JP2007085281A

JP2007085281A - ターボチャージャーの可変ノズル制御装置

Info

Publication number: JP2007085281A
Application number: JP2005277026A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Fukuda; 昌之福田; Yoshiyuki Ando; 芳之安藤; Takaaki Sekine; 孝明関根
Original assignee: Jidosha Denki Kogyo KK
Current assignee: Jidosha Denki Kogyo KK
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】
電子制御アクチュエータの出力軸に外乱となる振動等が加わると出力軸の実位置は、外乱振幅に従い変化するので、電子制御回路部に於ける演算に用いる偏差も追従して振幅し、出力軸の振幅を増大させ最終的には制御が発散してしまうという問題点があった。
【解決手段】
出力軸１５に加わった振動は、演算手段１８としてのＰＩＤ演算部に入力されるが、角度センサ１４からの実出力軸の角度信号と角度信号変換手段１７からの出力軸１５の目標角度信号とを比較手段１６で比較して、出力軸１５の実角度信号が目標角度信号近傍に到達したと位置偏差判定手段２６で判断された場合、利得切替回路２５及び利得可変手段２４により、ＰＩＤ演算に用いる微分項利得を制限し、モータ駆動出力に与える振動成分の影響を低減する。
【選択図】
図２

Description

本発明は、自動車に搭載されたターボチャージャーの可変ノズルのベーンの開度をエンジンＥＣＵからの制御信号によって、電子制御アクチュエータで制御するターボチャージャーの可変ノズル制御装置に関するものである。

従来、この種の技術に於ける一例としては特開２００１−１０７７３８号に開示された内燃機関の可変ノズルターボチャージャー制御装置があり、図３に、その構成を示している。
これについて説明すれば、１はターボチャージャーであって、センターハウジング、コンプレッサハウジング及びタービンハウジングを備えている。
前記ターボチャージャー１には、空気が導入される吸気入口１ａと、ターボチャージャー１によって圧縮された空気をエンジン２に供給する圧縮空気供給孔１ｂとが設けられ、更に、エンジン２から排気が供給される排気ガス吸入口１ｃと、排気ガスを排出する排出口１ｄとが設けられている。前記ターボチャージャー１内に備えられた可変ノズル（開示せず）は、上記センターハウジングとタービンハウジングとの間に配設されている。３はステッピングモータであり、このステッピングモータ３の駆動により操作片４が操作され、可変ノズルに備えたリングプレートを同方向に押圧し、相互の可変ノズルのベーン間の隙間の大きさを調整し、タービンホイールへ吹き付けられる排気ガスの流速が調節される。５はエンジンのＥＣＵ（電子制御ユニット）であり、エンジンに設けられた各種のセンサの検出出力を入力し、これらの検出出力に基づいて、エンジンの運転状態を識別して上記ステッピングモータ３を駆動制御し、これによって、可変ノズルの各ノズルのベーンの開度を開閉制御し、タービンホイールへ吹き付けられる排気ガスの流速を調節し、併せて、燃焼のために強制的に送り込まれる空気の量も調整される。

図中、６はラジエタ−であって、エンジン２に接続され、エンジン２の冷却水が該ラジエター６を循環して冷却される。
そして、当該従来技術によれば、内燃機関の可変ノズルターボチャージャー制御装置の異常発生時又は冷間始動時、若しくはアイドル時には、可変ノズルの全開位置を可変ノズルの初期位置として設定することにより全開位置近傍での各ノズルベーンの位置制御を行なう内燃機関の可変ノズルターボチャージャー制御装置である。

また、従来の技術に於ける他の例としては、デューティソレノイドバルブを備え、アクチュエータ、例えば、負圧アクチュエータにより空気圧を調圧されてその開度が調整され、エンジンへの空気吸入量が調整される。そして、該デューティソレノイドバルブはエンジンの調圧室と、負圧室と、大気圧室との間に配置されエンジンＥＣＵから制御信号を受けて動作し、エンジンの負圧室にはバキュームポンプから負圧を受けて調整し、前記負圧アクチュエータを動作させる。前記負圧アクチュエータの動作により、ターボチャージャーに備えている排気ガスの流速を可変とするための可変ノズルの開度を制御する構成である。
特開２００１−１０７７３８公開特許公報

前記特開２００１−１０７７３８の公開特許公報に係る従来の技術は、叙上したように、タービンホイールに吹き付けられる排気ガスの経路に操作片４によって動作する可変ノズルを設け、該可変ノズルをリングプレートによって開閉することにより、該排気ガスの流量を調節する内燃機関の可変ターボチャージャー制御装置に於いて、前記内燃機関の可変ノズルターボチャージャー制御装置の異常時、冷間始動時、若しくは内燃機関のアイドル時に、当該可変ノズルの初期位置を決定し可変ノズルのベーンの開度を制御する構成であり、また、該可変ノズルのベーンの駆動動作をステッピングモータ３の回転動作で行うという構成である。

而して、当該従来の技術によれば、可変ノズルの初期位置により画一的に可変ノズルのベーンの開度が特定かつ決定され、該ベーンの開度が目標開度よりずれた場合これを補正制御することができず、ノズルベーンの位置をリアルタイムかつ合理的に制御することが困難であった。

しかも、上記エンジンのＥＣＵに備えている電子制御回路部が一般的なＰＩＤ制御を行う場合、Ｐ（比例項）とＩ（積分項）は、ターボチャージャーの可変ノズルのベーンの目標開度位置と電子制御アクチュエータの出力軸の実位置の偏差を用いて演算する。そして、微分先行型ＰＩＤ制御方式としてのＤ（微分項）は出力軸の実位置の時間当たりの偏差を用いている。このとき、電子制御アクチュエータの出力軸又はレバーに外乱となる振動等が加わると出力軸の実位置は、外乱振幅に従い変化するので、上記電子制御回路部に於ける演算に用いる偏差も追従して振幅し、該電子制御アクチュエータの出力軸の振幅を増大させ最終的には制御が発散してしまうという問題点があった。

本発明の目的は本システム又は装置に電子制御アクチュエータを備え、エンジンＥＣＵから制御信号線を介して、該電子制御アクチュエータを制御し、ターボチャージャーに有している可変ノズルのベーンの開度を制御し、当該電子制御アクチュエータによる可変ノズルのベーン開度目標位置を算出するのみで、可変ノズルのベーンの開度をリアルタイムかつ合理的に制御し可変ノズルのベーン実開度位置に適合かつコントロールさせることにより、可変ノズルのベーンの開度の適否の判定又は比較処理を自動的に行い、フィードバック信号による制御可能とする電子制御アクチュエータによる可変ノズルのベーンの開度を制御することにある。そして、電子制御アクチュエータの出力軸に加わった振動は、演算手段としてのＰＩＤ演算部に入力されるが、角度センサからの実出力軸の角度信号と角度信号変換手段からの出力軸の目標角度信号とを比較して、出力軸の実角度信号が目標角度信号近傍に到達したと判断された場合、利得可変手段及び利得切替回路により、ＰＩＤ演算に用いる微分項利得を制限し、そのため、ＰＩＤ演算の結果には本来増幅される振動成分を低減された結果が出力され、モータ駆動出力に与える振動成分の影響を低減でき、振動が無い場合の過渡特性適合範囲を拡大するというものである。

本発明は上述の目的を達成するために発明したものであり、次の構成、手段を備えている。

請求項１記載の発明は、可変ノズルを持つターボチャージャーを備えたエンジンに設けられた複数のセンサからの検出出力が入力され、該センサの検出出力でエンジンの運転状況を識別するエンジンＥＣＵからの制御信号によって前記ターボチャージャーの可変ノズルのベーンの開度を制御する電子制御アクチュエータを備えたターボチャージャーの可変ノズル制御装置において、前記電子制御アクチュエータは、駆動源となるモータ部と、このモータ部に減速機構を介して連結され、前記ターボチャージャーの可変ノズルのベーンに連結された出力軸と、この出力軸の回転角度を検出して出力軸の実角度信号を出力する角度センサと、この実角度信号をベーン開度信号に変換してエンジンＥＣＵへ送信する通信信号変換手段と、前記モータ部を駆動する駆動信号を出力するモータ駆動手段と、前記エンジンＥＣＵからの可変ノズルのベーンの開度指示情報を前記出力軸の目標角度信号に変換する角度信号変換手段と、前記角度信号変換手段からの目標角度信号及び前記角度センサからの実角度信号を比較して、この両信号の差に応じた指示信号を出力する比較手段と、この比較手段からの指示信号を演算処理する演算手段と、この演算手段からの出力信号を前記モータ駆動手段に供給するモータ駆動ロジック生成手段と、前記比較手段からの指示信号が入力され，前記指示信号の値が予め定められた値よりも小さい場合に利得切替信号を発生する位置偏差判定手段と、前記位置偏差判定手段から利得切替信号が供給されると前記演算手段の利得を小さな値に切替える利得切替え回路とを有したことを特徴とするターボチャージャーの可変ノズル制御装置である。

本発明に係るターボチャージャーの可変ノズル制御装置は、叙上の解決手段を有するので次のような効果がある。

請求項１の発明によれば、出力軸の実角度信号と出力軸の目標角度信号とを比較し、この両信号の差に応じた指示信号を出力する比較手段の指示信号が予め定められた値よりも小さい場合に、演算手段の利得を小さな値に切り替えるようにしたので、出力軸に加わる振動等の外乱による出力軸の実角度信号の振れの影響を抑制でき、耐振動性と電気制御の過渡特性を両立させることができる効果がある。

以下、本発明に係るターボチャージャーの可変ノズル制御装置に於ける実施の形態ついて、添付図面に基づき詳細に説明する。

図１は本発明に係る実施の形態を示す構成図である。これについて説明する。
８はターボチャージャーであって、エンジンへの吸入空気を過給するシステムであり、コンプレッサホイールを有するコンプレッサ及び該コンプレッサと同軸上にロータシャフトにより結合されて、排気ガスにて回転駆動される該ターボチャージャー８のタービンホイールを有するタービン（図示せず）が設けられている。該ターボチャージャー８の空気通路７にはエンジンの吸入空気の吸気圧力、つまり、ブースト圧を検出する圧力センサ９をホース１０を介して接続している。また、前記ターボチャージャー８のタービン内には、前記タービンホイールを取巻くように、可変ノズル部材が配置されている。

１１はエンジンＥＣＵであって、エンジンに設けられた各種センサ、例えばエンジン水温を検出するための水温センサ、エンジンの回転数を検出するためのものであって、一定のクランク角度毎にパルス信号を出力する回転数センサ、エアフローメーターによる吸入空気量やドライバーのアクセルペダルの踏込み操作量を検出して負荷量を算出するアクセルセンサから、それぞれ水温信号、回転信号及び負荷信号の検出出力を導入する。尚、図１には示していないが、その他、排気ガスの酸素濃度に応じて異なる電圧信号を出力する酸素センサ、エンジン燃焼室内の圧力を検出するための筒内圧センサを備えることもある。

電子制御アクチュエータ１３は、制御信号線１２を介して前記エンジンＥＣＵ１１に接続されている。エンジンＥＣＵ１１は、検出出力に基づいてエンジンの運転状態を識別して、制御信号線１２を介して、電子制御アクチュエータ１３を駆動制御する。該電子制御アクチュエータ1３は、レバー１３ａ及びロッド１３ｂを連結しており、その動作により、ターボチャージャー８に備えた可変ノズル部材（図示せず）を制御する。

即ち、エンジンＥＣＵ１１は各種のエンジンに備えたセンサからの情報（信号）によって演算処理制御を行う。尚、前記電子制御アクチュエータ１３は、例えば、ターボチャージャー８に取付けられる。

次に、本発明に係るターボチャージャーの可変ノズル制御装置に於ける具体的な実施例について図２に基づき説明する。

図２は、本発明に係るターボチャージャーの可変ノズル制御装置に於ける実施例を示すブロック結線図である。これについて説明する。

前記電子制御アクチュエータ１３は、電子制御回路部Ａ１及び駆動部Ａ２を備えている。該電子制御回路部Ａ１は可変ノズルのベーンの指示開度信号を制御信号線１２を介して導入する角度信号変換手段１７と、出力軸１５の目標角度信号及び出力軸１５の実角度信号を比較する比較手段１６と、該比較手段１６からの出力信号を微分、積分しかつ比例制御し、ＰＩＤ演算部で構成される演算手段１８と、該演算手段１８の出力側に接続されるモータ駆動ロジック生成手段１９と、出力軸の実角度信号を検出し、かつベーン実開度信号に変換する通信信号変換手段２３とを有している。また、該駆動部Ａ２は該電子制御回路部Ａ１の前記モータ駆動ロジック生成手段１９の出力信号により動作するモータドライバ２０と、該モータドライバ２０の出力信号によって回動動作するモータ部２１と、該モータ部２１の回動速度を減速させる減速機構２２と、該減速機構２２に連結した電子制御アクチュエータ１３の出力軸１５と、該出力軸１５の回転角度を検出する角度センサ１４とを有している。
電子制御アクチュエータ１３の出力軸１５には、レバー１３ａの一端部が連結され、該レバー１３ａの他端部はロッド１３ｂの一端部に連結され、該ロッド１３ｂの他端部はターボチャージャー８の可変ノズルのベーン１３ｃに連結されている。

次に本発明に係るターボチャージャーの可変ノズル制御装置に於ける具体的な実施例の動作を説明する。
該駆動部Ａ２の出力側から角度センサ１４を介してその出力軸１５の実角度信号を該電子制御回路部Ａ１の比較手段１６にフィードバックしている。前記電子制御回路部Ａ１は、角度信号変換手段１７、比較手段１６、ＰＩＤ演算部等でなる演算手段１８、及びモータ駆動ロジック生成手段１９を順次接続し、エンジンの始動に基づき前記エンジンＥＣＵ１１からの種々の通信情報、特に、可変ノズルのベーン１３ｃの開度指示情報を制御信号線１２を経由して取込み、その情報若しくは信号を処理演算し、後段に配置した駆動部Ａ２に出力している。その出力信号により動作する該駆動部Ａ２は前記モータ駆動ロジック生成手段１９の出力信号により動作するモータ駆動手段としてのモータドライバ２０、駆動源としてのモータ部２１、減速機構２２、及び当該電子制御アクチュエータ１３の出力軸１５を備えて構成し、これらを順次動作させている。

而して、該出力軸１５の回転角度を角度センサ１４により出力軸１５の実角度信号を検出し、上記比較手段１６に導入すると共にベーン実開度信号に変換する通信信号変換手段２３を介してエンジンＥＣＵ１１に伝達している。ここで、上記比較手段１６の出力側に設けた演算手段１８は、例えば、ＰＩＤ演算部で構成されてあって、比較手段１６により、出力軸１５の目標角度信号と、出力軸１５の実角度信号を比較し、積分、微分させかつ比例制御させて細かく処理演算する。このような手段を使用したので、当該電子制御アクチュエータ１３の応答性が極めて良好となる。また、比較手段１６の出力には、更に位置偏差判定手段２６、利得切替回路２５及び利得可変手段２４が順次接続され、利得可変手段２４の出力は演算手段１８に接続されている。

次に、上記電子制御アクチュエータ１３の出力は、レバー１３ａ、ロッド１３ｂを介して、ターボチャージャー８の可変ノズル部材に伝達され、該可変ノズル部材に備えた可変ノズルのベーン１３ｃの開度を制御する。
このように本発明装置によれば、角度センサ１４により可変ノズルのベーン１３ｃに連結された出力軸１５の回転角度を検出して出力軸１５の実角度信号を出力し、角度信号変換手段１７によりエンジンＥＣＵ１１からの可変ノズルのベーン１３ｃの開度指示情報を出力軸１５の目標角度信号に変換し、この両信号を比較して該両信号の差に応じて、可変ノズルのベーン１３ｃを駆動して該ベーン１３ｃを目標開度に制御したので、可変ノズルのベーン１３ｃの開度の適否の判定又は比較処理は自動的に行われ、フィードバック信号による制御が可能となるターボチャージャーの可変ノズル制御装置となる。

そして、出力軸１５が外乱により振動すると、角度センサ１４からの出力軸１５の実角度信号にその振動成分が、比較手段１６を介して演算手段１８に入力されて増幅されてしまい、制御が不安定となるが、出力軸１５の実位置が目標位置近傍に到達し、その結果、比較手段１６の指示信号が予め定められた値よりも小さい値であると位置偏差判定手段２６で判断された場合、利得可変手段２４及び利得切替回路２５により、ＰＩＤ演算に用いる微分項利得を例えば約１／５に制限する。そのため、ＰＩＤ演算の結果には本来増幅される振動成分の約１／５に低減された結果が出力され、出力軸１５が外乱により振動しても、モータ駆動出力に与える振動成分の影響を低減でき、制御が安定する。

本発明に係るターボチャージャーの可変ノズル制御装置の好適な実施の形態を示す構成図である。本発明に係るターボチャージャーの可変ノズル制御装置の具体的な実施例を示すブロック結線図である。ターボチャージャーの可変ノズル制御装置の従来例を示す構成図である。

符号の説明

１ターボチャージャー
１ａ吸気入口
１ｂ圧縮空気供給孔
１ｃ排気ガス吸入口
１ｄ排出口
２エンジン
３ステッピングモータ
４操作片
５エンジンＥＣＵ
６ラジエター
７空気通路
８ターボチャージャー
８ａ吸気通路
９ステッピングモータ
１０ホース
１１エンジンＥＣＵ
１２制御信号線
１３電子制御アクチュエータ
１３ａレバー
１３ｂロッド
１３ｃ可変ノズルのベーン
１４角度センサ
１５出力軸
１６比較手段
１７角度信号変換手段
１８演算手段
１９モータ駆動ロジック生成手段
２０モータダライバ（モータ駆動手段）
２１モータ部
２２減速機構
２３通信信号変換手段
２４利得可変手段
２５利得切替回路
２６位置偏差判定手段
Ａ１電子制御回路部
Ａ２駆動部

Claims

可変ノズルを持つターボチャージャーを備えたエンジンに設けられた複数のセンサからの検出出力が入力され、該センサの検出出力でエンジンの運転状況を識別するエンジンＥＣＵからの制御信号によって前記ターボチャージャーの可変ノズルのベーンの開度を制御する電子制御アクチュエータを備えたターボチャージャーの可変ノズル制御装置において、前記電子制御アクチュエータは、駆動源となるモータ部と、このモータ部に減速機構を介して連結され、前記ターボチャージャーの可変ノズルのベーンに連結された出力軸と、この出力軸の回転角度を検出して出力軸の実角度信号を出力する角度センサと、この実角度信号をベーン開度信号に変換してエンジンＥＣＵへ送信する通信信号変換手段と、前記モータ部を駆動する駆動信号を出力するモータ駆動手段と、前記エンジンＥＣＵからの可変ノズルのベーンの開度指示情報を前記出力軸の目標角度信号に変換する角度信号変換手段と、前記角度信号変換手段からの目標角度信号及び前記角度センサからの実角度信号を比較して、この両信号の差に応じた指示信号を出力する比較手段と、この比較手段からの指示信号を演算処理する演算手段と、この演算手段からの出力信号を前記モータ駆動手段に供給するモータ駆動ロジック生成手段と、前記比較手段からの指示信号が入力され，前記指示信号の値が予め定められた値よりも小さい場合に利得切替信号を発生する位置偏差判定手段と、前記位置偏差判定手段から利得切替信号が供給されると前記演算手段の利得を小さな値に切替える利得切替え回路とを有したことを特徴とするターボチャージャーの可変ノズル制御装置。