JPS60182318A - 可変容量タ−ボチヤ−ジヤの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［従来技術］ 一般にターボチャージャ付エンジンは、エンジンの排出
する排気のエネル−１”を利用してタービンを回転し、
それと同軸のコンプレッサを回転してシリンダに入る空
気量を増し、これにより、コンプレッサ出口圧、即ち、
過給圧（大気圧以上の正圧）を得るもので、エンジン出
力（トルク）及び燃費の向上が図られるものである。

この場合、過給圧はエンジンの破損防止上、むやみに上
げられないので、排気をタービンをバイパスしてタービ
ンへ流入する流量を減少させる排気バイパス機構を設け
る。

一方、エンジンの出力に関係でる過給圧は、タービン容
量によって、一義的に決定されるので、小流量タービン
を使用すると機関の低速でのトルクは向上するが、高速
でのトルクが低下し、逆に大流量タービンを使用すると
高速でのトルクは向上するが、低中速でのトルクが低下
づる。そこで、エンジンの運転状態に応じてタービンの
容量を可変とし、低速域から高速域までエンジンのトル
クを増大させることができる可変容量ターボチャージャ
が従来より提案されている（実開昭５３−５０３１０号
公報参照）。

この従来の可変各県ターボチャージャは、タービンハウ
ジングのスクロール入口部の面積、或いはタービン周囲
のノズルリングの可動部の面積を変えてタービンへの排
気流量を変え、これによってコンプレッサの出口圧力を
所定の過給圧に保持し、定速域から高速域までトルクを
増大させることができるものである。

しかしながら、このような従来の可変容量ターボチャー
ジャを、流量範囲がエンジン低速と高速とで数倍となる
自動車用高速形式のエンジンに適用し過給圧制御を行な
おうとすると、全運転域にねｌこって良好なタービン効
率を確保したよ）数倍の流量化の排気を可変機構のみで
制御することは困難となり、このため、どうしても排気
バイパス機構との組合せが必要となる。その場合、単に
、両機構同士を組合せただけでは、同じエンジン排圧に
関し両者が関連して動くため、つまり一方を開作動ざＬ
ると、他方が閉作動するといったＪ、うに関連して動い
てしまうため適正な過給圧が得られない。即ち、可変容
量機構を閉じて、つまり流量特性を小さくしてエンジン
低回転域で過給圧を上昇させようとすると、排気通路が
絞られるため、エンジン排圧が極度に上昇して、排気バ
イパス弁が開作動をし、要求に反して過給圧が上管せず
１ヘルクが得られないという問題がある。か）る機構上
の相違、制御要素の多様性等の理由から、両者の長所を
充分に発揮できず、又、従来機構のままでは可変容量機
構の設ｈＩ点よりずれた領域に於て効率が悪化し、エン
ジン全回転域で１〜ルクを向上させることは困難である
という問題点があった。

［発明の目的］ この発明は、このＪ：うな従来の問題点に着目してなさ
れたもので、可変容１１ａ構の設計点よりずれた領域に
おけるトルクの低下を小さく覆ると共に、可変容量機構
の制御領域と排気バイパス機構の制御領域とが重複する
領域でも過給圧のだれ込みを押え、口つ、可変容量機構
が誤作動しても過給圧が過−ト昇することなく、さらに
可変容量機構作動域から排気バイパス機構の作動域相互
への運転状態の変化にか）ねらず過給圧を滑らかに変化
させる可変容量ターボチャージャの制御装置を得ること
を目的どする。

［発明の構成］ ３− この発明は、前記目的を達成づるため、タービンの流量
特性を変える可変容量機構と、エンジンの排気を前記タ
ービンをバイパスして流す排気バイパス機構と、前記可
変容量機構と排気バイパス機構とを、夫々機関過給圧を
駆動源どして駆動する可変容量機構駆動手段及び排気バ
イパス機構駆動手段とエンジン回転数と空気流量に関し
て前記駆動手段を相互に関連して制御する制御手段とを
設けたことを要旨とする。

［作用］ 可変容量機構と排気バイパス機構とを過給圧を駆動源と
して、エンジン回転数及び空気流量によって相互に関連
して制御し、各領域で所定の過給圧を得るようにしたの
で、］−ンジン低速および中速域では可変容量機構によ
り、また高速域では排気バイパス機構により、夫々の領
域にお（）る最大のトルクを得ることができる。

以下、この発明を図面に基づいて説明する。

第１図〜第５図はこの発明の一実施例を示す図である。

４− まず、全体構成を第１図に示す５，１−ンジン１は吸気
管２、絞弁３及び吸気マニホルド４を通して吸気を導入
し、その際の吸気量（エンジンの吸入空気流量Ｑａ　）
を■アフローメータ５で４量し、所定の燃料を吸気マニ
ホルド４で噴射供給している。

エンジン１内で作動を終えた排気は排気マニホルド６及
び排気管７を通してやがて人気に排出される。

ターボチャージャ１１はタービン１２と］ンプレッサ１
３とを一体に連結し、排気マニホルド６に収容したター
ビン１２が排気のエネルギで回転し、吸気管２に収容し
たコンプレッサ１３を回すことにより、吸気を加圧して
過給圧ｐｂを得る。

ターボチャージャ１１は、排気入口部（ス［１一ト部）
に可変容量機構１４を設けると共に、排気マニホルド６
と排気管７を接続するバイパス通路８に排気バイパス機
構１５を設ける。

可変容量機構１４と排気バイパス機構１５は共に、過給
圧Ｐｂの圧力を駆動源として人力するよう配管１６と１
７を備えると共に、エンジン回転数Ｎｏの信号をクラン
ク角センサ（回転数検出手段）９より受け、空気流ｆＭ
Ｑａの信号をエアノロ−メータ５より受けて処理する制
御手段２１に配線される。

第２図に両機構の制御の具体的構造を示す。

フラップ弁２３はタービン入口部に設（プられ、これを
リンク２４でアクチュエータ２５のダイヤフラム２６に
連結する。ダイヤフラム２６はばね２７で配管２６から
導かれる過給圧ｐｂに対抗するよう付勢される。配管１
６には絞り３０を設（プると共に、その下流に逃し導管
２８を接続し、この他端をエアフローメータ５の下流で
コンプレッサ１３の−Ｌ流に接続する。逃し導管２８に
は電磁弁２９を設け、これを制御手段２１の指令でＡン
オフのデユーティ制御をする。

フラップ弁２３は第３図に示すにうに、渦巻状のスクロ
ール３１の排気入口部３２に位置し、軸３３を中心に揺
動して、排気入口部３２の面積、即ち、スロート面積を
変える。軸３３は前述のリンク２４にレバー３４で連結
される。

再び第２図において、排気バイパス通路８にはスイング
弁４１が出口をふた（るように設けられリンク４２を介
してアクチュエータ４３のダイヤフラム７１４に連結さ
れる。ダイヤフラム４４はばね４５でここへ導かれる過
給圧ｐｂに対抗するようイ」勢される。配管１７には絞
り４６を設け、その下流に逃し導管４７を接続し、この
他端を前述の逃し導管２８に接続する。逃し導管４７に
は電磁弁４８を設（ノ、制御手段２１でデユーティ制御
する。

なお、吸気管２には緊急対策用の逃し弁４９を設Ｇノる
ど共に、絞弁３の位置を検出する絞弁開度センサ５０を
設ける。

また、エンジン１の本体にはノックセンサ５１が取付け
られ、ノッキング発生時これを検出する。

制御手段２１は通常コントロールユニットとして構成さ
れ、主に、マイクロプロセッサど、メモリと、インタフ
ェースとからなるマイクロコンピュータを有し、インタ
フェースには■アフローメ７一 一夕５、絞弁開度センサ５０、クランク角センザ９及び
ノックセンサ５１からの信号が入力される。

これらの信号のうらアナログ信号はＡ／Ｄ変換器を介し
てデジタル信号として入力される。メモリは、マイクロ
プロセッサを制御するプログラムやマイクロプロセッサ
が実行する演算に必要な各種データが格納され、かつ、
外部から取り込んだデータの一時記憶もなされる。マイ
クロプロセッサは上記プログラムに従って燃判噴ＤＡｍ
、噴射時期及び点火時期等を演算してコーンジン運転状
態に適切な噴剣信＠Ｓ■、点火信号Ｓｐを出力する。

更に、制御手段２１は、可変容量機構１４の電磁弁２９
と、排気バイパス機構１５の電磁弁４８に夫々適したデ
ユーティ値をマイクロプロセッサで演算し、インタフェ
ースより信号ＤＭ及び信号Ｄｗとして出力する。

次に、第４図に示すフローチャートに基づいて前記実施
例の作用を説明する。

この実施例の制御演算は、例えば１回転に１度または定
時間に１度実行される。ブ［１グラムがス＝８− タートすると、ＪＯＢコントロールでＪ　ＯＢの実行順
序が決定された後、可変容量機構の計算ルーチン及び排
気バイパス機構の計算ルーチンが夫々実行される。

（１）　可変容量機構の計算ルーチン 第４図の左側（ａ）がＪｉ算ＪＯＢでＰはプログラムフ
ローの各ステップを表わす。まず、のＰｌでエンジン回
転数Ｎｏと空気流ｍＱａのＡ／Ｄ変換値が入力され、Ｐ
２でエンジン１回転当りの空気流量Ｔｐが４算される。

Ｐ３でエンジン回転数Ｎｅと、１回転当りの空気流量Ｔ
ｐに対しあらかじめ決められたデユーティ値を右側のテ
ーブルからルックアップしてくる。

このテーブルはＮＯとＴｐの分割点が有限であるので、
分割点間の数値に対しては比例補間目算を行い、基本デ
ユーティ値ＤＭが決定される。

更に、Ｐ４ではルックアップされた基本デユーティ値Ｄ
Ｍが上限値Ｄｕ−と下限値Ｄ＋−の間にあるかどうかの
判定を行なう。これは、電磁弁の作動遅れ時間と、ソフ
ト部の誤作動とに対処と両極限値（ＤｕｔＶ１００％と
０％の附近）を除くようにするためである。この場合、
ＤＭが所定値であれば、これをＰｒへ出力するが、Ｄい
より大きくなっているときにはＰ５でＤＭを上限値に固
定し、又、ＤＬより小ざくなっているときにはＰ６でＤ
Ｍを下限値に固定する。そして、Ｐｒでルックアップさ
れた基本デユーティ値がメモリに記憶され、このメモリ
の数値に応じ図示していないタイマ目測部で電磁弁への
デユーティ目算が行なわれ、その結果がＩ１０インタフ
ェースを介し電磁弁へ送られ、これにより電磁弁２９（
第２図）の作動が決定される。

（２）　排気バイパス機構の目算ルーチン第４図の右側
（ｂ）が計算ＪＯＢではＰはプログラムフローの各ステ
ップを現わす。

まず、Ｐ８でエンジン回転数Ｎｅと空気流量ＱａのＡ／
Ｄ変換値が入力される。Ｄ部でエンジン１回転当りの空
気流量Ｔｐが計算される。Ｐｒ。

でエンジン回転数と１回転当りの空気流量Ｔｐに対しあ
らかじめ決められたデユーティ値を右側のテーブルから
ルックアップしてくる。

このテーブルはＮＯとＴｐの分割点が有限であるので、
分割点間の数値に対しては比例補間８１算を行い、基本
デユーティ値ＤｖＪＭが決定される。

を 更に、Ｐｌ＋ではルックアップされた基本デユーティ値
ＤｗＭが−に限値Ｄｖｖｗと下限値ＩＩ）　ｗ　１．−
の間にあるかどうかの判定を行なう。これは、電磁弁の
作動遅れ時間と、目算ソフト部の誤作動どに対処し、両
極限値を除りにうにするためである。この場合、ＤＷｖ
が所定値であればこれをＰ＋４へ出力するが、ＤＷｗよ
り大きくなっているときにはＰ＋２ｒＤＷｖを上限値に
固定し、ＤＷ＋−より小さくなっているとぎには、ＰＩ
３でＤＷＭを下限値に固定する。そしてＰ＋４でルック
アップされた基本デユーディ値ＤＷＭがメモリに記憶さ
れ、このメモリの数値に応じ図示していないタイマ目測
部で電磁弁へのデユーティ計算が行われ、その結果が１
１０インタフエースを介し電磁弁へ送られ、これにより
電磁弁４８（第２図）の作動が決定される。尚、本実施
例では、エンジン回転と、１回転１１− 当りの空気流量に対し−Ｃ１テーブルルックアップを行
なっているが、排気バイパス機構については、空気流量
に対してのみテーブルルックアップを行なってもよい。

これは、一般に空気流量値は、エンジン負荷、回転等に
より低負荷（アイドル）時に対しスロットル全開での最
大回転数時には、約１００倍近くの流量が変化する為、
マイクロコンピュータ等のＡ／Ｄ変換精度としては非常
に高いものが要求されるので、空気流量変化が大きいと
きには１回転当りの、空気流量でテーブルを与えるが、
排気バイパス弁の如く作動領域が狭い場合には、むしろ
空気流量に対してテーブルをあたえた方がデユーティ値
の変化もほぼ空気流量に対応して、変化するため、テー
ブルルックアップ時の読みとり誤差を小さくすることが
出来るからである。

（３）実際上の制御 次に実際上の制御を第２図及び第５図により説明する。

まず、第５図において、横軸にエンジン回転数１２− ＮＯをとり、縦軸に１回転当りの空気流ｆｆ１Ｔｐをと
ると、絞弁全開の運転線がＥ線となり、可変容量機構の
フラップ弁が閉じ側で過給圧Ｐｂが規定値、例えば水銀
柱３７５ｍｍとなる点が８１−線、同じく全開で規定値
となる点がＢｕ線であり、この間の領１ｉｌＩｉＣ部が
フラップ弁２３（第３図）の開度が変化する領域であり
、矢印方向に向って開作動するものである。

また、排気バイパス機構は３ｕ線の前後（図では前）に
決められた点線Ａ線から全開での運転線Ｆ線の間の領域
り部で作動するものである。

上述の０部のテーブルとＤ部のテーブルは２枚別々に用
意し、その際、過給圧Ｐｂはエンジンの特性及び耐久性
並びに信頼性上許容される、最大過給圧になるよう全回
転域において、制御値を予め決めておくものである。

いま、ある運転状態をＦで示すものとすると、０部のテ
ーブルにより、フラップ弁の開度がきまり、可変容量機
構が作動する。

即ち、第４図のフローチャー１〜図（ａ）からデコーデ
ィ値ＤＭが決まり、これにより第２図の電磁弁２９がデ
ユーディ制御されその比率によって、アクチュエータ２
５に作用する過給圧ｐｂを逃し導管２８へ逃し、弱める
。この場合デユーティ値が小になるに従ってオフ時間が
長くなり、電磁弁２９の逃し量が減少し、従ってリンク
２４を介してフラップ弁２３の開度が増加する。

この結果、Ｆ点から矢印の方向に向うとぎ、フラップ弁
の開度が増して、容量が大となる。この０部の領域では
、排気バイパス機構１５のテーブルは電磁弁４８がはず
開放となるデユーティ値となっており、スプリング４５
のばね常数との関係からスイング弁４１は閉じ側のまま
である。従って、ターボチャージャ１１は排気エネルギ
を捨てることがなく所定の排気流量によりその運転状態
での最大の過給圧Ｐｂを得るので、エンジン１はその状
態で、最大トルクを発揮することになる。

か＜ｌ、Ｔ、Ｉ）領域に入り、例えばＧ点に達すると、
こんどは、第４図（ｂ）のフローチャート図からのデユ
ーティ値ＤＷＭが決まり、電磁弁４８への指令が行なわ
れる。同時に、電磁弁２９にはフラップ弁２３が全開と
なるデユーティ値で指令が行なわれる。この結果、同様
に、デユーティ値の減少に伴って、スイング弁４１を開
いていくようにしであるので、排気バイパス機構１５は
、タービン１２への排気をバイパスして、過給圧ｐｂの
その運転状態での許容最大値を１ｑる。

Ｊ：ってＧ点においても、エンジン１は最大の過給圧で
運転され、その状態での最大トルクを発生する。しかも
、過給圧は過大にならず、エンジン破損等の不具合を防
止する。

要すれば、Ｃ，Ｄ両領域のラップづる範囲では可変容量
のフラップ弁が所定の過給圧を１ｑられる範囲内で最大
開度で、排気バイパスのスイング弁か全開又は閉じ量最
大になるよう、即ら、スイング弁４１の開作動開始圧力
をフラップ弁の開度設定値（デユーティ値）より決る過
給圧値よりわずかに高めとなるよう両テーブルの制御値
（デユーティ値）及び両駆動手段のばね常数、オリフィ
ス等を定める。かくすれば、機関加速時等にＣ領域１５
− よりＤ領域に移行した場合に、両駆動手段の各部品のバ
ラツキやセツティングの誤差に起因する制御過給圧の段
差の発生を防止できる。

上記実施例は、アクチュエータの圧ノ〕源として過給圧
Ｐｂを用いているので、これが何らかの事情で変化して
も、例えばｐｂが所定値より上昇すると、アクチュエー
タ２５又は４３を介してフラップ弁２３又はスイング弁
４１を開くので過給圧ｐｂを下げることになり、また、
逆の場合は、過給圧を上げることになり、かくして、常
時、所定の過給圧を維持する作用を果すのである。

また、電磁弁４８を制御するデユーティ値を所定の範囲
内に納め（全開または全開となる状態を避（プる）且つ
、スプリング４５のばね定数を適切に選べば、可変容量
機構の作動領域でフラップ弁が誤作動しても上述の如く
過給圧の十臂に伴いスイング弁４１が開くので過給圧と
なることが防止できるのである。

第６図には他の実施例ににるフローチャートを示す。

１６− この実施例はエンジン加速時に過給圧Ｐｂを可変容量機
構の作動域或いは排気バイパス機構の作動域を問わず定
常の値より上昇させ加速性能の白土を図ることを目的と
したものである。

即ち、第６図において、Ｐ＋でエンジン回転数を入力し
Ｐ２で絞弁開度センサ５０（第２図）からの絞弁位置を
入力する。Ｐ３で加速状態の判定を行った後、加速中な
らば予め過給圧が規定量上昇するような可変容量機構デ
ユーティ修正ｍＡをＰ４で、１次元テーブルから読み込
み、同様に、Ｐ５で排気バイパス機構デユーティ修正量
Ｂを１次元テーブルから読み込む。定常ならば、Ｐ６で
修正ＭＡ、　Ｂを単位時間当りｋだけ減少させて最終的
には０まで減少させる。

これは、加速中から定常走行へ変化したときに急激なト
ルク変動が発生しないようにするためである。

Ｐ７及びＰ８は可変容量機構デユーティおよび排気バイ
パス機構デユーディのテーブルルックアップ及び補正計
算を行ない、このルーチンを以後繰返す。

例えばＰ７は第６図下方に詳細に示すように、前実施例
と同様のプログラムであるが、破線部のテーブル値ＤＭ
を修正量Ａだけ減少する点が異なっている。

更に、第７図は他の実施例ににるフローチャートを示す
。

これは、加速中であって、過過給即ち、定常の過給圧よ
り更に上昇させである場合でも、ノックが発生した場合
には、修正量Ａ又はＢを定常と同様に単位時間当り一定
ｉｋだけ減少させなめらかにテーブル値まで戻してゆく
ようにしたものである。

即ち、１）１でノックセン９５１（第２図〉からのノッ
ク判定の信号を入ツノする。この信号は従来のターボチ
ャージャ付エンジン等で行われている公知のノック判定
回路により決定されるものである。またＰ′３ではＰａ
の加速判定結果加速中であると判定されてもノック判定
でノックありどなると、Ｐ６で定常時と同様に修正量Ａ
又はＢの減少を行ない、ノックなしとなった場合のみ過
過給用補正量Ａ又はＢのルックアップを行なう。

後者の場合、Ｐ４　、Ｐ５のルーチンへ流れ、前者の場
合は、Ｐｙ　、Ｐａのルーチンへと流れ、前実施例と同
様の作用を行なう。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、この発明によれば、その構成
を可変容量機構と排気バイパス機構とを用い、それぞれ
の機構が過給圧により駆動され、エンジン回転数と空気
流量に関して相互に関連して制御される構成どしたため
、可変容量機構のノズル設計点を低中速域に適合するよ
うに設定しても、高速域での１〜ルク低下を小ざくでき
ると共に、可変容量機構の作動領域におりる過給圧のだ
れ込みを防止でき、エンジン全回転域でトルクを向上で
きるという効果が得られる。

また、各実施例は、それぞれ前記効果に加えて更に以下
の様な効果がある。

即ら、加速時には過過給が可能となり、しかも過給圧の
上昇代が細かく、かつ、確実に制御され１９− るので、加速の向上が顕著になる。

また、加速時にノックが発生しても、ノックセンサによ
り過過給を回避するので、より安全確実な範囲で加速時
のトルク向上を図ることができる。

なお、両機構のアクチュエータの動力源として過給圧の
代りに真空圧を用いてもよく、その場合は過給圧の信号
を制御手段に入力するものとする。

また、エンジン回転数はクランク角センサの信号を用い
たが、これを点火パルスを用いてもよく或いは車速側に
よる車速信号を用いてもよい。

また、空気流量はエンジン１回転当りの空気流量でもよ
く、或いは絞弁開度等エンジン負荷の信号でもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の全体図、第２図は第１図の具体的一
実施例を示す図、第３図は可変容量機構の要部断面図、
第４図は制御プログラムの一実施例のフローチャート、
第５図はテーブル説明図、第６図及び第７図は制御プロ
グラムの他の実施例のフローチャートである。 ２０− 図面に現わした符号の説明 １・・・エンジン　２・・・吸気管 ３・・・絞弁　４・・・吸気マニホルド５）・・・エア
７０−メータ ６・・・排気マニホルド　７・・・排気管８・・・バイ
パス通路 ９・・・クランク角センサ （エンジン回転数検出手段） １１・・・ターボチャージャ １２・・・タービン　１３・・・コンプレッサ１４・・
・可変容量機構 １５・・・排気バイパス機構

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. タービンの流量特性を変える可変容量機構と、エンジン
   の排気を前記タービンをバイパスして流す排気バイパス
   機構と、前記可変容量機構と排気バイパス機構とを夫々
   機関過給圧を駆動源として駆動する可変容量機構駆動手
   段及び排気バイパス機構駆動手段と、エンジン回転数と
   空気流量に関して前記駆動手段を相互に関連して制御す
   る制御手段とを設けた可変容量ターボチャージャの制御
   装置。