JPS6056128A - 可変容量タ−ボチヤ−ジヤの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、可変容量ターボチャージャの制御装置に関す
る。

（従来技術） 一般に、ターボチャージャ付エンジンの過給圧は排気を
バイパスさせてタービンへ流入する流量を減少させる排
気バイパス機構により制御されており、タービンの入口
圧はタービンの容量によって一義的に決定される。した
がって、小流量タービンを使用すると、低速でのトルク
は向上するが高速でのトルクが低下し、大流量タービン
を使用すると、高速でのｌ・ルクは向上するが中低速で
のトルクが低下する。そこで、エンジンの運転状態に応
じてタービンの容量を可変とし、低速域から高速域まで
トルクを増大させることができる可変容量ターボチャー
ジャが従来より提案されている。

従来の可変容量ターボチャージャおよびその制御装置と
しては、例えば実開昭５３−５０３１０号公報に記載さ
れたものが知られており、第１．２図のように示される
。第１図において、１はスクロール２を画成するタービ
ンハウジングであり、このタービンハウジング１のスク
ロール入口部２Ａにはその通路面積を可変とする容量可
変手段３が設けられている。容量可変手段３は、ハウジ
ング１内周壁のスクロール入口部２Ａ付近に延在する可
動部材４と、該可動部ＪＡ４とロッド５により連結され
可動部材４を移動させてスクロール入口部２Ａの通路面
積を変化させるアクチュエータ６と、を有しており、第
２図に示すように増幅器７を介して入力される関数発生
器８からの信号に基づいてアクチュエータ６がロッド５
をその軸方向に移動して可動部材４を移動させてタービ
ン容量を変化させている。関数発生器８には、アクセル
レバ−９の位置を傑出するポテンショメータ１０からの
信号と、エンジン回転数検出手段１１が検出したエンジ
ンの回転数を電圧に変換するＦ／Ｖ変換器１２からの信
号と、が入力されており、関数発生８はエンジン回転数
Ｎｅと、アクセルレバ−の位置（すなわち、アクセルレ
バ−によりＲ，、Ｒ２、Ｒ３と操作されるアクセルラッ
クの位置）Ｒにより、スクロール入口部２Ａの通路の開
度が第３図に示すような関係になるように、信号を増幅
器７を介してアクチュエータ６に出方する。このスクロ
ール入口部２Ａの開度Ｙは次式で与えられる。

Ｙ＝に、Ｒ＋に、、Ｎｅ＋に３ ただし、ｋ１％に２、ｋ’ｌは定数 Ｒはアクセルランク位置 そして、このスクロール入口部２人の開度Ｙには、エン
ジン保護上等のため上限（すなわち最大開度）ＯＬと下
限（すなわち最小開度）ＣＬが設けられており、スクロ
ール入口部２人の開度Ｙはこの上限ＯＬと下限ＣＬの範
囲で変化する。

例えば、第４図中Ａ点でエンジン回転が安定シていると
き、加速するために、アクセルレバ−９を操作してアク
セルランク位置をＲ２にすると、アクセルレバ−９を操
作した瞬間はエンジン回転数Ｎｅは同じであるからスク
ロール入口部２Ａの開度Ｙは全閉点Ｂ′にまで閉合しよ
うとするが、開度Ｙに下限ＣＬが設けられているため、
下限ＣＬであるＢ点に移る。その後、エンジン回転数Ｎ
ｅの上昇に伴ってスクロール入口部２Ａの開度ＹはＢ点
から０点に移り、さらにアクセルラック位置Ｒ７の線に
沿って移動して徐々に開いていく。したがって、固定通
路面積のターボチャージャに比して加速時多くの吸気を
得ることができ、良好な燃焼を行なわせることができる
。

しかしながら、このような従来の可変容量ターボチャー
ジャの制御装置にあっては、エンジン回転数とアクセル
ラック位置により一義的にスクロール入口部の開度が決
定される構成となっていたため、同一回転数、同一アク
セル開度であっても吸気温度、大気圧、燃料のオクタン
価（アンチノック性の程度を表示するもの）等の変化あ
るいは個々のエンジンが有する特性の相違等により吸気
流量が変わり、過給圧が変化する。したがって、エンジ
ンの運転状態に対応した最適な過給圧を得ることができ
ない。その結果、特に部分負荷での燃料やアクセル全開
時の出力も最適に保つことができないという問題点があ
った。すなわち、上述のような現象は部分負荷域におい
ては、燃焼状態を最善にする空気流量が得られず燃料の
悪化を招く。また、短時間に多量の空気流量を必要とす
る加速時においても、やはりノッキング等の防止のため
通常過給圧を低めに設定せざるを得すエンジン出力の低
下を招く。

（発明の目的） そこで本発明は、タービンへの排気導入通路の通路面積
を回転数と負荷に基づいて制御し、かつエンジンにノン
キングが発生しない限界まで導入通路の通路面積を狭め
ることにより、ノッキングの発生を防止しつつ、エンジ
ンの運転状態に対応して過給圧を高め、部分負荷域での
燃費や加速性能を向上させることを目的としている。

（発明の構成） 本発明の可変容量クー、ボチャージャの制御装置は、第
５図にその全体構成図を示すように、エンジンの回転数
を検出する回転数検出手段３２と、エンジンの負荷状態
を検出するエンジン負荷検出手段２４と、エンジンのノ
ッキングを検出するノック検出手段３３と、タービンホ
イール３８に作用する排気の導入通路の通路面積を容量
可変手段３６により変化させることによりコンプレッサ
ホイール２６により過給される吸気の過給圧を可変とす
る可変容量ターボチャージャ２５と、回転数および負荷
に基づいて容量可変手段３６を制御する基本制御値を設
定するとともに、該基本制御値をノック検出手段３３の
出力に応じて補正し過給圧がエンジンに最適なものとな
るように容量可変手段３６を制御する制御手段と、を備
えたものとすることにより、ノッキングの発生を防止し
つつ、エンジンの運転状態に対応して過給圧を高めるも
のである。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第６〜８は本発明の一実施例を示す図である。

まず、構成を説明すると、第６図において、２１はエン
ジン本体であり、エンジン本体２１には吸気管２２およ
び吸気マニホルド２３を通して吸気が導入される。吸気
管２２には、エアフロメータＵ、ターボチャージャ部の
コンプレッサホイール室２６、絞り弁２７および逃し弁
２８が設けられており、吸気はエアフロメータ２４によ
り流量が測定され、測定された流量Ｑ＾はコントロール
ユニット２９に入力される。また、吸気はコンプレッサ
ホイール室２６に収納されたコンプレッサホイール３０
により加圧され、絞り弁２７で流量規制された後、吸気
マニホルド２３によりエンジン本体２１の各気筒に分配
供給される。絞り弁２７はスロットル開度センサ３１に
より検出され、コントロールユニット２９に入力される
。また、エンジンの回転数Ｎｅはクランク角センサ（回
転数検出手段）３２により検出され、コントロールユニ
ット２９に入力される。さらに、エンジン本体２１には
ノックセンサ（ノック検出手段）３３が取り付けられて
おり、このノックセンサ３３によりエンジン本体２１に
発生するノンキングが検出され、ノック信号ＳＦＪとし
てコントロールユニット２９に入力される。そして、エ
ンジンからの排気は排気マニ牙ルド３４で集合されて排
気管３５を通して排出され、排気管３５には容量可変手
段３６およびターボチャージャ５のタービンホイール室
３７が設けられている。タービンホイール室３７内には
前記コンプレッサホイール３０に連結されたタービンホ
イール３８が収納されており、このタービンホイール３
８に作用する排気の流速は容量可変手段３６により変え
ることができる。すなわち、タービンホイール室３７は
、第７図に示すように、タービンホイール３８（第６図
参照）を取り囲むように形成されたスクロール３９を有
しており、スクロール３９はその面積が導入通路４０か
ら下流（図中矢印方向）に向かうに従って徐々に小さく
なっている。このスクロール３９への導入通路４０とス
クロール３９の終端部４１との合流部には可動舌部４２
が設けられており、可動舌部４２は軸４３を中心として
導入通路４０を拡縮する方向に揺動する。この軸４３は
第６図に示すロッド４４にアーム４５を介して連結され
ており、ロッド４４は負圧アクチュエータ４６のダイヤ
フラム４７に連結されている。負圧アクチュエータ４６
はダイヤフラム４７によりそのケース４８内が負圧室４
９と大気室５０に区画されており、負圧室４９内にはダ
イヤフラム４７を大気室５０側に付勢するスプリング５
１が縮設されている。また、負圧室４９は負圧通路５２
により負圧タンク５３と連通しており、負圧タンク５３
の負圧は負圧ポンプ５４により供給される。負圧ポンプ
５４は、その作動が負圧タンク５３に取り付けられた負
圧スイッチ５５により制御されており、負圧スイッチ５
５は負圧タンク５３の負圧が所定負圧よりも低い圧力に
なると、その接点をＯＦＦとして負圧タンク５３の負圧
を常に所定負圧に維持する。そして、負圧通路５２は電
磁弁５６を介して大気に開放されており、電磁弁５６は
コントロールユニット２９によりデユーティ制御される
。すなわち、負圧アクチュエータ４６の負圧室４９に導
入される負圧は電磁弁５６のデユーティ比を変えること
により変化し、デユーティ比が大きくなって負圧室４９
の負圧が弱まると、ダイヤフラム４７は大気室５０に移
動する。このダイヤフラム４７の移動によりロッド４４
、アーム４５および軸４３が移動し、可動舌部４２は導
入通路４０を小さ′、するように揺動する。上記可動舌
部４２、軸４３、アーム４５、ロッド４４、負圧弁４６
、負圧通路５２、負圧タンク５３、負圧ポンプ５４、負
圧スイッチ５５および電磁弁５６は全体としてタービン
ホイール３８に作用する排気の導入通路４０の通路面積
を変化させる容量可変手段３６を構成する。容量可変手
段としては、他にステップモータ等を利用したものであ
ってもよい。

コントロールユニット２９は、主にマイクロプロセッサ
と、メモリと、インタフェースと、からなるマイクロコ
ンピュータで構成されており、コントロールユニット四
のインタフェースには、前記エアフロメータ２４、スロ
ットル開度センサ３１、クランク角センサ３２およびノ
ックセンサ３３からの各信号が入力されている。これら
の信号のうちアナログ信号にあっては、Ａ／Ｄ変換器を
介してデジタル信号として入力されている。メモリには
マイクロプロセッサを制御するプログラムやマイクロプ
ロセッサが実行する演算に必要な各種データが格納され
ているとともに、メモリは外部から取り込んだデータの
一時記憶を行う。マイクロプロセッサは上記プログラム
に従って燃料噴射量、噴射時期および点火時期等を演算
して運転状態に適切な噴射信号Ｓ１、点火信号Ｓｐを出
力するとともに前記電磁弁５６のデユーティ値を演算し
てインタフェースより制御信号Ｓｃを出力している。

次に、第８図に示すフローチャートに基づいて作用を説
明する。なお、図中Ｐ、〜Ｐ１１．ばフローチャートの
各ステップを示す。

本発明の制御演算は、例えば１回転に１度または定時間
に１度実行される。プログラムがスタートすると、まず
Ｐ、でエンジン回転数Ｎｅと吸気流ＩＱＡが入力され、
Ｐ２で前回のデユーティ値Ｄｐを読み出す。さらに、Ｐ
３でノック信号Ｓ１が入力される。次いで、Ｐ−でスロ
ットル開度から加速状態であるか否かを判別（スロット
ル開度の時間に対する変化率から加速を判別）し、加速
状態にないときにはＰ、でエンジン回転数Ｎｅとエンジ
ン負荷を表示する単位回転数当りの吸気流１ｔＱＡ／Ｎ
ｅとの関係においてあらかじめメモリに入力されている
テーブルマツプよりデユーティ値をルックアップして基
本デユーティ値ＤＨとする。そして、Ｐ９でエンジンに
ノッキングが発生しているか否かを判別し、ノンキング
が発生しているときにはＰ７で前回の補正値Ｄｐから所
定量ＤＯだけ減少させた値を新たな補正値Ｈ１とし、次
いでＰ？　′でテーブルルックアップで得た基本デユー
ティ値ＤＭから、この新補正値Ｈ１を減じたデユーティ
値を基本デユーティ値ＤＭ（ＤＭ＝Ｄｘ−Ｈｉ）とする
。一方ノッキングが発生していないときには、Ｐ、で前
回の補正値Ｄｐから所定量Ｄ’ｏだけ増加させた値を新
たな補正値Ｈｉとし次いでＰ８′でテーブルルックアッ
プで得た基本デユーティ値Ｄｓに、この新補正値Ｈ１を
加えたデユーティ値を基本デユーティ値り邑　（ＤＭ　
＝Ｄｒ−ｔ　＋Ｈｆ）とする。次いで、Ｐ、においてノ
ンキング発生の有無に応じて補正した基本デユーティ値
ＤＭが上限値Ｄｕと下限値ＤＬ間にあるか否かを判別す
る。Ｄｕ≧ＤＭ≧ＤＬのときには、Ｐゎで基本デユーテ
ィ値り一を制御デユーティ値Ｄｃとするとともにメモリ
に記憶させ、ｐｕでインタフェースを介して電磁弁５６
に制御デユーティ値Ｄｃの信号Ｓｃを出力する。また、
Ｐ９においてＤＮ＞ＤＩＪのときには、ＰＩ３で基本デ
ユーティ値り一として上■値Ｄｕを設定し、Ｐ工てこの
上限値Ｄｕである基本デユーティ値ＤＭを制御デユーテ
ィ値ＤＣとすとともにメモリに記憶さゼ、さらに、ｌ〕
７′で新たな補正値Ｈｉを補正値Ｉ）ｐとしてメモリに
記憶させ、Ｐ　１．１で制御デユーティ値（Ｄｃ＝Ｄｕ
）の信号Ｓｃをインタフェースを介して電磁弁５６に出
力する。さらに、Ｐ、においてＩ）Ｍ＜ＤＬのときには
、Ｐ、うで基本デユーティ値Ｄ＋として下限値Ｉ）Ｌを
設定し、同様にＰ。

で下限値りしである基本デユーティ値ＤＭを制御デユー
ティ値ＤＣとするとともにメモリに記憶させ、Ｐｌｌで
制御デユーティ値ＤＣ＝ＤＬの信号Ｓ　ｃ、をインタフ
ェースを介して電磁弁５６に出力する。この上限値Ｄｕ
および下限値りしはプログラムの暴走防止、ノズルから
のプログラムの保護および電磁弁５６の保護等のために
設けられている。例えば、電磁弁５６は一定周期で作動
させるため、上限側においては最大２０　Ｈｚで約５１
２　ｍ　ｓ毎に作動することとなるが、このときＯＮデ
ユーティが１００％を越えた数値になると、次サイクル
へ流れ込むことになり、作動不良および電磁弁５６の故
障の原因となる。したがって、上限値Ｄｕを設けてこの
不具合を防止している。さて、上記のように電磁弁５６
に信号Ｓｃが入力されると、電磁弁５６がこの信号ＳＣ
に対応する制御デユーティ値ＤＣでデユーティ制御され
る。これにより、容量可変手段３６が作動して導入通路
４０の通路面積をノッキングが発生する直前の過給圧と
なるように制御する。

このように、加速状態にないときには、プログラムや電
磁弁間の安全、保護を図りつつ、エンジン回転数Ｎｅと
単位回転当りの吸気流量ＱＡ／Ｎｅに基づいて基本デユ
ーティ値ＤＭを演算するとともに、該基本デユーティ値
ＤＭをノッキング発生の有無に応じて補正し、過給圧を
ノッキングが発生する直前の値となるように常に制御す
る。したがって、第９図に示すように同一回転数である
にも拘わらず、例えば吸気温度、大気圧、燃料のオクタ
ン価等の変化あるいは個々のエンジン特性の相違等によ
り吸気流ＪｉＱｘが変わることを考慮して点火時期が遅
角側に制御されているような場合（特に、部分負荷域の
場合）、従来の過給圧Ｅ（第９図中一点鎖線）に比して
本実施例では同一点火時期Ｔｃでありながら、図中実線
Ｆで示すようにノッキング発生直前の値まで過給圧を高
めることができる。

その結果、燃焼効率が高まり特に部分負荷域での燃費を
大幅に向上させることができるとともに、トルクを増大
させエンジン出力を向上させることができる。

一方、ステップＰ−４において、加速状態にあるときに
は、ＰＩ３で上限値Ｄｕを基本デユーティ値ＤＩ／ｌと
して設定するとともに、Ｐ＋ｓでエンジンにノッキング
が発生しているか否かを判別する。ノッキングが発生し
ていないときには、上限値ＤｕがステップＰ、を経て制
御デユーティ値ＤＣとしてＰゎでメモリに記憶され、ｐ
ｕでインタフェースを介して電磁弁５６に出力されて再
びフローが流れる。しかし、ノ・ノキングが発生してい
るときには、Ｐｌｂで上限値［）ｕから所定量ＤＡだけ
減少させたデユーティ値が基本デユーティ値ＤＭとして
設定され、Ｐ９を経て制御デユーティ値ＤｃとしてＰ、
、でメモリに記憶されＰｌｌでインタフェースを介して
電磁弁５６に出力される。すなわち、加速状態にあると
きには、デユーティ値を上限値Ｄｕまで上げて導入通路
４０の通路面積を最小に絞り、排気のタービンホイール
３８への作用を最大限に大きくする。

その結果、十分な過給圧が得られ、加速時の出力を増大
させることができる。一方、過給圧を上げると吸気温度
の上昇も早く加速時の出力は増大するが、ノンキングが
発生するという不具合が生ずる。しかし２本実施例にあ
っては、エンジンのノッキングを検出し、ノンキングが
発生すると、デユーティ値を下げて導入通銘４０を少し
拡げることにより、ノンキング発生の限界まで過給圧を
低下させている。このように−１加速時においては、ノ
ッキング発生の限界まで瞬時に過給圧を高めることがで
きるため、ノッキングの発生を防止しつつ加速性能を向
上させることができる。

（効果） 本発明によれば、タービンホイールに作用する排気の導
入通路の通路面積をエンジンの運転状態に応じてノッキ
ング発生の限界まで狭めることにより、ノンキングの発
生を防止しつつ、エンジンの運転状態に対応して過給圧
を高めることができ、燃焼効率を高めることができる。

その結果、部分負荷域での燃費を大幅に向上させること
ができるとともに、加速性能を向上させることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は従来の可変容量ターボチャージャの制御装
置を示す図であり、第１図はそのターボチャージャの断
面図、第２図はそのアクチュエータの制御回路を示すブ
ロック図、第３図はスクロール入口部開度とエンジン回
転数の関係を示す特性図、第４図はその作用説明図、第
５図は本発明の可変容量ターボチャージャの制御装置の
全体構成図、第６〜８図は本発明の可変容量ターボチャ
ージャの制御装置の一実施例を示す図であり、第６図は
その全体概略図、第７図はその可変容量ターボチャージ
ャの断面図、第８図はそのコントロールユニットの制御
のフローチャート１、第９図はその過給圧を点火時期と
トルクとの関係において示す特性図である。 ２１−−−−一エンジン本体、 ２４・−−−一エアフロメータ（エンジン負荷検出手段
）、 ２５・−−−−一ターボチャージャ、 ３０−−−一−−コンプレッサホイール、３２−−−−
−−クランク角センサ（回転数検出手段）、３３−−−
−−・ノックセンサ（ノック検出手段）、３６−−−一
容量可変手段、 ３Ｂ−・−タービンホイール、 ４０−・−導入通路。 特許出願人　日産自動車株式会社 代理人弁理士　有我軍一部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. エンジンの回転数を検出する回転数検出手段と、エルジ
   ンの負荷状態を検出するエンジン負荷検出手段と、エン
   ジンのバッキングを検出するノック検出手段と、タービ
   ンホイーＪしに作用する排気の導入通路の通路面積を容
   量可変手段により変化させることによりコンプレ・ノサ
   ホイールにより過給される吸気の過給圧を可変とする可
   変容量ターボチャージャと、回転数および負荷に基づい
   て容量可変手段を制御する基本制御値を設定するととも
   に、該基本制御値をノック検出手段の出力に応じて補正
   し過給圧力くエンジンに最適なものとなるように容量可
   変手段を制御する制御手段と、を備えたことを特ｔｖ１
   ．とする可変容量ターボチャージャの制御装置。