JP2009270470A - 多段式ターボ過給システムのサージ回避制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】多段式ターボ過給システムにおいて、簡略な構成で低圧段または高圧段ターボ過給機のコンプレッササージをより確実に回避する。
【解決手段】吸気通路１３を上流側から低圧段コンプレッサ１１Ｃ、高圧段コンプレッサ１２Ｃの順で吸気マニホルド１０１へと接続する。排気通路１５を上流側である排気マニホルド１０２側から、高圧段タービン１２Ｔ、低圧段タービン１１Ｔの順で接続する。吸気通路１３の低圧段コンプレッサ１１Ｃと高圧段コンプレッサ１２Ｃの間を、高圧段コンプレッサ１２Ｃの下流側とバイパスし、吸気バイパスバルブ１７を設ける。排気通路１５の高圧段タービン１２Ｔの上流側を高圧段タービン１２Ｔと低圧段タービン１１Ｔの間にバイパスし、高圧段排気バイパスバルブ２３を設ける。高圧段コンプレッサ１２Ｃのサージが予測されるとき、バルブ１７、２３を開き、コンプレッサ１２Ｃのサージを回避する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のターボ過給機を直列に接続した多段式ターボ過給システムにおいて、コンプレッササージの発生を回避する制御システムに関する。

低圧段ターボ過給機と高圧段ターボ過給機とを直列に接続した２段式ターボ過給システムにおいて、高圧段ターボ過給機のタービンをバイパスするバイパス通路を設け、これに排気バイパスバルブを設けて、高圧段コンプレッサがサージ領域で運転されていると判断されたときに排気バイパスバルブを開くシステムが知られている（特許文献１）。

また、ＥＧＲシステムを備えた、２段式ターボ過給システムとしては、高圧段ターボ過給機のタービン上流側および下流側からＥＧＲ通路を高圧段ターボ過給機のコンプレッサ上流側に連通し、低中速回転域において過給効率を低下させることなく所定量のＥＧＲガスを吸気側へ還流する構成が提案されている（特許文献２）。
特開２００１−３２９８４９号公報 特開２００７−１００６２７号公報

しかし、上記何れの特許文献の構成においても、低圧段および高圧段ターボ過給機それぞれで発生するコンプレッササージを効果的に防止することはできない。

本発明は、多段式ターボ過給システムにおいて、簡略な構成で低圧段または高圧段ターボ過給機のコンプレッササージをより確実に回避することを目的としている。

本発明の多段式ターボ過給システムのサージ回避制御システムは、内燃機関側から高圧段ターボ過給機、低圧段ターボ過給機が直列に接続された多段式ターボ過給システムのサージ回避制御システムであって、高圧段ターボ過給機のコンプレッササージ、または低圧段ターボ過給機のコンプレッササージの少なくとも一方の発生を予測するサージ予測手段とを備え、サージ予測手段において、高圧段ターボ過給機のコンプレッササージが予測される場合には、高圧段ターボ過給機のコンプレッサをバイパスする吸気バイパス通路に設けられた吸気バイパスバルブまたは高圧段ターボ過給機のタービンをバイパスする高圧段排気バイパス通路に設けられた高圧段排気バイパスバルブを開き、低圧段ターボ過給機のコンプレッササージが予測される場合には、低圧段ターボ過給機のタービンをバイパスする低圧段排気バイパス通路に設けられた低圧段排気バイパスバルブを開くことを特徴としている。

サージ予測手段において高圧段ターボ過給機のコンプレッササージが予測され、吸気バイパスバルブまたは高圧段排気バイパスバルブの一方のバルブが開かれた後、更にサージ予測手段において高圧段ターボ過給機のコンプレッササージが予測される場合に、他方のバルブを更に開くことにより、より確実に高圧段ターボ過給機のコンプレッササージの発生を防止できる。

サージ予測手段において低圧段ターボ過給機のコンプレッササージが予測され、低圧段排気バイパスバルブが開かれた後、更にサージ予測手段において低圧段ターボ過給機のコンプレッササージが予測される場合に、高圧段ターボ過給機のコンプレッサの下流側の吸気通路と高圧段ターボ過給機のタービンの上流側の排気通路とを連絡するＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブを開くことにより、より確実に低圧段ターボ過給機のコンプレッササージの発生を防止できる。

サージ予測手段における低圧段ターボ過給機のコンプレッササージの発生の予測は、吸気バイパスバルブおよび高圧段排気バイパスバルブが開かれた状態において行なわれる。すなわち、低圧段ターボ過給機が主に用いられて過給が行われるシングルターボモードにおいて、低圧段ターボ過給機のコンプレッササージの発生の予測が行われる。

サージ予測手段は、高圧段ターボ過給機および低圧段ターボ過給機それぞれのコンプレッサマップと、高圧段ターボ過給機のコンプレッサと低圧段ターボ過給機のコンプレッサとの間の吸気通路内のコンプレッサ間圧力とに基づいてサージの判定を行なう。

このとき、コンプレッサ間圧力は、高圧段ターボ過給機のコンプレッサ出口圧力、低圧段ターボ過給機のコンプレッサ入口圧力、高圧段ターボ過給機のタービン入口圧力、吸入空気量、および燃料噴射量に基づくモデル演算によって求められるとともに、高圧段ターボ過給機のコンプレッサ出口圧力は吸気マニホルドの圧力から算出され、低圧段ターボ過給機のコンプレッサ入口圧力が、大気圧から算出される。これにより簡略な構成でコンプレッサ間圧力を求め、運転状態を把握することができる。

以上のように、本発明によれば、多段式ターボ過給システムにおいて、簡略な構成で低圧段または高圧段ターボ過給機のコンプレッササージをより確実に回避することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるとともに、多段式ターボ過給システムの一例である２段式ターボ過給システムの構成を示すブロック図である。

ターボ過給システム１０は、低圧段ターボ過給機１１および高圧段ターボ過給機１２を備える。エアクリーナ（図示せず）から導かれた吸気通路１３は、低圧段ターボ過給機１１の低圧段コンプレッサ１１Ｃを介して、高圧段ターボ過給機１２の高圧段コンプレッサ１２Ｃへと接続され、インタークーラ１４を介して内燃機関１００の吸気マニホルド１０１へと接続される。また、排気通路１５は、内燃機関１００の排気マニホルド１０２から高圧段ターボ過給機１２の高圧段タービン１２Ｔを介して、低圧段ターボ過給機１１の低圧段タービン１１Ｔへと接続され、排気触媒（図示せず）等を介して外部へと連通される。

排気通路１３において、低圧段コンプレッサ１１Ｃと高圧段コンプレッサ１２Ｃとの間と、高圧段コンプレッサ１２Ｃとインタークーラ１４との間は、吸気バイパス通路１６によって連通される。また、吸気バイパス通路１６には吸気バイパスバルブ１７が設けられる。

吸気通路１３において、インタークーラ１４の下流側にはスロットル１８が設けられ、スロットル１８の下流側は、排気通路１５の高圧段タービン１２Ｔの上流側とＥＧＲ通路１９により連通される。ＥＧＲ通路１９には、ＥＧＲバルブ２０とＥＧＲクーラ２１とが設けられる。

排気通路１５において、高圧段タービン１２Ｔの上流側と下流側とは、高圧段排気バイパス通路２２により連通され、高圧段排気バイパス通路２２には高圧段排気バイパスバルブ２３が設けられる。また、高圧段タービン１２Ｔの下流側であって、低圧段タービン１１Ｔの上流側の排気通路１５は、低圧段タービン１１Ｔの下流側の排気通路１５と低圧段排気バイパス通路２４によって連通される。低圧段排気バイパス通路２４には低圧段排気バイパスバルブ２５が設けられる。

なお、低圧段コンプレッサ１１Ｃの上流側の吸気通路１３には、エアロフローメータ２６が設けられ、吸気マニホルド１０１、および排気マニホルド１０２と高圧段タービン１２Ｔとの間には圧力センサ２７、２８がそれぞれ設けられる。各センサ２６〜２８からの信号はＥＣＵ２９に入力される。また、ＥＣＵ２９には、大気圧センサ３０が内蔵されるとともに、ＥＣＵ２９は、スロットル１８や上記各バルブの開閉、およびインジェクタ（図示せず）からの燃料噴射等の制御を行なう。

図１は、低圧段ターボ過給機１１および高圧段ターボ過給機１２がともに作動され、高圧段ターボ過給機１２が主に過給を担っている場合（ツインターボモード）における各バルブの開閉状態を示すものである。このとき、図１に示されるように、吸気バイパスバルブ１７、高圧段排気バイパスバルブ２３、低圧段排気バイパスバルブ２５はともに略閉じられている。

したがって、排気マニホルド１０２からの排気は、高圧段タービン１２Ｔおよび低圧段タービン１１Ｔを介して排出され、高圧段コンプレッサ１２Ｃおよび低圧段コンプレッサ１１Ｃはともに作動される。これにより、吸気は低圧段コンプレッサ１１Ｃにおいて加圧された後、更に高圧段コンプレッサ１２Ｃにおいて加圧されて吸気マニホルド１０１へと過給される。なお、ＥＧＲバルブ２０は、運転状態に合わせてその開度が調整され、吸気側へと排気の環流が行われる。

図２は、図１の状態において、高圧段コンプレッサ１２Ｃでのコンプレッササージが予測され、サージ回避制御による回避動作が行なわれたときの各バルブの状態を示すブロック図である。後述するサージ予測処理において、高圧段コンプレッサ１２Ｃにおいてサージの発生が予測されると、吸気バイパスバルブ１７が開かれる。これにより、高圧段コンプレッサ１２Ｃの下流側の吸気が吸気バイパス通路１６を通して高圧段コンプレッサ１２Ｃの上流側へと還流される。これにより、高圧段コンプレッサ１２Ｃの出口圧力Ｐ３が低下するとともに高圧段コンプレッサ１２Ｃと低圧段コンプレッサ１１Ｃとの間のコンプレッサ間圧力Ｐｃが上昇し、高圧段コンプレッサ１２Ｃの出口／入口圧力比（Ｐ３／Ｐｃ）が下がり、サージが回避される。

また、吸気バイパスバルブ１７の開放によってもなおサージの発生が予測される場合には、高圧段排気バイパスバルブ２３が開かれ、排気の一部が高圧段タービン１２Ｔを迂回するため、高圧段タービン１２Ｔの回転が低下する。これにより、高圧段コンプレッサ１２Ｃの出力が低下し、サージの発生が更に回避される。

図３は、図２を参照して説明されたサージ回避制御処理のフローチャートである。この処理動作は、ツインターボモードにおいて、例えばＥＣＵ２９において所定の時間間隔毎に実行される。

ステップＳ１００では、吸入空気量ＧＡが減少したか否かが判定される。吸入空気量ＧＡが減少していないと判定された場合には、このサージ回避制御処理は終了し、減少していると判定された場合にはステップＳ１０２において、後述するように現在の運転状態が算出される。

ステップＳ１０４では、後述するように算出された現在の運転状態および吸入空気量ＧＡの減少率などからサージ発生の可能性が判定される。サージ発生の可能性がないと判定された場合には、このサージ回避制御処理は終了し、サージ発生の可能性があると判定された場合には、ステップＳ１０６において、吸気バイパスバルブ１７が開かれる。

その後ステップＳ１０８において、再び現在の運転状態が算出されるとともに、ステップＳ１１０において、ステップＳ１０４と同様にサージ発生の可能性が判定される。サージ発生の可能性がない場合には、この処理は終了し、サージ発生の可能性がある場合には、ステップＳ１１２において高圧段排気バイパスバルブ２３が開かれ、このサージ回避制御処理は終了する。

次に図４、図５を参照してステップＳ１０２、ステップＳ１０８における現在の運転状態の算出方法およびサージ発生の予測判定（サージ予測処理）について説明する。なお図４は、現在の運転状態が算出されるまでの流れを表すブロック図であり、図５は高圧段コンプレッサ１２Ｃおよび低圧段コンプレッサ１１Ｃのコンプレッサマップを表す。

本実施形態では、吸気マニホルド圧Ｐｂ、大気圧Ｐａ、高圧段タービン入口圧力Ｐ４、吸入空気量ＧＡが各センサにより検出される。吸気マニホルド圧Ｐｂ、大気圧Ｐａからは、圧力損失等を考慮して、それぞれ高圧段コンプレッサ出口圧力Ｐ３および低圧段コンプレッサ入口圧力Ｐ１が算出される。次に算出された高圧段コンプレッサ出口圧力Ｐ３、低圧段コンプレッサ入口圧力Ｐ１、および検出された高圧段タービン入口圧力Ｐ４、吸入空気量ＧＡ、また設定された燃料噴射量に基づいてモデル演算が行なわれ、コンプレッサ間圧力Ｐｃが算出される。これにより、高圧段コンプレッサ出口圧力Ｐ３、コンプレッサ間圧力Ｐｃ、および吸入空気量ＧＡが求まるので、現在のコンプレッサマップ上での運転状態が算出される。

例えば、算出された現在の運転状態が図５のコンプレッサマップにおいて運転点Ｓ０にあるとき、吸入空気量ＧＡの減少率から、運転状態がサージ領域内にある運転点Ｓ１へと移る可能性がある場合には、サージが発生すると判定され、上述のサージ回避制御処理が実行される。これにより、運転状態は例えば図５の運転点Ｓ２へと移り、サージの発生が回避される。なお、図５において曲線Ｓはサージ曲線である。

次に、図６〜図８を参照して、低圧段ターボ過給機を主に用いて過給を行なうシングルターボモードにおけるサージ回避制御について説明する。図６は、シングルターボモードにおける各バルブの状態を示すブロック図であり、図７は、サージ回避制御による回避動作が実行されたときの各バルブの状態を示すブロック図である。また、図８はシングルターボモードにおけるサージ回避制御処理のフローチャートである。

図６に示されるように、シングルターボモードにおいては、吸気バイパスバルブ１７および高圧段排気バイパスバルブ２３は略全開状態とされ、低圧段排気バイパスバルブ２５は全閉状態とされる。したがって、吸気の略全ては高圧段コンプレッサ１２Ｃをバイパスするとともに排気の略全ては高圧段タービン１２Ｔをバイパスし、低圧段ターボ過給機１１のみが主に作動する。なお、ＥＧＲバルブ２０は、運転状態によってその開度が調整され吸気側へと排気が環流される。

サージ予測処理において、サージ発生の可能性があると判定されると、図７に示されるように、低圧段排気バイパスバルブ２５が全開される。これにより、低圧段タービン１１Ｔの上流側の排気の一部は、低圧段タービン１１Ｔを迂回して下流側へとバイパスされ、低圧段タービン１１Ｔの回転が低減される。これにより、低圧段コンプレッサ１１Ｃのサージの発生が抑えられる。

また、低圧段排気バイパスバルブ２５が全開されてもなお低圧段コンプレッサ１１Ｃのサージ発生が予想される場合には、更にＥＧＲバルブ２０が全開される。すなわち、低圧段排気バイパスバルブ２５が全開されると、高圧段タービン１２Ｔの上流側圧力である高圧段タービン入口圧力Ｐ４が略低圧段タービン１１Ｔの下流側圧力Ｐ６に等しくなるまで低下するので、吸気マニホルド圧Ｐｂの方が高圧段タービン入口圧力Ｐ４よりも高くなり、ＥＧＲ通路１９を通して吸気が排気通路１５側へとバイパスされる。これにより、吸気系の流量を確保（吸入空気量ＧＡの低下を防止）し、運転状態がサージ領域へと移行するのを防止する。例えば、図５において、運転点Ｓ０からサージ領域の運転点Ｓ１への移行が予測されるときに、上記サージ回避制御動作を実行することにより運転点Ｓ１への移行が防止され、運転点Ｓ３へと運転状態は移行される。

図８は、図７を参照して説明されたサージ回避制御処理のフローチャートである。この処理動作は、シングルターボモードにおいて、例えばＥＣＵ２９において所定の時間間隔毎に実行される。

ステップＳ２００では、吸入空気量ＧＡが減少したか否かが判定される。吸入空気量ＧＡが減少していないと判定された場合には、このサージ回避制御処理は終了し、減少していると判定された場合にはステップＳ２０２において、図３のステップＳ１０２と同様の方法により現在の運転状態が算出される。

ステップＳ２０４では、算出された現在の運転状態および吸入空気量ＧＡの減少率などから図３のステップＳ１０４と同様の方法でサージ発生の可能性が判定される。サージ発生の可能性がないと判定された場合には、このサージ回避制御処理は終了し、サージ発生の可能性があると判定された場合には、ステップＳ２０６において、低圧段排気バイパスバルブ２５が開かれる。

その後ステップＳ２０８において、再び現在の運転状態が算出されるとともに、ステップＳ２１０において、再度サージ発生の可能性が判定される。サージ発生の可能性がない場合には、この処理は終了し、サージ発生の可能性がある場合には、ステップＳ２１２においてＥＧＲバルブ２０が開かれ、このサージ回避制御処理は終了する。

以上のように、本実施形態によれば、従来の２段式ターボ過給システムの構成において各バルブの開閉を運転状態に合わせて制御することにより、高圧段ターボ過給機および／または低圧段ターボ過給機のコンプレッササージの発生を簡略な構成で回避することが可能となる。また、本実施形態ではツインターボモードでは、吸気バイパスバルブと高圧段排気バイパスバルブの開閉、シングルターボモードでは、低圧段排気バイパスバルブとＥＧＲバルブの開閉と２段階でのサージ回避制御を行っているため、より確実にコンプレッササージの発生を防止できる。

また、本実施形態によれば、サージ回避動作後において、サージ回避のためにスロットルを開いておく必要がなくなるので、例えばＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、ＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOxReduction System）などの触媒を搭載した車両の場合、サージ回避動作後、スロットルにより吸入空気量を絞り、触媒保温性、床温性を確保することが可能となる。

なお、本実施形態では、吸気バイパスバルブ、高圧段排気バイパスバルブの順、および低圧段排気バイパスバルブ、ＥＧＲバルブの順でそれぞれバルブを開く動作が行われたが、それぞれ逆の順番でバルブを開いてサージ回避を行なうことも可能である。

本発明の一実施形態である２段式ターボ過給システムの構成を示すブロック図であり、ツインターボモードで作動中の状態を示す。 図１の状態においてサージの発生が予測され、サージ回避制御による回避動作が行われた状態を示す。 ツインターボモードにおけるサージ回避制御処理のフローチャートである。 現在の運転状態を求めるための手順を説明するブロック図である。 高圧段コンプレッサ、低圧段コンプレッサのコンプレッサマップである。 シングルターボモードで作動中の２段式ターボ過給システムの状態を示すブロック図である。 図６の状態においてサージの発生が予測され、サージ回避制御による回避動作が行われた状態を示す。 シングルターボモードにおけるサージ回避制御処理のフローチャートである。

符号の説明

１０ ２段式ターボ過給システム
１１ 低圧段ターボ過給機
１２ 高圧段ターボ過給機
１１Ｃ 低圧段コンプレッサ
１１Ｔ 低圧段タービン
１２Ｃ 高圧段コンプレッサ
１２Ｔ 高圧段タービン
１３ 吸気通路
１５ 排気通路
１６ 吸気バイパス通路
１７ 吸気バイパスバルブ
１９ ＥＧＲ通路
２０ ＥＧＲバルブ
２２ 高圧段排気バイパス通路
２３ 高圧段排気バイパスバルブ
２４ 低圧段排気バイパス通路
２５ 低圧段排気バイパスバルブ
２６ エアロフローメータ
２７、２８、３０ 圧力センサ
２９ ＥＣＵ

Claims (8)

1. 内燃機関側から高圧段ターボ過給機、低圧段ターボ過給機が直列に接続された多段式ターボ過給システムのサージ回避制御システムであって、
   前記高圧段ターボ過給機のコンプレッササージ、または前記低圧段ターボ過給機のコンプレッササージの少なくとも一方の発生を予測するサージ予測手段を備え、
   前記サージ予測手段において、前記高圧段ターボ過給機のコンプレッササージが予測される場合には、前記高圧段ターボ過給機のコンプレッサをバイパスする吸気バイパス通路に設けられた吸気バイパスバルブまたは高圧段ターボ過給機のタービンをバイパスする高圧段排気バイパス通路に設けられた高圧段排気バイパスバルブを開き、
   前記低圧段ターボ過給機のコンプレッササージが予測される場合には、前記低圧段ターボ過給機のタービンをバイパスする低圧段排気バイパス通路に設けられた低圧段排気バイパスバルブを開く
   ことを特徴とする多段式ターボ過給システムのサージ回避制御システム。
2. 前記サージ予測手段において前記高圧段ターボ過給機のコンプレッササージが予測され、前記吸気バイパスバルブまたは前記高圧段排気バイパスバルブの一方のバルブが開かれた後、更に前記サージ予測手段において前記高圧段ターボ過給機のコンプレッササージが予測される場合に、更に他方のバルブを開くことを特徴とする請求項１に記載の多段式ターボ過給システムのサージ回避制御システム。
3. 前記サージ予測手段において前記低圧段ターボ過給機のコンプレッササージが予測され、前記低圧段排気バイパスバルブが開かれた後、更に前記サージ予測手段において前記低圧段ターボ過給機のコンプレッササージが予測される場合に、前記高圧段ターボ過給機のコンプレッサの下流側の吸気通路と前記高圧段ターボ過給機のタービンの上流側の排気通路とを連絡するＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブを開くことを特徴とする請求項１に記載の多段式ターボ過給システムのサージ回避制御システム。
4. 前記吸気バイパスバルブおよび前記高圧段排気バイパスバルブが開かれた状態において、前記サージ予測手段における前記低圧段ターボ過給機のコンプレッササージの発生の予測が行なわれることを特徴とする請求項３に記載の多段式ターボ過給システムのサージ回避制御システム。
5. 前記サージ予測手段が、前記高圧段ターボ過給機および前記低圧段ターボ過給機それぞれのコンプレッサマップと、前記高圧段ターボ過給機のコンプレッサと前記低圧段ターボ過給機のコンプレッサとの間の吸気通路内のコンプレッサ間圧力とに基づいてサージの判定を行なうことを特徴とする請求項１に記載の多段式ターボ過給システムのサージ回避制御システム。
6. 前記コンプレッサ間圧力が、前記高圧段ターボ過給機のコンプレッサ出口圧力、前記低圧段ターボ過給機のコンプレッサ入口圧力、前記高圧段ターボ過給機のタービン入口圧力、吸入空気量、および燃料噴射量に基づくモデル演算によって求められることを特徴とする請求項５に記載の多段式ターボ過給システムのサージ回避制御システム。
7. 前記高圧段ターボ過給機のコンプレッサ出口圧力が吸気マニホルドの圧力から算出されることを特徴とする請求項６に記載の多段式ターボ過給システムのサージ回避制御システム。
8. 前記低圧段ターボ過給機のコンプレッサ入口圧力が、大気圧から算出されることを特徴とする請求項６に記載の多段式ターボ過給システムのサージ回避制御システム。