JPH065018B2 - 排気タ−ボ過給機付エンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、排気通路に配設したタービンにより吸気通路
に配設したブロアを駆動して過給を行う排気ターボ過給
機を備えたエンジンに関し、特に加速時におけるタービ
ン回転数の上昇遅れ（ターボラグ）の防止対策に関する
ものである。

（従来の技術） 従来より、排気ターボ過給機を備えたエンジンにおいて
は、その回転部が慣性を持つために、過渡時にはこの回
転部を加速する必要があり、このため、加速時にタービ
ン回転数が上昇するのに遅れ、いわゆるターボラグが生
じて、加速応答性が悪いという問題があった。特に、低
速低負荷時には、排気ガスエネルギーが低いため、回転
部の回転速度は非常に低く、この状態から急加速する場
合の遅れが著しく、過給圧の上昇すなわち出力上昇が遅
れて、加速性能が充分に得られないものである。さりと
て、回転部の慣性を小さくするために、回転部質量を小
さくした小型排気ターボ過給機を使用すると、高速域の
過給容量不足により出力低下が大きくなる問題がある。

そこで、従来、この問題に対処するため、特開昭５３−
８６９１５号公報に開示されるように、排気ターボ過給
機のブロアをバイパスする吸気バイパス通路を設け、低
負荷時にブロアの流入側もしくは流出側を閉じ、吸気バ
イパス通路を開いて自然吸入を行う（尚、その際にはウ
ェストゲート弁は閉じている）ことにより、低負荷時で
のタービン回転数を高く維持しておいて加速時に備え、
加速時にはブロアを早期に高回転にしてターボラグを低
減し、加速性を改善するようにしたものが提案されてい
る。

（発明が解決しようとする課題） しかるに、上記提案のものでは、低負荷時に排気ターボ
過給機のブロアの流入側もしくは流出側通路を完全に閉
じると、ターボ特性がサージングラインを越えてしま
い、異音発生やタービン逆転などの現象が発生し、過給
機の耐久性に悪影響を与えて信頼性の点で問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的と
するところは、低負荷時、排気ターボ過給機のブロアの
流入側もしくは流出側通路を完全に閉じるのではなく絞
ることにより、排気ターボ過給機の信頼性を損うことな
く、低負荷時におけるタービン回転数を高く維持して、
加速時のターボラグを短くし、加速応答性を向上させる
ことにある。

しかし、この場合、低負荷域からの加速時、特に低速低
負荷域からの急加速時には、加速前のタービンへの流入
排気ガス量が少ないことから、タービン回転数が十分に
高く維持されておらず、回転慣性力が小さいため、この
状態から加速すべく給気を一気にタービンに導入して
も、その要求仕事量が急増することでタービン回転数が
落ち込む抵抗となって、タービン回転数の上昇にもたつ
きが生じ、ターボラグの低減を十分に図り得ない嫌いが
ある。

そのため、さらに本発明の目的は、低負荷域からの加速
時、ブロアの流入側もしくは流出側通路の絞りを直ちに
解除せずに、自然吸入によるスロットル全開状態に相当
する吸気量になるまで上記絞り状態を維持するように遅
延させることにより、タービン回転数をスムーズに上昇
させて回転慣性力を十分に高めた状態からブロアによる
過給に移行し、よってタービン回転数の上昇のもたつき
を防止し、ターボラグの低減を一層図ることにある。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するため、本発明の解決手段は、排気
通路に配設されたタービンにより吸気通路に配設された
ブロアを駆動して過給を行う排気ターボ過給機を備えた
エンジンにおいて、吸気通路のブロア上下流をブロアを
バイパスして連通する吸気バイパス通路と、高負荷時に
該吸気バイパス通路を閉じてブロアの流出通路及び流入
通路を開く一方、低負荷時に吸気バイパス通路を開くと
ともにブロアの流出通路もしくは流入通路を絞るバルブ
手段とを設ける。また、排気通路のタービン上下流をタ
ービンをバイパスして連通する排気バイパス通路と、エ
ンジンへの吸気の過給圧を所定の最大過給圧以下に保持
するよう上記排気バイパス通路を開閉制御し、少なくと
も低負荷時には上記吸気バイパス通路の開放による過給
圧の低下により排気バイパス通路を閉じているウェスト
ゲート弁とを設ける。さらに、低負荷域からの加速時、
加速検出から自然吸入によるスロットル全開状態に相当
する吸気量になるまでの所定時間の間は上記吸気バイパ
ス通路を開きブロアの流出通路もしくは流入通路を絞っ
た状態を維持し、その後吸気バイパス通路を閉じてブロ
アの流出通路及び流入通路を開くように上記バルブ手段
を制御する制御装置を備えたものとする。

（作用） 上記の構成により、本発明では、タービンへの流入排気
ガス量が一定の状態ではブロア前後の圧力比が高くなる
程タービン回転数が上昇することから、低負荷時には、
ウェストゲート弁の閉弁により排気ガスの全量をタービ
ンに流入させた状態でブロアの流出通路もしくは流入通
路をターボ特性がサージングラインを越えない範囲で絞
って、ブロアの前後の圧力比を高くすることにより、排
気ターボ過給機の信頼性を損うことなくタービン回転数
が高く維持されることになる。また、ブロアの流出通路
もしくは流入通路を絞っているときには吸気バイパス通
路を開いて自然吸入を行うことにより、低負荷時のエン
ジンへの必要空気量が確保される。このように低負荷時
の回転慣性力を高めておくことで、回転上昇に必要なエ
ネルギーが小さくなるので、過渡時のタービンの回転上
昇が早くなってターボラグを低減できることになる。一
方、高負荷時には、吸気バイパス通路を閉じてブロアの
流出通路および流入通路を開くことにより、吸入空気全
量に対するブロアによる過給によって吸気の充填効率が
高められて、出力向上が確保される。

そして、低負荷域からの加速時には、加速検出から所定
期間、つまり自然吸入によるスロットル全開状態に相当
する吸気量になるまでの間は、吸気バイパス通路を開き
かつブロアの流出通路もしくは流入通路を絞った状態を
維持し、その後に吸気バイパス通路を閉じてブロアの流
出通路および流入通路を開くように遅延制御されるの
で、この遅延期間により、上述の如く低負荷時にある程
度高く維持されたタービン回転数がもたつきなくスムー
ズに上昇して十分な回転慣性力に高められた状態からブ
ロアによる過給に移行することになり、加速時のタービ
ン回転上昇がスムーズかつ素早くなってターボラグをよ
り一層低減できることになる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は本発明の実施例の全体概略構成を示し、１はエ
ンジン本体、２はエンジン本体１のピストン３上方に形
成された燃焼室であって、該燃焼室２には、それぞれ吸
気弁４および排気弁弁５によって開閉される吸気ポート
６および排気ポート７が開口している。該吸気ポート６
には燃焼室２に吸気を供給するための吸気通路８が、排
気ポート７には燃焼室２からの排気ガスを排出するため
の排気通路９がそれぞれ接続されている。上記吸気通路
８は、その上流端がエアクリーナ１０を介して大気に開
口しており、吸気通路８の途中には、上流から順に、吸
入空気量を検出するエアフローメータ１１、吸入空気量
を制御するスロットル弁１２、吸気拡大室としてのサー
ジタンク１３および燃料を噴射供給する燃焼噴射弁１４
がそれぞれ配設されている。また、上記排気通路９には
排気ガス浄化用の触媒装置１５が配設されている。

１６は排気ターボ過給機であって、該排気ターボ過給機
１６は、排気通路９の触媒装置１５上流に介設されたタ
ービン１６ａと、吸気通路８のエアフローメータ１１下
流でスロットル弁１２上流に介設され該タービン１６ａ
に連結軸１６ｃを介して駆動連結されたブロア１６ｂと
を備えてなり、排気ガス流により回転するタービン１６
ａによってブロア１６ｂを駆動して吸気の過給を行うも
のである。

さらに、上記吸気通路８には上記排気ターボ過給機１６
のブロア１６ｂの流入通路１７と流出通路１８とをブロ
ア１６ｂをバイパスして連通接続する吸気バイパス通路
１９が設けられている。該吸気バイパス通路１９には吸
気バイパス通路１９を開閉する逆止弁よりなるバイパス
弁２０が配設されているとともに、上記ブロア１６ｂの
流出通路１８にはこの流出通路１８を絞り調整する絞り
弁２１が配設されている。該絞り弁２１には絞り２１の
開度（絞り量）を調整するアクチュエータ２２が連結さ
れており、該アクチュエータ２２はＣＰＵ等よりなるコ
ントロールユニット２３により作動制御される。そし
て、該コントロールユニット２３には、エンジン回転数
を検出する回転数センサ２４からの信号、およびスロッ
トル弁１２下流の吸気圧力を検出する圧力センサ２５か
らの信号が入力可能になっており、これら両センサ２
４，２５からの信号を入力し、エンジン回転数と吸気圧
力とから排気ガス流量に関連する信号を得て、これに応
じて吸気のブロア１６ｂを通過するブロア流量と吸気バ
イパス通路１９を通過するバイパス流量とを制御し、高
負荷時には、絞り弁２１を全開状態とし、バイパス弁２
０は閉じた状態にあって、吸気はすべてブロア１６ｂに
よって加圧された過給気によって行う一方、低負荷時に
は、ターボ特性がサージラインを越えない範囲で絞り弁
２１を絞り状態に閉じ、吸気は吸気負圧によって開いた
バイパス弁２０を介して自然吸入によって行うようにし
たバルブ手段２６が構成されている。この絞り弁２１は
スロットル弁１２より大きな絞り量に閉じられることに
より、タービン１６ａの回転速度を高くして加速応答性
を向上するものである。

すなわち、第２図に示すように、ブロア流量とブロア前
後の圧力比との関係において、タービン速度が一定Ｎ＝
Ｎ_１〜Ｎ_４（Ｎ_１＜Ｎ_２＜Ｎ_３＜Ｎ_４）のラインを平行
曲線で示し、外側になる程タービン速度は速くなる。一
方、タービン１６ａへの流入排気ガス量が一定で絞り弁
２１の絞り量を変更した場合の特性は、鎖線で示すよう
に、絞り弁２１の開度を小さくして絞り量が大きくなる
と、タービン回転数が上昇する方向に移行するものであ
る。また、絞り量を大きくすると、圧力比が増大して、
破線で示すサージングラインＳを越える方向に移行する
が、このサージングラインＳを越えない範囲において絞
り弁２１の開度が小さくなるように絞り量を調整するも
のである。

さらに、前記絞り弁２１の開度は、第３図Ａに示すブロ
ア流量と圧力比とのグラフにおいて、低負荷時における
サージングラインＳに近接して沿う設定ラインに基づい
て、排気ガス量の増大ａ〜ｄによってタービン回転数が
上昇するのに対応して、絞り量が小さくなるように制御
する。また、第３図Ｂに示すエンジン回転数とトルクの
特性を示すグラフにおいて、大気圧ライン（鎖線）より
若干低い設定圧ライン以下の低負荷域で上記絞り弁２１
を絞るように作動領域Ｉを設定し、各負荷状態に応じて
各排気ガス量ａ〜ｄ（排気ガス量一定ライン）に対応し
たタービン回転数が最も高くなる絞り量に調整する。つ
まり、タービン１６ａへの流入排気ガス量が一定のライ
ンａ〜ｄでは、同一絞り弁開度でよいのである。また、
設定圧ラインより上方の領域IIIおよび設定圧ラインよ
り下方でもエンジン回転数が高く負荷も大気圧ラインに
近付く領域IIにおいては、絞り弁２１を全開状態として
タービン回転数が過回転状態となるのを防止している。

加えて、上記コントロールユニット２３は、圧力センサ
２５からのスロットル弁１２下流の吸気圧力信号を受け
て、この吸気圧力の変化が所定値以上のときを低負荷域
からの加速時と判定し、この加速時には、加速検出から
所定期間は絞り弁２１を絞りバイパス弁２０が開かれた
状態を維持し、所定期間経過後に絞り弁２１を全開にし
バイパス弁２０が閉じられた状態にするように上記バル
ブ手段２６を遅延制御する制御装置２７を構成してい
る。この遅延される所定期間は、自然吸入によるスロッ
トル全開状態に相当する吸気量になるまでの期間であっ
て、加速の程度に応じて変更され、低速低負荷域からの
加速時には長く、中負荷域からの加速時には短く設定さ
れるものである。尚、２８は排気通路９の排気ガスをタ
ービン１６ａを迂回して流下させるための排気バイパス
通路２９を開閉するウェストゲート弁であって、エンジ
ンへの吸気の過給圧を所定値（最大過給圧値）以下に保
持するよう排気バイパス通路２９を開閉制御し、少なく
とも低負荷時には上記吸気バイパス通路１９の開放によ
る過給圧の低下により排気バイパス通路２９を閉じてい
るものである。

したがって、上記実施例においては、低負荷時には、ウ
ェストゲート弁２８の閉弁により排気ガスの全量がター
ビン１６ａに流入する状態で絞り弁２１がサージライン
を越えない範囲で可及的に絞られ、ブロア前後の圧力比
を大きくすることによってタービン回転数が高い状態に
維持されるとともに、吸気バイパス通路１９が開かれて
上記絞り弁２１の絞りによって不足する吸気量がこの吸
気バイパス通路１９から供給され、必要な吸気量が確保
される。その結果、この低負荷域から急激に負荷が増大
する加速時においては、絞り弁２１を開いて過給を開始
するが、それ以前におけるタービン回転数が高いことか
らその回転上昇が速やかで応答性に優れ、早期に過給圧
が上昇して出力の向上が図れ、ターボラグを低減して良
好な加速応答性が得られることになる。尚、高負荷時に
は、絞り弁２１が全開となり、バイパス弁２０が閉じら
れて、吸気はその全量がブロア１６ｂを通過して該ブロ
ア１６ｂによって加圧された過給気によって行われるの
で、高負荷時での吸気の充填効率が高められて出力向上
が図られる。

そして、低負荷域からの加速時には、加速検出から所定
期間、つまり自然吸入によるスロットル全開状態に相当
する吸気量になるまでの間は絞り弁２１を絞った状態を
維持するように遅延制御されることにより、上記の如く
低負荷時にある程度高く維持されたタービン回転数がも
たつきを生じることなくスムーズにかつ素早くより高い
回転数に上昇し、回転慣性力が十分に高められるので、
その後にブロア１６ｂによる過給を開始しても、その回
転上昇が一層速かに行われてターボラグをより一層低減
することができ、加速応答性の著しい向上を図ることが
できる。

今、この効果を具体的に示すに、第４図Ａ〜Ｃは加速時
の特性を示すものであり、実線が本発明による加速特性
を、破線が絞り弁２１を加速開始から全開にする比較例
によるものをそれぞれ示している。スロットル弁１２の
開度がほぼ全閉状態から急激に全開状態になる加速時に
おいては、このスロットル開度変化に対して、絞り弁２
１はＡに示すように、比較例の如く加速検出と同時に絞
り状態から全開状態に開かれるのではなく、加速検出か
ら所定の遅延時間ｔの間は絞り状態が維持され、この遅
延時間ｔの経過後に絞り状態から全開状態に開かれる。
それに伴って、バイパス弁２０もＢに示すようにその全
開状態が上記遅延時間ｔの間維持され、その後に全閉状
態となる。このため、Ｃに示すように、排気ターボ過給
機１６のタービン回転数は、比較例の如く加速前の回転
数が加速開始後もしばらく続いたのち回転上昇するとい
うもたつきを生じるのに対し、絞り弁２１の絞り状態の
遅延作用により加速検出と同時にスロットル弁１２の全
開への開作動に伴う排気ガス流量の増大に応じてもたつ
きなくスムーズに上昇し始め、その後のブロア１６ｂの
過給開始へ移行してもスムーズに回転上昇を続けて、タ
ービン回転数の上昇がスムーズにかつ素早く行われるの
で、ターボラグもほとんどなく加速応答性が著しく向上
している。

なお、上記実施例においては、バルブ手段２６の絞り弁
２１の絞り量の制御は、エンジン回転数とスロットル弁
下流の吸気圧力に基づいて行うようにしているが、その
他、排気ガス流量と相関関係のある排気圧力などに応じ
て制御するようにしてもよい。

また、バルブ手段２６としては、上記実施例のほか、絞
り弁２１をブロア１６ｂの流入通路１７に配設するよう
にしてもよく、バイパス弁２０は逆止弁に変えて絞り弁
２１と連係して作動する開閉弁などが使用できる。さら
に、バイパス弁２０と絞り弁２１とを一体化してブロア
流出通路（流入通路）とバイパス通路との合流部分（分
岐部分）に切換弁を配設し、低負荷時にはバイパス通路
を開くとともに流出通路（流入通路）を絞る一方、高負
荷時にはバイパス通路を閉じて流出通路（流入通路）を
全開状態にするように構成してもよい。

また、加速時の検出は、上記実施例の如くスロットル弁
１２下流の吸気圧力の変化に依るほか、スロットル弁１
２の開度変化やアクセルペダルの踏込み量などによって
検出するようにしてもよい。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の排気ターボ過給機付エン
ジンによれば、低負荷時には排気ガス全量をタービンに
流入させる状態でブロアの流出側もしくは流入側の通路
を絞って、信頼性を損うことなくタービン回転数を高く
維持するとともに、低負荷域からの加速時には上記ブロ
ア通路の絞り状態を遅延維持してタービン回転数をもた
つきなくスムーズにかつ素早く上昇させるようにしたの
で、加速時のターボラグを大幅に低減でき、加速応答性
の著しい向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における排気ターボ過給機を
備えたエンジンの全体概略構成図、第２図は排気ターボ
過給機のブロア流量と圧力比との関係において絞り弁の
開度とエンジン回転数の関係を示す特性図、第３図Ａお
よびＢはエンジンの運転状態に対する絞り量の制御例を
示す特性図、第４図Ａ〜Ｃは加速時の絞り弁開度、バイ
パス弁開度およびタービン回転数の変化を比較例ととも
に示すグラフである。 １…エンジン本体、８…吸気通路、９…排気通路、１６
…排気ターボ過給機、１６ａ…タービン、１６ｂ…ブロ
ア、１７…流入通路、１８…流出通路、１９…吸気バイ
パス通路、２０…バイパス弁、２１…絞り弁、２３…コ
ントロールユニット、２６…バルブ手段、２７…制御装
置、２８…ウェストゲート弁、２９…排気バイパス通
路。

フロントページの続き (72)発明者 日當瀬 文雄 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−74828（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気通路に配設されたタービンにより吸気
   通路に配設されたブロアを駆動して過給を行う排気ター
   ボ過給機を備えたエンジンにおいて、 吸気通路のブロア上下流をブロアをバイパスして連通す
   る吸気バイパス通路と、高負荷時に該吸気バイパス通路
   を閉じてブロアの流出通路及び流入通路を開く一方、低
   負荷時に吸気バイパス通路を開くとともにブロアの流出
   通路もしくは流入通路を絞るバルブ手段とを設け、 排気通路のタービン上下流をタービンをバイパスして連
   通する排気バイパス通路と、エンジンへの吸気の過給圧
   を所定の最大過給圧以下に保持するよう上記排気バイパ
   ス通路を開閉制御し、少なくとも低負荷時には上記吸気
   バイパス通路の開放による過給圧の低下により排気バイ
   パス通路を閉じているウェストゲート弁とを設け、 低負荷域からの加速時、加速検出から自然吸入によるス
   ロットル全開状態に相当する吸気量になるまでの所定時
   間の間は上記吸気バイパス通路を開きブロアの流出通路
   もしくは流入通路を絞った状態を維持し、その後吸気バ
   イパス通路を閉じてブロアの流出通路及び流入通路を開
   くように上記バルブ手段を制御する制御装置を備えたこ
   とを特徴とする排気ターボ過給機付エンジン。