(57)【要約】【課題】主ターボ過給機のシングル運転から主副両ターボ過給機の運転へと移行する助走期間において、排気切替弁の故障による主ターボ過給機の過回転の発生を防止する。【解決手段】主ターボ過給機１１と副ターボ過給機１２とを並列に接続する。主ターボ過給機１１の主タービン１１Ｔの入口に接続される上流側主排気管２２から分岐し、副ターボ過給機１２の副タービン１２Ｔの入口に接続される上流側副排気管２３に排気切替弁２５を設ける。排気切替弁２５にポジションセンサ２６を設け、排気切替弁２５の開度を直接モニタする。排気切替弁２５の開度に異常が検知されたときには、燃料噴射量を制限し、ターボ過給システム１０の制御をシングル運転モードに制限する。【選択図】図１
2009162124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主ターボ過給機と副ターボ過給機とが並列に接続され、相対的に低いエンジン回転域においては前記主ターボ過給機のみに排気を供給してシングル運転を行ない、相対的に高いエンジン回転域においては前記主ターボ過給機および前記副ターボ過給機に排気を供給してツイン運転を行なうパラレルツインターボシステムの制御システムであって、
前記シングル運転から前記ツイン運転へ移行する助走期間において前記シングル運転と前記ツイン運転の切替を行なうための排気切替弁の開度異常が検知されると、燃料噴射量を制限し、またはシングル運転に制御を制限することを特徴とするパラレルツインターボシステムの制御システム。
【請求項２】
前記開度異常を前記排気切替弁に設けられたポジションセンサにより検出することを特徴とする請求項１に記載のパラレルツインターボシステムの制御システム。
【請求項３】
前記シングル運転への制御の制限が、前記助走期間内に前記副ターボ過給機のコンプレッサの入口側と出口側とをバイパスする吸気バイパス通路に設けられた吸気バイパス弁を開く制御を含むことを特徴とする請求項１に記載のパラレルツインターボシステムの制御システム。
【請求項４】
前記シングル運転への制御の制限が、前記副ターボ過給機のコンプレッサ出口と前記主ターボ過給機のコンプレッサ出口とを結ぶ吸気管に設けられた吸気切替弁を全閉状態に維持する制御を含むことを特徴とする請求項１または３に記載のパラレルツインターボシステム。
【請求項５】
前記開度異常の検知が、前記助走期間内であって、前記助走期間が開始してから所定時間経過までに前記排気切替弁の開度が目標開度に達したか否かによって行なわれることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のパラレルツインターボの制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ過給機を並列に接続したパラレルツインターボシステムの制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の過給に並列に接続された２機のターボ過給機を用い、吸入量が低い運転領域では主ターボ過給機のみを作動させ、吸入量が高い運転領域では主ターボ過給機に加え副ターボ過給機を作動させる２ウェイツインターボシステムが知られている。このような２ウェイツインターボシステムでは、主副両ターボ過給機が作動される運転域で吸気切替弁および排気切替弁が閉弁状態で故障した状態にあると、主ターボ過給機の出口圧力により排気バイパス弁が開き副ターボ過給機が回転されて、副ターボ過給機のコンプレッサにおける吸気温度が著しく上昇し、副ターボ過給機のインペラの疲労要因となる。また、吸排気抵抗が増大して過給圧が低下するので、ウェストゲートバルブは、過給圧を上昇させるために主ターボ過給機の回転数を上げる方向に制御される。これにより主ターボ過給機の回転が過剰となりインペラおよびタービンの疲労要因となる（特許文献１参照）。
【０００３】
このような問題に対して特許文献１の過給機付エンジンの制御装置では、エンジン回転数と過給圧から吸気切替弁および排気切替弁が閉弁状態で故障したと判定されたときに排気バイパス弁を閉弁させるとともにウェストゲートバルブの過給圧に基づく制御を禁止している。
【特許文献１】特開平０５−０９８９８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、排気切替弁のみが閉弁状態あるいは略閉弁状態で故障し動かなくなった場合（閉故障）にも、主ターボ過給機のシングル運転から主副両ターボ過給機のツイン運転へと移行する助走期間においては、排気の殆どが主ターボ過給機に流れ込むため、主ターボ過給機の一時的な過回転を発生し、主ターボ過給機を破損させる可能性がある。
【０００５】
本発明は、主ターボ過給機のシングル運転から主副両ターボ過給機の運転へと移行する助走期間において、排気切替弁の故障による主ターボ過給機の過回転の発生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】
【０００６】
本発明のパラレルツインターボシステムの制御システムは、主ターボ過給機と副ターボ過給機とが並列に接続され、相対的に低いエンジン回転域においては主ターボ過給機のみに排気を供給してシングル運転を行ない、相対的に高いエンジン回転域においては主ターボ過給機および副ターボ過給機に排気を供給してツイン運転を行なうパラレルツインターボシステムの制御システムであって、シングル運転からツイン運転へ移行する助走期間においてシングル運転とツイン運転の切替を行なうための排気切替弁の開度異常が検知されると、燃料噴射量の制限またはシングル運転に制御を制限することを特徴としている。
【０００７】
助走期間における主ターボ過給機の過回転を防止するには、排気切替弁に設けられたポジションセンサにより開度異常を直接的に検出し、フェイル制御における応答速度を高めることが好ましい。シングル運転への制御の制限は、例えば助走期間内に副ターボ過給機のコンプレッサの入口側と出口側とをバイパスする吸気バイパス通路に設けられた吸気バイパス弁を開く制御を含み、また副ターボ過給機のコンプレッサ出口と主ターボ過給機のコンプレッサ出口とを結ぶ吸気管に設けられた吸気切替弁を全閉状態に維持する制御を含む。
【０００８】
例えば開度異常の検知は、助走期間内であって、助走期間が開始してから所定時間経過までに排気切替弁の開度が目標開度に達したか否かによって行なわれる。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、本発明によれば、主ターボ過給機のシングル運転から主副両ターボ過給機の運転へと移行する助走期間において、排気切替弁の故障による主ターボ過給機の過回転の発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である並列に接続された主ターボ過給機および副ターボ過給機を備えるターボ過給システムの構成を示すブロック図である。
【００１１】
本実施形態において、ターボ過給システム１０は、並列に接続された主ターボ過給機１１と副ターボ過給機１２とを備える２ウェイツインターボシステムである。主ターボ過給機１１はシャフトで連結された主タービン１１Ｔと主コンプレッサ１１Ｃを備え、副ターボ過給機１２はシャフトで連結された副タービン１２Ｔと副コンプレッサ１２Ｃを備える。
【００１２】
エアはエアフィルタ１３を介して吸入され、エアフィルタ１３の出口側は、二股に分かれた上流側吸気管１４に接続される。二股に分かれた上流側吸気管１４の一方は主コンプレッサ１１Ｃの入口に接続され、他方は副コンプレッサ１２Ｃの入口に接続される。また、主コンプレッサ１１Ｃの出口には下流側主吸気管１５が接続され、副コンプレッサ１２Ｃの出口には下流側副吸気管１６が接続される。下流側主吸気管１５と下流側副吸気管１６は、インタークーラ１７の手前で連結される。したがって、主コンプレッサ１１Ｃまたは副コンプレッサ１２Ｃで加圧されたエアは、インタークーラ１７を介して吸気マニホルド（図示せず）へと過給される。
【００１３】
下流側副吸気管１６には、吸気切替弁１８が設けられる。吸気切替弁１８は吸気切替弁バイパス通路１９によりバイパスされ、吸気切替弁バイパス通路１９には、副コンプレッサ１２Ｃ側からインタークーラ１７側への流れのみを許容するリードバルブ１９ａなどの逆止弁が設けられる。また、上流側吸気管１４と下流側副吸気管１６との間には、両者をバイパスする吸気バイパス通路２０が設けられる。吸気バイパス通路２０は、下流側副吸気管１６のリードバルブ１９ａよりも副コンプレッサ１２Ｃ側（上流側）に接続され、吸気バイパス通路２０の途中には吸気バイパス弁２１が設けられる。
【００１４】
一方、内燃機関の排気マニホルド（図示せず）は、上流側主排気管２２と上流側副排気管２３とに分岐される上流側排気管２２ａに接続される。上流側主排気管２２は、主タービン１１Ｔの入口に接続され、上流側副排気管２３は副タービン１２Ｔの入口に接続される。また、主タービン１１Ｔと副タービン１２Ｔの出口は、それぞれ下流側排気管２４に接続され、主タービン１１Ｔ、副タービン１２Ｔからの排気は下流側排気管２４に接続された触媒（図示せず）等を介して排出される。
【００１５】
上流側副排気管２３には排気切替弁２５が設けられ、排気切替弁２５には弁の開度を検出するためのセンサ（例えばポジションセンサ）２６が設けられる。センサ２６からの信号は例えばＥＣＵ２７に入力され、後述するようにターボ過給システム１０を含むエンジンシステムの制御に使用される。また、上流側副排気管２３において、排気切替弁２５と副タービン１２Ｔとの間の区間には、ウェストゲート通路２８が接続される。ウェストゲート通路２８は、下流側排気管２４へと連通し、その途中にはウェストゲートバルブ２９が設けられる。
【００１６】
なお、リードバルブ１９ａを除く各弁の開閉制御は、従来周知のように、図示しないダイアフラム等を利用してＥＣＵ２７によって制御される。
【００１７】
次に、図１、図２を参照してターボ過給システム１０の動作について説明する。図２は、主ターボ過給機１１のみが作動されたシングル運転から助走区間を経て、主ターボ過給機１１および副ターボ過給機１２が作動されたツイン運転へと移行する際の排気切替弁２５、吸気切替弁１８、吸気バイパス弁２１各々の開度の変化と、燃料噴射量、主ターボ過給機の回転数の変化を対応付けて示すタイミングチャートである。
【００１８】
なお、図２の実線は、本システムが正常に作動したときの変化を示すもので、破線は排気切替弁２５が閉故障しながらも、本実施形態のフェイル処理が実施されないときの変化を示す。また、一点鎖線は、排気切替弁２５が閉故障し、かつ本実施形態のフェイル処理が実施されたときの変化を示すものである。
【００１９】
低吸気運転域であるシングル運転時、排気切替弁２５は全閉状態とされる。したがって、排気マニホルドからの排気は、上流側主排気管２２を介して全て主タービン１１Ｔに供給され、副タービン１２Ｔには供給されない。また、シングル運転時には、吸気切替弁１８は全閉状態とされるとともに吸気バイパス弁２１は全開状態とされている。すなわち、吸気バイパス弁２１が開かれていることから、副コンプレッサ１２Ｃの出口側は入口側と連通されており略同圧力となる。また吸気切替弁１８は閉じられているため、下流側副吸気管１６を通して副コンプレッサ１２Ｃ側からエアが下流側主吸気管１５側へと流込むこともない。
【００２０】
なお、このときリードバルブ１９ａの副コンプレッサ１２Ｃ側の圧力は、主コンプレッサ１１Ｃで加圧されたインタークーラ１７側の圧力よりも低いのでリードバルブ１９ａを介して副コンプレッサ１２Ｃ側のエアがインタークーラ１７側へと流れ込むこともない。
【００２１】
例えばエンジン回転数が増大されターボ過給システム１０が助走期間に入ると、ＥＣＵ２７により例えばインジェクタ（図示せず）からの燃料噴射量が漸次増大されるとともに排気切替弁２５の開度がこれに対応して漸次開かれる。これにより、排気の一部は上流側副排気管２３を通して副タービン１２Ｔに徐々に供給され始め、副タービン１２Ｔの作動が開始される。また助走区間内の所定のタイミングで吸気バイパス弁２１が全閉され（例えば副ターボ過給機１２の回転が所定レベルに達したとき）、副コンプレッサ１２Ｃによる加圧が開始される。
【００２２】
なお、助走区間の初めにおいて、副コンプレッサ１２Ｃの出口側圧力は主コンプレッサ１１Ｃの出口側圧力に比べて著しく低いが、吸気切替弁１８が未だ閉じられているため主コンプレッサ１１Ｃの出口側から副コンプレッサ１２Ｃの出口側へとエアが逆流することはない。また、吸気切替弁１８および吸気バイパス弁２１を閉じた状態での副コンプレッサ１２Ｃによる加圧は、例えば助走区間の終わりである排気切替弁２５が全開される時点まで継続される。すなわち、吸気切替弁１８は、排気切替弁２５の開度が全開となるとまで閉じられており、排気切替弁２５の開度が全開になると同時に全開される。
【００２３】
副コンプレッサ１２Ｃの出口圧力は、吸気バイパス弁２１が閉じられてから吸気切替弁１８が開かれるまでの間に、主コンプレッサ１１Ｃの出口圧力レベルにまで高められる。したがって、助走区間が終了して吸気切替弁１８が全開されると、副コンプレッサ１２Ｃによる加圧エアは、内燃機関へと過給される。また、助走区間内に副コンプレッサ１２Ｃの出口圧力が、主コンプレッサ１１Ｃの出口側圧力よりも高くなると、リードバルブ１９ａを通して副コンプレッサ１２Ｃで加圧されたエアがインタークーラ１７に向けて流れ出すため、副コンプレッサ１２Ｃの出口圧力が必要以上に高くなることはない。
【００２４】
なお図１は、助走区間において吸気バイパス弁２１が閉じられた後の各弁の開閉状態と吸気および排気の流れを模式的に表している。すなわち、黒で塗りつぶされた弁は全閉状態であり、白抜きの弁は全開状態にある。また、半分のみが黒で塗りつぶされ、残りの半分が白抜きとされた弁は部分的に開かれた状態にある弁を表している。
【００２５】
上述のようにターボ過給システム１０が正常に作動しているときには、助走区間を通して排気切替弁２５が徐々に開かれ、増大する排気は副ターボ過給機１２の副タービン１２Ｔへも徐々に供給される。これにより、主ターボ過給機１１の回転数は、シングル運転における回転数から、実線で示されるように徐々に増大され、ターボ過給機破損の危険のある限界回転数Ｎｃを越えて過回転を発生することはない。
【００２６】
一方、排気切替弁２５が、例えば図２の排気切替弁開度に破線で示されるように全閉状態で閉故障し、助走区間において全閉された状態に維持されると、燃料噴射量の増大（エンジン回転数の増大）に伴い増大された排気は全て主ターボ過給機１１の主タービン１１Ｔへと供給されるため、図２に示されるように主ターボ過給機１１の回転数は、助走区間において限界回転数Ｎｃを越えて著しく上昇し、過回転（記号Ｓで示す）が発生し、主ターボ過給機１１が破損する可能性がある。
【００２７】
そこで本実施形態のターボ過給システムの制御システムでは、排気切替弁２５の実開度をモニタし、これに基づいて排気切替弁２５の開度が異常であると判断されるときには、フェイル処理を実行する。例えば助走期間における助走期間が始まってからの所定期間を異常判定期間Ｔとし、この期間が終了するまでにセンサ２６からの信号により排気切替弁２５が目標開度に達していないと判定された場合にはフェイル処理が実行される。
【００２８】
フェイル処理としては、例えば、燃料噴射量にガードを掛けて排気の量を低減している。この場合、異常が判定されると直ちに所定の燃料噴射量Ｑに噴射量が抑えられる。また、排気切替弁２５が閉故障した場合には、実質的にシングル運転状態となるので、吸気切替弁１８および吸気バイパス弁２１の開度制御をシングル運転モードに準じて制御する。すなわち、異常が判定されると直ちに助走区間において吸気バイパス弁２１が全開され、吸気切替弁１８は例えば全閉状態に維持される。
【００２９】
図３に、本実施形態のターボ過給システムにおける制御フローの一例を示す。
図３に示されるフローは、通常の２ウェイツインターボシステム制御フローにおいて、シングル運転からツイン運転への移行が開始されたと判断されたときにＥＣＵ２７において実行される。
【００３０】
ステップＳ１０２では、異常判定期間Ｔが経過したときのセンサ２６からの信号に基づく排気切替弁２５の実開度が入力される。すなわちステップＳ１０４では実開度が目標開度に達しているか否かが判定される。排気切替弁２５の実開度が目標開度に達していないときには、ステップＳ１０６、Ｓ１０８のフェイル処理が実行される。ステップＳ１０６においては吸気バイパス弁２１が全開となるように制御され、ステップＳ１０８においては吸気切替弁１８が全閉となるように制御されこの処理は終了する。すなわち、シングル運転に制御を固定する設定を行なって処理は終了する。
【００３１】
一方、ステップＳ１０４において実開度が目標開度に達していると判定された場合には、排気切替弁２５は正常に機能しているので、この処理は終了し通常の制御に戻る。
【００３２】
以上のように、本実施形態によれば、排気切替弁の実開度をモニタすることにより、排気切替弁の開度異常を検知し、異常が検知された際には、直ちに燃料噴射量を制限して主ターボ過給機のシングル運転から主副両ターボ過給機の運転へと移行する助走期間における主ターボ過給機の過回転の発生を防止することができる。また、ツインターボシステムの制御をシングル運転とすることで、より効果的に過回転の発生を防止できる。
【００３３】
また、本実施形態では排気切替弁の開度異常をポジションセンサなどで直接モニタすることにより、助走期間に発生し得る過回転に迅速に対応することができる。なお、助走期間内における迅速な対応が可能であれば、ターボ回転数や副コンプレッサの出口圧力などをモニタして開度異常を検知し、本実施形態の制御を行なうことも可能である。
【００３４】
本実施形態では、排気切替弁の開度異常の発生時に、燃料噴射量の制限と、ツインターボシステムの制御をシングル運転に制限する処理とを同時に行なったが、どちらか一方のみを行なう構成としても過回転を防止する効果を得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態であるパラレルツインターボシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】助走期間を中心とした排気切替弁、吸気切替弁、吸気バイパス弁各々の開度の変化と、燃料噴射量、主ターボ過給機回数の変化を示すタイミングチャートである。
【図３】排気切替弁の開度異常に対応したフェイル処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００３６】
１０  ターボ過給システム
１１  主ターボ過給機
１１Ｃ  主コンプレッサ
１１Ｔ  主タービン
１２  副ターボ過給機
１２Ｃ  副コンプレッサ
１２Ｔ  副タービン
１４  上流側吸気管
１５  下流側主吸気管
１６  下流側副吸気管
１８  吸気切替弁
１９  吸気切替弁バイパス通路
１９ａ  リードバルブ
２０  吸気バイパス通路
２１  吸気バイパス弁
２２  上流側主排気管
２３  上流側副排気管
２４  下流側排気管
２５  排気切替弁
２６  センサ（ポジションセンサ）
２７  ＥＣＵ
２８  ウェストゲート通路
２９  ウェストゲートバルブ
【図１】
2009162124.tif 000003
【図２】
2009162124.tif 000004
【図３】
2009162124.tif 000005