JP2012097606A - ターボ過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン速度が極低速の領域であっても、十分なブースト圧を得ることができるターボ過給システムを提供する。
【解決手段】排気通路４に配置されて排気により駆動される高圧段タービン２ａと、吸気通路５に配置されて高圧段タービン２ａの回転トルクにより駆動される高圧段コンプレッサ２ｂと、を有する高圧段ターボチャージャ２と、高圧段タービン２ａよりも下流側の排気通路４に配置されて排気により駆動される低圧段タービン３ａと、高圧段コンプレッサ２ｂよりも上流側の吸気通路５に配置されて低圧段タービン３ａの回転トルクにより駆動される低圧段コンプレッサ３ｂと、を有する低圧段ターボチャージャ３と、を備えたターボ過給システムにおいて、高圧段ターボチャージャ２は、高圧段コンプレッサ２ｂの駆動力をアシストする電気モータ２ｃを備えた電動アシストターボチャージャからなるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャを直列に接続したターボ過給システムに関するものである。

近年、車両の燃費向上及びＣＯ₂排出量の低減のために、エンジンの排気量を小さく（エンジン・ダウンサイジング）したり、あるいは車両のギア比を大きく（ハイギアード化）し、ターボチャージャ等の過給機で動力性能を確保する技術の開発が盛んに行われている。

このとき用いるターボ過給システムとして、容量の異なる２つのターボチャージャを用い、運転領域で使用するターボチャージャを切り替える２ステージターボが提案されている。２ステージターボには、２つのターボチャージャを並列に接続したパラレル２ステージターボと、２つのターボチャージャを直列に接続したシリーズ２ステージターボ（例えば、特許文献１参照）がある。

シリーズ２ステージターボでは、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャを両方用いた２段過給が可能となるため、パラレル２ステージターボと比較して、中低速域で高いブースト圧を得られるという特徴がある。

特開２００９−２７０４７５号公報 特開２００６−１７７１７１号公報 特開２０１０−２０９７３５号公報

茨木誠一、他４名、「電動アシストターボチャージャ"ハイブリッドターボ"の開発」、三菱重工技報、Ｖｏｌ．４３、Ｎｏ．３、２００６年、ｐ．３６−４０

しかしながら、中低速域で高いブースト圧が得やすいシリーズ２ステージターボであっても、車両発進時等の極低速域では排気エネルギが不足し、十分なブースト圧を得ることができない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、エンジン速度が極低速の領域であっても、十分なブースト圧を得ることができるターボ過給システムを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、排気通路に配置されて排気により駆動される高圧段タービンと、吸気通路に配置されて前記高圧段タービンの回転トルクにより駆動される高圧段コンプレッサと、を有する高圧段ターボチャージャと、前記高圧段タービンよりも下流側の前記排気通路に配置されて排気により駆動される低圧段タービンと、前記高圧段コンプレッサよりも上流側の前記吸気通路に配置されて前記低圧段タービンの回転トルクにより駆動される低圧段コンプレッサと、を有する低圧段ターボチャージャと、を備えたターボ過給システムにおいて、前記高圧段ターボチャージャは、前記高圧段コンプレッサの駆動力をアシストする電気モータを備えた電動アシストターボチャージャからなるターボ過給システムである。

前記高圧段コンプレッサの出口圧力であるブースト圧が、エンジン速度とエンジントルクにより決定される目標ブースト圧よりも小さいとき、前記電気モータを駆動する電気モータ制御部を備えてもよい。

前記高圧段コンプレッサの出口圧力であるブースト圧を測定するブースト圧センサと、エンジン速度とエンジントルクごとに目標ブースト圧が設定された目標ブースト圧マップと、吸入空気流量を測定する吸入空気流量測定手段と、前記高圧段コンプレッサの入口圧力を測定する入口圧力センサと、前記高圧段コンプレッサにおけるターボ回転数ごとの吸入空気流量に対する入口圧力とブースト圧の圧力比の関係である高圧段コンプレッサ特性マップと、を備え、前記電気モータ制御部は、前記入口圧力センサで測定した入口圧力と前記目標ブースト圧との比から目標圧力比を求めると共に、その目標圧力比と前記吸入空気流量測定手段で測定した吸入空気流量とで前記高圧段コンプレッサ特性マップを参照して目標ターボ回転数を求め、求めた目標ターボ回転数と現在のターボ回転数との乖離に応じて、前記電気モータによる駆動量を制御してもよい。

本発明によれば、エンジン速度が極低速の領域であっても、十分なブースト圧を得ることができるターボ過給システムを提供できる。

本発明の一実施の形態に係るターボ過給システムを用いたエンジンシステムの概略構成図である。 図１のターボ過給システムで用いる目標ブースト圧マップの一例を示す図である。 図１のターボ過給システムで用いる高圧段コンプレッサ特性マップの一例を示す図である。 図１のターボ過給システム、通常のシリーズ２ステージターボ、及び無過給のそれぞれの場合における全負荷トルクの特性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係るターボ過給システムを用いたエンジンシステムの概略構成図である。

図１に示すように、ターボ過給システム１は、高圧段ターボチャージャ２と、低圧段ターボチャージャ３とを直列に接続したシリーズ２ステージターボで構成される。一般に、高圧段ターボチャージャ２は小容量、低圧段ターボチャージャ３は大容量とされるが、容量の大小は特に限定するものではない。

高圧段ターボチャージャ２は、エンジンＥの排気通路４に配置されて排気により駆動される高圧段タービン２ａと、吸気通路５に配置されて高圧段タービン２ａの回転トルクにより駆動される高圧段コンプレッサ２ｂと、を有している。

低圧段ターボチャージャ３は、高圧段タービン２ａよりも下流側の排気通路４に配置されて排気により駆動される低圧段タービン３ａと、高圧段コンプレッサ２ｂよりも上流側の吸気通路５に配置されて低圧段タービン３ａの回転トルクにより駆動される低圧段コンプレッサ３ｂと、を有している。

排気通路４の最上流はエンジンＥの排気マニホールド６に接続され、その下流側の排気通路４には、高圧段タービン２ａ、低圧段タービン３ａが順次設けられる。吸気通路５の最上流にはエアフィルタ７が設けられ、その下流側の吸気通路５には、低圧段コンプレッサ３ｂ、高圧段コンプレッサ２ｂ、インタークーラ８が順次設けられ、吸気通路５の最下流はエンジンＥの吸気マニホールド９に接続される。

また、排気通路４には、高圧段タービン２ａをバイパスする高圧段タービンバイパスライン１０、低圧段タービン３ａをバイパスする低圧段タービンバイパスライン１１がそれぞれ設けられ、高圧段タービンバイパスライン１０には高圧段タービンバイパス弁１０ａが、低圧段タービンバイパスライン１１には低圧段タービンバイパス弁１１ａがそれぞれ設けられる。また、吸気通路５には、高圧段コンプレッサ２ｂをバイパスするように高圧段コンプレッサバイパスライン１２が設けられ、その高圧段コンプレッサバイパスライン１２には高圧段コンプレッサバイパス弁１２ａが設けられる。

さらに、ターボ過給システム１は、高圧段コンプレッサ２ｂの出口圧力であるブースト圧を測定するブースト圧センサ１３と、高圧段コンプレッサ２ｂの入口圧力を測定する入口圧力センサ１４と、吸入空気流量を測定する図示しない吸入空気流量測定手段（例えばＭＡＦセンサ）と、を備えている。ブースト圧センサ１３は吸気マニホールド９に設けられ、入口圧力センサ１４は、低圧段コンプレッサ３ｂの上流側の吸気通路５に設けられる。なお、エンジン速度が極低速の領域など低圧段ターボチャージャ３が使用されない領域では、入口圧力センサ１４の測定値は高圧段コンプレッサ２ｂの入口圧力と略等しい。

ターボ過給システム１は、エンジン速度（エンジン回転数）とエンジントルク（負荷）に応じて使用するターボチャージャ２，３を切り替えるターボ切替制御部２１を備えている。ターボ切替制御部２１は、電子制御装置（Electronical Control Unit；ＥＣＵ）２０にプログラムとして組み込まれている。

ターボ切替制御部２１は、エンジン速度が低く排気エネルギが小さい領域では、高圧段タービンバイパス弁１０ａと高圧段コンプレッサバイパス弁１２ａを閉じ、高圧段ターボチャージャ２を駆動させる。このとき、低圧段タービン３ａにも排気ガスが供給され、残った排気エネルギで低圧段ターボチャージャ３を駆動することになるが、エンジン速度が低く排気エネルギが小さい領域では、低圧段タービン３ａは殆ど仕事ができず、ほぼ高圧段ターボチャージャ２のみの運転となる。

また、ターボ切替制御部２１は、エンジン速度が高く排気エネルギが大きい領域では、高圧段ターボチャージャ２の過回転と排気圧の異常上昇による燃費の悪化を抑制するために、高圧段タービンバイパス弁１０ａと高圧段コンプレッサバイパス弁１２ａを開放し、低圧段タービンバイパス弁１１ａを閉じて、低圧段ターボチャージャ３のみを駆動させる。なお、さらにエンジン速度が高くなり、低圧段ターボチャージャ３の容量を超える領域では、低圧段タービンバイパス弁１１ａを開放し、低圧段ターボチャージャ３の過回転と排気圧の異常上昇による燃費の悪化を抑制するようにされる。

さらに、ターボ切替制御部２１は、エンジン速度が低い領域と高い領域の中間の領域では、低圧段タービンバイパス弁１１ａと高圧段コンプレッサバイパス弁１２ａを閉じ、高圧段タービンバイパス弁１０ａの開度を調整することで、高圧段タービンバイパス弁１０ａの開度に応じた割合で高圧段ターボチャージャ２と低圧段ターボチャージャ３の両者を駆動させる。

さて、本実施の形態に係るターボ過給システム１では、高圧段ターボチャージャ２として、高圧段コンプレッサ２ｂの駆動力をアシストする（高圧段タービン２ａの回転トルクをアシストする）電気モータ２ｃを備えた電動アシストターボチャージャ（ハイブリッドターボ）を用いる。電気モータ２ｃは、高圧段タービン２ａと高圧段コンプレッサ２ｂの間、より具体的には、高圧段タービン２ａのタービンホイールと高圧段コンプレッサ２ｂのコンプレッサホイールとを連結するターボ軸に一体に設けられる。電気モータ２ｃは、例えばＤＣサーボモータからなる。なお、電気モータ２ｃはターボ軸と一体に設けられているため、電気モータ２ｃの回転数は高圧段ターボチャージャ２の回転数（ターボ回転数）と等しくなる。

ターボ過給システム１は、エンジン速度とエンジントルクごとに目標ブースト圧が設定された目標ブースト圧マップ２２と、ブースト圧センサ１３で検出したブースト圧が、エンジン速度とエンジントルクで目標ブースト圧マップ２２を参照して得た目標ブースト圧よりも小さいとき、電気モータを駆動する電気モータ制御部２３と、を備えている。

また、ターボ過給システム１は、高圧段コンプレッサ２ｂにおけるターボ回転数ごとの吸入空気流量に対する入口圧力とブースト圧の圧力比の関係である高圧段コンプレッサ特性マップ２４を備えており、電気モータ制御部２３は、入口圧力センサ１４で測定した入口圧力と目標ブースト圧との比から目標圧力比を求めると共に、その目標圧力比と吸入空気流量測定手段で測定した吸入空気流量とで高圧段コンプレッサ特性マップ２４を参照して目標ターボ回転数を求め、求めた目標ターボ回転数と現在のターボ回転数との乖離に応じて、電気モータ２ｃによる駆動量（アシスト量）を制御するようにされる。

目標ブースト圧マップ２２、電気モータ制御部２３、および高圧段コンプレッサ特性マップ２４は、ＥＣＵ２０に搭載される。なお、ＥＣＵ２０には、エンジンＥの制御を行うため、エンジン速度や燃料噴射量など、あらゆるエンジンパラメータが認識されるようになっている。

以下、電気モータ２ｃによるアシスト量の制御について詳細に説明する。

ターボ過給システム１では、まず、電気モータ制御部２３が、エンジン速度とエンジントルクで目標ブースト圧マップ２２を参照し、目標ブースト圧を求める。このとき用いる目標ブースト圧マップ２２の一例を図２に示す。

図２に示すように、目標ブースト圧マップ２２は、エンジン速度とエンジントルクごとに目標ブースト圧（図２中に数字で示す値）が設定されたマップである。目標ブースト圧は、各エンジン速度とエンジントルクの条件において、十分な動力性能と排ガス性能が確保できる値に設定される。なお、エンジントルクは、燃料噴射量等のエンジンパラメータから求めることができる。

目標ブースト圧を求めた後、その目標ブースト圧に実際のブースト圧が近づくように、電気モータ２ｃによるアシスト量を制御することになるが、電気モータ２ｃは回転数制御が容易に可能なことから、アシスト量の制御も電気モータ２ｃの回転数を指示することが有効である。

より具体的には、電気モータ制御部２３は、入口圧力センサ１４で測定した入口圧力と目標ブースト圧との比から目標圧力比を求めると共に、ブースト圧センサ１３で測定したブースト圧と入口圧力との比から、現在の圧力比を求める。

なお、入口圧力センサ１４が測定する入口圧力は、低圧段コンプレッサ３ｂの入口圧力であるから、ここで求めた圧力比（目標圧力比と現在の圧力比）は、両者とも、低圧段コンプレッサ３ｂの入口と出口の圧力比と、高圧段コンプレッサ２ｂの入口と出口の圧力比を総合した値となる。しかし、低圧段ターボチャージャ３が駆動されている状態では、排気エネルギが大きく実際のブースト圧が目標ブースト圧以上となるので、実際には電気モータ２ｃによるアシストは行われない（電気モータ２ｃによるアシストを行ってもよいが、電力消費により逆に燃費が悪化する）。つまり、実際のブースト圧が目標ブースト圧よりも小さくなるのは、エンジン速度が低い領域に限られる。このような領域では、低圧段ターボチャージャ３は駆動されないので、入口圧力センサ１４で測定した入口圧力は高圧段コンプレッサ２ｂの入口圧力と略等しくなり、この入口圧力とブースト圧の比をとることで、高圧段コンプレッサ２ｂの入口と出口の圧力比を求めることができる。

その後、電気モータ制御部２３は、目標圧力比と吸入空気流量測定手段で測定した吸入空気流量とで高圧段コンプレッサ特性マップ２４を参照して、目標ターボ回転数を求めると共に、現在の圧力比と吸入空気流量とで高圧段コンプレッサ特性マップ２４を参照して、現在のターボ回転数を求める。このとき用いる高圧段コンプレッサ特性マップ２４の一例を図３に示す。

図３に示すように、高圧段コンプレッサ特性マップ２４は、高圧段コンプレッサ２ｂの入口と出口の圧力比と、吸入空気量との関係を、高圧段ターボチャージャ２のターボ回転数ごとに示したマップであり、高圧段コンプレッサの特性を示すものである。

図３において、例えば、現在の圧力比と吸入空気流量がＡ点にあり、目標圧力比と吸入空気流量がＢ点にある場合、Ａ点でのターボ回転数（現在のターボ回転数）とＢ点でのターボ回転数（目標ターボ回転数）との差から、必要な回転上昇数を求めることができる。電気モータ制御部２３は、この必要な回転上昇数に応じて電気モータ２ｃを制御（例えば、電気モータ２ｃに印加する電圧の大きさを制御）し、ターボ回転数が目標ターボ回転数となるように制御を行う。

以上説明したように、本実施の形態に係るターボ過給システム１では、高圧段ターボチャージャ２を、高圧段コンプレッサ２ｂの駆動力をアシストする電気モータ２ｃを備えた電動アシストターボチャージャで構成している。

これにより、電気モータ２ｃを駆動すれば、エンジン状態に拘わらず十分なブースト圧を得ることが可能となり、排気エネルギが非常に小さい領域、すなわちエンジン速度が極低速の領域であっても、十分なブースト圧を得ることが可能になる。よって、エンジン速度が極低速の領域における動力性能（極低速トルク）を向上させることができる。

図４に、本発明のターボ過給システム１（実線）、通常のシリーズ２ステージターボ（破線）、及び無過給（一点鎖線）のそれぞれの場合における全負荷トルクの特性を示す。図４に示すように、シリーズ２ステージターボとすることで、無過給の場合と比較して特に中低速域のトルクを向上できるが、本発明によれば、これに加えて、さらに極低速域におけるトルクを向上できる。

このように、本発明のターボ過給システム１によれば、極低速域におけるトルクを向上できるので、従来以上のエンジン・ダウンサイジングによる低燃費化が可能になる。また、エンジンをダウンサイジングしない場合であっても、極低速トルクの向上により、減速ギアを高速化（ハイギアード化）し、低燃費化を図ることも可能となる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、ブースト圧センサ１３で測定したブースト圧が、
目標ブースト圧マップ２２で得た目標ブースト圧よりも低いときに、電気モータ２ｃを駆動するようにしたが、電気モータ２ｃを駆動する指標はブースト圧に限定されず、例えば、高圧段コンプレッサ２ｂの入口と出口の圧力比、あるいは、排気又は吸気の空気過剰率、吸入空気量等を指標とし、実測値が目標値よりも低いときに、電気モータ２ｃを駆動するよう構成してもよい。

また、高圧段ターボチャージャ２のターボ回転数を検出する回転数センサを設け、回転数センサで検出されるターボ回転数と目標ターボ回転数との乖離に応じて、電気モータ２ｃによるアシスト量を制御するようにしてもよい。

１ ターボ過給システム
２ 高圧段ターボチャージャ
２ａ 高圧段タービン
２ｂ 高圧段コンプレッサ
２ｃ 電気モータ
３ 低圧段ターボチャージャ
３ａ 低圧段タービン
３ｂ 低圧段コンプレッサ
４ 排気通路
５ 吸気通路

Claims (3)

1. 排気通路に配置されて排気により駆動される高圧段タービンと、吸気通路に配置されて前記高圧段タービンの回転トルクにより駆動される高圧段コンプレッサと、を有する高圧段ターボチャージャと、
   前記高圧段タービンよりも下流側の前記排気通路に配置されて排気により駆動される低圧段タービンと、前記高圧段コンプレッサよりも上流側の前記吸気通路に配置されて前記低圧段タービンの回転トルクにより駆動される低圧段コンプレッサと、を有する低圧段ターボチャージャと、
   を備えたターボ過給システムにおいて、
   前記高圧段ターボチャージャは、前記高圧段コンプレッサの駆動力をアシストする電気モータを備えた電動アシストターボチャージャからなることを特徴とするターボ過給システム。
2. 前記高圧段コンプレッサの出口圧力であるブースト圧が、エンジン速度とエンジントルクにより決定される目標ブースト圧よりも小さいとき、前記電気モータを駆動する電気モータ制御部を備えた請求項１記載のターボ過給システム。
3. 前記高圧段コンプレッサの出口圧力であるブースト圧を測定するブースト圧センサと、 エンジン速度とエンジントルクごとに目標ブースト圧が設定された目標ブースト圧マップと、
   吸入空気流量を測定する吸入空気流量測定手段と、
   前記高圧段コンプレッサの入口圧力を測定する入口圧力センサと、
   前記高圧段コンプレッサにおけるターボ回転数ごとの吸入空気流量に対する入口圧力とブースト圧の圧力比の関係である高圧段コンプレッサ特性マップと、
   を備え、
   前記電気モータ制御部は、
   前記入口圧力センサで測定した入口圧力と前記目標ブースト圧との比から目標圧力比を求めると共に、その目標圧力比と前記吸入空気流量測定手段で測定した吸入空気流量とで前記高圧段コンプレッサ特性マップを参照して目標ターボ回転数を求め、
   求めた目標ターボ回転数と現在のターボ回転数との乖離に応じて、前記電気モータによる駆動量を制御する
   請求項２記載のターボ過給システム。

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