JP6824376B2 - 圧縮機速度をモデル化する方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機速度をモデル化する方法に関し、特にターボチャージャにおける圧縮
機速度をモデル化する方法に関する。

本発明は、トラック、バス、建築機械等の大型車両に適用可能である。本発明の説明で
はトラックを用いるが、このような特定の車両に限定されるものではなく、航空システム
や海洋システム等、ターボチャージャ装置を利用する他の用途にも適用可能である。

ターボチャージャは車両コンポーネントであり、対応する内燃機関（代表的にはディー
ゼルエンジン）と共に用いられる。ターボチャージャは排気エネルギーの一部を回収して
、この回収エネルギーを用いて内燃機関の燃焼室へ流入する吸気を圧縮するように構成さ
れている。ターボチャージャは、通常、内燃機関の効率と出力を上げるために設けられて
いる。

ターボチャージャは、排気流のエネルギーを自らの回転運動に変換するタービン、吸気
を圧縮するためにタービンに回転可能に接続された圧縮機、及び、タービン及び圧縮機を
回転軸やベアリング等と共に収納したハウジングの３つの主要コンポーネントを有する。

ターボチャージャの回転部品の損耗をモニタするためには、タービン或いは圧縮機の速
度を求めることが望ましい。特に、圧縮機の損耗は、主に低サイクル疲労と高サイクル疲
労とに分類され、低サイクル疲労は圧縮機速度の変動が比較的小さい場合に相当し、高サ
イクル疲労は圧縮機速度が比較的急激に（かつ大きく）変化する場合に相当する。疲労は
結果として圧縮機の材料組織を実質的に変化させ、これにより圧縮機が突然破損してしま
う可能性がある。多くの場合、このような破損の結果、ターボチャージャ全体が作動不能
となり、車両の停止や、高コストなターボチャージャの修理又は交換が必要となる。

圧縮機速度をモニタする様々な解決方法が提案されているが、とりわけ、物理的な速度
センサを圧縮機に配置することが提案されている。しかしながら、直近では、物理センサ
を、圧縮機速度を推定するための圧縮機速度モデルに置き換える方法が提案されている。

二段階式ターボチャージャの速度をモデル化する１つの方法が米国特許出願公開第２０
０９/０３１４０８２号に記載されている。ここでは、各タービンの速度が別々にモデル
化されタービン間の温度及び圧力並びに大気圧値を速度推定のための入力値として用いて
いる。米国特許出願公開第２００９/０３１４０８２号においては、必要な入力データを
得るために多数の物理センサを必要としているが、速度モデル化方法によれば、この必要
なセンサ数を減らすことができ好適であろう。

本発明の目的は、上述した従来技術による問題を解決する、圧縮機速度をモデル化する
方法を提供することにある。

第１の態様によれば、上記目的は請求項１に記載の方法によって達成される。第２の態
様によれば、上記目的は請求項１１に記載の方法によって達成される。第３の態様によれ
ば、上記目的は請求項１７に記載のコンピュータプログラムによって達成される。第４の
態様によれば、上記目的は請求項１８に記載のコンピュータ読取可能媒体によって達成さ
れる。第５の態様によれば、上記目的は請求項１９に記載の制御装置によって達成される
。第６の態様によれば、上記目的は請求項２０に記載の制御装置によって達成される。第
７の態様によれば、上記目的は請求項２２に記載の制御装置によって達成される。第８の
態様によれば、上記目的は請求項２４に記載の制御装置によって達成される。第９の態様
によれば、上記目的は請求項２６に記載の制御装置によって達成される。第１０の態様に
よれば、上記目的は請求項２８に記載の車両によって達成される。

圧縮機前後の温度差を求め、この温度差を圧縮機速度モデルの入力値として用いること
で、圧縮機速度モデル用に入力データを提供する大気圧センサを設ける必要がなくなる。

このため、ターボチャージャにおける圧縮機速度をモデル化する方法は、
i）圧縮機前後の温度差を求めるステップと、
ii）圧縮機を通る質量流量を求めるステップと、
iii）圧縮機速度値を圧縮機前後の温度差と質量流量との関数として算出するステップと
、を含むものとして提供される。

一実施形態では、上記方法は、回収された（recovered）排気流が圧縮機の下流に導入
されているか判定するステップをさらに含む。さらに、質量流量を求めるステップは、圧
縮機を出た排気の質量流量を求め、この質量流量を、回収された排気流に対応する係数に
よって補正することで実行される。回収された排気流によって生じる効果が加わることで
、モデル化方法の精度が向上する。

一実施形態では、圧縮機前後の温度差を求めるステップは、圧縮機の下流の温度を推定
し、大気温度の測定値から圧縮機の下流の温度の推定値を減算することで実行される。物
理温度センサを圧縮機の近くに配置することは難しいので、圧縮機のすぐ下流の推定温度
によって、結果的に、より正確な温度差が得られるであろう。

一実施形態では、圧縮機の下流の温度を推定するステップは、吸気口マニホルドにおけ
る温度を測定し、この温度を、対応する冷却装置前後の温度損失に対応した係数を用いて
補正することで実行される。これにより圧縮機速度をモデル化する方法の精度がさらに向
上する。

一実施形態では、上記方法は、圧縮機前後の圧力比を求めるステップをさらに含む。さ
らに、圧縮機速度値を算出するステップは、圧縮機速度値を圧力比の関数として算出する
ことで実行される。圧縮機前後の圧力比が圧縮機速度をモデル化する方法の入力値として
含められることで、精度がさらに向上する。

一実施形態では、圧縮機前後の圧力比を求めるステップは、大気圧が、高地環境に対応
して予め設定された大気圧の参照値を下回っているかを判定し、下回っていれば、大気圧
を、予め設定された大気圧の参照値に固定し、大気圧の参照値でブースト圧を除算するこ
とで実行される。本実施形態によれば、高地環境も考慮される。このことは圧縮機速度を
モデル化する際の精度を上げるのに非常に効果的である。さもなければ圧縮機速度を高く
見積もる恐れがあるため、これにより、高地環境において不要なトルク減少及び低サイク
ル疲労の算出ミスを防ぐことが可能である。

一実施形態では、圧縮機速度値を算出するステップは、圧力比を入力値として用いて圧
縮機速度値を推定し、推定した圧縮機速度値及び実際の大気圧から圧縮機速度値を補正し
た値を算出することで実行される。これにより精度の高いモデル性能が得られることが分
かっている。

また、第２の態様によれば、ターボチャージャの圧縮機速度をモデル化する方法が提供
される。上記方法は、
i）大気圧を求めるステップと、
ii）大気圧が、高地環境に対応して予め設定された大気圧の参照値を下回っているかを判
定して、下回っていれば、大気圧を、予め定められた大気圧の参照値に設定するステップ
と、
iii）ブースト圧及び大気圧から圧力比を求めるステップと、
iv）圧力比を入力値として用いて圧縮機速度値を推定するステップと、
v）推定した圧縮機速度値と実際の大気圧とから圧縮機速度値を補正した値を算出するス
テップと、を含む。
上記同様、このことは圧縮機速度をモデル化する際の精度を向上させるのに非常に効果
的である。さもなければ圧縮機速度を高く見積もる恐れがあるため、これにより、高地環
境において不要なトルク減少及び低サイクル疲労の算出ミスを防ぐことが可能である。

一実施形態では、上記方法は、圧縮機前後の温度差を求めるステップと、圧縮機を通る
質量流量を求めるステップと、圧力比、圧縮機前後の温度差、及び、質量流量の関数とし
て圧縮機速度値を算出するステップと、をさらに含む。

一実施形態では、上記方法は、回収された排気流が圧縮機の下流に導入されているか判
定するステップをさらに含み、上記の質量流量を求めるステップは、圧縮機を出た排気の
質量流量を求め、この質量流量を、回収された排気流に対応する係数によって補正するこ
とで実行する。

一実施形態では、圧縮機前後の温度差を求める上記ステップは、圧縮機の下流の温度を
推定し、大気温度の測定値から圧縮機の下流の温度の推定値を減算することで実行される
。

一実施形態では、圧縮機の下流の温度を推定する上記ステップは、吸気口マニホルドに
おける温度を測定し、この温度を、対応する冷却装置前後の温度損失に対応した係数を用
いて補正することで実行される。

また、コンピュータプログラムが提供され、このコンピュータプログラムは、コンピュ
ータ上で実行されるときに上記態様のいずれかに記載のステップを実行するプログラムコ
ード手段を有する。

また、コンピュータ読取可能媒体が提供され、このコンピュータ読取可能媒体はコンピ
ュータプログラムを保持し、このコンピュータプログラムは、コンピュータ上で実行され
るときに上記態様のいずれか１つのステップを実行するプログラムコード手段を有するコ
ンピュータ読取可能媒体を提供する。

また、ターボチャージャの圧縮機速度をモデル化するための制御装置を提供する。この
制御装置は、上記の第１及び第２の態様に係る方法のステップを実行するように構成され
ている。

また、ターボチャージャの圧縮機速度をモデル化するための制御装置を提供する。この
制御装置は、プロセッサ及びメモリを有し、該メモリにはプロセッサにより実行可能な命
令が含まれている。制御装置は、圧縮機前後の温度差を求め、圧縮機を通る質量流量を求
め、圧縮機速度値を圧縮機前後の温度差と質量流量との関数として算出するように動作可
能である。

一実施形態では、上記制御装置はさらに、上記の第１又は第２の態様に係る方法を実行
するように動作可能である。

また、ターボチャージャの圧縮機速度をモデル化するための制御装置を提供する。この
制御装置は、プロセッサ及びメモリを有し、該メモリにはプロセッサにより実行可能な命
令が含まれている。制御装置は大気圧を求めて、この大気圧が、高地環境に対応して予め
設定された大気圧の参照値を下回っているかを判定し、下回っていれば、大気圧を、予め
設定された大気圧の参照値に固定し、ブースト圧及び大気圧の参照値から圧力比を求め、
この圧力比を入力値として用いて圧縮機速度値を推定し、推定した圧縮機速度値及び実際
の大気圧力から圧縮機速度値を補正した値を算出するように動作可能である。

一実施形態では、上記制御装置は上記第２の態様に係る方法を実行するようにさらに動
作可能である。

また、ターボチャージャの圧縮機速度をモデル化するための制御装置を提供する。この
制御装置は、圧縮機前後の温度差を求めるように構成された第１モジュールと、圧縮機を
通る質量流量を求めるように構成された第２モジュールと、圧縮機速度値を圧縮機前後の
温度差と質量流量との関数として算出するように構成された第３モジュールと、を含む。

一実施形態では、上記制御装置は上記第１の態様に係る方法を実行するように構成され
た追加モジュールをさらに含む。

また、ターボチャージャの圧縮機速度をモデル化するための制御装置を提供する。この
制御装置は、大気圧を求めるように構成された第１モジュールと、大気圧が、高地環境に
対応して予め設定された大気圧の参照値より下回っているかを判定し、下回っていれば大
気圧を予め設定された大気圧の参照値に固定するように構成された第２モジュールと、ブ
ースト圧及び大気圧の参照値から圧力比を求めるように構成された第３モジュールと、圧
力比を入力値として用いて圧縮機速度値を推定するように構成された第４モジュールと、
推定した圧縮機速度値及び実際の大気圧から圧縮機速度値を補正した値を算出するように
構成された第５モジュールと、を有する。

一実施形態では、制御装置は上記第２の態様に係る方法を実行するように構成された追
加モジュールをさらに有する。

また、上記態様に係る制御装置を備えた車両を提供する。

以下に添付図面を参照しつつ、本発明の一例としての実施形態をより詳細に説明する。

一実施形態に係る車両を示す側面図である。 一実施形態に係る内燃機関を示す模式図である。 一実施形態に係る制御装置を示す模式図である。 一実施形態に係る制御装置を示す模式図である。 一実施形態に係る車両のエンジントルクの関数としてエンジン回転速度を示した図である。 異なる実施形態に係る方法を示した模式図である。 異なる実施形態に係る方法を示した模式図である。

まず、図１に車両１０を示す。トラックとして図示する車両１０は、車両１０を駆動す
るための内燃機関１００を有している。以下においてさらに説明するように、車両１０の
内燃機関１００はターボチャージャ装置１３０及び制御装置２００を備えている。車両１
０は、ターボチャージャ装置１３０に作用する排気流を生じる少なくとも１つのエンジン
を有する限り、電気駆動装置等の推進装置を追加で具備してもよい。したがって車両１０
はトラックに限定されるものではなく、バスや建設機械等の様々な車両であってよい。

図２に内燃機関１００の一例を示す。内燃機関１００は、ディーゼルエンジンやガソリ
ンエンジン等、燃料を燃焼するように動作する複数のシリンダ１０４を備えたシリンダ部
１０２を有し、これによりシリンダ１０４内を往復運動するピストンの動きをクランクシ
ャフト１１０の回転運動へと変換する。クランクシャフト１１０は、駆動要素（図示省略
）にトルクを与える変速機（図示省略）にさらに連結されている。トラック等の大型車両
の場合、駆動要素は車輪であるが、建設機械や海洋での用途等、その他の機械に内燃機関
１００を用いることも可能である。

内燃機関１００はさらに排気システム１２０を有している。排気システム１２０は、排
気流エネルギーの少なくとも一部を回収し、内燃機関１００の性能を高める目的を果たす
ものである。図示の例では、排気はシリンダ１０４から出て排気マニホルド１０６に流入
する。排気マニホルド１０６は、ターボチャージャ装置１３０の排気入口１３２にさらに
接続されている。排気流によりタービンハウジング内に配置されたタービン１３４を回転
させ、この回転が軸１３５を介して対応する圧縮機１３６の回転に変換される。圧縮機１
３６は、圧縮機ハウジング内に配置され、シリンダ１０４に導かれる前の流入空気を圧縮
するために用いられる。

吸気口１４０を介して流入した空気は圧縮機１３６と相互に作用する。圧縮機１３６の
下流で、すなわち、流入空気が圧縮された後に、この空気は空気導管１４２に沿って、シ
リンダ１０４に接続された吸気口マニホルド１４４へ案内される。給気冷却器等の冷却装
置１４６を空気導管１４２に設けてもよい。

排気を回収するために、排気流の一部を、空気導管１４２を介してシリンダ１０４に再
循環させてもよい。このために、バイパス通路１０８の一端を、排気マニホルド１０６と
ターボチャージャ１３０の排気入口１３２との間における排気流路に接続してもよい。バ
イパス通路１０８の他端は、圧縮機１３６の下流のどこかで空気導管１４２に接続される
。

圧縮機１３６の速度をモデル化するために制御装置２００も設けられている。制御装置
２００はプロセッサ２０２及びメモリ２０４を備え、メモリ２０４にはプロセッサ２０２
によって実行可能な命令が含まれている。

メモリ２０４は、限定するものではないが、ＥＰＲＯＭ（若しくはＥＥＰＲＯＭ）、Ｓ
ＲＡＭ（若しくはＳＤＲＡＭ）及びフラッシュメモリを含む公知のメモリ技術によって具
現化可能であり、磁気ディスク又は光ディスク等の二次記憶装置を含んでもよい。物理的
には、メモリ２０４は論理レベル上でメモリ２０４を共に構成する１つ若しくは複数のユ
ニットから成る。幾つかの実施形態において、メモリ２０４は、制御装置２００の別のコ
ンポーネント内の記憶領域によって少なくとも部分的に具現化可能である。プロセッサ２
０２は、制御装置２００の演算を全て請け負っている。プロセッサ２０２は、例えば、所
望の機能を実行可能なＰＬＣ、ＣＰＵ及び／またはＤＳＰによって具現化可能である。

このため、制御装置２００は回収された排気流が圧縮機の下流に導入されているか判定
するように構成された更なるモジュールを有してもよい。したがって、質量流量を求める
ためのモジュール２１２は、圧縮機から出た排気の質量流量を求め、この質量流量を、回
収された排気流に対応する係数によって補正するように構成してもよい。

幾つかの実施形態において、モジュール２１０は、圧縮機の下流の温度を推定し、大気
温度の測定値から圧縮機の下流の温度の推定値を減算することで、圧縮機前後の温度差を
求めるように構成されてもよい。

この態様は図３に示す温度差を用いた第１の態様と好適に組み合わせることができる。
このように組み合わせることで、圧縮機速度のモデルを改良できる。一方で、この態様は
、大気圧を入力値として用いる他の圧縮機速度のモデルと組み合わせることも可能である
。

図５を参照してモデルの校正について説明する。この校正方法は、上記の式によって示
唆されるように、直接実行されてもよい。適当なテストサイクルが好適に設けられ、この
テストサイクルは参照して校正するために用いられる。このため、サイクル中の繰り返し
状態によって意図せず校正値を一方へ偏らせてしまう反復サイクルを設けないことが好ま
しい。したがって、モデルの校正方法としては、図５に示す図に基づいてエンジン回転速
度やトルクを変化させたランダムなテストサイクルを生成する。テストサイクルが通常の
駆動サイクルを表すものであるとより好適である。エンジン回転速度及びトルクの組み合
わせが、エンジン回転速度に対して最大トルクとなる関係を満たすものであると好適であ
る。そして、推定器によって与えられる値を用いることで、ターボチャージャの回転部品
をモニタし、これらの部品の現在の「損耗」状態を含む情報バンクを生成して、車両の自
己診断に利用することができる。

圧縮機速度モデルの多項式を校正する案が図５に示されている。エンジン回転速度及び
トルクのメッシュが形成され、ここではモデル校正のために偏りのない広範なデータが得
られるように、任意の点間にランダムウォークを適用している。

図６には、ターボチャージャの圧縮機速度をモデル化する方法３００が模式的に示され
ている。この方法は、圧縮機前後の温度差を求める第１ステップ３０２と、圧縮機を通る
質量流量を求める第２ステップ３０４と、を含む。ステップ３０６がその後実行され、圧
縮機速度値を圧縮機前後の温度差と質量流量との関数として算出する。最終ステップ３０
８が実行され、制御装置２００に関して上述した内容に合わせて、モデル化された圧縮機
速度値が装置に送信される。上記方法は上述したような追加のステップを行うことができ
る。

図７には、ターボチャージャの圧縮機速度をモデル化するための別の方法４００が模式
的に示されている。方法４００は、大気圧を求める第１ステップ４０２と、この大気圧が
、高地環境に対応して予め設定された大気圧の参照値を下回っているかを判定する第２ス
テップ４０４と、を含む。下回っていれば、方法４００は、大気圧を、予め設定された大
気圧の参照値に固定する。第３ステップ４０６では、ブースト圧及び大気圧から圧力比を
求める。ステップ４０８では、圧力比を入力値として用いて圧縮機速度値を推定する。ス
テップ４１０では、推定した圧縮機速度値と実際の大気圧とから圧縮機速度値を補正した
値を算出する。追加のステップを実行してもよく、例えば、制御装置２００に関して上述
した内容に合わせて、モデル化された速度値を装置に送信してもよい。上記方法において
、上述したような追加のステップを行ってもよい。

特に単純性及び精度の観点から圧縮機速度モデルを向上させるために、図６及び図７に
示す方法３００，４００を好適に組み合わせてもよい。

本発明は、上述及び図示した実施形態に限定されるものでなく、むしろ、当業者であれ
ば特許請求の範囲内において様々な変更や修正が可能であることを理解するであろう。

Claims (6)

1. ターボチャージャにおける圧縮機の速度を制御装置によりモデル化する方法であって、
   前記制御装置が大気圧を求める第１ステップと、
   前記制御装置は、前記大気圧が、高地環境に対応して予め設定された大気圧の参照値を下回っているかを判定し、下回っていれば、前記大気圧を前記予め設定された大気圧の参照値に固定する第２ステップと、
   前記制御装置が、ブースト圧及び前記大気圧から圧力比を求める第３ステップと、
   前記制御装置が、前記圧力比を入力値として用いて前記圧縮機の速度値を推定する第４ステップと、
   前記制御装置が、推定した前記圧縮機の速度値と実際の大気圧とから前記圧縮機の速度値の補正値を算出する第５ステップと、
   を含む方法。
2. 前記制御装置が前記圧縮機前後の温度差を求める第６ステップと、
   前記制御装置が前記圧縮機を通る質量流量を求める第７ステップと、
   前記制御装置が前記圧縮機の速度値を前記圧力比と圧縮機前後の温度差と前記質量流量との関数として算出する第８ステップと、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記圧縮機の速度値を算出する前記第８ステップは、多項式
   
4. 前記制御装置が、前記圧縮機の下流に回収された排気流が導入されているかを判定する第９ステップをさらに含み、
   前記質量流量を求める前記第７ステップは、前記制御装置が、前記圧縮機を出た排気の質量流量を求め、該質量流量を、回収された排気流に対応した係数によって補正することで、実行されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記圧縮機前後の温度差を判定する前記第６ステップは、前記制御装置が、前記圧縮機の下流の温度を推定して、大気温度の測定値から前記圧縮機の下流の温度の推定値を減算することで、実行される請求項２〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記圧縮機の下流の温度を推定する第１０ステップは、前記制御装置が、吸気口マニホルドの温度を測定し、該温度を、前記吸気口マニホルドの上流の冷却装置による温度損失に対応した係数を用いて補正することで、実行される請求項５に記載の方法。