JPWO2017085854A1 - 過給システムの制御装置 - Google Patents

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Abstract

エンジンに圧縮した吸気を供給するための過給システムの制御装置であって、エンジンに供給する前記吸気を圧縮するコンプレッサを含む過給機と、コンプレッサの作動に影響を及ぼす制御機器を制御するコントローラと、を備える。コントローラは、コンプレッサにおける、吸気体積流量、圧力比、及びコンプレッサ回転数の関係を示すコンプレッサマップを格納するコンプレッサマップ格納部と、コンプレッサマップ上におけるコンプレッサの作動点の現在位置を所定周期毎に算出する現在位置算出部と、現在位置算出部で算出される作動点の現在位置に基づいて、コンプレッサマップ上における作動点の移動方向を算出する移動方向算出部と、現在位置算出部で算出された作動点の現在位置と、移動方向算出部で算出された作動点の移動方向と、に基づいて制御機器を制御する制御部と、を含む。

Description

本開示は、エンジンに圧縮した吸気を供給するための過給システムの制御装置に関する。
エンジンの出力を向上させる技術として、過給機によって吸気を圧縮し、この圧縮した吸気をエンジンに供給する方法(過給)が知られており、各種のエンジンにおいて広く用いられている。過給機は、エンジンの運転状態が急変した場合などに過渡的にサージングと呼ばれる異常運転状態となることがある。過給機がサージング状態に突入すると、吸気を圧縮することが出来なくなる。また、サージング状態への突入が頻発すると、機器の破損に繋がる虞がある。このため、過給機がサージング状態に突入するのを極力回避するように、過給機を適切に制御する必要がある。
従来、過給機を制御する技術として、吸気流量や回転数などをセンシングし、このセンシングした情報に基づいて、コンプレッサマップ上における作動点がサージ領域に突入しないように、過給機をフィードバック制御することが一般に行われている。換言すれば、コンプレッサマップ上における作動点の現在位置に基づいて、過給機をフィードバック制御している。例えば、特許文献1には、ターボ回転数センサにより検出される実ターボ回転数が、現在の運転状態に応じた目標ターボ回転数と一致するように、ターボ回転数のフィードバック制御を行うことで、コンプレッサマップ上におけるターボ過給機の作動点がサージ領域に突入しないように制御することが開示されている。
特開2007−291961号公報
しかしながら、センサの情報を得てからのフィードバック制御では、過給機の制御が間に合わずに、過給機の作動点がサージラインを越えてしまい、一時的にサージング状態に突入する虞がある。特に、標高の高い場所にエンジンがある場合には、標高の低い場所にエンジンがある場合と比べて、大気密度が小さいため、圧力比(過給機の出口圧力/入口圧力)が高くなり、サージング状態に突入する虞がより高くなる。
上記問題を回避するため、サージング状態への突入を回避できるように制御の目標値を下げてしまうと、過給機の性能が低下してしまう。この性能低下を補うために過給機を大型化すると、コスト増になってしまう。
また、コンプレッサマップ上における作動点の現在位置のみに基づく制御では、作動点がコンプレッサマップ上のどの方向に移動しているかを把握できていないため、コンプレッサマップ上における作動点を任意の目標位置に移動させるように過給機を制御しようとした場合に、過給機を効率良く制御するのが困難である。
本発明は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、過給機の作動点をコンプレッサマップ上の任意の位置に効率良く移動させることの出来る過給システムの制御装置を提供することにある。
(1)本発明の一実施形態は、エンジンに圧縮した吸気を供給するための過給システムの制御装置であって、エンジンに供給する吸気を圧縮するコンプレッサを含む過給機と、コンプレッサの作動に影響を及ぼす制御機器を制御するコントローラと、を備える。そして、上記コントローラは、コンプレッサにおける、吸気体積流量、圧力比、及びコンプレッサ回転数の関係を示すコンプレッサマップを格納するコンプレッサマップ格納部と、コンプレッサマップ上におけるコンプレッサの作動点の現在位置を所定周期毎に算出する現在位置算出部と、現在位置算出部で算出される作動点の現在位置に基づいて、コンプレッサマップ上における作動点の移動方向を算出する移動方向算出部と、現在位置算出部で算出された作動点の現在位置と、移動方向算出部で算出された作動点の移動方向と、に基づいて制御機器を制御する制御部と、を含んでいる。
ここで、過給機とは、エンジンから排出される排ガスによって回転するタービンによってコンプレッサを回転させる後述するターボチャージャ、電動モータからの動力によってコンプレッサを回転させる電動過給機、及びエンジンのクランクシャフトからの動力によってコンプレッサを回転させる機械式過給機を含む。
上記(1)に記載の実施形態によれば、コンプレッサマップ上における作動点の現在位置および作動点の移動方向の両方に基づいてコンプレッサの作動が制御される。このため、コンプレッサマップ上における作動点の現在位置のみに基づいてコンプレッサの作動が制御されていた従来のものと比べて、作動点の移動方向をコンプレッサの制御に用いることが出来るため、コンプレッサの作動点をコンプレッサマップ上の任意の位置に効率良く移動させることが出来る。
(2)幾つかの実施形態では、上記(1)に記載の過給システムの制御装置において、上記コントローラは、前記作動点の移動方向が目標方向を向いているか否かを判定する移動方向判定部をさらに含む。そして、制御部は、作動点の移動方向が目標方向を向いていない場合に、作動点の移動方向が目標方向を向くように、制御機器を制御する。
上記(2)に記載の実施形態によれば、作動点の移動方向が目標方向を向くように、制御機器が制御部によって自動的に制御される。このため、コンプレッサの作動点をコンプレッサマップ上の任意の位置に効率良く移動させることが出来る。
(3)幾つかの実施形態では、上記(2)に記載の過給システムの制御装置において、上記コントローラは、作動点の現在位置に対応する制御機器の制御量を算出するための制御マップを格納する制御マップ格納部をさらに含む。そして、制御部は、作動点の移動方向が目標方向を向くように、制御マップに基づいて算出された制御機器の制御量を補正する。
上記(3)に記載の実施形態によれば、制御マップに基づいて算出された制御機器の制御量を補正することで、作動点の移動方向が目標方向を向くように制御機器が制御される。この制御マップは、例えば、エンジンの通常運転時における制御機器の制御量を算出するためのマップである。これにより、制御マップにより算出された制御量を補正するだけの簡単な構成で、作動点の移動方向が目標方向を向くようにコンプレッサを制御することが出来る。
(4)幾つかの実施形態では、(1)〜(3)の何れかに記載の過給システムの制御装置において、上記コントローラは、現在位置算出部で算出される作動点の現在位置の時間当たりの変化量に基づいて、作動点の移動速度を算出する移動速度算出部をさらに含んでいる。そして、制御部は、現在位置算出部で算出された作動点の現在位置と、移動方向算出部で算出された作動点の移動方向と、移動速度算出部で算出された作動点の移動速度と、に基づいて制御機器を制御する。
上記(4)に記載の実施形態によれば、コンプレッサマップ上における作動点の現在位置および作動点の移動方向に加えて、コンプレッサマップ上における作動点の移動速度に基づいてコンプレッサが制御される。このように、作動点の移動速度をコンプレッサの制御に用いることで、コンプレッサの作動点をコンプレッサマップ上の任意の位置に移動させる際に、時間の概念を制御に反映させることが出来る。
(5)幾つかの実施形態では、(4)に記載の過給システムの制御装置において、上記コントローラは、作動点の移動方向および移動速度に基づいて、作動点が現在位置から規定領域または目標位置に到達するまでの到達時間を推定する到達時間推定部をさらに含む。そして、制御部は、作動点の移動方向および移動速度に基づいて、作動点が現在位置から規定領域または目標位置に到達するまでの到達時間を推定し、到達時間と規定時間との比較結果に応じて制御機器を制御する。
上記(5)に記載の実施形態によれば、作動点の移動方向および移動速度に基づいて作動点が現在位置から規定領域または目標位置に到達するまでの到達時間を推定し、この推定した到達時間と規定時間との比較結果に応じて制御機器を制御する。したがって、例えば、後述するように、作動点が現在位置からサージ領域に突入するまでの時間や、作動点が現在位置から目標位置まで到達するのにかかる時間などを考慮して、コンプレッサを制御することが出来る。
(6)幾つかの実施形態では、(5)に記載の過給システムの制御装置において、上記規定領域は、作動点が規定領域内に位置する場合にサージングが起こり得る領域として定義されるサージ領域である。そして、制御部は、作動点が現在位置からサージ領域に到達するまでの到達時間が第1規定時間より小さい場合に、作動点がサージ領域に突入するのを回避するように、制御機器を制御する。
上記(6)に記載の実施形態によれば、作動点が現在位置からサージラインを越えてサージ領域に到達するまでの到達時間が第1規定時間より小さい場合に、作動点がサージ領域に突入するのを回避するようにコンプレッサが制御される。この第1規定時間は、例えば、制御機器に対して通常のフィードバック制御がなされた場合に、現在位置にある作動点がサージ領域に突入するのを回避するのに必要な時間(応答遅れ時間)である。したがって、このような実施形態によれば、通常のフィードバック制御では作動点がサージ領域に突入するのを回避出来ないような場合に、作動点がサージ領域に突入するのを回避するような制御が働くため、過渡運転時において過給機がサージング状態に突入するのを回避することが出来る。
また、作動点が現在位置からサージ領域に到達するまでの到達時間が第1規定時間より大きい場合、例えば、通常のフィードバック制御によって作動点がサージ領域に突入するのを回避できるような場合には、上述した過給機がサージング状態に突入するのを回避するような制御は働かない。このため、通常の制御状態におけるコンプレッサの作動範囲を必要以上に狭めることがない。
(7)幾つかの実施形態では、(6)に記載の過給システムの制御装置において、上記コントローラは、作動点の現在位置に対応する制御機器の制御量を算出するための制御マップを格納する制御マップ格納部をさらに含む。そして、制御部は、作動点がサージ領域に突入するのを回避するように、制御マップに基づいて算出された制御機器の制御量を補正する。
上記(7)に記載の実施形態によれば、制御マップに基づいて算出された制御機器の制御量を補正することで、作動点がサージ領域に突入するのを回避するように制御機器が制御される。この制御マップは、例えば、エンジンの通常運転時における制御機器の制御量を算出するためのマップである。これにより、制御マップにより算出された制御量を補正するだけの簡単な構成で、過給機がサージング状態に突入するのを回避するようにコンプレッサを制御することが出来る。
(8)幾つかの実施形態では、(5)に記載の過給システムの制御装置において、上記制御部は、作動点が現在位置から目標位置に到達するまでの到達時間が第2規定時間より小さい場合に、作動点が第2規定時間よりも早く目標位置に到達するように、制御機器を制御する。
上記(8)に記載の実施形態によれば、作動点が現在位置から目標位置に到達するまでの到達時間が第2規定時間より小さい場合に、作動点が第2規定時間よりも早く目標位置に到達するようにコンプレッサが制御される。この目標位置は、例えば、コンプレッサマップ上において、コンプレッサ効率が所定の効率よりも高い位置(例えば、コンプレッサ効率が75%以上となる位置)である。したがって、このような実施形態によれば、通常の制御では作動点が目標位置に到達するまでに時間が掛かり過ぎるような場合に、作動点が早期の目標位置に到達するような制御が働くため、コンプレッサの作動点を通常の制御よりも早期に目標位置に到達させることが出来る。
(9)幾つかの実施形態では、(8)に記載の過給システムの制御装置において、上記コントローラは、作動点の現在位置に対応する制御機器の制御量を算出するための制御マップを格納する制御マップ格納部をさらに含む。そして、制御部は、作動点が第2規定時間よりも早く目標位置に到達するように、制御マップに基づいて算出された制御機器の制御量を補正する。
上記(9)に記載の実施形態によれば、制御マップに基づいて算出された制御機器の制御量を補正することで、作動点が第2規定時間よりも早く目標位置に到達するように制御機器が制御される。この制御マップは、例えば、エンジンの通常運転時における制御機器の制御量を算出するためのマップである。これにより、制御マップにより算出された制御量を補正するだけの簡単な構成で、作動点が第2規定時間よりも早く目標位置に到達するようにコンプレッサを制御することが出来る。
(10)幾つかの実施形態では、(1)〜(9)の何れかに記載の過給システムの制御装置において、上記過給機は、エンジンから排出される排ガスによって回転するタービンによってコンプレッサを回転させるターボチャージャからなる。そして、制御機器は、エンジンに燃料を供給する燃料噴射装置、タービンに流入する前記排ガスの流れ方向を制御する可変ノズル機構、タービンに流入する排ガスの流量を制御するウェイストゲートバルブ、の少なくとも何れか一つを含む。
上記(10)に記載の実施形態によれば、過給機がターボチャージャからなる過給システムの制御装置を提供することが出来る。
本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、過給機の作動点をコンプレッサマップ上の任意の位置に精度良く移動させることの出来る過給システムの制御装置を提供することが出来る。このように、過給機の作動点をコンプレッサマップ上の任意の位置に精度良く移動させることで、過給機の性能を最大限に発揮させることが出来る。
本発明の一実施形態にかかる過給システムの制御装置が適用される過給システムの全体構成を示した図である。 コントローラの機能を説明するためのブロック図である。 コンプレッサマップを示した図である。 本発明の一実施形態にかかる制御フローの一例を示した図である。 作動点の移動方向を変更するための制御フローを示した図である。 距離Laを説明するための図である。 本発明の一実施形態にかかる制御フローの一例を示した図である。 作動点がサージ領域に突入するのを回避するための制御フローを示した図である。 到達時間を推定する方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態にかかる制御フローの一例を示した図である。 作動点を早期に目標位置まで到達させるための制御フローを示した図である。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
また、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付してその詳細な説明を省略する場合がある。
<第1実施形態>
図1は、本発明の一実施形態にかかる過給システムの制御装置が適用される過給システムの全体構成を示した図である。本発明の一実施形態にかかる過給システムの制御装置1Aは、エンジン2に圧縮した吸気IAを供給するための過給システムの制御装置1Aであって、図1に示すように、エンジン2に供給する吸気IAを圧縮するコンプレッサ22を含む過給機20と、コンプレッサ22の作動に影響を及ぼす制御機器を制御するコントローラ10と、を備える。
図示した実施形態では、過給機20は、エンジン2から排出される排ガスEGによって回転するタービン24によってコンプレッサ22を回転させるターボチャージャ20Aからなる。
図1に示した過給システム1において、エアクリーナ32を介して吸気管路30に導入された空気(吸気)は、ターボチャージャ20Aのコンプレッサ22に流入する。ターボチャージャ20Aは、吸気管路30に配置されたコンプレッサ22と、排気管路40に配置されたタービン24と、コンプレッサ22とタービン24とを連結するロータ23と、からなる。そして、エンジン2から排出される排ガスEGの排気エネルギーによってタービン24が回転駆動し、これに伴ってコンプレッサ22が同軸駆動することで、コンプレッサ22に流入した吸気IAが圧縮される。
コンプレッサ22で圧縮された吸気IAは、インタークーラ34で冷却され、スロットルバルブ36で吸気流量が調整された後、吸気ポート5を介して、燃焼室8に供給される。燃焼室8は、シリンダライナ3とピストン4の頂面との間に画定される空間である。また、エンジン2には、燃焼室8に燃料を噴射するための燃料噴射装置6が備えられている。そして、燃料噴射装置6から燃焼室8に供給された燃料が圧縮熱によって自着火(又は不図示の点火装置によって着火)することで、燃焼室8内で燃焼・膨張する。そして、燃焼室8内で生成された排気ガスEGが、排気ポート7を介して排気管路40へと排出される。
排気管路40に排出された排気ガスは、上述したターボチャージャ20Aのタービン24に流入し、タービン24を回転駆動させる。また、排気管路40には、タービン24を迂回するバイパス管路42が接続している。そして、バイパス管路42には、バイパス管路42を流れる排ガスEGの流量を制御するためのウェイストゲートバルブ28が設けられている。
また、タービン24には、タービン24に作用する排ガスEGの流れを制御するための可変ノズル機構26が設けられている。
上述した燃料噴射装置6、可変ノズル機構26、ウェイストゲートバルブ28などの装置は、上述したコンプレッサ22の作動に影響を及ぼす制御機器に相当するものである。
また、図1に示した過給システム1において、吸気管路30におけるコンプレッサ22の上流側には、吸気管路30を流れる吸気IAの流量を計測するエアフローメータ51と、吸気管路30を流れる吸気の温度を計測する吸気温度センサ52が夫々設置されている。また、吸気管路30におけるコンプレッサ22の入口箇所には、コンプレッサ22に流入する吸気IAの圧力を計測する入口側圧力センサ53が設置されている。また、吸気管路30におけるコンプレッサ22の出口箇所には、コンプレッサ22で圧縮された吸気IAの圧力を計測する出口側圧力センサ54が設置されている。また、ターボチャージャ20には、ターボ回転数(すなわち、コンプレッサ22の回転数)を計測するターボ回転数センサ55が設置されている。これらエアフローメータ51、吸気温度センサ52、入口側圧力センサ53、出口側圧力センサ54、及びターボ回転数センサ55により計測された各情報は、コントローラ10へ送信される。
コントローラ10は、中央処理装置(CPU)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、リードオンリメモリ(ROM)、およびI/Oインターフェイスなどからなり、互いに別体として構成されたマイクロコンピュータからなる。
図2は、コントローラの機能を説明するためのブロック図である。図2に示したように、コントローラは10、制御部10Aと、コンプレッサマップ格納部10Bと、現在位置算出部10Cと、移動方向算出部10Dと、を含んでいる。
コンプレッサマップ格納部10Bは、コントローラ10において、以下に説明するコンプレッサマップM1を記憶して格納する機能を果たす部分である。
図3は、コンプレッサマップを示した図である。図3に示すように、コンプレッサマップM1は、横軸が修正流量Qaを示し、縦軸が圧力比εを示すグラフである。修正流量Qaは、例えば、エアフローメータ51が検出する吸気流量を基準温度における吸気体積流量に換算することで求められる。圧力比εは、例えば、出口側圧力センサ54で検出されるコンプレッサ出口圧力P2を、入口側圧力センサ53で検出されるコンプレッサ入口圧力P1で除して求められる(ε=P2/P1)。また、図3に示すコンプレッサマップM1において、コンプレッサ効率ηを点線で示し、ターボ回転数Ntを鎖線で示している。ターボ回転数Ntは、例えば、ターボ回転数センサ55で検出されるターボ回転数から把握することが出来る。
そして、図3に示すコンプレッサマップM1において、修正流量Qa、圧力比ε、ターボ回転数Ntの3つのうち少なくとも2つが判れば、コンプレッサマップM1上における作動点61の位置を決定することが出来る。なお、修正流量Qa、圧力比ε、ターボ回転数Ntを求める手段は、上述した方法に限定されない。上述した方法以外にも、修正流量Qa、圧力比ε、ターボ回転数Ntを求めることの出来る公知の他の方法を採用してもよい。
現在位置算出部10Cは、コントローラ10において、コンプレッサマップM1上におけるコンプレッサ22の作動点61の現在位置を所定周期毎に算出する機能を果たす部分である。
作動点61は、エンジン2の運転状態の変化などに応じて、時々刻々とコンプレッサマップM1上を移動する。現在位置算出部10Cは、コンプレッサマップM1上を時々刻々と移動する作動点61の現在位置を所定周期毎に算出してメモリ等に記憶する。
移動方向算出部10Dは、コントローラ10において、現在位置算出部10Cで算出される作動点61の現在位置に基づいて、コンプレッサマップM1上における作動点61の移動方向(図3において「矢印63」で表示)を算出する機能を果たす部分である。
作動点61の現在の移動方向は、例えば、現在位置算出部10Cで算出された所定周期前における作動点61の過去位置(図3において『○』で表示)と、現在位置算出部10Cで算出された作動点61の現在位置(図3において『●』で表示)とから求めることが出来る。
制御部10Aは、コントローラ10において、現在位置算出部10Cで算出された作動点61の現在位置と、移動方向算出部10Dで算出された作動点61の移動方向と、に基づいて制御機器6、26、28などを制御する機能を果たす部分である。
このように構成される本実施形態の過給システムの制御装置1Aによれば、コンプレッサマップM1上における作動点61の現在位置および作動点61の移動方向の両方に基づいてコンプレッサ22の作動が制御される。このため、コンプレッサマップM1上における作動点61の現在位置のみに基づいてコンプレッサの作動が制御されていた従来のものと比べて、作動点61の移動方向をコンプレッサ22の制御に用いることが出来るため、コンプレッサ22の作動点61をコンプレッサマップM1上の任意の位置に効率良く移動させることが出来る。これにより、ターボチャージャ20Aの性能を最大限に発揮させることが出来る。
幾つかの実施形態では、図2に示すように、コントローラ10は、移動方向判定部10Eをさらに含む。移動方向判定部10Eは、コントローラ10において、作動点61の移動方向が目標方向を向いているか否かを判定する部分である。ここで目標方向とは、コンプレッサマップM1上において、作動点61の現在位置から目標位置(図3において『★』で表示)に向かう方向(図3において「矢印65」で表示)である。作動点61の目標位置は、エンジン2の運転状態等に応じて、コントローラ10における目標位置算出部10Fによって適宜設定される。
そして、制御部10Aは、後述する図4、5において説明するように、作動点61の移動方向が目標方向を向いていない場合に、作動点61の移動方向が目標方向を向くように、制御機器6、26、28などを制御するように構成されている。
このような実施形態によれば、作動点61の移動方向が目標方向を向くように、制御機器6、26、28などが制御部10Aによって自動的に制御される。このため、コンプレッサ22の作動点61をコンプレッサマップM1上の任意の位置(例えば目標位置)に効率良く移動させることが出来る。
幾つかの実施形態では、図2に示すように、コントローラ10は、制御マップ格納部10Gをさらに含む。制御マップ格納部10Gは、コントローラ10において、作動点61の現在位置に対応する制御機器6、26、28などの制御量を算出するための制御マップを格納する機能を果たす部分である。この制御マップは、例えば、エンジン2の通常運転時における制御機器6、26、28などの制御量を算出するためのマップ(通常制御マップ)である。
そして、制御部10Aは、後述する図4、5において説明するように、作動点61の移動方向が目標方向を向くように、制御マップに基づいて算出された制御機器6、26、28などの制御量を補正するように構成される。
このような実施形態によれば、制御マップに基づいて算出された制御機器6、26、28などの制御量を補正することで、作動点61の移動方向が目標方向を向くように制御機器6、26、28などが制御される。これにより、制御マップにより算出された制御量を補正するだけの簡単な構成で、作動点61の移動方向が目標方向を向くようにコンプレッサ22を制御することが出来る。
図4は、本発明の一実施形態にかかる制御フローの一例を示した図である。図5は、作動点の移動方向を変更するための制御フローを示した図である。
図4に示す制御フローおいて、先ず、修正流量Qaおよびターボ回転数Ntを算出する(S11)。次いで、S11において算出した修正流量Qaおよびターボ回転数Ntに基づいて、上述した現在位置算出部10Cによって、コンプレッサマップM1上における作動点61の現在位置を算出する(S12)。次いで、現在位置算出部10Cにおいて算出した作動点61の現在位置に基づいて、上述した移動方向算出部10Dによって、コンプレッサマップM1上における作動点61の移動方向を算出する(S13)。
次いで、移動方向判定部10Eによって、作動点61の移動方向が目標方向を向いているか否かを判定する(S14、S15)。S14では、作動点61の移動方向に沿ったライン63Lと目標位置との距離La(目標位置からライン63Lに対して引いた垂線の長さ)を算出する(図6参照)。次いでS15では、算出した距離Laが0か否かを判定する。算出した距離La=0の場合(S15において「YES」)は、作動点61の移動方向が目標方向を向いているものとしてS16に進む。算出した距離La≠0の場合(S15において「NO」)はS18に進み、図5に示される移動方向変更制御フローを実行する。
図5に示される移動方向変更制御フローでは、先ず、S181において、通常制御マップに基づいて制御機器6、26、28などの制御量を算出する。次に、S182において、S181において算出された制御機器6、26、28などの制御量を補正する。例えば、制御機器が燃料噴射装置6であって燃料噴射装置6から噴射される燃料噴射量を制御量とする場合には、通常制御マップによって算出された燃料噴射量(通常燃料噴射量)に、任意の係数Aに距離Laを乗じた値A・Laを加算する。このように、距離Laに応じて補正量を変化させることで、移動方向が目標方向と大きくずれているときの補正量を大きくして移動方向を迅速に目標方向に向けさせることが出来る。そして、算出した補正後の燃料噴射量(補正燃料噴射量)を噴射するように、制御部10Aによって燃料噴射装置6を制御する(S183)。
このような移動方向変更制御は、S15において、作動点61の移動方向が目標方向を向いていると判定されるまで繰り返し行われる。なお、上記説明では、La=0の場合に、作動点61の移動方向が目標方向を向いていると判定するものとしたが、La≦th(thは閾値であって0よりも大きい値)の場合に、作動点61の移動方向が目標位置を向いていると判定してもよい。
図4の制御フローに戻り、作動点61の移動方向が目標方向を向いていると判定されると、S16において、通常制御マップに基づいて制御機器6、26、28などの制御量を算出し、S17において、S16において算出された制御量に基づいて、制御部10Aによって制御機器6、26、28を制御する。すなわち、通常の運転制御を実行する。
このように、コンプレッサマップM1上における作動点61の現在位置および作動点61の移動方向の両方に基づいてコンプレッサ22の作動を制御することで、コンプレッサマップM1上における作動点61の現在位置のみに基づいてコンプレッサの作動が制御されていた従来のものと比べて、コンプレッサ22の作動点61をコンプレッサマップM1上の任意の位置に効率良く移動させることが出来る。
<第2実施形態>
幾つかの実施形態では、コントローラ10は、図2に示したように、移動速度算出部10Hをさらに含む。移動速度算出部10Hは、コントローラ10において、現在位置算出部10Cで算出される作動点61の現在位置の時間当たりの変化量に基づいて、作動点61の移動速度を算出する機能を果たす部分である。
そして、制御部10Aは、後述する図7、8において説明するように、現在位置算出部10Cで算出された作動点61の現在位置と、移動方向算出部10Dで算出された作動点61の移動方向と、移動速度算出部10Hで算出された作動点61の移動速度と、に基づいて制御機器6、26、28などを制御するように構成されている。
このような実施形態によれば、コンプレッサマップM1上における作動点61の現在位置および作動点61の移動方向に加えて、コンプレッサマップM1上における作動点61の移動速度に基づいてコンプレッサ22が制御される。このように、作動点61の移動速度をコンプレッサ22の制御に用いることで、コンプレッサ22の作動点61をコンプレッサマップM1上の任意の位置に移動させる際に、時間の概念を制御に反映させることが出来る。
幾つかの実施形態では、コントローラ10は、図2に示したように、到達時間推定部10Iをさらに含む。到達時間推定部10Iは、コントローラ10において、作動点61の移動方向および移動速度に基づいて、作動点61が現在位置から規定領域または目標位置に到達するまでの到達時間taを推定する機能を果たす部分である。ここで規定領域とは、コンプレッサマップM1上において所定の範囲を占める予め定められた領域のことを意味する。例えば、後述する実施形態において、規定領域は、作動点61が規定領域内に位置する場合にサージングが起こり得る領域として定義されるサージ領域Sである(図3参照)。
そして、制御部10Aは、後述する図7、8において説明するように、作動点61の移動方向および移動速度に基づいて、作動点61が現在位置から規定領域または目標位置に到達するまでの到達時間を推定し、到達時間taと規定時間との比較結果に応じて制御機器6、26、28などを制御するように構成される。
図9は、到達時間を推定する方法を説明するための図である。到達時間taは、作動点61の現在位置と、作動点61の移動方向に沿ったライン63LとサージラインSLとの交点63Pとの距離Lbを算出し、この距離Lbを作動点61の現在の移動速度Va(=√{(dQa/dt)+(dε/dt)})で除算することで推定される(ta=Lb/Va)。
このような実施形態によれば、作動点61の移動方向および移動速度に基づいて作動点61が現在位置から規定領域または目標位置に到達するまでの到達時間taを推定し、この推定した到達時間と規定時間との比較結果に応じて制御機器6、26、28などを制御する。したがって、例えば、後述するように、作動点61が現在位置からサージ領域に突入するまでの時間や、作動点61が現在位置から目標位置まで到達するのにかかる時間などを考慮して、コンプレッサ22を制御することが出来る。
幾つかの実施形態では、上述した規定領域がサージ領域Sである。そして、制御部10Aは、作動点61が現在位置からサージ領域Sに到達するまでの到達時間taが第1規定時間tcより小さい場合に、作動点61がサージ領域Sに突入するのを回避するように、制御機器6、26、28などを制御するように構成されている。
このような実施形態によれば、作動点61が現在位置からサージラインSLを超えてサージ領域Sに到達するまでの到達時間taが第1規定時間より小さい場合に、作動点61がサージ領域Sに突入するのを回避するようにコンプレッサ22が制御される。この第1規定時間は、例えば、制御機器6、26、28などに対して通常のフィードバック制御がなされた場合に、現在位置にある作動点61がサージ領域Sに突入するのを回避するのに必要な時間(応答遅れ時間)である。したがって、このような実施形態によれば、通常のフィードバック制御では作動点61がサージ領域Sに突入するのを回避出来ないような場合に、作動点61がサージ領域Sに突入するのを回避するような制御が働くため、過渡運転時においてターボチャージャ20がサージング状態に突入するのを回避することが出来る。
また、作動点61が現在位置からサージ領域Sに到達するまでの到達時間taが第1規定時間tcより大きい場合、例えば、通常のフィードバック制御によって作動点61がサージ領域Sに突入するのを回避できるような場合には、上述した作動点61がサージ領域Sに突入するのを回避するような制御は働かない。このため、通常の制御状態におけるコンプレッサ22の作動範囲を必要以上に狭めることがない。
図7は、本発明の一実施形態にかかる制御フローの一例を示した図である。図8は、作動点がサージ領域に突入するのを回避するための制御フローを示した図である。
図7に示す制御フローにおいて、先ず、修正流量Qaおよびターボ回転数Ntを算出する(S21)。次いで、S21において算出した修正流量Qaおよびターボ回転数Ntに基づいて、上述した現在位置算出部10Cによって、コンプレッサマップM1上における作動点61の現在位置を算出する(S22)。次いで、現在位置算出部10Cにおいて算出した作動点61の現在位置に基づいて、上述した移動方向算出部10Dおよび移動速度算出部(10H)によって、コンプレッサマップM1上における作動点61の移動方向および移動速度を算出する(S23)。
次いで、到達時間推定部10Iによって、作動点61が規定領域であるサージ領域Sに到達するまでの到達時間taを推定し(S24)、推定した到達時間taと第1規定時間tcとを比較する(S25)。ta>tcの場合(S25において「YES」)は、通常のフィードバック制御によっても作動点61がサージ領域Sに突入するのを回避できるものとしてS26に進む。ta≦tcの場合(S25において「NO」)はS28に進み、図8に示されるサージ回避制御フローを実行する。
図8に示されるサージ回避制御フローでは、先ず、S281において、通常制御マップに基づいて制御機器6、26、28などの制御量を算出する。次に、S282において、S281において算出された制御機器6、26、28などの制御量を補正する。例えば、制御機器が可変ノズル機構26であって可変ノズル機構26のノズルベーンの開度を制御量とする場合には、通常制御マップによって算出されたノズルベーンの開度(通常ベーン開度)に、任意の係数Bに第1規定時間tcと推定した到達時間taとの差分(tc−ta)を乗じた値B・(tc−ta)を加算する。このように、第1規定時間tcと推定した到達時間taとの差分(tc−ta)に応じて補正量を変化させることで、サージ領域Sに到達するまでの時間的な余裕がないときの補正量を大きくし、作動点61がサージ領域Sに突入するのを確実に回避することが出来る。そして、可変ノズル機構26のノズルベーンの開度が補正後のノズルベーンの開度(補正ベーン開度)となるように、制御部10Aによって可変ノズル機構26を制御する(S283)。
このようなサージ回避制御フローは、S25において、作動点61が現在位置からサージ領域Sに到達するまでの到達時間taが第1規定時間tcを上回っていると判定されるまで繰り返し行われる。
図7の制御フローに戻り、作動点61が現在位置からサージ領域Sに到達するまでの到達時間taが第1規定時間tcを上回っていると判定されると、S26において、通常制御マップに基づいて制御機器6、26、28などの制御量を算出し、S27において、S26において算出された制御量に基づいて、制御部10Aによって制御機器6、26、28を制御する。すなわち、通常の運転制御を実行する。
このように、コンプレッサマップM1上における作動点61の現在位置および作動点61の移動方向に加えて、コンプレッサマップM1上における作動点61の移動速度に基づいてコンプレッサ22を制御することで、上述したように、通常のフィードバック制御では作動点61がサージ領域Sに突入するのを回避出来ないような場合にも、ターボチャージャ20がサージング状態に突入するのを回避することが出来る。
<第3実施形態>
幾つかの実施形態では、制御部10Aは、後述する図10〜11において説明するように、作動点61が現在位置から目標位置に到達するまでの到達時間tbが第2規定時間tdより小さい場合に、作動点61が第2規定時間tdよりも早く目標位置に到達するように、制御機器6、26、28などを制御する。
このような実施形態によれば、作動点61が現在位置から目標位置に到達するまでの到達時間が第2規定時間tdより小さい場合に、作動点61が第2規定時間tdよりも早く目標位置に到達するようにコンプレッサ22が制御される。この目標位置は、例えば、コンプレッサマップM1上において、コンプレッサ効率ηが所定の効率よりも高い位置(例えば、コンプレッサ効率ηが75%以上となる位置)である。したがって、このような実施形態によれば、通常の制御では作動点61が目標位置に到達するまでに時間が掛かり過ぎるような場合に、作動点61が早期の目標位置に到達するような制御が働くため、コンプレッサ22の作動点61を通常の制御よりも早期に目標位置に到達させることが出来る。
図10は、本発明の一実施形態にかかる制御フローの一例を示した図である。図11は、作動点を早期に目標位置まで到達させるための制御フローを示した図である。
図10に示す制御フローにおいて、先ず、修正流量Qaおよびターボ回転数Ntを算出する(S31)。次いで、S31において算出した修正流量Qaおよびターボ回転数Ntに基づいて、上述した現在位置算出部10Cによって、コンプレッサマップM1上における作動点61の現在位置を算出する(S32)。次いで、現在位置算出部10Cにおいて算出した作動点61の現在位置に基づいて、上述した移動方向算出部10Dおよび移動速度算出部(10H)によって、コンプレッサマップM1上における作動点61の移動方向および移動速度を算出する(S33)。
次いで、移動方向判定部10Eによって、作動点61の移動方向が目標方向を向いているか否かを判定する(S34、S35)。S34では、作動点61の移動方向に沿ったライン63Lと目標位置との距離Laを算出する(図6参照)。次いでS35では、算出した距離Laが0か否かを判定する。算出した距離La=0の場合(S35において「YES」)は、作動点61の移動方向が目標方向を向いているものとしてS16に進む。算出した距離La≠0の場合(S35において「NO」)はS40に進み、図5に示される移動方向変更制御フローを実行する(S401〜S403)。なお、S401〜S403は、上述した第1実施形態におけるS181〜S183と同じ内容であるため、その説明を省略する。
次いで、到達時間推定部10Iによって、作動点61が目標位置に到達するまでの到達時間tbを推定し(S36)、推定した到達時間tbと第2規定時間tdとを比較する(S37)。tb<tdの場合(S25において「YES」)はS26に進む。tb≧tdの場合(S37において「NO」)は、作動点61を早期に目標位置まで到達させるべく、S41に進み、図11に示される移動速度増大制御フローを実行する。
図11に示される移動速度増大制御フローでは、先ず、S411において、通常制御マップに基づいて制御機器6、26、28などの制御量を算出する。次に、S412において、S411において算出された制御機器6、26、28などの制御量を補正する。例えば、制御機器がウェイストゲートバルブ28であってウェイストゲートバルブ28のバルブ開度を制御量とする場合には、通常制御マップによって算出されたウェイストゲートバルブ28のバルブ開度(通常バルブ開度)に、任意の係数Cに推定した到達時間tbと第2規定時間tdとの差分(tb−td)を乗じた値C・(tb−td)を加算する。このように、推定した到達時間tbと第2規定時間tcとの差分(tb−td)に応じて補正量を変化させることで、作動点61が目標位置に到達するのまでの時間が長いときの補正量を大きくし、作動点61をより早期に目標位置へと移動させることが出来る。そして、ウェイストゲートバルブ28のバルブ開度が補正後のウェイストゲートバルブ28のバルブ開度(補正バルブ開度)となるように、制御部10Aによってウェイストゲートバルブ28を制御する(S413)。
このような移動速度増大制御フローは、S37において、作動点61が目標位置に到達するまでの到達時間tbが第2規定時間tcを下回っていると判定されるまで繰り返し行われる。
図10の制御フローに戻り、作動点61が目標位置に到達するまでの到達時間tbが第2規定時間tcを下回っていると判定されると、S38において、通常制御マップに基づいて制御機器6、26、28などの制御量を算出し、S39において、S38において算出された制御量に基づいて、制御部10Aによって制御機器6、26、28を制御する。すなわち、通常の運転制御を実行する。
このように、コンプレッサマップM1上における作動点61の現在位置および作動点61の移動方向に加えて、コンプレッサマップM1上における作動点61の移動速度に基づいてコンプレッサ22を制御することで、上述したように、通常の制御では作動点61が目標位置に到達するまでに時間が掛かり過ぎるような場合に、作動点61を通常の制御よりも早期に目標位置に到達させることが出来る。
以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。
1 過給システム
1A 過給システムの制御装置
2 エンジン
3 シリンダライナ
4 ピストン
5 吸気ポート
6 燃料噴射装置(制御機器)
7 排気ポート
8 燃焼室
10 コントローラ
10A 制御部
10B コンプレッサマップ格納部
10C 現在位置算出部
10D 移動方向算出部
10E 移動方向判定部
10F 目標位置算出部
10G 制御マップ格納部
10H 移動速度算出部
10I 到達時間推定部
20 過給機
20A ターボチャージャ
22 コンプレッサ
23 ロータ
24 タービン
26 可変ノズル機構(制御機器)
28 ウェイストゲートバルブ(制御機器)
32 エアクリーナ
34 インタークーラ
36 スロットルバルブ
40 排気管路
42 バイパス管路
51 エアフローメータ
52 吸気温度センサ
53 入口側圧力センサ
54 出口側圧力センサ
55 ターボ回転数センサ
61 作動点
63L 作動点の移動方向に沿ったライン
63P 作動点の移動方向に沿ったラインとサージラインとの交点

(8)幾つかの実施形態では、(5)に記載の過給システムの制御装置において、上記制御部は、作動点が現在位置から目標位置に到達するまでの到達時間が第2規定時間より大きい場合に、作動点が第2規定時間よりも早く目標位置に到達するように、制御機器を制御する。
上記(8)に記載の実施形態によれば、作動点が現在位置から目標位置に到達するまでの到達時間が第2規定時間より大きい場合に、作動点が第2規定時間よりも早く目標位置に到達するようにコンプレッサが制御される。この目標位置は、例えば、コンプレッサマップ上において、コンプレッサ効率が所定の効率よりも高い位置(例えば、コンプレッサ効率が75%以上となる位置)である。したがって、このような実施形態によれば、通常の制御では作動点が目標位置に到達するまでに時間が掛かり過ぎるような場合に、作動点が早期の目標位置に到達するような制御が働くため、コンプレッサの作動点を通常の制御よりも早期に目標位置に到達させることが出来る。
幾つかの実施形態では、制御部10Aは、後述する図10〜11において説明するように、作動点61が現在位置から目標位置に到達するまでの到達時間tbが第2規定時間tdより大きい場合に、作動点61が第2規定時間tdよりも早く目標位置に到達するように、制御機器6、26、28などを制御する。
このような実施形態によれば、作動点61が現在位置から目標位置に到達するまでの到達時間が第2規定時間tdより大きい場合に、作動点61が第2規定時間tdよりも早く目標位置に到達するようにコンプレッサ22が制御される。この目標位置は、例えば、コンプレッサマップM1上において、コンプレッサ効率ηが所定の効率よりも高い位置(例えば、コンプレッサ効率ηが75%以上となる位置)である。したがって、このような実施形態によれば、通常の制御では作動点61が目標位置に到達するまでに時間が掛かり過ぎるような場合に、作動点61が早期の目標位置に到達するような制御が働くため、コンプレッサ22の作動点61を通常の制御よりも早期に目標位置に到達させることが出来る。

Claims (10)

  1. エンジンに圧縮した吸気を供給するための過給システムの制御装置であって、
    前記エンジンに供給する前記吸気を圧縮するコンプレッサを含む過給機と、
    前記コンプレッサの作動に影響を及ぼす制御機器を制御するコントローラと、を備え、
    前記コントローラは、
    前記コンプレッサにおける、吸気体積流量、圧力比、及びコンプレッサ回転数の関係を示すコンプレッサマップを格納するコンプレッサマップ格納部と、
    前記コンプレッサマップ上における前記コンプレッサの作動点の現在位置を所定周期毎に算出する現在位置算出部と、
    前記現在位置算出部で算出される前記作動点の現在位置に基づいて、前記コンプレッサマップ上における前記作動点の移動方向を算出する移動方向算出部と、
    前記現在位置算出部で算出された前記作動点の現在位置と、前記移動方向算出部で算出された前記作動点の移動方向と、に基づいて前記制御機器を制御する制御部と、を含む
    過給システムの制御装置。
  2. 前記コントローラは、前記作動点の移動方向が目標方向を向いているか否かを判定する移動方向判定部をさらに含み、
    前記制御部は、前記作動点の移動方向が前記目標方向に向いていない場合に、前記作動点の移動方向が前記目標方向を向くように、前記制御機器を制御する
    請求項1に記載の過給システムの制御装置。
  3. 前記コントローラは、前記作動点の現在位置に対応する前記制御機器の制御量を算出するための制御マップを格納する制御マップ格納部をさらに含み、
    前記制御部は、前記作動点の移動方向が前記目標方向を向くように、前記制御マップに基づいて算出された前記制御機器の制御量を補正する
    請求項2に記載の過給システムの制御装置。
  4. 前記コントローラは、前記現在位置算出部で算出される前記作動点の現在位置の時間当たりの変化量に基づいて、前記作動点の移動速度を算出する移動速度算出部をさらに含み、
    前記制御部は、前記現在位置算出部で算出された前記作動点の現在位置と、前記移動方向算出部で算出された前記作動点の移動方向と、前記移動速度算出部で算出された前記作動点の移動速度と、に基づいて前記制御機器を制御する
    請求項1から3の何れか一項に記載の過給システムの制御装置。
  5. 前記コントローラは、前記作動点の移動方向および移動速度に基づいて、前記作動点が現在位置から規定領域または目標位置に到達するまでの到達時間を推定する到達時間推定部をさらに含み、
    前記制御部は、前記到達時間推定部で推定された前記到達時間と規定時間との比較結果に応じて前記制御機器を制御する
    請求項4に記載の過給システムの制御装置。
  6. 前記規定領域は、前記作動点が前記規定領域内に位置する場合にサージングが起こり得る領域として定義されるサージ領域であり、
    前記制御部は、前記作動点が現在位置から前記サージ領域に到達するまでの到達時間が第1規定時間より小さい場合に、前記作動点が前記サージ領域に突入するのを回避するように、前記制御機器を制御する
    請求項5に記載の過給システムの制御装置。
  7. 前記コントローラは、前記作動点の現在位置に対応する前記制御機器の制御量を算出するための制御マップを格納する制御マップ格納部をさらに含み、
    前記制御部は、前記作動点が前記サージ領域に突入するのを回避するように、前記制御マップに基づいて算出された前記制御機器の制御量を補正する
    請求項6に記載の過給システムの制御装置。
  8. 前記制御部は、前記作動点が現在位置から前記目標位置に到達するまでの到達時間が第2規定時間より小さい場合に、前記作動点が前記第2規定時間よりも早く前記目標位置に到達するように、前記制御機器を制御する
    請求項5に記載の過給システムの制御装置。
  9. 前記コントローラは、前記作動点の現在位置に対応する前記制御機器の制御量を算出するための制御マップを格納する制御マップ格納部をさらに含み、
    前記制御部は、前記作動点が前記第2規定時間よりも早く前記目標位置に到達するように、前記制御マップに基づいて算出された前記制御機器の制御量を補正する
    請求項8に記載の過給システムの制御装置。
  10. 前記過給機は、前記エンジンから排出される排ガスによって回転するタービンによって前記コンプレッサを回転させるターボチャージャからなり、
    前記制御機器は、前記エンジンに燃料を供給する燃料噴射装置、前記タービンに流入する前記排ガスの流れ方向を制御する可変ノズル機構、前記タービンに流入する前記排ガスの流量を制御するウェイストゲートバルブ、の少なくとも何れか一つを含む
    請求項1から9のいずれか一項に記載の過給システムの制御装置。



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