WO2020105533A1

WO2020105533A1 - 過給システム

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Publication number: WO2020105533A1
Application number: PCT/JP2019/044647
Authority: WO
Inventors: 楠昌幸
Original assignee: 株式会社豊田自動織機
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2020-05-28
Also published as: AU2019383763A1; JP2020084856A; RU2760416C1; JP7020380B2; AU2019383763B2

Abstract

過給システムは、流入する排気の流速を開度により調整する第１可変ノズル機構（３５）を含む第１過給機（３０）と、流入する排気の流速を開度により調整する第２可変ノズル機構（４０）を含む第２過給機（４０）と、第１過給機で過給された空気がエンジン（１）に供給される第１過給モードから、第１，２過給機（３０、４０）で過給された空気がエンジン（１）に供給される第２過給モードに切替える制御装置（２００）とを備える。制御装置（２００）は、第１から第２過給モードに切替える前に第２過給機（４０）に排気を供給しつつ第２過給機（４０）によって過給された空気を第１過給機（３０）に供給する助走運転を実行し、助走運転中に第２過給機（４０）の過給圧が第１過給機（３０）の過給圧に到達した場合に第２過給モードに切替え（Ｓ１１４～Ｓ１１７）助走運転を開始する場合に、第２可変ノズル機構（３５）の開度が第１可変ノズル機構（４０）の開度よりも小さくなるよう制御する（Ｓ１０６～Ｓ１０８）。

Description

過給システム

　この開示は、過給システムに関し、特に、並列に接続された複数の過給機を有する過給システムに関する。

　エンジンの吸気を過給する過給システムとしては、たとえば、並列に接続された複数の過給機を有する構成が公知である。たとえば、並列に接続された２つの過給機を有する過給システムにおいては、２つの過給機のうちの一つを用いてエンジンの吸気を過給する過給モード（以下、シングル過給モードとも記載する）と、両方の過給機を用いてエンジンの吸気を過給する過給モード（以下、ツイン過給モードとも記載する）とを切替える切替制御が行なわれる。

　このような切替制御を実行する場合において、過給圧の段差が生じる場合がある。この過給圧の段差を低減させるために、２つ目の過給機の始動を補助するためのモータを備える過給システムがある（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００８－２５５９０２号公報

　しかし、特許文献１の過給システムでは、モータを搭載するためのコストが掛かり、モータを搭載するためのスペースを確保する必要があり、また、モータを搭載すると車両の重量が増加してしまう。

　この開示は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、過給機の始動を補助する装置を追加することなく、過給圧の段差を低減することが可能な過給システムを提供することである。

　この開示による過給システムは、エンジンから排出される排気によって駆動する第１タービンと、第１タービンへ流入する排気の流速を開度によって調整する第１可変ノズル機構とを含み、エンジンに吸入される空気を過給する第１過給機と、エンジンから排出される排気によって駆動する第２タービンと、第２タービンへ流入する排気の流速を開度によって調整する第２可変ノズル機構とを含み、エンジンに吸入される空気を過給する第２過給機と、第１過給機において過給された空気がエンジンに供給される第１過給モードから、第１過給機において過給された空気と第２過給機において過給された空気とがエンジンに供給される第２過給モードに切替える制御装置とを備える。制御装置は、第１過給モードから第２過給モードに切替える前に、第２過給機に排気を供給しつつ、第２過給機によって過給された空気を第１過給機に供給する助走運転を実行し、助走運転中に、第２過給機の過給圧が第１過給機の過給圧に到達した場合に第２過給モードに切替え、助走運転を開始する場合に、第２可変ノズル機構の開度が、第１可変ノズル機構の開度よりも小さくなるように第２可変ノズル機構を制御する。

　好ましくは、制御装置は、助走運転中に、第２過給機の過給圧の上昇が停滞する場合、第２可変ノズル機構の開度が第１可変ノズル機構の開度と同じとなるように第２可変ノズル機構を制御する。

　好ましくは、制御装置は、助走運転中、第１可変ノズル機構の開度が、第１過給機のタービン効率が最も良くなる開度と第１過給機のタービン仕事が最も良くなる開度との間の所定開度となるよう第１可変ノズル機構を制御する。

　さらに好ましくは、制御装置は、エンジンから排出される排気の圧力が制限圧力に達する場合の第１可変ノズル機構の制限開度を算出し、算出された制限開度を所定開度が上回る場合、第１可変ノズル機構の開度が制限開度となるよう第１可変ノズル機構を制御する。

　この開示に従えば、過給機の始動を補助する装置を追加することなく、過給圧の段差を低減することが可能な過給システムを提供することができる。

この実施の形態におけるエンジンの概略構成の一例を示す図である。シングル過給モード時の過給システムの動作を説明するための図である。助走モード時の過給システムの動作を説明するための図である。ツイン過給モード時の過給システムの動作を説明するための図である。制御装置で実行される処理の一例を示すフローチャートである。推定モデルを用いた制限開度の算出を説明するための図である。プライマリ過給機の可変ノズル機構のベース開度の算出を説明するための図である。エキマニ内圧力と制御信号ＶＮ１で示される指令開度との変化を示す図である。セカンダリ過給機の第２過給圧が停滞する場合を説明するための図である。この実施の形態における過給圧の変化について説明するための図である。従来の過給圧の変化について説明するための図である。

　以下、図面を参照しつつ、この開示の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号が付されている。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返されない。

　＜過給システムの構成について＞
　図１は、この実施の形態におけるエンジン１の概略構成の一例を示す図である。図１を参照して、このエンジン１は、たとえば、走行のための駆動源として車両に搭載される。この実施の形態においては、エンジン１は、ディーゼルエンジンである場合を一例として説明するが、たとえば、ガソリンエンジンであってもよい。

　エンジン１は、バンク１０Ａ，１０Ｂと、エアクリーナ２０と、インタークーラ２５と、吸気マニホールド２８Ａ，２８Ｂと、プライマリ過給機３０と、セカンダリ過給機４０と、排気マニホールド５０Ａ，５０Ｂ（以下「エキマニ」ともいう）と、排気処理装置８１と、制御装置２００とを備える。

　バンク１０Ａには、複数の気筒１２Ａが形成される。バンク１０Ｂには、複数の気筒１２Ｂが形成される。各気筒１２Ａ，１２Ｂ内にはピストン（図示せず）が収納されており、ピストンの頂部と気筒の内壁とによって燃焼室（燃料が燃焼する空間）が形成されている。各気筒１２Ａ，１２Ｂ内をピストンが摺動することによって燃焼室の容積が変化される。各気筒１２Ａ，１２Ｂには、インジェクタ（図示せず）が設けられており、エンジン１の動作中においては、制御装置２００によって設定されたタイミングおよび量の燃料を各気筒１２Ａ，１２Ｂ内に噴射する。なお、各インジェクタから噴射する燃料の噴射量およびタイミングは、たとえば、エンジン回転数ＮＥ、吸入空気量Ｑｉｎ、アクセルペダルの踏み込み量あるいは車両の速度等から制御装置２００によって設定される。

　各気筒１２Ａ，１２Ｂのピストンは、コネクティングロッドを介して共通のクランクシャフト（図示せず）に連結される。各気筒１２Ａ，１２Ｂ内において所定の順序で燃料が燃焼することによってピストンが各気筒１２Ａ，１２Ｂ内を摺動し、ピストンの上下運動がコネクティングロッドを経由してクランクシャフトの回転運動に変換される。

　プライマリ過給機３０は、コンプレッサ３１とタービン３２とを含むターボチャージャーである。プライマリ過給機３０のコンプレッサ３１は、エンジン１の吸気通路（すなわち、エアクリーナ２０から吸気マニホールド２８Ａ，２８Ｂまでの通路）に設けられる。プライマリ過給機３０のタービン３２は、エンジン１の排気通路（すなわち、排気マニホールド５０Ａ，５０Ｂから排気処理装置８１までの通路）に設けられる。

　コンプレッサ３１内には、コンプレッサホイール３３が回転自在に収納される。タービン３２内には、タービンホイール３４と可変ノズル機構３５とが設けられる。タービンホイール３４は、回転自在にタービン３２内に収納される。コンプレッサホイール３３と、タービンホイール３４とは、回転軸３６によって連結されており、一体的に回転する。コンプレッサホイール３３は、タービンホイール３４に供給される排気のエネルギー（排気エネルギー）によって回転駆動される。プライマリ過給機３０、タービン３２、及び可変ノズル機構３５は本開示の第1過給機、第1タービン、第1可変ノズル機構にそれぞれ相当する。

　可変ノズル機構３５は、タービン３２を作動させる排気の流速を変化させる。可変ノズル機構３５は、タービンホイール３４の外周側に配置され、排気流入口から供給される排気をタービンホイール３４に導く複数のノズルベーン（図示せず）と、複数のノズルベーンの各々を回転させることによって隣接するノズルベーン間の隙間（以下の説明においてこの隙間をＶＮ開度と記載する）を変化させる駆動装置（図示せず）とを含む。可変ノズル機構３５は、たとえば、制御装置２００からの制御信号ＶＮ１に応じて駆動装置を用いてノズルベーンを回転させることによってＶＮ開度を変化させる。

　セカンダリ過給機４０は、コンプレッサ４１とタービン４２とを含むターボチャージャーである。この実施の形態においては、セカンダリ過給機４０は、プライマリ過給機３０と同じ構造およびサイズであることとする。セカンダリ過給機４０のコンプレッサ４１は、エンジン１の吸気通路において、コンプレッサ３１に並列して設けられ、エンジン１の吸気を過給する。セカンダリ過給機４０のタービン４２は、エンジン１の排気通路において、タービン３２に並列して設けられる。

　コンプレッサ４１内には、コンプレッサホイール４３が回転自在に収納される。タービン４２内には、タービンホイール４４と可変ノズル機構４５とが設けられる。タービンホイール４４は、回転自在にタービン４２内に収納される。コンプレッサホイール４３と、タービンホイール４４とは、回転軸４６によって連結されており、一体的に回転する。コンプレッサホイール４３は、タービンホイール４４に供給される排気エネルギーによって回転駆動される。セカンダリ過給機４０、タービン４２、及び可変ノズル機構４５は本開示の第２過給機、第２タービン、第２可変ノズル機構にそれぞれ相当する。

　なお、可変ノズル機構４５は、可変ノズル機構３５と同様の構成を有するため、その詳細な説明は繰り返さない。可変ノズル機構４５は、たとえば、制御装置２００からの制御信号ＶＮ２に応じて駆動装置を用いてノズルベーンを回転させることによってＶＮ開度を変化させる。

　エアクリーナ２０は、吸気口（図示せず）から吸入された空気から異物を除去する。エアクリーナ２０には、吸気管２３の一方端が接続される。吸気管２３の他方端は、分岐して吸気管２１の一方端および吸気管２２の一方端に接続される。

　吸気管２１の他方端は、プライマリ過給機３０のコンプレッサ３１の吸気流入口に接続される。プライマリ過給機３０のコンプレッサ３１の吸気流出口には、吸気管３７の一方端が接続される。吸気管３７の他方端は、インタークーラ２５に接続される。コンプレッサ３１は、コンプレッサホイール３３の回転によって吸気管２１を通じて吸入される空気を過給して吸気管３７に供給する。

　吸気管２２の他方端は、セカンダリ過給機４０のコンプレッサ４１の吸気流入口に接続される。セカンダリ過給機４０のコンプレッサ４１の吸気流出口には、吸気管４７の一方端が接続される。吸気管４７の他方端は、吸気管３７の途中の接続部Ｊ３に接続される。コンプレッサ４１は、コンプレッサホイール４３の回転によって吸気管２２を通じて吸入される空気を過給して吸気管４７に供給する。

　吸気管４７の途中には第１制御弁６２が設けられている。第１制御弁６２は、たとえば、制御装置２００からの制御信号ＣＶ１に応じてＯＮ（開）／ＯＦＦ（閉）制御されるノーマリーオフのＶＳＶ（負圧切替弁）である。

　また、吸気管４７において第１制御弁６２よりも上流側（コンプレッサ４１側）に位置する接続部Ｊ４に、還流管４８の一方端が接続されている。また、還流管４８の他方端は吸気管２１に接続されている。還流管４８は、吸気管４７を流れる空気の少なくとも一部をプライマリ過給機３０のコンプレッサ３１よりも上流側に還流させるための通路である。還流管４８を通じて吸気管２１に還流した空気は、コンプレッサ３１に供給される。

　還流管４８の途中には第２制御弁６４が設けられている。第２制御弁６４は、たとえば、制御装置２００からの制御信号ＣＶ２に応じてＯＮ（開）／ＯＦＦ（閉）制御されるノーマリーオフの電磁弁（ソレノイドバルブ）である。

　接続部Ｊ３には、コンプレッサ３１によって過給された空気と、コンプレッサ４１によって過給され、第１制御弁６２を通過した空気とが供給される。これらの空気は、接続部Ｊ３で合流してインタークーラ２５に流入する。

　インタークーラ２５は、流入した空気を冷却するように構成される。インタークーラ２５は、たとえば空冷式又は水冷式の熱交換器である。インタークーラ２５には、２カ所の吸気流出口が設けられる。インタークーラ２５の一方の出口には、吸気管２７Ａの一方端が接続される。吸気管２７Ａの他方端は、吸気マニホールド２８Ａに接続される。インタークーラ２５の他方の出口には、吸気管２７Ｂの一方端が接続される。吸気管２７Ｂの他方端は、吸気マニホールド２８Ｂに接続される。

　吸気マニホールド２８Ａ、２８Ｂは、それぞれバンク１０Ａ、１０Ｂにおける気筒１２Ａ、１２Ｂの吸気ポート（図示せず）に連結される。一方、排気マニホールド５０Ａ，５０Ｂは、それぞれバンク１０Ａ，１０Ｂにおける気筒１２Ａ，１２Ｂの排気ポート（図示せず）に連結される。

　各気筒１２Ａ，１２Ｂの燃焼室から排気ポートを通じて気筒外に排出された排気（燃焼後のガス）は、エンジン１の排気通路を経由して外に排出される。上記の排気通路は、排気マニホールド５０Ａ，５０Ｂ、排気管５１Ａ，５１Ｂと、接続部Ｊ１と、排気管５２Ａ，５２Ｂ，５３Ａ，５３Ｂと、接続部Ｊ２とを含む。排気管５１Ａの一方端は、排気マニホールド５０Ａに接続される。排気管５１Ｂの一方端は、排気マニホールド５０Ｂに接続される。排気管５１Ａの他方端と、排気管５１Ｂの他方端とは、接続部Ｊ１において一旦合流した後に、分岐して排気管５２Ａの一方端および排気管５２Ｂの一方端に接続される。

　排気管５２Ａの他方端は、タービン３２の排気流入口に接続される。タービン３２の排気流出口には、排気管５３Ａの一方端が接続される。排気管５２Ｂの他方端は、タービン４２の排気流入口に接続される。タービン４２の排気流出口には、排気管５３Ｂの一方端が接続される。

　排気管５２Ｂの途中には第３制御弁６６が設けられる。第３制御弁６６は、たとえば、制御装置２００からの制御信号ＣＶ３に応じてＯＮ（開）／ＯＦＦ（閉）制御されるノーマリーオンのＶＳＶ（負圧切替弁）である。

　排気管５３Ａの他方端と排気管５３Ｂの他方端とは、接続部Ｊ２において合流し、排気処理装置８１に接続される。排気処理装置８１は、たとえば、ＳＣＲ触媒、酸化触媒、あるいは、ＰＭ除去フィルタ等によって構成され、排気管５３Ａおよび排気管５３Ｂから流通する排気を浄化する。

　エンジン１の動作は、制御装置２００によって制御される。制御装置２００は、各種処理を行なうＣＰＵ（Central　Processing　Unit）と、プログラムおよびデータを記憶するＲＯＭ（Read　Only　Memory）およびＣＰＵの処理結果等を記憶するＲＡＭ（Random　Access　Memory）等を含むメモリと、外部との情報のやり取りを行なうための入出力ポート（いずれも図示せず）とを含む。入力ポートには、各種センサ類（たとえば、エアフローメータ１０２、第１圧力センサ１０６および第２圧力センサ１０８等）が接続される。出力ポートには、制御対象となる機器（たとえば、複数のインジェクタ、可変ノズル機構３５，４５、第１制御弁６２、第２制御弁６４、第３制御弁６６等）が接続される。

　制御装置２００は、各センサおよび機器からの信号、ならびにメモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、エンジン１が所望の運転状態となるように各種機器を制御する。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）により処理することも可能である。また、制御装置２００には、時間の計測を行うためのタイマー回路（図示せず）が内蔵されている。

　エアフローメータ１０２は、吸入空気量Ｑｉｎを検出する。エアフローメータ１０２は、検出した吸入空気量Ｑｉｎを示す信号を制御装置２００に送信する。

　エンジン回転数センサ（図示なし）は、エンジン回転数ＮＥを検出する。エンジン回転数センサは、検出したエンジン回転数ＮＥを示す信号を制御装置２００に送信する。

　第１圧力センサ１０６は、吸気管３７の接続部Ｊ３における圧力（以下、第１過給圧と記載する）Ｐｐを検出する。第１圧力センサ１０６は、検出した第１過給圧Ｐｐを示す信号を制御装置２００に送信する。

　第２圧力センサ１０８は、吸気管４７の接続部Ｊ４における圧力（以下、第２過給圧Ｐｓと記載する）を検出する。第２圧力センサ１０８は、第２過給圧Ｐｓを示す信号を制御装置２００に送信する。

　この実施の形態において、プライマリ過給機３０とセカンダリ過給機４０と制御装置２００とによって「過給システム」が構成される。

　制御装置２００は、第１制御弁６２、第２制御弁６４および第３制御弁６６を制御することにより、プライマリ過給機３０（プライマリターボ）のみで過給を行なうシングル過給モードと、プライマリ過給機３０（プライマリターボ）およびセカンダリ過給機４０（セカンダリターボ）の両方で過給を行なうツイン過給モードとのうちのいずれか一方から他方に切替える切替制御を実行可能に構成される。また、制御装置２００は、シングル過給モードからツイン過給モードに切替える場合には、シングル過給モードから、セカンダリ過給機４０による過給圧を一定以上に上昇させる助走モードでの運転を実行した後に、過給モードをツイン過給モードに切替える。シングル過給モードとツイン過給モードは本開示の第１過給モードと第２過給モードに相当する。

　以下、シングル過給モード、助走モードおよびツイン過給モードの各々における過給システムの動作について図２、図３および図４を参照しつつ説明する。

　＜シングル過給モードについて＞
　制御装置２００は、所定の実行条件が成立する場合に、シングル過給モードで過給システムを動作させる。所定の実行条件とは、たとえば、エンジン回転数ＮＥおよび吸入空気量Ｑｉｎに基づくエンジン１の運転状態が低負荷運転状態であるという条件を含む。制御装置２００は、過給モードがシングル過給モードである場合には、第１制御弁６２、第２制御弁６４および第３制御弁６６をいずれも閉状態（オフ状態）にする。

　図２は、シングル過給モード時の過給システムの動作を説明するための図である。図２の矢印に示すように、排気マニホールド５０Ａ，５０Ｂを流通する排気は、排気管５２Ａを経由してプライマリ過給機３０のタービン３２に流れ、排気管５３Ａを経由して排気処理装置８１に流れる。タービン３２に供給された排気によって、タービンホイール３４が回転し、タービンホイール３４の回転にともなってコンプレッサホイール３３が回転する。

　エアクリーナ２０から吸入される空気は、吸気管２３および吸気管２１を経由してコンプレッサ３１に流れる。コンプレッサ３１から吐出された吸気は、吸気管３７を経由してインタークーラ２５に流れる。インタークーラ２５に流れた吸気は、吸気管２７Ａ，２７Ｂに分岐して吸気マニホールド２８Ａ，２８Ｂの各々に流れる。

　＜助走モードについて＞
　制御装置２００は、たとえば、過給モードがシングル過給モードであって、かつ、プライマリ過給機３０の回転数がしきい値を超える場合に、シングル過給モードからツイン過給モードへの切替要求があると判定する。

　制御装置２００は、シングル過給モードからツイン過給モードへの切替要求がある場合には、ツイン過給モードに切替える前に助走モードを実行する。すなわち、制御装置２００は、第２制御弁６４および第３制御弁６６の両方を開状態（オン状態）にし、第１制御弁６２を閉状態（オフ状態）にする。

　図３は、助走モード時の過給システムの動作を説明するための図である。図３の矢印に示すように、排気マニホールド５０Ａ，５０Ｂを流通する排気は、接続部Ｊ１で一旦合流した後に排気管５２Ａ，５２Ｂに分岐し、プライマリ過給機３０，セカンダリ過給機４０のタービン３２，４２の両方に流れ、排気管５３Ａ，５３Ｂを経由して排気処理装置８１に流通する。

　タービン３２に供給された排気によって、タービンホイール３４が回転し、タービンホイール３４の回転にともなってコンプレッサホイール３３が回転する。タービン４２に供給された排気によって、タービンホイール４４が回転し、タービンホイール４４の回転にともなってコンプレッサホイール４３が回転する。

　エアクリーナ２０から吸入される空気は、吸気管２３から吸気管２１，２２に分岐してコンプレッサ３１，４１の両方に流れる。コンプレッサ３１から吐出された吸気は、吸気管３７を経由してインタークーラ２５に流れる。コンプレッサ４１から吐出された吸気は、吸気管４７から接続部Ｊ４を経由して還流管４８に流れ、還流管４８から吸気管２１を経由してコンプレッサ３１に流れる。

　インタークーラ２５に流れた吸気は、吸気管２７Ａ，２７Ｂに分岐して吸気マニホールド２８Ａ，２８Ｂの各々に流れる。助走モードにおいては、プライマリ過給機３０によってインタークーラ２５に流れる吸気を過給しつつ、セカンダリ過給機４０の回転数が上昇される。セカンダリ過給機４０の回転数が上昇するにつれてセカンダリ過給機４０のコンプレッサ４１から吐出される吸気の圧力が上昇していく。

　＜ツイン過給モードについて＞
　制御装置２００は、助走モード中におけるセカンダリ過給機４０の過給能力が十分高くなったタイミングで、ツイン過給モードで過給システムを動作させる。制御装置２００は、過給モードがツイン過給モードである場合には、第１制御弁６２を開状態（オン状態）にするとともに、第２制御弁６４を閉状態（オフ状態）にする。また、第３制御弁６６の両方を開状態（オン状態）にする。

　図４は、ツイン過給モード時の過給システムの動作を説明するための図である。助走モード時においては、セカンダリ過給機４０のコンプレッサ４１から吐出された吸気が吸気管４７の途中から還流管４８を経由して吸気管２１に流れていたのに対して、ツイン過給モード時においては、図４の矢印に示すように、セカンダリ過給機４０のコンプレッサ４１から吐出された吸気が吸気管４７から吸気管３７を経由してインタークーラ２５に流れる。

　なお、上述以外の排気および吸気の流れは助走モード時の排気および吸気の流れと同様である。そのため、その詳細な説明は繰り返さない。

　図１１は、従来の過給圧の変化について説明するための図である。図１１を参照して、実線はセカンダリ過給機４０の第２過給圧Ｐｓ、破線はプライマリ過給機３０の第１過給圧Ｐｐを示す。シングル過給モードから上述の助走モードに切替えずにツイン過給モードに直接切替える場合、シングル過給モードにおいてプライマリ過給機３０の第１過給圧Ｐｐが上昇した後に、ツイン過給モードに切替えたとき、セカンダリ過給機４０の第２過給圧Ｐｓの急激な上昇に伴い、プライマリ過給機３０の第１過給圧Ｐｐが急激に下がる。このため、第１過給圧Ｐｐの過給圧の段差が大きくなる。これにより、たとえば過給圧の上昇のもたつきによりドライバビリティが悪化したり、たとえば過給圧の比較的大きな変動により過給機に負担が掛かることで過給機の信頼性が悪化したりする。

　この過給圧の段差を低減させるために、過給システムにおいて、２つ目のセカンダリ過給機４０の始動を補助するためのモータを備えるようにすることが考えられる。しかし、このような過給システムでは、モータを搭載するためのコストが掛かり、モータを搭載するためのスペースを確保する必要があり、また、モータを搭載すると車両の重量が増加してしまう。

　そこで、この実施の形態においては、制御装置２００は、シングル過給モードからツイン過給モードに切替える前に、セカンダリ過給機４０に排気を供給しつつ、セカンダリ過給機４０によって過給された空気をプライマリ過給機３０に供給する助走モードでの運転を実行し、助走モードでの運転中に、セカンダリ過給機４０の過給圧がプライマリ過給機３０の過給圧に到達した場合にツイン過給モードに切替え、助走モードでの運転を開始する場合に、可変ノズル機構４５の開度が、可変ノズル機構３５の開度よりも小さくなるように可変ノズル機構４５を制御する。

　これにより、セカンダリ過給機４０の始動を補助する装置を追加することなく、過給圧の段差を低減することができる。その結果、ドライバビリティおよび過給機の信頼性が改善される。

　図５は、制御装置で実行される処理の一例を示すフローチャートである。この処理は、制御装置２００によって、メイン処理から所定の制御周期ごとに繰返し呼出されて実行される。図５を参照して、制御装置２００は、過給モードフラグがシングル過給モードを示す値であるか否かを判断する（ステップＳ１０１）。過給モードフラグは、現在制御されている過給モードを示すフラグであって、制御されている過給モードとして、シングル過給モード、ツイン過給モード、および、助走モードのいずれかを示す値を取り得る。

　過給モードフラグがシングル過給モードを示さない（ステップＳ１０１でＮＯ）と判断した場合、制御装置２００は、実行する処理をステップＳ１１１の処理に進める。

　一方、過給モードフラグがシングル過給モードを示す（ステップＳ１０１でＹＥＳ）と判断した場合、制御装置２００は、ツイン過給モードへの切替要求が有るか否かを判断する（ステップＳ１０２）。たとえば、前述したように、プライマリ過給機３０の回転数がしきい値を超える場合に、ツイン過給モードへの切替要求が有ると判断する。切替要求が無い（ステップＳ１０２でＮＯ）と判断した場合、制御装置２００は、実行する処理をステップＳ１１１の処理に進める。

　一方、切替要求が有る（ステップＳ１０２でＹＥＳ）と判断した場合、制御装置２００は、過給モードフラグを助走モードを示す値に書換える（ステップＳ１０３）。次に、制御装置２００は、可変ノズル機構３５の制御信号ＶＮ１で指令開度として出力する制限開度ＶＮ１ｔｈを、制限開度の推定モデルで算出する（ステップＳ１０４）。

　図６は、制限開度の推定モデルを用いた制限開度の算出を説明するための図である。図６を参照して、まず、以下の数式（１）で示すノズル式を用いて目標有効開口面積μＡを算出する。

　なお、Ａ：実開口面積、μＡ：目標有効開口面積、ｍ：吸入空気量Ｇａ＋噴射燃料の質量流量Ｇｆ、Ｒ：気体定数、Ｔ４：エキマニ内温度、Ｐ６：排気通路の背圧、Ｐ４：エキマニ内圧力、ａ，ｂ：Ｐ６／Ｐ４の値ごとに予め定められた定数、である。

　数式（１）のエキマニ内圧力Ｐ４として入力される制限エキマニ内圧力Ｐ４ｔｈは、排気バルブのバルブステムのオイルシールが吹き抜けたり、排気バルブが開弁したりしない値として予め定められる。吸入空気量Ｇａ、エキマニ内温度Ｔ４、および、背圧Ｐ６は、それぞれ、エアフローメータ１０２、温度センサ１１４、および、圧力センサ１１６からの検出信号に応じて特定される。噴射燃料の質量流量Ｇｆは、燃料の噴射のために制御装置２００により算出される燃料噴射量から算出される。

　次に、ＶＮ開度と有効開口面積との関係を示す開度特性マップを用いて、算出された目標有効開口面積μＡから制限開度ＶＮ１ｔｈを算出する。

　図５に戻って、制御装置２００は、可変ノズル機構３５のベース開度ＶＮ１ｂが、ＶＮ１ｔｈより大きいか否かを判断する（ステップＳ１０５）。

　図７は、プライマリ過給機３０の可変ノズル機構３５のベース開度の算出を説明するための図である。図７を参照して、実線はタービン仕事、破線はタービン効率を示す。可変ノズル機構３５においては、制御信号ＶＮ１で示される開度が開き側から閉まり側に変化するのに従って、ピークまでは、排気の膨張比が増大することに伴って、プライマリ過給機３０のタービン仕事が上昇するが、ピークに達した後、閉まり側にさらに変化するのに従って、プライマリ過給機３０を通過する排気のガス量が低下することに伴って、プライマリ過給機３０のタービン仕事が低下する。また、プライマリ過給機３０のタービン効率は、プライマリ過給機３０の特性によりある開度でピークを持つ。

　このタービン仕事がピークとなる開度と、タービン効率がピークとなる開度との間の開度を、ベース開度ＶＮ１ｂとする。たとえば、タービン仕事がピークとなる開度と、タービン効率がピークとなる開度との中間の開度を、ベース開度ＶＮ１ｂとする。この中間の開度は本開示の所定開度に相当する。

　この実施の形態のように、助走モードにおいて、制御信号ＶＮ１，ＶＮ２で示される指令開度を閉め側で制御すると、排気の流路面積が小さくなる一方、プライマリ過給機３０の過給圧の段差が小さくなるため、エキマニ内圧力Ｐ４が上昇しやすくなってしまう。排気バルブのバルブステムのオイルシールが吹き抜けたり、排気バルブが開弁したりしないように、制限エキマニ内圧力Ｐ４ｔｈを設けているが、エキマニ内圧力Ｐ４が制限エキマニ内圧力Ｐ４ｔｈを超えてしまう懸念がある。

　図８は、エキマニ内圧力と制御信号ＶＮ１で示される指令開度との変化を示す図である。図８を参照して、制御信号ＶＮ１で示される指令開度に制限を設けず、指令開度をベース開度ＶＮ１ｂとした場合、助走モード中にエキマニ内圧力Ｐ４が制限エキマニ内圧力Ｐ４ｔｈを超えてしまう場合がある。

　このため、指令開度が制限開度ＶＮ１ｔｈを超える場合は、指令開度を制限晃度ＶＮ１ｔｈとする。これにより、エキマニ内圧力Ｐ４が制限エキマニ内圧力Ｐ４ｔｈを超えないようにすることができる。

　図５に戻って、ＶＮ１ｂがＶＮ１ｔｈより大きくない（ステップＳ１０５でＮＯ）と判断した場合、制御装置２００は、制御信号ＶＮ１での指令開度を、ベース開度ＶＮ１ｂとして、制御信号ＶＮ１を出力する（ステップＳ１０６）。

　一方、ＶＮ１ｂがＶＮ１ｔｈより大きい（ステップＳ１０５でＹＥＳ）と判断した場合、制御装置２００は、指令開度を制限開度ＶＮ１ｔｈとした制御信号ＶＮ１をプライマリ過給機３０の可変ノズル機構３５に出力する（ステップＳ１０７）。

　ステップＳ１０６またはステップＳ１０７の後、制御装置２００は、指令開度を、制御上の最小の開度である制御全閉（開口面積が０である訳ではない。）の開度ＶＮ２ｂとした制御信号ＶＮ２をセカンダリ過給機４０の可変ノズル機構４５に出力する（ステップＳ１０８）。

　なお、Ｃｐｇ：定圧比熱（０．２６）、Ｋ：排気ガスの比熱比（１．３３）、Ｇ４：過給機通過ガス量、Ｔ４：エキマニ内温度、Ｐ４：エキマニ内圧力、Ｐ６：排気通路の背圧、である。

　なお、Ｃｐａ：定温比熱（０．２４）、ｋ：空気の比熱比（１．４）、Ｇａ：吸入空気量、Ｔ１：吸入空気温度、Ｐ３：過給機後吸気圧力、Ｐ２：過給機前吸気圧力、である。

　上に示した数式（２）から数式（４）は過給機の物理式である。ステップＳ１０７およびステップＳ１０８で示すように、この実施の形態においては、助走モードにおいて、プライマリ過給機３０の可変ノズル機構３５の開度よりも、セカンダリ過給機４０の可変ノズル機構４５の開度を閉め側で使用する。このため、開き側で使用する場合と比較して、セカンダリ過給機４０の側の圧力損失の増加により、プライマリ過給機３０の過給機通過ガス量Ｇ４の低下を抑制することができる。また、開き側で使用する場合と比較して、エキマニ内圧力Ｐ４の低下を抑制することができるため、膨張比Ｐ４／Ｐ６の低下を抑制できる。これにより、数式（２）によれば、プライマリ過給機３０のタービン仕事の低下を抑制することができ、コンプレッサ仕事の低下を抑制することができる。また、数式（３）によれば、プライマリ過給機３０の過給機後吸気圧力Ｐ３＝第１過給圧Ｐｐの低下を抑制することができる。

　次に、制御装置２００は、第２制御弁６４の制御信号ＣＶ２を、第２制御弁６４を開状態にする信号とし（ステップＳ１０９）、第３制御弁６６の制御信号ＣＶ３を、第３制御弁６６を開状態にする信号とする（ステップＳ１１０）。

　制御装置２００は、過給モードフラグが、助走モードを示す値であるか否かを判断する（ステップＳ１１１）。助走モードでない（ステップＳ１１１でＮＯ）と判断した場合、制御装置２００は、実行する処理をこの助走モード処理の呼出元に戻す。

　一方、助走モードである（ステップＳ１１１でＹＥＳ）と判断した場合、制御装置２００は、セカンダリ過給機４０の第２過給圧Ｐｓが停滞しているか否かを判断する（ステップＳ１１２）。たとえば、第２過給圧Ｐｓが停滞しているか否かは、第２過給圧Ｐｓの時間微分値が、停滞と判断し得る所定値より小さくなったか否かによって判断されるようにする。

　第２過給圧Ｐｓが停滞している（ステップＳ１１２でＹＥＳ）と判断した場合、可変ノズル機構４５の制御信号ＶＮ２での指令開度を制御信号ＶＮ１での指令開度と同じ開度に変更して、制御信号ＶＮ２を出力する（ステップＳ１１３）。

　図９は、セカンダリ過給機４０の第２過給圧Ｐｓが停滞する場合を説明するための図である。図９を参照して、実線はセカンダリ過給機４０の第２過給圧Ｐｓ、破線はプライマリ過給機３０の第１過給圧Ｐｐを示す。助走モードに切替えられる前に、第１過給圧Ｐｐが高い場合、第２過給圧Ｐｓが第１過給圧Ｐｐまで追付かずに、図９の二点鎖線で示すように、停滞してしまう場合がある。このような場合に、セカンダリ過給機４０の可変ノズル機構４５の開度を大きくすることで、図９で示すように、第２過給圧Ｐｓが第１過給圧Ｐｐに追付き、第２過給圧Ｐｓの停滞を解消することができる。この場合に、この実施の形態においては、セカンダリ過給機４０の可変ノズル機構４５の開度を、プライマリ過給機３０の可変ノズル機構３５の開度と同じ開度まで大きくする。

　図５に戻って、第２過給圧Ｐｓが停滞していない（ステップＳ１１２でＮＯ）と判断した場合、または、ステップＳ１１３の後、制御装置２００は、セカンダリ過給機４０の第２過給圧Ｐｓがプライマリ過給機３０の第１過給圧Ｐｐと等しくなったか否かを判断する（ステップＳ１１４）。等しくなっていない（ステップＳ１１４でＮＯ）と判断した場合、制御装置２００は、実行する処理をこの助走モード処理の呼出元に戻す。

　一方、第２過給圧Ｐｓが第１過給圧Ｐｐと等しくなった（ステップＳ１１４でＹＥＳ）と判断した場合、過給モードフラグをツイン過給モードを示す値に変更し（ステップＳ１１５）、第１制御弁６２の制御信号ＣＶ１を、第１制御弁６２を開状態にする信号とし（ステップＳ１１６）、第２制御弁６４の制御信号ＣＶ２を、第２制御弁６４を閉状態にする信号とする（ステップＳ１１７）。その後、制御装置２００は、実行する処理をこの助走モード処理の呼出元に戻す。

　図１０は、この実施の形態における過給圧の変化について説明するための図である。図１０を参照して、実線はセカンダリ過給機４０の第２過給圧Ｐｓ、破線はプライマリ過給機３０の第１過給圧Ｐｐ、２点鎖線は、従来の第１過給圧Ｐｐおよび第２過給圧Ｐｓを示す。図５で示した制御を実行することによって、シングル過給モードとツイン過給モードとの間に助走モードが設けられることで、図１１で示した従来のプライマリ過給機３０の第１過給圧Ｐｐの段差と比較して、第１過給圧Ｐｐの段差を低減することができる。

　［変形例］
　（１）　前述した実施の形態では、エンジン１の吸気通路には、プライマリ過給機３０およびセカンダリ過給機４０が設けられるものとして説明したが、エンジン１の吸気通路には、プライマリ過給機３０およびセカンダリ過給機４０に加えて、たとえば、吸気絞り弁や排気再循環装置のＥＧＲ（Exhaust　Gas　Recirculation）ガス流入口が設けられてもよい。

　（２）　前述した実施の形態では、エンジン１は、Ｖ型６気筒のエンジンを一例として説明したが、たとえば、その他の気筒レイアウト（たとえば、直列型あるいは水平型）のエンジンであってもよい。

　（３）　前述した実施の形態では、プライマリ過給機３０の回転数によってシングル過給モードからツイン過給モードへの切替要求があるか否かを判定するものとして説明したが、プライマリ過給機３０の回転数に加えて、プライマリ過給機３０の効率や車両の運転状態（たとえば、加速状態）等のドライバビリティの観点からシングル過給モードからツイン過給モードへの切替要求があるか否かを判定してもよい。

　（４）　前述した実施の形態では、過給システムとして２つの過給機を備えるものとして説明したが、３つ以上の過給機を有するものであってもよい。

　（５）　前述した実施の形態では、第１圧力センサ１０６は、吸気管３７内の圧力を検出するものとして説明したが、少なくともプライマリ過給機３０のコンプレッサ３１の第１過給圧Ｐｐが検出できればよく、たとえば、吸気管２７Ａ内の圧力を検出してもよいし、あるいは、吸気管２７Ｂ内の圧力を検出してもよい。

　（６）　前述した実施の形態では、制御装置２００は、第２過給圧Ｐｓが第１過給圧Ｐｐに到達したときに過給モードをツイン過給モードに切替えるものとして説明したが、少なくとも第２過給圧Ｐｓが第１過給圧Ｐｐに到達していればよく、たとえば、制御装置２００は、第２過給圧Ｐｓが第１過給圧Ｐｐに到達した後の所定のタイミングで過給モードをツイン過給モードに切替えてもよい。

　（７）　前述した実施の形態においては、図５のステップＳ１１２で示したように、第２過給圧Ｐｓが停滞しているか否かは、第２過給圧Ｐｓの時間微分値が、停滞と判断し得る所定値より小さくなったか否かによって判断されるようにした。しかし、これに限定されず、第２過給圧Ｐｓが停滞しているか否かは、助走モードに切替えられてからの期間が、停滞と判断し得る所定期間以上となったか否かによって判断されるようにしてもよいし、Ｐｐ－Ｐｓの時間微分値が、停滞と判断し得る所定値より小さくなったか否かによって判断されるようにしてもよいし、第１過給圧Ｐｐの時間微分値が、停滞と判断し得る所定値より小さくなったか否かによって判断されるようにしてもよい。

　（８）　前述した実施の形態においては、図５のステップＳ１１３で示したように、セカンダリ過給機４０の可変ノズル機構４５の開度を、プライマリ過給機３０の可変ノズル機構３５の開度と同じ開度まで大きくするようにした。しかし、これに限定されず、セカンダリ過給機４０の可変ノズル機構４５の開度を大きくすればよく、セカンダリ過給機４０の可変ノズル機構４５の開度とプライマリ過給機３０の可変ノズル機構３５の開度との間の所定開度まで大きくするようにしてもよい。

　（９）　前述した実施の形態を、プライマリ過給機３０とセカンダリ過給機４０と制御装置２００とによって構成される過給システムの開示、エンジン１等の内燃機関の開示、エンジン１等の内燃機関のＥＣＵ１００等の制御装置の開示、このような制御装置による制御方法の開示、または、このような内燃機関と制御装置とを含む内燃機関システムの開示として捉えることができる。

　［効果］
　（１）　図１から図４で示したように、過給システムは、エンジン１から排出される排気によって駆動するタービン３２と、タービン３２へ流入する排気の流速を開度によって調整する可変ノズル機構３５とを含み、エンジン１に吸入される空気を過給するプライマリ過給機３０と、エンジン１から排出される排気によって駆動するタービン４２と、タービン４２へ流入する排気の流速を開度によって調整する可変ノズル機構４５とを含み、エンジン１に吸入される空気を過給するセカンダリ過給機４０と、プライマリ過給機３０において過給された空気がエンジン１に供給されるシングル過給モードから、プライマリ過給機３０において過給された空気とセカンダリ過給機４０において過給された空気とがエンジン１に供給されるツイン過給モードに切替える制御装置２００とを備える。

　図５で示したように、制御装置２００は、シングル過給モードからツイン過給モードに切替える前に、セカンダリ過給機４０に排気を供給しつつ、セカンダリ過給機４０によって過給された空気をプライマリ過給機３０に供給する助走モードでの運転を実行する。図５のステップＳ１１４からステップＳ１１７で示したように、助走モードでの運転中に、セカンダリ過給機４０の第２過給圧Ｐｓがプライマリ過給機３０の第１過給圧Ｐｐに到達した場合にツイン過給モードに切替える。図５のステップＳ１０６からステップＳ１０８で示したように、助走モードでの運転を開始する場合に、セカンダリ過給機４０の可変ノズル機構４５の開度が、プライマリ過給機３０の可変ノズル機構３５の開度よりも小さくなるように可変ノズル機構４５を制御する。

　（２）　制御装置２００は、助走モードでの運転中に、セカンダリ過給機４０の第２過給圧Ｐｓの上昇が停滞する場合、セカンダリ過給機４０の可変ノズル機構４５の開度がプライマリ過給機３０の可変ノズル機構３５の開度と同じとなるように可変ノズル機構４５を制御する。これにより、セカンダリ過給機４０の可変ノズル機構４５の開度を小さくすることにより、第２過給圧Ｐｓの上昇が停滞する場合であっても、停滞を解消することができる。

　（３）　制御装置２００は、助走モードでの運転中、プライマリ過給機３０の可変ノズル機構３５のベース開度ＶＮ１ｂが、プライマリ過給機３０のタービン効率が最も良くなる開度とプライマリ過給機３０のタービン仕事が最も良くなる開度との中間の開度となるようプライマリ過給機３０の可変ノズル機構３５を制御する。これにより、セカンダリ過給機４０の可変ノズル機構４５の開度が、プライマリ過給機３０の可変ノズル機構３５の開度よりも小さくなるように制御する場合であっても、プライマリ過給機３０のタービン効率およびタービン仕事をバランス良く高い値とすることができる。

　（４）　制御装置２００は、エンジン１から排出される排気の圧力が制限エキマニ内圧力Ｐ４ｔｈに達する場合のプライマリ過給機３０の可変ノズル機構３５の制限開度ＶＮ１ｔｈを算出し、算出された制限開度ＶＮ１ｔｈをベース開度ＶＮ１ｂが上回る場合、可変ノズル機構３５の開度が制限開度ＶＮ１ｔｈとなるよう可変ノズル機構３５を制御する。これにより、エキマニ内圧力Ｐ４が制限エキマニ内圧力Ｐ４ｔｈを超えないようにすることができる。

　今回開示された各実施の形態は、適宜組合わせて実施することも予定されている。そして、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１　　エンジン
　１０Ａ，１０Ｂ　　バンク
　１２Ａ，１２Ｂ　　気筒
　２０　　エアクリーナ
　２１，２２，２３，２７Ａ，２７Ｂ，３７，４７　　吸気管
　２５　　インタークーラ
　２８Ａ，２８Ｂ　　吸気マニホールド
　３０　　プライマリ過給機
　３１，４１　　コンプレッサ
　３２，４２　　タービン
　３３，４３　　コンプレッサホイール
　３４，４４　　タービンホイール
　３５，４５　　可変ノズル機構
　３６，４６　　回転軸
　４０　　セカンダリ過給機
　４８　　還流管
　５０Ａ，５０Ｂ　　排気マニホールド
　５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ，５３Ａ，５３Ｂ　　排気管
　６２　　第１制御弁
　６４　　第２制御弁
　６６　　第３制御弁
　８１　　排気処理装置
　１０２　　エアフローメータ
　１０４　　エンジン回転数センサ
　１０６　　第１圧力センサ
　１０８　　第２圧力センサ
　１１４　　温度センサ
　１１６　　圧力センサ
　２００　　制御装置

Claims

　エンジンから排出される排気によって駆動する第１タービンと、前記第１タービンへ流入する排気の流速を開度によって調整する第１可変ノズル機構とを含み、前記エンジンに吸入される空気を過給する第１過給機と、
　前記エンジンから排出される排気によって駆動する第２タービンと、前記第２タービンへ流入する排気の流速を開度によって調整する第２可変ノズル機構とを含み、前記エンジンに吸入される空気を過給する第２過給機と、
　前記第１過給機において過給された空気が前記エンジンに供給される第１過給モードから、前記第１過給機において過給された空気と前記第２過給機において過給された空気とが前記エンジンに供給される第２過給モードに切替える制御装置とを備え、
　前記制御装置は、
　　前記第１過給モードから前記第２過給モードに切替える前に、前記第２過給機に排気を供給しつつ、前記第２過給機によって過給された空気を前記第１過給機に供給する助走運転を実行し、
　　前記助走運転中に、前記第２過給機の過給圧が前記第１過給機の過給圧に到達した場合に前記第２過給モードに切替え、
　　前記助走運転を開始する場合に、前記第２可変ノズル機構の開度が、前記第１可変ノズル機構の開度よりも小さくなるように前記第２可変ノズル機構を制御する、過給システム。
　前記制御装置は、前記助走運転中に、前記第２過給機の過給圧の上昇が停滞する場合、前記第２可変ノズル機構の開度が前記第１可変ノズル機構の開度と同じとなるように前記第２可変ノズル機構を制御する、請求項１に記載の過給システム。
　前記制御装置は、前記助走運転中、前記第１可変ノズル機構の開度が、前記第１過給機のタービン効率が最も良くなる開度と前記第１過給機のタービン仕事が最も良くなる開度との間の所定開度となるよう前記第１可変ノズル機構を制御する、請求項１に記載の過給システム。
　前記制御装置は、
　　前記エンジンから排出される排気の圧力が制限圧力に達する場合の前記第１可変ノズル機構の制限開度を算出し、
　　算出された前記制限開度を前記所定開度が上回る場合、前記第１可変ノズル機構の開度が制限開度となるよう前記第１可変ノズル機構を制御する、請求項３に記載の過給システム。