JP2005534852A - 電気的に補助された可変形状ターボチャージャ - Google Patents

電気的に補助された可変形状ターボチャージャ Download PDF

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Abstract

内燃機関への吸気および／または内燃機関からの排気を制御する方法、装置および／またはシステム。内燃機関への吸気チャージ圧力を制御する例示的方法は、少なくとも部分的に吸気チャージ目標圧力に基づいて１つまたは複数の制御パラメータを決定するステップと、吸気チャージ圧力をブーストすることができる圧縮機に連動可能な状態で結合した電気モータを制御し、タービンへの排気流量を調節することができる可変形状アクチュエータを制御するために、１つまたは複数の制御パラメータを出力するステップとを含む。

Description

本発明は概ね、内燃機関への吸気および／または内燃機関からの排気を制御する方法、装置および／またはシステムに関する。
吸気チャージ圧力（例えば単位面積当たりの力または単位体積当たりのエネルギと定義される）をブーストする方法、装置および／またはシステムは、燃焼によって動力付与された回転シャフトから機械的にエネルギを抽出することが多い。例えば、ターボ過給機は通常、シャフトに取り付けたタービンおよび圧縮機を含み、タービンが排気からエネルギを抽出し、これによってシャフトが回転して、その結果、圧縮機によって吸気チャージ圧力（例えば吸気圧力）のブーストが引き起こされる。別の例として、スーパチャージャを考えると、これは駆動シャフトなどから抽出したエネルギによって動力付与された圧縮機を使用して、吸気チャージ圧力をブーストする。
最近、ブーストの問題に対処することを目的とする様々な可変形状ターボチャージャ（ＶＧＴ）が入手可能になった。ＧＡＲＲＥＴＴ（登録商標）ＶＮＴ（商標）およびＡＶＮＴ（商標）ターボチャージャ（カリフォルニア州Ｇａｒｒｅｔｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）に制限されないが、このようなＶＧＴは、調節可能な翼、ノズルなどを使用して、タービンを流れる排気を制御する。例えばＧＡＲＲＥＴＴ（登録商標）ＶＮＴ（商標）ターボチャージャは、必要な負荷でタービン出力を最適にするために、タービンの入口で排気流を調節する。閉位置に向かう翼の動作は、通常、排気流をタービンに対してさらに折線方向に配向し、これがタービンに与えるエネルギを増加させ、その結果、圧縮機のブーストを増加させる。逆に、開位置に向かう翼の動作は、通常、排気流をタービンに対してさらに半径方向に配向し、タービンへのエネルギを減少させ、その結果、圧縮機のブーストを減少させる。したがって、低いエンジン速度および少量の排気流量で、ＶＧＴターボチャージャはタービン出力を増加させて、圧力をブーストさせることができ、エンジンの全速／負荷および高いガス流量で、ＶＧＴターボチャージャは、ターボチャージャの超過速度を回避し、適切または必要なブースト圧力の維持に役立つことができる。
圧縮機圧力に結合されたアクチュエータが形状を制御したり、かつ／または、エンジン管理システムが、真空アクチュエータを使用して形状を制御したりなど、形状を制御するために、様々な制御体系が存在する。全体として、ＶＧＴは、ブースト圧力の調整を可能にすることができ、これは出力、燃料効率、排ガス、応答および／または摩耗を効果的に最適化する。言うまでもなく、ターボチャージャは、前述した流路可変技術に対して代替的または追加的方法としてウエィストゲート技術を使用してよい。
前述した市販の装置などの機能および／または他の機能を有する方法、装置および／またはシステムについて、以下で説明する。
本明細書で説明する様々な方法、システムおよび／または配置構成、およびその同等物は、以下の詳細な説明を添付図面と組み合わせて参照することにより、さらに完全に理解することができる。
同様の参照番号が同様の要素を指す図面を参照すると、様々な方法が、適切な制御および／または計算環境に実装された状態で図示されている。必要ではないが、様々な例示的方法が、コンピュータおよび／または他の計算装置によって実行されるプログラムモジュールなどの、コンピュータで実行可能な命令の一般的文脈で記載されている。通常、プログラムモジュールは、特定の作業を実行するか、特定の抽象的なデータタイプを実行するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。
本明細書の幾つかの図では、様々なアルゴリズムを個々の「ブロック」で要約している。このようなブロックは、プロセスが進行するにつれ実行される特定の動作または下される特定の決定を述べる。マイクロコントローラ（又は同等品）を使用する場合、本明細書で示す流れ図は、所望の制御を遂行するためにこのようなマイクロコントローラ（又は同等品）が使用できる「制御プログラム」またはソフトウェア／ファームウェアの基礎を提供する。したがって、プロセスは、機械が読み取り可能で、メモリに記憶可能な命令として実装され、これはプロセッサによって実行されると、ブロックとして示される様々な動作を実行する。また、様々な図は、随意的に装置および／またはシステムの構造的な要素となる個々の「ブロック」を含む。例えば、「制御装置ブロック」は、随意的に構造要素となる制御装置を含み、「アクチュエータブロック」は、随意的に構造要素となるアクチュエータを含み、「ターボチャージャブロック」は、随意的に構造要素となるターボチャージャを含み、以下同様である。様々なブロックで、構造および機能が示される。例えば、制御装置ブロックは、ブースト（機能など）を制御する制御装置（構造など）を随意的に含む。
当業者は、本明細書で提示する流れ図および他の説明に基づいて、このような制御プログラムを容易に書くことができる。本明細書で説明する主題は、以下で説明する動作を実行するためにプログラムする場合のデバイスおよび／またはシステムばかりでなく、マイクロコントローラ、および追加的にこのようなソフトウェアを実現することができる任意かつ全てのコンピュータ読み取り可能媒体をプログラムするように構成されたソフトウェアも含むことを理解し、認識されたい。このようなコンピュータ読み取り可能媒体の例は、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリなどであり、制限はない。
ターボチャージャは、内燃機関の出力を増加させるために頻繁に使用される。図１を参照すると、例示的内燃機関１１０および例示的ターボチャージャ１２０を含む例示的システム１００が図示されている。内燃機関１１０は、作用可能な状態でシャフト１１２を駆動する１つまたは複数の燃焼室を収容するエンジンブロック１１８を含む。図１で示すように、吸気口１１４は、エンジンブロック１１８への燃焼ガス（空気など）の流路を提供し、排気口１１６は、エンジンブロック１１８からの排気の流路を提供する。
例示的ターボチャージャ１２０は、排気からエネルギを抽出して、吸気チャージ圧力（燃焼ガスの圧力など）をブーストするためにこのエネルギを使用するように作用する。図１で示すように、ターボチャージャ１２０は、圧縮機１２４、タービン１２６、吸気１３４および排気出口１３６を有するシャフト１２２を含む。エンジン１１０からタービン１２６へと逸れる排気はシャフト１２２を回転させ、これが圧縮機１２４を回転させる。回転時に、圧縮機１２４は、燃焼ガス（周囲の空気など）を励起して、燃焼ガス圧（単位面積当たりの力または単位体積当たりのエネルギなど）に「ブースト」を生成し、これは一般的に「ブースト圧」と呼ばれる。この方法で、ターボチャージャは、エンジンへ供給される燃焼ガス（通常は炭素系および／または水素系燃料と混合される）の質量を増加させるのに役立つことができ、これは燃焼中の値人出力の増大に変換される。
図２を参照すると、別の例示的ターボチャージャ２２０および例示的内燃機関１１０（図１のエンジン１１０を参照）を含む例示的システム２００が図示されている。例示的ターボチャージャ２２０は、燃焼ガス入口２３４、シャフト２２２、圧縮機２２４、タービン２２６、流路可変ユニット２３０、可変形状アクチュエータ２３２、排気出口２３６、電気補助ユニット２４０およびパワーエレクトロニクスユニット２４２を含む。流路可変ユニット２３０および／または可変形状アクチュエータ２３２は、随意的に、ＧＡＲＲＥＴＴ（登録商標）ＶＮＴ（商標）およびＡＶＮＴ（商標）ターボチャージャなどの市販の可変形状ターボチャージャ（ＶＧＴ）に関連するような機構を有し、これは複数の調節可能な翼を使用して、ノズルおよびタービンを通る排気の流れを制御する。図示のように、流路可変ユニット２３０は、随意的に、タービン２２６への排気入口に、またはその近傍で位置決めされる。電気補助ユニット２４０および／またはパワーエレクトロニクスユニット２４２は、随意的に、電気モータおよび／または発電機、およびシャフト（圧縮機シャフト、タービンシャフトなど）の加速および／または減速が可能な関連のパワーエレクトロニクスを含む。パワーエレクトロニクスユニット２４２は、随意的に、直流電力で作動し、交流信号を生成して、電気補助ユニット２４０（モータおよび／または発電機など）を駆動する。電気補助ユニット２４０および／またはパワーエレクトロニクスユニット２４２は、交流電力を整流して直流電力を出力する能力も有することができる。
図３を参照すると、別の例示的ターボチャージャ２２１および例示的内燃機関１１０（図１のエンジン１１０を参照）を含む例示的システム３００が図示されている。例示のターボチャージャ２２１は、場合により多段圧縮機システムを含んでいる。例示的ターボチャージャ２２１は、第１燃焼ガス入口２３４、第２燃焼ガス入口２３４’、第１シャフト２２２、第２シャフト２２２’、第１圧縮機２２４、第２圧縮機２２４’、タービン２２６、流路可変ユニット２３０、可変形状アクチュエータ２３２、排気出口２３６、第１電気補助ユニット２４０、第２電気補助ユニット２４０’、およびパワーエレクトロニクスユニット２４２を含む。
第２圧縮機２２４’は、随意的に、第１圧縮機２２４の入口２３４および／またはエンジン１１０の入口１１４に供給する出口を有する。図示のように、弁２３５は、第２圧縮機２２４’と第１圧縮機２２４との間の流れを制御する。パワーエレクトロニクスユニット２４２、電気補助ユニット（ユニット２４０、２４０’など）および／または別のユニットが、随意的に、弁２３５を制御する。このような例示的システム２２１によると、１つまたは複数のタービン（タービン２２６など）および１つまたは複数の電気補助ユニット（電気補助ユニット２４０など）が、排気から（例えば排気口１１６から）エネルギを抽出する。抽出されたエネルギは、随意的に、保存されたり、１つまたは複数の圧縮機（圧縮機２２４、２２４’など）への動力付与に使用されたりする。図３に示す２つの圧縮機を有する例示的システムは、２つの圧縮機を直列状態で有するが、代替構成（直列、並列など）も可能である。例えば、各圧縮機が関連するタービンを有する２つ以上の圧縮機を有する構成であるが、それに制限されない。
電気補助ユニット２４０、２４０’は、１つまたは複数のパワーエレクトロニクスユニット（パワーエレクトロニクスユニット２４２など）への１つまたは複数のリンクを有する。電気補助ユニット２４０、２４０’および／またはパワーエレクトロニクスユニット２４２は、随意的に、電気モータおよび／または発電機、およびシャフト（圧縮機シャフト、タービンシャフトなど）の加速および減速が可能な関連するパワーエレクトロニクスを含む。パワーエレクトロニクスユニット２４２は、随意的に、直流電力で作動し、交流信号を生成して、電気補助ユニット２４０、２４０’（モータおよび／または発電機など）を駆動する。言うまでもなく、直流モータまたは電気補助ユニットの使用も可能である。電気補助ユニット２４０、２４０’および／またはパワーエレクトロニクスユニット２４２は、交流電力を整流して直流電力を出力する能力も有することができる。
本明細書で開示する様々な例示的方法、装置および／またはシステムは、随意的に、内燃機関の性能を強化するように作動する。性能は、例えば動力、効率、排ガスなどを含む。図４を参照すると、図１のターボチャージャ１２０および図２の例示的システム２２０（または図３の例示的システム２２１）の単純化された例示的なおおよそのグラフが図示されている。１２０とラベルされた１組のグラフは、図１のターボチャージャ１２０に関連し、２２０とラベルされた別の組のグラフは、図２の例示的システム２２０（または図３の例示的システム２２１）に関連する。
グラフ１２０の組を参照すると、時間に対する動力需要および／または燃料流量、時間に対する空気流量、時間に対するエンジン出力、および時間に対する排気のグラフが図示されている。時間に対する需要および／または燃料流量（Ｄ／Ｆ）のグラフを参照すると、約ｔ＿０の時間に、需要および／または燃料流量が増加する。需要および／または燃料流量の増加に応答して、空気流（空気質量ｍＡを時間で微分したもの、すなわち空気質量流量）が増加し、ほぼｔ＿１の時間に一定水準になる。この例では、時間ｔ＿０と時間ｔ＿１の間に空気流量の時間遅れ（ΔｔＡ）が存在する。同様に、エンジン出力（ΔｔＰ）および潜在的に排ガス（ΔｔＥ）に時間遅れが存在する。ターボチャージャ付きエンジンでは、このような遅れは、「ターボラグ」を特徴とすることが多い。本明細書で説明する様々な例示的方法、装置および／またはシステムおよび／またはその同等物が、このような時間遅れを短縮するように作動する。
グラフ２２０の組を参照すると、ほぼｔ＿０の時間に需要および／または燃料流量の増加が発生する。需要および／または燃料流量の増加に応答して、電気補助ユニット（図２の電力補助ユニット２４０など）が、圧縮機（図２の圧縮機２２４など）およびタービン（図２のタービン２２６など）に関連するシャフト（図２のシャフト２２２など）に動力を提供する。電気補助ユニットは、シャフトを、したがって圧縮機を駆動して、吸気チャージ圧力および内燃機関（図２の内燃機関１１０など）への空気質量流量をブーストする。時間に対する空気流量（ｍＡの上に黒いドットを付して示す）のグラフでは、ほぼ時間ｔ＿０で空気流量が自然に、またはほぼ自然に増加することに留意されたい。したがって、例示的システムは、ターボチャージャ１２０に関連する時間遅れを減少かつ／またはほぼ解消する。さらに、動力（Ｐ）と時間とのグラフに、同様の挙動が図示されていることに留意されたい。また、対応する排ガス（Ｅ）が、需要および／または燃料流量（Ｄ／Ｆ）の増加に応答して潜在的に減少する。
図５を参照すると、図２の例示的システム２２０の様々な構成要素を含むターボチャージャシステム２２３および１つまたは複数の例示的制御装置２４４、２５０の様々な構成要素を含む例示的制御システム４００が図示されている。制御装置２４４は、パワーエレクトロニクスユニット２４２および可変形状アクチュエータ２３２への通信リンクを含み、通常は制御論理（マイクロプロセッサをベースとした制御装置など）を含んで、吸気および／または排気圧、温度、流量などの全体的制御を提供する。制御装置２４４は、制御装置２５０への別のリンクも含み、これは通常、内燃機関１１０の全体的制御を提供する。制御装置２５０は、様々なセンサへのリンクを含み、これは例えばエンジン速度センサ２５２、圧縮機後の吸気圧力、温度および／または流量センサ、排気圧力、温度および／または流量センサ２５６、および圧縮機前の吸気圧力、温度および／または流量センサ２５８であるが、それに制限されない。このようなセンサを使用することにより、ブースト圧、背圧などの様々なパラメータが決定されるが、これに制限されない。
制御装置２５０の前後には追加のリンク２６２、２６４も図示されている。リンク２６２は、随意的に、制御装置２５０に演算子および／または他の入力を提供し、リンク２６４は随意的に内燃機関１１０の制御情報（燃料流量など）を提供する。
図６を参照すると、図５の例示的システム２２３などを制御する例示的方法６００が図示されている。開始ブロック６０４で方法６００が開始する。受信ブロック６０８がこれに続き、ここで制御装置は制御に関する情報を受信かつ／または他の方法で決定する。次に決定ブロック６２４で、制御装置はエンジンが例えば遷移モードなどで作動しているか、エンジンが加速中か、燃料流量が増加しているか、または需要の増加が発生しているかを決定する。決定ブロック６２４で、エンジンが遷移モードにないことが決定された場合は、形状調節ブロック６３０で、アクチュエータが必要に応じて流路可変ユニットの形状を調節する。しかし、決定ブロック６２４によりエンジンが遷移モードにあることが決定された場合は、形状調節ブロック６４０および動力調節ブロック６５０で、パワーエレクトロニクスユニットおよび可変形状アクチュエータが、電気補助ユニット（モータおよび／または発電機など）への動力を調節したり、流路可変ユニット（ＶＧＴ、ノズル、翼など）の形状を調節したりする。パワーエレクトロニクスユニットおよび可変形状アクチュエータは、随意的に、形状調節ブロック６４０と電力調節ブロック６５０との間で点線によって示されたリンクを含む。調節ブロック６３０、６４０、６５０のいずれかの後に、例示的方法６００は通常、受信ブロック６０８で継続する。
図７を参照すると、図５の例示的システム２２３などを制御する例示的方法７００が図示されている。開始ブロック７０４で方法が開始する。受信ブロック７０８がこれに続き、ここで制御装置は制御に関する情報を受信かつ／または他の方法で決定する。次に決定ブロック７１２で、制御装置はエンジンが暖機モードであるか決定する。決定ブロック７１２でエンジンが暖機中であると決定されると、形状調節ブロック７１６がこれに続き、ここでアクチュエータは必要に応じて流路可変ユニット（ＶＧＴ、１つまたは複数のノズル、１つまたは複数の翼など）の形状を調節する。モータ「オフ」ブロック７２０もこれに続き、ここで電力補助ユニット（モータおよび／または発電機）への動力が、既にオフになっていない場合は、オフに切り換えられる。この場合、例示的方法７００は受信ブロック７０８で継続する。
決定ブロック７１２でエンジンが暖機モードにないと決定された場合は、次に別の決定ブロック７２４がこれに続き、これはエンジンが遷移モードで作動しているか、例えばエンジンが加速中か、燃料流量の需要の増加および／または増加が発生しているか決定する。言うまでもなく、減速のためにも同様に適切な制御を随意的に設ける。決定ブロック７２４でエンジンが遷移モードでないと決定された場合は、モータ「オフ」ブロック７２８で、電力補助ユニット（モータおよび／または発電機）への動力が、既にオフになっていない場合は、オフに切り換えられ、ブースト決定ブロック７３０で、制御装置が所望のブーストレベルを決定する。ブーストレベルを決定した後、形状決定ブロック７３２がこれに続き、ここで制御装置が所望の形状を決定する。次に形状調節ブロック７３４で、アクチュエータは流路可変ユニット（ＶＧＴ、１つまたは複数のノズル、１つまたは複数の翼など）を調節して、所望の形状を実現する。このような制御は、所望のブーストレベルを達成するが、違う場合は、モニタブロック７３６が随意的に形状をさらに調節し、例えばブーストを削減する。例示的モニタブロックは、随意的にＰＩＤ制御または他の適切な制御ブロックを使用して、例えば所望のブーストレベルと実際のブーストレベルの間の誤差を最小にする。
決定ブロック７２４でエンジンが遷移モードであると決定された場合は、次にブースト決定ブロック７４０で制御装置が所望のブーストレベルを決定する。ブーストレベルを決定した後、形状決定ブロック７４２および動力決定ブロック７６０がこれに続き、ここで１つまたは複数の制御装置が、流路可変ユニット（ＶＧＴ、１つまたは複数のノズル、１つまたは複数の翼など）の所望の形状および／または電気補助ユニット（モータおよび／または発電機）の所望の動力レベルを決定する。次に、形状調節ブロック７４４およびモータ動力付与ブロック７６２で、アクチュエータは流路可変ユニット（ＶＧＴ、１つまたは複数のノズル、１つまたは複数の翼など）および／または電気補助ユニット（モータおよび／または発電機など）を調節して、所望の形状および／または所望の動力を実行する。このような制御装置は、所望のブーストレベルを達成することができるが、違う場合は、形状監視ブロック７４６が随意的に形状をさらに調節して、ブーストを削減する。例示的形状監視ブロックは、随意的にＰＩＤ制御または他の適切な制御ブロックを使用して、例えば所望のブーストレベルと実際のブーストレベルの間の誤差を最小にする。
また、動力監視ブロック７６４では、制御装置が随意的に、例えばモータ作動関数、テンプレートなど（図１０の例示的モータ作動関数などを参照）の評価後、電力補助ユニット（モータおよび／または発電機など）への動力を監視および／または調節する。様々な制御ブロック７２８、７３６、７４６、７６４の後、例示的方法は、随意的に、図示のように受信ブロック７０８で、または決定ブロック７１２または決定ブロック７２４で終了または継続する。
図８を参照すると、吸気および／または排気を制御する例示的システムおよび／または方法８００が図示されている。エンジンブロック８０４は、センサまたは他の手段を介してブースト制御論理ブロック８１０へと情報を提供する。ブースト制御論理ブロック８１０は、エンジンブロック８０４から受信した情報に少なくとも部分的に基づいて所望のブースト（吸気チャージ目標圧、空気質量流量など）を決定する。次に、ブースト制御論理ブロック８１０が、動力制御装置ブロック８２２および／または可変形状アクチュエータブロック８５２に情報を出力する。例えば、制御論理ブロック８１０は、随意的に、制御論理を使用し、少なくとも部分的に吸気チャージ目標圧（例えば所望のブースト、空気質量流量など）に基づいて１つまたは複数の制御パラメータを決定し、次に１つまたは複数の制御パラメータを出力して、吸気チャージ圧をブーストすることができる圧縮機に連動可能な状態で結合された電気モータを制御し、タービンへの排気流量を調節することができる可変形状アクチュエータを制御する。したがって、例示的方法は、少なくとも部分的に吸気チャージ目標圧に基づいて１つまたは複数の制御パラメータを決定することと、吸気チャージ圧をブーストすることができる圧縮機に連動可能な状態で結合した電気モータを制御し、タービンへの排気流量を調節することができる可変形状アクチュエータを制御するために、１つまたは複数の制御パラメータを出力することとを含む。
図８で示すように、動力制御装置ブロック８２２は、動力制御装置に指令して、例えば所望の動力レベルを電気補助ユニット（モータおよび／または発電機など）に提供する。モータおよび／または発電機ブロック８２６では、電気補助ユニットを伴う電気モータが、所望の動力レベルを受信して、動力をターボチャージャブロック８４０に提供し、これは例えば図２のシステム２２０で示すようなターボチャージャを含む。流路可変起動ブロック８５２はアクチュエータに指令して、例えば流路可変ユニット（ＶＧＴ、１つまたは複数のノズル、１つまたは複数の翼など）を所望の形状に合わせて調節する。流路可変ブロック８５６では、流路可変ユニットを伴う１つまたは複数の流路可変要素が、所望の形状に合わせて調節し、これがターボチャージャブロック８４０の作動を実行する。ターボチャージャブロック８４０の作動は、エンジンブロック８０４の作動をさらに実行し、これによって閉ループ制御システムおよび／または方法を形成する。
図９を参照すると、吸気および／または排気を制御する例示的システムおよび／または方法９００が図示されている。エンジンブロック９０４が、速度（Ｎ）および／または燃料に関する情報（例えば燃料質量ｍＦを時間で微分したもの、すなわち燃料質量流量、またはパーセンテージ負荷など）を、電気補助ユニットを伴うブースト目標決定ブロック９２０および／または流路可変ユニット９５０を伴うブースト目標決定ブロック９５０に提供する。電気補助ブースト目標ブロック９２０は、情報の少なくとも一部を使用して、所望の（または目標の）電気補助ブーストを決定し、流路可変ブースト目標ブロック９５０は、情報の少なくとも一部を使用して、所望の（または目標の）流路可変ブーストを決定する。
電気補助ブースト目標ブロック９２０は、所望または目標の電気補助ブーストを接続ブロック９２２および／または開ループ制御ブロック９２４に送信して、所望または目標の電気補助ブースト（または動力生成）を達成する制御路の決定を補助する。接続ブロック９２２は、随意的に、感知ブロック９４４から情報を受信し、これは例えばエンジンとの間の空気流量（通常はエンジンへの空気流量など）を感知する。接続ブロック９２２は、閉ループ制御ブロック９２６へのリンクも有して、所望または目標の電気補助ブースト（または発電）を達成する制御路の決定を補助する。制御ブロック９２４、９２６は、随意的に、大きさ、継続時間および上方向傾斜および／または下方向計算などの変数に基づいて制御路を決定するが、これに制限されない。さらに、モータ作動関数、検索テーブルおよび／または他の情報を随意的に使用して、制御を決定する。制御ブロック９２４、９２６は、動力命令ブロック９２８へと情報を出力する。この例示的システムおよび／または方法９００によると、電気補助ユニットの制御は、開ループ、閉ループおよび／または開ループと閉ループの組み合わせの制御を通して実行される。
動力命令ブロック９２８は、動力制御装置ブロック９３２に通信するために、少なくとも部分的に１つまたは複数の制御ブロック９２４、９２６からの出力に基づき、適切な１つまたは複数の命令を決定する。動力制御装置ブロック９３２は、このような１つまたは複数の命令に従い、モータおよび／または発電機ブロック９３６に動力を提供する。言うまでもなく、例示的システムは、随意的に、複数の電気補助ユニットを有する（図３のターボチャージャシステム２２１などを参照）。モータおよび／または発電機ブロック９３６は、例えばタービン、圧縮機、ターボチャージャなどに作動状態で結合されたモータおよび／または発電機を含み、これによってモータおよび／または発電機への動力の送出は、例えばタービンおよび／または圧縮機への動力の送出などに変換され、したがって図９で示すように、モータおよび／または発電機ブロック９３６がターボチャージャブロック９４０で作動する。
ターボチャージャブロック９４０は、通常、吸気チャージ（燃焼ガスなど）の圧力、温度および／または質量流量を変更する。空気流量感知ブロック９４４が、ターボチャージャブロック９４０からの空気流量（および／または圧力、温度など）を感知して、随意的にこのような情報をエンジンブロック９０４および／または様々な他のブロック（接続ブロック９２２など）に提供する。図９で示すように、空気流量感知ブロック９４４は、流量および／または圧力、温度などの情報（空気質量流量など）をエンジンブロック９０４、接続ブロック９２２、および流路可変制御路の接続ブロック９５４に送信する。
同様の方法で、エンジンブロック９０４は、速度（Ｎ）および／または燃料に関する情報（燃料質量流量、パーセンテージ負荷など）を、流路可変制御を伴うブースト目標ブロック９５０に提供する。流路可変ブースト目標ブロック９５０は、情報の少なくとも一部を使用して、所望の（または目標の）流路可変ブーストを決定する。流路可変ブースト目標ブロック９５０は、所望または目標の流路可変ブーストを接続ブロック９５４および／または開ループ流路可変制御ブロック９５８に送信する。既に述べたように、接続ブロック９５４は、感知ブロック９４４からも情報を受信し、これは随意的に、感知されたターボチャージャおよび／または電気補助ブーストによる流路可変ブーストを（全体的または部分的に）オフセットする。例えば、接続ブロック９５４は、感知された情報および／または他の情報に当然基づいて、新しい所望または目標の流路可変ブーストを決定する。接続ブロック９５４は、所望または目標の流路可変ブーストを閉ループ制御ブロック９６２に送信する。閉ループ制御ブロック９６２は、多様な制御アルゴリズムのいずれかを使用して制御路を決定し、これは例えば比例、積分および／または微分アルゴリズムなどであるが、これに制限されない。閉ループ制御ブロック９６２は、大きさ、継続時間および上方向傾斜および／または下方向傾斜などを含むが、それに制限されない変数に基づいて、制御路を随意的に決定する。さらに、流路可変作動関数、検索テーブルおよび／または他の情報を随意的に使用して、制御を決定する。閉ループ制御ブロック９６２は、開ループ制御ブロック９５８から作動状態で情報を受信する別の接続ブロック９６６に情報を送信する。言うまでもなく、開ループ制御ブロック９５８で示す開ループ制御は、（関連する接続ブロック９６６と同様）場合により用いる。開ループ制御は、オーバシュートを減少させたり、目標への路を高速化したり、他の方法で閉ループ制御を補助したりすることができる。本明細書で説明するように、例示的システムおよび／または方法９００は、閉ループ、開ループおよび／または閉ループと開ループの制御を使用する。
接続ブロック９６６は、流路可変命令ブロック９７０に情報を送信する。流路可変命令ブロック９７０は、流路可変起動ブロック９７４に送信するために、少なくとも部分的に接続ブロック９６６に基づいて適切な１つまたは複数の命令を決定する。流路可変起動ブロック９７４は、このような１つまたは複数の命令に従って流路可変要素ブロック９７８の形状を調節する。流路可変要素ブロック９７８は、ターボチャージャ（ＶＧＴ、１つまたは複数のノズル、１つまたは複数の翼など）への排気流量を変更できる１つまたは複数の流路可変要素を含み、したがって図９で示すように、流路可変ブロック９７８がターボチャージャブロック９４０を実行する。次に、ターボチャージャブロック９４０が、燃焼ガス（空気など）の圧力、温度および／または質量流量を変更する。
全体的に、このような例示的システムおよび／または方法は、定常状態のエンジン作動および／または遷移作動に必要なブーストまたは空気質量量を随意的に決定する。例えば、定常状態で作動するためには、制御論理が、所望の空気質量流量を達成するための最適な翼の位置を決定する。また、開ループ制御に結合された閉ループを随意的に使用して、可変形状アクチュエータに命令することによって翼の位置を調整する。さらに、遷移作動の場合、このような例示的システムおよび／または方法は、随意的に開ループ制御を使用して、所望または目標のブーストまたは空気質量流量を達成するために電気補助ユニットのモータの加速に必要な電力を決定する。遷移作動から定常状態の作動へと移動する際に、下方向傾斜または他の機能を随意的に使用して、電気補助と流路可変作動との間の平滑な遷移の保証に役立てる。
図１０を参照すると、例示的電気補助制御アルゴリズムまたは作動関数のグラフ１０００が図示されている。ほぼｔ＿０とほぼｔ＿１の時間の間で、電気補助ユニット（モータおよび／または発電機など）への電力（Ｐ）はプラスで一定である。一定の値は、時間挙動、電流ブーストなどを使用して決定するか、あるいはこの値を最大値に設定する。ｔ＿０からｔ＿１までの期間（Δｔ＿１）は、加速期間に対応してよい。期間Δｔ＿１は、一定または可変の期間のタイマとして作用してもよい。図１０で示すように、タイマが切れる（例えばｔ＿１の時）か、実際のブースト、エンジン出力などが所望または目標のブースト、エンジン出力などと等しいか、近似している場合、電気補助ユニット（モータおよび／または発電機など）への電力（Ｐ）の下方向傾斜または減少が生じる。タイマを使用すると、摩耗、電源ドレーンなどへの安全機構を提供することができる。この場合も、このような例示的作動関数は、電気補助および流路可変が関与する遷移作動と定常状態作動との間の滑らかな遷移を保証するのに役立つ。
図１１を参照すると、例えば例示的システム（図２の２２０、図３の２２１、図５の２２３など）を制御する例示的方法１１００が図示されている。開始ブロック１１０４で方法が開始する。受信ブロック１１０８がこれに続き、ここで制御装置は、制御に関連する情報を受信かつ／または他の方法で決定する。次に決定ブロック１１１２で、制御装置は、エンジンが暖機モードにあるか決定する。決定ブロック１１１２でエンジンが暖機中であると決定されると、形状調節ブロック１１１６がこれに続き、ここでアクチュエータは必要に応じて流路可変ユニット（ＶＧＴ、１つまたは複数のノズル、１つまたは複数の翼など）の形状を調節する。モータ「オフ」および／または動力削減ブロック１１２０もこれに続き、ここで電力補助ユニット（モータおよび／または発電機）への動力が、既にオフになっていない場合は、オフに切り換えられか、他の方法で削減される。この場合、例示的方法１１００は受信ブロック１１０８で継続する。つまり、形状ブロック１１１６およびモータブロックが受信ブロック１１０８で継続する。
決定ブロック１１１２でエンジンが暖機モードにないと決定された場合は、次に別の決定ブロック１１２４がこれに続き、これはエンジンが遷移モードで作動しているか、例えばエンジンが加速中か、燃料流量の需要の増加および／または増加が発生しているか決定する。言うまでもなく、減速のためにも同様に適切な制御を随意的に設ける。決定ブロック１１２４でエンジンが遷移モードでないと決定された場合は、制御ブロック１１３０で、適切な制御論理が（ＰＩＤ、制御および／または監視など）がモータ／発電機ブロック１１３２および／または形状調節ブロック１１３４の制御を決定する。モータ／発電機ブロック１１３２および形状調節ブロック１１３４は、電力補助ユニット（モータおよび／または発電機）および形状調節ユニットに作用する。これらの２つのブロック１１３２、１１３４は通常、受信ブロック１１０８で継続する。
決定ブロック１１２４でエンジンが遷移モードであると決定された場合は、次にさらに別の決定ブロック１１２８で、ブーストが十分であるか（例えばさらなるブーストが望ましいか）決定する。決定ブロック１１２８で、ブーストが十分および／または追加のブーストが望ましくない、と決定された場合、方法は制御ブロック１１４０で継続する。制御ブロック１１４０は制御論理を使用して、例えばブーストおよび形状および／または電気補助動力に適切なパラメータなどを決定する。図示のように、制御ブロック１１４０は、形状ブロック１１４４および／またはモータブロック１１４８に情報を通信する。例示的シナリオによると、形状ブロック１１４４が、流路可変ユニットの形状を最大流量になるように設定するか、モータブロック１１４８が適宜、電気補助ユニットに動力付与する、またはその両方を実行する。決定ブロック１１５２がこれに続き、ここで制御論理１１４０、形状調節１１４４および／または動力送出１１４８の動作を通してブースト目標が達成されたかを決定する。決定ブロック１１５２が、目標達成を示した場合は、例示的方法１１００が別の形状調節ブロック１１５６および電源切断ブロック１１６０で継続する。通常、動力は、例えばほぼゼロおよび／または適切なブーストを維持するように調節された形状へと減少する。形状調節ブロック１１５６および電源切断ブロック１１６０は通常、受信ブロック１１０８で継続する。
決定ブロック１１５２が、目標ブーストを達成していないと決定した場合は、例示的方法１１００が制御論理ブロック１１４０で継続し、ここで例えば制御論理が、目標ブーストが達成されていないという指示に部分的に基づいて、１つまたは複数の新しい制御パラメータを随意的に決定する。
決定ブロック１１２８でさらなるブーストが望ましくない（例えばブーストが十分であるか、ブーストが必要ない）と決定された場合、制御論理ブロック１１７０がこれに続き、ここで制御論理を使用して、追加のブーストが必要ないか、ブーストの減少が望ましい、あるいはその両方の決定に少なくとも部分的に基づいて、適切な制御パラメータを決定する。制御論理ブロック１１７０は、例えば形状調節ブロック１１７４および／または発電機「オン」ブロック１１７６に制御情報を通信する。これらの２つのブロック１１７４、１１７６は通常、所望のブーストの維持および／またはブースト（いずれの場合も目標ブーストまたはブースト関数など）の削減を実行するように作用する。例えば、発電機「オン」ブロック１１７６は、随意的に電気補助ユニットの発電機機能を起動し、これがブーストを減少させるか、ターボチャージャシステムからエネルギを抽出する、あるいはその両方を実行する。形状調節ブロック１１７４および発電機「オン」ブロック１１７６は決定ブロック１１７８で継続し、ここで例示的方法１１００は、目標ブーストが達成されたか決定する。目標ブーストが達成されていない場合、例示的方法１１００は、制御論理ブロック１１７０で継続する。制御ブロック１１７０は、随意的に決定ブロック１１７８の決定を使用し、新しい制御パラメータを決定する。あるいは、例示的方法１１００は受信ブロック１１０８で継続する。
例示的方法１１００は、随意的に車両などの電気システムの動力レベルを監視して、余分な動力が必要か決定する。例示的方法１１００は、随意的に、電気補助ユニットに関連する発電機を使用することによって、この必要性に応じようと作動する。例えば、電気補助ブーストが必要でない場合、例示的方法１１００は、必要に応じて電気補助ユニットに関連する発電機を起動することもできる。例示的方法１１００は、様々な作動状態の様々な例示的措置を含む。言うまでもなく、任意の特定の方法は、これらの例示的措置および／または他の措置を使用しないか、そのうち１つまたは複数を使用してよい。
図１２を参照すると、タービンを減速する例示的方法１２００が図示されている。受信ブロック１２０４で、制御装置は流路可変ユニット（ＶＧＴ、１つまたは複数のノズル、１つまたは複数の翼など）および電気補助ユニット（モータおよび／または発電機など）を有する内燃機関の作動に関する情報を受信する。決定ブロック１２０８で、制御装置は、少なくとも部分的にこの情報に基づいて、タービンの減速が適切かを決定する。決定ブロック１２０８が減速を適切であると決定した場合、次に発電ブロック１２１２および／または形状調節ブロック１２１２’で、制御装置は制御を実行し、電気補助ユニットに発電させるか、可変形状ターボチャージャの形状を調節する、またはその両方を実行して、タービンを減速する。例示的方法は、例示的電気補助ユニットを使用して、交流電力を生成し、これは随意的に直流電力に整流される。例示的電気補助ユニットから得られた電力は、随意的に保存および／または使用され、電気システムに通電する（例えば、随意的に交流電源などとして使用される）。
様々な例示的システムおよび／または方法を様々な図で個々に図示してきたが、他の例示的システムおよび／または方法が随意的な機能の組み合わせを実現する。例えば、例示的制御システムおよび／または方法は、随意的に機能を実現して、燃焼ガス圧および／または質量流量のブーストおよび／またはタービンの減速を実行する。言うまでもなく、様々な例示的システムおよび／または方法は、随意的に複数の電気補助装置、流路可変ユニット、タービンおよび／または圧縮機を使用することができる。
幾つかの例示的方法、装置およびシステムを添付図面で図示し、以上の詳細な説明で説明してきたが、方法およびシステムは開示された例示的実施形態に制限されず、請求の範囲で述べ、定義した精神から逸脱することなく、多数の再構成、変更および置換が可能であることが理解される。
ターボチャージャおよび内燃機関を示す、単純化した概略図である。 電気補助ユニット、流路可変ユニット、ターボチャージャおよび内燃機関を示す、単純化した概略図である。 複数の電気補助ユニット、流路可変ユニット、ターボチャージャおよび内燃機関を示す、単純化した概略図である。 図１のターボチャージャおよび内燃機関の例示的挙動、および図２および／または図３の例示的ブースト／生成システムおよび内燃機関を示す、単純化した概略グラフ図である。 図２のシステムおよび追加の制御機構を示す概略図である。 内燃機関の遷移動作中に使用するのに適切な例示的方法を示すブロック図である。 例示的ブースト／生成システムを有する内燃機関の暖機および／または遷移動作中に使用するのに適切な例示的方法を示すブロック図である。 エンジンへの吸気および／またはエンジンからの排気を制御する例示的システムおよび／または方法を示すブロック図である。 閉ループおよび／または開ループ制御を使用するエンジンへの吸気および／またはエンジンからの排気を制御する例示的システムおよび／または方法を示すブロック図である。 様々な例示的システムおよび／または方法で使用する例示的モータ動作機能を示すグラフである。 例示的ブースト／生成システムを有する内燃機関の暖機および／または遷移動作中に使用するのに適切な例示的方法を示すブロック図である。 タービンを減速する例示的方法を示すブロック図である。

Claims (22)

  1. 内燃機関への吸気チャージ圧力を制御する制御装置であって、
    少なくとも部分的に吸気チャージ目標圧力に基づいて１つまたは複数の制御パラメータを決定する制御論理を備え、前記制御論理は、時間の関数として電気モータの作動に関する作動関数を使用することを含み、さらに、
    吸気チャージ圧力をブーストすることができる圧縮機に連動可能な状態で結合した電気モータを制御し、タービンへの排気流量を調節することができる可変形状アクチュエータを制御するために、１つまたは複数の制御パラメータを出力する１つまたは複数の出力部を備える制御装置。
  2. 前記制御論理が、前記内燃機関への燃料量流量および／または前記内燃機関の回転速度の使用を含む、請求項１に記載の制御装置。
  3. 前記吸気チャージ目標圧力が空気質量流量に対応し、随意的に、前記制御論理が前記内燃機関への空気質量流量の使用を含み、随意的に、前記制御論理が１つまたは複数の閉制御ループ内の空気質量流量の使用を含む、請求項１に記載の制御装置。
  4. 前記制御論理が、１つまたは複数の閉制御ループを含み、随意的に、前記１つまたは複数の閉制御ループが、前記電気モータを制御する閉ループおよび／または前記形状アクチュエータを制御する閉ループを含む、請求項１に記載の制御装置。
  5. 前記１つまたは複数の出力部が、発電機を制御する制御パラメータを出力する出力部を含み、前記発電機が作動状態で前記タービンに結合され、随意的に、前記電気モータが前記発電機として作動する、請求項１に記載の制御装置。
  6. 内燃機関への吸気チャージ圧力を制御する方法であって、
    少なくとも部分的に吸気チャージ目標圧力に基づいて１つまたは複数の制御パラメータを決定するステップを含み、前記決定するステップが、時間の関数として電気モータの作動に関する作動関数を使用することを含み、さらに、
    吸気チャージ圧力をブーストすることができる圧縮機に連動可能な状態で結合した前記電気モータを制御し、タービンへの排気流量を調節することができる可変形状アクチュエータを制御するために、前記１つまたは複数の制御パラメータを出力するステップを含む方法。
  7. 前記決定するステップが、前記内燃機関への燃料質量流量および／または前記内燃機関の回転速度を使用することを含む、請求項６に記載の方法。
  8. 前記吸気チャージ目標圧力が空気質量流量に対応し、随意的に、前記決定するステップが、前記内燃機関への空気質量流量を使用することを含む、請求項６に記載の方法。
  9. 前記決定するステップが、１つまたは複数の閉制御ループを含み、随意的に、前記１つまたは複数の閉制御ループが、前記電気モータを制御する閉ループおよび／または前記可変形状アクチュエータを制御する閉ループを含む、請求項６に記載の方法。
  10. 前記出力するステップが、前記タービンに作動状態で結合した発電機を制御する制御パラメータを出力し、随意的に、前記電気モータが前記発電機として作動する、請求項６に記載の方法。
  11. さらに、目標圧力に達成するステップを含む、請求項６に記載の方法。
  12. 内燃機関への吸気チャージ圧力を制御する制御装置であって、
    少なくとも部分的に吸気チャージ目標圧力に基づいて１つまたは複数の制御パラメータを決定する制御論理手段を備え、前記制御論理手段は、時間の関数として電気モータの作動に関する作動関数を使用し、さらに、
    吸気チャージ圧力をブーストすることができる圧縮機に連動可能な状態で結合した電気モータを制御し、タービンへの排気流量を調節することができる可変形状アクチュエータを制御するために、１つまたは複数の制御パラメータを出力する出力手段を備える制御装置。
  13. 内燃機関への吸気チャージ圧力を制御する制御装置であって、
    少なくとも部分的に吸気チャージ目標圧力に基づいて１つまたは複数の制御パラメータを決定する制御論理と、
    吸気チャージ圧力をブーストすることができる圧縮機に連動可能な状態で結合した電気モータを制御し、発電機を制御し、前記発電機が作動状態で前記タービンに結合し、さらにタービンへの排気流量を調節することができる可変形状アクチュエータを制御するために、１つまたは複数の制御パラメータを出力する１つまたは複数の出力部を備える制御装置。
  14. 前記制御論理が、前記内燃機関への燃料質量流量および／または前記内燃機関の回転速度の使用を含み、随意的に、前記吸気チャージ目標圧力が空気質量流量に対応し、随意的に、前記制御論理が、前記内燃機関への空気質量流量の使用を含む、請求項１３に記載の制御装置。
  15. 前記制御論理が１つまたは複数の閉制御ループを含み、随意的に、前記１つまたは複数の閉制御ループが、前記電気モータを制御する閉ループおよび／または前記可変形状アクチュエータを制御する閉ループを含む、請求項１３に記載の制御装置。
  16. 前記制御論理が作業関数の使用を含み、随意的に、前記作業関数が、時間の関数として前記電気モータの作動に関する、請求項１３に記載の制御装置。
  17. 前記電気モータが随意的に、前記発電機として作動する、請求項１３に記載の制御装置。
  18. 内燃機関への吸気チャージ圧力を制御する方法であって、
    少なくとも部分的に吸気チャージ目標圧力に基づいて１つまたは複数の制御パラメータを決定するステップと、
    吸気チャージ圧力をブーストすることができる圧縮機に連動可能な状態で結合した電気モータを制御し、発電機を制御し、前記発電機が作動状態で前記タービンに結合し、さらにタービンへの排気流量を調節することができる可変形状アクチュエータを制御するために、前記１つまたは複数の制御パラメータを出力するステップとを含む方法。
  19. 前記決定するステップが、前記内燃機関への燃料質量流量および／または前記内燃機関の回転速度を使用するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記決定するステップが、１つまたは複数の閉制御ループを含み、随意的に、前記１つまたは複数の閉制御ループが、前記電気モータを制御する閉ループおよび／または前記可変形状アクチュエータを制御する閉ループを含む、請求項１８に記載の方法。
  21. 前記決定するステップが作動関数を使用するステップを含み、随意的に、前記作動関数が、時間の関数として前記電気モータの作動に関する、請求項１８に記載の方法。
  22. 内燃機関の吸気チャージ圧力を制御する制御装置であって、
    少なくとも部分的に吸気チャージ目標圧力に基づいて１つまたは複数の制御パラメータを決定する制御論理手段と、
    吸気チャージ圧力をブーストすることができる圧縮機に連動可能な状態で結合した電気モータを制御し、発電機を制御し、前記発電機が作動状態で前記タービンに結合し、さらにタービンへの排気流量を調節することができる可変形状アクチュエータを制御するために、前記１つまたは複数の制御パラメータを出力する出力手段とを備える制御装置。
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