JP5894727B2

JP5894727B2 - 過給補助付き過給装置

Info

Publication number: JP5894727B2
Application number: JP2010163218A
Authority: JP
Inventors: 和成山本
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2030-07-20
Also published as: JP2012026297A

Description

本発明は、ターボチャージャ付きエンジンにおけるターボラグを緩和する過給補助のために蓄圧タンクを用いる過給補助付き過給装置に係り、燃焼室内に導入される空気量が調節できる過給補助付き過給装置に関する。

ターボチャージャ（過給器）を用いたエンジンでは、ターボチャージャの働きにより、より多くの空気を燃焼室内に吸入できるので、トルク性能の向上、排気ガス中の汚染物質の低減を図ることができる。

ターボチャージャは、一本の軸の両端にそれぞれ羽根車が取り付けられ、一方の羽根車（タービン）に排気を流してタービンを回転させ、これによって回転するもう一方の羽根車（コンプレッサ）で空気を圧縮する。このように、ターボチャージャは、排気から取り出した仕事で空気を圧縮するシステムである。ターボチャージャを用いたエンジンは、ターボチャージャで圧縮された空気を燃焼室に送り込む過給を行い、エンジンからの排気でさらにタービンを回転させるというサイクルを繰り返すことで燃焼室内に導入する空気量を増加させていくことになる。

特開平８−２６０９９１号公報

ターボチャージャには、ターボラグという問題点がある。ターボラグは、ターボチャージャが空気量を要求されてからその空気量を燃焼室内に吸入できるまでの時間差のことである。ターボラグは、ターボチャージャの原理上、必ず起きる現象である。特に、エンジン状態が変わった過渡運転時にはターボラグが起きやすい。

ターボラグが起きていると、推移するエンジン回転数及びアクセル開度から決まる燃料量に対して燃焼室に吸入される空気量が少ないため、出力トルク性能及び排気性能が悪化する。

ターボラグによる出力トルク性能及び排気性能の悪化を改善する過給補助装置として、スーパーチャージャや蓄圧用コンプレッサを用いてあらかじめ圧縮した空気を蓄圧タンクに溜めておき、ターボラグ時に蓄圧タンクからの空気を吸気経路に放出することで、空気量を補うものがある。

従来の過給補助付き過給装置を図８に示す。

図８に示された過給補助付き過給装置は、エンジン８０１の排気で回転されるタービン８０２と大気から吸気管８０３を経て得られる空気を圧縮して吸気マニホールド８０４に送るコンプレッサ８０５とが連結された低圧ターボチャージャ８０６と、過給補助時に低圧ターボチャージャ８０６の上流で吸気管８０３を遮断する逆流防止バルブ８０７と、過給補助用の圧縮空気が蓄えられた蓄圧タンク８０８と、過給補助時に蓄圧タンク８０８からの空気放出を行う蓄圧開放バルブ８０９と、蓄圧開放バルブ８０９の出口に一端が接続され、低圧ターボチャージャ８０６と逆流防止バルブ８０７との間の吸気管８０３に他端が接続された放出用配管８１０とを備える。

詳しく説明すると、排気マニホールド８１１から排気ガスを大気に導く排気管８１２には、高圧ターボチャージャ８１３のタービン８１４を経た排気流路と排気マニホールド８１１からの直接の排気流路とを切り替えてタービン８０２に排気ガスを流す排気切替バルブ８１５が設けられる。排気マニホールド８１１から排気ガスをタービン８１４に導く高圧ターボ用排気管８１６には排気ガスを排気切替バルブ８１５へ分流するウエイストゲートバルブ８１７が設けられる。

低圧ターボチャージャ８０６のコンプレッサ８０５より下流の吸気管８０３は、高圧ターボチャージャ８１３のコンプレッサ８１８の入口と、吸気流路を切り替える吸気切替バルブ８１９の一方の入口に接続されている。コンプレッサ８１８の出口からの高圧ターボ用吸気管８２０は吸気切替バルブ８１９の他方の入口に接続されている。吸気切替バルブ８１９より下流の吸気管８０３は、インタークーラ８２１を経て吸気マニホールド８０４に接続される。インタークーラ８２１の下流には吸気スロットル８２２が設けられる。吸気管８０３の逆流防止バルブ８０７より上流にはエアクリーナ８２３が設けられる。コンプレッサ８０５の入口の直ぐ上流に空気量センサ８２４が設けられる。

低圧ターボチャージャ８０６のタービン８０２の出口より下流には、酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst；ＤＯＣ）８２５と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate FilterまたはDefuser；ＤＰＦまたはＤＰＤ）８２６とが設けられる。

蓄圧タンク８０８には、圧縮空気を取り入れるための蓄圧用コンプレッサ８２７が接続される。

図９に示されるように、通常時、すなわちエンジン回転速度、出力トルクが大きく変わらず、アクセル開度がほぼ一定な定常運転であるため、ターボラグが起きにくく過給補助を行っていない。このとき、逆流防止バルブ８０７を開放して大気からの空気が低圧ターボチャージャ８０６のコンプレッサ８０５に吸気できるようにしておく。蓄圧開放バルブ８０９は閉塞する。このような弁制御により、放出用配管８１０には圧縮空気が放出されず、大気からの空気のみが低圧ターボチャージャ８０６に導入されてエンジン８０１に過給される。このとき蓄圧用コンプレッサ８２７を運転して蓄圧タンク８０８に圧縮空気を蓄えておく。

図１０に示されるように、過給補助時、すなわちエンジン回転速度、出力トルクが大きく変わり、アクセル開度が一気に大きく開く過渡運転となると、ターボラグが起きやすいため過給補助を行う。このときには、逆流防止バルブ８０７を閉塞して吸気管８０３の上流のエアクリーナ８２３に圧縮空気が逆流しないようにしておき、蓄圧開放バルブ８０９を開放する。このような弁制御により、蓄圧タンク８０８の圧縮空気がコンプレッサ８０５に供給される。

ところが、この過給補助付き過給装置は、あらかじめ蓄圧タンク８０８に溜めた空気量が多い場合、これを放出するとエンジン８０１の燃焼室内に導入される空気量が必要量より多くなる。このため、エンジン回転速度が目標より大きくなるオーバーシュートが生じる。すなわち、図１１（ａ）に示されるように、逆流防止バルブ８０７を閉塞し蓄圧開放バルブ８０９を開放した過給補助開始後、エンジン８０１の燃焼室内に導入される空気量が過給補助なしの場合に比べて早く増加するため、出力トルクの立ち上がりも早いが、空気量が超過となって、出力トルクが目標を大きく上回る。このとき、図１１（ｂ）に示されるように、エンジン回転速度が目標より大きくなるオーバーシュートが生じる。

また、エンジン状態によっては、蓄圧タンク８０８から放出された圧縮空気が燃焼室内に導入されたために、燃焼室内圧がエンジン８０１に規定されている制限値以上になる可能性がある。図１１（ｃ）に示されるように、過給補助開始後の空気量が超過した状態では、燃焼室内圧の最大値が過給補助なしの場合に比べて非常に大きい。

また、燃焼室内に導入される空気量の増加に伴う着火遅れ期間の短縮が、排気ガス性能に悪影響を与える。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、燃焼室内に導入される空気量が調節できる過給補助付き過給装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンの排気で回転されるタービンと大気から吸気管を経て得られる空気を圧縮して吸気マニホールドに送るコンプレッサとが連結されたターボチャージャと、過給補助時から過給補助調節時まで上流側の吸気管内圧力に依らず前記ターボチャージャの上流で前記吸気管を遮断した状態を継続する逆流防止バルブと、蓄圧用コンプレッサを運転することにより過給補助用の圧縮空気が蓄えられた蓄圧タンクと、過給補助時に前記蓄圧タンクからの空気放出を行う蓄圧開放バルブと、前記蓄圧開放バルブの出口に一端が接続され、前記ターボチャージャと前記逆流防止バルブとの間の吸気管に他端が接続された放出用配管とを備えた過給補助付き過給装置において、前記放出用配管に、前記吸気マニホールドからの空気圧で駆動され、前記吸気マニホールドの内圧が前記所定値未満では全開となり、前記吸気マニホールドの内圧が前記所定値に達すると、当該内圧が高まるのに応じて開度が小さくなり放出空気量を少なくする放出調節バルブを備えた過給補助付き過給装置である。

前記放出調節バルブは、前記蓄圧開放バルブから前記放出用配管への空気通路を形成する弁室と、前記弁室内を移動自在に前記弁室内に収容され、前記空気通路を全開から全閉まで開度可変に調節する弁体と、前記弁室外から前記弁室内に挿通され、前記弁体に連結されたロッドと、前記ロッドを空気圧で駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータから前記吸気マニホールドまで布設され、前記吸気マニホールドの空気を前記アクチュエータに導く駆動空気用配管とを備えてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）燃焼室内に導入される空気量が調節できる。

本発明の一実施形態を示す過給補助付き過給装置の構成図である。図１の過給補助付き過給装置の通常時の弁制御を示す図である。図１の過給補助付き過給装置の過給補助時の弁制御を示す図である。図１の過給補助付き過給装置の過給補助調節時の弁制御を示す図である。図１の過給補助付き過給装置の弁部分の内部詳細図である。図５の構成の弁制御における内部の動きを示す図であり、（ａ）は通常時、（ｂ）は過給補助時、（ｃ）は過給補助調節時の開度大時、（ｄ）は過給補助調節時の開度小時を示す。本発明の過給補助付き過給装置の特性を示す図であり、（ａ）は過給補助を行う場合と行わない場合の出力トルクの変化波形図、（ｂ）は過給補助を行う場合と行わない場合の燃焼室内圧の最大値の変化波形図である。従来の過給補助付き過給装置の構成図である。図８の過給補助付き過給装置の通常時の弁制御を示す図である。図８の過給補助付き過給装置の過給補助時の弁制御を示す図である。従来の過給補助付き過給装置の特性を示す図であり、（ａ）は過給補助を行う場合と行わない場合の出力トルクの変化波形図、（ｂ）は過給補助を行う場合と行わない場合のエンジン回転速度の変化波形図、（ｃ）は過給補助を行う場合と行わない場合の燃焼室内圧の最大値の変化波形図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る過給補助付き過給装置は、エンジン８０１の排気で回転されるタービン８０２と大気から吸気管８０３を経て得られる空気を圧縮して吸気マニホールド８０４に送るコンプレッサ８０５とが連結されたターボチャージャ（以下、低圧ターボチャージャ）８０６と、過給補助時に低圧ターボチャージャ８０６の上流で吸気管８０３を遮断する逆流防止バルブ８０７と、過給補助用の圧縮空気が蓄えられた蓄圧タンク８０８と、過給補助時に蓄圧タンク８０８からの空気放出を行う蓄圧開放バルブ８０９と、蓄圧開放バルブ８０９の出口に一端が接続され、低圧ターボチャージャ８０６と逆流防止バルブ８０７との間の吸気管８０３に他端が接続された放出用配管８１０とを備えた過給補助付き過給装置において、放出用配管８１０に、吸気マニホールド８０４からの空気圧で駆動され、吸気マニホールド８０４の内圧が高くなると開度が小さくなる放出調節バルブ１０１を備えたものである。

このように、本発明の過給補助付き過給装置は、図８の過給補助付き過給装置に放出調節バルブ１０１を追加し、放出調節バルブ１０１が吸気マニホールド８０４の内圧に応じて開度調節されるようにしたものである。吸気マニホールド８０４の内圧と放出調節バルブ１０１の開度の関係は、あらかじめ実験により設定する。

以下、本発明の過給補助付き過給装置の動作を説明する。

図２に示されるように、通常時、すなわちターボラグが起きにくい定常運転であるため過給補助を行っていないときには、逆流防止バルブ８０７を開放して大気からの空気が低圧ターボチャージャ８０６のコンプレッサ８０５に吸気できるようにしておく。蓄圧開放バルブ８０９は閉塞する。放出調節バルブ１０１は吸気マニホールド８０４の内圧が低いため、開放となっている。このような弁制御により、放出用配管８１０には圧縮空気が放出されず、大気からの空気のみが低圧ターボチャージャ８０６に導入されてエンジン８０１に過給される。このとき蓄圧用コンプレッサ８２７を運転して蓄圧タンク８０８に圧縮空気を蓄えておく。

図３に示されるように、過給補助時（過給補助調節が始まる以前）、すなわちターボラグが起きやすい過渡運転であるため過給補助を行っているときには、逆流防止バルブ８０７を閉塞して吸気管８０３の上流のエアクリーナ８２３に圧縮空気が逆流しないようにしておき、蓄圧開放バルブ８０９を開放する。放出調節バルブ１０１は吸気マニホールド８０４の内圧が低いため、全開となっている。このような弁制御により、蓄圧タンク８０８の圧縮空気がコンプレッサ８０５に供給される。

図４に示されるように、過給補助調節時、すなわち過給補助の効果によって吸気マニホールド８０４の内圧が高まり、放出調節バルブ１０１の開度が小さくなる。この結果、低圧ターボチャージャ８０６のコンプレッサ８０５に導入される圧縮空気量が絞られ、エンジン８０１の燃焼室内に導入される空気量が超過にならない。

次に、図５により、放出調節バルブ１０１、逆流防止バルブ８０７、蓄圧開放バルブ８０９の詳細構造を説明する。

放出調節バルブ１０１は、蓄圧開放バルブ８０９から放出用配管８１０への空気通路を形成する弁室１０２と、弁室１０２内を移動自在に弁室１０２内に収容され、空気通路を全開から全閉まで開度可変に調節する弁体１０３と、弁室１０２外から弁室１０２内に挿通され、弁体１０３に連結されたロッド１０４と、ロッド１０４を空気圧で駆動するアクチュエータ１０５と、アクチュエータ１０５から吸気マニホールド８０４まで布設され、吸気マニホールド８０４の空気をアクチュエータ１０５に導く駆動空気用配管１０６とを備える。

アクチュエータ１０５は、例えば、ベローズ管のように中空で弾性を有することにより、内圧に応じて一方向に拡縮される部材であり、駆動空気用配管１０６から高圧の空気がアクチュエータ１０５に導入されると、拡大してロッド１０４を押し、吸気マニホールド８０４の内圧が低圧になると、アクチュエータ１０５から空気が排出されてロッド１０４が引き戻されるように構成されている。

アクチュエータ１０５は、駆動空気用配管１０６で導かれた吸気マニホールド８０４の内圧が所定値に満たないときは全開となり、吸気マニホールド８０４の内圧が所定値を超えると、吸気マニホールド８０４の内圧が高まるのに応じて開度が小さくなるように、内圧に対する拡縮量が設定されている。

逆流防止バルブ８０７は、吸気管８０３に挿入された弁室８０７ａと弁室８０７ａ内に設けられて図示しないソレノイドで駆動される弁体８０７ｂとを備える。

蓄圧開放バルブ８０９は、放出調節バルブ１０１を介して放出用配管８１０に接続される弁室８０９ａと弁室８０９ａ内に設けられて図示しないソレノイドで駆動される弁体８０９ｂとを備える。

図６（ａ）に示されるように、通常時、逆流防止バルブ８０７では、弁体８０７ｂが弁室８０７ａを開放しており、エアクリーナ８２３からの空気がコンプレッサ８０５に導入される。蓄圧開放バルブ８０９では、弁体８０７ｂが弁室８０９ａを閉塞しており、蓄圧タンク８０８の圧縮空気は放出されない。放出調節バルブ１０１は全開となっている。

図６（ｂ）に示されるように、過給補助時、逆流防止バルブ８０７では、弁体８０７ｂが弁室８０７ａを閉塞し、圧縮空気がエアクリーナ８２３に逆流することが防止される。蓄圧開放バルブ８０９では、弁体８０７ｂが弁室８０９ａを開放し、圧縮空気が放出される。この時点では、放出調節バルブ１０１は全開となっている。

図６（ｃ）に示されるように、吸気マニホールド８０４の内圧が所定値に達すると、放出調節バルブ１０１の開度が全開よりやや小さくなる。さらに、図６（ｄ）に示されるように、吸気マニホールド８０４の内圧が所定値を大きく超えると、放出調節バルブ１０１の開度がいっそう小さくなる。

図７（ａ）に示されるように、本発明の過給補助付き過給装置では、過給補助を行うことにより、エンジン８０１の燃焼室に導入される空気量が過給補助なしの場合に比べて早く増加するため、出力トルクの立ち上がりが早く、しかも、吸気マニホールド８０４の内圧が高まると放出調節バルブ１０１の開度が調節されるため、空気量が超過となることがない。よって、出力トルクはほぼ目標値で安定すると共に、従来の図１１（ｂ）に示されたような、エンジン回転速度のオーバーシュートがなくなる。

図７（ｂ）に示されるように、本発明の過給補助付き過給装置では、吸気マニホールド８０４の内圧に応じて放出調節バルブ１０１の開度が調節されるため、燃焼室内圧の最大値が高まるのが抑制され、燃焼室内圧がエンジン８０１に規定されている制限値以上になることがない。

以上説明したように、本発明に係る過給補助付き過給装置によれば、放出用配管８１０に、吸気マニホールド８０４からの空気圧で駆動され、吸気マニホールド８０４の内圧が高くなると開度が小さくなる放出調節バルブ１０１を備えるので、過給補助によってターボラグを解消しつつ、過給補助時に吸気マニホールド８０４の内圧が高まってくると、燃焼室内に導入される空気量が少なくなるよう調節されるので、エンジン回転速度のオーバーシュートがなくなると共に、燃焼室内圧が制限値以上になることがない。

空気量の調節は、例えば、吸気マニホールド８０４内に空気圧センサを設け、放出用配管８１０に電磁弁を取り付け、電磁弁を電子制御して放出調節してもよいが、制御遅れが生じる。その点、本発明に係る過給補助付き過給装置によれば、吸気マニホールド８０４内に空気圧センサを設ける必要がなく、また、吸気マニホールド８０４の内圧で放出調節バルブ１０１が駆動されるため、制御遅れが生じない。

なお、本実施形態では、低圧ターボチャージャ８０６の他に高圧ターボチャージャ８１３を備えた構成としたが、低圧ターボチャージャ８０６のみの構成でも本発明は有効である。

また、本実施形態では、低圧ターボチャージャ８０６のコンプレッサ８０５の入口に圧縮空気を放出して過給補助したが、コンプレッサ８０５の出口より下流の高圧側に放出してもよい。この場合、ターボラグはいっそう小さくできる。ただし、蓄圧タンク８０８の圧縮空気圧をより高くする必要があると共に、逆流防止にも工夫が必要となる。

１０１放出調節バルブ
８０１エンジン
８０４吸気マニホールド
８０６ターボチャージャ
８０７逆流防止バルブ
８０８蓄圧タンク
８０９蓄圧開放バルブ
８１０放出用配管

Claims

エンジンの排気で回転されるタービンと大気から吸気管を経て得られる空気を圧縮して吸気マニホールドに送るコンプレッサとが連結されたターボチャージャと、
過給補助時から過給補助調節時まで上流側の吸気管内圧力に依らず前記ターボチャージャの上流で前記吸気管を遮断した状態を継続する逆流防止バルブと、
蓄圧用コンプレッサを運転することにより過給補助用の圧縮空気が蓄えられた蓄圧タンクと、
過給補助時に前記蓄圧タンクからの空気放出を行う蓄圧開放バルブと、
前記蓄圧開放バルブの出口に一端が接続され、前記ターボチャージャと前記逆流防止バルブとの間の吸気管に他端が接続された放出用配管とを備えた過給補助付き過給装置において、
前記放出用配管に、前記吸気マニホールドからの空気圧で駆動され、前記吸気マニホールドの内圧が前記所定値未満では全開となり、前記吸気マニホールドの内圧が前記所定値に達すると、当該内圧が高まるのに応じて開度が小さくなり放出空気量を少なくする放出調節バルブを備えたことを特徴とする過給補助付き過給装置。
前記放出調節バルブは、
前記蓄圧開放バルブから前記放出用配管への空気通路を形成する弁室と、
前記弁室内を移動自在に前記弁室内に収容され、前記空気通路を全開から全閉まで開度可変に調節する弁体と、
前記弁室外から前記弁室内に挿通され、前記弁体に連結されたロッドと、
前記ロッドを空気圧で駆動するアクチュエータと、
前記アクチュエータから前記吸気マニホールドまで布設され、前記吸気マニホールドの空気を前記アクチュエータに導く駆動空気用配管とを備えたことを特徴とする請求項１記載の過給補助付き過給装置。