JPH0736096Y2 - ２段ターボ過給エンジンの過給圧制御装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、たとえばガソリンエンジンのようにスロット
ル弁を有し、２基の排気ターボチャージャを直列接続し
た２段ターボ過給エンジンにおける過給圧の制御装置に
関する。

〔従来の技術〕

たとえば本出願人の先願である特願昭63-250928号の明
細書及び図面に記載したもののように、２段ターボ過給
エンジンの過給圧制御のため高圧段排気タービンのバイ
パス通路に設けられた排気バイパス弁を開閉調節する制
御信号としては、高圧段ターボチャージャのコンプレッ
サの出口圧力を用いるのが一般的である。

しかしながら、高圧段コンプレッサの出口とエンジンの
給気ポートとの間に給気冷却器を設けたり、給気通路に
曲折部など空気流の抵抗となるものが多い場合には、そ
れらによって給気の圧力損失が生じるため、制御信号で
ある高圧段コンプレッサの出口圧力は実際にエンジンに
供給される給気の圧力を示さないので、給気冷却器後流
の給気通路等から圧力をとり出し、この圧力によって前
記排気バイパス弁等を開閉調節して過給圧を制御するこ
とが検討されている。

〔考案が解決しようとする課題〕

従来技術における制御手段は、ガソリンエンジンのよう
に給気通路にスロットル弁を有するエンジンでは、更に
別の問題を生じる。つまり、ガソリンエンジンにおい
て、給気冷却器及びスロットル弁を通過した後の給気の
圧力を取り出して、これを排気バイパス弁の制御のため
の信号として用いる場合、そのエンジンを搭載した車両
が緩い下り坂を高速で走行するときのように、エンジン
が低負荷で高速回転しているときは、スロットル弁は或
る程度閉じられており、スロットル弁における圧力損失
が大きくなっているために、高圧段コンプレッサの出口
圧力は高いにもかかわらずスロットル弁後流の給気通路
における信号圧力は圧損分だけ低くなるから、排気バイ
パス弁は閉じ気味となり、必要以上の大量の排気が高圧
段排気タービンに送られて、小容量のタービンとコンプ
レッサからなる高圧段ターボチャージャは、異常に回転
数が上昇してオーバーランしてしまうおそれがある。

したがって、スロットル弁のように全閉から全開まで給
気抵抗が大きく変化する部分を有するエンジンでは、ス
ロットル弁の下流の圧力を過給圧の制御信号として使用
することは危険であり、やはり高圧段コンプレッサの出
口圧力を制御信号とすることになるが、こんどは、給気
冷却器や給気通路の曲折による抵抗や、変化するスロッ
トル弁開度による抵抗等による圧力損失を考慮に入れる
ことができなくなり、エンジンに実際に供給される給気
の圧力は圧損分だけ低くなるが、中、高速域ではその低
下分が相当な幅になり、十分な高出力が得られないとい
う問題が生じてくる。

そこで本考案は、ガソリンエンジンのようにスロットル
弁を有するエンジンにおいても、給気系統の圧力損失に
左右されることなく、主として中、高速域における過給
圧を十分に高い安全な値において一定に保つようにする
ことを解決課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

本考案の過給圧制御装置は、吸入空気を加圧する低圧段
ターボチャージャと、前記低圧段ターボチャージャにお
いて加圧された空気をさらに加圧してスロットル弁を介
してエンジンに送る高圧段ターボチャージャとを有する
２段ターボ過給エンジンにおいて、前記スロットル弁の
開度を検出する手段と、前記手段がスロットル弁の開度
が所定値よりも小であることを検出したときに、前記高
圧段ターボチャージャの排気タービンに対して設けた排
気バイパス通路の排気バイパス弁の開度を前記高圧段タ
ーボチャージャのコンプレッサの出口圧力に応じて調節
すると共に、前記スロットル弁の開度が所定値よりも大
であることを検出したときに、前記排気バイパス弁の開
度を前記スロットル弁の後の給気通路の圧力に応じて調
節するように切換える切換え手段とを設けたことを特徴
とする。

〔作用〕

本考案は前記手段のような構成を有するから、スロット
ル弁の開度が所定値よりも小であるときは、それを検出
する手段によって切換え手段が作動して、高圧段ターボ
チャージャの排気タービンに対して設けた排気バイパス
通路のバイパス弁の開度を前記高圧段ターボチャージャ
のコンプレッサの出口圧力に応じて調節するように制御
系統を切換えるので、スロットル弁等の給気抵抗の大小
に関係なく、高圧段ターボチャージャの出口圧力が目標
値に維持されるようにバイパス弁が調節される。したが
ってエンジンの低負荷運転域において不必要に高い過給
圧を発生させることもなく、高圧段ターボチャージャに
無理な高回転をさせることもない。

また、前記スロットル弁の開度が前記所定値を超えたと
きは、それを検出する手段によって前記切換え手段が作
動し、前記排気バイパス弁の開度を前記スロットル弁の
後の給気通路の圧力に応じて調節するように切換えるの
で、スロットル弁等の給気抵抗の大小に関係なく、実際
にエンジンに供給される給気の圧力が目標値に維持され
るようにバイパス弁が調節される。したがってエンジン
の中高負荷運転域において十分な出力が得られる。

〔実施例〕

本考案の１実施例を示す第１図において、１は過給を受
けるエンジン、２はその排気通路、３は高圧段の小容量
排気タービン、４はその排気通路、５は低圧段の大容量
排気タービン、６は低圧段の大容量コンプレッサで、前
記排気タービン５と回転軸によって連結されて低圧段タ
ーボチャージャＬを構成する。７は低圧段コンプレッサ
６によって加圧された空気のための給気通路、８は高圧
段の小容量コンプレッサで、前記排気タービン３と回転
軸によって連結されて高圧段ターボチャージャＨを構成
する。９は高圧段コンプレッサによって加圧された空気
のための給気通路、10は大要以上の構成を有する２段タ
ーボ過給エンジンの過給圧制御を司どる電子式制御装置
（ECU）であって、いずれも詳細は後述する。

エンジン１の排気が流れる排気通路２には、高圧段ター
ビン３に対する排気バイパス通路21が分岐して設けら
れ、それを開閉制御する排気バイパス弁22が配置され
る。該弁を作動させるために設けられる第１のアクチュ
エータ23は、その前壁を（軸封の下に）貫通するロッド
23cと該ロッド右端に取付けられるダイヤフラム（又は
ベローズ）23dを有し、該ダイヤフラムはアクチュエー
タ23内を第１室23aと第２室23bに区画していて、第１室
23a内には圧縮発条23eが挿入されており、バイパス弁22
を閉弁方向へ付勢している。第１のアクチュエータ23の
背後には第２のアクチュエータ25が直列的に付設されて
おり、その前壁を軸封の下に貫通するロッド25cの左端
は、第１のアクチュエータ23のロッド23cの右端に当接
している。ロッド25c右端にはアクチュエータ25内を第
１室25aと第２室25bに区画するダイヤフラム（又はベロ
ーズ）25dが取付けられており、第１室25a内には圧縮発
条25eが挿入されている。

排気通路４には低圧段タービン５に対する排気バイパス
通路41が分岐して設けられ、それを開閉制御するウェイ
ストゲート弁42が配置される。該弁を作動させるために
設けられるアクチュエータ43は、その前壁を軸封の下に
貫通するロッド43cと該ロッドの右端に取付けられるダ
イヤフラム（又はベローズ）43dを有し、該ダイヤフラ
ムはアクチュエータ43内を第１室43aと第２室43bに区画
していて、第１室43a内には圧縮発条43eが挿入されてい
る。51は低圧段タービン５から出る排気を放出する排気
管、61は図示されないエアクリーナ等を経て新鮮な空気
を低圧段コンプレッサ６へ供給する給気管を示す。

低圧段コンプレッサ６が加圧した空気を吐出する給気通
路７には、高圧段コンプレッサ８に対する給気バイパス
通路71が分岐して設けられ、それを開閉制御する給気バ
イパス弁72が配置される。該弁を作動させるために設け
られるアクチュエータ73は、その下端壁を軸封の下に貫
通するロッド73cと、該ロッドの上端に取付けられるダ
イヤフラム（又はベローズ）73dを有し、該ダイヤフラ
ムはアクチュエータ73内を第１室73aと第２室73bに区画
していて、第２室73b内には圧縮発条73eが挿入されてい
る。

給気通路９には給気冷却器91及びエンジン１の給気量を
調整するスロットル弁92が設けられていて、スロットル
弁92の後の圧力P₉″が管94によって取り出されて電磁式
三方弁95に供給され、該三方弁は圧力P₉″と管96によっ
て取出される給気通路９の圧力P₉のいずれかをアクチュ
エータ25の第２室25bに供給するようになっている。ア
クチュエータ23の第２室23bには、電磁式三方弁93によ
って大気圧又は管93′を介して給気通路９の圧力P₉が導
かれる。

また、給気通路７の圧力P₇が管74によって取り出されて
電磁式三方弁75に供給され、該三方弁は圧力P₇又は大気
圧（又は真空ポンプなどによる負圧）のいずれかをアク
チュエータ73の第１室73aに供給するようになっている
と共に、給気通路９の圧力P₉が管96′によって取り出さ
れて電磁式三方弁97に供給され、該三方弁は圧力P₉又は
大気圧のいずれかをアクチュエータ73の第２室73bに供
給するようになっている。

ウェイストゲート弁42のアクチュエータ43の第２室43b
は管98によって電磁式三方弁99に連通され、スロットル
弁92の後の圧力P₉″又は大気圧を受入れるようになって
いる。

ECU10の制御出力信号は、出力ポート102から駆動回路Ｄ
を介して電磁式三方弁93,95,97,99,75等へ伝達される。
いうまでもなく、制御系統の切換え手段であるこれらの
電磁式三方弁は、同様な作動をする空気圧式や電動式な
どの三方弁等に置きかえることができる。

図示していないが、スロットル弁92には開度センサが設
けられる。これに代るものとして、スロットル弁92の前
後差圧を検出する差圧センサを設けてもよい。スロット
ル弁の開度信号は、エンジン１の回転数を検出する回転
数センサ11の信号などと共に、ECU10の入力ポート101
へ、A/D変換器を介する等して入力される。なお、76は
低圧段コンプレッサ６の出口圧P₇を検出する圧力センサ
である。

次に第１図に示された実施例の作動について説明する。

スロットル弁92の開度が全開に近い所定の開度よりも小
さいとき（スロットル弁92の前後差圧を検出している場
合は、P₉′−P₉″の値が所定値より大であるとき）は、
ECU10は三方弁95を切換えて、アクチュエータ25の第２
室25bに高圧段コンプレッサ８の出口圧力P₉を接続して
いる。また給気通路７の圧力P₇が目標値以下のときは、
三方弁93は大気圧をアクチュエータ23の第２室23bに供
給する位置をとるように、ECU10により制御される。

エンジン１の低速域では排気通路２を流れる排気の流量
が少なく、低圧段ターボチャージャＬは殆んど作動して
いないし、高圧段ターボチャージャＨは容量が小さいが
給気圧P₉も概して低レベルにある。したがって、アクチ
ュエータ23では発条23eが、アクチュエータ25では発条2
5eがそれぞれダイヤフラム23d及び25dを右方へ押圧し、
ロッド23c及び25cは右方に移動しているので、排気バイ
パス弁22は全閉となっており、排気通路２を流れるエン
ジン１の排気はすべて高圧段タービン３に流入し、主と
して高圧段ターボチャージャＨを作動させて、高圧段コ
ンプレッサ８により給気を加圧している。

給気バイパス弁72においても、三方弁75及び97の位置に
より、アクチュエータ73の第１室73aには大気圧（又は
負圧）が導入されていると共に、第２室73bには給気通
路９の圧力P₉が導入されているから、ダイヤフラム73d
は発条73eの付勢をも受けてロッド73cを下降させ、給気
バイパス弁72を閉じて、給気がすべて高圧段コンプレッ
サ８によって加圧されるようになっている。

エンジン１の回転数が高くなって行くと、高圧段ターボ
チャージャＨの回転数が高まり、給気通路９の圧力P₉の
値も急激に立ち上がる。圧力P₉の値が所定値を越える
と、その圧力を管96により導入しているアクチュエータ
25では、第２室25bの増大した圧力が発条25e（及びアク
チュエータ23の発条23e）の力に抗してロッド25c及び23
cを左方へ移動させ、排気バイパス弁22を部分的に開か
せる。その開度は給気圧P₉が高まるほど大きくなので、
この作用により給気圧P₉は所定の目標値に維持されるこ
とになる。（第２図参照） エンジン１が増速され排気の量が増加してくると、低圧
段ターボチャージャＬも有効に作動しはじめるので、給
気通路７の給気圧P₇も徐々に上昇し、それにつれて、給
気圧P₉を一定に保とうとするアクチュエータ25による排
気バイパス弁22の開度も大きくなって、過給作用の中心
は高圧段ターボチャージャＨから低圧段ターボチャージ
ャＬの方へ移って行く。

低圧段コンプレッサ６により給気通路７の圧力P₇が上昇
し、一定に維持されている圧力P₉に近づくと、その圧力
を検出している圧力センサ76からA/D変換器を通じて入
力ポート101に入る入力信号により、ECU10は出力ポート
102から制御出力信号を発し、駆動回路Ｄにより三方弁9
3の通路を切換えて、アクチュエータ23の第２室23bに増
大した給気圧力P₉を導入するので、ダイヤフラム23dは
発条23eの付勢に抗してロッド23cを左方へ移動させ、排
気バイパス弁22を一挙に全開させて、高圧段タービン３
を無力化する。

そして略同時に、ECU10は出力ポート102から三方弁75及
び97にも制御出力信号を発し、それらの通路を切換え
て、アクチュエータ73の第１室73aに高まった給気圧P₇
を導入すると共に、第２室73bを大気に連通してロッド7
3cを上昇させ、給気バイパス弁72を全開させるので、高
圧段コンプレッサ８もバイパスされることになり、高圧
段ターボチャージャＨは排気及び給気の流れから離隔さ
れ、低圧段ターボチャージャＬだけによる１段過給の状
態となる。

低圧段ターボチャージャＬのみの過給状態であっても、
エンジン１の高回転によって給気通路７の圧力P₇が高く
なり過ぎるときは、ECU10は三方弁99を切換えて、大気
圧を導入していた管98にエンジン１の給気通路12の圧力
P₉″を導入する。それによってアクチュエータ43は、圧
力P₉″に応じてウェイストゲート弁42を部分的に開いて
低圧段タービン５の回転数を低下させ、圧力P₉″を所定
の目標値に維持する方向に作動する。

ところで、給気通路９の圧力P₉が目標値に保たれていて
も、給気冷却器91や給気通路９等の抵抗や、スロットル
弁92の開度による圧力損失によって、現実にエンジンの
給気通路12に流れている給気の圧力P₉″の値は減少し、
全負荷時の過給圧特性を示す第２図の斜線部分のよう
に、エンジンの回転数が上昇するほど給気流量が増える
ために、圧力降下は大幅となる。これは高回転時の出力
の伸び悩みとなって現われるので、本考案では、スロッ
トル弁92が全開又はそれに近い所定の開度を超えたとき
（スロットル弁の前後差圧を検出しているときは、その
差圧が所定値より小さくなったとき）、ECU10の制御信
号によって切換え手段である三方弁95を切換えて、アク
チュエータ25の第２室25bに管94を介して給気通路12の
圧力P₉″を導入する。

したがって排気バイパス弁22は最終的な給気圧P₉″が所
定の目標値を保つように開閉調節されることとなり、高
圧段ターボチャージャＨがそれに応じた作動をして給気
圧P₉を目標値よりも圧損分だけ上昇させる。これによっ
て、エンジンの中、高回転域の出力は十分に増大され
る。

しかしながら、この作用はあくまでもスロットル弁92が
全開又はそれに近いときだけに限られており、スロット
ル弁92がそれよりも小さい開度をとっているときは、前
記のように給気通路９の圧力P₉を目標値に合わせるよう
に制御するので、高圧段ターボチャージャＨがオーバー
ランするようなことがない。

〔考案の効果〕

本考案は、このようにスロットル弁開度に応じ、排気バ
イパス弁を調整するアクチュエータに作用する圧力とし
て、高圧段コンプレッサの圧力とスロットル弁より後の
給気通路の圧力との間で切換えて供給するようにしたの
で、スロットル弁の開度が小さいときには高圧段ターボ
チャージャがオーバーランするおそれがなく、またスロ
ットル弁の開度が大きいときは、給気系統の圧力損失を
考慮に入れた過給圧制御を行ない、エンジンの中高速域
における出力を十分に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例の全体構成図、第２図は全負
荷時の過給圧特性を示す線図である。 １……エンジン、２……排気通路、３……高圧段タービ
ン、５……低圧段タービン、９……給気通路、10……電
子式制御装置、12……給気通路、21……排気バイパス通
路、22……排気バイパス弁、23,25,43,73……アクチュ
エータ、75,93,95,97,99……三方弁、92……スロットル
弁、Ｈ……高圧段ターボチャージャ、Ｌ……低圧段ター
ボチャージャ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−82526（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−113828（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−66831（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】吸入空気を加圧する低圧段ターボチャージ
   ャと、前記低圧段ターボチャージャにおいて加圧された
   空気をさらに加圧してスロットル弁を介してエンジンに
   送る高圧段ターボチャージャとを有する２段ターボ過給
   エンジンにおいて、前記スロットル弁の開度を検出する
   手段と、前記手段がスロットル弁の開度が所定値よりも
   小であることを検出したときに、前記高圧段ターボチャ
   ージャの排気タービンに対して設けた排気バイパス通路
   の排気バイパス弁の開度を前記高圧段ターボチャージャ
   のコンプレッサの出口圧力に応じて調節すると共に、前
   記スロットル弁の開度が所定値よりも大であることを検
   出したときに、前記排気バイパス弁の開度を前記スロッ
   トル弁の後の給気通路の圧力に応じて調節するように切
   換える切換え手段とを設けたことを特徴とする過給圧制
   御装置。