JP2016200017A

JP2016200017A - 内燃機関用過給システム

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Publication number: JP2016200017A
Application number: JP2015078557A
Authority: JP
Inventors: 角田　有史; Yuji Tsunoda; 有史角田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-04-07
Filing date: 2015-04-07
Publication date: 2016-12-01
Anticipated expiration: 2035-04-07
Also published as: JP6384391B2

Abstract

【課題】加速要求があったときに、過給機のサージの発生を抑制しつつ、過給機による過給と電動過給機による過給とを同時に開始することによって加速要求を満足させる。
【解決手段】排気通路２に配置されたタービンホイールを備えたタービン４ｂと、吸気通路３に配置されたコンプレッサインペラを備えたコンプレッサ４ａとを有し、タービンホイールとコンプレッサインペラとが回転軸４ｃを介して連結されている過給機４と、吸気通路３のうちのコンプレッサ４ａが配置された部分に対して並列に配列された吸気通路３’と、吸気通路３’に配置された電動過給機５とを備えた内燃機関用過給システムにおいて、排気通路２のうちのタービン４ｂよりも上流側の位置と、吸気通路３’のうちの電動過給機５の下流側の位置とを連通するバイパス通路６を設け、バイパス通路６にバイパス弁７を配置した。加速要求時の過給圧が所定値以下のときにバイパス弁７が開弁される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用過給システムに係り、特に、排気通路に配置されたタービンと吸気通路に配置されたコンプレッサとを備えた過給機と、電動過給機とを有する内燃機関用過給システムに関する。

従来から、排気通路に配置されたタービンと吸気通路に配置されたコンプレッサとを備えた過給機と、電動過給機（電動コンプレッサ）とを有する内燃機関用過給システムが知られている。この種の内燃機関用過給システムの例としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１には、電動過給機のサージを効率的に回避し、電動過給機の能力を十分に引き出して過給機のアシストを実行する旨が記載されている。具体的には、特許文献１には、電動過給機のサージが発生するおそれがあるときに、電動過給機の回転数を下げるように電気モータを制御したり（第１の実施形態）、電動過給機を迂回するバイパス通路のバイパス弁の開度を増加させたりする（第２の実施形態）旨が記載されている。

特開２００５−２０１０９２号公報

特許文献１に記載された内燃機関用過給システムでは、電動過給機によって過給機をアシストするために、過給機のコンプレッサが配置された吸気通路の上流側に、電動過給機が直列に配列されている。一方で、電動過給機によって過給機をアシストするために、過給機のコンプレッサが配置された吸気通路と並列に配列された他の吸気通路に電動過給機が配置される場合がある。
過給機のコンプレッサが配置された吸気通路と並列に配列された他の吸気通路に電動過給機が配置される場合には、加速要求があったときに、加速要求を満足させるべく過給機による過給と電動過給機による過給とが同時に開始されると、過給機にサージが生じてしまうおそれがある。

前記問題点に鑑み、本発明は、加速要求があったときに、過給機のサージの発生を抑制しつつ、過給機による過給と電動過給機による過給とを同時に開始することによって加速要求を満足させることができる内燃機関用過給システムを提供することを目的とする。

本発明によれば、内燃機関と、
前記内燃機関に接続された排気通路と、
前記内燃機関に接続された吸気通路と、
前記排気通路に配置されたタービンホイールを備えたタービンと、前記吸気通路に配置されたコンプレッサインペラを備えたコンプレッサとを有し、前記タービンホイールと前記コンプレッサインペラとが回転軸を介して連結されている第１過給機と、
前記吸気通路のうちの前記コンプレッサが配置された部分に対して並列に配列された他の吸気通路と、
電動機によって駆動される他のコンプレッサを有し、前記他の吸気通路に配置された第２過給機とを具備する内燃機関用過給システムにおいて、
前記排気通路のうちの前記タービンよりも上流側の位置と、前記他の吸気通路のうちの前記第２過給機よりも下流側の位置とを連通するバイパス通路を設け、
前記バイパス通路にバイパス弁を配置し、
前記バイパス弁を制御する制御装置を設け、
前記制御装置は、加速要求があったときに前記第１過給機による過給および前記第２過給機による過給を共に実行し、さらに過給圧が所定値以下のときに前記バイパス弁を開弁することを特徴とする内燃機関用過給システムが提供される。

すなわち、本発明の内燃機関用過給システムでは、タービンを有する第１過給機のコンプレッサが配置された吸気通路と、電動機によって駆動される他のコンプレッサを有する第２過給機が配置された他の吸気通路とが、並列に配列されている。また、排気通路のうちのタービンよりも上流側の位置と、他の吸気通路のうちの第２過給機よりも下流側の位置とが、バイパス通路によって連通されている。さらに、バイパス弁がバイパス通路に配置されている。
ところで、加速要求があったときに、加速要求を満足させるべく第１過給機による過給と第２過給機による過給とが同時に開始されると、第２過給機による過給圧上昇速度が第１過給機による過給圧上昇速度より高いため、吸気通路と他の吸気通路とが並列に配列された本発明の内燃機関用過給システムの構成では、吸気通路および他の吸気通路内の過給圧が高いにもかかわらず、第１過給機の回転軸を回転させるための空気流量が不足する現象が生じ、それに伴って、第１過給機にサージが生じてしまうおそれがある。
この点に鑑み、本発明の内燃機関用過給システムでは、加速要求により、第１過給機による過給および第２過給機による過給が共に実行され、さらに、過給圧が所定値以下のときに、バイパス弁が開弁される。
つまり、加速要求により、第１過給機による過給および第２過給機による過給が共に実行され、さらに、過給圧が所定値以下のときに、他のコンプレッサを有する第２過給機によって過給された空気が、バイパス通路を介して排気通路の第１過給機のタービンに供給され、それにより、第１過給機の回転軸の回転がアシストされる。
そのため、第１過給機の回転軸の回転不足に伴う第１過給機のサージの発生を抑制することができる。
すなわち、本発明の内燃機関用過給システムでは、加速要求があったときに、第１過給機のサージの発生を抑制しつつ、第１過給機による過給と第２過給機による過給とを同時に開始することによって加速要求を満足させることができる。

本発明によれば、加速要求があったときに、過給機のサージの発生を抑制しつつ、過給機による過給と電動過給機による過給とを同時に開始することによって加速要求を満足させることができる。

第１の実施形態の内燃機関用過給システムの主要部を示した概略構成図である。過給機４の回転軸４ｃの回転のアシスト期間と過給圧との関係を説明するための図である。過給機４の空気流量と過給圧の圧力比との関係を示したコンプレッサマップ等である。第１の実施形態の内燃機関用過給システムにおけるバイパス弁７の開弁制御を説明するためのフローチャートである。第１の実施形態の内燃機関用過給システムにおけるバイパス弁７の閉弁制御を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の内燃機関用過給システムの第１の実施形態について説明する。図１は第１の実施形態の内燃機関用過給システムの主要部を示した概略構成図である。図１に示す例では、４気筒の内燃機関１に用いられる内燃機関用過給システムに対して本発明が適用されているが、本発明は、内燃機関１の気筒数が図１に示す例とは異なる内燃機関用過給システムに対しても適用することができる。本発明の内燃機関用過給システムは例えばガソリンエンジンに対して適用されるが、本発明の内燃機関用過給システムを、例えばディーゼルエンジンのようなガソリンエンジン以外のエンジンに対して適用することもできる。

第１の実施形態の内燃機関用過給システムでは、図１に示すように、排気通路２の一部分を構成する排気マニホールド１２を介して、内燃機関１が排気通路２に接続されている。さらに、吸気通路３の一部分を構成する吸気マニホールド１１を介して、内燃機関１が吸気通路３に接続されている。吸気通路３のうちの吸気マニホールド１１に隣接する位置に、スロットル弁１０が配置されている。スロットル弁１０は、例えば制御装置（ＥＣＵ）（図示せず）によって制御される。図１に示す例では、スロットル弁１０が、吸気通路３のうちの吸気マニホールド１１に隣接する位置に配置されているが、他の例では、代わりに、スロットル弁１０を吸気通路３の異なる位置に配置することもできる。

また、第１の実施形態の内燃機関用過給システムでは、図１に示すように、排気通路２に配置されたタービンホイール（図示せず）を備えたタービン４ｂと、吸気通路３に配置されたコンプレッサインペラ（図示せず）を備えたコンプレッサ４ａとを有する過給機４が設けられている。過給機４のタービンホイールとコンプレッサインペラとは、回転軸４ｃを介して連結されている。
さらに、吸気通路３のうちのコンプレッサ４ａが配置された部分に対して並列に配列された吸気通路３’が設けられている。つまり、過給機４のコンプレッサ４ａを迂回する吸気通路３’が、吸気通路３に並列に配列されている。その吸気通路３’には、電動機５ａによって駆動されるコンプレッサを有する電動過給機５が配置されている。すなわち、過給機４のコンプレッサ４ａと電動過給機５とが並列に配列されている。電動機５ａは、例えば上述した制御装置によって制御される。

さらに、第１の実施形態の内燃機関用過給システムでは、図１に示すように、吸気通路３’のうちの電動過給機５よりも下流側に、吸気通路３’内の空気流量を調整するためのバルブ８が配置されている。バルブ８は、例えば上述した制御装置によって制御される。図１に示す例では、バルブ８が吸気通路３’のうちの電動過給機５よりも下流側に配置されているが、他の例では、代わりに、バルブ８を吸気通路３’のうちの電動過給機５よりも上流側に配置することもできる。
また、第１の実施形態の内燃機関用過給システムでは、図１に示すように、吸気通路３のうちのコンプレッサ４ａの上流側に、エアクリーナーが配置されている。さらに、吸気通路３’のうちの電動過給機５の上流側の部分が、吸気通路３のうちのコンプレッサ４ａとエアクリーナーとの間の位置に接続されている。
また、過給機４のコンプレッサ４ａによって過給された空気および電動過給機５のコンプレッサによって過給された空気を冷却するインタークーラ９が、吸気通路３に配置されている。つまり、吸気通路３’のうちの電動過給機５およびバルブ８の下流側の部分が、吸気通路３のうちのコンプレッサ４ａとインタークーラ９との間の位置に接続されている。

また、第１の実施形態の内燃機関用過給システムでは、図１に示すように、排気通路２のうちのタービン４ｂの下流側に、排気浄化触媒が配置されている。また、排気通路２のうちのタービン４ｂが配置された部分に対して並列に配列されたウェイストゲート通路１３が設けられている。つまり、過給機４のタービン４ｂを迂回するウェイストゲート通路１３が、排気通路２に並列に配列されている。そのウェイストゲート通路１３には、ウェイストゲート通路１３内の空気流量を調整するためのウェイストゲート弁１４が配置されている。すなわち、過給機４のタービン４ｂとウェイストゲート弁１４とが並列に配列されている。ウェイストゲート弁１４は、例えば上述した制御装置によって制御される。

図１に示す第１の実施形態の内燃機関用過給システムでは、加速要求があったときに、加速要求を満足させる（つまり、加速要求に対するレスポンスを向上させる）べく、過給機４による過給および電動過給機５による過給が共に実行される。詳細には、加速要求があったときに、加速要求を満足させるべく、例えば過給機４による過給と電動過給機５による過給とが同時に開始される。それにより、過給機４の過給の立ち上がり時のターボラグが、電動過給機５の過給によって解消される。
ところで、加速要求があったときに、加速要求を満足させるべく過給機４による過給と電動過給機５による過給とが同時に開始されると、電動過給機５による過給圧上昇速度が過給機４による過給圧上昇速度より高いため、吸気通路３と吸気通路３’とが並列に配列された第１の実施形態の内燃機関用過給システムの構成では、相互に連通している吸気通路３および吸気通路３’内の過給圧が高いにもかかわらず、過給機４の回転軸４ｃを回転させるための空気流量が不足する現象が生じ、それに伴って、過給機４にサージが生じてしまうおそれがある。

図３は過給機４にサージが生じるおそれがある理由などを説明するための図である。詳細には、図３（Ａ）は過給機４の空気流量（横軸）と過給圧の圧力比（縦軸）との関係を示したコンプレッサマップである。図３（Ｂ）は電動過給機５の空気流量（横軸）と過給圧の圧力比（縦軸）との関係を示したコンプレッサマップである。
詳細には、図１に示す第１の実施形態の内燃機関用過給システムのように、過給機４と電動過給機５とが並列に配列されている場合には、過給機４のコンプレッサ４ａよりも下流側の吸気通路３内の過給圧と、電動過給機５のコンプレッサよりも下流側の吸気通路３’内の過給圧とが等しくなる。
従って、図１に示す第１の実施形態の内燃機関用過給システムのように過給機４と電動過給機５とが並列に配列されている場合には、加速要求があり、空気流量が増加し始めてから時間ｔ０１が経過し、過給圧の圧力比がＰｂｒ（ｔ０１）（図３（Ａ）および図３（Ｂ）参照）になると（つまり、加速初期の時点で）、図３（Ｂ）中に丸印（○）で示すように、電動過給機５はサージ領域（右上がりの直線よりも左上側の領域）に入らないが、図３（Ａ）中にバツ印（×）で示すように、過給機４はサージ領域（右上がりの直線よりも左上側の領域）に入ってしまう。
つまり、過給機４がサージ領域に入らないようにしつつ、過給圧の圧力比Ｐｂｒ（ｔ０１）を得るためには、過給機４のタービン４ｂに流入する空気流量をＧａ．ｐ（ｔ０１）（図３（Ａ）参照）からＧａ．ｐ（ｔ０１）’（図３（Ａ）参照）まで増加させる必要があると言える。

この点に鑑み、第１の実施形態の内燃機関用過給システムでは、図１に示すように、排気通路２のうちの過給機４のタービン４ｂよりも上流側の位置と、吸気通路３’のうちの電動過給機５のコンプレッサよりも下流側の位置とが、バイパス通路６によって連通されている。また、バイパス弁７がバイパス通路６に配置されている。バイパス弁７は、例えば上述した制御装置によって制御される。
また、加速要求により、過給機４による過給および電動過給機５による過給が共に実行され、さらに、過給圧が所定値Ｐｂ１（図４参照）以下のときに、バイパス弁７が開弁される。
その結果、電動過給機５によって過給され、バイパス通路６を介して過給機４のタービン４ｂに供給された空気によって、過給機４のタービン４ｂに流入する総空気流量がＧａ．ｐ（ｔ０１）’（図３（Ａ）参照）まで増加し、それにより、過給機４の回転軸４ｃの回転速度が増加し、過給機４のサージを回避することができる。
図３（Ａ）に示す空気流量Ｇａ．ｐ（ｔ０１）’は電動過給機５のコンプレッサの最大回転速度で決まる値である。

図４は第１の実施形態の内燃機関用過給システムにおけるバイパス弁７（図１参照）の開弁制御を説明するためのフローチャートである。図５は第１の実施形態の内燃機関用過給システムにおけるバイパス弁７の閉弁制御を説明するためのフローチャートである。
図４に示すように、第１の実施形態の内燃機関用過給システムのバイパス弁７（図１参照）の開弁制御が開始されると、ステップＳ１０１において、アクセルペダル開度の変化率が所定値ΔＰＤＬ０１以上であるか否かが判定される。ＹＥＳのときにはステップＳ１０２に進み、ＮＯのときには図４に示すバイパス弁７の開弁制御を終了し、所定期間経過後にステップＳ１０１からの処理を再開する。
アクセルペダル開度は例えばアクセルペダル開度センサ（図示せず）によって検出され、アクセルペダル開度の変化率は例えば制御装置によって算出される。
ステップＳ１０２では、アクセルペダル開度が所定値ＰＤＬ０１以下であるか否かが判定される。ＹＥＳのときには、加速要求があった（つまり、加速開始時である）と判断し、過給機４による過給および電動過給機５による過給が共に実行され、ステップＳ１０３に進む。一方、ＮＯのときには図４に示すバイパス弁７の開弁制御を終了し、所定期間経過後にステップＳ１０１からの処理を再開する。

図４に示すように、ステップＳ１０３では、過給圧が所定値Ｐｂ１以下であるか否かが判定される。ＹＥＳのときには、加速要求により、過給機４による過給および電動過給機５による過給が共に実行され、さらに、過給圧が所定値Ｐｂ１以下であると判断し、ステップＳ１０４に進む。一方、ＮＯのときには図４に示すバイパス弁７の開弁制御を終了し、所定期間経過後にステップＳ１０１からの処理を再開する。過給圧は、例えば過給機４（図１参照）のコンプレッサ４ａ（図１参照）および電動過給機５（図１参照）のコンプレッサよりも下流側の吸気通路３に配置された過給圧センサ（図示せず）によって検出される。
上述したステップＳ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０３における判定は、例えば上述した制御装置によって実行される。

図４に示すように、ステップＳ１０４では、バイパス弁７（図１参照）が開弁される。その結果、電動過給機５（図１参照）のコンプレッサによって過給された空気が、バイパス通路６（図１参照）を介して排気通路２（図１参照）の過給機４（図１参照）のタービン４ｂ（図１参照）に供給され、それにより、過給機４の回転軸４ｃ（図１参照）の回転がアシストされる。そのため、過給機４の回転軸４ｃの回転不足に伴う過給機４のサージの発生を抑制することができる。
すなわち、第１の実施形態の内燃機関用過給システムでは、加速要求があったときに、過給機４のサージの発生を抑制しつつ、過給機４による過給と電動過給機５による過給とを同時に開始することによって加速要求を満足させることができる。
また、第１の実施形態の内燃機関用過給システムでは、加速要求があったときに、過給機４および電動過給機５の両方が作動され、電動過給機５を加速初期にも使用することができる。

一方、電動過給機５（図１参照）のコンプレッサによって過給された空気が、内燃機関１（図１参照）を介することなく、バイパス通路６（図１参照）を介して排気通路２（図１参照）の過給機４（図１参照）のタービン４ｂ（図１参照）に供給されると、過給機４のタービン４ｂの下流側の排気浄化触媒（図１参照）での空燃比が変動してしまうおそれがある。この点に鑑み、第１の実施形態の内燃機関用過給システムでは、ステップＳ１０５において、燃料噴射量が増量され、バイパス弁７（図１参照）の開弁後における排気浄化触媒での空燃比と、バイパス弁７の開弁前における排気浄化触媒での空燃比とが、等しくされる。次いで、図４に示すバイパス弁７の開弁制御を終了し、所定期間経過後にステップＳ１０１からの処理を再開する。
上述したステップＳ１０４、Ｓ１０５における制御は、例えば上述した制御装置によって実行される。

さらに、第１の実施形態の内燃機関用過給システムでは、図４に示すバイパス弁７（図１参照）の開弁制御と共に、図５に示すバイパス弁７の閉弁制御も所定時間間隔で実行される。
第１の実施形態の内燃機関用過給システムでは、図５に示すバイパス弁７の閉弁制御が開始されると、ステップＳ２０１において、バイパス弁７が開弁しているか否か、つまり、過給機４（図１参照）の回転軸４ｃ（図１参照）の回転のアシストが実行されているか否かが判定される。ＹＥＳのときにはステップＳ２０１に進み、ＮＯのときには図５に示すバイパス弁７の閉弁制御を終了し、所定期間経過後にステップＳ２０１からの処理を再開する。
ステップＳ２０２では、過給圧が所定値Ｐｂ１より高くなったか否かが判定される。ＹＥＳのときには、過給機４のサージが発生するおそれはなくなり、過給機４の回転軸４ｃの回転のアシストが必要なくなったと判断し、ステップＳ２０３に進む。一方、ＮＯのときには図５に示すバイパス弁７の閉弁制御を終了し、所定期間経過後にステップＳ２０１からの処理を再開する。
上述したステップＳ２０１、Ｓ２０２における判定は、例えば上述した制御装置によって実行される。

図５に示すように、ステップＳ２０３では、バイパス弁７（図１参照）が閉弁される。その結果、電動過給機５（図１参照）のコンプレッサによって過給された空気がバイパス通路６（図１参照）を介して排気通路２（図１参照）の過給機４（図１参照）のタービン４ｂ（図１参照）に供給されなくなり、過給機４の回転軸４ｃ（図１参照）の回転のアシストが終了する。
つまり、並列に配列された過給機４と電動過給機５とによる通常の並列過給の状態に戻される。
次いで、ステップＳ２０４では、ステップＳ１０５（図４参照）における燃料噴射量の増量制御が停止される。次いで、図５に示すバイパス弁７の閉弁制御を終了し、所定期間経過後にステップＳ２０１からの処理を再開する。
上述したステップＳ２０３、Ｓ２０４における制御は、例えば上述した制御装置によって実行される。

図２は過給機４（図１参照）の回転軸４ｃ（図１参照）の回転のアシスト期間と過給圧との関係を説明するための図である。図２に示す例では、加速要求があった加速初期の段階から、バイパス弁７（図１参照）を開弁し、電動過給機５（図１参照）のコンプレッサによって過給された空気を排気通路２（図１参照）の過給機４（図１参照）のタービン４ｂ（図１参照）に供給し、過給機４の回転軸４ｃ（図１参照）の回転をアシストする「アシスト期間」が開始する。このアシスト期間中である加速時には、過給機４および電動過給機５の両方が作動される。
図２中の時刻ｔ０１は、図３中の時刻ｔ０１に対応している。つまり、図２に示す例では、時刻ｔ０１において、バイパス弁７（図１参照）を開弁することによって、過給機４（図１参照）のタービン４ｂ（図１参照）に流入する空気流量をＧａ．ｐ（ｔ０１）（図３（Ａ）参照）からＧａ．ｐ（ｔ０１）’（図３（Ａ）参照）まで増加させる制御が実行されている。

また、図２に示す例では、時刻ｔ．ｐｂ１において、過給圧が所定値Ｐｂ１（図４参照）に到達する。つまり、図２に示す例では、過給圧が所定値Ｐｂ１に到達するまでの間、バイパス弁７（図１参照）を開弁し、燃料噴射量を増量する制御が実行される。次いで、過給圧が所定値Ｐｂ１を超える時刻ｔ．ｐｂ１に、バイパス弁７が開弁状態から閉弁状態に切り替えられ、燃料噴射量を増量する制御が停止される。
所定値Ｐｂ１（図２、図４、図５参照）の値は、電動過給機５（図１参照）によるアシストが無くても、過給機４（図１参照）のタービン４ｂ（図１参照）に流入する空気流量が十分に大きくなって、過給機４の回転軸４ｃ（図１参照）の回転速度が十分に高くなり、過給機４にサージが生じるおそれがなくなる過給圧に基づいて設定される。

第２の実施形態では、上述した第１の実施形態および各例を適宜組み合わせることもできる。

１内燃機関
２排気通路
３、３’ 吸気通路
４過給機
４ａコンプレッサ
４ｂタービン
４ｃ回転軸
５過給機
６バイパス通路
７バイパス弁
８バルブ
９インタークーラ
１０スロットル弁
１１吸気マニホールド
１２排気マニホールド
１３ウェイストゲート通路
１４ウェイストゲート弁

Claims

内燃機関と、
前記内燃機関に接続された排気通路と、
前記内燃機関に接続された吸気通路と、
前記排気通路に配置されたタービンホイールを備えたタービンと、前記吸気通路に配置されたコンプレッサインペラを備えたコンプレッサとを有し、前記タービンホイールと前記コンプレッサインペラとが回転軸を介して連結されている第１過給機と、
前記吸気通路のうちの前記コンプレッサが配置された部分に対して並列に配列された他の吸気通路と、
電動機によって駆動される他のコンプレッサを有し、前記他の吸気通路に配置された第２過給機とを具備する内燃機関用過給システムにおいて、
前記排気通路のうちの前記タービンよりも上流側の位置と、前記他の吸気通路のうちの前記第２過給機よりも下流側の位置とを連通するバイパス通路を設け、
前記バイパス通路にバイパス弁を配置し、
前記バイパス弁を制御する制御装置を設け、
前記制御装置は、加速要求があったときに前記第１過給機による過給および前記第２過給機による過給を共に実行し、さらに過給圧が所定値以下のときに前記バイパス弁を開弁することを特徴とする内燃機関用過給システム。