WO2009130792A1 - 内燃機関の過給機制御装置 - Google Patents

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WO2009130792A1
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air amount
turbocharger
supercharger
superchargers
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PCT/JP2008/058134
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一樹 岩谷
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トヨタ自動車株式会社
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Priority to EP08752168A priority patent/EP2267284A4/en
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    • F02D41/0007—Controlling intake air for control of turbo-charged or super-charged engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/18—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for controlling two superchargers arranged in parallel in an intake passage and an exhaust passage.
  • Patent Document 1 describes an example of an internal combustion engine in which a primary turbocharger and a secondary turbocharger having a larger capacity are arranged in parallel. At least the primary turbocharger is variable. It is configured as a nozzle-type supercharger. In this document, the supercharging pressure is appropriately controlled by controlling the variable nozzle opening of the turbocharger in accordance with the rotational speed of the internal combustion engine.
  • the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and is capable of supercharging an internal combustion engine that can control a supercharging pressure over a wide range using a variable supercharging mechanism without generating a surge. It is an object to provide a machine control device.
  • a supercharger control device for an internal combustion engine includes first and second superchargers arranged in parallel to an intake passage and an exhaust passage, the first supercharger, and the first supercharger.
  • Control means for performing air amount ratio control for controlling the air amount of the first and second superchargers so that the air amount ratio of the second supercharger falls within a predetermined range.
  • the first and second superchargers are arranged in parallel to the intake passage and the exhaust passage. And the air quantity of the 1st and 2nd supercharger is controlled so that the air quantity ratio of the 1st supercharger and the 2nd supercharger may be in a predetermined range. This prevents a surge from occurring in the first and second superchargers.
  • At least one of the first and second superchargers includes a variable supercharging mechanism, and the control means includes the first and second superchargers.
  • a target air amount ratio is determined, and the variable supercharging mechanism is controlled so that an actual air amount ratio of the first and second superchargers becomes the target air amount ratio.
  • an air amount ratio that does not cause a surge in each of the first and second superchargers is set as a target air amount ratio, and the variable supercharging mechanism is controlled with that as a target.
  • the supercharger control device includes air amount detection means for detecting the air amount of the first and second superchargers, and the control means is detected by the air amount detection means.
  • the actual air amount ratio is determined based on the air amount.
  • the second supercharger has a larger capacity than the first supercharger
  • the control means includes the first and second superchargers.
  • the control unit executes the supercharging pressure control for feedback control of the air amount so that the supercharging pressures of the second supercharger each become a target supercharging pressure. Is made smaller than the feedback control amount of the first supercharger. Thereby, the difference in the sensitivity of the feedback control resulting from the difference in the capacity of the supercharger can be adjusted.
  • the first and second superchargers include a variable supercharging mechanism
  • the control means includes the first and second superchargers.
  • the air pressure ratio control is executed in one of the first and second superchargers, and the air pressure feedback control is performed in the other one of the first and second turbochargers so that the supercharging pressure becomes the target supercharging pressure. I do.
  • one of the two superchargers performs the supercharging pressure control and the other performs the air amount control, so that it is possible to perform the supercharging pressure control over a wide range and with high accuracy while preventing the occurrence of a surge.
  • control means executes the air amount ratio control when the internal combustion engine is decelerated.
  • the control means executes the air amount ratio control when the internal combustion engine is decelerated.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a vehicle to which a supercharger control device for an internal combustion engine according to the present embodiment is applied.
  • solid arrows indicate gas flow
  • broken arrows indicate signal input / output.
  • the vehicle mainly includes an air cleaner 2, an intake passage 3, a first turbocharger 4, a second turbocharger 5, an intake air switching valve 6, a reed valve 7, an internal combustion engine 8, and the like. , A supercharging pressure sensor 9, an exhaust passage 10, an EGR passage 11, an EGR valve 14, an exhaust switching valve 15, an exhaust bypass valve 16, and an ECU (Engine Control Unit) 50.
  • an air cleaner 2 an intake passage 3, a first turbocharger 4, a second turbocharger 5, an intake air switching valve 6, a reed valve 7, an internal combustion engine 8, and the like.
  • a supercharging pressure sensor 9 an exhaust passage 10, an EGR passage 11, an EGR valve 14, an exhaust switching valve 15, an exhaust bypass valve 16, and an ECU (Engine Control Unit) 50.
  • the air cleaner 2 purifies the air (intake air) acquired from the outside and supplies it to the intake passage 3.
  • the intake passage 3 is branched into intake passages 3a and 3b on the way.
  • An air flow meter 17 is provided upstream of the branch position of the intake passage 3, and an air flow meter 18 is provided in the intake passage 3 a.
  • the air flow meters 17 and 18 detect the flow rates of intake air (fresh air) flowing through the intake passages 3 and 3a, respectively, and supply detection signals S17 and S18 to the ECU 50.
  • the air flow meter 17 outputs a detection signal S17 indicating the total intake flow rate flowing through the intake passages 3a and 3b
  • the air flow meter 18 outputs a detection signal S18 indicating the intake flow rate flowing through the intake passage 3a.
  • the ECU 50 can calculate the intake flow rate flowing through the intake passage 3b by calculating the difference between the detection signals S17 and S18.
  • the compressor 4a of the turbocharger 4 is disposed in the intake passage 3a, and the compressor 5a of the turbocharger 5 is disposed in the intake passage 3b.
  • the compressors 4a and 5a compress the intake air that passes through the intake passages 3a and 3b, respectively.
  • a throttle valve 19 is provided downstream from the joining position of the intake passages 3a and 3b.
  • the throttle valve 19 is a valve for controlling the intake flow rate, and its opening degree is controlled by a control signal S19 supplied from the ECU 50.
  • the intake passage 3b is provided with an intake switching valve 6 and a reed valve 7.
  • the intake switching valve 6 is configured to be opened and closed by a control signal S6 supplied from the ECU 50 so that the flow rate of intake air passing through the intake passage 3b can be adjusted. For example, by opening and closing the intake air switching valve 6, it is possible to switch the intake air flow / blockage in the intake passage 3b.
  • the reed valve 7 is configured to open when the pressure in the passage exceeds a predetermined value.
  • a boost pressure sensor 9 is provided at a position downstream of the throttle valve 19 in the intake passage 3.
  • the supercharging pressure sensor 9 detects the pressure of supercharged intake air (hereinafter also referred to as “actual supercharging pressure”) and supplies a detection signal S9 corresponding to the actual supercharging pressure to the ECU 50.
  • the internal combustion engine 8 is configured as a V-type 8-cylinder engine in which four cylinders (cylinders) 8La and 8Ra are provided in each of the left and right banks (cylinder groups) 8L and 8R.
  • the internal combustion engine 8 is a device that generates power by burning an air-fuel mixture of intake air and fuel supplied from the intake passage 3.
  • the internal combustion engine 8 is constituted by, for example, a gasoline engine or a diesel engine.
  • the exhaust gas generated by the combustion in the internal combustion engine 8 is discharged to the exhaust passage 10.
  • this invention is not limited to comprising the internal combustion engine 8 by 8 cylinders.
  • the EGR passage 11 is connected to the exhaust passage 10.
  • the EGR passage 11 has one end connected to the exhaust passage 10 and the other end connected to the intake passage 3.
  • the EGR passage 11 is a passage for returning exhaust gas (EGR gas) to the intake system.
  • the EGR passage 11 is provided with an EGR cooler 12, an EGR valve 14, a bypass passage 11a, and a bypass valve 13.
  • the EGR cooler 12 is a device that cools the EGR gas
  • the EGR valve 14 is a valve that adjusts the flow rate of the EGR gas that passes through the EGR passage 11, in other words, a valve that adjusts the amount of EGR gas recirculated to the intake system.
  • the opening degree of the EGR valve 14 is controlled by a control signal S14 supplied from the ECU 50.
  • the bypass passage 11a is a passage that bypasses the EGR cooler 12, and a bypass valve 13 is provided. The flow rate of the EGR gas passing through the bypass passage 11a is adjusted by the bypass valve 13.
  • the exhaust passage 10 is branched into exhaust passages 10a and 10b, and the turbine 4b of the turbocharger 4 is disposed in the exhaust passage 10a.
  • the turbine 5b of the turbocharger 5 is disposed in the exhaust passage 10b. Is arranged.
  • the turbines 4b and 5b are rotated by exhaust gas passing through the exhaust passages 10a and 10b, respectively.
  • the rotational torque of the turbines 4b and 5b is transmitted to the compressor 4a in the turbocharger 4 and the compressor 5a in the turbocharger 5 to rotate and rotate (ie, supercharged).
  • the first turbocharger 4 is configured as a low-capacity low-speed supercharger with a large supercharging capability in the low and medium speed range, and the second turbocharger 5 is supercharged in the medium and high speed range. It is configured as a large-capacity, high-speed supercharger with a large supply capacity.
  • the turbochargers 4 and 5 include variable nozzles (VN: Variable Nozzle) 4c and 5c as variable supercharging mechanisms, respectively.
  • VN Variable Nozzle
  • the opening of the variable nozzles 4c and 5c is adjusted by control signals S4 and S5 supplied from the ECU 50.
  • S4 and S5 supplied from the ECU 50.
  • By closing the variable nozzle the supercharging pressure of the turbocharger increases, and by opening the variable nozzle, the supercharging pressure decreases.
  • both turbochargers 4 and 5 are configured as variable turbochargers including variable nozzles 4c and 5c.
  • turbochargers are provided in each embodiment of the present invention described later. There are cases where only 4 is configured as a variable turbocharger, and where both turbochargers 4 and 5 are configured as variable turbochargers.
  • the exhaust passage 10b is provided with an exhaust switching valve 15 and an exhaust bypass passage 10ba.
  • the exhaust gas switching valve 15 is controlled to be opened and closed by a control signal S15 supplied from the ECU 50, and is configured to be able to adjust the flow rate of the exhaust gas passing through the exhaust passage 10b. For example, by opening and closing the exhaust gas switching valve 15, it is possible to switch the flow / blocking of the exhaust gas in the exhaust passage 10b.
  • the exhaust bypass passage 10ba is configured as a passage that bypasses the exhaust passage 10b in which the exhaust switching valve 15 is provided. Specifically, the exhaust bypass passage 10ba is configured to have a smaller passage diameter than the exhaust passage 10b in which the exhaust switching valve 15 is provided.
  • An exhaust bypass valve 16 is provided in the exhaust bypass passage 10ba. The exhaust bypass valve 16 adjusts the flow rate of the exhaust gas passing through the exhaust bypass passage 10ba.
  • ECU50 is comprised including CPU, ROM, RAM, an A / D converter, etc. which are not illustrated.
  • the ECU 50 performs in-vehicle control based on outputs supplied from various sensors in the vehicle. Specifically, the ECU 50 acquires the actual boost pressure from the boost pressure sensor 9, and based on the actual boost pressure and the like, the intake air switching valve 6, the EGR valve 14, the exhaust gas switching valve 15, and the exhaust gas bypass. Control the valve 16 and the like.
  • the ECU 50 controls the intake switching valve 6, the exhaust switching valve 15, and the exhaust bypass valve 16 to operate only the first turbocharger 4 (referred to as “one turbo mode”). And a mode for switching between a mode for operating both the first and second turbochargers 4 and 5 (referred to as “two turbo mode”).
  • the ECU 50 executes switching from the single turbo mode to the double turbo mode and switching from the double turbo mode to the single turbo mode based on the operating state, for example, the engine speed and the required torque. To do. Basically, supercharging is performed in the single turbo mode in the low speed rotation region of the internal combustion engine, and supercharging is performed in the two turbo mode during acceleration or in the high speed rotation region.
  • the mode is switched by the ECU 50 controlling the intake switching valve 6, the exhaust switching valve 15, and the exhaust bypass valve 16.
  • the ECU 50 controls the intake switching valve 6, the exhaust switching valve 15, and the exhaust bypass valve 16 from closed to open.
  • the ECU 50 basically performs switching by opening the exhaust bypass valve 16, the exhaust switching valve 15, and the intake switching valve 6 in this order. More specifically, the exhaust bypass valve 16 is first opened little by little, the exhaust switching valve 15 is opened when a predetermined condition is satisfied in this state, and then the intake switching valve 6 is opened.
  • the exhaust bypass valve 16 is first opened a little by supplying the turbocharger 5 with a relatively small flow rate of exhaust gas (because the diameter of the exhaust bypass passage 10ba is small). Is to gradually operate (ie, run up). In other words, by opening the exhaust gas switching valve 15 first, it is possible to prevent a relatively large flow rate of exhaust gas from flowing into the turbocharger 5 at a stretch and causing a torque shock or the like.
  • the ECU 50 controls the intake switching valve 6, the exhaust switching valve 15, and the exhaust bypass valve 16 from open to closed in the same manner as described above.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the variable nozzle opening and the boost pressure of each turbocharger when the two turbochargers are variable turbochargers.
  • the horizontal axis represents the variable nozzle (VN) opening of the first turbocharger 4
  • the vertical axis represents the supercharging pressure.
  • the graph 60a shows the supercharging pressure when the variable nozzle opening of the second turbocharger 5 is fully closed
  • the graph 60b shows the variable nozzle opening of the second turbocharger 5 being intermediate open
  • the graph 60c shows the supercharging pressure when the variable nozzle opening degree of the second turbocharger 5 is fully open.
  • the supercharging pressure indicated by each of the graphs 60a to 60c is the supercharging pressure of the entire system, that is, the supercharging pressure by the two turbochargers.
  • FIG. 2 shows that the supercharging pressure can be controlled over a wide range by configuring both turbochargers as variable turbochargers. That is, if only the first turbocharger 4 is configured as a variable turbocharger, the second turbocharger 5 is equivalent to fully closing the variable nozzle.
  • the controllable range is limited to the range indicated by the graph 60 a, that is, the range of the supercharging pressure indicated by the arrow 85.
  • the second turbocharger 5 is also configured as a variable turbocharger
  • the range of the graphs 60a to 60c, that is, the arrows are controlled by controlling the variable nozzle openings of the two turbochargers.
  • the supercharging pressure can be controlled in a wide range indicated by 86.
  • FIG. 3 shows operation limit characteristics of the first turbocharger 4 and the second turbocharger 5, specifically, surge limit characteristics and rotation limit characteristics.
  • the horizontal axis indicates the amount of air flowing through each turbocharger, and the vertical axis indicates the pressure ratio.
  • the “pressure ratio” refers to the ratio of the supercharging pressure to the atmospheric pressure, and the two turbochargers have the same value.
  • ⁇ Turbochargers have rotation limits. If the pressure ratio or the air amount of the turbocharger increases beyond the rotation limit, the turbocharger may be damaged.
  • a solid line graph 81 shows the rotation limit characteristic of the first turbocharger 4
  • a broken line graph 82 shows the rotation limit characteristic of the second turbocharger. The reason why the two rotation limit characteristics are different is that the capacities of the two turbochargers are different. In order to prevent the turbocharger from being damaged, it is necessary to maintain the operating point determined by the air amount and the pressure ratio in the lower left region from the rotation limit characteristic.
  • a solid line graph 71 indicates the surge limit characteristic of the first turbocharger 4
  • a broken line graph 72 indicates the surge limit characteristic of the second turbocharger 5.
  • the air amounts of the two turbochargers may be controlled to be equal.
  • the capacity of the two turbochargers is different as described above. Accordingly, when the air amounts of the two turbochargers are made equal, the surge limit characteristic 72 of the second turbocharger 5 has the surge of the first turbocharger 4 as understood from FIG. Since it is in the region on the right side of the limit characteristic 71, the second turbocharger 5 having a large capacity is more likely to surge. Therefore, in the present invention, the air amount of each turbocharger is controlled so that the two turbochargers have the same margin with respect to their respective surge limits. Specifically, as shown in FIG.
  • the first turbocharger 4 operates at an operating point P1 having a predetermined margin (hereinafter referred to as “surge margin”) M1 from the surge limit characteristic 71. Control the amount of air.
  • This air amount control is realized by controlling the variable nozzle opening.
  • the two turbochargers operate in a state having an equivalent margin with respect to their respective surge limits, and it is possible to prevent a surge from occurring in any of the turbochargers.
  • the air amount GA1 for operating the first turbocharger 4 at the operating point P1 is a value within a predetermined range, more preferably a predetermined target air amount ratio (GA1 / GA2), or
  • the variable nozzle openings of the first and second turbochargers are controlled. Thereby, generation
  • specific control in each embodiment will be described.
  • the first turbocharger 4 is configured as a variable turbocharger
  • the second turbocharger 5 is a turbocharger having no variable nozzle.
  • the ECU 50 controls the opening of the variable nozzle 4c so that the actual supercharging pressure of the first turbocharger 4 matches the target supercharging pressure.
  • the target boost pressure is determined based on the operating state, for example, based on the engine speed and the required torque. This control is called “supercharging pressure control” or “supercharging pressure feedback (F / B) control”.
  • the ratio of the amount of air flowing through the turbochargers 4 and 5 varies according to the opening degree of the variable nozzle 4c of the turbocharger 4. Specifically, when the variable nozzle 4c is closed, the amount of air in the first turbocharger 4 decreases, and the amount of air in the second turbocharger 5 increases accordingly. Conversely, when the variable nozzle is opened, the air amount of the first turbocharger 4 increases, and the air amount of the second turbocharger 5 decreases accordingly.
  • the amount of air is excessively reduced, a surge occurs as described above.
  • the air amount ratio of the two turbochargers is set so that the surge margins of the two turbochargers are equal, specifically as described with reference to FIG.
  • the opening degree of the variable nozzle 4c of the first turbocharger is controlled so that becomes a predetermined target air amount ratio. This control is called “air amount ratio control”.
  • FIG. 4 is a graph showing an operating state of the first turbocharger according to the first embodiment.
  • FIG. 4 (A) shows the time change of the supercharging pressure of the first turbocharger
  • FIG. 4 (B) shows the first change with respect to the total air amount GAall (the sum of the air amounts of the first and second turbo).
  • the time change of the ratio of the air amount GA1 of one turbo ie, the air amount ratio GA1 / GAall
  • FIG. 4C shows the time change of the variable nozzle opening of the first turbocharger.
  • FIGS. 4A to 4C it is assumed that the operation is performed in the single turbo mode until time tc and the mode is switched to the two turbo mode at time tc.
  • the opening degree of the variable nozzle 4c is controlled by the supercharging pressure control so that the actual supercharging pressure becomes the target supercharging pressure.
  • the A broken line 94a in FIG. 4B indicates an air amount ratio of the first turbocharger 4 in the single turbo mode. This air amount ratio corresponds to the air amount when the actual supercharging pressure becomes equal to the target supercharging pressure.
  • the variable nozzle 4c is controlled so that the air amounts of the first and second turbochargers coincide with a predetermined air amount ratio at which the respective surge margins are equal.
  • a broken line 94b indicates the air amount ratio of the first turbocharger at this time.
  • the opening degree of the variable nozzle 4c of the first turbocharger 4 is controlled by the supercharging pressure control. From time tc, the opening degree of the variable nozzles 4c and 5c is controlled so that the first and second turbochargers have a predetermined target air amount ratio in which the respective surge margins are equal. .
  • FIG. 5 is a flowchart of supercharger control according to the first embodiment.
  • the ECU 50 determines whether or not the operating state of the internal combustion engine is in the single turbo mode operating range (step S101). When the operating range is in the single turbo mode, the ECU 50 executes supercharging pressure control (step S103). On the other hand, when the operating range is not in the single turbo mode (step S101; No), the ECU 50 determines whether the operating range is in the dual turbo mode (step S102). If it is in the two-turbo mode operating range, the ECU 50 executes air amount ratio control (step S104). On the other hand, when the operating range is not in the two turbo mode (step S102; No), the mode switching control between the single turbo mode and the two turbo mode is performed (step S105).
  • FIG. 6 is a flowchart of the supercharging pressure control.
  • the ECU 50 determines a target boost pressure based on the operating state of the internal combustion engine, specifically, the engine speed, the required torque, and the like (step S201).
  • the ECU 50 acquires the actual boost pressure from the detection signal S9 from the boost pressure sensor 9 (step S202).
  • the ECU 50 feedback-controls the variable nozzle opening of the turbocharger so that the actual supercharging pressure becomes equal to the target supercharging pressure.
  • step S203 when the actual supercharging pressure is lower than the target supercharging pressure (step S203; Yes), the ECU 50 closes the variable nozzle opening of the turbocharger by a predetermined amount (step S204).
  • step S204 when the actual supercharging pressure is higher than the target supercharging pressure (step S204; No), the ECU 50 opens the variable nozzle opening of the turbocharger by a predetermined amount (step S205).
  • the variable nozzle opening is feedback-controlled so that the actual supercharging pressure becomes equal to the target supercharging pressure. Note that during actual driving of the vehicle, the driving state changes from moment to moment, and the target supercharging pressure fluctuates, so the variable nozzle opening is adjusted to follow it.
  • FIG. 7 is a flowchart of the air amount ratio control.
  • the ECU 50 determines a target air amount ratio (step S301). Specifically, this is performed as described with reference to FIGS. That is, the ECU 50 acquires in advance the limit characteristics 71, 72, 81, 82 of the two turbochargers illustrated in FIG. 3, and holds them in a state such as a map. Then, the ECU 50 determines the current pressure ratio based on the detection signal S9 from the supercharging pressure sensor 9 and the atmospheric pressure. Thereby, the broken line 75 in FIG. 3 is determined.
  • the ECU 50 determines the operating point P1 of the first turbocharger 4 so as to have a predetermined surge margin M1 from the surge limit indicated by the surge limit characteristic 71 on the broken line 75, and the surge limit characteristic 72 is
  • the description of FIG. 4 is for the latter case.
  • the ECU 50 obtains the actual air amount ratio (also referred to as “actual air amount ratio”) based on the detection signals S17 and S18 from the air flow meters 17 and 18 (step S302). ). Then, the ECU 50 controls the variable nozzle opening of the turbocharger so that the actual air amount ratio becomes equal to the target air amount ratio. Specifically, when the actual air amount ratio is smaller than the target air amount ratio (step S303; Yes), the ECU 50 closes the variable nozzle opening of the turbocharger by a predetermined amount (step S304).
  • the actual air amount ratio is smaller than the target air amount ratio (step S303; Yes)
  • the ECU 50 closes the variable nozzle opening of the turbocharger by a predetermined amount (step S304).
  • step S304 when the actual air amount ratio is larger than the target air amount ratio (step S304; No), the ECU 50 opens the variable nozzle opening of the turbocharger by a predetermined amount (step S305).
  • the variable nozzle opening degree is feedback-controlled so that the actual air amount ratio becomes equal to the target air amount ratio. Note that the supercharging pressure fluctuates during actual driving of the vehicle, and the target air amount ratio changes accordingly, so that the variable nozzle opening is adjusted to follow it.
  • the target air amount ratio is determined, and the variable nozzle opening is controlled so that the actual air amount ratio becomes equal to the target air amount ratio.
  • feed-forward control may be performed on the variable nozzle opening so that an air amount ratio in a predetermined range that is acceptable as a result is obtained.
  • the air amount ratio control is executed in the two-turbo mode. While being able to control in a wide range, it is possible to prevent the occurrence of surge in each turbocharger.
  • the second embodiment is an example in which both turbochargers are variable turbochargers.
  • the supercharging pressure control is executed as in the first embodiment.
  • one of the two turbochargers performs the supercharging pressure control, and the other executes the air amount ratio control.
  • the contents of the supercharging pressure control and the air amount ratio control are the same as in the first embodiment.
  • FIG. 8 is a supercharger control flowchart according to the second embodiment.
  • the ECU 50 determines whether or not the operating state of the internal combustion engine is in the single turbo mode operating range (step S401). If the operating range is in the single turbo mode, the ECU 50 executes supercharging pressure control (step S403). On the other hand, when it is not the operating range of the single turbo mode (step S401; No), the ECU 50 determines whether or not it is the operating range of the double turbo mode (step S402). When it is not in the operation range of the two turbo mode (step S402; No), the ECU 50 performs mode switching control between the single turbo mode and the two turbo mode (step S406).
  • the ECU 50 executes the air amount ratio control with one turbocharger (step S404) and the supercharging pressure control with the other turbocharger (step S405). ).
  • the turbocharger performs the supercharging pressure control by controlling the variable nozzle opening so as to obtain the target supercharging pressure after accepting the change.
  • the air amount ratio on the turbocharger side that is executing the air amount ratio control is changed accordingly.
  • the turbocharger accepts the change and controls the air pressure ratio by controlling the variable nozzle opening so that the target air amount ratio is obtained.
  • the two turbochargers always perform their own control while accepting the influence of the control by the other party. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of surge while accurately controlling the supercharging pressure over a wide range.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining how a surge occurs during deceleration.
  • a graph 71 shows the surge limit characteristic
  • a graph 81 shows the rotation limit characteristic.
  • each turbocharger is a variable turbocharger
  • the pressure ratio can be reduced by opening the variable nozzle and surge can be prevented.
  • the capacity of the two turbochargers is If they are different, if the variable nozzles of the two turbochargers are simply fully opened, the supercharging pressure rises conversely due to the deviation of the exhaust gas amount, and a surge tends to occur. Therefore, in the third embodiment, the air amount ratio control is performed so as to ensure the surge margin of each turbocharger when the internal combustion engine is decelerated.
  • FIG. 10 is a flowchart of supercharger control according to the third embodiment.
  • the ECU 50 determines whether or not the operating state of the internal combustion engine is in the two-turbo mode operating range (step S501). If it is in the two-turbo mode operating range, the ECU 50 determines whether or not the vehicle is decelerating (step S502). For example, when the throttle opening is fully closed and the engine speed is equal to or lower than a predetermined speed, the ECU 50 determines that the vehicle is in a deceleration state.
  • step S504 If it is determined that the vehicle is decelerating (step S502; Yes), the ECU 50 executes air amount ratio control (step S504).
  • the air amount ratio control method here is basically the same as in the first and second embodiments.
  • two turbochargers are added in addition to the condition that the surge margins of the two turbochargers are equal as in the first and second embodiments. You may add the conditions that the quantity of exhaust gas which flows into the turbine of a machine becomes the same or near quantity. By adding this condition, it is possible to suppress the deviation of the exhaust gas flow rate between the two turbochargers, and to reliably reduce the pressure ratio and prevent surges.
  • step S501 when the operating range is not in the two-turbo mode (step S501; No) and when not in the deceleration state (step S502; No), the ECU 50 executes supercharging pressure control (step S503).
  • This supercharging pressure control is the same as in the first and second embodiments. In the example shown in FIG. 10, the supercharging pressure control is executed when the vehicle is not in a deceleration state. Instead, the air amount ratio control may be executed even when the vehicle is not in a deceleration state. .
  • the basic control contents are the same between the deceleration state and the case where the deceleration state is not, but the amount of exhaust gas flowing through the turbines of the two turbochargers is the same or close, for example.
  • the target air amount ratio may be varied by adding a condition such as
  • the two turbochargers are variable turbochargers. Also in this case, basically the same control as the flowchart shown in FIG. 10 is executed. However, as a condition for determining the target air amount ratio, the condition that the surge margins of the two turbochargers are equal, and the amount of exhaust gas flowing through the turbines of the two turbochargers are the same or close to each other. In addition to the above condition, a condition may be added in which the variable nozzle of each turbocharger is set to an opening degree that is as close to full opening as possible so that the supercharging pressure becomes low.
  • variable nozzle of the first turbocharger 4 having a small capacity is fully opened and the variable nozzle of the second turbocharger 5 having a large capacity is opened. It is preferable to set the opening to be slightly closed from fully open. Thereby, the deviation of the exhaust gas flow rate between the two turbochargers can be suppressed, and the pressure ratio can be reliably reduced to prevent a surge.
  • the two turbochargers are both variable turbochargers
  • the same air amount ratio control may be performed in the other turbocharger, or the supercharging pressure control may be performed in the other turbocharger as in the second embodiment.
  • the two turbochargers execute the supercharging pressure control.
  • the decelerating state is reached, one turbocharger continues the supercharging pressure control and the other turbocharger It is good also as performing said air quantity ratio control with a supercharger.
  • the occurrence of a surge is surely prevented by executing the air amount ratio control when the vehicle is decelerated, which is particularly susceptible to a surge.
  • the two turbochargers are both configured as variable turbochargers.
  • supercharging pressure control is executed by two turbochargers.
  • the supercharging pressure can be accurately controlled over a wide range covered by the graphs 60a to 60c. Therefore, in the second embodiment, in order to maximize the control range of the supercharging pressure, the supercharging pressure control is executed by two turbochargers in the two turbo mode.
  • the control amount is adjusted based on the difference in the capacity of the turbocharger. That is, since the turbocharger having a larger capacity has higher sensitivity of the supercharging pressure with respect to the control amount of the variable nozzle, the control amount (feedback control amount) of the variable nozzle opening is reduced.
  • the control amount of the second turbocharger having a large capacity is made smaller than the control amount of the first turbocharger having a small capacity.
  • the contents of the supercharging pressure control are the same as those described in the first embodiment.
  • the above example is for the case where the two turbochargers both perform the supercharging pressure control, but the same idea may be applied to the above second embodiment.
  • the two turbochargers control different target values, that is, the target supercharging pressure and the target air amount ratio, the influence of one control on the other increases, and interference easily occurs. It is possible.
  • a method of lowering the gain of each supercharging pressure control is conceivable. However, the followability to the target is lowered.
  • the control amount is adjusted according to the capacity of each turbocharger. . Specifically, the control amount by the second turbocharger having a large capacity is made smaller than the control amount of the first turbocharger. Thereby, interference in the case where two controls are simultaneously performed can be suppressed, and a wide range of supercharging pressure control can be performed while suppressing interference between the two turbochargers.
  • the present invention can be used to control a vehicle equipped with an internal combustion engine having a plurality of superchargers.

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Abstract

　第１及び第２の過給機が吸気通路及び排気通路に並列に配置される。また、第１及び第２の過給機の少なくとも一方は可変過給機構を備える。制御手段は、第１及び第２の過給機の目標空気量比を決定し、第１及び第２の過給機の実際の空気量比が前記目標空気量比となるように可変過給機構を制御する。第１及び第２の過給機にそれぞれサージが発生しないような空気量比が目標空気量比として設定され、それを目標として可変過給機構が制御される。

Description

内燃機関の過給機制御装置
　本発明は、吸気通路及び排気通路に並列に配置された２つの過給機を制御する装置に関する。
　従来から、吸気系及び排気系に２つの過給機を並列に配置し、これらの過給機の作動個数を適宜切り替える技術が提案されている。例えば、特許文献１には、プライマリターボ過給機と、それよりも大容量のセカンダリターボ過給機とを並列に配置した内燃機関の例が記載されており、少なくともプライマリターボ過給機は可変ノズル型の過給機として構成されている。この文献では、内燃機関の回転数に応じてターボ過給機の可変ノズル開度を制御することにより過給圧を適切に制御している。
　特許文献１のような過給システムでは、２つのターボ過給機の容量が異なっているため、ターボ過給機にサージが発生する条件が異なる。よって、２つのターボ過給機が同時に動作するツインターボモードにおいて各ターボ過給機の過給状態が適切となるように制御した場合でも、サージが発生しやすくなってしまう場合がある。
特開２００５－１５５３５６号公報
　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、サージを発生させることなく、可変過給機構を利用して過給圧を広範囲に制御可能とする内燃機関の過給機制御装置を提供することを目的とする。
　本発明の１つの観点では、内燃機関の過給機制御装置は、吸気通路及び排気通路に並列に配置された第１及び第２の過給機と、前記第１の過給機と前記第２の過給機の空気量比が所定範囲内となるように、前記第１及び第２の過給機の空気量を制御する空気量比制御を実行する制御手段と、を備える。
　上記の過給機制御装置では、第１及び第２の過給機が吸気通路及び排気通路に並列に配置されている。そして、第１の過給機と第２の過給機の空気量比が所定範囲内となるように、第１及び第２の過給機の空気量が制御される。これにより、第１及び第２の過給機にサージが発生することが防止される。
　上記の過給機制御装置の一態様では、前記第１及び前記第２の過給機の少なくとも一方は可変過給機構を備え、前記制御手段は、前記第１及び第２の過給機の目標空気量比を決定し、前記第１及び第２の過給機の実際の空気量比が前記目標空気量比となるように前記可変過給機構を制御する。
　この態様では、第１及び第２の過給機にそれぞれサージが発生しないような空気量比が目標空気量比として設定され、それを目標として可変過給機構が制御される。
　上記の過給機制御装置の好適な例では、前記第１及び前記第２の過給機の空気量を検出する空気量検出手段を備え、前記制御手段は、前記空気量検出手段が検出した空気量に基づいて、前記実際の空気量比を決定する。
　上記の過給機制御装置の他の一態様では、前記第２の過給機は前記第１の過給機より大容量であり、前記制御手段は、前記第１及び第２の過給機の過給圧がそれぞれ目標過給圧となるように空気量をフィードバック制御する過給圧制御を実行し、前記制御手段は、前記過給圧制御を実行するときには、前記第２の過給機のフィードバック制御量を前記第１の過給機のフィードバック制御量よりも小さくする。これにより、過給機の容量の相違に起因するフィードバック制御の感度の相違を調整することができる。
　上記の過給機制御装置の他の一態様では、前記第１及び前記第２の過給機は可変過給機構を備え、前記制御手段は、前記第１及び第２の過給機のうちの一方において前記空気量比制御を実行し、前記第１及び第２の過給機のうちの他方において、過給圧が目標過給圧となるように空気量をフィードバック制御する過給圧制御を行う。
　この態様では、２つの過給機は、一方が過給圧制御を行い、他方が空気量制御を行うので、サージの発生を防止しつつ広範囲で精度の高い過給圧制御が可能となる。
　上記の過給機制御装置の他の一態様では、前記制御手段は、前記内燃機関の減速時に前記空気量比制御を実行する。これにより、サージが発生しやすい車両の減速時においても、確実にサージの発生を防止することができる。
本発明の過給機制御装置が適用された車両の概略構成を示す図である。 ２つのターボ過給機の可変ノズル開度と過給圧制御範囲との関係を示す図である。 ２つのターボ過給機の限界特性及びサージ余裕を示す図である。 第１実施例によるターボ過給機の可変ノズル制御方法を説明する図である。 第１実施例による過給機制御のフローチャートである。 過給圧制御のフローチャートである。 空気圧比制御のフローチャートである。 第２実施例による過給機制御のフローチャートである。 車両の減速時にサージが発生する様子を説明する図である。 第３実施例による過給機制御のフローチャートである。
符号の説明
　２　エアクリーナ
　３　吸気通路
　４、５　ターボ過給機
　４ａ、５ａ　コンプレッサ
　４ｂ、５ｂ　タービン
　４ｃ、５ｃ　可変ノズル
　６　吸気切替弁
　８　内燃機関
　８ａ　気筒
　９　過給圧センサ
　１０　排気通路
　１１　ＥＧＲ通路
　１４　ＥＧＲ弁
　１５　排気切替弁
　１６　排気バイパス弁
　５０　ＥＣＵ
　以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
　［全体構成］
　まず、本実施形態に係る内燃機関の過給機制御装置が適用されたシステムの全体構成について説明する。
　図１は、本実施形態に係る内燃機関の過給機制御装置が適用された車両の構成を示す概略図である。図１では、実線矢印がガスの流れを示し、破線矢印が信号の入出力を示している。
　車両は、主に、エアクリーナ２と、吸気通路３と、第１のターボ過給機４と、第２のターボ過給機５と、吸気切替弁６と、リード弁７と、内燃機関８と、過給圧センサ９と、排気通路１０と、ＥＧＲ通路１１と、ＥＧＲ弁１４と、排気切替弁１５と、排気バイパス弁１６と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）５０と、を備える。
　エアクリーナ２は、外部から取得された空気（吸気）を浄化して、吸気通路３に供給する。吸気通路３は途中で吸気通路３ａ、３ｂに分岐されている。吸気通路３の分岐位置より上流にはエアフローメータ１７が設けられ、吸気通路３ａにはエアフローメータ１８が設けられている。エアフローメータ１７、１８は、それぞれ吸気通路３、３ａに流れる吸気（新気）の流量を検出し、検出信号Ｓ１７、Ｓ１８をＥＣＵ５０に供給する。本構成では、エアフローメータ１７は吸気通路３ａ、３ｂを流れる吸気流量の合計を示す検出信号Ｓ１７を出力し、エアフローメータ１８は吸気通路３ａを流れる吸気流量を示す検出信号Ｓ１８を出力する。なお、ＥＣＵ５０は、検出信号Ｓ１７とＳ１８の差を演算することにより、吸気通路３ｂに流れる吸気流量を算出することができる。
　吸気通路３ａにはターボ過給機４のコンプレッサ４ａが配設されており、吸気通路３ｂにはターボ過給機５のコンプレッサ５ａが配設されている。コンプレッサ４ａ、５ａは、それぞれ吸気通路３ａ、３ｂを通過する吸気を圧縮する。
　吸気通路３ａと３ｂの合流位置より下流側には、スロットルバルブ１９が設けられている。スロットルバルブ１９は吸気流量を制御するバルブであり、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ１９によりその開度が制御される。
　吸気通路３ｂには、吸気切替弁６、及びリード弁７が設けられている。吸気切替弁６は、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ６によって開閉が制御され、吸気通路３ｂを通過する吸気の流量を調整可能に構成されている。例えば、吸気切替弁６を開閉させることにより、吸気通路３ｂにおける吸気の流通／遮断を切り替えることができる。リード弁７は、通路中の圧力が所定以上となった際に開弁するように構成されている。
　吸気通路３のスロットルバルブ１９より下流位置には、過給圧センサ９が設けられている。過給圧センサ９は、過給された吸気の圧力（以下、「実過給圧」とも呼ぶ。）を検出し、この実過給圧に対応する検出信号Ｓ９をＥＣＵ５０に供給する。
　内燃機関８は、左右のバンク（気筒群）８Ｌ、８Ｒにそれぞれ４つずつの気筒（シリンダ）８Ｌａ、８Ｒａが設けられたＶ型８気筒のエンジンとして構成されている。内燃機関８は、吸気通路３より供給される吸気と燃料との混合気を燃焼することによって、動力を発生する装置である。内燃機関８は、例えばガソリンエンジンやデーゼルエンジンなどによって構成される。そして、内燃機関８内における燃焼により発生した排気ガスは、排気通路１０に排出される。なお、本発明は、内燃機関８を８気筒で構成することに限定されない。
　排気通路１０にはＥＧＲ通路１１が接続されている。ＥＧＲ通路１１は、一端が排気通路１０に接続されており、他端が吸気通路３に接続されている。ＥＧＲ通路１１は、排気ガス（ＥＧＲガス）を吸気系に還流するための通路である。ＥＧＲ通路１１には、ＥＧＲクーラ１２と、ＥＧＲ弁１４と、バイパス通路１１ａと、バイパス弁１３とが設けられている。ＥＧＲクーラ１２はＥＧＲガスを冷却する装置であり、ＥＧＲ弁１４はＥＧＲ通路１１を通過するＥＧＲガスの流量を調節する弁、言い換えると吸気系に還流させるＥＧＲガスの量を調節する弁である。ＥＧＲ弁１４は、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ１４によって開度が制御される。また、バイパス通路１１ａは、ＥＧＲクーラ１２をバイパスする通路であり、バイパス弁１３が設けられている。バイパス弁１３によって、バイパス通路１１ａを通過するＥＧＲガスの流量が調節される。
　排気通路１０は途中で排気通路１０ａ、１０ｂに分岐されており、排気通路１０ａにはターボ過給機４のタービン４ｂが配設されており、排気通路１０ｂにはターボ過給機５のタービン５ｂが配設されている。タービン４ｂ、５ｂは、それぞれ、排気通路１０ａ、１０ｂを通過する排気ガスによって回転される。このようなタービン４ｂ、５ｂの回転トルクが、ターボ過給機４内のコンプレッサ４ａ及びターボ過給機５内のコンプレッサ５ａに伝達されて回転することによって吸気が圧縮される（即ち過給される）こととなる。なお、第１のターボ過給機４は、低中速域で過給能力の大きい小容量の低速型の過給機として構成され、第２のターボ過給機５は、中高速域で過給能力の大きい大容量の高速型の過給機として構成されている。
　また、ターボ過給機４、５は、それぞれ可変過給機構としての可変ノズル（ＶＮ：Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｎｏｚｚｌｅ）４ｃ、５ｃを備えている。可変ノズル４ｃ、５ｃは、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ４、Ｓ５により開度が調整される。可変ノズルを閉じることによりターボ過給機の過給圧は上昇し、可変ノズルを開くことにより過給圧は減少する。なお、図１では、ターボ過給機４、５の両方が可変ノズル４ｃ、５ｃを備える可変ターボ過給機として構成されているが、後述する本発明の各実施例においては、ターボ過給機４のみが可変ターボ過給機として構成される場合と、ターボ過給機４、５の両方が可変ターボ過給機として構成される場合とがある。
　排気通路１０ｂには、排気切替弁１５が設けられていると共に、排気バイパス通路１０ｂａが接続されている。排気切替弁１５は、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ１５によって開閉が制御され、排気通路１０ｂを通過する排気ガスの流量を調整可能に構成されている。例えば、排気切替弁１５を開閉させることにより、排気通路１０ｂにおける排気ガスの流通／遮断を切り替えることができる。また、排気バイパス通路１０ｂａは、排気切替弁１５が設けられた排気通路１０ｂをバイパスする通路として構成されている。具体的には、排気バイパス通路１０ｂａは、排気切替弁１５が設けられた排気通路１０ｂよりも、通路の径が小さく構成されている。また、排気バイパス通路１０ｂａ中には排気バイパス弁１６が設けられており、この排気バイパス弁１６によって、排気バイパス通路１０ｂａを通過する排気ガスの流量が調節される。
　なお、前述した吸気切替弁６、排気切替弁１５、及び排気バイパス弁１６が全て閉である場合には、ターボ過給機４にのみ吸気及び排気ガスが供給され、ターボ過給機５には吸気及び排気ガスが供給されない。そのため、ターボ過給機４のみが作動し、ターボ過給機５は作動しない。一方、吸気切替弁６が開であり、排気切替弁１５及び排気バイパス弁１６のいずれかが開である場合には、ターボ過給機４、５の両方に吸気及び排気ガスが供給される。そのため、ターボ過給機４、５の両方が作動する。
　ＥＣＵ５０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びＡ／Ｄ変換器などを含んで構成される。ＥＣＵ５０は、車両内の各種センサから供給される出力等に基づいて、車両内の制御を行う。具体的には、ＥＣＵ５０は、過給圧センサ９から実過給圧を取得し、この実過給圧などに基づいて、吸気切替弁６、ＥＧＲ弁１４、及び排気切替弁１５、並びに排気バイパス弁１６などに対する制御を行う。
　特に、ＥＣＵ５０は、吸気切替弁６、排気切替弁１５、及び排気バイパス弁１６を制御することによって、第１のターボ過給機４のみを作動させるモード（「１個ターボモード」と呼ぶ。）と、第１及び第２のターボ過給機４、５の両方を作動させるモード（「２個ターボモード」と呼ぶ。）とを切り替える制御を行う。詳しくは、ＥＣＵ５０は、運転状態等、例えばエンジン回転数及び要求トルクに基づいて、１個ターボモードから２個ターボモードへの切り替え、及び、２個ターボモードから１個ターボモードへの切り替えを実行する。基本的に、内燃機関の低速回転領域では１個ターボモードで過給がなされ、加速時や高速回転領域では２個ターボモードで過給がなされる。
　ここで、１個ターボモードと２個ターボモードとを切り替える際に実行される基本的な制御について簡単に説明する。前述したように、モードの切り替えは、ＥＣＵ５０が、吸気切替弁６、排気切替弁１５、及び排気バイパス弁１６を制御することによって行う。具体的には、１個ターボモードから２個ターボモードへ切り替える場合には、ＥＣＵ５０は、吸気切替弁６、排気切替弁１５、及び排気バイパス弁１６を閉から開に制御する。この場合、ＥＣＵ５０は、基本的には、排気バイパス弁１６、排気切替弁１５、吸気切替弁６の順に弁を開にすることによって、切り替えを実行する。より詳しくは、まず排気バイパス弁１６を少しずつ開いていき、この状態において所定の条件が満たされたときに排気切替弁１５を開いていき、その後に吸気切替弁６を開く。この場合、最初に排気バイパス弁１６を少し開くのは、比較的小流量の排気ガス（排気バイパス通路１０ｂａの径が小さいため）をターボ過給機５に供給することで、ターボ過給機５を徐々に作動（即ち、助走）させるためである。言い換えると、最初に排気切替弁１５を開くことによって、比較的大流量の排気ガスがターボ過給機５に一気に流れて、トルクショックなどが生じてしまうことを防止するためである。一方、１個ターボモードから２個ターボモードへ切り替える場合には、ＥＣＵ５０は、上記と同様にして、吸気切替弁６、排気切替弁１５、及び排気バイパス弁１６を開から閉に制御する。
　図２は、２つのターボ過給機が可変ターボ過給機である場合の、各ターボ過給機の可変ノズル開度と過給圧との関係を示すグラフである。図２において、横軸は第１のターボ過給機４の可変ノズル（ＶＮ）開度を示し、縦軸は過給圧を示す。また、グラフ６０ａは第２のターボ過給機５の可変ノズル開度が全閉である場合の過給圧を示し、グラフ６０ｂは第２のターボ過給機５の可変ノズル開度が中間開度であるときの過給圧を示し、グラフ６０ｃは第２のターボ過給機５の可変ノズル開度が全開であるときの過給圧を示す。なお、各グラフ６０ａ～６０ｃが示す過給圧は、システム全体の過給圧、即ち２つのターボ過給機による過給圧である。
　図２から理解されるように、２つのターボ過給機の可変ノズル開度が全閉であるときに過給圧は最も高くなり、２つのターボ過給機の可変ノズル開度が全開であるときに過給圧は最も低くなる。図２は、２つのターボ過給機をともに可変ターボ過給機として構成することにより、過給圧を広範囲に制御可能となることを示している。即ち、仮に第１のターボ過給機４のみが可変ターボ過給機として構成された場合、第２のターボ過給機５は可変ノズルを全閉にしたのと等価となるので、過給圧の制御可能な範囲はグラフ６０ａで示す範囲、即ち矢印８５で示す過給圧の範囲に限定される。これに対し、第２のターボ過給機５も可変ターボ過給機として構成すれば、２つのターボ過給機の可変ノズル開度を制御することにより、グラフ６０ａ～６０ｃの範囲、即ち、矢印８６で示す広い範囲で過給圧を制御可能となる。
　［第１実施形態］
　次に、本発明の第１実施形態について説明する。
　まず、２つのターボ過給機が可変ターボ過給機である場合の動作限界及びサージの発生について説明する。図３は、第１のターボ過給機４と第２のターボ過給機５の動作限界特性、具体的にはサージ限界特性及び回転限界特性を示す。図３において、横軸は各ターボ過給機に流れる空気量を示し、縦軸は圧力比を示す。ここで「圧力比」とは、大気圧に対する過給圧の比を指し、２つのターボ過給機で同一の値を有する。
　ターボ過給機には回転限界がある。回転限界を超えてターボ過給機の圧力比や空気量が増加するとターボ過給機に破損などが生じうる。図３において、実線のグラフ８１は第１のターボ過給機４の回転限界特性を示し、破線のグラフ８２は第２のターボ過給機の回転限界特性を示す。なお、２つの回転限界特性が異なっている理由は、２つのターボ過給機の容量が異なるからである。ターボ過給機の破損などを防止するため、空気量及び圧力比により決まる動作点を、回転限界特性よりも左下の領域に維持する必要がある。
　また、ターボ過給機では、機関の低回転時に吸気の圧力、流量が周期的に変動して運転が不安定となる。この現象は「サージ」と呼ばれる。従って、２つのターボ過給機はサージが発生しない領域で動作させる必要がある。図３において、実線のグラフ７１は第１のターボ過給機４のサージ限界特性を示し、破線のグラフ７２は第２のターボ過給機５のサージ限界特性を示す。なお、２つのサージ限界特性が異なっている理由は、２つのターボ過給機の容量が異なるからである。よって、サージの発生を防止するためには、２つのターボ過給機の動作点をサージ限界特性よりも右側に維持する必要がある。
　ここで、仮に２つのターボ過給機の容量が等しい場合には、２つのターボ過給機の空気量が等しくなるように制御すればよい。しかし、本実施形態では、上述のように２つのターボ過給機は容量が異なっている。よって、２つのターボ過給機の空気量を等しくすると、図３から理解されるように、第２のターボ過給機５のサージ限界特性７２の方が第１のターボ過給機４のサージ限界特性７１より右側の領域にあるため、大容量である第２のターボ過給機５の方がサージしやすくなる。そこで、本発明では、２つのターボ過給機がそれぞれのサージ限界に対して同等の余裕を持つように、各ターボ過給機の空気量を制御する。具体的には、図３に示すように、第１のターボ過給機４は、サージ限界特性７１から所定の余裕（以下、「サージ余裕」と呼ぶ。）Ｍ１を有する動作点Ｐ１で動作するように空気量を制御する。同時に、第２のターボ過給機５は、サージ限界特性７２から同一のサージ余裕Ｍ２（＝Ｍ１）を有する動作点Ｐ２で動作するように空気量を制御する。この空気量の制御は可変ノズル開度の制御により実現される。これにより、２つのターボ過給機は、それぞれのサージ限界に対して同等の余裕を持った状態で動作することになり、いずれのターボ過給機においてもサージが発生することを防止できる。
　制御方法としては、図３において、第１のターボ過給機４を動作点Ｐ１で動作させるための空気量ＧＡ１と、第２のターボ過給機５を動作点Ｐ２で動作させるための空気量ＧＡ２との空気量比が所定範囲内の値になるように、より好ましくは所定の目標空気量比（ＧＡ１／ＧＡ２）となるように、第１のターボ過給機の可変ノズル開度、又は、第１及び第２のターボ過給機の可変ノズル開度を制御する。これにより、広範囲で過給圧を制御しつつ、サージの発生を防止することができる。以下、各実施例における具体的な制御について説明する。
　（第１実施例）
　第１実施例では、第１のターボ過給機４のみを可変ターボ過給機として構成し、第２のターボ過給機５は可変ノズルを有しないターボ過給機とする。この場合、１個ターボモードにおいては、ＥＣＵ５０は、第１のターボ過給機４の実過給圧が、目標過給圧と一致するように可変ノズル４ｃの開度を制御する。なお、目標過給圧は、運転状態等、例えばエンジン回転数及び要求トルクに基づいて決定される。この制御を、「過給圧制御」又は「過給圧フィードバック（Ｆ／Ｂ）制御」と呼ぶ。
　一方、２個ターボモードにおいては、ターボ過給機４の可変ノズル４ｃの開度に応じて各ターボ過給機４、５に流れる空気量の比が変動する。具体的に、可変ノズル４ｃを閉じると第１のターボ過給機４の空気量が減少し、その分第２のターボ過給機５の空気量が増加する。逆に、可変ノズルを開くと第１のターボ過給機４の空気量が増加し、その分第２のターボ過給機５の空気量が減少する。ここで、いずれの場合でも、空気量が減少しすぎると前述のようにサージが発生してしまう。そこで、２個ターボモードにおいては、２つのターボ過給機のサージ余裕が同等となるように、具体的には図３を参照して説明したように、２つのターボ過給機の空気量比が所定の目標空気量比となるように、第１のターボ過給機の可変ノズル４ｃの開度を制御する。この制御を「空気量比制御」と呼ぶ。
　図４は、第１実施例による第１のターボ過給機の動作状態を示すグラフである。図４（Ａ）は第１のターボ過給機の過給圧の時間変化を示し、図４（Ｂ）は全体の空気量ＧＡａｌｌ（第１及び第２のターボの空気量の合計）に対する第１のターボの空気量ＧＡ１の比（即ち空気量比ＧＡ１／ＧＡａｌｌ）の時間変化を示し、図４（Ｃ）は第１のターボ過給機の可変ノズル開度の時間変化を示す。なお、図４（Ａ）～（Ｃ）において、時刻ｔｃまでは１個ターボモードで動作し、時刻ｔｃにおいて２個ターボモードに切り替えられたものとする。
　図４（Ａ）において、時刻ｔｃまでは、１個ターボモードであるので、過給圧は１個ターボモードの特性９１に従って変化する。そして、時刻ｔｃ以後は、過給圧は２個ターボモードの特性９２に従って変化する。よって、過給圧は実際には特性９３に従って推移する。
　図４（Ｂ）において、時刻ｔｃまでは、第１のターボ過給機４では、過給圧制御により、実過給圧が目標過給圧となるように可変ノズル４ｃの開度が制御される。図４（Ｂ）における破線９４ａは１個ターボモードにおける第１のターボ過給機４の空気量比を示している。この空気量比は、実過給圧が目標過給圧と等しくなるときの空気量に相当する。一方、時刻ｔｃ以後は、第１及び第２のターボ過給機の空気量は、それぞれのサージ余裕が同等となる所定の空気量比と一致するように可変ノズル４ｃが制御される。破線９４ｂは、このときの第１のターボ過給機の空気量比を示している。
　図４（Ｃ）において、時刻ｔｃまでは、第１のターボ過給機４は、過給圧制御により可変ノズル４ｃの開度が制御されている。そして、時刻ｔｃからは、第１及び第２のターボ過給機は、それぞれのサージ余裕が同等となる所定の目標空気量比となるように、可変ノズル４ｃ、５ｃの開度が制御される。
　図５は、第１実施例による過給機制御のフローチャートである。まず、ＥＣＵ５０は、内燃機関の運転状態が１個ターボモードの作動域であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。１個ターボモードの作動域である場合、ＥＣＵ５０は過給圧制御を実行する（ステップＳ１０３）。一方、１個ターボモードの作動域でない場合（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、ＥＣＵ５０は２個ターボモードの作動域であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。２個ターボモードの作動域である場合、ＥＣＵ５０は空気量比制御を実行する（ステップＳ１０４）。一方、２個ターボモードの作動域でない場合（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、１個ターボモードと２個ターボモードの間のモード切替制御を実施する（ステップＳ１０５）。
　次に、ステップＳ１０３の過給圧制御について詳しく説明する。図６は過給圧制御のフローチャートである。まず、ＥＣＵ５０は、内燃機関の運転状態、具体的にはエンジン回転数や要求トルクなどに基づいて、目標過給圧を決定する（ステップＳ２０１）。次に、ＥＣＵ５０は、過給圧センサ９からの検出信号Ｓ９から実過給圧を取得する（ステップＳ２０２）。そして、ＥＣＵ５０は、実過給圧が目標過給圧と等しくなるようにターボ過給機の可変ノズル開度をフィードバック制御する。具体的には、実過給圧が目標過給圧より低い場合（ステップＳ２０３；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０はターボ過給機の可変ノズル開度を所定量閉じる（ステップＳ２０４）。一方、実過給圧が目標過給圧より高い場合（ステップＳ２０４；Ｎｏ）、ＥＣＵ５０はターボ過給機の可変ノズル開度を所定量開く（ステップＳ２０５）。こうして、実過給圧が目標過給圧と等しくなるように、可変ノズル開度がフィードバック制御される。なお、実際の車両の運転中には、運転状態は時々刻々と変化し、目標過給圧は変動するので、それに追従するように可変ノズル開度が調整されることになる。
　次に、ステップＳ１０４の空気量比制御について詳しく説明する。図７は、空気量比制御のフローチャートである。まず、ＥＣＵ５０は、目標空気量比を決定する（ステップＳ３０１）。これは、具体的には図３及び図４を参照して説明したように行われる。即ち、ＥＣＵ５０は、図３に例示する２つのターボ過給機の限界特性７１、７２、８１、８２を予め取得し、マップなどの状態で保持している。そして、ＥＣＵ５０は、過給圧センサ９からの検出信号Ｓ９と大気圧とに基づいて現在の圧力比を決定する。これにより、図３における破線７５が決定する。そして、ＥＣＵ５０は、破線７５上で、サージ限界特性７１が示すサージ限界から所定のサージ余裕Ｍ１を有するように第１のターボ過給機４の動作点Ｐ１を決定するとともに、サージ限界特性７２が示すサージ限界から同等のサージ余裕Ｍ２（＝Ｍ１）を有するように第２のターボ過給機５の動作点Ｐ２を決定し、それぞれの動作点Ｐ１、Ｐ２における空気量ＧＡ１、ＧＡ２の比を目標空気量比とする。なお、この場合、目標空気量比は、各ターボ過給機の空気量の比：ＧＡ１／ＧＡ２としてもよく、各ターボ過給機の空気量の合計に対する一方の過給機の空気量の比：ＧＡ１／ＧＡａｌｌ（＝ＧＡ１＋ＧＡ２）としてもよい。図４の説明は後者の場合である。
　こうして目標空気量比が決定されると、ＥＣＵ５０は、エアフローメータ１７、１８からの検出信号Ｓ１７、Ｓ１８に基づいて実際の空気量比（「実空気量比」とも呼ぶ。）を求める（ステップＳ３０２）。そして、ＥＣＵ５０は、実空気量比が目標空気量比と等しくなるように、ターボ過給機の可変ノズル開度を制御する。具体的には、実空気量比が目標空気量比より小さい場合（ステップＳ３０３；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０はターボ過給機の可変ノズル開度を所定量閉じる（ステップＳ３０４）。一方、実空気量比が目標空気量比より大きい場合（ステップＳ３０４；Ｎｏ）、ＥＣＵ５０はターボ過給機の可変ノズル開度を所定量開く（ステップＳ３０５）。こうして、実空気量比が目標空気量比と等しくなるように、可変ノズル開度がフィードバック制御される。なお、実際の車両の運転中に過給圧が変動し、それに応じて目標空気量比は変化するので、それに追従するように可変ノズル開度が調整されることになる。
　なお、上記の例では、まず目標空気量比を決定し、実空気量比が目標空気量比と等しくなるように可変ノズル開度を制御している。その代わりに、結果的に許容できる所定範囲の空気量比が得られるように、可変ノズル開度に対してフィードフォワード型の制御を行うこととしてもよい。
　以上説明したように、第１実施例では、第１のターボ過給機のみが可変ターボ過給機である場合に、２個ターボモードにおいては空気量比制御を実行するので、過給圧を広範囲で制御することができるとともに、各ターボ過給機のサージ発生を防止することができる。
　（第２実施例）
　第２実施例は、２つのターボ過給機がともに可変ターボ過給機である場合の例である。１個ターボモードでは第１実施例と同様に過給圧制御を実行する。一方、２個ターボモードでは、２つのターボ過給機のうちの一方で過給圧制御を実行し、他方で空気量比制御を実行する。なお、過給圧制御及び空気量比制御の内容は第１実施例と同様である。
　図８は、第２実施例による過給機制御フローチャートである。まず、ＥＣＵ５０は、内燃機関の運転状態が１個ターボモードの作動域であるか否かを判定する（ステップＳ４０１）。１個ターボモードの作動域である場合、ＥＣＵ５０は過給圧制御を実行する（ステップＳ４０３）。一方、１個ターボモードの作動域でない場合（ステップＳ４０１；Ｎｏ）、ＥＣＵ５０は２個ターボモードの作動域であるか否かを判定する（ステップＳ４０２）。２個ターボモードの作動域でない場合（ステップＳ４０２；Ｎｏ）、ＥＣＵ５０は１個ターボモードと２個ターボモードの間のモード切替制御を実施する（ステップＳ４０６）。
　２個ターボモードの作動域である場合、ＥＣＵ５０は一方のターボ過給機で空気量比制御を実行する（ステップＳ４０４）とともに、他方のターボ過給機で過給圧制御を実行する（ステップＳ４０５）。この場合、空気量比制御を実行しているターボ過給機側で可変ノズル開度が変更されると、それに応じて過給圧制御を実行しているターボ過給機側の実過給圧が変化するが、そのターボ過給機ではその変化を受け入れた上で目標過給圧が得られるように可変ノズル開度を制御して過給圧制御を行う。同様に、過給圧制御を実行しているターボ過給機側で可変ノズル開度が変更されると、それに応じて空気量比制御を実行しているターボ過給機側の空気量比が変化するが、そのターボ過給機ではその変化を受け入れた上で目標空気量比が得られるように可変ノズル開度を制御して空気圧比制御を行う。こうして、２つのターボ過給機は常に相手側による制御の影響を受け入れつつ自己の制御を実行する。よって、過給圧を広範囲に精度よく制御しつつ、サージの発生を防止することができる。
　（第３実施例）
　第３実施例は、車両が加速状態から減速状態に移行するときのサージ発生を防止するものである。図９は減速時にサージが発生する様子を説明する図である。グラフ７１はサージ限界特性を示し、グラフ８１は回転限界特性を示す。
　一般的に、ターボ過給機を備える内燃機関において急加速から減速する場合、スロットルが瞬時に閉じられて空気量が減少するが、排気ガスのエネルギーでターボ過給機はしばらく回り続けるため、圧力比ほとんど下がらず、場合によってはむしろ上昇する。図９において、サージ余裕のある動作点Ｐ３で内燃機関が動作しているときに減速モードに移行すると、空気量が減少するとともに圧力比はほとんど下がらないか多少上昇するため、動作点はＰｘへ以降し、サージが発生する。特に、図１に示すような２つのターボ過給機で吸排気系を共有するシステムでは、圧力比に対して各ターボ過給機の空気量が小さいため、サージが発生しやすい。ここで、各ターボ過給機が可変ターボ過給機であれば、可変ノズルを開くことにより圧力比を低下させ、サージを防止することができるのであるが、２つのターボ過給機の容量が異なる場合、単純に２つのターボ過給機の可変ノズルを全開にすると、排気ガス量の偏りにより逆に過給圧が上昇し、サージが発生しやすくなる。そこで、第３実施例では、内燃機関の減速時に各ターボ過給機のサージ余裕を確保するように空気量比制御を行う。
　まず、第１のターボ過給機４のみが可変ターボ過給機である場合について説明する。図１０は、第３実施例による過給機制御のフローチャートである。ＥＣＵ５０は、内燃機関の運転状態が２個ターボモードの作動域であるか否かを判定する（ステップＳ５０１）。２個ターボモードの作動域である場合、ＥＣＵ５０は車両が減速状態であるか否かを判定する（ステップＳ５０２）。例えばスロットル開度が全閉であり、エンジン回転数が所定回転数以下であるときに、ＥＣＵ５０は車両が減速状態であると判定する。そして、減速状態であると判定した場合（ステップＳ５０２；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０は空気量比制御を実行する（ステップＳ５０４）。ここでの空気量比制御の手法は基本的に第１及び第２実施例と同様である。なお、第３実施例では、目標空気量比の決定方法として、第１及び第２実施例と同様に２つのターボ過給機のサージ余裕が同等となるという条件に加え、２つのターボ過給機のタービンに流れる排気ガス量が同一又は近い量となるという条件を付加してもよい。この条件を付加することにより、２つのターボ過給機間の排気ガス流量の偏りを抑えることができ、確実に圧力比を低下させてサージを防止することができる。
　一方、２個ターボモードの作動域でない場合（ステップＳ５０１；Ｎｏ）及び減速状態でない場合（ステップＳ５０２；Ｎｏ）、ＥＣＵ５０は過給圧制御を実行する（ステップＳ５０３）。この過給圧制御は第１及び第２実施例と同様である。なお、図１０に示した例では、車両が減速状態でない場合には過給圧制御を実行することとしているが、その代わりに減速状態でない場合にも空気量比制御を実行することとしてもよい。その場合には、減速状態と減速状態で無い場合とでは、基本的な制御内容は同様となるが、例えば上記の２つのターボ過給機のタービンに流れる排気ガス量が同一又は近い量となるという条件付加するなどして、目標空気量比を異ならせてもよい。
　次に、２つのターボ過給機が可変ターボ過給機である場合について説明する。この場合も、基本的には図１０に示すフローチャートと同様の制御が実行される。ただし、目標空気量比を決定するための条件として、２つのターボ過給機のサージ余裕が同等となるという条件、２つのターボ過給機のタービンに流れる排気ガス量が同一又は近い量となるという条件に加え、各ターボ過給機の可変ノズルを過給圧が低くなるようにできる限り全開に近い開度に設定するという条件を加えてもよい。この場合、実際には２つのターボ過給機は容量が異なるので、容量が小さい第１のターボ過給機４の可変ノズルを全開とし、容量が大きい第２のターボ過給機５の可変ノズルを全開より少し閉じた開度とすることが好ましい。これにより、２つのターボ過給機間の排気ガス流量の偏りを抑えることができ、確実に圧力比を低下させてサージを防止することができる。
　なお、２つのターボ過給機がともに可変ターボ過給機である場合、本実施例では、原則として一方のターボ過給機により上記の空気量比制御を行えば、他方のターボ過給機による制御方法は問わない。よって、他方のターボ過給機でも同様の空気量比制御を行ってもよいし、第２実施例のように他方のターボ過給機では過給圧制御を行ってもよい。例えば、車両の減速状態以外では２つのターボ過給機でともに過給圧制御を実行し、減速状態になったときに一方のターボ過給機は過給圧制御を継続するとともに、他方のターボ過給機で上記の空気量比制御を実行することとしてもよい。
　以上説明したように、第３実施例では、特にサージが発生しやすい車両の減速時に空気量比制御を実行することによりサージの発生を確実に防止する。
　［第２実施形態］
　次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態では、２つのターボ過給機をともに可変ターボ過給機として構成する。そして、２個ターボモードでは２つのターボ過給機でともに過給圧制御を実行する。
　図２を参照して説明したように、２つのターボ過給機をともに可変ターボ過給機として構成すると、グラフ６０ａ～６０ｃがカバーする広範囲で過給圧を精度よく制御できる。よって、第２実施形態では、過給圧の制御範囲を最大とするために、２個ターボモードでは２つのターボ過給機で過給圧制御を実行する。
　ただし、この場合、ターボ過給機の容量の相違に基づいて制御量を調整する。つまり、容量が大きいターボ過給機ほど、可変ノズルの制御量に対する過給圧の感度が高いので、可変ノズル開度の制御量（フィードバック制御量）を小さくする。上記の例では、大容量である第２のターボ過給機の制御量を、小容量である第１のターボ過給機の制御量より小さくする。なお、過給圧制御の内容は第１実施例で説明したものと同様である。
　上記の例は、２つのターボ過給機がともに過給圧制御を行う場合のものであるが、同様の考え方を上記の第２実施例に適用してもよい。この場合、２つのターボ過給機でそれぞれ異なる目標値、即ち目標過給圧と目標空気量比に対して制御を行うため、一方の制御により他方に与える影響が大きくなり、干渉を生じやすくなることが考えられる。この対策として各過給圧制御のゲインを下げる方法が考えられるが、そうすると目標に対する追従性が低下する。
　そこで、一方のターボ過給機で過給圧制御を実行し、他方のターボ過給機で空気量比制御を実行する場合に、それぞれのターボ過給機の容量に応じて制御量を調整する。具体的には、大容量である第２のターボ過給機による制御量を、第１のターボ過給機の制御量より小さくする。これにより、２つの制御を同時に行う場合の干渉を抑制することができ、２つのターボ過給機間の干渉を抑制しつつ、広範囲の過給圧制御が可能となる。
　本発明は、複数の過給機を持つ内燃機関を搭載する車輌の制御に利用することができる。

Claims (6)

  1. 　吸気通路及び排気通路に並列に配置された第１及び第２の過給機と、
    　前記第１の過給機と前記第２の過給機の空気量比が所定範囲内となるように、前記第１及び第２の過給機の空気量を制御する空気量比制御を実行する制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の過給機制御装置。
  2. 　前記第１及び前記第２の過給機の少なくとも一方は可変過給機構を備え、
    　前記制御手段は、前記第１及び第２の過給機の目標空気量比を決定し、前記第１及び第２の過給機の実際の空気量比が前記目標空気量比となるように前記可変過給機構を制御することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の内燃機関の過給機制御装置。
  3. 　前記第１及び前記第２の過給機の空気量を検出する空気量検出手段を備え、
    　前記制御手段は、前記空気量検出手段が検出した空気量に基づいて、前記実際の空気量比を決定することを特徴とする請求の範囲第２項に記載の内燃機関の過給機制御装置。
  4. 　前記第２の過給機は前記第１の過給機より大容量であり、
    　前記制御手段は、前記第１及び第２の過給機の過給圧がそれぞれ目標過給圧となるように空気量をフィードバック制御する過給圧制御を実行し、
    　前記制御手段は、前記過給圧制御を実行するときには、前記第２の過給機のフィードバック制御量を前記第１の過給機のフィードバック制御量よりも小さくすることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の内燃機関の過給機制御装置。
  5. 　前記第１及び前記第２の過給機は可変過給機構を備え、
    　前記制御手段は、前記第１及び第２の過給機のうちの一方において前記空気量比制御を実行し、前記第１及び第２の過給機のうちの他方において、過給圧が目標過給圧となるように空気量をフィードバック制御する過給圧制御を行うことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の内燃機関の過給機制御装置。
  6. 　前記制御手段は、前記内燃機関の減速時に前記空気量比制御を実行することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の内燃機関の過給機制御装置。
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