JP2005330811A - 内燃機関用多段過給システム及びその設定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の内燃機関用多段過給システムは、可動ベーン8d,9dを備えた容量可変式の高圧ターボチャージャー8と低圧ターボチャージャー9とを具備し、エンジン1の排気通路6に高圧ターボチャージャー8のタービン8aとタービン8aの下流側に低圧ターボチャージャー9のタービン9aとが配置され、エンジン1の吸気通路7に低圧ターボチャージャー9のコンプレッサ9bとコンプレッサ9bの下流側に高圧ターボチャージャー8のコンプレッサ8aとが配置され、エンジン1の低速領域では、高圧ターボチャージャー8の可動ベーン8dの調整範囲が低圧ターボチャージャー9の可動ベーン9dの調整範囲よりも閉じ側に偏っており、エンジン1の高速領域では、高圧ターボチャージャー8の可動ベーン8dの調整範囲が低圧ターボチャージャー9の可動ベーン9dの調整範囲よりも開き側に偏っている。
【選択図】 図1
Description
図1は本発明の多段過給システムを内燃機関としてのディーゼルエンジン(以下エンジンという)1に適用した一実施形態を示した全体構成図である。エンジン1はシリンダブロック2に設けられた4つの気筒3に接続された排気マニホールド4及び吸気マニホールド5をそれぞれ備え、排気マニホールド4には排気通路6が、吸気マニホールド5には吸気通路7がそれぞれ接続されている。排気通路6には、高圧ターボチャージャー(以下高圧TCと略称する)8のタービン8aが設けられ、このタービン8aの下流側に低圧ターボチャージャー(以下低圧TCと略称する)9のタービン9aが設けられている。吸気通路7には、低圧TC9のコンプレッサ9bが設けられ、このコンプレッサ9bの下流側に高圧TC8のコンプレッサ8bが設けられている。高圧TC8のタービン8a及びコンプレッサ8bは互いに回転軸8cを介して連結され、低圧TC9のタービン9a及びコンプレッサ9bは互いに回転軸9cを介して連結されている。
次に本発明に係る第2実施形態について説明する。この実施形態では、制御対象の切替に伴う過給圧の変動を第1実施形態よりも抑えるため、可動ベーン8d,9dの開度の制御とともに、なまし制御が実施される。エンジン1及びその付属装置の構成は図1と同じである。このなまし制御は、可動ベーン8d,9dのそれぞれの開度の急変を抑えるように、これらの開度をそれぞれ制御するものである。まず始めに、このなまし制御の概要について図10〜図12を参照しながら説明する。図10は、本実施形態に係る制御領域マップを示したものである。図11は図9のA部及びB部の拡大図であり、図12は本実施形態に係るなまし制御の一例をA部及びB部に対応させてそれぞれ示したものである。図10に示したように、本実施形態では制御領域AR1及びAR2の境界L1上になまし制御領域AR4が設定されており、この領域AR4は更に境界L1を挟んで低速、低負荷側に領域AR4a及び高速、高負荷側に領域AR4bがそれぞれ設定されている。
次に本発明の第3実施形態について説明する。この実施形態は、エンジン1の運転状態が予め設定された定常状態からずれた過渡状態にある場合に、可動ベーン8d,9dの開度の制御内容を変更する実施形態である。エンジン1及びその付属装置は図1と同じである。図15に本実施形態に係る第1の制御ルーチンのフローチャートを示す。この制御ルーチンは、ECU20のROM内に格納されたプログラムに従って所定間隔で繰り返し実行されるものであり、この制御ルーチンをECU20が実行することによりECU20は過給圧制御手段として機能する。まず、ECU20はステップS41において、エンジン回転数NE及び燃料噴射量Q(負荷)により運転領域を判定し、続くステップS42において、可動ベーン8d,9dのベース開度を算出する。これらの処理は、図3のステップS1及びステップS2と同一である。
次に本発明の第4実施形態について説明する。周知のように、EGRは筒内燃焼温度を下げて窒素酸化物の排出を抑制する手段として実行される。最近では、EGRと予混合圧縮着火燃焼(HCCI燃焼)とを組合わせ、HCCI燃焼領域を拡大する試みが行われている。この場合には、EGR率の精度良い制御が要求される。本実施形態は、この要求に応えるため、EGR弁15の開度及びスロットル弁17の開度の制御に加え、高圧TC8の可動ベーン8dの開度を制御することにより目標となるEGR率を実現するものである。エンジン1及びその付属装置の構成は図1と同じである。図25及び図26はECU15を過給圧制御手段及び背圧フィードバック制御手段として機能させるための制御ルーチンの内容を示すフローチャートである。この制御ルーチンはECU20のROMに格納されたプログラムに従って、所定間隔で繰り返し実行される。また、公知の制御ルーチンと同様であるので図示はしないが、ECU20をEGR弁15の開度及びスロットル弁17の開度の少なくとも一方を制御する新気量制御手段として機能させる制御ルーチンも図25及び図26の制御ルーチンと併行して実行される。
6 排気通路
7 吸気通路
8 高圧ターボチャージャー
9 低圧ターボチャージャー
8a、9a タービン
8b、9b コンプレッサ
8d、9d 可動ベーン
EGR通路(排気還流通路)
EGR弁(排気還流弁)
スロットル弁(吸入空気量調整弁)
20 ECU(過給圧制御手段、背圧フィードバック制御手段、新気量フィードバック制御手段)
AR1 第1のフィードバック制御領域
AR2 第2のフィードバック制御領域
AR4 なまし制御領域
AR5 EGR領域(排気還流領域)
L1 境界
Claims (18)
- 可動ベーンを備えた容量可変式の高圧ターボチャージャーと低圧ターボチャージャーとを具備し、内燃機関の排気通路に前記高圧ターボチャージャーのタービンと該タービンの下流側に前記低圧ターボチャージャーのタービンとが配置され、前記内燃機関の吸気通路に前記低圧ターボチャージャーのコンプレッサと該コンプレッサの下流側に前記高圧ターボチャージャーのコンプレッサとが配置された内燃機関用多段過給システムにおいて、
前記内燃機関の低速領域では、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの調整範囲が前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの調整範囲よりも閉じ側に偏っており、前記内燃機関の高速領域では、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの調整範囲が前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの調整範囲よりも開き側に偏っている、ことを特徴とする内燃機関用多段過給システム。 - 前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度をフィードバック制御すべき領域として設定された第1のフィードバック制御領域と前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度をフィードバック制御すべき領域として設定された第2のフィードバック制御領域とに基づいて、目標となる過給圧が得られるように前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度及び前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度をそれぞれ制御する過給圧制御手段を具備することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用多段過給システム。
- 前記各フィードバック制御領域は、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度の調整範囲及び前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの調整範囲のそれぞれの両端を除外した範囲内でフィードバック制御を実行する制御対象が切り替わるように設定されていることを特徴とする請求項2に記載の内燃機関用多段過給システム。
- 前記第1のフィードバック制御領域と前記第2のフィードバック制御領域との境界が、前記範囲内で、かつ前記内燃機関の運転領域の高速側に偏って設定されていることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関用多段過給システム。
- 前記過給圧制御手段は、前記内燃機関の運転状態が前記各フィードバック制御領域以外にある場合には、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度及び前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度のそれぞれを前記内燃機関の運転状態に応じて予め設定されたベース開度に制御することを特徴とする請求項3又は4に記載の内燃機関用多段過給システム。
- フィードバック制御を実行する制御対象が切り替わる際に、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーン及び前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンのそれぞれの開度の急変を抑えるように、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度及び前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度をそれぞれ制御するなまし制御手段を更に具備することを特徴とする請求項5に記載の内燃機関用多段過給システム。
- 前記なまし制御手段は、前記第1のフィードバック制御領域と前記第2のフィードバック領域との境界を含んで設定されたなまし制御領域内において、前記境界に向かって徐々にフィードバック量が補正されるように前記高圧ターボチャージャー又は前記低圧ターボチャージャーのいずれか一方の前記可動ベーンの開度を制御するとともに、徐々に前記ベース開度に近づくように、他方の前記可動ベーンの開度を制御することを特徴とする請求項6に記載の内燃機関用多段過給システム。
- 前記過給圧制御手段は、前記内燃機関の運転状態として予め設定された定常状態からずれた過渡状態にある場合には、前記高圧ターボチャージャー及び前記低圧ターボチャージャーのそれぞれの前記可動ベーンの開度を、目標となる過給圧と実際の過給圧との差又は目標となる吸入空気量と実際の吸入空気量の差に基づいて決定することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関用多段過給システム。
- 前記過給圧制御手段は、前記内燃機関の運転状態として予め設定された定常状態からずれた過渡状態にある場合には、前記過渡時の前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーン及び前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの最終開度として、目標となる過給圧と実際の過給圧との差又は目標となる吸入空気量と実際の吸入空気量との差に基づいて前記内燃機関の運転状態に応じて予め設定されたベース開度に対する増し閉め量を算出し、前記ベース開度に前記算出された増し閉め量を加算した値とすることを特徴とする請求項2に記載の内燃機関用多段過給システム。
- 前記過給圧制御手段は、前記内燃機関の低速領域では、前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度を前記ベース開度よりも閉じ側に制御することを特徴とする請求項8又は9に記載の内燃機関用多段過給システム。
- 前記過給圧制御手段は、前記内燃機関の低速領域では、前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度を略ベース開度に制御することを特徴とする請求項10に記載の内燃機関用多段過給システム。
- 前記過給圧制御手段は、目標となる過給圧と実際の過給圧との差又は目標となる吸入空気量と実際の吸入空気量の差に応じ、前記内燃機関の高速領域に行くに従って前記ベース開度よりも閉じ側になるように前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度を制御することを特徴とする請求項8又は9に記載の内燃機関用多段過給システム。
- 前記過給圧制御手段は、前記内燃機関の高速領域では、前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度を前記ベース開度よりも閉じ側に制御することを特徴とする請求項8又は9に記載の内燃機関用多段過給システム。
- 前記内燃機関は、排気ガスを該内燃機関の前記吸気通路へ還流させる排気還流を行うための排気還流通路と、前記排気還流通路に設けられ、前記吸気通路へ還流させる排気ガスの量を調整する排気還流弁と、前記吸気通路に設けられ、吸入空気量を調整するための吸入空気量調整弁とを備え、
前記排気還流を実行すべき領域として設定された排気還流領域に前記内燃機関の運転状態がある場合に、目標となる排気還流率が得られるように前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度をフィードバック制御する背圧フィードバック制御手段を具備することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用多段過給システム。 - 前記排気還流を実行すべき領域として設定された排気還流領域に前記内燃機関の運転状態がある場合において、前記背圧フィードバック制御手段による前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度のフィードバック制御の実施中に、目標となる排気還流率が得られるように前記排気還流弁の開度及び前記吸入空気量調整弁の開度の少なくとも一方をフィードバック制御する新気量制御手段を更に具備することを特徴とする請求項14に記載の内燃機関用多段過給システム。
- 前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度をフィードバック制御すべき領域として設定された第1のフィードバック制御領域と前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度をフィードバック制御すべき領域として設定された第2のフィードバック制御領域とに基づいて、目標となる過給圧が得られるように前記高圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度及び前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度をそれぞれ制御する過給圧制御手段を更に具備し、
前記内燃機関の運転状態が前記第2のフィードバック領域であってなおかつ前記排気還流領域にある場合には、前記過給圧制御手段は、前記背圧フィードバック制御手段による前記制御の実施中に前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの開度を制御することを特徴とする請求項14又は15に記載の内燃機関用多段過給システム。 - 可動ベーンを備えた容量可変式の高圧ターボチャージャーと低圧ターボチャージャーとを具備し、内燃機関の排気通路に前記高圧ターボチャージャーのタービンと該タービンの下流側に前記低圧ターボチャージャーのタービンとが配置され、前記内燃機関の吸気通路に前記低圧ターボチャージャーのコンプレッサと該コンプレッサの下流側に前記高圧ターボチャージャーのコンプレッサとが配置された内燃機関用多段過給システムの設定方法であって、
前記高圧ターボチャージャーと前記低圧ターボチャージャーとの性能差が大きい場合には、前記低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの調整範囲を前記内燃機関の低速領域において当該性能差が小さい場合に比べてより開き側に設定することを特徴とする内燃機関用多段過給システムの設定方法。 - 可動ベーンを備えた容量可変式の高圧ターボチャージャーと低圧ターボチャージャーとを具備し、内燃機関の排気通路に前記高圧ターボチャージャーのタービンと該タービンの下流側に前記低圧ターボチャージャーのタービンとが配置され、前記内燃機関の吸気通路に前記低圧ターボチャージャーのコンプレッサと該コンプレッサの下流側に前記高圧ターボチャージャーのコンプレッサとが配置された内燃機関用多段過給システムの設定方法であって、
前記高圧ターボチャージャーと前記低圧ターボチャージャーとの性能差が大きい場合には、低圧ターボチャージャーの前記可動ベーンの調整範囲を前記内燃機関の高速領域において前記内燃機関の運転状態として予め設定された定常状態からずれた過渡状態にある場合に前記性能差が小さい場合に比べてより開き側に設定することを特徴とする内燃機関用多段過給システムの設定方法。
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