JP2016136021A - ターボチャージャウェイストゲートの制御のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャウェイストゲートの制御のためのシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】システム１０は、内燃エンジン１６を含み、内燃エンジンは、吸気マニホールド１８および吸気マニホールドの上流に配置されるスロットル２４を含む。また、システムは、内燃エンジンに接続されるターボチャージャ２６を含み、ターボチャージャは、タービン３０および圧縮機２８を含む。システムは、タービンに接続されるウェイストゲート４６をさらに含む。システムは、第１のセンサ５２からの、圧縮機排出圧を示す第１の信号および第２のセンサ５４からの、吸気マニホールド圧力を示す第２の信号を受信し、第１の信号および第２の信号に基づいてスロットルにおける差圧を求め、差圧のみに基づいてウェイストゲートの位置を求め、ウェイストゲートを位置に調整するように構成されるコントローラ２２をさらに含む。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示されている主題は、内燃エンジン、より具体的には、ターボチャージャウェイストゲートを制御するためのシステムおよび方法に関する。

燃焼エンジンは、エンジン内の特定の内部構成要素の運動を生じさせるために燃料を燃焼させ、次に、この運動は、典型的には、ドライブトレイン、発電機、または他の有用なシステムに動力を供給するために使用される。燃焼エンジンは、典型的には、エンジンの特定の構成要素（例えば、シリンダ内に配置されたピストン）に力を加えてある距離にわたってこの構成要素を移動させるために炭素質燃料（天然ガス、ガソリン、およびディーゼルなど）を燃焼させて、高温高圧のガスの対応する膨張を使用する。各シリンダは、炭素質燃料の燃焼に応じて開閉される１つ以上の弁を含み得る。例えば、吸気弁は、空気などの酸化剤をシリンダ内に導き、次に、酸化剤は、燃料と混合され、燃焼され得る。次に、燃焼流体（例えば、高温ガス）は、排気弁を介してシリンダから流出するように導かれ得る。エンジンは、シリンダ内で燃料と組み合わされる空気の圧力および／または量を増加させるためにターボチャージャを含み得る。ターボチャージャは、ロータの２つの側を回転させることによって機能し得る。一方の側は、ターボチャージャのブレードを回転させる排気ガスから圧力を受ける。また、ターボチャージャのもう一方の側は、エンジンのシリンダ内に追加の酸化剤を回転して送り込むブレードを有する。したがって、炭素質燃料は、負荷を駆動するのに有用な機械的運動に変換される。例えば、負荷は、電力を発生させる発電機であり得る。所望のエンジン状態を得るためには、ターボチャージャの出力を制御することが重要である。

独創的に特許請求されている発明の範囲に相応する特定の実施形態が、以下で要約される。これらの実施形態は、特許請求されている発明の範囲を限定するためのものではなく、正しくは、これらの実施形態は、本発明の可能な形態の簡単な概要を提供するためのものに過ぎない。実際、本発明は、以下で述べられる実施形態と同様である場合もあれば、異なる場合もある様々な形態を包含し得る。

第１の実施形態によれば、システムは、内燃エンジンを含み、内燃エンジンは、吸気マニホールドおよび吸気マニホールドの上流に配置されるスロットルを含む。また、システムは、内燃エンジンに接続されるターボチャージャを含み、ターボチャージャは、タービンおよび圧縮機を含む。システムは、タービンに接続されるウェイストゲートをさらに含む。システムは、第１のセンサからの、圧縮機排出圧を示す第１の信号および第２のセンサからの、吸気マニホールド圧力を示す第２の信号を受信し、第１の信号および第２の信号に基づいてスロットルにおける差圧を求め、差圧のみに基づいてウェイストゲートの位置を求め、ウェイストゲートを位置に調整するように構成されるコントローラをさらに含む。

第２の実施形態によれば、内燃エンジンに接続されたターボチャージャのタービンに接続されたウェイストゲートを制御するための方法が提供される。本方法は、第１のセンサから圧縮機排出圧を示す第１の信号を受信し、第２のセンサから吸気マニホールド圧力を示す第２の信号を受信し、第１の信号および第２の信号に基づいて内燃エンジンのスロットルにおける差圧を求め、差圧のみに基づいてウェイストゲートの位置を求め、ならびにウェイストゲートを位置に調整するためにコントローラを利用するステップを含む。

第３の実施形態によれば、１つ以上の非一時的なコンピュータ可読媒体が提供される。コンピュータ可読媒体は、１つ以上のプロセッサ実行可能ルーチンをエンコードしており、１つ以上のルーチンは、プロセッサによって実行されるときに動作を実行させる。動作は、第１のセンサから圧縮機排出圧を示す第１の信号を受信すること、第２のセンサから吸気マニホールド圧力を示す第２の信号を受信すること、第１の信号および第２の信号に基づいて内燃エンジンのスロットルにおける差圧を求めること、ウェイストゲートが、タービンを備えるターボチャージャに接続され、ターボチャージャが、内燃エンジンに接続されている場合に差圧のみに基づいてウェイストゲートの位置を求めること、およびウェイストゲートを位置に調整することを含む。

本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明が添付図面を参照しながら読まれるときにより良く理解されるようになる。なお、添付図面では、同じ符号が、図面を通して同じ部分を示している。
ウェイストゲートに接続されたターボチャージャに接続された内燃システムを有するエンジン駆動システム（例えば、エンジン駆動発電システム）の実施形態のブロック図である。 コントローラ（例えば、電子制御ユニット（ＥＣＵ：ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ））の実施形態のブロック図である。 ウェイストゲート位置を制御するためのコンピュータ実施方法の実施形態のフローチャートである。 ウェイストゲートのパラメータ曲線ベースの制御対比例ベースの制御のグラフ表示である。

以下では、本発明の１つ以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、本明細書では、実際の実施態様の特徴のすべてが説明されない場合もある。このような実際の実施態様の開発（工学プロジェクトにおけるような）において、実施態様ごとに異なり得る、開発者の特定の目標（システム関連およびビジネス関連の制約の遵守など）を達成するために、実施態様に特有の多数の決定がなされなければならないことが理解されるべきである。さらに、このような開発の努力は、込み入っていて、時間がかかるものであるかもしれないが、本開示の利益を受ける当業者にとっては製作および製造に関する日常的な取り組みであることが理解されるべきである。

本発明の様々な実施形態の要素を導入するとき、冠詞「ある（ａ）」、「ある（ａｎ）」、「前記（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、その要素が１つ以上存在することを意味することが意図されている。用語「を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「を有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包含的であり、列挙されている要素以外にも付加的な要素が存在し得ることを意味することが意図されている。

使用中、ターボチャージャは、燃焼エンジンの燃焼室内に追加の空気（および比例してより多くの燃料）を送り込み、燃焼エンジンの出力および／または効率（例えば、燃料効率）を向上させる。このことは、エンジンの吸気にフィードバックされる、燃焼エンジンの排気から廃エネルギーを回収することによって達成される。例えば、エンジン排気は、ターボチャージャのタービンのタービンホイールを駆動し、排気システムを介して排出される。タービンホイールは、ターボチャージャの圧縮機の圧縮機ホイールに連結されたシャフトを駆動し、圧縮機ホイールは、吸気（その前は大気圧である）を加圧し、典型的には、インタークーラおよびスロットル弁を経由してこの吸気をエンジン吸気マニホールドに送る。ブースト圧は、ターボチャージャを含むエンジンシステム全体を動作範囲（例えば、熱的および機械的な設計動作範囲）内に保つために制限される。ターボチャージャの出力を制御することは、所望のエンジン運転を得るために重要である。ウェイストゲート（例えば、ウェイストゲート弁）が、タービンから排気エネルギーを逸らすことによってターボチャージャを調節するために排気マニホールド排出部と排気システムとの間に配置される場合がある。しかしながら、ウェイストゲートを制御または調節する手法は、典型的には、時間のかかる、複雑な、および／または非効率なものである。例えば、ウェイストゲートマップ（例えば、ウェイストゲート弁位置のための基準として速度および吸気マニホールド位置を利用する較正二次元マップ）が利用される場合がある。しかしながら、ウェイストゲートマップを利用することは、様々な較正係数（例えば、燃料およびエンジン構成に特有の）の獲得に使われる多くの開発時間を伴う。加えて、最初の始動中、ウェイストゲート弁位置を変更して、所望のスロットルリザーブ（ｔｈｒｏｔｔｌｅ ｒｅｓｅｒｖｅ）を得るためにウェイストゲートマップおよびシフトポイントを利用する学習アルゴリズムの実施には複雑さが付随する。あるいは、例えば、スロットルにおける所望の差圧またはリザーブを得るためにウェイストゲート弁位置を動かすダイヤフラムに接続されたブースト圧出口および吸気マニホールドからの圧力検知ラインを利用する、ウェイストゲートの機械的な比例制御が利用される場合もある。しかしながら、比例制御手法は、極端に低いリザーブまたは極端に高いリザーブの存在下では（例えば、ターボサージが発生しそうな場合に）十分な速さで反応し得ない。

以下でさらに詳細に説明されるように、簡単な電子制御アルゴリズム（例えば、単一入力および単一出力を有する）を含む、ウェイストゲート（例えば、ウェイストゲート弁）位置を制御するためのシステムおよび方法が提供される。例えば、圧縮機排出圧（例えば、ブースト圧）と吸気マニホールド圧力との圧力差（例えば、リザーブ）のみが、ウェイストゲートの制御に利用されてもよい。例えば、圧力差は、電子制御アルゴリズム（例えば、非線形パラメータ方程式）の唯一の入力としての役割を果たしてもよい。簡単な電子制御アルゴリズムは、所望の動作範囲内でのより安定したエンジン運転を実現しながらも、ゲインスケジューリングなしでも極端に低いまたは高いスロットルリザーブに応じたウェイストゲートの調整のより速い反応を可能にする。また、簡単な電子制御アルゴリズムは、較正を選択するときの構成エラーの可能性を除去する。また、簡単な電子制御アルゴリズムは、学習アルゴリズムおよびこれに付随する複雑さの必要性を回避する。さらに、簡単な電子制御アルゴリズムは、付加的なハードウェアを必要としない。全体的に見て、簡単な電子制御アルゴリズムは、エンジンシステムの効率を改善するより複雑でなく、より効率的なウェイストゲート制御システムを提供する。

図面を参照すると、図１は、ウェイストゲートに接続されたターボチャージャに接続された内燃システム１２を有するエンジン駆動システム１０（例えば、エンジン駆動発電システム）の実施形態のブロック図を示している。システム１０は、乗り物（機関車、自動車、バス、またはボートなど）を含んでもよい。あるいは、システム１０は、定置システム（発電機１４に連結された内燃システム１２を有する発電システムなど）を含んでもよい。発電の他には、システム１０は、他の用途（熱を回収し、熱を利用するもの（例えば、熱電併給用途）、熱、電力、および冷却を組み合わせた用途、さらなる利用のために排気成分（例えば、二酸化炭素）をも回収する用途、ガス圧縮用途、ならびに機械駆動用途など）に利用されてもよい。

内燃システム１２は、１つ以上の燃焼室（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、１０、１２、１４、１６、１８、２０、またはより多くの燃焼室）を有するエンジン１６（例えば、レシプロ内燃エンジン）を含む。空気供給部は、加圧された酸化剤（空気、酸素、酸素富化空気、酸素貧化空気（ｏｘｙｇｅｎ−ｒｅｄｕｃｅｄ ａｉｒ）、またはこれらの任意の組み合わせなど）を燃焼室のそれぞれに供給するように構成されている。また、燃焼室は、燃料供給部から燃料（例えば、液体および／または気体の燃料）を受け入れるように構成されており、燃料−空気混合気は、それぞれの燃焼室内で点火され、燃焼される。高温の加圧された燃焼ガスによって、燃焼室のそれぞれに隣接するピストンは、シリンダ内を直線移動し、ガスにより加えられた圧力は、シャフトを回転させる回転運動に変換される。さらに、シャフトは、シャフトの回転によって動力が供給される負荷に連結されてもよい。例えば、負荷は、システム１０の回転出力を用いて電力を発生させ得る任意の適切な装置（発電機１４など）であってもよい。さらに、以下の解説では、酸化剤として空気に言及しているが、任意の適切な酸化剤が、開示されている実施形態に使用されてもよい。同様に、燃料は、任意の適切な気体燃料（例えば、天然ガス、関連する石油ガス、プロパン、バイオガス、下水ガス、埋立地ガス、および炭鉱ガスなど）であってもよい。また、燃料は、任意の適切な液体燃料（例えば、ガソリン、ディーゼル、およびアルコール燃料など）であってもよい。

エンジン１６は、２ストロークエンジン、３ストロークエンジン、４ストロークエンジン、５ストロークエンジン、または６ストロークエンジンであってもよい。また、エンジン１６は、任意の数の（例えば、１〜２４個の）燃焼室、ピストン、および関連するシリンダを含んでもよい。例えば、特定の実施形態において、システム１０は、シリンダ内を往復運動する４、６、８、１０、１６、２４、またはより多くのピストンを有する大型の産業用レシプロエンジンを含んでもよい。一部のこのような場合において、シリンダおよび／またはピストンの直径は、約１３．５〜３４センチメートル（ｃｍ）であってもよい。一部の実施形態において、シリンダおよび／またはピストンの直径は、約１０〜４０ｃｍ、約１５〜２５ｃｍ、またはおよそ１５ｃｍであってもよい。システム１０は、１０ｋＷ〜１０ＭＷの範囲の電力を発生させてもよい。一部の実施形態において、エンジン１６は、約１８００回転／分（ＲＰＭ）未満で動作してもよい。一部の実施形態において、エンジン１６は、約２０００ＲＰＭ未満、約１９００ＲＰＭ未満、約１７００ＲＰＭ未満、約１６００ＲＰＭ未満、約１５００ＲＰＭ未満、約１４００ＲＰＭ未満、約１３００ＲＰＭ未満、約１２００ＲＰＭ未満、約１０００ＲＰＭ未満、約９００ＲＰＭ未満、または約７５０ＲＰＭ未満で動作してもよい。一部の実施形態において、エンジン１６は、約７５０〜２０００ＲＰＭ、約９００〜１８００ＲＰＭ、または約１０００〜１６００ＲＰＭで動作してもよい。一部の実施形態において、エンジン１６は、約１８００ＲＰＭ、約１５００ＲＰＭ、約１２００ＲＰＭ、約１０００ＲＰＭ、または約９００ＲＰＭで動作してもよい。例示的なエンジン１６は、例えば、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＣｏｍｐａｎｙのＪｅｎｂａｃｈｅｒ Ｅｎｇｉｎｅ（例えば、Ｊｅｎｂａｃｈｅｒ Ｔｙｐｅ２、Ｔｙｐｅ３、Ｔｙｐｅ４、Ｔｙｐｅ６、もしくはＪ９２０ ＦｌｅＸｔｒａ）またはＷａｕｋｅｓｈａ Ｅｎｇｉｎｅ（例えば、Ｗａｕｋｅｓｈａ ＶＧＦ、ＶＨＰ、ＡＰＧ、２７５ＧＬ）を含んでもよい。

内燃システム１２は、吸気マニホールド１８と、排気マニホールド２０と、コントローラ２２（例えば、電子制御ユニット（ＥＣＵ））とを有するエンジン１６を含む。また、内燃システム１２は、吸気マニホールド１８を介してエンジン１６に流入する空気の量を調節するスロットル２４を含む。エンジン１６の吸気マニホールド１８および排気マニホールド２０は、ターボチャージャ２６に機能的に接続されている。ターボチャージャ２６は、駆動シャフト３２を介してタービン３０に連結された圧縮機２８を含む。圧縮機２８は、吸気ダクト３４を介して空気を受け入れる。空気（例えば、大気圧／気圧の）は、圧縮機２８の圧縮機ホイールによって生成された部分真空下で吸気ダクト３４を介して吸い込まれる。圧縮機ホイールは、タービン３０のタービンホイールによって駆動されるシャフト３２によって駆動される。タービンホイールは、エンジン１６の排気マニホールド２０に接続されたエンジン排気ダクト３６を介してタービン３０に供給されるエンジン排気によって駆動される。

圧縮機２８の出力は、圧縮機排出ダクト４０を介してインタークーラ３８に接続されている。圧縮機ホイールは、吸気を圧縮し、これを圧縮機排出ダクト４０を介してインタークーラ３８に送り、インタークーラ３８は、ターボ過給された吸気から余熱を除去する熱交換器として機能する。次に、ターボ過給された吸気は、スロットル２４、吸気マニホールド１８、およびエンジン１６に誘導される。スロットル２４は、その圧力位置に応じて圧力差を発生させる。その場合、スロットル２４への空気圧は、圧縮機排出圧（例えば、ブースト圧）であり、スロットルから外への空気圧は、吸気マニホールド圧力である。圧力差（すなわち、圧縮機排出圧と吸気マニホールド圧力との差）（ΔＰ）はまた、リザーブ（ｒｅｓｅｒｖｅ）（例えば、スロットルリザーブ）またはリザーブ圧力として知られている。

また、システム１０は、バイパスダクト４４内にバイパス弁４２を含む。バイパスダクト４４は、圧縮機排出ダクト４０とエンジン排気ダクト３６とを接続している。バイパス弁４２は、機能的に、圧縮機排出ダクト４０内の圧力を解放し、バイパスダクト４４を通る空気流を調節することによって圧縮機２８を通る空気流を増加させる。例えば、バイパス弁４２は、始動時は、エンジン排気ダクト３６内のエンジン排気圧が、圧縮機排出ダクト４０内の圧縮機排出圧よりも高いことから閉鎖される。エンジン１６が、最小アイドル速度で運転されたら、バイパス弁４２は、圧縮機排出圧および質量空気流を調節するために調節される（例えば、開放される、閉鎖される、様々な角度で開放されるなど）。特定の実施形態において、システム１０は、バイパス弁４２を含まなくてもよい。

また、システム１０は、排出ダクト４８内に配置されたウェイストゲートまたはウェイストゲート弁４６を含む。排出ダクト４８は、エンジン排気ダクト３６と排気排出ダクト５０とを接続している。また、排気排出ダクト５０は、タービン３０に接続されている。ウェイストゲート４６は、機能的に、ターボチャージャ２６のタービン３０に供給されるエンジン排気の量を、したがって、圧縮機２８が発生させる圧縮機排出圧を調節する。例えば、エンジン排気ダクト３６内のエンジン排気を排気排出ダクト５０に逸らすことによって、ウェイストゲート４６は、タービン３０への排気質量空気流を低減し、圧縮機２８が発生させる圧縮機排出圧を低下させる。例えば、ウェイストゲート４６は、エンジン始動時は、吸気マニホールド圧力が最低限のレベルに達するまでシャフト３２および圧縮機ホイールを駆動するタービンホイールを駆動するために、すべてのエンジン排気をタービン３０に導くために閉鎖されてもよい。吸気マニホールド圧力を調節するためために、エンジン１６の運転中に、ウェイストゲート４６が開放されればされるほど、より多くのエンジン排気が、ターボチャージャ２６から逸らされる。ウェイストゲート４６は、任意の可変制御弁（例えば、バタフライ弁、ゲート弁、ポペット弁など）を含んでもよい。

コントローラ２２は、スロットル２４、バイパス弁４２、ウェイストゲート弁４６、およびこれらの関連するアクチュエータに接続されている。コントローラ２２は、スロットル２４、バイパス弁４２、およびウェイストゲート弁４６のそれぞれの位置（例えば、開放、閉鎖、特定の角度での開放など）を調整するためにスロットル２４、バイパス弁４２、およびウェイストゲート弁４６のアクチュエータに制御信号を送信する。また、コントローラ２２は、システム１０の全体にわたって様々なセンサおよび装置（内燃システム１２およびターボチャージャ２６を含む）に接続される。例えば、コントローラ２２は、インタークーラ３８とスロットル２４との間の、スロットル２４の上流に配置されたセンサ５２に接続される。センサ５２（例えば、圧力センサ）は、圧縮機排出圧を測定し、圧縮機排出圧を示す信号をコントローラ２２に供給する。また、コントローラ２２は、スロットル２４と吸気マニホールド１８との間の、スロットル２４の下流に配置されたセンサ５４に接続される。センサ５４（例えば、圧力センサ）は、吸気マニホールド圧力を測定し、吸気マニホールド圧力を示す信号をコントローラ２２に供給する。センサ５２、５４は、インタークーラ３８と吸気マニホールド１８との間の流路の途中に配置されてもよい。あるいは、センサ５２、５４は、インタークーラ３８と吸気マニホールド１８との間の流路から伸びる検知ラインの途中に配置されてもよい。特定の実施形態において、コントローラ２２は、他のセンサに接続され、システム１０の機能を制御してもよい。コントローラ２２は、センサ５２、５４から信号を受信し、スロットル２４における差圧またはリザーブを求めてもよい。差圧のみから、コントローラ２２は、電子制御アルゴリズムを利用してウェイストゲート４６の位置を求めて制御する（例えば、維持および／または調整する）。電子制御アルゴリズムは、非線形パラメータ方程式を含んでもよい。非線形パラメータ方程式は、一変量多項式であってもよい。差圧は、方程式への単一入力としの役割を果たし、ウェイストゲート弁の位置は、方程式の単一出力である。特定の実施形態において、単一出力は、ウェイストゲート弁の開放率である。他の実施形態において、単一出力は、ウェイストゲート弁の閉鎖率である。特定の実施形態において、一変量多項式は、三次多項式などの多次または多次数多項式を含んでもよい。非線形パラメータ方程式は、以下によって表され得る。ｙ＝０．０３３４ｘ³−３．８６６３ｘ²＋１４９．３６ｘ−１９１０．３（１）ただし、ｙは、ウェイストゲート弁の位置（例えば、開放率）を表し、ｘは、スロットル２４における圧力差またはスロットルリザーブ（ΔＰ）を表す。非線形パラメータ方程式は、差圧に対してウェイストゲート４６の位置を表す曲線を決定してもよく、曲線は、所望のリザーブ動作範囲を表す第１の部分と、所望のリザーブ動作範囲の外のより低いリザーブ範囲を表す第２の部分と、所望のリザーブ動作範囲の外のより高いリザーブ範囲を表す第３の部分とを含む。特定の実施形態において、曲線の第１の部分は、ウェイストゲート４６の位置の調整の第１のレートを有し、曲線の第２の部分は、ウェイストゲート４６の位置の調整の第２のレートを有し、曲線の第３の部分は、ウェイストゲート４６の位置の調整の第３のレートを有し、調整の第２のレートおよび第３のレートの両方は、調整の第１のレートよりも大きい。電子制御アルゴリズムを利用することにより、コントローラ２２は、所望の動作範囲の外のリザーブに対して機械的な比例制御手法よりも速く反応することが可能であり得る。特定の実施形態において、圧力差に関する所望の動作レジームまたは動作範囲は、約３３．８６〜４７．４１ｋＰａ、３３．８６〜４０．００ｋＰａ、４７．４１〜４０ｋＰａの範囲およびこれらの間のすべての部分範囲であってもよい。したがって、所望の動作範囲の外の極端に低いリザーブまたは極端に高いリザーブの存在下では（例えば、ターボサージが発生しそうな場合）、コントローラ２２は、リザーブが所望の動作範囲内の場合よりも迅速にウェイストゲート弁４６の位置を調整してもよい。加えて、電子制御アルゴリズムを利用することは、ゲインスケジューリングなしでもウェイストゲート４６の位置の算出および調整を可能にする。

一部の実施形態において、システム１０は、図１に示されている構成要素のすべてを含まなくてもよい。加えて、システム１０は、制御構成要素、後処理構成要素、および／または熱回収構成要素などの付加的な構成要素を含んでもよい。システム１０は、１つより多くのインタークーラ３８を含んでもよい。また、システム１０は、様々な弁（例えば、燃料弁、圧力弁など）を含んでもよい。

上で言及したように、コントローラ２２は、一般に、内燃システム１２およびシステム１０の他の構成要素の動作を制御する。図２は、コントローラ２２の実施形態のブロック図である。コントローラ２２は、本明細書に開示されている技術を実施するために、機械可読媒体（例えば、メモリ５６）に記憶され、プロセッサ（例えば、プロセッサ５８）によって使用される非一時的なコードまたは命令を含む。メモリ５６は、求められたリザーブに対してウェイストゲート位置を決定する電子制御アルゴリズムを記憶してもよい。特定の実施形態において、圧力差に関する所望の動作レジームまたは動作範囲は、約３３．８６〜４７．４１ｋＰａ、３３．８６〜４０．００ｋＰａ、４７．４１〜４０ｋＰａの範囲およびこれらの間のすべての部分範囲であってもよい。圧力差に関する所望の動作範囲は、エンジン１６に応じて異なり得る。特定の実施形態において、所望の圧力差動作範囲に関する圧力差の値は、上記の値よりも高くても低くてもよい。メモリ５６は、様々なテーブルおよび／またはモデル（例えば、燃焼システム１２およびシステム１０の各構成要素の様々な態様を表す、および／またはシミュレートするソフトウェアモデル）を記憶してもよい。ルックアップテーブルは、特定の動作状態に関する所望の弁位置を含んでもよい。例えば、ルックアップテーブルは、特定のリザーブまたは差圧に関する特定のウェイストゲート弁位置（例えば、開放率、閉鎖率、角度など）を含んでもよい。特定の実施形態において、メモリ５６は、全体的または部分的にコントローラ２２から取り外し可能であってもよい。コントローラ２２は、システム１０のセンサ、アクチュエータ、および他の構成要素（例えば、ユーザインターフェース）から１つ以上の入力信号（入力₁、・・・、入力_n）を受信し、システム１０のセンサ、アクチュエータ、および他の構成要素に１つ以上の出力信号（出力₁、・・・、出力_n）を出力する。コントローラ２２は、１種類以上のモデル（例えば、プロセッサによって実行可能なソフトウェアベースのモデル）を利用してもよい。例えば、モデルは、装置故障のリスクまたは装置保守の必要性を予測するために使用され得る物理学ベースのモデル（低サイクル疲労（ＬＣＦ：ｌｏｗ ｃｙｃｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ）寿命予測モデル、計算流体力学（ＣＦＤ：ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ）モデル、有限要素解析（ＦＥＡ：ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ）モデル、ソリッドモデル（例えば、パラメータおよび非パラメータモデリング）、ならびに／または三次元から二次元へのＦＥＡ写像モデルなど）を含んでもよい。また、モデルは、統計モデル（回帰分析モデルおよびデータマイニングモデル（例えば、クラスタリングモデル、分類モデル、関連付けモデル）など）を含んでもよい。例えば、クラスタリング技術は、何らかの仕方で「類似する」データのグループまたは構造を発見してもよい。分類技術は、特定のグループの要素としてデータ点を分類してもよい（例えば、野外装置は、計画外の保守イベントに直面するより高い確率を有する）。回帰分析は、特定の誤差範囲内で将来動向をモデリングすることが可能な関数を発見するために使用されてもよい。関連付け技術は、変数間の関係を発見するために使用されてもよい。また、ファジー論理モデルが利用されてもよい。また、モデルに利用されるデータは、履歴データ、実験データ、および知識ベースのデータなどを含んでもよい。あるいは、簡単な電子制御アルゴリズムを利用するために、コントローラは、物理学モデルを用いてシステム１０の圧力を予測し、これに応じてウェイストゲート４６を調整するためにモデルベースの制御／モデル予測制御を利用してもよい。特定の実施形態において、コントローラ２２は、リザーブのみに基づいてウェイストゲート位置を調整するＰＩ／ＰＩＤコントローラであってもよい。

図３は、ウェイストゲート位置を制御するためのコンピュータ実施方法６０の実施形態のフローチャートである。方法６０のステップのすべてまたはいくつかは、コントローラ２２によって実行されてもよい（例えば、プログラムを実行し、メモリ５６に記憶されたデータにアクセスするためにプロセッサ５８を利用することによって）。方法６０は、センサ５４から、吸気マニホールド圧力の測定値を示す信号を受信すること（ブロック６２）を含む。また、方法６０は、センサ５２から、圧縮機排出圧またはブースト圧の測定値を示す信号を受信すること（ブロック６４）を含む。方法６０は、センサ５２、５４から受信した信号に基づいてスロットルにおける圧力差またはスロットルリザーブを求めること（ブロック６６）をさらに含む。方法６０は、ウェイストゲート４６の位置（例えば、開放率、閉鎖率、角度など）を求めるために電子制御アルゴリズムに唯一入力されるパラメータとして、求められたスロットルリザーブを利用すること（ブロック６８）をさらに含む。電子制御アルゴリズムは、上で説明したようなものであってもよい。さらに方法６０は、制御動作を出力すること（ブロック７０）をさらに含む。制御動作は、電子制御アルゴリズムによって求められた位置にウェイストゲート４６を調整する（例えば、コントローラ２２から、ウェイストゲート４６に連結された１つ以上のアクチュエータに供給される制御信号に応じて）ことを含む。また、制御動作は、リザーブが所望のリザーブ動作範囲（例えば、約３３．８６〜４７．４１ｋＰａ）内の場合にウェイストゲート４６の位置を維持することを含んでもよい。

図４は、ウェイストゲート４６のパラメータ曲線ベースの制御対比例ベースの制御のグラフ表示７２である。グラフ表示７２は、ウェイストゲート４６の位置を表すｙ軸７４を含む。描かれているように、ｙ軸は、ウェイストゲート４６の開放率を表す。他の実施形態において、ｙ軸は、ウェイストゲート４６の閉鎖率またはウェイストゲートの角度を表してもよい。グラフ表示７２は、スロットル２４における圧力差またはスロットルリザーブをｋＰａで表すｘ軸７６を含む。グラフ表示７２は、リザーブに対するウェイストゲート位置の比例制御に関する一次方程式を表す直線７８を含む。また、グラフ表示７２は、上で説明した電子制御アルゴリズムを利用してリザーブに対してウェイストゲート位置を制御するための三次方程式を表す曲線８０（例えば、方程式１を示す非線形パラメータ曲線）を含む。また、グラフ表示７２は、曲線８０の近似を表す屈曲線（ｂｒｏｋｅｎ ｌｉｎｅａｒ ｃｕｒｖｅ）８２を含む。描かれているように、曲線８０は、所望のリザーブ動作範囲（例えば、約３３．８６〜４７．４１ｋＰａ）を表す第１の部分８４と、所望のリザーブ動作範囲の外のより低いリザーブ範囲を表す第２の部分８６と、所望のリザーブ動作範囲の外のより高いリザーブ範囲を表す第３の部分８８とを含む。曲線８０の第１の部分８４は、ウェイストゲート４６の位置の調整の第１のレートを有し、曲線の第２の部分８６は、ウェイストゲート４６の位置の調整の第２のレートを有し、曲線８０の第３の部分８８は、ウェイストゲート４６の位置の調整の第３のレートを有し、調整の第２のレートおよび第３のレートの両方は、調整の第１のレートよりも大きい（すなわち、第２の部分８６および第３の部分８８の傾斜は、第１の部分８４の傾斜よりも大きい）。上で指摘したように、電子制御アルゴリズムを利用することにより、コントローラ２２は、所望の動作範囲の外のリザーブに対して機械的な比例制御手法よりも速く反応することが可能であり得る。例えば、描かれているように、直線７８は、リザーブ値に関係なく一定の傾斜を有する。対照的に、描かれているように、曲線８０の第２の部分８６および第３の部分８８は、リザーブ値が所望のリザーブ動作範囲の外にある場合のより速い反応を描く結果になっている一方で、反応は、リザーブ値が所望のリザーブ動作範囲内の場合はより遅くなっている。したがって、所望の動作範囲の外の極端に低いリザーブまたは極端に高いリザーブの存在下では（例えば、ターボサージが発生しそうな場合）、コントローラ２２は、リザーブが所望の動作範囲内の場合よりも迅速にウェイストゲート弁４６の位置を調整してもよい。

開示されている実施形態の技術的効果は、簡単な電子制御アルゴリズム（例えば、単一入力および単一出力を有する）を用いてウェイストゲート位置を制御するためのシステムおよび方法を提供することを含む。実際、圧縮機排出圧（例えば、ブースト圧）と吸気マニホールド圧力との圧力差（例えば、リザーブ）のみが、ウェイストゲートの制御に利用され得る。例えば、圧力差は、電子制御アルゴリズム（例えば、非線形パラメータ方程式）の唯一の入力としての役割を果たしてもよい。簡単な電子制御アルゴリズムは、所望の動作範囲内でのより安定したエンジン運転を実現しながらも、ゲインスケジューリングなしでも極端に低いまたは高いスロットルリザーブに応じたウェイストゲートの調整のより速い反応を可能にする。また、簡単な電子制御アルゴリズムは、較正を選択するときの構成エラーの可能性を除去する。また、簡単な電子制御アルゴリズムは、学習アルゴリズムおよびこれに付随する複雑さの必要性を回避する。さらに、簡単な電子制御アルゴリズムは、付加的なハードウェアを必要としない。全体的に見て、簡単な電子制御アルゴリズムは、エンジンシステムの効率を改善するより複雑でなく、より効率的なウェイストゲート制御システムを提供する。

この記載された説明では、最良の態様を含めて本発明を開示するために、さらには、任意の当業者が任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込み方法の実行を含めて本発明を実施することを可能にするために、例が使用されている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定されており、また、当業者によって想到される他の例を含み得る。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有する場合または特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない均等な構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲内にあることが意図されている。
［実施態様１］
システムであって、
吸気マニホールドおよび該吸気マニホールドの上流に配置されたスロットルを備える内燃エンジンと、
前記内燃エンジンに接続されたターボチャージャであって、タービンおよび圧縮機を備えるターボチャージャと、
前記タービンに接続されたウェイストゲートと、
第１のセンサからの、圧縮機排出圧を示す第１の信号および第２のセンサからの、吸気マニホールド圧力を示す第２の信号を受信し、前記第１の信号および前記第２の信号に基づいて前記スロットルにおける差圧を求め、前記差圧のみに基づいて前記ウェイストゲートの位置を求め、前記ウェイストゲートを前記位置に調整するように構成されたコントローラと
を備えるシステム。
［実施態様２］
前記コントローラが、前記ウェイストゲートの前記位置を求め、調整するために非線形パラメータ方程式を利用するように構成されている、実施態様１に記載にシステム。
［実施態様３］
前記非線形パラメータ方程式が、一変量多項式を含む、実施態様２に記載のシステム。
［実施態様４］
前記一変量多項式が、三次多項式を含む、実施態様３に記載にシステム。
［実施態様５］
前記非線形パラメータ方程式が、前記差圧に対して前記ウェイストゲートの前記位置を表す曲線を決定し、前記曲線が、所望のリザーブ動作範囲を表す第１の部分と、前記所望のリザーブ動作範囲の外のより低いリザーブ範囲を表す第２の部分と、前記所望のリザーブ動作範囲の外のより高いリザーブ範囲を表す第３の部分とを含む、実施態様２に記載にシステム。
［実施態様６］
前記曲線の前記第１の部分が、前記ウェイストゲートの前記位置の調整の第１のレートを有し、前記曲線の前記第２の部分が、前記ウェイストゲートの前記位置の調整の第２のレートを有し、前記曲線の前記第３の部分が、前記ウェイストゲートの前記位置の調整の第３のレートを有し、調整の前記第２のレートおよび前記第３のレートの両方が、調整の前記第１のレートよりも大きい、実施態様５に記載にシステム。
［実施態様７］
前記コントローラが、ゲインスケジューリングなしでも前記ウェイストゲートの前記位置を調整するように構成されている、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様８］
前記ターボチャージャと前記内燃エンジンとの間の流路の途中に配置された前記第１のセンサであって、前記スロットルおよび前記吸気マニホールドの両方の上流に配置され、前記圧縮機排出圧を測定するように構成された前記第１のセンサを備え、前記スロットルと前記吸気マニホールドとの間の、前記第１のセンサの下流の前記流路の途中に配置された前記第２のセンサであって、前記吸気マニホールド圧力を測定するように構成された前記第２のセンサを備える、実施態様１に記載にシステム。
［実施態様９］
内燃エンジンに接続されたターボチャージャのタービンに接続されたウェイストゲートを制御するための方法であって、
コントローラを利用するステップであって、
第１のセンサから圧縮機排出圧を示す第１の信号を受信し、
第２のセンサから吸気マニホールド圧力を示す第２の信号を受信し、
前記第１の信号および前記第２の信号に基づいて前記内燃エンジンのスロットルにおける差圧を求め、
前記差圧のみに基づいて前記ウェイストゲートの位置を求め、および
前記ウェイストゲートを前記位置に調整する
ためにコントローラを利用するステップ
を含む方法。
［実施態様１０］
前記ウェイストゲートの前記位置を求め、調整することが、前記ウェイストゲートの前記位置を求め、調整するために非線形パラメータ方程式を利用することを含む、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１１］
前記非線形パラメータ方程式が、一変量多項式を含む、実施態様１０に記載の方法。
［実施態様１２］
前記一変量多項式が、三次多項式を含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１３］
まったくゲインスケジューリングなしに前記ウェイストゲートの前記位置を調整することを含む、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１４］
前記差圧が所望の差圧範囲外のときは第１のレートで前記ウェイストゲートの前記位置を調整し、前記差圧が前記所望の差圧範囲内のときは第２のレートで前記ウェイストゲートの前記位置を調整することを含み、前記第１のレートが、前記第２のレートとは異なる、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１５］
１つ以上のプロセッサ実行可能ルーチンをエンコードした１つ以上の非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記１つ以上のルーチンが、プロセッサによって実行されたときに、
第１のセンサから圧縮機排出圧を示す第１の信号を受信すること、
第２のセンサから吸気マニホールド圧力を示す第２の信号を受信すること、
前記第１の信号および前記第２の信号に基づいて内燃エンジンのスロットルにおける差圧を求めること、
ウェイストゲートが、タービンを備えるターボチャージャに接続され、前記ターボチャージャが、前記内燃エンジンに接続されている場合に前記差圧のみに基づいて前記ウェイストゲートの位置を求めること、および
前記ウェイストゲートを前記位置に調整すること
を含む動作を実行させる１つ以上の非一時的なコンピュータ可読媒体。
［実施態様１６］
前記ウェイストゲートの前記位置を求め、調整することが、前記ウェイストゲートの前記位置を求め、調整するために非線形パラメータ方程式を利用することを含む、実施態様１５に記載の１つ以上の非一時的なコンピュータ可読媒体。
［実施態様１７］
前記非線形パラメータ方程式が、一変量多項式を含む、実施態様１６に記載の１つ以上の非一時的なコンピュータ可読媒体。
［実施態様１８］
前記非線形パラメータ方程式が、一変量多項式を含む、実施態様１７に記載の１つ以上の非一時的なコンピュータ可読媒体。
［実施態様１９］
前記一変量多項式が、三次多項式を含む、実施態様１８に記載の１つ以上の非一時的なコンピュータ可読媒体。
［実施態様２０］
前記１つ以上のルーチンが、前記プロセッサによって実行されたときに、
前記差圧が所望の差圧範囲外のときは第１のレートで前記ウェイストゲートの前記位置を調整し、前記差圧が前記所望の差圧範囲内のときは、前記第１のレートとは異なる第２のレートで前記ウェイストゲートの前記位置を調整すること
を含むさらなる動作を実行させる、実施態様１５に記載の１つ以上の非一時的なコンピュータ可読媒体。

１０ エンジン駆動システム
１２ 内燃システム
１４ 発電機
１６ エンジン
１８ 吸気マニホールド
２０ 排気マニホールド
２２ コントローラ
２４ スロットル
２６ ターボチャージャ
２８ 圧縮機
３０ タービン
３２ シャフト
３４ 吸気ダクト
３６ エンジン排気ダクト
３８ インタークーラ
４０ 圧縮機排出ダクト
４２ バイパス弁
４４ バイパスダクト
４６ ウェイストゲート、ウェイストゲート弁
４８ 排出ダクト
５０ 排気排出ダクト
５２、５４ センサ
５６ メモリ
５８ プロセッサ

Claims (20)

1. システム（１０）であって、
   吸気マニホールド（１８）および該吸気マニホールド（１８）の上流に配置されたスロットル（２４）を備える内燃エンジン（１６）と、
   前記内燃エンジン（１６）に接続されたターボチャージャ（２６）であって、タービン（３０）および圧縮機（２８）を備えるターボチャージャ（２６）と、
   前記タービン（３０）に接続されたウェイストゲート（４６）と、
   第１のセンサ（５２）からの、圧縮機排出圧を示す第１の信号および第２のセンサ（５４）からの、吸気マニホールド圧力を示す第２の信号を受信し、前記第１の信号および前記第２の信号に基づいて前記スロットル（２４）における差圧を求め、前記差圧のみに基づいて前記ウェイストゲート（４６）の位置を求め、前記ウェイストゲート（４６）を前記位置に調整するように構成されたコントローラ（２２）と
   を備えるシステム（１０）。
2. 前記コントローラ（２２）が、前記ウェイストゲート（４６）の前記位置を求め、調整するために非線形パラメータ方程式を利用するように構成されている、請求項１に記載にシステム（１０）。
3. 前記非線形パラメータ方程式が、一変量多項式を含む、請求項２に記載のシステム（１０）。
4. 前記一変量多項式が、三次多項式を含む、請求項３に記載にシステム（１０）。
5. 前記非線形パラメータ方程式が、前記差圧に対して前記ウェイストゲート（４６）の前記位置を表す曲線を決定し、前記曲線が、所望のリザーブ動作範囲を表す第１の部分と、前記所望のリザーブ動作範囲の外のより低いリザーブ範囲を表す第２の部分と、前記所望のリザーブ動作範囲の外のより高いリザーブ範囲を表す第３の部分とを含む、請求項２に記載にシステム（１０）。
6. 前記曲線の前記第１の部分が、前記ウェイストゲート（４６）の前記位置の調整の第１のレートを有し、前記曲線の前記第２の部分が、前記ウェイストゲート（４６）の前記位置の調整の第２のレートを有し、前記曲線の前記第３の部分が、前記ウェイストゲート（４６）の前記位置の調整の第３のレートを有し、調整の前記第２のレートおよび前記第３のレートの両方が、調整の前記第１のレートよりも大きい、請求項５に記載にシステム（１０）。
7. 前記コントローラ（２２）が、ゲインスケジューリングなしでも前記ウェイストゲート（４６）の前記位置を調整するように構成されている、請求項１に記載のシステム（１０）。
8. 前記ターボチャージャ（２６）と前記内燃エンジン（１６）との間の流路の途中に配置された前記第１のセンサ（５２）であって、前記スロットル（２４）および前記吸気マニホールド（１８）の両方の上流に配置され、前記圧縮機排出圧を測定するように構成された前記第１のセンサ（５２）を備え、前記スロットル（２４）と前記吸気マニホールド（１８）との間の、前記第１のセンサ（５２）の下流の前記流路の途中に配置された前記第２のセンサ（５４）であって、前記吸気マニホールド圧力を測定するように構成された前記第２のセンサ（５４）を備える、請求項１に記載にシステム（１０）。
9. 内燃エンジン（１６）に接続されたターボチャージャ（２６）のタービン（３０）に接続されたウェイストゲート（４６）を制御するための方法であって、
   コントローラ（２２）を利用するステップであって、
   第１のセンサ（５２）から圧縮機排出圧を示す第１の信号を受信し、
   第２のセンサ（５４）から吸気マニホールド圧力を示す第２の信号を受信し、
   前記第１の信号および前記第２の信号に基づいて前記内燃エンジン（１６）のスロットル（２４）における差圧を求め、
   前記差圧のみに基づいて前記ウェイストゲート（４６）の位置を求め、および
   前記ウェイストゲート（４６）を前記位置に調整する
   ためにコントローラ（２２）を利用するステップ
   を含む方法。
10. 前記ウェイストゲート（４６）の前記位置を求め、調整することが、前記ウェイストゲート（４６）の前記位置を求め、調整するために非線形パラメータ方程式を利用することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記非線形パラメータ方程式が、一変量多項式を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記一変量多項式が、三次多項式を含む、請求項１１に記載の方法。
13. まったくゲインスケジューリングなしに前記ウェイストゲート（４６）の前記位置を調整することを含む、請求項９に記載の方法。
14. 前記差圧が所望の差圧範囲外のときは第１のレートで前記ウェイストゲート（４６）の前記位置を調整し、前記差圧が前記所望の差圧範囲内のときは第２のレートで前記ウェイストゲート（４６）の前記位置を調整することを含み、前記第１のレートが、前記第２のレートとは異なる、請求項９に記載の方法。
15. １つ以上のプロセッサ（５８）実行可能ルーチンをエンコードした１つ以上の非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記１つ以上のルーチンが、プロセッサ（５８）によって実行されたときに、
    第１のセンサ（５２）から圧縮機排出圧を示す第１の信号を受信すること、
    第２のセンサ（５４）から吸気マニホールド圧力を示す第２の信号を受信すること、
    前記第１の信号および前記第２の信号に基づいて内燃エンジン（１６）のスロットル（２４）における差圧を求めること、
    ウェイストゲート（４６）が、タービン（３０）を備えるターボチャージャ（２６）に接続され、前記ターボチャージャ（２６）が、前記内燃エンジン（１６）に接続されている場合に前記差圧のみに基づいて前記ウェイストゲート（４６）の位置を求めること、および
    前記ウェイストゲート（４６）を前記位置に調整すること
    を含む動作を実行させる１つ以上の非一時的なコンピュータ可読媒体。
16. 前記ウェイストゲート（４６）の前記位置を求め、調整することが、前記ウェイストゲート（４６）の前記位置を求め、調整するために非線形パラメータ方程式を利用することを含む、請求項１５に記載の１つ以上の非一時的なコンピュータ可読媒体。
17. 前記非線形パラメータ方程式が、一変量多項式を含む、請求項１６に記載の１つ以上の非一時的なコンピュータ可読媒体。
18. 前記非線形パラメータ方程式が、一変量多項式を含む、請求項１７に記載の１つ以上の非一時的なコンピュータ可読媒体。
19. 前記一変量多項式が、三次多項式を含む、請求項１８に記載の１つ以上の非一時的なコンピュータ可読媒体。
20. 前記１つ以上のルーチンが、前記プロセッサ（５８）によって実行されたときに、
    前記差圧が所望の差圧範囲外のときは第１のレートで前記ウェイストゲート（４６）の前記位置を調整し、前記差圧が前記所望の差圧範囲内のときは、前記第１のレートとは異なる第２のレートで前記ウェイストゲート（４６）の前記位置を調整すること
    を含むさらなる動作を実行させる、請求項１５に記載の１つ以上の非一時的なコンピュータ可読媒体。