JP2010513778A - 内燃機関のターボチャージャの調整方法、およびターボチャージャ - Google Patents

Abstract

本発明は、調節可能なガイドブレード（５）を備える可変タービンジオメトリ（ＶＴＧ）を有するタービン（４）を備えるターボチャージャ（１）の調整方法であって、以下の方法ステップ：ａ）ターボチャージャ（１）によって過給される内燃機関の現動作点に応じて、可変タービンジオメトリ（ＶＴＧ）のガイドブレード（５）を、前記動作点に対してガイドブレード（５）の可能な最大閉鎖ポジションまで閉鎖するステップ、およびｂ）閉調整ループにおいてガイドブレード（５）のポジションを調節することによってチャージ圧力（Ｐ２）を調整するステップを含む調整方法に関する。

Description

本発明は、請求項１の前段による内燃機関の排気ターボチャージャの調整方法、および請求項６の前段によるターボチャージャに関する。

調節可能なタービンジオメトリ（ＶＴＧ）を備える公知のターボチャージャでは、従来のＰＩＤレギュレータおよび空気式の制御カプセルによってＶＴＧを閉鎖しすぎる場合に、チャージ圧力の降下が発生し得る。さらに、制御カプセルでは、圧力上昇中および圧力降下中に、作動ロッドのストローク値に、全体的な調整特性に悪影響を有するヒステリシス効果が存在する。

それゆえ、本発明の目的は、請求項１の前段に規定されるタイプの調整方法、および請求項６の前段によるターボチャージャを創出することにあり、それにより、制御カプセルの上述のヒステリシス効果を少なくとも低減し、かつＶＴＧのガイドブレードの最適なポジション調整を得ることが可能となる。

前記目的は、それぞれ請求項１および請求項７の特徴によって達成される。

本発明によれば、制御カプセルのヒステリシス効果を最小限にすること、より迅速な応答時間およびＶＴＧのガイドブレードのより正確なポジション調整を得ることが対応して可能となる。

チャージ圧力を増大させるためにＶＴＧのガイドブレードの最適化されたポジションを決定すること、および少なくとも他の悪影響、例えば排気再循環の悪影響を低減させることも可能となる。

従属請求項２〜５および８は、それぞれ本発明による調整方法および本発明によるターボチャージャの有利な改良形態を含む。

本発明による調整方法の特に好ましい一実施形態では、３つのフェーズによる戦略またはアプローチを選択する。

第１のフェーズでは、現動作点に応じて可変タービンジオメトリのガイドブレードを、前記動作点に対する可能な最大閉鎖ポジションまで移動し、それにより、制御カプセルのヒステリシスを回避することまたは少なくとも低減させることが可能となる。

本発明による調整方法のオプションのフェーズ２では、可変タービンジオメトリまたはそのガイドブレードを、過給式エンジンの回転速度およびトルクから主に生成される最適なポジションまでパイロット制御により移動する。ここで、下位のポジション調整ループは好ましくはアクティブである。

本発明による調整方法の第３のフェーズではチャージ圧力を調整し、チャージ圧力調整ループおよび下位のポジション調整ループは好ましくはアクティブである。

概して、本発明による調整方法によって、チャージ圧力の最適化された増大量が得られ、ここで、このようにするために、本発明によるターボチャージャに、ポジションセンサかまたはその代わりに電気的作動要素を備える空気式の制御カプセルを設けることが可能である。

本発明のさらなる詳細、利点および特徴は、図面に基づいた以下の例示的な実施形態の説明から明らかとなる。

本発明による調整方法を説明する図を示す。 本発明による調整方法の効果を説明する別の図を示す。 本発明によるターボチャージャの非常に単純化した概略的なブロック図を示す。

図１に、本発明による調整方法の特に好ましい実施形態を説明するために、要求チャージ圧力、実際のチャージ圧力、エンジン負荷、エンジン回転速度およびＶＴＧのガイドブレードのポジションが時間に対してプロットされている図を示す。

図１に示す調整戦略は３つのフェーズを含み、ここで、フェーズ２はオプションである、すなわち所定の応用において省略してもよい。

フェーズ１では、応答特性を改善するために、図２に示す排気ガスの背圧Ｐ３の上昇を目指す。このようにするために、ＶＴＧのガイドブレードを、現動作点それぞれに対する最大閉鎖状態に一時的に調整し、フェーズ１は、約１００〜２００ミリ秒のみ、最大５００ミリ秒アクティブである。図３から分かるように、チャージ圧力の制御を前記フェーズ１において行う。

オプションのフェーズ２では、チャージ圧力を上昇させるために常に最善の可能性を利用することを目指し、好ましくは、閉調整ループを備える従来のレギュレータにおいて発生することのある応答挙動のいかなる遅れも回避しようとするものである。

前記フェーズ２では、ＶＴＧのガイドブレードを、調整によって、各動作点に特有のチャージ圧力の最適な上昇に好適なポジションに移動する。ここでは、閉調整ループによって、チャージ圧力の制御を行いかつガイドブレードのポジション調整を行う。

フェーズ２は、チャージ圧力が実質的にその事前に設定された値に到達するまで有効にされる。

フェーズ３では、一定で安定した動作状態を目指し、それにより、閉調整ループにより標準的なチャージ圧力調整を行うこと、かつ閉調整ループによりポジション調整を行うことが可能となる。

チャージ圧力を、好ましくは標準的なＰＩＤレギュレータによって調整してもよい。

図２に、上述の３つのフェーズの調整戦略の要約を行程−圧力図の形態で示す。

上述のように、フェーズ１では、ＶＴＧは、排気ガスの背圧Ｐ３の上昇を可能な限り迅速に達成するために、短時間完全に閉鎖される。ここで、ＶＴＧチャージ圧力の制御を開調整ループによって行う。

フェーズ２では、ＶＴＧチャージ圧力の制御を開調整ループによって行い、かつポジション調整を閉調整ループによって行う。ここで、ＶＴＧを、最も速くチャージ圧力を上昇可能とするポジションに設定する。最適なＶＴＧポジションを記憶させてもよい。

最後に、フェーズ３では、チャージ圧力調整を閉調整ループによって行い、かつポジション調整を閉調整ループによって行い、ここで、閉調整ループによる調整は、好ましくはチャージ圧力の公称値に実質的に到達する場合にのみアクティブである。

図３に、本発明によるターボチャージャ１の非常に単純化した概略的なブロック図を示し、このターボチャージャは、ブレード５を備えるＶＴＧを有するタービン４にロータシャフトによって接続されるコンプレッサホイール２を有する。本発明による調整戦略の動作原理および本発明によるターボチャージャの説明のために、前記構成部品を図３のブロック１に概略的に単純化した形態で示す。なぜなら、本発明の原理を説明するためにはこの図で十分であるからである。用途に応じて、当然ながら、本発明によるターボチャージャ１は、従来のターボチャージャの他の構成部品も全て有するが、その説明は、本発明を説明するために必要なものではない。

ターボチャージャ１は、同様に別のブロックで示す内燃機関、例えば火花点火またはディーゼル機関６を過給するために設けられる。

本発明によれば、ターボチャージャ１は、以下の構成部品を含む調整装置６を有する：
まず、第１の決定装置７が設けられ、それにより、チャージ圧力Ｐ２の公称値Ｐ２ＮＯＭＩＮＡＬを決定できる。このようにするために、エンジン６の回転速度データおよびトルクデータを決定装置７に入力し、それらのデータはｎ（回転速度）およびＴ（トルク）で示される。

前記データを同様に第２の決定装置８に入力し、それにより、ＶＴＧのポジションの公称値（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ＶＴＧＮＯＭＩＮＡＬ）を決定する。

ｐ２ＮＯＭＩＮＡＬとｐ２ａｃｔｕａｌとの間の現在の差に基づいてポジション調整のために出力信号を生成するチャージ圧力レギュレータ９が、第２の決定装置８と並列に設けられる第１の決定装置７と直列に配置される。

回転速度値、トルク値およびチャージ圧力Ｐ２の公称値Ｐ２ＮＯＭＩＮＡＬ、ならびに適切な場合、センサ１２によって検出されるチャージ圧力の実際値Ｐ２ＡＣＴＵＡＬも、同様にチャージ圧力レギュレータ９に入力される。

ガイドブレードポジションレギュレータ１０を、同様にチャージ圧力レギュレータ９に直列に設け、ここで、チャージ圧力レギュレータ９によって供給される値に加え、図３において矢印ＰＯＳＶＴＧによって示すＶＴＧのガイドブレード５のポジションの公称値も、作動時には前記ガイドブレードポジションレギュレータ１０に供給する。前記値は、ガイドブレード５のポジションを決定できるセンサ１１によって検出されてもよい。

本発明による調整方法を、図３に示す調整装置６によって最適にするために、図３にそれぞれ矢印で示す補正値を考慮することが可能である。

さらに、任意に、シフトプロセス後のチャージ圧力の増大量を最適化させる働きをする別のフェーズを加えることが可能である。このようにするために、シフトプロセスにおいては慣例である要求トルクにおいて急激な低減がないかどうか、好適な方法で確認する。次にＶＴＧのガイドブレードを、定められた期間（約１秒）、最大でも要求トルクが急激に上昇するまで、可能な最大閉鎖ポジションに配置して、前記期間におけるチャージ圧力の降下を最小限にする。あるいは、可能な最大閉鎖ポジションの代わりに、トルク低減前に存在したＶＴＧポジションを維持することも可能である。

上述の本発明の開示を補足するために、図１〜３における本発明の概略的な図が明確に参照される。

１ ターボチャージャ
２ コンプレッサ
３ ロータシャフト
４ タービン
５ 可変タービンジオメトリＶＴＧのガイドブレード
６ 調整装置
７ 第１の決定装置
８ 第２の決定装置
９ チャージ圧力レギュレータ
１０ ガイドブレードポジションレギュレータ
１１、１２ センサ

Claims (9)

1. 調節可能なガイドブレード（５）を備える可変タービンジオメトリ（ＶＴＧ）を有するタービン（４）を有するターボチャージャ（１）の調整方法であって、以下の方法ステップ：
   ａ）前記ターボチャージャ（１）によって過給されている内燃機関の現動作点に応じて前記可変タービンジオメトリ（ＶＴＧ）の前記ガイドブレード（５）を、前記動作点に対して前記ガイドブレード（５）の可能な最大閉鎖ポジションまで閉鎖するステップ、および
   ｂ）閉調整ループにおいて前記ガイドブレード（５）のポジションを調節することによってチャージ圧力（Ｐ２）を調整するステップ
   を含む調整方法。
2. チャージ圧力を調整しかつ前記ガイドブレードのポジションを調整することに関する前記方法ステップｂ）が、閉調整ループにおいて行われることを特徴とする請求項１に記載の調整方法。
3. 以下の方法ステップ：
   ｃ）前記可変タービンジオメトリ（ＶＴＧ）の前記ガイドブレード（５）の最適なポジションを、少なくとも主に過給内燃機関の回転速度値（ｎ）およびトルク値（Ｔ）に基づいて決定するステップ、および
   ｄ）前記ガイドブレード（５）を、このようにして決定される最適なポジションに調節するステップであり、前記方法ステップｃ）およびｄ）を前記方法ステップａ）の後、かつ前記方法ステップｂ）の前に行う、ステップ
   を特徴とする請求項１または２に記載の調整方法。
4. シフトプロセスによるトルクの低減後に、前記ＶＴＧガイドブレードが、最大約１秒の一定の期間、可能な最大閉鎖ポジションに配置されることを特徴とする請求項３に記載の調整方法。
5. 前記方法ステップａ）が制御として行われることを特徴とする請求項１に記載の調整方法。
6. 前記方法ステップａ）が最大約５００ミリ秒の期間行われることを特徴とする請求項１に記載の調整方法。
7. 前記方法ステップｃ）およびｄ）が、チャージ圧力の制御に関して開調整ループにおいて行われ、かつ前記ガイドブレードのポジションの調整に関して閉調整ループにおいて行われることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の調整方法。
8. 内燃機関（６）、特に火花点火またはディーゼル機関用のターボチャージャ（１）であって、
   −コンプレッサ（２）、
   −前記コンプレッサ（２）にロータシャフト（３）を介して接続され、かつ調節可能なガイドブレード（５）を備える可変タービンジオメトリＶＴＧを有するタービン（４）
   を有するターボチャージャ（１）において、
   以下の構成部品：
   ・前記内燃機関（６）の回転速度データおよびトルクデータ（ｎ、Ｔ）からチャージ圧力（Ｐ２）の公称値（Ｐ２ＮＯＭＩＮＡＬ）を決定するための第１の決定装置（７）、
   ・前記第１の決定装置（７）に並列に接続され、前記内燃機関（６）の回転速度データおよびトルクデータ（ｎ、Ｔ）から前記ガイドブレード（５）のポジションを決定するための第２の決定装置（８）、
   ・チャージ圧力（Ｐ２）を調整するためのレギュレータ（９）であって、前記第１の決定装置（７）に直列に接続され、かつ入力された回転速度値およびトルク値（ｎ、Ｔ）およびチャージ圧力の公称値（Ｐ２ＮＯＭＩＮＡＬ）、ならびに適切な場合、フィードバックされた実際のチャージ圧力値（Ｐ２ＡＣＴＵＡＬ）に基づいてチャージ圧力（Ｐ２）を調整するレギュレータ（９）、および
   ・前記レギュレータ（９）に直列に接続され、かつ前記第２の決定装置（９）によって供給される前記ガイドブレードのポジションの公称値（ＰＯＳＶＴＧ＿ＮＯＭＩＮＡＬ）、前記レギュレータ（９）によって供給される出力信号、および適切な場合、実際のガイドブレードのポジションのフィードバックされた実際値（ＰＯＳＶＴＧ＿ＡＣＴＵＡＬ）に基づいて前記可変タービンジオメトリ（ＶＴＧ）の前記ガイドブレード（５）のポジションを調整するガイドブレードポジションレギュレータ（１０）
   を有する調整装置（６）を特徴とするターボチャージャ（１）。
9. 前記ガイドブレードの実際のポジション（ＰＯＳＶＴＧ＿ＡＣＴＵＡＬ）およびチャージ圧力（Ｐ２ＡＣＴＵＡＬ）を測定するためのセンサ（１１、１２）を特徴とする請求項８に記載のターボチャージャ。
   

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