JP2008280883A - 過給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１ターボ過給機運転から並列２ターボ過給機運転へ移行する際のセカンダリターボ過給機の加速遅れを改善することのできる過給装置を提供することを課題とする。
【解決手段】第一の回転速度領域より高速側の第二の回転速度領域へ遷移するとき、セカンダリターボ過給機のコンプレッサ通路に配置された第２バルブ（５０）の全開状態に先行してセカンダリターボ過給機のタービン通路に配置された第１バルブ（３６）を全開状態としてプライマリターボ過給機に加えてセカンダリターボ過給機を作動させる。これにより、並列２ターボ過給機運転へ移行する際のセカンダリターボ過給機の回転を予め高めておくことができ、加速遅れを緩和して過給圧の落ち込みを低減することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の吸気を加圧する過給装置に関し、特に２つのターボ過給機を並列に接続してなる過給装置の改良に関する。

内燃機関の過給を機関の低速域より高速域までの広い速度領域にわたって高効率にて行うことができるよう、２つのターボ過給機を並列に接続してなる機関過給装置を構成し、機関の低速運転域に於いてはその一方のみを作動させ、機関の高速運転域に於いては両方のターボ過給機を作動させることが、例えば下記の特許文献１に記載されている如く知られている。更に、この特許文献１に記載の過給装置に於いては、第二のターボ過給機には可変ノズルが設けられ、第一のターボ過給機のみによる運転状態から第一および第二のターボ過給機の並列運転状態に遷移するとき、第二のターボ過給機の可変ノズルは予め閉じられており、その状態から始まって可変ノズルを徐々に開くことにより低速運転域から高速運転域への遷移が滑らかに行われるようになっている。

また、特許文献２には、２つのターボ過給機による過給装置を１ターボ過給機運転より並列２ターボ過給機運転への遷移をより滑らかに行うことを目的とした改良を施した過給装置が開示されている。

特開昭６３-１２９１２０号公報 特開２００５−１５５３５６号公報

２つのターボ過給機を備えた過給装置における１ターボ過給機運転から並列２ターボ過給機運転への移行は、セカンダリターボ過給機のタービン通路に配置された第１バルブと、セカンダリターボ過給機のコンプレッサ通路に配置された第２バルブとの開閉状態の制御によって行うことができる。特許文献２に開示された過給装置においても２つの開閉弁（第１バルブ、第２バルブ）を同時に全開状態とすることによりセカンダリターボ過給機の駆動を開始するようにしている。

しかし、プライマリターボ過給機のみを用いる１ターボ過給機運転からプライマリターボ過給機及びセカンダリターボ過給機の双方を使用する並列２ターボ過給機運転への移行の際は、セカンダリターボ過給機は、所定の過給圧に到達するまで急加速する必要があるが、ターボ過給機の回転体の慣性により時間遅れが生じることがある。

これは以下のような理由によるものと考えられる。プライマリターボ過給機及びセカンダリターボ過給機は、可変ノズルを備えたものがある。並列２ターボ過給機運転へ移行するときは、セカンダリターボ過給機のタービン側通路に配置された第１バルブは過給圧制御のために徐々に開かれ、バルブによる圧力低下がある。一方、セカンダリターボ過給機の可変ノズルをほぼ全閉状態とすると、セカンダリターボ過給機の膨張比が十分には取れずターボ過給機の予回転上昇が損なわれる。これに起因してセカンダリターボ過給機のコンプレッサ側通路に配置された第２バルブを急激に全開としたときの初期ターボ回転数が低くなり、この結果、ターボ過給圧の立ち上がりを悪化させるものと考えられる。

そこで、本発明は、１ターボ過給機運転から並列２ターボ過給機運転へ移行する際のセカンダリターボ過給機の加速遅れを改善することのできる過給装置を提供することを課題とする。

かかる課題を達成するための、本発明の過給装置は、プライマリターボ過給機と、セカンダリターボ過給機と、当該セカンダリターボ過給機のタービン通路に配置された第１バルブと、当該セカンダリターボ過給機のコンプレッサ通路に配置された第２バルブと、を備え、機関回転速度に応じて、前記第１バルブ及び第２バルブの開閉状態を変化させ、第一の回転速度領域では、前記セカンダリターボ過給機を非作動とし、前記第一の回転速度領域より高速側の第二の回転速度領域へ遷移するとき、前記第２バルブの全開状態に先行して前記第１バルブを全開状態として前記プライマリターボ過給機に加えて前記セカンダリターボ過給機が作動することを特徴としている（請求項１）。このような構成とすることにより、並列２ターボ過給機運転へ移行する際のセカンダリターボ過給機の回転を予め高めておくことができ、過給圧の落ち込みを低減することができる。このような過給装置を構成する前記プライマリターボ過給機及び前記セカンダリターボ過給機は、それぞれ可変ノズルを備えた構成とすることが望ましい（請求項２）。可変ノズルの調整を組み合わせることにより、より円滑な並列２ターボ過給機運転への移行を実現することができる。例えば、前記セカンダリターボ過給機は可変ノズルを備え、当該可変ノズルは、第二の回転速度領域へ遷移するとき、前記第２バルブの全開状態に先行して開放動作を開始する構成とすることができる（請求項３）。

本発明によれば、第一の回転速度領域より高速側の第二の回転速度領域へ遷移するとき、セカンダリターボ過給機のコンプレッサ通路に配置された第２バルブの全開状態に先行してセカンダリターボ過給機のタービン通路に配置された第１バルブを全開状態としてプライマリターボ過給機に加えてセカンダリターボ過給機を作動させるようにしたので、並列２ターボ過給機運転へ移行する際のセカンダリターボ過給機の回転を予め高めておくことができ、加速遅れを緩和して過給圧の落ち込みを低減することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、本発明の過給装置１の基本構成例を示す概略構成図である。図において、１０はプライマリターボ過給機のタービンであり、可変ノズル１２を備えた可変ノズル型排気タービンとして構成されている。１４はタービン１０より軸１６を経て駆動される圧縮機である。１８はセカンダリターボ過給機のタービンであり、可変ノズル５２を備えた可変ノズル型排気タービンとして構成されており、２０はタービン１８より軸２２を経て駆動される圧縮機である。尚、可変ノズル型タービン或はタービンの可変ノズル構造自体は周知であるので、その詳細な説明は明細書の記載の冗長化を避けるため省略する。

内燃機関の排気マニホルド（図示せず）より導管２４を経て送られてくる排気ガスは、導管２６を経てプライマリターボ過給機のタービン１０へその可変ノズル１２を経て供給されると共に、導管２８を経てセカンダリターボ過給機のタービン１８へ可変ノズル５２を経て供給されるようになっている。タービン１０を通った排気ガスは導管３０および３２を経て排出され、タービン１８を通った排気ガスは導管３４および３２を経て排出される。導管３４は本発明におけるタービン通路を構成するものであり、第１バルブ３６が設けられている。これにより、タービン１８の作動は第１バルブ３６の開閉により制御される。第１バルブ３６は単に開と閉の間に切り換えられる単純な開閉弁であってもよいが、本実施例では、中間開度も設定し得るバルブとしている。

導管３８および４０を経て圧縮機１４へ供給され、タービン１０による圧縮機１４の駆動により加圧された空気は、導管４２および４４を経て内燃機関の吸気マニホルド（図示せず）へ供給される。一方、導管３８および４６を経て圧縮機２０へ供給され、タービン１８による圧縮機２０の駆動により加圧された空気は、導管４８および４４を経て上記吸気マニホルドへ供給される。導管４８は本発明におけるコンプレッサ通路を構成するものであり、第２バルブ５０が設けられている。これにより、圧縮機２０による加圧空気の吸気マニホルドへの供給は弁５０の開閉によっても制御される。

図２は、図１に示した本発明による過給装置において、機関回転速度に対応して第１バルブ３６および第２バルブ５０が開閉されること、および可変ノズル１２および可変ノズル５２の開度が最小開度と最大開度の間で調節されることと、機関背圧および過給圧の変化との対応、さらに、プライマリターボ過給機及びセカンダリターボ過給機におけるターボ回転数を示すグラフである。

このグラフにおける実線表示より理解される通り、機関が停止状態にあるときを含み、車輌用内燃機関のアイドリング状態の如く機関回転速度が０に近い極低い値Ｎ１から以下に説明されるＮ５までは、第２バルブ５０は閉じられており、セカンダリターボ過給機は有効に作動していない。従って、Ｎ１〜Ｎ５が本発明における第一の機関回転速度領域に相当する。そして、機関回転速度Ｎ５以上にて第１バルブ３６および第２バルブ５０が全開状態となり、セカンダリターボ過給機の作動が開始されるので、Ｎ５以上の機関回転速度領域が本発明における第二の機関回転速度領域に相当する。

ここで、第１バルブ３６と第２バルブ５２の開放状態を、可変ノズル１２、可変ノズル５２の開放状態を交えつつ説明する。

機関の運転が開始されると、機関回転速度の増大に連れて機関背圧は図示の如く上昇し、それによってプライマリターボ過給機のタービン１２が駆動されることにより、圧縮機１４の作動によって得られる過給圧は図示の如く上昇する。そして過給圧が機関回転速度Ｎ２にて所定の目標値に達すると、これより機関回転速度がＮ３に達するまでプライマリターボ過給機の可変ノズル１２が徐々に開かれる。このように過給圧が所定の目標値に達したところでプライマリターボ過給機の可変ノズル１２を開く制御を行うことにより、過給による機関の出力性能の向上を得た上で、機関背圧を下げ、燃費を改善することができる。

第１バルブ３６は、機関回転速度Ｎ３に到達すると徐々に開かれる。これはセカンダリターボ過給機の暖機を行うことを目的とした制御である。第１バルブ３６は、機関回転速度がＮ４のときに全開状態としておく。一方のセカンダリターボ過給機の可変ノズル５２は、Ｎ４に到達するまで最小開度に絞られおり、Ｎ４の時点から徐々に開かれる。これらの動作により、セカンダリターボ過給機のターボ回転は僅かではあるが上昇する。

本実施例では第一の回転速度領域での可変ノズル１２は或る所定の中間開度までのみ開かれ、このときの機関回転速度Ｎ３より機関回転速度がＮ５に至るまでは、可変ノズル１２はその中間開度に保持される。尚、図示の実施の形態では、第１バルブ３６を徐々に開き始める機関回転速度と可変ノズル１２を中間開度まで開き終わる回転速度とがＮ３にて一致しているが、これは制御上の便宜のためであり、開閉弁３６を開き始める機関回転速度と可変ノズルの開操作を中間開度で中止する機関回転速度は互いに一致していなくてもよい。

プライマリターボ過給機の可変ノズル１２が機関回転速度Ｎ２から始まって上述の如く中間開度まで開かれることにより、機関背圧は図示の如く一旦幾分低下するが、機関回転速度の増大に連れて再び上昇していく。尚、この間、機関背圧は低下しても、排気ガスの流量は増大していくので、過給圧は目標値以上に得られる。そしてセカンダリターボ過給機の圧縮機出口圧がある所定の値に達したこと、或いは機関回転速度がある所定の値Ｎ５に達したことに基づいて、第２バルブ５０が全開状態とされる。これにより、セカンダリターボ過給機の過給運転が開始されることとなる。この時点で、プライマリターボ過給機のターボ回転数は一旦落ち込む。これは第２バルブ５０が開放され、プライマリターボ過給機へ供給される空気量が減少することに起因する。一方、セカンダリターボ過給機のターボ回転数は、上昇する。ここで、セカンダリターボ過給機のターボ回転数の上昇は、図に示したようにＳ２となる。この上昇分Ｓ２は従来の制御における上昇分Ｓ１と比較して少なくて済む。これは、Ｎ５における第２バルブ５０の全開状態に先行してＮ４において第１バルブ３６を全開状態としたことにより、セカンダリターボ過給機のターボ回転数が上昇していたことに起因する。これにより、
セカンダリターボ過給機の加速遅れを緩和することができる。

機関回転速度Ｎ５にて第１バルブ３６が全開され、セカンダリターボ過給機が排気通路に全開接続されると、その分だけ急増するので、そのままでは、機関背圧は急激に低下する。そこで、本発明によれば、機関回転速度Ｎ５にて第１バルブ３６が全開されると同時に可変ノズル１２を上記の中間開度より一旦絞ることが行われる。このようにプライマリターボ過給機の可変ノズル１２が絞られることにより、セカンダリターボ過給機の接続による排気ガス通路面積の急増分が適当に相殺されるので、機関背圧の低下は図示の如く機関に息つきを生じない程度の値に抑えられる。

このように、第２バルブの全開状態に先行して第１バルブを全開状態としてプライマリターボ過給機に加えてセカンダリターボ過給機を作動させるようにしたので、並列２ターボ過給機運転へ移行する際のセカンダリターボ過給機の回転を予め高めておくことができ、加速遅れを緩和して過給圧の落ち込みを低減することができる。

このように、第１バルブ３６を全開とし、その後、セカンダリターボ過給機の可変ノズル５２の開度を徐々に大きくし、次いで第２バルブ５０を全開としたときの作用効果をまとめると以下の如くである。第１バルブ３６を開き始めるとセカンダリターボ過給機のターボ回転数が若干上昇する。エンジンの空気量が増加し、さらに第１バルブ３６が開くとこれに伴ってターボ回転数も上昇する。このように第１バルブ３６の開度を徐々に増していき、第１バルブ３６の開口面積が可変ノズル５２の開口面積よりも大きくなると、その時点でターボの圧力効果が大きくなる。この状態となるとターボの圧力に対する影響度は可変ノズル５２に依るものの方が大きくなる。すなわち、第１バルブ３６の開閉による過給圧調整が効きにくくなる。そこで、この時点で第１バルブ３６を全開とし、その後のセカンダリターボ過給機の過給圧制御は可変ノズル５２で行うようにする。これにより、第１バルブ３６での圧力降下はなく、排気側圧力降下のすべてをセカンダリターボ過給機における膨張比に充当することができるため、セカンダリターボ過給機のターボ回転数を上昇させることができ、並列２ターボ過給機運転へ移行する際のセカンダリターボ過給機の回転を予め高めておくことができ、加速遅れを緩和して過給圧の落ち込みを低減することができる。

以上のような過給装置が並列２ターボ過給機運転へ移行する際の制御の一例について図３に示したフロー図に基づいて説明する。

まず、図示しない制御部は、ステップＳ１において第１バルブ３６が全開状態へと移行するための切替点（開度切替点）Ｖｃを取得する。このＶｃは可変ノズル５２の開口面積との関係で決定される。

ステップＳ１における処理の後はステップＳ２において、第２バルブ５０が開状態となっているか否かの判断を行う。第２バルブ５０が開状態となっているときは、機関回転速度がＮ５以上となっているときであり、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、機関回転速度がＮ５となっているときの別ルーチンに従った制御がされることとなる。この別ルーチンについては、従来公知の制御とすることができるため、明細書の説明を簡潔にすべく、その詳細な説明は省略する。

ステップＳ２において、Ｎｏと判断されたときにはステップＳ４へ進み、その時点での第１バルブ３６の開度を読み込む。ステップＳ５では、ステップＳ４で読み込んだ第１バルブ３６開度が全開であるのか否かの判断を行う。ステップＳ５においてＹｅｓと判断されるとき、すなわち、第１バルブ３６が既に全開状態となっているときにはステップＳ９へ進む。一方、ステップＳ５においてＮｏと判断されたときは、ステップＳ６へ進む。

ステップＳ６では、エンジンの運転状態、運転要求に基づく過給圧アップが要求されていることを示す過給圧アップフラグがＯＮ状態であるか否かの判断を行う。ステップＳ６においてＹｅｓと判断されたときはステップＳ７へ進む。ステップＳ７では、第１バルブ３６の開度がＶｃ以上となっているか否かの判断を行う。このステップＳ７においてＮｏと判断されるとき、すなわち、過給圧アップの要求があるにもかかわらず、Ｖｃに到達していないときは、Ｖｃに到達するように第１バルブの開信号が発せられる（ステップＳ８）。ステップＳ８における信号が発せられると、第１バルブ３６を駆動するアクチュエータがその信号に基づいて始動する（ステップＳ１５）。

一方、ステップＳ６においてＮｏと判断されたときは第１バルブ３６の閉信号を発する（ステップＳ１３）。このステップＳ１３における信号が発せられると、第１バルブ３６を駆動するアクチュエータがその信号に基づいて始動する（ステップＳ１５）。これにより、過給圧が上昇することはない。

また、ステップＳ７においてＹｅｓと判断されたとき、すなわち、過給圧アップの要求があり、第１バルブ３６の開度がＶｃに達しているときにはステップＳ１４へ進む。ステップＳ１４では、第１バルブ３６を全開とする信号が発せられる。このステップＳ１４における信号が発せられると、第１バルブ３６を駆動するアクチュエータがその信号に基づいて始動する（ステップＳ１５）。これにより、ステップ９以降の制御が行われることとなる。

ステップＳ９では、ステップＳ６と同様に、エンジンの運転状態、運転要求に基づく過給圧アップが要求されていることを示す過給圧アップフラグがＯＮ状態であるか否かの判断を行う。ステップＳ９において、Ｎｏと判断されたときはステップＳ１０へ進む。ステップＳ１０では、セカンダリターボ過給機の可変ノズル５２を開くための信号が発せられる。このステップＳ１０における信号が発せられると、可変ノズル５２を駆動するアクチュエータがその信号に基づいて始動する（ステップＳ１２）。一方、ステップＳ９においてＹｅｓと判断されたときはステップＳ１１へ進む。ステップＳ１１では、セカンダリターボ過給機の可変ノズル５２を閉じるための信号が発せられる。このステップＳ１１における信号が発せられると、可変ノズル５２を駆動するアクチュエータがその信号に基づいて始動する（ステップＳ１２）。

以上説明したような制御が行われることにより、図２に示したような過給装置の動作を実現することができる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

実施例の過給装置の基本構成例を示す概略図構成図である。 機関回転速度に対応して第１バルブ、第２バルブ、プライマリターボ過給機の可変ノズル、セカンダリターボ過給機の可変ノズルが調整され、これに伴ってターボ回転数、過給圧、背圧が変化することを示すグラフ。 過給装置が並列２ターボ過給機運転へ移行する際の制御の一例を示すフロー図。

符号の説明

１ 過給装置
１０ プライマリターボ過給機のタービン
１２ 可変ノズル
１４ 圧縮機
１６ 軸
１８ セカンダリターボ過給機のタービン
２０ 圧縮機
２２ 軸
２４、２６、２８、３０、３２、３４ 排気ガス用導管
３６ 第１バルブ
３８、４０、４２、４４、４６、４８ 空気用導管
５０ 第２バルブ
５２ 可変ノズル

Claims (3)

1. プライマリターボ過給機と、
   セカンダリターボ過給機と、
   当該セカンダリターボ過給機のタービン通路に配置された第１バルブと、
   当該セカンダリターボ過給機のコンプレッサ通路に配置された第２バルブと、
   を備え、
   機関回転速度に応じて、前記第１バルブ及び第２バルブの開閉状態を変化させ、第一の回転速度領域では、前記セカンダリターボ過給機を非作動とし、前記第一の回転速度領域より高速側の第二の回転速度領域へ遷移するとき、前記第２バルブの全開状態に先行して前記第１バルブを全開状態として前記プライマリターボ過給機に加えて前記セカンダリターボ過給機が作動することを特徴とした過給装置。
2. 請求項１記載の過給装置において、
   前記プライマリターボ過給機及び前記セカンダリターボ過給機は、それぞれ可変ノズルを備えたことを特徴とする過給装置。
3. 請求項１記載の過給装置において、
   前記セカンダリターボ過給機は可変ノズルを備え、
   当該可変ノズルは、第二の回転速度領域へ遷移するとき、前記第２バルブの全開状態に先行して開放動作を開始することを特徴とした過給装置。

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