JP6907977B2 - ターボチャージャの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＨＰＬ−ＥＧＲ装置を有する内燃機関に設けられたターボチャージャであって、可変ノズル又はウエストゲートバルブを備えたターボチャージャに用いて好適な制御装置に関する。

特許文献１には、ＨＰＬ−ＥＧＲ装置と可変ノズル付きターボチャージャとを有する内燃機関において、ＥＧＲ領域におけるＥＧＲの制御性を担保しつつ、目標過給圧を達成するように可変ノズルを制御することを目指した技術が開示されている。この従来技術では、マップを用いてエンジン回転数及び燃料噴射量から可変ノズルの開度が決定される。

特開２０１６−０６５５０６号公報 特開２０１３−０６０９１４号公報

ターボチャージャには、可変ノズルの開度の変化に対して過給圧がほとんど変化しない無過給域が存在する。無過給域では、目標過給圧に対して可変ノズルは様々な開度を取り得る。ところが、選択した可変ノズルの開度によってはＥＧＲの制御性が悪化するおそれがある。上記公報に記載の従来技術では、ＥＧＲの制御性を考慮して可変ノズルの開度を決定している。しかし、マップにて開度を決定する方法では過渡期において最適な開度を設定することはできず、極端に可変ノズルが開いてしまうことで燃費が悪化してしまうおそれがある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ＨＰＬ−ＥＧＲ装置を有する内燃機関に設けられ可変ノズル又はウエストゲートバルブを備えたターボチャージャを、ＥＧＲの制御性と燃費とを両立させるように制御することができるターボチャージャの制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係るターボチャージャの制御装置は、目標コンプレッサ後圧力を設定し、目標コンプレッサ後圧力を実現するためのエキマニ圧力を各種状態量に基づいて算出するとともに、無過給域においてＨＰＬ−ＥＧＲ装置によるＥＧＲの制御性を担保可能なポンプロスが得られるエキマニ圧力を算出する。そして、２つのエキマニ圧力のうちでより大きいほうを目標エキマニ圧力として算出する。次に、可変ノズル又はウエストゲートバルブを含むターボチャージャの全体を一つのノズルに見立てた場合のノズル式を用いて、目標エキマニ圧力から可変ノズル又はウエストゲートバルブの開度を算出する。

本発明に係るターボチャージャの制御装置によれば、無過給域においてＨＰＬ−ＥＧＲ装置によるＥＧＲの制御性を担保可能な可変ノズルの最大開度又はウエストゲートバルブの最大開度を算出できるため、ＥＧＲの制御性と燃費とを両立させることができる。

本発明の実施の形態の制御装置が適用されるターボチャージャを備えた内燃機関の概略構成を示す図である。 内燃機関の運転領域の区分を示す図である。 過給域での可変ノズルの閉度の変化に対する過給圧の感度を示す図である。 無過給域での可変ノズルの閉度の変化に対する過給圧の感度を示す図である。 定常状態において可変ノズルの閉度を固定した場合の過給圧の変動を示す図である。 無過給域での可変ノズルの閉度の変化に対する各種状態量の変化を示す図である。 本発明の実施の形態の制御装置のロジックフローを示す図である。 本発明の実施の形態の制御装置の効果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

１．内燃機関の構成
図１は、本発明の実施の形態の制御装置が適用されるターボチャージャ２０を備えた内燃機関２の概略構成を示す図である。内燃機関２は、自動車に搭載されるディーゼルエンジンとして構成されたエンジン本体４を備える。エンジン本体４には複数（図では４つ）のシリンダ４ａが設けられ、シリンダ４ａごとに燃料噴射弁６が設けられている。エンジン本体４には、吸気マニホールド１２ａを介して吸気通路１２が接続されるとともに、排気マニホールド１４ａを介して排気通路１４が接続されている。

ターボチャージャ２０は、排気エネルギによって回転するタービン２０ａと、タービン２０ａによって駆動されるコンプレッサ２０ｂとを有している。ターボチャージャ２０は、タービン２０ａへ流れる排気ガスの速さを変えることのできる可変ノズル２１を備える。ただし、本発明は、タービン２０ａへの排気ガスの流入量を調整することができるウエストゲートバルブを備えるターボチャージャにも適用可能である。

タービン２０ａは、排気通路１４の途中に配置されている。排気通路１４におけるタービン２０ａの下流には、触媒１６が配置されている。コンプレッサ２０ｂは、吸気通路１２におけるエアクリーナ１０の下流に配置されている。吸気通路１２におけるコンプレッサ２０ｂの下流には、インタークーラ２４およびディーゼルスロットル２６がこの順に配設されている。

また、内燃機関２は、ＨＰＬ−ＥＧＲ装置３０を備える。ＨＰＬ−ＥＧＲ装置３０は、排気通路１４におけるタービン２０ａの上流と、吸気通路１２におけるディーゼルスロットル２６の下流とをＥＧＲ通路４０で接続する。ＥＧＲ通路４０には、その上流側から下流側に向かってＥＧＲクーラ４２とＥＧＲ弁４４がこの順に配設されている。ＥＧＲ通路４０には、ＥＧＲクーラ４２をバイパスするバイパス通路４６が設けられている。バイパス通路４６がＥＧＲ通路４０に合流する合流部には、バイパス通路４６とＥＧＲクーラ４２との間でＥＧＲガスの流路を切り替えるバイパス弁４８が設けられている。

内燃機関２は、燃料噴射弁６やディーゼルスロットル２６等のアクチュエータを制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００を備える。ＥＣＵ１００は、ターボチャージャ２０の制御装置でもある。ターボチャージャ２０の制御装置としてのＥＣＵ１００は、可変ノズル２１の開度を制御する。ターボチャージャ２０が可変ノズル２１に代えてウエストゲートバルブを備える場合には、ターボチャージャ２０の制御装置としてのＥＣＵ１００は、ウエストゲートバルブの開度を制御する。

ＥＣＵ１００は、少なくとも１つのプロセッサと少なくとも１つのメモリとを有する。メモリには、内燃機関２の制御のための各種のプログラムやマップを含む各種のデータが記憶されている。メモリに記憶されているプログラムがプロセッサで実行されることで、ＥＣＵ１００には様々な機能が実現される。なお、ＥＣＵ１００は、複数のＥＣＵの集合体であってもよい。

ＥＣＵ１００は、各種のセンサから、内燃機関２の運転状態や運転条件に関する様々な情報や信号を取得する。例えば、吸気通路１２の入口近傍に配置されたエアフローセンサ５０からは、吸気通路１２に吸入される新気の流量である新気量Ｇａに関する情報が取得される。吸気通路１２の入口近傍に配置された温度センサ５１からは、吸気通路１２に吸入される新気の温度である吸気温度Ｔｈａに関する情報が取得される。吸気通路１２におけるコンプレッサ２０ｂの上流に配置された圧力センサ５２からは、吸気通路１２におけるコンプレッサ２０ｂの上流の圧力であるコンプレッサ前圧力Ｐ２に関する情報が取得される。吸気通路１２におけるコンプレッサ２０ｂの下流に配置された圧力センサ５３からは、吸気通路１２におけるコンプレッサ２０ｂの下流の圧力であるコンプレッサ後圧力Ｐ３に関する情報が取得される。

また、排気マニホールド１４ａに配置された温度センサ５４からは、排気マニホールド１４ａ内の排気の温度であるエキマニガス温度Ｔ４に関する情報が取得される。排気通路１４におけるタービン２０ａの下流に配置された圧力センサ５５からは、排気通路１４におけるタービン２０ａの下流の圧力であるターボ後圧力Ｐ６に関する情報が取得される。さらに、シリンダ４ａ内に供給された燃料の流量である燃料流量Ｇｆが取得される。燃料流量Ｇｆは燃料噴射弁６の駆動時間から計算される。ＥＣＵ１００は、これらの情報に基づいて内燃機関２の制御パラメータを決定する。

２．内燃機関の運転領域と過給感度
図２は、内燃機関２の運転領域の区分を示す図である。エンジン回転数と燃料噴射量とを軸とする座標系において、内燃機関の運転領域は低負荷域である無過給域と中・高負荷域である過給域とに区分される。無過給域と過給域との違いは可変ノズル２１の開度に対する過給圧の感度にある。過給圧とは、吸気マニホールド１２ａ内の圧力を意味する。なお、可変ノズル２１は全開を初期位置として閉じ側に操作されるので、可変ノズル２１の開き具合は閉度ではなく閉度で表される場合がある。

図３は、図２において内燃機関２が動作点Ｂで動作しているときに得られたデータを示す図である。このデータは、過給域での可変ノズル２１の閉度の変化に対する過給圧の感度を示している。グラフの横軸のＶＮ閉度は可変ノズル２１の閉度を意味する。図４は、図２において内燃機関２が動作点Ａで動作しているときに得られたデータを示す図である。このデータは、無過給域での可変ノズル２１の閉度の変化に対する過給圧の感度を示している。これら２つのデータの比較により、無過給域と過給域との間での可変ノズル２１の閉度に対する過給圧の感度の違いが分かる。

過給域では、図３に示すように、可変ノズル２１が全閉から全開まで変化する間に過給圧は明確に変化し、過給圧と可変ノズル２１の閉度とは一対一の関係を示す。ゆえに、目標過給圧が与えられた場合、過給域では、目標過給圧を実現する可変ノズル２１の閉度は一意に決まる。

無過給域では、図４に示すように、可変ノズル２１が全閉から全開まで変化する間の過給圧の変化は、過給域におけるそれと比較して僅かである。ここで、図５は、定常状態において可変ノズル２１の閉度を固定した場合の過給圧の変動を示す図である（ただし、上段のグラフの縦軸は可変ノズル２１の開度（ＶＮ開度）となっている）。この図に示すように、可変ノズル２１の閉度を一定にした場合でも過給圧は脈動の影響によって振動する。その振動の振幅は、無過給域において可変ノズル２１が全閉から全開まで変化する間の過給圧の変化量と大きく変わらない。このため、無過給域では、可変ノズル２１の閉度の変化に対する過給圧の変化は、吸気の脈動の影響による過給圧の変動幅に埋もれてしまう。ゆえに、無過給域では、過給圧と可変ノズル２１の閉度とは一対一の関係とはならず、目標過給圧を実現する可変ノズル２１の閉度は様々な値を取り得る。

３．無過給域での可変ノズルの閉度の決め方
上記のように、無過給域では、目標過給圧を実現する可変ノズル２１の閉度は一意には定まらない。そうであるならば、無過給域における可変ノズル２１の閉度は、過渡の一瞬一瞬においても、ＨＰＬ−ＥＧＲ装置３０によるＥＧＲの制御性や、ターボチャージャ２０による再加速性に影響を及ぼさない範囲で燃費が最小となる閉度にしたい。ここで、図６は、無過給域での可変ノズル２１の閉度の変化に対する各種状態量の変化を示す図である。最上段のグラフは空気量の変化を示し、二段目のグラフはポンプロスの変化を示し、三段目のグラフはエキマニ圧力及び過給圧の変化を示し、最下段のグラフはターボ回転数の変化を示している。

等空気量のもとでは、ポンプロス、すなわち、エキマニ圧力と過給圧との差圧が小さいほど燃費は向上する。二段目のグラフに示すように、ポンプロスは、可変ノズル２１が開いているほど、つまり、可変ノズル２１の閉度が小さいほど小さくなる。一方、ＥＧＲの制御性を担保するためには、ＥＧＲ弁４４の前後に一定以上の差圧を必要とする。この差圧はポンプロスに等しい。よって、ＥＧＲの制御性を担保するためには、三段目のグラフに示すように、可変ノズル２１の閉度は一定以上の大きさにする必要がある。また、再加速性を担保するためには、タービン２０ａが一定以上の回転数で回転している必要がある。最下段のグラフに示すように、ターボ回転数は可変ノズル２１の閉度が大きいほど大きくなることから、再加速性を担保するためには、可変ノズル２１の閉度は一定以上の大きさにする必要がある。

上記のように、燃費は可変ノズル２１の閉度が小さいほど向上する。また、ＥＧＲの制御性を担保可能なポンプロスが得られる可変ノズル２１の閉度は、再加速性を担保可能なターボ回転数が得られる可変ノズル２１の閉度よりも大きい。これらのことから、ＥＧＲの制御性と再加速性に影響を及ぼさない範囲で燃費が最小となる可変ノズル２１の最適閉度は、ＥＧＲの制御性を担保可能なポンプロスが得られる最小閉度であることが分かる。

ポンプロスは過給圧とエキマニ圧力とに依存する。二段目のグラフと三段目のグラフとから分かるように、ポンプロスは過給圧と一対一の関係にあると同時に、エキマニ圧力とも一対一の関係にある。ただし、無過給域では目標過給圧を実現する可変ノズル２１の閉度は様々な値を取り得るため、可変ノズル２１を最適閉度に制御するための目標値として過給圧は不適である。一方、エキマニ圧力は、過給圧に比較して可変ノズル２１の閉度の変化に対する感度が高い。少なくともＥＧＲの制御性を担保可能なポンプロスが得られる範囲では、エキマニ圧力と可変ノズル２１の閉度とは一対一の関係を示す。そこで、本発明では、可変ノズル２１を最適閉度に制御するための目標値としてエキマニ圧力が用いられる。

４．可変ノズルの制御ロジック
次に、ターボチャージャの制御装置としてのＥＣＵ１００が有する可変ノズルの制御ロジックについて図７を用いて説明する。まず、ＥＣＵ１００は、目標Ｄスロ前圧とＩ／Ｃ圧損とから目標コンプレッサ後圧力Ｐ３ｔを算出する。目標Ｄスロ前圧とは、吸気通路１２におけるディーゼルスロットル２６の上流の圧力の目標値である。Ｉ／Ｃ圧損とは、インタークーラ２４で生じる圧力損失を意味する。

次に、ＥＣＵ１００は、ターボモデルを用いて目標コンプレッサ後圧力Ｐ３ｔから目標エキマニ圧力Ｐ４ｔを算出する。ターボチャージャ２０の入力をエキマニ圧力Ｐ４、出力をコンプレッサ後圧力Ｐ３とした場合、入出力間の関係は新気量Ｇａ、吸気温度Ｔｈａ、コンプレッサ前圧力Ｐ２、ターボ総合効率ηｔｏｔ、エキマニガス温度Ｔ４、ターボ後圧力Ｐ６、及びタービン通過ガス量Ｇａ＋Ｇｆに依存する。これらをパラメータとして入出力間の関係を規定したモデルがターボモデルである。

次に、ＥＣＵ１００は、ターボモデルで算出した目標エキマニ圧力Ｐ４ｔと、エキマニ圧力目標値ガードＰ４ｔｒｇｍｎとを比較して大きい方を目標エキマニ圧力の最終決定値Ｐ４ｔｆとして選択する。これは、無過給域でのエキマニ圧力がエキマニ圧力目標値ガードＰ４ｔｒｇｍｎ以下にならないようにするための処理である。エキマニ圧力目標値ガードＰ４ｔｒｇｍｎは、無過給域においてＥＧＲの制御性を担保可能なポンプロスを得られる最小のエキマニ圧力に設定されている。なお、請求項に規定されている目標エキマニ圧力には、目標エキマニ圧力の最終決定値Ｐ４ｔｆが相当する。

エキマニ圧力目標値ガードＰ４ｔｒｇｍｎは、例えばエンジン回転数と燃料噴射量とをパラメータとするマップから決定される変数としてもよいし、固定値としてもよい。また、現在の過給圧を取得し、目標ポンプロスと現在の過給圧との和をエキマニ圧力目標値ガードＰ４ｔｒｇｍｎとして算出してもよい。目標ポンプロスは、例えばエンジン回転数と燃料噴射量とをパラメータとするマップから決定される変数としてもよいし、固定値としてもよい。

次に、ＥＣＵ１００は、以下の式で表されるノズル式を用いて、目標エキマニ圧力の最終決定値Ｐ４ｔｆから可変ノズル２１の目標有効開口面積μＡを算出する。以下のノズル式は、可変ノズル２１を含むターボチャージャ２０の全体を一つのノズルに見立てた場合のベルヌーイの定理に基づく式であり、エキマニガス温度Ｔ４、ターボ後圧力Ｐ６、及びタービン通過ガス量Ｇａ＋Ｇｆをパラメータとして有する。なお、以下のノズル式において、Ｒは気体定数、κは比熱比である。

次に、ＥＣＵ１００は、可変ノズル２１の開度と有効開口面積との関係を規定した開度特性マップを用いて、目標有効開口面積μＡを実現するための可変ノズル２１の開度を算出する。ＥＣＵ１００は、目標有効開口面積μＡから算出した開度を可変ノズル２１に対する開度制御のフィードフォワード項（Ｆ／Ｆ項）として使用する。

以上のように、本実施の形態では、目標コンプレッサ後圧力Ｐ３ｔを実現するためのエキマニ圧力（目標エキマニ圧力Ｐ４ｔ）と、ＥＧＲの制御性を担保可能なポンプロスが得られるエキマニ圧力（エキマニ圧力目標値ガードＰ４ｔｒｇｍｎ）とのうちより大きいほうを目標エキマニ圧力の最終決定値Ｐ４ｔｆとすることで、無過給域においてＥＧＲの制御性を担保可能な最大開度まで可変ノズル２１を開くことができる。これにより、無過給域でのＥＧＲの制御性と燃費の向上とを両立することができる。また、本実施の形態では、目標有効開口面積μＡの計算にマップではなくノズル式を用いているので、エキマニガス温度Ｔ４、ターボ後圧力Ｐ６、タービン通過ガス量Ｇａ＋Ｇｆに遅れが生じる過渡期においても最適な開度に可変ノズル２１を制御することができる。

５．本実施の形態の制御装置の効果
図８には、減速時に上記制御ロジックにしたがって可変ノズル２１を制御した場合の各種状態量の変化の一例が示されている。最上段のグラフはアクセル開度の変化を示し、二段目のグラフは目標過給圧及び現在過給圧の変化を示し、三段目のグラフは可変ノズル２１の閉度（ＶＮ閉度）の変化を示し、四段目のグラフはエキマニ圧力の変化を示し、最下段のグラフはターボ回転数の変化を示している。

四段目のグラフに示すように、減速時、エキマニ圧はエキマニ圧目標値ガードに遅れて減少していき、内燃機関の動作点が無過給域に突入する頃にはエキマニ圧目標値ガードまで低下する。エキマニ圧目標値ガードが有効な場合、太線で示すように、エキマニ圧目標値ガードはエキマニ圧に対する下限となる。エキマニ圧力目標値ガードは、無過給域においてＥＧＲの制御性を担保可能なポンプロスを得られる最小のエキマニ圧力であることから、無過給域でのＥＧＲの制御性は担保される。また、三段目のグラフに示すように、エキマニ圧目標値ガードが有効な場合は、無過給域での可変ノズル２１の開き過ぎは防止される。これにより、無過給域での燃費の向上が担保される。さらに、最下段のグラフに示すように、エキマニ圧目標値ガードが有効な場合は、無過給域でのターボ回転数の低下は防止される。これにより、無過給域での再加速性が担保される。

２ 内燃機関
４ エンジン本体
１２ 吸気通路
１２ａ 吸気マニホールド
１４ 排気通路
１４ａ 排気マニホールド
２０ ターボチャージャ
２０ａ タービン
２０ｂ コンプレッサ
２１ 可変ノズル
３０ ＨＰＬ−ＥＧＲ装置
１００ 制御装置

Claims (1)

1. ＨＰＬ−ＥＧＲ装置を有する内燃機関に設けられたターボチャージャであって、可変ノズル又はウエストゲートバルブを備えたターボチャージャの制御装置において、
   目標コンプレッサ後圧力を算出する手段と、
   各種状態量に基づいて算出される前記目標コンプレッサ後圧力を実現するためのエキマニ圧力と、無過給域において前記ＨＰＬ−ＥＧＲ装置によるＥＧＲの制御性を担保可能なポンプロスが得られるエキマニ圧力とのうちでより大きいほうを目標エキマニ圧力として算出する手段と、
   前記可変ノズル又は前記ウエストゲートバルブを含む前記ターボチャージャの全体を一つのノズルに見立てた場合のノズル式を用いて、前記目標エキマニ圧力から前記可変ノズル又は前記ウエストゲートバルブの開度を算出する手段と、
   を備えることを特徴とするターボチャージャの制御装置。

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