JPH03281932A - 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オーバランする
おそれがある。即ち、急加速の結果エンジン回転数は急
上昇するが、このエンジン回転数の上昇に大型ターボチ
ャージャの回転が追いつかず、そのため大型ターボチャ
ージャのコンプレッサ出口圧力は加速の当初低いままで
ある。そのため、その下流の小型ターボチャージャのコ
ンプレッサ前後圧力差がその分増大し、小型ターボチャ
ージャを通過する空気量はその容量で決まる上限を越え
るため、小型ターボチャージャは過回転するに至るので
ある。

この発明は急加速運転時において排気ガスのエネルギを
一部散逸させることにより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、高圧段ターボチャージャＢを迂回
するバイパス通路Ｃに排気切替弁りを設け、機関の加速
の過程において高圧段ターボチャージャＢの過給圧が所
定値に到達するまで排気切替弁りを閉に、該過給圧が所
定値に到達後排気切替弁りを開放する排気切替弁制御手
段Ｅと、機関の急加速運転を検出する急加速検出手段Ｆ
と、急加速時において高圧段のターボチャージャＢの下
流の過給圧が所定値に到達する前に排気切替弁りを開放
する急加速時排気切替弁制御手段Ｆとを具備する。

〔作用〕

排気切替弁制御手段Ｅは高圧段ターボチャージャＢの下
流の過給圧が所定値に到達するまでは排気切替弁りを閉
鎖し、所定値に到達後排気切替弁りを開放する。

急加速検出手段Ｆ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、過給圧が所定値に到達する前に排
気切替弁りを開弁する。

〔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、１゜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。大型の低圧段ターボチャージ１７と小型の高圧
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２５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２０゜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４Ｄｆ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のステ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）　６
６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ｆｉ６８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（ＶＳＶＩ）、　５８（ＶＳＶ２）、
　６４（ＶＳＶ３）、　６６（ＶＳＶ４）の駆動信号を
発生する。また、制御回路７２　ハ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２０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Ｐ、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。

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Ｐ１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Ｐ、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＞ＰＩが成立し、ステップ１０２以下に進む。

ステップ１０２−１０６は急加速判定であり、後述のよ
うに高圧段ターボチャージャ１８の下流の過給圧が所定
値Ｐ　ＳＥＴに到達する前に排気切替弁３８を開弁する
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１０８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１１０ではアクチュエータ３８を制御する
電磁弁５８（ＶＳＶ２）の駆動信号におけるデユーティ
比ｏｕｔｙが０に設定される。即ち、電磁弁５８に連続
的なＯＦＦ信号が印加され、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３８の作動が制御される。即
ち、スプリング力が過給圧Ｐ２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ｐｓ！ｔに到達する回転数（第４図のＮＥ、）までは
排気切替弁３８は全閉を維持し、Ｐ２＝所定値−ＰＳＥ
Ｔに到達した時点で排気切替弁３８はスプリング４０ｃ
、　４０６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。

ステップ１１１　テ電磁弁５４（ＶＳＶＩ）がＯＦＦす
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
。また、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１１１で電磁弁６４（ＶＳＶ３）はＯ
Ｎとなりターボチャージャ１８のコンプレッサ出口圧Ｐ
２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１１３では電
磁弁６６（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４８ａ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。

エンジンの回転数ＮＥがＮＥ、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Ｐ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、Ｐ２””Ｐ。

となるとステップ１００よりステップ１２０で進み、排
気切替弁３８の作動用電磁弁５８（ＶＳＶ２）の作動信
号におけるデユーティ比Ｄｕｔｙが１００％となる。即
ち、電磁弁は５８は連続的なＯＮ信号により駆動される
。そのため、ダイヤフラム４０ａ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３２は開放方向に付勢される。ステップ１２４では電
磁弁６６（ｖＳＶ４）がＯＦＦされるため大気圧がダイ
ヤフラム４８ａの上側に作用し、ステップ１２６で電磁
弁６６（ＶＳＶ４）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
方に押圧され、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１０６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〉所定値Ａか否か判別され
、ステップ１０６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Ｂか否か判別される。ステップ１０２．
１０４．１０６で肯定的な判断の場合は急加速と見做し
、ステップ１３０でフラグＦ・１か否かの判別が行われ
る。前回（即ち４ミ９秒前）急加速でないときにフラグ
Ｆはステップ１０８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１４０で
はカウンタＣの値に応じたデユーティ比Ｄｕｔｙの算出
が行われ。Ｄｕｔｙは前述の通り、電磁弁５Ｂ（ＶＳＶ
２）の駆動信号におけるＯＮ時間の割合、言い換えれば
排気切替弁３８のアクチュエータ４０のダイヤフラム４
０ａに作用する過給圧の大きさに相当する。即ち、デユ
ーティ比が小さいときはダイヤフラム４０ａに大気圧が
導入される割合が高くなり、デユーティ比が大きいとき
はダイヤフラム４０ａに過給圧が導入される割合が高く
なる。そして、デユーティ比の設定は加速開始がら所定
時間はＤｕｔｙ＝１００％となり、その時間τが経過し
てから０に向かって徐々に減少させる設定となっている
（第４図（ロ）参照）。そのため、急加速時の過程で高
圧段ターボチャージャのコンプレッサ出口圧力が設定値
Ｐ　Ｓｌ！Ｔとなる前にダイヤフラム４０ａに過給圧が
導入され、排気切替弁３８が一時的に開弁することがで
きるように設定される。

ステップ１４０以下の電磁弁５４（ＶＳＶＩ）、　６４
（ＶＳＶ３）。

６６（ＶＳＶ４）の制御は通常の加速時と同一であり、
ステップ１１１．１１２．１１３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１７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、破線のように
急上昇する。

そのため、高圧段ターボチャージャ１８のタービン２８
がオーバランするおそれがある。この実施例では排気切
替弁３８の駆動用電磁弁５８（ＶＳＶ２）のデユーティ
比は急加速の開始から一時的に排気切替弁３８を開弁す
るように制御されている（急加速時のデユーティ比Ｄｕ
ｔｙの変化を第４図（ロ）のＸで示し、排気切替弁３８
の開度変化を同（ハ）のＸ′にて示す）。そのため、過
給圧の立ち上がりは急加速時も実線Ｐ２のようになる。

実施例のステップ１４０ではデユーティ比１００％に制
御するようにしているが、デユーティ比は排気切替弁３
８を開弁せしめることができる適当な中間の値でもよい
。また、エンジンの運転状態に応じた最適の加速性能が
得られるようにデユーティ比及びを加速度合、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。

実施例はガソリン内燃機関への応用を説明しているが、
ディーゼル機関にも等シ＜適用することが可能である。

〔効果〕

この発明によれば、急加速時において高圧段ターボチャ
ージャのコンプレッサ出口圧力が目標過給圧と到達する
以前に排気切替弁を開放することにより、高圧段ターボ
チャージャのオーバランヲ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。

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、高圧段ターボチャ
   ージャを迂回するバイパス通路に排気切替弁を設け、機
   関の加速の過程において高圧段ターボチャージャの過給
   圧が所定値に到達するまで排気切替弁を閉に、該過給圧
   が所定値に到達後排気切替弁を開放する排気切替弁制御
   手段と、機関の急加速運転を検出する急加速検出手段と
   、急加速時において高圧段のターボチャージャの下流の
   過給圧が所定値に到達する前に排気切替弁を開放する急
   加速時排気切替弁制御手段とを具備する２段過給内燃機
   関の過給圧制御装置。