JP4585277B2 - 質量流導管内の少なくとも一つのアクチュエータの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、質量流導管内の流れ抵抗を変化させるアクチュエータ（調節要素）を制御するための方法に関する。

少なくとも一つのアクチュエータの制御によって質量流導管内の流れ抵抗が変化される、質量流導管内の少なくとも一つのアクチュエータの制御方法が、既に知られている。その際、そのようなアクチュエータには、例えば、燃焼機関の排気ガス系統内の排気ガスターボチャージャーのタービンに並列接続された、バイパス内のバイパス弁がある。該バイパス弁の適切な制御によって、排気ガスターボチャージャーのコンプレッサーの下流側における燃焼機関の吸気管内の希望する過給圧が調節される。

過給された内燃機関の閉ループ制御は、現在では一般に過給圧力を対象として行われる。その場合、コンプレッサーの下流側における吸気管内の圧力が制御量となり、バイパス弁の位置が操作量となる。制御対象系による遅延と、制御量に対する制御機構の作用の仕方が特定の運転領域内で逆転するという事実とによって、物理的モデルをベースとした閉ループ制御は極めて高価なものとなる。バイパス弁の位置或いは過給圧についての目標値を有する定常運転ポイントを全て一つの特性マップを用いて調節できる一方、動的運転様式の場合には困難が生じ、そのために上述のような制御構造では最適の解決策は得られない。

発明が解決使しようとする課題

本発明の課題は、燃焼機関の排気ガス系統内の排気ガスターボチャージャーのタービンに並列接続されたバイパス内のバイパス弁のようなアクチュエータの動的挙動を改善する制御方法を提供することである。

本発明によれば、少なくとも一つのアクチュエータの制御によって質量流導管の流れ抵抗が変化される、質量流導管内の少なくとも一つのアクチュエータの制御方法において、質量流導管内の少なくとも一つのアクチュエータの上流側の圧力が前もって設定され、前もって設定された圧力に依存して、質量流導管の流れ抵抗に関する特性値が求められ、少なくとも一つのアクチュエータが質量流導管の流れ抵抗に関する特性値を調節するために制御される。

本発明に基づく、質量流導管内の少なくとも一つのアクチュエータの制御方法は、質量流導管内の少なくとも一つのアクチュエータの上流側の圧力が前もって設定され、前もって設定された圧力に応じて質量流導管の流れ抵抗に関する特性値が求められ、少なくとも一つのアクチュエータがこの質量流導管の流れ抵抗に関する特性値を調節するために制御されるという利点を持っている。このようにすることによって、前もって設定された圧力が最小の遅延で調節されるので、改善された動的挙動が達成される。このことは、車両の燃焼機関に本発明に基づく方法を適用するために有利であり、その場合に、少なくとも一つのアクチュエータは、排気ガスターボチャージャーのタービンに対して並列接続されたバイパス内のバイパス弁として形成可能である。この場合に、タービンの上流側の希望する排気ガス背圧が最小の遅延で調節され、これによって非常に動的な挙動が実現される。その際には、対応するバイパス弁の制御は、先行制御として既存の過給圧制御装置の中に組み込まれる。

本発明は更に、有利な拡張及び改良が可能である。
流れ抵抗に関する特性値として、少なくとも一つのアクチュエータの開度が選ばれると特に有利である。このようにすることによって、該開度を用いて、前もって設定された圧力の調節のための少なくとも一つのアクチュエータの操作量に直接影響を与えることができ、これによって前もって設定された圧力の可能な限り迅速で精確な調節が実現される。

もう一つの利点は、前もって設定された圧力、質量流導管を流れる質量流量、及び質量流導管内の少なくとも一つのアクチュエータの上流側の質量流の温度から、流れ抵抗の逆数に比例する流量特性値が求められること、及び該流量特性値から流れ抵抗に関する特性値が導き出されることにある。このようにすることによって、流れ抵抗に関して特徴的な値が前もって設定された圧力から、特に簡単に且つほとんどコストを掛けずに導き出される。

アクチュエータとして、質量流導管内のタービンの可変ジオメトリー（寸法形状）或いは質量流導管内のタービンに並列接続されたバイパスのバイパス弁が用いられると、特に有利である。このようにすることによって、希望する排気ガス背圧或いは希望する過給圧の調節のための排気ガスターボチャージャーの応答が加速される。

燃焼機関の場合に、希望する排気ガスフィードバック率の調節のためにも、アクチュエータが燃焼機関の排気ガスフィードバック管路内の排気ガスフィードバック弁として形成されていると、改善され且つ加速された応答特性が達成される。

質量流導管の流れ抵抗に関して調節されるべき特性値で且つ前もって設定された圧力に割り当てられている特性値から、少なくとも一つのアクチュエータの流れ抵抗に関する特性値が決定され且つアクチュエータの制御によって調節されると、特に有利である。このようにすることによって、質量流導管に関して調節されるべき流れ抵抗が、それから導き出された少なくとも一つのアクチュエータの流れ抵抗の調節によって特に簡単に実現される。

複数のアクチュエータが用いられ、且つ質量流導管の流れ抵抗に関する特性値の調節のための制御領域が個々のアクチュエータの流れ抵抗に関する特性値の調節のための個々のアクチュエータの制御領域によって形成されると、特に有利である。このようにすることによって、質量流導管の調節されるべき流れ抵抗が、例えば燃焼機関の多段過給の場合に見られるように、アクチュエータの縦続接続（カスケーディング）を用いて実現される。質量流導管の希望する流れ抵抗の調節のために複数のアクチュエータを使用する場合には、質量流導管の希望する流れ抵抗はまた微分制御的にも調節される。このことは、質量流導管の希望する流れ抵抗の調節のためにより大きな自由度があり、且つ質量流導管の希望する流れ抵抗の実現のために応答時間の削減の手間を背負い込むこと無しに、この自由度を利用することができるということを意味している。

その際、少なくとも二つのアクチュエータの制御領域が一部重複して制御されると特に有利である。このようにすることによって、質量流導管の希望する流れ抵抗がこれ等の両方のアクチュエータの制御によって調節されるという、過渡領域ができる。これによって特に、過給圧或いは排気ガス背圧を制御するために、両方のアクチュエータが、例えば排気ガスターボチャージャーのそれぞれ一つのタービンに対して割り当てられている場合に、許容差が調整される。その際、上記の許容差は、例えば排気ガスターボチャージャーのタービンの応答特性の違いから生成される。

すべてのアクチュエータの制御領域が重複無しに制御されることもまた有利である。このようにすることによって、質量流導管の希望する流れ抵抗の実現のためにできる限り大きな全制御領域が実現される。

質量流導管として燃焼機関の排気ガス系統が選ばれ、その際排気ガスが少なくとも一つのタービン、特に排気ガスターボチャージャーのタービンを駆動する場合、また少なくとも一つのタービンに一つのアクチュエータが割り当てられ、該アクチュエータによってこのタービンの領域内の排気ガス系統の流れ抵抗が排気ガス系内の第一のタービンの上流側の前もって設定された圧力に応じて影響を受ける場合には、本発明に基づく方法の有利な適用例が生まれる。このようにすることによって、希望する過給圧或いは希望する排気ガス背圧の実現のための排気ガスターボチャージャーの反応時間が最小化される。本発明の一つの実施例が図示されており、以下の明細の中で詳しく説明される。

図1には、質量流導管が参照符号１５で示されている。この質量流導管１５は、例えば燃焼機関３５の構成部分とすることができる。燃焼機関３５は、例えば車両を駆動することができる。質量流導管１５にはアクチュエータ１が配置されている。アクチュエータ１は、例えばスロットルバルブとして形成可能である。本例の場合に、質量流導管１５は燃焼機関３５の給気管を示しており、該給気管を通して燃焼機関３５の一つ或いは幾つかのシリンダ１１１、１１２、１１３、１１４に新気を供給することができる。アクチュエータ１については、排気ガスフィードバック弁を考えることもできる。その場合には、質量流導管１５は、燃焼機関３５の排気ガスフィードバック管路を示しており、該管路を通して、燃焼機関３５の排気ガス系統からの排気ガスが燃焼機関３５の給気管の中へフィードバックされる。アクチュエータ１はまた、燃焼機関３５のバイパスにおけるバイパス弁として形成可能である。そのようなバイパスは、例えば燃焼機関３５の給気管内のスロットルバルブを迂回することができ、或いは燃焼機関３５の排気ガス系統２０の中の排気ガスターボチャージャーのタービン或いは燃焼機関３５の給気管の中のコンプレッサーを迂回することができる。アクチュエータ１はまた、燃焼機関３５の排気ガス系統２０の中の排気ガスターボチャージャーのタービンのジオメトリー（寸法形状）を変化させるために使用することができる。質量流導管１５内の質量流の流れ方向は、図１では矢印によって示されている。質量流導管１５は、図１に基づく例によれば、質量流量計４０を含んでおり、該質量流量計は、例えばホットフィルム式エアマスフロー計として形成可能である。その際、エアマスフロー計４０は、質量流導管１５内のアクチュエータ１の上流側に配置される。該エアマスフロー計は、質量流導管１５を通る質量流量ｍ’を測定して、測定値を制御装置６０へ送る。更に質量流導管１５の中には、アクチュエータ１の上流側に温度センサ４５が配置されており、該温度センサはアクチュエータ１の上流側の質量流の温度Ｔ_３を測定して、測定値を制御装置６０へ送る。質量流導管１５のアクチュエータ１の下流側には圧力センサ５０が配置されており、該圧力センサは質量流導管１５内のアクチュエータ１の下流側の圧力ｐ_４を測定して、測定値を制御装置６０へ送る。更に質量流導管１５内のアクチュエータ１の上流側の圧力ｐ_３に関する調節値を、前もって設定する事前設定ユニット５５が備えられている。

アクチュエータ１による圧力損失は、流れ抵抗係数ζを用いて次のように書かれる。

その際、Δｐ＝ｐ_３−ｐ_４であり、ζ_ｋは、質量流導管１５内のｋ番目のアクチュエータのための流れ抵抗係数であり、ｋ＝１…ｎ であり、ｎは質量流導管１５内で用いられているアクチュエータの数に等しい。流れ抵抗係数は、例えば対応するアクチュエータについて実験的に求めることができる。図１によれば、ｎ＝１である。即ち唯一つのアクチュエータだけが用いられている。ρは質量流導管１５を通して輸送される質量の密度であるから、例えば質量流導管１５が燃焼機関３５の給気管として作られている場合には、新気の密度であり、また質量流導管１５が燃焼機関３５の排気ガス系統として作られている場合には、排気ガスの密度である。ｖはアクチュエータ１を通る流れの速度であり、次の関係から求められる。

Ｖ’はアクチュエータ１を通る体積流量である。そこから、質量流量ｍ’は、絞りのように振舞うアクチュエータ１の開口断面積Ａを用いて、次のように表される。

流れ抵抗係数ζ_１、ζ_２の二つの絞りと二つの開口断面積Ａ_１、Ａ_２が並列に接続されると、圧力差Δｐが同じであれば、全質量流ｍ_ｇｅｓ’は次の式で表される。

絞りの開口断面積Ａ_ｋと流れ抵抗係数ζ_ｋとから、電気抵抗の場合と同ようにして流れ抵抗Ｒ_ｋが次のように定められる。

その際、電気抵抗の並列回路の場合と同じ法則が成り立つ。従って質量流導管１５内にｎ個の絞りを並列接続した場合には、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓの逆数は、次の式によって求められる。

その際、Ｒ_１、…、Ｒ_ｎはｎ個の絞りの流れ抵抗とする。
そのような並列回路は、質量流導管１５がｎ個の並列の分岐路に分割され、その際、それ等の各々の分岐路の中に一つのアクチュエータ或いは一つの絞りが配置されている、ということによって形成される。次いで、それ等の分岐路が再び一つにまとめられる。そのような分岐路の中の一つに絞りが配置されていないと、この分岐路の中に、式（５）と同様の手法で流れ抵抗が生まれ、その際、開口断面積は分岐路の有効断面積に相当し、流れ抵抗係数は、例えば実験的に確定することができる。

二つの絞りが直列に接続された場合には、両方の絞りを通して同じ質量流ｍ’が式(３)及び(５)に従って流れる。そこから、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓについて次の式が得られる。

ここで、ｐ_０は第一の絞りの上流側の圧力、ｐ_１は第一の絞りの下流側で且つ第二の絞りの上流側の圧力、ｐ_２は第二の絞りの下流側の圧力である。Ｒ_１は第一の絞りの流れ抵抗であり、Ｒ_２は第二の絞りの流れ抵抗である。

従って、直列接続の場合には、被開法数（根号の中に囲われた数）の中に圧力差Δｐがあり、従ってｎ個の絞りからなる直列接続の場合には、流れ抵抗Ｒ_１、…、Ｒ_ｎの二乗が加え合わされなければならないということに注意しなければならない。

式（１）、（２）及び（５）から、理想気体を通した場合に質量流導管１５内の全流れ抵抗をＲ_ｇｅｓとした時のアクチュエータ１を挟んだ或いは並列及び／又は直列に接続された複数のアクチュエータを挟んだ圧力差Δｐについて、次の式が成り立つ。

ここで、Ｒ_Ｇａｓは理想気体の気体定数である。質量流導管１５を通して新気が流される場合には、Ｒ_Ｇａｓの代わりに新気の時の気体定数Ｒ_{Ｆｒｉｓｃｈｇａｓ}が式（９）の中で用いられ、質量流導管１５を通して排気ガスが流される場合にはＲ_Ｇａｓの代わりに排気ガスの時の気体定数Ｒ_{Ａｂｇａｓ}が式（９）の中で用いられる。その際、ｐ_３とＴ_３は、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓを形成しているアクチュエータ１或いは全てのアクチュエータの上流側の圧力と温度である。更に式（１）から式（９）を導き出すために次の式が成り立つ。

次の式によって表される流量特性値ＤＫＷを導入すると

全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓの逆数について、次の式が成り立つ。

さて、本発明によれば、図１による装置に関して、アクチュエータ１の上流側の調節されるべき圧力ｐ_３が事前設定ユニット５５によって事前設定され、この事前設定値が制御装置６０へ送られるということが考えられている。次いで、制御装置６０が、式（１１）によって、質量流量計４０によって測定された質量流ｍ’、温度センサ４５によって求められたアクチュエータ１の上流側の温度Ｔ_３、アクチュエータ１の上流側の前もって設定された圧力ｐ_３の他に、流量特性値ＤＫＷを求める。次いで式（１２）を用いて、アクチュエータ１の上流側の前もって設定された圧力ｐ_３、圧力センサ５０によって測定されたアクチュエータ１の下流側の圧力ｐ_４、気体定数Ｒ_Ｇａｓ、及び、式（１１）に基づいて求められた流量特性値ＤＫＷから、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓ、即ち、本例の場合には、アクチュエータ１の上流側で前もって定められている圧力ｐ_３を達成するために必要な、アクチュエータ１の流れ抵抗が求められる。Ｒ_Ｇａｓは、制御装置（エンジン制御装置）６０で質量流導管１５を通して導かれる気体について既に知られている。そこでアクチュエータ１は、求められた流れ抵抗が生成されるように制御される。式（５）によって、アクチュエータ１の流れ抵抗係数ζ_ｋが分かっていれば、希望する流れ抵抗の実現のために必要なアクチュエータ１の開口断面積Ａ_ｋを求め、且つ調節することができる。アクチュエータ１の開口断面積Ａ_ｋは、アクチュエータ１の流れ抵抗に関する特性値である。アクチュエータ１が制御装置６０によって、必要な流れ抵抗或いは割り当てられている開口断面積の調節のために制御されると、アクチュエータ１の上流側の前もって定められている圧力ｐ_３が最小の遅延で調節される。その際、開口断面積はアクチュエータ１の開度に対応しているか或いは制御装置６０の中で開度に割り当てられている。かくして、必要な開口断面積の実現のために、アクチュエータ１は、制御装置６０によって制御され、或いは対応する開度の調節のために制御されることができる。それ故、アクチュエータ１の開度もまた、アクチュエータ１の流れ抵抗に関する特性値である。この場合、アクチュエータ１への制御信号に対する流れ抵抗の関係を特性曲線の形にしておくと便利である。

以下の説明では、例として、質量流導管１５が燃焼機関３５の排気ガス系統である場合が想定される。この状況が図２に示されている。
図２では、排気ガス系統が参照符号２０で示されている。その際、４つのシリンダ１１１、１１２、１１３、１１４を備えたエンジンブロック６５には給気管９５を通して新気が送り込まれる。その際、エンジンブロック６５の上流側には、先ず第一の給気冷却器８０が配置されている。第一の給気冷却器８０の上流側には第一のコンプレッサー７０と、第三のバイパス弁９０を備えた第三のバイパスとから成る並列回路が配置されている。この並列回路の上流側には、第二の給気冷却器８５が配置されている。この第二の給気冷却器８５の上流側には、第二のコンプレッサー７５が配置されている。第一のコンプレッサー７０と第二のコンプレッサー７５は、エンジンブロック６５に送られる空気を圧縮する。第一の給気冷却器８０と第二の給気冷却器８５とによって、圧縮された空気が再び冷却される。第三のバイパス弁９０を備えた第三のバイパスによって第一のコンプレッサー７０の圧縮出力が影響され、その際に、第一のコンプレッサー７０から空気が多かれ少なかれ分岐され、第三のバイパス弁９０の開度に応じて第三のバイパス弁９０を通して導かれる。第一のコンプレッサー７０は、第一のシャフト１００を介して、燃焼機関３５の排気ガス系統２０内の第一のタービン２５によって駆動される。その際、この第一のタービン２５には、第一のバイパス弁５を備えた第一のバイパスが並列に接続されている。この並列回路の下流側には、排気ガス系統２０内に第二のタービン３０と、第二のバイパス弁１０を備えた第二のバイパスとから成る並列回路が配置されている。その際、第二のタービン３０は、第二のシャフト１０５を介して第二のコンプレッサー７５を駆動する。第一のコンプレッサー７０、第一のシャフト１００、及び第一のタービン２５が、第一の排気ガスターボチャージャーを形成し、第二のコンプレッサー７５、第二のシャフト１０５、及び第二のタービン３０が第二の排気ガスターボチャージャーを形成している。ここで簡単に、第二の排気ガスターボチャージャーは無く、第一の排気ガスターボチャージャーだけしかないと想定してみよう。第一のバイパス弁５も第一のタービン２５も、それぞれ絞りと考えることができる。かくして、排気ガス系統２０内に二つの絞りから成る並列回路が生まれる。この並列回路の上流側では、圧力ｐ_３と温度Ｔ_３が支配しており、この並列回路の下流側では、圧力ｐ_４が支配している。かくして、並列接続された二つの絞りの全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓは、次の式から得られる。

ここで、Ｒ_１は第一のタービン２５の流れ抵抗であり、Ｒ_２は第一のバイパス弁５の流れ抵抗である。タービンの流れ抵抗は、その特性曲線から求められ且つ近似的に一定であり、その際タービンについては、次の式が当てはまる。

ここで、式（１４）において、Ｖ’はタービンを通る体積流量であり、Ｒはタービンの流れ抵抗である。第一のタービンの流れ抵抗Ｒ_１は制御装置６０の中で既に知られている。かくして、式（１２）によって全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓを求めた後で、式（１３）を用いて第一のバイパス弁５の必要な流れ抵抗Ｒ_２が求められる。次いで、制御装置６０が、例えば第一のバイパス弁５の開口断面積或いは開度の対応する制御によって、上記の流れ抵抗Ｒ_２を調節するために第一のバイパス弁５を制御することができる。全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓは質量流導管、本例の場合には排気ガス系統２０の流れ抵抗に関する特性値である。

さて、次の説明では、図２に基づく、二つの排気ガスターボチャージャーを備えた燃焼機関３５の実現が考察される。この場合には、それぞれ二つの絞りを備えた二つの並列回路から成る一つの直列回路ができる。かくして、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓは、次の式で得られる。

ここで、Ｒ_１は第一のタービン２５の流れ抵抗であり、Ｒ_２は第一のバイパス弁５の流れ抵抗であり、Ｒ_３は第二のタービン３０の流れ抵抗であり、Ｒ_４は第二のバイパス弁１０の流れ抵抗である。その際、第一のタービン２５と第二のタービン３０の流れ抵抗Ｒ_１、Ｒ_３は一定であり且つ制御装置６０の中で既に知られている。

図３には、Ｐを乗算した流量特性値ＤＫＷに対する全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓの逆数の変化のグラフが示されている。但し、

ここで、ｐ_３は前と同様に、第一のタービン２５の上流側で調節されるべき圧力であり、ｐ_４は第二のタービン３０の下流側で支配的な圧力である。積ＤＫＷ・Ｐ の第一の値Ｄ１までは、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓは最大となり、値Ｒ_ｍａｘを取る。この場合に、排気ガス系統内の二つのバイパス弁５、１０は完全に閉じられている。従って、最大流れ抵抗Ｒ_ｍａｘよりも大きな全流れ抵抗を設定することはできない。積ＤＫＷ・Ｐ の第一の値Ｄ１から第二の値Ｄ２までは、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓの逆数は値１／Ｒ_ｍｉｎ１ まで直線的に増加して行き、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓの第一の最小値Ｒ_ｍｉｎ１が到達される。これは、第一のバイパス弁５が完全に開かれている一方、第二のバイパス弁１０は未だ完全に閉じられているという場合である。積ＤＫＷ・Ｐ の第二の値Ｄ２から第三の値Ｄ３までは、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓの逆数は、値 1／Ｒ_ｍｉｎ２ まで直線的に増加して行き、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓの第二の最小値Ｒ_ｍｉｎ２が到達される。これは、第一のバイパス弁５と第二のバイパス弁１０が完全に開かれているという場合である。その後は、即ち第三の値Ｄ３よりも大きな値に対しては、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓは最早それ以上減少せず、従って、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓの逆数は一定のままにとどまる。かくして、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓの調節のための制御領域は、二つの制御領域、即ち排気ガス系統２０内の二つのバイパス弁５、１０の一方によって実行され得る制御領域と既に説明されたように制御装置６０によって排気ガス系統２０内の二つのバイパス弁５、１０によって重複無しに調節される領域とに分けられる。その際、第二のバイパス弁１０が閉じられている時には、第一のバイパス弁５は、第一の最小値Ｒ_ｍｉｎ１と最大の流れ抵抗Ｒ_ｍａｘとの間の全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓを調節するために、完全に閉じられた状態と完全に開かれた状態との間の値に制御される。しかしながら、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓが第二の最小値Ｒ_ｍｉｎ２と第一の最小値Ｒ_ｍｉｎ１との間に無ければならないという場合には、第一のバイパス弁５が完全に開かれている時に、第二のバイパス弁１０が完全に閉じられた状態と完全に開かれた状態との間の値に制御される。第一のバイパス弁５が完全に開かれている時には、過給に関して擬似的に再び、ほとんど専ら第二のタービン３０だけが運転されるという、燃焼機関３５の単段運転が支配的となり得る。別の状態として、二つの制御領域はまた重複することもできるので、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓが、第一のバイパス弁５も第二のバイパス弁１０も、それぞれ完全に閉じられた状態と完全に開かれた状態との間の値に向かって制御装置６０によって制御され、その際には、どちらのバイパス弁５、１０も排気ガス系統２０内で完全に開かれてもいないし完全に閉じられもいないという移行領域が形成される。これによって、確かに全制御領域は幾分縮小されるものの、両方のタービン２５、３０が作動する際の許容差が補正され、例えば、両方のタービン２５、３０が高い回転数で作動されることが回避される。その際には、第二のバイパス弁１０の早期開弁によって第二のタービン３０を高回転数の作動から、従って損傷から守ることができる。第二のバイパス弁１０の早期開弁とは、第二のバイパス弁１０が、第一のバイパス弁５が完全に開かれる前に開かれるということを意味している。

同様に、対応するタービンにバイパス弁を備えたバイパスが並列接続されているのではなく、タービンの領域内での流れ抵抗がタービンのジオメトリー（寸法形状）の可変調節によって行われる、排気ガスターボチャージャーを備えた燃焼機関３５の運転が実現される。この場合には、制御装置が、調節されるべき流れ抵抗に割り当てられたタービンのジオメトリーの調節を、対応するアクチュエータによって行わせる。

バイパス弁の場合には、同様に制御装置６０によって制御される、例えばスロットルバルブ或いはいわゆる排気ガスフラップを考えることができる。
同様に、燃焼機関３５の運転は２つよりも多い排気ガスターボチャージャーを用いても実現され、この場合には全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓが式（６）或いは式（８）によって求められなければならず、２つよりも多い排気ガスターボチャージャー或いは２つよりも多いタービンにそれぞれ一つのアクチュエータが割り当てられている限り、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓのための全制御領域は、図３に準拠して２つよりも多い制御領域に分割される。その際にはまた、個々のタービンに、タービンの領域内の流れ抵抗に影響を与えるためのアクチュエータを割り当てないことも考えることができる。更に、一つの排気ガスターボチャージャーでは、流れ抵抗に影響を与えるためのアクチュエータを関連のタービンに対するバイパス内のバイパス弁として形成し、別の排気ガスターボチャージャーでは流れ抵抗に影響を与えるためのアクチュエータを、該アクチュエータが、関連のタービンのジオメトリーに影響を与えるように、形成することができる。一つのタービンの領域内の流れ抵抗が、複数のアクチュエータによって影響されることもできる。これは、それぞれ一つのバイパス弁を備えた複数のバイパスによって、或いは、バイパス弁を備えた少なくとも一つのパイパスとタービンのジオメトリーに影響を与えるためのアクチュエータとによって、達成することができる。

かくして、本発明に基づく方法を用いて、調節されるべき全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓが計算され、且つ直接少なくとも一つのアクチュエータを通して調節される。これによって非常にダイナミックな走行挙動が可能となる。制御装置６０による少なくとも一つのアクチュエータの上述の制御は、パイロット制御として既存の過給圧調節装置の中へ組み込むこともできる。流量特性値ＤＫＷについての式（１１）から分かるように、排気ガス系統２０を流れる質量流量ｍ’と第一のタービン２５の上流側の排気ガス温度Ｔ_３とは、図２に基づく実施態ようによる排気ガス系統２０内のバイパス弁５、１０の上述の制御にとって中心的な役割を果たしている。図１に基づいて説明されたように、対応する変量（値）は質量流量計４０と温度センサ４５とによって測定することができる。しかしながら、それ等の変量（値）は、当業者には既に知られている手法で燃焼機関３５の運転パラメータからモデル化することもできる。その際、排気ガス温度Ｔ_３については、該温度を前もって定めることができれば有利である。燃焼機関３５の特定の運転ポイントで定常的に調節される排気ガス温度Ｔ_３は、その際例えば、試験台の上で適用される特性マップを用いて、例えば送り込まれた燃料量から当業者には既に知られている手法で求めることのできるエンジン回転数とエンジン負荷とに依存して、前もって定められる。このようにすることによって、直接負荷変動或いは回転数変動に基づいて定常的に到達可能な排気ガス温度Ｔ_３を排気ガス系統２０内のバイパス弁５、１０の制御のために用い、これによってバイパス弁５、１０も又それ等の開度に関して前もって定められた位置へ動かすことができ、かくして、第一のタービン２５の上流側での希望する排気ガス背圧ｐ_３の更に迅速な調節を実現することができる。第二のタービン３０の下流側の圧力ｐ_４もまた、図１による圧力センサ５０のような圧力センサによって測定することができ、或いは当業者には既に知られている手法でモデル化することができる。第二のタービン３０の下流側の排気ガス質量流、排気ガス温度Ｔ_３、及び圧力ｐ_４のモデル化の際には、対応するセンサ類は省略することもできる。もう一つの簡素化は、第二のタービン３０の下流側の圧力ｐ_４が第一のタービン２５の上流側の前もって定められている圧力ｐ_３に対して非常に低い時に実現される。この場合には、第二のタービン３０の下流側の圧力ｐ_４は無視することができるから、式（１２）は次のように簡単化して書くことができる。

排気ガス背圧、即ち第一のタービン２５の上流側における圧力ｐ_３は、エンジン回転数とエンジン負荷とを入力パラメータとする特性マップから運転ポイントに依存して求めることができる。その際、この特性マップの出力パラメータとしての排気ガス背圧ｐ_３は、当該の運転ポイント、それ故実際のエンジン回転数及びエンジン負荷に対して第一のコンプレッサー７０の下流側における給気管９５の中で調節されるべき過給圧力に応じて、当業者には既に知られている手法で事前設定されている。この特性マップはまた、試験台の上で適切に適用可能である。かくして、エンジン回転数及びエンジン負荷に関する実際の運転ポイントのために調節されるべき過給圧力は、排気ガス系統２０内の二つのバイパス弁５、１０の内の少なくとも一つの制御によって簡単に且つ迅速に実現される。

式（１）による絞りの式を用いた計算は、ノズル流れに関するポリトロープ状態変化を簡単化したものである。この計算を基礎とすると、式（１２）に代わって、次の式が成り立つ。

また、Ａ_{T，ｅｆｆ}は、代わりとして用いられたノズルの代替断面積であり、Ψは流量関数であり、ｎはポリトロープ指数である。
かくして、全流れ抵抗は次の式で表される。

しかしながら、この計算は速度が音速付近で生じる流れの場合にのみ当てはまる。上で説明された制御方法についていえば、これによって基本的に何も変わらない。
図４には、図２に示された燃焼機関３５に適用された本発明に基づく方法の流れの例を示した流れ図が示されている。プログラムのスタートの後で、制御装置６０は、プログラムステップト２００で、事前設定ユニット５５の信号から第一のタービン２５の上流側の調節されるべき排気ガス背圧ｐ_３を求める。事前設定ユニット５５は、排気ガス背圧ｐ_３を、例えば既に説明された手法で運転ポイントに依存して特性マップを用いて実際のエンジン回転数と実際のエンジン負荷から求める。次いで、プログラムステップ２０５へ送られる。

プログラムステップ２０５では、制御装置６０が第一のタービン２５の上流側の排気ガス温度Ｔ_３を求める。これは、温度センサ４５の信号の評価によって或いは既に説明されたようにモデル化によって行われる。次いで、プログラムステップ２１０へ送られる。

プログラムステップ２１０では、制御装置６０が、排気ガス質量流量を、質量流量計４０の信号の評価によって或いは既に説明されたようにモデル化によって求める。次いで、プログラムステップ２１５へ送られる。

プログラムステップ２１５では、制御装置６０が、第二のタービン３０の下流側の圧力ｐ_４を、そのために用いられている圧力センサの信号の評価によって或いは既に説明されたようにモデル化によって求める。第二のタービン３０の下流側の圧力ｐ_４が前もって設定されている排気ガス背圧ｐ_３に対して無視される場合には、プログラムステップ２１５は飛び越されることもできる。次いで、プログラムステップ２２０へ送られる。

プログラムステップ２２０では、制御装置６０が、式（１１）に従って、流量特性値ＤＫＷを前もって設定されている排気ガス背圧ｐ_３、排気ガス温度Ｔ_３、及び排気ガス質量流量から求める。次いでプログラムステップ２２５へ送られる。

プログラムステップ２２５では、制御装置６０が、調節されるべき全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓを、式（１２）に従って、第二のタービン３０の下流側の圧力ｐ_４を考慮しながら或いは式（１６）に従って第二のタービン３０の下流側の圧力ｐ_４を考慮しないで求める。次いで、プログラムステップ２３０へ送られる。

プログラムステップ２３０では、燃焼機関３５の排気ガス系統内の二つのバイパス弁５、１０のための制御装置６０が、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓを得るために、それぞれ一つの流れ抵抗を求める。その際には、全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓの逆数の変化の第一の値Ｄ１と第三の値Ｄ３との間の直線領域内で発生する各々の全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓに対して、制御装置６０の中に第一のバイパス弁５のための流れ抵抗と第二のバイパス弁１０のための流れ抵抗との一対の関連の値を収めておくことができる。その際、重複した或いは重複していない制御領域を上に説明されたように実現することができる。その際、制御装置６０は、調節されるべき実際の全流れ抵抗Ｒ_ｇｅｓに割り当てられている一対の値を利用し、それによって第一のバイパス弁５のための調節されるべき流れ抵抗と第二のバイパス弁１０のための調節されるべき流れ抵抗とを得る。次いでプログラムステップ２３５へ送られる。

プログラムステップ２３５では、制御装置がバイパス弁５、１０の流れ抵抗に関連しているバイパス弁５、１０のための制御信号を求める。バイパス弁の流れ抵抗とそれに関連するバイパス弁の制御信号との間の関係は、特性曲線の形にまとめられると便利である。

プログラムステップ２３５では、制御装置６０が、第一のバイパス弁５を、該弁に割り当てられている、調節されるべき流れ抵抗の調節のために、また第二のバイパス弁１０を、該弁に割り当てられている、調節されるべき流れ抵抗の調節のために、制御する。次いでこのプログラムは終了される。

事前設定ユニット５５と制御装置６０は、ソフトウェア及び／又はハードウェアとして車両のエンジン制御装置に装備することができる。
排気ガス背圧ｐ_３によって、圧力比ｐ_３／ｐ_４を介したタービン出力に対する、従ってコンプレッサー出力に対する直接的な影響力の行使が行われ、これからも再び過給圧力が生まれる。

一つのアクチュエータを備えた質量流導管の略図である。 二つの排気ガスターボチャージャーを備えた燃焼機関を示す。 流量特性値に対する質量流導管の全流れ抵抗の逆数の動きを示したグラフである。 本発明に基づく方法の流れの例を示した流れ図である。

符号の説明

１…アクチュエータ
１５…質量流導管
３５…燃焼機関
４０…質量流量計
４５…温度センサ
５０…圧力センサ
５５…事前設定ユニット
６０…制御装置
ｐ_３…質量流導管内のアクチュエータの上流側の圧力
ｐ_４…質量流導管内のアクチュエータの下流側の圧力
Ｔ_３…アクチュエータの上流側の質量流の温度
５…第一のバイパス弁
１０…第二のバイパス弁
２０…排気ガス系統
２５…第一のタービン
３０…第二のタービン
６５…エンジンブロック
７０…コンプレッサー
７５…第二のコンプレッサー
８０…給気冷却器
８５…第二の給気冷却器
９０…第三のバイパス弁
９５…給気管
１００…第一のシャフト
１０５…第二のシャフト
１１１〜１１４…シリンダ
Ｄ１…第一の値（この値までは二つのバイパス弁が完全に閉じられている）
Ｄ２…第二の値（第一のバイパス弁は完全に開かれているが第二のバイパス弁は閉じられている）
Ｄ３…第三の値（二つのバイパス弁が完全に開かれる）

Claims (11)

1. 少なくとも一つのアクチュエータ（１、５、１０）の制御によって質量流導管（１５、２０）の流れ抵抗が変化される、質量流導管（１５、２０）内の少なくとも一つのアクチュエータ（１、５、１０）の制御方法において、
   質量流導管（１５、２０）内の少なくとも一つのアクチュエータ（１、５、１０）の上流側の圧力が前もって設定されること、及び
   前記前もって設定された圧力、質量流導管（１５、２０）を流れる質量流量、及び質量流導管（１５、２０）内の少なくとも一つのアクチュエータ（１、５、１０）の上流側の質量流の温度から、前記流れ抵抗の逆数に比例する流量特性値が求められること、及び
   前記流量特性値から、前記流れ抵抗に関する特性値が導き出されること、
   少なくとも一つのアクチュエータ（１、５、１０）が、前記流れ抵抗に関する特性値を調節するために制御されること、
   を特徴とする質量流導管内の少なくとも一つのアクチュエータの制御方法。
2. 前記流れ抵抗に関する特性値として、流れ抵抗自体が選ばれることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
3. 前記流れ抵抗に関する特性値として、少なくとも一つのアクチュエータ（１、５、１０）の開度が選ばれることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
4. アクチュエータ（１、５、１０）として、質量流導管（１５、２０）内のタービン（２５、３０）の可変ジオメトリーが用いられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の制御方法。
5. アクチュエータ（１、５、１０）として、質量流導管（１５、２０）内のタービン（２５、３０）に並列接続されたバイパスのバイパス弁が用いられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の制御方法。
6. アクチュエータ（１）として、燃焼機関（３５）の給気管（１５）内のスロットルバルブが、或いは排気ガスフィードバック管路内の排気ガスフィードバック弁が用いられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の制御方法。
7. 質量流導管（１５、２０）の流れ抵抗に関して調節され且つ前記前もって設定された圧力に割り当てられた特性値から、少なくとも一つのアクチュエータ（１、５、１０）の流れ抵抗に関する特性値が求められ且つアクチュエータ（１、５、１０）の制御によって調節されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の制御方法。
8. 複数のアクチュエータ（５、１０）が用いられること、及び
   質量流導管（１５、２０）の流れ抵抗に関する特性値の調節のための制御領域が、個々のアクチュエータ（５、１０）の流れ抵抗に関する特性値の調節のための個々のアクチュエータ（５、１０）の制御領域によって形成されること、
   を特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の制御方法。
9. 少なくとも二つのアクチュエータ（５、１０）の制御領域が、重複されて制御されることを特徴とする請求項８に記載の制御方法。
10. 全てのアクチュエータ（５、１０）の制御領域が、重複無しに制御されることを特徴とする請求項８に記載の制御方法。
11. 質量流導管（２０）として燃焼機関（３５）の排気ガス系統が選ばれ、その際排気ガスが少なくとも一つのタービン（２５、３０）を駆動すること、及び
    少なくとも一つのタービン（２５、３０）にアクチュエータ（５、１０）が割り当てられており、該アクチュエータによってタービン（２５、３０）の領域内の排気ガス系統（２０）の流れ抵抗が、排気ガス系統（２０）内の第一のタービン（２５）の上流側の前もって設定された圧力に依存して影響されること、
    を特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の制御方法。

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