JP6443738B2 - 可変容量型過給機付きエンジン - Google Patents

Description

本発明は、可変容量型過給機付きエンジンに関する。

本願出願人は、エンジンの運転状態が、吸気通路の圧力が排気通路の圧力より高くなる状態にあるときに、排気再循環が可能な可変容量型過給機付きエンジンを提案している。かかる可変容量型過給機付きエンジンは、タービン動翼の上流に可変ノズルベーンを備えた可変容量型過給機と、コンプレッサの下流側の吸気通路から可変ノズルベーンとタービンとの間の排気通路に接続されるバイパス通路と、バイパス通路に介装され、バイパス通路を開閉するバイパスバルブと、エンジンの運転状態に応じて可変ノズルベーンの開度を制御するノズルベーン制御手段と、エンジンの運転状態に応じてバイパスバルブの開度を制御するバイパスバルブ制御手段と、を備えている。また、可変容量型過給機付きエンジンは、ノズルベーン制御手段による可変ノズルベーンの制御が実行され、かつ、エンジンの運転状態が、吸気通路の圧力が排気通路の圧力より高くなる状態にあるときに、バイパスバルブ制御手段にバイパスバルブを開作動させる制御装置を更に備えている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３５５５０２号公報

しかしながら、上述した可変容量型過給機付きエンジンは、エンジンの始動直後のように、エンジンの回転数が極低回転で、かつ、エンジンの負荷が極小である場合に、タービン動翼を回転させるのに足りる排ガスをタービンに供給できない。かかる場合にタービン動翼は無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転領域となり、タービン動翼が抵抗となるので、排ガスの掃気を阻害する。
本発明は、上記実情を鑑みて、タービン動翼が無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転領域でも排ガスの掃気を良好なものにできる可変容量型過給機付きエンジンを提供することを目的とする。

本発明は、タービン動翼の上流に可変ノズルベーンを備えた可変容量型過給機と、前記可変ノズルベーンの上流側の排気通路と前記タービン動翼の下流側の排気通路とに接続され、前記可変ノズルベーン及び前記タービン動翼をバイパスするバイパス通路と、前記バイパス通路に介装され、前記バイパス通路を開閉するバイパスバルブと、エンジンの運転状態に応じて前記可変ノズルベーンの開度を制御するノズルベーン制御手段と、前記エンジンの運転状態に応じて前記バイパスバルブの開度を制御するバイパスバルブ制御手段と、を備え、前記ノズルベーン制御手段による可変ノズルベーンの制御が実行され、かつ、前記タービン動翼が無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転となる領域で、前記バイパスバルブ制御手段に前記バイパスバルブを開作動させる制御装置を更に備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ノズルベーン制御手段による可変ノズルベーンの制御が実行され、かつ、タービン動翼が無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転となる領域で、バイパスバルブ制御手段にバイパスバルブを開作動させるので、排ガスはタービン動翼をバイパスし、タービン動翼が抵抗となるのを回避する。これにより、タービン動翼が無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転領域でも排ガスの掃気を良好なものにすることができる。

本発明の一態様では、前記制御装置は、前記エンジンの運転状態が極低回転で極小負荷であるときに、前記バイパスバルブ制御手段に前記バイパスバルブの開度を全開で開作動させる。
このようにすれば、エンジンの運転状態が極低回転で極小負荷であるときに、バイパスバルブ制御手段にバイパスバルブの開度を全開で開作動させるので、排ガスはタービン動翼をバイパスし、タービン動翼が抵抗となるのを回避する。これにより、タービン動翼が無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転領域でも排ガスの掃気を良好なものにすることができる。

本発明の一態様では、前記ノズルベーン制御手段は、前記エンジンの運転状態が極低回転で極小負荷であるときに、前記可変ノズルベーンの開度を最小開度とする。
このようにすれば、エンジンの運転状態が極低回転で極小負荷であるときに、可変ノズルベーンの開度を最小開度とするので、タービン動翼に分配される排ガスが最小となり、排ガスの大半はタービン動翼をバイパスし、タービン動翼が抵抗となるのを回避する。これにより、タービン動翼が無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転領域でも排ガスの掃気を良好なものにすることができる。

本発明の一態様では、前記可変ノズルベーンの上流側の排気通路と前記可変容量型過給機のコンプレッサの下流側の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に介装され、前記可変ノズルベーンの上流側の排気通路から前記コンプレッサの下流側の吸気通路に流入する排ガス流量を調整するＥＧＲバルブと、前記エンジンの運転状態に応じて前記ＥＧＲバルブの開度を制御するＥＧＲバルブ制御手段と、を備え、前記制御装置は、前記ノズルベーン制御手段による可変ノズルベーンの制御が実行されるとともに、前記ＥＧＲバルブ制御手段によるＥＧＲバルブの制御が実行され、かつ、前記エンジンの運転状態が中回転以上又は中負荷以上であるときに、前記バイパスバルブ制御手段に前記バイパスバルブを開作動させる。
このようにすれば、エンジンの運転状態が、コンプレッサより下流側の吸気通路の圧力が可変ノズルベーンより上流側の排気通路の圧力より高くなる状態にあるときに、バイパスバルブ制御手段にバイパスバルブを開作動させるので、排ガスの一部がバイパス流路に分流され、タービンへの流入量が調整される。これにより、コンプレッサの過給圧が低下し、コンプレッサより下流側の吸気通路の圧力が可変ノズルベーンより上流側の排気通路の圧力より低くなり、可変ノズルベーンより上流側の排気通路からコンプレッサより下流側の吸気流路に排ガスが導入され、排気再循環が可能となる。

また、本発明の一態様では、前記コンプレッサの下流側の吸気通路に設けられ、前記吸気通路を開閉するスロットルバルブと、前記エンジンの運転状態に応じて前記スロットルバルブの開度を制御するスロットルバルブ制御手段と、を備え、前記制御装置は、前記バイパスバルブ制御手段に前記バイパスバルブを開作動させる際に、前記スロットルバルブ制御手段に前記スロットルバルブを閉作動させる。
このようにすれば、エンジンの運転状態が、コンプレッサより下流側の吸気通路の圧力が可変ノズルベーンより上流側の排気通路の圧力より高くなる状態にあるときに、バイパスバルブ制御手段にバイパスバルブを開動作させるとともに、スロットルバルブ制御手段にスロットルバルブを閉作動させるので、排ガスの一部がバイパス通路に分流されるとともに、エンジンに吸入される吸気流量が制限される。これにより、エンジンの運転状態に応じてバイパスバルブとスロットルバルブとが協調制御され、バイパスバルブの開動作で排ガスの一部がバイパスバルブに分流されることによるタービン回転数の低下を少なく制御することも可能となる。

本発明の一態様では、更に、前記制御装置は、前記エンジンの運転状態が過負荷であるときに、前記バイパスバルブ制御手段に前記バイパスバルブを開作動させるとともに、前記エンジンの回転数の増大に応じて前記バイパスバルブの開度を大開度とする。
このようにすれば、エンジンの運転状態が過負荷であるときに、バイパスバルブ制御手段にバイパスバルブが開作動させるので、排ガスの一部がバイパス流路に分流され、タービンへの流量が調整される。これにより、コンプレッサの過給圧が低下し、コンプレッサが流量限界（チョークライン）を超えるのを防止することができる。

本発明の一態様では、前記ノズルベーン制御手段及び前記バイパスバルブ制御手段は、前記エンジンの回転数及び負荷に開度が関連づけられたマップに基づいて前記可変ノズルベーン及び前記バイパスバルブの開度を制御する。
このようにすれば、エンジンの回転数及び負荷に開度が関連づけられたマップに基づいて、可変ノズルベーン及びバイパスバルブの開度が制御されるので、可変ノズルベーン及びバイパスバルブの開度を簡単に調整できる。

以上説明したように、本発明によれば、ノズルベーン制御手段による可変ノズルベーンの制御が実行され、かつ、タービンが無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転となる領域で、バイパスバルブ制御手段にバイパスバルブを開作動させるので、排ガスはタービンをバイパスし、タービンが抵抗となるのを回避する。これにより、タービンが無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転領域でも排ガスの掃気を良好なものにすることができる。

本発明の実施形態に係る可変容量型過給機付きエンジンの機械構成を示す模式図である。 図１に示した可変容量型過給機の要部を示す断面図である。 図２に示した可変容量型過給機の要部のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図である。 図１に示した可変容量型過給機付きエンジンの制御構成を示すブロック図である。 図４に示した制御装置の制御手順を示すフローチャートである。 図４に示した可変ノズルベーン及びバイパスバルブの作動マップを示す図である。 可変容量型過給機の選定に際して考慮されるコンプレッサの性能曲線を示す図である。 本発明の実施形態に係る可変容量型過給機の選定に際して考慮されるコンプレッサの性能曲線を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る可変容量型過給機付きエンジンに好適な実施形態を詳細に説明する。尚、この実施形態によりこの発明が限定されるものではなく、本実施形態で説明する構成の全てが本発明の解決手段として必須とされるものではない。また、本実施形態は、本発明による効果が得られる範囲で、求められる性能、機能に応じて本実施形態に示す構成や構造、制御仕様は変更される。

図１は、本発明の実施形態に係る可変容量型過給機付きエンジンの機械構成を示す模式図である。図２は、図１に示した可変容量型過給機の要部を示す断面図であり、図３は、図２に示した可変容量型過給機のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図である。

本発明の実施形態に係る可変容量型過給機付きエンジンは、自動車一般に搭載可能であって、図１に示すように、エンジン本体２、可変容量型過給機３、排気通路４、吸気通路５、スロットルバルブ５４、ＥＧＲ通路６、ＥＧＲバルブ６１、バイパス通路７、及びバイパスバルブ７１を備えている。

エンジン本体２は、ディーゼルエンジンのほかガソリンエンジンであってもよいが、ここでは、可変容量型過給機３によりエンジン出力の増大、ダウンサイジング、及び燃費性能の向上が効果的に発現するコンパクトクラスからミドルクラスの乗用自動車に搭載される多気筒のディーゼルエンジンを想定して説明するが、これに限られるものではない。

図２に示すように、可変容量型過給機３（以下、「ＶＧターボ３」ともいう）は、可変容量ターボ或いは可変ノズルターボと称されるもので、タービン３１とコンプレッサ３６とを備えている。

タービン３１は、エンジン本体２から排出された排ガスの内部エネルギーを利用してコンプレッサ３６を駆動するためのものであり、図２及び図３に示すように、可変容量型過給機３のタービン３１は、ハウジング（タービンハウジング）３２とタービンハウジング３２内に回転可能に収容されたタービン動翼（タービンインペラ）３３のほか、タービンハウジング３２内の排ガス通路面積を可変する可変ノズルベーン３４（以下、「ＶＧベーン３４」ともいう）を備えている。可変ノズルベーン３４は、タービンハウジング３２の外部に設けられたアクチュエータ３５（図１参照）により開度が任意に調整可能であり、後述する制御装置８からの指令により任意の開度に調整される。これにより、可変ノズルベーン３４は、タービンハウジング３２内の排ガス通路面積を任意に可変する。

コンプレッサ３６は、圧縮した空気をエンジン本体２に供給するためのものであり、タービンインペラ３３と同軸に設けられたコンプレッサ動翼（コンプレッサインペラ）（図示せず）とコンプレッサインペラを回転可能に収容するハウジング（コンプレッサハウジング）（図示せず）とを備えている。これにより、可変容量型過給機３は、エンジンの回転数に応じてタービンハウジング３２内の排ガス通路面積を変化させることで、タービンインペラ３３への流速を制御し、過給効果を高めている。

排気通路４は、エンジン本体２に設けられた各気筒（図示せず）から排出された排ガスを外部に排出するためのものであり、図１に示すように、エキゾーストマニホールド４１と排気管４２とを備えている。

エキゾーストマニホールド４１は、エンジン本体２に設けられた各気筒から排出された排ガスを一つに纏める多気管であって、本実施形態に係るエキゾーストマニホールド４１は、エンジン本体２と可変容量型過給機３のタービン３１との間に設けられている。これにより、エンジン本体２に設けられた各気筒から排出された排ガスは一つに纏まり可変容量型過給機３のタービン３１に供給される。

排気管４２は、エキゾーストマニホールド４１で一つに纏められた排ガスを無害化して外部に排出する単管であって、本実施形態に係る排気管４２は、可変容量型過給機３のタービン３１の下流に設けられている。これにより、可変容量型過給機３のタービン３１に供給された排ガスは、可変ノズルベーン３４を通りタービンインペラ３３を回転させた後、排気管４２を通り外部に排出される。

吸気通路５は、外部から供給された空気をエンジン本体２に設けられた各気筒に供給するためのものであり、吸気管５１とインテークマニホールド５２とを備えている。吸気管５１は、外部の空気を清浄化して吸入する単管であって、本実施形態に係る吸気管５１は、可変容量型過給機３のコンプレッサ３６の上流に設けられている。これにより、清浄化された空気は吸気管５１を通り可変容量型過給機３のコンプレッサ３６に供給される。

インテークマニホールド５２は、エンジン本体２に設けられた各気筒に空気を分配する多気管であって、本実施形態に係るインテークマニホールド５２は、可変容量型過給機３のコンプレッサ３６の下流に設けられたインタークーラ５３とエンジン本体２との間に設けられている。これにより、可変容量型過給機３のコンプレッサ３６に供給された空気は、コンプレッサ３６で圧縮され、インタークーラ５３で冷却された後、インテークマニホールド５２を通り、エンジン本体２に設けられた各気筒に分配される。

スロットルバルブ５４は、エンジン本体２への吸気（空気）の流入量を調整し、エンジン本体２の出力を調整するためのものであり、コンプレッサ３６の下流側となる吸気通路５、インタークーラ５３とインテークマニホールド５２との間に介装されている。スロットルバルブ５４は、開閉可能、かつ、任意の開度に調整可能であり、後述する制御装置８からの指令により、任意の開度に調整される。

ＥＧＲ通路６は、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯＸ）の低減や燃費性能の向上を目的として、エンジン本体２から排出された排ガスの一部をエンジン本体２に再度供給させるための通路で、本実施形態では、可変容量型過給機３のタービン３１の上流となるエキゾーストマニホールド４１とコンプレッサ３６の下流となるインテークマニホールド５２とに接続されている。

ＥＧＲバルブ６１は、エンジン本体２の排気側からエンジン本体２の吸気側に供給される排ガス流量を調整するためのものであり、ＥＧＲ通路６に介装されている。ＥＧＲバルブ６１は、開閉可能、かつ、任意の開度に調整可能であり、後述する制御装置８からの指令により、任意の開度に調整される。

バイパス通路７は、可変容量型過給機３のタービン３１をバイパスするためのものであり、タービン３１の上流側となるエキゾーストマニホールド４１とタービン３１の下流側となる排気管４２とに接続されている。

バイパスバルブ７１は、可変容量型過給機３のタービン３１をバイパスする排ガス流量を調整するためのものであり、バイパス通路７に介装されている。バイパスバルブ７１は、開閉可能、かつ、任意の開度に調整可能であり、後述する制御装置８からの指令により、任意の開度に調整される。

図４は、図１に示した可変容量型過給機付きエンジンの制御構成を示すブロック図である。
本実施形態に係る可変容量過給機付きエンジンは、エンジンの回転数、エンジンの負荷、吸気通路の圧力（吸気圧）、及び排気通路の圧力（排気圧）を含むエンジンの運転状態に応じてスロットルバルブ５４、可変ノズルベーン３４、ＥＧＲバルブ６１、及びバイパスバルブ７１を制御するもので、本実施形態に係る可変容量過給機付きエンジンの各種制御は、図４に示す制御装置（ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ））８により実現される。

制御装置８は、各種演算処理を実行するＣＰＵ（図示せず）、その制御に必要なプログラムやデータが記憶されたＲＯＭ（図示せず）、ＣＰＵの演算結果が一時記憶されるＲＡＭ（図示せず）、外部との間で信号を入出力するための入・出力ポート（図示せず）を備えて構成される。入力ポートには、エンジン回転数検出器８１、エンジン負荷検出器８２、吸気通路圧力検出器８３、及び排気通路検出器８４が接続され、出力ポートには、上述した、スロットルバルブ５４、可変ノズルベーン３４、ＥＧＲバルブ６１、及びバイパスバルブ７１が接続される。そして、制御装置８、すなわち、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭは、図４に示すように、スロットルバルブ制御手段８Ｇ、ノズルベーン制御手段８Ａ、ＥＧＲバルブ制御手段８Ｂ、及びバイパスバルブ制御手段８Ｃを構成する。

スロットルバルブ制御手段８Ｇは、スロットルバルブ５４の開度を制御するためのものであり、スロットルバルブ５４の開度は、アクセルの踏込量等に基づいて制御される。

ノズルベーン制御手段８Ａは、エンジンの運転状態に応じて可変ノズルベーン３４の開度を制御するためのものであり、可変ノズルベーン３４の開度は、エンジンの回転数とエンジンの負荷とに基づいて制御される。より具体的には、可変ノズルベーン３４の開度は、可変ノズルベーン３４の開度がエンジンの回転数とエンジンの負荷に関連づけられたマップ（図６参照）に基づいて制御される。尚、可変ノズルベーン３４の開度は、可変ノズルベーン３４の最大開度を１００％とし、最小開度を０％とした場合に、約７０〜１００％を大開度、約３０〜約７０％を中開度、０〜約３０％を小開度とするが、大、中、小の関係にあれば任意に設定可能である。

ＥＧＲバルブ制御手段８Ｂは、エンジンの運転状態に応じてＥＧＲバルブ６１の開度を制御するためのものであり、ＥＧＲバルブ６１の開度は、エンジンの回転数とエンジンの負荷とに基づいて制御される。

バイパスバルブ制御手段８Ｃは、エンジンの運転状態に応じてバイパスバルブ７１の開度を制御するためのものであり、バイパスバルブ７１の開度は、エンジンの回転数とエンジンの負荷とに基づいて制御される。より具体的には、バイパスバルブ７１の開度は、バイパスバルブ７１の開度がエンジンの回転数とエンジンの負荷に関連づけられたマップ（図６参照）に基づいて制御される。ここで、バイパスバルブ７１の開度は、バイパスバルブ７１の最大開度を１００％とした場合に、約７０〜１００％を大開度、約３０〜約７０％を中開度、０〜約３０％を小開度とするが、大、中、小の関係にあれば任意に設定可能である。

また、制御装置８は、ノズルベーン制御手段８Ａによる可変ノズルベーン３４の制御が実行され、かつ、タービンインペラ３３が無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転となる領域で、バイパスバルブ制御手段８Ｃにバイパスバルブ７１を開作動させる極低回転領域制御手段８Ｄを備えている。タービンインペラ３３が無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転となる領域（以下、「極低回転領域」ともいう）でバイパスバルブ制御手段８Ｃが開作動させるバイパスバルブ７１の開度は、エンジンの回転数とエンジンの負荷に基づいて制御される。具体的には、バイパスバルブ７１の開度がエンジンの回転数とエンジンの負荷に関連づけられたマップ（図６参照）に基づいて制御され、本実施形態では、バイパスバルブ７１の開度が全開で開作動するように制御される。

また、制御装置８は、ノズルベーン制御手段８Ａによる可変ノズルベーン３４の制御が実行されるとともに、ＥＧＲバルブ制御手段８ＢによるＥＧＲバルブ６１の制御が実行され、かつ、エンジンの運転状態がコンプレッサ３６の下流側の吸気通路５の圧力がタービン３１の上流側の排気通路４の圧力より高くなる領域（以下「圧力逆転領域」ともいう）にあるときに、バイパスバルブ制御手段８Ｃにバイパスバルブ７１を開作動させる圧力逆転領域制御手段８Ｅを備えている。圧力逆転領域でバイパスバルブ制御手段８Ｃが開作動させるバイパスバルブ７１の開度は、エンジンの回転数とエンジンの負荷とに基づいて制御される。具体的には、バイパスバルブ７１の開度がエンジンの回転数とエンジンの負荷とに関連づけられたマップ（図６参照）に基づいて制御され、本実施形態では、エンジンが中回転以上又は中負荷以上であるときに、バイパスバルブ７１の開度が小開度で開作動するように制御される。また、圧力逆転領域制御手段８Ｅは、バイパスバルブ制御手段８Ｃにバイパスバルブ７１を開動作させる際に、スロットルバルブ制御手段８Ｇにスロットルバルブ５４を閉作動させる手段を備えてもよい。

また、制御装置８は、エンジンの負荷が過負荷となり、コンプレッサ３６の流量が流量限界に近づくと、バイパスバルブ制御手段８Ｃにバイパスバルブ７１を開作動させる流量限界制御手段８Ｆを備えている。コンプレッサ３６が流量限界に近づいたときにバイパスバルブ制御手段８Ｃが開作動させるバイパスバルブ７１の開度は、エンジンの回転数とエンジンの負荷とに関連づけられたマップ（図６参照）に基づいて制御される。本実施形態では、低回転で小開度、中回転で中開度、高回転で大開度で開作動するように制御される。

図５は、図４に示した制御装置の制御手順を示すフローチャートであり、図６は、図４に示した可変ノズルベーン及びバイパスバルブの作動マップを示す図である。尚、図５及び図６では、可変ノズルベーンを「ＶＧ」と表記し、バイパスバルブを「Ｂ／Ｖ」と表記する。

図５に示すように、本実施形態に係る可変容量型過給機付きエンジンを始動すると、ノズルベーン制御手段８Ａが可変ノズルベーン３４の制御を実行するとともに、ＥＧＲバルブ制御手段８ＢがＥＧＲバルブ６１の制御を実行する（ステップＳ１及びステップＳ２）。エンジンの始動直後は、エンジンが極低回転で極小負荷であるから、可変容量型過給機３のタービンインペラ３３は無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転領域となる（ステップＳ３：ＹＥＳ）。したがって、極低回転領域制御手段８Ｄは、バイパスバルブ制御手段８Ｃにバイパスバルブ７１を開作動させる（ステップＳ４）。

タービンインペラ３３が無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転となる領域でバイパスバルブ制御手段８Ｃが開作動させるバイパスバルブ７１の開度は、エンジンの回転数とエンジンの負荷とに基づいて制御される。具体的には、バイパスバルブ７１の開度がエンジンの回転数とエンジンの負荷とに関連づけられたマップ（図６参照）に基づいて制御される。したがって、本実施形態に係るバイパスバルブ制御手段８Ｃは、バイパスバルブ７１の開度が全開となるように制御し、ノズルベーン制御手段８Ａは、可変ノズルベーン３４の開度が最小開度となるように制御する。これにより、エンジン本体２から排出された排ガスは、エキゾーストマニホールド４１からバイパス通路７を通り排気管４２に排出され、可変容量型過給機３のタービンインペラ３３が抵抗となるのを抑制することができる。

そして、タービンインペラ３３が無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転となる領域を抜け（ステップＳ３：ＮＯ）、エンジンが加速すると（ステップＳ５：ＹＥＳ）、バイパスバルブ制御手段８Ｃはバイパスバルブ７１を全閉とする（ステップＳ６）。これにより、エンジン本体２から排出された排ガスは、可変容量型過給機３のタービンインペラ３３を通り排気管４２に排出される。

また、タービンインペラ３３が無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転となる領域を抜け（ステップＳ３：ＮＯ）、エンジンが加速しない場合（ステップＳ５：ＮＯ）でも、コンプレッサ３６より下流側の吸気通路５の圧力が可変ノズルベーン３４より上流側の排気通路４の圧力より高くならない場合には（ステップＳ７：ＮＯ）、バイパスバルブ制御手段８Ｃはバイパスバルブ７１を全閉とする（ステップＳ８）。

一方、エンジンが加速せず（ステップＳ５：ＮＯ）に、コンプレッサ３６より下流側の吸気通路５の圧力が可変ノズルベーン３４より上流側の排気通路４の圧力より高くなると（ステップＳ７：ＹＥＳ）、圧力逆転領域制御手段８Ｅは、バイパスバルブ制御手段８Ｃにバイパスバルブ７１を開作動させる。コンプレッサ３６より下流側の吸気通路５の圧力が可変ノズルベーン３４より上流側の排気通路４の圧力より高くなるとバイパスバルブ制御手段８Ｃが開作動させるバイパスバルブ７１の開度は、エンジンの回転数とエンジンの負荷とに基づいて制御される。

具体的には、バイパスバルブ７１の開度がエンジンの回転数とエンジンの負荷とに関連づけられたマップ（図６参照）に基づいて制御される。本実施形態では、エンジンが過負荷でない（ステップＳ９：ＮＯ）ことを条件に、エンジンの回転数が低回転である場合に（ステップＳ１０：ＹＥＳ）にバイパスバルブ７１の開度が全閉から小開度となるように制御される（ステップＳ１１）。そして、エンジンの回転数が中回転である場合（ステップＳ１２）にバイパスバルブ７１の開度が全閉から中開度となるように制御され（ステップＳ１３）、エンジンの回転数が中回転でない場合、すなわち、エンジンの回転数が高回転である場合（ステップＳ１２：ＮＯ）にバイパスバルブ７１の開度が全閉から大開度となるように制御される（ステップＳ１４）。

これにより、少なくともエンジンが中回転又は中負荷であるときに、バイパスバルブ７１の開度が全閉から小開度となるように制御され（図６参照）、可変ノズルベーン３４の開度は、小開度から中開度の範囲で制御される。

この結果、エンジン本体２から排出された排ガスの一部は、エキゾーストマニホールド４１からバイパス通路７を通り排気管４２に排出され、タービンインペラ３３の回転が抑制される。このようにタービンインペラ３３の回転が抑制されると、コンプレッサインペラの回転も抑制されるので、やがて、コンプレッサ３６より下流側の吸気通路５の圧力が可変ノズルベーン３４より上流側の排気通路４の圧力より低くなり、可変ノズルベーン３４より上流側の排気通路４からＥＧＲ通路６を通りコンプレッサ３６より下流側の吸気通路５に排ガスの一部が供給され、排ガスが再循環する。

尚、圧力逆転領域制御手段８Ｅは、バイパスバルブ制御手段８Ｃにバイパスバルブ７１を開動作させる際に、スロットルバルブ制御手段８Ｇにスロットルバルブ５４を閉作動させてもよい。具体的には、圧力逆転領域制御手段８Ｅは、バイパスバルブ制御手段８Ｃとスロットルバルブ制御手段８Ｇとを協調制御させ、バイパスバルブ７１の開作動で排ガスの一部がバイパス通路７に分流されることによるタービン３１の回転数の低下を少なく制御しながら排ガスの再循環量を確保してもよい。

また、本実施形態では中回転又は中負荷領域で排ガスの一部（ＥＧＲ）を導入することとしたが、例えば排ガス圧力のより高くなる中回転以上の回転領域あるいは、中負荷以上の負荷領域で可変ノズルベーン３４を大開度としてＥＧＲを導入してもよい。

一方、エンジンの負荷が過負荷となり（ステップＳ９：ＹＥＳ）、コンプレッサ３６で過給される空気の流量が流量限界に近づくと、流量限界制御手段８Ｆは、バイパスバルブ制御手段８Ｃにバイパスバルブ７１を開作動させる。コンプレッサ３６で過給される空気の流量が流量限界に近づいたときにバイパスバルブ制御手段８Ｃが開作動させるバイパスバルブ７１の開度は、エンジンの回転数とエンジンの負荷とに基づいて制御される。具体的には、バイパスバルブ７１の開度がエンジンの回転数に関連づけられたマップ（図６参照）に基づいて制御される。本実施形態に係るバイパスバルブ制御手段８Ｃは、エンジンの回転数が低回転である場合に（ステップＳ１５：ＹＥＳ）にバイパスバルブ７１の開度が小開度となるように制御される（ステップＳ１６）。そして、エンジンの回転数が中回転である場合（ステップＳ１７）にバイパスバルブ７１の開度が中開度となるように制御され（ステップＳ１８）、エンジンの回転数が中回転でない場合、すなわち、エンジンの回転数が高回転である場合（ステップＳ１７：ＮＯ）にバイパスバルブ７１の開度が大開度となるように制御される（ステップＳ１９）。

図７は、可変容量型過給機の選定に際して考慮されるコンプレッサの性能曲線を示す図であり、図８は、本発明の実施形態に係る可変容量型過給機の選定に際して考慮されるコンプレッサの性能曲線を示す図である。
図７に示すように、可変容量型過給機は、エンジンの運転範囲でコンプレッサ３６がサージラインＳＬとチョークラインＣＬに囲まれた領域で稼働するように選択される。したがって、可変容量型過給機３は、エンジンが低回転から高回転に至る範囲、及び低負荷から高負荷に至る範囲でコンプレッサ３６が稼働するように選択される。このように、エンジンが低回転から高回転に至る範囲、及び低負荷から高負荷に至る範囲でコンプレッサ３６が稼働するように可変容量型過給機を選択すると、効率が良い領域でコンプレッサ３６を稼働することができない。

一方、本発明の実施形態に係る可変容量型過給機付きエンジンは、バイパスバルブ７１を備えることから、図８に示すように、可変容量型過給機３は、コンプレッサ３６が効率の良い領域で稼働するように選択することができる。このように、コンプレッサ３６が効率の良い領域で稼働するように選択すると、エンジンを高回転で回転させると空気流量と給気圧力比とがチョークラインＣＬに近づく。この場合に、本発明の実施形態に係る可変容量型過給機付きエンジンは、流量限界制御手段８Ｆがバイパスバルブ制御手段８Ｃにバイパスバルブ７１を開作動させるので、空気流量及び給気圧力比が制限され、コンプレッサ３６がチョークラインＣＬを超えることはない。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る可変容量型過給機付きエンジンは、ノズルベーン制御手段８Ａによる可変ノズルベーン３４の制御が実行され、かつ、タービンインペラ３３が無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転となる領域で、バイパスバルブ制御手段８Ｃにバイパスバルブ７１を開作動させるので、排ガスはタービンインペラ３３をバイパスし、タービンインペラ３３が抵抗となるのを回避する。これにより、タービンインペラ３３が無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転領域でも排ガスの掃気を良好なものにすることができる。

また、エンジンの運転状態が極低回転で極小負荷であるときに、バイパスバルブ制御手段８Ｃにバイパスバルブ７１の開度を全開で開作動させるので、排ガスはタービンインペラ３３をバイパスし、タービンインペラ３３が抵抗となるのを回避する。これにより、タービンインペラ３３が無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転領域でも排ガスの掃気を良好なものにすることができる。

また、エンジンの運転状態が極低回転で極小負荷であるときに、可変ノズルベーン３４の開度を最小開度とするので、タービンインペラ３３に分配される排ガスが最小となり、排ガスの大半はタービンインペラ３３をバイパスし、タービンインペラ３３が抵抗となるのを回避する。これにより、タービンインペラ３３が無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転領域でも排ガスの掃気を良好なものにすることができる。

また、エンジンの運転状態が、コンプレッサ３６より下流側の吸気通路５の圧力が可変ノズルベーン３４より上流側の排気通路４の圧力より高くなる状態にあるときに、バイパスバルブ制御手段８Ｃにバイパスバルブ７１を開作動させるので、排ガスの一部がバイパス通路７に分流され、タービンインペラ３３への流入量が調整される。これにより、コンプレッサ３６の過給圧が低下し、コンプレッサ３６より下流側の吸気通路５の圧力が可変ノズルベーン３４より上流側の排気通路４の圧力より低くなり、可変ノズルベーン３４より上流側の排気通路４からコンプレッサ３６より下流側の吸気通路５に排ガスが導入され、排気再循環が可能となる。
尚、圧力逆転領域制御手段８Ｅがバイパスバルブ制御手段８Ｃにバイパスバルブ７１を開動作させる際に、スロットルバルブ制御手段８Ｇにスロットルバルブ５４を閉作動させれば、タービン３１の回転数の低下を少なく制御しながら排ガスの再循環量を確保することが可能となる。

具体的には、エンジンの運転状態が中回転以上又は中負荷以上であり、かつ、コンプレッサ３６より下流側の吸気通路５の圧力が可変ノズルベーン３４より上流側の排気通路４の圧力より高くなる状態にあるときに、バイパスバルブ制御手段８Ｃにバイパスバルブ７１の開度を小開度で開作動させるので、排ガスの一部がバイパス通路７に分流され、タービンインペラ３３への流入量が調整される。これにより、コンプレッサ３６の過給圧が低下し、コンプレッサ３６より下流側の吸気通路５の圧力が可変ノズルベーン３４より上流側の排気通路４の圧力より低くなり、可変ノズルベーン３４より上流側の排気通路４からコンプレッサ３６より下流側の吸気通路５に排ガスが導入され、排気再循環が可能となる。尚、圧力逆転領域制御手段８Ｅがバイパスバルブ制御手段８Ｃとスロットルバルブ制御手段８Ｇとを協調制御させ、バイパスバルブ７１の開作動で排ガスの一部がバイパス通路７に分流されれば、タービン３１の回転数の低下を少なく制御しながら排ガスの再循環量を確保することが可能となる。

また、エンジンの運転状態が過負荷であるときに、バイパスバルブ制御手段８Ｃにバイパスバルブ７１が開作動させるので、排ガスの一部がバイパス通路７に分流され、タービンインペラ３３への流量が調整される。これにより、コンプレッサ３６の過給圧が低下し、コンプレッサ３６が流量限界（チョークライン）を超えるのを防止することができる。

また、エンジンの回転数及び負荷に開度が関連づけられたマップ（図６参照）に基づいて、可変ノズルベーン３４及びバイパスバルブ７１の開度が制御されるので、マップを変更することにより、可変ノズルベーン３４及びバイパスバルブ７１の開度を簡単に変更できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。

以上説明したように、本発明に係る可変容量型過給機付きエンジンは、タービン動翼が無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転領域でも排ガスの掃気を良好なものにできるので、燃費の改善に有効である。

２ エンジン本体
３ 可変容量型過給機（ＶＧターボ）
３１ タービン
３２ タービンハウジング
３３ タービンインペラ（タービン動翼）
３４ 可変ノズルベーン（ＶＧベーン）
３５ アクチュエータ
３６ コンプレッサ
４ 排気通路
４１ エキゾーストマニホールド
４２ 排気管
５ 吸気通路
５１ 吸気管
５２ インテークマニホールド
５３ インタークーラ
５４ スロットルバルブ
６ ＥＧＲ通路
６１ ＥＧＲバルブ
７ バイパス通路
７１ バイパスバルブ
８ 制御装置
８Ａ ノズルベーン制御手段
８Ｂ バルブ制御手段
８Ｃ バイパスバルブ制御手段
８Ｄ 極低回転領域制御手段
８Ｅ 圧力逆転領域制御手段
８Ｆ 流量限界制御手段
８Ｇ スロットルバルブ制御手段
８１ エンジン回転数検出器
８２ エンジン負荷検出器
８３ 吸気通路圧力検出器
８４ 排気通路検出器

Claims (5)

1. タービン動翼の上流に可変ノズルベーンを備えた可変容量型過給機と、
   前記可変ノズルベーンの上流側の排気通路と前記タービン動翼の下流側の排気通路とに接続され、前記可変ノズルベーン及び前記タービン動翼をバイパスするバイパス通路と、
   前記可変ノズルベーンの上流側の排気通路と前記可変容量型過給機のコンプレッサの下流側の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
   前記バイパス通路に介装され、前記バイパス通路を開閉するバイパスバルブと、
   前記ＥＧＲ通路に介装され、前記可変ノズルベーンの上流側の排気通路から前記コンプレッサの下流側の吸気通路に流入する排ガス流量を調整するＥＧＲバルブと、
   エンジンの運転状態に応じて前記可変ノズルベーンの開度を制御するノズルベーン制御手段と、
   前記エンジンの運転状態に応じて前記バイパスバルブの開度を制御するバイパスバルブ制御手段と、
   前記エンジンの運転状態に応じて前記ＥＧＲバルブの開度を制御するＥＧＲバルブ制御手段と、
   を備え、
   前記ノズルベーン制御手段による可変ノズルベーンの制御が実行され、かつ、前記タービン動翼が無回転又はエンジン性能向上に寄与しない極低回転となる領域で、前記バイパスバルブ制御手段に前記バイパスバルブを開作動させ、
   前記ノズルベーン制御手段による可変ノズルベーンの制御が実行されるとともに、前記ＥＧＲバルブ制御手段によるＥＧＲバルブの制御が実行され、かつ、前記コンプレッサの下流側の吸気通路の圧力が前記可変ノズルベーンの上流側の排気通路の圧力よりも高くなる状態で前記バイパスバルブ制御手段に前記バイパスバルブを開作動させる制御装置を更に備えたことを特徴とする可変容量型過給機付きエンジン。
2. 前記制御装置は、前記エンジンの運転状態が極低回転で極小負荷であるときに、前記バイパスバルブ制御手段に前記バイパスバルブの開度を全開で開作動させることを特徴とする請求項１に記載の可変容量型過給機付きエンジン。
3. 前記ノズルベーン制御手段は、前記エンジンの運転状態が極低回転で極小負荷であるときに、前記可変ノズルベーンの開度を最小開度とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の可変容量型過給機付きエンジン。
4. 更に、前記制御装置は、前記エンジンの運転状態が過負荷であるときに、前記バイパスバルブ制御手段に前記バイパスバルブを開作動させるとともに、前記エンジンの回転数の増大に応じて前記バイパスバルブの開度を大開度と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可変容量型過給機付きエンジン。
5. 前記ノズルベーン制御手段及び前記バイパスバルブ制御手段は、前記エンジンの回転数及び負荷に開度が関連づけられたマップに基づいて前記可変ノズルベーン及び前記バイパスバルブの開度を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の可変容量型過給機付きエンジン。

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