JPH0519014B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ この発明は特に自動車用エンジンに用いる、タ
ービンの排気容量を可変する可変容量ターボチヤ
ージヤの制御装置に関する。

［従来技術］ 従来の可変容量タービンの過給圧制御装置とし
ては、スクロールを画成するタービンハウジング
内部の通路面積を可変させる可動部材を設け、前
記、可動部材を移動することによりタービン容量
を変化させて、エンジンの全運転域での過給圧の
向上を図つたものがある。（実開昭53−50310号公
報参照） ［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、このような従来の装置にあつて
は、エンジン回転数とアクセルレバーの位置（即
ち、アクセルレバーにより操作されるアクセルラ
ツク位置）により、可動部材を移動させて、エン
ジンの全運転域に亘つて過給圧を制御する構成と
なつていた為に、エンジン回転数とアクセルラツ
ク位置により一義的にスクロール開度が決定さ
れ、同一回転数、同一アクセル開度であつても、
個々のエンジンが有する特性の相違等により制御
過給圧が異なる。即ち、エンジンが有するエンジ
ン流量特性及びターボチヤージヤ特性のバラツ
キ、あるいは、それらの制御系部品特性のバラツ
キにより、制御過給圧にも差異を生じてしまう。
従つて、エンジン運転状態に対応した最適な過給
圧を得ることができず、このバラツキを見込みエ
ンジンの破損を防止するような過給圧に設定する
と、エンジン出力の低下をもたらしてしまうとい
う問題点を生ずるものであつた。よつて、それら
の欠点を補うために、実際の過給圧を目標過給圧
と一致するように、フイードバツク制御する必要
性があるものである。

このような要求に応えるものとして、タービン
ハウジング内の通路面積を変える可動ベーンを設
け、エンジンの回転数及び負荷に対し、あらかじ
め規定した位置に可動ベーンが変化するように、
フイードバツク制御を用いたものがある。（特開
昭58−176417号公報参照）しかしながら、これは
タービン流量特性を考慮することなく、単にポテ
ンシヨメータにより可動ベーンの位置をフイード
バツクして、過給圧を制御する構成であるため、
フイードバツク制御装置としては、制御精度を欠
いたものであるといえる。

［発明の目的］ この発明は、このような従来の問題点に着目し
てなされたもので、エンジン運転時に適切な過給
圧を得られるように、フイードバツク制御を行
い、前記フイードバツク制御信号の感度を空気流
量の変化に対して変化するよう予め与えて、制御
精度を向上させエンジン特性、ターボ特性及び制
御系部品特性のバラツキを補い、それによりエン
ジン出力の向上を図ることを目的とする。

［発明の構成］ この発明は、開度が大きくなるほど作用するガ
ス圧力が小さくなる可動舌部を備え、タービンの
排気容量を変化させる容量可変手段と、コンプレ
ツサ出口圧力を検出する過給圧検出手段と、エン
ジンに供給される空気流量を検出する空気流量検
出手段と、運転状態に対し予め与えられた基本制
御値で前記容量可変手段を駆動するアクチユエー
タと、前記過給圧検出手段で検出したコンプレツ
サ出口圧力を目標値に一致するよう基本制御値を
修正してフイードバツクする基本制御値修正手段
と、フイードバツクの感度を前記空気流量検出手
段が検出した空気流量の増大に応じて減圧するよ
う予め与えるフイードバツク感度決定手段とを設
けたものである。

［作用］ 可変容量機構を運転状態少なくとも空気流量に
対し予め与えられた基本制御値でその可動舌部開
度を制御して目標の過給圧を得る際、どうしても
エンジン特性等のバラツキにより実際の過給圧と
目標値との間に差を生じ、この差を速やかになく
するようPID等によるフイードバツク制御が必要
になるが、この発明は、そのフイードバツクの修
正制御信号の感度を予め空気流量の増大に応じて
減少するよう与えてあるので、可動舌部開度が全
開に近づくにつれて、タービン流量の増加が鈍化
するというタービン特性を修正する事が可能とな
り、これによりフイードバツク制御を適正にし、
もつて、目標の過給圧に実際の過給圧を的確に近
づけうるものである。

第１図は本発明の概要図で、エンジン１はその
排気でタービン１７を回転し、これと同軸のコン
プレツサ１０で吸気を過給するターボチヤージヤ
５を有し、タービン１７の上流に容量可変手段１
５を具備する。容量可変手段１５は運転状態、例
えば空気流量Q_Aあるいはエンジン回転数と負荷
等に対応してテーブル化された基本制御値発生部
（デユーテイ値）の信号をアクチユエータ２７が
受け、このアクチユエータ２７で駆動される。

コンプレツサ１０の出口圧力R₂は制御装置９
に入力され、目標値との差をなくすよう基本制御
値を修正するが、その際、フイードバツク制御の
修正感度は予め空気流量Q_Aの増大に応じて減少
するよう与えて修正を行う。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を可変容量ターボチヤー
ジヤに排気バイパス機構を備えたものに適用した
例に基づいて第２図以下により詳細に説明する。

まず、構成を説明すると、第２図において、１
はエンジン本体であり、エンジン本体１には吸気
管２及び吸気マニホルド３を通して吸気が導入さ
れる。吸気管２には、エアフロメータ４、ターボ
チヤージヤ５のコンプレツサホイール室６、絞り
弁７及び逃し弁８が設けられており、エンジンか
らの排気は排気マニホルド１３で集合されて排気
管を通して排出され、排気管には容量可変手段１
５及びターボチヤージヤ５のタービンホイール室
１６が設けられている。タービンホイール室１６
内には前記コンプレツサホイール１０に連結され
たタービンホイール１７が収納されており、ター
ビンホイール室１６は、第３図に示すように、タ
ービンホイール１７を取り囲むように形成された
スクロール１８を有しており、スクロール１８は
その面積が導入通路１９から下流（図中矢印方
向）に向かうに従つて徐々に小さくなつている。
このスクロール１８への導入通路１９とスクロー
ル１８の終端部２０との合流部には可動舌部２１
が設けられており、可動舌部２１は軸２２を中心
に導入通路１９の面積が変化する方向に揺動する
ようになつている。軸２２はロツド２３とアーム
２４を介して連結されており、ロツド２３は正圧
アクチユエータ２７のダイヤフラム２６に連結さ
れそのダイヤフラム２６により、そのケース２５
内が正圧室２８と大気圧室２９に区画されてい
る。大気圧室２９内にはダイヤフラム２６を正圧
室２８側に付勢するスプリング３０が縮設され、
正圧室２８は正圧通路３１によりコンプレツサ出
口配管と連通している。正圧通路３１は電磁弁３
４と導管３８を介して、コンプレツサ入口配管へ
開放されており、電磁弁３４はコントロールユニ
ツト９よりデユーテイ制御される。更に詳細に
は、電磁弁３４はコントロールユニツト９よりデ
ユーテイ値に応じた制御信号を受けて、デユーテ
イ値が例えば０％のときは閉作動を行い、それに
よつて正圧通路３１に正圧の増大を来たし、正圧
アクチユエータ２７の正圧室２８に正圧が掛か
る。この正圧が強まると、ダイヤフラム２６は大
気室２９側に移動する。このダイヤフラム２６の
移動によりロツド２３、アーム２４、軸２２が運
動し、可動舌部２１は導入通路１９を大きくする
ように揺動し、上記可動舌部２１は、全体として
タービンホイール１７に作用する排気の導入通路
１９の通路面積を変化させ、これにより可変容量
機構としての作用をする。

また、排気通路には排気バイパス弁１４及びダ
イヤフラムアクチユエータ３５のダイヤフラム４
２に接続されたロツド３７の直線運動を回転運動
に変換するリンク機構３６が設けられ、ダイヤフ
ラムアクチユエータ３５は導管３３によりコンプ
レツサ出口配管と連通している。導管３３は電磁
弁４０と別の導管３８を介して、コンプレツサ入
口配管へ開放されており、電磁弁４０はコントロ
ールユニツト９よりデユーテイ制御される。即
ち、電磁弁４０はコントロールユニツト９よりデ
ユーデイ値に応じた制御信号を受けて開作動を行
い、コンプレツサ出口圧力に応じて作動するダイ
ヤフラムアクチユエータ３５によつて、吸気管２
内圧が設定値を越えないように排気の一部をバイ
パスさせる排気バイパス弁によつて、タービンへ
流入する流量を減少させ、これにより排気バイパ
ス機構としての作用をする。

さらに、電磁弁３４とコンプレツサ出口配管ま
での正圧通路３１内には固定オリイフイス３２が
設けられ、電磁弁４０とコンプレツサ出口配管ま
での導管の上流には別の固定オリイフイス３９が
設けられている。また、吸気管２のコンプレツサ
出口配管と絞り弁７との間にはコンプレツサ出口
圧力を検出する過給圧センサ４１（過給圧検出手
段）が設けられている。

一方、コントロールユニツト９は、主にマイク
ロプロセツサと、メモリと、インターフエース
と、からなるマイクロコンピユータで構成されて
おり、コントロールユニツト９のインターフエー
スには、前記エアフロメータ４（空気流量検出手
段）、スロツトル開度センサ１１、クランク角セ
ンサ１２（回転数検出手段）及び過給圧センサ４
１（過給圧検出手段）の各信号が入力されてい
る。

次に第４〜５図に示すフローチヤートに基づい
て作用を説明する。なお、図中P₁〜P₁₇はフロー
チヤートの各ステツプを示す。

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、容量可変手段のデユーテイ計算ルーチ
ン、排気バイパス手段のデユーテイ計算ルーチン
PIDのフイードバツク補正値計算ルーチンが実行
される。

まず、第４図ａに示す容量可変手段のデユーテ
イ計算ルーチンでは、P₁でコントロールユニツ
ト９内にエンジン回転数Neと空気流量Q_AのＡ／
Ｄ変換値が入力され、P₂でエンジン負荷を代表
するエンジン１回転当たりの空気流量T_Pが計算
されて、P₃でエンジン回転数Neと一回転当たり
の空気流量T_Pに対応してテーブル化された、基
本制御値（デユーテイ値）がルツクアツプされ、
基本制御値D_Mが決定される。

よつて、さらにP₃′では、エンジン回転数Neと
一回転当たりの空気流量T_Pに対応してルツクア
ツプされた基本制御値（デユーテイ値）と目標過
給圧との差により計算された補正値に対して、第
５図に示すPIDのフイードバツク補正が行われ、
再度デユーテイ値D_Mが置きかえられる。P₄で上
記補正されたデユーテイ値D_Mが、電磁弁の作動
遅れ時間などの為に演算部が誤作動せぬように定
めた、上限D_Uと下限D_Lの間にデユーテイ値D_Mが
あるかどうかの判定を行い、D_UよりD_Mが大きく
なつているときにはP₅でD_Mを上限値に固定し、
D_LよりD_Mが小さくなつているときにはP₆でD_Mを
下限値に固定する。そしてP₇で補正計算された
デユーテイ値D_Mがメモリーに記憶され、電磁弁
３４へのデユーテイ計算が行われ、その結果、イ
ンターフエイスを介して電磁弁３４の駆動を決定
している。この電磁弁３４を駆動することによ
り、適切な過給圧の吸気がエンジン１に導入さ
れ、エンジン１は、運転状態に応じた出力を向上
することができるものである。

また、第４図ｂに示す排気バイパス手段のデユ
ーテイ計算ルーチンでは、P₈でコントロールユ
ニツト９内に空気流量Q_AのＡ／Ｄ変換値が入力
され、P₉で空気流量Q_Aに対応してテーブル化さ
れた、基本制御値（デユーテイ値）がルツクアツ
プされ、基本制御値D_WMが決定される。

さらにP₉′では、空気流量Q_Aに対応してルツク
アツプされた基本制御値（デユーテイ値）と目標
過給圧との差により計算された補正値に対して、
第５図に示すPIDのフイードバツク補正が行わ
れ、再度デユーテイ値D_WMが置きかえられる。
P₁₀で上記補正されたデユーテイ値D_WMが、電磁
弁の作動遅れ時間などの為に演算部が誤作動せぬ
ように定めた、上限D_WUと下限D_WL間にデユーテ
イ値D_WMがあるかどうかの判定を行い、D_WUより
D_WMが大きくなつているときにP₁₁でD_WMを上限
値に固定し、D_WLよりD_WMが小さくなつていると
きにはP₁₂でD_WMを下限値に固定する。そしてP₁₃
で補正計算されたデユーテイ値D_WMがメモリーに
記憶され、電磁弁４０へのデユーテイ計算が行わ
れ、その結果、インターフエイスを介して電磁弁
４０の駆動を決定している。この電磁弁４０を駆
動することにより、エンジン破損の心配なしに、
運転状態に応じた適切な過給圧をタービン１７に
供給することを可能とし、エンジン出力の向上に
対処できるものである。

さて、本発明におけるPIDフイードバツク制御
法について説明する。すでにコントロールユニツ
ト９内に目標過給圧が設定されており、この値の
Ａ／Ｄ変換値相当分の電圧がプログラム上の目標
値となる。この目標値と実際の過給圧の電圧Ａ／
Ｄ変換値との間の偏差の大きさ、この偏差の積分
値及び過給圧変化の微分値にそれぞれ定数を乗
じ、これらの成分の和が補正値（Hosei）とな
る。

この補正値（Hosei）は、次式で与えられる。

比例分 Hoseip＝（目標過給圧Ａ／Ｄ値−実際
の過給圧Ａ／Ｄ値）×kp 積分分 Hoseii＝ΣError×ki 微分分 HoseiD＝（前回の実過給圧Ａ／Ｄ値−
今回の実過給圧Ａ／Ｄ値）×kD （補正値）Hosei＝Hoseip＋Hoseii＋HoseiD ここで、（目標過給圧Ａ／Ｄ値−実際の過給圧
Ａ／Ｄ値）＝Error ｋ：定数（感度） 上式より計算された補正値により操作信号がで
きており、この操作信号により前記目標値と実際
の過給圧との差をなくするようにするのがPIDの
フイードバツク制御法であり、前記比例分、積分
分及び微分分の各補正値及びErrorは、目標過給
圧に対して符号付の演算となつており、過給圧が
上昇する方向か下降する方向かにより符号の正負
が決定される。

第５図において、プログラムがスタートする
と、PIDのフイードバツク補正値計算ルーチンが
実行され、まず、P₁でコントロールユニツト９
内に空気流量Q_A及び実際の過給圧R₂のＡ／Ｄ変
換値が入力され、P₂で実際の過給圧R₂が最大許
容過給圧R₂maxを越えたかどうかの判定を行い、
P₃で後述するタイムフラグの状況によりオンで
あれば排気バイパス機構による制御領域に入り、
この排気バイパス機構による制御領域に入つてか
ら0.5sec以上たつているかの判定をP₅によるタイ
マのカウントアツプ後、P₇にて行う。これは、
可変容量機構による制御領域から排気バイパス機
構による制御領域に切換つた際に、排気バイパス
機構のアクチユエータスプリングの初期セツト力
が低めになつていると、バイパス弁が開き易く過
給圧が下がり、すぐ可変容量機構による制御領域
に切換るといつたハンチング現象を防止する為
に、ヒステリシスを備えさせるためである。P₇
において、経過時間が0.5sec以上であればP₉でタ
イムフラツグをオフ０、0.5sec未満であればタイ
ムフラツグを更にオン１とし、P₁₀で排気バイパ
ス機構による制御領域でのPIDフイードバツク
夫々の感度のルツクアツプを行い、P₁₁で排気バ
イパス機構による制御領域であることを示す制御
フラツグをオン１として、P₁₃にてPID補正計算
が行われる。

次に、P₃においてタイムフラグがオフ０の場
合には、P₄で空気流量Q_AがＡを越えているかＡ
以下かにより、可変容量機構か排気バイパス機構
による制御領域かの判定を行う。Ａを越えていれ
ば排気バイパス機構による制御領域であるから前
述したP₅以下にフローが変更される。以下であ
れば可変容量機構による制御領域であり、P₆に
おいて可変容量機構フイードバツクの感度ルツク
アツプが行われ、P₁₂で制御フラツグをオフとし
P₁₃にてPID補正計算が行われる。

上述したフイードバツクの感度は後述するよう
に、可変容量機構及び排気バイパス機構のフイー
ドバツク制御の夫々について、空気流量Q_Aの変
化に対し変わるように予めテーブル化されてい
る。例えば、比例分についての感度kpについて
は、所定空気流量につき0.5とし、その空気流量
が増大していくにつれ0.4，0.3……と減少させて
いく。また、積分分の感度ki及び微分分の感度
kdについても同様に、空気流量の増加につれ減
少させていくのである。尚、フイードバツクは必
ずしもPID分の全てについて、同時に行う必要の
ないことは当然である。前記、P₂で実過給圧R₂
が最大許容過給圧R₂maxを越えた場合（Yesの場
合）は、P₁₇で排気バイパス機構制御の修正値
（Hoseiw）を−FF（マイナスの最大値）として、
デユーテイを０で安全弁としての機能を持たせて
いる。P₁₃におけるPID補正計算が終了した後P₁₄
で、前述した制御フラツグの状態に応じ、オフで
あればP₁₅において可変容量機構制御の補正値と
してHoseiが格納され、オンであればP₁₆におい
て、排気バイパス機構制御の補正値として
Hoseiwが格納される。

従つて、上記PIDのフイードバツク補正値ルー
チンの実行によつて、目標過給圧と実際の過給圧
との差を修正し、その修正信号の感度を空気流量
の増大に応じて減少するよう予め与えて、制御精
度を向上させてエンジン特性やターボチヤージヤ
特性及び制御系部品特性に来たしていたバラツキ
を補うことができ、もつて運転状態に応じた適切
な過給圧を可変制御することを可能とする。

第６図は実際の制御テーブルの説明を示したも
ので、横軸にエンジン回転数（Ne）、縦軸に負荷
を代表するエンジン１回転当りの空気流量（Tp）
をとると、スロツトル弁全開での運転状態を示す
線がＥとなり、可動舌部全閉で過給圧が所定値
（例えば水銀柱375mmHg）となる点がBL、可動舌
部全開で過給圧が所定値となる点がBUとなり、
この間の領域Ｃ部が可動舌部開度が変化する作動
領域で、矢印方向に行くに従つて開作動を行う。
また排気バイパス弁１４を制御する電磁弁４０
は、BU点の前後に決められたＡ点からスロツト
ル弁全開での運転状態線Ｅの間の領域Ｄ部で作動
する。即ち、本発明の実施例では、運転状態を示
すパラメータとしてエンジン回転数Neとエンジ
ン１回転当りの空気流量Tpに関して、領域Ｃ部
の基本制御値をかいたテーブルと空気流量Q_Aに
関して領域Ｄ部の基本制御値をかいたテーブルの
２つを持つ。尚、運転状態を示すパラメータとし
ては絞り弁開度等の周知のものの他、領域Ｃ部の
制御に関しても過給圧と空気流量は密接な関係に
あることから空気流量に関して基本制御値をテー
ブル化したものでもよい。

次に、空気流量に対しフイードバツク感度を変
えることの必要性につき説明する。

第７図の説明図において、横軸に空気流量、縦
軸に排気ガス力をとり、可動舌部がエンジン排圧
より受ける作用力を示す線をＧとし、可動舌部全
閉で過給圧が所定値に達する点BLを作用力線Ｇ
上に取り、横軸に垂直におろした点をBL′とす
る。前記同様、可動舌部全開で過給圧が所定値に
達する点BUを作用線Ｇ上に取り、横軸に垂直に
おろした点をBU′とする。作用力線Ｇは、空気流
量の増加に比例してガス力も徐々に増加し、可動
舌部全閉点BLに達すると急激に減少し、その後
ゆつくりと減少しながら可動舌部全開点BUに到
達する。この後可動舌部は全開のまま排気バイパ
ス弁で過給圧が制御される。即ち、矢印方向に従
つて開作動が行なわれ、BLからBUとBL′から
BU′に亘る領域Ｆ部が、可動舌部開度の変化する
領域で、このＦ部が第６図のＣ部に相当する領域
である。これに対して、正圧アクチユエータの正
圧室に導入される正圧は、電磁弁のデユーテイ比
を変えること（デユーテイ変化）により変化する
ので空気流量の変化には無関係であり、アクチユ
エータ発生力も変化しない。アクチユエータにデ
ユーテイ変化を与えれば、アクチユエータ内の圧
力が均衡される位置まで可動舌部開度は変化す
る。ここで、第７図から明らかなようにBL側と
BU側で同一ガス力変化を与える可動舌部開度の
変化は、BL側の方がより小さくなつている。こ
れから、同一デユーテイ変化を与えたときには、
BL側の方がBU側よりも可動舌部開度の変化は
小さくなることがわかる。しかも、第８図の如く
横軸に可動舌部開度、縦軸に過給圧をとり、それ
らの変化の具合を空気流量Qx，Qy，Qz（ここで
Qxは小、Qyは中、Qzは大空気流量を示す）に対
してみると、可動舌部開度の変化量に対し空気流
量が少ないほど過給圧の変化量も少ない。つま
り、同一デユーテイ変化に対し大空気流量である
可動舌部開度の全開点BUよりも小空気流量たる
全閉点BLの方が、過給圧の変化量は少なくなる
ことがわかる。

従つて、以上により空気流量が過給圧の変化に
及ぼす影響度合は変化するため、フイードバツク
の感度を空気流量に対して変える。即ち、空気流
量の増大に対し、その感度を減少させる必要があ
るのである。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明はその構成を、
目標過給圧と実際の過給圧とが一致するようにフ
イードバツク制御を行い、前記フイードバツク制
御信号の感度を空気流量の増大に応じて減少する
よう予め与えるようにした為、空気流量増大時で
の過給圧の変化量増大を抑制でき、可動舌部の全
作動領域においてフイードバツクによる目標過給
圧が適正に得られ、制御精度が向上し、エンジン
特性、ターボチヤージヤ特性及び制御系部品特性
のバラツキを補うことができ、これによりエンジ
ン運転状態に対応した最適な過給圧が得られ、も
つてエンジン出力の向上を図ることができるもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の可変容量ターボチヤージヤの
制御装置の全体構成図、第２〜５図は本発明の可
変容量ターボチヤージヤの制御装置の一実施例を
示す図であり、第２図はその全体構成図、第３図
はその可変容量ターボチヤージヤの断面図、第４
図ａは可変容量機構制御プログラムを示すフロー
チヤート、第４図ｂは排気バイパス機構制御プロ
グラムを示すフローチヤート、第５図はPIDのフ
イードバツク制御プログラムのフローチヤート、
第６図は実際の制御テーブルを説明する図、第７
図は空気流量とガス力に関する説明図、第８図は
可動舌部開度と過給圧の変化に関する説明図であ
る。 図面の主要な部分を表わす参照番号の説明、１
…エンジン、２…吸気管、４…エアフロメータ、
５…ターボチヤージヤ、９…コントロールユニツ
ト、１１…スロツトル開度センサ、１２…クラン
ク角センサ、１４…排気バイパス弁、１５…容量
可変手段、２７…アクチユエータ、３４…電磁
弁、３５…ダイヤフラムアクチユエータ、４０…
電磁弁、４１…過給圧センサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 開度が大きくなるほど作用するガス圧力が小
   さくなる可動舌部を備え、タービンの排気容量を
   変化させる容量可変手段と、コンプレツサ出口圧
   力を検出する過給圧検出手段と、エンジンに供給
   される空気流量を検出する空気流量検出手段と、
   運転状態に対し予め与えられた基本制御値で前記
   容量可変手段を駆動するアクチユエータと、前記
   過給圧検出手段で検出したコンプレツサ出口圧力
   を目標値に一致するよう基本制御値を修正してフ
   イードバツクする基本制御値修正手段と、フイー
   ドバツクの感度を前記空気流量検出手段が検出し
   た空気流量の増大に応じて減圧するよう予め与え
   るフイードバツク感度決定手段とを設けた可変容
   量ターボチヤージヤの制御装置。