(57)【要約】【課題】圧縮機のサージング防止に関する、圧縮機、特に排気ガス・ターボチャージャを備えた内燃機関の改善された制御方法および装置を提供する。【解決手段】内燃機関（１）により吸い込まれる空気を圧縮するための圧縮機（５）、特に排気ガス・ターボチャージャを備えた内燃機関（１）の制御方法および装置において、圧縮機のサージングを回避するために、圧縮機（５）をバイパスする空気通路（１５）の弁（１０）を、要求に適合させ且つ適切な時点に開くことが保証される。圧縮機（５）をバイパスする空気通路（１５）の弁（１０）は、圧縮機特性曲線群の少なくとも１つの設定特性曲線（２０、２５）の関数として制御される。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１）により吸い込まれる空気を圧縮するための圧縮機（５）、特に排気ガス・ターボチャージャを備えた内燃機関（１）の制御方法において、
圧縮機（５）をバイパスする空気通路（１５）の弁（１０）が、圧縮機特性曲線群の少なくとも１つの設定特性曲線（２０、２５）の関数として制御されること、
を特徴とする圧縮機、特に排気ガス・ターボチャージャを備えた内燃機関の制御方法。
【請求項２】
少なくとも１つの設定特性曲線（２０、２５）により、目標空気容積流量（ｖｌｓｏｌ）の関数として、圧縮機（５）の前後の圧力比（ｖｐｖｄｋｐｕ）が設定されることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項３】
圧力比の実際値（ｖｐｖｄｋｐｕｉｓｔ）が第１の設定特性曲線（２０）により設定された圧力比（ｖｐｖｄｋｐｕ）を超えたとき、弁（１０）が開かれることを特徴とする請求項２に記載の制御方法。
【請求項４】
圧力比の実際値（ｖｐｖｄｋｐｕｉｓｔ）が第２の設定特性曲線（２５）により設定された圧力比（ｖｐｖｄｋｐｕ）を下回ったとき、弁（１０）が閉じられることを特徴とする請求項２または３に記載の制御方法。
【請求項５】
目標空気容積流量（ｖｌｓｏｌ）が目標空気質量流量（ｍｌｓｏｌ）および実際空気密度（ρ）から計算されることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の制御方法。
【請求項６】
実際空気密度（ρ）が周囲温度（Ｔｕｍｇ）および周囲圧力（ｐｕ）の関数として計算されることを特徴とする請求項５に記載の制御方法。
【請求項７】
目標空気容積流量（ｖｌｓｏｌ）が温度で補正されていることを特徴とする請求項２ないし６のいずれかに記載の制御方法。
【請求項８】
少なくとも１つの設定特性曲線（２０、２５）が、圧縮機特性曲線群のサージ発生限界として選択されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の制御方法。
【請求項９】
内燃機関（１）により吸い込まれる空気を圧縮するための圧縮機（５）、特に排気ガス・ターボチャージャを備えた内燃機関（１）の制御装置において、
圧縮機（５）をバイパスする空気通路（１５）の弁（１０）を、圧縮機特性曲線群の少なくとも１つの設定特性曲線（２０、２５）の関数として操作するための手段（３０）が設けられていること、
を特徴とする圧縮機、特に排気ガス・ターボチャージャを備えた内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関により吸い込まれる空気を圧縮するための圧縮機、特に排気ガス・ターボチャージャを備えた内燃機関の制御方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば排気ガス・ターボチャージャの形態である、内燃機関により吸い込まれる空気を圧縮するための圧縮機を含む内燃機関が既知である。この場合、圧縮機をバイパスする空気通路が設けられ、このとき、圧縮機をこのようにバイパスする空気質量流量が、いわゆる循環弁により制御される。この場合、内燃機関への空気供給量は、出力調節要素、例えば絞り弁により制御される。絞り弁が急に閉じたとき、空気質量流量は内燃機関の吸気管内へ急激に逆流する。高い圧縮における少ない空気質量流量に基づき、流れは圧縮機のチャージャ・ブレードにおいて剥離する。圧縮は行われない。より小さい圧縮においても同様にチャージ圧力が形成される。これにより圧縮機はサージングを発生し、このサージングが圧縮機の軸に荷重を与えたりまたは騒音発生の原因となることがある。しかしながら、絞り弁が閉じたときに循環弁が開かれた場合、空気は、流れ方向において圧縮機の後方から、空気通路を介して、再び流れ方向において圧縮機の手前へ流入し、したがって空気は循環することになる。このようにして、圧縮機の不安定な運転が防止される。この場合、実際チャージ圧力と目標チャージ圧力との間の差から得られた勾配が設定しきい値を超えたとき、または実際チャージ圧力および周囲圧力から得られた商が機関回転速度の関数である設定可能なしきい値を下回ったとき、循環弁は開かれる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、圧縮機のサージングの防止に関する、圧縮機、特に排気ガス・ターボチャージャを備えた内燃機関の改善された制御方法および装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、内燃機関により吸い込まれる空気を圧縮するための圧縮機、特に排気ガス・ターボチャージャを備えた内燃機関の制御方法において、圧縮機をバイパスする空気通路の弁が、圧縮機特性曲線群の少なくとも１つの設定特性曲線の関数として制御される。このようにして、この特性曲線の適切な設定において、実際の要求が支配しているときにのみ弁が開かれることが保証される。
【０００５】
本発明によれば、上記の特徴を有する方法の有利な拡張および改善が可能である。
特に要求に適合した空気通路内の弁の操作は、少なくとも１つの設定特性曲線が圧縮機特性曲線群のサージ発生限界として選択されるときに得られる。この場合、圧縮機のサージングが始まるときにのみ弁が開かれることが保証される。
【０００６】
少なくとも１つの特性曲線により、目標空気容積流量の関数として圧縮機の前後の圧力比が設定されるとき、それは特に有利である。圧縮機特性曲線群の入力変数として目標空気容積流量が使用される場合、空気通路内の弁が適切な時点に開くことが保証される。弁が適切な時点に開くことが、圧縮機の軸を保護し且つ不必要な騒音を回避させる。
【０００７】
設定圧力比により、空気通路内の弁を簡単に操作することができる。
圧力比の実際値が第１の設定特性曲線により設定された圧力比を超えると直ちに弁が開かれるとき、および圧力比の実際値が第２の設定特性曲線により設定された圧力比を下回ると直ちに弁が閉じられるとき、それは特に有利である。このようにして、ヒステリシスを形成することができ、且つ両方の特性曲線の間隔が適正なとき、空気通路内の弁が常時開閉動作をすることが回避される。
【０００８】
本発明の一実施態様が図面に示され、以下にこれを詳細に説明する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１において、内燃機関１は、例えばオットー・サイクル機関として形成されるべきものである。この場合、内燃機関１は、１つまたは複数のシリンダ４５を含み、シリンダ４５に空気供給管５５を介してフレッシュ・エアを供給可能である。シリンダ４５に供給されるべき目標空気質量流量ｍｌｓｏｌの制御は出力調節要素５０により行われ、出力調節要素５０はこの例においては絞り弁として形成されるべきものである。空気供給管５５の、流れ方向において絞り弁５０の後方の部分は、この実施態様においては吸気管６０として形成され、吸気管６０は、図１には図示されていない、それぞれのシリンダ４５のそれぞれの排気弁を介して、それぞれのシリンダ４５の燃焼室と結合されている。例えばいわゆる吸気管噴射の場合、燃料は、図１に示されていない噴射弁を介して、流れ方向において吸気弁の手前の吸気管６０内に噴射される。燃焼時にシリンダ４５内に発生した排気ガスは、シリンダ４５のそれぞれの排気弁を介して排気管１１５内に導かれ、且つ排気管１１５内で排気ガス・ターボチャージャのタービン３５を駆動する。軸４０を介してタービン３５は圧縮機５を駆動し、圧縮機５は、空気供給管５５を介してシリンダ４５に供給される空気を圧縮する。空気供給管５５および排気管１１５内の空気の流れ方向がそれぞれ図１において矢印で示されている。流れ方向において圧縮機５の手前の空気供給管５５内に第１の圧力センサ６５が配置され、第１の圧力センサ６５は流れ方向において圧縮機５の手前の空気供給管５５内に作用している圧力を測定し、この圧力は、以下において例えば周囲圧力ｐｕとみなされるべきものである。流れ方向において圧縮機５の後方の空気供給管５５内に第２の圧力センサ７０が配置され、第２の圧力センサ７０は流れ方向において圧縮機５の後方の空気供給管５５内に存在する圧力ｐｖｄｋを測定し、圧力ｐｖｄｋは、この例においては絞り弁５０の手前の圧力である。さらに、図１に示すように、空気通路１５が設けられ、空気通路１５は圧縮機５をバイパスし、したがって圧縮機５に並列に設けられている。空気通路１５内に弁１０が配置され、弁１０は以下において循環弁とも呼ばれ、循環弁１０により空気通路１５内を通過する空気質量流量を制御可能である。第１の圧力センサ６５および第２の圧力センサ７０は循環弁１０を操作するための制御手段３０と結合されている。図１において、本発明による装置１２０は制御手段３０を含むように示されている。制御手段３０は、例えば機関制御装置として形成されていても、または機関制御装置内に組み込まれていてもよい。したがって、制御手段３０は、循環弁１０を操作するために循環弁１０とも結合されている。さらに、制御手段３０に、図１に示されていない測定装置から周囲温度Ｔｕｍｇに対する測定信号が供給されている。さらに、制御手段３０内に、図１に示すように、車両の種々のモジュールからＮ個のトルク希望Ｍ１，…，ＭＮが供給され、これらのモジュールは、図１に示されていないが、例えば駆動滑り制御システム、アンチロック・システム、電子式加速ペダル等として形成されていてもよい。特に、電子式加速ペダルの加速ペダル位置は、車両ドライバのトルク希望と解釈することができる。例えば上記のように、ドライバの希望トルクを車両の他のモジュールの希望トルクと調整した後に、制御手段３０は、合成操作変数、例えば合成目標機関出口トルクまたは目標機関出口出力を決定する。合成操作変数は、制御手段３０において、既知のように、空気／燃料混合物に対する点火角効率およびλ効率により目標空気質量流量ｍｌｓｏｌに換算される。これから、目標空気質量流量ｍｌｓｏｌを設定するための絞り弁５０の目標位置が計算される。このとき、図１に示されているように、制御手段３０は目標空気質量流量ｍｌｓｏｌを設定するために絞り弁５０を操作する。
【００１０】
図２には、圧縮機圧力比ｖｐｖｄｋｐｕが目標空気容積流量ｖｌｓｏｌに対して目盛られている。図２の線図に、第１の特性曲線２０および第２の特性曲線２５が示され、これらの特性曲線２０、２５は圧縮機５の圧縮機特性曲線群の一部である。ここで、第１の特性曲線２０は第２の特性曲線２５の上方で経過し、したがって、目標空気容積流量ｖｌｓｏｌの同じ値に対して、より大きい圧縮機圧力比ｖｐｖｄｋｐｕの値を有している。両方の特性曲線２０、２５により、それぞれ目標空気容積流量ｖｌｓｏｌの関数として、圧縮機５の前後における圧力比ｖｐｖｄｋｐｕが設定されている。この場合、第１の特性曲線２０は圧縮機特性曲線群のサージ発生限界を示している。それ故、目標空気容積流量ｖｌｓｏｌの設定値に対して、第１の特性曲線２０の圧縮機圧力比ｖｐｖｄｋｐｕの関連の設定値を超えた場合に、循環弁１０が開かれなかったとき、圧縮機はサージングを発生することになる。この場合、設定圧縮機圧力比ｖｐｖｄｋｐｕは、流れ方向における圧縮機５の後方の圧力ｐｖｄｋと流れ方向における圧縮機５の手前の周囲圧力ｐｕとの商、即ち商　ｐｖｄｋ／ｐｕ　に対する設定値である。
【００１１】
図３のブロック回路図により、本発明による方法を実施するための制御手段３０の構成および作用を詳細に説明する。ここで、乗算要素として形成されている第１の結合要素８０に、一方で目標空気質量流量ｍｌｓｏｌが、および他方で２７３Ｋおよび１０１３ｈＰａにおける空気の標準密度ρ０の逆数が供給される。それらの積が第１の結合要素８０の出力変数として第２の結合要素８５に供給され、第２の結合要素８５も同様に乗算要素として形成されている。他の入力変数として、第２の結合要素８５に、項　（１０１３ｈＰａ／ｐｕ）＊（Ｔｕｍｇ／２７３Ｋ）　が供給される。形成された積は第２の結合要素８５の出力変数として第３の結合要素９０に供給され、第３の結合要素９０も同様に乗算要素として形成されている。第３の結合要素９０にはさらに第３の特性曲線１１０の出力変数Ａが供給され、第３の特性曲線１１０の入力変数は周囲温度Ｔｕｍｇである。この場合、第３の特性曲線１１０の出力変数Ａは、周囲温度Ｔｕｍｇから以下のように形成される。
【００１２】
【数１】
2004124934.tif 000003
第３の結合要素９０において形成された積は目標空気容積流量ｖｌｓｏｌであり、且つ第１の特性曲線２０および第２の特性曲線２５に入力変数として供給される。第１の特性曲線２０の出力変数は、例として図２の第１の特性曲線２０の経過として示す第１の圧縮機圧力比ｖｐｖｄｋｐｕ１である。第２の特性曲線２５の出力変数は、図２の第２の特性曲線２５の経過として示す第２の設定圧縮機圧力比ｖｐｖｄｋｐｕ２である。第１の設定圧縮機圧力比ｖｐｖｄｋｐｕ１は第１の比較要素９５に与えられる。第２の設定圧縮機圧力比ｖｐｖｄｋｐｕ２は第２の比較要素１００に与えられる。第１の比較要素９５および第２の比較要素１００にさらに入力変数として圧縮機圧力比の実際値が与えられ、圧縮機圧力比の実際値ｖｐｖｄｋｐｕｉｓｔは、第２の圧力センサ７０および第１の圧力センサ６５の測定値からの商として、以下のように得られる。
【００１３】
【数２】
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第１の比較要素９５の出力はＳＲフリップ・フロップ１０５のセット入力Ｓに供給され、一方、第２の比較要素１００の出力はＳＲフリップ・フロップ１０５のリセット入力Ｒに供給されている。ＳＲフリップ・フロップ１０５の非反転出力Ｑは循環弁１０に対する操作信号を形成する。この操作信号が、図３および図１において、Ｂ＿ｌｄｕｖａｕｆにより示されている。
【００１４】
第１の比較要素９５において、圧縮機圧力比の実際値ｖｐｖｄｋｐｕｉｓｔが第１の設定圧縮機圧力比ｖｐｖｄｋｐｕ１より大きいかどうかが検査される。これが肯定の場合、ＳＲフリップ・フロップ１０５のセット入力Ｓを介して、ＳＲフリップ・フロップ１０５がセットされる。したがって、ＳＲフリップ・フロップ１０５の非反転出力Ｑはセットされ、且つ出力信号Ｂ＿ｌｄｕｖａｕｆのレベルは「ハイ」にセットされる。これにより、循環弁１０は、それが開くように操作される。このとき、空気は、流れ方向において圧縮機５の後方から空気通路１５を介して再び流れ方向において圧縮機５の手前へ循環して流れる。圧縮機圧力比の実際値ｖｐｖｄｋｐｕｉｓｔが第１の設定圧縮機圧力比ｖｐｖｄｋｐｕ１を超えたとき、第１の設定特性曲線２０により表わされている圧縮機特性曲線群のサージ発生限界が超えられたので、このようにして圧縮機５の不安定運転が防止される。したがって、循環弁１０が開くことにより、圧縮機のサージングは防止される。第１の比較要素９５内の比較においては目標空気容積流量ｖｌｓｏｌが基礎となっているので、絞り弁５０が閉まったときには適切な時点に循環弁１０が開かれる。この場合、循環弁１０の開放は、第１の設定特性曲線２０に示すサージ発生限界を超えたときにはじめて行われ、これにより、圧縮機のサージングしたがって圧縮機５の不安定な運転を防止するための実際の要求が現われたときにのみ行われる。したがって、循環弁１０を開くための操作は、圧縮機特性曲線群の第１の設定特性曲線２０の関数として行われる。
【００１５】
第２の比較要素１００において、圧縮機圧力比の実際値ｖｐｖｄｋｐｕｉｓｔが第２の設定圧縮機圧力比ｖｐｖｄｋｐｕ２より小さいかまたは等しいかどうかが検査される。これが肯定の場合、ＳＲフリップ・フロップ１０５のリセット入力Ｒがセットされ、これによりＳＲフリップ・フロップ１０５はリセットされる。したがって、ＳＲフリップ・フロップ１０５の非反転出口Ｑはリセットされ、且つ出力信号Ｂ＿ｌｄｕｖａｕｆは「ロー」にセットされる。これにより、循環弁１０は、それが空気通路１５を閉じるように操作される。したがって、循環弁１０は、第２の設定特性曲線２５の関数として空気通路１５を閉じるように操作される。第２の設定特性曲線２５は第１の設定特性曲線２０の下側に存在するので、ヒステリシスが形成され、このヒステリシスは、第１の設定特性曲線２０の周りを往復する実際値ｖｐｖｄｋｐｕｉｓｔに対して、循環弁１０が開いた状態から閉じた状態へおよび閉じた状態から開いた状態へ常時切り換わることを防止する。第２の設定特性曲線２５が第１の設定特性曲線２０の下側に存在することにより、循環弁１０が閉じているとき、圧縮機圧力比の実際値ｖｐｖｄｋｐｕｉｓｔは第１の設定特性曲線２０に示すサージ発生限界の下側に存在し、これによりいずれの場合においても圧縮機のサージングが防止されることが保証される。
【００１６】
循環弁１０が適切な時点に開くように、第１の設定特性曲線２０に示すサージ発生限界の計算に対して、図３に示すように温度補正された目標空気容積流量ｖｌｓｏｌが利用される。これにより、加速ペダルから足を離したとき、したがって絞り弁５０が閉じたとき、循環弁１０は開き始める。目標空気容積流量ｖｌｓｏｌに追従する実際空気容積流量ｖｌｉｓｔが第１の設定特性曲線２０に示すサージ発生限界を超える前に、循環弁１０は開いている。図３に示すように形成された、温度補正された目標空気容積流量ｖｌｓｏｌは、補正されていない目標空気容積流量ｖｌｓｏｌ＿ｕｎｋｏｒｒと、第３の特性曲線１１０により形成された以下の出力変数
【００１７】
【数３】
2004124934.tif 000005
との積から計算され、この出力変数は、周囲温度Ｔｕｍｇを含み且つ圧縮機特性曲線群において使用される２９３Ｋの標準温度に関するものである。したがって、以下が成立する。
【００１８】
【数４】
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補正されていない目標空気容積流量ｖｌｓｏｌ＿ｕｎｋｏｒｒは、図３に示すように、目標空気質量流量ｍｌｓｏｌと空気の実際密度ρとの商から、以下のように計算される。
【００１９】
【数５】
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周囲圧力係数　ｆｐｕ＝１０１３ｈＰａ／ｐｕ　および周囲温度係数　ｆＴｕｍｇ＝Ｔｕｍｇ／２７３Ｋ　により、２７３Ｋおよび１０１３ｈＰａにおける標準密度ρ０に適合させることにより、空気の実際密度ρが得られる。したがって、空気の実際密度ρは、周囲圧力ｐｕおよび周囲温度Ｔｕｍｇのような制御手段３０内で既知の変数により決定することができる。
【００２０】
次の方程式においては、空気の実際密度ρが、空気の標準密度ρ０、周囲圧力係数ｆｐｕ、および周囲温度係数ｆＴｕｍｇにより置換されている。
【００２１】
【数６】
2004124934.tif 000008
したがって、次式が得られる。
【００２２】
【数７】
2004124934.tif 000009
このように形成された目標空気容積流量ｖｌｓｏｌは、図３に示された第３の結合要素９０の出力において存在する。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関および本発明による装置のブロック回路図である。
【図２】圧縮機の循環弁を操作するための２つの特性曲線である。
【図３】本発明による装置および本発明による方法を具体的に説明するためのブロック回路図である。
【符号の説明】
１　内燃機関
５　圧縮機
１０　循環弁
１５　空気通路
２０、２５、１１０　特性曲線
３０　制御手段
３５　タービン
４０　軸
４５　シリンダ
５０　絞り弁
５５　空気供給管
６０　吸気管
６５、７０　圧力センサ
８０、８５、９０　結合要素
９５、１００　比較要素
１０５　ＳＲフリップ・フロップ
１１５　排気管
１２０　装置
Ａ　出力変数
Ｂ＿ｌｄｕｖａｕｆ　操作信号
ｍｌｓｏｌ　目標空気質量流量
Ｍ１，…，ＭＮ　トルク希望
ｐｕ　周囲圧力
ｐｖｄｋ　圧力
Ｔｕｍｇ　周囲温度
ｖｌｉｓｔ　実際空気容積流量
ｖｌｓｏｌ　目標空気容積流量
ｖｐｖｄｋｐｕ、ｖｐｖｄｋｐｕ１、ｖｐｖｄｋｐｕ２　圧縮機圧力比
ｖｐｖｄｋｐｕｉｓｔ　圧力比実際値
ρ　空気の実際密度
ρ０　空気の標準密度
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004124934.tif 000012