JP4473281B2 - ターボチャージャーの変更可能なタービンフロー横断面の制御方法及び制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、それぞれ対応する独立請求項の上位概念にもとづく方法及び制御装置に関する。従って、この発明は、一般的に、自動車のオットーエンジンの負荷が小さい負荷値から大きい負荷値に変化する場合にターボチャージャーのタービンフロー横断面を調整することに関する。その場合に時間微分が正であるため、そのような負荷変化は、正の負荷変化とも呼ぶことができる。

冒頭に述べた方法は、非特許文献１により周知である。この文献は、案内翼を閉じることによりタービンフロー横断面を縮小して、タービン入口とタービン出口の間のより大きな圧力低下を実現する、タービンの幾何学的な形状を調整することが可能である（ＶＴＧ式）ターボチャージャーを扱っている。低い回転数からの加速のためには、案内翼を閉じて、排気から最大限のエネルギーを取得すべきであるとしている。更に、回転数の上昇につれて、翼を開いて、その時々の動作点に適合させている。

従って、この非特許文献１では、特に、停止状態下の低い回転数からの回転トルクの上昇と乗用車用ディーゼルエンジンでのダイナミックな走行挙動の感じ取れる程の改善が達成されている。タービンの調整可能な幾何学的な形状は、特に、回転トルク上昇の要求と燃焼エンジンによる回転トルク上昇の実現の間の原理に起因する遅延、所謂ターボラグ（Turbolag）を減少させるのに寄与している。前記の非特許文献１では、既に、タービンの幾何学的な形状が変更可能なターボチャージャーをオットーエンジンで使用することも言及している。

このターボラグは、オットーエンジンにおける開発者が挑戦すべき課題でもある。オットーエンジンが、従来通り排気温度が高いために、タービンの幾何学的な形状が固定であるターボチャージャーにより動作する場合でも、同様にタービンの幾何学的な形状が変更可能なターボチャージャーをオットーエンジンで使用することにより、基本的に望ましくないターボラグ効果に対する肯定的な作用が期待されている。しかし、検証試験で観察された肯定的な作用は、期待外れに終わっている。
der Reihe "Die Bibliothek der Technik, Band 103, Abgasturbolader", Verlag Moderne Industrie, D-86895 Landsberg/Lech, ISBN 3-478-93263-7, Seite 40

この背景に鑑みて、この発明の課題は、それぞれ正の負荷変化時における回転トルク上昇の加速を達成することができる、それぞれ冒頭で述べた種類の方法及び制御装置を提示することである。

この課題は、それぞれ冒頭に述べた種類の方法及び制御装置において、それぞれ独立請求項に記載された特徴によって解決される。

一見すると、正の負荷変化時において、アクチュエータの駆動を遅延させることが、回転トルクの上昇を加速することは驚くべきことである。しかし、この発明では、オットーエンジンにおいて、アクチュエータの駆動を遅延させない場合のタービン前の排気内の望ましくない圧力上昇が、以下の理由から、逆効果に作用する可能性が有ることが分かっている。通常スロットルを絞ること無く動作するディーゼルエンジンとは反対に、オットーエンジンは、一部の負荷領域では、スロットルを絞って動作している。

ディーゼルエンジンは、一部の負荷状態では過薄混合気で動作している。燃料の量を計量して付与することによって、所望の回転トルクに調整している。即ち、燃焼室の充填量がほぼ同じである場合、燃焼室の充填物の質によって調整している。従って、結局のところ、ディーゼルエンジンは、小さい回転トルクしか生じない一部の負荷領域においても、タービンの回転数を維持する比較的大きな排気体積流量を発生させている。そして、最終的に案内翼を駆動して調整することが、実質的に遅延無く、タービン出力を増大させるとともに、ブースト圧力を上昇させて、それにより燃焼室への充填量とディーゼルエンジンの回転トルクを速く増大させている。

それに対して、オットーエンジンの出力は、燃焼室内で燃焼される混合気の量によって調整される。そして、出力が小さい場合、即ち、回転トルク及び／又は回転数が低い場合、それに対応して排気体積流量も少なくなるだけである。一定の燃焼エンジンでは、時間当りに吸入される空気量は、負荷に応じて、２４Ｋｇ〜１４００Ｋｇで変動する、即ち、ほぼ二桁変動している。従って、排気体積流量が少ない動作状態では、タービン回転数は、比較的大きく低下する。そして、最終的に案内翼を調整することは、確かにタービンに伝達される排気エネルギーの相対的な量を増大させる。しかし、排気体積流量が絶対値において少ないために、絶対値でのタービン出力の大きな増加は、未だそれとは連動しない。望ましくない結果として、ブースト圧力がゆっくりとしか増加しないこととなる。更に、案内翼の最終的な調整によって増大された排気の逆圧が、燃焼室に対して逆効果に作用して、未だ燃焼されていない空気又は未だ燃焼されていない混合気の燃焼室への充填を妨げる可能性が有る。

それに対して、この発明にもとづきアクチュエータの駆動を遅延させることによって、スロットルバルブを開いた状態で先ずは排気体積流量を増大させることができる。そして、短い遅延時間の経過後に、最終的な調整を行った場合、既に増大している排気体積流量を利用することが可能となり、その結果タービンに伝達される排気エネルギーが、遅延させない形の調整の場合よりも著しく多くなる。結局のところ、その場合には、オットーエンジンから供給される回転トルクは、駆動を遅延させない場合よりも大幅に速く増加することとなる。

同じ利点が、それに対応した制御装置の実施形態に関して得られる。別の利点は、以下の記述と添付図面から明らかとなる。

前述した特徴と以下で更に説明する特徴が、この発明の枠組みを逸脱すること無く、それぞれ提示された組み合わせだけでなく、その他の組み合わせ又は単独でも利用可能であることは明らかである。

この発明の実施例を図面に図示して、以下の記述で詳しく説明する。

詳細には、図１は、可動式のピストン１４により密閉された少なくとも一つの燃焼室１２を備えた燃焼エンジン１０を図示している。燃焼室１２への充填の切換は、吸気弁１６と排気弁１８によって制御され、吸気弁１６は、吸気弁アクチュエータ２０により操作され、排気弁１８は、排気弁アクチュエータ２２によって操作される。吸気弁アクチュエータ２０は、ストロークを変更する手法で吸気弁１６を制御する、即ち、充填に関するアクチュエータとしての役割を果たす。

吸気弁１６が開いている場合、空気又は空気と燃料から成る混合気は、吸気系統２４から燃焼室１２に流れる。流入する空気又は流入する混合気の量は、吸気弁１６のストロークの変更に代わって、或いはそれを補完して、スロットルバルブアクチュエータ２８によって操作されるスロットルバルブ２６によって調整される。この場合、いずれにしても、燃焼室の充填は、その時々の充填用アクチュエータとしてのスロットルバルブ２６及び／又は吸気弁１６の前の圧力によって決定的な影響を受ける。一つの実施形態では、スロットルバルブアクチュエータ２８は、スロットルバルブ２６の開口角の実際値に関する情報Ｉ＿ＤＫを提供する、一体化されたスロットルバルブセンサーを備えている。

燃焼室の充填量は、有利には、空気量センサー又は吸気パイプ圧力センサーとして実現することができる充填センサー３０の信号によって求める。空気量センサーを補完する形で吸気パイプ圧力センサーも配備することができることは明らかである。燃料は、吸気系統２４に投入するか（吸気パイプからの注入）、或いは噴射器３２により、燃焼室１２に直接噴射するか（直接注入）のどちらかである。

いずれにしても、燃焼室１２内において、燃焼室の燃焼可能な充填量を実現して、点火プラグ３４によって点火する。燃焼室１２の燃焼した充填物の残留ガスは、開いた排気弁１８を介して排出される。

図１に図示された燃焼エンジン１０は、排気ターボチャージャー３６を備えており、そのタービンホイール３８は、排出される排気によって駆動され、そのホイールは、それで吸気系統２４内のコンプレッサインペラ４０を駆動する。排気ターボチャージャー３６は、ターボチャージャー３６の幾何学的な形状を制御するための電気式駆動部４３を備えたアクチュエータ４２を有する。電気式駆動部４３は、典型的には、アクチュエータ４２の機械系と連携して、直線的又は曲線的に推移する調整運動を引き起こす電動モーターである。

運転者の回転トルク要求ＦＷは、自動車のアクセルペダル４６の位置を検出する運転者要求変換器４４によって検出する。回転角センサー４８は、燃焼エンジン１０のクランク軸と回転しない形で接続された変換器用ホイール５０の角度指標を走査して、それによりクランク軸の角度位置と角速度に関する情報を提供する。角速度は、燃焼エンジン１０の回転数ｎに関する尺度である。

最新の自動車では、燃焼エンジン１０の制御及び／又は調節のために、圧力、温度、カムシャフトの角度位置及び／又は燃焼エンジン１０の別の動作パラメータを検出するその他の多くのセンサーが存在し得ることは明らかである。従って、この発明は、これまでに提示したセンサー２８，３０，４４，４８だけを備えた燃焼エンジン１０で使用することに限定されるものではない。そのため、一つの実施形態では、電気式アクチュエータ４３は、案内翼の調整位置に関する情報Ｉ＿ＴＳＱ、即ち、閉ループ又は自己診断結果による案内翼の位置制御に関する位置のフィードバックを提供することができる。

燃焼エンジン１０の制御のためには、この発明による方法及び／又はその一つ以上の実施形態のフローを制御するために構成された、特に、プログラミングされたエンジン制御装置５２によって、一体化されたスロットルバルブセンサー２８、充填センサー３０、運転者要求変換器４４及び回転角センサー４８の信号と、任意選択的に存在する情報Ｉ＿ＴＳＱと、場合によってはそれらに代わる、或いは追加のセンサーの信号とを処理する。制御装置５２は、特に、それが、取得した情報と信号から、燃焼エンジン１０の機能を制御するための調整信号を生成することを特徴とする。図１の実施形態では、それらは、基本的にスロットルバルブ調整信号Ｓ＿ＤＫと、制御装置５２がタービンフロー横断面ＴＳＱを制御するための信号Ｓ＿ＴＳＱと、注入パルス幅ｔｉと、点火信号とである。

図２は、案内翼５４．１，５４．２，５４．３，５４．４及び５４．５がリング状に配置されたターボチャージャー３６のタービンの実施形態を図示している。全ての案内翼５４．１，５４．２，５４．３，５４．４及び５４．５が同様に調整される現状とは異なり、案内翼５４．１，５４．２及び５４．３は、フロー横断面５６が小さい閉じられた位置で、そして案内翼５４．４と５４．５は、フロー横断面５８が大きい広く開かれた位置で図示されている。この場合、基本的なブースト圧力は、大きなフロー横断面５８で図示されている。この調整は、例えば、可動式レバーを介して案内翼と接続された調整リングを操作するアクチュエータ４２によって行われる。機械系の詳細は、この発明に関して重要ではない。

図３は、この発明の実施形態のフローにおける様々な動作パラメータの時間的な推移を定性的な形式で図示している。即ち、図３ａは、正の負荷変化ＬＷ＿＋が時点ｔ＿０で発生する場合の運転者要求ＦＷの時間的な推移を図示している。この場合、ＦＷの高い値は、大きな回転トルク要求に対応している。制御装置５２は、信号ＦＷを処理して、より大きな回転トルク要求を実現するための調整信号Ｓ＿ＤＫとＳ＿ＴＳＱを生成する。

より大きな回転トルクを実現するためには、特に、スロットルバルブ２６を速く開く。このことは、図３ｂでは、正の負荷変化ＬＷ＿＋の直後に続く、スロットルバルブを更に開かせることとなる調整信号Ｓ＿ＤＫの上昇によって表されている。それに代わる、或いはそれを補完する、吸気弁１６のストロークの変更による燃焼室の充填制御では、吸気弁のストロークに対応して充填量を増大させる。

それに対して、正の負荷変化ＬＷ＿＋に対する制御において、案内翼を最終的に駆動するための調整信号Ｓ＿ＴＳＱの出力は遅延された形で行われ、そのことは、図３ｃでは、遅延時間ｔｖにより表されており、その時間だけ、時点ｔ＿０に対して調整信号Ｓ＿ＴＳＱの上昇を遅らせている。Ｓ＿ＴＳＱの上昇は、案内翼を更に閉じられた位置に誘導する形で駆動することを表している。この場合、駆動信号は、Ｓ＿ＴＳＱの上昇がデューティサイクルの増大を表すパルス幅変調信号とすることができる。そのことは、図３ｂの調整信号Ｓ＿ＤＫに関しても同様に成り立つ。

既に前述した排気体積流量の増大は、この遅延時間ｔｖの間に行われる。スロットルバルブ２６を先に開くことによって、或いは一般的にスロットルを先に開くことによって、燃焼室１２前の圧力が上昇する。それにより、望ましい結果として、燃焼エンジン１０が排気の逆圧の上昇に反応してしまう弱さも低下する。

図４は、この発明による方法の実施例を制御装置５２で進行するプログラムのフローチャートとして図示している。この場合、ステップ６０は、燃焼エンジン１０を制御するための上位のメインプログラムを表している。メインプログラム６０から、周期的に、或いは割込み制御により、回転トルクの速い上昇要求を検知するステップ６２に進む。そのために、図示した実施形態では、運転者要求変換器４４の信号ＦＷの時間的な変化ｄ／ｄｔを演算して、閾値Ｓと比較している。ＦＷの変化がＳより小さい場合、プログラムは、更なる変化無しにステップ６０のメインプログラムに戻る。しかし、閾値Ｓを上回った場合、プログラムは、タイマーを計数値ｔ＿０に設定するステップ６４に分岐する。

次に、制御装置５２は、ステップ６６において、増大させた調整信号Ｓ＿ＤＫを出力し、それによりスロットルバルブ２６を更に開く。そして、ステップ６８で、遅延時間間隔ｔｖの決定を行う。遅延時間間隔ｔｖは、典型的には、燃焼エンジン１０のほんの僅かなデューティサイクルの時間長に対応し、その時間長において、例えば、燃焼室への充填を２〜１０倍増大して行うものである。そして、遅延時間間隔ｔｖの間、増大させた信号Ｓ＿ＴＳＱではなく、増大させた信号Ｓ＿ＤＫにより依然として燃焼エンジン１０を動作させる。

ステップ７０では、時点ｔ＝ｔ＿０以降に経過した時間ｔが、遅延時間間隔ｔｖに関して決定された値を上回ったか否かを調べる。そうでない限り、ステップ７０と、時間ｔの値をその都度増分ｄｔだけ増やすステップ７２とから成るループが繰り返される。ｔが値ｔｖを上回った場合に初めて、ステップ７０と７２から成るループから分かれて、ステップ７４に進み、そこで漸く変更した調整信号Ｓ＿ＴＳＱも出力され、それにより、回転トルクを速く増大させた後において、運転者要求を実現するために、タービンフロー横断面ＴＳＱが一時的に縮小される。

以下では、ステップ６８の簡単な実施形態として遅延時間間隔ｔｖの長さを固定値として定めることができる、この発明による方法の別の実施形態を提示する。しかし、遅延の程度、即ち、時間間隔ｔｖの長さを、燃焼エンジンの少なくとも一つの動作パラメータに従って定めるのが有利である。そのため、動作パラメータとして、特に、正の負荷変化ＬＷ＿＋の場合における燃焼エンジンの回転数ｎが考えられる。回転数ｎが上昇するのに応じて、単位時間当りに実行される燃焼室での充填物の燃焼回数に比例する変量としての排気体積流量が増大する。

一定の燃焼エンジンでは、例えば、ｎ＝２０００回転／分の場合には、２００ｍｓの遅延時間間隔が、そしてｎ＝６０００回転／分の場合には、５０ｍｓの遅延時間間隔が最適であると判明している。三つのシリンダー毎にそれぞれ一つのターボチャージャーを備えた６気筒エンジンの場合、例えば、前記の５０ｍｓ内では、（５０＊３＊６０００）／（１００＊６０）、即ち、燃焼室への７〜８回の充填に相当する排気が放出される。一般的に、回転数ｎの値が低い場合の遅延の程度は、回転数の値が高い場合よりも大きな値に決定される。

しかし、排気体積流量は、単位時間当りの燃焼室への充填回数だけでなく、燃焼室への個々の充填量にも依存する。別の有利な実施形態では、制御装置５２は、ステップ６８での遅延時間間隔ｔｖの値の決定時に、更なる動作パラメータとして、正の負荷変化ＬＷ＿＋前の燃焼エンジンの負荷を考慮する。この場合、負荷の値が小さい場合の遅延の程度ｔｖは、値が大きい場合よりも大きな値に決定される。

別の有利な実施形態は、正の負荷変化ＬＷ＿＋後に、タービンを通る排気体積流量に関する量を演算するものと規定する。この実施形態では、排気体積流量に関する量が所定の閾値を上回るまで、変更した調整信号Ｓ＿ＴＳＱの出力が行われない。言い換えると、図４において、ステップ６４が外される。そのために、ステップ６８では、排気体積流量に関する閾値が演算され、ステップ７０において、ステップ７２で繰り返し更新される排気体積流量の実際値と比較される。排気体積流量は、例えば、回転数及び燃焼室への充填に比例した変量として得られる。

別の実施形態の枠組みにおいて、更なる動作パラメータとして、正の負荷変化ＬＷ＿＋時における燃焼エンジン１０のスロットルバルブ２６による圧力低下を考慮する。この場合、圧力低下の値が小さい時のステップ６８での遅延の程度、即ち、遅延時間間隔ｔｖの大きさ又は長さは、圧力低下の値が大きい時よりも小さい値に決定される。

この圧力低下は、スロットルバルブ２６の前後の圧力を測定することによって検出することができる。それに代わって、計算モデルを用いて、別の測定変量から算出することもできる。即ち、例えば、測定したスロットルバルブ開口角と測定した吸気体積流量から成る一対の値は、一定の温度では、一定の値の圧力低下と相関関係が有る。

別の実施形態は、遅延時間間隔ｔｖの値を決定する場合の更なる動作パラメータとして、排気温度を考慮するものと規定する。同様に、排気温度は、測定するか、或いはモデル化して得ることができる。この場合、排気温度の値が低い場合の遅延の程度ｔｖは、排気温度の値が高い場合よりも大きな値に決定される。

別の実施形態は、当該の動作パラメータが燃焼エンジンの周囲環境に依存する動作パラメータであるものと規定する。それには、特に、燃焼エンジンの周囲環境の空気圧及び／又は自動車の周囲環境における空気の温度が考えられる。これらの変量も、モデルによる演算とセンサーを用いた測定の両方から入手可能である。

タービンの幾何学的な形状が変更可能なターボチャージャーを備えた燃焼エンジンの模式図 タービンの幾何学的な形状の変化形態の原理図 正の負荷変化時における運転者の要求、スロットルバルブの調整及びタービンフロー横断面の調整の時間的な推移 この発明による方法の実施例としてのフローチャート

符号の説明

１０ 燃焼エンジン
１２ 燃焼室
１４ ピストン
１６ 吸気弁
１８ 排気弁
２０ 吸気弁アクチュエータ
２２ 排気弁アクチュエータ
２４ 吸気系統
２６ スロットルバルブ
２８ スロットルバルブセンサー
３０ 充填物センサー
３２ 噴射器
３４ 点火プラグ
３６ ターボチャージャー
３８ タービンホイール
４０ コンプレッサインペラ
４２ アクチュエータ
４３ 電気式駆動部
４４ 運転者要求変換器
４６ アクセルペダル
４８ 回転角センサー
５０ 変換器用ホイール
５２ 制御装置
５４．１，５４．２，５４．３，５４．４，５４．５ 案内翼
５６，５８ フロー横断面
６０，６２，６４，６６，６８，７０，７２，７４ フローのステップ
ｎ 回転数
ｔｉ 注入パルス幅
ｔ 時間
ｔ＿０ 正の負荷変化の発生時点
ｔｖ 遅延の程度（遅延時間間隔）
ＦＷ 運転者要求
ＬＷ＿＋ 正の負荷変化
Ｉ＿ＤＫ スロットルバルブ２６の開口角の実際値に関する情報
Ｉ＿ＴＳＱ 案内翼の調整位置に関する情報
Ｓ＿ＤＫ スロットルバルブ調整信号
Ｓ＿ＴＳＱ タービンフロー横断面ＴＳＱを制御するための信号

Claims (6)

1. 自動車のオットーエンジン（１０）の負荷が小さい負荷値から大きい負荷値に変化する場合にオットーエンジン（１０）のターボチャージャー（３６）のタービンフロー横断面を調整するためのアクチュエータ（４２）を駆動する方法であって、大きい負荷値に対応して設定すべきタービンフロー横断面に調整する際に、この負荷の変化に対して遅らせてアクチュエータ（４２）を駆動し、その遅延の程度（ｔｖ）をオットーエンジン（１０）の少なくとも一つの動作パラメータに従って定める方法において、
   この少なくとも一つの動作パラメータが、負荷変化時におけるオットーエンジンの回転数（ｎ）であり、その回転数（ｎ）の値が低い場合の遅延の程度（ｔｖ）を回転数（ｎ）の値が高い場合よりも大きくすることと、
   この少なくとも一つの動作パラメータが、負荷変化前のオットーエンジンの負荷であり、その負荷の値が小さい場合の遅延の程度（ｔｖ）を負荷の値が大きい場合よりも大きくすることと、
   この少なくとも一つの動作パラメータが、負荷変化時のオットーエンジンの排気温度であり、その排気温度の値が低い場合の遅延の程度（ｔｖ）を排気温度の値が高い場合よりも大きくすることと、
   の中の一つ以上であることを特徴とする方法。
2. 当該の動作パラメータが、オットーエンジンの周囲環境に依存する動作パラメータであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 当該の動作パラメータが、オットーエンジンの周囲環境の空気圧であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 当該の動作パラメータが、自動車の周囲環境における空気の温度であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 自動車のオットーエンジン（１０）の負荷が小さい負荷値から大きい負荷値に変化する場合にオットーエンジン（１０）のターボチャージャー（３６）のタービンフロー横断面を調整するためのアクチュエータ（４２）を駆動するために配備された制御装置（５２）であって、制御装置（５２）が、大きい負荷値に対応して設定すべきタービンフロー横断面に調整する際に、この負荷の変化に対して遅らせてアクチュエータ（４２）を駆動し、その遅延の程度（ｔｖ）を、オットーエンジン（１０）の少なくとも一つの動作パラメータに従って定め、その少なくとも一つの動作パラメータが、当該の負荷変化時におけるオットーエンジンの回転数であり、その回転数（ｎ）の値が低い場合の遅延の程度（ｔｖ）が、回転数（ｎ）の値が高い場合よりも大きくなるように構成されている制御装置において、
   更なる動作パラメータが、負荷変化前のオットーエンジンの負荷と負荷変化時のオットーエンジンの排気温度の中の一つ以上であることを特徴とする制御装置。
6. 制御装置（５２）が、請求項２から４までのいずれか一つに記載の方法にもとづきフローを制御するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の制御装置。

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