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JP2018071497A - Internal combustion engine control device - Google Patents

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JP2018071497A
JP2018071497A JP2016215362A JP2016215362A JP2018071497A JP 2018071497 A JP2018071497 A JP 2018071497A JP 2016215362 A JP2016215362 A JP 2016215362A JP 2016215362 A JP2016215362 A JP 2016215362A JP 2018071497 A JP2018071497 A JP 2018071497A
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JP
Japan
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turbine
pressure
compressor
target value
temperature
Prior art date
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Pending
Application number
JP2016215362A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
梢 依藤
Kozue Yorifuji
梢 依藤
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

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Abstract

【課題】過渡状態において過給圧の目標値を精度良く達成することができる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】コンプレッサ仕事、新気量、コンプレッサ前温度、コンプレッサ前圧力及びコンプレッサ後圧力との間に成り立つ関係を用いて、コンプレッサ後圧力の目標値と、新気量、コンプレッサ前温度及びコンプレッサ前圧力の各現在値とからコンプレッサ仕事の目標値を算出する。次に、コンプレッサ仕事の目標値とターボ総合効率とに基づいてタービン仕事の目標値を算出する。さらに、タービン仕事、タービン前温度、タービン前圧力、タービン通過ガス量及びタービン後圧力の間に成り立つ関係を用いて、タービン仕事の目標値と、タービン前温度、タービン前圧力及びタービン通過ガス量の各現在値とからタービン後圧力の目標値を算出する。そして、タービン後圧力の目標値に基づいて可変ノズルの開度を決定する。【選択図】図2A control device for an internal combustion engine capable of accurately achieving a target value of supercharging pressure in a transient state. SOLUTION: Using a relationship established among compressor work, fresh air amount, pre-compressor temperature, pre-compressor pressure and post-compressor pressure, a target value of post-compressor pressure, fresh air amount, pre-compressor temperature, and pre-compressor value are used. The target value of compressor work is calculated from each current value of pressure. Next, the turbine work target value is calculated based on the compressor work target value and the turbo overall efficiency. In addition, the relationship between turbine work, pre-turbine temperature, pre-turbine pressure, turbine passing gas amount and turbine post-pressure is used to determine the target value of turbine work and the pre-turbine temperature, pre-turbine pressure and turbine passing gas amount. The target value of the turbine post-pressure is calculated from each current value. And the opening degree of a variable nozzle is determined based on the target value of turbine post-pressure. [Selection] Figure 2

Description

この発明は、可変ノズル又はウエストゲートバルブを有するターボ過給機を備えた内燃機関の制御装置に関する。   The present invention relates to a control device for an internal combustion engine including a turbocharger having a variable nozzle or a wastegate valve.

可変ノズルやウエストゲートバルブを有するターボ過給機を備えた内燃機関では、可変ノズルやウエストゲートバルブの操作によりタービンの回転を能動的に制御することができる。そして、タービンの回転を制御することで、タービンの回転状態が関係する状態量を間接的に制御することができる。例えば、特開2014−47717号公報には、エキゾーストマニホールド内の圧力の目標値を設定し、その目標値を達成するように可変ノズルの開度を決定することが開示されている。   In an internal combustion engine including a turbocharger having a variable nozzle and a wastegate valve, the rotation of the turbine can be actively controlled by operating the variable nozzle and the wastegate valve. And by controlling the rotation of the turbine, it is possible to indirectly control the state quantity related to the rotation state of the turbine. For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2014-47717 discloses that a target value of pressure in the exhaust manifold is set and the opening of the variable nozzle is determined so as to achieve the target value.

特開2014−47717号公報JP 2014-47717 A 特許第5963927号公報Japanese Patent No. 5963927

ところで、タービンの回転状態が関係する状態量には、過給圧が含まれる。過給圧も可変ノズルやウエストゲートバルブの操作によって制御することができる。しかし、吸排気系の温度や圧力の応答遅れにより、過渡状態において過給圧の目標値を精度良く達成することは容易ではない。   By the way, the supercharging pressure is included in the state quantity related to the rotational state of the turbine. The supercharging pressure can also be controlled by operating a variable nozzle or a wastegate valve. However, it is not easy to accurately achieve the target value of the supercharging pressure in the transient state due to the response delay of the temperature and pressure of the intake / exhaust system.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、過渡状態において過給圧の目標値を精度良く達成することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a control device for an internal combustion engine that can accurately achieve a target value of supercharging pressure in a transient state.

本発明に係る内燃機関の制御装置は、可変ノズル又はウエストゲートバルブを有するターボ過給機を備えた内燃機関の制御装置であって、以下のロジックによって過給圧の目標値を達成するための可変ノズル又はウエストゲートバルブの操作量を決定する。   An internal combustion engine control apparatus according to the present invention is an internal combustion engine control apparatus including a turbocharger having a variable nozzle or a wastegate valve, and achieves a target value of supercharging pressure by the following logic. The operation amount of the variable nozzle or the wastegate valve is determined.

本発明に係る内燃機関の制御装置は、過給圧の目標値を取得する。そして、過給圧の目標値からコンプレッサの出口側の吸気通路内圧力であるコンプレッサ後圧力の目標値を算出する。また、吸気通路に取り込まれた新気の流量である新気量の現在値を取得するとともに、コンプレッサの入口側の吸気通路内温度であるコンプレッサ前温度の現在値を取得し、さらに、コンプレッサの入口側の吸気通路内圧力であるコンプレッサ前圧力の現在値を取得する。そして、コンプレッサがする仕事であるコンプレッサ仕事、新気量、コンプレッサ前温度、コンプレッサ前圧力、及びコンプレッサ後圧力の間に成り立つ関係を用いて、コンプレッサ後圧力の目標値と、新気量、コンプレッサ前温度、及びコンプレッサ前圧力の各現在値とからコンプレッサ仕事の目標値を算出する。   The control device for an internal combustion engine according to the present invention obtains a target value for the supercharging pressure. Then, the target value of the post-compressor pressure that is the pressure in the intake passage on the outlet side of the compressor is calculated from the target value of the supercharging pressure. In addition, the current value of the fresh air amount, which is the flow rate of fresh air taken into the intake passage, is acquired, the current value of the pre-compressor temperature, which is the temperature in the intake passage on the inlet side of the compressor, is acquired. Acquires the current value of the pre-compressor pressure that is the pressure in the intake passage on the inlet side. The target value of the post-compressor pressure, the new air quantity, the pre-compressor value are calculated using the relationship between the compressor work, the new air quantity, the pre-compressor temperature, the pre-compressor pressure, and the post-compressor pressure. The target value of the compressor work is calculated from the current values of the temperature and the pre-compressor pressure.

次に、本発明に係る内燃機関の制御装置は、コンプレッサ仕事の目標値とターボ過給機の総合効率とに基づいてタービンがされる仕事であるタービン仕事の目標値を算出する。また、タービンの入口側の排気通路内温度であるタービン前温度の現在値を取得するとともに、タービンの入口側の排気通路内圧力であるタービン前圧力の現在値を取得し、さらに、タービンを通過するガスの流量であるタービン通過ガス量の現在値を取得する。そして、タービン仕事、タービン前温度、タービン前圧力、タービン通過ガス量、及びタービンの出口側の排気通路内圧力であるタービン後圧力の間に成り立つ関係を用いて、タービン仕事の目標値と、タービン前温度、タービン前圧力、及びタービン通過ガス量の各現在値とからタービン後圧力の目標値を算出する。   Next, the control apparatus for an internal combustion engine according to the present invention calculates a target value for turbine work, which is work to be performed by the turbine, based on the target value for compressor work and the overall efficiency of the turbocharger. Also, the current value of the pre-turbine temperature, which is the temperature in the exhaust passage on the inlet side of the turbine, is acquired, the current value of the pre-turbine pressure, which is the pressure in the exhaust passage on the inlet side of the turbine, is acquired, and further passes through the turbine. The current value of the amount of gas passing through the turbine that is the flow rate of the gas to be acquired is acquired. The turbine work target value and the turbine work are determined by using the relationship established between the turbine work, the temperature before the turbine, the pressure before the turbine, the amount of gas passing through the turbine, and the pressure in the exhaust passage on the outlet side of the turbine. A target value of the turbine post-pressure is calculated from the current values of the pre-temperature, the pre-turbine pressure, and the turbine passing gas amount.

そして、本発明に係る内燃機関の制御装置は、タービン後圧力の目標値に基づいて可変ノズル又はウエストゲートバルブの操作量を決定する。   And the control apparatus of the internal combustion engine which concerns on this invention determines the operation amount of a variable nozzle or a wastegate valve based on the target value of turbine post-pressure.

本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、上記のロジックに従って過給圧の目標値から可変ノズル又はウエストゲートバルブの操作量を決定するので、吸排気系の温度や圧力の応答遅れが生じる過渡状態においても、過給圧の目標値を精度良く達成することができる。   According to the control apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, the operation amount of the variable nozzle or the wastegate valve is determined from the target value of the supercharging pressure according to the above-described logic, so that a response delay of the temperature and pressure of the intake / exhaust system occurs. Even in the transient state, the target value of the supercharging pressure can be achieved with high accuracy.

本発明の実施の形態1の内燃機関の概略構成を示す図である。1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an internal combustion engine according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1の制御装置が備える目標過給圧から目標タービン後圧力を算出する構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure which calculates a target turbine post pressure from the target supercharging pressure with which the control apparatus of Embodiment 1 of this invention is provided. 本発明の実施の形態1の制御装置が備える目標タービン後圧力から可変ノズルと排気切替弁の各開度を算出する構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure which calculates each opening degree of a variable nozzle and an exhaust gas switching valve from the target turbine post pressure with which the control apparatus of Embodiment 1 of this invention is provided. 可変ノズルの開度特性マップの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the opening degree characteristic map of a variable nozzle. 排気切替弁の開度特性マップの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the opening degree characteristic map of an exhaust gas switching valve. 本発明の実施の形態2の内燃機関の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the internal combustion engine of Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2の制御装置が備える目標タービン後圧力から可変ノズルの開度を算出する構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure which calculates the opening degree of a variable nozzle from the target turbine post pressure with which the control apparatus of Embodiment 2 of this invention is provided.

実施の形態1.
[実施の形態1の内燃機関の構成]
図1は、本発明の実施の形態1の内燃機関2の概略構成を示す図である。本実施の形態に係る内燃機関2は、自動車に搭載されるディーゼルエンジンとして構成されたエンジン本体10を備える。エンジン本体10の吸気入口には、吸気通路12が接続されている。吸気通路12の入口付近には、エアクリーナ16が設けられている。また、エンジン本体10の排気出口には、排気通路14が接続されている。排気通路14の途中には、排気ガスを浄化するための触媒装置18が設けられている。
Embodiment 1 FIG.
[Configuration of Internal Combustion Engine of Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine 2 according to Embodiment 1 of the present invention. The internal combustion engine 2 according to the present embodiment includes an engine body 10 configured as a diesel engine mounted on an automobile. An intake passage 12 is connected to the intake inlet of the engine body 10. An air cleaner 16 is provided near the inlet of the intake passage 12. An exhaust passage 14 is connected to the exhaust outlet of the engine body 10. A catalyst device 18 for purifying the exhaust gas is provided in the middle of the exhaust passage 14.

本実施の形態の内燃機関2は、2つのターボ過給機が直列に配設された2ステージターボシステムとして構成されている。具体的には、内燃機関2は、低圧ターボ過給機(以下、「LPターボ過給機」と称する)20と、LPターボ過給機20よりも容量の小さい高圧ターボ過給機(以下、「HPターボ過給機」と称する)22とを備える。LPターボ過給機20は、排気エネルギによって回転するタービン(以下、「LPタービン」と称する)20aと、LPタービン20aによって駆動されるコンプレッサ(以下、「LPコンプレッサ」と称する)20bとを有している。また、HPターボ過給機22も同様に、タービン(以下、「HPタービン」と称する)22aとコンプレッサ(以下、「HPコンプレッサ」と称する)22bとを有している。HPタービン22aは、可変ノズル(以下、「VN」と称する)23を備える。   The internal combustion engine 2 of the present embodiment is configured as a two-stage turbo system in which two turbochargers are arranged in series. Specifically, the internal combustion engine 2 includes a low-pressure turbocharger (hereinafter referred to as “LP turbocharger”) 20 and a high-pressure turbocharger (hereinafter referred to as “LP turbocharger”) having a capacity smaller than that of the LP turbocharger 20. 22) (referred to as “HP turbocharger”). The LP turbocharger 20 includes a turbine (hereinafter referred to as “LP turbine”) 20a that is rotated by exhaust energy, and a compressor (hereinafter referred to as “LP compressor”) 20b that is driven by the LP turbine 20a. ing. Similarly, the HP turbocharger 22 includes a turbine (hereinafter referred to as “HP turbine”) 22a and a compressor (hereinafter referred to as “HP compressor”) 22b. The HP turbine 22 a includes a variable nozzle (hereinafter referred to as “VN”) 23.

LPタービン20aおよびLPコンプレッサ20bは、排気通路14および吸気通路12の途中にそれぞれ配置されている。HPタービン22aは、排気通路14におけるLPタービン20aの上流に配置され、HPコンプレッサ22bは、排気通路14におけるLPコンプレッサ20bの下流に配置されている。吸気通路12におけるHPコンプレッサ22bの更に下流には、インタークーラ24および吸気絞り弁26がこの順に配設されている。   The LP turbine 20a and the LP compressor 20b are respectively arranged in the exhaust passage 14 and the intake passage 12. The HP turbine 22a is disposed upstream of the LP turbine 20a in the exhaust passage 14, and the HP compressor 22b is disposed downstream of the LP compressor 20b in the exhaust passage 14. An intercooler 24 and an intake throttle valve 26 are arranged in this order further downstream of the HP compressor 22b in the intake passage 12.

LPコンプレッサ20bからインタークーラ24に至る吸気通路12には、HPコンプレッサ22bをバイパスする吸気バイパス通路28が設けられている。吸気バイパス通路28の途中には、吸気バイパス通路28を流れる空気の流量を制御するための吸気制御弁(以下、「ACV」と称する)30が配置されている。   In the intake passage 12 extending from the LP compressor 20b to the intercooler 24, an intake bypass passage 28 that bypasses the HP compressor 22b is provided. An intake control valve (hereinafter referred to as “ACV”) 30 for controlling the flow rate of air flowing through the intake bypass passage 28 is disposed in the middle of the intake bypass passage 28.

排気通路14には、LPタービン20aをバイパスする排気バイパス通路32と、HPタービン22aをバイパスする排気バイパス通路34が設けられている。排気バイパス通路32の途中には、LPタービン20aのウエストゲートバルブとしての排気バイパス弁(以下、「EBV」と称する)36が配置されている。排気バイパス通路34の途中には、HPタービン22aのウエストゲートバルブとしての排気切替弁(以下、「ECV」と称する)38が配置されている。   The exhaust passage 14 is provided with an exhaust bypass passage 32 that bypasses the LP turbine 20a and an exhaust bypass passage 34 that bypasses the HP turbine 22a. An exhaust bypass valve (hereinafter referred to as “EBV”) 36 as a waste gate valve of the LP turbine 20 a is disposed in the middle of the exhaust bypass passage 32. An exhaust gas switching valve (hereinafter referred to as “ECV”) 38 as a waste gate valve of the HP turbine 22 a is disposed in the exhaust bypass passage 34.

また、排気通路14におけるHPタービン22aの上流と、吸気通路12における吸気絞り弁26の下流とを接続するEGR通路40が設けられている。EGR通路40には、その上流側から下流側に向かってEGRクーラ42とEGR弁44がこの順に配設されている。EGR通路40には、EGRクーラ42をバイパスするバイパス通路46が設けられている。バイパス通路46がEGR通路40に合流する合流部には、バイパス通路46とEGRクーラ42との間でEGRガスの流路を切り替えるバイパス弁48が設けられている。   Further, an EGR passage 40 that connects the upstream of the HP turbine 22 a in the exhaust passage 14 and the downstream of the intake throttle valve 26 in the intake passage 12 is provided. In the EGR passage 40, an EGR cooler 42 and an EGR valve 44 are arranged in this order from the upstream side to the downstream side. The EGR passage 40 is provided with a bypass passage 46 that bypasses the EGR cooler 42. A bypass valve 48 that switches the flow path of the EGR gas between the bypass passage 46 and the EGR cooler 42 is provided at the junction where the bypass passage 46 joins the EGR passage 40.

本実施の形態の内燃機関2は、図1に示すとおり、制御装置としてのECU(Electronic Control Unit)50を備えている。ECU50には、各種のセンサから、内燃機関2の運転状態や運転条件に関する様々な情報や信号が入力される。例えば、エアクリーナ16の近傍に配置された図示しないエアフローセンサからは、吸気通路12に吸入される新気の流量である新気量Gadlyに関する情報が入力される。また、吸気通路12におけるLPコンプレッサ20bとHPコンプレッサ22bとの間に配置された図示しない圧力センサからは、HPコンプレッサ22bの入口側の吸気通路内圧力であるコンプレッサ前圧力PCに関する情報が入力され、同位置に配置された図示しない温度センサからは、HPコンプレッサ22bの入口側の吸気通路内温度であるコンプレッサ前温度TCに関する情報が入力される。さらに、排気通路14におけるHPタービン22aの上流に配置された図示しない圧力センサからは、HPタービン22aの入口側の排気通路内圧力であるタービン前圧力P4に関する情報が入力され、同位置に配置された図示しない温度センサからは、HPタービン22aの入口側の排気通路内温度であるタービン前温度T4に関する情報が入力される。ECU50は、これらの情報や信号に基づいて、上述したVN23やECV38等の各種のアクチュエータを操作する。   As shown in FIG. 1, the internal combustion engine 2 of the present embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 50 as a control device. Various information and signals regarding the operating state and operating conditions of the internal combustion engine 2 are input to the ECU 50 from various sensors. For example, information relating to the fresh air amount Gadly, which is the flow rate of fresh air sucked into the intake passage 12, is input from an air flow sensor (not shown) disposed in the vicinity of the air cleaner 16. In addition, from a pressure sensor (not shown) disposed between the LP compressor 20b and the HP compressor 22b in the intake passage 12, information related to the pre-compressor pressure PC, which is the pressure in the intake passage on the inlet side of the HP compressor 22b, is input. Information related to the pre-compressor temperature TC, which is the temperature in the intake passage on the inlet side of the HP compressor 22b, is input from a temperature sensor (not shown) arranged at the same position. Further, from a pressure sensor (not shown) arranged upstream of the HP turbine 22a in the exhaust passage 14, information related to the turbine pre-pressure P4 that is the pressure in the exhaust passage on the inlet side of the HP turbine 22a is inputted and arranged at the same position. From the temperature sensor (not shown), information related to the pre-turbine temperature T4, which is the temperature in the exhaust passage on the inlet side of the HP turbine 22a, is input. The ECU 50 operates various actuators such as the above-described VN 23 and ECV 38 based on these information and signals.

[実施の形態1の過給圧制御]
ECU50が有する機能の一つに、過給圧がその目標値(以下、「目標過給圧」と称する)になるようにHPターボ過給機22の運転を制御する機能がある。過給圧とは、インテークマニホールド内圧力Pim、吸気絞り弁26の入口側の吸気通路内圧力Pia、コンプレッサの出口側の吸気通路内圧力であるコンプレッサ後圧力P3の何れかを意味する。ここでは、吸気通路内圧力Piaを過給圧と定義する。HPターボ過給機22の運転を制御するための操作量はVN23及びECV38の各開度である。ただし、ECU50は、目標過給圧からVN23及びECV38の各開度を直接演算するのではなく、まず、目標過給圧に基づいてHPタービン22aの出口側の排気通路内圧力であるタービン後圧力の目標値(以下、「目標タービン後圧力」と称する)を算出する。そして、目標タービン後圧力に基づいてVN23及びECV38の各開度を決定する。
[Supercharging pressure control of Embodiment 1]
One of the functions of the ECU 50 is a function of controlling the operation of the HP turbocharger 22 so that the supercharging pressure becomes a target value (hereinafter referred to as “target supercharging pressure”). The supercharging pressure means any one of the intake manifold internal pressure Pim, the intake passage internal pressure Pia on the inlet side of the intake throttle valve 26, and the after-compressor pressure P3 which is the intake passage internal pressure on the outlet side of the compressor. Here, the intake passage pressure Pia is defined as the supercharging pressure. The operation amounts for controlling the operation of the HP turbocharger 22 are the respective opening amounts of the VN 23 and the ECV 38. However, the ECU 50 does not directly calculate the opening degrees of the VN 23 and the ECV 38 from the target supercharging pressure, but first, the turbine post-pressure that is the exhaust passage internal pressure on the outlet side of the HP turbine 22a based on the target supercharging pressure. Target value (hereinafter referred to as “target turbine post-pressure”) is calculated. And each opening degree of VN23 and ECV38 is determined based on target turbine post-pressure.

図2は、ECU50が備える目標過給圧から目標タービン後圧力を算出する構成を示すブロック図である。ECU50は、演算部101,102,103,104を備える。以下、演算部101,102,103,104のそれぞれの機能について説明する。   FIG. 2 is a block diagram showing a configuration for calculating the target turbine post-pressure from the target boost pressure included in the ECU 50. The ECU 50 includes arithmetic units 101, 102, 103, and 104. Hereinafter, functions of the arithmetic units 101, 102, 103, and 104 will be described.

演算部101は、以下の式1に従い、目標過給圧Piatrgからコンプレッサ後圧力の目標値(以下、「目標コンプレッサ後圧力」と称する)P3trgを算出する。式1におけるΔPは、インタークーラ24で生じる圧力損失であって、インタークーラ24を通過するガスの流量に応じた推定値が用いられる。

Figure 2018071497
The calculation unit 101 calculates a target value of the post-compressor pressure (hereinafter referred to as “target post-compressor pressure”) P3trg from the target supercharging pressure Piatrg according to the following formula 1. ΔP in Equation 1 is a pressure loss generated in the intercooler 24, and an estimated value corresponding to the flow rate of the gas passing through the intercooler 24 is used.
Figure 2018071497

演算部102は、以下の式2に従い、HPコンプレッサ22bがする仕事であるコンプレッサ仕事の目標値(以下、「目標コンプレッサ仕事」と称する)WCtrgを算出する。式2は、コンプレッサ仕事、新気量、コンプレッサ前温度、コンプレッサ前圧力、及びコンプレッサ後圧力の間に成り立つ関係を表した式である。式2に、目標コンプレッサ後圧力P3trgと、新気量Gadly、コンプレッサ前温度TC、及びコンプレッサ前圧力PCの各現在値を入力することによって、目標コンプレッサ仕事WCtrgが得られる。なお、式2において、Cpaは定温比熱、κは比熱比である。

Figure 2018071497
The computing unit 102 calculates a target value of compressor work (hereinafter referred to as “target compressor work”) WCtrg, which is work performed by the HP compressor 22b, according to the following Expression 2. Expression 2 is an expression representing a relationship that holds among the compressor work, the fresh air amount, the pre-compressor temperature, the pre-compressor pressure, and the post-compressor pressure. The target compressor work WCtrg is obtained by inputting the current values of the target post-compressor pressure P3trg, the fresh air amount Gadly, the pre-compressor temperature TC, and the pre-compressor pressure PC into Equation 2. In Equation 2, Cpa is a constant temperature specific heat, and κ is a specific heat ratio.
Figure 2018071497

演算部103は、以下の式3に従い、目標コンプレッサ仕事WCtrgからHPタービン22aがされる仕事であるタービン仕事の目標値(以下、「目標タービン仕事」と称する)WTtrgを算出する。なお、式3におけるηtotはターボ過給機の総合効率である。ターボ過給機の総合効率は固定値でもよいし、例えば、HPタービン22aの回転速度を軸としたマップで定義される変数でもよい。

Figure 2018071497
The calculation unit 103 calculates a target value (hereinafter referred to as “target turbine work”) WTtrg of the turbine work, which is a work to be performed by the HP turbine 22a, from the target compressor work WCtrg according to the following Expression 3. Note that ηtot in Equation 3 is the overall efficiency of the turbocharger. The overall efficiency of the turbocharger may be a fixed value, or may be a variable defined by a map with the rotation speed of the HP turbine 22a as an axis, for example.
Figure 2018071497

演算部104は、以下の式4に従い、目標タービン後圧力P4Mtrgを算出する。式4は、タービン仕事、タービン前温度、タービン前圧力、タービン通過ガス量、及びタービン後圧力の間に成り立つ関係を表した式である。式4に、目標タービン仕事WTtrgと、タービン前温度T4、タービン前圧力P4、及びタービン通過ガス量G4の各現在値を入力することによって、目標タービン後圧力P4Mtrgが得られる。タービン通過ガス量G4は、新気量に燃料噴射量を足し合わせて得られる流量である。Cpgは定温比熱、κは比熱比である。

Figure 2018071497
The calculation unit 104 calculates the target turbine post-pressure P4Mtrg according to the following Equation 4. Expression 4 is an expression representing a relationship that holds among turbine work, pre-turbine temperature, pre-turbine pressure, turbine passing gas amount, and post-turbine pressure. By inputting the current values of the target turbine work WTtrg, the pre-turbine temperature T4, the pre-turbine pressure P4, and the turbine passing gas amount G4 into Equation 4, the target post-turbine pressure P4Mtrg is obtained. The turbine passing gas amount G4 is a flow rate obtained by adding the fuel injection amount to the fresh air amount. Cpg is a constant temperature specific heat, and κ is a specific heat ratio.
Figure 2018071497

図3は、ECU50が備える目標タービン後圧力からVN23とECV38の各開度を算出する構成を示すブロック図である。ECU50は、演算部105,106を備える。以下、演算部105,106のそれぞれの機能について説明する。   FIG. 3 is a block diagram showing a configuration for calculating each opening degree of VN 23 and ECV 38 from the target turbine post-pressure provided in ECU 50. The ECU 50 includes calculation units 105 and 106. Hereinafter, each function of the arithmetic units 105 and 106 will be described.

演算部105は、HPタービン22a、VN23及びECV38からなる構造体(図1において一点鎖線で囲んだ部分)を一つのノズルと仮定し、そのノズルの有効開口面積μAを以下の式5に従い算出する。式5におけるΦ関数は式6により計算される。式5及び式6において、Pusはノズルの入口側の圧力、Tusはノズルの入口側の温度、Pdsはノズルの出口側の圧力、mはノズルを通過するガスの流量である。Pdsに目標タービン後圧力P4Mtrgを入力し、Pusにタービン前圧力P4の現在値を入力し、Tusにタービン前温度T4の現在値を入力し、mにタービン通過ガス量G4の現在値を入力することにより、ノズルの有効開口面積μAが得られる。

Figure 2018071497
Figure 2018071497
The calculation unit 105 assumes that the structure (the portion surrounded by the alternate long and short dash line in FIG. 1) composed of the HP turbines 22a, VN23, and ECV38 is one nozzle, and calculates the effective opening area μA of the nozzle according to the following Expression 5. . The Φ function in Equation 5 is calculated by Equation 6. In Equations 5 and 6, Pus is the pressure on the inlet side of the nozzle, Tus is the temperature on the inlet side of the nozzle, Pds is the pressure on the outlet side of the nozzle, and m is the flow rate of the gas passing through the nozzle. The target post-turbine pressure P4Mtrg is input to Pds, the current value of the pre-turbine pressure P4 is input to Pus, the current value of the pre-turbine temperature T4 is input to Tus, and the current value of the turbine passing gas amount G4 is input to m Thus, the effective opening area μA of the nozzle is obtained.
Figure 2018071497
Figure 2018071497

有効開口面積μAの一つの値に対し、それを達成するためのVN23の開度(以下、「VN開度」と称する)とECV38の開度(以下、「ECV開度」と称する)との組み合わせは多数存在する。そこで、演算部106は、図4及び図5に示す開度特性マップを用いることにより、有効開口面積μAからVN開度とECV開度を一義的に決定する。図4に示すVN開度特性マップは、有効開口面積μAにVN開度を関連付けたマップである。図5に示すECV開度特性マップは、有効開口面積μAにECV開度を関連付けたマップである。各マップは、ノズル通過ガス量(すなわち、タービン通過ガス量)ごとに用意されている。ある流量に着目した場合、有効開口面積μAが所定値以下ではECV開度は全閉とされ、有効開口面積μAに応じてVN開度が変更される。これは、VN23の操作によって過給圧の制御が行われることを意味する。そして、有効開口面積μAが所定値以上ではVN開度は全開に相当する一定値とされ、有効開口面積μAに応じてECV開度が変更される。これは、ECV開度の操作によって過給圧の制御が行われることを意味する。   With respect to one value of the effective opening area μA, the opening degree of the VN 23 (hereinafter referred to as “VN opening degree”) and the opening degree of the ECV 38 (hereinafter referred to as “ECV opening degree”) to achieve it. There are many combinations. Therefore, the calculation unit 106 uniquely determines the VN opening and the ECV opening from the effective opening area μA by using the opening characteristic maps shown in FIGS. 4 and 5. The VN opening characteristic map shown in FIG. 4 is a map in which the VN opening is associated with the effective opening area μA. The ECV opening characteristic map shown in FIG. 5 is a map in which the ECV opening is associated with the effective opening area μA. Each map is prepared for each nozzle passing gas amount (that is, turbine passing gas amount). When attention is paid to a certain flow rate, when the effective opening area μA is equal to or smaller than a predetermined value, the ECV opening is fully closed, and the VN opening is changed according to the effective opening area μA. This means that the supercharging pressure is controlled by operating the VN 23. When the effective opening area μA is equal to or greater than a predetermined value, the VN opening is a constant value corresponding to full opening, and the ECV opening is changed according to the effective opening area μA. This means that the supercharging pressure is controlled by the operation of the ECV opening.

以上説明したECU50の構成によれば、目標過給圧からVN開度及びECV開度を算出する過程において吸排気系の温度や圧力が考慮される。ゆえに、吸排気系の温度や圧力の応答遅れが生じる過渡状態においても、目標過給圧を精度良く達成することができるVN開度及びECV開度を算出することができる。   According to the configuration of the ECU 50 described above, the temperature and pressure of the intake and exhaust systems are taken into account in the process of calculating the VN opening and the ECV opening from the target boost pressure. Therefore, it is possible to calculate the VN opening and the ECV opening that can accurately achieve the target supercharging pressure even in a transient state in which a response delay of the temperature and pressure of the intake and exhaust systems occurs.

実施の形態2.
[実施の形態2の内燃機関の構成]
図6は、本発明の実施の形態2の内燃機関52の概略構成を示す図である。本実施の形態に係る内燃機関52は、単一のターボ過給機を備えたシングルターボシステムである。ディーゼルエンジンとして構成されたエンジン本体60の吸気入口には、吸気通路62が接続されている。吸気通路62には、その上流側から下流側に向けてエアクリーナ66、ターボ過給機のコンプレッサ68b、インタークーラ72及び吸気絞り弁74が設けられている。エンジン本体60の排気出口には、排気通路64が接続されている。排気通路64には、ターボ過給機のタービン68aが設けられている。タービン68aは、可変ノズル(以下、「VN」と称する)70を備える。また、排気通路64におけるタービン68aの上流と、吸気通路62における吸気絞り弁74の下流とを接続するEGR通路76が設けられている。EGR通路76には、その上流側から下流側に向かってEGRクーラ80とEGR弁78がこの順に配設されている。EGR通路76には、EGRクーラ80をバイパスするバイパス通路82が設けられている。バイパス通路82がEGR通路76に合流する合流部には、バイパス通路82とEGRクーラ80との間でEGRガスの流路を切り替えるバイパス弁84が設けられている。
Embodiment 2. FIG.
[Configuration of Internal Combustion Engine of Embodiment 2]
FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of the internal combustion engine 52 according to the second embodiment of the present invention. The internal combustion engine 52 according to the present embodiment is a single turbo system provided with a single turbocharger. An intake passage 62 is connected to an intake inlet of an engine body 60 configured as a diesel engine. The intake passage 62 is provided with an air cleaner 66, a turbocharger compressor 68 b, an intercooler 72, and an intake throttle valve 74 from the upstream side to the downstream side. An exhaust passage 64 is connected to the exhaust outlet of the engine body 60. The exhaust passage 64 is provided with a turbocharger turbine 68a. The turbine 68 a includes a variable nozzle (hereinafter referred to as “VN”) 70. Further, an EGR passage 76 that connects the upstream of the turbine 68 a in the exhaust passage 64 and the downstream of the intake throttle valve 74 in the intake passage 62 is provided. In the EGR passage 76, an EGR cooler 80 and an EGR valve 78 are arranged in this order from the upstream side to the downstream side. The EGR passage 76 is provided with a bypass passage 82 that bypasses the EGR cooler 80. A bypass valve 84 that switches the flow path of the EGR gas between the bypass passage 82 and the EGR cooler 80 is provided at the junction where the bypass passage 82 joins the EGR passage 76.

本実施の形態の内燃機関52は、図6に示すとおり、制御装置としてのECU(Electronic Control Unit)90を備えている。ECU90には、各種のセンサから、内燃機関52の運転状態や運転条件に関する様々な情報や信号が入力される。例えば、エアクリーナ66の近傍に配置された図示しないエアフローセンサからは、吸気通路62に吸入される新気の流量である新気量Gadlyに関する情報が入力される。また、吸気通路12におけるコンプレッサ68bの上流に配置された図示しない圧力センサからは、コンプレッサ68bの入口側の吸気通路内圧力であるコンプレッサ前圧力PCに関する情報が入力され、同位置に配置された図示しない温度センサからは、コンプレッサ68bの入口側の吸気通路内温度であるコンプレッサ前温度TCに関する情報が入力される。さらに、排気通路14におけるタービン68aの上流に配置された図示しない圧力センサからは、タービン68aの入口側の排気通路内圧力であるタービン前圧力P4に関する情報が入力され、同位置に配置された図示しない温度センサからは、タービン68aの入口側の排気通路内温度であるタービン前温度T4に関する情報が入力される。ECU90は、これらの情報や信号に基づいて、VN70等の各種のアクチュエータを操作する。   As shown in FIG. 6, the internal combustion engine 52 of the present embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 90 as a control device. Various information and signals related to the operating state and operating conditions of the internal combustion engine 52 are input to the ECU 90 from various sensors. For example, information about the fresh air amount Gadly, which is the flow rate of fresh air sucked into the intake passage 62, is input from an air flow sensor (not shown) disposed in the vicinity of the air cleaner 66. In addition, from a pressure sensor (not shown) arranged upstream of the compressor 68b in the intake passage 12, information related to the pre-compressor pressure PC, which is the pressure in the intake passage on the inlet side of the compressor 68b, is inputted and shown in the drawing arranged at the same position. Information regarding the pre-compressor temperature TC, which is the temperature in the intake passage on the inlet side of the compressor 68b, is input from the temperature sensor that does not. Further, from a pressure sensor (not shown) arranged upstream of the turbine 68a in the exhaust passage 14, information on the turbine pre-pressure P4 that is the pressure in the exhaust passage on the inlet side of the turbine 68a is inputted and shown in the figure arranged at the same position. From the temperature sensor that does not, information related to the pre-turbine temperature T4, which is the temperature in the exhaust passage on the inlet side of the turbine 68a, is input. The ECU 90 operates various actuators such as the VN 70 based on these information and signals.

[実施の形態2の過給圧制御]
ECU90は、過給圧がその目標値(以下、「目標過給圧」と称する)になるようにVN70を操作する機能を有する。詳しくは、ECU90は、目標過給圧に基づいてタービン68aの出口側の排気通路内圧力であるタービン後圧力の目標値(以下、「目標タービン後圧力」と称する)を算出する。そして、目標タービン後圧力に基づいてVN70の開度(以下、「VN開度」と称する)を決定する。ECU90は、目標過給圧から目標タービン後圧力を算出するために、図2に示す演算部101,102,103,104と同様の構成を備える。
[Supercharging pressure control of Embodiment 2]
The ECU 90 has a function of operating the VN 70 so that the supercharging pressure becomes the target value (hereinafter referred to as “target supercharging pressure”). Specifically, the ECU 90 calculates a target value of the turbine post-pressure (hereinafter referred to as “target turbine post-pressure”) that is the pressure in the exhaust passage on the outlet side of the turbine 68a based on the target supercharging pressure. Then, the opening degree of VN 70 (hereinafter referred to as “VN opening degree”) is determined based on the target turbine post-pressure. The ECU 90 has the same configuration as the calculation units 101, 102, 103, and 104 shown in FIG. 2 in order to calculate the target turbine post-pressure from the target boost pressure.

図7は、ECU90が備える目標タービン後圧力からVN開度を算出する構成を示すブロック図である。ECU50は、演算部105,107を備える。演算部105の機能は実施の形態1で説明した通りである。演算部105は、VN70を備えたタービン68を一つのノズルと仮定し、目標タービン後圧力P4Mtrgと、タービン前圧力P4、タービン前温度T4及びタービン通過ガス量G4の各現在値とを式5に入力してノズルの有効開口面積μAを算出する。演算部107は、図示しないVN開度特性マップを用いることにより、有効開口面積μAからVN開度を一義的に決定する。VN開度特性マップは、ノズル通過ガス量(すなわち、タービン通過ガス量)ごとに用意されている。   FIG. 7 is a block diagram showing a configuration for calculating the VN opening degree from the target turbine post-pressure provided in the ECU 90. The ECU 50 includes calculation units 105 and 107. The function of the arithmetic unit 105 is as described in the first embodiment. The calculation unit 105 assumes that the turbine 68 provided with the VN 70 is one nozzle, and sets the target post-turbine pressure P4Mtrg, the current value of the pre-turbine pressure P4, the pre-turbine temperature T4, and the turbine passing gas amount G4 to Equation 5. This is input to calculate the effective opening area μA of the nozzle. The calculation unit 107 uniquely determines the VN opening from the effective opening area μA by using a VN opening characteristic map (not shown). The VN opening characteristic map is prepared for each nozzle passing gas amount (that is, turbine passing gas amount).

その他実施の形態.
目標コンプレッサ仕事の計算に用いられる新気量Gadly、コンプレッサ前温度TC、及びコンプレッサ前圧力TPの各現在値は、センサによって計測した計測値でもよいし、関連する物理量から推定した推定値でもよい。同様に、目標タービン後圧力の計算に用いられるタービン前温度T4、タービン前圧力P4、及びタービン通過ガス量G4の各現在値も、センサによって計測した計測値でもよいし、関連する物理量から推定した推定値でもよい。
Other embodiments.
Each current value of the fresh air amount Gadly, the pre-compressor temperature TC, and the pre-compressor pressure TP used for calculating the target compressor work may be a measured value measured by a sensor or an estimated value estimated from a related physical quantity. Similarly, the current values of the pre-turbine temperature T4, the pre-turbine pressure P4, and the turbine passing gas amount G4 used for calculating the target post-turbine pressure may be measured values measured by sensors or estimated from related physical quantities. It may be an estimated value.

図1に示す実施の形態1の内燃機関2において、VN23とECV38はどちらか一方のみでもよい。図6に示す実施の形態2の内燃機関52において、VN70に代えてウエストゲートバルブでもよい。   In the internal combustion engine 2 of the first embodiment shown in FIG. 1, only one of the VN 23 and the ECV 38 may be used. In the internal combustion engine 52 of the second embodiment shown in FIG. 6, a waste gate valve may be used instead of the VN 70.

2,52 内燃機関
12,62 吸気通路
14,64 排気通路
22a,68a タービン
22b,68b コンプレッサ
23,70 可変ノズル
50,90 ECU
2,52 Internal combustion engine 12,62 Intake passage 14,64 Exhaust passage 22a, 68a Turbine 22b, 68b Compressor 23,70 Variable nozzle 50,90 ECU

Claims (1)

可変ノズル又はウエストゲートバルブを有するターボ過給機を備えた内燃機関の制御装置において、
過給圧の目標値を取得する手段と、
前記過給圧の目標値からコンプレッサの出口側の吸気通路内圧力であるコンプレッサ後圧力の目標値を算出する手段と、
吸気通路に取り込まれた新気の流量である新気量の現在値を取得する手段と、
前記コンプレッサの入口側の吸気通路内温度であるコンプレッサ前温度の現在値を取得する手段と、
前記コンプレッサの入口側の吸気通路内圧力であるコンプレッサ前圧力の現在値を取得する手段と、
前記コンプレッサがする仕事であるコンプレッサ仕事、前記新気量、前記コンプレッサ前温度、前記コンプレッサ前圧力、及び前記コンプレッサ後圧力の間に成り立つ関係を用いて、前記コンプレッサ後圧力の目標値と、前記新気量、前記コンプレッサ前温度、及び前記コンプレッサ前圧力の各現在値とから前記コンプレッサ仕事の目標値を算出する手段と、
前記コンプレッサ仕事の目標値と前記ターボ過給機の総合効率とに基づいてタービンがされる仕事であるタービン仕事の目標値を算出する手段と、
前記タービンの入口側の排気通路内温度であるタービン前温度の現在値を取得する手段と、
前記タービンの入口側の排気通路内圧力であるタービン前圧力の現在値を取得する手段と、
前記タービンを通過するガスの流量であるタービン通過ガス量の現在値を取得する手段と、
前記タービン仕事、前記タービン前温度、前記タービン前圧力、前記タービン通過ガス量、及び前記タービンの出口側の排気通路内圧力であるタービン後圧力の間に成り立つ関係を用いて、前記タービン仕事の目標値と、前記タービン前温度、前記タービン前圧力、及び前記タービン通過ガス量の各現在値とから前記タービン後圧力の目標値を算出する手段と、
前記タービン後圧力の目標値に基づいて前記可変ノズル又はウエストゲートバルブの操作量を決定する手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
In a control device for an internal combustion engine equipped with a turbocharger having a variable nozzle or a wastegate valve,
Means for obtaining a target value of the supercharging pressure;
Means for calculating a target value of the post-compressor pressure that is the pressure in the intake passage on the outlet side of the compressor from the target value of the supercharging pressure;
Means for acquiring a current value of a fresh air amount that is a flow rate of fresh air taken into the intake passage;
Means for obtaining a current value of the pre-compressor temperature, which is the temperature in the intake passage on the inlet side of the compressor;
Means for obtaining a current value of the pre-compressor pressure, which is the pressure in the intake passage on the inlet side of the compressor;
The target value of the post-compressor pressure and the new value are calculated using a relationship that is established among the compressor work, the new air amount, the pre-compressor temperature, the pre-compressor pressure, and the post-compressor pressure. Means for calculating a target value of the compressor work from current values of air volume, temperature before the compressor, and pressure before the compressor;
Means for calculating a turbine work target value, which is a work to be performed by the turbine based on the compressor work target value and the overall efficiency of the turbocharger;
Means for obtaining a current value of the temperature before the turbine, which is the temperature in the exhaust passage on the inlet side of the turbine;
Means for obtaining a current value of the pre-turbine pressure, which is the pressure in the exhaust passage on the inlet side of the turbine;
Means for obtaining a current value of the amount of gas passing through the turbine, which is a flow rate of gas passing through the turbine;
The target of the turbine work is determined by using a relationship that is established among the turbine work, the temperature before the turbine, the pressure before the turbine, the amount of gas passing through the turbine, and the pressure in the exhaust passage on the outlet side of the turbine. Means for calculating a target value of the post-turbine pressure from a value and each current value of the pre-turbine temperature, the pre-turbine pressure, and the turbine passing gas amount;
Means for determining an operation amount of the variable nozzle or the wastegate valve based on a target value of the turbine post-pressure;
A control device for an internal combustion engine, comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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