JP2019196753A

JP2019196753A - 過給機

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Publication number: JP2019196753A
Application number: JP2018091947A
Authority: JP
Inventors: 祐高井; Yu Takai
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2018-05-11
Filing date: 2018-05-11
Publication date: 2019-11-14
Anticipated expiration: 2038-05-11
Also published as: JP6947118B2

Abstract

【課題】可変ノズル機構を有する過給機において、排気流量に応じてベーン開度を適切に設定する。【解決手段】制御装置は、ベーン開度の基本値を算出するステップ（Ｓ１００）と、ベーン開度のフィードバック量を算出するステップ（Ｓ１０２）と、基本値とフィードバック量との和を算出するステップ（Ｓ１０４）と、有効開口面積を算出するステップ（Ｓ１０６）と、ベーン開度の下限値を設定するステップ（Ｓ１０８）と、基本値とフィードバック量との和が下限値以上であると（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、基本値とフィードバック量との和を指令値として開度制御を実行するステップ（Ｓ１１２）と、基本値とフィードバック量との和が下限値よりも小さいと（Ｓ１１０にてＮＯ）、ベーン開度の下限値を指令値として開度制御を実行するステップ（Ｓ１１４）とを含む、制御処理を実行する。【選択図】図３

Description

本発明は、過給機の可変ノズル機構の制御に関する。

従来、エンジンには、排気マニホールドからの排気エネルギーを利用してエンジンに吸入される空気を過給するターボチャージャー等の過給機が設けられることが知られている。過給機には、ベーンを用いて排気の流路を絞ってタービンホイールに供給される排気の流速を増加させたり、排気の流路を拡げて流速を低減させたりする可変ノズル機構が設けられる場合がある。

可変ノズル機構が設けられる過給機について、たとえば、特開２００９−２７５６２０号公報（特許文献１）には、実過給圧を目標過給圧にするために可変ノズルの開度をＰＩＤ制御によって調整する技術が開示される。

特開２００９−２７５６２０号公報

上述の可変ノズル機構が設けられる過給機においては、エンジン保護のため排気マニホールドの圧力が圧力上限値を超えないように可変ノズル機構のベーン開度が制御される。ベーン開度は、たとえば、排気の流量の変動が少ない安定した状態であることを前提とし、エンジン回転数と燃料噴射量とを用いて設定される。しかしながら、エンジンの運転状態が過渡状態である場合には、エンジン回転数と燃料噴射量とが同じでも想定された排気の流量に到達していない場合がある。そのため、エンジン回転数と燃料噴射量とを用いて排気マニホールドの圧力が圧力上限値に到達するようなベーン開度が設定される場合にも、実際の排気の流量が想定よりも少ないときには、排気マニホールドの圧力が圧力上限値よりも余裕がある状態になり得る。このように排気の流量によっては設定されるベーン開度が、実際に排気マニホールドの圧力を圧力上限値に到達させるベーン開度に対してマージンが大きいベーン開度になる可能性がある。その結果、過給機の機能を十分に発揮し得るベーン開度を適切に設定することができない場合がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、可変ノズル機構を有する過給機において、排気流量に応じてベーン開度を適切に設定する過給機を提供することである。

この発明のある局面に係る過給機は、エンジンから排出される排気によって作動するタービンと、タービンの作動によってエンジンに吸入される空気を過給するコンプレッサと、複数のノズルベーンを有し、複数のノズルベーンを回転させて隣接するノズルベーンとの隙間の大きさを示すベーン開度を変化させることにより、タービンを作動させる排気の流速を変化させる流速可変装置と、流速可変装置を制御する制御装置とを備える。制御装置は、隣接するノズルベーンとの隙間における開口面積の総和と流速可変装置における排気の流れやすさを示す第１係数との積を示す第１有効開口面積と、エンジンからの排気流量とを用いてベーン開度の下限値を設定する。制御装置は、排気流量が少なくなるほど、ベーン開度の下限値を小さく設定する。

このようにすると、第１有効開口面積と排気流量とに応じたベーン開度の下限値が設定されるので、排気マニホールドの圧力を圧力上限値よりも低くしつつ、要求に応じたベーン開度に適切に設定することができる。そのため、過給機の機能を十分に発揮することができる。

好ましくは、制御装置は、エンジンの回転数とエンジンにおける燃料噴射量とを用いてベーン開度の基本値を算出するとともに、過給機の目標過給圧と実過給圧との差分に応じてベーン開度のフィードバック量を算出する。制御装置は、基本値とフィードバック量との和と、ベーン開度の下限値との比較結果に基づいてベーン開度の指令値を設定する。

このようにすると、ベーン開度の下限値が適切に設定されたことによって、排気マニホールドの圧力が圧力上限値を超えることを抑制しつつ、たとえば、実過給圧を目標過給圧まで速やかに上昇するようにフィードバック量をより大きく設定することができるため、過給機の機能を速やかに発揮することができる。

さらに好ましくは、エンジンには、吸気通路と、タービンよりも上流側の排気通路とをエンジンの気筒を経由せずに接続する接続通路と、接続通路を流通する排気の流量を調整する調整弁とを有する排気再循環装置が設けられる。制御装置は、調整弁における開口面積と調整弁における排気の流れやすさを示す第２係数との積を示す第２有効開口面積と、吸気通路の圧力と、排気流量とを用いて第１有効開口面積を算出する。

このようにすると、排気再循環装置が設けられるエンジンにおいて、調整弁の開度の過渡時においても、第１有効開口面積と排気流量とを用いてベーン開度の下限値を設定することができる。そのため、排気マニホールドの圧力を圧力上限値よりも低くしつつ、要求に応じたベーン開度に適切に設定することができる。

この発明によると、可変ノズル機構を有する過給機において、排気流量に応じてベーン開度を適切に設定する過給機を提供することができる。

本実施の形態に係る過給機を備えたエンジンの概略構成を示す図である。可変ノズル機構の構成の一例を示す図である。制御装置で実行される制御処理を示すフローチャートである。可変ノズル機構における隣接するベーン間の有効開口面積を説明するための図である。可変ノズル機構における有効開口面積と排気流量とベーン開度の下限値との関係の一例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号が付されている。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返されない。

図１は、本実施の形態に係る過給機を備えたエンジン１の概略構成を示す図である。本実施の形態において、エンジン１は、たとえば、コモンレール式のディーゼルエンジンを一例として説明するが、その他の形式のエンジン（たとえば、ガソリンエンジン等）であってもよい。

エンジン１は、エンジン本体１０と、エアクリーナ２０と、インタークーラ２６と、吸気マニホールド２８と、過給機３０と、排気マニホールド５０と、排気処理装置５５と、排気再循環装置（以下、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置と記載する）６０と、エンジン回転数センサ１０２と、エアフローメータ１０４と、過給圧センサ１０６と、制御装置２００とを備える。

エンジン本体１０は、気筒１２と、インジェクタ１６とを含む。エンジン１は、直列型のエンジンであってもよいし、その他の気筒レイアウト（たとえば、Ｖ型あるいは水平型）のエンジンであってもよい。

インジェクタ１６は、気筒１２の頂部に設けられ、コモンレール（図示せず）に接続されている燃料噴射装置である。燃料タンク（図示せず）に貯留された燃料は、サプライポンプ（図示せず）によって所定圧まで加圧されてコモンレールへ供給される。コモンレールに供給された燃料はインジェクタ１６から所定のタイミングで噴射される。インジェクタ１６は、制御装置２００からの制御信号に応じて指令された燃料噴射量Ｑｖを気筒１２内に供給する。

エアクリーナ２０は、エンジン１の外部から吸入される空気から異物を除去する。エアクリーナ２０には、第１吸気管２２の一方端が接続される。

第１吸気管２２の他方端には、過給機３０のコンプレッサ３２の吸気流入口に接続される。コンプレッサ３２の吸気流出口には、第２吸気管２４の一方端が接続される。コンプレッサ３２は、第１吸気管２２から流通する空気を過給して第２吸気管２４に供給する。コンプレッサ３２の詳細な動作については後述する。

第２吸気管２４の他方端には、インタークーラ２６の一方端が接続される。インタークーラ２６は、第２吸気管２４を流通する空気を冷却する空冷式あるいは水冷式の熱交換器である。

インタークーラ２６の他方端には、第３吸気管２７の一方端が接続される。第３吸気管２７の他方端には、吸気マニホールド２８が接続される。吸気マニホールド２８は、エンジン本体１０の気筒１２の吸気ポートに連結される。第３吸気管２７の途中であって、後述するＥＧＲ６０との分岐点よりもインタークーラ２６側には、ディーゼルスロットル２５が設けられる。

排気マニホールド５０は、エンジン本体１０の気筒１２の排気ポートに連結される。排気マニホールド５０には、第１排気管５２の一方端が接続される。第１排気管５２の他方端は、過給機３０のタービン３６の排気流入口に接続される。そのため、各気筒の排気ポートから排出される排気は、排気マニホールド５０および第１排気管５２を経由してタービン３６に供給される。ディーゼルスロットル２５は、制御装置２００から制御信号に応じて吸気の流量を調整する。

タービン３６の排気流出口には、第２排気管５４の一方端が接続される。第２排気管５４の他方端には、酸化触媒５６とＰＭ（Particulate Matter）除去フィルタ５７とＳＣＲ触媒５８とを含む排気処理装置５５およびマフラー等が接続される。そのため、タービン３６の排気流出口から排出された排気は、第２排気管５４、排気処理装置５５およびマフラー等を経由して車外に排出される。

第３吸気管２７と排気マニホールド５０とは、エンジン本体１０の気筒１２を経由せずにＥＧＲ装置６０によって接続される。ＥＧＲ装置６０は、ＥＧＲバルブ６２と、ＥＧＲ通路６６とを含む。ＥＧＲ通路６６は、第３吸気管２７と排気マニホールド５０とを接続する。ＥＧＲバルブ６２は、ＥＧＲ通路６６の途中に設けられる。

ＥＧＲバルブ６２は、制御装置２００からの制御信号に応じて、ＥＧＲ通路６６を流通するＥＧＲガスの流量を調整する調整弁である。排気マニホールド５０内の排気がＥＧＲ装置６０を経由してＥＧＲガスとして吸気側に戻されることによって気筒１２内の燃焼温度が低下され、ＮＯｘの生成量が低減される。

過給機３０は、コンプレッサ３２と、タービン３６と、可変ノズル機構４０と、アクチュエータ４４とを含む。コンプレッサ３２のハウジング内にはコンプレッサホイール３４が収納され、タービン３６のハウジング内にはタービンホイール３８が収納される。コンプレッサホイール３４とタービンホイール３８とは、連結軸４２によって連結され、一体的に回転する。そのため、コンプレッサホイール３４は、タービンホイール３８に供給される排気の排気エネルギーによって回転駆動される。

可変ノズル機構４０は、タービンホイール３８の回転軸を中心とした周囲の排気流入部に配置され、第１排気管５２から供給される排気をタービンホイール３８に導く複数のベーン（図２参照）と、複数のベーンの各々を回転させることによって隣接するベーン間の隙間（以下の説明においてこの隙間の大きさをベーン開度として記載する）を変化させるリンク機構とを含む。アクチュエータ４４は、制御装置２００からの動作指示に応じてリンク機構を動作させることによって、可変ノズル機構４０のベーン開度を変化させる。

可変ノズル機構４０のベーン開度を変化させることによって、タービンホイール３８への排気流入部における排気の流路が絞られたり、拡げられたりする。これにより、タービンホイール３８に吹き付けられる排気の流速を変化させることができる。

図２は、可変ノズル機構４０の構成の一例を示す図である。図２（ａ）は、図１において左方向から可変ノズル機構４０を見た図である。図２（ｂ）は、図１において右方向から可変ノズル機構４０を見た図である。可変ノズル機構４０の構成は、第１排気管５２からタービンホイール３８までの排気の流路を絞ることでタービンホイール３８に供給される排気の流速を変化させるものであればよく、特に、図２に示される構成に限定されるものではない。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、可変ノズル機構４０は、タービンホイール３８の外周の排気流入部に配置された複数のノズルベーン６７と、複数の軸６８を回転中心として複数のノズルベーン６７をそれぞれ揺動可能に保持するノズルプレート６９と、各軸６８の端部に固定されたアーム７０を用いて軸６８を回転させるユニゾンリング７１とを含む。ユニゾンリング７１は、リンク機構７２を介してアクチュエータ４４の動作によって回転されるようになっており、リンク機構７２の回転軸７２ａの端部に固定されたアーム７２ｂを、アクチュエータ４４を用いて揺動させることで、アーム７２ｂと係合するユニゾンリング７１を回転させることができる。

たとえば、図２（ａ）に示されるように、アーム７２ｂをリンク機構７２によって矢印に示す方向に揺動させると、ユニゾンリング７１は、矢印に示す方向、すなわち、図２（ａ）では反時計回り、図２（ｂ）では時計回りに回転する。さらに、このユニゾンリング７１の回転によって、各軸６８は、矢印に示す方向、すなわち、図２（ａ）では反時計回り、図２（ｂ）では時計回りに回転される。したがって、ノズルベーン６７の開度は閉じ側（隣接する２つのノズルベーンの間の隙間が狭くなるように）に制御されることとなる。また、アーム７２ｂを矢印とは逆の方向に搖動させると、ノズルベーン６７の開度は開き側（隣接する２つのノズルベーンの間の隙間が拡がるように）に制御されることとなる。

図１に戻って、エンジン１の動作は、制御装置２００によって制御される。制御装置２００は、各種処理を行なうＣＰＵ（Central Processing Unit）と、プログラムおよびデータを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）およびＣＰＵの処理結果等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等を含むメモリと、外部との情報のやり取りを行なうための入・出力ポート（いずれも図示せず）とを含む。入力ポートには、上述したセンサ類（たとえば、エンジン回転数センサ１０２、エアフローメータ１０４および過給圧センサ１０６等）が接続される。出力ポートには、制御対象となる機器（たとえば、インジェクタ１６、アクチュエータ４４およびＥＧＲバルブ６２等）が接続される。

制御装置２００は、各センサおよび機器からの信号、ならびにメモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、エンジン１が所望の運転状態となるように各種機器を制御する。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）により処理することも可能である。また、制御装置２００には、時間の計測を行うためのタイマー回路（図示せず）が内蔵されている。

エンジン回転数センサ１０２は、エンジン１の出力軸であるクランクシャフトの回転数をエンジン回転数ＮＥとして検出する。エンジン回転数センサ１０２は、検出したエンジン回転数ＮＥを示す信号を制御装置２００に送信する。

エアフローメータ１０４は、第１吸気管２２に導入される新気の流量（吸入空気量）Ｑｉｎを検出する。エアフローメータ１０４は、検出した吸入空気量Ｑｉｎを示す信号を制御装置２００に送信する。

過給圧センサ１０６は、吸気マニホールド２８内の圧力を過給圧として検出する。過給圧センサ１０６は、検出された過給圧を示す信号を制御装置２００に送信する。

以上のような構成を有するエンジン１において、制御装置２００は、エンジン１の状態に基づいて可変ノズル機構４０を制御する。より具体的には、制御装置２００は、エンジン１の状態（たとえば、エンジン回転数ＮＥや燃料噴射量Ｑｖ）に基づいて可変ノズル機構４０のベーン開度の基本値を設定する。

制御装置２００は、たとえば、エンジン回転数ＮＥが低回転領域であって、かつ、負荷が低負荷領域である場合においては、タービンホイール３８に供給される排気の流速が速くなるように（すなわち、ベーン開度が小さくなるように）、基本値を設定する。

一方、制御装置２００は、たとえば、エンジン回転数ＮＥが高回転領域であって、かつ、負荷が高負荷領域である場合においては、タービンホイール３８に供給される排気の流速が遅くなるように（すなわち、ベーン開度が大きくなるように）、基本値を設定する。

さらに、制御装置２００は、目標過給圧と実過給圧との差分を用いてベーン開度のフィードバック量を算出する。制御装置２００は、たとえば、エンジン回転数ＮＥと吸入空気量Ｑｉｎと燃料噴射量Ｑｖ等を用いて目標過給圧を設定する。制御装置２００は、過給圧センサ１０６を用いて実過給圧を取得する。

制御装置２００は、設定された基本値にフィードバック量を加算した値をベーン開度の指令値としてアクチュエータ４４を制御するための制御信号を生成し、アクチュエータ４４に送信する。可変ノズル機構４０のアクチュエータ４４は、受信した制御信号に基づいてベーン開度を変化させる。このように、エンジン１の状態に基づいて可変ノズル機構４０のベーン開度を適切に調整することにより、過給機３０の過給圧を最適な過給圧に調整することができる。

このような可変ノズル機構４０を有する過給機３０においては、エンジン保護のため排気マニホールド５０の圧力が圧力上限値を超えないように可変ノズル機構４０のベーン開度が制御される。すなわち、上述の基本値にフィードバック量を加算した値にベーン開度の下限値が設定され、基本値にフィードバック量を加算した値が下限値よりも小さい場合には、下限値をベーン開度の指令値として可変ノズル機構４０のアクチュエータ４４が制御されることになる。ベーン開度の下限値は、たとえば、排気流量の変動が少ない安定した状態であることを前提として、エンジン回転数ＮＥと燃料噴射量Ｑｖとを用いて設定される。

しかしながら、エンジン１の運転状態が過渡状態である場合には、エンジン回転数ＮＥと燃料噴射量Ｑｖとが同じでも想定された排気の流量に到達していない場合がある。そのため、エンジン回転数ＮＥと燃料噴射量Ｑｖとを用いて排気マニホールド５０の圧力が圧力上限値に到達するようなベーン開度が設定される場合にも、実際の排気マニホールド５０の圧力が圧力上限値よりも余裕がある状態になり得る。このように排気流量によっては設定されるベーン開度が、実際に排気マニホールド５０の圧力を圧力上限値に到達させるベーン開度に対してマージンが大きいベーン開度になる可能性がある。その結果、過給機の機能を十分に発揮し得るベーン開度を適切に設定することができない場合がある。

そこで、本実施の形態においては、制御装置２００が、以下のように動作するものとする。すなわち、制御装置２００は、隣接するノズルベーン６７との隙間における開口面積の総和Ａ_１と可変ノズル機構４０における排気の流れやすさを示す第１係数μ_１との積を示す第１有効開口面積μ_１Ａ_１と、エンジン１からの排気流量ｍとを用いてベーン開度の下限値Ｖａを設定する。制御装置２００は、排気流量ｍが少なくなるほど、ベーン開度の下限値Ｖａを小さく設定する。

このようにすると、第１有効開口面積μ_１Ａ_１と排気流量ｍとに応じたベーン開度の下限値Ｖａが設定されるので、排気マニホールド５０の圧力を圧力上限値よりも低くしつつ、要求に応じたベーン開度に適切に設定することができる。そのため、過給機の機能を十分に発揮することができる。

以下に、図３を参照して、本実施の形態における制御装置２００で実行される制御処理について説明する。図３は、制御装置２００で実行される制御処理を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、所定の制御周期毎にメインルーチン（図示せず）から呼び出されて実行される。なお、以下の説明においては、ＥＧＲバルブ６２は全閉状態あるいは後述するベーン開度の下限値Ｖａの算出に影響を及ぼさない程度に開弁している場合を想定して説明する。

ステップ（以下、ステップをＳと記載する）１００にて、制御装置２００は、ベーン開度の基本値Ｖｂを算出する。制御装置２００は、上述したとおり、エンジン回転数ＮＥと燃料噴射量Ｑｖとを用いてベーン開度の基本値Ｖｂを算出する。制御装置２００は、たとえば、エンジン回転数ＮＥと燃料噴射量Ｑｖとベーン開度の基本値Ｖｂとの関係を示すマップを用いてベーン開度の基本値Ｖｂを算出する。エンジン回転数ＮＥと燃料噴射量Ｑｖとベーン開度の基本値Ｖｂとの関係を示すマップは、たとえば、実験等によって適合され、予め制御装置２００のメモリに記憶される。

なお、制御装置２００は、エンジン回転数センサ１０２からエンジン回転数ＮＥを取得する。制御装置２００は、インジェクタ１６に対する指令値を用いて燃料噴射量Ｑｖを取得する。

Ｓ１０２にて、制御装置２００は、ベーン開度のフィードバック量Ｖｃを算出する。制御装置２００は、上述したとおり、目標過給圧と実過給圧との差分からフィードバック量Ｖｃを算出する。制御装置２００は、目標過給圧と実過給圧との差分とフィードバック量Ｖｃとの関係を示すマップを用いてフィードバック量Ｖｃを算出する。目標過給圧と実過給圧との差分とフィードバック量Ｖｃとの関係を示すマップは、たとえば、実験等によって適合され、予め制御装置２００のメモリに記憶される。なお、目標過給圧および実過給圧の取得方法については、上述したとおりであるため、その詳細な説明は繰り返さない。

Ｓ１０４にて、制御装置２００は、ベーン開度の基本値Ｖｂとフィードバック量Ｖｃとの和Ｖｂ＋Ｖｃを算出する。Ｓ１０６にて、制御装置２００は、可変ノズル機構４０の有効開口面積μ_１Ａ_１を算出する。

図４は、可変ノズル機構４０における隣接するベーン間の有効開口面積μ_１Ａ_１を説明するための図である。図４に示すように、ノズルベーン６７ａと隣接するノズルベーン６７ｂとの間に隙間には、図４の実線に示す直線を一辺とする方形の開口部が形成される。可変ノズル機構４０の各ベーン間には、同様の開口部が形成される。この各ベーン間の開口部の面積の総和によって開口面積が示される。可変ノズル機構４０の有効開口面積は、この各ベーン間の開口部の面積の総和Ａ_１と、可変ノズル機構４０における排気の流れやすさを示す係数μ_１との積によって示される。この有効開口面積μ_１Ａ_１は、以下の式（１）を用いて推定することができる。

ここで、「ａ」および「ｂ」は、所定の係数を示す。「Ｒ」は、ガス定数を示す。「ｍ」は、排気マニホールド５０からの排気流量を示す。排気流量ｍは、たとえば、吸入空気量Ｑｉｎを用いて算出される気筒１２内のガス量と、燃料噴射量Ｑｖとを用いて推定される。

さらに「Ｔ４」は、排気マニホールド５０内の排気温度を示す。排気温度Ｔ４は、たとえば、エンジン回転数ＮＥと、吸気温度と、水温と、燃料噴射量Ｑｖおよび噴射時期等の燃焼パラメータと、吸入空気量Ｑｉｎと、吸気マニホールド２８の温度と、気筒１２内のガス量とを用いて推定される。吸気温度、水温および吸気マニホールド２８の温度は、たとえば、図示しないセンサ等を用いて検出される。

「Ｐ６」は、過給機３０から第２排気管５４に流出する排気の圧力を示す。排気圧力Ｐ６は、たとえば、大気圧と、ＰＭ除去フィルタ５７の前後差圧と、ＳＣＲ５８の圧損値とを用いて推定される。大気圧およびＰＭ除去フィルタ５７の前後差圧は、たとえば、図示しないセンサ等を用いて検出される。

「Ｐ４」は、排気マニホールド５０内の排気の圧力を示す。排気圧力Ｐ４としては、たとえば、排気温度Ｔ４と、吸入空気量Ｑｉｎと、燃料噴射量Ｑｖおよび燃料噴射時期等の燃焼パラメータと、排気圧力Ｐ６と、ＥＧＲ装置６０の状態と、ベーン開度等の可変ノズル機構４０の状態とを用いて想定される圧力上限値が設定される。

なお、排気温度Ｔ４、排気圧力Ｐ４，Ｐ６は、それぞれ所定の計算モデルが予め実験的あるいは設計的に構築され、上記したそれぞれのパラメータを入力することによってその推定値および上限値が算出される。

上述の式（１）は、たとえば、可変ノズル機構４０の隣接するノズルベーン６７の開度と、ノズルベーン６７の上流および下流の温度と圧力と排気流量とからエネルギー保存の法則や運動量保存の法則等を用いて導かれる関係式から導出される。このような関係式は、周知の技術を用いて導出されるためその詳細な説明は行なわない。

Ｓ１０８にて、制御装置２００は、ベーン開度の下限値Ｖａを算出する。具体的には、制御装置２００は、排気流量ｍと可変ノズル機構４０の有効開口面積μ_１Ａ_１とを用いてベーン開度の下限値Ｖａを算出する。制御装置２００は、たとえば、排気流量ｍと有効開口面積μ_１Ａ_１とベーン開度の下限値Ｖａとの関係を示すマップを用いてベーン開度の下限値Ｖａを算出する。排気流量ｍと有効開口面積μ_１Ａ_１とベーン開度の下限値Ｖａとの関係を示すマップは、たとえば、実験等によって適合され、予め制御装置２００のメモリに記憶される。

図５は、可変ノズル機構４０における有効開口面積μ_１Ａ_１と排気流量ｍとベーン開度の下限値Ｖａとの関係の一例を示す図である。図５の太実線ＬＮ１、一点鎖線ＬＮ２、二点鎖線ＬＮ３、細線ＬＮ４および破線ＬＮ５の各々は、排気流量毎にとり得る有効開口面積μ_１Ａ_１とベーン開度の下限値Ｖａとの関係を示す。太実線ＬＮ１〜破線ＬＮ５のうち太実線ＬＮ１における排気流量が最も小さく、破線ＬＮ５における排気流量が最も大きい。排気流量は、太実線ＬＮ１、一点鎖線ＬＮ２、二点鎖線ＬＮ３、細線ＬＮ４および破線ＬＮ５の順序で大きくなっているものとする。

また、太実線ＬＮ１〜破線ＬＮ５のうち破線ＬＮ５は、排気流量がＦ（０）である場合の有効開口面積とベーン開度の下限値Ｖａとの関係を示し、細線ＬＮ４は、排気流量がＦ（０）の半分の流量（Ｆ（０）×０．５）である場合の有効開口面積μ_１Ａ_１とベーン開度の下限値Ｖａとの関係を示している。

たとえば、排気流量ｍがＦ（０）であって、かつ、有効開口面積μ_１Ａ_１がＳ（０）でる場合には（図中Ａ点参照）、Ｖ（０）がベーン開度の下限値Ｖａとして設定されることになる。これに対して、排気流量ｍがＦ（０）の半分の流量になる場合を想定する。なお、説明の便宜上、有効開口面積μ_１Ａ_１以外のパラメータに関しては、同一であるものとする。この場合、排気流量ｍがＦ（０）の半分の流量になると、式（１）から明らかなとおり有効開口面積μ_１Ａ_１も半分の値になることから（図中Ｂ点参照）、Ｖ（０）よりも閉じ側のＶ（１）がベーン開度の下限値Ｖａとして設定されることになる。このように、排気流量が少なくなるほどベーン開度の下限値Ｖａは小さく設定されることになる。

Ｓ１１０にて、制御装置２００は、基本値Ｖｂ＋フィードバック量Ｖｃの値がベーン開度の下限値Ｖａ以上であるか否かを判定する。基本値Ｖｂ＋フィードバック量Ｖｃの値がベーン開度の下限値Ｖａ以上であると判定される場合（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、処理はＳ１１２に移される。

Ｓ１１２にて、制御装置２００は、基本値Ｖｂ＋フィードバック量Ｖｃの値をベーン開度の指令値として設定し、設定された指令値に基づいて可変ノズル機構４０の開度制御を実行する。

なお、ベーン開度の基本値Ｖｂ＋フィードバック量Ｖｃの値がベーン開度の下限値Ｖａよりも小さいと判定される場合（Ｓ１１０にてＮＯ）、処理はＳ１１４に移される。

Ｓ１１４にて、制御装置２００は、ベーン開度の下限値Ｖａをベーン開度の指令値として設定し、設定された指令値に基づいて可変ノズル機構４０の開度制御を実行する。

以上のような構造およびフローチャートに基づく本実施の形態における制御装置２００の動作について説明する。

エンジン１が作動状態である場合には、エンジン回転数ＮＥと燃料噴射量Ｑｖとに基づいてベーン開度の基本値Ｖｂが算出され（Ｓ１００）、目標過給圧と実過給圧との差に応じてベーン開度のフィードバック量Ｖｃが算出され（Ｓ１０２）、算出されたベーン開度の基本値Ｖｂとフィードバック量Ｖｃとの和が算出される（Ｓ１０４）。

一方、排気流量ｍと排気温度Ｔ４と排気圧力Ｐ６とが所定の計算モデルを用いて推定され、推定された値を用いて排気圧力Ｐ４の上限値に対応する有効開口面積μ_１Ａ_１が算出される（Ｓ１０６）。そして、排気流量ｍと有効開口面積μ_１Ａ_１とを用いてベーン開度の下限値Ｖａが算出される（Ｓ１０８）。ベーン開度の基本値Ｖｂとフィードバック量Ｖｃとの和がベーン開度の下限値Ｖａ以上である場合には（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、ベーン開度の基本値Ｖｂとフィードバック量Ｖｃとの和をベーン開度の指令値として開度制御が実行される（Ｓ１１２）。一方、ベーン開度の基本値Ｖｂとフィードバック量Ｖｃとの和がベーン開度の下限値Ｖａよりも小さい場合には（Ｓ１１０にてＮＯ）、ベーン開度の下限値Ｖａをベーン開度の指令値として開度制御が実行される（Ｓ１１４）。

以上のようにして、本実施の形態に係る過給機３０によると、有効開口面積μ_１Ａ_１と排気流量ｍとに応じたベーン開度の下限値Ｖａが設定されるので（特に、排気流量ｍが少なくなるほどベーン開度の下限値Ｖａが小さく設定されるので）、排気マニホールド５０の圧力Ｐ４を圧力上限値よりも低くしつつ、要求に応じたベーン開度に適切に設定することができる。そのため、過給機３０の機能を十分に発揮することができる。したがって、可変ノズル機構を有する過給機において、排気流量に応じてベーン開度を適切に設定する過給機を提供することができる。

さらに、ベーン開度の下限値Ｖａが適切に設定されたことによって、排気マニホールド５０の圧力が圧力上限値を超えることを抑制しつつ、たとえば、実過給圧を目標過給圧まで速やかに上昇するようにフィードバック量をより大きく設定することができるため、過給機３０の機能を速やかに発揮することができる。

特に、車両の加速時等のエンジン過渡時（過給機３０の過渡時）においては、過渡時のベーン開度に影響の大きいフィードバック量を調整することで、排気マニホールド５０の圧力が圧力上限値付近になるまでベーン開度を閉じることができるため、過給圧を速やかに上昇させることができる。その結果、エンジン１に吸入される空気量が速やかに増加し、車両の加速性能を向上させることができる。

以下、変形例について説明する。
上述の実施の形態では、ＥＧＲバルブ６２が全閉状態であるかベーン制限開度の算出に影響を及ぼさない程度の開度である場合を一例として説明したが、排気の一部がＥＧＲ通路６６に流通する場合を考慮して可変ノズル機構４０における有効開口面積μ_１Ａ_１を算出するようにしてもよい。

具体的には、制御装置２００は、有効開口面積μ_１Ａ_１を以下の式（２）を用いて算出してもよい。

ここで、「ａ」、「ｂ」、「ｃ」および「ｄ」は、所定の係数を示す。「Ｒ」は、ガス定数を示す。「ｍ」は、排気マニホールド５０からの排気流量を示す。

さらに、「Ｔ４」は、排気マニホールド５０内の排気温度を示す。「Ｐ６」は、過給機３０から第２排気管５４に流出する排気の圧力を示す。「Ｐ４」は、排気マニホールド５０内の排気の圧力を示す。排気流量ｍ、排気温度Ｔ４、排気圧力Ｐ６の推定方法や排気圧力Ｐ４の上限値の設定方法については上述したとおりであるため、その詳細な説明は繰り返さない。

「Ｐｂ」は、吸気マニホールド２８内の吸気の圧力を示す。吸気圧力Ｐｂは、たとえば、過給圧センサ１０６によって取得される。「μ_２Ａ_２」は、ＥＧＲバルブ６２における有効開口面積を示し、たとえば、ＥＧＲバルブ６２における流れやすさを示す第２係数μ_２と、ＥＧＲバルブ６２の開度から算出される開口面積Ａ_２との積によって示される。

制御装置２００は、たとえば、ＥＧＲガスの流量と、ＥＧＲバルブ６２の開度と、μ_２Ａ_２との関係を示すマップを用いて有効開口面積μ_２Ａ_２を算出する。ＥＧＲガスの流量と、ＥＧＲバルブ６２の開度と、有効開口面積μ_２Ａ_２との関係は、たとえば、実験等により適合され、予め制御装置２００のメモリに記憶される。

このようにすると、排気の一部を吸気通路に還流するＥＧＲ６０が設けられるエンジン１においても、有効開口面積μ_１Ａ_１と排気流量ｍとを用いてベーン開度の下限値Ｖａを設定することができる。そのため、排気マニホールド５０の圧力を圧力上限値よりも低くしつつ、要求に応じたベーン開度に適切に設定することができる。

上述の式（２）は、たとえば、上述の式（１）に加えて、ＥＧＲバルブ６２の開度と、ＥＧＲバルブ６２の上流および下流の温度と圧力とガス流量とからエネルギー保存の法則や運動量保存の法則等を用いて導かれる関係式から導出される。このような関係式は、周知の技術を用いて導出されるためその詳細な説明は行なわない。

さらに上述の実施の形態では、ＥＧＲ装置６０は、ＥＧＲバルブ６２と、ＥＧＲ通路６６とによって構成されるものとして説明したが、ＥＧＲ通路６６に、あるいは、ＥＧＲ通路６６に並列に接続され、ＥＧＲ通路６６から分岐可能に設定された通路に、ＥＧＲクーラを設けるようにしてもよい。

さらに上述の実施の形態では、排気温度Ｔ４、排気圧力Ｐ４，Ｐ６をエンジン１の状態等に基づいて推定するものとして説明したが、排気マニホールド５０内に温度センサを設けて排気温度Ｔ４を直接検出してもよいし、排気マニホールド５０内に圧力センサを設けて排気圧力Ｐ４を直接検出してもよいし、第２排気管５４に圧力センサを設けて排気圧力Ｐ６を直接検出してもよい。

なお、上記した変形例は、その全部または一部を組み合わせて実施してもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１エンジン、１０エンジン本体、１２気筒、１６インジェクタ、２０エアクリーナ、２２，２４，２７吸気管、２５ディーゼルスロットル、２６インタークーラ、２８吸気マニホールド、３０過給機、３２コンプレッサ、３４コンプレッサホイール、３６タービン、３８タービンホイール、４０可変ノズル機構、４２連結軸、４４アクチュエータ、５０排気マニホールド、５２，５４排気管、５５排気処理装置、５６酸化触媒、５７ＰＭ除去フィルタ、５８ＳＣＲ触媒、６０ＥＧＲ装置、６２ＥＧＲバルブ、６４ＥＧＲクーラ、６６ＥＧＲ通路、６７，６７ａ，６７ｂノズルベーン、６８軸、６９ノズルプレート、７０，７２ｂアーム、７１ユニゾンリング、７２リンク機構、７２ａ回転軸、１０２エンジン回転数センサ、１０４エアフローメータ、１０６過給圧センサ、２００制御装置。

Claims

エンジンから排出される排気によって作動するタービンと、
前記タービンの作動によって前記エンジンに吸入される空気を過給するコンプレッサと、
複数のノズルベーンを有し、前記複数のノズルベーンを回転させて隣接するノズルベーンとの隙間の大きさを示すベーン開度を変化させることにより、前記タービンを作動させる前記排気の流速を変化させる流速可変装置と、
前記流速可変装置を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
隣接するノズルベーンとの隙間における開口面積の総和と前記流速可変装置における排気の流れやすさを示す第１係数との積を示す第１有効開口面積と、前記エンジンからの排気流量とを用いて前記ベーン開度の下限値を設定し、
前記排気流量が少なくなるほど、前記ベーン開度の下限値を小さく設定する、過給機。
前記制御装置は、
前記エンジンの回転数と前記エンジンにおける燃料噴射量とを用いて前記ベーン開度の基本値を算出するとともに、前記過給機の目標過給圧と実過給圧との差分に応じて前記ベーン開度のフィードバック量を算出し、
前記基本値と前記フィードバック量との和と、前記ベーン開度の下限値との比較結果に基づいて前記ベーン開度の指令値を設定する、請求項１に記載の過給機。
前記エンジンには、吸気通路と、前記タービンよりも上流側の排気通路とを前記エンジンの気筒を経由せずに接続する接続通路と、前記接続通路を流通する排気の流量を調整する調整弁とを有する排気再循環装置が設けられ、
前記制御装置は、前記調整弁における開口面積と前記調整弁における排気の流れやすさを示す第２係数との積を示す第２有効開口面積と、前記吸気通路の圧力と、前記排気流量とを用いて前記第１有効開口面積を算出する、請求項１または２に記載の過給機。