CN101548084B - 多级涡轮增压器的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够实现设有多级涡轮增压器的发动机的过渡时及稳定时的油耗改进的多级涡轮增压器的控制装置。在发动机(2)中串联地设有至少2级以上的涡轮增压器(6、7)、由具备可变叶片(64)的可变容量涡轮增压器(6)构成高压级侧的涡轮增压器(6)的多级涡轮增压器的控制装置(1)，具备用来检测比上述可变容量涡轮增压器(6)靠低压级侧的涡轮增压器(7)的增压压力或进气量的检测机构(11、12)，基于该检测机构(11、12)的检测值来控制上述可变叶片(64)的开度。

Description

多级涡轮增压器的控制装置 
技术领域
本发明涉及串联地设有至少2级以上的涡轮增压器的多级涡轮增压器的控制装置。 
背景技术
近年来，汽车发动机的排气限制逐年变得严格，其发动机评价方法也变得严格，导入了起步及加速时的评价方法。作为具体的评价方法，在日本实施JE05模式、在欧洲(EC)实施ETC模式等。 
在排气限制中，大体有氮氧化物(以下称作NOX)和可吸入颗粒物(以下称作PM)值，而由于它们处于相互平衡(trade-off)的关系，所以使两者同时降低是很困难的。 
目前，作为对排气限制的有效的手段，有通过高排气回流(以下称作EGR)带来的NOX的降低、和通过高λ(过量空气系数λ)的确保带来的PM的降低。哪种都是为了对应于现实需要在发动机整个区域(整个运转区域)确保高λ的系统、即能够对发动机供给高增压的系统。 
在图3中表示日本瞬时(JE05模式)运转模式及试验数据。横轴是时间(sec)，纵轴从下方开始依次是烟-λ-发动机转速。 
如图3所示，如果从发动机怠速状态、即车辆停止的状态开始使车辆起步，则在其起步时发动机转速急剧地上升。此时，吸入空气暂时不足，λ急剧地降低到1附近，结果大量地排出烟。 
为了满足上述排气限制，作为能够对发动机供给高增压的系统，可以考虑2级涡轮系统。 
2级涡轮系统基本上是通过对发动机配置两个涡轮增压器、能够在发动机运转区域的整个区域中、对以往的单涡轮发动机实现高增压的系统。 
该2级涡轮系统通过用两个涡轮增压器进行二级增压而实现高增压(参照专利文献1及2)。 
专利文献1：特开2004-225586号公报 
专利文献2：特开2005-315163号公报 
但是，2级涡轮系统在过渡试验模式等中的加速时有发生配置在低压级(后方)的涡轮增压器的压力上升滞后的问题。 
在图4中表示过渡时的单涡轮和2级涡轮系统的涡轮压力(增压压力)上升比较结果。 
这样，在过渡模式中不能充分地达到本来在发动机稳定运转中充分得到的增压。 
例如，预先在稳定试验中探索NOX-PM(SM)及油耗最好的设置，制作表1那样的性能映射表，如果使用该表1那样的性能映射表进行过渡性能试验，则在过渡试验中发生涡轮滞后，NOX-PM变得达不到目标值。 
所以，在过渡模式中，为了适合于目标排气值，考虑通过相对在稳定试验中得到的映射表(参照表1)进一步缩小的映射表(参照表2)来控制配置在第一级(高压级侧)的涡轮的可变叶片(VGT)。 
[表1] 
  TRBTRG   500   600   700   800   900   1000   1100   1200   1300   1400   1500   1600   1700   1800   1900   2000
  0   10   10   15   20   25   30   33.75   37.5   41.25   45   50   55   62.5   70   80   90
  20   10   10   15   20   25   30   33.75   37.5   41.25   45   50   55   62.5   70   80   90
  40   10   10   15   20   25   30   33.75   37.5   41.25   45   50   55   62.5   70   80   90
  60   10   10   15   20   25   30   33.75   37.5   41.25   45   50   55   62.5   70   80   90
  80   10   10   15   20   25   30   33.75   37.5   41.25   45   50   55   62.5   70   80   90
  100   10   10   15   20   25   30   33.75   37.5   41.25   45   50   55   62.5   70   80   90
  120   10   10   15   20   25   30   33.75   37.5   41.25   45   50   55   62.5   70   80   90
  140   10   10   15   20   25   30   33.75   37.5   41.25   45   50   55   62.5   70   80   90
  160   10   10   15   20   25   30   33.75   37.5   41.25   45   50   55   62.5   70   80   90
  180   10   10   15   20   25   30   33.75   37.5   41.25   45   56.25   62.5   68.5   75   82.5   90
  200   10   10   15   20   25   30   33.75   37.5   47.5   55   62.5   70   75   80   85   90
  220   10   10   15   20   25   30   33.75   37.5   47.5   55   62.5   70   75   80   85   90
  240   10   10   15   20   25   30   33.75   37.5   47.5   55   62.5   70   75   80   85   90
  260   10   10   15   20   25   30   33.75   37.5   47.5   55   62.5   70   75   80   85   90
  310   10   10   15   20   25   30   33.75   37.5   47.5   55   62.5   70   75   80   85   90
 [表2] 
  TRBTRG   500   600   700   800   900   1000   1100   1200   1300   1400   1500   1600   1700   1800   1900   2000
  0   7   7   10.5   14   17.5   21   23.625   26.25   28.875   31.5   39.375   38.5   43.75   49   56   63
  20   7   7   10.5   14   17.5   21   23.625   26.25   28.875   31.5   39.375   38.5   43.75   49   56   63
  40   7   7   10.5   14   17.5   21   23.625   26.25   28.875   31.5   39.375   38.5   43.75   49   56   63
  60   7   7   10.5   14   17.5   21   23.625   26.25   28.875   31.5   39.375   38.5   43.75   49   56   63
  80   7   7   10.5   14   17.5   21   23.625   26.25   28.875   31.5   39.375   38.5   43.75   49   56   63
  100   7   7   10.5   14   17.5   21   23.625   26.25   28.875   31.5   39.375   38.5   43.75   49   56   63
  120   7   7   10.5   14   17.5   21   23.625   26.25   28.875   31.5   39.375   38.5   43.75   49   56   63
  140   7   7   10.5   14   17.5   21   23.625   26.25   28.875   31.5   39.375   38.5   43.75   49   56   63
  160   7   7   10.5   14   17.5   21   23.625   26.25   28.875   31.5   39.375   38.5   43.75   49   56   63
  180   7   7   10.5   14   17.5   21   23.625   26.25   28.875   31.5   39.375   43.75   48.125   52.5   57.75   63
  200   7   7   10.5   14   17.5   21   23.625   26.25   33.25   38.5   43.75   49   52.5   56   59.5   63
  220   7   7   10.5   14   17.5   21   23.625   26.25   33.25   38.5   43.75   49   52.5   56   59.5   63
  240   7   7   10.5   14   17.5   21   23.625   26.25   33.25   38.5   43.75   49   52.5   56   59.5   63
  260   7   7   10.5   14   17.5   21   23.625   26.25   33.25   38.5   43.75   49   52.5   56   59.5   63
  310   7   7   10.5   14   17.5   21   23.625   26.25   33.25   38.5   43.75   49   52.5   56   59.5   63
由此，如图5所示，能够使2级涡轮系统整体的压力上升比单涡轮快。 
结果，如图6所示，改善NOX-PM的排气的相互平衡，达到了目标排气水平。 
这样，通过将配置在第一级的高压级涡轮增压器的可变叶片(VGT)变更为相对于表1所示的VGT基础映射表缩小了可变叶片的开度(VGT开度)的表2的映射表、改善增压压力的上升，实现了达到目标排气水平。 
但是，如果这样缩小可变叶片的开度，则如图7所示，有油耗恶化的问题。 
该图7是表示模拟上述JE05模式的总体试验的油耗结果的图，在该总体试验中，除了过渡状态以外，还包括变化较平缓的状态、即稳定状态下的试验。 
在该图7所示的试验中，如果使用表2的缩小了可变叶片的映射表，则在稳定状态下涡轮映射表被缩小了所需以上，不必要地将进气供给加压，结果油耗恶化。此外，在过渡状态下也有涡轮映射表被缩小所需以上的情况，导致了油耗的恶化。 
这里，通过为了使过渡试验中的NOX-PM性能达到目标值而使用过渡用映射表(表2)，油耗恶化，但其影响在稳定状态下比过渡状态下更强。 
以上，如果仅考虑NOX-PM的降低而在过渡时及稳定时总是缩小可变叶片的开度，则有油耗恶化的问题。
发明内容
所以，本发明的目的是解决上述问题、提供一种能够实现设有多级涡轮增压器的发动机的过渡时及稳定时的油耗改进的多级涡轮增压器的控制装置。 
为了达到上述目的，本发明是一种多级涡轮增压器的控制装置，该多级涡轮增压器在发动机中至少串联地设有2级以上的涡轮增压器、由具备可变叶片的可变容量涡轮增压器构成高压级侧的涡轮增压器，其中，具备检测机构，该检测机构用来检测比上述可变容量涡轮增压器靠低压级侧的涡轮增压器的增压压力或进气量，基于该检测机构的检测值来控制上述可变叶片的开度； 
其特征在于，具备存储机构，该存储机构保存有记述了上述发动机的稳定时的上述可变叶片的开度的稳定时开度映射表、和开度设定得比该稳定时开度映射表小的过渡时开度映射表；在上述发动机的稳定时，基于上述稳定时开度映射表控制上述可变叶片的开度，在上述发动机的过渡时，当上述检测机构的检测值超过规定值时，基于上述稳定时开度映射表控制上述可变叶片的开度，当检测值在上述规定值以下时，基于上述过渡时开度映射表控制上述可变叶片的开度。 
为了达到上述目的，本发明是一种多级涡轮增压器的控制装置，该多级涡轮增压器在发动机中至少串联地设有2级以上的涡轮增压器，由具备可变叶片的可变容量涡轮增压器构成高压级侧的涡轮增压器，并使该可变叶片的开度在上述发动机的加速时比稳定时的开度缩小，其中，具备：检测机构，用来检测比上述可变容量涡轮增压器靠低压级侧的涡轮增压器的增压压力或进气量；以及禁止机构，即使在上述发动机的加速时，当上述检测机构的检测值超过规定值时，禁止上述可变叶片的开度的缩小。 
发明的效果：根据本发明，能发挥能够改进设有多级涡轮增压器的发动机的过渡时及稳定时的油耗的良好效果。 
附图说明
图1是有关本发明的一实施方式的多级涡轮增压器的控制装置及发动机的概略图。 
图2表示本实施方式的动作系统。 
图3表示日本JE05模式的试验数据。 
图4是用来说明过渡时的涡轮压力比上升的比较的图。 
图5是用来说明缩小了高压级涡轮VGT的过渡时的涡轮压力比上升的比较的图。 
图6是用来说明排气性能改善结果的图。 
图7是用来说明VGT开度映射表变更带来的油耗的恶化的图。 
标号说明 
1ECU(多级涡轮增压器的控制装置、禁止机构) 
2发动机 
6高压级侧的涡轮增压器(可变容量涡轮增压器) 
7低压级侧的涡轮增压器 
11maf传感器(用来检测进气量的检测机构) 
12增压传感器(用来检测增压压力的检测机构) 
14存储机构 
64可变叶片(variable vane) 
具体实施方式
以下，基于附图详细叙述本发明的优选的一实施方式。 
本发明的多级涡轮增压器的控制装置例如将安装在车辆的柴油发动机(以下称作发动机)中的2级涡轮系统作为对象。 
首先，基于图1说明发动机的概略构造。 
如图1所示，发动机2具备具有多个气缸的发动机主体3、连接在该发动机主体3上的进气通路4及排气通路5、设在这些进气通路4及排气通路5上、用来将增压气体供给到发动机主体3中的涡轮增压器6、7、用来使排气通路5的排气的一部分回流到进气通路4中的EGR装置8、和用来控制发动机主体3的发动机控制装置(以下称作ECU)1。 
在本实施方式中，高压级侧的涡轮增压器(HP)6和低压级侧的涡轮 增压器(LP)7串联地设置，构成2级涡轮系统。 
在进气通路4中，从上游侧开始依次设有maf传感器11、低压级侧的涡轮增压器7的压缩机(LPC，以下称作低压级压缩机)71、增压传感器12、高压级侧的涡轮增压器6的压缩机(HPC，以下称作高压级压缩机)61、空气冷却器(A/C)31，进气通路4的下游端连接在发动机主体3的进气歧管(未图示)上。 
排气通路5的上游端连接在发动机主体3的排气歧管(未图示)上，在排气通路5中，从上游侧开始依次设有高压级侧的涡轮增压器6的涡轮(HPT，以下称作高压级涡轮)62、低压级侧的涡轮增压器7的涡轮(LPT，以下称作低压级涡轮)72。 
低压级侧的涡轮增压器7具备上述低压级压缩机71及低压级涡轮72、和将这些低压级压缩机71及低压级涡轮72连结的涡轮轴73，低压级压缩机71受低压级涡轮72驱动，将吸入空气加压。 
配置在该低压级压缩机71的上游的maf传感器11构成检测吸入到低压级压缩机71中的进气量(质量流量)的检测机构，安装在低压级压缩机71的吐出口上的增压传感器12构成检测低压级压缩机71的增压压力的检测机构。 
高压级侧的涡轮增压器6具备上述高压级压缩机61及高压级涡轮62、和将这些高压级压缩机61及高压级涡轮62连结的涡轮轴63，高压级压缩机61受高压级涡轮62驱动，将由低压级压缩机71加压后的增压气体进一步加压，供给到发动机主体3中。 
在本实施方式中，高压级侧的涡轮增压器6由具备可变叶片(variablevane)64的可变容量涡轮增压器(在图例中是电控VGS)构成。 
具体而言，在高压级涡轮62中设有用来改变涡轮容量的可变叶片64，高压级涡轮62构成为，如果可变叶片64的开度被缩小，则涡轮容量减少。 
此外，在高压级侧的涡轮增压器6中，设有用来旁通高压级涡轮62的废气溢流门装置65。该废气溢流门装置65具备用来将高压级涡轮62的上游(吸入侧)及下游(吐出侧)连通的废气溢流门通路651、和设在该废气溢流门通路651中的废气旁通阀652。 
EGR装置8具备用来将排气通路5及进气通路4连通的EGR通路81、 设在该EGR通路81中的EGR阀82、和配置在该EGR阀82的上游、用来将在EGR通路81中流通的气体(EGR气体)冷却的EGR冷却器83。EGR通路81的上游端连接在发动机主体3与高压侧的涡轮之间的排气通路5上，下游端连接在发动机主体3与空气冷却器31之间的进气通路4上。 
本实施方式的ECU1构成多级涡轮增压器6的控制装置，基于maf传感器11的检测值(低压级涡轮72的吸入空气量)、或者增压传感器12的检测值(低压级涡轮72的增压压力)，来控制高压级涡轮62的可变叶片64的开度。 
在该ECU1上，连接着maf传感器11、增压传感器12等的各种传感器类，被输入这些传感器类的检测值。 
此外，ECU1为了发送控制信号而连接在高压级涡轮62的可变叶片64、废气旁通阀652等的各种致动器类上。 
详细在后面叙述，但ECU1具备保存有记述上述发动机2的稳定时的上述可变叶片64的开度的稳定时开度映射表(参照表1)、和开度设定得比该稳定时开度映射表小的过渡时开度映射表(参照表2)的存储机构14，在上述发动机2的稳定时，基于上述稳定开度映射表控制上述可变叶片64的开度，在上述发动机2的过渡时，当上述检测机构11、12的检测值超过规定值时，基于上述稳定开度映射表控制上述可变叶片64的开度，当检测值为上述规定值以下时，基于上述过渡时开度映射表控制上述可变叶片64的开度。 
这里，在表1的稳定时开度映射表及表2的过渡时开度映射表中，横轴(第1行)表示发动机转速(rpm)，纵轴(第1列)表示燃料流量(mm3/st)。此外，表中的数值表示可变叶片64的开度(％)，数值越小，越将可变叶片64关闭(缩小)。 
接着，说明通过本实施方式的多级涡轮增压器的控制装置进行的控制。 
本实施方式的ECU1在发动机2的加速时等的过渡时，基本上为了防止低压级侧的涡轮增压器7的压力上升滞后而将高压级涡轮62的可变叶片64的开度比稳定时的开度缩小。 
这里，所谓的稳定时，是发动机运转状态的变化最少的状态，例如是车辆的定速行驶时(或者发动机旋转固定时)等，所谓的过渡时，是发动 机运转状态的变化最剧烈的状态，例如车辆的加速时(或者发动机旋转上升时)等。 
但是，如果在过渡时要总是缩小高压级涡轮62的可变叶片64的开度，则油耗有可能恶化。 
所以，在本实施方式中，设置即使在发动机2的加速时等的过渡时、当上述检测机构11、12的检测值超过规定值时、也禁止上述可变叶片64的开度的缩小的禁止机构。在本实施方式中，ECU1构成禁止机构。 
具体而言，本实施方式的ECU1为了改善2级涡轮系统的过渡时的油耗恶化，作为配置在第一级的高压级侧的涡轮增压器6的可变叶片64(VGT)的控制映射表，具有过渡用的过渡时开度映射表和稳定用的稳定开度映射表，根据配置在第二级的低压级侧的涡轮增压器7的增压压力或进气量相对于目标映射表达到的程度，将配置在第一级的高压级侧的涡轮增压器6的可变叶片64的控制映射表在稳定开度映射表和过渡时开度映射表中切换。 
由此，防止过渡时的可变叶片64的不必要的缩小，能够实现油耗改善。 
接着，基于图2，说明本实施方式的多级涡轮增压器的控制装置的控制的一例。 
图2的控制例如在发动机2的加速时由ECU1执行。另外，在发动机2的稳定时，ECU1基于稳定时开度映射表控制可变叶片64。 
首先，在步骤S1中，ECU1取得安装在配置于第二级的低压级压缩机71的进气出口(吐出口)上的增压传感器12检测到的增压压力。 
在步骤S2中，ECU1判断在步骤S1中取得的增压传感器12的增压压力(检测值)是否超过规定的目标增压压力(规定值)。 
具体而言，ECU1从保存在ECU1内的目标映射表中读取目标增压压力，将该目标增压压力与由增压传感器12检测到的增压压力进行比较。在目标映射表中，例如记述有发动机2的各运转状态(发动机转速及燃料喷射量)的目标增压压力。 
在步骤S2中，在判断为增压压力超过目标增压压力的情况下，ECU1在步骤S3中选择记述有发动机稳定时的可变叶片64的开度的稳定时开度映射表(在图2中是标准VGT映射表)，在步骤S4中设定为目标VGT映 射表。 
另一方面，在步骤S2中，在判断为增压压力为目标增压压力以下的情况下，ECU1在步骤S5中选择开度比稳定时开度映射表设定得小的过渡时开度映射表(在图2中是过渡时VGT映射表)，在步骤S4中设定为目标VGT映射表。 
在步骤S4中，在将稳定时开度映射表或过渡时开度映射表设定为目标VGT映射表后，基于该目标VGT映射表通过ECU1来控制可变叶片64的开度。 
这样，在本实施方式中，为了决定高压级侧的涡轮增压器6的可变叶片64的开度(VGT开度)，根据低压级侧的涡轮增压器7的增压压力(增压传感器12的检测值)选择过渡时开度映射表或稳定时开度映射表。 
即，在过渡时，当低压级侧的涡轮增压器7的增压压力没有达到目标增压压力时，基于缩小为过渡用的过渡时开度映射表控制高压级侧的涡轮增压器6的可变叶片64的开度，当达到了目标增压时，即使是过渡时，也基于稳定时用的稳定时开度映射表进行控制。 
由此，在本实施方式中，能够实现设有多级涡轮增压器6的发动机2的过渡时的油耗的改进。 
即，以往由于在过渡时总是使用在表中表示的过渡时开度映射表，所以进行了所需以上的可变叶片64的开度的缩小，如图7所示，引起了油耗的恶化。 
相对于此，在本实施方式中，通过基于低压级压缩机71的增压压力适当选择有效的涡轮VGT映射表，避免可变叶片64的所需以上的缩小，能够得到2级涡轮系统中的油耗改进的效果。 
例如，在如以往那样仅使用过渡时开度映射表的情况下，如图5的56sec以后所示，2级涡轮系统的综合压力比上升所需以上，油耗恶化。相对于此，在本实施方式中，由于基于增压压力从过渡时开度映射表切换为稳定时开度映射表，所以如图4的56sec以后所示，抑制了综合压力比的过度上升。此外，此时，综合压力比超过单级增压压力比，满足了所希望的性能。 
这样，在本实施方式中，通过在剧烈变化的过渡时使涡轮增压器6的VGT开度在图5的48～52sec的状态下动作而对应于严格的NOX-PM、并 且使更平缓的变化及稳定状态下的涡轮增压器6的VGT开度在图4的56sec以后的状态下动作，实现了油耗的改进。 
另外，图4及图5是为了评价上述JE05模式的一部分而制作的模拟试验的结果。 
这里，增压传感器12及maf传感器11的控制系统是一般的结构，但在本实施方式的控制装置中，通过检测第二级(低压级侧)的增压压力(涡轮压力)决定配置在第一级(高压级侧)的涡轮增压器6的VGT开度，来解决作为2级涡轮系统独自的问题点的配置在第二级(低压级侧)的涡轮增压器7的压力上升滞后的问题这一点与以往不同。 
另外，本发明并不限于上述实施方式，可以考虑各种变形例及应用例。 
例如，使用增压传感器12的检测值，但并不限于此，也可以使用maf传感器11的检测值。即也可以，ECU1在上述发动机2的过渡时，当上述maf传感器11检测到的进气量超过规定的目标进气量时，基于上述稳定开度映射表控制上述可变叶片64的开度，当检测到的进气量是上述目标进气量以下时，基于上述过渡时开度映射表控制上述可变叶片64的开度。 
此外，在上述实施方式中，将本发明的控制装置应用到2级涡轮系统中，但其构造并不限于图1所示的构造，能够应用到在发动机中具有两个涡轮增压器的所有构造中，进而，也能够应用到串联地配置有3级以上的涡轮增压器的涡轮系统中。 

Claims (2)

1.一种多级涡轮增压器的控制装置，该多级涡轮增压器在发动机中至少串联地设有2级以上的涡轮增压器、由具备可变叶片的可变容量涡轮增压器构成高压级侧的涡轮增压器，该多级涡轮增压器的控制装置具备检测机构，该检测机构用来检测比上述可变容量涡轮增压器靠低压级侧的涡轮增压器的增压压力或进气量，基于该检测机构的检测值来控制上述可变叶片的开度；其特征在于，
具备存储机构，该存储机构保存有记述了上述发动机的稳定时的上述可变叶片的开度的稳定时开度映射表、和开度设定得比该稳定时开度映射表小的过渡时开度映射表；
在上述发动机的稳定时，基于上述稳定时开度映射表控制上述可变叶片的开度，在上述发动机的过渡时，当上述检测机构的检测值超过规定值时，基于上述稳定时开度映射表控制上述可变叶片的开度，当检测值在上述规定值以下时，基于上述过渡时开度映射表控制上述可变叶片的开度。
2.一种多级涡轮增压器的控制装置，该多级涡轮增压器在发动机中至少串联地设有2级以上的涡轮增压器，由具备可变叶片的可变容量涡轮增压器构成高压级侧的涡轮增压器，并使该可变叶片的开度在上述发动机的加速时比稳定时的开度缩小，其特征在于，具备：
检测机构，用来检测比上述可变容量涡轮增压器靠低压级侧的涡轮增压器的增压压力或进气量；以及
禁止机构，即使在上述发动机的加速时，当上述检测机构的检测值超过规定值时，禁止上述可变叶片的开度的缩小。
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