JP4412075B2 - 過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
内燃機関の吸気通路に配置されたコンプレッサと、内燃機関の排気通路に配置されたタービンとを含む過給機と、
前記タービンのハウジングとタービンホイル間のクリアランスをタービンクリアランスとして検出するタービンクリアランス検出手段と、
前記タービンクリアランスに基づいて、前記コンプレッサのハウジングとインペラ間のクリアランスをコンプレッサクリアランスとして検出するコンプレッサクリアランス検出手段と、
内燃機関の筒内に流入する空気流量を検出する手段と、
過給機回転数を検出する手段と、
コンプレッサ入口側温度を検出する手段と、
コンプレッサ入口側圧力を検出する手段と、
前記コンプレッサクリアランス、前記空気流量、および前記過給機回転数に基づいてコンプレッサ前後の圧力比であるコンプレッサ圧力比を算出するコンプレッサ圧力比算出手段と、
前記コンプレッサクリアランス、前記空気流量、および前記過給機回転数に基づいてコンプレッサ効率を算出するコンプレッサ効率算出手段と、
前記コンプレッサ圧力比と前記コンプレッサ入口側圧力とに基づいて前記コンプレッサ出口側圧力を推定する手段と、
前記コンプレッサ効率と前記コンプレッサ入口側温度と前記コンプレッサ圧力比とに基づいて前記コンプレッサ出口側温度を推定する手段と、
を備えることを特徴とする。
前記コンプレッサ圧力比算出手段は、
前記空気流量および前記過給機回転数に基づいて、基準のコンプレッサクリアランスに対応するコンプレッサ圧力比基準値を算出する手段と、
前記コンプレッサクリアランスに基づいて、前記コンプレッサ圧力比に生ずると予測されるコンプレッサ圧力比変動量を算出する手段と、
前記コンプレッサ圧力比基準値に前記コンプレッサ圧力比変動量を加えることにより前記コンプレッサ圧力比を算出する手段と、
を含むことを特徴とする。
前記コンプレッサ効率算出手段は、
前記空気流量および前記過給機回転数に基づいて、基準のコンプレッサクリアランスに対応するコンプレッサ効率基準値を算出する手段と、
前記コンプレッサクリアランスに基づいて、前記コンプレッサ効率に生ずると予測されるコンプレッサ効率変動量を算出する手段と、
前記コンプレッサ効率基準値に前記コンプレッサ効率変動量を加えることにより前記コンプレッサ効率を算出する手段と、
を含むことを特徴とする。
前記タービンクリアランス検出手段は、
タービン入口側圧力を検出する手段と、
タービン出口側圧力を検出する手段と、
前記タービン入口側圧力、および前記タービン出口側圧力に基づいて、タービン前後の実圧力比である実タービン圧力比を算出する手段と、
前記タービンに流入するタービン流入空気流量を検出する手段と、
過給機回転数を検出する手段と、
前記タービンクリアランス、前記タービン流入空気流量、および前記過給機回転数と、タービン前後の圧力比であるタービン圧力比との間に成立するタービン圧力比関係を記憶するタービン圧力比関係記憶手段と、
前記タービン圧力比関係に、前記タービン流入空気流量、前記過給機回転数、および前記実タービン圧力比を当てはめることにより、前記タービンクリアランスを算出する手段と、
を含むことを特徴とする。
前記タービンクリアランス検出手段は、
タービン入口側温度を検出する手段と、
タービン入口側圧力を検出する手段と、
タービン出口側温度を検出する手段と、
タービン出口側圧力を検出する手段と、
前記タービン入口側圧力、前記タービン出口側圧力、前記タービン入口側温度、および前記タービン出口側温度に基づいて、タービンの実効率である実タービン効率を算出する手段と、
前記タービンに流入するタービン流入空気流量を検出する手段と、
過給機回転数を検出する手段と、
前記タービンクリアランス、前記タービン流入空気流量、および前記過給機回転数と、タービン効率との間に成立するタービン効率関係を記憶するタービン効率関係記憶手段と、
前記タービン効率関係に、前記タービン流入空気流量、前記過給機回転数、および前記実タービン効率を当てはめることにより、前記タービンクリアランスを算出する手段と、
を含むことを特徴とする。
内燃機関の吸気通路に配置されたコンプレッサと、内燃機関の排気通路に配置されたタービンとを含む過給機と、
前記コンプレッサのハウジングとインペラ間のクリアランスをコンプレッサクリアランスとして検出するコンプレッサクリアランス検出手段と、
前記コンプレッサクリアランスに基づいて、前記タービンのハウジングとタービンホイル間のクリアランスをタービンクリアランスとして検出するタービンクリアランス検出手段と、
内燃機関の筒内からタービンに流入するタービン流入空気流量を検出する手段と、
過給機回転数を検出する手段と、
タービン入口側温度を検出する手段と、
タービン入口側圧力を検出する手段と、
前記タービンクリアランス、前記タービン流入空気流量、および前記過給機回転数に基づいてタービン前後の圧力比であるタービン圧力比を算出するタービン圧力比算出手段と、
前記タービンクリアランス、前記タービン流入空気流量、および前記過給機回転数に基づいてタービン効率を算出するタービン効率算出手段と、
前記タービン圧力比と前記タービン入口側圧力とに基づいて前記タービン出口側圧力を推定する手段と、
前記タービン効率と前記タービン入口側温度と前記タービン圧力比とに基づいて前記タービン出口側温度を推定する手段と、
を備えることを特徴とする。
前記タービン圧力比算出手段は、
前記タービン流入空気流量および前記過給機回転数に基づいて、基準のタービンクリアランスに対応するタービン圧力比基準値を算出する手段と、
前記タービンクリアランスに基づいて、前記タービン圧力比に生ずると予測されるタービン圧力比変動量を算出する手段と、
前記タービン圧力比基準値に前記タービン圧力比変動量を加えることにより前記タービン圧力比を算出する手段と、
を含むことを特徴とする。
前記タービン効率算出手段は、
前記タービン流入空気流量および前記過給機回転数に基づいて、基準のタービンクリアランスに対応するタービン効率基準値を算出する手段と、
前記タービンクリアランスに基づいて、前記タービン効率に生ずると予測されるタービン効率変動量を算出する手段と、
前記タービン効率基準値に前記タービン効率変動量を加えることにより前記タービン効率を算出する手段と、
を含むことを特徴とする。
前記コンプレッサクリアランス検出手段は、
コンプレッサ入口側圧力を検出する手段と、
コンプレッサ出口側圧力を検出する手段と、
前記コンプレッサ入口側圧力、および前記コンプレッサ出口側圧力に基づいて、コンプレッサ前後の実圧力比である実コンプレッサ圧力比を算出する手段と、
内燃機関の筒内に流入する空気流量を検出する手段と、
過給機回転数を検出する手段と、
前記コンプレッサクリアランス、前記空気流量、および前記過給機回転数と、コンプレッサ前後の圧力比であるコンプレッサ圧力比との間に成立するコンプレッサ圧力比関係を記憶するコンプレッサ圧力比関係記憶手段と、
前記コンプレッサ圧力比関係に、前記空気流量、前記過給機回転数、および前記実コンプレッサ圧力比を当てはめることにより、前記コンプレッサクリアランスを算出する手段と、
を含むことを特徴とする。
前記コンプレッサクリアランス検出手段は、
コンプレッサ入口側温度を検出する手段と、
コンプレッサ入口側圧力を検出する手段と、
コンプレッサ出口側温度を検出する手段と、
コンプレッサ出口側圧力を検出する手段と、
前記コンプレッサ入口側圧力、前記コンプレッサ出口側圧力、前記コンプレッサ入口側温度、および前記コンプレッサ出口側温度に基づいて、コンプレッサの実効率である実コンプレッサ効率を算出する手段と、
前記コンプレッサに流入する空気流量を検出する手段と、
過給機回転数を検出する手段と、
前記コンプレッサクリアランス、前記空気流量、および前記過給機回転数と、コンプレッサ効率との間に成立するコンプレッサ効率関係を記憶するコンプレッサ効率関係記憶手段と、
前記コンプレッサ効率関係に、前記コンプレッサ流入空気流量、前記過給機回転数、および前記実コンプレッサ効率を当てはめることにより、前記コンプレッサクリアランスを算出する手段と、
を含むことを特徴とする。
また、この発明によれば、コンプレッサクリアランス、筒内に流入する空気流量、および過給機回転数に基づいて、コンプレッサ圧力比およびコンプレッサ効率を精度良く算出することができる。コンプレッサ圧力比と共にコンプレッサ入口側圧力が判ると、コンプレッサ出口側圧力を演算することができる。また、コンプレッサ効率と共にコンプレッサ入口側温度およびコンプレッサ圧力比が判ると、コンプレッサ出口側温度を演算することができる。本発明によれば、それらの演算を行うことによりコンプレッサ出口側温度とコンプレッサ出口側圧力とを精度良く算出することができる。
更に、この発明によれば、タービンのハウジングとタービンホイルの間に形成されるタービンクリアランスを検出することができる。タービンホイルとインペラは機械的に連結されているため、タービンクリアランスの変動量とコンプレッサクリアランスの変動量との間には一定の相関が生ずる。本発明によれば、その相関に従うことにより、タービンクリアランスに基づいてコンプレッサクリアランスを正確に推定することができる。
また、この発明によれば、タービンクリアランス、タービン流入空気流量、および過給機回転数に基づいて、タービン圧力比およびタービン効率を精度良く算出することができる。タービン圧力比と共にタービン入口側圧力が判ると、タービン出口側圧力を演算することができる。また、タービン効率と共にタービン入口側温度およびタービン圧力比が判ると、タービン出口側温度を演算することができる。本発明によれば、それらの演算を行うことによりタービン出口側温度とタービン出口側圧力とを精度良く算出することができる。
更に、この発明によれば、コンプレッサのハウジングとインペラの間に形成されるコンプレッサクリアランスを検出することができる。タービンホイルとインペラは機械的に連結されているため、タービンクリアランスの変動量とコンプレッサクリアランスの変動量との間には一定の相関が生ずる。本発明によれば、その相関に従うことにより、コンプレッサクリアランスに基づいてタービンクリアランスを正確に推定することができる。
[実施の形態1のシステム構成]
図1(A)は、本発明の実施の形態1の構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、内燃機関に組み込まれる過給機、具体的にはターボチャージャ10を備えている。ターボチャージャ10は、内燃機関の吸気通路に組み込まれるコンプレッサ12と、内燃機関の排気通路に組み込まれるタービン14とを備えている。
ターボチャージャ10を備える内燃機関においては、その運転状態を精度良く制御するために、コンプレッサ12の下流における状態量、つまり、コンプレッサ出口側温度T3および圧力P3を正確に検知することが望まれる。また、排気通路に配置される触媒の状態を精度良く制御するため等の目的から、タービン12の下流における状態量、つまり、タービン出口側温度T7および圧力P7を正確に検知することも望まれる。
図2は、ECU50が、上記の機能を実現するために、より具体的には、コンプレッサ出口側温度T3およびコンプレッサ出口側圧力P3を精度良く算出するために実行するルーチンのフローチャートである。図2に示すルーチンでは、先ず、スロットル通過空気流量GaTHが算出される(ステップ100)。
P3=(P3/PO)*P0 ・・・(1)
T3=[[{(P3/P0)(κ-1)/κ−1}/ηC]+1]*T1 ・・・(2)
図4は、ECU50が、タービン出口側温度T7およびタービン出口側圧力P7を精度良く算出するために実行するルーチンのフローチャートである。ECU50は、図4に示すルーチンを実行することにより、コンプレッサ出口側状態量を算出する場合と実質的に同じ手順でタービン出口側温度T7およびタービン出口側圧力P7を算出することができる。
P7=(P7/P4)*P4 ・・・(3)
T7=[1−ηT*{1−(P4/P7)(κ-1)/κ}]*T4 ・・・(4)
[実施の形態2の特徴]
次に、図6および図7を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。本実施形態のシステムは、図1に示すハードウェア構成を用いて、ECU50に、後述する図6に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
図6は、コンプレッサ出口側の状態量を算出するために本実施形態においてECU50が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図6において、上記図2に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
[実施の形態3におけるシステム構成]
次に、図8乃至図11を参照して、本発明の実施の形態3について説明する。図8は、本実施形態のシステムの構成を説明するための図である。尚、図8において、図1に示す構成要素と同一の要素については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
(コンプレッサクリアランスCLIC,CLOCの算出)
上述した実施の形態2の説明において述べた通り、コンプレッサの圧力比変化量ΔPCおよび効率変化量ηCは、それぞれコンプレッサクリアランスCLIC,CLOCとの間に有意な相関を有している。そして、それらの値は、コンプレッサクリアランスCLIC,CLOCを変数とするモデル式により、ΔPC=f(CLIC,CLOC,N,P3/P0)、ΔηC=g(CLIC,CLOC,N,ηC)として推定することができる。
コンプレッサ12のインペラ20と、タービン14のタービンホイル30とは、同一の回転軸により機械的に連結されている。このため、インペラ20とタービンホイル30とは、互いに拘束された状態で一体物として移動する。インペラ20に軸方向の移動が生ずると、コンプレッサ出口側クリアランスCLOCに大きな変化が生じ、同時に、タービン入口側クリアランスCLITにも大きな変化が生ずる。そして、それらの変化量間には実質的に不変の相関が成立する(図1(B)参照)。
(コンプレッサクリアランスCLIC,CLOCの算出)
以下、図10および図11を参照して、上記の機能を実現するために、本実施形態において実行される具体的処理の内容を説明する。図10は、逆関数f-1およびg-1を用いてコンプレッサクリアランスCLIC,CLOCを算出するためにECU50において実行されるルーチンのフローチャートである。尚、図10において、図2或いは図6に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
実圧力比=P3/P0 ・・・(5)
実コンプレッサ効率ηc={(P3/P0)(κ-1)/κ−1}/ {(T3/T1)−1}・・・(6)
図11は、タービンクリアランスCLIT,CLOTを演算により求め、更に、その結果を利用してタービン出口側状態量を算出するためにECU50が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図11において、図4に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
12 コンプレッサ
14 タービン
20 インペラ
30 タービンホイル
26,28,38,40 ギャップセンサ
52,56 温度センサ
54,58 圧力センサ
50 ECU(Electronic Control Unit)
CLIC コンプレッサ入口側クリアランス
CLOC コンプレッサ出口側クリアランス
CLIT タービン入口側クリアランス
CLOT タービン出口側クリアランス
P0 コンプレッサ入口側圧力
T0 コンプレッサ入口側温度
P3 コンプレッサ出口側圧力
T3 コンプレッサ出口側温度
P4 タービン入口側圧力
T4 タービン入口側温度
P7 タービン出口側圧力
T7 タービン出口側温度
GaTH スロットル通過空気流量
Q4 タービン流入空気流量
ηC コンプレッサ効率
ηT タービン効率
N ターボ回転数
ΔPC 圧力変化量
ΔηC 効率変化量
Claims (10)
- 内燃機関の吸気通路に配置されたコンプレッサと、内燃機関の排気通路に配置されたタービンとを含む過給機と、
前記タービンのハウジングとタービンホイル間のクリアランスをタービンクリアランスとして検出するタービンクリアランス検出手段と、
前記タービンクリアランスに基づいて、前記コンプレッサのハウジングとインペラ間のクリアランスをコンプレッサクリアランスとして検出するコンプレッサクリアランス検出手段と、
内燃機関の筒内に流入する空気流量を検出する手段と、
過給機回転数を検出する手段と、
コンプレッサ入口側温度を検出する手段と、
コンプレッサ入口側圧力を検出する手段と、
前記コンプレッサクリアランス、前記空気流量、および前記過給機回転数に基づいてコンプレッサ前後の圧力比であるコンプレッサ圧力比を算出するコンプレッサ圧力比算出手段と、
前記コンプレッサクリアランス、前記空気流量、および前記過給機回転数に基づいてコンプレッサ効率を算出するコンプレッサ効率算出手段と、
前記コンプレッサ圧力比と前記コンプレッサ入口側圧力とに基づいてコンプレッサ出口側圧力を推定する手段と、
前記コンプレッサ効率と前記コンプレッサ入口側温度と前記コンプレッサ圧力比とに基づいてコンプレッサ出口側温度を推定する手段と、
を備えることを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。 - 前記コンプレッサ圧力比算出手段は、
前記空気流量および前記過給機回転数に基づいて、基準のコンプレッサクリアランスに対応するコンプレッサ圧力比基準値を算出する手段と、
前記コンプレッサクリアランスに基づいて、前記コンプレッサ圧力比に生ずると予測されるコンプレッサ圧力比変動量を算出する手段と、
前記コンプレッサ圧力比基準値に前記コンプレッサ圧力比変動量を加えることにより前記コンプレッサ圧力比を算出する手段と、
を含むことを特徴とする請求項1記載の過給機付き内燃機関の制御装置。 - 前記コンプレッサ効率算出手段は、
前記空気流量および前記過給機回転数に基づいて、基準のコンプレッサクリアランスに対応するコンプレッサ効率基準値を算出する手段と、
前記コンプレッサクリアランスに基づいて、前記コンプレッサ効率に生ずると予測されるコンプレッサ効率変動量を算出する手段と、
前記コンプレッサ効率基準値に前記コンプレッサ効率変動量を加えることにより前記コンプレッサ効率を算出する手段と、
を含むことを特徴とする請求項1または2記載の過給機付き内燃機関の制御装置。 - 前記タービンクリアランス検出手段は、
タービン入口側圧力を検出する手段と、
タービン出口側圧力を検出する手段と、
前記タービン入口側圧力、および前記タービン出口側圧力に基づいて、タービン前後の実圧力比である実タービン圧力比を算出する手段と、
前記タービンに流入するタービン流入空気流量を検出する手段と、
過給機回転数を検出する手段と、
前記タービンクリアランス、前記タービン流入空気流量、および前記過給機回転数と、タービン前後の圧力比であるタービン圧力比との間に成立するタービン圧力比関係を記憶するタービン圧力比関係記憶手段と、
前記タービン圧力比関係に、前記タービン流入空気流量、前記過給機回転数、および前記実タービン圧力比を当てはめることにより、前記タービンクリアランスを算出する手段と、
を含むことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項記載の過給機付き内燃機関の制御装置。 - 前記タービンクリアランス検出手段は、
タービン入口側温度を検出する手段と、
タービン入口側圧力を検出する手段と、
タービン出口側温度を検出する手段と、
タービン出口側圧力を検出する手段と、
前記タービン入口側圧力、前記タービン出口側圧力、前記タービン入口側温度、および前記タービン出口側温度に基づいて、タービンの実効率である実タービン効率を算出する手段と、
前記タービンに流入するタービン流入空気流量を検出する手段と、
過給機回転数を検出する手段と、
前記タービンクリアランス、前記タービン流入空気流量、および前記過給機回転数と、タービン効率との間に成立するタービン効率関係を記憶するタービン効率関係記憶手段と、
前記タービン効率関係に、前記タービン流入空気流量、前記過給機回転数、および前記実タービン効率を当てはめることにより、前記タービンクリアランスを算出する手段と、
を含むことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項記載の過給機付き内燃機関の制御装置。 - 内燃機関の吸気通路に配置されたコンプレッサと、内燃機関の排気通路に配置されたタービンとを含む過給機と、
前記コンプレッサのハウジングとインペラ間のクリアランスをコンプレッサクリアランスとして検出するコンプレッサクリアランス検出手段と、
前記コンプレッサクリアランスに基づいて、前記タービンのハウジングとタービンホイル間のクリアランスをタービンクリアランスとして検出するタービンクリアランス検出手段と、
内燃機関の筒内からタービンに流入するタービン流入空気流量を検出する手段と、
過給機回転数を検出する手段と、
タービン入口側温度を検出する手段と、
タービン入口側圧力を検出する手段と、
前記タービンクリアランス、前記タービン流入空気流量、および前記過給機回転数に基づいてタービン前後の圧力比であるタービン圧力比を算出するタービン圧力比算出手段と、
前記タービンクリアランス、前記タービン流入空気流量、および前記過給機回転数に基づいてタービン効率を算出するタービン効率算出手段と、
前記タービン圧力比と前記タービン入口側圧力とに基づいてタービン出口側圧力を推定する手段と、
前記タービン効率と前記タービン入口側温度と前記タービン圧力比とに基づいてタービン出口側温度を推定する手段と、
を備えることを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。 - 前記タービン圧力比算出手段は、
前記タービン流入空気流量および前記過給機回転数に基づいて、基準のタービンクリアランスに対応するタービン圧力比基準値を算出する手段と、
前記タービンクリアランスに基づいて、前記タービン圧力比に生ずると予測されるタービン圧力比変動量を算出する手段と、
前記タービン圧力比基準値に前記タービン圧力比変動量を加えることにより前記タービン圧力比を算出する手段と、
を含むことを特徴とする請求項6記載の過給機付き内燃機関の制御装置。 - 前記タービン効率算出手段は、
前記タービン流入空気流量および前記過給機回転数に基づいて、基準のタービンクリアランスに対応するタービン効率基準値を算出する手段と、
前記タービンクリアランスに基づいて、前記タービン効率に生ずると予測されるタービン効率変動量を算出する手段と、
前記タービン効率基準値に前記タービン効率変動量を加えることにより前記タービン効率を算出する手段と、
を含むことを特徴とする請求項6または7記載の過給機付き内燃機関の制御装置。 - 前記コンプレッサクリアランス検出手段は、
コンプレッサ入口側圧力を検出する手段と、
コンプレッサ出口側圧力を検出する手段と、
前記コンプレッサ入口側圧力、および前記コンプレッサ出口側圧力に基づいて、コンプレッサ前後の実圧力比である実コンプレッサ圧力比を算出する手段と、
内燃機関の筒内に流入する空気流量を検出する手段と、
過給機回転数を検出する手段と、
前記コンプレッサクリアランス、前記空気流量、および前記過給機回転数と、コンプレッサ前後の圧力比であるコンプレッサ圧力比との間に成立するコンプレッサ圧力比関係を記憶するコンプレッサ圧力比関係記憶手段と、
前記コンプレッサ圧力比関係に、前記空気流量、前記過給機回転数、および前記実コンプレッサ圧力比を当てはめることにより、前記コンプレッサクリアランスを算出する手段と、
を含むことを特徴とする請求項6乃至8の何れか1項記載の過給機付き内燃機関の制御装置。 - 前記コンプレッサクリアランス検出手段は、
コンプレッサ入口側温度を検出する手段と、
コンプレッサ入口側圧力を検出する手段と、
コンプレッサ出口側温度を検出する手段と、
コンプレッサ出口側圧力を検出する手段と、
前記コンプレッサ入口側圧力、前記コンプレッサ出口側圧力、前記コンプレッサ入口側温度、および前記コンプレッサ出口側温度に基づいて、コンプレッサの実効率である実コンプレッサ効率を算出する手段と、
前記コンプレッサに流入する空気流量を検出する手段と、
過給機回転数を検出する手段と、
前記コンプレッサクリアランス、前記空気流量、および前記過給機回転数と、コンプレッサ効率との間に成立するコンプレッサ効率関係を記憶するコンプレッサ効率関係記憶手段と、
前記コンプレッサ効率関係に、前記コンプレッサ流入空気流量、前記過給機回転数、および前記実コンプレッサ効率を当てはめることにより、前記コンプレッサクリアランスを算出する手段と、
を含むことを特徴とする請求項6乃至9の何れか1項記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
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