JP2014202085A - 可変容量型ターボチャージャーの制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加速状態や発進状態にタービンを効率よく作動させることが可能な可変容量型ターボチャージャーの制御装置及び制御方法を提供する。
【解決手段】ＶＮＴ制御装置５０の制御部５１は、タービン回転速度を取得するタービン回転速度センサー３８と、タービンに流入する排気ガスの入口温度を演算する入口温度演算部６３と、タービンから流出する排気ガスの出口圧力を演算する出口圧力演算部６８と、タービン回転速度に基づくタービンの周速度とタービンに流入する排気ガスの流入速度との速度比を設定する速度比設定部５７と、入口温度、出口圧力、周速度、及び速度比に基づいて、過渡状態における目標圧力である第１圧力を演算する第１圧力演算部７０と、を備え、速度比設定部５７が、タービンの効率が最大となる最大速度比を第１圧力を演算する際のパラメーターとして設定する。
【選択図】図２

Description

本開示の技術は、可変容量型ターボチャージャーの制御装置及び制御方法に関する。

従来から、例えば特許文献１に記載されるように、エンジンに備えられるターボチャージャーとして、タービンに流入する排気ガスの流速を変更可能な可変容量型ターボチャージャーが知られている。特許文献１の可変容量型ターボチャージャーでは、エンジンの運転状態に基づいて過給圧の目標値を設定し、その設定した目標値となるように可変ノズルの開度を制御している。具体的には、エンジンの回転数と燃料噴射量とに基づいて設定される目標過給圧とセンサーにより取得した実際の過給圧とが比較され、その比較された結果に応じて可変ノズルの開度が制御されている。

特開平１０−３３１６４８号公報

一方、発進状態や加速状態といったエンジンの過渡状態においては過給圧の迅速な上昇が求められる。そのため、可変容量型ターボチャージャーには、タービンによる仕事が最も効率のよくなるように可変ノズルの開度が制御されることが望まれる。こうした開度は、タービンに流入する排気ガスの圧力や流入量、タービンの周速度に応じて異なるものであるため、特許文献１の可変容量型ターボチャージャーでは、過給圧の迅速な上昇という観点において未だ改善の余地がある。

本開示の技術は、加速状態や発進状態にタービンを効率よく作動させることが可能な可変容量型ターボチャージャーの制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する可変容量型ターボチャージャーの制御装置は、エンジンのエキゾーストマニホールド内の圧力が目標圧力となるように可変ノズルの開度を制御する可変容量型ターボチャージャーの制御装置であって、タービンの回転速度を取得するタービン回転速度取得部と、前記タービンに流入する排気ガスの温度である入口温度を演算する入口温度演算部と、前記タービンから流出する排気ガスの圧力である出口圧力を演算する出口圧力演算部と、前記回転速度に基づくタービンの周速度と前記タービンに流入する排気ガスの流入速度との速度比を設定する速度比設定部と、前記入口温度、前記出口圧力、前記周速度、及び前記速度比に基づいて、前記目標圧力を演算する目標圧力演算部と、を備え、前記速度比設定部が、前記タービンの効率が最大となる最大速度比を前記速度比に設定する。

上記課題を解決する可変容量型ターボチャージャーの制御方法は、エンジンのエキゾーストマニホールド内の圧力が目標圧力となるように可変ノズルの開度を制御する可変容量型ターボチャージャーの制御方法であって、タービンの回転速度を取得する工程と、前記タービンに流入する排気ガスの温度である入口温度を演算する工程と、前記タービンから流出する排気ガスの圧力である出口圧力を演算する工程と、前記回転速度に基づく前記タービンの周速度と前記タービンに流入する排気ガスの流入速度との速度比を設定する工程と、前記入口温度、前記出口圧力、前記周速度、及び前記速度比に基づいて、前記目標圧力を演算する工程と、を含み、前記速度比を設定する工程では、前記タービンの効率が最大となる最大速度比が前記速度比に設定される。

タービンの効率は、タービンの周速度とタービンに流入する排気ガスの流入速度との速度比に応じて変化する。上述した構成によれば、目標圧力が演算される際に用いられる速度比が、タービンの効率を最大にする最大速度比に設定される。そのため、加速状態や発進状態といったエンジンの過渡状態において、該最大速度比を用いて演算された目標圧力となるように可変ノズルの開度が制御されることによって、タービンの効率が高い状態に維持されやすくなる。その結果、加速状態や発進状態にタービンを効率よく作動させることができる。

上記可変容量型ターボチャージャーの制御装置は、前記タービンに流入する排気ガスの流入量を演算する流入量演算部と、前記流入量、前記入口温度、前記出口圧力、及び前記目標圧力に基づいて、前記可変ノズルの開口面積を演算する面積演算部と、をさらに備えることが好ましい。

この構成のように、可変ノズルの開口面積は、流入量、入口温度、出口圧力、及び目標圧力に基づいて、当該目標圧力に応じた開口面積を演算することが可能である。
上記可変容量型ターボチャージャーの制御装置は、前記エンジンには、前記タービンに流入する前の排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路に還流するＥＧＲ装置が搭載されており、前記エンジンのシリンダーに流入する作動ガスの量である作動ガス量を演算する作動ガス量演算部と、前記ＥＧＲガスの量であるＥＧＲガス量を演算するＥＧＲガス量演算部と、をさらに備え、前記流入量演算部が、前記作動ガス量から前記ＥＧＲガス量を減算した値を前記流入量として演算することが好ましい。

この構成によれば、タービンへの流入量が作動ガス量からＥＧＲガス量を減算した値であることから、たとえエンジンにＥＧＲ装置が搭載されていたとしても、可変ノズルの開度の制御により、エキゾーストマニホールド内の圧力を目標圧力に制御することが可能である。

上記可変容量型ターボチャージャーの制御装置は、前記入口温度、前記出口圧力、前記周速度、及び前記速度比に基づく目標圧力である第１圧力を演算する第１圧力演算部と、前記エンジンの定常状態における目標圧力である第２圧力を演算する第２圧力演算部と、前記第１圧力に基づく前記可変ノズルの開口面積である第１面積を演算する第１面積演算部と、前記第２圧力に基づく前記可変ノズルの開口面積である第２面積を演算する第２面積演算部と、前記定常状態における前記タービンの回転速度である定常速度が前記エンジンの運転状態に応じて規定された定常速度データと、前記回転速度と前記定常速度との比率に応じた切替係数αが規定された切替係数データとを格納する記憶部と、前記第１開口面積×（１−α）＋前記第２開口面積×αを前記可変ノズルの目標開口面積として演算する目標面積演算部と、を備えることが好ましい。

この構成によれば、タービンの回転速度が定常速度に近づけば近づくほど、可変ノズルの開口面積が第２面積に近い値になる。すなわち、可変ノズルの開口面積が過渡状態よりも定常状態を優先した開口面積に制御される。反対に、タービンの回転速度が定常速度から遠ざかれば遠ざかるほど可変ノズルの開口面積が第１面積に近い値になる。すなわち、可変ノズルの開口面積が定常状態よりも過渡状態を優先した開口面積に制御される。そのため、過渡状態と定常状態との間で運転状態が移行する場合、可変ノズルの開口面積は、移行後の運転状態に応じた開口面積へと徐々に変更される。すなわち、エンジンの運転状態に適した開口面積に可変ノズルを制御することができる。

本開示の技術における可変容量型ターボチャージャーの制御装置の一実施形態が搭載されるエンジンの概略構成を示す概略構成図。 ＶＮＴ制御装置の構成を機能的に示す機能ブロック図。 タービンの周速度と排気ガスの流入速度との関係の一例を示す図。 速度比とタービンの効率との関係の一例を示す図。 ＥＧＲガス量とＥＧＲ通路における圧力損失値との関係の一例を示すグラフ。 タービンへの流入量と排気通路における圧力損失値との関係の一例を示すグラフ。 定常速度データの一例を示す図。 比率と切替係数との関係の一例を示すグラフ。 ＶＮＴ制御装置が実行する処理の手順を示すフローチャート。

以下、図１〜図９を参照して、本開示における可変容量型ターボチャージャーの制御装置及び制御方法を具体化した一実施形態について説明する。図１を参照して、可変容量型ターボチャージャーが搭載されるディーゼルエンジンの全体構成について説明する。

図１に示されるように、ディーゼルエンジン１０（以下、単にエンジン１０という。）のシリンダーブロック１１には、４つのシリンダー１２が形成されており、各シリンダー１２には、インジェクタ１３から燃料が噴射される。シリンダーブロック１１には、各シリンダー１２に作動ガスを供給するためのインテークマニホールド１４と、各シリンダー１２からの排気ガスが流入するエキゾーストマニホールド１５とが接続されている。

インテークマニホールド１４に接続される吸気通路１６の上流端には、図示されないエアクリーナーが取り付けられている。吸気通路１６には、ターボチャージャー１７のコンプレッサー１８が取り付けられている。吸気通路１６には、コンプレッサー１８の下流側にインタークーラー１９が取り付けられている。

一方、エキゾーストマニホールド１５には、排気通路２０が接続されている。排気通路２０には、コンプレッサー１８に連結軸２１を介して連結されるタービン２２が取り付けられている。エキゾーストマニホールド１５には、吸気通路１６に接続されて排気ガスの一部を吸気通路１６に導入するＥＧＲ装置２４のＥＧＲ通路２５が接続されている。

ＥＧＲ通路２５に取り付けられたＥＧＲクーラー２６の下流側には、ＥＧＲ通路２５の流路断面積を変更可能なＥＧＲ弁２７が取り付けられている。ＥＧＲ弁２７の開度は、エンジンの運転状態に応じて制御される。シリンダー１２には、ＥＧＲ弁２７が開状態にあるときに、排気ガスと吸入空気との混合気体である作動ガスが供給される。なお、以下では、ＥＧＲ通路２５を流れる排気ガスをＥＧＲガスという。

ターボチャージャー１７は、タービン２２に可変ノズル２８が配設された可変容量型ターボチャージャー（ＶＮＴ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｎｏｚｚｌｅ Ｔｕｒｂｏ）である。可変ノズル２８は、ステッピングモーターを備えたアクチュエーター２９の駆動により開度が変更され、エキゾーストマニホールド１５内の圧力である排気圧力Ｐｅｍとタービン２２への排気ガスの流入量Ｇｔｂとを調整する。

エンジン１０には、エンジン１０の運転状態を検出する各種センサーが備えられている。例えば、ＥＧＲ通路２５には、ＥＧＲクーラー２６の下流側且つＥＧＲ弁２７の上流側にＥＧＲ圧力センサー３１とＥＧＲ温度センサー３４とが取り付けられている。ＥＧＲ圧力センサー３１は、ＥＧＲガスの圧力であるＥＧＲ圧力Ｐｅｇｒを所定の制御周期で検出する。ＥＧＲ温度センサー３４は、ＥＧＲガスの温度であるＥＧＲ温度Ｔｅｇｒを所定の制御周期で検出する。

吸気通路１６には、吸気通路１６とＥＧＲ通路２５との接続部分よりも下流側にブースト圧センサー３２が取り付けられている。ブースト圧センサー３２は、吸気通路１６内を流れる作動ガスの圧力である吸気圧力Ｐｗｇを所定の制御周期で検出する。

吸気通路１６には、コンプレッサー１８の上流側に吸入空気量センサー３６が取り付けられている。吸入空気量センサー３６は、吸気通路１６を流れる吸入空気の質量流量である吸入空気量Ｇａを所定の制御周期で検出する。

インテークマニホールド１４には、吸気温度センサー３５が取り付けられている。吸気温度センサー３５は、シリンダー１２に流入する直前の作動ガスの温度である吸気温度Ｔｉｍを所定の制御周期で検出する。

エンジン１０には、エンジン回転速度センサー３７、タービン回転速度センサー３８が取り付けられている。エンジン回転速度センサー３７は、クランクシャフト１０ａの回転速度であるエンジン回転速度Ｎｅを所定の制御周期で検出する。タービン回転速度センサー３８は、タービン２２の回転速度であるタービン回転速度Ｎｔｂを所定の制御周期で検出する。

図２に示されるように、可変ノズル２８の開度を制御するＶＮＴ制御装置５０の制御部５１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成されるマイクロコンピューターである。ＶＮＴ制御装置５０は、外部からの信号を取得する取得部５２と、各種演算を行なう演算部５３と、各種制御プログラムや各種データが格納される記憶部５４と、アクチュエーター２９を駆動するノズル駆動部５５とを備えている。制御部５１は、記憶部５４に格納された各種制御プログラムに従って、取得部５２が取得した信号と記憶部５４に格納された各種データとを用いて可変ノズル２８の開度を制御する処理を実行する。なお、以下に示される数式において、Ｒは気体定数を示し、κは排気ガスの比熱比を示す。

取得部５２は、上述の各種センサーから、ＥＧＲ圧力Ｐｅｇｒ、吸気圧力Ｐｗｇ、ＥＧＲ温度Ｔｅｇｒ、吸気温度Ｔｉｍ、吸入空気量Ｇａ、エンジン回転速度Ｎｅを取得する。タービン回転速度取得部としての取得部５２は、タービン回転速度Ｎｔｂを取得する。取得部５２は、燃料噴射量を制御する燃料噴射制御部３９から燃料噴射量Ｑｆ、ＥＧＲ弁開度センサー４０からＥＧＲ弁２７の開度であるＥＧＲ弁開度ＶＴｅｇｒを取得する。取得部５２は、可変ノズル開度センサー４１から可変ノズル２８の開度であるノズル開度ＶＴｖｎｔ、大気圧センサー４２から大気圧Ｐａｔｍ、アクセル開度センサー４３からアクセル開度ＡＣＣを取得する。

演算部５３の周速度演算部５６は、タービン２２の周速度ｖｔｂを演算する。周速度演算部５６は、タービン回転速度Ｎｔｂに対してタービン２２の半径ｒを乗算することによりタービン２２の周速度ｖｔｂを演算する。

図３に示されるように、周速度ｖｔｂは、タービンブレード２２ａの先端部分における速度である。排気ガスは、周速度ｖｔｂの方向に対して角度θだけ傾斜する方向から流入速度ｕでタービン２２に流入する。

図４に示されるように、タービン２２の効率ηｔｂは、タービン２２の周速度ｖｔｂとタービン２２に流入する排気ガスの流入速度ｕとの速度比φ（＝ｖｔｂ／ｕ）に応じて変化する。こうしたタービン２２の特性は、予め行った実験やシミュレーション等に基づいて規定される。記憶部５４は、タービン２２の効率ηｔｂが最大となる比である最大速度比φ１が規定された速度比データ５８を格納している。速度比設定部５７は、速度比データ５８に格納されている最大速度比φ１を、第１圧力Ｐｔａｒ１を演算する際のパラメーターとして設定する。この第１圧力Ｐｔａｒ１は、加速状態や発進状態といったＥＧＲよりも過給を優先させるべき運転状態である過渡状態における排気圧力Ｐｅｍの目標圧力である。

ちなみに、この周速度ｖｔｂと流入速度ｕとの速度比φは、周速度方向、すなわち図３において周速度ｖｔｂを示す方向における速度の比である。一方、上記流入速度ｕは、タービン２２に流入する排気ガスの速度、すなわち上記周速度方向の成分を含む速度である。そのため、最大速度比φ１は、タービン２２に対する排気ガスの流入方向、すなわち図３における角度θに応じて変化する値である。速度比データ５８に規定される最大速度比φ１は、こうした排気ガスの流入方向も考慮した値である。

演算部５３の流入速度演算部５９は、タービン２２の周速度ｖｔｂ及び最大速度比φ１に応じて、タービン２２に流入する排気ガスの流入速度ｕ（＝ｖｔｂ／φ１）を演算する。つまり、流入速度ｕは、周速度ｖｔｂで回転中のタービン２２に流入する排気ガスによって、該タービン２２の効率ηｔｂが最大となる流入速度である。

演算部５３の作動ガス量演算部６０は、シリンダー１２に供給される作動ガスの質量流量である作動ガス量Ｇｗｇを演算する。作動ガス量演算部６０は、状態方程式Ｐ×Ｖ＝Ｇｗｇ×Ｒ×Ｔに対して以下に示す値を代入することで作動ガス量Ｇｗｇを演算する。
Ｐ：ブースト圧センサー３２の検出値である吸気圧力Ｐｗｇ
Ｖ：エンジン回転速度Ｎｅとエンジン１０の排気量Ｄとの乗算値
Ｔ：吸気温度センサー３５の検出値である吸気温度Ｔｉｍ

演算部５３のＥＧＲガス量演算部６１は、ＥＧＲガスの質量流量であるＥＧＲガス量Ｇｅｇｒを演算する。ＥＧＲガス量演算部６１は、ベルヌーイの定理に基づく式（１）に各種センサーからの検出値に基づく値を代入することによりＥＧＲガス量Ｇｅｇｒを演算する。

Ｇ ：ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒ
Ｐ１：ＥＧＲ圧力センサー３１の検出値であるＥＧＲ圧力Ｐｅｇｒ
Ｐ２：ブースト圧センサー３２の検出値である吸気圧力Ｐｗｇ
Ｔ１：ＥＧＲ温度センサー３４の検出値であるＥＧＲ温度Ｔｅｇｒ
Ａ ：ＥＧＲ弁開度センサー４０の検出値であるＥＧＲ弁開度ＶＴｅｇｒに基づくＥＧＲ弁２７の開口面積Ａｅｇｒ

演算部５３のＥＧＲ率演算部６２は、ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒを作動ガス量Ｇｗｇで除算することによってＥＧＲ率ηｅ（＝Ｇｅｇｒ／Ｇｗｇ）を演算する。

演算部５３の入口温度演算部６３は、エキゾーストマニホールド１５内の温度であってタービン２２に流入する排気ガスの温度である入口温度Ｔｅｍを演算する。入口温度演算部６３は、作動ガス量Ｇｗｇ、ＥＧＲ率ηｅ、燃料噴射量Ｑｆ、及び記憶部５４に格納された入口温度データ６４に基づいて入口温度Ｔｅｍを演算する。入口温度データ６４は、作動ガス量Ｇｗｇ、ＥＧＲ率ηｅ、燃料噴射量Ｑｆ、これらをパラメーターとして入口温度Ｔｅｍが一義的に規定されたデータである。入口温度演算部６３は、作動ガス量Ｇｗｇ、ＥＧＲ率ηｅ、及び燃料噴射量Ｑｆに応じた温度を入口温度データ６４から読み出すことによって入口温度Ｔｅｍを演算する。

演算部５３の排気圧力演算部６５は、エキゾーストマニホールド１５内の圧力である排気圧力Ｐｅｍを演算する。排気圧力演算部６５は、ＥＧＲ圧力Ｐｅｇｒ、ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒ、及び記憶部５４に格納されているＥＧＲ通路データ６６に基づいて排気圧力Ｐｅｍを演算する。図５に示されるように、ＥＧＲ通路データ６６は、ＥＧＲ通路２５の入口からＥＧＲ圧力センサー３１までのＥＧＲガスの圧力損失値ΔＰｅｇｒがＥＧＲガス量Ｇｅｇｒ毎に規定されたデータである。排気圧力演算部６５は、ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒに応じた圧力損失値ΔＰｅｇｒをＥＧＲ通路データ６６から読み出して、その読み出した圧力損失値をＥＧＲ圧力Ｐｅｇｒに加算することで排気圧力Ｐｅｍを演算する。

演算部５３の流入量演算部６７は、タービン２２に流入する排気ガスの質量流量である流入量Ｇｔｂを演算する。流入量演算部６７は、作動ガス量ＧｗｇからＥＧＲガス量Ｇｅｇｒを減算することにより排気ガスの流入量Ｇｔｂを演算する。

演算部５３の出口圧力演算部６８は、タービン２２から流出する排気ガスの圧力である出口圧力Ｐｔｅを演算する。出口圧力演算部６８は、流入量Ｇｔｂ、入口温度Ｔｅｍ、排気圧力Ｐｅｍ、大気圧センサー４２の検出値である大気圧Ｐａｔｍ、及び記憶部５４に格納された排気通路データ６９に基づいて、出口圧力Ｐｔｅを演算する。

図６に示されるように、排気通路データ６９は、タービン２２の出口から大気中に排出されるまでの間に排気ガスに生じる圧力損失値ΔＰｅｐが流入量Ｇｔｂに基づく体積流量（＝Ｇｔｂ×（Ｔｅｍ＾１／２）／Ｐｅｍ）毎に規定されたデータである。出口圧力演算部６８は、体積流量に応じた圧力損失値ΔＰｅｐを排気通路データ６９から読み出して、その読み出した圧力損失値ΔＰｅｐを大気圧Ｐａｔｍに加算することにより出口圧力Ｐｔｅを演算する。

演算部５３の第１圧力演算部７０は、エンジン１０の過渡状態における目標圧力演算部であって、過渡状態における排気圧力Ｐｅｍの目標値である第１圧力Ｐｔａｒ１を演算する。第１圧力演算部７０は、式（２）に対して以下の値を代入することで第１圧力Ｐｔａｒ１を演算する。

Ｐ１：第１圧力Ｐｔａｒ１
Ｐ２：出口圧力演算部６８の演算結果である出口圧力Ｐｔｅ
Ｔ１：入口温度演算部６３の演算結果である入口温度Ｔｅｍ
ｕ ：タービン２２に対する排気ガスの流入速度ｕ（＝ｖｔｂ／φ１）

演算部５３の第１面積演算部７１は、排気圧力Ｐｅｍが第１圧力Ｐｔａｒ１となる可変ノズル２８の開口面積である第１面積Ａｔａｒ１を演算する。第１面積演算部７１は、上記式（１）に以下に示す値を代入して第１面積Ａｔａｒ１を演算する。
Ｇ ：流入量演算部６７の演算結果である流入量Ｇｔｂ
Ｐ１：第１圧力演算部７０の演算結果である第１圧力Ｐｔａｒ１
Ｐ２：出口圧力演算部６８の演算結果である出口圧力Ｐｔｅ
Ｔ１：入口温度演算部６３の演算結果である入口温度Ｔｅｍ
Ａ ：第１面積Ａｔａｒ１

演算部５３の第２圧力演算部７２は、エンジン１０の定常状態における排気圧力Ｐｅｍの目標値である第２圧力Ｐｔａｒ２を演算する。定常状態とは、過給よりもＥＧＲを優先させるエンジン１０の運転状態のことをいう。第２圧力演算部７２は、エンジン回転速度Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆ、及び記憶部５４に格納された第２圧力データ７３に基づいて、第２圧力Ｐｔａｒ２を演算する。第２圧力データ７３は、エンジン回転速度Ｎｅと燃料噴射量Ｑｆとをパラメーターとして第２圧力Ｐｔａｒ２が一義的に規定されたデータである。第２圧力演算部７２は、エンジン回転速度Ｎｅと燃料噴射量Ｑｆとに応じた第２圧力Ｐｔａｒ２を第２圧力データ７３から読み出すことによって第２圧力Ｐｔａｒ２を演算する。第２圧力Ｐｔａｒ２は、例えば、エンジン回転速度Ｎｅと燃料噴射量Ｑｆとに応じた基本開度にＥＧＲ弁２７が制御されることで、ＥＧＲガス量が所望量となる圧力である。

演算部５３の第２面積演算部７４は、排気圧力Ｐｅｍが第２圧力Ｐｔａｒ２となる可変ノズル２８の開口面積である第２面積Ａｔａｒ２を演算する。第２面積演算部７４は、上記式（１）に以下に示す値を代入して第２面積Ａｔａｒ２を演算する。
Ｇ ：流入量演算部６７の演算結果である流入量Ｇｔｂ
Ｐ１：第２圧力演算部７２の演算結果である第２圧力Ｐｔａｒ２
Ｐ２：出口圧力演算部６８の演算結果である出口圧力Ｐｔｅ
Ｔ１：入口温度演算部６３の演算結果である入口温度Ｔｅｍ
Ａ ：第２面積Ａｔａｒ２

演算部５３の切替係数演算部７５は、タービン回転速度Ｎｔｂ、アクセル開度ＡＣＣ、エンジン回転速度Ｎｅ、及び記憶部５４に格納された定常速度データ７６に基づいて、可変ノズル２８の目標面積Ａｔａｒを演算するための切替係数αを演算する。

図７に示されるように、定常速度データ７６には、アクセル開度ＡＣＣとエンジン回転速度Ｎｅとに応じて、エンジン１０が定常状態にあると判断されるタービン回転速度Ｎｔｂである定常回転速度Ｎｔｂｓが規定されている。切替係数演算部７５は、タービン回転速度Ｎｔｂと、定常速度データ７６から導出された定常回転速度Ｎｔｂｓとの比率ｒａｔ（＝Ｎｔｂ／Ｎｔｂｓ）を演算する。このように比率ｒａｔは、エンジン１０が定常状態に近づくにつれて大きくなる値である。切替係数演算部７５は、比率ｒａｔと、記憶部５４に格納されている切替係数データ７７とに基づいて、切替係数αを演算する。

図８に示されるように、切替係数データ７７は、比率ｒａｔ毎に切替係数αが規定されたデータである。切替係数データ７７において、比率ｒａｔ１、例えば０．５以下の範囲は、タービン回転速度Ｎｔｂと定常回転速度Ｎｔｂｓとの差が大きくエンジン１０が過渡状態にあると判断される範囲である。この範囲には、切替係数α＝０が規定されている。

切替係数データ７７において、比率ｒａｔ２、例えば０．９以上の範囲は、タービン回転速度Ｎｔｂと定常回転速度Ｎｔｂｓとの差が小さくエンジン１０が定常状態にある判断される範囲である。この範囲には、切替係数α＝１が規定されている。

切替係数データ７７において、比率ｒａｔ１と比率ｒａｔ２との間の範囲には、エンジン１０の運転状態が過渡状態から定常状態へと移行する過程にあるため、比率ｒａｔ２に近づくほど１に近い切替係数αが規定されている。

演算部５３の目標面積演算部７８は、切替係数α、第１面積Ａｔａｒ１、及び第２面積Ａｔａｒ２を下記式（３）に代入することによって可変ノズル２８の開口面積の目標値である目標面積Ａｔａｒを演算する。
Ａｔａｒ＝Ａｔａｒ１×（１−α）＋Ａｔａｒ２×α … （３）

演算部５３の指示開度演算部７９は、目標面積Ａｔａｒに応じた可変ノズル２８の開度である目標ノズル開度ＶＴｔａｒを演算する。指示開度演算部７９は、可変ノズル２８の開度を現在のノズル開度ＶＴｖｎｔから目標ノズル開度ＶＴｔａｒに変更するために必要な開度であるノズル指示開度ＶＴｃｏｍを演算し、その演算したノズル指示開度ＶＴｃｏｍをノズル駆動部５５に出力する。

ノズル駆動部５５は、ノズル指示開度ＶＴｃｏｍの分だけ可変ノズル２８の開度を変更するための駆動電力を生成し、その生成した駆動電力をアクチュエーター２９に出力する。これにより、可変ノズル２８は、目標面積Ａｔａｒに制御される。

次に、ＶＮＴ制御装置５０が可変ノズル２８の開度を制御する際に実行する処理の手順について図９を参照して説明する。なお、この処理は、所定の制御周期ごとに繰り返し実行される。

図９に示されるように、ステップＳ１１において、制御部５１は、各種センサーからの検出信号により各種情報を取得する。制御部５１は、ＥＧＲ圧力Ｐｅｇｒ、吸気圧力Ｐｗｇ、ＥＧＲ温度Ｔｅｇｒ、吸気温度Ｔｉｍを取得する。制御部５１は、吸入空気量Ｇａ、エンジン回転速度Ｎｅ、タービン回転速度Ｎｔｂ、燃料噴射量Ｑｆ、ＥＧＲ弁開度ＶＴｅｇｒ、ノズル開度ＶＴｖｎｔ、大気圧Ｐａｔｍ、アクセル開度ＡＣＣを取得する。

次のステップＳ１２において、制御部５１は、最大速度比φ１とタービン２２の周速度ｖｔｂとに基づいて、タービン２２の効率ηｔｂを最大にする排気ガスの流入速度ｕを演算する。

次のステップＳ１３において、制御部５１は、吸気圧力Ｐｗｇ、吸気温度Ｔｉｍ、エンジン回転速度Ｎｅ、及びエンジン１０の排気量Ｄに基づいて、作動ガス量Ｇｗｇを演算する。制御部５１は、ＥＧＲ圧力Ｐｅｇｒ、吸気圧力Ｐｗｇ、ＥＧＲ温度Ｔｅｇｒ、開口面積Ａｅｇｒを上記式（１）に代入することによって、ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒを演算する。制御部５１は、上記作動ガス量Ｇｗｇと上記ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒとに基づいてＥＧＲ率ηｅを演算する。

次のステップＳ１４において、制御部５１は、作動ガス量ＧｗｇとＥＧＲガス量Ｇｅｇｒとに基づいてタービン２２への排気ガスの流入量Ｇｔｂを演算する。制御部５１は、作動ガス量Ｇｗｇ、ＥＧＲ率ηｅ、及び燃料噴射量Ｑｆに応じた入口温度Ｔｅｍを演算する。制御部５１は、ＥＧＲ圧力Ｐｅｇｒと、ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒに応じた圧力損失値ΔＰｅｇｒとに基づいて排気圧力Ｐｅｍを演算する。制御部５１は、排気圧力Ｐｅｍ、流入量Ｇｔｂ、入口温度Ｔｅｍ、大気圧Ｐａｔｍ、及び排気通路データ６９に基づいてタービン２２の出口圧力Ｐｔｅを演算する。

次のステップＳ１５において、制御部５１は、入口温度Ｔｅｍ、出口圧力Ｐｔｅ、及び流入速度ｕを式（２）に代入することで第１圧力Ｐｔａｒ１を演算する。制御部５１は、燃料噴射量Ｑｆ、エンジン回転速度Ｎｅ、及び第２圧力データ７３に基づいて第２圧力Ｐｔａｒ２を演算する。

次のステップＳ１６において、制御部５１は、流入量Ｇｔｂ、第１圧力Ｐｔａｒ１、入口温度Ｔｅｍ、出口圧力Ｐｔｅを式（１）に代入することで第１面積Ａｔａｒ１を演算する。また、制御部５１は、流入量Ｇｔｂ、第２圧力Ｐｔａｒ２、入口温度Ｔｅｍ、出口圧力Ｐｔｅを式（１）に代入することで第２面積Ａｔａｒ２を演算する。

次のステップＳ１７において、制御部５１は、タービン回転速度Ｎｔｂと定常回転速度Ｎｔｂｓとに基づく比率ｒａｔを演算したのち、該比率ｒａｔと切替係数データ７７とに基づいて切替係数αを演算する。

次のステップＳ１８において、制御部５１は、第１面積Ａｔａｒ１、第２面積Ａｔａｒ２、及び切替係数αを式（３）に代入することで目標面積Ａｔａｒを演算する。
次のステップＳ１９において、制御部５１は、ノズル開度ＶＴｖｎｔにある可変ノズル２８が目標ノズル開度ＶＴｔａｒとなるようにノズル指示開度ＶＴｃｏｍを演算し、その演算したノズル指示開度ＶＴｃｏｍをノズル駆動部５５に出力する。ノズル駆動部５５は、ノズル指示開度ＶＴｃｏｍに応じた駆動電力をアクチュエーター２９に出力する。これにより、排気圧力Ｐｅｍは、目標圧力Ｐｔａｒに制御される。

次に、上述したＶＮＴ制御装置５０の作用について説明する。
上述したＶＮＴ制御装置５０は、比率ｒａｔが比率ｒａｔ１以下の範囲では、タービン２２の効率ηｔｂが最大となる最大速度比φ１に応じた開度に可変ノズル２８を制御し続ける。つまり、エンジン１０の過渡状態においては、タービン２２の効率ηｔｂが最大となる状態が維持されることから、タービン２２を効率よく作動させることができる。しかも、可変ノズル２８の開度がフィードフォワード制御のように制御されるため、排気圧力Ｐｅｍの目標値と、可変ノズル２８の開度変更後における排気圧力Ｐｅｍとの乖離度が小さくなり、タービン２２の効率ηｔｂが最大となる状態が高い確率の下で実現される。

また、ＶＮＴ制御装置５０は、過渡状態と定常状態との間でエンジン１０の運転状態が移行する際、可変ノズル２８の開口面積を移行後の運転状態に応じた開口面積へと徐々に変更する。このように移行の過程において過渡状態の開口面積と定常状態の開口面積とのバランスをとることによって、可変ノズル２８の開度の急激な変化を抑えつつ、エンジン１０の運転状態に適した開口面積に可変ノズル２８を連続的に制御することができる。

以上説明したように、上記実施形態のＶＮＴ制御装置５０によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
（１）エンジン１０の過渡状態では、タービン２２の効率ηｔｂが最大となるように可変ノズル２８が制御される。その結果、エンジン１０に対する過給を効率よく行うことができる。

（２）タービン２２への流入量Ｇｔｂが作動ガス量ＧｗｇからＥＧＲガス量Ｇｅｇｒを減算した値であることから、ＥＧＲ装置２４を搭載したエンジン１０においても排気圧力Ｐｅｍを目標圧力Ｐｔａｒに制御することができる。

（３）エンジン１０の定常状態では、排気圧力Ｐｅｍが第２圧力Ｐｔａｒ２となる開度に可変ノズル２８が制御される。その結果、その時々のエンジン１０の運転状態に応じた態様でＥＧＲを実行することができる。

（４）過渡状態と定常状態との間でエンジン１０の運転状態が移行したとしても、可変ノズル２８の開度の急激な変化を抑えつつ、その時々の運転状態に応じた開口面積に可変ノズル２８を連続的に制御することができる。

（５）ＶＮＴ制御装置５０は、排気通路２０内よりも圧力変動の少ない大気圧Ｐａｔｍを基準に出口圧力Ｐｔｅを演算する。そのため、排気通路２０内の圧力を基準とする場合に比べて出口圧力Ｐｔｅの精度が高められる。その結果、出口圧力Ｐｔｅを用いて演算される第１及び第２面積Ａｔａｒ１，Ａｔａｒ２の精度も高められる。

なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・ＶＮＴ制御装置５０は、エンジン１０の過渡状態において可変ノズル２８の開度を制御するうえでは、ＥＧＲ装置２４を備えていないエンジン１０についても適用可能である。この際、タービン２２の流入量Ｇｔｂが吸入空気量Ｇａとなる。

・ＶＮＴ制御装置５０は、第１面積Ａｔａｒ１、第２面積Ａｔａｒ２、及び切替係数αに基づいて目標面積Ａｔａｒを演算した。これに限らず、ＶＮＴ制御装置５０は、目標面積Ａｔａｒを演算する過程において速度比φとして最大速度比φ１が設定される状態を有していればよく、例えば、次のようにして目標面積Ａｔａｒを演算してもよい。

ＶＮＴ制御装置５０の記憶部５４に、比率ｒａｔ（＝Ｎｔｂ／Ｎｔｂｓ）毎に速度比φを規定したデータを格納する。このデータに格納される速度比φは、タービン２２の効率が過渡状態及び定常状態を含むエンジン１０の運転状態に適した効率ηｔｂとなる値であって、最大速度比φ１も含まれる。そして、比率ｒａｔに応じて上記データから選択される速度比φに基づく流入速度ｕを式（２）に代入して目標圧力Ｐｔａｒを演算し、その目標圧力Ｐｔａｒを式（１）に代入することで目標面積Ａｔａｒが演算されてもよい。なお、上記データに規定される速度比φは、タービン２２の過回転を抑えるうえで最大速度比φ１以下の値であることが好ましい（図４参照）。

・出口圧力Ｐｔｅは、タービン２２の下流側に取り付けられるセンサーによって直接取得されてもよいし、このセンサーの検出値とこのセンサーよりも下流側における圧力損失値とに基づいて演算されてもよい。

・排気圧力演算部６５によって演算される排気圧力Ｐｅｍは、ＥＧＲガス量ＧｅｇｒやＥＧＲ通路データ６６から演算される値に限らず、例えば、センサーを用いて直接取得してもよい。

・指示開度演算部７９は、目標面積Ａｔａｒと、実際にガスの流通がする部分の断面積である有効開口面積とに応じて目標ノズル開度ＶＴｔａｒを演算してもよい。この際、記憶部５４には、有効開口面積に応じた目標ノズル開度ＶＴｔａｒが規定されたデータが格納され、制御部５１は、目標面積Ａｔａｒを有効開口面積として取り扱う。こうした構成によれば、排気圧力Ｐｅｍがより高い精度の下で制御される。

・ＥＧＲガス量Ｇｅｇｒは、作動ガス量Ｇｗｇから吸入空気量Ｇａを減算することにより演算されてもよい。
・作動ガス量Ｇｗｇは、上記式（１）を用いて演算されたＥＧＲガス量Ｇｅｇｒに対して吸入空気量Ｇａが加算されることにより演算されてもよい。

・第２圧力Ｐｔａｒ２は、エンジン１０の運転状態に関する情報に基づいて演算されればよく、上記実施形態のようにエンジン回転速度Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆに基づいて演算されるものに限られるものではない。例えば、第２圧力Ｐｔａｒ２は、エンジン回転速度Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆに加えて、アクセル開度ＡＣＣ、吸気圧力Ｐｗｇに基づいて演算されてもよい。

・ＶＮＴ制御装置５０は、１つの電子制御ユニットであってもよいし、複数の電子制御ユニットで構成されていてもよい。
・ＶＮＴ制御装置５０が適用されるエンジンは、ガソリンエンジンであってもよい。

１０…ディーゼルエンジン、１０ａ…クランクシャフト、１１…シリンダーブロック、１２…シリンダー、１３…インジェクタ、１４…インテークマニホールド、１５…エキゾーストマニホールド、１６…吸気通路、１７…ターボチャージャー、１８…コンプレッサー、１９…インタークーラー、２０…排気通路、２１…連結軸、２２…タービン、２２ａ…タービンブレード、２４…ＥＧＲ装置、２５…ＥＧＲ通路、２６…ＥＧＲクーラー、２７…ＥＧＲ弁、２８…可変ノズル、２９…アクチュエーター、３１…ＥＧＲ圧力センサー、３２…ブースト圧センサー、３４…ＥＧＲ温度センサー、３５…吸気温度センサー、３６…吸入空気量センサー、３７…エンジン回転速度センサー、３８…タービン回転速度センサー、３９…燃料噴射制御部、４０…ＥＧＲ弁開度センサー、４１…可変ノズル開度センサー、４２…大気圧センサー、４３…アクセル開度センサー、５０…ＶＮＴ制御装置、５１…制御部、５２…取得部、５３…演算部、５４…記憶部、５５…ノズル駆動部、５６…周速度演算部、５７…速度比設定部、５８…速度比データ、５９…流入速度演算部、６０…作動ガス量演算部、６１…ＥＧＲガス量演算部、６２…ＥＧＲ率演算部、６３…入口温度演算部、６４…入口温度データ、６５…排気圧力演算部、６６…ＥＧＲ通路データ、６７…流入量演算部、６８…出口圧力演算部、６９…排気通路データ、７０…第１圧力演算部、７１…第１面積演算部、７２…第２圧力演算部、７３…第２圧力データ、７４…第２面積演算部、７５…切替係数演算部、７６…速度データ、７７…切替係数データ、７８…目標面積演算部、７９…指示開度演算部。

Claims (5)

1. エンジンのエキゾーストマニホールド内の圧力が目標圧力となるように可変ノズルの開度を制御する可変容量型ターボチャージャーの制御装置であって、
   タービンの回転速度を取得するタービン回転速度取得部と、
   前記タービンに流入する排気ガスの温度である入口温度を演算する入口温度演算部と、
   前記タービンから流出する排気ガスの圧力である出口圧力を演算する出口圧力演算部と、
   前記回転速度に基づくタービンの周速度と前記タービンに流入する排気ガスの流入速度との速度比を設定する速度比設定部と、
   前記入口温度、前記出口圧力、前記周速度、及び前記速度比に基づいて、前記目標圧力を演算する目標圧力演算部と、を備え、
   前記速度比設定部が、前記タービンの効率が最大となる最大速度比を前記速度比に設定する
   可変容量型ターボチャージャーの制御装置。
2. 前記タービンに流入する排気ガスの流入量を演算する流入量演算部と、
   前記流入量、前記入口温度、前記出口圧力、及び前記目標圧力に基づいて、前記可変ノズルの開口面積を演算する面積演算部と、をさらに備える
   請求項１に記載の可変容量型ターボチャージャーの制御装置。
3. 前記エンジンには、前記タービンに流入する前の排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路に還流するＥＧＲ装置が搭載されており、
   前記エンジンのシリンダーに流入する作動ガスの量である作動ガス量を演算する作動ガス量演算部と、
   前記ＥＧＲガスの量であるＥＧＲガス量を演算するＥＧＲガス量演算部と、をさらに備え、
   前記流入量演算部が、
   前記作動ガス量から前記ＥＧＲガス量を減算した値を前記流入量として演算する
   請求項２に記載の可変容量型ターボチャージャーの制御装置。
4. 前記入口温度、前記出口圧力、前記周速度、及び前記速度比に基づく目標圧力である第１圧力を演算する第１圧力演算部と、
   前記エンジンの定常状態における目標圧力である第２圧力を演算する第２圧力演算部と、
   前記第１圧力に基づく前記可変ノズルの開口面積である第１面積を演算する第１面積演算部と、
   前記第２圧力に基づく前記可変ノズルの開口面積である第２面積を演算する第２面積演算部と、
   前記定常状態における前記タービンの回転速度である定常速度が前記エンジンの運転状態に応じて規定された定常速度データと、前記回転速度と前記定常速度との比率に応じた切替係数αが規定された切替係数データとを格納する記憶部と、
   前記第１開口面積×（１−α）＋前記第２開口面積×αを前記可変ノズルの目標開口面積として演算する目標面積演算部と、を備える
   請求項２または３に記載の可変容量型ターボチャージャーの制御装置。
5. エンジンのエキゾーストマニホールド内の圧力が目標圧力となるように可変ノズルの開度を制御する可変容量型ターボチャージャーの制御方法であって、
   タービンの回転速度を取得する工程と、
   前記タービンに流入する排気ガスの温度である入口温度を演算する工程と、
   前記タービンから流出する排気ガスの圧力である出口圧力を演算する工程と、
   前記回転速度に基づく前記タービンの周速度と前記タービンに流入する排気ガスの流入速度との速度比を設定する工程と、
   前記入口温度、前記出口圧力、前記周速度、及び前記速度比に基づいて、前記目標圧力を演算する工程と、を含み、
   前記速度比を設定する工程では、前記タービンの効率が最大となる最大速度比が前記速度比に設定される
   可変容量型ターボチャージャーの制御方法。

Images