JPWO2014030244A1 - ウェイストゲートバルブの制御装置 - Google Patents
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Abstract
ウェイストゲートバルブは、内燃機関の排気通路に設けられるターボチャージャの排気タービンを迂回するように延びる連通路に設けられる。ウェイストゲートバルブの開度が全閉開度に制御されるときに(S11:YES、且つS12:YES)、内燃機関の運転状態に基づいて判定値Jを算出するとともに(S13)、ターボ回転速度NTを検出する(S14)。そのターボ回転速度NTが判定値Jより低いときに(S15:YES)、ウェイストゲートバルブの閉弁方向への駆動力を増大させる(S16)。
Description
本発明は、機関排気通路におけるターボチャージャの排気タービンより上流側の部分と下流側の部分とを連通する連通路に設けられたウェイストゲートバルブの制御装置に関するものである。
従来、ターボチャージャを設けることによって内燃機関の出力向上を図ることが多用されている。また、過給圧の過度の上昇を抑えるために、ターボチャージャの排気タービンを迂回する態様で延びる連通路と同通路を流れる排気の量を調節するためのウェイストゲートバルブとを設けることも多用されている。さらには、過給圧の調節のために、上記ウェイストゲートバルブの開度を制御することが提案されている(例えば特許文献1参照)。
ところで、ウェイストゲートバルブの作動特性は、長期間の使用による経時的な変化や温度上昇に伴う熱膨張の影響などによって若干変化する。特許文献1には、ウェイストゲートバルブの可動範囲における最も閉弁側の開度(全閉開度)を学習することが提案されている。具体的には、ウェイストゲートバルブを全閉開度に操作した状態で実際の開度を検出し、その検出した開度に基づいてウェイストゲートバルブの全閉開度が学習される。このように学習した全閉開度に基づいてウェイストゲートバルブの開度を制御することにより、ウェイストゲートバルブの作動特性の変化に起因する開度のずれに適切に対処することが可能になる。
ここで、ウェイストゲートバルブの開度が全閉開度に精度良く制御される場合であっても、その経時変化や熱膨張によって同ウェイストゲートバルブの弁体や弁座が変形した場合に、その変形の態様によっては、それら弁体と弁座との接触部分の面圧が部分的に低くなったり、弁体と弁座との間に隙間が生じたりするおそれがある。そして、そうした場合にはウェイストゲートバルブおよび連通路を介して排気タービンの上流側から下流側に排気が不要に漏れてしまい機関トルクの不要な低下を招くおそれがある。
本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ウェイストゲートバルブの作動特性の変化に起因する機関トルクの低下を抑えることのできるウェイストゲートバルブの制御装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に従い、内燃機関のウェイストゲートバルブの制御装置が提供される。前記内燃機関は、排気通路と、前記排気通路に設けられる排気タービンを有するターボチャージャと、前記排気通路において前記排気タービンより上流側の部分と下流側の部分とを連通する連通路とを備え、前記ウェイストゲートバルブは前記連通路に設けられている。前記制御装置は、前記ウェイストゲートバルブの開度を制御する開度制御部と、前記ターボチャージャの過給量の指標値を検出する指標値検出部と、前記開度制御部によって前記ウェイストゲートバルブの開度が全閉開度に制御されるときに、前記内燃機関の運転状態に基づき判定値を算出するとともに前記指標値検出部によって前記指標値を検出し、その検出した指標値が前記判定値より前記過給量の少ない低過給状態を示す値であるときに前記ウェイストゲートバルブの閉弁方向への駆動力を増大させる駆動力制御部とを備える。
ウェイストゲートバルブ付きのターボチャージャを備えた内燃機関では、同ウェイストゲートバルブの開度が全閉開度になると、連通路を介して排気タービンを迂回する排気の流れが遮断された状態になるために、ターボチャージャの過給量が多くなる。
上記装置では、このときのターボチャージャの過給量の指標値(例えば過給圧やターボ回転速度など)が検出されるとともに、このときの内燃機関の運転状態に基づいて判定値が算出される。そして、その検出された指標値が上記判定値よりターボチャージャの過給量の少ない低過給状態を示す値であるときに、ターボチャージャの過給量が不要に少ない状態になっているためにウェイストゲートバルブおよび連通路を介して排気が漏れている可能性があると判断することができる。
上記装置によれば、上記検出された指標値が判定値より低過給状態であることを示す値であるときにウェイストゲートバルブの閉弁方向への駆動力が増大される。そのため、経時的な変化や熱膨張によってウェイストゲートバルブの弁体や弁座が変形して、それら弁体と弁座との接触部分の面圧が部分的に低くなったり弁体と弁座との間に隙間が生じたりしたときに、弁体を弁座に強い力で押し付けることができるようになる。これにより、弁体と弁座との隙間を小さくしたりそれらの接触部分の面圧を高くしたりすることができるために、ウェイストゲートバルブおよび連通路を介した排気タービンの上流側から下流側への排気の不要な漏れを抑えることができる。したがって、ウェイストゲートバルブの作動特性の変化に起因する機関トルクの低下を抑えることができる。
前記運転状態は内燃機関の吸入空気量と燃料噴射量とを含むことが好ましい。
内燃機関の排気通路を流れる排気の量は同内燃機関の吸入空気量と燃料噴射量とに基づいて推定することができる。そのため、そうした吸入空気量および燃料噴射量に基づいて判定値を算出することにより、ウェイストゲートバルブおよび連通路を介した排気の漏れの有無を判定するべく前記検出された指標値と比較される判定値として、内燃機関の排気通路を流れる排気の量、すなわち連通路を介した排気の漏れが無い場合において排気タービンに流入する排気の量に応じた適切な値を算出することができる。
好ましくは、前記ターボチャージャの過給量の指標値は、同ターボチャージャの回転軸の回転速度である。
前記ウェイストゲートバルブは電動式のものを採用することが好ましい。
電動式のウェイストゲートバルブが採用される装置によれば、例えば吸気圧力や排気圧力を利用してウェイストゲートバルブを駆動する装置と比較して、その調節を高い自由度をもって実行することができるため、ウェイストゲートバルブの作動特性の変化に起因する機関トルクの低下を好適に抑えることができる。
以下、本発明を具体化した一実施形態にかかるウェイストゲートバルブの制御装置について説明する。
図1に示すように、内燃機関11の吸気通路12にはスロットル機構13が取り付けられている。このスロットル機構13は、スロットルバルブ14とスロットルモータ15とを備えている。そして、このスロットルモータ15の作動制御を通じてスロットルバルブ14の開度(スロットル開度TA)が調節され、これにより吸気通路12を通じて燃焼室16内に吸入される空気の量が調節される。また、内燃機関11には燃料噴射弁17が取り付けられている。内燃機関11では、この燃料噴射弁17から噴射された燃料が燃焼室16内において燃焼することによってピストン18が往復移動してクランクシャフト19が回転する。そして、燃焼後のガスは排気として燃焼室16から排気通路20に送り出される。
内燃機関11には吸気通路12内の吸入空気を圧送して過給するためのターボチャージャ21が設けられている。詳しくは、内燃機関11の吸気通路12における前記スロットル機構13より吸気流れ方向上流側(以下、単に「上流側」)の部分には、ターボチャージャ21のコンプレッサ22が取り付けられている。また、内燃機関11の排気通路20にはターボチャージャ21の排気タービン23が取り付けられている。なおターボチャージャ21は、コンプレッサ22の内部に設けられたコンプレッサホイール22Aと排気タービン23の内部に設けられたタービンホイール23Aとが回転軸21Aを介して一体に連結された排気駆動式のものである。
内燃機関11の排気通路20には、上記排気タービン23を迂回するように同排気通路20における排気タービン23の排気流れ方向上流側(以下、単に「上流側」)の部分と下流側(以下、単に「下流側」)の部分とを連通する形状で延びる連通路24が取り付けられている。この連通路24にはウェイストゲートバルブ25が取り付けられている。
図2に示すように、ウェイストゲートバルブ25としては、その開度が電動モータ26の作動制御を通じて調節される電動式のものが採用されている。詳しくは、電動モータ26の出力軸26Aがギア機構(図示略)を介して回転ギア27に接続されるとともに、この回転ギア27が連結ロッド28を介して揺動アーム29に連結されている。揺動アーム29にはウェイストゲートバルブ25の弁体30が固定されている。
そして、電動モータ26の作動制御を通じて出力軸26Aが回転すると、図2中に白抜きの矢印で示すように、回転ギア27が回転するとともに連結ロッド28が移動し、その結果、揺動アーム29がウェイストゲートバルブ25の弁体30ともども移動するようになる。本実施形態では、こうした電動モータ26の作動制御を通じてウェイストゲートバルブ25の開度が制御される。
図2中に一点鎖線で示すように、電動モータ26の作動制御を通じてウェイストゲートバルブ25の開度が可動範囲における最も閉弁側の開度、すなわち弁体30が弁座31に当接する全閉開度になると、連通路24を介して排気タービン23(図1参照)を迂回する排気の流れ(図2中に黒塗りの矢印で示す流れ)がほぼ遮断された状態になる。このときには内燃機関11の排気のほぼ全てが排気タービン23に流入するようになる。なお本実施形態の装置では、連通路24がターボチャージャ21に一体形成されており、ウェイストゲートバルブ25はターボチャージャ21に取り付けられている。そして、ターボチャージャ21の内面において上記ウェイストゲートバルブ25の弁体30が当接する部分が上記弁座31として機能する。
一方、図2中に実線で示すように、ウェイストゲートバルブ25の開度が上記全閉開度以外の開度になると、排気通路20における上記排気タービン23より上流側の部分と下流側の部分とが連通路24を介して連通されるようになる。この場合には、排気の一部が連通路24を介して排気タービン23を迂回して流れるようになる。
本実施形態の装置は、例えばマイクロコンピュータを有して構成される電子制御装置40を備えている。この電子制御装置40には、内燃機関11の運転状態を検出するための各種センサの検出信号が取り込まれている。各種センサとしては、例えばクランクシャフト19の回転速度(機関回転速度NE)を検出するためのクランクセンサ41や、スロットル開度TAを検出するためのスロットルセンサ42が設けられている。また、吸気通路12におけるコンプレッサ22より上流側の部分に取り付けられて同吸気通路12内を通過する空気の量(吸入空気量GA)を検出するためのエアフロメータ43が設けられている。その他、ウェイストゲートバルブ25の開度(実開度VP)を検出するための開度センサ44や、ターボチャージャ21の回転軸21Aの回転速度(ターボ回転速度NT)を検出するための速度センサ45なども設けられている。
電子制御装置40は、各種センサの検出信号を取り込むとともにそれら信号をもとに各種の演算を行い、その演算結果に基づいてスロットル機構13や、燃料噴射弁17、並びにウェイストゲートバルブ25の作動制御などといった各種制御を実行する。この電子制御装置40は開度制御部および駆動力制御部として機能する。
ウェイストゲートバルブ25の作動制御は次のように実行される。すなわち、機関回転速度NEおよび機関負荷率KLに基づいて、ウェイストゲートバルブ25の開度の制御目標値(目標開度TV)が設定される。そして、この目標開度TVとウェイストゲートバルブ25の実際の開度とを一致させるように電動モータ26の作動制御が実行される。なお機関負荷率KLは、内燃機関11の負荷の指標値の一つであり、無過給時における内燃機関11の1回転当たりの最大吸入空気量に対する実際の1回転当たりの吸入空気量の割合(%)である。
ウェイストゲートバルブ25の作動制御では、機関回転速度NEが所定速度(例えば1600回転/分)以上であって、且つ機関負荷率KLが所定比率(例えば150%)以上の機関運転領域にあるときに、目標開度TVとして全閉開度が設定される。そして、目標開度TVとして全閉開度が設定されるときには、ウェイストゲートバルブ25の弁体30(図2)を弁座31に押し付ける態様で電動モータ26の作動制御が実行される。
また、目標開度TVとして全閉開度が設定されるときには、前記開度センサ44により検出される実開度VPが全閉開度の学習値として電子制御装置40のメモリに記憶される。ウェイストゲートバルブ25の作動制御では、このようにして学習記憶された全閉開度と実開度VPとからウェイストゲートバルブ25の実際の開度が算出される。
ここで、ウェイストゲートバルブ25の開度が全閉開度に精度良く制御される場合であっても、ウェイストゲートバルブ25の弁体30や弁座31の経時的な変化や熱膨張による変形の態様によっては、それら弁体30と弁座31との接触部分の面圧が部分的に低くなったり、弁体30と弁座31との間に隙間が生じたりするおそれがある。そして、そうした場合にはウェイストゲートバルブ25および連通路24を介して排気タービン23の上流側から下流側に排気が不要に漏れてしまい機関トルクの不要な低下を招くおそれがある。
この点をふまえて本実施形態では、ウェイストゲートバルブ25の開度が全閉開度に制御されるときにおいて、連通路24を介して排気タービン23の上流側から下流側に排気が漏れている可能性があると判断される場合に、同ウェイストゲートバルブ25の閉弁方向(弁体30を弁座31に押し付ける方向)への駆動力を増大させるようにしている。
具体的には、目標開度TVとして全閉開度が設定されるときに、速度センサ45によってターボ回転速度NTが検出されるとともに、吸入空気量GA、燃料噴射量、およびスロットル開度TAといった機関運転状態に基づいて判定値Jが算出される。そして、ターボ回転速度NTが上記判定値Jより低いときに、ターボチャージャ21の過給量が不要に少ない状態になっているためにウェイストゲートバルブ25および連通路24を介して排気が漏れている可能性があると判断されて、ウェイストゲートバルブ25(詳しくは、電動モータ26)の閉弁方向への駆動力が増大される。なお本実施形態では、ターボチャージャ21の回転軸21Aの回転速度が同ターボチャージャ21の過給量の指標値として機能し、速度センサ45が指標値を検出する指標値検出部として機能し、ターボ回転速度NTが検出された指標値、すなわち検出値として機能する。
(作用)
以下、ウェイストゲートバルブ25の閉弁方向への駆動力を増大させることによる作用について説明する。
以下、ウェイストゲートバルブ25の閉弁方向への駆動力を増大させることによる作用について説明する。
図3に、ウェイストゲートバルブ25の開度が全閉開度であるときの同ウェイストゲートバルブ25の閉弁方向への駆動力と機関トルクとの関係を測定した結果を示す。同図3から明らかなように、ウェイストゲートバルブ25の閉弁方向への駆動力を大きくするほど機関トルクも大きくなる。これは、ウェイストゲートバルブ25の弁体30と弁座31との接触部分における面圧が高くなることなどによって、同ウェイストゲートバルブ25を介した排気の漏れが少なくなることによるものと考えられる。
本実施形態によれば、経時的な変化や熱膨張によってウェイストゲートバルブ25の弁体30や弁座31が変形して、それら弁体30と弁座31との接触部分の面圧が部分的に低くなったり弁体30と弁座31との間に隙間が生じたりしたときに、弁体30を弁座31に強い力で押し付けることができるようになる。これにより、弁体30と弁座31との隙間を小さくしたりそれらの接触部分の面圧を高くしたりすることができるため、ウェイストゲートバルブ25および連通路24を介した排気タービン23の上流側から下流側への排気の不要な漏れを抑えることができる。したがって、ウェイストゲートバルブ25の作動特性の変化に起因する機関トルクの低下を抑えることができる。
ここで、内燃機関11の排気通路20を流れる排気の量は、同内燃機関11の吸入空気量と燃料噴射量とに基づいて精度良く推定することができる。本実施形態では、判定値Jの算出に用いる算出パラメータとして、吸入空気量GAおよび燃料噴射量が採用されている。そのため、連通路24を介した排気の漏れの有無を判定するべくターボ回転速度NTと比較される判定値Jとして、内燃機関11の排気通路20を流れる排気の量、すなわち連通路24を介した排気の漏れが無い場合において排気タービン23に流入する排気の量に応じた適切な値を算出することができる。
また本実施形態では、ウェイストゲートバルブ25として電動モータ26によって駆動される電動式のものが採用されているため、例えば吸気圧力や排気圧力を利用してウェイストゲートバルブを駆動する装置と比較して、その調節を高い自由度をもって実行することができる。そのため、ウェイストゲートバルブ25の作動特性の変化に起因する機関トルクの低下を好適に抑えることができる。
以下、ウェイストゲートバルブ25の閉弁方向への駆動力を増大させる処理(駆動力増大処理)の具体的な実行手順について、図4に示すフローチャートを参照しつつ詳細に説明する。なお図4のフローチャートに示す一連の処理は、所定周期毎の割り込み処理として、電子制御装置40により実行される処理である。
図4に示すように、この処理では先ず、以下の各条件が共に満たされるか否かが判断される。
・目標開度TVが全閉開度であること(ステップS11)。
・実開度VPが全閉開度であること(ステップS12)。
・目標開度TVが全閉開度であること(ステップS11)。
・実開度VPが全閉開度であること(ステップS12)。
そして、上記各条件の一方でも満たされない場合には(ステップS11:NO、またはステップS12:NO)、以下の処理(ステップS13〜ステップS17の処理)を実行することなく、本処理は一旦終了される。
その後、本処理が繰り返し実行されて、上記各条件が共に満たされると(ステップS11:YES、且つステップS12:YES)、吸入空気量GA、燃料噴射量、およびスロットル開度TAに基づいて判定値Jが算出される(ステップS13)。本実施形態では、ウェイストゲートバルブ25を介して排気タービン23の上流側から下流側に排気が漏れていることを早期に且つ精度良く判定することが可能になる判定値Jと吸入空気量GAと燃料噴射量とスロットル開度TAとの関係が各種の実験やシミュレーションの結果をもとに予め求められて、電子制御装置40に記憶されている。ステップS13の処理では、そうした関係に基づいて判定値Jが算出される。具体的には、吸入空気量GAが多いときほど、燃料噴射量が多いときほど、またスロットル開度TAが大きいときほど、ターボチャージャ21の回転軸21Aの回転速度が高くなるために、判定値Jとしても高い値が設定される。判定値Jとしては、例えば、そのときどきの機関運転状態により定まる理想的なターボ回転速度よりも若干低い速度を設定することができる。
また、速度センサ45によりターボ回転速度NTが検出される(ステップS14)。そして、ターボ回転速度NTが判定値Jより低いか否かが判断される(ステップS15)。
ターボ回転速度NTが判定値Jより低い場合には(ステップS15:YES)、ウェイストゲートバルブ25の閉弁方向への駆動力を増大させる処理が実行される(ステップS16)。具体的には、電動モータ(図2参照)への供給電力を増加させる態様で、同電動モータ26の作動制御が実行される。
一方、ターボ回転速度NTが判定値J以上である場合には(ステップS15:NO)、ウェイストゲートバルブ25の閉弁方向への駆動力を増大させる処理が実行されず、このときの実開度VPが全閉開度の学習値として記憶される(ステップS17)。このようにして全閉開度の学習を実行することにより、ウェイストゲートバルブ25を介した排気の漏れがごく少なくなった状態で全閉開度の学習を実行することができるため、全閉開度として適正な位置を学習することができる。そのため、ウェイストゲートバルブ25の開度を全閉開度に近いごく小さい開度(極小開度)に精度良く調節することができるようになり、そうした極小開度を機関制御において有効に活用することができるようになる。
以上説明したように、本実施形態によれば以下に記載する効果が得られるようになる。
(1)目標開度TVとして全閉開度が設定されるときにターボ回転速度NTを検出するとともに機関運転状態に基づいて判定値Jを算出し、ターボ回転速度NTが判定値Jより低いときに、ウェイストゲートバルブ25の閉弁方向への駆動力を増大させるようにした。そのため、ウェイストゲートバルブ25の作動特性の変化に起因する機関トルクの低下を抑えることができる。
(2)吸入空気量GAおよび燃料噴射量に基づいて判定値Jを算出するようにした。そのため、連通路24を介した排気の漏れの有無を判定するべくターボ回転速度NTと比較される判定値Jとして、内燃機関11の排気通路20を流れる排気の量、すなわち連通路24を介した排気の漏れが無い場合において排気タービン23に流入する排気の量に応じた適切な値を算出することができる。
(3)ウェイストゲートバルブ25として、電動モータ26によって駆動される電動式のものを採用した。そのため、ウェイストゲートバルブ25の作動特性の変化に起因する機関トルクの低下を好適に抑えることができる。
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・判定値Jの算出に用いる算出パラメータは、内燃機関11の吸入空気量GAと燃料噴射量とを含むのであれば、任意に変更することができる。上記算出パラメータとしては、アクセル操作部材の操作量や機関回転速度NEなどといったターボチャージャ21の過給量と相関関係のある値を採用することができる。
・目標開度TVとして全閉開度が設定されるときに吸気通路12におけるスロットル機構13より下流側の部分の圧力(過給圧P)を圧力センサによって検出するとともに機関運転状態に基づいて判定値を算出し、この判定値よりも過給圧Pが低いときにウェイストゲートバルブ25の閉弁方向への駆動力を増大させるようにしてもよい。この装置では、過給圧がターボチャージャ21の過給量の指標値として機能し、圧力センサが指標値を検出する指標値検出部として機能する。
また、目標開度TVとして全閉開度が設定されるときに、ターボチャージャ21の過給量が少ないときほど大きい値になる同過給量の指標値を検出するとともに機関運転状態に基づいて判定値を算出し、検出した指標値が同判定値よりも大きいときにウェイストゲートバルブ25の閉弁方向への駆動力を増大させることなども可能である。こうした指標値としては、例えばターボ回転速度の逆数(1/ターボ回転速度)や過給圧の逆数(1/過給圧)などを挙げることができる。
要は、ウェイストゲートバルブ25の開度が全閉開度に制御されるときに、機関運転状態に基づき判定値を算出するとともにターボチャージャ21の過給量の指標値を検出し、その検出した指標値が上記判定値より同過給量の少ない低過給状態を示す値であるときにウェイストゲートバルブ25の閉弁方向への駆動力を増大させることができればよい。
・上記実施形態にかかる装置は、電動モータ26によって駆動されるタイプのウェイストゲートバルブ25が採用される装置に限らず、電磁ソレノイドによって駆動されるタイプのウェイストゲートバルブが採用される装置にも、その構成を適宜変更したうえで適用することができる。
11…内燃機関、12…吸気通路、13…スロットル機構、14…スロットルバルブ、15…スロットルモータ、16…燃焼室、17…燃料噴射弁、18…ピストン、19…クランクシャフト、20…排気通路、21…ターボチャージャ、21A…回転軸、22…コンプレッサ、22A…コンプレッサホイール、23…排気タービン、23A…タービンホイール、24…連通路、25…ウェイストゲートバルブ、26…電動モータ、26A…出力軸、27…回転ギア、28…連結ロッド、29…揺動アーム、30…弁体、31…弁座、40…電子制御装置、41…クランクセンサ、42…スロットルセンサ、43…エアフロメータ、44…開度センサ、45…速度センサ。
Claims (4)
- 内燃機関のウェイストゲートバルブの制御装置であって、前記内燃機関は、排気通路と、前記排気通路に設けられる排気タービンを有するターボチャージャと、前記排気通路において前記排気タービンより上流側の部分と下流側の部分とを連通する連通路とを備え、前記ウェイストゲートバルブは前記連通路に設けられており、前記制御装置は、
前記ウェイストゲートバルブの開度を制御する開度制御部と、
前記ターボチャージャの過給量の指標値を検出する指標値検出部と、
前記開度制御部によって前記ウェイストゲートバルブの開度が全閉開度に制御されるときに、前記内燃機関の運転状態に基づき判定値を算出するとともに前記指標値検出部によって前記指標値を検出し、その検出した指標値が前記判定値より前記過給量の少ない低過給状態を示す値であるときに前記ウェイストゲートバルブの閉弁方向への駆動力を増大させる駆動力制御部と
を備える、ウェイストゲートバルブの制御装置。 - 請求項1に記載のウェイストゲートバルブの制御装置において、
前記運転状態は前記内燃機関の吸入空気量と燃料噴射量とを含む、ウェイストゲートバルブの制御装置。 - 請求項1または2に記載のウェイストゲートバルブの制御装置において、
前記指標値は、前記ターボチャージャの回転軸の回転速度である、ウェイストゲートバルブの制御装置。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載のウェイストゲートバルブの制御装置において、
前記ウェイストゲートバルブは電動式のものである、ウェイストゲートバルブの制御装置。
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