JP2005220761A

JP2005220761A - ディーゼル機関の制御装置

Info

Publication number: JP2005220761A
Application number: JP2004027042A
Authority: JP
Inventors: Masaru Uchiyama; 賢内山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2005-08-18
Also published as: CN100406698C; CN1651731A; DE102005004832A1

Abstract

【課題】過給圧の異常上昇を検出した時に、排気タービンに作用する排気エネルギを急激に低下させることで、ターボ回転数のオーバースピードを防止して、ターボ過給機の保護を行うこと。
【解決手段】ＥＣＵは、実過給圧が予め設定された第２の許容上限過給圧を超えた場合に、ターボ過給機を保護するための第２の保護制御を実行する。即ち、実過給圧が第２の許容上限過給圧を超えた時点で、噴射量をカットし、且つ、ＥＧＲバルブの開度を全開に制御する。これにより、ＥＧＲ通路を通って吸気通路へ還流するＥＧＲガス量が急激に増加するため、それに伴い、ターボ過給機の排気タービンに掛かる排気エネルギが大きく低下する。その結果、過給圧の過剰状態が速やかに解消され、ターボ回転数のオーバースピード（ターボ過給機の信頼性を維持できる上限回転数＜ターボ回転数）を防止できるので、ターボ過給機を保護することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変容量型のターボ過給機を備えるディーゼル機関の制御装置に関する。

従来、ディーゼル機関において、吸入空気量を出来るだけ多くすることは、排気量当たりの出力を増加させる観点で非常に重要である。このため、多くのディーゼル機関に、可変容量型のターボ過給機が採用され、吸入空気量をきめ細かく制御する試みが成されている。

可変容量型のターボ過給機は、排気タービンの入口に可変ノズルが設けられ、この可変ノズルをアクチュエータにより駆動してノズル開度を可変する構造である。このターボ過給機では、アクチュエータを適正に制御しないと、過給圧が上がり過ぎて、ターボ回転数（排気タービン及びコンプレッサの回転数）がオーバースピードとなり、ターボ過給機に悪影響を生じる。
これに対し、例えば、特許文献１及び２に見られる様に、過給圧が異常に上昇した場合に、噴射量を低減して機関の出力を制限することで、排気タービンに供給される排ガス量を低減して、ターボ回転数を低下させるフェイルセーフ方法が取り入れられている。
特表平１０−５０３５６９号公報特開平５−２８０３６５号公報

しかし、上記のフェイルセーフ方法（過給圧が異常に上昇した場合に出力を制限する方法）では、噴射量を低減して出力を制限しても、エンジン回転数が高いままの状態（例えば、ギヤを繋いだ状態の惰性走行）が継続するため、噴射量を低減してから、実際に過給圧が低下するまでに時間がかかり、ターボ保護のために十分な効果が得られない可能性がある。

本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、過給圧の異常上昇を検出した時に、排気タービンに作用する排気エネルギを急激に低下させることで、ターボ回転数のオーバースピードを防止して、ターボ過給機の保護を行うディーゼル機関の制御装置を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、排気エネルギを利用して吸気を加圧する可変容量型のターボ過給機と、排ガスの一部を吸気系へ還流させるためのＥＧＲ通路と、このＥＧＲ通路を流れる排ガス量を調整するＥＧＲバルブとを備えるディーゼル機関の制御装置において、ターボ過給機により生じる実過給圧が、予め設定された許容上限過給圧を超えた場合に、ターボ過給機を保護するためのターボ保護制御を実施するターボ保護手段を有し、このターボ保護手段は、ターボ保護制御として、ＥＧＲバルブの開度を開き側に制御することを特徴とする。

上記の構成によれば、実過給圧が許容上限過給圧を超えた場合に、ＥＧＲバルブの開度を開き側（全開も含む）に制御することで、ＥＧＲ通路を通って吸気系へ還流する排ガス量（ＥＧＲガス量）が増大する。それに伴い、ターボ過給機の排気タービン側へ流れる排ガス量が低減するため、コンプレッサによる過給が抑制されて、過給圧の過剰状態が解消される。特に、ＥＧＲバルブの開度を全開にすれば、排気タービン側へ流れる排ガス量を急激に低減できるので、過給圧の過剰状態を速やかに解消することが可能である。この結果、ターボ回転数のオーバースピードを防止でき、ターボ過給機を保護できる。

（請求項２の発明）
本発明は、排気エネルギを利用して吸気を加圧する可変容量型のターボ過給機と、排ガスの一部を吸気系へ還流させるためのＥＧＲ通路と、このＥＧＲ通路を流れる排ガス量を調整するＥＧＲバルブとを備えるディーゼル機関の制御装置において、ターボ過給機により生じる実過給圧が、予め設定された許容上限過給圧を超えた場合に、ターボ過給機を保護するためのターボ保護制御を実施するターボ保護手段を有し、このターボ保護手段は、ターボ保護制御として、ＥＧＲバルブの開度を開き側に制御すると共に、ディーゼル機関の筒内に噴射する噴射量を低減またはカットすることを特徴とする。

上記の構成によれば、実過給圧が許容上限過給圧を超えた場合に、ＥＧＲバルブの開度を開き側（全開も含む）に制御することで、請求項１の発明と同様に、過給圧の過剰状態が解消される。但し、ＥＧＲバルブの開度を開き側に制御すると、吸気系へ還流する排ガス量が増えるため、必然的に筒内の酸素濃度が低下することになる。このため、ＥＧＲバルブの開度を制御する前と同じ噴射量では、噴射量過剰となり、スモーク（黒鉛）が増加する可能性がある。これに対し、請求項２の発明では、ＥＧＲバルブの開度を開き側に制御すると共に、噴射量を低減またはカットすることにより、噴射量過剰を防止できるので、スモークの増加を抑制できる。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載したディーゼル機関の制御装置において、ターボ保護手段は、実過給圧が許容上限過給圧より所定値だけ低下するまで、もしくは所定時間経過するまでの間だけターボ保護制御を実施することを特徴とする。
必要以上にターボ保護制御を継続すると、スモークの悪化、及び、出力の落ち込み等によるドライバビリティの低下を招くため、ターボ過給機を保護するために必要な間だけターボ保護制御を実施することにより、スモークの悪化、及び、ドライバビリティの低下を防止できる。

（請求項４の発明）
請求項１または３に記載したディーゼル機関の制御装置において、ターボ保護手段は、ＥＧＲバルブの開度を制御する際に、実過給圧が許容上限過給圧を超えた時点で、直ちに目標開度（全開を含む）まで制御し、実過給圧が許容上限過給圧より所定値だけ低下した後、もしくは所定時間経過した後に、通常のフィードバック制御に復帰させることを特徴とする。

この構成によれば、ターボ保護制御を実施した後、ＥＧＲバルブの開度を通常のフィードバック制御に戻すことにより、ディーゼル機関の運転状態に適したＥＧＲ制御を実施でき、ＮＯｘやスモークの増加を防止できる。なお、通常のフィードバック制御とは、ディーゼル機関の運転状態（例えば、機関回転数と噴射量）を基に、ＥＧＲ制御量（例えば、吸気量、吸気Ｏ₂濃度、排気Ｏ₂濃度、ＥＧＲ率等）の目標値を設定し、その目標値と実際のＥＧＲ制御量との偏差に応じてＥＧＲバルブの開度をフィードバック制御することを言う。

（請求項５の発明）
請求項２または３に記載したディーゼル機関の制御装置において、ターボ保護手段は、ＥＧＲバルブの開度を制御する際に、実過給圧が許容上限過給圧を超えた時点で、直ちに目標開度（全開を含む）まで制御し、実過給圧が許容上限過給圧より所定値だけ低下した後、もしくは所定時間経過した後に、通常のフィードバック制御に復帰させると共に、噴射量を低減またはカットする際に、実過給圧が許容上限過給圧を超えた時点で、目標とする値まで直ちに低減またはカットし、実過給圧が許容上限過給圧より所定値だけ低下した後、もしくは所定時間経過した後に、噴射量を徐々に戻すことを特徴とする。

上記の構成によれば、ターボ保護制御を実施した後、ＥＧＲバルブの開度を通常のフィードバック制御に戻すことにより、ディーゼル機関の運転状態に適したＥＧＲ制御を実施でき、ＮＯｘやスモークの増加を防止できる。また、ターボ保護制御を実施した後、噴射量を徐々に戻すことにより、機関出力の急激な変化（車両の急加速）を防止できる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１はターボ保護制御のブロック図、図３はディーゼル機関の空気系統を示す模式図である。
実施例１に係るディーゼル機関は、図３に示す様に、各気筒１のシリンダヘッドにそれぞれインジェクタ２が取り付けられ、図示しないコモンレールより供給される高圧燃料がインジェクタ２より筒内の燃焼室１ａに噴射される。なお、インジェクタ２の噴射時期及び噴射量は、ディーゼル機関の回転数及び負荷（アクセル開度）等に基づき、電子制御装置（ＥＣＵ３と呼ぶ）により制御される。

このディーゼル機関は、排ガスの一部を吸気通路４へ還流させるＥＧＲ装置と、可変容量型のターボ過給機とを備え、吸気通路４には、吸気量を調整するディーゼルスロットル５が設けられている。
ＥＧＲ装置は、排気通路６と吸気通路４とを連通するＥＧＲ通路７と、このＥＧＲ通路７に設けられるＥＧＲバルブ８とを有し、このＥＧＲバルブ８の開度を変更することにより、ＥＧＲ通路７を流れる排ガス量（ＥＧＲガス量）を可変する。なお、ＥＧＲ通路７の途中には、例えば、冷却水との熱交換によってＥＧＲガスを冷却する水冷式の冷却装置９が設けられている。

ターボ過給機は、ＥＧＲ通路７の接続口より下流側の排気通路６に設けられる排気タービン１０と、ＥＧＲ通路７の接続口より上流側の吸気通路４に設けられるコンプレッサ１１とで構成され、筒内より排出される排ガスのエネルギを受けて排気タービン１０が回転すると、その排気タービン１０と同軸に連結されたコンプレッサ１１が回転して吸入空気を加圧する。
このターボ過給機は、排気タービン１０の入口側に可変ノズル（図示せず）が設けられ、この可変ノズルをアクチュエータ（図示せず）により駆動して、ノズル開度を調整することにより、過給圧特性を変更できる。

前述のＥＣＵ３は、ディーゼル機関の運転状態（エンジン回転数、噴射量など）に応じて、ＥＧＲガス量および過給圧を制御する。
ＥＣＵ３によるＥＧＲ制御は、ディーゼル機関の運転状態を基に、ＥＧＲ制御量（例えば、吸気量、吸気Ｏ₂濃度、排気Ｏ₂濃度、ＥＧＲ率等）の目標値を設定し、その目標値と実際のＥＧＲ制御量との偏差に応じてＥＧＲバルブ８の開度をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する。

また、ＥＣＵ３による過給圧制御は、ディーゼル機関の運転状態を基に、目標過給圧を設定し、その目標過給圧と実際の過給圧（実過給圧）との偏差に応じて、アクチュエータを駆動して可変ノズルの開度をＦ／Ｂ制御する。
但し、実過給圧が予め設定された許容上限過給圧を超える時は、ターボ過給機を保護するためのターボ保護制御（図１参照）が実行される。なお、実過給圧は、吸気通路４に取り付けられる過給圧センサ１１（図３参照）により検出され、ＥＣＵ３に出力される。

以下に、ターボ保護制御について説明する。
ＥＣＵ３によるターボ保護制御は、許容上限過給圧が二段階に設定され、実過給圧が第１の許容上限過給圧を超えた時と、第１の許容上限過給圧より高い第２の許容上限過給圧を超えた時に実施される。なお、第１の許容上限過給圧および第２の許容上限過給圧は、図１に示す様に、エンジン回転数ＮＥ、噴射量Ｑ、及び許容上限過給圧をパラメータとする三次元マップより、ディーゼル機関の運転条件（ＮＥ、Ｑ）に応じて設定される。
実過給圧が第１の許容上限過給圧を超えた時に実施されるターボ保護制御（第１の保護制御と呼ぶ）は、従来より既に行われている方法であり、（１）インジェクタ２による噴射量を制限する、（２）ターボ過給機のノズル開度を全開に制御する。

実過給圧が第２の許容上限過給圧を超えた時に実施されるターボ保護制御（第２の保護制御と呼ぶ）は、第１の保護制御により、ターボ過給機のノズル開度を全開に制御したにも係わらず、実過給圧が更に上昇して第２の許容上限過給圧を超えた場合に行うもので、（１）インジェクタ２による噴射量をカットする、（２）ＥＧＲバルブ８を全開に制御する。なお、ターボ過給機のノズル開度を全開に制御したにも係わらず、実過給圧が上昇する理由としては、ターボ過給機の応答性が遅いことが挙げられる。つまり、ターボ過給機は、排気タービン１０及びコンプレッサ１１が慣性力を持って回転しているため、ノズル開度を全開にしても、過給圧が下がるまでに時間が掛かり、その間に、実過給圧が第２の許容上限過給圧を超える場合がある。

この第２の保護制御について、図２のタイムチャートを基に説明する。
ＥＣＵ３は、過給圧センサ１１で検出される実過給圧を取り込み、その実過給圧が第２の許容上限過給圧（ｃ）を超えた時点（図２の時間軸に示す時刻ｔ１）で、ターボ保護制御フラグをＯＮして、内蔵するタイマを所定時間（例えば１秒）にセットし（ｅ）、直ちに第２の保護制御を開始する。これにより、噴射量がカットされ（ｂ）、且つ、ＥＧＲバルブ８の開度が全開に制御される（ｆ）。

ＥＧＲバルブ８が全開に制御されると、ＥＧＲ通路７を通って吸気通路４へ還流するＥＧＲガス量が急激に増加するため、それに伴い、排気通路６の排気タービン１０側へ流れる排ガス量が急激に低減する。その結果、排気タービン１０に作用する排気圧が大きく低下するため、ターボ回転数（排気タービン１０及びコンプレッサ１１の回転数）が、ターボ過給機の信頼性を維持できる上限回転数を超えることなく、急速に低下する（ｄ）。

また、ＥＧＲバルブ８を全開に制御すると、吸気通路４へ還流するＥＧＲガス量が増えるため、必然的に筒内の酸素濃度が低下する。このため、ＥＧＲバルブ８の開度を制御する前と同じ噴射量を与えると、噴射量過剰となり、スモーク（黒鉛）が増加する可能性がある。これに対し、第２の保護制御では、ＥＧＲバルブ８を全開に制御すると共に、噴射量をカットするので、噴射量過剰を防止でき、スモークの増加が抑制される。

セットされたタイマ時間が終了（図２の時間軸に示す時刻ｔ２）すると、ターボ保護制御フラグをＯＦＦして、第２の保護制御を終了する。
この後、ＥＧＲバルブ８は、上記のＥＧＲ制御によって指令されるバルブ開度にＦ／Ｂ制御される（ｆ）。また、噴射量は、通常の噴射量制御により指令される指令噴射量まで徐々に戻していく（ｂ）。この噴射量の変化に伴い、エンジン回転数も緩やかに変化する（ａ）。

（実施例１の効果）
実施例１に記載した第２の保護制御（ターボ保護制御）では、実過給圧が第２の許容上限過給圧を超えた時点で、直ちにＥＧＲバルブ８を全開に制御することで、排気タービン１０に掛かる排気エネルギを大きく低下させることができる。その結果、過給圧の過剰状態が速やかに解消され、ターボ回転数のオーバースピード（ターボ過給機の信頼性を維持できる上限回転数＜ターボ回転数）を防止できるので、ターボ過給機を保護できる。
また、ＥＧＲバルブ８を全開に制御すると共に、噴射量をカットするので、噴射量過剰を防止でき、スモークの増加を抑制できる。

更に、第２の保護制御が終了した後、噴射量を徐々に戻すことにより、機関出力の急激な変化を防止できるので、車両の急加速に伴う危険を回避できると共に、ドライバビリティの悪化を防止できる。
また、ターボ過給機が機械故障（例えば、可変ノズルが固着）している場合は、可変ノズルを全開に制御する従来の方法（第１の保護制御）では、可変ノズルを制御できないため、過給圧の異常上昇を解消できないが、実施例１に記載した第２の保護制御では、ＥＧＲバルブ８を全開に制御することにより、ターボ過給機の故障時でも、過給圧の異常上昇を解消することが可能である。

（変形例）
実施例１では、ターボ保護制御として、第１の保護制御で過給圧の異常上昇が解消できない場合に、第２の保護制御を実施する例を記載したが、第１の保護制御を廃止して、第２の保護制御だけを実施しても良い。
また、第２の保護制御では、（１）噴射量をカットし、（２）ＥＧＲバルブ８を全開に制御する方法を記載したが、過給圧の異常上昇を解消するためには、少なくともＥＧＲバルブ８を全開に制御するだけでも良い。つまり、第２の保護制御から噴射量カットを廃止しても良い。

実施例１では、タイマでセットされた時間（例えば１秒）だけ、第２の保護制御を実施する例を記載したが、タイマにより第２の保護制御を実施する時間を設定するのではなく、実過給圧が第２の許容上限過給圧より所定値だけ低下した時点で、第２の保護制御を終了しても良い。

実施例１に係るターボ保護制御のブロック図である。実施例１に係る制御動作のタイムチャートである。実施例１に係るディーゼル機関の空気系統を示す模式図である。

符号の説明

１気筒（ディーゼル機関）
３ＥＣＵ（ターボ保護手段、制御装置）
７ＥＧＲ通路
８ＥＧＲバルブ
１０排気タービン（ターボ過給機）
１１コンプレッサ（ターボ過給機）

Claims

排気エネルギを利用して吸気を加圧する可変容量型のターボ過給機と、
排ガスの一部を吸気系へ還流させるためのＥＧＲ通路と、
このＥＧＲ通路を流れる排ガス量を調整するＥＧＲバルブとを備えるディーゼル機関の制御装置において、
前記ターボ過給機により生じる実過給圧が、予め設定された許容上限過給圧を超えた場合に、前記ターボ過給機を保護するためのターボ保護制御を実施するターボ保護手段を有し、このターボ保護手段は、前記ターボ保護制御として、前記ＥＧＲバルブの開度を開き側に制御することを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
排気エネルギを利用して吸気を加圧する可変容量型のターボ過給機と、
排ガスの一部を吸気系へ還流させるためのＥＧＲ通路と、
このＥＧＲ通路を流れる排ガス量を調整するＥＧＲバルブとを備えるディーゼル機関の制御装置において、
前記ターボ過給機により生じる実過給圧が、予め設定された許容上限過給圧を超えた場合に、前記ターボ過給機を保護するためのターボ保護制御を実施するターボ保護手段を有し、このターボ保護手段は、前記ターボ保護制御として、前記ＥＧＲバルブの開度を開き側に制御すると共に、前記ディーゼル機関の筒内に噴射する噴射量を低減またはカットすることを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
請求項１または２に記載したディーゼル機関の制御装置において、
前記ターボ保護手段は、前記実過給圧が前記許容上限過給圧より所定値だけ低下するまで、もしくは所定時間経過するまでの間だけ前記ターボ保護制御を実施することを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
請求項１または３に記載したディーゼル機関の制御装置において、
前記ターボ保護手段は、前記ＥＧＲバルブの開度を制御する際に、前記実過給圧が前記許容上限過給圧を超えた時点で、直ちに目標開度（全開を含む）まで制御し、前記実過給圧が前記許容上限過給圧より所定値だけ低下した後、もしくは所定時間経過した後に、通常のフィードバック制御に復帰させることを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
請求項２または３に記載したディーゼル機関の制御装置において、
前記ターボ保護手段は、前記ＥＧＲバルブの開度を制御する際に、前記実過給圧が前記許容上限過給圧を超えた時点で、直ちに目標開度（全開を含む）まで制御し、前記実過給圧が前記許容上限過給圧より所定値だけ低下した後、もしくは所定時間経過した後に、通常のフィードバック制御に復帰させると共に、前記噴射量を低減またはカットする際に、前記実過給圧が前記許容上限過給圧を超えた時点で、直ちに所定量まで低減またはカットし、前記実過給圧が前記許容上限過給圧より所定値だけ低下した後、もしくは所定時間経過した後に、噴射量を徐々に戻すことを特徴とするディーゼル機関の制御装置。