JP3979294B2 - 多段ターボチャージャの制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン、特に、自動車用エンジンの多段ターボチャージャ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジンの低燃料消費量および高出力の両立への要求から、エンジンの強度の限界近くにまで過給圧を上げる、いわゆる、高過給圧化の傾向にある。この高過給圧化のため、エンジンに複数のターボチャージャを直列に設けた、いわゆる、多段ターボチャージャが提案されている。かかる多段ターボチャージャにおいては、複数のコンプレッサによって最終的な過給圧を得るわけであるが、その制御を適正に行わないと、駆動損失を招いたり、システム効率を低下させることとなる。
【０００３】
そこで、かかる多段ターボチャージャの制御の適正化を目指した制御装置が種々提案されているが、その中で、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。
【０００４】
特許文献１に記載のものは、排気経路に、高、中、低圧段のタービンとこれらのタービンによって駆動される高、中、低圧段の圧縮機とを備え、さらに、排気をタービンを迂回させて上流側から下流側に直接供給するタービン側バイパス路と、吸気を圧縮機を迂回させて下流側から上流側に戻す圧縮機側バイパス路と、タービン側バイパス路の排気流量を制御するウェストゲートバルブと、圧縮機側バイパス路の吸気流量を制御するブリードバルブとを備えている。そして、所定の過給圧を得るのに、圧縮機の下流側に設けた圧力センサからの信号を用いて、各段の圧縮機の圧力比が同等となるように、ウェストゲートバルブとブリードバルブとを制御するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−３１５７２５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載のものは、高度２５Ｋｍ以上の高空域を長時間にわたって飛行可能な航空機用のレシプロエンジン用に提案されたものであり、地上を走行する自動車用のエンジンにとって各段の圧縮機の圧力比が同等となるように制御するメリットは多くない。かえって、各段の圧縮機の圧力比が同等となるように制御すると、アクセル操作に伴う負荷変動の大きい自動車用のエンジンにおいては、制御のヒステリシスに伴い制御の安定性を損ない、過給圧の大きな変動が生じ運転性に悪影響を与えるからである。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、かかる従来の問題を解消し、制御システムを安定した系として作動させることができ、コンプレサのサージを防ぎ、タービンの高効率域での作動を可能とする多段ターボチャージャの制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の一形態に係る多段ターボチャージャの制御装置は、複数のターボチャージャを直列に設けた多段ターボチャージャの制御装置であって、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段の検出結果に基づき制御領域を選択する制御領域選択手段と、前記制御領域選択手段により選択され、かつ、フィードバックされる検出した過給圧が目標過給圧になるように前記複数のターボチャージャを制御する過給圧フィードバック制御領域において、少なくとも一つのターボチャージャによる圧力比がほぼ一定となるように当該一つのターボチャージャを優先して制御しつつ他のターボチャージャを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、制御の対象を減ずることができ、システムを安定した系として作動させることができる。
【００１０】
ここで、前記複数のターボチャージャは、タービンノズル部に流量可変機構を有する可変容量ターボチャージャであることが好ましい。
【００１１】
また、前記過給圧フィードバック制御領域は、エンジンの回転数が所定値以上で且つエンジン出力トルク増大要求が所定値以上の制御領域であることが好ましい。
【００１２】
さらに、前記圧力比がほぼ一定となるように優先して制御されるのは、高圧段のターボチャージャであることが好ましい。
【００１３】
さらに、前記過給圧フィードバック制御領域以外の領域においては、エンジンの運転状態に応じた所定の過給圧を得るべくマップに記憶設定された制御値に基づいて、前記複数のターボチャージャをオープン制御するオープン制御手段を有することが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本実施の形態に係る多段ターボチャージャの制御装置の概要を示す図であり、本発明を、可変ノズルを有する可変容量ターボチャージャを２台直列に配置した多段ターボチャージャに適用した例である。
【００１６】
図示するように、エンジン１０の排気経路１２には、高圧段タービン１４と低圧段タービン１６とが排気ガスの流れ方向に間隔を隔てて直列に介設されており、エンジン１０の吸気経路１８には、高圧段コンプレッサ２０と低圧段コンプレッサ２２とが吸入空気の流れ方向に間隔を隔てて直列に介設されている。高圧段コンプレッサ２０と高圧段タービン１４とは回転軸２４で連結されて高圧段ターボチャージャ２６を構成し、低圧段コンプレッサ２２と低圧段タービン１６とは回転軸２８で連結されて低圧段ターボチャージャ３０を構成している。
【００１７】
低圧段コンプレッサ２２と高圧段コンプレッサ２０との間の吸気経路１８には、第１インタークーラ３２が介設されており、高圧段コンプレッサ２０とエンジン１０との間の吸気経路１８には、第２インタークーラ３４が介設されている。これらは圧縮によって昇温した吸入空気を冷却するためのものであるが、発明の構成上必ずしも必要なものではなく、いずれか一方でもよくまた双方ともなくても構わない。
【００１８】
排気経路１２には、高圧段タービン１４と低圧段タービン１６をバイパスするように、高圧段タービン１４の上流側と低圧段タービン１６の下流側とに接続されたバイパス通路３６が設けられている。バイパス通路３６には、排気バイパス弁３８が介設されている。排気バイパス弁３８は、不図示のアクチュエータによってその開度が調節され、バイパス通路３６内を流れる排気ガスの流量を調節するものである。アクチュエータの作動は、後述のように、コントロールユニット４０によって制御される。
【００１９】
低圧段コンプレッサ２２の上流側の吸気経路１８には、大気の圧力Ｐ１を検出する第１圧力センサ４２、高圧段コンプレッサ２０と第１インタークーラ３２との間の吸気経路１８には、高圧段コンプレッサ２０の入口圧力Ｐ２を検出する第２圧力センサ４４、および高圧段コンプレッサ２０と第２インタークーラ３４との間の吸気経路１８には、高圧段コンプレッサ２０の出口圧力Ｐ３を検出する第３圧力センサ４６が設けられている。
【００２０】
また、エンジン１０には、エンジン１０の回転数Ｎeを検出する回転数センサ４８および負荷（アクセル開度Ａ）を検出するアクセル開度センサ５０が設けられている。これら第１圧力センサ４２、第２圧力センサ４４、第３圧力センサ４６、回転数センサ４８およびアクセル開度センサ５０は、コントロールユニット４０に接続されており、各センサの出力がコントロールユニット４０に送られるようになっている。
【００２１】
さらに、高圧段ターボチャージャ２６の高圧段タービン１４と低圧段ターボチャージャ３０の低圧段タービン１６とは、それらのタービンノズル部に流量可変機構としての可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬを有している。マイクロコンピュータ等で構成されるコントロールユニット４０は、所定の過給圧を得るために、各センサから送られてきた出力値に応じて、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬを後述のように制御する。
【００２２】
ここで、制御領域の選択と可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの制御のために使用される開度設定マップＭにつき、図２を参照して説明する。開度設定マップＭは、縦軸にエンジンの負荷を表すアクセル開度Ａをとり、横軸にエンジン回転数Ｎeをとったもので、エンジン１０の運転領域のフィードバック制御領域以外のオープン制御領域において、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬがとるべき開度を表しており、その制御値は、例えば、エンジンの要求特性等に合わせて実験的に求めた最適値とされている。そして、この開度設定マップＭはコントロールユニット４０のテーブルに保存されている。
【００２３】
ここで、本実施の形態においては、この開度設定マップＭの左側、換言すると、エンジン１０のほぼ低速領域である領域Ｒ１においては、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬが共に全閉となるように設定されている。また、エンジン１０のほぼ中負荷以下で中速から高速領域である領域Ｒ２においては、その左上から右下にかけて可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬが中開から全開に次第に開度を増すように設定されている。なお、領域Ｒ１と領域Ｒ２との境界上に段部が存するのは、エンジン１０の軽負荷域で中速域までの領域（領域Ｒ１の右側領域）は、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬを全閉とすることにより背圧を高め、吸気系への排気還流（ＥＧＲ）を利かせるためである。
【００２４】
ここで、可変ノズルの「全閉」とは、ノズルが最小流路面積に絞られた状態、可変ノズルの「全開」とは、ノズルが最大流路面積に開けられた状態、可変ノズルの「中開」とは、ノズルが最小流路面積から最大流路面積の間の流路面積となるように、例えば、不図示のアクチュエータにて駆動される可動ベーンが、位置されている状態を意味する。
【００２５】
また、エンジン１０の出力トルク増大要求が所定値以上である高負荷域で、中速以上の領域においては、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの特定の開度は設定されず、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの開度が適宜変更されて過給圧Ｐ３のフィードバック制御が行われる領域ＲＦＢとされている。この結果、領域Ｒ１およびＲ２においては、過給圧Ｐ３のオープン制御が行われるのに対し、領域ＲＦＢではフィードバック制御が行われることになる。なお、これらのオープン制御領域Ｒ１、Ｒ２およびフィードバック制御領域ＲＦＢは固定的なものではなく、個々のエンジンの要求特性に応じて、それらの境界線が適宜設定されるものである。
【００２６】
次に、本発明の実施の形態において、コントロールユニット４０による制御ルーチンの一例を図３のフローチャートを用いて説明する。エンジンが始動され制御がスタートすると、コントロールユニット４０による多段ターボチャージャの制御ルーチンにおいては、ステップＳ１で、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段による作動として、回転数センサ４８によって現在のエンジン回転数Ｎeが検出されると共に、アクセル開度センサ５０によって現在のアクセル開度Ａが検出され、検出された現在のエンジン回転数Ｎe と現在のアクセル開度Ａとがコントロールユニット４０に読み込まれる。
【００２７】
次に、ステップＳ２において、ステップＳ１で検出した現在のエンジン回転数Ｎe とアクセル開度Ａとが、コントロールユニット４０内のテーブルに記憶保存されている、図２に示す開度設定マップＭと参照される。そして、ステップＳ３に進み、制御領域選択手段の作動として、運転状態が過給圧フィードバック制御領域ＲＦＢか否かが判断され、ＮＯの場合、すなわち、オープン制御領域Ｒ１またはＲ２の場合にはステップＳ４に進み、上記運転状態に対応して開度設定マップＭに設定されている開度に、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの開度がなるように制御される。この開度設定マップＭに設定されている所定の開度を参照しつつ、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの開度を制御することで、エンジン１０の運転状態に合わせて、高圧段タービン１４および低圧段タービン１６の排気ガス流量特性を制御し、高圧段コンプレッサ２０および低圧段コンプレッサ２２により、エンジン１０の運転状態に最適な所望の過給圧を得ることができる。
【００２８】
一方、ステップＳ３における、運転状態が過給圧フィードバック制御領域ＲＦＢか否かの判断において、ＹＥＳの場合には、ステップＳ５に進み、以下、フィードバック制御手段の作動としての制御が行われる。すなわち、ステップＳ５において、先ず、第１、第２および第３の圧力センサ４２，４４および４６によって、大気圧力Ｐ１、低圧段コンプレッサ２２の下流すなわち高圧段コンプレッサ２０の上流側の圧力Ｐ２、およびその下流側の圧力すなわち過給圧Ｐ３が検出され、その各値がコントロールユニット４０に読み込まれる。コントロールユニット４０では、次に、ステップＳ６において、ステップＳ１で既に読み込まれていた現在のエンジン回転数Ｎeとアクセル開度Ａとに基づき目標過給圧ｆ（Ｎe、Ａ）が演算される。そして、ステップＳ７に進み、現在の実過給圧Ｐ３が目標過給圧ｆ（Ｎe、Ａ）よりも大きいか否かが判断される。
【００２９】
現在の実過給圧Ｐ３が目標過給圧ｆ（Ｎe、Ａ）よりも大きいＹＥＳの場合には、ステップＳ８に進み、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬが全開か否かが判断される。なお、この可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの現在の開度については、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬに設けられた開度センサ（不図示）による検出信号を利用するか、前回の制御ルーチンにおいて用いられた設定開度値データを用いて判断することができる。ここで、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬが既に全開の場合には、ステップＳ９に進み、排気バイパス弁３８が開方向に所定量調節され、高圧段タービン１４と低圧段タービン１６とへの排気ガスの流量が減少され、過給圧Ｐ３を下げるように制御される。
【００３０】
現在の過給圧Ｐ３が目標過給圧ｆ（Ｎe、Ａ）よりも大きいが、ステップＳ８において、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬが全開でないと判断された場合には、ステップＳ１０に進み、高圧段ターボチャージャ２６の高圧段コンプレッサ２０による圧力比Ｐ３／Ｐ２と、現在のエンジン回転数Ｎe とアクセル開度Ａとに基づく現在の運転状態における目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）とが演算される。
【００３１】
次に、ステップＳ１１において、演算された現在の高圧段コンプレッサ２０による圧力比Ｐ３／Ｐ２と目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）とが比較される。そして、コントロールユニット４０は、高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２＞目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）の場合、ステップＳ１２に進み、高圧段ターボチャージャ２６の可変ノズルＶＮＨの開度を大きくする方向に制御し、高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２≦目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）の場合には、ステップＳ１３に進み、低圧段ターボチャージャ３０の可変ノズルＶＮＬの開度を大きくする方向に制御する。
【００３２】
一方、ステップＳ７における判断で、現在の過給圧Ｐ３が目標過給圧ｆ（Ｎe、Ａ）以下であるＮＯの場合には、ステップＳ１４に進み、ステップＳ１０と同様に、高圧段ターボチャージャ２６による圧力比Ｐ３／Ｐ２と、現在のエンジン回転数Ｎe とアクセル開度Ａとに基づく目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）とが演算され、さらに、ステップＳ１５において、演算された現在の高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２と目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）とが比較される。そして、コントロールユニット４０は、高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２＞目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）の場合、ステップＳ１６に進み、低圧段ターボチャージャ３０の可変ノズルＶＮＬの開度を小さくする方向に制御し、高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２≦目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）の場合、ステップＳ１７に進み、高圧段ターボチャージャ２６の可変ノズルＶＮＨの開度を小さくする方向に制御する。
【００３３】
上述のコントロールユニット４０による制御ルーチンは所定の時間周期で実行され、該ルーチンを繰り返し実行することにより、上述の過給圧フィードバック制御領域ＲＦＢにおいては、過給圧Ｐ３が目標過給圧にフィードバック制御されることになる。この際、上述の実施の形態では、まず、高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２が目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）に近づくように制御されており、高圧段ターボチャージャ２６による圧力比がほぼ一定となるように優先して制御されているのである。このようにすると、適用できるエンジンの回転数範囲が広く取れ、高圧段ターボチャージャ２６および低圧段ターボチャージャ３０のそれぞれのコンプレッサとタービンとのバランスが良く、ターボ効率を出し易い。
【００３４】
ここで、上述の過給圧フィードバックを含み、エンジン１０の多段ターボチャージャの制御につき、より具体的に説明する。例えば、車両の発進時の如く、エンジン１０が低速、低負荷の運転状態からアクセルペダルが急激に踏み込まれ全負荷（または高負荷）の運転状態になる加速運転の場合を想定すると、エンジン１０の回転数は周知のように直ぐには上昇せず、運転状態はまず領域Ｒ１の上方に移行するが、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬは開度設定マップＭにおける設定により全閉のまま維持されている。この状態でアクセル開度Ａが維持されると、エンジン回転数の上昇に伴い、運転状態は過給圧フィードバック制御領域ＲＦＢにエンジン回転数Ｎe０付近において移行することになる。ここで、この過給圧フィードバック制御領域ＲＦＢにおける可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの開度とエンジンの回転数Ｎeとの関係は図４に示す通りであり、高圧段の可変ノズルＶＮＨは、上述のように、高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２がほぼ一定の圧力比になるように優先制御され、低圧段の可変ノズルＶＮＬは過給圧がフィードバック制御される結果、高圧段の可変ノズルＶＮＨの開度も低圧段の可変ノズルＶＮＬの開度もエンジン回転数Ｎeの上昇に伴い連続的に増大するように制御される。なお、ここで、エンジン回転数Ｎe０は、図２における領域Ｒ１とフィードバック制御領域ＲＦＢとの境界線付近のエンジン回転数を表している。
【００３５】
従って、このオープン制御領域Ｒ１からフィードバック制御領域ＲＦＢへの移行は、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬが全閉状態で行われるので、過給圧の大きな変動を生ぜず、また、その後の回転数の上昇に伴って、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬは連続的に開方向に変化されるので、安定した制御が可能となる。つまり、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの開閉が繰返されると、そのヒステリシスに伴い制御の安定性が損なわれるが、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬが連続的に開方向に変化される場合には、そのようなことがなく、制御が安定するのである。また、エンジン１０が中速、中負荷の運転状態からアクセルペダルが急激に踏み込まれ全負荷または高負荷の運転状態になる加速運転の場合を想定すると、エンジン１０の運転状態は領域Ｒ２からフィードバック制御領域ＲＦＢに移行することになる。この場合、エンジン回転数Ｎe１において領域Ｒ２からフィードバック制御領域ＲＦＢに移行すると仮定すると、領域Ｒ２において、エンジン回転数Ｎe１における領域Ｒ２とフィードバック制御領域ＲＦＢとの境界付近では、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの開度が、その移行時の変化が抑えられるように、開度設定マップＭに設定されているので、領域Ｒ１からフィードバック制御領域ＲＦＢへの移行の場合と同様に、過給圧の大きな変動を生ぜず、また、その後の回転数の上昇に伴って、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬは連続的に開方向に変化されて安定した制御が可能である。
【００３６】
なお、上では、高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２を優先させて目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）に近づくように制御する実施の形態につき説明した。しかしながら、多少のターボ効率の低下は否めないが、低圧段の圧力比Ｐ２／Ｐ１を優先させて目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）に近づくように制御することも可能であることはいうまでもない。
【００３７】
さらに、上述の実施の形態は、可変ノズルを有する可変容量型ターボチャージャに本発明を適用した例につき説明したが、本発明は、ウェイストゲートバルブを有する形式の多段ターボチャージャにおいても、可変ノズル開度を制御する代わりにウェイストゲートバルブの開度を制御することにより、同様に、適用できる。
【００３８】
上述の実施の形態では、フィードバック制御領域ＲＦＢにおける高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２の目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）は、図４に示されるように、エンジン回転数の上昇につれて除増するように設定されているが、エンジン回転数にかかわらず常に一定の値をとるようにしてもよい。
【００３９】
さらに、上述の実施の形態では、過給圧として、高圧段コンプレッサ２０の出口部分に設けられた圧力センサ４６によって検出される高圧段出口圧力Ｐ３が用いられているが、エンジンの吸気管に設けられている吸気管圧力センサによって検出される吸気管圧力Ｐｂで代用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る多段ターボチャージャ制御装置の概要を示すブロック線図である。
【図２】本発明の一実施形態の制御で、制御領域の選択と可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの制御のために使用される開度設定マップである。
【図３】本発明の一実施形態に係る多段ターボチャージャ制御装置の制御手順の一例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態に係る多段ターボチャージャの可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの開度を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ エンジン
１４ 高圧段タービン
１６ 低圧段タービン
２０ 高圧段コンプレッサ
２２ 低圧段コンプレッサ
２６ 高圧段ターボチャージャ
３０ 低圧段ターボチャージャ
３６ バイパス通路
３８ 排気バイパス弁
４０ コントロールユニット
４２ 第１圧力センサ
４４ 第２圧力センサ
４６ 第３圧力センサ
４８ 回転数センサ
５０ アクセル開度センサ
ＶＮＨ 高圧段タービン可変ノズル
ＶＮＬ 低圧段タービン可変ノズル
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン、特に、自動車用エンジンの多段ターボチャージャ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジンの低燃料消費量および高出力の両立への要求から、エンジンの強度の限界近くにまで過給圧を上げる、いわゆる、高過給圧化の傾向にある。この高過給圧化のため、エンジンに複数のターボチャージャを直列に設けた、いわゆる、多段ターボチャージャが提案されている。かかる多段ターボチャージャにおいては、複数のコンプレッサによって最終的な過給圧を得るわけであるが、その制御を適正に行わないと、駆動損失を招いたり、システム効率を低下させることとなる。
【０００３】
そこで、かかる多段ターボチャージャの制御の適正化を目指した制御装置が種々提案されているが、その中で、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。
【０００４】
特許文献１に記載のものは、排気経路に、高、中、低圧段のタービンとこれらのタービンによって駆動される高、中、低圧段の圧縮機とを備え、さらに、排気をタービンを迂回させて上流側から下流側に直接供給するタービン側バイパス路と、吸気を圧縮機を迂回させて下流側から上流側に戻す圧縮機側バイパス路と、タービン側バイパス路の排気流量を制御するウェストゲートバルブと、圧縮機側バイパス路の吸気流量を制御するブリードバルブとを備えている。そして、所定の過給圧を得るのに、圧縮機の下流側に設けた圧力センサからの信号を用いて、各段の圧縮機の圧力比が同等となるように、ウェストゲートバルブとブリードバルブとを制御するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−３１５７２５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載のものは、高度２５Ｋｍ以上の高空域を長時間にわたって飛行可能な航空機用のレシプロエンジン用に提案されたものであり、地上を走行する自動車用のエンジンにとって各段の圧縮機の圧力比が同等となるように制御するメリットは多くない。かえって、各段の圧縮機の圧力比が同等となるように制御すると、アクセル操作に伴う負荷変動の大きい自動車用のエンジンにおいては、制御のヒステリシスに伴い制御の安定性を損ない、過給圧の大きな変動が生じ運転性に悪影響を与えるからである。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、かかる従来の問題を解消し、制御システムを安定した系として作動させることができ、コンプレサのサージを防ぎ、タービンの高効率域での作動を可能とする多段ターボチャージャの制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の一形態に係る多段ターボチャージャの制御装置は、複数のターボチャージャを直列に設けた多段ターボチャージャの制御装置であって、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段の検出結果に基づき制御領域を選択する制御領域選択手段と、前記制御領域選択手段により選択され、かつ、フィードバックされる検出した過給圧が目標過給圧になるように前記複数のターボチャージャを制御する過給圧フィードバック制御領域において、少なくとも一つのターボチャージャによる圧力比がほぼ一定となるように当該一つのターボチャージャを優先して制御しつつ他のターボチャージャを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、制御の対象を減ずることができ、システムを安定した系として作動させることができる。
【００１０】
ここで、前記複数のターボチャージャは、タービンノズル部に流量可変機構を有する可変容量ターボチャージャであることが好ましい。
【００１１】
また、前記過給圧フィードバック制御領域は、エンジンの回転数が所定値以上で且つエンジン出力トルク増大要求が所定値以上の制御領域であることが好ましい。
【００１２】
さらに、前記圧力比がほぼ一定となるように優先して制御されるのは、高圧段のターボチャージャであることが好ましい。
【００１３】
さらに、前記過給圧フィードバック制御領域以外の領域においては、エンジンの運転状態に応じた所定の過給圧を得るべくマップに記憶設定された制御値に基づいて、前記複数のターボチャージャをオープン制御するオープン制御手段を有することが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本実施の形態に係る多段ターボチャージャの制御装置の概要を示す図であり、本発明を、可変ノズルを有する可変容量ターボチャージャを２台直列に配置した多段ターボチャージャに適用した例である。
【００１６】
図示するように、エンジン１０の排気経路１２には、高圧段タービン１４と低圧段タービン１６とが排気ガスの流れ方向に間隔を隔てて直列に介設されており、エンジン１０の吸気経路１８には、高圧段コンプレッサ２０と低圧段コンプレッサ２２とが吸入空気の流れ方向に間隔を隔てて直列に介設されている。高圧段コンプレッサ２０と高圧段タービン１４とは回転軸２４で連結されて高圧段ターボチャージャ２６を構成し、低圧段コンプレッサ２２と低圧段タービン１６とは回転軸２８で連結されて低圧段ターボチャージャ３０を構成している。
【００１７】
低圧段コンプレッサ２２と高圧段コンプレッサ２０との間の吸気経路１８には、第１インタークーラ３２が介設されており、高圧段コンプレッサ２０とエンジン１０との間の吸気経路１８には、第２インタークーラ３４が介設されている。これらは圧縮によって昇温した吸入空気を冷却するためのものであるが、発明の構成上必ずしも必要なものではなく、いずれか一方でもよくまた双方ともなくても構わない。
【００１８】
排気経路１２には、高圧段タービン１４と低圧段タービン１６をバイパスするように、高圧段タービン１４の上流側と低圧段タービン１６の下流側とに接続されたバイパス通路３６が設けられている。バイパス通路３６には、排気バイパス弁３８が介設されている。排気バイパス弁３８は、不図示のアクチュエータによってその開度が調節され、バイパス通路３６内を流れる排気ガスの流量を調節するものである。アクチュエータの作動は、後述のように、コントロールユニット４０によって制御される。
【００１９】
低圧段コンプレッサ２２の上流側の吸気経路１８には、大気の圧力Ｐ１を検出する第１圧力センサ４２、高圧段コンプレッサ２０と第１インタークーラ３２との間の吸気経路１８には、高圧段コンプレッサ２０の入口圧力Ｐ２を検出する第２圧力センサ４４、および高圧段コンプレッサ２０と第２インタークーラ３４との間の吸気経路１８には、高圧段コンプレッサ２０の出口圧力Ｐ３を検出する第３圧力センサ４６が設けられている。
【００２０】
また、エンジン１０には、エンジン１０の回転数Ｎeを検出する回転数センサ４８および負荷（アクセル開度Ａ）を検出するアクセル開度センサ５０が設けられている。これら第１圧力センサ４２、第２圧力センサ４４、第３圧力センサ４６、回転数センサ４８およびアクセル開度センサ５０は、コントロールユニット４０に接続されており、各センサの出力がコントロールユニット４０に送られるようになっている。
【００２１】
さらに、高圧段ターボチャージャ２６の高圧段タービン１４と低圧段ターボチャージャ３０の低圧段タービン１６とは、それらのタービンノズル部に流量可変機構としての可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬを有している。マイクロコンピュータ等で構成されるコントロールユニット４０は、所定の過給圧を得るために、各センサから送られてきた出力値に応じて、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬを後述のように制御する。
【００２２】
ここで、制御領域の選択と可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの制御のために使用される開度設定マップＭにつき、図２を参照して説明する。開度設定マップＭは、縦軸にエンジンの負荷を表すアクセル開度Ａをとり、横軸にエンジン回転数Ｎeをとったもので、エンジン１０の運転領域のフィードバック制御領域以外のオープン制御領域において、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬがとるべき開度を表しており、その制御値は、例えば、エンジンの要求特性等に合わせて実験的に求めた最適値とされている。そして、この開度設定マップＭはコントロールユニット４０のテーブルに保存されている。
【００２３】
ここで、本実施の形態においては、この開度設定マップＭの左側、換言すると、エンジン１０のほぼ低速領域である領域Ｒ１においては、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬが共に全閉となるように設定されている。また、エンジン１０のほぼ中負荷以下で中速から高速領域である領域Ｒ２においては、その左上から右下にかけて可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬが中開から全開に次第に開度を増すように設定されている。なお、領域Ｒ１と領域Ｒ２との境界上に段部が存するのは、エンジン１０の軽負荷域で中速域までの領域（領域Ｒ１の右側領域）は、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬを全閉とすることにより背圧を高め、吸気系への排気還流（ＥＧＲ）を利かせるためである。
【００２４】
ここで、可変ノズルの「全閉」とは、ノズルが最小流路面積に絞られた状態、可変ノズルの「全開」とは、ノズルが最大流路面積に開けられた状態、可変ノズルの「中開」とは、ノズルが最小流路面積から最大流路面積の間の流路面積となるように、例えば、不図示のアクチュエータにて駆動される可動ベーンが、位置されている状態を意味する。
【００２５】
また、エンジン１０の出力トルク増大要求が所定値以上である高負荷域で、中速以上の領域においては、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの特定の開度は設定されず、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの開度が適宜変更されて過給圧Ｐ３のフィードバック制御が行われる領域ＲＦＢとされている。この結果、領域Ｒ１およびＲ２においては、過給圧Ｐ３のオープン制御が行われるのに対し、領域ＲＦＢではフィードバック制御が行われることになる。なお、これらのオープン制御領域Ｒ１、Ｒ２およびフィードバック制御領域ＲＦＢは固定的なものではなく、個々のエンジンの要求特性に応じて、それらの境界線が適宜設定されるものである。
【００２６】
次に、本発明の実施の形態において、コントロールユニット４０による制御ルーチンの一例を図３のフローチャートを用いて説明する。エンジンが始動され制御がスタートすると、コントロールユニット４０による多段ターボチャージャの制御ルーチンにおいては、ステップＳ１で、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段による作動として、回転数センサ４８によって現在のエンジン回転数Ｎeが検出されると共に、アクセル開度センサ５０によって現在のアクセル開度Ａが検出され、検出された現在のエンジン回転数Ｎe と現在のアクセル開度Ａとがコントロールユニット４０に読み込まれる。
【００２７】
次に、ステップＳ２において、ステップＳ１で検出した現在のエンジン回転数Ｎe とアクセル開度Ａとが、コントロールユニット４０内のテーブルに記憶保存されている、図２に示す開度設定マップＭと参照される。そして、ステップＳ３に進み、制御領域選択手段の作動として、運転状態が過給圧フィードバック制御領域ＲＦＢか否かが判断され、ＮＯの場合、すなわち、オープン制御領域Ｒ１またはＲ２の場合にはステップＳ４に進み、上記運転状態に対応して開度設定マップＭに設定されている開度に、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの開度がなるように制御される。この開度設定マップＭに設定されている所定の開度を参照しつつ、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの開度を制御することで、エンジン１０の運転状態に合わせて、高圧段タービン１４および低圧段タービン１６の排気ガス流量特性を制御し、高圧段コンプレッサ２０および低圧段コンプレッサ２２により、エンジン１０の運転状態に最適な所望の過給圧を得ることができる。
【００２８】
一方、ステップＳ３における、運転状態が過給圧フィードバック制御領域ＲＦＢか否かの判断において、ＹＥＳの場合には、ステップＳ５に進み、以下、フィードバック制御手段の作動としての制御が行われる。すなわち、ステップＳ５において、先ず、第１、第２および第３の圧力センサ４２，４４および４６によって、大気圧力Ｐ１、低圧段コンプレッサ２２の下流すなわち高圧段コンプレッサ２０の上流側の圧力Ｐ２、およびその下流側の圧力すなわち過給圧Ｐ３が検出され、その各値がコントロールユニット４０に読み込まれる。コントロールユニット４０では、次に、ステップＳ６において、ステップＳ１で既に読み込まれていた現在のエンジン回転数Ｎeとアクセル開度Ａとに基づき目標過給圧ｆ（Ｎe、Ａ）が演算される。そして、ステップＳ７に進み、現在の実過給圧Ｐ３が目標過給圧ｆ（Ｎe、Ａ）よりも大きいか否かが判断される。
【００２９】
現在の実過給圧Ｐ３が目標過給圧ｆ（Ｎe、Ａ）よりも大きいＹＥＳの場合には、ステップＳ８に進み、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬが全開か否かが判断される。なお、この可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの現在の開度については、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬに設けられた開度センサ（不図示）による検出信号を利用するか、前回の制御ルーチンにおいて用いられた設定開度値データを用いて判断することができる。ここで、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬが既に全開の場合には、ステップＳ９に進み、排気バイパス弁３８が開方向に所定量調節され、高圧段タービン１４と低圧段タービン１６とへの排気ガスの流量が減少され、過給圧Ｐ３を下げるように制御される。
【００３０】
現在の過給圧Ｐ３が目標過給圧ｆ（Ｎe、Ａ）よりも大きいが、ステップＳ８において、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬが全開でないと判断された場合には、ステップＳ１０に進み、高圧段ターボチャージャ２６の高圧段コンプレッサ２０による圧力比Ｐ３／Ｐ２と、現在のエンジン回転数Ｎe とアクセル開度Ａとに基づく現在の運転状態における目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）とが演算される。
【００３１】
次に、ステップＳ１１において、演算された現在の高圧段コンプレッサ２０による圧力比Ｐ３／Ｐ２と目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）とが比較される。そして、コントロールユニット４０は、高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２＞目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）の場合、ステップＳ１２に進み、高圧段ターボチャージャ２６の可変ノズルＶＮＨの開度を大きくする方向に制御し、高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２≦目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）の場合には、ステップＳ１３に進み、低圧段ターボチャージャ３０の可変ノズルＶＮＬの開度を大きくする方向に制御する。
【００３２】
一方、ステップＳ７における判断で、現在の過給圧Ｐ３が目標過給圧ｆ（Ｎe、Ａ）以下であるＮＯの場合には、ステップＳ１４に進み、ステップＳ１０と同様に、高圧段ターボチャージャ２６による圧力比Ｐ３／Ｐ２と、現在のエンジン回転数Ｎe とアクセル開度Ａとに基づく目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）とが演算され、さらに、ステップＳ１５において、演算された現在の高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２と目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）とが比較される。そして、コントロールユニット４０は、高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２＞目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）の場合、ステップＳ１６に進み、低圧段ターボチャージャ３０の可変ノズルＶＮＬの開度を小さくする方向に制御し、高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２≦目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）の場合、ステップＳ１７に進み、高圧段ターボチャージャ２６の可変ノズルＶＮＨの開度を小さくする方向に制御する。
【００３３】
上述のコントロールユニット４０による制御ルーチンは所定の時間周期で実行され、該ルーチンを繰り返し実行することにより、上述の過給圧フィードバック制御領域ＲＦＢにおいては、過給圧Ｐ３が目標過給圧にフィードバック制御されることになる。この際、上述の実施の形態では、まず、高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２が目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）に近づくように制御されており、高圧段ターボチャージャ２６による圧力比がほぼ一定となるように優先して制御されているのである。このようにすると、適用できるエンジンの回転数範囲が広く取れ、高圧段ターボチャージャ２６および低圧段ターボチャージャ３０のそれぞれのコンプレッサとタービンとのバランスが良く、ターボ効率を出し易い。
【００３４】
ここで、上述の過給圧フィードバックを含み、エンジン１０の多段ターボチャージャの制御につき、より具体的に説明する。例えば、車両の発進時の如く、エンジン１０が低速、低負荷の運転状態からアクセルペダルが急激に踏み込まれ全負荷（または高負荷）の運転状態になる加速運転の場合を想定すると、エンジン１０の回転数は周知のように直ぐには上昇せず、運転状態はまず領域Ｒ１の上方に移行するが、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬは開度設定マップＭにおける設定により全閉のまま維持されている。この状態でアクセル開度Ａが維持されると、エンジン回転数の上昇に伴い、運転状態は過給圧フィードバック制御領域ＲＦＢにエンジン回転数Ｎe０付近において移行することになる。ここで、この過給圧フィードバック制御領域ＲＦＢにおける可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの開度とエンジンの回転数Ｎeとの関係は図４に示す通りであり、高圧段の可変ノズルＶＮＨは、上述のように、高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２がほぼ一定の圧力比になるように優先制御され、低圧段の可変ノズルＶＮＬは過給圧がフィードバック制御される結果、高圧段の可変ノズルＶＮＨの開度も低圧段の可変ノズルＶＮＬの開度もエンジン回転数Ｎeの上昇に伴い連続的に増大するように制御される。なお、ここで、エンジン回転数Ｎe０は、図２における領域Ｒ１とフィードバック制御領域ＲＦＢとの境界線付近のエンジン回転数を表している。
【００３５】
従って、このオープン制御領域Ｒ１からフィードバック制御領域ＲＦＢへの移行は、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬが全閉状態で行われるので、過給圧の大きな変動を生ぜず、また、その後の回転数の上昇に伴って、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬは連続的に開方向に変化されるので、安定した制御が可能となる。つまり、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの開閉が繰返されると、そのヒステリシスに伴い制御の安定性が損なわれるが、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬが連続的に開方向に変化される場合には、そのようなことがなく、制御が安定するのである。また、エンジン１０が中速、中負荷の運転状態からアクセルペダルが急激に踏み込まれ全負荷または高負荷の運転状態になる加速運転の場合を想定すると、エンジン１０の運転状態は領域Ｒ２からフィードバック制御領域ＲＦＢに移行することになる。この場合、エンジン回転数Ｎe１において領域Ｒ２からフィードバック制御領域ＲＦＢに移行すると仮定すると、領域Ｒ２において、エンジン回転数Ｎe１における領域Ｒ２とフィードバック制御領域ＲＦＢとの境界付近では、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの開度が、その移行時の変化が抑えられるように、開度設定マップＭに設定されているので、領域Ｒ１からフィードバック制御領域ＲＦＢへの移行の場合と同様に、過給圧の大きな変動を生ぜず、また、その後の回転数の上昇に伴って、可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬは連続的に開方向に変化されて安定した制御が可能である。
【００３６】
なお、上では、高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２を優先させて目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）に近づくように制御する実施の形態につき説明した。しかしながら、多少のターボ効率の低下は否めないが、低圧段の圧力比Ｐ２／Ｐ１を優先させて目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）に近づくように制御することも可能であることはいうまでもない。
【００３７】
さらに、上述の実施の形態は、可変ノズルを有する可変容量型ターボチャージャに本発明を適用した例につき説明したが、本発明は、ウェイストゲートバルブを有する形式の多段ターボチャージャにおいても、可変ノズル開度を制御する代わりにウェイストゲートバルブの開度を制御することにより、同様に、適用できる。
【００３８】
上述の実施の形態では、フィードバック制御領域ＲＦＢにおける高圧段の圧力比Ｐ３／Ｐ２の目標圧力比ｇ（Ｎe、Ａ）は、図４に示されるように、エンジン回転数の上昇につれて除増するように設定されているが、エンジン回転数にかかわらず常に一定の値をとるようにしてもよい。
【００３９】
さらに、上述の実施の形態では、過給圧として、高圧段コンプレッサ２０の出口部分に設けられた圧力センサ４６によって検出される高圧段出口圧力Ｐ３が用いられているが、エンジンの吸気管に設けられている吸気管圧力センサによって検出される吸気管圧力Ｐｂで代用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る多段ターボチャージャ制御装置の概要を示すブロック線図である。
【図２】本発明の一実施形態の制御で、制御領域の選択と可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの制御のために使用される開度設定マップである。
【図３】本発明の一実施形態に係る多段ターボチャージャ制御装置の制御手順の一例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態に係る多段ターボチャージャの可変ノズルＶＮＨおよびＶＮＬの開度を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ エンジン
１４ 高圧段タービン
１６ 低圧段タービン
２０ 高圧段コンプレッサ
２２ 低圧段コンプレッサ
２６ 高圧段ターボチャージャ
３０ 低圧段ターボチャージャ
３６ バイパス通路
３８ 排気バイパス弁
４０ コントロールユニット
４２ 第１圧力センサ
４４ 第２圧力センサ
４６ 第３圧力センサ
４８ 回転数センサ
５０ アクセル開度センサ
ＶＮＨ 高圧段タービン可変ノズル
ＶＮＬ 低圧段タービン可変ノズル
Claims (5)
- 複数のターボチャージャを直列に設けた多段ターボチャージャの制御装置であって、
エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
該運転状態検出手段の検出結果に基づき制御領域を選択する制御領域選択手段と、
前記制御領域選択手段により選択され、かつ、フィードバックされる検出した過給圧が目標過給圧になるように前記複数のターボチャージャを制御する過給圧フィードバック制御領域において、少なくとも一つのターボチャージャによる圧力比がほぼ一定となるように当該一つのターボチャージャを優先して制御しつつ他のターボチャージャを制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする多段ターボチャージャの制御装置。 - 前記複数のターボチャージャは、タービンノズル部に流量可変機構を有する可変容量ターボチャージャであることを特徴とする請求項１に記載の多段ターボチャージャの制御装置。
- 前記過給圧フィードバック制御領域は、エンジンの回転数が所定値以上で且つエンジン出力トルク増大要求が所定値以上の制御領域であることを特徴とする請求項１または２に記載の多段ターボチャージャの制御装置。
- 前記圧力比がほぼ一定となるように優先して制御されるのは、高圧段のターボチャージャであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の多段ターボチャージャの制御装置。
- 前記過給圧フィードバック制御領域以外の領域においては、エンジンの運転状態に応じた所定の過給圧を得るべくマップに記憶設定された制御値に基づいて、前記複数のターボチャージャをオープン制御するオープン制御手段を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の多段ターボチャージャの制御装置。
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