JP2003517137A - ターボ過給器を備えたピストン式内燃機関の過給圧を制御する方法 - Google Patents

ターボ過給器を備えたピストン式内燃機関の過給圧を制御する方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、ターボ過給器を備えた非定常運転のピストン式内燃機関の過給圧を制御する方法に関する。排気系内で過給器タービンの前方に接続配置された放出弁がエンジン制御装置を介して制御され、加速を開始する際に、ペダル位置と負荷に比例する勾配がエンジン制御装置によって検出され、負荷に比例する勾配の設定可能な値を上回るときに、設定可能な調整された圧力上昇が達成されるように、放出弁が開放方向に制御される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 自動車、特に乗用車の場合、排気弁を介して制御されるターボ過給器を備えた
ピストン式内燃機関は、所定の負荷状態のときに、多少大きな“ターボラグ”、
すなわちトルクの不足を示す。このターボラグは低い回転数の範囲内で定常的に
発生し、負荷の急激な変動の後で非定常的に発生する。非定常的なターボラグを
小さく抑えるために、運転者による負荷の要求時に過給圧ができるだけ迅速に発
生するように、過給圧制御装置を設計しなければならない。過給圧発生はシステ
ムの相互作用に基づいてきわめて累進的に行われる。過給圧の上昇は、過給器タ
ービンを駆動するために供される排気エネルギーの上昇を発生する。これは、低
いギヤで低い回転数から加速する際に、運転者のペダル位置が一時的に一定であ
るにもかかわらず、過給圧の急激な上昇を生じ、それによってトルクの急激な増
大を生じる。これは不快であるだけでなく、出力の非常に大きな車両の場合には
急激な加速または車輪の空転および車両のスリップによって危険である。吸気系
内の過給圧の限界値を設定し、それに従って放出弁を制御することにより、この
問題を除去することはできない。なぜなら、大きなエンジントルク自体ではなく
、遅れのために運転者に予想されないエンジントルクが、快適性にマイナスの印
象を与えるかまたは危険であるからである。
【０００２】 本発明の根底をなす課題は、過給圧発生が快適であり、それにもかかわらず急
激な負荷要求に迅速に応答する、過給圧制御方法を提供することである。
【０００３】 この課題を解決するために、本発明では、排気系内で過給器タービンの前方に
接続配置された放出弁がエンジン制御装置を介して制御され、加速を開始する際
に、ペダル位置と負荷に比例する勾配がエンジン制御装置によって検出され、負
荷に比例する勾配の設定可能な値を上回るときに、設定可能な調整された圧力上
昇が達成されるように、放出弁が開放方向に制御される、ターボ過給器を備えた
非定常的に運転されるピストン式内燃機関の過給圧を制御する方法が提案される
。
【０００４】 本発明において“負荷に比例する勾配”としては、エンジンのその都度の負荷
状態の変化を示す、時間に依存して検出される、ピストン式内燃機関のすべての
測定値が該当する。この測定値には特に、吸気系内の過給圧の時間的な変化、空
気流量の時間的な変化または直接的または間接的に検出されるエンジントルクで
ある。エンジン制御装置内で測定値と制御値から求められる、エンジン負荷の時
間的な検出のためのモデル値も設定可能である。
【０００５】 本発明による手段は、既存の制御によって得られる測定値の絶対値の設定に加
えて、負荷に比例するこの測定値の勾配、すなわち単位時間あたりの測定値の変
化を検出し、負荷に比例するこの勾配のために限界値を設定することにある。限
界値を上回ると、制御は放出弁を“開放”方向に調節することにより、および全
体システムの設計に応じて、エンジンの負荷を低下させるように負荷制御に介入
することによって補足して、検出された負荷に比例する勾配を設定された限界値
に戻す。負荷制御への介入は例えばスロットル弁の調節によって行うことができ
るがしかし、可変の弁開閉時間または混合気制御のような慣用でない方法によっ
て行うこともできる。
【０００６】 これによって、運転者はエンジンから生じるトルクを上昇させることになる過
給圧の大きな上昇に適切に反応することができる。運転者が過給圧の速すぎる上
昇に驚いて、その反応時間内に不意の大きな圧力が吸気系内に発生し、それによ
って運転者が望まないかまたは予想しない出力が発生し、その結果例えば駆動輪
が空転するかまたは車両の前方への突進が行われることが回避される。運転者は
、そのペダル設定を低減することによってあるいは走行ダイナミクス的な介入（
カウンタステアリング）によって増大するエンジントルクに反応することができ
る。
【０００７】 例えば自動車エンジンにおいて、非定常的な運転によっておよび変速機の存在
によって、ピストン式内燃機関とターボ過給器の運転条件が所定の規則性に従っ
て変化するので、本発明の有利な実施形では、負荷に比例する勾配のその都度設
定可能な限界値が、エンジン制御装置の特性マップから求められる。例えば加速
のために低いギヤで低い回転数のときにペダルがいっぱいに踏み込まれると、タ
ーボ過給器の挙動のためひいてはピストン式内燃機関のトルクの変化のためおよ
び運転者の快適性に対するこれらの変化の影響ために、他のギヤで高い回転数の
ときに加速過程が行われる加速の場合と異なる値が生じる。この違いはエンジン
制御装置内で特性マップを設定することによって考慮される。
【０００８】 本発明の実施形では更に、負荷に比例する勾配の限界値の設定のために、ペダ
ル勾配が考慮される。本発明における“ペダル勾配”は、時間に依存するペダル
位置の変化を意味する。すなわち、運転者によってペダルが車速を高めるために
ゆっくりと一杯に踏み込まれると、運転者はエンジントルクのゆっくりした変化
を予想し、負荷に比例する勾配のための限界値は小さく選定しなければならない
。ペダルを迅速に踏み込むと、運転者はエンジントルクの迅速な変化を期待する
。負荷に依存する大きな勾配は、快適性または安全性を損なわずに許容される。
【０００９】 本発明の他の有利な実施形では、その都度の限界値が、負の方向に低域ろ波さ
れたペダル勾配を介して求められる。結合によって、運転者の期待が有利に考慮
される。一定のペダル値の場合、すなわちペダル勾配が零であるときには、運転
者は、ペダル値が大きくても、普通のごとく、トルクの適度の変化を期待する。
これに対して、ペダルの踏込みが速いと、運転者はペダル運動の速度に対応して
トルクの急激な上昇を期待する。しかし、加速のためにペダル運動が遅ければ遅
いほど、トルクの増大は小さくなる。信号“ペダル勾配”のための低域フィルタ
によって、信号とターボ過給器の応答の間の時間の経過が増大するにつれて、吸
気系内の圧力の、小さな上昇だけがエンジン制御装置によって許容される。これ
により、運転者が予想されないトルクの急激な増大によって驚くことが回避され
る。この値は他の入力値に依存して付加的に変更可能である。
【００１０】 本発明の有利な実施形では、負荷に比例する勾配として、吸気系内の過給圧勾
配が検出される。吸気系内の空気流量は吸気系内の圧力に比例し、そして負荷に
も比例する。それによって、過給圧勾配は負荷に比例する勾配を示す。この勾配
はその都度の制御介入および調整介入と直接的な関連がある。ペダル位置を介し
て運転者によって強い加速が要求されると、ピストン式内燃機関は、燃料供給が
増大するために排気エネルギーを増大させる。この排気エネルギーは過給器ター
ビンと過給器を介して過給圧を高めることになる。過給圧勾配を検出することに
より、過給圧上昇の時間的な変化が検出され、過給圧上昇が不所望なほど急激に
行われる場合には、開放方向への放出弁の調節が実際には外挿して行われるので
、あまり急激に上昇しない。ピストン式内燃機関とターボ過給器の全体システム
の制御状態に基づいて、その都度の負荷状態と運転状態のために、エンジン制御
装置内に特性マップを設けることができるので、特性マップによってその都度設
定された過給圧勾配の限界値に達したときに、放出弁を開放し、過給器タービン
へのエネルギーの供給を低減することができる。それによって、吸気系内の過給
圧の上昇を細かく制御することができる。ペダル運動に基づいて運転者が希望お
よび予想していることから出発する走行状況では、システムの物理的に非定常的
な出力を要求することができる。運転者が大きなトルク変化を考慮していないと
推定される状況では、システムのダイナミクスを快適にかつ確実に緩衝すること
ができる。
【００１１】 本発明による方法と前述の実施形は基本的には、スロットルなしに負荷制御を
行うピストン式内燃機関と、吸気系内のスロットル弁を介して負荷制御を行うピ
ストン式内燃機関に適用可能であるが、方法の適用の他の実施形では、スロット
ル弁を介して作用する制御装置の場合、その都度のスロットル弁位置が検出され
、過給圧勾配の設定された値を上回るときに、スロットル弁が少なくとも一時的
に閉鎖方向に調節される。この制御介入により、 "放出弁とターボ過給器" のシ
ステムの長い死時間に基づいて放出弁の調節によって防止不可能である吸気系内
の過給圧上昇を阻止し、それによってエンジン負荷の不所望な急激な増大を回避
し、システムの応答時間を大幅に短縮することができる。過給圧の不所望な迅速
な上昇は、吸気器内で "阻止され" 、所望な大きな加速の場合にも、過給圧の急
激な上昇が回避される。これに相応して、例えば可変制御可能なガス交換を介し
て、スロットルなしに負荷制御を行うピストン式内燃機関の場合には、不所望な
過給圧上昇がエンジン制御装置を介しての弁開閉時間の変更によって "阻止され
る" 。
【００１２】 概略的な図に基づいて本発明を詳しく説明する。
【００１３】 図１は、燃焼空気の給気圧を高めるためのターボ過給器２を備えたピストン式
内燃機関をブロック図の形態で示している。この内燃機関はその排気系３を介し
てターボ過給器２のタービン４に接続されている。排気系３内においてタービン
４の手前には、制御可能な放出弁（オーバーランコントロール弁）５が配置され
ている。
【００１４】 ピストン式内燃機関１は更に、その吸気系６がターボ過給器２の圧縮機７に接
続されている。図示した実施の形態は、過給器２の圧力側７の吸気系６内に開閉
制御可能なスロットル弁８が配置されている、スロットル制御方式のピストン式
内燃機関である。燃料供給は概略的に示すように、例えば制御可能な噴射弁９を
介して行われる。燃料はこの噴射弁を介してシリンダに通じる個々の吸気通路内
に噴射される。次に詳しく述べる方法は、燃料供給のすべての形式に適用可能で
あり、例えば燃料直接噴射にも適用可能である。
【００１５】 ピストン式内燃機関１にはエンジン制御装置１０が付設されている。このエン
ジン制御装置にはエンジンの運転に関係するすべての測定値が供給され、エンジ
ン制御装置から、エンジンの運転のために必要なすべての信号が適当に処理され
た後で出力される。ピストン式内燃機関の制御と共に作用を次に説明する際、ピ
ストン式内燃機関の普通の運転のために必要な制御介入および調整介入は、当然
知られていると仮定し、従って説明しない。次に、過給圧制御のための本発明に
よる方法を実施するために必要である制御関係および調整関係についてのみ説明
する。
【００１６】 ブロック図には、方法を実施するために必要な測定値を検出および変換するた
めの、エンジン制御装置１０に付設されたすべての要素が独立して示してある。
【００１７】 図示した実施の形態の場合、負荷に比例する勾配として、過給圧勾配が検出さ
れる。そのために、吸気系６内に圧力センサ１１が配置されている。この圧力セ
ンサの測定値は演算ユニット１２において絶対値としておよび微分の後で過給圧
勾配として検出される。この場合、両値は別々にエンジン制御装置１０に供され
る。
【００１８】 スロットル弁８のアクチュエータはセンサ８．１を備えている。その都度のス
ロットル弁位置αがこのセンサを介して検出可能である。過給圧の検出の場合と
同様に、演算ユニット１３を介して、その都度のスロットル弁位置の絶対値が決
定され、微分によって更にスロットル弁勾配ｄα／ｄｔが決定される。この両値
も、別個の値としてエンジン制御装置に供される。
【００１９】 運転者の負荷要求はペダル１４を介してエンジン制御装置に供給される。この
ペダルは適当なユニット１５を介して、実際のペダル位置ψと、ペダル位置の時
間的な変化、すなわちペダル勾配ｄψ／ｄｔを、エンジン制御装置への入力値と
して出力する。ペダル勾配の値は更に、エンジン制御装置１０に付設されたロー
パス１６を介して考慮される。
【００２０】 図示した実施の形態の場合、ピストン式内燃機関１のクランク軸回転数は通常
のごとくセンサ１７によって検出され、エンジン制御装置１０に供される。
【００２１】 図１に基づいて説明したように、例えば低いギヤでペダル１４を強く踏むと、
過給圧と燃料噴射のための目標値がエンジン制御装置１０を介して“全負荷”に
調節され、スロットル弁８が完全に開放し、燃料噴射量が増大する。それによっ
て、冒頭で述べた過給器タービン４の遅れによって、排気系３から増大したエネ
ルギー量が供される。このエネルギー量はそれ自体所望されるように、吸気系内
の過給圧を高めることになる。しかしながら、ペダル１４による適当な負荷命令
、例えば迅速なペダル運動による負荷命令の際、排気エネルギーひいては吸気系
６内の過給圧が、ピストン式内燃機関およびそれに連結された車両の運転のため
に役立つ過給圧上昇よりも迅速に上昇するので、圧力センサ１１を介して、圧力
特に過給圧勾配ｄｐ／ｄｔが検出される。この値はエンジン制御装置１０におい
て、過給圧勾配の限界値の特性マップ１８に記憶された値に調整された後で調整
信号として変換される。この場合、実際の過給圧勾配が当該の運転状態について
特性マップから求められた限界値に達すると、放出弁５がエンジン制御装置を介
して開放され、場合によってはスロットル弁８が少なくとも短時間にわたって少
しだけ閉鎖方向に戻され、過大の過給圧上昇が“阻止される”。それによって、
過給器タービン用の“排気エネルギー供給”が減少し、必要な場合には更に、ピ
ストン式内燃機関用の“空気供給”が空気流を絞ることによって更に減少するの
で、図２のグラフＩＩのカーブｅ1 ，ｆ1 に基づいて更に詳しく説明するように
、過給圧の誘導された上昇が生じる。
【００２２】 この場合、意図した定常的な最終圧力を生じるために、放出弁５は、特性マッ
プ１８の規定値に相応して、エンジン制御装置によって設定されペダル値に割り
当てられたその位置に再び戻される。
【００２３】 絞らないで制御されるピストン式内燃機関の場合には、ブロック図に示したス
ロットル弁８とその制御装置が省略される。なぜなら、吸排気弁（ガス交換弁）
が完全に可変制御可能な動弁機構、例えば電磁アクチュエータを介して操作され
るからである。この電磁アクチュエータはエンジン制御装置１０によって直接制
御される。吸排気弁の開放時点および開放時間に影響を及ぼすことにより、スロ
ットル弁と同様に、ピストン式内燃機関の負荷を制御することができる。
【００２４】 この場合にも、例えば低いギヤで低速のときにペダル１４を迅速に操作すると
、ターボ過給器が遅れて“始動し”、そして吸気系６内の過給圧を累進的に上昇
するように高めるという前述の作用が生じる。吸気系内のこの圧力上昇によって
、ガス交換弁の弁隙間の制御が同じである場合よりも、シリンダ充填量が相応し
て多くなるので、絞らないで制御されるピストン式内燃機関の場合にも、冒頭に
述べた危険がトルクの急激な上昇によって発生し得る。
【００２５】 吸気系６内の圧力センサ１１を介して過給圧勾配を検出することにより、絞ら
ないで制御されるピストン式内燃機関の場合にも、放出弁５の制御のほかに、吸
気弁の弁開閉時間の変更によって、吸気系内の過給圧の急激な上昇に付加的に反
応することができるので、この場合にも特性マップの設定後限界値を上回ること
なく過給圧が高められる。
【００２６】 図２には、２つの異なる負荷状態のための方法の好ましい実施の形態が示して
ある。この実施の形態では、低域ろ波されたペダル勾配の検出が方法に従って、
その都度関連する過給圧勾配の検出に関連づけられている。図２において、グラ
フＩのカーブａはペダル値の変化およびそれに関連するスロットル弁位置の値を
％で示している。加速過程のために、時点ｔ0 で短い時間内でペダル１４が運転
者によっていっぱいに踏まれるので、ペダル１４はフルスロットル位置に保持さ
れる。
【００２７】 カーブｂは関連するペダル勾配を示している。ペダル角度がｔ0 のペダル出発
位置から時点ｔ1 の終端位置まで非常に短い時間で変化するので、ペダル勾配に
関して、カーブｂに示すように、急激な上昇が生じる。この上昇はペダル終端位
置に達することによって、ひいてはペダル運動の終了によって直ちに再び“零”
に低下する。このペダル勾配はエンジン制御装置１０によって検出され、後述す
るように測定値として記録される。この測定値は、カーブｃで示すように、低域
ろ波された信号としてエンジン制御装置に存在するので、元の大きなペダル勾配
から出発して値は時間の経過と共に減少し、それによって負荷に比例する勾配の
ための設定された限界値の変化が可能である。
【００２８】 付設のグラフＩＩには、吸気系６内の圧力の変化が時間に対して示してある。
時点ｔ0 でペダルがグラフＩのカーブａに相応して全負荷位置まで迅速に動かさ
れると、エンジン制御装置は全負荷運転のための目標値のカーブｄに対応して吸
気系の過給圧を設定する。ターボ過給器の場合、過給器の回転数の上昇につれて
、機械的な過給器の場合と異なり、圧力上昇が先ず最初は小さく、そしてきわめ
て累進的に変化するので、負荷のケースに応じて圧力上昇が生じる。
【００２９】 大気圧ｐu に達するまで、圧力は先ず最初は線形に上昇する。その後、吸気系
内の圧力のそれ以上の上昇はターボ過給器の回転上昇によって生じる。第１の負
荷のケースの場合、この上昇はスムースに行われるので、過給圧はきわめて迅速
に上昇し、慣用の制御の場合分岐カーブｅ2 に従って目標圧力に達する前の最後
の部分で非常に急激に変化する。第２の負荷のケースの場合、ターボ過給器の非
常に遅れた応答が示してある。この場合、上記の方法による介入をしないと、そ
れ以上の圧力上昇が遅れて行われる。しかし、その後でシステムのフィードバッ
クに基づいてカーブｆ2 に従って同様に急激に上昇する。
【００３０】 時間に依存するこの上昇は勾配として検出可能である。
【００３１】 エンジン制御装置に記憶された特性マップを介して、上述のように、最大許容
過給圧勾配が与えられる。この過給圧勾配は破線の分岐カーブｅ1 ，ｆ1 の傾き
によって示してある。カーブｅまたはｆの傾きが図示のように時点ｔ1 またはｔ 3 で限界値に達すると、上記の方法に従って、放出弁およびまたはスロットル弁
を適当に制御することにより、誘導された過給圧変化が分岐カーブｅ1 またはｆ 1 に相応して生じるように、過給圧発生に反作用する。
【００３２】 ろ波されたペダル勾配の低下し得る値につれて、過給圧勾配または負荷に比例
する勾配の設定された限界値を変更することにより、負荷ケース“ｅ”のために
、負荷ケース“ｆ”と異なる限界値を選択することができる。ケース“ｅ”の場
合、ダイナミクスの緩衝は少しだけでよい。なぜなら、運転者は短時間でペダル
を一杯に踏むことに基づいて時点ｔ1 でトルクの上昇予想するからである。これ
はペダルを介してエンジンに要求する。ケース“ｆ”の場合には、運転者は同様
に全負荷トルクを要求し、しかしエンジンは物理的なシステムの慣性に基づいて
時点ｔ3 まで、この要求を満足することができない。放出弁およびまたはスロッ
トル弁に影響を与えることにより、時点ｔ3 でもはやこの高さが予想されないト
ルク上昇に対し運転者が驚くことが防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ターボ過給器制御装置を備えたピストン式内燃機関のブロック図である。
【図２】 低域ろ波されたペダル勾配と過給圧勾配との方法よる結合を示すグラフである
。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 41/02 ３１０ Ｆ０２Ｄ 41/02 ３１０Ｄ 41/10 ３１０ 41/10 ３１０ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｋ ３０１Ｒ ３０１Ｚ 45/00 ３１２ 45/00 ３１２Ｅ ３１２Ｈ ３１４ ３１４Ｅ (72)発明者 オースターターク・フリードリヒ ドイツ連邦共和国、ヴァイスザッハ、フォ ーゲルベーアヴェーク、19 Ｆターム(参考） 3G005 FA04 GD02 JA06 JA24 JB02 3G084 BA05 BA07 BA08 BA23 CA04 DA05 DA08 DA11 EB15 FA07 FA12 FA32 3G092 AA01 AA05 AA06 AA11 AA18 AB02 BA01 BA02 DA03 DB03 DC01 DF07 EA08 EA29 EB02 EB03 FA03 GA12 HA01X HA01Z HA06X HA13X HA16X HA16Z HE06Z HF08Z 3G301 HA01 HA04 HA11 JA03 JA07 KA12 KA13 LA01 LA07 NA08 NC02 NC07 PA01Z PA02Z PA07A PA07Z PA08Z PA11A PA11Z PA12Z PA17Z PA19Z PD14A PD14Z

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 排気系内で過給器タービンの前方に接続配置された放出弁が
    エンジン制御装置を介して制御され、加速を開始する際に、ペダル位置と負荷に
    比例する勾配がエンジン制御装置によって検出され、負荷に比例する勾配の設定
    可能な値を上回るときに、設定可能な調整された圧力上昇が達成されるように、
    放出弁が開放方向に制御される、ターボ過給器を備えた非定常的に運転されるピ
    ストン式内燃機関の過給圧を制御する方法。
  2. 【請求項２】 負荷に比例する勾配のその都度設定可能な限界値が、エンジ
    ン制御装置の特性マップから求められることを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 負荷に比例する勾配の限界値の設定のために、ペダル勾配が
    考慮されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
  4. 【請求項４】 負荷に比例する勾配のその都度の限界値が、負の方向に低域
    ろ波されたペダル勾配を介して特性マップから求められることを特徴とする請求
    項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
  5. 【請求項５】 負荷に比例する勾配として、吸気系内の過給圧勾配が検出さ
    れることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
  6. 【請求項６】 吸気系内でスロットル弁を介して負荷制御が行われるピスト
    ン式内燃機関における、請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法において、そ
    の都度のスロットル弁位置が検出され、過給圧勾配の設定された値を上回るとき
    に、スロットル弁が少なくとも一時的に閉鎖方向に調節されることを特徴とする
    方法。
  7. 【請求項７】 可変制御可能なガス交換弁を介して負荷制御が行われるピス
    トン式内燃機関における、請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法において、
    負荷に比例する勾配の設定された値を上回るときに、弁開閉時間が少なくとも一
    時的に負荷を低減するように戻されることを特徴とする方法。
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