WO2011099173A1

WO2011099173A1 - ターボチャージャ付きエンジンの制御装置

Info

Publication number: WO2011099173A1
Application number: PCT/JP2010/059941
Authority: WO
Inventors: 和成井手; 知秀山田
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2011-08-18
Also published as: US20120179356A1; EP2444629A4; KR101324821B1; KR20120023852A; CN102575577A; JP5737898B2; JP2011185263A; CN102575577B; EP2444629A1

Abstract

タービン回転数を直接検出する部品を追加することなくタービンの回転数を精度よく推定することができ、タービンの回転数を精度よく推定することでタービンの回転数を精度よく許容値以下に抑えて過回転を防止することができるターボチャージャ付きエンジンの制御装置を提供することが課題である。本発明は、エンジンの吸気通路に配置されたコンプレッサ及び排気通路に配置されたタービンを有するターボチャージャと、前記エンジンの運転状態に応じて、前記エンジンへの燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、を有するターボチャージャ付きエンジンの制御装置において、前記エンジンの運転状態から、前記タービンの回転数の推定値を計算上求めるタービン回転数推定手段を有し、前記燃料噴射量制御手段は、前記タービン回転数の推定値が所定の許容値を越える場合に、前記タービン回転数の推定値が前記許容値以下となるように燃料噴射量を制御する。

Description

ターボチャージャ付きエンジンの制御装置

　本発明は、ターボチャージャ付きエンジンの制御装置に関するものであり、特にタービンの回転数を精度よく許容値以下に抑えることができるターボチャージャ付きエンジンの制御装置に関するものである。

　従来より、車両や建設機械等において、ターボチャージャ付きのエンジンを採用したものが数多く使用されている。

　このような、ターボチャージャ付きのエンジンにおいては、気圧が低く空気密度の低い高地で使用する場合、低地で使用する場合と同量の空気をエンジンに供給しようとすると、エンジンに供給する空気体積で考えると低地で使用する場合よりも多量の空気をエンジンに供給する必要がある。そのため、ターボチャージャ付きのエンジンを空気密度が低い高地で使用すると、エンジンに多量に空気を供給するためにターボチャージャを構成するタービンの回転数が過剰に上昇し、ターボチャージャの破損を引き起こす可能性がある。

　そこで、ターボチャージャ付きのエンジンを空気密度が低い高地で使用した場合であっても、タービンの過回転を防止し、ターボチャージャの破損を事前に防止することができる技術が例えば特許文献１、特許文献２に開示されている。

　特許文献１に開示された技術は、タービンに可動ノズルベーンを装備したターボチャージャに付帯する回転数センサを設け、通常時においてはエンジンの運転状態に応じて出力される目標質量流量とターボチャージャのコンプレッサ上流側に設けたエアフローメータで計測される実質量流量が一致するようにノズルベーン開度制御をするものである。また、ターボチャージャの回転数検出値が理想回転数以上となった際に、コンプレッサの実吸気体積流量が体積流量マップに見合うように燃料噴射量を制御するものである。ここで、前記吸気体積流量は、エアフローメータで得られる吸気質量流量と吸気温度からの演算値である。

　また、特許文献２に開示された技術は、大気圧センサで計測した大気圧の情報から高度を判定し、判定した高度に基づいてタービン回転数を許容値以下に抑えるように、ＥＧＲ制御弁を開操作するものである。この特許文献２に開示された技術は、油圧ショベル等の建設機械については、比較的高い回転数を保ちながら定格運転を行って油圧ポンプを連続的に駆動し、この油圧ポンプにより得られる油圧で土木作業を行うから、作業中における過給圧が比較的高く、空気密度の低い高地で排気ガスを再循環しても黒煙発生の問題が起こり難いため、ＥＧＲ制御弁を開操作することでタービン回転数を許容値以下に抑えることに適しているといえる。

特開２００５－２９９６１８号公報特開２００８－１８４９２２号公報

　しかしながら、特許文献１に開示された技術においては、回転数センサを設ける必要がある。通常、ターボチャージャの回転数を制御する必要はないため、特許文献１に開示される技術を採用するにあたっては、タービンの過回転検出のためだけに回転数センサを設けることとなり、これは製品コストの上昇に繋がるため好ましくない。また、質量流量と吸気温度の情報から体積流量を計算しているが、該計算に大気圧の情報を用いていない。体積流量は大気圧により変化するため、体積流量の演算が正確に行われているとは言えず、従って制御が正確に行われているとはいえない。

　また、特許文献２に開示された技術においては、ＥＧＲ制御弁を開弁操作することでタービン回転数は低下するが、高負荷においてはもともと空気過剰率が低いためにスモークが発生しやすく、タービン回転数が上昇する低大気圧下での開弁操作は多量のスモーク発生に繋がる。
　また、建設機械以外であって低負荷から高負荷への状態変化があるようなアプリケーションに対しては、ターボの過回転保護のためにＥＧＲを導入すると黒煙発生の問題を引き起こす可能性が高いため、建設機械以外への適用は難しく適用範囲が狭い。
　さらに、大気圧の情報から判定した高度の情報のみからタービン回転数を許容値に制御するものであるが、タービン回転数は気圧と吸気温度の両方に関係する。特許文献２に開示された技術のように、吸気温度を考慮しない場合、タービンの過回転が発生しやすい吸気温度が高い条件でも過回転が発生しないようにパラメータを設定する必要があり、吸気温度が低い時に必要以上に燃料噴射量を制限してしまい、エンジンの出力を必要以上に制限することとなる。

　上記課題を解決するため本発明においては、タービン回転数を直接検出する部品を追加することなくタービンの回転数を精度よく推定することができ、タービンの回転数を精度よく推定することでタービンの回転数を精度よく許容値以下に抑えて過回転を防止することができるターボチャージャ付きエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

　上記の課題を解決するために、本発明においては、エンジンの吸気通路に配置されたコンプレッサ及び排気通路に配置されたタービンを有するターボチャージャと、前記エンジンの運転状態に応じて、前記エンジンへの燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、を有するターボチャージャ付きエンジンの制御装置において、前記エンジンの運転状態から、前記タービンの回転数の推定値を計算上求めるタービン回転数推定手段を有し、前記燃料噴射量制御手段は、前記タービン回転数の推定値が所定の許容値を越える場合に、前記タービン回転数の推定値が前記許容値以下となるように燃料噴射量を制御することを特徴とする。

　これにより、タービン回転数を直接検出する部品を追加することなく、エンジンの運転状態からタービン回転数を推定することができる。従って、タービン回転数を検知するセンサを仮に設けた場合に生じ得る製品コストの上昇、該センサの故障・誤検出による製品信頼性低下といった問題が発生することを回避できる。
　また、タービン回転数が許容値を越える場合に燃料噴射量を制限することで、エンジン出力が制限され、これによりタービン回転数を所定値以下に抑えることができタービンの過回転を防止することができる。よってタービンの過回転に起因するターボチャージャの破損等を防止することができる。

　また、大気圧を測定する大気圧測定手段と、前記吸気通路に配置されたコンプレッサに吸入される吸気の吸気質量流量を測定する吸気質量流量測定手段と、前記吸気通路に配置されたコンプレッサに導入される吸気の温度を測定する吸気温度測定手段と、前記エンジンのブースト圧を測定するブースト圧測定手段と、を有し、前記タービン回転数推定手段は、前記大気圧と、前記吸気質量流量と、前記吸気温度とを用いて、前記吸気通路に配置されたコンプレッサに吸入される吸気の標準状態における吸気体積流量を求めるとともに、前記ブースト圧を大気圧で除算した給気圧力比を求め、前記標準状態における吸気体積流量と吸気圧力比と前記タービンの回転数の関係を示したターボチャージャの性能曲線を用いて、前記タービン回転数を推定するとよい。

　タービン回転数は、大気圧のみならず吸気温度にも影響を受ける。そこで、吸気体積流量と給気圧力比からターボチャージャの性能曲線を用いてタービン回転数を推定する際に、吸気体積流量として大気圧と吸気温度を考慮して求めた標準状態における吸気体積流量を使用することで精度よくタービン回転数を推定することができる。
　ここで、標準状態とは２５℃、１ａｔｍのことをいう。

　また、大気圧を測定する大気圧測定手段と、前記吸気通路に配置されたコンプレッサに導入される吸気の温度を測定する吸気温度測定手段と、を有し、前記タービン回転数推定手段は、前記大気圧と、前記吸気温度とを用いて前記吸気の空気密度を算出し、予め実験により作成した吸気密度とタービン回転数の関係を示すマップを用いて、前記吸気の空気密度からタービン回転数を推定するとよい。

　これにより、ターボチャージャの性能曲線が不要であり、簡単な演算処理でタービン回転数を推定することができる。

　また、前記吸気温度測定手段は、前記エンジンの給気マニホールド内の給気マニホールド温度を測定する給気マニホールド温度測定手段と、予め実験により作成した給気マニホールド温度と吸気温度の関係を示すマップを用いて、前記給気マニホールド温度から吸気温度を求めることを特徴とする。
　これにより、吸気通路に配置されたコンプレッサに導入される吸気の温度を直接検出するセンサ等が必要なくなる。そのため、吸気の温度を直接検出することができるセンサを有しないターボチャージャ付きエンジンに関しても、新たに該センサを設けることなく本発明の適用が可能となる。

　また、前記燃料噴射量制御手段は、前記タービン回転数と大気圧に応じて、前記タービン回転数が前記許容値以下となる最大の燃料噴射量が予め設定され、前記タービン回転数が、前記許容値を越える場合に、前記大気圧とタービン回転数に応じた最大の燃料噴射量以下まで燃料噴射量を低減し、前記タービン回転数を前記許容値以下とするとよい。
　これにより、燃料噴射量の最大値を容易に決定することができる。

　また、前記大気圧と、吸気温度とを用いて吸気の空気密度を演算する空気密度演算手段を有し、前記燃料噴射量制御手段は、前記タービン回転数と空気密度に応じて、前記タービン回転数が前記許容値以下となる最大の燃料噴射量が予め設定され、前記タービン回転数が、前記許容値を越える場合に、前記空気密度とタービン回転数に応じた最大の燃料噴射量以下まで燃料噴射量を低減し、前記タービン回転数を前記許容値以下とするとよい。
　これにより、燃料噴射量の上限値を決定する際にエンジン回転数と大気圧だけでなく吸気温度も考慮しているため、タービンの過回転を防止する際に燃料の噴射量の低減を小さく留め、エンジンの出力の低減を小さく留めることができる。

　また、前記燃料噴射量制御手段は、前記吸気温度に応じた燃費率の悪化割合を算出し、前記悪化割合が大きいほど、前記最大の燃料噴射量をガ大きくなるように補正するとよい。
　これにより、燃費率の変化を考慮することで、タービンの過回転を防止する際に、エンジン出力の低下をさらに小さく留めることができる。

　本発明によれば、タービン回転数を直接検出する部品を追加することなくタービンの回転数を精度よく推定することができ、タービンの回転数を精度よく推定することでタービンの回転数を精度よく許容値以下に抑えて過回転を防止することができるターボチャージャ付きエンジンの制御装置を提供することができる。

実施例１に係るターボチャージャ付きエンジンの制御装置が適用されるエンジン周辺を示す概略図である。実施例１における燃料噴射量の制御のロジックを示す図である。実施例１における燃料噴射量の制限にかかる制御のフローチャートである。実施例１における最大噴射量制限判断の手順を示すフローチャートである。実施例１における最大噴射量制限判断の手順を示す別の例のフローチャートである。実施例２における燃料噴射量の制御のロジックを示す図である。タービン回転数と空気密度の関係を示したグラフである。実施例３における燃料噴射量の制御のロジックを示す図である。給気マニホールド温度と吸気温度との関係を示したグラフである。実施例５における燃料噴射量の制御のロジックを示す図である。一定のエンジン回転数における空気密度とタービン回転数が許容値以下となる最大燃料噴射量の関係を示すグラフである。実施例６における燃料噴射量の制御のロジックを示す図である。図１１のグラフに示した実験点について、タービン回転数と空気密度の関係について示したグラフである。

　以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載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特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

　図１は、実施例１に係るターボチャージャ付きエンジンの制御装置が適用されるエンジン周辺を示す概略図である。図１において、エンジン２は４つの気筒を有する４サイクルディーゼルエンジンである。

　エンジン２には、吸気マニホールド６を介して吸気通路８が合流されるとともに、排気マニホールド１０を介して排気通路１２が接続されている。

　吸気通路８には、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａが設けられている。コンプレッサ１４ａは後述するタービン１４ｂに同軸駆動されるものである。吸気通路８のコンプレッサ１４ａよりも下流側には、吸気通路８を流れる給気と大気で熱交換を行うインタークーラー１６が設けられている。また、吸気通路８のインタークーラー１６よりも下流側には、吸気通路８内を流通する給気の流量を調節するスロットルバルブ１８が設けられている。

　また、吸気通路８には、コンプレッサ１４ａの上流側に、吸気流量を検知するエアフローメータ２６及び吸気温度を検知する温度センサ３４が設けられ、インタークーラー１６の下流側であってスロットルバルブ１８の上流側に過給圧（ブースト圧）を検知する圧力センサ３６が設けられている。また、給気マニホールド６には温度センサ２８及び圧力センサ３０が設けられている。
　エアフローメータ２６、温度センサ２８、圧力センサ３０、圧力センサ３６の検知値は、それぞれＡ／Ｄ変換器４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｅを介してエンジンコントロールユニット（Ｅｎｇｉｎｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ：ＥＣＵ）４０に入力される。また、温度センサ３４の検知値は、サーミスタ回路４２を介してＥＣＵ４０に入力される。

　排気通路１２には、ターボチャージャ１４のタービン１４ｂが設けられている。タービン１４ｂは、エンジン２からの排気ガスにより駆動されるものである。また、排気マニホールド１０には、排気の一部を吸気通路８へ再循環させるＥＧＲ通路２０が接続されている。ＥＧＲ通路２０には、ＥＧＲクーラー２２及びＥＧＲ制御弁２４が設けられている。
　ＥＧＲクーラー２２は、ＥＧＲ制御弁２４よりも排気マニホールド１０側に設けられ、ＥＧＲクーラー２２を通過するＥＧＲガスと冷却水とで熱交換して、該ＥＧＲガスの温度を低下させるものである。また、ＥＧＲ制御弁２４は、ＥＧＲ通路２０を流れるＥＧＲガスの流量を制御するものである。

　また、エンジン４にはエンジンスピードセンサ３２が設けられており、エンジンスピードセンサ３２の検知値はパルスカウント回路４７を介してＥＣＵ４０に入力される。
　さらに、大気圧を測定することができる圧力センサ３８が設けられており、圧力センサ３８によって検知された大気圧は、Ａ／Ｄ変換器４６ｄを介してＥＣＵ４０に入力される。
　なお、圧力センサ３８に変えて、ＧＰＳなどの高度情報を入手できる手段を設け、ＥＣＵ４０により前記高度情報から大気圧を推測するようにしてもよい。

　ＥＣＵ４０では、前述の各入力された値を基にＣＰＵ４８でＥＧＲ制御弁２４及びスロットルバルブ１８の目標開度を演算し、駆動回路４３、４４を介してＥＧＲ制御弁２４及びスロットルバルブ１８の開度を制御する。
　また、前述の各入力された値を基にＣＰＵ４８でエンジン４への燃料噴射量を演算し、インジェクタ駆動回路４１を介してエンジン４への燃料噴射量を制御する。

　さらに、本発明に特徴的な制御に係る事項として、前記燃料噴射量をタービン１４ｂの回転数によって制限をかけている。
　本発明における燃料噴射量の制限にかかる制御について説明する。
　図２は、実施例１における燃料噴射量のロジックを示す図、図３は実施例１における燃料噴射量の制限にかかる制御のフローチャートである。

　図３に示したフローチャートにおいて処理が開始、ここではＥＣＵ４０が稼動するとステップＳ１に進む。
　ステップＳ１では、ＥＣＵ４０に各センサのデータが読み込まれる。
　ステップＳ１にて読み込むセンサデータは、圧力センサ３８で検知される大気圧［ｋＰａ］、エアフローメータ２６で検知される吸気質量流量［ｋｇ／ｓ］、温度センサ３４で検知される吸気温度［℃］、圧力センサ３６で検知されるブースト圧［ｋＰａ］である。

　ステップＳ１にて各センサのデータの読み込みが終了するとステップＳ２に進む。
　ステップＳ２では吸気体積流量演算を実施する。これは図２に示した５１にあたる。ステップＳ２では、図２に５１で示したように、エアフローメータ２６で検知される吸気質量流量［ｋｇ／ｓ］、圧力センサ３８で検知される大気圧［ｋＰａ］及び温度センサ３４で検知される吸気温度［℃］を用いて標準状態（２５℃、１ａｔｍ）における吸気体積流量［ｍ^３／ｓ］を演算する。

　ステップＳ２にて標準状態における吸気体積流量の演算が終了すると、ステップＳ３に進む。
　ステップＳ３では、給気圧力比を演算する。これは図２に示した５２にあたる。ステップＳ３では、図２に５２で示したように、圧力センサ３６で検知されるブースト圧［ｋＰａ］を圧力センサ３８で検知される大気圧［ｋＰａ］で除して給気圧力比［－］を演算する。

　ステップＳ３にて給気圧力比の演算が終了すると、ステップＳ４に進む。
　ステップＳ４では、タービン１４ｂのタービン回転数を推定する。タービン回転数は、図２において５３で示したようなターボチャージャの性能曲線から推定する。
　ターボチャージャの性能曲線は、標準状態における空気体積流量［ｍ^３／ｓ］、給気圧力比［－］及びタービン回転数の関係を示したものであり、ターボチャージャごとに固有のものである。図２における５３には、給気圧力比［－］と標準状態における空気体積流量［ｍ^３／ｓ］との関係を、回転数毎に示した性能曲線の一例を図示している。このような性能曲線を用いることで、給気圧力比［－］と標準状態における空気体積流量［ｍ^３／ｓ］からタービン回転数を推定することができる。

　つまり、ステップＳ２で各センサから読み込んだ情報を基に標準状態における吸気体積流量［ｍ^３／ｓ］を演算し、ステップＳ３でセンサから読み込んだ情報を基に給気圧力比［－］を演算し、ステップ４で性能曲線を用いてタービン回転数を推定することで、センサから読み込んだ情報のみからタービン回転数を推定することができる。

　ステップＳ４が終了すると、ステップＳ５に進む。
　ステップＳ５では、最大噴射量［ｍｇ／ｓｔ］を演算する。ここで、最大噴射量とは、インジェクタ駆動回路４１を介してエンジン４へ噴射される燃料の量［ｍｇ／ｓｔ］の上限値を意味している。
　最大噴射量は、図２において５４で示したようなマップを用いて求める。図２において５４で示したマップは、最大噴射量［ｍｇ／ｓｔ］、タービン回転数［ｒｐｍ］、大気圧［ｋＰａ］の関係を示したものである。このようなマップを用いることで、圧力センサ３８で検知した大気圧［ｋＰａ］及びステップＳ４にて演算したタービン回転数から最大噴射量を求めることができる。
　なお、図２において５４で示したような、大気圧及びタービン回転数から最大噴射量を求めることができるマップは、大気圧ごとに、タービン回転数に応じて、タービン回転数が過回転を防止できる許容値以下となるような最大噴射量が求まるように予め作成しておく。
　マップ５２からは、大気圧が低い即ち高高度であるほど最大噴射量は小さくなることがわかる。

　ステップＳ５が終了すると、ステップＳ６に進む。
　ステップＳ６では最大噴射量制限判断を行う。最大噴射量制限判断とは、エンジン２に噴射する燃料量の上限をステップＳ５で求めた最大噴射量に制限するか否かを判断することである。タービン回転数が所定以上の高回転である場合に、タービンの過回転が生じ、ターボチャージャの破損等が生じる可能性があることから、ステップＳ４で求められるタービン回転数が所定の許容値以上の高回転である場合に、エンジン２に噴射する燃料量の上限をステップＳ５で求めた最大噴射量に制限する。
　前記最大噴射量制限判断は、タービン回転数が所定の許容値近辺である場合に、前記判断のＯＮ／ＯＦＦが頻繁に切り替わることがないように図２において５５で示したようにヒステリシスを持たせて判断する。図２における５５は最大噴射量制限判断に関するマップであって、縦軸は前記判断のＯＮ／ＯＦＦ、横軸はタービン回転数を示しており、詳しくは以下で図４を用いて説明する。

　ステップＳ６における最大噴射量制限判断の一例を図４を用いて説明する。
　図４は、実施例１における最大噴射量制限判断の手順を示すフローチャートである。
　処理が開始すると、ステップＳ１１で現状における噴射量制限フラグがＯＮであるか否かを判断する。ここで噴射量制限フラグとは、エンジン２に噴射する燃料量の上限をステップＳ５で求めた最大噴射量に制限するか否かの判断を行うためのフラグであり、ステップＳ４で算出されるタービン回転数に影響されるものである。

　ステップＳ１１でＹＥＳ即ち現状における噴射量制限フラグがＯＮであると判断されると、ステップＳ１２に進む。
　ステップＳ１２では、Ｎｔ（タービン回転数）が１８万ｒｐｍよりも小さいか否かを判断する。ステップＳ１２でＹＥＳ即ちＮｔ＜１８万ｒｐｍであると判断されるとステップＳ１３で噴射量制限フラグをＯＦＦに変更して処理を終了する。ステップＳ１２でＮＯ即ちＮｔ≧１８万ｒｐｍであると判断されると噴射量制限フラグをＯＮのまま変更せずに処理を終了する。

　また、ステップＳ１１でＮＯ即ち現状における噴射量制限フラグがＯＦＦであると判断されると、ステップＳ１４に進む。
　ステップＳ１４では、Ｎｔ（タービン回転数）が１９万ｒｐｍよりも大きいか否かを判断する。ステップＳ１４でＹＥＳ即ちＮｔ＞１９万ｒｐｍであると判断されると噴射量制限フラグをＯＮに変更して処理を終了する。ステップＳ１４でＮＯ即ちＮｔ≦１９万ｒｐｍであると判断されると噴射量制限フラグをＯＦＦのまま変更せずに処理を終了する。

　即ち、図４に示した最大噴射量制限判定によれば、現状における噴射量制限フラグの状態に関わらずＮｔ＞１９万ｒｐｍでは噴射量制限フラグがＯＮ、Ｎｔ＜１８万ｒｐｍでは噴射量制限フラグがＯＦＦとなって処理を終了し、１８万ｒｐｍ≦Ｎｔ≦１９万ｒｐｍの範囲では現状の噴射量制限フラグの状態を維持して処理を終了する。

　図５は、実施例１における最大噴射量制限判断の手順を示す別の例のフローチャートである。
　処理が開始すると、ステップＳ２１で現状における噴射量制限フラグがＯＮであるか否かを判断する。

　ステップＳ２１でＹＥＳ即ち現状における噴射量制限フラグがＯＮであると判断されると、ステップＳ２２に進む。
　ステップＳ２２では、エンジンのキーがＯＦＦされたか否かを判断する。ステップＳ２２でＹＥＳ即ちエンジンのキーがＯＦＦであると判断されるとステップＳ２４で噴射量制限フラグをＯＦＦに変更して処理を終了する。ステップＳ２２でＮＯ即ちエンジンのキーがオンであると判断されるとステップＳ２３に進む。
　ステップＳ２３では、噴射量制限フラグがＯＮとなってから例えば１時間等の所定時間が経過したか否か判断する。ステップＳ２３でＹＥＳ即ち噴射量制限フラグがＯＮとなってから所定時間経過したと判断されるとステップＳ２４で噴射量制限フラグをＯＦＦに変更して処理を終了する。ステップＳ２３でＮＯと判断されると噴射量制限フラグをＯＮのまま変更せずに処理を終了する。
　つまり、ステップＳ２２～Ｓ２３では、エンジンのキーがＯＦＦされた、噴射量制限フラグがＯＮとなってから例えば１時間等の所定時間が経過した、の何れかを満たすと噴射量制限フラグをＯＦＦに変更する。

　また、ステップＳ２１でＮＯ即ち現状における噴射量制限フラグがＯＦＦであると判断されると、ステップＳ２５に進む。
　ステップＳ２５では、Ｎｔ（タービン回転数）が１９万ｒｐｍよりも大きいか否かを判断する。ステップＳ２５でＹＥＳ即ちＮｔ＞１９万ｒｐｍであると判断されると噴射量制限フラグをＯＮに変更して処理を終了する。ステップＳ１４でＮＯ即ちＮｔ≦１９万ｒｐｍであると判断されると噴射量制限フラグをＯＦＦのまま変更せずに処理を終了する。

　図４に示したフローチャートと、図５に示したフローチャートにおいては、噴射制限フラグをＯＦＦにする条件が異なり、エンジンの用途によってこれを使い分ける。
　高回転、高負荷域で頻繁に使用されるアプリケーション、例えばパワーショベルに対して図４に示した噴射制限フラグの条件を適用する場合、噴射量制限フラグがＯＮとＯＦＦを繰り返すことになる。この場合、噴射量制限機能の入り切りが頻繁に発生することになるため、運転者が違和感を覚える可能性がある。このような問題を回避するために、高回転、高負荷域を頻繁に使用されるアプリケーションについては図５に示した手順を適用する。図５に示した手順では、前述のような噴射量制限機能の頻繁な入り切りを防止するために、エンジンのキーがＯＦＦされたのであれば噴射量制限フラグをリセットしている。また、時間の経過によって気温が低下して空気密度が上昇することや、車両に搭載されたエンジンの場合には車両が山を下ることで空気密度が上昇することが考えられる。このような場合に、エンジンのキーがＯＦＦされるまで噴射量が制限されることは望ましくないため、図５に示した手順においてエンジンキーＯＦＦの条件に加えて、所定時間経過の判定を組み合わせて判断している。

　図３に示したフローチャートにおけるステップＳ６が終了すると、図２に示したフローチャートにおいて、ステップＳ７に進む。
　ステップＳ７においては、図４に示したフローチャート（図２に示した５５）により、最大噴射量制限判断がされると、前記噴射量制限フラグである場合には図２に示した回路５６がＯＮとなり、ステップＳ５（図２におけるマップ５４）で求めた最大噴射量［ｍｇ／ｓｔ］が出力される。前記噴射量制限フラグがＯＦＦである場合には、燃料噴射量は特に制限されない。

　ステップＳ７が終了すると、処理を終了する。
　ステップＳ７において、前記噴射量制限フラグがＯＮであって最大噴射量が出力された場合には、ＥＣＵ４０は、前述の各入力された値を基にＣＰＵ４８でエンジン４への燃料噴射量を演算しインジェクタ駆動回路４１を介してエンジン４への燃料噴射量を制御する際に、燃料噴射量が前記最大噴射量を超えないように制御する。

　実施例１によれば、最大噴射量を制限することで、エンジン出力が制限され、これによりタービン回転数を所定値以下に抑えることができタービンの過回転を防止することができる。よってタービンの過回転に起因するターボチャージャの破損等を防止することができる。

　また、大気圧［ｋＰａ］、吸気質量流量［ｋｇ／ｓ］、吸気温度［℃］、ブースト圧［ｋＰａ］の各検知値からタービン回転数を推測することができる。そのため、タービン回転数を検知するセンサを設ける必要がなく、該タービン回転数を検知するセンサを仮に設けた場合に生じ得る製品コストの上昇、該センサの故障・誤検出による製品信頼性低下といった問題が発生することを回避できる。

　さらに、本実施例においては大気圧やＧＰＳからの高度情報のみならず、吸気温度も考慮してタービン回転数を推定しているため、精度よくタービン回転数を推定することができる。これにより、精度よくタービン回転数を許容値以下に抑えることができる。

　また、図２に示した５３のようなターボチャージャの性能曲線を使用する際に、標準状態での体積流量を用いているため、精度よくターボチャージャの性能曲線からタービン回転数を推定することができる。

　さらに、タービンの過回転を防止するためにＥＧＲ制御弁を制御するものではないため、ＥＧＲ装置付きのエンジンにも、本実施例の技術をそのまま適用することができる。

　実施例１に係るターボチャージャ付きエンジンの制御装置が適用されるエンジン周辺を示す概略図については、実施例１にて説明した図１と同様であるため図１を援用しその説明を省略する。

　図６は実施例２における燃料噴射量の制御のロジックを示す図である。
　図６において、図２と同一符号は同一の動作、制御を意味し、その説明を省略する。
　実施例２においては、実施例１とはタービン回転数の推定方法が異なる。
　図６を用いて実施例２におけるタービン回転数の推定方法について説明する。

　図６に示した６１にて、ＥＣＵ４０に、圧力センサ３８で検知される大気圧［ｋＰａ］と、温度センサ３４で検知される吸気温度［℃］が入力され、大気圧［ｋＰａ］と吸気温度［℃］から空気密度［ｋｇ／ｍ^３］の演算を実施する。

　そして、図６に示した６２にて、タービン回転数［ｒｐｍ］と空気密度［ｋｇ／ｍ^３］の関係を示したマップからタービン回転数［ｒｐｍ］を推定する。

　図７は、タービン回転数［ｒｐｍ］と空気密度［ｋｇ／ｍ^３］の関係を示したグラフの一例である。図７において縦軸はタービン回転数［×１０^４ｒｐｍ］、横軸は空気密度［ｋｇ／ｍ^３］であり、各プロットは実験点である。図７から、タービン回転数と空気密度との間には負の一次の相関関係があり、このようなタービン回転数と空気密度を予め作成しておけば、空気密度からタービン回転数を簡単に求めることができる。

　タービン回転数を算出した以降は実施例１と同様であり、その説明は省略する。

　実施例２によれば、ターボチャージャの性能曲線が不要であり、簡単な演算処理でタービン回転数の推定値を求めることができる。

　図８は実施例３における燃料噴射量の制御のロジックを示す図である。
　図８において、図２と同一符号は同一の動作、制御を意味し、その説明は省略する。
　実施例３においては、実施例１における吸気体積流量演算５１の際に使用される吸気温度［℃］に変えて、給気マニホールド温度［℃］から推定した吸気温度［℃］を使用できるようにしている。

　図８において、ＥＣＵ４０は温度センサ２８で検知された給気マニホールド温度［℃］をローパスフィルタ７１を通し、７２でマップを用いて給気マニホールド温度［℃］から吸気温度［℃］を求める。ローパスフィルタ７１は、過渡運転時において運転パターンが給気マニホールド温度変化に与える影響を抑える目的で適用している。

　図９は、給気マニホールド温度［℃］と吸気温度［℃］との関係を示したグラフであり、縦軸は給気マニホールド温度［℃］、横軸は吸気温度［℃］、各プロットは実験点を表している。図９に示したように、高度に寄らず、即ち大気圧に寄らず吸気マニホールド温度［℃］と吸気温度［℃］との間には一次の相関関係があることがわかる。
　従って、図９に示したようなマップを実験により予め作成しておくことで、給気マニホールド温度［℃］から、吸気温度［℃］を簡単に求めることができる。

　そして、吸気体積流量演算５１時に、温度センサ３４で直接検知した吸気温度［℃］と給気マニホールド温度［℃］から７２に示したマップを用いて求めた吸気温度［℃］の何れを用いるかを、７３で選択することができる。

　実施例３によれば、吸気温度を検知する温度センサ（図１においては３４）を持たないターボチャージャ付きエンジンシステムにおいても、タービンの過回転の防止が可能である。
　また、吸気温度を検知する温度センサ（図１においては３４）を有する場合で、該温度センサが故障した場合においても、タービンの過回転の防止が可能となる。

　なお、給気マニホールド温度［℃］はＥＧＲ（排気再循環）によって影響を受けるため、給気マニホールド温度［℃］から吸気温度［℃］を用いる手法は、ＥＧＲを行わない（即ちＥＧＲ制御弁２４の開度が０又はＥＧＲ通路２０自体が存在しない）場合に適用が可能である。

　また、給気マニホールド温度［℃］から求める吸気温度［℃］は、実施例２において空気密度演算を実施する際に必要な吸気温度［℃］にも適用可能である。

　実施例１～３において、エアフローメータ２６で検知される吸気質量流量［ｋｇ／ｓ］に替えて、計算で求める吸気質量流量［ｋｇ／ｓ］を使用することができる。

　ＥＧＲ（排気ガス再循環）を行わない場合には、吸気質量流量［ｋｇ／ｓ］（Ｇ_ａ）は以下の式で求めることができる。

　なお、（１）式において、ρ_ｍは給気マニホールド内の空気密度［ｋｇ／ｍ^３］、Ｖ_Ｄは排気量［ｍ^３］、Ｎ_ｅはエンジン回転数［ｒｐｍ］、Ｒは気体定数（＝２８７．０５Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））、Ｉ_{ｃｙｃｌｅ}はサイクル数、ｎ_ｃｙｌはシリンダ数、ρ_Ｖ，ｍ（Ｎ_ｅ、Ｐ_ｍ）は体積効率、Ｐ_ｍは給気マニホールド圧［Ｐａ］、Ｔｍは給気マニホールド温度［Ｋ］である。

　また、ＥＧＲ（排気再循環）を行う場合には、ＥＧＲラインにＥＧＲガス流量を検知するセンサを設けてＥＧＲガス流量Ｇ_ｅｇｒを計測し、上記（１）式によってシリンダに流入するガス流量Ｇ_ｃｙｌを演算することで、吸気質量流量［ｋｇ／ｓ］（Ｇ_ａ）を以下の（２）式で求めることができる。
　Ｇ_ａ＝Ｇ_ｃｙｌ－Ｇ_ｅｇｒ　・・・（２）

　実施例４によれば、エアフローメータを有さない過給気付きエンジンにおいても、タービンの過回転を防止することができる。

　図１１は、ある一定のエンジン回転数における空気密度とタービン回転数が許容値以下となる最大燃料噴射量の関係を示すグラフである。図１１において縦軸は最大燃料噴射量［ｍｇ／ｓｔ］、横軸は空気密度［ｋｇ／ｍ^３］を示しており、各プロットは実験点である。図１１に示すように、最大燃料噴射量と空気密度の間には一定の関係があることがわかる。このようなグラフを回転数毎に作成することで、最大燃料噴射量と空気密度とタービン回転数の関係を示すマップを予め作成しおく。

　図１０は実施例５における燃料噴射量の制御のロジックを示す図である。
　図１０において、図２と同一符号は同一の動作、制御を意味し、その説明を省略する。
　図１０に示した８１において、ＥＣＵ４０に、圧力センサ３８で検知される大気圧［ｋＰａ］、温度センサ３４で検知される吸気温度［℃］が入力され、大気圧［ｋＰａ］と吸気温度［℃］から空気密度［ｋｇ／ｍ^３］の演算を実施する。

　そして、図１０に示した８２において、予め作成した前記最大燃料噴射量と空気密度とタービン回転数の関係を示すマップに基づき最大噴射量を決定する。

　実施例５によれば、入力値に対してより精密に最大噴射量を求めることができるマップが作成され、タービンの過回転を防止する際に、エンジンの出力の低下を小さく留めることができる。

　図１３は、図１１のグラフに示した実験点について、タービン回転数と空気密度の関係について示したグラフである。
　図１１及び図１３においてａ部で示したデータについては、図１０において８２で使用したようなマップによって最大燃料噴射量を制限すると、タービン回転数が許容値以下であるにも関わらず制限がかかることになる。これは、吸気温度によって燃費率が変化するためである。そこで、実施例６においては、吸気温度によって変化する燃費率によって最大噴射量に補正をかける。

　図１２は、実施例６における燃料噴射量の制御のロジックを示す図である。
　図１２において、図２及び図１０と同一符号は同一の動作、制御を意味し、その説明を省略する。
　図１２に示した９１において吸気温度から燃費率の悪化割合を算出し、９２で該燃費率の悪化割合によって８２でマップによって決定した最大噴射量に補正をかける。これにより、燃費率の悪化割合が大きいほど、最大噴射量が大きくなる。

　実施例６によれば、タービンの過回転を防止する際に、燃費率の変化を考慮することで、エンジンの出力の低下をさらに小さく留めることができる。

　本発明は、タービン回転数を直接検出する部品を追加することなくタービンの回転数を精度よく推定することができ、タービンの回転数を精度よく推定することでタービンの回転数を精度よく許容値以下に抑えて過回転を防止することができるターボチャージャ付きエンジンの制御装置として利用することができる。

Claims

　エンジンの吸気通路に配置されたコンプレッサ及び排気通路に配置されたタービンを有するターボチャージャと、
　前記エンジンの運転状態に応じて、前記エンジンへの燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、を有するターボチャージャ付きエンジンの制御装置において、
　前記エンジンの運転状態から、前記タービンの回転数の推定値を計算上求めるタービン回転数推定手段を有し、
　前記燃料噴射量制御手段は、前記タービン回転数の推定値が所定の許容値を越える場合に、前記タービン回転数の推定値が前記許容値以下となるように燃料噴射量を制御することを特徴とするターボチャージャ付きエンジンの制御装置。
　大気圧を測定する大気圧測定手段と、
　前記吸気通路に配置されたコンプレッサに吸入される吸気の吸気質量流量を測定する吸気質量流量測定手段と、
　前記吸気通路に配置されたコンプレッサに導入される吸気の温度を測定する吸気温度測定手段と、
　前記エンジンのブースト圧を測定するブースト圧測定手段と、を有し、
　前記タービン回転数推定手段は、
　前記大気圧と、前記吸気質量流量と、前記吸気温度とを用いて、前記吸気通路に配置されたコンプレッサに吸入される吸気の標準状態における吸気体積流量を求めるとともに、前記ブースト圧を大気圧で除算した給気圧力比を求め、前記標準状態における吸気体積流量と吸気圧力比と前記タービンの回転数の関係を示したターボチャージャの性能曲線を用いて、前記タービン回転数を推定することを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ付きエンジンの制御装置。
　大気圧を測定する大気圧測定手段と、
　前記吸気通路に配置されたコンプレッサに導入される吸気の温度を測定する吸気温度測定手段と、を有し、
　前記タービン回転数推定手段は、
　前記大気圧と、前記吸気温度とを用いて前記吸気の空気密度を算出し、
　予め実験により作成した吸気密度とタービン回転数の関係を示すマップを用いて、前記吸気の空気密度からタービン回転数を推定することを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ付きエンジンの制御装置。
　前記吸気温度測定手段は、
　前記エンジンの給気マニホールド内の給気マニホールド温度を測定する給気マニホールド温度測定手段と、
　予め実験により作成した給気マニホールド温度と吸気温度の関係を示すマップを用いて、前記給気マニホールド温度から吸気温度を求めることを特徴とする請求項２又は３記載のターボチャージャ付きエンジンの制御装置。
　前記燃料噴射量制御手段は、
　前記タービン回転数と大気圧に応じて、前記タービン回転数が前記許容値以下となる最大の燃料噴射量が予め設定され、
　前記タービン回転数が、前記許容値を越える場合に、前記大気圧とタービン回転数に応じた最大の燃料噴射量以下まで燃料噴射量を低減し、前記タービン回転数を前記許容値以下とすることを特徴とする請求項２～４何れかに記載のターボチャージャ付きエンジンの制御装置。
　前記大気圧と、吸気温度とを用いて吸気の空気密度を演算する空気密度演算手段を有し、
　前記燃料噴射量制御手段は、
　前記タービン回転数と空気密度に応じて、前記タービン回転数が前記許容値以下となる最大の燃料噴射量が予め設定され、
　前記タービン回転数が、前記許容値を越える場合に、前記空気密度とタービン回転数に応じた最大の燃料噴射量以下まで燃料噴射量を低減し、前記タービン回転数を前記許容値以下とすることを特徴とする請求項２～４何れかに記載のターボチャージャ付きエンジンの制御装置。
　前記燃料噴射量制御手段は、
　前記吸気温度に応じた燃費率の悪化割合を算出し、
　前記悪化割合が大きいほど、前記最大の燃料噴射量をガ大きくなるように補正することを特徴とする請求項５又は６記載のターボチャージャ付きエンジンの制御装置。