JP2007510861A - ターボ過給機サージ検出 - Google Patents

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Abstract

本発明は、ターボ過給機コンプレッサを介する空気流量を測定する段階と、前記空気流の温度を測定する段階と、前記流量および前記温度における前記空気流の標準質量流量を計算する段階と、ターボ過給機コンプレッサを横切る圧力比を測定する段階と、前記圧力比における前記コンプレッサのサージラインでのサージ質量流量を計算する段階と、前記標準質量流量と前記サージ質量流量とを比較する段階と、前記標準質量流量が前記サージ質量流量より低い場合に、ＥＧＲ流を減少させ、またはコンプレッサの翼を開くことにより、前記圧力比を減じる段階とを含みうる、ターボ過給機サージ検出方法に関する。
【選択図】 図４
【その他】
段落番号は、日本書式に対応させたため国際公開公報に記載のものとは異なりますが、翻訳の内容に変更はございません。また、ターボ過給機サージ検出プログラムの一例を、表１から３２として添付いたしました。

Description

本出願は、２００３年１１月１２日出願の仮出願第６０／５１８，６４８号の優先権を主張するものであり、前記仮出願の開示が参照により取り入れられる。
本発明は、ターボ過給機サージ検出の分野に関する。
内燃機関は、吸気を燃焼室に送給する前に圧縮する過給機またはターボ過給機を含みうる。過給機は、一般に、ベルトまたは歯車駆動される一方で、ターボ過給機は、エンジンの排気ガスにより駆動されるタービンを有する。過給機の場合はベルトまたは歯車が、ターボ過給機の場合はタービンが、吸気を圧縮するコンプレッサを駆動する。遠心または回転ポンプでありうる前記コンプレッサは、入口側において圧縮される空気を受けるとともに、前記空気を出口側から燃焼室に供給する。出口側と入口側との圧力差は、圧力比と呼ばれ、コンプレッサが吸気に供給するブーストの量を表す。
図１に、ターボ過給機コンプレッサのコンプレッサマップ１００が示されている。圧力比１０２が縦軸に示され、流量１０４が横軸に示されている。図１において理解されうるように、コンプレッサの動作領域１０６は、このコンプレッサマップの左側において、サージライン１０８により制限される。
サージは、コンプレッサを介した流量１０４が低すぎて優勢な圧力比１０２を維持することができない場合に起こる。サージライン１０８は、こうした状態をさまざまな流量１０４に関して表している。流量１０４が低すぎて優勢な圧力比１０２を維持することができない場合は、空気流がキャビテーションを起こして、コンプレッサホイールのブレードまたは翼の吸込み側から遊離し、空気流を、圧力比１０２が低下するまで、コンプレッサを介して逆流させることになる。サージ条件が優勢であり続ける場合は、圧力比１０２が再び増加し、前記サイクルが繰り返されることになる。この圧力比１０２の増加と低下とのサイクルは、実質的に固定された頻度で継続しうる。サージは、ボンという音を発生させるとともに、ターボ過給機とエンジンへの吸気口との間における配管に応力を加える。このボンという音は、サージングまたはバーキングと呼ばれる。このサージングまたはバーキングを有するトラックを使用する顧客は、これを嫌がるとともに、これが自身のトラックおよびエンジンの損傷を引き起こすことを懸念している。
流路可変過給機等のターボ過給機とＥＧＲシステムとの間における相互作用は、ターボ過給機コンプレッサを介した気体の逆流を悪化させうる。ＥＧＲシステムは、排気ガスをコンプレッサの下流において供給してコンプレッサが腐食性の排気ガス中に浸漬されることを防ぐ。コンプレッサの下流において空気流に混入する再循環排気ガスは、コンプレッサの出口における圧力を増大させて、圧力比１０２を人為的に増加させるとともに、サージを促進する。
本発明の主たる目的は、ターボ過給機サージ検出方法およびシステムを提供することにより、前記の関連技術の欠点を克服することにある。本発明は、ターボ過給機サージ検出方法およびシステムを提供することにより、前記およびその他の目的を達成する。
いくつかの態様において、本発明は、ターボ過給機サージ検出方法およびシステムを提供しうる。特に、第１の態様において、ターボ過給機サージ検出方法は、ターボ過給機コンプレッサを介する空気流量を測定する段階と、前記空気流の温度を測定する段階と、前記流量および前記温度における前記空気流の標準質量流量を計算する段階と、ターボ過給機コンプレッサを横切る圧力比を測定する段階と、前記圧力比における前記コンプレッサのサージラインでのサージ質量流量を計算する段階と、前記標準質量流量と前記サージ質量流量とを比較する段階と、前記標準質量流量が前記サージ質量流量より低い場合に、ＥＧＲ流を減少させる段階とを含みうる。
第２の態様において、ターボ過給機サージ検出方法は、ターボ過給機コンプレッサを介する空気流量を測定する段階と、前記空気流の温度を測定する段階と、前記流量および前記温度における前記空気流の標準質量流量を計算する段階と、ターボ過給機コンプレッサを横切る圧力比を測定する段階と、前記圧力比における前記コンプレッサのサージラインでのサージ質量流量を計算する段階と、前記標準質量流量と前記サージ質量流量とを比較する段階と、前記標準質量流量が前記サージ質量流量より低い場合に、前記コンプレッサの翼を開くことにより、前記圧力比を減じる段階とを含みうる。
第３の態様において、ターボ過給機サージ検出システムは、ターボ過給機コンプレッサを介する空気流量を測定する手段と、前記空気流の温度を測定する手段と、前記空気流の標準質量流量を計算する手段と、ターボ過給機コンプレッサを横切る圧力比を測定する手段と、前記コンプレッサのサージラインでのサージ質量流量を計算する手段と、前記標準質量流量と前記サージ質量流量とを比較する手段と、前記標準質量流量が前記サージ質量流量より低い場合に、ＥＧＲ流を減少させる手段とを含みうる。
第４の態様において、ターボ過給機サージ検出システムは、ターボ過給機コンプレッサを介する空気流量を測定する手段と、前記空気流の温度を測定する手段と、前記空気流の標準質量流量を計算する手段と、ターボ過給機コンプレッサを横切る圧力比を測定する手段と、前記コンプレッサのサージラインでのサージ質量流量を計算する手段と、前記標準質量流量と前記サージ質量流量とを比較する手段と、前記コンプレッサの翼を開くことにより前記圧力比を減じる手段とを含みうる。
本発明の前記およびその他の特徴と利点と、本発明のさまざまな実施形態の構造および作用とは、添付図面を参照して以下に詳細に説明される。
本明細書に取り入れられ、かつ本明細書の一部分を構成する添付図面は、本発明のさまざまな実施形態を明示するとともに、さらにまた、説明と併せて、本発明の原理を説明し、かつ当業者が本発明を製作および使用することを可能にする役割を果たす。図面において、同様の参照符号は、同一または機能的に同様の構成要素を指す。本発明およびその多くの付随の利点のより完全な理解は、添付図面と関連付けて以下の詳細な説明を参照することにより本発明をさらに理解すると容易に得られよう。
図２に、本発明の実施形態とともに用いられるターボ過給式内燃機関２２２の略図が示されている。ターボ過給式内燃機関２２２は、吸気マニホルド２３０のランナ２２８により給気される燃焼室２２６を各々が有する、複数個のシリンダ２２４を含みうる。コンプレッサ２０４は、吸気マニホルド２３０に加圧吸気２０２を供給しうる。コンプレッサ２０４は、大気圧でありうる低圧空気２０２を受ける入口２４０と、吸気マニホルド２３０に配管接続される出口２４２とを有しうる。吸気マニホルド２３０には、ＥＧＲ弁２３４の出口２３２も配管接続されうる。ＥＧＲ弁２３４の入口２３６は、これもまた燃焼室２２６に接続される排気マニホルド２３８からの排気ガスを掃気しうる。
コンプレッサ２０４がサージング点にあるときに、コンプレッサ２０４の翼位置を調節して、コンプレッサ２０４を横切る圧力比を減じるとともに、サージを回避しうることが望ましい。さらにまた、コンプレッサ２０４がサージング点にあるときに、コンプレッサから下流において吸気マニホルド２３０に流入するＥＧＲ流を減少させて、コンプレッサ２０４を横切る圧力比を減じるとともに、サージを回避しうることが望ましい。
図３に、ターボ過給式内燃機関２２２用制御アルゴリズムの略図２４４が示されている。図２４４の左側に示される入力パラメータ２４６が評価されて、コンプレッサ２０４がサージライン１０８に対してどの位置で動作しているかが判断される。コンプレッサ２０４を介した実際の質量流量２０２と温度２０６とを用いて、コンプレッサ２０４の基準状態における標準質量流量２０８が計算される（ｍｄｏｔｃｏｒｒ）。コンプレッサ２０４の圧力比２１０は、入力センサ（ＣＰＲ）により判断されるとともに、コンプレッサ２０４のサージライン１０８における質量流量２１２の探索に用いられる。探索曲線は、図４に示されるように、ある程度のサージ余裕２１６を加えられて有する。
コンプレッサ２０４の基準状態における標準質量流量２０８は、サージライン１０８における質量流量２１２（該質量流量にサージ余裕２１６を加えたもの）と比較されて、コンプレッサ２０４がサージに近づいているかどうかが判断される。この比較の後に、制御装置２５０は、いかなるサージ余裕２１６もない場合は、ＥＧＲ流２１４を比例的に減少させて、コンプレッサ２０４を介する質量流量２０２を増加させ、以ってコンプレッサ２０４のサージを排除する。さもなければ、所望のＥＧＲ流要求が、いかなる減少も行なわれることなしに直接通される。ＥＧＲ弁２３４の位置を変更してＥＧＲ流２１４を減少させることは、コンプレッサ２０４を介する空気流２０２を増加させ、以ってサージ余裕２１６を増加させうる。
さらにまた、ターボ過給機コンプレッサ２０４の翼２１８の位置を開くことにより、コンプレッサ２０４の圧力比２１０を減じて、サージ余裕２１６をさらに増加させることができる。何らかの組合せの事象を用いて、コンプレッサ２０４のサージ余裕２１６を増加させることが可能である。単にＥＧＲ弁２３４の位置を変更すること、最初にＥＧＲ弁２３４の位置を変更し、次にターボ過給機の翼２１８の位置を開くこと、最初にターボ過給機の翼２１８の位置を開き、次にＥＧＲ弁２３４の位置を変更すること、または単にターボ過給機の翼２１８の位置を開くことができる。
エンジンの急減速下においては、制動モードまたは非制動状態のいずれの場合も、ターボ過給機とＥＧＲシステムとの相互作用に関するさらに他の２つの事例が見られた。
事例１：ＥＧＲ弁２３４を急速に閉弁して、コンプレッサ２０４を介する気体の逆流を防がなければならない。燃料比が急減した場合のＥＧＲシステムの自然な作用は、ＥＧＲ流量２１４を増大させて所望の空燃比を維持することである。ターボ過給機は、依然として高い流量の空気２０２を、燃料を伴うことなしに送給している。ＥＧＲシステムは、ＥＧＲの量を増加させることにより補償して、以ってコンプレッサ２０４を介する空気流２０２を減少させようとする。これは、所定の圧力比２１０においてターボ過給機を回転させることができるだけの十分な動力が残されていないため、コンプレッサ２０４を介する気流の逆流を招く。さらにまた、ＥＧＲ弁２３４の弁閉じと組み合わせて、ターボ過給機の翼２１８の位置を小さくして、コンプレッサ２０４に対する要求を燃料比の急減に応じて減じることができる。
事例２：ブレーキの適用に伴うエンジンの急減速の場合は、さらにまた、ターボ過給機の翼２１８の位置を迅速に変更することができる。制御された迅速な態様でエネルギーをシステムから除去して、ターボ過給機のバーキング（ボンという音）を防がなければならない。制動モードでは、動力運転時の空気流量２０２と比較して低い空気流量２０２が必要とされる。コンプレッサ２０４を介する気体の逆流は、空気使用量の急変に伴って起こる。
特に、第１の実施形態において、ターボ過給機サージ検出方法２００は、ターボ過給機コンプレッサ２０４を介する空気流２０２の流量２２０を測定する段階と、空気流２０２の温度２０６を測定する段階と、流量２２０かつ温度２０６における空気流２０２の標準質量流量２０８を計算する段階と、ターボ過給機コンプレッサ２０４を横切る圧力比２１０を測定する段階と、圧力比２１０におけるコンプレッサ２０４のサージライン２１４でのサージ質量流量２１２を計算する段階と、標準質量流量２０８とサージ質量流量２１２とを比較する段階と、標準質量流量２０８がサージ質量流量２１２より低い場合に、ＥＧＲ流２１４を減少させる段階とを含みうる。
１つの実施形態において、前記ターボ過給機サージ検出方法は、さらにまた、サージ質量流量２１２にサージ余裕２１６を加える段階を含みうる。
１つの実施形態において、ターボ過給機サージ検出方法２００は、さらにまた、コンプレッサ２０４の翼２１８を開くことにより、圧力比２１０を減じる段階を含みうる。
第２の実施形態において、ターボ過給機サージ検出方法３００は、ターボ過給機コンプレッサ２０４を介する空気流２０２の流量２２０を測定する段階と、空気流２０２の温度２０６を測定する段階と、流量２２０かつ温度２０６における空気流２０２の標準質量流量２０８を計算する段階と、ターボ過給機コンプレッサ２０４を横切る圧力比２１０を測定する段階と、圧力比２１０におけるコンプレッサ２０４のサージライン２１４でのサージ質量流量２１２を計算する段階と、標準質量流量２０８とサージ質量流量２１２とを比較する段階と、標準質量流量２０８がサージ質量流量２１２より低い場合に、コンプレッサ２０４の翼２１８を開くことにより、圧力比２１０を減じる段階とを含みうる。
１つの実施形態において、ターボ過給機サージ検出方法３００は、さらにまた、サージ質量流量２１２にサージ余裕２１６を加える段階を含みうる。
例１：本発明の実施形態とともに用いられるターボ過給機サージ検出プログラムの一例を以下に示す。
前記に、本発明の原理と実施形態と作動形態とを説明した。しかしながら、これらの特定の実施形態は、例証的であって限定的ではないと見なされるべきであるため、本発明は、前記の特定の実施形態に制限されると解釈されるべきではない。当業者により、本発明の範囲から逸脱することなしに、これらの実施形態に変更が加えられうることが理解されるべきである。
前記に本発明を詳細に説明したが、本発明が説明された特定の実施形態に制限されることを意図するものではない。当業者は、これ以降、本発明の概念から逸脱することなしに、本明細書に記載の特定の実施形態の多様な利用と改変と変更とを行ないうることは明白である。
前記に本発明のさまざまな実施形態を説明したが、これらの実施形態は、単なる例として提示されたものであって、本発明を制限するものではないことが理解されるべきである。よって、本発明の広さおよび範囲は、前記実施形態により制限されるべきではない。
前記教示に鑑みて、本発明の数多くの改変および変形態様が考えられることは自明である。したがって、本発明は、本明細書に特に記載の方法以外の方法で実施されうることを理解されたい。
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コンプレッサマップである。 本発明の実施形態とともに用いられるターボ過給式内燃機関の略図である。 本発明の第１の実施形態にしたがった制御アルゴリズムの略図である。 本発明の実施形態とともに用いられるコンプレッサマップである。

Claims (10)

  1. ターボ過給機コンプレッサを介する空気流の流量を測定する段階と；
    前記空気流の温度を測定する段階と；
    前記流量かつ前記温度における前記空気流の標準質量流量を計算する段階と；
    前記ターボ過給機コンプレッサを横切る圧力比を測定する段階と；
    前記圧力比における前記コンプレッサのサージラインでのサージ質量流量を計算する段階と；
    前記標準質量流量と前記サージ質量流量とを比較する段階と；
    前記標準質量流量が前記サージ質量流量より低い場合に、ＥＧＲ流を減少させる段階とからなるターボ過給機サージ検出方法。
  2. 前記サージ質量流量にサージ余裕を加える段階をさらに含む請求項１のターボ過給機サージ検出方法。
  3. 前記コンプレッサの翼を開くことにより、前記圧力比を減じる段階をさらに含む請求項１のターボ過給機サージ検出方法。
  4. ターボ過給機コンプレッサを介する空気流の流量を測定する段階と；
    前記空気流の温度を測定する段階と；
    前記流量かつ前記温度における前記空気流の標準質量流量を計算する段階と；
    前記ターボ過給機コンプレッサを横切る圧力比を測定する段階と；
    前記圧力比における前記コンプレッサのサージラインでのサージ質量流量を計算する段階と；
    前記標準質量流量と前記サージ質量流量とを比較する段階と；
    前記標準質量流量が前記サージ質量流量より低い場合に、前記コンプレッサの翼を開くことにより、前記圧力比を減じる段階とからなるターボ過給機サージ検出方法。
  5. 前記サージ質量流量にサージ余裕を加える段階をさらに含む請求項４のターボ過給機サージ検出方法。
  6. ターボ過給機コンプレッサを介する空気流の流量を測定する手段と；
    前記空気流の温度を測定する手段と；
    前記空気流の標準質量流量を計算する手段と；
    前記ターボ過給機コンプレッサを横切る圧力比を測定する手段と；
    前記コンプレッサのサージラインにおけるサージ質量流量を計算する手段と；
    前記標準質量流量と前記サージ質量流量とを比較する手段と；
    前記標準質量流量が前記サージ質量流量より低い場合に、ＥＧＲ流を減少させる手段とからなるターボ過給機サージ検出システム。
  7. 前記サージ質量流量にサージ余裕を加える手段をさらに含む請求項６のターボ過給機サージ検出システム。
  8. 前記コンプレッサの翼を開くことにより、前記圧力比を減じることをさらに含む請求項６のターボ過給機サージ検出システム。
  9. ターボ過給機コンプレッサを介する空気流の流量を測定する手段と；
    前記空気流の温度を測定する手段と；
    前記空気流の標準質量流量を計算する手段と；
    前記ターボ過給機コンプレッサを横切る圧力比を測定する手段と；
    前記コンプレッサのサージラインにおけるサージ質量流量を計算する手段と；
    前記標準質量流量と前記サージ質量流量とを比較する手段と；
    前記コンプレッサの翼を開くことにより、前記圧力比を減じる手段とからなるターボ過給機サージ検出システム。
  10. 前記サージ質量流量にサージ余裕を加える手段をさらに含む請求項８のターボ過給機サージ検出方法。
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