JP5080643B2

JP5080643B2 - 内燃機械用のスーパーチャージャ・システムの制御装置

Info

Publication number: JP5080643B2
Application number: JP2010512715A
Authority: JP
Inventors: ブラント、ダニール; ノイエンシュバンダー、ペーター
Original assignee: アーベーベーターボシステムズアクチエンゲゼルシャフト
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-06-23
Also published as: EP2171236A1; KR20100022112A; EP2006507A1; JP2010530937A; WO2009000807A1; KR101197065B1

Description

本発明は、排気ガス・ターボチャージャによって過給される内燃機関の分野に係る。本発明は、複数の排気ガス・ターボチャージャを有する内燃機械用のスーパーチャージャ・システムの制御装置に係る。

大型の２または４ストロークエンジンには、複数の排気ガス・ターボチャージャまたは排気ガス・ターボチャージャのグループ、従って、直列接続された低圧用排気ガス・ターボチャージャ及び高圧用排気ガス・ターボチャージャを並列作動に用いることができる。複数の低圧用排気ガス・ターボチャージャが、排気ガスを一つの共通の高圧用排気ガス・ターボチャージャへ排出し、あるいは、排気ガスが一つの低圧用排気ガス・ターボチャージャによって複数の高圧用排気ガス・ターボチャージャに供給されることが可能である。複数の排気ガス・ターボチャージャのコンプレッサは、圧縮された空気を、通常、共通のエアレシーバに運ぶ。

個々の排気ガス・ターボチャージャの技術的装備、寸法または性能における差異は、定置運転または過渡運転において、排気ガス・ターボチャージャの異なった運転状態をもたらすことができる。異なった運転状態は、個々の排気ガス・ターボチャージャのために、例えばポンピングによるまたは余りに多い回転数による、許容されない負荷をもたらすことがある。

共通のエアレシーバへ排気ガスを送る複数の排気ガス・ターボチャージャまたは排気ガス・ターボチャージャのグループを有する内燃機関の過給の際には、個々の排気ガス・ターボチャージャの動作点の相違が、
ａ）排気ガス・ターボチャージャの同一でない技術的装備と、このことから生じる同一でない負荷とによって、
ｂ）排気ガス・ターボチャージャの同一でない仕様及びサイズによって、
ｃ）排気ガス・ターボチャージャの同一でない動作特性によって、または
ｄ）異なった取付状況から生じる流入条件及び温度条件によって、
生じる。

排気ガス・ターボチャージャの、このような同一でない運転状況を回避するために、今日では、エンジンに、通常は、構造上同一の排気ガス・ターボチャージャが使用される。

エンジン及び排気ガス・ターボチャージャ系の部分負荷挙動または過渡挙動を改善するために、あるいは、全負荷の際に、エネルギ出力を可能にするために、排気ガス・ターボチャージャに、電気機械と、可変ジオメトリ（ＶＴＧ：Variable Turbine Geometry）を有する排気ガス・タービン、コンプレッサの制御可能な再循環または排出手段（既に圧縮された空気の循環または排出手段）、調整可能なコンプレッサ・フロントホイール、調整可能なディフューザ（ＶＣＧ−可変コンプレッサ・ジオメトリ）、または、これらの手段の組合せを備えることができる。複数の並列に作動する排気ガス・ターボチャージャでは、所定の適用例では、只一つのまたは個々の排気ガス・ターボチャージャに、上記追加手段を備えることは好都合である。

本発明に係る制御装置は、運転状況の相違を訂正し、外から個々の排気ガス・ターボチャージャに作用する妨害を補償し、運転または取付け状況によって生じる性能の相違を考慮する。

本発明に係る制御装置は、今や、複数の追加手段を、互いに並列に作動される種々の排気ガス・ターボチャージャの動作点の、望ましくない分散が阻止されるように、起動することを可能にする。制御装置は、個々の排気ガス・ターボチャージャの動作点を互いに近付けまたは適合することが意図され、排気ガス・ターボチャージャの妨害及び性能障害を補償し、場合によっては、望ましい動作点を調整することが意図される。

本発明では、互いに並列に作動する少なくとも二つに排気ガス・ターボチャージャを運転するために、少なくとも二つの追加手段が用いられる。

第一の実施の形態は、複数の互いに並列に接続された排気ガス・ターボチャージャを有する内燃機械用のスーパーチャージャ・システムのための制御装置を有している。これらの排気ガス・ターボチャージャの内の少なくとも一つが、調整可能なガイド・ジオメトリを有するタービンを備え、調整可能なガイド・ジオメトリを有するタービンを備える前記少なくとも一つの排気ガス・ターボチャージャは、追加の駆動装置および／または出力装置に接続されており、あるいは、少なくとも一つの排気ガス・ターボチャージャが、追加の駆動装置および／または出力装置に接続されており、残りの排気ガス・ターボチャージャは、各々、調整可能なガイド・ジオメトリを有するタービンを備え、その結果、二つの制御対象が生じ、第一の制御対象は、少なくとも一つの追加の駆動装置および／または出力装置を制御し、第二の制御対象は、少なくとも一つの調整可能なガイド・ジオメトリを制御し、二つの制御対象の内の一つによって、対応の排気ガス・ターボチャージャの基準動作点が調整され、二つの制御対象の内の他の一つによって、全ての排気ガス・ターボチャージャの動作点が互いに近付けられまたは適合される。

第二の実施の形態は、複数の互いに並列に接続された排気ガス・ターボチャージャを有する内燃機械用のスーパーチャージャ・システムのための制御装置を有している。これらの排気ガス・ターボチャージャの内の少なくとも一つが、調整可能なガイド・ジオメトリを有するタービンを備え、調整可能なガイド・ジオメトリを有するタービンを備える前記少なくとも一つの排気ガス・ターボチャージャは、コンプレッサの調整可能なジオメトリまたはコンプレッサの制御可能な再循環または排出手段を有し、あるいは、少なくとも一つの排気ガス・ターボチャージャが、コンプレッサの調整可能なジオメトリまたは制御可能な再循環または排出手段を有し、残りの排気ガス・ターボチャージャは、各々、調整可能なガイド・ジオメトリを有するタービンを備え、その結果、二つの制御対象が生じ、第一の制御対象は、少なくとも一つの、コンプレッサのジオメトリまたはコンプレッサの再循環または排出手段を制御し、第二の制御対象は、少なくとも一つの調整可能なガイド・ジオメトリを制御し、二つの制御対象の内の一つによって、対応の排気ガス・ターボチャージャの基準動作点が調整され、二つの制御対象の内の他の一つによって、全ての排気ガス・ターボチャージャの動作点が互いに近付けられまたは適合される。

第三の実施の形態は、複数の互いに並列に接続された排気ガス・ターボチャージャを有する内燃機械用のスーパーチャージャ・システムのための制御装置を有している。これらの排気ガス・ターボチャージャの内の少なくとも一つが、コンプレッサの調整可能なジオメトリまたはコンプレッサの制御可能な再循環または排出手段を有し、コンプレッサの調整可能なジオメトリまたはコンプレッサの制御可能な再循環または排出手段を有する前記少なくとも一つの排気ガス・ターボチャージャは、追加の駆動装置および／または出力装置に接続されており、あるいは、少なくとも一つの排気ガス・ターボチャージャは、追加の駆動装置および／または出力装置に接続されており、残りの排気ガス・ターボチャージャは、各々、コンプレッサの調整可能なジオメトリまたはコンプレッサの制御可能な再循環または排出手段を有し、その結果、二つの制御対象が生じ、第一の制御対象は、少なくとも一つの追加の駆動装置および／または出力装置を制御し、第二の制御対象は、少なくとも一つの、コンプレッサのジオメトリあるいはコンプレッサの再循環または排出手段を制御し、二つの制御対象の内の一つによって、対応の排気ガス・ターボチャージャの基準動作点が調整され、二つの制御対象の内の他の一つによって、全ての排気ガス・ターボチャージャの動作点が互いに近付けられまたは適合される。

複数の排気ガス・ターボチャージャを有するスーパーチャージャ・システムを示す。これらの排気ガス・ターボチャージャの内の一つが、電気機械に接続されており、タービンの調整可能なガイド・ジオメトリを有している。本発明に係る制御装置の信号フロー図を示す。複数の排気ガス・ターボチャージャを有するスーパーチャージャ・システムを示していて、これらの排気ガス・ターボチャージャの内の一つが、電気機械に接続されており、残りの排気ガス・ターボチャージャが、タービンの調整可能なガイド・ジオメトリを有している。

以下、図面を参照して、本発明に係る制御装置を詳述する。図１は、四つの排気ガス・ターボチャージャを有する内燃機関１０のためのスーパーチャージャ・システムを示す。排気ガス・ターボチャージャの各々は、コンプレッサ２０及び排気ガス・タービンを有している。複数の図には、排気ガス・タービンに関して、従来の排気ガス・タービン３０と、調整可能なガイド・ジオメトリを有する排気ガス・タービン３１とが異なって示されている。第一の排気ガス・ターボチャージャは、電気機械（電動機および／または発電機）に接続されている。この電気機械によって、排気ガス・ターボチャージャのシャフトを、加速または制動することが可能である。加速の際には、電気エネルギを消費せねばならず、減速の際には、電気エネルギを得ることができる。電機機械の代わりに、液圧式の、空気式のまたは機械式の駆動装置および／または出力装置を用いることができる。このことは、同様に、他の実施の形態にも該当する。追加的に、同じ排気ガス・ターボチャージャが、調整可能なガイド・ジオメトリを有する排気ガス・タービン３１を備えている。残りの排気ガス・ターボチャージャは、追加の装備（電気機械、タービンの調整可能なガイド・ジオメトリ）を有していない。

電動機制御装置（Motorsteuerung）は、電気機械の出力を制御する。それ故に、エアレシーバ内の圧力のための下限を維持しつつ電気エネルギを得るか、あるいは、排気ガス・ターボチャージャが駆動される。それ故に、エアレシーバ内の所望の圧力が調整される。電動機制御装置による介入によって、電気機械を有する排気ガス・ターボチャージャの動作点が、場合によっては許されない程に変化される。

第一の実施の形態では、図２に示す制御器を有する本発明に係る制御装置は、追加の装備を有していない排気ガス・ターボチャージャ（第二のターボチャージャ及び第三のターボチャージャ）では、排気ガス・ターボチャージャの、動作点を表わす大きさ、例えば、容積流量（Ｖ_ref）または回転数を調整し、アクチュエータによって、電気機械と、タービンの調整可能なガイド・ジオメトリとを有する排気ガス・ターボチャージャ（第一のターボチャージャ）の、タービンのガイドブレード（Ｕ_VTG）の位置を調整する。

かくして、この排気ガス・ターボチャージャに関して、追加の装備を有していない残りの排気ガス・ターボチャージャと同じ動作点が結果として生じる。タービンの調整可能なガイド・ジオメトリの代わりに、調整可能な弁またはとトラップを有している、コンプレッサの再循環または排出手段（バイパス）（Ｕ_Byp）も用いることができる。

目標動作点は、タービンの調整可能なガイド・ジオメトリを備えていない排気ガス・ターボチャージャによって設定される。この場合、制御装置は、妨害、例えば、電気機械の未知の電気出力を補償する。少なくとも、温度（Ｔ_VA）がコンプレッサの後方で測定されるとき、このことから、コンプレッサの効率の尺度を決定することが可能である。目標動作点を訂正するために、コンプレッサの効率が用いられる。それ故に、制御装置が、コンプレッサの動作点を、不可避的に、脈動制限の方向に移動させる。同様に、種々の幾何学的な寸法と、他の熱力学的な計量値と、目標動作点を訂正するための他の計量値とを用いることができる。

第二の実施の形態では、本発明に係る制御装置は、二つの制御器を有している。これらの制御器の内の１（制御器２）は、内燃機関の制御装置から、所望の動作点、例えば、エアレシーバ内の所望の圧力（ｐ_{rec, ref}）を表わす信号を受信する。この制御器は、エアレシーバ内の所望の圧力（ｐ_{rec, ref}）が調整されるように、電気機械の出力（Ｕ _PTI/PTO）を規定する。他の制御器（制御器１）は、第一の実施の形態に記載のように、複数の排気ガス・ターボチャージャ相互の同期の制御を担う。二つの制御器は、別々に、操作することができ、あるいは、カスケード制御器として相前後して接続されることが可能である。どの制御器が外側のカスケードを表わすか、または内側のカスケードを表わすかは、どちらでも良い。

これらの制御器は、十分に頑丈に設計されねばならない。何故ならば、これらの制御器は、運転中に、互いに影響を与え合うからである。選択的に、二つの制御器をいわゆるＭＩＭＯ（多重入出力）制御器内に一体化することもできる。この場合、相互の影響が、直に制御器の中で、適切な設計によって考慮され、制御装置の安定性が、悪影響を受けない。

所望の動作点が、タービンの調整可能なガイド機構の制御によって調整されるように、二つの制御器を交換することもできる。第二の制御器は、電気出力の適切な供給及び取り出しによって個々の排気ガス・ターボチャージャの動作状態を互いに適合させる目的をもって、電気機械の出力に作用する。

調整される動作点を表わす大きさは、エアレシーバ内の圧力のほかに、電気機械の出力、タービンのガイド・ジオメトリの表面、またはエンジンの出入口の間の掃気圧力勾配であり得る。

運転中に、個々の排気ガス・ターボチャージャのコンプレッサの効率は、異なって変化することが可能である。共通のエアレシーバを有する並列に作動される排気ガス・ターボチャージャでは、任意の或る排気ガス・ターボチャージャのコンプレッサにおける効率の低下は、回転数の増大及び当該のコンプレッサの体積流量の低下という結果を生む。常にコンプレッサの後方で温度及び（選択的に他の大きさ）を測定することによって、効率の変化を検出することが可能である。コンプレッサの効率の、測定信号から算出される変化は、排気ガス・ターボチャージャの訂正された目標動作点を決定するために用いられる。このとき、制御装置は、当該のコンプレッサの動作点が望まない方法で目標動作点から離れることを阻止するという、課題を担う。

測定変数の適切な選択によって、排気ガス・ターボチャージャの効率を、全てのまたは個々の排気ガス・ターボチャージャについて決定することが可能である。排気ガス・ターボチャージャの絶対的な動作点を調整する制御装置を実現することが可能である。調整のためには、一つの排気ガス・ターボチャージャ当たり、一つの制御バス（Regelpfad）を備えねばならない。

図３は、同様に四つの排気ガス・ターボチャージャを有する内燃機関のための第二のスーパーチャージャ・システムを示す。排気ガス・ターボチャージャの各々は、コンプレッサ２０及び排気ガス・タービンを有している。同様に、第一の排気ガス・ターボチャージャが、一つの電気機械に接続されている。しかしながら、このスーパーチャージャ・システムでは、電気機械に接続された排気ガス・ターボチャージャの排気ガス・タービンではなく、全ての残りの排気ガス・ターボチャージャが、調整可能なガイド・ジオメトリを有するのである。

電気機械に接続されている第一の排気ガス・ターボチャージャの動作点は、内燃機関の動作点及び他のパラメータ、例えば、環境、エンジン汚染、排気ガス・ターボチャージャの汚染、電力消費装置の電力需要及び他の発電機の発電、あるいは残りの電力消費装置の需要及び発電機の出力に応じた給電に従って、この機械の出力トルクまたは駆動トルクによって制御される。

電気機械に接続されていない残りの排気ガス・ターボチャージャが、所望の動作点で走行するために、調整可能なガイド・ジオメトリを有する排気ガス・タービンのタービン面は、これらの排気ガス・ターボチャージャが所定の動作点に達するように、縮小または拡大される。このことによって、選択的に、残りの排気ガス・ターボチャージャの動作点が、電気機械に接続されている排気ガス・ターボチャージャの動作点に適合される。その代わりに、タービン面を内燃機関等の動作点に応じて設定し、電気機械に接続されている排気ガス・ターボチャージャを、この機械の出力トルクまたは駆動トルクによって制御することも可能である。

本発明に係る制御装置は、熱力学的に同じように構造された二つのグループの排気ガス・ターボチャージャからなるスーパーチャージャ・システムにも適用されることが可能である。全ての排気ガス・ターボチャージャは並列に作動する。第一のグループの排気ガス・ターボチャージャは、一つの電気機械及びタービンの調整可能なガイド機構を有するか、あるいは、一つの電気機械のみを有している。第二の場合には、第二のグループの排気ガス・ターボチャージャは、全て、調整可能なガイド機構を有している。

制御装置は、電気機械を何ら使用しないスーパーチャージャ・システム、あるいは、一つまたは複数の排気ガス・ターボチャージャが、タービンの調整可能なガイド機構を有してなるスーパーチャージャ・システムにも適用されることが可能である。同様に、一つの排気ガス・ターボチャージャが、電気機械と、タービンの調整可能なガイド機構とを有し、他の全ての排気ガス・ターボチャージャが調整可能なガイド機構のみを有する例も含めることができる。排気ガス・ターボチャージャが、種々の大きさを有しても良い。

２段式の過給装置では、並列に動作する複数の高圧段の内の一つに、電気機械と、調整可能なガイド機構とを備えるか、あるいは、第一の実施の形態のように、一つの高圧段に電気機械を備え、全ての他の高圧段に、タービンの調整可能なガイド機構を備えることが可能である。このとき、制御装置は、１段式の過給装置と同じに、２段式の過給装置の高圧段に適用される。

他の実施の形態では、レジスタ・スーパーチャージャ（Regelaufladung）を有するスーパーチャージャ・システムが使用される。この場合、排気ガス・ターボチャージャは、典型的には、種々のサイズを有し、別々に接続または分離されることが可能である。制御装置は、特に、一時的な動作相中に、排気ガス・ターボチャージャの種々の加速挙動を補償する課題を有している。

１０・・・内燃機関、１１・・・エアレシーバ、１２・・・排気ガスレシーバ、２０・・・コンプレッサ、３０・・・タービン、３１・・・調整可能なガイド・ジオメトリを有するタービン、Ｍ・・・電気機械（電動機および／または発電機）。

Claims

圧縮された空気を共通のエアレシーバ（１１）に運ぶ、互いに並列に接続された複数の排気ガス・ターボチャージャを有する、内燃機関用の排気ガス・ターボチャージャ・システムであって、
前記複数の排気ガス・ターボチャージャの内の少なくとも一つは、任意の或る排気ガス・ターボチャージャの動作点に影響を及ぼす第一の追加手段を備え、この第一の追加手段は、夫々の排気ガス・ターボチャージャのための追加の駆動装置および／または出力装置（Ｍ）の形態をとり、
この第一の追加手段（Ｍ）を有する前記少なくとも一つの排気ガス・ターボチャージャのみが、任意の或る排気ガス・ターボチャージャの動作点に影響を及ぼす第二の追加手段を備え、この第二の追加手段は、調整可能なジオメトリを有するタービン（３１）の形態、コンプレッサの再循環または排出手段の形態、あるいは、調整可能なジオメトリを有するコンプレッサの形態をとり、前記排気ガス・ターボチャージャ・システムの他の全ての排気ガス・ターボチャージャは、前記第二の追加手段を備えていない、
排気ガス・ターボチャージャ・システムにおいて、
制御対象が、前記エアレシーバ（ｐ_rec）中の圧力を、前記追加の駆動装置および／または出力装置を有する一つまたは複数の排気ガス・ターボチャージャの、前記追加の駆動装置および／または出力装置（Ｍ）の出力（Ｕ_PTI/PTO）によって、基準圧力（ｐ_{rec, ref}）に従って調整すること、及び、
第二の制御対象が、前記第二の追加手段（３１）を有する一つまたは複数の排気ガス・ターボチャージャの動作点を、前記第二の追加手段（３１）の調整によって、この第二の追加手段を有しない一つまたは複数の排気ガス・ターボチャージャの動作点に従って調整すること、
を特徴とする排気ガス・ターボチャージャ・システム。
圧縮された空気を共通のエアレシーバ（１１）に運ぶ、互いに並列に接続された複数の排気ガス・ターボチャージャを有する、内燃機関用の排気ガス・ターボチャージャ・システムであって、
前記複数の排気ガス・ターボチャージャの内の少なくとも一つは、任意の或る排気ガス・ターボチャージャの動作点に影響を及ぼす第一の追加手段を備え、この第一の追加手段は、夫々の排気ガス・ターボチャージャのための追加の駆動装置および／または出力装置（Ｍ）の形態をとり、
この第一の追加手段（Ｍ）を有する前記少なくとも一つの排気ガス・ターボチャージャを除いて、前記排気ガス・ターボチャージャ・システムの他の全ての排気ガス・ターボチャージャが、任意の或る排気ガス・ターボチャージャの動作点に影響を及ぼす第二の追加手段を備え、この第二の追加手段は、調整可能なジオメトリを有するタービン（３１）の形態、コンプレッサの再循環または排出手段の形態、あるいは、調整可能なジオメトリを有するコンプレッサの形態をとる、
排気ガス・ターボチャージャ・システムにおいて、
制御対象が、前記エアレシーバ（ｐ_rec）中の圧力を、前記追加の駆動装置および／または出力装置を有する一つまたは複数の排気ガス・ターボチャージャの、前記追加の駆動装置および／または出力装置（Ｍ）の出力（Ｕ_PTI/PTO）によって、基準圧力（ｐ_{rec, ref}）に従って調整すること、及び、
第二の制御対象が、前記第二の追加手段（３１）を有する一つまたは複数の排気ガス・ターボチャージャの動作点を、前記第二の追加手段（３１）の調整によって、この第二の追加手段を有しない一つまたは複数の排気ガス・ターボチャージャの動作点に従って調整すること、
を特徴とする排気ガス・ターボチャージャ・システム。