JP2018071496A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンに可変ノズルを有するターボ過給機と、排気通路におけるタービンの上流と吸気通路とをＥＧＲ通路で接続しＥＧＲ通路にＥＧＲ弁を有するＥＧＲ装置とを備える内燃機関において、タービンの入口側の排気通路内圧力であるタービン上流圧力を精度良く計算する。【解決手段】タービン下流圧力の現在値Ｐｄｓと、吸気通路圧力の現在値Ｐｉｍと、タービン上流温度の現在値Ｔｕｓと、シリンダ内ガス量の現在値Ｇｃｙｌと燃料流量の現在値Ｇｆとの総和と、タービン有効開口面積μＡｔｂと、ＥＧＲ弁有効開口面積μＡｅｇｒと、タービン下流圧力の現在値Ｐｄｓとタービン上流圧力の前回値Ｐｕｓ＿０との比から定まる各係数ａ，ｂと、吸気通路圧力の現在値Ｐｉｍとタービン上流圧力の前回値Ｐｕｓ＿０との比から定まる各係数ｃ，ｄとに基づいて、式４を用いてタービン上流圧力の現在値Ｐｕｓを計算する。【選択図】図７

Description

本発明は、タービンに可変ノズルを有するターボ過給機とＥＧＲ装置とを備える内燃機関を制御する制御装置に関する。

特許文献１には、排気マニホールド内の目標圧力を達成するために必要な可変ノズルの開口面積の計算方法について記載されている。特許文献１に開示された方法によれば、ＥＧＲ弁の下流側の圧力Ｐｗｇ、ＥＧＲ弁の上流側の圧力Ｐｅｇ、及びＥＧＲ弁の上流側の温度Ｔｅｇがそれぞれセンサによって取得される。そして、ベルヌーイの定理に基づく式を用いて、ＥＧＲ弁の下流側の圧力ＰｅｇとＥＧＲ弁の上流側の圧力Ｐｅｇとの圧力比と、ＥＧＲ弁の上流側の温度Ｔｅｇと、ＥＧＲ弁の開度ＶＴｅｇｒから計算される開口面積とに基づいて、ＥＧＲ弁を通過するＥＧＲガスの流量であるＥＧＲ流通量Ｇｅｇが計算される。

特許文献１に開示された方法によれば、次に、センサにより取得される吸気温度Ｔｉｎと吸気圧力Ｐｗｇとに基づいて、シリンダに供給される作動ガスの流量である作動ガス量Ｇｗｇが計算され、作動ガス量ＧｗｇからＥＧＲ流通量Ｇｅｇを減算することにより、タービンに流入する排気ガスの流量Ｇｔｉが計算される。また、タービンの出口圧力Ｐｔｅとタービンの入口温度Ｔｔｉとがそれぞれ関連する状態量に基づいて計算される。そして、ベルヌーイの定理に基づく式を用いて、排気マニホールド内の目標圧力Ｐｍｅと、出口圧力Ｐｔｅと、タービンの入口温度Ｔｔｉとに基づいて、可変ノズルの必要開口面積Ａｎｅが計算される。

特開２０１４−０４７７１７号公報 特開２０１５−１４０７１８号公報 特開平０８−０４２３８０号公報

特許文献１に開示されているベルヌーイの定理に基づく式を用いれば、可変ノズルの開度から排気マニホールド内の圧力、すなわち、タービン上流圧力の推定値を計算することもできる。この計算には、タービンを通過する排気ガスの流量であるタービン通過流量が必要であるが、特許文献１に開示されている方法では、これはシリンダ内の作動ガス量とＥＧＲ流通量とから計算されている。特許文献１に開示されている方法によると、ＥＧＲ流通量はＥＧＲ弁の前後の圧力比に基づいて計算される。この場合、ＥＧＲ弁の下流側の圧力を計測するセンサと、ＥＧＲ弁の上流側の圧力を計測するセンサがそれぞれ必要となる。しかし、部品点数の削減の観点からは、センサの数はできるだけ少なくしたい。

上述のようにタービン上流圧力を計算で得ることができるならば、ＥＧＲ弁の上流側の圧力もまたタービン上流圧力から計算することができる。ゆえに、ＥＧＲ弁の上流側の圧力を計測するためのセンサを不要にできる可能性がある。ただし、その場合、ＥＧＲ弁の前後の圧力比に基づいてＥＧＲ流通量を計算することはできなくなるため、特許文献１に開示されている方法とは別の方法でタービン通過流量を計算しなければならない。

容易に考えられる一つの方法としては、エアフローセンサで計測される新気量からタービン通過流量を計算する方法である。エアフローセンサを通過したガスがタービンに到達するまでの時間だけ、タービン通過流量には新気量に対して応答遅れがある。この応答遅れを考慮した遅れ処理を新気量に対して施すことで、タービン通過流量を計算することができる。ただし、エアフローセンサの計測値にはノイズが乗りやすいため、エアフローセンサで計測した新気量から計算したタービン通過流量では、タービン上流圧力を精度良く計算することは難しい。

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、タービンの入口側の排気通路内圧力であるタービン上流圧力を精度良く計算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。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、タービンに可変ノズルを有するターボ過給機と、排気通路におけるタービンの上流と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路にＥＧＲ弁を有するＥＧＲ装置とを備える内燃機関を制御するための制御装置である。上記目的を達成するために、本制御装置は以下の処理を行うように構成される。

本制御装置は、以下の状態量をセンサによって直接的に或いは間接的に取得する。
タービンの出口側の排気通路内圧力であるタービン下流圧力の現在値Ｐｄｓ；
吸気通路のＥＧＲ通路が接続された空間内の圧力である吸気通路圧力の現在値Ｐｉｍ；
タービンの入口側の排気通路内温度であるタービン上流温度の現在値Ｔｕｓ；
ＥＧＲ弁の開度の現在値θｅｇｒ；
可変ノズルの閉度の現在値θｖｎ；及び
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Ｇａｄｌｙ

また本制御装置は、以下の状態量を計算により取得する。
シリンダに入るガスの圧力及び温度から計算されるシリンダ内ガス量の現在値Ｇｃｙｌ；
燃料噴射弁の燃料流量の現在値Ｇｆ；
新気量の現在値Ｇａｄｌｙと燃料流量の現在値Ｇｆとから計算されるタービンを通過するガスの流量であるタービン通過流量の現在値Ｍｔｂ；及び
シリンダ内ガス量の現在値Ｇｃｙｌと燃料流量の現在値Ｇｆとの総和とタービン通過流量の現在値Ｍｔｂとの差分より計算されるＥＧＲ弁通過流量の現在値Ｍｅｇｒ

本制御装置は、タービンの入口側の排気通路内圧力であるタービン上流圧力の前回値Ｐｕｓ＿０を一時的に記憶する。

本制御装置は、可変ノズルを含むタービンを一つのノズルに見立てた場合のタービン有効開口面積を、タービン通過流量と可変ノズルの閉度とに関連付けるタービン有効開口面積マップを予め記憶している。また、本制御装置は、ＥＧＲ弁を一つのノズルに見立てた場合のＥＧＲ弁有効開口面積をＥＧＲ弁通過流量とＥＧＲ弁の開度とに関連付けるＥＧＲ弁有効開口面積マップを予め記憶している。

本制御装置は、タービン通過流量の現在値Ｍｔｂと可変ノズルの閉度の現在値θｖｎとに対応するタービン有効開口面積μＡｔｂをタービン有効開口面積マップから読み出すとともに、ＥＧＲ弁通過流量の現在値ＭｅｇｒとＥＧＲ弁の開度の現在値θｅｇｒとに対応するＥＧＲ弁有効開口面積μＡｅｇｒをＥＧＲ弁有効開口面積マップから読み出す。

本制御装置は、下記の式１で定義されるノズルの下流圧力と上流圧力との間の圧力比πの関数Φを、区分線形法によって複数の圧力比πの区分に分け、圧力比πの区分毎に下記の式２で定義される１次関数により直線近似した場合において、圧力比πの区分毎に定まる１次関数の各係数ａ，ｂを圧力比πの区分に関連付ける第１係数マップを予め記憶している。

本制御装置は、上記式１で定義されるノズルの下流圧力と上流圧力との間の圧力比πの関数Φを、区分線形法によって複数の圧力比πの区分に分け、圧力比πの区分毎に下記の式３で定義される１次関数により直線近似した場合において、圧力比πの区分毎に定まる１次関数の各係数ｃ，ｄを圧力比πの区分に関連付ける第２係数マップを予め記憶している。

本制御装置は、タービン下流圧力の現在値Ｐｄｓとタービン上流圧力の前回値Ｐｕｓ＿０との比を上記式２における圧力比πとした場合に、圧力比πが当てはまる区分に対応する各係数ａ，ｂを前記第１係数マップから読み出すとともに、吸気通路圧力の現在値Ｐｉｍとタービン上流圧力の前回値Ｐｕｓ＿０との比を上記式３における圧力比πとした場合に、圧力比πが当てはまる区分に対応する各係数ｃ，ｄを第２係数マップから読み出す。

本制御装置は、タービン下流圧力の現在値Ｐｄｓと、吸気通路圧力の現在値Ｐｉｍと、タービン上流温度の現在値Ｔｕｓと、シリンダ内ガス量の現在値Ｇｃｙｌと燃料流量の現在値Ｇｆとの総和と、タービン有効開口面積μＡｔｂと、ＥＧＲ弁有効開口面積μＡｅｇｒと、各係数ａ，ｂ，ｃ，ｄとに基づいて、下記の式４を用いてタービン上流圧力の現在値Ｐｕｓを計算する。

本制御装置は、上記のロジックにより計算されたタービン上流圧力の現在値Ｐｕｓに基づいて内燃機関を制御する。

本制御装置によれば、上記の式４を用いることによりタービン上流圧力を精度良く計算することができ、精度の良いタービン上流圧力に基づいて内燃機関を制御することができる。なお、タービン有効開口面積の計算に用いられるタービン通過流量は新気量に基づいて計算されるため、ノイズによる新気量の計測値のばらつきの影響は、タービン有効開口面積の計算値にも及ぶ。同様に、ＥＧＲ弁有効開口面積の計算に用いられるＥＧＲ弁通過流量も新気量を用いて計算されるため、ノイズによる新気量の計測値のばらつきの影響は、ＥＧＲ弁有効開口面積の計算値にも及ぶ。ただし、タービン有効開口面積とタービン通過流量との関係から判断するには、タービン通過流量のばらつきに対するタービン有効開口面積の感度は高くない。同様に、ＥＧＲ弁有効開口面積とＥＧＲ弁通過流量との関係から判断するには、ＥＧＲ弁通過流量のばらつきに対するＥＧＲ弁有効開口面積の感度も高くない。ゆえに、ノイズによる新気量の計測値のばらつきがタービン有効開口面積とＥＧＲ弁有効開口面積の各計算結果に与える影響は限定的であり、タービン有効開口面積とＥＧＲ弁有効開口面積とをパラメータに含むタービン上流圧力の計算精度は十分に担保されている。

本発明の実施の形態の制御装置が適用される内燃機関の概略構成を示す図である。 可変ノズルの閉度とタービン通過流量とタービン有効開口面積との関係を示す図である。 ＥＧＲ弁の開度とＥＧＲ弁通過流量とＥＧＲ弁有効開口面積との関係を示す図である。 ベルヌーイの定理の式に含まれるノズルの下流圧力と上流圧力との間の圧力比πの関数Φと、それを近似した１次関数とを示す図である。 式４によるタービン上流圧力の推定精度を検証する検証用データの分布を示す図である。 式４によるタービン上流圧力の推定値とタービン上流圧力の実際値との一致度を示す図である。 本発明の実施の形態の制御装置が有するタービン上流圧力を計算するための構成を示すブロック図である。 タービン上流圧力の推定値の用途の一例を示す図である。 タービン上流圧力の推定値の用途の一例を示す図である。

１．内燃機関の構成
図１は、本発明の実施の形態の制御装置が適用される内燃機関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、単一のターボ過給機２０を備えたシングルターボシステムである。内燃機関２は、ディーゼルエンジンとして構成されたエンジン本体４を備える。エンジン本体４には複数（図では４つ）のシリンダ４ａが設けられ、シリンダ４ａごとに燃料噴射弁６が設けられている。

エンジン本体４の吸気入口には、外部から新気を吸入する吸気通路８が接続されている。吸気通路８には、その上流側から下流側に向けてエアクリーナ１２、ターボ過給機２０のコンプレッサ２０ａ、インタークーラ１４及び吸気絞り弁１６がこの順で設けられている。吸気通路８のエンジン本体４に接続される部位には、各シリンダ４ａに空気を分配するための吸気マニホールド８ａが形成されている。エンジン本体４の排気出口には、排気を外部に排出する排気通路１０が接続されている。排気通路１０には、ターボ過給機２０のタービン２０ｂが設けられている。タービン２０ｂは、可変ノズル２２を備える。排気通路１０のエンジン本体４に接続される部位には、各シリンダ４ａから排出された排気を集合させるための排気マニホールド１０ａが形成されている。

内燃機関２は、排気通路１０から吸気通路８へ排気の一部を再循環させるＥＧＲ装置３０を備える。ＥＧＲ装置３０は、排気通路１０におけるタービン２０ｂの上流と、吸気通路８における吸気絞り弁１６の下流とを接続するＥＧＲ通路３２を備える。ＥＧＲ通路３２には、ＥＧＲガスの流れの方向における上流側から下流側に向かってＥＧＲクーラ３４とＥＧＲ弁３６がこの順に配設されている。ＥＧＲ通路３２には、ＥＧＲクーラ３４をバイパスするバイパス通路３８が設けられている。バイパス通路３８がＥＧＲ通路３２に合流する合流部には、バイパス通路３８とＥＧＲクーラ３４との間でＥＧＲガスの流路を切り替えるバイパス弁４０が設けられている。

内燃機関２を制御する制御装置１００は、少なくとも１つのＣＰＵ、少なくとも１つのＲＯＭ、少なくとも１つのＲＡＭを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。ＲＯＭには、内燃機関２の制御のための各種のプログラムやマップを含む各種のデータが記憶されている。ＲＯＭに記憶されているプログラムがＲＡＭにロードされ、ＣＰＵで実行されることで、制御装置１００には様々な機能が実現される。なお、制御装置１００は、複数のＥＣＵから構成されていてもよい。

制御装置１００には、内燃機関２に取り付けられた各種のセンサから、内燃機関２の運転状態や運転条件に関する様々な情報が入力される。例えば、エアクリーナ１２の近傍に配置されたエアフローセンサ５０からは、吸気通路８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。吸気マニホールド８ａに配置された圧力センサ５２からは、吸気マニホールド８ａ内の圧力である吸気マニホールド圧力（Ｐｉｍ）に関する情報が入力される。吸気マニホールド圧力（Ｐｉｍ）は、吸気通路８のＥＧＲ通路３２が接続された空間内の圧力である吸気通路圧力でもある。吸気マニホールド８ａに配置された温度センサ５４からは、吸気マニホールド８ａ内の温度である吸気マニホールド温度（Ｔｉｍ）に関する情報が入力される。また、排気マニホールド１０ａに配置された温度センサ５６からは、タービン２０ｂの入口側の排気通路内温度であるタービン上流温度（Ｔｕｓ）に関する情報が入力される。排気通路１０におけるタービン２０ｂの下流に配置された圧力センサ５８からは、タービン２０ｂの出口側の排気通路内圧力であるタービン下流圧力（Ｐｄｓ）に関する情報が入力される。さらに、ＥＧＲ弁３６に設けられた開度センサからは、ＥＧＲ弁３６の開度（θｅｇｒ）に関する情報が入力され、可変ノズル２２に設けられた閉度センサからは、可変ノズル２２の閉度（θｖｎ）に関する情報が入力される。制御装置１００は、これらの情報に基づいて内燃機関２の制御パラメータを決定する。

２．タービン上流圧力の推定
制御装置１００が有する機能の一つに、タービン２０ｂの入口側の排気通路内圧力であるタービン上流圧力（Ｐｕｓ）を推定する機能がある。タービン上流圧力の計算は、上述の式４を用いて行われる。以下、式４がどのようにして導出されたのか、その導出方法について説明する。

２−１．タービンの流量特性式
エネルギ保存則が適用されるノズルを流体が通過する場合、ノズルを通過する前の流体の状態量とノズルを通過した後の流体の状態量との関係は、ベルヌーイの定理に従う。ここで、仮にタービン２０ｂがノズルであったならば、以下の式５が成立する。式５において、Ｍｔｂはタービン２０ｂを通過するガスの流量であるタービン通過流量であり、μＡｔｂは可変ノズル２２を含むタービン２０ｂを一つのノズルに見立てた場合のタービン２０ｂの有効開口面積である。また、式５におけるΦは上述の式１で定義される関数である。

タービン２０ｂはコンプレッサ２０ａへ仕事を与えるため、タービン２０ｂではエネルギ保存則は成立せず、タービン２０ｂにはベルヌーイの定理は適用できない。しかし、式５において、μＡｔｂをガスの流れやすさを表す一つの係数として拡張して考えるならば、式５をタービン２０ｂの流量特性を表す式として用いることができる。タービン仕事が大きいほど、タービン２０ｂを通過するガスはエネルギを失い、ガスは流れにくくなる。ゆえに、μＡｔｂがガスの流れやすさを表す係数であるなら、タービン仕事はμＡｔｂに換算することができるので、式５でタービン２０ｂの流量特性を表すことができる。なお、式５におけるμＡｔｂは、可変ノズル２２を含むタービン２０ｂの全体を一つのノズルに見立てた場合の有効開口面積に相当することから、本明細書では、これをタービン有効開口面積と称する。

タービン有効開口面積を決定するパラメータは、タービン２０ｂが備える可変ノズル２２の閉度とタービン通過流量である。可変ノズル２２の閉度とは、可変ノズル２２の全開位置を基準としたときに可変ノズル２２がどの程度閉じられているかを表すパラメータである。可変ノズル２２が全開位置にあるときの閉度が０％、全閉位置にあるときの閉度が１００％である。図２は、可変ノズル２２の閉度（θｖｎ）とタービン通過流量（Ｍｔｂ）とタービン有効開口面積（μＡｔｂ）との関係を示す図である。図２は、実験用の内燃機関を用いて得られた実験結果の一例である。実験では、タービン通過流量を固定し、可変ノズル２２の閉度を０％から１００％までの間で変えながら、式５が成立するタービン有効開口面積の値を可変ノズル２２の閉度ごとに算出することが行われた。そして、タービン通過流量を小流量から大流量まで少しずつ変えながらこの作業を繰り返し行うことにより、図２のようなタービン有効開口面積の特性図が得られた。

２−２．ＥＧＲ装置の流量特性式
ところで、ＥＧＲ装置３０が備えるＥＧＲ弁３６そのものには、ベルヌーイの定理が適用できる。ただし、ＥＧＲ弁３６の上流側の状態量としてＥＧＲ通路３２の入口における状態量を用いる場合には、途中に介在するＥＧＲクーラ３４の影響によって、ベルヌーイの定理の前提であるエネルギ保存則は成立しない。ＥＧＲクーラ３４においてガスから熱が奪われるためである。しかし、タービン２０ｂの流量特性を表す式５の場合と同様、μＡｅｇｒをガスの流れやすさを表す一つの係数として定義するならば、ＥＧＲ通路３２の入口における状態量とＥＧＲ通路３２の出口における状態量との間に以下の式６が成立する。式６において、ＭｅｇｒはＥＧＲ弁３６を通過するガスの流量であるＥＧＲ弁通過流量である。また、式５におけるΦは上述の式１で定義される関数である。なお、式６におけるμＡｅｇｒは、ＥＧＲ弁３６を含むＥＧＲ装置３０の全体を一つのノズルに見立てた場合の有効開口面積に相当することから、本明細書では、これをＥＧＲ弁有効開口面積と称する。

ＥＧＲ弁有効開口面積を決定するパラメータは、ＥＧＲ弁３６の開度とＥＧＲ弁通過流量である。図３は、ＥＧＲ弁３６の開度（θｅｇｒ）とＥＧＲ弁通過流量（Ｍｅｇｒ）とＥＧＲ弁有効開口面積（μＡｅｇｒ）との関係を示す図である。図３は、実験用の内燃機関を用いて得られた実験結果の一例である。実験では、ＥＧＲ弁通過流量を固定し、ＥＧＲ弁３６の開度を０％から１００％までの間で変えながら、式６が成立するＥＧＲ弁有効開口面積の値をＥＧＲ弁３６の開度ごとに算出することが行われた。そして、ＥＧＲ弁通過流量を小流量から大流量まで少しずつ変えながらこの作業を繰り返し行うことにより、図３のようなＥＧＲ弁有効開口面積の特性図が得られた。

なお、図３に示す特性は、バイパス弁４０が閉じている場合のＥＧＲ弁有効開口面積の特性である。バイパス弁４０が開いている場合、ＥＧＲクーラ３４でガスから熱が奪われることがない。このため、ＥＧＲ弁開度とＥＧＲ弁通過流量とが同じであっても、式６が成立するＥＧＲ弁有効開口面積の値は、バイパス弁４０が閉じている場合とは異なった値になる。バイパス弁４０が開いている場合については別に実験が行われ、図３とは別の特性図が得られている。

２−３．関数Φの簡易化
上記の式５及び式６に含まれる関数Φは、上述の式１に示すように、ノズルの下流圧力と上流圧力との間の圧力比πを変数とする複雑な関数である。しかし、区分線形法により、関数Φを複数の圧力比πの区分に分け、圧力比πの区分毎に１次関数で直線近似することによって簡易化することができる。図４は、関数Φとその変数である圧力πとの関係を示す図である。破線で示す曲線は、式１で表される関数Φと圧力πとの関係を示し、実線で示す折れ線は、区分線形法により直線近似した関数Φと圧力πとの関係を示している。図４に示す例では、圧力比πは６つの区分に分けられ、区分毎に関数Φが直線で近似されている。

式５に含まれる関数Φは、区分線形法により上述の式２のように簡易化することができる。簡易化された関数Φを用いることにより、タービン２０ｂの流量特性は以下の式７で表すことができる。なお、式７における係数ａ，ｂの値は、圧力比の区分毎に定められている。タービン下流圧力（Ｐｄｓ）とタービン上流圧力（Ｐｕｓ）との比の値から定まる区分に対応する係数ａ，ｂの値が式７に代入される。ただし、タービン上流圧力（Ｐｕｓ）については前回の計算タイミングで計算された前回値が用いられる。

式６に含まれる関数Φは、区分線形法により上述の式３のように簡易化することができる。簡易化された関数Φを用いることにより、ＥＧＲ装置３０の流量特性は以下の式８で表すことができる。なお、式８における係数ｃ，ｄの値は、圧力比の区分毎に定められている。吸気マニホールド圧力（Ｐｉｍ）とタービン上流圧力（Ｐｕｓ）との比の値から定まる区分に対応する係数ｃ，ｄの値が式８に代入さる。ただし、タービン上流圧力（Ｐｕｓ）については前回の計算タイミングで計算された前回値が用いられる。

２−４．流量特性式の統合
上述の式７において、Ｔｕｓは温度センサ５６によって計測可能であり、Ｐｄｓは圧力センサ５８によって計測可能である。また、Ｍｔｂはエアフローセンサ５０によって計測される新気量（Ｇａｄｌｙ）と、燃料噴射弁６からシリンダ内に噴射される燃料の燃料流量（Ｇｆ）とから計算可能である。μＡｔｂは、可変ノズル２２の閉度（θｖｎ）とタービン通過流量（Ｍｔｂ）とに基づいて決まる。ゆえに、式７をＰｕｓについて整理することにより、Ｔｕｓ、Ｐｄｓ、Ｍｔｂ及びμＡｔｂからＰｕｓを算出する式を得ることができる。つまり、単にタービン上流圧力を推定するだけならば、式７を用いて行うことができる。

しかし、エアフローセンサ５０の計測値にはノイズが乗りやすい。タービン通過流量（Ｍｔｂ）は、エアフローセンサ５０で計測した新気量から計算されるため、新気量に含まれるノイズがそのままタービン通過流量の計算値に乗ることになる。ゆえに、式７を用いて計算されるタービン上流圧力の推定値は、エアフローセンサ５０のノイズの影響を受けており、必ずしも高い精度であるとは言えない。

そこで、以下の式９に示す関係に着目する。タービン通過流量（Ｍｔｂ）とＥＧＲ弁通過流量（Ｍｅｇｒ）との和は、エンジン本体４から排気通路１０に出た排気の総流量に一致し、これはシリンダ内ガス量（Ｇｃｙｌ）と燃料流量（Ｇｆ）との和で表される。シリンダ内ガス量は、圧力センサ５２により計測される吸気マニホールド圧力（Ｐｉｍ）と温度センサ５４により計測される吸気マニホールド温度（Ｔｉｍ）とに基づき、状態方程式を用いて計算することができる。燃料流量は、制御装置１００から燃料噴射弁６に与えられる指令値から計算することができる。

圧力センサ５２と温度センサ５４はエアフローセンサ５０とは違ってノイズが乗り難い。ゆえに、式９の右辺によれば、左辺に比べて高い精度で排気の総流量をもとめることができる。式９の左辺のＭｔｂに式７の右辺を代入し、式９の左辺のＭｅｇｒに式８の右辺を代入することで、以下の式１０が得られる。この式１０をＰｕｓについて整理することで、上述の式４が得られる。

式４によるタービン上流圧力の推定精度について検証するため、図５に示すように様々な燃料噴射量と様々なエンジン回転速度について検証用データを得た。検証用データは、式４によるタービン上流圧力の推定値とタービン上流圧力の実際値とからなる。図６は、縦軸にタービン上流圧力の推定値（推定Ｐｕｓ）をとり、横軸にタービン上流圧力の実際値（実Ｐｕｓ）をとった平面上に検証用データをプロットしたグラフである。このグラフに示すように、式４によるタービン上流圧力の推定値と実際値との一致度は高い。これより、式４を用いることによってタービン上流圧力を精度良く計算できることが分かる。

なお、式４におけるμＡｔｂとμＡｅｇｒの各計算結果にもエアフローセンサ５０のノイズの影響は及んでいる。μＡｔｂはタービン通過流量（Ｍｔｂ）に基づいて計算され、μＡｅｇｒはＥＧＲ弁通過流量（Ｍｅｇｒ）に基づいて計算されるからである。ただし、図２に示すμＡｔｂとＭｔｂとの関係から判断するには、Ｍｔｂのばらつきに対するμＡｔｂの感度はそれほど高くない。同様に、図３に示すμＡｅｇｒとＭｅｇｒとの関係から判断するには、Ｍｅｇｒのばらつきに対するμＡｅｇｒの感度もそれほど高くない。ゆえに、エアフローセンサ５０のノイズがμＡｔｂとμＡｅｇｒの各計算結果に与える影響は限定的であり、μＡｔｂとμＡｅｇｒをパラメータに含むタービン上流圧力の計算精度は十分に担保されていると言える。

３.制御装置の構成と動作
図７は、制御装置１００が有するタービン上流圧力を計算するための構成を示すブロック図である。ＲＯＭに記憶されているタービン上流圧力推定プログラムがＣＰＵにより実行されることにより、制御装置１００は、図７に示す演算ユニット１０２，１０４，１０６，１０８及び１１０として動作する。

タービン上流圧力推定プログラムが実行される場合、制御装置１００は、タービン下流圧力の現在値Ｐｄｓ、吸気マニホールド圧力の現在値Ｐｉｍ、タービン上流温度の現在値Ｔｕｓ、ＥＧＲ弁３６の開度の現在値θｅｇｒ、可変ノズル２２の閉度の現在値θｖｎ、及び、新気量の現在値Ｇａｄｌｙをそれぞれ対応するセンサより所定の制御周期で取得する。

また、タービン上流圧力推定プログラムが実行される場合、制御装置１００は、シリンダ内ガス量の現在値Ｇｃｙｌ、燃料流量の現在値Ｇｆ、タービン通過流量の現在値Ｍｔｂ、及び、ＥＧＲ弁通過流量の現在値Ｍｅｇｒをそれぞれ所定の制御周期で計算する。なお、タービン通過流量の現在値Ｍｔｂは、新気量の現在値Ｇａｄｌｙと燃料流量の現在値Ｇｆとから計算される。ＥＧＲ弁通過流量の現在値Ｍｅｇｒは、シリンダ内ガス量の現在値Ｇｃｙｌと燃料流量の現在値Ｇｆとの総和とタービン通過流量の現在値Ｍｔｂとの差分より計算される。

さらに、制御装置１００は、後述する演算ユニット１１０で計算されたタービン上流圧力の前回値Ｐｕｓ＿０を所定の制御周期でＲＡＭに一時的に記憶する。

制御装置１００のＲＯＭには、式２に示す１次関数の各係数ａ，ｂを圧力比πの区分に関連付ける第１係数マップが記憶されている。演算ユニット１０２は、タービン下流圧力の現在値Ｐｄｓとタービン上流圧力の前回値Ｐｕｓ＿０との比を圧力比πとした場合に、圧力比πが当てはまる区分に対応する各係数ａ，ｂを第１係数マップから読み出すように構成されている。

制御装置１００のＲＯＭには、式３に示す１次関数の各係数ｃ，ｄを圧力比πの区分に関連付ける第２係数マップが記憶されている。演算ユニット１０４は、吸気マニホールド圧力の現在値Ｐｉｍとタービン上流圧力の前回値Ｐｕｓ＿０との比を圧力比πとした場合に、圧力比πが当てはまる区分に対応する各係数ｃ，ｄを第２係数マップから読み出すように構成されている。

制御装置１００のＲＯＭには、図２に示す可変ノズル２２の閉度とタービン通過流量とタービン有効開口面積との関係がマップ化されたタービン有効開口面積マップが記憶されている。演算ユニット１０６は、タービン通過流量の現在値Ｍｔｂと可変ノズル２２の閉度の現在値θｖｎとに対応するタービン有効開口面積μＡｔｂをタービン有効開口面積マップから読み出すように構成されている。

制御装置１００のＲＯＭには、図３に示すＥＧＲ弁３６の開度とＥＧＲ弁通過流量とＥＧＲ弁有効開口面積との関係がマップ化されたタービン有効開口面積マップが記憶されている。演算ユニット１０８は、ＥＧＲ弁通過流量の現在値ＭｅｇｒとＥＧＲ弁３６の開度の現在値θｅｇｒとに対応するＥＧＲ弁有効開口面積μＡｅｇｒをＥＧＲ弁有効開口面積マップから読み出すように構成されている。

演算ユニット１１０は、タービン下流圧力の現在値Ｐｄｓと、吸気マニホールド圧力の現在値Ｐｉｍと、タービン上流温度の現在値Ｔｕｓと、シリンダ内ガス量の現在値Ｇｃｙｌと燃料流量の現在値Ｇｆとの総和と、タービン有効開口面積μＡｔｂと、ＥＧＲ弁有効開口面積μＡｅｇｒと、各係数ａ，ｂ，ｃ，ｄとに基づいて、式４を用いてタービン上流圧力の現在値（推定値）Ｐｕｓを計算するように構成されている。

４.タービン上流圧力の推定値の用途
式４を用いて計算されたタービン上流圧力の推定値には種々の用途がある。ここでは、タービン上流圧力の推定値の用途のうち代表的な用途について紹介する。

タービン上流圧力の推定値の第１の用途は、ＥＧＲ率の推定である。制御装置１００は、図８に示すＥＧＲ率推定モデルを備える。ＥＧＲ率推定モデルは、タービン上流圧力（Ｐｕｓ）、燃料噴射量（Ｑ）、吸気マニホールド圧力（Ｐｉｍ）、新気量（Ｇａｄｌｙ）、エンジン水温（Ｔｗ）、及び吸気温度（Ｔａｉｒ）からＥＧＲ率の推定値を計算するように構成されている。ＥＧＲ率の推定値は、制御装置１００により内燃機関２の制御パラメータの一つとして用いられる。

タービン上流圧力の推定値の第２の用途は、燃焼モードを切り替える際に生じるトルク段差の抑制である。触媒の未活性時には、排気温度を上昇させて触媒を活性させるべく、通常燃焼モードからリッチ燃焼モードへの燃焼モードの切り替えが行われる場合がある。リッチ燃焼モードでは、吸気絞り弁１６の開度を絞って空気量を減量し、それにより空燃比をリッチ化させることが行われる。ところが、通常燃焼モードからリッチ燃焼モードへ切り替えられたとき、吸気絞り弁１６が絞られることによって内燃機関２のポンプロスが増大する。そこで、制御装置１００は、図９に示すように、タービン上流圧力（Ｐｕｓ）と吸気マニホールド圧力（Ｐｉｍ）とに基づいてポンプロスを算出し、ポンプロスの大きさに応じて噴射補正量を算出する。そして、要求トルクから計算された噴射量に噴射補正量を加えることによって、ポンプロスの増大に起因するトルク段差を抑制する。

タービン上流圧力の推定値の第３の用途は、ＥＧＲガスの逆流のおそれの検知である。タービン上流圧力より吸気マニホールド圧力が高い場合、ＥＧＲ通路３２をＥＧＲガスが逆流する可能性がある。制御装置１００は、タービン上流圧力の推定値を吸気マニホールド圧力の計測値と比較することにより、ＥＧＲガスの逆流のおそれを検知する。制御装置１００は、ＥＧＲ弁３６を開く運転域で内燃機関２が運転されている場合でも、ＥＧＲガスの逆流のおそれがなくなるまではＥＧＲ弁３６を閉じたままにする。

タービン上流圧力の推定値の第４の用途は、内燃機関２のハード故障のおそれの検知である。制御装置１００は、タービン上流圧力の推定値を監視し、タービン上流圧力が所定の安全基準値を超えないように過給圧制御やＥＧＲ率制御を行う。

２ 内燃機関
４ エンジン本体
４ａ シリンダ
６ 燃料噴射弁
８ 吸気通路
１０ 排気通路
２０ ターボ過給機
２０ａ コンプレッサ
２０ｂ タービン
２２ 可変ノズル
３０ ＥＧＲ装置
３２ ＥＧＲ通路
３６ ＥＧＲ弁
５０ エアフローセンサ
５２、５８ 圧力センサ
５４、５６ 温度センサ
１００ 制御装置

Claims (1)

1. タービンに可変ノズルを有するターボ過給機と、排気通路における前記タービンの上流と吸気通路とをＥＧＲ通路で接続し前記ＥＧＲ通路にＥＧＲ弁を有するＥＧＲ装置とを備える内燃機関の制御装置において、
   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下流圧力の現在値Ｐｄｓを取得する手段と、
   前記吸気通路の前記ＥＧＲ通路が接続された空間内の圧力である吸気通路圧力の現在値Ｐｉｍを取得する手段と、
   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上流温度の現在値Ｔｕｓを取得する手段と、
   前記ＥＧＲ弁の開度の現在値θｅｇｒを取得する手段と、
   前記可変ノズルの閉度の現在値θｖｎを取得する手段と、
   前記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Ｇａｄｌｙを取得する手段と、
   シリンダに入るガスの圧力及び温度からシリンダ内ガス量の現在値Ｇｃｙｌを計算する手段と、
   燃料噴射弁の燃料流量の現在値Ｇｆを計算する手段と、
   前記新気量の現在値Ｇａｄｌｙと前記燃料流量の現在値Ｇｆとから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流量の現在値Ｍｔｂを計算する手段と、
   前記シリンダ内ガス量の現在値Ｇｃｙｌと前記燃料流量の現在値Ｇｆとの総和と前記タービン通過流量の現在値Ｍｔｂとの差分よりＥＧＲ弁通過流量の現在値Ｍｅｇｒを計算する手段と、
   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上流圧力の前回値Ｐｕｓ＿０を記憶する手段と、
   前記可変ノズルを含む前記タービンの全体を一つのノズルに見立てた場合のタービン有効開口面積を、タービン通過流量と前記可変ノズルの閉度とに関連付けるタービン有効開口面積マップを予め記憶した手段と、
   前記タービン通過流量の現在値Ｍｔｂと前記可変ノズルの閉度の現在値θｖｎとに対応するタービン有効開口面積μＡｔｂを前記タービン有効開口面積マップから読み出す手段と、
   前記ＥＧＲ弁を含む前記ＥＧＲ装置の全体を一つのノズルに見立てた場合のＥＧＲ弁有効開口面積をＥＧＲ弁通過流量と前記ＥＧＲ弁の開度とに関連付けるＥＧＲ弁有効開口面積マップを予め記憶した手段と、
   前記ＥＧＲ弁通過流量の現在値Ｍｅｇｒと前記ＥＧＲ弁の開度の現在値θｅｇｒとに対応するＥＧＲ弁有効開口面積μＡｅｇｒを前記ＥＧＲ弁有効開口面積マップから読み出す手段と、
   下記の式１で定義されるノズルの下流圧力と上流圧力との間の圧力比πの関数Φを、区分線形法によって複数の圧力比πの区分に分け、圧力比πの区分毎に下記の式２で定義される１次関数により直線近似した場合において、圧力比πの区分毎に定まる１次関数の各係数ａ，ｂを圧力比πの区分に関連付ける第１係数マップを予め記憶した手段と、
   前記タービン下流圧力の現在値Ｐｄｓと前記タービン上流圧力の前回値Ｐｕｓ＿０との比を前記式２における圧力比πとした場合に、圧力比πが当てはまる区分に対応する各係数ａ，ｂを前記第１係数マップから読み出す手段と、
   前記式１で定義されるノズルの下流圧力と上流圧力との間の圧力比πの関数Φを、区分線形法によって複数の圧力比πの区分に分け、圧力比πの区分毎に下記の式３で定義される１次関数により直線近似した場合において、圧力比πの区分毎に定まる１次関数の各係数ｃ，ｄを圧力比πの区分に関連付ける第２係数マップを予め記憶した手段と、
   前記吸気通路圧力の現在値Ｐｉｍと前記タービン上流圧力の前回値Ｐｕｓ＿０との比を前記式３における圧力比πとした場合に、圧力比πが当てはまる区分に対応する各係数ｃ，ｄを前記第２係数マップから読み出す手段と、
   前記タービン下流圧力の現在値Ｐｄｓと、前記吸気通路圧力の現在値Ｐｉｍと、前記タービン上流温度の現在値Ｔｕｓと、前記シリンダ内ガス量の現在値Ｇｃｙｌと前記燃料流量の現在値Ｇｆとの総和と、前記タービン有効開口面積μＡｔｂと、前記ＥＧＲ弁有効開口面積μＡｅｇｒと、前記各係数ａ，ｂ，ｃ，ｄとに基づいて、下記の式４を用いて前記タービン上流圧力の現在値Ｐｕｓを計算する手段と、
   前記タービン上流圧力の現在値Ｐｕｓに基づいて前記内燃機関を制御する手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
   

   

   

   

   

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