JP2517555Y2

JP2517555Y2 - 過給機付エンジン

Info

Publication number: JP2517555Y2
Application number: JP1990029586U
Authority: JP
Inventors: 邦彦中田; 衛吉岡; 高志三宅
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1990-03-26
Filing date: 1990-03-26
Publication date: 1996-11-20
Anticipated expiration: 2005-03-26
Also published as: JPH03122238U

Description

【考案の詳細な説明】［産業上の利用分野］本考案は、主、副ターボチャージャを有し、運転条件
に応じてターボチャージャの作動個数を切り替える過給
機付エンジン関し、とくに酸素センサの配置構造に関す
る。

［従来の技術］エンジン本体に対し、主、副二つのターボチャージャ
を並列に配置し、低速域では副ターボチャージャの過給
作動を停止して主ターボチャージャのみで過給し、高速
域では両ターボチャージャを作動させるようにした、い
わゆる２ステージツインターボシステムの過給機付エン
ジンが知られている。この種の過給機付エンジンの構成
は、たとえば第６図に示すようになっている。エンジン
本体91に対し、主ターボチャージャ（T/C−１）92と副
ターボチャージャ（T/C−２）93が並列に設けられてい
る。副ターボチャージャ93に接続される吸、排気系に
は、それぞれ吸気切替弁94、排気切替弁95が設けられ、
吸気切替弁94、排気切替弁95をともに全閉とすることに
より、主ターボチャージャ92のみを過給作動させ、とも
に全開とすることにより、副ターボチャージャ93にも過
給作動を行わせ、２個ターボチャージャ作動とすること
ができる。

このようなシステムにおいて、空燃比制御のための酸
素センサを、ターボチャージャ上流側に取り付けると、
各気筒からの排気ガスの攪拌が不十分であるため酸素セ
ンサは特定気筒の影響を受け易くなり、正確な空燃比制
御が困難となる。

そこで、従来、酸素センサは、たとえば実開昭59−14
6535号公報に示されるように、ターボチャージャの下流
で、かつ二系統の排気通路の合流部96（第６図）の中心
位置に設けられていた。つまり、第７図に示すように、
酸素センサ97は、合流管98の、主ターボチャージャ92か
らの排気通路99aと副ターボチャージャ93からの排気通
路99bとの合流部の中心位置に設けられていた。

［考案が解決しようとする課題］ところが、上記両排気通路99a、99bの合流部では、排
気通路径が大きくなるので、第７図の矢印で示すように
排気ガスが偏流し、酸素センサ97へのガス当たりが悪く
なる。とくに、１個ターボチャージャ作動時（主ターボ
チャージャ92のみ作動しているとき）のガス当たりが悪
く、酸素センサ97部の暖機性が良くないとともに、正確
な空燃比制御が難しくなる。

本考案は、このような問題点に着目し、２ステージタ
ーボエンジンにおいて、排気ガスの主流を効果的に酸素
センサに当て、酸素センサ部の暖機性を向上し早期に所
定の空燃比制御を可能にするとともに、酸素センサで精
度よく排気ガスの酸素濃度を検出し正確な空燃比制御を
可能とすることを目的とする。

［課題を解決するための手段］この目的を達成する本考案の過給機付エンジンは、エ
ンジン本体に対し並列に設けられた主ターボチャージャ
および副ターボチャージャと、副ターボチャージャに接
続されたエンジンの吸、排気系にそれぞれ設けられた吸
気切替弁および排気切替弁とを備え、該吸気切替弁およ
び排気切替弁を開閉することによりターボチャージャの
作動個数を切り替える過給機付エンジンにおいて、前記
排気切替弁の排気流れ方向上流側部分と主ターボチャー
ジャの排気流れ方向下流側部分とを、排気バイパス弁が
設けられた排気バイパス通路により接続し、酸素センサ
を、ターボチャージャ下流で、かつ、主ターボチャージ
ャ側にオフセットした位置に設けたものから成る。

［作用］このような構造においては、ターボチャージャ下流の
排気通路に設けられる酸素センサが、主ターボチャージ
ャ側にオフセットした位置に配置されるので、主ターボ
チャージャから排出されてくるガスの主流が効率よく酸
素センサに当たる。したがって、日常使用頻度の高い、
かつ酸素センサの迅速な暖機が要求される１個ターボチ
ャージャ域（始動時、低速域）において、酸素センサ部
分が効果的にかつ迅速に暖機され、早期に酸素センサに
よる空燃比制御のための所定のフィードバック制御が可
能になる。

また、酸素センサ配設位置のオフセットにより、主タ
ーボチャージャからの排気ガスの主流が酸素センサに当
てられることになるので、酸素センサは常時作動の主タ
ーボチャージャからの排気ガスの酸素濃度を精度よく検
出することができるようになり、一層正確な空燃比制御
が可能となる。

さらに、排気バイパス弁の開時には、副ターボチャー
ジャ側の排気ガスは、排気バイパス通路から主ターボチ
ャージャの排気系に流れるので、副ターボチャージャか
らの排気ガスも酸素センサに当てることができる。した
がって、排気バイパス弁の開による副ターボチャージャ
の助走回転時における空燃比の制御精度を高めることが
可能になり、酸素センサの暖機性も向上する。

［実施例］以下に、本考案の望ましい実施例を、図面を参照して
説明する。

第１図ないし第３図は、本考案の一実施例に係る過給
機付エンジンを示しており、６気筒エンジンの場合を示
している。

第１図および第２図において、１はエンジン、２はサ
ージタンク、３は排気マニホルドを示す。排気マニホル
ド３は排気干渉を伴わない＃１〜＃３気筒群と＃４〜＃
６気筒群の２つに集合され、その集合部が連通路3aによ
って互いに連通されている。７、８は互いに並列に配置
された主ターボチャージャ、副ターボチャージャであ
る。ターボチャージャ７、８のそれぞれのタービン7a、
8aは排気マニホルド３の集合部に接続され、それぞれの
コンプレッサ7b、8bは、インタクーラ６、スロットル弁
４を介してサージタンク２に接続されている。主ターボ
チャージャ７はエンジン低速域から高速域まで作動さ
れ、副ターボチャージャ８はエンジン低速域で停止され
る。

双方のターボチャージャ７、８の作動、停止を可能な
らしめるために、副ターボチャージャ８のタービン8aの
下流に排気切替弁17が、コンプレッサ8bの下流に吸気切
替弁18が設けられる。吸、排気切替弁18、17の両方とも
全開のときは、両方のターボチャージャ７、８が作動さ
れる。

排気切替弁17部の排気通路には、排気切替弁17を迂回
する排気バイパス通路40が設けられており、該排気バイ
パス通路40には、該排気バイパス通路40を開閉する排気
バイパス弁41が設けられている。排気バイパス弁41は、
ダイヤフラム式アクチュエータ42によって開閉され、ア
クチュエータ42のダイヤフラム室42aに、コンプレッサ
下流の過給圧を導入することにより、排気バイパス弁41
が開弁されるようになっている。なお、本実施例では、
排気バイパス通路40は、排気切替弁17の排気流れ方向上
流側部分と主ターボチャージャ７の排気流れ方向下流側
部分とを接続しているが、排気切替弁17の排気流れ上下
流側部分を接続するようにしてもよい。

低速域で停止される副ターボチャージャ８の吸気通路
には、１個ターボチャージャから２個ターボチャージャ
への切替を円滑にするために、コンプレッサ8bの上流と
下流とを連通する吸気バイパス通路13と、吸気バイパス
通路13途中に配設される吸気バイパス弁33が設けられ
る。吸気バイパス弁33はアクチュエータ10によって開閉
される。なお、吸気バイパス通路の空気流れ下流側を主
ターボチャージャ７のコンプレッサ上流の吸気通路に連
通してもよい。また、吸気切替弁18の上流と下流とを連
通するバイパス通路に逆止弁12を設けて、吸気切替弁18
閉時においても、副ターボチャージャ８側のコンプレッ
サ出口圧力が主ターボチャージャ７側より大になったと
き、空気が上流側から下流側に流れることができるよう
にしてある。なお、第１図中、14はコンプレッサ出口側
の吸気通路、15はコンプレッサ入口側の吸気通路を示
す。

吸気通路15はエアフローメータ24を介してエアクリー
ナ23に接続される。排気通路を形成するフロントパイプ
20は、排気ガス触媒21を介して排気マフラー22に接続さ
れる。

フロントパイプ20の一部は、第３図に示すように、主
ターボチャージャ７側からの排気通路51aと副ターボチ
ャージャ側からの排気通路51bとが合流する合流管51に
構成されている。そして、酸素センサ19が、ターボチャ
ージャ下流の排気通路の主ターボチャージャ７側にオフ
セットした位置に配置されるが、本実施例では、合流管
51の合流部51c直上流の、主ターボチャージャ７側から
の排気通路51aの中心位置に酸素センサ19が設けられて
いる。なお、合流部51cあるいはそれよりも下流に酸素
センサを取り付ける場合には、第３図の二点鎖線位置52
に示すように、酸素センサの位置を主ターボチャージャ
７側にオフセットさせればよい。

吸気切替弁18はアクチュエータ11によって開閉され、
排気切替弁17はダイヤフラム式アクチュエータ16によっ
て開閉されるようになっている。なお、９はウエストゲ
ートバルブ31を開閉するアクチュエータを示す。アクチ
ュエータ10、11、16を作動する過給圧または負圧をON−
OFFする（過給圧または負圧と大気圧とを選択的に切り
替える）ために、第１、第２、第３、第４の三方電磁弁
25、26、27、28が設けられている。三方電磁弁25、26、
27、28の切替は、エンジンコントロールコンピュータ29
からの指令に従って行う。三方電磁弁25のONは吸気切替
弁18を全開とするようにアクチュエータ11を作動させ、
OFFは吸気切替弁18を全閉とするようにアクチュエータ1
1を作動させる。第４の三方電磁弁28のONは排気切替弁1
7を全開とするようにアクチュエータ16を作動させ、OFF
は排気切替弁17を全閉するようにアクチュエータ16を作
動させる。第３の三方電磁弁27のONは、吸気バイパス弁
33を全閉するようにアクチュエータ10を作動させ、OFF
は吸気バイパス弁33を全開するようにアクチュエータ10
を作動させる。第５の三方電磁弁32のONは、排気バイパ
ス弁41を開くようにアクチュエータ42を作動させ、OFF
は、排気バイパス弁41を閉じるようにアクチュエータ42
を作動させる。なお、16aはアクチュエータ16のダイヤ
フラム室、10aはアクチュエータ10のダイヤフラム室、1
1a、11bはアクチュエータ11のダイヤフラム室を、それ
ぞれ示している。

エンジンコントロールコンピュータ29は、エンジンの
各種運転条件検出センサと電気的に接続され、各種セン
サからの信号が入力される。エンジン運転条件検出セン
サには、吸気管圧力センサ30、スロットル開度センサ
５、吸入空気量測定センサとしてのエアフローメータ2
4、および酸素センサ19が含まれる。

エンジンコントロールコンピュータ29は、演算をする
ためのセントラルプロセッサユニット（CPU）、読み出
し専用のメモリであるリードオンリメモリ（ROM）、一
時記憶用のランダムアクセスメモリ（RAM）、入出力イ
ンターフェイス（I/Dインターフェイス）、各種センサ
からのアナログ信号をディジタル量に変換するA/Dコン
バータを備えている。後述の第４図は各切替弁開閉用の
プログラムであり、ROMに記憶され、CPUに読み出され
て、弁開閉の演算を実行するプログラムである。

このように構成された実施例装置においては、始動時
および低速域では、排気切替弁17が閉じられて主ターボ
チャージャ７のみ作動の１個ターボチャージャとされ
る。このとき、エンジン１からの排気ガスは、第２図の
矢印のように主ターボチャージャ７側のみに流れ、主タ
ーボチャージャ７のタービン7aを駆動した排気ガスは、
第２図および第３図に示すように、主ターボチャージャ
７側からの排気通路51aを経て合流管51の合流部51cに至
り、さらに下流へと流れる。このとき、酸素センサ19の
取付位置は、主ターボチャージャ７側、つまり主ターボ
チャージャ７側からの排気通路51a内にオフセットされ
ているので、主ターボチャージャ７からの排気ガスの主
流が酸素センサ19に効率よく当たる（第３図矢印）。し
たがって、酸素センサ19は迅速に暖機され、早期に、所
定の空燃比制御のための、酸素濃度検出、フィードバッ
ク可能状態とされる。

また、１個ターボチャージャ時にあっては、排気ガス
全量の主流が必ず酸素センサ19に当たり、２個ターボチ
ャージャ時にあっても、常時作動の主ターボチャージャ
７からの排気ガスの主流が必ず酸素センサ19に当たるこ
とになるので、常時、排気ガスの酸素濃度を精度よく検
出できる。したがって、このフィードバック信号によ
り、常時、正確な空燃比制御を行うことが可能になる。

さらに、本実施例においては、排気バイパス通路40を
排気切替弁17の上流側から、主ターボチャージャ７から
の排気通路に接続し、排気バイパス弁41開時（後述する
１個ターボチャージャから２個ターボチャージャへの切
替直前）にも、排気ガス全量が酸素センサ19取付部へと
流れ、該排気ガス流れの主流が酸素センサ19に当たるよ
うになっている。そのため、排気ガスの一部が副ターボ
チャージャ８の排気通路に逃げないので、該排気通路側
に熱が逃げず、酸素センサ19の暖機性が一層高められ
る。その結果、冷間始動時の暖機性が大幅に向上し、早
期の空燃比制御が可能になる。

次に、第１図に示した各切替弁の制御を、第４図の制
御フローとともに、第５図を参照しつつ説明する。な
お、第４図においては第１〜第５の三方電磁弁をそれぞ
れVSV No.1〜VSV No.5として表している。また、第４図
および第５図においては、ターボチャージャをT/Cと表
わしてある。

まず第４図において、ステップ100でバルブ制御ルー
チンに入り、ステップ101でエンジンの吸入空気量Ｑを
読み込む。吸入空気量はエアフローメータ24からの信号
である。つぎにステップ102で高速域か低速域か、すな
わち２個ターボチャージャ作動域か１個ターボタージャ
作動域かを判定する。図示例では、たとえばＱが5500l/
minより大きい場合は２個ターボチャージャ作動に切替
えるべきと判断し、5500l/min以下のときは１個ターボ
チャージャ作動域と判断している。ただし、後述の如
く、実際に２個ターボチャージャ作動に切り替わるに
は、時間遅れがあるので、6000l/min近辺で切り替わる
ことになる。

ステップ102で２個ターボチャージャ作動に切り替え
るべきと判断された場合はステップ103に進み、それま
での１個ターボチャージャ時に吸気切替弁18が開（パー
シャル域開）になっている場合には、第２の三方電磁弁
26をOFFとして吸気切替弁18を閉じる。続いてステップ1
04で第３の三方電磁弁27をONとし、アクチュエータ10の
ダイヤフラム室10aにコンプレッサ下流の吸気管圧力
（過給圧力）を導いて吸気バイパス弁33を閉じる。

次に、上記第３の三方電磁弁27ON後、作動停止側のタ
ーボチャージャ、つまり副ターボチャージャ８の助走回
転数をアップするのに必要な所定時間、例えば１秒の時
間遅れをもたせ、１秒経過後にステップ105で第４の三
方電磁弁28をONとし、アクチュエータ16のダイヤフラム
室16aにコンプレッサ下流の過給圧を導いて排気切替弁1
7を全開にする。もし、副ターボチャージャ８のコンプ
レッサ圧力が主ターボチャージャ７のコンプレッサ圧力
より大きくなると、副ターボチャージャ８の過給空気が
逆止弁12を介してエンジンに供給される。続いて、上記
第４の三方電磁弁28ON後、所定時間、例えば0.5秒経過
後にステップ106で第１の三方電磁弁25をONとし、アク
チュエータ11のダイヤフラム室11aにコンプレッサ下流
の吸気管圧力（過給圧力）を導いて吸気切替弁18を全開
にする。この状態では２個のターボチャージャが作動す
る（なお、上記所定時間経過後に２個ターボチャージャ
に切り替えられる際には、吸入空気量はタービン効率の
良い目標のほぼ6000l/minとなっている）。続いてステ
ップ117に進んでリターンする。

ステップ102で１個ターボチャージャ作動域と判断さ
れた場合はステップ107に進み、第１の三方電磁弁25をO
FFとして吸気切替弁18を全閉とし、ステップ108で第４
の三方電磁弁28をOFFとして排気切替弁17を全閉とし、
ステップ109で第３の三方電磁弁27をOFFとして吸気バイ
パス弁33が全開される。副ターボチャージャ８が回転し
ても、そのコンプレッサ8bにより送り出される空気は吸
気バイパス通路13を通して副ターボチャージャ８又は主
ターボチャージャ７のコンプレッサ入口側へと戻され
る。続いてステップ110で吸気管圧力PMを読み込む。ス
テップ111で吸気管圧力が所定値より大きいか小さいか
が判定される。吸気管圧力PMが例えば＋500mmHgよりも
小さい場合はステップ112に進み、第５の三方電磁弁32
をOFFとし、アクチュエータ42のダイヤフラム室42aに大
気圧力を導き排気バイパス弁42を閉じる。この状態でス
テップ113に進み、軽負荷か高負荷かを判断する。図は
負荷信号として吸気管圧力を例にとった場合を示してい
るが、吸気管圧力の代わりにスロットル開度、吸入空気
量／エンジン回転数で代替えされてもよい。例えば吸気
管圧力PMが−100mmHgより小さい場合は軽負荷と判断
し、−100mmHg以上の場合は高負荷と判断する。

ステップ113で高負荷と判断された場合はステップ116
に進み、第２の三方電磁弁26をOFFとして、吸気切替弁1
8を全閉とし、ステップ117に進みリターンする。この状
態では、吸気切替弁18が全閉、排気切替弁17が全閉、吸
気バイパス弁33が全開だから、吸入空気量の少ない状態
にて１個ターボチャージャ作動となり、過給圧力、トル
クレスポンスが良好となる。

ステップ113で軽負荷と判断された場合は、ステップ1
14に進み第２の三方電磁弁26をONとし、アクチュエータ
11のダイヤフラム11bにサージタンク２内の負圧を導い
て吸気切替弁18を開く。この状態では、排気切替弁17が
閉であるから副ターボチャージャ８は作動せず、主ター
ボチャージャ７のみの作動となる。しかし、吸気通路14
は吸気切替弁18が開いているため、２個ターボチャージ
ャ分の吸気通路が開の状態である。つまり、両方のター
ボチャージャのコンプレッサ7b、8bを通して空気が吸入
される。この結果、多量の過給空気量をエンジン１に供
給でき、低負荷からの加速特性が改善される。続いて、
ステップ117に進みリターンする。

ステップ111で吸気管圧力PMが＋500mmHg以上と判断さ
れた場合は、ステップ115で第５の三方電磁弁32をONと
して排気バイパス弁41を開く。続いてステップ116に進
む。このように、１個ターボチャージャから２個ターボ
チャージャ作動への切替前に過給圧が設定圧（例えば50
0mmHg）に達したときには、まず排気バイパス弁41が開
弁されて副ターボチャージャ８の助走回転数が高めら
れ、ターボチャージャ切替のつなぎがスムーズになる。

なお、上記制御における、１個ターボチャージャ作動
の場合と２個ターボチャージャ作動の場合の過給圧特性
は第５図のようになる。

第５図において高速域では、吸気切替弁18と排気切替
弁17がともに開かれ、吸気バイパス弁33が閉じられる。
これによって２個ターボチャージャ７、８が過給作動
し、十分な過給空気量が得られ、出力が向上される。こ
のとき過給圧は、＋500mmHgを越えないように、ウエス
トゲートバルブ31で制御される。

低速域でかつ高負荷時には、吸気切替弁18と排気切替
弁17がともに閉じられ、吸気バイパス弁33は開かれる。
これによって１個のターボチャージャ７のみが駆動され
る。低回転域で１個ターボチャージャとする理由は、第
５図に示すように、低回転域では１個ターボチャージャ
過給特性が２個ターボチャージャ過給特性より優れてい
るからである。１個ターボチャージャとすることによ
り、過給圧、トルクの立上りが早くなり、レスポンスが
迅速となる。

低速域でかつ軽負荷時には、排気切替弁17を閉じたま
ま吸気切替弁18を開にする。これによって、１個ターボ
チャージャ駆動のまま、吸気通路２個ターボチャージャ
分が開となり、１個ターボチャージャによる吸気抵抗の
増加を除去できる。これによって、低負荷からの加速初
期における過給圧立上り特性、レスポンスをさらに改善
できる。

低速域から高速域に移行するとき、つまり１個ターボ
チャージャから２個ターボチャージャ作動へ切り替える
ときには、排気切替弁17が閉じられているときに排気バ
イパス弁41を開くことにより副ターボチャージャ８の助
走回転数を高め、ターボチャージャの切替をより円滑に
（切替時のショックを小さく）行うことが可能になる。

［考案の効果］以上説明したように、本考案の過給機付エンジンによ
るときは、酸素センサをターボチャージャ下流でかつ主
ターボチャージャ側にオフセットした位置に配置したの
で、日常使用頻度の高い主ターボチャージャの１個ター
ボチャージャ作動域における排気ガスの主流を効率よく
酸素センサに当てることができ、酸素センサの暖機性を
向上することができるとともに、酸素センサによる酸素
濃度検出精度を向上することが可能となる。

また、排気切替弁の排気流れ方向上流側部分と主ター
ボチャージャの排気流れ方向下流側部分とを、排気バイ
パス弁が設けられた排気バイパス通路により接続したの
で、排気バイパス弁の開時には、副ターボチャージャか
らの排気ガスも酸素センサに当てることができる。した
がって、排気バイパス弁の開による副ターボチャージャ
の助走回転時における空燃比の制御精度を高めることが
でき、酸素センサの暖機性も向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例に係る過給機付エンジンの系
統図、第２図は第１図のより具体的な系統図、第３図は第１図の装置の排気合流管部分の拡大断面図、第４図は第１図の装置の制御フロー図、第５図は第４図の制御フローによるターボチャージャ切
替時の作動特性図、第６図は従来の過給機付エンジンの概略系統図、第７図は従来の過給機付エンジンにおける排気合流管部
分の断面図、である。１……エンジン２……サージタンク３……排気マニホルド４……スロットル弁５……スロットル開度センサ６……インタクーラ７……主ターボチャージャ８……副ターボチャージャ 10……吸気バイパス弁のアクチュエータ 11……吸気切替弁のアクチュエータ 13……吸気バイパス通路 14……吸気通路（コンプレッサ下流） 15……吸気通路（コンプレッサ上流） 16……排気切替弁のアクチュエータ 17……排気切替弁 18……吸気切替弁 19……酸素センサ 20……フロントパイプ 21……排気ガス触媒 22……排気マフラー 24……エアフローメータ 25……第１の三方電磁弁 26……第２の三方電磁弁 27……第３の三方電磁弁 28……第４の三方電磁弁 29……エンジンコントロールコンピュータ 30……吸気管圧力センサ 31……ウエストゲートバルブ 32……第５の三方電磁弁 33……吸気バイパス弁 40……排気バイパス通路 41……排気バイパス弁 42……排気バイパス弁のアクチュエータ 51……合流管 51a……主ターボチャージャ側からの排気通路 51b……副ターボチャージャ側からの排気通路 51c……合流部 52……酸素センサの別の取付位置

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】エンジン本体に対し並列に設けられた主タ
ーボチャージャおよび副ターボチャージャと、副ターボ
チャージャに接続されたエンジンの吸、排気系にそれぞ
れ設けられた吸気切替弁および排気切替弁とを備え、該
吸気切替弁および排気切替弁を開閉することによりター
ボチャージャの作動個数を切り替える過給機付エンジン
において、前記排気切替弁の排気流れ方向上流側部分と
主ターボチャージャの排気流れ方向下流側部分とを、排
気バイパス弁が設けられた排気バイパス通路により接続
し、酸素センサを、ターボチャージャ下流で、かつ、主
ターボチャージャ側にオフセットした位置に設けたこと
を特徴とする過給機付エンジン。