JP4591268B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ過給機の回転数などを制御する内燃機関の制御装置に関する。

ターボ過給機の耐久性を向上させることを目的とした、以下のような技術が提案されている。特許文献１には、高速高負荷時に、ターボ過給機のタービンをバイパスする排気バイパス路に排気を流す技術が記載されている。特許文献２には、タービン温度が所定の制限値を超過したとき、タービン及びエンジンの出力を制限する技術が記載されている。また、特許文献３には、エンジン回転数が所定値を超えるときは、可変ノズルを開く技術が記載されている。

実開昭６１−５３３４号公報 実開昭６２−１１４１５２号公報 実公昭６３−９８４号公報

ところで、ターボ過給機内のインペラの温度（以下、「メタル温度」とも呼ぶ。）は、大気温度やターボ過給機の回転数などに応じて変動する場合がある。そのため、このようなメタル温度の変動に応じて、ターボ回転数の限界回転数（ターボ過給機の耐久性を著しく低下させるような回転数）も変動する。

しかしながら、上記した特許文献１乃至３に記載された技術においては、現在の大気温度やターボ過給機の回転数（以下、単に「ターボ回転数」とも呼ぶ。）を考慮に入れて制御を行っていないため、ターボ回転数が限界回転数を超えてしまい、ターボ過給機の寿命が低下してしまう場合があった。特に、インペラの材料としてアルミ材料を用いた場合には、このような寿命の低下が顕著に生じる可能性が高かった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、インペラのメタル温度を考慮に入れてターボ回転数の制御を行うことにより、ターボ過給機の寿命の低下を抑制することが可能な内燃機関の制御装置を提供することにある。

本発明の１つの観点では、内燃機関の制御装置は、ターボ過給機の回転数と大気温度に基づいて、前記ターボ過給機のインペラのメタル温度を算出するメタル温度算出手段と、前記メタル温度算出手段によって算出された前記メタル温度、及び前記インペラの材料強度に基づいて、前記ターボ過給機の第１限界回転数を決定する第１限界回転数決定手段と、前記ターボ過給機の回転数が前記第１限界回転数を超えないように、当該ターボ過給機の回転数の制御を行う制御手段と、を備える。

上記の内燃機関の制御装置は、例えばターボ過給機の回転数の制御を行うために用いられる。メタル温度算出手段は、ターボ過給機の回転数と大気温度に基づいて、ターボ過給機のインペラのメタル温度を算出する。第１限界回転数決定手段は、インペラのメタル温度とインペラの材料強度に基づいて、ターボ過給機の耐久性を著しく低下させるような第１限界回転数を決定する。詳しくは、第１限界回転数は、インペラの材料のクリープ限界に基づく回転数であり、インペラのメタル温度によって規定される。また、制御手段は、ターボ過給機の回転数が第１限界回転数を超えないように、ターボ過給機の回転数の制御を行う。これにより、ターボ過給機の寿命の低下を抑制することが可能となる。また、上記の内燃機関の制御装置によれば、大気温度を考慮に入れてインペラのメタル温度を算出しているため、即ち大気温度の高低が第１限界回転数に反映されているため、大気温度によらずにターボ過給機の寿命の低下を適切に抑制することができる。

上記の内燃機関の制御装置の一態様では、前記インペラの低サイクル疲労に基づいて、前記ターボ過給機の第２限界回転数を決定する第２限界回転数決定手段を更に備え、前記制御手段は、前記ターボ過給機の回転数が、前記第１限界回転数及び前記第２限界回転数のいずれをも超えないように、当該ターボ過給機の回転数の制御を行う。

この態様では、第２限界回転数決定手段は、インペラの低サイクル疲労に基づいて、ターボ過給機の耐久性を著しく低下させるような第２限界回転数を決定する。そして、制御手段は、ターボ過給機の回転数が、第１限界回転数及び第２限界回転数のいずれをも超えないように、ターボ過給機の回転数の制御を行う。これにより、上記の内燃機関の制御装置によれば、ターボ過給機の寿命の低下を更に確実に抑制することが可能となる。

上記の内燃機関の制御装置において好適には、制御手段は、前記ターボ過給機に設けられたモータを回生させることによって、前記ターボ過給機の回転数を減少させることができる。

この場合、制御手段は、ターボ過給機の回転数を減少させるために、ターボ過給機に設けられたモータを回生させる制御を行う。これにより、ターボ過給機の回転によって生じたエネルギー（排気ガスのエネルギー）を無駄に排出することなく、ターボ過給機の回転数を減少させることができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［車両の構成］
図１は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用された、車両の全体構成を示す概略図である。なお、図１では、実線矢印がガスなどの流れを示し、破線矢印が信号の入出力を示している。

車両は、主に、吸気通路３と、ターボ過給機４と、内燃機関（エンジン）５と、排気通路６と、バイパス通路７と、ウエストゲートバルブ８と、大気温度センサ１０と、回転数センサ１１と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）１５と、を備える。

吸気通路３には、外部から吸入された吸気が通過する。吸気通路３中には、ターボ過給機４のコンプレッサ４ａが配設されており、吸気はコンプレッサ４ａの回転によって圧縮される。具体的には、コンプレッサ４ａのインペラが回転することによって圧縮が行われる。

コンプレッサ４ａを通過した吸気は、内燃機関５に供給される。内燃機関５は、供給された空気と燃料を爆発させて動力を発生する。内燃機関５は、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどのエンジンである。

内燃機関５における燃焼により生成した排気ガスは、排気通路６に排出される。排気ガスは、排気通路６に設けられたターボ過給機４のタービン４ｂを回転させる。このようなタービン４ｂの回転トルクが、ターボ過給機４内のコンプレッサホイールに伝達されてコンプレッサ４ａが回転することによって、ターボ過給機４を通過する吸気が圧縮される。

また、排気通路６には、ターボ過給機４の上流側と下流側とをバイパスさせるバイパス通路７が接続されている。このバイパス通路７上には、ウエストゲートバルブ８が設けられている。ウエストゲートバルブ８が閉であるときには、排気ガスは過給機４のみに流入し、バイパス通路７には流れない。逆に、ウエストゲートバルブ８が開であるときには、排気ガスは、排気通路６だけでなくバイパス通路７にも流れる。したがって、ウエストゲートバルブ８を開にすると、ターボ過給機４による過給が抑えられ、ターボ過給機４の回転数が減少される。なお、ウエストゲートバルブ８の開閉の制御は、ＥＣＵ１５によって行われる。

大気温度センサ１０は、大気温度を検出し、回転数センサ１１は、ターボ過給機４の回転数（ターボ回転数）を検出する。これらの検出された値は、検出信号としてＥＣＵ１５に出力される。

ＥＣＵ１５は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイスなどを含んで構成される。ＥＣＵ１５は、上記した大気温度センサ１０や回転数センサ１１から供給される出力に基づいて、車両内の制御を行う。本実施形態においては、ＥＣＵ１５は、ターボ過給機４の寿命の低下が抑制されるように、ターボ回転数の制御を行う。具体的には、ＥＣＵ１５は、ウエストゲートバルブ８の開閉を制御する。このように、ＥＣＵ１５は、メタル温度算出手段、第１限界回転数決定手段、第２限界回転数決定手段、及び制御手段として機能する。

［第１実施形態］
ここで、本発明の第１実施形態に係るターボ回転数の制御（ターボ回転数制御）について、図２〜図４を参照して説明する。

まず、第１実施形態に係るターボ回転数制御の基本概念について説明する。

第１実施形態では、ターボ過給機４のインペラの材料強度に基づいて決定される第１限界回転数を考慮に入れて、ターボ回転数の制御を行う。詳しくは、ターボ回転数が第１限界回転数を超えないように、ターボ回転数の制御を行う。このような制御を行うのは、ターボ回転数が第１限界回転数を超えてしまうと、ターボ過給機４の寿命が著しく低下してしまう可能性が高いからである。即ち、ターボ過給機４の寿命の低下を抑制するために、ターボ回転数の制御を行う。

より詳しくは、上記のインペラの材料強度は、インペラのメタル温度に基づいて規定される。したがって、第１限界回転数は、メタル温度によって規定される応力限界に対応する。即ち、第１限界回転数は、インペラの材料のクリープ限界（詳しくはクリープ応力）に基づいて決定される。

図２は、第１限界回転数を決定する方法を説明するための図である。図２は、横軸にメタル温度を示しており、縦軸に応力を示している。符号Ａで示す線分は、要求寿命時間に基づいて決定される応力限界（クリープ応力）の特性の一例を示している。例えば、メタル温度が「Ｔ１」である場合には、符号Ａで示す線分を用いることによって応力限界が「σ１」に決定される。そして、応力がターボ回転数の２乗に比例するという関係を有することから、決定された応力限界から第１限界回転数が一義的に決定される。

ここで、前述したメタル温度を算出する方法について説明する。メタル温度は、ターボ回転数と大気温度に基づいて算出される。詳しくは、まず、大気温度に基づいて、メタル温度とインペラの周速（ターボ回転数とインペラのサイズにより決定される速度）とが満たす理論式を求める。そして、この理論式を実際に得られた実験値などを考慮に入れて補正し、この補正した式を用いてメタル温度を算出する。

図３は、メタル温度の算出方法を説明するための図である。図３は、横軸に周速を示し、縦軸にメタル温度を示している。符号Ｂで示す曲線は、大気温度に基づいて算出される、メタル温度とインペラの周速とが満たす理論式を示している。また、符号Ｃで示す曲線は、符号Ｂで示す理論式を実験値を用いて補正した式を示している。例えば、周速が「Ｖ１」である場合には、符号Ｃで示す曲線に基づいてメタル温度が「Ｔ１」に決定される。

次に、第１実施形態に係るターボ回転数制御処理について、図４に示すフローチャートを用いて説明する。なお、ターボ回転数制御処理は、ＥＣＵ１５によって繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１０１では、ＥＣＵ１５は、ターボ回転数と大気温度を取得する。詳しくは、ＥＣＵ１５は、回転数センサ１１からターボ回転数を取得すると共に、大気温度センサ１０から大気温度を取得する。そして、処理はステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、ＥＣＵ１５は、図３に例示したように、インペラのメタル温度を算出する。詳しくは、ＥＣＵ１５は、大気温度に基づいてメタル温度とインペラの周速とが満たす理論式を求めて、実験値などを考慮に入れて理論式を補正した式を得る。そして、ＥＣＵ１５は、この補正した式に基づいてメタル温度を算出する。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、ＥＣＵ１５は、図２に例示したグラフを用いて、第１限界回転数を決定する。詳しくは、ＥＣＵ１５は、インペラの材料強度、即ちインペラの材料のクリープ限界に基づいて第１限界回転数を決定する。具体的には、ＥＣＵ１５は、要求寿命時間によって規定されるインペラのメタル温度と応力限界とが成す関係を用いて、ステップＳ１０２で算出されたメタル温度から応力限界を得る。そして、ＥＣＵ１５は、得られた応力限界から第１限界回転数を算出する。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、ＥＣＵ１５は、現在のターボ回転数が第１限界回転数以下であるか否かを判定する。即ち、ステップＳ１０４では、現在のターボ回転数を変更する必要があるか否かを判定している。ターボ回転数が第１限界回転数以下である場合（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）には、処理はステップＳ１０５に進む。この場合には、現在のターボ回転数を変更する必要はない。一方、ターボ回転数が第１限界回転数より大きい場合（ステップＳ１０４；Ｎｏ）には、処理はステップＳ１０６に進む。この場合には、現在のターボ回転数を変更する必要がある。このままでは、ターボ過給機４の寿命が著しく低下してしまう可能性があるからである。

ステップＳ１０５では、ＥＣＵ１５は、現状のターボ回転数を維持する。即ち、ＥＣＵ１５は、現在行っている制御を変更しない。こうするのは、ターボ回転数が第１限界回転数以下であるため、ターボ過給機４の寿命が著しく低下してしまう恐れはないからである。以上の処理が終了すると、処理は当該フローを抜ける。

ステップＳ１０６では、ＥＣＵ１５は、ターボ回転数を下げる制御を行う。具体的には、ＥＣＵ１５は、ターボ回転数を下げるためにウエストゲートバルブ８を開にする制御を行う。こうするのは、現在の回転数が第１限界回転数よりも大きいため、ターボ過給機４の寿命が著しく低下してしまう可能性があるからである。以上の処理が終了すると、処理は当該フローを抜ける。

このように、第１実施形態に係るターボ回転数制御では、インペラのメタル温度を算出し、このメタル温度とインペラの材料強度に基づいて決定される第１限界回転数を超えないように、ターボ回転数の制御を行う。これにより、ターボ過給機４の寿命の低下を確実に抑制することが可能となる。また、第１実施形態では、大気温度を考慮に入れてインペラのメタル温度を算出しているため、即ち大気温度の高低が第１限界回転数に反映されているため、大気温度によらずにターボ過給機４の寿命の低下を適切に抑制することができる。例えば、インペラの材料としてアルミ材料を用いても、ターボ過給機４の耐久性の低下を適切に抑制することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るターボ回転数制御について、図５及び図６を用いて説明する。

第２実施形態では、インペラの材料強度に基づいて決定される第１限界回転数だけでなく、低サイクル疲労に基づいて決定される第２限界回転数を考慮に入れてターボ回転数の制御を行う点で第１実施形態とは異なる。詳しくは、第２実施形態では、ターボ回転数が第１限界回転数及び第２限界回転数のいずれをも超えないように、ターボ回転数の制御を行う。

図５は、第２限界回転数を決定する方法を説明するための図である。図５は、横軸にサイクル（繰り返し数）を示し、縦軸に応力を示している。符号Ｄで示す線分は、インペラの低サイクル疲労に基づいて決定される応力限界の特性の一例を示している。この符号Ｄで示す線分は、疲労試験などによって得られる。なお、低サイクル疲労とは、材料に繰り返し応力などを加えることによって発生する材料の破壊現象をいい、低サイクル疲労における繰り返し数は高サイクル疲労における繰り返し数と比較して小さい。

例えば、サイクルが「Ｎ２」である場合には、符号Ｄで示す線分を用いることによって、応力限界が「σ２」に決定される。そして、応力がターボ回転数の２乗に比例するという関係を有することから、決定された応力限界から第２限界回転数が一義的に決定される。

次に、第２実施形態に係るターボ回転数制御処理について、図６に示すフローチャートを用いて説明する。なお、ターボ回転数制御処理は、ＥＣＵ１５によって繰り返し実行される。

まず、ステップＳ２０１では、ＥＣＵ１５は、インペラの低サイクル疲労に基づいて第２限界回転数を決定する。この場合、ＥＣＵ１５は、メモリなどに記憶されたサイクル（繰り返し数）に基づいて応力限界を得て、得られた応力限界に基づいて第２限界回転数を算出する。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２では、ＥＣＵ１５は、ステップＳ２０１で決定された第２限界回転数を限界回転数とする処理を行う。そして、処理はステップＳ２０３に進む。

ステップＳ２０３〜ステップＳ２０５の処理は、前述したステップＳ１０１〜ステップＳ１０３の処理と同様である。具体的には、ステップＳ２０３では、ＥＣＵ１５は、ターボ回転数と大気温度を取得し、処理はステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、ＥＣＵ１５は、ターボ回転数と大気温度に基づいてインペラのメタル温度を算出し、処理はステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５では、ＥＣＵ１５は、インペラの材料強度に基づいて第１限界回転数を決定する。具体的には、ＥＣＵ１５は、ステップＳ２０４で算出されたメタル温度から応力限界を得て、得られた応力限界から第１限界回転数を算出する。ステップＳ２０５の処理が終了すると、処理はステップＳ２０６に進む。

ステップＳ２０６では、ＥＣＵ１５は、第１限界回転数が限界回転数以上であるか否かを判定する。即ち、ステップＳ２０６では、インペラの材料強度に基づいて決定された第１限界回転数と、低サイクル疲労に基づいて決定された第２限界回転数との比較を行う。第１限界回転数が限界回転数以上である場合（ステップＳ２０６；Ｙｅｓ）には、処理はステップＳ２０８に進む。一方、第１限界回転数が限界回転数未満である場合（ステップＳ２０６；Ｎｏ）には、処理はステップＳ２０７に進む。

ステップＳ２０７では、ＥＣＵ１５は、第１限界回転数を限界回転数とする処理を行う。詳しくは、ステップＳ２０６及びステップＳ２０７の処理では、第１限界回転数と第２限界回転数のうち、小さいほうの回転数を限界回転数とする処理を行う。具体的には、ステップＳ２０７の処理に進んだ場合には、第１限界回転数が第２限界回転数未満であるため、第１限界回転数が限界回転数に設定される。一方、ステップＳ２０７の処理を行わずにステップＳ２０８の処理に進んだ場合には、第１限界回転数が第２限界回転数以上であるため、第２限界回転数が限界回転数に設定される（限界回転数は第２限界回転数に設定されたままである）。このような処理を行うのは、ターボ回転数が第１限界回転数と第２限界回転数のいずれをも超えないようにターボ回転数の制御を行うためである。以上のステップＳ２０７の処理が終了すると、処理はステップＳ２０８に進む。

ステップＳ２０８では、ＥＣＵ１５は、現在のターボ回転数が限界回転数以下であるか否かを判定する。即ち、ステップＳ２０８では、現在のターボ回転数を変更する必要があるか否かを判定している。ターボ回転数が限界回転数以下である場合（ステップＳ２０８；Ｙｅｓ）には、処理はステップＳ２０９に進む。この場合には、現在のターボ回転数を変更する必要はない。一方、ターボ回転数が限界回転数より大きい場合（ステップＳ２０８；Ｎｏ）には、処理はステップＳ２１０に進む。この場合には、現在のターボ回転数を変更する必要がある。このままでは、ターボ過給機４の寿命が著しく低下してしまう可能性があるからである。

ステップＳ２０９では、ＥＣＵ１５は、現状のターボ回転数を維持する。即ち、ＥＣＵ１５は、現在行っている制御を変更しない。こうするのは、ターボ回転数が限界回転数以下であるため、ターボ過給機４の寿命が著しく低下してしまう恐れはないからである。以上の処理が終了すると、処理は当該フローを抜ける。

ステップＳ２１０では、ＥＣＵ１５は、ターボ回転数を下げる制御を行う。具体的には、ＥＣＵ１５は、ターボ回転数を下げるためにウエストゲートバルブ８を開にする制御を行う。こうするのは、現在の回転数が限界回転数よりも大きいため、ターボ過給機４の寿命が著しく低下してしまう可能性があるからである。以上の処理が終了すると、処理は当該フローを抜ける。

このように、第２実施形態に係るターボ回転数制御では、インペラの低サイクル疲労に基づいて決定される第２限界回転数、及びインペラの材料強度に基づいて決定される第１限界回転数を考慮に入れて、ターボ回転数の制御を行う。これにより、ターボ過給機４の寿命の低下を更に確実に抑制することが可能となる。

［変形例］
図７は、本発明の変化例に係る内燃機関の制御装置が適用された、車両の全体構成を示す概略図である。

変形例に係る車両は、前述した図１に示した車両と異なり、バイパス通路７及びウエストゲートバルブ８を有しておらず、ターボ過給機４の代わりにターボ過給機９を有している。更に、変形例に係る車両は、ＥＣＵ１５の代わりにＥＣＵ１６を有している。

ターボ過給機９は、内部にモータ（電動機）を有している。モータが駆動力を発生した場合には、コンプレッサ９ａ及びタービン９ｂの回転がアシストされる。一方、モータが回生した場合には、コンプレッサ９ａ及びタービン９ｂの回転は抑制される。このように、ターボ過給機９は、電気モーターアシスト式ターボ過給機として構成されている。

ＥＣＵ１６は、大気温度センサ１０が検出した大気温度と回転数センサ１１が検出したターボ回転数に基づいて、上記のモータの制御を行う。具体的には、ＥＣＵ１６は、モータを回生させることによって、ターボ過給機９のターボ回転数を低下させる。即ち、変形例では、前述した実施形態と異なり、ウエストゲートバルブ８の代わりにターボ過給機９内のモータを制御することによって、ターボ回転数の制御を行う。

上記の変形例に係る内燃機関の制御装置によれば、ターボ過給機９の回転によって生じたエネルギー（即ち、排気ガスが有するエネルギー）を無駄に排出することなく、回生により電気エネルギーとしてバッテリなどに保存しつつ、ターボ過給機９の回転数を減少させることができる。

なお、本発明は、ウエストゲートバルブ８及びターボ過給機９内のモータを用いてターボ回転数の制御を行うことに限定はされない。他の例では、これらの代わりに、ターボ過給機に設けられた可変ノズルの開度を制御することによって、ターボ回転数の制御を行うことができる。

また、本発明は、回転数センサ１１が検出した値をターボ回転数として用いることに限定はされない。他の例では、回転数センサ１１が検出した値を用いる代わりに、過給圧などを検出し、検出された過給圧に基づいて推定された値をターボ回転数として用いることができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用された車両の概略構成を示す模式図である。 第１限界回転数を決定する方法を説明するための図である インペラのメタル温度の算出方法を説明するための図である。 第１実施形態に係るターボ回転数制御処理を示すフローチャートである。 第２限界回転数を決定する方法を説明するための図である。 第２実施形態に係るターボ回転数制御処理を示すフローチャートである。 本発明の変形例に係る内燃機関の制御装置が適用された車両の概略構成を示す模式図である。

符号の説明

３ 吸気通路
４、９ ターボ過給機
４ａ、９ａ コンプレッサ
４ｂ、９ｂ タービン
５ 内燃機関
６ 排気通路
７ バイパス通路
８ ウエストゲートバルブ
１０ 大気温度センサ
１１ 回転数センサ
１５、１６ ＥＣＵ

Claims (3)

1. ターボ過給機の回転数と大気温度に基づいて、前記ターボ過給機のインペラのメタル温度を算出するメタル温度算出手段と、
   前記メタル温度算出手段によって算出された前記メタル温度、及び前記インペラの材料強度に基づいて、前記ターボ過給機の第１限界回転数を決定する第１限界回転数決定手段と、
   前記ターボ過給機の回転数が前記第１限界回転数を超えないように、当該ターボ過給機の回転数の制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記インペラの低サイクル疲労に基づいて、前記ターボ過給機の第２限界回転数を決定する第２限界回転数決定手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記ターボ過給機の回転数が、前記第１限界回転数及び前記第２限界回転数のいずれをも超えないように、当該ターボ過給機の回転数の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記制御手段は、前記ターボ過給機に設けられたモータを回生させることによって、前記ターボ過給機の回転数を減少させることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
   

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