可変容量過給機の制御装置
【課題】 タービンホイールのタービンブレードに作用する励振力を抑制する。
【解決手段】 パラメータから目標過給圧を設定し（Ｓ２）、運転状態が加速であるときに（Ｓ３）、パラメータからタービンホイールの回転数を算出し（Ｓ４）、算出された回転数からタービンホイールが共振ゾーンにあり（Ｓ５）、かつ可変ノズルの開度が所定開度よりも小さい場合（Ｓ６）に、可変ノズルの開度を所定開度よりも大きくなるよう制御して（Ｓ７）、励振力を低下させて、ブレードの破損を回避する。
【解決手段】 パラメータから目標過給圧を設定し（Ｓ２）、運転状態が加速であるときに（Ｓ３）、パラメータからタービンホイールの回転数を算出し（Ｓ４）、算出された回転数からタービンホイールが共振ゾーンにあり（Ｓ５）、かつ可変ノズルの開度が所定開度よりも小さい場合（Ｓ６）に、可変ノズルの開度を所定開度よりも大きくなるよう制御して（Ｓ７）、励振力を低下させて、ブレードの破損を回避する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変容量過給機の制御装置に関し、特に、可変容量過給機のタービンホイールのブレードの破損を防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用エンジンの過給システムとして、排気流によってタービンを駆動して吸入空気の圧力（過給圧）を高めるターボチャージャシステムが知られている。近年は、排気流の流速を可変として過給圧を調整可能な可変容量型ターボチャージャ（可変容量型過給機）が実用化されている。
【０００３】
一般に、可変容量型ターボチャージャは、排気ガスの流路に可変ノズルを設け、該ノズルの開度を調整して流速を可変としているが、ノズル開度を小さくするとタービンブレードに高速の排気ガスが当たるため、タービンホイールの共振する領域においてブレードに作用する力が大きくなり、ブレードの破損を招く虞がある。
【０００４】
このため、特許文献１に記載されたように、タービンブレードの振動を抑制すべく、ターボチャージャにおけるノズルとブレードの位置関係を設定する技術が知られている。
【特許文献１】特開２００２−３０３１４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された技術は、ターボチャージャの設計においてブレードの振動が抑制される位置関係を開示するものであるが、ターボチャージャの動作時においてタービンブレードに作用する励振力を抑制する手法については記載されていない。
【０００６】
本発明は以上のような状況に鑑みてなされたものであり、ターボチャージャの動作時において、タービンホイールのタービンブレードに作用する励振力を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一態様としての可変容量過給機の制御装置は、エンジン排気流を受けて回転駆動されるブレードを有するタービンホイールと、
エンジンの運転状態に応じて設定される目標過給圧となるように、前記タービンホイールへの排気ガス入口流路に設けられる可変ノズルの開度を制御する制御手段と、を備えた可変容量過給機の制御装置であって、
前記タービンホイールの回転数に関連するパラメータの値を検出する第１のパラメータ値検出手段と、
前記タービンホイールの回転数から予め定められた前記タービンホイールの共振ゾーンか否かを判定する共振ゾーン判定手段と、
前記可変ノズルの開度に関連するパラメータの値を検出する第２のパラメータ値検出手段と、を備え、
前記共振ゾーンと判定され、かつ前記可変ノズルの開度が所定開度以下であるときに、前記可変ノズルの開度を前記所定開度よりも大きくすることを特徴とする。
【０００８】
可変ノズルの開度が小さいとタービンホイールのブレードに作用する励振力が大きくなり、この状態でタービンホイールが共振ゾーンに移行すると、励振力と共振とが相俟って、ブレードの破損を招く虞がある。
【０００９】
上記構成とすると、可変ノズルの開度が小さくタービンホイールのブレードに作用する力が大きい状態で、タービンホイールが共振ゾーンに移行した場合においても、可変ノズルの開度が所定開度よりも大きくされるので励振力を低下させて、ブレードの破損を回避することが可能となる。
【００１０】
上記目的を達成する本発明の別の態様による可変容量過給機の制御装置は、エンジン排気流を受けて回転駆動されるブレードを有するタービンホイールと、
エンジンの運転状態に応じて設定される目標過給圧となるように、前記タービンホイールへの排気ガス入口流路に設けられる可変ノズルの開度を制御する制御手段と、を備えた可変容量過給機の制御装置であって、
前記タービンホイールの回転数に関連するパラメータの値を検出するパラメータ値検出手段と、
前記タービンホイールの回転数から予め定められた前記タービンホイールの共振ゾーンか否かを判定する共振ゾーン判定手段と、
過給機上流側の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、を備え、
前記共振ゾーンと判定され、かつ前記吸入空気量が所定量以下であるときに、過給圧を前記目標過給圧よりも低下させることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、可変ノズルの開度が小さくタービンホイールのブレードに作用する力が大きい状態で、タービンホイールが共振ゾーンに移行した場合においても、過給圧が目標過給圧よりも低下させられ、結果として可変ノズルの開度が大きくされるため、励振力を低下させて、ブレードの破損を回避することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、可変ノズルの開度が小さくタービンホイールのブレードに作用する力が大きい状態で、タービンホイールが共振ゾーンに移行した場合においても、可変ノズルの開度が大きくなるように制御されるので、励振力を低下させて、ブレードの破損を回避することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１４】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明に係る可変容量過給機の制御装置を含む、可変容量過給システムの全体構成を説明する図である。
【００１５】
図中１０は、外気を吸入するエアクリーナ、２０は吸入空気を圧縮する可変容量型ターボチャージャ、３０は圧縮された吸入空気を冷却するインタークーラー、４０はエンジンである。また、１は吸入空気量（吸気量）を検出する吸気量センサ、２は大気圧を検出する大気圧センサ、３はエンジン４０に取り込まれる吸気圧（過給圧）を検出する吸気圧センサ、４はエンジン４０の回転数を検出する回転数センサ、６は可変容量型ターボチャージャ２０のノズル開度を検出するノズル開度センサである。更に、不図示のアクセル開度を検出するセンサも設けられている。
【００１６】
次に、本実施形態で用いられる可変容量型ターボチャージャ２０の概略構成と動作について説明する。図２Ａは本実施形態の可変容量型ターボチャージャ２０の排気側の部分断面図であり、図２Ｂは図２ＡのＢ−Ｂにおける断面図である。
【００１７】
図中Ｇは排気ガスであり矢印でその方向を示している。また、２１はタービンブレード、２２はノズル、２３はノズル２２の軸をそれぞれ示している。タービンブレード２１の外側周囲には所定間隔で複数のノズル２２が配置されている。各ノズル２２は、図２Ｂに示すように軸２３を中心に矢印で示す方向に回動可能であり、隣接する２つのノズル２２間の間隙Ｓの大きさ（開度）を調整可能である。エンジン４０から排出された排気ガスＧは、ノズル２２の間隙Ｓを通過してタービンブレード２１に当たる。タービンホイールには、排気側タービンブレード２１と同軸に吸気側タービンブレードが設けられており、排気側タービンブレードが回転することによって吸気側タービンブレードも回転し、吸入空気が圧縮されて吸気圧が高められる。
【００１８】
従って、排気ガスＧの流量が一定である場合に、ノズル開度を小さくする（閉じる）と、ノズル間の間隙Ｓを通過してタービンブレード２１に当たる排気ガスＧの速度が速くなり、タービンホイールの回転数が増加して吸気圧が増大する。一方、ノズル開度を大きくする（開く）と、ノズル間の間隙Ｓを通過してタービンブレード２１に当たる排気ガスＧの速度が遅くなり、タービンホイールの回転数が低下して吸気圧が減少する。
【００１９】
ここで、可変容量ターボチャージャ２０の排気側タービンブレード２１に作用する励振力について検討する。
【００２０】
図３は、排気側タービンブレード２１に作用する励振力の大きさの要因となる２つのパラメータに関して、振動応力との関係を示すグラフである。（ａ）は、ノズル開度と振動応力との関係を示し、（ｂ）は、タービン入口排気ガス圧力とタービン出口排気ガス圧力との比であるタービン膨張比と振動応力との関係を示している。
【００２１】
（ａ）に示されたように、例えば、排気ガスの流量が一定である場合に、ノズル開度が小さいとタービンブレードに加わる振動応力は大きくなり、ノズル開度が大きくなるとタービンブレードに加わる振動応力は二次曲線的に小さくなる。これはノズル開度が小さいと、タービンブレードにおける排気ガスが当たる面積が小さくなることが影響している。一方、（ｂ）に示されるように、タービン膨張比に応じてタービンブレードに加わる振動応力も増大する。タービン膨張比はタービンホイールの回転数に略比例する。
【００２２】
図４は、本実施形態の可変容量型ターボチャージャの動作領域を、吸入空気量とコンプレッサ圧力比（吸気圧／大気圧）との関係において示したグラフである。
【００２３】
図中、左側下方が開いた略楕円形状の曲線によって画定される領域が、本実施形態の可変容量型ターボチャージャの動作領域である。この動作領域の左側縁部の曲線に沿った領域は、ノズル開度が小さい領域である。また、該動作領域の左側略中央付近から右側下方を横切る、略平行な２つの曲線はタービンホイールの回転数がα及びβの等価ラインであり、この２つの曲線によって挟まれる領域が、タービンホイールの共振ゾーンを示している。
【００２４】
本願発明者等により、図４において、楕円で囲んだ領域、ずなわち、共振ゾーンにあり、かつノズル開度が小さい領域において、タービンブレードの破損が生じやすいことが確認されている。従って、本実施形態の可変容量過給機の制御装置は、可変容量型ターボチャージャの動作時に、この楕円で囲んだ領域を避けるように、ノズル開度を制御する。
【００２５】
本実施形態の可変容量過給機の制御装置は、基本的には、エンジンの運転状態に応じて設定される目標過給圧となるように、タービンホイールへの排気ガス入口流路に設けられる可変ノズルの開度を制御する。
【００２６】
図５は、本実施形態の可変容量型ターボチャージャにおける、エンジン回転数とアクセル開度とに対応する目標過給圧を示すグラフである。所定のアクセル開度θについて、エンジン回転数Ｎｅに応じて目標過給圧Ｐｔが一意に求まる。図中、２つの異なるアクセル開度θに対応した２つの曲線が示されているが、実際にはアクセル開度毎にこのような曲線が求められる。従って、このようなグラフ（又はグラフに対応したテーブル）を参照することによって、アクセル開度θとエンジン回転数Ｎｅとから、設定すべき目標過給圧Ｐｔが一意に求まる。
【００２７】
更に本実施形態では、上記タービンブレードの破損が生じやすい領域での動作を避けるべく、以下の制御も行う。
【００２８】
タービンホイールの回転数に関連するパラメータとして、例えば、大気圧Ｐａ、吸気圧Ｐｉ、吸入空気量Ａの値を検出する。そして、これらパラメータの値から、タービンホイールの回転数Ｎｔを算出する。算出された回転数Ｎｔから予め定められたタービンホイールの共振ゾーン（回転数がαからβの範囲）にあるか否かを判定する。次に、可変ノズルの開度に関連するパラメータとしてノズル開度Ｂの値を検出する。共振ゾーンにあると判定され、かつ可変ノズルの開度が所定開度以下となるときに、可変ノズルの開度を所定開度よりも大きくする。
【００２９】
共振ゾーンにあると判定され、かつ可変ノズルの開度が所定開度以下となることは、図４において楕円で囲んだ領域でターボチャージャが動作することを示す。本実施形態ではこのような場合に、ノズル開度Ｂを所定開度よりも大きくする。この場合、吸入空気量Ａは変化しないので、ノズル開度Ｂを大きくすると吸気圧Ｐｉが減少する。これは図４において、ターボチャージャの動作領域を楕円で囲んだ領域から下側へ移行させることを意味する。
【００３０】
以下、本実施形態の可変容量過給機の制御装置の動作について、図６のフローチャートを参照して説明する。
【００３１】
始めに、ターボチャージャの制御に関するパラメータの値を、図１に示したようなセンサから検出する（ステップＳ１）。本実施形態では、回転数センサ４からエンジン回転数Ｎｅ、アクセル開度センサからアクセル開度θ、吸気量センサ１から吸入空気量Ａ、大気圧センサ２から大気圧Ｐａ、吸気圧センサ３から吸気圧Ｐｉ、ノズル開度センサからノズル開度Ｂをそれぞれ検出する。
【００３２】
そして、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度θとから設定すべき目標過給圧Ｐｔの値を、図５に関して説明したようにして求める（ステップＳ２）。次に、アクセル開度θや車速等の情報から、運転状態が加速であるか否かを判定する（ステップＳ３）。
【００３３】
運転状態が加速であると判定された場合、大気圧Ｐａ、吸気圧Ｐｉ、吸入空気量Ａの値からタービンホイールの回転数Ｎｔを算出する（ステップＳ４）。なお、本実施形態では、図４に例示したようなデータのマップ等を参照してタービンホイールの回転数を算出している。
【００３４】
次に、算出されたタービンホイールの回転数Ｎｔが、共振ゾーンにあるか（α≦Ｎｔ≦β）否かを判定する（ステップＳ５）。ここでタービンホイールの回転数Ｎｔが共振ゾーンにあると判定された場合、ノズル開度Ｂが、所定開度以下であるか否かを判定する（ステップＳ６）。
【００３５】
ここでノズル開度Ｂが所定開度以下であると判定された場合、図４において楕円で囲んだ領域、すなわちタービンブレードの破損が生じやすい領域でターボチャージャが動作することを意味する。従って、この領域での動作を回避すべく、ノズル開度Ｂが所定開度よりも大きくなるように可変ノズルを制御する（ステップＳ７）。
【００３６】
また、ステップＳ３で運転状態が加速でないと判定された場合、ステップＳ５でタービンホイールの回転数が共振ゾーンにないと判定された場合、及びステップＳ６でノズル開度Ｂが所定開度以下でないと判定された場合には、タービンブレードの破損が生じやすい領域でターボチャージャが動作することはない。従って、いずれの場合にも設定された目標過給圧Ｐｔに応じて可変ノズルを制御する（ステップＳ８）。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態によれば、可変ノズルの開度が小さくタービンホイールのブレードに作用する力が大きい状態で、タービンホイールが共振ゾーンに移行した場合においても、可変ノズルの開度が所定開度よりも大きくされるので励振力を低下させて、ブレードの破損を回避することが可能となる。
【００３８】
＜第２の実施形態＞
以下、本発明に係る可変容量過給機の制御装置の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の基本的構成は、上記第１の実施形態と同様であり、以下では第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３９】
第１の実施形態では、タービンブレードの破損が生じやすい領域でターボチャージャが動作することが想定される場合に、ノズル開度を所定開度よりも大きくするものであった。これに対して第２の実施形態では、タービンブレードの破損が生じやすい領域でターボチャージャが動作することが想定される場合に、目標過給圧を低下させるものである。
【００４０】
図７は、第２の実施形態の可変容量過給機の制御装置の動作を示すフローチャートである。該フローチャートにおいて、第１の実施形態と異なるのは、ステップＳ５で「はい」と判定された後に実行される処理である。
【００４１】
すなわち、ステップＳ５で、タービンホイールの回転数Ｎｔが共振ゾーンにあると判定された場合、吸入空気量Ａが所定量以下であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。そして、吸入空気量Ａが所定量以下であると判定された場合、ステップＳ２で設定された目標過給圧Ｐｔの値を低下させるべく補正して、可変ノズルを制御する（ステップＳ１７）。
【００４２】
ここで図４を参照して、本実施形態の動作について説明する。タービンホイールの回転数Ｎｔが共振ゾーンにあり、かつ吸入空気量Ａが所定量以下である場合には、図４の楕円で囲んだタービンブレードの破損が生じやすい領域でターボチャージャが動作することを意味する。本実施形態ではこの領域での動作を回避すベく、目標過給圧Ｐｔを低下補正する。目標過給圧を低下させると、吸気圧も低下させられ、図４において、縦軸に示されているコンプレッサ圧力比も低下させられることとなる。従って、ターボチャージャの動作領域は、タービンブレードの破損が生じやすい領域から下方に移行することとなる。
【００４３】
このように、上記第１の実施形態ではノズル開度を直接変更してタービンブレードの動作領域を移行させたが、本実施形態では目標過給圧を変更して、結果としてタービンブレードの動作領域を移行させる。
【００４４】
以上説明したように本実施形態によれば、可変ノズルの開度が小さくタービンホイールのブレードに作用する力が大きい状態で、タービンホイールが共振ゾーンに移行した場合においても、過給圧が目標過給圧よりも低下させられ、結果として可変ノズルの開度が大きくされるため、励振力を低下させて、ブレードの破損を回避することが可能となる。
【００４５】
（他の実施形態）
尚、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その他の種々の実施形態や変形例を包含するものである。すなわち、上記実施形態で示した可変容量過給機の制御装置の構成は一例であり、本発明の意図するような制御が可能な構成であれば、これらに限定されるものではない。
【００４６】
例えば、上記の実施形態では、大気圧、吸気圧、吸入空気量等のパラメータの値からタービンホイールの回転数を算出するとしたが、他のパラメータからタービンホイールの回転数を算出するようにしてもよいし、タービンホイールの回転数を直接検出するようにしてもよい。
【００４７】
また、上記で図６及び図７のフローチャートに関して説明した処理の順番はあくまで例示であり、本願発明で要求される機能が実現されれば処理の順番を変更しても良い。
【００４８】
また更に、上記第１の実施形態におけるノズルの所定開度、第２の実施形態における吸入空気量の所定量の値は、特に例示していないが、ターボチャージャの動作領域が、図４に示したタービンブレードの破損が生じやすい領域の外部（好ましくは下方）となるような値に設定すればよい。
【００４９】
加えて、本発明に係る可変容量過給機の制御装置の少なくとも一部は、ＣＰＵとＲＡＭやＲＯＭなどを備え、所定の制御プログラムを実行するコンピュータ装置によって実現され得る。この場合、制御プログラムは、図６及び図７の少なくともいずれかのフローチャートに対応したモジュールや制御コードを含むものとなる。
【００５０】
更に、本発明に係る可変容量過給機の制御装置は、既に車両に搭載されているエンジン制御装置の一部として組み込まれていても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る可変容量過給機の制御装置を含む、可変容量過給システムの全体構成を説明する図である。
【図２Ａ】図１のターボチャージャの排気側の部分断面図である。
【図２Ｂ】図２ＡのＢ−Ｂにおける断面図である。
【図３】排気側タービンブレードに作用する励振力の大きさの要因となる２つのパラメータに関して、振動応力との関係を示すグラフである。
【図４】第１の実施形態の可変容量型ターボチャージャの動作領域を、吸入空気量とコンプレッサ圧力比との関係において示したグラフである。
【図５】第１の実施形態の可変容量型ターボチャージャにおける、エンジン回転数とアクセル開度とに対応する目標過給圧を示すグラフである。
【図６】第１の実施形態の可変容量過給機の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】第２の実施形態の可変容量過給機の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５２】
１ 吸気量センサ
２ 大気圧センサ
３ 吸気圧センサ
４ 回転数センサ
６ ノズル開度センサ
１０ エアクリーナ
２０ ターボチャージャ
２１ タービンブレード
２２ ノズル
２３ 軸
３０ インタークーラー
４０ エンジン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変容量過給機の制御装置に関し、特に、可変容量過給機のタービンホイールのブレードの破損を防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用エンジンの過給システムとして、排気流によってタービンを駆動して吸入空気の圧力（過給圧）を高めるターボチャージャシステムが知られている。近年は、排気流の流速を可変として過給圧を調整可能な可変容量型ターボチャージャ（可変容量型過給機）が実用化されている。
【０００３】
一般に、可変容量型ターボチャージャは、排気ガスの流路に可変ノズルを設け、該ノズルの開度を調整して流速を可変としているが、ノズル開度を小さくするとタービンブレードに高速の排気ガスが当たるため、タービンホイールの共振する領域においてブレードに作用する力が大きくなり、ブレードの破損を招く虞がある。
【０００４】
このため、特許文献１に記載されたように、タービンブレードの振動を抑制すべく、ターボチャージャにおけるノズルとブレードの位置関係を設定する技術が知られている。
【特許文献１】特開２００２−３０３１４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された技術は、ターボチャージャの設計においてブレードの振動が抑制される位置関係を開示するものであるが、ターボチャージャの動作時においてタービンブレードに作用する励振力を抑制する手法については記載されていない。
【０００６】
本発明は以上のような状況に鑑みてなされたものであり、ターボチャージャの動作時において、タービンホイールのタービンブレードに作用する励振力を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一態様としての可変容量過給機の制御装置は、エンジン排気流を受けて回転駆動されるブレードを有するタービンホイールと、
エンジンの運転状態に応じて設定される目標過給圧となるように、前記タービンホイールへの排気ガス入口流路に設けられる可変ノズルの開度を制御する制御手段と、を備えた可変容量過給機の制御装置であって、
前記タービンホイールの回転数に関連するパラメータの値を検出する第１のパラメータ値検出手段と、
前記タービンホイールの回転数から予め定められた前記タービンホイールの共振ゾーンか否かを判定する共振ゾーン判定手段と、
前記可変ノズルの開度に関連するパラメータの値を検出する第２のパラメータ値検出手段と、を備え、
前記共振ゾーンと判定され、かつ前記可変ノズルの開度が所定開度以下であるときに、前記可変ノズルの開度を前記所定開度よりも大きくすることを特徴とする。
【０００８】
可変ノズルの開度が小さいとタービンホイールのブレードに作用する励振力が大きくなり、この状態でタービンホイールが共振ゾーンに移行すると、励振力と共振とが相俟って、ブレードの破損を招く虞がある。
【０００９】
上記構成とすると、可変ノズルの開度が小さくタービンホイールのブレードに作用する力が大きい状態で、タービンホイールが共振ゾーンに移行した場合においても、可変ノズルの開度が所定開度よりも大きくされるので励振力を低下させて、ブレードの破損を回避することが可能となる。
【００１０】
上記目的を達成する本発明の別の態様による可変容量過給機の制御装置は、エンジン排気流を受けて回転駆動されるブレードを有するタービンホイールと、
エンジンの運転状態に応じて設定される目標過給圧となるように、前記タービンホイールへの排気ガス入口流路に設けられる可変ノズルの開度を制御する制御手段と、を備えた可変容量過給機の制御装置であって、
前記タービンホイールの回転数に関連するパラメータの値を検出するパラメータ値検出手段と、
前記タービンホイールの回転数から予め定められた前記タービンホイールの共振ゾーンか否かを判定する共振ゾーン判定手段と、
過給機上流側の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、を備え、
前記共振ゾーンと判定され、かつ前記吸入空気量が所定量以下であるときに、過給圧を前記目標過給圧よりも低下させることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、可変ノズルの開度が小さくタービンホイールのブレードに作用する力が大きい状態で、タービンホイールが共振ゾーンに移行した場合においても、過給圧が目標過給圧よりも低下させられ、結果として可変ノズルの開度が大きくされるため、励振力を低下させて、ブレードの破損を回避することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、可変ノズルの開度が小さくタービンホイールのブレードに作用する力が大きい状態で、タービンホイールが共振ゾーンに移行した場合においても、可変ノズルの開度が大きくなるように制御されるので、励振力を低下させて、ブレードの破損を回避することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１４】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明に係る可変容量過給機の制御装置を含む、可変容量過給システムの全体構成を説明する図である。
【００１５】
図中１０は、外気を吸入するエアクリーナ、２０は吸入空気を圧縮する可変容量型ターボチャージャ、３０は圧縮された吸入空気を冷却するインタークーラー、４０はエンジンである。また、１は吸入空気量（吸気量）を検出する吸気量センサ、２は大気圧を検出する大気圧センサ、３はエンジン４０に取り込まれる吸気圧（過給圧）を検出する吸気圧センサ、４はエンジン４０の回転数を検出する回転数センサ、６は可変容量型ターボチャージャ２０のノズル開度を検出するノズル開度センサである。更に、不図示のアクセル開度を検出するセンサも設けられている。
【００１６】
次に、本実施形態で用いられる可変容量型ターボチャージャ２０の概略構成と動作について説明する。図２Ａは本実施形態の可変容量型ターボチャージャ２０の排気側の部分断面図であり、図２Ｂは図２ＡのＢ−Ｂにおける断面図である。
【００１７】
図中Ｇは排気ガスであり矢印でその方向を示している。また、２１はタービンブレード、２２はノズル、２３はノズル２２の軸をそれぞれ示している。タービンブレード２１の外側周囲には所定間隔で複数のノズル２２が配置されている。各ノズル２２は、図２Ｂに示すように軸２３を中心に矢印で示す方向に回動可能であり、隣接する２つのノズル２２間の間隙Ｓの大きさ（開度）を調整可能である。エンジン４０から排出された排気ガスＧは、ノズル２２の間隙Ｓを通過してタービンブレード２１に当たる。タービンホイールには、排気側タービンブレード２１と同軸に吸気側タービンブレードが設けられており、排気側タービンブレードが回転することによって吸気側タービンブレードも回転し、吸入空気が圧縮されて吸気圧が高められる。
【００１８】
従って、排気ガスＧの流量が一定である場合に、ノズル開度を小さくする（閉じる）と、ノズル間の間隙Ｓを通過してタービンブレード２１に当たる排気ガスＧの速度が速くなり、タービンホイールの回転数が増加して吸気圧が増大する。一方、ノズル開度を大きくする（開く）と、ノズル間の間隙Ｓを通過してタービンブレード２１に当たる排気ガスＧの速度が遅くなり、タービンホイールの回転数が低下して吸気圧が減少する。
【００１９】
ここで、可変容量ターボチャージャ２０の排気側タービンブレード２１に作用する励振力について検討する。
【００２０】
図３は、排気側タービンブレード２１に作用する励振力の大きさの要因となる２つのパラメータに関して、振動応力との関係を示すグラフである。（ａ）は、ノズル開度と振動応力との関係を示し、（ｂ）は、タービン入口排気ガス圧力とタービン出口排気ガス圧力との比であるタービン膨張比と振動応力との関係を示している。
【００２１】
（ａ）に示されたように、例えば、排気ガスの流量が一定である場合に、ノズル開度が小さいとタービンブレードに加わる振動応力は大きくなり、ノズル開度が大きくなるとタービンブレードに加わる振動応力は二次曲線的に小さくなる。これはノズル開度が小さいと、タービンブレードにおける排気ガスが当たる面積が小さくなることが影響している。一方、（ｂ）に示されるように、タービン膨張比に応じてタービンブレードに加わる振動応力も増大する。タービン膨張比はタービンホイールの回転数に略比例する。
【００２２】
図４は、本実施形態の可変容量型ターボチャージャの動作領域を、吸入空気量とコンプレッサ圧力比（吸気圧／大気圧）との関係において示したグラフである。
【００２３】
図中、左側下方が開いた略楕円形状の曲線によって画定される領域が、本実施形態の可変容量型ターボチャージャの動作領域である。この動作領域の左側縁部の曲線に沿った領域は、ノズル開度が小さい領域である。また、該動作領域の左側略中央付近から右側下方を横切る、略平行な２つの曲線はタービンホイールの回転数がα及びβの等価ラインであり、この２つの曲線によって挟まれる領域が、タービンホイールの共振ゾーンを示している。
【００２４】
本願発明者等により、図４において、楕円で囲んだ領域、ずなわち、共振ゾーンにあり、かつノズル開度が小さい領域において、タービンブレードの破損が生じやすいことが確認されている。従って、本実施形態の可変容量過給機の制御装置は、可変容量型ターボチャージャの動作時に、この楕円で囲んだ領域を避けるように、ノズル開度を制御する。
【００２５】
本実施形態の可変容量過給機の制御装置は、基本的には、エンジンの運転状態に応じて設定される目標過給圧となるように、タービンホイールへの排気ガス入口流路に設けられる可変ノズルの開度を制御する。
【００２６】
図５は、本実施形態の可変容量型ターボチャージャにおける、エンジン回転数とアクセル開度とに対応する目標過給圧を示すグラフである。所定のアクセル開度θについて、エンジン回転数Ｎｅに応じて目標過給圧Ｐｔが一意に求まる。図中、２つの異なるアクセル開度θに対応した２つの曲線が示されているが、実際にはアクセル開度毎にこのような曲線が求められる。従って、このようなグラフ（又はグラフに対応したテーブル）を参照することによって、アクセル開度θとエンジン回転数Ｎｅとから、設定すべき目標過給圧Ｐｔが一意に求まる。
【００２７】
更に本実施形態では、上記タービンブレードの破損が生じやすい領域での動作を避けるべく、以下の制御も行う。
【００２８】
タービンホイールの回転数に関連するパラメータとして、例えば、大気圧Ｐａ、吸気圧Ｐｉ、吸入空気量Ａの値を検出する。そして、これらパラメータの値から、タービンホイールの回転数Ｎｔを算出する。算出された回転数Ｎｔから予め定められたタービンホイールの共振ゾーン（回転数がαからβの範囲）にあるか否かを判定する。次に、可変ノズルの開度に関連するパラメータとしてノズル開度Ｂの値を検出する。共振ゾーンにあると判定され、かつ可変ノズルの開度が所定開度以下となるときに、可変ノズルの開度を所定開度よりも大きくする。
【００２９】
共振ゾーンにあると判定され、かつ可変ノズルの開度が所定開度以下となることは、図４において楕円で囲んだ領域でターボチャージャが動作することを示す。本実施形態ではこのような場合に、ノズル開度Ｂを所定開度よりも大きくする。この場合、吸入空気量Ａは変化しないので、ノズル開度Ｂを大きくすると吸気圧Ｐｉが減少する。これは図４において、ターボチャージャの動作領域を楕円で囲んだ領域から下側へ移行させることを意味する。
【００３０】
以下、本実施形態の可変容量過給機の制御装置の動作について、図６のフローチャートを参照して説明する。
【００３１】
始めに、ターボチャージャの制御に関するパラメータの値を、図１に示したようなセンサから検出する（ステップＳ１）。本実施形態では、回転数センサ４からエンジン回転数Ｎｅ、アクセル開度センサからアクセル開度θ、吸気量センサ１から吸入空気量Ａ、大気圧センサ２から大気圧Ｐａ、吸気圧センサ３から吸気圧Ｐｉ、ノズル開度センサからノズル開度Ｂをそれぞれ検出する。
【００３２】
そして、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度θとから設定すべき目標過給圧Ｐｔの値を、図５に関して説明したようにして求める（ステップＳ２）。次に、アクセル開度θや車速等の情報から、運転状態が加速であるか否かを判定する（ステップＳ３）。
【００３３】
運転状態が加速であると判定された場合、大気圧Ｐａ、吸気圧Ｐｉ、吸入空気量Ａの値からタービンホイールの回転数Ｎｔを算出する（ステップＳ４）。なお、本実施形態では、図４に例示したようなデータのマップ等を参照してタービンホイールの回転数を算出している。
【００３４】
次に、算出されたタービンホイールの回転数Ｎｔが、共振ゾーンにあるか（α≦Ｎｔ≦β）否かを判定する（ステップＳ５）。ここでタービンホイールの回転数Ｎｔが共振ゾーンにあると判定された場合、ノズル開度Ｂが、所定開度以下であるか否かを判定する（ステップＳ６）。
【００３５】
ここでノズル開度Ｂが所定開度以下であると判定された場合、図４において楕円で囲んだ領域、すなわちタービンブレードの破損が生じやすい領域でターボチャージャが動作することを意味する。従って、この領域での動作を回避すべく、ノズル開度Ｂが所定開度よりも大きくなるように可変ノズルを制御する（ステップＳ７）。
【００３６】
また、ステップＳ３で運転状態が加速でないと判定された場合、ステップＳ５でタービンホイールの回転数が共振ゾーンにないと判定された場合、及びステップＳ６でノズル開度Ｂが所定開度以下でないと判定された場合には、タービンブレードの破損が生じやすい領域でターボチャージャが動作することはない。従って、いずれの場合にも設定された目標過給圧Ｐｔに応じて可変ノズルを制御する（ステップＳ８）。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態によれば、可変ノズルの開度が小さくタービンホイールのブレードに作用する力が大きい状態で、タービンホイールが共振ゾーンに移行した場合においても、可変ノズルの開度が所定開度よりも大きくされるので励振力を低下させて、ブレードの破損を回避することが可能となる。
【００３８】
＜第２の実施形態＞
以下、本発明に係る可変容量過給機の制御装置の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の基本的構成は、上記第１の実施形態と同様であり、以下では第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３９】
第１の実施形態では、タービンブレードの破損が生じやすい領域でターボチャージャが動作することが想定される場合に、ノズル開度を所定開度よりも大きくするものであった。これに対して第２の実施形態では、タービンブレードの破損が生じやすい領域でターボチャージャが動作することが想定される場合に、目標過給圧を低下させるものである。
【００４０】
図７は、第２の実施形態の可変容量過給機の制御装置の動作を示すフローチャートである。該フローチャートにおいて、第１の実施形態と異なるのは、ステップＳ５で「はい」と判定された後に実行される処理である。
【００４１】
すなわち、ステップＳ５で、タービンホイールの回転数Ｎｔが共振ゾーンにあると判定された場合、吸入空気量Ａが所定量以下であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。そして、吸入空気量Ａが所定量以下であると判定された場合、ステップＳ２で設定された目標過給圧Ｐｔの値を低下させるべく補正して、可変ノズルを制御する（ステップＳ１７）。
【００４２】
ここで図４を参照して、本実施形態の動作について説明する。タービンホイールの回転数Ｎｔが共振ゾーンにあり、かつ吸入空気量Ａが所定量以下である場合には、図４の楕円で囲んだタービンブレードの破損が生じやすい領域でターボチャージャが動作することを意味する。本実施形態ではこの領域での動作を回避すベく、目標過給圧Ｐｔを低下補正する。目標過給圧を低下させると、吸気圧も低下させられ、図４において、縦軸に示されているコンプレッサ圧力比も低下させられることとなる。従って、ターボチャージャの動作領域は、タービンブレードの破損が生じやすい領域から下方に移行することとなる。
【００４３】
このように、上記第１の実施形態ではノズル開度を直接変更してタービンブレードの動作領域を移行させたが、本実施形態では目標過給圧を変更して、結果としてタービンブレードの動作領域を移行させる。
【００４４】
以上説明したように本実施形態によれば、可変ノズルの開度が小さくタービンホイールのブレードに作用する力が大きい状態で、タービンホイールが共振ゾーンに移行した場合においても、過給圧が目標過給圧よりも低下させられ、結果として可変ノズルの開度が大きくされるため、励振力を低下させて、ブレードの破損を回避することが可能となる。
【００４５】
（他の実施形態）
尚、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その他の種々の実施形態や変形例を包含するものである。すなわち、上記実施形態で示した可変容量過給機の制御装置の構成は一例であり、本発明の意図するような制御が可能な構成であれば、これらに限定されるものではない。
【００４６】
例えば、上記の実施形態では、大気圧、吸気圧、吸入空気量等のパラメータの値からタービンホイールの回転数を算出するとしたが、他のパラメータからタービンホイールの回転数を算出するようにしてもよいし、タービンホイールの回転数を直接検出するようにしてもよい。
【００４７】
また、上記で図６及び図７のフローチャートに関して説明した処理の順番はあくまで例示であり、本願発明で要求される機能が実現されれば処理の順番を変更しても良い。
【００４８】
また更に、上記第１の実施形態におけるノズルの所定開度、第２の実施形態における吸入空気量の所定量の値は、特に例示していないが、ターボチャージャの動作領域が、図４に示したタービンブレードの破損が生じやすい領域の外部（好ましくは下方）となるような値に設定すればよい。
【００４９】
加えて、本発明に係る可変容量過給機の制御装置の少なくとも一部は、ＣＰＵとＲＡＭやＲＯＭなどを備え、所定の制御プログラムを実行するコンピュータ装置によって実現され得る。この場合、制御プログラムは、図６及び図７の少なくともいずれかのフローチャートに対応したモジュールや制御コードを含むものとなる。
【００５０】
更に、本発明に係る可変容量過給機の制御装置は、既に車両に搭載されているエンジン制御装置の一部として組み込まれていても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る可変容量過給機の制御装置を含む、可変容量過給システムの全体構成を説明する図である。
【図２Ａ】図１のターボチャージャの排気側の部分断面図である。
【図２Ｂ】図２ＡのＢ−Ｂにおける断面図である。
【図３】排気側タービンブレードに作用する励振力の大きさの要因となる２つのパラメータに関して、振動応力との関係を示すグラフである。
【図４】第１の実施形態の可変容量型ターボチャージャの動作領域を、吸入空気量とコンプレッサ圧力比との関係において示したグラフである。
【図５】第１の実施形態の可変容量型ターボチャージャにおける、エンジン回転数とアクセル開度とに対応する目標過給圧を示すグラフである。
【図６】第１の実施形態の可変容量過給機の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】第２の実施形態の可変容量過給機の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５２】
１ 吸気量センサ
２ 大気圧センサ
３ 吸気圧センサ
４ 回転数センサ
６ ノズル開度センサ
１０ エアクリーナ
２０ ターボチャージャ
２１ タービンブレード
２２ ノズル
２３ 軸
３０ インタークーラー
４０ エンジン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン排気流を受けて回転駆動されるブレードを有するタービンホイールと、
エンジンの運転状態に応じて設定される目標過給圧となるように、前記タービンホイールへの排気ガス入口流路に設けられる可変ノズルの開度を制御する制御手段と、を備えた可変容量過給機の制御装置であって、
前記タービンホイールの回転数に関連するパラメータの値を検出する第１のパラメータ値検出手段と、
前記タービンホイールの回転数から予め定められた前記タービンホイールの共振ゾーンか否かを判定する共振ゾーン判定手段と、
前記可変ノズルの開度に関連するパラメータの値を検出する第２のパラメータ値検出手段と、を備え、
前記共振ゾーンと判定され、かつ前記可変ノズルの開度が所定開度以下であるときに、前記可変ノズルの開度を前記所定開度よりも大きくすることを特徴とする可変容量過給機の制御装置。
【請求項２】
エンジン排気流を受けて回転駆動されるブレードを有するタービンホイールと、
エンジンの運転状態に応じて設定される目標過給圧となるように、前記タービンホイールへの排気ガス入口流路に設けられる可変ノズルの開度を制御する制御手段と、を備えた可変容量過給機の制御装置であって、
前記タービンホイールの回転数に関連するパラメータの値を検出するパラメータ値検出手段と、
前記タービンホイールの回転数から予め定められた前記タービンホイールの共振ゾーンか否かを判定する共振ゾーン判定手段と、
過給機上流側の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、を備え、
前記共振ゾーンと判定され、かつ前記吸入空気量が所定量以下であるときに、過給圧を前記目標過給圧よりも低下させることを特徴とする可変容量過給機の制御装置。
【請求項１】
エンジン排気流を受けて回転駆動されるブレードを有するタービンホイールと、
エンジンの運転状態に応じて設定される目標過給圧となるように、前記タービンホイールへの排気ガス入口流路に設けられる可変ノズルの開度を制御する制御手段と、を備えた可変容量過給機の制御装置であって、
前記タービンホイールの回転数に関連するパラメータの値を検出する第１のパラメータ値検出手段と、
前記タービンホイールの回転数から予め定められた前記タービンホイールの共振ゾーンか否かを判定する共振ゾーン判定手段と、
前記可変ノズルの開度に関連するパラメータの値を検出する第２のパラメータ値検出手段と、を備え、
前記共振ゾーンと判定され、かつ前記可変ノズルの開度が所定開度以下であるときに、前記可変ノズルの開度を前記所定開度よりも大きくすることを特徴とする可変容量過給機の制御装置。
【請求項２】
エンジン排気流を受けて回転駆動されるブレードを有するタービンホイールと、
エンジンの運転状態に応じて設定される目標過給圧となるように、前記タービンホイールへの排気ガス入口流路に設けられる可変ノズルの開度を制御する制御手段と、を備えた可変容量過給機の制御装置であって、
前記タービンホイールの回転数に関連するパラメータの値を検出するパラメータ値検出手段と、
前記タービンホイールの回転数から予め定められた前記タービンホイールの共振ゾーンか否かを判定する共振ゾーン判定手段と、
過給機上流側の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、を備え、
前記共振ゾーンと判定され、かつ前記吸入空気量が所定量以下であるときに、過給圧を前記目標過給圧よりも低下させることを特徴とする可変容量過給機の制御装置。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−４０１６４（Ｐ２００７−４０１６４Ａ）
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２２４５６０（Ｐ２００５−２２４５６０）
【出願日】平成１７年８月２日（２００５．８．２）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月２日（２００５．８．２）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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