WO2017126166A1 - ウェストゲートバルブの制御方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

始動時の学習制御などのためにウェストゲートバルブ（７）を強制的に全閉とするときに、初期には電動アクチュエータ（２０）の駆動力を大きな第１のレベルとし、着座直前の所定位置（Ｌ１）に達したときに駆動力を第２のレベルへと低下させる。これにより弁体（７ａ）が緩やかに着座する。所定時間（ＴＭ１）が経過したら、駆動力を第３のレベルへと増加させる。従って、電動アクチュエータ（２０）は、ばね部材（３７）を変位させつつ弁体（７ａ）を座面（３４ａ）に押し付ける。これにより確実なシール性が得られる。

Description

ウェストゲートバルブの制御方法および制御装置

　この発明は、ターボチャージャに設けられたウェストゲートバルブの開度制御に関する。

　内燃機関の過給に用いられるターボチャージャは、一般に、過給圧制御のために排気流の一部をタービンホイールを経由せずにバイパスさせるようにしたウェストゲートバルブをタービン部に備えている。特許文献１には、このウェストゲートバルブを開閉駆動する駆動機構として、電動アクチュエータのロッドの直線運動をリンクを介して回転軸の回転運動に変換し、該回転軸に固定されたアームの先端に支持されているポペット形の弁体が揺動するようにした、いわゆるスイング形式の構成が開示されている。

　上記のようなウェストゲートバルブにおいては、特許文献１に記載されているように、アクチュエータに連動して揺動するアームの先端とポペット形の弁体との間に僅かなクリアランスが存在し、異音発生の要因となる。この異音は、上記クリアランスにコニカルワッシャ等のばね部材を介装することで抑制できるが、上記クリアランスは、弁体が座面に着座する際に弁体の姿勢に僅かな自由度を付与して座面に密接させる作用を奏しているので、ばね部材を介装することで、全閉時のシール性が低下する。

特開２０１５－４８８３７号公報

　この発明は、ウェストゲートバルブを開状態から全閉位置へと閉じるときに、弁体が局部的に着座した段階でアクチュエータの駆動力を増加させる、ようにしたものである。

　従って、弁体が局部的に着座した後に駆動力が増加することで、ばね部材を変位させつつ弁体が座面に確実に密接した状態となる。

　この発明によれば、ウェストゲートバルブの異音抑制のためにばね部材を介装したときに問題となる全閉時のシール性の低下を抑制することができる。

この発明の一実施例のシステム構成を示す説明図。 ターボチャージャの要部を示す断面図。 ウェストゲートバルブの弁体取付構造を示す要部の拡大図。 一実施例の制御の流れを示すフローチャート。 全閉制御の処理の流れを示すフローチャート。 機関運転条件に対するウェストゲートバルブの開度の特性を示す特性図。 始動直後の全閉制御のときの動作を示すタイムチャート。

　以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

　図１は、この発明の一実施例のシステム構成を示す構成説明図であって、火花点火式ガソリン機関である内燃機関１の排気通路２には、ターボチャージャ３の排気タービン４が配置され、その下流側に、例えば三元触媒を用いた触媒コンバータ６が配置されている。排気通路２のさらに下流側には、図示せぬ排気消音器が設けられており、該排気消音器を介して排気通路２は外部へ開放されている。上記排気タービン４は、過給圧制御のためのウェストゲートバルブ７を備えている。なお、内燃機関１は、例えば直噴型の構成であり、シリンダ内に燃料を噴射する図示せぬ燃料噴射弁を各気筒毎に備えているとともに、図示せぬ点火プラグを各気筒毎に備えている。勿論、直噴型に限らず、ポート噴射型燃料噴射装置であってもよい。

　内燃機関１の吸気通路１０には、上流側から順に、エアクリーナ１１、エアフロメータ１２、スロットル弁１３、が配置されており、上記ターボチャージャ３のコンプレッサ５が、上記エアフロメータ１２と上記スロットル弁１３との間に配置されている。なお、図示例では、コンプレッサ５とスロットル弁１３との間に、例えば水冷式ないし空冷式のインタークーラ１４が介装されている。また上記吸気通路１０には、さらに、上記コンプレッサ５の上流側と下流側との間を連通するリサーキュレーション通路１６が設けられており、このリサーキュレーション通路１６に、リサーキュレーションバルブ１７が設けられている。このリサーキュレーションバルブ１７は、スロットル弁１３が急に閉じた減速時に開弁することで吸気を循環させる機能を有している。

　上記吸気通路１０のスロットル弁１３下流側には、過給圧を検出する過給圧センサ１５が配置されている。

　上記ウェストゲートバルブ７は、電動アクチュエータ２０によって開度が制御される構成となっており、実際の開度を検出するために、ポジションセンサ２１が電動アクチュエータ２０に内蔵されている。具体的には、電動アクチュエータ２０は、ボールねじ機構により電動モータの回転をロッド２２の軸方向の動きとして出力するものであり、ポジションセンサ２１は、アクチュエータのケースに対するロッド２２の軸方向位置を検出している。上記ロッド２２は、リンク２３およびアーム２４を介してウェストゲートバルブ７のポペット形の弁体７ａに連係している。

　上記電動アクチュエータ２０の動作は、内燃機関１の種々の制御を行うエンジンコントローラ２５によって制御される。このエンジンコントローラ２５には、上記のエアフロメータ１２、過給圧センサ１５およびポジションセンサ２１の検出信号のほか、内燃機関１の冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ２６、図示せぬアクセルペダルの踏込量つまりアクセル開度ＡＰＯを検出するアクセル開度センサ２７、内燃機関１の回転速度Ｎｅを検出するクランク角センサ２８、大気圧ＡＴＭを検出する大気圧センサ２９、等のセンサ類の検出信号が入力されている。スロットル弁１３の開度、図示せぬ燃料噴射弁の燃料噴射量、図示せぬ点火プラグの点火時期、等も、エンジンコントローラ２５によって制御される。

　図２は、ターボチャージャ３の排気タービン４に設けられたウェストゲートバルブ７のより具体的な構成例を示している。ウェストゲートバルブ７の弁体７ａは、図示するように、スクロール部３２を有するタービンハウジング３１の排気出口部３３に位置し、スクロール部３２の上流側部分と排気出口部３３とを連通するバイパス通路３４（図１に模式的に示す）を、排気出口部３３側から開閉する。このウェストゲートバルブ７は、いわゆるスイング形式の構成であり、シャフト部２４ａを有するアーム２４の先端に弁体７ａが支持されている。シャフト部２４ａは、タービンハウジング３１に回転可能に支持されており、タービンハウジング３１の外表面に露出したシャフト部２４ａの基端に、リンク２３の一端が固定されている。リンク２３の他端には、ピン３５を介して電動アクチュエータ２０のロッド２２詳しくは中間ロッド２２ａが連結されている。なお、このようなスイング形式のウェストゲートバルブの基本的な構成は、例えば特開２０１４－５８８９４号公報等によって公知である。このような構成では、電動アクチュエータ２０のロッド２２の軸方向の移動によってアーム２４がシャフト部２４ａを中心として揺動し、これに伴って円形の弁体７ａがバイパス通路３４の先端開口を開閉する。

　図３は、アーム２４の先端における弁体７ａの取付構造の一例を示している。図示するように弁体７ａ中心の軸部７ｂがアーム２４の取付孔２４ｂを貫通しており、円環状の固定部材３６を軸部７ｂ先端の小径部７ｃに取り付けることによって該軸部７ｂが抜け止めされている。そして、固定部材３６とアーム２４上面２４ｃとの間には、ばね部材として緩いテーパを有する円環状のコニカルワッシャ３７が僅かに圧縮された状態に介装されている。すなわち、仮にコニカルワッシャ３７等のばね部材を具備しないと、アーム２４と弁体７ａとの間ならびに軸部７ｂと取付孔２４ｂ内周面との間に存在する僅かなクリアランスに起因して、弁体７ａの振動に伴う異音発生の虞がある。これに対し、上記実施例の構成では、コニカルワッシャ３７のばね力によって弁体７ａがアーム２４下面２４ｄに向けて押し付けられるため、振動による異音発生が抑制される。

　一方、上記のようにコニカルワッシャ３７等のばね部材によって弁体７ａをアーム２４に対し実質的に固定すると、弁体７ａの自由度が損なわれるため、バイパス通路３４開口周囲の座面３４ａに対するシール性が低下する。本実施例では、このようなシール性の低下を電動アクチュエータ２０の駆動力の変更でもって補償する。

　次に、図４～図７を参照して、上記実施例におけるウェストゲートバルブ７の駆動制御について説明する。

　図４は、制御部に相当する上記エンジンコントローラ２５が実行するウェストゲートバルブ７の開度制御の処理の流れを示すフローチャートである。ステップ１では、ウェストゲートバルブ７の全閉位置におけるポジションセンサ２１の学習を行うべき条件であるか否かを判定する。この学習は、内燃機関１の始動のたびに、始動直後に実行される。ここでＹＥＳであれば、ステップ３へ進み、過給圧に無関係なオープンループ制御としてウェストゲートバルブ７の開度を強制的に全閉とする。このようにウェストゲートバルブ７の開度を物理的に全閉とした状態において、ポジションセンサ２１の検出値の学習が行われる。

　ポジションセンサ２１の全閉位置の学習が終了すれば、ステップ１の判定はＮＯとなる。この場合は、ステップ１からステップ２へ進み、アクセル開度ＡＰＯの変化量から急加速であるか否かを判定する。ここでＹＥＳであれば、ステップ２からステップ３へ進み、過給圧に無関係なオープンループ制御としてウェストゲートバルブ７の開度を強制的に全閉とする。これにより、加速が要求されたときの過給の応答性つまりトルクの立ち上がりが向上する。なお、この急加速時の強制的な全閉制御は、加速開始から極短い一定時間後に解除される。

　ステップ２の判定がＮＯであれば、ステップ２からステップ４へ進み、過給圧制御（換言すればトルク制御）のためのフィードバック制御方式による通常の開度制御を実行する。図６は、機関回転速度とトルクとに対するウェストゲートバルブ７の開度の特性を等高線状に示しており、高負荷側でかつ回転速度が低い領域ａでウェストゲートバルブ７は全閉となり、矢印で示すように、領域ａから図の右下側へ向かって負荷が低く回転速度が高くなるほどウェストゲートバルブ７の開度が増加する。このようにウェストゲートバルブ７の開度が連続的に変化する領域は、いわゆる過給域であり、スロットル弁１３の開度を基本的に全開としつつウェストゲートバルブ７の開度制御によって内燃機関１のトルクが制御される。そして、所定のトルクＴ１よりも低負荷の領域ｂでは、ウェストゲートバルブ７は全開となる。この領域ｂでは、実質的に過給はなされず、非過給域つまり自然給気領域として、スロットル弁１３の開度によってトルクが制御される。より具体的には、機関回転速度と要求トルクとに基づいて所定の制御マップから目標の過給圧（より厳密には、目標の圧力比）が与えられ、これを実現するように、ウェストゲートバルブ７の目標開度が過給圧センサ１５の検出信号を用いてフィードバック制御される。この過給圧フィードバック制御の結果、図６に示すような開度特性が得られる。なお、この通常制御においては、電動アクチュエータ２０は、上記の目標開度とポジションセンサ２１による検出開度との偏差に基づいてフィードバック制御される。

　このように、内燃機関１の運転中には、ウェストゲートバルブ７の開度は、基本的には過給圧制御のために過給圧センサ１５が検出する過給圧に基づいてフィードバック制御される。そして、急加速時および始動直後のポジションセンサ２１の学習の際には、オープンループ制御により目標開度が全閉となり、強制的に全閉位置に制御されるのである。

　図５は、上記ステップ３における強制的な全閉制御の処理の詳細を示している。目標開度がそれまでの全開ないし中間開度から全閉へと変化することから、電動アクチュエータ２０は弁体７ａの閉方向へ向けて駆動されることとなるが、ステップ１１では、弁体７ａの位置Ｌが所定位置Ｌ１よりも大であるか否かを判定する。ここで、弁体７ａの位置Ｌおよび所定位置Ｌ１は、例えば、弁体７ａが全閉であるときのロッド２２の位置（ポジションセンサ２１が検出する位置）を基準の０点として、この０点からの開方向へのロッド２２のストローク量でもって示されている。つまり値Ｌが大きいほど弁体７ａは座面３４ａから離れている。また、所定位置Ｌ１は、弁体７ａが座面３４ａに着座する直前の位置に設定されている。

　弁体７ａが全開ないし中間開度から全閉へと変化する間に、位置Ｌが上記所定位置Ｌ１に達するまではステップ１１の判定はＹＥＳである。この場合は、ステップ１２へ進み、電動アクチュエータ２０の駆動力（換言すればロッド２２の推力）を比較的大きな第１のレベルに設定する。ここで、上記実施例にあっては、電動アクチュエータ２０の駆動力は、電動モータに与えられる駆動パルス信号のＯＮデューティによって定まる。従って、ステップ１２においては、比較的高いＯＮデューティでもって電動アクチュエータ２０が駆動される。

　弁体７ａの位置Ｌが所定位置Ｌ１に達すれば、ステップ１１の判定はＮＯとなる。この場合は、ステップ１１からステップ１３へ進み、所定位置Ｌ１に達してからの経過時間ＴＭが所定時間ＴＭ１以上であるか否かを判定する。所定時間ＴＭ１が経過するまでの間は、ステップ１３からステップ１４へ進み、電動アクチュエータ２０の駆動力を、上記第１のレベルに比較して小さな第２のレベルに設定する。つまり、ステップ１４においては、比較的低いＯＮデューティでもって電動アクチュエータ２０が駆動される。

　所定位置Ｌ１に達してからの経過時間ＴＭが所定時間ＴＭ１に達したら、ステップ１３からステップ１５へ進み、電動アクチュエータ２０の駆動力を、上記第２のレベルに比較して大きな第３のレベルに設定する。ここで、第３のレベルの駆動力は、少なくとも、ばね部材であるコニカルワッシャ３７の変位を生じさせ得るだけの大きさが必要である。また、電動モータへの過度の通電を回避するために、第３のレベルは、初期の第１のレベルの駆動力よりも低いレベルであることが望ましい。従って、ステップ１５においては、第１のレベルに対応するＯＮデューティよりも小さくかつ第２のレベルのＯＮデューティよりも大きなＯＮデューティでもって電動アクチュエータ２０が駆動される。

　図７は、強制的な全閉制御の一例として始動直後の全閉制御の際のタイムチャートであり、（ａ）ウェストゲートバルブ７の開度（電動アクチュエータ２０のロッド２２のストローク量）、（ｂ）内燃機関１のスタータスイッチ、（ｃ）電動アクチュエータ２０に与えられる駆動パルス信号のＯＮデューティ、の変化を対比して示している。

　時間ｔ１において運転者の操作によってスタータスイッチがＯＮとなり、クランキングが開始する。時間ｔ２において内燃機関１が始動し、スタータスイッチがＯＦＦとなる。このように始動が完了した時点で、ポジションセンサ２１の学習が開始されるため、符号Ｌｔｇで示す目標開度は、オープンループ制御により全閉位置相当の「０」までステップ的に変化する。なお、内燃機関１の始動前は、ウェストゲートバルブ７は全開であり、クランキング中も目標開度Ｌｔｇは全開である。

　時間ｔ２における目標開度Ｌｔｇの変化に対応して、電動アクチュエータ２０は閉方向へ駆動されるが、このときの駆動力は、最も高い第１のレベルに設定され、例えば、９０％のＯＮデューティの駆動信号でもって電動アクチュエータ２０が駆動される。これにより、弁体７ａの位置Ｌは、実線で示すように急激に減少する。

　時間ｔ３において弁体７ａの位置Ｌが所定位置Ｌ１に達し、これに伴って電動アクチュエータ２０の駆動力が第２のレベルへと低下する。例えば、３０％のＯＮデューティとなる。従って、弁体７ａの移動速度が低下し、座面３４ａに強く衝突することなく緩やかに着座する。このときの駆動力つまりロッド２２の推力は、弁体７ａの一部が局部的に座面３４ａに着座したときに、それ以上弁体７ａを動かすことができない程度となる。そのため、座面３４ａに対する弁体７ａの姿勢のばらつきなどによって、多くの場合は、弁体７ａの一部が局部的に着座した状態となる。

　所定位置Ｌ１に達した時間ｔ３から所定時間ＴＭ１が経過した時間ｔ４において、電動アクチュエータ２０の駆動力が第３のレベルへと高くなる。例えば、ＯＮデューティが７０％へと増加する。これにより、局部的に着座している弁体７ａがさらに座面３４ａへ向けて押し付けられる。そのため、弁体７ａの一部が座面３４ａから浮き上がっていたような場合でも、コニカルワッシャ３７を変位させつつ弁体７ａが座面３４ａに押し付けられ、弁体７ａの全周が座面３４ａに密接する。従って、確実なシール性が得られる。図示例では、時間ｔ５において、弁体７ａが座面３４ａに十分に密接した状態となっている。

　このように弁体７ａが座面３４ａに十分に着座した状態において、弁体７ａの全閉位置の学習が実行される。時間ｔ６において、学習制御が完了し、強制的な全閉制御が終了する。これにより、目標開度Ｌｔｇは、そのときの条件に対応した開度へと変化する。

　図７は、始動直後の学習制御のための全閉制御のときの駆動力変化を示しているが、急加速時の強制的な全閉制御においても同様となる。

　このように全閉へと弁体７ａを駆動する際に、初期に駆動力を第１のレベルとし、所定位置Ｌ１に達した段階で第１のレベルから第２のレベルへと低下させることで、弁体７ａを速やかに閉じると同時に、座面３４ａへの衝突を回避でき、緩やかに着座させることができる。そして、局部的に着座した状態で、駆動力を第２のレベルから第３のレベルへと増加することで、振動防止のためのばね部材（コニカルワッシャ３７）の介在に拘わらずに、確実なシール性が得られる。従って、コニカルワッシャ３７による異音防止と全閉時のシール性確保とを両立させることができる。

　また上記実施例では、第３のレベルのＯＮデューティが第１のレベルのＯＮデューティよりも低く設定されているので、電動モータへの過度の通電を回避することができる。

　また上記実施例では、ポジションセンサ２１によって弁体７ａの実際の位置Ｌを検出し、これに基づいて第１のレベルから第２のレベルへの低下を行うので、閉時の弁体７ａの速度を適切に制御でき、緩やかな着座を常に確実に得ることができる。

　さらに上記実施例では、第２のレベルから第３のレベルへと駆動力を増加するタイミングを、弁体７ａが所定位置Ｌ１に達してからの経過時間ＴＭに基づいて判断するので、弁体７ａが局部的に着座したときの該弁体７ａの位置Ｌのばらつきに影響されることがない。

　なお、上記実施例では火花点火内燃機関を例に本発明を説明したが、本発明は、ディーゼル機関などのターボチャージャにおいても同様に適用することができる。

　また、上記実施例ではばね部材としてコニカルワッシャを使用しているが、これに限らず弾力性を有するものであれば良く、波ワッシャやＣ型のスプリングワッシャなどのワッシャ等も使用できる。

Claims (8)

1. 　ターボチャージャに設けられたウェストゲートバルブの制御方法であって、上記ウェストゲートバルブは、アクチュエータと、該アクチュエータに駆動されて回転中心を中心に揺動運動するアームと、該アームの先端に支持された弁体と、上記アームと上記弁体との間に介装されたばね部材と、を備えてなるウェストゲートバルブの制御方法において、
   　上記ウェストゲートバルブを開状態から全閉位置へと閉じるときに、上記弁体が局部的に着座した段階で上記アクチュエータの駆動力を増加させる、ウェストゲートバルブの制御方法。
2. 　上記ウェストゲートバルブを開状態から全閉位置へと閉じるときに、上記弁体が着座する直前に上記アクチュエータの駆動力を第１のレベルから第２のレベルへと低下させ、上記弁体が局部的に着座した段階で上記駆動力を上記第２のレベルから第３のレベルへと増加させる、請求項１に記載のウェストゲートバルブの制御方法。
3. 　上記第３のレベルは、上記ばね部材を変位させ得る駆動力の大きさを有する、請求項２に記載のウェストゲートバルブの制御方法。
4. 　閉方向へ移動中の上記弁体が所定位置に達したことをセンサによって検出したときに、上記駆動力を上記第１のレベルから上記第２のレベルへと低下させる、請求項２または３に記載のウェストゲートバルブの制御方法。
5. 　上記弁体が所定位置に達してから所定時間経過したときに、上記弁体が局部的に着座したものとみなして、上記駆動力を上記第２のレベルから上記第３のレベルへと増加させる、請求項４に記載のウェストゲートバルブの制御方法。
6. 　上記第３のレベルは上記第１のレベルよりも小さな駆動力に設定されている、請求項２～５のいずれかに記載のウェストゲートバルブの制御方法。
7. 　過給圧の検出に基づくウェストゲートバルブ開度のフィードバック制御と、所定の条件のときに過給圧に関わらずウェストゲートバルブ開度を全閉とするオープンループ制御と、を有し、上記オープンループ制御による全閉動作のときに上記駆動力の変更を実行する、請求項１～６のいずれかに記載のウェストゲートバルブの制御方法。
8. 　ターボチャージャと、
   　アクチュエータ、該アクチュエータに駆動されて回転中心を中心に揺動運動するアーム、該アームの先端に支持された弁体、上記アームと上記弁体との間に介装されたばね部材、を備えてなるウェストゲートバルブと、
   　上記ウェストゲートバルブを開状態から全閉位置へと閉じる指令を受けたときに、上記アクチュエータの駆動力を第１のレベルとして閉方向へ動作させ、上記弁体が着座する直前に上記アクチュエータの駆動力を第１のレベルから第２のレベルへと低下させ、上記弁体が局部的に着座した段階で上記駆動力を上記第２のレベルから第３のレベルへと増加させる制御部と、
   　を備えてなるウェストゲートバルブの制御装置。

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