WO2013105592A1 - 過給システムおよび過給システムの制御方法 - Google Patents
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Abstract
一実施形態に係る過給システムは、ウェイストゲートバルブ(20)と、ウェイストゲートバルブ(20)の開度を調整する電動アクチュエータ(21)と、過給機本体(1)の温度、または、過給機本体(1)の温度と相関関係を有する温度のいずれかである対象温度を取得する温度取得部(25)と、対象温度に基づいて電動アクチュエータ(21)を制御するアクチュエータ制御部(28)と、を備え、温度取得部(25)は対象温度を取得し(S240)、アクチュエータ制御部(28)は対象温度に基づいて電動アクチュエータ(21)を制御する(S246)。
Description
本発明は、過給システムおよび過給システムの制御方法に関する。
過給機は、エンジン等に接続して出力を高める用途で用いられることが知られている。過給機の過給圧が高くなると、その後の排気ガスの流量や圧力が高まる。過給機の回転力が高まると、過給圧がさらに高まる。その結果、エンジンや過給機が損傷する可能性が高まる。そこで、過給機の中には、排気ガスの一部をエンジンからタービンの下流にバイパスさせ、タービンハウジングに流入する排気ガスの圧力を抑制する機能を備えたものがある。
上記の機能をもつ過給機には、タービンインペラの上流と下流とを連通するバイパス流路が設けられる。さらに、このバイパス流路を開閉するウェイストゲートバルブ(wastegate valve)が設けられている。そして、コンプレッサハウジング内の圧力に応じ、ウェイストゲートバルブに連結されたアクチュエータによってウェイストゲートバルブの開度が調節される。
過給機の形状が経年変化すると、ウェイストゲートバルブと、ウェイストゲートバルブで塞がれる孔の相対位置も変化する。そのため、アクチュエータが電動式の場合、ウェイストゲートバルブの制御を行っても、孔の開度を適切に調整できなくなる。特許文献1は、適時、ウェイストゲートバルブの制御量と開度との関係を設定し直す機能を備える過給機を提案している。
過給機の温度は、例えば、当該過給機に接続されたエンジン出力等の使用状況によって大きく変化する。この温度変化に伴う熱膨張によって、過給機全体の形状も変化し、ウェイストゲートバルブと、ウェイストゲートバルブで塞がれる孔の相対位置も変わる。そのため、例えば、特許文献1に記載の過給機を用い、電動式アクチュエータによってウェイストゲートバルブの制御を行っても、使用状況ごとの温度変化によって、リークが生じたり、ウェイストゲートバルブが孔を塞ぐ際の締め付け力が強くなり過ぎたりするなど、開度を適切に調整できなくなるおそれがある。
本発明の目的は、過給機の温度に関わらず、ウェイストゲートバルブの開度を適切に調整することができる過給システムおよび過給システムの制御方法を提供することである。
本発明の第1の態様は過給システムであって、コンプレッサハウジングおよびタービンハウジングを有する過給機本体と、前記過給機本体に回転自在に支持され、前記タービンハウジング内のタービンインペラと前記コンプレッサハウジング内のコンプレッサインペラとを連結するタービン軸と、前記タービンインペラに導かれる流体の一部をタービンインペラの下流にバイパスさせるウェイストゲートバルブと、前記ウェイストゲートバルブに連結され、該ウェイストゲートバルブの開度を調整する電動アクチュエータと、前記過給機本体の温度、または、該過給機本体の温度と相関関係を有する温度のいずれかである対象温度を取得する温度取得部と、前記対象温度に基づいて前記電動アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部と、を備えることを要旨とする。
過給システムは、補正値がその対象温度に対応付けられた関係情報を記憶する記憶部をさらに備えてもよい。この場合、前記補正値は、前記補正値に対応する対象温度において前記ウェイストゲートバルブが全閉となるときの前記電動アクチュエータへの制御値と、基準温度において前記ウェイストゲートバルブが全閉となるときの前記電動アクチュエータへの制御値である基準値との差分値である。前記アクチュエータ制御部は、前記温度取得部によって取得された前記対象温度から前記関係情報に基づいて前記補正値を特定し、前記電動アクチュエータに対する制御の入力値に当該特定した補正値を加減算して導出される制御値で、前記電動アクチュエータを制御してもよい。
前記記憶部は、前記対象温度と前記補正値とが対応付けられたテーブルを前記関係情報として記憶していてもよい。
前記記憶部は、前記対象温度から前記補正値を算出可能な演算式を前記関係情報として記憶していてもよい。
本発明の第2の態様は、タービンインペラに導かれる流体を該タービンインペラの下流にバイパスさせるウェイストゲートバルブの開度を調整する電動アクチュエータを備えた過給システムの制御方法である。この制御方法は、過給機本体の温度、または、該過給機本体の温度と相関関係を有する温度のいずれかである対象温度を取得し、前記対象温度に基づいて前記電動アクチュエータを制御することを要旨とする。
本発明によれば、過給機の温度に関わらず、ウェイストゲートバルブの開度を適切に調整することができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
図1は、過給機の概略断面図である。以下、矢印F方向を過給機Cの前側とし、矢印R方向を過給機Cの後側として説明する。図1に示すように、過給機Cは、過給機本体1を備える。過給機本体1は、ベアリングハウジング2と、タービンハウジング4と、コンプレッサハウジング6とを有する。タービンハウジング4はベアリングハウジング2の前側に位置し、ボルト3によって連結されている。コンプレッサハウジング6はベアリングハウジング2の後側に位置し、ボルト5によって連結されている。
ベアリングハウジング2には、軸受孔2aが形成されている。軸受孔2aは過給機Cの前後方向にベアリングハウジング2を貫通する。タービン軸7はこの軸受孔2aに挿入され、ベアリングを介して回転自在に支持されている。タービン軸7の前端部(一端)にはタービンインペラ8が一体的に連結されている。タービンインペラ8は、タービンハウジング4内に回転自在に収容されている。また、タービン軸7の後端部(他端)にはコンプレッサインペラ9が一体的に連結されている。コンプレッサインペラ9は、コンプレッサハウジング6内に回転自在に収容されている。
コンプレッサハウジング6は、過給機Cの後側に開口するとともに不図示のエアクリーナに接続される吸気口10を有する。吸気口10は、過給機Cの後側に開口し、不図示のエアクリーナに接続される。また、ボルト5によってコンプレッサハウジング6がベアリングハウジング2に連結されたとき、これら両ハウジング2、6の互いの対向面は、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路11を形成する。ディフューザ流路11は、タービン軸7(コンプレッサインペラ9)の径方向内側から外側に向けて環状に形成されており、上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ9を介して吸気口10に連通している。
コンプレッサハウジング6は、環状のコンプレッサスクロール流路12を有する。コンプレッサスクロール流路12は、ディフューザ流路11よりもタービン軸7(コンプレッサインペラ9)の径方向外側に位置し、エンジンの吸気口に連通し、且つ、ディフューザ流路11にも連通している。したがって、コンプレッサインペラ9が回転すると、吸気口10からコンプレッサハウジング6内に流体が吸気され、当該吸気された流体は、ディフューザ流路11およびコンプレッサスクロール流路12で昇圧されてエンジンの吸気口に導かれる。
タービンハウジング4は吐出口13を有する。吐出口13は、過給機Cの前側に開口し、不図示の排気ガス浄化装置に接続されている。また、ボルト3によってタービンハウジング4がベアリングハウジング2に連結したとき、両ハウジング2、4の互いの対向面は、流路14を形成する。流路14は、タービン軸7(タービンインペラ8)の径方向内側から外側に向けて環状に形成される。
タービンハウジング4は、環状のタービンスクロール流路15を有する。タービンスクロール流路15は、流路14よりもタービン軸7(タービンインペラ8)の径方向外側に位置し、エンジンの排気口から排出された排気ガスが導かれるガス流入口4a(図3参照)に連通し、上記の流路14にも連通している。したがって、エンジンの排気ガスは、ガス流入口4aからタービンスクロール流路15に導かれ、更に、流路14およびタービンインペラ8を介して吐出口13に導かれる。この流通過程において、排気ガスは、タービンインペラ8を回転させる。そして、タービンインペラ8の回転力は、タービン軸7を介してコンプレッサインペラ9に伝達され、コンプレッサインペラ9は回転する。このコンプレッサインペラ9の回転力によって、吸気された流体が昇圧され、エンジンの吸気口に導かれる。
図2は過給機Cの正面図であり、図3は過給機Cの側面図である。図3に示すように、タービンハウジング4にはバイパス孔4bが設けられている。バイパス孔4bは、ガス流入口4aとタービンスクロール流路15との間の壁部から、吐出口13が開口する面に向かって貫通している。タービンインペラ8に導かれる流体の一部は、このバイパス孔4bを介して、タービンインペラ8の下流にバイパス(流出)可能となっている。ウェイストゲートバルブ20は、このバイパス孔4bに当接してバイパス孔4bを閉めたり、バイパス孔4bから離隔してバイパス孔4bを開いたりする開閉弁として機能する。即ち、ウェイストゲートバルブ20は、タービンインペラ8に導かれる流体の一部を、タービンインペラ8の下流にバイパスさせる。
ウェイストゲートバルブ20は電動アクチュエータ21に連結されている。電動アクチュエータ21は、例えばモータ等で構成される可動部21aと、可動部21aに連結されたロッド21cとを有する。可動部21aには遮熱板21bが取り付けられている。遮熱板21bは、エンジンなどの熱源からの輻射熱を遮蔽する。図2に示すように、ロッド21cは、可動部21aの動作に連動して、矢印Aで示す方向に移動する。
連結部材22の一端は、ロッド21cの先端に回転自在に軸支され、連結部材22の他端は、回転自在に保持されたシャフト23の一端に固定されている。さらに、シャフト23の他端は、取付板24を介してウェイストゲートバルブ20に接続している。したがって、ロッド21cが矢印Aで示す方向に移動すると、連結部材22がシャフト23に固定された端部を回転軸として回転する。この連結部材22の回転によって、シャフト23は、図3の矢印Bで示す方向に回転する。シャフト23の回転によって、ウェイストゲートバルブ20の開度が調整される。
こうして、電動アクチュエータ21は、連結部材22の作動に伴ってタービンインペラ8をバイパスする流体(排気ガス)の流量を調整し、ガス流入口4aからタービンスクロール流路15に流入する排気ガスの圧力を抑制し、タービンインペラ8の回転出力を調整する。
図4は、過給システムSにおける電動アクチュエータ21の制御を説明するためのブロック図である。過給システムSは、上述した過給機Cと、過給機Cに接続されたエンジンの制御装置(ECU:Engine Control Unit)とで構成される。図4は、過給システムSを構成するECUのうち、電動アクチュエータ21の制御に関わる機能部を示している。なお、ECUのその他の機能部については記載を省略する。ただし、かかる電動アクチュエータ21の制御に関わる機能部は、ECUに組み込まれる構成に限らず、別体の制御装置に組み込まれてもよい。
図4に示す温度取得部25は、後述する初期設定部27またはアクチュエータ制御部28からの制御に応じて、対象温度を不図示の温度センサーを介して取得する。
対象温度は、過給機本体1の温度と相関関係を有する温度であり、例えば、タービンハウジング4の外壁の温度や電動アクチュエータ21のロッド21cの表面の温度の測定値である。あるいは対象温度は、タービンハウジング4に流入する排気ガスの温度や過給機Cに接続されエンジンの排気経路に設けられている触媒(排気ガス浄化装置)の温度の測定値であってもよい。また、温度取得部25は、温度センサーの温度を常時取得してもよいし、初期設定部27またはアクチュエータ制御部28から温度を測定すべき指示があったときのみ取得してもよい。
記憶部26は、例えば、フラッシュメモリ等の記憶媒体で構成される。記憶部26は、初期設定部27の制御に応じて、基準温度(本実施形態においては常温とする)に対応付けられた基準値を記憶する。ここで、基準値は、基準温度においてウェイストゲートバルブ20が全閉となるときの電動アクチュエータ21への制御値(電圧)である。
また、記憶部26は、初期設定部27の制御に応じて、対象温度における補正値が当該対象温度に対応付けられた関係情報を記憶する。補正値は、対象温度においてウェイストゲートバルブ20が全閉となるときの電動アクチュエータ21への制御値と、基準値との差分値である。ここでは、記憶部26は、対象温度と補正値とが対応付けられたテーブルを関係情報として記憶している。
常温時における過給システムSの設定処理において、基準値は次のように定められる。まず、初期設定部27は、例えばユーザの操作入力に応じて、温度取得部25に対象温度を取得させる。次に、初期設定部27は、取得した対象温度を基準温度として設定し、この温度での暫定的な制御値を電動アクチュエータ21に出力する。ここでユーザは、ウェイストゲートバルブ20がちょうど全閉となるように、初期設定部27に対する操作入力を行い、制御値の微調整を行う。なお、動作プログラムなどが初期設定部27に対する操作入力を行ってもよい。そして、初期設定部27は、この調整によってウェイストゲートバルブ20が全閉になったときの制御値を基準値として記憶部26に記憶させる。
電動アクチュエータ21のロッド21cの動作に連動してウェイストゲートバルブ20がバイパス孔4bに当接し突き当たったとき、ウェイストゲートバルブ20は全閉になる。このようなウェイストゲートバルブ20が全閉となるロッド21cの位置は、例えば電動アクチュエータの内部あるいは外部に備えられた位置センサーや荷重センサー等によって確認される。
熱間時における過給システムSの設定処理において、補正値は次のように定められる。ここで、熱間時とは、過給機Cが熱膨張または熱収縮を伴うような温度に置かれている状態(期間)をいう。これは、例えば、過給機Cを接続したエンジンが運転している状態である。この場合、運転条件に応じた高温の排気ガスが過給機Cに導かれ、過給機Cは加熱される。まず、初期設定部27は、例えばユーザの操作入力に応じて、温度取得部25に対象温度を取得させる。次に、温度取得部25は、取得した対象温度に基づいた制御値を電動アクチュエータ21に出力する。ユーザあるいは動作プログラムなどは、ウェイストゲートバルブ20がちょうど全閉となるように、初期設定部27に対する操作入力を行い、制御値の微調整を行う。そして、初期設定部27は、この調整によってウェイストゲートバルブ20が全閉となったときの制御値と、基準値との差分値を導出する。さらに、初期設定部27は、導出した差分値を補正値として設定し、この補正値と対象温度とを対応付け、この組合せを関係情報として記憶部26に記憶させる。
過給機Cに接続されたエンジンの運転時において、アクチュエータ制御部28は、温度取得部25が取得した対象温度に基づいて、電動アクチュエータ21を制御する。詳細には、アクチュエータ制御部28は、温度取得部25によって取得された対象温度と記憶部26に記憶された関係情報とに基づいて補正値を特定し、電動アクチュエータ21に対する制御の入力値に、当該特定した補正値を加減算して導出される制御値(電圧)で、電動アクチュエータ21を制御する。
電動アクチュエータ21に対する制御の入力値は、ウェイストゲートバルブ20の開度に基づいて導出される。ウェイストゲートバルブ20の開度は、エンジン回転数、エンジン給排気量などを考慮してECUによって決定される。
図5は、過給システムSの制御方法を説明するためのフローチャートである。特に、図5(a)は、常温時における過給システムSの設定処理の流れを示し、図5(b)は、熱間時における過給システムSの設定処理の流れを示し、図5(c)は、運転時における過給システムSの制御処理の流れを示す。
図5(a)に示すように、まず常温時において、初期設定部27は、温度取得部25から対象温度を取得し、取得した対象温度を基準温度に設定する(S200)。そして、初期設定部27は、例えばユーザの操作入力や動作プログラムの入力処理などに応じて、ウェイストゲートバルブ20を全閉にする(S202)。さらに、初期設定部27は、ウェイストゲートバルブ20が全閉になったときの電動アクチュエータ21への制御値(電圧)を、基準値として、記憶部26に記憶させる(S204)。
続いて、図5(b)に示すように、熱間時において、初期設定部27は、温度取得部25から対象温度を取得する(S220)。
初期設定部27は、ステップS202と同様に、例えばユーザの操作入力や動作プログラムの入力処理などに応じて、ウェイストゲートバルブ20を全閉にする(S222)。初期設定部27は、このときの電動アクチュエータ21への制御値を、記憶部26に記憶させた基準値から減算し(S224)、この差分を補正値として対象温度と対応付けて記憶部26に記憶させる(S226)。
かかる図5(b)に示す処理は、複数の運転条件において、すなわち、異なる複数の対象温度において、それぞれ行われる。
図5(c)に示すように、過給機Cの運転時において、バイパス孔4bの開度を調整する場合、アクチュエータ制御部28は、温度取得部25から対象温度Tを取得する(S240)。アクチュエータ制御部28は、記憶部26に記憶された関係情報であるテーブルを参照する。このテーブルには、例えば、対象温度の所定の範囲ごとに、補正値が対応付けられており、アクチュエータ制御部28は、温度取得部25から取得した対象温度Tに対応付けられた補正値を当該テーブルから取得する(S242)。
アクチュエータ制御部28は、取得した補正値を、記憶部26に記憶された基準値に加算し、対象温度Tにおいて適切となる制御値を導出する(S244)。さらに、アクチュエータ制御部28は、導出された制御値で電動アクチュエータ21を制御して、ウェイストゲートバルブ20の開度を調整する(S246)。
このように、本実施形態の過給システムSでは、アクチュエータ制御部28が、対象温度に応じて電動アクチュエータ21を制御する。そのため、過給機本体1の温度が使用状況に応じて変化し、それに伴って過給機本体1や電動アクチュエータ21が熱膨張し、ウェイストゲートバルブ20とウェイストゲートバルブ20で塞がれるバイパス孔4bの相対位置が変化しても、過給システムSは、ウェイストゲートバルブ20の開度を適切に調整できる。
また、記憶部26は、対象温度から補正値を算出可能な演算式を関係情報として記憶していてもよい。
図6は、対象温度と補正値との関係の一例を示すグラフである。ここでは、常温T0における電動アクチュエータ21の制御値を基準値とし、この基準値に対する補正値と対象温度とが比例関係にある場合を例に挙げて説明する。
初期設定部27は、上述した図5(b)に示す処理を複数の運転条件において行った後、記憶部26に記憶された対象温度と補正値に基づいて、対象温度から補正値を近似的に算出可能な演算式(ここでは比例式)を導出し、記憶部26に記憶させる。
すると、図6に示すように、アクチュエータ制御部28は、演算式によって、対象温度T1における補正値が補正値Δa、対象温度T2における補正値が補正値Δbであることを特定可能となる。
このように、関係情報を演算式とすることで、過給システムSは、記憶部26にテーブルを記憶させる場合に比べ演算式のみを記憶させればよく、記憶部26に要する記憶容量を削減できる。また、テーブルに基づいて補正値を特定する場合に比べて、1つの対象温度について、一意に1つの補正値を特定でき、より細やかな制御を実現することができる。
一方、上記のように関係情報をテーブルとする場合、過給システムSは、対象温度から制御値を導出する演算処理を行う必要がなく、テーブルを参照するのみで補正値を取得できる。そのため、過給システムSは、関係情報を演算式とする場合に比べて処理負荷を低減できる。また、過給システムSは、対象温度と制御値の関係が演算式で表すことが困難なほど複雑であっても、対象情報を簡易なテーブルとして記憶部26に記憶させて対応可能となる。
したがって、関係情報としてテーブルを記憶するか、演算式を記憶するかは、記憶部26の容量や初期設定部27およびアクチュエータ制御部28の処理能力などに応じて決定されることが望ましい。
また、初期設定部27は、基準温度として常温T0、基準値として、常温T0におけるウェイストゲートバルブ20を全閉とする制御値を用いる構成に限らず、運転時の対象温度、例えば対象温度T1を基準温度とし、対象温度T1におけるウェイストゲートバルブ20を全閉とする制御値を基準値としてもよい。また、運転条件で想定される最高温度を対象温度T1とした場合、この制御値を、ウェイストゲートバルブ20を全閉にする制御値の上限値としてもよい。対象温度が高くなるにつれて、ウェイストゲートバルブ20はバイパス孔4bに近づく方向に相対位置が熱膨張によって変化する。運転条件で想定される最高温度における制御値を上限値に設定することで、全閉時に過度な荷重がウェイストゲートバルブ20や電動アクチュエータ21のロッド21cなどにかかることを抑制できる。
また、上述した実施形態において、制御値および補正値は、電圧で表されるものとしたが、電流で表されてもよい。また、制御値および補正値は、アナログ信号で表されてもデジタル信号で表されてもよい。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は、タービンインペラに導かれる流体をタービンインペラの下流にバイパスさせる流量を調整する過給システムおよび過給システムの制御方法に利用することができる。
Claims (5)
- コンプレッサハウジングおよびタービンハウジングを有する過給機本体と、
前記過給機本体に回転自在に支持され、前記タービンハウジング内のタービンインペラと前記コンプレッサハウジング内のコンプレッサインペラとを連結するタービン軸と、
前記タービンインペラに導かれる流体の一部を該タービンインペラの下流にバイパスさせるウェイストゲートバルブと、
前記ウェイストゲートバルブに連結され、該ウェイストゲートバルブの開度を調整する電動アクチュエータと、
前記過給機本体の温度、または、該過給機本体の温度と相関関係を有する温度のいずれかである対象温度を取得する温度取得部と、
前記対象温度に基づいて前記電動アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部と、を備えることを特徴とする過給システム。 - 補正値がその対象温度に対応付けられた関係情報を記憶する記憶部をさらに備え、
前記補正値は、前記補正値に対応する対象温度において前記ウェイストゲートバルブが全閉となるときの前記電動アクチュエータへの制御値と、基準温度において前記ウェイストゲートバルブが全閉となるときの前記電動アクチュエータへの制御値である基準値との差分値であり、
前記アクチュエータ制御部は、前記温度取得部によって取得された前記対象温度から前記関係情報に基づいて前記補正値を特定し、前記電動アクチュエータに対する制御の入力値に当該特定した補正値を加減算して導出される制御値で、前記電動アクチュエータを制御することを特徴とする請求項1に記載の過給システム。 - 前記記憶部は、前記対象温度と前記補正値とが対応付けられたテーブルを前記関係情報として記憶していることを特徴とする請求項2に記載の過給システム。
- 前記記憶部は、前記対象温度から前記補正値を算出可能な演算式を前記関係情報として記憶していることを特徴とする請求項2に記載の過給システム。
- タービンインペラに導かれる流体を該タービンインペラの下流にバイパスさせるウェイストゲートバルブの開度を調整する電動アクチュエータを備えた過給システムの制御方法であって、過給機本体の温度、または、該過給機本体の温度と相関関係を有する温度のいずれかである対象温度を取得し、前記対象温度に基づいて前記電動アクチュエータを制御することを特徴とする過給システムの制御方法。
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