(57)【要約】【解決手段】本発明は、内燃機関制御のための方法及び装置を提供する。エンジンは、可変流量排気再循環（ＥＧＲ）システムを有する。本発明の方法は、排気再循環を制御するためにＥＧＲシステムと連絡する可変形状のターボチャージャ（ＶＧＴ）を提供するステップを有する。ＶＧＴの形状は、ポジション調節可能な比例流量弁と動作可能に接続された回転電気アクチュエータ（ＲＥＡ）を調節可能に制御することによって変えられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変流量排気再循環（ＥＧＲ）システムを有する内燃機関の制御方法において、
ａ）上記排気再循環制御のためにＥＧＲシステムと通信する可変形状ターボチャージャ（ＶＧＴ）を提供するステップと、
ｂ）上記ＶＧＴに動作可能に接続する回転電気アクチュエータ（ＲＥＡ）を調節可能に制御することによって上記ＶＧＴの形状を変更するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
更に、上記ＥＧＲシステムの一部としてポジション調整可能な比例流量ＥＧＲ弁と、上記ポジション調整可能な比例流量ＥＧＲ弁に動作可能に接続する第２回転電気アクチュエータ（ＲＥＡ）を調節可能に制御することによって上記比例流量ＥＧＲ弁のポジションを変更するステップを有する請求項１記載の方法。
【請求項３】
給気マニホルドと、
上記給気マニホルドと通信する排気再循環（ＥＧＲ）システムであって、ポジション調節可能な比例流量ＥＧＲ弁及び可変形状ターボチャージャ（ＶＧＴ）を有するＥＧＲシステムと、
排気の再循環を制御するために動作可能に上記ＶＧＴに接続する第１回転電気アクチュエータ（ＲＥＡ）と、
上記排気の再循環制御を強化するために上記ＥＧＲ弁に動作可能に接続した第２回転電気アクチュエータ（ＲＥＡ）と、
を有することを特徴とするエンジン。
【請求項４】
更に、上記ＶＧＴに第１ＲＥＡを接続する第１リンケージと、上記ＥＧＲ弁に第２ＲＥＡを接続する第２リンケージを有する請求項３記載のエンジン。
【請求項５】
内燃機関の制御方法であって、上記内燃機関は排気再循環制御のためのポジション調節可能な比例流量ＥＧＲ弁と可変形状ターボチャージャ（ＶＧＴ）とを備えた可変流量排気再循環（ＥＧＲ）システムを有し、
ａ）上記ＶＧＴに動作可能に接続する回転電気アクチュエータ（ＲＥＡ）を調節可能に制御することによって上記ＶＧＴの形状を変更するステップと、
ｂ）上記ポジション調節可能な比例流量ＥＧＲ弁と動作可能に接続する第２回転電気アクチュエータ（ＲＥＡ）を調節可能に制御することによって上記比例流量ＥＧＲ弁のポジションを変更するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、可変形状ターボチャージャを制御するために回転電気アクチュエータを駆動し、エンジンの排気再循環システムにおける排気再循環弁を制御するための第２（二次的）回転電気アクチュエータを有する方法及び装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
自動車及びトラックのエンジンにおける窒素酸化物を削減する主要な手段として、冷却されたＥＧＲ（排気再循環）を駆動し制御するために、ターボチャージの概念において代替給気処理を使用することは、多くの公知文献に記載されている。比較的一般的な取り組みの一つは、過渡及び定常の両方の状態での運転下で、所望のＥＧＲ比及び外気／燃料比を達成するために、ＥＧＲ（排気再循環）回路との組合せで単一ステージＶＧＴ（可変形状ターボチャージャ）を用いるものである。典型的な構成では、ＥＧＲ回路は、弁、冷却器、及びエンジンの排気側（マニホルド又はタービン）をエンジンの吸気側（吸気マニホルド又は吸気配管）に接続する管を含んでいる。ＥＧＲ弁は、ＥＧＲ流れを調節するためのオン／オフ式又は調節（比例）式の弁であって、タービンか、排気マニホルドか、排気マニホルドと冷却器の間、又は、ＥＧＲ冷却器の下流（低温）側に取り付けられる。この共通の構成の他の変形例としては、ＥＧＲガスが吸気マニホルドへ入る入口点における混合装置、及び／又は、ＥＧＲ流れをエンジンの排気側から吸気側へ駆動するのに必要なエンジンを挟む負の差圧を助長するためのベンチュリ装置を含んでもよい。
【０００３】
多くのディーゼルエンジンにおいて、特に低速且つ中負荷乃至高負荷運転を行う大型のエンジンでは、ターボチャージャの適合が比較的効率的である。従って、吸気側（圧縮機出口）圧力（又はブースト）のレベルは通常、排気側（タービン入口）圧力（又はブースト）を上回り、広範囲の定常運転又は準定常運転条件の下で、エンジンを挟んで、いわゆる正の差圧が存在する。ＥＧＲをエンジンの排気側から吸気側へ駆動するために、エンジンガス流れの全て又は一部に負の差圧（吸気圧より高圧の排気圧）が掛けられなければならない。提案されている多くのＥＧＲの構成において、ＶＧＴは、エンジンを挟む差圧を逆転させる主要な役割を果たす。しかし、４行程サイクルの給排気部分中に、エンジンポンプパラサイティックス（ｐｕｍｐｉｎｇ ｐａｒａｓｉｔｉｃｓ）及びＢＳＦＣ（正味燃料消費率）は増加する。ＶＧＴのタービン翼が閉ポジションへ向かって動くにつれて、タービンと圧縮機ホイール速度は増加し、全体のブーストレベルも上がる。タービンの外形と、流れ及びブーストに対する圧縮機の効率関数によって、タービンと圧縮機の効率は、ホイール速度とブーストが増加するにつれ、いずれは低下し始める。タービン入口圧力は最終的に圧縮機出口圧力を超え、それによって、エンジンを挟む全体の必要な負の差圧が生成される。これにより、ＥＧＲが排気マニホルドから吸気マニホルドまで流れることができる。マニホルドガスの流れ及びそれに関連する圧力脈動によって、エンジンのサイクル平均差圧が僅かに正であっても、ある量のＥＧＲが流れ始めることができる。これが数多く提案されているＥＧＲ構造の目的である。大きなＥＧＲ流量パーセンテージが要求される場合、サイクル平均差圧もまた負になる。
【０００４】
ＥＧＲに関連するほとんどの場合では、ＥＧＲガスは、エンジンへ通常取り込まれる昇圧された外気のうちの一部を置換する。与えられたエンジン排気量の中でＥＧＲを取り入れながら、燃焼効率と完全燃焼に適した外気／燃料比を維持するために、外気供気密度はそれに応じて増加しなければならない。これは、より高いブーストレベルにより達成される。また、より弱い程度には、供気の冷却を改善することによって達成できる。従って、ＶＧＴ翼を（非ＥＧＲ運転に比べて）閉ポジションに向けて動かすことにより、効率的な燃焼のために十分な外気／燃料の比（及び酸素含有量）を維持するのに必要な高ブーストレベルの外気の要求と煤塵の排出削減とを同時に達成する。
【０００５】
ブーストレベルは、燃焼システムが、正味空気消費率（ＢＳＡＣ）比が低いときに性能及び排出量の目的を達成するために開発されている場合を除いて、空気／燃料の比を維持するために非ＥＧＲ運転に比べて高くする必要がある。
【０００６】
与えられたエンジンに対して、所望のエンジン評価又はトルク曲線は、特定のエンジン速度におけるトルクと馬力との関係によって表される。窒素酸化物レベルを削減するためにＥＧＲを用いると同時に、所望のエンジントルク曲線を実現するために、与えられた速度及び負荷（即ちトルク）に対してＶＧＴ翼ポジションの角度が変化する。必要量のＶＧＴを駆動するために必要とされる翼の角度は、エンジン速度に対するエンジンを挟む負の差圧の要求値の関数として特徴づけることができる。ＥＧＲを駆動するためにＶＧＴを用いる一つの結果として、翼ポジション及びそれに関連する窒素酸化物レベルの感度がエンジンを挟む負の差圧の要求値と共に変化する。窒素酸化物に対する翼ポジションの感度は、通常、エンジン速度が低いほど高くなる。
【０００７】
多様な運転条件の下で、ＥＧＲ弁を全開ポジションに操作し、且つ、所望のＥＧＲ流量を供給するためにエンジンを挟む負の差圧を与えるのに必要なＶＧＴ翼ポジションの設定をすることで、適当な空気／燃料の比を達成され得る。しかし、ある種の運転条件の下では、ＥＧＲ弁全開では適切なＥＧＲ流量及び空気／燃料比を達成できない。
【０００８】
従来、ＶＧＴポジション及びＥＧＲ弁ポジションは空気圧アクチュエータによって制御されてきた。しかしこの種の制御は、通常及び制限運転、及びエンジン寿命を通じての全てのモードで、正確なＥＧＲ制御を達成するのに不十分である。
【０００９】
【発明の開示】
本発明は、排気再循環を制御するために可変形状ターボチャージャに動作可能に接続された回転電気アクチュエータ（ＲＥＡ）を備えることにより、前述した従来のＥＧＲシステムにおける課題を克服するものである。好ましい実施形態では、第２の回転電気アクチュエータは、より高度なＥＧＲ制御のためのポジション調整可能な比例ＥＧＲ弁に、動作可能に接続されている。
更に具体的には、本発明は内燃機関の制御方法を提供する。この内燃機関は可変流量排気再循環（ＥＧＲ）システムを有する。その方法は、ａ）排気再循環を制御するためにＥＧＲシステムと通信する可変形状ターボチャージャ（ＶＧＴ）を提供するステップと、ｂ）ＶＧＴに動作可能に接続された回転電気アクチュエータ（ＲＥＡ）を調節可能に制御することでＶＧＴの形状を変化するステップと、を含む。
【００１０】
好ましい実施形態では、本方法は更に、ＥＧＲシステムの一部としてポジション調整可能な比例流量ＥＧＲ弁を提供するステップと、ポジション調整可能な比例流量ＥＧＲ弁に動作可能に接続された第２の回転電気アクチュエータ（ＲＥＡ）を、調節可能に制御することで比例流量ＥＧＲ弁のポジションを変えるステップとを含む。
【００１１】
本発明の他の態様は、吸気マニホルドと吸気マニホルドに動作可能に接続された可変形状ターボチャージャ（ＶＧＴ）とを有するエンジンを意図するものである。排気再循環（ＥＧＲ）システムは、吸気マニホルドとの通信を行ない、ポジション調整可能な比例流量ＥＧＲ弁を有する。第１の回転電気アクチュエータ（ＲＥＡ）が、排ガスの再循環を制御するＶＧＴに動作可能に接続される。第２の回転電気アクチュエータ（ＲＥＡ）が、排気再循環の制御を強化するためにＥＧＲ弁に動作可能に接続される。
【００１２】
従って、本発明の目的は、可変形状ターボチャージャ（ＶＧＴ）を調整可能に制御するための回転電気アクチュエータ（ＲＥＡ）を備えることによって、排気再循環制御のための改良された方法及び装置を提供するためのものである。
本発明の更なる目的は、可変形状ターボチャージャ（ＶＧＴ）及び比例流量ＥＧＲ弁をそれぞれ制御するための第１、第２の回転電気アクチュエータを、エンジン排気再循環（ＥＧＲ）システム内に提供することにある。
本発明の上記目的及びその他の目的、特徴及び効果は、添付図面を参照してみると、下記の「最も好ましい発明の実施の形態」の詳細な説明から容易に理解できるものである。
【００１３】
【最も好ましい発明の実施の形態】
図１において、内燃機関とこれに関連する制御システム及びサブシステムが、全体として符号１０で示されている。システム１０はエンジン１２を有する。エンジン１２は複数のシリンダを備え、各シリンダは燃料噴射器からの供給を受ける。好ましい実施形態では、エンジン１２は重負荷ディーゼル燃料エンジン等の圧縮点火内燃機関である。噴射器は、既知の方法で燃料供給から圧縮燃料を受け入れる。
【００１４】
各種センサは入力ポート２４を通じて制御器２２と電気的に通信する。制御器２２は、データ・制御バス３０を通じて各種コンピュータ読取り可能記憶媒体２８と通信するマイクロプロセッサ２６を有することが望ましい。コンピュータ読取り可能記憶媒体２８は読取り専用メモリ３２、ランダムアクセスメモリ３４、不揮発性ランダムアクセスメモリ３６としての機能を持つ多数の既知のデバイスのうちの何れを有していてもよい。
【００１５】
コンピュータ読取り可能記憶媒体２８は、排気再循環（ＥＧＲ）弁６６及び可変形状ターボチャージャ５２を含む内燃機関を制御する方法を実施するために制御器２２によって実行され得る命令を記憶している。プログラム命令は、制御器２２に、車両の各種システム及びサブシステムの制御をさせるべく指令を出す。その指令は、マイクロプロセッサ２６によって実行され、選択的に、複数のロジックユニット５０によって実行されてもよい。入力ポート２４は各種センサから信号を受信し、制御器２２は出力ポート３８に信号を生成し、その信号は各種車両コンポーネントへ向けられる。
【００１６】
データ、診断及びプログラミング・インターフェース４４は、相互に各種情報を交換するため、プラグ４６を通じて制御器２２に選択的に接続されてもよい。インターフェース４４は、コンフィギュレーション設定、校正変数、ＥＧＲ及びＶＧＴ制御等のための指令等の、コンピュータ読取り可能記憶媒体２８内の値を変更するのに使用できる。
【００１７】
動作において、制御器２２は各種車両センサから信号を受信し、エンジンを制御するために、ハードウェア及び／又はソフトウェアに埋め込まれた制御ロジックを実行する。好ましい実施形態では、制御器２２は米国ミシガン州デトロイト市のデトロイトディーゼル社（Ｄｅｔｒｏｉｔ Ｄｉｅｓｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から購入可能なＤＤＥＣ制御器である。この制御器のその他多様な特徴は、デトロイトディーゼル社に譲渡された多数の異なる米国特許に詳細に述べられている。支持する背景情報は、本発明の譲受人に譲渡される米国出願番号０９／５４９，０１７号に記載されている。この文献の内容は、この引用によりすべてここに採り込まれる。
【００１８】
当業者には理解できるであろうが、制御ロジックはハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又はこれらの組合せの何れでも実行可能である。更に、制御ロジックは、制御器２２のほか、制御器２２と連動する車両の各種システム及びサブシステムの何れによっても実行可能である。更に、好ましい実施形態では、制御器２２はマイクロプロセッサ２６を有するが、本発明に従ってエンジンを制御するために、多数の既知のプログラミング及び処理技術又はストラテジの何れをも利用できる。
更に、エンジン制御器は、多様な方法で情報を受け入れうるということを理解すべきである。例えば、エンジンシステム情報は、ディジタル入力又はエンジン制御器のセンサ入力で、データリンク上で受け取られ得る。
【００１９】
引き続き図１において、制御器２２は可変流量排気再循環弁６６を制御することによって、及び、可変形状ターボチャージャ５２を制御することによって、エンジン性能を高める。可変形状ターボチャージャ５２はタービン５４と圧縮機５６を有する。エンジン排ガスの圧力によってタービンが回される。タービンは、通常同一シャフト上に取り付けられる圧縮機を駆動する。回転する圧縮機はターボブースト圧力を生成し、この圧力が燃焼中のパワーを増大させる。
【００２０】
可変形状ターボチャージャは、ロータグループに加えて可動要素を有する。これらの可動要素は、排ガスがエンジン流れから流出するタービンステージの一つ又は複数の面積を変えることによって、及び／又は排ガスがタービンに流入出する角度を変えることによって、ターボチャージャ形状を変えることができる。ターボチャージャの形状に応じて、ターボチャージャはエンジンへ供給するターボブースト圧力量を変える。可変形状ターボチャージャは、各種動作条件に基づいてターボブースト圧力量を変えるために電子的に制御される。
【００２１】
可変形状ターボチャージャでは、タービンハウジングがエンジンに対して大きめにできており、空気流は所望のレベルまで絞られる。可変形状ターボチャージャには数種類のデザインがある。デザインの一つは、可変入口ノズルは、空気流がタービンホイールに入る場所での面積や角度を変えるために回動可能な可変翼のカスケードを有するものである。別のデザインでは、ターボチャージャはタービンハウジングの実効断面積を変える可動側壁を有するものがある。本発明の実施形態は、可変形状ターボチャージャの具体的な構造に何らの制限を加えるものではないことがわかる。即ち、ここで使用されるＶＧＴという用語は、上述の例を含み、又、調節ウェイストゲート（ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｗａｓｔｅ ｇａｔｅ）弁を有するあらゆる制御可能な空気加圧装置を意味する。
【００２２】
排気再循環システムは排ガスのうちの計量された一部（ｍｅｔｅｒｅｄ ｐｏｒｔｉｏｎ）を吸気マニホルドに導く。ＥＧＲシステムは導入された補給燃料を希釈し、窒素酸化物レベルを低減するために燃焼温度を低下させる。再循環された排ガス量はＥＧＲ弁６６とＶＧＴによって制御される。制御可能なＥＧＲ弁は多種多様な構成が可能性であり、本発明の実施形態はＥＧＲ弁の具体的な構造に何らの制限を加えるものではないことがわかる。更に、ＥＧＲ弁の各種センサは、エンジン制御によって弁を通る質量流量を決定できるように温度及び差圧を検知することがわかる。加えて、各種異なるセンサ構成は、制御器２２によって、ＥＧＲシステムを通る流れ、圧縮機を通る流れ、及びその他の流れを含む排気システム全体の各種質量流量を決定できるように、エンジン流路の種々の箇所で利用されることがわかる。
【００２３】
圧縮機５６から入る給気を冷却するために冷却器６２を提供することが望ましいかもしれない。同様に、エンジン１２へガスを再導入するのに先立って、ＥＧＲシステム内の流れを冷却するために冷却器６８を提供することが望ましいかもしれない。
【００２４】
本発明は重負荷ディーゼルエンジンの排気を改善するのに特に有用である。排ガスの一部を吸気と混合するためにＥＧＲ技術を使用することにより、窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出が減少する一方で、燃料経済への影響を最低限に抑え、且つ耐久性を改善する。ターボチャージャ付きエンジンでは、排気マニホルドから吸気マニホルドへＥＧＲ流れを駆動するために必要な背圧は、可変形状ターボチャージャ７０によって得られる。ＥＧＲ流量は、ＶＧＴ形状の変更（例えば、翼ポジション変更）によって、またＥＧＲ弁ポジションの変更によって、及び望ましくはその両方によって制御されうる。
【００２５】
本発明は特に、ＶＧＴタービン７０の翼ポジションを制御するために、ＥＧＲ流れを駆動する主（第１）装置として回転電気アクチュエータ（ＲＥＡ）７２を使用する点に特徴がある。本発明のもう一つの特徴は、比例ＥＧＲ弁６６のポジションを調整する二次的（第２）回転電気アクチュエータ（ＲＥＡ）７４である。２個のＲＥＡの主要な（第１の）機能は、ＮＯｘ及びＰＭ排出の必要条件を満たす適当な空気／燃料比を提供すると共に、要求に応じてエンジン全体のＥＧＲ所望量を正確に計測するために必要な、ＶＧＴ翼及びＥＧＲ弁ポジションの高分解能の漸進的変化を与えることである。ＶＧＴ  ＲＥＡの第２の機能は、エンジン性能、運転能力及びエンジンブレーキの要求が高められたときに、応答時間の速さ及び高分解能の漸進的変化をＶＧＴ翼ポジションに与えることである。ターボチャージャ・ホイール速度センサが接続されたＶＧＴ  ＲＥＡの第３の機能は、ターボチャージャの速度超過保護を与え、それによってターボチャージャの疲労寿命を延ばし、又、予測することであろう。
【００２６】
ＶＧＴ７０上のＲＥＡ７２により、ＶＧＴ翼ポジションは正確に制御される。同様に、ＥＧＲ６６上のＲＥＡ７４によって、過渡状態及び定常状態運転下で排出の必要条件を満たすために十分な空気／燃料比を達成するべく正確な弁調整が行われる。好ましい実施形態では、ＲＥＡ７２はモデル＃１７２０２０１５、ＲＥＡ７４はモデル＃１７２０２０２５であり、これらはニューヨーク州ロチェスターのデルフィ社（Ｄｅｌｐｈｉ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から入手可能である。
【００２７】
図２に示すように、ＲＥＡ７２，７４は、ブラケット７６，７８を介してそれぞれＶＧＴ７０とＥＧＲ６６に取り付けられる。ブラケット７６，７８は、リジッドなサポートとしてだけでなく、ＲＥＡ７２，７４の熱シールドとして機能する。リンケージ８０，８２はそれぞれ、ＲＥＡ７２，７４をＶＧＴ７０の翼ポジションレバーアーム及びＥＧＲ弁６６の弁ポジションレバーアームに接続する。リンケージはＶＧＴ翼及びＥＧＲ弁の移動を校正する調節機能を有するだろう。みだりにいじることを防ぐために、リンケージ上でロッキングナット等の何らかの技術を使用してもよい。車両の荷造りや取付けの問題に対処するために、数個のＶＧＴブラケットを提供してもよい。
【００２８】
ＶＧＴ及びＥＧＲ弁ＲＥＡはエンジン制御器２２によって制御される。その制御はパルス幅変調（ＰＷＭ）信号の形式をとってもよいし、ＳＡＥ−Ｊ１９３９で同報送信される信号によって、或いは独自のエンジンＣＡＮデータリンクによるものでもよい。ＲＥＡは自動ＶＧＴ翼及びＥＧＲ弁移動の校正の何らかのレベルをサポートするだろう。これは、全開及び閉ポジションでの自動翼及び弁移動の範囲の校正を含んでもよい。自動校正はエンジン始動状態で起こり得る。ＣＡＮリンクを通じて自己診断を通信することもできる。
【００２９】
オンボード制御器２２は閉ループアクチュエータのポジション制御を提供する。非接触ポジションセンサとブラシレスＤＣモータが望ましい。二つのＲＥＡ（一つはＶＧＴ用、一つはＥＧＲ弁用）の適用は、両ＲＥＡのための主要マイクロプロセッサ制御ハードウェアを例えばＶＧＴ上にあるマザーＲＥＡ内にまとめ、低コストのオンボード回路基板にワイヤハーネス接続することでＥＧＲ弁上の第２のＲＥＡを制御することによって、最適化されるだろう。
【００３０】
図２は、システム構造全体及びリンケージ８０，２８を示すと共に、冷却器６８に水を流すための入口９２及び出口９４だけでなく、排気マニホルド８４、吸気マニホルド８６、ＥＧＲシステム配管８８、ＥＧＲ流量測定装置９０も示している。
【００３１】
最も好ましい発明の実施の形態を詳述したが、この発明に関連する技術に精通している人々は、添付された請求の範囲内で発明を実行するために、様々な代替設計及び実施形態を認識するだろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に係る内燃機関及びエンジン制御システムの概略図である。
【図２】
本発明に係る排気再循環システム及び可変形状ターボチャージャの斜視図である。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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2004518056.tif 000005
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2004518056.tif 000008
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2004518056.tif 000015
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2004518056.tif 000018
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004518056.tif 000019
【国際調査報告】
2004518056.tif 000020
2004518056.tif 000021
2004518056.tif 000022