特許 6801428 エンジン過給装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6801428

(24)【登録日】2020年11月30日

(45)【発行日】2020年12月16日

(54)【発明の名称】エンジン過給装置

(51)【国際特許分類】

   F02D 23/00 20060101AFI20201207BHJP

   F02B 39/10 20060101ALI20201207BHJP

【ＦＩ】

   F02D23/00 D

   F02B39/10

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-244666(P2016-244666)

(22)【出願日】2016年12月16日

(65)【公開番号】特開2018-96351(P2018-96351A)

(43)【公開日】2018年6月21日

【審査請求日】2019年12月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(72)【発明者】

【氏名】秋田 智行

【審査官】 坂口 達紀

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−１８８４８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／１２１０９２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−００１８４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０５１６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２６９１８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｄ １／００−４５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンと接続された吸気通路と、
前記吸気通路に設けられ、モータで駆動されることで前記吸気通路を流れる吸気を圧縮する電動コンプレッサと、
前記エンジンの回転数及び前記エンジンのクランク角を入力として、吸気ポートにおける吸気脈動のピークを、吸気バルブの最大リフトから閉弁までの間に発生させるように前記電動コンプレッサの回転数を周期的に変動させる制御部と、
を含み、
前記制御部は、前記モータの駆動と回生の切り替え制御を行うことにより、前記電動コンプレッサの回転数を周期的に変動させるエンジン過給装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記電動コンプレッサの回転数の変動の周期を、前記エンジンの１サイクルの周期を気筒数で除した期間とする請求項１記載のエンジン過給装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記吸気バルブの最大リフトに対応するクランク角をθ_A、前記吸気バルブの閉弁に対応するクランク角をθ_Bとするとき、θ_A+α（θ_B-θ_A）からθ_A+β（θ_B-θ_A）までの期間（ただし、０＜α＜β＜１である。）に、前記吸気ポートにおける吸気脈動のピークが発生するように、前記電動コンプレッサの回転数の変動の位相を制御する請求項１又は２記載のエンジン過給装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記電動コンプレッサの回転数のピークが、前記吸気バルブの最大リフトから閉弁までの間に発生させるようにしたときの前記電動コンプレッサの回転数の変動の位相を、前記電動コンプレッサの回転数の変動により生じる圧力波が前記吸気ポートに到達するまでの遅れ分だけ早めるように制御する請求項１〜請求項３の何れか１項記載のエンジン過給装置。

【請求項5】

前記電動コンプレッサの回転数の変動により生じる圧力波が前記吸気ポートに到達するまでの遅れ分を、
前記吸気ポートにおける吸気脈動を前記吸気ポートで計測し、前記電動コンプレッサの回転数の変動との位相のずれを算出することで得る請求項４記載のエンジン過給装置。

【請求項6】

前記電動コンプレッサの回転数の変動により生じる圧力波が前記吸気ポートに到達するまでの遅れ分を、前記エンジンの回転数及び負荷に応じて予め計測したものとする請求項４記載のエンジン過給装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジン過給装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、内燃機関の吸気行程で吸気管内に生ずる圧力波による脈動効果及び慣性効果を利用して機関の体積効率を向上させるため、例えば、前記吸気管を固定吸気管と可動吸気管とから構成して、当該内燃機関の回転速度に応じ前記固定吸気管に前記可動吸気管を接離させることにより、吸気管の長さを長短自在とする可変長吸気管が気化器の吸入側に配設されている内燃機関が知られている（特許文献１）。

【0003】

またエンジン等の内燃機関において、サージタンク下流の吸気通路に吸気制御弁を設けたものが知られている（例えば、特許文献２〜４参照）。このような制御装置によれば、吸気制御弁を吸気ポート下流の吸気弁の開弁後に開くことにより慣性過給効果を得ることが可能である。

【0004】

また、断続的に駆動電流を印加することで慣性過給を行う制御が知られている（特許文献５）。この制御では、エンジンの吸気弁の開弁期間に対応するクランク角度範囲にある場合には、電動過給器の駆動電流を増大させる断続駆動制御となっている。また上記のクランク角度範囲外では電動過給機を止めない程度の微小電流が流れることを特徴としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開昭６１−４９１２４号公報

【特許文献2】特開２００５−１７１９４１号公報

【特許文献3】特開平３−２６８２５号公報

【特許文献4】特開２００６−２８３６３３号公報

【特許文献5】特開２００５−１８８４８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来より圧力波による脈動効果および慣性効果を利用して機関の体積効率を向上させる技術は知られている。

【0007】

また、この脈動効果および慣性効果では、機関の回転速度や負荷により最適な圧力波は異なるため、吸気管長さを変更したり、制御弁を設けている。しかし限られたエンジンルーム内で吸気管長さを可変とする機構を新たに設ける、もしくは制御弁を設けることは重量増・全体の体積増加による大型化が課題となる。また複雑な吸気流路は、吸気圧損によって内燃機関の出力を低下させるだけでなく、コストの増加が課題となる。

【0008】

また一方で、上記の圧力波の脈動は、機関の回転速度や負荷により最適な圧力波は異なるため、適切に制御しなければ機関の回転数によっては吸気行程で圧力を減じることとなり、機関の体積効率を低減させるという課題がある。

【0009】

また電動コンプレッサは排気の状態に関係なく高応答に制御できるため、機関の回転速度に対して過給機の電動機を任意の回転数で動作させる制御が知られている。一方で電動コンプレッサはバッテリーから電力を使用しているため、出力に制限があり、限られた過給仕事しかすることができないことが課題である。そのため、出力の制限内でなるべく機関の体積効率を向上させることが目的となる。

【0010】

また機関の回転速度に対して過給機をある回転数で動作させると、吸気行程の吸引力による圧力波の脈動が生じる。そのため上記のように機関回転数によっては体積効率が減少する課題がある。

【0011】

上記特許文献５に記載の技術では電動コンプレッサに断続的に駆動電流を印加することで慣性過給を行う試みがあった。しかし、断続的に電流を印加してもコンプレッサインペラやシャフトや電動機の可動子などに回転慣性がかかるため、コンプレッサの回転数はほとんど変化せず、効果として狙っている慣性過給を発生させることは困難である。特に機関回転数が高回転の運転条件下では、断続電流の時間間隔が短いため上記のコンプレッサ回転数が変化しない現象は顕著となる。また断続駆動制御では電動機の回転数を自由に変えることができないため、狙った脈動を発生させるのは困難である。

【0012】

また断続駆動の位相はあらかじめ設定されているクランク角範囲でのみ決定されているため、機関回転数が変化したときに最適な圧力脈動に制御できずに、機関の体積効率を低減する課題がある。

【0013】

本発明は、上記事実を考慮して、簡易な構成で、吸気の充填効率を向上させることができるエンジン過給装置を得ることが目的である。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本発明に係るエンジン過給装置は、エンジンと接続された吸気通路と、前記吸気通路に設けられ、モータで駆動されることで前記吸気通路を流れる吸気を圧縮する電動コンプレッサと、前記エンジンの回転数及び前記エンジンのクランク角を入力として、吸気ポートにおける吸気脈動のピークを、吸気バルブの最大リフトから閉弁までの間に発生させるように前記電動コンプレッサの回転数を周期的に変動させる制御部と、を含んで構成されている。

【0015】

本発明に係るエンジン過給装置では、電動コンプレッサが、モータで駆動されることで前記吸気通路を流れる吸気を圧縮する。このとき、制御部が、エンジンの回転数及び前記エンジンのクランク角を入力として、吸気ポートにおける吸気脈動のピークを、吸気バルブの最大リフトから閉弁までの間に発生させるように前記電動コンプレッサの回転数を周期的に変動させる。

【0016】

このように、吸気ポートにおける吸気脈動のピークを、吸気バルブの最大リフトから閉弁までの間に発生させるように電動コンプレッサの回転数を周期的に変動させることにより、簡易な構成で、吸気の充填効率を向上させることができる。

【0017】

本発明に係る制御部は、前記電動コンプレッサの回転数の変動の周期を、前記エンジンの１サイクルの周期を気筒数で除した期間とすることができる。

【0018】

本発明に係る制御部は、前記吸気バルブの最大リフトに対応するクランク角をθ_A、前記吸気バルブの閉弁に対応するクランク角をθ_Bとするとき、θ_A+α（θ_B-θ_A）からθ_A+β（θ_B-θ_A）までの期間（ただし、０＜α＜β＜１である。）に、前記吸気ポートにおける吸気脈動のピークが発生するように、前記電動コンプレッサの回転数の変動の位相を制御することができる。

【0019】

本発明に係る制御部は、前記電動コンプレッサの回転数のピークが、前記吸気バルブの最大リフトから閉弁までの間に発生させるようにしたときの前記電動コンプレッサの回転数の変動の位相を、前記電動コンプレッサの回転数の変動により生じる圧力波が前記吸気ポートに到達するまでの遅れ分だけ早めるように制御することができる。

【0020】

上記の電動コンプレッサの回転数の変動により生じる圧力波が前記吸気ポートに到達するまでの遅れ分を、前記吸気ポートにおける吸気脈動を前記吸気ポートで計測し、前記電動コンプレッサの回転数の変動との位相のずれを算出することで得ることができる。

【0021】

上記の電動コンプレッサの回転数の変動により生じる圧力波が前記吸気ポートに到達するまでの遅れ分を、前記エンジンの回転数及び負荷に応じて予め計測したものとすることができる。

【0022】

本発明に係る制御部は、前記モータの駆動と回生の切り替え制御を行うことにより、前記電動コンプレッサの回転数を周期的に変動させることができる。

【発明の効果】

【0023】

以上説明したように本発明に係るエンジン過給装置は、吸気ポートにおける吸気脈動のピークを、吸気バルブの最大リフトから閉弁までの間に発生させるように電動コンプレッサの回転数を周期的に変動させることにより、簡易な構成で、吸気の充填効率を向上させることができる、という優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の第一実施形態に係るエンジンシステムの概略構成を示す図である。

【図2】（Ａ）電動コンプレッサの出口圧力の変化を示すグラフ、（Ｂ）吸気ポート圧力の変化、及びバルブリフトを示すグラフである。

【図3】電動コンプレッサの回転数の変動の位相と、体積効率との関係を示すグラフである。

【図4】（Ａ）電動コンプレッサの回転数の変動の周期を説明するためのグラフ、及び（Ｂ）モータの駆動と回生の切り替え制御を行う様子を説明するためのグラフである。

【図5】（Ａ）一定の回転数におけるコンプレッサの作動マップを示す図、及び（Ｂ）回転数を制御する場合におけるコンプレッサの作動マップを示す図である。

【図6】吸気ポート圧力とクランク角との関係、及びバルブリフトとクランク角との関係を示すグラフである。

【図7】（Ａ）吸気ポート圧力とクランク角との関係を示すグラフ、及び（Ｂ）電動コンプレッサの回転数変動による圧力脈動とクランク角との関係を示すグラフである。

【図8】圧力脈動とクランク角との関係、及びバルブリフトとクランク角との関係を示すグラフである。

【図9】電動コンプレッサの回転数の変動の位相と充填効率との関係、及び一定回転数の場合における充填効率を示すグラフである。

【図10】電動コンプレッサの回転数の変動とクランク角との関係、コンプレッサ出口直後の圧力脈動とクランク角との関係を示すグラフである。

【図11】電動コンプレッサの回転数の変動とクランク角との関係、コンプレッサ出口直後の圧力脈動とクランク角との関係、及び吸気ポートでの圧力脈動とクランク角との関係を示すグラフである。

【図12】（Ａ）電動コンプレッサの回転数の変動及び吸気ポートでの圧力脈動を示すグラフ、及び（Ｂ）電動コンプレッサの回転数の変動とクランク角との関係を示すグラフである。

【図13】本発明の第一実施形態に係るエンジン過給装置のコントローラによる処理ルーチンを示すフローチャートである。

【図14】本発明の第一実施形態に係るエンジン過給装置のコントローラによる処理ルーチンを示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0025】

［第一実施形態］
はじめに、本発明の第一実施形態について説明する。

【0026】

図１には、本発明の第一実施形態に係るエンジン過給装置１０を備えたエンジンシステムＳ１の全体構成が示されている。

【0027】

この図に示されるエンジンシステムＳ１は、例えば、乗用自動車等の車両に搭載されるものであり、エンジン過給装置１０と、エアクリーナ１２と、エンジン１４とを備えている。

【0028】

エアクリーナ１２及びエンジン１４は、従来と同様の構成とされている。エンジン１４は、インタークーラ１６と、スロットル弁１７と、吸気マニホールド１８と、エンジン本体２０と、排気マニホールド２２とを有して構成されている。排気マニホールド２２には、排気通路２４が接続されている。

【0029】

排気通路２４は、後処理装置５０と接続されている。

【0030】

エンジン過給装置１０は、吸気通路２６と、電動コンプレッサ３２と、モータ３４と、インバータ３６と、制御部としてのコントローラ４０とを有して構成されている。

【0031】

吸気通路２６は、エンジン１４のインタークーラ１６と接続されている。

【0032】

電動コンプレッサ３２は、モータ３４により駆動されるコンプレッサ部を有して構成されており、コンプレッサ部は、インペラ６０を有して構成されている。

【0033】

インペラ６０は、モータ３４により回転駆動されることで、図示しない吸入口から吸入されて図示しない排出口から排出される吸気を圧縮する構成とされている。

【0034】

なお、上述のインペラ６０の吸入口から排出口までの通路は、図１に示される吸気通路２６の一部を構成している。

【0035】

エンジン本体２０内に設けられたセンサ(図示省略)は、エンジンのクランク軸又はカム軸回転よりエンジンクランク角度と共にエンジン回転数及び負荷を検出し、エンジン回転数に応じた信号、エンジン負荷に応じた信号、及びエンジンクランク角に応じた信号をコントローラ４０に出力する構成とされている。

【0036】

また、吸気通路２６における電動コンプレッサ３２の上流側に設けられた流量計（図示省略）は、吸気流量に応じた信号をコントローラ４０に出力する構成とされている。

【0037】

また、エンジン１４の吸気ポートに設けられた圧力計４２は、吸気圧力を検出し、吸気圧力に応じた信号をコントローラ４０に出力する。

【0038】

コントローラ４０は、ＥＣＵやロジック回路等により構成されており、エンジン本体２０内のセンサ、流量計、及び圧力計４２から出力された信号に基づいて、インバータ３６を介してモータ３４を制御する構成とされている。

【0039】

次に、コントローラ４０による制御原理について説明する。

【0040】

排気を利用するターボチャージャや機関の動力を使用するスーパーチャージャでは、排気やエンジン回転数によって、過給機の回転数が決定されるため、早い応答、特に１サイクル以内で回転数を変更することは難しかった。

【0041】

しかし、電動コンプレッサはモータでコンプレッサインペラの回転を制御するため、応答性が高く、1サイクル内で回転速度を変更することも可能である。

【0042】

従来の吸気脈動のように吸気管長さや、エンジン回転数に依存した圧力波ではなく電動コンプレッサの制御により吸気ポートにおける圧力波を任意のタイミング・波形にすることが可能となる（図２参照）。

【0043】

図２では、吸気ポートにおける圧力波を（１）最適な圧力脈動波形に制御した場合、（２）最適ではない圧力脈動波形に制御した場合、（３）出口圧力が一定となるように制御した場合を例に用いる。

【0044】

（１）と（２）とは圧力波のタイミングをずらした制御となっている。

【0045】

（１）のように最適なタイミングに制御することで（３）のように一定圧力に制御した場合に対し、慣性過給を行うことができ体積効率が向上する（図３の（１）、（３）参照）。

【0046】

一方で（２）のように最適でないタイミングに制御すると充填効率は低減する（図３の（２）参照）。

【0047】

このように、コンプレッサインペラの出口の圧力波のタイミングを変更すると体積効率が変化する。最適な圧力波に制御することで体積効率が向上することが分かる。

【0048】

そこで、本実施の形態では、コントローラ４０は、随時計算することで最適な圧力波を算出することにより電動コンプレッサ３２を駆動するモータ３４の制御を行う。

【0049】

このとき、エンジン１４の回転数や負荷に応じて、電動コンプレッサ３２の回転速度を1サイクル内で最適に変化させる制御を行う。

【0050】

本実施の形態では、コントローラ４０は、エンジン１４の回転数、クランク角、負荷の情報を受け取り、エンジン運転条件に対して最適な電動コンプレッサの回転数・タイミングを決定する。

【0051】

電動コンプレッサの回転速度はエンジン１４の１サイクルの間に周期的に変化するように制御する。具体的には、エンジン１４の１サイクルの間に、電動コンプレッサ３２の回転数の変動のサイクルは、気筒数と同じ数だけ存在する。例えば4気筒エンジンの場合、エンジンの１サイクルの間に、電動コンプレッサの回転数の変動は４サイクルだけ存在する（図４（Ａ）参照）。

【0052】

上記図４（Ａ）の例では回転数を正弦波として変化させているが、図４（Ｂ）に示すように、インバータ３６を制御し、モータ３４に駆動・回生電流を印加することで、電動コンプレッサ３２の回転数の波形を正確に目標とする波形にすることができる。

【0053】

このときの回転数の振幅は電動コンプレッサのトルク容量（モータ出力限界）およびコンプレッサマップ上の作動線で決まる（図５（Ａ）、（Ｂ）参照）。すわなち、モータ出力限界を超えず、かつ、コンプレッサの作動領域がサージ領域およびチョーク領域に入らない範囲にてモータの振幅を変化させる。

【0054】

また、電動コンプレッサの回転数を変化させることで、一定の回転数の時とコンプレッサの作動範囲が変化する。そのため平均回転数またはモータで使用する出力が同一であっても、コンプレッサから出力される圧力波が異なる。また回転数を変化せることでコンプレッサの効率が良い範囲を選択的に使用することも可能である。ただし、コンプレッサの作動範囲がサージ領域やチョーク領域に入らないようコンプレッサの回転数の振幅を制御する必要がある。

【0055】

また、吸気ポートの圧力波を、一定回転数の場合と比較すると、最適に回転数を制御している場合ではバルブリフトが閉じる直前の圧力が上昇しており、慣性過給による効果が得られることが分かる（図６参照）。

【0056】

この効果により、回転速度を制御した場合では機関の体積効率が向上する。

【0057】

上記の効果は、エンジン回転数や負荷が異なる条件でも生じるため、最適な回転数制御にすることで機関の体積効率が向上する。

【0058】

次に、電動コンプレッサの回転数の位相について説明する。

【0059】

吸気バルブが閉じる直前の圧力が高い圧力波が、吸気ポートに到達すると、慣性過給により充填効率が向上する。つまり充填効率を向上させるためには、吸気ポートに到達する圧力波の位相を制御する必要がある。

【0060】

電動コンプレッサの回転数を変動させる制御によって生じる圧力変動は、電動コンプレッサを一定回転数で制御した場合の圧力と変動させる制御時の圧力との差分によって得られる（図７参照）。この圧力波がバルブの閉じるタイミングに対して次に定める位相になれば充填効率が向上する。

【0061】

吸気バルブリフトが最大となるクランク角をθ_A、吸気バルブが閉じるタイミングをθ_Bとする。また上記の電動コンプレッサを一定回転速度で制御した場合の吸気ポートにおける圧力と回転数を変動させる制御時の吸気ポートにおける圧力の差分によって得られた圧力変動が最大となるクランク角をθ_peakとする。このθ_peakが以下に定めるクランク角θ_Cとθ_Dの間に入るよう電動コンプレッサの回転数を制御する（図８参照）。

【0062】

θ_C=θ_A+0.2（θ_B-θ_A）
θ_D=θ_A+0.85（θ_B-θ_A）

【0063】

このクランク角θ_Cとθ_Dの間にθ_peakが発生するよう、電動コンプレッサの回転数を制御することができれば、電動コンプレッサの回転数を一定にした場合（図９参照）に対して、同一の消費電力で充填効率を向上させることができる。

【0064】

また、図１０に示すように、コンプレッサ出口直後においては電動コンプレッサの回転数変動の位相と、回転数変動制御によって生じる圧力波（電動コンプレッサを一定回転速度で制御した場合の圧力と変動させる制御時の圧力の差分）の位相は等しくなる。つまりコンプレッサ出口直後の圧力波のピークと電動コンプレッサの回転数のピークは等しく、このピークとなるクランク角度をθ_{peak_comp}と定める。

【0065】

また電動コンプレッサの回転数の変化により生じる圧力波が吸気ポートに到達するまで位相の遅れが生じる（図１１参照）。この位相遅れをθ_delayと定める。そのため、
θ_C- θ_delay < θ_{peak_comp} < θ_D- θ_delay
となるように、電動コンプレッサの回転数変動を制御する。

【0066】

また吸気ポートに設けられた圧力計４２により、圧力波をセンシングし、電動コンプレッサの回転数変動がピークとなるクランク角θ_{peak_comp}と、吸気ポートにおける電動コンプレッサを一定回転速度で制御した場合の圧力と変動させる制御時の圧力の差分によって得られた圧力変動が最大となるクランク角θ_peakとの差が位相遅れθ_delayとなる。これによって得られた位相差を考慮し、
θ_C- θ_delay < θ_{peak_comp} < θ_D- θ_delay
となるように電動コンプレッサの回転数を制御する（図１２参照）。

【0067】

以上の原理に従って、本実施の形態では、コントローラ４０は、まず、事前に、電動コンプレッサ３２の回転数を一定にしたときに吸気ポートに生じる圧力波を圧力計４２で計測し、記録しておく。

【0068】

また、コントローラ４０は、エンジン１４の回転数、負荷、エンジン１４のクランク角、吸気流量、要求トルク、エンジン１４の緒元を入力として、電動コンプレッサ３２の回転数の変動における平均値及び振幅を算出し、電動コンプレッサ３２の回転数の変動の周期を、エンジン１４の１サイクルの周期を気筒数で除した期間とし、電動コンプレッサ３２の回転数の変動の位相を初期値に設定して、電動コンプレッサ３２の回転数を周期的に変動させる。このとき、吸気ポートに生じる圧力波を圧力計４２で計測し、事前に記録しておいた圧力波と比較して、圧力波の差分によって得られた圧力変動が最大となるクランク角を算出し、算出した圧力変動が最大となるクランク角と、電動コンプレッサ３２の回転数の変動がピークとなるクランク角とのずれを算出することで、電動コンプレッサ３２の回転数の変動により生じる圧力波が吸気ポートに到達するまでの遅れ分を算出する。

【0069】

そして、コントローラ４０は、θ_A+0.2（θ_B-θ_A）からθ_A+0.85（θ_B-θ_A）までの期間に、電動コンプレッサ３２の回転数の変動のピークがくるように、電動コンプレッサ３２の回転数の変動の位相を修正したうえで、電動コンプレッサ３２の回転数の変動の位相を、算出した、電動コンプレッサ３２の回転数の変動により生じる圧力波が吸気ポートに到達するまでの遅れ分だけ早めるように更に修正して、吸気ポートにおける吸気脈動のピークを、吸気バルブの最大リフトから閉弁までの間に発生させるように電動コンプレッサ３２の回転数を周期的に変動させる。

【0070】

次に、本発明の第一実施形態に係るエンジン過給装置１０の動作と併せてその作用及び効果について説明する。

【0071】

まず、事前に、電動コンプレッサ３２を一定の回転数で運転させ、圧力計４２により、電動コンプレッサ３２の回転数を一定にしたときに生じる吸気ポートにおける圧力波を計測し、記録しておく。

【0072】

図１３には、コントローラ４０の動作を表すフローチャートが示されている。エンジンの過渡的な運転状態にも追従するように、図１３のフローチャートが示すコントローラ４０の動作は、エンジン運転中常時行われる。

【0073】

コントローラ４０は、図１３のフローチャートで示されるプログラム処理を開始すると、先ず、ステップＳ１００において、エンジン本体２０内に設けられた各種センサ、及び流量計の出力信号を検出する。

【0074】

続いて、コントローラ４０は、ステップＳ１０２において、エンジン１４の回転数及びエンジンの緒元（気筒数）に基づいて、エンジン１４の１サイクルの周期を気筒数で除した期間を、電動コンプレッサ３２の回転数の変動の周期として算出する。

【0075】

そして、コントローラ４０は、ステップＳ１０４において、エンジンの緒元（開バルブに対応するクランク角、閉バルブに対応するクランク角）に基づいて、電動コンプレッサ３２の回転数の変動の位相を初期値に設定する。

【0076】

そして、コントローラ４０は、ステップＳ１０６において、エンジン１４の回転数、負荷、エンジン１４のクランク角、吸気流量、要求トルク、エンジンの緒元（排気量、吸気管長さ）を入力として、電動コンプレッサ３２の回転数の変動における平均値を算出し、ステップＳ１０８において、電動コンプレッサ３２のモータ３４の仕様（回転数の上限、トルクの上限）及びコンプレッサマップ（サージライン、チョークライン、効率）に基づいて、電動コンプレッサ３２の使用可能な範囲に対応する、電動コンプレッサ３２の回転数の変動の振幅を算出する。

【0077】

そして、コントローラ４０は、ステップＳ１１０において、上記ステップＳ１０２〜Ｓ１０８で得られた電動コンプレッサ３２の回転数の変動の周期、位相、平均値、振幅を用いて、電動コンプレッサ３２の回転数を周期的に変動させる。

【0078】

コントローラ４０は、ステップＳ１１２において、吸気ポートに生じる圧力波を圧力計４２で計測する。そして、コントローラ４０は、ステップＳ１１４において、上記ステップＳ１１２で計測した圧力波と、事前に記録しておいた圧力波とを比較して、圧力波の差分によって得られた圧力変動が最大となるクランク角を算出し、算出した圧力変動が最大となるクランク角と、電動コンプレッサ３２の回転数の変動がピークとなるクランク角とのずれを算出することで、電動コンプレッサ３２の回転数の変動により生じる圧力波が吸気ポートに到達するまでの遅れ分を算出する。

【0079】

そして、コントローラ４０は、ステップＳ１１６において、θ_A+0.2（θ_B-θ_A）からθ_A+0.85（θ_B-θ_A）までの期間に、電動コンプレッサ３２の回転数の変動のピークがくるように、電動コンプレッサ３２の回転数の変動の位相を修正したうえで、電動コンプレッサ３２の回転数の変動の位相を、上記ステップＳ１１４で算出した遅れ分だけ早めるように更に修正する。

【0080】

コントローラ４０は、ステップＳ１１８では、モータ３４の制限などに基づいて、一定回転制御よりも脈動制御の方が効果があるか否かを判定する。脈動制御の方が効果があると判定された場合には、ステップＳ１２０へ移行し、上記ステップＳ１０２〜Ｓ１０８、Ｓ１１６で得られた電動コンプレッサ３２の回転数の変動の周期、位相、平均値、振幅を用いて、電動コンプレッサ３２の回転数を周期的に変動させる。

【0081】

一方、脈動制御の方が効果がないと判定された場合、コントローラ４０は、ステップＳ１２２において、上記ステップＳ１０６で得られた電動コンプレッサ３２の回転数の平均値を用いて、電動コンプレッサ３２の回転数を一定に制御する。

【0082】

以上説明したように、本発明の第一実施形態に係るエンジン過給装置１０によれば、吸気ポートにおける吸気脈動のピークを、吸気バルブの最大リフトから閉弁までの間に発生させるように電動コンプレッサの回転数を周期的に変動させることにより、吸気バルブタイミングに対して最適な吸気脈動が生じ、慣性過給により充填効率が向上するため、簡易な構成で、吸気の充填効率を向上させることができる。

【0083】

従来のエンジンにおいても、新気が移動することにより生じる慣性力と、ピストンの下降による吸入力と、吸気管の長さのバランスにより吸気圧力に脈動が生じる。しかし、設計諸元や運転条件によっては最適な脈動のタイミングにならずに、吸気効率が下がる。一方で、高応答な電動コンプレッサを、上述した手法により制御することで人為的に脈動を制御することが可能となり、最適な充填効率を得る吸気脈動を発生させることが可能となる。このように、エンジンの充填効率が向上するため、出力が向上する。また、電動コンプレッサで消費される電力が低減するため、エンジンシステムとして低燃費となる。

【0084】

なお、電動コンプレッサの出力が大きい場合であっても、上述したように、位相の遅れを考慮して制御を行うようにする。

【0085】

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

【0086】

本発明の第二実施形態に係るエンジンシステムでは、給気ポートに圧力計を設けない場合を例に説明する。

【0087】

すわなち、本発明の第二実施形態に係るエンジンシステムには、上述の本発明の第一実施形態に係るエンジンシステムＳ１に対し、圧力計４２が備えられていない。なお、エンジンシステムの他の構成は、上述の本発明の第一実施形態に係るエンジンシステムＳ１と同様である。

【0088】

第二実施形態では、実験的に、エンジン機関の回転数、負荷などの運転条件毎に、位相遅れを予め計測しておき、運転条件毎に計測された位相遅れを格納したマップを用意しておく。

【0089】

コントローラ４０は、エンジン１４の回転数、負荷などの運転条件に基づいて、予め用意されたマップから、位相遅れを算出する。

【0090】

また、コントローラ４０は、エンジン１４の回転数、負荷、エンジン１４のクランク角、吸気流量、要求トルクを入力として、電動コンプレッサ３２の回転数の変動における平均値及び振幅を算出し、電動コンプレッサ３２の回転数の変動の周期を、エンジン１４の１サイクルの周期を気筒数で除した期間とする。

【0091】

そして、コントローラ４０は、θ_A+0.2（θ_B-θ_A）からθ_A+0.85（θ_B-θ_A）までの期間に、吸気ポートでの圧力脈動のピークがくるように、電動コンプレッサ３２の回転数の変動の位相を算出したうえで、電動コンプレッサ３２の回転数の変動の位相を、算出した位相遅れ分だけ早めるように修正して、電動コンプレッサ３２の回転数を周期的に変動させる。

【0092】

これにより、コントローラ４０は、運転条件に応じてθ_C- θ_delay < θ_{peak_comp} < θ_D- θ_delay となるように電動コンプレッサ３２の回転数を制御する。

【0093】

図１４には、コントローラ４０の動作を表すフローチャートが示されている。エンジンの過渡的な運転状態にも追従するように、図１４のフローチャートが示すコントローラ４０の動作は、エンジン運転中常時行われる。なお、第一実施形態と同様の処理については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

【0094】

コントローラ４０は、図１４のフローチャートで示されるプログラム処理を開始すると、先ず、ステップＳ１００において、エンジン本体２０内に設けられた各種センサ、及び流量計の出力信号を検出する。

【0095】

続いて、コントローラ４０は、ステップＳ１０２において、エンジン１４の回転数及びエンジンの緒元（気筒数）に基づいて、エンジン１４の１サイクルの周期を気筒数で除した期間を、電動コンプレッサ３２の回転数の変動の周期として算出する。

【0096】

そして、コントローラ４０は、ステップＳ２００において、エンジン１４の回転数、負荷と、エンジン緒元とに基づいて、予め用意されたマップから、位相遅れを算出する。

【0097】

コントローラ４０は、ステップＳ２０２において、上記ステップＳ２００で算出された位相遅れ、及びエンジンの緒元（バルブタイミング）に基づいて、θ_A+0.2（θ_B-θ_A）からθ_A+0.85（θ_B-θ_A）までの期間に、電動コンプレッサ３２の回転数の変動のピークがくるように、電動コンプレッサ３２の回転数の変動の位相を算出したうえで、電動コンプレッサ３２の回転数の変動の位相を、算出した位相遅れ分だけ早めるように修正することにより、電動コンプレッサ３２の回転数の変動の位相を算出する。

【0098】

そして、コントローラ４０は、ステップＳ１０６において、エンジン１４の回転数、負荷、エンジン１４のクランク角、吸気流量、要求トルク、エンジンの緒元（排気量、吸気管長さ）を入力として、電動コンプレッサ３２の回転数の変動における平均値を算出し、ステップＳ１０８において、電動コンプレッサ３２のモータ３４の仕様（回転数の上限、トルクの上限）及びコンプレッサマップ（サージライン、チョークライン、効率）に基づいて、電動コンプレッサ３２の使用可能な範囲に対応する、電動コンプレッサ３２の回転数の変動の振幅を算出する。

【0099】

そして、コントローラ４０は、ステップＳ１１８において、モータ３４の制限などに基づいて、一定回転制御よりも脈動制御の方が効果があるか否かを判定する。脈動制御の方が効果があると判定された場合には、ステップＳ１２０へ移行し、上記ステップＳ１０２、Ｓ２０２、Ｓ１０６、Ｓ１０８で得られた電動コンプレッサ３２の回転数の変動の周期、位相、平均値、振幅を用いて、電動コンプレッサ３２の回転数を周期的に変動させる。

【0100】

一方、脈動制御の方が効果がないと判定された場合、コントローラ４０は、ステップＳ１２２において、上記ステップＳ１０６で得られた電動コンプレッサ３２の回転数の平均値を用いて、電動コンプレッサ３２の回転数を一定に制御する。

【0101】

このように、本発明の第二実施形態に係るエンジン過給装置によっても、吸気ポートにおける吸気脈動のピークを、吸気バルブの最大リフトから閉弁までの間に発生させるように電動コンプレッサの回転数を周期的に変動させることにより、吸気バルブタイミングに対して最適な吸気脈動が生じ、慣性過給により充填効率が向上するため、簡易な構成で、吸気の充填効率を向上させることができる。

【0102】

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能であることは勿論である。

【符号の説明】

【0103】

１０ エンジン過給装置
１２ エアクリーナ
１４ エンジン
１６ インタークーラ
１７ スロットル弁
１８ 吸気マニホールド
２０ エンジン本体
２２ 排気マニホールド
２４ 排気通路
２６ 吸気通路
３２ 電動コンプレッサ
３４ モータ
３６ インバータ
４０ コントローラ
４２ 圧力計
５０ 後処理装置
６０ インペラ
Ｓ１ エンジンシステム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】