JP2006521493A - ターボ過給機付きエンジン内の雰囲気圧を測定する方法 - Google Patents

Abstract

雰囲気圧を求める本方法は、中間冷却器と呼ばれる熱交換室と吸気マニホルドとの間に配置されたバタフライ弁と、熱交換室内の空気を圧縮するために設けられたコンプレッサと、熱交換室内の圧力を示す手段とを備えたターボ過給機付きエンジンにおいて使用される。本方法は以下のステップを有する：
バタフライ弁の開弁を検出するステップ、
熱交換室内の圧力（ＭＡＰ＿ＵＰ）を測定するステップ、
熱交換室内の圧力（ＭＡＰ＿ＵＰ）の曲線（２４）上の特性点を基準として定められた所定の時点に、熱交換室内の圧力（ＭＡＰ＿ＵＰ）を測定することにより、時間の関数として雰囲気圧（ＭＡＰ）を求めるステップ、
ただし、このとき雰囲気圧は測定された熱交換室内の圧力に等しくなっている。

Description

本発明はターボ過給機付きエンジン内の雰囲気圧の測定に関する。

大気圧機関又はターボ過給機付きエンジンは雰囲気圧に敏感である。というのも、この圧力の影響でエンジンのシリンダは様々に異なって充填されるからである。大気圧機関では、吸気マニホルドにおける圧力が大気圧と大きく異なることはなく、大気圧に対するマニホルド内の圧力の変化は、特にエンジン負荷と回転数の関数として、良く知られている。この種のエンジンでは、いくつかのパラメータを考慮すれば、吸気マニホルド内の圧力に関する情報によって雰囲気圧を求めることが可能となる。

ターボ過給機付きエンジンでは、大気圧機関の場合と同様に、エンジンに供給される空気流を調節するバタフライ弁が存在している。ターボ過給機のコンプレッサにより給気される中間冷却器と呼ばれる熱交換室がこのバタフライ弁の上流に配置されており、吸気マニホルドはバタフライ弁の下流に配置されている。

したがって、エンジン内の圧力はターボ過給機のコンプレッサによって強く影響される。それゆえ、ターボ過給機付きエンジンは、特にターボ過給機により与えられる給気圧を推定することができるように、一般に外部圧力センサを備えている。また、エンジンの制御のために、熱交換室内にも圧力センサがあり、吸気マニホルドにも別の圧力センサがある。これらのチャンバの上流にあるターボ過給機の給気圧は非常に変化しやすく、このことが、この過給が無視できるほどである（又は既知である）特別なケースを除けば、熱交換室又は吸気マニホルド内の雰囲気圧の測定を不可避的に妨害してしまう。

本発明の課題は、ターボ過給機付きエンジンに対して、特別なセンサを使用することなく雰囲気圧を求める方法を提供することである。

この目的のために、本発明は、熱交換室と吸気マニホルドとの間に配置されたバタフライ弁と、熱交換室内の空気を圧縮するために設けられたコンプレッサと、熱交換室内の圧力を示す手段とを備えたターボ過給機付きエンジン内の雰囲気圧を求める方法を提案する。

本発明によれば、この方法は以下のステップを有する。

バタフライ弁の開弁を検出するステップ、
熱交換室内の圧力を測定するステップ、
熱交換室内の圧力の曲線上の特性点を基準として定められた所定の時点に、熱交換室内の圧力を測定することにより、時間の関数として雰囲気圧を求めるステップ。
ただし、このとき雰囲気圧は測定された熱交換室内の圧力に等しくなっている。

雰囲気圧を求めるこの方法は、バタフライ弁が開くと、初期的に熱交換室内の圧力が低下して最小値を通り、その後その初期値を超えて上昇するという発見に基づいている。このケースでは、この圧力は雰囲気圧を下回り、その後雰囲気圧を超えて再び上昇することが分かっている。このように、熱交換室内の圧力は、バタフライ弁が開くときに２つの異なる時点において雰囲気圧に等しくなる。したがって、雰囲気圧の値を得るには、熱交換室内の圧力が雰囲気圧に等しくなっているときに、単純に熱交換室内の圧力を読み取るだけでよい。バタフライ弁が開くときの熱交換室内の圧力の変化は常に同じタイプのものなので、この測定は任意のエンジンについてエンジン調整中に一度だけ行われるキャリブレーション測定に基づいて行うことができる。

本発明による方法の１つの実施形態では、求められたそれぞれの雰囲気圧は記憶され、測定した熱交換室内の圧力が以前に測定した雰囲気圧の記憶値を下回る場合にのみ、さらなる雰囲気圧の測定が行われる。このケースでは、雰囲気圧のすべての測定値を記憶することが可能であるが、最後の測定値のみを記憶することも可能である。

より信頼性の高い測定を達成するには、熱交換室内の圧力を測定する際、バタフライ弁が開いた後の所定期間内に、測定した熱交換室内の圧力が最小値を通っていることを確認するための検査を行うことが望ましい。

熱交換室内の圧力の曲線上の基準点として異なる特性点を選択することもできる。本発明の好適な実施形態では、選択される特性点はバタフライ弁が開いた直後に測定された圧力最小値に相応する曲線上の点である。この好適な実施形態では、雰囲気圧はこの最小値を検出してから所定の時間Δｔが経過した後に熱交換室内の圧力を測定することにより求められる。このケースでは、経過時間は有利にはエンジン回転数の関数として定義される。

本発明による上記のような方法では、雰囲気圧はバタフライ弁が開くときに求められる。通常、これは自動車の走行行程中にかなり頻繁に生じる。例えば、雰囲気圧はギアシフトのたびに求めることができる。本発明は、相応するエンジン制御管理装置にこの圧力に関する情報をより頻繁に提供するために、他の条件においても雰囲気圧を求めることを提案する。また、エンジンが始動する前に雰囲気圧を求めることも可能である。この場合には、雰囲気圧は熱交換室内の圧力に等しい。

雰囲気圧はバタフライ弁が閉じるときにも測定することができる。この場合には、熱交換室内の圧力と雰囲気圧との間の圧力差はエンジン回転数の関数として既知である。この圧力差はエンジンごとに変化するが、１つのエンジンに関して標準化することができる。

最後に、バタフライ弁が走行行程中に開きも閉じもせず、長期間にわたって実質的に同じ位置に留まっている場合には、開ループ法により、例えば時間間隔ごとに所定の値で減分することで雰囲気圧を計算することができる。このケースでは、相応する車両は上り坂を走行しており、したがって雰囲気圧は車両が高く登るにしたがって低下することが仮定されている。

本発明の詳細及び利点は、添付した概略的な図面を参照した以下の説明により明らかになる。

図１は、ターボ過給機付きエンジンの給気システムを概略的に示しており、
図２〜４は、異なる状況における図１のバタフライ弁の位置と図１の熱交換室１６及び給気マニホルド内の圧力とを同じグラフに示した図である。

図１は非常に概略的にターボ過給機付きエンジンの給気システムを示しており、シリンダ４の中を動くピストン２はこの図の右側に、言い換えれば、図示された吸気システムの下流に見ることができる。バルブ６はシリンダ４への吸気を制御する。別のバルブ８はシリンダ４から既燃ガスを放出するために設けられている。このエンジンは例えば複数のシリンダを有している。吸気システムはすべてのシリンダ又はシリンダのグループに共通している。

図１に示されている給気システムは、上流から下流の端にかけて、空気取り入れ口１０、空気質量流量計１２、ターボ過給機のコンプレッサ１４、中間冷却器１６と呼ばれる熱交換室１６、空気流の断面積を変化させるバタフライ弁１８、及び給気マニホルド２０から構成されている。吸気弁６は吸気マニホルド２０に直接接続されている。

上記のタイプの給気システムを有する従来技術によるエンジンでは、通常は雰囲気圧をためにセンサが設けられており、このセンサは例えば空気取り入れ口１０に配置されている。雰囲気圧ＡＭＰの測定値はエンジン制御管理装置によって使用される。というのも、この雰囲気圧の値は吸気と既燃ガスの放出の両方に影響を及ぼすからである。吸気の場合には、例えば高度が高くて外気圧が比較的低ければ、シリンダの充填が比較的に不満足なものとなる。排気の場合には、外気圧はまた排気弁８に背圧を及ぼす。このように、雰囲気圧のこの値はエンジン給気システム内の空気流量を正しく求めるためには重要である。ターボ過給機付きエンジンの場合、言い換えれば、本発明のコンテキストでは、この雰囲気圧の情報はターボ過給機の制御にも重要であり、また特に排気弁（図示せず）の制御にとって重要である。なお、排気弁は一般にこの種のターボ過給機に備わっており、該ターボ過給機の回転数を、したがって該ターボ過給機により発生させられる給気圧を制御するために使用される。

上に示したターボ過給機付きエンジンの給気システムでは、熱交換室１６はターボ過給機のコンプレッサ１４を出た空気を集める。上で述べたように、この熱交換室１６はバタフライ弁１８の上流に配置されている。従来の通り、熱交換室１６内の圧力を測定する圧力センサはエンジンの制御に用いられる。この圧力は “ＢＯＰ”と呼ばれることもある。これはＢｏｏｓｔ Ｏｖｅｒ Ｐｒｅｓｓｕｒｅを意味している。

本発明によれば、多数の戦略を用いて、例えば空気取り入れ口１０に配置された特別なセンサを用いずに雰囲気圧ＡＭＰを求めることができる。これらの戦略は、以下に示すように、単純に熱交換室１６内の圧力を測定するセンサを用いて雰囲気圧を求めるために使用することができる。

従来技術において知られている第１の戦略は、エンジンが定常状態にあるとき又は必要であれば始動時に熱交換室１６内の圧力を測定するものである。これらの条件においては、エンジン給気システム全体の圧力は明らかにエンジン外部の雰囲気圧ＡＭＰに等しい。したがって、車両を始動するときに雰囲気圧ＡＭＰを求めることは容易である。始動フェーズの間にエンジン内に噴射すべき燃料量はこの圧力の関数として求められる。

一旦エンジンが始動すると、運転者は一般に発進することを望み、アクセルペダルを踏む。これによりバタフライ弁１８が開く。この状況は図２に概略的に示されている。この図の第１の曲線２２はバタフライ弁１８の開弁角度を表している。このケースでは、バタフライ弁は閉じた位置から開いた位置へ動くものと仮定されている。図２では、バタフライ弁１８が開く前には、給気システムにおいて定常状態が確立されていたものと仮定されている。曲線２４は熱交換室１６内の圧力ＭＡＰ＿ＵＰを表しており、曲線２６は吸気マニホルド２０内の圧力ＭＡＰを示している。バタフライ弁１８が閉じているときには、熱交換室１６内の圧力は雰囲気圧ＡＭＰよりもわずかに高い。というのも、バタフライ弁１８が閉じているときには、エンジンは実質的にアイドリング状態にあり、ターボ過給機により作り出される給気圧が比較的低いからである。吸気マニホルド内の圧力ＭＡＰは低い。というのも、一方で吸気マニホルド２０からの空気がピストン２の動きによってシリンダ４内に引き込まれ、他方で吸気マニホルド２０の吸気口がバタフライ弁１８により閉じられるからである。それゆえ、低圧力が吸気マニホルド２０内に形成される。バタフライ弁１８が開くときには、吸気マニホルド２０内の圧力は、低圧力によって熱交換室１６から空気が引き出されることにより直ちに上昇する。

曲線２４によって示されているように、熱交換室１６内の圧力ＭＡＰ＿ＵＰはバタフライ弁１８が開くときには低下する。なぜならば、熱交換室１６は減圧された吸気マニホルド２０に完全に接続されており、したがって圧力降下が生じるからである。その後、この圧力は再び上昇し、定常動作状態においては熱交換室１６内の圧力は吸気マニホルド２０内の圧力に等しい。なぜならば、これらのチャンバは相互に自由に連通しており、またバタフライ弁１８は開いており、熱交換室１６から吸気マニホルド２０への自由な空気の流れを妨げないからである。従来の通り、バタフライ弁１８が開くと、より多くの空気流がエンジン内に入り、したがってより多くの既燃ガス流が排気口に入る。ターボ過給機は活動化され、コンプレッサ１４は空気取り入れ口１０を通って入ってきた空気を圧縮する。このようにして、吸気マニホルド２０内及び熱交換室内の圧力は雰囲気圧ＡＭＰよりも高くなる。

したがって、バタフライ弁１８が開くときには、熱交換室内の圧力ＭＡＰ＿ＵＰは雰囲気圧ＡＭＰに二度等しくなることが観察される。本発明ではこの独創的な発見が用いられる。熱交換室１６の圧力センサはこれらの特別な条件下の雰囲気圧ＡＭＰも測定することができるので、この雰囲気圧ＡＭＰを測定するための特別なセンサは不要であると思われる。生じる問題は、曲線２４と雰囲気圧ＡＭＰの曲線との交点を求めるというものである。

本発明は、雰囲気圧ＡＭＰの値を求めるために、１つの実施形態において、熱交換室１６内の圧力の値が最小となる時点を求めることを提案する。熱交換室１６内の圧力は所定の時間間隔Δｔの後に雰囲気圧ＡＭＰの値に達する。Δｔの値は実質的にエンジン回転数Ｎの関数である。雰囲気圧ＡＭＰを求めるには、熱交換室１６内の最小圧力が観測された後、時間間隔Δｔ＝ｆ（Ｎ）だけ移った時点において熱交換室１６内の圧力ＭＡＰ＿ＵＰの値を測定する（図３参照）。

この計算方法をアルゴリズムに組み込み、エンジン制御管理装置にプログラムすることもできる。このケースでは、実行した雰囲気圧ＡＭＰの各測定の結果が記憶される。最後の測定値を記憶しさえすれば、すべての測定値をメモリに記憶することは必ずしも必要ではない。雰囲気圧ＡＭＰのこの値はＡＭＰ_ｎ−１と呼ばれる。エンジン制御管理装置がバタフライ弁１８の開弁を検出すると、熱交換室１６内の圧力ＭＡＰ＿ＵＰが監視される。特に、この値が記憶値ＡＭＰ_ｎ−１を下回るか否かが調べられる。つづいて、熱交換室１６内の圧力ＭＡＰ＿ＵＰが最小となる時点が求められる。その後は、雰囲気圧の新しい測定値ＡＭＰ_ｎが時点ｔ_０＋Δｔにおける熱交換室１６内の圧力の値であると仮定される。ここで、ｔ_０とは熱交換室１６内の圧力が最小となる時点である。Δｔの値はエンジン回転数の関数として制御管理装置により供給される。この値はほぼ数ミリ秒から数十ミリ秒までの範囲内にある。

バタフライ弁が初めて開くとき、言い換えれば、雰囲気圧ＡＭＰ_１が求められるときには、値ＡＭＰ_０は上で述べたようにエンジンの始動前又は始動時の雰囲気圧の値とする。

また、雰囲気圧ＡＭＰの値を他の条件において測定した熱交換室１６内の圧力ＭＡＰ＿ＵＰから求めることも可能である。したがって、例えば、バタフライ弁１８が閉じるときに、雰囲気圧ＡＭＰを測定することも可能である。バタフライ弁１８が閉じた後、熱交換室１６内の圧力が安定化する期間が経過すると、
ＡＭＰ＝ＭＡＰ＿ＵＰ＋ΔＰ
であることが観察される。ΔＰの値は特にエンジン回転数の関数として変化することが知られている。純粋に大きさのオーダーを示す目的で、例えば、アイドリング状態ではΔＰ≒−４ｍｂａｒであり、６０００ｒ．ｐ．ｍの近傍ではΔＰ≒−１４ｍｂａｒであることが分かる。

雰囲気圧ＡＭＰの値をバタフライ弁１８が閉じているときの熱交換室１６内の圧力ＭＡＰ＿ＵＰの関数として与える上式は回転数が低いときには正しい。なぜならば、この場合には、排気ガス圧が低く、ターボ過給機はそれゆえ熱交換室１６内に高い給気圧を形成することができないからである。同様に、この関係はバタフライ弁１８がまだ閉じていれば回転数が高いときにも正しい。なぜならば、この場合には、バタフライ弁１８の上流における過剰圧力の危険性を回避するために、再循環弁が開かれるからである。このことは、上記の式を適用する前に、なぜバタフライ弁が閉じてから所定の時間待たなければならないのかを示している。特に、再循環弁が開く場合を考慮して、再循環弁が開くための時間を残しておかなければならない。

図４はバタフライ弁１８の閉弁を示している。曲線２２’はバタフライ弁１８の開弁角度を表し、曲線２４’、２６’はそれぞれ熱交換室１６内の圧力ＭＡＰ＿ＵＰ、吸気マニホルド２０内の圧力ＭＡＰを表している。熱交換室１６内の圧力ＭＡＰ＿ＵＰはバタフライ弁１８が閉じた直後に最大値を通っていることが注目される。これは、特に、バタフライ弁１８が閉じるときに、以前には熱交換室１６から吸気マニホルド２０へ向けて自由に流れていた空気が突然バタフライ弁１８によって遮断されたという事実によって説明される。この空気はしたがって熱交換室１６内に蓄積し、そこに過剰圧力を形成する。吸気マニホルド２０への給気は止められたが、シリンダ４内のピストン２の動きがこの吸気マニホルド２０から空気を引き出し続けるので、論理的に吸気マニホルド２０内の圧力ＭＡＰは低下する。

最後の戦略は雰囲気圧ＡＭＰの値をエンジン制御管理装置に供給するために使用することができる。この第４の戦略は、前の３つの戦略が使用できないとき、言い換えれば、バタフライ弁１８が常に中間位置にあり、運転者がアクセルペダルから足を上げない場合に、使用される。このケースは一般に一定の勾配を登る場合に相当する。これはめったに起きない。というのも、山地では、勾配はつねに一定というわけではなく、このことがギアシフトを不可欠にするからである。このケースが生じることはめったにないにしても、ここで考慮しておくことはできる。このケースでは、制御は開ループモードで行われる。車両は実質的に一定の勾配で坂を登っているものと仮定される。その場合には、車両の高度の変化は例えば速度の関数として推定することが可能である。例として、毎分１ｍｂａｒのオーダーの雰囲気圧の変化を考えることが可能である。これは毎分１０ｍの高度の変化に相当する。これは、６０ｋｍ／ｈの速度で１０％の勾配を登る場合である。この開ループ測定は、バタフライ弁８が開く又は再び閉じるまで行われる。

上で非制限的な例の形で説明した本発明による方法を適用することにより、上で説明した４つの戦略を用いて、車両内で雰囲気圧センサを使用せずに済ますことが可能である。これはターボ過給機付きエンジンの給気システム内の空気流を監視するために使用されるセンサのコストのおよそ５％〜１０％を成す大幅な節約である。雰囲気圧を測定するためにまだ圧力センサを使用しているケースでも、本発明による方法は雰囲気圧と熱交換室１６内の圧力を示すセンサを監視するために使用することができる。

本発明は電気制御式のバタフライ弁を備えたエンジンにおいて特に有利である。というのも、この種のエンジンでは、熱交換室１６内の圧力を測定するセンサが必須だからである。

本発明は上で非制限的な例の形で説明した実施形態に限定されない。それどころか、本発明は当業者が作り出し得るすべての変更形態に関係している。

したがって、例えば、雰囲気圧を求めるために他の戦略を用いてもよい。本発明は本来バタフライ弁が開くときにこの雰囲気圧を求めることに関している。このような開弁に関連して説明された戦略において、雰囲気圧を別様に求めることもできる。例えば、熱交換室１６内の圧力の曲線上の別の特性点を開始点として選択することが可能である。例えば、熱交換室１６内の圧力が低下し始める開始点を選択してもよい。また、前記圧力が最小値に達した後にバタフライ弁の開弁前に有していた値に戻る点を選択することも可能である。

ターボ過給機付きエンジンの給気システムを概略的に示す。 異なる状況における図１のバタフライ弁の位置と図１の熱交換室１６及び給気マニホルド内の圧力とを同じグラフに示す。 異なる状況における図１のバタフライ弁の位置と図１の熱交換室１６及び給気マニホルド内の圧力とを同じグラフに示す。 異なる状況における図１のバタフライ弁の位置と図１の熱交換室１６及び給気マニホルド内の圧力とを同じグラフに示す。

Claims (8)

1. 熱交換室（１６）と吸気マニホルド（２０）との間に配置されたバタフライ弁（１８）と、熱交換室（１６）内の空気を圧縮するために設けられたコンプレッサ（１４）と、熱交換室（１６）内の圧力を示す手段とを備えたターボ過給機付きエンジン内の雰囲気圧を求める方法において、
   バタフライ弁（１８）の開弁を検出するステップと、
   熱交換室（１６）内の圧力（ＭＡＰ＿ＵＰ）を測定するステップと、
   熱交換室（１６）内の圧力（ＭＡＰ＿ＵＰ）の曲線（２４，２４’）上の特性点を基準として定められた所定の時点に熱交換室（１６）内の圧力（ＭＡＰ＿ＵＰ）を測定することにより、時間の関数として雰囲気圧（ＡＭＰ）を求めるステップを有し、ただし、このとき雰囲気圧（ＡＭＰ）は熱交換室（１６）内で測定した圧力に等しくなっている、ことを特徴とするターボ過給機付きエンジン内の雰囲気圧を求める方法。
2. 求めたそれぞれの雰囲気圧を記憶し、測定した熱交換室（１６）内の圧力（ＭＡＰ＿ＵＰ）が以前に測定した雰囲気圧（ＡＭＰ_ｎ−１）の記憶値を下回る場合にのみ、さらに雰囲気圧を求める、請求項１記載の測定方法。
3. 熱交換室（１６）内の圧力（ＭＡＰ＿ＵＰ）を測定する際、バタフライ弁（１８）が開いた後の所定期間内に、測定した熱交換室内の圧力ＭＡＰ＿ＵＰが最小値を通っていることを確認するための検査を行う、請求項１又は２記載の測定方法。
4. 雰囲気圧（ＡＭＰ）を求める目的での熱交換室（１６）内の圧力（ＭＡＰ＿ＵＰ）の測定を、熱交換室（１６）内の圧力（ＭＡＰ＿ＵＰ）の最小値を検出してから所定の時間Δｔが経過した後に行う、請求項３記載の測定方法。
5. 前記経過時間Δｔをエンジン回転数の関数として定義する、請求項４記載の測定方法。
6. 雰囲気圧（ＡＭＰ）の測定をエンジンが始動する前に行う、ただし、このとき雰囲気圧（ＡＭＰ）は熱交換室内の圧力（ＭＡＰ＿ＵＰ）に等しい、請求項１から５のいずれか１項記載の測定方法。
7. バタフライ弁（１８）が閉じるときにも雰囲気圧（ＡＭＰ）を測定し、測定した熱交換室内の圧力（ＭＡＰ＿ＵＰ）と雰囲気圧（ＡＭＰ）との間の圧力差をエンジン回転数の関数として求める、請求項１から６のいずれか１項記載の測定方法。
8. バタフライ弁（１８）が長期間にわたって実質的に同じ位置に留まっている場合には、開ループモードで時間間隔ごとに所定の値で減分することにより雰囲気圧（ＡＭＰ）を計算する、請求項１から７のいずれか１項記載の測定方法。

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