次空気通路を通じて前記排気通路に空気を供給するようにされる。
前記制御手段は、好ましくは、前記エンジンを搭載した車両の停止時、減速時、定常走行時に、前記電動過給機を用いた空気圧縮運転を行い、次の加速時に、前記蓄えられている圧縮空気を用いて過給するようにされる。
前記制御手段は、好ましくは、前記エンジンを搭載した車両の停止時にアイドルストップを行うようにされ、かつ、該アイドルストップ時に前記電動過給機を用いて前記蓄圧部に圧縮空気を蓄えて、前記蓄圧部の内圧を設定圧に保つようにされる。
前記制御手段は、好ましくは、前記エンジンを搭載した車両の減速時に、前記エンジンに付設されたオルタネータの発電量を上げて減速効果を増大させるようにされる。
別の好ましい態様では、前記エンジンの吸気通路外に別途に蓄圧タンクが設けられ、前記制御手段は、前記電動過給機により加圧された圧縮空気を前記蓄圧タンクに導入して蓄え、かつ、前記蓄圧タンクに蓄えられた圧縮空気を、前記蓄圧部の内圧が設定圧より下がったとき等、必要に応じて前記蓄圧部に導入する制御を行うようにされる。
このような構成とされた本発明に係る過給機付きエンジン及びその制御装置においては、アイドル時や減速時等に、前記電動過給機により吸気を加圧して圧縮し、この加圧された圧縮空気を前記吸気通路における前記コンプレッサと前記スロットルとの間に形成される蓄圧部に蓄えておき、加速時等の大きなトルクが必要とされるとき、前記蓄えられている圧縮空気を用いて過給するようにされるので、小排気量であっても大きな出力を得ることができるとともに、特に低回転時のターボラグを無くすことができて、運転性、応答性、燃費等を向上させることができる。
また、電動過給機が用いられることにより、ターボチャージャーのように高温（排気ガス）に耐える部品を必要としないため、比較的簡素な構成となり、低コストで提供できる等の効果も奏する。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明に係る過給機付きエンジン及びその制御装置の第１実施形態を示す概略構成図である。
図２は、第１実施形態において、過給を準備している際の各部の作動状態を示す図である。
図３は、第１実施形態において、過給を行っている際の各部の作動状態を示す図である。
図４は、第１実施形態において、始動時における各部の作動状態を示す図である。
図５は、第１実施形態において、高負荷高回転時における各部の作動状態を示す図である。
図６は、第１実施形態において、コントロールユニットが実行する過給制御ルーチンを示すフローチャートである。
過給を準備している際の各部の作動状態を示す図である。
図７は、第１実施形態の吸気系の具体構成例を示す断面図である。
図８は、第１実施形態の過給機付きエンジンが搭載された車両が停止状態から発進加速し、その後定常走行した場合の、車速、蓄圧部の内圧、及びサージタンクの内圧の変化を示すタイムチャートである。
図９は、本発明に係る電動過給機付きエンジン及びその制御装置の第２実施形態を示す概略構成図である。
図１０は、第２実施形態において、過給を準備している際の各部の作動状態を示す図である。
図１１は、第２実施形態において、過給を行っている際の各部の作動状態を示す図である。
図１２、第２実施形態の過給機付きエンジンが搭載された車両が停止状態から発進加速し、その後定常走行した場合の、車速、蓄圧部の内圧、及びサージタンク１１０の内圧の変化を示すタイムチャートである。
図１３は、本発明実施形態と従来例とにおける、加速時の車速とサージタンクの内圧の変化を示すタイムチャートである。
図１４は、本発明実施形態と従来例とにおける、始動後の排気温度の変化を示すタイムチャートである。
図１５は、本発明実施形態と従来例とにおける、所定回転数でのトルクを示すグラフである。
図１６は、本発明実施形態と従来例とにおける、アイドル時の燃料消費率を示すグラフである。
図１７は、本発明実施形態と従来例とにおける、モード走行時のＨＣ排出量をを示すグラフである。
図１８は、本発明実施形態と従来例とにおける、回転数に対する出力トルクの変化を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明に係る電動過給機付きエンジン及びその制御装置の第１実施形態を示す概略構成図である。図示のエンジン１００は、例えば４つの気筒を有するシリンダ１０２を有し、各気筒の燃焼室１１１には吸気通路１０８及び排気通路１１２がそれぞれ図示していない吸気弁及び排気弁を介して連通せしめられている。
前記吸気通路１０８には、その上流側から順次、エアクリーナ１０１、モータ１０３Ｍ駆動のコンプレッサ１０３Ｃを備えた電動過給機１０３、切換制御弁１１４、蓄圧タンク兼通路部３０４、電制スロットル（絞り弁）１０９、エアフローメータ１１５、及びサージタンク１１０が設けられている。
図７に、前記した吸気通路１０８における蓄圧タンク兼通路部３０４、電制スロットル１０９、エアフローメータ１１５、サージタンク１１０、さらに、前記吸気通路１０８における最下流部分を形成する、各気筒の燃焼室１１１に吸気弁１３２を介して連通せしめられる分岐通路部１０８Ｃ、の具体構成例を示す。
ここでは、前記吸気通路１０８の中間部分に、前記蓄圧タンク兼通路部３０４と前記サージタンク１１０とが共有隔壁１４５で仕切られて形成され、前記共有隔壁１４５の中央に前記電制スロットル１０９を収容する円筒状のスロットルボディ１４４が挿着されており、それら吸気通路１０８を構成する蓄圧タンク兼通路部３０４、スロットルボディ１４４、サージタンク１１０等は、同一の素材で一体的に形成されている。これにより、吸気系の軽量コンパクト化、及び信頼性の向上等を図ることができる。また、前記蓄圧タンク兼通路部３０４の容積は、前記サージタンク１１０の容積より大きくされている。これは、後述するように高い圧力の圧縮空気を蓄え（蓄圧し）、それを必要なときに安定して供給（過給）するためである。また、前記蓄圧タンク兼通路部３０４は、吸気脈動や吸気音を抑制するための吸気レゾネータとしても機能する。
さらに、前記分岐通路部１０８Ｃが、例えば仕切壁１２０により上段側通路部分と下段側通路部分とに仕切られて、その下段側通路部分に、前記燃焼室１１１においてタンブル流（縦渦）を生成するためのタンブル生成弁１２１が配在されている。このタンブル生成弁１２１の開度を調整することによって、上段側通路部分と下段側通路部分に流れる空気量の割合を変えることができ、これによって、前記燃焼室１１１内で生成されるタンブル流の強さが調整される。このようにタンブル流を生成することにより、リーン混合気でも安定した成層燃焼を実現でき、燃費の向上等を図ることができる。
前記電動過給機１０３のモータ１０３Ｍは、マイクロコンビュータを内蔵するコントロールユニット２００からの制御信号をもとに、インバータ２０２により電力を供給され、その回転数が制御される。モータ１０３Ｍ及びインバータ２０２を駆動するための電力は、クランク軸１００ａに同期して駆動される発電手段としてのオルタネータ２０３から得られる。モータ１０３Ｍの出力を考えると、オルタネータ２０３は大電流を得られる水冷式であることが望ましい。また、コンプレッサ１０３Ｃは、本実施形態では遠心式のものが用いられているが、容積型であっても目標の回転領域が変わるだけであり、どちらでもよい。
一方、吸気系には、空気を吸気通路１０８における前記電動過給機１０３のコンプレッサ１０３Ｃより上流部分１０８Ａから、前記コンプレッサ１０３Ｃをバイパスして、吸気通路１０８における前記コンプレッサ１０３Ｃ（切換制御弁１１４）より下流部分１０８Ｂに導くバイパス通路１０７が設けられており、このバイパス通路１０７にはバイパス制御弁１０４が設けられている。
また、コンプレッサ１０３Ｃにより加圧された空気を排気通路１１２における排気浄化用触媒１１３より上流部分に導く２次空気通路１０６が設けられており、この２次空気通路１０６には２次空気制御弁１０５が設けられている。
コントロールユニット２００には、アクセルセンサ１２６、エアフローメータ１１５、回転数センサ１５１、水温センサ１５２、車速センサ１５３等のセンサ類から、それぞれアクセル開度（アクセルペダル１４１の踏込量）、吸入空気量、エンジン回転数、冷却水温、車速等の、運転者の意図やエンジン１００の運転状態及び車両の走行状態等に応じた信号が入力され、コントロールユニット２００は、それらの信号に基づいて、燃料噴射弁による燃料噴射量、点火プラグ１３５による点火時期、電制スロットル１０９の開度等を制御する。さらに本実施形態では、インバータ２０２のパルス周期を設定して、モータ１０３Ｍの回転数制御を行う。また、バイパス制御弁１０４、切換制御弁１１４、２次空気制御弁１０５の開閉制御も行う。
図２は、過給を準備する場合の各部の作動状態を示す。なお、過給を準備する場合としては、車両の減速時、定常走行時、アイドル時、及び始動時の場合があるが、減速時、定常走行時、アイドル時の各部の作動状態は略同じであるので、ここでは減速時を代表して説明する。始動時の場合に関しては後で説明する。
コントロールユニット２００は、車速センサ１５３、アクセルセンサ１２６等からの信号に基づいて、車両が減速状態にあると判断されると、水冷オルタネータ２０３の発電量を増やすように制御する。そして、インバータ２０２のパルス周波数を上げ、モータ１０３Ｍの回転数、すなわちコンプレッサ１０３Ｃの回転数を増すように制御する。このとき、バイパス制御弁１０４を閉じ、切換制御弁１１４を開けて、前記電動過給機１０３により吸気を加圧して圧縮し、この加圧された圧縮空気を、図２においてハッチングが施されている領域、すなわち、吸気通路１０８におけるコンプレッサ１０３Ｃより下流部分１０８Ｂのうちのスロットル１０９より上流部分（蓄圧タンク兼通路部３０４部分等）、及び、バイパス通路１０７のバイパス制御弁１０４より下流部分（以上をまとめて蓄圧部１０８Ｓと称す）に蓄え、言い換えれば、コンプレッサ１０３Ｃの出口圧力を、前記蓄圧部１０８Ｓに蓄圧していく。
このときは、減速状態であるので、電制スロットル１０９（の開度）は略全閉（アイドル開度、例えば３°）であり、燃焼室１１１への流入空気量は少ないので、電制スロットル１０９を通る空気量よりも多くの空気がコンプレッサ１０３Ｃを通れば、その差分が蓄えられ（蓄圧され）ていくことになる。なお、前記蓄圧部１０８Ｓの内圧は、圧力センサ１５５により検出され、この検出信号もコントロールユニット２００に供給される。蓄圧部１０８Ｓの内圧が、予め定められた設定圧（上限値）、例えば絶対圧で２００ｋＰａに達すると、コントロールユニット２００は、モータ１０３Ｍの回転数を調節するか、又は、バイパス制御弁１０４を開く等して、前記蓄圧部１０８Ｓの内圧が設定圧を維持するように調節する。場合によっては、切換制御弁１１４を閉じ、モータ１０３Ｍを停止させ、前記蓄圧部１０８Ｓの圧縮空気を保持することもできる。
このようにして、減速時（定常走行時、アイドル時）には、次の加速に備えて、事前に圧縮空気を蓄圧部１０８Ｓに蓄え（蓄圧して）おく。なお、オルタネータ２０３の発電量を増すと、これがエンジン１００を減速させようとする力となり、車両が減速中であるときは、これがエンジンブレーキと同じく、車両の減速度を増大させるように働くので、より好ましい。
図３は、過給（加速）を行っているときの各部の作動状態を示す。運転者がアクセルペダル１４１を踏み込むと、アクセルセンサ１２６からの信号により、コントロールユニット２００が加速意図を検知し、電制スロットル１０９の開度を増大させる。これにより、前記蓄圧部１０８Ｓに蓄圧されていた空気がサージタンク１１０及び分岐通路部１０８Ｃを通り燃焼室１１１に流入する。ここでは、空気が既に加圧圧縮されているので、大気圧から吸気する場合と比べ、素早く過給が行われる。このため、加速性、応答性が向上するとともに、大きなトルクを得ることができる。この場合、コントロールユニット２００により、インバータ２０２、モータ１０３Ｍはその回転数を増すように制御され、引き続き過給が行われる。加速によりエンジン回転数が上がるにつれ、吸気量は多く必要になるが、コンプレッサ１０３Ｃがサージングを起こさない範囲で過給を継続することができる。
なお、このとき、図示されているように、タンブル生成弁１２１を閉じ、分岐通路部１１９のうちのタンブル生成弁１２１が設けられていない上段側通路部分のみから吸気することで、過給状態でも燃焼室１１１に強いタンブル流が生成され、これにより、空気と燃料とからなる混合気のうちの濃い部分が点火プラグ１３５の近傍に集まるように成層化され、この過給成層燃焼によりリーン混合気でも良好な燃焼性が得られ、燃費の向上等を図ることができる。
図４は、始動時（暖機期間を含む）における各部の作動状態を示す。基本的には図２に示される、過給を準備する状態と同じであるが、始動直後の所定期間は、２次空気制御弁１０５を開き、２次空気通路１０６を通じて、排気通路１１２における排気浄化用触媒１１３の上流に、加圧された２次空気を導入する。これにより、燃焼室１１１から排出された排気ガス中の未燃炭化水素が酸化燃焼せしめられる。この結果、排気ガス中の未燃炭化水素を低減することができると同時に、排気ガスを昇温することができ、これによって、触媒１１３を活性化温度まで迅速に昇温でき、始動時における排気ガスの浄化を促進することができる。
図５は、高負荷高回転時における各部の作動状態を示す。ここで、本実施形態で用いられている電動過給機１０３（のコンプレッサ１０３Ｃ）は、主に低負荷域ないし中負荷域で使用されることを前提としている、つまり、低負荷域ないし中負荷域で最も効率が良くなるように設計されており、高回転高負荷域では十分に過給できないばかりか、吸気抵抗となり、出力を低下させる要因となる。そのため、高負荷高回転時には、バイパス制御弁１０４を開き、バイパス通路１０７を用いて、大気圧から吸気させる。すなわち、前記電動過給機１０３を用いた空気圧縮運転時において、エンジンが高負荷高回転域に達して前記電動過給機１０３による空気圧縮運転を行えない状態になったとき、前記空気圧縮運転から自然吸気運転に切り換える。つまり、この高負荷高回転時には、過給を行わず、自然吸気を行う。このとき、切換制御弁１１４は開けていても閉じていてもよく、モータ１０３Ｍは回転していてもしていなくても良いので、コントロールユニット２００によりインバータ２０２の制御パルスを小さくすることにより、消費電力を小さくでき、燃費の向上を図ることができる。
図６は、コントロールユニット２００が実行する過給制御ルーチンを示すフローチャートである。
このルーチンは、所定の制御周期（例えば１０ｍｓ）をもって繰り返し実行され、まず、ステップ６０１において、アクセルセンサ１２６、エアフローメータ１１５、回転数センサ１５１、水温センサ１５２、車速センサ１５３、圧力センサ１５５等のセンサ類から、それぞれアクセル開度（アクセルペダル１４１の踏込量）、吸入空気量、エンジン回転数、冷却水温、車速、蓄圧部１０８Ｓの内圧等の、運転者の意図やエンジン１００の運転状態及び車両の走行状態等に応じた信号を読み込み、続くステップ６０２、６０３、６０４、６０５において、それらの信号に基づいて、順次、減速時であるか否か、始動直後であるか否か、低負荷定常走行中であるか否か、蓄圧部１０８Ｓに蓄圧されているか否か、を判断し、Ｙｅｓの場合、つまり、減速時である、始動直後である、低負荷定常走行中である、蓄圧部１０８Ｓに蓄圧されている、と判断された場合はステップ６１１に進む。
ステップ６１１では、水冷オルタネータ２０３の発電量を増やし、続くステップ６１２において、モータ１０３Ｍの回転数、すなわちコンプレッサ１０３Ｃの回転数を上げる制御を行い、ステップ６１３に進む。
ステップ６１３においては、コンプレッサ１０３Ｃの容量からみて余裕があるか否か、つまり、エンジンが高負荷高回転域に達したか否かを判断し、高負荷高回転時域に達したと判断された場合にはステップ６１４に進む。
ステップ６１４においては、蓄圧部１０８Ｓの内圧が設定圧に達したか否かを判断し、内圧が設定圧に達していると判断された場合には、ステップ６１５において、モータ１０３Ｍの回転数、バイパス制御弁１０４を制御して前記内圧が前記設定圧を維持するように調節する。それに対し、前記内圧が前記設定圧に達していないと判断された場合には、吸気量が多いか、コンプレッサ１０３Ｃ及びモータ１０３Ｍの回転数が低いので、ステップ６１６において、蓄圧部１０８Ｓの内圧が設定圧になるまで、バイパス制御弁１０４を閉じ（閉じている場合はそのまま）、切換制御弁１１４を開き（開いている場合はそのまま）、モータ１０３Ｍの回転数を上げるように制御する。
一方、ステップ６０２、６０３、６０４、６０５の判断結果が全てＮｏの場合、つまり、減速時ではない、始動直後ではない、低負荷定常走行中ではない、及び蓄圧部１０８Ｓに蓄圧されていない、と判断された場合、並びに、前記ステップ６１３において、高負荷高回転時域に達したと判断された場合（蓄圧できない場合）は、ステップ６０６に進み、バイパス制御弁１０４を開き（開いている場合はそのまま）、自然吸気を行う。
図８（Ａ）、（Ｂ）は、本第１実施形態の過給機付きエンジン１００が搭載された車両が停止状態から発進加速し、その後定常走行した場合の、車速、蓄圧部１０８Ｓの内圧、及びサージタンク１１０の内圧の変化を示すタイムチャートである。
停止状態、すなわちアイドル状態では、蓄圧部１０８Ｓの内圧は、前述したように設定圧、例えば、絶対圧で２００ｋＰａまで加圧されている。加速を開始すると、電制スロットル１０９が開き、蓄圧部１０８Ｓに蓄えられた圧縮空気がサージタンク１１０及び分岐通路部１０８Ｃを介して燃焼室１１１に流入し、過給が行われる。これにより、蓄圧部１０８Ｓの内圧は一時的に設定圧より下がるが、下がると直ちにコンプレッサ１０３Ｃの回転数が増大せしめられ、再び内圧が設定圧に制御されるので影響は小さい。
その後、加速の後半になると吸気量が大きくなるため、再び蓄圧部１０８Ｓの内圧が下がる。なお、ここでは図示していないが、加速の後半でサージタンク１１０の内圧が大気圧に達した場合は、前述したように、バイパス制御弁１０４が開かれ、バイパス通路１０７が用いられて自然吸気が行われる。
そして、加速が終了し、定常走行に移ると、電制スロットル１０９の開度が小さくなり、サージタンク１１０内の負圧が大きくなる。このときは、蓄圧部１０８Ｓの内圧が設定圧に達していないので、前述したように、コントロールユニット２００は、モータ１０３Ｍの回転数を上げる制御を行う。蓄圧部１０８Ｓの内圧が設定圧に達すると、モータ１０３Ｍの回転数、又はバイパス制御弁１０４の開閉制御により設定圧を保つように制御される。
なお、前記エンジン１００を搭載した車両の停止時にアイドルストップを行うようにした場合、該アイドルストップ時に前記電動過給機１０３を用いて前記蓄圧部１０９Ｓに圧縮空気を蓄えて、前記蓄圧部１０８Ｓの内圧を設定圧に保つようにすれば、次の発進加速を一層スムーズに行うことができる。
［第２実施形態］
図９は、本発明に係る電動過給機付きエンジン及びその制御装置の第２実施形態を示す概略構成図である。図示の過給機付きエンジン１００’は、基本的な部分は第１実施形態と略同様であるので、重複説明を省略し、以下においては、第１実施形態との相違点を重点的に説明する。
本第２実施形態の過給機付きエンジン１００’では、吸気通路１０８外に別途にアキュムレータ（高圧蓄圧タンク）３０１が設けられ、電動過給機１０３により加圧された圧縮空気を、吸気通路１０８におけるコンプレッサ１０３Ｃの下流（で切換制御弁１１４より上流）から分岐する通路３０５を介して前記アキュムレータ３０１に導き、アキュムレータ３０１に蓄えられた圧縮空気を通路３０６を介して蓄圧部１０８Ｓに導くようにされ、前記通路３０５には逆止弁３０２が設けられ、前記通路３０６には加圧制御弁３０３が設けられている。
アキュムレータ３０１の内圧に対する設定圧（上限値）は、前記蓄圧部１０８Ｓの内圧に対する設定圧（上限値）より高く設定される。例えば、蓄圧部１０８Ｓの内圧に対する設定圧力を絶対圧で２００ｋＰａ、アキュムレータ３０１の内圧に対する設定圧を５００ｋＰａとする。アキュムレータ３０１の内圧の上限値が高く設定されるので、過給を準備する際に、より多量の空気を加圧して蓄えておくことができる。これにより、例えば、モータ１０３Ｍの起動特性や、コンプレッサ１０３Ｃの低回転域での流量が小さい場合等でも、蓄圧部１０８Ｓの内圧が高まるまでの間、アキュムレータ３０１に蓄えられた高圧の圧縮空気を用いることで、運転性、応答性等を向上させることができ、さらに、アキュムレータ３０１が存在することで、吸気通路１０８（蓄圧部１０８Ｓ）の通路断面積（容積）をさほど大きくする必要はなくなり、コンパクトにまとめることができる。
図１０は、過給を準備する場合の各部の作動状態を示す。
本実施形態でも、第１実施形態（図２）と同様に、減速時を代表して説明するが、定常走行時、アイドル時、始動直後でも基本的な動作は同じである。
コントロールユニット２００は、車速センサ１５３、アクセルセンサ１２６等からの信号に基づいて、車両が減速状態にあると判断されると、水冷オルタネータ２０３の発電量を増やすように制御する。そして、インバータ２０２のパルス周波数を上げ、モータ１０３Ｍの回転数、すなわちコンプレッサ１０３Ｃの回転数を増すように制御する。このとき、バイパス制御弁１０４を閉じ、切換制御弁１１４を開いて、前記電動過給機１０３により吸気を加圧して圧縮し、この加圧された圧縮空気を、蓄圧部１０８Ｓに蓄えるとともに、アキュムレータ３０１にも蓄える（このときは、逆止弁３０２を開き、加圧制御弁３０３を閉じておく）。
かかる減速時には、電制スロットル１０９（の開度）は略全閉（アイドル開度、例えば３°）であり、燃焼室１１１への流入空気量は少ないので、電制スロットル１０９を通る空気量よりも多くの空気がコンプレッサ１０３Ｃを通れば、その差分が蓄えられ（蓄圧され）ていくことになる。なお、前記蓄圧部１０８Ｓの内圧及び前記アキュムレータ３０１の内圧は、それぞれ圧力センサ１５５、１５６により検出され、これらの検出信号もコントロールユニット２００に供給される。蓄圧部１０８Ｓの内圧が、予め定められた設定圧、例えば絶対圧で２００ｋＰａに達すると、コントロールユニット２００は、切換制御弁１１４を閉じ、コンプレッサ１０３Ｃにより加圧された空気を全てアキュムレータ３０１に導入する。そして、アキュムレータ３０１の内圧が、予め定められた設定圧、例えば絶対圧で５００ｋＰａに達すると、コントロールユニット２００は、逆止弁３０２を閉じて切換制御弁１１４を開き、モータ１０３Ｍの回転数を調節するか、又は、バイパス制御弁１０４を開く等して、前記蓄圧部１０８Ｓ及びアキュムレータ３０１の内圧が設定圧を維持するように調節する。
このようにして、減速時（定常走行時、アイドル時）には、次の加速に備えて、事前に圧縮空気を蓄圧部１０８Ｓ及びアキュムレータ３０１に蓄え（蓄圧して）おく。
図１１は、加速を行っているときの各部の作動状態を示す。運転者がアクセルペダル１４１を踏み込むと、アクセルセンサ１２６からの信号により、コントロールユニット２００が大きなトルクが必要と判断し、電制スロットル１０９の開度を増大させる。これにより、前記蓄圧部１０８Ｓに蓄圧されていた空気がサージタンク１１０及び分岐通路部１０８Ｃを通り燃焼室１１１に流入する。ここでは、空気が既に加圧圧縮されているので、大気圧から吸気する場合と比べ、素早く過給が行われ、すぐに大きなトルクが得られる。このため、加速性、応答性が向上する。
このとき、コンプレッサ１０３Ｃの回転数が十分高くなければ、逆止弁３０２を閉じたまま、加圧制御弁３０３を開き、アキュムレータ３０１から高圧の圧縮空気を蓄圧部１０８Ｓに導入する。そして、加圧制御弁３０３を開閉制御して、蓄圧部１０８Ｓの内圧が設定圧になるようにするとともに、その間にモータ１０３Ｍの回転数を上げ、コンプレッサ１０３Ｃによる過給が行えるようにする。これにより、継続的に過給を行うことができる。その後、コンプレッサ１０３Ｃの回転が上がり、十分過給できるようになると、加圧制御弁３０３を閉じてアキュムレータ３０１から蓄圧部１０８Ｓへの空気供給を停止するが、コンプレッサ１０３Ｃの容量が飽和して蓄圧部１０８Ｓの内圧が下がってくれば、再び加圧制御弁３０３を開き、極力サージタンク１１０の内圧（過給圧）を設定圧に保てるようにする。
図１２（Ａ）、（Ｂ）は、本第２実施形態の過給機付きエンジン１００’が搭載された車両が停止状態から発進加速し、その後定常走行した場合の、車速、蓄圧部１０８Ｓの内圧、及びサージタンク１１０の内圧の変化を示すタイムチャートである。
停止状態では、前述したように、蓄圧部１０８Ｓの内圧及びサージタンク１１０の内圧は略設定圧になっている。アクセルペダル１４１が踏み込まれ、加速が始まると、蓄圧部１０８Ｓに蓄えられた圧縮空気がサージタンク１１０に流入し、さらに、アキュムレータ３０１に蓄えられた圧縮空気が蓄圧部１０８Ｓに導入される。これにより、アキュムレータ３０１の内圧は設定圧から下がっていくが、サージタンク３０４の内圧は略設定圧に保たれる。その後、コンプレッサ１０３Ｃの回転が上がり、十分過給できるようになると、加圧制御弁３０３が閉じられてアキュムレータ３０１から蓄圧部１０８Ｓへの空気供給が停止されるが、コンプレッサ１０３Ｃの容量が飽和して蓄圧部１０８Ｓの内圧が下がってくれば、再び加圧制御弁３０３が開かれ、サージタンク１１０の内圧（過給圧）が略設定圧に保たれる。その後、定常走行に移ると、電制スロットル１０９の開度が小さくなるので、コンプレッサ１０３Ｃにより蓄圧部１０８の内圧が設定圧まで増大せしられるとともに、切換制御弁１１４が閉じられてコンプレッサ１０３Ｃによりアキュムレータ３０１の内圧が設定圧まで増大せしめられる。そして、アキュムレータ３０１の内圧が設定圧に達したら、モータ１０３Ｍの回転数を低くするか、バイパス制御弁１０４を開ける等して、各部の内圧を設定圧に保ち、定常走行からさらに加速する場合に備える。
図１３（Ａ）、（Ｂ）に、本発明の実施形態（２．０Ｌ電動過給車）と従来例（２．０Ｌターボ過給車）の、加速時の車速とサージタンク１１０の内圧（過給圧）の時間変化を示す。従来例は、本発明（実施形態）と同じ排気量（２．０Ｌ）、同じコンプレッサ容量のターボチャージャーを装着したものである。また、設定圧は同じである。
本実施形態の車では、アクセルペダルを踏み込むと、低回転からでもすぐに過給が始まり、速やかに加速した後、定常走行に移る。一方、ターボ過給の従来例では、エンジンの低回転域では排気ガス量が少ないため、コンプレッサの回転数が上がりにくく、過給圧を速やかに立ち上げることができない。したがって、アクセルペダルを踏み込んでから車速が所定速度に達するまでの加速所要時間は本実施形態の方が短くなる。
図１４に、本発明の実施形態（電動過給車、２次空気供給）と、従来例（ターボ過給車、２次空気供給せず）における、始動後の排気温度の時間変化を示す。本発明車では排気系に熱容量の大きなターボチャージャーが存在せず、また、２次空気により、排気ガス中の未燃炭化水素（ＨＣ）を排気通路内で燃焼させるので、排気温度の上昇が早く、触媒の早期活性化につなげることができる。
図１５、図１６、図１７に、本発明の実施形態（本発明車）と、従来例における、出力、燃費、排気エミッションの比較結果を示す。
図１５は、低回転の例として１５００ｒ／ｍｉｎ時のトルクを示している。本発明車は排気量が２Ｌの電動過給車、従来例１、２、３として、それぞれ、排気量が２Ｌのターボ過給車、排気量が２ＬのＮＡ車、排気量が３ＬのＮＡ車の場合が示されている。
従来例１では、図１３で説明したように、アクセルペダルを踏み込んだ直後は過給されていないので、トルクがさほど出ず、ターボラグと呼ばれる遅れが生じ、一定時間経過後に過給されてトルクが高まる。これに対し、電動過給の本発明車では加速の最初から、排気量が大きい従来例３と同等以上のトルクを出すことができる。
図１６は、燃費の例としてアイドル時の燃料消費率を示す。一般に、排気量が大きいほどポンピングロスが大きくなり、低負荷時の燃料消費率は悪化する。本発明車では、燃焼室１３３内の空気流動（タンブル流）を利用して成層燃焼（例えばλ＝３）を行うことができるので、均質燃焼（理論空燃比：λ＝１）を行う従来例に比べて燃費を向上できる。
図１７は、モード走行時のＨＣ排出量を比較している。従来例１のターボ過給車では、排気温度が上昇しにくく、結果として触媒温度の上昇が遅れ、ＨＣ排出量は多くなる。ＮＡ車では排気量が大きいとＨＣ排出量は多くなる。一方、本発明車ではこれまで説明してきたように、始動直後の所定期間、排気通路に２次空気を導入してＨＣを酸化燃焼させるので、触媒温度の上昇が早く、ＨＣ排出量を抑えることができる。
図１８は、前記した本発明車、従来例１、従来例２、従来例３における回転数に対する出力トルクの変化を示す。本発明車の全開出力トルクは、従来例２と略同じであるが、高回転時は流量が不足するので、トルクは従来例２より低くなる。しかし、従来例１に対しては、略全域でトルクが高くなる。また、従来例３と比較すると、低回転側でトルクが高く、高回転側ではトルクが低くなる。
なお、前記実施形態では、コンプレッサ（電動過給機）を一つだけ備えているものを説明したが、これに限られず、複数もしくは多段のコンプレッサ（電動過給機）を配備し、それらの稼働台数等を過給すべき空気量等に応じて切り換える等することにより、広い運転領域（高負荷高回転時にも）で対応させることが可能であり、これらは当然本発明の技術範囲に含まれる。
また、前述したように、本発明実施形態で用いられているコンプレッサは遠心式のものであるが、それに限る必要はなく、使用状況に応じて様々な形式のコンプレッサを利用可能である。
さらに、電動過給機と、既存のターボチャージャー、もしくはスーパーチャージャー等とを組み合わせれば、より広い運転領域に対応することもできる。この場合、排気温度の上昇を促進するために、排気系を２系統に分割し、始動時はターボチャージャーをバイパスさせる等の方法があり、これらも本発明の技術範囲に含まれる。
また、本発明の実施形態では、ガソリンエンジンを例にとって説明したが、ディーゼルエンジンでも本発明を同様に適用することができる。ディーゼルエンジンの過給は、より大きな出力が得られ、また、燃料に対して空気を過剰にすることにより黒煙も低減される傾向となるため、より好ましい。
【図１】
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【図２】
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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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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