JP5434142B2 - 可変ノズルターボ過給機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変ノズルを備えた容量可変型の可変ノズルターボ過給機の制御装置に関する。

エンジンの排気エネルギーにより駆動されて吸気の過給を行うターボ過給機として、可変ノズルを備えた容量可変型のものが知られている。特許文献１には、排気流量を表す吸入空気量と燃料噴射量とから排気エネルギーを求め、この排気エネルギーに基づいて過渡時の可変ノズルの目標開度を設定している。

特開２００６−２９９８２８号公報

しかしながら、実際に排気タービンが受けることとなる排気タービンの上流側の排気エネルギー、すなわちタービン入口エネルギーは、同じ排気流量であってもエンジン運転状態に応じて変化する。例えば、加速時や減速時のように機関負荷が変化する過渡時と機関負荷が変化しない定常時とでは、排気タービンの上流側の温度や圧力が異なるために、同じ排気流量であってもタービン入口エネルギーは異なるものとなる。従って、排気流量のみから排気タービンに供給される排気エネルギーを正確に予測することはできず、この排気エネルギーから可変ノズルの目標開度を設定しても、その設定精度が低いものとなる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明に係る可変ノズルターボ過給機は、エンジンの排気通路に設けられた排気タービンと、この排気タービンの入口側開口部に設けられ、ターボ過給機の容量を調整する可変ノズルと、開度目標値に応じて上記可変ノズルを駆動するアクチュエータと、を備えている。そして、本発明の制御装置は、排気流量と、上記排気タービンの上流側のタービン入口温度と、上記排気タービンの上流側のタービン入口圧力と、に基づいてタービン入口エネルギーを算出し、このタービン入口エネルギーに基づいて、上記開度目標値を設定することを特徴としている。

排気流量（質量流量）は、例えばエアフローメーターにより検出される吸気流量（質量流量）と燃料噴射量とを加算することにより求められる。タービン入口温度は、例えば排気タービンの上流側に設けられるタービン入口温度センサのセンサ出力値を利用し、好ましくは、この温度センサの応答遅れを補償するように、燃料噴射量の変化を考慮して求められる。タービン入口圧力は、例えば排気タービンの上流側に設けられるタービン入口圧力センサにより検出される。

本発明によれば、排気流量の他、排気タービンの上流側のタービン入口温度とタービン入口圧力とを考慮して、排気タービンに供給されるタービン入口エネルギーを正確に推定することができ、このタービン入口エネルギーに基づいて可変ノズルの開度目標値を精度良く設定することができる。

本発明の一実施例に係る可変ノズルターボ過給機の制御装置が適用されたディーゼルエンジンの全体的構成を示す構成説明図。す構成図。 ノズル開度目標値の制御マップを示す特性図。 タービン入口エネルギーの演算処理を示す演算ブロック図。 タービン入口温度の補正演算処理を示す演算ブロック図。 温度補正基本値の制御マップを示す特性図。 本実施例及び比較例のブースト圧の変化を示す説明図。 本実施例及び比較例のタービン入口圧力の変化を示す説明図。

以下、この発明の好ましい実施の形態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が適用されるディーゼルエンジン１の全体的構成を示している。排気を吸気通路３へ供給するように排気通路２と吸気通路３のコレクタ部３ａとを結ぶＥＧＲ通路４に、図外の圧力制御弁からの制御圧力に応動するダイヤフラム式のＥＧＲ弁６を備えている。上記ＥＧＲ弁６は、上記圧力制御弁を介してコントロールユニット５によって制御され、運転条件に応じた所定のＥＧＲ率（排気還流量／（吸入空気量＋排気還流量））を得るようになっている。たとえば、低速低負荷域ではＥＧＲ率が最大となり、回転速度、負荷が高くなるに従い、ＥＧＲ率が減少していく。上記吸気通路３の吸気ポート近傍には、吸入空気量（新気量）を調整する電制のスロットルバルブ９が設けられ、このスロットルバルブ９の開度はコントロールユニット５により制御される。

また、このディーゼルエンジン１は、コモンレール式の燃料噴射装置１０を備えている。このコモンレール式の燃料噴射装置１０においては、サプライポンプ１１により加圧された燃料が高圧燃料供給通路１２を介して蓄圧室（コモンレール）１３にいったん蓄えられたあと、この蓄圧室１３から各気筒の燃料噴射ノズル１４に分配され、各燃料噴射ノズル１４の開閉に応じてそれぞれ噴射される。上記蓄圧室１３内の燃料圧力は、図示せぬプレッシャレギュレータによって可変的に調整されるようになっており、蓄圧室１３には、燃料圧力を検出するために燃料圧力センサ１５が設けられている。

更に、このディーゼルエンジン１は、排気タービン２２とコンプレッサ２３とを同軸上に備えた可変ノズルターボ過給機２１を有している。上記排気タービン２２は、排気通路２のＥＧＲ通路４の分岐点つまり排気取入口４Ａよりも下流側に位置し、かつこの排気タービン２２の入口側開口部つまりスクロール入口に、ターボ過給機の容量を調整する可変ノズル２４を備えた容量可変型の構成となっている。すなわち、可変ノズル２４の開度を小さくした状態では、低速域のような排気流量の少ない条件に適した小容量の特性となり、可変ノズル２４の開度を大きくした状態では、高速域のような排気流量の多い条件に適した大容量の特性となる。上記可変ノズル２４は、制御圧力（制御負圧）に応動するダイヤフラム式のアクチュエータ２５によって駆動され、かつ上記制御圧力は、デューティ制御される圧力制御弁２６を介して生成される。

排気タービン２２の下流側の排気通路２には、排気ガスを浄化する触媒として、上流側より順に、酸化触媒２７と、排気中のＮＯｘを吸着及び脱離・浄化するＮＯｘ浄化触媒２８と、排気中の排気微粒子（ＰＭ）をトラップし、堆積したＰＭを燃焼などの方法により定期的に除去すなわち再生する排気後処理装置としての微粒子捕捉フィルタすなわちＤＰＦ２９と、が設けられている。

また、吸気通路３に介装された上記コンプレッサ２３の上流側には、吸入空気量つまり新気量を検出するエアフローメーター３１が配設され、さらにその上流に、エアクリーナ３２が位置している。上記コンプレッサ２３とコレクタ部３ａとの間には、過給された高温の空気を冷却するインタークーラ３３が設けられている。

上記の圧力制御弁２６などを制御するコントロールユニット５には、上述のエアフローメーター３１の検出信号のほかに、過給圧を検出する過給圧センサ４１、冷却水温を検出する水温センサ４２、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ４３、吸気温度を検出する吸気温度センサ４４、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ４５、排気通路２における排気タービン２２の上流側に設けられ、タービン入口圧力ＲＰＴＩＮを検出するタービン入口圧力センサ４６、排気通路２における排気タービン２２の上流側に設けられ、タービン上流温度に対応するセンサ出力値ＲＴＴＩＮを出力するタービン入口温度センサ５２、排気通路２における酸化触媒２７の上流側の酸素濃度を検出する第１酸素センサ４７、排気通路２におけるＮＯｘ浄化触媒２８とＤＰＦ２９との間の酸素温度を検出する第２酸素センサ４８、ＤＰＦ２９の入口温度を検出する入口温度センサ４９、ＤＰＦ２９の出口温度を検出する出口温度センサ５０、ＤＰＦ２９の前後の差圧を検出するＤＰＦ差圧センサ５１などのセンサ類の検出信号が入力されている。

なお、タービン入口圧力センサ４６やタービン入口温度センサ５２は、ＥＧＲ通路４の排気取出口４Ａの近傍に配置されており、これらのセンサ信号は、後述するタービン入口エネルギーの演算の他、実際のＥＧＲ率の検出・推定にも用いられる。

そして本実施例では、排気タービン２２に供給される排気エネルギーである、排気タービン２２の上流側のタービン入口エネルギーＥＮ＿ＴＩＮを算出し、このタービン入口エネルギーＥＮ＿ＴＩＮとＥＧＲ率とに基づいて、可変ノズル２４の開度目標値を設定している。この開度目標値となるノズル開度が得られるように、可変ノズル２４のアクチュエータ２５が駆動される。図２に示すように、ノズル開度目標値は、基本的にはタービン入口エネルギーが高くなるほど開き側とされ、ＥＧＲ率が大きくなるほど閉じ側とされる。なお、実際にアクチュエータ２５へ出力される信号は、制御圧力（負圧）を生成する圧力制御弁２６を駆動するパルス信号のＯＮデューティ比の形で与えられ、これに対応した圧力信号つまり制御圧力がアクチュエータ２５へ出力されることになる。

ここで、タービン入口エネルギーＥＮ＿ＴＩＮは、下式（１）で表される。
ＥＮ＿ＴＩＮ＝ＣＰ×ＥＱＨ＿ＥＸＨ×ＥＴＴＩＮ＋１／２ｕ²×ＥＱＨ＿ＥＸＨ…（１）
『ＣＰ』は定圧比熱、『ＥＴＴＩＮ』はタービン入口温度、『ｕ』は排気タービン２２の上流側の流速である。『ＥＱＨ＿ＥＸＨ』は排気流量（質量流量）であり、エアフローメーター３１により検出される吸気流量（質量流量）と燃料噴射量とを加算して求められる。

排気タービン２２の上流側に設けられる温度センサ５２と圧力センサ４６のうち、一般的に、温度センサは過渡時の応答性が低く、その検出精度が低いのに対し、圧力センサ４６は過渡時の応答性に優れ、検出精度が高い。そこで、タービン入口エネルギーＥＮ＿ＴＩＮの推定精度を向上させるために、上記の式（１）を下式（２）に変形し、圧力センサ４６により検出されるタービン入口圧力ＲＰＴＩＮを敢えて用いるものとした。また、排気タービン２２の入口部分の流速は遅いので、上記『１／２ｕ²』は非常に小さな値となり、推定精度への影響は小さいので省略している。

ＥＮ＿ＴＩＮ＝ＣＶ×ＥＱＨ＿ＥＸＨ×ＥＴＴＩＮ＋ＲＰＴＩＮ×Ｖ …（２）
『ＣＶ』は定容比熱であり、エンジン固有の固定値である。『Ｖ』はシリンダの体積流量であり、シリンダ体積ＫＶＣＥとエンジン回転速度ＮＥとを乗算することで求められる。右辺の『ＣＶ×ＥＱＨ＿ＥＸＨ×ＥＴＴＩＮ』が温度エネルギーに相当し、『ＲＰＴＩＮ×Ｖ』が圧力エネルギーに相当する。

図３は、このようなタービン入口エネルギーＥＮ＿ＴＩＮの具体的な演算内容を示す演算ブロック図である。同図に示すように、実際には、ブロックＢ１において排気温度ＥＴＴＩＮを絶対温度に換算した上で、ブロックＢ２において単位換算係数ＫＣＯＮＪを用いて温度エネルギーの単位を換算し、また、ブロックＢ３において単位換算係数ＫＣＯＮＭを用いて圧力エネルギーのエンジン回転速度の単位を換算している。

図４は、タービン入口温度センサ５２の応答遅れを補償する演算処理を示す演算ブロック図である。加速時や減速時等の過渡時には、主として機関負荷の変化に伴う燃料噴射量の変化により実際のタービン入口温度が変動する。このような温度変動に対する温度センサ５２の応答遅れを補償するように、タービン入口温度センサ５２のセンサ出力値ＲＴＴＩＮを補正してタービン入口温度ＥＴＴＩＮを求めている。

具体的には、先ず噴射時期の異なるメイン噴射とアフター噴射とポスト噴射の３つに分けて、それぞれ温度補正基本値を算出する。これは、個々の噴射によって、燃料噴射量のうちでトルクに寄与する割合（すなわち、筒内で燃焼して機関出力トルクとして取り出される割合）と、トルクに寄与しない割合とが異なり、また、トルクに寄与しない燃料噴射量のうちで、排気タービン２２の上流側または排気タービン２２内で燃焼することでタービン入口エネルギー、つまりタービン入口温度の上昇に寄与する割合も異なるためである。

出力を得るためのメイン噴射よりも後に噴射されるアフター噴射は、筒内に残存する燃え残りの燃料を燃やし、未燃燃料の排出を抑制するためのものであり、メイン噴射よりもトルクに寄与する燃料の割合は小さく、タービン入口温度の上昇に寄与する割合が相対的に高くなる。このアフター噴射よりも後に噴射されるポスト噴射は、筒内で燃やすことが目的ではなく、燃料を排気通路へ送り、主として触媒でのすすの燃焼や触媒昇温を目的とするものであり、アフター噴射よりも更にトルクに寄与する燃料の割合は小さく、タービン入口温度の上昇に寄与する割合が高くなる。

個々の噴射について同様の処理が行われるが、メイン噴射を例にとって説明すると、ブロックＢ１１では、今回の燃料噴射量ＱＦＩＮと一演算前（例えば１０ｍｓ前）の燃料噴射量１／Ｚとの差により燃料噴射量の変化量（変化率・変化速度）Ｄ＿ＱＦＩＮを求め、この燃料変化量Ｄ＿ＱＦＩＮとエンジン回転速度ＮＥとに基づいて、予め設定された図５の温度補正基本値の制御マップである過渡時燃料噴射量排温換算マップＭ＿ＫＴＩＮ＿ＤＱＦをルックアップし、タービン入口温度の変化分に換算した温度補正基本値ＫＴＩＮ＿ＤＱＦを算出する。図５に示すように、例えば加速時などで燃料変化量Ｄ＿ＱＦＩＮが高くなると、温度補正基本値ＫＴＩＮ＿ＤＱＦが大きくなり、タービン入口温度が高温側へ補正されることとなる。

アフター噴射やポスト噴射についても同様に、ブロックＢ１２，Ｂ１３において燃料変化量Ｄ＿ＱＡＦＴＥＲＥＤ，Ｄ＿ＱＰＯＳＴＥＤをそれぞれ求め、これとエンジン回転速度ＮＥとにより過渡時アフター（ポスト）噴射量排温換算マップＭ＿ＫＴＩＮ＿ＤＱＡ，Ｍ＿ＫＴＩＮ＿ＤＱＰを参照して温度補正基本値ＫＴＩＮ＿ＤＱＡ，ＫＴＩＮ＿ＤＱＰを算出する。

ここで、上述したように個々の噴射で、燃料噴射量のうちでトルクに寄与せずタービン入口温度の上昇に寄与する割合が異なることから、排温換算マップは個々の噴射毎に予め適合された別々のものとなっている。

ブロックＢ１４では、大気圧ＰＡＴＭとタービン入口圧力ＲＰＴＩＮとに基づいて排温圧力補正係数Ｋ＿ＴＢＭＰＰを算出する。ブロックＢ１５では、上記３つの噴射時期での温度補正基本値ＫＴＩＮ＿ＤＱＦ，ＫＴＩＮ＿ＤＱＡ，ＫＴＩＮ＿ＤＱＰを加算する。ブロックＢ１６では、この加算値と上記の排温圧力補正係数Ｋ＿ＴＢＭＰＰとを乗算する。つまり、大気圧ＰＡＴＭとタービン入口圧力ＲＰＴＩＮとにより温度補正基本値を補正する。ブロックＢ１７では、この乗算値に対し、温度センサ応答時定数ＫＴＩＮ＿Ｔを用いてなまし処理（進み補正処理）を行い、最終的な温度補正値ＫＴＩＮを算出する。ブロックＢ１８では、この温度補正値ＫＴＩＮをタービン入口温度センサの出力値ＲＴＴＩＮに加算して、最終的なタービン入口温度ＥＴＴＩＮを求める。

上記の温度センサ応答時定数ＫＴＩＮ＿Ｔは、温度センサ５２の熱容量を考慮して、排気流量ＥＱＨ＿ＥＸＨ（又は排気温度）とエンジン回転速度ＮＥに基づいて時定数マップＭ＿ＫＴＩＮ＿Ｔから求められる。ブロックＢ１７でのなまし処理では、例えば、前回の温度補正値に対して、温度センサ応答時定数を乗算することで、時間経過と共に温度補正値ＫＴＩＮを小さくする処理が行われる。

このように本実施例では、噴射時期の異なるメイン噴射，アフター噴射及びポスト噴射のそれぞれで、噴射した燃料のうちでタービン入口温度の上昇に寄与する割合が異なることから、それぞれの噴射時期に分けて温度補正基本値を個別に算出することで、各燃料噴射によるタービン入口温度への影響を精度良く見積もることができ、補正精度を向上することができる。

このように、過渡時における温度センサの応答遅れを補償する形でタービン入口エネルギーを求めているために、定常時や過渡時などの機関運転状態にかかわらず、精度良くタービン入口エネルギーを算出することができる。従って、このタービン入口エネルギーとＥＧＲ率とに基づいてノズル開度目標値を設定し、可変ノズル２４のノズル開度をフィードフォワード制御することで、燃料噴射量や排気流量などの機関運転状態に応じたノズル開度の補正制御やフィードバック制御を省略することも可能で、補正に対する適合工数などを大幅に削減し、制御ロジックを簡素化することができる。

図６及び図７を参照して、特性Ａは、タービン入口エネルギーを利用してノズル開度目標値を設定し、ノズル開度の補正制御やフィードバック制御を省略した本実施例の特性を示しており、特性Ｂは、排気流量に基づいてノズル開度目標値を設定し、かつ、ノズル開度の補正制御やフィードバック制御を行った比較例の特性を示しており、特性Ｃが目標となる特性を示している。同図に示すように、本実施例では、ノズル開度の補正制御やフィードバック制御を省略しているにもかかわらず、比較例に比してブースト圧やタービン入口圧力（Ｐｔｉｎ）が素早く立ち上がり、目標の特性Ｃに近い特性が得られることが確認された。

なお、上記実施例では、タービン入口温度の上昇に寄与する温度補正基本値を、燃料噴射量の変化量とエンジン回転速度から求めているが、これに限らず、タービン入口圧力や排気空燃比等も考慮して算出するようにしても良い。また、温度センサを用いることなく、エンジン回転速度、燃料噴射量、吸気空燃比及び吸気温度などからタービン入口温度を推定するようにしても良い。

更に、過給圧に基づく可変ノズルのノズル開度のフィードバック補正制御を併用する場合、上記のタービン入口エネルギーが所定値を超えた場合、フィードバック補正制御を禁止し、タービン入口エネルギーとＥＧＲ率とに基づいて設定されたノズル開度目標値へ向けたフィードフォワード制御に切り換えるようにしても良い。

１…ディーゼルエンジン
２…排気通路
５…コントロールユニット
２１…可変ノズルターボ過給機
２２…排気タービン
２４…可変ノズル
２５…アクチュエータ
２６…圧力制御弁
４６…タービン入口圧力センサ
５２…タービン入口温度センサ（温度検出手段）

Claims (7)

1. エンジンの排気通路に設けられた排気タービンと、この排気タービンの入口側開口部に設けられ、ターボ過給機の容量を調整する可変ノズルと、開度目標値に応じて上記可変ノズルを駆動するアクチュエータと、を備えた可変ノズルターボ過給機の制御装置において、
   上記排気タービンの上流側に設けられ、タービン入口温度を検出するタービン入口温度センサと、
   上記排気タービンの上流側のタービン入口圧力を検出するタービン入口圧力センサと、
   排気流量と、上記排気タービンの上流側のタービン入口温度と、上記排気タービンの上流側のタービン入口圧力と、に基づいてタービン入口エネルギーを算出するタービン入口エネルギー算出手段と、
   このタービン入口エネルギーに基づいて、上記開度目標値を設定する開度目標値設定手段と、
   少なくとも燃料噴射量の変化量に基づいて、上記タービン入口温度センサのセンサ出力値を補正して、上記タービン入口温度を算出する温度補正手段と、
   を有し、
   上記タービン入口エネルギー算出手段は、上記排気流量と上記タービン入口温度とに基づいて求められる温度エネルギーと、上記タービン入口圧力に基づいて求められる圧力エネルギーと、を加算して上記タービン入口エネルギーを算出する、
   ことを特徴とする可変ノズルターボ過給機の制御装置。
2. エンジンの排気通路に設けられた排気タービンと、この排気タービンの入口側開口部に設けられ、ターボ過給機の容量を調整する可変ノズルと、開度目標値に応じて上記可変ノズルを駆動するアクチュエータと、を備えた可変ノズルターボ過給機の制御装置において、
   排気流量と、上記排気タービンの上流側のタービン入口温度と、上記排気タービンの上流側のタービン入口圧力と、に基づいてタービン入口エネルギーを算出するタービン入口エネルギー算出手段と、
   このタービン入口エネルギーに基づいて、上記開度目標値を設定する開度目標値設定手段と、
   上記排気タービンの上流側に設けられたタービン入口温度センサと、
   少なくとも燃料噴射量の変化量に基づいて、上記タービン入口温度センサのセンサ出力値を補正して、上記タービン入口温度を算出する温度補正手段と、
   を有することを特徴とする可変ノズルターボ過給機の制御装置。
3. 上記温度補正手段は、噴射時期の異なる燃料噴射毎に、その燃料噴射量の変化量とエンジン回転速度とに基づいて温度補正基本値を算出し、これらの温度補正基本値に基づいて上記センサ出力値を補正して、上記タービン入口温度を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の可変ノズルターボ過給機の制御装置。
4. 上記温度補正手段は、所定の応答時定数を用いて、時間経過とともに上記温度補正値が小さくなるようになまし処理を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の可変ノズルターボ過給機の制御装置。
5. 上記タービン入口エネルギーをＥＮ＿ＴＩＮ、
   定容比熱をＣＶ、
   上記排気流量をＥＱＨ＿ＥＸＨ、
   上記タービン入口温度をＥＴＴＩＮ、
   上記タービン入口圧力をＲＰＴＩＮ、
   シリンダの体積流量をＶとすると、
   上記タービン入口エネルギー算出手段は、
   ＥＮ＿ＴＩＮ＝ＣＶ×ＥＱＨ＿ＥＸＨ×ＥＴＴＩＮ＋ＲＰＴＩＮ×Ｖ
   上式によりタービン入口エネルギーを算出することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の可変ノズルターボ過給機の制御装置。
6. 上記温度補正手段は、メイン噴射量の変化による補正よりもポスト噴射量の変化による補正の方が上記タービン入口温度センサのセンサ出力値を大きく補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の可変のノズルターボ過給機の制御装置。
7. 排気を吸気通路へ還流するＥＧＲ通路に、ＥＧＲ率を調整可能なＥＧＲ弁が設けられ、
   上記開度目標値設定手段は、上記タービン入口エネルギーとＥＧＲ率とに基づいて、上記開度目標値を設定することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の可変ノズルターボ過給機の制御装置。

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