JP2018044495A - ターボチャージャー付きエンジンおよびターボチャージャー付きエンジンの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中速回転域より高回転側でコンプレッサの効率が高くなり、エンジン出力の更なる向上を図る。
【解決手段】燃焼室５に接続された吸気ポート６および排気ポート７と、サージタンク１２と、排気通路１３の途中に設けられたタービン２４を有しかつタービン２４と一体に回転するコンプレッサ２２を有するターボチャージャー２１とを備える。ターボチャージャー２１の過給圧を制御するウエストゲートバルブ２６（制御弁）と、コンプレッサ２２とサージタンク１２との間の吸気通路１７に設けられたスロットル弁１５と、制御弁およびスロットル弁１５の動作を制御する制御装置１４とを備える。エンジン回転域が中速回転域より高回転側の全負荷運転域にあるときのスロットル弁１５の最大開度は、コンプレッサ２２のコンプレッサ効率がスロットル全開時のコンプレッサ効率より高くなるように、スロットル全開時の開度より閉じ側で制御される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スロットルバルブとウェストゲートバルブとが電子制御されるターボチャージャー付きエンジンおよびターボチャージャー付きエンジンの運転方法に関する。

従来、ターボチャージャー付きガソリンエンジンにおいて全負荷性能を求める場合、スロットル開度は低回転域（3000rpm以下等）を除き、全開（WOT）にて運用されている。トルクの制御は、ウエストゲートバルブの開度を増減させてターボの過給圧を調整することにより行われる。

一般的に、この種のエンジンに用いられるコンプレッサは、エンジンの最高出力で必要とされる空気流量の半分程度の空気流量で最高効率となるように設計されている。このため、このコンプレッサは、空気流量が最高出力時に必要な空気流量の半分を超えると、効率が低下した状態で使用されることとなる。

従来のターボチャージャー付きエンジンでは、中速回転域を含めてこれより高回転側の回転域でコンプレッサの効率が低いから、エンジンの更なる出力向上を図ることは難しいという問題があった。

本発明はこのような問題を解消するためになされたもので、中速回転域より高回転側でコンプレッサの効率が高くなり、エンジン出力の更なる向上を図ることを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係るターボチャージャー付きエンジンは、燃焼室に下流端が接続された吸気ポートと、前記吸気ポートの上流端に連通されたサージタンクと、前記燃焼室に上流端が接続された排気ポートと、前記排気ポートの下流端に連通された排気通路と、前記排気通路の途中に設けられたタービンを有しかつこのタービンと一体に回転するコンプレッサを有するターボチャージャーと、前記ターボチャージャーの過給圧を制御する制御弁と、前記コンプレッサから吐出された空気を前記サージタンクに導く吸気通路と、前記吸気通路の途中に設けられたスロットル弁と、前記制御弁およびスロットル弁の動作を制御する制御装置とを備え、エンジン回転域が中速回転域より高回転側の全負荷運転域にあるときの前記スロットル弁の最大開度は、前記コンプレッサのコンプレッサ効率がスロットル全開時のコンプレッサ効率より高くなるように、スロットル全開時の開度より閉じ側で制御されるものである。

本発明に係るターボチャージャー付きエンジンの運転方法は、スロットル弁を備えたエンジンの吸気通路に空気を過給するターボチャージャー付きエンジンの運転方法であって、エンジン回転域が中速回転域より高回転側の全負荷運転域にあるか否かを判定する判定ステップと、前記エンジン回転域が前記全負荷運転域にないときに、前記ターボチャージャーの過給圧を制御弁によって予め定めた過給圧に制御する過給圧制御ステップと、前記エンジン回転域が前記全負荷運転域にあるときに、前記ターボチャージャーの過給圧を前記制御弁によって予め定めた過給圧に制御するとともに、前記スロットル弁の最大開度をコンプレッサ効率がスロットル全開時のコンプレッサ効率より高くなるようにスロットル全開時の開度より閉じ側で制御する、過給圧制御とスロットル開度制御の併用ステップとを有する方法である。

本発明においては、エンジン回転域が中速回転域より高回転側の全負荷運転域にあるときに、スロットル弁の上流側と下流側とで圧力差が生じる。このとき、コンプレッサ出口の圧力は、過給圧がスロットル全開時と同一であるとすると、スロットル全開時の圧力より高くなる。すなわち、コンプレッサ入口の圧力に対するコンプレッサ出口の圧力である圧力比がスロットル全開時より高くなる。このことは、コンプレッサ効率が高くなることを意味する。

このようにコンプレッサ効率が高くなると、コンプレッサの仕事が低減される。これに伴ってタービンの仕事が減り、エンジンの排気損失が減少してガス交換が効率よく行われるようになる。この結果、エンジンの燃焼が改善され、エンジンの出力が向上する。また、コンプレッサの仕事が減ることにより、コンプレッサの出口温度が低下して吸気温が低下する。この結果、エンジンにおいてノッキングが発生し難くなり、点火時期を進角できるから、エンジン出力をさらに高くすることができる。
したがって、本発明によれば、中速回転域より高回転側でコンプレッサの効率が高くなり、エンジン出力の更なる向上を図ることが可能になる。

本発明に係るターボチャージャー付きエンジンの構成を示すブロック図である。 実験データを示すグラフである。 本発明に係るターボチャージャー付きエンジンの運転方法を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明に係るターボチャージャー付きエンジンおよびターボチャージャー付きエンジンの運転方法の一実施の形態を図１〜図３によって詳細に説明する。
図１に示すエンジン１は、４サイクル単気筒エンジンあるいは４サイクル多気筒エンジンで、シリンダ２と、ピストン３と、シリンダヘッド４とを備えている。
シリンダヘッド４は、上述したシリンダ２およびピストン３と協働して燃焼室５を形成している。燃焼室５は、シリンダ２と、ピストン３と、シリンダヘッド４とによって囲まれて形成されている。

シリンダヘッド４には、吸気ポート６と排気ポート７とが形成され、吸気弁８と、排気弁９と、点火プラグ１０と、燃料噴射インジェクタ１１などが設けられている。吸気ポート６の下流端は燃焼室５に連通され、上流端はサージタンク１２に連通されている。排気ポート７の上流端は燃焼室５に連通され、下流端は排気通路１３に連通されている。

吸気弁８は、吸気ポート６の下流端を開閉する。排気弁９は、排気ポート７の上流端を開閉する。
燃料噴射インジェクタ１１は、燃焼室５内に燃料を噴射する。点火プラグ１０と燃料噴射インジェクタ１１の動作は後述する制御装置１４によって制御される。
サージタンク１２は、スロットル弁１５と、インタークーラー１６などを含む吸気通路１７を介してターボチャージャー２１のコンプレッサ２２に接続されている。コンプレッサ２２から吐出された空気は、吸気通路１７を通ってサージタンク１２に導かれる。

サージタンク１２は、サージタンク１２内の圧力を検出する吸気管圧力センサ２３を備えている。この吸気管圧力センサ２３は、検出圧力をデータとして制御装置１４に送る。
スロットル弁１５は、吸気通路１７内を流れる空気の流量を制御する電動式のもので、サージタンク１２とインタークーラー１６との間となる吸気通路１７の途中に設けられている。このスロットル弁１５は、制御装置１４から送られた制御信号に基づいて動作する。このスロットル弁１５の開度は、制御装置１４によって設定される。
インタークーラー１６は、コンプレッサ２２から送られた空気を冷却するものである。

ターボチャージャー２１は、排気通路１３の途中に設けられたタービン２４と、このタービン２４と一体に回転するコンプレッサ２２とを備えている。
コンプレッサ２２は、空気をエアクリーナ２５から吸引し、圧縮してインタークーラー１６側に吐出する。
ターボチャージャー２１のタービン２４は、排ガスが当たることによって回転するものである。タービン２４に当たる排ガスの量は、ターボチャージャー２１に設けられたウエストゲートバルブ２６によって制御される。このウエストゲートバルブ２６の動作は、制御装置１４によって制御される。この実施の形態においては、このウエストゲートバルブ２６が本発明でいう「制御弁」に相当する。

制御装置１４は、このエンジン１の動作を制御するもので、運転者（図示せず）によって操作されるアクセル操作子２７の操作量に基づいてエンジン１の回転速度を制御する。この制御装置１４は、エンジン１の回転速度を制御するにあたって、図３のフローチャートに示す運転方法に基づいて動作する。
ここで、制御装置１４の構成の詳細な説明を含めてこのエンジン１の運転方法について説明する。

制御装置１４は、図３のフローチャートのステップＳ１でスタートスイッチ３１（図１参照）が操作されることにより動作を開始し、図示していないスタータモータを始動するとともに、点火プラグ１０と燃料噴射インジェクタ１１の動作を制御してエンジン１を始動させる。

次に、制御装置１４は、ステップＳ２において、現在のエンジン回転域が中速回転域より高回転側の全負荷運転域にあるか否かを判定する。このステップＳ２が本発明でいう「判定ステップ」に相当する。現在のエンジン回転域は、図示してはいないが、例えばクランク軸の回転速度を検出する回転速度センサの検出値を用いて検出することができる。

ステップＳ２においては、エンジン１の回転速度が予め定めた低速の回転速度未満であったり、低速の回転速度以上であってもアクセル操作子２７の操作量が予め定めた閾値より小さい（負荷が小さい）場合は、エンジン回転域が低速回転域であると判定される。上述した「低速の回転速度」は、例えば３０００ｒｐｍ程度に設定することができる。

現在のエンジン回転域が低速回転域である場合は、ステップＳ３に進み、過給圧制御が実施される。この実施の形態においては、ステップＳ３が本発明でいう「過給圧制御ステップ」に相当する。
過給圧制御とは、ターボチャージャー２１の過給圧をウエストゲートバルブ２６によって予め定めた過給圧に制御する制御方法である。ターボチャージャー２１の過給圧は、吸気管圧力センサ２３によって検出されたスロットル弁下流側の空気圧力に相当する。また、ここでいう「予め定めた過給圧」とは、アクセル操作子２７の操作量とエンジン１の回転速度などに基づいて規定された過給圧である。この予め定めた過給圧は、マップ（図示せず）から読み出した値を使用することができる。このマップは、制御装置１４のメモリ３２（図１参照）に保存しておくことができる。

ステップＳ３において、制御装置１４は、ターボチャージャー２１の実際の過給圧が予め定めた過給圧と一致するように、スロットル弁１５とウエストゲートバルブ２６の開度をフィードバック制御により制御する。この過給圧制御によれば、アクセル操作子２７の操作量に対応する過給圧が得られるようにスロットル弁１５とウエストゲートバルブ２６とが動作し、アクセル操作子２７の操作に応じてエンジン１の回転速度が変化する。

一方、ステップＳ２が実施されるときのエンジン回転域が中速回転域より高回転側で、アクセル操作子２７の操作量が上述した閾値以上である場合は、ステップＳ４に進み、前述の過給圧制御と後述するスロットル開度制御とを併用する制御が実施される。この実施の形態においては、ステップＳ４が本発明でいう「過給圧制御とスロットル開度制御の併用ステップ」に相当する。
上記のステップＳ２〜ステップＳ４は、スタートスイッチ３１が再操作されてエンジン１が停止するまで繰り返し実施される（ステップＳ５〜Ｓ６）。

ステップＳ４で実施されるスロットル開度制御とは、スロットル弁１５の最大開度をコンプレッサ効率がスロットル全開時のコンプレッサ効率より高くなるようにスロットル全開時の開度より閉じ側で制御する制御方法である。このため、ステップＳ４において、制御装置１４は、ターボチャージャー２１の過給圧をウエストゲートバルブ２６によって予め定めた過給圧（過給圧制御が実施されるときの過給圧と略等しい）に制御するとともに、予め定めた条件が満たされるようにスロットル弁１５の最大開度をスロットル全開時の開度より閉じ側で制御する。ここでいう「予め定めた条件」とは、現在のコンプレッサ効率がスロットル全開時のコンプレッサ効率より高くなるようにすることである。コンプレッサ効率は、従来からよく知られているように、コンプレッサ２２の入口温度および入口圧力と、コンプレッサ２２の出口温度および出口圧力とに基づいて演算によって求めることができる。この実施の形態においては、予め演算と実験によって得られたコンプレッサ効率の最良点で運転できるスロットル開度がマップ化され、制御装置１４のメモリ３２に保存されている。

エンジン回転域が中速回転域より高回転側の全負荷運転域にあるときに、スロットル弁１５の最大開度が全開時の開度より閉じ側で制御されると、スロットル弁１５の上流側と下流側とで圧力差が生じる。このときのエンジン１の状態を図２によって説明する。図２は、この実施の形態によるエンジン１を実際に動作させて得られたデータをグラフにしたものである。図２に示すデータは、エンジン回転数を６０００ｒｐｍにしたときのデータである。

エンジン回転域が中速回転域より高回転側の全負荷運転域にあるときにスロットル弁１５の開度が例えば７０％に制御されると、図２に示すように、過給圧Ａがスロットル全開時と略等しい状態でコンプレッサ出口の圧力Ｂがスロットル全開時の圧力より高くなる。すなわち、コンプレッサ入口の圧力（略大気圧）に対するコンプレッサ出口の圧力Ｂである圧力比がスロットル全開時より高くなる。このことは、コンプレッサ効率が高くなることを意味し、実験結果でも図２に示すようにコンプレッサ効率Ｃがスロットル全開時の３８％から５８％に向上している。すなわち、ステップＳ４において、制御装置１４は、現在のコンプレッサ効率がスロットル全開時のコンプレッサ効率より高くなるように、スロットル弁１５の最大開度を全開時の開度より閉じ側で制御する。

このようにコンプレッサ効率が高くなることにより、コンプレッサ２２の仕事が低減され、タービン２４の仕事が減る。すなわち、図２に示すように、コンプレッサ効率Ｃの向上に伴ってコンプレッサ出口温Ｄが低下し、タービン２４の仕事が減る。このようにタービン２４の仕事が減ると、アクセル操作子２７の操作量とエンジン１の回転速度とに基づいて予め定めた過給圧が得られるように動作が制御されているウエストゲートバルブ２６の開度Ｅが増大し、タービン入口圧Ｆが低下するとともにタービン入口温Ｇが上昇する。

このようにタービン２４の仕事が減少することによって、エンジン１の排気損失が減少してガス交換が効率よく行われるようになる。この結果、エンジン１の燃焼が改善され、エンジン１の出力Ｈが向上する。
また、上述したようにコンプレッサ２２の仕事が減ってコンプレッサ２２の出口温Ｄが低下することにより、吸気温が低下するから、エンジン１においてノッキングが発生し難くなり、点火時期を進角できるようになってエンジン出力をさらに高くすることができる。

したがって、この実施の形態によれば、中速回転域より高回転側でコンプレッサ２２の効率が高くなり、エンジン出力の更なる向上を図ることが可能なターボチャージャー付きエンジンおよびターボチャージャー付きエンジンの運転方法を提供することができる。

１…エンジン、２１…ターボチャージャー、５…燃焼室、６…吸気ポート、７…排気ポート、１２…サージタンク、１３…排気通路、１４…制御装置、１５…スロットル弁、１７…吸気通路、２１…ターボチャージャー、２２…コンプレッサ、２４…タービン、２６…ウエストゲートバルブ（制御弁）、Ｓ２…判定ステップ、Ｓ３…過給圧制御ステップ、Ｓ４…過給圧制御とスロットル開度制御の併用ステップ。

Claims (2)

1. 燃焼室に下流端が接続された吸気ポートと、
   前記吸気ポートの上流端に連通されたサージタンクと、
   前記燃焼室に上流端が接続された排気ポートと、
   前記排気ポートの下流端に連通された排気通路と、
   前記排気通路の途中に設けられたタービンを有しかつこのタービンと一体に回転するコンプレッサを有するターボチャージャーと、
   前記ターボチャージャーの過給圧を制御する制御弁と、
   前記コンプレッサから吐出された空気を前記サージタンクに導く吸気通路と、
   前記吸気通路の途中に設けられたスロットル弁と、
   前記制御弁およびスロットル弁の動作を制御する制御装置とを備え、
   エンジン回転域が中速回転域より高回転側の全負荷運転域にあるときの前記スロットル弁の最大開度は、前記コンプレッサのコンプレッサ効率がスロットル全開時のコンプレッサ効率より高くなるように、スロットル全開時の開度より閉じ側で制御されるターボチャージャー付きエンジン。
2. スロットル弁を備えたエンジンの吸気通路に空気を過給するターボチャージャー付きエンジンの運転方法であって、
   エンジン回転域が中速回転域より高回転側の全負荷運転域にあるか否かを判定する判定ステップと、
   前記エンジン回転域が前記全負荷運転域にないときに、前記ターボチャージャーの過給圧を制御弁によって予め定めた過給圧に制御する過給圧制御ステップと、
   前記エンジン回転域が前記全負荷運転域にあるときに、前記ターボチャージャーの過給圧を前記制御弁によって予め定めた過給圧に制御するとともに、前記スロットル弁の最大開度をコンプレッサ効率がスロットル全開時のコンプレッサ効率より高くなるようにスロットル全開時の開度より閉じ側で制御する、過給圧制御とスロットル開度制御の併用ステップとを有するターボチャージャー付きエンジンの運転方法。

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