(57)【要約】【課題】多段過給システムにおいて、過給圧を維持しながら排気圧の制約を充足させる。【解決手段】排気圧Ｐ４が閾値Ｐ４ｔｈ以下であると判定された場合、ＶＮベーン２４の開度を調整するフィードバック制御が行われる（ステップＳ４）。一方、排気圧Ｐ４が閾値Ｐ４ｔｈを上回ると判定された場合、背圧制御を行うべく、実過給圧が目標過給圧を上回るか否かが判定される（ステップＳ５）。実過給圧が目標過給圧を上回ると判定された場合、排気調整弁９の開度が調整される（ステップＳ６）。一方、実過給圧が目標過給圧以下であると判定された場合、ＶＮベーン２４の開度が調整される（ステップＳ７）。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧段ターボ過給機と、低圧段ターボ過給機と、内燃機関の排気通路において前記高圧段ターボ過給機のタービンである高圧段タービンを迂回するバイパス通路と、前記バイパス通路を流れる排気量を調整する排気調整弁と、前記高圧段タービンよりも上流側の排気圧が閾値以下の場合、機関運転状態に応じて設定された目標過給圧に基づいて前記排気調整弁の開度をフィードバック制御するように構成された制御装置と、を備える多段過給システムであって、
前記高圧段ターボ過給機は、可変ノズルベーンを備え、
前記制御装置は、前記高圧段タービンよりも上流側の排気圧が前記閾値を上回る場合に、前記低圧段ターボ過給機のタービンである低圧段タービンと前記高圧段タービンの間の排気圧に対する前記高圧段タービンよりも上流側の排気圧の比として表される膨張比と、前記高圧段タービンに流入する排気量の目標値と、前記可変ノズルベーンの開度との関係を規定するタービンマップに基づいて、前記排気調整弁または前記可変ノズルベーンの開度を制御するように構成され、
前記制御装置は、前記高圧段タービンよりも上流側の排気圧が前記閾値を上回る場合において、前記高圧段ターボ過給機のコンプレッサよりも下流側の吸気圧が前記目標過給圧を上回るときは、前記タービンマップに基づいて、前記可変ノズルベーンの開度を維持し、尚且つ、前記膨張比と前記高圧段タービンに流入する排気量の目標値を低下させるように前記排気調整弁の開度を制御し、前記コンプレッサよりも下流側の吸気圧が前記目標過給圧以下のときは、前記タービンマップに基づいて、前記高圧段タービンに流入する排気量の目標値を維持し、尚且つ、前記膨張比を低下させるように前記可変ノズルベーンの開度を制御することを特徴とする多段過給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多段過給システムに関し、より詳細には、内燃機関用の多段過給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２０１３−１３３７６４号公報には、高圧段ターボ過給機と、低圧段ターボ過給機と、内燃機関の排気通路において高圧段ターボ過給機のタービンを迂回するバイパス通路と、当該バイパス通路を流れる排気量を調整する排気調整弁と、を備える多段過給システムにおいて、排気圧に応じて２つのフィードバック制御を切り替える技術が開示されている。この多段過給システムでは、具体的に、排気圧が閾値以下の場合は内燃機関の運転状態に応じて設定された目標過給圧に基づいて排気調整弁の開度をフィードバック制御し、排気圧が閾値を超えた場合は排気圧に基づいて排気調整弁の開度をフィードバック制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１３３７６４号公報
【特許文献２】特開２００５−３１５１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記多段過給システムの排気圧を調整する手段は、排気調整弁のみである。そのため、排気調整弁を開いて排気圧を低下させた場合は、高圧段ターボ過給機に流入する排気量が低下してターボ回転数が低下して過給圧が下がるため、内燃機関に吸入される空気量が低下する。内燃機関に吸入される空気量が低下すれば、スモークの制約により燃料噴射量も減らされるので動力の低下が懸念される。
【０００５】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものである。即ち、多段過給システムにおいて、過給圧を維持しながら排気圧の制約を充足させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、本発明は、高圧段ターボ過給機と、低圧段ターボ過給機と、内燃機関の排気通路において前記高圧段ターボ過給機のタービンである高圧段タービンを迂回するバイパス通路と、前記バイパス通路を流れる排気量を調整する排気調整弁と、前記高圧段タービンよりも上流側の排気圧が閾値以下の場合、機関運転状態に応じて設定された目標過給圧に基づいて前記排気調整弁の開度をフィードバック制御するように構成された制御装置と、を備える多段過給システムであって、
前記高圧段ターボ過給機は、可変ノズルベーンを備え、
前記制御装置は、前記高圧段タービンよりも上流側の排気圧が前記閾値を上回る場合
に、前記低圧段ターボ過給機のタービンである低圧段タービンと前記高圧段タービンの間の排気圧に対する前記高圧段タービンよりも上流側の排気圧の比として表される膨張比と、前記高圧段タービンに流入する排気量の目標値と、前記可変ノズルベーンの開度との関係を規定するタービンマップに基づいて、前記排気調整弁または前記可変ノズルベーンの開度を制御するように構成され、
前記制御装置は、前記高圧段タービンよりも上流側の排気圧が前記閾値を上回る場合において、前記高圧段ターボ過給機のコンプレッサよりも下流側の吸気圧が前記目標過給圧を上回るときは、前記タービンマップに基づいて、前記可変ノズルベーンの開度を維持し、尚且つ、前記膨張比と前記高圧段タービンに流入する排気量の目標値を低下させるように前記排気調整弁の開度を制御し、前記コンプレッサよりも下流側の吸気圧が前記目標過給圧以下のときは、前記タービンマップに基づいて、前記高圧段タービンに流入する排気量の目標値を維持し、尚且つ、前記膨張比を低下させるように前記可変ノズルベーンの開度を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、高圧段タービンよりも上流側の排気圧が閾値を上回る場合に、流量調整弁または可変ノズルベーンの開度の制御によって、排気圧を下げることができる。また、コンプレッサよりも下流側の吸気圧が目標過給圧以下のときに、タービンマップに基づいて、高圧段タービンに流入する排気量を維持し、尚且つ、膨張比を低下させるように可変ノズルベーンの開度を制御するので、過給圧を維持しながら排気圧の制約を充足させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態のシステムの全体構成について説明するための図である。
【図２】高圧段タービンマップを示す図である。
【図３】実施の形態における背圧制御を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】実施の形態においてＥＣＵ３０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態のシステムの全体構成について説明するための図である。図１に示すように、実施の形態のシステムは、車両に搭載される内燃機関（不図示）に適用されるものであり、コンプレッサ１２とタービン１４とが回転軸１６を介して連結された低圧段ターボ過給機１０と、コンプレッサ２２とタービン２６とが回転軸２８を介して連結された高圧段ターボ過給機２０と、を備える多段過給システムである。高圧段ターボ過給機２０は可変ノズルベーン式のターボ過給機として構成され、タービン２６には可変ノズルベーン（ＶＮベーン）２４が設けられている。
【００１１】
また、実施の形態のシステムは、内燃機関の吸気通路２と、バイパス通路３，６，８と、吸気調整弁４と、排気通路５と、排気バイパス弁７と、排気調整弁９とを備えている。バイパス通路３は、吸気通路２の途中においてコンプレッサ２２を迂回する通路であり、吸気調整弁４はバイパス通路３に設けられている。バイパス通路６は、排気通路５の途中においてタービン１４を迂回する通路であり、排気バイパス弁７はバイパス通路６に設けられている。バイパス通路８は、排気通路５の途中においてタービン２６を迂回する通路であり、排気調整弁９はバイパス通路８に設けられている。
【００１２】
また、実施の形態のシステムは、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit)３０を備えている。ＥＣＵ３０は、少なくとも入出力インタフェースとメモリとＣＰＵとを有している。入出力インタフェースは、エンジンに取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、エンジンが備えるアクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられる。
【００１３】
ＥＣＵ３０が信号を取り込むセンサ（何れも不図示）には、吸気通路２に流入した空気量Ｇａを検出するエアフローメータ、タービン２６よりも上流側の排気通路５内の排気圧Ｐ４および排気温Ｔ４を検出するためのセンサ、タービン２６後の排気圧、より具体的には、タービン２６とタービン１４の間の排気通路５内の排気圧Ｐ５および排気温Ｔ５を検出するためのセンサ、および、タービン１４よりも下流側の排気通路５内の排気圧Ｐ６および排気温Ｔ６を検出するためのセンサが含まれる。ＥＣＵ３０が操作信号を出すアクチュエータには、上述した吸気調整弁４、排気バイパス弁７、排気調整弁９、ＶＮベーン２４が含まれる。メモリには、エンジンを制御するための各種の制御プログラムが記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラムをメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。
【００１４】
［実施の形態の特徴］
本実施の形態では、コンプレッサ２２よりも上流、より具体的には、コンプレッサ２２とスロットルバルブ（図示しない）の間の吸気通路２内の吸気圧（以下、「過給圧」と称す。）が機関運転状態に応じて設定された目標過給圧に近づくように、ＶＮベーン２４の開度を調整するフィードバック制御が行われる。このフィードバック制御は、ＶＮベーン２４の開度を減少させると過給圧が上がり、増加させると過給圧が下がることを利用したものである。また、本実施の形態では、排気圧Ｐ４に対する制約（以下、「上限値Ｐ４ｍａｘ」と称す。）を充足するように、排気調整弁９やＶＮベーン２４の開度を調整する背圧制御も行われる。この背圧制御は、排気調整弁９やＶＮベーン２４の開度を増加させると排気圧Ｐ４が下がることを利用したものである。
【００１５】
但し、低速ギアを使用している際の車両加速時や、スロットルバルブの全開加速時において、過給圧を目標過給圧に近づけるべくＶＮベーン２４の開度を減少させると排気圧Ｐ４が増加する。また、加速に伴い燃料噴射量も増やされるので、排気圧Ｐ４が短時間で増加することになる。そのため、加速の程度によっては、排気圧Ｐ４が上限値Ｐ４ｍａｘの近傍まで上昇している一方で、実際の過給圧（以下、「実過給圧」と称す。）が目標過給圧まで上昇しきれていないという状況が生じる。
【００１６】
そこで、本実施の形態では、排気圧Ｐ４の変化率（時間微分）と、上限値Ｐ４ｍａｘと排気圧Ｐ４の偏差とに基づいて閾値Ｐ４ｔｈを設定し、この閾値Ｐ４ｔｈと排気圧Ｐ４との比較によって、上述したフィードバック制御と背圧制御を切り替えている。具体的には、排気圧Ｐ４が閾値Ｐ４ｔｈ以下の場合はフィードバック制御を行い、排気圧Ｐ４が閾値Ｐ４ｔｈを上回る場合は背圧制御を行っている。なお、閾値Ｐ４ｔｈは、排気圧Ｐ４が高くなるに従い排気圧Ｐ４の変化率に対する感度が大きくなるように算出されるものとし、閾値Ｐ４ｔｈの算出アルゴリズムについてはＥＣＵ３０のメモリ内に記憶されているものとする。
【００１７】
また、背圧制御を行うに際しては、実過給圧と目標過給圧との比較によって、排気調整弁９の開度調整とＶＮベーン２４の開度調整とを切り替えている。具体的には、実過給圧が目標過給圧を上回る場合は排気調整弁９の開度調整を行い、実過給圧が目標過給圧以下の場合はＶＮベーン２４の開度調整を行っている。
【００１８】
排気調整弁９の開度調整とＶＮベーン２４の開度調整の切り替えは、具体的に、高圧段タービンマップに基づいて行われる。図２は、高圧段タービンマップを示す図である。この高圧段タービンマップは、タービン２６に流入する排気量Ｇｅｘの目標値ＴＧｅｘと、排気圧Ｐ４と排気圧Ｐ５の比である膨張比（＝Ｐ４／Ｐ５）と、ＶＮベーン２４の開度（ＶＮ）との関係を規定したものであり、ＥＣＵ３０のメモリ内に記憶されているものとする。なお、図２に示すＶＮの百分率は、ＶＮベーン２４の全開時を０％とし、閉じ側に操作することで３０％、５０％、７０％、９０％と増えることを意味している。
【００１９】
図２の矢印Ａは、排気調整弁９の開度を増加させた場合を示している（ＶＮは９０％で一定）。排気調整弁９の開度を増加させると、バイパス通路８を流れる排気量が増えてタービン２６に流入する排気量Ｇｅｘが減るので、排気圧Ｐ４（図２においては膨張比）を下げることができる。また、図２の矢印Ｂは、ＶＮベーン２４の開度を増加させた場合を示している（排気調整弁９の開度は一定）。ＶＮベーン２４の開度を増加させると（ＶＮを９０％から７０％に変更すると）、排気調整弁９の開度増加時と同様に、排気圧Ｐ４（図２においては膨張比）を下げることができる。
【００２０】
ここで、排気調整弁９の開度を増加させる場合は、目標値ＴＧｅｘがＧｅｘ１からＧｅｘ２へと減少する。これに対して、ＶＮベーン２４の開度を増加させる場合は、目標値ＴＧｅｘをＧｅｘ１に維持できるので、高圧段ターボ過給機２０のターボ回転数が落ち込むのを抑え、より高い過給圧を維持することが可能となる。よって、実過給圧が目標過給圧まで上昇しきれていないような場合であっても、ＶＮベーン２４の開度増加により、排気圧Ｐ４を下げつつ、過給圧の低下を抑えることが可能となる。
【００２１】
図３は、本実施の形態における背圧制御を説明するためのタイミングチャートである。図３に示すように、車両加速の前半においては、内燃機関に吸入される空気量が目標空気量に比べて不足するためＶＮベーン２４を閉じて過給し、これにより過給圧が増加して排気圧Ｐ４も増加する。排気圧Ｐ４が増加して時刻Ｔ１の時点で閾値Ｐ４ｔｈを上回るが、この時点では目標過給圧よりも実過給圧が低い。そこで、時刻Ｔ１の時点ではＶＮベーン２４を一時的に開き、排気圧Ｐ４を下げる。これにより、排気圧Ｐ４が閾値Ｐ４ｔｈ以下となるので、この時点でＶＮベーン２４を閉じ側に戻され、実過給圧が上昇に転ずる。
【００２２】
ＶＮベーン２４を一時的に開くことで、実過給圧の目標過給圧に対する追従性は若干低下するが、排気圧Ｐ４が閾値Ｐ４ｔｈ以下となった時点でＶＮベーン２４を閉じ側に戻せば、実過給圧が再び上昇する。また、ＶＮベーン２４を一時的に開くことで、内燃機関に吸入される空気量の目標空気量に対する追従性も若干低下するが、ＶＮベーン２４を閉じ側に戻すことで、この空気量も再び上昇する。
【００２３】
ＶＮベーン２４を閉じ側に戻した後、時刻Ｔ２の時点で実過給圧が目標過給圧に到達する。但し、この時点で排気圧Ｐ４が閾値Ｐ４ｔｈを上回っているので、今度は、ＶＮベーン２４ではなく、排気調整弁９の開度を時刻Ｔ２から時刻Ｔ３まで増加させて排気圧Ｐ４を下げる。
【００２４】
図３に「背圧制御無し」として示すように、背圧制御を行わない場合は、加速中盤から後半にかけて排気圧Ｐ４が上限値Ｐ４ｍａｘを上回る状況が起こる。これに対し、本実施の形態によれば、図３に「背圧制御有り」として示すように、排気圧Ｐ４を上限値Ｐ４ｍａｘ未満に維持できる。よって、排気系の信頼性を確保しながら、実過給圧を目標過給圧に追従させることができる。
【００２５】
［具体的処理］
図４は、本実施の形態においてＥＣＵ３０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図４の制御ルーチンは、内燃機関の運転中に一定間隔で繰り返し実行されるものとする。
【００２６】
図４に示すルーチンでは、先ず、内燃機関の各種状態量や目標値が読み込まれる（ステップＳ１）。具体的には、排気圧Ｐ４、排気圧Ｐ５、過給圧、目標過給圧、ＶＮベーン２４の開度、内燃機関に吸入される空気量、目標空気量および排気調整弁９の開度がＥＣＵ３０に読み込まれる。
【００２７】
続いて、閾値Ｐ４ｔｈの設定が行われる（ステップＳ２）。具体的には、ステップＳ１で読み込んだ排気圧Ｐ４と、上述した閾値Ｐ４ｔｈの算出アルゴリズムとに基づいて、閾値Ｐ４ｔｈが設定される。
【００２８】
続いて、閾値Ｐ４ｔｈが排気圧Ｐ４以下か否かが判定される（ステップＳ３）。具体的には、ステップＳ１で読み込んだ排気圧Ｐ４が、ステップＳ２で設定した閾値Ｐ４ｔｈ以下であるか否かが判定される。排気圧Ｐ４が閾値Ｐ４ｔｈ以下であると判定された場合（Ｐ４≦Ｐ４ｔｈ）、ＶＮベーン２４の開度を調整するフィードバック制御（ＶＮベーンＦＢ制御）が行われる（ステップＳ４）。一方、ステップＳ３において、排気圧Ｐ４が閾値Ｐ４ｔｈを上回ると判定された場合（Ｐ４＞Ｐ４ｔｈ）、背圧制御を行うべく、ステップＳ５以降の処理が行われる。
【００２９】
ステップＳ５においては、実過給圧が目標過給圧を上回るか否かが判定される。具体的には、ステップＳ１で読み込んだ過給圧と目標過給圧について、実過給圧が目標過給圧を上回るか否かが判定される。実過給圧が目標過給圧を上回ると判定された場合（実過給圧＞目標過給圧）、排気調整弁９の開度が調整される（ステップＳ６）。一方、実過給圧が目標過給圧以下であると判定された場合（実過給圧≦目標過給圧）、ＶＮベーン２４の開度が調整される（ステップＳ７）。排気調整弁９やＶＮベーン２４の開度は、図２で説明した高圧段タービンマップに基づいて行われる。
【００３０】
以上、図４に示したルーチンによれば、閾値Ｐ４ｔｈと排気圧Ｐ４との比較によって、ＶＮベーンＦＢ制御と背圧制御を切り替えることができる。また、背圧制御によって、排気圧Ｐ４を上限値Ｐ４ｍａｘ未満に維持できる。よって、排気系の信頼性を確保しながら、実過給圧を目標過給圧に追従させることができる。
【００３１】
ところで、上記実施の形態では、排気圧Ｐ４の変化率と、上限値Ｐ４ｍａｘと排気圧Ｐ４の偏差とに基づいて閾値Ｐ４ｔｈを設定したが、閾値Ｐ４ｔｈを一定値に設定してもよい。
【００３２】
なお、上記実施の形態１においては、バイパス通路８が本発明の「バイパス通路」に、タービン２６が本発明の「高圧段タービン」に、タービン１４が本発明の「低圧段タービン」に、閾値Ｐ４ｔｈが本発明の「閾値」に、ＥＣＵ３０が本発明の「制御装置」に、「高圧段タービンマップ」が本発明の「タービンマップ」に、それぞれ相当する。
【符号の説明】
【００３３】
２  吸気通路
３，６，８  バイパス通路
５  排気通路
７  排気バイパス弁
９  排気調整弁
１０  低圧段ターボ過給機
１２，２２  コンプレッサ
１４，２６  タービン
２０  高圧段ターボ過給機
２４  可変ノズルベーン（ＶＮベーン）
３０  ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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