JP2640757B2 - 過給機の制御装置 - Google Patents

過給機の制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はエンジンの排気エネルギーを利用してタービ
ンを回転させ、その回転力をもってエンジンを過給する
排気タービン駆動の過給機の制御装置に関し、特に排気
タービンを複数段直列に接続した多重型の排気タービン
駆動の過給機の制御装置に関する。
（従来の技術） エンジンの排気ガスを排気タービンに導き、これを高
速回転させ、該排気タービンと同軸に接続されたコンプ
レッサを高速回転駆動して、エンジンの過給を行う排気
タービン駆動過給機は古くから知られている。また、こ
の装置の排気タービンを駆動する排気ガスの中に残存す
る残余の排気エネルガーをも回収して、この回収エネル
ギーをエンジンの回転軸に帰還させる試みも近年提案さ
れた。すなわち、この装置は、排気タービンの回転軸に
発電機とコンプレッサとを設け、排気タービンにて回収
した排気エネルギーをもってコンプレッサを回転させて
過給動作を行うとともに、発電動作も同時に行い該発電
エネルギーでエンジンの回転軸に設けられた電動機を回
転させて、排気エネルギーをエンジンの回転軸に帰還さ
せるもので、このような装置は例えば、特開昭60−4315
2号公報に記載されている。
この装置は、エンジンの回転数が小さく排気エネルギ
ーが少ない状態では、発電動作は愚か過給動作も実行で
きないので、このような状態時には排気タービンの回転
軸に設けられた発電機を電動機に切り換え、これを回転
駆動してコンプレッサを動作させ、エンジンの過給を行
うものが提案され、このような装置は例えば、特開昭60
−195329号公報に開示されている。そしてこの装置は、
エンジンの低速高負荷の運転領域で特に有効である。
（発明が解決しようとする課題） 上述の特開昭60−195329号公報に開示されているよう
な提案においては、エンジンの低速高負荷時には電動−
発電機を電動機として駆動させるため、コンプレッサの
過給作動が助勢されてエンジンへの過給気圧が上昇する
ことになるが、エンジンに供給する燃料の噴射時期を変
更させる制御が行われておらず、特に断熱型ディーゼル
エンジンにおける燃料の着火時期の制御、すなわち噴射
時期の制御は、排気ガスが大気に及ぼす汚染問題を減少
させるには不可欠の課題である。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであ
り、その目的は排気系統に直列に接続された複数段の回
転軸にそれぞれ電動発電機を設けた過給機の制御装置に
おいて、エンジンへの過給作動や燃料供給を適切に制御
しようとする過給機の制御装置を提供するものである。
（課題を解決するための手段） 本発明によれば、エンジンからみて第１のターボチャ
ージャと第２のターボチャージャとの２台のターボチャ
ージャの各排気タービンの流路を直列に接続し、各排気
タービンのトルクにより駆動される各コンプレッサによ
ってエンジンを過給する過給気の制御装置において、各
排気タービンとコンプレッサとを連結する回転軸に配置
された発電機又は電動機として運転切換自在な電動機構
と、エンジンに取り付けられた発電電動機と、アクセル
ペダルの踏込量を検知する第１の検知手段と、エンジン
の回転数を検知する第２の検知手段と、前記第２のター
ボチャージャのコンプレッサにより圧縮された空気は前
記第１のターボチャージャのコンプレッサを経てエンジ
ンの吸気管に送られるように配管された空気流路と、前
記第１のターボチャージャのコンプレッサの前記第２タ
ーボチャージャのコンプレッサからの送気管合流点より
も上流側と、前記第２のターボチャージャのコンプレッ
サの入口側とに前記各コンプレッサへの空気流路を変え
る開閉バルブと、前記アクセルペダルの踏込量が大きく
エンジン回転数が低い場合に前記第１のターボチャージ
ャのコンプレッサの開閉バルブを閉じ、第２のターボチ
ャージャのコンプレッサの開閉弁を開くと共に、前記タ
ーボチャージャ部の電動機構を電動機とし、エンジン部
の発電電動機を発電機として運転する第１の制御手段
と、前記アクセルペダルの踏込量が大きくエンジン回転
数が高い場合に前記第１のターボチャージャのコンプレ
ッサの開閉バルブを開き、第２のターボチャージャのコ
ンプレッサの開閉弁を閉じると共に、前記第１、第２の
ターボチャージャの電動機構を発電機運転させ、その発
電力によりエンジン部の発電電動機を電動機として作動
させる第２の制御手段と、前記第２の検知手段により検
知されたエンジンの回転数が上昇するに従って燃料の噴
射時期を早める燃料噴射時期制御手段と、を具備し、前
記第１と第２の検知手段からの検知信号に応じて、前記
開閉バルブを制御し、前記ターボチャージャ軸の電動機
とエンジンに取り付けられた発電電動機の電動機構の運
転を切り換えるとともに、前記第２の検知手段の信号に
より燃料の噴射時期を制御するように構成したことを特
徴とする過給機の制御装置が提供される。
（作用） 本発明では、エンジンの排気経路に直列に接続された
複数の排気タービンの回転軸にそれぞれ電動発電機を設
け、アクセルペダルの踏込量が大で、エンジンが低回転
の状態を検出することにより多段過給モードを実行して
エンジンへの過給圧を上昇させるとともに、エンジンの
回転数に応じて供給燃料の噴射タイミングを制御して変
更させる作用がある。
（実施例） つぎに、本発明の実施例について図面を用いて詳細に
説明する。
第１図は本発明の一実施例の構成を示す構成ブロック
図である。
同図において、１はエンジンである。このエンジン
は、シリンダ、シリンダヘッド、吸気排気経路の内側、
吸・排気バルブピストンリング、ピストンヘッドなどに
ファインセラミックスを使用し、ラジエータを必要とし
ないセラミックス・ディーゼルエンジンである。そして
吸気経路11を通じて吸入する空気と供給される燃料との
燃焼エネルギーによって、図示していない車両を駆動す
るもので、燃料後の排気ガスは排気経路12を介して第１
のターボチャージャ２に供給され、排気タービン21を回
転駆動する。22はコンプレッサで、排気タービン21の回
転軸に直結され、排気エネルギーにより回転駆動される
排気タービン21のトルクにより吸入空気を圧縮し、吸気
経路11を介してエンジン１の吸気を過給するものであ
り、コンプレッサ22の吸入管23にはバルブ24が取付けら
れ、バルブアクチュエータ25の作動により、吸入管23の
空気通路が開閉制御されるよう構成されている。
３は回転電機で排気タービン21とコンプレッサ22とを
直結する回転軸上に取付けられ、電力が供給されると電
動機として駆動され、コンプレッサ22を駆動してその過
給作動を助勢するものである。また、排気タービン21に
より回転されると、発電機となり、これより電力を取り
出すことができる。なお、31は回転センサで回転電機３
の回転数、すなわち第１のターボチャージャ２の回転数
を検出して、後述するコントローラに回転信号を送信す
る。
４は第２のターボチャージャで第１のターボチャージ
ャ２の排ガスの排出経路26に接続されて排気タービン41
が回転駆動されるものであり、排気タービン41の回転軸
には回転電機５とコンプレッサ42とが直結されている。
そして、第１のターボチャージャ２の場合と同様に、コ
ンプレッサ42は吸入管43から取入れた空気を圧縮してエ
ンジン１に送気するが、第２のターボチャージャ４では
圧気は送気管46を介してコンプレッサ22に送られてから
エンジン１に達することになる。なお、44は吸入管43に
設けられたバルブであり、バルブアクチュエータ45の作
動により吸入管43の空気通路の開閉を制御するもので、
バルブアクチュエータ45および前記のバルブアクチュエ
ータ25に対する開閉制御指令はコントローラ６から発令
される。
回転電機５は排気タービン41とコンプレッサ42とを直
結する回転軸上に取付けられ、電力が供給されると電動
機として駆動され、コンプレッサ42を駆動してその過給
作動を助勢するものである。また、排気タービン41によ
り回転されると、電動機となり、これより電力を取り出
すことができる。なお、51は回転電機５の回転数、すな
わち第２のターボチャージャ４の回転数を検出する回転
センサ、13はブースト圧センサで吸気経路11の内部に取
付けられてエンジン１へのブースト圧を検出するもので
検出したブースト圧による信号をコントローラ６に送出
する。14は燃料供給手段となる燃料供給機構で、燃料タ
ンク18からエンジン１への供給燃料の流量や燃料の噴射
タイミングを制御するものであり、燃料供給機構14に対
する制御指令はコントローラ６から発令される。特に断
熱エンジンでは、圧縮端温度が上昇し着火遅れ時間が短
縮するので通常のエンジンのような噴射時間タイミング
の制御では不充分である上、二段過給エンジンではその
傾向が特に顕著となる。従って供給燃料の増力により二
次関数的なタイミング制御が必要となる。
７はエンジン１の回転軸とギヤ結合されている回転電
機である。この回転電機７がエンジン１により駆動され
る時には発電機となり、また後述する電力デユアル変換
器71から電力を供給される時には電動機として作用す
る。電力デユアル変換器71は１つの三相交流端子と２つ
の直流端子を有する。２つの直流端子は内部において並
列接続されている。そしてその並列に接続された直流端
子は、交直両方向変換器の直流端子に接続されている。
交直両方向変換器は、インバータとコンバータとが並列
に接続され、直流から交流に変換する時にはインバータ
が動作し、交流から直流に変換する時にはコンバータが
動作するものであり、このような交直両方向変換器は例
えば、『米国のWILEY−INTERSCIENCE社発行、B.R.Pelly
著（Thyristor Phase−Controlled Converters）第11頁
乃至第144頁』に詳細に示されているように周知の回路
であるので、その詳細な説明は省略する。交直両方向変
換器の交流端子は、三相のオートトランスの二次側に接
続されており、該オートトランスの一次側は回転電機７
と接続されている。このオートトランスは、各相共多数
のタップを有し、タップの切換えにより例えば一次側を
高く二次側を低くし、また一次側を低く二次側を高くす
るというように、一次二次側の変圧比を自由に変換でき
る。なお、交直両方向変換器及びオートトランスのタッ
プの切換えのための制御指令は、マイクロコンピュータ
構成のコントローラ６から指令されるよう構成されてい
る。
73及び75は共に前述の如き交直両方向変換器からなる
デユアル変換器であり、デユアル変換器73の直流側は電
力デユアル変換器71の直流端子と後続され、交流側は回
転電機３と接続している。また、デユアル変換器75の直
流側は電力デユアル変換器71の直流端子と接続され、交
流側は回転電機５と接続している。なお、15は回転検出
手段となるエンジン１の回転を検出するエンジン回転セ
ンサであり、16は踏込量検出手段となるアクセルセンサ
でアクセルペダル17の踏込量を検出するものであり、こ
れらのセンサからの検出信号はコントローラ６に送信さ
れる。
コントローラ６はマイクロコンピュータからなり、演
算処理を行う中央制御装置、演算処理手順や制御手順な
どを格納する各種メモリ、入／出力ポートなどを備えて
おり、前記の各種センサからの信号が入力されると所定
の演算処理が行われて格納された制御手順に基づき、バ
ルブアクチュエータ25,45およびデユアル変換器7375や
燃料供給機構14などにそれぞれ制御指令が発せられるよ
う構成されている。
エンジン１の回転数が高く、排気経路12から排出され
る排気ガス量が多いときには、その排気エネルギーによ
り第１のターボチャージャ２と第２のターボチャージャ
４とを動作させる。そして第１のターボチャージャ２の
バルブ24を開き、第２のターボチャージャ４のバルブ44
を閉じ、第１のターボチャージャ２のコンプレッサ22に
よりエンジン１の過給を行なうとともに、回転電機３を
発電機として動作させ、その発電電力をデユアル変換器
73、電力デユアル変換器71を通じて回転機構７にその電
力を供給し、これを回転させて、エンジンの回転軸の回
転を助成し、排気エネルギーをエンジン１に帰還させ
る。勿論、このとき電力デユアル変換器71内のオートト
ランスのタップを切換え、回転電機に印加する電圧を高
めて回転電機７を電動機として作用させる。第２のター
ボチャージャ４は回転電機５を発電機として動作させ、
その発電電力をデユアル変換器75、電力デユアル変換器
71を通じて回転電機７にその電力を供給し、これを回転
させて、エンジン１の回転軸の回転を助成し、排気エネ
ルギーをエンジン１に帰還させる。このとき、デユアル
変換器75のコンバータの位相制御を行い、その直流電圧
をデユアル変換器73のそれと同一となるように制御し、
図には示されてはいないが、さらにそれぞれの直流電流
を測定するなどしてデユアル変換器73,75の負荷分担を
適当にするものである。
つぎに、エンジン１に重負荷が掛り、アクセルペダル
17を踏み込んでいるにも拘らず、エンジン１の回転数が
上昇しないような場合には、第１のターボチャージャ２
と第２のターボチャージャ４の回転電機3,5を電動機と
して駆動し、コンプレッサ22,42を回転電機3,5の回転力
により回転させ、エンジン１へ過給する。そして、エン
ジン１への過給圧が上昇したところで、この過給圧とア
クセル踏込みとに応じて燃料流量を制御するとともに、
エンジン回転センサ15からの回転信号に応じ、低回転時
には噴射時期を遅く、高回転時には噴射時期を早くする
と共に燃料流量の大きい時は燃焼室壁温が上昇するの
で、着火遅れ時間が短縮し噴射タイミングは遅延する必
要があるので燃料の着火時間を考慮して噴射タイミング
を変更するよう制御する。
第２図はこのような場合の本実施例の作動の一例を示
す処理フロー図であり、つぎにこの処理フロー図を説明
する。
ステップ１において、アクセルペダル踏込み量とエン
ジン回転数に基づいて二段過給を要するか否かをチェッ
クし、アクセルペダル踏込み量が大きいのに拘らず、エ
ンジン回転数が上昇していない場合は二段過給を要する
のでステップ２に進む。
ステップ２ではエンジン回転センサ15からの信号を読
込んで、回転電機７をステップ３にて発電機として作動
させる。
ついで、第１のターボチャージャの２の吸入管23のバ
ルブ24を閉じて、第２のターボチャージャ４のバルブ44
を開く指令をそれぞれのバルブアクチュエータに発令す
る（ステップ4,5）。
ステップ６では第１のターボチャージャ２の現回転数
ＮT1を回転センサ31により検出し、ステップ６にて電力
デユアル変換器71とデユアル変換器73を作動させて回転
電機３に送電して力行させる。そしてステップ８で回転
電機３を駆動後の回転数Ｎ′T1とＮT1とを比較し、回転
数が上昇していないときはステップ９にて故障診断を行
うが、上昇しているときはステップ10に進んでブースト
圧センサ13によりエンジン１への過給機圧ＰCB1を検出
する。
ステップ11ではアクセルペダル17の踏込量を検出し、
ペダルの踏込量に相当する燃料流量QAと、過給気圧ＰCB
1に相当する燃料流量ＱPB1とをステップ12にて演算し
て、燃料流量と燃料噴射タイミングの制御を行い、QAと
ＱPB1との比較をステップ14にて行う。そしてQAが小さ
いときはステップ15に進んで燃料流量を減少させてQAを
所定流量のＱとする。
ステップ14にてQA＞ＱPB1の場合は、ステップ16に進
んで第２のターボチャージャ４の回転数を回転センサ51
により検出してＮT2とし、ステップ17にて電力デュアル
変換器71とデュアル変換器75を作動させて電力を回転電
機５に供給して力行させる。そして回転電機５を駆動後
のターボチャージャの回転数Ｎ′T2と前記のＮT2とをス
テップ18で比較し、Ｎ′T2が大きいときはステップ19に
てブースト圧センサ13により過給機圧ＰCB2を検出す
る。なおステップ18にてＮ′T2が小さい場合は回転電機
７からの発電出力を上昇させて回転電機５に供給して
Ｎ′T2がＮT2より大きくなるよう制御を行う（ステップ
20,21）。
ステップ22では過給気圧ＰCB2に相当する燃料流量ＱP
B2の演算を行い、ステップ23にて燃料噴射タイミングの
制御を行う。そしてアクセルペダル踏込量に相当する燃
料流量QAとの比較をステップ24にて行い、ＱPB2が大き
いときはステップ26に進んで燃料流量を減少させQAを所
定流量のＱとする。
ステップ24にてQA＞ＱPB2の場合はステップ25に進ん
で回転電機７を発電機として制御し、ステップ27〜29に
て第１のターボチャージャ２の回転数ＮT1を検出してか
ら電力デュアル変換器71とデュアル変換器73を作動させ
て回転電機３を駆動し、駆動後の回転数Ｎ′T1とＮT1と
を比較する。そして回転電機３の駆動後の回転数が大き
い場合はブースト圧センサ13にて過給機圧ＰCB3を検出
し、この過給機圧ＰCB3に相当する燃料流量ＱPB3の制御
と噴射タイミングをステップ30〜32にて行うことにな
る。
つぎにステップ33〜41では第２のターボチャージャ４
の過給作動と、ブースト圧上昇による燃料供給量と噴射
タイミングとの制御について、前記の第１のターボチャ
ージャ２に準じて制御を行い第２図の処理フローを終了
することになる。したがって回転電機3,5を回転電機７
の発電出力にてそれぞれ力行させ、過給圧が上昇した処
でアクセル踏込量に応じて燃料流量を制御し、燃料の噴
射タイミングを適正に制御してエンジンの低速回転時の
トルクを増大させるとともに燃料の燃焼状態を良好に保
持させることになる。
以上、本発明を上述の一実施例によって説明したが、
本発明の主旨の範囲内で種々の変形や応用が可能であ
り、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
（発明の効果） 本発明によれば、複数段の直列接続したターボチャー
ジャに取り付けた発電機又は電動機として運転切換自在
な電動機構と、各ターボチャージャの吸入空気口の各開
閉弁とを、エンジンの負荷状態に応じて各開閉弁の開閉
を制御し、かつターボチャージャ軸の電動機とエンジン
に取り付けられた電動発電機の電動機構の運転を切り換
えることにより、エンジン運転状態に応じた最適な過給
を行うことができるとともに、余剰エネルギの回収を行
う効果が得られる。また、エンジンへの燃料供給量と噴
射タイミングを適正に制御するものであるので、エンジ
ンの低速中負荷時のエンジントルクが増大すると共に、
燃料の燃焼状態が良好になって排気ガスによる大気汚染
の問題も減少する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例の構成を示す構成ブロック
図、第２図は本実施例の作動の一例を示す処理フロー図
である。 １……エンジン、２……第１のターボチャージャ、３…
…回転電機、４……第２のターボチャージャ、５……回
転電機、６……コントローラ、７……回転電機、12……
排気経路、14……燃料供給機構、15……エンジン回転セ
ンサ、16……アクセルセンサ、17……アクセルペダル。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】エンジンからみて第１のターボチャージャ
    と第２のターボチャージャとの２台のターボチャージャ
    の各排気タービンの流路を直列に接続し、各排気タービ
    ンのトルクにより駆動される各コンプレッサによってエ
    ンジンを過給する過給気の制御装置において、 各排気タービンとコンプレッサとを連結する回転軸に配
    置された発電機又は電動機として運転切換自在な電動機
    構と、 エンジンに取り付けられた発電電動機と、 アクセルペダルの踏込量を検知する第１の検知手段と、 エンジンの回転数を検知する第２の検知手段と、 前記第２のターボチャージャのコンプレッサにより圧縮
    された空気は前記第１のターボチャージャのコンプレッ
    サを経てエンジンの吸気管に送られるように配管された
    空気流路と、 前記第１のターボチャージャのコンプレッサの前記第２
    ターボチャージャのコンプレッサからの送気管合流点よ
    りも上流側と、前記第２のターボチャージャのコンプレ
    ッサの入口側とに前記各コンプレッサへの空気流路を変
    える開閉バルブと、 前記アクセルペダルの踏込量が大きくエンジン回転数が
    低い場合に前記第１のターボチャージャのコンプレッサ
    の開閉バルブを閉じ、第２のターボチャージャのコンプ
    レッサの開閉弁を開くと共に、前記ターボチャージャ部
    の電動機構を電動機とし、エンジン部の発電電動機を発
    電機として運転する第１の制御手段と、 前記アクセルペダルの踏込量が大きくエンジン回転数が
    高い場合に前記第１のターボチャージャのコンプレッサ
    の開閉バルブを開き、第２のターボチャージャのコンプ
    レッサの開閉弁を閉じると共に、前記第１、第２のター
    ボチャージャの電動機構を発電機運転させ、その発電力
    によりエンジン部の発電電動機を電動機として作動させ
    る第２の制御手段と、 前記第２の検知手段により検知されたエンジンの回転数
    が上昇するに従って燃料の噴射時期を早める燃料噴射時
    期制御手段と、 を具備し、前記第１と第２の検知手段からの検知信号に
    応じて、前記開閉バルブを制御し、前記ターボチャージ
    ャ軸の電動機とエンジンに取り付けられた発電電動機の
    電動機構の運転を切り換えるとともに、前記第２の検知
    手段の信号により燃料の噴射時期を制御するように構成
    したことを特徴とする過給機の制御装置。
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