JP2010048225A - 内燃機関の過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】プライマリターボチャージャとセカンダリターボチャージャとが並列に配設された過給システムにおいて、シングルターボ駆動からツインターボ駆動への切り替え時の過給圧低下を抑制する。
【解決手段】セカンダリターボチャージャ１０２を、電動機１２４にて駆動可能なモータアシストターボチャージャとし、シングルターボ駆動からツインターボ駆動への切り替えと同時に、電動機１２４にてセカンダリターボチャージャ１０２を駆動する。このような制御により、ターボ駆動切り替え時におけるプライマリターボチャージャ１０１の過給圧低下を防止することできる。しかも、電動機１２４は出力トルクを瞬時に立ち上げることが可能であるので、切り替え時におけるセカンダリターボチャージャ１０２の立ち上がりの応答性を速くすることができる。これにより切り替え時の過給圧の変動を少なくすることができ、ショックの発生を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の吸気通路及び排気通路にプライマリターボ過給機とセカンダリターボ過給機とが並列に配設された内燃機関の過給システムに関する。

内燃機関（以下、エンジンともいう）を搭載した車両においては、エンジンへの過給を低速域から高速域までにわたって効率的に行うことを目的として、吸気通路及び排気通路にプライマリターボ過給機（以下、プライマリターボチャージャともいう）と、セカンダリターボ過給機（以下、セカンダリターボチャージャともいう）とを並列に配置したパラレルシーケンシャルターボシステムを構成している。

このようなパラレルシーケンシャルターボシステムでは、エンジン運転領域が低速域であるときにはプライマリターボチャージャのみを駆動し、エンジン運転領域が中高速域であるときにはプライマリターボチャージャ及びセカンダリターボチャージャの両方を駆動することで、低速域から高速域にわたって出力性能を向上させている（例えば特許文献１参照）。

また、このようなパラレルシーケンシャルターボシステムにおいては、セカンダリターボチャージャ側の排気通路に排気切替バルブを設けるとともに、その排気切替バルブをバイパスするバイパス通路に排気バイパスバルブを設け、プライマリターボチャージャのみを駆動する駆動状態（シングルターボ駆動）から、プライマリターボチャージャ及びセカンダリターボチャージャの両方を駆動する駆動状態（ツインターボ駆動）に切り替える際に、セカンダリターボチャージャの過給効果が直ぐに得られるように、ツインターボ駆動に切り替える前に、セカンダリターボチャージャ側の排気バイパスバルブを開いて、セカンダリターボチャージャを予回転させている。

なお、下記の特許文献２、３には、２台の回転電機付きターボチャージャを備えたエンジンが提案されている（例えば、特許文献２及び３参照）。
特開２００５−１５５３５６号公報 特開平５−５４１９号公報 特開平５−６５８３０号公報

ところで、上記したターボシステムでは、シングルターボ駆動からツインターボ駆動に切り替える前に、排気バイパスバルブを開くので、プライマリターボチャージャに導く排気ガスの一部がセカンダリターボチャージャ側にバイパスするため、プライマリターボチャージャの過給圧が低下する可能性がある。また、ツインターボ駆動への切り替え時に、セカンダリターボチャージャにバイパス通路を通じて排気ガスを導いても、ターボラグにより直ぐに過給効果を得ることができない。これらのことから、従来のターボシステムでは、シングルターボ駆動からツインターボ駆動への切り替え時に過給圧が変動してショックが発生する可能性がある。

なお、上記した特許文献２、３には、２台の回転電機付きターボチャージャを並列または直列に接続することが記載されているが、上記した本発明の課題つまりシングルターボ駆動からツインターボ駆動に切り替える際の課題については全く記載されておらず、そのような点を示唆する記載もない。また、引用文献２、３に記載の構造では、エンジンに搭載される２台のターボチャージャが両方とも回転電機付きターボチャージャであるので、装置コストが高くつくという問題がある。

本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、吸気通路及び排気通路にプライマリターボチャージャとセカンダリターボチャージャとが並列に配設された内燃機関の過給システムにおいて、シングルターボ駆動からツインターボ駆動への切り替え時の過給圧低下を抑えることが可能なシステムの提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、内燃機関の吸気通路及び排気通路にプライマリターボ過給機とセカンダリターボ過給機とが並列に配設された内燃機関の過給システムを前提とし、このような過給システムにおいて、前記セカンダリターボ過給機が、電動機によって駆動可能なモータアシストターボ過給機であることを特徴としている。

本発明の具体的な構成として、内燃機関の運転状態に応じて、プライマリターボ過給機のみを駆動する駆動状態から、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両方を駆動する駆動状態に切り替える際に、電動機によってセカンダリターボ過給機を駆動するという構成を挙げることができる。

本発明によれば、セカンダリターボ過給機が、電動機によって駆動可能なモータアシストターボ過給機であるので、プライマリターボ過給機のみを駆動するシングルターボ駆動から、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両方を駆動するツインターボ駆動への切り替え時（以下、ターボ駆動切り替え時ともいう）に、電動機によってセカンダリターボ過給機を駆動することができる。これにより、シングルターボ駆動からツインターボ駆動に切り替える前に、セカンダリターボ過給機を排気ガスの一部にて余回転させる必要がなくなるので、ターボ駆動切り替え時におけるプライマリターボ過給機の過給圧低下を防止することができる。しかも、電動機は出力トルクを瞬時に立ち上げることが可能であるので、ターボ駆動切り替え時におけるセカンダリターボ過給機の立ち上がりの応答性を速くすることができ、セカンダリターボ過給機の回転数が目標回転数に速やかに到達する。これらの結果から、ターボ駆動切り替え時の過給圧の変動を少なくすることができ、ショックの発生を抑制することができる。

本発明において、プライマリターボ過給機の具体的な構成として、可変ノズル式ターボ過給機を挙げることができる。プライマリターボ過給機を可変ノズル式ターボ過給機で構成した場合、セカンダリターボ過給機側の排気バイパスバルブを省略することができる。この点について説明すると、まず、プライマリターボ過給機がウェストゲート式ターボ過給機である場合、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両方を駆動するツインターボ駆動状態のときに、これら２つのターボ過給機の流量調整を、セカンダリターボ過給機側の排気バイパスバルブの開度調整にて行う必要がある。これに対し、プライマリターボ過給機を可変ノズル式ターボ過給機で構成すると、当該プライマリターボ過給機側の可変ノズルベーン機構の開閉制御によって、２つのターボ過給機の流量調整を行うことが可能になり、セカンダリターボ過給機側の排気バイパスバルブを省略することが可能になる。

本発明によれば、吸気通路及び排気通路にプライマリターボチャージャとセカンダリターボチャージャとが並列に配設された内燃機関の過給システムにおいて、シングルターボ駆動からツインターボ駆動への切り替え時の過給圧低下を防止することができ、ショックの発生を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

＜実施形態１＞
エンジン１は車両に搭載される例えばディーゼルエンジン（またはガソリンエンジン等）であって、プライマリターボチャージャ１０１とセカンダリターボチャージャ１０２とが並列に配置されたパラレルシーケンシャルターボシステム１００（以下、ターボシステム１００という）が装備されている。

エンジン１のシリンダヘッドには吸気マニホールド１ａが接続されており、この吸気マニホールド１ａに吸気通路１１が接続されている。吸気通路１１の途中には、２方に分岐した後に合流する第１吸気通路１１ａと第２吸気通路１１ｂとが並列に形成されている。なお、吸気マニホールド１ａは吸気通路１１の一部を構成している。

吸気通路１１には、上流側から順にエアクリーナ２及びインタークーラ３などが設けられている。エアクリーナ２は、外部から吸気通路１１内に流入する空気（吸気）を浄化する。インタークーラ３は、ターボシステム１００での過給によって昇温した吸入空気を強制冷却するために設けられている。

エンジン１のシリンダヘッドには排気マニホールド１ｂが接続されており、この排気マニホールド１ｂに排気通路１２が接続されている。排気通路１２の途中には、２方に分岐した後に合流する第１排気通路１２ａと第２排気通路１２ｂとが並列に形成されている。なお、排気マニホールド１ｂは排気通路１２の一部を構成している。

プライマリターボチャージャ１０１は、ロータシャフト１１１を介して連結されたタービンホイール１１２とコンプレッサインペラ１１３とを備えている。タービンホイール１１２は排気通路１２の第1排気通路１２ａ内部に臨んで配置され、コンプレッサインペラ１１３は吸気通路１１の第１吸気通路１１ａ内部に臨んで配置されている。このプライマリターボチャージャ１０１は、タービンホイール１１２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサインペラ１１３を回転させることにより吸入空気を過給する。

セカンダリターボチャージャ１０２も同様に、ロータシャフト１２１を介して連結されたタービンホイール１２２とコンプレッサインペラ１２３とを備えている。タービンホイール１２２は排気通路１２の第２排気通路１２ｂ内部に臨んで配置され、コンプレッサインペラ１２３は吸気通路１１の第２吸気通路１１ｂ内部に臨んで配置されている。このセカンダリターボチャージャ１０２は、タービンホイール１２２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサインペラ１２３を回転させることにより吸入空気を過給する。

この例のセカンダリターボチャージャ１０２は、ロータシャフト１２１に電動機１２４が連結されたモータアシストターボチャージャであって、その電動機１２４に車載のバッテリ等から電力を供給することにより、タービンホイール１２２及びコンプレッサインペラ１２３を回転させることができる。

なお、セカンダリターボチャージャ１０２において、第２排気通路１２ｂを流れる排気ガス流量が大きいときには、電動機１２４が発電機として機能する場合もある。その電動機１２４にて発電された電力は、例えば車載のバッテリ等に蓄電される。

以上のように、ターボシステム１００を構成するプライマリターボチャージャ１０１とセカンダリターボチャージャ１０２とは吸気通路１１及び排気通路１２に並列に配置されている。具体的には、プライマリターボチャージャ１０１のコンプレッサインペラ１１３の下流側（吸入空気流れの下流側）の第１吸気通路１１ａとセカンダリターボチャージャ１０２のコンプレッサインペラ１２３の下流側（吸入空気流れの下流側）の第２吸気通路１１ｂとが接続されている。また、プライマリターボチャージャ１０１のタービンホイール１１２の上流側（排気ガス流れの上流側）の第１排気通路１２ａとセカンダリターボチャージャ１０２のタービンホイール１２２の上流側（排気ガス流れの上流側）の第２吸気通路１２ｂとが接続されており、プライマリターボチャージャ１０１とセカンダリターボチャージャ１０２とが吸気通路１１及び排気通路１２に並列に配置されている。

また、セカンダリターボチャージャ１０２のコンプレッサインペラ１２３の下流側（吸入空気流れの下流側）の第２吸気通路１１ｂに吸気切替バルブ１０３が設けられており、この吸気切替バルブ１０３をバイパスする吸気バイパス通路１１ｃに吸気バイパスバルブ１０４が設けられている。さらに、セカンダリターボチャージャ１０２のタービンホイール１２２の上流側（排気ガス流れの上流側）の第２排気通路１２ｂに排気切替バルブ１０５が設けられており、この排気切替バルブ１０５をバイパスする排気バイパス通路１２ｃに排気バイパスバルブ１０６が設けられている。

以上の構成において、排気切替バルブ１０５、排気バイパスバルブ１０６及び吸気切替バルブ１０３を閉じた状態で、エンジン１の燃焼室から排気マニホールド１ｂを通じて排気通路１２に排出した排気ガスがプライマリターボチャージャ１０１のみに供給され、このプライマリターボチャージャ１０１のみが駆動する（シングルターボ駆動）。これに対し、排気切替バルブ１０５及び吸気切替バルブ１０３を開き、排気バイパスバルブ１０６の開度を調整した状態で、エンジン１の燃焼室から排気マニホールド１ｂを通じて排気通路１２に排出した排気ガスがプライマリターボチャージャ１０１及びセカンダリターボチャージャ１０２の両方に供給され、これら２つのターボチャージャ１０１，１０２の両方が駆動する（ツインターボ駆動）。

なお、この例のプライマリターボチャージャ１０１はウェストゲート式ターボチャージャであるので、プライマリターボチャージャ１０１及びセカンダリターボチャージャ１０２の両方の駆動時に、これら２つのターボチャージャ１０１，１０２の流量調整のために排気バイパスバルブ１０６の開度が制御される。

これら吸気切替バルブ１０３、排気切替バルブ１０５の開閉（ＯＮ／ＯＦＦ）、及び、排気バイパスバルブ１０６の開度調整は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２００によって制御される。なお、吸気バイパスバルブ１０４は、セカンダリターボチャージャ１０２のコンプレッサインペラ１２３の下流側（吸入空気流れの下流側）の圧力に応じて開くように構成されており、吸気切替バルブ１０３が閉じ状態のときにコンプレッサインペラ１２３の下流側（吸入空気流れの下流側）の第２吸気通路１１ｂの圧力が高くなるのを防止するための逃し弁（例えばリードバルブ）である。この吸気バイパスバルブ１０４はＥＣＵ２００によって制御されない。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ２００は、図２に示すように、ＣＰＵ２０１、ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３及びバックアップＲＡＭ２０４などを備えている。

ＲＯＭ２０２は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ２０１は、ＲＯＭ２０２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、ＲＡＭ２０３は、ＣＰＵ２０１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭ２０４は、例えばエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。

以上のＣＰＵ２０１、ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３及びバックアップＲＡＭ２０４は、バス２０７を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース２０５及び出力インターフェース２０６と接続されている。

入力インターフェース２０５には、エンジン１の運転状態を示すパラメータを取得するセンサ、例えば、エンジン１の冷却水の温度を検出する水温センサ２１、吸入空気量を検出するエアフローメータ２２、吸入空気の温度を検出する吸気温センサ２３、エンジン１の回転数を検出するエンジン回転数センサ２４、スロットルバルブ４の開度を検出するスロットル開度センサ２５、アクセルペダル踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ２６などの各種センサが接続されている。

出力インターフェース２０６には、例えば、燃料噴射装置１０、スロットルバルブ（スロットルモータ）４、吸気切替バルブ１０３、排気切替バルブ１０５、及び、排気バイパスバルブ１０６などが接続されている。

そして、ＥＣＵ２００は、上記した各種センサの出力に基づいて、燃料噴射制御などを含むエンジン１の各種制御を実行する。さらに、ＥＣＵ２００は、下記の「ターボシステムの駆動切替制御」を実行する。

なお、本発明の過給システムには、下記の「ターボシステムの駆動切替制御」などを実行する制御装置（ＥＣＵ２００）も含まれる場合もある。

−ターボシステムの駆動切替制御−
まず、ＥＣＵ２００は、エンジン回転数センサ２４、エアフローメータ２２、スロットル開度センサ２５などの各出力信号に基づいて、現在のエンジン１の運転状態（例えばエンジン回転数及び負荷など）を判断し、そのエンジン運転状態に基づいてマップ等を参照して、低速域または中高速域のいずれの運転領域であるのかを判別する。その判別結果が低速域である場合、プライマリターボチャージャ１０１のみを駆動する（シングルターボ駆動）。具体的には、ターボシステム１００の吸気切替バルブ１０３、排気切替バルブ１０５及び排気バイパスバルブ１０６を閉じて、エンジン１の燃焼室から排気マニホールド１ｂを通じて排気通路１２に排出した排気ガスをプライマリターボチャージャ１０１のタービンホイール１１２のみに供給することで、このプライマリターボチャージャ１０１のみを駆動する。

そして、このようなシングルターボ駆動中に、エンジン１の運転状態が、低速域から中高速域に変化した場合、プライマリターボチャージャ１０１のみを駆動するシングルターボ駆動から、プライマリターボチャージャ１０１及びセカンダリターボチャージャ１０２の両方を駆動するツインターボ駆動に切り替える。

このとき、従来制御のように、シングルターボ駆動からツインターボ駆動に切り替える前に、セカンダリターボチャージャ１０２側の排気バイパスバルブ１０６の開いてセカンダリターボチャージャ１０２を予回転させた場合、プライマリターボチャージャ１０１に導く排気ガスの一部がセカンダリターボチャージャ１０２側にバイパスするため、プライマリターボチャージャ１０１の過給圧が低下する可能性がある。

そこで、この例では、シングルターボ駆動からツインターボ駆動への切り替え時に、吸気切替バルブ１０３及び排気切替バルブ１０５を開くと同時（もしくは吸気切替バルブ１０３及び排気切替バルブ１０５を開いた直後）に、電動機１２４によってセカンダリターボチャージャ１０２を駆動する。

このように、シングルターボ駆動からツインターボ駆動への切り替えと同時（もしくは切り替え直後）に、電動機１２４にてセカンダリターボチャージャ１０２を駆動することにより、ターボ駆動切り替え時にプライマリターボチャージャ１０１の過給圧が低下することを防止できる。しかも、電動機１２４は出力トルクを瞬時に立ち上げることが可能であるので、ターボ駆動切り替え時におけるセカンダリターボチャージャ１０２の立ち上がりの応答性を速くすることができ、セカンダリターボチャージャ１０２の回転数が目標回転数に速やかに到達する。これらの結果から、ターボ駆動切り替え時の過給圧変動を少なくすることができ、ショックの発生を抑制することができる。

なお、ツインターボ駆動時には、上記したように、プライマリターボチャージャ１０１及びセカンダリターボチャージャ１０２の両方の流量調整のために排気バイパスバルブ１０６の開度がＥＣＵ２００によって制御される。

＜実施形態２＞
図３は本発明の内燃機関の過給システムの他の例を示す概略構成図である。

この例は、上記した＜実施形態１＞に対し、プライマリターボチャージャ１０１が、タービンホイール１１２側に可変ノズルベーン機構（ＶＮ）１１４を設けた可変ノズル式ターボチャージャである点、及び、セカンダリターボチャージャ１０２側の排気バイパスバルブ１０６を省略した点が相違しており、その他の構成については、上記した＜実施形態１＞の構成と基本的に同じである。

このようにプライマリターボチャージャ１０１を可変ノズル式ターボ過給機で構成することで、図１に示すセカンダリターボチャージャ１０２側の排気バイパスバルブ１０６を省略することができる。すなわち、プライマリターボチャージャ１０１が、上記した＜実施形態１＞のようにウェストゲート式ターボチャージャである場合、プライマリターボチャージャ１０１及びセカンダリターボチャージャ１０２の両方を駆動するツインターボ駆動状態のときに、これら２つのターボチャージャ１０１，１０２の流量を、図１の排気バイパスバルブ１０６を使用して調整する必要がある。これに対し、プライマリターボチャージャ１０１が可変ノズル式ターボチャージャであると、当該プライマリターボチャージャ１０１側の可変ノズルベーン機構（ＶＮ）１１４の開度制御によって、２つのターボチャージャ１０１，１０２の流量調整を行うことが可能になり、セカンダリターボチャージャ１０２側の排気バイパスバルブ１０６を省略することが可能になる。なお、可変ノズルベーン機構（ＶＮ）１１４の開度は、ＥＣＵ２００によってエンジン１の運転状態に応じて制御される。

本発明の内燃機関の過給システムの一例を示す概略構成図である。 ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。 本発明の内燃機関の過給システムの他の例を示す概略構成図である。

符号の説明

１ エンジン
１ａ 吸気マニホールド
１ｂ 排気マニホールド
１１ 吸気通路
１１ａ 第１吸気通路
１１ｂ 第２吸気通路
１１ｃ 吸気バイパス通路
１２ 排気通路
１２ａ 第１排気通路
１２ｂ 第２排気通路
１２ｃ 排気バイパス通路
２４ エンジン回転数センサ
２５ スロットル開度センサ
１００ パラレルシーケンシャルターボシステム
１０１ プライマリターボチャージャ
１１１ ロータシャフト
１１２ タービンホイール
１１３ コンプレッサインペラ
１０２ セカンダリターボチャージャ
１２１ ロータシャフト
１２２ タービンホイール
１２３ コンプレッサインペラ
１２４ 電動機
１０３ 吸気切替バルブ
１０４ 吸気バイパスバルブ
１０５ 排気切替バルブ
１０６ 排気バイパスバルブ
２００ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 内燃機関の吸気通路及び排気通路にプライマリターボ過給機とセカンダリターボ過給機とが並列に配設された内燃機関の過給システムにおいて、
   前記セカンダリターボ過給機は、電動機によって駆動可能なモータアシストターボ過給機であることを特徴とする内燃機関の過給システム。
2. 請求項１記載の内燃機関の過給システムにおいて、
   前記内燃機関の運転状態に応じて、前記プライマリターボ過給機のみを駆動する駆動状態から、前記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両方を駆動する駆動状態に切り替える際に、電動機によってセカンダリターボ過給機を駆動することを特徴とする内燃機関の過給システム。
3. 請求項１または２記載の内燃機関の過給システムにおいて、
   前記プライマリターボ過給機が可変ノズル式ターボ過給機であることを特徴とする内燃機関の過給システム。

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