JP6582532B2 - 可変容量型ターボチャージャの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンに設けられた可変容量型ターボチャージャの制御装置に関する。

車両用ディーゼルエンジンにおいて可変容量型ターボチャージャを備えたものが公知である。この可変容量型ターボチャージャでは一般的に、タービン入口におけるノズル開度がブースト圧に基づいてフィードバック制御される。

特開２０１４−２０２０８５号公報

ノズル開度は、ブースト圧が目標値に達するように制御される。目標値とするブースト圧が現在値よりも高い場合、ノズル開度を小さくすることで現在値が目標値に近づくよう制御されるが、ノズル開度についてはガード値が設けられ、ガード値を超えて小さくならないようにノズル開度が制御される。ノズル開度がガード値を超えて小さくなると、タービン入口圧が過剰に高くなり、ポンピングロスが増大して燃費が悪化すると共に、ＥＧＲが過剰となってスモークが悪化する虞があるからである。

ガード値はこのように、タービン入口圧の過剰上昇等の問題を起こさぬようなできるだけ小さいノズル開度の値に適合されている。しかし、適合時には適切であったガード値が、ターボチャージャの経時劣化により不適切となる場合があり、実際のノズル開度がガード値に達しても、ブースト圧が目標値に到達せず、タービン入口圧も過剰上昇しておらず、まだ余裕があることがある。この場合にノズル開度をガード値よりも小さくし、余裕分のタービン入口圧をブースト圧の上昇ひいては出力向上や燃費向上等エンジン性能向上のために有効利用できるようにすることが望ましい。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、ターボチャージャの経時劣化が生じた場合でもタービン入口圧を許容限界まで上昇させ、ターボチャージャの制御性を向上し、ひいてはエンジン性能を向上することができる可変容量型ターボチャージャの制御装置を提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
エンジンに設けられた可変容量型ターボチャージャの制御装置であって、
タービン入口におけるノズル開度をブースト圧に基づいてフィードバック制御するノズル開度制御部と、
タービン入口圧のガード値を設定するガード値設定部と、
実際のタービン入口圧が前記ガード値を超えたとき、前記ノズル開度のフィードバック制御を停止する停止部と、
を備えたことを特徴とする可変容量型ターボチャージャの制御装置が提供される。

好ましくは、前記ノズル開度制御部は、エンジン運転状態に基づくフィードフォワード項と、目標ブースト圧および実際のブースト圧の差分に基づくフィードバック項とに基づいて、前記ノズル開度の目標値を算出し、
前記ガード値設定部は、エンジン運転状態に基づいて前記ガード値を設定し、
前記停止部は、前記実際のタービン入口圧が前記ガード値を超えたとき、前記フィードバック項を、前記ガード値を超える直前の値のまま保持する。

本発明によれば、ターボチャージャの経時劣化が生じた場合でもタービン入口圧を許容限界まで上昇させ、ターボチャージャの制御性を向上し、ひいてはエンジン性能を向上することができるという、優れた効果が発揮される。

本発明の実施形態の構成を示す概略図である。 本実施形態における制御ルーチンのフローチャートである。 タービン入口圧のガード値の算出マップを示す。 フィードフォワード項の算出マップを示す。 本実施形態の作用効果を説明するためのフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態の構成を示す概略図である。エンジン（内燃機関）１は、車両に搭載された多気筒の圧縮着火式内燃機関、すなわちディーゼルエンジンである。図示例は直列４気筒エンジンを示すが、エンジンのシリンダ配置形式、気筒数等は任意である。

エンジン１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に接続された吸気通路３および排気通路４と、ターボチャージャ１４と、燃料噴射装置５とを備える。エンジン本体２は、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン、クランクシャフト、バルブ等の可動部品とを含む。

燃料噴射装置５は、コモンレール式燃料噴射装置からなり、各気筒に設けられた燃料噴射弁すなわちインジェクタ７と、インジェクタ７に接続されたコモンレール８とを備える。インジェクタ７は、シリンダ９内すなわち燃焼室内に燃料を直接噴射する。コモンレール８は、インジェクタ７から噴射される燃料を高圧状態で貯留する。

吸気通路３は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された吸気マニホールド１０と、吸気マニホールド１０の上流端に接続された吸気管１１とにより主に画成される。吸気マニホールド１０は、吸気管１１から送られてきた吸気を各気筒の吸気ポートに分配供給する。吸気管１１には、上流側から順に、エアクリーナ１２、エアフローメータ１３、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｃ、インタークーラ１５、および電子制御式の吸気スロットルバルブ１６が設けられる。エアフローメータ１３は、エンジン１の単位時間当たりの吸入空気量（吸気流量）を検出するためのセンサ（吸気量センサ）である。

排気通路４は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された排気マニホールド２０と、排気マニホールド２０の下流側に配置された排気管２１とにより主に画成される。排気マニホールド２０は、各気筒の排気ポートから送られてきた排気ガスを集合する。排気管２１、もしくは排気マニホールド２０と排気管２１の間には、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔが設けられる。タービン１４Ｔより下流側の排気管２１には、上流側から順に、酸化触媒２２、パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２３、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）２４およびアンモニア酸化触媒２６が設けられる。ＮＯｘ触媒２４の上流側、特に入口近傍の排気通路４には、還元剤としての尿素水を添加する添加弁２５が設けられる。

ターボチャージャ１４は、可変容量型ターボチャージャからなる。タービン入口におけるノズル開度を可変とするノズル開度可変機構２８が設けられ、このノズル開度可変機構２８がノズルアクチュエータ２９により作動される。ノズル開度可変機構２８は、ノズルを開閉する複数の可動ノズルベーンを有し、この可動ノズルベーンが同時に開閉されることでノズル開度が増減される。

エンジン１はＥＧＲ装置３０をも備える。ＥＧＲ装置３０は、排気通路４内（特に排気マニホールド２０内）の排気ガスの一部（「ＥＧＲガス」という）を吸気通路３内（特に吸気マニホールド１０内）に還流させるためのＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３２と、ＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁３３とを備える。

また本実施形態において、制御ユニットもしくはコントローラをなす電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と称す）１００が設けられる。ＥＣＵ１００はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含む。ＥＣＵ１００は、インジェクタ７、吸気スロットルバルブ１６、添加弁２５、ＥＧＲ弁３３、ノズルアクチュエータ２９等を制御する。

センサ類に関して、上述のエアフローメータ１３の他、エンジンの回転速度（ｒｐｍ）を検出するための回転速度センサ４０、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ４１が設けられる。また、酸化触媒２２、ＤＰＦ２３、ＮＯｘ触媒２４の各々の上流側ないし入口近傍の排気温度（入口ガス温度）を検出するための排気温センサ４２，４３，４４が設けられている。また、ＤＰＦ２３の上流側および下流側の排気圧の差圧を検出するための差圧センサ４５が設けられている。これらセンサ類の出力信号はＥＣＵ１００に送られる。

また、吸気圧ないしブースト圧を検出するためのブースト圧センサ４７と、タービン入口圧を検出するための圧力センサ４８とが設けられている。これらセンサの出力信号もＥＣＵ１００に送られる。ブースト圧センサ４７は、本実施形態では吸気スロットルバルブ１６の下流側で且つ吸気マニホールド１０の直前の吸気管１１に設置されているが、この設置位置は任意であり、例えば吸気マニホールド１０に設置してもよい。圧力センサ４８は、本実施形態ではＥＧＲ弁３３およびＥＧＲクーラ３２のＥＧＲガス流れ方向上流側におけるＥＧＲ通路３１に設置されているが、この設置位置は、タービン１４Ｔ（特にノズル）の上流側であれば任意であり、例えば排気マニホールド２０に設置してもよい。なおタービン入口圧を所定のモデルに基づき推定してもよい。

次に、本実施形態の制御について説明する。ＥＣＵ１００は、タービン入口におけるノズル開度をブースト圧に基づいてフィードバック制御し、タービン入口圧のガード値を設定し、実際のタービン入口圧がガード値を超えたとき、ノズル開度のフィードバック制御を停止する。以下この点について説明する。

図２を参照して、本実施形態における制御ルーチンを説明する。図示するルーチンはＥＣＵ１００により所定の演算周期τ（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ１００は、圧力センサ４８により検出された実際のタービン入口圧Ｐｅを取得する。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ１００は、エンジン運転状態に基づいてタービン入口圧のガード値Ｇｅを設定する。具体的にはＥＣＵ１００は、検出された実際のエンジン回転速度ＮＥと、燃料噴射量、特に指示値としての目標燃料噴射量Ｑとに基づき、図３に示すような所定のマップｍｐ１に従ってガード値Ｇｅを設定する。なお目標燃料噴射量Ｑは、実際のエンジン回転速度ＮＥとアクセル開度ＡＣとに基づき図示しない別のマップに従って算出される。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ１００は、取得した実際のタービン入口圧Ｐｅをガード値Ｇｅと比較する。タービン入口圧Ｐｅがガード値Ｇｅ以下の場合、ステップＳ１０４に進み、タービン入口圧Ｐｅがガード値Ｇｅを超えている場合、ステップＳ１０８に進む。

タービン入口圧Ｐｅがガード値Ｇｅ以下の場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０４において、ノズル開度の目標値である目標ノズル開度Ｓの算出に使用するフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）項Ｓｆｆを、エンジン運転状態に基づいて算出する。具体的にはＥＣＵ１００は、実際のエンジン回転速度ＮＥと目標燃料噴射量Ｑとに基づき、図４に示すような所定のマップｍｐ２に従ってフィードフォワード項Ｓｆｆを算出する。

次にステップＳ１０５において、ＥＣＵ１００は、目標ノズル開度Ｓの算出に使用するフィードバック（Ｆ／Ｂ）項Ｓｆｂを次の手順で算出する。

まずＥＣＵ１００は、ブースト圧センサ４７で検出された実際のブースト圧Ｐｉを取得する。次いでＥＣＵ１００は、ブースト圧の目標値である目標ブースト圧Ｐｉｔをエンジン運転状態に基づいて算出する。具体的にはＥＣＵ１００は、実際のエンジン回転速度ＮＥと目標燃料噴射量Ｑとに基づき、図示しない所定のマップに従って目標ブースト圧Ｐｉｔを算出する。次にＥＣＵ１００は、目標ブースト圧Ｐｉｔと実際のブースト圧Ｐｉの差ΔＰｉ＝Ｐｉｔ−Ｐｉを計算する。そしてこの差ΔＰｉに基づき、図示しない所定のマップに従ってフィードバック項Ｓｆｂを算出する。差ΔＰｉが正のとき、すなわち実際のブースト圧Ｐｉが目標ブースト圧Ｐｉｔより小さいとき、ブースト圧増大側の負のフィードバック項Ｓｆｂが算出される。逆に差ΔＰｉが負のとき、すなわち実際のブースト圧Ｐｉが目標ブースト圧Ｐｉｔより大きいとき、ブースト圧減少側の正のフィードバック項Ｓｆｂが算出される。なおフィードバック項Ｓｆｂの算出に際しては、ＰＩＤ制御の手法に従い、差ΔＰｉに応じたＰ項、Ｉ項、Ｄ項の合計値をフィードバック項Ｓｆｂとするのが好ましい。

次にステップＳ１０６において、ＥＣＵ１００は、算出されたフィードフォワード項Ｓｆｆとフィードバック項Ｓｆｂを加算して、目標ノズル開度Ｓ（＝Ｓｆｆ＋Ｓｆｂ）を算出する。

最後に、ステップＳ１０７でＥＣＵ１００は、算出された目標ノズル開度Ｓに応じてノズルアクチュエータ２９を制御する。すなわち、実際のノズル開度Ｓｒを目標ノズル開度Ｓに一致させるよう、ノズルアクチュエータ２９を制御し、ノズル開度可変機構２８（可動ノズルベーン）を作動させる。なおノズル開度可変機構２８に実際のノズル開度Ｓｒを検出するためのノズル開度センサ（図示せず）を設け、ノズル開度センサで検出された実際のノズル開度Ｓｒが目標ノズル開度Ｓに一致するようフィードバック制御（好ましくはＰＩＤ制御）を行うのが好ましい。

フィードフォワード項Ｓｆｆは、目標ノズル開度Ｓのベースとなる値であり、現状のエンジン運転状態において概ね、目標ブースト圧を実現できるような値である。一方、実際のエンジン運転状態が絶えず変化する等の理由で、フィードフォワード項Ｓｆｆだけでは必ずしも目標ブースト圧を実現できない。よってフィードバック項Ｓｆｂを加算し、目標ブースト圧を実現できるよう、ノズル開度を緻密に制御している。

一方、本発明の着想に至る前の例（「比較例」という）では、タービン入口圧でなく、ノズル開度自身によって、ガード値が定められていた。これだと、ターボチャージャの経時劣化が生じた場合にノズル開度がガード値まで減少しても、ブースト圧が目標値に到達せず、タービン入口圧も過剰上昇しておらず、まだ余裕があることがあった。よって本実施形態では、タービン入口圧によってガード値を定め、ノズル開度を比較例のガード値よりも減少させ、タービン入口圧を許容限界まで上昇させられるようにし、実際のブースト圧が目標値に到達もしくはより近づくようにした。この点については後に詳述する。

さて、ステップＳ１０３においてタービン入口圧Ｐｅがガード値Ｇｅを超えている場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０４と同様にフィードフォワード項Ｓｆｆを算出する。そしてステップＳ１０９において、ＥＣＵ１００は、フィードバック項Ｓｆｂを、前回の演算周期にて算出した値のまま保持し、もしくはタービン入口圧Ｐｅがガード値Ｇｅを超える直前の値のまま保持する。つまり、フィードバック項Ｓｆｂの更なる演算を停止（＝フリーズ）させる。このようにフィードバック項Ｓｆｂをフリーズさせることにより、ブースト圧に基づくノズル開度のフィードバック制御は実質的に停止される。

次にステップＳ１１０において、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０６と同様の方法で目標ノズル開度Ｓを算出する。そしてステップＳ１０７でＥＣＵ１００は、実際のノズル開度Ｓｒを目標ノズル開度Ｓに一致させるよう、ノズルアクチュエータ２９を制御する。

なお、前記ステップＳ１０４およびステップＳ１０８におけるフィードフォワード項Ｓｆｆは、実際のエンジン回転速度ＮＥと目標燃料噴射量Ｑとに基づき算出したが、外気温、吸気温、水温、大気圧等による補正を行って、補正後の値を使用しても良い。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。

図５は、（Ａ）ノズル開度、（Ｂ）タービン入口圧、（Ｃ）フィードバック（Ｆ／Ｂ）項Ｓｆｂの算出有りと停止（フリーズ）、（Ｄ）フィードフォワード（Ｆ／Ｆ）項Ｓｆｆの算出の有無についての経時的変化の一例を示すタイムチャートである。（Ａ）のノズル開度は目標ノズル開度Ｓまたは実際のノズル開度Ｓｒである。（Ｂ）のタービン入口圧は実際のタービン入口圧Ｐｅである。（Ｃ）について、算出有りをオン、算出無しをフリーズとする。（Ｄ）について、算出有りをオン、算出無しをオフとする。実線ａは本実施形態の場合、破線ｂは比較例の場合を示す。

まず実線ａで示す本実施形態の場合、時刻ｔ２より前で、ノズル開度は徐々に減少され、タービン入口圧は徐々に増大しているが、タービン入口圧がガード値Ｇｅを超えていないので、Ｆ／Ｂ項とＦ／Ｆ項の算出は共にオンとされる。

時刻ｔ２でタービン入口圧がガード値Ｇｅを超え、これに伴ってＦ／Ｂ項の算出はフリーズされ、Ｆ／Ｂ制御は実質的に停止される。これによりノズル開度はＦ／Ｆ項と制限されたＦ／Ｂ項によって決まり、たとえ実際のブースト圧Ｐｉが目標ブースト圧Ｐｉｔより小さくてもこれによる更なるフィードバックはなされず、タービン入口圧はほぼガード値Ｇｅに保持され、ノズル開度はほぼＳ１なる値に保持される。

他方、破線ｂで示す比較例の場合だと、時刻ｔ２より前の時刻ｔ１で、ノズル開度が減少過程でガード値Ｇｓより小さくなり、Ｆ／Ｂ項の算出がフリーズされ、Ｆ／Ｂ制御が実質的に停止される。ノズル開度はガード値Ｇｓに制限ないし保持される。ノズル開度のガード値Ｇｓは、タービン入口圧のガード値Ｇｅと同様、エンジン運転状態（エンジン回転速度ＮＥと目標燃料噴射量Ｑ）に基づき所定のマップに従って設定される。

しかしながら時刻ｔ１で、タービン入口圧はまだガード値Ｇｅに達していない。タービン入口圧のガード値Ｇｅは、タービン入口圧の過剰上昇、ひいてはこれに伴うポンピングロス増大による燃費悪化、および過剰ＥＧＲによるスモーク悪化等の問題が生じないようなタービン入口圧の最大値、つまり許容限界に予め適合されている。

比較例において、ノズル開度のガード値Ｇｓは、適合段階（または開発段階もしくはエンジン仕様策定段階）では、ノズル開度がそのガード値Ｇｓに達したときにタービン入口圧がそのガード値Ｇｅに達するよう、適合されている。しかし、ターボチャージャの経時劣化によりターボチャージャの性能が低下すると、ノズル開度がガード値Ｇｓまで減少しても、タービン入口圧がガード値Ｇｅまで上昇せず（図示例はこうした場合を示す）、ターボチャージャの性能を十分に生かし切ることが困難である。

逆に言うと、ノズル開度がガード値Ｇｓに達した時点ｔ１で、タービン入口圧にはまだガード値Ｇｅまで余裕があり（ガード値Ｇｅより低く）、タービン入口圧をより上昇させることができる。従って、ノズル開度を比較例のガード値Ｇｓよりも小さくし、タービン入口圧を許容限界まで上昇させられるようにし、余裕分のタービン入口圧をブースト圧の上昇ひいては出力向上や燃費向上等のために有効利用できるようにすることが望ましい。

従って本実施形態では、ノズル開度ではなく、タービン入口圧についてガード値Ｇｅを設定し、タービン入口圧がガード値Ｇｅに達するまでノズル開度を減少させられるようにした。上記問題は、タービン入口圧の過剰上昇が主要因であり、タービン入口圧を基準としてノズル開度にガードを掛ける方が、合目的的であるし、ターボチャージャの制御性向上にも資する。それ故、本実施形態によれば、ターボチャージャの経時劣化が生じた場合でもタービン入口圧を許容限界まで上昇させ、制御性を向上することができる。また当然に、タービン入口圧の過剰上昇による上記問題の発生を回避できる。

なお、図５（Ａ）に仮想線ｃで示すように、比較例よりも小さいノズル開度のガード値Ｇｓ’を設けるのも好ましい。このノズル開度のガード値Ｇｓ’は、経時劣化したターボチャージャにおいてタービン入口圧がガード値Ｇｅに達しても、ノズル開度がガード値Ｇｓ’に達しないような値である。このノズル開度のガード値Ｇｓ’は、謂わば第２の安全策といえるものである。すなわち、例えばタービン入口圧の検出値と真値との誤差が所定値以上に大きくなる異常が発生した場合に、ノズル開度が過剰に減少し、タービン入口圧の真値がガード値Ｇｅを超えることを避けるためである。このガード値Ｇｓ’も、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度ＮＥと目標燃料噴射量Ｑ）に基づき所定のマップに従って設定することができる。

以上の説明で明らかなように、ＥＣＵ１００は本発明にいうノズル開度制御部、ガード値設定部および停止部をなす。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ エンジン
１４ ターボチャージャ
１４Ｔ タービン
２８ ノズル開度可変機構
２９ ノズルアクチュエータ
４７ ブースト圧センサ
４８ 圧力センサ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (2)

1. エンジンに設けられた可変容量型ターボチャージャの制御装置であって、
   タービン入口におけるノズル開度をブースト圧に基づいてフィードバック制御するノズル開度制御部であって、目標ブースト圧および実際のブースト圧の差分に基づくフィードバック項に基づいて、前記ノズル開度の目標値を算出するノズル開度制御部と、
   タービン入口圧のガード値を設定するガード値設定部と、
   圧力センサにより検出された実際のタービン入口圧が前記タービン入口圧のガード値を超えたとき、前記フィードバック項を、前記ガード値を超える直前の値のまま保持する停止部と、
   を備え、
   前記ガード値設定部は、エンジン運転状態に基づいて前記ノズル開度のガード値を設定し、
   前記ノズル開度のガード値は、前記ターボチャージャが経時劣化しており且つ前記圧力センサにより検出された実際のタービン入口圧とタービン入口圧の真値との誤差が所定値以上に大きくなる異常が発生した場合に、前記タービン入口圧の真値が前記タービン入口圧のガード値に達しても、前記実際のノズル開度が前記ノズル開度のガード値に達しないような値である
   ことを特徴とする可変容量型ターボチャージャの制御装置。
2. 前記ノズル開度制御部は、エンジン運転状態に基づくフィードフォワード項と、前記フィードバック項とに基づいて、前記ノズル開度の目標値を算出し、
   前記ガード値設定部は、エンジン運転状態に基づいて、前記タービン入口圧のガード値を設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の可変容量型ターボチャージャの制御装置。

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