JP2004011639A - 内燃機関における排気ガス・ターボチャージャのチャージ圧力制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも２つの圧縮機への負荷の均等配分を可能にする、少なくとも２つの圧縮機、特に排気ガス・ターボチャージャのチャージ圧力制御方法および装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の少なくとも２つの圧縮機（６、８）、特に排気ガス・ターボチャージャのチャージ圧力制御方法において、先ず、チャージ圧力制御の第１のステップにおいて、制御偏差の関数として、少なくとも２つの圧縮機（６、８）の出力変数に対する目標値（ｎｔｕｓ）が制御偏差を低減する方向に設定される。次いで、チャージ圧力制御の第２のステップにおいて、圧縮機（６、８）の各々に対して、出力変数に対する目標値（ｎｔｕｓ）と出力変数に対する実際値との間の差の関数として、出力変数に対する目標値（ｎｔｕｓ）に調節するための操作変数が形成される。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の少なくとも２つの圧縮機のチャージ圧力制御方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ドイツ特許第１９８３２０２０号から、２つの排気ガス・ターボチャージャの機能のモニタ方法および装置が既知である。この場合、両方のターボチャージャのチャージ圧力は、閉ループ制御回路により制御される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、少なくとも２つの圧縮機への負荷の均等配分を可能にする、少なくとも２つの圧縮機、特に排気ガス・ターボチャージャのチャージ圧力制御方法および装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、内燃機関の少なくとも２つの圧縮機のチャージ圧力制御方法および装置は、従来技術に比較して、チャージ圧力制御の第１のステップにおいて、制御偏差の関数として、少なくとも２つの圧縮機の出力変数に対する目標値が制御偏差を低減する方向に設定され、またチャージ圧力制御の第２のステップにおいて、圧縮機の各々に対して、出力変数に対する目標値と出力変数に対する実際値との間の差の関数として、出力変数に対する目標値に調節するための操作変数が形成される。このようにして、少なくとも２つの圧縮機への負荷の均等配分が達成される。
【０００５】
本発明によれば、内燃機関の少なくとも２つの圧縮機のチャージ圧力制御方法および装置において、有利な拡張および改善が可能である。
少なくとも２つの圧縮機に対する出力変数として、タービン回転速度が選択されるとき、それは特に有利である。このようにして、少なくとも２つの圧縮機のタービン回転速度がほぼ等しく且つ少なくとも２つの圧縮機の著しく異なるタービン回転速度に基づく圧縮機のタービンの損傷を防止可能であることが保証される。
【０００６】
出力変数に対する目標値が、モデル化値から、制御変数の関数として補正されるとき、それは特に有利である。このようにして、出力変数の目標値に対して先行制御が行われ且つチャージ圧力制御の動特性が向上される。
【０００７】
さらに、モデル化値が、実行された補正の関数として適用されるとき、それは特に有利である。このようにして、出力変数に対する目標値の先行制御が改善され、したがってチャージ圧力制御の動特性がさらに向上される。
【０００８】
本発明の一実施態様が図面に示され且つ以下にこれを詳細に説明する。
【０００９】
【実施例】
図１に、２つのシリンダ・バンク１および２を有する内燃機関１０５が示されている。これら両方のシリンダ・バンク１および２の各々は、排気ガス・ターボチャージャ３および４を備えている。排気ガス・ターボチャージャ３は、第１のシリンダ・バンク１の排気管内にタービン５を有し且つ吸気分岐管内にタービン５と結合された圧縮機６を有している。同様に、第２のシリンダ・バンク２の排気管内に排気ガス・ターボチャージャ４のタービン７が配置され、且つ吸気分岐管内にタービン７と結合された圧縮機８が配置されている。両方のターボチャージャ３および４のタービン５および７は、それぞれ既知のようにバイパス弁９および１０を備えている。これらのバイパス弁９および１０を介して、各排気ガス・ターボチャージャ３、４により発生されたチャージ圧力を希望値に制御することが可能である。両方の排気ガス・ターボチャージャ３および４の圧縮機６および８はそれらの給気を共通吸気管１１内に供給し、共通吸気管１１内に、絞り弁１２と、チャージ圧力実際値ｐｌｉｓｔを測定するための空気圧力センサ１３とが存在している。絞り弁１２の出口において、吸気管１１は両方のシリンダ・ブロック１および２に分岐される。上記の配置は冒頭記載のドイツ特許第１９８３２０２０号から既知である。この場合、さらに、排気ガス・ターボチャージャ３および４の両方のバイパス弁９および１０を同時に操作する操作要素１４、例えばサイクル弁が設けられている。両方の排気ガス・ターボチャージャ３および４のチャージ圧力は、バイパス弁９および１０の代わりに、タービン５、６の幾何形状を介しても制御することができる。両方の排気ガス・ターボチャージャ３および４がエラーなく機能している場合、第１のチャージ圧力制御装置１７は、操作要素１４の入口と結合されている。即ち、このエラーのない場合には、両方の排気ガス・ターボチャージャ３および４のチャージ圧力は、例えばＰＩＤ制御装置として形成されていてもよい第１のチャージ圧力制御装置１７を有する閉ループ制御回路により制御される。第１のチャージ圧力制御装置１７は、入力信号として、空気圧力センサ１３により測定されるチャージ圧力実際値ｐｌｉｓｔと目標値伝送器１８により設定されるチャージ圧力目標値ｐｌｓｏｌとの間の偏差を含む。目標値伝送器１８は、絞り弁位置ＤＫまたは加速ペダル位置と機関回転速度Ｎとの関数としての特性曲線群を示す。結合点１９において、チャージ圧力実際値ｐｌｉｓｔとチャージ圧力目標値ｐｌｓｏｌとの間の偏差が決定される。
【００１０】
両方のバイパス弁９および１１の間のばらつきおよびタービン５および７における異なる圧力比がある場合、タービン５および７の負荷は等しくなくなる。この結果、タービン５、７の一方が、タービンが損傷されるようなタービン回転速度に到達することがある。
【００１１】
ここで、図２に、本発明による、両方の圧縮機６、８のチャージ圧力制御装置１００がブロック回路図の形で示されている。この場合、装置１００は第１の制御段１１０および第２の制御段１１５に分割されている。第１の制御段１１０内に減算段２０３が設けられ、減算段２０３は、目標チャージ圧力（チャージ圧力目標値）ｐｌｓｏｌおよび実際チャージ圧力ｐｌｉｓｔから、第１の差Δ１＝ｐｌｓｏｌ−ｐｌｉｓｔを形成する。ここで、目標チャージ圧力ｐｌｓｏｌは、例えば上記のように図１に示す目標伝送器１８により決定される。同様に上記のように、実際チャージ圧力（チャージ圧力実際値）ｐｌｉｓｔは、図１に示す空気圧力センサ１３により測定することができる。第１の差Δ１は第２のチャージ圧力制御装置２０５に与えられる。第２のチャージ圧力制御装置２０５は、第１の差Δ１から、両方の排気ガス・ターボチャージャ３、４のタービン目標回転速度に対する補正信号ｄｎｔｕｓを発生する。この場合、補正信号ｄｎｔｕｓは、第２のチャージ圧力制御装置２０５により、第１の差Δ１、それ故チャージ圧力制御偏差を低減するように形成され、これによりチャージ圧力実際値ｐｌｉｓｔをチャージ圧力目標値ｐｌｓｏｌに近づけることができる。加算段２１０は、補正信号ｄｎｔｕｓから、加算段２１０が補正信号ｄｎｔｕｓに先行制御目標回転速度ｎｔｕｓｖｓｔを加算することにより、両方のタービン５および７に対するタービン目標回転速度ｎｔｕｓを形成する。タービン目標回転速度ｎｔｕｓは、両方の圧縮機６、８の出力変数としてのタービン回転速度に対する両方の排気ガス・ターボチャージャ３、４に共通の目標値である。先行制御目標回転速度ｎｔｕｓｖｓｔは、タービン回転速度に対するモデル化値を示し、且つ特性曲線群２０８において、チャージ圧力目標値ｐｌｓｏｌおよび、例えば目標空気容積流量ｖｌｓｏｌのような他の変数の関数として計算される。一方、目標空気容積流量ｖｌｓｏｌは、既知のように、温度および圧力で補正された目標空気質量流量から計算することができ、この補正された目標空気質量流量は、図１および２には示されていない機関制御により、例えばドライバの希望の関数として形成された機関出力目標トルクに基づいて計算され、且つ絞り弁１２の適切な調節により設定される。
【００１２】
先行制御目標回転速度ｎｔｕｓｖｓｔを計算するための他の変数として、両方の排気ガス・ターボチャージャ３、４の排気ガス質量流量が使用されてもよい。先行制御目標回転速度ｎｔｕｓｖｓｔを用いた先行制御により、チャージ圧力制御の制御過程が加速され、これによりチャージ圧力制御の動特性が向上される。
【００１３】
図２に示すように、第１の制御段１１０は、減算段２０３、特性曲線群２０８、第２のチャージ圧力制御装置２０５、および加算段２１０を含む。加算段２１０の出力信号は、上記のようにタービン目標回転速度ｎｔｕｓであり、且つ第２の制御段１１５に供給される。第２の制御段１１５は、第１の排気ガス・ターボチャージャ３に対する第１の部分２１４と、第２の排気ガス・ターボチャージャ４に対する第２の部分２１５とを含む。タービン目標回転速度ｎｔｕｓは、第１の部分２１４において減算段２１２に与えられ、第２の部分２１５において減算段２１３に与えられる。減算段２１２にはさらに、第１の排気ガス・ターボチャージャ３のタービン実際回転速度ｎｔｕｉ１が供給され、タービン実際回転速度ｎｔｕｉ１は、例えば図１には示されていない測定装置により決定することができる。減算段２１２は、第２の差Δ２＝ｎｔｕｓ−ｎｔｕｉ１を形成する。第２の差Δ２は、第１の部分２１４内の第１の回転速度制御装置２１６に供給される。減算段２１３にはさらに、第２の排気ガス・ターボチャージャ４のタービン実際回転速度ｎｔｕｉ２が供給され、第２のタービン実際回転速度ｎｔｕｉ２は同様に図１には示されていない測定装置により決定することができる。減算段２１３は、第３の差Δ３＝ｎｔｕｓ−ｎｔｕｉ２を形成する。第３の差Δ３は、第２の制御段１１５の第２の部分２１５内の第２の回転速度制御装置２１７に供給される。第２の差Δ２の関数として、第１の回転速度制御装置２１６は、第１の操作信号Ｓ１を第１の操作要素２２０に出力する。この場合、第１の操作要素２２０は排気ガス・ターボチャージャ３のバイパス弁９であり、このとき第１の操作信号Ｓ１は操作変数としてバイパス弁９の開度を伝送する。この場合、バイパス弁９の開度は、第１の回転速度制御装置２１６により、第２の差Δ２、それ故第１の排気ガス・ターボチャージャ３の回転速度制御偏差が低減ないし０の方向に制御されるように設定される。このようにして、第１の排気ガス・ターボチャージャ３に対してタービン目標回転速度ｎｔｕｓに制御することができる。同様に、第２の回転速度制御装置２１７は第２の操作信号Ｓ２を第２の操作要素２２１に出力する。この場合、第２の操作要素２２１は第２の排気ガス・ターボチャージャ４のバイパス弁１０である。第２の操作信号Ｓ２の操作変数はバイパス弁１０の開度である。バイパス弁１０の開度は、第３の差Δ３の関数として、第２の回転速度制御装置２１７において、第３の差Δ３、それ故第２の排気ガス・ターボチャージャ４の回転速度制御偏差を低減ないし０の方向に制御するように形成される。このようにして、第２の排気ガス・ターボチャージャ４に対してもタービン目標回転速度ｎｔｕｓに制御することができる。
【００１４】
第２の制御段１１５の第１の部分２１４内の第１の操作要素２２０の出力信号として、第１の操作信号Ｓ１と、およびそれと結合されたバイパス弁９の開度とに基づいて、第１のタービン実際回転速度ｎｔｕｉ１が得られる。第２の操作要素２２１の出口において、第２の操作信号Ｓ２により形成されたバイパス弁１０の開度に基づいて、第２のタービン実際回転速度ｎｔｕｉ２が得られる。第１のタービン実際回転速度ｎｔｕｉ１に基づいて第１の部分チャージ圧力実際値が得られ、および第２の実際回転速度ｎｔｕｉ２に基づいて第２の部分チャージ圧力値が得られる。両方のタービン実際回転速度ｎｔｕｉ１、ｎｔｕｉ２のそれぞれの部分チャージ圧力実際値への変換、およびチャージ圧力実際値ｐｌｉｓｔへのそれらの重ね合わせは、図２内の変換／重ね合わせ手段２２２において行われる。変換／重ね合わせ手段２２２は内燃機関１０５の空気系を表わし、変換／重ね合わせ手段２２２において、排気ガス・ターボチャージャ３、４のタービン実際回転速度ｎｔｕｉ１、ｎｔｕｉ２の関数として部分チャージ圧力実際値が設定される。それぞれの軸を介して付属のタービン５、７と結合されている圧縮機６、８は吸い込まれた空気を圧縮し、圧縮された空気は絞り弁１２の手前で合流される。したがって、実際チャージ圧力ｐｌｉｓｔは両方の部分チャージ圧力実際値の和として設定される。
【００１５】
図２において第２のチャージ圧力制御装置２０５から特性曲線群２０８へ補正信号ｄｎｔｕｓを出力することによって示されているように、補正信号ｄｎｔｕｓにより先行制御目標回転速度ｎｔｕｓｖｓｔの適応が行われたとき、本発明による方法の他の改善が可能である。このようにして、要求されたチャージ圧力目標値ｐｌｓｏｌの形成のために、先行制御目標回転速度ｎｔｕｓｖｓｔをより正確に設定することができるので、チャージ圧力制御をさらに加速し且つチャージ圧力制御の動特性をさらに向上させることができる。
【００１６】
チャージ圧力目標値ｐｌｓｏｌの代わりに、特性曲線群２０８に圧縮機圧力比に対する目標値が供給されてもよい。この場合、圧縮機圧力比は、絞り弁１２の手前の共通吸気管１１内の圧力と、図１に符号３００で示されている空気系内の流れ方向において圧縮機６、８の手前の圧力との比である。この場合、圧縮機圧力比に対する目標値は同様に、特性曲線群から、絞り弁位置ＤＫおよび機関回転速度Ｎの関数として決定することができる。
【００１７】
代替態様において、特性曲線群２０８を省略し、また第１の差Δ１を低減ないし０の方向に制御するために、したがってチャージ圧力実際値ｐｌｉｓｔをチャージ圧力目標値ｐｌｓｏｌに近づけるために、第２のチャージ圧力制御装置２０５が予めタービン目標回転速度ｎｔｕｓを第１の差Δ１の関数として出力するように、第２のチャージ圧力制御装置２０５を形成する設計が行われていてもよい。
【００１８】
装置１００はカスケード制御を示し、カスケード制御は、第１の制御段１１０において両方の排気ガス・ターボチャージャ３、４に対して共通の上位のチャージ圧力制御を実行し、またそれに続く第２の制御段１１５およびその中の回転速度制御装置２１６、２１７に対して、両方の圧縮機６、８の出力変数として、タービン目標回転速度ｎｔｕｓを出力する。
【００１９】
この実施態様は、２つの排気ガス・ターボチャージャを有する内燃機関に関して記載されてきた。同様に、例えば２つより多いシリンダ・バンクが設けられ、即ちシリンダごとに排気ガス・ターボチャージャが設けられているときのように、３つ以上の排気ガス・ターボチャージャが設けられていてもよい。この場合には、第２の制御段１１５において、各排気ガス・ターボチャージャに対して、例えば第１の部分２１４および第２の部分２１５により示されているような回転速度制御が設けられることになる。このとき、すべての排気ガス・ターボチャージャのチャージ圧力は、上記のように、絞り弁１２の流れ方向手前において集合され、変換／重ね合わせ手段２２２内で加算されてチャージ圧力実際値ｐｌｉｓｔが形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】２つの排気ガス・ターボチャージャおよび１つのチャージ圧力制御を有する内燃機関のブロック回路図である。
【図２】本発明によるチャージ圧力制御装置のブロック回路図である。
【符号の説明】
１、２　シリンダ・バンク
３、４　排気ガス・ターボチャージャ
５、７　タービン
６、８　圧縮機
９、１０　バイパス弁
１１　吸気管
１２　絞り弁
１３　空気圧力センサ
１４　操作要素
１７　第１のチャージ圧力制御装置
１８　目標値伝送器
１９　結合点
１００　チャージ圧力制御装置
１１０　第１の制御段
１１５　第２の制御段
２０３、２１２、２１３　減算段
２０５　第２のチャージ圧力制御装置
２０８　特性曲線群
２１０　加算段
２１４　（第１の排気ガス・ターボチャージャに対する）第１の部分
２１５　（第２の排気ガス・ターボチャージャに対する）第２の部分
２１６、２１７　回転速度制御装置
２２０、２２１　操作要素
２２２　変換／重ね合わせ手段
３００　空気系
ＤＫ　絞り弁位置
ｄｎｔｕｓ　補正信号
Ｎ　機関回転速度
ｎｔｕ　タービン回転速度
ｎｔｕｓ　タービン目標回転速度
ｎｔｕｓｖｓｔ　モデル化値（先行制御目標回転速度）
ｎｔｕｉ１、ｎｔｕｉ２　タービン実際回転速度
ｐｌｉｓｔ　チャージ圧力実際値
ｐｌｓｏｌ　チャージ圧力目標値
Ｓ１、Ｓ２　操作信号
ｖｌｓｏｌ　目標空気容積流量
Δ１、Δ２、Δ３　差

Claims (9)

1. チャージ圧力制御の第１のステップにおいて、制御偏差の関数として、少なくとも２つの圧縮機（６、８）の出力変数に対する目標値（ｎｔｕｓ）が、制御偏差を低減する方向に設定されること、および
   チャージ圧力制御の第２のステップにおいて、圧縮機（６、８）の各々に対して、前記出力変数に対する目標値（ｎｔｕｓ）と前記出力変数に対する実際値との間の差の関数として、前記出力変数に対する目標値（ｎｔｕｓ）に調節するための操作変数が形成されること、
   を特徴とする、内燃機関の少なくとも２つの圧縮機（６、８）、特に排気ガス・ターボチャージャのチャージ圧力制御方法。
2. 第１のステップにおいて制御偏差を決定するために、目標チャージ圧力値（ｐｌｓｏｌ）と実際チャージ圧力値（ｐｌｉｓｔ）との間の差が形成されることを特徴とする請求項１に記載のチャージ圧力制御方法。
3. 少なくとも２つの圧縮機（６、８）に対する出力変数として、タービン回転速度（ｎｔｕ）が選択されることを特徴とする請求項１または２に記載のチャージ圧力制御方法。
4. 少なくとも２つの圧縮機（６、８）が排気ガス・ターボチャージャとして形成されている場合に、操作変数として、それぞれの排気ガス・ターボチャージャのバイパス弁の開度が選択されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のチャージ圧力制御方法。
5. 出力変数に対する目標値（ｎｔｕｓ）が、モデル化値（ｎｔｕｓｖｓｔ）から、前記制御偏差の関数として補正されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のチャージ圧力制御方法。
6. 前記モデル化値が、目標チャージ圧力値（ｐｌｓｏｌ）および目標空気容積流量（ｖｌｓｏｌ）の関数として計算されることを特徴とする請求項５に記載のチャージ圧力制御方法。
7. 少なくとも２つの圧縮機（６、８）が、排気ガス・ターボチャージャとして形成されている場合に、前記モデル化値が、少なくとも２つの排気ガス・ターボチャージャの排気ガス質量流量の関数として計算されることを特徴とする請求項５または６に記載のチャージ圧力制御方法。
8. モデル化値（ｎｔｕｓｖｓｔ）が、実行された補正の関数として適応されることを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載のチャージ圧力制御方法。
9. 第１の制御段（１１０）が設けられ、第１の制御段（１１０）において、制御偏差の関数として、少なくとも２つの圧縮機（６、８）の出力変数に対する目標値（ｎｔｕｓ）が、制御偏差を低減する方向に設定されること、および
   第２の制御段（１１５）が設けられ、第２の制御段（１１５）において、圧縮機（６、８）の各々に対して、前記出力変数に対する目標値（ｎｔｕｓ）と前記出力変数に対する実際値との間の差の関数として、前記出力変数に対する目標値（ｎｔｕｓ）に調節するための操作変数が形成されること、
   を特徴とする内燃機関（１０５）の少なくとも２つの圧縮機（６、８）、特に排気ガス・ターボチャージャのチャージ圧力制御装置（１００）。

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