JPH03281931A - ２段過給内燃機関の過給圧制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はシーケンシャル２段過給内燃機関における排
気切替弁の制御方式に関する。

〔従来技術〕

シーケンシャル２段過給システムとしては例えば特開昭
４５−９０８４号に開示されており、大小二つのターボ
チャージャが直列に配置されている。２段過給方式はエ
ンジンの低回転域から高回転域まで広い範囲に渡って過
給作動を達成するための過給システムである。即ち、エ
ンジンの低回転域では低容量の高圧段ターボチャージャ
により過給を行い、エンジンの高回転域では大容量の低
圧段ターボチャージャにより過給を行うものである。高
圧段のターボチャージャにバイパス通路が設けられ、低
回転域ではバイパス通路は閉鎖され、高圧段ターボチャ
ージャによる過給効果を発揮させると共に、そして低圧
段のターボチャージャが完全に立ち上がった高回転域で
はバイパス通路は開放され、低圧段のターボチャージャ
のみが過給に関与するようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

シーケンシャル２段ターボチャージャでは大容量の低圧
段ターボチャージャ応答の遅さを小容量の高圧段ターボ
チャージャにより解消しようとするものである。即ち、
加速運転の過程において双方のターボチャージャを夫々
が回転数に応じた適度な仕事を行わせることで丁度良い
過給状態を得ようとするものである。ところが、急加速
時には大容量の低圧段ターボチャージャの応答が遅いた
め、双方のターボチャージャでの仕事のバランスが崩れ
、小容量の高圧段ターボチャージャの仕事量が過大とな
り、その結果高圧段ターボチャージャが過回転するおそ
れがある。即ち、急加速の結果エンジン回転の急激な増
大に大型ターボチャージャの回転が追いつかない。その
ため、大型ターボチャージャの出口圧は低いままであり
、小型ターボチャージャが分担する空気量はその容量で
決まる上限より増大し、小型ターボチャージャはその回
転が過大となるのである。

この発明は急加速運転時において吸気を絞るたとで高圧
段ターボチャージャの適正な回転を得るものである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明によれば、第１図において、低圧段のターボチ
ャージャＡと高圧段のターボチャージャＢをガスの流れ
方向に直列に配置し、更に、内燃機関の吸気系に設けら
れ、吸気空気量をアクセルペダルと独立に制御する吸気
空気量制御手段Ｃと、機関の急加速運転を検出する急加
速検出手段りと、急加速時において前記吸気空気量制御
手段Ｃに吸気空気量を暫時減少せしめる信号を印加する
吸気空気量制御信号形成手段Ｅとを具備する。

〔作用〕

急加速検出手段りは急加速運転時を検出し、急加速運転
時と判別したときは、吸気空気量制御手段Ｃに吸気を暫
時減少するべき信号を印加する。

〔実施例〕

第２図はガソリンを燃料とする燃料噴射内燃機関におけ
るこの発明の実施例を示しており、１０はエンジン本体
であり、吸気管１２と排気管１４とが接続される。吸気
管１２は燃料インジェクタ１５と、スロットル弁１６を
有する。低圧段ターボチャージ１７と高圧段ターボチャ
ージャ１８とが直列に配置される。低圧段のターボチャ
ージャ１７はコンプレッサ２０と、タービン２２と、回
転軸２４とから構成される。高圧段のターボチャージャ
１８はコンプレッサ２６と、タービン２８と、回転軸２
５とから構成される。吸気管１２において吸入空気の流
れ方向に、低圧段のターボチャージャ１７のコンプレッ
サ２ｏ、高圧段のターボチャージャ１８のコンプレッサ
２６の順で配置され、その下流にインタクーラ２９が配
置され、インタクーラ２９の下流にスロットル弁１６が
配置される。排気管において排気ガスの流れ方向に高圧
段のターボチャージャ１８のタービン２８、低圧段のタ
ーボチャージャ１７のタービン２２の順で配置される。

低圧段のターボチャージャ１７のタービンを迂回して第
１の排気バイパス通路３０が排気管に接続され、第１の
排気バイパス通路３０に蝶型弁であるウェイストゲート
弁３２が配置される。ウェイストゲート弁３２はダイヤ
フラムアクチュエータ３４に連結され、そのダイヤフラ
ム３４ａはバイパス弁３２に連結される。バイパス弁３
２はスプリング３４ｂによって通常は閉鎖するべく付勢
されるが、ダイヤフラム３４ａに加わる圧力によってス
プリング３４ｂに抗してウェイストゲート弁３２の開弁
が行われる。

高圧段のターボチャージャ１８のタービン２８を迂回し
て第２の排気バイパス通路３６が設けられ、この第２の
バイパス通路３６に蝶型弁としての排気切替弁３８が設
けられる。排気切替弁３８はそのアクチュエータ４０に
連結され、アクチュエータ４０は２段ダイヤフラム機構
として構成される。このアクチュエータ４０は、後述の
ように低圧段のターボチャージャ１７が全過給能力を発
揮するまでは排気切替弁３８を閉鎖し、低圧段のターボ
チャージャ１７がその全過給能力を発揮するに至ると排
気切替弁３８を急速に開放せしめる特性を持っている。

排気切替弁４０はダイヤフラム４０ａ、　４０ｂと、ス
プリング４０ｃ、　４０ｄを供え、一方のダイヤフラム
４０ａはロッド４０ｅを介して排気切替弁４０に連結さ
れ、もう一つのダイヤフラム４０ｂはロッド４０ｆに連
結される。ダイヤフラム４０ａに過給圧を作用させるか
、ダイヤフラム４０ｂに過給圧を作用させるか、で排気
切替弁３８のスチップ的な開放特性が得られる。即ち、
ダイヤフラム４０ｂに過給圧を作用させた場合、スプリ
ング４０ｃの力と、スプリング４０ｄと合力に抗して排
気切替弁３８を開弁させるため、開弁は緩慢に行われる
。ダイヤフラム４０ａに過給圧が作用した場合はスプリ
ング４０ｃの力のみに抗して排気切替弁３８の開弁が行
われため、その開弁作動は迅速となる。

高圧段のターボチャージャ１８のコンプレッサ２６を迂
回する吸気バイパス通路４４が設けられ、この吸気バイ
パス通路４４に吸気バイパス弁４６が配置される。切替
弁４６はダイヤフラムアクチュエータ４８に連結され、
そのダイヤフラム４８ａに加わる圧力により吸気バイパ
ス弁４６の作動が制御される。この吸気バイパス弁４６
は低圧段のターボチャージャ１７の立ち上がりが完了し
ない高圧段のターボチャージャ１８の作動域では吸気バ
イパス通路４４を閉鎖するも、その完了の後は過給圧が
ダイヤフラム４８ａに下側から作用し、吸気バイパス弁
４６の開弁が行われる。

この実施例では内燃機関は排気ガス再循環（ＥＧＲ）装
置を供え、このＥＧＲ装置は排気ガス再循環通路（ＥＧ
Ｒ通路）５０と、ＥＧＲ通路５０上の排気ガス再循環制
御弁（ＥＧＲ弁）５２とからなり、ＥＧＲ弁５２はダイ
ヤフラム５２ａを供え、ダイヤフラム５２ａに加わる圧
力に応じてその開弁、閉弁が制御される。

ウェイストゲート弁３４のアクチュエータ３４への圧力
制御のため３方電磁弁（ＶＳＶＩ）　５４が設けられ、
この電磁弁５４はダイヤフラム３４ａに大気圧を導入す
る位置と、高圧段ターボチャージャ２６の下流で、イン
タクーラ２９の上流の位置５６の過給圧を導入する位置
とで切り替わる。大気圧導入時に、スプリング３４ｂに
よってウェイストゲート弁３２は閉鎖駆動され、過給圧
導入時にスプリング３４ｂに抗してウェイストゲート弁
３２の開弁が行われる。

３方電磁弁（ＶＳＶ２）　５８は排気切替弁３８のアク
チュエータ４０のダイヤフラム４０ａへの圧力制御のた
め設けられ、この電磁弁５８はダイヤフラム４０ａに大
気圧を導入する位置と、高圧段ターボチャージャ２６の
出口６０の過給圧を導入する位置とで切り替わる。また
、ダイヤフラム４０ｂには高圧段ターボチャージャ出口
６０の圧力が常時導入されている。

吸気バイパス弁４６のアクチュエータ４８への圧力制御
のため二つの３方電磁弁６４．６６が設けられる。３方
電磁弁（ＶＳＶ３）　６４は吸気バイパス弁４６のアク
チュエータアクチュエータ４８のダイヤフラム４８ａの
上側へ圧力制御のため設けられ、この電磁弁６４はダイ
ヤフラム４８ａの上側に大気圧を導入する位置と、高圧
段ターボチャージャ１８のコンプレッサ出口６０の過給
圧を導入する位置とで切り替わる。また、３方電磁弁（
ＶＳＶ４）　６６は吸気バイパス弁４６のアクチュエー
タアクチュエータ４８のダイヤフラム４８ａの下側への
圧力制御のため設けられ、この電磁弁６６はダイヤフラ
ム４８ａの下側にスロットル弁１６の下流の位置６８の
負圧を導入する位置と、高圧段ターボチャージャ２６の
コンプレッサ出口６０の過給圧を導入する位置とで切り
替わる。

３方電磁弁（ＶＳＶ５）　７０　ハＥＧＲ弁５２の作動
制御のため設けられ、この電磁弁７０はダイヤフラム５
２ａに大気圧を導入する位置と、スロットル弁１６の下
流の位置６８の負圧を導入する位置とで切り替わる。

制御回路７２はこの発明における過給制御のため設けら
れ、各電磁弁５４（ＶＳｍ、　５８（ＶＳＶ２）、　６
４（ＶＳＶ３）、　６６（ＶＳＶ４）の駆動信号を発生
する。また、制御回路７２はＥＧＲ制御用の電磁弁７０
（ＶＳＶ５）、燃料インジェクタ１５、イグナイタ７４
、ディストリビュータ７６を介して点火栓の制御も行う
が、これらの制御はこの発明と直接に関係しないので詳
細説明は省略する。そして、制御回路７２にはこの発明
に従った制御を実行するため各種のセンサに接続される
。まず、低圧段ターボチャージャ１７のコンプレッサ２
０の出口圧力Ｐ、を検出するため第１の圧力センサ７８
が設けられ、また高圧段ターボチャージャ１８のコンプ
レッサ２６の出口圧力Ｐ２を検出するため第２の圧力セ
ンサ８０が設けられる。低圧段ターボチャージャ１７の
タービン２２の下流に空燃比センサ８２が設けられる。

その外、図示しないが吸気空気量Ｑを計測するエアフロ
ーメータ、変速機（図示しない）のギヤ位置を検出手段
するセンサが具備され、またタイミング制御のためクラ
ンク角度で３０°、７２０°毎のパルス信号が入力され
る。

アクセルペダルによって駆動される通常のスロットル弁
１６の下流にサブスロットル弁９１が設けられ、このサ
ブスロットル弁９１は通常は全開であるが、急加速運転
時に吸気通路を幾分絞り、後述のように高圧段ターボチ
ャージャのオーバランを防止する。サブスロットル弁９
１はその駆動用の手段であるステップモータ９３に連結
される。

ステップモータ９３は制御回路７２に接続され、制御回
路７２からの信号により駆動される。

以下制御回路７２の作動を第３図のフローチャートによ
って説明する。このルーチンは一定時間（例えば４ミリ
秒毎）に実行されるものとする。ステップ１００では高
圧段ターボチャージャ１８のコンプレッサ出口圧力Ｐ２
＞低圧段ターボチャージャ１７のコンプレッサ出口圧力
Ｐ、が成立するか否か判別される。第４図（イ）はスロ
ットル弁１６の開度を一定に固定した場合におけるエン
ジン回転数ＮＥと過給圧（ターボチャージャ出口圧力）
との関係を示しており、高圧段ターボチャージャ出口圧
力Ｐ２の立ち上がりが低圧段ターボチャージャ出口圧力
Ｐ１の立ち上がりより早くなっている。

したがって、エンジンの回転がまだ上がっていない状態
ではＰ２＞Ｐ＋が成立し、ステップ１０２以下に進む。

ステップ１０２−１０４は急加速判定であり、後述のよ
うに吸気を暫時絞る制御条件の判別である。急加速状態
でないとすれば、ステップ１０６に進み、フラグＦがク
リヤされる。このフラグＦは急加速の開始においてセッ
トされるフラグである。

ステップ１０Ｂではサブスロットル弁９１の駆動用ステ
ップモータ９３の軸位置５ＴＥＰに零が入れられる。５
ＴＥＰ＝Ｏはサブスロットル弁９１の全開に相当してお
り、このときサブスロットル弁９１は吸気通路を絞らな
い。ステップ１１０で電磁弁５４　（ＶＳＶＩ　）がＯ
ＦＦされ、ダイヤフラム３４ａに大気圧が導入され、ス
プリング３４ｂによってウェイストゲート弁３２は閉鎖
される。ステップ１１２でアクチュエータ３８を制御す
る電磁弁５　Ｂ　（ＶＳＶ２）がＯＦＦされる。

そのため、アクチュエータ４０のダイヤフラム４０ａに
大気圧が作用する。一方、ダイヤフラム４０ｂには高圧
段ターボチャージャ１８のコンプレッサ出口圧力が常に
導入されているため、スプリング４０ｃ、　４０ｄの合
力に応じたスプリング力に対抗する高圧段ターボチャー
ジャ１８のコンプレッサ出口圧力によって排気切替弁３
８の作動が制御される。即ち、スプリング力が過給圧Ｐ
２に優勢であるかぎりは、排気切替弁３８は全閉を維持
するが、過給圧Ｐ２が所定値Ｐ　３１！Ｔに到達する回
転数（第４図のＮＥＴ）までは排気切替弁３８は全開を
維持し、Ｐｘ＝所定値ＰｓＩ！アに到達した時点で排気
切替弁３８はスプリング４ｏｃ、　４０ｄの合力である
閉鎖付勢力に抗して徐々に開弁を開始することになる。

低回転時の吸気バイパス弁４６の作動についていうと、
ステップ１１４で電磁弁６４（ＶＳＶ３）はＯＮとなり
ターボチャージャ１８０のコンプレッサ出口圧Ｐ２がダ
イヤフラム４８ａの上側に作用するため吸気バイパス弁
４６は閉鎖される。また、ステップ１１６では電磁弁６
６（ＶＳＶ４）がＯＦＦされるためスロットル弁１６の
下流の吸気管圧力（このときは負圧）がダイヤフラム４
８ａの下側に作用するため、ダイヤフラム４８ａは下側
に引っ張られ、吸気バイパス弁４６の閉鎖力を上げ、そ
の確実な閉弁を確保している。

通常の加速状態において、エンジンの回転数ＮＥがＮＨ
３まで上昇し、低圧段ターボチャージャ１７のコンプレ
ッサ出口圧力Ｐ１の立ち上がりが高圧段ターボチャージ
ャ１８のコンプレッサ出口圧力Ｐ２に追いつき、Ｐ、＝
Ｐ、　　となるとステップ１００よりステップ１２０で
進み、依然として５ＴＥＰ＝０であるためサブスロット
ル弁９１は全開である。

ステップ１２２で電磁弁５４（ＶＳＶＩ）がＯＮされる
と、ダイヤフラム３４ａに位置５６からの過給圧が導入
され、スプリング３４ｂに抗してウェイストゲート弁３
２は開放方向に付勢される。ステップ１２４で排気切替
弁３８の作動用電磁弁５８（ＶＳＶ２）がＯＮされる。

そのため、ダイヤフラム４０λに過給圧が作用するため
、過給圧に対抗する排気切替弁３８を閉じる力にスプリ
ング４０ｂは関与しなくなり、スプリング４０ｃの弱い
付勢力のみが閉じる力に関与する。

そのため、アクチュエータ４０は排気切替弁３８を一気
に開弁に至らしめる。ステップ１２６では電磁弁６６（
ＶＳＶ４）がＯＦＦされるため大気圧がダイヤフラム４
８ａの上側に作用し、ステップ１２８で電磁弁６ｓ（Ｖ
ＳＶ４）がＯＮされ、過給圧がダイヤフラム４８ｂの下
側に作用するため、ダイヤフラム４８ａは上方ニ押圧さ
れ、吸気バイパス弁４６は一気に開弁される。

ステップ１００でＰ２　＞ｐ、と判別した場合（加速中
）において、急加速か否かの判別がステップ１０２から
１０４により実行される。ステップ１０２は変速機のギ
ヤがローかセカンドの低速ギヤか否か判別され、ステッ
プ１０４では吸気空気量Ｑの変化量ΔＱＩ（＝今回の吸
気空気量Ｑの値から前回の吸気空気量Ｑを引いた値）〉
所定値Ａか否か判別される。ステップ１０２及び１０４
で肯定的な判断の場合は急加速と見做し、ステップ１３
０でフラグＦ＝か否かの判別が行われる。前回（即ち４
ミリ秒前）急加速でないときにフラグＦはステップ１０
６でクリヤされているため、ステップ１３０でＮｏと判
断された場合は急加速の開始時点であることを意味する
。急加速開始とすればステップ１３２に流れＦ・１とセ
ットされ、ステップ１３４でカウンタＣがクリヤされる
。ステップ１３０でＦ・１のときはステップ１３６に進
み、カウンタＣのインクリメントが実行される。即ち、
カウンタＣは急加速状態の開始からの急加速状態の経過
時間を計測する。ステップ１３８ではカウンタＣの値に
応じたステップモータ軸位置５ＴＥＰの算出が行われ。

ステップモータ軸位置５ＴＥＰは前述の通りその値が零
のときサブスロットル弁９１の全開に相当し、その値が
太き（なる程サブスロットル弁９１による吸気絞り量が
多きくなる。実施例の設定ではサブスロットル弁９１の
絞り量は加速の開始は最大であり、加速から成る時間（
τ：第４図（ロ））経過するまでは一定であるが、その
後零に向かって徐々に減少するようになっている。即ち
、急加速の開始と同時に吸気が幾分絞られ、その後吸気
の絞りは解除される。

絞り量はオーバランを防止するため最適な量に設定され
る。吸気の絞りを行った後の電磁弁５４（ＶＳＶｌ）、
５８（ＶＳＶ２）、６４（ＶＳＶ３）、６６（ＶＳＶ４
）　（７）制御ハ通常ノ加速時と同一であり、ステップ
１１０．１１１．１１４．１１６に進む。

第４図において、通常の加速時の高圧段ターボチャージ
ャ１８のコンプレッサ出口圧力Ｐ２の変化を実線で示し
ている。ところが、急加速時には低圧段ターボチャージ
ャ１７の応答遅れの程度が大きくなるため、高圧段ター
ボチャージャ１８の仕事量が大きくなり、破線ｌのよう
に急上昇しようとする。一方、低圧段ターボチャージャ
の下流圧力は破線ｍのようである。そのため、高圧段タ
ーホチャージャ１８のタービン２８が始めに述べた理由
でオーバランするおそれがある。この実施例ではステッ
プモータ９３の位置（ＳＴＥＰ）を制御する（第４図（
ロ）参照）ことでアクセルペダルと独立して駆動される
サブスロットル弁９１を急加速時に絞っている。そのた
め、急加速時の高圧段ターボチャージャ１８のコンプレ
ッサを通過する空気量が減少され、その仕事量の増大が
抑制され、急加速時にも通常の加速と同様な実線の圧力
増大特性Ｐ２が得られる。そのため、オーバランが防止
される。

実施例におけるサブスロットル弁９３の絞り量に相当す
る５ＴＥＰの値はエンジンの運転状態に応じた最適の加
速性能が得られるように加速度合、ギヤ位置等の関数と
してマツプを利用した可変制御することができる。

サブスロットル弁９３を設ける代わりに、スロットル弁
１６が無リンクの場合は、急加速時にスロットル弁の制
御を本来の制御から外し、この発明の絞り制御を行うこ
とができる。

〔効果〕

この発明によれば、急加速時においてアクセルペダルと
独立して吸気空気量を絞ることで、急加速時の高圧段タ
ーボチャージャの仕事量を減らし、そのオーバランを防
止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の機能構成を示すブロック図。 第２図はこの発明の実施例の構成を示す図。 第３図はこの第２図の制御回路の作動を説明するフロー
チャート◇ 第４図はこの第２図の制御回路の作動を説明するタイミ
ング図。 １０・・・エンジン本体、１２・・・吸気管、１４・・
・排気管、１７・・・低圧段ターボチャージャ、１８・
・・高圧段ターボチャージャ、 ３０−・・第１排気バイパス通路、 ３２・・・ウェイストゲート弁、 ３６・・・第２排気バイパス通路、 ３８・・・排気切替弁、４４・−・吸気バイパス弁、５
０・・・ＥＧＲ通路、５４．５８．６４．６６・・・電
磁弁（ＶＳＶ）、７８、８０・・・圧力センサ、９１・
・・サブスロットル弁９３−・・ステップモータ。 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　低圧段のターボチャージャと高圧段のターボチャージ
   ャをガスの流れ方向に直列に配置し、更に内燃機関の吸
   気系に設けられ、吸気空気量をアクセルペダルと独立に
   制御する吸気空気量制御手段と、機関の急加速運転を検
   出する急加速検出手段と、急加速時において前記吸気空
   気量制御手段に吸気空気量を暫時減少せしめる信号を印
   加する吸気空気量制御信号形成手段とを具備する２段過
   給内燃機関の過給圧制御装置。