JP2019148183A - 過給エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ドライバビリティの悪化を抑えつつ、吸気脈動を抑制可能な過給エンジンを提供する。【解決手段】過給機１１のタービン１５を迂回して排気を流すバイパス通路１９にウェイストゲートバルブ２１が設置された過給エンジンにおいて、吸気通路１２の吸気脈動が発生する運転状況にあるときに、吸気脈動の周期と同じ周期でウェイストゲートバルブ２１を開閉駆動するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、ウェイストゲートバルブ付きの排気タービン式過給機を備えた過給エンジンに関する。

上記のような過給エンジンとして、特許文献１のものが知られている。こうした過給エンジンにおいてスロットルバルブが急激に絞られると、スロットルバルブ手前の吸気圧力が急激に高くなり、それをきっかけとして吸気通路におけるスロットルバルブよりも上流側の部分の吸気脈動（吸気の圧力や流量の変動）が発生することがある。特許文献１の過給エンジンでは、そうした吸気脈動が発生する状況にあるときに、吸気脈動と同じ周期でスロットルバルブを開閉駆動することで、吸気脈動を抑制している。

特開平０５−１９５８３７号公報

スロットルバルブを開閉駆動すれば、エンジンの気筒に流入する空気量（シリンダ流入空気量）が変動してしまう。そして、それにより、エンジン出力が変動して、ドライバビリティが悪化する虞がある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、ドライバビリティの悪化を抑えつつ、吸気脈動を抑制可能な過給エンジンを提供することにある。

上記課題を解決する過給エンジンは、吸気通路に設置されたコンプレッサと、排気通路に設置されたタービンと、タービンを迂回して排気を流すバイパス通路と、同バイパス通路に設置されたウェイストゲートバルブと、吸気通路におけるコンプレッサよりも下流側の部分に設置されたスロットルバルブと、を備える。そして、同過給エンジンは、吸気通路の吸気脈動が発生する運転状況にあるときに、その吸気脈動の周期と同じ周期でウェイストゲートバルブを開閉駆動している。

上記過給エンジンでは、スロットルバルブの急閉時等に、吸気通路におけるコンプレッサとスロットルバルブとの間の部分に吸気脈動が発生することがある。上記過給エンジンでは、そうした吸気脈動が発生する運転状況となると、吸気脈動の周期と同じ周期でウェイストゲートバルブが開閉駆動される。ウェイストゲートバルブを周期的に開閉駆動すると、タービンに吹き付ける排気の流量が、ひいてはコンプレッサの吸気の吐出圧が周期的に変化するようになる。このときのウェイストゲートバルブの開閉駆動の周期を吸気通路で発生する吸気脈動の周期と同じ周期とすれば、吸気脈動と同周期でコンプレッサの吸気吐出圧が変動する。そのため、コンプレッサの吸気吐出圧の変動により、吸気脈動を相殺して低減することが可能となる。

なお、上記文献１の過給エンジンでは、スロットルバルブの開閉駆動により生じる吸気の圧力変動により吸気脈動を相殺するようにしている。このときのスロットルバルブの開閉駆動では、吸気脈動が発生するスロットルバルブの上流側に加え、スロットルバルブの下流側にも同様の吸気の圧力変動が生じるため、その実施は自ずとシリンダ流入空気量の変動を招くものとなる。これに対して、上記過給エンジンでは、スロットルバルブよりも上流側のコンプレッサで圧力変動を発生して、コンプレッサとスロットルバルブとの間の吸気脈動を低減している。そのため、シリンダ流入空気量の変動を増大させずに吸気脈動を抑えることができる。したがって、上記過給エンジンによれば、ドライバビリティの悪化を抑えつつ、吸気脈動を抑制できる。

過給エンジンの一実施形態の吸排気系の構成を示す模式図。 同過給エンジンのエンジン制御ユニットが実行するサージ抑制制御ルーチンのフローチャート。 サージ抑制制御を実施しない場合の吸気脈動発生時のスロットルバルブ開度、ウェイストゲートバルブ開度、過給圧、及びインマニ圧の推移を示すタイムチャート。 上記過給エンジンにおける吸気脈動発生時のスロットルバルブ開度、ウェイストゲートバルブ開度、過給圧、及びインマニ圧の推移を示すタイムチャート。 スロットルバルブの周期的な開閉駆動により吸気脈動を抑制する場合の吸気脈動発生時のスロットルバルブ開度、ウェイストゲートバルブ開度、過給圧、及びインマニ圧の推移を示すタイムチャート。

以下、過給エンジンの一実施形態を、図１〜図５を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の過給エンジンは、各気筒１０への過給を行う排気タービン式の過給機１１を備えている。過給機１１は、過給エンジンの吸気通路１２に設置されたコンプレッサ１３と、同過給エンジンの排気通路１４に設置されたタービン１５とを備えている。過給機１１のコンプレッサ１３は、シャフト１６を通じてタービン１５に駆動連結されている。

過給エンジンの吸気通路１２におけるコンプレッサ１３よりも下流側の部分には、インタークーラ１７とスロットルバルブ１８とが設置されている。また、過給エンジンの排気通路１４には、タービン１５を迂回して排気を流すバイパス通路１９が設けられている。バイパス通路１９には、アクチュエータ２０により開閉駆動されるウェイストゲートバルブ２１が設置されている。そして、ウェイストゲートバルブ２１の開閉駆動によりバイパス通路１９の排気流路面積が可変とされている。

さらに過給エンジンには、エンジン制御ユニット２２が設けられている。エンジン制御ユニット２２は、エンジン回転数ＮＥ、吸入空気量ＧＡ、アクセルペダル開度ＡＣＣ、スロットルバルブ開度ＴＡ等の検出結果に基づき、過給エンジンの制御を行っている。例えば、エンジン制御ユニット２２は、エンジン回転数ＮＥやアクセルペダル開度ＡＣＣに基づき、スロットルバルブ１８の開度を制御して吸入空気量ＧＡを調整することで、過給エンジンの出力制御を行っている。

こうした過給エンジンに設けられた過給機１１では、排気の流れを受けてタービン１５が駆動されると、これに連動してコンプレッサ１３が駆動されて、同コンプレッサ１３が吸気を圧縮して吐出する。コンプレッサ１３が圧縮吐出した吸気は、インタークーラ１７で冷却された後、スロットルバルブ１８で流量調整された後、過給エンジンの各気筒１０に導入される。エンジン制御ユニット２２は、アクチュエータ２０によりウェイストゲートバルブ２１を開閉駆動してタービン１５に吹き付ける排気の流量を調整することで、コンプレッサ１３が圧縮して吐出する吸気の圧力（過給圧）を制御している。

エンジン制御ユニット２２は、過給エンジンの運転中、吸気通路１２におけるコンプレッサ１３とスロットルバルブ１８との間の部分で発生する吸気脈動を抑制するためのサージ抑制制御を実行している。以下、こうしたサージ抑制制御の詳細を説明する。

図２に、サージ抑制制御のためにエンジン制御ユニット２２が実行するサージ抑制制御ルーチンのフローチャートを示す。エンジン制御ユニット２２は、本ルーチンの処理を過給エンジンの始動と共に開始する。

本ルーチンの処理が開始されると、まずステップＳ１００において、吸気脈動が発生する運転状況にあるか否かが判定される。この判定は、例えばスロットルバルブ開度ＴＡの減少量や減少速度が一定の値よりも大きいか否かにより行うことができる。そして、吸気脈動が発生する運転条件にあると判定された場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１１０に処理が進められ、そうでない場合には（ＮＯ）、既定の制御周期が経過した後に、ステップＳ１００での判定を再び実施する。

ステップＳ１１０に処理が進められると、そのステップＳ１１０において、ウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）２１の周期的な開閉駆動が開始される。このときのウェイストゲートバルブ２１の開閉駆動は、吸気脈動の周期と同じ周期で行われる。なお、吸気脈動は、吸気通路１２におけるコンプレッサ１３とスロットルバルブ１８との間の部分で発生し、その周期は同部分の寸法や形状により決まる固有の値となり、予め実験等で求めておくことが可能である。

こうしたウェイストゲートバルブ２１の周期的な開閉駆動は、既定の時間αが経過するまで（Ｓ１２０：ＹＥＳ）継続される。時間αが経過すると、ステップＳ１３０においてウェイストゲートバルブ２１の周期的な開閉駆動が終了された後、ステップＳ１００に処理が戻される。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
図３は、サージ抑制制御を実行しない場合のアクセルペダルの踏み離し時におけるスロットルバルブ開度ＴＡ、ウェイストゲートバルブ開度ＷＧＡ、過給圧ＰＢ及びインマニ圧ＰＭの推移を示している。なお、過給圧ＰＢは、吸気通路１２におけるコンプレッサ１３とスロットルバルブ１８との間の部分の吸気の圧力を示している。また、インマニ圧ＰＭは、吸気通路１２におけるスロットルバルブ１８よりも下流側の部分の吸気の圧力を示している。

アクセルペダルが踏み込まれた状態では、過給エンジンのスロットルバルブ１８は大きく開かれている。また、このときのウェイストゲートバルブ２１は、過給圧を高めるべく閉じられている。この状態からアクセルペダルが踏み離されると、スロットルバルブ１８が急閉されるとともに、ウェイストゲートバルブ２１が開かれる。

このときの急閉によりスロットルバルブ１８を通過する吸気の流量が減らされても、吸気通路１２のスロットルバルブ１８よりも上流側の部分の吸気の流量は直ちには減少しない。そのため、急閉直後のスロットルバルブ１８の手前の部分では、上流から押し寄せた吸気が滞留して、吸気の圧力が上昇する。この圧力上昇により生じた圧力波は、吸気通路１２を遡上して、コンプレッサ１３で反射する。その結果、吸気通路１２におけるコンプレッサ１３とスロットルバルブ１８との間の部分で吸気脈動（サージ）が発生する。

図３に示すように、サージ抑制制御を行わない場合には、スロットルバルブ開度ＴＡが急激に絞られた直後から、サージによる過給圧ＰＢの変動が発生している。なお、サージが発生すると、コンプレッサ１３の動作が不安定となり、断続的な吸気の逆流が発生する。逆流時には、吸気脈動の高周波成分が吸気通路１２の吸気取込口まで伝播する。そのため、サージ発生時には、特有の高周波断続音が外部に放射されて騒音となる。

図４は、本実施形態の過給エンジンでのアクセルペダルの踏み離し時におけるスロットルバルブ開度ＴＡ、ウェイストゲートバルブ開度ＷＧＡ、過給圧ＰＢ及びインマニ圧ＰＭの推移を示している。本実施形態の過給エンジンでは、サージ抑制制御により、スロットルバルブ１８の急閉の直後からウェイストゲートバルブ２１の周期的な開閉駆動が開始される。ウェイストゲートバルブ２１が閉じると、タービン１５の排気流量が増大してコンプレッサ１３の吸気の吐出圧が上昇する。一方、ウェイストゲートバルブ２１が開くと、タービン１５の排気流量が減少してコンプレッサ１３の吸気の吐出圧が低下する。そのため、ウェイストゲートバルブ２１が周期的に開閉駆動されると、コンプレッサ１３の吸気の吐出圧は周期的に昇降を繰り返すようになる。

ここで、このときのウェイストゲートバルブ２１の開閉駆動は、吸気脈動の周期と同じ周期で行われる。さらに、本実施形態では、このときのウェイストゲートバルブ２１の開閉駆動を、コンプレッサ１３の吸気吐出口の吸気の圧力が吸気脈動により高まるときに吸気の吐出圧が低下し、同吸気の圧力が吸気脈動により下がるときに吸気の吐出圧が上昇するように、タイミングを合わせて行うようにしている。そのため、コンプレッサ１３の吸気の吐出圧の変動により吸気脈動が相殺されて、同吸気脈動による過給圧ＰＢの変動が低減される。なお、こうしたウェイストゲートバルブ２１の周期的な開閉駆動を継続する時間αは、実験等の結果に基づき、許容可能なレベルまで吸気脈動を低減するために必要な時間として予め設定されている。

図５は、上述の文献１に記載の従来の過給エンジンのようにスロットルバルブ１８の周期的な開閉駆動を通じて吸気脈動の抑制を図る場合のアクセルペダルの踏み離し時におけるスロットルバルブ開度ＴＡ、ウェイストゲートバルブ開度ＷＧＡ、過給圧ＰＢ及びインマニ圧ＰＭの推移を示している。この場合には、スロットルバルブ１８の急閉直後から、同スロットルバルブ１８の周期的な開閉駆動が行われる。スロットルバルブ開度ＴＡが増加すればスロットルバルブ１８の手前部分の吸気の圧力が下がり、スロットルバルブ開度ＴＡが減少すればスロットルバルブ１８の手前部分の吸気の圧力が上がる。そのため、吸気脈動と同じ周期でスロットルバルブ１８を開閉駆動することでも、吸気脈動を相殺して低減することは可能である。ただし、スロットルバルブ１８の開閉駆動は、吸気脈動が発生するスロットルバルブ１８の上流側だけでなく、スロットルバルブ１８の下流側にも吸気の圧力変動を生じさせる。そのため、この場合の吸気脈動の抑制では、インマニ圧ＰＭの変動を、ひいては過給エンジンの各気筒１０に流入する空気量（シリンダ流入空気量）の変動を伴ってしまい、エンジン出力の変動によるドライバビリティの悪化を招く虞がある。

これに対して本実施形態の過給エンジンでは、ウェイストゲートバルブ２１の開閉駆動により、コンプレッサ１３の吸気の吐出圧を変動することで、吸気脈動を抑制している。コンプレッサ１３の吸気の吐出圧が変動しても、スロットルバルブ１８の手前の吸気の圧力変動が小さくなれば、インマニ圧ＰＭの変動も小さくなる。そのため、本実施形態の過給エンジンでは、ドライバビリティの悪化を抑えつつ、吸気脈動を抑制できる。

ちなみに、吸気通路１２におけるコンプレッサ１３とスロットルバルブ１８の間の部分に、吸気通路１２内の圧力が急上昇したときに同圧力を逃がす弁（エアバイパスバルブ等）を追加設置することでも、吸気脈動を抑えることは可能である。ただし、そうした場合には、自ずと部品点数が増加してしまう。これに対して本実施形態では、ウェイストゲートバルブ２１の制御により吸気脈動を抑制している。そのため、ウェイストゲートバルブ２１が元より設けられた過給エンジンであれば、部品点数を増加させずに吸気脈動の抑制が可能である。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・本実施形態では、スロットルバルブ開度ＴＡの低下量や低下速度に基づいて、吸気脈動が発生する運転状況にあるか否かを判定していたが、それ以外の方法で同判定を行うようにしてもよい。例えばエンジン回転数ＮＥの変化、吸入空気量ＧＡの変化などに基づいて同判定を行うことも可能である。

・本実施形態では、吸気脈動を抑制するためのウェイストゲートバルブ２１の開閉駆動を予め定められた周期で行うようにしていたが、過給圧ＰＢの検出結果等に基づき、吸気脈動と同じ周期となるように、同開閉駆動の周期を可変とするようにしてもよい。

１０…気筒、１１…過給機、１２…吸気通路、１３…コンプレッサ、１４…排気通路、１５…タービン、１６…シャフト、１７…インタークーラ、１８…スロットルバルブ、１９…バイパス通路、２０…アクチュエータ、２１…ウェイストゲートバルブ、２２…エンジン制御ユニット。

Claims (1)

1. 吸気通路に設置されたコンプレッサと、排気通路に設置されたタービンと、前記タービンを迂回して排気を流すバイパス通路と、同バイパス通路に設置されたウェイストゲートバルブと、前記吸気通路における前記コンプレッサよりも下流側の部分に設置されたスロットルバルブと、を備える過給エンジンにおいて、
   前記吸気通路の吸気脈動が発生する運転状況にあるときに、前記吸気脈動の周期と同じ周期で前記ウェイストゲートバルブを開閉駆動する
   過給エンジン。