JP5988779B2 - 可変容量型ターボチャージャーの制御装置 - Google Patents

Description

本開示の技術は、可変容量型ターボチャージャーの制御装置であって、特にＥＧＲ装置を備えたエンジンに適用される可変容量型ターボチャージャーの制御装置に関する。

従来から、ＮＯｘの低減や燃費の向上を図るために、エンジンの排気側から吸気側へ排気ガスの一部を還流させる排気再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）が知られている。ＥＧＲが実行されるうえでは、吸気側の圧力よりも排気側の圧力が高い状態に維持されていることが必要とされる。そのため、例えば特許文献１では、可変容量型ターボチャージャーを備えたエンジンにおいて、吸気側の圧力が排気側の圧力よりも高くなりやすい高負荷状態においてもＥＧＲが可能となるように可変ノズルの開度が制御される技術が開示されている。

特開２００２−３３２８７９号公報

一方、特許文献１では、エキゾーストマニホールド内の圧力である排気圧力が排気圧力センサーにより検出されている。こうした排気圧力センサーは、シリンダーから排出された直後の排気ガスを検出対象としているため、高い耐熱性が要求されるばかりか排気ガスの熱や排気ガスに含まれる煤の影響を受けて検出精度が低下する虞がある。そして、排気圧力センサーの検出値が実際の排気圧力よりも低くなると、可変ノズルの開口面積を小さくする制御がなされたときに排気圧力が目標値よりも高くなりすぎることで、ポンピングロスが大きくなったりタービンの回転数が高くなりすぎたりする。また、排気圧力センサーの検出値が実際の排気圧力よりも高くなると、可変ノズルの開口面積を大きくする制御がなされたときに排気圧力が低くなりすぎることで、ＥＧＲガスを吸気通路に導入できなくなる虞がある。

本開示の技術は、エキゾーストマニホールド内の圧力を高い精度の下で制御することが可能な可変容量型ターボチャージャーの制御装置を提供することを目的とする。

本開示における可変容量型ターボチャージャーの制御装置の一態様は、ＥＧＲ装置を有するエンジンの運転状態に関する情報を取得する取得部であってエキゾーストマニホールド内の圧力を検出する排気圧力センサーを含まない前記取得部と、前記取得部の取得した情報に基づいて、タービンに流入する排気ガスの流路断面積を変更可能な可変ノズルの開度を制御する制御部と、を備え、前記制御部が、前記タービンに流入する排気ガスの流入量を演算する流入量演算部と、前記タービンに流入する排気ガスの温度である入口温度を演算する入口温度演算部と、前記タービンから流出する排気ガスの圧力である出口圧力を演算する出口圧力演算部と、前記エンジンの運転状態に応じたエキゾーストマニホールド内の目標圧力を演算する目標圧力演算部と、前記流入量、前記入口温度、前記出口圧力、及び前記目標圧力に基づいて、前記可変ノズルの必要開口面積を演算する面積演算部と、
を含む。

本開示における可変容量型ターボチャージャーの制御装置の一態様によれば、可変ノズルの開度を演算するうえで必要な作動ガス量、ＥＧＲの流通量、タービンへの流入量、タービンの出口圧力、及び目標圧力は、エキゾーストマニホールド内の圧力を直接計測した値を用いることなく演算することが可能である。その結果、エキゾーストマニホールド内の圧力を計測することなくエキゾーストマニホールド内の圧力が可変ノズルによって制御されることから、エキゾーストマニホールド内の圧力が高い精度の下で制御される。

本開示における可変容量型ターボチャージャーの制御装置の他の態様では、前記制御部は、前記可変ノズルの開度毎に当該可変ノズルの有効開口面積が規定された開度データが格納された記憶部と、前記必要開口面積と前記開度データとに基づいて前記可変ノズルの開度を演算する開度演算部と、を含む。

ここでいう有効開口面積は、予め行なった実験やシミュレーションの結果により得られる開口面積である。この有効開口面積は、例えば、所定の開度に維持された可変ノズルを有するタービンに対して所定流量の排気ガスを供給し、そのときのタービンの入口における圧力及び温度、及びタービンの出口における圧力に基づいて逆算される可変ノズルの開口面積である。すなわち、本開示における可変容量型ターボチャージャーの制御装置によれば、上記開度データに基づいて可変ノズルの開度が制御されることによって、目標圧力と可変ノズルの開度変更後におけるエキゾーストマニホールド内の圧力との乖離度が小さくなる。その結果、エキゾーストマニホールド内の圧力がさらに高い精度の下で制御される。

本開示における可変容量型ターボチャージャーの制御装置の他の態様では、前記制御部が、前記目標圧力と前記エキゾーストマニホールド内の圧力である排気圧力との差分毎に開度の補正量が規定された補正データが格納された記憶部と、前記排気圧力を演算する排気圧力演算部と、前記排気圧力、前記目標圧力、及び前記補正データに基づいて前記可変ノズルの開度の補正量を演算する補正量演算部と、を含む。

本開示における可変容量型ターボチャージャーの制御装置の他の態様によれば、エキゾーストマニホールド内の圧力である排気圧力が演算され、目標圧力と該排気圧力との差分に応じて可変ノズルの開度が補正される。その結果、可変ノズルの開度が補正されない場合に比べて、製造誤差や経年劣化に対するロバスト性が向上する。

本開示における可変容量型ターボチャージャーの制御装置の他の態様では、前記取得部が、ＥＧＲ弁の上流側でＥＧＲガスの圧力を検出するＥＧＲ圧力センサーを含み、前記制御部が、ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲ圧力センサーよりも上流側でのＥＧＲガスの圧力損失値がＥＧＲガスの流通量毎に規定されたＥＧＲ通路データが格納された記憶部を含み、前記排気圧力演算部が、前記ＥＧＲ圧力センサーの検出値、前記流通量、及び前記ＥＧＲ通路データに基づいて前記排気圧力を演算する。

本開示における可変容量型ターボチャージャーの制御装置の他の態様によれば、ＥＧＲ圧力センサーの検出値に対してＥＧＲ通路データに基づく圧力損失値が加算されることによって、エキゾーストマニホールド内の排気圧力が演算される。

本開示における可変容量型ターボチャージャーの制御装置の他の態様では、前記取得部が、大気圧を検出する大気圧センサーを含み、前記制御部は、前記タービンに流入する排気ガスの流入量毎に当該タービンの下流側における排気ガスの圧力損失値が規定された排気通路データが格納された記憶部を含み、前記出口圧力演算部は、前記大気圧センサーの検出値、前記流入量、及び前記排気通路データに基づいて前記出口圧力を演算する。

本開示における可変容量型ターボチャージャーの制御装置の他の態様によれば、排気通路データにタービンの下流側における排気ガスの圧力損失値が当該タービンへの流入量毎に規定されていることから、大気圧に対して排気通路データから得られる圧力損失値を加算することによって、出口圧力が演算される。その結果、排気通路に圧力センサーを配設する必要がなくなるとともに、排気通路よりも圧力変動の小さい大気圧が基準となって出口圧力が演算されることから、出口圧力の精度が高められる。

本開示の技術における可変容量型ターボチャージャーの制御装置の一実施形態が搭載されるエンジンの概略構成を示す概略構成図。 可変容量型ターボチャージャーの制御装置の構成を機能的に示す機能ブロック図。 排気通路における圧力損失と排気ガスの流入量との関係を示すグラフ。 可変ノズルの開度と有効開口面積との関係を示すグラフ。 ＥＧＲ通路における圧力損失とＥＧＲガスの流通量との関係を示すグラフ。 目標圧力に対する排気圧力の差分と可変ノズルの開度の補正量との関係を示すグラフ。 ＶＮＴ制御装置が実行する処理の流れを示すフローチャート。

以下、本開示における可変容量型ターボチャージャーの制御装置を具体化した一実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。まず、可変容量型ターボチャージャーが搭載されるディーゼルエンジンの全体構成について、図１を参照して説明する。

図１に示されるように、ディーゼルエンジン１０（以下、単にエンジン１０という。）のシリンダーブロック１１には、一列に並んだ４つのシリンダー１２が形成され、各シリンダー１２に作動ガスを供給するためのインテークマニホールド１３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１４とが接続されている。

インテークマニホールド１３に接続される吸気通路１５の上流端には、図示されないエアクリーナーが取り付けられている。吸気通路１５には、ターボチャージャー１６のコンプレッサー１７が取り付けられている。吸気通路１５には、コンプレッサー１７の下流側に、該コンプレッサー１７によって圧縮された吸入空気を冷却するインタークーラー１８が取り付けられている。

一方、エキゾーストマニホールド１４には、排気通路１９が接続されている。排気通路１９には、上述したコンプレッサー１７に連結されるタービン２０が取り付けられている。また、エキゾーストマニホールド１４には、吸気通路１５に接続されて排気ガスの一部を吸気通路１５に導入するＥＧＲ通路２１が接続されている。

ＥＧＲ通路２１には、該ＥＧＲ通路２１を流れる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラー２２が取り付けられている。ＥＧＲクーラー２２の下流側には、ＥＧＲ通路２１の流路断面積を変更可能なＥＧＲ弁２３が取り付けられている。ＥＧＲ弁２３の開度は、図示されないＥＧＲ制御装置によって制御される。ＥＧＲ制御装置は、エンジンの運転状態に応じてＥＧＲ弁２３の基本開度を演算し、その演算した基本開度を基準としてＥＧＲ弁２３を制御する。吸気通路１５には、ＥＧＲ弁２３が開状態にあるときにＥＧＲ通路２１を通じて排気ガスの一部が導入され、シリンダー１２には、排気ガスと吸入空気との混合気体である作動ガスが供給される。なお、以下では、ＥＧＲ通路２１を流れる排気ガスをＥＧＲガスという。

コンプレッサー１７とタービン２０とで構成されるターボチャージャー１６は、タービン２０に可変ノズル２５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２５は、ステッピングモーターを備えたアクチュエーター２６の駆動により開度が変更されることで、エキゾーストマニホールド１４内の圧力及びタービン２０への排気ガスの流入量を調整する。この可変ノズル２５の開度は、ＶＮＴ制御装置５０によって制御される。

ＶＮＴ制御装置５０は、エンジン１０の運転状態に関する情報を取得する取得部としての各種センサーを備えている。例えば、ＥＧＲ通路２１には、ＥＧＲクーラー２２の下流側且つＥＧＲ弁２３の上流側にＥＧＲ圧力センサー３１とＥＧＲ温度センサー３４とが取り付けられている。ＥＧＲ圧力センサー３１は、ＥＧＲ弁２３に流入する直前のＥＧＲガスの圧力であるＥＧＲ圧力Ｐｅｇを所定の制御周期で検出する。ＥＧＲ温度センサー３４は、ＥＧＲ弁２３に流入する直前のＥＧＲガスの温度であるＥＧＲ温度Ｔｅｇを所定の制御周期で検出する。

また、吸気通路１５には、当該吸気通路１５とＥＧＲ通路２１との接続部分よりも下流側に吸気圧力センサー３２が取り付けられている。吸気圧力センサー３２は、吸気通路１５内を流れる作動ガスの圧力である吸気圧力Ｐｗｇを所定の制御周期で検出する。

また、吸気通路１５におけるコンプレッサー１７の上流側には、吸入空気量センサー３６が取り付けられている。吸入空気量センサー３６は、吸気通路１５を流れる吸入空気の質量流量である吸入空気量Ｇａを所定の制御周期で検出する。

また、インテークマニホールド１３には、吸気温度センサー３５が取り付けられている。吸気温度センサー３５は、シリンダー１２に流入する直前の作動ガスの温度である吸気温度Ｔｉｎを所定の制御周期で検出する。

次に、ＶＮＴ制御装置５０の構成について図２〜図７を参照しながら説明する。
図２に示されるように、ＶＮＴ制御装置５０の制御部５１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成されており、各種演算を行なう演算部５２と、各種制御プログラムや各種データが格納される記憶部５３と、アクチュエーター２６を駆動するノズル駆動部５４とを備えている。制御部５１は、記憶部５３に格納された各種制御プログラムや各種データに基づいて各種処理を実行する。

制御部５１には、ＥＧＲ圧力センサー３１からＥＧＲ圧力Ｐｅｇを示す検出信号、吸気圧力センサー３２から吸気圧力Ｐｗｇを示す検出信号が所定の制御周期で入力される。制御部５１には、ＥＧＲ温度センサー３４からＥＧＲ温度Ｔｅｇを示す検出信号、吸気温度センサー３５から吸気温度Ｔｉｎを示す検出信号が所定の制御周期で入力される。制御部５１には、吸入空気量センサー３６から吸入空気量Ｇａを示す検出信号が所定の制御周期で入力される。

また、制御部５１には、エンジン１０の回転速度を検出する回転速度センサー３７からエンジン１０の回転速度ＮＥを示す検出信号が所定の制御周期で入力される。制御部５１には、アクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサー３８からアクセル開度ＡＣＣを示す検出信号が所定の制御周期で入力される。制御部５１には、燃料噴射量を制御する燃料噴射制御部３９から燃料噴射量Ｑｆを示す信号が所定の制御周期で入力される。

また、制御部５１には、ＥＧＲ弁２３の開度を検出するＥＧＲ弁開度センサー４０からＥＧＲ弁２３の開度であるＥＧＲ弁開度ＶＴｅｇｒを示す検出信号が所定の制御周期で入力される。制御部５１には、可変ノズル２５の開度を検出する可変ノズル開度センサー４１から可変ノズル２５の開度であるノズル開度ＶＴｖｎｔを示す検出信号が所定の制御周期で入力される。制御部５１には、大気圧を検出する大気圧センサー４２から大気圧Ｐａｔｍを示す検出信号が所定の制御周期で入力される。

演算部５２の作動ガス量演算部５５は、シリンダー１２に供給される作動ガスの質量流量である作動ガス量Ｇｗｇを演算する。作動ガス量演算部５５は、状態方程式Ｐ×Ｖ＝Ｇｗｇ×Ｒ×Ｔに対して以下に示す値を代入することで作動ガス量Ｇｗｇを演算する。
Ｐ：吸気圧力センサー３２の検出値である吸気圧力Ｐｗｇ
Ｖ：エンジン１０の回転速度ＮＥとエンジン１０の排気量Ｄとの乗算値
Ｔ：吸気温度センサー３５の検出値である吸気温度Ｔｉｎ
Ｒ：気体定数

演算部５２の流通量演算部５６は、ＥＧＲガスの質量流量であるＥＧＲ流通量Ｇｅｇを演算する。流通量演算部５６は、ベルヌーイの定理に基づく式（１）に各種センサーからの検出値に基づく値を代入することによりＥＧＲ流通量Ｇｅｇを演算する。

Ｇ ：ＥＧＲ流通量Ｇｅｇ
Ｐ１：ＥＧＲ圧力センサー３１の検出値であるＥＧＲ圧力Ｐｅｇ
Ｐ２：吸気圧力センサー３２の検出値である吸気圧力Ｐｗｇ
Ｔ１：ＥＧＲ温度センサー３４の検出値であるＥＧＲ温度Ｔｅｇ
Ａ ：ＥＧＲ弁開度センサー４０の検出値であるＥＧＲ弁開度ＶＴｅｇｒに基づくＥＧＲ弁２３の開口面積
κ ：排気ガスの比熱比
Ｒ ：気体定数

演算部５２のＥＧＲ率演算部５７は、作動ガス量Ｇｗｇに対するＥＧＲ流通量Ｇｅｇの割合であるＥＧＲ率ηを演算する。ＥＧＲ率演算部５７は、流通量演算部５６の演算結果であるＥＧＲ流通量Ｇｅｇを作動ガス量演算部５５の演算結果である作動ガス量Ｇｗｇで除算することによってＥＧＲ率η（＝Ｇｅｇ／Ｇｗｇ）を演算する。

演算部５２の入口温度演算部５８は、タービン２０に流入する排気ガスの温度である入口温度Ｔｔｉを演算する。入口温度演算部５８は、作動ガス量演算部５５の演算結果である作動ガス量Ｇｗｇ、ＥＧＲ率演算部５７の演算結果であるＥＧＲ率η、燃料噴射制御部３９からの入力値である燃料噴射量Ｑｆ、及び記憶部５３に格納された温度データ５９に基づいて入口温度Ｔｔｉを演算する。温度データ５９は、作動ガス量Ｇｗｇ、ＥＧＲ率η、燃料噴射量Ｑｆ、これらをパラメーターとして排気ガスの温度が一義的に規定されたデータである。入口温度演算部５８は、作動ガス量Ｇｗｇ、ＥＧＲ率η、及び燃料噴射量Ｑｆに応じた温度を温度データ５９から読み出すことによって入口温度Ｔｔｉを演算する。

演算部５２の目標圧力演算部６０は、エンジン１０の運転状態に適したエキゾーストマニホールド１４内の圧力である目標圧力Ｐｅｍｔを演算する。目標圧力演算部６０は、回転速度センサー３７の検出値である回転速度ＮＥと燃料噴射制御部３９からの入力値である燃料噴射量Ｑｆとに基づいて、エンジン１０の運転状態に応じた目標圧力Ｐｅｍｔを演算する。

演算部５２の流入量演算部６１は、タービン２０に流入する排気ガスの質量流量である流入量Ｇｔｉを演算する。流入量演算部６１は、作動ガス量演算部５５の演算結果である作動ガス量Ｇｗｇから流通量演算部５６の演算結果であるＥＧＲ流通量Ｇｅｇを減算することにより排気ガスの流入量Ｇｔｉを演算する。

演算部５２の出口圧力演算部６２は、タービン２０から流出する排気ガスの圧力である出口圧力Ｐｔｅを演算する。出口圧力演算部６２は、流入量演算部６１の演算結果である流入量Ｇｔｉ、大気圧センサー４２の検出値である大気圧Ｐａｔｍ、及び記憶部５３に格納された排気通路データ６３に基づいて、出口圧力Ｐｔｅを演算する。図３に示されるように、排気通路データ６３は、タービン２０の出口から大気中に排出されるまでの間に排気ガスに生じる圧力損失値ΔＰｅｐがタービン２０への流入量Ｇｔｉに基づく体積流量であるＧｔｉ×（Ｔｔｉ＾１／２）／Ｐｅｍａ毎に規定されたデータである。ここでいうＰｅｍａとは、後述する排気圧力演算部６７の演算結果である排気圧力Ｐｅｍａである。出口圧力演算部６２は、流入量演算部６１の演算結果である流入量Ｇｔｉに応じた圧力損失値ΔＰｅｐを排気通路データ６３から読み出して、その読み出した圧力損失値ΔＰｅｐを大気圧センサー４２の検出値である大気圧Ｐａｔｍに加算することにより出口圧力Ｐｔｅを演算する。

演算部５２の面積演算部６４は、エキゾーストマニホールド１４内の圧力が目標圧力Ｐｅｍｔとなる可変ノズル２５の開口面積である必要開口面積Ａｎｅを演算する。面積演算部６４は、入口温度演算部５８の演算結果である入口温度Ｔｔｉ、流入量演算部６１の演算結果である流入量Ｇｔｉ、出口圧力演算部６２の演算結果である出口圧力Ｐｔｅ、目標圧力演算部６０の演算結果である目標圧力Ｐｅｍｔ、これらを下記のように上記式（１）に代入して必要開口面積Ａｎｅを演算する。
Ｇ ：流入量演算部６１の演算結果である流入量Ｇｔｉ
Ｐ１：目標圧力演算部６０の演算結果である目標圧力Ｐｅｍｔ
Ｐ２：出口圧力演算部６２の演算結果である出口圧力Ｐｔｅ
Ｔ１：入口温度演算部５８の演算結果である入口温度Ｔｔｉ
Ａ ：必要開口面積Ａｎｅ
κ ：排気ガスの比熱比
Ｒ ：気体定数

演算部５２の基本開度演算部６５は、記憶部５３に格納されている開度データ６６に基づいて、必要開口面積Ａｎｅに応じた可変ノズル２５の基本開度ＶＴｓｔｄを演算する。図４に示されるように、開度データ６６は、可変ノズル２５のノズル開度ＶＴｖｎｔ毎に可変ノズル２５の有効開口面積Ａｅｆが規定されたデータである。基本開度演算部６５は、開度データ６６から必要開口面積Ａｎｅに応じた開度を読み出して、その読み出した開度を基本開度ＶＴｓｔｄとして演算する。なお、本実施形態の可変ノズル２５は、ノズル開度ＶＴｖｎｔが大きくなるほど開口面積が小さくなる。

有効開口面積Ａｅｆは、予め行なった実験やシミュレーションの結果により得られる可変ノズル２５の開口面積である。本実施形態では、可変ノズル２５が所定のノズル開度ＶＴｅｘｐに維持されたタービン２０に対して所定の流量Ｇｅｘｐの排気ガスを供給し、そのときのタービン２０の入口における圧力Ｐｅｘｐ１と温度Ｔｅｘｐ、及びタービン２０の出口における圧力Ｐｅｘｐ２を計測した。そして、上記式（１）に対して、Ｇに所定流量Ｇｅｘｐ、Ｐ１に圧力Ｐｅｘｐ１、Ｐ２に圧力Ｐｅｘｐ２、Ｔ１に温度Ｔｅｘｐを代入して開口面積Ａを逆算した。そして、ノズル開度ＶＴｅｘｐを維持したまま流量Ｇｅｘｐを増減させることで得られた開口面積Ａの平均値をノズル開度ＶＴｅｘｐにおける有効開口面積Ａｅｆとした。

演算部５２の排気圧力演算部６７は、記憶部５３に格納されているＥＧＲ通路データ６８に基づいて、エキゾーストマニホールド１４における排気ガスの圧力である排気圧力Ｐｅｍａを演算する。図５に示されるように、ＥＧＲ通路データ６８は、ＥＧＲ通路２１の入口からＥＧＲ圧力センサー３１までの間におけるＥＧＲガスの圧力損失値ΔＰｅｇｒがＥＧＲ流通量Ｇｅｇ毎に規定されたデータである。排気圧力演算部６７は、流通量演算部５６の演算結果であるＥＧＲ流通量Ｇｅｇに応じた圧力損失値ΔＰｅｇｒをＥＧＲ通路データ６８から読み出して、その読み出した圧力損失値をＥＧＲ圧力Ｐｅｇに加算することで排気圧力Ｐｅｍａを演算する。

演算部５２の補正量演算部６９は、記憶部５３に格納されている補正データ７０に基づいて可変ノズル２５の基本開度ＶＴｓｔｄに対する補正量ＶＴｒｅｖを演算する。補正データ７０は、目標圧力演算部６０の演算結果である目標圧力Ｐｅｍｔと排気圧力演算部６７の演算結果である排気圧力Ｐｅｍａとの差分ΔＰｅｍに応じた可変ノズル２５の補正量ＶＴｒｅｖが規定されたデータである。補正量ＶＴｒｅｖは、予め行なった実験やシミュレーションの結果により規定される。

図６に示されるように、補正データ７０には、目標圧力Ｐｅｍｔよりも排気圧力Ｐｅｍａが小さい領域に、可変ノズル２５の開度を基本開度ＶＴｓｔｄよりも大きくして開口面積を小さくする補正量ＶＴｒｅｖが規定されている。また、補正データ７０には、目標圧力Ｐｅｍｔよりも排気圧力Ｐｅｍａが大きい領域に、可変ノズル２５の開度を基本開度ＶＴｓｔｄよりも小さくして開口面積を大きくする補正量ＶＴｒｅｖが規定されている。補正量演算部６９は、目標圧力Ｐｅｍｔから排気圧力Ｐｅｍａを減算した差分ΔＰｅｍに応じた補正量を補正データ７０から読み出すことで補正量ＶＴｒｅｖを演算する。

演算部５２の指示開度演算部７１は、基本開度演算部６５の演算結果である基本開度ＶＴｓｔｄに対して、補正量演算部６９の演算結果である補正量ＶＴｒｅｖを加算することによってＥＧＲ弁２３の目標開度ＶＴｔａｒを演算する。そして、指示開度演算部７１は、可変ノズル２５の開度をノズル開度ＶＴｖｎｔから目標開度ＶＴｔａｒに変更するために必要な開度である指示開度ＶＴｃｏｍを演算し、その演算した指示開度ＶＴｃｏｍをノズル駆動部５４に出力する。

ノズル駆動部５４は、指示開度演算部７１から入力された指示開度ＶＴｃｏｍの分だけ可変ノズル２５の開度を変更するための駆動電力を生成し、その生成した駆動電力をアクチュエーター２６に出力する。

次に、ＶＮＴ制御装置５０が可変ノズル２５の開度を制御する際に実行する処理の流れについて図７を参照して説明する。なお、この処理は、所定の制御周期ごとに実行される。

図７に示されるように、ステップＳ１１において、制御部５１は、各種センサーからの検出信号により各種情報を取得する。制御部５１は、ＥＧＲ圧力Ｐｅｇ、吸気圧力Ｐｗｇ、ＥＧＲ温度Ｔｅｇ、吸気温度Ｔｉｎを取得する。また、制御部５１は、吸入空気量Ｇａ、回転速度ＮＥ、アクセル開度ＡＣＣ、燃料噴射量Ｑｆ、ＥＧＲ弁開度ＶＴｅｇｒ、ノズル開度ＶＴｖｎｔを取得する。

次のステップＳ１２において、制御部５１は、回転速度ＮＥ、燃料噴射量Ｑｆに基づいて、エキゾーストマニホールド１４内の目標圧力Ｐｅｍｔを演算する。
次のステップＳ１３において、制御部５１は、吸気圧力Ｐｗｇ、吸気温度Ｔｉｎ、回転速度ＮＥ、及びエンジン１０の排気量Ｄに基づいて、作動ガス量Ｇｗｇを演算する。また、制御部５１は、ＥＧＲ圧力Ｐｅｇ、吸気圧力Ｐｗｇ、ＥＧＲ温度Ｔｅｇを上記式（１）に代入することによって、ＥＧＲ流通量Ｇｅｇを演算する。また、制御部５１は、上記作動ガス量Ｇｗｇと上記ＥＧＲ流通量Ｇｅｇとに基づいてＥＧＲ率ηを演算する。

次のステップＳ１４において、制御部５１は、上記作動ガス量Ｇｗｇ、ＥＧＲ率η、及び燃料噴射量Ｑｆに応じた温度を温度データ５９から読み出して、その読み出した温度を入口温度Ｔｔｉとして演算する。また、制御部５１は、上記作動ガス量Ｇｗｇから上記ＥＧＲガスのＥＧＲ流通量Ｇｅｇを減算することによってタービン２０への排気ガスの流入量Ｇｔｉを演算する。また、制御部５１は、ＥＧＲ流通量Ｇｅｇに応じたＥＧＲガスの圧力損失値ΔＰｅｇｒをＥＧＲ通路データ６８から読み出す。そして、制御部５１は、その読み出した圧力損失値ΔＰｅｇｒをＥＧＲ圧力センサー３１の検出値であるＥＧＲ圧力Ｐｅｇに加算することによって、エキゾーストマニホールド１４の排気圧力Ｐｅｍａを演算する。そして、制御部５１は、上記流入量Ｇｔｉ、入口温度Ｔｔｉ、排気圧力Ｐｅｍａに応じた圧力損失値を排気通路データ６３から読み出して、その読み出した圧力損失値を大気圧Ｐａｔｍに加算することで、タービン２０の出口圧力Ｐｔｅを演算する。

次のステップＳ１５において、制御部５１は、上記目標圧力Ｐｅｍｔ、入口温度Ｔｔｉ、流入量Ｇｔｉ、出口圧力Ｐｔｅを上記式（１）に代入することによって、可変ノズル２５の必要開口面積Ａｎｅを演算する。また、制御部５１は、上記必要開口面積Ａｎｅに応じた可変ノズル２５の開度を開度データ６６から読み出して、その読み出した開度を基本開度ＶＴｓｔｄとして演算する。

次のステップＳ１６において、制御部５１は、目標圧力Ｐｅｍｔと上記演算された排気圧力Ｐｅｍａとの差分ΔＰｅｍに応じた補正量を補正データ７０から読み出すことで補正量ＶＴｒｅｖを演算する。

次のステップＳ１７において、制御部５１は、上記基本開度ＶＴｓｔｄに上記補正量ＶＴｒｅｖを加算することによって可変ノズル２５の目標開度ＶＴｔａｒを演算する。そして、制御部５１は、可変ノズル開度センサー４１の検出値であるノズル開度ＶＴｖｎｔから目標開度ＶＴｔａｒへ可変ノズル２５の開度を変更するために必要な開度である指示開度ＶＴｃｏｍを演算する。

次のステップＳ１８において、制御部５１は、可変ノズル２５の開度を指示開度ＶＴｃｏｍの分だけ変更するための駆動電力を生成し、その生成した駆動電力をアクチュエーター２６に出力して可変ノズル２５を駆動する。こうして可変ノズル２５は、目標開度ＶＴｔａｒに制御される。

次に、上述したＶＮＴ制御装置５０の作用について説明する。
上述したＶＮＴ制御装置５０では、エキゾーストマニホールド１４内の目標圧力Ｐｅｍｔ、タービン２０における排気ガスの入口温度Ｔｔｉ、タービン２０への排気ガスの流入量Ｇｔｉ、タービン２０における排気ガスの出口圧力Ｐｔｅに基づいて、必要開口面積Ａｎｅが演算される。そして、ＶＮＴ制御装置５０では、開度データ６６に基づいて可変ノズル２５の有効開口面積Ａｅｆが上記必要開口面積Ａｎｅになるように可変ノズル２５の目標開度ＶＴｔａｒが演算される。

上述したように、目標圧力Ｐｅｍｔ、入口温度Ｔｔｉ、流入量Ｇｔｉ、出口圧力Ｐｔｅを演算する際、ＶＮＴ制御装置５０は、エキゾーストマニホールド１４内の圧力を直接計測した値を使用しない。すなわち、エキゾーストマニホールド１４内の圧力が計測されることなく、エキゾーストマニホールド１４内の圧力がＶＮＴ制御装置５０によって制御される。

一方、可変ノズル２５が開状態にあるとき、その開口部分の開口縁には排気ガスと開口縁との摩擦によって流速の著しく遅い境界層が形成される。そのため、この境界層を考慮せずに可変ノズル２５の開度が制御されるとなれば、該境界層の分だけ開口面積が少なくなることで可変ノズル２５の開度に対する排気ガスの流入量が少なくなってしまう。

この点、上述した開度データ６６では、予め行なった実験の結果に基づいて逆算される開口面積Ａを有効開口面積Ａｅｆとしている。また、開度データ６６には、可変ノズル２５のノズル開度ＶＴｖｎｔ毎に有効開口面積Ａｅｆが規定されている。すなわち、開度データ６６には、上記境界層が考慮された開口面積が有効開口面積Ａｅｆとして開度毎に規定されている。こうした開度データ６６に基づいて、可変ノズル２５の開度が制御されることで、目標圧力Ｐｅｍｔと可変ノズル２５の開度変更後におけるエキゾーストマニホールド１４内の圧力との乖離度が小さくなる。すなわち、エキゾーストマニホールド１４内の圧力が高い精度の下で制御される。

その結果、エンジン１０の運転状態に応じて演算されるＥＧＲ弁２３の基本開度を開口面積のより大きな開度に設定すること、エンジン１０の運転状態に応じて演算される目標圧力Ｐｅｍｔをより低い圧力に設定すること、これらが可能となる。それゆえに、エキゾーストマニホールド１４内の圧力に基づくエンジン１０のポンピングロスを低減させることが可能である。また、上記乖離度が小さくなることで、吸気通路１５に還流されるＥＧＲガス量の精度も高められることから、シリンダー１２における混合気の燃焼性もより良好なものになる。

また、排気通路１９やタービン２０、可変ノズル２５には、製造誤差が存在するとともに例えば煤の堆積といった経年劣化も生じる。こうした製造誤差や経年劣化によって可変ノズル２５の開口面積や排気通路１９における圧力損失に誤差が生じる。そのため、製造誤差や経年劣化を考慮せずに可変ノズル２５の開度が制御されるとなれば、可変ノズル２５が同じ開度に制御されたとしても、製造誤差や経年劣化が生じている場合と生じていない場合とで、エキゾーストマニホールド１４内の圧力が互いに異なってしまう。

この点、ＶＮＴ制御装置５０は、エキゾーストマニホールド１４内の圧力である排気圧力Ｐｅｍａを演算し、目標圧力Ｐｅｍｔと該排気圧力Ｐｅｍａとの差分ΔＰｅｍに基づいて補正データ７０から補正量ＶＴｒｅｖを演算する。そして、ＶＮＴ制御装置５０は、その演算した補正量ＶＴｒｅｖを基本開度ＶＴｓｔｄに加算した開度を可変ノズル２５の目標開度ＶＴｔａｒとしている。

そのため、例えば、経年劣化によって排気通路１９における圧力損失が高くなることでエキゾーストマニホールド１４の排気圧力Ｐｅｍａが高くなりやすくなったとしても、可変ノズル２５の目標開度ＶＴｔａｒが基本開度ＶＴｓｔｄよりも小さく（開口面積が大きく）なるように補正される。

その結果、可変ノズル２５の目標開度ＶＴｔａｒが基本開度ＶＴｓｔｄから補正されない場合に比べて、製造誤差や経年劣化に対するロバスト性が向上することから、目標圧力Ｐｅｍｔと可変ノズル２５の開度変更後におけるエキゾーストマニホールド１４内の圧力との乖離度が小さくなる。すなわち、エンジン１０のポンピングロスが効果的に低減されるとともに、シリンダー１２における混合気の燃焼性もより良好なものとなる。

また、上述したＶＮＴ制御装置５０では、出口圧力Ｐｔｅを演算する際には、タービン２０の流入量Ｇｔｉに応じた圧力損失値ΔＰｅｐを排気通路データ６３から読み出して、その読み出した圧力損失値に大気圧Ｐａｔｍを加算している。すなわち、ＶＮＴ制御装置５０では、排気通路１９内よりも圧力変動の少ない大気圧Ｐａｔｍを基準に出口圧力Ｐｔｅが演算される。これにより、排気通路１９に圧力センサーを配設する必要がなくなるとともに、排気通路１９内の圧力を基準とする場合に比べて出口圧力Ｐｔｅの精度が高められる。その結果、出口圧力Ｐｔｅを用いて演算される必要開口面積Ａｎｅの精度も高められる。

また、流通量演算部５６は、ＥＧＲ圧力センサー３１の検出値であるＥＧＲ圧力Ｐｅｇ、吸気圧力センサー３２の検出値である吸気圧力Ｐｗｇ、ＥＧＲ温度センサーの検出値であるＥＧＲ温度Ｔｅｇ、及びＥＧＲ弁開度センサー４０の検出値であるＥＧＲ弁開度ＶＴｅｇｒに基づいてＥＧＲ流通量Ｇｅｇを演算する。そして、ＥＧＲ圧力センサー３１がＥＧＲ弁２３の上流側に配設され、且つ吸気圧力センサー３２がＥＧＲ弁２３の下流側に配設されている。

すなわち、ＥＧＲ弁２３が可変オリフィスとしての機能するため、ＥＧＲ通路に別途オリフィスを配設することなくＥＧＲ流通量Ｇｅｇが演算される。そのため、ＥＧＲ通路に別途オリフィスが配設される場合に比べて、ＥＧＲ通路２１における圧力損失が低減される。その結果、吸気通路１５に導入可能なＥＧＲガスが増量される。また、ＥＧＲ通路２１そのものの流路断面積に基づいてＥＧＲ流通量Ｇｅｇが演算される場合に比べて、圧力差が大きくなることでＥＧＲ流通量Ｇｅｇの演算結果の精度も高められる。

しかも、ＥＧＲ圧力センサー３１及びＥＧＲ温度センサー３４は、ＥＧＲ弁２３とＥＧＲクーラー２２との間に配設されており、ＥＧＲクーラー２２による冷却後のＥＧＲガスであって、ＥＧＲ弁２３に流入する直前のＥＧＲガスの圧力及び温度を計測している。そのため、ＥＧＲクーラー２２に流入するＥＧＲガスの圧力及び温度を検出するセンサーに比べて、ＥＧＲ圧力センサー３１及びＥＧＲ温度センサー３４に要求される熱耐久性が抑えられるとともに、ＥＧＲ弁２３に流入するＥＧＲ圧力Ｐｅｇ及びＥＧＲ温度Ｔｅｇの検出精度も高められる。これにより、ＥＧＲ圧力Ｐｅｇ及びＥＧＲ温度Ｔｅｇを用いて演算されるＥＧＲ流通量Ｇｅｇの精度も高められることから、ＥＧＲ流通量Ｇｅｇを用いて演算される入口温度Ｔｔｉ及び排気圧力Ｐｅｍａ、ひいては、必要開口面積Ａｎｅ及び補正量ＶＴｒｅｖの精度も高められる。

以上説明したように、上記実施形態のＶＮＴ制御装置５０によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
（１）エキゾーストマニホールド１４内の圧力を計測することなく、エキゾーストマニホールド１４内の圧力が制御されることから、エキゾーストマニホールド１４内の圧力が高い精度の下で制御される。

（２）開度データ６６に基づいて可変ノズル２５の開度が制御される。そのため、目標圧力Ｐｅｍｔと可変ノズル２５の開度変更後におけるエキゾーストマニホールド１４内の圧力との乖離度が小さくなることから、エキゾーストマニホールド１４内の圧力がさらに高い精度の下で制御される。

（３）上記（２）により、ＥＧＲ弁２３の基本開度を開口面積のより大きな開度に設定すること、エキゾーストマニホールド１４の目標圧力Ｐｅｍｔをより低い圧力に設定すること、これらが可能である。その結果、エンジン１０のポンピングロスが低減される。

（４）可変ノズル２５の開度が補正データ７０によって補正されることから、製造誤差や経年劣化に対するロバスト性が向上する。
（５）出口圧力Ｐｔｅが大気圧Ｐａｔｍを基準として演算されることから、出口圧力Ｐｔｅの精度が高められる。

（６）上記（５）により、出口圧力Ｐｔｅを用いて演算される必要開口面積Ａｎｅの精度も高められる。
（７）ＥＧＲ弁２３が可変オリフィスとして機能するため、ＥＧＲ通路２１に別途オリフィスが配設される場合に比べて、吸気通路１５に導入可能なＥＧＲガスが増量される。

（８）ＥＧＲ圧力センサー３１及びＥＧＲ温度センサー３４は、ＥＧＲ弁２３とＥＧＲクーラー２２との間に配設されている。そのため、ＥＧＲ圧力センサー３１及びＥＧＲ温度センサー３４に要求される熱耐久性が抑えられるとともに、ＥＧＲ圧力Ｐｅｇ及びＥＧＲ温度Ｔｅｇの検出精度も高められる。

（９）上記（８）により、ＥＧＲ圧力Ｐｅｇ及びＥＧＲ温度Ｔｅｇを用いて演算されるＥＧＲ流通量Ｇｅｇの精度も高められることから、ＥＧＲ流通量Ｇｅｇを用いて演算される入口温度Ｔｔｉ及び排気圧力Ｐｅｍａ、ひいては、必要開口面積Ａｎｅ及び補正量ＶＴｒｅｖの精度も高められる。

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。
・出口圧力Ｐｔｅは、次のように演算されてもよい。すなわち、排気通路１９の途中に該排気通路１９内の圧力を検出する排気通路圧力センサーを取り付ける。また、タービン２０の出口から排気通路圧力センサーまでの圧力損失値を排気ガスの流量毎に規定したデータを記憶部５３に格納しておく。そして、排気通路圧力センサーの検出値に対して上記データから選択される圧力損失値を加算することによって、出口圧力Ｐｔｅが演算されてもよい。

・ＥＧＲ通路２１には、ＥＧＲクーラー２２が配設されていなくともよい。
・ＥＧＲ圧力センサー３１は、ＥＧＲクーラー２２の上流側に配設されていてもよい。このとき、ＥＧＲ流通量Ｇｅｇを演算する際に上記式（１）に代入されるＥＧＲ圧力Ｐｅｇは、必要開口面積Ａｎｅの精度を高めるうえで、ＥＧＲクーラー２２におけるＥＧＲガスの圧力損失が考慮されることが好ましい。

・ＥＧＲ温度センサー３４は、ＥＧＲクーラー２２の上流側に配設されていてもよい。このとき、ＥＧＲ流通量Ｇｅｇを演算する際に上記式（１）に代入されるＥＧＲ温度Ｔｅｇは、必要開口面積Ａｎｅの精度を高めるうえで、ＥＧＲクーラー２２におけるＥＧＲガスの温度変化が考慮されることが好ましい。

・制御部５１は、排気圧力演算部６７、補正量演算部６９、記憶部５３に格納された補正データ７０、これらが割愛された構成であってもよい。すなわち、基本開度ＶＴｓｔｄを目標開度ＶＴｔａｒとして指示開度ＶＴｃｏｍが演算されてもよい。

・可変ノズル２５の開度は、必要開口面積Ａｎｅに応じた有効開口面積Ａｅｆではなく、必要開口面積Ａｎｅそのものに応じた開度に制御されてもよい。
・ＥＧＲ流通量Ｇｅｇは、作動ガス量Ｇｗｇから吸入空気量Ｇａを減算することにより演算されてもよい。

・作動ガス量Ｇｗｇは、上記式（１）を用いて演算されたＥＧＲ流通量Ｇｅｇに対して吸入空気量Ｇａが加算されることにより演算されてもよい。
・ＥＧＲ弁２３の基本開度、エキゾーストマニホールド１４の目標圧力Ｐｅｍｔは、エンジン１０の運転状態に関する情報に基づいて演算されればよく、上記実施形態のように回転速度ＮＥ、燃料噴射量Ｑｆに基づいて演算されるものに限られるものではない。目標圧力Ｐｅｍｔは、例えば、回転速度ＮＥ、燃料噴射量Ｑｆに加えて、アクセル開度ＡＣＣ、吸気圧力Ｐｗｇに基づいて演算されてもよい。

・ＶＮＴ制御装置５０は、１つの電子制御ユニットであってもよいし、複数の電子制御ユニットで構成されていてもよい。
・ＶＮＴ制御装置５０が適用されるエンジンは、ガソリンエンジンであってもよい。

１０…ディーゼルエンジン、１１…シリンダーブロック、１２…シリンダー、１３…インテークマニホールド、１４…エキゾーストマニホールド、１５…吸気通路、１６…ターボチャージャー、１７…コンプレッサー、１８…インタークーラー、１９…排気通路、２０…タービン、２１…ＥＧＲ通路、２２…ＥＧＲクーラー、２３…ＥＧＲ弁、２５…可変ノズル、２６…アクチュエーター、３０…ＥＧＲ制御装置、３１…ＥＧＲ圧力センサー、３２…吸気圧力センサー、３４…ＥＧＲ温度センサー、３５…吸気温度センサー、３６…吸入空気量センサー、３７…回転速度センサー、３８…アクセル開度センサー、３９…燃料噴射制御部、４０…ＥＧＲ弁開度センサー、４１…可変ノズル開度センサー、４２…大気圧センサー、５０…ＶＮＴ制御装置、５１…制御部、５２…演算部、５３…記憶部、５４…ノズル駆動部、５５…作動ガス量演算部、５６…流通量演算部、５７…ＥＧＲ率演算部、５８…入口温度演算部、５９…温度データ、６０…目標圧力演算部、６１…流入量演算部、６２…出口圧力演算部、６３…排気通路データ、６４…面積演算部、６５…基本開度演算部、６６…開度データ、６７…排気圧力演算部、６８…ＥＧＲ通路データ、６９…補正量演算部、７０…補正データ、７１…指示開度演算部。

Claims (5)

1. ＥＧＲ装置を有するエンジンの運転状態に関する情報を取得する取得部であってエキゾーストマニホールド内の圧力を検出する排気圧力センサーを含まない前記取得部と、
   前記取得部の取得した情報に基づいて、タービンに流入する排気ガスの流路断面積を変更可能な可変ノズルの開度を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部が、
   前記タービンに流入する排気ガスの流入量を演算する流入量演算部と、
   前記タービンに流入する排気ガスの温度である入口温度を演算する入口温度演算部と、
   前記タービンから流出する排気ガスの圧力である出口圧力を演算する出口圧力演算部と、
   前記エンジンの運転状態に応じたエキゾーストマニホールド内の目標圧力を演算する目標圧力演算部と、
   前記流入量、前記入口温度、前記出口圧力、及び前記目標圧力に基づいて、前記可変ノズルの必要開口面積を演算する面積演算部と、を含む
   ことを特徴とする可変容量型ターボチャージャーの制御装置。
2. 前記制御部は、
   前記可変ノズルの開度毎に当該可変ノズルの有効開口面積が規定された開度データが格納された記憶部と、
   前記必要開口面積と前記開度データとに基づいて前記可変ノズルの開度を演算する開度演算部と、を含む
   請求項１に記載の可変容量型ターボチャージャーの制御装置。
3. 前記制御部が、
   前記目標圧力と前記エキゾーストマニホールド内の圧力である排気圧力との差分毎に開度の補正量が規定された補正データが格納された記憶部と、
   前記排気圧力を演算する排気圧力演算部と、
   前記排気圧力、前記目標圧力、及び前記補正データに基づいて前記可変ノズルの開度の補正量を演算する補正量演算部と、を含む
   請求項２に記載の可変容量型ターボチャージャーの制御装置。
4. 前記取得部が、
   ＥＧＲ弁の上流側でＥＧＲガスの圧力を検出するＥＧＲ圧力センサーを含み、
   前記制御部が、
   ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲ圧力センサーよりも上流側でのＥＧＲガスの圧力損失値がＥＧＲガスの流通量毎に規定されたＥＧＲ通路データが格納された記憶部を含み、
   前記排気圧力演算部が、
   前記ＥＧＲ圧力センサーの検出値、前記流通量、及び前記ＥＧＲ通路データに基づいて前記排気圧力を演算する
   請求項３に記載の可変容量型ターボチャージャーの制御装置。
5. 前記取得部が、
   大気圧を検出する大気圧センサーを含み、
   前記制御部は、
   前記タービンに流入する排気ガスの流入量毎に当該タービンの下流側における排気ガスの圧力損失値が規定された排気通路データが格納された記憶部を含み、
   前記出口圧力演算部は、
   前記大気圧センサーの検出値、前記流入量、及び前記排気通路データに基づいて前記出口圧力を演算する
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の可変容量型ターボチャージャーの制御装置。

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