JP5053221B2 - 内燃機関の過給圧制御装置 - Google Patents
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Description
図6に示すように、内燃機関には、外気から新たに供給される新気と、EGR機構により還流される排気に加えて、燃料が供給される。このうち、内燃機関に流入する気体の圧力すなわち過給圧は、新気流量GNEWとEGR流量GEGRとを合わせた総流入量GCYLに相当する。したがって、EGR流量GEGRを変更すると、過給圧も変化することとなる。つまり、EGR機構によるEGR制御は、ターボチャージャによる過給圧制御において外乱となる場合がある。
ターボチャージャは、コンプレッサホイールとタービンホイールとを連結するタービンシャフトの慣性に起因して、ベーン開度を変更する指令を送信してから実際にコンプレッサホイールの回転数が変化するまでの応答遅れが大きい。このような応答遅れが大きい系では、単にフィードバックゲインを大きな値にするだけではハンチングが発生してしまうため、実過給圧を目標過給圧に速やかに到達させることが難しい。すなわち、外乱に対する耐性が低く、目標過給圧が変化した場合や、排気の流れが変化した場合に、速やかに対処することが難しい。
また、この発明によれば、タービン上流側排気圧又はタービン前後排気圧力比と、ベーン開度とを関連付けるタービンモデルに基づいて、実タービン上流側排気圧又は実タービン前後排気圧力比が目標タービン上流側排気圧又は目標タービン前後排気圧力比と一致するようにベーン開度を制御する。このようなタービンモデルに基づいてベーン開度を制御することにより、ベーン開度特性の非線形性が補償された過給圧制御を行うことができる。
以下、本発明の第1実施形態を、図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る内燃機関及びその過給圧制御装置の構成を示す図である。内燃機関(以下「エンジン」という)1は、シリンダ7の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、シリンダ7には図示しない燃料噴射弁が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット(以下「ECU」という)40により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間及び閉弁時間は、ECU40により制御される。
図2は、過給圧制御を実行するためのモジュールの構成を示すブロック図である。このモジュールの機能は、ECU40で実行される処理により実現される。
過給圧制御器43は、実過給圧P2が後述の目標過給圧P2CMDに一致するように、上流側排気圧の目標値(以下、「目標上流側排気圧」という)P3CMDを算出する。具体的には、実過給圧P2と目標過給圧P2CMDとの偏差Eを下記式(1)で定義し、この偏差E(k)が0に収束するように、後述のスライディングモード制御に基づいて制御入力U(コントローラの出力)を算出し、算出した制御入力Uを目標上流側排気圧P3CMDに変換する。
到達則入力URCH(k)は、偏差E(k)を後述の切換直線上に載せるための入力であり、上記式(5)に示す切換関数σ(k)に所定の到達則制御ゲインKRCHを乗算することで算出される。
適応則入力UADP(k)は、モデル化誤差や外乱の影響を抑制し、偏差E(k)を後述の切換直線に載せるための入力であり、切換関数σ(k)の積分値に所定の適応則制御ゲインKADPを乗算することで算出される。
上記式(5)に示すように、横軸を前回制御時の偏差E(k−1)とし、縦軸を今回制御時の偏差E(k)と定義した位相平面内では、切換関数σ(k)=0を満たす偏差E(k)及びE(k−1)の組み合わせは、傾きが−VPOLEの直線となる。特にこの直線は、切換直線と呼ばれる。また、この切換直線上では、−VPOLEを1より小さく0より大きい値に設定することにより、E(k−1)>E(k)となるので、偏差E(k)は0に収束することとなる。スライディングモード制御は、この切換直線上における偏差E(k)の振る舞いに着目した制御となっている。
すなわち、今回制御時の偏差E(k)と前回制御時の偏差E(k−1)との組み合わせが、この切換直線上に載るように制御を行うことで、外乱やモデル化誤差に対してロバストな制御を実現し、制御量をその目標値に対し過剰なオーバシュートすることなく収束させることができる。
排気圧制御器46は、上流側排気圧と下流側排気圧との比(P3/P4)を前後排気圧力比PRとして、上述の実上流側排気圧P3が目標上流側排気圧P3CMDFに一致するように、前後排気圧力比PRの目標値(以下、「目標前後排気圧力比」という)PRCMDを算出する。具体的には、実上流側排気圧P3と目標上流側排気圧P3CMDFとの偏差E(k)を下記式(7)で定義し、この偏差E(k)が0に収束するように、上記式(2)〜(5)に示すスライディングモード制御に基づいて制御入力Uを算出し、算出した制御入力Uを目標前後排気圧力比PRCMDに変換する。
また、図3に示すように、各ベーン開度における流量特性曲線の間隔は、ベーン開度が大きくなるに従い(可変ベーンが開き側になるに従い)、狭くなる。これは、可変ベーンの開き側での作動に対する過給圧及び上流側排気圧の変化は、絞り側での作動に対する過給圧及び上流側排気圧の変化よりも小さいことを示している。すなわち、ベーン開度は、過給圧や上流側排気圧に対し非線形な特性を有する。
図4は、目標上流側排気圧P3CMDをステップ状に変化させた場合の制御例を示すタイムチャートである。
図5は、目標過給圧P2CMDをステップ状に変化させた場合の制御例を示すタイムチャートである。
なお、これら図4及び図5に示す制御例は、EGR弁を全閉、エンジン回転数を2000[rpm]、燃料噴射量を20[mg/cyl]一定にした状態での制御例を示す。
このデューティ比Dutyの変化に伴い、実過給圧P2が変化しはじめ、時刻t4において約1.3[bar]に収束する。一方、実上流側排気圧P3は、目標上流側排気圧P3CMDに対して過剰にオーバシュートすること無く、時刻t5において約1.6[bar]に収束する。
このような目標過給圧P2CMDの変化に応じて、実過給圧P2が目標過給圧P2CMDに一致するように、目標上流側排気圧P3CMD及びそのフィルタ値P3CMDFが算出される。これら目標上流側排気圧P3CMD及びそのフィルタ値P3CMDFは、時刻t11の直後の時刻t12から変化し始め、時刻t13において約1.5[bar]に収束する。
このデューティ比Dutyの変化に伴い、実過給圧P2が変化しはじめ、時刻t14において実過給圧P2が約1.2[bar]に収束する。一方、実上流側排気圧P3は、目標上流側排気圧P3CMDに対して過剰にオーバシュートすること無く、時刻t15において約1.5[bar]に収束する。
また、前後排気圧力比PRと、ベーン開度VOとを関連付けるタービンモデルに基づいて、実上流側排気圧P3が目標上流側排気圧P3CMDと一致するようにベーン開度VOを制御する。このようなタービンモデルに基づいてベーン開度VOを制御することにより、ベーン開度特性の非線形性が補償された過給圧制御を行うことができる。
以下、本発明の第2実施形態を、図面を参照して説明する。
以下の第2実施形態の説明にあたって、第1実施形態と同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略化又は簡略化する。
以下、本発明の第3実施形態を、図面を参照して説明する。
以下の第3実施形態の説明にあたって、第1実施形態及び第2実施形態と同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略化又は簡略化する。
図8に示すように、本実施形態は、吸気管2のうちコンプレッサホイール82の上流側の吸気圧(以下、「上流側吸気圧」という)P1を検出する上流側吸気圧センサ27Bと、吸気管2のうちコンプレッサホイール82の上流側の吸気温度(以下、「上流側吸気温度」という)T1を検出する上流側吸気温度センサ28Bとをさらに備える点と、ECU40Bの構成が、第1、第2実施形態と異なる。
図9に示すように、本実施形態では、過給圧制御器43Bの構成が第1、第2実施形態と異なる。
図10に示すように、圧力比P2/P1が大きくなるに従い、またコンプレッサ通過流量MCが大きくなるに従い、コンプレッサ仕事率WCは大きくなる。
図11に示すように、圧力比P4/P3が大きくなるに従い、またタービン通過流量MTが大きくなるに従い、タービン仕事率WTは大きくなる。
過給圧制御器43Bは、目標コンプレッサ仕事率算出部431Bと、実コンプレッサ仕事率算出部432Bと、仕事率制御器433Bと、目標排気圧設定部434Bと、を含んで構成される。
また、上述した実施形態では、前後排気圧力比とベーン開度とが関連付けられた図3に示すようなタービンモデルに基づいて、ベーン開度VOを決定したが、これに限らない。例えば、上流側排気圧力とベーン開度とが関連付けられたタービンモデルに基づいて、ベーン開度VOを決定してもよい。
22…上流側排気圧センサ(上流側排気圧力検出手段)
23…下流側排気圧センサ(下流側排気圧力検出手段)
40,40A,40B…電子制御ユニット(制御手段)
8…ターボチャージャ
81…タービンホイール
82…コンプレッサホイール
84…可変ベーン
85…ウェストゲートバルブ
Claims (7)
- 内燃機関に吸入される空気を加圧するコンプレッサホイールと、当該コンプレッサホイールと連結され、前記内燃機関から排出された排気ガスが吹き付けられることで回転駆動するタービンホイールと、を有するターボチャージャと、
前記タービンホイールに吹き付けられる排気の流量を変化させる排気流量可変機構と、を備える内燃機関の過給圧制御装置であって、
前記排気流量可変機構は、開閉動作によりタービンホイールに流入する排気の入口面積を変更する可変ベーンを含み、
前記タービンホイールの上流側の排気圧をタービン上流側排気圧とし、
前記タービンホイールの上流側の排気圧と下流側の排気圧との比をタービン前後排気圧力比とし、
実過給圧に基づいて算出された実コンプレッサ仕事率が目標過給圧に基づいて算出された目標コンプレッサ仕事率に一致するように目標タービン仕事率を算出し、当該算出した目標タービン仕事率と下流側排気圧とに基づいて、目標タービン上流側排気圧又は目標タービン前後排気圧力比を算出し、さらに、タービン上流側排気圧又はタービン前後排気圧力比と前記可変ベーンの開度とを関連付けるタービンモデルに基づいて、実タービン上流側排気圧又は実タービン前後排気圧力比が前記目標タービン上流側排気圧又は前記目標タービン前後排気圧力比と一致するように前記可変ベーンの開度を制御する制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の過給圧制御装置。 - 前記タービンホイールの上流側の排気圧を検出する上流側排気圧検出手段と、
前記タービンホイールの下流側の排気圧を検出する下流側排気圧検出手段と、をさらに備え、
前記制御手段は、前記実タービン上流側排気圧又は前記実タービン前後排気圧力比として、前記上流側排気圧検出手段及び前記下流側排気圧検出手段の検出値を用いることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の過給圧制御装置。 - 前記タービンモデルは、前記可変ベーンの開度ごとにおけるタービン上流側排気圧又はタービン前後排気圧力比と修正流量との関係が規定されたものであり、
前記制御手段は、前記タービンモデルを用いて目標タービン上流側排気圧又は前記目標タービン前後排気圧力比及び修正流量に応じた前記可変ベーンの開度を決定す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過給圧制御装置。 - 内燃機関に吸入される空気を加圧するコンプレッサホイールと、当該コンプレッサホイールと連結され、前記内燃機関から排出された排気ガスが吹き付けられることで回転駆動するタービンホイールと、を有するターボチャージャと、
前記タービンホイールに吹き付けられる排気の流量を変化させる排気流量可変機構と、を備える内燃機関の過給圧制御装置であって、
前記排気流量可変機構は、前記タービンホイールの上流側と下流側とをバイパスするバイパス通路を開閉するウェストゲートバルブを含み、
前記タービンホイールの上流側の排気圧をタービン上流側排気圧とし、
前記タービンホイールの上流側の排気圧と下流側の排気圧との比をタービン前後排気圧力比とし、
実過給圧に基づいて算出された実コンプレッサ仕事率が目標過給圧に基づいて算出された目標コンプレッサ仕事率に一致するように目標タービン仕事率を算出し、当該算出した目標タービン仕事率と下流側排気圧とに基づいて、目標タービン上流側排気圧又は目標タービン前後排気圧力比を算出し、さらに、タービン上流側排気圧又はタービン前後排気圧力比と前記ウェストゲートバルブの開度とを関連付けるタービンモデルに基づいて、実タービン上流側排気圧又は実タービン前後排気圧力比が前記目標タービン上流側排気圧又は前記目標タービン前後排気圧力比と一致するように前記ウェストゲートバルブの開度を制御する制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の過給圧制御装置。 - 前記タービンホイールの上流側の排気圧を検出する上流側排気圧検出手段と、
前記タービンホイールの下流側の排気圧を検出する下流側排気圧検出手段と、をさらに備え、
前記制御手段は、前記実タービン上流側排気圧又は前記実タービン前後排気圧力比として、前記上流側排気圧検出手段及び前記下流側排気圧検出手段の検出値を用いることを特徴とする請求項4に記載の内燃機関の過給圧制御装置。 - 前記タービンモデルは、前記ウェストゲートバルブの開度ごとにおけるタービン上流側排気圧又はタービン前後排気圧力比と修正流量との関係が規定されたものであり、
前記制御手段は、前記タービンモデルを用いて目標タービン上流側排気圧又は前記目標タービン前後排気圧力比及び修正流量に応じた前記ウェストゲートバルブの開度を決定することを特徴とする請求項4又は5に記載の内燃機関の過給圧制御装置。 - 前記実コンプレッサ仕事率及び前記目標コンプレッサ仕事率は、それぞれ、実過給圧及び目標過給圧から同じ式に基づいて算出されることを特徴とする請求項1から6の何れかに記載の内燃機関の過給圧制御装置。
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