JP6751680B2 - 状態量推定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、コンプレッサーによって圧縮された空気の状態量を推定する状態量推定装置に関する。
エンジンを制御するエンジン制御装置は、エンジンの運転に関わる状態量を検出するセンサーの検出値に基づいて制御対象に対する制御指示値を演算し、その演算した制御指示値を制御対象に出力している。例えば、エンジン制御装置は、燃料を噴射するインジェクターに対する制御指示値を演算するための状態量の１つとして吸入空気量を有している。
こうしたエンジン制御装置における制御ロジックの開発には、例えば特許文献１のように、エンジンの運転に関わる各種状態量の推定値を演算する状態量推定装置を用いたモデルベース開発によって行なわれる場合が少なくない。特許文献１において、エンジン制御装置は、状態量推定装置が演算した各種状態量の推定値をセンサーの検出値として制御指示値を演算している。
特開平１１−０１４５０７号公報
エンジン制御装置の制御ロジックの精度を高めるうえでは状態量推定装置が演算する推定値の精度が高いことが好ましい。そのため、エンジンが吸入する空気を圧縮するコンプレッサーを備えた車両に搭載されるエンジン制御装置のモデルベース開発においては、その圧縮された空気の状態量について高い精度が求められる。
本発明は、コンプレッサーによって圧縮された空気の状態量を高い精度のもとで推定することのできる状態量推定装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決する状態量推定装置は、空気を圧縮するインペラと、前記インペラを収容するハウジングであって前記インペラの圧縮した空気が流入するデフューザーと前記デフューザーの出口面を通じて空気が流入するスクロールとを有する前記ハウジングとを備えたコンプレッサーによって圧縮された空気の状態量を推定する状態量推定装置であって、前記状態量推定装置は、前記インペラが前記デフューザーに吐出する空気の流速であるインペラ出口流速に基づくエネルギーであって前記インペラが空気に付与したエネルギーである全エンタルピ、前記コンプレッサーの断熱圧縮効率、および、前記デフューザーの出口面における空気の流速であるデフューザー出口流速を演算し、前記全エンタルピから前記デフューザー出口流速に基づく運動エネルギーを減算した値を前記断熱圧縮効率に基づき内部エネルギーと圧力エネルギーとに配分し、前記内部エネルギーと前記インペラに圧縮される前の空気の温度である入口温度とを変数に含む演算式により前記出口面に流入する空気の温度である圧縮温度を演算するとともに、前記圧力エネルギーと前記インペラに圧縮される前の空気の圧力である入口圧力とを変数に含む演算式により前記出口面に流入する空気の圧力である圧縮圧力を演算する。
上記構成によれば、入口温度および入口圧力にある空気に対してインペラが付与したエネルギーが全エンタルピに設定され、その全エンタルピが運動エネルギー、内部エネルギー、および、圧力エネルギーの各々へと変換されたうえで圧縮温度および圧縮圧力が演算されている。そのため、これら圧縮温度および圧縮圧力の演算結果に対する精度を高めることができる。
上記構成において、前記状態量推定装置は、前記スクロールにおける空気の圧力である出口圧力を演算し、前記圧縮圧力、前記圧縮温度、および、前記出口圧力を変数に含む演算式により前記出口面を通過する空気の質量流量である吸入空気量を演算することが好ましい。上記構成のように圧縮温度および圧縮圧力を用いて吸入空気量を演算することにより、吸入空気量の演算結果に対する精度を高めることができる。
上記構成において、前記状態量推定装置は、前記圧縮温度の前回値と前記圧縮圧力の前回値とを用いて前記吸入空気量の前回値を体積流量である吸入体積量に変換し、前記吸入体積量に基づいて前記インペラと空気との摩擦に起因する摩擦損失率を演算するとともに、前記吸入体積量から前記インペラに衝突することなく前記デフューザーに流入する空気の体積流量である無衝突流量を減算した衝突流量に基づいて前記インペラに対する空気の衝突に起因する衝突損失率を演算し、前記摩擦損失率と前記衝突損失率とを乗算することにより前記断熱圧縮効率を演算することが好ましい。
上記構成のように、吸入空気量が吸入体積量に変換されると、その吸入体積量に基づいて摩擦損失率を演算することが可能であり、また、その吸入体積量から無衝突流量を減算した衝突流量に基づいて衝突損失率を演算することが可能である。そして、これら摩擦損失率と衝突損失率とを乗算することにより断熱圧縮効率を演算することが可能である。
上記構成において、前記状態量推定装置は、前記圧縮温度の前回値と前記圧縮圧力の前回値とを用いて前記吸入空気量の前回値を体積流量である吸入体積量に変換し、前記吸入体積量を前記出口面における有効開口面積で除算することにより前記デフューザー出口流速を演算してもよい。上記構成によれば、デフューザー出口流速の演算に関する状態量推定装置への負荷を軽減することができる。
上記構成において、前記状態量推定装置は、前記インペラの回転数と前記インペラの外径とに基づいて前記インペラのブレードの外径端における周速であるインペラ出口周速を演算し、前記ブレードの外径端における出口角度に基づいて、前記ブレードの外径端に直交する方向における前記インペラ出口周速の成分を前記インペラ出口流速として演算することが好ましい。上記構成によれば、インペラ出口流速の演算に関する状態量推定装置への負荷を軽減することができる。
状態量推定装置の一実施形態を用いたモデルベース開発の一例を模式的に示すブロック図。 状態量推定装置が適用されるエンジンシステムの概略構成を示す図。 コンプレッサーの断面構造の一例を示す断面図。 コンプレッサーの構成の一例を模式的に示す図。 吸気系モデルの入力値および出力値の一例を示すブロック図。 吸気系モデルの一例を示す機能ブロック図。
図１〜図６を参照して、状態量推定装置の一実施形態について説明する。まず、図１を参照して状態量推定装置を用いたモデルベース開発の概要について説明する。
（モデルベース開発の概要）
図１に示すように、エンジンＥＣＵ５のモデルベース開発では、開発対象であるエンジンＥＣＵ５と、実機の挙動をシミュレーションできる各種のモデルを備えた状態量推定装置６とを用いて行われる。状態量推定装置６は、外気温度や大気圧などの環境条件やエンジンＥＣＵ５からの制御指示値を入力値として各種のシミュレーションを行い、エンジンＥＣＵ５による制御指示値の演算に必要な値、例えば吸入空気量などを出力する。
ターボチャージャーを備えた車両に搭載されるエンジンＥＣＵ５のモデル開発ベースにおいて、状態量推定装置６は、吸気系モデル７、エンジンモデル８、および、排気系モデル９などを備えている。吸気系モデル７は、吸気通路を通じてエンジンに吸入されるまでの空気の状態、例えば、コンプレッサーによって圧縮された空気の状態やインタークーラーに流入する空気の状態、エンジンが吸入する空気の状態などを示す各種の状態量を演算する。エンジンモデル８は、エンジンの出力トルクなどに加え、エキゾーストマニホールドに排出される排気ガスの状態などを示す状態量を演算する。排気系モデル９は、排気通路を通じてエキゾーストマニホールドから外気に排出されるまでの排気ガスの状態、例えばタービンに流入する排気ガスの状態やタービンから流出した排気ガスの状態などを示す各種の状態量を演算する。
（エンジンシステム）
図２を参照してターボチャージャーを備えたエンジンシステムの一例を説明する。
図２に示すように、エンジンシステムは、エンジン１０を備えている。エンジン１０のシリンダーブロック１１には、複数のシリンダー１２が形成されている。各シリンダー１２には、インジェクター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に吸入空気を供給する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には、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を構成するコンプレッサー１８、インタークーラー１９が設けられている。エキゾーストマニホールド１５に接続される排気通路２０には、コンプレッサー１８に連結軸２１を介して連結され、ターボチャージャー１７を構成するタービン２２が設けられている。
このエンジンシステムは、ＥＧＲ装置２３を備えている。ＥＧＲ装置２３は、エキゾーストマニホールド１５と吸気通路１６とを接続するＥＧＲ通路２５を備える。ＥＧＲ通路２５には、水冷式のＥＧＲクーラー２６が設置され、ＥＧＲクーラー２６における吸気通路１６側にＥＧＲ弁２７が設置されている。ＥＧＲ弁２７が開状態にあるとき、排気ガスの一部がＥＧＲガスとして吸気通路１６に導入される。すなわち、シリンダー１２には、ＥＧＲ弁２７が開状態にあるときには空気とＥＧＲガス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は空気のみが作動ガスとして供給される。
こうしたエンジンシステムでは、シリンダー１２には、ターボチャージャー１７によって圧縮されたのちインタークーラー１９で冷却された空気が作動ガスあるいは作動ガスの一部として供給される。そして、シリンダー１２では、インジェクター１３から燃料が噴射されることで混合気が生成され、その混合気が燃焼することにより排気ガスが生成される。この排気ガスは、エキゾーストマニホールド１５に排出されたのち排気通路２０に流入し、タービン２２を駆動して外気へと排出される。
なお、図２に示されている各種の量記号は下記のように定義される。
Ｐｅｘｍ：タービン２２に流入する排気ガスの圧力であるタービン上流圧力Ｐｅｘｍ
Ｔｅｘｍ：タービン２２に流入する排気ガスの温度であるタービン上流温度Ｔｅｘｍ
Ｐｅｘｈ：タービン２２を通過した排気ガスの圧力であるタービン下流圧力Ｐｅｘｈ
Ｐｃｉｎ：インタークーラー１９に流入する空気の圧力であるインタークーラー入口圧力Ｐｃｉｎ
Ｐｂ：吸気通路１６とＥＧＲ通路２５との接続部分よりも下流側における作動ガスの圧力であるブースト圧Ｐｂ
（コンプレッサー）
図３および図４を参照してエンジン１０に供給される空気を圧縮するコンプレッサー１８について説明する。
図３および図４に示すように、コンプレッサー１８は、ハウジング３１と、ハウジング３１に収容され連結軸２１とともに回転することにより空気を圧縮するインペラ３２とを備えている。ハウジング３１は、インペラ３２によって圧縮される前の空気が流通する入口部３３と、インペラ３２の回転によって圧縮された空気が流入するデフューザー３５と、デフューザー３５の出口面３５ａを通じて空気が流入するスクロール３６とを備えている。インペラ３２は、連結軸２１とともに回転するハブ３７に対して複数のブレード３８が一体的に形成されている。ハブ３７の外周面３７ａは、インペラ３２の径方向へ向かって傾斜する形状を有している。各ブレード３８は、インペラ３２の中心軸側の端部である内径端が中心軸に対して内径ｒ１だけ離れた位置に位置し、インペラ３２の中心軸とは反対側の端部である外径端が中心軸に対して外径ｒ２だけ離れた位置に位置している。
コンプレッサー１８において、入口部３３の空気は、連結軸２１を中心として回転するインペラ３２によってエネルギーが付与されることで圧縮され、デフューザー３５に流入する。そして、デフューザー３５の出口面３５ａを通じてスクロール３６に流入する。スクロール３６に流入した空気は、コンプレッサー１８の下流側に位置する吸気通路１６に流入して該吸気通路１６をインタークーラー１９に向かって流れる。
なお、図３に示されている各種の量記号は下記のように定義される。
Ｐｉｎ：入口部３３における空気の圧力である入口圧力Ｐｉｎ
Ｔｉｎ：入口部３３における空気の温度である入口温度Ｔｉｎ
Ｐｃｍｐ：出口面３５ａに流入する直前の空気の圧力である圧縮圧力Ｐｃｍｐ
Ｔｃｍｐ：出口面３５ａに流入する直前の空気の温度である圧縮温度Ｔｃｍｐ
Ｐｏｕｔ：スクロール３６における空気の圧力である出口圧力Ｐｏｕｔ
Ｔｏｕｔ：スクロール３６における空気の温度である出口温度Ｔｏｕｔ
Ａ：出口面３５ａの有効開口面積Ａ
Ｇａ：単位時間あたりに出口面３５ａを通過する空気の質量流量である吸入空気量Ｇａ
また、図４に示されている各種の量記号は下記のように定義される。
ｕ１：ブレード３８の内径端における周速であるインペラ内径周速ｕ１
ｕ２：ブレード３８の外径端における周速であるインペラ外径周速ｕ２
θ：ブレード３８の出口角度θ
ｃ２：インペラ３２が吐出する空気の流速であるインペラ出口流速ｃ２
ｃ３：出口面３５ａを通過する空気の流速であるデフューザー出口流速ｃ３
（吸気系モデル）
図５および図６を参照して状態量推定装置６を構成する吸気系モデル７についてさらに詳しく説明する。
図５に示すように、吸気系モデル７は、入口圧力Ｐｉｎおよび入口温度Ｔｉｎを入力値に含み、圧縮温度Ｔｃｍｐ、圧縮圧力Ｐｃｍｐ、および、吸入空気量Ｇａを出力値に含む。また、吸気系モデル７は、これら圧縮温度Ｔｃｍｐ、圧縮圧力Ｐｃｍｐ、および、吸入空気量Ｇａの出力値を前回値として用いて次の圧縮温度Ｔｃｍｐ、圧縮圧力Ｐｃｍｐ、および、吸入空気量Ｇａを演算する。なお、吸気系モデル７においては、上記出力値を演算するにあたり、演算に関わる状態量について必要に応じて適当な初期値が与えられる。
図６に示すように、吸気系モデル７は、各種の機能部を備えている。
ターボ回転数演算部５１は、連結軸２１の回転数、すなわちインペラ３２の回転数であるターボ回転数Ｎｔｒｂを演算する。ターボ回転数演算部５１は、式（１）のように、タービン駆動トルクτｔｒｂからコンプレッサー駆動トルクτｃｍｐを減算した値を連結軸２１やインペラ３２で構成される回転体の慣性モーメントＩで除算することにより角加速度αを演算する。そして、ターボ回転数演算部５１は、その角加速度αを積算した角速度ωに基づいてターボ回転数Ｎｔｒｂを演算する。
コンプレッサー駆動トルクτｃｍｐは、コンプレッサー１８の出力Ｗｃｍｐをターボ回転数Ｎｔｒｂの前回値で除算することにより演算される。コンプレッサー１８の出力Ｗｃｍｐは、例えば式（２）に対して、断熱圧縮効率ηｃｍｐの前回値、空気の比熱比κ、入口圧力Ｐｉｎ、圧縮圧力Ｐｃｍｐの前回値、吸入空気量Ｇａの前回値、気体定数Ｒ、および、入口温度Ｔｉｎを代入することにより演算される。なお、コンプレッサー駆動トルクτｃｍｐは、吸気系モデル７において演算される構成であってもよいし、他のモデルによる演算値が吸気系モデル７に入力される構成であってもよい。
タービン駆動トルクτｔｒｂは、タービン２２の出力Ｗｔｒｂをターボ回転数Ｎｔｒｂの前回値で除算することにより演算される。タービン２２の出力Ｗｔｒｂは、例えば式（３）に対して、タービン効率ηｔｒｂ、排気ガスの比熱比κ、タービン上流圧力Ｐｅｘｍ、タービン下流圧力Ｐｅｘｈ、タービン上流温度Ｔｅｘｍ、排気ガス流量Ｇｅｘｈ、および、タービン効率ηｔｒｂに基づくタービン２２の出力Ｗｔｒｂをターボ回転数Ｎｔｒｂの前回値で除算することにより演算される。タービン駆動トルクτｔｒｂは、排気系モデル９による演算値が吸気系モデル７に入力される構成であってもよいし、吸気系モデル７に対して必要な状態量が入力されることにより吸気系モデル７において演算される構成であってもよい。
インペラ外径周速演算部５２は、ターボ回転数Ｎｔｒｂに基づくインペラ３２の角速度ωとインペラ３２の外径ｒ２とに基づいてインペラ外径周速ｕ２を演算する。
インペラ出口流速演算部５３は、インペラ３２からデフューザー３５に流入する空気の流速であるインペラ出口流速ｃ２を演算する。インペラ出口流速演算部５３は、出口角度θにあるブレード３８の外径端に直交する方向におけるインペラ外径周速ｕ２の成分をインペラ出口流速ｃ２として演算する。
全エンタルピ演算部５４は、デフューザー３５に流入する空気の全エンタルピＨを演算する。全エンタルピＨは、単位質量あたりの空気が入口部３３からデフューザー３５に流入するまでの間にインペラ３２から与えられるエネルギーであり、詳しくは、運動エネルギー、内部エネルギー、および、圧力エネルギーの総和である。全エンタルピ演算部５４は、コンプレッサー１８に対して予め行った実験の結果やシミュレーションの結果から導出された実験式であってインペラ出口流速ｃ２を変数とする２次の近似式を用いて全エンタルピＨを演算する。
吸入体積量演算部５５は、圧縮圧力Ｐｃｍｐの前回値と圧縮温度Ｔｃｍｐの前回値とを用いて吸入空気量Ｇａの前回値を体積流量である吸入体積量Ｑａに変換する。
摩擦損失率演算部５６は、インペラ３２によって空気が圧縮される際に生じるインペラ３２と空気との摩擦に起因したエネルギーの損失である摩擦損失に関連して、摩擦前のエネルギーに対する摩擦後のエネルギーの割合である摩擦損失率ηｆｒｉｃを演算する。摩擦損失率演算部５６は、コンプレッサー１８に対して予め行った実験の結果やシミュレーションの結果から導出された実験式であって吸入体積量Ｑａを変数とする一次の近似式を用いて摩擦損失率ηｆｒｉｃを演算する。
インペラ内径周速演算部５７は、ターボ回転数Ｎｔｒｂに基づくインペラ３２の角速度ωとインペラ３２の内径ｒ１とに基づいてインペラ内径周速ｕ１を演算する。
無衝突流量演算部５８は、インペラ３２によって圧縮された空気のうちでインペラ３２に衝突することなくデフューザー３５に流入する空気の体積流量である無衝突流量Ｑｓを演算する。無衝突流量演算部５８は、コンプレッサー１８に対して予め行った実験の結果やシミュレーションの結果に基づいて導出された実験式であって、インペラ内径周速ｕ１を変数とする２次の近似式を用いて無衝突流量Ｑｓを演算する。
衝突損失率演算部５９は、インペラ３２に対する空気に衝突に起因するエネルギーの損失に関連して、衝突前のエネルギーに対する衝突後のエネルギーの割合である衝突損失率ηｉｍｐを演算する。衝突損失率演算部５９は、予め行った実験の結果やシミュレーションの結果に基づいて導出された実験式であって衝突流量Ｑｉｍｐ（＝Ｑａ−Ｑｓ）を変数とする２次の近似式を用いて衝突損失率ηｉｍｐを演算する。
断熱圧縮効率演算部６０は、摩擦損失率ηｆｒｉｃと衝突損失率ηｉｍｐとを乗算した値をコンプレッサー１８における断熱圧縮効率ηｃｍｐとして演算する。
デフューザー出口流速演算部６１は、吸入体積量演算部５５の演算した吸入体積量Ｑａを出口面３５ａの有効開口面積Ａで除算することでデフューザー出口流速ｃ３を演算する。有効開口面積Ａは、出口面３５ａにおいて実際に空気が通過する部分の面積である。
運動エネルギー演算部６２は、デフューザー出口流速ｃ３に基づきデフューザー３５の出口面３５ａにおける空気の運動エネルギーｈｖ（＝１／２×ｃ３＾２）を演算する。
温度−圧力エネルギー演算部６３は、全エンタルピＨから運動エネルギーｈｖを減算した値、すなわち出口面３５ａにおいて空気が有する内部エネルギーｈｔと圧力エネルギーｈｐとの和を温度−圧力エネルギーｈｔｐとして演算する。
圧力エネルギー演算部６４は、出口面３５ａにおいて空気が有する圧力エネルギーｈｐを演算する。圧力エネルギー演算部６４は、下記の式（４）に、空気の比熱比κ、温度−圧力エネルギーｈｔｐ、および、断熱圧縮効率ηｃｍｐを代入することにより、圧力エネルギーｈｐを演算する。
なお、式（４）は、コンプレッサー１８において、内部エネルギーｈｔ、圧力エネルギーｈｐ、および、断熱圧縮効率ηｃｍｐが一般的に式（５）（６）（７）で示されることに基づいて導出される。
内部エネルギー演算部６５は、温度−圧力エネルギーｈｔｐから圧力エネルギーｈｐを減算することにより内部エネルギーｈｔを演算する。
圧縮温度演算部６６は、上記式（５）から導出される下記の式（８）に対して、内部エネルギーｈｔ、空気の比熱比κ、気体定数Ｒ、および、入口温度Ｔｉｎを代入することにより圧縮温度Ｔｃｍｐを演算する。
圧縮圧力演算部６７は、上記式（６）から導出される下記の式（９）に対して、入口圧力Ｐｉｎ、圧力エネルギーｈｐ、空気の比熱比κ、気体定数Ｒ、および、入口温度Ｔｉｎを代入することにより圧縮圧力Ｐｃｍｐを演算する。
出口圧力演算部６８は、スクロール３６における空気の圧力である出口圧力Ｐｏｕｔを演算する。出口圧力演算部６８は、インタークーラー１９に流入する空気の流入量Ｇｃｉｎとインタークーラー１９から流出する空気の流出量Ｇｃｏｕｔとの差を積算することによりインタークーラー１９内の空気の重量Ｍを演算する。出口圧力演算部６８は、その重量Ｍをインタークーラー１９の体積Ｖを除算することでインタークーラー１９内の空気の密度ρを演算し、その密度ρに基づいてインタークーラー１９の入口におけるインタークーラー入口圧力Ｐｃｉｎを演算する。そして、出口圧力演算部６８は、スクロール３６からインタークーラー１９までの体積要素の質量保存により出口圧力Ｐｏｕｔを演算する。
吸入空気量演算部６９は、出口面３５ａを通過する空気の質量流量である吸入空気量Ｇａを演算する。吸入空気量演算部６９は、下記に示す式（１０）に対して、出口面３５ａの有効開口面積Ａ、空気の比熱比κ、気体定数Ｒ、圧縮温度Ｔｃｍｐ、圧縮圧力Ｐｃｍｐ、および、出口圧力Ｐｏｕｔを代入することにより吸入空気量Ｇａを演算する。
こうした構成の吸気系モデル７を有する状態量推定装置６において、入口部３３の空気は、デフューザー３５に流入するまでの間にインペラ３２によって全エンタルピＨの分のエネルギーが付与される。この全エンタルピＨは、デフューザー出口流速ｃ３や断熱圧縮効率ηｃｍｐに基づき、デフューザー３５の出口面３５ａにおける運動エネルギーｈｖ、内部エネルギーｈｔ、および、圧力エネルギーｈｐに変換される。そして、内部エネルギーｈｔと入口温度Ｔｉｎとに基づいて圧縮温度Ｔｃｍｐが演算され、圧力エネルギーｈｐ、入口圧力Ｐｉｎ、および、入口温度Ｔｉｎに基づいて圧縮圧力Ｐｃｍｐが演算される。また、それら圧縮温度Ｔｃｍｐおよび圧縮圧力Ｐｃｍｐが式（１０）に代入されることによって、出口面３５ａを通過する空気の質量流量である吸入空気量Ｇａが演算される。
上記実施形態の状態量推定装置によれば、以下に列挙する作用効果が得られる。
（１）吸気系モデル７においては、インペラ３２が付与したエネルギーが各種のエネルギーに変換され、その変換されたエネルギーに基づいて圧縮温度Ｔｃｍｐおよび圧縮圧力Ｐｃｍｐが演算される。そのため、これら圧縮温度Ｔｃｍｐおよび圧縮圧力Ｐｃｍｐの演算結果に対する精度を高めることができる。また、こうした圧縮温度Ｔｃｍｐおよび圧縮圧力Ｐｃｍｐを用いて吸入空気量Ｇａが演算されることにより、吸入空気量Ｇａの精度も高めることができる。
ここで、吸入空気量Ｇａおよび圧縮温度Ｔｃｍｐについては、コンプレッサー１８に対して予め行った実験の結果やシミュレーションの結果から導出されたマップを用いて演算する方法が知られている。こうした演算方法において、吸入空気量Ｇａは、例えば、ターボ回転数Ｎｔｒｂとコンプレッサー１８における圧力比πｃｍｐ（＝Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）とを変数とするマップを用いて演算される。また、圧縮温度Ｔｃｍｐは、例えば、上記圧力比πｃｍｐおよび上記吸入空気量Ｇａを変数とするマップから求められる断熱圧縮効率ηｃｍｐを用いて演算される。しかしながら、こうした演算方法においては、その時々の状態に応じて吸入空気量Ｇａおよび圧縮温度Ｔｃｍｐが一義的に演算されており、これら吸入空気量Ｇａと圧縮温度Ｔｃｍｐとの相互作用について十分な考慮がなされていない。そのため、例えばターボ回転数Ｎｔｒｂといった各種の状態量の変曲点付近における再現性が低く、その演算結果の精度が低い可能性がある。また、２つのマップを用いて１つコンプレッサーの特性を表現しているため、システム同定のために一方のマップを修正した場合にその修正が他方のマップに反映されない場合があり、結果として実機と異なる修正を行ってしまうおそれもある。
この点、上述した構成においては、各種の状態量の前回値に基づいて、全エンタルピＨが演算されるとともに、その全エンタルピＨが運動エネルギーｈｖ、内部エネルギーｈｔ、および、圧力エネルギーｈｐに変換されている。すなわち、任意の時刻における吸入空気量Ｇａ、圧縮圧力Ｐｃｍｐ、および、圧縮温度Ｔｃｍｐは、その時刻の１つ前の時刻における各種の状態量、例えばターボ回転数Ｎｔｒｂ、吸入空気量Ｇａ、圧縮圧力Ｐｃｍｐ、および、圧縮温度Ｔｃｍｐを考慮したうえで演算されている。これにより、吸入空気量Ｇａ、圧縮圧力Ｐｃｍｐ、および、圧縮温度Ｔｃｍｐの演算結果は、各種の状態量の前回値や相互作用が考慮されることで各種の状態量の変曲点付近における再現性が高められる。その結果、各種の状態量の演算結果の精度が高められることとなる。
（２）吸気系モデル７において、断熱圧縮効率ηｃｍｐは、摩擦損失率ηｆｒｉｃと衝突損失率ηｉｍｐとを乗算することにより演算される。摩擦損失率ηｆｒｉｃは、圧縮温度Ｔｃｍｐの前回値と圧縮圧力Ｐｃｍｐの前回値とを用いて吸入空気量Ｇａの前回値を変換した吸入体積量Ｑａを変数とする１次の近似式によって演算される。また、衝突損失率ηｉｍｐは、ターボ回転数Ｎｔｒｂに基づくインペラ内径周速ｕ１を変数とする２次の近似式によって演算される無衝突流量Ｑｓを吸入体積量Ｑａから減算した衝突流量Ｑｉｍｐを変数とする二次の近似式によって演算される。
こうした構成によれば、これら摩擦損失率ηｆｒｉｃおよび衝突損失率ηｉｍｐの演算に関して状態量推定装置６の負荷を軽減することができる。その結果、圧縮温度Ｔｃｍｐ、圧縮圧力Ｐｃｍｐ、および、吸入空気量Ｇａの演算速度を高めることができる。また、摩擦損失率ηｆｒｉｃと衝突損失率ηｉｍｐとが互いに独立したかたちで演算される。そのため、断熱圧縮効率ηｃｍｐを演算するモデルを構築する際の調整を容易に行うことができる。
（３）吸気系モデル７において、デフューザー出口流速ｃ３は、吸入体積量Ｑａを有効開口面積Ａで除算することにより演算される。こうした構成によれば、デフューザー出口流速ｃ３の演算についての状態量推定装置６の負荷を軽減することができる。
（４）吸気系モデル７において、インペラ出口流速ｃ２は、ターボ回転数Ｎｔｒｂに基づくインペラ３２の角速度ω、インペラ３２の外径ｒ２、および、ブレード３８の出口角度θに基づいて演算される。こうした構成によれば、インペラ出口流速ｃ２の演算についての状態量推定装置６の負荷を軽減することができる。
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。
・インペラ出口流速ｃ２は、次のように演算されてもよい。すなわち、例えば、一対のブレード３８の外径端の間にターボ回転数Ｎｔｒｂに応じたインペラ出口流速の勾配を設定する。また、一方のブレード３８の外径端におけるインペラ出口流速を上記実施形態のインペラ出口流速ｃ２に設定し、他方のブレード３８の外径端におけるインペラ出口流速を０に設定する。そして、こうした条件のもとで一対のブレード３８の間における速度分布を求め、その速度分布から演算される平均値をインペラ出口流速ｃ２としてもよい。
・デフューザー出口流速ｃ３は、吸入空気量Ｇａの前回値を変換した吸入体積量Ｑａを有効開口面積Ａで除算する方法に限らず、他の方法で演算されてもよい。
・断熱圧縮効率ηｃｍｐは、式（７）に対して、圧縮圧力Ｐｃｍｐの前回値および圧縮温度Ｔｃｍｐの前回値が代入されることによって演算されてもよいし、断熱圧縮効率演算部６０の演算結果と式（７）の演算結果との平均値であってもよい。
・内部エネルギー演算部６５は、温度−圧力エネルギーｈｔｐから圧力エネルギーｈｐを減算することにより内部エネルギーｈｔを演算する構成に限らず、温度−圧力エネルギーｈｔｐと断熱圧縮効率ηｃｍｐとに基づいて内部エネルギーｈｔを演算する構成であってもよい。
・状態量推定装置６は、コンプレッサー１８によって圧縮された空気の状態量を推定する吸気系モデル７を備えていればよく、エンジンモデル８などを備えていなくともよい。
・状態量推定装置６において、ターボ回転数Ｎｔｒｂを取得する構成は、コンプレッサー駆動トルクτｃｍｐ、タービン駆動トルクτｔｒｂ、および、慣性モーメントＩから演算される角加速度αを積算した角速度ωに基づく構成に限られない。状態量推定装置６は、実際に車両に搭載される構成においては、例えば連結軸２１の回転数を検出するセンサーなどの検出値に基づいてターボ回転数Ｎｔｒｂを取得してもよい。
・状態量推定装置６において、出口圧力Ｐｏｕｔを取得する構成は、インタークーラー入口圧力Ｐｃｉｎに基づく構成に限られない。状態量推定装置６は、実際に車両に搭載される構成においては、例えば出口圧力Ｐｏｕｔを検出するセンサーなどの検出値に基づいて出口圧力Ｐｏｕｔを取得してもよい。
・圧縮温度Ｔｃｍｐおよび吸入空気量Ｇａを演算する状態量推定装置６は、車両に搭載された場合には、ブースト圧Ｐｂを検出するブースト圧センサーに対する自己故障診断（ＯＢＤ：Ｏｎ−Ｂｏａｒｄ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ）に利用することが可能である。ブースト圧Ｐｂの推定値は次のように演算可能である。
例えば、状態量推定装置６は、吸入空気量Ｇａ、圧縮温度Ｔｃｍｐに加えて、吸気通路１６に流入するＥＧＲガスの流量であるＥＧＲガス流入量、吸気通路１６に流入するＥＧＲガスの温度であるＥＧＲガス流入温度を演算する。また、状態量推定装置６は、作動ガスの流量である作動ガス量と作動ガスの温度である作動ガス温度とを演算する。そして、これら吸入空気量Ｇａ、圧縮温度Ｔｃｍｐ、ＥＧＲガス流入量、および、ＥＧＲガス流入温度と、作動ガス量および作動ガス温度とを質量、エネルギーで積分することによりブースト圧Ｐｂの推定値を演算することが可能である。
５…エンジンＥＣＵ、６…状態量推定装置、７…吸気系モデル、８…エンジンモデル、９…排気系モデル、１０…エンジン、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…排気通路、２１…連結軸、２２…タービン、２３…ＥＧＲ装置、２５…ＥＧＲ通路、２６…ＥＧＲクーラー、２７…ＥＧＲ弁、３１…ハウジング、３２…インペラ、３３…入口部、３５…デフューザー、３５ａ…出口面、３６…スクロール、３７…ハブ、３７ａ…外周面、３８…ブレード、５１…ターボ回転数演算部、５２…インペラ外径周速演算部、５３…インペラ出口流速演算部、５４…全エンタルピ演算部、５５…吸入体積量演算部、５６…摩擦損失率演算部、５７…インペラ内径周速演算部、５８…無衝突流量演算部、５９…衝突損失率演算部、６０…断熱圧縮効率演算部、６１…デフューザー出口流速演算部、６２…運動エネルギー演算部、６３…温度−圧力エネルギー演算部、６４…圧力エネルギー演算部、６５…内部エネルギー演算部、６６…圧縮温度演算部、６７…圧縮圧力演算部、６８…出口圧力演算部、６９…吸入空気量演算部。

Claims (5)

  1. 空気を圧縮するインペラと、前記インペラを収容するハウジングであって前記インペラの圧縮した空気が流入するデフューザーと前記デフューザーの出口面を通じて空気が流入するスクロールとを有する前記ハウジングとを備えたコンプレッサーによって圧縮された空気の状態量を推定する状態量推定装置であって、
    前記状態量推定装置は、
    前記インペラが前記デフューザーに吐出する空気の流速であるインペラ出口流速に基づくエネルギーであって前記インペラが空気に付与したエネルギーである全エンタルピ、前記コンプレッサーの断熱圧縮効率、および、前記デフューザーの出口面における空気の流速であるデフューザー出口流速を演算し、
    前記全エンタルピから前記デフューザー出口流速に基づく運動エネルギーを減算した値を前記断熱圧縮効率に基づき内部エネルギーと圧力エネルギーとに配分し、
    前記内部エネルギーと前記インペラに圧縮される前の空気の温度である入口温度とを変数に含む演算式により前記出口面に流入する空気の温度である圧縮温度を演算するとともに、前記圧力エネルギーと前記インペラに圧縮される前の空気の圧力である入口圧力とを変数に含む演算式により前記出口面に流入する空気の圧力である圧縮圧力を演算する
    状態量推定装置。
  2. 前記状態量推定装置は、
    前記スクロールにおける空気の圧力である出口圧力を演算し、
    前記圧縮圧力、前記圧縮温度、および、前記出口圧力を変数に含む演算式により前記出口面を通過する空気の質量流量である吸入空気量を演算する
    請求項１に記載の状態量推定装置。
  3. 前記状態量推定装置は、
    前記圧縮温度の前回値と前記圧縮圧力の前回値とを用いて前記吸入空気量の前回値を体積流量である吸入体積量に変換し、
    前記吸入体積量に基づいて前記インペラと空気との摩擦に起因する摩擦損失率を演算するとともに、前記吸入体積量から前記インペラに衝突することなく前記デフューザーに流入する空気の体積流量である無衝突流量を減算した衝突流量に基づいて前記インペラに対する空気の衝突に起因する衝突損失率を演算し、
    前記摩擦損失率と前記衝突損失率とを乗算することにより前記断熱圧縮効率を演算する
    請求項２に記載の状態量推定装置。
  4. 前記状態量推定装置は、
    前記圧縮温度の前回値と前記圧縮圧力の前回値とを用いて前記吸入空気量の前回値を体積流量である吸入体積量に変換し、
    前記吸入体積量を前記出口面における有効開口面積で除算することにより前記デフューザー出口流速を演算する
    請求項２または３に記載の状態量推定装置。
  5. 前記状態量推定装置は、
    前記インペラの回転数と前記インペラの外径とに基づいて前記インペラのブレードの外径端における周速であるインペラ出口周速を演算し、
    前記ブレードの外径端における出口角度に基づいて、前記ブレードの外径端に直交する方向における前記インペラ出口周速の成分を前記インペラ出口流速として演算する
    請求項１〜４のいずれか一項に記載の状態量推定装置。
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