JP2002349279A - 周囲空気の密度に関係して内燃機関のターボチャージャ過給圧の制限を調整する方法 - Google Patents

周囲空気の密度に関係して内燃機関のターボチャージャ過給圧の制限を調整する方法

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JP2002349279A JP2002101957A JP2002101957A JP2002349279A JP 2002349279 A JP2002349279 A JP 2002349279A JP 2002101957 A JP2002101957 A JP 2002101957A JP 2002101957 A JP2002101957 A JP 2002101957A JP 2002349279 A JP2002349279 A JP 2002349279A
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ヴァインロイター ベルンハード
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Abstract

(57)【要約】 【課題】内燃機関で周囲空気の密度に関係して内燃機関
のターボチャージャ過給圧の制限を調整する方法を提供
する。 【解決手段】所定の時間間隔で、１次周囲温度T∞、１
次周囲圧力P∞、吸入空気流量ML、過給圧PLの値をこの
運転状態で算出し、この値から、予め定まった空気流量
の関数の修正性能曲線で圧縮機入口の１次圧力PVEおよ
び１次温度TVEを算出し、算出された圧縮機入口の圧力P
VE、温度TVE、吸入空気流量MLから、そのつど圧縮機の
標準条件で修正された圧縮機入口の空気流量MLkorを算
出する。最大許容ターボチャージャ回転数nVmaxに対す
る圧縮機性能曲線から、圧縮機の標準条件で補正された
圧縮機入口の空気流量MLkorと周囲圧力P∞によって、圧
縮機回転数に関係する最大許容過給圧PLmaxkorが得ら
れ、この運転状態で算出された過給圧PListと比較す
る。そして、過給圧PListの算出値がそのつどこの条件
で算出された圧縮機回転数の関数の最大許容過給圧P
Lmaxkor以下となるように過給圧を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関において周
囲空気の密度に関係してターボチャージャの過給圧の制
限を調整する方法および排気ガスターボチャージャと過
給圧を調整する調整装置とを有する内燃機関に関する。
この場合、定められた時間間隔で１次の過給圧をそのつ
ど算出し、各運転状態で基準過給圧の所定値を、記憶さ
れた圧縮機性能曲線で比較し、過給圧を調整する調整ユ
ニットとデータ記憶ユニットとを有する排気ガスターボ
チャージャ付内燃機関の機関制御装置を順次調整する。
【０００２】
【従来の技術】ターボチャージャ付内燃機関において過
給圧を調整することはよく知られている。例えば、DE 1
97 57 661 C1にはターボチャージャ付内燃機関における
過給圧調整について記載され、所望の基準過給圧を機関
回転数と負荷との関数とした性能曲線で表され、動的な
運転に基く瞬間の影響を考慮して調整される。
【０００３】ターボチャージャ回転数がターボチャージ
ャ回転数の最大許容限界を超えるとすぐに、ターボチャ
ージャは損傷を受ける可能性がある。このような過回転
は乗り物が高速で運転され、周囲圧力が一定の最小圧力
を下回るか、あるいは機関の吸気行程の圧力がシステム
の空気漏れの結果大きく変化するときに生じる。高速運
転の際のターボチャージャの過回転を防止するために、
機関回転数と周囲圧力に関係して過給圧を制限すること
で、通常ターボチャージャ回転数は制限される。これは
上記の性能曲線でなされ、過給圧は周囲圧力と機関回転
数に関係して降圧される。ターボチャージャを有する各
機関で性能曲線を作成するために、かなり費用のかかる
テストを前もって実施しなければならない。さらに、過
給圧および周囲温度の変化を解釈の際に評価しなければ
ならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】発明の課題は、ターボ
チャージャ付内燃機関が高出力であっても、大気の状態
を考慮してターボチャージャの過回転を簡単でかつ確実
に制限することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この課題は、内燃機関の
場合に、請求項１に記載の周囲空気の密度に関係してタ
ーボチャージャの過給圧の制限を調整する方法によって
解決される。内燃機関に排気ガスターボチャージャと過
給圧を調整する調整装置を備えるよう構成し、定められ
た時間間隔毎に１次過給圧を算出し、圧縮機性能曲線と
して記憶されたその運転状態の所定の基準過給圧値と比
較して、請求項９の特徴にしたがって調整することで解
決される。また、排気ガスタービン付き内燃機関の機関
制御装置に請求項１０に記載の過給圧を調整する調整ユ
ニットおよびデータ記憶ユニットを含めることによって
解決される。
【０００６】このことにより、大気条件を考慮した簡単
な方法で、大気条件に関係する過給圧を各測定時点で測
定し、これをこの運転状態で最大許容圧縮機回転数に基
く最大許容過給圧と比較する。個々の周囲状態に対する
性能曲線を算出するための費用のかかる事前試験を行な
わずに、測定された過給圧と性能曲線から取り出した最
大許容過給圧とを比較することで圧縮機回転数が過回転
の限界より低いか否かが直接確かめられ、限界状態に達
したとき、さらに増加することが適切に防止される。
【０００７】請求項２に記載の方法が好ましく、この場
合、圧縮機入口の修正空気流量が非常に良い近似で算出
できる。請求項３に記載の方法により簡単なやり方で、
通常いずれにせよ、予め定められたあらゆるデータのあ
る既製の機関制御装置によって調整および過給圧の制限
が可能となり、測定されたデータはすべて該当する入力
端子にまず入力されて、該当する出力端子から過給圧を
調整する制御信号が出力される。
【０００８】請求項４に記載の方法により、測定位置と
圧縮機入口の間の圧力損失を考慮して実際に利用できる
圧力比PL/PVEを特に正確に算出することが可能となる。
これにより、最大許容圧縮機回転数と算出された圧縮機
回転数の間の確実性のある差が最小限となる。機関の出
力スペクトラムがこのやり方で比較的高いところまで正
確に拡張される。
【０００９】請求項５に記載の方法が好ましく、過給圧
の変化によるピークが短時間に出現する危険、すなわ
ち、動的な過程に基いて最大許容過給圧を超え、その結
果、短時間に圧縮機回転数の最大許容値を超える圧縮機
回転数ピークが出現するという危険が少なくなる。動的
な過程に基く圧縮機の過回転とこれによって生じる回転
数のピークが簡単な方法で避けることができる。
【００１０】請求項６から８には過給圧の制限を調整す
る特に好ましい方法が記載される。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明を図１から図３に示す実施
例に基いて次に詳細に説明する。図１に内燃機関１を示
すが、周知の方法によりターボチャージャ４で昇圧され
た過給空気は吸気管２を介して内燃機関１に導かれ、排
気ガス（過給状態が好ましい）は排気ダクト１５からタ
ーボチャージャ４のタービン６に導き出される。ターボ
チャージャ４の使用の際、ターボチャージャ４のタービ
ン６は排気ガスの流入によって駆動されて、排気ガスは
タービン６から周知の方法で排気ダクト１６を通って排
出される。ターボチャージャ４のタービン６で周知の方
法によりターボチャージャの圧縮機が駆動される。これ
によって、吸気ダクト１３から、空気フィルタ１２、吸
気ダクト１１、空気流量測定器１０および吸気ダクト９
を通って吸入された空気が昇圧され、この昇圧された状
態で吸気ダクト８とインタクーラ３を介して吸気ダクト
７、吸気管２から周知の方法で機関に導かれる。ターボ
チャージャ４による過給空気の昇圧は図示しないが周知
の従来の方法で所望の出力要求に応じて調整される。
【００１２】変化する大気条件に基いてターボチャージ
ャの回転数が過回転になるのを防止する目的でターボチ
ャージャの回転数を制限するために、規則的に予め定め
られた時間間隔で、空気圧力・空気温度センサ１４で周
囲温度T∞と周囲圧力P∞が、空気流量測定器１０で吸入
される空気流量MLが、過給圧・過給空気温度センサ１７
で過給圧PListがこの運転状態において測定される。測
定データは機関制御装置１８の計算ユニット２０に伝送
される。機関制御装置１８の周知の方法ではターボチャ
ージャ４に特有の圧縮機性能曲線がデータ記憶装置１９
に記憶されている。
【００１３】図３で分かるように、前記特有の圧縮機性
能曲線において特に最大許容圧縮機回転数nVmaxの性能
曲線は圧縮機の標準状態における修正吸入空気流量M
Lkorおよび圧縮機過給圧PLと圧縮機圧力PVE の圧力比に
関係して表示される。
【００１４】図２で分かるように、機関制御装置１８の
計算ユニット２０で、予め定められて記憶された空気流
量の関数である修正係数性能曲線KTを考慮して周囲温度
T∞から圧縮機入口温度TVEが算出され、同様に、予め定
められて記憶された空気流量の関数である修正係数性能
曲線Kpを考慮して周囲圧力P∞から圧縮機入口圧力P VEが
算出される。
【００１５】修正係数性能曲線KTおよびKPは、例えば空
気流量の関数とした修正係数の形で記憶させることがで
きる。引続いて計算ユニット２０により、標準条件で修
正された圧縮機入口空気流量MLkorが、吸入空気流量ML
と圧縮機入口温度TVEと圧縮機入口圧力PVEとから次式に
より算出される。
【００１６】 MLkor＝ML・((TVE+273.15K)/TOV)0.5/(PVE/POV) ここでTOVは圧縮機の性能曲線における標準温度、POVは
標準圧力である。標準条件は圧縮機の性能曲線が作成さ
れるときの条件である。データ記憶装置１９に記憶され
た圧縮機の性能曲線において、最大許容圧縮機回転数n
Vmaxで圧縮機入口の吸入された修正空気流量の算出値M
Lkorに対応して、過給圧PLと圧縮機圧力PVEの最大許容
圧力比（PL / PVE)maxが得られる。算出された圧縮機手
前の圧力PVEを乗じることによって、ターボチャージャ
４のこの空気流量値で最大許容過給圧PLmaxが算出され
る。
【００１７】特にインタクーラ３の圧力損失が大きいた
め、過給圧センサ１７の位置と圧縮機５直後の圧縮機出
口の過給圧測定間の過給圧損失として、データ記憶装置
１９に記憶され予め定められた修正係数KPLLKを使用す
ることで、算出された最大許容過給圧PLmaxの修正は修
正最大許容過給圧PLmaxkorとして次式によって得られ
る。
【００１８】PLmaxkor = PLmax・KPLLK ただしKPLLK = f(ML) この算出された大気の関数である修正最大許容過給圧P
Lmaxkorを測定された過給圧PLと比較する。過給圧PLが
修正最大許容過給圧PLmaxkorより小さい限りは、図３の
圧縮機性能曲線によって、この状態に対応する圧縮機回
転数nVは最大許容圧縮機回転数nVmaxよりも小さい。過
給圧の調整の介入はまだ必要ではない。過給圧PLが最大
許容過給圧PLmaxkorに合致するとすぐに、この状態で調
整を行なって過給圧をこれ以上上昇させないような方法
で介入が始まる。
【００１９】別の実施形態では、最大許容圧力比(PL /
PVE)maxの算出または圧力損失の算出を考慮した修正最
大許容過給圧PLmaxkorに基き、ターボチャージャ回転数
の時間に対する勾配を考慮した最大許容圧力比の修正値
が、データ記憶装置２０に記憶され予め定められた修正
係数Knに関して計算される。したがってターボチャージ
ャの回転数変化を考慮した、修正最大許容圧力比(PL /
PVE)maxnを算出することによって、動的な過程によって
生じた過給圧のピークに基づく短時間の過回転を抑制す
ることが可能となる。例えば、等式 (PL/PVE)maxn=(PL/PVE)max−Kn に合致し、ここでKn=f((PLkor / PVE); MLkor)は余分に
フィルタにかけられる。
【００２０】勾配は計算ユニット２０内で計算される。
図１で空気圧力・空気温度センサ１４は空気フィルタ１
２の上流で流れ方向に配置される。空気圧力・空気温度
センサ１４は同様にそれぞれ、周囲空気圧力または周囲
温度を測定するのに適した他の位置に備えることもでき
る。例えば、空気圧力および空気温度は空気フィルタ１
２の下流の位置で測定することもできる。
【００２１】場合によっては、誤差を減少させるため乗
り物の静止時に過給圧センサと周囲圧力センサを比較す
ることが重要となる。
【００２２】
【発明の効果】大気条件を考慮した簡単な方法で、過給
圧を一定の時間間隔で測定し、これを最大許容圧縮機回
転数に基く最大許容過給圧と比較して、測定過給圧が最
大許容過給圧を超えないように制御することで圧縮機回
転数が過回転とならないようにすることができる。個々
の周囲状態に対する性能曲線を算出するための費用のか
かる事前試験が不用となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ターボチャージャ付内燃機関の概略図である。
【図２】本発明による過給圧制限の調整を表す調整ダイ
ヤグラムである。
【図３】圧縮機の性能曲線を示す図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関 ２ 吸気管 ３ インタクーラ ４ ターボチャージャ ５ 圧縮機 ６ タービン ７ 吸気ダクト ８ 吸気ダクト ９ 吸気ダクト １０ 空気流量測定器 １１ 吸気ダクト １２ 空気フィルタ １３ 吸気ダクト １４ 空気圧力および空気温度用センサ １５ 排気ダクト １６ 排気ダクト １７ 過給圧および過給空気温度用センサ １８ 機関制御装置 １９ データ記憶装置 ２０ 計算ユニット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G005 EA04 EA16 FA23 JA14 JA24 JA39 JA45 JB04 JB05 3G092 AA18 BA02 DB03 EA09 EB05 EC09 FA39 GB10 HA01Z HA04Z HA05Z HA16X HA16Z HA17X

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内燃機関において周囲空気の密度に関係し
    てターボチャージャ過給圧の制限を調整する方法であっ
    て、 所定の時間間隔で、１次周囲温度(T∞)、１次周囲圧力
    (P∞)、吸入空気流量(M L)および過給圧(PL)の算出値を
    この運転状態で算出し、前記算出値から、予め定められ
    た空気流量の関数としての修正係数性能曲線によって、
    圧縮機入口の１次圧力(PVE)と圧縮機入口の１次温度(T
    VE)を算出し、 圧縮機入口で算出された圧力(PVE)、圧縮機入口で算出
    された温度(TVE)および算出された吸入空気流量(ML)か
    ら、そのつど、圧縮機の標準条件で修正された圧縮機入
    口の空気流量(MLkor)を算出し、 そのつど、最大許容ターボチャージャ回転数(nVmax)に
    対する圧縮機性能曲線から、圧縮機の標準条件で修正さ
    れた圧縮機入口の前記空気流量(MLkor)と算出された周
    囲圧力(P∞)において、圧縮機回転数に関係する最大許
    容過給圧(PLmaxk or)を決めて、この運転状態で算出され
    た過給圧(PList)と比較し、 算出された過給圧(PList)の算出値がそのつどこの状態
    で算出された圧縮機回転数に関係する最大許容過給圧(P
    Lmaxkor)以下となるように過給圧を調整することを特徴
    とする方法。
  2. 【請求項２】圧縮機入口温度(TVE)が１次周囲温度(T∞)
    と予め定められた空気流量に関係する温度の修正係数(K
    T)から、また圧縮機入口圧力(PVE)が１次周囲圧力(P∞)
    と予め定められた空気流量に関係する過給圧の修正係数
    (Kp)から算出され、さらに圧縮機入口の修正空気流量(M
    Lkor)が圧縮機入口温度(TVE)と圧力(PVE)と吸入空気流
    量(ML)から次式によって算出され、 MLkor＝ML・((TVE+273.15K)/TOV)0.5/(PVE/POV) ここで、TOVは圧縮機の標準条件における圧縮機入口温
    度、POVは圧縮機の標準条件における圧縮機入口圧力で
    ある、請求項１記載の調整方法。
  3. 【請求項３】１次周囲圧力(P∞)、吸入空気流量(ML)お
    よび過給圧(PL)のために１次周囲温度(T∞)を測定して
    機関制御装置に伝送し、 機関制御装置に圧縮機入口の１次圧力(PVE)と１次温度
    (TVE)の算出のため圧縮機の性能曲線と予め定められた
    修正係数性能曲線を記憶し、機関制御装置で圧縮機入口
    の１次圧力(PVE)、１次温度(TVE)、圧縮機入口の修正空
    気流量(MLVE)および圧縮機回転数に関係する最大許容過
    給圧(PLmax)を算出して、過給圧調整のための制御を行
    なうことを特徴とする請求項１または２に記載の調整方
    法。
  4. 【請求項４】インタークーラと内燃機関の燃焼室との間
    の過給空気ダクトで過給圧(PList)を測定し、 測定された過給圧(PList)と、そのつど、算出された圧
    縮機回転数に関係する最大許容過給圧(PLmax)とを比較
    する際に、圧縮機入口と過給圧の測定位置間の圧力損失
    の修正をし、 修正最大許容過給圧(PLmaxkor)を圧縮機入口の空気流量
    (MLVE)に関係する修正係数性能曲線で算出して、前記修
    正最大許容過給圧(PLmaxkor)を測定された過給圧(PL)と
    比較し、この際、好ましくは前記修正最大許容過給圧(P
    Lmaxkor)は測定された圧縮機入口の空気流量(ML)に関係
    する修正係数(KPLLK)を使用して、少なくともインター
    クーラの過給圧損失用に PLmaxkor = PLmax・KPLLK ただし KPLLK = f(ML) の式で算出される、請求項１ないし３のいずれか１項に
    記載の調整方法。
  5. 【請求項５】測定された過給圧(PL)とそのつど算出され
    た圧縮機回転数に関係する最大許容過給圧(PLmax)を比
    較するとき、機関回転数の時間に対する変化による動的
    部分を考慮して修正を行ない、 前記修正は特に、時間(t)に対する機関回転数(n)の勾配
    を考慮して予め定められた修正機能(Kn)で修正された最
    大許容圧力比((PL/PVE)maxn)を算出することで行ない、 好ましくは、前記修正最大許容過給圧比((PL/PVE)maxn)
    は (PL/PVE)maxn=(PL/PVE)max−Kn ただし、Kn=f((PLkor/PVE); MLkor) の式で算出する、請求項１ないし４のいずれか１項に記
    載の調整方法。
  6. 【請求項６】組み込まれた空気フィルタを使って圧縮機
    に吸入するとき、１次周囲温度(T∞)および１次周囲圧
    力(P∞)は空気フィルタ上流で吸入空気の流れ方向に測
    定することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１
    項に記載の調整方法。
  7. 【請求項７】組み込まれた空気フィルタおよび空気流量
    測定器を使って圧縮機で吸入するとき、１次周囲圧力(P
    ∞)は空気フィルタ下流で吸入空気の流れ方向に測定
    し、１次周囲温度(T∞)は空気流量測定器で測定するこ
    とを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載
    の調整方法。
  8. 【請求項８】乗り物の停止状態において、過給圧
    (PList)を測定するセンサと１次周囲圧力(P∞)を測定す
    るセンサとを比較することを特徴とする請求項１ないし
    ７のいずれか１項に記載の調整方法。
  9. 【請求項９】排気ガスターボチャージャおよび過給圧を
    調整する調整装置を有する内燃機関であって、調整の
    際、定められた時間間隔で１次過給圧を算出し、記憶さ
    れた圧縮機の性能曲線でそのときの運転状態における所
    定の基準過給圧値と比較して調整される内燃機関におい
    て、 調整装置は周囲温度(T∞)、周囲圧力(P∞)、吸入空気流
    量(ML)および過給圧(P List)を算出する手段と、前記デ
    ータを所定の時間間隔で記録する手段とを備えてデータ
    結合し、 調整装置はデータ記憶装置とデータ結合し、デ
    ータ記憶装置は、記憶され予め定められ空気流量に関係
    する、ターボチャージャ入口の過給圧と温度の修正係数
    (Kp)、(KT)、およびターボチャージャの異なる圧縮機回
    転数(nV)と最大許容圧縮機回転数(nVmax)のために、そ
    れぞれ吸入空気流量(ML)および過給圧と周囲圧力との圧
    力比(PL/P∞)の間の予め定められた関係を有する記憶さ
    れた圧縮機性能曲線を有し、 調整装置は（ａ）算出された周囲圧力(P∞)と相当する
    圧縮機入口の圧力(PVE)の修正係数(K p)とから圧縮機入
    口の圧力(PVE)をそのつど算出し、（ｂ）算出された周
    囲温度(T∞)と相当する温度の修正係数(KT)とから圧縮
    機入口温度をそのつど算出し、（ｃ）算出された吸入空
    気流量(ML)と算出された圧縮機入口の圧力(PVE)と算出
    された圧縮機入口の温度(TVE)とから圧縮機入口の修正
    空気流量(MLkor)の１次値をそのつど算出し、（ｄ）圧
    縮機入口の前記修正空気流量(MLkor)に対する最大許容
    圧縮機回転数(nV max)と算出された周囲圧力(P∞)とか
    ら、圧縮機入口の前記修正空気流量(MLkor)に対する最
    大許容過給圧(PLmax)を圧縮機性能曲線で算出し、
    （ｅ）算出された過給圧(PList)とそのつど算出された
    圧縮機回転数に関係する最大許容過給圧(PLmax)とをそ
    のつど比較する手段を備え、 調整装置は過給圧を発生変化させる手段と結合し、過給
    圧発生の上限を制限する調整機構を備え、過給圧
    (PList)が算出された圧縮機回転数に関係する前記最大
    許容過給圧(PLmaxkor)を越えないように過給圧を生成変
    更する手段に作用することを特徴とする内燃機関。
  10. 【請求項１０】調整装置およびデータ記憶装置は機関制
    御装置の一部である請求項９記載の内燃機関。
  11. 【請求項１１】過給圧を調整する調整ユニットとデータ
    記憶ユニットを有する排気ガスターボチャージャ付内燃
    機関の機関制御装置において、 調整ユニットは周囲温度(T∞)、周囲圧力(P∞)、吸入空
    気流量(ML)および過給圧(PL)のデータを所定の時間間隔
    で記録する手段で構成され、 調整ユニットはデータを記録するためデータ記憶装置と
    データ結合をし、データ記憶装置には （ａ）予め定められた空気流量に関係する、ターボチャ
    ージャの圧縮機入口における過給圧および温度の修正係
    数(KP)、(KT)と、 （ｂ）ターボチャージャの異なる回転数および最大許容
    圧縮機回転数(nVmax)にそれぞれ予め定められた、吸入
    空気流量(ML)および過給圧と周囲圧力との圧力比(PL/P
    ∞)間の関連のある圧縮機性能曲線とが記憶され、 調整ユニットは （ａ）算出された周囲圧力(P∞)の記録データおよび相
    当する圧縮機入口圧力(PVE)の過給圧修正係数(KP)から
    圧縮機入口圧力(PVE)をそのつど算出し、 （ｂ）算出された周囲温度(T∞)の記録データおよび相
    当する温度修正係数(KP)から圧縮機入口温度(TVE)をそ
    のつど算出し、 （ｃ）算出された吸入空気流量の記録データと圧縮機入
    口の算出された圧力(P VE)と圧縮機入口の算出された温
    度(TVE)とから、圧縮機入口の修正空気流量(MLk or)の１
    次値をそのつど算出し、 （ｄ）圧縮機入口の修正空気流量(MLkor)に対する最大
    許容圧縮機回転数(nVma x)と算出された周囲圧力(P∞)と
    から圧縮機性能曲線を使用して、圧縮機入口の修正空気
    流量(MLkor)に対する最大許容過給圧(PLmax)を算出し、 （ｅ）算出された過給圧(PList)とそのつど算出された
    圧縮機回転数に関係する最大許容過給圧(PLmaxkor)とを
    そのつど比較する手段を備え、 調整ユニットは過給圧を発生変化させる手段で調整デー
    タをデータ転送するデータ結合装置と、過給圧発生の上
    限を制限する調整機構とを備え、生じた前記調整データ
    は、過給圧(PL)が算出された圧縮機回転数に関係する最
    大許容過給圧(P Lmaxkor)を越えないように過給圧の発生
    変化手段に作用することを特徴とする機関制御装置。
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