(57)【要約】【課題】  機関ターボ過給機の制御管理システムを提供する。【解決手段】  圧縮機を制御する方法は、圧縮機に流入する流体の圧力を測定する工程と、圧縮機から流出する流体の圧力を測定する工程と、圧縮機の回転速度を測定する工程とを含む。圧縮機に流入する流体の測定圧力を示す信号と圧縮機から流出する流体の測定圧力を示す信号と圧縮機の測定回転速度を示す信号とが電子制御ユニットに送出される。圧縮機の動作は、電子制御ユニットにより受け取った少なくとも圧縮機の測定回転速度を示す信号に対応して制御される。【選択図】  図１
2005201243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機を制御する方法であって、
圧縮機に流入する流体の圧力を測定する工程と、
圧縮機から流出する流体の圧力を測定する工程と、
圧縮機の回転速度を測定する工程と、
圧縮機に流入する流体の測定圧力を示す信号と圧縮機から流出する流体の測定圧力を示す信号と圧縮機の測定回転速度を示す信号とを電子制御ユニットに送出する工程と、
電子制御ユニットにより受け取った少なくとも圧縮機の測定回転速度を示す信号に対応して、圧縮機の動作を制御する工程とを含む圧縮機の制御方法。
【請求項２】
圧縮機の動作を制御する工程は、圧縮機から流出する流体をバイパスし圧縮機の入口ラインに到らす工程を含む請求項１に記載の圧縮機の制御方法。
【請求項３】
圧縮機の動作を制御する工程は、圧縮機に流入する流体の圧力を調整する工程を含む請求項１に記載の圧縮機の制御方法。
【請求項４】
圧縮機の動作を制御する工程は、圧縮機の回転速度と圧縮機に流入する流体の圧力と圧縮機から流出する流体の圧力のうちの少なくとも１つを調整して、圧縮機のサージ状態を回避する工程を含む請求項１に記載の圧縮機の制御方法。
【請求項５】
圧縮機の動作を制御する工程は、圧縮機の回転速度と圧縮機に流入する流体の圧力と圧縮機から流出する流体の圧力のうちの少なくとも１つを調整して、圧縮機のチョーク状態を回避する工程をさらに含む請求項４に記載の圧縮機の制御方法。
【請求項６】
電子制御ユニットにより受け取った圧縮機に流入する流体の測定圧力を示す信号と圧縮機から流出する流体の測定圧力を示す信号とに対応して、圧縮機の動作を制御する工程をさらに含む請求項１に記載の圧縮機の制御方法。
【請求項７】
圧縮機に流入する流体の測定圧力を示す信号および圧縮機から流出する流体の測定圧力を示す信号を、圧縮機に流入する流体の所望の圧力および圧縮機から流出する流体の所望の圧力と比較する工程をさらに含む請求項６に記載の圧縮機の制御方法。
【請求項８】
圧縮機から流出する流体の測定圧力と圧縮機に流入する流体の測定圧力との比に対応する測定圧力比を計算する工程と、測定圧力比を所望の圧力比と比較する工程とをさらに含む請求項４に記載の圧縮機の制御方法。
【請求項９】
所望の圧力比は、圧縮機の測定回転速度の関数である請求項８に記載の圧縮機の制御方法。
【請求項１０】
圧縮機から流出する流体を内燃機関に供給する工程をさらに含み、圧縮機に流入する流体は、天然ガスを含む請求項１〜９のいずれか一項に記載の圧縮機の制御方法。
【請求項１１】
圧縮機の回転速度を測定する工程は、タービンを圧縮機に連結するシャフトの回転速度を測定する工程を含む請求項１〜１０のいずれか一項に記載の圧縮機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、内燃機関用のターボ過給機システムに関し、より詳しくは、内燃機関のターボ過給機システム用の制御管理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ過給機システムは、吸入流体を内燃機関に大気圧よりも高圧で供給することにより内燃機関の動力および効率を高めるものである。従来のターボ過給機システムは、内燃機関からの排気エネルギーにより駆動されるタービンと、タービンにより駆動される圧縮機とを備える。この圧縮機は、予め大気圧またはそれに近い圧力であった流体を加圧し、それをスロットル弁および後部冷却器を通して機関吸気マニホールドに流入させる。
【０００３】
ターボ過給機システムを制御して所望の機関動作を得ることは、困難な課題である。所定の条件下では、圧縮機の駆動速度および吸入流体の圧力によって過剰な圧縮出力が生じ、結果的に圧縮機がチョーク状態となる可能性がある。圧縮機がチョーク状態で動作すると、圧縮機を通る流体の流れは、この流体の流れが遮断された期間が続くような流体パルスの特徴を有するようになり不安定となる。このような圧縮機のチョーク状態により、ターボ過給機システムの効率および能力が低減し、内燃機関の安定性が損なわれる。
【０００４】
また、ターボ過給機システムは、他の所定の条件下では、圧縮機の駆動速度および吸入流体の圧力によって、圧縮機ブレードから吸入流体を分離させるような速度で圧縮機ブレードを回転させることができる。この状態は、圧縮機サージとして知られ、結果的に圧縮機が高い過速度となる。この圧縮機サージが若干でも発生すると、ターボ過給機システムの効率および能力が減少し、内燃機関の安定性が低減する。また、この圧縮機サージの状態が激しい場合には、ターボ過給機システムの破局的な故障がかなり急に発生する可能性がある。
【０００５】
フバータル（Ｃｈｖａｔａｌ）らに付与された米国特許公報（特許文献１）によれば、ターボ過給機の圧縮機の出口ラインを圧縮機の入口ラインと連結するバイパスラインを制御することにより、ターボ過給機システムに圧縮機サージが発生するのを無くす試みがなされている。バイパスラインを開放すると、圧縮機を通って流れるガスの質量流量が増加し、圧縮機の下流側の圧力が低減する。このように、ガスの質量流量が増加し下流側の圧力が低減することにより、サージ状態が回避されるようになる。しかしながら、フバータルらの明細書では、圧縮機がサージ状態である時期、またはサージ状態になる危険性がある時期、およびそのためにバイパスラインを開放するのに適している時期を決定するために、圧縮機の動作状態をどのように監視するのかについては記載していない。
【０００６】
従来の他のターボ過給機システムでは、ターボ過給機システムおよび内燃機関の多様な動作特性を測定し、圧縮機を通る流体の質量流量を計算し、ターボ過給機の制御マップに基づいて測定値と計算値とを比較することにより、圧縮機の動作状態を決定している。このターボ過給機の制御マップは、例えば、圧縮機の圧力比および圧縮機の質量流量に関する既知の値に基づいてサージ状態が存在する時期を識別するものである。
【０００７】
しかしながら、これら従来のターボ過給機システムの動作状態を決定する方法は、圧縮機の質量流量を決定するのに数多くの測定値や方程式を必要とすることから、不正確となる傾向がある。さらに、かかる方法は、作業箇所間で大気圧の変動を適切に補償するものではない。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，６９４，８９９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述した先行技術の欠点の幾つかまたは全てを解消するターボ過給機の制御管理システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本明細書の一形態によれば、圧縮機を制御する方法は、圧縮機に流入する流体の圧力を測定する工程と、圧縮機から流出する流体の圧力を測定する工程と、圧縮機の回転速度を測定する工程とを含む。圧縮機に流入する流体の測定圧力を示す信号と圧縮機から流出する流体の測定圧力を示す信号と圧縮機の測定回転速度を示す信号とが、電子制御ユニットに送出される。圧縮機の動作は、電子制御ユニットにより受け取った少なくとも圧縮機の測定回転速度を示す信号に対応して制御される。
【００１１】
本明細書の他の形態によれば、内燃機関のターボ過給機システムを制御する方法は、内燃機関の燃焼室にターボ過給機システムの圧縮機を流出した流体を供給する工程を含む。  燃焼室からの排気は、ターボ過給機システムのタービンに供給される。本方法は、圧縮機を少なくとも部分的にタービンにより駆動する工程と、圧縮機の回転速度を測定する工程と、圧縮機の測定回転速度に対応して少なくとも圧縮機に流入する流体の圧力を制御する工程とをさらに含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本明細書によるターボ過給機の制御管理システム１０を示している。本システム１０は、燃焼室１５を有する内燃機関１４に流体連結するターボ過給機１２を備える。  内燃機関１４は、従来の任意の型、例えば、火花点火型内燃機関や圧縮点火型内燃機関などの往復動内燃機関型などで構成し得る。また、内燃機関１４は、例えば、自動車の原動力、エネルギー生成、他の機械装置の駆動などの従来の任意の応用例に用いることができる。
【００１３】
ターボ過給機１２は、例えば、コモン回転シャフト２０を介して、圧縮機１８に駆動自在に接続されたタービン１６を備える。タービン１６および圧縮機１８は、例えば、軸流型または遠心型などの従来の任意の設計で構成し得る。タービン１６は、排気ライン２４を介して内燃機関１４の排気マニホールド２６に流体連結した入口２２を備え得る。
【００１４】
圧縮機入口ライン２８は、ターボ過給機１２の圧縮機１８の入口３０に連結する。天然ガスで駆動する内燃機関１４の一例では、圧縮機入口ライン２８は、空気入口ライン３２と流量制御弁３６を有する天然ガス入口ライン３４とに連結し得る。圧縮機１８は、圧縮機出口ライン４２を介して内燃機関１４の吸気マニホールド４０に流体連結する出口３８を備える。圧縮機出口ライン４２は、例えば、スロットル弁４４およびスロットル弁４４の下流側に位置した後部冷却器４６などの従来の構成部品を任意数備え得るものである。
【００１５】
また、本明細書によるターボ過給機の制御管理システム１０は、圧縮機出口ライン４２と圧縮機入口ライン２８との間に連結された圧縮機のバイパスライン４８をも備え得る。  バイパスライン４８は、例えば、可制御バイパス弁５０の形態で流量制御素子を備え得る。可制御バイパス弁５０は、流量が制御された流体をバイパスライン４８を通して提供するような従来の任意の設計を採り得る。例えば、可制御バイパス弁５０は、それを通して一定の流量を提供するオンオフ型のものであっても良いし、あるいは可制御バイパス弁５０を通して（図１に示すように）流量を制御する可変オリフィス型であっても良い。より詳細に後述するように、可制御バイパス弁５０は、バイパス制御ライン５４を通して電子制御モジュールまたはユニット５２から受信した信号により制御され得る。電子制御モジュール５２は、可制御バイパス弁５０のみを制御するのに役立つ局所制御装置であっても良いし、あるいはターボ過給機の制御管理システム１０内の多様な構成部品および／またはターボ過給機の制御管理システム１０の外部の構成部品を監視し制御するより一般化された制御装置であっても良い。
【００１６】
電子制御モジュール５２は、制御管理システム１０の多様な動作特性を測定するように配置された複数のセンサーに連結され得る。これらのセンサーは、圧縮機入口ライン２８に連結され、圧縮機１８の入口３０付近の圧力を測定するための圧縮機入口圧力センサー５４と、圧縮機出口ライン４２に連結され、圧縮機１８の出口３８付近の圧力を測定するための圧縮機出口圧力センサー５６と、ターボ過給機１２のコモン回転シャフト２０を伴って配置され、圧縮機１８の回転速度を測定するためのターボ速度センサー５８とを備え得る。センサー５４、５６、５８の各々は、センサーを電子制御モジュール５２に接続する各制御ライン（６０、６２、６４）を備える。また、各センサー５４、５６および５８は、従来の任意の設計で構成し得るものであり、しかも従来の任意の方法で制御管理システム１０に連結し得ることは理解されよう。さらに、制御管理システム１０の他の特性を監視するために、追加のセンサーを電子制御モジュール５２に連結させても良い。
【００１７】
電子制御モジュール５２は、可制御バイパス弁５０の動作制御を援助する圧縮機性能マップ７０を備える。圧縮機性能マップ７０は、図２に詳細が示されているように、圧縮機１８自体の性能データとターボ過給機の制御管理システム１０の一構成部品としての圧縮機の動作の性能データとを含む。圧縮機性能マップ７０は、電子制御モジュール５２のメモリーに記憶され得るか、あるいは、そうでない場合には、従来の任意の方法で電子制御モジュール５２にアクセス可能とされ得る。
【００１８】
図２を参照するに、圧縮機性能マップ７０の横座標７２は、例えば、単位がｋｇ／秒の圧縮機を通る流体の質量流量であり、縦座標７４は、圧縮機の圧力比である。圧縮機１８の圧力比は、圧縮機１８から流出する流体の圧力と圧縮機１８に流入する流体の圧力との比率に対応する。圧縮機１８の動作特性の境界は、圧力比および空気流量のある範囲にわたって、サージ線７６およびチョーク線７８により表される。サージ線７６は、時として安定限界、吸排気限界、失速ラインと呼ばれ、圧力比および圧縮機の質量流量の増加に伴って増加する曲線７６である。図２中において、サージ線７６の右側で且つチョーク線７８の左側の領域は、圧縮機の動作が安定する圧力比および質量流量の範囲を含む。圧力比と質量流量とがサージ線７６の左側で交わる場合には、圧縮機の動作は不安定となり、圧縮機１８内で特徴的な流体の急速な圧力変動が見られる。
【００１９】
また、圧縮機性能マップ７０は、ターボ速度線８０を備え得る。ターボ速度線８０は、圧縮機１８の異なる回転速度において圧縮機の圧力比と質量流量との関係を識別する。
【００２０】
サージ線、チョーク線、およびターボ速度線７６、７８、８０は、圧縮機性能試験から得られ集計された既定のデータ点の形態で、圧縮機１８の経験的データから決定される。  サージ線、チョーク線、およびターボ速度線７６、７８、８０は、圧縮機１８自体の動作特性であり、ターボ過給機の制御管理システム１０の動作とは独立している。複数のデータ点がサージ線、チョーク線、およびターボ速度線７６、７８、８０の基礎として用いられるため、電子制御モジュール５２によりデータ点間の領域の補間を行うことができる。
【００２１】
また、圧縮機性能マップ７０は、所望の圧縮機動作線８２を含む。この所望の圧縮機動作線８２は、サージ線７６およびチョーク線７８から適切な動作マージンを考慮して、圧縮機１８の特定の速度に対して圧縮機１８の最適の圧力比および質量流量を表している。  サージ線、チョーク線、およびターボ速度線７６、７８、８０は、圧縮機１８の動作のみに基づいているのに対して、一方、圧縮機動作線８２は、ターボ過給機の制御管理システム１０の動作全体について試験および開発を行うことにより決定されている。圧縮機動作線８２は、所定の高度および外界温度の下で、例えば、高度１５０ｍおよび摂氏２５度でマッピングし得る。加えて、圧縮機性能マップ７０に示すように、圧縮機動作線８２は、圧縮機の速度全範囲にわたって、すなわち圧縮機がアイドリングしている状態から圧縮機１８の最高定格荷重速度に至るまでの範囲にわたって、マッピングし得る。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
次に、ターボ過給機の制御管理システム１０の動作について説明する。まず、空気および天然ガスの混合物を、圧縮機入口ライン２８を通して圧縮機１８の入口３０に供給する。その後、混合物を圧縮機１８で圧縮し、圧縮機出口ライン４２を介してスロットル弁４４、後部冷却器４６、吸気マニホールド４０を通して内燃機関１４まで運ぶ。後部冷却器４６は、圧縮機１８の圧縮により加熱された流体混合物の温度を低下させる。加圧された流体混合物が内燃機関１４に収容されると、圧力および密度を上昇させて流体混合物を機関シリンダ１５に供給することで内燃機関１４の性能が向上する。
【００２３】
内燃機関１４からの排気ガスは、排気マニホールド２６を出て排気ライン２４を通りタービン１６内に流入する。排気ガスの熱および圧力エネルギーは、タービン１６を駆動することになる。そして、タービン１６は、コモン回転シャフト２０を介して圧縮機１８を駆動する。
【００２４】
ターボ過給機１２の動作中には、入口圧力センサー５４、出口圧力センサー５６、およびターボ速度センサー５８がターボ過給機１２のそれぞれ対応する動作特性を測定する。  そして、測定された特性を示す信号が制御ライン６０、６２および６４に沿って電子制御モジュール５２に送出される。次いで、電子制御モジュール５２は、測定した圧縮機の速度に対応する所望の圧縮機動作線８２上の点を決定する（ここで、適切なターボ速度線８０が所望の圧縮機動作線８２と交わる）。その後、電子制御モジュール５２は、圧縮機の入口および出口圧力センサー５４、５６から受け取った信号に基づいて圧力比を計算し、その計算した圧力比と測定したターボ速度での所望の圧縮機動作線８２上の圧力比とを比較する。
【００２５】
測定した圧力比が測定したターボ速度での所望の圧縮機動作線８２上の圧力比よりも大きい場合には、すなわち所望の圧縮機動作線８２の左側の点に対応する場合には、可制御バイパス弁５０に信号が送出され、バイパスライン４８を開放し、圧縮流体を圧縮機出口ライン４２から圧縮機入口ライン２８に提供する。圧縮流体をバイパスし圧縮機入口ライン２８まで戻すことで、圧縮機１８の入口３０での流体の圧力を増加し、これにより圧縮機１８の圧力比を低下させるようになる。圧力比を低下させると、圧力比が所望の圧縮機動作線８２に向かってサージ線７６から離れつつ引き下がるようになる。
【００２６】
可制御バイパス弁５０の制御を例示するため、図２の点Ａ、ＢおよびＣを参照する。点Ａは、ターボ速度センサー５８により測定した圧縮機１８のターボ速度に対応する所望の圧縮機動作線８２上の点を表す。点Ｂは、圧縮機入口圧力センサー５４と圧縮機出口圧力センサー５６とから受け取った信号に基づいて計算した圧力比を表す。図示したように、計算した圧力比（点Ｂ）は、測定したターボ速度（点Ａ）での最適な圧力比よりも大きくなっており、これは、サージ線７６に近くなった望ましくない動作状態を示している。よって、電子制御モジュール５２は、制御用のバイパスライン４８に沿って可制御バイパス弁５０に信号を送出し、バイパスライン４８を開放して、加圧された流体混合物が圧縮機出口ライン４２から圧縮機入口ライン２８に流出可能とさせる。この動作により、圧縮機１８の圧力比が降下し、ターボ速度が増加し、よって、ターボ速度が所望の圧縮機動作線８２により示された動作点に近づくようになる。可制御バイパス弁５０は、測定した圧力比が所望の圧縮機動作線８２に十分近い点Ｃに対応する場合に閉じ得る。
【００２７】
ターボ過給機の制御管理システム１０は、圧縮機動作線８２に基づいて、圧縮機１８の動作を所望の範囲内に維持するように働く。圧縮機１８を所望の動作範囲内に維持すると、有害なサージ状態が回避され、ターボ過給機１２およびその結果内燃機関１４の全効率が向上する。これは、特に、サージ状態と最適状態との間の動作マージンが他の内燃機関よりも通常小さくなされた大型の高度に増圧された内燃機関で有益である。
【００２８】
加えて、本明細書のターボ過給機の制御管理システム１０は、圧縮機１８の質量流量の計算に基づいてサージおよびチョークを決定する場合に関連する不正確さおよび複雑性を回避するものである。上記に説明したように、本明細書のターボ過給機の制御管理システム１０は、ターボ速度センサー５８により圧縮機の速度を監視し、しかも圧縮機の入口および出口圧力センサー５４、５６により圧縮機１８の圧力比を監視することにより、サージ状態を回避するものである。
【００２９】
本発明の他の実施形態は、ここに開示された本発明の明細書および実施を検討することによって当業者にとって明らかであろう。例えば、可制御バイパス弁５０は、可変オリフィス弁として構成しても良く、ターボ過給機１２の動作中に安定したバイパスを形成し得る。そのため、測定した圧力比が圧縮機性能マップ７０における圧縮機動作線８２の右側にある場合には、すなわち所望より低い圧力比である場合には、バイパスラインを閉じて圧力比を高め、圧縮機を圧縮機動作線８２まで引き上げることができる。このようなターボ過給機１２の制御により、圧縮機１８のチョーク状態が回避されるようになる。加えて、機関用ターボ過給機の制御管理システムは、例えば、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、および可変サイズのエンジンなどの多様な異なる種類の内燃機関で用いることができる。なお、本明細書および実施例は、例示としてのみ考慮され、本発明の本来の範囲は、添付した請求の範囲により示されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本明細書の例示的実施形態によるターボ過給機の制御管理システムを示す概略図である。
【図２】図１のターボ過給機の制御管理システムによる圧縮機の性能マップである。
【符号の説明】
【００３１】
１０  ターボ過給機の制御管理システム
１２  ターボ過給機
１４  内燃機関
１５  機関シリンダ
１６  タービン
１８  圧縮機
２０  コモン回転シャフト
２２  タービン入口
２４  機関排気ライン
２６  排気マニホールド
２８  圧縮機入口ライン
３０  圧縮機入口
３２  空気入口ライン
３４  天然ガス入口ライン
３６  流量制御弁
３８  圧縮機出口
４０  吸気マニホールド
４２  圧縮機出口ライン
４４  スロットル弁
４６  後部冷却器
４８  バイパスライン
５０  可制御バイパス弁
５２  電子制御モジュール
５４  入口圧力センサー
５６  出口圧力センサー
５８  ターボ速度センサー
６０  制御ライン
６２  制御ライン
６４  制御ライン
７０  圧縮機性能マップ
７２  圧縮機性能マップの横座標
７４  圧縮機性能マップの縦座標
７６  サージ線
７８  チョーク線
８０  ターボ速度線
８２  所望の圧縮機動作線
【図１】
2005201243.tif 000003
【図２】
2005201243.tif 000004