JP2008540892A - 内燃エンジンのための過給コントロール - Google Patents

Abstract

定常のエンジン・オペレイションにおいて、プレ・スワール・デバイスにより、渦をコンプレッサ入口でコンプレッサの回転方向に増大させることにより、コンプレッサの定常のオペレイティング・ポイントがコンプレッサのほぼ吸収限界に落ち着く程度に、コンプレッサの回転速度ラインが移動される。このようにして、充填圧力のレベルが、それぞれのエンジン・オペレイティング・ポイントのための要求される値に、コントロールされたやり方で調整されることが可能である。エンジン負荷の突然の増大の場合には、プレ・スワール格子をリセットすることにより、時間のかかるロータの加速無しで、充填圧力の増大を発生させることが可能である。前記プレ・スワール・デバイスは、それ故に、充填圧力及びエンジン負荷制御の機能を同時に果たす（図１）。

Description

本発明は、過給機を備えた内燃エンジンの分野に係る。本発明は、内燃エンジンの充填のためのコントロール・システム、及び過給機を備えた内燃エンジンを運転するための方法に係る。

広い回転速度及び負荷レンジで動作する過給機を備えた内燃エンジンは、一般的に、少なくとも二つのコントロール・システムを必要とする：即ち、燃料供給を介してエンジン・パワーをコントロールするメイン・コントロール、及び、全てのオペレイティング・ポイントに対して、要求される過給（supercharging）システムの充填（charging）圧力を発生させることが可能な補助コントロールである。

空気及び燃料の量のコントロールは、ディーゼル・エンジンの場合には、広いレンジで独立に実施されることが可能であるのに対して、火花点火エンジンの場合には、空気／燃料比の変動レンジが厳しく制限される。この理由のために、エンジン・パワー・コントロールは、一定の空気／燃料混合物に対して、実用的には、単一の量コントロールにより実施される。

最も極端な要求は、例えば乗用車で使用されるような、小型の火花点火式エンジンの場合に見出される。ここで、典型的に設けられるものは、タービン・サイドの過剰圧力バルブ（いわゆる“ウエイストゲイト・コントロール”（wastegate control））を用いた第一のコントロールであり、それによって、例えば、２０００回転／分から６０００回転／分までのエンジン回転速度レンジの充填圧力が、ほぼ一定に維持されることが可能になる。もう一つは、スロットル・フラップによる第二のコントロールであり、それは、充填圧力に、現在のエンジン・オペレイティング・ポイントに対して要求されるレベルにスロットリングを行う。

スロットル・フラップは、加速のための余力を同時に発生させる。ターボ・チャジャーが最大の充填圧力を供給し、それに対応して、スロットル・フラップが前記最大の充填圧力にスロットリングを行う限り、スロットル・フラップを開くことにより、スロットリングが行われた充填圧力を解放し、瞬時のパワーの増大を実現することが可能である。

しかしなから、ターボ・ラグの既知の問題は、エンジン・パワーが低過ぎて、閉められた過剰圧力バルブ（ウエイストゲイト）にも拘わらず、排ガス・ターボ・チャジャーのタービンが最大の充填圧力を供給するため充分なエネルギーを受け取らないときに、生ずる。この場合には、要求されるトルクが内燃エンジンから引き出されることが可能になる前に、ターボ・チャジャー・ロータが加速されなければならない。これは、モーターの低めの回転速度レンジにおいて、例えば１０００回転／分から２０００回転／分までの間で、特にクリティカルである。

ターボ・ラグの問題を取り除くために、過去において、排ガス・ターボ・チャジャーのコンプレッサの入口での空気の流れの中での、渦の付加的な形成により、ターボ・チャジャーの回転速度を上げるための様々な可能性がテストされて来た。

例えば、発電のため、または非常に大きい定置式のマシンを駆動するために使用される、大型の火花点火式エンジンの場合には、回転速度レンジは、乗用車のエンジンの場合と比べて、遥かに遅い。ここでは、エンジン効率が、より重要な役割を演ずる。圧力コントロールの上記のタイプ、並びに圧力コントロールの他の全ての考えられるタイプは、損失を伴い、その結果として、それらは、大型のエンジンにおいて非常に限られた範囲でのみ使用される。

この理由のために、過給システムが、少数のオペレイティング・ポイントのためにデザインされ、それによって、コントロール無しでの充填圧力が、それぞれのオペレイティング・ポイントのための要求される値を僅かに上回る値のみになるようにされる。そのとき、充填圧力は、排ガスウエイストゲイト、空気ウエイストゲイト、またはコンプレッサ内での混合循環、または可変タービン形状、または同様なシステムにより、コントロールされる。しかしなから、充填圧力コントロールは、パワー・コントロールとして考えられることはできない。

もし、充填圧力の余力が、特に存在しない場合、エンジンは、小さな負荷の変化に非常にゆっくり反応する。その理由は、コントロール要素の調整結果としての、ターボ・チャジャーのオペレイティング・ポイントの変化には、システムの慣性の結果として、多かれ少なかれ大きな減速が常に伴われるからである。もし、負荷のステップが大きくなった場合には、エンジンの強力なの制動が生ずることがあり、あるいは、エンジンが完全に止まるあるいは遮断されることさえもあり得る。

それで、多くの場合、大型のエンジンの場合であっても、スロットル・フラップが設けられ、このスロットル・フラップが、精密且つ迅速なパワー・コントロールを確保するタスク、及びそれと同時に最小の圧力の余力インストールするタスクを引き受ける。上述したように、エンジンの負荷容量は、スロットル・フラップを横切る圧力損失の増大により増大するが、エンジン効率の減少と言う代償を伴う。スロットル・フラップの圧力損失を克服するためのエネルギーが、排ガスのエネルギーから抜き出されなければならない；即ち、ターボ・チャジャー・タービンは、より高いパワーに対してデザインされなければならず、そして、このことは、必然的に、エンジンのシリンダのための対向圧力を増大させる。

EP 0 196 967 A には、内燃エンジンのコンプレッサのためのプレ・スワール・デバイスのコントロールが図に示されている。ここで、プレ・スワール・デバイスブレード位置は、予め規定されたラインに基づいて、マス・フロー速度の関数としてコントロールされる。前記コントロールは、エンジンのパワー・コントロールに対して独立である。コンプレッサ特性マップは、それ故に、変わることが可能であり、そして、様々な定常オペレイティング・ポイントが、改善されることが可能である。エンジンのパワー・コントロールは、スロットル・フラップにより、全面的に引き受けられる。例えば、エンジンの加速の場合には、スロットル・フラップが開かれ、空気のスループットが増大する。その後になって、渦が、漸進的に消失される。良い加速のための要求され、スロットル・フラップが迅速に開かれたときに使用可能な圧力の余力は、プレ・スワールを用いることにより、プレ・スワールが無い場合と比べて遥かに小さくされることが可能である。
欧州特許出願公開第ＥＰ０１９６９６７Ａ号明細書

本発明が基づいている目的は、内燃エンジンのためのコントロールを創造するものであって、このコントロールは、エンジンの負荷容量の改善をもたらし、且つ定常運転において、効率の大きな損失をもたらさないものである。

この目的は、独立特許請求項によるコントロール・システム及びコントロール方法により実現される。
本発明によれば、プレ・スワール・デバイスによって、内燃エンジンの定常運転において、コンプレッサの定常オペレイティング・ポイントがコンプレッサの吸収限界にぼぼ落ち着くような程度に、コンプレッサ入口でのコンプレッサの回転方向の渦を増大させることにより、コンプレッサの回転速度ラインが移動される。

このようにして、充填圧力のレベルが、直接的に、且つ付加的なスロットリング無しで、それぞれのエンジン・オペレイティング・ポイントのための要求される値に、コントロールされたやり方で調整されることが可能である。従って、エンジン負荷の突然の増大の場合には、プレ・スワール格子をリセットすることにより、時間のかかるロータの加速無しで、充填圧力の増大を発生させることが可能である。

プレ・スワール・デバイスは、それ故に、充填圧力及びエンジン負荷の制御の機能を同時に引き受ける。

エンジンの負荷容量は、それで、大きくスロットリングが行われたエンジンの負荷容量と、少なくとも同じ程度である。スロットリングが不要になるので、しかしながら、定常運転におけるエンジン効率は、スロットリングが行われていないエンジンのエンジン効率と、同じ位に良い。

負荷が落ちた場合に、プレ・スワールが迅速に増大されることのおかげで、コンプレッサのポンピングが、防止されることが可能である。

通常のオペレイションにおいて、それ故に、スロットル・フラップが、本発明に基づくプレ・スワール・デバイスの結果として、余計になる。その理由はプレ・スワールのコントロールは、エンジンのパワー・コントロールをも引き受けるからである。最大の渦が、エンジンの全てのオペレイティング・ポイントで、形成されることが可能であり、それによってコンプレッサの回転速度が、それぞれの定常負荷ポイントで、最大の可能な値にそれぞれ到達するようになる。

もし、より多くのパワーが、エンジンに要求された場合（例えば、もし、乗用車のドライバーがスロットル・ペダルを押した場合）には、スロットル・フラップは開かれず、その代わりに、プレ・スワール・デバイスのガイド・ブレードが開く。結果として、コンプレッサの入口での渦が、直ちに消失し、そしてコンプレッサは、回転速度が大きく増大された結果として、従来のやりかたでスロットル・フラップによりコントロールされるエンジンの場合と比べてかなり高い圧力を、直ちに分配する。

本発明が、以下において、図に基づいて、より詳細に説明される。

図１は、排ガス・ターボ・チャジャーのコンプレッサ入口の断面図を示している。コンプレッサ・ホイールは、基礎的なやり方で、右手側に、示されている。前記コンプレッサ・ホイールは、ハブ１１、及びハブに固定されている移動ブレード１２を有している。コンプレッサの吸気領域内に、複数のガイド・ブレード２１を有するプレ・スワール・デバイスが配置されている。ガイド・ブレードは、図に示された実施形態では、ターボ・チャジャーのシャフトに対して径方向に配置され、軸の回りで、それぞれ回転することができる。

多かれ少なかれ空気の流れの強力な変更が、前記空気の流れが渦により多かれ少なかれ作用を受けるように、ガイド・ブレードのアライメントに応じて、もたらされる。渦は、もしそれがコンプレッサ・ホイール同じ回転方向にあれば、コンプレッサの駆動パワーの減少をもたらし、そしてその結果として、一定のタービン・パワーでロータの回転速度の増大をもたらす。

スロットリングが行われた内燃エンジンの定常運転において、排ガス・ターボ・チャジャーにより実行される仕事は、スロットリングにより、部分的に帳消しにされる。スロットル・フラップにより減少された圧力は、余力として寄与し、内燃エンジンでの負荷の増大の場合には、直ちに作動されることが可能である。このことは、負荷の増大のための要求される空気が、コンプレッサの回転速度の増大の後にのみ使用可能になることを防止する。

図２から分かるように、スロットリングの結果としてコンプレッサのオペレイティング・ポイントＢ_Ｖから進んで、内燃エンジンの空気要求が直ちに飽和状態に達するような圧力の量ΔＰが、使い尽くされる。この曲線上で、これは、内燃エンジンのオペレイティング・ポイントＢ１_Ｍに対応している。もし、前記負荷の増大の間にスロットリングが取り除かれれば、コンプレッサが、オペレイティング・ポイントＢ２_Ｍ，Ｖに迅速に移動し、要求される付加的な空気の量の少なくとも一部分が、直ちに内燃エンジンで使用可能になる。

パワーの増大のための対応するポテンシャルが、この図の中で、矢印ＰＯＴにより示されている。スロットリングは、それ故に、突然の負荷の変化を確保するが、定常運転において、損失と言う代償を伴う。

本発明に基づくコントロールは、異なる。定常状態において、プレ・スワール・デバイスにより、コンプレッサの回転方向の渦が形成される。コンプレッサの入口・ホイールでの渦は、一方では、コンプレッサの回転速度の付加的な増大をもたらす。また、しかしなから、もう一方では、この渦は、図３による特性曲線図上で、プレ・スワールを用いるコンプレッサ回転速度ライン（曲線ｎ_ｖ２）が、渦の無いコンプレッサの回転速度ライン（曲線ｎ_ｖ１）に対して、左へ移動すると言う結果をもたらす。

ここで、渦の量は、コンプレッサのオペレイティング・ポイントが、内燃エンジンのオペレイティング・ポイントによるＢ１_Ｍ，Ｖに一致するように、形成される。ここで、前記オペレイティング・ポイントは、コンプレッサの吸収限界の近傍に落ち着く。このことは、少なくとも内燃エンジン定常運転レンジの大半に渡って、スロットリング無しで、従ってまたスロットリング損失無しで起こる。より低い負荷レンジにおいてのみ、特に、エンジンのアイドリングで、スロットリングは、本発明に基づくデバイスに加えて、更なる優位性を生ずることができる。

エンジン負荷の突然の増大の場合には、本発明に基づくコントロール・システムにおいて、プレ・スワール・デバイスのガイド・ブレードがリセットされ、それによってプレ・スワールの形成が減少されるかまたは完全に取り除かれることになる。コンプレッサの入口に渦が最早存在しないと言うことは、特性曲線図上の回転速度ラインがその最初の位置（曲線ｎ_ｖ１）に戻ると言う結果をもたらす。コンプレッサの回転速度の変化無しで、オペレイティング・ポイントＢ２_Ｍ，Ｖで、要求される付加的な空気が、内燃エンジンで使用可能になる。

スロットリングが行われたエンジンの場合のように、本発明に基づくコントロールを用いて、充填圧力の増大を、時間のかかるロータの加速無しで発生させることが可能である。しかしながら、プレ・スワール・デバイスを用いる本発明に基づくコントロールの場合には、内燃エンジン定常運転において、負荷の増大の前に、パワー損失が無い。

本発明に基づくコントロール・システムによる負荷の増大のプロファイルが、図４の中においても、回転速度図に基づき、強調されている。曲線ｎ_ｖ１は、エンジン・パワー（ＰＭ）に対応する充填圧力を発生させるための、最小の要求されるコンプレッサの回転速度を表している。プレ・スワールを発生させることにより、定常運転におけるコンプレッサの回転速度が、増大される（曲線ｎ_ｖ２への矢印（１））。負荷の増大の場合に、前記オペレイティング・ポイントＢ１から進んで、渦が、消失される（矢印２）。パワー増大のための付加的な空気が、内燃エンジンのために、コンプレッサの回転速度を増大させる必要が無く、使用可能である。

低めの負荷レンジにおいて、特にエンジンのアイドリングの場合に、通常、エンジンの入口バルブの上流の圧力を、大気圧力よりも遥かに低く下げることが必要になる。もし、このことが、プレ・スワール・デバイスにより実現される場合には、全コンプレッサ・ステージは真空の状態である。従来のターボ・チャジャーにおいて、このことは、潤滑油が、ベアリング・スペースからコンプレッサの空気スペースの中に吸い込まれると言う結果をもたらすであろう。このことは、改善されたシールにより防止されることが可能である。

それに代わって、しかしなから、スロットル・フラップにより、コンプレッサ出口での圧力が、ある限界値より下に落ちないことを確保することも可能である。もし、スロットル・フラップの上流の圧力が前記限界値より下に落ちた場合には、スロットル・フラップが僅かに閉じられ、そして前記限界値が、かくして維持される。このことは、エンジン・パワーを減少させるであろう。しかしながら、エンジン・コントローラは、これを検出して、プレ・スワール格子を開くことにより、再び、スロットル・フラップの下流の正確な圧力を自動的にセットする。

限界値として、オイル・シールの可能性に応じて、大気圧力または好ましくは僅かに低い圧力を、使用することが可能である。前記付加的なコントロールは、例えば、図４の中の回転速度のプロファイルＲｅｇ_１をもたらす。

最高の負荷レンジにおいて、提案されたコントロールによって、ターボ・チャジャーの速度が過剰な値に到達することが可能である。もし、公称のエンジン・パワーが高く、結果として、許容可能なターボ・チャジャーの回転速度が超えられる程であれば、ターボ・チャジャー回転速度を最大値に保つために、上記のケースと同様に、スロットル・フラップが使用されなければならない。前記付加的なコントロールは、例えば、図４の中の回転速度のプロファイルＲｅｇ_２をもたらす。

図１は、調整可能なプレ・スワール・デバイスを有する、排ガス・ターボ・チャジャーのコンプレッサ入口の断面図を示している。 図２は、スロットル・フラップを用いる充填圧力コントロールの図を示している。 図３は、コンプレッサ入口での渦を用いる充填圧力及びパワー・コントロールの図を示している。 図４は、図３によるコントロールの第二の図を、ターボ・チャジャー回転速度に基づいて、エンジン・パワーの関数として、示している。

符号の説明

１１…コンプレッサ・ホイール、ハブ、１２…コンプレッサ・ホイール、移動ブレード、２１…スワール・デバイス、回転可能なガイド・ブレード、ＢＭ…エンジン・オペレイティング・ポイント、ＢＶ…コンプレッサ・オペレイティング・ポイント、Ｂ１…負荷の増大の前のオペレイティング・ポイント、Ｂ２…負荷の増大の後のオペレイティング・ポイント、Ｍ…内燃エンジンの空気の要求、ｎ_ｖ…コンプレッサの回転速度または回転速度ライン、ｎ_ｖ１…渦が無いときのコンプレッサの回転速度または回転速度ライン、ｎ_ｖ２…渦が有るときのコンプレッサの回転速度または回転速度ライン、ΠＶ…コンプレッサの圧力比、Ｖ…吸気量、ΔＰ…スロットリング、ＰＭ…内燃エンジンのパワー、ＰＯＴ…パワー増大に対するポテンシャル、Ｒｅｇ_１…バキューム・コントロール、Ｒｅｇ_２…過剰な回転速度コントロール。

Claims (5)

1. 過給機を備えた内燃エンジンをコントロールするためのコントロール・システムであって、
   内燃エンジン・パワーをコントロールするためのパワー・コントロールと、排ガス・ターボ・チャジャーの充填圧力をコントロールするための充填圧力コントロールと、を有するコントロール・システムにおいて、
   前記内燃エンジンのパワー・コントロール、及び前記排ガス・ターボ・チャジャーの充填圧力をコントロールするための充填圧力コントロールが、単一のコントロール・システムにより行われること、及び、
   このコントロール・システムが、内燃エンジンのパワー及び排ガス・ターボ・チャジャーの充填圧力を、コンプレッサ入口でのプレ・スワールによりコントロールすること、
   を特徴とするコントロール・システム。
2. 下記特徴を有する請求項１に記載のコントロール・システム：
   当該コントロール・システムは、アイドリング及びアイドリングの近傍のパワー・レンジを除いて、内燃エンジンの全パワー・レンジに渡って、パワー及び充填圧力をコントロールする。
3. 下記特徴を有する請求項２に記載のコントロール・システム：
   当該システムは、スロットル・フラップを有し、
   充填圧力が、スロットル・フラップにより、最小値の領域内にコントロールされることが可能である。
4. 下記特徴を有する請求項２または３に記載のコントロール・システム：
   当該システムは、スロットル・フラップを有し、
   前記排ガス・ターボ・チャジャーの回転速度が、スロットル・フラップにより、最大値の領域内にコントロールされることが可能である。
5. 過給機を備えた内燃エンジンを運転するための方法であって、
   定常オペレイティング・モードにおいて、コンプレッサの定常オペレイティング・ポイントが、前記排ガス・ターボ・チャジャーのコンプレッサに供給される空気の渦を増大させることにより、吸収限界の領域内に落ち着くこと、及び、
   内燃エンジンの負荷の増大の場合には、渦を減少させることにより、減速無しの充填圧力の増大が得られること、
   を特徴とする方法。

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