JP2010190052A - 内燃機関の過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ過給機のコンプレッサ内の圧力が過度に低下することを十分に抑制できる内燃機関の過給システムを提供する。
【解決手段】低圧ターボ過給機６と、低圧ターボ過給機６のタービン６ｂよりも排気通路４の上流に配置されたタービン７ｂ及び低圧ターボ過給機６のコンプレッサ６ａよりも吸気通路３の下流に配置されたコンプレッサ７ａを有する高圧ターボ過給機７と、排気通路４の高圧ターボ過給機７のタービン７ｂと低圧ターボ過給機６のタービン６ｂとの間の区間４ｃと、吸気通路３の低圧ターボ過給機６のコンプレッサ６ａと高圧ターボ過給機７のコンプレッサ７ａとの間の区間である圧力制御区間３ｂとを接続し、低圧ＥＧＲ弁１９が設けられた低圧ＥＧＲ通路１７とを備えた内燃機関１の過給システムにおいて、低圧ＥＧＲ弁１９は、圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが所定の判定圧力Ｐｓ以下と判断された場合に開けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のターボ過給機を組み合わせた内燃機関の過給システムに関する。

内燃機関の過給システムとして、低圧ターボ過給機と高圧ターボ過給機とを使用し、高圧ターボ過給機のタービンを低圧ターボ過給機のそれよりも排気通路の上流側に、高圧ターボ過給機のコンプレッサを低圧ターボ過給機のそれよりも吸気通路の下流側にそれぞれ配置した二段過給システムが知られている。また、この二段過給システムにおいて排気の再循環を行うべく、高圧ターボ過給機のタービンと低圧ターボ過給機のタービンとの間の排気通路と低圧ターボ過給機のコンプレッサと高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の吸気通路とをＥＧＲ通路で接続し、そのＥＧＲ通路に排気の流量を調整するためのＥＧＲ弁を設けた過給システムが知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２、３が存在する。

特開２００６−５７５７０号公報 特開２００７−１００６２７号公報 特開２００７−１００６２８号公報

特許文献１の過給システムのように２つのターボ過給機が直列に設けられている過給システムでは、内燃機関の運転状態によっては吸気流れの下流側に配置されている高圧ターボ過給機のコンプレッサは仕事をするが、その上流側に配置されている低圧ターボ過給機のコンプレッサは殆ど仕事をしない状態となることがある。この場合、低圧ターボ過給機のコンプレッサと高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の吸気通路内の圧力が過度に低下するおそれがある。そして、これにより低圧ターボ過給機のコンプレッサ内の圧力が過度に低下し、そのコンプレッサ設けられているオイルシール部からオイルがコンプレッサ内に吸い出されるおそれがある。

そこで、本発明は、ターボ過給機のコンプレッサ内の圧力が過度に低下することを十分に抑制できる内燃機関の過給システムを提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の過給システムは、低圧ターボ過給機と、前記低圧ターボ過給機のタービンよりも排気通路の上流に配置されたタービン及び前記低圧ターボ過給機のコンプレッサよりも吸気通路の下流に配置されたコンプレッサをそれぞれ有する高圧ターボ過給機と、前記排気通路の前記高圧ターボ過給機のタービンと前記低圧ターボ過給機のタービンとの間の区間と、前記吸気通路の前記低圧ターボ過給機のコンプレッサと前記高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間とを接続するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けられて前記ＥＧＲ通路を流れるガスの流量を調整可能なＥＧＲ弁と、を備えた内燃機関の過給システムにおいて、前記吸気通路の前記低圧ターボ過給機のコンプレッサと前記高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間の圧力が所定の判定圧力以下と判断した場合に前記ＥＧＲ弁が開けられるように前記ＥＧＲ弁を制御する制御手段を備えている（請求項１）。

本発明の過給システムによれば、吸気通路の低圧ターボ過給機のコンプレッサと高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間（以下、圧力制御区間と称することがある。）の圧力が所定の判定圧力以下と判断された場合はＥＧＲ弁が開けられるので、圧力制御区間に排気を導入したり、既に排気が導入されている場合はその排気の流量を増加させたりすることができる。これにより圧力制御区間の圧力の低下を抑制したりその圧力を上昇させたりすることができる。そのため、低圧ターボ過給機のコンプレッサ内の圧力が過度に低下することを十分に抑制できる。また、これにより低圧ターボ過給機のコンプレッサ内においてオイルシール部からオイルが吸い出されることを防止できる。

本発明の内燃機関の過給システムの一形態においては、前記吸気通路の前記低圧ターボ過給機のコンプレッサと前記高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間の圧力を検出する圧力検出手段をさらに備え、前記制御手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力が前記判定圧力以下の場合に前記ＥＧＲ弁を開けてもよい（請求項２）。この場合、圧力検出手段にて圧力制御区間の圧力を検出できるので、圧力制御区間の圧力を精度よく制御することができる。

本発明の内燃機関の過給システムの一形態において、前記判定圧力には、前記低圧ターボ過給機のコンプレッサ内に設けられたオイルシール部からのオイル漏れを防止することが可能な圧力が設定されていてもよい（請求項３）。このように判定圧力を設定することにより、低圧ターボ過給機のコンプレッサにてオイル漏れが発生することをより確実に防止できる。

以上に説明したように、本発明の内燃機関の過給システムによれば、吸気通路の低圧ターボ過給機のコンプレッサと高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間の圧力が所定の判定圧力以下と判断された場合はＥＧＲ弁が開けられるので、圧力制御区間の圧力の低下を抑制したりその圧力を上昇させたりすることができる。そのため、低圧ターボ過給機のコンプレッサ内の圧力が過度に低下することを十分に抑制できる。

本発明の一形態に係る過給システムが組み込まれた内燃機関の概略を示す図。 ＥＣＵが実行する低圧ＥＧＲ弁制御ルーチンを示すフローチャート。 圧力制御モードで低圧ＥＧＲ弁が制御されたときの圧力制御区間の圧力、低圧ＥＧＲ弁の開度、及び圧力制御フラグの時間変化の一例を示す図。

図１は、本発明の一形態に係る過給システムが組み込まれた内燃機関の概略を示している。この内燃機関（以下、エンジンと称することがある。）１は、車両に走行用動力源として搭載されるディーゼルエンジンであり、複数の気筒（不図示）を有する機関本体２を備えている。機関本体２の各気筒には、吸気通路３及び排気通路４が接続されている。吸気通路３は、その一部を形成する吸気マニホールド３ａを介して各気筒と接続されている。排気通路４は、その一部を形成する排気マニホールド４ａを介して各気筒と接続されている。

吸気通路３には、吸気を濾過するためのエアークリーナ５、低圧ターボ過給機６のコンプレッサ６ａ、高圧ターボ過給機７のコンプレッサ７ａ、及びスロットルバルブ８が設けられている。また、吸気通路３には、高圧ターボ過給機７のコンプレッサ７ａを迂回して、低圧ターボ過給機６のコンプレッサ６ａと高圧ターボ過給機７のコンプレッサ７ａとの間の区間３ｂと、高圧ターボ過給機７のコンプレッサ７ａとスロットルバルブ８との間の区間３ｃとを接続する吸気バイパス通路９が設けられている。この吸気バイパス通路９には、この通路９を開閉するための吸気バイパス弁１０が設けられている。

排気通路４には、高圧ターボ過給機７のタービン７ｂ、低圧ターボ過給機６のタービン６ｂ、及び排気を浄化するための排気浄化触媒１１が設けられている。また、排気通路４には、第１バイパス通路１２及び第２バイパス通路１３が設けられている。第１バイパス通路１２は、高圧ターボ過給機７のタービン７ｂを迂回して、排気マニホールド４ａと高圧ターボ過給機７のタービン７ｂとの間の区間４ｂと、高圧ターボ過給機７のタービン７ｂと低圧ターボ過給機６のタービン６ｂとの間の区間４ｃとを接続する。第２バイパス通路１３は、低圧ターボ過給機６のタービン６ｂを迂回して、高圧ターボ過給機７のタービン７ｂと低圧ターボ過給機６のタービン６ｂとの間の区間４ｃと、低圧ターボ過給機６のタービン６ｂと排気浄化触媒１１との間の区間４ｄとを接続する。第１バイパス通路１２には、この通路１２を開閉する排気切換弁１４が設けられている。第２バイパス通路１３には、この通路１３を開閉する排気バイパス弁１５が設けられている。

低圧ターボ過給機６及び高圧ターボ過給機７は、排気通路４に配置されるタービン６ｂ、７ｂにて排気エネルギを回収し、そのエネルギで吸気通路３に配置されるコンプレッサ６ａ、７ａを駆動して吸気を圧縮する周知の装置である。図１に示したように高圧ターボ過給機７のタービン７ｂは、低圧ターボ過給機６のタービン６ｂよりも排気通路４の上流に配置される。また、高圧ターボ過給機７のコンプレッサ７ａは低圧ターボ過給機６のコンプレッサ６ａよりも吸気通路３の下流に配置される。高圧ターボ過給機７の容量は、低圧ターボ過給機６の容量よりも小さい。すなわち、高圧ターボ過給機７のコンプレッサ７ａ及びタービン７ｂの容量は、低圧ターボ過給機６のコンプレッサ６ａ及びタービン６ｂの容量よりもそれぞれ小さい。高圧ターボ過給機７のタービン７ｂには、排気が流れる流路の面積を変更するための複数の可変ノズル翼（不図示）が設けられている。また、このタービン７ｂには、これら可変ノズル翼の傾きを変更するためのアクチュエータ７ｃが設けられている。

排気通路４と吸気通路３とは、高圧ＥＧＲ通路１６及び低圧ＥＧＲ通路１７にて接続されている。高圧ＥＧＲ通路１６は、排気通路４の排気マニホールド４ａと高圧ターボ過給機７のタービン７ｂとの間の区間４ｂと、吸気通路３のスロットルバルブ８と吸気マニホールド３ａとの間の区間３ｄとを接続する。低圧ＥＧＲ通路１７は、排気通路４の高圧ターボ過給機７のタービン７ｂと低圧ターボ過給機６のタービン６ｂとの間の区間４ｃと、吸気通路３の低圧ターボ過給機６のコンプレッサ６ａと高圧ターボ過給機７のコンプレッサ７ａとの間の区間３ｂとを接続する。高圧ＥＧＲ通路１６には、この通路１６を流れるガスの流量を調整可能な高圧ＥＧＲ弁１８が設けられている。低圧ＥＧＲ通路１７には、この通路１７を流れるガスの流量を調整可能な低圧ＥＧＲ弁１９が設けられている。

高圧ＥＧＲ弁１８及び低圧ＥＧＲ弁１９の動作は、エンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）２０によって制御される。ＥＣＵ２０は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を含んだ周知のコンピュータユニットとして構成され、エンジン１に設けられた各種のセンサの出力信号に基づいてエンジン１の運転状態を制御する周知のものである。ＥＣＵ２０は、例えばエンジン１の運転状態に応じて各ターボ過給機６、７のタービン６ｂ、７ｂに流入する排気の流量を調整すべく排気切換弁１４及び排気バイバス弁１５の動作をそれぞれ制御する。また、ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態に応じて高圧ターボ過給機７のコンプレッサ７ａに流入する吸気の流量を調整すべく吸気バイパス弁１０の動作を制御する。さらに、ＥＣＵ２０は、窒素酸化物（ＮＯｘ）や粒子状物質（ＰＭ）の発生を防止すべくエンジン１の運転状態に応じて排気通路４から吸気通路３に還流される排気の流量を調整するために各ＥＧＲ弁１８、１９の動作をそれぞれ制御する。以降、このようにエンジン１の排気エミッションを低減すべくエンジン１の運転状態に応じて各ＥＧＲ弁１８、１９の開度を調整することを通常制御モードと称することがある。ＥＣＵ２０には、エンジン１の運転状態を検出するためのセンサとして吸気通路３の低圧ターボ過給機６のコンプレッサ６ａと高圧ターボ過給機７のコンプレッサ７ａとの間の区間（圧力制御区間）３ｂの圧力に対応する信号を出力する圧力検出手段としての圧力センサ２１、スロットルバルブ８の開度に対応する信号を出力するスロットル開度センサ２２、吸気マニホールド３ａ内の圧力に対応する信号を出力する吸気圧センサ２３、及び排気浄化触媒１１の温度に対応する信号を出力する温度センサ２４等が接続されている。この他にもＥＣＵ２０には各種センサが接続されているが、それらの図示は省略した。

このエンジン１においては、その運転状態によっては高圧ターボ過給機７のコンプレッサ７ａが仕事をしている状態において低圧ターボ過給機６のコンプレッサ６ａが殆ど仕事をしなくなる場合がある。この場合、吸気通路３の低圧ターボ過給機６のコンプレッサ６ａと高圧ターボ過給機７のコンプレッサ７ａとの間の区間（圧力制御区間）３ｂには、低圧ターボ過給機６のコンプレッサ６ａが流路抵抗となるために吸気が流入し難くなる一方でこの圧力制御区間３ｂから高圧ターボ過給機７のコンプレッサ７ａによって吸気が吸い出される。そのため、この圧力制御区間３ｂの圧力が過度に低下し、これにより低圧ターボ過給機６のコンプレッサ６ａ内の圧力が過度に低下するおそれがある。圧力制御区間３ｂの圧力は、低圧ＥＧＲ弁１９の開度を調整してこの区間３ｂに流入する排気の流量を調整することにより制御できる。そこで、ＥＣＵ２０は、圧力制御区間３ｂの圧力が過度に低下することを抑制するために図２に示した低圧ＥＧＲ弁制御ルーチンをエンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行する。この制御ルーチンを実行することにより、ＥＣＵ２０が本発明の制御手段として機能する。また、低圧ＥＧＲ通路１７が本発明のＥＧＲ通路に相当し、低圧ＥＧＲ弁１９が本発明のＥＧＲ弁に相当する。

図２の低圧ＥＧＲ弁制御ルーチンにおいてＥＣＵ２０は、まずステップＳ１１でエンジン１の運転状態を取得する。エンジン１の運転状態としては、例えば圧力制御区間３ｂの圧力を取得する。次のステップＳ１２においてＥＣＵ２０は、圧力制御区間３ｂの圧力に応じて低圧ＥＧＲ弁１９の開度が調整される圧力制御モードで低圧ＥＧＲ弁１９が制御されていることを示す圧力制御フラグがオンか否か判断する。圧力制御フラグは前回この制御ルーチンが実行されたときの値がＥＣＵ２０のＲＡＭに記憶されており、この処理ではこのＥＣＵ２０のＲＡＭに記憶されている値がオンか否か判断される。なお、この圧力制御フラグは、ＥＣＵ２０の起動時にはオフにリセットされる。

圧力制御フラグがオフであると判断した場合はステップＳ１３に進み、ＥＣＵ２０は圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが予め設定した所定の判定圧力Ｐｓ以下か否か判断する。周知のようにターボ過給機のコンプレッサ内にはオイルシール部が設けられている。そして、コンプレッサ内の圧力が過度に低下するとこのオイルシール部からハウジング内にオイルが吸い出されてオイル漏れが発生するおそれがある。そこで、判定圧力Ｐｓには、例えば低圧ターボ過給機６のコンプレッサ６ａに設けられているオイルシール部からのオイル漏れを防止することが可能な圧力が設定される。なお、このような圧力はオイルシール部の構造やコンプレッサの容量等に応じて決まるので、判定圧力Ｐｓはこれらのパラメータに応じて適宜設定すればよい。圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが判定圧力Ｐｓより高いと判断した場合はステップＳ１４に進み、ＥＣＵ２０は低圧ＥＧＲ弁１９を通常制御モードで制御する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

一方、圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが判定圧力Ｐｓ以下と判断した場合はステップＳ１５に進み、ＥＣＵ２０は低圧ＥＧＲ弁１９を圧力制御モードで制御する。上述したようにこの圧力制御モードでは、圧力制御区間３ｂの圧力Ｐに応じて低圧ＥＧＲ弁１９の開度が調整される。具体的に説明すると、今回検出された圧力Ｐが前回検出された圧力よりも低い場合、すなわち圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが低下している場合は低圧ＥＧＲ弁１９が所定開度開かれ、今回検出された圧力Ｐが前回検出された圧力よりも高い場合、すなわち圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが上昇している場合には低圧ＥＧＲ弁１９が所定開度閉じられる。なお、所定開度には、低圧ＥＧＲ弁１９を開閉したときにエンジン１の運転状態が急に変化しない程度の開度が設定される。このように低圧ＥＧＲ弁１９を制御することにより、圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが過度に低下することを抑制できる。続くステップＳ１６においてＥＣＵ２０は、圧力制御フラグをオンに切り替える。なお、既に圧力制御フラグがオンであった場合はその値を維持する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

ステップＳ１２で圧力制御フラグがオフと判断された場合はステップＳ１７に進み、ＥＣＵ２０は圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが予め設定した制御終了圧力Ｐｅより大きいか否か判断する。制御終了圧力Ｐｅは、低圧ＥＧＲ弁１９の制御を圧力制御モードから通常制御モードに戻すか否か判断する判断基準として設定される値である。この制御終了圧力Ｐｅには、判定圧力Ｐｓよりも大きい値が設定される。圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが制御終了圧力Ｐｅ以下と判断した場合はステップＳ１５、Ｓ１６を実行した後、今回の制御ルーチンを終了する。一方、圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが制御終了圧力Ｐｅより大きいと判断した場合はステップＳ１８に進み、ＥＣＵ２０は圧力制御フラグをオフに切り替える。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

図３は、圧力制御モードで低圧ＥＧＲ弁１９が制御されたときの圧力制御区間３ｂの圧力Ｐ、低圧ＥＧＲ弁１９の開度、及び圧力制御フラグの時間変化の一例を示している。図３に示したように時刻Ｔ１において圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが判定圧力Ｐｓ以下になると圧力制御モードで低圧ＥＧＲ弁１９が制御されるので、圧力制御区間３ｂの圧力Ｐに応じて耐圧ＥＧＲ弁１９の開度が調整される。そして、時刻Ｔ２において圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが制御終了圧力Ｐｅより大きくなるまで低圧ＥＧＲ弁１９は圧力制御モードで制御される。その後、時刻Ｔ３において圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが判定圧力Ｐｓ以下になると再度圧力制御モードで低圧ＥＧＲ弁１９が制御され、時刻Ｔ４までこの圧力制御モードは継続されている。

この形態の過給システムによれば、圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが判定圧力Ｐｓ以下になると低圧ＥＧＲ弁１９が開けられるので、圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが過度に低下することを十分に抑制できる。そのため、低圧ターボ過給機６のコンプレッサ６内の圧力が過度に低下することを十分に抑制できる。そして、判定圧力Ｐｓに低圧ターボ過給機６のコンプレッサ６ａに設けられているオイルシール部からのオイル漏れを防止することが可能な圧力を設定することにより、このコンプレッサ６ａにおけるオイル漏れを防止することができる。

なお、上述した形態では、圧力制御区間３ｂに設けた圧力センサ２１の検出値を参照して圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが判定圧力Ｐｓ以下か否か判断しているが、この判断は圧力センサ２１の検出値以外に基づいて行ってもよい。例えば、エンジン１の運転状態と各ターボ過給機６、７の運転状態との対応関係を予め実験などで求めておき、エンジン１の運転状態が高圧ターボ過給機７のコンプレッサ７ａが仕事をし、かつ低圧ターボ過給機６のコンプレッサ６ａが殆ど仕事をしない場合に対応する運転状態の場合に圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが判定圧力Ｐｓ以下と判断してもよい。また、各ターボ過給機６、７のコンプレッサホイールの回転数を検出し、これら検出した回転数に基づいて圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが判定圧力Ｐｓ以下か否か判断してもよい。この場合は、例えば低圧ターボ過給機６のコンプレッサホイールの回転数が所定の第１回転数以下、かつ高速ターボ過給機７のコンプレッサホイールの回転数が所定の第２回転数以上の場合に圧力制御区間３ｂの圧力Ｐが判定圧力Ｐｓ以下と判断する。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本発明が適用される内燃機関はディーゼルエンジンに限らず、ガソリンその他の燃料を利用する各種の内燃機関であってもよい。低圧ターボ過給機の容量と高圧ターボ過給機の容量とが同じでもよいし、低圧ターボ過給機の容量よりも高圧ターボ過給機の容量の方が大きくてもよい。また、低圧ターボ過給機が可変ノズル式のターボ過給機でもよいし、高圧ターボ過給機に可変ノズル翼が設けられていなくてもよい。

１ 内燃機関
３ 吸気通路
３ｂ 低圧ターボ過給機のコンプレッサと高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間
４ 排気通路
４ｃ 高圧ターボ過給機のタービンと低圧ターボ過給機のタービンとの間の区間
６ 低圧ターボ過給機
６ａ コンプレッサ
６ｂ タービン
７ 高圧ターボ過給機
７ａ コンプレッサ
７ｂ タービン
１７ 低圧ＥＧＲ通路（ＥＧＲ通路）
１９ 低圧ＥＧＲ弁（ＥＧＲ弁）
２０ エンジンコントロールユニット（制御手段）
２１ 圧力センサ（圧力検出手段）
Ｐｓ 判定圧力

Claims (3)

1. 低圧ターボ過給機と、前記低圧ターボ過給機のタービンよりも排気通路の上流に配置されたタービン及び前記低圧ターボ過給機のコンプレッサよりも吸気通路の下流に配置されたコンプレッサをそれぞれ有する高圧ターボ過給機と、前記排気通路の前記高圧ターボ過給機のタービンと前記低圧ターボ過給機のタービンとの間の区間と、前記吸気通路の前記低圧ターボ過給機のコンプレッサと前記高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間とを接続するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けられて前記ＥＧＲ通路を流れるガスの流量を調整可能なＥＧＲ弁と、を備えた内燃機関の過給システムにおいて、
   前記吸気通路の前記低圧ターボ過給機のコンプレッサと前記高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間の圧力が所定の判定圧力以下と判断した場合に前記ＥＧＲ弁が開けられるように前記ＥＧＲ弁を制御する制御手段を備えている内燃機関の過給システム。
2. 前記吸気通路の前記低圧ターボ過給機のコンプレッサと前記高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間の圧力を検出する圧力検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力が前記判定圧力以下の場合に前記ＥＧＲ弁を開ける請求項１に記載の内燃機関の過給システム。
3. 前記判定圧力には、前記低圧ターボ過給機のコンプレッサ内に設けられたオイルシール部からのオイル漏れを防止することが可能な圧力が設定されている請求項１又は２に記載の内燃機関の過給システム。

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