JP2009180112A - 過給圧制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】スロットル開度が比較的小さい低中負荷領域において、コンプレッサからスロットルバルブに至るまでの通路内の圧力が著しく上昇することに伴う不利益事象を良化ないし緩和する。
【解決手段】スロットルバルブ１３の開度を検出する開度センサ１４と、スロットルバルブ１３下流の吸気管圧力を検出する圧力センサ１６と、開度センサ１４で検出されたスロットル開度が所定値以下である場合にスロットルバルブ１３下流の目標過給圧を圧力センサ１６で検出される実際の吸気管圧力未満に抑制する電子制御装置１２とを具備する過給圧制御システムを構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ過給機による過給圧の制御を行うシステムに関する。

エンジンの排気でタービンを回転させてコンプレッサを駆動し吸気を過給するターボ過給機にあっては、排気ガスの一部をタービンに導入せずに迂回させるウェイストゲートバルブを設け、このウェイストゲートバルブの開閉を通じて過給圧を目標過給圧に制御することが通例である。

ウェイストゲートバルブは、ダイヤフラム室に過給気が供給されるダイヤフラム式アクチュエータによって駆動する。アクチュエータには、ダイヤフラム室を大気に開放し得る制御バルブが付帯している。制御バルブは、目標過給圧と実際の過給圧との偏差に基づいて設定される制御電圧のデューティ比に応じてその開度を変動させる。デューティ比を１００％とすれば、制御バルブが全開となり、ダイヤフラム室が大気圧近くまで減圧されてウェイストゲートバルブが閉じる。デューティ比を１００％未満の所要の値とすれば、制御バルブがデューティ比に応じた開度に絞られ、ダイヤフラム室は過給圧より低いものの大気圧よりは高い圧力となって、その圧力でウェイストゲートバルブが開く。かくして、ウェイストゲートバルブの開度を調節し、以て過給圧のフィードバック制御を実施することができる。

下記特許文献に記載のシステムでは、スロットルバルブの開度が中程度の負荷領域において、ウェイストゲートバルブの開閉を司る制御バルブに印加する電圧のデューティ比に制限を与え、過給圧を目標過給圧未満に抑制するようにしている。
特開２００２−０４７９４０号公報

スロットルバルブの開度が比較的小さい低中負荷領域においては、コンプレッサからスロットルバルブに至るまでの通路内の圧力が、スロットルバルブ下流での目標過給圧よりも大幅に上昇することがある。この過大圧力は、同時に生起する吸気温の上昇とも相まって、過給圧のオーバーシュートやサージ、スロットルオフ時のリリーフ音の発生、エンジンのノッキング、燃費の悪化、排気温の上昇等を招く。

以上の問題に初めて着目してなされた本発明は、低中負荷領域における上記の不利益事象の良化ないし緩和を図ることを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、エンジンの排気でタービンを回転させコンプレッサを駆動して吸気を過給するターボ過給機を制御するものであって、タービンに流入する排気の量を調節するウェイストゲートバルブと、コンプレッサが吐出する過給気の圧力を利用してウェイストゲートバルブを開閉するアクチュエータと、アクチュエータに導入する圧力を調節する制御バルブと、エンジンのスロットルバルブの開度を検出する開度センサと、スロットルバルブ下流の吸気管圧力を検出する圧力センサと、制御バルブを操作してスロットルバルブ下流の過給圧をフィードバック制御するとともに、開度センサで検出されたスロットルバルブの開度が所定値以下である場合にはスロットルバルブ下流の目標過給圧を圧力センサで検出される実際の吸気管圧力未満に抑制する電子制御装置とを具備する過給圧制御システムを構成した。

本発明によれば、スロットルバルブの開度が比較的小さい低中負荷領域において、コンプレッサからスロットルバルブに至るまでの通路内の圧力が著しく上昇することがなくなる。従って、低中負荷領域における不利益事象を良化ないし緩和することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態のターボ過給機１及び過給圧制御システムの概要を、図１に示す。ターボ過給機１は、例えば自動車用の４気筒エンジンに装着されるもので、エンジンから排出される排気ガスのエネルギー即ち排気圧を受けて回転する排気タービン２と、排気タービン２によって駆動されるコンプレッサ３とを要素とする。エアクリーナ４を通して吸入した空気は、コンプレッサ３で圧縮されてエンジンに供給される。並びに、排気タービン２を迂回するバイパス通路６を形成し、そのバイパス通路６にウェイストゲートバルブ７を介設している。バイパス通路６の内径は、排気タービン２のホイール径の約０．６〜１．０倍である。ウェイストゲートバルブ７は、ダイヤフラム８１式のアクチュエータ８で開閉駆動する。

アクチュエータ８は、調圧スプリング（図示せず）により後方に弾性付勢されたダイヤフラム８１及びダイヤフラム室８２を設けてなり、ダイヤフラム室８２内に導入した空気の圧力が調圧スプリングの付勢力に抗してダイヤフラム８１を変位させ作動ロッド８３を前方へ進出させる仕組みとなっている。ウェイストゲートバルブ７の開度は、作動ロッド８３の進出量に応じて変動する。ダイヤフラム室８２は、導圧路９を介してコンプレッサ３下流の吸気通路５に連通する。さらに、導圧路９は、中途から分岐した圧抜路１０を介して大気、特にエアクリーナ４内に連通している。そして、この圧抜路１０に、制御バルブ１１を介設している。

制御バルブ１１は、弁体（図示せず）を電磁アクチュエータで作動させるもので、開放時間の長さを規定するデューティ比を有した制御電圧信号（パルス電圧）を電磁アクチュエータに印加することで、そのデューティ比に応じた開度に制御可能である。制御バルブ１１のデューティ制御は、電子制御装置１２が司る。

電子制御装置１２は、制御バルブ１１の操作を通じて、ウェイストゲートバルブ７の開度、ひいては過給圧をフィードバック制御する。電子制御装置１２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭまたはフラッシュメモリ、入力インタフェース及び出力インタフェース等を備えたマイクロコンピュータである。入力インタフェースには、アクセルペダルに連動するスロットルバルブ１３の開度を検出する開度センサ１４から出力される開度信号ａ、スロットルバルブ１３下流の吸気管（または、サージタンク１５）内の圧力を検出する圧力センサ１６から出力される過給圧信号ｂ、吸気管（または、サージタンク１５）内の吸気温を検出する温度センサ２０から出力される吸気温信号ｇ、エンジンの回転状態を検出するカムポジションセンサ１７から出力される気筒判別信号Ｇ１、クランク角度基準位置信号Ｇ２及びエンジン回転数信号ｃ、エンジンの冷却水温を検出する水温センサ１８から出力される水温信号ｄ、車速を検出する車速センサ１９から出力される車速信号ｅ等がそれぞれ入力される。出力インタフェースからは、制御バルブ１１の電磁アクチュエータに対して制御電圧信号が出力される。ＲＯＭまたはフラッシュメモリには、実行されるべきプログラムが予め格納されており、実行に際してＲＡＭへ読み込まれ、ＣＰＵによって解読される。その上で、電子制御装置１２は、各種センサからの信号に基づき、燃料噴射量の制御、過給圧の制御等を実施する。

過給圧制御にあたり、電子制御装置１２が実行する処理手順の概略を、図２に示す。まず、電子制御装置１２は、過給圧のフィードバック制御を実施することが許容されるか否かを判断する（ステップＳ１）。フィードバック制御は、以下の条件を満足する場合に実施可能である。即ち、エンジンの冷却水温が所定範囲、例えば暖機完了を判定する温度と高負荷状態にあるときの温度との間の範囲内である、始動後である、圧力センサ１６及び水温センサ１８が正常な状態を所定時間持続している、過大トルクの発生により走行に支障が出るために燃料の供給を中止するトラクション燃料カット中ではない、といった条件を満たす運転状態にある場合に、過給圧をフィードバック制御する。何れかの条件を満足しない場合には、過給圧を全閉制御する。

過給圧をフィードバック制御する場合、目標過給圧ＰＭＴを設定する（ステップＳ２）。目標過給圧ＰＭＴは通常、エンジン回転数ＮＥ及びスロットルバルブ１３の開度ＴＡの関数である。電子制御装置１２は、ＲＡＭ、ＲＯＭまたはフラッシュメモリの記憶領域に、エンジン回転数及びスロットル開度と目標過給圧との関係を規定するテーブル情報を記憶しており、このテーブルを参照して目標過給圧を決定する。エンジン回転数を一定とした場合に、ステップＳ２にて設定する目標過給圧の特性を、図３に例示する。図３中符号ＰＭ’は、制御バルブ１１を全閉、即ちアクチュエータ８のセット圧成り行きでウェイストゲートバルブ７が動作する状況下で運転したときに圧力センサ１６で検出される吸気管圧力である。スロットルバルブ１３の開度が閾値α以下の範囲では、目標過給圧が常に実際の吸気管圧力を下回っているよう、目標過給圧ＰＭＴのテーブル値を曲線ＰＭ’よりも下方の値としておく。閾値αは、スロットルバルブ１３の前後の差圧が充分小さくなる開度、換言すれば吸気通路５内の圧力が大幅に上昇してしまう問題を引き起こさない開度である。図３中符号ＰＭは、本実施形態のシステムにより過給圧制御を実施した場合の吸気管圧力である。曲線ＰＭは、スロットルバルブ１３の開度が閾値α以下の範囲で曲線ＰＭ’と重なり、閾値α以上の領域で曲線ＰＭＴと重なる。また、符号ＰＭＦは、本実施形態のシステムにより過給圧制御を実施した場合の、コンプレッサ３とスロットルバルブ１３との間の吸気通路５内の圧力である。

しかして、スロットルバルブ１３下流の過給圧を目標過給圧に追従させるべく、ウェイストゲートバルブ７の開度を調節する。目標過給圧ＰＭＴと実際の吸気管圧力ＰＭとを比較し（ステップＳ３）、両者の偏差が正であれば、制御バルブ１１の電磁アクチュエータに印加する制御電圧信号のデューティ比ＤＢＳＴに所定の加算係数ｋ１を加算する（ステップＳ４）。偏差が負であれば、制御電圧信号のデューティ比ＤＢＳＴから所定の減算係数ｋ２を減算する（ステップＳ５）。但し、ステップＳ４及びＳ５にて、０％≦ＤＢＳＴ≦１００％である。

そして、上記のステップＳ１ないしＳ５を反復的に実行する。

本実施形態によれば、エンジンの排気でタービン２を回転させコンプレッサ３を駆動して吸気を過給するターボ過給機１を制御するものであって、タービン２に流入する排気の量を調節するウェイストゲートバルブ７と、コンプレッサ３が吐出する過給気の圧力を利用してウェイストゲートバルブ７を開閉するアクチュエータ８と、アクチュエータ８に導入する圧力を調節する制御バルブ１１と、エンジンのスロットルバルブ１３の開度を検出する開度センサ１４と、スロットルバルブ１３下流の吸気管（または、サージタンク１５）圧力を検出する圧力センサ１６と、制御バルブ１１を操作してスロットルバルブ１３下流の過給圧をフィードバック制御するとともに、開度センサ１４で検出されたスロットルバルブ１３の開度が所定の閾値以下である場合には、スロットルバルブ１３下流の目標過給圧を、常に圧力センサ１６で検出される実際の吸気管圧力未満となるように設定する電子制御装置１２とを具備する過給圧制御システムを構成したため、スロットルバルブ１３の開度が比較的小さい低中負荷領域において、コンプレッサ３からスロットルバルブ１３に至るまでの通路５内の圧力が著しく上昇することがなくなる。低中負荷領域における過給圧を必要最小限に抑えることができるので、吸気温も徒に上昇せず、燃費の向上に奏効する。目標過給圧が低減するに伴い、ウェイストゲートバルブ７は開く方向に制御されることから、過渡運転でも過給圧がオーバーシュートしない。過給圧のサージ、スロットルオフ時のリリーフ音の発生、エンジンのノッキング、排気温の上昇等も回避できる。

また、デューティ制御される圧力制御バルブ１１は細かく開閉駆動されるのであるが、目標過給圧の抑制により、制御バルブ１１が全閉状態を保つ、即ち開閉駆動される機会が減少する。一般ユーザは、実用運転領域である低中負荷領域で運転している時間が長く、高負荷運転する時間は短い。総じて、制御バルブ１１の寿命を延命することにつながる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、圧力制御バルブが全閉／全開状態となったときにウェイストゲートバルブが開成／閉成する構造であったが、これとは逆に、圧力制御バルブが全開／全閉状態となったときにウェイストゲートバルブが開成／閉成する構造としても構わない。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の一実施形態の過給圧制御システムの概要を示す図。 過給圧制御における処理手順を示すフローチャート。 低中負荷領域における目標過給圧の特性を示すグラフ。

符号の説明

１２…電子制御装置
１３…スロットルバルブ
１４…開度センサ
１６…圧力センサ

Claims (1)

1. エンジンの排気でタービンを回転させコンプレッサを駆動して吸気を過給するターボ過給機を制御するものであって、
   タービンに流入する排気の量を調節するウェイストゲートバルブと、
   コンプレッサが吐出する過給気の圧力を利用してウェイストゲートバルブを開閉するアクチュエータと、
   アクチュエータに導入する圧力を調節する制御バルブと、
   エンジンのスロットルバルブの開度を検出する開度センサと、
   スロットルバルブ下流の吸気管圧力を検出する圧力センサと、
   制御バルブを操作してスロットルバルブ下流の過給圧をフィードバック制御するとともに、開度センサで検出されたスロットルバルブの開度が所定値以下である場合にはスロットルバルブ下流の目標過給圧を圧力センサで検出される実際の吸気管圧力未満に抑制する電子制御装置と
   を具備する過給圧制御システム。

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