JP2015108329A - 過給システムの制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エンジン(2)に圧縮した吸気を供給するための過給システムの制御装置(10)において、制御装置は、エンジン信号入力部(10A1)およびエンジンの運転状態を制御するエンジン制御部(10A2)を有するエンジンコントローラ(10A)と、ターボ信号入力部(10B1)および過給器(3)の目標過給圧に対応するターボ制御指令値を演算するターボ制御指令値演算部(10B2a)を含むターボ制御部(10B2)を有するターボコントローラ(10B)と、を備え、ターボ制御指令値演算部で演算されたターボ制御指令値を過給圧制御手段に出力することで、過給器の過給圧が目標過給圧となるように過給圧制御手段が制御される。
【選択図】図1
Description
エンジンに圧縮した吸気を供給するための過給システムの制御装置において、
前記過給システムは、
前記エンジンに供給する吸気を圧縮する過給器と、
前記過給器の過給圧を制御する過給圧制御手段と、
前記過給圧制御手段を制御する制御装置と、からなり、
前記制御装置は、
前記エンジンの運転状態に関する各種のセンサ信号が入力されるエンジン信号入力部、および該エンジン信号入力部に入力されるセンサ信号に基づいて、前記エンジンの運転状態を制御するエンジン制御部、を有するエンジンコントローラと、
前記エンジンの運転状態に関する各種のセンサ信号の内、少なくとも前記過給器の運転状態に関するセンサ信号が入力されるターボ信号入力部、および前記過給器の目標過給圧に対応するターボ制御指令値を演算するターボ制御指令値演算部を含むターボ制御部、を有する、前記エンジンコントローラとは別に独立した制御部および信号入力部を有するターボコントローラと、を備え、
前記ターボ制御指令値演算部で演算された前記ターボ制御指令値を前記過給圧制御手段に出力することで、前記過給器の過給圧が前記目標過給圧となるように前記過給圧制御手段が制御される。
例えば、過給圧制御モードとして、いち早く目標過給圧に到達するようにレスポンス性を重視した過給圧制御を行なうレスポンス重視モード、燃費効率を重視した過給圧制御を行う効率重視モード、および両者の中間的な過給圧制御を行う標準モード、の3つの過給圧制御モードがある場合において、レスポンス重視モード>標準モード>効率重視モードの順番で制御ゲインを高く設定することで、選択される過給圧制御モードに対応した過給圧の制御を行うことが出来る。
また上記実施形態において、上記可変制御機構による過給圧制御を、ウェイストゲートバルブによる過給圧制御よりも制御応答性が高くなるように構成することで、効率よく且つ広範囲に渡って過給圧を制御することが出来る。
ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図1は、本発明の第1実施形態にかかる過給システムの制御装置が適用されるエンジンシステムの全体構成を示した図である。
図1に示す本実施形態のエンジンシステム1において、不図示のエアクリーナを介して吸気管路4に導入された空気(吸気)は、ターボチャージャ3(過給器)のコンプレッサ3aに流入する。ターボチャージャ3は、吸気管路4に配置されたコンプレッサ3aと、排気管路6に配置されたタービン3bと、コンプレッサ3aとタービン3bとを連結するロータ3cとからなる。そして、エンジン2から排出される排気ガスの排気エネルギーによってタービン3bが回転駆動し、これに伴ってコンプレッサ3aが同軸駆動することで、コンプレッサ3aに流入した吸気が圧縮される。
そして、可変制御機構3dを調整してタービン3bに流れ込む排気ガスの流れを制御することで、タービン3bおよびこれと同軸駆動するコンプレッサ3aの回転数を制御し、これによりターボチャージャ3の過給圧を制御するように構成されている。
制御装置10は、エンジンECU10A(エンジンコントローラ)およびターボECU10B(ターボコントローラ)からなる。エンジンECU10AおよびターボECU10Bの各々は、中央処理装置(CPU)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、リードオンリメモリ(ROM)、およびI/Oインターフェイスなどからなり、互いに別体として構成されたマイクロコンピュータからなる。
ここでサージ圧力マージンとは、サージングに対する余裕を表す指標である。回転数マージンとは、ターボチャージャ3の過回転に対する余裕を表す指標である。なお、両者ともにサージングに関係する指標であることから、本明細書では両者をまとめてマージン(サージマージン)と呼ぶ。また、排温マージンとは、ターボチャージャ3の許容温度に対する余裕を表す指標である。
図4に示したように、目標過給圧演算部10A2aでは、エンジン回転数およびアクセル信号と、エンジン回転数およびアクセル信号に対応した目標過給圧が設定された目標過給圧マップM1とから目標過給圧を演算する。演算された目標過給圧は、エンジン信号出力部10A3からターボECU10Bへと出力される。なお、図示しないが、ターボECU10B自身が目標過給圧マップM1を搭載し、ターボECU10Bにおいて目標過給圧を演算するように構成してもよい。
すなわち、図7(a)に示したように、ターボチャージャ3の目標過給圧と実際の過給圧との偏差を加減算器41で算出し、この偏差を入力とするマージン閾値マップM5に基づいてマージン閾値を算出するように構成してもよい。また、図7(b)に示したように、エンジン2の目標燃料噴射量と実際の燃料噴射量との偏差を加減算器42で算出し、この偏差を入力とするマージン閾値マップM7に基づいてマージン閾値を算出するように構成してもよい。この場合の目標燃料噴射量は、アクセル信号を入力とする目標燃料噴射量マップM6に基づいて算出することが出来る。このような構成によれば、例えば目標過給圧と実際の過給圧との偏差が大きい場合や目標燃料噴射量と実際の燃料噴射量との偏差が大きい場合にはマージン閾値を高めに設定し、偏差が小さい場合にはマージン閾値を低めに設定することで、実際のエンジン運転状態に即した適切なマージン閾値を設定することが出来る。
過給圧制御モードとして、例えば、いち早く目標過給圧に到達するようにレスポンス性を重視した過給圧制御を行なうレスポンス重視モード、燃費効率を重視した過給圧制御を行う効率重視モード、および両者の中間的な過給圧制御を行う標準モード、の3つの過給圧制御モードを設定することが出来る。これら3つの過給圧制御モードは、後述するターボ制御指令値演算部10B2によって、現在の過給圧に対応するポイントSから目標過給圧に対応するポイントGに到達するまでに通過する作動点が夫々異なるように制御される。また、いずれの過給圧制御モードにおいても、その圧力比がサージ圧力ラインを超えないように制御される。
すなわち、エンジン回転数およびアクセル信号と、エンジン回転数およびアクセル信号に対応した目標空燃比が設定された目標空燃比ベースマップM3とから、目標空燃比ベース値を演算する。そして、この目標空燃比ベース値を、過給圧制御、触媒制御、およびノック制御の各々を考慮して補正することで目標空燃比を演算する。そして、この目標空燃比と空燃比センサ21で検出される空燃比とから目標空燃比に制御するのに必要な燃料噴射量を演算する。そして、この演算した燃料噴射量に対し、後述する排温マージンに基づいて燃料噴射量を減量補正することで燃料噴射量指令値を演算する。減量補正は、例えば排温マージンが予め規定されるマージン閾値を下回った場合に行われる。なお、目標空燃比および空燃比に替えて、目標酸素濃度および酸素濃度を用いてもよい。
ターボ制御指令値演算部10B2aでは、図5に示したように、目標過給圧と実際の過給圧との偏差を加減算器31で算出する。そして算出した偏差と予め定められる制御ゲインとに基づき、フィードバック制御手段32においてVG開度指令値を演算する。またこの際、エンジン回転数およびアクセル信号を入力とするフィードフォワードマップM4で算出された値をフィードバック制御手段32で演算されたVG開度指令値に加算することで、制御の応答性を高めることが出来る。そして、加算器33で算出されたVG開度指令値と実際のVG開度との偏差を加減算器34で算出し、算出した偏差に基づいて、VG開度を制御するためのPWM信号をフィードバック制御手段35によって生成する。
マージン演算部10B2bでは、図9に示した演算ロジックに従ってサージ圧力マージンを演算する。サージ圧力マージンの演算は、先ずサージ圧力マップM8に吸気流量を入力してサージ圧力比を算出し、これに大気圧を乗じてサージ圧力を演算する。このサージ圧力は、サージングが発生する限界圧力を意味するものである。そして、この算出されたサージ圧力と、圧力センサ22で検出された過給圧より、下記式(1)で表されるサージ圧力マージンが演算される。
サージ圧力マージン(%)=(サージ圧力−過給圧)/サージ圧力×100 ・・・(1)
最大許容回転数マージン(%)=(最大許容回転数−ターボ回転数)/最大許容回転数×100 ・・・(2)
定常回転数許容時間マージン(%)=(最大許容継続時間−定常回転数以上経過時間)/最大許容継続時間×100 ・・・(3)
排温マージン演算部10B2cでは、図11に示した演算ロジックに従って排温マージンを演算する。排温マージンは、最高許容温度マージンと定常温度許容時間マージンの何れか小さい方として演算される。最高許容温度マージンンとは、ターボチャージャ3のタービン3bが許容し得る最高許容温度に対するマージンを意味し、下記式(4)のとおり表される。
最高許容温度マージン(%)=(最高許容温度−排気温度)/最高許容温度×100・・・(4)
定常温度許容時間マージン(%)=(最高許容継続時間−定常許容温度以上経過時間)/最大許容継続時間×100 ・・・(5)
図6に示したように、エンジンECU10Aにあっては、上述した各種のセンサ信号を読み込んだ後(ステップE1)、目標過給圧および可変バルブタイミング、スロットル開度、燃料噴射量等の各種機器類に対するエンジン制御指令値を演算する。また、ターボECU10Bから送信されるサージ圧力マージン、回転数マージンに基づいてターボチャージャ3の可変制御機構3dに対する制御の許可・不許可(サージ・過回転回避許可)を判定する。さらに、選択された一つの過給圧制御モードを認識する。これら目標過給圧、サージ・過回転回避許可に関する信号、過給圧制御モードは、ターボECU10Bに送信される(ステップE2)。
図12は、本発明の第2実施形態にかかる過給システムの制御装置が適用されるエンジンシステムの全体構成を示した図である。本実施形態のエンジンシステム1aは、バイパス管路14およびウェイストゲートバルブ12を備えている点を除いて、基本的には図1に示した実施形態のエンジンシステム1と同様な構成を有している。よって、同一の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
すなわち、本実施形態では、上述した可変制御機構3d、およびウェイストゲートバルブ12の両方が、コンプレッサ3aで圧縮される吸気の過給圧を制御する過給圧制御手段に相当する。このウェイストゲートバルブ12のWGバルブ開度は、可変制御機構3dのVG開度と同様、制御装置10によって制御される。なお、ウェイストゲートバルブ12だけを制御する場合は、ターボチャージャ3は可変制御機構3dを備えていなくともよい。
VG開度の制御ロジック(A)では、先ず目標過給圧と実際の過給圧との偏差を加減算器55で算出する。そして算出した偏差と予め定められる制御ゲインとに基づき、フィードバック制御手段56においてVG開度指令値を演算する。またこの際、エンジン回転数およびアクセル信号を入力とするフィードフォワードマップM9で算出された値をフィードバック制御手段56で演算されたVG開度指令値に加算することで、制御の応答性を高めることが出来る。そして、加算器57で算出されたVG開度指令値をリミッタ58またはリミッタ63に出力する。リミッタ58およびリミッタ63は、リミッタ付の線形化テーブルとなっており、図14Bに示したように、θ≧−1では、WGバルブ開度はリミッタ下限に固定されてVG開度だけが変化し、θ<−1では、VGバルブ開度がリミッタ下限に固定されてWGバルブ開度だけが変化するようになっている。そして、通常の使用範囲(θ≧−1)では、WGバルブ開度がリミッタ下限に固定され、VG開度を制御することで過給圧の制御が行われる。この場合は、加算器57で算出されたVG開度指令値がリミッタ58から加算器59に出力される。そして、リミッタ58から出力されたVG開度指令値と実際のVG開度との偏差を加減算器59で算出し、算出した偏差に基づいて、VG開度を制御するためのPWM信号をフィードバック制御手段60によって生成する。
また上述したように、可変制御機構3dによる過給圧制御を、ウェイストゲートバルブ12による過給圧制御よりも制御応答性が高くなるように構成することで、効率よく且つ広範囲に渡って過給圧を制御することが出来るようになっている。
図16は、本発明の第3実施形態にかかる過給システムの制御装置が適用されるエンジンシステムの全体構成を示した図である。本実施形態のエンジンシステム1bは、電動ターボチャージャ5および吸気側バイパス管路18を備えている点を除いて、基本的に上述した実施形態のエンジンシステムと同様の構成を有している。よって、同一の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
すなわち本実施形態では、上述したウェイストゲートバルブ12がコンプレッサ3aの過給圧を制御する過給圧制御手段に相当する。また、上述したインバータ5dが電動コンプレッサ5aの過給圧を制御する過給圧制御手段に相当する。このインバータ5dおよびバイパスバルブ16は、ウェイストゲートバルブ12のWGバルブ開度と同様、制御装置10によって制御される。
図19および図20は、本発明の第4実施形態にかかる過給システムの制御装置が適用されるエンジンシステムの全体構成を示した図である。本実施形態のエンジンシステム1cおよび1dは、高圧段ターボチャージャ3Aと低圧段ターボチャージャ3Bを備える所謂二段過給システムとなっている点、および排気管路6を流れる排気ガスの一部を吸気管路4に還流させるEGRシステムを備える点を除いて、基本的に上述した実施形態のエンジンシステムと同様の構成を有している。よって、同一の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
本実施形態のエンジンシステムは、図19および図20に示したエンジンシステム1c、1dと同様の構成を有しており、その詳細な説明を省略する。
2 エンジン
2a 燃焼室
3 ターボチャージャ
3a コンプレッサ
3b タービン
3c ロータ
3d 可変制御機構
3A 高圧段ターボチャージャ
3Aa 高圧段コンプレッサ
3Ab 高圧段タービン
3Ac ロータ
3Ad 可変制御機構
3B 低圧段ターボチャージャ
3Ba 低圧段コンプレッサ
3Bb 低圧段タービン
3Bc ロータ
3Bd 可変制御機構
4 吸気管路
5 電動ターボチャージャ
5a 電動コンプレッサ
5b モータ
5c ロータ
5d インバータ(回転数制御手段)
6 排気管路
8 インタークーラ
10 制御装置
10A エンジンECU
10B ターボECU
12 ウェイストゲートバルブ
12A 高圧段ウェイストゲートバルブ
12B 低圧段ウェイストゲートバルブ
14 バイパス管路
14A 高圧段バイパス管路
14B 低圧段バイパス管路
16 バイパスバルブ
18 吸気側バイパス管路
20 回転数センサ
21 空燃比センサ
22、22A、22B 圧力センサ
23 エアフロメータ
24 ノックセンサ
25 排温センサ
26 圧力センサ
28A 高圧EGR管路
28B 低圧EGR管路
29A 高圧EGRクーラ
29B 低圧EGRクーラ
30A 高圧EGRバルブ
30B 低圧EGRバルブ
Claims (11)
- エンジンに圧縮した吸気を供給するための過給システムの制御装置において、
前記過給システムは、
前記エンジンに供給する吸気を圧縮する過給器と、
前記過給器の過給圧を制御する過給圧制御手段と、
前記過給圧制御手段を制御する制御装置と、からなり、
前記制御装置は、
前記エンジンの運転状態に関する各種のセンサ信号が入力されるエンジン信号入力部、および該エンジン信号入力部に入力されるセンサ信号に基づいて、前記エンジンの運転状態を制御するエンジン制御部、を有するエンジンコントローラと、
前記エンジンの運転状態に関する各種のセンサ信号の内、少なくとも前記過給器の運転状態に関するセンサ信号が入力されるターボ信号入力部、および前記過給器の目標過給圧に対応するターボ制御指令値を演算するターボ制御指令値演算部を含むターボ制御部、を有する、前記エンジンコントローラとは別に独立した制御部および信号入力部を有するターボコントローラと、を備え、
前記ターボ制御指令値演算部で演算された前記ターボ制御指令値を前記過給圧制御手段に出力することで、前記過給器の過給圧が前記目標過給圧となるように前記過給圧制御手段が制御される、
過給システムの制御装置。 - 前記ターボ制御部は、前記ターボ信号入力部に入力されるセンサ信号に基づいて前記過給器のマージンを演算するマージン演算部を含み、
前記エンジン制御部は、前記マージン演算部で演算されるマージンと予め規定されるマージン閾値とを比較するサージ・過回転許可判定部を含み、
前記マージンが前記マージン閾値を下回る場合は、前記マージンが前記マージン閾値を上回る場合と比べて、前記過給器の過給圧が前記目標過給圧となるまでの応答時間が長くなるように構成される、
請求項1に記載の過給システムの制御装置。 - 前記マージン閾値は、前記過給器の目標過給圧と実際の過給圧との偏差、又は目標燃料噴射量と実際の燃料噴射量との偏差、に基づいて規定される、
請求項2に記載の過給システムの制御装置。 - 前記エンジンコントローラのエンジン制御部は、2以上の過給圧制御モードの中から選択される1つの過給圧制御モードを認識する過給圧制御モード指示判定部を含み、
前記ターボ制御指令値演算部は、前記過給器の目標過給圧と実際の過給圧との偏差、および予め定められる制御ゲインに基づいて前記ターボ制御指令値をフィードバック制御するとともに、前記過給圧制御モード指示判定部において認識される一つの過給圧制御モードに応じて前記制御ゲインを異ならしめるように構成される、
請求項1に記載の過給システムの制御装置。 - 前記過給器が、前記エンジンからの排気エネルギーによって回転駆動する前記エンジンの排気管路に配置されたタービンと、該タービンと同軸駆動する前記エンジンの吸気管路に配置されたコンプレッサと、前記タービンに流れ込む前記排気ガスの流れを制御する可変制御機構と、を有する可変型ターボチャージャからなり、
前記制御装置が、前記可変制御機構を調整して前記タービンに流れ込む前記排気ガスの流れを制御することで前記過給器の過給圧を制御するように構成される、
請求項1に記載の過給システムの制御装置。 - 前記過給器が、前記エンジンからの排気エネルギーによって回転駆動する前記エンジンの排気管路に配置されたタービンと、該タービンと同軸駆動する前記エンジンの吸気管路に配置されたコンプレッサと、を有するターボチャージャからなり、
前記エンジンの排気管路には前記タービンを迂回するバイパス管路が接続され、該バイパス管路にはウェイストゲートバルブが設けられ、
前記制御装置が、前記ウェイストゲートバルブのバルブ開度を調整することで前記過給器の過給圧を制御するように構成される、
請求項1に記載の過給システムの制御装置。 - 前記過給器が、前記エンジンからの排気エネルギーによって回転駆動する前記エンジンの排気管路に配置されたタービンと、該タービンと同軸駆動する前記エンジンの吸気管路に配置されたコンプレッサと、前記タービンに流れ込む前記排気ガスの流れを制御する可変制御機構と、を有する可変型ターボチャージャからなり、
前記エンジンの排気管路には前記タービンを迂回するバイパス管路が接続され、該バイパス管路にはウェイストゲートバルブが設けられ、
前記制御装置が、前記可変制御機構を調整して前記タービンに流れ込む前記排気ガスの流れを制御することで前記過給器の過給圧を制御するとともに、前記ウェイストゲートバルブのバルブ開度を調整することで前記過給器の過給圧を制御するように構成される、
請求項1に記載の過給システムの制御装置。 - 前記可変制御機構による過給圧制御は、前記ウェイストゲートバルブによる過給圧制御よりも制御応答性が高くなるように構成される、
請求項7に記載の過給システムの制御装置。 - 前記過給器が、
前記エンジンから排出される排気ガスの排気エネルギーによって回転駆動する、前記エンジンの排気管路に配置されたタービン、および該タービンと同軸駆動する前記エンジンの吸気管路に配置されたコンプレッサ、を有するターボチャージャと、
前記ターボチャージャのコンプレッサに対して上下流の何れかに配置された電動コンプレッサ、該電動コンプレッサを回転駆動させるモータ、および該モータの回転数を制御する回転数制御手段、を有する電動ターボチャージャと、からなり、
前記エンジンの排気管路には、前記タービンを迂回するバイパス管路が接続され、前記バイパス管路にはウェイストゲートバルブが設けられており、
前記制御装置が、前記ウェイストゲートバルブのバルブ開度を調整することで、前記ターボチャージャの過給圧を制御するとともに、前記回転数制御手段で前記モータの回転数を制御することで、前記電動ターボチャージャの過給圧を制御するように構成される、
請求項1に記載の過給システムの制御装置。 - 前記過給器が、
前記エンジンから排出される排気ガスの排気エネルギーによって回転駆動する、前記エンジンの排気管路に配置された高圧段タービン、および該高圧段タービンと同軸駆動する前記エンジンの吸気管路に配置された高圧段コンプレッサ、を有する高圧段ターボチャージャと、
前記排気管路における前記高圧段タービンよりも下流側に配置された低圧段タービン、および該低圧段タービンと同軸駆動する、前記吸気管路における前記高圧段コンプレッサよりも上流側に配置された低圧段コンプレッサ、を有する低圧段ターボチャージャと、からなり、
前記エンジンの排気管路には、前記高圧段タービンを迂回する高圧段バイパス管路、および前記低圧段タービンを迂回する低圧段バイパス管路、が夫々接続され、前記高圧段バイス管路には高圧段ウェイストゲートバルブが設けられ、前記低圧段バイパス管路には低圧段ウェイストゲートバルブが設けられており、
前記制御装置が、前記高圧段ウェイストゲートバルブ、および前記低圧段ウェイストゲートバルブのバルブ開度を夫々調整することで、前記高圧段ターボチャージャおよび前記低圧段ターボチャージャの過給圧を夫々制御するように構成される、
請求項1に記載の過給システムの制御装置。 - 前記過給器が、
前記エンジンから排出される排気ガスの排気エネルギーによって回転駆動する、前記エンジンの排気管路に配置された高圧段タービン、および該高圧段タービンと同軸駆動する前記エンジンの吸気管路に配置された高圧段コンプレッサ、を有する高圧段ターボチャージャと、
前記排気管路における前記高圧段タービンよりも下流側に配置された低圧段タービン、および該低圧段タービンと同軸駆動する、前記吸気管路における前記高圧段コンプレッサよりも上流側に配置された低圧段コンプレッサ、を有する低圧段ターボチャージャと、からなり、
前記高圧段ターボチャージャおよび前記低圧段ターボチャージャの少なくともいずれか一方は、前記高圧段タービンおよび前記低圧段タービンに流れ込む前記排気ガスの流れを制御する可変制御機構を有する可変型ターボチャージャからなり、
前記制御装置が、前記高圧段ターボチャージャおよび前記低圧段ターボチャージャの少なくともいずれか一方の可変制御機構を調整して前記排気ガスの流れを制御することで、前記高圧段ターボチャージャおよび前記低圧段ターボチャージャの少なくともいずれか一方の過給圧を制御するように構成される、
請求項1に記載の過給システムの制御装置。
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