JP4625226B2 - 統合排気ガス再循環バルブ付きターボチャージャ制御用のインテリジェント・エレクトリック・アクチュエータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
関連出願の相互参照
本願は、本願と同じ名称の２０００年３月３日出版の係属出願第６０／１８６，６４８号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、概して排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム付きエンジンに使用されるターボチャージャの制御に関し、特にターボチャージャ回転速度、空気およびＥＧＲガス温度、および空気およびＥＧＲガス圧力を使用して、一体具設されたＥＧＲバルブ付き可変形状ターボチャージャを制御するための、診断およびメモリ能力を有するインテリジェント・エレクトリック・アクチュエータに関する。
【０００３】
【従来の技術】
商用ディーゼル車両では、一般的にエンジン効率を上げるためにターボチャージャが使用される。さらに、２００２年の全国ＮＯｘエミッション減少を目的とする規制要求事項の引上げを控え、またさらに、ディーゼル・エンジンによってエンジン空気系制御は一層複雑かつ全体エンジン性能の重要な部分となっている。ターボチャージャおよびエンジンのＥＧＲシステムの制御は、そのような空気系管理の最も重要な手段である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ターボチャージャの耐用寿命は、ターボチャージャに作用する速度／デューティ・サイクルに関し、特に、タービン・ホイールおよびコンプレッサ・ホイール（あるいはおそらくターボチャージャの内部構成品）の疲労寿命に係わる。与えられた用途に関してどんな特定の速度／デューティ・サイクルの作用がターボチャージャに及ぶのか正確に知ることはきわめて困難である。したがって、ターボチャージャの耐用寿命を疲労関係の故障に関して予測することは非常に難しい。したがって、ターボチャージャ・ホイールの疲労故障は前触れ無しに生じ得るし、現に生起する。ターボチャージャを「安全な」蓄積時間で早々と交換するのは費用効果的でなく、エンジンのダウンタイムを過度に増すことになる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ウエィストゲーテッド・ターボチャージャもしくは可変形状入口ノズル・ターボチャージャ（ＶＧＴ）でウエィストゲートまたはＶＧＴベーン・セットを作動させるアクチュエータを伴うもの等の調節式ターボチャージャに応用可能であるが、なおそれらに限定されない。ターボチャージャのシャフト速度、エア・ガス温度、エア・ガス圧力、ＥＧＲガス温度、およびＥＧＲガス圧力をインテリジェント・エレクトリック・アクチュエータに入力することにより、そのデータを次いでウエィストゲートまたはＶＮＴノズル・セットの始動制御向上のために使用することができる。
【０００６】
コントローラが使用するソフトウェアは、各種の最小／最大速度、温度および圧力しきい値が、後にそれらのしきい値に到達および／または越えて記録される速度、温度および圧力の振れとともにプリセットされるように設計される。
【０００７】
一連のしきい値が特定の用途のために予め定められる。そのデータは、アクチュエータのメモリに蓄積されて将来の使用に供される。与えられたホイール・デザイン、サイズ、材料等のコンプレッサ・ホイールあるいはタービン・ホイールの疲労寿命を規定し、特定の疲労寿命情報をＲＥＡにプログラムすることにより、幾つかの利点が生じる。
【０００８】
速度、温度および圧力の入力から、エレクトリック・アクチュエータの使用が向上し、それによってターボチャージャのウエィストゲートまたはＶＧＴノズル・セット制御の精度が上がる。その情報は、ＥＧＲ百分率の直接制御により、エンジン・アウト・エミッション・レベルを一層精確に制御するためにも使用される。
【０００９】
所定数値の速度、温度および／または圧力しきい値に到達すると、エレクトリック・アクチュエータは、様々な実施形態で、ホイール疲労故障がいつ切迫するかを予測することにより、ターボチャージャの速度を調節（減速）することができる。
【００１０】
所定数値の速度、温度および／または圧力しきい値に到達すると、エレクトリック・アクチュエータは、様々な実施形態で、スイッチ切換により、疲労故障切迫を予告しオペレータに「ターボチャージャ交換」を指示することができる。
【００１１】
エレクトリック・アクチュエータは、メモリにオペレーショナル・フィールド・データを蓄積して、様々な用途（幹線トラック、市内トラック、レジャー用クラフト、タグボート、フロントエンド・ローダ、ブルドーザ、鉱山トラック、掘削機、ｇｅｎ−ｓｅｔ等）の特定のターボチャージャ作動条件のプロファイリングを将来の保守における使用に供することができる。
【００１２】
エレクトリック・アクチュエータに蓄積された速度／デューティ・サイクル・データはダウンロードし、保証裁決手続きにおいて、あるいは故障評価のための診断ツールとして使用することができる。
【００１３】
即ち請求項１記載の発明は、内燃機関用の排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムであって、排気マニホルド（１４）からの排気ガスを受ける可変形状タービン入口ノズル（４４）を有するターボチャージャ（１６）と、排気マニホルドからの排気ガスを受けるために接続された入口を有する調節可能なＥＧＲバルブ（３４）と、可変形状タービン入口ノズルに接続してこれを一定範囲の位置で調節する第１の調節手段付きマスタ・アクチュエータ（５０）であって、前記マスタ・アクチュエータはさらに第１の複数のターボチャージャ条件信号（４６、４８ａ−ｅ）および第２の複数のエンジン条件信号を受けるコントローラ（５３）を有し、コントローラは第１調節手段を第１および第２の複数の信号に応じて位置付けする、マスタ・アクチュエータと、ＥＧＲバルブに接続してこれを少なくとも開の位置および閉の位置に調節する第２の調節手段付きスレーブ・アクチュエータ（５２）であって、前記スレーブ・アクチュエータは、現在位置信号をマスタ・アクチュエータのコントローラに供給しかつコントローラから所望の位置信号を実際位置信号および第１および第２の複数の信号に応じて受ける処理手段（５８）を有し、処理手段は第２調節手段を所望の位置信号に応じて位置付けする、スレーブ・アクチュエータと、を備えるＥＧＲシステムである。
【００１４】
また請求項２に記載の発明は、第１調節手段がクランク・アーム（５６）を介して可変形状入口ノズル（４４）に接続されるロータリ・エレクトリック・アクチュエータを備える請求項１に記載のＥＧＲシステムである。
【００１５】
また請求項３に記載の発明は、第２調節手段がクランク・アーム（６０）を介してＥＧＲバルブ（３４）に接続されるロータリ・エレクトリック・アクチュエータを備える請求項２に記載のＥＧＲシステムである。
【００１６】
また請求項４に記載の発明は、ターボチャージャ条件信号が、コンプレッサ入口圧力、コンプレッサ入口温度、コンプレッサ出口圧力、コンプレッサ出口温度、タービン入口温度、タービン入口圧力、タービン出口温度、タービン出口圧力、ＥＧＲ圧力、ＥＧＲ温度およびターボチャージャ・シャフト速度のグループから選択される請求項１に記載のＥＧＲシステムである。
【００１７】
また請求項５に記載の発明は、可変形状ターボチャージャを有する内燃機関エンジンの排気ガス再循環（ＥＧＲ）を制御する方法であって、その方法は、複数のターボチャージャ条件信号をマスタ・アクチュエータのコントローラを介して受けるステップと、複数のエンジン条件信号をコントローラを介して受けるステップと、ターボチャージャの可変形状の所望の設定をターボチャージャおよびエンジン条件信号の所定のマトリクスに基づいて求めるステップと、ターボチャージャの形状を所望の設定に合わせてマスタ・アクチュエータで調節するステップと、調節可能なＥＧＲバルブに接続されたスレーブ・アクチュエータの実際位置信号をプロセッサを介してコントローラに供給するステップと、ＥＧＲバルブの所望の位置をターボチャージャおよびエンジン条件信号の所定のマトリクスに基づいて求めるステップと、所望の位置信号をコントローラからプロセッサに供給するステップと、ＥＧＲバルブの位置をスレーブ・アクチュエータによりプロセッサを介して調節するステップと、により構成される制御方法である。
【００１８】
本発明のそれらのおよび他の特徴および長所は、以下の詳細な説明を添付図面を参照して検討することによって理解されよう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１に、ターボチャージャおよびＥＧＲシステムを有する内燃機関におけるＥＧＲシステムを模式的に示す。エンジン１０は、インテーク・マニホルド１２および排気マニホルド１４を含む。図示の実施形態においては、エンジンはターボチャージャ１６を含み、概ねターボチャージャは、ハウジング１８に内蔵のタービンおよびハウジング２０に内蔵の、エンジン１０の吸気を圧縮するためのコンプレッサを備える。吸気は、ターボチャージャ圧縮プロセス中に加熱され、かつエンジン耐久性および性能要求事項を満たすために冷却されなければならない。その冷却は、ターボチャージャ１６から吐出される空気をチャージャ・エア・クーラ２２（ＣＡＣ）２２に従来のコンジットまたはダクティング２４を介して送ることによって達成される。吸気は、次いでＣＡＣからエンジンのインテーク・マニホルドに従来のコンジットまたはダクティング３０を介して送られる。
【００２０】
エンジン１０はまた、ＥＧＲシステムを含む。ＥＧＲシステムは、本発明によってターボチャージャに一体化された制御弁３４を含み、制御弁は、排気マニホルドから吸気され、ＣＡＣを通過した吸気と混合するためにエンジン・インダクション・システムに戻されるか、あるいはターボチャージャのタービンに指向される排気ガスの割合を調節する。制御弁３４は、受けた排気ガスの一部を排気マニホルドからＥＧＲシステムを介してタービン・ハウジング内に送る。
【００２１】
ＥＧＲシステムはまた、エンジンに取付のＥＧＲクーラ３８または熱交換機を含み、これによってシステムを通過する排気ガスを冷却する。熱交換機をＥＧＲコンジットまたはダクティング４０に設けることによって、エンジン１０の効率が向上する。他に、ＮＯｘおよびＰＭエミッションの減少、燃料消費量の減少等の利点もまた、熱交換機３８の存在から得られる結果である。熱交換機３８を通過する排気ガスは、次いでＣＡＣを通過した吸気とＥＧＲミキサ４２において混合される。この吸気と排気ガスの混合ガスは、ミキサ４２を後にしてエンジンのインテーク・マニホルドに入る。
【００２２】
ターボチャージャの可変形状ノズル４４は、タービン・ハウジング入口および排気マニホルド内の背圧のために利用される。速度センサ４６によってターボチャージャ・シャフトの回転速度が求められ、一括符号４８を付した圧力／温度センサにより得られるコンプレッサ出入口、タービン出入口およびＥＧＲ流量調節弁の出口の温度および圧力により、ＥＧＲディファレンシャル・プレッシャが求められる。第１のロータリ・エレクトリック・アクチュエータ（ＲＥＡ）５０によってタービンへの可変形状入口ノズルのノズル・ベーンが制御される。第２ＲＥＡによってＥＧＲバルブが制御される。ＥＧＲバルブは、本願と譲受人を同じくし、書類番号９００９９０３９の係属中の併願「ＴＵＲＢＯＣＨＡＲＧＥＲ ＷＩＴＨ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＥＸＨＡＵＳＴ ＧＡＳ ＲＥＣＩＲＣＵＬＡＴＩＯＮ ＶＡＬＶＥ」において定義のものに匹敵する構造とすることができ、その開示をここに援用する。
【００２３】
図２に示すように、ＲＥＡはマスタ／スレーブ構成で相互接続される。ＶＧＴベーン・ポジション制御用の第１ＲＥＡには、ＥＧＲ圧力および温度センサ４８ａ、タービン出口圧力および温度センサ４８ｂ、タービン入口圧力および温度センサ４８ｃ、コンプレッサ出口圧力および温度センサ４８ｄおよびコンプレッサ入口圧力および温度センサ４８ｅからの信号を受けるマイクロプロセッサ・コントローラ５３が組み込まれる。エンジン作動条件はエンジン・コントロール・ユニット（ＥＣＵ）５４からＣＡＮ２．０Ｂインタフェースを介してマイクロプロセッサに与えられ、速度センサからの入力はターボチャージャから供給される。エンジン作動要求事項に合わせてマップされたセンサ入力条件の所定のマトリクスに基づき、マイクロプロセッサ・コントローラによってマスタＲＥＡが始動して、ＶＧＴのベーンを調節するようにクランク・アーム５６を位置付けし、それによってターボチャージャ性能が最適化される。
【００２４】
さらに、マイクロプロセッサ・コントローラは第２またはスレーブＲＥＡからの位置信号を受け、信号を第２ＲＥＡの中央処理装置（ＣＰＵ）５８に所定のマッピング・マトリクスに基づいて供給する。図示の実施形態ではパルス幅変調（ＰＷＭ）信号が使用される。ＣＰＵがＲＥＡを作動させることによって、クランク・アーム６０をＥＧＲバルブ３４の始動によりエンジンへのＥＧＲ流量を調整する位置に付ける。マスタ／スレーブ構成により、ＶＧＴの同時対話式制御が得られ、排気背圧によるＥＧＲ流量調節が可能となる。
【００２５】
マイクロプロセッサ・コントローラはさらに、速度センサおよび温度圧力センサからのデータを選択的に記録し、サイクル情報を計算する。マイクロプロセッサ・コントローラは、計算されたサイクル情報をターボチャージャ構成品の予測された疲労寿命のマッピング・マトリクスの所定のサイクル情報と比較し、所定の限界に到達すると、第１ＲＥＡを「リンプ・ホーム（ｌｉｍｐ ｈｏｍｅ）」モードあるいは他の速度制限により始動させて故障を排除し、また代替実施形態では、出力信号を供給してオペレータにＣＡＮインタフェースを介して通知する。
【００２６】
図３は、本発明を組込みの、前述の実施形態に代わる、ＥＧＲクーラに隣接して取付の分離式ＥＧＲバルブを使用するターボチャージャ付きディーゼル・エンジン構成を示す。
【００２７】
以上、本発明を特許法の要件にしたがって詳細に説明したので、当業者はここに開示した具体的実施形態の変更および代替を認識するであろう。そのような変更は、特許請求の範囲に定義した本発明の範疇と意図の範囲内に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明により作動する一体具設のＥＧＲバルブ付き可変形状ターボチャージャを有する内燃機関の概念図である。
【図２】 本発明を組み込むターボチャージャおよびアクチュエータの制御構造のブロック図である。
【図３】 本発明をＥＧＲシステムと併用組込みのアクチュエータを使用するターボチャージャ付きエンジンの例示的斜視図である。

Claims (5)

1. 内燃機関用の排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムであって、
   排気マニホルド（１４）からの排気ガスを受ける可変形状タービン入口ノズル（４４）を有するターボチャージャ（１６）と、
   排気マニホルドからの排気ガスを受けるために接続された入口を有する調節可能なＥＧＲバルブ（３４）と、
   可変形状タービン入口ノズルに接続してこれを一定範囲の位置で調節する第１の調節手段付きマスタ・アクチュエータ（５０）であって、前記マスタ・アクチュエータはさらに第１の複数のターボチャージャ条件信号（４６、４８ａ−ｅ）および第２の複数のエンジン条件信号を受けるコントローラ（５３）を有し、該コントローラ（５３）は前記第１調節手段を第１および第２の複数の信号に応じて位置付けする、マスタ・アクチュエータと、
   ＥＧＲバルブ（３４）に接続してこれを少なくとも開の位置および閉の位置に調節する第２の調節手段付きスレーブ・アクチュエータ（５２）であって、前記スレーブ・アクチュエータは、前記マスタ・アクチュエータ（５０）からの指示のみを受け取りそれに基づいて動作するものであり、現在位置信号を前記マスタ・アクチュエータ（５０）の前記コントローラ（５３）に供給しかつ該コントローラから位置信号を実際位置信号および第１および第２の複数の信号に応じて受ける処理手段（５８）を有し、該処理手段は第２調節手段を位置信号に応じて位置付けする、スレーブ・アクチュエータと、
   を備えるＥＧＲシステム。
2. 第１調節手段がクランク・アーム（５６）を介して可変形状入口ノズル（４４）に接続され、該可変形状入口ノズル（４４）のベーンを調整するために前記クランクアーム（５６）を回転させるロータリ・エレクトリック・アクチュエータ（５０）を備える請求項１に記載のＥＧＲシステム。
3. 第２調節手段がクランク・アーム（６０）を介してＥＧＲバルブ（３４）に接続され、該ＥＧＲバルブ（３４）を駆動して前記エンジンへのＥＧＲ流を制御するためにクランクアーム（６０）を回転させるロータリ・エレクトリック・アクチュエータ（５２）を備える請求項２に記載のＥＧＲシステム。
4. ターボチャージャ条件信号が、コンプレッサ入口圧力、コンプレッサ入口温度、コンプレッサ出口圧力、コンプレッサ出口温度、タービン入口温度、タービン入口圧力、タービン出口温度、タービン出口圧力、ＥＧＲ圧力、ＥＧＲ温度およびターボチャージャ・シャフト速度のグループから選択される請求項１に記載のＥＧＲシステム。
5. 可変形状ターボチャージャを有する内燃機関エンジンの排気ガス再循環（ＥＧＲ）を制御する方法であって、その方法は、
   複数のターボチャージャ条件信号をマスタ・アクチュエータ（５０）のコントローラ（５３）を介して受けるステップと、
   複数のエンジン条件信号を前記コントローラ（５３）を介して受けるステップと、
   前記可変形状ターボチャージャのベーンの角度の設定をターボチャージャおよびエンジン条件信号のマトリクスに基づいて求めるステップと、
   前記可変形状ターボチャージャのベーンの角度を設定角度に合わせてマスタ・アクチュエータ（５０）で調節するステップと、
   調節可能なＥＧＲバルブ（３４）に接続され、前記マスタ・アクチュエータからの指示のみを受け取りそれに基づいて動作するスレーブ・アクチュエータ（５２）の実際位置信号をプロセッサ（５８）を介して前記コントローラ（５３）に供給するステップと、
   ＥＧＲバルブ（３４）の位置をターボチャージャおよびエンジン条件信号のマトリクスに基づいて求めるステップと、
   位置信号を前記コントローラ（５３）からプロセッサ（５８）に供給するステップと、
   ＥＧＲバルブ（３４）の位置を前記スレーブ・アクチュエータ（５２）によりプロセッサ（５８）を介して調節するステップと、
   により構成される制御方法。

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