JP4254606B2

JP4254606B2 - 内燃機関用多段過給システム

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Publication number: JP4254606B2
Application number: JP2004133812A
Authority: JP
Inventors: 清藤原; 久大木; 崇志松本; 秀板橋; 雄介伯耆
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2024-04-28
Also published as: JP2005315163A

Description

本発明は、内燃機関用多段過給システムに関する。

従来から、互いに最大容量の異なる高圧ターボチャージャーと低圧ターボチャージャーとを直列に配置した内燃機関用多段過給システムが知られている。この種のシステムにおいて高圧ターボチャージャーと低圧ターボチャージャーとを適宜に使い分けるため、高圧ターボチャージャーのタービンをバイパスするバイパス通路を設けるとともに、バイパス通路への排気ガスの流量を調整する排気バイパスバルブを設けたものが提案されている。例えば、特許文献１には、この排気バイパスバルブの開度を内燃機関の最大トルク点までは略全閉とし、最大トルク点から最高出力点までの間では徐々に開度を広げ、最高出力点では略全開状態に制御するシステムが開示されている。また、従来から、可動ベーンの開度を調整可能な容量可変式のターボチャージャーが知られている。その他本発明に関連する先行技術文献として、特許文献２及び３が存在する。

特開２００１−１４０６５３号公報特開平４−１３６４２４号公報特開２００１−３２９８４９号公報

このような多段過給システムに可動ベーンを備えた容量可変式のターボチャージャーを組合わせた場合には、高圧ターボチャージャーと低圧ターボチャージャーとを排気バイパスバルブの開度制御により使い分けるだけでなく、それぞれの可動ベーンの開度を適切に制御することにより過給圧の制御の自由度が向上する。しかしながら、上記文献には、可動ベーンを備えた可変容量式のターボチャージャーを多段に接続し、これらの可動ベーンの開度と排気バイパスバルブの開度とを適切に制御する具体的な制御方法については開示されていない。

そこで、本発明は可動ベーンを備えた可変容量式のターボチャージャーを多段に接続した内燃機関用多段過給システムにおいて、各可動ベーンの開度と排気バイパスバルブの開度とを適切に制御することが可能な内燃機関用多段過給システムを提供することを目的とする。

本発明の第１の内燃機関用多段過給システムは、可動ベーンを備え互いに最大容量が異なる可変容量式の高圧ターボチャージャーと低圧ターボチャージャーとを具備し、内燃機関の排気通路に前記高圧ターボチャージャーのタービンと該タービンの下流側に前記低圧ターボチャージャーのタービンとが配置され、前記内燃機関の吸気通路に前記低圧ターボチャージャーのコンプレッサと該コンプレッサの下流側に前記高圧ターボチャージャーのコンプレッサとが配置された内燃機関用多段過給システムにおいて、前記排気通路に設けられ、前記高圧ターボチャージャーの前記タービン及び前記低圧ターボチャージャーの前記タービンの少なくとも一つを迂回するバイパス通路と、前記バイパス通路に流れる排気ガスの流量を調整する排気バイパスバルブと、目標となる過給圧が得られるように、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、及び前記排気バイパスバルブの開度をそれぞれ制御する過給圧制御手段と、を具備し、前記過給圧制御手段は、内燃機関の運転状態が予め設定された定常状態からずれた過渡状態にある場合には、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、及び前記排気バイパスバルブの開度の優先順序に従ってこれらを制御することにより上述した課題を解決する（請求項１）。

排気バイパスバルブの開度を調整すると、高圧ターボチャージャーと低圧ターボチャージャーの役割分担、即ち、高圧ターボチャージャーの仕事量と低圧ターボチャージャーの仕事量の割合が変化する。また、排気バイパスバルブの開度を調整すると、内燃機関の排気通路内の圧力（背圧）が急変するため、排気還流還流率（ＥＧＲ率）の制御が不安定になる。従って、予め定められた定常状態からずれた過渡状態にある場合には、排気バイパスバルブの開度の制御よりも、各ターボチャージャーの可動ベーンの開度の制御を優先すべきである。そして、各可動ベーンの開度を制御する際には、高圧ターボチャージャーの制御の応答性は低圧ターボチャージャーの制御の応答性よりも良好なため、高圧ターボチャージャーの可動ベーンの開度の制御を低圧ターボチャージャーの可動ベーンの開度の制御に優先することにより、より速く目標値に追従させることができる。よって、高圧ターボチャージャーの可動ベーンの開度、低圧ターボチャージャーの可動ベーンの開度、及び排気バイパスバルブの開度の優先順序に従ってこれらを制御することにより適切な過給圧の制御を実現できる。なお、本発明は、上記制御対象における制御の優先順序を定めたものであって、これらの制御対象以外に他の制御対象が存在することを妨げるものではない。

本発明の第２の内燃機関用多段過給システムは、可動ベーンを備え互いに最大容量が異なる可変容量式の高圧ターボチャージャーと低圧ターボチャージャーとを具備し、内燃機関の排気通路に前記高圧ターボチャージャーのタービンと該タービンの下流側に前記低圧ターボチャージャーのタービンとが配置され、前記内燃機関の吸気通路に前記低圧ターボチャージャーのコンプレッサと該コンプレッサの下流側に前記高圧ターボチャージャーのコンプレッサとが配置された内燃機関用多段過給システムにおいて、前記排気通路に設けられ、前記高圧ターボチャージャーの前記タービン及び前記低圧ターボチャージャーの前記タービンの少なくとも一つを迂回するバイパス通路と、前記バイパス通路に流れる排気ガスの流量を調整する排気バイパスバルブと、目標となる過給圧が得られるように、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度を制御すべき領域として前記内燃機関の低負荷側に設定された第１の制御領域、前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度を制御すべき領域として前記内燃機関の高負荷側に設定された第２の制御領域、及び前記排気バイパスバルブの開度を制御すべき領域として前記第１の制御領域と前記第２の制御領域の間に設定された第３の制御領域に基づいて前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、及び前記排気バイパスバルブの開度をそれぞれ制御する過給圧制御手段と、を具備し、前記過給圧制御手段は、前記内燃機関の加速時であってその運転状態が予め設定された定常状態からずれた過渡状態にある場合には、前記第１の制御領域が前記定常状態の場合よりも高負荷側に拡大するように変更された前記各制御領域に基づいて、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、及び前記排気バイパスバルブの開度をそれぞれ制御することにより上述した課題を解決する（請求項２）。

この発明によれば、予め設定された定常状態においては、高圧ターボチャージャーをこの性能限界よりも余裕をもって使用し、この性能限界に至る前に排気バイパスバルブを開き始めるように制御される。一方、内燃機関の加速時であって定常時からずれた過渡時には、第１の制御領域が高回転、高負荷側に拡大され、第３の制御領域が狭く変更されているため、高圧ターボチャージャーを性能限界付近まで使用し、排気バイパスバルブをなるべく開かないように制御される。これにより、定常状態においては、システム全体のエネルギーの効率性を考慮した制御が実行され、定常状態からずれた過渡状態においては、高圧ターボチャージャーの性能限界付近まで使用して加速性能を優先して制御される。このため、加速過度時の加速レスポンスが向上する。この場合において、前記過給圧制御手段は、前記内燃機関の加速時であってその運転状態が予め設定された定常状態からずれた過渡状態にある場合には、前記第２の制御領域が前記定常状態の場合よりも低負荷側に拡大するように変更された前記各制御領域に基づいて、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、及び前記排気バイパスバルブの開度をそれぞれ制御してもよい（請求項３）。

本発明の第１又は第２の内燃機関用多段過給システムにおいて、前記内燃機関はディーゼル機関であって、該内燃機関は、低回転、低負荷側の領域では予混合圧縮着火燃焼を行い、高回転、高負荷側の領域では通常燃焼を行うように燃焼態様を切り替える燃焼切替制御手段を備え、
前記燃焼切替制御手段は、前記第３の制御領域内に設定された燃焼切替領域に基づいて、前記燃焼態様を切り替えてもよい（請求項４）。この場合は、主として高圧ターボチャージャーにより予混合圧縮着火燃焼のための過給を行うことができる。

本発明の第１又は第２の内燃機関用多段過給システムにおいて、前記内燃機関の気筒内圧力の異常又は過給圧のオーバーシュートを検出する異常検出手段と、前記異常検出手段の検出結果に応じて前記排気バイパスバルブの開度を開き側に制御するフェールセーフ手段と、を更に具備してもよい（請求項５）。この態様によれば、気筒内圧力の異常又は過給圧のオーバーシュートに起因するシステムの故障を回避することができる。

本発明の第１又は第２の内燃機関用多段過給システムにおいて、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの固着を判定する可動ベーン固着判定手段と、前記可動ベーン固着判定手段により前記可動ベーンの閉じ側での固着が判定された場合には、前記排気バイパスバルブの開度を開き側に制御するフェールセーフ手段と、を更に具備してもよい（請求項６）。この場合は、可動ベーンの固着に起因するシステムの故障を回避することができる。

本発明の第１又は第２の内燃機関用多段過給システムにおいて、前記排気バイパスバルブの固着を判定する排気バイパスバルブ固着判定手段と、前記排気バイパスバルブ固着判定手段により前記排気バイパスバルブの閉じ側での固着が判定された場合には、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度を開き側に制御するフェールセーフ手段と、を更に具備してもよい（請求項７）。排気バイパスバルブの固着に起因するシステムの故障を回避することができる。

本発明によれば、高圧ターボチャージャーの可動ベーンの開度、低圧ターボチャージャーの可動ベーンの開度、及び排気バイパスバルブの開度の優先順序に従ってこれらが制御され、また、高圧ターボチャージャーの可動ベーンの開度を制御すべき第１の制御領域が定常状態の場合よりも高負荷側に拡大するように変更されて各制御対象が制御されるので、各可動ベーンの開度と排気バイパスバルブの開度とを適切に制御することが可能な内燃機関用多段過給システムを提供することができる。

（第１実施形態）
図１は本発明の多段過給システムを内燃機関としてのディーゼルエンジン（以下エンジンという）１に適用した一実施形態を示した全体構成図である。エンジン１は予混合圧縮着火燃焼と通常燃焼とを切り替えることが可能なものである。予混合圧縮着火燃焼は、燃料噴射を吸気行程から圧縮行程の中期に行うように進角させて気筒内に予め均一な混合気を生成し、この混合気を圧縮行程の終期に着火させる燃焼態様である。これは、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び煤の発生を抑えることができる点で通常燃焼よりも優れている。但し、エンジン１が高負荷になると圧縮上死点前に着火するいわゆる過早着火が生じ易くなるため、予混合圧縮着火燃焼の実行可能領域は低負荷側の領域に限定され、それ以外の領域では通常燃焼へ切り替えられる。本実施形態のエンジン１は予混合圧縮着火燃焼の実行可能領域を広げるため、排気ガスの還流量を通常燃焼時よりも大幅に増量して排気還流率を高めるとともに、本発明の多段過給システムを適用して過給圧を高めている。

エンジン１は排気マニホールド２及び吸気マニホールド３をそれぞれ備え、排気マニホールド２には排気通路４が、吸気マニホールド３には吸気通路５がそれぞれ接続されている。排気通路４には、高圧ターボチャージャー（以下高圧ＴＣと略称する）６のタービン６ａが設けられ、このタービン６ａの下流側に低圧ターボチャージャー（以下低圧ＴＣと略称する）７のタービン７ａが設けられている。吸気通路５には、低圧ＴＣ７のコンプレッサ７ｂが設けられ、このコンプレッサ７ｂの下流側に高圧ＴＣ６のコンプレッサ６ｂが設けられている。高圧ＴＣ６のタービン６ａ及びコンプレッサ６ｂは互いに回転軸６ｃを介して連結され、低圧ＴＣ７のタービン７ａ及びコンプレッサ７ｂは互いに回転軸７ｃを介して連結されている。

高圧ＴＣ６及び低圧ＴＣ７はそれぞれ可変容量式のターボチャージャーであり、高圧ＴＣ６の最大容量は低圧ＴＣ７の最大容量よりも小さい。高圧ＴＣ６のタービン６ａの入口部には複数の可動ベーン６ｄ・・・６ｄが配置され、これにより可変ノズルＶＮが構成される。可動ベーン６ｄの傾きを変更することにより可変ノズルＶＮの開口面積（可動ベーンの開度）を変化させることができる。低圧ＴＣ７も高圧ＴＣ６と同様に可動ベーン７ｄを備え、高圧ＴＣ６と同様の機能を有する。周知のように、可動ベーン６ｄ，７ｄの開度を閉じ側とする（絞る）ことにより、過給圧を上げることができ、反対に可動ベーン６ｄ，７ｄの開度を開き側にすることにより、エンジン１の背圧を下げることができる。以下、可動ベーン６ｄ，７ｄの開度を最も閉じ側とした場合を全閉状態といい、可動ベーン６ｄ，７ｄの開度を最も開き側とした場合を全開状態という。可動ベーン６ｄ，７ｄを動作させるための機構は周知のものと同様でよいので詳細は省略する。

排気通路４には、高圧ＴＣ６のタービン６ａをバイパスするためのバイパス通路８が設けられるとともに、排気マニホールド２と高圧ＴＣ６のタービン６ａとの間には、バイパス通路８へ流入する排気ガスの流量を調整するための排気バイパスバルブ９が設けられている。排気バイパスバルブ９は、排気ガスの全量を高圧ＴＣ６のタービン６ａに導いてバイパス通路８への排気の流入を遮断する全閉状態から高圧ＴＣ６のタービン６ａをバイパスする全開状態までその開度を連続的に調整することが可能である。この調整機構は周知のものでよく、例えばソレノイドコイルの磁力を利用してバルブ開度を変化させる調整機構を採用することができる。また、排気バイパスバルブ９の開度を、全閉状態及び全開状態のいずれか一方に選択的に切り替えるようにしてもよい。排気バイパスバルブ９の開度を開き側にすることにより、上述した可動ベーン６ｄ，７ｄの開度調整する場合よりもエンジン１の背圧を速やかに下げることができる。

吸気通路５には、低圧ＴＣ７のコンプレッサ７ｂにて圧縮された空気を冷却する第１インタークーラ１０が低圧ＴＣ７のコンプレッサ７ｂと高圧ＴＣ６のコンプレッサ６ｂとの間に設けられ、低圧ＴＣ７のコンプレッサ７ｂと高圧ＴＣ６のコンプレッサ６ａとにより圧縮された空気を冷却する第２インタークーラ１１が高圧ＴＣ６のコンプレッサ６ｂと吸気マニホールド３との間に設けられている。これらのインタークーラ１０，１１は過給効率を高めるために設けたものであるが、必ずしも両者を設ける必要はなく、いずれか一方を設けてもよいし、両方とも設けなくてもよい。

以上の可動ベーン６ｄ，７ｄの開度及び排気バイパスバルブ９の開度の制御は、マイクロプロセッサ、ＲＡＭ、及びＲＯＭ等で構成されるエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１２により行われる。ＥＣＵ１２は主に燃料の噴射時期及び燃料噴射量等を制御してエンジン１を適切に運転する制御手段として機能するが、本実施形態ではこの他に、目標となる過給圧が得られるように、可動ベーン６ｄ，７ｄの開度及び排気バイパスバルブ９の開度を制御する過給圧制御手段としても機能する。図１に示したように、ＥＣＵ１２には、過給圧を検出する吸気マニホールド２に設けられた過給圧センサ１３、エンジン１の回転数（回転速度）を検出する回転数センサ１４、アクセルの位置情報を検出するアクセル開度センサ１５、エンジン１の気筒内の圧力を検出する筒内圧センサ１６、エンジン１のクランク角度を検出するクランクポジションセンサ１７等の各種センサが接続され、これらセンサの信号が入力される。

ＥＣＵ１２は、可動ベーン６ｄ，７ｄの基本開度をエンジン１の運転状態、例えばエンジン回転数Ｎｅと燃焼噴射量Ｑとに関連付けて実験的に定めた基本開度マップに従って決定する。排気バイパスバルブ９についても、排気バイパスバルブ９の基本開度をエンジン１の運転状態に応じて定められた基本開度マップに従って決定する。そして、目標となる過給圧（目標過給圧）が得られるように、各制御対象をフィードバック制御する。各制御対象のフィードバック制御の可否は、図２に示した制御領域マップを参照して判断する。この図に示したように、エンジン回転数Ｎｅが小さく、燃料噴射量Ｑが少ない低回転、低負荷側の領域には、高圧ＴＣ６の可動ベーン６ｄの開度をフィードバック制御する第１の制御領域ＡＲ１が設定されている。一方、エンジン回転数Ｎｅが大きく、燃料噴射量Ｑが多い高回転、高負荷領域には、低圧ＴＣ７の可動ベーン７ｄの開度をフィードバック制御する第２の制御領域ＡＲ２が設定されている。そして、第１の制御領域ＡＲ１と第２の制御領域ＡＲ２との間には、これらの領域ＡＲ１，ＡＲ２に挟まれた状態で排気バイパスバルブ９の開度をフィードバック制御する第３の制御領域ＡＲ３が設定されている。予混合圧縮着火燃焼の実行領域（ＨＣＣＩ領域）と通常燃焼の実行領域との境界Ｌ１は第３の制御領域ＡＲ３内に設定されている。従って、予混合圧縮着火燃焼を効果的に実行するための過給圧の制御は主に高圧ＴＣ６の可動ベーン６ｄの開度制御により行われる。

高圧ＴＣ６の可動ベーン６ｄ、低圧ＴＣ７の可動ベーン７ｄ、及び排気バイパスバルブ９の各基本開度は適宜に定めればよいが、本実施形態の各基本開度は図３に示したように設定されている。この図から明らかなように、（１）高圧ＴＣ６の可動ベーン６ｄの基本開度として、第１の制御領域ＡＲ１から第３の制御領域ＡＲ３の途中に全閉〜全開、及び第２の制御領域ＡＲ２に全開が設定され、（２）排気バイパスバルブ９の基本開度として、第１の制御領域ＡＲ１に全閉、第３の制御領域ＡＲ３内に全閉〜全開、及び第２の制御領域ＡＲ２に全開が設定され、（３）低圧ＴＣ７の可動ベーン７ｄの基本開度として、第１の制御領域ＡＲ１で全閉、第３の制御領域ＡＲ３の途中から第２の制御領域ＡＲ２に全閉〜全開が設定されている。

ＥＣＵ１２は、エンジン１の運転状態に応じた目標過給圧を特定し、その目標過給圧と現在の過給圧の値との偏差を相殺して目標過給圧となるように各制御対象のフィードバック量を演算し、各制御対象を制御する。目標過給圧は、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑとを目標過給圧に対応づけたマップをＥＣＵ１２のＲＯＭに予め記憶させ、これを参照することにより特定される。なお、燃料噴射量Ｑはエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度により算出される。アクセル開度はアクセル開度センサ１５（図１）の出力情報に基づいて取得される。

図２に示したマップは、定常状態の場合に適合するものであり、この定常状態からずれた過渡時には、このマップに従わずに、高圧ＴＣ６の可動ベーン６ｄの開度、低圧ＴＣ７の可動ベーン７ｄの開度、及び排気バイパスバルブ９の開度の優先順序に従って制御することが好ましい。排気バイパスバルブ９の開度を調整すると、高圧ターボチャージャー６と低圧ターボチャージャー７の役割分担、即ち、高圧ターボチャージャー６の仕事量と低圧ターボチャージャー７の仕事量の割合が変化する。また、排気バイパスバルブ９の開度を調整すると、エンジン１の排気通路４内の圧力（背圧）が急変するため、ＥＧＲ率の制御が不安定になる。従って、予め定められた定常状態からずれた過渡状態にある場合には、排気バイパスバルブ９の開度の制御よりも、各ターボチャージャー６，７の可動ベーン６ｄ，７ｄの開度の制御を優先すべきである。そして、各可動ベーン６ｄ，７ｄの開度を制御する際には、高圧ターボチャージャー６の制御の応答性は低圧ターボチャージャー７の制御の応答性よりも良好なため、高圧ターボチャージャー６の可動ベーン６ｄの開度の制御を低圧ターボチャージャー７の可動ベーン７ｄの開度の制御に優先することにより、より速く目標値に追従させることができる。

また、エンジン１が加速状態にあり、予め設定された定常状態からずれた過渡状態にある場合には、上記第３の制御領域ＡＲ３を図４に示したように変更し、この制御領域マップに従って各制御対象を制御することが好ましい。図４では、図２の定常状態の場合と比較して、第１の制御領域ＡＲ１が高回転、高負荷側に拡大されるとともに、第２の制御領域ＡＲ２が低回転、低負荷側に拡大されている。言い換えると、第３の制御領域ＡＲ３が図２の場合よりも狭くなっている。このように各制御領域ＡＲ１〜ＡＲ３が変更されているので、加速過渡時には、高圧ターボチャージャーを性能限界付近まで使用して排気バイパスバルブをなるべく開かないように制御され、短時間に目標過給圧を得られる。

また、ＥＣＵ１２は、排気パイパスバルブ９の制御として、エンジン１の始動時に開度を全開状態として低圧ＴＣ７のタービン７ａの下流に設置された図示しない排気浄化触媒を暖機する。これによりエンジン１の始動時の排気エミッションを低減することができる。この場合、図５に示したように、低圧ＴＣ７のタービン７ａをバイパスするバイパス通路２０を設置してもよい。この構成によれば、排気浄化触媒の暖機効果をより一層促進することができる。

さらに、ＥＣＵ１２は、エンジン１の減速時に前述の排気浄化触媒の暖機状態を維持するため、以下のように排気バイパスバルブ９の開度制御を実行する。ＥＣＵ１２は、図６及び図７に示したように、まず減速判定処理を実行しエンジン１の減速を判定する（ステップＳ１）。この処理では、例えば、走行速度が１秒間で１０ｋｍ／ｈ低下した場合、又は所定の限界を超えてエンジン回転数が低下した場合等を減速条件として予め設定し、これが成立した場合にエンジン１の減速状態と判定すればよい。エンジン１が減速状態にある場合には、図６に示したように、排気浄化触媒の触媒温度に応じた排気バイパスバルブ９の開度制御を実行する（ステップＳ２）。また、排気バイパスバルブ９が全開及び全閉のいずれか一方に選択可能に切り替える形態の場合には、図８に示したように、触媒温度に閾値を設定して触媒温度判定処理を実行し（ステップＳ３）、これに応じて排気バイパスバルブ９を全開状態（ステップＳ４）又は全閉状態（ステップＳ５）のいずれかに制御してもよい。なお、図６〜図８に示した２００℃は使用する排気浄化触媒により適宜に設定される値であり、有効な触媒機能を発揮する温度範囲の下限値である。また、図６〜図８に示した触媒温度の代わりに排気浄化触媒に導かれる排気ガスの温度（入りガス温度）を判定値として採用してもよい。この温度は、排気通路４に温度センサを設けて直接測定してもよいし、燃料噴射量Ｑと吸気流量Ｇａに基づいて推定してもよい。以上のように、排気バイパスバルブ９の開度制御を実行することにより、排気浄化触媒の暖機状態を維持することができ、減速時に触媒が冷めて排気エミッションが悪化することを防止することができる。

（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態について説明する。この実施形態はＥＣＵ１２を各制御対象に異常が生じた場合にこれらの異常を回避するフェールセーフ手段として機能させるものである。エンジン１及びその付属装置の構成は図１と同じである。本実施形態の第１の態様は、気筒内の圧力（筒内圧）の異常を検出したときに排気バイパスバルブ９を開き側に制御するものである。ＥＣＵ１２は筒内圧センサ１６（図１）からの信号を監視し、筒内圧の最大値が所定の限界値を超えている場合に排気バイパスバルブ９を全開状態に制御する。可動ベーン６ｄ，７ｄの開度を開き側に制御しても筒内圧を下げることができるが、タービン６ａ，７ａの慣性により過給が継続するため速やかに筒内圧を下げることが困難である。この態様によれば、可動ベーン６ｄ，７ｄよりも応答性の良い排気バイパスバルブ９の開度を制御するため、速やかに筒内圧を下げて異常を回避することができる。

第２の態様は、排気バイパスバルブ９の開度を開き側に制御して予混合圧縮着火燃焼の実行中に生じる過早着火を回避するものである。筒内圧センサ１６及びクランクポジションセンサ１７（図１）からの信号を監視し、所定のクランク角度において筒内圧が限界以上になることを条件として過早着火の発生を予測する。これによりＥＣＵ１２を異常検出手段として機能させることができる。ＥＣＵ１２はそのような条件を満足した場合に排気バイパスバルブ９を全開状態に制御する。これにより、過早着火を回避することができるので、過早着火に伴う激しい燃焼騒音等を防止することができる。

第３の態様は、過給圧が想定以上になった場合に排気バイパスバルブ９を開き側に制御するものである。ＥＣＵ１２は、過給圧センサ１３からの信号を監視して、過給圧が予め設定した閾値を超えたことを条件として過給圧のオーバーシュートを予測する。これにより、ＥＣＵ１２を異常検出手段として機能させる。ＥＣＵ１２は上記条件が成立した場合に排気バイパスバルブ９を全開状態に制御する。これにより、可動ベーン６ｄ，７ｄの開度制御よりも速やかに過給圧を下げることができ、過給圧のオーバーシュートに起因する故障を回避することができる。

第４の態様は、高圧ＴＣ６の可動ベーン６ｄが閉じ側で固着した場合に排気バイパスバルブ９を開き側に制御するものである。可動ベーン６ｄの固着には閉じ側及び開き側での固着があるが、問題となるのは閉じ側、特に全閉状態での固着である。可動ベーン６ｄの固着は、正常時の過給圧特性を予め定めた過給圧基準マップと、実際の過給圧との誤差を考慮して判断することができる。これにより、ＥＣＵ１２は可動ベーン固着判定手段として機能する。例えば、可動ベーン６ｄの閉じ側状態での固着を判定するためには、その誤差が２０パーセント以上高めの誤差であり、かつ当該誤差が１ｍｉｎ以上継続した場合をその判断基準としてもよい。ＥＣＵ１２は可動ベーン６ｄの閉じ側での固着を判定した場合には排気バイパスバルブ９の開度を開き側、好ましくは全開状態に制御する。これにより、可動ベーン６ｄの固着に起因する故障を回避することができる。なお、低圧ＴＣ７の可動ベーン７ｄが固着については、高圧ＴＣ６の可動ベーン６ｄの開度制御で対応可能なので、これを想定する必要はない。

第５の態様は、排気バイパスバルブ９が閉じ側で固着した場合に高圧ＴＣ６の可動ベーン６ｄを開き側に制御するものである。排気バイパスバルブ９の固着には閉じ側及び開き側での固着があるが、問題となるのは閉じ側、特に全閉状態での固着である。排気バイパスバルブ９の固着は、例えば、排気バイパスバルブ９の駆動信号を出力して過給圧の変化を監視することにより判断することができる。排気バイパスバルブ９が全開状態で固着した場合には、閉じ側に制御する駆動信号を出力しても過給圧が上がらないことになり、一方、排気バイパスバルブ９が全閉状態で固着した場合には、開き側に制御する駆動信号を出力しても過給圧が下がらないことになるためである。これにより、ＥＣＵ１２を排気バイパスバルブ固着判定手段として機能させることができる。このような排気バイパスバルブ９の異常が検出された場合、特に閉じ側での固着を判定した場合には、ＥＣＵ１２は可動ベーン６ｄを開き側、好ましくは全開状態に制御する。これにより、排気バイパスバルブ９の異常に起因する故障を回避することができる。

以上本発明の多段過給システムについて上記各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、種々の形態にて実施してよい。本発明が適用される内燃機関はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジンでもよい。また、第２の実施形態で説明したフェールセーフ手段、異常検出手段、可動ベーン固着判定手段、及び排気バイパスバルブ固着判定手段のそれぞれの適用対象は、第１実施形態で説明した過給圧制御手段を備えたものに限定されない。即ち、可動ベーンを備えた可変容量式の高圧ターボチャージャーと低圧ターボチャージャーとを備えた内燃機関用多段過給システムであって、内燃機関の排気通路に設けられ、高圧ターボチャージャー及び低圧ターボチャージャーのそれぞれのタービンの少なくとも一つを迂回するバイパス通路と、バイパス通路に流れる排気ガスの流量を調整する排気バイパスバルブとを備えたシステムであれば、可動ベーン及び排気バイパスバルブに対する制御内容が第１実施形態のものと異なる他の形態のシステムにこれらの手段を適用してもよい。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関用過給システムの全体構成図。定常状態の制御領域マップの一例を示した図。各可動ベーン及び排気バイパスバルブのそれぞれの基本開度の一例を示した図。加速過渡時の制御領域マップの一例を示した図。バイパス通路の他の実施形態を示した図。減速時の排気バイパスバルブの開度制御を示したフローチャート。触媒温度に応じた排気バイパスバルブの開度を示した図。減速時の排気バイパスバルブの開度制御の他の例を示したフローチャート。

符号の説明

１ディーゼルエンジン（内燃機関）
６高圧ターボチャージャー
７低圧ターボチャージャー
６ａ，７ａタービン
６ｂ，７ｂコンプレッサ
６ｄ，７ｄ可動ベーン
８バイパス通路
９排気バイパスバルブ
１２ＥＣＵ（過給圧制御手段、フェールセーフ手段、異常検出手段、可動ベーン固着判定手段、排気バイパスバルブ固着判定手段）
ＡＲ１第１の制御領域
ＡＲ２第２の制御領域
ＡＲ３第３の制御領域

Claims

可動ベーンを備え互いに最大容量が異なる可変容量式の高圧ターボチャージャーと低圧ターボチャージャーとを具備し、内燃機関の排気通路に前記高圧ターボチャージャーのタービンと該タービンの下流側に前記低圧ターボチャージャーのタービンとが配置され、前記内燃機関の吸気通路に前記低圧ターボチャージャーのコンプレッサと該コンプレッサの下流側に前記高圧ターボチャージャーのコンプレッサとが配置された内燃機関用多段過給システムにおいて、
前記排気通路に設けられ、前記高圧ターボチャージャーの前記タービン及び前記低圧ターボチャージャーの前記タービンの少なくとも一つを迂回するバイパス通路と、
前記バイパス通路に流れる排気ガスの流量を調整する排気バイパスバルブと、
目標となる過給圧が得られるように、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、及び前記排気バイパスバルブの開度をそれぞれ制御する過給圧制御手段と、を具備し、
前記過給圧制御手段は、内燃機関の運転状態が予め設定された定常状態からずれた過渡状態にある場合には、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、及び前記排気バイパスバルブの開度の優先順序に従ってこれらを制御することを特徴とする内燃機関用多段過給システム。
可動ベーンを備え互いに最大容量が異なる可変容量式の高圧ターボチャージャーと低圧ターボチャージャーとを具備し、内燃機関の排気通路に前記高圧ターボチャージャーのタービンと該タービンの下流側に前記低圧ターボチャージャーのタービンとが配置され、前記内燃機関の吸気通路に前記低圧ターボチャージャーのコンプレッサと該コンプレッサの下流側に前記高圧ターボチャージャーのコンプレッサとが配置された内燃機関用多段過給システムにおいて、
前記排気通路に設けられ、前記高圧ターボチャージャーの前記タービン及び前記低圧ターボチャージャーの前記タービンの少なくとも一つを迂回するバイパス通路と、
前記バイパス通路に流れる排気ガスの流量を調整する排気バイパスバルブと、
目標となる過給圧が得られるように、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度を制御すべき領域として前記内燃機関の低回転、低負荷側に設定された第１の制御領域、前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度を制御すべき領域として前記内燃機関の高回転、高負荷側に設定された第２の制御領域、及び前記排気バイパスバルブの開度を制御すべき領域として前記第１の制御領域と前記第２の制御領域の間に設定された第３の制御領域に基づいて前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、及び前記排気バイパスバルブの開度をそれぞれ制御する過給圧制御手段と、を具備し、
前記過給圧制御手段は、前記内燃機関の加速時であってその運転状態が予め設定された定常状態からずれた過渡状態にある場合には、前記第１の制御領域が前記定常状態の場合よりも高回転、高負荷側に拡大するように変更された前記各制御領域に基づいて、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、及び前記排気バイパスバルブの開度をそれぞれ制御することを特徴とする内燃機関用多段過給システム。
前記過給圧制御手段は、前記内燃機関の加速時であってその運転状態が予め設定された定常状態からずれた過渡状態にある場合には、前記第２の制御領域が前記定常状態の場合よりも低回転、低負荷側に拡大するように変更された前記各制御領域に基づいて、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度、及び前記排気バイパスバルブの開度をそれぞれ制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用多段過給システム。
前記内燃機関はディーゼル機関であって、該内燃機関は、低回転、低負荷側の領域では予混合圧縮着火燃焼を行い、高回転、高負荷側の領域では通常燃焼を行うように燃焼態様を切り替える燃焼切替制御手段を備え、
前記燃焼切替制御手段は、前記第３の制御領域内に設定された燃焼切替領域に基づいて、前記燃焼態様を切り替えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関用多段過給システム。
前記内燃機関の気筒内圧力の異常又は過給圧のオーバーシュートを検出する異常検出手段と、
前記異常検出手段の検出結果に応じて前記排気バイパスバルブの開度を開き側に制御するフェールセーフ手段と、を更に具備することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関用多段過給システム。
前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの固着を判定する可動ベーン固着判定手段と、
前記可動ベーン固着判定手段により前記可動ベーンの閉じ側での固着が判定された場合には、前記排気バイパスバルブの開度を開き側に制御するフェールセーフ手段と、を更に具備することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関用多段過給システム。
前記排気バイパスバルブの固着を判定する排気バイパスバルブ固着判定手段と、
前記排気バイパスバルブ固着判定手段により前記排気バイパスバルブの閉じ側での固着が判定された場合には、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度を開き側に制御するフェールセーフ手段と、を更に具備することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関用多段過給システム。