JP3430764B2 - 過給機の過給圧制御装置 - Google Patents

過給機の過給圧制御装置

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JP3430764B2 JP34389995A JP34389995A JP3430764B2 JP 3430764 B2 JP3430764 B2 JP 3430764B2 JP 34389995 A JP34389995 A JP 34389995A JP 34389995 A JP34389995 A JP 34389995A JP 3430764 B2 JP3430764 B2 JP 3430764B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、過給機の過給圧制
御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、過給機付内燃機関では、過給機
コンプレッサ入口空気条件の変化による過給圧の低下を
防止し、機関の性能を最大限に利用可能とするための過
給圧制御が行われる。この種の過給圧制御を行う装置の
例としては、例えば特開昭６０−４０７２９号公報に記
載されたものがある。
【０００３】同公報の装置は、排気ターボチャージャを
備えた内燃機関を高地で運転する場合に大気圧の低下に
よる機関過給圧低下を防止することを目的として、過給
圧の絶対圧力を検出する検出手段を設け、過給圧が一定
になるように、ウエィストゲート弁開度を制御するよう
にしている。すなわち、同公報の過給圧制御装置は、ウ
エィストゲート弁開度を変化させることにより、ターボ
チャージャに流入する排気流量を変化させ、これにより
高度による大気圧の変化にかかわらず過給圧を一定値に
維持するものである。上記の過給圧制御を行うことによ
り、高地での運転時にも過給圧は一定値に維持されるた
め、高地運転時の過給圧低下による機関性能の低下が防
止される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記特開昭
６０−４０７２９号公報の装置のように大気圧の変化に
かかわらずコンプレッサ出口空気圧力（過給圧）を一定
値に維持していると問題が生じる場合がある。一般に、
ターボチャージャコンプレッサの出口空気圧力と入口空
気圧力との比を増大させるためには、ターボチャージャ
の回転数を増加させる必要がある。このため、上記公報
の装置のようにコンプレッサ出口空気圧力を一定値に維
持する制御を行う場合には、コンプレッサ入口圧力（大
気圧）が低下するほどターボチャージャの回転数を上昇
させてコンプレッサ出口空気と入口空気との圧力比を増
大させる必要がある。すなわち、上記公報の過給圧制御
装置では、機関が高地で運転されるほどターボチャージ
ャ回転数が上昇することになる。このため、例えば航空
機用の過給機関等のように、極めて広い高度範囲で機関
が運転されるような場合には過給圧を一定に維持してい
ると、高度によっては過給機の回転数が最大許容回転数
を越えて上昇してしまい、過給機の耐久性が低下する場
合が生じる問題がある。
【０００５】一方、過給圧の制御目標値を、機関が運転
される最大高度においても過給機の回転数が最大許容回
転数を越えないような圧力に設定すれば、上記問題は解
決可能であるが、このように過給圧を低く設定したので
は、本来もっと高い過給圧で機関を運転することができ
る高度では機関性能を最大限に利用できなくなる問題が
生じる。
【０００６】本発明は上記問題に鑑み、過給機の過回転
が生じることを防止しながら常に可能な限り高い過給圧
で内燃機関を運転し、機関性能を最大限に利用すること
を可能とする過給機の過給圧制御装置を提供することを
目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、空気を昇圧するコンプレッサを有する過給機
と、前記コンプレッサの出口空気圧力を検出する過給圧
検出手段と、前記過給機の回転数を検出する回転数検出
手段と、前記過給圧検出手段により検出された出口空気
圧力が、予め定めた設定圧力になるようにコンプレッサ
出口空気圧力を制御する第１の制御手段と、前記回転数
検出手段により検出された過給機回転数が、予め定めた
設定回転数になるように過給機回転数を制御する第２の
制御手段と、前記検出されたコンプレッサ出口空気圧力
と過給機回転数とに基づいて、前記第１と第２の制御手
段の一方を選択的に作動させる選択手段と、を備えた過
給機の過給圧制御装置において、前記選択手段は更に、
第１の制御手段の作動中に前記過給機回転数が所定の判
定値以上になったときに、前記第１の制御手段の作動を
停止して前記第２の制御手段を作動させる第１の切換手
段と、第２の制御手段の作動中に前記コンプレッサ出口
空気圧力が所定の判定値以上になったときに、前記第２
の制御手段の作動を停止して前記第１の制御手段を作動
させる第２の切換手段と、を備えた過給圧制御装置が提
供される。
【０００８】
【０００９】請求項２に記載の発明によれば、前記過給
機は内燃機関を過給する排気ターボチャージャであり、
前記過給圧制御装置は、機関回転数を含む前記内燃機関
の運転状態を表す運転状態パラメータを検出する運転状
態検出手段と、排気ターボチャージャに流入する排気流
量を変化させるウエィストゲート弁と、前記第１と第２
の制御手段により設定される開度指令値に応じて前記ウ
エィストゲート弁の開度を変更する駆動手段とを備え、
前記第１の制御手段は、前記機関運転状態パラメータの
値と前記予め定めた設定圧力とから予め定めた関係に基
づいてウエィストゲート弁の基本開度値を算出する第１
のフィードフォワード手段と、前記予め定めた設定圧力
と前記過給圧検出手段により検出されたコンプレッサ出
口空気圧力との差に応じて前記ウエィストゲート弁の開
度補正値を算出する第１のフィードバック手段と、第１
のフィードフォワード手段により算出された基本開度値
と第１のフィードバック手段により算出された開度補正
値との和を開度指令値として設定する開度設定手段を備
え、前記第２の制御手段は、前記機関運転状態パラメー
タの値と前記予め定めた設定回転数とから予め定めた関
係に基づいてウエィストゲート弁の基本開度値を算出す
る第２のフィードフォワード手段と、前記予め定めた設
定回転数と前記回転数検出手段により検出された過給機
回転数との差に応じて前記ウエィストゲート弁の開度補
正値を算出する第２のフィードバック手段と、第２のフ
ィードフォワード手段により算出された基本開度値と第
２のフィードバック手段により算出された開度補正値と
の和を開度指令値として設定する開度決定手段を備え
た、請求項１に記載の過給圧制御装置が提供される。
【００１０】次に、各請求項に記載の発明の作用につい
て説明する。請求項１に記載の発明では、コンプレッサ
出口圧力を予め定めた設定圧に制御する第１の制御手段
と、過給機回転数を予め定めた設定回転数に制御する第
２の制御手段とが設けられており、選択手段によりコン
プレッサ出口圧力と過給機回転数とに基づいて第１と第
２の制御手段の一方を作動させるようにしている。すな
わち、請求項１の発明によれば、過給機回転数が最大許
容回転数を越えない場合にはコンプレッサ出口圧力を所
定の設定圧に維持し、過給機回転数が設定回転数を越え
る場合には過給機回転数を設定回転数に維持する制御を
行うことが可能となる。
【００１１】詳細には請求項１に記載の発明では、第１
の制御手段によりコンプレッサ出口圧力が設定圧力に制
御されているときに過給機回転数が所定の判定値以上に
なった場合には、第１の切換手段により第２の制御手段
による過給機の回転数制御が開始され、過給機回転数は
設定回転数に制御されるようになる。また、第２の制御
手段により過給機回転数が設定回転数に制御されている
ときにコンプレッサ出口圧力が所定の判定値以上になっ
た場合には第２の切換手段により第１の制御手段による
コンプレッサの出口圧力制御が開始される。このため、
過給機回転数が設定回転数より低く、設定回転数に到達
するまでに余裕がある運転領域ではコンプレッサ出口圧
力が設定値に維持され、過給機回転数が設定回転数に到
達して回転数に余裕がなくなった領域では過給機回転数
は設定回転数に維持される。
【００１２】請求項２に記載の発明では、第１の制御手
段と、第２の制御手段とは、ターボチャージャのウエィ
ストゲート弁開度を制御することにより、それぞれコン
プレッサ出口空気圧力とターボチャージャ回転数とを制
御する。また、第１と第２の制御手段による上記ウエィ
ストゲート弁開度制御は、それぞれフィードフォワード
制御とフィードバック制御とを組み合わせた制御とされ
る。すなわち、第１と第２の制御手段は、それぞれ内燃
機関の運転状態パラメータと設定圧力（第１の制御手
段）または設定回転数（第２の制御手段）とからウエィ
ストゲートの基本開度値を、また、設定圧力と実際の過
給圧との差（第１の制御手段）、または設定回転数と実
際のターボチャージャ回転数との差（第２の制御手段）
に応じて開度補正値を算出する。開度指令値は、上記基
本開度値と開度補正値との和として与えられる。これに
より、まずウエィストゲート弁開度は最終到達開度近傍
の開度（基本開度）にオープンループ制御され、次いで
最終到達開度まで制御目標値と実際の値との差に応じて
フィードバック制御されるため、運転状態の変化に対す
る過給圧制御と回転数制御の応答性と精度との両方が向
上する。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を用いて本発明の
実施形態について説明する。図１は本発明の過給圧制御
装置を航空機用内燃機関に適用した場合の実施形態の概
略構成を示す図である。図１において、１は内燃機関本
体、２は機関１により駆動されるプロペラを示す。本実
施形態では機関１として多気筒（図１ではＶ型８気筒）
の４サイクルレシプロ機関が使用されている。また、図
１において５は機関１の各気筒の吸気ポートを共通の吸
気ダクト６に接続する吸気マニホルドである。吸気マニ
ホルド５の各気筒の吸気ポート接続部近傍には、それぞ
れ各気筒の吸気ポートに加圧燃料を噴射する燃料噴射弁
７が配置されている。
【００１４】図１において、１１で示したのは、インタ
クーラ８下流の吸気ダクト６内に配置されたスロットル
弁である。スロットル弁１１は、制御ケーブルを用いて
操縦席に設けられたパワーレバー１２に接続され、パワ
ーレバー１２の操作量に応じた開度をとる。また、８は
吸気ダクト６上に設けられたインタクーラ、１０は排気
ターボチャージャ、９はターボチャージャ１０のコンプ
レッサ１６の吐出口１５とインタクーラ８とを接続する
吸気ダクトを示している。
【００１５】また、図１において２１、２２で示したの
は、機関１の両側のバンクの各気筒の排気ポートを共通
の排気管２３に接続する排気マニホルドである。共通排
気管２３はターボチャージャ１０の排気タービン２０の
排気入口１７に接続されている。ターボチャージャ１０
は遠心型コンプレッサ１６と、コンプレッサ１６を駆動
する遠心型の排気タービン２０とからなる。機関１の吸
入空気は、エアクリーナ（図示せず）から吸気入口管１
３を経てコンプレッサ１６に流入し、昇圧された過給空
気となって吸気ダクト９からインタクーラ８に供給さ
れ、インタクーラ８で冷却された後、吸気ダクト６、ス
ロットル弁１１、吸気マニホルド５を通って機関１の各
気筒に供給される。
【００１６】また、機関１の排気は、排気マニホルド２
１、２２から排気管２３を通り、排気入口１７からター
ビン２０に流入し、タービン及びそれに接続されたコン
プレッサ１６を回転駆動した後、排気出口管１９から排
出される。本実施形態では、排気管２３とタービンの排
気出口管１９とを接続する排気バイパス通路２４が設け
られている。この排気バイパス通路２４には、バイパス
通路２４から排気タービン２０をバイパスして排気出口
管１９に流れる排気の流量を制御するウエィストゲート
弁２６が設けられている。ウエィストゲート弁（以下
「ＷＧＶ」と呼ぶ）２６が全閉状態では、機関１からの
排気の略全量がタービン２０に流入するためターボチャ
ージャ１０の回転数が上昇し、コンプレッサ１６の出口
圧力（デッキ圧）が上昇する。一方、ＷＧＶ２６が開弁
すると機関１の排気の一部はタービン２０をバイパスし
て排気出口管１９に流出するためタービン２０を通過す
る排気流量が低下する。これにより、ターボチャージャ
１０の回転は低下し、ＷＧＶ２６の開度に応じてデッキ
圧が低下する。すなわち、ＷＧＶ２６の開度を調節する
ことにより、機関１のデッキ圧とターボチャージャ１０
の回転数とを所望のレベルまで低下させることができ
る。
【００１７】図１において、２５で示したのはＷＧＶ２
６を開閉駆動するアクチュエータである。アクチュエー
タ２５は、後述するエンジン制御装置（ＥＥＣ）３０
（図２）からの開度指令信号に応じて作動し、ＷＧＶ２
６をＥＥＣ３０からの指令信号に応じた開度に制御す
る。なおアクチュエータ２５としては、ＥＥＣ３０から
の指令信号に応じた開度にＷＧＶ２６を駆動できるもの
であれば使用可能であり、例えば、公知のサーボ機構付
ＤＣモータ、ステッパモータ、電気／油圧式のアクチュ
エータ等を使用することもできる。
【００１８】本実施形態では、機関１により駆動される
プロペラ２は可変ピッチプロペラとされており、プロペ
ラ２のプロペラピッチを制御するプロペラガバナー３１
を備えている。本実施形態では、プロペラガバナー３１
は遠心型ガバナーとされ、図示しない回転伝達軸を介し
てプロペラの駆動軸に接続されている。プロペラガバナ
ー３１は機関回転数（プロペラ回転数）が設定回転数に
一致するようにプロペラピッチを調節する作用を行う。
すなわち、プロペラ回転数が設定回転数より高くなった
場合にはガバナー３１はプロペラピッチを増加させ、プ
ロペラの吸収馬力を増大することにより機関回転数を低
下させる。また、プロペラ回転数が設定回転数より低く
なった場合にはガバナー３１はプロペラピッチを低減
し、プロペラの吸収馬力を低下させることにより機関回
転数を増大させる。これにより、プロペラ回転数（機関
回転数）はプロペラガバナー３１の設定回転数に一致す
るように制御される。本実施形態では、プロペラガバナ
ー３１はスロットル弁１１とともに共通のパワーレバー
１２に接続され、単一のパワーレバー１２を操作するこ
とによりスロットル弁１１開度（機関出力）と機関回転
数（プロペラ２のピッチ）との両方を同時に制御するこ
とができるようにされている。このため、スロットル弁
１１とガバナー３１の制御用ケーブルを、それぞれ機体
特性に応じた形状のカムを介してパワーレバーに連結
し、パワーレバー１２の操作量に対するスロットル弁１
１とガバナー３１との動作量変化特性をそれぞれ適宜な
特性に設定することにより、機体特性に応じた最適な機
関出力／回転数特性を予め設定できるようになってい
る。
【００１９】図２は、機関１の制御を行う制御装置（Ｅ
ＥＣ：エレクトリカルエンジンコントローラー）３０の
構成を示す図である。図２に示すように、ＥＥＣ３０は
本実施形態では、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵ、及び入力ポ
ート、出力ポートを相互に双方向性バスで接続した公知
の構成のマイクロコンピュータとされている。本実施形
態では、ＥＥＣ３０は機関１の燃料噴射制御、点火時期
制御等の基本制御を行う他、後述するターボチャージャ
１０の過給圧制御を行っている。これらの制御のため、
ＥＥＣ３０の入力ポートには、機関１のクランク軸（図
示せず）に設けられた機関回転数センサ（ＮＥセンサ）
３２と、ターボチャージャ１０のタービン２０とコンプ
レッサ１６とを接続する駆動軸１８近傍に配置されたタ
ーボチャージャ回転数センサ（ＮＴセンサ）３８とか
ら、それぞれ機関１の回転数ＮＥに応じたパルス信号と
ターボチャージャ１０の回転数ＮＴに応じたパルス信号
とが入力されている。ＥＥＣ３０のＣＰＵは、このパル
ス信号に基づいて機関回転数ＮＥとターボチャージャ回
転数ＮＴとを算出し、後述する種々の制御に使用する。
【００２０】また、ＥＥＣ３０の入力ポートには、スロ
ットル弁１１下流の吸気ダクト６に設けられた吸気圧力
センサ（ＰＭセンサ）３３、及びスロットル弁１１上流
の吸気ダクト６に設けられたデッキ圧センサ（ＰＤセン
サ）３４から、吸気ダクト６内の絶対圧力ＰＭに応じた
電圧信号と、ターボチャージャ１０の過給圧（デッキ
圧）ＰＤ（絶対圧力）に応じた電圧信号とが、それぞれ
ＡＤ変換器６７を介して入力されている。更に、ＥＥＣ
３０の入力ポートにはスロットル弁１１近傍に設けられ
たスロットル弁開度センサ（ＴＨセンサ）３５からスロ
ットル弁１１開度ＴＨに応じた電圧信号がＡＤ変換器６
７を介して入力されている他、ターボチャージャコンプ
レッサ１６の吸気入口管１３に配置された大気温度セン
サ（ＴＡセンサ）３７と大気圧センサ（ＰＡセンサ）３
６とから、それぞれ大気温度ＴＡと大気圧ＰＡとに応じ
た電圧信号がＡＤ変換器６７を介して入力されている。
【００２１】また、ＥＥＣ３０の出力ポートは、機関１
の各気筒の点火プラグ４と燃料噴射弁７とにそれぞれ点
火回路６８、駆動回路６９を介して接続され、機関１の
燃料噴射量及び時期、点火時期を制御している。本実施
形態では、ＥＥＣ３０はＰＭセンサ３３とＮＥセンサ３
２とによりそれぞれ検出した吸気圧力ＰＭと機関回転数
ＮＥとに基づいて、予めＲＯＭに格納した数値テーブル
から最適な燃料噴射量、噴射時期、点火時期を決定し、
これらに基づいて燃料噴射及び点火を行う。
【００２２】また、ＥＥＣ３０の出力ポートは、更に駆
動回路６９を介してＷＧＶ２６のアクチュエータ２５に
接続されており、ＷＧＶ２６開度を制御することによ
り、以下に説明する過給圧制御を行っている。次に、図
１の構成における過給圧制御の一実施形態について説明
するが、まず、本実施形態の具体的な過給圧制御につい
て説明する前に、図３を用いて本実施形態の過給圧制御
の目的について説明する。
【００２３】図３は、前述の従来技術のようにデッキ圧
を常に一定に制御した場合の高度によるターボチャージ
ャ運転状態の変化を示す図であり、図３(A) 、(B) 、
(C) は、それぞれデッキ圧ＰＤ、ターボチャージャコン
プレッサの出口空気圧と入口空気圧との圧力比ＰＲ（Ｐ
Ｒ＝ＰＤ／ＰＡ）、ターボチャージャ回転数ＮＴの変化
を示している。図３(A) にで示すように、ＰＤを高度
にかかわらず一定値ＰＤ MAX に制御した場合には、高度
が増大すると大気圧ＰＡの低下によりコンプレッサの圧
力比ＰＲは一様に上昇する（図３(B) 、）。この場
合、図３(C) にで示すように、圧力比ＰＲに応じてタ
ーボチャージャ回転数ＮＴも略一様に上昇し、ある一定
高度以上では、ターボチャージャの最大許容回転数ＮＴ
MAX を越えてしまう。
【００２４】通常、図３(A) のデッキ圧設定値ＰＤMAX
は機関１の耐久性等から定まる最大許容デッキ圧とさ
れ、機関１の最大出力はデッキ圧ＰＤがＰＤMAX に制御
されている条件下で得ることができる。ところが、図３
(C) に示したようにデッキ圧ＰＤをＰＤMAX に固定して
いると、或る高度（図３では２００００フィート≒６０
００ｍ）以上では、ターボチャージャ１０の回転数ＮＴ
が最大許容回転数ＮＴMA X を越えてしまうため、ターボ
チャージャ保護のために回転数を低下させる必要が生じ
る。つまり、ある一定高度以上ではデッキ圧ＰＤを最大
許容デッキ圧ＰＤ MAX まで上昇させることはできない。
このため、この高度以上では機関１の最大出力を得るこ
とができなくなる。このように、航空機用過給機関に
は、最大出力を発生させることのできる高度の上限値が
存在する。この高度上限値は臨界高度と呼ばれ、ターボ
チャージャ１０の最大許容回転数ＮＴMAX により定まる
高度となる（例えば、図３(C) の例では臨界高度は２０
０００フィートとなる）。
【００２５】このため、航空機の飛行高度が臨界高度以
上になった場合には、デッキ圧を一定値に固定した制御
を行うことはできず、他の制御が必要となる。図３(A)
から(C) にそれぞれで示したのは、上記問題を解決す
るために、例えば、臨界高度以下の高度ではデッキ圧を
一定値ＰＤMAX に制御し、臨界高度以上の高度ではコン
プレッサの圧力比ＰＲが一定になるように制御した場合
を示している。この場合は、図３(B) にで示すように
臨界高度以上では圧力比ＰＲ＝ＰＤ／ＰＡは一定値ＰＲ
SET に固定されるため、高度が上昇して大気圧ＰＡが低
下すると、それに応じてデッキ圧ＰＤも低下する（図３
(A) 、）。また、このように圧力比を一定値に固定す
る制御を行うと、図３(C) にで示すようにターボチャ
ージャ回転数も高度とともに低下するようになる。
【００２６】このように、圧力比ＰＲを一定に制御した
場合に高度とともにターボチャージャ回転数が低下する
のは以下の理由による。図４は、ターボチャージャコン
プレッサの一般的な性能曲線を示しており、図の縦軸は
コンプレッサの圧力比ＰＲ（ＰＲ＝ＰＤ／ＰＡ）を、横
軸はコンプレッサ吸入空気の重量流量（グラム／秒）を
表している。また、図中の各カーブはターボチャージャ
の回転数が異なる場合の性能曲線であり、図中、ＮＴ
MAX で示したカーブはターボチャージャの最大許容回転
数、ＮＴ1 、ＮＴ2 、ＮＴ3 …は回転数が最大許容回転
数から順次低下した場合の性能曲線を示す。図４に示す
ようにコンプレッサの圧力比ＰＲは回転数ＮＴが同一で
あれば吸入空気の重量流量が低下するほど増大する。
【００２７】一方、コンプレッサ入口空気圧が低下する
と、コンプレッサ入口条件における体積流量が一定であ
っても、入口空気圧の低下のためにコンプレッサの吸入
空気の重量流量は減少する。このため、重量流量は入口
空気圧の低下のため減少することになる。従って、機関
１の入口空気条件（吸気管圧力、温度）が一定に維持さ
れていると仮定すると、コンプレッサが図４の性能曲線
上のＡ点（回転数ＮＴMAX 、流量Ｇａ）で運転されてい
たときに、圧力比一定のまま入口空気圧が低下し、この
ためコンプレッサ重量流量がＧｂに減少したとすると、
コンプレッサ重量流量の低下に伴って運転点は圧力比一
定の線上を図の左方向に移動し、例えば図４のＢ点（回
転数ＮＴ1 、流量Ｇｂ）に移動する。このため、ターボ
チャージャの運転回転数はＮＴMAX からＮＴ1 に低下す
るようになる。すなわち、機関入口空気条件が一定の場
合には、圧力比一定の運転を行うと、高度とともに（大
気圧ＰＡの低下とともに）ターボチャージャ回転数は低
下することになるのである。
【００２８】また、コンプレッサの圧力比と回転数の関
係は、大気圧以外にも大気温度、機関の吸入空気量等に
影響を受け、圧力比が同一であってもターボチャージャ
回転数が変化する場合がある。このため、臨界高度以上
の領域でコンプレッサ圧力比を一定に制御する場合に
は、回転数に影響を与える条件が最も厳しい場合（回転
数が最も上昇する条件の場合）にもターボチャージャ回
転数が最大許容回転数を越えないように、余裕を持って
圧力比の設定値ＰＲSET を定める必要がある。つまり、
通常の条件では臨界高度到達時にターボチャージャ回転
数は最大許容回転数ＮＴMAX より上記余裕ΔＮ（図３
(C) ）だけ低くなるようにする必要がある。このため、
臨界高度以上の高度では、圧力比ＰＲ一定の制御を行う
とターボチャージャの最大許容回転数と実際のターボチ
ャージャ回転数との差はΔＮよりさらに大きくなり、高
度が増大するにつれて差が開いて行くことになる。
【００２９】このことは、臨界高度以上では実際にはも
っとターボチャージャ回転数を上げて高いデッキ圧で機
関を運転できるにもかかわらず、実際には不必要に低い
回転数でターボチャージャを運転していることになり、
十分に機関性能とターボチャージャの性能を利用してい
ないことになる。本実施形態では、以下に説明する過給
圧制御を行うことにより、図３(C) にで示すように、
臨界高度以上の領域では常にターボチャージャを最大許
容回転数ＮＴMAX 近傍で運転する。これにより、過給圧
も図３(A) にで示すように変化し、圧力比一定の制御
を行う場合（）に較べて臨界高度が上昇するととも
に、臨界高度以上の高度で過給圧を過給機の過回転が生
じない範囲で最大に維持することが可能となる。
【００３０】図５は、本実施形態の過給圧制御動作を説
明するフローチャートである。本ルーチンは、図１のＥ
ＥＣ３０により一定時間間隔で実行される。図５のルー
チンでは、デッキ圧を一定値に維持する制御（以下「Ｐ
Ｄ制御」という）とターボチャージャ回転数を一定値に
維持する制御（以下「ＮＴ制御」という）とのうち一方
を選択する操作が行われる。本実施形態では、ＰＤ制御
とＮＴ制御との選択は、実際に計測したデッキ圧ＰＤと
ターボチャージャ回転数ＮＴとに基づいて行われる。す
なわち、臨界高度より低い領域でターボチャージャ回転
数ＮＴが比較的低い状態でもデッキ圧ＰＤが上昇する領
域では、ＰＤ制御が行われデッキ圧は最大許容圧力近傍
の値に維持される。この場合、航空機の飛行高度が増大
すると、大気圧が低下するためＰＤ制御を行っていると
ターボチャージャ回転数ＮＴは増大するようになる。本
実施形態では、ＰＤ制御実施中にターボチャージャ回転
数ＮＴが上昇して所定の判定値ＮＴ1 に到達した場合に
はＰＤ制御が停止され、ＮＴ制御が開始される。これに
より、ターボチャージャ回転数ＮＴは最大許容回転数近
傍の値に制御されるようになる。
【００３１】一方、上記によりＮＴ制御が行われている
時に航空機の飛行高度が低下すると、大気圧の増大によ
りデッキ圧ＰＤは増大する。本実施形態では、ＮＴ制御
実施中にデッキ圧ＰＤが所定の判定値ＰＤ0 を越えた場
合には、ＮＴ制御が停止され、ＰＤ制御が開始される。
これにより、高度の低い領域では再びデッキ圧ＰＤが最
大許容圧力近傍の値に維持されるようになる。
【００３２】図５においてルーチンがスタートすると、
ステップ５０１では、図１のＰＤセンサ３４とＮＴセン
サ３８とで検出されたデッキ圧ＰＤとターボチャージャ
回転数ＮＴとがそれぞれ読み込まれる。次いで、ステッ
プ５０３では、フラグＸＰＤの値が１にセットされてい
るか否かが判定される。ＸＰＤは、現在ＰＤ制御とＮＴ
制御のうちどちらが実施されているかを表すフラグであ
り、ＸＰＤ＝１はＰＤ制御実行中を、ＸＰＤ＝０はＮＴ
制御を実行中であることを意味している。なお、ＸＰＤ
の値は、本ルーチンの後述するステップで設定される。
【００３３】ステップ５０３でＸＰＤ＝１、すなわち現
在ＰＤ制御実行中であった場合にはステップ５０５に進
み、ステップ５０１で読み込んだ現在のターボチャージ
ャ回転数ＮＴが所定の判定値ＮＴ2 に以上になっている
か否かが判定される。ステップ５０５でＮＴ≧ＮＴ2 、
すなわち、ＰＤ制御実施中にターボチャージャ回転数が
所定の判定値以上になった場合には、ステップ５１１で
フラグＸＰＤの値は０にリセットされ、ステップ５１３
のＮＴ制御が実行される。このＮＴ制御の内容について
は後に詳述する。また、ステップ５０５でＮＴ＜Ｎ
Ｔ2 、すなわちＰＤ制御中のターボチャージャ回転数Ｎ
Ｔが所定の判定値より低い場合にはステップ５０９が実
行され、フラグＸＰＤの値は変更せずに（ＸＰＤ＝１）
ＰＤ制御が継続して実行される。ＰＤ制御の内容につい
ては後に詳述する。
【００３４】一方、ステップ５０３でＸＰＤ＝０、すな
わち、現在ＮＴ制御を実行中であった場合には、ステッ
プ５１５で現在のターボチャージャ回転数ＮＴがＮＴ2
とは別の判定値ＮＴ1 以下か否かを判定し、ＮＴ≦ＮＴ
1 の場合には、ステップ５１７に進み、ステップ５０１
で読み込んだ現在のデッキ圧ＰＤが所定の判定値ＰＤ 0
以上になっているか否かが判定される。また、ステップ
５１７でＰＤ≧ＰＤ0であった場合には、ステップ５１
９でフラグＸＰＤの値を１にセットして、ステップ５２
１でＰＤ制御が実行される。また、ステップ５１５と５
１７のいずれかの条件が成立しない場合には、ＸＰＤの
値は変更せずに（ＸＰＤ＝０）ＮＴ制御が継続して実行
される。ここで、判定値ＮＴ1 はＮＴ2 より小さい値で
ある。上記のように、ＮＴ制御実行中にＮＴ≦ＮＴ
1 （ステップ５１５）とＰＤ≧ＰＤ0の両方の条件が成
立した場合にのみＮＴ制御からＰＤ制御への切換を行う
のは、ターボチャージャ回転数ＮＴが、ＮＴ1 ＜ＮＴ＜
ＮＴ2 の領域でＰＤ≧ＰＤ0 の条件が成立したときに、
直ちにＮＴ制御からＰＤ制御への切換を行うと（ステッ
プ５２１）、回転数ＮＴが上昇してステップ５０５で判
定値ＮＴ2 に到達してしまい、ステップ５１３で再度Ｎ
Ｔ制御への切換が生じる場合が生じ、ハンチングが生じ
るおそれがあるためである。
【００３５】次に、図６を用いて、図５のステップ５０
９及び５２１で実行されるＰＤ制御の詳細について説明
する。図６は、本実施形態のＰＤ制御動作を説明するフ
ローチャートである。本サブルーチンは、ＥＥＣ３０に
より図５のステップ５０９と５２１で実行される。図６
でサブルーチンがスタートすると、ステップ６０１で
は、ＮＥセンサ３２、ＰＡセンサ３６、ＰＤセンサ３４
でそれぞれ検出した、機関１の回転数ＮＥ、大気圧ＰＡ
及びデッキ圧ＰＤが読み込まれ、ステップ６０３ではフ
ラグＸＡＦの値が判定される。
【００３６】ここで、フラグＸＡＦは現在機関１がリー
ン空燃比運転されているかリッチ空燃比運転されている
かを判定するためのフラグである。フラグＸＡＦの値は
別途ＥＥＣ３０により実行される図示しない燃料噴射量
演算ルーチンにおいて設定され、ＸＡＦ＝１はリッチ空
燃比運転を、ＸＡＦ＝０はリーン空燃比運転をそれぞれ
表している。通常、航空機用機関は、航空機離着陸時な
どの機関最大出力を必要とするような場合には機関の運
転空燃比（機関燃焼室内の混合気の空燃比）を理論空燃
比よりリッチ（過濃）側に設定して、燃料を増量するこ
とにより燃焼室や排気系の要素を燃料で冷却し、これら
の要素の過熱を防止する。また、航空機が定常運転され
る場合には、機関の空燃比は理論空燃比よりリーン（希
薄）側に設定され、燃費低減及び航続距離の増大を図る
ようにしている。本実施形態では、デッキ圧ＰＤの制御
目標値ＴＰＤは、現在リーン空燃比運転中かリッチ空燃
比運転中かに応じて設定される。
【００３７】すなわち、ステップ６０３でＸＡＦ＝０
（リーン）の場合には、ステップ６０５でデッキ圧の制
御目標値ＴＰＤがリーン運転用の値ＴＰＤＬに設定さ
れ、ＸＡＦ＝１（リッチ）の場合にはステップ６１１で
ＴＰＤがリッチ運転用の値ＴＰＤＲに設定される。ここ
で、ＴＰＤＬとＴＰＤＲは、それぞれ予め定めた一定値
であり、最大許容デッキ圧力近傍の値とされる。
【００３８】また、ステップ６０７、６０９では、ステ
ップ６０１で読み込んだ機関回転数ＮＥと大気圧ＰＡと
からウエィストゲート弁（ＷＧＶ）２６の基本開度値Ｔ
ＤＢＳ（フィードフォワード値）が設定される。ここ
で、ＴＤＢＳは過給圧ＰＤを制御目標圧力ＴＰＤに維持
するのに必要なＷＧＶ２６の開度値であり、予め大気圧
ＰＡと機関回転数ＮＥとを用いた３次元マップとしてＥ
ＥＣ３０のＲＯＭに格納されている。図４で説明したよ
うに、ターボチャージャ１０の回転数が同一であればデ
ッキ圧ＰＤは大気圧ＰＡが高い程大きくなる。また、機
関回転数ＮＥはコンプレッサ１６の空気重量流量にほぼ
対応するため、他の条件が同一であればデッキ圧ＰＤは
機関回転数ＮＥ（空気重量流量）が高いほど低下する。
そこで、本実施形態では予め、コンプレッサ入口大気温
度一定の状態で機関回転数ＮＥとコンプレッサ入口圧力
ＰＡとを変えて機関１を運転し、デッキ圧ＰＤを設定値
ＴＰＤに維持するために必要なＷＧＶ２６の基本開度値
ＴＤＢＳをＮＥ、ＰＡの各値について実測し、ＮＥ、Ｐ
Ａをパラメータとして用いた数値マップの形でＥＥＣ３
０のＲＯＭに格納してあり、このマップに基づいて基本
開度値ＴＤＢＳが決定される。
【００３９】なお、本実施形態では、機関１はリッチ運
転される場合とリーン運転される場合があり、さらにＴ
ＰＤの設定値もリーン運転時とリッチ運転時とでは異な
るため、上記ＴＤＢＳのマップもリッチ運転時のものと
リーン運転時のものと２種類が準備されている。そし
て、現在リーン運転中の場合には、リーン運転用のマッ
プからＮＥ、ＰＡの値を用いてリーン運転用の基本開度
値ＴＤＢＳＬが決定され、（ステップ６０７）基本開度
値ＴＤＢＳの値がＴＤＢＳＬに設定される（ステップ６
０９）。同様に、現在リッチ運転の場合には、リッチ運
転用のマップからリッチ運転用の基本開度値ＴＤＢＳＲ
が決定され（ステップ６１３）、ＴＤＢＳの値がＴＤＢ
ＳＲに設定される（ステップ６１５）。
【００４０】上記により、デッキ圧ＰＤを制御目標値Ｔ
ＰＤに維持するためのＷＧＶ２６基本開度値ＴＤＢＳ
が、機関１の運転状態（ＮＥ、ＰＡ）から決定される。
また、上記によりＴＤＢＳを設定後、ステップ６１７で
は、図５ステップ５１７のデッキ圧判定値ＰＤ0 が、Ｐ
Ｄ0 ＝ＴＰＤ＋ＤＰＤ0 として設定される。ここで、Ｄ
ＰＤ0 は一定値であり、例えばＤＰＤ0 ＝１００ｍｍＨ
ｇ（約１．３×１０4 Ｐａ）程度の値とされる。
【００４１】ステップ６１９と６２１は実際のデッキ圧
ＰＤと制御目標値ＴＰＤとの偏差に基づくフィードバッ
ク量の算出を示す。本実施形態では、ＷＧＶ２６の開度
値はステップ６０７、６０９及びステップ６１３、６１
５で設定されるフィードフォワード量ＴＤＢＳとステッ
プ６１９、６２１で算出されるフィードバック量とによ
り決定される。上記フィードフォワード量（基本開度
値）ＴＤＢＳは、機関１が標準状態で運転されていると
きにデッキ圧ＰＤを制御目標値ＴＰＤに維持するための
ＷＧＶ２６の開度値であり、機関運転状態が標準状態か
ら外れた場合、或いは機関性能に経年変化を生じた場合
には必要とされる開度値は基本開度値ＴＤＢＳから僅か
に変化する。そこで、本実施形態では、基本開度値ＴＤ
ＢＳをフィードバック量を用いて補正することにより、
デッキ圧ＰＤが制御目標値ＴＰＤに精度良く収束するよ
うにしている。
【００４２】すなわち、ステップ６１９では制御目標デ
ッキ圧ＴＰＤと現在のデッキ圧ＰＤとの差ΔＰＤが、Δ
ＰＤ＝ＴＰＤ−ＰＤとして算出され、ステップ６２１で
は、ΔＰＤの積分値ＰＩが、ＰＩ＝ＰＩ＋ΔＰＤとして
算出される。また、ステップ６２３では、ＷＧＶ２６の
開度指令値ＴＬＳが、上記フィードフォワード量とフィ
ードバック量との和として、 ＴＬＳ＝ＴＤＢＳ＋α×ＰＩ＋β×ΔＰＤ、 として算出される。ここで、α、βは一定値の係数であ
る。
【００４３】ステップ６２５では、上記により算出され
たＷＧＶ２６の開度指令値ＴＬＳが、ＷＧＶ２６のアク
チュエータ２５の駆動回路に出力され本サブルーチンは
終了する。これにより、アクチュエータ２５はＷＧＶ２
６を開度指令値ＴＬＳに応じた開度に開弁するため、デ
ッキ圧ＰＤが制御目標値ＴＰＤに調節される。上述のル
ーチンによれば、ＷＧＶ２６の開度指令値は機関運転状
態により定まるフィードフォワード量と、制御目標値と
実際の検出値との差に基づくフィードバック量の和とし
て設定されるため、フィードフォワード制御（オープン
ループ制御）による応答性の向上と、フィードバック制
御（本実施形態では比例積分制御）による制御精度の向
上とを同時に達成することができる。
【００４４】次に、図７を用いて、図５のステップ５１
３と５２５で実行されるＮＴ制御について説明する。図
７は、本実施形態のＮＴ制御を説明するフローチャート
である。図５のサブルーチンは、図５のルーチンのステ
ップ５１３、５２５において実行される。図７のサブル
ーチンでは、図６のルーチンと同様な方法で、フィード
フォワード量とフィードバック量との和としてＷＧＶ２
６の開度指令値ＴＬＳが設定される。
【００４５】すなわち、ステップ７０１から７１５で
は、それぞれＮＥセンサ３２、ＰＡセンサ３６及びＮＴ
センサ３８で検出した、機関回転数ＮＥ、大気圧ＰＡ、
ターボチャージャ回転数ＮＴが読み込まれ、ステップ７
０３から７１５では現在の機関運転空燃比に応じて、タ
ーボチャージャ１０の制御目標回転数ＴＮＴとＷＧＶ２
６の基本開度（フィードフォワード量）ＴＮＢＳが設定
される。ここで、図７のＴＮＴＬ、ＴＮＢＳＬはリーン
運転時の制御目標回転数と基本開度を、ＴＮＴＲ、ＴＮ
ＢＳＲはリッチ運転時の制御目標回転数と基本開度とを
それぞれ表している。ＴＮＴＬとＴＮＴＲとは、ターボ
チャージャ１０の最大許容回転数近傍の値に設定され
る。
【００４６】また、本サブルーチンにおいては基本開度
ＴＮＢＳは、ＮＥとＰＡとを用いた、図６のものとは異
なるマップから決定される。本実施形態では、図６の場
合と同様に、ターボチャージャ回転数ＮＴを制御目標値
ＴＮＴに維持するためのＷＧＶ開度を予め実験等により
ＮＥとＰＡを変化させて求めリッチ運転時とリーン運転
時のマップを作成しておき、このマップに基づいて機関
運転空燃比に応じて基本開度ＴＮＢＳが決定される。
【００４７】また、ステップ７１７では、図５ステップ
５０５と５１５のターボチャージャ回転数の判定値ＮＴ
1 とＮＴ2 とが、上記により設定された制御目標値ＴＮ
Ｔを用いて、ＮＴ1 ＝ＴＮＴ＋ＤＮＴ1 （例えば、ＤＮ
Ｔ1 ≒１０００ｒｐｍ）、及びＮＴ2 ＝ＴＮＴ＋ＤＮＴ
2 （例えばＤＮＴ2 ≒２０００ｒｐｍ）として算出され
る（ＤＮＴ1 、ＤＮＴ2 は、それぞれターボチャージャ
１０の最大許容回転数の１〜２パーセント程度の値に設
定される）。
【００４８】また、ステップ７１９、７２１ではフィー
ドバック量として制御目標値ＴＮＴと実際のターボチャ
ージャ回転数ＮＴとの差ΔＮＴとその積分値ＮＩが算出
される。 更にステップ７２３では、ＷＧＶ２６の開度
指令値ＴＬＳが、フィードフォワード量とフィードバッ
ク量とを用いて、 ＴＬＳ＝ＴＮＢＳ＋γ×ＮＩ＋δ×ΔＮＴ （γ、δは
一定値の係数） として算出され、ステップ７２５では開度指令値ＴＬＳ
が駆動回路に出力される。これにより、本ＮＴ制御の場
合も、フィードフォワード制御による良好な応答性と、
フィードバック制御による高い制御精度との両方を達成
することが可能となっている。
【００４９】図８は、図５から図７で説明した本実施形
態の過給圧制御をおこなった場合の実際の運転における
デッキ圧（過給圧）ＰＤとターボチャージャ回転数ＮＴ
の高度による変化を示す図である。図８は、航空機が上
昇して再度下降する場合についてＰＤとＮＴの変化を示
しいる。例えば、航空機の上昇中、臨界高度（図８にＨ
ＣＲで示す）到達前ではＰＤ制御が実行され、過給圧Ｐ
Ｄは最大許容デッキ圧近傍の制御目標値ＴＰＤに一定に
維持される（図８、区間１）。また、この区間では、タ
ーボチャージャ回転数ＮＴは高度とともに上昇し、臨界
高度に到達するとＮＴも判定値ＮＴ２に到達する。これ
により、ＰＤ制御は停止され、ＮＴ制御が実施されるよ
うになる（図８、区間２、３）。この区間では、ターボ
チャージャ回転数ＮＴはＮＴ２より低い一定回転数ＴＮ
Ｔに維持される。このため、航空機が上昇を続けるとデ
ッキ圧ＰＤは徐々に低下する（図８、区間２）。また、
この状態で航空機が降下すると（図８、区間３）、デッ
キ圧ＰＤは徐々に上昇し、臨界高度ＨＣＲ近傍でＰＤが
判定値ＰＤ０に到達する。これにより、ＮＴ制御は停止
され、ＰＤ制御が再開され（図８、区間４）デッキ圧Ｐ
Ｄは最大許容デッキ圧付近の制御目標値ＴＰＤに一定に
制御されるようになる。
【００５０】次に、本実施形態の過給圧制御の効果につ
いて、再度図３を参照して説明する。本実施形態では、
臨界高度以上の領域ではターボチャージャ回転数ＮＴを
検出してこの回転数ＮＴを直接制御するため、図３(C)
に示したように最大許容圧力に対するマージン（ΔＮ）
を大きく設定する必要がない。このため、臨界高度付近
（図３にΔＨＣＲで示す領域）で、従来（図３(C) ）
よりターボチャージャ回転数を上昇させることができる
（図３(C) ）。これにより、本実施形態の制御では、
従来（図３(A) ）より大きい高度まで（図３にＨＣ
Ｒ′で示す高度まで）最大許容デッキ圧を維持すること
が可能となり、実質的に従来より臨界高度が増大するこ
とになる。さらに、臨界高度以上の領域では、従来の場
合（図３(C) ）より常にターボチャージャ回転数が高
く維持されるため（図３(C) ）、デッキ圧（図３(A)
）も従来（図３(A) ）より高い値となる。このた
め、従来利用することができなかった高度で、機関の性
能を最大限に利用することが可能となる。
【００５１】
【発明の効果】各請求項に記載の発明によれば、過給機
コンプレッサ出口空気圧力制御と過給機回転数制御と
を、出口空気圧力と回転数の判定値を用いて切り換える
ようにしたことにより、大気圧の変化による過給機回転
数の低下を防止し、常に運転状態に応じて最大限の過給
圧を得ることが可能となるという効果が得られる。
【００５２】また、請求項３に記載の発明によれば、コ
ンプレッサ出口空気圧力と過給機回転数とは、それぞれ
がフィードフォワード制御とフィードバック制御とによ
り制御されるため、上記共通の効果に加えて、出口空気
圧力と過給機回転数とが運転状態の変化に対して応答性
良く正確に制御目標値に収束する効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の過給圧制御装置を航空機用内燃機関に
適用した場合の実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】図１の実施形態の制御装置の概略構成を示す図
である。
【図３】圧力比を一定に制御した場合のターボチャージ
ャ回転数と過給圧の飛行高度による変化を説明する図で
ある。
【図４】ターボチャージャコンプレッサの一般的な性能
曲線を示す図である。
【図５】図２の制御装置による過給圧制御動作を説明す
るフローチャートである。
【図６】図２の制御装置による過給圧制御動作を説明す
るフローチャートである。
【図７】図２の制御装置による過給圧制御動作を説明す
るフローチャートである。
【図８】図５から図７の過給圧制御を行った場合のター
ボチャージャ回転数と過給圧の飛行高度による変化を説
明する図である。
【符号の説明】
１…内燃機関本体 ２…プロペラ １０…ターボチャージャ ２６…ウエィストゲート弁 ３０…制御装置 ３８…ターボチャージャ回転数センサ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 空気を昇圧するコンプレッサを有する過
    給機と、 前記コンプレッサの出口空気圧力を検出する過給圧検出
    手段と、 前記過給機の回転数を検出する回転数検出手段と、 前記過給圧検出手段により検出された出口空気圧力が、
    予め定めた設定圧力になるようにコンプレッサ出口空気
    圧力を制御する第１の制御手段と、 前記回転数検出手段により検出された過給機回転数が、
    予め定めた設定回転数になるように過給機回転数を制御
    する第２の制御手段と、 前記検出されたコンプレッサ出口空気圧力と過給機回転
    数とに基づいて、前記第１と第２の制御手段の一方を選
    択的に作動させる選択手段と、 を備えた過給機の過給圧制御装置において、 前記選択手段は更に、 第１の制御手段の作動中に前記過給機回転数が所定の判
    定値以上になったときに、前記第１の制御手段の作動を
    停止して前記第２の制御手段を作動させる第１の切換手
    段と、 第２の制御手段の作動中に前記コンプレッサ出口空気圧
    力が所定の判定値以上になったときに、前記第２の制御
    手段の作動を停止して前記第１の制御手段を作動させる
    第２の切換手段と、 を備えた過給機の過給圧制御装置。
  2. 【請求項２】 前記過給機は内燃機関を過給する排気タ
    ーボチャージャであり、前記過給圧制御装置は、前記内
    燃機関の運転状態を表す機関運転状態パラメータを検出
    する運転状態検出手段と、排気ターボチャージャに流入
    する排気流量を変化させるウエィストゲート弁と、前記
    第１と第２の制御手段により設定される開度指令値に応
    じて前記ウエィストゲート弁の開度を変更する駆動手段
    とを備え、 前記第１の制御手段は、前記機関運転状態パラメータの
    値と前記予め定めた設定圧力とから予め定めた関係に基
    づいてウエィストゲート弁の基本開度値を算出する第１
    のフィードフォワード手段と、前記予め定めた設定圧力
    と前記過給圧検出手段により検出されたコンプレッサ出
    口空気圧力との差に応じて前記ウエィストゲート弁の開
    度補正値を算出する第１のフィードバック手段と、第１
    のフィードフォワード手段により算出された基本開度値
    と第１のフィードバック手段により算出された開度補正
    値との和を開度指令値として設定する開度設定手段を備
    え、 前記第２の制御手段は、前記機関運転状態パラメータの
    値と前記予め定めた設定回転数とから予め定めた関係に
    基づいてウエィストゲート弁の基本開度値を算出する第
    ２のフィードフォワード手段と、前記予め定めた設定回
    転数と前記回転数検出手段により検出された過給機回転
    数との差に応じて前記ウエィストゲート弁の開度補正値
    を算出する第２のフィードバック手段と、第２のフィー
    ドフォワード手段により算出された基本開度値と第２の
    フィードバック手段により算出された開度補正値との和
    を開度指令値として設定する開度決定手段を備えた、請
    求項１に記載の過給圧制御装置。
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