JP5324961B2

JP5324961B2 - 内燃機関の過給システム

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Publication number: JP5324961B2
Application number: JP2009045771A
Authority: JP
Inventors: 秉一安; 幹惠比寿
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: EP2402576A4; BRPI0925411A2; KR101390542B1; US20110296828A1; EP2402576A1; CN102333941A; JP2010196681A; CN102333941B; KR20110102946A; WO2010097979A1; EP2402576B1; US8635869B2

Description

本発明は、内燃機関と複数基のターボ過給機とを有する内燃機関の過給システムに関する。

従来、内燃機関と複数基のターボ過給機とを有する内燃機関の過給システムとして、高圧段に小型のターボ過給機が、低圧段に大型のターボ過給機が配置された２ステージターボシステムが知られている（例えば、特許文献１ないし４参照）。
このような大型のターボ過給機と小型のターボ過給機とを組み合わせた２ステージターボシステムについて、図８ないし図１２を用いて説明する。図８は、従来の２ステージターボシステムの一例を示している。図に示すように、従来の２ステージターボシステムは、内燃機関１と、該内燃機関１からの排気ガスにより駆動される２基のターボ過給機２Ａ，２Ｂとを有している。また、この２ステージターボシステムは、内燃機関１に吸い込まれる吸気ガスと内燃機関１からの排気ガスとの流路を切り換える３個の制御弁Ｖ１〜Ｖ３と、該３個の制御弁Ｖ１〜Ｖ３及びターボ過給機２Ａ，２Ｂを制御する制御装置３とを有している。ここで、制御弁Ｖ１〜Ｖ３は、それぞれバイパスバルブ、フローコントロールバルブ及びウエストゲートバルブとして機能する。

また、この２ステージターボシステムは、内燃機関１より上流側に、ターボ過給機が圧縮加熱した空気の圧力を保ったまま冷却するインタークーラを有している。さらに、この２ステージターボシステムは、ターボ過給機２Ｂのコンプレッサ側に浄化された空気を流入させるためのエアクリーナ４Ａと、ターボ過給機２Ａ，２Ｂのタービン側からの排気ガスが流れるマフラー４Ｂとを有している。

次に、上記構成の２ステージターボシステムを用いた制御パターンについて説明する。
図９は、エンジン回転数が１０００〜１２５０ｒｐｍ程度の完全２段過給状態のガスの流れを示している。この状態では、制御弁Ｖ１〜Ｖ３の全てが閉じている。そして、吸入エアはターボ過給機２Ｂ及びターボ過給機２Ａのコンプレッサ側を通過してからインタークーラ５に流入し、その後、内燃機関１に流入する。そして、内燃機関１からの排気ガスは、ターボ過給機２Ａ及びターボ過給機２Ｂのタービン側、及びマフラー４Ｂを経由して外部へ排出される。図９では、ターボ過給機２Ａと、ターボ過給機２Ａより大型のターボ過給機２Ｂとは直列に接続されている。

図１０は、エンジン回転数が１２５０〜２５００ｒｐｍ程度の可変２段過給状態のガスの流れを示している。この状態では、制御弁Ｖ１，Ｖ３が閉じており、制御弁Ｖ２が半開きになっている。制御弁Ｖ２はフローコントロールバルブであるため、その開き具合により流量が適宜制御される。この制御弁Ｖ２の存在により、ターボ過給機２Ａへの排気ガスの流量が制御され、タービン出力が制御されている。そして、ターボ過給機２Ａを経由した排気ガスと、制御弁Ｖ２を経由した排気ガスとは合流してからターボ過給機２Ｂに流入する。そして、このターボ過給機２Ｂ及びマフラー４Ｂを経由して排気ガスは外部に排出される。

図１１は、エンジン回転数が２５００〜３５００ｒｐｍ程度の状態のガスの流れを示している。この状態では、制御弁Ｖ３が閉じており、制御弁Ｖ１，Ｖ２が開いている。この場合、制御弁Ｖ１，Ｖ２がある流路の方が、ターボ過給機２Ａを通過する流路より、流路断面積が大きいので、大部分のエアと排気ガスは制御弁Ｖ１又はＶ２側を流れ、ターボ過給機２Ａはあまり作動せず、アイドリング状態にある。

図１２は、エンジン回転数が３５００ｒｐｍ以上の状態のガスの流れを示している。この状態では、制御弁Ｖ１，Ｖ２が開いた状態にあり、制御弁Ｖ３が半開きの状態にある。この制御弁Ｖ３の制御具合によりターボ過給機２Ｂのタービン側に流れる排気ガスの流量が制御され、ターボ過給機２Ｂの出力が制御される。

図９〜図１２に示したように、内燃機関１の低・中速時（１０００〜２５００ｒｐｍ）は、２段過給となり、内燃機関１の高速時(２５００ｒｐｍ〜）は、ターボ過給機（低圧ターボ）２Ｂのみの１段過給となる。その他、ターボ過給機（高圧ターボ）２Ａのみの１段過給も可能であり、このターボシステムは負荷変動に対する自由度が高い。

また、特許文献５に開示される２ステージターボシステムでは、低速・低負荷時に２基のタービンを直列的に作動させ、高速・高負荷時に並列的に作動させることが行われている。

特開昭５８−１９０５１６号公報特開昭６１−２９１７２５号公報特開２００６−９７６８４号公報特表２００８−５１４８４２号公報特開平４−１６４１２３号公報

しかし、上述した内燃機関の過給システムでは、高速・高負荷時（図１１及び図１２）であっても、目標とする出力達成のために２段過給が必要となることがあり、２段過給をするとコンプレッサ側の温度が上昇してターボ過給機の中間冷却又は材質の変更などが必要になるという問題が発生する。ターボシステムには、エンジン高出力化と加速性の向上が要求され、簡素な構造であることや、なるべく慣性が小さい小型ターボを用いることなどが好まれている。
なお、特許文献５では、２基のタービンのみを直列モードと並列モードとに切り換えるが、エンジン高速の場合、コンプレッサ側が２段になっていることでウエストゲートバルブによる２基のタービン流量を調整することとなり、安定した制御が難しくなる。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、小型のターボ過給機を用いつつ簡素な構造である内燃機関の過給システムを提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決する手段としてなされたものである。
本発明は、内燃機関と、該内燃機関からの排気ガスにより駆動される複数のターボ過給機と、内燃機関に吸い込まれる吸気ガスと内燃機関からの排気ガスとの流路をそれぞれ切り換える流路切換え弁と、該流路切換え弁及び前記ターボ過給機を制御する制御装置と、を有する内燃機関の過給システムであって、
前記複数のターボ過給機は、排気流路最下流側の第１のターボ過給機と、該第１のターボ過給機より排気流路上流側の第２のターボ過給機とからなり、
前記内燃機関に吸い込まれる吸気ガスの吸気流路は、前記第１のターボ過給機のターボコンプレッサ及び前記第２のターボ過給機のターボコンプレッサを介して内燃機関に接続される吸気用直列流路と、前記第１のターボ過給機のターボコンプレッサの出口側から前記第２のターボ過給機のターボコンプレッサの出口側を結ぶ吸気用バイパス流路と、該吸気用バイパス流路と前記吸気用直列流路との上流側の接続ポイントより下流側に接続されて吸気ガスを流入する吸気用並列流路と、前記吸気用並列流路と前記吸気用直列流路との接続ポイントに設けられ吸気流路の切換えのみを行う１つの流路切換え弁と、前記吸気用バイパス流路に設けられた開閉弁と、を有し、
前記内燃機関からの排気ガスの排気流路は、内燃機関から前記第２のターボ過給機及び前記第１のターボ過給機を介して外部に至るまでの排気用直列流路と、前記第２のターボ過給機のタービンの入口側と前記第１のターボ過給機のタービンの入口側とを結ぶ排気用第１バイパス流路と、該排気用第１バイパス流路と前記排気用直列流路との下流側の接続ポイントより上流側と前記第１のターボ過給機のタービンの出口側とを結ぶ排気用第２バイパス流路と、該第２バイパス流路と前記排気用直列流路との上流側の接続ポイントに設けられて排気流路の切換えのみを行う１つの流路切換え弁と、前記排気用第１バイパス流路に設けられて流量を連続的に制御可能な流量制御弁と、を有し、
前記吸気流路および排気流路のそれぞれにおける流路切換え弁と前記開閉弁と前記流量制御弁との４つの弁を用いた流路の切換えおよび流量の制御により、
前記第１のターボ過給機と第２のターボ過給機とを直列に接続する直列過給モードと、前記第１のターボ過給機のみ又は第２のターボ過給機のみにガスが流れる一段過給モードと、前記第１のターボ過給機と第２のターボ過給機とを並列に接続する並列過給モードと、前記直列過給モードにおいて前記第１のターボ過給機と前記第２ターボ過給機とに流れる排気ガス流量を可変制御する可変２ステージモードと、を切換え可能に構成し、
前記制御装置は、内燃機関の回転数及び燃料噴射量より目標過給圧を算出し、該目標過給圧と内燃機関に流入する現在の過給圧とを比較して、現過給圧が前記目標過給圧より小さいときには、前記直列過給モードにし、現過給圧が前記目標過給圧より大きいときには、前記並列過給モードにし、前記直列過給モードにおいて、目標過給圧に対して前記排気用第１バイパス流路に設けられた流量制御弁をコントロールし、前記第２のターボ過給機による過給前後の圧力比が所定値以下になったときに前記可変２ステージモードから前記並列過給モードに移行させる制御を行うことを特徴とする。
かかる発明では、２つの小型ターボ過給機の直列過給モードとし、完全２ステージから可変２ステージに移行する制御を実施することでターボ過給機の応答性が高く、エンジン加速時に有利である。また、並列過給モードにし、大流量が必要とされる高速の制御領域において、適切な対応を可能にする。さらに、一段過給モードでは、部分負荷の制御領域において、第１のターボ過給機又は第２のターボ過給機のみにガスが流れるようにし、適宜組み合わせることで、使用用途に応じた目標のエンジン性能を極め細やかにコントロールすることができる。また、配管と制御弁を設けて制御する構成であるので、簡素な構造であり、システムの不具合も発生し難い。

また、かかる発明では、吸気流路と排気流路とにそれぞれ２個の制御弁を設けて制御装置で切り換えるという簡素な構造で、直列過給モード、並列過給モード、可変２ステージモード、一段過給モードを切り換えることができる。特に、排気用第１バイパス流路に設けた流量制御弁により、高圧側のターボ過給機と低圧側のターボ過給機とに流れる排気ガスの流量を制御することができ、変化するエンジン性能要求に的確に対応することができる。例えば、直列過給モードにおいて、目標過給圧に対し前記排気用第１バイパス流路に設けられた流量制御弁をコントロールして可変２ステージモードから並列過給モードに移行させる制御を実施することで、追い越し加速性の向上にも有利である。

本発明において好ましくは、前記複数のターボ過給機は、同一タービン容量のターボ過給機からなる。
かかる発明では、同一タービン容量の２基のターボ過給機を用いることで、低速・中速時に直列過給モードにすると、従来の大型ターボと小型ターボの組み合わせに替えて、小型ターボ同士の組み合わせにすることができ、システムのコンパクト化や低慣性が図られる。さらに、大流量側の並列過給モードにした場合、適切な圧力バランスにより圧力損失が少なくなる。すなわち、小型のターボ過給機を用いつつ簡素な構造にすることができる。

本発明において好ましくは、前記排気用第１バイパス流路の流量制御弁より下流側と低圧側のターボ過給機の下流側とを結ぶ低圧ターボ制御用流路と、該低圧ターボ制御用流路に設けられて流量を連続的に制御可能な流量制御弁と、を有している。
かかる発明では、低圧ターボ制御用流路が設けられ、低圧側のターボ過給機を流れる排気ガスの量を流量制御弁で微制御することができる。

本発明において好ましくは、前記第２のターボ過給機は、可変流量ターボであることを特徴とする。
かかる発明では、エンジン加速時に可変流量ターボの流量制御バルブを閉じて内側スクロールへの流通を高めてターボ応答性が早くなり、エンジンの加速性能が向上する。また、流量制御バルブの開度を調整することで、エンジン運転状態に応じた制御範囲が広がる。

本発明において好ましくは、前記第２のターボ過給機は、可変容量ターボであることを特徴とする。
かかる発明では、例えば、タービンの可変ノズルを絞ることで、タービン流量が少なくなり、タービン容量を大きくすると高速・高負荷時に有利である。また、絞り量を運転状態に応じて制御できるため過給のムラが一層抑制される。

本発明において好ましくは、前記第２のターボ過給機は、ツインスクロール式であることを特徴とする。
かかる発明では、エンジン加速時の低流量側でのターボ応答性がさらに高くなり、加速性能が向上する。

本発明の内燃機関の過給システムでは、直列過給モードにすると過給圧が上昇してターボ過給機の応答性が高くなり、加速時に有利である。並列過給モードにすると、吸気流量を大きくすることができ、高速・高負荷時に有利である。従来のように大型ターボと小型ターボを組み合わせて並列過給モードにすると、過給圧力のバランスが崩れるので逆止弁及び配管径などの調整が必要になり部品点数の増加や圧力損失の増大につながるが、本発明ではかかる問題が発生しない。
そして、直列過給モード及び並列過給モード以外の高圧段モードと低圧段モードとを適宜組み合わせることで、使用用途に応じた目標のエンジン性能を極め細やかに発揮させることができる。また、配管と制御弁を設けて制御する構成であるので、簡素な構造であり、システムの不具合が発生し難い。
同一タービン容量の２基のターボ過給機を用いるので、従来の大型ターボと小型ターボの組み合わせに替えて、小型ターボ同士の組み合わせになり、システムのコンパクト化や低慣性が図られる。

図１は、本発明の内燃機関の過給システムの一実施形態を模式的に示す説明図である。図２は、図１の内燃機関の過給システムを改良したものを模式的に示す説明図である。図３は、図２の内燃機関の過給システムをより具体化して示す説明図である。図４は、２基のターボ過給機を直列に接続する直列過給モードを示す説明図である。図５は、低圧ターボのみにガスが流れる一段過給モード（低圧段モード）を示す説明図である。図６は、２基のターボ過給機を並列に接続する並列過給モードを示す説明図である。図７は、並列過給モードに変更する場合の制御弁の制御方法を示すフローチャートである。図８は、従来の内燃機関の過給システム（２ステージターボシステム）を示す説明図である。図９は、大型ターボと小型ターボを直列に接続した場合のガスの流れを示す説明図である。図１０は、フローコントロールバルブを開いて流量制御した場合のガスの流れを示す説明図である。図１１は、大型ターボを作動させ、小型ターボはアイドリング状態にある場合のガスの流れを示す説明図である。図１２は、ウエストゲートバルブを開いて大型ターボへの流量制御をした場合のガスの流れを示す説明図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対位置などは特に記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

図１は、本発明の内燃機関の過給システム（２ステージターボシステム）の一実施形態を模式的に示している。本実施形態のターボ過給機は、内燃機関１と、該内燃機関１からの排気ガスにより駆動される第１のターボ過給機２Ａ及び第２のターボ過給機２Ｂとを有している。また、このターボ過給機は、内燃機関１に吸い込まれる吸気ガスと内燃機関１からの排気ガスとの流路を切り換える流路切換え弁Ｖ３，Ｖ４と、該流路切換え弁Ｖ３，Ｖ４及びターボ過給機２Ａ，２Ｂを制御する不図示の制御装置（図３の符号３）と、を有している。ここで、制御装置には、演算処理を行うコンピュータや制御弁のコイルに電流を流す直流電源などが含まれる。

２基のターボ過給機２Ａ，２Ｂは、同一タービン容量のターボ過給機からなり、かつ直列過給モードの場合、排気流路上流側のターボ過給機２Ａは高圧ターボとして機能し、排気流路下流側のターボ過給機２Ｂは低圧ターボとして機能する。ここで、同一タービン容量のターボ過給機とは、タービン容量が同じで、エンジンの気筒数とエキマニー形状、長さによる圧力バランスを維持させるため、コンプレッサ側のホイル径、スクロール又は、可変機構を設けて変えることも可能である。

内燃機関１の燃焼室には吸気ガスとしてエアが流入し、内燃機関１の燃焼室からは排気ガスが排出されるため、制御弁などを含む流路は、吸気流路と排気流路とに分けることができる。
そこで、先ず、吸気流路について説明する。内燃機関１への吸気流路は、低圧側のターボ過給機２Ｂのターボコンプレッサ及び高圧側のターボ過給機２Ａのターボコンプレッサを介して内燃機関１に接続される吸気用直列流路Ｔ１と、高圧側のターボ過給機２Ａのターボコンプレッサの出口側から低圧側のターボ過給機２Ｂのターボコンプレッサの出口側を結ぶ吸気用バイパス流路Ｔ２と、を有している。また、この吸気流路は、吸気用バイパス流路Ｔ２と吸気用直列流路Ｔ１との上流側の接続ポイントより下流側であってかつ高圧側のターボ過給機２Ａのターボコンプレッサの出口側に接続される吸気用並列流路Ｔ３を有している。

また、この吸気流路は、吸気用並列流路Ｔ３と吸気用直列流路Ｔ１との接続ポイントに設けられた流路切換え弁Ｖ４と、吸気用バイパス流路Ｔ２に設けられた開閉弁Ｖ１と、を有している。なお、開閉弁Ｖ１と流路切換え弁Ｖ４は、バイパスバルブとして機能する。開閉弁Ｖ１には比例制御弁が用いられ連続的に流量の制御が可能である。また、流路切換え弁Ｖ４はオンオフ２方弁であり、流路の切換えのみを行い流量制御機能はない。

次に、排気流路について説明する。内燃機関１からの排気流路は、内燃機関１から高圧側のターボ過給機２Ａ及び低圧側のターボ過給機２Ｂを介して外部（例えば、外気中又はマフラー）に至るまでの排気用直列流路Ｔ４と、高圧側のターボ過給機２Ａのタービン入口側と低圧側のターボ過給機２Ｂのタービン入口側とを結ぶ排気用第１バイパス流路Ｔ５と、該排気用第１バイパス流路Ｔ５と排気用直列流路Ｔ４との接続ポイントより上流側と低圧側のターボ過給機２Ｂのタービンの出口側とを結ぶ排気用第２バイパス流路Ｔ６と、を有している。なお、排気用第１バイパス流路Ｔ５は、ターボ過給機２Ｂの上流側入口に直接接続してもよいし、排気用直列流路Ｔ４に接続してもよい。

また、排気流路は、第２バイパス流路Ｔ６と排気用直列流路Ｔ４との上流側の接続ポイントに設けられた流路切換え弁Ｖ３と、排気用第１バイパス流路Ｔ５に設けられた流量制御弁Ｖ２と、を有している。なお、流路切換え弁Ｖ３は、バイパスバルブとして機能し、流量制御弁Ｖ２は、フローコントロールバルブとして機能する。流路切換え弁Ｖ３はオンオフ２方弁であり、流路の切換えのみを行い流量制御機能はない。流量制御弁Ｖ２には比例制御弁が用いられ連続的に流量の制御が可能である。

次に、図２に示す２ステージターボシステムは、図１の２ステージターボシステムの排気流路に対して、排気用第１バイパス流路Ｔ５の流量制御弁Ｖ２より下流側と低圧側のターボ過給機２Ｂの下流側とを結ぶ低圧ターボ制御用流路Ｔ７が設けられている。そして、この低圧ターボ制御用流路Ｔ７には比例開閉弁Ｖ５が設けられている。この比例開閉弁Ｖ５により低圧側のターボ過給機２Ｂを流れる排気ガスの量が微制御される。なお、比例開閉弁Ｖ５は、ウエストゲートバルブとして機能する。

そして、図１及び図２に示す本実施形態の２ステージターボシステムは、制御弁Ｖ１〜Ｖ４を用いた流路の切換えにより、２基のターボ過給機２Ａ，２Ｂを直列に接続する直列過給モードと、高圧側のターボ過給機２Ａのみ又は、低圧側のターボ過給機２Ｂのみに排気ガスが流れるように流路を切り換える一段過給モードと、２基のターボ過給機２Ａ，２Ｂを並列に接続する並列過給モードと、を有している。

図３は、図２の２ステージターボシステムをより具体化して示している。図に示すように、このシステムは、図２で説明した構成に加えて、ターボ過給機２Ａ，２Ｂ及び制御弁Ｖ１〜Ｖ５を制御する制御装置３と、内燃機関１に流入するエアを冷却するインタークーラ５とを備えている。制御装置３には、流路中に配置された圧力センサＰ１〜Ｐ４からの出力が入力され、制御弁Ｖ１〜Ｖ５を適宜制御する。

図４は、２基のターボ過給機２Ａ，２Ｂが作動する直列過給モードの場合のガスの流れを示している。図に示すように、エアがターボ過給機２Ｂ及びターボ過給機２Ａを順に通過し、さらに、インタークーラ５を通過してから内燃機関１に流入する。そして、内燃機関１からの排気ガスはターボ過給機２Ａに流入し、流路切換え弁Ｖ３及びターボ過給機２Ｂを介して外部へ排出される。

図５は、ターボ過給機２Ａ又は、２Ｂのみにガスが流れる一段過給モードの場合のガスの流れを示している。ターボ過給機２Ａ，２Ｂのタービン容量は同一であるため、どの過給機を使用しても良い。このモードでは、エンジンの部分負荷の場合に用いられる。そして、例えば、図に示すように、エアは、低圧側のターボ過給機２Ｂのみに流入し、インタークーラ５を介して内燃機関１に流入する。そして、内燃機関１からの排気ガスは流量制御弁Ｖ２を介してターボ過給機２Ｂに流入し、その後、外部へ排出される。このモード時に、比例開閉弁Ｖ５を適宜に開くと、ターボ過給機２Ｂに流入する排気ガスの流量を制御することができる。

図６は、２基のターボ過給機２Ａ，２Ｂを並列に接続する並列過給モードの場合のガスの流れを示している。図に示すように、エアは２つの流路から本ターボシステムに流入し、各流路は、低圧側のターボ過給機２Ａ又は高圧側のターボ過給機２Ｂに接続されている。このターボ過給機２Ａ，２Ｂを経由したエアは合流してからインタークーラ５を通過して内燃機関１に流入する。そして、内燃機関１からの排気ガスは、高圧側のターボ過給機２Ａと低圧側のターボ過給機２Ｂとに、流路を別にして、すなわち、並列に流入する。ターボ過給機２Ａ，２Ｂを経た排気ガスは合流し、外部へ排出される。

図７は、制御弁の制御方法を示すフローチャートであり、図７の並列過給モードに切り換える場合の処理の流れを示している。
先ず、ステップＳ１において、図３に示す内燃機関１における、エンジン回転数（ＮＥ）、燃料噴射量（Ｑｆｉｎｊ）、及び現在の過給圧（Ｐｉ＝Ｐ４）を随時読み込む。次いで、ステップＳ２において、制御弁Ｖ１〜Ｖ５からのバルブ信号を読み込む。次いで、ステップＳ３において、エンジン回転数（ＮＥ）及び燃料噴射量（Ｑｆｉｎｊ）より、目標の過給圧（Ｐｔ）を随時算出する。

次いで、ステップＳ４において、ＰｉがＰｔより大きいか否か判断する。ＰｉがＰｔより大きくなければステップＳ５において、制御弁Ｖ１，Ｖ２が全閉であるか否か判断される。制御弁Ｖ１，Ｖ２が全閉でなければステップＳ６に進み全閉にし、ステップＳ１に戻る。一方、制御弁Ｖ１，Ｖ２が全閉であればステップＳ７に進み流量制御弁Ｖ２のフィードバック制御を行い、ターボ過給機２Ａ，２Ｂに流れる流量及びその割合を制御する。そして、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ４において、ＰｉがＰｔより大きければ、ステップＳ８に進み、Ｐ２／Ｐ１が所定値より大きいか否かが判断される。Ｐ２／Ｐ１が所定値より大きくなければステップＳ９に進み、制御弁Ｖ４を切り換えてターボ過給機２Ａ，２Ｂを並列にする。そして、ステップＳ１に戻る。一方、Ｐ２／Ｐ１が所定値より大きければ、ステップＳ１０に進み圧力センサＰ１，Ｐ２の圧力値を読み込む。

次いで、ステップＳ１１においてＰ３／Ｐ２が所定値より大きいか否かが判断される。Ｐ３／Ｐ２が所定値より大きくなければ、ステップＳ１２において制御弁Ｖ１，Ｖ２を全開にして、Ｖ３、Ｖ４並列モードに切り換え、制御弁Ｖ５のフィードバック制御を行いターボ過給機２Ｂに流れる流量を微制御する。そして、ステップＳ１に戻る。一方、Ｐ３／Ｐ２が所定値より大きければ、ステップＳ１３において制御弁Ｖ２のフィードバック制御を行い、ターボ過給機２Ａ，２Ｂに流れる流量及びその割合を制御する。そして、ステップＳ１に戻る。

本実施形態の２ステージターボシステムでは、同一タービン容量の２基のターボ過給機２Ａ，２Ｂを用いるので、従来の大型ターボと小型ターボの組み合わせに替えて、小型ターボ同士の組み合わせになり、システムのコンパクト化や低慣性が図られる。そして、直列過給モードにすると過給圧が上昇してターボ過給機２Ａ，２Ｂの応答性が高くなり、加速時に有利である。そして、エンジン回転数が増加に応じて、エンジンへのエアが必要になった場合に、並列過給モードにすると、吸気流量を大きくすることができ、高速・高負荷時に有利である。従来のように大型ターボと小型ターボを組み合わせて並列過給モードにすると、過給圧力のバランスが崩れるので逆止弁が必要になり部品点数の増加や圧力損失の増大につながるが、本実施形態ではかかる問題が発生しない。

そして、直列過給モード及び並列過給モード以外の一段過給モードを適宜組み合わせて、使用用途に応じた目標のエンジン性能を発揮させることができる。また、配管と制御弁を設けて制御する構成であるので、簡素な構造であり、システムの不具合が発生し難い。

また、本実施形態の２ステージターボシステムでは、吸気流路と排気流路とに制御弁Ｖ１〜Ｖ４を設けて制御装置で切り換えるという簡素な構造（図１参照）で、直列過給モード、並列過給モード、一段過給モードを切り換えることができる。特に、排気用第１バイパス流路Ｔ５に設けた流量制御弁Ｖ２により、高圧側のターボ過給機２Ａと低圧側のターボ過給機２Ｂとに流れる排気ガスの流量を制御することができ、変化するエンジン性能要求に的確に対応することができる。例えば、直列過給モードにおいて、目標過給圧に対し流量制御弁Ｖ２をコントロールして可変２ステージモードから並列過給モードに移行させる制御を実施することで、前方車両の追い越し加速性の向上にも有利である。

以上、本発明を説明してきたが、本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、その本質を逸脱しない範囲で、他の種々の変形が可能であることはいうまでもない。
例えば、例えば、高圧側のターボ過給機２Ａとして、可変容量ターボ（ＶＧＴ：Variable Geometry Turbo）を用いてもよい。ＶＧＴは、タービン容量を変更することができ、内燃機関の低回転時にこの可変ベーンを絞ることで、タービン側のスロート面積を減少させ、排気ガスの流速を増加することで応答性が速くなる。さらに、エンジンの負荷変動に応じて細かな制御が可能になる。また、高圧側のターボ過給機２Ａとして、可変流量ターボ（ＶＦＴ：Variable Flow Turbo）を用いてもよい。このようにすれば、エンジン加速時に可変流量ターボの流量を絞ることができるので、ＶＧＴと同様にターボの応答性の向上に有効である。すなわち、低速・低負荷時に有利である。なお、ＶＦＴはＶＧＴに比べ、タービン内外が２つに分割され、細かなスロート調整はできないが、シンプルな構造である点で異なる。
また、例えば、高圧側のターボ過給機２Ａとして、ツインスクロール式のものを用いてもよい。このようにすれば、エンジン加速時に通常のタービンスクロールより流速が早くなり、ターボの応答性が向上する。

また、上述した実施形態では、開閉弁Ｖ１が用いられているが、この開閉弁Ｖ１として構造的・コスト的に有利なオンとオフだけの切換えバルブを用いることができる他、連続的にオンからオフの状態に移行する比例開閉弁を用いることも可能である。
また、上述した実施形態では、流路切換え弁Ｖ３，Ｖ４を用いた例について説明したが、この流路切換え弁Ｖ３，Ｖ４として構造的・コスト的に有利な２方弁を用いることができる他、３方弁以上を用いることも当然に可能である。

本発明の２ステージターボシステムでは、小型のターボ過給機を用いつつ簡素な構造にすることができる。本発明は、ターボ過給機を搭載する車両、船舶及び航空機の全てに適用することが可能である。

１内燃機関
２Ａ第２のターボ過給機
２Ｂ第１のターボ過給機
３制御装置
４Ａエアクリーナ
４Ｂマフラー
５インタークーラ
Ｔ１吸気用直列流路
Ｔ２吸気用バイパス流路
Ｔ３吸気用並列流路
Ｔ４排気用直列流路
Ｔ５排気用第１バイパス流路
Ｔ６排気用第２バイパス流路
Ｔ７低圧ターボ制御用流路
Ｖ１開閉弁
Ｖ２流量制御弁
Ｖ３流路切換え弁
Ｖ４流路切換え弁
Ｖ５比例開閉弁

Claims

内燃機関と、該内燃機関からの排気ガスにより駆動される複数のターボ過給機と、
内燃機関に吸い込まれる吸気ガスと内燃機関からの排気ガスとの流路をそれぞれ切り換える流路切換え弁と、
該流路切換え弁及び前記ターボ過給機を制御する制御装置と、
を有する内燃機関の過給システムであって、
前記複数のターボ過給機は、排気流路最下流側の第１のターボ過給機と、該第１のターボ過給機より排気流路上流側の第２のターボ過給機とからなり、
前記内燃機関に吸い込まれる吸気ガスの吸気流路は、前記第１のターボ過給機のターボコンプレッサ及び前記第２のターボ過給機のターボコンプレッサを介して内燃機関に接続される吸気用直列流路と、前記第１のターボ過給機のターボコンプレッサの出口側から前記第２のターボ過給機のターボコンプレッサの出口側を結ぶ吸気用バイパス流路と、該吸気用バイパス流路と前記吸気用直列流路との上流側の接続ポイントより下流側に接続されて吸気ガスを流入する吸気用並列流路と、前記吸気用並列流路と前記吸気用直列流路との接続ポイントに設けられ吸気流路の切換えのみを行う１つの流路切換え弁と、前記吸気用バイパス流路に設けられた開閉弁と、を有し、
前記内燃機関からの排気ガスの排気流路は、内燃機関から前記第２のターボ過給機及び前記第１のターボ過給機を介して外部に至るまでの排気用直列流路と、前記第２のターボ過給機のタービンの入口側と前記第１のターボ過給機のタービンの入口側とを結ぶ排気用第１バイパス流路と、該排気用第１バイパス流路と前記排気用直列流路との下流側の接続ポイントより上流側と前記第１のターボ過給機のタービンの出口側とを結ぶ排気用第２バイパス流路と、該第２バイパス流路と前記排気用直列流路との上流側の接続ポイントに設けられて排気流路の切換えのみを行う１つの流路切換え弁と、前記排気用第１バイパス流路に設けられて流量を連続的に制御可能な流量制御弁と、を有し、
前記吸気流路および排気流路のそれぞれにおける流路切換え弁と前記開閉弁と前記流量制御弁との４つの弁を用いた流路の切換えおよび流量の制御により、
前記第１のターボ過給機と第２のターボ過給機とを直列に接続する直列過給モードと、前記第１のターボ過給機のみ又は第２のターボ過給機のみにガスが流れる一段過給モードと、前記第１のターボ過給機と第２のターボ過給機とを並列に接続する並列過給モードと、前記直列過給モードにおいて前記第１のターボ過給機と前記第２ターボ過給機とに流れる排気ガス流量を可変制御する可変２ステージモードと、を切換え可能に構成し、
前記制御装置は、内燃機関の回転数及び燃料噴射量より目標過給圧を算出し、該目標過給圧と内燃機関に流入する現在の過給圧とを比較して、現過給圧が前記目標過給圧より小さいときには、前記直列過給モードにし、現過給圧が前記目標過給圧より大きいときには、前記並列過給モードにし、前記直列過給モードにおいて、目標過給圧に対して前記排気用第１バイパス流路に設けられた流量制御弁をコントロールし、前記第２のターボ過給機による過給前後の圧力比が所定値以下になったときに前記可変２ステージモードから前記並列過給モードに移行させる制御を行うことを特徴とする内燃機関の過給システム。
前記複数のターボ過給機は、同一タービン容量のターボ過給機からなることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の過給システム。
前記排気用第１バイパス流路の流量制御弁より下流側と低圧側のターボ過給機の下流側とを結ぶ低圧ターボ制御用流路と、
該低圧ターボ制御用流路に設けられて流量を連続的に制御可能な流量制御弁と、
を有していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の過給システム。
前記第２のターボ過給機は、可変流量ターボであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の過給システム。
前記第２のターボ過給機は、可変容量ターボであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の過給システム。
前記第２のターボ過給機は、ツインスクロール式であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の過給システム。