JP2009013963A - Control device of turbocharger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は内燃機関のターボチャージャの制御装置に関し、特に可変ノズルを有するターボチャージャの制御装置に関する。 The present invention relates to a turbocharger control device for an internal combustion engine, and more particularly to a turbocharger control device having a variable nozzle.
従来より、自動車用等の内燃機関においては、出力向上等を図るために過給機としてターボチャージャを設けたものが知られている。こうしたターボチャージャは、内燃機関の排気の吹き付けによって回転するタービンホイールと、タービンホイールと一体回転して内燃機関の燃焼室に向けて強制的に空気を送り込むコンプレッサホイールとを備えている。 2. Description of the Related Art Conventionally, internal combustion engines for automobiles and the like are known in which a turbocharger is provided as a supercharger in order to improve output. Such a turbocharger includes a turbine wheel that rotates by blowing exhaust gas from an internal combustion engine, and a compressor wheel that rotates integrally with the turbine wheel and forcibly feeds air toward a combustion chamber of the internal combustion engine.
また、ターボチャージャとしては、タービンホイールに吹き付けられる排気の流速を可変とすることで、内燃機関の過給圧(吸気圧)を調整する可変ノズル型のものも提案されている。こうしたタイプのターボチャージャにおいては、タービンホイールに排気を吹き付ける排気経路上に設けられた可変ノズル(ノズルベーン)を開閉動作させることで、排気経路の排気流通面積を変更し、タービンホイールに吹き付けられる排気の流速を可変としている。 As a turbocharger, a variable nozzle type that adjusts the supercharging pressure (intake pressure) of an internal combustion engine by changing the flow rate of exhaust gas blown to the turbine wheel has been proposed. In such a type of turbocharger, by opening and closing a variable nozzle (nozzle vane) provided on the exhaust path for blowing exhaust to the turbine wheel, the exhaust flow area of the exhaust path is changed, and the exhaust blown to the turbine wheel is changed. The flow rate is variable.
一般に、車両に搭載された内燃機関の出力を向上させるために用いられるターボチャージャでは、タービンハウジング内にタービンホイールが設けられ、またコンプレッサハウジング内にコンプレッサホイールが設けられ、これらのタービンホイール及びコンプレッサホイールは、ロータシャフトによって一体回転可能に連結されている。 Generally, in a turbocharger used to improve the output of an internal combustion engine mounted on a vehicle, a turbine wheel is provided in the turbine housing, and a compressor wheel is provided in the compressor housing. These turbine wheel and compressor wheel Are connected to each other by a rotor shaft so as to be integrally rotatable.
そして、内燃機関の排気通路を流れる排気は、タービンハウジング内に流入すると、タービンホイールの周りのタービンスクロールを通過した後、タービンホイールに吹付けられる。この排気の吹付けによりタービンホイールが回転すると、その回転はロータシャフトを介してコンプレッサホイールに伝達され、コンプレッサホイールが回転する。このコンプレッサホイールの回転によって内燃機関に導入される空気が過給される。 Then, when the exhaust gas flowing through the exhaust passage of the internal combustion engine flows into the turbine housing, it passes through the turbine scroll around the turbine wheel and is then sprayed onto the turbine wheel. When the turbine wheel is rotated by the exhaust blowing, the rotation is transmitted to the compressor wheel via the rotor shaft, and the compressor wheel rotates. The air introduced into the internal combustion engine is supercharged by the rotation of the compressor wheel.
これに関連し、タービンホイールの回転時に、可変ノズルのノズル数で定まる振動数でタービンホイールが加振され、共振が誘起されることによってタービンホイールが破損する場合があった。これに対して、可変ノズルの流体入口流路を形成する壁部に周方向に溝を設けて、ノズルにおける圧力差を低減させ、タービンホイールの破損を防止する技術(例えば、特許文献1参照。)や、可変ノズルのピッチを不均一としてタービンホイールの固有振動数に近い周波数での加振を抑制する技術(例えば、特許文献2参照。)の他、機関停止操作後であって、内燃機関の回転が停止したことが判断されてから可変ノズルを閉じ側に制御し、タービンホイールに吹き付けられる排気の流速が過度に早くなることを抑制する技術(例えば、特許文献3参照。)が提案されている。 In this connection, when the turbine wheel is rotated, the turbine wheel is vibrated at a frequency determined by the number of nozzles of the variable nozzle, and the turbine wheel may be damaged by inducing resonance. On the other hand, a technique is provided in which grooves in the circumferential direction are provided in the wall portion forming the fluid inlet channel of the variable nozzle to reduce the pressure difference in the nozzle and prevent damage to the turbine wheel (see, for example, Patent Document 1). ), And a technique for suppressing excitation at a frequency close to the natural frequency of the turbine wheel by making the pitch of the variable nozzles non-uniform (see, for example, Patent Document 2), after an engine stop operation, A technique is proposed in which the variable nozzle is controlled to the closed side after it is determined that the rotation of the engine has stopped, and the flow rate of the exhaust gas blown to the turbine wheel is prevented from becoming too fast (see, for example, Patent Document 3). ing.
しかし、タービンホイールの疲労破壊は、ターボ回転数及びノズル数など、タービンホイールの共振を励起する力の周波数に影響を及ぼす要因と、タービンホイールを加振する加振力に影響を及ぼす要因と、に関連する複合的な原因によって生じるため、上記の従来技術によってタービンホイールの疲労破壊を充分に抑制することは困難な場合があった。
本発明の目的とするところは、可変ノズルを備えたターボチャージャにおいて、タービンホイールの共振による破損をより確実に抑制できる技術を提供することである。 An object of the present invention is to provide a technology that can more reliably suppress damage due to resonance of a turbine wheel in a turbocharger including a variable nozzle.
上記目的を達成するための本発明は以下の点を最大の特徴とする。すなわち、ターボチャージャの状態が、タービンホイールの共振による破損が誘発される状態か否かを、ターボ回転数、タービン膨張比及び、可変ノズル開度の3つの要因に基づいて判定する。そして、ターボチャージャの状態が、タービンホイールの共振による破損が誘発される状態であると判定された場合には、可変ノズル開度を変更して、ターボチャージャにおける当該状態を解消する。 In order to achieve the above object, the present invention has the following features. That is, it is determined whether the state of the turbocharger is a state in which damage due to resonance of the turbine wheel is induced based on the three factors of the turbo rotation speed, the turbine expansion ratio, and the variable nozzle opening. And when it determines with the state of a turbocharger being the state which induces the damage by resonance of a turbine wheel, a variable nozzle opening degree is changed and the said state in a turbocharger is canceled.
より詳しくは、内燃機関の排気がタービンホイールに吹き付けられる際の排気流通面積を変更可能とする可変ノズルを備えた可変ノズル型のターボチャージャの制御装置であって、
ターボ回転数と、前記タービンホイールに対する排気による加振力に影響を及ぼすタービン膨張比及び前記可変ノズルの開度と、に基づいて、前記ターボチャージャが、前記タービンホイールの共振による破損が誘発される破損誘発状態であるか否かを判定する破損誘発判定手段と、
前記破損誘発判定手段によって前記ターボチャージャが前記破損誘発状態であると判定された場合に、前記可変ノズルの開度を変更して前記ターボチャージャの前記破損誘発状態を解消する破損誘発状態解消手段と、
を備えることを特徴とする。
More specifically, a control device for a variable nozzle type turbocharger having a variable nozzle capable of changing an exhaust flow area when exhaust gas of an internal combustion engine is blown to a turbine wheel,
The turbocharger is induced to be damaged by resonance of the turbine wheel on the basis of the turbo rotation speed, the turbine expansion ratio that affects the excitation force by the exhaust to the turbine wheel, and the opening of the variable nozzle. Damage induction determination means for determining whether or not it is in a damage induction state;
A breakage induction state elimination means for eliminating the breakage induction state of the turbocharger by changing the opening of the variable nozzle when the breakage induction determination means determines that the turbocharger is in the breakage induction state; ,
It is characterized by providing.
ここで、可変ノズル型のターボチャージャでは、ターボ回転数とノズルの数から決定される加振周波数がタービンホイールの固有振動数に近い状態において、タービンホイールの共振が誘発され易いことが分かっている。これに対し本発明においては、タービンホイールの加振周波数がその固有振動数に近いという条件に加えて、タービンホイールの加振力がある程度以上大きくなる条件が満たされた場合に、タービンホイールの共振が誘発されることに着目した。 Here, in the variable nozzle type turbocharger, it is known that the resonance of the turbine wheel is easily induced when the excitation frequency determined from the turbo rotation speed and the number of nozzles is close to the natural frequency of the turbine wheel. . On the other hand, in the present invention, in addition to the condition that the excitation frequency of the turbine wheel is close to its natural frequency, the resonance of the turbine wheel is satisfied when the condition that the excitation force of the turbine wheel is larger than a certain level is satisfied. Focused on the triggering.
そして、本発明においては、タービンホイールの加振周波数を決定するターボ回転数と、タービンホイールへの加振力を決定するタービン膨張比及び、可変ノズルの開度の、3つの要因に基づいて、ターボチャージャが、タービンホイールの共振による破損が誘発される破損誘発状態となっているかどうかを判定する。さらに、本発明においては、ターボチャージャが破損誘発状態となっていると判定された場合には、可変ノズルの開度を変更して破損誘発状態を解消させる。 And in the present invention, based on the three factors of the turbo rotation number that determines the excitation frequency of the turbine wheel, the turbine expansion ratio that determines the excitation force to the turbine wheel, and the opening of the variable nozzle, It is determined whether or not the turbocharger is in a damage-inducing state in which damage due to turbine wheel resonance is induced. Furthermore, in the present invention, when it is determined that the turbocharger is in the damage induction state, the opening degree of the variable nozzle is changed to cancel the damage induction state.
これによれば、タービンホイールの加振周波数を決定するターボ回転数のみならず、タービンホイールへの加振力を決定するタービン膨張比と可変ノズルの開度に基づいて、ターボチャージャが破損誘発状態となっているか否かを判定できる。従って、より高い精度で破損誘発状態の判定を行うことができる。そうすると、タービンホイールの共振による破損をより確実に抑制できるとともに、無駄に可変ノズルの開度の変更が行なわれることを抑制でき、内燃機関の運転性能を良好に維持することが可能となる。 According to this, the turbocharger is in a state of inducing damage based on not only the turbo rotation speed that determines the excitation frequency of the turbine wheel but also the turbine expansion ratio that determines the excitation force to the turbine wheel and the opening of the variable nozzle. It can be determined whether or not. Therefore, the damage induction state can be determined with higher accuracy. If it does so, while being able to suppress more reliably the damage by the resonance of a turbine wheel, it can suppress that the opening degree of a variable nozzle is changed wastefully, and it becomes possible to maintain the operating performance of an internal combustion engine favorably.
なお、上記においてタービンホイールの共振による破損とは、タービンホイールのタービン翼が共振のために実際に破壊されることと、共振のために疲労が蓄積され疲労破壊が助長されることを含んでいる。また、タービン膨張比とは、タービンへの流入前後における排気の膨張率を意味しており、実際には、(タービンの入口における圧力/タービンの
出口における圧力)で定義される。
In the above description, the damage due to the resonance of the turbine wheel includes that the turbine blade of the turbine wheel is actually destroyed due to resonance, and that fatigue is accumulated due to resonance and fatigue failure is promoted. . The turbine expansion ratio means the exhaust expansion rate before and after flowing into the turbine, and is actually defined by (pressure at the turbine inlet / pressure at the turbine outlet).
また、本発明においては、前記破損誘発判定手段は、前記可変ノズルの開度を検出する可変ノズル開度検出手段と、前記ターボ回転数を検出するターボ回転数検出手段と、前記ターボチャージャのタービンの入口における圧力を検出するタービン入口圧力検出手段と、を有し、
前記可変ノズルの開度の可変範囲において、前記タービンホイールへの排気による加振力が増加して前記タービンホイールの共振による破損を誘発し得る上限の可変ノズルの開度である限界ノズル開度が設定され、
前記ターボ回転数の変動範囲において、前記タービンホイールの共振を誘起し易い回転数範囲である共振誘起領域が設定され、
前記タービンの入口における圧力の変動範囲において、前記タービンホイールへの排気による加振力が増加して前記タービンホイールの共振による破損を誘発し得る下限の圧力である限界タービン入口圧力が設定され、
前記破損誘発状態は、前記可変ノズル開度検出手段によって検出された可変ノズルの開度が前記限界ノズル開度以下であり、且つ前記ターボ回転数検出手段によって検出されたターボ回転数が前記共振誘起領域に属し、且つ前記タービン入口圧力検出手段によって検出されたタービンの入口における圧力が前記限界タービン入口圧力以上である状態としてもよい。
Further, in the present invention, the breakage induction determining means includes a variable nozzle opening degree detecting means for detecting the opening degree of the variable nozzle, a turbo rotational speed detecting means for detecting the turbo rotational speed, and a turbine of the turbocharger. Turbine inlet pressure detecting means for detecting the pressure at the inlet of
In a variable range of the opening of the variable nozzle, a limit nozzle opening that is an opening of the upper limit variable nozzle that can increase the excitation force due to exhaust to the turbine wheel and induce damage due to resonance of the turbine wheel is Set,
In the fluctuation range of the turbo rotation speed, a resonance induction region that is a rotation speed range that easily induces resonance of the turbine wheel is set,
In the fluctuation range of the pressure at the turbine inlet, a limit turbine inlet pressure is set, which is a lower limit pressure that can increase the excitation force due to exhaust to the turbine wheel and induce damage due to resonance of the turbine wheel,
In the breakage induced state, the opening degree of the variable nozzle detected by the variable nozzle opening degree detecting means is equal to or less than the limit nozzle opening degree, and the turbo rotational speed detected by the turbo rotational speed detecting means is the resonance induction. The pressure at the turbine inlet that belongs to the region and is detected by the turbine inlet pressure detection means may be equal to or higher than the limit turbine inlet pressure.
すなわち、本発明においては、可変ノズルの開度、ターボ回転数、タービンの入口における圧力を各々センサによって検出し、検出された可変ノズルの開度が限界ノズル開度以下であり、且つ検出されたターボ回転数が共振誘発領域に属し、且つ検出されたタービンの入口における圧力が限界タービン入口圧力以上である状態である場合に、ターボチャージャが破損誘発状態であると判定する。なお、タービンの入口における圧力を取得することで、タービン膨張比の値は推定することが可能であるので、本発明においてタービンの入口における圧力を検出することは、タービン膨張比を検出することに略等しい。 That is, in the present invention, the opening of the variable nozzle, the turbo rotation speed, and the pressure at the inlet of the turbine are detected by sensors, respectively, and the detected opening of the variable nozzle is equal to or less than the limit nozzle opening. When the turbo rotation speed belongs to the resonance induction region and the detected pressure at the turbine inlet is equal to or higher than the limit turbine inlet pressure, it is determined that the turbocharger is in a failure induction state. Since the value of the turbine expansion ratio can be estimated by acquiring the pressure at the turbine inlet, detecting the pressure at the turbine inlet in the present invention means detecting the turbine expansion ratio. Almost equal.
これによれば、ターボ回転数と、タービン膨張比及び可変ノズルの開度の全てを直接検出するので、タービンホイールの共振による破損を誘発する3つの主要因の状態をより正確に取得することができる。また、全ての検出値が、各々に対して予め定められた、タービンホイールの共振による破損を誘発し得る範囲に入っているか否かによって、ターボチャージャが破損誘発状態か否かを判定するので、より簡単な手法でターボチャージャが破損誘発状態か否かを判定することができる。 According to this, since all of the turbo speed, the turbine expansion ratio, and the opening of the variable nozzle are directly detected, it is possible to more accurately acquire the states of the three main factors that induce damage due to turbine wheel resonance. it can. In addition, since it is determined whether or not the turbocharger is in a state of inducing breakage depending on whether or not all the detected values are within a range in which breakage caused by resonance of the turbine wheel can be induced in advance. It is possible to determine whether or not the turbocharger is in a damage induced state by a simpler method.
また、本発明においては、前記破損誘発判定手段は、前記可変ノズルの開度を検出する可変ノズル開度検出手段と、前記ターボチャージャのコンプレッサの出口における圧力を検出するコンプレッサ出口圧力検出手段と、前記ターボチャージャのタービンの入口における圧力を検出するタービン入口圧力検出手段と、を有し、
前記可変ノズルの開度の可変範囲において、前記タービンホイールへの排気による加振力が増加して前記タービンホイールの共振による破損を誘発し得る上限の可変ノズルの開度である限界ノズル開度が設定され、
前記コンプレッサの出口における圧力の変動範囲において、前記タービンホイールの共振が生じ易い圧力の範囲である共振誘起圧力範囲が設定され、
前記タービンの入口における圧力の変動範囲において、前記タービンホイールへの排気による加振力が増加して前記タービンホイールの共振による破損を誘発し得る下限の圧力である限界タービン入口圧力が設定され、
前記破損誘発状態は、前記可変ノズル開度検出手段によって検出された可変ノズルの開度が前記限界ノズル開度以下であり、且つ前記コンプレッサ出口圧力検出手段によって検出されたコンプレッサの出口における圧力が前記共振誘起圧力範囲に属し、且つ前記ター
ビン入口圧力検出手段によって検出された前記タービンの入口における圧力が前記限界タービン入口圧力以上である状態としてもよい。
Further, in the present invention, the breakage induction determining means includes variable nozzle opening degree detecting means for detecting the opening degree of the variable nozzle, compressor outlet pressure detecting means for detecting the pressure at the compressor outlet of the turbocharger, Turbine inlet pressure detection means for detecting pressure at the turbine inlet of the turbocharger,
In a variable range of the opening of the variable nozzle, a limit nozzle opening that is an opening of the upper limit variable nozzle that can increase the excitation force due to exhaust to the turbine wheel and induce damage due to resonance of the turbine wheel is Set,
In the pressure fluctuation range at the outlet of the compressor, a resonance inducing pressure range that is a pressure range in which resonance of the turbine wheel is likely to occur is set.
In the fluctuation range of the pressure at the turbine inlet, a limit turbine inlet pressure is set, which is a lower limit pressure that can increase the excitation force due to exhaust to the turbine wheel and induce damage due to resonance of the turbine wheel,
In the breakage induced state, the opening of the variable nozzle detected by the variable nozzle opening detecting means is equal to or less than the limit nozzle opening, and the pressure at the compressor outlet detected by the compressor outlet pressure detecting means is the pressure at the compressor outlet. The pressure at the inlet of the turbine that belongs to the resonance-induced pressure range and is detected by the turbine inlet pressure detection means may be equal to or higher than the limit turbine inlet pressure.
すなわち、本発明においては、先述したようにターボ回転数検出手段によってターボ回転数を検出する代わりに、コンプレッサ出口圧力検出手段によってコンプレッサの出口における圧力を検出する。そして、コンプレッサの出口における圧力が共振誘起圧力範囲に属することをもって、ターボ回転数が共振誘起領域に属することに変えて、ターボチャージャが破損誘発状態か否かの判断基準の一つとしてもよい。 That is, in the present invention, instead of detecting the turbo rotational speed by the turbo rotational speed detecting means as described above, the pressure at the compressor outlet is detected by the compressor outlet pressure detecting means. Then, the fact that the pressure at the outlet of the compressor belongs to the resonance-induced pressure range may be changed to that the turbo rotation speed belongs to the resonance-induced region, and may be one of criteria for determining whether or not the turbocharger is in a damage-induced state.
ここで、コンプレッサ出口圧力検出手段は、実際の市場における車輌に一定の頻度で搭載されていることが知られている。従って本発明によれば、ターボ回転数検出手段をこの目的のために特に設ける必要がなく、他の目的で設けられたコンプレッサ出口圧力検出手段を利用して、ターボチャージャが破損誘発状態となっているかどうかを判定することができる。その結果、装置の簡略化及びコストダウンを促進することができる。 Here, it is known that the compressor outlet pressure detecting means is mounted on a vehicle in an actual market at a certain frequency. Therefore, according to the present invention, it is not necessary to provide the turbo rotational speed detecting means for this purpose, and the turbocharger is brought into a damage-inducing state by using the compressor outlet pressure detecting means provided for other purposes. It can be determined whether or not. As a result, simplification and cost reduction of the apparatus can be promoted.
また、本発明においては、前記破損誘発判定手段は、前記可変ノズルの開度を検出する可変ノズル開度検出手段と、前記ターボチャージャのコンプレッサの出口における圧力を検出するコンプレッサ出口圧力検出手段と、を有し、
前記可変ノズルの開度の可変範囲において、前記タービンホイールへの排気による加振力が増加して前記タービンホイールの共振による破損を誘発し得る上限の可変ノズルの開度である限界ノズル開度が設定され、
前記コンプレッサの出口における圧力の変動範囲において、前記タービンホイールの共振が生じ易い圧力の範囲である共振誘起圧力範囲が設定され、
前記限界ノズル開度の値を、前記内燃機関の機関回転数及び燃料噴射量に応じて補正する補正手段を更に備え、
前記破損誘発状態は、前記可変ノズル開度検出手段によって検出された可変ノズルの開度が前記補正手段による補正後の前記限界ノズル開度以下であり、且つ前記コンプレッサ出口圧力検出手段によって検出された前記コンプレッサの出口における圧力が前記共振誘起圧力範囲に属する状態としてもよい。
Further, in the present invention, the breakage induction determining means includes variable nozzle opening degree detecting means for detecting the opening degree of the variable nozzle, compressor outlet pressure detecting means for detecting the pressure at the compressor outlet of the turbocharger, Have
In a variable range of the opening of the variable nozzle, a limit nozzle opening that is an opening of the upper limit variable nozzle that can increase the excitation force due to exhaust to the turbine wheel and induce damage due to resonance of the turbine wheel is Set,
In the pressure fluctuation range at the outlet of the compressor, a resonance inducing pressure range that is a pressure range in which resonance of the turbine wheel is likely to occur is set.
A correction means for correcting the value of the limit nozzle opening according to the engine speed and fuel injection amount of the internal combustion engine;
The breakage induced state is detected by the compressor outlet pressure detecting means, wherein the opening degree of the variable nozzle detected by the variable nozzle opening degree detecting means is equal to or less than the limit nozzle opening degree corrected by the correcting means. The pressure at the outlet of the compressor may belong to the resonance-induced pressure range.
すなわち、本発明においては、先述したようにタービン入口圧検出手段によってタービンの入口における圧力を検出する代わりに、機関回転数及び燃料噴射量によって限界ノズル開度の値を補正することによって、ターボチャージャが破損誘発状態であることを判定することとした。 That is, in the present invention, as described above, instead of detecting the pressure at the turbine inlet by the turbine inlet pressure detecting means, the value of the limit nozzle opening is corrected by the engine speed and the fuel injection amount, so that the turbocharger is corrected. Was determined to be in a damage-induced state.
ここで、現市場における車輌では、一般的に機関回転数及び燃料噴射量の値は検出可能な状態になっている。本発明では、このように容易に検出可能な機関回転数及び燃料噴射量の値によって限界ノズル開度の値を補正することで、タービンの入口における圧力を検出することの代用をする。これによれば、さらに装置の簡略化及びコストダウンを促進できる。 Here, in the vehicle in the current market, the values of the engine speed and the fuel injection amount are generally detectable. In the present invention, the pressure at the inlet of the turbine is substituted by correcting the value of the limit nozzle opening by the values of the engine speed and the fuel injection amount that can be easily detected in this way. According to this, simplification and cost reduction of the apparatus can be further promoted.
なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。 The means for solving the problems in the present invention can be used in combination as much as possible.
本発明にあっては、可変ノズルを備えたターボチャージャにおいて、タービンホイールの共振による破損をより確実に抑制することができる。 In the present invention, in a turbocharger including a variable nozzle, damage due to resonance of the turbine wheel can be more reliably suppressed.
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明す
る。
The best mode for carrying out the present invention will be exemplarily described in detail below with reference to the drawings.
図1は、本実施例における内燃機関及びその吸排気系、制御系を示す概略図である。図1に示されるように、内燃機関1における吸気通路2の上流部分、及び排気通路3の下流部分は、それぞれターボチャージャ4に接続されている。このターボチャージャ4は、吸気通路2の下流側へ空気を過給して送り出すためのコンプレッサホイール5と、排気通路3を通過する排気が吹き付けられることによって回転するタービンホイール6とを備えている。そして、タービンホイール6が回転すると、それと一体にコンプレッサホイール5が回転し、これにより内燃機関1の吸入空気量が増加して内燃機関1の出力を向上させることが可能となる。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an internal combustion engine, an intake / exhaust system, and a control system thereof in the present embodiment. As shown in FIG. 1, the upstream portion of the
ターボチャージャ4において、タービンホイール6に排気を吹き付けるための排気経路上には可変ノズル7が設けられている。この可変ノズル7は、上記排気経路の排気流通面積を変更すべく開閉動作する弁機構であって、その排気流通面積の変更によってタービンホイール6に吹き付けられる排気の流速を可変とするものである。このように本実施例では、排気の流速を可変とすることでターボチャージャ4の回転速度が変更され、内燃機関1の過給圧(吸気圧)が調整されるようになる。
In the
可変ノズル7を動作させるためのアクチュエータとしては、後述するECU20からの制御信号によって駆動制御される直流(DC)モータ9が採用される。このDCモータ9を駆動させることにより、可変ノズル7が開閉するようになる。可変ノズル7が閉じ側に変位すると、タービンホイール6に吹き付けられる排気の流速が大となってターボチャージャ4の回転速度が高くなり、内燃機関1の過給圧は上昇する。また、可変ノズル7が開き側に変位すると、タービンホイール6に吹き付けられる排気の流速が小となってターボチャージャ4の回転速度が低くなり、内燃機関1の過給圧は低下する。
As an actuator for operating the
上記の内燃機関1には、図示しないクランク軸の角度を検出するクランクポジションセンサ13が設けられている。また、吸気通路2には、ターボチャージャ4のコンプレッサの出口における圧力を検出するコンプレッサ出口圧センサ15が設けられ、排気通路3には、タービンの入口における圧力を検出するタービン入口圧センサ17が設けられている。また、可変ノズル7を駆動するDCモータ9の近傍には、可変ノズル7の開度を検出するノズル開度センサ11が設けられ、ターボチャージャ4のコンプレッサホイール5の付近には、ターボ回転数を検出するターボ回転センサ19が設けられている。
The
また、内燃機関1には、内燃機関1の運転を制御するためのECU20が併設されている。そして、上記の各センサとECU20とは電気的に接続されており、各センサからの出力信号がECU20に入力されるようになっている。
The
ここで前述のように、可変ノズル7が閉じ側に変位すると、内燃機関1からの排気は可変ノズル7を通過する際に絞られて、その流速が増加させられる。そうすると、可変ノズル7で加速される排気の円周方向の不均一流れなどに起因して、ターボ回転数とノズル数で定まる振動数の加振力がタービンホイール6に作用する。そして、この加振力の周波数がタービンホイール6の固有振動数に近い場合には、タービンホイール6の共振を誘起して、タービンホイール6の疲労破壊を誘発する場合がある。
Here, as described above, when the
それに対し、従来は、ターボチャージャ4のターボ回転数をターボ回転センサ19で検出し、ターボ回転数と可変ノズル7のノズル数で定まる上記の加振力の周波数が、タービンホイール6の固有振動数に近いことを検知するようにしていた。そして、そのような場合には、ターボ回転数を変更して、タービンホイール6に共振が誘起されないようにする
ことで、タービンホイール6の疲労破壊を抑制することが行なわれていた。
On the other hand, conventionally, the turbo rotation speed of the
しかし実際には、上記の加振力の周波数の他、該加振力の振幅すなわち強度も、タービンホイール6に誘起された共振の強さに影響を及ぼしている。従って、タービンホイール6の疲労破壊を回避するためには、加振力の周波数の他、加振力の強度に影響を及ぼす要因をも制御する必要がある。
However, in practice, in addition to the frequency of the excitation force, the amplitude, that is, the intensity of the excitation force also affects the strength of resonance induced in the
そこで、本実施例においては、ターボ回転センサ19によって検出されるターボ回転数に、タービン入口圧センサ17によって検出されるタービンの入口における圧力と、ノズル開度センサ11によって検出される可変ノズル開度を加えた3つの要因を用いて、ターボチャージャ4がタービンホイール6の疲労破壊を誘発し得る状態か否かを判定することとした。
Therefore, in the present embodiment, the turbo rotation speed detected by the
次に図2を用いて、上記の3つの要因によって、ターボチャージャ4がタービンホイール6の疲労破壊を誘発し得る状態か否かを判定する原理について説明する。図2の横軸は機関回転数を、縦軸は、タービンホイール6の共振に影響を及ぼすパラメータを示す。より具体的には、内燃機関1が機関回転数に応じて最大トルクを維持するためにフィードバック制御される可変ノズル開度の変化についてのグラフが上段に、上記の可変ノズル開度に応じて変化するターボ回転数のグラフ及びタービン入口圧のグラフが中段及び下段に示されている。
Next, the principle of determining whether or not the
図に示すように、フィードバック制御の目標値としての可変ノズル開度は、機関回転数の増加とともに増加する。また、機関回転数及び可変ノズル開度の増加とともに、ターボチャージャ4におけるターボ回転数及び、タービン入口圧も増加する。
As shown in the figure, the variable nozzle opening as the target value of the feedback control increases as the engine speed increases. Further, as the engine speed and the variable nozzle opening increase, the turbo speed in the
ここで図2の上段に示すように、可変ノズル開度には、限界ノズル開度VN%1なる閾値が設けられており、この限界ノズル開度またはそれより閉じ側の領域は、タービンホイール6の共振が誘起され得る加振力大開度領域となっている。すなわち、可変ノズル開度が加振力大開度領域に属する場合は、タービンホイール6に吹き付けられる排気の通過面積が狭められるため、可変ノズル7からより強い勢いで排気がタービンホイール6に吹き付けられる。従ってこの領域においては、タービンホイール6に対する加振力が増加し、タービンホイール6の共振を誘起するおそれがある。
Here, as shown in the upper part of FIG. 2, the variable nozzle opening is provided with a threshold value of the limit nozzle
また、図2の中段のターボ回転数のグラフに示すように、ターボ回転数の変動範囲中には、ターボ回転数がNt1以上Nt2以下となるタービンホイール共振領域が設けられている。この領域は、ターボ回転数と可変ノズル7のノズルの数(もしくはノズルベーンの数)によって決定されるタービンホイール6に対する加振力の周波数が、タービンホイール6の固有振動数に近づく領域である。そのために、この領域ではタービンホイール6の共振が誘起され易くなる。
Further, as shown in the graph of the turbo rotational speed in the middle stage of FIG. 2, a turbine wheel resonance region where the turbo rotational speed is Nt1 or more and Nt2 or less is provided in the fluctuation range of the turbo rotational speed. This region is a region where the frequency of the excitation force applied to the
また、図2の下段のタービン入口圧のグラフに示すように、タービン入口圧の変動範囲中には限界タービン入口圧Pi1なる閾値が設けられており、タービン入口圧がこの値と同等またはそれより高い領域は、タービンホイール6の共振が誘起され得る加振力大圧力領域となっている。すなわち、タービン入口圧が加振力大圧力領域に属する場合は、タービンホイール6に吹き付けられる排気の勢いがより強くなる。従ってこの領域においては、タービンホイール6に対する加振力が増加し、タービンホイール6の共振を誘起するおそれがある。
Further, as shown in the lower graph of the turbine inlet pressure in FIG. 2, a threshold value of a critical turbine inlet pressure Pi1 is provided in the range of fluctuation of the turbine inlet pressure, and the turbine inlet pressure is equal to or more than this value. The high region is an excitation force high pressure region in which resonance of the
そして、本実施例においては、ノズル開度センサ11によって検出された可変ノズル開度が加振力大開度領域に属し、且つターボ回転センサ19によって検出されたターボ回転
数がタービンホイール共振領域に属し、且つタービン入口圧センサ17によって検出されたタービン入口圧が加振力大圧力領域に属する場合に、ターボチャージャ4が、タービンホイール6の共振による疲労破壊が誘発される疲労蓄積状態であると判定することとした。
In this embodiment, the variable nozzle opening detected by the
より具体的には、図2(機関トルクがフルトルクである場合)の例では、機関回転数がΔNの範囲内にあるときに、ターボチャージャ4が疲労蓄積状態であると判定することができる。
More specifically, in the example of FIG. 2 (when the engine torque is full torque), it can be determined that the
図3には、本実施例における疲労蓄積状態を、図2とは別の観点からグラフに表したものを示す。図3のグラフにおける横軸は可変ノズル開度、縦軸はタービン入口圧である。図3中の曲線は、内燃機関の1における任意の機関回転数において燃料噴射量を変化させ、ターボ回転数をNt1及びNt2の一定値とした場合の曲線である。従って、縦軸と横軸を上記のように定めたグラフにおいては加振力大開度領域、加振力大圧力領域及び、タービンホイール共振領域は各々図3のように示される。そして、加振力大開度領域、加振力大圧力領域及び、タービンホイール共振領域の重なった領域が疲労蓄積状態に相当する。 FIG. 3 is a graph showing the fatigue accumulation state in this example from a viewpoint different from FIG. In the graph of FIG. 3, the horizontal axis represents the variable nozzle opening, and the vertical axis represents the turbine inlet pressure. The curve in FIG. 3 is a curve when the fuel injection amount is changed at an arbitrary engine speed in 1 of the internal combustion engine, and the turbo speed is set to a constant value of Nt1 and Nt2. Therefore, in the graph in which the vertical axis and the horizontal axis are determined as described above, the excitation force large opening region, the excitation force large pressure region, and the turbine wheel resonance region are shown as in FIG. A region where the excitation force large opening region, the excitation force large pressure region, and the turbine wheel resonance region overlap corresponds to the fatigue accumulation state.
また、本実施例においては、ターボチャージャ4が疲労蓄積状態であると判定された場合には、可変ノズル開度を、図2に上段に示すようなフィードバック制御の目標値よりも大きい開度に変更し、可変ノズル開度を加振力大開度領域から外すこととした。そうすれば、ターボチャージャ4における疲労蓄積状態を解消することができ、タービンホイール6の共振及び、共振による疲労破壊を抑制することができる。
In this embodiment, when it is determined that the
図4には、本実施例における疲労蓄積状態判定解消ルーチンのフローチャートを示す。本ルーチンはECU20に備えられたROM(不図示)に記憶されたプログラムであって、内燃機関1の稼動中はECU20によって所定期間毎に実行される。
FIG. 4 shows a flowchart of a fatigue accumulation state determination elimination routine in the present embodiment. This routine is a program stored in a ROM (not shown) provided in the
本ルーチンが実行されると、まずS101において、ターボ回転センサ19、タービン入口圧センサ17及びノズル開度センサ11からの出力信号がECU20に入力される。これによって、可変ノズル開度VN%、ターボ回転数Nt及びタービン入口圧Piの値がECU20に読み込まれる。S101の処理が終了するとS102に進む。
When this routine is executed, first, in S101, output signals from the
S102においては、タービンホイール共振領域を確定するターボ回転数の下限値と上限値であるNt1及びNt2と、加振力大圧力領域を確定するタービン入口圧の下限値であるPi1と、加振力大開度領域を確定する可変ノズル開度の上限値であるVN%1とが参照される。なお、これらの値はECU20のROMに記憶されており、このROMから読み出されることによって参照される。S102の処理が終了するとS103に進む。
In S102, the lower limit value and the upper limit values Nt1 and Nt2 of the turbo rotational speed that determine the turbine wheel resonance region, the lower limit value Pi1 of the turbine inlet pressure that determines the large excitation force pressure region, and the excitation force Reference is made to
S103においては、ターボチャージャ4のターボ回転数が、タービンホイール共振領域に属しているか否かが判定される。具体的には、S101において読み込まれたターボ回転数Ntと、S102において参照されたタービンホイール共振領域の下限値と上限値であるNt1、Nt2とが比較され、Nt1>NtまたはNt>Nt2が成立するか否かが判定される。ここで肯定判定された場合には、ターボ回転数がタービンホイール共振領域に属していないと判断されるのでS108に進む。一方、否定判定された場合には、ターボ回転数がタービンホイール共振領域に属すると判断されるのでS104に進む。
In S103, it is determined whether or not the turbo speed of the
S104においては、タービン入口圧が加振力大圧力領域に属しているか否かが判定される。具体的には、S101において読み込まれたタービン入口圧Piと、S102において参照された加振力大圧力領域の下限値であるPi1とが比較され、Pi<Pi1が成
立するか否かが判定される。ここで肯定判定された場合には、タービン入口圧が加振力大圧力領域に属していないと判断されるのでS108に進む。一方、否定判定された場合には、タービン入口圧が加振力大圧力領域に属すると判断されるのでS105に進む。
In S104, it is determined whether or not the turbine inlet pressure belongs to the large excitation force pressure region. Specifically, the turbine inlet pressure Pi read in S101 is compared with Pi1, which is the lower limit value of the excitation force high pressure region referred to in S102, and it is determined whether Pi <Pi1 is satisfied. The If an affirmative determination is made here, it is determined that the turbine inlet pressure does not belong to the large excitation force pressure region, and thus the process proceeds to S108. On the other hand, if a negative determination is made, it is determined that the turbine inlet pressure belongs to the large excitation force pressure region, and thus the process proceeds to S105.
S105においては、可変ノズル開度が加振力大開度領域に属しているか否かが判定される。具体的には、S101において読み込まれた可変ノズル開度VN%と、S102において参照された加振力大開度領域の上限値であるVN%1とが比較され、VN%>VN%1が成立するか否かが判定される。ここで肯定判定された場合には、可変ノズル開度が加振力大開度領域に属していないと判断されるのでS108に進む。一方、否定判定された場合には、可変ノズル開度が加振力大開度領域に属すると判断されるのでS106に進む。
In S105, it is determined whether or not the variable nozzle opening belongs to the large excitation force opening region. Specifically, the variable nozzle opening VN% read in S101 is compared with
ここでS106が実行される場合は、タービン入口圧が加振力大圧力領域に属し、且つターボ回転数がタービンホイール共振領域に属し、且つ可変ノズル開度が加振力大開度領域に属する場合であるので、ターボチャージャ4が疲労蓄積状態になっていると判断される。従って、S106においては可変ノズル7に対する開度信号を予め定められたΔOpenだけ増加する。S106の処理が終了するとS107に進む。
Here, when S106 is executed, the turbine inlet pressure belongs to the large excitation force pressure region, the turbo rotation speed belongs to the turbine wheel resonance region, and the variable nozzle opening belongs to the large excitation force opening region. Therefore, it is determined that the
一方、S103でターボ回転数がタービンホイール共振領域に属していないと判断されたか、または、S104でタービン入口圧が加振力大圧力領域に属していないと判断されたか、または、S105で可変ノズル開度が加振力大開度領域に属していないと判断された場合はS108に進む。S108においては、可変ノズル開度信号に変更は加えられず、可変ノズル開度が維持される。S108の処理が終了するとS107に進む。 On the other hand, it is determined in S103 that the turbo rotation speed does not belong to the turbine wheel resonance region, or it is determined in S104 that the turbine inlet pressure does not belong to the large excitation force pressure region, or the variable nozzle in S105. If it is determined that the opening does not belong to the excitation force large opening region, the process proceeds to S108. In S108, the variable nozzle opening signal is not changed and the variable nozzle opening is maintained. When the process of S108 is completed, the process proceeds to S107.
S107においては可変ノズル7を開閉させるアクチュエータであるDCモータ9にS106またはS108で定められた開度信号を出力して、可変ノズル開度を制御する。S107の処理が終了すると本ルーチンを一旦終了する。
In S107, the opening signal determined in S106 or S108 is output to the
以上、説明したように、本実施例においては、タービンホイール6の共振を誘起する要因として、可変ノズル開度と、ターボ回転数と、タービン入口圧の3つを想定した。そして、3つの要因の全てが共振を誘起するおそれがある領域に属している場合に、ターボチャージャ4がタービンホイール6の共振による疲労破壊を誘発する疲労蓄積状態であると判定した。さらに、ターボチャージャ4が疲労蓄積状態であると判定された場合には、可変ノズル開度を元来のフィードバック制御の目標値より大きくし、ターボチャージャ4の疲労蓄積状態を解消することとした。
As described above, in the present embodiment, the variable nozzle opening degree, the turbo rotation speed, and the turbine inlet pressure are assumed as factors that induce the resonance of the
また、本実施例においては、ノズル開度センサ11によって可変ノズル開度を、ターボ回転センサ19によってターボ回転数と、タービン入口圧センサ17によってタービン入口圧を、実際に検出することとしている。
In the present embodiment, the variable nozzle opening is actually detected by the
これによれば、タービンホイール6の共振を誘起するおそれのある要因の全てを実際に検出し、当該要因の実測値に基づいてタービンホイール6の共振の発生を抑制することができる。その結果、より確実にタービンホイール6の共振を抑制することができ、より確実にタービンホイール6の疲労破壊を抑制できる。また、無駄に可変ノズル7の開度をフィードバック制御の目標値から変化させてしまうことを抑制でき、内燃機関1の運転性能を無駄に劣化させることを抑制できる。
According to this, all the factors that may induce resonance of the
なお、本実施例においては、ECU20を含んでターボチャージャの制御装置が構成されている。また、本実施例において、疲労蓄積状態は破損誘発状態に相当する。また、本実施例においてS101〜S105の処理を実行するECU20は、破損誘発判定手段に
相当する。また、S106及びS107の処理を実行するECU20は、破損誘発状態解消手段に相当する。
In this embodiment, a turbocharger control device is configured including the
また、本実施例において、ノズル開度センサ11は可変ノズル開度検出手段に相当する。タービン入口圧センサ17はタービン入口圧力検出手段に相当する。ターボ回転センサ19はターボ回転数検出手段に相当する。また、タービンホイール共振領域は共振誘起領域に相当する。限界タービン入口圧Pi1は限界タービン入口圧力に相当する。
In this embodiment, the
次に、本発明の実施例2について説明する。本実施例においては、ターボ回転数を検出する代りにターボチャージャのコンプレッサ出口圧を検出し、可変ノズル開度と、タービン入口圧と、コンプレッサ出口圧の3つの検出値からターボチャージャが疲労蓄積状態となっていることを判定する例について説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, instead of detecting the turbo rotation speed, the compressor outlet pressure of the turbocharger is detected, and the turbocharger is in a fatigue accumulation state from three detected values of the variable nozzle opening, the turbine inlet pressure, and the compressor outlet pressure. An example of determining that the
図5には、本実施例における内燃機関及びその吸排気系についての概略図を示す。実施例1で説明した構成と同じ構成については同一の符号を用いて説明を省略する。図5と図1との相違点は、図5では、図1におけるターボ回転センサ19が省略された点である。
FIG. 5 shows a schematic diagram of the internal combustion engine and its intake / exhaust system in the present embodiment. About the same structure as the structure demonstrated in Example 1, description is abbreviate | omitted using the same code | symbol. The difference between FIG. 5 and FIG. 1 is that the
ここで、ターボ回転数とコンプレッサ出口圧との間には一対一の対応関係があることが判っている。従って、本実施例においては、ターボ回転センサ19でターボ回転数と検出する代わりに、コンプレッサ出口圧センサ17によってコンプレッサ出口圧を検出する。
Here, it is known that there is a one-to-one correspondence between the turbo speed and the compressor outlet pressure. Therefore, in this embodiment, instead of detecting the turbo rotation speed by the
図6には、タービンホイール6の共振に影響を及ぼすパラメータに、コンプレッサ出口圧を加えたグラフを示す。図6から分かるように、コンプレッサ出口圧は、機関回転数の増加とともにターボ回転数と同様増加していく。
FIG. 6 shows a graph in which the compressor outlet pressure is added to the parameter that affects the resonance of the
また、図7には、吸入空気量とコンプレッサ出口圧との関係を示すグラフ(所謂コンプレッサマップ)を示す。コンプレッサマップにおいては、加振力大開度領域、加振力大圧力領域及び、タービンホイール共振領域は、図7中に示すように表される。また、疲労蓄積状態を示す領域は図7中ハッチングが施された部分となる。また、図7から分かるように、タービンホイール共振領域に属するコンプレッサ出口圧の範囲は、機関回転数によって変化する。すなわち、タービンホイール共振領域を確定するコンプレッサ出口圧の下限値Po1と上限値Po2は機関回転数(Ne)の関数となる。 FIG. 7 shows a graph (so-called compressor map) showing the relationship between the intake air amount and the compressor outlet pressure. In the compressor map, the excitation force large opening region, the excitation force large pressure region, and the turbine wheel resonance region are represented as shown in FIG. Further, a region indicating the fatigue accumulation state is a hatched portion in FIG. Further, as can be seen from FIG. 7, the range of the compressor outlet pressure belonging to the turbine wheel resonance region changes depending on the engine speed. That is, the lower limit value Po1 and the upper limit value Po2 of the compressor outlet pressure that define the turbine wheel resonance region are functions of the engine speed (Ne).
図8には、本実施例における疲労蓄積状態判定解消ルーチン2のフローチャートを示す。本ルーチンと図4に示した疲労蓄積状態判定解消ルーチンとの相違点はS101〜S103の処理の代りにS201〜S203の処理が実行される点である。以下、本ルーチンと疲労蓄積状態判定解消ルーチンの相違点についてのみ説明する。
FIG. 8 shows a flowchart of the fatigue accumulation state
本ルーチンが実行されると、まずS201において、コンプレッサ出口圧センサ15、タービン入口圧センサ17及びノズル開度センサ11からの出力信号がECU20に入力される。これによって、コンプレッサ出口圧Po、タービン入口圧Pi及び可変ノズル開度VN%の値がECU20に読み込まれる。S201の処理が終了するとS202に進む。
When this routine is executed, first, in S201, output signals from the compressor
S202においては、タービンホイール共振領域に相当する、コンプレッサ出口圧範囲を確定するコンプレッサ出口圧の下限値と上限値であるPo1(Ne)及びPo2(Ne)と、加振力大圧力領域を確定するタービン入口圧の下限値であるPi1と、加振力大開度領域を確定する可変ノズル開度の上限値であるVN%1とが参照される。なお、コンプレッサ出口圧の下限値と上限値であるPo1(Ne)及びPo2(Ne)の値は、機関回
転数Neの関数となっているので、S201で検出された機関回転数Neの値に応じた値がマップから読み出される。また、Pi1、VN%1の値はECU20のROMから読み出される。S202の処理が終了するとS203に進む。
In S202, the lower limit value and upper limit values Po1 (Ne) and Po2 (Ne) of the compressor outlet pressure, which determine the compressor outlet pressure range, corresponding to the turbine wheel resonance region, and the excitation force large pressure region are determined. Reference is made to Pi1, which is the lower limit value of the turbine inlet pressure, and
S203においては、コンプレッサ出口圧が、タービンホイール共振領域に相当する範囲に属しているか否かが判定される。具体的には、S201において読み込まれたコンプレッサ出口圧Poと、S202において参照されたタービンホイール共振領域に相当するコンプレッサ出口圧範囲を確定するコンプレッサ出口圧の下限値と上限値であるPo1(Ne)及びPo2(Ne)とが比較され、Po1(Ne)>PoまたはPo>Po2(Ne)が成立するか否かが判定される。ここで肯定判定された場合には、結果としてターボ回転数がタービンホイール共振領域に属していないと判断されるのでS108に進む。一方、否定判定された場合には、ターボ回転数がタービンホイール共振領域に属すると判断されるのでS104に進む。 In S203, it is determined whether or not the compressor outlet pressure belongs to a range corresponding to the turbine wheel resonance region. Specifically, the compressor outlet pressure Po read in S201, and Po1 (Ne) which is the lower limit value and the upper limit value of the compressor outlet pressure for determining the compressor outlet pressure range corresponding to the turbine wheel resonance region referred to in S202. And Po2 (Ne) are compared to determine whether Po1 (Ne)> Po or Po> Po2 (Ne) is satisfied. If an affirmative determination is made here, it is determined that the turbo rotational speed does not belong to the turbine wheel resonance region as a result, and the process proceeds to S108. On the other hand, if a negative determination is made, it is determined that the turbo rotation speed belongs to the turbine wheel resonance region, so the routine proceeds to S104.
S104〜S108の処理は、実施例1で説明した疲労蓄積状態判定解消ルーチンと同等であるため、説明は省略する。 Since the processing of S104 to S108 is equivalent to the fatigue accumulation state determination cancellation routine described in the first embodiment, description thereof is omitted.
以上、説明したように、本実施例においては、ターボチャージャ4が疲労蓄積状態であるか否かを判定する際に、可変ノズル開度とタービン入口圧に加えてターボ回転数を検出するのではなく、ターボ回転数の代わりに、コンプレッサ出口圧を検出することとした。そして、それらの全てが、共振を誘起するおそれがある領域に属している場合に、ターボチャージャ4がタービンホイール6の疲労破壊を誘発する疲労蓄積状態であると判定し、可変ノズル開度を大きくし、ターボチャージャ4の疲労蓄積状態を解消することとした。
As described above, in this embodiment, when it is determined whether the
本実施例によれば、内燃機関1のターボチャージャ4付近にターボ回転センサを備えることを必要とせず、一般的に車輌に備えられていることの多いコンプレッサ出口圧センサ15を用いて、ターボ回転数がタービンホイール共振領域に属しているか否かを判定することができる。その結果、より低コストのシステムによって、より確実にタービンホイール6の共振を抑制することができる。その結果、より確実にタービンホイール6の疲労破壊を抑制できる。
According to this embodiment, it is not necessary to provide a turbo rotation sensor in the vicinity of the
なお、本実施例において、コンプレッサ出口圧センサ17は、コンプレッサ出口圧力検出手段に相当する。また、コンプレッサ出口圧の下限値Po1(Ne)と上限値Po2(Ne)で確定されるコンプレッサ出口圧範囲は、共振誘起圧力範囲に相当する。
In this embodiment, the compressor
次に、本発明の実施例3について説明する。本実施例においては、可変ノズルの開度とコンプレッサ出口圧とを検出するとともに、限界可変ノズル開度の値を燃料噴射量により補正することで、ターボチャージャが疲労蓄積状態となっていることを判定する例について説明する。
Next,
図9には、本実施例における内燃機関及びその吸排気系についての概略図を示す。実施例1で説明した構成と同じ構成については同一の符号を付与し、説明を省略する。図9と図1との相違点は、図9においてはターボ回転センサ19及びタービン入口圧センサ17が省略された点である。
FIG. 9 shows a schematic diagram of the internal combustion engine and its intake / exhaust system in the present embodiment. The same components as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. The difference between FIG. 9 and FIG. 1 is that the
ここで、ターボ回転数とコンプレッサ出口圧との間に一対一の対応関係がある点については実施例2で既に述べた。また、そのことに加えて、タービン入口圧は、燃料噴射弁8における燃料噴射量と対応関係があることが判っている。これは、燃料噴射弁8における燃料噴射量が増加すれば、排気の温度が上昇し、タービン入口圧が増加する傾向にあるこ
とに起因する。
Here, the point in which there is a one-to-one correspondence between the turbo rotation speed and the compressor outlet pressure has already been described in the second embodiment. In addition, it has been found that the turbine inlet pressure has a corresponding relationship with the fuel injection amount in the
従って、本実施例においては、ターボ回転センサ19でターボ回転数と検出する代わりに、コンプレッサ出口圧センサ15によってコンプレッサ出口圧を検出する。また、ノズル開度センサ11によって可変ノズル開度を検出する。一方、タービン入口圧を検出することはしない。ここでは燃料噴射弁8への燃料噴射指示値をECU20に読込み、その値に応じて可変ノズル開度の制御範囲に設定された限界ノズル開度の値を補正することで、タービン入口圧を検出する代用とした。
Therefore, in this embodiment, instead of detecting the turbo rotation speed by the
図10は、限界可変ノズル開度と、機関回転数及び燃料噴射量との関係を示したグラフである。すなわち、前述のように燃料噴射量が多ければ、排気の温度が高温となるのでタービン入口圧も高くなる傾向となる。また、機関回転数が増加すると排気の量も増加するのでタービン入口圧も高くなる傾向となる。本実施例においてはこの傾向を考慮して、限界可変ノズル開度の値を、燃料噴射量が多いほど大きくなるように補正することとした。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the limit variable nozzle opening, the engine speed, and the fuel injection amount. That is, as described above, if the fuel injection amount is large, the temperature of the exhaust gas becomes high and the turbine inlet pressure tends to increase. Further, when the engine speed increases, the amount of exhaust gas also increases, so that the turbine inlet pressure tends to increase. In the present embodiment, in consideration of this tendency, the limit variable nozzle opening value is corrected so as to increase as the fuel injection amount increases.
また、機関回転数が高いほど限界可変ノズル開度の値が大きくなるように補正することとした。これは、可変ノズル開度が同じ場合、タービン入口圧が高いほど、タービンホイール6に吹き付ける排気の勢いが増し、加振力が増加することを考慮した補正である。この補正によって、タービン入口圧によるタービンホイール6に対する加振力への影響を、限界可変ノズル開度の値に盛り込むことができるので、タービン入口圧の検出を省略することが可能となる。
In addition, correction is performed so that the value of the limit variable nozzle opening increases as the engine speed increases. This is a correction that takes into account that when the variable nozzle opening is the same, the higher the turbine inlet pressure, the greater the momentum of the exhaust blown to the
図11には、本実施例における疲労蓄積状態判定解消ルーチン3のフローチャートを示す。本ルーチンと図8に示した疲労蓄積状態判定解消ルーチン2との相違点はS201〜S202及びS204の処理の代りにS301〜S302及びS304の処理が実行される点である。以下、本ルーチンと疲労蓄積状態判定解消ルーチン2の相違点についてのみ説明する。
FIG. 11 shows a flowchart of the fatigue accumulation state
本ルーチンが実行されると、まずS301において、コンプレッサ出口圧センサ15によってコンプレッサ出口圧Poが、ノズル開度センサ11によって可変ノズル開度VN%が検出され、それらの出力信号がECU20に読み込まれる。また、クランクポジションセンサ13によって内燃機関1の機関回転数NeがECU20に読み込まれるとともに、燃料噴射弁8への燃料噴射量の指示値がECU20に読み込まれる。S301の処理が終了するとS302に進む。
When this routine is executed, first, in S301, the compressor
S302においては、タービンホイール共振領域に相当する、コンプレッサ出口圧範囲を確定するコンプレッサ出口圧の下限値と上限値であるPo1(Ne)及びPo2(Ne)と、加振力大開度領域を確定する可変ノズル開度の上限値であるVN%2(Ne、Gf)とが参照される。なお、コンプレッサ出口圧の下限値と上限値であるPo1(Ne)及びPo2(Ne)の値は、機関回転数Neの関数となっているので、S201で検出された機関回転数Neの値に応じた値がマップから読み出される。また、VN%2(Ne、Gf)の値は、機関回転数Ne及び燃料噴射量Gfの関数となっているので、S301で検出された機関回転数Neと燃料噴射量Gfの組合せに応じた値がマップから読み出される。S302の処理が終了するとS203に進む。 In S302, the lower limit value and the upper limit values Po1 (Ne) and Po2 (Ne) of the compressor outlet pressure, which determine the compressor outlet pressure range, corresponding to the turbine wheel resonance region, and the excitation force large opening range are determined. Reference is made to VN% 2 (Ne, Gf), which is the upper limit value of the variable nozzle opening. Note that the values of Po1 (Ne) and Po2 (Ne), which are the lower limit value and the upper limit value of the compressor outlet pressure, are functions of the engine speed Ne, and therefore the values of the engine speed Ne detected in S201. The corresponding value is read from the map. Further, since the value of VN% 2 (Ne, Gf) is a function of the engine speed Ne and the fuel injection amount Gf, it corresponds to the combination of the engine speed Ne and the fuel injection amount Gf detected in S301. The value is read from the map. When the process of S302 ends, the process proceeds to S203.
S203においては、コンプレッサ出口圧が、タービンホイール共振領域に相当する範囲に属していないか否かが判定される。具体的には、S201において読み込まれたコンプレッサ出口圧Poと、S202において参照されたタービンホイール共振領域に相当する、コンプレッサ出口圧範囲を確定するコンプレッサ出口圧の下限値と上限値であるPo1(Ne)及びPo2(Ne)とが比較され、Po1(Ne)>PoまたはPo>Po2
(Ne)が成立するか否かが判定される。ここで肯定判定された場合には、ターボ回転数がタービンホイール共振領域に属していないと判断されるのでS108に進む。一方、否定判定された場合には、ターボ回転数がタービンホイール共振領域に属すると判断されるのでS304に進む。
In S203, it is determined whether or not the compressor outlet pressure does not belong to a range corresponding to the turbine wheel resonance region. Specifically, the compressor outlet pressure Po read in S201, and Po1 (Ne) which is the lower limit value and the upper limit value of the compressor outlet pressure that defines the compressor outlet pressure range corresponding to the turbine wheel resonance region referred to in S202. ) And Po2 (Ne), and Po1 (Ne)> Po or Po> Po2
It is determined whether (Ne) is satisfied. If an affirmative determination is made here, it is determined that the turbo rotation speed does not belong to the turbine wheel resonance region, so the routine proceeds to S108. On the other hand, if a negative determination is made, it is determined that the turbo rotation speed belongs to the turbine wheel resonance region, so the process proceeds to S304.
S304においては、可変ノズル開度が加振力大開度領域に属しているか否かが判定される。具体的には、S301において読み込まれた可変ノズル開度VN%と、S302において参照された、機関回転数Neと燃料噴射量Gfの関数としての加振力大開度領域の上限値であるVN%2(Ne、Gf)とが比較され、VN%>VN%2(Ne、Gf)が成立するか否かが判定される。ここで肯定判定された場合には、可変ノズル開度が加振力大開度領域に属していないと判断されるのでS108に進む。一方、否定判定された場合には、可変ノズル開度が加振力大開度領域に属すると判断されるのでS106に進む。 In S304, it is determined whether or not the variable nozzle opening belongs to the large excitation force opening area. Specifically, the variable nozzle opening VN% read in S301 and VN% which is the upper limit value of the excitation force large opening region as a function of the engine speed Ne and the fuel injection amount Gf referred to in S302. 2 (Ne, Gf) is compared, and it is determined whether or not VN%> VN% 2 (Ne, Gf) is satisfied. If an affirmative determination is made here, it is determined that the variable nozzle opening does not belong to the excitation force large opening area, and the process proceeds to S108. On the other hand, if a negative determination is made, it is determined that the variable nozzle opening belongs to the large opening area of the excitation force, and the process proceeds to S106.
S106〜S108の処理は、実施例1で説明した疲労蓄積状態判定解消ルーチン及び、疲労蓄積ルーチン2と同等であるため、説明は省略する。
Since the processing of S106 to S108 is equivalent to the fatigue accumulation state determination elimination routine and the
以上、説明したように、本実施例においては、ターボチャージャ4が疲労蓄積状態であるか否かを判定する際に、可変ノズル開度とコンプレッサ出口圧のみを検出する。そして、検出された可変ノズル開度が比較される限界可変ノズル開度の値を、機関回転数及び燃料噴射量の値によって補正することで、タービン入口圧の検出を代用することとした。さらに、コンプレッサ出口圧がタービンホイール共振領域に相当する範囲に属し、且つ可変ノズル開度が、補正された後の加振力大開度領域に属している場合に、ターボチャージャ4が疲労蓄積状態であると判定した。また、その場合には、可変ノズル開度を増加させ、ターボチャージャ4の疲労蓄積状態を解消することとした。
As described above, in this embodiment, when determining whether or not the
これによれば、コンプレッサ出口圧センサとノズル開度センサの2つのセンサからの検出信号のみによって、ターボチャージャ4の疲労蓄積状態を判定することができる。しかも、その際の判定の精度は、ターボ回転センサ、タービン入口圧センサ及びノズル開度センサの3つのセンサまたは、コンプレッサ出口圧センサ、タービン入口圧センサ及びノズル開度センサの3つのセンサからの検出信号によってターボチャージャ4の疲労蓄積状態の判定を行った場合と同等とすることができる。
According to this, the fatigue accumulation state of the
ここで、現市場における多くの車輌において、コンプレッサ出口圧センサ及び、ノズル開度センサは備えられているので、本実施例においては特にセンサを追加する必要性がない。従って、さらに低コストのシステムによって、より確実にタービンホイールの共振を抑制することができ、タービンホイールの疲労破壊を抑制することができる。 Here, in many vehicles in the current market, since the compressor outlet pressure sensor and the nozzle opening sensor are provided, there is no need to add a sensor in this embodiment. Therefore, the resonance of the turbine wheel can be more reliably suppressed by the lower cost system, and the fatigue failure of the turbine wheel can be suppressed.
なお、本実施例において、S301〜S302の処理を実行するECU20は、補正手段に相当する。また、上記の実施例においては、ターボチャージャ4が、共振による疲労破壊が誘発される疲労蓄積状態であると判定された場合に、可変ノズル7の開度を増加させて疲労蓄積状態を解消する例について説明した。しかし、タービンホイールの材質や形状によっては、共振が誘起されることによって疲労が蓄積するというよりも、共振による振動で直接破損してしまう場合も考えられる。本発明の思想はこのような場合にも適用可能であることはもちろんである。
In the present embodiment, the
1・・・内燃機関
2・・・吸気通路
3・・・排気通路
4・・・ターボチャージャ
5・・・コンプレッサホイール
6・・・タービンホイール
7・・・可変ノズル
8・・・燃料噴射弁
9・・・DCモータ
11・・・ノズル開度センサ
13・・・クランクポジションセンサ
15・・・コンプレッサ出口圧センサ
17・・・タービン入口圧センサ
19・・・ターボ回転センサ
20・・・ECU
DESCRIPTION OF
Claims (4)
ターボ回転数と、前記タービンホイールに対する排気による加振力に影響を及ぼすタービン膨張比及び前記可変ノズルの開度と、に基づいて、前記ターボチャージャが、前記タービンホイールの共振による破損が誘発される破損誘発状態であるか否かを判定する破損誘発判定手段と、
前記破損誘発判定手段によって前記ターボチャージャが前記破損誘発状態であると判定された場合に、前記可変ノズルの開度を変更して前記ターボチャージャの前記破損誘発状態を解消する破損誘発状態解消手段と、
を備えることを特徴とするターボチャージャの制御装置。 A control device for a variable nozzle type turbocharger having a variable nozzle capable of changing an exhaust flow area when exhaust gas of an internal combustion engine is blown to a turbine wheel,
The turbocharger is induced to be damaged by resonance of the turbine wheel on the basis of the turbo rotation speed, the turbine expansion ratio that affects the excitation force by the exhaust to the turbine wheel, and the opening of the variable nozzle. Damage induction determination means for determining whether or not it is in a damage induction state;
A breakage induction state elimination means for eliminating the breakage induction state of the turbocharger by changing the opening of the variable nozzle when the breakage induction determination means determines that the turbocharger is in the breakage induction state; ,
A turbocharger control device comprising:
前記可変ノズルの開度の可変範囲において、前記タービンホイールへの排気による加振力が増加して前記タービンホイールの共振による破損を誘発し得る上限の可変ノズルの開度である限界ノズル開度が設定され、
前記ターボ回転数の変動範囲において、前記タービンホイールの共振を誘起し易い回転数範囲である共振誘起領域が設定され、
前記タービンの入口における圧力の変動範囲において、前記タービンホイールへの排気による加振力が増加して前記タービンホイールの共振による破損を誘発し得る下限の圧力である限界タービン入口圧力が設定され、
前記破損誘発状態は、前記可変ノズル開度検出手段によって検出された可変ノズルの開度が前記限界ノズル開度以下であり、且つ前記ターボ回転数検出手段によって検出されたターボ回転数が前記共振誘起領域に属し、且つ前記タービン入口圧力検出手段によって検出されたタービンの入口における圧力が前記限界タービン入口圧力以上である状態とすることを特徴とする請求項1に記載のターボチャージャの制御装置。 The breakage induction determining means detects variable nozzle opening degree detecting means for detecting the opening degree of the variable nozzle, turbo rotational speed detecting means for detecting the turbo rotational speed, and pressure at the turbine inlet of the turbocharger. Turbine inlet pressure detection means,
In a variable range of the opening of the variable nozzle, a limit nozzle opening that is an opening of the upper limit variable nozzle that can increase the excitation force due to exhaust to the turbine wheel and induce damage due to resonance of the turbine wheel is Set,
In the fluctuation range of the turbo rotation speed, a resonance induction region that is a rotation speed range that easily induces resonance of the turbine wheel is set,
In the fluctuation range of the pressure at the turbine inlet, a limit turbine inlet pressure is set, which is a lower limit pressure that can increase the excitation force due to exhaust to the turbine wheel and induce damage due to resonance of the turbine wheel,
In the breakage induced state, the opening degree of the variable nozzle detected by the variable nozzle opening degree detecting means is equal to or less than the limit nozzle opening degree, and the turbo rotational speed detected by the turbo rotational speed detecting means is the resonance induction. 2. The turbocharger control device according to claim 1, wherein the pressure at the turbine inlet that belongs to the region and is detected by the turbine inlet pressure detection means is equal to or higher than the limit turbine inlet pressure. 3.
前記可変ノズルの開度の可変範囲において、前記タービンホイールへの排気による加振力が増加して前記タービンホイールの共振による破損を誘発し得る上限の可変ノズルの開度である限界ノズル開度が設定され、
前記コンプレッサの出口における圧力の変動範囲において、前記タービンホイールの共振が生じ易い圧力の範囲である共振誘起圧力範囲が設定され、
前記タービンの入口における圧力の変動範囲において、前記タービンホイールへの排気による加振力が増加して前記タービンホイールの共振による破損を誘発し得る下限の圧力である限界タービン入口圧力が設定され、
前記破損誘発状態は、前記可変ノズル開度検出手段によって検出された可変ノズルの開度が前記限界ノズル開度以下であり、且つ前記コンプレッサ出口圧力検出手段によって検出されたコンプレッサの出口における圧力が前記共振誘起圧力範囲に属し、且つ前記タービン入口圧力検出手段によって検出された前記タービンの入口における圧力が前記限界タービン入口圧力以上である状態とすることを特徴とする請求項1に記載のターボチャージャの制御装置。 The breakage induction determining means includes variable nozzle opening degree detecting means for detecting the opening degree of the variable nozzle, compressor outlet pressure detecting means for detecting pressure at the outlet of the compressor of the turbocharger, and inlet of the turbine of the turbocharger. Turbine inlet pressure detection means for detecting the pressure at
In a variable range of the opening of the variable nozzle, a limit nozzle opening that is an opening of the upper limit variable nozzle that can increase the excitation force due to exhaust to the turbine wheel and induce damage due to resonance of the turbine wheel is Set,
In the pressure fluctuation range at the outlet of the compressor, a resonance inducing pressure range that is a pressure range in which resonance of the turbine wheel is likely to occur is set.
In the fluctuation range of the pressure at the turbine inlet, a limit turbine inlet pressure is set, which is a lower limit pressure that can increase the excitation force due to exhaust to the turbine wheel and induce damage due to resonance of the turbine wheel,
In the breakage induced state, the opening of the variable nozzle detected by the variable nozzle opening detecting means is equal to or less than the limit nozzle opening, and the pressure at the compressor outlet detected by the compressor outlet pressure detecting means is the pressure at the compressor outlet. 2. The turbocharger according to claim 1, wherein the pressure at the inlet of the turbine belonging to a resonance-induced pressure range and detected by the turbine inlet pressure detection means is equal to or higher than the limit turbine inlet pressure. Control device.
、前記ターボチャージャのコンプレッサの出口における圧力を検出するコンプレッサ出口圧力検出手段と、を有し、
前記可変ノズルの開度の可変範囲において、前記タービンホイールへの排気による加振力が増加して前記タービンホイールの共振による破損を誘発し得る上限の可変ノズルの開度である限界ノズル開度が設定され、
前記コンプレッサの出口における圧力の変動範囲において、前記タービンホイールの共振が生じ易い圧力の範囲である共振誘起圧力範囲が設定され、
前記限界ノズル開度の値を、前記内燃機関の機関回転数及び燃料噴射量に応じて補正する補正手段を更に備え、
前記破損誘発状態は、前記可変ノズル開度検出手段によって検出された可変ノズルの開度が前記補正手段による補正後の前記限界ノズル開度以下であり、且つ前記コンプレッサ出口圧力検出手段によって検出された前記コンプレッサの出口における圧力が前記共振誘起圧力範囲に属する状態とすることを特徴とする請求項1に記載のターボチャージャの制御装置。
The breakage inducing determination means has variable nozzle opening degree detecting means for detecting the opening degree of the variable nozzle, and compressor outlet pressure detecting means for detecting the pressure at the compressor outlet of the turbocharger,
In a variable range of the opening of the variable nozzle, a limit nozzle opening that is an opening of the upper limit variable nozzle that can increase the excitation force due to exhaust to the turbine wheel and induce damage due to resonance of the turbine wheel is Set,
In the pressure fluctuation range at the outlet of the compressor, a resonance inducing pressure range that is a pressure range in which resonance of the turbine wheel is likely to occur is set.
A correction means for correcting the value of the limit nozzle opening according to the engine speed and fuel injection amount of the internal combustion engine;
The breakage induced state is detected by the compressor outlet pressure detecting means when the opening degree of the variable nozzle detected by the variable nozzle opening degree detecting means is equal to or less than the limit nozzle opening degree corrected by the correcting means. 2. The turbocharger control device according to claim 1, wherein the pressure at the outlet of the compressor is in a state belonging to the resonance-induced pressure range.
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JP2007180124A JP2009013963A (en) | 2007-07-09 | 2007-07-09 | Control device of turbocharger |
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US10006297B2 (en) | 2013-02-21 | 2018-06-26 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Turbine rotor blade |
-
2007
- 2007-07-09 JP JP2007180124A patent/JP2009013963A/en not_active Withdrawn
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