JPS60178931A - 排気タ−ボチヤ−ジヤの過給圧制御装置 - 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】 く技術分野〉 本発明は内燃機関の排気エネルギにより排気タービンを
回転駆動し、該排気タービンで回転されるコンプレッサ
により内燃機関に吸気を過給するようにした排気ターボ
チャージャの過給圧制御装置に関する。

く背景技術〉 排気ターボチャージャ付内燃機関は排気エネルギを利用
して吸気を内燃機関に過給するものであるため、吸気充
填効率が向上し、この分燃料噴射量も増量できるため出
方向上に大いに寄与することが知られている。しかし過
給圧が過大になると内燃機関及びその吸・排気系に過大
な応力が作用し、損傷若しくは破損に至る危険性が生し
る。従って従来からかかる過給圧の過昇を防止する種々
の手段が講しられている。

その防止手段の１つに例えば米国特許第２９４４７８６
号明細書にみられる排気流速制御装置がある。このもの
は排気ターボヂャージャの排気人［コ部に制御弁を設け
、該制御弁の開度を調整することにより排気タービンへ
向かう排気入口流速を制御して排気タービン過回転を防
止し、もってタービンと直結したコンプレッサによる過
給圧力の過昇を防止すると共に低負荷時の排気流速を高
めて当該領域の過給圧を高め、出方向上を図っている。

また、一方では排気タービンの上流と下流を接続するバ
イパス通路を設け、該バイパス通路にコンプレッサ下流
の過給圧が設定値基」二になると開弁するバイパス制御
弁装置を設け、コンプレッサ下流の過給圧が所定値以上
に上昇しようとしたときに、バイパス制御弁装置を開弁
して排気エネルギを排気タービン回転用に使用すること
なくバイパス通路を介して外部に放出し、もって排気タ
ービンの過回転を防止して過給圧の過昇を防止するもの
も知られる。

これら夫々に存在する排気流速制御装置及びバイパス制
御弁装置は、上記効果的な過給圧制御を行うものとして
有効であるが、次のような不都合は依然として存在した
。

即ち前者の排気流速制御装置にあっては、過給圧か設定
値より増大すると排気入口開口面積を増大して排気ター
ビンに導かれる排気流速を低減するが、排気はバイパス
されることなく排気タービンに全量導かれるものである
から、排気エネルギが更に増大すると排気タービンの回
転を抑制することができなくなって過給圧が増大してし
まうこととなる。従ってこのような過給圧増大が許容値
以下になるように設計当初から排気ターボチャージャの
仕様を決定しておかなければならず、そのためには機関
低負荷時をも含めて全体のトルク特性を低過給圧倒に設
定しておく必要がある。しかしこれば排気ターボチャー
ジャの場合の問題領域である低負荷領域の過給圧をも低
下させることとなって、当該運転領域の出力特性を向上
させることが難しい。

また後者のバイパス制御弁装置によれば、過給圧が設定
値以上になろうとするときに排気をバイパス通路に導い
て排気タービンの回転領域から除外してしまうから、過
給圧の過昇防止としては有効に機能する。しかし排気タ
ーボチャージャの仕様によって定まるトルク特性は不変
であって、単に過大過給圧をカットするように作用する
から、低負荷領域の低過給圧は依然として解消されない
ものであった。更に付言すれば、かがるバイパス制御装
置でば、バイパス制御弁開弁直後においてそれまで回転
していた排気タービンが慣性によって過回転して過給圧
低下が追いつがずノンキングの発生をもたらずし、背圧
が急激に低下して排気系の触媒装置を破損したりするお
それが生じ易い。

また前記両装置単独では、一旦故障、焼付等により作動
不能となった時に排気タービン及びコンプレッサが異常
に高回転し過給圧が過昇してノッキングの発生成いは機
関の損傷を招くおそれがある。

〈発明の目的〉 本発明は」二記従来装置の不都合に鑑み、過大な過給圧
を防止すると共に機関低負荷時の過給圧を増大して当該
領域の出力特性を改善することを目的とする。

〈発明の構成〉 そのために本発明では、従来知られた前記排気流速制御
装置とバイパス制御弁装置とを併用すると共に、これら
の過給圧の開弁設定値を排気流速制御装置の方がバイパ
ス制御弁装置よりも小さくなるよう設定する。これによ
りバイパス制御弁装置の開弁作動前に排気流速制御装置
を作動させてまず過給圧過昇の防止を行い、その後当該
排気流速制御装置による過給圧抑制を超えて過給圧が過
昇しようとしたときにバイパス制御弁装置を作動させて
これを防止するのである。従って排気流速制御装置側か
らみれば、バイパス制御弁装置が控えていてこれが過給
圧過昇の防止を行うから、排気流速制御装置単独のみに
よる過給圧増大の心配をすることなく開弁圧を十分に高
めて全体運転領域の過給圧を増大させ、これにより低負
荷領域の過給圧増大化を図ることができ、当該領域のト
ルク特性を向上することになる一方、バイパス制御弁装
置側からみれば、該装置作動前に排気流速制御装置が作
動して排気タービンの過回転を防止するからその作動頻
度が少なくなり、開弁初期の慣性による排気タービン過
回転の機会が少なくなってノンキング或いは機関損傷の
不都合を可及的に抑制することができるのである。

〈実施例〉 以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図に示す実施例において、内燃機関１の燃焼排気は
、排気通路２に介装した排気タービン３を回転駆動して
大気に放出される。排気タービン３はコンプレ・ノサ４
と軸５により同軸に連結されて排気ターボチャージャ１
０を構成し、コンプレ・ノサ４が排気タービン３と共に
回転駆動される。そのため吸気はコンプレッサ４により
加圧圧送（過給）され、吸気通路６を介して噴射弁７か
ら噴射される燃料と共に内燃機関１に吸入され、ここで
燃焼する。尚、吸気通路６にはコンプレッサ４の上流側
にエアフローメータ１１が設けてあり、コンプレッサ４
と噴射弁７との間に吸気絞弁１２Ａ、１２Ｂが配設され
て、吸入空気量の制御を行い、該吸気絞弁１２Ａとコン
プレッサ４の間には過給圧力を検出する圧力センサ１３
が配設され、吸気絞弁１２Ａの下流には吸気絞弁１２Ａ
下流の圧力が許容値以上に上昇したときに開弁して該過
大な圧力をリリーフするリリーフバルブ１４が設けであ
る。該リリーフバルブ１４の開弁圧は後述するバイパス
制御弁装置２２の開弁設定圧より大きく設定しである。

また排気通路２の排気タービン３下流側には、排気中の
酸素濃度を検出する０よセンサ１５及び排気中の未燃成
分等を除去する触媒装置１Ｇが設けである。

ここにおいて本発明では排気ターピン３をバイパスして
排気を導くバイパス通路２１にバイパス制御弁装置２２
を設けると共に、排気タービン３の入口部に排気流速制
御装置３１を設ける。

このうちバイパス制御弁装置２２は、第２図、第３図及
び第４図に示すように、バイパス通路２１を開閉するバ
イパス弁２３と、コンプレッサ４の下流側で吸気絞弁１
２Ａの上流側の過給圧力を圧力通路２４で導かれるダイ
ヤフラム装置５のダイヤフラム２５Ａと、がリンク２６
により連結されて、前記過給圧が設定値ｐｂ以上になろ
うとしたときに、過給圧に応じてダイヤフラム２５Ａが
スプリング２５Ｂの閉弁方向の力に抗してバイパス弁２
３を開弁するように構成される。

一方、排気流速制御装置３１は同じく第２図、第３図及
び第４図に示すように、排気タービン３の入口部３Ａ即
ち排気スクロール入口部に設けられた絞弁３２を有する
。該絞弁３２ばその上流端を排気タービン入口部のケー
シングに揺動自由に軸支され、その下流端が入口部３Ａ
の開口面積をせばめるように（図示実線）変位すると排
気流速を増大する一方、点線で示すように、入口部３Ａ
の開口面積を増大するように変位すると、排気流速を減
少するようになっている。

絞弁３２はダイヤフラム装置３３のダイヤフラム３３Ａ
とロッド３３Ｂにより連結され、圧力通路３４を介して
コンプレッサ４の下流で吸気絞弁１２Ａの上ｄｏｔ　（
７）過給圧が導入されて、該過給圧が設定値Ｐａ以上に
なろうとしたときに、第４図に示すように過給圧に応じ
てダイヤフラム３３Ａがスプリング３３Ｃの弾性力に抗
して排気タービン入口部３Ａの開（コ面積を増大する方
向、即ち排気流速を減少する方向に変位されるようにな
っている。

ここにおいて重要なことは、排気流速制御装置３１の開
弁設定値Ｐａ（例えば約３５Ｏｎ＋ｎ＋ｌＩｇ　）を前
記バイパス制御弁装置２２の開弁設定値Ｐｂ（例えば約
４００ｍｍＨｇ　）より小さく設定するようにしている
。

かかる装置の作用を次に述べる。

定常運転状態においては、吸気はコンプレッサ４により
加圧圧送され吸気絞弁１２Ａ、１２Ｂの１１ｉ［作用を
受けた後、噴射弁７から燃料が噴射供給されて混合ガス
となり、内燃機関１の燃焼室ＩＡに導入されて、ここで
点火栓８により点火燃焼される。燃焼ガスは排気通路２
内に排出され排気流速制御装置３１により流速を制御さ
れて、排気タービン３を回転駆動し、これと同軸のコン
プレッサ４を回転駆動して大気に放出される。ここにお
いて排気流速制御装置３１は排気流速を増大するように
絞るので、排気タービン３の回転駆動エネルギが比較的
大きく当該領域の過給圧力低下を防止している。

ここで機関回転速度が上昇し、排気が多量に排出される
ようになると、その排気エネルギにより排気タービン３
の回転が上昇し、これに伴ってコンプレッサ４も高回転
するのでその下流側の過給圧力が上昇する。

この過給圧力が排気流速制御装置３１の開弁設定圧Ｐａ
以上に上昇したときは、第４図に示すように該過給圧Ｐ
ａがダイヤフラム装置３３に導入されて絞弁３２をスプ
リング３３Ｇの弾性力に抗して開弁する。その結果、絞
弁３２は第２図実線位置から破線位置に変位されて入口
部３Ａの開口面積が増大され、排気流速が軽減される。

このため排気タービン３の回転速度の上昇が制限され、
コンプレ・ノザ４による過大な吸気過給を回避する。ま
たこれと同時に排気タービン３上流の排気通路２内の圧
力（背圧）が低減し、内燃機関１のボンピングｌコメを
減少して出力低下を防止する。

更に内燃機関１が高速高負荷回転した場合、機関から排
出される排出量は多量のため排気流速制御装置が全開状
態であっても排気の全量が排気タービン３を回転するた
めに使用されて、排気タービン３が高速回転し、これに
つれてコンプレ・ノ号４も高速回転するので、過給圧力
は前記過給圧の開弁設定値Ｐａを超して過昇する。この
とき過給圧力がバイパス制御弁装置２２の設定開弁圧力
Ｐｂ以上にまで上昇しようとすると、該過給圧力がダイ
ヤフラム装置２５に導入され、ダイヤフラム２５Ａをス
プリング２５Ｂの弾性力に抗して押圧し、リンク２６を
介してバイパス弁２３を開弁する。そのため排気タービ
ン３の上流側排気通路の排気をバイパス通路２１を介し
てタービン下流側に導き、その結果υ１気タービン３及
びコンプレッサ４の高速回転を低減して過大な過給圧力
となることを防止し、軸５の耐久性を向上させるように
し、また内燃機関にあってはノッキングの発生を予防す
ると共に、機関本体及びその吸・排気系の損傷を防止す
る。

このようにして排気ターボチャージャの持つ過給作用を
最大限に利用して機関の出力特性を向上させるのである
。

機関が史に高速高負荷回転されると前記過給圧過昇防止
機能を跳び超えて、更に過給圧が上昇する危険が生じる
が、その場合にはバイパス制御弁がその防止を行う。従
って排気流速制御装置は、その開弁圧設定値以上に過給
圧が増大するための不都合を心配することなく、運転領
域全域にわたって過給圧を増大するように排気ターボチ
ャージャを設計でき、もって低負荷領域の過給圧を増大
して１−ルク特性を向上させることが可能となる。

ところで、もしバイパス制御弁装置と排気流速制御装置
の開弁設定値を等しく設定した場合、或いはバイパス制
御弁装置単独のみを装着した場合には、バイパス制御弁
開弁直後においてそれまで回転していた排気タービンが
慣性によって過回転して過給圧低下の応答性が悪くなり
、そのためにノンキングの発生をもたらしあるいは背圧
が急激に低下して排気系の触媒装置を破損したりするお
それが生じる。しかし本発明ではバイパス制御弁の開弁
以前に排気流速制御弁が開弁するから、バイパス制御弁
の使用頻度が少なくなって上記不都合の発生を少なくす
ることができ、同時にバイパス制御弁の耐久性が向とし
°ζその開弁圧設定を安定させ機関の保護を良好に図る
ことができるようになる。

またバイパス制御弁装置２２のバイパス通路２１人口は
排気流速制御装置３１の絞弁３２よりも排気上流側に設
ける。このようにすることにより排気流速制御装置にこ
れが全開となる以前に故障や焼付が生じた場合には、バ
イパス制御弁がその補完を行って開弁し、バイパス制御
弁上流側で排気をバイパス通路２１に流すから、過給圧
の過昇を防止し、機関の保護を図ることができる。

また、排気流速制御装置３１の絞弁３２に作用する排気
脈動圧力にまり絞弁３２が振動し易いが、これを防止す
るためダイヤフラム３３Ａの受圧面積を十分大きくして
絞弁３２が排気圧力脈動によって振動しようとしてもダ
イヤフラム３３Ａによってこれを所定位置に保持するよ
うにしておく。尚、排気流速制御装置はバイパス制御弁
装置の開弁圧では全開状態になっているがバイパス制御
弁の制御領域と排気流速制御装置の制御領域とは多少オ
ーバーランプしてもよい。

」二記実施例に加え、排気流速制御装置３１及びバイパ
ス制御弁装置２２を噴射弁７の燃料噴射量制御と共にコ
ントローラ４１により電子制御してもよい。

即ち排気流速制御装置３１の圧力通路３４に三方電磁弁
４２を介装すると共に、バイパス制御弁装置２２の圧力
通路２４に同様な三方電磁弁４３を介装する。これら三
方電磁弁４２．４３は導入される過給圧を大気希釈して
夫々のダイヤプラム装置３３．２５に導入するもので、
所定周波数のパルスに基づいて電流値又は通電時間（デ
ユーティ）により前記大気の希釈量を変えて排気流速制
御装置３１及びバイパス制御弁装置２２の開弁量を制御
する。

このように三方電磁弁４２．４３を制御するコントロー
ラ４１は例えばマイクロコンピュータから成り、圧力セ
ンサ１３から出力される過給圧力、詳記しないが内燃機
関１の回転速度を検出する回転センサ４４から出力され
る回転速度信号、エアフローメータ１１から出力される
吸入空気流量信号、０□センサ１５から出力される酸Ｓ
濃度信号に基づいた空燃比と密接な関係にある信号等が
入力され、そのときの運転状態におけるもっとも適した
値を予めメモリに記憶した制御目標値から読みとって演
算処理し噴射弁７に最適量の噴射量を噴射すべく前記噴
射弁７に指令制御するとともに、前記三方電磁弁４２．
４３に排気流速制御装置３１及びバイパス制御弁装置２
２の最適開度を得るべく指令信号を出力する。これによ
って排気流速制御装置３１による過給圧制御並びにバイ
パス制御弁装置２２による過給圧制御を電子的にフィー
ドバック制御することが可能となる。

〈発明の効果〉 以上述べたように本発明によると、排気流速制御装置と
バイパス弁制御装置とを使用し、これらの開弁設定値を
前者の方が後者よりも小さくなくよ・うにしたので、排
気流速制御装置の車独設置に比べ、バイパス制御弁装置
による過給圧の過昇防止機能に依存できるから、排気流
速制御装置による過給圧力制御が比較的高過給圧倒で行
うことができる。このため全運転領域にわたり高過給圧
化を図ることができ、低負荷領域における過給圧力の増
大を行って排気ターボチャージャの問題領域とされる当
該領域の出方向上を図ることができる。

またバイパス制御弁装置の作動より低過給圧倒で排気流
速が制御されるから、バイパス制御弁装置の作動頻度が
少なくなり、バイパス制御弁装置の耐久性が向上して過
給圧制御の安全性が高まると共にバイパス制御弁装置の
開弁直後の排気タービンの慣性による過回転の機会を少
なくしてノッキング発生を抑制しかつ背圧変動の機会も
少なくして排気系等の保護を図ることができる。更に排
気流速制御装置の作動不良又は作動不能時にバイパス制
御弁装置が安全装置として機能するから機関等の保護を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例を示す構成図、第２図は同上
における排気タービン部の側面図、第３図は同上の縦断
面図、第４図は同上における作動領域を示す特性図であ
る。 １・・・内燃機関　２・・・排気通路　３・・・排気タ
ービン　３Ａ・・・入口部　４・・・コンプレッサ６・
・・吸気通路　１０・・・排気ターボチャージャ１２Ａ
、１２Ｂ・・・吸気絞弁　２１・・・バイパス通路２２
・・・バイパス制御弁装置　２３・・・バイパス弁２４
・・・圧力通路　２５・・・ダイヤフラム装置　２５Ｂ
・・・スプリング　３１・・・排気流速制御装置　３２
・・・絞弁　３３・・・ダイヤフラム装置　３３Ｃ・・
・スプリング 特許出願人　日産自動車株式会社 代理人　弁理士　笹　島　冨二ハｒ 第４図 ａｗＪ回転叡（ｒｐｍ） 手続補正書（自発） 昭和５９年１２月２７日 特許庁長官　志　賀　学　殿 １、事件の表示 昭和５９年特許願第０３２６７７号 ２、発明の名称 ’ｉ３Ｆ気ターボチャージャの過給圧制御装置３、補正
をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　神奈川県横浜市神奈用区宝町２番地名　称　（
３９９）日産自動車株式会社代表者　石原　俊 ４、代理人 住　所　東京都港区西新橋１　ｆ’　ＩＥＩ　４番１０
号第三森ビル ５、補正の対象 ６、補正の内容 （ｌｌ　１’特許請求の範囲」を別紙の通り補正する。 （２）明細書第６頁第１２行に「過給圧」とあるを「装
置」と補正する。 （３）明細書第７頁第３行に「開弁圧−１とあるを「開
弁設定値」と補正する。 （４）明細書第１０頁第６行に「該過給圧が設定値Ｐａ
Ｊとあるを［該開弁設定（ｉＰａＪと補正する。 （５）明細書第１０頁第７行に「第４図」とあるを「第
２図」と補正する。 （６）明細書第１０頁第１４行に［開弁設定値ＰｂＪと
あるを「開弁設定値Ｐａｌと補正する。 （７）明細書第１１頁第１５行〜第１７行に「過給圧力
・・・該過給圧Ｐａが」とあるを７過給圧力１機関負荷
１機関回転の中の少なくとも１つが排気流速制御装置３
１の開弁設定値Ｐａ以上に」二昇したときは、第２図に
示すように該過給圧が」と補正する。 （８）明細書第１２頁第１２行〜第１４行に［過給圧力
は・・・圧力ＰｂＪとあるを［過給圧力は設定値を超し
て過昇する。このとき過給圧力２機関負荷。 機関回転の中の少なくとも１つがバイパス制御弁装置２
２の開弁設定値ＰｂＪと補正する。 （９）明細書第１３頁第１３行に「開弁圧」とあるを削
除する。 ０均明細書第１３頁第１９行に「開弁設定値」とあるを
「作動条件」と補正する。 （川明細書第１５頁第６行〜第１０行に［尚、・・・し
てもよい。」とあるを下記の通り補正する。 ［尚、第４図で、は排気流速制御装置はバイパス制御弁
装置の開弁時には全開状態となっているが、バイパス制
御弁の制御領域と排気流速制御装置の制御領域とは多少
オーバーラツプしてもよい。 要するに、排気流速制御弁の開弁及び全開時期の各々が
、バイパス制御弁のそれら各々より以前であればよい。 」 （１２）明細書第１７頁第３行〜第５行に「これらの・
・・したので、」とあるを「これらの開弁を前者の方が
後者よりも以前になるようにしたので、」と補正する。 （＋３）図面の第４図を別紙補正図面の通り補正する。 ７、添付書類の目録 補正図面　１通 以上 特許請求の範囲 （１）内燃機関の排気エネルギにより排気タービンを回
転駆動し、該排気タービンで回転されるコンブしツザに
より内燃機関に吸気を過給するようにした排気ターボチ
ャージャにおいて、 前記排気タービンをバイパスして排気を轟くバイパス通
路に前記コンプレッサ下流の過給圧］関負荷、　関回転
の中の小な（とも１２が設定値以上になると開弁するバ
イパス制御弁装置を設ける一方、前記コンプレッサ下流
の過給圧２機関策荷１機関回転の中の少な（とも」工２
が設定値以上になると開弁じて排気流速を低減する排気
流速制御装置を排気タービン入口に設け、前記排気流速
制御装置を−？１記バイパス制御弁装置の開弁囲血拉朋
”　ｔ　４　ｒ　３　＆Ｚ段設定たことを特徴とする排
気ターボチャージャの過給圧制御装置。 （２）排気流速制御装置は、バイパス制御弁装置に比べ
て最大開口面積を大にしたことを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載の排気ターボチャージャの過給圧制御
装置。 （３）バイパス制御弁装置は、そのバイパス通路入口が
排気流速制御装置の弁部よりも排気上流側にあるように
構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第
２項に記載の排気ターボチャージャの過給圧制御装置。 第４図 ト ル ク （に９ 機関回転１１　（ｒｐｍ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１内燃機関の排気エネルギにより排気タービンを回
   転駆動し、該排気タービンで回転されるコンプレッサに
   より内燃機関に吸気を過給するようにした排気ターボチ
   ャージャにおいて、 前記排気タービンをバイパスして排気を導くバイパス通
   路に前記コンプレッサ下流の過給圧が設定値以上になる
   と開弁するバイパス制御弁装置を設ける一方、前記コン
   プレッサ下流の過給圧が設定値以上になると開弁して排
   気流速を低減する排気流速制御装置を排気タービン入口
   に設け、前記排気流速制御装置の開弁設定値を前記バイ
   パス制御弁装置の開弁設定値より小さく設定したことを
   特徴とする排気ターボチャージャの過給圧制御装置。 （２）排気流速制御装置はバイパス制御弁装置に比べて
   最大開口面積を大にしたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の排気ターボチャージャの過給圧制御装
   置。 （３）バイパス制御弁装置は、そのバイパス通路入口が
   排気流速制御装置の弁部よりも排気上流側にあるように
   構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第
   ２項に記載の排気ターボチャージ中の過給圧制御装置。