JP2007505257A - 自動車のターボチャージャシステム - Google Patents

Abstract

第１及び第２のターボチャージャを直列で有するターボチャージャシステムは、滑らかな移行を確実にするように、移行の時点で切り替え調整項を組み込んで、一方のターボチャージャから他方のターボチャージャに制御を委譲する。

Description

本発明は、自動車のエンジンのためのターボチャージャ機構に関する。

ターボチャージャは、もちろんよく知られた装置であり、これは、エンジンの入口ダクトに位置し、排気タービンに接続されているコンプレッサすなわち過給機ホイール、典型的には、インペラーを有している。排気タービンは、エンジンの排気ダクトに位置し、エンジンの排気ガスにより高速で回転するように配置されている。この排気タービンの回転の結果として、過給機ホイールの回転を生じ、この回転は、ブースト圧力を生じる、すなわち、この回転は、入口ダクトの中の圧力を大気の値を越えた値へと増加する。この増加した入口圧力の結果、より多くの量の空気がシリンダの中のピストンの吸気行程中にエンジンの各シリンダの中へと入ることが可能とされ、この結果、エンジンからの動力出力が増加する。

ターボチャージャの排気タービンにより排気ガスから吸収された動力は、排気ガスの速さの３乗に比例し、このことは、高いエンジンスピードでは、過給機ホイールが非常に速く回転し、この結果、実質的なブースト圧力を生じるが、低いエンジンスピードでは、過給機ホイールは、全く回転しないか、わずかな速さでしか回転しないことを意味している。このことは、最大エンジン出力が頻繁に必要とされる時、すなわち、エンジンのアイドリングスピードから迅速に加速する時、ブースト圧力は、利用できないことを意味している。

この問題を克服する１つの方法は、排気タービンを通過する排気ガスの速さを増加することである。低いエンジンスピードでも、局所的な排気ガスの速さを増加させ、この結果、タービンホイールの動力出力を増加させることを可能にするように、排気ダクトの中に可変ピッチのガイドベーンを設けることにより、これをすることができる。しかしながら、このような構成は、複雑で高価であり、注油の問題の結果として故障しやすい。単にターボチャージャを物理的に比較的小さく作り、これによって、このターボチャージャを通る排気速度を増加することにより、低いエンジンスピードでのターボチャージャの特性は実質的に改善するが、高いエンジンスピードでは、排気タービンは、排気ガスに対して受け入れることのできない流れへの制約となり、受け入れることができないほどの高いスピードで駆動される結果として故障しやすくなる。

自動車のエンジンに、一方は、比較的小さく他方は比較的大きい２つのターボチャージャを有するターボチャージャシステムを設けることが提案されてきた。これら２つの過給機ホイールは、直列で、エンジンの入口ダクトに設けられ、２つの排気タービンは、直列で、排気ダクトに設けられている。小さいターボチャージャは、高いエンジンスピードでは、不適当であり、このようなスピードで用いられると故障しやすいため、比較的小さい排気タービンと比較的小さい過給機ホイールとには、エンジン管理システムの制御の下で動作しているそれぞれの締切弁を組み込んだ、それぞれのバイパス通路が設けられている。

このようなシステムの動作は、以下のように仮定されている。２つのバイパス弁は、低いエンジンスピードでは、締められている。比較的小さな体積の排気ガスが、中にタービンが位置しているダクトの比較的小さなディメンジョンのために、相当なスピードで小さな方のターボチャージャの排気タービンを通って流れる。小さい方の排気タービンは、この結果、相当なスピードで回転され、この回転は、小さい方の過給機ホイールに伝達され、この過給機ホイールは、このように、入口ダクトに著しいブースト圧力を発生する。この排気ガスは、大きい方のターボチャージャの排気タービンも通って流れるが、比較的大きなサイズのためにかなり低いスピードで流れる。大きい方の排気タービンは、このように、そもそも回転するとしたら、とてもゆっくりと回転され、大きい方の過給機ホイールは、ブースト圧力を発生させることにおいて実効的に全く役割を果たさない。エンジンスピード並びに／もしくは荷重が上昇するにつれて、エンジン管理システムは、２つのバイパス弁を開く。この場合、排気ガスは、小さい方の排気タービンを迂回する通路を通って流れ、それから、大きい方の排気タービンを通って流れる。大きい方の排気タービンでは、排気ガスは、この場合、排気ガスの流速の増加のために、相当なスピードに達している。大きい方の排気タービンは、このように、高いスピードで回転され、この回転は、大きい方の過給機ホイールに伝達される。この大きい方の過給機ホイールは、入口ダクトの中にブースト圧力を生じる。小さい方の過給機ホイールの周りのバイパスダクトは、小さい方の過給機よりも大きな流領域を有し、この結果、入口ダクトの中で受け入れることができない流れへの制約とはならない。

したがって、このような複合ターボチャージャシステムは、低いエンジンスピードでの不十分なブースト圧力の問題への解決を与えるはずである。しかしながら、実際には、そうではなく、複数の試験は、このようなターボチャージャシステムと合わせられているエンジンは、低いエンジンスピードで期待される動力出力の約３分の２の動力出力しか有していないことを示している。

加えて、個々のターボチャージャの動作と特に空気の流れとを制御する際に、困難に遭遇する。例えば、大きい方のターボチャージャは、（オーバーブースト又は超過速度の条件で大きい方のタービンを迂回するために）タービンバイパス弁を有し、小さい方のタービンと大きい方のタービンバイパスとの制御を、制御のストラテジとの間で競合しないように、達成しなければならない。この上さらなる問題は、小さい方のコンプレッサは、大きい方のコンプレッサからの空気の流れへの制限として働き得る一方、比較的高いエンジンスピード／荷重で圧力上昇を生じないことである。

したがって、本発明の目的は、実質的に全てのエンジンスピードで実質的なブースト圧力を与え、低いエンジンスピードでエンジンが著しく高い動力出力を生じることを可能にする、２つのターボチャージャを組み込んでいるタイプのターボチャージャシステムを提供することである。

本発明に係われば、自動車のエンジンのためのターボチャージャシステムは、空気入口ダクトと、排気ガスダクトと、第１及び第２のターボチャージャとを有し、この第１のターボチャージャは、実質的に第２のターボチャージャより小さく、各ターボチャージャは、前記排気ダクト内に位置されている排気タービンと、前記入口ダクト内に位置されている過給機ホイールとを有し、バイパスダクトが前記第１のターボチャージャの排気タービンの各側面で前記排気ダクトに接続され、このバイパスダクトは、ハウジングの中に回動可能に取着されている弁フラップを有する選択的に動作可能なバタフライ締切弁を有し、前記ハウジングの内壁は、排気ガス流の方向に対して横方向に延びている、互いに対向した２つの半円形の封止面を支持し、前記弁フラップは、前記バイパスダクトが実質的に制約されない開いた位置と、前記バイパスダクトが前記２つの封止面と封止係合をする閉じた位置との間で可動である。

２つのターボチャージャを有する既知のターボチャージャシステムに関する徹底的な試験により、バイパス弁が名目上締められている時でも、なぜこのシステムが低いエンジンスピードで満足のいくブースト圧力を生じないかの理由が、このバイパス弁が本質的に漏れやすく、この結果、排気ガスの実質的な部分がこのバイパス通路を通って流れ、小さい方の排気タービンを通って流れないことであることが明らかになった。数多くの様々なタイプの締切弁が知られているが、高圧高温と、自動車の排気ダクトの中で優勢になっている強烈な条件とは、実用的な１つのタイプの弁がバタフライ弁であることを意味している。しかしながら、特に発生する微小な（differential）熱膨張の結果として、前記弁フラップが前記ハウジングの壁に接して詰まる（jammed）のを避けるために、実際の問題として、この弁フラップを中に回動可能に収納しているハウジングよりも著しく小さくすることが必要である。このことは、実際には、弁が閉じられている時、このハウジングの内壁と弁フラップの外側エッジとの間にかなりの隙間があることを意味している。この隙間は、かなりの部分の排気ガスがそこを通って逃げ、この結果排気タービンの中で全く仕事をしない、漏れ経路を構成している。

こうして、必要とされていることは、バイパス弁が閉じられている時に、バイパス弁のガス気密性を実質的に増加させることであることが、認められており、このことは、本発明における２つの半円形の封止面により達成される。これら２つの封止面は、実際的には、前記ハウジングの中でこのハウジングを通る排気ガス流の方向で前記弁フラップの厚さにほぼ等しい距離だけずれている。この結果、この弁が閉じられている時、前のように、封止部分は、前記弁フラップの外側エッジと、弁ハウジングの内面との間に生じるのではなく、この弁フラップの２分の１の平坦な面の外側部分と、封止面の一方との間と、この弁フラップの他方の半分の他の平坦な面の外側部分と、封止面の他方との間とに生じている。

一実施の形態において、２つの半円形の封止のための突起が、前記ハウジングの内面に設けられ、これらの対向する側面は、それぞれ封止面を構成している。代わりに、前記バイパス弁ハウジングの内壁は、それぞれの封止面が規定されている２つの不連続部分を例外として、実効的に全体として滑らかに連続的であることができる。この後者の実施の形態において、前記弁フラップの対向する側面の、前記ハウジングを通るガス流の通路の２つの部分は、前記弁フラップを通るガス流の方向に対して横方向に互いに実効的にわずかにずれており、これによって、これら２つの対向している封止面は、前記不連続部分に、すなわち、流れの通路のずれた部分が互いに次第に変わる（merge）位置に設けられている。前記ハウジングを通る流れの通路は、もちろん、バタフライ弁と共に従来的などんな形状、例えば、円形、矩形、であることもできる。

閉じた位置において弁フラップが協働する対向している封止面を設ける結果、とても効果的な封止部分を形成する弁が生じている。弁が閉じられている時、ほとんど又は全くバイパス通路を通って漏れず、この結果、実質的に全ての排気ガスは、低いエンジンスピードで小さい方のターボチャージャのタービンホイールを通って流れ、これによって、小さい方のターボチャージャの過給機ホイールは、前記空気入口ダクトの中で実質的なブースト圧力を生じることができる。したがって、エンジンの動力出力は、既知のタイプの２つの部分からなるターボチャージャシステムを備えているエンジンと比較して、低いエンジンスピードで実質的に増加している。

本発明は、また、上で言及したタイプのターボチャージャシステムを有する自動車のエンジンを含んでいる。本発明のさらなる態様は、請求項に述べられている。

本発明のさらなる態様と詳細とは、添付されている図面を参照して例として与えられている、以下の１つの特定の実施の形態の説明から明らかになる。

図１は、概略的に自動車のエンジン２を示している。このエンジンは、この場合、４つのシリンダ４を有している。これらシリンダ４は、１つ以上のそれぞれの入口弁を通して、入口多岐管６と連通している。この入口多岐管は、入口ダクト１０を通して空気入口８で大気と連通している。この入口ダクト１０は、一般的な空気フィルタ１２を有している。このエンジンのシリンダ４は、また、１つ以上のそれぞれの排気弁を通して、排気ガス多岐管１４と連通している。この排気ガス多岐管は、排気ガスダクト１８を通して出口１６で大気と連通している。

このエンジンは、２つのターボチャージャを備えたターボチャージャシステムを有しており、これらターボチャージャの各々は、排気ダクト１８の中に位置している排気ガスタービンと、これに接続され、空気入口ダクト１０の中に位置している過給機ホイールすなわちコンプレッサとを有している。これらターボチャージャのうちの一方は、実質的に他方よりも大きい。すなわち、この大きい方の排気ガスタービンと、過給機（air blower）ホイールと、これらが中に位置している通路とが、小さい方のターボチャージャのものより実質的に大きい。特に、小さい方のターボチャージャは、入口ダクト１０の中の過給機ホイール２２に接続されている、排気ダクト１８の中の排気ガスタービン２０を有している。大きい方のターボチャージャは、入口ダクト１０の中の関連する過給機ホイール２６に接続されている、排気ダクト１８の中の排気タービンホイール２４を有している。バイパス通路２８が、小さい方の排気ガスタービン２０の上流及び下流の排気ガス経路に接続されている。バタフライ締切弁３０が、このバイパス通路の中に位置しており、開いた位置と閉じた位置との間を、アクチュエータ３２により、回転されるように接続されている。このアクチュエータは、コントロールシステムにより生じる信号により作動し、このコントロールシステムは、典型的には、ほとんどの現代の自動車のエンジンには、今や設けられているエンジン管理システムである。上で論じたように、バタフライ弁３０が、閉じられた位置の時に、信頼できる封止部分を形成することが重要であり、これの詳細な構成は、以下で議論される。小さい方のターボチャージャは、高圧ターボチャージャと呼ぶことができ、大きい方のターボチャージャは、低圧ターボチャージャと呼ぶことができ、個々の構成成分は、これにしたがって名づけられる。

他のバイパス通路３４が、小さい方のターボチャージャの過給機ホイール２２の上流及び下流の入口ダクト１０に接続されている。他のバタフライ締切弁３６が、この通路の中に位置し、これは、再び、エンジン管理システムのコントロールの下のアクチュエータ３８に接続されている。入口ダクトの中の圧力差と温度変化とは、排気ダクトの中のものよりずっと小さく、バタフライ弁３６が信頼できる封止部分を形成する能力は、閉じられた位置にある時、排気締切弁３０と関連させてずっと重要ではない。従って、バイパス弁３６は、以下で説明されるバイパス弁３０と同じ構成であることができ、又は、従来的な構成であることができる。

排気バタフライ弁３０は、ハウジング４０を有しており、このハウジングを通して流れ通路４２が延び、このハウジングは、これの２つの端部で排気ダクト１８に接続されている。弁フラップ４４が、円形の流れ通路４２の中に回動可能に装着されている。図３に見ることができるように、この弁フラップ４４の直径は、この弁フラップが中に収納されている流れ通路４２の部分の直径よりもかなり小さい。これによって、微小な膨張の結果として、この弁フラップ４４が通路の中で詰まらないことを確実にしている。流れ通路４２を規定している壁面は、滑らかで円形であるが、これの中の、流れ通路の長さ方向に弁フラップ４４の幅に等しい距離だけ離間した位置に、形成されている２つの半円形の不連続部分を有している。これら不連続部分は、２つの対向して向けられている、半円形の封止面４６を構成しており、これらのうちの一方をこの流れ通路を通して一方の端から見た時に見ることができ、他方は、この流れ通路を通して他方の端から見た時に見ることができる。弁フラップ４４は、弁のハウジング４０の中のそれぞれの開口部５０の中に収容されている２つのスタブシャフト４８に装着されている。これらスタブシャフト４８のうちの一方は、アクチュエータ３２に接続されている。このアクチュエータは、エンジン管理システムの制御の下で、弁フラップが流れ通路４２の軸にほぼ平行に延び、したがって、この流れ通路４２が、実質的にさえぎられていない、開いた位置と、図３の示され、弁フラップ４４が流れ通路４２を閉じている、閉じられた位置との間で、弁フラップ４４を回転するように配置されている。図３に見ることができるように、弁フラップが閉じられた位置にある時、この弁フラップは、２つの封止面４６を、この弁フラップの対向する側面と係合させている。このように、弁フラップは、流れ通路の壁面と信頼性のある封止部分を形成し、この結果、流れ通路を確かに閉じている。

使用においては、低いエンジンスピードにおいて、高圧タービンバイパス弁３０と高圧コンプレッサバイパス弁３６とは、共に閉じられる。タービンバイパス弁３０は、信頼性のある封止部分を形成し、この結果、全ての排気ガスは、小さい方の排気ガスタービン２０に向けられる。このタービンの比較的小さいサイズのために、これを通って流れるガスは、比較的高いスピードに到達し、排気タービンと、こうしてまた、これに取着されている過給機２２とを比較的高いスピードで回転させる。この結果、過給機ホイール２２は、実質的なブースト圧力を入口ダクト１０の中に生じさせる。排気ガスは、また、大きい方のターボチャージャの排気ガスタービン２４を通って流れるが、これの実質的に大きな領域のために、大きい方の排気ガスタービンは、低速で回転されるだけである。しかしながら、これは、無視できる流れ抵抗を構成するだけである。ターボチャージャのベアリングとオイルシールとを使える状態に保つために「遊びの」ターボチャージャの低速の回転を維持することは、必要である（そして、２つの段階と続いて起こるターボチャージャのスキームとにおいてしばしば見過ごされている実際的な制限である）。エンジンスピードが、エンジン管理システムによりあらかじめ決められている比較的高い値に達すると、２つのバイパス弁３０、３６は、開かれる。バイパス通路２８の領域が、小さい方の排気ガスタービンにつながるダクトの領域よりも実質的に大きいという事実のために、実質的に全ての排気ガスは、小さい方のタービン２０を迂回し、バイパス通路２８を通って流れる。それから、排気ガスは、大きい方の排気ガスタービンを通って流れ、これを回転させ、この結果、また大きい方の過給機ホイール２６を回転させる。こうして、過給機２６は、入口ダクト１０の中にブースト圧力を生じさせる。小さい方の過給機２２を通しての流れ通路が比較的小さいために、これは、流れに対するかなりの制限となり、この理由のために、他のバイパス通路３４が設けられている。上で述べたように、比較的高いエンジンスピードでは高圧コンプレッサバイパス弁３６は開かれ、バイパス通路３４の流領域が、大きい方の過給機ホイール２２のものよりもかなり大きいという事実のために、実質的に全ての入口空気は、比較的高いエンジンスピードでは、小さい方の過給機ホイール２２を迂回し、バイパス通路３４を通って流れる。

こうして、本発明に係るターボチャージャシステムは、高いエンジンスピードでだけではなく低いエンジンスピードででも、入口ダクトに実質的なブースト圧力を生じさせ、したがって、ターボチャージャが低いエンジンスピードでたいてい効果的ではないという昔からの問題を克服している。

図４を参照すると、図１で説明されたタイプのエンジンシステムが示されているが、この場合、追加の構成要素が記述されて示されている。共通の参照符号は、共通の構成要素を示し、繰り返しを避けるためにさらに説明されない。

特に、コントローラ１０２により制御される、追加のバイパス１００が、低圧タービン２４の近くに設けられていることが見られる。システム全体の目的が所望のブーストを達成することなので、高圧及び低圧のタービンのバイパスすなわち弁３０、１００のそれぞれのコントローラ３２、１０２による制御を、不安定な又は非効率的な動作をもたらし得るコントロールストラテジとの間の競合なしで達成しなければならないことが見られる。

ターボチャージャ構成要素と制御構成要素とを含む、ここで記述されている様々な構成要素は、当業者には明らかなような、どんな適当な形式であることもできる。例えば、制御は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）上で実行されている適当なソフトウェアにより影響を受け得る。

エンジンスピード／荷重が空転から増加するにつれて、全ての３つの弁は締められ、システムは、直列のタービン及びコンプレッサの両方を用いる。高圧ターボチャージャは、実質的に低圧ターボチャージャよりも小さいため、排気ガス流速が小さい時、低いエンジンスピードでブースト圧力の大部分を与えるのは、この機械である。中間の／低いスピードでは、高圧ターボチャージャ２０は、超過ブースト（over-boost）又は超過速度になり始め、排気ガスを、高圧ターボチャージャの出力を制御するように高圧タービン２０の周りで迂回させなければならず、排気ガスが低圧タービン２４に直接供給することを可能にしている。比較的高いエンジンスピードでは、排気ガスの質量流量(massflow)が、高圧タービンの流れ容量（flow capacity）よりも実質的に大きく、従って、（封止部分とベアリングとを満足のいく、使える状態に保つことに関する前のコメントにしたがっている（subject to））バイパス弁３０は、高圧タービンを完全に迂回するように、完全に開いている。入口側では、高圧タービンが実質的に迂回されているために、（ゆっくりと回転している）高圧コンプレッサ２２が、制約として振舞う時に、高圧コンプレッサバイパス弁３６が開かれている。いっそう高いエンジンスピードでは、低圧ターボチャージャ２４は、超過ブースト又は超過速度になり始め、これを迂回しなければならない。

特に、高圧タービンバイパス弁３０と低圧タービンバイパス弁１００との閉ループ制御が、なめらかな移行を与えるように果たされる一方から他方への制御の委譲と共に、必要とされている。基本的な制御の図式は、図５に示され、この中で、各弁は、開ループ設定値マップ（an open loop set point map）１１０に基づいている、フィードバックループ、すなわち、閉じられている（inclosed）ループの動作、に基づいて制御されている。この開ループ設定値マップは、どんな適当なセンサ（図示されていない）によっても測定される入力１１２、１１４におけるエンジンスピードと荷重（load）（例えば、燃料）との写像（mapping）を有している。これら変数は、弁の位置を有している出力設定値１１６に写像されている。目標変数（target variable）は、エンジンにおける所望のブースト圧力であり、従って、ブースト圧力のずれ１１８は、（例えば、センサ（図示されていない）により吸気多岐管６で測定された）達成されたブーストの入力から、例えば、設定値から又はエンジン制御ユニットから、エンジンスピードと荷重との入力１１２、１１４から導かれるような所望のブーストと比べて、得られる。この達成されたブーストと所望のブーストとは、ブースト圧力のずれブロック１１８への入力１２０、１２２それぞれでの入力である。このずれは、当業者にはよく知られているタイプの比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラへの１２４での出力である。このＰＩＤコントローラの出力は、弁設定値出力１１６と共に１３０の差分器（differencer）への入力である修正１２８を有し、これらは、弁の動作を、特に、弁の位置を制御しているデューティサイクル（duty cycle）１３２に出力されている。結果として、閉ループ制御が与えられ、この制御において弁の位置は、所望のブーストを与える位置に集まっている。

各弁の必要とされる位置は、非常に非線形であり、例えば、高圧タービンバイパス弁３０は、高圧タービン２０を制御するようにゆっくりと開かなければならないが、このタービンが完全に迂回される必要があるので、それから迅速に開かなければならない。ある程度まで、この高圧タービンバイパス弁は、２つの機能を果たさなければならない。ブーストを低いエンジンスピードで調節するように高圧タービンを迂回する（ウェイストゲートする(wastegating)）機能と、比較的高いエンジンスピードで完全にタービンを迂回する機能とである。したがって、閉ループのコントローラが、（所定のスピードと荷重とに対して所望のブースト圧力に制御するように）複数の較正された開ループマップを閉ループ制御のための基礎として用いることは重要である。

特定のスキームに従って個々のＰＩＤコントローラ１２６が、タービン側の各々のバイパス弁に対して与えられ、このスキームを、図６を参照して理解することができる。

低いスピード／荷重の条件において、全ての弁が閉じられている時、システムは、ブロック１４０で開ループ制御で運転されており、各個のコントローラは、高圧タービンバイパス弁と低圧タービンバイパス弁とに対して、その較正された開ループマップからの設定値を用いている。低いエンジンスピードにおけるバイパス弁は、閉ループ制御が必要とされないように、実は、典型的にこれら弁の完全に閉じられた位置にあるので、初期状態において、両コントローラを開ループ制御で運転することが可能である。この開ループをどんな適当な仕方で、例えば、初期の運転前の（pre-production）較正段階で、較正することもできることが認められる。

エンジンが、高圧タービン２０が超過スピード／超過ブーストに近づくスピード及び荷重の条件に近づくにつれて、高圧タービンバイパスは、ブロック１４４で閉ループ制御に切り替わっている。上で図５を参照して論じられたように、閉ループ制御の間、高圧タービンバイパス弁は、スピードと荷重とに基づいて所望のブースト圧力に制御されている。

高圧タービンバイパス弁３０が、その最大限の開いた位置に向かって動くにつれて、閉ループ制御のタービンバイパス弁を維持するために、制御を低圧バイパス弁１００に委譲する準備をすることが必要になってくる。この時点は、高圧バイパス弁に対する開ループ設定値の弁の位置が、高圧タービンバイパス弁３０が、実質的に開いているために、もはやブーストを規制することができない時点に対応する閾値に近づくと、同定される。この段階では、低圧タービンバイパス弁の位置は、ブロック１４４にも示されているように、エンジンスピードと高圧タービンバイパス弁の位置とのマップを用いている高圧タービンバイパス弁３０の位置設定値（setpoint）の関数として制御されている。

高圧タービンバイパス弁は、完全に開いた位置に開き続け、この時点で（又はこれ以前に）、閉ループ制御を維持するために、制御を低圧タービンバイパス弁に渡さなければならない。したがって、ブロック１４８では、制御は、この場合、入力としての低圧ターボチャージャの開ループマップを、上述のようにブースト圧力のずれ及びＰＩＤコントローラと一緒に用いる、図５に示されているタイプの第２の閉ループコントローラに切り替えられている。委譲の時点で、いずれのタービンバイパス弁の突然の動きも避けるために、この段階で滑らかな移行が望ましいことが認められる。このことは、高圧弁位置による従属制御の最中の、設定値の低圧弁の位置が、低圧タービンバイパス弁のための開ループマップからの設定値の位置と異なっていた場合に、起こり得る。移行の行われ方は、以下でより詳細に述べられるが、完全を期するために、エンジンがスピード／荷重を減少させていく時の制御ストラテジの残りをまず図６を参照して議論する。

スピード／荷重条件が、これらの最大値から減少されるにつれて、（ブロック１４４を参照して説明したような仕方で）ブロック１４８においても、低圧タービンバイパス弁の閉ループ制御でブースト圧力を制御することを続けるにもかかわらず、高圧タービンバイパス弁は、その上、低圧タービンバイパス弁の弁の位置の関数として制御されている。再び、このことは、エンジンスピードと低圧タービンバイパス弁の位置とのマップを用いて行われる。低圧タービンバイパス弁１００は、完全に閉じられた位置に近づき、この時点で（又は、これより以前に）閉ループ制御を維持するために、（ブロック１５０で）制御を高圧タービンバイパス弁に渡さなければならず、最終的にブロック１５２で再び開ループ制御に入る。

図６、ブロック１４８、１５０を参照して説明されたように、閉ループ制御が一方のコントローラから他方のコントローラに渡されるための移行ストラテジは、ここで、図７を参照して説明される。全体像において、このストラテジは、第１に、（切り替え制御（switching control）の前に）他方の弁からの従属的な制御の下での期待される弁の位置と、（移行の後の）開ループの設定値との間のずれを補償することにより、滑らかな移行を達成している。加えて、システムは、低圧及び高圧タービンバイパス弁コントローラのために様々なＰＩＤゲインを可能にしている（これによって、大変異なる時間定数を有する複数の弁が制御され、また、異なるエンジンスピード／荷重条件でも制御されることを可能にしている）。以下の議論は、高圧ターボチャージャの閉ループ制御から低圧ターボチャージャの閉ループ制御への移行を扱っているが、これは、等しく、必要な変更を加えて、他の方向の移行に適用することが認められる。

本発明のこの態様の背後にあるキーとなる動作原理は、以下のとおりである。１つの閉ループコントローラから他の閉ループコントローラへのいかなる移行においても、このコントローラは、現在の位置に整合するために、行き先のコントローラのために開ループマップの出力を修正している。この修正は、２つの部分に分けられる。第１は、行き先の弁の現在の位置を考慮にいれた、（制御が渡される）行き先のコントローラの開ループマップの出力の修正であり、第２は、２つのコントローラの間の比例ゲインのどんな違いも考慮にいれた、行き先コントローラの開ループマップの出力の修正である。

高圧ターボチャージャの閉ループ制御から低圧ターボチャージャの閉ループ制御への変化の直前に、（上述のマップからの高圧弁の位置の関数として決定される位置に従う）低圧タービンバイパス弁の現在の位置と、低圧タービン開ループマップ（例えば、図５に示されているマップ１１０）に従う位置との間の相違が計算される。ここで図５に対応し、中で同じ参照符号はここでは繰り返しを避けるために説明されてない同じ構成要素を示している図７を参照すると、この食い違い、すなわち、「切り替え調整項１（switching adjustment term 1）（ＳＡＴ１）」は、ブロック１３４で加算器１３６への入力であり、修正された値１３８を減算器１３０に与えるように、開ループ設定値マップの出力１１６を補うことを可能にしている。結果として、開ループマップからの食い違いを取り除くことが、開ループ項（open loop term）がＰＩＤコントローラにより変えられる前に、なされる。結果として、委譲の瞬間に修正された位置への突然のジャンプは、全く起こらない。

第２の段階は、各コントローラのＰゲイン（P gains）の間のどんな違いも補うようにブロック１３５で入力されている他の「切り替え調整項２（ＳＡＴ２）」であり、これは、加算器１３６の下流にある加算器１３７への入力である。一般的な点として、コントローラ１２６の中の積分項と（もし用いられるならば）微分項とを、コントローラが用いられていない時はいつも、０に再設定するべきである。したがって、低圧でのＰＩＤコントローラ１２６は、０に設定され、どんな初期誤差項に対しても補償のしすぎがないことを確実にしている。行き先のコントローラからの比例ゲインと現在のブースト圧力のずれとの積は、ＳＡＴ２であり、開ループ項がＰＩＤコントローラにより変えられる前に、開ループマップに加えられなければならない。高圧閉ループコントローラから低圧閉ループコントローラへの切り替えの瞬間に、これら２つのＳＡＴを、低圧タービンバイパス弁の閉ループ制御の持続のために、凍結しなければならない。

結果として、複雑で、滑らかで、迅速に収束する制御ストラテジが、ターボチャージャシステムに対して与えられ、これは、高圧及び低圧バイパス弁の間のそして低圧及び高圧バイパス弁の間の制御の委譲の間でさえも、所望のブースト圧力の乱れのない追跡を可能にしている。

上述のように、高圧コンプレッサが低圧コンプレッサ２６の動作の間に空気流に対する制約となることを防ぐために、高圧コンプレッサバイパス弁３６も、設けられている。段階間のコンプレッサの位置と高圧（HP）コンプレッサ出口との間に特定されないタイプの弁を有する、２段階ターボチャージャシステムの状況でバイパス通路を使用することは、ＥＰ０４１６５２００１０４１１（Ｄ／Ｃ／ＢｏｒｇＷａｒｎｅｒ Ｒ２Ｓ特許）と、バタフライ高圧コンプレッサバイパス弁を電子的に制御することができるが、これが、逆止め弁であるＵＳ５４０８９７９と、２段階チャージングシステムが、低圧（ＬＰ）出口から高圧（ＨＰ）チャージングパイプへのチャージングバイパスを有しており、（逆流を防ぐために）このチャージングバイパスの中の受動的な(passive)逆止め弁で高圧コンプレッサを迂回しているＵＳ４９０３１５とで知られており、説明されている。

加えて、他の製造されているエンジン／過給機システムは、ターボチャージャと直列の機械的／電子的な過給機を、この機械的／電子的な過給機の周りで、受動的な又は能動的に制御されている（actively controlled）逆止め弁と共に用いている。これの一例は、Ｖｏｌｖｏ Ｐｅｎｔａ（受動的逆止め弁（ＮＲＶ）フラップ弁）である。

現存するシステムに関わる問題は、受動的に操作されている（passively operated）（自動の）逆止め弁が、不安定／脈動（pulsation）に対する応答／騒音を伴う既知の問題を有していることである。本発明のさらなる態様に係われば、２段階ターボチャージャシステムにおいて空気側のバイパスとして用いられている、能動的に制御されているバタフライ弁を操作する方法が与えられている。

上述のように、２段階システムは、ＨＰ段階とＬＰ段階とのサイズがかなり異なる（従って流れ容量がかなり異なる）ように構成され、ＨＰタービン２０は、スピードがとても低いレベルに落ちるように、比較的高いエンジンスピードで迂回され（弁のあるタービンバイパス(turbine bypass valved)）ている。結果として、ＨＰコンプレッサ２２は、全く圧力の上昇を生じず、実際に、回路内に残されたとすると、エンジン内への空気流への制約として振るまう。したがって、ＨＰコンプレッサバイパス弁３６は、ＨＰコンプレッサ２２が全く圧力の上昇を生じていない時に、空気がこのＨＰコンプレッサ２２を迂回する代わりの経路を与える必要がある。

ＨＰコンプレッサの上流と下流との圧力が（適当なセンサにより検出されるように）等しい時に、弁は、開くように指令を出されるように、設計されている。しかしながら、一度このようなバタフライ弁が開くことを指令されると、ＨＰコンプレッサの動作のどんな再始動も（すなわち、ＨＰタービンバイパス弁の閉鎖による）単に結果として、バイパス通路を通ってＨＰコンプレッサの周りを再循環する空気流を生じる。空気流は、再循環しているため、圧力の上昇は、ＨＰコンプレッサの上流で、生じられず、上流と下流との圧力は、等しいままであり、従って、バイパス弁は、圧力微分信号（pressure differential signal）の命令の下で開いたままである。

開ループブースト制御にある時は、ＨＰコンプレッサバイパスは、タービンに関して上述したのと似た方法で、較正されたスピードと燃料とのマップからの開ループモードで動作している。閉ループブースト圧力コントローラが動作している時は、２つのタービンバイパス弁（すなわち、図示されていない低圧タービンバイパス弁を含む）は、これらの開ループマップからかなりずれることができ、同時に、空気流の振る舞いは、定常状態からかなりずれることができる。したがって、コンプレッサバイパスを、開ループマップにより適当に制御することができない。

したがって、閉ループ制御の間、低圧コンプレッサ（ＬＰＣ）２６の出口の圧力と、（ＨＰコンプレッサ２２の後ろの）インタークーラー１２の入口の圧力とが、比較される。ＨＰコンプレッサ２２の後の圧力（すなわち、インタークーラー前の圧力）は、このインタークーラー１２を横断する、見積もられた圧力の低下に対する修正を伴ったブースト圧力から見積もられる。

本発明で実施されているシステムは、以下の仕方で動作している。

ＬＰコンプレッサ２６を出た圧力（out pressure）が、インタークーラー前の圧力（すなわち、ＨＰコンプレッサ２２に渡って圧力の低下がある）を上回っている時、ＨＰコンプレッサバイパス３６は、既知の技術のように（as per the known technique）、開くように要求される。

ＨＰバイパス３６の閉ループ設定値が閾値を越えて終了する（close）時は、コンプレッサバイパス３６は、閉じることを要求される。たとえ圧力微分の判断基準が満たされていても、弁がすぐに再び開くことを防ぐように、履歴現象がタイマーの形式で含まれている。結果として、フリップフロップして迅速に開閉されるバイパス弁の、上で特定された問題を避けて、圧力微分が形成され得る。

本発明に係るターボチャージャシステムを有する自動車のエンジンの極めて概略的な図である。 弁フラップが明確さのために除かれている、排気ガスバイパス弁ハウジングの一端からの図である。 排気ガスバイパス弁の断面側図である。 ２段階ターボチャージャを備えたエンジンの構成要素をより詳細に示す概略的なダイヤグラムである。 バイパス弁のための閉ループ制御スキームを示す概略的なブロックダイヤグラムである。 タービンバイパス弁の間の制御の委譲のための制御スキームの動作を示すフローチャートである。 制御の委譲に従うバイパス弁に対するバイパス弁スキームのための制御スキームを示すブロックダイヤグラムである。

Claims (23)

1. 空気入口ダクトと、排気ガスダクトと、第１及び第２のターボチャージャとを具備し、この第１のターボチャージャは、この第２のターボチャージャよりも実質的に小さく、各ターボチャージャは、前記排気ダクト内に位置されている排気タービンと、前記入口ダクト内に位置されている過給機ホイールとを有し、バイパスダクトが、前記第１のターボチャージャの前記排気タービンの各側面で前記排気ダクトに接続され、このバイパスダクトは、ハウジングの中に回動可能に装着されている弁フラップを備えた選択的に動作可能なバタフライ締切弁を有し、前記ハウジングの内壁は、排気ガスの流れの方向に対して横方向に延びている、互いに対向した２つの半円形の封止面を保持し、前記弁フラップは、前記バイパスダクトが実質的に制約されない開いた位置と、このバイパスダクトが前記２つの封止面と封止係合する閉じた位置との間で可動である、自動車のエンジンのためのターボチャージャシステム。
2. 前記２つの封止面は、前記ハウジングを通る排気ガスの流れの方向で、前記弁フラップの厚さにほぼ等しい距離だけ、互いにずれている請求項１に記載のシステム。
3. 前記２つの封止面は、弁の前記ハウジングの内面に設けられている２つの半円形の封止突起の対向する側面により構成されている請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記ハウジングの内面は、それぞれの封止面が規定されている２つの不連続な所を除いて、全体として滑らかに連続している請求項１又は２に記載のシステム。
5. 第１のターボチャージャを第１の制御スキームに従って第１の動作範囲で制御し、第２のターボチャージャの制御をこの第１の制御スキームに従属させることと、
   第２のターボチャージャを第２の制御スキームに従って第２の動作範囲で制御することとを具備し、前記第１及び第２の制御スキーム間の移行では、切り替え項が前記第２の制御スキームに組み込まれている、第１及び第２の動作範囲をそれぞれ備えた第１及び第２のターボチャージャを有するターボチャージャシステムを制御する方法。
6. 前記切り替え項は、前記第１のスキームに従った前記第２のターボチャージャの制御パラメータと、前記第２のスキームに従ったこの第２のターボチャージャの制御パラメータとの間のずれの測定値である請求項５に記載の方法。
7. 前記制御スキームは、ＰＩＤ制御スキームであり、前記切り替え項は、前記第２の制御スキームに従った比例ゲインの測定値である請求項５又は６に記載の方法。
8. 積分項が、前記第２の制御スキームに従って０に初期化される請求項７に記載の方法。
9. 前記第１及び第２のターボチャージャのうちの一方は、高圧ターボチャージャであり、これら第１及び第２のターボチャージャのうちの他方は、低圧ターボチャージャである請求項５乃至８のいずれか１に記載の方法。
10. 請求項５乃至９のいずれか１に記載の方法を実行するように構成されているコンピュータプログラム。
11. 請求項１０に記載のコンピュータプログラムの命令の下で動作するように構成されているコンピュータ。
12. エンジン制御ユニットを具備している請求項１１に記載のコンピュータ。
13. 請求項５乃至９のいずれか１に記載の方法を実行するように構成されている制御装置。
14. 請求項１０に記載のコンピュータプログラムを実行するための命令を保持している、コンピュータが読み取り可能な媒体。
15. コンプレッサの下流の圧力が、このコンプレッサの上流の圧力以下の時、このコンプレッサの周りのバイパスを開成することと、このコンプレッサの動作が必要とされている時に、前記バイパスを閉成することと、所定の開成命令を受けるまで前記バイパスを閉成して維持することとを具備する、第１及び第２の動作範囲をそれぞれ備えた第１及び第２のターボチャージャを有するターボチャージャシステムを制御する方法。
16. 前記バイパスを閉成することは、完全に又は部分的にこのバイパスを閉成することを有する請求項１５に記載の方法。
17. 前記コンプレッサは、高圧コンプレッサを有する請求項１５又は１６に記載の方法。
18. 前記命令は、所定の時間の終わりと同時に出される請求項１５乃至１７のいずれか１に記載の方法。
19. 請求項１５乃至１８のいずれか１に記載の方法を実行するように構成されているコンピュータプログラム。
20. 請求項１９に記載のコンピュータプログラムの命令の下で動作するように構成されているコンピュータ。
21. エンジン制御ユニットを有している請求項２０に記載のコンピュータ。
22. 請求項１５乃至１８のいずれか１に記載の方法を実行するように構成されている制御装置。
23. 請求項１９に記載のコンピュータプログラムを実行するための命令を保持している、コンピュータで読み取り可能な媒体。

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