JP2010013963A - 内燃機関用多段過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関用多段過給システムにおいて、低圧排気側バイパス弁を開弁している場合の弊害を回避する技術を提供する。
【解決手段】高圧ターボチャージャと、低圧ターボチャージャと、低圧タービンをバイパスする低圧排気側バイパス通路と、低圧排気側バイパス通路を流通する排気量を制御する低圧排気側バイパス弁と、を備え、触媒暖機をする必要があり（Ｓ１０１−Ｙｅｓ）、低圧排気側バイパス弁を開弁している場合に、低圧コンプレッサの回転数の低下に関連する所定条件が成立すると（Ｓ１０２−Ｎｏ）、低圧排気側バイパス弁を閉弁する（Ｓ１０４）。
【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関用多段過給システムに関する。

内燃機関用多段過給システムにおいて、高圧ターボチャージャの高圧タービンをバイパスする高圧排気側バイパス通路と、高圧排気側バイパス通路に設けられる高圧排気側バイパス弁と、低圧ターボチャージャの低圧タービンをバイパスする低圧排気側バイパス通路と、低圧排気側バイパス通路に設けられる低圧排気側バイパス弁と、を備える技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。内燃機関用並列過給システムにおいて、セカンダリターボ過給機の作動時にはその軸受部に潤滑オイルを供給すると共に、セカンダリターボ過給機の不作動時にはその軸受部への潤滑オイル供給を遮断、あるいは絞るように電磁切換弁を制御する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。内燃機関用多段過給システムにおいて、低圧ターボチャージャの低圧タービンに導入する高圧排気側バイパス通路と、高圧排気側バイパス通路の途中に設けられる高圧排気側バイパス弁と、を備え、内燃機関の回転数が第１所定回転数以上の領域では高圧排気側バイパス弁の閉状態を解除し、且つ、高圧ターボチャージャの高圧タービンに供給される排気エネルギをその可変ノズルの開度を制御することによって過給圧を制御する技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。内燃機関用多段過給システムにおいて、触媒暖機中に排気に低圧ターボチャージャの低圧タービンを迂回させる低圧排気側バイパス通路を形成する技術が開示されている（例えば、特許文献４参照）。
特開２００５−９８２５０号公報 特開平６−１０６８８号公報 特開２００５−１４６９０６号公報 実開平２−９４３３２号公報

ところで内燃機関用多段過給システムにおいて、低圧ターボチャージャの低圧タービンをバイパスする低圧排気側バイパス通路と、低圧排気側バイパス通路に配置され低圧排気側バイパス通路を流通する排気量を制御する低圧排気側バイパス弁と、を備える場合がある。そして触媒暖機のために、低圧排気側バイパス弁を開弁し、排気に低圧排気側バイパス通路を流通させて排気を触媒に供給することが行われる。

軽負荷時に低圧排気側バイパス弁を開弁していると、低圧ターボチャージャの回転数が、低圧ターボチャージャを潤滑オイルで潤滑しておくため、若しくは高圧ターボチャージャでのみ過給を行う領域から低圧ターボチャージャ及び高圧ターボチャージャの両方で過給を行う領域に移行するための必要最低回転数以下になる場合がある。また低圧排気側バイパス弁を開弁していると、高圧ターボチャージャの運転状態によっては低圧コンプレッサと高圧コンプレッサとの間の吸気通路の圧力が低下して過剰に負圧になり、低圧コンプレッサ若しくは高圧コンプレッサの潤滑オイルが吸い出される場合がある。このように低圧排気側バイパス弁を開弁している場合には上記のような弊害が生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関用多段過給システムにおいて、低圧排気側バイパス弁を開弁している場合の弊害を回避する技術を提供することにある。

本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、本発明は、
内燃機関の排気通路に配置された高圧タービン及び前記内燃機関の吸気通路に配置された高圧コンプレッサを有する高圧ターボチャージャと、
前記高圧タービンよりも下流の前記排気通路に配置された低圧タービン及び前記高圧コンプレッサよりも上流の前記吸気通路に配置された低圧コンプレッサを有する低圧ターボチャージャと、
前記低圧タービンをバイパスする低圧排気側バイパス通路と、
前記低圧排気側バイパス通路に配置され、前記低圧排気側バイパス通路を流通する排気量を制御する低圧排気側バイパス弁と、
を備え、
前記低圧排気側バイパス弁を開弁している場合に、前記低圧コンプレッサの回転数の低下に関連する所定条件が成立すると、前記低圧排気側バイパス弁を閉弁することを特徴とする内燃機関用多段過給システムである。

ここで前記所定条件が成立するとは、前記低圧コンプレッサと前記高圧コンプレッサとの間の前記吸気通路の圧力が所定圧力よりも低くなるときである。

そして前記所定圧力とは、低圧コンプレッサマップ上の必要最低回転数ラインから導出される圧力、又は前記低圧コンプレッサ若しくは前記高圧コンプレッサの潤滑オイルが吸い出される圧力の、どちらか高い方の圧力である。

なお他の前記所定条件が成立するとは、低圧ターボチャージャの回転数が、低圧ターボチャージャを潤滑オイルで潤滑しておくため、若しくは高圧ターボチャージャでのみ過給を行う領域から低圧ターボチャージャ及び高圧ターボチャージャの両方で過給を行う領域に移行するための必要最低回転数以下になるときでもよい。また他の前記所定条件が成立するとは、例えば低圧コンプレッサの回転数が低下しているにもかかわらず高圧コンプレッサの回転数が上昇して、低圧コンプレッサと高圧コンプレッサとの間の吸気通路の圧力が低下して過剰に負圧になり、低圧コンプレッサ若しくは高圧コンプレッサの潤滑オイルが吸い出されるときでもよい。

本発明によると、低圧排気側バイパス弁を開弁している場合に、上記のような所定条件が成立すると、低圧排気側バイパス弁を閉弁するので、低圧排気側バイパス弁を開弁している場合の弊害が回避できる。具体的には、軽負荷時に低圧排気側バイパス弁を開弁している場合における、低圧ターボチャージャの回転数が、低圧ターボチャージャを潤滑オイルで潤滑しておくため、若しくは高圧ターボチャージャでのみ過給を行う領域から低圧ターボチャージャ及び高圧ターボチャージャの両方で過給を行う領域に移行するための必要最低回転数以下になることが回避できる。また低圧排気側バイパス弁を開弁している場合における、例えば低圧コンプレッサの回転数が低下しているにもかかわらず高圧コンプレッサの回転数が上昇して、低圧コンプレッサと高圧コンプレッサとの間の吸気通路の圧力が低下して過剰に負圧になり、低圧コンプレッサ若しくは高圧コンプレッサの潤滑オイルが吸い出されることが回避できる。

前記低圧排気側バイパス通路の低圧タービン下流側接続部よりも下流の前記排気通路に配置され、排気を浄化する触媒を備え、前記低圧排気側バイパス弁を開弁している場合とは、前記触媒を暖機するために、前記低圧排気側バイパス弁を開弁し、排気に前記低圧排気側バイパス通路を流通させて排気を前記触媒に供給している場合であるとよい。

本発明によると、触媒を暖機する際に低圧排気側バイパス弁を開弁している場合の弊害が回避できる。

前記高圧ターボチャージャ内に設けられ、前記高圧タービンへの排気量を調節する高圧可変ノズル機構を備え、前記低圧排気側バイパス弁を開閉制御するのと同時に、前記高圧可変ノズル機構のノズル通路断面積を変更して前記内燃機関へ送り込む吸気の圧力を制御するとよい。

本発明によると、低圧排気側バイパス弁が開閉制御されることによって内燃機関へ送り込む吸気の圧力が変動しそうな場合に、高圧可変ノズル機構のノズル通路断面積を変更して内燃機関へ送り込む吸気の圧力を所望の圧力に制御できる。これにより低圧排気側バイパス弁が開閉制御されていても、内燃機関へ送り込む吸気の圧力が所望の圧力に保持され、内燃機関は良好な燃焼状態を維持し続けることができる。

本発明によると、内燃機関用多段過給システムにおいて、低圧排気側バイパス弁を開弁している場合の弊害を回避できる。

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。

＜実施例１＞
図１は、本実施例に係る内燃機関用多段過給システムを適用する内燃機関及びその吸気系・排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、多気筒を有する水冷式の４ストロークサイクル・ディーゼルエンジンである。内燃機関１は、車両に搭載されている。内燃機関１には、吸気通路２及び排気通路３が接続されている。

内燃機関１に接続された吸気通路２の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動する高圧ターボチャージャ４の高圧コンプレッサ４ａが配置されている。高圧コンプレッサ４ａよりも上流の吸気通路２には、高圧ターボチャージャ４と同じく排気のエネルギを駆動源として作動する低圧ターボチャージャ５の低圧コンプレッサ５ａが配置されている。

高圧コンプレッサ４ａよりも上流且つ低圧コンプレッサ５ａよりも下流の吸気通路２と、高圧コンプレッサ４ａよりも下流の吸気通路２との間には、吸気側バイパス通路６が設けられている。言い換えると吸気側バイパス通路６は、高圧コンプレッサ４ａをバイパスする。吸気側バイパス通路６には、吸気側バイパス通路６の通路断面積を調整することにより、吸気側バイパス通路６を流通する吸気量を制御する吸気側バイパス弁７が配置されている。吸気側バイパス弁７は、電動アクチュエータにより開閉される。

低圧コンプレッサ５ａよりも上流の吸気通路２には、低圧コンプレッサ５ａよりも上流の吸気通路２に取り込んだ吸気量（新気量）Ｇａを検出するエアフローメータ８が配置されている。低圧コンプレッサ５ａよりも上流の吸気通路２には、低圧コンプレッサ５ａよりも上流の吸気通路２に取り込んだ吸気の温度Ｔ１を検出する吸気温度センサ９が配置されている。低圧コンプレッサ５ａよりも上流の吸気通路２には、低圧コンプレッサ５ａよりも上流の吸気通路２に取り込んだ吸気の圧力Ｐ１を検出する第１吸気圧力センサ１０が配置されている。

高圧コンプレッサ４ａよりも上流且つ低圧コンプレッサ５ａよりも下流の吸気通路２には、高圧コンプレッサ４ａと低圧コンプレッサ５ａとの間の吸気通路２を流通する吸気の圧力（以下、コンプレッサ間圧力という）Ｐ２を検出する第２吸気圧力センサ１１が配置されている。

高圧コンプレッサ４ａよりも下流における吸気側バイパス通路６との接続部位よりも下
流の吸気通路２には、吸気通路２の通路断面積を調整することにより、吸気通路２を流通する吸気量を制御するスロットル弁１２が配置されている。スロットル弁１２は、電動アクチュエータにより開閉される。これら吸気通路２及びそれに配置された機器が内燃機関１に吸気を取り込むための吸気系を構成している。

一方、内燃機関１に接続された排気通路３の途中には、高圧ターボチャージャ４の高圧タービン４ｂが配置されている。高圧タービン４ｂは排気通路３を流れる排気によって駆動され、高圧コンプレッサ４ａは駆動された高圧タービン４ｂと共に回転して吸気通路２を流れる吸気を過給する。そして高圧タービン４ｂを収容するタービン室に高圧タービン４ｂの全周を囲むように複数の高圧可変ノズル４ｃが設けられ、これらの高圧可変ノズル４ｃをそれぞれ回動させることで、高圧可変ノズル４ｃ間に形成されるノズル通路断面積を変化させている。高圧可変ノズル４ｃを回動することによって、ノズル通路断面積を小さくすると、高圧ターボチャージャ４の過給圧を高めることができる。このようにノズル通路断面積を変化させる高圧可変ノズル４ｃ及びこれを駆動する電動アクチュエータが高圧可変ノズル機構を構成している。

高圧タービン４ｂよりも下流の排気通路３には、低圧ターボチャージャ５の低圧タービン５ｂが配置されている。低圧タービン５ｂは排気通路３を流れる排気によって駆動され、低圧コンプレッサ５ａは駆動された低圧タービン５ｂと共に回転して吸気通路２を流れる吸気を過給する。

高圧タービン４ｂよりも上流の排気通路３と、高圧タービン４ｂよりも下流且つ低圧タービン５ｂよりも上流の排気通路３との間には、高圧排気側バイパス通路１３が設けられている。言い換えると高圧排気側バイパス通路１３は、高圧タービン４ｂをバイパスする。高圧排気側バイパス通路１３には、高圧排気側バイパス通路１３の通路断面積を調整することにより、高圧排気側バイパス通路１３を流通する吸気量を制御する高圧排気側バイパス弁１４が配置されている。高圧排気側バイパス弁１４は、電動アクチュエータにより開閉される。

高圧タービン４ｂよりも下流且つ低圧タービン５ｂよりも上流の排気通路３と、低圧タービン５ｂよりも下流の排気通路３との間には、低圧排気側バイパス通路１５が設けられている。言い換えると低圧排気側バイパス通路１５は、低圧タービン５ｂをバイパスする。低圧排気側バイパス通路１５には、低圧排気側バイパス通路１５の通路断面積を調整することにより、低圧排気側バイパス通路１５を流通する吸気量を制御する低圧排気側バイパス弁１６が配置されている。低圧排気側バイパス弁１６は、電動アクチュエータにより開閉される。

低圧排気側バイパス通路１５の低圧タービン５ｂよりも下流の低圧タービン下流側接続部よりも下流の排気通路３には、排気を浄化する排気浄化装置１７が配置されている。排気浄化装置１７は、酸化触媒と当該酸化触媒の後段に配置されたディーゼルパティキュレートフィルタ（以下単にフィルタという）とを有して構成される。フィルタには吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下単にＮＯｘ触媒という）が担持されている。フィルタは、排気通路３を流通する排気中の煤（ＳＯＯＴ）やＳＯＦなどの粒子状物質（Particulate Matter：以下ＰＭという）を捕集する特性を有する。またＮＯｘ触媒は、排気空燃比がリーンであるときに排気通路３を流通する排気中のＮＯｘやＳＯｘを吸蔵する特性を有する。排気浄化装置１７の酸化触媒及びＮＯｘ触媒（以下単に触媒という）が本発明の触媒に相当する。これら排気通路３及びそれに配置された機器が内燃機関１から排気を排出させるための排気系を構成している。

そして、内燃機関１には、排気通路３内を流通する排気の一部を吸気通路２へ還流（再
循環）させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路１８が備えられている。本実施
例では、ＥＧＲ通路１８によって還流される排気をＥＧＲガスと称している。ＥＧＲ通路１８は、高圧タービン４ｂよりも上流の排気通路３と、スロットル弁１２よりも下流の吸気通路２とを接続している。このＥＧＲ通路１８を通って、排気の一部がＥＧＲガスとして高圧で内燃機関１へ送り込まれる。ＥＧＲ通路１８には、ＥＧＲ通路１８の通路断面積を調整することにより、該ＥＧＲ通路１８を流通するＥＧＲガスの量を制御するＥＧＲ弁１９が配置される。ＥＧＲ弁１９は、電動アクチュエータにより開閉される。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

ＥＣＵ２０には、エアフローメータ８、吸気温度センサ９、第１吸気圧力センサ１０、第２吸気圧力センサ１１、クランクポジションセンサ２１、及びアクセルポジションセンサ２２などの各種センサが電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ２０に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ２０には、高圧可変ノズル４ｃ、吸気側バイパス弁７、スロットル弁１２、高圧排気側バイパス弁１４、低圧排気側バイパス弁１６、及びＥＧＲ弁１９の電動アクチュエータが電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ２０によりこれらの機器が制御される。

ＥＣＵ２０は、上記各種センサ等の出力信号を受けて内燃機関１の運転状態を判別し、判別された機関運転状態に基づいて内燃機関１や上記機器を電気的に制御する。

ところで内燃機関１の始動時には、排気浄化装置１７の触媒が低温のため排気を浄化する機能を発揮できない不活性状態である。このため内燃機関１の始動時には、排気浄化装置１７の触媒を昇温させて排気を浄化できる活性状態へ早期に移行させる。このように触媒を昇温させることを、触媒暖機という。本実施例では、触媒暖機は、低圧排気側バイパス弁１６を開弁することで行う。低圧排気側バイパス弁１６を開弁すると、排気に低圧排気側バイパス通路１５を流通させて、低圧タービン５ｂで排気のエネルギが減少してしまうことを回避して、高温の排気を排気浄化装置１７の触媒に供給できる。

しかしながら低圧排気側バイパス弁１６を開弁している場合には、以下のような弊害がある。第１に、軽負荷時に低圧排気側バイパス弁１６を開弁していると、低圧ターボチャージャ５の回転数が、低圧ターボチャージャ５を潤滑オイルで潤滑しておくため、若しくは高圧ターボチャージャ４でのみ過給を行う領域から高圧ターボチャージャ４及び低圧ターボチャージャ５の両方で過給を行う領域に移行するための必要最低回転数以下になる場合がある。このように低圧ターボチャージャ５の回転数が必要最低回転数以下になってしまうと、低圧ターボチャージャ５を潤滑オイルで潤滑できなくなったり、高圧ターボチャージャ４でのみ過給を行う領域から高圧ターボチャージャ４及び低圧ターボチャージャ５の両方で過給を行う領域に移行することがスムーズに行えなくなったりしてしまう。また第２に、低圧排気側バイパス弁１６を開弁していると、例えば低圧コンプレッサ５ａの回転数が低下しているにもかかわらず高圧コンプレッサ４ａの回転数が上昇した場合に、コンプレッサ間圧力Ｐ２が低下して過剰に負圧になり、高圧コンプレッサ４ａ若しくは低圧コンプレッサ５ａの潤滑オイルが吸気通路２側へ吸い出される場合がある。このように高圧コンプレッサ４ａ若しくは低圧コンプレッサ５ａの潤滑オイルが吸気通路２側へ吸い出されると、高圧コンプレッサ４ａ若しくは低圧コンプレッサ５ａの潤滑不足が生じてしまう。

そこで本実施例では、触媒暖機のために低圧排気側バイパス弁１６を開弁している場合に、第２吸気圧力センサ１１が検出するコンプレッサ間圧力Ｐ２が所定圧力よりも低くな
るときに、低圧排気側バイパス弁１６を閉弁するようにした。

ここで所定圧力について説明する。所定圧力とは、図２に示す低圧コンプレッサマップ上の必要最低回転数ラインから導出される圧力α、又は図３に示す高圧コンプレッサ４ａ若しくは低圧コンプレッサ５ａの潤滑オイルが吸い出される圧力βの、どちらか高い方の圧力である。

図２は低圧コンプレッサマップである。図２に示す低圧コンプレッサマップは、横軸が低圧コンプレッサ修正流量であり、縦軸が低圧コンプレッサ圧力比である。低圧コンプレッサ修正流量は、Ｇａ√（Ｔｒｅｆ／Ｔ１）で求められる。ここでＧａはエアフローメータ８が検出する吸気量であり、Ｔｒｅｆは予め求められている低圧ターボチャージャ性能マップから導かれる低圧コンプレッサ温度であり、Ｔ１は吸気温度センサ９が検出する吸気の温度である。低圧コンプレッサ圧力比は、Ｐ２／Ｐ１で求められる。Ｐ１は第１吸気圧力センサ１０が検出する吸気の圧力であり、Ｐ２は第２吸気圧力センサ１１が検出する吸気の圧力である。

このような図２に示す低圧コンプレッサマップにおいて、左下部に必要最低回転数ラインが存在する。必要最低回転数ラインは、実験や検証等によって予め求められているもので、低圧ターボチャージャ５の回転数が、低圧ターボチャージャ５を潤滑オイルで潤滑しておくため、若しくは高圧ターボチャージャ４でのみ過給を行う領域から高圧ターボチャージャ４及び低圧ターボチャージャ５の両方で過給を行う領域に移行するための必要最低回転数を維持するためのラインである。

そして低圧ターボチャージャ５の回転数が必要最低回転数を維持するためには、図２に基づくと、コンプレッサ間圧力Ｐ２が必要最低回転数ラインから導出される圧力α以上となる必要がある。すなわち、多項式近似してα／Ｐ１＝ｆ（Ｇａ√（Ｔｒｅｆ／Ｔ１））の関係を満たす必要がある。この圧力αを求めると、α＝ｆ（Ｇａ√（Ｔｒｅｆ／Ｔ１））×Ｐ１である。

一方、図３は吸気通路２の圧力変化を示す図である。図３において、横軸が吸気流れ方向位置であり、第１吸気圧力センサ１０の配置位置Ｘ１、第２吸気圧力センサ１１の配置位置Ｘ２、及び高圧コンプレッサ４ａ下流位置Ｘ３が示してあり、縦軸が吸気の圧力である。

そして図３に示す第２吸気圧力センサ１１の配置位置Ｘ２において、第２吸気圧力センサ１１が検出するコンプレッサ間圧力Ｐ２が、過剰な負圧の高圧コンプレッサ４ａ若しくは低圧コンプレッサ５ａの潤滑オイルが吸気通路２側へ吸い出される圧力β以上となる必要がある。この圧力βは、予め実験や検証等によって求められる。しかしながら低圧排気側バイパス弁を開弁しているときは、図３に示す矢印のようにコンプレッサ間圧力Ｐ２が低下する。

このようにコンプレッサ間圧力Ｐ２は、低圧排気側バイパス弁を開弁しているときに圧力αと圧力βのどちらかを下回ってしまうと上記した種々の弊害を生じてしまう。

そこで本実施例では、コンプレッサ間圧力Ｐ２が圧力αと圧力βのどちらか高い方の圧力以上となるように、図４に示す実線の所定圧力＝ＭＡＸ（α，β）と定める。図４は内燃機関１の条件変化に応じた所定圧力の変化を示す図である。図４において、横軸が内燃機関１の条件変化であり、縦軸が圧力である。このように実線で示す所定圧力は、破線の曲線である圧力α又は破線の直線である圧力βの、どちらか高い方の圧力である。

本実施例によると、低圧排気側バイパス弁１６を開弁している場合に、コンプレッサ間圧力Ｐ２が所定圧力よりも低くなるときに、低圧排気側バイパス弁１６を閉弁するので、低圧排気側バイパス弁１６を開弁している場合の弊害が回避できる。具体的には、図２に示すように必要回転数ラインを下回ると、低圧排気側バイパス弁１６が閉弁されるので、軽負荷時に低圧排気側バイパス弁１６を開弁している場合における、低圧ターボチャージャ５の回転数が、低圧ターボチャージャ５を潤滑オイルで潤滑しておくため、若しくは高圧ターボチャージャ４でのみ過給を行う領域から高圧ターボチャージャ４及び低圧ターボチャージャ５の両方で過給を行う領域に移行するための必要最低回転数以下になることが回避できる。また図３に示すように圧力βを下回ると、低圧排気側バイパス弁１６が閉弁されるので、低圧排気側バイパス弁１６を開弁している場合における、例えば低圧コンプレッサ５ａの回転数が低下しているにもかかわらず高圧コンプレッサ４ａの回転数が上昇して、コンプレッサ間圧力Ｐ２が低下して過剰に負圧になり、高圧コンプレッサ４ａ若しくは低圧コンプレッサ５ａの潤滑オイルが吸い出されることが回避できる。

ところで低圧排気側バイパス弁１６が開閉制御されると、内燃機関１へ送り込む吸気の圧力が変動する。

図５は吸気通路２の圧力変化を示す図である。図５において、横軸が吸気流れ方向位置であり、第１吸気圧力センサ１０の配置位置Ｘ１、第２吸気圧力センサ１１の配置位置Ｘ２、及び高圧コンプレッサ４ａ下流位置Ｘ３が示してあり、縦軸が吸気の圧力である。そして低圧排気側バイパス弁１６が開閉制御されると、図５に示す第２吸気圧力センサ１１の配置位置Ｘ２において、第２吸気圧力センサ１１が検出するコンプレッサ間圧力Ｐ２が変動する。ここで第２吸気圧力センサ１１の配置位置Ｘ２よりも下流の高圧コンプレッサ４ａ位置での高圧ターボチャージャ４の過給圧は一定であるので、図５に示す破線のように高圧コンプレッサ４ａ下流位置Ｘ３での吸気の圧力Ｐ３が破線丸印のように変動する。これでは内燃機関１へ送り込む吸気の圧力が変動してしまい、内燃機関の燃焼状態が悪化する場合が生じる。

そこで本実施例では、低圧排気側バイパス弁１６を開閉制御するのと同時に、高圧可変ノズル４ｃを回動させてノズル通路断面積を変更して内燃機関へ送り込む吸気の圧力を所望の圧力に制御するようにした。

具体的には、低圧排気側バイパス弁１６が開弁する時には、高圧可変ノズル４ｃを回動させてノズル通路断面積を閉じ、図３に示す上向きの矢印のように圧力Ｐ３を上昇させる。一方低圧排気側バイパス弁１６が閉弁する時には、高圧可変ノズル４ｃを回動させてノズル通路断面積を開き、図３に示す下向きの矢印のように圧力Ｐ３を下降させる。

本実施例によると、低圧排気側バイパス弁１６が開閉制御されることによって内燃機関１へ送り込む吸気の圧力が変動しそうな場合に、高圧可変ノズル４ｃを回動させてノズル通路断面積を変更して内燃機関１へ送り込む吸気の圧力を所望の圧力に制御できる。これにより低圧排気側バイパス弁１６が開閉制御されていても、内燃機関１へ送り込む吸気の圧力が所望の圧力に保持され、内燃機関１は良好な燃焼状態を維持し続けることができる。

次に、本実施例による触媒暖機制御ルーチンについて説明する。図６は、本実施例による触媒暖機制御ルーチンを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、ＥＣＵ２０は、触媒暖機が必要か否かを判別する。触媒暖機は、内燃機関１が冷間始動した場合等に必要と判断する。ステップＳ１０１において触媒暖
機が必要ないと否定判定された場合には、本ルーチンを一旦終了する。ステップＳ１０１において触媒暖機が必要と肯定判定された場合には、ステップＳ１０２へ移行する。

ステップＳ１０２では、ＥＣＵ２０は、コンプレッサ間圧力Ｐ２が所定圧力以上か否かを判別する。コンプレッサ間圧力Ｐ２は、第２吸気圧力センサ１１が検出した出力値から取得できる。所定圧力は上記したように図４の所定圧力＝ＭＡＸ（α，β）であり、圧力αと圧力βのどちらか高い方の圧力である。圧力αは、α＝ｆ（Ｇａ√（Ｔｒｅｆ／Ｔ１）の式に各種センサが検出した出力値が代入されて求められる。圧力βは、予め実験や検証等によって求められている。そしてステップＳ１０２においてコンプレッサ間圧力Ｐ２が所定圧力以上であると肯定判定された場合には、ステップＳ１０３へ移行する。ステップＳ１０２においてコンプレッサ間圧力Ｐ２が所定圧力よりも低いと否定判定された場合には、ステップＳ１０４へ移行する。ここでコンプレッサ間圧力Ｐ２は触媒暖機の開始時には所定圧力以上であるので、基本的に触媒暖機当初はステップＳ１０２からステップＳ１０３へ移行する。

ステップＳ１０３では、ＥＣＵ２０は、低圧排気側バイパス弁１６を開弁する。これにより排気に低圧排気側バイパス通路１５を流通させて、低圧タービン５ｂで排気のエネルギが減少してしまうことを回避して、高温の排気を排気浄化装置１７の触媒に供給する。ここで低圧排気側バイパス弁１６が開弁する時に、圧力Ｐ３が所望の圧力に対して低下してしまいそうであるならば、高圧可変ノズル４ｃを回動させてノズル通路断面積を閉じ、図５に示す上向きの矢印のように圧力Ｐ３を上昇させる。

ステップＳ１０４では、ＥＣＵ２０は、低圧排気側バイパス弁１６を閉弁する。これにより低圧排気側バイパス弁１６を開弁している場合の弊害を回避する。ここで低圧排気側バイパス弁１６が閉弁する時に、圧力Ｐ３が所望の圧力に対して上昇してしまいそうであるならば、高圧可変ノズル４ｃを回動させてノズル通路断面積を開き、図５に示す下向きの矢印のように圧力Ｐ３を低下させる。

ステップＳ１０５では、ＥＣＵ２０は、触媒暖機が完了したか否かを判別する。触媒暖機が完了したか否かは、各種センサの出力値から判断してもよいし、触媒暖機開始からの一定時間の経過から判断してもよい。ステップＳ１０５において触媒暖機が完了していないと否定判定された場合には、ステップＳ１０２へ移行する。ステップＳ１０５において触媒暖機が終了したと肯定判定された場合には、ステップＳ１０６へ移行する。

ステップＳ１０６では、ＥＣＵ２０は、低圧排気側バイパス弁１６を閉弁する。そして本ステップの処理の後、本ルーチンを一旦終了する。

以上説明した本ルーチンによれば、低圧排気側バイパス弁１６を開閉制御して触媒暖機を行えると共に、低圧排気側バイパス弁１６を開弁している場合の弊害が回避できる。

なお上記実施例では、低圧排気側バイパス弁１６を開弁する場合の例として触媒暖機を挙げているが、これに限られず、他の低圧排気側バイパス弁１６を開弁する場合であっても本発明を適用できる。

また上記実施例では、圧力Ｐ１を第１吸気圧力センサ１０が検出したり、圧力Ｐ２を第２吸気圧力センサ１１が検出したりしていたが、これに限られず、圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２は内燃機関１の運転状態から推定されるものであってもよい。

さらに上記実施例では、低圧排気側バイパス弁１６を開弁している場合に、コンプレッサ間圧力Ｐ２が所定圧力よりも低くなるときに、低圧排気側バイパス弁１６を閉弁すると
していた。しかしこれに限られず、低圧排気側バイパス弁１６を開弁している場合に、所定条件が成立すると、低圧排気側バイパス弁１６を閉弁するようにしてもよい。ここでの所定条件が成立するとは、例えば低圧ターボチャージャ５の回転数が、低圧ターボチャージャ５を潤滑オイルで潤滑しておくため、若しくは高圧ターボチャージャ４でのみ過給を行う領域から高圧ターボチャージャ４及び低圧ターボチャージャ５の両方で過給を行う領域に移行するための必要最低回転数以下になるときが挙げられる。また所定条件が成立するとは、例えば低圧コンプレッサ５ａの回転数が低下しているにもかかわらず高圧コンプレッサ４ａの回転数が上昇して、コンプレッサ間圧力Ｐ２が低下して過剰に負圧になり、高圧コンプレッサ４ａ若しくは低圧コンプレッサ５ａの潤滑オイルが吸い出されるときが挙げられる。

本発明に係る内燃機関用多段過給システムは、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。

実施例１に係る内燃機関及びその吸気系・排気系の概略構成を示す図。 実施例１に係る低圧コンプレッサマップを示す図。 実施例１に係る吸気通路の圧力変化を示す図。 実施例１に係る内燃機関の条件変化に応じた所定圧力の変化を示す図。 実施例１に係る吸気通路の圧力変化を示す図。 実施例１に係る触媒暖機制御ルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ 高圧ターボチャージャ
４ａ 高圧コンプレッサ
４ｂ 高圧タービン
４ｃ 高圧可変ノズル
５ 低圧ターボチャージャ
５ａ 低圧コンプレッサ
５ｂ 低圧タービン
６ 吸気側バイパス通路
７ 吸気側バイパス弁
８ エアフローメータ
９ 吸気温度センサ
１０ 第１吸気圧力センサ
１１ 弟２吸気圧力センサ
１２ スロットル弁
１３ 高圧排気側バイパス通路
１４ 高圧排気側バイパス弁
１５ 低圧排気側バイパス通路
１６ 低圧排気側バイパス弁
１７ 排気浄化装置
１８ ＥＧＲ通路
１９ ＥＧＲ弁
２０ ＥＣＵ
２１ クランクポジションセンサ
２２ アクセルポジションセンサ

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に配置された高圧タービン及び前記内燃機関の吸気通路に配置された高圧コンプレッサを有する高圧ターボチャージャと、
   前記高圧タービンよりも下流の前記排気通路に配置された低圧タービン及び前記高圧コンプレッサよりも上流の前記吸気通路に配置された低圧コンプレッサを有する低圧ターボチャージャと、
   前記低圧タービンをバイパスする低圧排気側バイパス通路と、
   前記低圧排気側バイパス通路に配置され、前記低圧排気側バイパス通路を流通する排気量を制御する低圧排気側バイパス弁と、
   を備え、
   前記低圧排気側バイパス弁を開弁している場合に、前記低圧コンプレッサの回転数の低下に関連する所定条件が成立すると、前記低圧排気側バイパス弁を閉弁することを特徴とする内燃機関用多段過給システム。
2. 前記所定条件が成立するとは、前記低圧コンプレッサと前記高圧コンプレッサとの間の前記吸気通路の圧力が所定圧力よりも低くなるときであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用多段過給システム。
3. 前記所定圧力とは、低圧コンプレッサマップ上の必要最低回転数ラインから導出される圧力、又は前記低圧コンプレッサ若しくは前記高圧コンプレッサの潤滑オイルが吸い出される圧力の、どちらか高い方の圧力であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用多段過給システム。
4. 前記低圧排気側バイパス通路の低圧タービン下流側接続部よりも下流の前記排気通路に配置され、排気を浄化する触媒を備え、
   前記低圧排気側バイパス弁を開弁している場合とは、前記触媒を暖機するために、前記低圧排気側バイパス弁を開弁し、排気に前記低圧排気側バイパス通路を流通させて排気を前記触媒に供給している場合であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関用多段過給システム。
5. 前記高圧ターボチャージャ内に設けられ、前記高圧タービンへの排気量を調節する高圧可変ノズル機構を備え、
   前記低圧排気側バイパス弁を開閉制御するのと同時に、前記高圧可変ノズル機構のノズル通路断面積を変更して前記内燃機関へ送り込む吸気の圧力を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関用多段過給システム。

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