JP2006508287A - 可変形態ターボチャージャの改良された過渡応答のための制御システム - Google Patents

Abstract

可変形態ターボチャージャ用の制御システムは、しきい値差を超える大きな変動の、所望で、かつ、前の制御信号入力については、パルス制御出力（２４）を、小さな制御信号入力変化については、通常制御信号（２６）を選択するスーパバイザロジック（１２）を含む。制御システムは、入力制御信号変動、または、ターボチャージャの可変形態システムの実際の位置対所望の位置に基づいて、パルス制御出力についての振幅および持続期間を計算する。

Description

本発明は一般に、ターボチャージャ制御システムの分野に関し、より詳細には、可変形態ターボチャージャの過渡応答時間を改善するシステムおよび方法に関する。

本出願は、本明細書に参照により組み込まれる２００２年６月２８日に出願された米国仮特許出願第６０／３９２，９２３号、および、２００３年６月２４日に出願された米国非仮出願（番号は未入手）の利益を主張する。

ターボチャージャは、広範囲のエンジンの速度および負荷にわたって動作することを要求される。ターボチャージャのタービンに供給される排気ガスを制御することによって、ターボチャージャによって供給されるブーストを精密に制御するシステムが開発されてきた。一般に、ターボチャージャによって供給されるブースト量を制御する制御機構は、タービンの吸入ノズルの幾何形状を効率よく変える、あるタイプの可変形態機構を含む。機構には、たとえば、ノズル内の複数の可動空力翼、あるいは、固定ノズル壁に対して軸方向に移動可能なノズルの壁１つを備える、翼がある、または、翼がないピストンを含むことができる。これらの機構の制御は、用途に応じて変わり、空気圧、電気機械、油圧、および電動油圧作動システムを含むことができる。作動システムの制御は、開ループまたは閉ループ、あるいは、開および閉ループの組合せとすることができる。

ターボチャージャの制御は、エンジン排気システムにおける固有のラグ（ｌａｇ）、および、可変形態機構の機械要素の過渡応答時間によって複雑になる。
米国特許第６，２６９，６４２号に記載されるターボチャージャなどの可変形態ターボチャージャ（ＶＧＴ）は、翼を用いて、タービンノズル内の空気流を導き、ノズルの流れエリアを調整して、ターボラグを減らし、エンジンの加速を改善する。ＶＧＴは、アクチュエータピストンシリンダに対して出入りするエンジンオイルの流れを制御するスプール弁を始動するために、電気制御信号を用いる電動油圧作動システムを採用する。翼を回転させるために生成されるアクチュエータの力は、アクチュエータピストンシリンダにわたる圧力差に比例する。翼の動的応答は、オイル流量とオイル圧の関数であり、パラメータの中でも、供給圧力、作動油温度、周囲温度、および弁負荷などの動作条件に応じて変わるであろう。これらの作用は、ターボチャージャ翼の動的応答を遅くするのに十分となる。より速い動的応答を得るために、多くの異なる方法が用いられる。より速い応答を生成するために、内部弁パラメータ（たとえば、ノズルおよびオリフィスサイズ、スプリング率、スプール径、スプール変位など）が調整されてもよい。これらの変更は、いろいろな用途の要求についての、追加の設計、テスト、および費用を必要とする。

同様な制御の問題は、ウェイストゲートおよびターボチャ−ジャ応用における他の可変形態デバイスに関して発生する。

したがって、ターボチャ−ジャの可変形態機構の動的応答を改善する制御システムを有することが望ましい。
既存の部品を変更することなく既存の可変形態機構に適用可能な制御システムを有することが望ましい。

本発明を一般的に述べてきたが、ここで、必ずしも原寸に比例しない添付図面が参照されることになる。

ここで、本発明について、添付図面を参照して、以下でより完全に述べる。図面には、本発明の全ての実施形態ではないが、一部が示される。実際、これらの発明は、多くの異なる形態で具体化されてもよく、本明細書で述べる実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が、該当する法的な要求を満たすように提供される。同じ数字は全体を通して同じ要素を指す。

本制御システムは、可変形態機構を調整するために供給される制御信号の変化を監視するスーパバイザロジックを含む。スーパバイザロジックは、可変形態機構を調整するために、通常制御信号出力と高速パルス応答制御信号出力の間で選択する。所定しきい値を超える制御信号の大きな変化の場合、スーパバイザロジックは、計算された振幅および持続期間のパルスを供給して、可変形態ノズルの動作を開始させる高速パルス応答制御出力を選択する。パルスは、普通、スーパバイザロジックがないときに印加されるであろう通常制御信号の値を超える値への制御信号の階段的変化を含むことができる。パルスの振幅は、差パラメータの関数として決定される。差パラメータは、所望の（たとえば、通常の）制御信号値と、制御ロジックの前の反復において決定された前の制御信号値との差であることができ、別法として、差パラメータは、所望の制御信号と（測定するか、または、推定した）実際の制御信号との差であることができる。制御信号の変化が、所定のしきい値未満であるときはいつでも、スーパバイザロジックは、可変形態機構を調整するために、通常制御信号を供給する。

本発明の一部の実施形態において、パルスの振幅（すなわち高さ）および持続期間（すなわち幅）もまた、周囲条件の関数であることができる。このことは、たとえば、寒い周囲温度条件を反映し、それに応じて、弁の応答を調整するのに有利である可能性がある。

本発明の一実施形態は、本発明に関して同一譲受人を有し、その開示が参照により本明細書に組み込まれる、「ＶＡＲＩＡＢＬＥ ＧＥＯＭＥＴＲＹ ＴＵＲＢＯＣＨＡＲＧＥＲ」という名称の、先に参照した米国特許第６，２６９，６４２号に規定されるターボチャージャなどの可変ノズルターボチャージャ上での使用に適用可能である。

図面を参照すると、本発明による制御システムの第１の実施形態が図１に示される。高速改善パルス（ＲＩＰ）制御器１０は、所望の制御値を表す、エンジンシステムからの入力１４を受け取るスーパバイザロジック回路または装置１２を組み込む。所望の制御値は、ＶＧＴ機械システムの位置、所望のブーストレベルまたは制御電流として、種々の用途において確立される。メモリ１６は、前のサンプル期間中に、以前の所望の制御値を記憶する。代替の実施形態において、メモリは、記憶した制御値を調節するために、フィルタリング機能を組み込む。前の制御値は、スーパバイザロジックへの第２入力１８として供給される。入力信号は、以下でより詳細に述べるように解析され、切り換え信号２０は、パルス制御信号２４か、ＶＧＴ位置制御器２８によって決定される通常制御信号２６のいずれかを選択するためのスイッチ２２に供給される。選択された制御信号は、可変ノズル翼位置を調整するために、アクチュエータ３０に供給される。図１の実施形態の閉ループ制御システムの場合、センサ３２またはモデルベース推定器が、電流、可変形態部材位置、またはブーストなどの、ターボチャージャの実際の動作条件を検出し、または、推定し、スーパバイザロジックの第３入力３４、ならびに、ＶＧＴ位置制御器２８に入力される誤差信号３７を計算する、フィードバック制御器用のフィードバック加算器３６に、測定したか、または、推定した実際の値を表すフィードバック信号を供給する。

図１のＲＩＰ制御器で採用されるロジックは図２に示される。各サンプル期間中において、ステップ２００にて、スーパバイザロジック１２は、所望の制御値を読み取る。先に説明したように、この値は、採用されるロジックおよび回路に応じて、所望の可変形態部材位置、所望の制御電流、または、所望のブースト値である可能性がある。ステップ２０２にて、スーパバイザロジックは、最新の所望の制御値と以前の所望の制御値（メモリ１６に記憶される）との差として、第１パラメータＤＥＬＴＡを計算する。ステップ２０４にて、所定のしきい値ＧＡＭＭＡ（正数である）が、ＤＥＬＴＡと比較され、ＤＥＬＴＡが＋ＧＡＭＭＡ以下である場合、ステップ２０６にて、ＤＥＬＴＡが−ＧＡＭＭＡ未満であるかどうか判定される。ステップ２０４か、ステップ２０６のいずれかが、肯定的な結果を生ずる場合、ステップ２０８にて、スーパバイザロジックは、新しい所望の制御値から、測定した（または推定した）実際の値を引いたものとして、第２パラメータＡＬＰＨＡを決定する。ステップ２１０にて、スーパバイザロジックは、ＡＬＰＨＡが＋ＺＥＴＡ（第２の所定のしきい値）を超えるかどうかをテストし、超えていない場合、ステップ２１２にて、ロジックは、ＡＬＰＨＡが−ＺＥＴＡ未満であるかどうかをテストする。ステップ２１０か、ステップ２１２のいずれかが、肯定的な結果を生ずる場合、ステップ２１４にて、スーパバイザロジックは、ＲＩＰパルス振幅および持続期間（それぞれ、信号の高さおよび幅とも呼ばれる）についての値を決定する。ステップ２１６にて、ＲＩＰパルス制御信号２４は、パルス信号をアクチュエータ３０に供給するために位置するスイッチ２２に供給される。パルスが終わる時点で、または、第１および第２パラメータＤＥＬＴＡおよびＡＬＰＨＡがそれぞれ、しきい値ＧＡＭＭＡおよびＺＥＴＡを超えない任意のサンプル期間中に、スイッチ２２は、通常制御器入力２６に位置する。たとえば、ステップ２０６が否定的な結果を生ずる（ＤＥＬＴＡが−ＧＡＭＭＡ未満でないことを意味する）場合、ロジックはステップ２００に戻り、そのため、そのサンプル期間において、スイッチによって供給される制御信号は、通常制御信号２６になるであろう。同様に、ステップ２１２が否定的な結果を生ずる（ＡＬＰＨＡが−ＺＥＴＡ未満でないことを意味する）場合、ロジックはステップ２００に戻る。

開ループシステムにおいて本発明を採用する制御システムの実施形態が図３に示される。ほとんどの開ループシステムにおいて、ターボチャージャ用の制御入力は、全体を要素２８’で示す、ルックアップテーブルまたは他の伝達関数発生器において、エンジン速度（Ｎ）、および、エンジン負荷か、燃料流量のいずれかのパーセンテージを変数とする関数によって規定される。スーパバイザロジック１２、前の制御信号のメモリ１６、およびスイッチ２２を含むＲＩＰ制御器の要素は、図１に関連して先に述べたように動作する。開ループＲＩＰ制御器によって採用されるロジックが図４に示される。

各サンプル期間中に、ステップ４００にて、スーパバイザロジックは、制御信号を読み取る。先に説明したように、この値は、エンジン速度およびパーセント負荷または燃料供給レートの関数であることができる。ステップ４０２にて、スーパバイザロジックは、新しい制御信号と前の制御制御信号との差として、制御パラメータＤＥＬＴＡを計算する。ステップ４０４にて、所定のしきい値ＧＡＭＭＡが、ＤＥＬＴＡと比較され、ＤＥＬＴＡが＋ＧＡＭＭＡ以下である場合、ステップ４０６にて、ＤＥＬＴＡが−ＧＡＭＭＡ未満であるかどうか判定される。いずれかのステップが真である場合、ステップ４０８にて、スーパバイザロジックは、ＲＩＰパルス振幅（すなわち高さ）および持続期間（すなわち幅）についての値を決定する。スイッチ２２は、パルス入力に対して位置決めされ、パルス信号がアクチュエータ３０に供給される。パルスが終わる時点で、または、パラメータＤＥＬＴＡがしきい値ＧＡＭＭＡを超えない任意のサンプル期間中に、スイッチ２２は、通常制御器入力２６に位置する。

示す実施形態において特定されるロジックは、マイクロプロセッサ、プログラム可能ロジックアレイ（ＰＬＡ）、ファジーロジック、ニューラルネットワーク、または、他の離散ロジックを用いて、種々の計算のハードウェアまたはファームウェア形態で実施されることができる。

ＲＩＰ制御器によって供給されるパルス出力の例は、＋ＧＡＭＭＡしきい値を超える正のＤＥＬＴＡ値から生ずる正のパルスについて、図５に示される。図６は、−ＧＡＭＭＡしきい値を超える負のＤＥＬＴＡ値についてのパルスを明示する。それぞれの場合のパルスの高さおよび幅は、開ループシステムについてはＤＥＬＴＡパラメータの関数、または、閉ループシステムについてはＡＬＰＨＡパラメータの関数としてスーパバイザロジックにおいて決定される。たとえば、図７は、パルス幅およびパルス高さを、それぞれ、（システムが、それぞれ、閉ループシステムか、または、開ループシステムのいずれであるかに応じて）ＡＬＰＨＡか、ＤＥＬＴＡのいずれかの線形関数として示す。制御器におけるパルス発生機能の実施は、メモリ内に記憶したテーブルを用いるテーブルルックアップによって行われることができるか、別法として、パルス発生は、翼制御システムに対して所望の開始衝撃を達成するために、式または伝達関数に基づいてパルス特性を計算することによって行われることができる。

パルス持続期間または幅もまた、図１に示すように、所望の制御値と、測定制御値または推定制御値との間の誤差３７の関数として決定されることができる。
本発明によるＲＩＰ制御器は、先に参照した米国特許第６，２６９，６４２号に示すものと全体が同じターボチャージャシステムにおいて実施された。ターボチャージャ用の制御システムは、タービン吸入ノズル内の可変翼の位置を制御するために閉ループ制御を採用した。図８は、通常の入力制御に比べて、本発明のＲＩＰ制御器を用いることによる、レンジ一杯の変位（完全に閉じるかた完全に開くまでの）についての翼変位制御時の改善された応答を示す。ＲＩＰ制御器によって生成されるパルスは「□」記号で示され、一方、通常制御信号出力は「Ｘ」記号で示される。ＲＩＰパルス入力信号について、時間の関数として得られる翼変位は、「◇」記号で示す曲線上に示される。「○」記号で示す曲線は、通常制御入力信号を用いて達成された翼変位を示す。翼の過渡応答時間の減少が得られることが明らかである。

図９は、図８と同じタイプのプロットであるが、狭い範囲の翼変位についてのターボチャージャ翼の制御信号および過渡応答を示す。変位の応答に多少オーバーシュ−トが存在することが留意されるであろう。オーバーシュート量は、パルス制御信号の振幅および持続期間を選択することによって制御されることができる。オーバーシュートは、翼位置に対して遅れる傾向があるブースト圧力の応答を速めることができる点で有利である可能性がある。したがって、意図的に翼変位に対してオーバーシュートすることにより、ブースト圧力が所望のレベルにより迅速に達するようにすることができる。

短い期間の間のＲＩＰパルス入力信号が、可変形態翼の実際の所望の位置に対応するレベルを実質的に行き過ぎるために、過渡応答時間の減少が達成される。結果として、その短い期間の間、アクチュエータは、実質的にその最大可能速度で、ＲＩＰパルス信号の大きさに対応する位置に向かって移動されられる。こうして、翼は、通常入力信号がアクチュエータに供給された場合に達するよりも速く実際の所望の位置に達する。通常制御信号の場合、アクチュエータは、その最大可能速度未満で移動するようにされ、翼が、所望の位置に達するのにかかる全体の期間にわたって、速度は実質的に一定である。

本制御システムは、ウェイストゲートおよびターボチャ−ジャ応用における他の可変形態構成に適用可能である。
本明細書で述べた本発明の多くの変更形態および他の実施形態を、これらの発明が関係し、先の説明および関連する図面において提示された教示の利益を受ける当業者が思いつくであろう。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されないこと、および、変更形態および他の実施形態は、添付特許請求項の範囲内に包含されることを意図されることが理解されるはずである。本明細書において特定の用語が採用されるが、その用語は、一般的で、かつ、記述的な意味でのみ用いられ、制限するために用いられるのではない。

閉ループシステムの場合の、本発明を採用する制御システムの一実施形態の略図である。 図１における本発明の実施形態によって採用された閉ループ制御ロジックのフローチャートである。 開ループシステムの場合の、本発明を採用する制御システムの一実施形態の略図である。 図３における本発明の実施形態によって採用された開ループ制御ロジックのフローチャートである。 正の差の値の場合の、発明を採用する制御システムによって作成された時間変化パルスの図である。 負の差の値の場合の、発明を採用する制御システムによって作成された時間変化パルスの図である。 制御システムによって計算された、図５および図６のパルスについての、振幅および持続期間の値のグラフ図である。 本発明による通常制御信号ならびにパルス制御信号の両方の場合に、アクチュエータの全運動範囲について、制御信号および可変形態ターボチャージャにおいて生成される結果のアクチュエータ変位を時間の関数としてプロットした図である。 本発明による通常制御信号ならびにパルス制御信号の両方の場合に、アクチュエータの狭い運動範囲について、制御信号および可変形態ターボチャージャにおいて生成される結果のアクチュエータ変位を時間の関数としてプロットした図である。

Claims (25)

1. エンジン用のターボチャージャにおいて可変形態機構を制御する制御システムであって、
   ロジック装置を備え、前記ロジック装置は、前記ターボチャージャを動作させる所望の動作条件を表す所望の制御値をサンプリングするように、また、前のサンプル期間中に決定された所望の制御値を表す以前の所望の制御値をサンプリングするように構築および構成され、前記ロジック装置はさらに、前記所望の制御値と前記以前の所望の制御値との差として第１差パラメータを決定し、前記第１差パラメータに基づいて制御信号出力を生成し、それによって、前記制御信号出力が、前記第１差パラメータが所定の第１しきい値より大きいときに第１の値を、前記第１差パラメータが前記所定の第１しきい値以下であるときに前記第１の値と異なる第２の値を有するように構築および構成され、前記ロジック装置は、所定の振幅および持続期間のパルスとして前記第１の値を供給するように構築および構成される制御システム。
2. 前記ロジック装置は、前記パルスの振幅および持続期間を前記第１差パラメータの関数として決定するように構築および構成される請求項１に記載の制御システム。
3. 前記ロジック装置は、前記パルスの振幅および持続期間を周囲条件の関数として決定するように構築および構成される請求項１に記載の制御システム。
4. 前記ロジック装置は、前記パルスの持続期間が終了したとき、前記制御信号出力に前記第２の値を有するようにさせるように構築および構成される請求項２に記載の制御システム。
5. 前記ロジック装置は、第１および第２条件を切り換えるように構築および構成されたスイッチを含み、前記スイッチは、前記第１条件において、前記第１の値を有する前記制御信号出力を出力し、前記スイッチは、前記第２条件において、前記第２の値を有する前記制御信号出力を出力し、前記ロジック装置は、前記第１および第２条件を切り換えるためのスイッチに切り換え信号を供給するように構築および構成される請求項１に記載の制御システム。
6. 前記制御信号出力用の前記第２の値は、通常制御信号を含み、さらに、前記ターボチャージャを、現在の動作条件から所望の動作条件へ向けて逐い込むための前記通常制御信号を生成するようにさらに構築および構成される制御器を含む請求項５に記載の制御システム。
7. 前記制御器は開ループ制御器を備える請求項６に記載の制御システム。
8. 前記開ループ制御器は、エンジン速度および前記エンジンにかかる負荷の度合いの関数として前記通常制御信号を生成するように構築および構成される請求項７に記載の制御システム。
9. 前記開ループ制御器は、エンジン速度およびエンジンの燃料供給レートの関数として前記通常制御信号を生成するように構築および構成される請求項７に記載の制御システム。
10. 前記制御器は、フィードバック信号を受け取り、前記フィードバック信号に基づいて前記通常制御信号を決定する閉ループ制御器を備える請求項６に記載の制御システム。
11. 前記ロジック装置は、前記ターボチャージャの実際の動作条件を表す実際の制御値をサンプリングするように、また、前記所望の制御値と前記実際の制御値との差として第２差パラメータを決定するように構築および構成され、前記ロジック装置は、前記第１差パラメータが前記第１しきい値より大きいか、または、前記第２差パラメータが前記第２しきい値より大きいときに前記第１の値の前記制御信号出力を生成する請求項１０に記載の制御システム。
12. 前記実際の動作条件を検出し、前記実際の制御値を生成し、前記実際の制御値を前記ロジック装置に供給するように動作するセンサをさらに備える請求項１１に記載の制御システム。
    前記以前の所望の制御値を記憶し、前記以前の所望の制御値を前記ロジック装置に供給するように動作するように構築および構成されたメモリをさらに備える請求項１に記載の制御システム。
13. 前記メモリは、前記記憶した以前の所望の制御値をフィルタリングするように構築および構成される請求項１２に記載の制御システム。
14. 前記可変形態機構を調整するように動作し、前記ロジック装置から前記制御信号出力を受け取るように構成されたアクチュエータをさらに備える請求項１に記載の制御システム。
15. 可変形態ターボチャージャ用の制御システムであって、
    第１入力、第２入力、および出力を有し、前記第１入力と第２入力との差を計算し、前記差の値に応じて、第１の値か、第２の値のいずれかを前記出力に選択的に供給するように構築および構成され、パルス制御信号を生成するようにさらに構築および構成されたロジック回路と、
    所望の制御信号を前記第１入力に供給する手段と、
    以前の所望の制御信号を前記第２入力に供給する手段と、
    通常制御信号を供給するように構築および構成される制御器と、
    前記通常制御信号および前記パルス制御信号を受け取り、スイッチ出力を有し、前記ロジック回路出力に応答し、前記ロジック回路出力上の前記第１の値に応答して、前記パルス制御信号を前記スイッチ出力に供給し、前記ロジック回路出力上の前記第２の値に応答して、前記通常制御信号を前記スイッチ出力に供給するスイッチと、
    前記スイッチ出力に結合し、前記ターボチャージャの可変形態機構を調整するように動作するアクチュエータとを備える制御システム。
16. エンジン用のターボチャージャにおいて可変形態機構を制御する方法であって、
    前記ターボチャージャを動作させる所望の動作条件を表す所望の制御値をサンプリングするステップと、
    前のサンプル期間中に決定された所望の制御値を表す以前の所望の制御値をサンプリングするステップと、
    前記所望の制御値と前記以前の所望の制御値との差として第１差パラメータを決定するステップと、
    前記第１差パラメータに基づいて、可変形態機構用のアクチュエータに制御信号出力を供給するステップであって、それによって、前記制御信号出力が、前記第１差パラメータが所定の第１しきい値より大きいときに第１の値を、前記第１差パラメータが前記所定の第１しきい値以下であるときに前記第１の値と異なる第２の値を有し、前記第１の値は、所定の振幅および持続期間のパルスの形態で供給されるステップとを含む可変形態機構を制御する方法。
17. 前記パルスの振幅および持続期間は周囲条件の関数である請求項１６に記載の方法。
18. 前記パルスの振幅および持続期間は前記第１差パラメータの関数として決定される請求項１６に記載の方法。
19. 前記パルスの持続期間が終了したとき、前記制御信号出力に、前記第２の値を有するようにさせるステップをさらに含む請求項１６に記載の方法。
20. 前記第２の値は、エンジン速度および前記エンジンにかかる負荷の度合いの関数として決定される請求項１６に記載の方法。
21. 前記第２の値は、エンジン速度および前記エンジンの燃料供給レートの関数として決定される請求項１６に記載の方法。
22. 前記第２の値は、フィードバック信号に基づいて決定される請求項１６に記載の方法。
23. 前記ターボチャージャの実際の動作条件を表す実際の制御値をサンプリングするステップと、
    前記所望の制御値と前記実際の制御値との差として第２差パラメータを決定するステップと、
    前記第１差パラメータが前記第１しきい値より大きいか、または、前記第２差パラメータが前記第２しきい値より大きいときに前記第１の値の前記制御信号出力を生成するステップとをさらに含む請求項１６に記載の方法。
24. 前記以前の所望の制御信号をメモリに記憶するステップをさらに含む請求項１６に記載の方法。
25. 前記記憶した以前の所望の制御値をフィルタリングするステップをさらに含む請求項２４に記載の方法。

Images