JP4146341B2 - 内燃機関の少なくとも１つのチャージャの運転方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の少なくとも１つのチャージャの運転方法および装置に関するものである。

エンジンの出力上昇のために、一使用例において、排気ガス・ターボチャージャが使用される。この場合、排気ガス容積流量がタービンを駆動し、タービンは軸を介して圧縮機と結合され、圧縮機は吸気を圧縮する。圧縮比は、タービン内を流動するガス容積流量の関数である。この場合、この方法においては、排気ガス・ターボチャージャは、ガス流量が小さいときに既に高い圧縮が得られるように設計されている。ガス流量が高いときには、エンジンないし排気ガス・ターボチャージャの故障の原因となるような圧縮比およびタービン回転速度とならないように、タービンに「ウェイスト・ゲート」と呼ばれるバイパスが設けられている。このバイパス内に、バイパス開口断面積を変化させるフラップまたは弁が設けられている。フラップまたは弁は、既知の方法においては、膜箱によって動かされるロッドにより操作される。箱の膜はロッドと結合されている。箱内のばねは膜を上方に押し付けている。ばね力に抗してチャージ圧力が作用し、チャージ圧力は膜箱のホース配管を介して吸気管から供給される。高いチャージ圧力においてはチャージ圧力のほうが優勢となり、ウェイスト・ゲートを開放させる。この装置は機械空気式制御として作用する。排気ガス容積流量の関数として、特定のチャージ圧力が吸気管内に設定される。この物理的関係とは無関係にチャージ圧力を変化可能にするために、膜箱に通じるホース配管内にサイクル弁が組み込まれている。エンジン制御のチャージ圧力制御の課題は、このサイクル弁を、希望のチャージ圧力が設定されるように操作することである。デューティ・レシオの増大と共に、ホース配管からより多くの空気が大気中に放出される。これにより、ばねに作用する背圧が低下し、ウェイスト・ゲートは閉鎖し、チャージ圧力は上昇する（例えば、Ｂｏｓｃｈ自動車技術ハンドブック、２２版、４７５−４７６頁参照）。

バイパス開口断面積を制御するための他の調節機構、例えば電気式調節装置によるフラップ・ロッドの操作もまた使用可能であることがわかっている。これによると、排気ガス・ターボチャージャを自動的に安定化させる、チャージ圧力を介しての空気式ネガティブ・フィードバック（負帰還）が欠けている。空気式ネガティブ・フィードバックはチャージ圧力の上昇と共に開口断面積を増大し、したがって、タービンのオーバー・スピードを阻止する。空気式ネガティブ・フィードバックがない場合、排気ガス・ターボチャージャはポジティブ・フィードバック（正帰還）を行い、したがって不安定となる。他の調節機構は、例えば、可変タービン形状、可変スライダ・タービンまたはサーボモータにより動かされるウェイスト・ゲート内のフラップである。これらの調節装置もまた少なくとも一部ネガティブ・フィードバック特性を欠いている。したがって、一般的に使用可能で且つ排気ガス・ターボチャージャの安定性を確保する、チャージ圧力制御が必要とされる。

さらに、排気ガス・ターボチャージャの応答特性を改善するために、直列に設けられた電動圧縮機の使用が考慮されるべきである。これは、例えば所定のエンジン回転速度以下において、加速要求があったときにドライバにより設定される（例えば、米国特許第６０２９４５２号参照）。このような配置においても、チャージ圧力制御が使用可能であるべきである。
〔発明の利点〕
排気ガス容積流量の関数としてチャージャ・システムを制御することにより、電子式チャージ圧力制御による排気ガス・ターボチャージャ・システムの制御技術管理が確保される。この場合、種々の調節装置タイプに対して同じ制御アルゴリズムを使用できることが有利である。その理由は、他の調節装置を使用した場合に排気ガス・ターボチャージャにおいて欠けているネガティブ・フィードバック特性は、排気ガス容積流量の関数として調節装置の電気式先行制御を形成することによってシミュレートされるからである。これにより、チャージ圧力制御パラメータの適用において、チャージャ・システムの損傷もまた効果的に回避される。

上記の利点は、電動チャージャ・システムの使用、特に排気ガス・ターボチャージャと組み合わされた電動補助チャージャの使用においても達成される。この場合もまた、排気ガス容積流量の関数としての先行制御により、ネガティブ・フィードバック特性がシミュレートされる。

排気ガス容積流量がタービン要求容積流量に到達するまでの間のみ補助圧縮機が投入されていることにより、排気ガス容積流量に基づいて電動補助圧縮機の投入時点および投入時間が導かれることが有利である。これにより電動補助圧縮機の投入時間、したがってバッテリ負荷が最小にされることが有利である。

さらに、基本チャージ圧力を超える目標チャージ圧力が要求されたときにのみ補助圧縮機が投入されることが有利である。
他の利点が、実施例の以下の説明ないし従属請求項から得られる。

以下に本発明を図面に示す実施態様により詳細に説明する。

図１の全体図に内燃機関１０が示され、内燃機関１０は、絞り弁１４を有する吸気系１２、および排気系１６を含む。排気系１６内に排気ガス・ターボチャージャのタービン１８が配置され、タービン１８は、機械結合２０を介して、吸気管に配置されている圧縮機ないしコンプレッサ２２と結合されている。排気ガス・ターボチャージャのタービン１８のバイパス配管２４内に電動弁２６が設けられている。内燃機関の範囲内の種々の運転変数を測定するために、種々のセンサが使用されている。以下に記載の方法に関連して、図１に、これらのセンサの１つの選択、即ち空気質量流量計２８、吸気管圧力センサ３０、エンジン回転速度センサ３２、排気圧力センサ３４および排気温度センサ３６が示されている。さらに電子式の制御ユニット３８が示され、電子式の制御ユニット３８に上記のセンサからラインが供給され、即ち空気質量流量計２８からライン４０が、吸気管圧力センサ３０からライン４２が、回転速度センサ３２からライン４４が、排気圧力センサ３４からライン４６が、および排気温度センサ３６からライン４８が供給されている。さらに制御ユニット３８は出力ライン５０を有し、出力ライン５０は電動弁２６を操作するために使用される。図示の入出力ラインのほかに、内燃機関を制御するために必要な他の入出力ラインが設けられている。これらのラインが、図１において、ライン５２−５６ないし５８−６２で示され、これらのラインは、以下に記載のチャージャの運転方法に関して二次的意味を有するにすぎないので、詳細には説明しない。入力ライン５２−５６は、制御ユニット３８を、λセンサ、温度センサ等のようなセンサと結合し、一方、出力ライン５８−６２は、噴射弁、点火出力段、絞り弁調節装置、排気ガス循環弁等に連絡されている。

以下に、排気ガス・ターボチャージャ・システムの運転の範囲内で電動弁２６がそれにより操作される方法を説明する。好ましい実施例においては、調節要素２６は、膜箱およびサイクル弁の代わりにバイパス配管２４のバイパス断面積を調節するロッドを動かすサーボモータである。しかしながら、以下に記載の方法は、調節装置の他の構成を有するシステムにおいても、例えば電動弁にも適用可能である。

この方法の基本原理は、排気ガス容積流量の関数として調節要素２６の操作が行われ、したがって、ネガティブ・フィードバック特性をシミュレートした、チャージ圧力制御に対する先行制御が発生されることである。具体的な実施例において、エンジン回転速度および目標チャージ圧力の関数として排気ガス容積流量が計算され、この排気ガス容積流量において目標チャージ圧力が設定される。好ましい実施例においては、これが特性曲線群により行われ、特性曲線群内に、ターボチャージャ・システムの機械特性および形状特性を考慮したパラメータが記憶されている。さらに、エンジンから発生される排気ガス容積流量が計算される。これは例えばモデルにより行われ、モデル内において、内燃機関に供給される空気質量流量ｍｌ（空気質量流量計２８により測定される）、排気温度および排気圧力の関数として排気ガス容積流量が決定される。目標排気ガス容積流量と実際排気ガス容積流量との間の差が、タービンのバイパスを介して流動すべき排気ガス容積流量を与える。この容積流量は、容積流量の差と解釈されるチャージ圧力制御装置の出力信号により調整される。目標容積流量と実際容積流量との間の偏差から計算された容積流量、およびそれに加えてチャージ圧力制御装置により計算された容積流量が、電気式調節装置の位置を決定するために評価される。この場合、例えば特性曲線が設けられ、特性曲線において容積流量が調節信号に変換される。

排気ガス容積流量による上記の先行制御はネガティブ・フィードバック特性を有し、このネガティブ・フィードバック特性は、エンジンから発生される排気ガス容積流量が考慮されることにより形成される。目標容積流量がタービンを介して導かれるとき、タービン回転速度、したがって吸気側に位置する圧縮機の回転速度もまた上昇する。これによりチャージ圧力および排気ガス容積流量が上昇する。このとき、先行制御はバイパス開口断面積を増大させるので、制御における排気ガス容積流量の計算および評価はこのことを評価する。したがって、排気ガス・ターボチャージャは安定性を維持する。

チャージ圧力制御それ自身は、安定なシステムにおいて、さらに補正を実行する。したがって、チャージ圧力制御装置としては、一般に使用され、故障しにくく且つ容易に適用可能な制御装置、例えば、比例、積分および微分特性を有する制御装置で十分であることは有利であり、この制御装置は、冒頭記載のように、ネガティブ・フィードバック特性を有する調節装置においても使用される。

先行制御それ自体は、制御装置が遮断されていても、排気ガス容積流量が上昇したときにバイパス開口断面積が一定ではなく上昇するように作動する。
好ましい実施例において、上記の方法は、制御ユニット３８の一部であるマイクロコンピュータのプログラムとして形成される。この場合、マイクロコンピュータのプログラムは、この方法を実行するために必要な命令を含む。

図２は、このようなプログラムの流れ図を示し、この場合、個々のブロックは、プログラム、プログラム部分またはプログラム・ステップ、特に命令または命令の集合を示し、一方、結合ラインは情報の流れを表わす。

最初に、ブロック１００において、エンジン回転速度ｎｍｏｔおよび目標チャージ圧力ｐｌｓｏｌの関数として、タービン内の目標容積流量ｖｓｔｕｓが計算される。好ましい実施例において、これは特性曲線群により行われ、他の実施例においては計算ステップにより行われる。この場合、本質的に、目標圧力の上昇および回転速度の上昇と共に、目標容積流量が上昇される。

目標チャージ圧力それ自体は、圧縮機の前後の圧力間の目標圧力比から決定され、一方、目標圧力比はエンジン回転速度の関数である。ブロック１０２において、実際排気ガス容積流量ｖｓａｂｇが決定される。好ましい実施例においては、この実際排気ガス容積流量は、供給空気質量ｍｌ、排気温度Ｔａｂｇ、および排気圧力Ｐａｂｇにより計算される。この場合、排気温度および供給空気質量は計算され、一方、排気圧力は、測定されるかまたはモデルにより計算される。好ましい実施例においては、実際排気ガス容積流量を計算するために方程式が使用され、この方程式は、ほぼ次の形式を有する。

ｖｓａｂｇ＝ｋ・ｍｌ・Ｔａｂｇ／Ｐａｂｇ
ここで、ｋは定数である。
結合位置１０４において、目標容積流量ｖｓｔｕｓと実際排気ガス容積流量ｖｓａｂｇとの間の偏差が決定される（Δｖｓ＝ｖｓａｂｇ−ｖｓｔｕｓ）。偏差Δｖｓは、他の結合位置１０６に供給される。

さらに、制御アルゴリズム１０８が設けられ、制御アルゴリズム１０８は入力変数の関数として出力変数ｖｓｂｙｓｔを決定する。この場合、入力変数は、結合位置１１０において形成される偏差Δｐである。結合位置１１０において、目標チャージ圧力と、チャージ圧力センサにより測定された実際圧力ｐｌｉｓｔとが相互に比較され、形成された偏差が制御アルゴリズムに供給される。次に制御アルゴリズムは出力変数を形成し、出力変数は、結合位置１０６において先行制御変数Δｖｓを補正する。補正は加算として実行されている。補正された先行制御変数 Δｖｓ＋ｖｓｂｙｓｔ は、ブロック１１２において、排気ガス・ターボチャージャの調節装置に対する操作信号に変換される。好ましい実施例においては、これは、入力変数に出力変数τを割り当てている特性曲線の範囲内で行われる。

パラメータとして変数τを有する制御変数は、チャージャの弁または調節装置を操作するためのマイクロコンピュータないし制御ユニットから出力され、チャージャの弁または調節装置は、タービンのバイパス内の容積流量を調節する。この容積流量は、先行制御による容積流量と制御補正との和に対応する。

第２の実施例においては、上記の方法が、機械式の排気ガス・ターボチャージャに追加して電動補助チャージャを有するターボチャージャ・システムに関連して適用される。このようなシステムが図３の全体図に示されている。この場合、図１に示されているシステムは、電動補助チャージャ８０により補足され、電動補助チャージャ８０は、内燃機関１０の吸気系内において、流れ方向に圧縮機２２の後方且つ絞り弁１４の手前に配置されている。この補助チャージャは電動機８２により駆動され、電動機８２に、出力ライン８４を介して、制御ユニット３８から操作信号が供給される。他の構成要素およびラインは図１に示されているものに対応するので、これらに同じ符号が付けられ且つこれらは同じ機能を有している。

このような電動補助チャージャは、排気ガス・ターボチャージャの応答特性が遅いために、排気ガス・ターボチャージャに直列に設けられ、一般的に、加速要求が存在するときに投入される。これにより、加速時の遅い応答特性が補償され且つ運転が最適化される。車両の電源を消費し、特にバッテリに著しく負荷を与える電動補助チャージャの運転時間は最小にされるべきである。実際排気ガス容積流量がタービン要求流量を下回っているときに電動圧縮機が投入されるとき、この最小化が達成可能であることがわかっている。これらの変数は、上記の先行制御から利用可能である。上記圧縮機に追加して使用可能な電動補助圧縮機の投入のための他の基準は、基本チャージ圧力を超えた目標チャージ圧力が要求されることである。この場合、基本チャージ圧力は、特に排気ガス・ターボチャージャの操作なしに、内燃機関への空気の流動の結果として設定される圧力である。

補助圧縮機は、実際排気ガス容積流量がタービン要求容積流量に到達するまでの間だけ投入される。これにより、補助圧縮機の投入時間、したがってバッテリ負荷もまた最小にされる。その理由は、排気ガス・ターボチャージャそれ自体は、ポジティブ・フィードバック特性を有するからである。タービン要求容積流量が超えられたとき、タービンはより急速に回転し、圧縮機もそれと共に回転し且つチャージ圧力を上昇させる。排気ガス容積流量の上昇は、一方で、タービンをより速く回転させる。上記のように、タービンがオーバー・スピードにならないように、チャージ圧力の上昇と共により多くの排気ガスがタービンをバイパスされなければならない。これは、上記のように、前記先行制御により達成される。即ち、タービン要求容積流量に到達した場合、このとき排気ガス・ターボチャージャはそのポジティブ・フィードバック特性により十分なチャージ圧力を供給するので、電動補助圧縮機による補助圧縮は必要ではない。

即ち、電動補助圧縮機に対する投入条件を決定する適切な手段が重要である。これは、排気ガス・ターボチャージャ調節装置の上記先行制御から導かれる。この場合、排気ガス容積流量は、測定またはモデル化された変数、即ち空気質量流量、排気温度、および排気圧力から計算される。同様に、排気ガス・ターボチャージャを起動させるために必要な要求容積流量が決定される。これは、固定値として設定されるかまたは上記のようにチャージ圧力および回転速度から決定される。実際排気ガス容積流量がタービン要求容積流量より大きい場合、両方の流量の偏差がウェイスト・ゲートを介してタービンをバイパスして供給される。このようにして、タービンのオーバー・スピードが阻止される。しかしながら、タービンに対して、容積流量に対する要求が供給排気ガス流量より高い場合、電動補助チャージャに対する投入条件がセットされる。このとき補助圧縮機が投入され且つ電動機８２に対する操作信号が発生される。これにより、排気ガス質量流量が上昇し且つタービンが起動される。排気ガス流量がタービン要求流量をある値だけ超えたとき、補助圧縮機は再び遮断される。この場合、切換ヒステリシスが設けられていることが有利である。

他の実施例においては、排気ガス流量から導かれた投入条件に追加して、チャージ圧力制御の作動要求が存在したとき、即ち目標チャージ圧力が基本チャージ圧力を超えたときにのみ補助圧縮機が投入される。

上記の方法により、補助圧縮機は、種々の運転条件（例えば負荷、回転速度）において常に同じ排気ガス容積流量において遮断される。補助圧縮機の投入時間は最適化されている。

この場合もまた、上記の方法は第１の実施例と同様に、制御ユニット３８のマイクロコンピュータのプログラムにより実行される。このようなプログラムに対する流れ図が図４に示されている。この場合もまた、図２の流れ図に既に示されている部分には同じ符号が付けられ且つこれらの部分は図２に記載の機能を有している。

即ち、ブロック１００において目標容積流量が決定され、目標容積流量は、回転速度および目標チャージ圧力から設定されるか、または固定値として設定されている。目標容積流量は、上記のように計算された排気ガス容積流量と比較される。両方の値の偏差（Δｖｓ＝ｖｓａｂｇ−ｖｓｔｕｓ）は、ウェイスト・ゲートを介して導かれるべき容積流量を示す。この値は、ブロック１０８においてチャージ圧力制御装置により補正された後に、排気ガス・ターボチャージャの調節装置、例えばバイパス弁の調節装置に対する操作信号に変換される。

電動補助チャージャを作動させるためにインバータ２００が設けられ、インバータ２００は、好ましくはヒステリシスを有する切換要素２０２に連絡される。インバートされた容積流量Δｖｓが所定の限界値を超えた場合、投入条件信号Ｂ＿ｓｃｅｂが形成される。容積流量が他のしきい値を下回った場合、この条件信号はリセットされる。この場合、このしきい値は、実際排気ガス容積流量が目標容積流量に到達したかまたはそれを所定の値以上超えたときリセットが行われるように選択されている。したがって、補助チャージャは、排気ガス容積流量が目標容積流量より小さいときに投入される。さらに、好ましい実施例においては、論理ＡＮＤ結合２０４が設けられ、論理ＡＮＤ結合２０４において、上記の条件信号が他の条件信号Ｂ＿ｌｄｒと比較される。この条件信号Ｂ＿ｌｄｒは、チャージ圧力制御が要求されているとき、即ち目標チャージ圧力が基本チャージ圧力を超えているときにセットされる。両方の信号が存在する場合、条件信号Ｂ＿ｓｃｅが出力され、条件信号Ｂ＿ｓｃｅは電動補助チャージャを作動させる。このとき電動補助チャージャは固定設定操作信号により操作されるか、または必要に応じて、実際チャージ圧力、空気流量および／またはエンジン回転速度等により操作される。

ここでは、容積流量に基づいて計算が行われる好ましい実施例が示されている。他の設計においては、容積流量の代わりに質量流量（排気ガス質量流量）が使用される。

図１は、排気ガス・ターボチャージャを有する内燃機関の全体図を示す。 図２に、排気ガス・ターボチャージャの制御が流れ図により示されている。 図３は、排気ガス・ターボチャージャおよび電動補助チャージャを有する内燃機関の全体図を示す。 図４に、排気ガス・ターボチャージャおよび電動補助チャージャの制御が流れ図により示されている。

Claims (8)

1. 目標チャージ圧力および実際チャージ圧力の関数として出力信号を発生するチャージ圧力制御装置を用いた内燃機関の少なくとも１つのチャージャの運転方法であって、前記出力信号から前記少なくとも１つのチャージャの調節要素を制御するための第１の操作信号が生成され、かつ、前記調節要素が、排気ガス・ターボチャージャとして形成されているチャージャのタービンのバイパス配管開口断面積を制御するための調節要素である、内燃機関の少なくとも１つのチャージャの運転方法において、
   タービン内目標流量が排気ガス流量の関数として決定されるように前記少なくとも１つのチャージャの調節要素の先行制御が実行され、前記タービン内目標流量が、エンジン回転速度および目標チャージ圧力のような運転変数の関数として決定され、かつ、前記タービン内目標流量とエンジンから発生された実際流量との偏差がバイパス配管内目標流量として形成されることと、
   前記バイパス配管内目標流量が、前記調節要素を制御するための第２の操作信号を決定するために使用されることと、
   前記第１の操作信号が前記第２の操作信号を補正することと、
   前記先行制御は、前記チャージ圧力制御装置が遮断されているときにおいても、エンジンから発生される実際流量が上昇している場合には前記調節要素の開口断面積を増大させることと、
   を特徴とする内燃機関の少なくとも１つのチャージャの運転方法。
2. 前記実際流量が排気ガス容積流量または排気ガス質量流量であることを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
3. 前記エンジンから発生された排気ガス容積流量が、供給空気質量、排気温度および排気圧力により計算されることを特徴とする請求項２に記載の運転方法。
4. 前記実際流量の関数として、補助圧縮機に対する作動信号が形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の運転方法。
5. 前記排気ガス容積流量が目標容積流量より小さいとき、前記補助圧縮機の作動が行われることを特徴とする請求項４に記載の運転方法。
6. 前記目標チャージ圧力が基本チャージ圧力より大きいとき、前記補助圧縮機の作動が行われることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の運転方法。
7. 前記エンジンから発生された実際流量が目標流量に到達したかまたは所定の値だけ目標流量を超えたとき、または前記目標チャージ圧力が前記基本チャージ圧力より小さいときに、補助圧縮機が遮断されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の運転方法。
8. 目標チャージ圧力および実際チャージ圧力の関数として出力信号を発生するチャージ圧力制御装置を含む電子式の制御ユニットを備えた内燃機関の少なくとも１つのチャージャの運転装置であり、前記出力信号から前記少なくとも１つのチャージャの調節要素を制御するための第１の操作信号が生成され、かつ、前記調節要素は、排気ガス・ターボチャージャとして形成されているチャージャのタービンのバイパス配管開口断面積を制御するための調節要素である、内燃機関の少なくとも１つのチャージャの運転装置において、
   前記制御ユニットは、さらに、排気ガス流量の関数として先行制御によってタービン内目標流量を設定するように決定されている、前記少なくとも１つのチャージャの調節要素の先行制御を有し、前記タービン内目標流量が、エンジン回転速度および目標チャージ圧力のような運転変数の関数として決定され、かつ、前記タービン内目標流量とエンジンから発生された実際流量との偏差がバイパス配管内目標流量として形成されることと、
   前記電子式の制御ユニットが、前記調節要素を制御するための第２の操作信号を決定するために前記バイパス配管内目標流量を使用することと、
   前記第１の操作信号が前記第２の操作信号を補正することと、
   前記先行制御は、前記チャージ圧力制御装置が遮断されているときにおいても、エンジンから発生される実際流量が上昇している場合には前記調節要素の開口断面積を増大させ ることと、
   を特徴とする内燃機関の少なくとも１つのチャージャの運転装置。

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