JP4962403B2 - Multistage turbocharging system - Google Patents

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Description

本発明は、複数のターボ過給機を直列に接続した多段式ターボ過給システムに関する。   The present invention relates to a multistage turbocharger system in which a plurality of turbochargers are connected in series.

シングルターボ過給システムにおいて、排気マニホルドの圧力エネルギを回収し蓄圧タンクに蓄圧するとともに、ターボ過給機のタービン上流側に蓄圧ガスをエアアシストとして供給し、ターボ過給機の応答性を向上したものが知られている(特許文献1)。
特開2008−002276号公報
In the single turbocharger system, the pressure energy of the exhaust manifold is collected and accumulated in the accumulator tank, and the accumulated gas is supplied as air assist to the turbine upstream side of the turbocharger, improving the response of the turbocharger One is known (Patent Document 1).
JP 2008-002276 A

一方、複数のターボ過給機のタービンを直列多段に接続する多段式のターボ過給システムでは、各タービン入口圧は運転領域により様々な値を取るため、特許文献1のシングルターボ過給システムの構成を単純に適用すると、蓄圧タンクの圧力がアシストを行なおうとするターボ過給機のタービン入口圧に対して十分ではなく、適切なアシストを行なうことができないことがある。   On the other hand, in a multistage turbocharger system in which the turbines of a plurality of turbochargers are connected in series and multistage, each turbine inlet pressure takes various values depending on the operation region. If the configuration is simply applied, the pressure in the accumulator tank may not be sufficient for the turbine inlet pressure of the turbocharger to assist, and appropriate assist may not be performed.

本発明は、多段式ターボ過給システムにおいて、より適切で効果的なエアアシストを行なうことを目的としている。   An object of the present invention is to perform more appropriate and effective air assist in a multistage turbocharging system.

本発明の多段式ターボ過給システムは、高圧段ターボ過給機と、低圧段ターボ過給機と、高圧段ターボ過給機のタービン上流側から圧力エネルギを回収し蓄圧する蓄圧タンクと、蓄圧タンク内の蓄圧ガスを低圧段ターボ過給機のタービン入口側に供給する蓄圧ガス供給手段とを備えることを特徴としている。   A multi-stage turbocharger system according to the present invention includes a high-pressure turbocharger, a low-pressure turbocharger, a pressure accumulation tank that collects pressure energy from the upstream side of the turbine of the high-pressure turbocharger, and accumulates pressure. It is characterized by comprising a stored gas supply means for supplying the stored gas in the tank to the turbine inlet side of the low-pressure turbocharger.

蓄圧ガス供給手段は、更に高圧段ターボ過給機のタービン入口側に蓄圧ガスを供給可能であり、運転状態に対応して蓄圧ガスを、高圧段ターボ過給機および/または低圧段ターボ過給機のタービン入口側に供給し、過給増大要求時には、蓄圧ガスを高圧段ターボ過給機のタービン入口側へ優先して供給する。これにより、蓄圧ガスの圧力に対応してより適切なエアアシストを行なうことができる。   The accumulated gas supply means can further supply the accumulated gas to the turbine inlet side of the high-pressure turbocharger, and the accumulated gas is supplied to the high-pressure turbocharger and / or the low-pressure turbocharger according to the operating state. Is supplied to the turbine inlet side of the compressor, and when a supercharging increase request is made, the accumulated gas is preferentially supplied to the turbine inlet side of the high-pressure turbocharger. Thereby, more appropriate air assist can be performed corresponding to the pressure of the accumulated gas.

蓄圧ガス供給手段は、蓄圧タンク内の圧力と高圧段ターボ過給機のタービン入口圧の差圧が所定値よりも大きいときに高圧段ターボ過給機のタービン入口側に蓄圧ガスを供給し、差圧が所定値より小さいときには低圧段ターボ過給機のタービン入口側に蓄圧ガスを供給する。   The accumulated gas supply means supplies the accumulated gas to the turbine inlet side of the high-pressure turbocharger when the differential pressure between the pressure in the accumulator tank and the turbine inlet pressure of the high-pressure turbocharger is larger than a predetermined value, When the differential pressure is smaller than a predetermined value, the accumulated gas is supplied to the turbine inlet side of the low-pressure turbocharger.

高圧段ターボ過給機および低圧段ターボ過給機により過給を行っている状態において、高圧段ターボ過給機による過給を停止する際に、蓄圧ガス供給手段が低圧段ターボ過給機のタービン入口側に蓄圧ガスを供給する。これにより、トルク段差の発生を防止できる。特に、加速時など過給増大要求があるときには、より顕著な効果が得られる。   When the supercharging by the high-pressure turbocharger is stopped in the state where the supercharging is performed by the high-pressure turbocharger and the low-pressure turbocharger, the accumulated gas supply means is connected to the low-pressure turbocharger. Accumulated gas is supplied to the turbine inlet side. Thereby, generation | occurrence | production of a torque level | step difference can be prevented. In particular, when there is a request for increased supercharging such as during acceleration, a more remarkable effect can be obtained.

蓄圧は、高圧段ターボ過給機をバイパスする高圧段排気バイパス通路を介して高圧段ターボ過給機へ供給される排気の一部がバイパスされる運転領域において行われる。これにより、過給効率を低下させることなく蓄圧を行なうことができる。   The pressure accumulation is performed in an operation region where a part of the exhaust gas supplied to the high-pressure stage turbocharger is bypassed via the high-pressure stage exhaust bypass passage that bypasses the high-pressure stage turbocharger. Thereby, pressure accumulation can be performed without lowering the supercharging efficiency.

またより高い圧力での蓄圧を行なうには、上記運転領域において高圧段排気バイパス通路に設けられた高圧段排気切替弁を閉じて蓄圧が行われることが好ましい。   In order to perform accumulating at a higher pressure, it is preferable that accumulating is performed by closing the high pressure exhaust switching valve provided in the high pressure exhaust bypass passage in the operation region.

以上のように、本発明によれば、多段式ターボ過給システムにおいて、より適切で効果的なエアアシストを行なうことができる。   As described above, according to the present invention, more appropriate and effective air assist can be performed in a multistage turbocharger system.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1実施形態である多段式ターボ過給システムの一例である2段式ターボ過給システムの構成を示すブロック図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a two-stage turbocharger system that is an example of a multistage turbocharger system according to a first embodiment of the present invention.

ターボ過給システム10は、相対的に大容量の低圧段ターボ過給機11および相対的に小容量の高圧段ターボ過給機12を備える。エアクリーナ13から導かれた吸気通路14は、低圧段ターボ過給機11の低圧段コンプレッサ11Cを介して、高圧段ターボ過給機12の高圧段コンプレッサ12Cへと接続され、図示しないスロットルやインタークーラを介して内燃機関15の吸気マニホルド16へと接続される。また、排気通路17は、内燃機関14の排気マニホルド18から高圧段ターボ過給機12の高圧段タービン12Tを介して、低圧段ターボ過給機11の低圧段タービン11Tへと接続され、排気触媒(図示せず)等を介して外部へと連通される。   The turbocharger system 10 includes a relatively large-capacity low-pressure turbocharger 11 and a relatively small-capacity high-pressure turbocharger 12. The intake passage 14 guided from the air cleaner 13 is connected to the high-pressure compressor 12C of the high-pressure turbocharger 12 via the low-pressure compressor 11C of the low-pressure turbocharger 11, and is connected to a throttle and intercooler (not shown). To the intake manifold 16 of the internal combustion engine 15. Further, the exhaust passage 17 is connected from the exhaust manifold 18 of the internal combustion engine 14 to the low-pressure turbine 11T of the low-pressure turbocharger 11 via the high-pressure turbine 12T of the high-pressure turbocharger 12 and exhaust catalyst. It communicates with the outside via (not shown) or the like.

吸気通路14において、高圧段コンプレッサ12Cの入口側と出口側とは、吸気バイパス通路19によって連通され、吸気バイパス通路19には吸気切替弁20が設けられる。一方、排気通路17において、高圧段タービン12Tの入口側と出口側は、高圧段排気バイパス通路21により連通され、高圧段排気バイパス通路21には高圧段排気切替弁22が設けられる。また、低圧段タービン11Tの入口側の排気通路17は、低圧段タービン11Tの出口側の排気通路17へと低圧段排気バイパス通路23によって連通され、低圧段排気バイパス通路23には低圧段排気切替弁24が設けられる。   In the intake passage 14, the inlet side and the outlet side of the high-pressure compressor 12 </ b> C are communicated by an intake bypass passage 19, and an intake switching valve 20 is provided in the intake bypass passage 19. On the other hand, in the exhaust passage 17, the inlet side and the outlet side of the high-pressure stage turbine 12 </ b> T are communicated by a high-pressure stage exhaust bypass passage 21, and the high-pressure stage exhaust bypass passage 21 is provided with a high-pressure stage exhaust switching valve 22. The exhaust passage 17 on the inlet side of the low-pressure turbine 11T is connected to the exhaust passage 17 on the outlet side of the low-pressure turbine 11T by the low-pressure exhaust bypass passage 23. A valve 24 is provided.

更に、本実施形態では、排気通路17の高圧段タービン12Tの上流側と蓄圧タンク25とが蓄圧通路26により連通され、蓄圧通路26には第1バルブ27が設けられる。なお、図1では蓄圧通路26が排気通路17に接続されているが、蓄圧通路26を介することなく排気マニホルド18に直接接続される構成であってもよい。また、蓄圧タンク25は低圧段エアアシスト通路28を介して、排気通路17の低圧段タービン11Tの入口側に連通され、低圧段エアアシスト通路28には第2バルブ29が配置される。   Further, in the present embodiment, the upstream side of the high-pressure turbine 12 </ b> T of the exhaust passage 17 and the pressure accumulation tank 25 are communicated by the pressure accumulation passage 26, and the first valve 27 is provided in the pressure accumulation passage 26. In FIG. 1, the pressure accumulation passage 26 is connected to the exhaust passage 17. However, a configuration in which the pressure accumulation passage 26 is directly connected to the exhaust manifold 18 without the pressure accumulation passage 26 may be employed. Further, the pressure accumulation tank 25 is communicated with the inlet side of the low pressure stage turbine 11T of the exhaust passage 17 via the low pressure stage air assist passage 28, and the second valve 29 is disposed in the low pressure stage air assist passage 28.

なお、吸気切替弁20、高圧段排気切替弁22、低圧段排気切替弁24、第1バルブ27、第2バルブ29の開閉は、ECU30により制御される。また、本実施形態においては、吸気通路14の低圧段コンプレッサ11Cの上流側にエアロフローメータS1が、スロットル弁(図示せず)にスロットル開度センサS2が、吸気マニホルド16内にインマニ圧センサS3が、蓄圧タンク25内に圧力センサS4が設けられ、各々のセンサ信号はECU30に入力される。   Note that the ECU 30 controls the opening and closing of the intake air switching valve 20, the high pressure exhaust switching valve 22, the low pressure exhaust switching valve 24, the first valve 27, and the second valve 29. In the present embodiment, an aero flow meter S1 is provided upstream of the low-pressure compressor 11C in the intake passage 14, a throttle opening sensor S2 is provided in a throttle valve (not shown), and an intake manifold pressure sensor S3 is provided in the intake manifold 16. However, a pressure sensor S4 is provided in the pressure accumulation tank 25, and each sensor signal is input to the ECU 30.

次ぎに、図2のフローチャートを参照して、第1実施形態における蓄圧タンク25内の蓄圧ガスを利用したエアアシスト制御処理について説明する。なお図2に示されるエアアシスト制御処理は、ECU30において所定のタイミングで繰り返し実行される。なお、蓄圧通路26を介した蓄圧タンク25への蓄圧は、従来周知の方法で別途行われている。   Next, with reference to the flowchart of FIG. 2, the air assist control process using the pressure accumulation gas in the pressure accumulation tank 25 in the first embodiment will be described. Note that the air assist control process shown in FIG. 2 is repeatedly executed by the ECU 30 at a predetermined timing. The pressure accumulation in the pressure accumulation tank 25 via the pressure accumulation passage 26 is separately performed by a conventionally known method.

ステップS100では、例えばスロットル開度変化等に基づく急加速要求判定など、過給を増大させる要求が発生したか否かが判定される。過給増大要求がないと判定された場合には本処理は終了し、過給増大要求があると判定された場合には、ステップS102において、蓄圧タンク25内の圧力(タンク内圧力)P0と高圧段タービン12Tの入口圧力P1の差圧ΔP1(=P0−P1)が所定値よりも大きいか否かが判定される。   In step S100, it is determined whether or not a request for increasing supercharging, such as a rapid acceleration request determination based on, for example, a change in throttle opening, has occurred. If it is determined that there is no supercharging increase request, this process ends. If it is determined that there is a supercharging increase request, in step S102, the pressure in the pressure accumulation tank 25 (tank pressure) P0 is set. It is determined whether or not the differential pressure ΔP1 (= P0−P1) of the inlet pressure P1 of the high-pressure turbine 12T is greater than a predetermined value.

ΔP1>所定値のときには、タンク内圧力P0は、高圧段タービン12Tをアシストするのに十分な値を有するので、ステップS104において第1バルブ27が開かれるとともに第2バルブ29は閉じられる(あるいは閉じた状態に維持される)。これにより、蓄圧ガスが蓄圧通路26を介して高圧段タービン12Tの入口側に供給されて高圧段タービン12Tのアシストが行なわれ、このエアアシスト制御処理は終了する。   When ΔP1> predetermined value, the tank internal pressure P0 has a value sufficient to assist the high-pressure turbine 12T. Therefore, in step S104, the first valve 27 is opened and the second valve 29 is closed (or closed). Maintained). As a result, the accumulated gas is supplied to the inlet side of the high-pressure turbine 12T via the accumulator passage 26 to assist the high-pressure turbine 12T, and this air assist control process is completed.

一方ステップS102において、差圧ΔP1>所定値でないと判定されたとき、タンク内圧力P0は、高圧段タービン12Tをアシストするのに十分な値でないので、ステップS106において、蓄圧タンク26内の蓄圧ガスを低圧段タービン11Tのアシストに使用できないかが判定される。すなわち、ステップS106では、タンク内圧力P0と低圧段タービン12Tの入口圧力P2の差圧ΔP2(=P0−P2)が所定値よりも大きいか否かが判定される。   On the other hand, when it is determined in step S102 that the differential pressure ΔP1 is not greater than the predetermined value, the tank internal pressure P0 is not a value sufficient to assist the high-pressure turbine 12T. Therefore, in step S106, the stored gas in the pressure storage tank 26 Is not usable for assisting the low-pressure turbine 11T. That is, in step S106, it is determined whether or not the differential pressure ΔP2 (= P0−P2) between the tank internal pressure P0 and the inlet pressure P2 of the low-pressure turbine 12T is greater than a predetermined value.

ΔP2>所定値のときには、タンク内圧力P0は、低圧段タービン11Tをアシストするのに十分な値を有するので、ステップS108において第2バルブ29が開かれるとともに第1バルブ27は閉じられる(あるいは閉じた状態に維持される)。これにより、蓄圧ガスが低圧段エアアシスト通路28を介して低圧段タービン11Tの入口側に供給されて低圧段タービン11Tのアシストが行なわれ、このエアアシスト制御処理は終了する。   When ΔP2> predetermined value, the tank internal pressure P0 has a value sufficient to assist the low-pressure turbine 11T. Therefore, in step S108, the second valve 29 is opened and the first valve 27 is closed (or closed). Maintained). As a result, the accumulated gas is supplied to the inlet side of the low-pressure stage turbine 11T via the low-pressure stage air assist passage 28 to assist the low-pressure stage turbine 11T, and this air assist control process ends.

ステップS106においてΔP2>所定値でないと判定されたときには、タンク内圧力P0は、高圧段タービン12T、低圧段タービン11Tの何れのアシストを行なうにも十分な値でないので、ステップS110において第1および第2バルブ27、29が閉じられ(あるいは閉じた状態に維持され)、エアアシスト制御処理は終了する。   When it is determined in step S106 that ΔP2> predetermined value is not satisfied, the tank pressure P0 is not a value sufficient to assist either the high-pressure turbine 12T or the low-pressure turbine 11T. Therefore, the first and first pressures are determined in step S110. The two valves 27 and 29 are closed (or maintained in the closed state), and the air assist control process ends.

なお、高圧段タービン12T、および低圧段タービン11Tの入口圧力P1、P2は、図3に示されるように、実験値に基づいて作成されたマップを参照して、例えばエンジン回転数とインマニ圧力とから求められる。すなわち、図3において、曲線群LGは圧力P1、P2の等値線である。   The inlet pressures P1 and P2 of the high-pressure turbine 12T and the low-pressure turbine 11T are, for example, as shown in FIG. 3, referring to a map created based on experimental values, for example, the engine speed and the intake manifold pressure. It is requested from. That is, in FIG. 3, the curve group LG is an isoline of the pressures P1 and P2.

次に図4を参照して、第1実施形態におけるエアアシスト制御処理動作の具体例について説明する。図4は、高圧段タービン12Tおよび低圧段タービン11Tの入口圧力P1、P2とタンク内圧力P0の時間的な変化を示すグラフであり、横軸は時間に対応し、縦軸は圧力に対応する。   Next, a specific example of the air assist control processing operation in the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a graph showing temporal changes in the inlet pressures P1, P2 and the tank internal pressure P0 of the high-pressure turbine 12T and the low-pressure turbine 11T. The horizontal axis corresponds to time, and the vertical axis corresponds to pressure. .

例えばタンク内圧力P0は、エアアシストが実行される前には、それまでの蓄圧処理により高圧段および低圧段タービン12T、11Tの入口圧力P1、P2よりも十分に高い値に維持されている。時点t0において例えば加速が開始されると、図2を参照して説明されたステップS102以下の処理が開始され、エアアシストが実行される。   For example, before the air assist is executed, the tank internal pressure P0 is maintained at a value sufficiently higher than the inlet pressures P1 and P2 of the high-pressure stage and low-pressure stage turbines 12T and 11T by the pressure accumulation process performed so far. When acceleration is started at time t0, for example, the processing after step S102 described with reference to FIG. 2 is started, and air assist is executed.

エアアシスト実行開始当初は、タンク内圧力P0が十分に高いので、蓄圧ガスは高圧段タービンT12へと供給される。これにより蓄圧タンク25に蓄圧されていた蓄圧ガスは消費され、タンク内圧力P0は徐々に低下し、両タービンの入口圧力P1、P2は増大する。時点t1(>t0)において、タンク内圧力P0と高圧段タービンT12の入口圧力P1の差圧ΔP1が所定値以下となると、蓄圧ガスの供給は高圧段タービンT12から低圧段タービンT11へと切替えられる。   Since the tank internal pressure P0 is sufficiently high at the beginning of execution of air assist, the accumulated gas is supplied to the high-pressure turbine T12. As a result, the accumulated gas accumulated in the accumulator tank 25 is consumed, the tank pressure P0 gradually decreases, and the inlet pressures P1 and P2 of both turbines increase. At time t1 (> t0), when the pressure difference ΔP1 between the tank pressure P0 and the inlet pressure P1 of the high-pressure turbine T12 becomes equal to or lower than a predetermined value, the supply of the accumulated gas is switched from the high-pressure turbine T12 to the low-pressure turbine T11. .

蓄圧ガスが更に消費され、時点t2(>t1)において、タンク内圧力P0と低圧段タービンT11の入口圧力P2の差圧ΔP2が所定値以下となると、蓄圧ガスの供給は停止され、タンク内圧力P0は次の蓄圧が開始されるまで一定値となる。すなわち、図4の区間Aでは、高圧段タービンT12へのエアアシストが実行され、区間Bでは低圧段タービンT11へのエアアシストが実行される。   When the accumulated gas is further consumed and the differential pressure ΔP2 between the tank pressure P0 and the inlet pressure P2 of the low-pressure turbine T11 becomes equal to or lower than a predetermined value at the time t2 (> t1), the supply of the accumulated gas is stopped and the tank pressure P0 becomes a constant value until the next pressure accumulation is started. That is, in the section A of FIG. 4, air assist to the high pressure stage turbine T12 is executed, and in section B, air assist to the low pressure stage turbine T11 is executed.

以上のように、第1実施形態によれば、多段式ターボ過給システムにおいて、高圧段タービン上流側から圧力エネルギを回収し蓄圧するため、高い圧力で蓄圧できるとともに、タンク内圧力が高圧段タービンへのアシストに十分でなくなったときには、蓄圧ガスを低圧段タービンへ供給して低圧段タービンのアシストを行なうことができるので、運転状態に合わせて蓄圧エネルギを有効に活用することが可能になる。   As described above, according to the first embodiment, in the multi-stage turbocharger system, pressure energy is collected and accumulated from the upstream side of the high-pressure stage turbine. When the pressure is no longer sufficient to assist, the accumulated gas can be supplied to the low-pressure turbine to assist the low-pressure turbine, so that the accumulated energy can be effectively utilized in accordance with the operating state.

すなわち、多段式ターボ過給システムでは、同一空気量でのエキマニ圧力が単段式に比べ高いので、高圧段タービンのアシストに使用できる最低タンク内圧力は、単段式の場合に比べ高い。このため単段式ターボ過給システムのエアアシストのように、蓄圧と蓄圧ガスの供給とを同じ位置で行なうと、蓄圧エネルギを有効に活用することができない。しかし、本実施形態では、蓄圧ガスを低圧段タービンへと供給可能であるため、蓄圧エネルギを有効に活用できる。   That is, in the multi-stage turbocharging system, the exhaust manifold pressure at the same air amount is higher than that in the single-stage type, so the minimum tank pressure that can be used for assisting the high-pressure turbine is higher than that in the single-stage type. For this reason, if the accumulated pressure and the supply of the accumulated gas are performed at the same position as in the air assist of the single-stage turbocharging system, the accumulated energy cannot be effectively used. However, in this embodiment, since the accumulated gas can be supplied to the low-pressure turbine, the accumulated energy can be used effectively.

次に図1および図5を参照して、本発明の第2実施形態について説明する。なお第2実施形態の構成は、第1実施形態の構成と略同じであり、第1実施形態との違いは、エアアシスト制御処理動作のみである。したがって、第2実施形態のエアアシスト制御処理動作に係わる構成についてのみ説明する。なお、第2実施形態では、2個のターボ過給機を用いるモード(2個ターボモード)から1個のターボ過給機のみを用いるモード(1個ターボモード)へ切替える際に、低圧段タービン11Tに対してエアアシストを行ない、トルク段差の発生を防止する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG. The configuration of the second embodiment is substantially the same as the configuration of the first embodiment, and the difference from the first embodiment is only the air assist control processing operation. Therefore, only the configuration related to the air assist control processing operation of the second embodiment will be described. In the second embodiment, when switching from a mode using two turbochargers (two turbo mode) to a mode using only one turbocharger (single turbo mode), the low-pressure stage turbine Air assist is performed on 11T to prevent torque step.

図5は第2実施形態のエアアシスト制御処理のフローチャートであり、ECU30において所定のタイミングで繰り返し実行される。   FIG. 5 is a flowchart of the air assist control process of the second embodiment, which is repeatedly executed by the ECU 30 at a predetermined timing.

ステップS200では、現在の運転点が2個ターボ領域(2個ターボモード)にあるか否かが判定される。2個ターボ領域にはないと判定されるとこのエアアシスト制御処理は直ちに終了する。一方、運転点が2個ターボ領域にあると判定されるとステップS202において、加速要求などの過給増大要求があり、かつ現在の運転点が2個ターボモードから1個ターボモードへの切替領域にあるか否かが判定される。   In step S200, it is determined whether or not the current operating point is in the two-turbo region (two-turbo mode). If it is determined that the two turbo regions are not present, the air assist control process is immediately terminated. On the other hand, when it is determined that the operating point is in the two turbo region, in step S202, there is a supercharging increase request such as an acceleration request, and the current operating point is a switching region from the two turbo mode to the single turbo mode. It is determined whether or not there is.

過給増大要求がない、あるいは現在の運転点が2個ターボモードから1個ターボモードへの切替領域にないときには、このエアアシスト制御処理は終了する。一方、過給増大要求があり、かつ現在の運転点が2個ターボモードから1個ターボモードへの切替領域にある場合には、ステップS204において目標過給圧が算出され、ステップS206において低圧段エアアシスト通路28に設けられた第2バルブ29が開かれ、低圧段タービン11Tへのエアアシストが実行される。   When there is no supercharging increase request or the current operating point is not in the switching region from the two-turbo mode to the one-turbo mode, the air assist control process ends. On the other hand, when there is a supercharging increase request and the current operating point is in the switching region from the two turbo mode to the single turbo mode, the target supercharging pressure is calculated in step S204, and the low pressure stage is determined in step S206. The second valve 29 provided in the air assist passage 28 is opened, and air assist to the low pressure turbine 11T is executed.

ステップS208では、2個ターボモードから1個ターボモードへの切替え制御(ステップS208〜S216)が開始され、高圧段排気切替弁22が全開される。ステップS210では、低圧段コンプレッサ出口圧力が高圧段コンプレッサ出口圧力以上であるか否かが判定され、この判定は低圧段コンプレッサ出口圧力が高圧段コンプレッサ出口圧力以上となるまで繰り返される。   In step S208, switching control from the two turbo mode to the single turbo mode (steps S208 to S216) is started, and the high-pressure stage exhaust switching valve 22 is fully opened. In step S210, it is determined whether or not the low-pressure stage compressor outlet pressure is equal to or higher than the high-pressure stage compressor outlet pressure, and this determination is repeated until the low-pressure stage compressor outlet pressure becomes equal to or higher than the high-pressure stage compressor outlet pressure.

低圧段コンプレッサ出口圧力が高圧段コンプレッサ出口圧力以上になると、ステップS212において吸気切替弁20が全開される。ステップS214では、現在の過給圧が目標過給圧以上となったか否かが判定され、過給圧が目標過給圧以上になるまでこの判定は繰り返される。また、ステップS214において、現在の過給圧が目標過給圧以上になったと判定されると、ステップS216において第2バルブ29が閉じられ、このエアアシスト制御処理は終了する。   When the low-pressure stage compressor outlet pressure becomes equal to or higher than the high-pressure stage compressor outlet pressure, the intake air switching valve 20 is fully opened in step S212. In step S214, it is determined whether or not the current boost pressure is equal to or higher than the target boost pressure, and this determination is repeated until the boost pressure is equal to or higher than the target boost pressure. If it is determined in step S214 that the current supercharging pressure is equal to or higher than the target supercharging pressure, the second valve 29 is closed in step S216, and the air assist control process ends.

以上のように、第2実施形態では、多段式ターボ過給システムにおいて、高圧段タービン上流側から圧力エネルギを回収、蓄圧するとともに、過給増大要求があるとともに2個ターボモードから1個ターボモードへの切替え時に、低圧段タービンに蓄圧ガスを供給してエアアシストを行なうことにより、2個ターボモードから1個ターボモードへの切替え時のトルク段差の発生を防止し、運転状態に適した効率的なエアアシストを行なう。   As described above, in the second embodiment, in the multi-stage turbocharging system, pressure energy is collected and accumulated from the upstream side of the high-pressure turbine, and there is a request for increasing supercharging, and from the two-turbo mode to the one-turbo mode. By switching to the low pressure turbine, the stored gas is supplied and air assist is performed to prevent the occurrence of torque steps when switching from the two-turbo mode to the single-turbo mode. Air assistance.

次に図6〜図8を参照して本発明の第3実施形態について説明する。なお第3実施形態の構成は、第2実施形態の構成と略同じであり、第2実施形態との違いは、蓄圧処理動作のみである。したがって、以下の説明においては、第3実施形態の蓄圧処理動作に係わる構成についてのみ説明する。   Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The configuration of the third embodiment is substantially the same as the configuration of the second embodiment, and the only difference from the second embodiment is the pressure accumulation processing operation. Therefore, in the following description, only the configuration related to the pressure accumulation processing operation of the third embodiment will be described.

第3実施形態は、2個ターボモードの特定の領域(排気切替弁微開領域)において蓄圧を行なうものなので、まず図6、図7を参照して2段式ターボ過給システムの一般的な作動モードについて説明する。図6は、低圧段ターボ過給機11および高圧段ターボ過給機12の作動モードを示すマップであり、横軸はエンジン回転数、縦軸は負荷トルクに対応する。   Since the third embodiment performs pressure accumulation in a specific region (exhaust gas switching valve slightly open region) in the two-turbo mode, first, referring to FIGS. 6 and 7, a general two-stage turbocharging system is generally used. The operation mode will be described. FIG. 6 is a map showing operation modes of the low-pressure turbocharger 11 and the high-pressure turbocharger 12, where the horizontal axis corresponds to the engine speed and the vertical axis corresponds to the load torque.

2段式ターボ過給システムでは、エンジン回転数が相対的に低く、低圧段、高圧段ターボ過給機11、12が共に作動される2個ターボモードと、エンジン回転数が相対的に高く、高圧段排気切替弁22が全開され低圧段ターボ過給機11のみが作動される1個ターボモードとを備える。   In the two-stage turbocharging system, the engine speed is relatively low, the two-turbo mode in which the low-pressure stage and high-pressure stage turbochargers 11 and 12 are operated together, and the engine speed is relatively high. A single turbo mode in which the high-pressure stage exhaust switching valve 22 is fully opened and only the low-pressure stage turbocharger 11 is operated.

2個ターボモードは、更に高圧段排気切替弁22が全閉され、低圧段ターボ過給機11と高圧段ターボ過給機12が共にフル稼動されるフル稼働モードと、高圧段排気切替弁22が部分的に開かれ、低圧段ターボ過給機11はフル稼動されるが、高圧段ターボ過給機12は、排気の一部のみを用いて稼動される排気切替弁微開モードとに分けられる。すなわち、排気切替弁微開モードは、フル稼働モードと1個ターボモードの間を繋ぐ移行区間としてのモードである。なお各モードにおいて、低圧段排気切替弁24は基本的に全閉状態に維持される。   In the two-turbo mode, the high-pressure stage exhaust switching valve 22 is fully closed and the low-pressure stage turbocharger 11 and the high-pressure stage turbocharger 12 are both fully operated, and the high-pressure stage exhaust switching valve 22. Is partially opened and the low-pressure turbocharger 11 is fully operated, but the high-pressure turbocharger 12 is divided into the exhaust switching valve fine opening mode operated using only part of the exhaust. It is done. That is, the exhaust gas switching valve slight opening mode is a mode as a transition section connecting between the full operation mode and the single turbo mode. In each mode, the low-pressure stage exhaust switching valve 24 is basically maintained in a fully closed state.

図6には、フル稼働モードに対応するフル稼働領域がD1、排気切替弁微開モードに対応する排気切替弁微開領域がD2、1個ターボモードに対応する1個ターボ領域がD3で示される。また、境界線L1は2個ターボモード(フル稼働領域D1および排気切替弁微開領域D2に対応)と1個ターボモード(1個ターボ領域D3に対応)の間の境界線である。また、境界線L2は2個ターボモードにおけるフル稼働領域D1と排気弁微開領域D2の間の境界線である。   In FIG. 6, the full operation region corresponding to the full operation mode is indicated by D1, the exhaust changeover valve slight open region corresponding to the exhaust changeover valve slight open mode is indicated by D2, and the single turbo region corresponding to the single turbo mode is indicated by D3. It is. Further, the boundary line L1 is a boundary line between the two turbo mode (corresponding to the full operation region D1 and the exhaust switching valve slight opening region D2) and the one turbo mode (corresponding to the one turbo region D3). Further, the boundary line L2 is a boundary line between the full operation region D1 and the exhaust valve slight opening region D2 in the two turbo mode.

図7は、図6に示される矢印Mに沿って運転状態がフル稼働モードから1個ターボモードへと変化するときの高圧段排気切替弁22の開度の変化を示すグラフであり、横軸はエンジン回転数、縦軸は高圧段排気切替弁22の開度に対応する。   FIG. 7 is a graph showing a change in the opening degree of the high-pressure stage exhaust switching valve 22 when the operating state changes from the full operation mode to the single turbo mode along the arrow M shown in FIG. Indicates the engine speed, and the vertical axis corresponds to the opening of the high-pressure exhaust switch 22.

矢印Mは、運転点がフル稼働領域D1から、排気切替弁微開領域D2を通って、1個ターボ領域D3へと遷移することを示している。フル稼動領域D1では、高圧段排気切替弁22の開度は全開状態にされる。エンジン回転数が増大され回転数Ne1に達すると、運転点は境界線L2を横切って排気弁微開領域D2に入り、1個ターボ領域D3に向けて更に移動する。このとき、高圧段排気切替弁22は徐々に閉められその開度は小さくなる。   The arrow M indicates that the operating point transitions from the full operating region D1 to the single turbo region D3 through the exhaust switching valve slightly opened region D2. In the full operation region D1, the opening degree of the high-pressure stage exhaust switching valve 22 is fully opened. When the engine speed is increased and reaches the rotational speed Ne1, the operating point crosses the boundary line L2, enters the exhaust valve slightly open region D2, and further moves toward the single turbo region D3. At this time, the high-pressure stage exhaust switching valve 22 is gradually closed, and the opening degree becomes small.

エンジン回転数がNe2に達して運転点が境界線L1を越えると、運転点は1個ターボ領域D3に入るので、作動モードは1個ターボモードに切替えられ、高圧段排気切替弁22は全開状態とされる。なお、境界線L1近傍には境界線に沿って、2個ターボモードから1個ターボモードへの切替動作を行なう切替領域が設定されている。   When the engine speed reaches Ne2 and the operating point exceeds the boundary line L1, the operating point enters the single turbo region D3. Therefore, the operating mode is switched to the single turbo mode, and the high-pressure stage exhaust switching valve 22 is fully open. It is said. A switching region for switching from the two turbo mode to the single turbo mode is set in the vicinity of the boundary line L1 along the boundary line.

次ぎに図8のフローチャートを参照して第2実施形態の蓄圧処理動作について説明する。この蓄圧処理は、ECU30において所定のタイミングで繰り返し実行される。なお、第3実施形態の蓄圧処理動作は、排気切替弁微開領域において実行されるが、これは、高圧段排気切替弁22が全閉されたフル稼働時に蓄圧を行なうには、タービンの可変ベーンを閉じる必要があり過給効率を低下させるためである。   Next, the pressure accumulation processing operation of the second embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. This pressure accumulation process is repeatedly executed in the ECU 30 at a predetermined timing. Note that the pressure accumulation processing operation of the third embodiment is performed in the exhaust switching valve slightly open region. This is because, in order to perform pressure accumulation when the high-pressure stage exhaust switching valve 22 is fully closed, the variable pressure of the turbine is used. This is because the vane needs to be closed to reduce the supercharging efficiency.

ステップS300では、現在の運転点が排気切替弁微開領域D2にあるか否かが判定される。排気切替弁微開領域D2にないと判定されたときにはこの処理は直ちに終了し、排気切替弁微開領域D2にあると判定されたときには、ステップS301において、タンク内圧力P0が所定値よりも高いか否かが判定される。   In step S300, it is determined whether or not the current operating point is in the exhaust gas switching valve slightly open region D2. When it is determined that it is not in the exhaust switching valve slightly open region D2, this process is immediately terminated. When it is determined that it is in the exhaust switching valve slightly open region D2, the tank internal pressure P0 is higher than a predetermined value in step S301. It is determined whether or not.

ステップS301において、蓄圧タンク25のタンク内圧力P0が所定値よりも高い場合には、本蓄圧処理は終了し、タンク内圧力P0が所定値以下の場合には、ステップS302において、高圧段排気切替弁22が閉じられる。ステップS304では、現在の運転点が2個ターボモードから1個ターボモードへと切替える切替領域にあるか否かが判定される。すなわち、図6における境界線L1の近傍に設定された所定の切替領域内に運転点があるか否かが判定される。   In step S301, when the tank internal pressure P0 of the pressure storage tank 25 is higher than a predetermined value, the main pressure storage process is terminated. When the tank internal pressure P0 is equal to or lower than the predetermined value, in step S302, the high pressure stage exhaust gas switching is performed. Valve 22 is closed. In step S304, it is determined whether or not the current operating point is in a switching region where the two-turbo mode is switched to the one-turbo mode. That is, it is determined whether or not there is an operating point in a predetermined switching region set in the vicinity of the boundary line L1 in FIG.

切替領域であると判定されると、1個ターボモードへの切替えを行なう必要があるので、ステップS306において、蓄圧通路26に設けられた第1バルブ27(図1参照)が閉じているか否かが判定され、閉じていればそのまま蓄圧処理を終了し、従来周知のように1個ターボモードへの切替処理が実行される。また閉じていないと判定された場合には、ステップS308において第1バルブ27を閉じて蓄圧処理は終了する。   If it is determined that it is the switching region, it is necessary to switch to the single turbo mode, so whether or not the first valve 27 (see FIG. 1) provided in the pressure accumulation passage 26 is closed in step S306. If it is closed, the pressure accumulating process is terminated as it is, and the switching process to the single turbo mode is executed as conventionally known. If it is determined that the valve is not closed, the first valve 27 is closed in step S308, and the pressure accumulation process ends.

一方、ステップS304において現在の運転点が2個ターボモードから1個ターボモードへと切替える切替領域にないと判定された場合には、ステップS310において、エキマニ圧力が増大しているか否かが判定される。エキマニ圧力が増大していればステップS312において、第1バルブ27が開かれ蓄圧タンク25への蓄圧が行なわれ、処理はステップS304に戻り、以下同様の処理が繰り返される。また、エキマニ圧力が増大していないときには、ステップS314において第1バルブ27が閉じられ、ステップS304に戻る。すなわち、ステップS304、S310〜S314は、切替領域に入るまで繰り返され、エキマニ圧力が増大したときにのみ第1バルブ27を開き、より高い圧力を蓄圧する。なお、エキマニ圧力は、例えば図3に示された高圧段タービン12Tの入口圧P1と同様の方法により、エンジン回転数およびインマニ圧力から求められる。   On the other hand, if it is determined in step S304 that the current operating point is not in the switching region for switching from the 2-turbo mode to the 1-turbo mode, it is determined in step S310 whether the exhaust manifold pressure has increased. The If the exhaust manifold pressure has increased, in step S312, the first valve 27 is opened to accumulate pressure in the accumulator tank 25, the process returns to step S304, and the same process is repeated thereafter. When the exhaust manifold pressure has not increased, the first valve 27 is closed in step S314, and the process returns to step S304. That is, steps S304 and S310 to S314 are repeated until the switching area is entered, and only when the exhaust manifold pressure increases, the first valve 27 is opened and a higher pressure is accumulated. The exhaust manifold pressure is obtained from the engine speed and the intake manifold pressure by the same method as the inlet pressure P1 of the high-pressure turbine 12T shown in FIG. 3, for example.

以上のように、本発明の第3実施形態によれば、第2実施形態と同様の効果を得られるとともに、蓄圧処理動作が、排気切替弁微開領域において実行されるため、過給効率を低下させることなく高い圧力を蓄圧することが可能となる。   As described above, according to the third embodiment of the present invention, the same effect as in the second embodiment can be obtained, and the pressure accumulation processing operation is executed in the exhaust switching valve slightly open region, so that the supercharging efficiency can be improved. It becomes possible to accumulate high pressure without reducing it.

なお、第1実施形態では、蓄圧通路を高圧段タービンへ蓄圧ガスを供給するエアアシスト通路としても利用したが、蓄圧通路と高圧段タービンへのエアアシスト通路とを別個に設ける構成としてもよい。   In the first embodiment, the pressure accumulation passage is also used as an air assist passage for supplying pressure accumulation gas to the high pressure turbine. However, the pressure accumulation passage and the air assist passage to the high pressure turbine may be provided separately.

また、本実施形態では、2段式のターボ過給システムを例に説明を行なったが、本発明は2段以上の構成にも適用できる。   In the present embodiment, a two-stage turbocharging system has been described as an example. However, the present invention can also be applied to a configuration having two or more stages.

本発明の第1実施形態である2段式ターボ過給システムの構成を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a configuration of a two-stage turbocharging system that is a first embodiment of the present invention. FIG. 第1実施形態のエアアシスト制御処理のフローチャートである。It is a flowchart of the air assist control process of 1st Embodiment. エンジン回転数、インマニ圧力に対する高圧段タービンおよび低圧段タービンの入口圧力P1、P2の等値線図である。FIG. 3 is an isoline diagram of inlet pressures P1 and P2 of a high-pressure turbine and a low-pressure turbine with respect to engine speed and intake manifold pressure. 高圧段タービンおよび低圧段タービンの入口圧力P1、P2とタンク内圧力P0の時間的な変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of inlet pressure P1, P2 and tank internal pressure P0 of a high pressure stage turbine and a low pressure stage turbine. 第2実施形態のエアアシスト制御処理のフローチャートである。It is a flowchart of the air assist control process of 2nd Embodiment. エンジン回転数、負荷トルクに対する低圧段ターボ過給機および高圧段ターボ過給機の作動モードを示すマップである。It is a map which shows the operation mode of the low pressure stage turbocharger with respect to engine speed and load torque, and a high pressure stage turbocharger. 図6に示される矢印Mに沿って運転状態が変化したときの高圧段排気切替弁の開度状態を示すグラフである。It is a graph which shows the opening degree state of a high pressure stage exhaust gas switching valve when an operation state changes along the arrow M shown by FIG. 第3実施形態における蓄圧処理のフローチャートである。It is a flowchart of the pressure accumulation process in 3rd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10 2段式ターボ過給システム
11 低圧段ターボ過給機
12 高圧段ターボ過給機
11C 低圧段コンプレッサ
11T 低圧段タービン
12C 高圧段コンプレッサ
12T 高圧段タービン
17 排気通路
21 高圧段排気バイパス通路
22 高圧段排気切替弁
25 蓄圧タンク
26 蓄圧通路
27 第1バルブ
28 低圧段エアアシスト通路
29 第2バルブ
30 ECU
S4 圧力センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Two-stage turbocharger system 11 Low pressure stage turbocharger 12 High pressure stage turbocharger 11C Low pressure stage compressor 11T Low pressure stage turbine 12C High pressure stage compressor 12T High pressure stage turbine 17 Exhaust passage 21 High pressure stage exhaust bypass passage 22 High pressure stage Exhaust gas switching valve 25 Accumulation tank 26 Accumulation passage 27 First valve 28 Low pressure stage air assist passage 29 Second valve 30 ECU
S4 Pressure sensor

Claims (7)

高圧段ターボ過給機と、低圧段ターボ過給機と、前記高圧段ターボ過給機のタービン上流側から圧力エネルギを回収し蓄圧する蓄圧タンクと、前記蓄圧タンク内の蓄圧ガスを前記低圧段ターボ過給機のタービン入口側及び前記高圧段ターボ過給機のタービン入口側に供給可能な蓄圧ガス供給手段とを備え、運転状態に対応して前記蓄圧ガスを、前記高圧段ターボ過給機および/または前記低圧段ターボ過給機のタービン入口側に供給する多段式ターボ過給システムであって、過給増大要求時、前記蓄圧ガス供給手段が前記蓄圧ガスを前記高圧段ターボ過給機のタービン入口側へ優先して供給することを特徴とする多段式ターボ過給システム。 A high-pressure stage turbocharger, a low-pressure stage turbocharger, a pressure accumulation tank that collects and accumulates pressure energy from a turbine upstream side of the high-pressure stage turbocharger, and a pressure accumulation gas in the pressure accumulation tank Pressure- accumulated gas supply means that can be supplied to the turbine inlet side of the turbocharger and the turbine inlet side of the high-pressure stage turbocharger, and the accumulated gas is supplied to the high-pressure stage turbocharger according to the operating state. And / or a multi-stage turbocharger system for supplying the low-pressure turbocharger to the turbine inlet side, wherein the accumulated gas supply means supplies the accumulated gas to the high-pressure turbocharger when a supercharge increase request is made. A multi-stage turbocharging system characterized in that it is preferentially supplied to the turbine inlet side of the engine. 前記蓄圧ガス供給手段が、前記蓄圧タンク内の圧力と前記高圧段ターボ過給機のタービン入口圧の差圧が所定値よりも大きいときに前記高圧段ターボ過給機のタービン入口側に前記蓄圧ガスを供給し、前記差圧が所定値より小さいときには低圧段ターボ過給機のタービン入口側に前記蓄圧ガスを供給することを特徴とする請求項に記載の多段式ターボ過給システム。 When the pressure difference between the pressure in the pressure accumulating tank and the turbine inlet pressure of the high pressure turbocharger is greater than a predetermined value, the accumulated gas supply means is configured to store the pressure on the turbine inlet side of the high pressure turbocharger. gas supply, multistage turbocharging system of claim 1 wherein the differential pressure, characterized by supplying the accumulator gas turbine inlet side of the low-pressure stage turbocharger when less than the predetermined value. 前記高圧段ターボ過給機および前記低圧段ターボ過給機により過給を行っている状態において、前記高圧段ターボ過給機による過給を停止する際に、前記蓄圧ガス供給手段が前記低圧段ターボ過給機のタービン入口側に前記蓄圧ガスを供給することを特徴とする請求項1又は2に記載の多段式ターボ過給システム。 In the state where supercharging is performed by the high-pressure stage turbocharger and the low-pressure stage turbocharger, when the supercharging by the high-pressure stage turbocharger is stopped, the accumulated gas supply means is the low-pressure stage The multistage turbocharger system according to claim 1 or 2 , wherein the accumulated gas is supplied to a turbine inlet side of the turbocharger. 前記蓄圧が、前記高圧段ターボ過給機をバイパスする高圧段排気バイパス通路を介して前記高圧段ターボ過給機へ供給される排気の一部がバイパスされる運転領域において行われることを特徴とする請求項1〜の何れか一項に記載の多段式ターボ過給システム。 The pressure accumulation is performed in an operation region in which a part of the exhaust gas supplied to the high-pressure stage turbocharger is bypassed via a high-pressure stage exhaust bypass passage that bypasses the high-pressure stage turbocharger. The multistage turbocharging system according to any one of claims 1 to 3 . 前記蓄圧が、前記運転領域において前記高圧段排気バイパス通路に設けられた高圧段排気切替弁を閉じて行われることを特徴とする請求項に記載の多段式ターボ過給システム。 The multi-stage turbocharging system according to claim 4 , wherein the pressure accumulation is performed by closing a high-pressure stage exhaust switching valve provided in the high-pressure stage exhaust bypass passage in the operation region. 高圧段ターボ過給機と、低圧段ターボ過給機と、前記高圧段ターボ過給機のタービン上流側から圧力エネルギを回収し蓄圧する蓄圧タンクと、前記蓄圧タンク内の蓄圧ガスを前記低圧段ターボ過給機のタービン入口側に供給する蓄圧ガス供給手段とを備え、前記高圧段A high-pressure stage turbocharger, a low-pressure stage turbocharger, a pressure accumulation tank that collects and accumulates pressure energy from a turbine upstream side of the high-pressure stage turbocharger, and a pressure accumulation gas in the pressure accumulation tank Accumulating gas supply means for supplying to the turbine inlet side of the turbocharger,
ターボ過給機および前記低圧段ターボ過給機により過給を行っている状態において、前記高圧段ターボ過給機による過給を停止する際に、前記蓄圧ガス供給手段が前記低圧段ターボ過給機のタービン入口側に前記蓄圧ガスを供給することを特徴とする多段式ターボ過給システム。In the state where supercharging is performed by the turbocharger and the low-pressure turbocharger, when the supercharging by the high-pressure turbocharger is stopped, the accumulated gas supply means performs the low-pressure turbocharger. A multistage turbocharger system, wherein the accumulated gas is supplied to a turbine inlet side of a machine.
高圧段ターボ過給機と、低圧段ターボ過給機と、前記高圧段ターボ過給機のタービン上流側から圧力エネルギを回収し蓄圧する蓄圧タンクと、前記蓄圧タンク内の蓄圧ガスを前記低圧段ターボ過給機のタービン入口側に供給する蓄圧ガス供給手段とを備え、前記蓄圧が、前記高圧段ターボ過給機をバイパスする高圧段排気バイパス通路を介して前記高圧段ターボ過給機へ供給される排気の一部がバイパスされる運転領域において行われることを特徴とする多段式ターボ過給システム。A high-pressure stage turbocharger, a low-pressure stage turbocharger, a pressure accumulation tank that collects and accumulates pressure energy from a turbine upstream side of the high-pressure stage turbocharger, and a pressure accumulation gas in the pressure accumulation tank Accumulating gas supply means for supplying to the turbine inlet side of the turbocharger, and the accumulated pressure is supplied to the high-pressure stage turbocharger via a high-pressure stage exhaust bypass passage that bypasses the high-pressure stage turbocharger. A multi-stage turbocharging system characterized in that it is performed in an operating region where a part of the exhaust to be bypassed is bypassed.
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