JPH1068327A - ターボチャージャ・コントロール装置と方法 - Google Patents
ターボチャージャ・コントロール装置と方法Info
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- JPH1068327A JPH1068327A JP9147429A JP14742997A JPH1068327A JP H1068327 A JPH1068327 A JP H1068327A JP 9147429 A JP9147429 A JP 9147429A JP 14742997 A JP14742997 A JP 14742997A JP H1068327 A JPH1068327 A JP H1068327A
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Abstract
チャージャのブースト圧力を調整する。 【解決手段】 内燃機関のターボチャージャのブースト
圧力を調整する本発明の装置はウエストゲート弁、アク
チュエーターそしてコントローラーを含む。内燃機関の
速度センサー、ブースト圧力トランスジューサーそして
大気圧センサーから取り出された信号をコントローラー
で処理する。このコントローラーからアクチュエーター
へのコントロール信号はウエストゲート弁の位置、排気
ガスの迂回そしてターボチャージャの速度を制御する。
Description
トロール装置に係るものであり、更に具体的には内燃機
関が作動している異なる高度でその内燃機関へターボチ
ャージャが送出する空気の量を調整するコントロール装
置に係るものである。
使用される形式のターボチャージャで過給する内燃機関
はしばしば、空気作動式のウエストゲート弁を使ってタ
ーボチャージャの速度を、従って内燃機関の吸気マニフ
ォルドへ送出されるブースト圧力を調整している。ウエ
ストゲート弁は内燃機関の排気システムに配置されてい
るのが普通であり、ターボチャージャのタービン部へ向
けられる排気ガスの体積を調整することによりターボチ
ャージャの速度を調整する。
に付与された米国特許4、697、421は、タービン
部からの排気流を迂回させてブースト圧力を調整するウ
エストゲート弁を開示している。ウエストゲート弁を動
かしている空気アクチュエーターは、ブースト圧力と吸
気マニフォルド温度とに基礎を置いてウエストゲート弁
の開口圧力を変えている制御弁により調整されている。
ブースト圧力を目標圧力に維持することが内燃機関の動
作状態を改善し、そして所与の高度におけるエンジン・
ノックを減少する。しかしながら、異なる高度における
作動に対する補償がないので、高い高度におけるブース
ト不足と低い高度と低い大気温度における過大なブース
トが生じる。それ故、内燃機関の最適動作が達成されな
い。
ーク・シリンダー圧力)から内燃機関を保護するにはウ
エストゲート弁は有用であるが、ウエストゲート弁の精
密変調を必要とする場合にはウエストゲート弁は有用で
はない。従来の流体作動式排気制御システムは十分な変
調を達成するに必要な応答性と精度とを欠いている。そ
れ故、ウエストゲート弁作動の高度の最適化を達成する
には応答性のよい、そして精度の高いコントロール装置
を実現しなければならない。
度を低く保ち、そして様々な空気密度(様々な高度と大
気温度)において適正量のブーストを与えるためには様
々な制御パラメーターを考慮するコントロール装置をつ
くることが必要である。現在そのようなコントロール装
置はない。
いて内燃機関のターボチャージャのブースト圧力を調整
するコントロール装置を提供する。
ボチャージャのコンプレッサー部へ内燃機関の吸気マニ
フォルドを接続し、ターボチャージャのタービン部へ内
燃機関の排気マニフォルドを接続している。排気マニフ
ォルドとタービン部との間に接続されたウエストゲート
弁は、内燃機関が排出した流体の流れがタービン部を迂
回できるようにする開位置と内燃機関が排出した流体の
流れがタービン部を迂回できないようにする閉位置との
間で動くことができる。第1の感知手段は内燃機関の速
度を感知し、そしてそれに応答して速度信号を発送す
る。第2の感知手段は内燃機関のブースト圧力を感知
し、そしてそれに応答してブースト信号を発送する。第
3の感知手段は内燃機関のラックを感知し、そしてそれ
に応答してラック信号を発送する。第4の感知手段は大
気圧を感知し、そしてそれに応答して大気圧感知信号を
発送する。これらの第1、第2、第3そして第4の感知
手段に接続されたコントローラーは速度、ブースト圧
力、ラックそして大気圧信号を受け、これらの信号に基
づいてブースト・エラーを求め、そしてコントロール信
号を発送する。アクチュエーターはこのコントロール信
号を受け、それに応答して開位置と閉位置の一方に向け
てウエストゲート弁を動かし、そしてターボチャージャ
から内燃機関の吸気マニフォルドへ放出されたブースト
の量を変化する。
な高度における吸入マニフォルドブーストの制御法は、
内燃機関の速度、ブースト、ラックそして大気圧を測定
する段階、内燃機関の速度、ラックそして高度に基づい
てブースト目標値を決定する段階、感知したブースト値
とブースト目標値との間のブーストエラーを決定する段
階、そしてこのブーストエラーに応答してターボチャー
ジャから吸気マニフォルドへ放出されるブーストの量を
変える段階から成る。
る、ジーゼルエンジンのような内燃機関14のターボチ
ャージャ12のブースト圧力を調整するコントロール装
置10を示す。この内燃機関14の吸気マニフォルド1
6はターボチャージャ12のコンプレッサー部20へ接
続されており、内燃機関14の排気マニフォルド18は
ターボチャージャ12のタービン部22へそれぞれ接続
されている。この実施例のターボチャージャ12は直列
に接続された2つのターボチャージャ、低圧ターボチャ
ージャ24と高圧ターボチャージャ26から成り、それ
ぞれコンプレッサー部20とタービン部22とを有して
いる。よく知られているように、内燃機関に要求される
全運転範囲をカバーするためには様々に異なる高度と温
度とが内燃機関が必要とするブーストに影響を与えるの
で、2つのターボチャージャをしばしば設置する。
の間に接続されたウエストゲート弁28は内燃機関14
が排出した流体の流れがタービン部22を迂回できるよ
うにする開位置30と内燃機関14が排出した流体の流
れがタービン部22を迂回できないようにする閉位置3
2との間で動くことができる。ウエストゲート弁28は
開位置において排出流体の流れを迂回させ、そして開位
置30と閉位置32との間の位置でも排出流体の流れを
迂回させる。ウエストゲート弁は無限に可変であるの
で、開閉の間の位置が様々な迂回特性を決定する。注目
すべきこととして、閉位置32におけるウエストゲート
弁28は完全に閉じていなくて、幾らか排気ガスにター
ビン部22を迂回させてもよい。同様に、開位置30に
おけるウエストゲート弁28はすべての排気ガスを迂回
させるよう完全に開いていなくてもよい。開閉位置は2
つの異なるオリフイスの大きさと、それらの間でのオリ
フイスの中間の大きさとを決めればよいと言える。
ク34と固定座部36とを有するものとして示されてい
るけれども、他の形態例えば、バタフライ・フラッパー
形式の弁も同様に使用できる。ウエストゲート弁28を
配置した迂回コンジット38は排気マニフォルド18と
タービン部22との間で排気ダクト40にTの字の形で
入っている。迂回コンジット38はタービン部22と並
列に排気マニフォルド18へ接続されている。ウエスト
ゲート弁28が迂回させる排気ガスは迂回コンジット3
8により排気ダクト内のマフラー42へ向けられる。
ンクシャフト46の速度を感知し、そしてそれに応答し
てディジタル速度信号を導線48を介して発送する。こ
の第1の感知手段44は適当なトランスジューサー、例
えば磁気ピックアップと隣接歯車とを含んでいる。この
トランスジューサーを内燃機関へ接続し、そして歯車を
内燃機関のクランクシャフト46に取り付ける。
圧力を感知し、そしてそれに応答してブースト信号を導
線52を介して発送する。この第2の感知手段50は、
吸気マニフォルド16に接続され、その中に配置された
市販の適当な圧力トランスジューサーでよい。ブースト
信号はアナログであり、そしてそのアナログ信号の大き
さが吸気マニフォルドのブースト圧力に一致する。
感知し、そしてそれに応答してラック信号を導線56を
介して発送する。この第3の感知手段54は、アナログ
もしくはディジタル形式のオペレータ・コマンド入力デ
バイスを含む。例えば、ポテンショメーターもしくはエ
ンコーダーを作動させるよう接続されたレバーもしくは
ペダルでよい。このアナログもしくはディジタルデバイ
スは操縦者が要求する内燃機関の出力を確立し、そして
コントロール手段58に内燃機関のラックを確立するよ
う指令する。注目さるべきこととしてこのコントロール
手段58からラック信号を直接得てもよい。このことは
第3手段54の技術的な均等物という意味においてであ
る。
圧を感知し、そしてそれに応答してアナログもしくはデ
ィジタルのいずれかの形で大気圧感知信号を導線62を
介して発送する。この第4の感知手段60は市販の適当
な大気圧センサーでよい。当業者であれば知っているこ
とであるが、大気圧は高度につれて変化し、従って高度
に比例している。処理上の理由で大気圧を高度に変換す
る。
だけを示す)を含む燃料注入システム64は燃料を配分
して内燃機関14を付勢する。この燃料注入システム6
4は導線68とそれの電子コントロールを介してコント
ロール手段58へ接続される。コントロール手段58か
らの信号に応答する市販のエレクトロハイドロリック・
バルブ70(一つだけを示す)により燃料注入器66を
制御するのが好ましい。これらの燃料注入器66はコン
トロール手段58からの制御信号に基づいて内燃機関へ
燃料を送る。
そして第4の感知手段44、50、54、60に導線4
8、52、56、62を介して接続されて速度、ブース
ト、ラックそして大気圧信号を受ける。コントロール手
段58は、プロセッサー72、メモリー74、必要なら
ばアナログ信号を変換するアナログからデジィタルへの
変換器76そしてアクチユーエーター手段80を駆動す
るドライバー78を含んでいる。コントロール手段58
はこれらの信号に応答して、速度、ブースト、ラックそ
して大気圧信号に基づいてブースト・エラーを決定し、
そしてそれに応答してコントロール信号を発送する。
手段80との間に接続された導線82を介してアクチュ
エーター手段80は制御信号を受け、そしてこれに応答
して開閉位置の一方の位置に向かってウエストゲート弁
28を動かし、そしてそれによりターボチャージャ12
から内燃機関14の吸気マニフォルド16へ送られるブ
ーストの量を変える。
ジックを詳細に示す。速度信号とラック信号とに基づい
て例えばブーストマップ200(もしくはルックアップ
・テーブル)からブースト値を選択することによりプロ
セッサ72はブーストを決定する。
・オフセットマップ202(もしくはルックアップ・テ
ーブル)からブースト・オフセット値を選択することに
よりプロセッサ72はブースト・オフセットを決定す
る。プロセッサーは大気圧を高度に変換することもあ
る。その場合ブースト・オフセットマップは速度と高度
とに基づいている。
ブーストオフセット値とブースト値とを組み合わせ、ブ
ースト目標値を得る。ボックス206内でブーストエラ
ーは実際のブースト値とブースト目標値との差として決
定される(実際のブースト値−ブースト目標値=ブース
トエラー)。ボックス212の実際のブースト値は、第
2の手段50により感知され、そしてプロセッサー72
へ送られるブーストである。ウエストゲート弁調整のロ
ジックに関する付加的な情報を以下に述べる。
るように、毎分1、750回転におけるブースト・オフ
セット値は約−5キロパスカルと65キロパスカルとの
間で高度につれて変化する。曲線220から予期できる
ように、ブースト・オフセットの変化は5、000フイ
ートと12、500フイートとの間で最も大きい。その
他の速度に対して一群のブーストオフセット曲線が存在
する。図2のボックス202でブーストオフセット値
は、感知された内燃機関の速度と大気圧に対してブース
ト・オフセットマップ、ルックアップ・テーブル等から
選択される。
に示す。特定の内燃機関の速度とラックに対するブース
ト値は容易に決定できる。ボックス200に示すよう
に、感知された速度とラックに対するブースト値がブー
ストマップ、ルックアップ・テーブル等から決定され
る。次いで、このブースト値はブースト目標値の決定に
用いられる。
おけるブースト目標値は、曲線222により示されるよ
うに、約275−350キロパスカルの間で高度につれ
て変化する。曲線220から予期できるように、ブース
ト・オフセットの変化は5、000フイートと12、5
00フイートとの間で最も大きい。その他の内燃機関の
速度に対して一群のブースト目標値曲線が存在する。図
2のボックス204でブースト目標値が、ボックス20
0で決定されたブーストとボックス202で決定された
ブーストオフセットとに基づいてブースト目標マップ、
ルックアップ・テーブル等から選択される。
に、ターボチャージャの速度と内燃機関の排気温度とを
高度に対してそれぞれプロットしている。図5に見られ
るように、毎分1、750回転の内燃機関の速度におい
てターボチャージャの速度曲線は約7、500フイート
まで高度につれて増大する。ターボチャージャの速度の
増加は約7、500フイートで阻止される。同様に、図
6に見れるように、毎分1、750回転の内燃機関の速
度において排気温度曲線226は12、500フイート
まで高度につれて増大する。理解されるように、ターボ
チャージャの速度と内燃機関の排気温度とに対する制限
を確立してターボチャージャと内燃機関の早過ぎる摩損
や損傷を防止する。上に説明したように、他の内燃機関
の速度に対して曲線224、226のような一群の曲線
がある。
が出力を増加するときでさえもターボチャージャが速度
制限と温度制限を越えないようにすることによりコント
ロール手段58はターボチャージャの作動を保護する。
円筒ハウジング86を有するリニアーアクチュエーター
84、ピストン87、そしてこのピストン87とウエス
トゲート弁28とに接続されたロッド88を含んでい
る。このロッド88はハウジング86に軸方向に滑動す
るよう接続されている。ハウジング86は第1の端90
と第2の端92を有する。リニアー・アクチェーター8
4はピストン・ロッド88とハウジング86とに、それ
の第1の端90と第2の端92の間の位置で接続された
ダイアフラム94を有する。このダイアフラム94はハ
ウジング86とロッド88とに密封係合していて、ハウ
ジング86内に室96を形成している。第1の端90は
所定直径の密封開口98を有する。このロッド88は所
定直径を有し、開口98を通る。ロッド88の直径は密
封開口98の直径よりも小さく、そしてそれらの間に所
定の隙間をつくる。この所定の隙間は室96と大気との
間で調整された漏洩路を形成している。スプリング10
0を設けてウエストゲート弁を所定の中正位置に保つ。
この中正位置は開いた位置30と閉じた位置32との間
にあるものとして示されているが、開いた、そして閉じ
た位置のような他の位置を選定してその中正位置におい
て望まれる動作特性を与えるようにしてもよい。
を含んでいる。比例弁102は、第1のコンジット10
6により加圧流体源104へ接続され、そして第2のコ
ンジット108によりハウジング86へ接続されてい
る。第1のコンジットは加圧流体源104から比例弁1
02へ加圧流体を送出し、そして第2のコンジットは比
例弁102からコンジット106、108へ加圧流体を
送出する。比例弁102は従来のソレノイド作動式比例
空気弁であるのが好ましく、導線82によりコントロー
ル手段58へ接続されている。比例弁102は導線82
によりコントロール手段58から取り出された制御信号
を受け、そしてそれに応答して、加圧流体源104から
ハウジング86へ送られる加圧流体を変調する。
例えば空気コンプレッサー110でもよい。又は、内燃
機関14へ設けられる空気取り込み口が加圧流体源でよ
い。コンジット108は比例弁102へコンプレッサー
110を、もしくは吸気マニフォルド16を比例弁10
2へ接続する。
2のコンジット108へ、この第2のコンジット108
と並列流体流通関係に接続されている。固定オリフイス
112は、比例弁102が第2のコンジット108へ送
った加圧流体の一部分を放出し、そして比例弁102が
通した加圧流体と組み合わせて制御流速を確立する。
る流体圧力がピストン87とダイアフラム94とに働
き、そしてロッド88をハウジング86に対して動くよ
うにする。ロッド88のこの動きによりウエストゲート
弁28は開位置と閉位置との間で動く。ピストン87と
ダイアフラム94とに作用する流体圧により生じる力と
スプリング100の力との差がロッド87の位置とウエ
ストゲート弁28の位置とを決める。オリフイス80と
比例弁102との組み合わせがウエストゲート弁28の
精確な位置決めを可能としている。導線82を介して制
御信号を比例弁102へ送るときコントロール手段58
は室96内に制御圧力を確立し、そしてそれによりウエ
ストゲート弁の位置を決定する。
ーストエラーに関連している(ボックス206)。結果
として、送られた制御信号は比例弁102を動かすが
(ボックス208)、その場合ウエストゲート弁28が
適正量の排気流を迂回させる位置へロッド88を動かす
に足る流体の流速を確立させるだけ比例弁102は動く
(ボックス210)。実質的に一定の圧力の流体源10
4(ボックス214)を比例弁102により調整して、
ウエストゲート弁28を位置決めする。大きくブースト
を増大しなければならない場合送られるコントロール信
号は、ブーストの増大が小さいときよりも大きい。この
結果、ウエストゲート弁28の開口に比例的な応答時間
を生じる。コントロール信号は比例弁102の所望位置
に比例する大きさのアナログ信号であるのが好ましい。
へ与えられるターボチャージャのブーストの量を、温度
制限とターボチャージャの速度制限を越えることなく様
々に異なる高度において最適化する。
度)を利用してコントロール装置は、様々に異なる高度
における内燃機関14の性能を改善し、ブーストの不足
もしくはブーストの過剰と関連する問題を克服する。
ーボチャージャで過給する内燃機関14の速度、ブース
ト、ラックそして大気圧を感知することにより内燃機関
の様々に異なる高度における吸気マニフォルド16を制
御し、そしてこれらの信号に基づき、予めプログラムし
た指令に従ってウエストゲート弁28を制御する。
ラックそして高度に基づいてブースト目標値を決め、実
際に感知したブースト値とブースト目標値との間のブー
ストエラーを決定し、そしてブーストエラーに応答して
ターボチャージャから吸気マニフォルドへ送られるブー
ストの量を、ウエストゲート弁の位置と排気ガスの迂回
とを調整することにより変える。
ル手段58は、ブーストマップからブースト値、ブース
ト・オフセットマップからブースト・オフセット値を選
択し、選択されたブースト値とブースト・オフセット値
を組み合わせ、そしてこれらの選択されたブースト値と
ブースト・オフセット値からブースト目標値を決定す
る。実際に感知されたブースト値をブースト目標値だけ
減ずることによりブーストエラーを決定する。
ル手段58から比例弁102へ与えられるコントロール
信号により比例弁102はコンジット108へ通る流体
を減少して、室96から流体を放出し、そしてウエスト
ゲート弁28を閉位置へ動かす。もしブーストエラーが
正であると、コントロール手段58から比例弁102へ
与えられるコントロール信号により比例弁102はコン
ジット108へ通る流体を増加して、室96へ流体を加
え、そして放出弁を開位置へ動かす。
手段80によるウエストゲート弁の上述の制御の結果、
内燃機関のブースト圧力を精確に応答制御することがで
きる。
トゲート弁そしてこのウエストゲート弁を制御するコン
トロール装置を示す本発明の実施例の略図である。
示すフロー・チヤートである。
ースト・オフセット対高度のグラフである。
ースト目標値対高度のグラフである。
ーボー速度対高度のグラフである。
気温度対高度のグラフである。
にとって示した3次元ブーストマップである。
Claims (12)
- 【請求項1】 ターボチャージャのコンプレッサー部へ
吸気マニフォルドを接続し、ターボチャージャのタービ
ン部へ排気マニフォルドを接続した内燃機関のターボチ
ャージャのブースト圧力を、様々に異なる高度におい
て、調整するコントロール装置において、 前記の排気マニフォルドと前記のタービン部との間に接
続され、内燃機関が排出した流体の流れがタービン部を
迂回できるようにする開位置と内燃機関が排出した流体
の流れがタービン部を迂回できないようにする閉位置と
の間で動くことのできるウエストゲート弁と、 内燃機関の速度を感知し、そしてそれに応答して速度信
号を発送する第1の感知手段と、 内燃機関のブースト圧力を感知し、そしてそれに応答し
てブースト信号を発送する第2の感知手段と、 内燃機関のラックを感知し、そしてそれに応答してラッ
ク信号を発送する第3の感知手段と、 大気圧を感知し、そしてそれに応答して大気圧感知信号
を発送する第4の感知手段と、 前記の第1、第2、第3そして第4の感知手段に接続さ
れ、前記の速度、ブースト圧力、ラックそして大気圧信
号を受け、これらの信号に基づいてブースト・エラーを
求め、そしてそれに応答してコントロール信号を発送す
るコントロール手段と、 前記のコントロール信号を受け、それに応答して開位置
と閉位置の一方に向かって開位置と閉位置との間の位置
に前記のウエストゲート弁を動かすアクチュエーター手
段を備えたことを特徴とするコントロール装置。 - 【請求項2】 前記のコントロール手段はプロセッサを
含み、このプロセッサは速度、ラックそして感知された
大気圧に基づいてブーストの目標値を決定する請求項1
に記載のコントロール装置。 - 【請求項3】 前記のプロセッサはブーストマップから
ブースト値を、ブースト・オフセットマップからブース
ト・オフセット値を選択して、これら選択したブースト
値とブースト・オフセット値を組み合わせて前記のブー
ストの目標値を決定する請求項2に記載のコントロール
装置。 - 【請求項4】 前記のブーストマップ値が内燃機関の速
度とラックの関数であり、そして前記のブースト・オフ
セット値は内燃機関の速度と大気圧の関数である請求項
3に記載のコントロール装置。 - 【請求項5】 前記のブーストエラーは前記の感知され
た圧力と前記のブースト圧力の目標値との間の差である
請求項4に記載のコントロール装置。 - 【請求項6】 前記のアクチュエーターは、 ハウジングと、前記のウエストゲート弁へ接続され、そ
して前記のハウジングへ滑動するよう接続されたロッド
とを有するリニアー・アクチュエーター、及び前記のハ
ウジング、前記のコントロール手段そして加圧流体源に
接続された比例弁を備え、この比例弁は前記のコントロ
ール信号を受け、そしてそれに応じて前記の加圧流体源
から前記のハウジングへ送出された流体の圧力を調整
し、前記のリニアーアクチュエータのロッドは流体圧力
に応答して前記のハウジングに対して動くことができ、
前記の開位置と前記の閉位置との間で前記のウエストゲ
ート弁を動かす請求項1に記載のコントロール装置。 - 【請求項7】 前記の比例弁はソレノイド作動式比例空
気弁であり、そして前記の加圧流体源は空気供給源であ
る請求項6に記載のコントロール装置。 - 【請求項8】 前記の加圧流体源はターボチャージャの
圧縮空気供給源を比例弁へ接続する流体通過コンジット
を含む請求項7に記載のコントロール装置。 - 【請求項9】 前記のハウジングは第1と第2の端を有
し、前記のリニアー・アクチェーターは、該ハウジング
の第1と第2の端の間の位置において前記のロッドと前
記のハウジングとに接続されたダイアフラムを有し、こ
のダイアフラムは前記のハウジング内に室を形成し、前
記のロッドは前記の比例弁に応答して動くことができ、
前記の室への加圧流体を送出する請求項6に記載のコン
トロール装置。 - 【請求項10】 前記の比例弁へ前記の加圧流体源を接
続する第1のコンジット、前記の比例弁を前記のハウジ
ングへ接続する第2のコンジット、この第2のコンジッ
トと並列に接続され、第2のコンジットへ送出された加
圧流体の一部を放出する固定オリフイスを含み、前記の
第1のコンジットは前記の加圧流体源から前記の比例弁
へ加圧流体を送出し、そして前記の第2のコンジットは
前記の比例弁から前記の室へ加圧流体を送出する請求項
9に記載のコントロール装置。 - 【請求項11】 タービン部と並列になって、排気マニ
フォルドへ接続された排気バイパス・コンジットを含
み、この排気バイパス・コンジットはタービンを迂回し
て内燃機関の排気ガスを、ウエストゲート弁の開位置に
おいて、そしてウエストゲート弁の開位置と閉位置との
間の位置において大気圧へ通す請求項6に記載のコント
ロール装置。 - 【請求項12】 前記の第1の端は所定直径の開口を有
し、前記のロッドは所定の直径を有し、前記の開口を通
って延び、前記のロッドの直径は前記の開口の直径より
も小さく、そしてそれらの間に所定の隙間を形成してお
り、この所定の隙間は前記の室と大気圧との間の調整さ
れた漏洩路を形成している請求項9に記載のコントロー
ル装置。
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