(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンとコンプレッサとを有し、エンジンに接続された少なくとも一つのターボチャージャと、
少なくとも一つのエンジン特性モニタと、
前記モニタにより発生されるエンジン特性信号と、
前記エンジン特性信号を処理するための電子制御装置と、
前記エンジン特性信号に応答して、前記電子制御装置より発生される制御信号と、
前記制御信号に応答して前記コンプレッサを通過する空気流量を変えるため、前記コンプレッサと前記タービンとの間に接続されたバイパスバルブと、
前記制御信号に応答して前記エンジンの排気を前記タービンに入らないように転流するため、前記エンジンと前記タービンとの間に接続されたウェイストゲートと、
を備え、
前記ターボチャージャの作動は、大気圧より大きいコンプレッサ排気圧とターボチャージャ空気流との関係を示すマップ上に図式的に表示され、該マップは効率を示す島状領域を含み、前記電子制御装置は、前記バイパスバルブ及び前記ウェイストゲートを制御することにより前記効率を示す島状領域内にターボチャージャの作動を維持する、
ことを特徴とする内燃機関用電子式ターボチャージャ制御装置。
【請求項２】
前記バイパスバルブの位置を示す応答信号を生成するための、バイパス制御アクチュエータを更に含み、
前記電子制御装置は、前記応答信号を受信して、前記バイパスバルブの位置をモニタする、
ことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ制御装置。
【請求項３】
前記電子制御装置は、所定のパラメータがプログラムされたメモリを含み、該メモリから所定のパラメータを選択し、前記エンジン特性信号に基づいて前記制御信号を発生する、
ことを特徴とする請求項１及び２のいずれか一項に記載のターボチャージャ制御装置。
【請求項４】
前記電子制御装置は、前記エンジンの排気の一部を前記タービンに流入させるため、及び前記エンジンの排気の一部を前記タービンに流入しないようにするため、前記エンジンの排気流を制御する、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のターボチャージャ制御装置。
【請求項５】
前記ウェイストゲートの位置を示す応答信号を生成するための、バイパス制御アクチュエータを更に含み、
前記電子制御装置は、前記応答信号を受信して、前記ウェイストゲートの位置をモニタする、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のターボチャージャ制御装置。
【請求項６】
大気圧センサを更に含み、
前記電子制御装置は、エンジン速度センサとエンジン吸気マニホールド圧センサと前記大気圧センサとに応答して、前記バイパスバルブ及び前記ウェイストゲートを制御する、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のターボチャージャ制御装置。
【請求項７】
前記コンプレッサと前記エンジンとの間に配置され、エンジン吸気を可変制御するためスロットル角が変わるエンジン吸気スロットルを更に含み、スロットル角と前記エンジン負荷との関係が提示され、
前記電子制御装置は、スロットル角変化のほぼ線形のグラフを有し、前記バイパスバルブ及び前記ウェイストゲートを制御することによりエンジン負荷を変化させる、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のターボチャージャ制御装置。
【請求項８】
前記電子制御装置は、プロセッサとメモリとを含み、
前記メモリは、所定のパレメータがプログラムされており、
前記プロセッサは、前記バイパスバルブと前記ウェイストゲートとを組み合わせて制御するため、前記メモリから所定のパラメータを選択する、
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のターボチャージャ制御装置。
【請求項９】
前記ターボチャージャは、エンジン速度、大気圧及び吸気マニホールド圧に基づく好ましい作動バンドを有し、
前記電子制御装置は、前記バイパスバルブ及び前記ウェイストゲートを制御することにより、前記好ましい作動バンド内に前記ターボチャージャの作動を維持する、
ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のターボチャージャ制御装置。
【請求項１０】
内部に前記バイパスバルブ及びオリフィスを有するバイパスダクトと、内部に前記ウェイストゲート及びオリフィスを有するウェイストゲートダクトと、を更に含む、
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のターボチャージャ制御装置。
【請求項１１】
大気圧を得るステップと、
吸気マニホールド圧を得るステップと、
エンジン速度を得るステップと、
前記吸気マニホールド圧、前記エンジン速度及び前記大気圧に基づき、好ましいターボチャージャ出力を決定するステップと、
前記好ましいターボチャージャの出力に応答して、ターボチャージャの出力を調節するステップと、
前記好ましいターボチャージャの出力に応答して、前記ターボチャージャへのエンジン排気を調節するステップと、
を含み、
前記ターボチャージャの作動は、大気圧より大きいコンプレッサ排気圧とターボチャージャ空気流との関係を示すマップ上に図式的に表示され、該マップは効率を示す島状領域を含み、前記好ましいターボチャージャの出力は、前記ターボチャージャの出力を調節し且つ前記ターボチャージャのエンジン排気を調節することにより前記効率を示す島状領域内にターボチャージャの作動を維持する、
ことを特徴とする内燃機関、特に定置機関用ターボチャージャの作動を制御する方法。
【請求項１２】
周囲温度を得るステップを更に含み、
前記好ましいターボチャージャ出力を決定するステップは、前記周囲温度にも基づく、
ことを特徴とする請求項１１に記載のターボチャージャの作動を制御する方法。
【請求項１３】
前記吸気マニホルド圧、前記エンジン速度及び前記大気圧に基づき、複数のエンジン用途に対し好ましい作動バンド内で作動するように、特定のターボチャージャを適応させるステップを更に含む、
ことを特徴とする請求項１１及び１２のいずれか一項に記載のターボチャージャの作動を制御する方法。
【請求項１４】
前記ウェイストゲート及び前記バイパスバルブに接続されたダクト内のオリフィスの大きさに基づき、エンジン及びターボチャージャに対し特定のウェイストゲート及びバイパスバルブを適応させるステップを更に含む、
ことを特徴とする請求項１１から１３のいずれか一項に記載のターボチャージャの作動を制御する方法。
【請求項１５】
請求項１から１０のいずれか一項に記載のターボチャージャ制御装置を備えていることを特徴とする内燃機関装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ターボチャージャおよび内燃機関の効率を最大にするためのターボチャージャ制御および管理システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
ターボチャージャはコンプレッサとタービンとを備える。タービンは内燃機関で発生された排気エネルギーでコンプレッサを駆動し、エンジンの排気はターボチャージャ内のタービン内のタービンホイールを駆動し、排気システムを通って排出される。タービンホイールはコンプレッサ内のコンプレッサホイールに接続されたシャフトを駆動し、コンプレッサは元々大気圧であった吸引された空気を加圧し、この加圧空気を一般にインタークーラーを通し、スロットバルブを通過させ、エンジンの吸気マニホールドに送るようになっている。エンジンを所望どおり作動させるための、ターボチャージャの出力の制御は長い間未解決の問題となっていた。出力を過度に大きくすればエンジンの性能が不安定となり、エンジンの部品を永久的に損傷してしまうことがあり、出力が過度に小さいとエンジンが不活発となったり、出力が損失したり、作動が不効率となる。更に大気圧の変動、周辺温度およびエンジン速度は、ターボチャージャの全体の効率に影響し、更にターボチャージャの全効率はエンジンの性能、パワー出力および燃費に直接影響する。
【０００３】
本発明前では、いくつかのターボチャージャシステムは、過度の圧力を緩和するため、コンプレッサの出力に接続されたバイパスバルブを使用していた。一般にこれら従来システムのバイパスバルブは、コンプレッサの排出部と吸気マニホールドとの間の差圧、すなわちスロットルバルブの両端での圧力差を検出し、所定のしきい値で圧力を大気に解放するよう、バイパスバルブを開け、圧力がしきい値レベルよりも低くなるまで解放状態に維持していた。別のシステムでは、タービンからのエンジン排気エネルギーを転流することによりターボチャージャを調節するよう、排気マニホールド排出部と排気システムとの間にウェイストゲート（排気逃し弁）を使用していた。この従来システムのウェイストゲートはコンプレッサの排気圧を検出するタイプのバルブによって作動される。これらシステムは別々に作動し、コンプレッサの排気圧に応じて開閉されるので、ターボチャージャの作動効率レンジは極めて限られていた。このように、作動効率のレンジは限られているので、作動高度やエンジンの構成を変えるよう、異なるターボチャージャのハードウェア、すなわちタービンおよびコンプレッサホイールを使用しなければならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ターボチャージャのコンプレッサおよびタービンホイールは、標高に対してだけでなく、各々の特定のエンジンの所望スピードでも定格馬力が得られるように、大きさが決まっているので、エンジンが定格速度よりも低速または異なる標高で作動しているときには、エンジンのパワーおよびトルク出力は劇的に低下してしまう。この理由は、圧力検出バルブはコンプレッサの排気圧のみに依存しており、エンジン速度とは無関係に作動するからである。例えば１０００ｒｐｍで約１３.４ｋｇ／ｃｍ2（＝１９０ｐｓｉ）ＢＭＥＰ（Braking Mean Effective Pressure）の定格となっているエンジンは、速度低下に起因するターボチャージャの出力低下およびこれまで使用されている機械式圧力検出および解放バルブのため、７００ｒｐｍで約１３.４ｋｇ／ｃｍ2（＝１９０ｐｓｉ）ＢＭＥＰとなるというトラブルを起こす。
【０００５】
一般に、大きな産業用内燃機関は長時間作動し、何千馬力も発生できる。これらエンジンは間欠的に定格の１０％を越える負荷で作動するように設計されており、電力、天然ガスおよび石油のポンピング、大規模船舶の動力供給およびオフショアの油田掘削作業等に使用される。かかる用途では、低いエンジン速度で最大動力を発生すること、および／または最大トルクを維持することが好ましい。しかしながらこれまでのターボチャージャ制御装置は単にコンプレッサ排気圧制御機能しか有していなかったので、機械式バルブはエンジン速度と無関係に、従ってエンジンのニーズと無関係に、圧力を解放していた。かかる状況では、エンジン速度が低下し、負荷が維持すされると、エンジンはトルク出力を維持するため、ほぼ一定の吸気マニホールド圧力を必要とする。これら条件下ではバイパスバルブを調節し、全体の空気質量流量を変えたりウェイストゲートを調節してターボチャージャにより多くのエンジンの排気を向け、これら速度および負荷条件でコンプレッサをより効率的に作動させるように、ほぼ一定の吸気マニホールド圧力を発生させることが好ましかった。
【０００６】
本発明はターボチャージャの出力を所定の効率的な作動レンジ内に安定化させることにより、周辺温度および大気圧が変わっても、更に定格速度よりも低い速度でエンジントルク出力を維持するために、簡単かつ有効な方法およびシステムを提供するものである。
【０００７】
本発明の別の目的は、各々の特定のエンジンの構成および用途に対し、ターボチャージャの個々のコンプレッサおよびタービンホイールをマッチングさせることを不要とする、ウェイストゲートおよびバイパスバルブを含む、電子ターボチャージャ制御装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の別の特徴は、エンジン速度が変わっても一定のトルクを提供できるので、オペレータは燃費を増すように低速のエンジン速度で負荷を増すことができる。
【０００９】
本発明の別の特徴は、最も効率的な作動レンジ内でターボチャージャを維持しながら、あるエンジン速度レンジ内で最大パワーを発生できることである。
【００１０】
本発明の更に別の特徴は、所望のレンジの圧力比対空気質量流量内で、ターボチャージャの効率を維持する制御装置を提供することである。
【００１１】
【実施例】
図１に示すように本実施例によれば、エンジン１０は、吸気マニホールド１２と、排気マニホールド１４とを含み、排気マニホールド１４はターボチャージャ１６に機能的に接続されている。ターボチャージャ１６はコンプレッサ１８とタービン２０とを含む。コンプレッサ１８の出力は、吸気ダクト２８によりエアクリーナー（図示せず）に接続されている。このエアクリーナーは大気圧にある空気を濾過し、この空気はコンプレッサ１８内のコンプレッサホイール３０によって発生される吸引力により吸気ダクト２８を通してコンプレッサ１８内に吸引される。コンプレッサホイール３０はタービン２０内のタービンホイール３４によって駆動されるシャフト３２により駆動される。タービンホイール３４はエンジン１０の排気マニホールド１４に接続されたエンジン排気ダクト３６によりタービン２０へ与えられるエンジンの排気によって駆動される。
【００１２】
コンプレッサの排気ダクト２４により、コンプレッサ１８の出力はインタークーラー２２に導びかれる。コンプレッサのホイール３０は吸気を圧縮し、これをコンプレッサ排気ダクト２４を通してインタークーラー２２へ送る。インタークーラー２２は、一般に知られているように、過給された吸気からの過剰な熱を除く熱交換機として機能する。過給された吸気は、次にスロットル３８、吸気マニホールド１２およびエンジン１０へ送られる。スロットル３８はその位置に応じて差圧を発生するので、スロットル内へ入ってくる空気の圧力はコンプレッサ排出圧となり、スロットルから出て行くの空気の圧力は吸気マニホールドの圧力となる。
【００１３】
バイパスダクト４２内のバイパスバルブ４０は、コンプレッサ排気ダクト２４とエンジン排気ダクト３６とを接続し、バイパスダクト４２を通過する空気流量を調節することにより、コンプレッサ排気ダクト２４内の圧力を機能的に低下させると共に、コンプレッサ１８を通過する空気流量を増加させる。排気ダクト４５内のウェイストゲート４４は、エンジン排気ダクト３６とタービン２０からの排気ガスを排気する排気ダクト４６とを接続し、排気ダクト３６内のエンジン排気を機能的に転流し、よってタービン２０への排気空気質量流量を減少させ、排気ダクト４５を通過するエンジン排気量を調節することにより、コンプレッサ１８の発生するコンプレッサ排気圧力を減少させる。
【００１４】
図２のターボチャージャ制御モジュール４８は、プロセッサ５０とメモリ５２とを含む。好ましい実施例ではメモリ５２は電気的に消去可能なプログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）となっており、このメモリでは内部にプログラムされたパラメータを変更調節できるようになっている。このターボチャージャ制御モジュール４８は複数のエンジン入力特性信号、すなわち吸気マニホールド圧力信号５４と、エンジン速度信号５６と、周辺温度信号５８とが入力される。これら信号は複数のエンジン特性モニタ、すなわちエンジン負荷を検出するための吸気マニホールド圧力モニタ６０と、エンジン速度を検出するためのエンジン速度モニタ６２と、外部温度を検出するための周辺温度モニタ６４とによって発生される。信号５４、５６および５８は、アナログ信号としてモジュール４８に入力され、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ５１によりデジタル信号に変換される。ターボチャージャの制御モジュール４８のプロセッサ５０は、特性信号の値およびあらかじめプログラムされた大気圧に基づき、メモリ５２からの所定の値を選択することにより、これら特性信号をバイパス制御信号６６およびウェイストゲート制御信号６８にする。デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ５３は、プロセッサ５０により発生されたデジタル信号をモジュール４８内でアナログ信号６６および６８へ変換する。
【００１５】
バイパス制御アクチュエータ７０は、ターボチャージャ制御モジュール４８からのバイパス制御信号６６を検出し、バイパスバルブ４０の回転角位置を変えるシャフト７２を回転させて応答する。同様に、ウェイストゲート制御アクチュエータ７４は、ターボチャージャ制御モジュール４８からのウェイストゲート制御信号６８を検出し、シャフト７６を回転させてウェイストゲート４４の回転角位置を変える。バイパス制御アクチュエータ７０およびウェイストゲート制御アクチュエータ７４は、電気機械式の制御装置であり、一般に知られているような直流モータと駆動ギア列（図示せず）とから成る。アクチュエータ７０および７４の各々は、それぞれシャフト７２および７６の位置を検出し、バイパス位置フィードバック信号７８およびウェイストゲート位置フィードバック信号８０を発生するポテンショメータ（図示せず）も含む。ターボチャージャ制御モジュール４８は、位置フィードバック信号７８および８０を検出し、Ａ／Ｄコンバータ５１内でアナログ信号をデジタル信号に変換し、先に決定したバイパスバルブ４０およびウェイストゲート４４の所望位置とこれらデジタル信号とを比較し、変更した制御信号を発生し、Ｄ／Ａコンバータ５３内でデジタル信号をアナログ信号に変換し、適当なバイパス制御信号６６およびウェイストゲート制御信号６８に応答して、バイパスバルブ４０およびウェイストゲート４４を所望位置に調節する。
【００１６】
ターボチャージャ制御モジュール４８のメモリ５２には、バイパスバルブ４０およびウェイストゲート４４に対する所望の設定値を表す所定のパラメータの組があらかじめプログラムされている。これらパラメータの各組は、エンジン特性信号５４、５６、５８および所定の標高に対して決定された作動システムの大気圧に基づくものである。本実施例は、標高に基づくパラメータの３つの組（すなわち１つは０〜約９００ｍ（３０００フィート）、１つは約９００ｍ〜約１５００ｍ（３０００〜５０００フィート）、１つは約１５００ｍ〜約２１００ｍ（５０００〜７０００フィート））を使用しているが、本発明の要旨内では、これらパラメータの組の数のみならず、各組のレンジも変えることができる。ＲＳ−２３２ポート８２は、周知のように初期化およびリセットプログラムをしたり、モジュール４８内のエラーを診断するためのターボチャージャ制御モジュール４８にコンピュータを接続するためのサービスポートとなっている。
【００１７】
本実施例に係わるターボチャージャ制御装置は、静止した移動用でない設備に一般に設置される大規模な産業用内燃機関で使用される。従って、最初、工場で立ち上げる際には絶対的な方法で大気圧を較正し、後に設置場所の標高が決定されると、エンジン作動環境の大気圧に応答する、メモリ５２からのあらかじめプログラムされたパラメータの正しい組を選択するようにプロセッサ５０がプログラムされているため、大気圧モニタ１００からＲＳ−２３２ポート８２を介してターボチャージャ制御モジュールはプログラムされる。このように図１のターボチャージャ１６は、腎臓のような形状をした曲線１０２、１０４、１０６および１０８によって図３に示された好ましい作動バンド内で作動するように制御でき、これら曲線は効率を示す島状領域としても知られる。図３は、大気圧より上のコンプレッサ排気圧の圧力比と、ターボチャージャコンプレッサを通る空気質量流量との関係を示す。空気質量流量と圧力比が効率を示す島状領域１０２、１０４、１０６および１０８内の中心にあるときに、最適なターボチャージャコンプレッサ出力が得られる。種々のエンジン速度および負荷でテスト中、図１のウェイストゲート４４が開くと、図３のウェイストゲートライン１１０によって示される垂直軸の圧力比が小さくなるが、図１のバイパスバルブ４０が開くと、水平軸の空気質量流量が増加し、更に図３のバイパス曲線１１２が示す垂直軸の圧力比が変わることがある。種々のエンジン速度および負荷にてシステムをテストすることにより、図３の効率を示す島状領域１０２、１０４、１０６および１０８内に、コンプレッサ排気圧および空気質量流量を制御するように、図１のウェイストゲート４４の最適な角度位置およびバイパスバルブ４０の回転角位置を決定できる。ターボチャージャ制御モジュール４８の図２のプロセッサ５０は、デジタル信号の吸気マニホールド圧力信号５４とエンジン速度信号５６と、周辺温度信号５８を処理し、作動システムの環境のうちの大気圧力に対してあらかじめプログラムされているので、メモリ５２内のルックアップテーブルにアクセスし、上記のようにバイパス制御信号６６およびウェイストゲート制御信号６８を発生し、これら信号はそれぞれ別々にバイパスバルブ４０およびウェイストゲート４４を所望の位置に制御して、その作動を図３の効率を示す島状領域１０２、１０４、１０６および１０８内に維持する。
【００１８】
図１のバイパスバルブ４０は２つの機能を果たす。まずエンジン始動中は、エンジン排気ダクト３６内のエンジン排気圧は、ダクト２４内のコンプレッサ排気圧よりも大きいので、バイパスバルブ４０はエンジンの排気がコンプレッサ排気ダクト２４を通過しないように閉じられる。第２に、バイパスバルブ４０は、一旦エンジンが最小アイドリング速度、一般に６５０〜７５０ｒｐｍで作動すると、コンプレッサの排気圧および空気質量流量を調節する。最小エンジンｒｐｍに達すると、バイパスバルブ４０はあるレンジの有効バイパスバルブ角度内に調節される。図３の０°〜８０°までのレンジでテストを行っているが、図４は、０°と４０°との間の有効角を示している。図４は、種々のエンジン速度に対するバイパスバルブ角度と吸気マニホールド圧力との関係を示す代表的なグラフである。図示するように、図１のバイパスバルブ４０は、最小吸気マニホールド圧力が得られるまで閉状態に保持される。最小吸気マニホールド圧力、本例では水銀３０インチ圧力に達すると、エンジン特性信号に応じてバルブ４０は所定の角度にセットされる。
【００１９】
バイパスバルブ４０と同じように、ウェイストゲート４４も図３の０°から８０°のレンジでテストされている。しかしながら図５は、０°と３５°との間の有効角度を示している。図５は、種々のエンジン速度に対するウェイストゲート角度と、吸気マニホールド圧との関係を示す代表的グラフである。図１のウェイストゲート４４が閉じられると、エンジンの排気のほぼすべては、タービン２０に流入し、排気放出ライン４６から排除される。例えば初期のエンジン始動中にウェイストゲート４４が閉じられ、シャフト３２およびコンプレッサホイールを駆動するタービンホイール３４を回転するように、すべてのエンジンの排気をタービン２０に通過させ、図３の１.２５と１.４との間の圧力比が示すような最小レベルに吸気マニホールド圧が達するまで、このようにタービン２０にすべてのエンジンの排気の通過を続ける。図５に海抜約２００ｍ（６５０フィート）以上の高度および９０°Ｆの周辺温度において、７５０〜１１００ｒｐｍまで変化するエンジン速度に対する代表的な有効ウェイストゲートの角度の設定値が示されている。図５は、エンジン速度が低下した際に、例えばデータポイント１２２、１２４、１２６、１２８、１３０および１３２に示されるように、吸気マニホールド圧力をほぼ一定にするようにウェイストゲート角度を変えることにより、本発明がどのように所望の一定の吸気マニホールド圧力を発生しているかを示している。図示するように、ほぼ一定の吸気マニホールド圧力を維持することにより、ほぼ一定のトルク出力が得られる。機能的には図１のウェイストゲート４４は、図５に示すように、ウェイストゲート角度を増すことにより、エンジンの排気の増加した分をタービン２０から排気排出ダクト４６へ転流するように作動し、これにより、図１のタービンホイール３４、シャフト３２およびコンプレッサホイール３０の速度を制限し、図３のウェイストゲートライン１１０が示すように、コンプレッサ排気圧を制御する。
【００２０】
図４に示すバイパスバルブ４０の角度および図５に示すウェイストゲート４４の角度は、単に図解のためのものにすぎず、システム構成に応じて変わり得る。例えばバイパスダクト４２および／またはウェイストゲートダクト４５に設置される図１のオリフィス４１、４３は、ウェイストゲートおよび／またはバイパスバルブのより完全なレンジの有効角度を可能とするものであるので、機械的リンクの許容差から生じるエラーを低減する。更に異なるオリフィスの口径を用いることにより、異なるエンジンおよび用途で同じウェイストゲートおよび／またはバイパスバルブを使用することが可能となるので、棚卸しの手間が少なくなり、交換のための発注から受け取りまでの長い時間が解消される。
【００２１】
図１のバイパスバルブ４０を開けると、図１のエンジン排気ダクト３６へ空気流を向けるコンプレッサの空気流に対する別のルートが設けられて、図３のバイパスカーブ１１２が示すようなターボチャージャ１６のコンプレッサ１８を通る空気質量流量が増加する。ウェイストゲート４４を開けるとタービン２０からエンジンの排気が除かれ、直接排気排出ダクト４６へ向けられるので、吸気コンプレッサ排気圧が減少する。図３に示し、先に説明したように、図１のバイパスバルブ４０およびウェイストゲート４４の角度位置を同時に調節することにより、図３の効率を示す腎臓の形の島状領域１０２、１０４、１０６および１０８内で作動できるようにターボチャージャ１６を制御できる。
【００２２】
効率１０２、１０４、１０６および１０８の島状領域は、ターボチャージャで使用されているタイプの遠心力型コンプレッサに共通する特性であり、島状領域の中心部でコンプレッサの効率が最大となる。図３のサージライン８４近くの作動により、図１のターボチャージャとエンジン１０との間で圧力が生じ、この結果エンジンを故障させるようなエラチックな動作が生じることも知られている。従って図３の島状領域１０２、１０４、１０６および１０８の中心の若干右側で作動するように、所定のパラメータに若干の安全率を組み入れている。
【００２３】
ツインバルブ型エンジン構成（例えばＶ−６、Ｖ−８、Ｖ−１０、Ｖ−１２、Ｖ１６、....）では、インタークーラー２２にターボチャージ（過給）されたエアを与えるのに、図１の２つのターボチャージャ１６を使用できる。かかる装置では、１つのより大きなバイパスバルブ４０とウェイストゲート４４とが使用されることがある。しかしながら本発明では、２つのバイパスバルブ４０と２つのウェイストゲート４４をそれぞれ図１に示すように配置し、インタークーラー２２で合流させる。図２の単一の制御モジュール４８は、先に述べたように作動し、１つのバイパス制御アクチュエータ７０で２つのバイパスバルブ４０を制御し、更に１つのウェイストゲート制御アクチュエータ７４で２つのウェイストゲート４４を制御する。このようなマルチ型ターボチャージャシステムは、単一のターボチャージャシステムと同じように作動するが、２つのコンプレッサホイールと２つのタービンホイールとの間の機械的な許容差を考慮しなければならない点が異なっている。かかる別の許容差を補償するには、常時図３の効率を示す島状領域１０２、１０４、１０６および１０８に留まり、サージライン８４と接触しないようにするため、これら島状領域の中心の右側でターボチャージャを作動させることが好ましい。
【００２４】
図３の効率を示す島状領域１０２、１０４、１０６および１０８の右側への移動は、図３のバイパス曲線１１２が示すように、バイパスバルブ４０を開放する回転角の大きさを若干大きくすることにより、図１のコンプレッサ１８を通る空気質量流量を増加することにより行われる。デュアル式ターボチャージャを通過する空気質量流量が若干増加することにより、効率を示す島状領域内での作動を維持しながら、サージライン８４からの安全距離を維持することにより、デュアルターボチャージャのコンプレッサホイールおよび／またはタービンホイールとの不整合に起因する許容差を相殺する。ある条件下では、空気流量が増加すると、図３のバイパス曲線１１２により示されるようなコンプレッサの排出圧力が失われることになる。このような圧力の喪失は、図５のウェイストゲート４４を開放する回転角量を減少することにより補償される。換言すれば、ウェイストゲート４４を通る排気流量を減少すると、コンプレッサの排気圧力が増加し、更にバイパスバルブ４０を開放することに関連する圧力の喪失が補償される。
【００２５】
キャブレター式内燃機関における重要な条件は、図１のスロットル３８の両端での予備圧力を維持することである。この予備圧力はスロットル３８の両側での圧力を検出し、これら２つの検出圧力を減算し、ΔＰ（これを予備圧力と考える）を決定することにより決定できる。この予備圧力ΔＰは、吸気マニホールド圧力の不足に起因する不安定な動作を生じることなく、スロットル３８の開放時に一定速度でエンジン１０がより大きな負荷を受け入れたり、または一定負荷で加速することができるようにする値である。しかしながらエンジン効率を最適にするには、エンジンへ空気流が流入するような形態へのエネルギーのブロックを防止するため、スロットル３８を開位置に維持することが望ましい。スロットル３８の両側での予備圧力の量は、コンプレッサ１８からのコンプレッサ排気圧力量を制御することにより調節できる。このような調節は、コンプレッサ１８の出力を制御するタービン２０を通るエンジンの排気量を調節するように、ウェイストゲート４４を調節することによって達成できる。コンプレッサ３０を通る空気質量流量を制御することにより、スロットル３８をより大きな角度まで開け、十分な予備圧力ΔＰを維持しながら、より高いコンプレッサの排気圧力に関連した排気の背圧を減少し、不安定な動作を起こすことなく、加速または追加的エンジン負荷を受け入れるようにすることにより、エンジンの効率をより大きくすることができる。このようなスロットル角の増加は、スロットルの両端でのエネルギー損失を減少し、エンジン効率を高める。
【００２６】
本発明によって克服されるターボチャージャ付きエンジンに関連した別の共通する問題は、寒冷な天候時に最も明らかなように、スロットル角度プロフィル曲線１１４が、図６に示すように非線形となっていることであるが、この曲線は現在では曲線１１６で示すように、より線形となり、この結果、スロットル制御が改善されることである。図６は、例えば１.０００ｒｐｍエンジン速度に対するスロットル角度とブレーキ平均有効圧力との関係を示している。本発明前では、エンジンにより大きな負荷が加えられるにつれて、例えば図６に示すように、０〜約１４.７ｋｇ／ｃｍ2（２１０ｐｓｉ）ＢＭＥＰが加えられるにつれて、ターボチャージャ付きエンジンに固有な条件であるターボチャージャの遅れを補償するように、スロットル角はすぐに増加しなければならないが、ターボチャージャが一旦十分なコンプレッサの排気圧を発生すると、スロットル角度はすぐに小さくなって図５の屈曲点１１８を生じなければならない。コンプレッサの排気圧が増加する場合、エンジンのｒｐｍを一定に維持するには、スロットル角を急に変えなければならなかった。コンプレッサの出力は一旦高原状態に達すると、負荷の増大によりターボチャージャの出力が増加するまで（この点ではスロットル角を再び増加してエンジンの速度を維持しなければならない）、大きくなったコンプレッサの排気圧を補償するように、スロットル角を減少しなければならない。しかしながら、このようなエラチックな非線形なスロットル角曲線１１４は正確に実行するには極めて困難であった。スロットル角はガバナー（図示せず）によって制御され、実際にスロットル角でターボチャージャの出力を補償することにより、エンジン速度およびサージがエラチックとなり、このような速度およびサージ量は不十分で、かつ好ましくないものとなる。
【００２７】
本発明の目的は、図１のバイパスバルブ４０とウェイストゲート４４の機能を同時に制御することにより、スロットル角対負荷曲線をより線形にすることにより、安定な動作を提供することである。図６のスロットル角の曲線１１６は、図１のバイパスバルブ４０を調節することにより、現在ではより線形となっている。例えばスロットル角の曲線１１６を達成し、約３８ｋｇ／ｃｍ2（１２５ｐｓｉ）の負荷（ＢＭＥＰ）を引くために、図６のテストポイント１２０におけるバイパス（ＢＰ）バルブ角度の例が示されている。４０°のバイパスバルブ角（４０°ＢＰ）の結果、スロットル角は約４２°となり、約１２.３ｋｇ／ｃｍ2（１７５ｐｓｉ）の負荷では３０°のバイパスバルブ角（３０°のＢＰ）の結果、約４６°のスロットル角となる。しかしながらバイパスバルブ４０を調節する副次的な効果として、それに対応し、図１のスロットル３８の両端での予備圧力の変化ΔＰが生じる。先に述べたように、ウェイストゲート４４を調節することにより、図６に示したような適当な予備圧力ΔＰとなる。各テストポイント１２０において、予備圧力ΔＰの値は、水銀インチで示されている。エンジン負荷条件が低くなるにつれ、スムーズでない作動を生じることなく、更に負荷を受け入れできるようにするには、より大きな予備圧力ΔＰが必要となる。ウェイストゲート４４を開放することにより、予備圧力ΔＰは低下する。図６の上方負荷端部では、予備圧力ΔＰを小さくすることが好ましい。この理由は、この場合、エンジン容量が定格負荷容量またはその近くとなっており、負荷を加えることはほとんど不可能であるので、適性なエンジン制御を維持するにはより小さい予備圧力が必要であり、予備圧力ΔＰが小さくなれば、上記のように動作はより効率的となるからである。例えば図６の場合のように、約１３.３ｋｇ／ｃｍ2（１９０ｐｓｉ）ＢＭＥＰの定格のエンジンでは、約３８ｋｇ／ｃｍ2（１２５ｐｓｉ）ＢＭＥＰで約１２〜１４水銀インチの予備圧力ΔＰが必要であるが、他方、約６４ｋｇ／ｃｍ2（２１０ｐｓｉ）ＢＭＥＰでは５〜７水銀インチで十分である。種々のエンジン速度周辺温度および大気圧で同じような結果を得ることができる。
【００２８】
図５に示すように、一定負荷（すなわち一定吸気マニホールド圧力）でエンジン速度を減少すると、ウェイストゲート角が減少し、これによりスロットル予備圧力ΔＰが増加し、先の速度不感システム（このシステムではより低い速度では吸気マニホールド圧力が喪失され、その結果トルク出力が低下していた）よりもエンジンからのより大きいトルクが低速で得られる。図５は、望ましい吸気マニホールド圧力および予備圧力ΔＰを得るための各々の特定のエンジン速度での効率的なウェイストゲート角を開示している。
【００２９】
添付した特許請求の範囲内では、種々の均等物、代替物および変更が可能であることが認められよう。
【００３０】
【発明の効果】
本発明のこの特定の特徴により、メーカーは種々のエンジン用途に対して一組のターボチャージャハードウェアを使用することができるようになった。例えば本発明前では、海抜０〜約２１００ｍ（７０００フィート）を適当にカバーするのに、１３個もの多くの異なるターボチャージャホイールが必要であった。しかしながら本発明を用いれば、このような所望のレンジ内のすべての高度において一組のターボチャージャハードウェアを使用するだけでよい。更にコンプレッサおよびタービンホイールが高いコストになっているのに対し、電子制御装置が低コストになっているだけでなく、特殊用途に対する特注ホイールおよび棚卸しが不要となるために、経済的な利点も得られている。更に交換部品を補給するための発注から配達までの長い時間がなくなるので、ユーザーの満足度は大幅に改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施例のターボチャージャ制御装置の構成図である。
【図２】本発明に係る一実施例のターボチャージャ制御装置の制御回路ブロック図である。
【図３】大気圧より高いコンプレッサ排気圧の圧力比とターボチャージャコンプレッサの空気質量流量との関係を示す代表的なグラフである。
【図４】バイパスバルブの位置と吸気マニホールド圧との関係を示す代表的なグラフである。
【図５】ウェイストゲートの位置と吸気マニホールド圧との関係を示す代表的なグラフである。
【図６】スロットルアングル位置とブレーキ平均有効圧力との関係を示す代表的なグラフである。
【符号の説明】
１０    エンジン
１２    吸気マニホールド
１４    排気マニホールド
１６    ターボチャージャ
１８    コンプレッサ
２０    タービン
２２    インタークーラー
３６    排気流
３８    スロットル
４０    バイパスバルブ
４４    ウェイストゲート
４８    ターボチャージャモジュール
５０    プロセッサ
６０    吸気マニホールド圧モニタ
６２    エンジン速度モニタ
６４    周辺温度モニタ
７０    バイパス制御アクチュエータ
７４    ウェイスト制御アクチュエータ
１００    大気圧モニタ
【図１】
0003787706.tif 000002
【図２】
0003787706.tif 000003
【図３】
0003787706.tif 000004
【図４】
0003787706.tif 000005
【図５】
0003787706.tif 000006
【図６】
0003787706.tif 000007