JP7056224B2

JP7056224B2 - 過給エンジン

Info

Publication number: JP7056224B2
Application number: JP2018032000A
Authority: JP
Inventors: 優和青木; 雄大鈴木; 暁光吉田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2038-02-26
Also published as: JP2019148182A

Description

本発明は、排気タービン式過給機を備える過給エンジンに関する。

特許文献１には、第１過給機、及び第２過給機の２つの排気タービン式過給機が吸気通路及び排気通路に並列に設置された過給エンジンが記載されている。同文献に記載の過給エンジンの吸気通路には、第１過給機のコンプレッサが設置された第１コンプレッサ通路及び第２過給機のコンプレッサが設置された第２コンプレッサ通路と、が並列に設けられている。また、同過給エンジンの排気通路には、第１過給機のタービンが設置された第１タービン通路及び第２過給機のタービンが設置された第２タービン通路と、が並列に設けられている。

さらに、上記文献に記載の過給エンジンは、第２タービン通路に設置された排気切替弁と、第２コンプレッサ通路における第２過給機のコンプレッサよりも下流側の部分に設置された吸気切替弁と、を備えている。そして、排気切替弁及び吸気切替弁の開閉制御を通じてエンジンの運転状況に応じて過給システムの動作モードを、第１過給機及び第２過給機の双方により過給を行うツインターボモードと、第２過給機の過給動作を停止して第１過給機のみで過給を行うシングルターボモードと、に切り替えている。

特開２００９－１６７９６１号公報

ところで、エンジンの背圧が過上昇したときに、高まった背圧により弁体が押し開けられて背圧を逃がすように排気切替弁を構成することがある。すなわち、排気切替弁の弁体に背圧が開弁方向に加わる構造とすることがある。

こうした場合、第２過給機の過給動作を停止するシングルターボモード時に背圧が上昇すると、高まった背圧により排気切替弁の弁体が押し開かれてしまうことがある。こうして排気切替弁が背圧により自己開弁すると、第２過給機のタービンに排気が流入して、停止中の第２過給機が過給動作を開始する。このときの吸気切替弁は閉弁しており、第２過給機のコンプレッサよりも下流側の部分において第２コンプレッサ通路が閉塞されている。そのため、シングルターボモード時に排気切替弁が自己開弁して第２過給機が過給動作を開始すると、同第２過給機のコンプレッサが吐出した吸気が行き場を失って、第２コンプレッサ通路を逆流する。こうした吸気の逆流は、第２過給機のコンプレッサの耐久性の低下を招く要因となる。また、このときの逆流する吸気は、コンプレッサの圧縮により高温となっているため、吸気通路における第２過給機のコンプレッサよりも上流側の部分に設置された樹脂製の吸気系部材の耐久性を低下させる虞もある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、背圧による排気切替弁の自己開弁に伴う吸気の逆流の発生を抑制できる過給エンジンを提供することにある。

上記課題を解決する過給エンジンは、吸気通路の一部を構成する通路である第１コンプレッサ通路にコンプレッサが設置され、且つ排気通路の一部を構成する通路である第１タービン通路にタービンが設置された第１過給機と、吸気通路の一部を構成する通路であって第１コンプレッサ通路に並列に接続された第２コンプレッサ通路にコンプレッサが設置され、且つ排気通路の一部を構成する通路であって第１タービン通路に並列に接続された第２タービン通路にタービンが設置された第２過給機と、を備えている。また、同過給エンジンは、第２タービン通路に設置されて同第２タービン通路の排気の流れを閉弁に応じて遮断する弁であって、エンジンの背圧を開弁方向に受ける弁体を有した排気切替弁と、第２コンプレッサ通路における第２過給機よりも下流側の部分に設置されて、吸気の流れを許容する開状態と同吸気の流れを遮断する閉状態とに切り替わる吸気切替機構と、を備えている。

こうした過給エンジンでは、排気切替弁を閉弁して第２過給機のタービンへの排気の流入を遮断するとともに、吸気切替機構を閉状態として第２コンプレッサ通路を通じた吸気の逆流を遮断することで、第１過給機が過給動作を継続し、第２過給機が過給動作を停止した状態とすることができる。この状態で、エンジンの背圧により排気切替弁が自己開弁すると、第２過給機のタービンに排気が流入して同第２過給機が過給動作を開始する。ただし、このときの吸気切替機構は閉状態となっており、第２コンプレッサ通路の吸気の流れが、第２過給機のコンプレッサよりも下流側の部分で遮断されている。そのため、第２過給機が過給動作を開始しても、同第２過給機のコンプレッサが吐出した吸気に行き場はなく、その吸気が第２コンプレッサ通路を通じて吸気通路を逆流する虞がある。

これに対して、上記過給エンジンは、排気切替弁の開閉制御と、吸気切替機構の開状態、閉状態の切替制御と、を行う制御回路が、背圧による排気切替弁の自己開弁が発生する状況にあるか否かを同背圧に基づき判定するサージ予測処理を行っている。さらに制御回路は、排気切替弁の閉弁、及び吸気切替弁の閉状態を指令しているときに、サージ予測処理において自己開弁が発生する状況にあると判定されたときには吸気切替機構の開状態への切替を指令するサージ抑制処理を行っている。これにより、第２過給機の過給動作を停止すべく、排気切替弁の閉弁、及び吸気切替機構の閉状態を指令しているときに、排気切替弁が背圧により自己開弁する状況となったときには、吸気切替機構が開状態に切り替えられる。そして、これにより、第２コンプレッサ通路における第２過給機のコンプレッサよりも下流側の部分の閉塞が解かれるようになる。そのため、排気切替弁が背圧により自己開弁して、停止中の第２過給機が過給動作を開始しても、同第２過給機のコンプレッサが吐出した吸気が行き場を失うことがない。したがって、上記過給エンジンによれば、背圧による排気切替弁の自己開弁に伴う吸気の逆流の発生を抑制できる。

過給エンジンの一実施形態について同エンジンの過給システムの構成を示す模式図。同過給エンジンに設けられた排気切替弁の模式図。同過給エンジンのトルク及びエンジン回転数と過給システムの動作モードとの関係を示すグラフ。ツインターボモードにおける同過給エンジンの過給システムの動作状況を示す図。シングルターボモードにおける同過給エンジンの過給システムの動作状況を示す図。シングルターボモードにおいて排気切替弁が自己開弁したときの同過給エンジンの過給システムの動作状況を示す図。同過給エンジンの制御回路が実行するサージ予防制御の処理手順を示すフローチャート。

以下、過給エンジンの一実施形態を、図１～図７を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態の過給エンジンは、第１過給機１０、及び第２過給機１１の２つの排気タービン式過給機を有した過給システムを備えている。

過給エンジンの吸気通路１２の途中には、第１過給機１０のコンプレッサ１３が設置された第１コンプレッサ通路１４が設けられている。また、吸気通路１２には、第１コンプレッサ通路１４に並列に接続された状態で、第２過給機１１のコンプレッサ１５が設置された第２コンプレッサ通路１６が設けられている。第２コンプレッサ通路１６における第２過給機１１のコンプレッサ１５よりも下流側の部分には、第２コンプレッサ通路１６の吸気の流れを閉弁に応じて遮断する吸気切替弁（ＡＣＶ：Air Control Valve）１７が設置されている。

さらに、吸気通路１２には、第２コンプレッサ通路１６における第２過給機１１のコンプレッサ１５よりも下流側、且つ吸気切替弁１７よりも上流側の部分と、第１コンプレッサ通路１４における第１過給機１０のコンプレッサ１３よりも上流側の部分とを繋ぐ吸気バイパス通路１８が設けられている。吸気バイパス通路１８には、同吸気バイパス通路１８を通じた吸気の流れを閉弁に応じて遮断する吸気バイパス弁（ＡＢＶ：Air Bypass Valve）１９が設置されている。なお、吸気通路１２における第１コンプレッサ通路１４及び第２コンプレッサ通路１６の合流位置よりも下流側の部分には、吸気を冷却するインタークーラ２０と、吸気通路１２の吸気流量を調整するスロットルバルブ２１と、が設けられている。

一方、過給エンジンの排気通路２２の途中には、第１過給機１０のタービン２３が設置された第１タービン通路２４が設けられている。また、排気通路２２には、第１タービン通路２４に並列に接続された状態で、第２過給機１１のタービン２５が設置された第２タービン通路２６が設けられている。第２タービン通路２６における第２過給機１１のタービン２５よりも上流側の部分には、同第２タービン通路２６の排気の流れを閉弁に応じて遮断する排気切替弁（ＥＣＶ：Exhaust Control Valve）２７が設けられている。なお、排気通路２２における第１タービン通路２４及び第２タービン通路２６の分岐位置よりも上流側の部分には、過給エンジンの背圧ＰＥを検出する背圧センサ２８が設置されている。

こうした過給エンジンの吸気通路１２では、第１過給機１０のコンプレッサ１３が設置された第１コンプレッサ通路１４には常に吸気が流れるが、第２過給機１１のコンプレッサ１５が設置された第２コンプレッサ通路１６には吸気切替弁１７の開弁時にのみ吸気が流れるようになる。また、同過給エンジンの排気通路２２では、第１過給機１０のタービン２３が設置された第１タービン通路２４には常に排気が流れるが、第２過給機１１のタービン２５が設置された第２タービン通路２６には排気切替弁２７の開弁時にのみ排気が流れるようになる。

さらに、本実施形態の過給エンジンは、上述の吸気切替弁１７、吸気バイパス弁１９、及び排気切替弁２７の開閉制御を行う制御回路２９を備えている。制御回路２９には、背圧センサ２８による背圧ＰＥの検出結果が入力されている。また、制御回路２９には、エンジン回転数ＮＥ及びエンジントルクＴＥ等の過給エンジンの運転状況に関する情報が入力されている。

図２に、第２タービン通路２６に設置された排気切替弁２７の構成を示す。同図に示すように排気切替弁２７は、第２タービン通路２６の内部に回動可能に軸支された状態で設置された弁体３０を備えている。排気切替弁２７の設置箇所における第２タービン通路２６の内部には、内壁から突出した弁座３２が設けられている。そして、第２タービン通路２６の内部において弁体３０は、第２タービン通路２６における排気の流れに対向する側の面３０Ａにおいて弁座３２と当接可能に設置されている。

排気切替弁２７は、弁体３０が弁座３２と当接する位置に位置しているときに閉弁した状態となって、第２タービン通路２６の排気の流れを遮断する。また排気切替弁２７は、弁座３２と当接する位置から弁体３０が回動して同弁体３０が弁座３２から離間することで開弁した状態となって、第２タービン通路２６の排気の流れを許容する。以下の説明では、弁座３２からの離間量が増加する側への弁体３０の回動方向を開弁方向と記載し、弁座３２からの離間量が減少する側への弁体３０の回動方向を閉弁方向と記載する。

さらに排気切替弁２７は、弁体３０を閉弁方向に向けて回動する駆動力ＦＤＲＶを発生するアクチュエータ３１を備えている。本実施形態では、アクチュエータ３１として、駆動電力の供給に応じて駆動力ＦＤＲＶを発生する電動式のアクチュエータを採用している。

以上のように構成された排気切替弁２７では、同排気切替弁２７が閉弁しているときの弁体３０には、背圧ＰＥが開弁方向に加わっている。このときの弁体３０が背圧ＰＥにより受ける開弁方向の力の大きさは、背圧ＰＥと面３０Ａの面積（以下、受圧面積Ａと記載する）との積（ＰＥ×Ａ）となる。そのため、こうした排気切替弁２７を閉弁した状態に保持しておくには、アクチュエータ３１が弁体３０に対して、上記積よりも大きい閉弁方向の駆動力ＦＤＲＶを加え続ける必要がある（ＦＤＲＶ＞ＰＥ×Ａ）。

制御回路２９は、吸気切替弁１７、吸気バイパス弁１９、及び排気切替弁２７の開閉制御を通じて、第１過給機１０及び第２過給機１１の双方が過給動作を行うツインターボモードと、第２過給機１１の過給動作を停止して、第１過給機１０のみが過給動作を行うシングルターボモードとに、過給システムの動作モードを切り替える。図３に示すように、過給エンジンの運転領域のうち、同図に示す境界線Ｌよりも高トルク、高回転数側の領域がツインターボモードで過給システムを動作させるツインターボ領域となっている。また、境界線Ｌよりも低トルク、低回転数側の領域がシングルターボモードで過給システムを動作させるシングルターボ領域となっている。

図４に示すようにツインターボモードでは、制御回路２９は、吸気切替弁１７及び排気切替弁２７を開弁するとともに、吸気バイパス弁１９を閉弁する。これにより、排気通路２２では、第１タービン通路２４に加えて第２タービン通路２６にも排気が流れ、また、吸気通路１２では、第１コンプレッサ通路１４に加えて第２コンプレッサ通路１６にも吸気が流れるようになる。そのため、第１過給機１０及び第２過給機１１の双方が稼働するように、すなわち過給動作を行うようになる。

図５に示すようにシングルターボでは、制御回路２９は、吸気切替弁１７、吸気バイパス弁１９、及び排気切替弁２７のすべてを閉弁する。これにより、過給エンジンの排気通路２２では、第１タービン通路２４及び第２タービン通路２６のうち、第１タービン通路２４のみに排気が流れるようになる。また、吸気通路１２では、第１コンプレッサ通路１４及び第２コンプレッサ通路１６のうち、第１コンプレッサ通路１４のみに吸気が流れるようになる。そのため、このときには、第２過給機１１は稼働を停止し、第１過給機１０のみが稼働するようになる。

なお、シングルターボモードからツインターボモードへの切り替えに際しては、まず吸気切替弁１７を閉弁した状態で、排気切替弁２７を開弁する。また、これとともに吸気バイパス弁１９を開弁する。これにより、コンプレッサ１５が吐出した吸気が吸気バイパス通路１８を通じて第１コンプレッサ通路１４における第１過給機１０のコンプレッサ１３よりも上流側の部分に流入する状態で、第２過給機１１の過給動作を開始する。そして、その後に第２過給機１１のコンプレッサ１５の吸気の吐出圧が十分に高まった状態となってから、吸気バイパス弁１９を閉弁するとともに吸気切替弁１７を開弁してツインターボモードに移行することで、第２過給機１１の過給動作の開始直後に第２コンプレッサ通路１６を通じて吸気が逆流することを抑制している。

ところで、シングルターボモードでの過給システムの動作中、排気切替弁２７の弁体３０に背圧ＰＥが加える開弁方向の力（＝ＰＥ×Ａ）が、アクチュエータ３１が弁体３０に加える閉弁方向の駆動力ＦＤＲＶを上回ると、弁体３０が背圧ＰＥにより押し開かれて、排気切替弁２７が自己開弁することがある。そして、排気切替弁２７の自己開弁に応じてタービン２５に排気が流入して、停止中の第２過給機１１が過給動作を開始することがある。図３にハッチングで示したシングルターボ領域内の領域（サージ懸念領域）では、エンジンの排気量が多く、背圧ＰＥが高くなる傾向があるため、上記のような背圧ＰＥによる排気切替弁２７の自己開弁が発生する懸念がある。

一方、シングルターボモード時には吸気切替弁１７及び吸気バイパス弁１９が閉弁しているため、第２コンプレッサ通路１６は、第２過給機１１のコンプレッサ１５よりも下流側の部分で閉塞されている。そのため、シングルターボモード時に、排気切替弁２７が自己開弁して第２過給機１１が過給動作を開始すると、同第２過給機１１のコンプレッサ１５が吐出した吸気が行き場を無くして、第２コンプレッサ通路１６を通じて吸気通路１２を逆流する虞がある。これに対して本実施形態の過給エンジンにおける制御回路２９は、こうした吸気の逆流への対策として、以下のサージ予防制御を行うようにしている。

図６に、サージ予防制御にかかる制御回路２９の処理のフローチャートを示す。エンジンの運転中に制御回路２９は、同図に示す一連の処理を、既定の制御周期毎に繰り返し実行する。

制御周期となると、制御回路２９は、まずステップＳ１００において、シングルターボ領域であるか否かを判定する。ここで、ツインターボ領域であれば（ＮＯ）、制御回路２９はそのまま今回の制御周期における処理を終了し、シングルターボ領域であれば（ＹＥＳ）、制御回路２９はステップＳ１１０に処理を進める。

ステップＳ１１０に処理を進めると、制御回路２９はそのステップＳ１１０において、背圧センサ２８による背圧ＰＥの検出結果の読み込みを行う。さらに、制御回路２９は、続くステップＳ１２０において、排気切替弁２７のアクチュエータ３１が現在、弁体３０に加えている閉弁方向の駆動力ＦＤＲＶを計算する。駆動力ＦＤＲＶは、アクチュエータ３１に供給中の駆動電力から計算されている。

続いて制御回路２９は、ステップＳ１３０において、背圧ＰＥと受圧面積Ａとの積（ＰＥ×Ａ）が駆動力ＦＤＲＶよりも大きいか否かを判定する。すなわち、背圧ＰＥが弁体３０に加える開弁方向の力が、アクチュエータ３１が弁体３０に加えている閉弁方向の力よりも大きく、弁体３０が背圧ＰＥにより押し開かれる状態にあるか否かが判定される。

ここで、背圧ＰＥと受圧面積Ａとの積が駆動力ＦＤＲＶ以下の場合（Ｓ１３０：ＮＯ）、制御回路２９はそのまま今回の制御周期における処理を終了する。これに対して、背圧ＰＥと受圧面積Ａとの積が駆動力ＦＤＲＶよりも大きい場合（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、制御回路２９はステップＳ１４０に処理を進める。そして、制御回路２９は、そのステップＳ１４０において、吸気切替弁１７に対して開弁を指令した上で、今回の制御周期における処理を終了する。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
本実施形態の過給エンジンでは、シングルターボモード時に、排気切替弁２７を閉弁して第２タービン通路２６の排気の流れを遮断する。さらにシングルターボモード時には、吸気切替弁１７及び吸気バイパス弁１９を閉弁して、第２過給機１１のコンプレッサ１５よりも下流側の部分において第２コンプレッサ通路１６を閉塞している。

一方、シングルターボモード時に制御回路２９は、背圧ＰＥとアクチュエータ３１の駆動力ＦＤＲＶとに基づき、排気切替弁２７が背圧ＰＥにより自己開弁するか否かを予測している。そして、制御回路２９は、排気切替弁２７が自己開弁すると予測したときには、吸気切替弁１７に開弁を指令する。吸気切替弁１７が開弁すると、第２コンプレッサ通路１６におけるコンプレッサ１５よりも下流側の部分の閉塞が解かれる。そのため、排気切替弁２７の自己開弁により、第２過給機１１が過給動作を開始しても、同第２過給機１１のコンプレッサ１５が吐出した吸気が行き場を失うことがない。したがって、本実施形態の過給エンジンによれば、背圧ＰＥによる排気切替弁２７の自己開弁に伴う吸気の逆流の発生を抑制できる。

なお、以上のように構成された本実施形態では、吸気切替弁１７及び吸気バイパス弁１９の２つの弁により、第２コンプレッサ通路１６における第２過給機１１のコンプレッサ１５よりも下流側の部分に設置されて、吸気の流れを許容する開状態と同吸気の流れを遮断する閉状態とに切り替わる吸気切替機構が構成されている。そして、吸気切替弁１７及び吸気バイパス弁１９の少なくとも一方が開弁している状態が吸気切替機構の開状態に、吸気切替弁１７及び吸気バイパス弁１９の双方が閉弁している状態が吸気切替機構の閉状態に、それぞれ対応している。

さらに、本実施形態では、図７のフローチャートにおけるステップＳ１３０の処理が、背圧による排気切替弁の自己開弁が発生する状況にあるか否かを同背圧に基づき判定するサージ予測処理に対応している。また、本実施形態では、図７のフローチャートに示した一連の処理が、排気切替弁の閉弁、及び吸気切替機構の閉状態を指令しているときに、サージ予測処理において自己開弁が発生する状況にあると判定されたときには吸気切替機構の開状態への切替を指令するサージ抑制処理に対応している。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・図７に示したサージ予防制御に係る処理のフローチャートにおけるステップＳ１４０の処理において、吸気切替弁１７の代わりに吸気バイパス弁１９に開弁を指令する、或いは吸気切替弁１７及び吸気バイパス弁１９の双方に開弁を指令するようにしてもよい。こうした場合にも、第２コンプレッサ通路１６におけるコンプレッサ１５よりも下流側の部分が開放されるため、背圧ＰＥにより排気切替弁２７が自己開弁した際の吸気の逆流を抑制できる。

・本実施形態では、サージ予測処理での判定に用いる背圧ＰＥの値として、背圧センサ２８による同背圧ＰＥの検出値を用いていたが、エンジンの運転状態から背圧ＰＥを推定し、その背圧ＰＥの推定値を上記判定に用いるようにしてもよい。こうした場合には、背圧センサ２８を割愛してもよい。

・吸気バイパス通路１８及び吸気バイパス弁１９を省略してもよい。こうした場合の吸気切替機構は吸気切替弁１７単体で構成され、吸気切替弁１７が開弁した状態が吸気切替機構の開状態に、吸気切替弁１７が閉弁した状態が吸気切替機構の閉状態に、それぞれ対応することになる。

１０…第１過給機、１１…第２過給機、１２…吸気通路、１３…（第１過給機１０の）コンプレッサ、１４…第１コンプレッサ通路、１５…（第２過給機１１の）コンプレッサ、１６…第２コンプレッサ通路、１７…吸気切替弁（吸気切替機構）、１８…バイパス通路、１９…吸気バイパス弁（吸気切替機構）、２０…インタークーラ、２１…スロットル、２２…排気通路、２３…（第１過給機１０の）タービン、２４…第１タービン通路、２５…（第２過給機１１の）タービン、２６…第２タービン通路、２７…排気切替弁、２８…背圧センサ、２９…制御回路、３０…弁体、３１…アクチュエータ、３２…弁座。

Claims

吸気通路の一部を構成する通路である第１コンプレッサ通路にコンプレッサが設置され、且つ排気通路の一部を構成する通路である第１タービン通路にタービンが設置された第１過給機と、
前記吸気通路の一部を構成する通路であって前記第１コンプレッサ通路に並列に接続された第２コンプレッサ通路にコンプレッサが設置され、且つ前記排気通路の一部を構成する通路であって前記第１タービン通路に並列に接続された第２タービン通路にタービンが設置された第２過給機と、
前記第２タービン通路に設置されて同第２タービン通路の排気の流れを閉弁に応じて遮断する弁であって、エンジンの背圧を開弁方向に受ける弁体を有した排気切替弁と、
前記第２コンプレッサ通路における前記第２過給機のコンプレッサよりも下流側の部分に設置されて、吸気の流れを許容する開状態と同吸気の流れを遮断する閉状態とに切り替わる吸気切替機構と、
前記排気切替弁の開閉制御、及び前記吸気切替機構の開状態、閉状態の切替制御を行う制御回路と、
を備えており、且つ前記制御回路は、前記背圧による前記排気切替弁の自己開弁が発生する状況にあるか否かを同背圧に基づき判定するサージ予測処理と、前記排気切替弁の閉弁、及び前記吸気切替機構の閉状態を指令しているときに、前記サージ予測処理において前記自己開弁が発生する状況にあると判定されたときには前記吸気切替機構の開状態への切替を指令するサージ抑制処理と、を行う
過給エンジン。
前記サージ予測処理では、前記背圧による前記排気切替弁の開弁方向の力の大きさが、アクチュエータによる前記排気切替弁の閉弁方向の駆動力よりも大きいときに、前記自己開弁が発生する状況にあると判定する
請求項１に記載の過給エンジン。