WO2010021190A1 - エンジン - Google Patents

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WO2010021190A1
WO2010021190A1 PCT/JP2009/060669 JP2009060669W WO2010021190A1 WO 2010021190 A1 WO2010021190 A1 WO 2010021190A1 JP 2009060669 W JP2009060669 W JP 2009060669W WO 2010021190 A1 WO2010021190 A1 WO 2010021190A1
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supercharger
passage
engine
exhaust gas
control device
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PCT/JP2009/060669
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岳志 高橋
隆夫 河辺
野村　英均
智邦 緒方
功治 清水
智美 鵜飼
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ヤンマー株式会社
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0002—Controlling intake air
    • F02D41/0007—Controlling intake air for control of turbo-charged or super-charged engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an engine control technology including a plurality of superchargers.
  • an engine having a two-stage supercharging system has been known as an engine having a plurality of superchargers.
  • An engine equipped with a two-stage supercharging system has a configuration in which, for example, a turbine that receives and rotates exhaust gas is arranged in series in one exhaust passage, and a compressor that pressurizes intake air is arranged in series in one intake passage. It has become.
  • a bypass valve is provided in a bypass passage that bypasses from the upstream side of the turbine to the downstream side and a bypass passage that bypasses from the upstream side of the compressor to the downstream side, and the supercharging pressure can be adjusted by controlling the bypass valve. (For example, refer to Patent Document 1).
  • the present invention in an engine having a plurality of superchargers, secures a supercharging pressure according to the operating state of the engine, and increases the rotational speed of each compressor constituting the supercharger. It is an object to provide an engine and a control method that can be adjusted to an efficiency region.
  • a first aspect of the present invention is a supercharger comprising a turbine that receives and rotates exhaust gas that flows through an exhaust passage, and a compressor that pressurizes intake air that is rotationally driven by the turbine and flows through the intake passage.
  • a turbine that receives and rotates exhaust gas that flows through an exhaust passage
  • a compressor that pressurizes intake air that is rotationally driven by the turbine and flows through the intake passage.
  • Each of the turbines constituting the supercharger is arranged in series in one exhaust passage, and each compressor constituting the supercharger is arranged in one intake passage.
  • At least one of the superchargers constitutes a supercharger rotation sensor for transmitting a detection signal obtained by rotation of a compressor constituting the supercharger to a control device, and the supercharger A bypass passage for bypassing the exhaust gas from the upstream side to the downstream side of the turbine, and a bypass valve for adjusting a flow rate of the exhaust gas flowing through the bypass passage.
  • the apparatus creates a control signal based on a detection signal from the supercharger rotation sensor and transmits the control signal to the bypass valve, thereby controlling the rotation speed of each compressor constituting the supercharger. It adjusts to the high efficiency area
  • the engine in the engine of the first aspect, includes a fuel injection nozzle capable of changing a fuel injection characteristic by a control signal, and the control device receives a detection signal from the supercharger rotation sensor.
  • a fuel injection characteristic is changed according to a driving
  • the supercharging pressure sensor detects the pressure of the intake air pressurized by the plurality of superchargers and transmits a detection signal to the control device.
  • an intake throttle that is arranged upstream of the supercharging pressure sensor and adjusts the flow rate of the intake air pressurized by the plurality of superchargers
  • the control device includes the supercharging pressure sensor
  • a control signal is generated based on a detection signal from the supercharger rotation sensor, and a control signal is transmitted to the intake throttle, thereby adjusting the pressure of the intake air according to the operating state.
  • an EGR passage that guides a part of the exhaust gas flowing through the exhaust passage to the intake passage, and an EGR that adjusts a flow rate of the exhaust gas flowing through the EGR passage.
  • the control device generates a control signal based on detection signals from the supercharging pressure sensor and the supercharger rotation sensor, and transmits the control signal to the EGR valve, thereby operating the operation state. Accordingly, the flow rate of the exhaust gas guided to the intake passage is adjusted.
  • the fuel injection nozzle is controlled based on the detection signal from the supercharger rotation sensor, so that the optimum fuel injection characteristic can be appropriately changed. Thereby, fuel injection according to the operating state of the engine can be realized, and deterioration of exhaust emission can be avoided.
  • a bypass passage that bypasses from the upstream side to the downstream side of the compressor constituting the supercharger by controlling the intake air throttle based on the detection signals from the supercharging pressure sensor and the supercharger rotation sensor. There is no need to provide it. Thereby, the structure of the engine can be simplified.
  • the exhaust gas guided to the intake passage can be adjusted to an optimum flow rate by controlling the EGR valve based on detection signals from the supercharging pressure sensor and the supercharger rotation sensor. Thereby, control according to the operating state of the engine can be performed, and deterioration of exhaust emission can be avoided.
  • Fig. 3 is an isoefficiency diagram showing the compressor performance of the supercharger.
  • the control flowchart which shows the control structure of a supercharger.
  • the block diagram which shows the whole structure of an engine provided with the two-stage supercharging system which concerns on 2nd embodiment of this invention.
  • the control flowchart which shows the control structure of a supercharger.
  • the block diagram which shows the whole structure of an engine provided with the two-stage supercharging system which concerns on 3rd embodiment of this invention.
  • the control flow figure which shows the control structure of an EGR valve.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an overall configuration of an engine 100 including a two-stage turbocharging system 20 according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows compressor performance of each of the superchargers 21 and 31
  • FIG. 3 is a control flow diagram showing a control configuration of each of the superchargers 21 and 31.
  • FIG. 4 is a configuration diagram showing an overall configuration of the engine 200 including the two-stage supercharging system 20 according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 5 shows a control configuration of each of the superchargers 21 and 31. It is a control flowchart.
  • FIG. 6 is a block diagram showing the overall configuration of the engine 300 including the two-stage turbocharging system 20 according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a control flow diagram showing the control configuration of the EGR valve 51. is there.
  • the engine 100 is a direct injection 6-cylinder diesel engine having six combustion chambers.
  • the engine 100 mainly includes an engine body 1, an intake manifold 12 to which an intake passage 2 is connected, an exhaust manifold 13 to which an exhaust passage 3 is connected,
  • the fuel injection nozzle 15 injects fuel into each combustion chamber.
  • the fuel injection nozzle 15 can arbitrarily control the fuel injection timing and the like by a control signal from the control device 60.
  • the engine 100 includes a two-stage supercharging system 20.
  • the two-stage supercharging system 20 is a supercharging system including two superchargers, a low pressure supercharger 21 and a high pressure supercharger 31.
  • the intake passage 2 is a passage that guides intake air to the engine body 1 through the intake manifold 12.
  • a compressor 21 a constituting the low-pressure supercharger 21, an intercooler 23 for cooling the intake air pressurized by the compressor 21 a, and a high-pressure supercharger 31 are constituted along the flow of the intake air.
  • a compressor 31a, an intercooler 33 that cools the intake air pressurized by the compressor 31a, and an intake air throttle 40 that adjusts the flow rate of the intake air flowing through the intake passage 2 are provided.
  • the intake manifold 12 is provided with a supercharging pressure sensor 62, which detects the pressure of intake air guided to the engine body 1 and transmits a detection signal to the control device 60.
  • the exhaust passage 3 is a passage through which exhaust gas is discharged from the engine body 1 via the exhaust manifold 13.
  • the exhaust passage 3 is provided with a turbine 31b constituting the high-pressure supercharger 31 and a turbine 21b constituting the low-pressure supercharger 21 along the flow of the exhaust gas.
  • the low-pressure supercharger 21 includes a compressor 21a that can efficiently pressurize intake air when the operating state of the engine 100 is a high-power operating state, and a turbine 21b that rotationally drives the compressor 21a. Consists of.
  • the high-pressure supercharger 31 includes a compressor 31a that can efficiently pressurize the intake air when the operation state of the engine 100 is a low-power operation state, and a turbine 31b that rotationally drives the compressor 31a. Is done.
  • the low pressure supercharger 21 and the high pressure supercharger 31 pressurize the intake air flowing through the intake passage 2 by the respective compressors 21a and 31a, and the compressor 21a of the low pressure supercharger 21 is disposed upstream of the intake passage 2.
  • the compressor 31 a of the high-pressure supercharger 31 is disposed on the downstream side of the intake passage 2.
  • bypass passage 4 for bypassing the exhaust gas from the upstream side to the downstream side of the turbine 31b constituting the high-pressure supercharger 31 is provided, and the exhaust gas flowing through the bypass passage 4 A bypass valve 34 for adjusting the flow rate of the gas is provided.
  • the high-pressure supercharger 31 is provided with a supercharger rotation sensor 61 that can transmit a detection signal obtained by the rotation of the compressor 31 a constituting the high-pressure supercharger 31 to the control device 60.
  • the control device 60 is mainly composed of a central processing unit, a storage device and the like.
  • the control device 60 is connected to a supercharger rotation sensor 61 provided in the high pressure supercharger 31, a supercharging pressure sensor 62 provided in the intake manifold 12, an engine output setting means such as an accelerator pedal (not shown), and an amplifier 65. Electrically connected. Then, a control signal is generated based on the electric signals from these signals, and the control signal is output to the fuel injection nozzle 15 and the like described above.
  • control device 60 stores control maps such as a supercharging map, a fuel injection map, an intake throttle map, and an EGR map in order to operate the engine 100 in response to an operator request.
  • control maps such as a supercharging map, a fuel injection map, an intake throttle map, and an EGR map in order to operate the engine 100 in response to an operator request.
  • Each control map such as a supercharging map is one in which optimum control factors found in advance by a test are stored in order to secure the engine speed and torque requested by the operator, for example.
  • the control device 60 can optimally control the engine 100 by calling up control factors from each control map and creating a control signal.
  • FIG. 2 is an iso-efficiency diagram showing the compressor performance of the low-pressure supercharger 21 and the high-pressure supercharger 31.
  • the horizontal axis of FIG. 2 shows the flow rate of the intake air flowing into the compressors 21a and 31a, and the vertical axis shows the pressure ratio between the upstream side and the downstream side of the compressors 21a and 31a.
  • the right end line 21mapR is a rotation limit line and the left end line 21mapL is a surge limit line.
  • the rotation limit line and the surge limit line are boundaries that cause a significant decrease in pressurization efficiency due to instability of the flow of intake air due to separation or the like.
  • the low-pressure supercharger 21 can pressurize the intake air in a region surrounded by the rotation limit line and the surge limit line, and the central portion thereof is a high-efficiency region where the intake air can be pressurized most efficiently.
  • the intake air can be pressurized in the region surrounded by the rotation limit line and the surge limit line, and the central portion thereof is set as the high efficiency region (see the isoefficiency line 31 map). ).
  • the high efficiency region of the low pressure supercharger 21 is formed on the high flow rate and high pressure ratio side, and the high efficiency region of the high pressure supercharger 31 is low flow rate and low pressure. It is formed on the specific side.
  • the engine 100 including the two-stage supercharging system 20 configured by each of the superchargers 21 and 31 can obtain an optimum supercharging pressure in a wide operation region.
  • the supercharger control of the engine 100 will be described with reference to FIG.
  • the control device 60 calculates the target supercharging pressure Bpatrg, the target supercharger rotation speed ⁇ ctrg, and the target bypass valve opening Ebyp_trg (S110).
  • the target supercharging pressure Bpatrg is a supercharging pressure that can optimize the combustion of fuel in accordance with the operating state of the engine 100, and is calculated based on a supercharging map or the like stored in the control device 60.
  • the target supercharger rotational speed ⁇ ctrg is the rotational speed of the compressor 31 a that can pressurize the intake air most efficiently in the high-pressure supercharger 31.
  • the target supercharging pressure Bpatrg and the supercharging map stored in the control device 60 (See FIG. 3) and the like.
  • the target bypass valve opening degree Ebyp_trg is the opening degree of the bypass valve 34 that can set the rotational speed of the compressor 31a constituting the high pressure supercharger 31 to the target supercharger rotational speed ⁇ ctrg, and is stored in the control device 60. Calculated based on a pay map or the like.
  • the control device 60 determines whether the absolute value of the difference between the current supercharging pressure Bpa and the target supercharging pressure Bpatrg is smaller than a predetermined value ⁇ 2 as a condition (11). It is determined whether or not the absolute value of the difference between the speed Nta and the target supercharger rotation speed ⁇ ctrg is smaller than a predetermined value ⁇ 3 (S120).
  • the two-stage supercharging system 20 When the condition (11) and the condition (12) are satisfied in S120, the two-stage supercharging system 20 performs supercharging according to the operating state of the engine 100, and constitutes the two-stage supercharging system 20.
  • the high-pressure supercharger 31 that is to be operated is determined to be operating in the high efficiency region.
  • control device 60 can cope with the aging deterioration of the engine 100 by correcting the target bypass valve opening degree Ebyp_trg (S130).
  • the control device 60 adjusts the opening of the intake throttle 40 until the condition (11) is satisfied (S140), and then adjusts the opening of the bypass valve 34 until the condition (12) is satisfied (S150). .
  • the control device 60 determines that an abnormality has occurred in the supercharger rotation sensor 61 and the like, thereby The reliability of the supercharging system 20 is improved (S160).
  • the flow rate of the exhaust gas flowing through the bypass passage 4 can be adjusted based on the supercharger rotational speed Nta of the high-pressure supercharger 31.
  • the engine 100 can secure the target supercharging pressure Bpatrg according to the operating state of the engine 100, and can operate the low-pressure supercharger 21 and the high-pressure supercharger 31 in a high-efficiency region. The amount can be reduced.
  • control device 60 creates a control signal using the rotation speed of the compressor 31a constituting the high-pressure supercharger 31 and transmits the control signal to the fuel injection nozzle 15, so that, for example, the operating state of the engine 100 is in a transient operating state. Even if it exists, it becomes possible to change a fuel-injection characteristic suitably. As a result, optimal fuel injection according to the operating state of engine 100 can be realized, exhaust gas deterioration can be avoided, and the output of engine 100 can be accurately controlled.
  • the engine 200 according to the present embodiment has the same basic configuration as the engine 100 according to the first embodiment, but bypasses the exhaust gas from the upstream side to the downstream side of the turbine 21b constituting the low-pressure supercharger 21. And a bypass valve 24 for adjusting the flow rate of the exhaust gas flowing through the bypass passage 7 is newly provided.
  • the supercharger control of the engine 200 will be described with reference to FIG.
  • the control device 60 includes the target supercharging pressure Bpatrg, the target supercharger rotational speed ⁇ ctrg_hp of the high pressure supercharger 31, the target supercharger rotational speed ⁇ ctrg_lp of the low pressure supercharger, and the target bypass valve of the high pressure supercharger 31.
  • the opening degree Ebyp_trg_hp and the target bypass valve opening degree Ebyp_trg_lp of the low pressure supercharger are calculated (S210).
  • since calculation of each target value is the same as that of 1st embodiment, description is abbreviate
  • the control device 60 determines whether or not the absolute value of the difference between the supercharging pressure Bpa and the target supercharging pressure Bpatrg is smaller than a predetermined value ⁇ 6 (S220). When the condition in S220 is satisfied, it is determined that the two-stage supercharging system 20 performs supercharging according to the operating state of the engine 200.
  • control device 60 adjusts the opening degree of one or both of the bypass valve 24 of the low pressure supercharger 21 and the bypass valve 34 of the high pressure supercharger 31 until the condition in S220 is satisfied (S230).
  • the control device 60 determines whether or not the absolute value of the difference between the current high pressure supercharger rotation speed Nta_hp and the target supercharger rotation speed ⁇ ctrg_hp of the high pressure supercharger 31 is smaller than a predetermined value ⁇ 7.
  • a condition (22) it is determined whether or not the absolute value of the difference between the current low pressure supercharger rotational speed Nta_lp and the target supercharger rotational speed ⁇ ctrg_lp of the low pressure supercharger 21 is smaller than a predetermined value ⁇ 8 (S240). ).
  • the control device 60 can also cope with the aging deterioration of the engine 200 by correcting the target bypass valve opening Ebyp_trg_lp of the low pressure supercharger 21 and the target bypass valve opening Ebyp_trg_hp of the high pressure supercharger 31. (S270).
  • the control device 60 adjusts the opening degree of the bypass valve 34 of the high pressure supercharger 31 until the condition (21) is satisfied, and opens the bypass valve 24 of the low pressure supercharger 21 until the condition (22) is satisfied. The degree is adjusted (S250).
  • the control device 60 determines that an abnormality has occurred in the supercharger rotation sensor 61 and the like. By doing so, the reliability of the two-stage supercharging system 20 is improved (S260).
  • the flow rate of the exhaust gas flowing through the bypass passage 7 can be adjusted based on the supercharger rotational speed Nta_lp of the low pressure supercharger 21, It is possible to adjust the flow rate of the exhaust gas flowing through the bypass passage 4 based on the supercharger rotation speed Nta_hp of the charger 31.
  • the low pressure supercharger 21 and the high pressure supercharger 31 can be operated in a high efficiency region, and fuel consumption is reduced. Is possible.
  • control device 60 creates a control signal using the rotational speed of one or both of the compressors 21a and 31a constituting each of the superchargers 21 and 31, and transmits the control signal to the fuel injection nozzle 15, for example, an engine Even if the operation state of 200 is a transient operation state, the fuel injection characteristics can be changed as appropriate. As a result, optimal fuel injection according to the operating state of the engine 200 can be realized, the exhaust emission can be prevented from deteriorating, and the output of the engine 200 can be accurately controlled.
  • the engine 300 according to the present embodiment has a basic configuration similar to that of the engine 100 according to the first embodiment, but the EGR device 50 that introduces part of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 3 to the intake passage 2 is newly added. Is provided.
  • the EGR device 50 includes an EGR passage 5 that guides a part of the exhaust gas that flows through the exhaust passage 3 to the intake passage 2, an EGR cooler 53 that cools the exhaust gas that flows through the EGR passage 5, and an exhaust gas that flows through the EGR passage 5. And an EGR valve 51 for adjusting the flow rate of the gas.
  • the EGR control of the engine 300 will be described with reference to FIG.
  • the control device 60 can obtain the flow rate of the intake air from the current supercharging pressure Bpa and the supercharger rotation speed Nta_hp of the high-pressure supercharger 31 using an existing calculation formula.
  • the control device 60 calculates a target EGR rate EGR_1 and an EGR rate EGRact (S310).
  • the target EGR rate EGR_1 is an EGR rate that can optimize the combustion of fuel according to the operating state of the engine 300, and is calculated based on an EGR map or the like stored in the control device 60.
  • the EGR rate EGRact is calculated from the exhaust flow rate Qair_wot and the EGR flow rate Qair_act.
  • the exhaust flow rate Qair_wot is the total flow rate of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 3 when the EGR valve 51 is fully closed
  • the EGR flow rate Qair_act is the flow rate of the exhaust gas guided to the intake passage 2.
  • the EGR flow rate Qair_act is calculated by correcting the density from the supercharging pressure Bpa, the supercharger rotation speed Nta_hp of the high pressure supercharger 31, the temperature of the exhaust gas flowing through the EGR passage 5, and the like.
  • the control device 60 determines whether or not the absolute value of the difference between the EGR rate EGRact and the target EGR rate EGR_1 is smaller than a predetermined value ⁇ 5 (S320). When the condition in S320 is satisfied, it is determined that EGR device 50 is performing EGR control in accordance with the operating state of engine 300.
  • the control device 60 adjusts the opening degree of the EGR valve 51 in the EGR passage 5 until the condition in S320 is satisfied (S330).
  • the control device 60 determines that an abnormality has occurred in the EGR valve 51 and the like, thereby reliving the reliability of the EGR device 50.
  • the improvement is made (S340).
  • the flow rate of the exhaust gas flowing through the EGR passage 5 can be adjusted based on the supercharging pressure Bpa and the supercharger rotation speed Nta.
  • the target EGR rate EGR_1 can be set in accordance with the operating state of the engine 300, and deterioration of exhaust emission can be avoided.
  • the present invention can be used for an engine including a plurality of superchargers.

Landscapes

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Supercharger (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)

Abstract

　過給器２１・３１を構成するタービン２１ｂ・３１ｂは排気通路３に、コンプレッサ２１ａ・３１ａは吸気通路２に直列に配置されて、過給器３１はコンプレッサ３１ａの回転によって得られる検出信号を制御装置へ送信する過給器回転センサ６１と、タービン３１ｂの上流側から下流側へ排気ガスをバイパスするバイパス通路４と、バイパス通路４を流れる排気ガスの流量を調節するバイパスバルブ３４を備え、制御装置６０は過給器回転センサ６１からの検出信号に基づいて制御信号を作成するとともにバイパスバルブ３４へ制御信号を送信することによって、コンプレッサ２１ａ・３１ａの回転速度を高効率領域に調節する。

Description

エンジン
　本発明は、複数の過給器を備えるエンジンの制御技術に関する。
　従来、複数の過給器を備えるエンジンとして、二段式過給システムを備えるエンジンが公知となっている。二段式過給システムを備えるエンジンは、例えば排気ガスを受けて回転駆動するタービンが一つの排気通路に直列に配置され、吸入空気を加圧するコンプレッサが一つの吸気通路に直列に配置された構成となっている。そして、タービンの上流側から下流側へバイパスするバイパス通路やコンプレッサの上流側から下流側へバイパスするバイパス通路にバイパスバルブが設けられて、該バイパスバルブを制御することによって過給圧を調節可能としていた（例えば特許文献１参照。）。
　しかし、従来から過給器を備えたエンジンにおいては、吸入空気流量センサや過給圧センサからの検出信号に基づいてエンジンの運転状態に応じた過給圧に調節するのみであった。そのため、二段式過給システムを備えるエンジンにおいては、過給器を構成するそれぞれのコンプレッサの回転速度をそれぞれの過給器の高効率領域に調節しながらエンジンの運転状態に応じた過給圧を確保することは困難とされていた。
特開２００４－９２６４６号公報
　本発明は、複数の過給器を備えるエンジンにおいて、該エンジンの運転状態に応じた過給圧を確保するとともに、過給器を構成するそれぞれのコンプレッサの回転速度をそれぞれの過給器の高効率領域に調節することができるエンジンならびに制御手法を提供することを課題とする。
　本発明の解決しようとする課題を解決するための手段を説明する。
　本発明の第一の態様は、排気通路を流れる排気ガスを受けて回転駆動するタービンと、該タービンによって回転駆動されて吸気通路を流れる吸入空気を加圧するコンプレッサと、で構成される過給器を複数個備えるエンジンであって、前記過給器を構成するそれぞれのタービンは、一つの前記排気通路に直列に配置され、前記過給器を構成するそれぞれのコンプレッサは、一つの前記吸気通路に直列に配置されて、少なくとも一つの前記過給器は、該過給器を構成するコンプレッサの回転によって得られる検出信号を制御装置へ送信する過給器回転センサと、該過給器を構成するタービンの上流側から下流側へ排気ガスをバイパスするバイパス通路と、該バイパス通路を流れる排気ガスの流量を調節するバイパスバルブと、を備え、前記制御装置は、前記過給器回転センサからの検出信号に基づいて制御信号を作成するとともに前記バイパスバルブへ制御信号を送信することによって、前記過給器を構成するそれぞれのコンプレッサの回転速度をそれぞれの前記過給器の高効率領域に調節するものである。
　本発明の第二の態様は、第一の態様のエンジンにおいて、制御信号により燃料噴射特性を変更可能とする燃料噴射ノズルを備え、前記制御装置は、前記過給器回転センサからの検出信号に基づいて制御信号を作成するとともに前記燃料噴射ノズルへ制御信号を送信することによって、運転状態に応じて燃料噴射特性を変更するものである。
　本発明の第三の態様は、第一の態様のエンジンにおいて、複数個の前記過給器によって加圧された吸入空気の圧力を検出するとともに検出信号を前記制御装置へ送信する過給圧センサと、前記過給圧センサの上流側に配置されて複数個の前記過給器によって加圧された吸入空気の流量を調節する吸気絞りと、を備え、前記制御装置は、前記過給圧センサならびに前記過給器回転センサからの検出信号に基づいて制御信号を作成するとともに前記吸気絞りへ制御信号を送信することによって、運転状態に応じて吸入空気の圧力を調節するものである。
　本発明の第四の態様は、第三の態様のエンジンにおいて、前記排気通路を流れる排気ガスの一部を前記吸気通路へ導くＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路を流れる排気ガスの流量を調節するＥＧＲバルブと、を備え、前記制御装置は、前記過給圧センサならびに前記過給器回転センサからの検出信号に基づいて制御信号を作成するとともに前記ＥＧＲバルブへ制御信号を送信することによって、運転状態に応じて前記吸気通路に導かれる排気ガスの流量を調節するものである。
　本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
　請求項１においては、過給器回転センサからの検出信号に基づいてバイパスバルブを制御することによって、過給器を構成するそれぞれのコンプレッサの回転速度をそれぞれの過給器の高効率領域に調節することができる。これにより、エンジンの運転状態に応じた過給圧まで効率良く吸入空気を加圧できて燃料消費量を低減することが可能となる。
　請求項２においては、過給器回転センサからの検出信号に基づいて燃料噴射ノズルを制御することによって、最適な燃料噴射特性に適宜変更できる。これにより、エンジンの運転状態に応じた燃料噴射が実現できて排気エミッションの悪化を回避できる。
　請求項３においては、過給圧センサならびに過給器回転センサからの検出信号に基づいて吸気絞りを制御することによって、過給器を構成するコンプレッサの上流側から下流側へバイパスするバイパス通路を設ける必要がなくなる。これにより、エンジンの構造を簡素化することが可能となる。
　請求項４においては、過給圧センサならびに過給器回転センサからの検出信号に基づいてＥＧＲバルブを制御することによって、吸気通路に導かれる排気ガスを最適な流量に調節することができる。これにより、エンジンの運転状態に応じた制御ができて排気エミッションの悪化を回避できる。
本発明の第一実施形態に係る二段式過給システムを備えるエンジンの全体的な構成を示す構成図。 過給器のコンプレッサ性能を示す等効率線図。 過給器の制御構成を示す制御フロー図。 本発明の第二実施形態に係る二段式過給システムを備えるエンジンの全体的な構成を示す構成図。 過給器の制御構成を示す制御フロー図。 本発明の第三実施形態に係る二段式過給システムを備えるエンジンの全体的な構成を示す構成図。 ＥＧＲバルブの制御構成を示す制御フロー図。
　１　　エンジン本体
　２　　吸気通路
　３　　排気通路
　４　　バイパス通路
　５　　ＥＧＲ通路
　７　　バイパス通路
　１２　　吸気マニホールド
　１３　　排気マニホールド
　１５　　燃料噴射ノズル
　２０　　二段式過給システム
　２１　　低圧過給器
　２１ａ　　コンプレッサ
　２１ｂ　　タービン
　２４　　バイパスバルブ
　３１　　高圧過給器
　３１ａ　　コンプレッサ
　３１ｂ　　タービン
　３４　　バイパスバルブ
　４０　　吸気絞り
　５０　　ＥＧＲ装置
　５１　　ＥＧＲバルブ
　６０　　制御装置
　６１　　過給器回転センサ
　６２　　過給圧センサ
　１００　　エンジン
　２００　　エンジン
　３００　　エンジン
　次に、発明の実施の形態を説明する。
　図１は本発明の第一実施形態に係る二段式過給システム２０を備えるエンジン１００の全体的な構成を示す構成図であり、図２は各過給器２１・３１のコンプレッサ性能を示す等効率線図、図３は各過給器２１・３１の制御構成を示す制御フロー図である。
　図４は本発明の第二実施形態に係る二段式過給システム２０を備えるエンジン２００の全体的な構成を示す構成図であり、図５は各過給器２１・３１の制御構成を示す制御フロー図である。
　図６は本発明の第三実施形態に係る二段式過給システム２０を備えるエンジン３００の全体的な構成を示す構成図であり、図７はＥＧＲバルブ５１の制御構成を示す制御フロー図である。
　図１を用いて、本発明の第一実施形態に係るエンジン１００の構成について説明する。エンジン１００は、６つの燃焼室を有する直噴式６気筒ディーゼルエンジンであり、主にエンジン本体１と、吸気通路２が接続される吸気マニホールド１２と、排気通路３が接続される排気マニホールド１３と、各燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射ノズル１５とで構成されている。なお、該燃料噴射ノズル１５は、制御装置６０からの制御信号によって燃料噴射時期等を任意に制御可能とされる。
　また、エンジン１００は、二段式過給システム２０を備えている。二段式過給システム２０は、低圧過給器２１と高圧過給器３１の二つの過給器を備える過給システムである。
　吸気通路２は、吸入空気を吸気マニホールド１２を介してエンジン本体１へ導く通路である。吸気通路２には吸入空気の流れに沿って、低圧過給機２１を構成するコンプレッサ２１ａと、該コンプレッサ２１ａで加圧された吸入空気を冷却するインタークーラー２３と、高圧過給機３１を構成するコンプレッサ３１ａと、該コンプレッサ３１ａで加圧された吸入空気を冷却するインタークーラー３３と、吸気通路２を流れる吸入空気の流量を調節する吸気絞り４０とが備えられている。
　そして、吸気マニホールド１２には、過給圧センサ６２が設けられており、エンジン本体１に導かれる吸入空気の圧力を検出して制御装置６０へ検出信号を送信している。
　排気通路３は、排気ガスを排気マニホールド１３を介してエンジン本体１から排出する通路である。排気通路３には排気ガスの流れに沿って、高圧過給機３１を構成するタービン３１ｂと、低圧過給機２１を構成するタービン２１ｂとが備えられている。
　詳細には、低圧過給器２１は、エンジン１００の運転状態が高出力運転状態である場合に吸入空気の加圧を効率良く行なうことができるコンプレッサ２１ａと該コンプレッサ２１ａを回転駆動させるタービン２１ｂとで構成される。そして、高圧過給器３１は、エンジン１００の運転状態が低出力運転状態である場合に吸入空気の加圧を効率良く行なうことができるコンプレッサ３１ａと該コンプレッサ３１ａを回転駆動させるタービン３１ｂとで構成される。
　低圧過給器２１と高圧過給器３１は、それぞれのコンプレッサ２１ａ・３１ａによって吸気通路２を流れる吸入空気を加圧するものであり、低圧過給器２１のコンプレッサ２１ａが吸気通路２の上流側に、高圧過給器３１のコンプレッサ３１ａが吸気通路２の下流側に配置される。
　また、本実施形態に係るエンジン１００では、高圧過給器３１を構成するタービン３１ｂの上流側から下流側へ排気ガスをバイパスさせるバイパス通路４が設けられており、該バイパス通路４を流れる排気ガスの流量を調節するバイパスバルブ３４が備えられている。
　更に、高圧過給器３１には、該高圧過給器３１を構成するコンプレッサ３１ａの回転によって得られる検出信号を制御装置６０へ送信可能とする過給器回転センサ６１が設けられている。
　制御装置６０は、主として中央処理装置、記憶装置等により構成される。制御装置６０は、高圧過給器３１に設けられた過給器回転センサ６１や吸気マニホールド１２に設けられた過給圧センサ６２、図示しないアクセルペダル等のエンジン出力設定手段とアンプ６５を介して電気的に接続される。そして、これらからの電気信号に基づいて制御信号を作成するとともに前述した燃料噴射ノズル１５等に制御信号を出力するものとされる。
　また、制御装置６０には、オペレータの要求に応じてエンジン１００の運転を行なうべく、過給マップ、燃料噴射マップ、吸気絞りマップ、ＥＧＲマップ等の制御マップが記憶されている。
　過給マップ等の各制御マップは、例えばオペレータが要求したエンジン回転数やトルクを確保するために、予め試験によって見出された最適な制御因子が記憶されたものである。これにより、制御装置６０は、各制御マップから制御因子を呼出して制御信号を作成することでエンジン１００を最適に制御可能としている。
　ここで過給マップについて詳細に説明する。図２は、低圧過給器２１ならびに高圧過給器３１のコンプレッサ性能を示した等効率線図である。図２の横軸は各コンプレッサ２１ａ・３１ａへ流れる吸入空気の流量を示しており、縦軸は各コンプレッサ２１ａ・３１ａの上流側と下流側の圧力比を示している。
　図２に示すように、低圧過給器２１の等効率線２１ｍａｐにおいて、右端線２１ｍａｐＲは回転限界線とされ、左端線２１ｍａｐＬはサージ限界線とされる。回転限界線ならびにサージ限界線は、吸入空気の流れが剥離等によって不安定となることに起因した加圧効率の大幅な低下が生じる境界とされる。つまり、低圧過給器２１は、回転限界線ならびにサージ限界線で囲まれた領域において吸入空気を加圧可能とされ、その中心部分が最も効率良く吸入空気を加圧できる高効率領域とされる。また、同様に高圧過給器３１においても回転限界線ならびにサージ限界線で囲まれた領域において吸入空気を加圧可能とされ、その中心部分が高効率領域とされる（等効率線３１ｍａｐ参照。）。
　そして、図２に示すように、低圧過給器２１の高効率領域は高流量、且つ、高圧力比側に形成されて、高圧過給器３１の高効率領域は低流量、且つ、低圧力比側に形成される。これにより、このような各過給器２１・３１で構成された二段式過給システム２０を備えるエンジン１００は、広い運転領域で最適な過給圧を得ることが可能とされる。
　図３を用いて、エンジン１００の過給器制御について説明する。制御装置６０は、目標過給圧Ｂｐａｔｒｇと、目標過給器回転速度ωｃｔｒｇと、目標バイパスバルブ開度Ｅｂｙｐ＿ｔｒｇと、を算出する（Ｓ１１０）。
　目標過給圧Ｂｐａｔｒｇは、エンジン１００の運転状態に応じて燃料の燃焼を最適化できる過給圧であり、制御装置６０に記憶されている過給マップ等に基づいて算出される。
　目標過給器回転速度ωｃｔｒｇは、高圧過給器３１において最も効率良く吸入空気を加圧できるコンプレッサ３１ａの回転速度であり、目標過給圧Ｂｐａｔｒｇや制御装置６０に記憶されている過給マップ（図３参照）等に基づいて算出される。
　目標バイパスバルブ開度Ｅｂｙｐ＿ｔｒｇは、高圧過給器３１を構成するコンプレッサ３１ａの回転速度を目標過給器回転速度ωｃｔｒｇに整定できるバイパスバルブ３４の開度であり、制御装置６０に記憶されている過給マップ等に基づいて算出される。
　制御装置６０は、条件（１１）として、現在の過給圧Ｂｐａと目標過給圧Ｂｐａｔｒｇとの差の絶対値が所定値α２より小さいかどうか、条件（１２）として、現在の過給器回転速度Ｎｔａと目標過給器回転速度ωｃｔｒｇとの差の絶対値が所定値α３より小さいかどうか、について判断する（Ｓ１２０）。
　Ｓ１２０において、条件（１１）および条件（１２）を満足する場合、二段式過給システム２０は、エンジン１００の運転状態に応じた過給を行なっており、二段式過給システム２０を構成する高圧過給器３１については、高効率領域で運転しているものと判断される。また、このときの低圧過給器２１についても高効率領域で運転されるコンプレッサ２１ａを予め選択しておくことによって、各過給器２１・３１を共に高効率領域で運転させることが可能となる。
　なお、制御装置６０は、目標バイパスバルブ開度Ｅｂｙｐ＿ｔｒｇに補正を加えることによって、エンジン１００の経年劣化に対応することも可能とされる（Ｓ１３０）。
　一方、Ｓ１２０における条件（１１）及び条件（１２）を満足していない場合、二段式過給システム２０は、エンジン１００の運転状態に応じた最適な過給を行なえていないと判断される。つまり、エンジン１００の運転状態に応じた最適な過給圧ではない、或いは高圧過給器３１が高効率領域で運転されていないと判断される。そこで、制御装置６０は、条件（１１）を満足するまで吸気絞り４０の開度を調節し（Ｓ１４０）、次に条件（１２）を満足するまでバイパスバルブ３４の開度を調節する（Ｓ１５０）。
　更に、制御装置６０は、Ｓ１５０における所定の制御を１０回繰り返すことによっても条件（１２）を満足しない場合、過給器回転センサ６１等に異常が生じているものと判断することによって、二段式過給システム２０の信頼性向上を図っている（Ｓ１６０）。
　このようにして、本実施形態に係るエンジン１００においては、高圧過給器３１の過給器回転速度Ｎｔａに基づいてバイパス通路４を流れる排気ガスの流量を調節することが可能とされる。これにより、エンジン１００は、該エンジン１００の運転状態に応じた目標過給圧Ｂｐａｔｒｇを確保するとともに、低圧過給器２１ならびに高圧過給器３１を高効率領域で運転させることができて燃料消費量を低減させることが可能となる。
　また、制御装置６０は、高圧過給器３１を構成するコンプレッサ３１ａの回転速度を用いて制御信号を作成し、燃料噴射ノズル１５へ送信することで、例えばエンジン１００の運転状態が過渡運転状態であっても燃料噴射特性を適宜変更することが可能となる。これにより、エンジン１００の運転状態に応じた最適な燃料噴射が実現できて排気エミッションの悪化を回避するとともに、エンジン１００の出力を精度良く制御することが可能となる。
　次に図４を用いて、本発明の第二実施形態に係るエンジン２００の構成について説明する。本実施形態に係るエンジン２００は、基本的な構成は第一実施形態に係るエンジン１００と同様とされるが、低圧過給器２１を構成するタービン２１ｂの上流側から下流側へ排気ガスをバイパスさせるバイパス通路７と、該バイパス通路７を流れる排気ガスの流量を調節するバイパスバルブ２４とが新たに備えられている。
　図５を用いて、エンジン２００の過給器制御について説明する。制御装置６０は、目標過給圧Ｂｐａｔｒｇと、高圧過給器３１の目標過給器回転速度ωｃｔｒｇ＿ｈｐと、低圧過給器の目標過給器回転速度ωｃｔｒｇ＿ｌｐと、高圧過給器３１の目標バイパスバルブ開度Ｅｂｙｐ＿ｔｒｇ＿ｈｐと、低圧過給器の目標バイパスバルブ開度Ｅｂｙｐ＿ｔｒｇ＿ｌｐと、を算出する（Ｓ２１０）。なお、それぞれの目標値の算出については第一実施形態と同様であるため説明を省略する。
　制御装置６０は、過給圧Ｂｐａと目標過給圧Ｂｐａｔｒｇとの差の絶対値が所定値α６より小さいかどうかを判断する（Ｓ２２０）。Ｓ２２０における条件を満足する場合、二段式過給システム２０は、エンジン２００の運転状態に応じた過給を行なっていると判断される。
　一方、Ｓ２２０における条件を満足していない場合、二段式過給システム２０は、エンジン２００の運転状態に応じた過給を行なえていないと判断される。そこで、制御装置６０は、Ｓ２２０における条件を満足するまで低圧過給器２１のバイパスバルブ２４と高圧過給器３１のバイパスバルブ３４の一方又は双方の開度を調節する（Ｓ２３０）。
　そして、制御装置６０は、条件（２１）として、現在の高圧過給器回転速度Ｎｔａ＿ｈｐと高圧過給器３１の目標過給器回転速度ωｃｔｒｇ＿ｈｐとの差の絶対値が所定値α７より小さいかどうか、条件（２２）として、現在の低圧過給器回転速度Ｎｔａ＿ｌｐと低圧過給器２１の目標過給器回転速度ωｃｔｒｇ＿ｌｐとの差の絶対値が所定値α８より小さいかどうか、について判断する（Ｓ２４０）。
　Ｓ２４０における条件（２１）及び条件（２２）を満足する場合、二段式過給システム２０を構成する低圧過給器２１ならびに高圧過給器３１は、高効率領域で運転していると判断される。なお、制御装置６０は、低圧過給器２１の目標バイパスバルブ開度Ｅｂｙｐ＿ｔｒｇ＿ｌｐや高圧過給器３１の目標バイパスバルブ開度Ｅｂｙｐ＿ｔｒｇ＿ｈｐに補正を加えることによって、エンジン２００の経年劣化に対応することも可能とされる（Ｓ２７０）。
　一方、Ｓ２４０における条件（２１）及び条件（２２）を満足していない場合、二段式過給システム２０を構成する低圧過給器２１が高効率領域で運転されていない、或いは二段式過給システム２０を構成する高圧過給器３１が高効率領域で運転されていないと判断される。そこで、制御装置６０は、条件（２１）を満足するまで高圧過給器３１のバイパスバルブ３４の開度を調節し、条件（２２）を満足するまで低圧過給器２１のバイパスバルブ２４の開度を調節する（Ｓ２５０）。
　更に、制御装置６０は、Ｓ２５０における所定の制御を１０回繰り返すことによっても条件（２１）ならびに条件（２２）を満足しない場合は、過給器回転センサ６１等に異常が生じているものと判断することによって、二段式過給システム２０の信頼性向上を図っている（Ｓ２６０）。
　このようにして、本実施形態に係るエンジン２００においては、低圧過給器２１の過給器回転速度Ｎｔａ＿ｌｐに基づいてバイパス通路７を流れる排気ガスの流量を調節することが可能とされ、高圧過給器３１の過給器回転速度Ｎｔａ＿ｈｐに基づいてバイパス通路４を流れる排気ガスの流量を調節することが可能とされる。これにより、エンジン２００の運転状態に応じた目標過給圧Ｂｐａｔｒｇを確保するとともに、低圧過給器２１ならびに高圧過給器３１を高効率領域で運転させることができて燃料消費量を低減させることが可能となる。
　また、制御装置６０は、各過給器２１・３１を構成する各コンプレッサ２１ａ・３１ａの一方又は両方の回転速度を用いて制御信号を作成し、燃料噴射ノズル１５へ送信することで、例えばエンジン２００の運転状態が過渡運転状態であっても燃料噴射特性を適宜変更することが可能となる。これにより、エンジン２００の運転状態に応じた最適な燃料噴射が実現できて排気エミッションの悪化を回避するとともに、エンジン２００の出力を精度良く制御することが可能となる。
　次に図６を用いて、本発明の第三実施形態に係るエンジン３００の構成について説明する。本実施形態に係るエンジン３００は、基本的な構成は第一実施形態に係るエンジン１００と同様とされるが、排気通路３を流れる排気ガスの一部を吸気通路２へ導くＥＧＲ装置５０が新たに備えられている。
　ＥＧＲ装置５０は、排気通路３を流れる排気ガスの一部を吸気通路２へ導くＥＧＲ通路５と、該ＥＧＲ通路５を流れる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ５３と、該ＥＧＲ通路５を流れる排気ガスの流量を調節するＥＧＲバルブ５１とから構成される。
　図７を用いて、エンジン３００のＥＧＲ制御について説明する。制御装置６０は、現在の過給圧Ｂｐａや高圧過給器３１の過給器回転速度Ｎｔａ＿ｈｐから吸入空気の流量を既存の計算式により求めることが可能とされる。
　まず、制御装置６０は、目標ＥＧＲ率ＥＧＲ＿１と、ＥＧＲ率ＥＧＲａｃｔと、を算出する（Ｓ３１０）。
　目標ＥＧＲ率ＥＧＲ＿１は、エンジン３００の運転状態に応じて燃料の燃焼を最適化できるＥＧＲ率であり、制御装置６０に記憶されているＥＧＲマップ等に基づいて算出される。
　ＥＧＲ率ＥＧＲａｃｔは、排気流量Ｑａｉｒ＿ｗｏｔとＥＧＲ流量Ｑａｉｒ＿ａｃｔとによって算出される。排気流量Ｑａｉｒ＿ｗｏｔは、ＥＧＲバルブ５１を全閉にしたときに排気通路３を流れる排気ガスの全流量であり、ＥＧＲ流量Ｑａｉｒ＿ａｃｔは、吸気通路２へ導かれる排気ガスの流量である。ＥＧＲ流量Ｑａｉｒ＿ａｃｔは、過給圧Ｂｐａや高圧過給器３１の過給器回転速度Ｎｔａ＿ｈｐ、ＥＧＲ通路５を流れる排気ガスの温度等から密度を補正することによって算出される。
　制御装置６０は、ＥＧＲ率ＥＧＲａｃｔと目標ＥＧＲ率ＥＧＲ＿１との差の絶対値が所定値α５より小さいかどうかを判断する（Ｓ３２０）。Ｓ３２０における条件を満足する場合、ＥＧＲ装置５０は、エンジン３００の運転状態に応じたＥＧＲ制御を行なっていると判断される。
　一方、Ｓ３２０における条件を満足していない場合、ＥＧＲ装置５０は、エンジン３００の運転状態に応じたＥＧＲ制御を行なえていないと判断される。そこで、制御装置６０は、Ｓ３２０における条件を満足するまでＥＧＲ通路５のＥＧＲバルブ５１の開度を調節する（Ｓ３３０）。
　更に、制御装置６０は、Ｓ３３０における所定の制御を１０回繰り返すことによってもＳ３２０における条件を満足しない場合は、ＥＧＲバルブ５１等に異常が生じているものと判断することによって、ＥＧＲ装置５０の信頼性向上を図っている（Ｓ３４０）。
　このようにして、本実施形態に係るエンジン３００においては、過給圧Ｂｐａならびに過給器回転速度Ｎｔａに基づいてＥＧＲ通路５を流れる排気ガスの流量を調節することが可能とされる。これにより、エンジン３００の運転状態に応じて目標ＥＧＲ率ＥＧＲ＿１に整定することができて排気エミッションの悪化を回避することが可能となる。
　本発明は、複数の過給器を備えるエンジンに利用可能である。

Claims (4)

  1. 　排気通路を流れる排気ガスを受けて回転駆動するタービンと、
    　該タービンによって回転駆動されて吸気通路を流れる吸入空気を加圧するコンプレッサと、で構成される過給器を複数個備えるエンジンであって、
    　前記過給器を構成するそれぞれのタービンは、一つの前記排気通路に直列に配置され、
    　前記過給器を構成するそれぞれのコンプレッサは、一つの前記吸気通路に直列に配置されて、
    　少なくとも一つの前記過給器は、該過給器を構成するコンプレッサの回転によって得られる検出信号を制御装置へ送信する過給器回転センサと、
    　該過給器を構成するタービンの上流側から下流側へ排気ガスをバイパスするバイパス通路と、
    　該バイパス通路を流れる排気ガスの流量を調節するバイパスバルブと、を備え、
    　前記制御装置は、前記過給器回転センサからの検出信号に基づいて制御信号を作成するとともに前記バイパスバルブへ制御信号を送信することによって、前記過給器を構成するそれぞれのコンプレッサの回転速度をそれぞれの前記過給器の高効率領域に調節することを特徴とするエンジン。
  2. 　制御信号により燃料噴射特性を変更可能とする燃料噴射ノズルを備え、
    　前記制御装置は、前記過給器回転センサからの検出信号に基づいて制御信号を作成するとともに前記燃料噴射ノズルへ制御信号を送信することによって、運転状態に応じて燃料噴射特性を変更することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
  3. 　複数個の前記過給器によって加圧された吸入空気の圧力を検出するとともに検出信号を前記制御装置へ送信する過給圧センサと、
    　前記過給圧センサの上流側に配置されて複数個の前記過給器によって加圧された吸入空気の流量を調節する吸気絞りと、を備え、
    　前記制御装置は、前記過給圧センサならびに前記過給器回転センサからの検出信号に基づいて制御信号を作成するとともに前記吸気絞りへ制御信号を送信することによって、運転状態に応じて吸入空気の圧力を調節することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
  4. 　前記排気通路を流れる排気ガスの一部を前記吸気通路へ導くＥＧＲ通路と、
    　前記ＥＧＲ通路を流れる排気ガスの流量を調節するＥＧＲバルブと、を備え、
    　前記制御装置は、前記過給圧センサならびに前記過給器回転センサからの検出信号に基づいて制御信号を作成するとともに前記ＥＧＲバルブへ制御信号を送信することによって、運転状態に応じて前記吸気通路に導かれる排気ガスの流量を調節することを特徴とする請求項３に記載のエンジン。
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