内燃機関の多段過給システム及びその制御方法
【課題】 吸排気バイパスバルブを有さない内燃機関の多段過給システムにおいて、排ガス性能及び燃費性能の向上を実現するために、複数取付けた中の２つ以上の過給器を可変容量型過給器として、シリーズシステムでありながら、シーケンシャルシステムと同様のエンジン排ガス性能及びエンジン燃費性能を達成する内燃機関の多段過給システム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】 内燃機関に複数の過給器を直列に接続した多段過給システム１において、前記複数の過給器７、８の一部又は全部をバイパスするための吸排気バイパスライン５及び吸排気バイパスバルブ６を有せず、かつ、前記複数取付けた中の過給器の２つ以上の過給器が流量を可変とするための可変翼１２を備えた可変容量型過給器９、１０とする。
【解決手段】 内燃機関に複数の過給器を直列に接続した多段過給システム１において、前記複数の過給器７、８の一部又は全部をバイパスするための吸排気バイパスライン５及び吸排気バイパスバルブ６を有せず、かつ、前記複数取付けた中の過給器の２つ以上の過給器が流量を可変とするための可変翼１２を備えた可変容量型過給器９、１０とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の多段過給システムにおいて、可変翼を有する複数の過給器を制御することで、内燃機関の過渡運転状態の排ガス性能、及び定常運転状態の燃費性能を改善させる内燃機関の多段過給システム及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車エンジンの排ガス規制は年々厳しくなっており、そのエンジン評価方法も従来の定常試験モードから激しい発進や加速を繰り返す過渡試験モードへ変更されてきている。具体的な評価方法として、国内ではＪＥ０５モード、ヨーロッパではＥＴＣモードなどがある。これらの排ガス規制の数値にＮＯｘ値とＰＭ（微粒子状物質）値があり、これらは一方が減少すると他方が増加するというトレードオフの関係にあり、両方を同時に低減させることは非常に難しいという問題がある。
【０００３】
この問題を解決する有効な手段の一つとして、高過給システムを用いて大量の空気をエンジンに供給し、更に高効率ＥＧＲシステムによりＮＯｘを低減させる方法がある。この高過給システムとしてターボチャージャ（過給器）を、現在、ほとんどのディーゼルエンジンで使用しているが、次世代の厳しい排ガス規制に対応する目的で、更に高過給化を図るために、ターボチャージャの小型化や、また最新のディーゼルエンジンに見られる多段過給システム（２ステージターボや３ステージターボなど）の技術が導入されている。
【０００４】
この多段過給システムの例として２つのタイプの２ステージターボシステムを図６及び図７に示す。これらの２つのタイプの多段過給システムはそれぞれ次に述べるような構成と、長所及び短所を有している。図６に、シリーズタイプのシステム（以下、シリーズシステムという）１Ｘを示しており、低圧段過給器７と高圧段過給器８を内燃機関（エンジン２）に直列に連結している。図７に、シーケンシャルタイプのシステム（以下、シーケンシャルシステムという）１Ｙを示している。この図７のシーケンシャルシステム１Ｙは、前記シリーズシステム１Ｘの吸気及び排気ラインに、高圧段過給器８をバイパスするための吸排気バイパスライン５ａ、５ｂ及び吸排気バイパスバルブ６ａ、６ｂを設けていることを特徴としている。
【０００５】
図６に示すシリーズシステム１Ｘは、外気から吸気した吸入空気Ａが、低圧段過給器７及び高圧段過給器８のコンプレッサ側を通過して、インタークーラ４を経てエンジン２に供給される。そして、エンジン２で発生した排気ガスＧは高圧段過給器８及び低圧段過給器７のタービン側を通過して、排気されるよう構成されている。また、エンジン２から排出される排気ガスＧの一部が、ＥＧＲクーラ３及びＥＧＲバルブ１１を介して、エンジン２の吸気側に還流されるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムを備えている。
【０００６】
このシリーズシステム１Ｘは、吸排気に際して、複雑なバルブ制御等がないため、非常にシンプルな構造のシステムとなっている。しかし、ＪＥ０５モードなどの激しい過渡運転モードにおいては、高圧段過給器８は、応答性を高くするために、可能な限り小型とすることが望ましいが、過給器をバイパスして吸排気することが可能となる吸排気バイパスバルブ６を持たないシリーズシステム１Ｘでは、２つの過給器７、８は同程度の容量のものしか選定することができず、結果として高いエンジン特性を得ることができない問題を有している。
【０００７】
図７に示すシーケンシャルシステム１Ｙは、上記のシリーズシステム１Ｘの問題点を改
善するものとして提案されている。このシーケンシャルシステム１Ｙでは、上記のシリーズシステム１Ｘの高圧段過給器８をバイパスするための吸排気バイパスライン５ａ、５ｂ及び吸排気バイパスバルブ６ａ、６ｂを設置したことを特徴としている。このシステム１Ｙでは、高圧段過給器８を小型化しても、エンジン２の低速領域から高速領域への移行時である過渡運転状態には、吸排気バイパスバルブ６ａ、６ｂの開閉を行うことで、高圧段過給器８の過回転を防止することができる。
【０００８】
従って、このシーケンシャルシステム１Ｙでは、高圧段過給器８の容量を小型化することが可能であり、これによって、激しい過渡運転試験（ＪＥ０５モード）などでの高圧段過給器８の応答性が高まり、エンジンの排ガス性能や燃費性能を改善することができる。
【０００９】
また、吸排気バイパスバルブ６を備えることにより、大型の低圧段過給器７を採用することができる。そのため、全負荷などエンジン回転数やエンジン負荷の高い運転領域においても、エンジン性能を向上させることができる。
【００１０】
図８に、過給器（ターボチャージャ）の容量と空気流量の関係についてのグラフを示す。図８に示す様に、過給器のサイズ（ターボ容量）を１０％縮小したことにより、新規空気流量が６．３％増加している。これにより、エンジン性能であるＮＯｘ−ＰＭの排ガス性能及び燃費性能を向上させることができる。
【００１１】
また、乗用車で通常運転する際に使用するエンジン回転数やエンジン負荷、及び排ガス試験モードでは、どちらもエンジン低速及び低負荷の領域が多いことから、このシーケンシャルシステム１Ｙを採用しても、吸排気バイパスバルブ６の開閉の頻度が低いため、比較的問題なく使用することができる。そのため、このシーケンシャルシステム１Ｙは、最近の乗用車エンジンに使用される傾向にある（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
しかし、貨物車輛として使用するトラック等では、常に重量物である荷物を搭載して走行するため、一般に使用するエンジンの運転領域や排ガス試験モードが、エンジン全域の運転領域に及ぶため、吸排気バイパスバルブ６の開閉の頻度が非常に高くなる。このとき、吸排気バイパスバルブ６の開閉動作を単純に行うと、エンジンブーストの落ち込みが激しく、エンジン性能が大幅に悪化するという問題がある。
【００１３】
つまり、シーケンシャルシステム１Ｙは、図９の左方に示す様に、エンジン回転数に伴い、高圧段過給器から低圧段過給器への切り替えがあり、吸排気バイパスバルブ６の開閉動作を行うタイミングが存在し、そのときに、エンジンブーストの落ち込みによって、エンジン性能が大幅に悪化する。
【００１４】
なお、シリーズシステム１Ｘは、吸排気バイパスバルブ６が設置されていないため、エンジン回転数に関わらず、高圧段及び低圧段の過給器が両方とも常に作動している状態となっている（図９の右方）。また、シーケンシャルシステム１Ｙは、吸排気バイパスバルブ６の開閉制御の困難性に加えて、機構も複雑となるため、エンジンに導入するための初期コストが非常に高く、複雑であるがゆえに故障が発生し、安定的作動を実現することが困難となる問題も有している。
【００１５】
そのため、現在この高圧段から低圧段の過給器へ切り替える際の制御方法を確立すべく各社開発を競っているが、未だ、商用車エンジンにおける２ステージターボのシーケンシャルシステム１Ｙに関する、上記の技術的問題点を解決できていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特許第３９７９２９４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、吸排気バイパスバルブを有さない（過給器をバイパスするラインを有さない）内燃機関の多段過給システムにおいて、排ガス性能及び燃費性能の向上を実現するために、複数取付けた中の２つ以上の過給器を可変容量型過給器として、シリーズシステムでありながら、シーケンシャルシステムと同様のエンジン排ガス性能及びエンジン燃費性能を達成する内燃機関の多段過給システム及びその制御方法を提供することにある。つまり、前記シリーズシステム及びシーケンシャルシステムの両方のメリットを実現し、両方のデメリットを解消することが可能な、内燃機関の多段過給システム及びその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関の多段過給システムは、内燃機関に複数の過給器を直列に接続した多段過給システムにおいて、前記複数の過給器の一部又は全部をバイパスするための吸排気バイパスライン及び吸排気バイパスバルブを有せず、かつ、前記複数取付けた中の２つ以上の過給器が流量を可変とするための可変翼を備えた可変容量型過給器であることを特徴とする。
【００１９】
この構成により、シーケンシャルシステム特有の吸排気バイパスバルブのバルブ開閉制御が不要となり、シンプルな構造のシステムとなり、かつ、従来の多段過給システムに対して、内燃機関に吸気する空気量を増加させて排ガス性能を向上させることができ、また、空気量を同量として燃費性能を向上させることができる。
【００２０】
また、可変翼を有した可変容量型過給器（以下、ＶＧＴという、Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ Ｔｕｒｂｏ）を高圧段及び低圧段の過給器の内の２つ以上に採用することで、吸排気バイパスバルブを設置していないにも関わらず、高圧段過給器の小型化により、激しい過渡運転試験（加速運転試験）での過給器の応答性を向上して、排ガス性能及び燃費性能を改善できるというシーケンシャルシステムのメリットを得ることができる。同時に、シーケンシャルシステムの、吸排気バイパスバルブの開閉によってエンジンブーストが激しく落ち込み、エンジン性能が大幅に悪化するというデメリットを解消することができる。
【００２１】
上記の内燃機関の多段過給システムにおいて、内燃機関の過渡運転状態の場合に、前記複数の可変容量型過給器の可変翼を、絞り側に操作して、燃費性能よりも排ガス性能を優先させる第1の制御を行い、内燃機関の定常運転状態の場合に、可変翼を前記可変容量型
過給器の効率がよい開度に操作して、排ガス性能よりも燃費性能を優先させる第２の制御を行う構成としたことを特徴とする。この構成により、従来の多段過給システムに対して、内燃機関に吸気する空気量を増加させて排ガス性能を向上させることができ、また、空気量を同量として燃費性能を向上させることができる。
【００２２】
上記の内燃機関の多段過給システムにおいて、前記可変容量型過給器のそれぞれにおいて、エンジン回転数と燃料流量の２つのパラメータを基にして、前記可変翼の開度を設定した制御用マップデータを記憶させた記憶装置と、前記パラメータを取得するためのセンサを備え、前記センサから取得したパラメータと前記制御用マップデータから決定された可変翼の開度を基に、可変翼の制御を行う構成としたことを特徴とする。
【００２３】
この構成により、燃費性能や排ガス性能等の重視すべき性能により、異なる制御用マップデータ（制御マップ）を獲ることができ、この制御マップを基にして可変翼を制御する
ことで、燃費性能や排ガス性能等を向上することができる。なお、この制御マップは、実験や計算等を基にして作成することができる。
【００２４】
上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関の多段過給システムの制御方法は、内燃機関に複数の過給器を直列に接続して、前記複数の過給器の一部又は全部をバイパスするための吸排気バイパスライン及び吸排気バイパスバルブを有せず、かつ、前記複数取付けた中の２つ以上の過給器が流量を可変とするための可変翼を備えた可変容量型過給器である内燃機関の多段過給システムの制御方法において、内燃機関の過渡運転状態の場合に、前記複数の可変容量型過給器のそれぞれの可変翼を、絞り側に操作して、燃費性能よりも排ガス性能を優先させる第１の制御を行い、内燃機関の定常運転状態の場合に、可変翼を前記可変容量型過給器の効率がよい開度に操作して、排ガス性能よりも燃費性能を優先させる第２の制御を行うことを特徴とする。この構成により、前述した内燃機関の多段過給システムと同様の作用効果を得ることができる。
【００２５】
上記の内燃機関の多段過給システムの制御方法において、前記可変容量型過給器のそれぞれにおいて、エンジン回転数と燃料流量の２つのパラメータを基にして、前記可変翼の開度を設定した制御用マップデータを記憶し、前記内燃機関に設けたセンサにより取得したパラメータの検出値と、前記制御用マップデータから決定された可変翼の開度を基に、可変翼を制御することを特徴とする。この構成により、前述した内燃機関の多段過給システムと同様の作用効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る内燃機関の多段過給システム及びその制御方法によれば、吸排気バイパスバルブを有さないシリーズシステムの多段過給システムに、可変容量型過給器（ＶＧＴ）を使用して、可変容量型過給器の可変翼を制御することにより、内燃機関の過渡運転状態（加速運転状態）の排ガス性能を向上させ、定常運転状態（通常運転状態）の燃費性能を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る実施の形態の内燃機関及びその過給システムの構成を示した図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の可変容量型過給器の構成を示した図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の多段過給システムの制御を示したフロー図である。
【図４】低圧段可変容量型過給器の開度変更による過渡応答性能の改善試験結果を示した図である。
【図５】低圧段可変容量型過給器の開度変更による燃費の改善試験結果を示した図である。
【図６】従来の過給システムであるシリーズシステムの構成を示した図である。
【図７】従来の過給システムであるシーケンシャルシステムの構成を示した図である。
【図８】過給器のサイズと空気流量の関係について示した図である。
【図９】従来の低圧段及び高圧段過給器の作動領域の分布を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の多段過給システム及びその制御方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明に係る実施の形態の内燃機関の多段過給システム１の構成を示す。
【００２９】
この内燃機関の多段過給システム１は、過給容量が小さく、かつ、この過給容量を変え
ることができる高圧段可変容量型過給器（以下、高圧段ＶＧＴという、Ｖａｒｉａｂｌｅ
Ｇｅｏｍｅｔｒｙ Ｔｕｒｂｏ）と、過給容量が大きく、かつ、この過給容量を変えることができる低圧段可変容量型過給器（以下、低圧段ＶＧＴという）を備えたシステム１である。このシステム１は、エンジン回転数及びエンジン負荷に応じて仕様の異なる複数のターボチャージャ（過給器）を適用することができる。なお、以下の実施例の形態は２段のターボチャージャを使用する２ステージターボを例に説明をするが、本発明は２段に限られるものではなく、３段以上でもよい。
【００３０】
この多段過給システム１では、エンジン２（内燃機関）に吸気を行う吸気ライン上に、上流側から低圧段ＶＧＴ９と高圧段ＶＧＴ１０のコンプレッサ側と、インタークーラ４が設けられている。また、エンジン２から排気を行う排気ライン上に、上流側から高圧段ＶＧＴ１０と低圧段ＶＧＴ９のタービン側が設けられている。さらに、エンジン２から排気ガスＧをＥＧＲクーラ３及びＥＧＲバルブ１１を介して、エンジン２の吸気側に還流させるＥＧＲシステムを有している。つまり、図７に示したシーケンシャルシステム１Ｙの吸排気バイパスライン５及びバルブ６を取り除き、ターボチャージャを可変容量型（ＶＧＴ）に変更した構成としている。
【００３１】
また、低圧段ＶＧＴ９及び高圧段ＶＧＴ１０のコンプレッサ側のそれぞれの上流には、低圧段過給器空気量センサ（以下、ＭＡＦという）２３と低圧段過給器ブーストセンサ２４、及び高圧段過給器空気量センサ（ＭＡＦ）２１と高圧段過給器ブーストセンサ２２が設置されており、エンジン２にはエンジン回転数センサ２４が設置されており、各センサはＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）２６に接続されている。
【００３２】
次に可変容量型過給器（ＶＧＴ）９、１０の構成について説明する。ここでは特に低圧段可変容量型過給器（低圧段ＶＧＴ）９について説明する。図２に示す低圧段ＶＧＴ９は、ターボチャージャの主部品となる軸部（図示しない）と、排気ガスの流量を調整する可変翼１２と、それを駆動させる部品を備えて構成している。この可変翼１２は、エアータンク１４に連結されたエアーシリンダ１３により開度を制御される。この開度は、３つのマグネチックバルブ１６のＯＮ−ＯＦＦを、バルブ制御回路１５で制御して、８段階に調整することができる。
【００３３】
この低圧段ＶＧＴ９は、エンジン２から排出された比較的少ない排気ガスを有効に利用するため、タービンスクロール部１７に取り付けられた可変翼１２を絞り込む制御を行う。この制御により、排気ガスの速度を増幅させ、排気ガスのエネルギーで排気タービンを回し、この排気タービンに軸部で直結されたコンプレッサ側から、通常のターボチャージャ以上の空気をエンジン２に送り込むことができる。この低圧段ＶＧＴ９は、エンジン低速や低負荷運転状態において高過給を実現させ、エンジン出力性能、排ガス性能及び燃費性能の向上を達成できるようにしたシステムである。
【００３４】
ここで、低圧段ＶＧＴ９は、電気を動力としたモータにより可動翼１２を駆動させるタイプと、エアーを動力としたエアーシリンダ１３により駆動させるタイプがある。どちらもターボチャージャのハードシステムは同じ構造を有しているが、モータ駆動タイプは、可変翼１２の開度を無段階に細かく駆動制御することが可能であり、エアー駆動タイプは数段階の駆動制御しかできない。このため、少しでもエンジン本体の性能を向上させるには、高圧段及び低圧段の２つのターボチャージャともモータ駆動タイプとすることが望ましいが、コスト面ではエアー駆動タイプが有利となっている。
【００３５】
この実施の形態では、低圧段ＶＧＴ９をエアー駆動タイプ、高圧段ＶＧＴ１０をモータ駆動タイプとして説明を行う。なお、本実施例は低圧段ＶＧＴ９及び高圧段ＶＧＴ１０の２段過給システムを例としているが、本発明は前述の可変翼１２の駆動タイプに限定され
るものではなく、また、本発明は３段以上の過給システムにも同様に適用することができる。加えて、例えば４段の過給システムの場合、２つを可変容量型過給器として、２つを通常の過給器としたり、３つを可変容量型過給器として、１つを通常の過給器としたりしてもよい。
【００３６】
次に、多段過給システムの制御における問題点に関して説明する。多段過給システムの制御では、低中速領域におけるブースト性能の向上を目的に、高圧段ＶＧＴ１０の可変翼１２を絞り側へ作動（小容量化）する。このとき、高圧段ＶＧＴ１０の可変翼１２を絞りすぎると、ターボチャージャの効率が非常に悪い領域で使用することになり、その結果、エンジン燃費性能を大幅に悪化させてしまうという問題がある。
【００３７】
また、低圧段ＶＧＴ９の容量を小型化することにより、低中速領域のブースト性能を向上させることができるが、低圧段ＶＧＴ９の容量を小さくしすぎると、逆にエンジン２の全負荷運転でターボチャージャがリミット回転数を越え、吸気量の不足、排気温度の上昇、燃費の大幅な悪化等が発生し、エンジン２の運転が不可能となる問題がある。
【００３８】
従って、本発明では、低圧段ＶＧＴ９の容量はエンジン全負荷運転が可能な大きさで、選択したエンジン２のベースシングルターボと同程度の大きな容量とする。ここで、ベースシングルターボとは、エンジン２に対してシングルターボを適用する際に、必要となる容量を備えたターボチャージャを示す。この低圧段ＶＧＴ９は、可変翼の採用により可変する羽を絞ることでターボチャージャの容量を縮小したことと同様の効果を得る。つまり、ターボチャージャのスクロール部１７を狭めて、排ガスの流速をペースに対して増加させてターボ回転数を高く保持して、高い過給圧及び吸気量の増加を確保する。しかし、ターボチャージャにはそれぞれ効率の良い箇所があるため、必要以上にターボチャージャの可変翼を絞りすぎるとターボチャージャの効率が悪化することになり、エンジン燃費を悪化させる。本発明では、これらを考慮して、次のような制御方法とする。
【００３９】
本発明における制御方法は、内燃機関の過渡運転状態の場合に、２つ以上の可変容量型過給器の可変翼の開度を絞り側に操作して、燃費性能よりも排ガス性能を優先させる第１の制御を行い、内燃機関の定常運転状態の場合に、可変翼１２をターボチャージャの効率がよい開度に操作して、排ガス性能よりも燃費性能を優先させる第２の制御を行う。
【００４０】
さらに、低圧段及び高圧段可変容量型過給器（低圧段ＶＧＴ９及び高圧段ＶＧＴ１０）を効率的に制御するための指標として、可変容量型過給器制御用マップデータ（ＶＧＴマップ）を作成することで、その目的とする効果によって、この制御方法は異なるマップデータを用いることができる。例えば、排ガス性能を優先させる場合（第１の制御）には、低圧段ＶＧＴ９及び高圧段ＶＧＴ１０のＶＧＴマップ（過渡時ＶＧＴマップ）は共に絞り側になる。また、燃費性能を優先させる場合（第２の制御）には低圧段ＶＧＴ９及び高圧段ＶＧＴ１０のＶＧＴマップはともに、それぞれのターボチャージャの効率が一番よい場所を選定する（標準ＶＧＴマップ）ことになる。
【００４１】
つまり、過渡運転状態における制御では、それぞれのＶＧＴが有する過渡時ＶＧＴマップを基にして、排ガス性能を優先させて、それぞれのＶＧＴを制御する第１の制御を行い、通常運転状態における制御では、それぞれのＶＧＴが有する標準ＶＧＴマップを基にして、燃費性能を優先させて、それぞれのＶＧＴを制御する第２の制御を行う。
【００４２】
但し、どちらの場合でもエンジン低速及び低負荷側の場合に、可変翼１２は絞り側に制御されることとなり、その反対側のエンジン高速及び高負荷側の場合に、可変翼１２は開き側に制御される。なお、可変容量型過給器制御用マップデータは、対象とするエンジンの性能、ターボチャージャの容量及び性能等を基に、実験又は計算等により作成すること
ができる。
【００４３】
表１に燃費改善を達成させた高圧段標準可変容量型過給器制御用マップデータ（以下、高圧段標準ＶＧＴマップという）を、表２に燃費改善を達成させた低圧段標準可変容量型過給器制御用マップデータ（以下、低圧段標準ＶＧＴマップという）の１例を示す。この表１及び２に示したのは、上記の実施例におけるエンジン燃費のベストを達成させた高圧段ＶＧＴ及び低圧段ＶＧＴの可変容量型過給器制御用マップデータ（以下、標準ＶＧＴマップという）である。標準ＶＧＴマップは横軸にエンジン回転数（ｒｐｍ）、縦軸にエンジン燃料流量（ｍｍ３／ｓｔ）であり、この２つのパラメータから導かれる表の値は、ＶＧＴ９、１０の可変翼１２の開度を示している。
【００４４】
表１の高圧段標準ＶＧＴマップはモータ駆動タイプの場合を示しており、０〜１００％の開度の制御が可能で、数値の小さい側が絞り側を示している。表２の低圧段標準ＶＧＴマップはエアー駆動タイプの場合を示しており、０〜７の８段階の開度の制御が可能で、こちらの場合は数値の大きいほうが可変翼１２の絞り側となる。上述したようにエンジン燃費性能のベストを達成させるためには、各エンジンの運転モードにおいて、低圧段ＶＧＴ９及び高圧段ＶＧＴ１０の作動マップを、効率が一番よい数値に設置することが必要となる（第２の制御）。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
図３に可変容量型過給器制御システム（以下、ＶＧＴ制御システムという）のフローチャートを示す。可変容量型過給器（ＶＧＴ）の開度の基本制御は、エンジン２に設置した例えば、ブーストセンサ２２、２４や、エンジン２へ吸気される空気量を測定するＭＡＦ（Ｍａｓｓ Ａｉｒ Ｆｌｏｗ）２１、２３の値等を基にエンジン状況を把握し、このエンジン状況を基にＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２６に記憶した上記の標準ＶＧＴマップによって最終的な可変翼１２の開度の指示値を決定して可変翼１２を駆動する。
【００４８】
以下に、フローチャートを参照しながら、ＶＧＴ制御システムを具体的に説明する。ま
ず、エンジンスタートに伴いエンジン回転数及び燃料噴射量を検出し、この値を引数として高圧段ＶＧＴ標準マップから高圧段ＶＧＴ１０（ターボＶＧＴ１）の可変翼１２の開度を決定する。この可変翼１２の開度の変更に伴い、検出される高圧段ＭＡＦ２１と高圧段過給器ブーストセンサ２２の値が、目標値に達しているかを判定する。この目標値は、ＶＧＴマップと同様、ＭＡＦ２１、２３及びブーストセンサ２２、２４がそれぞれ有しているマップを基に判定される。同様に低圧段ＶＧＴ９（ターボＶＧＴ２）も制御される。以上が、通常運転状態のときに行われる排ガス性能よりも燃費性能を優先した第２の制御の流れとなる。
【００４９】
次に、エンジン２が過渡運転状態にある場合の制御を説明する。過渡運転状態においては、前述したＭＡＦ２１、２３及びブーストセンサ２２、２４の値が目標値とは異なり、これにより、ＶＧＴマップを標準ＶＧＴマップから過渡時ＶＧＴマップに修正する。今度は過渡時ＶＧＴマップを基に可変翼１２の開度を決定する。この可変翼１２の開度の変更に伴い、検出されるＭＡＦ２１、２３とブーストセンサ２２，２４の値が過渡運転状態における目標値に達しているかを判定する。以上が、過渡運転状態のときに行われる燃費性能よりも排ガス性能を優先した第１の制御となる。
【００５０】
つまり、第１の制御及び第２の制御は、制御フロー自体は同一の流れであるが、ＶＧＴ９、１０の開度を決定するＶＧＴマップ、及び、ＭＡＦ２１、２３とブーストセンサ２２、２４の目標値が異なるため、排ガス性能優先又は燃費性能優先の制御が選択的に行われる。
【００５１】
上記の実施の形態の多段過給システム１及びその制御方法により得られる作用効果としては、大きく２つあり、１つは従来の過給システムに対して空気量を増加させることで排ガス性能を向上させることができる効果（第１の制御の効果）と、もう１つは従来システムに対して空気量を同量としてエンジン燃費性能を向上させることができる効果（第２の制御の効果）がある。
【００５２】
図４に低圧段ＶＧＴ９の可変翼１２の開度の変更による過渡応答性能の改善試験結果を示す。図４は、過渡運転状態（加速運転状態）に、低圧段ＶＧＴ９の開度を絞り側に制御して、ブースト圧力が上昇した様子を示している。Ｌ１及びＬ２は、低圧段ＶＧＴ９及び高圧段ＶＧＴ１０のベースデータを示しており、Ｌ３及びＬ４は低圧段ＶＧＴ９の可変翼１２を修正制御したとき（第１の制御）の様子を示している。
【００５３】
つまり、エンジンアイドル状態（定常運転状態）から急激にエンジンスロットルを開け、エンジン回転数とエンジン負荷を急激に高めたとき（過渡運転状態）に、低圧段ＶＧＴ９の可変翼１２の開度を絞り側に制御した。この制御によって得られた、低圧段ＶＧＴ９及び高圧段ＶＧＴ１０のブースト上昇（過給圧力の上昇）について示したグラフである。横軸に試験経過時間（ｍｓｅｃ）、縦軸に各ターボチャージャの出口圧力（ｋＰａ）を示す。
【００５４】
図４に示す様に、低圧段ＶＧＴ９のベース圧力に対して、ＶＧＴの可変翼１２の開度を絞った低圧段ＶＧＴ９の圧力上昇が非常に早くなり、これによってエンジンブーストとなる高圧段ＶＧＴ１０の出口圧力も上昇させることができた。この低圧段ＶＧＴ９の可変翼１２を絞ることが可能となり、これにより過渡運転状態及び定常運転状態の過給圧力を上昇させ、エンジン２のシリンダ内へ供給する空気量を多く確保できるため、エンジン２のＮＯｘ−ＰＭの排ガス性能を改善することができる（第１の制御の作用効果）。
【００５５】
図５は低圧段ＶＧＴ９の可変翼の開度変更による燃費の改善試験結果を示す。図５は、表１及び２に示したＶＧＴマップを使用し、従来のシステムに対して同量の空気量を確保
したまま、燃費の改善を達成させた結果である。表１及び２に従った動作で、低圧段ＶＧＴ９の可変翼９を絞ることで空気量を確保し、逆に絞りすぎていた高圧段ＶＧＴ１０の可変翼１２を開き、常にベスト効率となる条件に可変翼１２を制御し、ターボ効率を向上させて、エンジン本体の燃費性能を向上することができる（第２の制御の作用効果）。
【符号の説明】
【００５６】
１ 多段過給システム
２ エンジン
３ ＥＧＲクーラ
４ インタークーラ
５ 吸排気バイパスライン
６ 吸排気バイパスバルブ
９ 低圧段可変容量型過給器（低圧段ＶＧＴ）
１０ 高圧段可変容量型過給器（高圧段ＶＧＴ）
１１ ＢＧＲバルブ
１２ 可変翼
２１ 高圧段過給器空気量センサ（ＭＡＦ）
２２ 高圧段過給器ブーストセンサ
２３ 低圧段過給器空気量センサ（ＭＡＦ）
２４ 低圧段過給器ブーストセンサ
２６ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
Ａ 吸入空気
Ｇ 排気ガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の多段過給システムにおいて、可変翼を有する複数の過給器を制御することで、内燃機関の過渡運転状態の排ガス性能、及び定常運転状態の燃費性能を改善させる内燃機関の多段過給システム及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車エンジンの排ガス規制は年々厳しくなっており、そのエンジン評価方法も従来の定常試験モードから激しい発進や加速を繰り返す過渡試験モードへ変更されてきている。具体的な評価方法として、国内ではＪＥ０５モード、ヨーロッパではＥＴＣモードなどがある。これらの排ガス規制の数値にＮＯｘ値とＰＭ（微粒子状物質）値があり、これらは一方が減少すると他方が増加するというトレードオフの関係にあり、両方を同時に低減させることは非常に難しいという問題がある。
【０００３】
この問題を解決する有効な手段の一つとして、高過給システムを用いて大量の空気をエンジンに供給し、更に高効率ＥＧＲシステムによりＮＯｘを低減させる方法がある。この高過給システムとしてターボチャージャ（過給器）を、現在、ほとんどのディーゼルエンジンで使用しているが、次世代の厳しい排ガス規制に対応する目的で、更に高過給化を図るために、ターボチャージャの小型化や、また最新のディーゼルエンジンに見られる多段過給システム（２ステージターボや３ステージターボなど）の技術が導入されている。
【０００４】
この多段過給システムの例として２つのタイプの２ステージターボシステムを図６及び図７に示す。これらの２つのタイプの多段過給システムはそれぞれ次に述べるような構成と、長所及び短所を有している。図６に、シリーズタイプのシステム（以下、シリーズシステムという）１Ｘを示しており、低圧段過給器７と高圧段過給器８を内燃機関（エンジン２）に直列に連結している。図７に、シーケンシャルタイプのシステム（以下、シーケンシャルシステムという）１Ｙを示している。この図７のシーケンシャルシステム１Ｙは、前記シリーズシステム１Ｘの吸気及び排気ラインに、高圧段過給器８をバイパスするための吸排気バイパスライン５ａ、５ｂ及び吸排気バイパスバルブ６ａ、６ｂを設けていることを特徴としている。
【０００５】
図６に示すシリーズシステム１Ｘは、外気から吸気した吸入空気Ａが、低圧段過給器７及び高圧段過給器８のコンプレッサ側を通過して、インタークーラ４を経てエンジン２に供給される。そして、エンジン２で発生した排気ガスＧは高圧段過給器８及び低圧段過給器７のタービン側を通過して、排気されるよう構成されている。また、エンジン２から排出される排気ガスＧの一部が、ＥＧＲクーラ３及びＥＧＲバルブ１１を介して、エンジン２の吸気側に還流されるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムを備えている。
【０００６】
このシリーズシステム１Ｘは、吸排気に際して、複雑なバルブ制御等がないため、非常にシンプルな構造のシステムとなっている。しかし、ＪＥ０５モードなどの激しい過渡運転モードにおいては、高圧段過給器８は、応答性を高くするために、可能な限り小型とすることが望ましいが、過給器をバイパスして吸排気することが可能となる吸排気バイパスバルブ６を持たないシリーズシステム１Ｘでは、２つの過給器７、８は同程度の容量のものしか選定することができず、結果として高いエンジン特性を得ることができない問題を有している。
【０００７】
図７に示すシーケンシャルシステム１Ｙは、上記のシリーズシステム１Ｘの問題点を改
善するものとして提案されている。このシーケンシャルシステム１Ｙでは、上記のシリーズシステム１Ｘの高圧段過給器８をバイパスするための吸排気バイパスライン５ａ、５ｂ及び吸排気バイパスバルブ６ａ、６ｂを設置したことを特徴としている。このシステム１Ｙでは、高圧段過給器８を小型化しても、エンジン２の低速領域から高速領域への移行時である過渡運転状態には、吸排気バイパスバルブ６ａ、６ｂの開閉を行うことで、高圧段過給器８の過回転を防止することができる。
【０００８】
従って、このシーケンシャルシステム１Ｙでは、高圧段過給器８の容量を小型化することが可能であり、これによって、激しい過渡運転試験（ＪＥ０５モード）などでの高圧段過給器８の応答性が高まり、エンジンの排ガス性能や燃費性能を改善することができる。
【０００９】
また、吸排気バイパスバルブ６を備えることにより、大型の低圧段過給器７を採用することができる。そのため、全負荷などエンジン回転数やエンジン負荷の高い運転領域においても、エンジン性能を向上させることができる。
【００１０】
図８に、過給器（ターボチャージャ）の容量と空気流量の関係についてのグラフを示す。図８に示す様に、過給器のサイズ（ターボ容量）を１０％縮小したことにより、新規空気流量が６．３％増加している。これにより、エンジン性能であるＮＯｘ−ＰＭの排ガス性能及び燃費性能を向上させることができる。
【００１１】
また、乗用車で通常運転する際に使用するエンジン回転数やエンジン負荷、及び排ガス試験モードでは、どちらもエンジン低速及び低負荷の領域が多いことから、このシーケンシャルシステム１Ｙを採用しても、吸排気バイパスバルブ６の開閉の頻度が低いため、比較的問題なく使用することができる。そのため、このシーケンシャルシステム１Ｙは、最近の乗用車エンジンに使用される傾向にある（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
しかし、貨物車輛として使用するトラック等では、常に重量物である荷物を搭載して走行するため、一般に使用するエンジンの運転領域や排ガス試験モードが、エンジン全域の運転領域に及ぶため、吸排気バイパスバルブ６の開閉の頻度が非常に高くなる。このとき、吸排気バイパスバルブ６の開閉動作を単純に行うと、エンジンブーストの落ち込みが激しく、エンジン性能が大幅に悪化するという問題がある。
【００１３】
つまり、シーケンシャルシステム１Ｙは、図９の左方に示す様に、エンジン回転数に伴い、高圧段過給器から低圧段過給器への切り替えがあり、吸排気バイパスバルブ６の開閉動作を行うタイミングが存在し、そのときに、エンジンブーストの落ち込みによって、エンジン性能が大幅に悪化する。
【００１４】
なお、シリーズシステム１Ｘは、吸排気バイパスバルブ６が設置されていないため、エンジン回転数に関わらず、高圧段及び低圧段の過給器が両方とも常に作動している状態となっている（図９の右方）。また、シーケンシャルシステム１Ｙは、吸排気バイパスバルブ６の開閉制御の困難性に加えて、機構も複雑となるため、エンジンに導入するための初期コストが非常に高く、複雑であるがゆえに故障が発生し、安定的作動を実現することが困難となる問題も有している。
【００１５】
そのため、現在この高圧段から低圧段の過給器へ切り替える際の制御方法を確立すべく各社開発を競っているが、未だ、商用車エンジンにおける２ステージターボのシーケンシャルシステム１Ｙに関する、上記の技術的問題点を解決できていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特許第３９７９２９４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、吸排気バイパスバルブを有さない（過給器をバイパスするラインを有さない）内燃機関の多段過給システムにおいて、排ガス性能及び燃費性能の向上を実現するために、複数取付けた中の２つ以上の過給器を可変容量型過給器として、シリーズシステムでありながら、シーケンシャルシステムと同様のエンジン排ガス性能及びエンジン燃費性能を達成する内燃機関の多段過給システム及びその制御方法を提供することにある。つまり、前記シリーズシステム及びシーケンシャルシステムの両方のメリットを実現し、両方のデメリットを解消することが可能な、内燃機関の多段過給システム及びその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関の多段過給システムは、内燃機関に複数の過給器を直列に接続した多段過給システムにおいて、前記複数の過給器の一部又は全部をバイパスするための吸排気バイパスライン及び吸排気バイパスバルブを有せず、かつ、前記複数取付けた中の２つ以上の過給器が流量を可変とするための可変翼を備えた可変容量型過給器であることを特徴とする。
【００１９】
この構成により、シーケンシャルシステム特有の吸排気バイパスバルブのバルブ開閉制御が不要となり、シンプルな構造のシステムとなり、かつ、従来の多段過給システムに対して、内燃機関に吸気する空気量を増加させて排ガス性能を向上させることができ、また、空気量を同量として燃費性能を向上させることができる。
【００２０】
また、可変翼を有した可変容量型過給器（以下、ＶＧＴという、Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ Ｔｕｒｂｏ）を高圧段及び低圧段の過給器の内の２つ以上に採用することで、吸排気バイパスバルブを設置していないにも関わらず、高圧段過給器の小型化により、激しい過渡運転試験（加速運転試験）での過給器の応答性を向上して、排ガス性能及び燃費性能を改善できるというシーケンシャルシステムのメリットを得ることができる。同時に、シーケンシャルシステムの、吸排気バイパスバルブの開閉によってエンジンブーストが激しく落ち込み、エンジン性能が大幅に悪化するというデメリットを解消することができる。
【００２１】
上記の内燃機関の多段過給システムにおいて、内燃機関の過渡運転状態の場合に、前記複数の可変容量型過給器の可変翼を、絞り側に操作して、燃費性能よりも排ガス性能を優先させる第1の制御を行い、内燃機関の定常運転状態の場合に、可変翼を前記可変容量型
過給器の効率がよい開度に操作して、排ガス性能よりも燃費性能を優先させる第２の制御を行う構成としたことを特徴とする。この構成により、従来の多段過給システムに対して、内燃機関に吸気する空気量を増加させて排ガス性能を向上させることができ、また、空気量を同量として燃費性能を向上させることができる。
【００２２】
上記の内燃機関の多段過給システムにおいて、前記可変容量型過給器のそれぞれにおいて、エンジン回転数と燃料流量の２つのパラメータを基にして、前記可変翼の開度を設定した制御用マップデータを記憶させた記憶装置と、前記パラメータを取得するためのセンサを備え、前記センサから取得したパラメータと前記制御用マップデータから決定された可変翼の開度を基に、可変翼の制御を行う構成としたことを特徴とする。
【００２３】
この構成により、燃費性能や排ガス性能等の重視すべき性能により、異なる制御用マップデータ（制御マップ）を獲ることができ、この制御マップを基にして可変翼を制御する
ことで、燃費性能や排ガス性能等を向上することができる。なお、この制御マップは、実験や計算等を基にして作成することができる。
【００２４】
上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関の多段過給システムの制御方法は、内燃機関に複数の過給器を直列に接続して、前記複数の過給器の一部又は全部をバイパスするための吸排気バイパスライン及び吸排気バイパスバルブを有せず、かつ、前記複数取付けた中の２つ以上の過給器が流量を可変とするための可変翼を備えた可変容量型過給器である内燃機関の多段過給システムの制御方法において、内燃機関の過渡運転状態の場合に、前記複数の可変容量型過給器のそれぞれの可変翼を、絞り側に操作して、燃費性能よりも排ガス性能を優先させる第１の制御を行い、内燃機関の定常運転状態の場合に、可変翼を前記可変容量型過給器の効率がよい開度に操作して、排ガス性能よりも燃費性能を優先させる第２の制御を行うことを特徴とする。この構成により、前述した内燃機関の多段過給システムと同様の作用効果を得ることができる。
【００２５】
上記の内燃機関の多段過給システムの制御方法において、前記可変容量型過給器のそれぞれにおいて、エンジン回転数と燃料流量の２つのパラメータを基にして、前記可変翼の開度を設定した制御用マップデータを記憶し、前記内燃機関に設けたセンサにより取得したパラメータの検出値と、前記制御用マップデータから決定された可変翼の開度を基に、可変翼を制御することを特徴とする。この構成により、前述した内燃機関の多段過給システムと同様の作用効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る内燃機関の多段過給システム及びその制御方法によれば、吸排気バイパスバルブを有さないシリーズシステムの多段過給システムに、可変容量型過給器（ＶＧＴ）を使用して、可変容量型過給器の可変翼を制御することにより、内燃機関の過渡運転状態（加速運転状態）の排ガス性能を向上させ、定常運転状態（通常運転状態）の燃費性能を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る実施の形態の内燃機関及びその過給システムの構成を示した図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の可変容量型過給器の構成を示した図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の多段過給システムの制御を示したフロー図である。
【図４】低圧段可変容量型過給器の開度変更による過渡応答性能の改善試験結果を示した図である。
【図５】低圧段可変容量型過給器の開度変更による燃費の改善試験結果を示した図である。
【図６】従来の過給システムであるシリーズシステムの構成を示した図である。
【図７】従来の過給システムであるシーケンシャルシステムの構成を示した図である。
【図８】過給器のサイズと空気流量の関係について示した図である。
【図９】従来の低圧段及び高圧段過給器の作動領域の分布を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の多段過給システム及びその制御方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明に係る実施の形態の内燃機関の多段過給システム１の構成を示す。
【００２９】
この内燃機関の多段過給システム１は、過給容量が小さく、かつ、この過給容量を変え
ることができる高圧段可変容量型過給器（以下、高圧段ＶＧＴという、Ｖａｒｉａｂｌｅ
Ｇｅｏｍｅｔｒｙ Ｔｕｒｂｏ）と、過給容量が大きく、かつ、この過給容量を変えることができる低圧段可変容量型過給器（以下、低圧段ＶＧＴという）を備えたシステム１である。このシステム１は、エンジン回転数及びエンジン負荷に応じて仕様の異なる複数のターボチャージャ（過給器）を適用することができる。なお、以下の実施例の形態は２段のターボチャージャを使用する２ステージターボを例に説明をするが、本発明は２段に限られるものではなく、３段以上でもよい。
【００３０】
この多段過給システム１では、エンジン２（内燃機関）に吸気を行う吸気ライン上に、上流側から低圧段ＶＧＴ９と高圧段ＶＧＴ１０のコンプレッサ側と、インタークーラ４が設けられている。また、エンジン２から排気を行う排気ライン上に、上流側から高圧段ＶＧＴ１０と低圧段ＶＧＴ９のタービン側が設けられている。さらに、エンジン２から排気ガスＧをＥＧＲクーラ３及びＥＧＲバルブ１１を介して、エンジン２の吸気側に還流させるＥＧＲシステムを有している。つまり、図７に示したシーケンシャルシステム１Ｙの吸排気バイパスライン５及びバルブ６を取り除き、ターボチャージャを可変容量型（ＶＧＴ）に変更した構成としている。
【００３１】
また、低圧段ＶＧＴ９及び高圧段ＶＧＴ１０のコンプレッサ側のそれぞれの上流には、低圧段過給器空気量センサ（以下、ＭＡＦという）２３と低圧段過給器ブーストセンサ２４、及び高圧段過給器空気量センサ（ＭＡＦ）２１と高圧段過給器ブーストセンサ２２が設置されており、エンジン２にはエンジン回転数センサ２４が設置されており、各センサはＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）２６に接続されている。
【００３２】
次に可変容量型過給器（ＶＧＴ）９、１０の構成について説明する。ここでは特に低圧段可変容量型過給器（低圧段ＶＧＴ）９について説明する。図２に示す低圧段ＶＧＴ９は、ターボチャージャの主部品となる軸部（図示しない）と、排気ガスの流量を調整する可変翼１２と、それを駆動させる部品を備えて構成している。この可変翼１２は、エアータンク１４に連結されたエアーシリンダ１３により開度を制御される。この開度は、３つのマグネチックバルブ１６のＯＮ−ＯＦＦを、バルブ制御回路１５で制御して、８段階に調整することができる。
【００３３】
この低圧段ＶＧＴ９は、エンジン２から排出された比較的少ない排気ガスを有効に利用するため、タービンスクロール部１７に取り付けられた可変翼１２を絞り込む制御を行う。この制御により、排気ガスの速度を増幅させ、排気ガスのエネルギーで排気タービンを回し、この排気タービンに軸部で直結されたコンプレッサ側から、通常のターボチャージャ以上の空気をエンジン２に送り込むことができる。この低圧段ＶＧＴ９は、エンジン低速や低負荷運転状態において高過給を実現させ、エンジン出力性能、排ガス性能及び燃費性能の向上を達成できるようにしたシステムである。
【００３４】
ここで、低圧段ＶＧＴ９は、電気を動力としたモータにより可動翼１２を駆動させるタイプと、エアーを動力としたエアーシリンダ１３により駆動させるタイプがある。どちらもターボチャージャのハードシステムは同じ構造を有しているが、モータ駆動タイプは、可変翼１２の開度を無段階に細かく駆動制御することが可能であり、エアー駆動タイプは数段階の駆動制御しかできない。このため、少しでもエンジン本体の性能を向上させるには、高圧段及び低圧段の２つのターボチャージャともモータ駆動タイプとすることが望ましいが、コスト面ではエアー駆動タイプが有利となっている。
【００３５】
この実施の形態では、低圧段ＶＧＴ９をエアー駆動タイプ、高圧段ＶＧＴ１０をモータ駆動タイプとして説明を行う。なお、本実施例は低圧段ＶＧＴ９及び高圧段ＶＧＴ１０の２段過給システムを例としているが、本発明は前述の可変翼１２の駆動タイプに限定され
るものではなく、また、本発明は３段以上の過給システムにも同様に適用することができる。加えて、例えば４段の過給システムの場合、２つを可変容量型過給器として、２つを通常の過給器としたり、３つを可変容量型過給器として、１つを通常の過給器としたりしてもよい。
【００３６】
次に、多段過給システムの制御における問題点に関して説明する。多段過給システムの制御では、低中速領域におけるブースト性能の向上を目的に、高圧段ＶＧＴ１０の可変翼１２を絞り側へ作動（小容量化）する。このとき、高圧段ＶＧＴ１０の可変翼１２を絞りすぎると、ターボチャージャの効率が非常に悪い領域で使用することになり、その結果、エンジン燃費性能を大幅に悪化させてしまうという問題がある。
【００３７】
また、低圧段ＶＧＴ９の容量を小型化することにより、低中速領域のブースト性能を向上させることができるが、低圧段ＶＧＴ９の容量を小さくしすぎると、逆にエンジン２の全負荷運転でターボチャージャがリミット回転数を越え、吸気量の不足、排気温度の上昇、燃費の大幅な悪化等が発生し、エンジン２の運転が不可能となる問題がある。
【００３８】
従って、本発明では、低圧段ＶＧＴ９の容量はエンジン全負荷運転が可能な大きさで、選択したエンジン２のベースシングルターボと同程度の大きな容量とする。ここで、ベースシングルターボとは、エンジン２に対してシングルターボを適用する際に、必要となる容量を備えたターボチャージャを示す。この低圧段ＶＧＴ９は、可変翼の採用により可変する羽を絞ることでターボチャージャの容量を縮小したことと同様の効果を得る。つまり、ターボチャージャのスクロール部１７を狭めて、排ガスの流速をペースに対して増加させてターボ回転数を高く保持して、高い過給圧及び吸気量の増加を確保する。しかし、ターボチャージャにはそれぞれ効率の良い箇所があるため、必要以上にターボチャージャの可変翼を絞りすぎるとターボチャージャの効率が悪化することになり、エンジン燃費を悪化させる。本発明では、これらを考慮して、次のような制御方法とする。
【００３９】
本発明における制御方法は、内燃機関の過渡運転状態の場合に、２つ以上の可変容量型過給器の可変翼の開度を絞り側に操作して、燃費性能よりも排ガス性能を優先させる第１の制御を行い、内燃機関の定常運転状態の場合に、可変翼１２をターボチャージャの効率がよい開度に操作して、排ガス性能よりも燃費性能を優先させる第２の制御を行う。
【００４０】
さらに、低圧段及び高圧段可変容量型過給器（低圧段ＶＧＴ９及び高圧段ＶＧＴ１０）を効率的に制御するための指標として、可変容量型過給器制御用マップデータ（ＶＧＴマップ）を作成することで、その目的とする効果によって、この制御方法は異なるマップデータを用いることができる。例えば、排ガス性能を優先させる場合（第１の制御）には、低圧段ＶＧＴ９及び高圧段ＶＧＴ１０のＶＧＴマップ（過渡時ＶＧＴマップ）は共に絞り側になる。また、燃費性能を優先させる場合（第２の制御）には低圧段ＶＧＴ９及び高圧段ＶＧＴ１０のＶＧＴマップはともに、それぞれのターボチャージャの効率が一番よい場所を選定する（標準ＶＧＴマップ）ことになる。
【００４１】
つまり、過渡運転状態における制御では、それぞれのＶＧＴが有する過渡時ＶＧＴマップを基にして、排ガス性能を優先させて、それぞれのＶＧＴを制御する第１の制御を行い、通常運転状態における制御では、それぞれのＶＧＴが有する標準ＶＧＴマップを基にして、燃費性能を優先させて、それぞれのＶＧＴを制御する第２の制御を行う。
【００４２】
但し、どちらの場合でもエンジン低速及び低負荷側の場合に、可変翼１２は絞り側に制御されることとなり、その反対側のエンジン高速及び高負荷側の場合に、可変翼１２は開き側に制御される。なお、可変容量型過給器制御用マップデータは、対象とするエンジンの性能、ターボチャージャの容量及び性能等を基に、実験又は計算等により作成すること
ができる。
【００４３】
表１に燃費改善を達成させた高圧段標準可変容量型過給器制御用マップデータ（以下、高圧段標準ＶＧＴマップという）を、表２に燃費改善を達成させた低圧段標準可変容量型過給器制御用マップデータ（以下、低圧段標準ＶＧＴマップという）の１例を示す。この表１及び２に示したのは、上記の実施例におけるエンジン燃費のベストを達成させた高圧段ＶＧＴ及び低圧段ＶＧＴの可変容量型過給器制御用マップデータ（以下、標準ＶＧＴマップという）である。標準ＶＧＴマップは横軸にエンジン回転数（ｒｐｍ）、縦軸にエンジン燃料流量（ｍｍ３／ｓｔ）であり、この２つのパラメータから導かれる表の値は、ＶＧＴ９、１０の可変翼１２の開度を示している。
【００４４】
表１の高圧段標準ＶＧＴマップはモータ駆動タイプの場合を示しており、０〜１００％の開度の制御が可能で、数値の小さい側が絞り側を示している。表２の低圧段標準ＶＧＴマップはエアー駆動タイプの場合を示しており、０〜７の８段階の開度の制御が可能で、こちらの場合は数値の大きいほうが可変翼１２の絞り側となる。上述したようにエンジン燃費性能のベストを達成させるためには、各エンジンの運転モードにおいて、低圧段ＶＧＴ９及び高圧段ＶＧＴ１０の作動マップを、効率が一番よい数値に設置することが必要となる（第２の制御）。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
図３に可変容量型過給器制御システム（以下、ＶＧＴ制御システムという）のフローチャートを示す。可変容量型過給器（ＶＧＴ）の開度の基本制御は、エンジン２に設置した例えば、ブーストセンサ２２、２４や、エンジン２へ吸気される空気量を測定するＭＡＦ（Ｍａｓｓ Ａｉｒ Ｆｌｏｗ）２１、２３の値等を基にエンジン状況を把握し、このエンジン状況を基にＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２６に記憶した上記の標準ＶＧＴマップによって最終的な可変翼１２の開度の指示値を決定して可変翼１２を駆動する。
【００４８】
以下に、フローチャートを参照しながら、ＶＧＴ制御システムを具体的に説明する。ま
ず、エンジンスタートに伴いエンジン回転数及び燃料噴射量を検出し、この値を引数として高圧段ＶＧＴ標準マップから高圧段ＶＧＴ１０（ターボＶＧＴ１）の可変翼１２の開度を決定する。この可変翼１２の開度の変更に伴い、検出される高圧段ＭＡＦ２１と高圧段過給器ブーストセンサ２２の値が、目標値に達しているかを判定する。この目標値は、ＶＧＴマップと同様、ＭＡＦ２１、２３及びブーストセンサ２２、２４がそれぞれ有しているマップを基に判定される。同様に低圧段ＶＧＴ９（ターボＶＧＴ２）も制御される。以上が、通常運転状態のときに行われる排ガス性能よりも燃費性能を優先した第２の制御の流れとなる。
【００４９】
次に、エンジン２が過渡運転状態にある場合の制御を説明する。過渡運転状態においては、前述したＭＡＦ２１、２３及びブーストセンサ２２、２４の値が目標値とは異なり、これにより、ＶＧＴマップを標準ＶＧＴマップから過渡時ＶＧＴマップに修正する。今度は過渡時ＶＧＴマップを基に可変翼１２の開度を決定する。この可変翼１２の開度の変更に伴い、検出されるＭＡＦ２１、２３とブーストセンサ２２，２４の値が過渡運転状態における目標値に達しているかを判定する。以上が、過渡運転状態のときに行われる燃費性能よりも排ガス性能を優先した第１の制御となる。
【００５０】
つまり、第１の制御及び第２の制御は、制御フロー自体は同一の流れであるが、ＶＧＴ９、１０の開度を決定するＶＧＴマップ、及び、ＭＡＦ２１、２３とブーストセンサ２２、２４の目標値が異なるため、排ガス性能優先又は燃費性能優先の制御が選択的に行われる。
【００５１】
上記の実施の形態の多段過給システム１及びその制御方法により得られる作用効果としては、大きく２つあり、１つは従来の過給システムに対して空気量を増加させることで排ガス性能を向上させることができる効果（第１の制御の効果）と、もう１つは従来システムに対して空気量を同量としてエンジン燃費性能を向上させることができる効果（第２の制御の効果）がある。
【００５２】
図４に低圧段ＶＧＴ９の可変翼１２の開度の変更による過渡応答性能の改善試験結果を示す。図４は、過渡運転状態（加速運転状態）に、低圧段ＶＧＴ９の開度を絞り側に制御して、ブースト圧力が上昇した様子を示している。Ｌ１及びＬ２は、低圧段ＶＧＴ９及び高圧段ＶＧＴ１０のベースデータを示しており、Ｌ３及びＬ４は低圧段ＶＧＴ９の可変翼１２を修正制御したとき（第１の制御）の様子を示している。
【００５３】
つまり、エンジンアイドル状態（定常運転状態）から急激にエンジンスロットルを開け、エンジン回転数とエンジン負荷を急激に高めたとき（過渡運転状態）に、低圧段ＶＧＴ９の可変翼１２の開度を絞り側に制御した。この制御によって得られた、低圧段ＶＧＴ９及び高圧段ＶＧＴ１０のブースト上昇（過給圧力の上昇）について示したグラフである。横軸に試験経過時間（ｍｓｅｃ）、縦軸に各ターボチャージャの出口圧力（ｋＰａ）を示す。
【００５４】
図４に示す様に、低圧段ＶＧＴ９のベース圧力に対して、ＶＧＴの可変翼１２の開度を絞った低圧段ＶＧＴ９の圧力上昇が非常に早くなり、これによってエンジンブーストとなる高圧段ＶＧＴ１０の出口圧力も上昇させることができた。この低圧段ＶＧＴ９の可変翼１２を絞ることが可能となり、これにより過渡運転状態及び定常運転状態の過給圧力を上昇させ、エンジン２のシリンダ内へ供給する空気量を多く確保できるため、エンジン２のＮＯｘ−ＰＭの排ガス性能を改善することができる（第１の制御の作用効果）。
【００５５】
図５は低圧段ＶＧＴ９の可変翼の開度変更による燃費の改善試験結果を示す。図５は、表１及び２に示したＶＧＴマップを使用し、従来のシステムに対して同量の空気量を確保
したまま、燃費の改善を達成させた結果である。表１及び２に従った動作で、低圧段ＶＧＴ９の可変翼９を絞ることで空気量を確保し、逆に絞りすぎていた高圧段ＶＧＴ１０の可変翼１２を開き、常にベスト効率となる条件に可変翼１２を制御し、ターボ効率を向上させて、エンジン本体の燃費性能を向上することができる（第２の制御の作用効果）。
【符号の説明】
【００５６】
１ 多段過給システム
２ エンジン
３ ＥＧＲクーラ
４ インタークーラ
５ 吸排気バイパスライン
６ 吸排気バイパスバルブ
９ 低圧段可変容量型過給器（低圧段ＶＧＴ）
１０ 高圧段可変容量型過給器（高圧段ＶＧＴ）
１１ ＢＧＲバルブ
１２ 可変翼
２１ 高圧段過給器空気量センサ（ＭＡＦ）
２２ 高圧段過給器ブーストセンサ
２３ 低圧段過給器空気量センサ（ＭＡＦ）
２４ 低圧段過給器ブーストセンサ
２６ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
Ａ 吸入空気
Ｇ 排気ガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に複数の過給器を直列に接続した多段過給システムにおいて、前記複数の過給器の一部又は全部をバイパスするための吸排気バイパスライン及び吸排気バイパスバルブを有せず、かつ、前記複数取付けた中の過給器の２つ以上の過給器が流量を可変とするための可変翼を備えた可変容量型過給器であることを特徴とする内燃機関の多段過給システム。
【請求項２】
内燃機関の過渡運転状態の場合に、前記複数の可変容量型過給器の可変翼を、絞り側に操作して、燃費性能よりも排ガス性能を優先させる第１の制御を行い、内燃機関の定常運転状態の場合に、可変翼を前記可変容量型過給器の効率がよい開度に操作して、排ガス性能よりも燃費性能を優先させる第２の制御を行う構成としたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の多段過給システム。
【請求項３】
前記可変容量型過給器のそれぞれにおいて、エンジン回転数と燃料流量の２つのパラメータを基にして、前記可変翼の開度を設定した制御用マップデータを記憶させた記憶装置と、前記パラメータを取得するためのセンサを備え、前記センサから取得したパラメータと前記制御用マップデータから決定された可変翼の開度を基に、可変翼の制御を行う構成としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の多段過給システム。
【請求項４】
内燃機関に複数の過給器を直列に接続して、前記複数の過給器の一部又は全部をバイパスするための吸排気バイパスライン及び吸排気バイパスバルブを有せず、かつ、前記複数取付けた中の過給器の２つ以上の過給器が流量を可変とするための可変翼を備えた可変容量型過給器である内燃機関の多段過給システムの制御方法において、
内燃機関の過渡運転状態の場合に、前記複数の可変容量型過給器のそれぞれの可変翼を、絞り側に操作して、燃費性能よりも排ガス性能を優先させる第１の制御を行い、内燃機関の定常運転状態の場合に、可変翼を前記可変容量型過給器の効率がよい開度に操作して、排ガス性能よりも燃費性能を優先させる第２の制御を行うことを特徴とする内燃機関の多段過給システムの制御方法。
【請求項５】
前記可変容量型過給器のそれぞれにおいて、エンジン回転数と燃料流量の２つのパラメータを基にして、前記可変翼の開度を設定した制御用マップデータを記憶し、前記内燃機関に設けたセンサにより取得したパラメータの検出値と、前記制御用マップデータから決定された可変翼の開度を基に、可変翼を制御することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の多段過給システムの制御方法。
【請求項１】
内燃機関に複数の過給器を直列に接続した多段過給システムにおいて、前記複数の過給器の一部又は全部をバイパスするための吸排気バイパスライン及び吸排気バイパスバルブを有せず、かつ、前記複数取付けた中の過給器の２つ以上の過給器が流量を可変とするための可変翼を備えた可変容量型過給器であることを特徴とする内燃機関の多段過給システム。
【請求項２】
内燃機関の過渡運転状態の場合に、前記複数の可変容量型過給器の可変翼を、絞り側に操作して、燃費性能よりも排ガス性能を優先させる第１の制御を行い、内燃機関の定常運転状態の場合に、可変翼を前記可変容量型過給器の効率がよい開度に操作して、排ガス性能よりも燃費性能を優先させる第２の制御を行う構成としたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の多段過給システム。
【請求項３】
前記可変容量型過給器のそれぞれにおいて、エンジン回転数と燃料流量の２つのパラメータを基にして、前記可変翼の開度を設定した制御用マップデータを記憶させた記憶装置と、前記パラメータを取得するためのセンサを備え、前記センサから取得したパラメータと前記制御用マップデータから決定された可変翼の開度を基に、可変翼の制御を行う構成としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の多段過給システム。
【請求項４】
内燃機関に複数の過給器を直列に接続して、前記複数の過給器の一部又は全部をバイパスするための吸排気バイパスライン及び吸排気バイパスバルブを有せず、かつ、前記複数取付けた中の過給器の２つ以上の過給器が流量を可変とするための可変翼を備えた可変容量型過給器である内燃機関の多段過給システムの制御方法において、
内燃機関の過渡運転状態の場合に、前記複数の可変容量型過給器のそれぞれの可変翼を、絞り側に操作して、燃費性能よりも排ガス性能を優先させる第１の制御を行い、内燃機関の定常運転状態の場合に、可変翼を前記可変容量型過給器の効率がよい開度に操作して、排ガス性能よりも燃費性能を優先させる第２の制御を行うことを特徴とする内燃機関の多段過給システムの制御方法。
【請求項５】
前記可変容量型過給器のそれぞれにおいて、エンジン回転数と燃料流量の２つのパラメータを基にして、前記可変翼の開度を設定した制御用マップデータを記憶し、前記内燃機関に設けたセンサにより取得したパラメータの検出値と、前記制御用マップデータから決定された可変翼の開度を基に、可変翼を制御することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の多段過給システムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−１８０７８２（Ｐ２０１０−１８０７８２Ａ）
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５２０６（Ｐ２００９−２５２０６）
【出願日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
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