JP2007205265A

JP2007205265A - ディーゼルエンジンの２段式過給システム

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Publication number: JP2007205265A
Application number: JP2006025726A
Authority: JP
Inventors: Naoya Ishikawa; 直也石川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2026-02-02
Also published as: JP4935094B2

Abstract

【課題】高圧段ターボチャージャ６と低圧段ターボチャージャ５を備えたディーゼルエンジン１の２段式過給システム１０において、スムーズに過給圧の制御を行うことができるディーゼルエンジンの２段式過給システムを提供する。
【解決手段】吸入空気量Ｑａｗを求める吸入空気量把握手段と、燃料噴射量Ｑｆｖを求める燃料噴射量把握手段と、前記吸入空気量Ｑａｗと前記燃料噴射量Ｑｆｖに基づいて排ガス流量Ｖｇ２を求める排ガス流量算出手段と、高圧段排気バイパス流路６ｅへ流入する排ガスの流入量Ｑｂを制御する排ガス流入量制御手段とを備えると共に、前記排ガス流入量制御手段が、前記排ガス流量Ｖｇ２に基づいて前記高圧段排気バイパス流路６ｅへの排ガスの流入量Ｑｂを制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャを備えたディーゼルエンジンの２段過給システムに関する。

内燃機関の過給に関しては、排気ターボチャージャの作動領域を拡大することを目的に、ウェストゲートターボチャージャ、可変容量ターボチャージャ等が開発されてきている。しかし、エンジン回転数とトルクと排ガス流量の関係は図８に示すようなものであり、一つの過給器で内燃機関の広範囲の回転域における高圧力比（高過給圧）を得ようとする場合には、ターボチャージャの特性上から作動効率が低下するため、また、サージが起こり易くなり作動流量の範囲が減少するため、この高圧力比化には限界があった。

そのため、多段昇圧および過給器作動効率改善による高過給圧化を目的にした２段過給システムが使用されている。この２段過給システムでは、２個の過給器を直列２段配置とし、吸気を低圧段と高圧段の２段階に分けて昇圧して、各単段階での上昇圧力比を減少させることにより、作動効率の改善を図っている。

この２段過給システムの一つに、シーケンシャルタイプの２段過給システムがある。このシステムは、図１に示すように、容量が大きく異なる２つのターボチャージャ５，６を直列に配置すると共に、内燃機関１の運転状態に応じて適切な過給器５，６を選択できるようにバイパス６ａ，６ｅを設けて、過給システム１０としての作動領域の拡大を図っている。

この２段過給システム１０では、図９に示すように、低速回転〜中速回転においては、低圧段ターボチャージャ５を使用せずに小容量の高圧段ターボチャージャ６を使用して過給を行い、一方、高速回転・高負荷領域にある時に、この運転領域に適合した大容量の低圧段ターボチャージャ５を使用して、従来技術の単段過給システムと同等以上の過給を行う。

このシステム１０では、低圧段ターボチャージャ５と高圧段ターボチャージャ６の容量に大きな差を持たせることで、シリーズタイプの２段過給システムでは、過給困難となるような運転領域でも、過給を行うことができる。

このシステム１０においては、全負荷運転状態において、容量の小さい高圧段タービン６を作動させると排圧の上昇を招くため、運転状態によっては排気ガスの全量を、高圧段タービン６ｔをバイパスさせて低圧段タービン５ｔに流す必要がある。そのため、運転状態に応じて低圧段ターボチャージャ５と高圧段ターボチャージャ６を切り替えて使用する。

このシステム１０では、低速・低負荷運転では、小流量の高圧段ターボチャージャ６を用いることにより、高過給及び高ＥＧＲ率を実現し、低ＮＯｘ及び低煤燃焼を実現し、また、小慣性のタービンとなることにより、高レスポンスとなるため加速時のターボラグが無くなり、ドライバビリティも向上する。また、高速・高負荷運転では、低圧段のターボに切り替えて使用することにより、エンジンの性能が悪化するのを回避する。

しかしながら、内燃機関の運転状態が、低速回転領域にある場合は、必要な過給圧を得るために排気ガスの全量を高圧段タービン６に送る必要があり、また、中速回転領域にある場合は、低圧段ターボチャージャ５及び高圧段ターボチャージャ６の両段を使用して過給を行うため、高圧段と低圧段の両タービンに送る排ガス流量を正確に制御する必要がある。

そのため、このシステム１０では、流量制御用のバイパスバルブ６ｅを備えた高圧段排気バイパス流路６ｄを設ける。このバイパスバルブ６ｅには、排ガスの流量が大流量となる運転状態において、排圧の上昇を招かずに排ガスの全量を流せる流量特性を持ちつつ、一方、排ガスの流量が小流量〜中流量となる運転状態において、高圧段タービン６ｔの排ガスの流れを制御できることが要求される。

しかしながら、従来技術においては、２段過給システムにおけるターボチャージャの切替制御は、マップ制御やブースト制御で行っている。

最初にマップ制御について説明するが、このマップ制御では、図１０に示すようなエンジンの回転数と燃料噴射量とをベースにしたバイパスバルブの弁開度を示すマップデータを参照して、バイパスバルブの弁開度を算出し、この弁開度に制御してターボチャージャの切替を行っている。

このマップ制御の場合には、ターボチャージャの動作とは関係なく、定常試験で作成されたマップデータに従ってバイパスバルブの制御が行われるため、高圧段ターボチャージャと、低圧段ターボチャージャの使用領域の間の過渡時にはターボラグのため、マップデータと実際の排ガス流量との間に差が生じてしまい、ブースト圧の低下等が発生するという問題がある。即ち、過渡時にはターボラグのために同じエンジン回転数と燃料噴射量でも排ガス流量が異なるため、ターボの作動状況が異なるからである。

この様子を図１１に示す。図１１は、一定速度からアクセルを踏み込んで燃料噴射量Ｑｆを増加して、加速を開始した場合を示す。この燃料噴射量Ｑｆの増加に伴い、エンジン回転数Ｎｅが上昇して、ブースト（過給圧）Ｐｇ２（Ｂ）が上昇する。このマップ制御の場合には、エンジン回転数Ｎｅ１になると、バイパスバルブの制御が開始され、Ｎｅ２になるとバイパスバルブを全開（１００％）する。

この過渡時ではターボラグによってブーストＰｇ２（Ｂ）は定常運転時のブーストＰｇ１程高くならない。このように、ターボ効率が落ちている状態で定常状態と同じようにバイパスバルブを開閉すると、高圧段ターボチャージャの回転が急に下がるためにブーストＰｇ２（Ｂ）が落ちてしまう現象が起こる。なお、Ｖｇ１は定常運転時の排ガス流量を示し、Ｖｇ２は過渡時の排ガス流量を示す。また、Ｓｐｖはバイパスバルブ制御信号を示す。

次にブースト制御について説明するが、このブースト制御では、エンジンの吸入空気量を検出して、低吸入空気量域にある場合には、排気切替弁を強制的に開くことにより、即ち、吸入空気量を元にターボチャージャの切替を行うことにより、排気切替弁の上下流の圧力差を無くすと、排気切替弁をバタつかす力が排気切替弁に作用しなくなるので、排気切替弁のバタツキの発生を防止してビビリ音発生を防止することができる過給機付エンジンの制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、高圧段コンプレッサの出口の吸入空気圧を元にターボタチャージャの切替を行うことにより、エンジンの回転数の増大によって増大する吸気マニホールド圧力を得ることができ、排気切替弁が閉から開に切り替わったときの排圧減少によるトルク増大があってもこれと調和させ、円滑なトルク変化を得ることができる２段過給内燃機関の過給圧制御装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、これらの吸入空気量、又は、吸入空気圧を元にターボチャージャの切替を行う場合は、あくまで吸入される空気量、又は、空気圧であって、ターボチャージャの実際の挙動に影響を及ぼす排ガス流量ではないため、やはり、切替時にターボラグ等が生じるという問題がある。

また、ガソリンエンジンでは、空燃比（Ａ／Ｆ）を１４〜１５のストイキの一定になるように制御して運転するので、吸入空気流量から排ガス流量を容易に推定できるが、ディーゼルエンジンにおいては、吸入空気量と燃料噴射量を独立させて制御しているので、吸入空気量だけで排ガス流量を正確に推定することは困難であるという問題がある。
特開平３−２１３６２０号公報特開平４−１７７２５号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャを備えたシーケンシャルタイプの２段式過給システムにおいて、ターボ特性を考慮して、排ガス流量を元にして、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャジャの切替制御を行うことにより、過渡期においても、ブーストの落ち込みもなくスムーズに過給圧の制御を行うことができるディーゼルエンジンの２段式過給システムを提供することにある。

上記のような目的を達成するためのディーゼルエンジンの２段式過給システムは、ディーゼルエンジンの吸気流路の上流側から順に低圧段ターボチャージャの低圧段コンプレッサと高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサを設けると共に、排気流路の上流側から順に前記高圧段ターボチャージャの高圧段タービンと前記低圧段ターボチャージャの低圧段タービンを設け、前記高圧段コンプレッサをバイパスする高圧段吸気バイパス流路と、前記高圧段タービンをバイパスする高圧段排気バイパス流路とを備えたディーゼルエンジンの２段過給システムにおいて、吸入空気量を求める吸入空気量把握手段と、燃料噴射量を求める燃料噴射量把握手段と、前記吸入空気量と前記燃料噴射量に基づいて排ガス流量を求める排ガス流量算出手段と、前記排ガス流量に基づいて前記高圧段排気バイパス流路へ流入する排ガスの流入量を制御する排ガス流入量制御手段とを備えて構成される。

この構成によれば、吸入空気量と燃料噴射量とから排ガス流量を算出し、この排ガス流量に基づいてターボチャージャの切替制御を行うため、ターボラグに起因するブーストの低下等の問題の発生を防止でき、過渡期においても、ブーストの落ち込みもなくスムーズに過給圧の制御を行うことができる。

また、上記のディーゼルエンジンの２段過給システムにおいて、前記排ガス流量算出手段が、前記排ガス流量として排ガス質量流量を算出し、前記排ガス流入量制御手段が、前記排ガス質量流量に基づいて前記高圧段排気バイパス流路への排ガスの流入量を制御するように構成される。なお、排ガス質量流量は、排ガスの量を質量で表すものである。

この構成により、排ガス質量流量は吸入空気量（質量）と燃料噴射量（質量）の和で算出できるので、算出が容易な排ガス質量流量に基づいて制御でき、比較的簡便な制御となる。なお、この質量流量を使用する場合には、回転−負荷で排ガスの密度はほぼ決まっているとの仮定のもとで使用する。

あるいは、上記のディーゼルエンジンの２段過給システムにおいて、排ガス密度を求める排ガス密度算出手段を備えると共に、前記排ガス流量算出手段は、前記排ガス流量として、前記吸入空気量と前記燃料噴射量と前記排ガス密度から排ガス体積流量を算出し、前記排ガス流入量制御手段が、前記排ガス体積流量に基づいて前記高圧段排気バイパス流路への排ガスの流入量を制御するように構成される。なお、排ガス体積流量は、排ガスの量を体積で表すものである。

この構成により、吸入空気量（質量）と燃料噴射量（質量）の和を、排ガス温度の関数となる排ガス密度で割り算して求める排ガス体積流量に基づいて制御することができる。実際には、体積流量でターボ性能が変化し、ターボを通過した流体の体積に応じて仕事を取り出しているので、通常、ターボの動作状態を表すために体積流量が使用されている。なお、同一の質量でも温度が変わると体積が変わるので、排ガス温度から密度の補正をする。これにより、排ガス質量流量で制御する場合よりも、制御の精度を増すことができる。

更に、上記のディーゼルエンジンの２段過給システムで、前記排ガス流入量制御手段の制御において、前記排ガス流量が、前記高圧段タービンの容量の最大値である第１排ガス流量になったときから、前記高圧段排気バイパス流路への排ガスの流入量を増加し始め、前記高圧段ターボチャージャと前記低圧段ターボチャージャとの容量の比率によって設定された第２排ガス流量になったときに、前記排ガスの流入量を最大にするように構成される。

この構成によれば、排ガス流量とターボチャージャの容量との関係によって排ガスの流入量の制御、言い換えれば、バイパスバルブの弁開度の調整制御が行われるので、スムーズなターボチャジャの切替が可能となる。

本発明に係るディーゼルエンジンの２段式過給システムによれば、ターボチャージャの特性を考慮して、排ガス流量を指標にしてターボチャージャの切替制御を行うことにより、過渡時においても、ブーストの落ち込みも無くスムーズに過給圧の制御を行うことができる。

以下、本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンの２段過給システムについて、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、この２段過給システム１０では、ディーゼルエンジン１の吸気流路３の上流側から順に低圧段ターボチャージャ５の低圧段コンプレッサ５ｃと高圧段ターボチャージャ６の高圧段コンプレッサ６ｃを設けると共に、排気流路４の上流側から順に高圧段ターボチャージャ６の高圧段タービン６ｔと低圧段ターボチャージャ５の低圧段タービン５ｔを設ける。

また、低圧段ターボチャージャ５には、低圧段タービン５ｔをバイパスするための低圧段排気バイパス流路５ａを設け、この低圧段排気バイパス流路５ａには、流れる排ガス流量を制御するためのウェストゲートバルブ５ｂを取り付ける。このウェストゲートバルブ５ｂは、過給圧供給管１４からの過給圧で作動するアクチュエータ５ｄにより開弁、閉弁、または、その弁開度の調整が行われる。この調整により、ターボチャージャ５の過回転により、ターボチャージャ５の損傷を防ぎブースト圧を一定に保つことができる。

また、高圧段ターボチャージャ６には、吸気系においては、高圧段コンプレッサ６ｃをバイパスさせる高圧段吸気バイパス流路６ａを設け、この高圧段吸気バイパス流路６ａと吸気流路３との合流部位には、流れるガス量を制御するための高圧段吸気バイパスバルブ（図１では３方弁）６ｂを取り付ける。また、この高圧段吸気バイパスバルブ６ｂと吸気マニホールド３ａとの間の吸気流路３には、圧縮されて温度が上昇した吸入空気を冷却するインタークーラ７を設ける。

更に、排気系においては、高圧段タービン６ｔをバイパスさせる高圧段排気バイパス流路６ｄを設け、この高圧段排気バイパス流路６ｄには、流れる排ガスの流量を制御するための高圧段排気バイパスバルブ６ｅを取り付ける。この高圧段排気バイパスバルブ６ｅは、２ウェイバルブ６ｇで制御されるアクチュエータ６ｆにより、開弁、閉弁、または、その弁開度の調整が行われる。このアクチュエータ６ｆは、過給圧供給管１４からの過給圧で作動するが、２ウェイバルブ６ｇにより、開弁、閉弁及びその弁開度の調整が行われる。

そして、ＥＧＲに関して、ＥＧＲクーラ１２とＥＧＲ弁１３を備えたＥＧＲ流路１１を、排気マニホールド４ａと、吸気マニホールド３ａとを接続して設ける。このＥＧＲ流路１１により、排気マニホールド４ａから吸気マニホールド３ａへ、ＥＧＲクーラ１２とＥＧＲ弁１３とを経由してＥＧＲガスＧｅを導入する。

更に、このディーゼルエンジンの２段過給システム１０では、図示しないが、吸入空気量把握手段、燃料噴射量把握手段、排ガス密度算出手段、排ガス流量算出手段、排ガス流入量制御手段を備えて構成する。

この吸入空気量把握手段は、吸入空気量Ｑａｗを求める手段であり、ＭＡＦ（マスエアフローセンサ）の測定値や、エンジン回転数とトルク（負荷）をベースにした目標吸入空気量のマップデータから求めた目標吸入空気量などから、吸入空気量Ｑａｗを求める。また、燃料噴射把握手段は、燃料噴射量Ｑｆｖを求める手段であり、目標燃料噴射量から求めるが、実際の燃料噴射量を算出して求める方法でもよい。

排ガス密度算出手段は、排気温度センサなどで計測された排ガス温度、または、エンジン回転数とトルクをベースにした排ガス温度のマップデータ等から算出される排ガス温度Ｔｇを基に排ガス密度ρｇを求める手段であり、排ガス温度Ｔｇをベースにした排ガス密度ρｇのデータから、現在の排ガス温度Ｔｇに対する排ガス密度ρｇを求める。また、排ガス流量算出手段は、吸入空気量Ｑａｗと燃料噴射量Ｑｆｖに基づいて排ガス流量Ｖｇ２を求める手段である。

また、排ガス流入量制御手段は、算出された排ガス流量Ｖｇ２に基づいて高圧段排気バイパス流路６ｅへ流入する排ガスの流入量Ｑｂを制御する手段であり、高圧段排気バイパスバルブ６ｅとこれを制御するバイパスバルブ制御機構（アクチュエータ６ｆ，２ウェイバルブ６ｇ）とこのバイパスバルブ制御機構を制御するバイパスバルブ制御装置からなる。

これらの吸入空気量把握手段、燃料噴射量把握手段、排ガス流量算出手段等の演算手段とバイパスバルブ制御装置は、ディーゼルエンジン１を制御するエンジン・コントロール・ユニット（ＥＣＵ）と呼ばれるエンジン制御装置に組込まれる。

そして、本発明の排ガス流入制御手段は、エンジン１０の運転状態が低速・低負荷時には高圧段排気バイパス流路６ｄの高圧段排気バイパスバルブ６ｅを閉弁し、中速・中負荷時はこのバイパスバルブ６ｅを徐々に開弁し、高速・高負荷時はこのバイパスバルブ６ｅを全開する制御を行う。

図２にエンジンの運転状態を示すエンジン回転数とトルクに対する排ガス流量を模式的に示す。図２に示すように、低速・低負荷時で排ガス流量が少ないときは高圧段ターボチャージャ６の高圧段作動領域となり、高速・高負荷時で排気ガスの流量が多いときは低圧段ターボチャージャ５の低圧段作動領域となる。

そして、図２に示すように、この高圧作動領域から低圧段作動領域に移行する部分に、中速・中負荷時のバイパス弁開度制御領域（ハッチング部分）が設けられる。このバイパス弁開度制御領域では、図３に示すように、高圧段排気バイパスバルブ６ｅを排ガス流量の増加に伴って徐々に開弁し、高圧段排気バイパス流路６ｄを使用して高圧段ターボチャージャ６の作動領域から徐々に低圧段ターボチャジャ５の作動領域に移行する。

そして、本発明においては、図２に示すように、高圧段ターボチャージ６のみが作動する高圧段作動領域と、低圧段ターボチャージャ５のみが作動する低圧段作動領域との間のバイパス弁開度制御領域におけるターボチャージャ５、６の切替操作で、高圧段排気バイパス弁６ｅの弁開度を図３に示すように、排ガス流量Ｖｇ２に基づいて制御する。即ち、排ガス流量Ｖｇ２が第１排ガス流量Ｑ１になった時から、弁開度を０％から増加し始め、排ガス流量Ｖｇ２が第２排ガス流量Ｑ２になった時に最大の弁開度（１００％）とし、それ以後、即ち、排ガス流量Ｖｇ２がＱ２以上では、最大の弁開度（１００％）を維持する。

この第１排ガス流量Ｑ１は、高圧段タービン６ｔの容量の最大値であり、排ガス流量Ｖｇ２が、この第１排ガス流量Ｑ１になるときから、弁開度を０％から増加し始め、高圧段排気バイパス流路６ｄへの排ガスの流入量Ｑｂを増加し始める。

また、第２排ガス流量Ｑ２は、高圧段ターボチャージャ６と低圧段ターボチャージャ５との容量の比率によって設定された値であり、この第２排ガス流量Ｑ２になると弁開度を１００％とし、高圧段排気バイパス流路６ｄへの排ガスの流入量Ｑｂを最大とする。

つまり、排ガス流入量制御手段の制御において、排ガス流量Ｖｇ２が、高圧段タービン６ｔの容量の最大値である第１排ガス流量Ｑ１になったときから、高圧段排気バイパス流路６ｅへの排ガスの流入量Ｑｂを増加し始め、高圧段ターボチャージャ６と低圧段ターボチャージャ５との容量の比率によって設定された第２排ガス流量Ｑ２になったときに、排ガスの流入量Ｑｂを最大にする。

この第２排ガス流量Ｑ２は、二つのターボチャージャ５、６の特性によって決まる値であり、過給と排圧の特性や排ガスの特性により判断され、概略的には、排ガス流量が増加し低圧段ターボチャージャ５の効率が上がってきた所となる。

そして、第１の実施の形態では、この排ガス流量Ｖｇ２の算出は、図４に示すように、｛吸入空気量（質量）Ｑａｗ（ｇ／ｃｙｃ）＋燃料噴射量Ｑｆｖ（ｍｍ³／ｃｙｃ）×燃料密度ρｆ（ｇ／ｍｍ³）｝により、１気筒の１サイクルあたりの排ガス質量Ｑｇｃ（ｇ／ｍｉｎ）を算出し（Ｑｇｃ＝Ｑａｗ＋Ｑｆｖ×ρｆ）、これに、気筒数Ｎｃとエンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）／２を乗じて、排ガス質量流量Ｖｇ２ｗ（ｇ／ｍｉｎ）を算出する（Ｖｇ２ｗ＝Ｑｇｃ×Ｎｃ×Ｎｅ／２）。この排ガス質量流量Ｖｇ２ｗを排ガス流量Ｖｇ２とする（Ｖｇ２＝Ｖｇ２ｗ）。

つまり、排ガス流量算出手段が、排ガス流量Ｖｇ２として排ガス質量流量Ｖｇ２ｗを算出する。そして、排ガス流入量制御手段が、この排ガス質量流量Ｖｇ２ｗに基づいて高圧段排気バイパス流路６ｄへの排ガスの流入量Ｑｂを制御する。

また、第２の実施の形態では、この排ガス流量Ｖｇ２の算出は、図５に示すように、｛吸入空気量（質量）Ｑａｗ（ｇ／ｃｙｃ）＋燃料噴射量Ｑｆｖ（ｍｍ³／ｃｙｃ）×燃料密度ρｆ（ｇ／ｍｍ³）｝により、１気筒の１サイクルあたりの排ガス質量Ｑｇｃ（ｇ／ｃｙｃ）を算出し（Ｑｇｃ＝Ｑａｗ＋Ｑｆｖ×ρｆ）、これに、気筒数Ｎｃとエンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）／２を乗じて、排ガス質量流量Ｖｇ２ｗ（ｇ／ｍｉｎ）を算出する（Ｖｇ２ｗ＝Ｑｇｃ×Ｎｃ×Ｎｅ／２）。この排ガス質量流量Ｖｇ２ｗ（ｇ／ｍｉｎ）を排ガス温度（℃）の関数となる排ガス密度ρｇ（ｇ／ｍｍ³）で割算して、排ガス体積流量Ｖｇ２ｖ（ｍｍ³／ｍｉｎ）を算出し（Ｖｇ２ｖ＝Ｖｇ２ｗ／ρｇ）、これを排ガス流量Ｖｇ２とする（Ｖｇ２＝Ｖｇ２ｖ）。なお、この排ガス密度（ｇ／ｍｍ³）ρｇは、排ガス温度（℃）をベースにした予め定められたデータとして記憶されている。

なお、実際には排ガスの体積流量でターボ性能が変わるので、排ガス質量流量Ｖｇ２ｗではなく、排ガス体積流量Ｖｇ２ｖに換算してターボの制御を行うのが好ましい。

つまり、排ガス流量算出手段は、排ガス流量Ｖｇ２として、吸入空気量Ｑａｗと燃料噴射量Ｑｆｗと排ガス密度ρｇから排ガス体積流量Ｖｇ２ｖを算出し、排ガス流入量制御手段が、排ガス体積流量Ｖｇ２ｖに基づいて高圧段排気バイパス流路６ｄへの排ガスの流入量Ｑｂを制御する。

この排ガス流量Ｖｇ２に基づく高圧段排気バイパスバルブ６ｅの制御は、例えば、図６に示すような制御フローに基づいて行われる。この図６の制御フローは、高圧段排気バイパスバルブ６ｅの制御を行う際に繰り返し呼ばれる制御フローとして例示してある。

この制御フローがスタートすると、ステップＳ１１で、ＭＡＦで計測された吸入空気量Ｑａｗや、燃料噴射で使用する燃料噴射量Ｑｆｖを読み込む。排ガス流量Ｖｇ２として排ガス体積流量Ｖｇ２ｖを使用する場合には排ガス温度Ｔｇも読み込む。なお、排ガス温度センサが無い場合には、その時にエンジン回転数と負荷から、エンジン回転数と負荷をベースに排ガス温度を示すマップデータから排ガス温度Ｔｇを推定する。

次のステップＳ１２で、排ガス流量Ｖｇ２を算出する。この排ガス流量Ｖｇ２の算出は上述したように図４や図５のような排ガス流量の計算フローに従って、ステップＳ１１で読み込んだ吸入空気量Ｑａｗと燃料噴射量Ｑｆｖとから排ガス質量流量Ｖｇ２ｗを算出する。また、排ガス体積流量Ｖｇ２ｖを使用する場合は排ガス温度Ｔｇから排ガス密度ρｇを算出し、この排ガス密度ρｇで排ガス質量流量Ｖｇ２ｗを割り算して排ガス体積流量Ｖｇ２ｖを算出する。

そして、次のステップＳ１３で、この算出した排ガス流量Ｖｇ２から、高圧段排気バイパスバルブ６ｅの弁開度を算出する。次のステップＳ１４で、この弁開度になるように、高圧段排気バイパスバルブ６ｅの弁開度を制御する。この弁開度の制御では、単純な制御ではＤＵＴＹ制御を行うが、より高精度な制御では、高圧段排気バイパスバルブ６ｅのリフトのフィードバック制御を行う。このステップＳ１４を終えるとリターンする。

一方、高圧段コンプレッサ６ｃ側の高圧段吸気バイパスバルブ７の制御では、吸気流路３と高圧段吸気バイパス流路６ａの圧力差をモニターして、高圧段吸気バイパス流路６ａの圧力が大きくなった場合には開く制御をするか、あるいは、自動弁として自動的に開くようにしておく。また、高圧段排気バイパスバルブ６ｅが全開に近くなると仕事をしなくなるので、高圧段排気バイパスバルブ６ｅの弁開度に閾値を設けて開く等する。これらの場合は、それぞれ対応するマップを予め作成しておいて、それに基づいて制御する。

この制御フローに従うことにより、排ガス流量Ｖｇ２を算出して、この排ガス流量Ｖｇ２を基に高圧段排気バイパスバルブ６ｅの弁開度を制御するので、排ガス流量Ｖｇ２に基づいて高圧段排気バイパス流路６ｄへの排ガスの流入量Ｑｂを制御することができる。

図７に、この実施の形態において、一定速度からアクセルを踏み込んで、燃料噴射量Ｑｆを増加して加速を開始した時の、排ガス流量（体積）Ｖｇ２とブーストＰｇ２（Ａ）の様子を示す。Ｖｇ１は定常運転時の排ガス流量（体積）を、Ｐｇ２（Ｂ）は従来技術のマップ制御を行った場合のブーストを示す（図１１のＰｇ２（Ｂ）と同じ）。また、Ｎｅはエンジンの回転数を、Ｑｆは燃料噴射量を、Ｓｐｖは高圧段排気バイパスバルブ６ｅの制御信号を示す。

この図７によれば、この過渡時の挙動、高圧段ターボチャージャ６に流れる排ガス流量Ｖｇ２を考慮して高圧段排気バイパスバルブ６ｅの開度制御を行うので、ブーストＰｇ１で示すように、従来技術のブーストＰｇ２（Ｂ）のような落ち込みもなく、スムーズに制御することができることが分かる。

従って、上記の構成のディーゼルエンジンの２段過給システム１０によれば、吸入空気量Ｑａｗと燃料噴射量Ｑｆｖとから排ガス流量Ｖｇ２を算出し、この排ガス流量Ｖｇ２に基づいてターボチャージャ５，６の切替制御を行うため、ターボラグに起因するブーストの低下等の問題の発生を防止でき、過渡時においても、ブーストの落ち込みも無くスムーズに過給圧の制御を行うことができる。

本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンの２段過給システムの構成を示す図である。排ガス流量とターボチャージャの作動領域の関係を示す図である。２段過給システムにおける排ガス流量と高圧段排気バイパスバルブの弁開度の関係を示す図である。排ガス流量（質量）の計算フローを示す図である。排ガス流量（体積）の計算フローを示す図である。本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンの２段過給システムの制御フローを示す図である。実施例と従来例の制御とブーストを示す図である。エンジンの運転領域（エンジン回転数、トルク）と排ガス流量との関係を示す図である。エンジンの運転領域（エンジン回転数、トルク）と高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャの作動領域を示す概念図である。従来技術の制御で使用される、エンジン回転数、燃料噴射量をベースに高圧段排気バイパスバルブの弁開度を示すマップデータの例である。従来技術におけるマップ制御によるブーストの過渡時の挙動を示す図である。

符号の説明

１ディーゼルエンジン
２エンジン本体
３吸気流路
４排気流路
５低圧段ターボチャージャ
５ａ低圧段排気バイパス流路
５ｂウェストゲートバルブ
５ｃ低圧段コンプレッサ
５ｔ低圧段タービン
６高圧段ターボチャージャ
６ａ高圧段吸気バイパス流路
６ｂ高圧段吸気バイパス弁
６ｃ高圧段コンプレッサ
６ｄ高圧段排気バイパス流路
６ｅ高圧段排気バイパスバルブ
６ｆアクチュエータ
６ｇ２ウェイバルブ
６ｔ高圧段タービン
１０２段過給システム
Ａ吸気
Ｇ排気ガス
ＧｅＥＧＲガス
Ｎｃ気筒数
Ｎｅエンジン回転数
Ｑａｗ吸入空気量（質量）
Ｑｇｃ１気筒の１サイクルあたりの排ガス質量
Ｑｆｖ燃料噴射量（体積）
Ｖｇ２排ガス流量
Ｖｇ２ｗ排ガス質量流量
Ｖｇ２ｖ排ガス体積流量
ρｆ燃料密度
ρｇ排ガス密度

Claims

ディーゼルエンジンの吸気流路の上流側から順に低圧段ターボチャージャの低圧段コンプレッサと高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサを設けると共に、排気流路の上流側から順に前記高圧段ターボチャージャの高圧段タービンと前記低圧段ターボチャージャの低圧段タービンを設け、前記高圧段コンプレッサをバイパスする高圧段吸気バイパス流路と、前記高圧段タービンをバイパスする高圧段排気バイパス流路とを備えたディーゼルエンジンの２段過給システムにおいて、
吸入空気量を求める吸入空気量把握手段と、燃料噴射量を求める燃料噴射量把握手段と、前記吸入空気量と前記燃料噴射量に基づいて排ガス流量を求める排ガス流量算出手段と、前記排ガス流量に基づいて前記高圧段排気バイパス流路へ流入する排ガスの流入量を制御する排ガス流入量制御手段とを備えたことを特徴とするディーゼルエンジンの２段過給システム。
前記排ガス流量算出手段が、前記排ガス流量として排ガス質量流量を算出し、前記排ガス流入量制御手段が、前記排ガス質量流量に基づいて前記高圧段排気バイパス流路への排ガスの流入量を制御することを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの２段過給システム。
排ガス密度を求める排ガス密度算出手段を備えると共に、前記排ガス流量算出手段は、前記排ガス流量として、前記吸入空気量と前記燃料噴射量と前記排ガス密度から排ガス体積流量を算出し、前記排ガス流入量制御手段が、前記排ガス体積流量に基づいて前記高圧段排気バイパス流路への排ガスの流入量を制御することを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの２段過給システム。
前記排ガス流入量制御手段の制御において、前記排ガス流量が、前記高圧段タービンの容量の最大値である第１排ガス流量になったときから、前記高圧段排気バイパス流路への排ガスの流入量を増加し始め、前記高圧段ターボチャージャと前記低圧段ターボチャージャとの容量の比率によって設定された第２排ガス流量になったときに、前記排ガスの流入量を最大にすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンの２段過給システム。