JP2008064069A - 多段ターボチャージャの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多段ターボチャージャが設けられたエンジンの過渡時および定常時の燃費向上を図ることができる多段ターボチャージャの制御装置を提供する。
【解決手段】エンジン２に少なくとも２段以上のターボチャージャ６、７を直列に設け、高圧段側のターボチャージャ６を、可変翼６４を備えた可変容量ターボチャージャ６にて構成した多段ターボチャージャの制御装置１であって、上記可変容量ターボチャージャ６よりも低圧段側のターボチャージャ７のブースト圧力または吸気量を検出するための検出手段１１、１２を備え、その検出手段１１、１２の検出値に基づき上記可変翼６４の開度を制御するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも２段以上のターボチャージャが直列に設けられた多段ターボチャージャの制御装置に関するものである。

近年、自動車エンジンの排ガス規制は年々厳しくなっており、そのエンジン評価方法も厳しくなり、発進や加速時の評価方法が導入されてきている。具体的な評価方法として、国内ではＪＥ０５モード、欧州（ＥＣ）ではＥＴＣモードなどが実施されている。

排ガス規制には大きく窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）とディーゼルパティキュレート（以下、ＰＭという）値があるが、これらはトレードオフの関係にあるので両方を同時に低減させるのが非常に難しい。

現在、排ガス規制に対する有効な手段としては、高い排気環流（以下、ＥＧＲという）によるＮＯｘの低減と、高いラムダ（過剰吸気係数λ）の確保によるＰＭの低減がある。どちらも現実に対応するためにはエンジン全域（全運転領域）で高ラムダを確保するシステム、すなわち、エンジンに対して高過給を供給できるシステムが必要である。

図３に国内トランジェント（ＪＥ０５モード）運転モードおよび試験データを示す。横軸は時間（ｓｅｃ）であり、縦軸は下から順番にスモーク・ラムダ・エンジン回転数である。

図３に示すように、エンジンアイドル状態、つまり車両が停止している状態から、車両を発進させると、その発進時に急激にエンジン回転数が上昇する。この時に、吸入空気が一時的に不足し、急激に１近くまでラムダが低下し、結果としてスモークが大量に排出される。

上述した排ガス規制を満足すべく、エンジンに対して高過給を供給できるシステムとして、２ステージターボシステムが考えられる。

２ステージターボシステムは、基本的にはエンジンに対し２つのターボチャージャを配置することで、エンジン運転領域の全域において、従来のシングルターボエンジンに対して高過給を実現させることができるシステムである。

その２ステージターボシステムは、２つのターボチャージャにより二段過給をすることで高過給を実現している（特許文献１および２参照）。

特開２００４−２２５５８６号公報 特開２００５−３１５１６３号公報

しかし、２ステージターボシステムは、過渡試験モードなどでの立ち上がり時には低圧段（後方）に配置したターボチャージャの圧力上昇遅れが生じてしまう問題がある。

図４に過渡時でのシングルターボと２ステージターボシステムのターボ圧力（ブースト圧力）上昇比較結果を示す。

このように、本来はエンジン定常運転で十分に得ていたブーストを過渡モードで十分に到達できない。

例えば、予め定常試験において、ＮＯｘ−ＰＭ（ＳＭ）および燃費が一番良いセッテイングを探して、表１のような性能マップを作成し、その表１のような性能マップを用いて、過渡性能試験をすると、過渡試験中にターボ遅れが生じＮＯｘ−ＰＭが目標値に到達しなくなってしまう。

そこで、過渡モードでは、目標排ガス値に適合させるため、一段目（高圧段側）に配置したターボの可変翼（ＶＧＴ）を、定常試験で得たマップ（表１参照）に対して更に絞り込んだマップ（表２参照）により制御することが考えられる。

これにより、図５に示すように、２ステージターボシステム全体の圧力上昇をシングルターボより早めることができる。

その結果、図６に示すように、ＮＯｘ−ＰＭの排ガストレードオフを改善し、目標排ガスレベルを達成している。

このように、一段目に配置した高圧段ターボチャージャの可変翼（ＶＧＴ）を表１に示したＶＧＴベースマップに対し、可変翼の開度（ＶＧＴ開度）を絞り込んだ表２のマップに変更して、ブースト圧力の立ち上がりを改善することで、目標排ガスレベルの達成は成り立っている。

しかしながら、このよう可変翼の開度を絞り込むと、図７に示すように燃費が悪化してしまうという問題があった。

この図７は、上述したＪＥ０５モードを模擬したトータル試験の燃費結果を示すものであり、そのトータル試験では、過渡状態の他に、変化の緩やかな状態すなわち、定常状態での試験も含まれる。

この図７に示した試験において、表２の可変翼を絞り込んだマップを使用すると、定常状態では必要以上にターボマップが絞り込まれることとなり、不必要に吸気を供給加圧し、結果として燃費が悪化してしまう。また、過渡状態でも必要以上にターボマップが絞り込まれる場合があり、燃費の悪化を招いてしまう。

ここで、過渡試験でのＮＯｘ−ＰＭ性能を目標値に到達させるために過渡用マップ（表２）を用いることで燃費が悪化するが、その影響は、過渡状態よりも定常状態のほうが強い。

以上のように、ＮＯｘ−ＰＭの低減のみを考慮して、過渡モードでは過渡時および定常時に常に可変翼の開度を絞り込むようにすると、燃費が悪化してしまうという問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、多段ターボチャージャが設けられたエンジンの過渡時および定常時の燃費向上を図ることができる多段ターボチャージャの制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンに少なくとも２段以上のターボチャージャを直列に設け、高圧段側のターボチャージャを、可変翼を備えた可変容量ターボチャージャにて構成した多段ターボチャージャの制御装置であって、上記可変容量ターボチャージャよりも低圧段側のターボチャージャのブースト圧力または吸気量を検出するための検出手段を備え、その検出手段の検出値に基づき上記可変翼の開度を制御するものである。

好ましくは、上記エンジンの定常時における上記可変翼の開度が記された定常時開度マップと、その定常時開度マップよりも開度が小さく設定された過渡時開度マップとが格納された記憶手段を備え、上記エンジンの定常時には、上記可変翼の開度を上記定常開度マップに基づき制御し、上記エンジンの過渡時であって、上記検出手段の検出値が所定値を超えるときは、上記可変翼の開度を上記定常開度マップに基づき制御し、検出値が上記所定値以下のときは、上記可変翼の開度を上記過渡時開度マップに基づき制御するものである。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンに少なくとも２段以上のターボチャージャを直列に設け、高圧段側のターボチャージャを、可変翼を備えた可変容量ターボチャージャにて構成し、その可変翼の開度を、上記エンジンの立ち上がり時は、定常時における開度よりも絞り込むようにした多段ターボチャージャの制御装置であって、上記可変容量ターボチャージャよりも低圧段側のターボチャージャのブースト圧力または吸気量を検出するための検出手段と、上記エンジンの立ち上がり時であっても、上記検出手段の検出値が所定値を超えるときは、上記可変翼の開度の絞り込みを禁止する禁止手段とを備えたものである。

本発明によれば、多段ターボチャージャが設けられたエンジンの過渡時および定常時の燃費向上を図ることができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態の多段ターボチャージャの制御装置は、例えば、車両のディーゼルエンジン（以下、エンジンという）に取り付けられた２ステージターボシステムを対象とする。

まず、図１に基づきエンジンの概略構造を説明する。

図１に示すように、エンジン２は、複数の気筒を有するエンジン本体３と、そのエンジン本体３に接続された吸気通路４および排気通路５と、それら吸気通路４および排気通路５に設けられエンジン本体３に過給気を供給するためのターボチャージャ６、７と、排気通路５の排気ガスの一部を吸気通路４に環流するためのＥＧＲ装置８と、エンジン本体３を制御するためのエンジン制御装置（以下、ＥＣＵという）１とを備える。

本実施形態では、高圧段側のターボチャージャ（ＨＰ）６と、低圧段側のターボチャージャ（ＬＰ）７とが直列に設けられて２ステージターボシステムが構成される。

吸気通路４には、上流側から順に、ｍａｆセンサー１１と、低圧段側のターボチャージャ７のコンプレッサ（ＬＰＣ、以下、低圧段コンプレッサという）７１、ブーストセンサー１２、高圧段側のターボチャージャ６のコンプレッサ（ＨＰＣ、以下、高圧段コンプレッサという）６１、エアクーラー（Ａ／Ｃ）３１が設けられ、吸気通路４の下流端がエンジン本体３の吸気マニフォールド（図示せず）に接続される。

排気通路５は、上流端がエンジン本体３の排気マニフォールド（図示せず）に接続され、上流側から順に、高圧段側のターボチャージャ６のタービン（ＨＰＴ、以下、高圧段タービンという）６２、低圧段側のターボチャージャ７のタービン（ＬＰＴ、以下、低圧段タービンという）７２が設けられる。

低圧段側のターボチャージャ７は、上述した低圧段コンプレッサ７１および低圧段タービン７２と、それら低圧段コンプレッサ７１および低圧段タービン７２を連結するタービン軸７３とを備え、低圧段コンプレッサ７１が、低圧段タービン７２により駆動されて、吸入空気を加圧する。

その低圧段コンプレッサ７１の上流に配置されたｍａｆセンサー１１は、低圧段コンプレッサ７１に吸入される吸気量（質量流量）を検出する検出手段をなし、低圧段コンプレッサ７１の吐出口に取り付けられたブーストセンサー１２は、低圧段コンプレッサ７１のブースト圧力を検出する検出手段をなす。

高圧段側のターボチャージャ６は、上述した高圧段コンプレッサ６１および高圧段タービン６２と、それら高圧段コンプレッサ６１および高圧段タービン６２を連結するタービン軸６３とを備え、高圧段コンプレッサ６１が、高圧段タービン６２により駆動されて、低圧段コンプレッサ７１にて加圧された過給気をさらに加圧し、エンジン本体３に供給する。

本実施形態では、高圧段側のターボチャージャ６が、可変翼６４を備えた可変容量ターボチャージャ（図例では、電制ＶＧＳ）にて構成される。

具体的には、高圧段タービン６２に、タービン容量を可変にするための可変翼６４が設けられ、高圧段タービン６２は、可変翼６４の開度が絞り込まれると、タービン容量が減少するよう構成される。

また、高圧側のターボチャージャ６には、高圧段タービン６２をバイパスするためのウェストゲート装置６５が設けられる。そのウェストゲート装置６５は、高圧段タービン６２の上流（吸入側）および下流（吐出側）を連通するためのウェストゲート通路６５１と、そのウェストゲート通路６５１に設けられたウェストゲートバルブ６５２とを備える。

ＥＧＲ装置８は、排気通路５および吸気通路４を連通するためのＥＧＲ通路８１と、そのＥＧＲ通路８１に設けられたＥＧＲ弁８２と、そのＥＧＲ弁８２の上流に配置されＥＧＲ通路８１を流通するガス（ＥＧＲガス）を冷却するためのＥＧＲクーラー８３とを備える。ＥＧＲ通路８１は、上流端がエンジン本体３と高圧側のタービンとの間の排気通路５に接続され、下流端がエンジン本体３とエアクーラー３１との間の吸気通路４に接続される。

本実施形態のＥＣＵ１は、多段ターボチャージャ６の制御装置をなし、ｍａｆセンサー１１の検出値（低圧段タービン７２の吸入空気量）、またはブーストセンサー１２の検出値（低圧段タービン７２のブースト圧力）に基づき、高圧段タービン６２の可変翼６４の開度を制御する。

そのＥＣＵ１には、ｍａｆセンサー１１、ブーストセンサー１２などの各種センサ類が接続され、それらセンサ類の検出値が入力される。

また、ＥＣＵ１は、高圧段タービン６２の可変翼６４、ウェストゲートバルブ６５２などの各種アクチュエータ類に、制御信号を送信すべく接続される。

詳しくは後述するが、ＥＣＵ１は、上記エンジン２の定常時における上記可変翼６４の開度が記された定常時開度マップ（表１参照）と、その定常時開度マップよりも開度が小さく設定された過渡時開度マップ（表２参照）とが格納された記憶手段１４を備え、上記エンジン２の定常時には、上記可変翼６４の開度を上記定常開度マップに基づき制御し、上記エンジン２の過渡時であって、上記検出手段１１、１２の検出値が所定値を超えるときは、上記可変翼６４の開度を上記定常開度マップに基づき制御し、検出値が上記所定値以下のときは、上記可変翼６４の開度を上記過渡時開度マップに基づき制御する。

ここで、表１の定常時開度マップおよび表２の過渡時開度マップは、横軸（第１行）がエンジン回転数（ｒｐｍ）、縦軸（第１列）が燃料流量（ｍｍ³／ｓｔ）を示す。また、表中の数値は、可変翼６４の開度（％）を示し、数値が少ないほうが、可変翼６４は閉じられる（絞られる）。

次に、本実施形態の多段ターボチャージャの制御装置による制御を説明する。

本実施形態のＥＣＵ１は、エンジン２の立ち上がり時などの過渡時は、基本的に、低圧段側のターボチャージャ７の圧力上昇遅れを防止すべく、高圧段タービン６２の可変翼６４の開度を、定常時における開度よりも絞り込むようにしている。

ここで、定常時とは、エンジン運転状態の変化が一番少ない状態であり、例えば、車両の定速走行時（あるいはエンジン回転一定時）などであり、過渡時とは、エンジン運転状態の変化が一番厳しい状態であり、例えば、車両の加速時（あるいはエンジン回転上昇時）などである。

しかし、過渡時に常に高圧段タービン６２の可変翼６４の開度を絞り込むようにすると、燃費が悪化してしまう懸念がある。

そこで、本実施形態では、エンジン２の立ち上がり時などの過渡時であっても、上記検出手段１１、１２の検出値が所定値を超えるときは、上記可変翼６４の開度の絞り込みを禁止する禁止手段を設けるようにしている。本実施形態では、ＥＣＵ１が禁止手段をなす。

具体的には、本実施形態のＥＣＵ１は、２ステージターボシステムにおける過渡時の燃費悪化を改善するため、一段目に配置した高圧段側のターボチャージャ６の可変翼６４（ＶＧＴ）の制御マップとして、過渡用の過渡時開度マップと定常用の定常開度マップとを持ち、二段目に配置した低圧段側のターボチャージャ７のブースト圧力または吸気量が、目標マップに対して到達した度合いにより、一段目に配置した高圧段側のターボチャージャ６の可変翼６４の制御マップを、定常開度マップと過渡時開度マップとで切り換えるものである。

これにより、過渡時における可変翼６４の不必要な絞り込みが防止され、燃費改善を図ることができる。

次に、図２に基づき、本実施形態の多段ターボチャージャの制御装置による制御の一例を説明する。

図２の制御は、例えば、エンジン２の立ち上がり時にＥＣＵ１により実行される。なお、エンジン２の定常時、ＥＣＵ１は、定常時開度マップに基づき可変翼６４を制御するようにしている。

まず、ステップＳ１では、ＥＣＵ１は、二段目に配置した低圧段コンプレッサ７１の吸気出口（吐出口）に取り付けられたブーストセンサー１２が検出したブースト圧力を取得する。

ステップＳ２では、ＥＣＵ１は、ステップＳ１で取得したブーストセンサー１２のブースト圧力（検出値）が、所定の目標ブースト圧力（所定値）を超えるか否かを判断する。

具体的には、ＥＣＵ１は、ＥＣＵ１内に格納された目標マップから目標ブースト圧力を読み取り、その目標ブースト圧力とブーストセンサー１２により検出されたブースト圧力とを比較する。目標マップには、例えば、エンジン２の運転状態（エンジン回転数や燃料噴射量）ごとの目標ブースト圧力が記される。

ステップＳ２で、ブースト圧力が目標ブースト圧力を超えると判断した場合、ＥＣＵ１は、ステップＳ３で、エンジン定常時における可変翼６４の開度が記された定常時開度マップ（図２では、標準ＶＧＴマップ）を選択して、ステップＳ４で目標ＶＧＴマップとして設定する。

一方、ステップＳ２で、ブースト圧力が目標ブースト圧力以下と判断した場合、ＥＣＵ１は、ステップＳ５で、定常時開度マップよりも開度が小さく設定された過渡時開度マップ（図２では、過渡時ＶＧＴマップ）を選択して、ステップＳ４で目標ＶＧＴマップとして設定する。

ステップＳ４にて、定常時開度マップあるいは過渡時開度マップが、目標ＶＧＴマップとして設定された後は、その目標ＶＧＴマップに基づいてＥＣＵ１により可変翼６４の開度が制御される。

このように、本実施形態では、高圧段側のターボチャージャ６の可変翼６４の開度（ＶＧＴ開度）を決定すべく、低圧段側のターボチャージャ７のブースト圧力（ブーストセンサー１２の検出値）に応じて、過渡時開度マップまたは定常時開度マップが選択される。

つまり、過渡時に、低圧段側のターボチャージャ７のブースト圧力が目標ブースト圧力に到達していないときは、高圧段側のターボチャージャ６の可変翼６４の開度が、過渡用に絞り込んだ過渡時開度マップに基づき制御され、目標ブーストに到達しているときは、過渡時であっても、定常時用の定常時開度マップに基づき制御される。

これにより、本実施形態では、多段ターボチャージャ６が設けられたエンジン２の過渡時における燃費の向上を図ることができる。

すなわち、従来は、過渡時に常に、表に示した過渡時開度マップを使用していたため、可変翼６４の開度の絞り込みが必要以上に行われ、図７に示したように、燃費の悪化を起こしていた。

これに対して、本実施形態では、低圧段コンプレッサ７１のブースト圧力を基に、効果的なターボＶＧＴマップを適宜選定することで、可変翼６４の必要以上の絞り込みが回避され、２ステージターボシステムでの燃費向上という効果が得られる。

例えば、従来のように過渡時開度マップのみを用いた場合、図５の５６ｓｅｃ以降に示すように、２ステージターボシステムの総合圧力比は、必要以上に上昇し、燃費が悪化してしまう。これに対して、本実施形態では、ブースト圧力を基に過渡時開度マップから定常時開度マップに切り換えるので、図４の５６ｓｅｃ以降に示すように、総合圧力比は、過度の上昇が抑制される。また、このとき、総合圧力比は、単段過給圧比を上まわっており、所望の性能を満たしている。

このように、本実施形態では、厳しい変化の過渡時はターボチャージャ６のＶＧＴ開度を図５の４８〜５２ｓｅｃの状態で作動させて厳しいＮＯｘ−ＰＭに対応すると共に、もっと緩やかな変化および定常状態でのターボチャージャ６のＶＧＴ開度を図４の５６ｓｅｃ以降の状態で作動させることで燃費の向上を図っていする。

なお、図４および図５は、上述のＪＥ０５モードの一部分を評価するために作成した模擬試験の結果である。

ここで、ブーストセンサー１２やｍａｆセンサー１１による制御システムは一般的なものであるが、本実施形態の制御装置は、２ステージターボシステム独自の問題点である二段目（低圧段側）に配置したターボチャージャ７の圧力上昇遅れを、二段目（低圧段側）のブースト圧力（ターボ圧力）を検知して一段目（高圧段側）に配置したターボチャージャ６のＶＧＴ開度を決定しているところが従来と異なる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

例えば、ブーストセンサー１２の検出値を用いたが、これに限定されず、ｍａｆセンサー１１の検出値を用いるようにしてもよい。すなわち、ＥＣＵ１は、上記エンジン２の過渡時であって、上記ｍａｆセンサー１１の検出した吸気量が所定の目標吸気量を超えるときは、上記可変翼６４の開度を上記定常開度マップに基づき制御し、検出した吸気量が上記目標吸気量以下のときは、上記可変翼６４の開度を上記過渡時開度マップに基づき制御するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、本発明の制御装置を、２ステージターボシステムに適用したが、その構造は図１に示したものに限らず、エンジンに対して２つのターボチャージャを有するもの全般に適用でき、さらに、ターボチャージャが直列に３段以上配置されたターボシステムにも適用できる。

図１は、本発明に係る一実施形態による多段ターボチャージャの制御装置およびエンジンの概略図である。 図２は、本実施形態の作動システムを示す。 図３は、国内ＪＥ０５モードの試験データを示す。 図４は、過渡時のターボ圧力比上昇比較を説明するための図である。 図５は、高圧段ターボＶＧＴを絞り込んだ過渡時のターボ圧力比上昇比較を説明するための図である。 図６は、排ガス性能改善結果を説明するための図である。 図７は、ＶＧＴ開度マップ変更による燃費の悪化を説明するための図である。

符号の説明

１ ＥＣＵ（多段ターボチャージャの制御装置、禁止手段）
２ エンジン
６ 高圧段側のターボチャージャ（可変容量ターボチャージャ）
７ 低圧段側のターボチャージャ
１１ ｍａｆセンサー（吸気量を検出するための検出手段）
１２ ブーストセンサー（ブースト圧力を検出するための検出手段）
１４ 記憶手段
６４ 可変翼

Claims (3)

1. エンジンに少なくとも２段以上のターボチャージャを直列に設け、高圧段側のターボチャージャを、可変翼を備えた可変容量ターボチャージャにて構成した多段ターボチャージャの制御装置であって、
   上記可変容量ターボチャージャよりも低圧段側のターボチャージャのブースト圧力または吸気量を検出するための検出手段を備え、その検出手段の検出値に基づき上記可変翼の開度を制御することを特徴とする多段ターボチャージャの制御装置。
2. 上記エンジンの定常時における上記可変翼の開度が記された定常時開度マップと、その定常時開度マップよりも開度が小さく設定された過渡時開度マップとが格納された記憶手段を備え、
   上記エンジンの定常時には、上記可変翼の開度を上記定常開度マップに基づき制御し、 上記エンジンの過渡時であって、上記検出手段の検出値が所定値を超えるときは、上記可変翼の開度を上記定常開度マップに基づき制御し、検出値が上記所定値以下のときは、上記可変翼の開度を上記過渡時開度マップに基づき制御する請求項１記載の多段ターボチャージャの制御装置。
3. エンジンに少なくとも２段以上のターボチャージャを直列に設け、高圧段側のターボチャージャを、可変翼を備えた可変容量ターボチャージャにて構成し、その可変翼の開度を、上記エンジンの立ち上がり時は、定常時における開度よりも絞り込むようにした多段ターボチャージャの制御装置であって、
   上記可変容量ターボチャージャよりも低圧段側のターボチャージャのブースト圧力または吸気量を検出するための検出手段と、
   上記エンジンの立ち上がり時であっても、上記検出手段の検出値が所定値を超えるときは、上記可変翼の開度の絞り込みを禁止する禁止手段とを備えたことを特徴とする多段ターボチャージャの制御装置。

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