JP2018132029A - 内燃機関の排気エネルギー回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変ベーンとバルブの開度を最適に制御する。
【解決手段】内燃機関１０の排気エネルギー回収装置１は、内燃機関の排気通路１６ａに設けられ、可変ベーンを有するターボチャージャ２０と、ターボチャージャに並列して排気通路１６ｂに設けられたタービンジェネレータ５０と、タービンジェネレータに供給される排気ガスの流量を調節するためのバルブ５１と、可変ベーンおよびバルブを制御するように構成された制御ユニット１００とを備える。制御ユニットは、吸入空気量に基づいて可変ベーンの開度をフィードバック制御し、フィードバック制御の過程で吸入空気量が不足していると判断したとき、バルブ５１の開度を減少する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気エネルギー回収装置に関する。

内燃機関の排気エネルギーを回収する排気エネルギー回収装置については様々なタイプのものが知られている。例えば、ターボチャージャに発電装置を組み込み、発電した電力により、内燃機関の出力軸に連結したモータを駆動し、排気エネルギーを回収してエンジンの燃費を向上させるシステムが知られている。一般的にターボコンパウンドエンジン、またはターボチャージャジェネレータと呼ばれているシステムである。

しかしこの場合、タービンシャフトの重量がノーマル部品に対し増加し、たとえ電力回収を実施していないときでもターボの応答性を悪化させ、内燃機関の排ガス性能や燃費性能が悪化する問題がある。特に、近年の排ガス規制は非常に厳しく、その排ガス試験モードも従前の定常試験モードから過渡試験モードに移行しつつあり、ターボの応答遅れは喫緊の課題である。

その改善策として、通常のターボチャージャとは別に、その下流側にタービンジェネレータを直列に設置することが考えられる。タービンジェネレータはターボチャージャに類似し、タービンシャフトの一端にタービンを、他端にジェネレータを備えている。つまりターボチャージャジェネレータのコンプレッサが無い仕様である。このシステムではターボチャージャに変更を加えないため、ターボ自体の性能には悪影響を及ぼさない。

しかし、このシステムにも問題点がある。一つには回収エネルギー量が少ないことである。上流側に設置されたターボチャージャによってすでに排気エネルギーが回収されているためである。もう一つの問題点はエンジンの排気圧力損失の増加である。フリクションの大きいタービンジェネレータのタービンが排気通路に常時設置されるため、エンジンの排気圧力損失（ポンピングロス）が増加し、排ガス性能および燃費性能が悪化してしまう。

よってその対策として、通常のターボチャージャと並列にタービンジェネレータを設置する提案もなされている（例えば特許文献１参照）。これは主に舶用エンジンに採用されているシステムである。

特開２００９−２５７０９７号公報

しかし、タービンジェネレータを並列に設置した場合でも次の問題がある。ターボチャージャとタービンジェネレータには同一の排ガス供給源（例えば排気マニホールド）から排気ガスが供給される。またターボチャージャが可変容量型である場合、ターボチャージャには可変ベーンが設けられ、可変ベーンの開度に応じてエンジンの吸入空気量が調節される。他方、タービンジェネレータに供給される排気ガスの流量はバルブによって調節され、その流量が多いほど大きな回生電力すなわち発電量が得られる。

ここで、吸入空気量と回生電力の間には相反関係がある。すなわち、多くの吸入空気量を得るためにターボチャージャへの排気流量を増加しようとした場合、タービンジェネレータへの排気流量を減少させて回生電力を減少する必要がある。逆にそうしないと吸入空気量が不足し、特に加速等の過渡運転時に、ターボチャージャの応答遅れや白煙の発生等といった不具合を引き起こす可能性がある。しかし、従来はこうした点が考慮されておらず、可変ベーンとバルブの開度について必ずしも最適な制御は行われていなかった。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、可変ベーンとバルブの開度を最適に制御し得る内燃機関の排気エネルギー回収装置を提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
内燃機関の排気通路に設けられ、可変ベーンを有するターボチャージャと、
前記ターボチャージャに並列して前記排気通路に設けられたタービンジェネレータと、
前記タービンジェネレータに供給される排気ガスの流量を調節するためのバルブと、
前記可変ベーンおよび前記バルブを制御するように構成された制御ユニットと、
を備え、
前記制御ユニットは、吸入空気量に基づいて前記可変ベーンの開度をフィードバック制御し、前記フィードバック制御の過程で吸入空気量が不足していると判断したとき、前記バルブの開度を減少する
ことを特徴とする内燃機関の排気エネルギー回収装置が提供される。

好ましくは、前記制御ユニットは、前記可変ベーンの開度に関するフィードバック項を算出し、算出した前記フィードバック項に基づいて前記吸入空気量が不足しているか否かを判断する。

好ましくは、前記制御ユニットは、算出した前記フィードバック項に基づいて前記バルブの開度減少量を決定する。

好ましくは、前記制御ユニットは、算出した前記フィードバック項が吸入空気量不足側の値であるほど、前記バルブの開度減少量を大きくする。

好ましくは、前記排気エネルギー回収装置は、
吸入空気量を検出するための第１検出器と、
ブースト圧を検出するための第２検出器と、をさらに備え、
前記制御ユニットは、前記第１検出器により検出された吸入空気量と、前記第２検出器により検出されたブースト圧とに基づいて前記フィードバック項を算出する。

好ましくは、前記排気エネルギー回収装置は、
ＥＧＲガス流量を調節するためのＥＧＲバルブをさらに備え、
前記制御ユニットは、吸入空気量の過不足に応じて前記ＥＧＲバルブの開度を増減補正する。

好ましくは、前記制御ユニットは、エンジン運転状態が所定の発電領域内にあるときに前記バルブを開弁する。

本発明によれば、可変ベーンとバルブの開度を最適に制御することができる。

内燃機関の排気エネルギー回収装置を示す概略図である。 制御ルーチンのフローチャートである。 各マップを示す図である。 各マップを示す図である。 変形例における制御ルーチンのフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお本発明は以下の実施形態に限定されない点に留意すべきである。

図１は、本実施形態に係る内燃機関の排気エネルギー回収装置１を示す概略図である。内燃機関（エンジンともいう）１０は、車両（図示せず）に搭載された多気筒エンジンである。本実施形態において、車両はトラック等の大型車両であり、これに搭載される車両動力源としてのエンジン１０は直列６気筒ディーゼルエンジンである。しかしながら、車両および内燃機関の種類、形式、用途等に特に限定はなく、例えば車両は乗用車等の小型車両であってもよいし、エンジン１０はガソリンエンジンであってもよい。

エンジン１０の各気筒の吸気ポートには、吸気マニホールド１１を介して吸気通路１２が接続されている。吸気通路１２には、上流側から順に、エアクリーナ１３と、第１検出器としてのマスエアフローセンサ（ＭＡＦセンサともいう）１４と、ターボチャージャ２０のコンプレッサ２１と、吸気を冷却するインタークーラ２３とが設けられている。ＭＡＦセンサ１４は、エンジン１０の単位時間当たりの吸入空気量Ｇａすなわち吸気流量を検出するためのセンサである。

また、エンジン１０の各気筒の排気ポートには、排気マニホールド１５を介して排気通路１６が接続されている。排気通路１６は、メイン排気通路１６ａとバイパス排気通路１６ｂを備える。メイン排気通路１６ａにはターボチャージャ２０のタービン２２が設けられている。ターボチャージャ２０は可変容量型ターボチャージャ（ＶＧＴ）であり、図示しないが、タービン入口に複数の可変ベーンを備えている。この可変ベーンの角度調節によりタービン入口面積を調節し、ターボチャージャ２０の回転速度ひいてはブースト圧を調節することができる。

バイパス排気通路１６ｂには、タービンジェネレータ５０と、タービンジェネレータ５０に供給される排気ガスの流量を調節するためのバルブ（ＴＧバルブという）５１とが設けられている。本実施形態においてＴＧバルブ５１はタービンジェネレータ５０の上流側に設けられているが、下流側に設けられてもよい。

メイン排気通路１６ａとバイパス排気通路１６ｂの上流端は排気マニホールド１５の異なる位置に接続され、メイン排気通路１６ａとバイパス排気通路１６ｂは互いに並列の関係にある。従ってタービンジェネレータ５０は、タービン２２に対し並列に設けられることとなる。またバイパス排気通路１６ｂの下流端は、タービン２２よりも下流側のメイン排気通路１６ａに合流接続されている。この合流部より下流側のメイン排気通路１６ａには、図示しない複数の後処理装置、具体的には酸化触媒（ＤＯＣ）、パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）およびアンモニア酸化触媒がこの順で直列に設置されている。

さらに本実施形態では、エンジン１０から排出された排気ガスの一部（ＥＧＲガスという）を吸気側に環流させるＥＧＲ装置２４が備えられている。ＥＧＲ装置２４は、排気マニホールド１５と吸気マニホールド１１を連通接続するＥＧＲ通路２５と、ＥＧＲ通路２５にそれぞれ設けられたＥＧＲバルブ２７およびＥＧＲクーラ２６とを備えている。

タービンジェネレータ５０は、バイパス排気通路１６ｂを流れる排気ガスによって回転駆動されるタービン翼５２と、タービン翼５２に接続されたタービンシャフト５３と、タービンシャフト５３に冷間焼き嵌めによって嵌合接合された永久磁石５４と、超高速回転による永久磁石５４の破壊を防ぐべく、永久磁石５４の外周を覆うように形成された繊維状セラミックス材からなる円筒状のケース本体５５とを備える。またケース本体５５には、大量のコイル（不図示）が巻き付けられている。バイパス排気通路１６ｂを流れる排気ガスによってタービン翼５２が回転駆動され、ひいてはタービンシャフト３２および永久磁石５４が回転することで、高出力の発電が可能となっている。

また、本実施形態に係る内燃機関の排気エネルギー回収装置１は、コンバータ４０と、バッテリ４１と、インバータ４２と、電動モータ４３と、動力伝達機構４４とを備えている。

コンバータ４０は、タービンジェネレータ５０から供給された交流電力を整流するとともに、所定電圧に変換した直流電力をバッテリ４１へと供給する。また、バッテリ４１は、コンバータ４０から供給された直流電力を蓄電するとともに、この蓄電された直流電力をインバータ４２へと供給する。また、インバータ４２は、バッテリ４１から供給された直流電力を所定周波数の交流電力に変換するとともに、この交流電力を電動モータ４３へと供給する。

電動モータ４３は高出力仕様のモータであって、バッテリ４１からインバータ４２を介して供給された電力で回転する。また、電動モータ４３の出力軸４３ａは、ギヤ機構、ベルト機構またはチェーン機構等を含む動力伝達機構４４を介してエンジン１０の出力軸１０ａに連結されている。すなわち、本実施形態の排気エネルギー回収装置１は、タービンジェネレータ５０で発電した電力をバッテリ４１に蓄電、回生し、その回生電力により最終的に電動モータ４３ひいてはエンジン１０の出力軸１０ａを駆動し、エネルギー回生（エンジン出力のアシスト）を行うようになっている。

なお、本実施形態において、電動モータ４３は高出力仕様のモータであるので、動力伝達機構４４にはギヤ機構が用いられている。また、コンバータ４０やインバータ４２は別体に設けられるものとして説明したが、例えば、コンバータ４０をタービンジェネレータ５０に内蔵した一体型としてもよく、インバータ４２を電動モータ４３に内蔵した一体型とすることもできる。

排気エネルギー回収装置１は、後述の各種演算処理および制御を行うための制御ユニットもしくはコントローラである電子制御ユニット（ＥＣＵと称す）１００を備える。ＥＣＵ１００はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含む。ＥＣＵ１００は、ターボチャージャ２０の可変ベーン、ＴＧバルブ５１、ＥＧＲバルブ２７、および各気筒の筒内噴射用インジェクタ３７を制御するように構成され、プログラムされている。

また排気エネルギー回収装置１は、以下のセンサ類も有する。このセンサ類に関して、上述のＭＡＦセンサ１３の他、エンジン１０の回転速度、具体的には毎分当たりの回転数（ｒｐｍ）を検出するための回転速度センサ３５と、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ６０とが設けられる。また、エンジンのブースト圧（吸気圧もしくは過給圧）を検出するための第２検出器としてのブースト圧センサ３６と、バッテリの状態（電圧、充電量等）を検出するためのバッテリセンサ３８とが設けられている。これらセンサ類の出力信号はＥＣＵ１００に送られる。

次に、図２を参照して本実施形態の制御を説明する。図２は本実施形態の制御のルーチンを示し、このルーチンはＥＣＵ１００により所定の演算周期τ（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１において、ＥＣＵ１００は、回転速度センサ４０により検出されたエンジン回転数Ｎｅ、アクセル開度センサ４１により検出されたアクセル開度Ａｃ、ＭＡＦセンサ１４により検出されたエンジン１０の吸入空気量Ｇａ、およびブースト圧センサ３６により検出されたブースト圧Ｐｂの値を取得する。

次にステップＳ１０２において、ＥＣＵ１００は、取得したエンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃの値に基づき、図３（Ａ）に示すような燃料噴射量マップに従って、燃料噴射量、特にインジェクタ３７への指示値としての目標燃料噴射量Ｑの値を算出する。燃料噴射量マップは予め試験等を通じて作成され、ＥＣＵ１００に記憶されている。この点は後述するマップについても同様である。

本実施形態では目標燃料噴射量Ｑを、エンジン負荷を表すパラメータとして用いる。但しエンジン負荷を表すパラメータについては、目標燃料噴射量Ｑ以外にも、アクセル開度Ａｃ等の任意のパラメータを用いることができる。本実施形態では、エンジン運転状態を表す二つの代表的なエンジンパラメータ、すなわちエンジン回転数Ｎｅおよび目標燃料噴射量Ｑにより、エンジン運転状態が規定されることとなる。

なお、後に使用されるがＥＣＵ１００には、図３（Ｂ）に示すような、タービンジェネレータ５０によって発電を行うか否かを決定するための発電判定マップも記憶される。発電判定マップにおいて、エンジン回転数Ｎｅ（横軸）と目標燃料噴射量Ｑ（縦軸）によって規定されるエンジンの全運転領域は、高回転かつ高負荷側の発電領域Ｒ２と、それ以外の非発電領域Ｒ１とに区分されている。

ＥＣＵ１００は、実際のエンジン回転数Ｎｅおよび目標燃料噴射量Ｑ、すなわちエンジン運転状態が、発電判定マップ上の発電領域Ｒ２にある場合、ＴＧバルブ５１を開弁し、タービンジェネレータ５０を駆動して発電を実行させる。他方、エンジン運転状態が発電判定マップ上の発電領域Ｒ２になく、非発電領域Ｒ１にある場合、ＴＧバルブ５１を閉弁し、タービンジェネレータ５０を停止して発電を停止させる。

ＴＧバルブ５１を開弁すると排気ガスがタービンジェネレータ５０側に流れ、ターボチャージャ２０側に流れる排気ガスの量が減少するので、本実施形態では、エンジン出力的に比較的余裕がある高回転かつ高負荷側の発電領域Ｒ２においてのみ、ＴＧバルブ５１を開弁し、発電を行うようになっている。逆に、発電領域Ｒ２以外の非発電領域Ｒ１ではＴＧバルブ５１を閉弁し、発電を停止するので、低中速かつ低中負荷といった常用域ではターボチャージャ２０に十分な量の排気ガスを供給し、本来のエンジン性能を発揮できる。もっとも、発電領域Ｒ２は高回転かつ高負荷側以外の領域に設定することも可能である。

本実施形態では、エンジン回転数Ｎｅが所定の境界回転閾値Ｎｅ１以上で、かつ目標燃料噴射量Ｑが所定の境界噴射量閾値Ｑ１以上の領域を発電領域Ｒ２と定め、残りの領域を非発電領域Ｒ１と定めている。図中の点Ｐは、エンジン運転状態が発電領域Ｒ２にあるときのエンジン運転状態の一例を示す。点Ｐにおいて、エンジン回転数ＮｅはＮｅ２（＞Ｎｅ１）、目標燃料噴射量ＱはＱ２（＞Ｑ１）である。

さて次に、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０３以降において、ターボチャージャ２０の可変ベーンの開度と、ＥＧＲバルブ２７の開度と、ＴＧバルブ５１の開度とを協調制御すべく、各種演算処理を実行する。本実施形態では基本的に、可変ベーンの開度がフィードバック制御され、ＥＧＲバルブ２７の開度とＴＧバルブ５１の開度とがフィードフォワード制御される。ここでフィードバック制御とは、フィードフォワード制御を一部組み合わせたフィードバック制御を意味する。

ステップＳ１０３においてＥＣＵ１００は、可変ベーン開度に関するフィードフォワード項Ｓｖｆｆと、ＥＧＲバルブ開度に関するフィードフォワード項Ｓｅｆｆと、ＴＧバルブ開度に関するフィードフォワード項Ｓｔｆｆとを、それぞれ図３（Ｃ）、図３（Ｄ）および図３（Ｅ）に示すマップ（フィードフォワード項算出マップ）から算出する。例えば点Ｐに関し、可変ベーン開度に関してはフィードフォワード項Ｓｖｆｆ２が、ＥＧＲバルブ開度に関してはフィードフォワード項Ｓｅｆｆ２が、ＴＧバルブ開度に関してはフィードフォワード項Ｓｔｆｆ２が算出される。

各開度に関し、制御上の可変ベーン開度の値は便宜上、吸入空気量増大側つまり開度減少側を正に取る。従って制御上の可変ベーン開度の値が増大するにつれ、可変ベーンの実際の開度は減少する。他のＥＧＲバルブ２７およびＴＧバルブ５１については通常同様、制御上の開度値が増大するにつれ実際の開度も増大する。

ここで図３（Ｅ）に示すマップに関し、破線枠外で示される非発電領域Ｒ１においては、ゼロに等しいフィードフォワード項Ｓｔｆｆが入力されている。従ってこのフィードフォワード項Ｓｔｆｆに従ってＴＧバルブ開度を制御すると、ＴＧバルブ５１の開度はゼロ、すなわち閉弁状態とされ、発電はなされない。逆に、破線枠内で示される発電領域Ｒ２においては、ゼロより大きいフィードフォワード項Ｓｔｆｆが入力されている。従ってこのフィードフォワード項Ｓｔｆｆに従ってＴＧバルブ開度を制御すれば、ＴＧバルブ５１の開度はゼロより大きい値、すなわち開弁状態とされ、発電が行われる。

次にステップＳ１０４においてＥＣＵ１００は、吸入空気量の目標値である目標吸入空気量Ｇａｔと、ブースト圧の目標値である目標ブースト圧Ｐｂｔとを、それぞれ図３（Ｆ）および図３（Ｇ）に示すマップ（目標値算出マップ）から算出する。例えば点Ｐに関し、吸入空気量に関しては目標吸入空気量Ｇａｔ２が、ブースト圧に関しては目標ブースト圧Ｐｂｔ２がそれぞれ算出される。

図３（Ｃ）、図３（Ｄ）、図３（Ｅ）のマップから算出される各フィードフォワード項の値と、図３（Ｆ）、図３（Ｇ）のマップから算出される各目標値とは、それぞれ対応している。すなわち、これら各マップは、エンジンが定常運転している条件下で、実機試験（ベンチテスト等）を通じて作成されている。従って、あるエンジン運転状態（エンジン回転数Ｎｅと目標燃料噴射量Ｑ）でエンジンを定常運転させたとき、実際の可変ベーン開度をフィードフォワード項Ｓｖｆｆに等しくし、実際のＥＧＲバルブ開度をフィードフォワード項Ｓｅｆｆに等しくし、実際のＴＧバルブ開度をフィードフォワード項Ｓｔｆｆに等しくすれば、目標吸入空気量Ｇａｔに等しい実際の吸入空気量Ｇａと、目標ブースト圧Ｐｂｔに等しい実際のブースト圧Ｐｂと、目標ＥＧＲ率を達成する実際のＥＧＲガス流量と、目標発電量に等しい実際の発電量とを得られる。なお、目標ＥＧＲ率について、本実施形態ではＥＣＵ１００に記憶されてないが、各エンジン回転数Ｎｅおよび目標燃料噴射量Ｑに対応する目標ＥＧＲ率の値を定めた図３（Ｆ）等と同様のマップが予め作成される。目標発電量についても同様である。

図３（Ｈ）には、各エンジン回転数Ｎｅおよび目標燃料噴射量Ｑに対応する目標発電量Ｗｔの値を定めたマップを示す。例えば破線枠内すなわち発電領域Ｒ２内の点Ｐの場合だと、ゼロより大きい目標発電量Ｗｔ２が算出される。他方、破線枠外すなわち非発電領域Ｒ１内のエンジン運転状態だと、ゼロに等しい目標発電量Ｗｔが算出される。発電領域Ｒ２内の目標発電量Ｗｔの値は、対応するエンジン運転状態において発電可能な最大発電量を意味する。

なお、目標ＥＧＲ率算出マップおよび目標発電量算出マップは、ＥＣＵ１００に記憶されていてもよい。

基本的に、目標吸入空気量Ｇａｔに等しい実際の吸入空気量Ｇａが得られれば、目標ブースト圧Ｐｂｔに等しい実際のブースト圧Ｐｂも自ずと得られる。従って可変ベーン開度の制御は吸入空気量Ｇａのみに基づいて行うことができる。但し本実施形態では制御の精度を高めるため、ブースト圧Ｐｂにも基づいて可変ベーン開度を制御している。

ところで、車両のエンジン運転状態は時々刻々と変化し、定常でない場合が多く、加速および減速等といった過渡運転状態も存在する。かかる過渡運転時にフィードフォワード項のみによる制御では最適な制御が実現できない。よって本実施形態では以下に述べるフィードバック項をも加味し、過渡運転時にも最適な制御を実現できるようにしている。

ステップＳ１０５においてＥＣＵ１００は、ステップＳ１０１で取得した実際の吸入空気量Ｇａと、ステップＳ１０４で算出した目標吸入空気量Ｇａｔとの差分ΔＧａを式：ΔＧａ＝Ｇａｔ−Ｇａから算出する。またＥＣＵ１００は、ステップＳ１０１で取得した実際のブースト圧Ｐｂと、ステップＳ１０４で算出した目標ブースト圧Ｐｂｔとの差分ΔＰｂを式：ΔＰｂ＝Ｐｂｔ−Ｐｂから算出する。

次いでステップＳ１０６においてＥＣＵ１００は、差分ΔＧａに基づき、吸入空気量に関するフィードバック項すなわち第１フィードバック項Ｓｖｆｂ１を算出する。このときＥＣＵ１００は、図４（Ａ）に示すようなマップから、あるいは公知のＰＩＤ制御等の手法に則り、差分ΔＧａに対応した第１フィードバック項Ｓｖｆｂ１を算出する。なお図示されるマップでは差分ΔＧａと第１フィードバック項Ｓｖｆｂ１が比例関係にあるが、これは単なる傾向を示したものに過ぎず、両者の関係は変更可能である。

ＥＣＵ１００は、差分ΔＧａがプラス側に大きい値であるほど、すなわち目標吸入空気量Ｇａｔに対し実際の吸入空気量Ｇａが大きく不足しているほど、可変ベーン開度減少側であるプラス側に大きいフィードバック項Ｓｖｆｂ１を算出する。逆にＥＣＵ１００は、差分ΔＧａがマイナス側に大きい値であるほど、すなわち目標吸入空気量Ｇａｔに対し実際の吸入空気量Ｇａが過剰であるほど、可変ベーン開度増大側であるマイナス側に大きいフィードバック項Ｓｖｆｂ１を算出する。

同様にステップＳ１０６においてＥＣＵ１００は、差分ΔＰｂに基づき、吸入空気量に関する別のフィードバック項すなわち第２フィードバック項Ｓｖｆｂ２を算出する。このときＥＣＵ１００は、図４（Ｂ）に示すようなマップから、あるいは公知のＰＩＤ制御等の手法に則り、差分ΔＰｂに対応した第２フィードバック項Ｓｖｆｂ２を算出する。なお図示されるマップも単に両者の関係の傾向を示したものに過ぎず、適宜変形可能である。

ＥＣＵ１００は、差分ΔＰｂがプラス側に大きい値であるほど、すなわち目標ブースト圧Ｐｂｔに対し実際のブースト圧Ｐｂが大きく不足しているほど、可変ベーン開度減少側であるプラス側に大きいフィードバック項Ｓｖｆｂ２を算出する。逆にＥＣＵ１００は、差分ΔＰｂがマイナス側に大きい値であるほど、すなわち目標ブースト圧Ｐｂｔに対し実際のブースト圧Ｐｂが過剰であるほど、可変ベーン開度増大側であるマイナス側に大きいフィードバック項Ｓｖｆｂ１を算出する。

次に、ステップＳ１０７においてＥＣＵ１００は、吸入空気量に関する最終的なフィードバック項である最終フィードバック項Ｓｖｆｂを式：Ｓｖｆｂ＝Ｓｖｆｂ１＋Ｓｖｆｂ２から算出する。このフィードバック項Ｓｖｆｂは、ＭＡＦセンサ１４により検出された吸入空気量Ｇａの値に加え、ブースト圧センサ３６により検出されたブースト圧Ｐｂの値も加味した、より高精度な吸入空気量の過不足を表す値である。フィードバック項Ｓｖｆｂの値がプラスであれば、これは実際の吸入空気量の不足を意味し、フィードバック項Ｓｖｆｂの値がマイナスであれば、これは実際の吸入空気量の過剰を意味する。このようにブースト圧Ｐｂの値も加味することにより、可変ベーン開度を高精度にフィードバック制御できる。なお、ここではフィードバック項Ｓｖｆｂ１，Ｓｖｆｂ２を単に加算して最終フィードバック項Ｓｖｆｂを算出したが、算出方法は変更可能であり、例えばフィードバック項Ｓｖｆｂ１，Ｓｖｆｂ２の単純平均値を最終フィードバック項Ｓｖｆｂとしたり、両者の加重平均値を最終フィードバック項Ｓｖｆｂとしてもよい。

次に、ステップＳ１０８においてＥＣＵ１００は、ステップＳ１０３で算出したフィードフォワード項ＳｖｆｆとステップＳ１０７で算出した最終フィードバック項Ｓｖｆｂとを加算して、可変ベーン開度の目標値である目標可変ベーン開度Ｓｖを算出する。Ｓｖ＝Ｓｖｆｆ＋Ｓｖｆｂである。この式中、前者のフィードフォワード項Ｓｖｆｆはフィードフォワード制御に関する部分であり、後者の最終フィードバック項Ｓｖｆｂはフィードバック制御に関する部分である。後に述べるが、可変ベーンの開度は、後述のステップＳ１１３において、目標可変ベーン開度Ｓｖに等しくなるよう制御される。

このように、フィードフォワード制御を一部組み合わせたフィードバック制御により可変ベーン開度を制御することで、たとえエンジン運転状態が過渡運転状態であっても、エンジン運転状態に応じた最適な値に可変ベーン開度を制御できる。そして所望の目標吸入空気量Ｇａｔを実際に得ることができ、ターボチャージャの応答遅れ等といったエンジン性能上の不具合、および白煙の発生等といった排ガス性能（またはエミッション性能）上の不具合を防止もしくは抑制できる。そして当然に、エンジンの出力要求をも満足でき、ひいては燃費性能をも満足できる。特に高回転かつ高負荷側の発電領域Ｒ２内ではこの点は重要である。

次に、ステップＳ１０９においてＥＣＵ１００は、ステップＳ１０３で算出したフィードフォワード項Ｓｅｆｆに基づき、ＥＧＲバルブ開度の目標値である目標ＥＧＲバルブ開度Ｓｅを算出する。本実施形態において、目標ＥＧＲバルブ開度Ｓｅは単純に式：Ｓｅ＝Ｓｅｆｆから算出され、フィードフォワード項Ｓｅｆｆがそのまま目標ＥＧＲバルブ開度Ｓｅとされる。よってＥＧＲバルブ開度は単にフィードフォワード制御されることとなる。

こうしたフィードフォワード制御のみによっても、目標ＥＧＲ率を達成し得る目標通りのＥＧＲガス流量を確保できる。なぜなら吸入空気量が目標通りだからである。よってＥＧＲガス流量の不足によるＮＯｘの悪化を抑制でき、排ガス性能を満足することができる。特に発電領域Ｒ２内では、優先順位は第１が吸入空気量確保、第２がＥＧＲガス流量確保、第３が発電量確保であり、本実施形態ではこの要請を満足することが可能である。なお、ＥＧＲガス流量の精度をさらに高めたい場合には、可変ベーン開度と同様、ＥＧＲバルブ開度を吸入空気量に基づいてフィードバック制御してもよい。

ところで、発電領域Ｒ２内では、発電量の確保は最も低い第３の優先順位である。従って本実施形態では、吸入空気量が不足している場合、ＴＧバルブ開度を減少し、タービンジェネレータ５０に供給する排気ガス流量を減らして発電量を減らし、その減少分、排気ガスをターボチャージャ２０に振り分けて、吸入空気量の不足を早期に解消するようにしている。これにより回収エネルギー量は減少するが、それと引き替えに、エンジン本来の排ガス性能および燃費性能等を確実に満足することが可能である。

ステップＳ１１０においてＥＣＵ１００は、ステップＳ１０７で算出された最終フィードバック項Ｓｖｆｂがゼロより大きいか否かを判断する。これは実質的に、実際の吸入空気量Ｇａが目標吸入空気量Ｇａｔに対し不足しているか否か、ひいてはこれに応答して可変ベーン開度を減少しようとしているか否かを判断しているのと同義である。

ＥＣＵ１００は、最終フィードバック項Ｓｖｆｂがゼロより大きいと判断した場合、すなわち実際の吸入空気量Ｇａが目標吸入空気量Ｇａｔに対し不足していると判断した場合、ステップＳ１１１に進んで、エンジン運転状態（エンジン回転数Ｎｅおよび目標燃料噴射量Ｑ）が発電領域Ｒ２内にあるか否かを判断する。

発電領域Ｒ２内にあると判断した場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１１２に進んで、ＴＧバルブ開度の目標値である目標ＴＧバルブ開度Ｓｔを式：Ｓｔ＝Ｓｔｆｆ−ΔＳｔから算出する。ΔＳｔはＴＧバルブ開度の減少量を意味し、正の値である。このようにＴＧバルブ開度は、ステップＳ１０３で算出されたフィードフォワード項Ｓｔｆｆに対し減少量ΔＳｔだけ減少される。

このときＥＣＵ１００は、図４（Ｃ）に示すマップ（減少量算出マップ）から、最終フィードバック項Ｓｖｆｂに対応した減少量ΔＳｔを算出し、この算出した減少量ΔＳｔを用いて目標ＴＧバルブ開度Ｓｔを算出する。マップによれば、最終フィードバック項Ｓｖｆｂがプラス側に大きい値であるほど、すなわち目標吸入空気量Ｇａｔに対し実際の吸入空気量Ｇａが大きく不足しているほど、大きな減少量ΔＳｔが算出され、従ってＴＧバルブ開度はより大きく減少される。従ってより多くの排気ガスをターボチャージャ２０に振り分けることができ、吸入空気量の不足を早急に解消することが可能になる。なお本実施形態では、ＴＧバルブ開度が、最終フィードバック項Ｓｖｆｂに基づいてフィードバック制御されると捉えることもできる。

次に、ステップＳ１１３においてＥＣＵ１００は、ステップＳ１０８，Ｓ１０９，Ｓ１１２で算出した目標可変ベーン開度Ｓｖ、目標ＥＧＲバルブ開度Ｓｅ、目標ＴＧバルブ開度Ｓｔにそれぞれ等しくなるよう、可変ベーン、ＥＧＲバルブ２７およびＴＧバルブ５１の開度を制御する。これにより今回のルーチンが終了する。

他方、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１１０で最終フィードバック項Ｓｖｆｂがゼロ以下と判断した場合、すなわち実際の吸入空気量Ｇａが目標吸入空気量Ｇａｔに対し不足してないと判断した場合、ステップＳ１１４に進んで、フィードフォワード項Ｓｔｆｆをそのまま目標ＴＧバルブ開度Ｓｔとし、ステップＳ１１３に進む。またＥＣＵ１００は、ステップＳ１１１でエンジン運転状態が発電領域Ｒ２内にないと判断した場合も、ステップＳ１１４に進み、その後ステップＳ１１３に進む。

このように本実施形態では、可変ベーン開度のフィードバック制御の過程で吸入空気量が不足していると判断したとき（ステップＳ１１０：イエス）、ＴＧバルブ開度を減少する（Ｓ１１２，Ｓ１１３）ので、発電量は幾分減少するものの、その分より多くの排気ガスをターボチャージャ２０に振り分けることができ、吸入空気量の不足を早期に解消することができる。そして可変ベーンとＴＧバルブの開度を最適に制御することができ、過渡運転時におけるターボチャージャの応答遅れおよび白煙発生等といった不具合を解消し、エンジン本来の出力性能、排ガス性能および燃費性能等を確実に満足することが可能である。

また本実施形態では、算出した最終フィードバック項Ｓｖｆｂに基づいて吸入空気量が不足しているか否かを判断するので（ステップＳ１１０）、吸入空気量が不足しているか否かを正確かつ的確に判断することができる。

また本実施形態では、算出した最終フィードバック項Ｓｖｆｂに基づいてＴＧバルブ開度減少量ΔＳｔを決定するので（ステップＳ１１２、図４（Ｃ））、ＴＧバルブ開度（目標ＴＧバルブ開度Ｓｔ）を、吸入空気量の不足度合いに応じた適切な値に制御できる。特に本実施形態では、算出した最終フィードバック項Ｓｖｆｂが吸入空気量不足側の値（プラス側に大きい値）であるほど、ＴＧバルブ開度減少量ΔＳｔを大きくするので（図４（Ｃ））、吸入空気量の不足を早急に解消することができる。

なお本実施形態では、吸入空気量、ＥＧＲガス流量および発電量の各目標値ができるだけ得られるよう、可変ベーン、ＥＧＲバルブ２７およびＴＧバルブ５１の開度を協調制御し、その上で各目標値に優先順位を与え、優先順位が最も高い吸入空気量の目標値が得難い場合には、優先順位の最も低い発電量の目標値を実質的に低下させている。これにより、ターボチャージャ２０とタービンジェネレータ５０を並列に設けた場合の過渡運転時であっても、発電領域Ｒ２で十分な吸入空気量を確保し、エンジン本来の出力性能、排ガス性能および燃費性能を満足することが可能である。

次に、本実施形態の変形例を説明する。なお上記の基本実施形態と同様の部分には図中同一符号を付して説明を割愛し、以下、基本実施形態との相違点を主に説明する。

本変形例は、吸入空気量の過不足に応じてＥＧＲ弁開度を増減補正するロジックを加えた点で、基本実施形態と主に相違する。

図５は変形例の制御のルーチンを示す。このルーチンにおいて、ステップＳ２０１〜Ｓ２０８は、図２に示したルーチンのステップＳ１０１〜Ｓ１０８と同様である。

ステップＳ２０８で目標可変ベーン開度Ｓｖを算出した後、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２０９に進み、前記ステップＳ１１０と同様、最終フィードバック項Ｓｖｆｂがゼロより大きいか否か、すなわち吸入空気量が不足しているか否かを判断する。

ＥＣＵ１００は、最終フィードバック項Ｓｖｆｂがゼロより大きいと判断した場合、ステップＳ２１０に進んで、目標ＥＧＲバルブ開度Ｓｅを式：Ｓｅ＝Ｓｅｆｆ−ΔＳｅから算出する。ΔＳｅはＥＧＲバルブ開度の増減補正値を意味し、正の値である。ステップＳ２０３で算出されたフィードフォワード項Ｓｅｆｆから増減補正値ΔＳｅを減算することにより、ＥＧＲバルブ開度は、フィードフォワード項Ｓｅｆｆに対し減少補正される。なお本実施形態ではΔＳｅを予め定められた一定値とするが、前記減少量ΔＳｔと同様、最終フィードバック項Ｓｖｆｂに応じて変化させてもよく、具体的には最終フィードバック項Ｓｖｆｂの値が大きいほど大きい値としてもよい。

ＥＧＲバルブ開度を減少すると、ＥＧＲガス流量が減少し、その分、吸入空気量を増大させることができる。よって吸入空気量の不足を即座に補うことが可能である。

その後は前記同様、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２１１において最終フィードバック項Ｓｖｆｂがゼロより大きいか否かを判断し、ゼロより大きいと判断した場合、ステップＳ２１２においてエンジン運転状態が発電領域Ｒ２内にあるか否かを判断し、発電領域Ｒ２内にあると判断した場合、ステップＳ２１３に進んで、フィードフォワード項Ｓｔｆｆから減少量ΔＳｔだけ減少された目標ＴＧバルブ開度Ｓｔを算出する。そしてステップＳ２１４において、各目標開度Ｓｖ、Ｓｅ、Ｓｔにそれぞれ等しくなるよう、可変ベーン、ＥＧＲバルブ２７およびＴＧバルブ５１の開度を制御する。他方ＥＣＵ１００は、ステップＳ２１１において最終フィードバック項Ｓｖｆｂがゼロ以下と判断した場合、またはステップＳ２１２においてエンジン運転状態が発電領域Ｒ２内にないと判断した場合、ステップＳ２１７に進んで、フィードフォワード項Ｓｔｆｆに等しい目標ＴＧバルブ開度Ｓｔを算出する。そしてステップＳ２１４において、各目標開度Ｓｖ、Ｓｅ、Ｓｔにそれぞれ等しくなるよう、可変ベーン、ＥＧＲバルブ２７およびＴＧバルブ５１の開度を制御する。

他方ＥＣＵ１００は、ステップＳ２０９で最終フィードバック項Ｓｖｆｂがゼロ以下と判断した場合、ステップＳ２１５に進んで、最終フィードバック項Ｓｖｆｂがゼロより小さいか否か、すなわち目標吸入空気量Ｇａｔに対して実際の吸入空気量Ｇａが過剰であるか否かを判断する。

ＥＣＵ１００は、最終フィードバック項Ｓｖｆｂがゼロより小さいと判断した場合、ステップＳ２１６に進んで、目標ＥＧＲバルブ開度Ｓｅを式：Ｓｅ＝Ｓｅｆｆ＋ΔＳｅから算出する。これによりＥＧＲバルブ開度は、フィードフォワード項Ｓｅｆｆに対し増大補正される。

ＥＧＲバルブ開度を増大すると、ＥＧＲガス流量が増大し、その分、吸入空気量が減少する。しかしこの場合は、吸入空気量が過剰な場合なので、吸入空気量が減少しても特段問題はない。むしろこうすると、吸入空気量の減少分をＥＧＲガス流量の増大に振り替え、ＮＯｘ排出量を低減することが可能である。

その後ＥＣＵ１００は、ステップＳ２１１に進み、前記同様の処理を行う。

他方ＥＣＵ１００は、ステップＳ２１５において最終フィードバック項Ｓｖｆｂがゼロより小さくないと判断した場合、すなわち最終フィードバック項Ｓｖｆｂがゼロに等しく、目標吸入空気量Ｇａｔと実際の吸入空気量Ｇａが等しいと判断した場合、ステップＳ２１８に進んで、目標ＥＧＲバルブ開度Ｓｅを式：Ｓｅ＝Ｓｅｆｆから算出する。これによりＥＧＲバルブ開度はフィードフォワード項Ｓｅｆｆに等しい値に制御される。その後ＥＣＵ１００は、ステップＳ２１１に進み、前記同様の処理を行う。

このように本変形例によれば、吸入空気量が不足している場合にはＥＧＲ弁開度を減少して吸入空気量の増大を促すので、吸入空気量の確保に一層有利である。また、吸入空気量が過剰の場合にはＥＧＲ弁開度を増大してＥＧＲガス流量の増大を促すので、ＮＯｘ排出量を低減できる。これにより出力性能と排ガス性能を好適に両立させることができ、ひいては、可変ベーン、ＥＧＲバルブ２７およびＴＧバルブ５１の三者をより最適に協調制御できる。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明は他の実施形態によっても実施可能である。

（１）上記実施形態では吸入空気量が不足しているか否かを最終フィードバック項Ｓｖｆｂに基づいて判断したが、より単純に、吸入空気量の差分ΔＧａに基づいてそれを判断してもよい。但し、上記実施形態の最終フィードバック項Ｓｖｆｂはブースト圧の差分ΔＰｂも加味した値であるため、最終フィードバック項Ｓｖｆｂに基づいて判断した方が、制御精度の向上という点でより好ましい。また、ブースト圧を考慮しない第１フィードバック項Ｓｖｆｂ１のみに基づいてそれを判断してもよい。これらに対応して、吸入空気量の差分ΔＧａに応じて減少量ΔＳｔを決定してもよいし、第１フィードバック項Ｓｖｆｂ１に応じて減少量ΔＳｔを決定してもよい。

（２）ＥＣＵ１００は、可変ベーン開度をフィードバック制御する過程で吸入空気量が過剰と判断したとき、ＴＧバルブ開度を増大してもよい。これにより吸入空気量の過剰分を発電量増大に振り替え、回収エネルギー量を増大し、燃費性能を向上することができる。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１０ 内燃機関（エンジン）
１４ マスエアフローセンサ
１６ 排気通路
１６ａ メイン排気通路
１６ｂ バイパス排気通路
２０ ターボチャージャ
２７ ＥＧＲバルブ
３６ ブースト圧センサ
５０ タービンジェネレータ
５１ バルブ（ＴＧバルブ）
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、可変ベーンを有するターボチャージャと、
   前記ターボチャージャに並列して前記排気通路に設けられたタービンジェネレータと、
   前記タービンジェネレータに供給される排気ガスの流量を調節するためのバルブと、
   前記可変ベーンおよび前記バルブを制御するように構成された制御ユニットと、
   を備え、
   前記制御ユニットは、吸入空気量に基づいて前記可変ベーンの開度をフィードバック制御し、前記フィードバック制御の過程で吸入空気量が不足していると判断したとき、前記バルブの開度を減少する
   ことを特徴とする内燃機関の排気エネルギー回収装置。
2. 前記制御ユニットは、前記可変ベーンの開度に関するフィードバック項を算出し、算出した前記フィードバック項に基づいて前記吸入空気量が不足しているか否かを判断する
   請求項１に記載の内燃機関の排気エネルギー回収装置。
3. 前記制御ユニットは、算出した前記フィードバック項に基づいて前記バルブの開度減少量を決定する
   請求項２に記載の内燃機関の排気エネルギー回収装置。
4. 前記制御ユニットは、算出した前記フィードバック項が吸入空気量不足側の値であるほど、前記バルブの開度減少量を大きくする
   請求項３に記載の内燃機関の排気エネルギー回収装置。
5. 吸入空気量を検出するための第１検出器と、
   ブースト圧を検出するための第２検出器と、をさらに備え、
   前記制御ユニットは、前記第１検出器により検出された吸入空気量と、前記第２検出器により検出されたブースト圧とに基づいて前記フィードバック項を算出する
   請求項２〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気エネルギー回収装置。
6. ＥＧＲガス流量を調節するためのＥＧＲバルブをさらに備え、
   前記制御ユニットは、吸入空気量の過不足に応じて前記ＥＧＲバルブの開度を増減補正する
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気エネルギー回収装置。
7. 前記制御ユニットは、エンジン運転状態が所定の発電領域内にあるときに前記バルブを開弁する
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関の排気エネルギー回収装置。

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