JP2019019802A - エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャーを備えたエンジンのモデルベース制御において必要とされる処理能力が抑えられるエンジンの制御装置を提供する。【解決手段】ＥＣＵの状態量推定部は、コンプレッサーが吸入する吸入空気量Ｗａｉｒとインタークーラーから流出する空気のインタークーラー出口温度Ｔｉｃとを入力値として、ターボチャージャーによって圧縮された空気の圧縮圧力Ｐｉｃを演算するインタークーラー体積モデル６１を有する。また、状態量推定部は、インタークーラーの下流に位置するスロットルにおけるスロットル流量Ｗｔｈｒを演算するスロットルモデル６２を有する。インタークーラー体積モデル６１は、吸入空気量Ｗａｉｒとスロットル流量Ｗｔｈｒの積算量、および、インタークーラー出口温度Ｔｉｃに基づく質量保存則により、ターボチャージャーによって圧縮された空気の圧力である圧縮圧力Ｐｉｃを演算する。【選択図】図３

Description

本発明は、ターボチャージャーを備えたエンジンをモデルベース制御により制御するエンジンの制御装置に関する。

従来から、例えば特許文献１のように、モデルベース制御によりエンジンを制御するエンジンの制御装置が知られている。モデルベース制御においては、各種センサーの観測値や制御対象への制御指示値などを入力値とするモデルを用いてエンジンの状態量に関わる各種パラメーターの推定値が演算され、その演算された推定値に基づいて制御対象への新たな制御指示値が演算される。

特開２００４−３１６４８３号公報

ところで、モデルベース制御には、制御装置に対して高い処理能力が要求される。特に、ターボチャージャーを備えたエンジンのモデルベース制御においては、ターボチャージャーによって圧縮された空気の状態量を演算するモデルが必要であり、制御装置に要求される処理能力が高くなる。

本発明は、ターボチャージャーを備えたエンジンのモデルベース制御において必要とされる処理能力が抑えられるエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するエンジンの制御装置は、ターボチャージャーと前記ターボチャージャーによって圧縮された空気を冷却するインタークーラーとを備えたエンジンをモデルベース制御により制御するエンジンの制御装置であって、前記インタークーラーへの空気の流入量を取得する流入量取得部と、前記インタークーラーからの空気の流出量を取得する流出量取得部と、前記インタークーラーから流出する空気の温度である圧縮温度を取得する圧縮温度取得部と、前記インタークーラーにおける空気量を前記流入量と前記流出量との積算量とし、前記インタークーラーにおける空気の温度を前記圧縮温度として、前記ターボチャージャーによって圧縮された空気の圧力である圧縮圧力を演算するインタークーラー体積モデルを有する状態量推定部とを備える。

上記構成によれば、インタークーラーに関する空気の状態量に基づいて圧縮圧力が演算されている。これにより、例えばターボチャージャーを構成するタービンシャフトの回転数であるタービン回転数を演算するモデルなどが不要となることから、制御装置に要求される処理能力を抑えることができる。

上記エンジンの制御装置において、前記エンジンは、前記エンジンの吸気通路における前記インタークーラーの下流にスロットルを備えており、前記流入量取得部は、前記ターボチャージャーを構成するコンプレッサーが吸入する空気量の観測値を取得し、前記圧縮温度取得部は、前記圧縮温度の観測値を取得し、前記制御装置は、前記スロットルの開度であるスロットル開度の観測値を取得するスロットル開度取得部と、前記スロットルの下流における空気の圧力であるブースト圧の観測値を取得するブースト圧取得部とを備え、前記状態量推定部は、前記流出量取得部として機能するスロットルモデルを有し、前記スロットルモデルは、前記圧縮圧力、前記圧縮温度、前記スロットル開度に基づく有効開口面積、および、前記ブースト圧を変数に含む演算式により前記流出量を演算することが好ましい。
上記構成のように、吸気通路においてインタークーラーの下流に位置するスロットルを通過する空気量を流出量として圧縮圧力を演算することができる。

上記エンジンの制御装置において、前記エンジンは、前記エンジンの各シリンダーに前記スロットルを通過した空気を含む作動ガスを分配するインテークマニホールドと前記各シリンダーから排気ガスが排出されるエキゾーストマニホールドとを備えており、前記制御装置は、前記エンジンの回転数であるエンジン回転数の観測値を取得するエンジン回転数取得部を備え、前記状態量推定部は、前記インテークマニホールドにおける作動ガスの圧力、密度、および、温度を演算するインテークマニホールド体積モデルと、前記エンジンが前記エキゾーストマニホールドに排出する排気ガスの流量および温度を演算するシリンダーモデルと、前記エキゾーストマニホールドにおける排気ガスの圧力、密度、および、温度を演算するエキゾーストマニホールド体積モデルと、前記ターボチャージャーを構成するタービンにおける排気ガスの流量であるタービン流量を演算するタービンモデルと、前記タービンの出口における排気ガスの圧力であるタービン出口圧力を演算する排気管モデルとを備えることが好ましい。
上記構成によれば、エンジンの吸排気に関わる一連の過程における各種の状態量を演算することができる。

上記エンジンの制御装置において、前記ターボチャージャーは、可変ノズルを有する可変容量型のターボチャージャーであり、前記制御装置は、前記可変ノズルの開度であるノズル開度の観測値を取得するノズル開度取得部を備え、前記タービンモデルは、前記エキゾーストマニホールドにおける排気ガスの圧力および温度、前記ノズル開度に基づく有効開口面積、ならびに、前記タービン出口圧力を変数に含む演算式により前記タービン流量を演算することが好ましい。
上記構成のようにタービンにおける排気ガスの流量を演算することができる。

上記エンジンの制御装置において、前記エンジンは、前記排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気側に還流するＥＧＲ装置を備えており、前記状態量推定部は、前記ＥＧＲガスの流量および温度を演算するＥＧＲモデルを備えることが好ましい。

上記構成によれば、ＥＧＲ装置を備えたエンジンの吸排気に関わる一連の過程における各種の状態量を演算することができる。

エンジンの制御装置の一実施形態を搭載したエンジンシステムの概略構成を示す図。 エンジンの制御装置とエンジンシステムとの関係を示す機能ブロック図。 状態量推定部の一例を示す機能ブロック図。

図１〜図３を参照して、エンジンの制御装置の一実施形態について説明する。まず、図１を参照してエンジンシステムの全体構成について説明する。
図１に示すように、エンジンシステムは、軽油を燃料とするディーゼルエンジン１０（以下、単にエンジン１０という。）を備えている。エンジン１０のシリンダーブロック１１には６つのシリンダー１２が形成されている。各シリンダー１２においては、吸入した作動ガスに対してインジェクター１３から燃料が噴射され、作動ガスと燃料との混合気が燃焼する。こうした混合気の燃焼が所定の順番で各シリンダー１２において行われることにより、エンジン１０のクランクシャフト１０ａが駆動される。

シリンダーブロック１１には、各シリンダー１２に作動ガスを分配するインテークマニホールド１４と、各シリンダー１２から排気ガスが排出され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は、上流側から順に図示されないエアクリーナー、ターボチャージャー１７のコンプレッサー１８、インタークーラー１９を備えている。吸気通路１６は、インタークーラー１９の下流側であって、かつ、後述するＥＧＲ通路２５との接続部分よりも上流側に、吸気通路１６の流路断面積を変更可能なディーゼルスロットル２０（以下、単にスロットル２０という。）を備えている。

エキゾーストマニホールド１５に接続される排気通路２１は、コンプレッサー１８にタービンシャフト２２を介して連結されたタービン２３を備えている。また、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ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガスとして吸気通路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は、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラー２６と、ＥＧＲクーラー２６の下流側にＥＧＲ通路２５の流路断面積を変更可能なＥＧＲ弁２７とを備えている。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空気との混合気体が作動ガスとして供給され、ＥＧＲ弁２７が閉状態にあるときに空気が作動ガスとして供給される。

ターボチャージャー１７は、タービン２３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、アクチュエーター２９の駆動により開度が変更され、タービン２３に流入する排気ガスの流路断面積を変更する。

エンジンシステムは、吸入空気量センサー３１、インタークーラー出口温度センサー３２、スロットル開度センサー３３、ブースト圧センサー３４、エンジン回転数センサー３５、エンジン冷却水温度センサー３６、ＥＧＲ弁開度センサー３７、ＥＧＲ冷却水温度センサー３８、ノズル開度センサー３９、アクセル開度センサー４０を備える。

吸入空気量センサー３１は、コンプレッサー１８の上流を流れる空気の質量流量（単位時間あたりの流量）である吸入空気量Ｗａｉｒを観測する。インタークーラー出口温度センサー３２は、圧縮温度センサーとして機能し、吸気通路１６におけるインタークーラー１９とスロットル２０との間を流れる空気の温度であるインタークーラー出口温度Ｔｉｃを圧縮温度として観測する。スロットル開度センサー３３は、スロットル２０の開度であるスロットル開度θｔｈｒを観測する。ブースト圧センサー３４は、スロットル２０の下流であって、かつ、吸気通路１６とＥＧＲ通路２５との接続部分よりも上流を流れる空気の圧力であるブースト圧Ｐｂを観測する。エンジン回転数センサー３５は、クランクシャフト１０ａの回転数であるエンジン回転数Ｎｅを観測する。エンジン冷却水温度センサー３６は、エンジン１０を冷却するエンジン冷却水の温度であるエンジン冷却水温度Ｔｗｅｎｇを観測する。ＥＧＲ弁開度センサー３７は、ＥＧＲ弁２７の開度であるＥＧＲ弁開度θｅｇｒを観測する。ＥＧＲ冷却水温度センサー３８は、ＥＧＲクーラー２６に流入するＥＧＲ冷却水の温度であるＥＧＲ冷却水温度Ｔｗｅｇｒを観測する。ノズル開度センサー３９は、可変ノズル２８の開度であるノズル開度θｔｂｎを観測する。アクセル開度センサー４０は、運転者が操作するアクセルペダル４１の踏み込み量であるアクセル開度ＡＣＣを観測する。

上記各種センサー３１〜４０は、エンジン１０の状態量（運転状態）に関わるパラメーターの値を観測する観測部として機能可能であり、センサー群４５（図２参照）を構成する。各種センサー３１〜４０の出力した信号は、エンジンシステムを統括制御する制御装置であるＥＣＵ５０に入力される。

図２および図３を参照してＥＣＵ５０の構成について詳しく説明する。
図２に示すように、ＥＣＵ５０は、プロセッサ、メモリ、入力インターフェース、および、出力インターフェース等がバスを介して互いに接続されたマイクロコンピューターを中心に構成される。ＥＣＵ５０は、入力インターフェースを介して各種センサー３１〜４０の観測値を取得し、その取得した観測値やメモリに格納された各種データや各種制御プログラムに基づき各種処理を実行する。そしてＥＣＵ５０は、出力インターフェースを介してインジェクター１３、スロットル２０、ＥＧＲ弁２７、可変ノズル２８といった制御対象６０に対して制御信号を出力する。ＥＣＵ５０は、制御対象６０に対する制御指示値を演算する制御演算部５１と、エンジン１０の状態量に関わる各種パラメーターの推定値を演算する状態量推定部５２を備える。

制御演算部５１は、例えばアクセル開度ＡＣＣとエンジン回転数Ｎｅとに基づきエンジン１０の状態量に関わる各種パラメーターの目標値を演算する。制御演算部５１は、演算した各種パラメーターの目標値と状態量推定部５２の推定した各種パラメーターの推定値との偏差に基づくフィードバック制御により各制御対象６０の制御指示値を演算する。

図３に示すように、状態量推定部５２は、エンジン１０の状態量に関わる各種パラメーターの値を演算する各種のモデル６１〜６８を備えている。
インタークーラー体積モデル（Ｉｃ）６１は、インタークーラー１９の出口における空気の圧力であるインタークーラー出口圧力Ｐｉｃを圧縮圧力として演算する。スロットルモデル６２（Ｔｈｒ）は、スロットル２０から噴出する空気の質量流量であるスロットル流量Ｗｔｈｒを演算する。

インテークマニホールド体積モデル（Ｉｍ）６３は、インテークマニホールド１４における作動ガスの圧力である吸気圧力Ｐｉｍ、該作動ガスの温度である吸気温度Ｔｉｍ、該作動ガスの密度である吸気密度ρｉｍを演算する。また、インテークマニホールド体積モデル６３は、インテークマニホールド１４における作動ガスとＥＧＲガスとの重量比であってエンジン１０が吸入する作動ガスにおけるＥＧＲガスの割合を示す吸気ＥＧＲ率ηｉｍを演算する。

シリンダーモデル（Ｃｙｌ）６４は、エンジン１０が吸入する作動ガスの質量流量である吸入作動ガス量Ｗｃｙｌを演算する。また、シリンダーモデル６４は、エンジン１０からエキゾーストマニホールド１５に排出される排気ガスの質量流量であるエンジン排出量Ｗｅｎｇ、該排気ガスの温度であるエンジン排出温度Ｔｅｎｇを演算する。

エキゾーストマニホールド体積モデル（Ｅｍ）６５は、エキゾーストマニホールド１５における排気ガスの圧力である排気圧力Ｐｅｍ、該排気ガスの温度である排気温度Ｔｅｍ、該排気ガスの密度である排気密度ρｅｍを演算する。タービンモデル（Ｔｂｎ）６６は、タービン２３を通過する排気ガスの質量流量であるタービン流量Ｗｔｂｎを演算する。排気管モデル（Ｅｐ）６７は、タービン２３から流出する排気ガスの圧力であるタービン出口圧力Ｐｅｐを演算する。

ＥＧＲモデル（ＥＧＲ）６８は、インテークマニホールド１４に流入するＥＧＲガスの質量流量であるＥＧＲ量Ｗｅｇｒ、該ＥＧＲガスの温度であるＥＧＲ温度Ｔｅｇｒを演算する。

以下、各モデル６１〜６８の演算方法の一例について説明する。なお、以下において、各種パラメーターについて、流量に関する初期値は０であり、圧力に関する初期値は大気圧を示す所定圧力であり、温度に関する初期値は大気温度を示す所定温度である。

インタークーラー体積モデル６１は、吸入空気量センサー３１の観測した吸入空気量Ｗａｉｒとインタークーラー出口温度センサー３２の観測したインタークーラー出口温度Ｔｉｃとを入力値に有し、以下の条件でインタークーラー出口圧力Ｐｉｃを演算する。

・吸入空気量Ｗａｉｒの空気がインタークーラー１９に流入する。
・インタークーラー１９における空気の温度は、インタークーラー出口温度センサー３２の観測したインタークーラー出口温度Ｔｉｃである。
・スロットル流量Ｗｔｈｒの空気がインタークーラー１９から流出する。

インタークーラー体積モデル６１は、吸入空気量Ｗａｉｒを流入量、スロットル流量Ｗｔｈｒを流出量とする積算量をインタークーラー１９を流れているインタークーラー空気量Ｗｉｃとして演算する。インタークーラー体積モデル６１は、空気の気体定数Ｒａｉｒ、インタークーラー出口温度Ｔｉｃ、インタークーラー１９の容積Ｖｉｃ、および、インタークーラー空気量Ｗｉｃを質量保存則に基づく演算式に代入することによりインタークーラー出口圧力Ｐｉｃを演算する。

なお、容積Ｖの容器において、気体定数Ｒの気体が温度Ｔである場合の質量保存則に基づく圧力Ｐの演算式は、単位時間あたりの流出入量をΔＷとすると、式（１）のように代表される。

スロットルモデル６２は、スロットル開度センサー３３の観測したスロットル開度θｔｈｒとブースト圧センサー３４の観測したブースト圧Ｐｂとを入力値に有し、以下の条件のもとでスロットル流量Ｗｔｈｒを演算する。

・スロットル２０には、インタークーラー出口圧力Ｐｉｃおよびインタークーラー出口温度Ｔｉｃにある空気が流入する。
・スロットル２０では、スロットル開度θｔｈｒに応じた有効開口面積Ａｔｈｒにある開口から空気から噴出する。
・スロットル２０の背圧がブースト圧Ｐｂである。

スロットルモデル６２は、スロットル開度θｔｈｒを所定の演算式に代入することによりスロットル２０の有効開口面積Ａｔｈｒを演算する。スロットルモデル６２は、有効開口面積Ａｔｈｒ、インタークーラー出口圧力Ｐｉｃ、インタークーラー出口温度Ｔｉｃ、気体定数Ｒａｉｒ、空気の比熱比γａｉｒ、および、ブースト圧Ｐｂをベルヌーイの定理に基づく演算式に代入することによりスロットル流量Ｗｔｈｒを演算する。

なお、有効開口面積Ａにある背圧Ｐ２のノズルに対して気体定数Ｒ、比熱比γの気体が圧力Ｐ１、温度Ｔ１で流入する場合のベルヌーイの定理に基づく流量Ｗの演算式は、式（２）に代表される。

インテークマニホールド体積モデル６３は、以下の条件のもとで吸気密度ρｉｍ、吸気圧力Ｐｉｍ、および、吸気温度Ｔｉｍを演算する。
・インテークマニホールド１４には、インタークーラー出口温度Ｔｉｃにあるスロットル流量Ｗｔｈｒの空気とＥＧＲ温度ＴｅｇｒにあるＥＧＲ量ＷｅｇｒのＥＧＲガスとが流入する。
・インテークマニホールド１４からは、シリンダーモデル６４の演算する吸入作動ガス量Ｗｃｙｌの分の作動ガスが流出する。

インテークマニホールド体積モデル６３は、スロットル流量ＷｔｈｒおよびＥＧＲ量Ｗｅｇｒを流入量、吸入作動ガス量Ｗｃｙｌを流出量とする積算量をインテークマニホールド１４における作動ガス量Ｍｉｍとして演算する。インテークマニホールド体積モデル６３は、作動ガス量Ｍｉｍをインテークマニホールド１４の容積Ｖｉｍで除算することにより吸気密度ρｉｍを演算する。

インテークマニホールド体積モデル６３は、インテークマニホールド１４における作動ガスとＥＧＲガスとの重量比であってエンジン１０が吸入する作動ガスにおけるＥＧＲガスの割合を示す吸気ＥＧＲ率ηｉｍを演算する。インテークマニホールド体積モデル６３は、スロットル流量Ｗｔｈｒの空気とＥＧＲ量ＷｅｇｒのＥＧＲガスとが混合しているものとして吸気ＥＧＲ率ηｉｍを演算する。また、インテークマニホールド体積モデル６３は、空気およびＥＧＲガスの各々の気体定数や比熱比（定積比熱と定圧比熱）、ならびに、吸気ＥＧＲ率ηｉｍに基づき、例えば加重平均などの演算方法により、インテークマニホールド１４における作動ガスの気体定数Ｒｉｍや比熱比γｉｍを演算する。

インテークマニホールド体積モデル６３は、スロットル流量Ｗｔｈｒ、インタークーラー出口温度Ｔｉｃ、ＥＧＲ量Ｗｅｇｒ、ＥＧＲ温度Ｔｅｇｒ、吸入作動ガス量Ｗｃｙｌ、および、吸気温度Ｔｉｍなどをエネルギー保存則に基づく演算式に代入することにより吸気圧力Ｐｉｍを演算する。

なお、容積Ｖの容器に対し、気体定数Ｒ、比熱比γの気体が流量Ｗｉｎ、温度Ｔｉｎで流入し、流量Ｗｏｕｔ、温度Ｔｏｕｔで流出するとき、エネルギー保存則に基づく容器の圧力Ｐの演算式は、式（３）に代表される。

インテークマニホールド体積モデル６３は、インテークマニホールド１４における作動ガスの気体定数Ｒｉｍ、吸気圧力Ｐｉｍ、および、吸気密度ρｉｍを状態方程式に基づく演算式に代入することにより吸気温度Ｔｉｍを演算する。

シリンダーモデル６４は、エンジン回転数センサー３５の観測したエンジン回転数Ｎｅとエンジン冷却水温度センサー３６の観測したエンジン冷却水温度Ｔｗｅｎｇとを入力値に有し、エンジン排出量Ｗｅｎｇとエンジン排出温度Ｔｅｎｇとを演算する。

シリンダーモデル６４は、エンジン排出量Ｗｅｎｇとエンジン排出温度Ｔｅｎｇとを演算するにあたり、エンジン１０が吸入した作動ガスの質量流量である吸入作動ガス量Ｗｃｙｌとエンジン１０に噴射される燃料の質量流量である燃料噴射量Ｗｆｕｅｌとを演算する。シリンダーモデル６４は、吸気圧力Ｐｉｍ、吸気温度Ｔｉｍ、気体定数Ｒｉｍ、エンジン回転数Ｎｅ、および、エンジン１０の排気量Ｄを状態方程式に基づく演算式に代入することより吸入作動ガス量Ｗｃｙｌを演算する。シリンダーモデル６４は、吸入作動ガス量Ｗｃｙｌ、吸気ＥＧＲ率ηｉｍ、および、エンジン回転数Ｎｅに基づいて基本噴射量Ｗｆｂｓｅを演算するとともに、エンジン冷却水温度センサー３６の観測したエンジン冷却水温度Ｔｗｅｎｇに基づいて補正噴射量Ｗｆｃｏｒを演算する。シリンダーモデル６４は、エンジン冷却水温度Ｔｗｅｎｇがエンジン１０の暖機の完了を示す暖機完了温度Ｔｗｅｎｇ１よりも低い場合に基本噴射量Ｗｆｂｓｅを増量する補正噴射量Ｗｆｃｏｒを演算する。シリンダーモデル６４は、基本噴射量Ｗｆｂｓｅと補正噴射量Ｗｆｃｏｒとの加算値を燃料噴射量Ｗｆｕｅｌとして演算する。

シリンダーモデル６４は、吸入作動ガス量Ｗｃｙｌと燃料噴射量Ｗｆｕｅｌとの加算値をエンジン排出量Ｗｅｎｇとして演算する。また、シリンダーモデル６４は、吸入作動ガス量Ｗｃｙｌ、吸気ＥＧＲ率ηｉｍ、および、燃料噴射量Ｗｆｕｅｌに基づく温度上昇値ΔＴｃｙｌに対して吸気温度Ｔｉｍを加算することによりエンジン排出温度Ｔｅｎｇを演算する。なお、エンジン排出温度Ｔｅｎｇは、エンジン冷却水温度Ｔｗｅｎｇに基づいてエンジン冷却水による温度低下が考慮されてもよい。

エキゾーストマニホールド体積モデル６５は、以下の条件のもとで排気密度ρｅｍ、排気圧力Ｐｅｍ、および、排気温度Ｔｅｍを演算する。
・エンジン排出量Ｗｅｎｇの排気ガスがエキゾーストマニホールド１５に流入する。
・排気温度Ｔｅｍにある排気ガスがエキゾーストマニホールド１５からＥＧＲ量Ｗｅｇｒおよびタービン流量Ｗｔｂｎの分だけ流出する。

エキゾーストマニホールド体積モデル６５は、エンジン排出量Ｗｅｎｇを流入量、ＥＧＲ量Ｗｅｇｒおよびタービン流量Ｗｔｂｎを流出量とする積算量をエキゾーストマニホールド１５における排気ガス量Ｍｅｍとして演算する。そして、エキゾーストマニホールド体積モデル６５は、排気ガス量Ｍｅｍをエキゾーストマニホールドの容積Ｖｅｍで除算することにより排気密度ρｅｍを演算する。

エキゾーストマニホールド体積モデル６５は、排気ガスの比熱比γｅｘｈ、排気ガスの気体定数Ｒｅｘｈ、容積Ｖｅｍ、エンジン排出量Ｗｅｎｇ、エンジン排出温度Ｔｅｎｇ、ＥＧＲ量Ｗｅｇｒ、タービン流量Ｗｔｂｎ、排気温度Ｔｅｍをエネルギー保存則に基づく演算式に代入することで排気圧力Ｐｅｍを演算する。

そして、エキゾーストマニホールド体積モデル６５は、排気圧力Ｐｅｍ、気体定数Ｒｅｘｈ、および、排気密度ρｅｍを状態方程式に基づく演算式に代入することにより排気温度Ｔｅｍを演算する。

タービンモデル６６は、ノズル開度センサー３９の観測したノズル開度θｔｂｎを入力値に有し、以下の条件のもとでタービン流量Ｗｔｂｎを演算する。

・タービン２３では、ノズル開度θｔｂｎに応じた有効開口面積Ａｔｂｎにある開口から排気ガスが噴出する。
・排気圧力Ｐｅｍおよび排気温度Ｔｅｍにある排気ガスがタービン２３に流入する。
・排気管モデル６７の演算するタービン出口圧力Ｐｅｐがタービン２３の背圧である。

タービンモデル６６は、ノズル開度センサー３９の観測したノズル開度θｔｂｎを所定の演算式に代入することにより可変ノズル２８の有効開口面積Ａｔｂｎを演算する。タービンモデル６６は、有効開口面積Ａｔｂｎ、排気圧力Ｐｅｍ、排気温度Ｔｅｍ、気体定数Ｒｅｘｈ、比熱比γｅｘｈ、および、タービン出口圧力Ｐｅｐをベルヌーイの定理に基づく演算式に代入することによりタービン流量Ｗｔｂｎを演算する。

排気管モデル６７は、タービン２３よりも下流側の排気通路２１における排気ガスの圧力損失値を演算する演算式にタービン流量Ｗｔｂｎを代入することによりタービン出口圧力Ｐｅｐを演算する。なお、流量Ｗの圧力損失値ΔＰを演算する演算式は、例えば、実験結果等に基づく係数をαとするとΔＰ＝α×Ｗ×Ｗで示される。

ＥＧＲモデル６８は、ＥＧＲ弁開度センサー３７の観測したＥＧＲ弁開度θｅｇｒとＥＧＲ冷却水温度センサー３８の観測したＥＧＲ冷却水温度Ｔｗｅｇｒを入力値に有し、以下の条件のもとでＥＧＲ量ＷｅｇｒおよびＥＧＲ温度Ｔｅｇｒを演算する。

・ＥＧＲ弁２７では、ＥＧＲ弁開度θｅｇｒに応じた有効開口面積Ａｅｇｒにある開口からＥＧＲガスが噴出する。
・ＥＧＲ弁２７には、ＥＧＲ通路２５におけるＥＧＲ弁２７までの圧力損失値を排気圧力Ｐｅｍから減算したＥＧＲ弁入口圧力ＰｅｇｒのＥＧＲガスが流入する。
・ＥＧＲ弁２７には、ＥＧＲクーラー２６によって排気温度ＴｅｍからＥＧＲ温度Ｔｅｇｒまで冷却されたＥＧＲガスが流入する。
・ＥＧＲ弁２７の背圧が吸気圧力Ｐｉｍである。

ＥＧＲモデル６８は、ＥＧＲ弁開度θｅｇｒを所定の演算式に代入することによりＥＧＲ弁２７の有効開口面積Ａｅｇｒを演算する。ＥＧＲモデル６８は、エキゾーストマニホールド１５からＥＧＲ弁２７までのＥＧＲ通路２５におけるＥＧＲガスの圧力損失を演算するモデルにＥＧＲ量Ｗｅｇｒを代入することにより圧力損失値ΔＰｅｇｒを演算する。ＥＧＲモデル６８は、排気圧力Ｐｅｍから圧力損失値ΔＰｅｇｒを減算することによりＥＧＲ弁入口圧力Ｐｅｇｒを演算する。ＥＧＲモデル６８は、ＥＧＲクーラー２６における熱交換を示すモデルに対して、ＥＧＲ量Ｗｅｇｒ、排気温度Ｔｅｍ、ＥＧＲクーラー２６におけるＥＧＲ冷却水流量Ｗｗｅｇｒ、および、ＥＧＲ冷却水温度Ｔｗｅｇｒを代入することによりＥＧＲ温度Ｔｅｇｒを演算する。ＥＧＲモデル６８は、有効開口面積Ａｅｇｒ、ＥＧＲ弁入口圧力Ｐｅｇｒ、ＥＧＲ温度Ｔｅｇｒ、気体定数Ｒｅｘｈ、比熱比γｅｘｈ、および、吸気圧力Ｐｉｍをベルヌーイの定理に基づく演算式に代入することでＥＧＲ量Ｗｅｇｒを演算する。

状態量推定部５２は、各モデル６１〜６８で演算されたエンジン１０の状態量に関する各種パラメーターの推定値のうちで予め定められたパラメーターの推定値を選択的に制御演算部５１に出力する。

上述したＥＣＵ５０の作用について説明する。
エンジン１０のモデルベース制御においては、エンジン１０の出力や排気ガスの性状という観点から、インテークマニホールド１４における作動ガスの状態量についての重要度が高い。そして、ターボチャージャー１７を備えたエンジン１０のモデルベース制御においては、インテークマニホールド１４における作動ガスの状態量を演算するモデルが必要となる。こうしたモデルは、ターボチャージャー１７の性能曲線に基づいて構築することが可能である。しかしながら、性能曲線に基づく従来モデルには、コンプレッサー１８の状態量（例えば駆動力や効率、流量など）を演算するコンプレッサーモデル、タービン２３の状態量（例えば駆動力や効率、流量など）を演算するタービンモデル、タービン回転数Ｎｔｂを演算するタービンシャフトモデルも必要である。そのため、非常に高い処理能力がＥＣＵに要求される。

上述したＥＣＵ５０は、インタークーラー１９における空気の流出入量とインタークーラー出口温度Ｔｉｃとに基づき演算されるインタークーラー出口圧力Ｐｉｃをターボチャージャー１７による空気の圧縮圧力として演算する。そのため、コンプレッサーモデルおよびタービンシャフトモデルが不要であることから、コンプレッサーモデルおよびタービンシャフトモデルの分だけＥＣＵ５０に要求される処理能力を抑えることができる。

上記実施形態のＥＣＵ５０によれば、以下に列挙する作用効果が得られる。
（１）ＥＣＵ５０によれば、ターボチャージャー１７を備えたエンジン１０のモデルベース制御を実行するにあたり、コンプレッサーモデルおよびタービンシャフトモデルが不要である。その結果、ＥＣＵ５０に要求される処理能力を抑えることができる。

（２）また、従来モデルは、ターボチャージャー１７の性能曲線に基づいて構築される。しかしながら、各種パラメーターの真値は、性能曲線の示す値に対して、例えば吸気通路１６および排気通路２１の各々を構成する配管の形状や位置関係といった配管構造に応じてばらつきが生じてしまう。そのため、従来モデルは、そうしたばらつきに対するロバスト性が低く、所定精度を担保するモデルベース制御を行うとなれば配管構造ごとのモデルが必要となる。

この点、上述したＥＣＵ５０においては、配管構造に無関係なインタークーラー１９における空気の流出入とインタークーラー出口温度Ｔｉｃとに基づいてインタークーラー出口圧力Ｐｉｃと圧縮圧力として演算している。そのため、ターボチャージャー１７周辺の配管構造といった圧縮圧力のばらつきの要因に対するロバスト性を向上させることができ、ひいてはモデルベース制御全体のロバスト性を向上させることができる。

（３）例えばインタークーラー１９からの空気の流出量をセンサーで観測する場合には、圧力が高いこともあり、その観測値に対して観測条件に応じた補正が必要となる。この点、状態量推定部５２は、スロットルモデル６２によって演算されるスロットル流量Ｗｔｈｒをインタークーラー１９からの流出量として取り扱う。これにより、流出量についてセンサーの観測値に対する観測条件に応じた補正演算が不要となることから、ＥＣＵ５０に要求される処理能力を抑えることができる。

（４）状態量推定部５２がエンジン１０の吸排気に関わる各種のモデル６１〜６８を有していることでエンジン１０の吸排気に関わる一連の過程における各種パラメーターの値を高い精度のもとで演算することができる。

（５）タービンモデル６６のように、排気圧力Ｐｅｍ、排気温度Ｔｅｍ、ノズル開度θｔｂｎに基づく有効開口面積Ａｔｂｎ、タービン出口圧力Ｐｅｐを変数に含むベルヌーイの定理に基づく演算式によりタービン流量Ｗｔｂｎを演算できる。

（６）状態量推定部５２は、ＥＧＲ量ＷｅｇｒおよびＥＧＲ温度Ｔｅｇｒを演算するＥＧＲモデル６８を有している。そのため、ＥＧＲ装置２４を備えたエンジン１０の吸排気に関わる一連の過程における各種パラメーターの値を演算することができる。

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。
・状態量推定部５２は、ＥＣＵ５０の制御するエンジン１０がＥＧＲ装置２４を備えていない場合にはＥＧＲモデル６８を有していなくともよい。

・エンジン１０は、可変容量型のターボチャージャーではなく固定容量型のターボチャージャーを搭載していてもよい。こうした構成の場合、状態量推定部５２は、タービン２３の有効開口面積Ａｔｂｎを固定値としてタービン流量Ｗｔｂｎを演算する。

・状態量推定部５２は、インタークーラー１９における空気の流出入量、インタークーラー１９から流出する空気の温度を圧縮温度として、インタークーラー１９における質量保存則に基づき圧縮圧力を演算すればよい。そのため、状態量推定部５２は、インタークーラー１９よりも下流側における吸排気に関わる各種パラメーターの演算方法は、上述した方法に限られるものではない。例えば、スロットル２０に流入する空気の圧力は、インタークーラー１９とスロットル２０との間における吸気通路１６での圧力損失が考慮されてもよい。

・ＥＣＵ５０は、インタークーラー１９とスロットル２０との間を流れる空気量を観測するセンサーの観測値を入力インターフェースを介して取得してもよい。
・ＥＣＵ５０は、インタークーラー１９に流入する空気量を取得すればよく、コンプレッサー１８による圧縮後の空気量を観測するセンサーの観測値を入力インターフェースを介して取得してもよい。

・状態量推定部５２においては、例えばブースト圧Ｐｂなどを観測ベクトルのパラメーターとしてカルマンフィルター理論を適用し、各種パラメーターの値を補正してもよい。こうした構成によれば、各種状態量の精度を高めることができる。

・エンジン１０は、ターボチャージャーを搭載したエンジンであればよく、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンであってもよいし、ガス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…インジェクター、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…ディーゼルスロットル、２１…排気通路、２２…タービンシャフト、２３…タービン、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…吸入空気量センサー、３２…インタークーラー出口温度センサー、３３…スロットル開度センサー、３４…ブースト圧センサー、３５…エンジン回転数センサー、３６…エンジン冷却水温度センサー、３７…ＥＧＲ弁開度センサー、３８…ＥＧＲ冷却水温度センサー、３９…ノズル開度センサー、４０…アクセル開度センサー、４１…アクセルペダル、４５…センサー群、５０…ＥＣＵ、５１…制御演算部、５２…状態量推定部、６０…制御対象、６１…インタークーラー体積モデル、６２…スロットルモデル、６３…インテークマニホールド体積モデル、６４…シリンダーモデル、６５…エキゾーストマニホールド体積モデル、６６…タービンモデル、６７…排気管モデル、６８…ＥＧＲモデル。

Claims (5)

1. ターボチャージャーと前記ターボチャージャーによって圧縮された空気を冷却するインタークーラーとを備えたエンジンをモデルベース制御により制御するエンジンの制御装置であって、
   前記インタークーラーへの空気の流入量を取得する流入量取得部と、
   前記インタークーラーからの空気の流出量を取得する流出量取得部と、
   前記インタークーラーから流出する空気の温度である圧縮温度を取得する圧縮温度取得部と、
   前記インタークーラーにおける空気量を前記流入量と前記流出量との積算量とし、前記インタークーラーにおける空気の温度を前記圧縮温度として、前記ターボチャージャーによって圧縮された空気の圧力である圧縮圧力を演算するインタークーラー体積モデルを有する状態量推定部とを備える
   エンジンの制御装置。
2. 前記エンジンは、前記エンジンの吸気通路における前記インタークーラーの下流にスロットルを備えており、
   前記流入量取得部は、前記ターボチャージャーを構成するコンプレッサーが吸入する空気量の観測値を取得し、
   前記圧縮温度取得部は、前記圧縮温度の観測値を取得し、
   前記制御装置は、前記スロットルの開度であるスロットル開度の観測値を取得するスロットル開度取得部と、前記スロットルの下流における空気の圧力であるブースト圧の観測値を取得するブースト圧取得部とを備え、
   前記状態量推定部は、前記流出量取得部として機能するスロットルモデルを有し、
   前記スロットルモデルは、前記圧縮圧力、前記圧縮温度、前記スロットル開度に基づく有効開口面積、および、前記ブースト圧を変数に含む演算式により前記流出量を演算する
   請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 前記エンジンは、前記エンジンの各シリンダーに前記スロットルを通過した空気を含む作動ガスを分配するインテークマニホールドと前記各シリンダーから排気ガスが排出されるエキゾーストマニホールドとを備えており、
   前記制御装置は、前記エンジンの回転数であるエンジン回転数の観測値を取得するエンジン回転数取得部を備え、
   前記状態量推定部は、
   前記インテークマニホールドにおける作動ガスの圧力、密度、および、温度を演算するインテークマニホールド体積モデルと、
   前記エンジンが前記エキゾーストマニホールドに排出する排気ガスの流量および温度を演算するシリンダーモデルと、
   前記エキゾーストマニホールドにおける排気ガスの圧力、密度、および、温度を演算するエキゾーストマニホールド体積モデルと、
   前記ターボチャージャーを構成するタービンにおける排気ガスの流量であるタービン流量を演算するタービンモデルと、
   前記タービンの出口における排気ガスの圧力であるタービン出口圧力を演算する排気管モデルとを備える
   請求項２に記載のエンジンの制御装置。
4. 前記ターボチャージャーは、可変ノズルを有する可変容量型のターボチャージャーであり、
   前記制御装置は、前記可変ノズルの開度であるノズル開度の観測値を取得するノズル開度取得部を備え、
   前記タービンモデルは、前記エキゾーストマニホールドにおける排気ガスの圧力および温度、前記ノズル開度に基づく有効開口面積、ならびに、前記タービン出口圧力を変数に含む演算式により前記タービン流量を演算する
   請求項３に記載のエンジンの制御装置。
5. 前記エンジンは、前記排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気側に還流するＥＧＲ装置を備えており、
   前記状態量推定部は、前記ＥＧＲガスの流量および温度を演算するＥＧＲモデルを備える
   請求項３または４に記載のエンジンの制御装置。

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