JP2532548B2

JP2532548B2 - エンジンの過給装置

Info

Publication number: JP2532548B2
Application number: JP63020968A
Authority: JP
Inventors: 誠司田島; 晴男沖本; 雅典柴田; 薫山田
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1988-01-31
Filing date: 1988-01-31
Publication date: 1996-09-11
Anticipated expiration: 2011-09-11
Also published as: JPH01195921A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は複数個の排気ターボ式過給機によって過給を
行なうようにしたエンジンの過給装置に関するものであ
る。

（従来技術）排気ターボ式過給機にあっては、過給能力を大きく設
定すると応答性、特に低回転時の応答性が悪くなる一
方、応答性を確保しようとすると十分な過給を行なうこ
とが困難になる。

このため、特開昭56−41417号公報に示すように、排
気ターボ式過給機を２個設けて、低回転または低負荷時
に１つの過給機のみ作動させる一方、高回転または高負
荷時に２つの過給機を共に作動させるようにしたものが
提案されている。このようにすることによって、低回転
または低負荷時でのみ作動させる１つの過給機を応答性
の優れたものとすることにより低速すなわち低回転時で
の応答性の問題を解決することができ、また高速すなわ
ち高回転時での十分な過給能力を得ることが可能にな
る。

そして、複数個の排気ターボ式過給機を用いて、運転
状態に応じて使用する過給機の数あるいは種類を変更、
すなわち過給能力を変更する場合、各過給機の作動領域
というものがあらかじめ設定されることになる。

一方、最近のエンジンでは、オクタン価の低い低オク
タン燃料とオクタン価の高い高オクタン燃料との両方を
使用し得るようにしたものが増加する傾向にある。この
ようなエンジンにおいては、オクタン価の相違に応じて
点火時期等を最適制御するようなっているが、その前提
として燃料のオクタン価を検出する必要がある。このオ
クタン価検出のためには、専用のセンサを設けることも
可能であるが、ノッキング発生状態に基づいてオクタン
価が検出することが一般に行われている。

（発明が解決しようとする問題点）ところで、上述のような過給機の作動領域をいかに設
定するかが、この種の過給装置を実用化するに際して大
きな問題となる。このような作動領域決定を行うに際し
て、考慮すべき１つの大きな要素として、エンジンのノ
ッキングがある。

この点を詳述すると、過給能力の小さい第１状態とさ
れたときは、応答性を確保する点で利点を有する反面、
応答性を良好にするような過給状態というものは排気抵
抗が大きいため排圧がかなり大きくなって、ナッキング
防止の上で好ましくないものとする。すなわち、排圧が
大きくなると、シリンダ内の残留排気ガスが多くなり、
この結果シリンダ内が高温化してノッキングが生じ易い
ものとなる。一方、過給能力の大きい第２状態の場合
は、高回転時でも十分な過給が得られると共に、排気抵
抗も小さいもののすることができノッキング防止の点で
有利となる。

この一方で、ノッキングは燃料のオクタン価に大きな
影響を及ぼすため、単に前述した応答性と十分な過給と
のバランスを考えて作動領域を決定したのでは、オクタ
ン価の相違に応じた最適な制御を行うことが不可能とな
る。より具体的には、例えば低オクタン燃料のノッキン
グ限界を考慮して、応答性を確保するのに有利な前記第
１状態の広さを設定した場合を考える。この場合に、高
オクタン燃料を使用したときは、ノッキング限界に対し
て十分余裕があるにも拘らず前記第２状態とならざるを
得ないことになり、十分な応答性を得られないことにな
る。逆に、高オクタン燃料の使用を前提として上記第１
状態とする領域を設定した場合は、低オクタン燃料を使
用したときにノッキングを生じ易くなってしまうことに
なる。

したがって、本発明の目的は、複数個の排気ターボ式
過給機を用いて、作動される過給機の数あるいは種類を
運転状態に応じて変更するようにしたものを前提とし
て、燃料のオクタン価に応じた最適な過給状態が得られ
るようにしたエンジンの過給装置を提供することにあ
る。

（問題点を解決するための手段、作用）前述の目的を達成するため、本発明にあっては次のよ
うな構成としてある。すなわち、複数個の排気ターボ式過給機を備え、切換手段によ
り、低回転時には一部の過給機のみを作動させることに
より過給能力の小さい第１状態とする一方、高回転時に
は少なくとも残りの過給機を作動させることにより過給
能力の大きい第２状態とするようにしたエンジンの過給
装置において、第９図に示すように、燃料のオクタン価を検出するオクタン価検出手段と、前記オクタン価検出手段からの出力を受け、前記第１
状態から第２状態への切換点をオクタン価が低い場合は
オクタン価が高い場合に比して低回転側へ変更する切換
条件変更手段と、を備えた構成としてある。

このように構成とすることにより、応答性確保と過給
能力確保という両者を適切にバランスさせつつ、ノッキ
ング回避の上で有利なものとすることができる。

（実施例）以下、本発明の実施例を添付した図面に基づいて説明
する。

第１図において、１はエンジン本体で、これは互いに
直列に６つの気筒C1〜C6を有するネット−式の往復動直
列６気筒型用のものとされている。この各気筒C1〜C6に
は、吸気ポート２、排気ポート３が開口され、各ポート
２あるいは３は、それぞれ図示を略す吸気弁あるいは排
気弁によって、エンジン出力軸の回転と同期して所定の
タイミングで開閉される。そして、第１図では点火プラ
グの図示を略してあるが、各気筒C1〜C6における点火順
序は、例えばC1→C5→C3→C6→C2→C4として設定され、
これにより実施例では、３つの気筒C1〜C3が点火順序
（排気行程）の連続しない第１の気筒群を構成し、また
３つの気筒C4〜C6が点火順序（排気行程）の連続しない
第２の気筒群を構成している。

各吸気ポート２へ吸気を供給するための吸気通路11
は、その途中にサージタンク12を備え、このサージタン
ク12と各吸気ポート２とが、個々独立した独立吸気通路
13a〜13fによって接続されている。サージタンク12より
も上流側の吸気通路11は、上流側共通吸気通路14と下流
側共通吸気通路15と、を備え、上流側共通吸気通路14に
はエアクリーナ16およびエアフロメータ17が接続される
一方、下流側共通吸気通路15にはインタクータ18および
スロットル弁19が接続されている。

上流側と下流側との共通吸気通路14と15同志は、互い
に並列な第１、第２の２本の分岐吸気通路20および21に
よって接続されている。この第１分岐吸気通路20には、
排気ターボ式とされた第１過給機22のコンプレッサ22a
が配設され、また第２分岐通路21には、排気ターボ式と
された第２過給機23のコンプレッサ23aが配設されてい
る。上記コンプレッサ22aの第１分岐吸気通路20と、上
記コンプレッサ23a下流の第２分岐吸気通路21とが、バ
イパス路24によって接続され、このバイパス路24には開
閉弁からなるバイパス弁25が配設されている。また、第
２分岐吸気通路21の下流端部、すなわちバイパス路24に
対する接続部よりも下流側位置に、開閉弁からなるカッ
ト弁26が配設されている。

一方、排気通路31は、排気マニホルド32を備え、該排
気マニホルド32は、隔壁32eによって画成された第１集
合部X1と、第２集合部X2と、を有する。この第１集合部
X1に対しては、互いに排気行程のオーバラップしない前
記第１気筒群となる３つの気筒C1〜C3の排気ポート３
が、独立排気通路32a〜32cによって個々独立して接続さ
れている。また、第２集合部X2に対しては、互いに排気
通路行程のオーバラップしない前記第２気筒群となる３
つの気筒C4〜C6の排気ポート３が、独立排気通路32d〜3
2fによって個々独立して接続されている。

上記第１、第２の２つの集合部X1、X2からの排気ガス
は、第１分岐排気通路33によって、前記第１過給機22の
タービン22bに供給される。この第１過給機22の排気ガ
ス導入路となるスクロール通路は、隔壁22Cによって２
つのスクロール通路22dと22eとに画成されている。これ
に対して、上記第１分岐排気通路33も、一本の管を隔壁
33aによって区画することにより構成された２つの通路3
3Aと33Bとを有し、一方の通路33Aが第１集合部X1と一方
のスクロール通路22dとを連通し、他方の通路33Bが第２
集合部X2と他方のスクロール通路22eとを連通してい
る。勿論、第１過給機22のタービン22bは、シャフト22f
を介してコンプレッサ22aと連結されている。

同様に、前記第２過給機23も、隔壁23cによって画成
された２つのスクロール通路23d、23eを備え、一方のス
クロール通路23dは通路34Aを介して第１集合部X1に連通
され、他方のスクロール通路23eが通路34Bを介して第２
集合部X2に連通されている。この両通路34Aと34Bとを構
成する第２分岐排気通路34は、吸気マニホルド32と一体
に短尺なものとして形成、すなわち吸気マニホルド32の
集合部として形成されて、両集合部X1とX2とを区画する
隔壁32eがそのまま、当該両通路34A、34Bとを画成する
隔壁となっている。勿論、この第２過給機23のタービン
23bは、シャフト23fを介してコンプレッサ23aに連結さ
れている。そして、両通路34A、34Bには、互いに同時に
開または閉となるように連動された開閉弁からなる切換
弁35Aあるいは35Bが配設されている。

上記両過給機22、23のタービン22b、23bを通過した後
の排気ガスは、分岐排気通路36あるいは37を経て排出さ
れる。そして、両分岐排気通路36と37は図示は略すが最
終的に一本に合流されて、この合流部分よりも下流側に
おいて、排気ガス浄化用の触媒が配設されている。ま
た、第１、第２の過給機22、23はそれぞれWGB（ウエス
トゲートバルブ）38、39を有する。なお、このWGB38（3
9）は、過給機22（23）の２つのスクロール通路22d、22
e（23d、23e）に対応してそれぞれ２個有するが、図面
ではその一方のみが表示されている。

ここで、第１過給機22は小型のもの、すなわち過給能
力は小さいものの低速時においても十分に応答性を満足
するようなものとされている。これに対して第２過給機
23は大型のもの、すなわち応答性の点では劣るも十分に
過給能力の大きいものとされている。

なお、実施例のように、排気行程のオーバラップしな
い気筒群毎に過給機22、23のタービン22b、23bへ排気ガ
スを供給するようにすれば、排気干渉を防止して、同じ
運転状態であればより過給圧を高めることができる（タ
ービン効率の向上）。

第２図には、両過給機22、23の軸受部22g、23gに対す
る冷却水用通路とオイル通路との構成例を示してある。
この第２図において、エンジン本体１の高所に、冷却水
取出部51とオイル取出部52とが設置されている。冷却水
取出部51より取出された冷却水は、配管53を介して、第
２過給機23の軸受部23gへ供給される。さらに、冷却水
は、この軸受部23gを第２図紙面表側から裏側へと流れ
た後、配管54を介して、第１過給機22の軸受部22gへ供
給される。そして、冷却水は、軸受部22gを第２図紙面
裏側から表側へと流れた後、配管55を介してウォータポ
ンプ（図示略）へ戻される。

上記第１過給機22の軸受部22gは、第２過給機23の軸
受部23gよりも低い位置にある。したがって、後述する
ように常用されて高熱となり易い第１過給機22は、エン
ジン停止後に生じる沸騰冷却によって冷却水が循環され
る際に、高所にある第２過給機23に比してより十分に冷
却されることになる。

一方、前記オイル取出部52からのオイルは、配管56を
介して第１過給機22の軸受部22gへ供給される。このオ
イルは、軸受部22gを第２図上から下へと流れた後、配
管57を介してオイルパン58へと戻される。また、上記オ
イルは、配管56から分岐された配管59により、第２過給
機23の軸受部23gを第２図上から下へと流れた後、配管6
0を介してオイルパン58へ戻される。

第１図中71は、マイクロコンピュータを利用して構成
された制御ユニットで、この制御ユニット71には、エア
フローメータ17からの吸入空気量信号の他、センサ72〜
74および80、81からの信号が入力される一方、制御ユニ
ット71からは、アクチュエータ75〜79に対して出力され
る。上記センサ72はエンジン回転数を検出するものであ
る。センサ73はスロットル開度を検出するものである。
センサ74はエンジンのノッキングを検出するものであ
る。センサ80はカット弁26下流の圧力P₁を検出するもの
である。センサ81はカット弁26上流の圧力P₂を検出する
ものである。前記アクチュエータ75はバイパスから弁25
を開閉駆動するためのものである。アクチュエータ76は
カット弁26を開閉駆動するためのものである。アクチュ
エータ77は、切換弁35A、35Bを開閉駆動するためのもの
である。アクチュエータ78、79は、WGB38あるいは39の
開弁圧力、すなわち最大過給圧を調整するためのもので
ある。

制御ユニット71の制御内容について、以下に説明す
る。

制御ユニット71は、第３図（低オクタン燃料用）ある
いは第４図（高オクタン燃料用）に示すマップに基づい
て、開閉弁35A、35Bを開閉制御する。この点を第３図に
示すマップＡに着目して説明すると、次の通りである。
先ず、エンジンの運転状態が、第３図α線より右側の
の領域にあるときは、開閉弁35A、35Bを開（全開）とす
る。これにより、両過給機22、23のタービン22b、23bが
共に排気ガスエネルギを受けて回転駆動され、両方の過
給機22と23とによって過給能力の大きな第２状態とされ
る。このとき、バイパス弁25が閉、カット弁26が開とさ
れる。

次に第３図α線よりも左方側の領域としては、α線と
β線との間の領域とβ線よりも左方側の領域とが存
在するが、この領域においては、開閉弁35A、35Bが閉
（全閉）とされる。これにより、第２過給機23のタービ
ン23bに対しては排気ガスが流入せず、したがって第１
過給機22のみによる過給が行なわれる。このとき、バイ
パス弁25、カット弁26共に閉とされる。

また、領域のときは、開閉弁35A、35Bが若干開かれ
て、領域となったときに備えて第２過給機23が空転さ
れる。このとき、バイパス弁25は開とされ、かつカット
弁26は閉とされる。

上述した第３図に示すマップＡは、低オクタン燃料が
使用されているときに使用されるものである。これに対
して、高オクタン燃料が使用されているときは、第３図
に示すマップＡの代りに、第４図に示すマップＢが用い
られる。この第４図のマップＢは、第３図マップＡに比
して、第２過給機23が作動される領域が、より高回転側
へとオフセットされている。すなわち、α線がα′線に
変更され、β線がβ′線に変更される。これにより第２
過給機23は、第３図のマップＡに比して、より高回転と
なったときに始めて作動されることになる。換言すれ
ば、第３図に示す低オクタン燃料用のマップＡは、過給
能力の大きい第２状態としての領域が、第４図に示す
高オクタン燃料用のマップＢに比して低回転側へ変更さ
れることにより拡大設定されている。

さらに、制御ユニット71は、点火時期の制御を行う。
この点火時期の決定に際しては、既知のように、センサ
74によってノッキングが研究されたときは、点火時期を
遅角させる（ノック補正）。そして、実施例では、この
ノック補正による遅角量が所定値以上になったときに、
低オクタン燃料を使用しているときであると判定（検出
するようにしてある。換言すれば、点火時期は、エンジ
ンの運転開始時には高オクタン燃料用として設定（イニ
シャライズ）され、低オクタン燃料を使用しているか否
かをノッキングの発生態様によって検出するようになっ
ている。

これに加えて制御ユニット71は、過給圧が第５図に示
す特性となるように制御する。この場合、高オクタン燃
料を使用しているときは、ノッキングが生じにくいため
高い過給圧が得られるように特性ａとなるように制御
し、また低オクタン燃料を使用しているときは特性ｂと
なるように制御する（最高過給圧がオクタン価が低い場
合はオクタン価が高い場合に比して低く設定される）。
なお、領域およびのときはWGB38を制御することに
より、また領域のときはWGB39を制御することによ
り、上記特性ａあるいはｂを得る。

ここで、カット弁26の開閉は、切換弁35A、35Bの開閉
と同期して行うようにしてもよいが、本実施例では、前
述した圧力P₁とP₂との大きさを勘案しつつ開閉制御する
のがようにしてある。すなわち、切換弁35A、35Bが全開
とのときは、カット弁26も開かれることになるが、この
開くタイミングを、差圧ΔＰ（＝P₁−P₂）が所定値以下
となるときに設定するのがよい。すなわち、第２過給機
23が十分に過給し得る状態となったのを待って始めてカ
ット弁26を開くことにより過給機23の作動遅れに伴なう
一時的な過給圧の減少（トルク低下）が防止される。ま
た、切換弁35A、35Bが全閉となったときはカット弁26も
閉じられるが、このカット弁26の閉じるタイミングを、
圧力P₁が所定値以下になるのを待って行うとよい。すな
わち、第２過給機23の慣性による過給が収まってから行
うことにより過給圧の一時的な減少（トルク低下）が防
止される。

上述した制御ユニット71の制御内容つにいて、第６
図、第７図に示すフローチャートを参照しつつ説明す
る。なお、以下の説明でＰ、ＱあるいはＲはステップを
示す。

先ず、第６図のP1において、前記各センサ72〜74から
の信号が読込まれた後、P2において、ノッキングによる
点火時期の遅角量θＲがあらかじめ定めた所定値αより
も小さいか否か、すなわち現在使用されている燃料が高
オクタン燃料であるか否かが判別される。このP2の判別
でYESのときは、P3において高オクタン燃料用となる第
４図のマップＢが選択され、またP2の判別でNOのときに
は、P4において低オクタン燃料用となる第３図のマップ
Ａが選択される。

P3あるいはP4の後は、エンジン回転数とスロットル開
度とを選択されたマップにあてはめて、現在の運転状態
が読込まれる（領域、あるいはの読込）。そし
て、P6において、現在領域であるか否かを判別され
て、この判別がYESのときはP7において、開閉弁35A、35
Bが全閉とされる（第１過給機22のみ作動）。また、P6
の判別でNOのときは、P8において、領域であるか否か
が判別される。このP8の判別でYESのときは、P9におい
て開閉弁35A、35Bが全開とされる（第１、第２の２つの
過給機22、23が共に作動）。さらに、P8の判別でNOのと
きは、結局のところ領域であるので、P10において開
閉弁35A、35Bが一部開とされる（第１過給機22が作動か
つ第２過給機23が空転）。なお、切換弁35A、35Bの作動
に応じたバイパス弁25の作動は前述した通りなので、そ
の説明は省略する。

上記P7、P9あるいはP10の後は、P11において、カット
弁26の開閉制御が行なわれ、この開閉制御を示すのが第
７図である。先ず、R1において、カット弁26下流の圧力
P₁と上流の圧力P₂とが読込まれる。次いで、R2において
フラグＦが０であるか否かが判別される。このフラグＦ
が「０」のときがカット弁26が閉であることを意味す
る。このR2の判別においてYESのときは、R3においてP₁
からP₂を差し引くことによりΔＰが算出される。この
後、R4において、上記ΔＰがあらかじめ定めた設定値Pa
よりも小さいか否かが判別される。このR4の判別でNOの
ときは、圧力P₂が十分に上昇していないで、カット弁26
を開くことなくそのままリターンされる。逆にR4の判別
でYESのときは、R5においてカット弁26を開作動させた
後、R6においてフラグＦが１にセットされる。

前記R2の判別でNOのとき、すなわち現在カット弁26が
開いているときは、R7において、圧力P₁があらかじめ定
めた設定値Pcよりも小さいか否かが判別される。このR7
の判別でNOのときは、第２過給機23による過給の影響が
残っているときなのでそのままリターンする。逆に、R7
の判別でYESのときは、R8においてカット弁26を閉じた
後、R9においてフラグが０にセットされる。

第６図P11の後は、P12での過給圧制御が行なわれる。
このP12の内容は、第８図に示す通りである。

先ず第８図Q1において、切換弁35A、35Bの作動状態
（第６図のP7、P9、P10のいずれであるか）が読込まれ
る。この後、Q2においてノッキングによる点火時期の遅
角量θＲが所定値αより小さいか否かが判別される。こ
のQ2の判別でYESのときは、高オクタン燃料が使用され
ているときである。この場合は、Q3において、現在領域
であるか否かが判別されて、この判別がYESであれ
ば、Q4において第2WGB39を制御することにより特性ａと
なるようにする。また、この判別がNOのときは、Q5にお
いて第1WGBを制御することによって特性ａとなるように
する。

前記Q2の判別でNOのときは低オクタン燃料が使用され
ているときであり、この場合はQ6において領域である
か否かが判別される。このQ3の判別でYESのときは、Q7
において、第2WGB39を制御することによって特性ｂとな
るようにする。また、Q3の判別でNOのときは、Q8におい
て、第1WGB38を制御することによって特性ｂとなるよう
にする。

以上実施例について説明したが、本発明はこれに限ら
ず、例えば次のような場合をも含むものである。

排気ターボ式過給機は、３個以上であってもよい。

排気ターボ式過給機は、その過給能力を全て同じもの
として設定してもよい。

実施例のように過給能力が異なるものとして設定した
場合は、低速時には過給能力の小さい第１過給機22のみ
を作動させ、高速時には過給能力の大きい第２過給機23
のみを作動させるようにしてもよい。

低速から高速までの間で、例えば３段階以上で過給能
力を変更するようにしてもよい。この場合は、実施例に
おいて、低速時には第１の過給機22のみを作動させ、中
速時には第２過給機23のみを作動させ、高速時には両方
の過給機22と23とを共に作動させるようにすればよい。

オクタン価に応じた作動領域の変更を、３種類以上あ
るいは連続可変式としてもよい。

第１過給機22のみを作動させているときは、第２過給
機23へのオイル供給を遮断するようにして、第１過給機
22へより十分なオイルが供給されるようにしてもよい。
そして、好ましくは、領域からあるいはへ移行す
るときに、オイル供給の遮断を遅延させて、第２過給機
23が作動しなくなった後でもしばらくの間は（第２過給
機23の温度が低下するまで）は当該第２過給機23へオイ
ルを供給するようにするとよい。この場合は、例えば第
２図の配管59に対してカット弁を設けて、このカット弁
の開閉を制御すればよい。

（発明の効果）本発明は以上述べたことから明らかなように、応答性
確保と過給能力確保との両者を適切にバランスさせつ
つ、ノッキング特に低オクタン燃料を使用しているとき
のノッキングを防止する上で有利となる。

また、請求項２に記載したような構成とすることによ
り、オクタン価が高い場合において十分な過給を行いつ
つ、オクタン価が低い場合のノッキングを防止する上で
好ましいものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す全体系統図。第２図は２つの過給機の配置例とその冷却水通路系とオ
イル通路系とを示す側面図。第３図、第４図はそれぞれ過給機の作動領域を示すマッ
プで、第３図は低オクタン燃料用のものを、第４図は高
オクタン燃料用のものを示す。第５図は過給圧特性を示すグラフ。第６図〜第８図は本発明の制御例を示すフローチャー
ト。第９図は本発明の構成をブロック図的に示した図。 1:エンジン本体 22:第１過給機（低速用） 23:第２過給機（高速用） 35A、35B:切換弁（切換手段） 71:制御ユニット 74:センサ（ノッキング＝オクタン価） 77:アクチュエータ（切換弁用）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山田薫広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (56)参考文献特開昭59−160022（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−178933（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−87647（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−19939（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個の排気ターボ式過給機を備え、切換
手段により、低回転時には一部の過給機のみを作動させ
ることにより過給能力の小さい第１状態とする一方、高
速時には少なくとも残りの過給機を作動させることによ
り過給能力の大きい第２状態とするようにしたエンジン
の過給装置において、燃料のオクタン価を検出するオクタン価検出手段と、前記オクタン価検出手段からの出力を受け、前記第１状
態から第２状態への切換点をオクタン価が低い場合はオ
クタン価が高い場合に比して低回転側へ変更する切換条
件変更手段と、を備えていることを特徴とするエンジンの過給機装置。
【請求項２】請求項１において、オクタン価が低い場合はオクタン価が高い場合に比して
最高過給圧が低くなるように設定されている、ことを特
徴とするエンジンの過給装置。