JP3312411B2

JP3312411B2 - ターボチャージャ制御装置

Info

Publication number: JP3312411B2
Application number: JP01783793A
Authority: JP
Inventors: 正貴岡田; 輝一西村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1993-01-11
Filing date: 1993-01-11
Publication date: 2002-08-05
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: JPH06207522A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は，タービン，コン
プレッサ及び発電・電動機を備えたターボチャージャ
と，タービン及びコンプレッサを備えたターボチャージ
ャとを有するターボチャージャ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ターボチャージャは，エンジンのシリン
ダ内に通常以上の空気を強制的に送り込んで，エンジン
の出力を高めると共に，燃費の向上を図るものであり，
一般に，図１５に示すような構造を備えている。即ち，
ターボチャージャ３０は，コンプレッサ３２とタービン
３３とをシャフト３５で連結し，シャフト３５をハウジ
ング３１内に軸受３４を介して回転可能に支持したもの
である。更に，図１６を参照して説明すると，エンジン
３７からの排気ガスの排気エネルギーによってタービン
３３を回転し，それに伴ってタービン３３と同軸上にあ
るコンプレッサ３２が回転する。エアクリーナを通った
吸入空気はコンプレッサ３２で圧縮されてターボチャー
ジャ３０から送り出され，インタクーラ３６で冷却され
た後に，圧縮空気としてエンジン３７のシリンダ内に供
給される。エンジン回転数が速くなれば，排気ガス量も
多くなり，タービン３３の回転数が増大し，それに伴っ
て過給圧も大きくなり，エンジン出力が増大する。

【０００３】図１１はエンジン回転数に対するトルク
（ＢＭＥＰ）の変化を示したグラフである。一般に，タ
ーボチャージャを備えたエンジンは，極低速回転域（約
６００ｒｐｍ）においては，エンジンベースのトルク
（実線ａ）よりもむしろ低いトルク（破線ｂ），即ち，
通常の５〜１０％低いトルクしか得られない。そこで，
エンジン排出ガス流量の少ない極低速回転域において
も，ブースト圧の上昇を得るために開発されたのが，Ｖ
ＧＳ付きターボチャージャである。このＶＧＳ付きター
ボチャージャは，タービンのノズル入口に流量可変調節
手段ＶＧＳを備えており，ノズル制御によってタービン
の入口を絞ったり開放することができるものである。図
１１における一点鎖線ｃは，このＶＧＳ付きターボチャ
ージャのトルクを示したものである。極低速回転域にお
けるトルクが改善され，これによって発進時における走
行フィーリングをかなり向上させることができる。

【０００４】ところが，ＶＧＳ付きターボチャージャと
いえども，トルクの向上を図る上で限界がある。極低速
回転域から高速回転域に至るまで，１個のタービンとコ
ンプレッサで制御を行うためである。即ち，コンプレッ
サ特性上，図１０に示すように，コンプレッサの圧力比
（ブースト圧）がサージゾーンに入ってしまうので，更
なるブースト圧の向上が不能になってしまう。その結
果，トルクの改善は，せいぜい図１１において太い実線
ｄで示すラインが限界であった。

【０００５】一方，従来から発電・電動機付きターボチ
ャージャの開発が進められてきた（例えば，特開昭６３
−２７２９０７号公報，特開平１−２１９３１８号公報
等参照）。この発電・電動機付きターボチャージャの構
造について，図１７を参照して説明する。図１７に示す
発電・電動機付きターボチャージャ３９は，エンジンの
排気ガスエネルギーによって駆動されるタービン４０，
該タービン４０にシャフト４２を通じて連結された過給
を行うコンプレッサ４１，シャフト４２をハウジング４
３に回転自在に支持する軸受４４及びシャフト４２上に
配置された発電・電動機４５から構成されている。発電
・電動機４５は，シャフト４２と一体回転する永久磁石
のロータ４６，及びハウジング４３に固定されたステー
タ４７とから構成されている。

【０００６】この発電・電動機付きターボチャージャ３
９は，エンジンの条件（負荷，回転数等）に無関係に独
立して，発電・電動機４５を作動することでコンプレッ
サ４１の回転数即ちブースト圧を制御できることであ
る。従って，ターボチャージャ３９は，エンジンが停止
状態或いはアイドリング状態においても，ブースト圧を
上昇させることが可能となる。これはフライングブース
トアップと称されるもので，発進時に予め１秒程度前に
通電し，発電・電動機４５を電動機運転してターボチャ
ージャの回転数を上昇させることによって，ある程度の
ブースト圧を確保することが可能となる。

【０００７】しかしながら，この発電・電動機付きター
ボチャージャを大型エンジンに適用する場合，ターボチ
ャージャ自体が大型化するため，図１０に示すように，
エンジン側の空気の吸入空気量（空気流量）が少ない
と，コンプレッサ側をいくら回転させても，圧力比（ブ
ースト圧）がサージラインからはみ出してサージゾーン
に入ってしまい，圧力比の上昇が得られない。これで
は，折角のフライングブーストアップの威力も半減して
しまうことになる。また，ターボチャージャが大型化す
ると，それに伴って，電動機部分が大型化し，コストア
ップにつながるという問題もある。

【０００８】上記のように，ＶＧＳ付きターボチャージ
ャであろうが，発電・電動機付きターボチャージャであ
ろうが，ターボチャージャを１個だけ使用する場合に
は，極低速回転域で十分なブースト圧が得られないとい
う問題がある。これに対して，ターボチャージャを２個
使用したシーケンシャルターボチャージャ装置と呼ばれ
るものが開発されている。このシーケンシャルターボチ
ャージャ装置は，小容量即ち小型と大容量即ち大型の２
個のターボチャージャを備えたものであり，例えば，小
型ターボチャージャで低速トルクを高め，高速になると
大型ターボチャージャに切り換えるように制御すること
ができるものである。このシーケンシャルターボチャー
ジャは，２個のターボチャージャを配置する場所に制約
はないし，小型で，コストも安く，今後の展望が期待さ
れているが，小型ターボチャージャから大型ターボチャ
ージャに切り換える時に，急激にブースト圧が下がり，
トルクの谷間ができるという問題をかかえており，この
谷間を如何にして小さくするかが課題となっている。

【０００９】この対策として，従来，例えば，特開昭６
１−２９４１３６号公報に開示されたものがある。この
シーケンシャルターボチャージャ装置は，ディーゼルエ
ンジンの運転負荷上昇に応じて，運転するターボチャー
ジャを切り換えるもので，まず，エンジン負荷が３３％
までは小型のターボチャージャを運転し，負荷が３３％
から６６％までは大型のターボチャージャを運転し，負
荷が６６％を超えた段階で小型と大型の双方のターボチ
ャージャを運転するようにしたものである。しかしなが
ら，この程度の対策では，トルクの谷間を十分に小さく
することはできず，ターボチャージャを切り換えた時
に，スモークが発生するという問題が依然として残る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】そこで，１個のターボ
チャージャでは極低速回転域におけるトルクの向上を図
る上で限界があることから，小型ターボチャージャと大
型ターボチャージャの２個のターボチャージャを切り換
えて運転制御する，いわゆるシーケンシャルターボチャ
ージャ装置を採用すると共に，大型ターボチャージャよ
りも小型ターボチャージャの方がブースト圧を迅速に高
めることのできる点に着目して，小流量（エンジン低回
転）でも高ブースト圧が得られるような小型ターボチャ
ージャに構成することによって，極低速回転域でブース
ト圧がサージゾーンに入ってしまうのを防止するという
課題を解決する必要がある。また，シーケンシャルター
ボチャージャ装置が持つ課題，即ち，小型ターボチャー
ジャから大型ターボチャージャへ切り換えた時に起きる
ブースト圧の降下を防止するという課題も併せて解決す
る必要がある。

【００１１】この発明の目的は，小容量ターボチャージ
ャと大容量ターボチャージャの２個のターボチャージャ
を備えたターボチャージャ制御装置において，上記の課
題を解決することであり，小容量ターボチャージャに発
電・電動機を設け，エンジン回転数の低速域で，ユーザ
が望むトルク（図１１に斜線ｅで示すトルク）が得られ
るまで圧力比を上げることができると共に，小容量ター
ボチャージャから大容量ターボチャージャに切り換えた
時に，スモークが発生するのを防止することができるタ
ーボチャージャ制御装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明は，タービン，
コンプレッサ及び発電・電動機を備えた小容量ターボチ
ャージャ，タービン及びコンプレッサを備えた大容量タ
ーボチャージャ，エンジン回転数を検出する回転センサ
ー，並びに該回転センサーで検出されたエンジン回転数
が予め設定した回転数以下の低速域に応答して前記小容
量ターボチャージャを運転し且つ前記低速域を超えた回
転数に応答して前記大容量ターボチャージャを運転する
ように制御し且つエンジン回転数に応じて前記発電・電
動機を電動機運転又は発電機運転の作動状態を切換制御
するコントローラを有し，前記コントローラは，エンジ
ン回転数が前記低速域から中速域への変化に応答して前
記小容量ターボチャージャから前記大容量ターボチャー
ジャへの切り換え時に，前記大容量ターボチャージャの
回転数又はブースト圧が予め設定した所定値に達するま
で，前記小容量ターボチャージャの前記発電・電動機を
電動機として運転し，前記小容量ターボチャージャから
前記大容量ターボチャージャへガスを送り込む制御を行
うことから成るターボチャージャ制御装置に関する。

【００１３】また，この発明は，タービン，コンプレッ
サ及び発電・電動機を備えた小容量ターボチャージャ，
タービン及びコンプレッサを備えた大容量ターボチャー
ジャ，エンジン回転数を検出する回転センサー，並びに
該回転センサーで検出されたエンジン回転数が予め設定
した回転数以下の低速域に応答して前記小容量ターボチ
ャージャを運転し且つ前記低速域を超えた回転数に応答
して前記大容量ターボチャージャを運転するように制御
し且つエンジン回転数に応じて前記発電・電動機を電動
機運転又は発電機運転の作動状態を切換制御するコント
ローラを有し，前記コントローラは，エンジン回転数が
低速域から中速域への変化に応答して前記小容量ターボ
チャージャから前記大容量ターボチャージャへの切り換
え時に，前記大容量ターボチャージャの回転数又はブー
スト圧が予め設定した所定値に達するまで，前記大容量
ターボチャージャを作動し，前記小容量ターボチャージ
ャのコンプレッサ側通路を閉鎖し且つタービン入口側通
路を開放し，前記小容量ターボチャージャの前記発電・
電動機を電動機運転して逆回転させ，前記小容量ターボ
チャージャのタービンから前記大容量ターボチャージャ
のタービン入口側へガスを送り込む制御を行うことから
成るターボチャージャ制御装置に関する。

【００１４】このターボチャージャ制御装置は，上記の
ように構成されているので，エンジン回転数が低速域の
時には，小容量ターボチャージャが作動する。小容量タ
ーボチャージャはタービンノズルの通路面積が小さいの
で，低速域でもブースト圧を十分に高めることができ
る。加えて，低速域で発電・電動機を電動機運転するよ
うに構成したので，ブースト圧を一層高めることができ
る。従って，コンプレッサの空気流量と圧力比との関係
が図１２に示すような関係になり，ブースト圧がサージ
ラインからはみ出すゾーンに入らないので，エンジン回
転数の低速域において，図１１に斜線ｅで示す望ましい
トルクが得られる。

【００１５】エンジン回転数が低速域を超えた時には，
小容量ターボチャージャを停止して大容量ターボチャー
ジャを運転する。単に小容量ターボチャージャから大容
量ターボチャージャに切り換えただけでは，その切換時
にブースト圧が急激に大きく降下してしまうが，大容量
ターボチャージャの回転数又はブースト圧が所定値に達
するまで，小容量ターボチャージャの発電・電動機を電
動機運転して小容量ターボチャージャから大容量ターボ
チャージャへガスを送り込む制御を行うので，大容量タ
ーボチャージャのブースト圧が急激に高められる。従っ
て，切換時にブースト圧の多少の降下は生じるものの，
すぐに所定値まで高められる。

【００１６】エンジンの高速回転域では，大容量ターボ
チャージャが作動するが，オーバブーストぎみである。
しかし，小容量ターボチャージャの発電・電動機を発電
機として作動させるように構成したので，オーバブース
ト分をバッテリ，補機等に電力回生することができる。

【００１７】エンジンブレーキが作動した時にも，小容
量ターボチャージャの発電・電動機を発電機として作動
させるように構成したので，エンジンブレーキの制動力
をバッテリ，補機等に電力回生することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下，図面を参照しながら，この
発明によるターボチャージャ制御装置の実施例について
説明する。図１はこの発明によるターボチャージャ制御
装置の一実施例を示す概略構造図である。このターボチ
ャージャ制御装置は，小容量ターボチャージャ即ち小型
ターボチャージャ１と大容量ターボチャージャ即ち大型
ターボチャージャ２との２つのターボチャージャを備え
ているシーケンシャルターボチャージャの制御装置に関
するものである。エンジン３に接続された排気管４に
は，タービン入口弁５とタービン入口弁６が設けられ，
タービン入口弁５を通じて小型ターボチャージャ１のタ
ービン７に連通され，タービン入口弁６を通じて大型タ
ーボチャージャ２のタービン９に連通されている。大型
ターボチャージャ２には，タービン９への通路面積を可
変にする可変ノズル装置ＶＧＳを設けることもできる。
エンジン３から排出された排気ガスは，タービン入口弁
５が開放した時にタービン７に供給され，タービン入口
弁６が開放した時にタービン９に供給される。タービン
７から排出されたガスは，タービン出口弁８が開の時に
外部へ排出され，タービン出口弁８が閉の時に大型ター
ボチャージャ２のタービン９へ送り出される。

【００１９】小型ターボチャージャ１のコンプレッサ１
０で圧縮された空気は，コンプレッサ出口弁１１が開の
時，吸気管１２を通じてエンジン３に過給される。コン
プレッサ出口弁１１が閉の時には，圧縮空気は，大型タ
ーボチャージャ２のコンプレッサ１３に供給される。エ
ンジン３から排出された排気ガスは，タービン入口弁６
が開放の時にタービン９に供給され，大型ターボチャー
ジャ２のコンプレッサ１３で圧縮された空気は，コンプ
レッサ出口弁１５が開の時に，吸気管１２を通じてエン
ジン３に過給される。また，吸気管１２には，インタク
ーラ１６が設けられており，圧縮空気はエンジン３に過
給される前にインタクーラ１６で冷却されるように構成
されている。

【００２０】小型ターボチャージャ１は，電動機と発電
機との両方の機能を併せ持つ発電・電動機１７を備えて
いる（なお，図においては，発電・電動機を持つターボ
チャージャのことを符号ＴＣＧで表している）。発電・
電動機１７は永久磁石のロータ１８とコイルのステータ
１９とを有しており，エンジン３からの排気エネルギー
によってタービン７が駆動されると，ロータ１８が回転
駆動され，ステータ１９で交流電力が回生され，バッテ
リに蓄電したり，補機等で消費される。この場合，発電
・電動機１７は発電機として駆動される。また，バッテ
リからの電力によりロータ１８が駆動されると，コンプ
レッサ１０の作動により吸気が圧縮され，吸気管１２を
介してエンジン３に過給される。この場合，発電・電動
機１７は電動機として運転される。小型ターボチャージ
ャ１の方に発電・電動機を設けているので，発電・電動
機自体を小型化することができる。発電・電動機１７を
大型ターボチャージャ２に設けることなく，小型ターボ
チャージャ１に設ける理由は，図１４から理解できるよ
うに，小型ターボチャージャと大型ターボチャージャの
発電能力を比較すると，排気ガスの流量に対する発電能
力は，小型ターボチャージャ１の方が大型ターボチャー
ジャ２よりも優れているからである。

【００２１】図６は，小型ターボチャージャ１及び大型
ターボチャージャ２の運転切換制御及び発電・電動機の
切換制御を行なうためのコントローラの構成，並びに該
コントローラと各種検出器及び各種弁との相互関係を示
すブロック図である。アイドリング回転以外の時に，回
転センサー２２によるエンジン回転数を入力してアクセ
ル踏込みセンサー２０の踏込み量が零であること（ガソ
リンエンジンの場合には，スロットルポジションセンサ
ーが全閉の検出信号を利用できる）を検出して，エンジ
ンブレーキ作動信号を発する。ブースト圧センサー２１
はブースト圧を検出して検出値を発信する。回転センサ
ー２２はエンジン回転数を検出して検出値を発信する。
コントローラ２４は，アクセル踏込みセンサー２０，ブ
ースト圧センサー２１及び回転センサー２２からの検出
信号に応答して，タービン入口弁５，６，タービン出口
弁８，コンプレッサ出口弁１１，１５，及びコンプレッ
サ入口弁１４等の開閉作動を切り換える制御を行うもの
である。

【００２２】コントローラ２４は，回転域判別手段２
５，ブースト圧比較手段２６，エンジンブレーキ判別手
段２７，ＴＣＧ制御手段２８，弁切換制御手段２９等か
ら構成されている。回転域判別手段２５は，回転センサ
ー２２で検出したエンジン３の回転数が，低速回転域
（低速域），中速回転域（中速域），高速回転域（高速
域）のうちのどの回転域に属するかを判別し，それぞれ
の回転域に応じた信号を発する。ブースト圧比較手段２
６は，ブースト圧センサー２１で検出したブースト圧と
設定値とを比較し，検出値が設定値を超えた時に信号を
発する。この比較は，回転域判別手段２５から低速回転
域信号又は中速回転域信号が入力された時に行われる。
エンジンブレーキ判別手段２７は，アイドリング時以外
での回転センサー２２からのエンジン回転数の検出信号
が入力され且つアクセル踏込みセンサー２０からアクセ
ルペダルの踏込み量が零の検出信号が入力された時に，
エンジンブレーキ信号を発する。

【００２３】ターボチャージャ制御手段２８は，エンジ
ンブレーキ判別手段２７からエンジンブレーキ信号が入
力された時に，小型ターボチャージャ１の発電・電動機
１７を発電機として作動させるよう制御する。このエン
ジンブレーキ時におけるターボチャージャ制御は他の制
御よりも優先して行われる。ターボチャージャ制御手段
２８は，回転域判別手段２５から高速回転域信号が入力
された時にも，小型ターボチャージャ１の発電・電動機
１７をジェネレータとして作動させるよう制御する。ま
た，ターボチャージャ制御手段２８は，回転域判別手段
２５から低速回転域信号が入力された時に，小型ターボ
チャージャ１の発電・電動機１７を電動機として運転さ
せる。また，ターボチャージャ制御手段２８は，回転域
判別手段２５から中速回転域信号が入力された場合に，
発電・電動機１７を電動機として運転させ，途中でブー
スト圧比較手段２６から信号が入力された時に，小型タ
ーボチャージャ１の作動を停止するよう制御する。

【００２４】弁切換制御手段２９は，回転域判別手段２
５からの信号の種類に応じて，小型ターボチャージャ１
用のタービン入口弁即ちタービン入口弁５，タービン出
口弁８，コンプレッサ出口弁１１，及び大型ターボチャ
ージャ２用のタービン入口弁６，コンプレッサ出口弁１
５の開閉を切換制御する信号を切換スイッチ２３に発す
る。また，弁切換制御手段２９は，エンジンブレーキ判
別手段２７からエンジンブレーキ信号が入力された時，
小型ターボチャージャ１用のタービン入口弁５を開放
し，タービン出口弁８を開放し，コンプレッサ出口弁１
１を閉鎖とする制御を行なう。また，弁切換制御手段２
９は，ブースト圧比較手段２６から信号が入力された
時，タービン入口弁即ち切換弁５を閉鎖する制御を行な
う。

【００２５】次に，このターボチャージャ制御装置の作
動について説明する。図１〜図４は小型ターボチャージ
ャ１と大型ターボチャージャ２の作動状態を示す概略図
である。図１は低速回転域における作動状態を示してい
る。図２及び図３は中速回転域における作動状態であ
り，図２は小型ターボチャージャから大型ターボチャー
ジャへ切り換えた時の作動状態を示し，図３は切換後の
大型ターボチャージャのみの作動状態を示している。ま
た，図４は高速回転域における作動状態を示している。
図中において，矢印はエンジンから排出された排気ガス
の流れ及びエンジンへ過給される圧縮空気の流れを示し
ている。低速回転域で作動させるターボチャージャを大
型ターボチャージャ２ではなくて，小型ターボチャージ
ャ１とする理由は，図１３から理解できるであろう。図
１３は，ターボチャージャの作動開始からの経過時間に
対するブースト圧上昇割合を示したものである。小型タ
ーボチャージャ１の方が大型ターボチャージャ２よりも
ブースト圧の上昇が速いことがわかる。このように，小
型ターボチャージャ１は迅速にブースト圧を上昇させる
ことができるので，低速回転域での運転に好適である。

【００２６】図７Ａ，図７Ｂ及び図８に示すフローチャ
ートを参照して，このターボチャージャ制御装置の作動
を説明する。図１，図７Ａ及び図７Ｂを参照して，この
ターボチャージャ制御装置の低速回転域における制御に
ついて説明する。エンジンを始動すると，小型ターボチ
ャージャ１のタービン入口のタービン入口弁５，タービ
ン出口弁８，コンプレッサ出口弁１１及びコンプレッサ
出口弁１５がいずれも開放状態に，また，大型ターボチ
ャージャ２のタービン入口のタービン入口弁６が閉鎖状
態にリセットされる（ステップ１）。この状態では，図
１に矢印で示すように排気ガスが流れてタービン７が駆
動され，それに伴ってコンプレッサ１０も回転する。そ
の結果，コンプレッサ１０で圧縮された空気が矢印で示
すような経路を流れてエンジン３に過給される。次い
で，エンジン３の回転数がエンジン回転数センサー２２
によって検出され（ステップ２），検出されたエンジン
回転数Ｎは回転域判別手段２５に入力され，エンジン回
転数Ｎが予め設定した回転数Ｎ₀即ち低速回転域を超え
ているか否かの判別が行われる（ステップ３）。

【００２７】低速回転域の場合には，ブースト圧検出器
２１でブースト圧を検出する（ステップ４）。ブースト
圧比較手段２６は検出したブースト圧ＢＰが予め設定し
たブースト圧ＢＰ₀即ち設定値を超えているか否かの比
較を行ない（ステップ５），設定値を超えていない場合
には，小型ターボチャージャ１の発電・電動機１７を電
動機として運転させる（ステップ６）。この時，コンプ
レッサ１０には，排気ガスからの力に発電・電動機１７
の電動機の回転力が加わるので，コンプレッサ１０はよ
り一層高速に回転し，低速回転域において高いブースト
圧を得ることができる。このため，図１１の二点斜線ｅ
で示すトルクを得ることができる。一方，ブースト圧Ｂ
Ｐが設定値ＢＰ₀を超えた場合には，ＴＣＧの作動は停
止する（ステップ７）。従って，発電・電動機１７の電
動機運転が停止され，小型ターボチャージャ１だけが運
転されることになる。

【００２８】エンジン回転数Ｎが低速回転域の設定回転
数Ｎ₀を超えた場合には，中速回転域での制御が行われ
る。小型ターボチャージャ１のタービン出口弁８及びコ
ンプレッサ出口弁１１とが閉鎖し，大型ターボチャージ
ャ２のタービン入口弁６，三方弁であるコンプレッサ入
口弁１４及びコンプレッサ出口弁１５が開放する（ステ
ップ８）。このターボチャージャ制御装置は，小型ター
ボチャージャ１から大型ターボチャージャ２への作動に
切り換えられる。同時に，小型ターボチャージャ１の発
電・電動機１７を電動機として運転させる（ステップ
９）。この状態においては，排気ガスは図２に矢印で示
すような経路を流れる。即ち，排気ガスはタービン９に
直接供給されると同時に，発電・電動機１７が電動機運
転されることによって排気ガスがタービン７を経由でタ
ービン９へ強制的に供給される。また，コンプレッサ１
０から送り出された圧縮空気はコンプレッサ１３に供給
され，コンプレッサ１３で圧縮された空気と共にエンジ
ン３へ過給される。従って，小型ターボチャージャ１か
ら大型ターボチャージャ２に切り換えた時に，発電・電
動機１７が電動機運転することによって迅速にブースト
圧が高められ，ターボチャージャ切換え時のブースト圧
の降下を抑制することができる。

【００２９】次に，ブースト圧ＢＰの検出を行ない（ス
テップ１０），検出値ＢＰが設定値ＢＰ₀を超えたか否
かを比較判断する（ステップ１１）。検出したブースト
圧ＢＰが設定値ＢＰ₀よりも大きい場合には，小容量タ
ーボチャージャ１のタービン入口弁５を閉じ（ステップ
１２），発電・電動機１７の作動を停止させる（ステッ
プ１３）。この状態において，図３に示すように，大型
ターボチャージャ２だけが運転されることになる。エン
ジン３からの排気ガスは大型ターボチャージャ２のター
ビン９に供給され，タービン９及びコンプレッサ１３は
高速で回転する一方，コンプレッサ１３で圧縮された空
気はエンジン３に過給される。

【００３０】続いて，回転センサー２２でエンジン回転
数Ｎを検出し（ステップ１４），回転域判別手段２５が
予め設定した回転数Ｎ_Hの高速回転域に達したか否かを
判断する（ステップ１５）。高速回転域に達した場合に
は，小型ターボチャージャ１のタービン入口弁５及びタ
ービン出口弁８を共に開放し（ステップ１６），発電・
電動機１７が発電機として作動する（ステップ１７）。
即ち，大型ターボチャージャ２はそのまま運転し続ける
一方で，図４に矢印で示すように，小型ターボチャージ
ャ１のタービン７に排気ガスが供給されて，タービン７
は高速で回転し，発電・電動機１７が発電機として作動
する。従って，オーバブースト分を発電・電動機１７で
電力回生することができる。また，コンプレッサ１０で
圧縮された空気は，コンプレッサ１３の入口側へコンプ
レッサ入口弁１４を通じてコンプレッサ１３へ供給され
る。

【００３１】上記のように，低速回転域では，小型ター
ボチャージャ１が運転されると共に，発電・電動機１７
が電動機運転される。低速回転域から中速回転域に切り
換えた時には，大型ターボチャージャ２が運転されると
共に，小型ターボチャージャ１の発電・電動機１７が電
動機運転される。中速回転域ではブースト圧が安定する
と，大型ターボチャージャ２だけで運転する。高速回転
域に達すると，大型ターボチャージャ２が運転し続ける
と共に，小型ターボチャージャ１の発電・電動機１７が
発電機として作動される。

【００３２】もし，途中で減速した場合には，次のよう
に運転制御する。例えば，低速回転域から中速回転域へ
の切換時に減速した時について見てみる。まず，エンジ
ン回転数を検出し（ステップ１８），検出したエンジン
回転数が低速回転域を超えたか否かを判断し，エンジン
回転数が低速回転域になっていたら，処理はステップ１
に戻り，エンジン回転数が中速回転域のままであった
ら，処理はステップ９に戻る（ステップ１９）。また，
中速回転域から減速した時には，エンジン回転数が低速
回転域になっていた場合には処理はステップ１に戻る
（ステップ２０）。また，高速回転域から減速した時に
は，エンジン回転数Ｎを検出し（ステップ２１），検出
したエンジン回転数Ｎが中速回転域Ｎ₀〜Ｎ_Hか否かを
判断し，中速回転域になっていたら処理はステップ８に
戻り（ステップ２２），低速回転域０〜Ｎ₀になってい
たらＡに戻り，高速回転域Ｎ_H〜Ｎ_{M A X}のままであれ
ば，発電・電動機１７は発電機としての作動が続けられ
る（ステップ２３）。

【００３３】このターボチャージャ制御装置が上記の運
転制御を行なっている途中で，エンジンブレーキが作動
した場合には，図８のフローチャートに従って制御が行
われる。まず，エンジン３が始動すると，エンジンブレ
ーキ判別手段２７は常時，エンジンブレーキが作動して
いるか否かを判断する。回転センサー２２でエンジン回
転数を入力してアクセル踏込みセンサー２０がアイドリ
ング時以外でアクセルペダルの踏込み量が零であること
を検出した場合（ステップ２４），即ち，エンジンブレ
ーキが作動した場合には，弁切換制御手段２９によっ
て，タービン入口弁５及びタービン出口弁８が共に開放
状態となり，コンプレッサ出口弁１１が閉鎖になり（ス
テップ２５），ターボチャージャ作動制御手段２８の働
きで，発電・電動機１７が発電機として作動する（ステ
ップ２６）。そして，アイドリング時以外でアクセルペ
ダルの踏込み量が零の間（ステップ２７）は，発電・電
動機１７が発電機として作動し続ける。従って，エンジ
ンブレーキが作動している間は，常に発電・電動機１７
が発電機として作動して電力を回生する。

【００３４】スロットルバルブが開放したことが検出さ
れた場合（ステップ２７）には，エンジンブレーキが作
動していない状態であるから，図７のフローチャートに
従った運転制御に戻る。そこで，図７のフローチャート
のどこに戻るかの判断が行われる。まず，エンジン回転
数Ｎを検出し（ステップ２８），エンジン回転数Ｎが高
速回転域Ｎ_H〜Ｎ_{M A X}かどうかを判断する（ステップ
２９）。高速回転域Ｎ_H〜Ｎ_{M A X}の場合には，処理は
ステップ１７に戻る。高速回転域でない場合には，発電
・電動機１７の発電機運転は停止する（ステップ３
０）。続いて，エンジン回転数が低速回転域０〜Ｎ₀か
どうかを判断し，低速回転域０〜Ｎ₀の場合には処理は
ステップ１に戻る。更に，上記の回転域でない場合に
は，中速回転域Ｎ₀〜Ｎ_Hの場合であるので，処理はス
テップ８に戻る（ステップ３１）。

【００３５】このターボチャージャ制御装置は，上記の
ように，エンジンブレーキが作動した時には，エンジン
回転数がどのような回転域にあろうと，即座に，発電・
電動機１７は発電機として作動し，エネルギーの回収が
行なわれる。また，エンジンブレーキが非作動状態に戻
った時には，小型ターボチャージャ１と大型ターボチャ
ージャ２は，その時のエンジン回転数Ｎが属する回転域
即ち，低速回転域０〜Ｎ₀，中速回転域Ｎ₀〜Ｎ_H又は
高速回転域Ｎ_H〜Ｎ_{M A X}に適合した運転状態になるよ
うに制御される。

【００３６】或いは，このターボチャージャ制御装置の
別の実施例として，次のように作動することができる。
この実施例におけるターボチャージャ制御装置の制御を
図５及び図９を参照して説明する。図５は図１に示すタ
ーボチャージャ制御装置における低速回転域から中速回
転域ヘ変化する過度期であり，小型ターボチャージャか
ら大型ターボチャージャへの切換時の作動状態の別の実
施例を示す概略構造図，及び図９はこのターボチャージ
ャ制御装置における小容量ターボチャージャから大容量
ターボチャージャへの切り換え時における作動の別の実
施例を示すフローチャートである。ディーゼルエンジン
において，小容量ターボチャージャ１から大容量ターボ
チャージャ２への切り換え時のスモークの発生を防止す
るため，小容量ターボチャージャ１を逆回転させること
によって，図５において矢印で示すように，大容量ター
ボチャージャ２のタービン９の入口側へ空気を送り込
み，排気ガスを後燃焼させて大容量ターボチャージャ２
から放出される排気ガス中のスモーク，カーボン，煤，
ＨＣ等のパティキュレートの発生を抑制することができ
る。

【００３７】この制御を行う場合には，このターボチャ
ージャ制御装置は，次のようにコントローラ２４によっ
て制御すれば良い。即ち，エンジン回転数Ｎを回転セン
サー２２で検出すると共に，ブースト圧ＢＰをブースト
圧センサー２１で検出し，これらの検出値をコントロー
ラ２４に入力する（ステップ４０）。コントローラ２４
は，エンジン回転数Ｎが低速回転域０〜Ｎ₀から中速回
転域Ｎ₀〜Ｎ_Hへの変化時である場合には，その検出信
号に応答して小容量ターボチャージャ１から大容量ター
ボチャージャ２への切換え時（ステップ４１）になるの
で，大容量ターボチャージャ２の回転数又はブースト圧
ＢＰが予め設定した所定値ＢＰ₀に達するまで，大容量
ターボチャージャ２を作動を開始すると共に，小容量タ
ーボチャージャ１のコンプレッサ１０の入口側の通路を
閉鎖するためコンプレッサ出口弁１１を閉鎖し，タービ
ン７の入口側通路を開放するためタービン入口弁５及び
タービン出口弁８を開放し，この状態で小容量ターボチ
ャージャ１の発電・電動機１７を電動機運転して小容量
ターボチャージャ１を逆回転させ（ステップ４２），小
容量ターボチャージャ１のタービン７から空気を逆流さ
せ，大容量ターボチャージャ２のタービン９の入口通路
側へガスを送り込む制御を行う。この時，タービン入口
弁５は逆止弁に構成しておけば，たとえ発電・電動機１
７へ供給する電力が少なくてタービン７からタービン９
への空気の送り込み力が小さくなったとしても，タービ
ン７側への排気ガスの逆流を防止することができる。

【００３８】それによって，このターボチャージャ制御
装置をディーゼルエンジンに適用すれば，大容量ターボ
チャージャ２のタービン９へ送り込まれる排気ガスに新
気が導入され，排気ガス中のスモーク，カーボン，煤，
ＨＣ等のパティキュレートを再燃焼させることができ
る。この場合に，コンプレッサ１０の出口通路が閉鎖さ
れているので，吸気が小容量ターボチャージャ１のコン
プレッサ１０を通じて逆流することがない。そこで，小
容量ターボチャージャ１から大容量ターボチャージャ２
への切換え過渡期を過ぎて，大容量ターボチャージャ２
の回転数又はブースト圧ＢＰが予め設定した所定値ＢＰ
₀に達すると（ステップ４３），スモーク等の発生は少
なくなるので，直ちに，小容量ターボチャージャ２の発
電・電動機１７の電動機運転を停止し，小容量ターボチ
ャージャ１のタービン７の入口側通路即ちタービン入口
弁５を閉鎖し（ステップ４４），大容量ターボチャージ
ャ２の作動のみに移行すれば，スモーク等の発生防止の
ためのエネルギー消費は最小限に止めることができる。

【００３９】

【発明の効果】このターボチャージャ制御装置は，上記
のように構成されているので，小型ターボチャージャに
設けた発電・電動機自体を小型化することができ，コス
トダウンを図ることができ，低速回転域で小型ターボチ
ャージャを作動させると共に，発電・電動機を電動機運
転するように構成でき，低速回転域におけるブースト圧
を十分高めることができる。従って，車両の発進時に，
発電・電動機を短時間，例えば，１秒間電動機運転させ
ると，ブースト圧が上昇し，所定のブーストを確保でき
るようになる。また，小型ターボチャージャから大型タ
ーボチャージャに運転を切り換える時に，発電・電動機
を電動機運転するので，電動機運転によって大型ターボ
チャージャへガスが送り込まれる。これに伴って，大容
量ターボチャージャのコンプレッサはより一層速く回転
することになるので，切換時におけるブースト圧の降下
が抑制され，スモークの発生を低減することができる。

【００４０】また，高速回転域及びエンジンブレーキ時
に，小型ターボチャージャの発電・電動機を発電機とし
て作動させるように構成したので，オーバブースト分や
エンジンブレーキの制動力を電力回生することができ
る。従って，エンジンからの排気ガスが持つ熱エネルギ
ーを無駄にすることなく，電気エネルギーとして回収
し，回収した電気を次の発進のため，或いは補機で消費
させることができる。

【００４１】特に，このターボチャージャ制御装置は，
前記小容量ターボチャージャから前記大容量ターボチャ
ージャへの切換え時に，前記大容量ターボチャージャの
回転数又はブースト圧が予め設定した所定値に達するま
で，前記大容量ターボチャージャを作動し，前記小容量
ターボチャージャのコンプレッサ側通路を閉鎖し且つタ
ービン入口側通路を開放し，前記小容量ターボチャージ
ャの前記発電・電動機を電動機運転して逆回転させ，前
記小容量ターボチャージャのタービンから前記大容量タ
ーボチャージャのタービン入口側へガスを送り込む制御
を行うと，前記大容量ターボチャージャから排気される
排気ガスにはスモーク，カーボン，煤，ＨＣ等のパティ
キュレートが後燃焼されてスモーク等の発生が抑制され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるターボチャージャ制御装置の一
実施例を示す概略構造図であって，低速回転域における
作動状態を示している。

【図２】図１に示すターボチャージャ制御装置における
低速回転域から中速回転域ヘ変化する過度期であり，小
型ターボチャージャから大型ターボチャージャへの切換
時の作動状態の一実施例を示す概略構造図である。

【図３】図１に示すターボチャージャ制御装置の中速回
転域における作動状態を示す概略構造図であって，切換
後の作動状態を示している。

【図４】図１に示すターボチャージャ制御装置の高速回
転域における作動状態を示す概略構造図である。

【図５】図１に示すターボチャージャ制御装置における
低速回転域から中速回転域ヘ変化する過度期であり，小
型ターボチャージャから大型ターボチャージャへの切換
時の作動状態の別の実施例を示す概略構造図である。

【図６】このターボチャージャ制御装置における小型タ
ーボチャージャ及び大型ターボチャージャの運転切換制
御及び発電・電動機の切換制御を行なうためのコントロ
ーラの構成，並びに該コントローラと各種検出器及び各
種弁との相互関係を示すブロック図である。

【図７Ａ】このターボチャージャ制御装置における小型
ターボチャージャ及び大型ターボチャージャの運転制御
の一部分を示すフローチャートである。

【図７Ｂ】このターボチャージャ制御装置における小型
ターボチャージャ及び大型ターボチャージャの運転制御
の残りの部分を示すフローチャートである。

【図８】このターボチャージャ制御装置におけるエンジ
ンブレーキが作動した場合の制御を示すフローチャート
である。

【図９】このターボチャージャ制御装置における小容量
ターボチャージャから大容量ターボチャージャへの切り
換え時における作動の別の実施例を示すフローチャート
である。

【図１０】空気流量に対するコンプレッサの圧力比（ブ
ースト圧）を示すグラフである。

【図１１】エンジン回転数に対するトルク（ＢＭＥＰ）
を示すグラフである。

【図１２】空気流量に対する圧力比を示すグラフであ
る。

【図１３】ターボチャージャの作動開始からの経過時間
に対するブースト圧上昇割合を示したグラフである。

【図１４】排気ガスの流量に対する発電能力を示したグ
ラフである。

【図１５】従来のターボチャージャを示す概略断面図で
ある。

【図１６】従来のターボチャージャ装置を示す概略構造
図である。

【図１７】従来の発電・電動機付きターボチャージャを
示す概略断面図である。

【符号の説明】

１小型ターボチャージャ２大型ターボチャージャ５，６切換弁７，９タービン８タービン出口弁１０，１３コンプレッサ１１，１５コンプレッサ出口弁１７発電・電動機２０アクセル踏込みセンサー（エンジンブレーキセン
サー）２１ブースト圧センサー２２回転センサー

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02B 37/007 F02B 37/00 302 F02B 37/013 F02B 37/10 F02B 37/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】タービン，コンプレッサ及び発電・電動
機を備えた小容量ターボチャージャ，タービン及びコン
プレッサを備えた大容量ターボチャージャ，エンジン回
転数を検出する回転センサー，並びに該回転センサーで
検出されたエンジン回転数が予め設定した回転数以下の
低速域に応答して前記小容量ターボチャージャを運転し
且つ前記低速域を超えた回転数に応答して前記大容量タ
ーボチャージャを運転するように制御し且つエンジン回
転数に応じて前記発電・電動機を電動機運転又は発電機
運転の作動状態を切換制御するコントローラを有し，前記コントローラは，エンジン回転数が前記低速域から
中速域への変化に応答して前記小容量ターボチャージャ
から前記大容量ターボチャージャへの切り換え時に，前
記大容量ターボチャージャの回転数又はブースト圧が予
め設定した所定値に達するまで，前記小容量ターボチャ
ージャの前記発電・電動機を電動機として運転し，前記
小容量ターボチャージャから前記大容量ターボチャージ
ャへガスを送り込む制御を行うことから成るターボチャ
ージャ制御装置。
【請求項２】タービン，コンプレッサ及び発電・電動
機を備えた小容量ターボチャージャ，タービン及びコン
プレッサを備えた大容量ターボチャージャ，エンジン回
転数を検出する回転センサー，並びに該回転センサーで
検出されたエンジン回転数が予め設定した回転数以下の
低速域に応答して前記小容量ターボチャージャを運転し
且つ前記低速域を超えた回転数に応答して前記大容量タ
ーボチャージャを運転するように制御し且つエンジン回
転数に応じて前記発電・電動機を電動機運転又は発電機
運転の作動状態を切換制御するコントローラを有し，前記コントローラは，エンジン回転数が低速域から中速
域への変化に応答して前記小容量ターボチャージャから
前記大容量ターボチャージャへの切り換え時に，前記大
容量ターボチャージャの回転数又はブースト圧が予め設
定した所定値に達するまで，前記大容量ターボチャージ
ャを作動し，前記小容量ターボチャージャのコンプレッ
サ側通路を閉鎖し且つタービン入口側通路を開放し，前
記小容量ターボチャージャの前記発電・電動機を電動機
運転して逆回転させ，前記小容量ターボチャージャのタ
ービンから前記大容量ターボチャージャのタービン入口
側へガスを送り込む制御を行うことから成るターボチャ
ージャ制御装置。