説明

内燃機関の過給システム

【課題】ターボ過給機のコンプレッサ内の圧力が過度に低下することを十分に抑制できる内燃機関の過給システムを提供する。
【解決手段】低圧ターボ過給機6と、低圧ターボ過給機6のタービン6bよりも排気通路4の上流に配置されたタービン7b及び低圧ターボ過給機6のコンプレッサ6aよりも吸気通路3の下流に配置されたコンプレッサ7aを有する高圧ターボ過給機7と、排気通路4の高圧ターボ過給機7のタービン7bと低圧ターボ過給機6のタービン6bとの間の区間4cと、吸気通路3の低圧ターボ過給機6のコンプレッサ6aと高圧ターボ過給機7のコンプレッサ7aとの間の区間である圧力制御区間3bとを接続し、低圧EGR弁19が設けられた低圧EGR通路17とを備えた内燃機関1の過給システムにおいて、低圧EGR弁19は、圧力制御区間3bの圧力Pが所定の判定圧力Ps以下と判断された場合に開けられる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、複数のターボ過給機を組み合わせた内燃機関の過給システムに関する。
【背景技術】
【0002】
内燃機関の過給システムとして、低圧ターボ過給機と高圧ターボ過給機とを使用し、高圧ターボ過給機のタービンを低圧ターボ過給機のそれよりも排気通路の上流側に、高圧ターボ過給機のコンプレッサを低圧ターボ過給機のそれよりも吸気通路の下流側にそれぞれ配置した二段過給システムが知られている。また、この二段過給システムにおいて排気の再循環を行うべく、高圧ターボ過給機のタービンと低圧ターボ過給機のタービンとの間の排気通路と低圧ターボ過給機のコンプレッサと高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の吸気通路とをEGR通路で接続し、そのEGR通路に排気の流量を調整するためのEGR弁を設けた過給システムが知られている(特許文献1参照)。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献2、3が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2006−57570号公報
【特許文献2】特開2007−100627号公報
【特許文献3】特開2007−100628号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1の過給システムのように2つのターボ過給機が直列に設けられている過給システムでは、内燃機関の運転状態によっては吸気流れの下流側に配置されている高圧ターボ過給機のコンプレッサは仕事をするが、その上流側に配置されている低圧ターボ過給機のコンプレッサは殆ど仕事をしない状態となることがある。この場合、低圧ターボ過給機のコンプレッサと高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の吸気通路内の圧力が過度に低下するおそれがある。そして、これにより低圧ターボ過給機のコンプレッサ内の圧力が過度に低下し、そのコンプレッサ設けられているオイルシール部からオイルがコンプレッサ内に吸い出されるおそれがある。
【0005】
そこで、本発明は、ターボ過給機のコンプレッサ内の圧力が過度に低下することを十分に抑制できる内燃機関の過給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の内燃機関の過給システムは、低圧ターボ過給機と、前記低圧ターボ過給機のタービンよりも排気通路の上流に配置されたタービン及び前記低圧ターボ過給機のコンプレッサよりも吸気通路の下流に配置されたコンプレッサをそれぞれ有する高圧ターボ過給機と、前記排気通路の前記高圧ターボ過給機のタービンと前記低圧ターボ過給機のタービンとの間の区間と、前記吸気通路の前記低圧ターボ過給機のコンプレッサと前記高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間とを接続するEGR通路と、前記EGR通路に設けられて前記EGR通路を流れるガスの流量を調整可能なEGR弁と、を備えた内燃機関の過給システムにおいて、前記吸気通路の前記低圧ターボ過給機のコンプレッサと前記高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間の圧力が所定の判定圧力以下と判断した場合に前記EGR弁が開けられるように前記EGR弁を制御する制御手段を備えている(請求項1)。
【0007】
本発明の過給システムによれば、吸気通路の低圧ターボ過給機のコンプレッサと高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間(以下、圧力制御区間と称することがある。)の圧力が所定の判定圧力以下と判断された場合はEGR弁が開けられるので、圧力制御区間に排気を導入したり、既に排気が導入されている場合はその排気の流量を増加させたりすることができる。これにより圧力制御区間の圧力の低下を抑制したりその圧力を上昇させたりすることができる。そのため、低圧ターボ過給機のコンプレッサ内の圧力が過度に低下することを十分に抑制できる。また、これにより低圧ターボ過給機のコンプレッサ内においてオイルシール部からオイルが吸い出されることを防止できる。
【0008】
本発明の内燃機関の過給システムの一形態においては、前記吸気通路の前記低圧ターボ過給機のコンプレッサと前記高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間の圧力を検出する圧力検出手段をさらに備え、前記制御手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力が前記判定圧力以下の場合に前記EGR弁を開けてもよい(請求項2)。この場合、圧力検出手段にて圧力制御区間の圧力を検出できるので、圧力制御区間の圧力を精度よく制御することができる。
【0009】
本発明の内燃機関の過給システムの一形態において、前記判定圧力には、前記低圧ターボ過給機のコンプレッサ内に設けられたオイルシール部からのオイル漏れを防止することが可能な圧力が設定されていてもよい(請求項3)。このように判定圧力を設定することにより、低圧ターボ過給機のコンプレッサにてオイル漏れが発生することをより確実に防止できる。
【発明の効果】
【0010】
以上に説明したように、本発明の内燃機関の過給システムによれば、吸気通路の低圧ターボ過給機のコンプレッサと高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間の圧力が所定の判定圧力以下と判断された場合はEGR弁が開けられるので、圧力制御区間の圧力の低下を抑制したりその圧力を上昇させたりすることができる。そのため、低圧ターボ過給機のコンプレッサ内の圧力が過度に低下することを十分に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の一形態に係る過給システムが組み込まれた内燃機関の概略を示す図。
【図2】ECUが実行する低圧EGR弁制御ルーチンを示すフローチャート。
【図3】圧力制御モードで低圧EGR弁が制御されたときの圧力制御区間の圧力、低圧EGR弁の開度、及び圧力制御フラグの時間変化の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0012】
図1は、本発明の一形態に係る過給システムが組み込まれた内燃機関の概略を示している。この内燃機関(以下、エンジンと称することがある。)1は、車両に走行用動力源として搭載されるディーゼルエンジンであり、複数の気筒(不図示)を有する機関本体2を備えている。機関本体2の各気筒には、吸気通路3及び排気通路4が接続されている。吸気通路3は、その一部を形成する吸気マニホールド3aを介して各気筒と接続されている。排気通路4は、その一部を形成する排気マニホールド4aを介して各気筒と接続されている。
【0013】
吸気通路3には、吸気を濾過するためのエアークリーナ5、低圧ターボ過給機6のコンプレッサ6a、高圧ターボ過給機7のコンプレッサ7a、及びスロットルバルブ8が設けられている。また、吸気通路3には、高圧ターボ過給機7のコンプレッサ7aを迂回して、低圧ターボ過給機6のコンプレッサ6aと高圧ターボ過給機7のコンプレッサ7aとの間の区間3bと、高圧ターボ過給機7のコンプレッサ7aとスロットルバルブ8との間の区間3cとを接続する吸気バイパス通路9が設けられている。この吸気バイパス通路9には、この通路9を開閉するための吸気バイパス弁10が設けられている。
【0014】
排気通路4には、高圧ターボ過給機7のタービン7b、低圧ターボ過給機6のタービン6b、及び排気を浄化するための排気浄化触媒11が設けられている。また、排気通路4には、第1バイパス通路12及び第2バイパス通路13が設けられている。第1バイパス通路12は、高圧ターボ過給機7のタービン7bを迂回して、排気マニホールド4aと高圧ターボ過給機7のタービン7bとの間の区間4bと、高圧ターボ過給機7のタービン7bと低圧ターボ過給機6のタービン6bとの間の区間4cとを接続する。第2バイパス通路13は、低圧ターボ過給機6のタービン6bを迂回して、高圧ターボ過給機7のタービン7bと低圧ターボ過給機6のタービン6bとの間の区間4cと、低圧ターボ過給機6のタービン6bと排気浄化触媒11との間の区間4dとを接続する。第1バイパス通路12には、この通路12を開閉する排気切換弁14が設けられている。第2バイパス通路13には、この通路13を開閉する排気バイパス弁15が設けられている。
【0015】
低圧ターボ過給機6及び高圧ターボ過給機7は、排気通路4に配置されるタービン6b、7bにて排気エネルギを回収し、そのエネルギで吸気通路3に配置されるコンプレッサ6a、7aを駆動して吸気を圧縮する周知の装置である。図1に示したように高圧ターボ過給機7のタービン7bは、低圧ターボ過給機6のタービン6bよりも排気通路4の上流に配置される。また、高圧ターボ過給機7のコンプレッサ7aは低圧ターボ過給機6のコンプレッサ6aよりも吸気通路3の下流に配置される。高圧ターボ過給機7の容量は、低圧ターボ過給機6の容量よりも小さい。すなわち、高圧ターボ過給機7のコンプレッサ7a及びタービン7bの容量は、低圧ターボ過給機6のコンプレッサ6a及びタービン6bの容量よりもそれぞれ小さい。高圧ターボ過給機7のタービン7bには、排気が流れる流路の面積を変更するための複数の可変ノズル翼(不図示)が設けられている。また、このタービン7bには、これら可変ノズル翼の傾きを変更するためのアクチュエータ7cが設けられている。
【0016】
排気通路4と吸気通路3とは、高圧EGR通路16及び低圧EGR通路17にて接続されている。高圧EGR通路16は、排気通路4の排気マニホールド4aと高圧ターボ過給機7のタービン7bとの間の区間4bと、吸気通路3のスロットルバルブ8と吸気マニホールド3aとの間の区間3dとを接続する。低圧EGR通路17は、排気通路4の高圧ターボ過給機7のタービン7bと低圧ターボ過給機6のタービン6bとの間の区間4cと、吸気通路3の低圧ターボ過給機6のコンプレッサ6aと高圧ターボ過給機7のコンプレッサ7aとの間の区間3bとを接続する。高圧EGR通路16には、この通路16を流れるガスの流量を調整可能な高圧EGR弁18が設けられている。低圧EGR通路17には、この通路17を流れるガスの流量を調整可能な低圧EGR弁19が設けられている。
【0017】
高圧EGR弁18及び低圧EGR弁19の動作は、エンジンコントロールユニット(以下、ECUと呼ぶ。)20によって制御される。ECU20は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なRAM、ROM等の周辺機器を含んだ周知のコンピュータユニットとして構成され、エンジン1に設けられた各種のセンサの出力信号に基づいてエンジン1の運転状態を制御する周知のものである。ECU20は、例えばエンジン1の運転状態に応じて各ターボ過給機6、7のタービン6b、7bに流入する排気の流量を調整すべく排気切換弁14及び排気バイバス弁15の動作をそれぞれ制御する。また、ECU20は、エンジン1の運転状態に応じて高圧ターボ過給機7のコンプレッサ7aに流入する吸気の流量を調整すべく吸気バイパス弁10の動作を制御する。さらに、ECU20は、窒素酸化物(NOx)や粒子状物質(PM)の発生を防止すべくエンジン1の運転状態に応じて排気通路4から吸気通路3に還流される排気の流量を調整するために各EGR弁18、19の動作をそれぞれ制御する。以降、このようにエンジン1の排気エミッションを低減すべくエンジン1の運転状態に応じて各EGR弁18、19の開度を調整することを通常制御モードと称することがある。ECU20には、エンジン1の運転状態を検出するためのセンサとして吸気通路3の低圧ターボ過給機6のコンプレッサ6aと高圧ターボ過給機7のコンプレッサ7aとの間の区間(圧力制御区間)3bの圧力に対応する信号を出力する圧力検出手段としての圧力センサ21、スロットルバルブ8の開度に対応する信号を出力するスロットル開度センサ22、吸気マニホールド3a内の圧力に対応する信号を出力する吸気圧センサ23、及び排気浄化触媒11の温度に対応する信号を出力する温度センサ24等が接続されている。この他にもECU20には各種センサが接続されているが、それらの図示は省略した。
【0018】
このエンジン1においては、その運転状態によっては高圧ターボ過給機7のコンプレッサ7aが仕事をしている状態において低圧ターボ過給機6のコンプレッサ6aが殆ど仕事をしなくなる場合がある。この場合、吸気通路3の低圧ターボ過給機6のコンプレッサ6aと高圧ターボ過給機7のコンプレッサ7aとの間の区間(圧力制御区間)3bには、低圧ターボ過給機6のコンプレッサ6aが流路抵抗となるために吸気が流入し難くなる一方でこの圧力制御区間3bから高圧ターボ過給機7のコンプレッサ7aによって吸気が吸い出される。そのため、この圧力制御区間3bの圧力が過度に低下し、これにより低圧ターボ過給機6のコンプレッサ6a内の圧力が過度に低下するおそれがある。圧力制御区間3bの圧力は、低圧EGR弁19の開度を調整してこの区間3bに流入する排気の流量を調整することにより制御できる。そこで、ECU20は、圧力制御区間3bの圧力が過度に低下することを抑制するために図2に示した低圧EGR弁制御ルーチンをエンジン1の運転中に所定の周期で繰り返し実行する。この制御ルーチンを実行することにより、ECU20が本発明の制御手段として機能する。また、低圧EGR通路17が本発明のEGR通路に相当し、低圧EGR弁19が本発明のEGR弁に相当する。
【0019】
図2の低圧EGR弁制御ルーチンにおいてECU20は、まずステップS11でエンジン1の運転状態を取得する。エンジン1の運転状態としては、例えば圧力制御区間3bの圧力を取得する。次のステップS12においてECU20は、圧力制御区間3bの圧力に応じて低圧EGR弁19の開度が調整される圧力制御モードで低圧EGR弁19が制御されていることを示す圧力制御フラグがオンか否か判断する。圧力制御フラグは前回この制御ルーチンが実行されたときの値がECU20のRAMに記憶されており、この処理ではこのECU20のRAMに記憶されている値がオンか否か判断される。なお、この圧力制御フラグは、ECU20の起動時にはオフにリセットされる。
【0020】
圧力制御フラグがオフであると判断した場合はステップS13に進み、ECU20は圧力制御区間3bの圧力Pが予め設定した所定の判定圧力Ps以下か否か判断する。周知のようにターボ過給機のコンプレッサ内にはオイルシール部が設けられている。そして、コンプレッサ内の圧力が過度に低下するとこのオイルシール部からハウジング内にオイルが吸い出されてオイル漏れが発生するおそれがある。そこで、判定圧力Psには、例えば低圧ターボ過給機6のコンプレッサ6aに設けられているオイルシール部からのオイル漏れを防止することが可能な圧力が設定される。なお、このような圧力はオイルシール部の構造やコンプレッサの容量等に応じて決まるので、判定圧力Psはこれらのパラメータに応じて適宜設定すればよい。圧力制御区間3bの圧力Pが判定圧力Psより高いと判断した場合はステップS14に進み、ECU20は低圧EGR弁19を通常制御モードで制御する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【0021】
一方、圧力制御区間3bの圧力Pが判定圧力Ps以下と判断した場合はステップS15に進み、ECU20は低圧EGR弁19を圧力制御モードで制御する。上述したようにこの圧力制御モードでは、圧力制御区間3bの圧力Pに応じて低圧EGR弁19の開度が調整される。具体的に説明すると、今回検出された圧力Pが前回検出された圧力よりも低い場合、すなわち圧力制御区間3bの圧力Pが低下している場合は低圧EGR弁19が所定開度開かれ、今回検出された圧力Pが前回検出された圧力よりも高い場合、すなわち圧力制御区間3bの圧力Pが上昇している場合には低圧EGR弁19が所定開度閉じられる。なお、所定開度には、低圧EGR弁19を開閉したときにエンジン1の運転状態が急に変化しない程度の開度が設定される。このように低圧EGR弁19を制御することにより、圧力制御区間3bの圧力Pが過度に低下することを抑制できる。続くステップS16においてECU20は、圧力制御フラグをオンに切り替える。なお、既に圧力制御フラグがオンであった場合はその値を維持する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【0022】
ステップS12で圧力制御フラグがオフと判断された場合はステップS17に進み、ECU20は圧力制御区間3bの圧力Pが予め設定した制御終了圧力Peより大きいか否か判断する。制御終了圧力Peは、低圧EGR弁19の制御を圧力制御モードから通常制御モードに戻すか否か判断する判断基準として設定される値である。この制御終了圧力Peには、判定圧力Psよりも大きい値が設定される。圧力制御区間3bの圧力Pが制御終了圧力Pe以下と判断した場合はステップS15、S16を実行した後、今回の制御ルーチンを終了する。一方、圧力制御区間3bの圧力Pが制御終了圧力Peより大きいと判断した場合はステップS18に進み、ECU20は圧力制御フラグをオフに切り替える。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【0023】
図3は、圧力制御モードで低圧EGR弁19が制御されたときの圧力制御区間3bの圧力P、低圧EGR弁19の開度、及び圧力制御フラグの時間変化の一例を示している。図3に示したように時刻T1において圧力制御区間3bの圧力Pが判定圧力Ps以下になると圧力制御モードで低圧EGR弁19が制御されるので、圧力制御区間3bの圧力Pに応じて耐圧EGR弁19の開度が調整される。そして、時刻T2において圧力制御区間3bの圧力Pが制御終了圧力Peより大きくなるまで低圧EGR弁19は圧力制御モードで制御される。その後、時刻T3において圧力制御区間3bの圧力Pが判定圧力Ps以下になると再度圧力制御モードで低圧EGR弁19が制御され、時刻T4までこの圧力制御モードは継続されている。
【0024】
この形態の過給システムによれば、圧力制御区間3bの圧力Pが判定圧力Ps以下になると低圧EGR弁19が開けられるので、圧力制御区間3bの圧力Pが過度に低下することを十分に抑制できる。そのため、低圧ターボ過給機6のコンプレッサ6内の圧力が過度に低下することを十分に抑制できる。そして、判定圧力Psに低圧ターボ過給機6のコンプレッサ6aに設けられているオイルシール部からのオイル漏れを防止することが可能な圧力を設定することにより、このコンプレッサ6aにおけるオイル漏れを防止することができる。
【0025】
なお、上述した形態では、圧力制御区間3bに設けた圧力センサ21の検出値を参照して圧力制御区間3bの圧力Pが判定圧力Ps以下か否か判断しているが、この判断は圧力センサ21の検出値以外に基づいて行ってもよい。例えば、エンジン1の運転状態と各ターボ過給機6、7の運転状態との対応関係を予め実験などで求めておき、エンジン1の運転状態が高圧ターボ過給機7のコンプレッサ7aが仕事をし、かつ低圧ターボ過給機6のコンプレッサ6aが殆ど仕事をしない場合に対応する運転状態の場合に圧力制御区間3bの圧力Pが判定圧力Ps以下と判断してもよい。また、各ターボ過給機6、7のコンプレッサホイールの回転数を検出し、これら検出した回転数に基づいて圧力制御区間3bの圧力Pが判定圧力Ps以下か否か判断してもよい。この場合は、例えば低圧ターボ過給機6のコンプレッサホイールの回転数が所定の第1回転数以下、かつ高速ターボ過給機7のコンプレッサホイールの回転数が所定の第2回転数以上の場合に圧力制御区間3bの圧力Pが判定圧力Ps以下と判断する。
【0026】
本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本発明が適用される内燃機関はディーゼルエンジンに限らず、ガソリンその他の燃料を利用する各種の内燃機関であってもよい。低圧ターボ過給機の容量と高圧ターボ過給機の容量とが同じでもよいし、低圧ターボ過給機の容量よりも高圧ターボ過給機の容量の方が大きくてもよい。また、低圧ターボ過給機が可変ノズル式のターボ過給機でもよいし、高圧ターボ過給機に可変ノズル翼が設けられていなくてもよい。
【符号の説明】
【0027】
1 内燃機関
3 吸気通路
3b 低圧ターボ過給機のコンプレッサと高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間
4 排気通路
4c 高圧ターボ過給機のタービンと低圧ターボ過給機のタービンとの間の区間
6 低圧ターボ過給機
6a コンプレッサ
6b タービン
7 高圧ターボ過給機
7a コンプレッサ
7b タービン
17 低圧EGR通路(EGR通路)
19 低圧EGR弁(EGR弁)
20 エンジンコントロールユニット(制御手段)
21 圧力センサ(圧力検出手段)
Ps 判定圧力

【特許請求の範囲】
【請求項1】
低圧ターボ過給機と、前記低圧ターボ過給機のタービンよりも排気通路の上流に配置されたタービン及び前記低圧ターボ過給機のコンプレッサよりも吸気通路の下流に配置されたコンプレッサをそれぞれ有する高圧ターボ過給機と、前記排気通路の前記高圧ターボ過給機のタービンと前記低圧ターボ過給機のタービンとの間の区間と、前記吸気通路の前記低圧ターボ過給機のコンプレッサと前記高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間とを接続するEGR通路と、前記EGR通路に設けられて前記EGR通路を流れるガスの流量を調整可能なEGR弁と、を備えた内燃機関の過給システムにおいて、
前記吸気通路の前記低圧ターボ過給機のコンプレッサと前記高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間の圧力が所定の判定圧力以下と判断した場合に前記EGR弁が開けられるように前記EGR弁を制御する制御手段を備えている内燃機関の過給システム。
【請求項2】
前記吸気通路の前記低圧ターボ過給機のコンプレッサと前記高圧ターボ過給機のコンプレッサとの間の区間の圧力を検出する圧力検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力が前記判定圧力以下の場合に前記EGR弁を開ける請求項1に記載の内燃機関の過給システム。
【請求項3】
前記判定圧力には、前記低圧ターボ過給機のコンプレッサ内に設けられたオイルシール部からのオイル漏れを防止することが可能な圧力が設定されている請求項1又は2に記載の内燃機関の過給システム。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2010−190052(P2010−190052A)
【公開日】平成22年9月2日(2010.9.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−32573(P2009−32573)
【出願日】平成21年2月16日(2009.2.16)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】