JP5994487B2 - 内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
なお、ターボ過給機を備えた内燃機関を非常に高負荷・高回転で運転すると、ターボ過給機のタービンインペラの寿命が短くなる場合がある。内燃機関を非常に高負荷・高回転で運転した場合に発生するタービンインペラの前後の大きな圧力差と、内燃機関の爆発工程毎に発生する排気の脈動と、によってタービンインペラの前後に応力が発生するためである。所定応力以上の応力を長時間受け続けるとタービンインペラの寿命が短くなる場合がある。
これを回避するためには、タービンインペラの前後の圧力比(タービン前圧力/タービン後圧力)が所定圧力比以下となるように制御すればよいことが知られている。
ここで、特許文献1に記載の従来技術では、タービンの上流側と下流側のそれぞれに圧力センサを設けており、タービンの上流側の圧力である実上流側排気圧を用いて目標前後排気圧力比を求めている。また、EGRをOFF状態からON状態にすると、可変ノズルの開度は瞬時に変化するが、EGR量と実上流側排気圧はやや遅れて変化する。特許文献1に記載の従来技術では、この応答遅れによって、タービン前後の排気圧力比が短時間だけ許容値を超える可能性があり、タービンインペラの保護制御としては十分ではない。
また、特許文献1に記載の従来技術では、前後排気圧力比(実上流側排気圧/実下流側排気圧)を実際に求めて目標前後排気圧力比との偏差に応じた制御を行っており、実下流側排気圧が必要であるため、タービン下流側に圧力センサを必要としている。またタービン上流側に温度センサも必要としている。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、より応答性良く適切にタービンインペラの前後の圧力比を所望する圧力比に制御可能であり、検出手段(センサ)の数をより低減することができる内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置を提供することを課題とする。
まず、本発明の第1の発明は、タービンインペラへの排気ガスの流速を制御可能な可変ノズルを有するターボ過給機を備え、前記タービンインペラの上流側及び下流側に圧力センサを有しない内燃機関の制御方法であって、前記可変ノズルの開度量は、100%である場合に前記可変ノズルが全閉状態であることを示し、0%である場合に前記可変ノズルが全開状態であることを示しており、前記内燃機関が吸入した吸入空気の流量である吸入空気流量と、前記内燃機関への燃料の噴射量と、前記内燃機関の回転数である内燃機関回転数と、大気圧と、予め記憶された前記タービンインペラの下流側の圧力に対する前記タービンインペラの上流側の圧力の比に応じたタービン流量が、前記可変ノズルの開度量に応じて設定された、圧力比・タービン流量特性と、を用いて、前記噴射量と前記内燃機関回転数とに基づいて燃料流量を算出する燃料流量算出ステップと、前記タービンインペラの上流側の圧力である上流側圧力を、前記吸入空気流量と前記燃料流量と前記大気圧とに基づいて算出する上流側圧力算出ステップと、前記タービンインペラの上流側の温度である上流側温度を、前記噴射量と前記吸入空気流量と前記燃料流量とに基づいて算出する上流側温度算出ステップと、前記タービン流量を、前記燃料流量と前記吸入空気流量と前記上流側圧力と前記上流側温度とに基づいて算出するタービン流量算出ステップと、前記タービン流量と、前記圧力比・タービン流量特性とに基づいて、前記タービンインペラの下流側の圧力に対する上流側の圧力の比が、所定比以下となるように、前記可変ノズルの開度量の上限閾値を算出する開度制限量算出ステップと、前記上限閾値以下の開度となるように前記可変ノズルの開度を制御する可変ノズル開度制限ステップと、を有する、内燃機関の制御方法である。
また、タービンインペラの上流側に圧力検出手段は不要であり、タービンインペラの下流側にも圧力検出手段は不要である。またタービンインペラの上流側の温度検出手段も不要である。従って、検出手段(センサ)の数をより低減することができる。
そして前記制御手段は、吸入空気量検出手段からの検出信号に基づいて前記内燃機関が吸入した吸入空気の流量である吸入空気流量を検出し、前記内燃機関に燃料を噴射するインジェクタへの噴射指令信号に基づいて前記内燃機関への燃料の噴射量を検出し、内燃機関回転数検出手段からの検出信号に基づいて前記内燃機関の回転数である内燃機関回転数を検出し、大気圧検出手段からの検出信号に基づいて大気圧を検出する。
また、制御手段は、前記噴射量と前記内燃機関回転数とに基づいて燃料流量を算出し、前記タービンインペラの上流側の圧力である上流側圧力を、前記吸入空気流量と前記燃料流量と前記大気圧とに基づいて算出し、前記タービンインペラの上流側の温度である上流側温度を、前記噴射量と前記吸入空気流量と前記燃料流量とに基づいて算出し、前記タービン流量を、前記燃料流量と前記吸入空気流量と前記上流側圧力と前記上流側温度とに基づいて算出し、前記タービン流量と、前記圧力比・タービン流量特性とに基づいて、前記タービンインペラの下流側の圧力に対する上流側の圧力の比が、所定比以下となるように、前記可変ノズルの開度量の上限閾値を算出し、前記開度調整手段を用いて前記上限閾値以下の開度となるように前記可変ノズルの開度を調整する。
また、タービンインペラの上流側に圧力検出手段は不要であり、タービンインペラの下流側にも圧力検出手段は不要である。またタービンインペラの上流側の温度検出手段も不要である。従って、検出手段(センサ)の数をより低減することができる。
●[制御対象の内燃機関の概略構成(図1)]
まず図1を用いて、制御対象の内燃機関の概略構成について説明する。本実施の形態の説明では、内燃機関の例として、エンジン10(例えばディーゼルエンジン)を用いて説明する。
エンジン10には、エンジン10の各気筒45A〜45Dへの吸入空気を導入する吸気管11が接続されている。またエンジン10には、各気筒45A〜45Dからの排気が吐出される排気管12が接続されている。
吸気管11には過給圧検出手段24が設けられており、制御手段51は、過給圧検出手段24からの検出信号に基づいて吸入空気の過給圧を検出可能である。
またエンジン10には、内燃機関の回転数(例えばクランク軸の回転数)や回転角度(例えば各気筒の圧縮上死点タイミング)等を検出可能な回転検出手段22が設けられており、制御手段51は、回転検出手段22からの検出信号に基づいてエンジン10の回転数や回転角度等を検出することが可能である。
インジェクタ43A〜43Dは、各気筒45A〜45Dに対応させて設けられており、制御手段51からの制御信号によって各気筒内に所定のタイミングで所定量の燃料を噴射する。
そして制御手段51は、各種の検出手段等からの検出信号を取り込み、エンジン10の運転状態を検出し、インジェクタ43A〜43Dを駆動する制御信号を出力する。また制御手段51は、自身がインジェクタ43A〜43Dに出力した制御信号(噴射指令信号)によって、各気筒45A〜45Dに供給した燃料量を検出することが可能である。
制御手段51は、開度調整手段52を介して駆動手段31に制御信号を出力して可変ノズル33の開度を調整可能であり、開度検出手段32からの検出信号に基づいて可変ノズル33の開度を検出することが可能である。
またコンプレッサ35には、吸気通路11Aと吸気管11が接続されている。そしてコンプレッサ35は、吸気通路11Aから吸入空気を吸入してコンプレッサインペラ35Aにて圧縮し、圧縮した吸入空気を吸気管11に吐出することで過給する。
また吸気通路11Aには吸入空気の流量を検出可能な流量検出手段21が設けられている。制御手段51は、流量検出手段21からの検出信号に基づいて、内燃機関10が吸入した吸入空気の流量である吸入空気流量を検出することが可能である。
またタービン36には、排気通路12Aと排気管12が接続されている。排気管12からの高温高圧の排気ガスは、タービン36に導入されてタービンインペラ36A(及びコンプレッサインペラ35A)を回転駆動して排気通路12Aへと吐出される。
また排気管12と吸気管11とは、EGR通路13により連通され、EGR通路に配設されたEGR弁14を制御手段51により制御することにより、排気管12内の排気を吸気管11に還流させることが可能である。
また制御手段51は、自身等に設けられた大気圧検出手段23からの検出信号に基づいて大気圧を検出することが可能である。
そして制御装置50は、少なくとも、制御手段51、開度調整手段52、後述する記憶手段53を有している。
内燃機関を非常に高負荷・高回転で運転すると、タービンインペラ36Aの前後に大きな圧力差が発生する。また、内燃機関の爆発工程毎には排気の脈動が発生する。この圧力差と排気脈動によって、タービンインペラ36Aの前後に応力が発生し、所定応力以上の応力を長時間受け続けるとタービンインペラ36Aの寿命が短くなる場合がある。
これを回避するために、図2に示す制御ブロック図、及び図3に示すフローチャートの処理によって、タービンインペラ36Aの前後の圧力比(タービン前圧力/タービン後圧力)が所定圧力比以下となるように可変ノズル33の開度を制御する。
なお、図2における制御ブロック51Zは、可変ノズル33の仮開度を算出する既存の制御ブロックである。本発明の内燃機関の制御方法は、可変ノズル33の開度を算出する既存の制御ブロック51Zに、図2に示す制御ブロック51αを追加することで、可変ノズル33の開度の上限閾値を設定し、タービンインペラ36Aの前後の圧力比(タービン前圧力/タービン後圧力)が所定圧力比以下となるように可変ノズル33の開度を適切に制御するものである。
ステップS10にて、制御手段51は、回転検出手段22からの検出信号に基づいて内燃機関回転数を検出し、インジェクタ43A〜43Dへの制御信号(噴射指令信号)に基づいて内燃機関への燃料の噴射量を検出し、流量検出手段21からの検出信号に基づいて内燃機関が吸入した空気の流量である吸入空気流量を検出する。また、制御手段51は、大気圧検出手段23からの検出信号に基づいて大気圧を検出し、比重検出手段からの検出信号に基づいて燃料比重を検出または予め設定された燃料比重の値を読み出し、過給圧検出手段24からの検出信号に基づいて過給圧を検出し、ステップS11に進む。
なお、燃料比重は内燃機関の運転状態に応じて変化するものではなく、ほぼ一定の値であると考えられるので、所定燃料比重係数として扱うようにしてもよい。燃料比重を変数でなく所定燃料比重係数として扱う場合は、燃料比重を必要とする制御ブロックへ変数として入力する必要がないので、燃料比重を必要とする制御ブロックが予め燃料比重に相当する所定燃料比重係数を有していればよい。すなわち、燃料比重の入力を省略してもよい。
なおステップS11は燃料流量算出ステップに相当する。
ステップS12は、図2における制御ブロック51Cの処理であり、制御手段51は、吸入空気流量と燃料流量Gfと大気圧に基づいてタービンインペラ36Aの上流側の圧力である上流側圧力P4[kPa]を算出し、ステップS13に進む。
なおステップS12は上流側圧力算出ステップに相当する。
ステップS13は、図2における制御ブロック51Dの処理であり、制御手段51は、吸入空気流量と燃料流量Gfと噴射量と燃料比重(燃料比重は省略可)と過給圧(過給圧は省略可)に基づいてタービンインペラ36Aの上流側の温度である上流側温度T4[℃]を算出し、ステップS14に進む。
なおステップS13は上流側温度算出ステップに相当する。
ステップS15は、図2における制御ブロック51Eの処理であり、制御手段51は、排ガス流量G4と上流側圧力P4と上流側温度T4に基づいてタービン流量Q4[cm2/s]を算出し、ステップS16に進む。
なおステップS14及びステップS15はタービン流量算出ステップに相当する。
なおステップS16は開度制限量算出ステップに相当する。
また図4に圧力比・タービン流量特性の例を示す。記憶手段53には、圧力比・タービン流量特性が予め記憶されている。図4に示すグラフにおいて、横軸は圧力比(タービンインペラ上流側圧力(P4)/タービンインペラ下流側圧力(P6))に設定されており、縦軸はタービン流量(Q4)に設定されている。またグラフK1〜K5のそれぞれは、可変ノズル33の開度がそれぞれ100%(全閉状態)、75%、50%、25%、0%(全開状態)の場合の特性を示している。
図4に示す圧力比・タービン流量特性を用いた場合、例えば圧力比を3.00以下にすることを所望し、ステップS15にて算出したタービン流量がq1であった場合、可変ノズル33の開度を75%以下にすれば圧力比は3.00以下となることがわかる。従って、圧力比を3.00以下にすることを所望し、且つタービン流量がq1である場合、上限閾値は75%である、と算出する。
ステップS18では、制御手段51は、上限閾値以下の開度となるように選択された最終開度となるように開度調整手段52を介して駆動手段31に制御信号を出力し、可変ノズル33の開度が最終開度となるように制御する。
なおステップS17及びステップS18は可変ノズル開度制限ステップに相当する。
また以上の説明では、上流側温度T4をステップS13にて算出したが、タービンインペラ36Aの上流側の温度を検出可能な温度検出手段を設け、ステップS13にて上流側温度T4を算出する代わりに、温度検出手段からの検出信号に基づいて上流側温度T4を直接的に求めるようにしてもよい。
次に図5、図6を用いて、本実施の形態にて説明した内燃機関の制御方法による効果の例について説明する。
図5(A)は、従来の制御方法を用いた内燃機関にて、所定の運転モードにて内燃機関を運転した場合における、時間に対する圧力比(P4/P6=タービン上流側圧力/タービン下流側圧力)の変化を示すグラフGA1と、時間に対する可変ノズルの開度の変化を示すグラフGA2である。
また図5(B)は、本実施の形態にて説明した制御方法にて、同一の運転モードにて内燃機関を運転した場合における、時間に対する圧力比(P4/P6=タービン上流側圧力/タービン下流側圧力)の変化を示すグラフGB1と、時間に対する可変ノズルの開度の変化を示すグラフGB2である。
なお、どちらも、圧力比(P4/P6)が、Dmax以下(直線L1以下)となるように設定して実験している。また、可変ノズルの開度を示す縦軸は、上が全閉(100%)を示し、下が全開(0%)を示している。
従来の制御方法である図5(A)におけるグラフGA2において、AB領域において可変ノズルの開度をもう少し開く側に制御すれば、グラフGA1におけるAA領域をDmax以下に抑えることができるはずであるが、応答速度が遅いため、期待する開度には制御されていない。
これに対して本実施の形態の制御方法である図5(B)におけるグラフGB1では、BA領域において圧力比(P4/P6)が確実にDmax以下となるように抑えられていることがわかる。
本実施の形態の制御方法である図5(B)におけるグラフGB2を見ても、領域BBにおいて可変ノズルの開度が、図5(A)におけるグラフGA2のAB領域の開度よりも開く側に制御されている。なお図5(B)におけるグラフGB3は、ステップS16(制御ブロック51F)にて求めた可変ノズルの上限閾値を示している。
このように、本実施の形態の制御方法は、従来の制御方法よりも応答性が大きく向上しているので、所望する圧力比(P4/P6)となるように迅速に可変ノズルの開度を適切な開度に制御できていることがわかる。
また図6(B)は、同一の運転モードにて内燃機関を運転した場合における、時間に対する内燃機関への燃料の噴射量の変化を示すグラフGB(本実施の形態)、HB(従来)である。
また図6(C)は、同一の運転モードにて内燃機関を運転した場合における、時間に対する過給圧の変化を示すグラフGC(本実施の形態)、HC(従来)である。
図6(A)及び(B)に示すように、内燃機関回転数と燃料の噴射量とは、本実施の形態と従来との間でほとんど差が無く、走行性能としては同等である、といえる。
しかし、図6(C)に示す領域CAでは、従来の制御方法であるグラフHCではピークが突出しており、過給圧のオーバーシュートが発生している。近年では吸気管11が樹脂等で形成されている場合が多く、過給圧の上限値が設定されている。従って、過給圧のオーバーシュートがこの上限値を超えないように制御する必要がある。つまり、本実施の形態の制御方法は、従来と同じ走行性能を実現しつつ過給圧のオーバーシュートをより低減することができるので、適合限界をより上昇させることが可能であり、より好ましい制御方法であることがわかる。
また本実施の形態にて説明した内燃機関の制御方法では、タービン上流の圧力検出手段、タービン下流の圧力検出手段、タービン上流の温度検出手段、を省略することができるので、検出手段の数をより低減してより低コストで実現することができる。
図1に示すように、制御装置50は、タービンインペラへの排気ガスの流速を制御可能な可変ノズルを有するターボ過給機を備えた内燃機関を制御対象とする。
また制御装置50は、可変ノズルの開度を調整可能な開度調整手段52と、タービンインペラ36Aの下流側の圧力に対するタービンインペラ36Aの上流側の圧力の比に応じたタービン流量が可変ノズルの開度量に応じて設定された圧力比・タービン流量特性(図4参照)が記憶されている記憶手段53と、制御手段51と、を備えている。
制御手段51は、図3に示すように、流量検出手段21(吸入空気量検出手段に相当)からの検出信号に基づいて内燃機関が吸入した吸入空気の流量である吸入空気流量を検出し、内燃機関に燃料を噴射するインジェクタへの噴射指令信号に基づいて内燃機関への燃料の噴射量を検出し、回転検出手段22(内燃機関回転数検出手段に相当)からの検出信号に基づいて内燃機関の回転数である内燃機関回転数を検出し、大気圧検出手段23からの検出信号に基づいて大気圧を検出する。
そして制御手段51は、図2及び図3に示すように、噴射量と内燃機関回転数とに基づいて燃料量である燃料流量を算出し、吸入空気流量と燃料流量と大気圧とに基づいてタービンインペラの上流側の圧力である上流側圧力を算出し、噴射量と吸入空気流量と燃料流量とに基づいてタービンインペラの上流側の温度である上流側温度を算出する。
また制御手段51は、燃料流量と吸入空気流量と上流側圧力と上流側温度とに基づいてタービン流量を算出し、タービン流量と、圧力比・タービン流量特性とに基づいて、タービンインペラの下流側の圧力に対する上流側の圧力の比が、所定比以下となるように、可変ノズルの開度量の上限閾値を算出し、開度調整手段52を用いて上限閾値以下の開度となるように可変ノズル33の開度を調整する。
また、本発明の内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置を適用する対象制御システムは、図1の例に示すものに限定されず、可変ノズルを有するターボ過給機を備えた、種々の内燃機関に適用することが可能である。
また、以上(≧)、以下(≦)、より大きい(>)、未満(<)等は、等号を含んでも含まなくてもよい。
また、本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
11 吸気管
12 排気管
21 流量検出手段
22 回転検出手段
23 大気圧検出手段
24 過給圧検出手段
30 ターボ過給機
31 駆動手段
32 開度検出手段
33 可変ノズル
35 コンプレッサ
35A コンプレッサインペラ
36 タービン
36A タービンインペラ
41 コモンレール
43A〜43D インジェクタ
45A〜45D 気筒
50 制御装置
51 制御手段
52 開度調整手段
53 記憶手段
Claims (2)
- タービンインペラへの排気ガスの流速を制御可能な可変ノズルを有するターボ過給機を備え、前記タービンインペラの上流側及び下流側に圧力センサを有しない内燃機関の制御方法であって、
前記可変ノズルの開度量は、100%である場合に前記可変ノズルが全閉状態であることを示し、0%である場合に前記可変ノズルが全開状態であることを示しており、
前記内燃機関が吸入した吸入空気の流量である吸入空気流量と、
前記内燃機関への燃料の噴射量と、
前記内燃機関の回転数である内燃機関回転数と、
大気圧と、
予め記憶された前記タービンインペラの下流側の圧力に対する前記タービンインペラの上流側の圧力の比に応じたタービン流量が、前記可変ノズルの開度量に応じて設定された、圧力比・タービン流量特性と、を用いて、
前記噴射量と前記内燃機関回転数とに基づいて燃料流量を算出する燃料流量算出ステップと、
前記タービンインペラの上流側の圧力である上流側圧力を、前記吸入空気流量と前記燃料流量と前記大気圧とに基づいて算出する上流側圧力算出ステップと、
前記タービンインペラの上流側の温度である上流側温度を、前記噴射量と前記吸入空気流量と前記燃料流量とに基づいて算出する上流側温度算出ステップと、
前記タービン流量を、前記燃料流量と前記吸入空気流量と前記上流側圧力と前記上流側温度とに基づいて算出するタービン流量算出ステップと、
前記タービン流量と、前記圧力比・タービン流量特性とに基づいて、前記タービンインペラの下流側の圧力に対する上流側の圧力の比が、所定比以下となるように、前記可変ノズルの開度量の上限閾値を算出する開度制限量算出ステップと、
前記上限閾値以下の開度となるように前記可変ノズルの開度を制御する可変ノズル開度制限ステップと、を有する、
内燃機関の制御方法。 - タービンインペラへの排気ガスの流速を制御可能な可変ノズルを有するターボ過給機を備え、前記タービンインペラの上流側及び下流側に圧力センサを有しない内燃機関の制御装置であって、
前記可変ノズルの開度量は、100%である場合に前記可変ノズルが全閉状態であることを示し、0%である場合に前記可変ノズルが全開状態であることを示しており、
前記可変ノズルの開度を調整可能な開度調整手段と、
前記タービンインペラの下流側の圧力に対する前記タービンインペラの上流側の圧力の比に応じたタービン流量が前記可変ノズルの開度量に応じて設定された圧力比・タービン流量特性が記憶されている記憶手段と、
制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
吸入空気量検出手段からの検出信号に基づいて前記内燃機関が吸入した吸入空気の流量である吸入空気流量を検出し、
前記内燃機関に燃料を噴射するインジェクタへの噴射指令信号に基づいて前記内燃機関への燃料の噴射量を検出し、
内燃機関回転数検出手段からの検出信号に基づいて前記内燃機関の回転数である内燃機関回転数を検出し、
大気圧検出手段からの検出信号に基づいて大気圧を検出し、
前記噴射量と前記内燃機関回転数とに基づいて燃料流量を算出し、
前記タービンインペラの上流側の圧力である上流側圧力を、前記吸入空気流量と前記燃料流量と前記大気圧とに基づいて算出し、
前記タービンインペラの上流側の温度である上流側温度を、前記噴射量と前記吸入空気流量と前記燃料流量とに基づいて算出し、
前記タービン流量を、前記燃料流量と前記吸入空気流量と前記上流側圧力と前記上流側温度とに基づいて算出し、
前記タービン流量と、前記圧力比・タービン流量特性とに基づいて、前記タービンインペラの下流側の圧力に対する上流側の圧力の比が、所定比以下となるように、前記可変ノズルの開度量の上限閾値を算出し、
前記開度調整手段を用いて前記上限閾値以下の開度となるように前記可変ノズルの開度を調整する、
内燃機関の制御装置。
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