(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンの排気経路に直列に配置された高圧段タービンおよび低圧段タービンと、上記エンジンの吸気経路に直列に配置され上記各タービンによって夫々駆動される高圧段コンプレッサおよび低圧段コンプレッサと、上記排気経路に上記高圧段タービンをバイパスするように接続されたバイパス通路と、該バイパス通路に設けられた排気バイパス弁と、該排気バイパス弁の開度を制御する制御部とを備えた２段過給システムであって、上記制御部は、少なくともエンジン回転数に基づいて排気バイパス弁の基本開度を設定する基本開度設定手段と、エンジンの運転状態に基いて高圧段コンプレッサの目標圧力比を設定する目標圧力比設定手段と、高圧段コンプレッサの上流および下流の圧力に基いて現実の測定圧力比を検出する測定圧力比検出手段と、測定圧力比と目標圧力比とを比較してそれらが一致するように排気バイパス弁の基本開度を補正する補正手段とを有するものであることを特徴とする２段過給システム。
【請求項２】
上記基本開度設定手段は、エンジンの回転数および負荷状態に基いて、高圧段コンプレッサを所望の作動線に沿って運転させるべく、排気バイパス弁の基本開度を設定するものである請求項１記載の２段過給システム。
【請求項３】
上記目標圧力比設定手段は、エンジンの回転数および負荷状態に基いて、高圧段コンプレッサの目標圧力比を設定するものである請求項１乃至２記載の２段過給システム。
【請求項４】
上記制御部は、高圧段コンプレッサの現実の測定修正流量を検出する測定修正流量検出手段と、エンジン運転状態に基いて高圧段コンプレッサの目標修正流量を設定する目標修正流量設定手段と、測定修正流量が目標修正流量と一致しないとき異常と判断する異常判断手段とを更に備えたものである請求項１乃至３記載の２段過給システム。
【請求項５】
上記測定修正流量検出手段は、吸気経路に設けられたエアフローセンサと、高圧段コンプレッサの上流側に夫々設けられた圧力センサおよび温度センサと、これら各センサの検出値に基いて測定修正流量を算出する演算手段とを備えたものである請求項４記載の２段過給システム。
【請求項６】
上記制御部は、高圧段コンプレッサの測定圧力比および測定修正流量に基いて高圧段コンプレッサの運転状態を判断する運転状態判断手段と、高圧段コンプレッサがサージ領域またはオーバーレブ領域で運転されていると判断されたとき上記排気バイパス弁を開放する非常手段とを更に備えたものである請求項１乃至５記載の２段過給システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２段過給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
２段過給システムとして、ディーゼルエンジンの排気経路に直列に配置された高圧段タービンおよび低圧段タービンと、ディーゼルエンジンの吸気経路に直列に配置され各タービンによって夫々駆動される高圧段コンプレッサおよび低圧段コンプレッサとを備えたものが知られている。かかる２段過給システムにおいては、２つのコンプレッサによって最終的な過給圧が決定されるわけであるが、特に、高圧段コンプレッサの仕事量を正確に把握し制御することが重要となる。
【０００３】
そこで、排気経路に高圧段タービンをバイパスするようにバイパス通路を接続し、バイパス通路に設けられた排気バイパス弁の開度を調節することで、高圧段コンプレッサの仕事量を制御する装置が開発されている（実開昭５９−１８３３号公報等）。しかし、この装置は、高圧段コンプレッサの下流側に設けられた圧力センサによって最終的な過給圧力を検出するものであり、高圧段コンプレッサのみの仕事量（圧力比）を正確に把握することはできない。
【０００４】
すなわち、高圧段コンプレッサの下流側に設けられた圧力センサから得られる最終的な過給圧力は、高圧段コンプレッサの仕事量のみならず低圧段コンプレッサの仕事量の影響をも受けるため、そのような最終的な過給圧力に基いて高圧段コンプレッサのみの仕事量（圧力比）を正確に把握することはできないのである。つまり、上記装置には、高圧段コンプレッサの仕事量（圧力比）を正確に把握し、高圧段コンプレッサの仕事量（圧力比）を正確に制御するという技術思想は存在しない。
【０００５】
また、通常の１段過給システムとして、ディーゼルエンジンの吸排気経路にターボチャージャを１個介設し、排気経路にタービンをバイパスするようにバイパス通路を接続し、バイパス通路に排気バイパス弁を設けたシステムにおいて、コンプレッサの上流および下流の圧力を夫々検出し、それらの検出値からコンプレッサの吸気圧力比を算出し、その吸気圧力比がコンプレッサのサージラインを割る場合にはバイパス弁を開くように制御するものが開発されている（実開昭６１−９５９３８号公報等）。
【０００６】
しかし、このシステムは、車両が４０００ｍ級の超高地を走行するときに、タービンの排圧が相対的に低くなってタービンの回転数が高まることに起因して、コンプレッサの作動線がサージラインに近付くことを未然に回避することを目的とするものであり、２段過給システムの高圧段コンプレッサの仕事量を正確に把握して制御するものではない。すなわち、上記システムは、２段過給によって高圧過給を実現した上で、高圧段コンプレッサの仕事量を正確に把握して効率最大となるように正確に制御し、燃費の悪化を回避する技術とは無関係である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上要するに、従来、２段過給システムにおいて、高圧段コンプレッサの仕事量（圧力比）を正確に把握し、２段過給システムを正確に制御するものは開発されていない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく本発明は、ディーゼルエンジンの排気経路に直列に配置された高圧段タービンおよび低圧段タービンと、上記エンジンの吸気経路に直列に配置され上記各タービンによって夫々駆動される高圧段コンプレッサおよび低圧段コンプレッサと、上記排気経路に上記高圧段タービンをバイパスするように接続されたバイパス通路と、該バイパス通路に設けられた排気バイパス弁と、該排気バイパス弁の開度を制御する制御部とを備えた２段過給システムであって、上記制御部は、少なくともエンジン回転数に基づいて排気バイパス弁の基本開度を設定する基本開度設定手段と、エンジンの運転状態に基いて高圧段コンプレッサの目標圧力比を設定する目標圧力比設定手段と、高圧段コンプレッサの上流および下流の圧力に基いて現実の測定圧力比を検出する測定圧力比検出手段と、測定圧力比と目標圧力比とを比較してそれらが一致するように排気バイパス弁の基本開度を補正する補正手段とを有するものである。
【０００９】
また、上記基本開度設定手段は、エンジンの回転数および負荷状態に基いて、高圧段コンプレッサを所望の作動線に沿って運転させるべく、排気バイパス弁の基本開度を設定するものであってもよい。
【００１０】
また、上記目標圧力比設定手段は、エンジンの回転数および負荷状態に基いて、高圧段コンプレッサの目標圧力比を設定するものであってもよい。
【００１１】
また、上記制御部は、高圧段コンプレッサの現実の測定修正流量を検出する測定修正流量検出手段と、エンジン運転状態に基いて高圧段コンプレッサの目標修正流量を設定する目標修正流量設定手段と、測定修正流量が目標修正流量と一致しないとき異常と判断する異常判断手段とを更に備えたものであってもよい。
【００１２】
また、上記測定修正流量検出手段は、吸気経路に設けられたエアフローセンサと、高圧段コンプレッサの上流側に夫々設けられた圧力センサおよび温度センサと、これら各センサの検出値に基いて測定修正流量を算出する演算手段とを備えたものであってもよい。
【００１３】
また、上記制御部は、高圧段コンプレッサの測定圧力比および測定修正流量に基いて高圧段コンプレッサの運転状態を判断する運転状態判断手段と、高圧段コンプレッサがサージ領域またはオーバーレブ領域で運転されていると判断されたとき上記排気バイパス弁を開放する非常手段とを更に備えたものであってもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を添付図面に基いて説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る２段過給システム１の概要を示す図である。
【００１６】
図示するように、ディーゼルエンジン２の排気経路３には、高圧段タービン４と低圧段タービン５とが排気ガスの流れ方向に間隔を隔てて直列に介設されており、ディーゼルエンジン２の吸気経路６には、高圧段コンプレッサ７と低圧段コンプレッサ８とが吸入空気の流れ方向に間隔を隔てて直列に介設されている。高圧段コンプレッサ７と高圧段タービン４とは回転軸１０で連結されて高圧段ターボ１１を構成し、低圧段コンプレッサ８と低圧段タービン５とは回転軸１２で連結されて低圧段ターボ１３を構成する。
【００１７】
低圧段コンプレッサ８と高圧段コンプレッサ７との間の吸気経路６には、インタークーラ１４が介設されており、高圧段コンプレッサ７とエンジン２との間の吸気経路６には、アフタークーラ１５が介設されている。インタークーラ１４とアフタークーラ１５とは、圧縮によって昇温した吸入空気を冷却するものであるが、発明の構成上必ずしも必要なものではなく、いずれか一方でもよくまた双方ともなくても構わない。
【００１８】
排気経路３には、高圧段タービン４をバイパスするように、高圧段タービン４の上流側と下流側とに接続されたバイパス通路１６が、設けられている。バイパス通路１６には、排気バイパス弁１７が介設されている。排気バイパス弁１７は、アクチュエータ１８によってその開度が調節され、バイパス通路１６内を流れる排気ガスの流量を調節（ 0〜100 % ）するものである。アクチュエータ１８の作動は、制御部１９によって制御される。
【００１９】
低圧段コンプレッサ８の上流側の吸気経路６には、吸入空気流量Ｍを検出するエアフローセンサ２０が設けられている。また、インタークーラ１４と高圧段コンプレッサ７との間の吸気経路６には、高圧段コンプレッサ７の吸気圧力Ｐ１を検出する第１圧力センサ２１と、吸気温度Ｔ１を検出する温度センサ２２とが設けられている。また、高圧段コンプレッサ７とアフタークーラ１５との間の吸気経路６には、高圧段コンプレッサ７の吐出圧力Ｐ２を検出する第２圧力センサ２３が設けられている。
【００２０】
また、エンジン２には、エンジン２の回転数RPM を検出する回転センサ２４および負荷LDを検出する負荷センサ２５が設けられている。これらエアフローセンサ２０、第１圧力センサ２１、第２圧力センサ２３、温度センサ２２、回転センサ２４および負荷センサ２５は、制御部１９に接続されており、各センサ２０〜２５の出力が制御部１９に送られるようになっている。制御部１９は、各センサ２０〜２５から送られてきた出力値に応じてアクチュエータ１８を制御し、排気バイパス弁１７の開度を後述のように制御する。
【００２１】
この制御部１９の制御フローを図２乃至図６を用いて説明する。
【００２２】
スタート後、ステップ１にて、回転センサ２４によって現在のエンジン回転数RPM を検出すると共に、負荷センサ２５によって現在のエンジン負荷LDを検出する。検出された現在のエンジン回転数RPM と現在の負荷LDとは、制御部１９に送られる。
【００２３】
次に、ステップ２にて、ステップ１で検出した現在のエンジン回転数RPM と負荷LDとが、制御部１９内に書き込まれた図４に示すバイパス弁開度マップＭ１に入力され、バイパス弁１７の基本開度が決定される。すなわち、制御部１９は、少なくともエンジン回転数RPM に基づいて排気バイパス弁１７の基本開度を設定する基本開度設定手段を備えている。
【００２４】
基本開度設定手段は、エンジン２の回転数RPM および負荷LDの状態に基いて、排気バイパス弁１７の基本開度を設定するバイパス弁開度マップＭ１からなる。このバイパス弁開度マップＭ１により、排気バイパス弁１７の基本開度を制御することで高圧段タービン４の通過排気ガス量を制御し、高圧段コンプレッサ７をエンジン２の運転状態（回転数RPM 、負荷LD）に合わせて予め定められた所望の作動線（例えば燃費が良好となる高効率域に設定された作動線）に沿って運転させることができる。
【００２５】
本実施形態では、バイパス弁１７の基本開度は、図４のバイパス弁開度マップＭ１に示すように、回転数RPM が高く負荷LDが大きくなれば大きくなり、回転数RPM が低く負荷LDが小さくなれば小さくなるように、その基本特性が設定されている。これにより、高回転高負荷時の過剰過給を回避すると共に、低回転低負荷時の過給圧を確保するようにしている。
【００２６】
次に、ステップ３にて、ステップ１で検出した現在のエンジン回転数RPM と負荷LDとが、制御部１９内に書き込まれた図５に示す目標圧力比・目標修正流量マップＭ２に入力され、高圧段コンプレッサ７の目標圧力比ＰＲTARGETと目標修正流量ＭｃTARGETとが決定される。すなわち、制御部１９は、エンジン２の運転状態（エンジン回転数RPM 、負荷LD）に基いて、高圧段コンプレッサ７の目標圧力比ＰＲTARGETを設定する目標圧力比設定手段と、高圧段コンプレッサ７の目標修正流量ＭｃTARGETを設定する目標修正流量設定手段とを備えている。
【００２７】
目標圧力比設定手段および目標修正流量設定手段は、目標圧力比・目標修正流量マップＭ２からなる。このマップＭ２に書き込まれた目標圧力比ＰＲTARGETおよび目標修正流量ＭｃTARGETは、エンジン２の運転状態（回転数RPM 、負荷LD）の変化に応じて、高圧段コンプレッサ７を予め定められた所望の作動線（例えば燃費が良好となる高効率域に設定された作動線）に沿ってトレースさせる値に設定されている。
【００２８】
本実施形態では、図５に示すように、目標圧力比・目標修正流量マップＭ２は、1000RPM 程度まではエンジン回転数RPM の上昇に伴って目標圧力比ＰＲTARGETを大きくし、1000RPM 程度以上となると目標圧力比ＰＲTARGETを下げるように、その基本特性が設定されている。これにより、低中速回転域での過給圧を確保しつつ高回転時の過剰過給を回避している。
【００２９】
次に、ステップ４にて、第１および第２圧力センサ２１、２３によって、高圧段コンプレッサ７の上流側の圧力Ｐ１および下流側の圧力Ｐ２を検出し、制御部１９にて現在の測定圧力比ＰＲ＝Ｐ２／Ｐ１を計算する。すなわち、制御部１９は、高圧段コンプレッサ７の上流および下流の圧力Ｐ１、Ｐ２に基いて現実の測定圧力比ＰＲを検出する測定圧力比検出手段を有する。測定圧力比検出手段は、第１および第２圧力センサ２１、２３を有する。
【００３０】
次に、ステップ５にて、測定圧力比ＰＲと目標圧力比ＰＲTARGETとが制御部１９内で比較される。そして、制御部１９は、測定圧力比ＰＲ＞目標圧力比ＰＲTARGETならステップ６にて排気バイパス弁１７の開度を大きくする指令をアクチュエータ１８に送り、測定圧力比ＰＲ＜目標圧力比ＰＲTARGETならステップ７にて排気バイパス弁１７の開度を小さくする指令をアクチュエータ１８に送る。ステップ６またはステップ７を通過した後には、再びステップ４に戻る。
【００３１】
そして、ステップ４にて再び圧力Ｐ１、Ｐ２を検出し、測定圧力比ＰＲ＝Ｐ２／Ｐ１を計算し、ステップ５にて測定圧力比ＰＲと目標圧力比ＰＲTARGETとを比較する。この循環は、ステップ５にて測定圧力比ＰＲが目標圧力比ＰＲTARGETと一致するまで行われる。このフィードバック制御により、ステップ２で決定された排気バイパス弁１７の基本開度が、測定圧力比ＰＲと目標圧力比ＰＲTARGETとが一致するように補正される。すなわち、制御部１９は、測定圧力比ＰＲと目標圧力比ＰＲTARGETとを比較してそれらが一致するように排気バイパス弁１７の基本開度を補正する補正手段を有する。
【００３２】
補正手段は、ステップ４〜７から構成される。この補正手段による排気バイパス弁１７の開度制御によって、高圧段コンプレッサ７の圧力比（測定圧力比ＰＲ）が、そのときのエンジン２の運転状態（回転数RPM 、負荷LD）にマッチした圧力比（目標圧力比ＰＲTARGET）とされる。これにより、高圧段コンプレッサ７は、エンジン２の運転状態（回転数RPM 、負荷LD）に合わせて予め定められた所望の作動線（例えば燃費が良好となる高効率域に設定された作動線）に沿って運転されることになる。
【００３３】
次に、ステップ５にて測定圧力比ＰＲ＝目標圧力比ＰＲTARGETとなったなら、ステップ８に向かう。ステップ８では、エアフローセンサ２０によって吸入空気流量Ｍが検出され、温度センサ２２によって空気温度Ｔ１が検出される。そして、制御部１９にて、現在の測定修正流量Ｍｃが、Ｍｃ＝（Ｍ×（Ｔ１／Ｔｒ）0.5 ）／（Ｐ１／Ｐｒ）によって算出される。
【００３４】
ここで、Ｔｒは、補正用の基準温度であり20℃（ 293Ｋ）が用いられ、Ｐｒは、補正用の基準圧力であり大気圧（1.013 BAR ）が用いられる。すなわち、制御部１９は、高圧段コンプレッサ７の現実の測定修正流量Ｍｃを検出する測定修正流量設定手段（ステップ８）を有する。測定修正流量設定手段は、エアフローセンサ２０と第１圧力センサ２１と温度センサ２２とを有する。そして、ステップ９に向かう。
【００３５】
ステップ９では、ステップ８で算出した測定修正流量Ｍｃとステップ３でマップＭ２から求めた目標修正流量ＭｃTARGETとが、制御部１９内で比較される。そして、測定修正流量Ｍｃ＝目標修正流量ＭｃTARGETならステップ１０に向かいスタートに戻り、測定修正流量Ｍｃ＝目標修正流量ＭｃTARGETでなければステップ１１に向かい警告灯（警告ブザー等）を作動させる。
【００３６】
すなわち、ステップ５で測定圧力比ＰＲが目標圧力比ＰＲTARGETと一致したとき、ステップ９で測定修正流量Ｍｃが目標修正流量ＭｃTARGETと一致しているか否かの確認がなされ、測定修正流量Ｍｃが目標修正流量ＭｃTARGETと一致していなければ、何等かの異常であると考えられるので、ステップ１１で警告灯（警告ブザー等）を作動させるのである。すなわち、制御部１９は、測定修正流量Ｍｃが目標修正流量ＭｃTARGETと一致しないとき異常と判断する異常判断手段（ステップ９、１１）を有する。
【００３７】
測定圧力比ＰＲが目標圧力比ＰＲTARGETに達していても測定修正流量Ｍｃが目標修正流量ＭｃTARGETに達しない原因としては、例えば、低圧段コンプレッサ８に異常が生じて適正に作動していない場合や、吸気経路６に詰まりや管の破損（ガス抜け）が生じている場合が想定される。ここで、本実施形態のステップ４〜７に示すように圧力比ＰＲでフィードバック制御を行ってしまうと、上記のような異常があっても排気バイパス弁１７の開度制御によって圧力比ＰＲだけは正常値になってしまう場合が考えられ、異常判断ができなくなる可能性がある。よって、修正流量Ｍｃによって異常判断することは極めて有用である。
【００３８】
なお、算出された測定修正流量ＭｃとマップＭ２から求めた目標修正流量ＭｃTARGETとの比較結果に基いて排気バイパス弁１７の基本開度の補正を行っても構わないが、本実施形態ではステップ５に示すように算出された測定圧力比ＰＲとマップＭ２から求めた目標圧力比ＰＲTARGETとの比較結果を優先させている。すなわち、ステップ５とステップ９とを入れ替えても構わないが、本実施形態では圧力比ＰＲを修正流量Ｍｃに優先させている。
【００３９】
何故なら、▲１▼修正流量Ｍｃの算出は、ステップ８に示すように計算が複雑であってセンサも多く必要（エアフローセンサ２０、第１圧力センサ２１、温度センサ２２）であるのに対し、圧力比ＰＲの算出は、ステップ４に示すように計算が簡単であってセンサも少なくて済む（第１および第２圧力センサ２１、２３）からである。また、▲２▼修正流量Ｍｃでは、高圧段コンプレッサ７の作動点を特定することが難しく、その制御の方向も簡単には決められないのに対し、圧力比ＰＲでは、高圧段コンプレッサ７の作動点を特定でき、その制御の方向も明確に定めることができるからである。この差異は、圧力比ＰＲ＝Ｐ２／Ｐ１が高圧段コンプレッサ７の圧力比そのものであるのに対し、修正流量Ｍｃは低圧段コンプレッサ８の作動の影響を強く受けるために生じる。
【００４０】
ステップ１１の次はステップ１２に向かう。ステップ１２では、測定修正流量Ｍｃと測定圧力比ＰＲとが、制御部１９に書き込まれた図６に示す作動領域制限マップＭ３に入力され、現在の高圧段コンプレッサ７の運転状態を読み出し、ステップ１３にて、サージ領域か適正領域かオーバレブ領域かのいずれの領域にあるか判断する。そして、適性領域であれば、ステップ１４にてスタートに戻り、サージ領域またはオーバレブ領域であれば、ステップ１５にて排気バイパス弁１７の開度を全開にし、ステップ１６にてスタートに戻る。
【００４１】
これにより、ステップ５で圧力比ＰＲが目標値ＰＲTARGETに達したとき、ステップ９で流量Ｍｃが目標値ＭｃTARGETに達していなければ、前述のように何等かの異常であると考えて警告灯（警告ブザー等）を作動させるが、その後、ステップ１３でその異常状態が高圧段コンプレッサ７がサージ領域またはオーバレブ領域であると判断されるとき、排気バイパス弁１７を全開にし、サージ領域またはオーバレブ領域で運転されている高圧段コンプレッサ７を適正領域に戻し、高圧段コンプレッサ７を保護するのである。
【００４２】
すなわち、制御部１９は、高圧段コンプレッサ７の測定圧力比ＰＲおよび測定修正流量Ｍｃに基いて高圧段コンプレッサ７の運転状態を判断する運転状態判断手段と、高圧段コンプレッサ７がサージ領域またはオーバーレブ領域で運転されていると判断されたとき排気バイパス弁１７を開放する非常手段とを備えている。運転状態判断手段は図６に示す作動領域制限マップＭ３を有し、非常手段はステップ１３および１５を有する。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態は、２段過給システム１において、エンジン２の回転数RPM と負荷LDとから高圧段コンプレッサ７の目標とする圧力比ＰＲTARGETを設定し、この圧力比ＰＲTARGETとなるように排気バイパス弁１７を常に制御するものである。これにより、高圧段コンプレッサ７を所望の作動線に沿って正確に運転させることができ、例えば、高圧段コンプレッサ８を燃費の良好な作動線に沿って正確に運転させることが可能となる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような効果を発揮できる。
【００４５】
(1)高圧段コンプレッサの圧力比を正確に把握して制御できるので、高圧段コンプレッサを所望の作動線に沿って正確に運転させることができる。よって、例えば、高圧段コンプレッサを燃費の良好な作動線に沿って運転させることが可能となる。
【００４６】
(2)ターボおよびエンジンの吸排気系の異常を診断できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る２段過給システムの概要を示す説明図である。
【図２】上記２段過給システムの制御フローを示す流れ図である。
【図３】上記制御フローの続きを示す流れ図である。
【図４】上記制御フローに用いられるバイパス弁開度マップである。
【図５】上記制御フローに用いられる目標圧力比・目標修正流量マップである。
【図６】上記制御フローに用いられる作動領域制限マップである。
【符号の説明】
１  ２段過給システム
２  ディーゼルエンジン
３  排気経路
４  高圧段タービン
５  低圧段タービン
６  吸気経路
７  高圧段コンプレッサ
８  低圧段コンプレッサ
１６  バイパス通路
１７  排気バイパス弁
１９  制御部
ＰＲ  測定圧力比
ＰＲTARGET  目標圧力比
Ｍｃ  測定修正流量
ＭｃTARGET  目標修正流量
Ｐ１  圧力
Ｐ２  圧力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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