(57)【要約】【課題】排気再循環の停止時におけるターボ回転数の上昇を抑制して高圧段タービン及び低圧段タービンの過回転による損傷を防止する。【解決手段】高圧段タービン２より上流の排気系から排気Ｇの一部を抜き出して高圧段コンプレッサ３より下流の吸気系に再循環し且つその循環を適宜に停止し得るように構成した二段過給システムに関し、高圧段ターボチャージャ４を可変ノズルターボで構成すると共に、高圧段タービン２からの排気Ｇを低圧段タービン５を迂回させて該低圧段タービン５の下流へ導くバイパス流路１１と、該バイパス流路１１の途中に装備されて流路を開閉するバイパスバルブ１２と、排気Ｇの再循環停止時に高圧段タービン２のノズル開度を必要量開いて高圧段の排気エネルギーを下げ且つバイパスバルブ１２の開度を必要量開いて低圧段のタービンガス量を下げる制御装置１３とを備える。【選択図】図１
2011241766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンから送出される排気によって高圧段タービンを作動させ且つ高圧段コンプレッサで圧縮した吸気をエンジンへ送給する高圧段ターボチャージャと、該高圧段ターボチャージャの高圧段タービンから送出される排気によって低圧段タービンを作動させ且つ低圧段コンプレッサで圧縮した吸気を前記高圧段コンプレッサへ送給する低圧段ターボチャージャとを備え、高圧段タービンより上流の排気系から排気の一部を抜き出して高圧段コンプレッサより下流の吸気系に再循環し且つその循環を適宜に停止し得るように構成した二段過給システムにおいて、高圧段ターボチャージャを可変ノズルターボで構成すると共に、高圧段タービンからの排気を低圧段タービンを迂回させて該低圧段タービンの下流へ導くバイパス流路と、該バイパス流路の途中に装備されて流路を開閉するバイパスバルブと、排気の再循環停止時に高圧段タービンのノズル開度を必要量開いて高圧段の排気エネルギーを下げ且つバイパスバルブの開度を必要量開いて低圧段のタービンガス量を下げる制御装置とを備えたことを特徴とする二段過給システム。
【請求項２】
高圧段タービンのノズル開度とバイパスバルブの開度を制御する制御装置が、エンジンの回転数と燃料噴射量とに基づき排気の再循環停止時専用の制御マップから高圧段タービンのノズル開度とバイパスバルブの開度を読み出して制御を行うように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の二段過給システム。
【請求項３】
排気の再循環停止時専用の制御マップから読み出した高圧段タービンのノズル開度とバイパスバルブの開度をエンジンの冷却水温度、吸気温度、気圧に基づき補正してから制御を行うように制御装置が構成されていることを特徴とする請求項２に記載の二段過給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二段過給システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、低中速域での燃費向上、トルクアップや高ＥＧＲ率の実現のために、小径の高圧段ターボチャージャを採用した二段過給システムが検討されており、この種の二段過給システムにおいては、図３に示す如く、エンジン１から送出される排気Ｇにより高圧段タービン２を作動させ且つ高圧段コンプレッサ３で圧縮した吸気Ａをエンジン１へ送給する高圧段ターボチャージャ４と、該高圧段ターボチャージャ４の高圧段タービン２から送出される排気Ｇにより低圧段タービン５を作動させ且つ低圧段コンプレッサ６で圧縮した吸気Ａを前記高圧段コンプレッサ３へ送給する低圧段ターボチャージャ７とが備えられている。
【０００３】
また、高圧段タービン２より上流の排気系（具体的には排気マニホールド）から排気Ｇの一部を抜き出して高圧段コンプレッサ３より下流の吸気系（具体的には吸気マニホールド）に再循環するＥＧＲライン８が設けられ、該ＥＧＲライン８には、排気系から分流した排気Ｇを冷却するＥＧＲクーラ９と、吸気系へ還流すべき排気Ｇの流量を調整するＥＧＲバルブ１０とが設けられている。
【０００４】
而して、斯かる二段過給システムにおいては、エンジン１から送出される排気Ｇが、高圧段タービン２へ流入して高圧段コンプレッサ３を駆動した後、低圧段タービン５へ流入して低圧段コンプレッサ６を駆動し、該低圧段コンプレッサ６に流入して圧縮された吸気Ａは、更に次の高圧段コンプレッサ３に送給されて再び圧縮されてからエンジン１へ送給されるので、該エンジン１におけるシリンダへの吸気Ａの送給量が増加し、１サイクル当たりの燃料噴射量を多くすることでエンジン１の出力を高めることができる。
【０００５】
また、前記排気Ｇの一部は、高圧段タービン２より上流の排気系からＥＧＲライン８へ流入し、ＥＧＲクーラ９で冷却され且つＥＧＲバルブ１０で流量調整された後に吸気Ａと一緒にエンジン１へ送給され、これによりシリンダ内の燃焼温度の低下が図られ、ＮＯxの発生が低減される。
【０００６】
この際、小径の高圧段ターボチャージャ４を採用した二段過給システムとしたことでターボ効率が既存の単段過給よりも向上されているので、従来通りの新気量を確保しながらも排気Ｇの再循環量をより多くすることができて高ＥＧＲ率を実現することができる。
【０００７】
尚、前述の如き二段過給システムと関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、下記の特許文献１、２等が既に存在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１４７０３０号公報
【特許文献２】特開平５−１８００８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、斯かる従来の二段過給システムにおいては、寒冷地でのコールドスタート時等のように低水温条件下で暖機を行いたい場合や、パティキュレートフィルタに昇温した排気Ｇを導入して強制再生を行いたい場合、或いは、ＮＯx低減触媒に昇温した排気Ｇを導入して触媒活性を上げたい場合等に、ＥＧＲクーラ９を迂回させることによる排気Ｇの温度低下を避けるべく排気再循環を停止すると、排気Ｇの一部が再循環しなくなる分だけタービンガス量が増加し、これら高圧段タービン２及び低圧段タービン５のターボ回転数が大幅に上昇してしまうので、運転条件によっては、これら高圧段タービン２及び低圧段タービン５が過回転により損傷する虞れがあった。
【００１０】
即ち、通常の単段過給では、ターボ過回転が問題となり易い高速高負荷域でのＥＧＲ率が少ないため、排気再循環の停止時におけるタービンガス量の増加によるターボ回転数の上昇を、可変ノズルターボの採用によりベーン開度の変更で許容回転域に収めて対応することができるが、高ＥＧＲ率を狙った二段過給システムにおいては、ターボマッチング上、通常の単段過給よりも小径のタービンやコンプレッサが使用されているため、排気再循環の停止時のターボ回転上昇が非常に厳しくなるという事情があった。
【００１１】
本発明は、斯かる実情に鑑みてなしたもので、排気再循環の停止時におけるターボ回転数の上昇を抑制して高圧段タービン及び低圧段タービンの過回転による損傷を防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、エンジンから送出される排気によって高圧段タービンを作動させ且つ高圧段コンプレッサで圧縮した吸気をエンジンへ送給する高圧段ターボチャージャと、該高圧段ターボチャージャの高圧段タービンから送出される排気によって低圧段タービンを作動させ且つ低圧段コンプレッサで圧縮した吸気を前記高圧段コンプレッサへ送給する低圧段ターボチャージャとを備え、高圧段タービンより上流の排気系から排気の一部を抜き出して高圧段コンプレッサより下流の吸気系に再循環し且つその循環を適宜に停止し得るように構成した二段過給システムにおいて、高圧段ターボチャージャを可変ノズルターボで構成すると共に、高圧段タービンからの排気を低圧段タービンを迂回させて該低圧段タービンの下流へ導くバイパス流路と、該バイパス流路の途中に装備されて流路を開閉するバイパスバルブと、排気の再循環停止時に高圧段タービンのノズル開度を必要量開いて高圧段の排気エネルギーを下げ且つバイパスバルブの開度を必要量開いて低圧段のタービンガス量を下げる制御装置とを備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
而して、このようにすれば、排気の再循環停止時に排気の一部が再循環しなくなることでタービンガス量が増加しても、制御装置により高圧段タービンのノズル開度が必要量開けられて高圧段の排気エネルギーが下がり、バイパスバルブの開度も必要量開けられて低圧段のタービンガス量が下がるので、高圧段タービン及び低圧段タービンの夫々におけるターボ回転数の上昇が抑制されて過回転が防止される。
【００１４】
また、低圧段タービンの下流にパティキュレートフィルタやＮＯx低減触媒が装備されていて、これらを昇温したいがために排気の再循環が停止されているような場合には、高圧段タービンからの排気を低圧段タービンを迂回させることで該低圧段タービンにおける膨張仕事がなくなって排気温度がより高い温度に維持されるという付帯的な効果も得られる。特に低圧段タービンの下流にＮＯx低減触媒が装備されている場合には、該ＮＯx低減触媒が昇温されて触媒活性が高められることでＮＯx還元反応が促進され、排気の再循環停止時におけるＮＯxの増加が抑制されることになる。
【００１５】
更に、本発明をより具体的に実施するに際しては、高圧段タービンのノズル開度とバイパスバルブの開度を制御する制御装置が、エンジンの回転数と燃料噴射量とに基づき排気の再循環停止時専用の制御マップから高圧段タービンのノズル開度とバイパスバルブの開度を読み出して制御を行うように構成されていることが好ましい。
【００１６】
また、排気の再循環停止時専用の制御マップから読み出した高圧段タービンのノズル開度とバイパスバルブの開度をエンジンの冷却水温度、吸気温度、気圧に基づき補正してから制御を行うようにすると更に良い。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の二段過給システムによれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【００１８】
（Ｉ）排気の再循環停止時に排気の一部が再循環しなくなることでタービンガス量が増加しても、制御装置により高圧段タービンのノズル開度を必要量開けて高圧段の排気エネルギーを下げ、バイパスバルブの開度も必要量開けて低圧段のタービンガス量を下げることができ、これにより高圧段タービン及び低圧段タービンの夫々におけるターボ回転数の上昇を抑制することができるので、高圧段タービン及び低圧段タービンの過回転による損傷を未然に防止することができる。
【００１９】
（ＩＩ）高圧段タービンからの排気を低圧段タービンを迂回させることで該低圧段タービンにおける膨張仕事をなくし、排気温度をより高い温度に維持することができるので、低圧段タービンの下流にパティキュレートフィルタやＮＯx低減触媒が装備されていて、これらを昇温したいがために排気の再循環を停止するような場合には、排気温度を相乗的に高めてパティキュレートフィルタやＮＯx低減触媒の良好な昇温を図ることができ、特に低圧段タービンの下流にＮＯx低減触媒が装備されている場合には、ＮＯx低減触媒を昇温して触媒活性を高めることでＮＯx還元反応を促進し、排気の再循環停止時におけるＮＯxの増加を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図２】制御装置による具体的な制御手順を示すフローチャートである。
【図３】従来例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００２２】
図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図３と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。
【００２３】
図１に全体図を示す如く、本形態例の二段過給システムにおいては、先に図３で説明した従来の二段過給システムと基本的な構成は同様であるが、従来の二段過給システムに用いられていた高圧段ターボチャージャ４を可変ノズルターボで構成しており、しかも、高圧段タービン２からの排気Ｇを低圧段タービン５を迂回させて該低圧段タービン５の下流へ導くバイパス流路１１と、該バイパス流路１１の途中に装備されて流路を開閉するバイパスバルブ１２と、排気Ｇの再循環停止時に高圧段タービン２のノズル開度を必要量開いて高圧段の排気エネルギーを下げ且つバイパスバルブ１２の開度を必要量開いて低圧段のタービンガス量を下げる制御装置１３とを備えている。
【００２４】
前記高圧段ターボチャージャ４は、既存の可変ノズルターボと同等の構造を有するもので良く、例えば、高圧段ターボチャージャ４のタービンスクロール内におけるノズル部に角度調整可能な多数のノズルベーンを環状に備え、該各ノズルベーンをリングプレート等を介しアクチュエータ１４により連動して傾動操作し得るようにすれば良い。
【００２５】
また、前記制御装置１３にあっては、エンジン１の別の制御系から導いたエンジン１の回転数を示す検出信号１５、エンジン１の燃料噴射量を示す検出信号１６、排気Ｇの再循環の停止（ＥＧＲバルブ１０の閉止）を指示するＥＧＲカット信号１７、エンジン１の冷却水の温度を示す検出信号１８、吸気Ａの温度を示す検出信号１９、気圧を示す検出信号２０が入力されるようになっており、これらの各種信号に基づき以下に詳述する制御手順により制御値を決定して前記高圧段タービン２のアクチュエータ１４及びバイパスバルブ１２に向け制御信号２１，２２を出力し得るようにしてある。
【００２６】
即ち、前記制御装置１３においては、図２にフローチャートで示す如き制御手順で高圧段タービン２のアクチュエータ１４及びバイパスバルブ１２の制御が行われるようになっており、先ずステップＳ１で排気Ｇの再循環の停止（ＥＧＲバルブ１０の閉止）を指示するＥＧＲカット信号１７がオンであるか否かが判定されるようになっている。
【００２７】
そして、ステップＳ１でＥＧＲカット信号１７がオンであるとの判定が成された場合には、次のステップＳ２へと進んで、検出信号１５，１６から判るエンジン１の回転数と燃料噴射量とに基づきＥＧＲカットモード用（排気Ｇの再循環停止時専用）の制御マップから高圧段タービン２のノズル開度とバイパスバルブ１２の開度が読み出され、次いで、次のステップＳ３にて前記制御マップから読み出された高圧段タービン２のノズル開度とバイパスバルブ１２の開度が、エンジン１の冷却水温度、吸気温度、気圧に基づき補正されてから制御信号２１，２２として出力されるようになっている。
【００２８】
ここで、前記制御マップは、排気Ｇの再循環を停止した状態において、高圧段タービン２及び低圧段タービン５の過回転を効果的に回避し得る制御値を、エンジン１の回転数と燃料噴射量が異なる様々な運転状態に関し実験により検証して作成したものであり、実測のエンジン１の回転数と燃料噴射量とが判れば、前記制御マップから適切な高圧段タービン２のノズル開度とバイパスバルブ１２の開度とを読み出せるようになっている。
【００２９】
尚、高圧段タービン２のノズル開度とバイパスバルブ１２の開度は、エンジン１の冷却水温度、吸気温度、気圧によりエンジン性能やタービン流量が変化するため、前記制御マップから読み出された高圧段タービン２のノズル開度とバイパスバルブ１２の開度に関し、エンジン１の冷却水温度、吸気温度、気圧に基づき適切な補正係数を乗算して補正を行うようにしているが、この補正係数も実験により検証して作成したものである。
【００３０】
また、先のステップＳ１でＥＧＲカット信号１７がオンであるとの判定が成されなかった場合には、ステップＳ４へ進んでＥＧＲモード用（排気Ｇの再循環時専用）の制御マップから高圧段タービン２のノズル開度とバイパスバルブ１２の開度が読み出され、次いで、次のステップＳ５にて前記制御マップから読み出された高圧段タービン２のノズル開度とバイパスバルブ１２の開度が、エンジン１の冷却水温度、吸気温度、気圧に基づき補正されてから制御信号２１，２２として出力されるようになっている。
【００３１】
尚、排気Ｇの再循環時にあっては、高圧段ターボチャージャ４が可変ノズルターボで構成されているので、高圧段タービン２の排気エネルギーを重視してノズル開度を制御するようにすれば良く、また、バイパスバルブ１２の開度については、基本的に全閉として良いが、必要に応じて所要の開度で開けるようにしても良い。
【００３２】
而して、このように二段過給システムを構成すれば、排気Ｇの再循環停止時に排気Ｇの一部が再循環しなくなることでタービンガス量が増加しても、制御装置１３により高圧段タービン２のノズル開度が必要量開けられて高圧段の排気エネルギーが下がり、バイパスバルブ１２の開度も必要量開けられて低圧段のタービンガス量が下がるので、高圧段タービン２及び低圧段タービン５の夫々におけるターボ回転数の上昇が抑制されて過回転が防止される。
【００３３】
また、低圧段タービン５の下流にパティキュレートフィルタやＮＯx低減触媒が装備されていて、これらを昇温したいがために排気Ｇの再循環が停止されているような場合には、高圧段タービン２からの排気Ｇを低圧段タービン５を迂回させることで該低圧段タービン５における膨張仕事がなくなって排気温度がより高い温度に維持されるという付帯的な効果も得られる。特に低圧段タービン５の下流にＮＯx低減触媒が装備されている場合には、該ＮＯx低減触媒が昇温されて触媒活性が高められることでＮＯx還元反応が促進され、排気Ｇの再循環停止時におけるＮＯxの増加が抑制されることになる。
【００３４】
従って、上記形態例によれば、排気Ｇの再循環停止時に排気Ｇの一部が再循環しなくなることでタービンガス量が増加しても、制御装置１３により高圧段タービン２のノズル開度を必要量開けて高圧段の排気エネルギーを下げ、バイパスバルブ１２の開度も必要量開けて低圧段のタービンガス量を下げることができ、これにより高圧段タービン２及び低圧段タービン５の夫々におけるターボ回転数の上昇を抑制することができるので、高圧段タービン２及び低圧段タービン５の過回転による損傷を未然に防止することができる。
【００３５】
また、高圧段タービン２からの排気Ｇを低圧段タービン５を迂回させることで該低圧段タービン５における膨張仕事をなくし、排気温度をより高い温度に維持することができるので、低圧段タービン５の下流にパティキュレートフィルタやＮＯx低減触媒が装備されていて、これらを昇温したいがために排気Ｇの再循環を停止するような場合には、排気温度を相乗的に高めてパティキュレートフィルタやＮＯx低減触媒の良好な昇温を図ることができ、特に低圧段タービン５の下流にＮＯx低減触媒が装備されている場合には、ＮＯx低減触媒を昇温して触媒活性を高めることでＮＯx還元反応を促進し、排気Ｇの再循環停止時におけるＮＯxの増加を抑制することができる。
【００３６】
尚、本発明の二段過給システムは、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、高圧段タービンのノズル開度とバイパスバルブの開度の制御については、必ずしもエンジンの回転数と燃料噴射量との制御マップに基づいて行うことに限定されないこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００３７】
１  エンジン
２  高圧段タービン
３  高圧段コンプレッサ
４  高圧段ターボチャージャ
５  低圧段タービン
６  低圧段コンプレッサ
７  低圧段ターボチャージャ
８  ＥＧＲライン
１１  バイパス流路
１２  バイパスバルブ
１３  制御装置
２１  制御信号
２２  制御信号
Ａ  吸気
Ｇ  排気
【図１】
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【図２】
2011241766.tif 000004
【図３】
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