CN103180582B - 涡轮增压系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种涡轮增压系统，在任何运转状态下都能够确保充分的EGR量，能够降低发动机的NOx排出量。在具备使从发动机排出的废气的一部分向进气侧回流的EGR控制单元和涡轮增压器的发动机的涡轮增压系统中，涡轮增压器由具备对压缩机(2b)的驱动力进行辅助的电动马达(2c)的电动辅助涡轮增压器构成，EGR控制单元与发动机的燃烧所需要的氧量无关地控制向进气侧回流的废气量以便抑制NOx的产生，该涡轮增压系统具备电动马达控制部(23)，在通过EGR控制单元的控制而发动机的燃烧所需要的氧量不足时，该电动马达控制部(23)驱动电动马达(2c)。

Description

涡轮增压系统
技术领域
本发明涉及一种涡轮增压系统，将高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器串联地连接。
背景技术
近年来，为了车辆的燃料消耗率提高及CO2排出量的降低，如下技术的开发盛行：减小发动机的排量(发动机尺寸减小(enginedownsizing))，或者增大车辆的传动比(高速档化)、并通过涡轮增压器等增压器来确保动力性能。
作为此时使用的涡轮增压系统，提出有使用容量不同的两个涡轮增压器、并切换在运转区域中使用的涡轮增压器的两级涡轮。两级涡轮存在将两个涡轮增压器并联地连接的并联两级涡轮和将两个涡轮增压器串联地连接的串联两级涡轮(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-270475号公报
专利文献2：日本特开2006-177171号公报
专利文献3：日本特开2010-209735号公报
非专利文献
非专利文献1：茨木诚一及其他四名，“电动辅助涡轮增压器‘混合动力涡轮’的开发”，三菱重工技报，Vol.43，No.3，2006年，p.36-40
发明内容
发明要解决的课题
然而，已知使从发动机排出的废气的一部分向进气侧回流而降低NOx的EGR(ExhaustGasRecirculation：废气再循环)控制。
在EGR控制中，设置将发动机的进气歧管(或进气通路)与排气歧管(或排气通路)进行连接的EGR管，通过调整设置在该EGR管上的EGR阀的开度，来控制向进气侧回流的废气量即EGR量(或者EGR率)。
在EGR控制中，通过使废气的一部分向进气侧回流而降低向发动机进气的气体的氧浓度，并降低燃烧最高温度和暴露于燃烧最高温度的时间，由此抑制NOx的产生。但是，在仅降低氧浓度时，发动机中的燃烧所需要的氧的绝对量会变得不足，因此需要进行如下那样的控制：将增压压力维持得较高而增多吸入空气流量，确保向发动机供给的氧的绝对量，并且增多EGR量而降低氧浓度。
但是，在排气能量较小的低负荷区域、由于涡轮叶轮的惯性而涡轮转速不会立即上升的瞬态运转时，存在即使是上述那种串联两级涡轮也不能够得到充分的增压压力的问题。当在这种情况下增多EGR量时，向涡轮增压器供给的废气的流量进一步减少，涡轮增压器的响应(即增压压力的上升)进一步延迟，而发动机的动力性能会产生问题。
因此，为了确保动力性能，在低负荷区域、瞬态运转时不能够增大EGR量，结果，从发动机排出的NOx量变多。由于不能够将从发动机排出的大量NOx直接排放到大气中，因此一直以来一般使用NOx催化剂来净化NOx。
但是，NOx催化剂非常高价，因此希望简化或废除NOx催化剂。如果在任何运转状态下都能够确保充分的EGR量，则从发动机排出的NOx量变得非常少，能够简化或废除NOx催化剂。
因此，本发明的目的在于提供一种涡轮增压系统，解决上述课题，在任何运转状态下都能够确保充分的EGR量，能够降低发动机的NOx排出量。
用于解决课题的手段
本发明是为了实现上述目的而进行的，本发明为一种涡轮增压系统，是发动机的涡轮增压系统，该发动机具备：EGR控制单元，使从发动机排出的废气的一部分向进气侧回流；以及涡轮增压器，具有配置在排气通路中而通过排气来驱动的涡轮机和配置在进气通路中而通过上述涡轮机的转矩来驱动的压缩机，在该涡轮增压系统中，上述涡轮增压器由具备对上述压缩机的驱动力进行辅助的电动马达的电动辅助涡轮增压器构成，上述EGR控制单元为，与发动机的燃烧所需要的氧量无关地控制向进气侧回流的废气量，以便抑制NOx的产生，该涡轮增压系统具备电动马达控制部，在通过上述EGR控制单元的控制而发动机的燃烧所需要的氧量不足时，该电动马达控制部驱动上述电动马达。
也可以为，上述涡轮增压器为高压级涡轮增压器，该高压级涡轮增压器具有配置在上述排气通路中而通过排气来驱动的高压级涡轮机和配置在上述进气通路中而通过上述高压级涡轮机的转矩来驱动的高压级压缩机，该涡轮增压系统进一步具备低压级涡轮增压器，该低压级涡轮增压器具有配置在比上述高压级涡轮机靠下游侧的上述排气通路中而通过排气来驱动的低压级涡轮机、和配置在比上述高压级压缩机靠上游侧的上述进气通路中而通过上述低压级涡轮机的转矩来驱动的低压级压缩机。
也可以为，上述电动马达控制部为，在上述高压级压缩机的出口压力即增压压力比目标增压压力小时，驱动上述电动马达，该目标增压压力被设定为，即使通过EGR控制而使向进气侧回流的废气量成为最能够抑制NOx的产生的量，也能够确保车辆的动力性能的值。
也可以为，具备：增压压力传感器，测定上述高压级压缩机的出口压力即增压压力；目标增压压力映射，按照发动机速度和发动机扭矩，设定有考虑了通过上述EGR控制而向进气侧回流的废气量的目标增压压力；吸入空气流量测定单元，测定吸入空气流量；入口压力传感器，测定上述高压级压缩机的入口压力；以及高压级压缩机特性映射，是上述高压级压缩机的与每个涡轮转速的吸入空气流量相对的入口压力与增压压力的压力比的关系；上述电动马达控制部根据由上述入口压力传感器测定的入口压力与上述目标增压压力之比来求出目标压力比，并且根据该目标压力比和由上述吸入空气流量测定单元测定的吸入空气流量来参照上述高压级压缩机特性映射而求出目标涡轮转速，根据求出的目标涡轮转速与当前的涡轮转速的背离，来控制上述电动马达的驱动量。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种涡轮增压系统，在任何运转状态下都能够确保充分的EGR量，能够降低发动机的NOx排出量。
附图说明
图1是使用了本发明的一个实施方式的涡轮增压系统的发动机系统的概略构成图。
图2是表示图1的涡轮增压系统中使用的目标增压压力映射的一例的图。
图3是表示图1的涡轮增压系统中使用的高压级压缩机特性映射的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
图1是使用了本实施方式的涡轮增压系统的发动机系统的概略构成图。
如图1所示，涡轮增压系统1由串联地连接有小型(小容量)的高压级涡轮增压器2和大型(大容量)的低压级涡轮增压器3的串联两级涡轮构成。
高压级涡轮增压器2具有配置在发动机E的排气通路4中而通过排气来驱动的高压级涡轮机2a、和配置在进气通路5中而通过高压级涡轮机2a的转矩来驱动的高压级压缩机2b。
低压级涡轮增压器3具有配置在比高压级涡轮机2a靠下游侧的排气通路4中而通过排气来驱动的低压级涡轮机3a、和配置在比高压级压缩机2b靠上游侧的进气通路5中而通过低压级涡轮机3a的转矩来驱动的低压级压缩机3b。
排气通路4的最上游与发动机E的排气歧管6连接，在其下游侧的排气通路4中依次设置有高压级涡轮机2a和低压级涡轮机3a。在进气通路5的最上游设置有空气滤清器7，在其下游侧的进气通路5中依次设置有低压级压缩机3b、高压级压缩机2b及中冷器8，进气通路5的最下游与发动机E的进气歧管9连接。
此外，在排气通路4中分别设置有将高压级涡轮机2a旁通的高压级涡轮机旁通管路10、将低压级涡轮机3a旁通的低压级涡轮机旁通管路11，在高压级涡轮机旁通管路10中设置有高压级涡轮机旁通阀10a，在低压级涡轮机旁通管路11中设置有低压级涡轮机旁通阀11a。此外，在进气通路5中以将高压级压缩机2b旁通的方式设置有高压级压缩机旁通管路12，在该高压级压缩机旁通管路12中设置有高压级压缩机旁通阀12a。
并且，涡轮增压系统1具备：测定高压级压缩机2b的出口压力即增压压力的增压压力传感器13、测定高压级压缩机2b的入口压力的入口压力传感器14、以及测定吸入空气流量的未图示的吸入空气流量测定单元(例如MAF传感器)。增压压力传感器13设置在进气歧管9上，入口压力传感器14设置在低压级压缩机3b上游侧的进气通路5上。另外，在发动机速度为极低速的区域等、低压级涡轮增压器3未被使用的区域中，入口压力传感器14的测定值与高压级压缩机2b的入口压力大致相等。
涡轮增压系统1具备涡轮切换控制部21，该涡轮切换控制部21根据发动机速度(发动机转速)和发动机扭矩(负荷)来切换使用的涡轮增压器2、3。涡轮切换控制部21作为程序而组入在ECU(ElectronicalControlUnit：电子控制装置)20中。
涡轮切换控制部21为，在发动机速度较低、排气能量较小的区域，将高压级涡轮机旁通阀10a和高压级压缩机旁通阀12a关闭，使高压级涡轮增压器2驱动。此时，还向低压级涡轮机3a供给废气，通过剩余的排气能量来驱动低压级涡轮增压器3，但在发动机速度较低、排气能量较小的区域，低压级涡轮机3a几乎不能够作功，大致成为仅高压级涡轮增压器2运转。
此外，涡轮切换控制部21为，在发动机速度较高、排气能量较大的区域，为了抑制高压级涡轮增压器2的超转速和由排气压力的异常上升导致的燃料消耗率的恶化，而将高压级涡轮机旁通阀10a和高压级压缩机旁通阀12a开放，将低压级涡轮机旁通阀11a关闭，而仅使低压级涡轮增压器3驱动。另外，在发动机速度进一步变高、并超过低压级涡轮增压器3的容量的区域，将低压级涡轮机旁通阀11a开放，抑制低压级涡轮增压器3的超转速和由排气压力的异常上升导致的燃料消耗率的恶化。
并且，涡轮切换控制部21为，在发动机速度较低区域与较高区域的中间区域，将低压级涡轮机旁通阀11a和高压级压缩机旁通阀12a关闭，调整高压级涡轮机旁通阀10a的开度，由此根据与高压级涡轮机旁通阀10a的开度相应的比例来使高压级涡轮增压器2和低压级涡轮增压器3这两者驱动。
此外，在该涡轮增压系统1中，具备使从发动机排出的废气的一部分向进气侧回流的EGR控制单元。EGR控制单元具备：EGR管15，将排气歧管6和高压级涡轮机2a之间的排气通路4与进气歧管9连接；EGR阀16，设置在EGR管15中，用于调整向进气侧回流的废气量即EGR量(或者EGR率)；以及EGR控制部25，搭载在ECU20中，根据发动机速度、燃料喷射量等发动机参数来求出最佳(最能够抑制NOx的产生)的目标EGR量，并控制EGR阀16的开度以使EGR量成为目标EGR量。EGR控制部25与发动机E的燃烧所需要的氧量无关地控制EGR量以抑制NOx的产生。
并且，在本实施方式的涡轮增压系统1中，作为高压级涡轮增压器2，使用具备对高压级压缩机2b的驱动力进行辅助(对高压级涡轮机2a的转矩进行辅助)的电动马达2c的电动辅助涡轮增压器(混合动力涡轮)。电动马达2c一体地设置在高压级涡轮机2a和高压级压缩机2b之间，更具体地，一体地设置在将高压级涡轮机2a的涡轮机叶轮和高压级压缩机2b的压缩机叶轮连结的涡轮轴上。电动马达2c例如由DC伺服马达构成。另外，电动马达2c与涡轮轴一体地设置，因此电动马达2c的转速与高压级涡轮增压器2的转速(涡轮转速)相等。
涡轮增压系统1具备电动马达控制部23，在通过EGR控制单元的控制而发动机E的燃烧所需要的氧量不足时，即在使EGR量成为最能够抑制NOx的产生的EGR量(目标EGR量)时、增压压力相对于该EGR量不足时(即、吸入空气流量不足而氧的绝对量不足时)，该电动马达控制部23驱动电动马达2c。
此外，涡轮增压系统1具备目标增压压力映射22，该目标增压压力映射22按照发动机速度和发动机扭矩，设定有考虑了通过EGR控制而向进气侧回流的废气量的目标增压压力；在由增压压力传感器13检测到的增压压力、比根据发动机速度和发动机扭矩来参照目标增压压力映射22而得到的目标增压压力小时，电动马达控制部23驱动电动马达。
此外，涡轮增压系统1具备高压级压缩机特性映射24，该高压级压缩机特性映射24为高压级压缩机2b中的入口压力与增压压力的压力比相对于每个涡轮转速的吸入空气流量的关系，电动马达控制部23根据由入口压力传感器14测定的入口压力与目标增压压力之比来求出目标压力比，并且根据该目标压力比和由吸入空气流量测定单元测定的吸入空气流量来参照高压级压缩机特性映射24而求出目标涡轮转速，根据求出的目标涡轮转速与当前的涡轮转速的背离，来控制电动马达2c的驱动量(辅助量)。
目标增压压力映射22、电动马达控制部23及高压级压缩机特性映射24搭载在ECU20中。另外，在ECU20中，为了进行发动机E的控制，而识别发动机速度、燃料喷射量等所有发动机参数。
以下，对电动马达2c的辅助量的控制进行详细说明。
在涡轮增压系统1中，首先，电动马达控制部23根据发动机速度和发动机扭矩来参照目标增压压力映射22，求出目标增压压力。图2表示此时使用的目标增压压力映射22的一例。
如图2所示，目标增压压力映射22为按照发动机速度和发动机扭矩而设定有目标增压压力(在图2中由数字表示的值)的映射。目标增压压力被设定为如下的值：在各发动机速度和发动机扭矩的条件下，即使将EGR量设为目标EGR量(最能够抑制NOx的产生的EGR量)，也能够确保充分的动力性能的值。另外，发动机扭矩能够根据燃料喷射量等发动机参数来求出。
在求出目标增压压力之后，控制电动马达2c的辅助量以使实际的增压压力接近该目标增压压力，但是电动马达2c能够容易地进行转速控制，因此辅助量的控制还指示电动马达2c的转速的情况是有效的。
更具体地，电动马达控制部23根据由入口压力传感器14测定的入口压力与目标增压压力之比来求出目标压力比，并且根据由增压压力传感器13测定的增压压力与入口压力之比来求出当前的压力比。
另外，入口压力传感器14测定的入口压力为低压级压缩机3b的入口压力，因此，在此处求出的压力比(目标压力比和当前的压力比)两者均成为综合了低压级压缩机3b的入口与出口的压力比、和高压级压缩机2b的入口与出口的压力比的值。但是，在驱动了低压级涡轮增压器3的状态下，排气能量较大且实际的增压压力成为目标增压压力以上，因此实际上不进行电动马达2c的辅助(虽然也可以进行电动马达2c的辅助，但由于电力消耗，燃料消耗率反而恶化)。即，实际的增压压力变得比目标增压压力小的情况，仅限于发动机速度低的区域。在这种区域，低压级涡轮增压器3不被驱动，因此由入口压力传感器14测定的入口压力与高压级压缩机2b的入口压力大致相等，通过取得该入口压力与增压压力之比，能够求出高压级压缩机2b的入口与出口的压力比。
此后，电动马达控制部23根据目标压力比和由吸入空气流量测定单元测定的吸入空气流量来参照高压级压缩机特性映射24而求出目标涡轮转速，并且根据当前的压力比和吸入空气流量来参照高压级压缩机特性映射24而求出当前的涡轮转速。图3表示此时使用的高压级压缩机特性映射24的一例。
如图3所示，高压级压缩机特性映射24为按照高压级涡轮增压器2的涡轮转速而表示了高压级压缩机2b的入口与出口的压力比和吸入空气量的关系的映射，表示高压级压缩机的特性。
在图3中，例如，在当前的压力比和吸入空气流量处于A点、目标压力比和吸入空气流量处于B点的情况下，根据A点的涡轮转速(当前的涡轮转速)与B点的涡轮转速(目标涡轮转速)之差，能够求出所需要的旋转上升数。电动马达控制部23根据该所需要的旋转上升数来控制电动马达2c(例如控制施加到电动马达2c的电压的大小)，并进行控制以使涡轮转速成为目标涡轮转速。
如以上所说明的那样，在本实施方式的涡轮增压系统1中，高压级涡轮增压器2由具备对高压级压缩机2b的驱动力进行辅助的电动马达2c的电动辅助涡轮增压器构成，在使EGR量成为最能够抑制NOx的产生的量时、增压压力相对于该EGR量不足时，驱动电动马达2c。
如果驱动电动马达2c，则能够与运转状态无关地得到充分的增压压力，因此即使在排气能量较小的低负荷区域、容易受到涡轮叶轮的惯性的影响的瞬态运转时，也能够确保充分的增压压力。因而，在任何运转状态下都能够确保充分的EGR量，能够常时成为最佳(最能够抑制NOx的产生)的EGR量，并能够降低发动机E的NOx排出量。结果，能够简化或废除高价的NOx催化剂，能够大幅度降低成本。
本发明并不限定于上述实施方式，当然能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变更。
例如，在上述实施方式中，在由增压压力传感器13测定的增压压力比根据目标增压压力映射22而得到的目标增压压力低时，驱动电动马达2c，但驱动电动马达2c的指标并不限定于增压压力，例如，也可以构成为，以高压级压缩机2b的入口与出口的压力比、或者排气或进气的空气过剩率、吸入空气量等为指标，在实测值比目标值低时，驱动电动马达2c。
此外，也可以为，设置检测高压级涡轮增压器2的涡轮转速的转速传感器，根据由转速传感器检测的涡轮转速与目标涡轮转速的背离，来控制电动马达2c的辅助量。
并且，虽然在上述实施方式中未提及，但当驱动电动马达2c时，高压级涡轮机2a和高压级压缩机2b两者旋转，因此高压级涡轮机2a入口的压力降低，高压级压缩机2a的出口的压力上升。因此，可以考虑到如下情况：在高压级涡轮增压器2的效率非常高时，EGR管15的进气通路5侧与排气通路4侧的压力差变小，即使将EGR阀16开放，EGR量也不会相应地增加。为了防止该情况，也可以构成为，在EGR管15中设置从排气侧向进气侧仅沿一个方向使废气流动的簧片阀(单向阀)，利用压力脉动来确保EGR量。
在上述实施方式中，作为一例而说明了将本发明应用于串联两级涡轮的情况，但本发明的应用范围并不限定于串联两级涡轮，例如，当然也能够应用于具备仅一级的涡轮增压器的涡轮增压系统。
符号的说明
1涡轮增压系统
2高压级涡轮增压器
2a高压级涡轮机
2b高压级压缩机
2c电动马达
3低压级涡轮增压器
3a低压级涡轮机
3b低压级压缩机
4排气通路
5进气通路
23电动马达控制部

Claims (4)

1.一种涡轮增压系统，是发动机的涡轮增压系统，该发动机具备：
EGR控制单元，使从发动机排出的废气的一部分向进气侧回流；以及
涡轮增压器，具有配置在排气通路中而通过排气来驱动的涡轮机和配置在进气通路中而通过上述涡轮机的转矩来驱动的压缩机，
该涡轮增压系统的特征在于：
上述涡轮增压器由具备对上述压缩机的驱动力进行辅助的电动马达的电动辅助涡轮增压器构成，
上述EGR控制单元为，与发动机的燃烧所需要的氧量无关地控制向进气侧回流的废气量以抑制NOx的产生，
该涡轮增压系统具备电动马达控制部，在通过上述EGR控制单元的控制而发动机的燃烧所需要的氧量不足时，该电动马达控制部驱动上述电动马达，
该涡轮增压系统进一步具备：
增压压力传感器，测定上述压缩机的出口压力即增压压力；
目标增压压力映射，按照发动机速度和发动机扭矩，设定有考虑了通过上述EGR控制而向进气侧回流的废气量的目标增压压力；
吸入空气流量测定单元，测定吸入空气流量；
入口压力传感器，测定上述压缩机的入口压力；以及
压缩机特性映射，是上述压缩机的与每个涡轮转速的吸入空气流量相对的入口压力与增压压力的压力比的关系，
上述电动马达控制部为，
根据由上述入口压力传感器测定的入口压力与上述目标增压压力之比来求出目标压力比，并且根据该目标压力比和由上述吸入空气流量测定单元测定的吸入空气流量来参照上述压缩机特性映射而求出目标涡轮转速，
根据求出的目标涡轮转速与当前的涡轮转速的背离，来控制上述电动马达的驱动量。
2.如权利要求1所述的涡轮增压系统，其中，
上述电动马达控制部为，在上述压缩机的出口压力即增压压力比目标增压压力小时，驱动上述电动马达，该目标增压压力被设定为，即使通过EGR控制而使向进气侧回流的废气量成为最能够抑制NOx的产生的量，也能够确保车辆的动力性能的值。
3.一种涡轮增压系统，是发动机的涡轮增压系统，该发动机具备：
EGR控制单元，使从发动机排出的废气的一部分向进气侧回流；以及
涡轮增压器，具有配置在排气通路中而通过排气来驱动的涡轮机和配置在进气通路中而通过上述涡轮机的转矩来驱动的压缩机，
该涡轮增压系统的特征在于：
上述涡轮增压器由具备对上述压缩机的驱动力进行辅助的电动马达的电动辅助涡轮增压器构成，
上述EGR控制单元为，与发动机的燃烧所需要的氧量无关地控制向进气侧回流的废气量以抑制NOx的产生，
该涡轮增压系统具备电动马达控制部，在通过上述EGR控制单元的控制而发动机的燃烧所需要的氧量不足时，该电动马达控制部驱动上述电动马达，
上述涡轮增压器为高压级涡轮增压器，该高压级涡轮增压器具有配置在上述排气通路中而通过排气来驱动的高压级涡轮机和配置在上述进气通路中而通过上述高压级涡轮机的转矩来驱动的高压级压缩机，
该涡轮增压系统进一步具备低压级涡轮增压器，该低压级涡轮增压器具有配置在比上述高压级涡轮机靠下游侧的上述排气通路中而通过排气来驱动的低压级涡轮机和配置在比上述高压级压缩机靠上游侧的上述进气通路中而通过上述低压级涡轮机的转矩来驱动的低压级压缩机，
该涡轮增压系统进一步具备：
增压压力传感器，测定上述高压级压缩机的出口压力即增压压力；
目标增压压力映射，按照发动机速度和发动机扭矩，设定有考虑了通过上述EGR控制而向进气侧回流的废气量的目标增压压力；
吸入空气流量测定单元，测定吸入空气流量；
入口压力传感器，测定上述高压级压缩机的入口压力；以及
高压级压缩机特性映射，是上述高压级压缩机的与每个涡轮转速的吸入空气流量相对的入口压力与增压压力的压力比的关系，
上述电动马达控制部为，
根据由上述入口压力传感器测定的入口压力与上述目标增压压力之比来求出目标压力比，并且根据该目标压力比和由上述吸入空气流量测定单元测定的吸入空气流量来参照上述高压级压缩机特性映射而求出目标涡轮转速，
根据求出的目标涡轮转速与当前的涡轮转速的背离，来控制上述电动马达的驱动量。
4.如权利要求3所述的涡轮增压系统，其中，
上述电动马达控制部为，在上述高压级压缩机的出口压力即增压压力比目标增压压力小时，驱动上述电动马达，该目标增压压力被设定为，即使通过EGR控制而使向进气侧回流的废气量成为最能够抑制NOx的产生的量，也能够确保车辆的动力性能的值。
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