内燃机的增压压力控制装置的制作方法

1.本发明涉及一种内燃机的增压压力控制装置，尤其涉及一种使用具有可变喷嘴的增压器的增压压力控制装置，所述可变喷嘴用于变更增压压力。


背景技术：

2.作为汽车等的内燃机中使用的增压器，已知有可变容量型的增压器。在可变容量型的增压器中，通过改变设置于涡轮壳体内的可变喷嘴的多个喷嘴叶片的角度，来改变排气流路面积，由此改变朝向涡轮工作轮(turbine wheel)的排出气体的流速，从而控制增压压力。
3.在此种可变容量型的增压器中，在发生了可变喷嘴的固着等故障的情况下，增压压力或排压(涡轮工作轮的上游侧的排气压力)会持续上升，因此有时内燃机或增压器会发生故障。为此，提出了用于防止增压器的故障的各种技术。
4.例如，在专利文献1所记载的涡轮增压器的控制装置中，在检测出的可变喷嘴的开度为极限喷嘴开度以下、且检测出的涡轮转速属于诱发共振区域、且检测出的涡轮的入口处的压力为极限涡轮入口压力以上的情况下，判定为涡轮增压器处于诱发破损状态。而且，在判定涡轮增压器为诱发破损状态的情况下，通过使可变喷嘴的开度增加来消除诱发破损状态。
5.[现有技术文献]
[0006]
[专利文献]
[0007]
[专利文献1]日本专利特开2009
‑
13963号公报


技术实现要素：

[0008]
[发明所要解决的问题]
[0009]
在专利文献1记载的技术中，在基于上述三个参数确认了增压器进入诱发破损状态后，使可变喷嘴的开度增加来消除诱发破损状态。因此，无法防止加速时的增压压力的过冲(overshoot)的发生，且无法切实地防止诱发破损状态的发生。
[0010]
本发明是为了解决此种问题而完成的，其目的在于提供一种内燃机的增压压力控制装置，可防止加速时的增压压力的过冲，有效地防止增压器的故障，并且提高增压的响应性。
[0011]
[解决问题的技术手段]
[0012]
为了实现所述目的，本发明技术方案1的内燃机的增压压力控制装置的特征在于，包括：增压器(涡轮增压器12)，设置于内燃机(发动机)1中，且构成为通过使可变喷嘴124的开度avg向关闭侧变化来使增压压力pb上升，所述增压器包括利用排气的动能受到旋转驱动的涡轮、以及设置于进气通路且经由轴与所述涡轮连结的压缩机；增压压力获取单元(增压压力传感器21)，获取增压压力；限制值设定单元(ecu 20，图4)，基于增压器的涡轮侧的压力(限制膨胀比rlmt)，设定限制可变喷嘴的关闭侧的开度的限制值almt；以及开度设定
单元(ecu 20，图4)，当使增压压力朝向目标增压压力pbcmd上升时，将可变喷嘴的开度设定为限制值，继而将可变喷嘴的开度逐渐设定为打开侧。
[0013]
根据本发明的内燃机的增压压力控制装置，通过限制值设定单元，基于增压器的涡轮侧的压力来设定限制可变喷嘴的关闭侧的开度的限制值，通过开度设定单元，当使增压压力朝向目标增压压力上升时，将可变喷嘴的开度设定为限制值，继而将可变喷嘴的开度逐渐设定为打开侧。如此，通过基于涡轮侧压力限制可变喷嘴的关闭侧的开度，可有效地防止增压器的故障，并且通过将可变喷嘴的开度设定为限制值的前馈控制(feedforward control)，可防止增压压力的过冲的发生。另外，当使增压压力朝向目标增压压力上升时，通过将可变喷嘴的开度设定为全闭侧的限制值，可提高增压的响应性。
[0014]
本发明技术方案2的发明是根据技术方案1所述的内燃机的增压压力控制装置，其特征在于，所述可变喷嘴的开度的限制值是比目标增压压力所对应的开度小、且比全闭开度大的值。
[0015]
根据所述结构，由于可变喷嘴的开度的限制值是如上所述的值，因此当使增压压力朝向目标增压压力上升时，开度设定单元将可变喷嘴的开度设定为限制值，所述限制值是比与目标增压压力对应的开度小、且比全闭开度大的值，继而将可变喷嘴的开度逐渐设定为打开侧。如此，当使增压压力上升时，通过将可变喷嘴的开度设定为比全闭开度更靠打开侧，可防止增压器的故障，并且通过将可变喷嘴的开度设定为比与目标增压压力对应的开度更靠关闭侧，可提高增压的响应性。
[0016]
本发明技术方案3的发明是根据技术方案1或2所述的内燃机的增压压力控制装置，其特征在于，涡轮侧的压力是涡轮的上游侧的压力与涡轮的下游侧的压力之比的膨胀比。
[0017]
根据所述结构，基于作为涡轮的上游压力与下游压力之比的膨胀比来限制可变喷嘴的关闭侧的开度，因此相对于涡轮的上游压力(排压)也反映出排气温度或大气压等，由此可在排气温度或大气压的变化时更有效地防止增压器的故障。
附图说明
[0018]
图1是示意性地表示内燃机的结构的图。
[0019]
图2是概略地表示可变容量型的增压器的可变喷嘴的剖面图。
[0020]
图3是表示内燃机的控制装置的结构的框图。
[0021]
图4是表示可变喷嘴开度的设定处理的流程图。
[0022]
图5是用于基于限制膨胀比及要求涡轮功量来设定可变喷嘴的开度的限制值的映射图。
[0023]
[符号的说明]
[0024]
1：发动机(内燃机)
[0025]
12：涡轮增压器(增压器)
[0026]
20：ecu(限制值设定单元、开度设定单元)
[0027]
21：增压压力传感器
[0028]
121：涡轮
[0029]
124：可变喷嘴
[0030]
almt：可变喷嘴开度的限制值
[0031]
avg：可变喷嘴开度
[0032]
pb：增压压力
[0033]
pbcmd：目标增压压力
[0034]
rlmt：限制膨胀比
具体实施方式
[0035]
以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。如图1所示，内燃机(以下称为“发动机”)1搭载于车辆中，且例如是具有串联的四个气缸6并且向气缸6的燃烧室(未图示)内直接喷射燃料的直喷发动机。在各气缸6中设置有燃料喷射阀7、火花塞8、进气阀及排气阀(均未图示)。另外，在将燃烧室中的活塞的往复运动变换为旋转运动的曲轴(均未图示)中，设置有检测发动机1的转速(发动机转速ne)的转速传感器9。
[0036]
另外，发动机1包括进气通路2、排气通路11、及作为增压器的涡轮增压器12。进气通路2与缓冲罐(surge tank)4连接，缓冲罐4经由进气歧管5与各气缸6的燃烧室连接。在进气通路2中，从上游侧起依次设置有涡轮增压器12的后述的压缩机123、用于冷却经涡轮增压器12加压的空气的中间冷却器3、以及节流阀13。节流阀13由节流阀(th)致动器13a驱动。在缓冲罐4中设置有检测增压压力pb的增压压力传感器21，在进气通路2中设置有检测吸入空气流量gair的吸入空气流量传感器22。
[0037]
涡轮增压器12包括：涡轮121，设置于排气通路11，利用排气的动能受到旋转驱动；以及压缩机123，设置于进气通路2，经由轴122与涡轮121连结。压缩机123将吸入至发动机1的空气(进气)加压来进行增压。在进气通路2连接有绕过压缩机123的旁通通路16，在旁通通路16中设置有用于调整在旁通通路16中通过的空气的流量的空气旁通阀(ab阀)17。
[0038]
排气通路11经由排气歧管10与各气缸6的燃烧室连接。在排气通路11中设置有具有可变喷嘴124的涡轮121。如后所述，可变喷嘴124通过变更流路面积来调整在可变喷嘴124中通过的空气(排出气体)的流速，由此变更增压效率。
[0039]
如图2所示，可变喷嘴124包括设置于涡轮121的壳体内且能够变更角度的多个喷嘴叶片124a。各喷嘴叶片124a经由杆124b与叶片致动器124c连接，当通过叶片致动器124c驱动杆124b时，与此连动地，各喷嘴叶片124a的角度发生变更。另外，在杆124b中设置有可变喷嘴开度传感器124d，所述可变喷嘴开度传感器124d检测喷嘴叶片124a的角度来作为可变喷嘴的开度(可变喷嘴开度avg)。
[0040]
在本说明书中，所谓可变喷嘴开度avg是指喷嘴叶片124a的角度，在提及减小可变喷嘴开度avg或将可变喷嘴开度avg控制为关闭侧时，是指对所有的喷嘴叶片124a向相邻的两个喷嘴叶片之间的间隔变窄的方向进行驱动。另外，在提及增大可变喷嘴开度avg或将可变喷嘴开度avg控制为打开侧时，是指对所有的喷嘴叶片124a向相邻的两个喷嘴叶片之间的间隔扩大的方向进行驱动。另外，例如，avg＝0％是指在发动机1的运转过程中可控制的最小的开度，avg＝100％是指在发动机1的运转过程中可控制的最大的开度。
[0041]
根据以上的定义，若减小可变喷嘴开度avg，则喷嘴叶片124a间的间隔变窄，由此，朝向涡轮工作轮121a的排出气体的流路面积变小。由此，在可变喷嘴124中通过的排出气体的流速上升，涡轮工作轮121a的转速上升，由此，与涡轮121一体地连结的压缩机123的转速
上升，增压压力pb上升。相反，若增大可变喷嘴开度avg，则喷嘴叶片124a间的间隔扩大，由此，流路面积扩大，通过的排出气体的流速下降，由此，涡轮工作轮121a及压缩机123的转速下降，增压压力pb下降。
[0042]
图3表示发动机1的控制装置的结构。电子控制单元(以下称为ecu。)20由包括中央处理器(central processing unit，cpu)、随机存取存储器(random access memory，ram)、只读存储器(read only memory，rom)及输入/输出(input/output，i/o)接口(均未图示)等的微型计算机构成。在ecu 20连接有所述增压压力传感器21、吸入空气流量传感器22、可变喷嘴开度传感器124d、转速传感器9，除此之外还连接有检测车辆的加速踏板(accelerator pedal)的操作量(加速器开度ap)的加速器开度传感器23等，且逐次被输入它们的检测信号。在ecu 20的输出侧连接有燃料喷射阀7、火花塞8、th致动器13a、叶片致动器124c、ab阀17等。
[0043]
ecu 20根据以上各种传感器的检测信号等来控制发动机1。尤其是在本实施方式中，ecu 20根据发动机1的运转状态(主要是发动机转速ne及加速器开度ap)来改变可变喷嘴124的开度avg，由此进行增压压力pb的控制。
[0044]
以下，参照图4及图5，对本实施方式中的增压压力控制进行说明。在所述增压压力控制中，基于涡轮121侧的压力来设定限制可变喷嘴开度avg的关闭侧的开度的限制值almt。而且，在有来自车辆的加速要求时，将可变喷嘴开度avg设定为限制值almt，在并无加速要求时，在可变喷嘴开度avg低于限制值almt的情况下，将可变喷嘴开度avg设定为限制值almt。
[0045]
在本实施方式中，关于所述限制值almt的设定，使用作为涡轮121的上游侧的压力(排压)与下游侧的压力之比的膨胀比作为涡轮121侧的压力来进行设定。具体而言，在膨胀比超过规定的极限值(极限膨胀比rover)时，评估为排压过度上升且发生涡轮等的故障的可能性高的状态，并将低于极限膨胀比rover的规定的膨胀比预先设定为限制膨胀比rlmt，以不超过极限膨胀比rover。然后，基于由车辆的要求(发动机转速ne及加速器开度ap)决定的涡轮121的要求功量wcmd以及限制膨胀比rlmt，设定可变喷嘴开度avg的限制值almt。
[0046]
图4是表示设定可变喷嘴开度avg的处理的流程图。在ecu 20中，每隔规定时间反复执行本处理。在本处理中，首先在步骤401(图示为“s401”。以下相同)中基于发动机转速ne与油门开度ap算出要求扭矩。继而，在步骤402中，基于发动机转速ne与要求扭矩算出目标增压压力pbcmd。继而，在步骤403中，基于发动机转速ne与要求扭矩算出目标流量。继而，在步骤404中，基于目标增压压力pbcmd算出目标膨胀比。
[0047]
继而，在步骤405中，基于在步骤403及步骤404中算出的目标流量及目标膨胀比等，使用用于导出涡轮功量的公知的式子算出要求涡轮功量wcmd。所谓要求涡轮功量wcmd，是指用于使增压压力pb上升至目标增压压力pbcmd所需的涡轮的功量。
[0048]
继而，在步骤406中，基于要求涡轮功量wcmd与所述限制膨胀比rlmt检索图5所示的映射图，由此设定可变喷嘴开度avg的限制值almt。
[0049]
图5的映射图示出了可变喷嘴开度avg、排气流量及膨胀比的关系，在图5中，作为可变喷嘴开度avg，例示了从avg 1(开度100％)至avg 5(开度0％)的5个规定值avg 1～avg 5。另外，在所述映射图上，示出了获得某个要求涡轮功量wcmd 1时的可变喷嘴开度avg、排气流量及膨胀比的关系。另外，图5中的rover与rlmt分别为所述极限膨胀比与限制膨胀比。
[0050]
使用所述映射图，根据所算出的要求功量wcmd与规定的限制膨胀比rlmt，求出可变喷嘴开度avg与排气流量。此时，在由要求功量wcmd与限制膨胀比rlmt决定的可变喷嘴开度avg不在avg 1～avg 5的线上的情况下，可变喷嘴开度avg可通过插值计算而算出。
[0051]
在步骤406中算出限制值almt后，在步骤407中，判定是否从车辆接收到加速要求(例如，加速器开度ap的增加等)。在步骤407的答案为yes(是)而从车辆接收到加速要求的情况下，前进至步骤410，将可变喷嘴开度avg设定为步骤406中所算出的限制值almt，并结束本处理。
[0052]
此外，虽然在图4中未示出，但可构成为：在从步骤407前进至步骤410的情况下、即从车辆接收加速要求而将可变喷嘴开度avg设定为限制值almt的情况下，作为继此之后的处理，执行在经过规定时间为止的期间将当前的可变喷嘴开度avg与规定的增加量δa相加而得的值设定为新的可变喷嘴开度avg的处理。
[0053]
回到图4，在步骤407的答案为no(否)而未从车辆接收到加速要求的情况下，前进至步骤408。在步骤408中，通过反馈控制来变更可变喷嘴开度avg，以使增压压力pb成为目标增压压力pbcmd，并前进至步骤409。
[0054]
在步骤409中，判别可变喷嘴开度avg是否小于限制值almt。在步骤409的答案为yes(是)而可变喷嘴开度avg被设定成比限制值almt更靠关闭侧的开度时，前进至步骤410，将可变喷嘴开度avg设定为限制值almt，并结束本处理。另一方面，在步骤409的答案为no(否)而可变喷嘴开度avg被设定成与限制值almt相同或比限制值almt更靠打开侧的开度时，前进至步骤411，维持当前的可变喷嘴开度avg，并结束本处理。
[0055]
通过以上的可变喷嘴开度设定，在本实施方式中，在从车辆接收到加速要求时，将可变喷嘴开度avg设定为限制值almt，并且在未从车辆接收到加速要求时，对可变喷嘴开度avg进行反馈控制，以使增压压力pb成为目标增压压力pbcmd，但在可变喷嘴开度avg低于限制值almt的情况下，将可变喷嘴开度avg设定为限制值almt。
[0056]
如上所述，根据本实施方式，基于限制膨胀比rlmt来设定限制可变喷嘴124的关闭侧的开度avg的限制值almt，且当使增压压力pb朝向目标增压压力pbcmd上升时，将可变喷嘴开度avg设定为限制值almt，然后，以使可变喷嘴开度avg逐渐增加的方式进行控制。如此，通过基于涡轮121的限制膨胀比rlmt来限制可变喷嘴124的关闭侧的开度，可有效地防止涡轮增压器12的故障，并且当使增压压力pb朝向目标增压压力pbcmd上升时，通过将可变喷嘴开度avg设定为限制值almt，可防止增压压力的过冲的发生。
[0057]
另外，当从车辆接收到加速要求时，将可变喷嘴开度avg设定为接近全闭开度的限制值almt，由此可提高增压的响应性。
[0058]
另外，基于作为涡轮增压器12的涡轮121的上游侧的压力与下游侧的压力之比的膨胀比来设定可变喷嘴开度avg的限制值almt，因此相对于涡轮121的上游侧的压力(排压)的上升，也反映出排气温度或大气压等，由此可在排气温度或大气压的变化时更有效地防止涡轮增压器12的故障。
[0059]
此外，本发明并不限定于所说明的实施方式，可以各种实施方式来实施。例如，在实施方式中，在基于要求涡轮功量wcmd与限制膨胀比rlmt来设定喷嘴开度avg的限制值almt时，使用了图5的映射图，但所述映射图仅为例示，能够适宜地变更。另外，也能够使用计算式来代替映射图。除此之外，在本发明的主旨的范围内，能够适宜地变更细节的结构。