JP2006348759A

JP2006348759A - 可変ターボチャージャ

Info

Publication number: JP2006348759A
Application number: JP2005172086A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Soejima; 慎一副島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-06-13
Filing date: 2005-06-13
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2025-06-13
Also published as: JP4577104B2

Abstract

【課題】コンプレッサの効率を高め、より加速性能を向上させることが可能な可変ターボチャージャを提供する。
【解決手段】吸気通路２には、バイパス通路が備えられ、コンプレッサ４の上流側と、コンプレッサの下流側とを連結している。さらに、バイパス通路には、空気流量を調節するためのバイパス弁が備えられる。バイパス弁調節手段は、コンプレッサの上流側の圧力１２、コンプレッサの下流側の圧力１３、最適空気流量、通過空気流量１１を基に、バイパス弁６を調節する。このように、コンプレッサの上流側の圧力、コンプレッサの下流側の圧力、最適空気流量、通過空気流量を基に、バイパス弁の開度を調節して、バイパス通路に空気を流入させることで、コンプレッサを通過する空気流量を調節することができ、効率良くコンプレッサを駆動させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給機付きエンジンにおける過給圧を内燃機関の低速域から高速域まで広く十分に確保する可変ターボチャージャに関する。

可変ターボチャージャは、低速からの加速時において、タービンの回転数が上がるのに時間を要するため、加速性能が悪くなる。そこで、従来から、可変ターボチャージャの効率を内燃機関の低速域から高速域まで広く十分に確保する方法が知られている。例えば、特許文献１には、可変ターボチャージャの効率を、低速域から高速域まで広く十分に確保するために、コンプレッサをバイパスするバイパス通路を設け、バイパス通路内にはバイパス弁を設置し、このバイパス弁を、内燃機関のそれぞれ異なる回転域において開閉制御する技術が記載されている。

特開２００４−３２４５２２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された可変ターボチャージャは、内燃機関の回転域を基にバイパス弁を開閉制御するものである。一方、コンプレッサの効率は、コンプレッサを通過する空気流量に左右される。特許文献１に記載された可変ターボチャージャは、コンプレッサを通過する空気流量を基にバイパス弁を開閉制御するものではないので、コンプレッサの効率は十分に良いとはいえない。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、コンプレッサの効率を高め、より加速性能を向上させることが可能な可変ターボチャージャを提供する。

本発明の１つの観点では、可変ターボチャージャは、内燃機関の吸気通路に配置されたコンプレッサと、前記内燃機関の排気通路に配置されたタービンと、前記コンプレッサと前記タービンとを連結するシャフトと、前記吸気通路において、前記コンプレッサの上流側と、前記コンプレッサの下流側とを結ぶバイパス通路と、前記バイパス通路に流れる空気流量を調節するバイパス弁と、前記タービンの回転数を基に、前記コンプレッサの効率を最大にするときの前記コンプレッサを通過する空気流量である最適空気流量を算出するコンプレッサ最適空気流量算出手段と、前記コンプレッサを通過する空気流量である通過空気流量を計測するコンプレッサ通過空気流量計測手段と、前記コンプレッサの上流側の圧力及び前記コンプレッサの下流側の圧力を計測する圧力計測手段と、前記コンプレッサの上流側の圧力、前記コンプレッサの下流側の圧力、前記最適空気流量、前記通過空気流量を基に、前記バイパス弁を調節するバイパス弁調節手段と、を備える。

上記の可変ターボチャージャは、コンプレッサと、タービンと、前記コンプレッサと前記タービンとを連結するシャフトと、を備える。前記コンプレッサは、内燃機関の吸気通路に配置され、前記タービンは、内燃機関の排気通路に配置される。また、前記吸気通路には、バイパス通路が備えられ、前記コンプレッサの上流側と、前記コンプレッサの下流側とを連結している。さらに、前記バイパス通路には、空気流量を調節するためのバイパス弁が備えられる。コンプレッサ最適空気流量算出手段は、前記タービンの回転数を基に、前記コンプレッサの効率を最大にするときの前記コンプレッサを通過する空気流量である最適空気流量を算出する。圧力計測手段は、前記コンプレッサの上流側の圧力及び前記コンプレッサの下流側の圧力を計測する。コンプレッサ通過空気流量計測手段は、前記コンプレッサを通過する空気流量である通過空気流量を計測する。バイパス弁調節手段は、前記コンプレッサの上流側の圧力、前記コンプレッサの下流側の圧力、前記最適空気流量、前記通過空気流量を基に、前記バイパス弁を調節する。このように、前記コンプレッサの上流側の圧力、前記コンプレッサの下流側の圧力、前記最適空気流量、前記通過空気流量を基に、前記バイパス弁の開度を調節して、バイパス通路に空気を流入させることで、コンプレッサを通過する空気流量を調節することができ、効率良くコンプレッサを駆動させることができる。

上記の可変ターボチャージャの一態様では、前記バイパス弁調節手段は、前記通過空気流量が前記最適空気流量よりも大きく、かつ、前記コンプレッサの上流側の圧力が前記コンプレッサの下流側の圧力よりも大きい場合、または、前記通過空気流量が前記最適空気流量よりも小さく、かつ、前記コンプレッサの上流側の圧力が前記コンプレッサの下流側の圧力よりも小さい場合に、前記通過空気流量が前記最適空気流量になるまで、前記バイパス弁を調節する。これにより、前記通過空気流量を前記最適空気流量に合わせることができ、最大限にコンプレッサの効率を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。

（可変ターボチャージャの構成）
まず、本実施形態に係る可変ターボチャージャの構成について説明する。

図１は、本実施形態に係る可変ターボチャージャ１００を内燃機関に適用したときの概略構成を示す図である。

可変ターボチャージャ１００は、主に、内燃機関１に接続されている吸気通路２に備えられたコンプレッサ４と、内燃機関１に接続されている排気通路３に備えられたタービン７と、コンプレッサ４とタービン７を接続するシャフト８と、吸気通路２に設置されたバイパス通路５と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）１０と、を備える。

外部からの空気は、吸気回路２を通じて、内燃機関１の図示しない気筒に流入する。内燃機関１としては、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンが挙げられる。気筒内において燃焼により生成された排気ガスは、排気通路３に排出される。排気通路３に排出された排気ガスは、タービン７を回転させる。タービン７の回転トルクは、シャフト８を通じて、コンプレッサ４に伝達される。タービン７から伝達された回転トルクにより、コンプレッサ４は、回転し、吸気通路２に流入した空気を圧縮する。

吸気通路２には、コンプレッサ４の上流側と、コンプレッサ４の下流側を、直接連結するバイパス通路５が設置される。バイパス通路５に流入する空気は、コンプレッサ４を迂回（バイパス）することができる。バイパス通路５内には、バイパス通路５を流れる空気の量を調節するためのバイパス弁６が設置される。このバイパス弁６は、バイパス通路５の任意の場所に設置可能である。

また、吸気通路２において、コンプレッサ４の上流側には、コンプレッサ４を通過する空気流量を計測するエアフロメータ（ＡＦＭ）１１と、コンプレッサ４の上流側の空気の圧力Ｐ０を計測する圧力計１２が設置される。コンプレッサ４の下流側には、コンプレッサ４の下流側の空気の圧力Ｐ３を計測する圧力計１３が設置される。ＡＦＭ１１は、計測された空気流量を信号Ｓ１として、圧力計１２は、計測された圧力Ｐ０を信号Ｓ２として、圧力計１３は、計測された圧力Ｐ３を信号Ｓ３として、それぞれＥＣＵ１０に供給する。従って、ＡＦＭ１１は、コンプレッサ通過空気流量計測手段として機能し、圧力計１２、１３は、圧力計測手段として機能する。

ＥＣＵ１０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイスなどを含んで構成される。ＥＣＵ１０は、車両内の各種センサから供給される出力信号によって、車両内の制御を行う。本実施形態においては、ＥＣＵ１０は、ＡＦＭ１１から供給された信号Ｓ１、圧力計１２から供給された信号Ｓ２、圧力計１３から供給された信号Ｓ３を基にして、バイパス弁６を開閉するか否かを決定する。バイパス弁６を開く場合、ＥＣＵ１０は、バイパス弁６に信号Ｓ４を供給することにより、バイパス弁６を全閉から全開まで可変制御する。従って、ＥＣＵ１０は、バイパス弁調節手段として機能する。

図２は、一般的な可変ターボチャージャにおけるコンプレッサを通過する空気流量と、コンプレッサの効率の関係を示すグラフであり、横軸にコンプレッサを通過する空気流量をとり、縦軸にコンプレッサの効率をとっている。図２には、複数の凸型のグラフが示されている。一つ一つの凸型のグラフ（図２でいうと、例えばグラフ３１）は、それぞれ同一のタービンの回転数における、コンプレッサを通過する空気流量と、コンプレッサの効率の関係を示している。同一のタービンの回転数で見ると、黒点（図２でいうと、例えば点３２）で示すある所定の空気流量のときに、コンプレッサの効率が最大となることが分かる。また、図２に示すように、タービンの回転数が上がるにつれて、全体的にコンプレッサの効率は高くなることが分かる。

図３は、タービンの回転数と、図２の黒点に対応するコンプレッサを通過する空気流量の関係を示すグラフである。図３は、タービンの回転数に対し、コンプレッサの効率が最大になるときのコンプレッサを通過する空気流量（以下、単に「最適空気流量」と称す）を示しており、横軸にタービンの回転数をとり、縦軸に最適空気流量をとっている。図３のグラフ４１が示すように、タービンの回転数が低いときには、最適空気流量は小さく、タービンの回転数が高いときには、最適空気流量は大きい。図３のグラフ４１を用いて、タービンの回転数より最適空気流量を求め、コンプレッサを通過する空気流量を、求められた最適空気流量に近づけることができれば、より効率よくコンプレッサを駆動させることができる。さらに、コンプレッサを通過する空気流量を、最適空気流量に合わせることができれば、最大効率でコンプレッサを駆動させることができる。このように、コンプレッサを通過する空気流量を調節することにより、可変ターボチャージャの加速性能を向上させることができる。ＥＣＵ１０は、タービン７の回転数より、図３のグラフ４１を用いて、最適空気流量を算出する。従って、ＥＣＵ１０は、コンプレッサ最適空気流量算出手段としても機能する。

ＥＣＵ１０は、最適空気流量を算出した後、コンプレッサ４を通過する空気流量を、バイパス弁６の開度を調節することで、求められた最適空気流量に合わせる。具体的には、ＥＣＵ１０は、信号Ｓ４をバイパス弁６に供給して、バイパス弁６の開度を調節することで、バイパス通路５に空気を流入させ、コンプレッサ４を通過する空気流量を最適空気流量に調節する。これにより、最大効率でコンプレッサ４を駆動させることができる。

（バイパス弁制御処理）
次に、本実施形態に係る可変ターボチャージャ１００におけるバイパス弁制御処理について、図４のフローチャートを用いて、具体的に述べる。まず、ＥＣＵ１０は、タービン７の回転数を計測する（ステップＳ１１）。タービン７の回転数を計測する方法としては、例えば、タービン７の羽の先に磁石を取り付け、タービン７の磁場の周期変化を、図示しないセンサ等を用いて計測することにより求めることができる。

ＥＣＵ１０は、計測されたタービン７の回転数を基に、先に述べた図３のグラフ４１の関係を用いて、最適空気流量を算出した後（ステップＳ１２）、ＡＦＭ１１より供給された信号Ｓ１を基にして、コンプレッサ４を通過する空気流量を計測する（ステップＳ１３）。さらに、ＥＣＵ１０は、コンプレッサ４を通過する空気流量を算出された最適空気流量に合わせるため、バイパス弁６の調整を行う（ステップＳ１４）。

次に、ステップＳ１４におけるバイパス弁の調整方法について、図５を参照して、具体的に述べる。図５は、流量条件及び圧力条件と、バイパス弁動作の関係を示す図表である。ここで、流量条件とは、コンプレッサ４を通過する空気流量と、最適空気流量の大小関係の条件を示し、圧力条件とは、コンプレッサ４の上流側の圧力Ｐ０の大きさと下流側の圧力Ｐ３の大小関係の条件を示す。図５では、バイパス弁動作について、バイパス弁が開くとき（中間開度時も含む）を「開」で示し、バイパス弁が完全に閉じるときを「閉」で示す。バイパス弁動作は、流量条件及び圧力条件の２つの条件により決定される。

測定されたコンプレッサ４を通過する空気流量が最適空気流量よりも大きい場合には、コンプレッサ４を通過する空気流量を減らして、最適空気流量に近づける必要がある。そこで、コンプレッサ４の上流側の圧力Ｐ０の大きさと下流側の圧力Ｐ３を比較し、圧力Ｐ０の方が大きい場合には、バイパス弁６の開度を調節して、バイパス通路５にも空気を流す。このとき、空気の流れる方向は、図１に示す矢印Ａ１の方向となるので、コンプレッサ４に流れる空気流量を減らすことができる。これにより、コンプレッサ４に流れる空気流量を、最適空気流量に近づけることができる。ＥＣＵ１０は、コンプレッサ４に流れる空気流量が最適空気流量と同じ大きさになるまで、バイパス弁６の開度を調節する。

一方、圧力Ｐ０の方が圧力Ｐ３よりも小さい場合には、バイパス弁６を開くと、図１に示す矢印Ａ２の方向に空気が流れ、コンプレッサ４を通過する空気流量は増えてしまう。そこで、圧力Ｐ０の方が小さい場合には、バイパス弁６を完全に閉じておく。実際には、この状態のときには、圧力Ｐ０と圧力Ｐ３の圧力差によって、コンプレッサ４を通過する空気流量は、既に最適空気流量とほぼ同じ大きさとなっている。

測定されたコンプレッサ４を通過する空気流量が最適空気流量よりも小さい場合には、コンプレッサ４を通過する空気流量を増やして、最適空気流量に近づける必要がある。そこで、コンプレッサ４の上流側の圧力Ｐ０の大きさと下流側の圧力Ｐ３を比較し、圧力Ｐ３の方が大きい場合には、バイパス弁６の開度を調節して、バイパス通路５にも空気を流す。このとき、空気の流れる方向は、図１に示す矢印Ａ２の方向となるので、コンプレッサ４を通過する空気流量を増やすことができる。これにより、コンプレッサ４に流れる空気流量を、最適空気流量に近づけることができる。ＥＣＵ１０は、コンプレッサ４に流れる空気流量が最適空気流量と同じ大きさになるまで、バイパス弁６の開度を調節する。

一方、圧力Ｐ３の方が圧力Ｐ０よりも小さい場合には、バイパス弁６を開くと、図１に示す矢印Ａ１の方向に空気が流れ、コンプレッサ４を通過する空気流量は減ってしまう。そこで、圧力Ｐ３の方が小さい場合には、バイパス弁６を完全に閉じておく。実際には、この状態のときには、圧力Ｐ０と圧力Ｐ３の圧力差によって、コンプレッサ４を通過する空気流量は、既に最適空気流量とほぼ同じ大きさとなっている。

以上で述べたようにバイパス弁６を開閉制御することで、コンプレッサ４を通過する空気流量を最適空気流量に合わせることができ、コンプレッサ４の効率を最大限に高めることができる。

本実施形態に係る可変ターボチャージャの概略構成を示す図である。コンプレッサを通過する空気流量とコンプレッサの効率の関係を示す図である。タービンの回転数と最適空気流量の関係を示す図である。本実施形態に係るバイパス弁制御処理のフローチャートである。流量条件及び圧力条件と、バイパス弁動作の関係を示す図表である。

符号の説明

１内燃機関
２吸気通路
３排気通路
４コンプレッサ
７タービン
８シャフト
５バイパス通路
６バイパス弁
１０ＥＣＵ
１００可変ターボチャージャ

Claims

内燃機関の吸気通路に配置されたコンプレッサと、
前記内燃機関の排気通路に配置されたタービンと、
前記コンプレッサと前記タービンとを連結するシャフトと、
前記吸気通路において、前記コンプレッサの上流側と、前記コンプレッサの下流側とを連結しているバイパス通路と、
前記バイパス通路を流れる空気流量を調節するバイパス弁と、
前記タービンの回転数を基に、前記コンプレッサの効率を最大にするときの前記コンプレッサを通過する空気流量である最適空気流量を算出するコンプレッサ最適空気流量算出手段と、
前記コンプレッサを通過する空気流量である通過空気流量を計測するコンプレッサ通過空気流量計測手段と、
前記コンプレッサの上流側の圧力及び前記コンプレッサの下流側の圧力を計測する圧力計測手段と、
前記コンプレッサの上流側の圧力、前記コンプレッサの下流側の圧力、前記最適空気流量、前記通過空気流量を基に、前記バイパス弁を調節するバイパス弁調節手段と、を備えることを特徴とする可変ターボチャージャ。
前記バイパス弁調節手段は、前記通過空気流量が前記最適空気流量よりも大きく、かつ、前記コンプレッサの上流側の圧力が前記コンプレッサの下流側の圧力よりも大きい場合、または、前記通過空気流量が前記最適空気流量よりも小さく、かつ、前記コンプレッサの上流側の圧力が前記コンプレッサの下流側の圧力よりも小さい場合に、前記通過空気流量が前記最適空気流量になるまで、前記バイパス弁を調節することを特徴とする請求項１に記載の可変ターボチャージャ。