JP4490428B2 - ターボチャージドエンジンを制御するための空気供給制御方法 - Google Patents

Description

本発明は例えばターボチャージドエンジン、より詳細に云えば、自家用車両のターボチャージドエンジンを制御するための空気供給制御方法に関する。

ふつう機関への空気供給は機関を通過する空気流量を測定することにより制御される。空気流量を求める手法には種々のものが存在する。例えば空気供給システムの既知の部分、例えば機関への空気流を調整するスロットルバルブでの空気速度および空気温度を測定する方法が知られている。こうした測定は例えばレーシングマシンやモーターバイクなどで行われている。他に吸気圧力、機関速度および空気温度を測定し、空気流量を求める方法も挙げられる。こちらの方法は現在の自動車で使用されている。高級車のなかには、空気流を測定するために、加熱された金属線に通電し、ホイットストンブリッジを介してこの金属線の抵抗変化を測定しているものもある。こうした測定手法はいずれも当該分野の技術者には周知であるので、ここでこれ以上は立ち入らない。

特に相応の電子スロットルバルブと共働するターボチャージドエンジンでは、トルク損失を求めるために排気圧力を測定することが重要であり、排気量の小さい機関ではなおさらである。なぜならアクセルペダルを介したドライバーからの要求は所定のトルク要求として解釈されるからである。この要求に応えるために、機関トルク、ひいては機関内での摩擦および背圧に起因するトルク損失を求めることが望まれる。排気圧力は機関内でのトルク損失を求めるための要素として考慮される。

したがって本発明の課題は、排気圧力を考慮に入れた空気供給制御方法を提供し、例えば圧力センサを追加するなどの排気圧力制御装置の製造コスト増大をまねくことなく、機関トルクの損失を求めることができるようにすることである。また、排気圧力および排気温度に基づいて空気供給システムを制御できるようにすることも望まれる。

このために、本発明はターボチャージャのコンプレッサの下流に吸気マニホールドが、またターボチャージャのタービンの上流に排気マニホールドが設けられており、機関へ供給される空気流量および／または吸気マニホールド内の圧力を排気マニホールド内の温度とともに求める、ターボチャージドエンジンのための空気供給制御方法を提供する。

本発明によれば、排気マニホールド内の圧力は吸気マニホールド内の圧力に基づいて、機関速度、シリンダ内の温度および排気マニホールド内の温度の関数として求められ、ここで吸気マニホールド内の圧力は必要に応じて空気流量に基づいて求められる。また逆に吸気マニホールド内の圧力は排気マニホールド内の圧力に基づいて求められる。

排気圧力を計算する際の計算精度を大きくするために、有利には、周囲圧力に依存する補正係数が用いられる。この場合、排気圧力Ｐ_ｅｘｈは式
Ｐ_ｅｘｈ＝［Ａ（Ｔ_ｃ）＊ＭＡＰ−Ｂ（Ｎ，ＡＭＰ，Ｔ_ｅｘｈ）］／Ｃ（Ｔ_ｅｘｈ）
により計算される。ここでＡ，Ｂ，Ｃはあらかじめ定められた関数であり、Ｔ_ｃはシリンダ内の温度であり、ＭＡＰは吸気圧力であり、Ｎは機関速度であり、ＡＭＰは周囲圧力であり、Ｔ_ｅｘｈは排気マニホールド内の燃焼ガス温度である。

この方法では有利には、スロットルバルブを介して機関へ供給される空気流が制御され、スロットルバルブがあらかじめ定められた時間内にあらかじめ定められた限界値内で閉鎖位置に近づいたとき、周囲圧力ＡＭＰが排気マニホールド内の圧力に基づいて機関速度の関数として計算される。

本発明はさらに別の、ターボチャージャのコンプレッサの下流に吸気マニホールドが、またターボチャージャのタービンの上流に排気マニホールドが設けられており、機関へ供給される空気流量および／または吸気マニホールド内の圧力を排気マニホールド内の温度とともに求める、ターボチャージドエンジンのための空気供給制御方法も提供する。

本発明によれば、排気マニホールド内の圧力がセンサその他を介して測定され、測定された排気マニホールド内の圧力に基づいて、吸気マニホールド内の圧力が機関速度、シリンダ内の温度および排気マニホールド内の温度の関数として求められ、ここで空気流量は必要に応じて吸気マニホールド内の圧力に基づいて求められる。

この方法では有利には、周囲圧力に依存する補正係数が用いられる。この場合、吸気マニホールド内の圧力ＭＡＰは式
ＭＡＰ＝［Ｆ（Ｎ，Ｔ_ｅｘｈ）＊Ｐ_ｅｘｈ＋Ｇ（Ｎ，ＡＭＰ，Ｔ_ｅｘｈ）］／［Ｈ（Ｎ，Ｔ_ｃ）］
により計算され、ここでＦ，Ｇ，Ｈはあらかじめ定められた関数であり、Ｔ_ｃはシリンダ内の温度であり、Ｐ_ｅｘｈは排気マニホールド内の圧力であり、Ｎは機関速度であり、ＡＭＰは周囲圧力であり、Ｔ_ｅｘｈは排気マニホールド内の燃焼ガス温度である。

この方法では有利には、排気マニホールド内の温度はモデリングに基づいて求められる。この種の既存のものとして、例えばオーバーヒートからターボチャージャを保護するためのモデリング法が挙げられる。これにより厳しい条件に曝されるセンサの使用を回避することができる。なぜなら排気マニホールド内では温度の変化が大きく、機関が駆動されているときには温度がきわめて高くなるからである。

本発明のさらなる特徴および利点を、図を参照しながら詳細に説明する。図１にはターボチャージドエンジンのための空気供給システムの概略図が示されている。

シリンダ４内で運動するピストン２が図１の右方、空気供給システムの下流に示されている。吸気弁６はシリンダ４への空気の流入を制御している。排気弁８はシリンダ４からの燃焼ガスの排出を制御するために設けられている。相応の機関は例えば複数のシリンダを有しており、図示の空気供給システムは複数のシリンダの全てまたは一部に対して共通に動作する。

本発明の空気供給システムは上流から下流へ向かって、エアインテーク１０，エアマスフローセンサ１２，ターボチャージャ１４，インタクーラ（チャンバ）１６，スロットルバルブ１８および吸気マニホールド２０を有している。ここでスロットルバルブはシリンダへの供給空気の通る管路内に配置され、この管路の断面積に対する空気流を調整している。各吸入弁６は直接に吸気マニホールド２０に結合されている。

シリンダ４の下流では、燃焼ガスつまり排気ガスが排気弁８から排出され、排気マニホールド２２へ入る。この排気マニホールドは排気ガスを処理してから周囲へ放出するためにいったんこれを収集するノズルを含む。このケースのターボチャージドエンジンでは、排気マニホールド２２は燃焼ガスを収集し、これをターボチャージャ１４のタービンへ配向する。その下流では排気ガスは触媒コンバータおよび図示されていないサイレンサへ流入し、その後放出される。

ターボチャージャ１４はシャフトを介して接続された２つのタービンを有している。第１のタービンは排気マニホールド２２の後方に配置されており、シリンダ４から出て排気弁８および排気マニホールド２２を通る燃焼ガスにより回転する。第２のタービンすなわちコンプレッサは上述のように空気供給システム内に配置され、インタクーラ１６に対して空気を圧縮する。従来技術では、ターボチャージャ排出弁２４により排気マニホールド２２の下流に配置されたタービンが“短絡”される。

この種の構造はターボチャージドエンジンでふつうに用いられている。本発明はこの種の吸気系を備え、スロットルバルブ１８の位置が機械的または電気的に制御されるエンジンに関連している。この場合、スロットルバルブ１８の開放角度と同時にターボチャージャ排出弁２４の開放角度を制御し、機関へ流れ込む空気流を制御すると有利である。このとき機関はアクセルペダルによって表現されたドライバーの要求が当該の機関によって実行されるように制御される。ドライバーの要求はトルクとして解釈される。ここではアクセルペダルの位置が要求トルクにきわめて近似に相応する。したがって前述のパラメータ（スロットルバルブ１８およびターボチャージャ排出弁２４の開放角度）を求め、要求トルクが得られるように制御すればよい。このとき、排気マニホールド２２内の圧力のためにトルク損失が無視できない程度まで増大することがあるため、機関トルクを求める際に排気マニホールド２２内の圧力が用いられる。

排気圧力はこの値を測定するセンサによって求められる。その場合、このようなセンサを機関内に設ける余地がないため、機関の製造コストが増大してしまう。

本発明の着想は、付加的なセンサを省略し、機関内で既に測定されているパラメータを使用して排気圧力を求めることに基づいている。このため本発明によれば、通常ターボチャージドエンジンに設けられているセンサを用いるのみで排気圧力を求めることができる。また排気圧力センサの設けられているエンジンでは、他のセンサ、例えば吸気マニホールド２０内の圧力を求めるセンサまたはエアマスフローセンサが不要となる。排気圧力を測定するセンサと吸気圧力を測定するセンサとの２つが設けられている場合には、本発明により“ディグレーデッドモード”が可能となる。つまり吸気マニホールド内の圧力を測定するセンサに障害が発生しても、機関の通常動作時に比べ情報の損失を生じないようにすることができる。

本発明の独創性は機関の上流領域および下流領域、つまり換言すれば吸気マニホールド２０内の圧力および排気マニホールド２２内の圧力を並列に記述している点にある。この並列性の利点は後述する計算による説明によって理解されるであろう。

近似によりシリンダ４内の圧力はシリンダ４の充填フェーズ中は一定であると見なされる。つまりこの圧力は吸気マニホールド２０内の圧力に等しい。この圧力を以下ではＭＡＰとする。同様に、シリンダの充填フェーズ中の空気温度は一定であると見なし、Ｔ_ｃとする。また吸気弁６はピストン２の上死点ＴＤＣで開放し、下死点ＢＤＣで閉鎖するものとする。

新気吸入フェーズの直前、シリンダ４は所定量の燃焼ガスを含んでおり、このガスの圧力をＰｂとする。吸気弁６の開放直前のシリンダ４内の燃焼ガス量Ｂｇｍは
（ａ）Ｂｇｍ＝Ｖ_ＴＤＣ＊Ｐｂ／Ｒ＊Ｔ_ｅｘｈ
と表される。ここでＶ_ＴＤＣは上死点でのシリンダ容積であり、Ｔ_ｅｘｈは燃焼ガスの温度であり、Ｒは理想気体定数である。

同様に、吸入フェーズ後のシリンダ４内のガス量Ｃｇｍは
（ｂ）Ｃｇｍ＝Ｖ_ＢＤＣ＊ＭＡＰ／Ｒ＊Ｔ_ｃ
により求められる。ここでＶ_ＢＤＣは下死点でのシリンダ容積である。

したがって１サイクル中にシリンダを通過するガス量Ｎａｍは
（ｃ）Ｎａｍ＝Ｃｇｍ−Ｂｇｍ
である。

これら３つの式から
（ｄ）Ｎａｍ＝（Ｖ_ＢＤＣ＊ＭＡＰ／Ｒ＊Ｔ_ｃ）−（Ｖ_ＴＤＣ＊Ｐｂ／Ｒ＊Ｔ_ｅｘｈ）
が導出される。ここでＭａｆＣｙｌを時間単位当たりでシリンダ４内へ流入する空気流量とする。この空気流量ＭａｆＣｙｌは機関速度Ｎおよびガス量Ｎａｍに依存し、
（ｅ）ＭａｆＣｙｌ＝ｆ（Ｎ）＊ｇ（Ｔ_ｃ）＊ＭＡＰ−ｈ（Ｎ）＊ｋ（ＡＭＰ）＊ｌ（Ｔ_ｅｘｈ）
と記述される。ｆ，ｇ，ｈ，ｋ，ｌは前述の式の種々の変数を含む関数である。

燃焼ガスに相応する圧力Ｐｂが初期的に機関固有のパラメータ、機関速度Ｎおよび周囲圧力に依存する値であるので、変数ＡＭＰが現れている。

ＭａｆＣｙｌを異なる手段で、つまり排気マニホールドを通って流れる燃焼ガスを考慮することにより求めることもできる。この場合には理想気体の法則を式（ａ），（ｂ）に適用して、
（ｆ）ＭａｆＣｙｌ＝ｆｆ（Ｎ）＊ｌｌ（Ｔ_ｅｘｈ）＊Ｐ_ｅｘｈ
が得られる。ここでＰ_ｅｘｈは排気マニホールド内の圧力である。

式（ｅ）および式（ｆ）を結合して、最終的に
（ｇ）ＭＡＰ＝［ｆｆ（Ｎ）＊ｌｌ（Ｔ_ｅｘｈ）＊Ｐ_ｅｘｈ＋ｈ（Ｎ）＊ｋ（ＡＭＰ）＊ｌ（Ｔ_ｅｘｈ）］／［ｆ（Ｎ）＊ｇ（Ｔ_ｃ）］
が得られる。

したがってこの式は吸気マニホールド２０内の圧力と排気マニホールド２２内の圧力とのあいだの関係を表している。この関係式は機関速度Ｎ，排気温度Ｔ_ｅｘｈおよび周囲圧力ＡＭＰを利用している。これら全てのパラメータはセンサにより測定されるか、または従来のターボチャージドエンジンにおける周知の手段でモデリングにより求められる。

式（ｇ）は排気ガス圧力センサが設けられている場合に吸気マニホールド２０内の圧力を求めるために用いられる。この式を変換し、吸気マニホールド２０内の圧力を測定するセンサを用いて排気圧力を求めてもよい。

驚くべきことに、仮定および近似が行われているにもかかわらず、テストでは測定値に正確に適合する計算値が得られ、結果は良好であった。計算値と測定値との相関度はこのテストによればほぼ０．９以上であった。

さらにテストでは
（ｈ）ｆ（Ｎ）＝ｆｆ（Ｎ）
が得られた。したがって新たな関数
（ｉ）ｈｈ（Ｎ）＝ｈ（Ｎ）／ｆ（Ｎ）
が定義される。

式（ｇ）は
（ｊ）ＭＡＰ＝［ｌｌ（Ｔ_ｅｘｈ）＊Ｐ_ｅｘｈ＋ｈｈ（Ｎ）＊ｋ（ＡＭＰ）＋ｌ（Ｔ_ｅｘｈ）］／ｇ（Ｔ_ｃ）
に等しい。式（ｊ）は式（ｇ）を簡略化した形態である。吸気マニホールド２０内の圧力の関数として排気圧力を得るためにこの式（ｊ）を変換すると、
（ｋ）Ｐ_ｅｘｈ＝［ｇ（Ｔ_ｃ）＊ＭＡＰ−ｈｈ（Ｎ）＊ｋ（ＡＭＰ）＊ｌ（Ｔ_ｅｘｈ）］／ｌｌ（Ｔ_ｅｘｈ）
となる。

この場合、排気圧力を求めるための付加的な較正は必要ない。較正はソフトウェアで既に実行されており、使用されたモデルの可逆性により再利用可能である。

ただしここで排気圧力と吸気圧力とのあいだに差が存在することに注意されたい。４ストローク機関では、吸気マニホールド２０内の圧縮空気が排気マニホールド２２内に圧力Ｐ_ｅｘｈで生じるまでにクランクシャフトの２回転ぶんかかる。機関が一定の速度で運動していれば、この圧力差はいかなる作用も有さない。しかし過渡的条件のもとで、特にこれらの圧力に大きな変動がある場合には、この圧力差を考慮しなければならない。もちろん圧力差は値ＭＡＰがＰ_ｅｘｈの関数として計算されるときには重要となるが、Ｐ_ｅｘｈが値ＭＡＰの関数として計算されるときにはさほど意味を持たない。なぜなら排気圧力は吸気マニホールド２０内の圧力に基づいて計算され、機関速度Ｎの関数である時間差を考慮する必要があるからである。

圧力差を考慮する第１の手段として、一方で機関が停止しているときの圧力の初期値に基づいて値ＭＡＰの積分値を計算し、他方でスロットルバルブ１８での空気流とシリンダ４内の空気流とのあいだの差に基づいて値ＭＡＰの積分値を計算する。この手段は例示に過ぎず、限定を意図したものではない。一定の速度のもとでは、これは例えばスロットルバルブ１８の角度位置の変動のグラジエントを監視することにより求められ、吸気マニホールド２０内の圧力の値ＭＡＰは排気圧力の関数として求められる。

第２の手段として、最初に圧力値ＭＡＰが排気圧力Ｐ_ｅｘｈの関数として計算される。この圧力ＭＡＰの計算値は空気流制御システムへ再投入されるが、過渡的条件のもとでは変動が生じる。圧力差を考慮に入れるために、変数に相応する傾きを増大する。

Ｐ_ｅｘｈまたはＭＡＰのいずれの手段を用いても周囲圧力を求めることができる。これは前述したようにスロットルバルブ１８があらかじめ定められた時間にわたって閉鎖されたままであり、つまりバルブ開放時間が当該のあらかじめ定められた閉鎖時間中のあらかじめ定められた値よりも小さいからである。ここから
（１）Ｐ_ｅｘｈ−ＡＭＰ＝φ（Ｎ）
が得られる。ここでφは機関ごとに求められる関数である。

上述の説明から、ターボチャージドエンジンのシリンダへの空気流、ひいては周囲圧力を排気圧力の知識に基づいて求めることができる。こうしてシリンダの空気供給圧力を測定するセンサを機関の排気マニホールド内の圧力センサによって置換することができる。このため２種類のセンサを利用できる。第２のセンサは例えば第１のセンサを監視したり、ディグレーデッドモードで第１のセンサを置換したりする。後者の場合にもディグレーデッドモードでのパフォーマンスはノーマルモードでのパフォーマンスに等しくなる。

さらに、前述のモデルの可逆性により、排気圧力を付加的な較正なしにモデリングすることができる。

上述した実施例は非制限的な例示であって、本発明はこれのみに限定されない。本発明は当該分野の技術者が特許請求の範囲から理解しうる全てのバリエーションに関する。

ターボチャージドエンジンのための空気供給システムの概略図である。

Claims (14)

1. ターボチャージャ（１４）のコンプレッサの下流に吸気マニホールド（２０）が、また前記ターボチャージャのタービンの上流に排気マニホールド（２２）が設けられており、
   吸気マニホールド内の圧力、排気マニホールド内の燃焼ガス温度、機関速度、周囲圧力、および、シリンダ（４）内の温度の関数として、前記排気マニホールド内の圧力を求める、
   ターボチャージドエンジンのための空気供給制御方法において、
   前記排気マニホールド内の圧力Ｐ _ｅｘｈ を、式
   Ｐ _ｅｘｈ ＝［Ａ（Ｔ _ｃ ）＊ＭＡＰ−Ｂ（Ｎ，ＡＭＰ，Ｔ _ｅｘｈ ）］／Ｃ（Ｔ _ｅｘｈ ）
   により計算し、
   ここでＡ，Ｂ，Ｃはあらかじめ定められた関数であり、Ｔ _ｃ はシリンダ内の温度であり、ＭＡＰは吸気マニホールド内の圧力であり、Ｎは機関速度であり、ＡＭＰは周囲圧力であり、Ｔ _ｅｘｈ は排気マニホールド内の燃焼ガス温度である
   ことを特徴とするターボチャージドエンジンのための空気供給制御方法。
2. スロットルバルブ（１８）を介して前記機関へ供給される空気流を制御し、該スロットルバルブがあらかじめ定められた時間内にあらかじめ定められた限界値内で閉鎖位置に近づいたとき、前記周囲圧力ＡＭＰを前記排気マニホールド内の圧力に基づいて前記機関速度の関数として計算する、請求項１記載の方法。
3. 前記機関へ供給される空気量を、前記スロットルバルブ（１８）を介して機械的または電気的に制御し、前記スロットルバルブが電気的に制御される場合、該スロットルバルブの開放角度およびターボチャージャ排出弁（２４）の開放角度を同時に制御する、請求項２記載の方法。
4. 前記排気マニホールド内の温度をモデリングにより求める、請求項１記載の方法。
5. エアインテーク（１０）およびエアマスフローメータ（１２）がターボチャージャの上流に配置されている、請求項１記載の方法。
6. インタークーラ（１６）がターボチャージャの下流に配置されている、請求項１記載の方法。
7. 前記吸気マニホールド内の圧力の計算値と測定値との相関度は０．９以上である、請求項１記載の方法。
8. ターボチャージャ（１４）のコンプレッサの下流に吸気マニホールド（２０）が、また前記ターボチャージャのタービンの上流に排気マニホールド（２２）が設けられており、
   センサによって測定された排気マニホールド内の圧力、機関速度、周囲圧力、シリンダ（４）内の温度、および、前記排気マニホールド内の温度の関数として、吸気マニホールド内の圧力を求める、
   ターボチャージドエンジンのための空気供給制御方法において、
   前記吸気マニホールド内の圧力ＭＡＰを、式
   ＭＡＰ＝［Ｆ（Ｎ，Ｔ _ｅｘｈ ）＊Ｐ _ｅｘｈ ＋Ｇ（Ｎ，ＡＭＰ，Ｔ _ｅｘｈ ）］／［Ｈ（Ｎ，Ｔ _ｃ ）］
   により計算し、
   ここでＦ，Ｇ，Ｈはあらかじめ定められた関数であり、Ｔ _ｃ はシリンダ内の温度であり、Ｐ _ｅｘｈ は排気マニホールド内の圧力であり、Ｎは機関速度であり、ＡＭＰは周囲圧力であり、Ｔ _ｅｘｈ は排気マニホールド内の燃焼ガス温度である、
   ことを特徴とするターボチャージドエンジンのための空気供給制御方法。
9. スロットルバルブ（１８）を介して前記機関へ供給される空気流を制御し、該スロットルバルブがあらかじめ定められた時間内にあらかじめ定められた限界値内で閉鎖位置に近づいたとき、前記周囲圧力ＡＭＰを前記排気マニホールド内の圧力に基づいて前記機関速度の関数として計算する、請求項８記載の方法。
10. 前記機関へ供給される空気量を、前記スロットルバルブ（１８）を介して機械的または電気的に制御し、前記スロットルバルブが電気的に制御される場合、該スロットルバルブの開放角度およびターボチャージャ排出弁（２４）の開放角度を同時に制御する、請求項９記載の方法。
11. 前記排気マニホールド内の温度をモデリングにより求める、請求項８記載の方法。
12. エアインテーク（１０）およびエアマスフローメータ（１２）がターボチャージャの上流に配置されている、請求項８記載の方法。
13. インタークーラ（１６）がターボチャージャの下流に配置されている、請求項８記載の方法。
14. 前記吸気マニホールド内の圧力の計算値と測定値との相関度は０．９以上である、請求項８記載の方法。

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