JP4835474B2

JP4835474B2 - ターボ過給機制御システム

Info

Publication number: JP4835474B2
Application number: JP2007060003A
Authority: JP
Inventors: 正和田畑
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2027-03-09
Also published as: JP2008223527A

Description

本発明は、ターボ過給機の回転数を制御するターボ過給機制御システムに関する。

例えば電動機付きターボ過給機では、電動機の駆動を制御することにより過給機の回転数を制御するものが知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載のターボ過給機の制御機構においては、目標過給圧と目標空気量とに基づき目標タービン動力を算出するとともに、排気情報に基づいて実タービン動力を算出し、目標タービン動力と実タービン動力との差に基づいて、電動機のアシスト動力が算出される。
特開２００６−２４２０６４号公報

実タービン動力の算出には、排気流量や排気ガス温度の測定値が用いられるが、これらに関して十分な精度の測定値を得ることは難しい。特にリアルタイムで精度の高い測定値を得ることは困難であるため、過渡状態における実タービン動力の算出は困難である。また、可変ノズルやウェイストゲートを用いた場合、これらの影響を反映させることは更に難しい。

本発明は、実タービン動力の算出を行なうことなく、高精度にターボ過給機の回転数を制御することを目的としている。

本発明のターボ過給機制御システムは、内燃機関の過給に用いられるターボ過給機の制御システムであって、アクセル開度に基づいて過給機の目標過給圧を算出する目標過給圧算出手段と、目標過給圧に基づいて過給機の目標回転数を算出する目標過給機回転数算出手段と、過給機の実回転数を検出する過給機回転数検出手段と、目標回転数と実回転数とに基づいて、過給機の回転数を制御する過給機回転数制御手段とを備えたことを特徴としている。

過給機はタービン動力をアシストする電動機を備えることが好ましく、過給機回転数制御手段は、電動機の駆動を制御することにより過給機の回転数を制御する。目標過給機回転数算出手段は、内燃機関回転数が相対的に低いときには目標過給圧のみに基づいて目標回転数を算出し、内燃機関回転数が相対的に高いときには、内燃機関回転数、目標過給圧、コンプレッサに流入する空気流量のうちの何れか２つの値に基づいて目標回転数を算出する。

ターボ過給機制御システムは更に、目標過給圧に基づいて内燃機関からの排気系の制御を行なう排気ガス制御手段を備える。排気ガス制御手段は、例えばタービン流量を制御するためのタービン流量制御手段または排気ガスの吸気系への循環量を制御するための排気ガス循環量制御手段の少なくとも１つを備える。

以上のように、本発明によれば、実タービン動力の算出を行なうことなく、高精度にターボ過給機の回転数を制御できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態であるターボ過給機制御システムの模式的な構成を示すブロック図である。

内燃機関１０は、吸気マニホルド１０Ａ、排気マニホルド１０Ｂを備える。吸気マニホルド１０Ａには、ターボ過給機１１のコンプレッサ１１Ａで加圧された空気がインタークーラ１２およびスロットル１３を介して過給される。

コンプレッサ１１Ａは、排気マニホルド１０Ｂからの排気ガスにより回転駆動されるタービン１１Ｂを動力源とする。また、本実施形態のターボ過給機１１では、タービン１１Ｂの動力をアシストするための電動機１１Ｃが設けられる。電動機１１Ｃには、電子制御ユニットやインバータ／コントローラなどを含む制御システム１４から電力が供給され、その駆動が制御される。また、ターボ過給機１１の回転軸には、過給機回転数を検知するセンサ１５が設けられ、吸気マニホルド１０Ａには、過給圧を測定する圧力センサ１６が設けられる。また更に、コンプレッサ１１Ａの入口の近傍には流量センサ１７および温度センサ１８が設けられ、内燃機関１０のクランクシャフトには内燃機関回転数を検出するセンサ１９が設けられる。センサ１５〜１９で検出された信号は各々制御システム１４に入力される。

図２〜図７を参照して本実施形態におけるターボ過給機１１の制御処理について説明する。図２は、本実施形態におけるターボ過給機１１の制御処理（特に電動機１１Ｃの駆動制御処理）のフローチャートである。

ステップＳ１０１では、コンプレッサ１１Ａによる目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇが算出される。目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇは、内燃機関回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｆから例えば図３のマップを用いて、まず燃料噴射量Ｑを求め、更に内燃機関回転数Ｎｅおよび求められた燃料噴射量Ｑに基づいて例えば図４のマップを参照して求められる。

なお図３において、横軸は内燃機関回転数Ｎｅ、縦軸はアクセル開度Ａｆに対応し、グラフに描かれた複数の直線は各々燃料噴射量Ｑの等値線に対応する。なお、図３の各等値線の値はグラフ原点から離れるにしたがって増大する。また図４において、横軸は内燃機関回転数Ｎｅ、縦軸は燃料噴射量Ｑに対応し、グラフに描かれた曲線は各々目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇの等値線に対応する。なお、図４の各等値線の値は、燃料噴射量が増大するにしたがって増大する。

次にステップＳ１０２において大気圧Ｐ０の計測が行なわれ、ステップＳ１０３では流量センサ１７および温度センサ１８において検出されるコンプレッサ１１Ａへ流入する現在の空気流量Ｇａ、および吸気空気温度Ｔ１が計測され、制御システム１４に入力される。ステップＳ１０４では、大気圧Ｐ０と予め空気流量Ｇａの関数として与えられた圧力損失Ｆ（Ｇａ）からコンプレッサ１１Ａの入口圧力Ｐ１がＰ１＝（大気圧Ｐ０）−（圧力損失Ｆ（Ｇａ））として求められる。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０１で求められた目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇと予め空気流量Ｇａの関数として与えられる圧力損失ｆ（Ｇａ）からコンプレッサ出口圧力Ｐ２がＰ２＝（目標過給圧（Ｐ＿ｔｒｇ）＋（圧力損失ｆ（Ｇａ））として求められる。更にステップＳ１０６では、コンプレッサ圧力比ＰＲ＝Ｐ２／Ｐ１が求められる。

ステップＳ１０７においては、内燃機関回転数Ｎｅが所定値以下であるか否かが判定される。図５に、コンプレッサ通過空気量Ｇａを修正した修正コンプレッサ通過空気流量Ｇａ＿ｍｏｄを横軸とし、コンプレッサ圧力比ＰＲを縦軸としたときの内燃機関回転数Ｎｔの等値線と目標過給機回転数Ｎｔ＿ｔｒｇの等値線が模式的に示される。図５に示されるように、内燃機関回転数Ｎｔの等値線の各値は、修正コンプレッサ通過空気流量Ｇａ＿ｍｏｄが大きくなるにしたがって増大し、目標過給機回転数Ｎｔ＿ｔｒｇの等値線の各値はグラフ原点から離れるにしたがって増大する。なお、修正コンプレッサ通過空気流量Ｇａ＿ｍｏｄは、コンプレッサ通過空気量Ｇａを吸気温度Ｔ１およびコンプレッサ入口圧力Ｐ１によって修正した値であり、θ＝吸気温度Ｔ１／基準温度（例えば２９３．１５Ｋ）、δ＝コンプレッサ入口圧力Ｐ１／基準圧力（例えば１０１．３２５ｋＰａ）とするときＧａ＿ｍｏｄ＝空気流量Ｇａ×√（θ／δ）として求められる。

図５（Ｍａｐ１）に図示されるように、目標過給機回転数Ｎｔ＿ｔｒｇの等値線において、所定の内燃機関回転数Ｎｔｐ以下の領域では修正コンプレッサ通過空気流量Ｇａ＿ｍｏｄが増大してもコンプレッサ圧力比ＰＲは略一定である。一方、所定の内燃機関回転数Ｎｔｐを超えた領域では、目標過給機回転数Ｎｔ＿ｔｒｇの等値線において、修正コンプレッサ通過空気流量Ｇａ＿ｍｏｄが増大するとコンプレッサ圧力比ＰＲが急激に低下する。すなわち、目標過給機回転数Ｎｔ＿ｔｒｇは、所定の内燃機関回転数Ｎｔｐ以下の領域では、コンプレッサ圧力比ＰＲと一対一の関係にあり、コンプレッサ圧力比ＰＲのみによって決定される。一方、内燃機関回転数Ｎｔが所定の内燃機関回転数Ｎｔｐよりも大きい領域では、目標過給機回転数Ｎｔ＿ｔｒｇは、修正コンプレッサ通過空気流量Ｇａ＿ｍｏｄ、コンプレッサ圧力比ＰＲ、内燃機関回転数Ｎｔの内の何れか２つの値によって決定される。

したがって、本実施形態では、内燃機関回転数Ｎｔが所定の内燃機関回転数Ｎｔｐ以下のときには、ステップＳ１０８において目標過給機回転数Ｎｔ＿ｔｒｇが、図６に示されるＭａｐ２を参照して、コンプレッサ圧力比ＰＲのみによって決定され、内燃機関回転数Ｎｔが所定の内燃機関回転数Ｎｔｐよりも大きいときには、ステップＳ１０９において目標過給機回転数Ｎｔ＿ｔｒｇが、図５に示されるＭａｐ１を参照して、修正コンプレッサ通過空気流量Ｇａ＿ｍｏｄ、コンプレッサ圧力比ＰＲ、内燃機関回転数Ｎｔの内の何れか２つの値に基づいて決定される。なお所定の内燃機関回転数Ｎｔｐは、例えば３０００ｒｐｍである。なお、図５において曲線Ｓはサージラインである。

ステップＳ１１０では、ステップＳ１０８またはステップＳ１０９において求められた目標過給機回転数Ｎｔ＿ｔｒｇに基づいて吸気温度Ｔ１により修正された目標過給機回転数Ｎｔ＿ｔｒｇ０がＮｔ＿ｔｒｇ０＝Ｎｔ＿ｔｒｇ／√θとして算出される。また、ステップＳ１１１では、実際の過給機の回転数である実過給機回転数Ｎｔがセンサ１５により検出され制御システム１４に入力される。

ステップＳ１１２では、実過給機回転数Ｎｔが修正された目標過給機回転数Ｎｔ＿ｔｒｇ０よりも小さいか否かが判定される。ステップＳ１１２において、実過給機回転数Ｎｔが修正された目標過給機回転数Ｎｔ＿ｔｒｇ０よりも小さいと判定されたときには、過給機１１の回転数Ｎｔが目標値に達していないので、制御システム１４はステップＳ１１３において図７に示されるＭａｐ３を参照して電動機１１Ｃを作動させる。

なお、図７において横軸は修正された目標過給機回転数Ｎｔ＿ｔｒｇ０と実過給機回転数Ｎｔの差（Ｎｔ＿ｔｒｇ０−Ｎｔ）に対応し、縦軸は電動機１１Ｃの出力に対応する。すなわち、目標過給機回転数Ｎｔ＿ｔｒｇ０と実過給機回転数Ｎｔの差（Ｎｔ＿ｔｒｇ０−Ｎｔ）が一定値以上になると電動機出力は単調に増大され、目標過給機回転数Ｎｔ＿ｔｒｇ０と実過給機回転数Ｎｔの差（Ｎｔ＿ｔｒｇ０−Ｎｔ）が所定の値以上になると電動機１１Ｃの出力は１００％となる。

一方、ステップＳ１１２において目標過給機回転数Ｎｔ＿ｔｒｇ０の値が実過給機回転数Ｎｔ以上であると判定されると、制御システム１４はステップＳ１１４において電動機１１Ｃの作動を停止する（または停止された状態に維持する）。

ステップＳ１１３、１１４の何れかの処理が実行されると、ターボ過給機１１の制御処理は終了し、以下所定の時間間隔で同様の処理が繰り返される。

以上のように、第１実施形態によれば、実タービン動力の算出を行なうことなく、目標過給圧などから目標過給機回転数を求め、これに基づいて過給機回転数をモニタすることにより、過給機の回転数を制御することができる。特に本実施形態では、アシスト動力である電動機を駆動して、アクセルが踏み込まれたときなどの過渡状態においても、より柔軟にアクセル開度に見合った回転数でターボ過給機を駆動制御することができる。

なお、本実施形態では、電動アシストを行なうターボ過給機において、電動機の駆動制御を行うことにより過給機の回転数を制御したが、本実施形態のターボ過給機制御システムは、例えば、電動アシスト機能を持たず、可変ノズル（ＶＮ）機構やウェイストゲート（ＷＧ）機構の制御によってのみ回転数を制御する場合にも適用可能である。

次に図８を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態のターボ過給機制御システムでは、算出された目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇに基づいて、ターボ過給機１１に設けられた電動機１１Ｃの制御が行われるとともに、所定の排気系の処理が行なわれる。目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇを用いた排気系の処理としては、例えば可変ノズル（ＶＮ）機構やウェイストゲート（ＷＧ）機構を用いたタービン流量制御が含まれる。

第２実施形態においては、図１のタービン過給機１１のタービン１１Ｂの上流側に例えば可変ノズル（図示せず）が設けられる。すなわち、このノズルの開きを調整することでタービン１１Ｂに供給される排気ガスの流速が制御され、タービン動力の調整が図られる。なお、その他のターボ過給機制御システムの構成は、第１実施形態と同様であるので、同一の構成については同一参照符号を用いその説明を省略する。

図８は可変ノズル（ＶＮ）機構の制御を含む第２実施形態のターボ過給機制御処理のフローチャートであり、以下図８を参照して第２実施形態のターボ過給機制御処理について説明する。

ステップＳ２０１では、図２のステップＳ１０１と同様の方法で、制御システム１４において内燃機関回転数Ｎｅとアクセル開度Ａｆから目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇが算出される。ステップＳ２０２では、吸気マニホルド１０Ａに設けられた圧力センサ１６により吸気マニホルド１０Ａ内の現在の過給圧Ｐ３が計測され、制御システム１４に入力される。

ステップＳ２０３では、可変ノズルの過渡制御を行なうか否かの判定が行われる。すなわち、（目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇ）−（過給圧Ｐ３）の値が所定の閾値α１（α１＞０）以上（急加速時に対応）であるか、あるいは所定の閾値β１（β１＜０）以下（急減速時に対応）であるか否かが判定される。（目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇ）−（過給圧Ｐ３）の値が所定の閾値α１以上、あるいは閾値β１以下でないと判定されたとき、すなわち、目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇと現在の過給圧Ｐ３との間にあまり差がなく、可変ノズル（ＶＮ）を通常の開きに維持すればよい場合には、ステップＳ２０８において可変ノズル（ＶＮ）が通常の開きに維持され、第２実施形態のターボ過給機制御処理は終了する。なお、ここで可変ノズル（ＶＮ）の通常の開きとは、目標過給圧に基づいた可変ノズル（ＶＮ）の基本駆動量とフィードバックによる補正量とを足し合わせた開度であり、基本駆動量としては、実過給圧Ｐ３を目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇとするために必要であると想定される排気流路面積に対応するベース開度が用いられる。すなわち、ベース開度は内燃機関回転数Ｎｅとエンジン負荷に基づいて求められ、フィードバック量は（目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇ）−（過給圧Ｐ３）の値に基づいて決定される。

一方、ステップＳ２０３において、（目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇ）−（過給圧Ｐ３）の値が所定の閾値α１以上、あるいは閾値β１以下であると判定されたとき、すなわち、目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇと現在の過給圧Ｐ３との差が大きい場合には、可変ノズル（ＶＮ）の開度は通常の開度とは異なる過渡的な制御が必要であるため、ステップＳ２０４において、過渡時に対応した可変バルブ（ＶＮ）の制御が制御システム１４によって行われる。

すなわち、ステップＳ２０３において（目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇ）−（過給圧Ｐ３）の値が所定の閾値α１以上であったと判定されたときには、ステップＳ２０４において可変ノズル（ＶＮ）の開きを通常の開度よりも狭く設定して過給圧をより迅速に高める。一方、ステップＳ２０３において、（目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇ）−（過給圧Ｐ３）の値が所定の閾値β１以下であったと判定されたときには、可変ノズル（ＶＮ）の開きを通常の開度よりも広く設定（例えば全開）して過給圧をより迅速に下げる。

なお、ステップＳ２０３において、複数の閾値を設定することにより（目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇ）−（過給圧Ｐ３）の値の大きさを段階的に区分し、（目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇ）−（過給圧Ｐ３）の値がどの区分に属するかに応じて、ステップＳ２０４における可変ノズル（ＶＮ）の開度をそれぞれ異なる値に設定してもよい。

次にステップＳ２０５では、例えば（目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇ）−（過給圧Ｐ３）の値が所定の閾値α２以上（急加速時に対応）、あるいは所定の閾値β２以下（急減速時に対応）であるか否かを判定することにより、ターボ過給機１１に設けられた電動機１１Ｃを作動させるか否かが判定される。なお、この所定の閾値α２、β２は、ステップＳ２０３の閾値α１、β１とそれぞれ同一であってもよいし、異なる値であってもよい。

ステップＳ２０５において、（目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇ）−（過給圧Ｐ３）の値が所定の閾値α２よりも小さく、かつ所定の閾値β２よりも大きい場合には、ステップＳ２０７において、ターボ過給機１１の電動機１１Ｃの作動は停止（または停止した状態に維持）され、第２実施形態のターボ過給機制御処理は終了する。

一方、ステップＳ２０５において、（目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇ）−（過給圧Ｐ３）の値が所定の閾値α２以上、あるいは閾値β２以下であると判定されると、ステップＳ２０６において、電動機１１Ｃを制御するための処理が開始される。すなわち、ステップＳ２０５において、（目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇ）−（過給圧Ｐ３）の値が所定の閾値α２以上であると判定されたときには、ステップＳ２０６において、図２のステップＳ１０２〜Ｓ１１４までの処理が実行され、第１実施形態と同様に、目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇから目標過給機回転数Ｎ＿ｔｒｇ０が算出され、これと計測された実過給機回転数Ｎｔに基づいて電動機１１Ｃの駆動が制御される。また、ステップＳ２０５において、（目標過給圧Ｐ＿ｔｒｇ）−（過給圧Ｐ３）の値が所定の閾値β２以下であると判定されたときには、ステップＳ２０６において、実過給機回転数Ｎｔが目標過給機回転数Ｎ＿ｔｒｇ０となるように電動機１１Ｃは、タービン回転数を抑制するように制御される。なお回転抑制制御としては、電動機１１により回生を行なう場合も含まれる。

以上により、第２実施形態のターボ過給機制御処理は終了する。なお、ステップＳ２０６、ステップＳ２０７、ステップＳ２０８の何れかの処理が終了することにより第２実施形態のターボ過給機制御処理が終了すると、ステップＳ２０１以下の処理が所定時間間隔毎に繰り返して実行される。

以上のように、第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、第２実施形態に示されるように、目標過給圧は、可変バルブなどの排気系に設けられる機構の制御にも多く用いられるため、目標過給圧を用いた過給機回転数制御は、他の機構の制御との整合性が高い。

第２実施形態では、可変ノズル（ＶＮ）機構を用いたタービン流量制御を例に説明を行ったが、ウェイストゲート（ＷＧ）機構を用いてタービンの流量制御を行なう場合でも、（Ｐ＿ｔｒｇ−Ｐ３）の値と閾値との比較に基づいて同様の制御を行なうことができる。この場合、図８のステップＳ２０３、Ｓ２０４、Ｓ２０８における可変ノズルの開閉動作は、ウェイストゲートバルブの開閉動作に置き換えられる。

なお、本実施形態においては、コンプレッサ圧力比を用いたマップ（Ｍａｐ１、Ｍａｐ２）から目標過給機回転数が求められたが、コンプレッサ入口圧力が略一定の大気圧に相当すると考えられる場合には、コンプレッサ圧力比に代えてコンプレッサ出口圧力を用いて目標過給機回転数を求めることもできる。この場合、Ｍａｐ１の縦軸およびはＭａｐ２の横軸はコンプレッサ出口圧力に対応する。

本発明の第１実施形態におけるターボ過給機制御システムの構成を示すブロック図である。第１実施形態のターボ過給機制御システムにおける制御処理のフローチャートである。内燃機関回転数およびアクセル開度から燃料噴射量を求めるためのマップである。内燃機関回転数および燃料噴射量から目標過給圧を求めるためのマップである。内燃機関回転数が相対的に高いときに、修正コンプレッサ通過空気流量、コンプレッサ圧力比、内燃機関回転数の内の２つの値を用いて目標過給機回転数を求めるためのマップである。内燃機関回転数が相対的に低いときに、コンプレッサ圧力比を用いて目標過給機回転数を求めるためのマップである。修正コンプレッサ通過空気流量から電動機の出力を求めるためのマップである。第２実施形態のターボ過給機制御システムにおける制御処理のフローチャートである。

符号の説明

１０内燃機関
１０Ａ吸気マニホルド
１０Ｂ排気マニホルド
１１ターボ過給機
１１Ａコンプレッサ
１１Ｂタービン
１１Ｃ電動機
１４制御システム
１５過給機回転数センサ
１６圧力センサ
１７流量センサ
１８温度センサ
１９内燃機関回転数センサ

Claims

内燃機関の過給に用いられるターボ過給機の制御システムであって、
アクセル開度に基づいて過給機の目標過給圧を算出する目標過給圧算出手段と、
前記目標過給圧に基づいて前記過給機の目標回転数を算出する目標過給機回転数算出手段と、
前記過給機の実回転数を検出する過給機回転数検出手段と、
前記目標回転数と前記実回転数とに基づいて、前記過給機の回転数を制御する過給機回転数制御手段と、
前記過給機がタービン動力をアシストする電動機とを備え、
前記過給機回転数制御手段が、前記電動機の駆動を制御することにより前記過給機の回転数を制御し、
前記目標過給機回転数算出手段が、内燃機関回転数が相対的に低いときには前記目標過給圧のみに基づいて前記目標回転数を算出し、前記内燃機関回転数が相対的に高いときには、前記内燃機関回転数、前記目標過給圧、コンプレッサに流入する空気流量のうちの何れか２つの値に基づいて前記目標回転数を算出することを特徴とするターボ過給機制御システム。
前記目標過給圧に基づいて前記内燃機関からの排気系の制御を行なう排気ガス制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機制御システム。
前記排気ガス制御手段が、タービン流量を制御するためのタービン流量制御手段または排気ガスの吸気系への循環量を制御するための排気ガス循環量制御手段の少なくとも１つを備えることを特徴とする請求項２に記載のターボ過給機制御システム。