JP2019519708A - 片吸込（ｓｉｎｇｌｅ−ｉｎｌｅｔ）ターボコンプレッサによって過給機付き内燃エンジンの吸気口に導かれる空気量を制御する方法 - Google Patents

Abstract

過給機付き内燃エンジンの吸気口に導入される空気量を制御する方法であって、前記エンジンが、排気マニホールド（３０）に連結された排気ガス吐出口（３２）と、前記排気ガス吐出口に接続された片吸込口（４６）を具備するタービン（４０）および外部空気のコンプレッサ（４４）を有するターボコンプレッサを備えた過給デバイス（３８）と、前記コンプレッサから前記タービンの前記吸込口に圧縮空気を部分的に移送するための部分的移送ダクト（６４）とを備える。本発明によれば、分岐点（７０）が部分的移動ダクトに設けられ、分岐点がタービンの吸込口に連結され、比例弁手段（７４）を有し、分岐点内の圧縮空気の流れが、弁手段に適用される方策に従って移行動作段階中にダクト内で制御され、かつ安定段階の特性に従って決定される。

Description

本発明は、特に定置機関、または自動車もしくは産業用車両の内燃エンジンの吸気口に、片吸込ターボコンプレッサによって過給した一定量の空気を導入するための装置を制御する方法に関する。

広く知られているように、内燃エンジンによって伝達される動力は、このエンジンの燃焼室に導入される空気量に依存し、空気量自体は空気の濃度に比例する。

したがって、燃焼室に取り入れる前に、外気を圧縮することによって空気量を増加させることが一般的に行われている。過給と呼ばれるこの操作は、遠心式または容積式による、ターボコンプレッサまたは駆動コンプレッサなどの任意の手段で実行することができる。

片吸込ターボコンプレッサによって過給する場合、片吸込ターボコンプレッサはロータリータービンを備え、ロータリータービンには片吸込口が設けられ、ロータリータービンはシャフトによってロータリーコンプレッサに連結される。エンジンからの排気ガスはタービンを通過してタービンを回転駆動させる。次にこの回転はコンプレッサに伝えられ、コンプレッサが回転することで、外気が燃焼室に導入される前に圧縮されることになる。

仏国特許出願第２４７８７３６号でより詳細に記載されるように、エンジンの燃焼室内の圧縮空気量を大きく増加させることができるよう、コンプレッサによって外気の圧縮をさらに増加させることが提供されている。

より詳細には、それは、タービンの回転速度を増加させ、それにより、コンプレッサの回転速度を増加させることによってなされる。

そのために、コンプレッサから出ていく圧縮空気を、その一部の方向を変えて、排気ガスと混合させることによってタービンの吸込口（inlet）に直接取り込む。そうして、このタービンに、より大量の流体（圧縮空気と排気ガスとの混合物）を通過させ、それによって、タービンの回転速度を増加させ、その結果としてコンプレッサの回転速度を増加させることが可能となる。これによりコンプレッサの速度が増加するので、このコンプレッサによって圧縮され、次に、エンジンの燃焼室に導入されることになる外気の圧力を増加させることが可能になる。

そのために、圧縮空気はより高い密度となり、燃焼室に収容される空気量を増加させることが可能になる。

このタイプの過給機付きエンジンは、満足のいくものではあるが、少なからず欠点を呈する。

実際に、タービンの吸込口に取り入れられる圧縮空気の流量は正確に制御されず、これがエンジンの不具合をもたらすことがある。

したがって、例えばあまりにも大量の圧縮空気がタービンの吸込口に向かった場合、タービンに入る排気ガスが、この空気によって冷却されすぎて、過給の全体効率を減少させる。

本発明は、過給機付き内燃エンジンの吸気口にある量の空気を導入するデバイスを制御する方法の効果によって上述の欠点を改善することを目的とする。この方法は、エンジンの全ての動力需要、特に移行動作段階（transition operating phase）における動力需要に対処することを可能にする。

本発明は、吸気口における圧縮空気の平均圧力が、排気口におけるガスの平均圧力よりも低い場合でさえ、圧縮空気の吸気口から排気口への移送を生じさせ、かつ管理することを可能にする。必要なのは、エンジンの動作サイクル中に、吸気口における圧力が排気口における圧力よりも高い段階にあることである。

したがって本発明は、過給機付き内燃エンジンの吸気口に導入される空気量を制御する方法に関する。このエンジンは、排気マニホールドに連結された排気ガス吐出口（outlet）と、この排気ガス吐出口に接続された片吸込口を具備するタービンおよび外部空気のコンプレッサを有するターボコンプレッサを備えた過給デバイスと、圧縮空気をコンプレッサからタービンの入口に部分的に移送するための部分的移送ダクトとを備えている。このエンジンは、この部分的移送ダクトが、タービンの吸込口に連結され、比例弁手段を有し、圧縮空気の循環が、この弁手段に適用される方策に従って移行動作段階中にダクト内で制御され、かつ安定段階（stabilized phase）の特性に従って決定されることを特徴とする。

この移送ダクトに逆止弁を配設することもできる。

この移送ダクト内で循環する圧縮空気は、加熱されてもよい。

制御方策として、以下のステップが実行され得る。
・初期の安定状態の弁手段の開放設定状態から、
・この設定を、時間ｔの間維持される値まで、所定の変化度で低減させるステップ、
・この設定を、最終の安定状態の弁手段の開放設定に達するまで所定の変化度で増加させるステップ。

初期状態は低負荷状態で、最終状態は高負荷状態であってよい。

初期の安定状態および最終の安定状態における弁手段の開放設定状態は、同一であってよい。

本発明の他の特徴および利点は、単に例示として、および非限定として与えられる以下の説明、ならびに添付の図面によって明らかになろう。
本発明による過給デバイスを有する内燃エンジンを示す図である。 図１による過給デバイスを有する内燃エンジンの変形を示す図である。 弁手段を操作する方策の例を示す図である。 弁手段を操作する方策の例を示す図である。 弁手段を操作する方策の例を示す図である。 弁手段を操作する方策の例を示す図である。 弁手段を操作する方策の例を示す図である。 弁手段を操作する方策の例を示す図である。 弁手段を操作する方策の例を示す図である。 本発明の適用による、ＧＭＰ（パワートレイン）の動作例を示す図である。 本発明の適用による、ＧＭＰ（パワートレイン）の動作例を示す図である。

図１において、内燃エンジン１０は少なくとも２つのシリンダを備え、ここでは左から右へ参照番号１２₁〜１２₄である４つのシリンダを備えている。

優先的に、このエンジンは特にディーゼルタイプで直接噴射式の内燃エンジンであるが、任意の他のタイプの内燃エンジンを除外するものではない。

各シリンダは、少なくとも１つの吸気弁１６を有する吸気手段１４を備え、ここでは２つの吸気弁を有し、各々は吸気管１８を制御する。吸気管１８は、圧縮空気などの吸気を供給するダクト２２によって提供された吸気マニホールド２０に達している。

このシリンダは、少なくとも１つの排気弁２６を有する廃ガス排気手段２４も備え、ここでは２つの排気弁を有し、各々は排気管２８を制御する。

図示の例において、各シリンダの排気管は、排気ガス吐出口３２を有する排気マニホールド３０に接続されている。この排気ガス吐出口は、空気を圧縮するためのターボコンプレッサ３８、より詳細にはこのターボコンプレッサの膨張タービン４０に達している。

図１に示すように、このターボコンプレッサは片吸込ターボコンプレッサであり、「モノラルスクロール」ターボコンプレッサまたは「シングルスクロール」ターボコンプレッサとしてよく知られている。

このタイプのターボコンプレッサは、排気ガスによって掃気される膨張タービン４０を備え、膨張タービン４０は、シャフト４２によってコンプレッサ４４と回転連結されている。

タービンは、マニホールド３０の排気ガス吐出口３２に接続された、排気ガスの片吸込口４６を備えている。タービン４０のガス排出部５０は、一般的にエンジンの排気ライン５２に接続されている。

ターボコンプレッサ３８のコンプレッサ４４は、供給ダクト５６によって提供された外部空気吸気口５４を備えている。このコンプレッサの圧縮空気吐出口５８は、ダクト６０によって吸気マニホールド２０の供給ダクト２２に連結している。

コンプレッサとダクト２２との間において、圧縮空気冷却ラジエータ６２をダクト６０上に配置することが有利である。

図１で確認できるように、移送ダクト６４は、圧縮空気の一部がコンプレッサ４４から出てタービンの吸込口４６まで循環することを可能にする。

より具体的には、この部分的移送ダクトは、コンプレッサと過給空気冷却ラジエータ６２との間の交差部６６において、ダクト６０から始まり、排気ガス吐出口３２との合流点７０を介してタービンの吸込口４６に達している。

この移送ダクトは、制御手段７８によって制御された比例弁などの弁手段７４を有する。したがってこのタイプの比例弁は、移送ダクト６４を循環する圧縮空気の循環流量を制御することができる。

移送ダクトは、このダクトからコンプレッサに入る圧縮空気または排気ガスの循環を防止する逆止弁８０も備えていることが有利である。

移送ダクト６４内の平均圧力が排気吐出口３２の平均圧力よりも低い場合でも、この弁によってバイパスシステムの操作が可能であるので、この弁を使用することによって本発明の別の利点を提示する。これら２つの支流の平均圧力レベルが吸気口から排気口への流れを妨害する場合でも、バイパスシステムをアクティブにするために、場合によっては吸気口から排気口までの空気のバイパスにとって好ましい圧力差を有することを可能にするために、これら２つの支流各々の圧力の振れは十分なものとなっている。

この構成によって、エンジン動作中に、圧縮空気をタービンに導入するために排気マニホールド内に適宜広がる低排気圧のゾーンを利用し、それにより、このタービンの流量すなわちコンプレッサの流量を増加させることが可能である。これは一般的に「ブーストターボ」と呼ばれている。低速度のためのより効率的な過給も可能であり、特に、比例弁を適切に制御することで移行段階を操作することも可能である。

動作中にシリンダに大量の空気が必要となる場合、比例弁７４は、開いて圧縮空気をコンプレッサ４４からタービン４０に導入するよう制御される。

コンプレッサ４４から出る圧縮空気は移送ダクト６４内を循環して、タービン４０の排気ガス吸込口４６に達して、余剰流体をこのタービンに加える。

したがってこのタービンを、吐出口３２からの排気ガスだけではなく、これらのガスに追加される圧縮空気も通過する。このため、タービンの回転は増し、コンプレッサの回転の増加をもたらして、その結果このコンプレッサから吐出される圧縮空気の圧力を増加させる。

特に２つの安定動作段階の間にある移行段階中に、エンジンの過給要求に従って圧縮空気をタービンに取り入れるように、弁７４は制御手段７８によって制御される。

図１と基本的に同じ要素を備えている図２においては、コンプレッサ４４から出て移送ダクト６４内で循環する圧縮空気は、タービン４０に導入される前に事前に加熱される。

そのため、移送ダクト６４は圧縮空気を加熱する手段８８を有する。ここでは、交差部６６および弁７４の後ろに配置された、加熱ラジエータの形態の熱交換器である。このラジエータでは、エンジンからの排気ガスが通過する一方で、移送ダクト内を循環する圧縮空気が通過する。排気ガスは、タービンの排出口５０から出て、ダクト９０によってラジエータの吸込口９２に送られる。排気ガスは、このラジエータを通過し、排気ガスが含んでいる熱を圧縮空気に移し、その後、吐出口９４を介してこのラジエータから再び吐出され、エンジンの排気ラインに向かう。

したがって、排気ガスのエネルギーの一部は、吸込口４６によってタービンに導入される圧縮空気によって取り入れられる。

したがって、この加熱された圧縮空気は、タービンに追加のエネルギーを提供することを可能にして、その結果タービンは、より速い速度で回転することになる。次にこの速い回転速度はコンプレッサに伝えられ、外気により高い圧縮をもたらすことになる。

上述したシステムの動作は、吸気口における排出ガス還元（ＥＧＲ）回路に関連付けられるか否かによって、所望の短絡率を実現するために正確に調整する必要がある。

一般的にエンジンの動作は、幾分突然の移行段階によって妨げられる、（幾分長いことがある）安定段階の連続に例えることができる。

弁７４の初期の位置は、その前までの速度や負荷のマッピングから導出される。さらに、タービンの吸込口における圧縮空気の流量は、その前に定められた測定値および／または推定量によって推定される。

本発明は、２つの安定動作段階の間の移行動作段階を操作するのに、特に好適である。

「安定動作」とは、トルク要求が変化しないか、またはエンジンのアクチュエータの設定が変更されない状態を意味するものと理解してよい。例えば、噴射される燃料の量がある期間一定であるとき、ＥＧＲ率は一定であり、ターボコンプレッサのアクチュエータは１つの同じ位置にある、などの状態である。

それに対して、「移行動作」とは、特定のアクチュエータが、使用者からの動力要求の変化に応答して作動される間の段階を意味するものと理解してよい。例えば使用者が、低負荷状態（低トルク、低動力）から高負荷状態（高トルク、高動力）に切り替えるようエンジンに命令する間の、「負荷増大」の場合を表すことができる。この負荷増大は、一定のエンジン速度か、負荷および速度の同時増加を伴うかのいずれかで実行できる。いわゆる、トルク要求の幾分急激な減少である「フットリフト（foot lift）」の例を考慮することも可能である。これらの場合の各々において、エンジンのアクチュエータは、パワートレイン（ＧＭＰ）の最適な動作を確実にするために駆動させなければならない。

したがって、安定動作段階の間は、２つのタイプの動作が想定され得る。すなわち：
当初完了したマッピングの流量に対応する比例弁７４の位置が、負荷／速度の要求が変化しない限り、そのままである場合。

または、弁７４の位置が、エンジンがこの安定段階に留まる期間を通して調整される場合である。この場合、以下の間で最良のトレードオフを得るために調整する必要がある。

・排気口における温度（加熱要求または冷却要求）
・排気の濃度（排気口における酸素比の制御を可能にする特定のフィルタＦＡＰの再生）
・燃費
・汚染物質の排出
・原動力の要件
・性能レベル
したがって迂回した圧縮空気量は、トレードオフの追及を満足させる最良の動作点を得るため、安定動作段階を通して調整される。したがってこのトレードオフの追及は、以下の測定値または推定値の全てまたはいくつかの分析に基づいてなされる。

・速度
・負荷
・最高温度基準が設けられている場合の、シリンダ頭部吐出口またはタービンの吐出排気口における温度
・動力履歴（使用の分析）：トルクの起動が頻繁または非常に頻繁である高い動力使用において、他のパラメータの損失よりもエンジンのレスポンスを一瞬の間だけでも優先するように、弁７４の位置を位置付けることができる。

・特定のフィルタ（ＦＡＰ）の再生：ＦＡＰの再生において、ＦＡＰ上の空気量を制御して、過度の高温をもたらし得るような再生物流出の危険を起こさないために、弁７４の開放は妨げられ、さらには制限される。

・処置後の温度：タービンの吸込口における圧縮空気の吸気が、処置後の乱れ（unpriming）をもたらす場合、圧縮空気の使用は制限され得る。しかし動力履歴が、安定段階の後に負荷が増加する可能性が高いことを示す場合、動力範囲の条件が好ましいことがある。

・エンジン温度（水の温度／オイルの温度）
・空気の温度
・安定時間：安定点の動作時間に基づき、タービンの吸込口における圧縮空気の吸気方策を再検討することができる。例えば動力履歴は、この点における安定時間が矛盾し得る、高い「動力」動作を示すことがある。

したがって弁は、推定値によって補正されるか、または補正されない、迂回した圧縮空気の目標流量を得るように位置付けられる。

さらに、弁７４の開閉を制御することによって移行動作中にエンジンの動力範囲を最適化して、圧縮空気の部分的移送ダクトからタービン４０の吸込口４６までガスを通過させる。

一般的にこれらの移行段階は、２つの安定状態の間の移行段階であると定義できる。２つの安定状態では、これらの動作点の各々に想定されるエンジン性能レベルの観点から、比例弁７４による掃気レベルが安定して、最適化されている。部分的移送ダクトの弁の最適な制御は、最適な条件で一方の安定状態から他方の安定状態に切り替えるために、弁の開閉経路を変化させる所定の方策を適用することである。

図３は、移行段階前の安定点を表すＡ点と、移行段階後の安定点を表すＢ点との間の移行状況を、概略で示している。Ａ点は、例えば負荷増大の開始に対応し、Ｂ点は、所望のトルクに達した瞬間に対応する。これはＡとＢとの間の負荷の減少も示し得る。移行段階は、２つの安定状態ＡとＢとの間の移行を最適に操作するためのいくつかの方策の例を示す、以降の図で表されることになる。

図３において、「１００％」および「０％」はそれぞれ、バルブ７４の開放およびガスの通過の完全な遮断を示している。したがって、移行段階を操作する方法は、一方の安定状態から他方の安定状態に切り替えるために、タービン４０によって動かされるコンプレッサ４４の最適な動作を得るよう、比例弁の開放（および／または閉鎖）の少なくとも１つのシーケンスを備える所定の方法を適用するものである。

図４〜図９は、移行段階中の掃気レベルを管理する異なる例を示している。ここで「掃気レベル」は、圧縮空気の部分的移送ダクト６４によって、タービンの吸込口の中に導入されるガスの量を意味する。

図４は、Ａにおいて移行段階を開始して、安定動作点Ｂに対応する設定に位置付ける際に、突然「掃気」がカットされた場合に対応している。なお、「掃気」が突然カットされるということは、エンジンが直ちに第２の安定動作点Ｂに達することを意味しない。

図５は、移行段階中にほぼ直線的に、または直線的ではなく、「掃気」が徐々にカットされる場合に対応している。

図６は、移行段階中の刻まれた「掃気」方策の場合に対応している。ここで、比例弁の開閉のいくつかのシーケンスが、安定段階ＡとＢとの間の弁の位置の間で実行されている。

図７は、移行段階中にレベルを維持して、「掃気」が徐々にカットされた場合に対応している。

移行段階中の、比例弁７４の最適な操作方法の選択は、基本的に開始時の安定動作点（Ａ点）、および目標とする安定動作点（Ｂ点）の特性に依存する。換言すると、比例弁の制御方策は、エンジンの動作点（負荷、速度、流量、濃度、各動作点で費やされる時間など）および過給（回転速度、ポンピングガード（pumping guard）など）の特性に最良に対応するよう、最適化しなければならない。

例えば、負荷の増大は、エンジンへの動力要求の急増であると説明することができる。この例で、移行動作の場合、３つの主な段階と共に考察される。

・段階１：低負荷動作点において安定したエンジン
・段階２：負荷増大移行段階
・段階３：高負荷動作点において安定したエンジン（段階１の「低」負荷段階の負荷を超える）
「掃気」は、第１の低負荷動作点（第１の段階）と、第１の段階とは異なり、この負荷レベルに特有のエンジン要求に従ったレベルでの第２の高負荷動作点との両方でアクティブであると考えられる。上記で示した例に従った、様々なレベルにおける移行段階中に、掃気することを許可することも想定される。

図８は、掃気の簡略化した操作による負荷増大のケースを、概略で示している。最初に、移行段階の開始（Ａ〜Ａ１の経路）において、掃気はまず徐々にカットされ、次に、移行段階中（Ａ１〜Ａ２の経路）にレベルが「掃気」の特定のレベルに維持され、「掃気」は移行段階の終了（Ａ２〜Ａ３の経路）において徐々に増加する。

図９は、２つの安定段階が１つの同じ「掃気」レベルで、すなわち比例弁の同じ設定で動作する例を示している。移行段階中の閉鎖レベルのみが変更され得ると考えられる。この方策は、４つのパラメータ、すなわち掃気カットオフ遅延（ｔ１）と、カットオフ時間（すなわち掃気を低減または防止するのに費やした時間ｔ２）と、掃気再開の遅延（ｔ３）と、カットオフの「レベル」とに依存する。

この実施形態は、以下の間における妥協を示している。

・トルクに「穴」をもたらし得る「掃気」の急速な再開（吸気／排気の圧力バランス、残留ガスの割合に関連する）。

・タービンの回転速度の減少をもたらし得る、「掃気」システムの長い停止。その後この減少は、「掃気」が再び許可されるときに、全ての原動力に影響を与え得る。

これまで確認された最適な方策は、以下のとおりである。

・負荷の急速な上昇を得るために、移行段階の開始において掃気を超急速でカットすること。実際、「低負荷」動作点が掃気を可能にするため、エンジンは、（ガスを放出することなく）混合物を急速に濃縮して負荷を増大するための、良好な濃度の余裕（richness margin）を有する。

・次に、タービンの回転速度が急落しないよう、短時間（シミュレートしたケースで概ね０．２〜０．３秒）掃気を部分的にカットすること（部分的にカットオフすることによって、移行段階中に流量を保持してタービンの速度を維持することを可能にすることが推定される）。

・最後に、トルク「穴」が生じないよう、掃気を「ゆっくりと」再開すること。

この最適な方策および他のシミュレートしたケースが、図１０に示されている。「ＲＳＳ」曲線は、基準動作である「単一の過給基準」に対応している。「ＲＤＳ」曲線は、この図で表示のみを目的として記載された漸近線である「二重過給基準」のケースに対応している。掃気システムは、単一過給を有するエンジンが性能レベルを得ることが可能であることが推定されるが、二重過給を有するエンジンの性能レベルには達しない。

他の曲線は、圧縮空気の部分的移送システム、または本発明による、いわゆる「掃気」システムを装備した単一過給が設けられたエンジンに対応している。「ＲＢＥ」曲線（外部の掃気基準）は、連続的に掃気を可能にするケース、すなわち、移行段階中の低負荷点、および高負荷点に対応している。

曲線「１ＲＢＥ−ＯＦＦ０．０１−ＳＴＡＢ２．０−ＯＮ０．０１」は、掃気カットオフ遅延が０．０１秒、掃気防止時間が２．０秒、および掃気再開時間が０．０１秒であるケースに対応している。このケースでは、掃気の停止が長すぎたために、掃気が再開する際にトルク「穴」が現れていることを確認することができる。

最後に、曲線「２ＲＢＥ−ＯＦＦ０．０１−ＳＴＡＢ０．３−ＯＮ０．２」は、掃気カットオフ遅延が０．０１秒、掃気防止時間が０．２秒、および掃気再開時間が０．２秒である最良のケースに対応している。この図から確認できるように、この掃気制御方策によって急速な負荷増大を得ることが可能になる。

図１１は、タービン４０の速度の傾向を示している。速度のわずかな低下が特に確認でき、長く掃気を防止したケースに対応している。

上記で示したように、最適な制御方策はエンジン毎に変化し、そのためここで示した異なる制御パラメータは、表示としてのみ提供される。

Claims (7)

1. 過給機付き内燃エンジンの吸気口に導入される空気量を制御する方法であって、
   前記エンジンが、排気マニホールド（３０）に連結された排気ガス吐出口（３２）と、前記排気ガス吐出口に接続された片吸込口（４６）を具備するタービン（４０）および外部空気のコンプレッサ（４４）を有するターボコンプレッサを備えた過給デバイス（３８）と、前記コンプレッサから前記タービンの前記吸込口に圧縮空気を部分的に移送するための部分的移送ダクト（６４）とを備え、
   前記部分的移送ダクト（６４）が前記タービンの前記吸込口に連結され、前記ダクトが比例弁手段（７４）を有し、
   圧縮空気の循環が、前記弁手段に適用される方策に従って移行動作段階中に前記ダクト内で制御され、かつ安定段階の特性に従って決定されることを特徴とする、方法。
2. 前記ダクト（６４）に逆止弁（８０）が配設されていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記移送ダクト（６４）内で循環する圧縮空気が加熱されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記移送ダクト内で循環する圧縮空気が、排気ガスとの熱交換によって加熱される、請求項３に記載の方法。
5. 制御方策として、
   初期の安定状態の前記弁手段の開放設定状態から、
   前記設定を、時間ｔの間維持される値まで、所定の変化度で低減させるステップと、
   前記設定を、最終の安定状態の前記弁手段の開放設定に達するまで、所定の変化度で増加させるステップと
   が実行される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記初期状態は低負荷状態であり、前記最終状態は高負荷状態である、請求項５に記載の方法。
7. 前記初期の安定状態および前記最終の安定状態では、前記弁手段の前記開放設定状態が同一である、請求項５または６に記載の方法。