JP2012167634A - 過給システム及び過給システムの制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】過給システムにおいて、構成を複雑化することなく、また、ランニングコストを増加させることなく、車両の加速性能を向上させ、さらに、バッテリ上がりなどのトラブルを防止する。
【解決手段】エンジンに供給される吸気を圧縮するコンプレッサ１に回転力を与えるモータ３と、このモータ３の動作を制御するモータドライバ４と、モータドライバ４に電力を供給する電源部５に並列に接続された電力バッファ８とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に車両用エンジンに用いられる過給システム及び過給システムを制御する過給システムの制御回路に関する。

従来、自動車用エンジン等の車両用エンジンにおいて、排気ガスに含まれたエネルギを利用して過給を行うターボ形過給機が用いられている。この過給機は、排気マニホルド及び吸気マニホルドの上にそれぞれ配置され、軸によって互いに固定的に接続された二つのブレード羽根車（タービンインペラ及びコンプレッサインペラ）と、これらブレード羽根車を囲んで配置された二つの渦巻き（volute）（スクロール流路）とを有して構成されている。

第一の羽根車(タービンインペラ)は、排気ガスから回転力を得て、この回転力を第二の羽根車(コンプレッサインペラ)に伝える。第二の羽根車(コンプレッサインペラ)は、吸気マニホルド中の空気を圧縮する。

このような過給機においては、タービンインペラの回転力をモータ（電動機）によりアシストするようにした電動アシスト過給機（ＥＡＴ：Ｅlectrically Ａssisted Ｔurbocharger）が提案されている。

特許文献１には、電動アシスト過給機の制御回路が記載されている。この制御回路においては、車内電源系統において、オルタネータ（発電機）及び負荷（ライトやパワーウィンドウ、エアコン、オーディオ等）と、電力貯蔵デバイス（an electric energy storage device、バッテリなど）及び電動アシスト過給機との間に、スイッチを設置して構成されている。この制御回路においては、電動アシスト過給機のモータの動作開始時の一定期間（例えば、１秒間）、スイッチにより、車内電源系統と電力貯蔵デバイス及び電動アシスト過給機とを分離するようにしている。

米国特許２００９／００００２９８号公報

ところで、前述した電動アシスト過給機の制御回路においては、電源系統にスイッチを設ける必要があるため、部品点数の増大及びコストアップが招来される。また、スイッチは、電動アシスト過給機のモータが動作するたびに、オン、オフを繰り返すことから、信頼性、耐久性の問題が生じ、一定期間ごとの交換が必要となる。そのため、ランニングコストが増加するという問題がある。

一方、電動アシスト過給機を備えた車両の加速性能を向上させるため、オルタネータの発電量を抑制して、エンジンの負荷を減らすことが提案されている。しかしながら、前述した制御回路において、スイッチにより車内電源系統と電力貯蔵デバイス及び電動アシスト過給機とが切り離された状態では、オルタネータ側にバッテリなどの電力を補完するデバイスが存在しない。そのため、負荷が高い場合等には、オルタネータの発電量の抑制を行うことができなくなり、結果として、車両の加速性能を向上させることができなくなる。

また、電動アシスト過給機の動作は、必ずしも数秒間の動作と停止を繰り返すといった間欠的なものではない。例えば、トーイング（キャンピングカー等の牽引）をしながら、長い上り坂を登るといった場合においては、連続して動作することになる。しかしながら、このような連続使用の場合においては、電動アシスト過給機を含めた負荷（エアコン、ライト等）の電力消費量が、オルタネータの容量を超えてしまい、結果として、バッテリ上がりなどのトラブルを発生する虞がある。

そこで、本発明は、前述した実情に鑑みて提案されるものであって、構成を複雑化することなく、また、ランニングコストを増加させることなく、車両の加速性能を向上させることができ、さらに、バッテリ上がりなどのトラブルが防止された過給システム及び過給システムの制御回路を提供することを目的とする。

前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明は、以下の構成を有するものである。

〔構成１〕
本発明に係る過給システムは、エンジンに供給される吸気を圧縮するコンプレッサと、コンプレッサに回転力を与えるモータと、モータの動作を制御するモータドライバと、モータドライバに電力を供給する電源部に並列に接続された電力バッファとを備えたことを特徴とするものである。

〔構成２〕
構成１を有する過給システムにおいて、電力バッファは、コンデンサであることを特徴とするものである。

本発明において、電力バッファとしては、急速充放電が可能なデバイスであることが望ましく、コンデンサ（キャパシタ）の他、Ｌｉイオン電池などを用いることができる。この電力バッファは、モータドライバの直近に配置することが望ましい。

〔構成３〕
本発明に係る過給システムの制御回路は、構成１、または、構成２を有する過給システムを制御するものである。

本発明に係る過給システム及び過給システムの制御回路においては、モータドライバに電力を供給する電源部に並列に接続された電力バッファとを備えているので、車両の加速時に電源部の発電量を抑制してエンジンの負荷を減らした場合においても、加速の初期には、電力バッファ及び電源部から電力が供給されるため、エンジンの負荷を抑えることが可能となり、車両の加速性能を向上させることができる。

また、電力バッファとしては、コンデンサ（キャパシタ）を用いることができ、コンデンサは、数１００ｋサイクルの寿命を持ち、メンテナンスフリーであるため、ランニングコストの増加を抑えることができる。なお、鉛蓄電池の寿命は、２ｋサイクル程度である。

すなわち、本発明は、過給システム及び過給システムの制御回路において、構成を複雑化することなく、また、ランニングコストを増加させることなく、車両の加速性能を向上させることができ、さらに、バッテリ上がりなどのトラブルが防止された過給システム及び過給システムの制御回路を提供することができるものである。

本発明に係る過給システムの制御回路を備えた本発明に係る過給システムの構成を示すブロック図である。 本発明に係る過給システムの制御回路の構成を示すブロック図である。 力行時に用いるマップテーブルを示すグラフである。 本発明に係る過給システムの制御回路の動作を説明するフローチャートである。 本発明に係る過給システムの制御回路における消費電力量の制御を説明するグラフである。 本発明が適用される過給システムの構成の他の例を示すブロック図である。 本発明が適用される過給システムのさらに他の例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る過給システムの制御回路を備えた本発明に係る過給システムの構成を示すブロック図である。

本発明に係る過給システム（電動アシスト過給システム）は、主に自動車用エンジン等の車両用エンジンにおいて、排気ガスに含まれたエネルギを利用して過給を行う過給システムである。図１に示す過給システムは、電動アシスト過給機を備えている。電動アシスト過給機は、図１に示すように、吸気マニホルド及び排気マニホルドの上にそれぞれ配置され、軸によって互いに固定的に接続された二つのブレード羽根車（コンプレッサインペラ、タービンインペラ）と、これらブレード羽根車を囲んで配置された二つの渦巻き（volute）流路（スクロール流路）とを有して構成されている。

コンプレッサ１は、コンプレッサインペラ、コンプレッサスクロール流路、コンプレッサハウジングを備えている。タービン２は、タービンインペラ、タービンスクロール流路、タービンハウジングを備えている。コンプレッサ１とタービン２との間には、軸受ハウジングが備えられている。軸受ハウジング内には、回転軸（シャフト）、軸受が設けられている。コンプレッサインペラとタービンインペラとは、回転軸（シャフト）によって互いに同軸上に連結されている。すなわち、コンプレッサインペラ、タービンインペラ、回転軸（シャフト）は、ハウジング（コンプレッサハウジング、タービンハウジング、軸受ハウジング）に対して一体的に回転可能な回転体（ロータ）を構成している。タービン２は、排気ガスから回転力を得て、この回転力をコンプレッサ１に伝える。コンプレッサ１は、吸気マニホルド中の空気を圧縮する。

そして、この電動アシスト過給機においては、回転体（コンプレッサインペラとタービンインペラ、回転軸）の回転力をモータ（電動機）３によりアシストする。この電動アシスト過給機においては、モータ３は、過給システムの制御回路を構成するモータドライバ４により、電源供給を制御されて、動作を制御される。モータ３は、軸受ハウジング内に設けられている。

なお、モータ３には、温度センサが設置されており、この温度センサにより測定されたモータステータ温度を示す信号は、モータドライバ４に送られる。また、モータドライバ４は、エンジンＥＣＵ等の上位コントローラ１１により、動作を制御される。

モータドライバ４には、電源部５より、電源が供給される。この電源部５は、オルタネータ（発電機）６及び鉛蓄電池７から構成されている。オルタネータは、この電動アシスト過給機を備えたエンジンにより回転されて、発電する。鉛蓄電池７は、オルタネータ６に並列に接続されており、電力消費量がオルタネータ６の発電電力より小さい場合には、オルタネータ６が発電する電力を蓄電し、電力消費量がオルタネータ６の発電電力より大きい場合には、放電して電力供給源となる。

また、電源部５には、負荷９が並列に接続されている。この負荷９は、エアコンやライト等である。

そして、電源部５には、過給システム（電動アシスト過給機）の制御回路を構成する電力バッファ８が並列に接続されている。この電力バッファ８としては、急速充放電が可能なデバイスであることが望ましく、コンデンサ（キャパシタ）や、Ｌｉイオン電池などを用いることができる。この電力バッファは、モータドライバ４の直近に配置することが望ましい。

なお、電力バッファと、電源部５及び負荷９との間には、リレー１０を設置しておくとよい。このリレー１０は、運転中には閉成（オン）としておき、エンジン停止時に開放（オフ）とする。すなわち、メンテナンスや、短絡故障時において、回路を遮断するために用いる。

図２は、本発明に係る過給システムの制御回路の構成を示すブロック図である。

この過給システムの制御回路において、モータドライバ４は、図２に示すように、セレクタ回路１２を有している。この過給システム（電動アシスト過給機）の力行時において、セレクタ回路１２には、上位コントローラ１１より、トルク指令値が入力される。また、セレクタ回路１２には、ターボ回転数を示す値（内部演算値）が、マップテーブル１を介して、入力される。マップテーブルについては後述する。

さらに、上位コントローラ１１は、許容消費電力を算出し、モータドライバ４にリミッタ値（過給システム（電動アシスト過給機）が消費しても良い電力（許容電力消費量；allowable power consumption））として指令する。すなわち、セレクタ回路１２には、上位コントローラ１１よりの消費電力のリミット値からドライバ入力電力値（計算値）を引いた差信号が入力される。

さらに、上位コンローラからの指令値としては、許容電力消費量に加え、モータトルク、または、モータ電流、若しくは、ターボ回転数を与えるようにしてもよい。モータドライバ４は、許容電力消費量の範囲内で、モータトルク、または、モータ電流、若しくは、ターボ回転数を制御して、過給システムの消費電力を抑える。また、モータドライバ４は、車内電源系統の電圧に従い、過給システムの消費電力を抑える動作を行う。

また、セレクタ回路１２には、温度センサより、モータステータの温度を示す値が、マップテーブル３を介して、入力される。また、温度センサより、モータドライバ主回路の温度を示す値が、マップテーブル５を介して、入力される。さらに、温度センサより、モータドライバ制御回路の温度を示す値が、マップテーブル６を介して、入力される。また、電圧センサより、電源電圧を示す値が、マップテーブル９を介して、入力される。

セレクタ回路１２は、入力された各値より、最も小さい値を選択して、力行時にモータに供給する電流指令値として、出力する。この電流指令値は、制御上の指令値である。

図３は、力行時に用いるマップテーブルを示すグラフである。

マップテーブルは、各温度センサ及び電圧センサ毎に設定されている。このマップテーブルは、図３に示すように、測定された電源電圧に対応する出力制限値を示すものであって、所定の出力制限開始電圧以下においては、モータ電流を絞るようになっている。

このようなマップテーブルは、温度をセンサ及び電圧センサ毎に設定しておき、測定された温度及び電源電圧によりそれぞれ出力上限を計算し、このうちで最も小さい出力上限をセレクタ回路１２によって選択して、モータの制御に用いる。

このようにして、モータドライバ４が許容電力消費量を超えない範囲で、モータ３を制御し、消費電力に制限を加えたうえで過給システム（電動アシスト過給機）を動作させることにより、負荷９（ライト、エアコン等）及びモータ３の消費電力量が、車内電源系統の供給能力（オルタネータ６、鉛蓄電池７及び電力バッファ８）を上回ることがなくなり、電源系統の不安定化を回避できる。

また、上位コントローラ１１の演算ミスなどにより許容電力消費量が多めに見積もられ、その結果、負荷９及びモータ３の消費電力が、車内電源系統の供給電力を上回ってしまった場合には、車内電源系統の電圧低下が発生するが、モータドライバ４が車内電源系統の電圧をモニタし、電圧が低下した場合には、モータドライバ４がその電圧に応じて消費電力を抑えるようにモータ３を制御することにより、過給システムの動作を抑制しつつも、消費電力を抑えることによって電圧低下を食い止める。この動作により、過給システムの効果を生みつつ、車内電源系統の不安定化を防ぐことができる。

図４は、本発明に係る過給システムの制御回路の動作を説明するフローチャートである。

すなわち、この過給システムの制御回路は、図４に示すように、ステップｓｔ１で動作を開始すると、ステップｓｔ２に進み、オルタネータ６による発電を抑制して調整電圧を低レベル（“Ｌｏｗ”）とする。ステップｓｔ３では、ＥＴＡの許容電力消費量の指令を受信する。そして、ステップｓｔ４で過給システム（電動アシスト過給機）の電動アシストを開始し、ステップｓｔ５に進む。

ステップｓｔ５では、過給システム（電動アシスト過給機）の消費電力が許容電力消費量を超えているか否かを判別する。過給システム（電動アシスト過給機）の消費電力が許容電力消費量を超えていれば、ステップｓｔ６に進み、超えていなければ、ステップｓｔ７に進む。

ステップｓｔ６では、消費電力の制限を行って、ステップｓｔ７に進む。

ステップｓｔ７では、電源電圧が許容電力消費量を超えているか否かを判別する。電源電圧が許容電力消費量を超えていれば、ステップｓｔ１に戻り、超えていなければ、ステップｓｔ８に進む。ステップｓｔ８では、消費電力の制限を行って、ステップｓｔ１に戻る。

図５は、本発明に係る過給システムの制御回路における消費電力量の制御を説明するグラフである。

このような過給システムの制御回路を備えた電動アシスト過給機においては、図５に示すように、エンジンが停止した状態においては、ＥＴＡ以外の負荷９の消費電力が、鉛蓄電池７から供給されている。そして、エンジンが起動し、オルタネータ６が動作した後、発進加速や追い抜き加速のように、短い時間に亘って過給システムの電動アシストが必要な場合には、鉛蓄電池７及びオルタネータ６による電力供給に加えて、電力バッファ８からの電力供給により、過給システムが作動する。

さらに加速の効果を高めるために、オルタネータ６による発電を抑制した場合、すなわち、電源電圧制限を行った場合にも、電力バッファ８から過給システムやその他の負荷９に電力供給が行われ、車内電源系統の不安定化を招くことなく、最大の加速効果を得ることができる。

また、トーイング（高負荷な状態での一定速度走行）のように、長時間に亘ってアシスト動作が必要な場合には、時間経過とともに、電力バッファ８及びオルタネータ６による電力供給から、鉛蓄電池７及びオルタネータ６による電力供給に移行し、さらに、過給システムの消費電力を抑制した動作へと移行することにより、過給システムが急に停止することで生ずる段付き感を抑えて、自然なフィーリングのエンジントルク変化を実現することができる。

なお、電動アシスト過給機は、回生時には、排気タービン発電機（排気ＡＰＵ（Auxiliary Power Unit；補助電源装置））として用いることができる。すなわち、回生時には、モータ３は、発電機として使用することができる。この電動アシスト過給機の回生容量は、例えば、５００Ｗ程度とすることができる。この排気タービン発電機の回生時の発電電圧は、オルタネータ６の発電電圧よりも高くしておくことが望ましい。例えば、オルタネータ６の発電電圧がＤＣ１４．５Ｖである場合には、排気タービン発電機の回生時の発電電圧は、ＤＣ１５Ｖ程度となっている。

そして、オルタネータ６の駆動プーリには、クラッチを装備する。このエンジンにおいて、オルタネータ６による発電が不要な場合には、モータドライバ４は、クラッチを切り離す制御を行う。

このエンジンにおいて、回生が行われる状態（車両が巡航する状態や、減速する状態）において、排気タービン発電機の発電量が負荷９の消費電力よりも大きい場合には、オルタネータ６による発電を行わないようにし、排気タービン発電機のみにより電源供給を行う。

このとき、オルタネータ６のクラッチを切り離すことにより、オルタネータロータの回転に使われるエネルギー分のエンジン軸出力の目減りもなくし、燃費の改善を図ることができる。

負荷９の消費電力が増大し、排気タービン発電機による発電量だけでは賄えなくなった場合には、排気タービン発電機の出力電圧が低下する。そして、排気タービン発電機の出力電圧がオルタネータ６の発電電圧まで低下すたならば、オルタネータ６のクラッチを繋ぎ、オルタネータ６による発電を開始する。このとき、オルタネータ６は、排気タービン発電機だけでは賄えなかった電力分を発電する。この場合でも、オルタネータ６のみにより発電する場合よりも、燃費の改善が図られる。この場合においては、オルタネータ６と排気タービン発電機のいずれを使用するかは、「燃費悪化の大小」を比較して、悪化の小さい方を使うように制御することができる。

車が加速するなど、電動アシスト過給機がモータとして作動する場合には、初期の短時間には、前述したように、電力バッファ８から電力が供給され、長時間の場合には、オルタネータ６及び鉛蓄電池７から電力が供給される。加速時には燃費は悪化するが、加速、巡航、減速というサイクルを通してみると、トータルでの燃費は改善される。

図６は、本発明が適用される過給システムの構成の他の例を示すブロック図である。

なお、本発明は、図１に示した構成の電動アシスト過給機（ＥＡＴ）に限定されず、例えば、図６に示すように、電動ブースター（電動コンプレッサ）を用いて構成された過給システムにも適用可能である。図６に示す過給システムは、吸気流路１４に配置されたコンプレッサ１の上流側に、吸気量調整手段として電動ブースター１３を配置したものである。この過給システムにおいては、図１に示したモータ３により過給機をアシストすることなく、通常の過給機を用いている。なお、過給機としては、電動アシスト過給機、すなわち、冗長的にモータによりアシストされるものを用いてもよい。電動ブースター１３は、吸気流路１４に配置されたコンプレッサ１３ｃと、コンプレッサ１３ｃに接続されたモータ３とから構成される。コンプレッサ１３ｃは、コンプレッサ１と同様に、コンプレッサインペラ、コンプレッサスクロールを備えている。モータ３は、エンジンＥＣＵ等の上位コントローラ１１に接続されており、駆動、停止及び回転数の制御をなされる。

この過給システムにおいては、電動ブースター１３により、排気流路１５に配置されたタービン２を流れる排気ガスの流量に依存することなく、圧縮空気の流量を増大させることができる。また、電動ブースター１３を駆動させると、吸気される圧縮空気により、過給機のコンプレッサ１を強制的に駆動させることができ、連動してタービン２も強制的に駆動させることができる。

この過給システムにおいては、前述した電動アシスト過給機（ＥＡＴ）におけると同様に、モータ３の駆動、制御を行うことにより、過給機の動作を抑制しつつも、消費電力を抑えることによって電圧低下を食い止め、過給システムの効果を生みつつ、車内電源系統の不安定化を防ぐことができる。

図７は、本発明が適用される過給システムのさらに他の例を示すブロック図である。

また、本発明は、図７に示すように、吸気流路１４に配置されたコンプレッサ１と、排気流路１５に配置されたタービン２とを分離し、コンプレッサ１にモータ３を接続し、タービン２に発電機１６を接続して構成された過給システムにも適用可能である。図７に示す過給システムにおいて、発電機１６及びモータ３は、蓄電池１７に接続されている。発電機１６で発生した電気は、蓄電池１７により貯蓄される。蓄電池１７に貯蓄された電気は、モータ３に供給される。この過給機においては、タービン２を流れる排気ガスの流量に依存することなく、モータ３によりコンプレッサ１を駆動して、圧縮空気の流量を増大させることができる。モータ３は、エンジンＥＣＵ等の上位コントローラ１１に接続されており、駆動、停止及び回転数の制御をなされる。この過給システムは、コンプレッサ１とタービン２とを分離したことにより、機器レイアウト上の制約が少なく、汎用性に優れている。

この過給システムにおいては、前述した電動アシスト過給機（ＥＡＴ）におけると同様に、モータ３の駆動、制御を行うことにより、過給システムの動作を抑制しつつも、消費電力を抑えることによって電圧低下を食い止め、過給システムの効果を生みつつ、車内電源系統の不安定化を防ぐことができる。

本発明は、主に車両用エンジンに用いられる過給システム及び過給システムを制御する過給システムの制御回路に適用される。

１ コンプレッサ
２ タービン
３ モータ
４ モータドライバ
５ 電源部
６ オルタネータ
７ 鉛蓄電池
８ 電力バッファ

Claims (3)

1. エンジンに供給される吸気を圧縮するコンプレッサと、
   前記コンプレッサに回転力を与えるモータと、
   前記モータの動作を制御するモータドライバと、
   前記モータドライバに電力を供給する電源部に並列に接続された電力バッファと
   を備えたことを特徴とする過給システム。
2. 前記電力バッファは、コンデンサである
   ことを特徴とする請求項１記載の過給システム。
3. 請求項１、または、請求項２記載の過給システムを制御する過給システムの制御回路。

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