JP6536696B2 - ウェストゲートバルブの制御方法および制御装置 - Google Patents
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Description
この発明は、ターボチャージャに設けられたウェストゲートバルブの開度制御に関する。
内燃機関の過給に用いられるターボチャージャは、一般に、過給圧制御のために排気流の一部をタービンホイールを経由せずにバイパスさせるようにしたウェストゲートバルブをタービン部に備えている。特許文献1には、このウェストゲートバルブを開閉駆動する駆動機構として、電動アクチュエータのロッドの直線運動をリンクを介して回転軸の回転運動に変換し、該回転軸に固定されたアームの先端に支持されているポペット形の弁体が揺動するようにした、いわゆるスイング形式の構成が開示されている。
上記のようなウェストゲートバルブにおいては、特許文献1に記載されているように、アクチュエータに連動して揺動するアームの先端とポペット形の弁体との間に僅かなクリアランスが存在し、異音発生の要因となる。この異音は、上記クリアランスにコニカルワッシャ等のばね部材を介装することで抑制できるが、上記クリアランスは、弁体が座面に着座する際に弁体の姿勢に僅かな自由度を付与して座面に密接させる作用を奏しているので、ばね部材を介装することで、全閉時のシール性が低下する。
この発明は、ウェストゲートバルブを開状態から全閉位置へと閉じるときに、弁体が局部的に着座した段階でアクチュエータの駆動力を増加させる、ようにしたものである。
従って、弁体が局部的に着座した後に駆動力が増加することで、ばね部材を変位させつつ弁体が座面に確実に密接した状態となる。
この発明によれば、ウェストゲートバルブの異音抑制のためにばね部材を介装したときに問題となる全閉時のシール性の低下を抑制することができる。
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、この発明の一実施例のシステム構成を示す構成説明図であって、火花点火式ガソリン機関である内燃機関1の排気通路2には、ターボチャージャ3の排気タービン4が配置され、その下流側に、例えば三元触媒を用いた触媒コンバータ6が配置されている。排気通路2のさらに下流側には、図示せぬ排気消音器が設けられており、該排気消音器を介して排気通路2は外部へ開放されている。上記排気タービン4は、過給圧制御のためのウェストゲートバルブ7を備えている。なお、内燃機関1は、例えば直噴型の構成であり、シリンダ内に燃料を噴射する図示せぬ燃料噴射弁を各気筒毎に備えているとともに、図示せぬ点火プラグを各気筒毎に備えている。勿論、直噴型に限らず、ポート噴射型燃料噴射装置であってもよい。
内燃機関1の吸気通路10には、上流側から順に、エアクリーナ11、エアフロメータ12、スロットル弁13、が配置されており、上記ターボチャージャ3のコンプレッサ5が、上記エアフロメータ12と上記スロットル弁13との間に配置されている。なお、図示例では、コンプレッサ5とスロットル弁13との間に、例えば水冷式ないし空冷式のインタークーラ14が介装されている。また上記吸気通路10には、さらに、上記コンプレッサ5の上流側と下流側との間を連通するリサーキュレーション通路16が設けられており、このリサーキュレーション通路16に、リサーキュレーションバルブ17が設けられている。このリサーキュレーションバルブ17は、スロットル弁13が急に閉じた減速時に開弁することで吸気を循環させる機能を有している。
上記吸気通路10のスロットル弁13下流側には、過給圧を検出する過給圧センサ15が配置されている。
上記ウェストゲートバルブ7は、電動アクチュエータ20によって開度が制御される構成となっており、実際の開度を検出するために、ポジションセンサ21が電動アクチュエータ20に内蔵されている。具体的には、電動アクチュエータ20は、ボールねじ機構により電動モータの回転をロッド22の軸方向の動きとして出力するものであり、ポジションセンサ21は、アクチュエータのケースに対するロッド22の軸方向位置を検出している。上記ロッド22は、リンク23およびアーム24を介してウェストゲートバルブ7のポペット形の弁体7aに連係している。
上記電動アクチュエータ20の動作は、内燃機関1の種々の制御を行うエンジンコントローラ25によって制御される。このエンジンコントローラ25には、上記のエアフロメータ12、過給圧センサ15およびポジションセンサ21の検出信号のほか、内燃機関1の冷却水温TWを検出する冷却水温センサ26、図示せぬアクセルペダルの踏込量つまりアクセル開度APOを検出するアクセル開度センサ27、内燃機関1の回転速度Neを検出するクランク角センサ28、大気圧ATMを検出する大気圧センサ29、等のセンサ類の検出信号が入力されている。スロットル弁13の開度、図示せぬ燃料噴射弁の燃料噴射量、図示せぬ点火プラグの点火時期、等も、エンジンコントローラ25によって制御される。
図2は、ターボチャージャ3の排気タービン4に設けられたウェストゲートバルブ7のより具体的な構成例を示している。ウェストゲートバルブ7の弁体7aは、図示するように、スクロール部32を有するタービンハウジング31の排気出口部33に位置し、スクロール部32の上流側部分と排気出口部33とを連通するバイパス通路34(図1に模式的に示す)を、排気出口部33側から開閉する。このウェストゲートバルブ7は、いわゆるスイング形式の構成であり、シャフト部24aを有するアーム24の先端に弁体7aが支持されている。シャフト部24aは、タービンハウジング31に回転可能に支持されており、タービンハウジング31の外表面に露出したシャフト部24aの基端に、リンク23の一端が固定されている。リンク23の他端には、ピン35を介して電動アクチュエータ20のロッド22詳しくは中間ロッド22aが連結されている。なお、このようなスイング形式のウェストゲートバルブの基本的な構成は、例えば特開2014−58894号公報等によって公知である。このような構成では、電動アクチュエータ20のロッド22の軸方向の移動によってアーム24がシャフト部24aを中心として揺動し、これに伴って円形の弁体7aがバイパス通路34の先端開口を開閉する。
図3は、アーム24の先端における弁体7aの取付構造の一例を示している。図示するように弁体7a中心の軸部7bがアーム24の取付孔24bを貫通しており、円環状の固定部材36を軸部7b先端の小径部7cに取り付けることによって該軸部7bが抜け止めされている。そして、固定部材36とアーム24上面24cとの間には、ばね部材として緩いテーパを有する円環状のコニカルワッシャ37が僅かに圧縮された状態に介装されている。すなわち、仮にコニカルワッシャ37等のばね部材を具備しないと、アーム24と弁体7aとの間ならびに軸部7bと取付孔24b内周面との間に存在する僅かなクリアランスに起因して、弁体7aの振動に伴う異音発生の虞がある。これに対し、上記実施例の構成では、コニカルワッシャ37のばね力によって弁体7aがアーム24下面24dに向けて押し付けられるため、振動による異音発生が抑制される。
一方、上記のようにコニカルワッシャ37等のばね部材によって弁体7aをアーム24に対し実質的に固定すると、弁体7aの自由度が損なわれるため、バイパス通路34開口周囲の座面34aに対するシール性が低下する。本実施例では、このようなシール性の低下を電動アクチュエータ20の駆動力の変更でもって補償する。
次に、図4〜図7を参照して、上記実施例におけるウェストゲートバルブ7の駆動制御について説明する。
図4は、制御部に相当する上記エンジンコントローラ25が実行するウェストゲートバルブ7の開度制御の処理の流れを示すフローチャートである。ステップ1では、ウェストゲートバルブ7の全閉位置におけるポジションセンサ21の学習を行うべき条件であるか否かを判定する。この学習は、内燃機関1の始動のたびに、始動直後に実行される。ここでYESであれば、ステップ3へ進み、過給圧に無関係なオープンループ制御としてウェストゲートバルブ7の開度を強制的に全閉とする。このようにウェストゲートバルブ7の開度を物理的に全閉とした状態において、ポジションセンサ21の検出値の学習が行われる。
ポジションセンサ21の全閉位置の学習が終了すれば、ステップ1の判定はNOとなる。この場合は、ステップ1からステップ2へ進み、アクセル開度APOの変化量から急加速であるか否かを判定する。ここでYESであれば、ステップ2からステップ3へ進み、過給圧に無関係なオープンループ制御としてウェストゲートバルブ7の開度を強制的に全閉とする。これにより、加速が要求されたときの過給の応答性つまりトルクの立ち上がりが向上する。なお、この急加速時の強制的な全閉制御は、加速開始から極短い一定時間後に解除される。
ステップ2の判定がNOであれば、ステップ2からステップ4へ進み、過給圧制御(換言すればトルク制御)のためのフィードバック制御方式による通常の開度制御を実行する。図6は、機関回転速度とトルクとに対するウェストゲートバルブ7の開度の特性を等高線状に示しており、高負荷側でかつ回転速度が低い領域aでウェストゲートバルブ7は全閉となり、矢印で示すように、領域aから図の右下側へ向かって負荷が低く回転速度が高くなるほどウェストゲートバルブ7の開度が増加する。このようにウェストゲートバルブ7の開度が連続的に変化する領域は、いわゆる過給域であり、スロットル弁13の開度を基本的に全開としつつウェストゲートバルブ7の開度制御によって内燃機関1のトルクが制御される。そして、所定のトルクT1よりも低負荷の領域bでは、ウェストゲートバルブ7は全開となる。この領域bでは、実質的に過給はなされず、非過給域つまり自然給気領域として、スロットル弁13の開度によってトルクが制御される。より具体的には、機関回転速度と要求トルクとに基づいて所定の制御マップから目標の過給圧(より厳密には、目標の圧力比)が与えられ、これを実現するように、ウェストゲートバルブ7の目標開度が過給圧センサ15の検出信号を用いてフィードバック制御される。この過給圧フィードバック制御の結果、図6に示すような開度特性が得られる。なお、この通常制御においては、電動アクチュエータ20は、上記の目標開度とポジションセンサ21による検出開度との偏差に基づいてフィードバック制御される。
このように、内燃機関1の運転中には、ウェストゲートバルブ7の開度は、基本的には過給圧制御のために過給圧センサ15が検出する過給圧に基づいてフィードバック制御される。そして、急加速時および始動直後のポジションセンサ21の学習の際には、オープンループ制御により目標開度が全閉となり、強制的に全閉位置に制御されるのである。
図5は、上記ステップ3における強制的な全閉制御の処理の詳細を示している。目標開度がそれまでの全開ないし中間開度から全閉へと変化することから、電動アクチュエータ20は弁体7aの閉方向へ向けて駆動されることとなるが、ステップ11では、弁体7aの位置Lが所定位置L1よりも大であるか否かを判定する。ここで、弁体7aの位置Lおよび所定位置L1は、例えば、弁体7aが全閉であるときのロッド22の位置(ポジションセンサ21が検出する位置)を基準の0点として、この0点からの開方向へのロッド22のストローク量でもって示されている。つまり値Lが大きいほど弁体7aは座面34aから離れている。また、所定位置L1は、弁体7aが座面34aに着座する直前の位置に設定されている。
弁体7aが全開ないし中間開度から全閉へと変化する間に、位置Lが上記所定位置L1に達するまではステップ11の判定はYESである。この場合は、ステップ12へ進み、電動アクチュエータ20の駆動力(換言すればロッド22の推力)を比較的大きな第1のレベルに設定する。ここで、上記実施例にあっては、電動アクチュエータ20の駆動力は、電動モータに与えられる駆動パルス信号のONデューティによって定まる。従って、ステップ12においては、比較的高いONデューティでもって電動アクチュエータ20が駆動される。
弁体7aの位置Lが所定位置L1に達すれば、ステップ11の判定はNOとなる。この場合は、ステップ11からステップ13へ進み、所定位置L1に達してからの経過時間TMが所定時間TM1以上であるか否かを判定する。所定時間TM1が経過するまでの間は、ステップ13からステップ14へ進み、電動アクチュエータ20の駆動力を、上記第1のレベルに比較して小さな第2のレベルに設定する。つまり、ステップ14においては、比較的低いONデューティでもって電動アクチュエータ20が駆動される。
所定位置L1に達してからの経過時間TMが所定時間TM1に達したら、ステップ13からステップ15へ進み、電動アクチュエータ20の駆動力を、上記第2のレベルに比較して大きな第3のレベルに設定する。ここで、第3のレベルの駆動力は、少なくとも、ばね部材であるコニカルワッシャ37の変位を生じさせ得るだけの大きさが必要である。また、電動モータへの過度の通電を回避するために、第3のレベルは、初期の第1のレベルの駆動力よりも低いレベルであることが望ましい。従って、ステップ15においては、第1のレベルに対応するONデューティよりも小さくかつ第2のレベルのONデューティよりも大きなONデューティでもって電動アクチュエータ20が駆動される。
図7は、強制的な全閉制御の一例として始動直後の全閉制御の際のタイムチャートであり、(a)ウェストゲートバルブ7の開度(電動アクチュエータ20のロッド22のストローク量)、(b)内燃機関1のスタータスイッチ、(c)電動アクチュエータ20に与えられる駆動パルス信号のONデューティ、の変化を対比して示している。
時間t1において運転者の操作によってスタータスイッチがONとなり、クランキングが開始する。時間t2において内燃機関1が始動し、スタータスイッチがOFFとなる。このように始動が完了した時点で、ポジションセンサ21の学習が開始されるため、符号Ltgで示す目標開度は、オープンループ制御により全閉位置相当の「0」までステップ的に変化する。なお、内燃機関1の始動前は、ウェストゲートバルブ7は全開であり、クランキング中も目標開度Ltgは全開である。
時間t2における目標開度Ltgの変化に対応して、電動アクチュエータ20は閉方向へ駆動されるが、このときの駆動力は、最も高い第1のレベルに設定され、例えば、90%のONデューティの駆動信号でもって電動アクチュエータ20が駆動される。これにより、弁体7aの位置Lは、実線で示すように急激に減少する。
時間t3において弁体7aの位置Lが所定位置L1に達し、これに伴って電動アクチュエータ20の駆動力が第2のレベルへと低下する。例えば、30%のONデューティとなる。従って、弁体7aの移動速度が低下し、座面34aに強く衝突することなく緩やかに着座する。このときの駆動力つまりロッド22の推力は、弁体7aの一部が局部的に座面34aに着座したときに、それ以上弁体7aを動かすことができない程度となる。そのため、座面34aに対する弁体7aの姿勢のばらつきなどによって、多くの場合は、弁体7aの一部が局部的に着座した状態となる。
所定位置L1に達した時間t3から所定時間TM1が経過した時間t4において、電動アクチュエータ20の駆動力が第3のレベルへと高くなる。例えば、ONデューティが70%へと増加する。これにより、局部的に着座している弁体7aがさらに座面34aへ向けて押し付けられる。そのため、弁体7aの一部が座面34aから浮き上がっていたような場合でも、コニカルワッシャ37を変位させつつ弁体7aが座面34aに押し付けられ、弁体7aの全周が座面34aに密接する。従って、確実なシール性が得られる。図示例では、時間t5において、弁体7aが座面34aに十分に密接した状態となっている。
このように弁体7aが座面34aに十分に着座した状態において、弁体7aの全閉位置の学習が実行される。時間t6において、学習制御が完了し、強制的な全閉制御が終了する。これにより、目標開度Ltgは、そのときの条件に対応した開度へと変化する。
図7は、始動直後の学習制御のための全閉制御のときの駆動力変化を示しているが、急加速時の強制的な全閉制御においても同様となる。
このように全閉へと弁体7aを駆動する際に、初期に駆動力を第1のレベルとし、所定位置L1に達した段階で第1のレベルから第2のレベルへと低下させることで、弁体7aを速やかに閉じると同時に、座面34aへの衝突を回避でき、緩やかに着座させることができる。そして、局部的に着座した状態で、駆動力を第2のレベルから第3のレベルへと増加することで、振動防止のためのばね部材(コニカルワッシャ37)の介在に拘わらずに、確実なシール性が得られる。従って、コニカルワッシャ37による異音防止と全閉時のシール性確保とを両立させることができる。
また上記実施例では、第3のレベルのONデューティが第1のレベルのONデューティよりも低く設定されているので、電動モータへの過度の通電を回避することができる。
また上記実施例では、ポジションセンサ21によって弁体7aの実際の位置Lを検出し、これに基づいて第1のレベルから第2のレベルへの低下を行うので、閉時の弁体7aの速度を適切に制御でき、緩やかな着座を常に確実に得ることができる。
さらに上記実施例では、第2のレベルから第3のレベルへと駆動力を増加するタイミングを、弁体7aが所定位置L1に達してからの経過時間TMに基づいて判断するので、弁体7aが局部的に着座したときの該弁体7aの位置Lのばらつきに影響されることがない。
なお、上記実施例では火花点火内燃機関を例に本発明を説明したが、本発明は、ディーゼル機関などのターボチャージャにおいても同様に適用することができる。
また、上記実施例ではばね部材としてコニカルワッシャを使用しているが、これに限らず弾力性を有するものであれば良く、波ワッシャやC型のスプリングワッシャなどのワッシャ等も使用できる。
Claims (10)
- ターボチャージャに設けられたウェストゲートバルブの制御方法であって、上記ウェストゲートバルブは、アクチュエータと、該アクチュエータに駆動されて回転中心を中心に揺動運動するアームと、該アームの先端に支持された弁体と、上記アームと上記弁体との間に介装されたばね部材と、を備えてなるウェストゲートバルブの制御方法において、
上記ウェストゲートバルブを開状態から全閉位置へと閉じるときに、閉方向へ移動中の上記弁体が着座する直前の所定位置に達したことをセンサによって検出したときに、上記アクチュエータの駆動力を第1のレベルから第2のレベルへと低下させ、上記弁体が局部的に着座した段階で上記駆動力を上記第2のレベルから第3のレベルへと増加させる、ウェストゲートバルブの制御方法。 - 上記第3のレベルは、上記ばね部材を変位させ得る駆動力の大きさを有する、請求項1に記載のウェストゲートバルブの制御方法。
- 上記弁体が所定位置に達してから所定時間経過したときに、上記弁体が局部的に着座したものとみなして、上記駆動力を上記第2のレベルから上記第3のレベルへと増加させる、請求項1または2に記載のウェストゲートバルブの制御方法。
- ターボチャージャに設けられたウェストゲートバルブの制御方法であって、上記ウェストゲートバルブは、アクチュエータと、該アクチュエータに駆動されて回転中心を中心に揺動運動するアームと、該アームの先端に支持された弁体と、上記アームと上記弁体との間に介装されたばね部材と、を備えてなるウェストゲートバルブの制御方法において、
上記ウェストゲートバルブを開状態から全閉位置へと閉じるときに、上記弁体が着座する直前の所定位置に達したことをセンサによって検出したときに、上記アクチュエータの駆動力を第1のレベルから第2のレベルへと低下させ、上記弁体が局部的に着座した段階で上記駆動力を上記第2のレベルから上記ばね部材を変位させ得る駆動力の大きさを有する第3のレベルへと増加させる、ウェストゲートバルブの制御方法。 - 上記第3のレベルは上記第1のレベルよりも小さな駆動力に設定されている、請求項1〜4のいずれかに記載のウェストゲートバルブの制御方法。
- ターボチャージャに設けられたウェストゲートバルブの制御方法であって、上記ウェストゲートバルブは、アクチュエータと、該アクチュエータに駆動されて回転中心を中心に揺動運動するアームと、該アームの先端に支持された弁体と、上記アームと上記弁体との間に介装されたばね部材と、を備えてなるウェストゲートバルブの制御方法において、
上記ウェストゲートバルブを開状態から全閉位置へと閉じるときに、上記弁体が着座する直前の所定位置に達したことをセンサによって検出し、上記弁体が局部的に着座した段階で上記アクチュエータの駆動力を上記弁体の全周が座面に密接するように増加させる、ウェストゲートバルブの制御方法。 - 過給圧の検出に基づくウェストゲートバルブ開度のフィードバック制御と、所定の条件のときに過給圧に関わらずウェストゲートバルブ開度を全閉とするオープンループ制御と、を有し、上記オープンループ制御による全閉動作のときに上記駆動力の変更を実行する、請求項1〜6のいずれかに記載のウェストゲートバルブの制御方法。
- ターボチャージャと、
アクチュエータ、該アクチュエータに駆動されて回転中心を中心に揺動運動するアーム、該アームの先端に支持された弁体、上記アームと上記弁体との間に介装されたばね部材、を備えてなるウェストゲートバルブと、
上記ウェストゲートバルブを開状態から全閉位置へと閉じる指令を受けたときに、上記アクチュエータの駆動力を第1のレベルとして閉方向へ動作させ、閉方向へ移動中の上記弁体が着座する直前の所定位置に達したことをセンサによって検出したときに、上記アクチュエータの駆動力を上記第1のレベルから第2のレベルへと低下させ、上記弁体が局部的に着座した段階で上記駆動力を上記第2のレベルから第3のレベルへと増加させる制御部と、
を備えてなるウェストゲートバルブの制御装置。 - ターボチャージャと、
アクチュエータ、該アクチュエータに駆動されて回転中心を中心に揺動運動するアーム、該アームの先端に支持された弁体、上記アームと上記弁体との間に介装されたばね部材、を備えてなるウェストゲートバルブと、
上記ウェストゲートバルブを開状態から全閉位置へと閉じる指令を受けたときに、上記アクチュエータの駆動力を第1のレベルとして閉方向へ動作させ、上記弁体が着座する直前の所定位置に達したことをセンサによって検出したときに上記アクチュエータの駆動力を上記第1のレベルから第2のレベルへと低下させ、上記弁体が局部的に着座した段階で上記駆動力を上記第2のレベルから上記ばね部材を変位させ得る駆動力の大きさを有する第3のレベルへと増加させる制御部と、
を備えてなるウェストゲートバルブの制御装置。 - ターボチャージャと、
アクチュエータ、該アクチュエータに駆動されて回転中心を中心に揺動運動するアーム、該アームの先端に支持された弁体、上記アームと上記弁体との間に介装されたばね部材、を備えてなるウェストゲートバルブと、
上記ウェストゲートバルブを開状態から全閉位置へと閉じる指令を受けたときに、上記アクチュエータの駆動力を第1のレベルとして閉方向へ動作させ、上記弁体が着座する直前の所定位置に達したことをセンサによって検出したときに上記アクチュエータの駆動力を第1のレベルから第2のレベルへと低下させ、上記弁体が局部的に着座した段階で上記アクチュエータの駆動力を上記弁体の全周が座面に密接するように上記第2のレベルから第3のレベルへと増加させる制御部と、
を備えてなるウェストゲートバルブの制御装置。
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