JP6550943B2 - 可変容量型ターボチャージャの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンに設けられた可変容量型ターボチャージャの制御装置に関する。

車両用ディーゼルエンジンにおいて可変容量型ターボチャージャを備えたものが公知である。この可変容量型ターボチャージャでは一般的に、タービン入口におけるノズル開度がブースト圧に基づいてフィードバック制御される。

特開２００７−０２３８１６号公報

ノズル開度についてはガード値が設けられ、ノズル開度がガード値を超えて小さくならないようにノズル開度が制御される。ガード値は、ターボチャージャのタービン回転数が、ターボチャージャの構造等から定まる所定の最高許容回転数を超えないよう、実験等を通じて予め適合されている。

しかし、実際の使用時に何等かの原因（例えば環境変化や製品バラツキ等）で、ノズル開度がガード値以上であっても、タービン回転数が最高許容回転数を超える可能性がある。タービン回転数が最高許容回転数を超える過回転が生じると、ターボチャージャが破損する虞がある。このため、そのような事態が生じぬよう万全の策を講じておくことが望ましい。なお従来、環境変化に応じて燃料噴射量やノズル開度を補正するものがあるが確実ではなかった。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、タービン回転数が最高許容回転数を超えることを抑制することができる可変容量型ターボチャージャの制御装置を提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
エンジンに設けられた可変容量型ターボチャージャの制御装置であって、
前記ターボチャージャのタービン回転数を推定する推定部と、
推定された前記タービン回転数が所定の最高許容回転数を超えたとき、タービン入口におけるノズル開度が減少しないよう前記ノズル開度を制御するノズル開度制御部と、
を備えたことを特徴とする可変容量型ターボチャージャの制御装置が提供される。

好ましくは、前記ノズル開度制御部は、推定された前記タービン回転数が前記最高許容回転数を超えたとき、前記ノズル開度を徐々に増大させるよう前記ノズル開度を制御する。

好ましくは、前記推定部は、吸気流量、吸気温、コンプレッサ入口圧およびコンプレッサ出口圧に基づいて前記タービン回転数を推定する。

本発明によれば、タービン回転数が最高許容回転数を超えることを抑制することができるという、優れた効果が発揮される。

本発明の実施形態の構成を示す概略図である。 本実施形態における制御ルーチンのフローチャートである。 フィードフォワード項の算出マップを示す。 ノズル開度のガード値の算出マップを示す。 タービン回転数の算出マップを示す。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態の構成を示す概略図である。エンジン（内燃機関）１は、車両に搭載された多気筒の圧縮着火式内燃機関、すなわちディーゼルエンジンである。図示例は直列４気筒エンジンを示すが、エンジンのシリンダ配置形式、気筒数等は任意である。

エンジン１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に接続された吸気通路３および排気通路４と、ターボチャージャ１４と、燃料噴射装置５とを備える。エンジン本体２は、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン、クランクシャフト、バルブ等の可動部品とを含む。

燃料噴射装置５は、コモンレール式燃料噴射装置からなり、各気筒に設けられた燃料噴射弁すなわちインジェクタ７と、インジェクタ７に接続されたコモンレール８とを備える。インジェクタ７は、シリンダ９内すなわち燃焼室内に燃料を直接噴射する。コモンレール８は、インジェクタ７から噴射される燃料を高圧状態で貯留する。

吸気通路３は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された吸気マニホールド１０と、吸気マニホールド１０の上流端に接続された吸気管１１とにより主に画成される。吸気マニホールド１０は、吸気管１１から送られてきた吸気を各気筒の吸気ポートに分配供給する。吸気管１１には、上流側から順に、エアクリーナ１２、エアフローメータ１３、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｃ、インタークーラ１５、および電子制御式の吸気スロットルバルブ１６が設けられる。エアフローメータ１３は、エンジン１の単位時間当たりの吸入空気量（吸気流量）を検出するためのセンサである。

排気通路４は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された排気マニホールド２０と、排気マニホールド２０の下流側に配置された排気管２１とにより主に画成される。排気マニホールド２０は、各気筒の排気ポートから送られてきた排気ガスを集合させる。排気管２１、もしくは排気マニホールド２０と排気管２１の間には、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔが設けられる。タービン１４Ｔより下流側の排気管２１には、上流側から順に、酸化触媒２２、パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２３、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）２４およびアンモニア酸化触媒２６が設けられる。ＮＯｘ触媒２４の上流側、特に入口近傍の排気通路４には、還元剤としての尿素水を添加する添加弁２５が設けられる。

ターボチャージャ１４は、可変容量型ターボチャージャからなる。タービン入口におけるノズル開度を可変とするノズル開度可変機構２８が設けられ、このノズル開度可変機構２８がノズルアクチュエータ２９により作動される。ノズル開度可変機構２８は、ノズルを開閉する複数の可動ノズルベーンを有し、この可動ノズルベーンが同時に開閉されることでノズル開度が増減される。

エンジン１はＥＧＲ装置３０をも備える。ＥＧＲ装置３０は、排気通路４内（特に排気マニホールド２０内）の排気ガスの一部（「ＥＧＲガス」という）を吸気通路３内（特に吸気マニホールド１０内）に還流させるためのＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３２と、ＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁３３とを備える。

また本実施形態において、制御ユニットもしくはコントローラをなす電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と称す）１００が設けられる。ＥＣＵ１００はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含む。ＥＣＵ１００は、インジェクタ７、吸気スロットルバルブ１６、添加弁２５、ＥＧＲ弁３３、ノズルアクチュエータ２９等を制御する。

センサ類に関して、上述のエアフローメータ１３の他、エンジンの回転速度（ｒｐｍ）を検出するための回転速度センサ４０、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ４１が設けられる。また、酸化触媒２２、ＤＰＦ２３、ＮＯｘ触媒２４の各々の上流側ないし入口近傍の排気温度（入口ガス温度）を検出するための排気温センサ４２，４３，４４が設けられている。また、ＤＰＦ２３の上流側および下流側の排気圧の差圧を検出するための差圧センサ４５が設けられている。これらセンサ類の出力信号はＥＣＵ１００に送られる。

また、吸気温を検出するための吸気温センサ４７と、コンプレッサ入口圧を検出するための入口圧センサ４８と、コンプレッサ出口圧を検出するための出口圧センサ４９とが設けられ、これらセンサの出力信号もＥＣＵ１００に送られる。

本実施形態では、吸気温センサ４７および入口圧センサ４８がコンプレッサ１４Ｃの上流側の吸気管１１に設置されている。また出口圧センサ４９が、吸気スロットルバルブ１６の下流側で且つ吸気マニホールド１０の直前の吸気管１１に設置されている。但しこれらセンサの設置位置は適宜変更可能である。

吸気温は、コンプレッサ１４Ｃに導入される吸気の温度であり、大気温と同義である。コンプレッサ入口圧は、コンプレッサ１４Ｃに導入される吸気の圧力である。コンプレッサ出口圧は、コンプレッサ１４Ｃから排出された吸気の圧力であり、吸気圧もしくはブースト圧と同義である。

次に、図２を参照して、本実施形態における制御のルーチンを説明する。図示するルーチンはＥＣＵ１００により所定の演算周期τ（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ１００は、ノズル開度の目標値である目標ノズル開度Ｓの算出に使用するフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）項Ｓｆｆを、エンジン運転状態に基づいて算出する。具体的にはＥＣＵ１００は、検出された実際のエンジン回転速度ＮＥと、燃料噴射量、特に指示値としての目標燃料噴射量Ｑとに基づき、図３に示すような所定のマップｍｐ１に従ってフィードフォワード項Ｓｆｆを算出する。フィードフォワード項Ｓｆｆは、所定のマップｍｐ１より算出した値をそのまま使用しても良いが、吸気温、水温、大気圧等による補正を行って、補正後の値を使用しても良い。

次にステップＳ１０２において、ＥＣＵ１００は、目標ノズル開度Ｓの算出に使用するフィードバック（Ｆ／Ｂ）項Ｓｆｂを次の手順で算出する。

まずＥＣＵ１００は、出口圧センサ４９で検出された実際のコンプレッサ出口圧すなわちブースト圧Ｐ２を取得する。次いでＥＣＵ１００は、ブースト圧の目標値である目標ブースト圧Ｐ２ｔをエンジン運転状態に基づいて算出する。具体的にはＥＣＵ１００は、実際のエンジン回転速度ＮＥと目標燃料噴射量Ｑとに基づき、図示しない所定のマップに従って目標ブースト圧Ｐ２ｔを算出する。次にＥＣＵ１００は、目標ブースト圧Ｐ２ｔと実際のブースト圧Ｐ２の差ΔＰ２＝Ｐ２ｔ−Ｐ２を計算する。そしてこの差ΔＰ２に基づき、図示しない所定のマップに従ってフィードバック項Ｓｆｂを算出する。このフィードバック項Ｓｆｂの算出に際しては、ＰＩＤ制御の手法に従い、差ΔＰ２に応じたＰ項、Ｉ項、Ｄ項が算出され、これら各項の合計値がフィードバック項Ｓｆｂとされる。

差ΔＰ２が正のとき、すなわち実際のブースト圧Ｐ２が目標ブースト圧Ｐ２ｔより小さいとき、ブースト圧増大側の負のフィードバック項Ｓｆｂが算出される。逆に差ΔＰ２が負のとき、すなわち実際のブースト圧Ｐ２が目標ブースト圧Ｐ２ｔより大きいとき、ブースト圧減少側の正のフィードバック項Ｓｆｂが算出される。

次にステップＳ１０３において、ＥＣＵ１００は、算出されたフィードフォワード項Ｓｆｆとフィードバック項Ｓｆｂを加算して、目標ノズル開度Ｓ（＝Ｓｆｆ＋Ｓｆｂ）を算出する。

次にステップＳ１０４において、ＥＣＵ１００は、算出された目標ノズル開度Ｓを、ノズル開度自体について規定されたガード値Ｇｓと比較する。目標ノズル開度Ｓがガード値Ｇｓ以上の場合、ステップＳ１０５に進み、目標ノズル開度Ｓがガード値Ｇｓ未満の場合、ステップＳ１１２に進む。なおＥＣＵ１００は、実際のエンジン回転速度ＮＥと目標燃料噴射量Ｑとに基づき、図４に示すような所定のマップｍｐ２に従ってガード値Ｇｓを算出する。ガード値Ｇｓは、所定のマップｍｐ２より算出した値をそのまま使用しても良いが、吸気温、水温、大気圧等による補正を行って、補正後の値を使用しても良い。

目標ノズル開度Ｓがガード値Ｇｓ未満の場合、目標ノズル開度Ｓに合わせてノズル開度を制御してしまうと、ノズル開度を過度に減少させ、タービン回転数が最高許容回転数を超える過回転の問題が生じる虞がある。また他の問題、例えばタービン入口圧の過剰上昇、ひいてはこれに伴うポンピングロス増大による燃費悪化、および過剰ＥＧＲによるスモーク悪化等の問題が生じる虞がある。よってこの場合には、ステップＳ１１２においてＥＣＵ１００が、目標ノズル開度Ｓをガード値Ｇｓに等しくし、ノズル開度がガード値Ｇｓより小さくならないようノズル開度を制限する。この後、ステップＳ１１３においてＥＣＵ１００は、ノズル開度のフィードバック制御の一部を停止する。具体的にはＥＣＵ１００は、差ΔＰ２が正のとき、すなわち実際のブースト圧Ｐ２が目標ブースト圧Ｐ２ｔより小さいとき、フィードバック項Ｓｆｂの算出に際してＩ項を現状値に保持（フリーズ）してＩ項が不適切に積算されていくことを禁止する。そして目標ノズル開度Ｓを実質的にガード値Ｇｓに制御する。

この後ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０８において、目標ノズル開度Ｓに応じてノズルアクチュエータ２９を制御する。すなわち、実際のノズル開度Ｓｒを目標ノズル開度Ｓに一致させるよう、ノズルアクチュエータ２９を制御し、ノズル開度可変機構２８（可動ノズルベーン）を作動させる。これにより実際のノズル開度Ｓｒが目標ノズル開度Ｓに一致するよう制御される。なおノズル開度可変機構２８に実際のノズル開度Ｓｒを検出するためのノズル開度センサ（図示せず）を設け、ノズル開度センサで検出された実際のノズル開度Ｓｒが目標ノズル開度Ｓに一致するようフィードバック制御（好ましくはＰＩＤ制御）を行うのが好ましい。

他方、ステップＳ１０４において目標ノズル開度Ｓがガード値Ｇｓ以上と判断された場合、本発明の着想に至る前の例（比較例という）においては、そのままステップＳ１０８に進んで目標ノズル開度Ｓに一致させるよう実際のノズル開度Ｓｒが制御されていた。しかし、こうすると後述の理由でタービン回転数が最高許容回転数を超える虞がある。このため本実施形態では後述するステップＳ１０５〜Ｓ１０７，Ｓ１０９〜Ｓ１１１を追加している。なおタービン回転数とは、タービンホイールとコンプレッサホイールとを連結するタービンシャフトの単位時間当たりの回転数すなわち回転速度のことをいい、単位はｒｐｍである。

ノズル開度のガード値Ｇｓは、タービン入口圧過剰上昇等の問題が生じないタービン入口圧の許容限界に合わせて適合されるほか、これ以外にも、ターボチャージャ１４のタービン回転数が、ターボチャージャ１４の構造等から定まる所定の最高許容回転数（例えば１０数万ｒｐｍ程度の値）を超えないよう、実験等を通じて予め適合されている。しかし、実際の使用時に何等かの原因（例えば環境（気温、大気圧）変化や製品バラツキ等）で、ノズル開度がガード値Ｇｓ以上であっても、タービン回転数が最高許容回転数を超える（つまり過回転が生じる）可能性がある。タービン回転数が最高許容回転数を超えるとターボチャージャが破損する虞がある。このため、そのような事態が生じぬよう万全の策を講じておくことが望ましい。こうした観点からステップＳ１０５〜Ｓ１０７，Ｓ１０９〜Ｓ１１１が追加されている。

ステップＳ１０４において目標ノズル開度Ｓがガード値Ｇｓ以上の場合、ステップＳ１０５においてＥＣＵ１００は、エアフローメータ１３により検出された実際の吸気流量すなわち吸気質量流量Ｇａと、吸気温センサ４７により検出された実際の吸気温（大気温）Ｔａと、入口圧センサ４８により検出された実際のコンプレッサ入口圧Ｐ１と、出口圧センサ４９により検出された実際のブースト圧（コンプレッサ出口圧）Ｐ２とを取得する。

次いでステップＳ１０６においてＥＣＵ１００は、取得した吸気質量流量Ｇａ、吸気温Ｔａ、コンプレッサ入口圧Ｐ１およびブースト圧Ｐ２に基づき、次の手順で、タービン回転数Ｎｔ（ｒｐｍ）を推定する。まずＥＣＵ１００は、吸気質量流量Ｇａを、標準状態における吸気体積流量となるよう算出した修正吸気体積流量Ｑａに変換する。この変換は次式によって行われる。

ここでＲはガス定数（例えば２８７Ｊ／ｋｇ・Ｋ）、Ｔｓは標準状態における吸気温（例えば２９３Ｋ）である。

次いでＥＣＵ１００は、コンプレッサ１４Ｃにおける圧力比Ｒｐを式（２）：Ｒｐ＝Ｐ２／Ｐ１により算出する。

次いでＥＣＵ１００は、修正吸気体積流量Ｑａと圧力比Ｒｐに基づき、図５に示すような所定のマップｍｐ３に従って、推定値としてのタービン回転数Ｎｔを算出する。このマップｍｐ３には、公知のコンプレッサ特性マップと同様に、修正吸気体積流量Ｑａと圧力比Ｒｐとタービン回転数Ｎｔとの関係が予め規定されている。

こうしてタービン回転数Ｎｔ（ｒｐｍ）を推定したならば、ステップＳ１０７においてＥＣＵ１００は、タービン回転数Ｎｔを所定の最高許容回転数Ｇｔと比較する。

タービン回転数Ｎｔが最高許容回転数Ｇｔ以下の場合、過回転の問題は生じていないので、ステップＳ１０８に進んでＥＣＵ１００は、実際のノズル開度ＳｒがステップＳ１０３で算出された目標ノズル開度Ｓに一致するようノズルアクチュエータ２９を制御する。

他方、タービン回転数Ｎｔが最高許容回転数Ｇｔを超えている場合、過回転の問題が生じている。この場合ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０９以降においてノズル開度が減少しないようにノズル開度を制御する。

具体的にはＥＣＵ１００は、ステップＳ１０９において、ステップＳ１１３と同様に、差ΔＰ２が正のとき、すなわち実際のブースト圧Ｐ２が目標ブースト圧Ｐ２ｔより小さいとき、ノズル開度のフィードバック制御の一部を停止し、具体的にはＩ項を現状値に保持（フリーズ）する。

次にＥＣＵ１００は、ステップ１１０において、ステップＳ１０３で算出された目標ノズル開度Ｓに所定の微小なノズル開度αを加算し、これを新たな目標ノズル開度Ｓとする。これにより目標ノズル開度Ｓは僅かに開き側に補正される。タービン回転数Ｎｔが最高許容回転数Ｇｔを超えている間、ステップＳ１１０が繰り返し実行されることにより、目標ノズル開度Ｓすなわち実際のノズル開度Ｓｒは徐々に開き側に増大される。これによりタービン回転数がやがて最高許容回転数Ｇｔ以下に低減され、過回転の問題が解消される。

次にＥＣＵ１００は、ステップＳ１１１において、現状のエンジン回転速度ＮＥと目標燃料噴射量Ｑに対応したマップｍｐ２（図４）中のガード値Ｇｓの値を増大側に補正する。すなわち、ステップＳ１０３で算出された目標ノズル開度Ｓがガード値Ｇｓ以上であるのに、過回転が生じているということは、マップｍｐ２中のガード値Ｇｓの値が実際には適切でないことを意味する。よってこれを適切化すべく、ガード値Ｇｓの値を若干開き側に補正する。こうすることで、より早い段階で目標ノズル開度Ｓがガード値Ｇｓに達し、ステップＳ１１２によるノズル開度制限を行い、過回転を未然に防止できるようになる。

そしてＥＣＵ１００は、ステップＳ１０８において、実際のノズル開度Ｓｒが、ステップＳ１１０で設定された目標ノズル開度Ｓに一致するよう、ノズルアクチュエータ２９を制御する。

このように本実施形態によれば、推定されたタービン回転数Ｎｔが最高許容回転数Ｇｔを超えたとき、ノズル開度が減少しないようノズル開度を制御するので、タービン回転数が最高許容回転数を超えることを抑制することができる。特に、推定されたタービン回転数Ｎｔが最高許容回転数Ｇｔを超えたとき、ノズル開度を徐々に増大させるようノズル開度を制御するので、タービン回転数をやがて最高許容回転数以下に低減することができ、過回転状態を早期に解消できる。また吸気流量、吸気温、コンプレッサ入口圧およびコンプレッサ出口圧に基づいてタービン回転数を推定するので、タービン回転数を精度良く推定することができる。

以上の説明で明らかなように、本発明にいう推定部はＥＣＵ１００によって構成され、本発明にいうノズル開度制御部はノズル開度可変機構２８、ノズルアクチュエータ２９およびＥＣＵ１００によって構成される。

本発明の実施形態は上記基本実施形態の他にも様々なものが考えられる。例えば、図２に仮想線ａで示すように、ステップＳ１１３の後、ステップＳ１０８ではなく、ステップＳ１０５に進むようにしてもよい。この場合、ステップＳ１０４からステップＳ１１２，Ｓ１１３に進んだときに目標ノズル開度Ｓがガード値Ｇｓに制限されるが、こうした場合であっても、ガード値Ｇｓが不適切ならば、タービン回転数Ｎｔが最高許容回転数Ｇｔを超えて過回転する虞がある。本実施形態によれば、目標ノズル開度Ｓをガード値Ｇｓに制限した場合であっても、万全を期すため、過回転の有無を判定し（Ｓ１０７）、過回転有りと判定した場合に目標ノズル開度Ｓを開き側に補正する（Ｓ１１０）。これによっても過回転を抑制し、過回転状態を早期に解消することができる。

なお、タービン回転数Ｎｔが最高許容回転数Ｇｔを超えたとき（Ｓ１０７：ノー）、ステップＳ１１０のように目標ノズル開度Ｓを徐々に増大させるのではなく、目標ノズル開度Ｓを一定に保持してもよい。具体的には、タービン回転数Ｎｔが最高許容回転数Ｇｔを初めて超えた時点の値に目標ノズル開度Ｓを保持する。この時点のタービン回転数Ｎｔは最高許容回転数Ｇｔと実質的に等しく、直ちにターボチャージャが破損するような回転数ではないし、目標ノズル開度Ｓを保持しているうちにエンジン運転状態が変化して過回転状態がやがて解消する可能性があるからである。また目標ノズル開度Ｓを一定に保持することにより、少なくともタービン回転数Ｎｔのさらなる上昇は抑制できる。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ エンジン
１３ エアフローメータ
１４ ターボチャージャ
１４Ｔ タービン
１４Ｃ コンプレッサ
２８ ノズル開度可変機構
２９ ノズルアクチュエータ
４７ 吸気温センサ
４８ 入口圧センサ
４９ 出口圧センサ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (3)

1. エンジンに設けられた可変容量型ターボチャージャの制御装置であって、
   前記ターボチャージャのタービン回転数を推定する推定部と、
   推定された前記タービン回転数が所定の最高許容回転数を超えたとき、タービン入口におけるノズル開度が減少しないよう前記ノズル開度を制御するノズル開度制御部と、
   を備え、
   前記ノズル開度制御部は、
   前記ノズル開度の目標値である目標ノズル開度を算出すると共に、エンジン運転状態に基づき前記ノズル開度のガード値を算出し、
   前記目標ノズル開度が前記ガード値以上のとき、前記タービン回転数を前記最高許容回転数と比較し、
   前記タービン回転数が前記最高許容回転数を超えたとき、前記ノズル開度が減少しないよう前記ノズル開度を制御すると共に、エンジン運転状態に対応した前記ガード値の値を増大側に補正する
   ことを特徴とする可変容量型ターボチャージャの制御装置。
2. 前記ノズル開度制御部は、推定された前記タービン回転数が前記最高許容回転数を超えたとき、前記ノズル開度を徐々に増大させるよう前記ノズル開度を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の可変容量型ターボチャージャの制御装置。
3. 前記推定部は、吸気流量、吸気温、コンプレッサ入口圧およびコンプレッサ出口圧に基づいて前記タービン回転数を推定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の可変容量型ターボチャージャの制御装置。

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