JP2007205306A

JP2007205306A - 過給機付きエンジン

Info

Publication number: JP2007205306A
Application number: JP2006027282A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Yamagata; 直之山形
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2007-08-16
Also published as: US20070180824A1; EP1816326A1

Abstract

【課題】低速トルクを確実に向上させることが出来る過給機付きガソリンエンジンを提供する。
【解決手段】本発明は、吸気通路（６）に設けられたブロア（１６）と、排気通路（８）に設けられその入口側に可動ベーン（３２）を備えたタービン（１４）と、を有する可変容量式過給機（１２）と、吸気通路に設けられた電動過給機（２０）と、エンジンの低回転時において、排圧が所定の過給圧よりも低くなるように可動ベーンの開度を設定すると共に過給圧が所定の過給圧となるように電動過給機を作動させて吸排気の圧力を制御する吸排気圧力制御手段（２２）と、を備える
【選択図】図１

Description

本発明は、過給機付きエンジンに係り、特に、過給機付きガソリンエンジンに関する。

排気圧を利用した過給機（所謂ターボチャージャー）を備えたエンジンが知られている。このような過給機を設けたエンジンは、高い出力が得られるものの、排気エネルギの小さいエンジン低回転時に過給効率が低下するので、低速トルクが比較的小さいという特性を有する。近年、低速トルクをも高めるために、過給機に流入する排気の流れや圧力を可動ベーンにより調整するようにした可変容量式過給機（ＶＧＴ：Variable Geometry Turbo）が知られている（例えば、特許文献１）。このような可変容量式過給機では、エンジンの低回転時に可動ベーンの開度を小さくして高い過給効率を得ることが出来る。一方、エンジン高回転時には、可動ベーンの開度を大きくして排気の流量を確保することにより、高い過給効率を得ることが出来る。
また、上述したような低速トルクが小さい過給機に加えて電動過給機を設け、この電動過給機により過給をアシストすることも知られている（例えば、特許文献２）。

特開２００１−１３２４６３号公報特開２００２−０２１５７３号公報

ここで、近年、燃費の向上や環境問題への対応から、エンジンの排気量を小さくすることが要望されている。しかし、エンジンの排気量を小さくすると、エンジンの出力が低下して、走行性能が犠牲になってしまう。このような問題に対し、過給機を設けることによりエンジンの出力を向上させて、結果として、燃費等と走行性能とを両立させることが出来ると考えられる。

このような場合、特に、ガソリンエンジンにおいて低速トルクを高めることが要望されており、上述した可変容量式過給機をガソリンエンジンに設けることが試みられている。しかしながら、以下のような問題が生じていた。即ち、可動ベーンを閉じる方向に向けると、排圧が高まり、この高まった排圧が過給圧より高い状態となってしまう。従って、吸排気のオーバーラップ時に排気ガスが抜けにくくなり、その結果、残留ガスが増えてノッキングが生じてしまうのである。そして、ノッキングが生じると、過給圧が高まってもトルクが出にくくなってしまう。このような問題から、従来、可変容量式過給機は、ガソリンエンジンでは実用化されておらず、ノッキングが生じないディーゼルエンジンでしか実用化されていなかった。

そこで、本発明は、低速トルクを確実に向上させることが出来る過給機付きガソリンエンジンを提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために本発明による過給機付きガソリンエンジンは、吸気通路に設けられたブロアと、排気通路に設けられその入口側に可動ベーンを備えたタービンと、を有する可変容量式過給機と、吸気通路に設けられた電動過給機と、エンジンの低回転時において、排圧が所定の過給圧よりも低くなるように可動ベーンの開度を設定すると共に過給圧が所定の過給圧となるように電動過給機を作動させて吸排気の圧力を制御する吸排気圧力制御手段と、を備えることを特徴としている。
このように構成された本発明においては、吸排気圧力制御手段により、エンジンの低回転時において、排圧が所定の過給圧よりも低くなるように可変容量式の過給機の可動ベーンの開度が設定されると共に過給圧が所定の過給圧となるように電動過給機が作動されるので、残留ガスの増加を抑制することが出来る。さらに、例えば必要とされる低速トルクを得ることが出来る所定の過給圧を得ることが出来る。従って、ノッキングの発生を抑制しつつ、可変容量式過給機による過給及び電動過給機による過給アシストにより、低速トルクを確実に向上させることが出来る。

また、本発明において、好ましくは、吸排気圧力制御手段による制御は、エンジンの低回転時且つ高トルク時に行われ、低回転時且つ低トルク時は可変容量式過給機の可動ベーンの開度が全開に設定されている。
このように構成された本発明においては、吸排気圧力制御手段による制御は、エンジンの低回転時且つ高トルク時に行われるので、車両の加速時やエンジンに高負荷がかかるときなど、低速高トルク要求時において、残留ガスの増加を抑制しつつ、より確実に低速トルクを向上することが出来る。また、低回転時且つ低トルク時は可変容量式過給機の可動ベーンの開度が全開に設定されているので、例えば過給が不要なときなどに排圧を下げて、残留ガスの増加を抑制することが出来る。

また、本発明において、好ましくは、電動過給機は、可変容量式過給機のブロアの下流側に配置されている。
このように構成された本発明においては、電動過給機による過給アシストのレスポンスを向上させることが出来る。

また、本発明において、好ましくは、電動過給機は、可変容量式過給機のブロアの上流側に配置されている。
このように構成された本発明においては、電動過給機が、可変容量式過給機により圧縮された高温の吸気の熱の影響を受けにくい。

本発明の過給機付きガソリンエンジンによれば、低速トルクを確実に向上させることが出来る。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
先ず、図１により、本発明の第１実施形態による過給機付きガソリンエンジンの主な構成を説明する。図１は、本発明の第１実施形態による過給機付きガソリンエンジンの主な構成を示す図である。
図１に示すように、エンジン１は、ガソリンエンジンであって、エンジンブロック２に複数の燃焼室４が形成されている。これらの燃焼室４には、燃焼室４に空気を導入する吸気通路６と、燃焼室４から排気を導出する排気通路８が接続されている。吸気通路６には、スロットル１０が設けられている。

このガソリンエンジン１は、ターボ過給機１２を有している。このターボ過給機１２は、後述するように可変容量式過給機（ＶＧＴ）である。ターボ過給機１２は、排気通路８に設けられたタービン１４及び吸気通路６に設けられたブロア（コンプレッサ）１６を備えている。タービン１４及びブロア１６は互いに連結されている。タービン１４は、排気通路８内の排気エネルギにより回転駆動されてブロア１６を回転駆動し、この回転駆動されたブロア１６は、吸気通路６内の吸気を圧縮する。ブロア１６の下流側には、ブロア１６で圧縮されて高温になった吸気を冷却し、吸気の密度を大きくするインタークーラ１８が設けられている。

ブロア１６及びインタークーラ１８の下流側には、さらに、電動過給機２０が設けられている。この電動過給機２０は、ターボ過給機１２で圧縮された吸気をさらに圧縮して過給効率を高めるものである。
ターボ過給機１２及び電動過給機２０には、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）２２が接続されている。このＥＣＵ２２により、ターボ過給機１２の容量が制御され、また、電動過給機２０の作動が制御されるようになっている。このＥＣＵ２２には、エンジン回転数センサ２４からのエンジン回転数Ｎｅに関する出力信号、及び、スロットル開度センサ２６からのスロットル開度ＴＶＯに関する出力信号が入力されるようになっている。

次に、図２により、ターボ過給機１２の可変容量機構に関する構造を説明する。図２は、本発明の実施形態による可変容量式ターボ過給機のタービン室の概略拡大断面図である。
図２に示すように、タービン１４は、タービン室２８を有し、このタービン室２８内には、矢印方向に排気ガスが流れ込んでくる。タービン室２８において、この排気ガスが流れ込む側、即ち、入口側には、タービン翼３０を取り囲むように複数の可動ベーン３２が設けられている。これらの可動ベーン３２は軸３４回りに回動可能であり、これらの可動ベーン３２の回動により開度が変化するようになっている。

図２に実線で示すように、可動ベーン３２が相互に近接するように、即ち、可動ベーン３２がより円周方向に近い向きで延びるようにすれば、各可動ベーン３２で形成されるノズル３６の開度（可動ベーンの開度）が小さく絞られる。特に、エンジンの回転数が低いときに開度を小さくすると、流速が高まり、さらに、流れがタービンの接線方向（円周方向）に向くので、過給効率が高まる。しかしながら、排圧は高まってしまう。
図２に鎖線で示すように、可動ベーン３２が相互に離反するように、即ち、可動ベーン３２がより半径方向に近い向きで延びるようにすれば、ノズル３６の開度が大きくなる。特に、エンジンの回転数が高いときに開度を大きくすると、大流量を確保することが出来るので、過給効率が高まる。ＥＣＵ２２は、これらの可動ベーン３２の開度を全閉から全開まで制御するようになっている。

次に、図３及び図４により、ＥＣＵ２２によるターボ過給機１２及び電動過給機２０の制御の内容を説明する。図３は、本発明の実施形態によるエンジンの過給圧及び排圧（ａ）、可動ベーン開度の制御マップ（ｂ）及び電動過給機の過給圧の制御マップ（ｃ）をそれぞれ示す線図であり、図４は、本発明の実施形態によるターボ過給機及び電動過給機を制御するＥＣＵの処理の流れを示すフローチャートである。図３において、横軸はいずれもエンジン回転数Ｎｅである。本実施形態において、過給圧とは、吸気通路６における吸気の圧力であり、排圧とは、排気通路８における排気の圧力であり、図３（ａ）にはそれらの吸気圧及び排圧が示されている。図４において、Ｓは各ステップを表す。

本実施形態では、図３（ａ）に示すように、エンジンの低回転時且つ高負荷時（高トルク時）において、排圧が過給圧よりも小さくなるように、ＥＣＵ２２によりターボ過給機１２及び電動過給機２０が制御される。
その制御フローとしては、図４に示すように、先ず、Ｓ１において、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度ＴＶＯが読み込まれる。次に、Ｓ２において、Ｓ１で読み込んだアクセル開度ＴＶＯから、エンジンが高負荷時であるか否かが判定される。本実施形態では、アクセル開度ＴＶＯが５０％を超えている場合に高負荷であると判定され、そうでない場合に低負荷であると判定される。

Ｓ２において、エンジンが低負荷時（低トルク時）であると判定された場合には、Ｓ３に進み、ターボ過給機１２が全開の状態で作動するように制御される。具体的には、図３（ｂ）に示すように、エンジンが低負荷時である場合には、エンジン回転数Ｎｅによらず、可動ベーン３２の開度が全開となるように制御される。次に、Ｓ４に進み、電動過給機２０の作動がオフにされる。具体的には、図４（ｃ）に示すように、エンジンが低負荷時である場合には、エンジン回転数Ｎｅによらず、電動過給機２０による過給が行われない。

一方、Ｓ２において、エンジンが高負荷時であると判定された場合には、Ｓ５に進み、ターボ過給機１２の開度がエンジン回転数Ｎｅに応じて制御される。具体的には、図３（ｂ）に示すように、エンジン回転数Ｎｅが低回転の領域から可動ベーンが開にされ、その開度は、エンジン回転数Ｎｅに応じて大きくなるように制御される。このように、本実施形態では、排圧を下げるため、低回転時において可動ベーン３２が所定量開かれるようになっている。図３（ｂ）に示す開度は、図３（ａ）に示すように排圧が過給圧（目標過給圧）より小さくなるように設定されている。

次に、Ｓ６に進み、Ｓ１で読み込んだエンジン回転数Ｎｅから、エンジンが低回転時か否かが判定される。低回転時であると判定された場合には、Ｓ７に進み、電動過給機２０がＯＮとされ、その作動の制御が行われる。具体的には、図３（ｃ）に示すように、電動過給機過給圧（電動過給機２０のみにより得られる過給圧）の制御が行われる。この図３（ｃ）に示す電動過給機過給圧は、図３（ａ）に示すような過給圧（目標過給圧）が得られるように設定されている。
Ｓ６において、高回転時であると判定された場合には、Ｓ４に進み、電動過給機２０の作動がオフにされる。

次に、図３、図５及び図６により、第１実施形態の作用効果を従来技術と比較しながら説明する。図５は、従来技術によるエンジンの過給圧及び排圧（ａ）及び可動ベーン開度の制御マップ（ｂ）をそれぞれ示す線図であり、図６は、本発明の実施形態及び比較例により得られるトルク特性の一例を示す線図である。なお、図６には、後述する第２実施形態により得られるトルク特性の例も合わせて示してある。

ここで、上述したように、排気エネルギの小さいエンジン低回転時には、可動ベーン３２の開度が小さいほど排気流速が高まり且つタービン１４に対し効率よく排気が当たるので、過給効率が良い。従って、従来技術においては、図５（ａ）に示すように、低回転時には、可動ベーンの開度をなるべく小さいものとして、低回転時の過給圧を高めていた。なお、図３（ａ）にも、従来技術による可動ベーンの開度を鎖線で示す。しかし、そのように開度を小さいものとすると排圧も上がってしまうので、図５（ａ）に示すように、排圧が過給圧より大きくなってしまう。このような場合、上述したようにガソリンエンジンではノッキングが生じてしまう。

これに対し本実施形態では、低回転時且つ高負荷時には、図３（ｂ）に示すように、排圧を下げるように可動ベーン３２を所定量開き、且つ、図３（ｃ）に示すように過給圧を高めるように電動過給機２０を作動させている。ここで、低回転時においては、可動ベーン３２を開いて排圧が低下した分、ターボ過給機過給圧（ターボ過給機１２のみにより得られる過給圧）も低下する。その結果、図３（ａ）で鎖線で示すような過給圧となってしまう。本実施形態では、そのような低下分を、電動過給機２０の過給により補って、過給圧が排圧より大きくなるようにすることが出来る。このように本実施形態では、ターボ過給機１２と電動過給機２０とを協働して作動させて、従来であれば排圧が過給圧より高まってしまうような低回転時において目標とする過給圧を得ると共にノッキングが生じないようにすることが出来る。特に、低回転時且つ高負荷時において図３のような制御が行われるので、高いトルクが要求されるような低速走行時において、残留ガスの増加を抑制しつつ、より確実に高トルクを得ることが出来る。

一方、本実施形態では、低回転時且つ低負荷時には、ターボ過給機１２の可動ベーン３２を全開にしている。ここで、低負荷時は、そもそも過給が不要であるか、或いは、小さくて良い。従って、低負荷時には、可動ベーン３２を全開にして排圧を下げることにより、残留ガスの増加を防止して、ノッキングの発生を防止するようにしている。

次に、図６にトルク特性を示すように、本実施形態では、可変容量式ターボ過給機１２及び電動過給機２０とにより、エンジンの低回転時に高トルクを得ることが出来る。図６に鎖線で示す比較例は、本実施形態において電動過給機２０を作動させない（図３（ｃ）の制御を行わない）場合であり、このような場合には、過給圧が低下し（図３（ａ）の鎖線）、結果として、トルクが低下してしまう。また、図５（ｂ）に示すような可動ベーンの制御を行った場合には、図５（ａ）に示すように目標とする過給圧は得られるが、排圧が過給圧より大きくなってしまうので、ノッキングが生じてしまい、結果として、トルクが低下してしまうのである。この場合も、図６の鎖線で示すようなトルク特性となってしまう。これに対し本実施形態によれば、ノッキングの発生を防止しつつ所定の目標とする過給圧（例えば、必要とされる高い低速トルクが得られるような過給圧）を得ることが出来るので、低速トルクを確実に向上させることが出来る。

次に、電動過給機２０の配置に関する作用効果を説明する。
この第１実施形態では、電動過給機２０をターボ過給機１２のブロア１６の下流側に配置しているので、電動過給機２０による過給の効果が早急に現れることになる。即ち、過給のアシストのレスポンスを高めることが出来る。また、電動過給機２０により、ターボ過給機１２で既に圧縮され質量流量が高められた吸気をさらに圧縮するので、図６に示すようにより広い回転域において過給が可能になる。

次に、図７により、本発明の第２実施形態による過給機付きガソリンエンジンについて説明する。図７は、本発明の第２実施形態による過給機付きガソリンエンジンの主な構成を示す図である。この第２実施形態は、第１実施形態に対し、電動過給機２０の配置が異なるが、その他の構成は第１実施形態と同様である。以下では、主に、第１実施形態と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
この第２実施形態では、電動過給機２０が、ターボ過給機１２のブロア１６の上流側に設けられている。この第２実施形態では、電動過給機２０により吸気を大気圧の状態から圧縮し、その圧縮された吸気をブロア１６によりさらに圧縮するようになっている。ターボ過給機１２の可動ベーン３２等の構造も第１実施形態と同様である（図２参照）。この第２実施形態においても、ターボ過給機１２及び電動過給機２０は、ＥＣＵ２２により制御される。その制御内容は、第１実施形態と同様に、図３及び図４に示す制御内容となっている。

従って、この第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、ターボ過給機１２と電動過給機２０とを協働して作動させて、低回転時且つ高負荷時において目標とする過給圧を得ると共にノッキングが生じないようにすることが出来る。その結果、図６に示すように、低速トルクを向上させることが出来る。
ここで、ターボ過給機１２により圧縮された吸気は高温になる。この第２実施形態では、電動過給機２０をブロア１６の上流側に配置しているので、そのような高温の吸気の熱の影響を受けにくい。従って、より確実に作動させることが出来る。

本発明の第１実施形態による過給機付きガソリンエンジンの主な構成を示す図である。本発明の第１及び第２実施形態による可変容量式ターボ過給機のタービン室の概略拡大断面図である。本発明の第１及び第２実施形態によるエンジンの過給圧及び排圧（ａ）、可動ベーン開度の制御マップ（ｂ）及び電動過給機の過給圧の制御マップ（ｃ）をそれぞれ示す線図である。本発明の第１及び第２実施形態によるターボ過給機及び電動過給機を制御するＥＣＵの処理の流れを示すフローチャートである。従来技術によるエンジンの過給圧及び排圧（ａ）及び可動ベーン開度の制御マップ（ｂ）をそれぞれ示す線図である。第１及び第２実施形態及び比較例により得られるトルク特性の一例を示す線図である。本発明の第２実施形態による過給機付きガソリンエンジンの主な構成を示す図である。

符号の説明

１エンジン
６吸気通路
８排気通路
１２可変容量式ターボ過給機
１４タービン
１６ブロア（コンプレッサ）
２０電動過給機
２８タービン室
３０タービン翼
３２可動ベーン

Claims

吸気通路に設けられたブロアと、排気通路に設けられその入口側に可動ベーンを備えたタービンと、を有する可変容量式過給機と、
吸気通路に設けられた電動過給機と、
エンジンの低回転時において、排圧が所定の過給圧よりも低くなるように可動ベーンの開度を設定すると共に過給圧が上記所定の過給圧となるように上記電動過給機を作動させて吸排気の圧力を制御する吸排気圧力制御手段と、を備えることを特徴とする過給機付きガソリンエンジン。
上記吸排気圧力制御手段による制御は、エンジンの低回転時且つ高トルク時に行われ、低回転時且つ低トルク時は上記可変容量式過給機の可動ベーンの開度が全開に設定されている請求項１記載の過給機付きガソリンエンジン。
上記電動過給機は、上記可変容量式過給機のブロアの下流側に配置されている請求項１に記載の過給機付きガソリンエンジン。
上記電動過給機は、上記可変容量式過給機のブロアの上流側に配置されている請求項１に記載の過給機付きガソリンエンジン。