JP2005069178A - 電動機付過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】 電動機の冷却とサージの防止を両立させることが可能な電動機付過給機を提供する。
【解決手段】 電動機１１ｂによって駆動可能なターボチャージャー（タービン／コンプレッサ）１１ａを有するターボユニット１１のハウジング１１ｃには、インタークーラー１２の下流から冷気通路２５が接続されており、冷気通路２５上の電磁弁２７は、エンジンＥＣＵ１６によって、ターボチャージャー１１ａのサージ回避を行うべきと判定した場合に、開弁され、インタークーラー１２を通過した冷気の一部が冷気通路２５によりハウジング１１ｃへと導かれる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動機によって駆動可能な過給機に関し、例えば、モータコンプレッサーやモータアシストターボチャージャに関する。

内燃機関の気筒内に吸入する吸気の圧力を高めて、気筒内の空気の重量を増大させて１サイクルあたりの出力を増大させることを狙いとする過給機は古くから知られている。こうした過給機の一つとして、エンジンの排出する排気ガスをタービンに導いて高速回転させ、このタービンと回転軸を共用するコンプレッサーを駆動させて、エンジンに過給を行うターボチャージャがある（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１のターボチャージャは、電動機付のターボチャージャであって、コンプレッサー出口とタービン入口とを連通するバイパス流路を有し、このバイパス流路上に開閉弁を配置して、コンプレッサーを流れる空気量を増大させることでサージを防止し、また、僅かな供給電力でブースト圧を高めることを可能にする、と記載されている。
特開平３−３７３２８号公報（第２〜３頁、図１〜図４）

このような電動機付のターボチャージャ等の過給機においては、電動機による過給により小流量、高圧力比となり、コンプレッサー・サージに入りやすく、その防止が重要である。それとともに、サージ限界近傍では、電動機への負荷が増大するため、その発熱が増加し、短時間で耐熱限界へ到達するおそれがある。

そこで、本発明は、電動機の冷却とサージの防止を両立させることが可能な電動機付過給機を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る電動機付過給機は、電動機によって駆動可能な過給機と、インタークーラーとを備える電動機付過給機であって、インタークーラー下流側の過給気の少なくとも一部を電動機周囲へと導く冷気導入路と、冷気導入路の開閉を切り替える開閉弁と、過給機のサージ状態を判定し、判定結果からサージ回避を行うべきと判断した場合には、開閉弁を開弁する開閉弁制御手段と、を備えていることを特徴とする。この過給機は、例えば、ターボチャージャである。

過給サージ状態からサージ回避を行うべきと判定した場合には、冷気導入路の開閉弁を開弁することで、インタークーラーによって冷却された空気の少なくとも一部が冷気導入路を通じて電動機周囲へと導かれる。サージ回避動作不要と判定した場合には、開閉弁は閉弁されるため、インタークーラーを通過した空気は内燃機関へと導かれる。

サージ回避動作が必要な場合には、インタークーラーを通過した空気（冷気）の一部を内燃機関ではなく、電動機周囲へと導くことで、内燃機関への空気供給量が少ない場合でも過給機を通過する空気量を確保することができ、サージの発生を抑制できる。さらに、冷却された空気を電動機周囲へと導くことで、電動機の冷却を行うことができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係る電動機付過給機として電動機付のターボチャージャを用いた場合の内燃機関の構成を示す概略図である。ここでは、筒内噴射型のガソリンエンジンを例に説明するが、吸気管内に燃料を噴射するタイプのガソリンエンジンや、ディーゼルエンジンに対しても同様に適用可能である。

このエンジン１は、多気筒エンジンであるが、ここでは、そのうちの１気筒のみの断面を示している。エンジン１は、インジェクタ２によってシリンダ３内のピストン４の上面に燃料を噴射するタイプのエンジンである。このエンジン１は、成層燃焼を可能とした、いわゆるリーンバーンエンジンである。すなわち、エンジン１は、吸気通路５を通過してシリンダ３内へと吸入した空気をピストン４によって圧縮し、ピストン４の上面に形成された窪みの内部へとインジェクタ２から燃料を噴射することで、濃い混合気を点火プラグ７近傍に集め、これに点火プラグ７で着火させて燃焼させる。これによって、燃焼室全体の空気に対して少ない燃料量での燃焼を可能としている。そして、後述するターボチャージャによって、より多くの吸入空気を過給しつつ、希薄燃焼を行うことによって、燃料消費量を抑え、高出力化だけでなく低燃費化をも実現している。

シリンダ３には、吸気通路５と排気通路６が接続され、それぞれの間に設けられた吸気バルブ８と排気バルブ９によってその開閉が制御される。吸気通路５上には、上流側からエアクリーナ１０、ターボユニット１１、インタークーラー１２、スロットルバルブ１３、吸気圧センサ１９が配置されている。一方、排気通路６上には、上流側からターボユニット１１、排気浄化触媒２３が配置されている。ターボユニット１１は、吸気通路５と排気通路６にまたがるように配置されている。

エアクリーナ１０は、吸入空気中のゴミや塵などを取り除くフィルタである。ターボユニット１１は、吸気通路５側に配置される回転翼であるコンプレッサ側インペラー（吸気を圧縮するコンプレッサとして機能する。）と、排気通路６側に配置される回転翼であるタービン側インペラー（排気エネルギーにより回転駆動されるタービンとして機能する。）とが共通の回転軸で連結されている（以下、この部分を単にタービン／コンプレッサ１１ａと称する）。さらに、この回転軸には、ロータ（永久磁石）が固定され、その周囲にステータ（鉄心に巻かれたコイル）が配置されて、回転軸を出力軸とする電動機１１ｂを構成する。この電動機１１ｂは、インバータ２１に電気的に接続された交流モータであり、回転軸を入力軸とする発電機としても機能する。インバータ２１はバッテリ２２に電気的に接続されている。これらのタービン／コンプレッサ１１ａや電動機１１ｂは、ハウジング１１ｃの内部に収納されている。

吸気通路５上のターボユニット１１の下流側には、空冷式のインタークーラー１２が配置されている。このインタークーラー１２は、ターボユニット１１による過給時の空気圧縮（圧力上昇）に伴い、温度が上昇した吸入空気を冷却することで、その容積を減らし、シリンダ３への充填効率を向上させるものである。

インタークーラー１２の下流側には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ１３が配置されている。このスロットルバルブ１３は、いわゆる電子制御式スロットルバルブであり、スロットルモータ１７によって駆動される。そして、その開度を検出するスロットルポジショニングセンサ１８が配置されている。

吸気通路５には、吸気を還流する冷気通路（本発明に係る冷気導入路に相当する。）２５、２６が設けられている。冷気通路２５は、インタークーラー１２とスロットルバルブ１３の間で吸気通路５から分岐され、ターボユニット１１のハウジング１１ｃに接続されている。冷気通路２５上には電磁弁（本発明に係る開閉弁に相当する。）２７が配設されている。一方、冷気通路２６は、ターボユニット１１のハウジング１１ｃから延びて、エアクリーナ１０とターボユニット１１のコンプレッサ側インペラーとの間で吸気通路５と合流する。

クランクシャフトにはクランク角センサ２０が、アクセルペダル１４にはアクセル開度センサ１５が設けられ、エンジン制御用のエンジンＥＣＵ１６にその信号が入力されている。エンジンＥＣＵ１６には、そのほか、スロットルポジショニングセンサ１８、吸気圧センサ１９、バッテリ２２（電圧）から信号が入力され、インジェクタ２、点火プラグ７、スロットルモータ１７、インバータ２１の作動を制御する。このエンジンＥＣＵ１６は、本発明に係る開閉弁制御手段を兼ねるものである。なお、開閉弁制御手段をエンジンＥＣＵ１６とは別に独立して設けてもよく、他の車両内の制御用コンピュータに内蔵してもよい。

本発明に係るターボユニット１１は、排気エネルギーによってのみ過給を行う通常のターボチャージャとして作動させることもできるが、電動機１１ｂによってタービン／コンプレッサ１１ａを強制的に駆動することで、過給効率を上げることも可能である。特に、運転者がアクセルペダル１４を踏み込んだような場合に、この強制駆動を行うことでターボチャージャーの作動のタイムラグを小さくして、エンジン回転数を早期に増大させることができ、レスポンスが向上する。また、排気によってタービン／コンプレッサ１１ａを駆動して、電動機１１ｂの入力軸を回転させることにより、回生発電させ、発電された電力をバッテリ２２に貯めて、排気エネルギーの一部を回収することもできる。

本発明に係るターボユニット１１は、冷気通路２５、２６によりインタークーラー１２を通過した冷気を電動機１１ｂの周囲に導くことで電動機１１ｂの冷却を行う。この冷却は電磁弁２７の開弁／閉弁を制御することによって行う。以下にこの冷却制御について図２のフローチャートを参照して説明する。この制御は、エンジンＥＣＵ１６によって、車両の電源スイッチがオンにされてから、オフにされるまでの間、所定のタイミングで繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１では、力行条件が成立しているか否かを判定する。この力行条件の成立判定は、例えば、クランク角センサ２０で検出したエンジン回転数と、アクセル開度センサ１５で検出したアクセル開度から、エンジン１が低回転高負荷と判定される場合に、タービン／コンプレッサ１１ａを電動機１１ｂによって強制駆動する力行の条件が満たされていると判定する。

力行条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ３へと移行し、実際に力行中であるか否かを判定する。力行中の場合には、ステップＳ５へと移行してタービン／コンプレッサ１１ａの作動状態がサージ領域か否かを判定する。このサージ領域の判定は、例えば、吸気管内の負圧（吸気圧センサ１９により測定される。）と大気圧（図示していない大気圧センサの実測値またはエンジン１の作動前における吸気圧センサ１９の測定値を用いる。）と図示していないエアフローメータによる空気流量から小流量高圧縮比と判定した場合に、サージ領域内と判定する。あるいは、単に力行量（力行に必要なインバータ２１から供給される電力、あるいは、タービン／コンプレッサ１１ａの回転軸の回転数から求められる。）から判定したり、力行量とエンジン１の回転数から判定してもよい。

サージ領域と判定した場合には、ステップＳ７へと移行して、電磁弁２７を開弁制御する（すでに開弁中の場合には、その状態を維持する）。これにより、インタークーラー１２を通過した冷気の一部が冷気通路２５からハウジング１１ｃに導入される。これにより、電動機１１ｂとタービン／コンプレッサ１１ａの回転軸が冷却される。また、シリンダ３へと導かれる空気量が少ない場合でも、インタークーラー１２を通過する空気量を増やすことができる。そのため、タービン／コンプレッサ１１ａのコンプレッサ側インペラを通過する空気量も増大する。このように空気量が増えることによって小流量高圧縮比の場合に発生するコンプレッササージを回避することができる。

こうして電動機１１ｂを冷却した冷気は、冷気通路２６により吸気通路５のコンプレッサ側インペラの手前へと送られる。これにより、吸気の一部が循環する形となる。ここでは、電動機１１ｂ冷却後の冷気を吸気通路５の手前に戻す場合を例に説明したが、冷却後の空気はそのまま排出してもよく、あるいは、排気通路６のいずれかの位置（例えば、タービン側インペラの上流、下流または排気浄化触媒２３の下流）で排気と合流させてもよい。

ステップＳ１、３、５で判定条件が満たされなかった場合には、サージの可能性がないことから、ステップＳ９へと移行して電磁弁２７を閉弁制御する（すでに閉弁中の場合にはその状態を維持する）。この場合、インタークーラー１２を通過した冷気は全てスロットルバルブ１３、吸気通路５を通過してシリンダ３へと送られる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、電動機１１ｂの出力軸がタービン／コンプレッサ１１ａの回転軸に一致していた。しかし、電動機の出力軸とタービン／コンプレッサの回転軸が一致しないような（例えばギアなどによる減速機構を介している場合）電動機付ターボチャージャに対しても本発明は適用し得る。

さらに、本発明に係る過給機は、電動機付ターボチャージャーに限られるものではなく、電動機によりコンプレッサを駆動する電動コンプレッサであってもよい。このコンプレッサは、ターボチャージャーのコンプレッサ部と同様の構成を有する回転翼による遠心圧縮機であっても、その他の軸流圧縮機やいわゆるスーパーチャージャーであってもよい。

本発明に係る電動機付過給機を用いた内燃機関の構成を示す概略図である。 図１の過給機における冷却制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１…エンジン、２…インジェクタ、３…シリンダ、４…ピストン、５…吸気通路、６…排気通路、７…点火プラグ、８…吸気バルブ、９…排気バルブ、１０…エアクリーナ、１１…ターボユニット、１１ａ…コンプレッサ、１１ｂ…電動機、１１ｃ…ハウジング、１２…インタークーラー、１３…スロットルバルブ、１４…アクセルペダル、１５…アクセル開度センサ、１６…エンジンＥＣＵ、１７…スロットルモータ、１８…スロットルポジショニングセンサ、１９…吸気圧センサ、２０…クランク角センサ、２１…インバータ、２２…バッテリ、２３…排気浄化触媒、２５、２６…冷気通路、２７…電磁弁。

Claims (2)

1. 電動機によって駆動可能な過給機と、インタークーラーとを備える電動機付過給機であって、
   インタークーラー下流側の過給気の少なくとも一部を前記電動機周囲へと導く冷気導入路と、
   前記冷気導入路の開閉を切り替える開閉弁と、
   過給機のサージ状態を判定し、判定結果からサージ回避を行うべきと判断した場合には、前記開閉弁を開弁する開閉弁制御手段と、
   を備えていることを特徴とする電動機付過給機。
2. 前記過給機は、ターボチャージャであることを特徴とする請求項１記載の電動機付過給機。

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