JP2007255265A - エンジン過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】サージングの発生を確実に回避しつつターボラグを解消し、良好な加速性能を確保できる過給システムが望まれている。
【解決手段】吸気通路１２に配置された第１のコンプレッサ２０Ｃと排気通路２４に配置された第１のタービン２０Ｔとを有するターボ過給機２０を用いる本発明によるエンジン過給システムは、第１のコンプレッサ２０Ｃを迂回してその上流側と下流側の吸気通路１２を連通するエアバイパス通路２８と、このエアバイパス通路２８に配置された第２のタービン３０Ｔと、排気通路２４をバイパスする排気バイパス通路３２と、この排気バイパス通路３２に配置され、第２のタービン３０Ｔの回転によるエネルギーを利用して第１のタービン２０Ｔを過給する第２のコンプレッサ３０Ｃとを具える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン過給システムに関し、特に、エンジンの吸気通路に配置されたコンプレッサと排気通路に配置されたタービンとを有するターボ過給機、および該コンプレッサを迂回してその上流側と下流側の吸気通路を連通するエアバイパス通路を備えたエンジン過給システムに関する。

一般に、広範囲な領域での運転が要求される車両用エンジン過給システムでは、サージングの回避が大きな課題となる。すなわち、例えば低速低負荷運転からの加速の場合など、エンジンに供給される空気量は少ないにもかかわらず燃料供給量は増大されるので、タービンには多くのエネルギーが供給されターボ過給機の回転数は上昇する。この結果、コンプレッサはサージ限界近傍での運転を迫られ、最悪の場合、サージ領域に入るおそれがあるのである。

かかるサージングを回避するために、例えば特許文献１に示されるように、ウエストゲートバルブと連動して開閉するコンプレッサ作動線コントロール用の吐出空気バイパスバルブとバイパス路とを設け、圧縮空気の一部を大気に放出するようにした過給システムが知られている。

また、特許文献２には、エンジン加速時にオイルポンプからの作動油で、コンプレッサとタービンとを連結するターボ回転軸を補助駆動するようにしたエンジン過給システムにおいて、コンプレッサを迂回してその上流側と下流側とを連通するエアバイパス通路と、このエアバイパス通路を開閉するエアバイパス弁とを設け、急減速時にはこのエアバイパス弁を開いて、コンプレッサの上流側と下流側とをバイパスして吸気を還流させることにより、コンプレッサ吸入空気量を増加させる技術が開示されている。

実開平４−７９９３６号公報（実願平２−１２３０２６号マイクロフィルム） 特開平８−６１０７３号公報

ところで、過給システムでは、上述のサージングの回避と共に、エンジンレスポンスの点から車両加速時においてターボ過給機の回転数が速やかに上昇することが求められる。

しかしながら、上述の特許文献１に示された技術では、圧縮空気の一部を大気に放出するものであるから、サージングの回避は可能であるが、その分エネルギーロスとなりエンジンの効率低下を招く。

また、特許文献２に開示の技術は、急減速時におけるサージングを解決するものであり、加速時のサージングは対象としていない。この加速時のサージングを回避するために、特許文献２に開示されるように、単にコンプレッサの上流側と下流側とをバイパスさせて吸気を還流させた場合には、エンジン延いてはタービンへの空気量が十分とは云えず、ターボラグの問題を解消し得ない。

本発明の目的は、このような事情に鑑み、ターボ過給機を備えた過給システムにおいて、サージングの発生を確実に回避しつつ、ターボラグを解消し良好な加速性能を確保することのできる過給システムを提供することにある。

吸気通路に配置された第１のコンプレッサと排気通路に配置された第１のタービンとを有するターボ過給機を利用するようにした本発明のエンジン過給システムは、前記第１のコンプレッサを迂回してその上流側と下流側の吸気通路を連通するエアバイパス通路と、このエアバイパス通路に配置された第２のタービンと、前記排気通路をバイパスする排気バイパス通路と、この排気バイパス通路に配置され、前記第２のタービンの回転によるエネルギーにより前記第１のタービンを過給する第２のコンプレッサとを具えたことを特徴とするものである。

本発明によると、サージングが発生するおそれがある運転状態では、第１のコンプレッサを迂回してその上流側と下流側の吸気通路を連通するエアバイパス通路にエアを還流させ、これにより第１のコンプレッサの流量を増大させてサージングの発生を回避する。この場合、エアバイパス通路に配置された第２のタービンの回転によるエネルギーにより駆動される第２のコンプレッサによって第１のタービンが過給され、第１のコンプレッサの流量がさらに増大することとなる。

本発明によるエンジン過給システムにおいて、第１のコンプレッサの下流側からエアバイパス通路の第２のタービンへのエア流量を制御するエア流量制御弁と、第１のタービンの上流側から第２のコンプレッサへの排気流量を制御する排気流量制御弁とをさらに具えることができる。

エンジンの運転状態が予め設定された加速状態にあるか否かを検出する加速状態検出手段と、この加速状態検出手段による検出情報に基づいてエア流量制御弁および排気流量制御弁の開度をそれぞれ制御する流量制御手段とをさらに具えることもできる。

第１のコンプレッサの作動点が、ターボ過給機の回転数と第１のコンプレッサの流量とに関して予め設定された高効率領域を通過して目標過給圧となるように、流量制御手段がエア流量制御弁および排気流量制御弁の開度を制御するものであってよい。

本発明のエンジン過給システムによると、第１のコンプレッサを迂回してその上流側と下流側の吸気通路を連通するエアバイパス通路と、エアバイパス通路に配置された第２のタービンと、排気通路をバイパスする排気バイパス通路と、この排気バイパス通路に配置されて第２のタービンの回転によるエネルギーにより第１のタービンを過給する第２のコンプレッサとを具えているので、サージングが発生するおそれがある運転状態では、第１のコンプレッサを迂回してその上流側と下流側の吸気通路を連通するエアバイパス通路にエアを還流させることにより第１のコンプレッサの流量を増大させることができる。この結果、サージングの発生を確実に回避することができる。そして、このとき、エアバイパス通路に配置された第２のタービンの回転によるエネルギーにより駆動される第２のコンプレッサによって第１のタービンが過給されるので、第１のコンプレッサの流量はさらに増大され、ターボラグが解消された良好な加速性能を確保することができる。

第１のコンプレッサの下流側からエアバイパス通路の第２のタービンへのエア流量を制御するエア流量制御弁と、第１のタービンの上流側から第２のコンプレッサへの排気流量を制御する排気流量制御弁とをさらに具えた場合、エア流量制御弁および排気流量制御弁でもって、第１のコンプレッサの下流側からエアバイパス通路の第２のタービンへのエア流量および第１のタービンの上流側から第２のコンプレッサへの排気流量をそれぞれ制御することが可能となり、エンジンの要求性能に合致した所望の制御特性を得ることができる。

エンジンの運転状態が予め設定された加速状態にあるか否かを検出する加速状態検出手段と、この加速状態検出手段による検出結果に基づいてエア流量制御弁および排気流量制御弁を所定の開度を制御する流量制御手段とを具えている場合、エンジンが所定の加速状態となった時にエア流量制御弁および排気流量制御弁を直ちに所定の開度に開くことができる。このため、吸気の一部が吸気通路およびエアバイパス通路の中を還流することにより、第１のコンプレッサの吸入空気量が所定量だけ増し、サージング領域への飛込みを確実に防止することができる。しかも、このエアバイパス通路に配置された第２のタービンの回転によるエネルギーによって駆動される第２のコンプレッサによる第１のタービンの過給量が所定量となるので、第２のコンプレッサのサージを回避することができる。

第１のコンプレッサの作動点が、ターボ過給機の回転数と第１のコンプレッサの流量とに関して予め設定された高効率領域を通過して目標過給圧となるように、流量制御手段がエア流量制御弁および排気流量制御弁の開度を制御する場合、エンジン全体の効率を低下させることなくターボラグのない高い加速性を得ることができる。

本発明によるエンジン過給システムを排気ターボ過給機が組み込まれた車両用エンジンに応用した実施形態について、図１〜図４を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこのような実施形態のみに限らず、特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能であり、従って本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも当然応用することができる。

図１は、本発明に係るエンジン過給システムの第一の実施形態を示すシステム構成図であり、１０はエンジン本体である。エンジン本体１０の各気筒には、不図示の吸気マニホールドを介して共通の吸気管１２が接続されている。吸気管１２の途中には、上記エンジン本体１０に近い側から順に、スロットル弁１４，インタークーラー１６、エア流量制御手段としての第１の三方弁１８，第１のターボ過給機２０の第１のコンプレッサとしてのコンプレッサ２０Ｃ，エアフローメータ２２，および不図示のエアクリーナーなどが設けられている。一方、エンジン本体１０の各気筒には不図示の排気マニホールドを介して共通の排気管２４が接続し、その途中に排気流量制御弁としての第２の三方弁２６および上記第１のターボ過給機２０の第１のタービンとしてのタービン２０Ｔが設けられている。

上記共通の吸気管１２における第１の三方弁１８とコンプレッサ２０Ｃの上流側との間の部分は、コンプレッサ２０Ｃを迂回するエアバイパス通路２８を介して接続されており、この第１の三方弁１８は、例えば電磁弁からなり、後述のように制御信号を受けてその開度が制御される。本実施形態では、第２のターボ過給機３０の第２のタービンとしてのタービン３０Ｔがエアバイパス通路２８に介設されている。

上記共通の排気管２４において、第２の三方弁２６と上記第１のターボ過給機２０のタービン２０Ｔの上流側とは、排気バイパス通路３２を介して接続され、この第２の三方弁２６も、例えば電磁弁からなり、後述のように制御信号を受けてその開度が制御される。排気バイパス通路３２には、第２のターボ過給機３０の第２のコンプレッサとしての第２のコンプレッサ３０Ｃが介設されている。

なお、本実施形態では上述の第１および第２のターボ過給機２０，３０は、通常のターボ過給機と同様に、コンプレッサおよびタービンを備え、両者がターボ回転軸２０Ｓ，３０Ｓによって、それぞれ一体的に連結された型式のものである。コンプレッサ２０Ｃ，３０Ｃは、コンプレッサハウジングに収容され、タービン２０Ｔ，３０Ｔはタービンハウジングに収容されている。これらコンプレッサおよびタービンの両ハウジングは、略円筒状の本体ハウジングを介して連結され、この本体ハウジングにより上記ターボ回転軸が回転可能に支えられている。

本実施形態に係るエンジン過給システムでは、吸入空気量を検出するエアフローメータ２２，スロットル弁１４のスロットル開度を検出するスロットル開度センサ３４，エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ３６，吸気圧を検出する吸気圧センサ３８，第１のターボ過給機２０の回転数を検出するターボ回転数センサ４０などを具え、これらのセンサ類が電子制御装置（以下、ＥＣＵと記述する）５０に電気的に接続している。

このＥＣＵ５０は、上述の各種センサ類からの信号を処理して各種アクチュエータ類に対する制御量を演算し、エンジンの燃料噴射制御，点火時期制御，アイドル回転数制御，過給圧制御などを行うものである。ＥＣＵ５０はまた、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，バックアップＲＡＭ，カウンタ・タイマ群およびＩ/Ｏインタフェースなどがバスラインを介して接続するマイクロコンピュータを中心として構成され、各部に安定化電源を供給する定電圧回路，Ｉ/Ｏインタフェースに接続される駆動回路，Ａ/Ｄ変換器などの周辺回路を内蔵している。Ｉ/Ｏインタフェースの入力ポートには、上述のセンサ類が接続し、出力ポートには上述の各種アクチュエータに加え、本実施形態では第１の三方弁１８および第２の三方弁２６が接続している。

このような構成を持つエンジンの制御ルーチンの一形態を図２のフローチャートを参照しつつ説明する。この制御ルーチンは、スロットル開度センサ３４の検出によるエンジン負荷とエンジン回転数とに主に基づいて燃料噴射量と時期とが求められる燃料噴射制御や点火時期制御，第１のターボ過給機２０を介した過給圧制御などのエンジンを最適な状態に制御する通常の制御ルーチンの一部として、その加速判定時に実行されるものである。

すなわち、図２のフローチャートのステップＳ２０１において、加速判定手段により、例えば上記スロットル開度センサ３４の検出信号に基づき、スロットル開度の時間当たり増加率が一定以上の場合を加速状態として判定した場合、加速時制御が実行される。加速状態と判定されると、ステップＳ２０２において第１の三方弁１８および第２の三方弁２６が前開状態に切り換えられる。第１の三方弁１８および第２の三方弁２６の開状態とは、それぞれ吸気管１２から第１の三方弁１８を介して分岐されたエアバイパス通路２８への吸入空気の一部の流通、および排気管２４から第２の三方弁２６を介して分岐された排気バイパス通路３２への排気の一部の流通が許容される状態を意味する。そして、第１の三方弁１８および第２の三方弁２６の開度がそれぞれ制御されることにより、エアバイパス通路２８へ還流される流量および排気バイパス通路３２へバイパスされる流量が制御される。

なお、本実施形態では、加速時制御が実行開始される際の初期開度は、図３に示すように、第１の三方弁１８の全開状態における通路断面積は、第２の三方弁２６の全開状態における通路断面積よりも小さくなるように設定されている。つまり、エアバイパス通路２８内を流れる吸入空気の流量は、排気バイパス通路３２内を流れる排気ガスの流量よりも常に少なくなるように設定されている。これは、エネルギーバランスを考慮して、第２のコンプレッサ３０Ｃにおけるサージングを避けるためである。なお、第１および第２の三方弁１８，２６の通路断面積が同じ場合、これらの開度を変更して上述したような関係を保つように設定する必要がある。

そして、次のステップＳ２０３において、エアフローメータ２２からの信号に基づき吸入空気量が検出され、また、次のステップＳ２０４において、ターボ回転数センサ４０からの信号に基づき第１のターボ過給機２０の回転数、換言すると第１のコンプレッサ２０Ｃの回転数が検出される。そして、ステップＳ２０５に進み、後述の図４に示すコンプレッサの性能マップを参照し、ステップＳ２０３およびステップＳ２０４にて検出された吸入空気量および第１のコンプレッサ２０Ｃの回転数から、第１のコンプレッサ２０Ｃの作動点が求められる。

ここで、図４に示すコンプレッサの性能マップについて説明すると、該性能マップは縦軸にコンプレッサの圧力比、すなわち過給圧Ｐを、横軸にコンプレッサを流れる空気量、すなわち吸入空気量Ｇをとり、コンプレッサの回転数や効率の変化およびサージ限界などを表している。図４において、Ｎiはコンプレッサの等回転数曲線であり、右上に行くに従い高回転数となり、ＮＬはコンプレッサ回転数限界曲線である。そして、Ｅiは等効率曲線であり、等高線の中心に向かうに従い高効率となる。また、ＳＬはサージングライン（サージ限界）であり、このサージングラインＳＬよりも左側の領域、すなわち図の斜線領域がサージング領域である。このコンプレッサ性能マップは、用いられるコンプレッサ固有のものであり、予め実験により性能特性が求められ、ＲＯＭに記憶されている。

かくて、ステップＳ２０５において第１のコンプレッサ２０Ｃの作動点が求められると、次にステップＳ２０６に進み、低過給圧側の高回転領域の境界となるpoint１に到達したか否かが判定される。そして、このpoint１に到達していないときはステップＳ２０３に戻り、上述の第１のコンプレッサ２０Ｃの作動点の取得が、point１に到達するまで継続される。第１のコンプレッサ２０Ｃの作動点がpoint１に到達すると、ステップＳ２０７に進み、高過給圧側の高効率領域の境界となるpoint２に到達したか否かが判定され、到達していない場合にはステップＳ２０８に進み、後述する第１の三方弁１８および第２の三方弁２６の所定の閉動作が行われる。そして、このステップＳ２０８の後は、再度、ステップＳ２０３に戻り、第１の三方弁１８および第２の三方弁２６の所定の閉動作が継続してpoint２に到達するまで行われ、point２に到達するとステップＳ２０９に進み、第１の三方弁１８および第２の三方弁２６がそれぞれ全閉にされる。

次に、上述のように制御される本実施形態における過給システムの作用を図３および図４を参照しながら説明する。エンジン回転数が一定以下の低回転領域（吸入空気量が少なく、第１のコンプレッサ２０Ｃの回転数Ｎiも低いので、そのときの作動点を図４にpoint０として示す）からアクセルが踏み込まれ、エンジンが加速され、すなわちスロットル開度が増大し、所定の加速状態が加速判定手段により判定されると、第１の三方弁１８および第２の三方弁２６が、それぞれ全開状態に設定されることは上述の通りである。すると、第１のコンプレッサ２０Ｃを迂回してその上流側と下流側の吸気通路を連通するエアバイパス通路２８に吸気の一部のエアが還流され、第１のコンプレッサ２０Ｃの流量Ｇが増大されることになる。かくて、第１のコンプレッサ２０Ｃの作動点はpoint１に速やかに移行する。

そして、point１に到達した後は、エア流量制御弁としての第１の三方弁１８および排気流量制御弁としての第２の三方弁２６の開度が、それぞれ図３に示すように減少されて、閉じられる。かくて、第１のコンプレッサ２０Ｃの下流側からエアバイパス通路２８の第２のタービン３０Ｔへのエア流量および第１のタービン２０Ｔの上流側から第２のコンプレッサ３０Ｃへの排気流量が、それぞれ、エンジンの要求性能に合致した所望の制御特性となるように制御される。すなわち、図４に示すように、第１のコンプレッサ２０Ｃの高効率領域を用いつつ目標過給圧になるようにpoint２まで制御されるのである。なお、対比のために、本発明の構成を備えない通常エンジン過給システムにおける加速時の作動線を、同じく図４に破線で示す。

このpoint１からpoint２に至る作動線に沿って第１のコンプレッサ２０Ｃを作動させることにより、サージングラインＳＬよりも遠く離れた領域での作動となるので、サージングの発生を確実に回避することができる。また、このとき、エアバイパス通路２８に配置された第２のタービン３０Ｔによりターボ回転軸３０Ｓを介して駆動される第２のコンプレッサ３０Ｃによって、排気バイパス通路３２へバイパスされる排気の一部が圧縮され、第１のタービン２０Ｔが過給されるので、ターボ回転軸２０Ｓを介して駆動される第１のコンプレッサ２０Ｃの回転数および流量がさらに増大され、ターボラグが解消された良好な加速性能を確保することができる。かくて、エンジン全体の効率を低下させることなく高い加速性が得られることになる。

なお、第１の三方弁１８および第２の三方弁２６の開度は、エアバイパス通路２８に配置された第２のタービン３０Ｔにより駆動される第２のコンプレッサ３０Ｃによる第１のタービン２０Ｔの過給量を所定量としつつ、第２のコンプレッサ３０Ｃのサージを回避するように制御される。

そして、point２に至って第１の三方弁１８および第２の三方弁２６が閉じられた後は、不図示のウエストゲート弁等を用いて、エンジンの最大出力点であるpoint３まで、最大目標過給圧となるように、ターボ過給機２０が制御される。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、例として次のような態様をとることも可能である。

すなわち、上記実施形態では、スロットル弁１４の開弁速度に基づいて加速状態を判定するようにしたが、この加速状態の定義は自由に設定してもよく、スロットル開度やアクセル開度の時間当たりの増加率が一定以上に達した場合や、これらの開度が増大しながら一定値以上に達した場合等に加速状態と判定してもよい。

また、上述の実施形態では、第２のタービン３０Ｔおよびコンプレッサ３０Ｃがターボ回転軸３０Ｓと一体の第２のターボ過給機３０を用いたが、このものに限らず、例えば、このターボ回転軸３０Ｓがコンプレッサ側軸とタービン側軸とに分割され、第２のタービン３０Ｔでもって発電機が駆動されると共に、この発電機に接続された電動機でもって第２のコンプレッサ３０Ｃが駆動されるようにしてもよい。

本発明に係るエンジン過給システムの一実施形態を示すブロック線図である。 上記一実施形態の制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 上記一実施形態におけるエア流量制御弁としての第１の三方弁１８および排気流量制御弁としての第２の三方弁２６の開度特性を示すグラフである。 コンプレッサの性能を示すマップである。

符号の説明

１０ エンジン本体
１２ 吸気管（吸気通路）
１８ 第１の三方弁（エア流量制御弁）
２０ 第１のターボ過給機
２０Ｃ 第１のコンプレッサ
２０Ｔ 第１のタービン
２２ エアフローメータ
２４ 排気管（排気通路）
２６ 第２の三方弁（排気流量制御弁）
２８ エアバイパス通路
３０ 第２のターボ過給機
３０Ｔ 第２のタービン
３０Ｃ 第２のコンプレッサ
３２ 排気バイパス通路
３４ スロットル開度センサ
３８ 吸気圧センサ
４０ ターボ回転数センサ
５０ 電子制御装置（ＥＣＵ）

Claims (4)

1. 吸気通路に配置された第１のコンプレッサと排気通路に配置された第１のタービンとを有するターボ過給機を用いたエンジンの過給システムであって、
   前記第１のコンプレッサを迂回してその上流側と下流側の吸気通路を連通するエアバイパス通路と、
   このエアバイパス通路に配置された第２のタービンと、
   前記排気通路をバイパスする排気バイパス通路と、
   この排気バイパス通路に配置され、前記第２のタービンの回転によるエネルギーにより前記第１のタービンを過給する第２のコンプレッサと
   を具えたことを特徴とするエンジン過給システム。
2. 前記第１のコンプレッサの下流側から前記エアバイパス通路の前記第２のタービンへのエア流量を制御するエア流量制御弁と、
   前記第１のタービンの上流側から前記第２のコンプレッサへの排気流量を制御する排気流量制御弁と
   をさらに具えたことを特徴とする請求項１に記載のエンジン過給システム。
3. エンジンの運転状態が予め設定された加速状態にあるか否かを検出する加速状態検出手段と、
   この加速状態検出手段による検出情報に基づいて前記エア流量制御弁および前記排気流量制御弁の開度をそれぞれ制御する流量制御手段と
   をさらに具えたことを特徴とする請求項２に記載のエンジン過給システム。
4. 前記流量制御手段は、前記第１のコンプレッサの作動点が、前記ターボ過給機の回転数と前記第１のコンプレッサの流量とに関して予め設定された高効率領域を通過して目標過給圧となるように、前記エア流量制御弁および前記排気流量制御弁の開度を制御することを特徴とする請求項３に記載のエンジン過給システム。
   

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