JP6116047B2

JP6116047B2 - ターボ過給機付エンジン

Info

Publication number: JP6116047B2
Application number: JP2013087617A
Authority: JP
Inventors: 健次廣瀬
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2033-04-18
Also published as: JP2014211114A

Description

本発明は、ターボ過給機のコンプレッサが設けられた吸気通路における吸気脈動（サージ）を防止するターボ過給機付エンジンに関する。

従来より、ターボ過給機を備えたエンジンにおいては、サージを防止するため様々な技術が提案されている。例えば、特開２０１２−１５４２９２号公報（以下、特許文献１）では、ターボ過給機のコンプレッサをバイパスする吸気バイパス通路と、吸気バイパス通路を開閉可能なエアバイパスバルブとを備え、コンプレッサの作動領域がサージ領域であると判定された場合にエアバイパスバルブを開く技術において、エアバイパスバルブの開弁中にコンプレッサの作動領域がサージ領域から外れた場合に、エンジンのトルク要求の態様に応じてエアバイパスバルブの閉弁を禁止できるようにして、意図しないトルク変化の発生を防止するサージ防止制御の技術が開示されている。

特開２０１２−１５４２９２号公報

コンプレッサが設けられた吸気通路でサージが発生する状態は、例えば図３に示すような、コンプレッサ上流側圧力Ｐinに対するコンプレッサ下流側圧力Ｐoutの圧力比（Ｐout／Ｐin）と吸入空気量Ｑの特性の関係から一般に知られている。すなわち、図３のサージラインより圧力比（Ｐout／Ｐin）が高くなる場合（例えば、エンジン回転数低回転時にコンプレッサ上流側圧力Ｐinが急低下する場合（図３中、点Ｐ０→点Ｐ１で示す）や、吸入空気量Ｑが急低下する場合（図３中、点Ｐ０→点Ｐ２で示す））には、吸気通路の脈動変動が大となってサージ現象が発生する。このようなサージ状態を防止するために、上述の引用文献１に開示されるようなエアバイパスバルブを開弁してサージ現象を防止する制御を行うが、ターボ過給機がサージ現象の発生を防止するために厳密な適正運転作動範囲の制限を受けることにより、総じて過給効率の低下、出力の低下を招いてしまうという課題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、サージ現象の発生を確実に防止しつつターボ過給機の運転作動範囲の制限を最小限に抑えて過給効率の低下、出力の低下を抑制することができるターボ過給機付エンジンを提供することを目的とする。

本発明の一形態によるターボ過給機付エンジンは、エンジンの排ガスによって駆動されるタービンと該タービンによって駆動されるコンプレッサを有するターボ過給機を備えたターボ過給機付エンジンにおいて、上記コンプレッサ上流の吸気通路の中途部に設けられて該コンプレッサ上流に外部から新気を導入自在な開口手段と、エンジンの運転状態に基づいて上記コンプレッサの作動領域がサージ状態か否か判定するサージ状態判定手段と、上記サージ状態判定手段により上記コンプレッサの作動領域がサージ状態と判定された場合に上記開口手段を開口して上記コンプレッサ上流に外部から新気を導入する新気導入手段とを備えた。

本発明によるターボ過給機付エンジンによれば、サージ現象の発生を確実に防止しつつターボ過給機の運転作動範囲の制限を最小限に抑えて過給効率の低下、出力の低下を抑制することが可能となる。

本発明の実施の第１形態による、エンジン制御系の構成図である。本発明の実施の第１形態による、サージ防止制御のフローチャートである。本発明の実施の第１形態による、サージ防止制御の実施領域内であるか否かを判定するための特性マップの一例を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の第１形態を説明する。
図１において、符号１はエンジンであり、本実施の形態においては、ディーゼルエンジン（以下、単に「エンジン」と記載する）である。このエンジン１の燃焼室２に、吸気弁３，排気弁４を介して吸気通路５，排気通路６が連通されている。吸気通路５の上流側には吸気チャンバ７が形成され、この吸気チャンバ７の上流に、スロットル弁８が介装されている。吸気チャンバ７には、スロットル弁８下流の空気圧（後述するコンプレッサ１１ａの下流側圧力）Ｐoutを検出する吸気圧センサ５１が取付けられている。

スロットル弁８は、電子制御装置（ＥＣＵ５０）からの制御信号によってスロットル弁８の開度を調整し、吸気量（新気量）を制御する吸気アクチュエータ９に連設されている。また、スロットル弁８の上流側には、インタークーラ１０が介装され、このインタークーラ１０の上流側に、ターボ過給機１１のコンプレッサ１１ａが介装されている。更に、ターボ過給機１１のコンプレッサ１１ａ上流側には、エアクリーナ１２が介装され、このエアクリーナ１２のフィルタ１２ａの上流には、レゾネータ１３が連接されている。また、エアクリーナ１２の下流側には、吸気温を検出する吸気温センサ５２を内蔵して、吸入空気量Ｑを検出する吸入空気量センサ５３が介装されると共に、コンプレッサ上流側圧力Ｐinを検出するコンプレッサ入口圧センサ５４が介装されている。また、上述のレゾネータ１３の側面には、ＥＣＵ５０からの駆動信号に基づいて作動される（例えば、バキュームポンプ（図示せず）が発生する負圧により駆動される、或いは、電動モータにより駆動される）アクチュエータ１４ａにより開口されることで外部から新気を導入自在な開口手段としての開口弁１４が配設されている。

一方、エンジン１の排気通路６には、ターボ過給機１１のタービン１１ｂが介装され、タービン１１ｂ上流側の排気通路６が排気ガス還流（ＥＧＲ）通路１５を介してスロットル弁８下流側の吸気通路５にバイパス接続されている。ＥＧＲ通路１５には、ＥＣＵ５０からの制御信号によってＥＧＲ量を制御するＥＧＲ弁１６と、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１７とが介装されている。

ターボ過給機１１は、本実施の形態においては、周知の可変ノズル式ターボ過給機（Variable Geometory Turbosupercharger：ＶＧＴ）であり、タービン１１ｂの周囲に設けられた可変ノズルのベーンがリンク機構（図示せず）を介して負圧作動式のアクチュエータ１８に連設されている。アクチュエータ１８の圧力導入管には、ＥＣＵ５０によって制御される負圧制御電磁弁１９が接続されており、図示しない負圧源からの負圧が負圧制御電磁弁１９で調圧されてアクチュエータ１８に導入される。

これにより、ターボ過給機１１の可変ノズルのベーン開度が可変されてタービン１１ｂに吹き付けられる排気ガスの流速が調整され、タービン回転数が可変されて過給圧が制御される。すなわち、アクチュエータ１８の動作により、可変ノズルのベーン開度が閉方向へ変化すると、排気ガス流速が速くなり、過給圧が上昇する。逆にベーン開度が開方向へ変化すると、排気ガス流速が遅くなり、過給圧が低下する。

タービン１１ｂ下流側の排気通路６は、主として排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）を触媒反応により酸化させるディーゼル用酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst;DOC）２０に連通されている。また、ＤＯＣ２０の下流側には、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵し、還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒（Lean NOx Trap catalyst;LNT）２１が配設され、更に、ＬＮＴ２１の下流側に、排気ガス中の煤やカーボンスート（Ｓｏｏｔ），可溶性有機成分（Soluble Organic Fraction;SOF），サルフェート（sulfate;SO4）等の粒子状物質（Particulate Matter;PM）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter;DPF）２２が配設されている。

タービン１１ｂを通過した排気は、ＤＯＣ２０，ＬＮＴ２１を通過する際に所定に浄化され、更に、ＤＰＦ２２の多孔性の隔壁を通過しながら下流側へ流れ、その間、排気ガス中のＰＭが捕集・堆積される。そして、最終的に浄化された排気ガスが排気マフラ（図示せず）を経て排出される。

このようなＤＯＣ２０，ＬＮＴ２１，ＤＰＦ２２には、排気ガスの状態を検出するためのセンサ類が配設されている。すなわち、ＤＯＣ２０の上流側に、ＤＯＣ２０に流入する排気ガスの温度を検出する温度センサ５５が取付けられ、ＤＯＣ２０とＬＮＴ２１との間に、排気ガスの空燃比を検出するリニア空燃比センサ５６が取付けられている。また、ＬＮＴ２１とＤＰＦ２２の間に、排気ガスの温度を検出する温度センサ５７と、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ５８とが配設され、更に、ＤＰＦ２２の上下流に、ＤＰＦ２２の入口圧力と出口圧力との差圧を検出する差圧センサ５９が取付けられている。

次に、エンジン１の燃料噴射系について説明する。このエンジン１は、周知のコモンレール式燃料噴射システムを採用しており、燃焼室２に、ＥＣＵ５０によって制御されるインジェクタ２３が取付けられている。また、燃焼室２のインジェクタ２３の噴射ノズル近傍には、グローコントローラ２５によって通電が制御されるグロープラグ２４が取付けられている。

インジェクタ２３は、各気筒に分岐配管される燃料配管２６を介してコモンレール２７に接続されており、コモンレール２７には、図示しない燃料タンクから燃料を吸い上げて加圧するサプライポンプ２８が接続されている。そして、サプライポンプ２８によって高圧に昇圧された燃料がコモンレール２７に蓄圧され、各気筒への燃料配管２６を介して各気筒のインジェクタ２３に高圧燃料が供給される。

サプライポンプ２８は、例えばインナカム式の圧送系と電磁弁による吸入量の調量方式を備えるものであり、吸入量を調整する吸入調量電磁弁２９、燃料温度を検出する燃料温度センサ６０が本体内に組込まれている。サプライポンプ２８の燃料温度センサ６０からの信号は、コモンレール２７内の燃料圧力（レール圧）を検出する燃料圧力センサ６１からの信号と共にＥＣＵ５０に入力され、他のセンサ類からの信号と共に処理される。そして、ＥＣＵ５０により、サプライポンプ２８の吐出圧すなわちコモンレール２７の燃料圧力が、例えばエンジン回転数と負荷とに応じた最適値に、吸入調量電磁弁２９を介してフィードバック制御される。

次に、ＥＣＵ５０を中心とする電子制御系について説明する。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏインターフェイス等からなるマイクロコンピュータを中心として、その他、Ａ／Ｄ変換器、タイマ、カウンタ、各種ロジック回路等の周辺回路を含んで構成されている。

ＥＣＵ５０には、吸気温センサ５２、吸入空気量センサ５３、燃料温度センサ６０、燃料圧力センサ６１、エンジン１の冷却水通路に臨まされて冷却水温を検出する水温センサ６２、クランク軸１ａの回転位置を検出するクランク角センサ６３、アクセルペダルの踏込み量を検出するアクセルペダルセンサ６４、吸気チャンバ７に臨まされている吸気圧センサ５１、コンプレッサ入口圧センサ５４、大気圧を検出する大気圧センサ６５、排気系に介装された各センサ（温度センサ５５，５７、リニア空燃比センサ５６、ＮＯｘセンサ５８、差圧センサ５９）、その他、図示しない各種センサ類やスイッチ類からの信号が入力される。

尚、ＥＣＵ５０は、ＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信プロトコルに基づく車内ネットワーク（図示せず）に接続されている。この車内ネットワークには、ＥＣＵ５０の他、変速機を制御するトランスミッションＥＣＵ、ブレーキを制御するブレーキＥＣＵ等の複数のＥＣＵが接続されており、互いにデータを送受信して各種情報を共有する。

ＥＣＵ５０は、エンジン運転状態を検出する上述の各種センサ類からの信号、車内ネットワークを介して入力される各種制御情報に基づいて、燃料圧力制御、燃料噴射制御、吸気制御、過給圧制御、ＥＧＲ制御等の各種エンジン制御を実行し、エンジン１の運転状態を最適状態に維持する。このエンジン制御においては、通常走行時、クランク角センサ６３からの信号に基づくエンジン回転数とアクセルペダルセンサ６４からの信号に基づくアクセル開度とに応じて、マップ参照等により燃料噴射量や噴射時期を決定し、ピストン上死点前後の多段噴射のパターン、例えば、プレ噴射→メイン噴射→アフター噴射のパターンでインジェクタ２３から高圧燃料を噴射させ、燃焼安定化及び排気エミッションの低減を図っている。

また、ＥＣＵ５０は、後述の図２に示すフローチャートに従って、ターボ過給機１１のコンプレッサ１１ａが介装されている吸気通路５のサージ現象を防止するサージ防止制御を実行する。このサージ防止制御では、コンプレッサ１１ａの下流側圧力Ｐoutを検出する吸気圧センサ５１と、吸入空気量Ｑを検出する吸入空気量センサ５３と、コンプレッサ上流側圧力Ｐinを検出するコンプレッサ入口圧センサ５４に基づき、例えば、図３に示すようなマップに基づいて、コンプレッサ１１ａの作動領域がサージ状態か否か判定する。そして、コンプレッサ１１ａの作動領域がサージ状態と判定された場合に、アクチュエータ１４ａに信号出力してエアクリーナ１２のフィルタ上流のレゾネータ１３の側面に設けた開口弁１４を開口してコンプレッサ１１ａの上流に新気を導入する。このように、ＥＣＵ５０は、サージ状態判定手段、新気導入手段として設けられている。

次に、本実施形態によるサージ防止制御を図２のフローチャートで説明する。
まず、ステップ（以下、「Ｓ」と略称）Ｓ１０１で、必要パラメータ、すなわち、コンプレッサ１１ａの下流側圧力Ｐout、コンプレッサ上流側圧力Ｐin、吸入空気量Ｑを読み込む。

次いで、Ｓ１０２に進み、例えば、図３に示すような、コンプレッサ上流側圧力Ｐinに対するコンプレッサ下流側圧力Ｐoutの比（Ｐout／Ｐin）と吸入空気量Ｑの関係のマップに基づいて、コンプレッサ１１ａの作動領域がサージ状態か判定する。また、コンプレッサ上流側圧力Ｐinが予め設定しておいた閾値よりも急低下した場合（コンプレッサ上流側圧力Ｐinの時間に対する変化量が予め設定しておいた速度以上で低下し、予め設定しておいた閾値以下となった場合）、また、吸入空気量Ｑが予め設定しておいた閾値よりも急低下した場合（吸入空気量Ｑの時間に対する変化量が予め設定しておいた速度以上で低下し、予め設定しておいた閾値以下となった場合）の少なくとも１つの場合に吸気通路５の空気流れが不安定な吸気管脈動が大のサージ状態と判定する。

次に、Ｓ１０３に進み、Ｓ１０２の処理の結果、コンプレッサ１１ａの作動領域がサージ状態か否か判定し、サージ状態の場合は、Ｓ１０４に進み、アクチュエータ１４ａに信号出力してエアクリーナ１２のフィルタ上流のレゾネータ１３の側面に設けた開口弁１４を開口してコンプレッサ１１ａの上流に新気を導入してコンプレッサ１１ａ上流の負圧状態を速やかに適正に戻すことでサージ状態の発生を抑制する。

また、Ｓ１０３で、Ｓ１０２の処理の結果、コンプレッサ１１ａの作動領域がサージ状態ではないと判定されている場合は、Ｓ１０５に進み、アクチュエータ１４ａを非作動とし、開口弁１４は閉じた状態としてルーチンを抜ける。

このように、本発明の実施の形態によれば、ＥＣＵ５０は、コンプレッサ１１ａの下流側圧力Ｐoutを検出する吸気圧センサ５１と、吸入空気量Ｑを検出する吸入空気量センサ５３と、コンプレッサ上流側圧力Ｐinを検出するコンプレッサ入口圧センサ５４に基づき、コンプレッサ１１ａの作動領域がサージ状態か否か判定し、コンプレッサ１１ａの作動領域がサージ状態と判定された場合に、アクチュエータ１４ａに信号出力してエアクリーナ１２のフィルタ上流のレゾネータ１３の側面に設けた開口弁１４を開口してコンプレッサ１１ａの上流に新気を導入する。このため、サージ現象の発生を速やかに確実に防止しつつターボ過給機の運転作動範囲の制限を最小限に抑えて過給効率の低下、出力の低下を抑制することができる。

尚、本発明の実施の形態では、エンジン１としてディーゼルエンジンを例に説明したが、ガソリンエンジンに対しても同様に適用できることは云うまでもない。

１エンジン
２燃焼室
５吸気通路
６排気通路
７吸気チャンバ
８スロットル弁
１１ターボ過給機
１１ａコンプレッサ
１１ｂタービン
１２エアクリーナ
１２ａフィルタ
１３レゾネータ
１４開口弁（開口手段）
１４ａアクチュエータ
５０ＥＣＵ（サージ状態判定手段、新気導入手段）
５１吸気圧センサ
５３吸入空気量センサ
５４コンプレッサ入口圧センサ

Claims

エンジンの排ガスによって駆動されるタービンと該タービンによって駆動されるコンプレッサを有するターボ過給機を備えたターボ過給機付エンジンにおいて、
上記コンプレッサ上流の吸気通路の中途部に設けられて該コンプレッサ上流に外部から新気を導入自在な開口手段と、
エンジンの運転状態に基づいて上記コンプレッサの作動領域がサージ状態か否か判定するサージ状態判定手段と、
上記サージ状態判定手段により上記コンプレッサの作動領域がサージ状態と判定された場合に上記開口手段を開口して上記コンプレッサ上流に外部から新気を導入する新気導入手段と、
を備えたことを特徴とするターボ過給機付エンジン。
上記サージ状態判定手段は、上記コンプレッサ上流側圧力が予め設定しておいた閾値よりも急低下した場合と、上記吸入空気量が予め設定しておいた閾値よりも急低下した場合の少なくとも一つの場合に上記コンプレッサの作動領域がサージ状態と判定することを特徴とする請求項１記載のターボ過給機付エンジン。
上記開口手段は、上記コンプレッサ上流の吸気通路に配設したレゾネータに設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のターボ過給機付エンジン。