JP6465359B2 - ターボ過給機付きエンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ過給機付きエンジンの制御装置に関し、特に、コンプレッサ及びタービンによって構成されるターボ過給機付きエンジンを制御するための制御装置に関する。

従来から、エンジン等の内燃機関において、エンジンに対する吸気効率を向上させるためにターボ過給機を用いた装置が知られている。ターボ過給機は、エンジンの排気側に設けられたタービンと、タービンに直結されておりエンジンの吸気側に設けられたコンプレッサとを備えている。そして、エンジンの排気によってタービンを駆動させて、タービンの駆動力によって吸気側のコンプレッサを駆動させることにより、吸気系統の気圧を高め、エンジンへの吸気量を増大させている。

ここで、エンジン排気側のタービンによってコンプレッサを駆動すると、コンプレッサは、コンプレッサに流入した空気を断熱圧縮し、エンジンに向けて流している。そして、コンプレッサ内で空気を断熱圧縮すると、その仕事量に応じてコンプレッサ自体が発熱する。そして、一般的に、コンプレッサの圧縮空気の吐出部には、樹脂部品のように比較的、耐熱温度が低い部品が使用されるため、これら樹脂部品を保護するためには、断熱圧縮時に発生する熱を適切に制御することが求められている。そして、断熱圧縮時に発生する熱を制御する技術としては、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。

特開平６−１５９０８１号

特許文献１では、コンプレッサと、コンプレッサから排出された高温空気を冷却するためのインタークーラとの間に温度センサを設け、温度センサの検出値を用いてコンプレッサから排出される高温空気の温度をフィードバック制御している。

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、温度の制御性が十分でなく、結果として比較的耐熱温度が低い特定部品について、熱疲労が蓄積され、耐久性が悪化してしまう、という問題があった。即ち、温度センサの検出値に基づいてコンプレッサから排出される空気の温度をフィードバック制御する場合、温度センサの応答性に大きく依存する。これに対して、温度センサの応答性は、リアルタイムにコンプレッサの排気側の空気の温度を検出できるほど迅速ではなく、実際に空気の温度が変化してから、その変化を検出できるまでにタイムラグが生じる。従って、実際にコンプレッサの排気側の空気温度が上昇してから、それを温度センサで検出しコンプレッサから排気される空気の温度を制御するまでの間には、排気の温度が特定部品の耐熱温度を上回ってしまう。これにより、比較的耐熱温度が低い特定部品の熱疲労が徐々に蓄積され、耐久性が悪化する。

そこで本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、ターボ過給機を構成する部品について、熱疲労による耐久性の悪化を低減することができるターボ過給機付きエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明は、コンプレッサ及びタービンによって構成されるターボ過給機付きエンジンを制御するための制御装置であって、前記コンプレッサが前記タービンによって作動された際の当該コンプレッサによる断熱圧縮仕事によって生じるコンプレッサ排気の温度上昇量と、前記コンプレッサによる圧縮仕事以外の仕事によるコンプレッサ排気の温度上昇量とに基づいて当該コンプレッサによる過給圧制限値を算出し、前記過給圧制限値を上限圧力値として、前記ターボ過給機のコンプレッサの過給圧を制御し、前記コンプレッサによる過給圧制限値は、前記コンプレッサによる圧縮仕事以外の仕事によるコンプレッサ排気の温度上昇量と、前記コンプレッサの上流側の圧力と、前記コンプレッサに導入される吸気の比熱比に基づいて決定される。

このように構成された本発明によれば、コンプレッサによって流入空気を圧縮した際の断熱圧縮仕事によるコンプレッサ排気の温度上昇量と、コンプレッサによる断熱圧縮仕事以外の仕事によるコンプレッサ排気の温度上昇量とを考慮して、コンプレッサの過給圧を制御することができる。ここで、コンプレッサによる圧縮仕事以外の仕事とは、圧縮仕事には寄与せずに、単に熱量として放出されコンプレッサ排気を加熱する仕事である。そして、本発明によれば、流入空気を断熱圧縮することによるコンプレッサ排気の温度の上昇量に加え、断熱圧縮以外の仕事によるコンプレッサ排気の温度の上昇量を加味して、コンプレッサの過給圧の制限値を算出することができる。これにより、温度センサの応答性に依存した制御を行うことなく、熱疲労による耐久性の悪化を低減することができる。

また、上述した課題を解決するために、本発明は、コンプレッサ及びタービンによって構成されるターボ過給機付きエンジンを制御するための制御装置であって、前記コンプレッサが前記タービンによって作動された際の当該コンプレッサによる断熱圧縮仕事によって生じるコンプレッサ排気の温度上昇量と、前記コンプレッサによる圧縮仕事以外の仕事によるコンプレッサ排気の温度上昇量とに基づいて当該コンプレッサによる過給圧制限値を算出し、前記過給圧制限値を上限圧力値として、前記ターボ過給機のコンプレッサの過給圧を制御し、前記コンプレッサによる圧縮仕事以外の仕事によるコンプレッサ排気の温度上昇量は、前記コンプレッサの通過流量、及びコンプレッサの圧縮比に基づくコンプレッサ効率と、前記コンプレッサの上流側の空気温度と、特定部品の保証温度とに基づいて算出され、前記特定部品は、前記コンプレッサの出口に直接接続された樹脂パイプである。

また、本発明において、好ましくは、前記コンプレッサの圧縮比は、前記コンプレッサによる過給圧制限値に対する前記コンプレッサの上流側の圧力の割合である。

このように構成された本発明によれば、圧縮比として、過給圧制限値に対するコンプレッサの上流側の圧力の割合を用いることができる。

以上のように、本発明によれば、ターボ過給機を構成する部品について、熱疲労による耐久性の悪化を低減することができる。

本発明の実施形態によるエンジンの制御装置を適用したエンジンシステムのシステム構成図である。 本発明の実施形態によるエンジンの制御装置の動作を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置について説明する。
まず、図１により、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置を適用したエンジンシステムの全体構成を説明する。図１は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置を適用したエンジンシステムのシステム構成図である。

図１において符号１は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置を示し、符号２は、エンジンを示す。

エンジン２は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関であり、特に本実施形態ではガソリンエンジンである。このエンジン２は、燃料と吸気との混合気を燃焼させて動力を取り出すシリンダ６を備えたエンジンブロック８と、シリンダ６内を往復するピストン１０と、ピストン１０の往復運動を回転運動に変換するクランク１２と、クランク１２を収容するクランク室１４とを備えている。

また、エンジン２には、吸気をシリンダ６に導入する吸気通路１６と、シリンダ６において発生した排気を大気中に排出する排気通路１８とが接続されている。また、エンジン２は、タービン２０及びコンプレッサ２２を備えたターボ過給機２４を有しており、ターボ過給機２４のタービン２０は排気通路１８に設けられ、コンプレッサ２２は吸気通路１６に設けられている。

エンジン２の吸気通路１６において、コンプレッサ２２の上流側には、吸気通路１６に吸入される外気をろ過するエアクリーナ２６が設けられている。また、コンプレッサ２２の下流側には、コンプレッサ２２によって圧縮され高温となった空気を冷却するインタークーラ２８が設けられている。

エンジンブロック８には、シリンダ６内に燃料を噴射するインジェクタ３０が取り付けられている。

ターボ過給機２４のタービン２０は、エンジン２のシリンダ６から排気通路１８内に排出された排気ガスによって駆動される。そして、タービン２０が排気ガスによって駆動されると、タービン２０と連結されたコンプレッサ２２が駆動される。コンプレッサ２２は、タービン２０から供給された駆動力によって、エアクリーナ２６によってろ過された空気を断熱圧縮し、吸気通路１６下流側のエアクリーナ２８に向けて加圧空気として排出する。コンプレッサ２２から排出された圧縮空気はインタークーラ２８によって冷却され、エンジン２のシリンダ６に吸気される。

また、制御装置１は、コンプレッサ２２の上流側において、コンプレッサ２２を通過する空気の流量（吸気流量）を検出するための流量センサ、コンプレッサ２２の上流側において、コンプレッサ２２の上流側の空気の温度（吸気側温度）を検出する温度センサ、及びコンプレッサ２２の上流側において、吸気通路１６内の圧力（吸気側圧力）を検出する圧力センサを含むセンサ群３２を備えている。そして、センサ群３２で検出された検出値は、ＥＣＵ（図示せず）に供給される。

また、コンプレッサ２２周辺には、コンプレッサ２２の上流側に接続された上流側ダクト２２ａと、コンプレッサ２２の下流側に接続された下流側ダクト２２ｂとが設けられている。そして、一例として、上流側ダクト２２ａは、主に、コンプレッサ２２の上流側入口に直接接続される樹脂パイプと、樹脂パイプの上流側に接続されるラバーホースを備えている。また、下流側ダクト２２ｂも同様に、コンプレッサ２２の下流側出口に直接接続される樹脂パイプと、樹脂パイプの下流側に接続されるラバーホースを備えている。このような構造においては、コンプレッサ２２の下流側に直接接続されている樹脂パイプが、コンプレッサ２２によって加圧された高温吸気に曝されることとなる。従って、このような構造では、コンプレッサ２２の出口に直接接続された樹脂パイプが、本発明でいう「比較的耐熱温度が低い特定部品」となる。そして、このような構造では、コンプレッサ２２の出口に直接接続された樹脂パイプの保証温度を考慮して各種制御を行う必要がある。

なお、上述したコンプレッサ２２の周辺構造の説明はあくまでも例示であり、コンプレッサ２２の下流側のどの部品の保証温度を考慮するかについては、部品の耐熱温度、及び当該部品が曝される吸気の温度を考慮して適宜選択することができる。

図２は、本実施形態におけるエンジンの制御装置の動作を示すブロック図である。本実施形態では、ＥＣＵが、ブロック図に示す動作に従って各部を制御し、コンプレッサ２２によるエンジン２への過給圧を制御するようになっている。

まず、ＩＧ−ＯＮにより、処理が開始すると、ＥＣＵは、センサ群３２による検出結果に基づいて、吸気流量、吸気側温度、及び吸気側圧力を検出する。また、処理開始直後の制御においては、コンプレッサ２２の下流側の圧力として、任意の数値を設定するか、コンプレッサ２２の下流側に別途、圧力センサを設け、その検出値を読み出しても良い。そして、ＥＣＵは、コンプレッサ２２の吸気流量、及び圧縮比に基づいてコンプレッサ効率ηｃを導出する。コンプレッサ効率ηｃは、予めＥＣＵに格納された、コンプレッサ２２の空気通過量との関係を示すマップを参照し、コンプレッサ２２の空気通過量、及びコンプレッサ２２の圧縮比（排気側圧力／吸気側圧力）からコンプレッサ効率ηｃを導出することで行われる。

コンプレッサ効率ηｃを導出した後、ＥＣＵは、コンプレッサ下流側における特定部品の保証温度Ｔ１に基づいて、補正保証温度Ｔ２を算出する特定部品の保証温度Ｔ１は、既知の値として、予めＥＣＵに格納されている。そして、ＥＣＵは、次の式１：
式１：Ｔ２＝（Ｔ１−Ｔａ＋２７３．１５）ηｃ＋（Ｔａ＋２７３．１５）
に基づいて、コンプレッサ効率を考慮した、特定部品の補正保証温度Ｔ２を算出する。ここで、Ｔａは、センサ群３２によって検出されたコンプレッサ２２の上流側の空気温度である。

上述したように、コンプレッサ効率ηｃは、コンプレッサの空気通過量及び圧縮比に基づいて導出されるものである。そして、通常、コンプレッサ効率ηｃは、１．０とはならず、コンプレッサに供給された総仕事量のうち、一部が、コンプレッサによる断熱圧縮仕事をなし（コンプレッサ効率）、残りの一部が、断熱圧縮以外の仕事の仕事量となる。そして、断熱圧縮以外の仕事としては、空気の断熱圧縮に寄与せずに、単純に熱エネルギーとして放出され、コンプレッサ内の空気を加熱する仕事をいう。従って、上記式１によって算出された補正保証温度Ｔ２は、総仕事量のうちのコンプレッサ効率として作用した一部以外の仕事量によって、空気が加熱されたときの空気の上昇温度を表わしている。

そして、ＥＣＵは、補正保証温度Ｔ２、コンプレッサ２２上流側の吸気側圧力Ｐａ、予め格納されたエアクリーナ２６から導入される新気の比熱比（ｋ）、及びコンプレッサ２２の吸気側温度（Ｔａ）を用い、以下の式２により、過給圧制限値Ｐ１を算出する。

ここで算出される過給圧制限値Ｐ１は、コンプレッサ２２による断熱圧縮仕事による空気の温度上昇値と、空気の断熱圧縮に寄与せずに、単純に熱エネルギーとして放出されたことによって空気が加熱されたときの温度上昇値を加味したコンプレッサ２２の過給圧であり、コンプレッサ２２を過給圧制限値Ｐ１で制御すれば、コンプレッサ２２から排出される空気の温度が、特定部品の保証温度Ｔ１を上回らなくなる圧力である。換言すれば、コンプレッサ２２の過給圧を、過給圧制限値Ｐ１を上限として制御すれば、コンプレッサ２２からの排気の温度が特定部品の保証温度Ｔ１を上回ることがなく、特定部品の熱疲労を軽減、又は無くすことができる。

そして、ＥＣＵは、コンプレッサ２２の過給圧が算出された過給圧制限値Ｐ１と等しくなるか、これを僅かに下回るように、コンプレッサ２２を制御する。そして、この制御により、コンプレッサ２２の排気側の圧力は、算出された過給圧制限値Ｐ１と同一、又はほぼ等しくなるため、エンジン駆動中は繰り返し行われる図２のブロック図の処理を次に実行する際には、算出された過給圧制限値Ｐ１を、コンプレッサ２２の排気側の圧力として圧縮比を算出する。そして、この処理を繰り返し行うことにより、過給圧制限値Ｐ１の値がより正確な値に収束する。

以上のように、本実施形態によれば、コンプレッサ２２によって流入空気を圧縮した際の断熱圧縮仕事によるコンプレッサ排気の温度上昇量と、コンプレッサ２２による断熱圧縮仕事以外の仕事によるコンプレッサ排気の温度上昇量とを考慮して、コンプレッサ２２の過給圧を制御することができる。これにより、温度センサの応答性に依存した制御を行うことなく、熱疲労による耐久性の悪化を低減することができる。

１ エンジンの制御装置
２ エンジン
２０ タービン
２２ コンプレッサ
２４ ターボ過給機

Claims (3)

1. コンプレッサ及びタービンによって構成されるターボ過給機付きエンジンを制御するための制御装置であって、
   前記コンプレッサが前記タービンによって作動された際の当該コンプレッサによる断熱圧縮仕事によって生じるコンプレッサ排気の温度上昇量と、
   前記コンプレッサによる圧縮仕事以外の仕事によるコンプレッサ排気の温度上昇量とに基づいて当該コンプレッサによる過給圧制限値を算出し、
   前記過給圧制限値を上限圧力値として、前記ターボ過給機のコンプレッサの過給圧を制御し、
   前記コンプレッサによる過給圧制限値は、前記コンプレッサによる圧縮仕事以外の仕事によるコンプレッサ排気の温度上昇量と、前記コンプレッサの上流側の圧力と、前記コンプレッサに導入される吸気の比熱比に基づいて決定されることを特徴とする、エンジンの制御装置。
2. コンプレッサ及びタービンによって構成されるターボ過給機付きエンジンを制御するための制御装置であって、
   前記コンプレッサが前記タービンによって作動された際の当該コンプレッサによる断熱圧縮仕事によって生じるコンプレッサ排気の温度上昇量と、
   前記コンプレッサによる圧縮仕事以外の仕事によるコンプレッサ排気の温度上昇量とに基づいて当該コンプレッサによる過給圧制限値を算出し、
   前記過給圧制限値を上限圧力値として、前記ターボ過給機のコンプレッサの過給圧を制御し、
   前記コンプレッサによる圧縮仕事以外の仕事によるコンプレッサ排気の温度上昇量は、前記コンプレッサの通過流量、及び前記コンプレッサの圧縮比に基づくコンプレッサ効率と、前記コンプレッサの上流側の空気温度と、特定部品の保証温度とに基づいて算出され、
   前記特定部品は、前記コンプレッサの出口に直接接続された樹脂パイプであることを特徴とする、エンジンの制御装置。
3. 前記コンプレッサの圧縮比は、前記コンプレッサによる過給圧制限値に対する前記コンプレッサの上流側の圧力の割合である、請求項２に記載のエンジンの制御装置。

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