【実施例1】
【0021】
以下、本発明の実施例1について
図1〜
図8に基づいて説明する。
本実施例1に係るターボ過給機付エンジンの過給システムは、吸気通路にコンプレッサをバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路を開閉するエアバイパスバルブとを備え、減速時、スロットルバルブの閉操作に伴う吸気通路内のサージングをエアバイパスバルブの開操作により抑制している。
【0022】
図1に示すように、過給システムSは、外部から導入された吸気(空気)が通過する吸気通路2と、この吸気通路2から供給された吸気と燃料噴射弁16から供給された燃料との混合気を燃焼させて車両の動力を発生するエンジン1(例えば、直列6気筒ガソリンエンジン)と、このエンジン1内の燃焼により発生した排気ガスを排出する排気通路3と、ターボ過給機4と、制御部5(制御手段
図2参照。)等を主な構成要素としている。
【0023】
エンジン1は、吸気通路2から供給された吸気を燃焼室13内に導入する吸気バルブ11と、燃焼室13に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁16と、燃焼室13内に供給された吸気と燃料との混合気に点火する点火プラグ17と、燃焼室13内における混合気の燃焼により上下往復運動するピストン14と、このピストン14の往復運動によって回転されるクランクシャフト15と、燃焼室13内における混合気の燃焼により発生した排気ガスを排気通路3に排出する排気バルブ12等を有する。
【0024】
図1に示すように、吸気通路2は、上流側から順に、外部から導入された吸気を浄化するエアクリーナ21と、通過する吸気を圧縮して吸気圧力を上昇させるコンプレッサ41と、通過する吸気量を調整するスロットルバルブ22と、通過する吸気を冷却するインタクーラ23と、エンジン1(燃焼室13)に供給する吸気を一時的に蓄えるサージタンク24等が設けられている。以下、説明の便宜上、エアクリーナ21からコンプレッサ41までの通路を上流吸気通路25、コンプレッサ41からスロットルバルブ22までの通路を第1吸気通路26、スロットルバルブ22からエンジン1までの通路を第2吸気通路27として説明する。
【0025】
吸気通路2には、コンプレッサ41を迂回して吸気を流すバイパス通路28が形成されている。バイパス通路28は、コンプレッサ41の上流側(上流吸気通路25の下流端部分)とコンプレッサ41の下流側(第1吸気通路26の上流端部分)を連通している。このバイパス通路28の途中部には、バイパス通路28を流れる吸気流量を制御するエアバイパスバルブ(以下、ABVと表す。)29が設けられている。
【0026】
図1に示すように、排気通路3は、上流側から順に、通過する排気ガスによって回転駆動されるタービン42と、通過する排気ガスの異音を処理する排気サイレンサ31等が設けられている。排気通路3には、タービン42を迂回して排気ガスを流す排気バイパス通路32が形成されている。排気バイパス通路32は、タービン42の上流側とタービン42の下流側を連通している。排気バイパス通路32の途中部には、排気バイパス通路32を流れる排気ガス流量を制御するウエストゲートバルブ33が設けられている。
【0027】
ターボ過給機4は、吸気通路2に配置されたコンプレッサ41と、排気通路3に配置されたタービン42と、コンプレッサ41とタービン42を連結する連結軸43と、コンプレッサ41とタービン42を収容するハウジング44等を有している。ハウジング44には、コンプレッサハウジング部、タービンハウジング部、及び軸受ハウジング部が形成されている。連結軸43は、筒状の軸受ハウジング部に所定の軸受(図示略)を介して回転可能に支持されている。
【0028】
次に、制御部5について説明する。
制御部5は、ABV29及びウエストゲートバルブ33を開閉制御可能に構成されている。
図2に示すように、制御部5は、ABV29と、ウエストゲートバルブ33と、アクセル開度センサ61と、第1吸気圧センサ62(吸気圧力検出手段)と、エアフローセンサ63と、外気温センサ64に電気的に接続されている。
【0029】
アクセル開度センサ61は、運転者が操作するアクセルペダル(図示略)の開度を検出して制御部5に出力する。スロットルバルブ22の開度は、アクセルペダルの踏込操作量に応じて電子制御されている。第1吸気圧センサ62は、第1吸気通路26に設置され、ターボ過給機4の過給圧に相当する第1吸気通路26の吸気圧力(第1吸気通路圧力p)を検出して制御部5に出力する。エアフローセンサ63は、吸入吸気量を検出して制御部5に出力し、外気温センサ64は、外部環境の外気温度を検出して制御部5に出力する。
【0030】
図2に示すように、制御部5は、ウエストゲートバルブ33の作動を制御するWG制御部51と、コンプレッサ41の回転数を推定する回転数推定部52と、ABV29の作動を制御するABV制御部53を有している。
【0031】
WG制御部51は、運転状態に応じた目標過給圧を予め保有し、タービン42の過回転を抑制している。このWG制御部51は、第1吸気圧センサ62によって検出された第1吸気通路圧力pと目標過給圧とを比較すると共に、第1吸気通路圧力pが目標過給圧よりも高い場合、ウエストゲートバルブ33を開操作することによりタービン42の回転数を低下させている。また、過給圧の短期収束を促進するため、WG制御部51は、ウエストゲートバルブ33の作動をフィードバック制御している。
【0032】
回転数推定部52は、コンプレッサマップMを予め保有し、現在回転しているコンプレッサ41の回転数Ncを推定している。
図3に示すように、コンプレッサマップMは、横軸が吸気体積流量Qa(m
3/sec)、縦軸が圧力比p/poで表され、両者の関係が、各コンプレッサ回転数について曲線で示されている。圧力比は、コンプレッサ41の下流側圧力に相当する第1吸気通路26の第1吸気通路圧力pをコンプレッサ41の上流側圧力に相当する上流吸気通路25の上流吸気通路圧力poで除算した値である。上流吸気通路圧力poは、エアフローセンサ63の検出値と外気温センサ64の検出値を用いて求めている。また、破線で示す曲線は、コンプレッサ41の信頼性を確保可能な上限回転数(例えば、170000rpm)のQa−p/po特性である。回転数推定部52は、コンプレッサマップMと各センサの検出値を用いてコンプレッサ41の回転数Ncを求めている。
【0033】
ABV制御部53は、エンジン1の減速時、ABV29を開操作する減速制御と、エンジン1の加速時、ABV29を開操作する加速制御とを実行可能に構成されている。
ABV制御部53は、加速制御用フラグf1と、減速制御用フラグf2と、各々の制御に対応したタイマ(何れも図示略)を有している。これらフラグf1,f2は、通常0が代入されており、各々の実行条件が成立したときのみ、1が代入される。
各タイマは、1が代入されている間、カウントを継続し、0が代入されたとき、リセットされる。
【0034】
ABV制御部53は、アクセルペダルの踏戻操作が実行された減速時、ABV29を所定時間(例えば、0.5sec)開操作して、過給された吸気をコンプレッサ41の上流側にリリーフする。これにより、スロットルバルブ22とコンプレッサ41との間の吸気圧力上昇を抑制し、サージングの発生を回避している。尚、減速状態は、アクセル開度センサ61の出力と減速判定閾値の比較により判定され、加速状態は、アクセル開度センサ61の出力と加速判定閾値の比較により判定されている。
【0035】
図4は、加速時における、エンジン回転数(一点鎖線)、スロットル開度(点線)、アクセル開度(破線)、ABV開度(実線)の関係を示すグラフである。尚、ABV開度の単位はミリメータ(mm)である。
図4に示すように、ABV制御部53は、アクセルペダルの踏込操作が実行された加速時で且つ第1吸気通路圧力pが大気圧力よりも低いとき、具体的には、停止状態や低車速状態からの加速時、ABV29を所定時間(例えば、0.5sec)開操作して、コンプレッサ41の上流側の吸気をコンプレッサ41の下流側に導入する。
【0036】
ABV29は、開操作時、閉弁指令信号を受けてから閉弁完了するまで遅れが発生するため、作動遅れ時間を考慮して、閉弁指令信号は、加速制御時、開弁開始から略0.4sec経過後に出力されている。これにより、吸気がコンプレッサ41を迂回することができ、吸気通路の通過に伴う吸気圧損を低減している。尚、加速時であっても、中高車速状態からの加速時のように、第1吸気通路圧力pが大気圧力以上のときには、吸気圧損が殆ど生じないため、ABV29は、閉弁状態を維持している。
【0037】
加速時における第1吸気通路圧力pの低下が大きく、ABV制御部53による加速制御が長期間継続した場合、コンプレッサ41に掛かる負荷が低下した状態であるため、エンジン1の僅かな回転数増加でコンプレッサ41の回転数Ncが急激に増大し、コンプレッサ41の回転数Ncがターボ過給機4の上限回転数を超える虞がある。
そこで、ABV29を閉弁するまでの動作時間を考慮して上限回転数よりも低い設定回転数Nd(例えば、30000rpm)を設定し、コンプレッサ41の回転数Ncが設定回転数Ndを超えた場合には、加速制御中であっても、ABV29を強制的に閉操作している。これにより、コンプレッサ41に掛かる負荷を直ちに増加することができ、エンジン回転数の増加に拘らず、コンプレッサ41の回転数Ncが上限回転数を超えないようにしている。
【0038】
図5のフローチャートに基づき、制御部5によるABV29の操作処理手順について説明する。尚、図中、Si(i=1,2,…)は、各ステップを示す。
【0039】
まず、各センサ61〜64の出力値、設定回転数Nd等の各種情報を読み込む(S1)。
次に、アクセル開度センサ61の出力に基づきエンジン1が加速状態か否か判定する(S2)。S2の判定の結果、エンジン1が加速状態の場合、S3に移行し、エンジン1が加速状態ではない場合、S13に移行する。
【0040】
S3では、第1吸気通路圧力pが大気圧よりも低いか否か判定する。
S3の判定の結果、第1吸気通路圧力pが大気圧よりも低い場合、停止状態や低車速状態からの加速時であるため、S4に移行する。S3の判定の結果、第1吸気通路圧力pが大気圧以上の場合、中高車速状態からの加速時であるため、S9に移行する。
S4では、フラグf1が0か否か判定する。S4の判定の結果、フラグf1が0の場合、現在加速制御をしていない走行状態から加速制御実行条件が成立したため、ABV29を全開状態になるように開操作する(S5)。S4の判定の結果、フラグf1が1の場合、既に加速制御を開始しているため、S7に移行する。
【0041】
S5の後、加速制御用タイマのカウントを開始し(S6)、コンプレッサマップMを用いてコンプレッサ41の回転数Ncを推定して(S7)、S8に移行する。
S8では、加速制御用タイマのカウント(0.5sec)が終了したか否か判定する。
S8の判定の結果、加速制御用タイマのカウントが終了した場合、吸気圧損のリスクが解消されているため、過給効率を高めるためにABV29を全閉状態になるように閉操作する(S9)。S8の判定の結果、加速制御用タイマのカウントが終了していない場合、S11に移行する。S9の後、フラグf1,f2に夫々0を代入して(S10)、リターンする。
【0042】
S11では、コンプレッサ41の回転数Ncが設定回転数Ndよりも高いか否か判定する。S11の判定の結果、コンプレッサ41の回転数Ncが設定回転数Ndよりも高い場合、S9に移行する。吸気圧損のリスクが解消されていないものの、コンプレッサ41の回転数Ncが上限回転数を超えることに起因して発生する破損等のリスクを回避するためである。また、ABV29の閉弁動作が完了するまでコンプレッサ41の回転数Ncが上昇したとしても、コンプレッサ41の回転数Ncを上限回転数未満に抑えるために、上限回転数よりも低い設定回転数Ndで判定している。S11の判定の結果、コンプレッサ41の回転数Ncが設定回転数Nd未満の場合、ABV29の開弁状態を維持して、S12に移行する。S12では、フラグf1に1、フラグf2に0を夫々代入して、リターンする。
【0043】
S13では、アクセル開度センサ61の出力に基づきエンジン1が減速状態か否か判定する。S13の判定の結果、減速状態の場合、S14に移行する。S13の判定の結果、減速状態ではない場合、加減速走行以外の走行状態であるため、S9に移行する。
S14では、フラグf2が0か否か判定する。S14の判定の結果、フラグf2が0の場合、現在減速制御をしていない走行状態から減速制御実行条件が成立したため、ABV29を全開状態になるように開操作してサージングを解消する(S15)。S14の判定の結果、フラグf2が1の場合、既に減速制御が開始されているため、S17に移行する。
S15の後、加速制御用タイマのカウントを開始する(S16)。
【0044】
S17では、減速制御用タイマのカウント(0.5sec)が終了したか否か判定する。S17の判定の結果、減速制御用タイマのカウントが終了した場合、サージングのリスクが解消されているため、ABV29を閉操作する(S9)。S17の判定の結果、減速制御用タイマのカウントが終了していない場合、S18に移行する。S18では、フラグf1に0、フラグf2に1を夫々代入して、リターンする。
【0045】
次に、上記過給システムSの作用、効果について説明する。
作用、効果の説明に当り、CAE(Computer Aided Engineering)によるシミュレーション解析を行った。制御部5による加速制御を備えていないモデルAと、ABV29の開操作時間が0.3secの加速制御を備えたモデルBと、ABV29の開操作時間が0.5secの加速制御を備えたモデルCとを作成し、停止状態からの加速シーンについて、モデルA〜Cの第1吸気通路圧力p及びエンジン1の駆動トルクについて夫々算出した。尚、減速制御を含めてその他の仕様は同一仕様に設定されており、ウエストゲートバルブ33は70%開操作されている。
【0046】
図6に、第1吸気通路圧力pの解析結果を示す。横軸は、時間(sec)、縦軸は、圧力(kPa)を示している。
図6に示すように、加速直後、モデルAは、第2吸気通路27の負圧によって第1吸気通路26の第1吸気通路圧力pが大きく減圧される。モデルBは、バイパス通路28を介して第1吸気通路26に供給される吸気により、モデルAよりも第1吸気通路26の第1吸気通路圧力pの低下を抑えている。モデルCは、第1吸気通路圧力pの低下が最も少ないことが確認された。
【0047】
図7に、エンジン1の駆動トルクの解析結果を示す。横軸は、時間(sec)、縦軸は、トルク(Nm)を示している。
図7に示すように、加速直後、モデルAは、吸気圧損に伴うターボラグにより大きなトルクダウンを生じている。モデルBは、モデルAに比べて改善が見られるが、依然として、第1吸気通路圧力pの低下に起因したトルクダウンが生じる。モデルCは、トルクダウンの発生が見られなかった。
【0048】
図8(a)〜
図8(c)に、過給圧が高い状態で減速した後、再加速したモデルAとモデルCの過給圧、タービン回転数、エンジン回転数を夫々示す。横軸は、時間(sec)を示し、ウエストゲートバルブ33は全閉操作である。モデルA,Bは、解析開始後、2.48secで減速を開始し、2.65secで再加速を開始している。
図8(a),
図8(c)に示すように、モデルAは、減速制御から加速制御に亙り継続してABV29の全開が維持されているため、過給圧及びエンジン回転数共に低下している。また、
図8(b)に示すように、モデルAは、短期間でターボ過給機4の上限回転数を超えるものの、モデルCは、モデルAに比べて上限回転数を超えるまでの期間が長い。
それ故、モデルCは、モデルAに比べて過給圧及びエンジン回転数共に立ち上がりが早くなっている。
【0049】
実施例1に係る過給システムSによれば、制御部5は、エンジン1の加速時、ABV29を開弁するため、コンプレッサ41を迂回して吸気通路2の通過に伴う吸気圧損を低減することができ、ターボラグに起因したトルク低下を解消することができる。コンプレッサ41の回転数Ncが上限回転数に関連付けた回転閾値(設定回転数Nd)を超えたとき、ABV29の開弁を抑制するため、バイパス通路28を介したコンプレッサ41上流側への吸気還流を抑制してコンプレッサ41の負荷を増加することができ、ABV29の閉弁動作時間を考慮してターボ過給機4の上限回転数を超えるコンプレッサ41の過回転を回避することができる。
【0050】
第1吸気通路26の第1吸気通路圧力pを検出する第1吸気圧センサ62を有し、制御部5は、第1吸気通路26の第1吸気通路圧力pが所定の圧力閾値(大気圧)よりも低いとき、ABV29を開弁するため、エンジン1の加速時、コンプレッサ41の負荷が低下する状況を確実に判別することができ、不必要なABV29の開操作を回避することができる。
【0051】
制御部5は、コンプレッサ41の回転数Ncが上限回転数に関連付けた回転閾値(設定回転数Nd)を超えたとき、ABV29の開度を減少させるため、コンプレッサ41に掛かる負荷を確実に増加することができる。
【0052】
制御部5は、コンプレッサ41の回転数Ncが上限回転数に関連付けた回転閾値(設定回転数Nd)を超えたとき、ABV29を全閉状態になるように閉操作するため、コンプレッサ41の負荷を早期に増加することができる。
【0053】
制御部5は、コンプレッサ41の回転数Ncが回転閾値である設定回転数Ndを超えたとき、ABV29の開弁を抑制するため、コンプレッサ41による上限回転数の超過可能性をコンプレッサ41の回転数Ncを用いて確実に判定することができる。
【0054】
制御部5は、コンプレッサ41前後の圧力比p/poとコンプレッサ41を通過する吸気流量Qaに基づきコンプレッサ41の回転数Ncを推定するため、専用のコンプレッサ回転数検出手段を設けることなくコンプレッサ41の回転数Ncを推定することができる。
【0055】
次に、前記実施形態を部分的に変更した変形例について説明する。
1〕前記実施形態においては、エンジン1の加速時、コンプレッサ41の回転数Ncが設定回転数Ndを超えたとき、ABV29を全閉操作する例を説明したが、少なくとも、加速制御によりABV29が開操作された初期開度よりも最終開度の開度が小さければ良く、最終開度が初期開度の60%或いは80%であっても良い。また、ABV29を閉操作する際、指令信号的に一気に全閉操作する指令信号を発生する例を説明したが、最終開度に対して所定の減少率により徐々に開度を減少させても良く、段階的に開度を間欠減少させても良い。
【0056】
2〕前記実施形態においては、コンプレッサ41の回転数Ncと設定回転数Ndとを比較する例を説明したが、コンプレッサ41の回転数Ncの増加率と上限回転数に関連付けた設定増加率とを比較しても良い。具体的には、制御部5が、コンプレッサ41の回転数Ncの増加率が回転閾値である設定増加率を超えたとき、ABV29の開弁を抑制することにより、コンプレッサ41による上限回転数の超過可能性をコンプレッサ41の回転数Ncの増加率を用いて確実に判定することができる。
【0057】
3〕前記実施形態においては、直列6気筒エンジン1の例を説明したが、エンジン1からスロットルバルブ22までの第2吸気通路27の容積が大きいエンジンであれば、気筒数に拘らず同様の効果を奏することができる。
【0058】
4〕その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施形態に種々の変更を付加した形態や各実施形態を組み合わせた形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。