JPS6056127A - 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、小流量りΣ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ト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の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、例えば第１．２図に示すもの（実開昭５３−５
０３ＩＯ号公報参＠）が知られている。第１図において
、■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１コ部２Ａ付近に延在する可動部材４と、該
可動部材４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
を検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Ｉ２からの信号と、が入力さ
れており、関数発生器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に出力する。このスクロール入口部２
Ａの開度Ｙは次式で与えられる。

Ｙ−に、Ｒ＋に２　Ｎｅ＋に３ ここで、ｋ　、、ｋ２−、に３　は定数、Ｒはアクセル
ラック位置 そしてこのスクロール入口部２Ａの開度Ｙには、エンジ
ン保護上等のため上限（すなわち最大関度）ＯＬと下１
！］！（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ＩＡはこの上限ＯＬと下限ＣＬの範囲の
開度Ｙで変化する。

例えば、第４図中Ａ点でエンジン回転が安定していると
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
Ｎｅ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Ｒ２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べて加速時多くの吸
気を得ることができ、良好な燃焼を行わせることができ
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
ラック位置に基づいてスクロール入口部の通路面積を調
整し、加速時、スクロール入口部の通路面積を所定の限
界まで小さくし、その後エンジン回転数がアクセルラン
ク位置により決定されるエンジン回転数以上になるとス
クロール人口部の通路面積を開く構成となっていたため
、エンジン保護上スクロール入口部の最小開度すなわち
、スクロール入口部の最小通路面積をあまり小さく設定
することができず、エンジンの運転状態（例えば、変速
機のギヤ比）の変化に伴って生じる吸気温度の上昇率や
シリンダ壁温度の上昇率の変化Ｇこ対応した最適な過給
圧を得ることができず、加速時間を十分に短縮すること
ができないという問題点があった。

（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―面
積をエンジン回転数と負荷に基づいて制御し、かつ、加
速時導入通路の通路面積を十分に小さくするとともにエ
ンジンの運転状態に基づいて通路面積を広げていくこと
により、エンジンの過熱やノッキングの発生を防止つつ
加速時間を十分に短縮することを目的としている。

（発明の構成） 本発明の可変容量タ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
検出するエンジン回転数検出手段と、エンジンの負荷を
検出する負荷検出手段と、エンジンの運転状態を検出す
るエンジン状態検出手段と、加速状態を検出する加速状
態検出手段と、タービンホイールに作用する排気の導入
通路の通路面積を容量可変手段により変化させることに
よりコンプレッ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、エンジン
回転数と吸気流量に基づいて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を制御する制御手段と、
加速時、導入通路の通路面積を所定の大きさに絞るとと
もにエンジン状態検出手段からの信号に基づいて導入通
路の通路面積を拡大するように容量可変手段を制御する
加速制御手段と、を備えたものとすることにより、加速
時、エンジンの過熱やノッキングの発生等を防止しつつ
、加速時間を十分に短縮するものである。

（実施例） 以下、図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

第６〜８図は、本発明の第１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に番よ吸気管２２お
よび吸気マニホルド詔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（吸気量検出手段）２４、
ターボチャージャ５のコンプレッサホイール室あ、絞り
弁２７および逃し弁間が設けられており、吸気はエアフ
ロメータＵでそあ流量が測定され、測定された流量ＱＡ
はコントロールユニット２９に入力されている。

また、吸気はコンプレッサホイール室あに収納されたコ
ンプレッサホイール園により加圧され、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。吸気マニホルド火には
過給圧センサ３１オヨび吸気温センサ３２が取付けられ
ており、過給圧センサ３１は吸気マニホルドｎ内の吸気
の圧力を検出してコントロールユニット２９に出力して
いる。吸気温センサ３２は吸気マニホルドｎ内の吸気の
温度を検出してコントロールユニット２９に出力してお
り、前記絞り弁２７の開度はスロットル開度センサ（加
速状態検出手段）３３により検出されてコントロールユ
ニット２９に出力されている。また、エンジンの回転数
Ｎｅはクランク角センサ（エンジン回転数検出手段）３
４により検出されてコントロールユニット２９に出力さ
れている。そして、エンジンからの排気は排気マニホル
ド３５で集合されて排気管３６を通して排出され、排気
管３６には、容量可変手段３７およびターボチャージャ
怒のタービンホイール室３Ｂが設けられている。タービ
ンホイール室３８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３９が収納されており、
このタービンホイール３９に作用する排気の流速が容量
可変手段３７により変えられる。すなわち、タービンホ
イール室３８は、第７図に示すように、タービンホイー
ル（第６図参照）３９を取り囲むように形成された環状
のスクロール４０を有しており、スクロール４０はその
面積が導入通路４１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４０
への導入通路４１とスクロール４０の終端部４２の合流
部には可動舌部４３が設けられており、可動舌部４３は
軸４４を中心として導入通路４１を拡縮する方向に揺動
する。

この軸４４は、第６図に示すロッド４５にアーム４６を
介して連結されており、ロッド４５は負圧アクチェエー
タ４７のダイヤフラム４８に連結されている。負圧アク
チュエータ４７はダイヤフラム４８によりそのダース４
９内が負圧室間と大気室５１に区画されており、負圧室
５０内にはダイヤフラム４８を大気室５１側に付勢する
スプリング５２が収納されている。また、負圧室（資）
は負圧通路５３により負圧タンク５４に連通されており
、負圧クンク５４の負圧は負圧ポンプδにより供給され
るが、負圧ポンプ５５の作動が負圧タンク５４に取付け
られ負圧タンク５４の負圧が所定負圧よりも低い圧力に
なるとその接点端子をＯＦＦにする負圧スイッチ５６に
より制御されているため、負圧タンク５４は常に所定負
圧に維持されている。そして、負圧通路５３は電磁弁５
７を介して大気に開放されており、電磁弁５７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４７の負圧室５０に導入され
る負圧は電磁弁５７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５ｏの負圧
か弱くなるとダイヤフラム４日は大気室５１側に移動す
る。このダイヤフラム４８の移動によりロッド４５、ア
ーム４６および軸４４が移動し、可動舌部招は導入通路
４１を変えるように揺動する。

上記可動舌部４３、軸４４、アーム４６、ロッド４５、
負圧アクチュエータ４７、負圧通路５３、負圧タンク５
４、負圧ポンプ５５、負圧スイッチ５６および電磁弁５
７は全体としてタービンホイール３９に作用する排気の
導入通路４１の通路面積を変化させる容量可変手段３７
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、インターフェースと、から成るマイク
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２９のインターフェースには、前記エアフロメータ２
４、過給圧センサ３１、吸気温センサ３２、スロットル
開度センサ３３およびクランク角センサ３４からの信号
が入力されている。これらの信号のうちのアナログ信号
にあっては、Ａ／Ｄ変換器を介してディジタル信号とし
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の行う演算に必
要な各種データや外部から取り込んだデータの一時記憶
を行っており、マイクロプロセッサは上記プログラムに
従ってこれらデータから燃料噴射量、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を出方するとともに前記電磁弁５７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、〜Ｐｌ＆はフローチャートの各ス
テツプを示す。

本発明の制御演算は、例えば１回転に１度又は定時間に
１度実行される。プログラムがスタートすると、Ｐｌで
エンジン回転数Ｎｅと吸気流量Ｑ＾が入力され、Ｐ２お
よびＰ３で吸気の過給圧Ｐ＾と吸気温度Ｔ＾が入力され
る。次いで、Ｐ−４でスロットル開度がら加速状態であ
るか否かを判別し、加速状態にないときには、ｐ、で過
給圧Ｐ＾が規定値Ｐｏより大きいが舌皮等から実験値に
基づいて設定される。過給圧ＰＡが規定値Ｐｏより小さ
いとき（Ｐ４≦Ｐ。

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デユーティ値Ｄｐ
がら所定量Ｄｏだけ減少させたデユーティ値を基本デユ
ーティ値ＤＭ（ＤＭ＝Ｄｐ−Ｄｏ）とする。そして、こ
の基本デユ−ティ値ＤＭが上限値Ｄｕと下限値りしの間
にあるか否かを、Ｐ８において判別する。、Ｄｕ≧１）
ｔ≧Ｄしのときには、Ｄ９で基本デユーティ値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、
Ｐゎでインタフェースを介して電磁弁５７に制御デユー
ティ値Ｄｃの信号ＳＣを出力する。また、Ｐ８において
Ｄｘ＞Ｄｕのときには、ＰＩｌで基本デユーティ値り開
として上限値Ｔ３ｕを設定し、Ｐ９でこの上限値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
るとともにメモリに記憶させＰ、、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５７に出力する。

そして、ＰＩｌにおいて、Ｄ　Ｍ　＜　Ｄ　Ｌのときに
は、ＰＩｚで基本デユーティ値ＤＭとして下限値ＤＬを
設定し、同様にＰ９で下限値ＤＬ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Ｐあで制御デユーティ値（Ｄｃ＝ＤＬ）の信号
Ｓｃをインタフェースを介して電磁弁５７に出力する。

この上限値Ｄｕおよび下限値ＤＬはプログラムの暴走防
止、ノイズからのプログラムの保護、および電磁弁５７
の保護等のために設けられている。例えば、電磁弁５７
は一定周期で作動させるため、上限側においては最大２
０　Ｈｚで、約５１．２ｍｓ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５７の故障の原因となる。したがって、上限
（ｉｉｌ）ｕを設けてこの不具合を防止している。この
ように、加速状態にないときには、エンジンの保護やプ
ログラムおよび電磁弁５７の安全、保護を図りつつ、エ
ンジン回転数Ｎｅと１回転当りの吸気流量Ｑ　Ａ　／　
Ｎ　ｅに基づいて実験値で得られたエンジンに最適の過
給圧となる制御デユーティ値ＤＣを得ることができる。

一方、ステップｐ−＋において加速状態にあるときには
、ＰＩ３において基本絞りデユーティ値ＤＭＭとこの値
の保持時間Ｔしを、エンジン回転数Ｎｅと１回転当りの
吸気流量ＱＡ／Ｎｅに基づいて実験によりめあらかじめ
メモリに入力されているテーブルマツプよりそれぞれ読
み取り、この基本絞りデユーティ値ＤＭＭを基本デユー
ティ値ＤＭとして格納する。次いで、ｐ１４で基本デユ
ーティ値ＤＭとした基本絞りデユーティ値ＤＭＭの保持
時間Ｔしを越えたか否かを判断（加速状態と判定したと
きタイマー起動）し、越えた場合には、この基本デユー
ティ値ＤＭを、゛単位時間当り一定量だけ減少させ補正
する。これは、第１１図に示す如く可動ノズルを空気流
量の増大に合わせて開いていくためである。さらに、Ｐ
ｌｋで吸気温度ＴＡが上限値（ノンキングの発生限界や
エンジン強度により実験により決定される。）Ｔｕより
高いか否かを判別する。Ｔ＾≦Ｔｕのときには基本デユ
ーティ値ＤＭがステップＰＩＩを経て制御デユーティ値
Ｄｃとして２日でメモリに記憶されＰ。でインタフェー
スを介して電磁弁５７に出力されて再びフローが流れる
。しかし、吸気温度Ｔ＾が上昇してＴＡ＞Ｔｕになると
、Ｐｌ＆において置換えられた基本デユーティ（＋ｔＤ
ｓ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、Ｐ８を経て制御デユー
ティ値ＤｃとしてＰ９でメモリに記憶されＰ、。

でインタフェースを介して電磁弁５７に出力される。す
なわち、加速状態にあるときには、デユーティ値を回転
数と負荷に応したく場合によっては車速であってもよい
）基本絞りデユーティ値ＤＭ呂まで上げて導入通路４１
の通路面積を最適値に絞り、この絞り保持時間Ｔしをも
エンジン回転数Ｎｅと１回転当りの吸気流量ＱＡ／Ｎｅ
に基づいて設定して排気のターヒンホイール３９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、加速時間を十分短縮することができる。一方、過
給圧を上げると吸気温度の上昇も早く、加速時間が短縮
されるが、ノンキングの発生やエンジンの過熱による強
度上の不具合の問題が生じる。しかし本実施例にあって
は、吸気温度ＴＡを検出し、吸気温度１゛Ａが上限値Ｔ
ｕを超えると、デユーティ値を下げて導入通路４１を少
し広げることによりノンキングの発生やエンジンの過熱
を防止している。

このように、加速時においては、ノンキングの発生やエ
ンジンの過熱を防止しつつ加速時間を十分に短縮するこ
とができる。

第９．１０図は本発明の第２実施例を示す図であり、本
実施例の説明にあたり、第１実施例と同一構成部分には
同一符号のみを付してその説明を省略する。第９図にお
いて、５８はエンジンの運転状態としてエンジンで発生
するノッキングを検出するノックセンサ（エンジン状態
検出手段）であり、ノックセンサ関のノック信号ＳＮは
コントロールユニット四に入力されている。コントロー
ルユニット２９においては、第１０図に示すフローチャ
ートに基づいて電磁弁５７のデユーティ制御が行われて
おり、このフローチャートにおいて第１実施例と同一部
分には同一ステップ符号のみを付してその説明を省略す
る。

なお、第１０図中ＰＩ、Ｐ２、Ｐ−〜ｐｔ２およびｐ２
−、ｘｐ２〜′４はフローの各ステップを示している。

この制御においては、Ｐ２−１においてノック信号を入
力し、加速時Ｐ２−２において基本絞りデユーティ値Ｄ
ＭＭをルックアップ後基本デユーティ値ＤＭとして設定
し、Ｐ２−３で前記実施例と同様、保護時間の比較を行
う。次いで、ｐ２−、でノッキングが発生しているか否
かをノック信号ＳＮより判別し、ノッキングが発生して
イナいときには基本デユーティ値ＤＭについてＰ８から
Ｐつまでの処理が行われる。そして、ｐ２−４において
ノンキングが発生しているときには、Ｐ２−５で置換え
た基本デユーティ値ＤＭから所定量ＤＡを減少させたデ
ユーティ値を基本デユーティ値ＤＭとして設定し、次い
でこの基本デユーティ値ＤＭについてＰ８からＰ、まで
の処理が行われる。したがって、本実施例においては、
加速時、デユーティ値を基本絞りデユーティ値ＤＭ已と
して導入通路４１の通路面積を最適に絞り、加速時間の
短縮を行う。そして、ノンキングが発生するとデユーテ
ィ値を減少させて導入通路４１を広げ、ノッキングを回
避するとともにエンジンの過熱を防止している。

なお、上記各実施例においては、エンジン状態検出手段
として吸気温度センサとノックセンサを用いたが、これ
らに限られるものではない。

（効果） 本発明によれば、加速時、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小さくし、エンジン状態に
過熱やノンキングの発生等が生じる前に導入通路の通路
面積を拡大することができるので、エンジンの過熱やノ
ンキングの発生を防止しつつ加速時間を十分に短縮する
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第１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、第９〜１０図は本発明の可変容
量ターボチャージャの制御装置の第２実施例を示す図で
あり、第９図はその全体概略図、第１０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である。第１１
図は加速補正の説明のためのグラフである。 ２４・・・−・吸気量検出手段、 ５−・−ターボチャージャ、 ３０−・・−コンプレッサホイール、 ３２．５Ｂ−−−−−・エンジン状態検出手段、３３−
−−一−−加速状態検出手段、 ３４−−−−−一エンジン回転数検出手段、３７−・−
容量可変手段、 ３９−・−タービンホイール、 ４１−−−・−導入通路。 にへ０−セ３シ呆ｇ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１エンジンの回転数を検出するエン’；　ン［ｆｌ
   ｉｌ　転数検出半画と、エンジンの負荷を検出する負荷
   検出手段と、エンジンの運転状態を検出するエンジン状
   態検出手段と、加速状態を検出する加速状態検出手段と
   、タービンホイールに作用する排気の導入通路の通路面
   積を容量可変手段により変化させることによりコンプレ
   ッ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、エンジン回転数と負荷
   に基づいて過給圧がエンジンに最適なものとなるように
   容量可変手段を制御する制御手段と、加速時、導入通路
   の通路面積を所定の大きさに絞るとともにエンジン状態
   検出手段からの信号に基づいて導入通路の通路面積を拡
   大するように容量可変手段を制御する加速制御手段と、
   を備えたことを特徴とする可変容量ターボチャージャの
   制御装置。 （２）前記エンジン状態検出手段が吸気温度を検出する
   吸気温度センサであり、前記加速制御手段が吸気温度が
   所定温度以上となったとき導入通路の通路面積を拡大す
   るように容量可変手段を制御することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の可変容量ターボチャージャの制
   御装置。 （３）前記エンジン状態検出手段がエンジンで発生する
   ノンキングを検出するノックセン号であり、前記加速制
   御手段がノンキングが発生ずると導入通路の通路面積を
   拡大するように容量可変手段を制御することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の可変容量ターボチャージ
   ャの制御装置。