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JP6294646B2 - ターボコンパウンドシステムの制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジンのターボコンパウンドシステムの制御装置に関し、特に、排ガスエネルギーを利用して回転される発電機（電気式ターボコンパウンド）を備えたターボコンパウンドシステムの制御装置に関する。
ターボコンパウンドとは、車軸駆動力を増加させる装置の一つであり、エンジンの排気でタービンを回転させ、その出力を、ギヤや継ぎ手などを通じてクランクシャフトに伝えるもの、または発電機を回転させて電気エネルギーとして取り出して利用するものが知られている。
この電気式ターボコンパウンドとしては、例えば、特許文献１（特開２００８−１７５１２６号公報）に開示されており、図９を基に概要を説明すると、タービン０１ａとコンプレッサ０１ｂとからなるターボチャージャ０１のタービン０１ａから排気される排気ガスの一部または全部を導入してエネルギー回収するエネルギー回収部０１０と、このエネルギー回収部０１０に導入する排ガスの比率を加減自在のバルブ０７と、該バルブ０７を所定の制御パターンに基づいて開閉制御するバルブコントローラ０８と、を備えている。
また、特許文献２（特開２０１０−１９０１４５号公報）には、該文献の図２には、電動機３ｍで回転駆動して空気を圧縮し圧縮空気を内燃機関７に供給する電動コンプレッサ３と、内燃機関７からの排ガスで駆動されるタービン２ｔで発電機２ｇを駆動して発電するタービン発電機２と、タービン発電機２で発生させた電気を蓄電し、電動コンプレッサ３に電気を供給する蓄電手段１２とを備えた構成が開示されている。
さらに、特許文献３（特開平６−３２３１５８号公報）には、燃焼ガスが十分な流速を有する排気行程の前半では、排ガスを第１排気ポートを通じてターボチャージャに送り込んで排ガスエネルギーでターボチャージャを駆動してエネルギーを回収し、燃焼ガスの流速が低下した排気行程の後半では、排ガスを第２ポートを通じてターボチャージャをバイパスしてエネルギー回収装置に送り込み、エネルギー回収装置のタービン入口の背圧が減少した分の排ガスが有するエネルギーを回収してエンジン出力を増大させることが開示されている。
特開２００８−１７５１２６号公報 特開２０１０−１９０１４５号公報 特開平６−３２３１５８号公報
電気式ターボコンパウンド（ターボチャージャのタービン・コンプレッサ同軸上にモータ発電機を配置した電動アシストターボの電力回生モードまたはタービン発電機）は、タービンをコンプレッサ負荷トルクや、モータ回生トルクに打ち勝つトルクによって回転させる必要があり、エンジン排ガスにある程度の圧力が必要になる。このため、電気式ターボコンパウンドによる排気エネルギー回収にはエンジンの背圧が上がり、ポンピングロスが増加して燃費が悪化する問題がある。
従って、ターボコンパウンドによって排気エネルギーは回収されるが、背圧上昇によるポンピングロスに伴う燃費悪化と相殺される関係を有するためターボコンパウンドによる効果が低下してしまう。
前述のように特許文献１、２には、排ガスエネルギーを電気エネルギーに変換して排ガスエネルギーを回収することが開示されているが、背圧上昇に伴うエンジンのポンピングロスの増加とのトレードオフ関係（二律背反関係）を考慮した発電機の出力制御までは記載されていない。
また、特許文献３においては、前述のように排気行程の前半と後半とで排ガスを排出するポートを別々にして使い分け、タービン入口の背圧が減少しても排気エネルギーを回収してエンジン出力を増大させることが示されているが、排気ポートを２つ形成しなければならず、装置の大型化を招くと共に、エンジンのポンピングロスの増加とタービン発電機で回収するエネルギー量とのトレードオフ関係（二律背反関係）を考慮した発電機の出力制御については記載されていない。
そこで、本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、エンジンの背圧の上昇によるポンピングロスの増加による燃費悪化と、ターボコンパウンドによる排気エネルギーの回収による燃費改善とのトレードオフ関係（二律背反関係）を考慮して、背圧制御および発電機の出力制御を行ってエンジンの燃費低減運転を可能とすることを目的とする。
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、エンジンへの吸気を過給するターボチャージャと、エンジンからの排ガスによって回転されるタービン発電機と、該タービン発電機の発電量を制御する発電量制御手段と、前記エンジンから排出される排ガスの背圧を排気タービンへ導入する排ガスをバイパスまたは絞って制御する背圧制御手段と、前記タービン発電機の発電量を低燃費モードに設定する発電モード設定手段と、前記低燃費モード時に、前記タービン発電機を回転するための背圧上昇によって生じるポンピングロスの増加と前記タービン発電機による排ガスエネルギーの回収量との関係を基に、エンジンが低燃費運転を保持するように前記発電量制御手段および背圧制御手段を制御するターボコントローラと、を備えたことを特徴とする。
かかる発明によれば、ターボコントローラは、低燃費モード時に、タービン発電機を回転するための背圧上昇によって生じるポンピングロスの増加とタービン発電機による排ガスエネルギーの回収量との関係を基に、エンジンが低燃費運転を保持するように、すなわち、少なくともタービン発電機による排ガスエネルギーの回収量の方が、ポンピングロスの増加による燃費悪化分を超えるように前記発電量制御手段および背圧制御手段を制御することによって、エンジンの燃費低減運転が可能になる。
また、本発明において好ましくは、前記発電モード設定手段は、回生最大モード、回生無しモード、および前記低燃費モードを有し、前記回生最大モードは、前記タービン発電機の発電電力に制限を掛けずに容量最大で回生動作させるモードであり、前記回生無しモードは、前記タービン発電機の発電を停止させるモードであり、前記低燃費モードは、前記回生最大モードおよび回生無しモードの何れも設定されない場合に設定されるとよい。
この構成によると、タービン発電機は設定された運転モードに応じた発電制御が行われるので、タービン発電機からの電力が蓄電されるバッテリーの蓄電状態や、車両の車内電力負荷状態や、エンジンのクランクシャフトで駆動されるオルタネータの発電状態に応じた発電量に制御できる。
また、本発明において好ましくは、前記ターボコントローラは、エンジンの運転を制御するエンジンコントローラとは別に独立した制御演算部及びセンサ信号入力部を有して構成されるとよい。
このように、ターボコントローラ（ターボＥＣＵ）は、エンジンの運転を制御するエンジンコントローラ（エンジンＥＣＵ）とは別に独立した制御演算部およびセンサ信号入力部を有して構成されるので、エンジンコントローラと通信、例えばＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信によって、エンジンコントローラを経由してターボコントローラ側にセンサ信号が転送される場合や、エンジンコントローラ側での演算結果を利用してターボコントローラ側で演算処理が行わせる場合には、エンジンコンローラ側からのデータ転送周期によっては、ターボコントローラ側での制御演算に遅れを生じる恐れがあるが、独自の制御演算部及びセンサ信号入力部を有することによって、このような遅れを解消でき、エンジン負荷の変動に追従した燃費低減制御が可能になる。
さらに、ターボコントローラは、エンジンコントローラとは別に独立したセンサ信号入力部を有するため、独自にタービン回転数やコンプレッサの出口圧力を精度よく（遅れなく）検出した信号を入力でき、コンプレッサのサージングに至るまでのサージマージンや、過回転に至るまでの回転数マージンを把握できるため、エンジンコントローラと通信によって入手するよりも、過回転やサージングへの突入を防止できる。
また、本発明において好ましくは、前記ターボコントローラは、前記背圧に対して低燃費を保持できる前記タービン発電機の発電量との関係を予め設定した背圧発電量マップを有し、該背圧発電量マップに基づいて、前記発電量制御手段および背圧制御手段を制御するとよい。
このように、予め設定した低燃費運転を保持できる背圧と発電量との関係を設定した背圧発電量マップを用いて、発電量制御手段および背圧制御手段を制御するので、エンジンのポンピングロスによる燃費悪化を超えるように、タービン発電機の発電量を制御できる。
また、本発明において好ましくは、前記ターボチャージャは排気ターボチャージャからなり、該排気ターボチャージャの排気下流側に前記タービン発電機の発電タービンが配設され、前記排気ターボチャージャの排気タービンへの排気をバイパスする第１バイパス制御弁を備え、該第１バイパス制御弁によって前記背圧制御手段を構成し、前記タービン発電機に接続されるコンバータによって前記発電量制御手段が構成されるとよい。
このように、排気ターボチャージャの排気タービンの排気下流側にタービン発電機の発電タービンが配設されるターボコンパウンドシステムにおいて、排気ターボチャージャの排気タービンへの排気をバイパスする第１バイパス制御弁設置して、該第１バイパス制御弁によって背圧制御手段を構成し、タービン発電機に接続されるコンバータによる発電量の制御によって発電量制御手段を構成することで、簡単な構成で背圧と発電量が制御可能になる。
また、本発明において好ましくは、前記ターボチャージャは排気ターボチャージャからなり、該排気ターボチャージャの排気下流側に前記タービン発電機の発電タービンが配設され、前記排気タービンの動翼へ流入する排ガス流を絞る可変ノズル機構を備え、該可変ノズル機構によって前記背圧制御手段を構成し、前記タービン発電機に接続されるコンバータによって前記発電量制御手段が構成されるとよい。
このように、排気ターボチャージャの排気タービンの排気下流側にタービン発電機の発電タービンが配設されるターボコンパウンドシステムにおいて、排気ターボチャージャの排気タービンの動翼へ流入する排ガス流を絞る可変ノズル機構を備え、該可変ノズル機構による排ガス流の絞りによって背圧制御手段を構成し、タービン発電機に接続されるコンバータによる発電量の制御によって発電量制御手段を構成することで、簡単な構成で背圧と発電量が制御可能になる。
また、本発明において好ましくは、前記排気ターボ過給機のコンプレッサの給気流の上流側または下流側に、電動コンプレッサを配設するとよい。
このように、電動コンプレッサを設けることによって、背圧の変動に影響を与えることなく過給圧だけを制御できるため、過給圧の制御及び背圧の制御が容易になるとともに、精度良い制御が可能になる。
また、本発明において好ましくは、前記ターボチャージャは電動コンプレッサからなり、エンジンからの排ガスによって回転される前記タービン発電機の発電タービンへの排ガスをバイパスする第２バイパス制御弁を備え、該第２バイパス制御弁によって前記背圧制御手段を構成し、前記タービン発電機に接続されるコンバータによって前記発電量制御手段が構成されるとよい。
このように、電動コンプレッサとタービン発電機とをそれぞれ、吸気通路側と排気通路側とに配設されるターボコンパウンドシステムにおいて、タービン発電機の発電タービンへの排ガスをバイパスする第２バイパス制御弁によって背圧制御手段を構成し、タービン発電機に接続されるコンバータによって発電量制御手段を構成するので、簡単な構成で背圧と発電量が制御可能になる。
本発明によれば、エンジンの背圧の上昇によるポンピングロスの増加による燃費悪化と、ターボコンパウンドによる排気エネルギーの回収による燃費改善とのトレードオフ関係（二律背反関係）を考慮して、背圧の制御および発電機の出力制御を行ってエンジンの燃費低減運転が可能となる。
本発明のターボコンパウンドシステムの制御装置にかかる第１実施形態を示す全体構成図である。 エンジンＥＣＵとターボＥＣＵとの信号のやり取りを示す説明図である。 図２におけるエンジンＥＣＵ側の主要部分の詳細説明図である。 図３におけるターボＥＣＵ側の主要部分の詳細説明図である。 図４における背圧発電量マップの詳細説明図である。 第２実施形態を示し、ターボコンパウンドシステムの全体構成図である。 第３実施形態を示し、ターボコンパウンドシステムの全体構成図である。 第４実施形態を示し、ターボコンパウンドシステムの全体構成図である。 従来技術の説明図である。
以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施例に係るターボコンパウンドシステムの制御装置を示し、このターボコンパウンドシステム１は、エンジン３の排ガスエネルギーによって駆動されるターボチャージャとして排気エネルギーで駆動される排気ターボチャージャ５、およびその排ガス流れの下流側に排ガスエネルギーを利用して回転されるタービン発電機（電気式ターボコンパウンド）７を備えている。
排気ターボチャージャ５は、エンジン３からの排ガスによって駆動される排気タービン５ａと、該排気タービン５ａの回転力で回転駆動されて、吸気空気を圧縮して圧縮空気を吸気通路４を通ってエンジン３に供給するコンプレッサ５ｂとを備える。
また、タービン発電機７は、排ガスで駆動される発電タービン７ａに接続された発電機９が設けられている。この発電機９にコンバータ１１が接続されている。発電機９は交流発電機が用いられ、該交流発電機をコンバータ１１によって直流電力に変換して蓄電手段のバッテリー１３に充電するようになっている。また、このバッテリー１３は、例えば車内の補機類１５を駆動するための電源ともなっている。なお、発電機としては、交流発電機を説明したが、直流発電機でもよいが、後述するターボコントローラ（ターボＥＣＵ）１７によって、発電電力量が制御できればよい。
エンジン３から排気ターボチャージャ５の排気タービン５ａにつながる排気通路１９は、途中で分岐し、排ガスを排気タービン５ａ及び発電タービン７ａをバイパスして下流の排気通路に排出する第１バイパス通路２１が形成され、該第１バイパス通路２１には第１ウエストゲートバルブ２３が設けられている。
また、排気タービン５ａと発電タービン７ａを繋ぐ排気通路１９は、途中で分岐し第２バイパス通路２５が形成される。第２バイパス通路２５には第２ウエストゲートバルブ２７が設けられ、発電タービン７ａをバイパスして下流の排気通路に連通している。
また、エンジン３は、自動車、船舶、定置エンジン等に用いられるディーゼエンジンまたはガソリンエンジンである。エンジン３は運転状況に応じて圧縮空気や燃料の供給量が制御され、この制御は、エンジンコントローラ（エンジンＥＣＵ）２９によって制御されるようになっている。このエンジンＥＣＵ２９は、ターボＥＣＵ１７とは別の制御装置からなっている。
エンジンＥＣＵ２９と、ターボＥＣＵ１７との信号のやり取りの概要を、図２に示す。
図２において、エンジンＥＣＵ２９では、エンジン回転数信号、アクセル開度信号、空燃比（酸素濃度）信号、ノックセンサ信号、触媒情報に関する触媒温度や排温等のセンサ信号が入力される。
これら入力信号を基に、目標過給圧演算、空燃比制御、燃料噴射量制御、点火時期制御、触媒制御等の制御が実施される。
そして、エンジン回転数や燃料量等の状態量の情報が、エンジンＥＣＵ２９からターボＥＣＵ１７へ、通信回線を通って所定の通信周期で送信される。
また、エンジンＥＣＵ２９では、タービン発電機７の発電モードの判定を行って、その判定結果の発電モードの指令を、ターボＥＣＵ１７に所定の通信周期で送信される。
ターボＥＣＵ１７では、この発電モードの指令をターボＥＣＵ１７の発電モード設定手段３１で受けて、発電モード設定手段３１で設定した発電モードに応じた発電出力になるように、タービン発電機７の出力を制御する。
また、排気ターボチャージャ５側からの各種信号、例えばコンプレッサ５ｂの吐出圧力を検出する圧力センサ３３、また排気タービン５ａの回転数を検出する回転数センサ３５、排気タービン後の背圧を検出する背圧センサ３７、さらに排温を検出する排温センサ３８からのセンサ信号を読み込み、排気ターボチャージャ５のコンプレッサ５ｂのサージングや過回転や、さらに排温の過昇温が生じないようにマージンを確保した運転や目標過給圧に沿う運転が、ターボＥＣＵ１７で行われる。これら制御のために第１ウエストゲートバルブ２３の開度制御が行われる。
エンジンＥＣＵ２９側での、タービン発電機７の発電モードの判定について、図３を参照して説明する。
図３のようにエンジン回転数とアクセル（エンジン負荷）を基に、予め設定された目標過給圧マップ３９を用いて、運転状態に適した目標過給圧を算出する。その算出結果は、そのまま目標値としてターボＥＣＵ１７に出力されるとともに、発電モード判定手段４１に入力される。
発電モード判定手段４１は、回生最大モード、低燃費モード、回生無しモードの３モードを判定する。
「回生最大モード」は、バッテリー１３の蓄電残量が低下しており急速な充電が必要な場合、または、車内電力負荷が大きく、オルタネータ発電電力または車輪駆動用モータ（電動車両の場合）の回生電力で不足する場合、または、タービン発電機（ターボコンパウンド）７で発電した方が、オルタネータ発電や車輪駆動用モータの回生電力等による発電より効率として有利な場合に選定される。
また、「回生無しモード」は、バッテリー１３の蓄電が満充電またはそれに近い状態であり、回生しても蓄積できない場合、または、車内電力負荷がオルタネータ発電電力または車輪駆動用モータの回生電力等による発電で十分まかなえており、追加の電力が不要な場合、または、追加の電力をオルタネータ発電電力または車輪駆動用モータ（電動車両の場合）の回生電力等による発電を増やした方が効率として有利な場合、または、タービン発電機（ターボコンパウンド）７に故障が生じた場合に選定される。
また、「低燃費モード」は、前記２つのモードに該当しない場合。タービン発電機７によるエンジン背圧増加に伴うエンジンポンピングロス増加を考慮して最適なタービン発電機７の発電出力とする。
次に、ターボＥＣＵ１７について図１、４、５を参照して説明する。
図１に示すように、排気ターボチャージャ５側からの各種信号、前述したように例えば圧力センサ３３によるコンプレッサ５ｂの吐出圧力信号、背圧センサ３７による背圧信号、さらに排温センサ３８による排ガス温度信号、回転数センサ３５による排気タービン５ａの回転数信号のそれぞれが、ターボＥＣＵ１７のセンサ信号入力部４３入力される。
ターボＥＣＵ１７では、エンジンＥＣＵ２９とは別に独立したセンサ信号入力部４３及び制御演算部４５を有して構成され、すなわち、エンジンＥＣＵ２９から通信されてくる信号ではなく、独自に排気タービン５ａの回転数やコンプレッサ５ｂの出口圧力を精度よく（遅れなく）検出した信号を入力でき、コンプレッサ５ｂのサージングに至るまでのサージマージンや、過回転に至るまでの回転数マージンを把握できるため、エンジンＥＣＵ２９から通信によって入手するよりも、通信周期を待たずに入手できるためである、過回転やサージングへの突入を精度よく防止できる。
また、ターボＥＣＵ１７は、マージン確保の制御を行うマージン確保制御手段４７、エンジンＥＣＵ２９からの指令される目標過給圧に過給圧を制御する過給圧制御手段４９、さらに、エンジンＥＣＵ２９からの発電モードの指示に基づいて発電モードを設定する発電モード設定手段３１、該発電モード設定手段３１の設定モードに応じて、タービン発電機７の発電量を制御する発電量制御手段５１と、エンジン３の背圧を制御する背圧制御手段５３とを有している。
図４に、発電モード設定手段３１、発電量制御手段５１、背圧制御手段５３を示す。図４において、エンジンＥＣＵ２９から、ターボＥＣＵ１７に、既に説明したように発電モードの指示、エンジン背圧、エンジン回転数、アクセル開度、目標過給圧、過給圧（フィードバック値）等の信号が入力される。
発電モードが、回生最大モードの場合には、第１ウエストゲートバルブ２３および第２ウエストゲートバルブ２７は、過給圧制御手段４９によって目標過給圧となるように、第１ウエストゲートバルブ２３を開閉作動の制御をする以外、第２ウエストゲートバルブ２７は全閉状態として、排ガスを第２バイパス通路に流さずに全てタービン発電機７の発電タービン７ａを通過させ、発電量は発電機９の最大出力状態にする。
回生無しモードの場合には、第１ウエストゲートバルブ２３および第２ウエストゲートバルブ２７は、過給圧制御で目標過給圧となるように、第１ウエストゲートバルブ２３を開閉作動の制御をする以外は、第２ウエストゲートバルブ２７は全開状態として、排ガスを第２バイパス通路２５に流してタービン発電機７の発電を停止する。
低燃費モードの場合には、エンジン３の背圧に対して低燃費を保持できるタービン発電機７の発電量との関係を予め設定した背圧発電量マップ５５を用いる。
この背圧発電量マップ５５は、タービン発電機７の発電タービン７ａを回転するために発生する背圧上昇によって生じるポンピングロスの増加と、タービン発電機７による発電量の増大によって得られる排ガスエネルギーの回収量との関係が、エンジンが低燃費運転を保持するように、つまり、タービン発電機による排ガスエネルギーの回収量の方が、ポンピングロスの増加による燃費悪化分を超えるように発電量と背圧との関係が設定されている。
背圧発電量マップ５５は、例えば、図５に示すように横軸に背圧、縦軸に最適発電量を取った２次元マップとして、予め試験又はシミュレーション計算によって算出された設定値が記憶されている。
過給圧制御と低燃費モードの運転との制御手順は、まず、第１ウエストゲートバルブ２３および第２ウエストゲートバルブ２７は、過給圧制御手段４９によって目標過給圧となるように、第１ウエストゲートバルブ２３及び第２ウエストゲートバルブ２７を開閉作動する。その次に、その目標過給圧になった状態での背圧、つまり排気ターボチャージャ５の排気タービン５ａに流入する排ガス圧力を、背圧センサ３７によって検出する。その次に、この検出した背圧に対して、前記背圧発電量マップ５５を用いて、タービン発電機７の発電量指令値を求める。
そして、求めた発電量指令値に対して、加算器５９によって、発電量フィードバック値を加算して、ＰＩ制御器６１を通して発電機電流制御値を算出してコンバータ１１を制御する。
一方、ウエストゲートバルブ２３、２７の開度制御は、目標過給圧になった状態での背圧、つまり前記背圧センサ５７によって検出した目標過給圧になった時の背圧を背圧指令値として出力し、この背圧に保持するように、ウエストゲートバルブ２３、２７の開度制御が行われる。
加算器６３によって、背圧指令値に対して背圧フィードバック値を加算して、ＰＩ制御器６４を通してウエストゲートバルブ２３、２７のアクチュエータ電流制御値を算出して開度を制御する。
開度指令値としては第１ウエストゲートバルブ２３、または第２ウエストゲートバルブ２７何れか一方を対象として制御してもよく、また両方制御してもよい。
また、背圧発電量マップ５５の最適発電量の設定において、発電タービン７ａのタービン効率、さらに、発電機９の発電器効率を加味して設定するとより精度良い発電機９の発電量制御が可能となる。
すなわち、図５のように、発電タービン７ａの流量特性マップ６５と、発電タービン７ａのタービン効率マップ６７と、発電機９の発電機効率マップ６９とを用いて、発電タービン７ａの特性、及びタービン効率、及び発電効率を反映して背圧発電量マップ５５を作成すると、より精度良く発電量の制御が可能になる。
また、エンジンの燃費低減運転を実行する手法として、前述のように予め低燃費運転が可能な背圧発電量マップ５５を作成しておく手法の他の例として、モデル予測制御理論を用いて最適化する方法によって行うことができる。
このモデル予測制御は、制御対象が下記の一般的な非線形システムの状態方程式（１）で与えられる場合に、各時刻ｔにおいて次の評価関数式（２）を解き、時刻ｔでの値のみを実際の制御入力として用いる制御手法である。
Figure 0006294646
具体的には、評価関数式（２）のステージコスト項として、例えば「ターボコンパウンドによる発電電力とポンピングロス増加分の差」および「目標過給圧と実圧力との差」を設定する。それぞれの寄与度は足し算の重みとして与えることができる。また、ステージコスト項の内のペナルティ関数としてサージマージンや回転数マージンを設定すれば、実質的にサージや過回転とならないことを拘束条件として扱うことができる。
以上説明した第１実施形態によれば、予め設定した低燃費運転を保持できる背圧と発電量との関係を設定した背圧発電量マップ５５や、モデル予測制御理論を用いて最適化する方法を用いて、タービン発電機７の発電タービン７ａを回転するための背圧上昇によって生じるポンピングロスの増加と、タービン発電機７による発電量の増大によって生じる排ガスエネルギーの回収量との関係が、タービン発電機による排ガスエネルギーの回収量の方が、ポンピングロスの増加による燃費悪化分を超えるようにタービン発電機７の発電量と、エンジン背圧との関係を設定することによって、達成できる。
これによって、ターボコンパウンドを搭載したエンジンを燃費低減した運転ができるようになる。
（第２実施形態）
次に、図６を参照して第２実施形態を説明する。
第２実施形態は、第１実施形態の第１ウエストゲートバルブ２３に代えて、排気タービン５ａの動翼へ流入する排ガス流を絞る可変ノズル機構７１を備えものである。
すなわち、ＶＧ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ）ターボ過給機を用いた場合である。なお、図６においてエンジンＥＣＵ２９、ターボＥＣＵ１７は、記載を省略している。
この可変ノズル機構７１は、排気ターボチャージャ５のケーシング内に設けられる機構である。このため、第１ウエストゲートバルブ２３を設ける構造では、第１バイパス通路２１を新たに配管する必要があるが、本実施形態においてはそのような配管は不要であり、ターボコンパウンドシステムの構造が簡素化され、ターボコンパウンドシステムを小型化できる特有の作用効果を有する。その他については、第１実施形態と同様の作用効果を有する。
なお、第１実施形態の第１ウエストゲートバルブ２３に代えて、可変ノズル機構７１を設ける場合に限らずこれらを併設してもよい。
（第３実施形態）
次に、図７を参照して第３実施形態を説明する。
第３実施形態は、第２実施形態に対してさらに、吸気通路４に吸気空気を加圧する電動コンプレッサ８１を設けて、吸気を２段階で加圧するものである。第２実施形態と同一の構成については同一符号を付して説明を省略する。
図７のように、電動コンプレッサ８１が排気ターボチャージャ５の吸気流れ下流側に吸気空気をさらに加圧するために設けられている。電動コンプレッサ８１は、モータ８３とインバータ８５とを備え、インバータ８５にターボＥＣＵ１７からの制御信号が入力されて過給圧力が制御されるようになっている。
電動コンプレッサ８１は電力消費要素となって電力負荷として加わり、また、タービン発電機７は電力を発生する代わりに、発電タービン７ａによる背圧増加要素としてポンピングロス増加というエンジンにとってマイナス面の影響が生じさせる。
しかし、電動コンプレッサ８１は、電力を消費する代わりにエンジン３への過給圧力を増加させることによってエンジン３にとってプラス面の影響があり低燃費運転に寄与する。
従って、制御としては、第１実施形態の制御に電動コンプレッサ８１の電力消費量とエンジン出力増加を加味する。
具体的には、第１実施形態におけるポンピングロスを、ポンピングロスと電動コンプレッサ８１の消費電力とし、第１実施形態における発電量を、該発電量と電動コンプレッサ８１によるエンジン出力増加量とする。
すなわち、第１実施形態の背圧発電量マップ５５と同様のマップを用いて、横軸の背圧に代えて（背圧+電動コンプレッサ８１の消費電力）とし、縦軸の最適発電量に代えて（タービン発電機７の発電量＋電動コンプレッサ８１によるエンジン出力増加量）とした関係を設定した背圧発電量マップ５５'を用いて、低燃費運転が実行される背圧と発電量との関係を基に第１実施形態と同様に制御される。
例えば、目標過給圧になるように、電動コンプレッサ８１または可変ノズル機構７１を作動させる。その後に、その目標過給圧になった状態での背圧におけるタービン発電機７の発電量を、新たに設定した背圧発電量マップ５５'を基に算出して、その発電量になるように発電機９のコンバータ１１を制御するとともに、目標過給圧になった時の背圧を背圧指令値としてこの背圧を保持するように、可変ノズル機構７１または第２ウエストゲートバルブ２７の何れか一方、または両方を制御する。
第３実施形態によれば、電動コンプレッサ８１を追加したため、第１、第２実施形態に比べて、エンジンへの吸気圧力を目標空気圧に迅速に制御可能である。また、実施形態１、２のように、排気ターボチャージャ５だけの場合に比べて背圧を高めずに目標過給圧に制御できるため、ポンピングロスの低減効果を有している。
なお、電動コンプレッサ８１を、排気ターボチャージャ５の吸気流れ下流側に設けた例を説明したが、逆に上流側に設けてもよい。
（第４実施形態）
次に、図８を参照して第４実施形態を説明する。
第４実施形態は、第１実施形態の排気ターボチャージャ５に代えて、第３実施形態で説明した電動コンプレッサ８１だけが設けられたものである。
図８のように、吸気通路４は電動コンプレッサ８１が設けられ、排気通路１９にはターボコンパウンドのタービン発電機７が設けられ、発電タービン７ａへの排ガスをバイパスする第２バイパス通路２５には、第２ウエストゲートバルブ２７が設けられている。
このように、電動コンプレッサ８１とタービン発電機７とをそれぞれ、吸気通路４側と排気通路１９側とに配設されるターボコンパウンドシステムにおいて、タービン発電機７の発電タービン７ａへの排ガスをバイパスする第２ウエストゲートバルブ２７によってエンジン背圧が制御される背圧制御手段が構成され、タービン発電機７の発電機９に接続されるコンバータ１１によって発電量が制御される発電量制御手段が構成されるので、簡単な構成で背圧と発電量を制御することが可能になる。
また、制御方法については、第１実施形態と同様に行われ、背圧の制御が第２ウエストゲートバルブ２７だけによるため、簡単化される。
本発明によれば、エンジンの背圧が上昇によるポンピングロスの増加による燃費悪化と、ターボコンパウンドによる排気エネルギーの回収による燃費改善とのトレードオフ関係（二律背反関係）を考慮して、背圧の制御および発電機の出力制御を行ってエンジンの燃費低減運転が可能となるので、ターボコンパウンドシステムの制御装置への適用に有効である。
１ ターボコンパウンドシステム
３ エンジン
５ 排気ターボチャージャ（ターボチャージャ）
７ タービン発電機（電気式ターボコンパウンド）
９ 発電機
１１ コンバータ（発電量制御手段）
１３ バッテリー
１５ 補機類
１７ ターボＥＣＵ（ターボコントローラ）
２３ 第１ウエストゲートバルブ（背圧制御手段）
２７ 第２ウエストゲートバルブ
２９ エンジンＥＣＵ（エンジンコントローラ）
３１ 発電モード設定手段
３３ 圧力センサ
３５ 回転数センサ
３７ 背圧センサ
３８ 排温センサ
３９ 目標過給圧マップ
４１ 発電モード判定手段
４３ センサ信号入力部
４５ 制御演算部
４７ マージン確保制御手段
４９ 過給圧制御手段
５１ 発電量制御手段
５３ 背圧制御手段
５５ 背圧発電量マップ
６５ 発電タービンの流量特性マップ
６７ 発電タービンのタービン効率マップ
６９ 発電機の発電機効率マップ
７１ 可変ノズル機構
８１ 電動コンプレッサ
８３ モータ
８５ インバータ

Claims (6)

  1. エンジンからの排ガスによって駆動される排気タービン、及び吸気を圧縮して前記エンジンに供給するコンプレッサを備える排気ターボチャージャと、
    前記排気タービンからの排ガスによって駆動される発電タービン、及び前記発電タービンに接続される発電機を備えるタービン発電機と、
    前記発電機によって発電された電力を蓄電する蓄電手段と、
    前記エンジンの運転を制御するエンジンコントローラであって、
    前記エンジンのエンジン回転数とエンジン負荷を基に目標過給圧を算出するとともに、
    前記目標過給圧と前記蓄電手段の蓄電残量に基づいて、前記タービン発電機の発電電力に制限を掛けずに容量最大で回生動作させる回生最大モード、前記タービン発電機の発電を停止させる回生無しモード、又は前記回生最大モードおよび前記回生無しモードの何れも設定されない場合に設定される低燃費モード、のいずれかの指令発電モードを判定する発電モード判定手段、を含むエンジンコントローラと、
    前記目標過給圧および前記指令発電モードが前記エンジンコントローラから所定の通信周期で送信されるターボコントローラであって、
    前記エンジンコントローラからの前記目標過給圧の指示に基づいて前記排気ターボチャージャの過給圧を制御する過給圧制御手段、
    前記エンジンコントローラからの前記発電モードの指示に基づいて発電モードを設定する発電モード設定手段、
    前記発電モード設定手段で設定された前記発電モードに応じて、前記タービン発電機の発電量を制御する発電量制御手段、及び
    前記排気タービンへ導入する排ガスをバイパスする第１バイパス制御弁、または前記排気タービンへ導入する排ガスを絞る可変ノズル機構を制御する背圧制御手段、
    を有する制御演算部と、
    前記排気タービンに流入する排ガスの圧力を検出する排圧センサからのセンサ信号が入力されるセンサ信号入力部と、
    を含むターボコントローラと、を備え、
    前記ターボコントローラは、
    前記低燃費モード時に、前記タービン発電機を回転するための背圧上昇によって生じるポンピングロスの増加と前記タービン発電機による排ガスエネルギーの回収量との関係を基に、エンジンが低燃費運転を保持するように前記発電量制御手段および前記背圧制御手段を制御するように構成されるとともに、
    前記低燃費モード時に、前記過給圧制御手段によって前記排気ターボチャージャの過給圧が前記目標過給圧になるように制御し、前記目標過給圧になった状態における前記排気タービンに流入する排ガスの圧力に基づいて、前記発電量制御手段および前記背圧制御手段を制御するように構成される
    ことを特徴とするターボコンパウンドシステムの制御装置。
  2. 前記ターボコントローラは、前記背圧に対して低燃費を保持できる前記タービン発電機の発電量との関係を予め設定した背圧発電量マップを有し、該背圧発電量マップに基づいて、前記発電量制御手段および背圧制御手段を制御することを特徴とする請求項１記載のターボコンパウンドシステムの制御装置。
  3. 前記背圧制御手段は前記第１バイパス制御弁を制御するように構成され、前記発電量制御手段は、前記タービン発電機に接続されるコンバータを制御するように構成されることを特徴とする請求項１記載のターボコンパウンドシステムの制御装置。
  4. 前記排気ターボチャージャの排気下流側に前記タービン発電機の前記発電タービンが配設され、前記背圧制御手段は前記可変ノズル機構を制御するように構成され、前記発電量制御手段は、前記タービン発電機に接続されるコンバータを制御するように構成されることを特徴とする請求項１記載のターボコンパウンドシステムの制御装置。
  5. 前記排気ターボチャージャの前記コンプレッサの給気流の上流側または下流側に、電動コンプレッサを配設したことを特徴とする請求項３または４記載のターボコンパウンドシステムの制御装置。
  6. エンジンへの吸気を圧縮して前記エンジンに供給する電動コンプレッサと、
    前記エンジンからの排ガスによって回転される発電タービン、及び前記発電タービンに接続される発電機を備えるタービン発電機と、
    前記発電機によって発電された電力を蓄電する蓄電手段と、
    前記エンジンの運転を制御するエンジンコントローラであって、
    前記エンジンのエンジン回転数とエンジン負荷を基に目標過給圧を算出するとともに、
    前記目標過給圧と前記蓄電手段の蓄電残量に基づいて、前記タービン発電機の発電電力に制限を掛けずに容量最大で回生動作させる回生最大モード、前記タービン発電機の発電を停止させる回生無しモード、又は前記回生最大モードおよび前記回生無しモードの何れも設定されない場合に設定される低燃費モード、のいずれかに発電モードを判定する発電モード判定手段、を含むエンジンコントローラと、
    前記目標過給圧および前記発電モードが前記エンジンコントローラから所定の通信周期で送信されるターボコントローラであって、
    前記エンジンコントローラからの前記目標過給圧の指示に基づいて前記電動コンプレッサの過給圧を制御する過給圧制御手段、
    前記エンジンコントローラからの前記発電モードの指示に基づいて発電モードを設定する発電モード設定手段、
    前記発電モード設定手段で設定された前記発電モードに応じて、前記タービン発電機の発電量を制御する発電量制御手段、及び
    前記発電タービンへの排ガスをバイパスする第２バイパス制御弁を制御する背圧制御手段、
    を有する制御演算部と、
    前記発電タービンに流入する排ガスの圧力を検出する排圧センサからのセンサ信号が入力されるセンサ信号入力部と、
    を含むターボコントローラと、を備え、
    前記ターボコントローラは、
    前記低燃費モード時に、前記タービン発電機を回転するための背圧上昇によって生じるポンピングロスの増加と前記タービン発電機による排ガスエネルギーの回収量との関係を基に、エンジンが低燃費運転を保持するように前記発電量制御手段および前記背圧制御手段を制御するように構成されるとともに、
    前記低燃費モード時に、前記過給圧制御手段によって前記電動コンプレッサの過給圧が前記目標過給圧になるように制御し、前記目標過給圧になった状態における前記排ガスの圧力に基づいて、前記発電量制御手段および前記背圧制御手段を制御するように構成されることを特徴とするターボコンパウンドシステムの制御装置。
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