JP2007512471A - 可変ターボユニットを有する内燃機関に関する制動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、タービン速度およびガス流を制御する調節可能な案内羽根によって、排気ターボチャージャーユニット（１６）を有する内燃機関（１０）におけるエンジンブレーキ中の制動効果を制御する工夫に富んだ方法に関する。この方法は、以下のステップ、すなわちエンジン速度の検出と、案内羽根の調節位置の検出と、エンジンの吸気側における充填圧力またはエンジンの排気側におけるマニホルド圧力の計測と、記憶された所望の数値に対するこれらのデータの比較と、優勢な充填圧力に関して適切な制動効果を与える所望の位置に対する案内羽根の調節の各ステップからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービン速度およびガス流を制御する調節可能な案内羽根によって、排気ターボチャージャーユニットを有する内燃機関におけるエンジンブレーキ中の制動効果を制御する方法に関する。

可変タービンジオメトリー（ＶＴＧ）を備えたターボチャージャーユニットを有する内燃機関では、タービンを介してガス流を制御することが可能である。例えば、制御は、タービンロータの上流の回転可能な案内羽根によって達成され得る。代替的には、いわゆる「スライディングウォール」が、タービンの吸気領域を変化させるために使用されても構わない。

ＶＴＧを装備し、排気系統からのエンジンシリンダの圧力充填によっておよび／またはエンジンの吸気側を介する圧力充填によって充填され得る圧縮ブレーキをも装備したディーゼルエンジンのエンジンブレーキ効果を制御するために、タービン案内羽根は、所定の制動効果を与える所定位置に設定される。制動効果が変更されるべきであるとき、案内羽根が移動され、その制動効果が修正されることになる。何故なら、充填圧力（吸気側）およびマニホルド内の反対圧力が調節されるからである。

エンジンブレーキのテストにおいて、例えば、ＶＴＧを装備したエンジンを有する大型車両に関する下り坂走行をシミュレーションすることによって、その制動効果は、ブレーキが所定の時間にわたって作動されるとき一定に維持されるものではないと判明している。これは、ガイドアームおよび類似の構成がそれらの長さを変化させるので、温度変化が案内羽根の位置に影響を与えるという事実によるものである。例えば、案内羽根が、ターボチャージャーが実質的に遮断される位置にある場合には、特殊な問題が生じるかもしれない。上述のテストにおいて、案内羽根位置の僅かな変化は、制動効果に対して比較的大きな影響を与え得るものであった。それは、案内羽根を予め選択された位置に移動させることによって、所望の制動効果を設定することが不可能であることを明らかにした。それは、部分的には長手方向の熱膨張の問題であり、部分的には公差によって時々いくらか変化することになる予め選択された機械的位置の問題であった。

これらの問題は、その制御装置が内燃機関の吸気側における圧力変動に関して遅くなり且つ不安定になることを意味し得る。これらの不都合な圧力変動のために、制動効果の制御において問題が発生するのである。乗り心地が低下してしまう危険もあり、そのブレーキ装置が自動車の様々な制御ユニットによって制御されることになるリターダのような自動車のその他の常用ブレーキに対する同期化に関する問題の危険もまた存在する。最悪の事例では、駆動系の構成部品がそれらの強度限界の近くで機能している場合、これらの構成部品にとって制動効果が大きくなり過ぎてしまうという事態もまた考えられる。

エンジンブレーキ効果を制御するために可変タービンジオメトリーを備えたターボチャージャーを使用するときには、案内羽根位置および充填圧力の制御を有し、或いは吸気圧力およびタービン速度の制御をも有することが重要であり、均一且つ堅実なエンジンブレーキ作用を提供し得ることになる。

可変タービンジオメトリーを有するターボチャージャーにおいて案内羽根を制御する１つの方法は、特許文献１に開示されている。これは、充填圧力およびマニホルド圧力が制動効果を制御するために結合される解決策を説明している。しかしながら、上述の問題を解決するためには、更なる努力が必要とされる。例えば、エンジンのバルブリフトにおける変動は、マニホルド圧力に影響を与え得るものであり、それは、この引用特許において提案された制御方式が機能しなくなることを意味するのである。

米国特許第６０８５５２６号明細書 米国特許第５１４６８９０号明細書

従って、本発明の１つの目的は、調節可能な案内羽根によって、排気ターボチャージャーユニットを有する内燃機関におけるエンジンブレーキ中の制動効果を制御する方法を提供することであり、それは、必要な制動効果が一貫して達成され得るということを意味する。

この目的は、以下の各ステップ、すなわち、エンジン速度の検出と、案内羽根の調節位置の検出と、エンジンの吸気側における充填圧力またはエンジンの排気側におけるマニホルド圧力の計測と、記憶された所望の数値に対するこれらのデータの比較と、優勢な充填圧力に関して適切な制動効果を与える所望の位置に対する案内羽根の調節の各ステップを特徴とする本発明に従った方法において達成される。この方法によれば、ターボチャージャーユニットの案内羽根は、所望の位置に設定され得ることになり、その設定もまた、その後、例えば温度変化を補正するために直接に調節されることが可能である。

本発明の好適且つ例示的な実施形態は、後続の従属請求項において規定される。

本発明は、以下のような添付図面において示される例示的な実施形態を参照して以下でより詳細に説明される。

図１で示される内燃機関１０は、吸気マニホルド１３および排気マニホルド１４を備えた６本のピストン形シリンダ１２を有するエンジンブロック１１から成っている。排気ガスは、排気ガス管１５を介して、ターボチャージャーユニット１６のタービンロータ１７に供給される。タービン軸１８は、ターボチャージャーユニットの圧縮機ホイール１９を駆動するものであり、吸気管２０を介して進入する空気を圧縮し、空気中間冷却器２１を介してそれを吸気マニホルド１３に供給する。

ターボチャージャーユニット１６は、可変タービンジオメトリー（ＶＴＧ）を装備していて、それが、１つまたはそれ以上の調節可能な案内羽根を調節することによってタービンを通るガス流を制御することが可能になる。案内羽根は、例えば、制御プログラムおよびこのための制御データを包むエンジン制御ユニット２３に接続されるアクチュエータ２２によって調節され得る回転可能な案内羽根によって構成されても良い。図１によれば、エンジン制御ユニット２３は、更になお、吸気マニホルド管１３の中における圧力を検出する圧力センサ２６および排気マニホルド１４の中における圧力を検出するもう１つの圧力センサ２５に対しても接続される。しかしながら、これらの両者の圧力センサは、本発明による方法をその最も単純な形態で実行する場合には不可欠なものではない。エンジン制御ユニットは、当技術分野では周知の様式において、エンジン速度数値に対するアクセスを有する。

ターボチャージャーユニット１６を通り抜けた排気ガスは、排気管２４を介して雰囲気中に引き出され、当該排気管は、従来技術に従って、排気ガス後処理のための機器に向かって排気ガスを搬送しても良い。加えて、排気ガスは、いわゆる排気ガス再循環（ＥＧＲ）としてエンジンの吸気側に戻されることもまた可能である。

当該エンジンは、例えば特許文献２で開示された形式のものである排気装置からのエンジンシリンダの圧力充填を備えた既知の圧縮ブレーキを装備している。ターボチャージャーユニットの調節可能な案内羽根は、ここでは、排気ガス流のためのスロットル要素として使用され得るものであり、制動中の排気マニホルド１４の中における圧力を増大させ、それによって、圧縮抵抗の増大を許容する。同時に、案内羽根は、タービン速度を増大させるように調節され得るものでもあり、それが、吸気側における圧力の増大をもたらし、従って、制動中のエンジンの中における圧縮抵抗の増大をももたらす。

アクチュエータ２２は、案内羽根位置に関する位置センサおよび／または力センサを適切に備えている。所定の速度ｎ_１の場合、所定の充填圧力ｐ_１および所定の案内羽根位置Ｌ_１は、制動効果Ｐ_１に対応する。ｎ_１の場合には、案内羽根位置Ｌ_２が使用されても良く、それは、制動効果Ｐ_２を形成する充填圧力ｐ_２を結果的に生じる。これは、案内羽根のより多くの位置と、より多くの速度とに関して繰り返されても良い。加えて、排気圧力調整器と相互作用する力センサが使用されても構わない。

テストを通じて、所望の制動効果Ｐを与えるｐおよびＬに関するパラメータが得られる。これらの数値は、エンジン制御ユニットのデータ集合において行列を構築するために使用され、所望の制動効果を求めて案内羽根位置を制御するために使用される。

これは、より物理的な用語では、以下のように説明され得る。
以下の用語が使用されるものとする。
Ｌ_ｔ＝修正所望位置
Ｌ_ｉ＝公称所望位置
Ｌ_ｋ＝機械的公差および温度に基づいた案内羽根位置の修正（微小な数字）
ｐ_ｉ＝吸気管圧力、充填圧力
ｐ_ｇ＝マニホルド内の圧力、反対圧力
ｎ ＝エンジン速度
ｎ_ｔ＝タービン速度

これらの用語を使用して、制動効果Ｐは、以下のように書き直されても良い。
ｐ＝ｆ（ｐ_ｉ，ｐ_ｇ）・ｎ（ｐ_ｉおよびｐ_ｇ⇒シリンダ内の空気量⇒エンジンテストのデータまたは計算に基づくブレーキトルク）、
（ｐ_ｉ，ｐ_ｇ）＝ｆ（Ｌ_ｔ，ｎ_ｔ，ｎ）、案内羽根位置、タービン速度およびエンジン速度⇒ｐ_ｉおよびｐ_ｇ、ここでは、外気温および空気密度もまた、影響を有するが、含まれてはいない。
以上に従って、Ｌ_ｔ＝Ｌ_ｉ＋Ｌ_ｋ＝Ｌ_ｉ＋ｆ（ｐ_ｉ，ｐ_ｇ，ｎ_ｔ，ｎ）。

その結果、案内羽根を機械的に調節し、この位置をｐ_ｉ，ｐ_ｇおよびｎ_ｔを計測することによって修正することにより、制動効果Ｐを作用−速度に関する図表の各々のポイントにおけるその所望の数値まで調節することが可能になるのである。

図２は、圧力／速度の図表における本発明に従った方法を示している。そこでは、矢印２７が、第１調節位置２８から第２調節位置２９までの案内羽根位置の調節を示しており、第２調節位置は、より大きな制動効果Ｐを与えている。

図３は、エンジン制御ユニット２３およびエンジン１０に属する可変タービン１７から成る論理ユニットを備えたフロートチャートにおいて、図２と同じ方法を示している。このフロートチャートは、エンジン制御ユニットが、記録されたエンジン・データを使用して、タービン・アクチュエータ２２に影響を与え、その結果、タービン１７をいわゆる閉ループにおいて修正する様式を示している。

本発明は、上述の例示的な実施形態に限定されるものとしてみなされるべきではなく、多数の更なる変形例および修正案が、後続の請求項の範囲から逸脱することなく実現可能なのである。

本発明に従った制御方法を許容する内燃機関の概略図である。 図表の形態を採った制御方法のグラフを示している。 本発明に従った制御方法を示すフローチャートである。

Claims (7)

1. タービン速度およびガス流を制御する調節可能な案内羽根によって、排気ターボチャージャーユニット（１６）を有する内燃機関（１０）におけるエンジンブレーキ中の制動効果を制御する方法において、
   エンジン速度の検出と、
   案内羽根の調節位置（Ｌ_１）の検出と、
   エンジンの吸気側における充填圧力（ｐ_ｉ）の計測と、
   記憶された所望の数値に対するこれらのデータの比較と、優勢な充填圧力に関して適切な制動効果（Ｐ）を与える所望の位置（Ｌ_２）に対する案内羽根の調節の、各ステップを特徴とする方法。
2. 以下の補足的なステップ、すなわちエンジンの排気側におけるマニホルド圧力（ｐ_ｇ）の計測を特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 以下の補足的なステップ、すなわちターボチャージャーユニット（１６）の速度の検出を特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. タービン速度およびガス流を制御する調節可能な案内羽根によって、排気ターボチャージャーユニット（１６）を有する内燃機関（１０）におけるエンジンブレーキ中の制動効果を制御する方法において、以下の補足的なステップ、すなわち、
   エンジン速度の検出と、
   案内羽根の調節位置（Ｌ_１）の検出と、
   エンジンの排気側におけるマニホルド圧力（ｐ_ｇ）の計測と、
   記憶された所望の数値に対するこれらのデータの比較と、優勢な充填圧力に関して適切な制動効果（Ｐ）を与える所望の位置（Ｌ_２）に対する案内羽根の調節と、
   を特徴とする方法。
5. 以下の補足的なステップ、すなわちエンジンの吸気側における充填圧力（ｐ_ｉ）の計測を特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 以下の補足的なステップ、すなわちターボチャージャーユニット（１６）の速度の検出を特徴とする請求項４または５に記載の方法。
7. ステップ、すなわち低い制動効果を与える案内羽根の設定に関する初期選択およびより大きな制動効果に向かう案内羽根のその後の調節を特徴とする請求項１乃至６に記載の方法。

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