JP5123241B2 - ターボチャージャーの可変ノズル制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車に搭載されたターボチャージャーの可変ノズルのベーンの開度をエンジン制御装置からの制御信号によって、電子制御アクチュエータで制御するターボチャージャーの可変ノズル制御装置に関する。

従来、この種の技術に於ける一例としては特許文献１に開示された内燃機関の可変ノズルターボチャージャー制御装置が知られている。図５は、従来技術による可変ノズルターボチャージャー制御装置の構成を示す図である。図５において、１はターボチャージャーであって、センターハウジング、コンプレッサハウジング及びタービンハウジングを備えている。ターボチャージャー１には、空気が導入される吸気入口１ａと、ターボチャージャー１によって圧縮された空気をエンジン２に供給する圧縮空気供給孔１ｂとが設けられ、更に、エンジン２から排気が供給される排気ガス吸入口１ｃと、排気ガスを排出する排出口１ｄとが設けられている。ターボチャージャー１内に備えられた可変ノズル（図示せず）は、センターハウジングとタービンハウジングとの間に配設されている。

３はステッピングモータであり、このステッピングモータ３の駆動により操作片４が操作され、可変ノズルに備えたリングプレートを同方向に押圧し、相互の可変ノズルのベーン間の隙間の大きさを調整し、タービンホイールへ吹き付けられる排気ガスの流速が調節される。５はエンジンのＥＣＵ（電子制御ユニット）であり、エンジンに設けられた各種のセンサの検出出力を入力し、これらの検出出力に基づいて、エンジンの運転状態を識別してステッピングモータ３を駆動制御し、これによって、可変ノズルの各ノズルのベーンの開度を開閉制御し、タービンホイールへ吹き付けられる排気ガスの流速を調節し、併せて、燃焼のために強制的に送り込まれる空気の量も調整される。６はラジエターであり、エンジン２に接続され、エンジン２の冷却水が該ラジエター６を循環して冷却される。

この従来技術によれば、内燃機関の可変ノズルターボチャージャー制御装置の異常発生時又は冷間始動時、若しくはアイドル時には、可変ノズルの全開位置を可変ノズルの初期位置として設定することにより全開位置近傍での各ノズルベーンの位置制御を行なうことができる。

また、電子制御アクチュエータの出力軸に外乱となる振動等が加わると出力軸の実位置は、外乱振幅に従い変化するので、電子制御回路部に於ける演算に用いる偏差も追従して振幅し、出力軸の振幅を増大させ最終的には制御が発散してしまうという問題を解決することができるターボチャージャーの可変ノズル制御装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。このターボチャージャーの可変ノズル制御装置は、出力軸に加わった振動がＰＩＤ演算部に入力されるが、角度センサからの実出力軸の角度信号と角度信号変換手段からの出力軸の目標角度信号とを比較して、出力軸の実角度信号が目標角度信号近傍に到達したと判断された場合、ＰＩＤ演算に用いる微分項利得を制限し、モータ駆動出力に与える振動成分の影響を低減するものである。

特開２００１−１０７７３８号公報 特開２００７−０８５２８１号公報

ところで、特許文献２に示すターボチャージャーの可変ノズル制御装置は、自動車に搭載されるため、モータを駆動するための電力を自動車に搭載されているバッテリから得る必要がある。自動車のバッテリは、他の電装品に対する電力供給も行うため、電圧変動が発生することを避けることはできない。電圧変動が発生すると、可変ノズルのベーンの開度を制御する動作の応答性能に影響してしまうという問題がある。この問題を解決するために、バッテリ電圧値を検出し、予め決められている基準電圧値と検出電圧とに基づいて、モータに供給するべき電流値（Ｄｕｔｙ値）を演算によって補正する処理を行っている。これにより、可変ノズルのベーンの開度制御動作中に電圧が変動しても制御動作の応答性能を悪化させることなく可変ノズルのベーンの開度を制御することが可能となる。

しかしながら、従来のターボチャージャーの可変ノズル制御装置は、機械的リンクによってターボチャージャーと接続される構造であり、異なるターボチャージャーを接続することが可能であるため、ターボチャージャーが搭載される自動車のバッテリ電圧が異なることがあり、電圧変動を補正するための演算のみでは適切な電流をモータに供給することができないという問題がある。可変ノズル制御装置が普通自動車のエンジンに備えられるターボチャージャーと大型自動車に備えられるターボチャージャーのそれぞれに接続された場合、普通自動車と大型自動車では、搭載されているバッテリの電圧が異なる。例えば、普通自動車のバッテリの電圧は１２Ｖであり、大型自動車のバッテリの電圧は２４Ｖであるため、基準電圧が１２Ｖの時の電圧変動と、基準電圧が２４Ｖの時の電圧変動では、補正するべき電流値が異なり、基準電圧と検出電圧に基づく演算によって補正電流値を求めるのは困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、モータを駆動するための電力を供給するバッテリ電圧が異なっても電圧変動に伴う適切な補正電流を供給することができるターボチャージャーの可変ノズル制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、可変ノズルを持つターボチャージャーを備えたエンジンの駆動を制御するエンジン制御装置からの制御信号に基づいてモータの回転軸の回転角度を制御することにより前記可変ノズルのベーンの開度を制御する電子制御アクチュエータを備えたターボチャージャーの可変ノズル制御装置であって、前記モータの回転角度を制御するための電流値を演算によって求める駆動電流値演算手段と、電流値及び電圧値に対して、出力するべき電流値が予め関係付けられた補正マップを記憶する補正マップ記憶手段と、前記駆動電流値演算手段により求めた電流値が予め決められた値以下である場合に、前記補正マップ記憶手段に記憶されている出力するべき電流値に補正して前記モータに対して供給する供給電流値補正手段とを備えたことを特徴とする。

本発明は、可変ノズルを持つターボチャージャーを備えたエンジンの駆動を制御するエンジン制御装置からの制御信号に基づいてモータの回転軸の回転角度を制御することにより前記可変ノズルのベーンの開度を制御するために、電流値及び電圧値に対して、出力するべき電流値が予め関係付けられた補正マップを記憶する補正マップ記憶手段を有する電子制御アクチュエータを備えたターボチャージャーの可変ノズル制御装置上で動作する可変ノズル制御プログラムであって、前記モータの回転角度を制御するための電流値を演算によって求める駆動電流値演算ステップと、前記駆動電流値演算ステップにより求めた電流値が予め決められた値以下である場合に、前記補正マップ記憶手段に記憶されている出力するべき電流値に補正して前記モータに対して供給する供給電流値補正ステップとをコンピュータに行わせることを特徴とする。

本発明によれば、演算によって求めたＤｕｔｙ値が低い場合に、予め記憶された入力Ｄｕｔｙ値−電圧値マップを参照して、出力Ｄｕｔｙ値を補正するようにしたため、異なったバッテリ電圧条件下において使用した場合でも、所望の出力Ｄｕｔｙ値を得ることができ、応答性を悪化させることなく可変ノズルのベーン開度を制御することができるという効果が得られる。

本発明の一実施形態の構成を示す構成図である。 図１に示す電子制御アクチュエータ１３の詳細な構成を示すブロック図である。 図２に示すマイコン１３０の処理動作を示すフローチャートである。 図２に示す補正マップ記憶部１３９のテーブル構造を示す説明図である。 ターボチャージャーの可変ノズル制御装置の従来例を示す構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態によるターボチャージャーの可変ノズル制御装置を説明する。図１は同実施形態の構成を示す構成図である。この図において、８はターボチャージャーであって、エンジンへの吸入空気を過給するシステムであり、コンプレッサホイールを有するコンプレッサ及び該コンプレッサと同軸上にロータシャフトにより結合されて、排気ガスにて回転駆動される該ターボチャージャー８のタービンホイールを有するタービンが設けられている。該ターボチャージャー８の空気通路７にはエンジンの吸入空気の吸気圧力、つまり、ブースト圧を検出する圧力センサ９をホース１０を介して接続している。また、ターボチャージャー８のタービン内には、タービンホイールを取巻くように、可変ノズル部材が配置されている。可変ノズル部材には、ノズル内を流れる流体の流量を制御するために、開閉するベーンが備えられている。可変ノズル制御装置は、このベーンの開閉を制御するものである。

１１はエンジンＥＣＵであって、エンジンに設けられた各種センサ、例えばエンジン水温を検出するための水温センサ、エンジンの回転数を検出するためのものであって、一定のクランク角度毎にパルス信号を出力する回転数センサ、エアフローメーターによる吸入空気量やドライバーのアクセルペダルの踏込み操作量を検出して負荷量を算出するアクセルセンサから、それぞれ水温信号、回転信号及び負荷信号の検出出力を導入する。なお、図１には示していないが、その他、排気ガスの酸素濃度に応じて異なる電圧信号を出力する酸素センサ、エンジン燃焼室内の圧力を検出するための筒内圧センサを備えることもある。

電子制御アクチュエータ１３は、制御信号線を介してエンジンＥＣＵ１１に接続されている。エンジンＥＣＵ１１は、検出出力に基づいてエンジンの運転状態を識別して、制御信号線を介して、電子制御アクチュエータ１３を駆動制御する。電子制御アクチュエータ1３は、レバー１９及びロッド２０を連結しており、その動作により、ターボチャージャー８に備えたベーンの開閉を制御するために、各ベーンに連結されたベーン操作片２１の動作を制御する。

なお、電子制御アクチュエータ１３は、例えば、ターボチャージャー８に取付けられる。また、電子制御アクチュエータ１３の構成を図１、図２を参照して説明するに際して、電子制御アクチュエータ１３が普通に有する公知の機能・構成については、本発明の説明に直接関わりがない限り、その説明及び構成の図示を省略する。

次に、図２を参照して、図１に示す電子制御アクチュエータ１３の詳細な構成を説明する。図２は、図１に示す電子制御アクチュエータ１３の詳細な構成を示すブロック図である。図２において、１３０は、電子制御アクチュエータ１３の動作を統括して制御するマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）である。１４は、マイコン１３０から出力する駆動信号に基づいて、ステッピングモータ（以下、モータという）１５を駆動するモータドライバである。モータ１５は、モータドライバ１４から出力する信号に基づいて回転角度が制御されるステッピングモータ（以下、モータという）である。１６は、モータ１５の回転軸に接続され、モータの回転軸を減速するギヤである。１７は、ギヤ１６によって減速された出力軸である。１８は、出力軸１７の回転角度を検出して出力する角度センサである。角度センサ１８の出力は、マイコン１３０へ入力する。２２は、自動車に搭載されているバッテリであり、マイコン１３０を動作させるための電力を供給するとともに、モータ１５を駆動するための電力を供給する。

１３１は、エンジンＥＣＵ１１から出力されるベーンの目標位置（開度）信号を入力し、この目標位置信号をマイコン１３０内で扱う角度信号に変換して出力する角度信号変換部である。１３２は、角度信号変換部１３１が出力する目標位置の角度信号と、角度センサ１８が出力する角度信号（現在のベーンの角度（開度））とを比較して、比較結果信号を出力する角度信号比較部である。１３３は、角度信号比較部１３２が出力する比較結果信号を入力して、モータに与えるべき信号のデューティ比を演算によって求めて出力するモータ駆動Ｄｕｔｙ演算部である。１３４は、モータ駆動Ｄｕｔｙ演算部１３３が出力するデューティ比の信号を入力して、モータに与えるべきロジック信号を求めて出力するモータ駆動ロジック生成部である。１３５は、角度センサ１８が出力する角度信号をエンジンＥＣＵ１１へ送信するための通信信号に変換して出力する通信信号変換部である。通信信号変換部１３５が出力する角度の情報が現在のベーンの実位置情報となる。

１３６は、バッテリ２２の状態を監視・管理するバッテリ電圧検出部であり、バッテリ電圧を検出して出力する。１３７は、モータ１５に供給する電流を補正するために、バッテリ２２の基準電圧値（例えば、２４Ｖ）が予め記憶されている。１３８は、バッテリ電圧検出部１３６から出力されるバッテリ電圧値（検出値）と、基準電圧記憶部１３７に記憶されている基準電圧値に基づいて、モータ駆動Ｄｕｔｙ演算部１３３が求めた電流値（Ｄｕｔｙ値）を補正するための補正値を求める電圧補正演算部である。１３９は、電圧補正演算部１３８により、補正値を求めることができない場合の補正値が予め記憶された補正マップ記憶部である。

ここで、図４を参照して、図２に示す補正マップ記憶部１３９のテーブル構造を説明する。図４は、図２に示す補正マップ記憶部１３９のテーブル構造を示す図である。補正マップ記憶部１３９は、入力Ｄｕｔｙ値と電圧値の２次元テーブルになっており、入力Ｄｕｔｙ値と電圧値を特定すると、補正値を得ることができる構造になっている。例えば、入力Ｄｕｔｙ値が「１．０００」で電圧値が「１２」である場合の補正値は「３．０００」である。入力Ｄｕｔｙ値については、最大値が３．５００になっているが、これは、入力Ｄｕｔｙ値が小さい値であるとき（入力Ｄｕｔｙ値が３．５以下であるとき）のみに補正を行うことを意味している。これは、基準電圧と検出電圧とにより演算によって補正値を求めた場合、入力Ｄｕｔｙ値が３．５以下であるときに適正な補正値を得ることができないという問題を解決するためである。

次に、図２を参照して、図２に示す電子制御アクチュエータ１３の基本動作を説明する。エンジンＥＣＵ１１から目標位置信号が出力されると、角度信号変換部１３１は、目標位置信号をマイコン１３０内で扱う角度信号に変換して出力する。角度信号比較部１３２は、角度信号変換部１３１が出力する目標位置の角度信号と、角度センサ１８が出力する角度信号（現在のベーンの角度）とを比較して、現在のベーンの角度を目標位置にするべくモータ駆動のデューティを演算によって求めて出力する。これを受けて、モータ駆動ロジック生成部１３４は、モータ駆動Ｄｕｔｙ演算部１３３が出力するデューティの信号を入力して、モータドライバ１４に与えるべきロジック信号（モータ駆動信号）を求めて出力する。

モータドライバ１４は、モータ駆動ロジック生成部１３４から出力されるモータ駆動信号に基づいてモータ１５を駆動する。モータの回転軸は、ギヤ１６によって減速されて、出力軸１７に伝達する。出力軸１７の回転運動は、レバー１９、ロッド２０を介して、ベーン操作片２１へ伝達する。ベーン操作片２１が、出力軸１７と連動して動作することにより、ノズルベーンの開閉制御動作が行われることになる。一方、角度センサ１８が検出した出力軸１７の回転角度の情報は、通信信号変換部１３５を経由して、エンジンＥＣＵ１１へ通知される。エンジンＥＣＵ１１は、この出力軸の回転角度（ノズルベーンの開度）情報を参照して、ターボチャージャー８の動作の制御を行う。

このように、角度センサ１８により可変ノズルのベーンに連結された出力軸１７の回転角度を検出して出力軸１７の実角度信号を出力し、角度信号変換部１３１によりエンジンＥＣＵ１１からの可変ノズルのベーンの開度指示（目標位置信号）を出力軸１７の目標角度信号に変換し、この両信号を比較して該両信号の差に応じて、出力軸１７の回転角度を制御することにより、可変ノズルのベーンが目標位置になるように制御されることになる。

次に、図３を参照して、図２に示すマイコン１３０がモータ１５に供給するべき電流値（Ｄｕｔｙ値）を補正する動作を説明する。まず、バッテリ電圧検出部１３６は、常にバッテリ２２の電圧を検出し、この検出値を電圧補正演算部１３８へ出力する。電圧補正演算部１３８は、基準電圧記憶部１３７に記憶されている基準電圧を読み出し、バッテリ電圧検出部１３６から出力される検出電圧値から補正値（基準電圧値／検出電圧値）を演算によって求めて、常にモータ駆動Ｄｕｔｙ演算部１３３に対して、求めた補正値を出力する。

一方、モータ駆動Ｄｕｔｙ演算部１３３は、角度信号比較部１３２から出力される偏差情報に基づいて、モータ１５に対して供給するべきＤｕｔｙ値を演算によって求める（ステップＳ１）。そして、モータ駆動Ｄｕｔｙ演算部１３３は、求めたＤｕｔｙ値が「３．５」より大きい値であるか否かを判定する（ステップＳ２）。この判定の結果、求めたＤｕｔｙ値が「３．５」より大きい値である場合、モータ駆動Ｄｕｔｙ演算部１３３は、求めたＤｕｔｙ値に対して、電圧補正演算部１３８から出力される補正値（基準電圧値を検出電圧値で除算した値）を乗算して、Ｄｕｔｙ値の補正を行う（ステップＳ３）。そして、モータ駆動Ｄｕｔｙ演算部１３３は、補正したＤｕｔｙ値をモータ駆動ロジック生成部１３４へ出力する。これにより、電圧変動に基づく補正が行われたＤｕｔｙ値によってモータ１５に対して電流が供給されることになる。

一方、求めたＤｕｔｙ値が「３．５」より大きい値でない（３．５以下である）場合、モータ駆動Ｄｕｔｙ演算部１３３は、補正マップ記憶部１３９に記憶されている補正マップを参照して、直接補正を行ったＤｕｔｙ値を求める（ステップＳ４）。例えば、バッテリ電圧検出部１３６において検出された電圧値が「１２」であり、求めたＤｕｔｙ値が「２．０００」である場合、補正マップを参照すると、「５．６２５」の値が得られる。モータ駆動Ｄｕｔｙ演算部１３３は、この値をモータ駆動ロジック生成部１３４へ出力する。これにより、電圧変動に基づく補正が行われたＤｕｔｙ値によってモータ１５に対して電流が供給されることになる。

このように、入力Ｄｕｔｙが低い場合に、予め記憶された入力Ｄｕｔｙ値−電圧値マップを参照して、出力Ｄｕｔｙ値を補正するようにしたため、異なったバッテリ電圧条件下において使用した場合でも、所望の出力Ｄｕｔｙ値を得ることができ、応答性を悪化させることなく可変ノズルのベーン開度を制御することができる。

なお、図２に示すマイコン１３０の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより可変ノズル制御処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

１１・・・エンジンＥＣＵ、１３・・・電子制御アクチュエータ、１３０・・・マイクロコンピュータ（マイコン）、１３１・・・角度信号変換部、１３２・・・角度信号比較部、１３３・・・モータ駆動Ｄｕｔｙ演算部、１３４・・・モータ駆動ロジック生成部、１３５・・・通信信号変換部、１３６・・・バッテリ電圧検出部、１３７・・・基準電圧記憶部、１３８・・・電圧補正演算部、１３９・・・補正マップ記憶部、１４・・・モータドライバ、１５・・・モータ、１６・・・ギヤ、１７・・・出力軸、１８・・・角度センサ、１９・・・レバー、２０・・・ロッド、２１・・・ベーン操作片、２２・・・バッテリ

Claims (2)

1. 可変ノズルを持つターボチャージャーを備えたエンジンの駆動を制御するエンジン制御装置からの制御信号に基づいてモータの回転軸の回転角度を制御することにより前記可変ノズルのベーンの開度を制御する電子制御アクチュエータを備えたターボチャージャーの可変ノズル制御装置であって、
   前記モータの回転角度を制御するための電流値を演算によって求める駆動電流値演算手段と、
   電流値及び電圧値に対して、出力するべき電流値が予め関係付けられた補正マップを記憶する補正マップ記憶手段と、
   前記駆動電流値演算手段により求めた電流値が予め決められた値以下である場合に、前記補正マップ記憶手段に記憶されている出力するべき電流値に補正して前記モータに対して供給する供給電流値補正手段と
   を備えたことを特徴とするターボチャージャーの可変ノズル制御装置。
2. 可変ノズルを持つターボチャージャーを備えたエンジンの駆動を制御するエンジン制御装置からの制御信号に基づいてモータの回転軸の回転角度を制御することにより前記可変ノズルのベーンの開度を制御するために、電流値及び電圧値に対して、出力するべき電流値が予め関係付けられた補正マップを記憶する補正マップ記憶手段を有する電子制御アクチュエータを備えたターボチャージャーの可変ノズル制御装置上で動作する可変ノズル制御プログラムであって、
   前記モータの回転角度を制御するための電流値を演算によって求める駆動電流値演算ステップと、
   前記駆動電流値演算ステップにより求めた電流値が予め決められた値以下である場合に、前記補正マップ記憶手段に記憶されている出力するべき電流値に補正して前記モータに対して供給する供給電流値補正ステップと
   をコンピュータに行わせることを特徴とする可変ノズル制御プログラム。

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