JP6542592B2

JP6542592B2 - ターボ過給機付きエンジンの制御装置

Info

Publication number: JP6542592B2
Application number: JP2015117570A
Authority: JP
Inventors: 大志中川; 貴史西尾
Original assignee: Mazda Motor Corp; Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
Current assignee: Mazda Motor Corp; Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2019-07-10
Anticipated expiration: 2035-06-10
Also published as: JP2017002810A

Description

ここに開示された技術は、ターボ過給機付きエンジンの制御装置に関するものである。

この種の技術が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１には、ターボ過給機付きエンジンにおいて、コンプレッサ圧力比及び吸入空気量に基づいてコンプレッサ運転状態を推定し、このコンプレッサ運転状態に基づいてタービン運転状態を推定し、これら推定されたコンプレッサ運転状態及びタービン運転状態に基づいて排気圧力を推定する技術が開示されている。

特開２００９−２０３９１８号公報

ところで、排気通路におけるタービンの上流側の排気の圧力（タービン上流圧力）は、エンジンの制御に用いられる場合がある。タービン上流圧力は、センサで検出できるが、コストやレイアウト上の観点などから、タービン上流圧力を検出するセンサを排気通路に設けていないエンジンもある。そのような場合、タービン上流圧力は、推定により求められる。例えば、タービン下流の排気の圧力（タービン下流圧力）を推定した上で、タービン下流圧力に基づいてタービン上流圧力が推定される。そのため、タービン下流圧力の推定精度を高めることができれば、タービン上流圧力の推定精度を高めることができる。

特許文献１に開示された技術は、タービン通過流量及びタービン回転数に基づいて、タービン下流圧力を推定している。しかしながら、タービン下流圧力は、タービン通過流量及びタービン回転数だけでなく、その他のパラメータにも依存している。つまり、タービン下流圧力の推定精度には、さらに向上させる余地がある。

ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、タービン上流圧力の推定精度を向上させることにある。

ここに開示された技術は、排気通路に設けられたタービン及び吸気通路に設けられたコンプレッサを有するターボ過給機を備えたターボ過給機付きエンジンの制御装置を対象とする。この制御装置は、前記コンプレッサの上流側の吸気の圧力であるコンプレッサ上流圧力と、前記コンプレッサの下流側の吸気の圧力であるコンプレッサ下流圧力と、前記コンプレッサを通過する吸気の流量であるコンプレッサ通過流量とに基づいて、前記コンプレッサの出力であるコンプレッサ出力を推定するコンプレッサ出力推定部と、前記コンプレッサ上流圧力と前記コンプレッサ下流圧力と前記コンプレッサ通過流量とに基づいて、前記コンプレッサの効率であるコンプレッサ効率を推定するコンプレッサ効率推定部と、前記タービンを通過する排気の流量であるタービン通過流量を、前記タービンの上流側と下流側との圧力の比であるタービン圧力比と前記タービン通過流量との関係を定めたタービン通過流量マップを用いて、推定するタービン通過流量推定部と、前記タービンの効率であるタービン効率を、前記タービン圧力比と前記タービン効率との関係を定めたタービン効率マップを用いて、推定するタービン効率推定部と、前記タービンの下流側の排気の圧力であるタービン下流圧力を推定するタービン下流圧力推定部と、前記コンプレッサ出力、前記コンプレッサ効率、前記タービン通過流量、前記タービン下流圧力及び前記タービン効率に基づいて、前記タービンの上流側の排気の圧力であるタービン上流圧力を推定するタービン上流圧力推定部とを備え、前記タービン下流圧力推定部は、前記タービンの下流側の排気系の状態を示すタービン下流側状態値に基づいて前記タービン下流圧力を推定し、前記タービン通過流量推定部及び前記タービン効率推定部はそれぞれ、タービン通過流量マップ及びタービン効率マップを用いて、暫定的に定めたタービン圧縮比から前記タービン通過流量及び前記タービン効率を推定し、前記タービン上流圧力推定部は、前記タービン圧力比、前記タービン通過流量及び前記タービン効率から求まる前記タービンの仕事と、前記コンプレッサ出力及び前記コンプレッサ効率から求まる前記コンプレッサの仕事と、が釣り合うことを示す関係式が収束するまで、前記タービン圧力比の値を変更すると共に、前記関係式が収束したときのタービン圧力比と、前記タービン下流圧力とから、前記タービン上流圧力を推定する。

この構成によれば、コンプレッサ出力、コンプレッサ効率、タービン通過流量、タービン下流圧力及びタービン効率に基づいてタービン上流圧力が推定される。詳しくは、コンプレッサの仕事は、コンプレッサ出力及びコンプレッサ効率に基づいて求められる。タービンの仕事は、タービン出力及びタービン効率に基づいて求められ、タービン出力は、タービン上流圧力、タービン下流圧力及びタービン通過流量に基づいて求められる。これらコンプレッサの仕事とタービンの仕事とは、釣り合う。そのため、これらの関係を考慮すると、コンプレッサ出力、コンプレッサ効率、タービン通過流量、タービン下流圧力及びタービン効率に基づいてタービン上流圧力が推定される。

このとき、タービン下流圧力は、タービン下流側状態値に基づいて推定される。タービン下流圧力は、タービン下流の排気系の状態に依存して変化する。そのため、タービン下流側状態値を考慮することによって、タービン下流圧力を精度良く推定することができる。こうして、精度良く推定されたタービン下流圧力に基づいて、前述の如く、タービン上流圧力を推定することによって、タービン上流圧力を精度良く推定することができる。

また、前記タービン下流圧力推定部は、大気圧を前記タービン下流側状態値として用い、大気圧が高いほど前記タービン下流圧力が高くなるように前記タービン下流圧力を推定してもよい。

この構成によれば、大気圧が高いほどタービン下流圧力が高くなるという傾向を考慮して推定を行うので、タービン下流圧力の推定精度を向上させることができる。

また、ターボ過給機付きエンジンの制御装置は、前記タービンと前記排気通路において前記タービンの下流側に設けられた排気浄化触媒との間を通過する排気の温度を取得する排気温度取得部をさらに備え、前記タービン下流圧力推定部は、前記排気温度取得部が取得した排気温度を前記タービン下流側状態値として用い、前記排気温度が高いほど前記タービン下流圧力が高くなるように前記タービン下流圧力を推定してもよい。

この構成によれば、タービンと排気浄化触媒との間を通過する排気の温度が高いほどタービン下流圧力が高くなるという傾向を考慮して推定を行うので、タービン下流圧力の推定精度を向上させることができる。

また、前記タービン下流圧力推定部は、前記排気通路の前記タービンの下流側における圧力損失を前記タービン下流側状態値として用い、前記圧力損失が大きいほど前記タービン下流圧力が高くなるように前記タービン下流圧力を推定してもよい。

この構成によれば、排気通路のタービンの下流側における圧力損失に応じてタービン下流圧力が変化することを考慮して推定を行うので、タービン下流圧力の推定精度を向上させることができる。

また、前記タービン下流圧力推定部は、前記排気通路のうち前記タービンの下流側の部分を通過する排気の流量であるタービン下流流量を前記タービン下流側状態値として用い、前記タービン下流流量が多いほど前記タービン下流圧力が高くなるように前記タービン下流圧力を推定してもよい。

この構成によれば、タービンの下流側の排気通路を通過する排気の流量に応じてタービン下流圧力が変化することを考慮して推定を行うので、タービン下流圧力の推定精度を向上させることができる。

さらに、ターボ過給機付きエンジンの制御装置は、前記排気通路のうち前記タービンの上流側の排気を前記吸気通路に還流させるように構成されたＥＧＲ通路を通過する排気の流量であるＥＧＲ流量を推定するＥＧＲ流量推定部をさらに備え、前記タービン下流圧力推定部は、前記ＥＧＲ流量に基づいて前記タービン下流流量を推定してもよい。
この構成によれば、ＥＧＲ通路を有するエンジンに関して、エンジンから排出された排気のうちでタービンに供給されなかった排気の流量を差し引いてタービン下流流量を求めるので、タービン下流流量を精度良く求めることができる。したがって、このタービン下流流量に基づいて推定するタービン上流圧力の推定精度を向上させることができる。

前記排気通路のうち前記タービンの上流側の排気を前記吸気通路に還流させるように構
成されたＥＧＲ通路の上流端と下流端との圧力差、及び、前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブの開度に基づいてＥＧＲ量を制御すると共に、推定した前記タービン上流圧力を前記ＥＧＲ通路の上流端の圧力として用いてもよい。

前記ターボ過給機付きエンジンの制御装置によれば、タービン上流圧力の推定精度を向上させることができる。

図１は、エンジンシステムの概略構成図である。図２は、ＥＣＵの機能構成図である。図３は、タービン上流圧力の推定方法を示すブロック図である。図４は、タービン上流圧力の推定方法で用いるコンプレッサ効率マップである。図５は、タービン上流圧力の推定方法で用いるタービン通過流量・効率マップである。図６は、タービン下流圧力の推定方法を示すブロック図である。図７は、タービン上流圧力の推定処理のフローチャートである。図８は、その他の実施形態に係るタービン通過流量の推定方法を示すブロック図である。

以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

〈エンジンシステムの構成〉
図１は、実施形態によるターボ過給機付エンジンの制御装置が適用されたエンジンシステムの概略構成図である。

図１に示すように、エンジンシステム１００は、主に、外部から導入された吸気（空気）が通過する吸気通路１０と、この吸気通路１０から供給された吸気と後述する燃料噴射弁２３から供給された燃料との混合気を燃焼させて車両の動力を発生するエンジン２０（例えばガソリンエンジン）と、このエンジン２０内の燃焼により発生した排気を排出する排気通路３０と、エンジンシステム１００全体を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０とを有する。

吸気通路１０には、上流側から順に、外部から導入された吸気を浄化するエアクリーナ２と、通過する吸気を昇圧させる、ターボ過給機４のコンプレッサ４ａと、通過する吸気を冷却するインタークーラ９と、通過する吸気量を調整するスロットルバルブ１１と、エンジン２０に供給する吸気を一時的に蓄えるサージタンク１３とが設けられている。

また、吸気通路１０には、コンプレッサ４１によって過給された吸気の一部を、コンプレッサ４１の上流側に還流するためのエアバイパス通路６が設けられている。具体的には、エアバイパス通路６は、一端がコンプレッサ４ａの下流側で且つスロットルバルブ１１の上流側の吸気通路１０に接続され、他端がコンプレッサ４ａの上流側の吸気通路１０に接続されている。また、このエアバイパス通路６には、エアバイパス通路６を流れる吸気の流量を制御するエアバイパスバルブ７が設けられている。

エンジン２０は、主に、吸気通路１０から供給された吸気を燃焼室２１内に導入する吸気バルブ２２と、燃焼室２１に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁２３と、燃焼室２１内に供給された吸気と燃料との混合気に点火する点火プラグ２４と、燃焼室２１内での混合気の燃焼により往復運動するピストン２７と、ピストン２７の往復運動により回転されるクランクシャフト２８と、燃焼室２１内での混合気の燃焼により発生した排気を排気通路３０へ排出する排気バルブ２９とを有する。

排気通路３０には、上流側から順に、通過する排気によって回転させられ、この回転によってコンプレッサ４ａを回転駆動する、ターボ過給機４のタービン４ｂと、例えばＮＯｘ触媒や三元触媒や酸化触媒などの、排気の浄化機能を有する排気浄化触媒３７、３８とが設けられている。

また、排気通路３０には、排気を吸気通路１０に還流するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路３２が接続されている。このＥＧＲ通路３２は、一端がタービン４ｂの上流側の排気通路３０に接続され、他端がスロットルバルブ１１の下流側の吸気通路１０に接続されている。加えて、ＥＧＲ通路３２には、還流させる排気を冷却するＥＧＲクーラ３３と、ＥＧＲ通路３２を流れる排気の流量を制御するＥＧＲバルブ３４とが設けられている。

さらに、排気通路３０には、排気にターボ過給機４のタービン４ｂを迂回させるタービンバイパス通路３５が設けられている。このタービンバイパス通路３５には、タービンバイパス通路３５を流れる排気の流量を制御するウェイストゲートバルブ（Ｗ／Ｇバルブ）３６が設けられている。

また、図１に示すエンジンシステム１００には、各種のセンサが設けられている。具体的には、エンジンシステム１００の吸気系においては、エアクリーナ２の下流側の吸気通路１０（詳しくはエアクリーナ２とコンプレッサ４ａとの間の吸気通路１０）に、吸入空気量を検出するエアフロメータ６１と吸気温度を検出する温度センサ６２とが設けられ、コンプレッサ４ａとスロットルバルブ１１との間の吸気通路１０に、過給圧を検出する圧力センサ６３が設けられ、スロットルバルブ１１の下流側の吸気通路１０（詳しくはサージタンク１３内）に、インマニ圧を検出する圧力センサ６４が設けられている。

また、エンジンシステム１００の排気系においては、ＥＧＲバルブ３４の開度であるＥＧＲ開度を検出するＥＧＲ開度センサ６５が設けられ、ウェイストゲートバルブ３６の開度であるＷ／Ｇ開度を検出するＷ／Ｇ開度センサ６６が設けられ、タービン４ｂの下流側の排気通路３０（詳しくはタービン４ｂと排気浄化触媒３７との間の排気通路３０）に、排気中の酸素濃度を検出するＯ₂センサ６７と排気温度を検出する温度センサ６８とが設けられている。

エアフロメータ６１は、検出した吸入空気量に対応する検出信号Ｓ６１をＥＣＵ５０に供給し、温度センサ６２は、検出した吸気温度に対応する検出信号Ｓ６２をＥＣＵ５０に供給し、圧力センサ６３は、検出した過給圧に対応する検出信号Ｓ６３をＥＣＵ５０に供給し、圧力センサ６４は、検出したインマニ圧に対応する検出信号Ｓ６４をＥＣＵ５０に供給し、ＥＧＲ開度センサ６５は、検出したＥＧＲ開度に対応する検出信号Ｓ６５をＥＣＵ５０に供給し、Ｗ／Ｇ開度センサ６６は、検出したＷ／Ｇ開度に対応する検出信号Ｓ６６をＥＣＵ５０に供給し、Ｏ₂センサ６７は、検出した酸素濃度に対応する検出信号Ｓ６７をＥＣＵ５０に供給し、温度センサ６８は、検出した排気温度に対応する検出信号Ｓ６８をＥＣＵ５０に供給する。また、エンジンシステム１００には、大気圧を検出する大気圧センサ６０が設けられており、この大気圧センサ６０は、検出した大気圧に対応する検出信号Ｓ６０をＥＣＵ５０に供給する。

ＥＣＵ５０は、ＣＰＵと、ＣＰＵ上で実行される各種のプログラム（ＯＳなどの基本制御プログラムや、ＯＳ上で起動され特定機能を実現するアプリケーションプログラムを含む）や各種のデータを格納するためのＲＯＭやＲＡＭの如き内部メモリとを備えるコンピュータにより構成される。ＥＣＵ５０は、上述した各種センサから供給された検出信号に基づいて、種々の制御や処理を行う。

図２は、ＥＣＵの機能構成図を示す。図２に示すように、ＥＣＵ５０は、機能的には、コンプレッサ４ａの効率であるコンプレッサ効率を推定するコンプレッサ効率推定部５１と、コンプレッサ４ａの出力であるコンプレッサ出力を推定するコンプレッサ出力推定部５２と、タービン４ｂの上流側の排気の圧力であるタービン上流圧力を推定するタービン上流圧力推定部５３と、タービン４ｂの下流側の排気の圧力（厳密には、タービン４ｂと排気浄化触媒３７との間の排気通路３０を通過する排気の圧力）であるタービン下流圧力を推定するタービン下流圧力推定部５４と、温度センサ６８が検出した排気温度（検出信号Ｓ６８に対応する）を取得する排気温度取得部５５と、エンジン２０から排出される排気の総流量を推定する排気総流量推定部５６と、ＥＧＲ通路３２を通過する排気の流量であるＥＧＲ流量を推定するＥＧＲ流量推定部５７とを有する。尚、ＥＣＵ５０は、「ターボ過給機付エンジンの制御装置」の一例である。

ＥＣＵ５０は、タービン上流圧力を推定し、推定したタービン上流圧力を用いて種々の制御を実行する。例えば、ＥＣＵ５０は、タービン上流圧力を用いて、ＥＧＲ流量の制御を行う。具体的には、ＥＣＵ５０は、ＥＧＲ通路３２の上流端と下流端の圧力差及びＥＧＲバルブ３４の開度に基づいてＥＧＲ量を制御する。このとき、ＥＣＵ５０は、推定されたタービン上流圧力をＥＧＲ通路３２の上流端の圧力として用いる。尚、圧力センサ６４によって検出されるインマニ圧がＥＧＲ通路３２の下流端の圧力として用いられる。

また、ＥＣＵ５０は、タービン上流圧力を用いて、タービンバイパス流量の制御を行う。具体的には、タービン上流圧力がわかると、タービン４ｂの上流側と下流側との排気圧力の比であるタービン圧力比もわかるので、ＥＣＵ５０は、目標過給圧に必要なタービン仕事量を求めると共に、求めたタービン仕事量に必要なタービン通過流量をタービン圧力比に基づいて求める。そして、ＥＣＵ５０は、必要なタービン通過流量を実現するようにウェイストゲートバルブ３６の開度を調整する。

これらの制御を行う上でタービン上流圧力が必要であり、ＥＣＵ５０は、タービン上流圧力の推定を行っている。尚、以上のタービン上流圧力を用いた制御は、一例であり、ＥＣＵ５０は、タービン上流圧力を別の制御に用いてもよい。

〈タービン上流圧力の推定〉
図３乃至図５を参照して、タービン上流圧力の推定方法について詳細に説明する。

図３は、タービン上流圧力の推定方法を示すブロック図であり、図４は、タービン上流圧力の推定方法で用いるコンプレッサ効率マップであり、図５は、タービン上流圧力の推定方法で用いるタービン通過流量・効率マップである。

図３に示すように、まず、ＥＣＵ５０のコンプレッサ効率推定部５１が、エアフロメータ６１が検出した吸入空気量を、所定の標準状態（所定の温度や圧力などにより規定された状態に相当する。以下同様とする。）での吸入空気量へと補正する処理を行う。具体的には、コンプレッサ効率推定部５１は、実際の大気圧及び吸気温度（それぞれ大気圧センサ６０及び温度センサ６２によって検出される）に基づいて、エアフロメータ６１が検出した吸入空気量を標準状態での吸入空気量へと補正する処理、即ち、標準状態での吸入空気量に換算する処理を行う。尚、吸入空気量は、一義的にコンプレッサ通過流量となるため、この吸入空気量のことを適宜「コンプレッサ通過流量」と言い換える。

以下では、実際に得られた任意の状態値（ガス量や回転数など）を、標準状態での状態値へと補正する処理を適宜「標準状態換算処理」と呼ぶ。また、標準状態換算処理を行った状態値を、「標準」という接頭語を付して称する。例えば、標準状態換算処理をされたコンプレッサ通過流量を「標準コンプレッサ通過流量」と称する。一方、実際の状態に対応する状態値を、「実」という接頭語を付して称する。例えば、実際の状態におけるコンプレッサ回転数を「実コンプレッサ回転数」と称する。

このような標準状態換算処理を行うのは、後述するコンプレッサ効率マップ（図４参照）が標準状態での状態値によって規定されたものであるからである。つまり、コンプレッサ効率マップに基づいて状態値を求めるためには、マップを参照する際に用いる状態値を実際の状態値から標準状態での状態値へと変換する必要がある。したがって、ここでの標準状態は、コンプレッサ効率マップを作成した際の、温度や圧力などにより規定される状態である。ただし、ＥＣＵ５０は、コンプレッサ効率マップ以外のマップを用いる場合もあり、その場合には、使用するマップに対応する標準状態に応じた標準状態換算処理を行う。

さらに、コンプレッサ効率推定部５１は、大気圧センサ６０が検出した大気圧と圧力センサ６３が検出した過給圧とに基づいて、コンプレッサ４ａの上流側と下流側との吸気圧力の比であるコンプレッサ圧力比（過給圧／大気圧）を求める。そして、コンプレッサ効率推定部５１は、図４に示すようなコンプレッサ効率マップを参照して、前述のようにして得られた標準コンプレッサ通過流量及びコンプレッサ圧力比に対応するコンプレッサ効率ηｃを決定する。こうして決定されるコンプレッサ効率ηｃは、標準状態での効率であり、前述したように「標準コンプレッサ効率」と称される。

ここで、図４を参照すると、コンプレッサ効率マップでは、横軸に示すコンプレッサ通過流量（標準コンプレッサ通過流量に対応する）と、縦軸に示すコンプレッサ圧力比とに応じたコンプレッサ効率が規定されている。コンプレッサ効率推定部５１は、このようなコンプレッサ効率マップを参照して、標準コンプレッサ通過流量及びコンプレッサ圧力比に対応するコンプレッサ効率ηｃを決定する。なお、コンプレッサ効率マップは、予め作成されて、ＥＣＵ５０内のメモリなどに記憶されている。

次いで、ＥＣＵ５０のコンプレッサ出力推定部５２は、コンプレッサ出力を推定する。具体的には、コンプレッサ出力推定部５２は、吸気のガス定数と吸気の比熱比と吸気温度と吸入空気量と大気圧と過給圧とを用いて、以下の式（１）によりコンプレッサ出力Ｌ_ｃｄを演算する。吸気温度は、温度センサ６２によって検出され、吸入空気量は、エアフロメータ６１によって検出され、過給圧は、圧力センサ６３によって検出され、大気圧は大気圧センサ６０によって検出される。

ここで、Ｒａ：吸気のガス定数（空気のガス定数）、κａ：吸気の比熱比（空気の比熱比）、Ｔ１：コンプレッサ上流温度（吸気温度）、Ｇａ：コンプレッサ通過流量（吸入空気量）、Ｐ１：コンプレッサ下流圧力（過給圧）、Ｐ２：コンプレッサ上流圧力（大気圧）である。こうして算出されるコンプレッサ出力Ｌ_ｃｄは、標準状態での出力であり、前述したように「標準コンプレッサ出力」と称される。

続いて、ＥＣＵ５０のタービン上流圧力推定部５３は、タービン上流圧力を推定すると共に、タービン４ｂを通過する排気の流量であるタービン通過流量及びタービン４ｂの効率であるタービン効率を推定する。詳しくは、タービン出力Ｌ_ｔｄは、以下の式（２）で表される。

ここで、Ｒｇ：排気のガス定数、κｇ：排気の比熱比、Ｔ２：タービン４ｂの上流側の排気温度（以下、「タービン上流温度」と称する）、Ｇｇ：タービン通過流量、Ｐ３：タービン下流圧力、Ｐ４：タービン上流圧力である。

また、タービン４ｂの仕事とコンプレッサ４ａの仕事は釣り合うので、以下の式（３）が成り立つ。

ここで、ηｔ：タービン効率であり、タービン４ｂの回転がシャフトを介してコンプレッサ４ａに伝達される際の機械損失等も含むものである。

タービン上流圧力推定部５３は、タービン４ｂの上流側と下流側との排気圧力の比（タービン上流の排気圧力／タービン下流の排気圧力）であるタービン圧力比Ｐ４／Ｐ３として任意の値を暫定的に設定し、設定したタービン圧力比Ｐ４／Ｐ３を図５に示すようなタービン通過流量・効率マップに照らし合わせて、タービン通過流量Ｇｇ及びタービン効率ηｔを決定する。タービン通過流量・効率マップでは、横軸に示すタービン圧力比Ｐ４／Ｐ３が規定され、一方の縦軸にタービン通過流量Ｇｇが規定され、他方の縦軸にタービン効率ηｔが規定されている。タービン通過流量・効率マップには、タービン圧力比Ｐ４／Ｐ３に対するタービン通過流量Ｇｇの関係、及び、タービン圧力比Ｐ４／Ｐ３に対するタービン効率ηｔの関係がタービン回転数ごとに規定されている。図５では、６つのタービン回転数に対応するタービン圧力比Ｐ４／Ｐ３に対するタービン通過流量Ｇｇの関係を示す曲線、及び、６つのタービン回転数に対応するタービン圧力比Ｐ４／Ｐ３に対するタービン効率ηｔの関係を示す曲線が示されている。つまり、タービン上流圧力推定部５３は、タービン回転数に対応する曲線を決定し、設定したタービン圧力比Ｐ４／Ｐ３の値を該曲線に照らし合わせて、対応するタービン通過流量Ｇｇ及びタービン効率ηｔを決定する。タービン通過流量・効率マップは、予め作成されて、ＥＣＵ５０内のメモリなどに記憶されている。

尚、タービン上流圧力推定部５３は、前述の演算を行うにあたり、タービン上流温度及びタービン回転数を推定する。例えば、タービン上流圧力推定部５３は、予めメモリに記憶され、エンジン回転数やエンジン負荷などにより規定された温度マップに基づいてタービン上流温度を決定する。また、タービン上流圧力推定部５３は、前述の標準コンプレッサ通過流量及びコンプレッサ圧力比を、予めメモリに記憶されたタービン回転数マップに照らし合わせて実コンプレッサ回転数を求め、実コンプレッサ回転数、タービン上流温度、排気の比熱比及び空気の比熱比に基づいて標準タービン回転数を求める。

タービン上流圧力推定部５３は、こうして決定したタービン圧力比Ｐ４／Ｐ３及びタービン通過流量Ｇｇを式（２）に代入して、タービン出力Ｌ_ｔｄを算出し、算出したタービン出力Ｌ_ｔｄとタービン通過流量・効率マップから決定したタービン効率ηｔとを式（３）の右辺に代入し、式（３）の右辺の値を算出する。一方、タービン上流圧力推定部５３は、前述のように推定した標準コンプレッサ効率ηｃと標準コンプレッサ出力Ｌ_ｃｄとを式（３）の左辺に代入し、式（３）の左辺の値を算出する。タービン上流圧力推定部５３は、こうして算出した式（３）の右辺の値と式（３）の左辺の値とを比較する。タービン上流圧力推定部５３は、式（３）の右辺の値が式（３）の左辺の値に収束するまで、タービン圧力比Ｐ４／Ｐ３の値を変更し、タービン通過流量Ｇｇ及びタービン効率ηｔの決定並びに式（３）の右辺の演算を繰り返す。タービン上流圧力推定部５３は、式（３）の右辺の値が式（３）の左辺の値に収束したと判定したときのタービン圧力比Ｐ４／Ｐ３の値を最終的なタービン圧力比Ｐ４／Ｐ３として推定する。

尚、以上の説明からわかるように、タービン上流圧力推定部５３は、タービン圧力比Ｐ４／Ｐ３を推定すると同時に、タービン通過流量Ｇｇ及びタービン効率ηｔも推定している。すなわち、タービン上流圧力推定部５３は、タービン４ｂを通過する排気の流量であるタービン通過流量を推定するタービン通過流量推定部、及び、タービン４ｂのタービン効率を推定するタービン効率推定部としても機能する。

タービン上流圧力推定部５３は、こうして推定したタービン圧力比Ｐ４／Ｐ３とタービン下流圧力推定部５４が推定するタービン下流圧力とに基づいてタービン上流圧力を求める。

〈タービン下流圧力の推定〉
次に、タービン下流圧力の推定方法について説明する。前述したように、最終的に求めるべきタービン上流圧力を得るに当たってタービン下流圧力が必要となる（図３参照）。タービン下流圧力を精度良く推定することができれば、タービン上流圧力を精度良く推定することができる。

ＥＣＵ５０のタービン下流圧力推定部５４は、タービン４ｂの下流側の排気系の状態を示すタービン下流側状態値に基づいてタービン下流圧力を推定することによって、タービン下流圧力の推定精度を向上させている。つまり、タービン下流圧力推定部５４は、タービン４ｂの下流側の排気系の状態を考慮してタービン下流圧力を推定する。

具体的には、タービン下流圧力推定部５４は、タービン下流側状態値として、タービン４ｂの下流側にあるテールパイプ部の排気圧力に相当する大気圧と、タービン４ｂと排気浄化触媒３７との間を通過する排気の温度（以下では適宜「タービン下流温度」と呼ぶ。）と、タービン４ｂの下流側の排気通路３０における圧力損失（以下では適宜「タービン下流圧力損失」と呼ぶ。）と、タービン４ｂの下流側の排気通路３０を通過する排気の流量であるタービン下流流量とを用いて、タービン下流圧力を推定する。

より詳しくは、タービン下流圧力推定部５４は、大気圧が高い場合や、タービン下流温度が高い場合や、タービン下流圧力損失が大きい場合や、タービン下流流量が多い場合には、タービン下流圧力が高くなるようにタービン下流圧力を推定する。こうするのは、大気圧が高い場合や、タービン下流温度が高い場合や、タービン下流圧力損失が大きい場合や、タービン下流流量が多い場合には、タービン４ｂの下流側の排気通路３０に排気が流れにくくなり、タービン下流圧力が上昇する傾向にあるからである。

尚、タービン下流温度は、タービン４ｂと排気浄化触媒３７との間の排気通路３０上に設けられた温度センサ６８によって検出される排気温度であり、ＥＣＵ５０の排気温度取得部５５によって取得される。タービン下流温度の取得は、温度センサ６８による検出に限られない。排気通路３０に温度センサ６８を設けず、エンジンシステム１００の運転状態に基づいてタービン下流温度を推定してもよい。

また、タービン下流圧力損失は、タービン４ｂの下流側の排気通路３０における管路摩擦係数（タービン４ｂから排気通路３０の終端部（外部に排気が排出される箇所）までの配管による圧力損失や、排気浄化触媒３７、３８による圧力損失などを含む。）によって規定される定数である。このタービン下流圧力損失は、予めに求められて、ＥＣＵ５０内のメモリなどに記憶される。

また、タービン下流流量は、厳密には、排気通路３０のうち、タービン４ｂの下流側であってタービンバイパス通路３５が接続された部分よりも下流側を流れる排気の流量である。したがって、このタービン下流流量には、タービン４ｂを通過した排気の流量（タービン通過流量）だけでなく、タービン４ｂを迂回した排気の流量、即ち、タービンバイパス流量も含まれる。

次に、図６を参照して、タービン下流圧力の推定方法について具体的に説明する。図６は、タービン下流圧力の推定方法を示すブロック図である。

図６に示すように、タービン下流圧力推定部５４は、ＥＧＲ流量を排気総流量から減算することによってタービン下流流量を求める。具体的には、排気総流量推定部５６は、吸入空気量及び燃焼Ａ／Ｆ（空燃比）に基づいて、エンジン２０から排出された排気総流量を求める。吸入空気量は、エアフロメータ６１によって検出され、燃焼Ａ／Ｆは、Ｏ₂センサ６７によって検出された酸素濃度に基づいて求められる。

ＥＧＲ流量は、ＥＣＵ５０のＥＧＲ流量推定部５７によって求められる。ＥＧＲ流量推定部５７は、ＥＧＲ開度センサ６５が検出したＥＧＲ開度と、圧力センサ６４が検出したインマニ圧と、タービン上流圧力とに基づいてＥＧＲ流量を求める。尚、ＥＧＲ流量推定部５７が用いるタービン上流圧力には、例えば、前述の推定方法により前回求められた値が適用される。

タービン下流圧力推定部５４は、排気総流量推定部５６が求めた排気総流量からＥＧＲ流量推定部５７が求めたＥＧＲ流量を減算することによってタービン下流流量を求める。

尚、タービン下流圧力推定部５４は、タービン下流流量を以下のように推定してもよい。例えば、タービン下流圧力推定部５４は、Ｗ／Ｇ開度センサ６６が検出したＷ／Ｇ開度と、タービン上流温度と、タービン上流圧力と、タービン下流圧力とを用いて、ベルヌーイの定理に基づいて、タービンバイパス流量を求める。尚、タービン上流温度、タービン上流圧力及びタービン下流圧力には、例えば、前述の推定方法により前回求められた値が適用される。そして、タービン下流圧力推定部５４は、求めたタービンバイパス流量を前述の推定方法により求められたタービン通過流量Ｇｇに加算することによってタービン下流流量を求める。

続いて、タービン下流圧力推定部５４は、このタービン下流流量と、大気圧センサ６０が検出した大気圧と、温度センサ６８が検出したタービン下流温度と、ＥＣＵ５０内のメモリなどに記憶されたタービン下流圧力損失とを用いて、ベルヌーイの定理に基づいてタービン下流圧力を求める。

尚、タービン下流圧力推定部５４は、このようなタービン下流圧力の推定処理を前述のタービン上流圧力の推定処理と並行して実行してもよい。

以上、説明してきたタービン上流圧力の推定処理をフローチャートに表すと図７のようになる。この処理は、ＥＣＵ５０によって所定の周期で繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１において、コンプレッサ効率推定部５１がコンプレッサ効率を推定する。具体的には、コンプレッサ効率推定部５１は、標準コンプレッサ通過流量とコンプレッサ圧力比とを求め、コンプレッサ効率マップを参照してコンプレッサ効率ηｃを推定する。

ステップＳ２において、コンプレッサ出力推定部５２がコンプレッサ出力を推定する。具体的には、コンプレッサ出力推定部５２は、吸入空気量等を用い、式（１）に基づいてコンプレッサ出力Ｌ_ｃｄを演算する。

ステップＳ３において、タービン上流圧力推定部５３がタービン圧力比を推定する。具体的には、タービン上流圧力推定部５３は、ステップＳ１で推定したコンプレッサ効率ηｃ及びステップＳ２で推定したコンプレッサ出力Ｌ_ｃｄ等を用いて式（３）に基づいてタービン圧力比Ｐ４／Ｐ３の収束計算を実行し、タービン圧力比Ｐ４／Ｐ３を推定する。このとき、タービン上流圧力推定部５３は、タービン通過流量Ｇｇ及びタービン効率ηｔも同時に推定する。

ステップＳ４において、タービン下流圧力推定部５４がタービン下流圧力を推定する。具体的には、タービン下流圧力推定部５４は、タービン下流温度等のタービン下流側状態値に基づいてタービン下流圧力Ｐ３を推定する。

ステップＳ５において、タービン上流圧力推定部５３がタービン上流圧力を推定する。具体的には、タービン上流圧力推定部５３は、ステップＳ３で推定したタービン圧力比Ｐ４／Ｐ３及びステップＳ４で推定したタービン下流圧力Ｐ３に基づいてタービン上流圧力Ｐ４を推定する。

尚、これらのステップの順番は一例であり、各値の推定を実現できる限りは、ステップの順番を適宜入れ替えたり、複数のステップを並行して処理したりしてもよい。例えば、ステップＳ１とステップＳ２の順番を入れ替えたり、ステップＳ１とステップＳ２とを並行に処理したりしてもよい。

以上のように、ＥＣＵ５０は、コンプレッサ上流圧力とコンプレッサ下流圧力とコンプレッサ通過流量とに基づいてコンプレッサ出力を推定するコンプレッサ出力推定部５２と、コンプレッサ上流圧力とコンプレッサ下流圧力とコンプレッサ通過流量とに基づいてコンプレッサ効率を推定するコンプレッサ効率推定部５１と、タービン下流圧力を推定するタービン下流圧力推定部５４と、タービン通過流量及びタービン効率を推定すると共に、コンプレッサ出力、コンプレッサ効率、タービン通過流量、タービン下流圧力及びタービン効率に基づいてタービン上流圧力を推定するタービン上流圧力推定部５３とを備え、タービン下流圧力推定部５４は、タービン下流側状態値に基づいてタービン下流圧力を推定する。

具体的には、タービン上流圧力推定部５３は、タービン４ｂの仕事とコンプレッサ４ａの仕事とが釣り合う関係に基づいてタービン上流圧力を推定する（前述の説明では、タービン上流圧力に対するタービン下流圧力の比の形でタービン上流圧力が推定される）。その際に、タービン上流圧力推定部５３は、タービン４ｂの仕事とコンプレッサ４ａの仕事とが釣り合う関係に基づいてタービン効率も推定する。さらに、タービン上流圧力推定部５３は、タービン４ｂの仕事とコンプレッサ４ａの仕事とが釣り合う関係に基づいてタービン通過流量も推定する。

つまり、この構成によれば、タービン４ｂの仕事とコンプレッサ４ａの仕事とが釣り合う関係に基づいてタービン上流圧力を推定することができる。その際には、タービン下流圧力が必要であり、ＥＣＵ５０は、タービン下流側状態値に基づいてタービン下流圧力を推定している。ＥＣＵ５０は、タービン下流側状態値を考慮することによって、タービン下流圧力を精度良く推定することができる。その結果、タービン上流圧力も精度良く推定される。

具体的には、ＥＣＵ５０は、排気通路３０の下流端部（テールパイプ部）の排気圧力である大気圧、タービン下流温度、タービン下流圧力損失及びタービン下流流量の少なくとも１つをタービン下流側状態値として用いてタービン下流圧力を推定している。これら大気圧、タービン下流温度、タービン下流圧力損失及びタービン下流流量は、タービン下流圧力に影響を与えうるパラメータであるので、これらの少なくとも１つを考慮することによって、タービン下流圧力の推定精度を向上させることができる。

《その他の実施形態》
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、前記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、前記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、前記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

エンジンシステム１００の構成は、一例であり、この構成に限られるものではない。

また、タービン上流圧力推定部５３は、式（３）の右辺の値が式（３）の左辺の値に収束するように、タービン圧力比Ｐ４／Ｐ３を求めているが、タービン圧力比Ｐ４／Ｐ３を求める際に用いる式は式（３）に限られるものではない。式（３）は、一例に過ぎず、コンプレッサ仕事とタービン仕事とが釣り合う関係に基づいて規定された式であれば、タービン圧力比Ｐ４／Ｐ３を求めることができる。例えば、式（３）を変形した式を用いて、タービン圧力比Ｐ４／Ｐ３の収束計算を実行してもよい。また、タービン上流圧力推定部５３は、タービン圧力比Ｐ４／Ｐ３の収束計算を実行しているが、タービン下流圧力Ｐ４が推定されているので、タービン上流圧力Ｐ３を求めるように収束計算を実行してもよい。

また、タービン上流圧力推定部５３は、タービン圧力比Ｐ４／Ｐ３の収束計算を実行する際に、タービン通過流量Ｇｇをタービン通過流量・効率マップに基づいて決定し、タービン通過流量Ｇｇの収束計算も同時に行っているが、これに限られるものではない。例えば、図８に示す推定方法によってタービン通過流量Ｇｇを推定してもよい。

詳しくは、タービン上流圧力推定部５３は、まず、吸入空気量及び燃焼Ａ／Ｆ（空燃比）に基づいて、エンジン２０から排出された排気総流量を求める。次いで、タービン上流圧力推定部５３は、このようにして得られた排気総流量から、当該排気総流量のうちでタービン４ｂに流れなかった排気流量を減算することで、タービン通過流量を求める。具体的には、タービン上流圧力推定部５３は、排気総流量からＥＧＲ流量及びタービンバイパス流量を減算することで、タービン通過流量を求める。ＥＧＲ流量は、ＥＧＲ流量推定部５７が推定したものを用いる。タービンバイパス流量は、前記タービン下流流量の推定方法の説明で言及したように、Ｗ／Ｇ開度とタービン上流温度とタービン上流圧力とタービン下流圧力とを用いて、ベルヌーイの定理に基づいて求めることができる。次いで、タービン上流圧力推定部５３は、得られたタービン通過流量を、タービン上流温度と排気の比熱比と空気の比熱比とタービン上流圧力とに基づいて、標準タービン通過流量へと換算する処理を行う。タービン上流圧力推定部５３は、こうして推定した標準タービン通過流量を用いて、タービン圧力比Ｐ４／Ｐ３の収束計算を実行してもよい。

以上説明したように、ここに開示された技術は、ターボ過給機付きエンジンの制御装置について有用である。

１００エンジンシステム
１０吸気通路
２０エンジン
３０排気通路
３２ＥＧＲ通路
３７排気浄化触媒
３８排気浄化触媒
４ターボ過給機
４ａコンプレッサ
４ｂタービン
５０ＥＣＵ（制御装置）
５１コンプレッサ効率推定部
５２コンプレッサ出力推定部
５３タービン上流圧力推定部（タービン通過流量推定部、タービン効率推定部）
５４タービン下流圧力推定部
５５排気温度取得部
５７ＥＧＲ流量推定部

Claims

排気通路に設けられたタービン及び吸気通路に設けられたコンプレッサを有するターボ過給機を備えたターボ過給機付きエンジンの制御装置であって、
前記コンプレッサの上流側の吸気の圧力であるコンプレッサ上流圧力と、前記コンプレッサの下流側の吸気の圧力であるコンプレッサ下流圧力と、前記コンプレッサを通過する吸気の流量であるコンプレッサ通過流量とに基づいて、前記コンプレッサの出力であるコンプレッサ出力を推定するコンプレッサ出力推定部と、
前記コンプレッサ上流圧力と前記コンプレッサ下流圧力と前記コンプレッサ通過流量とに基づいて、前記コンプレッサの効率であるコンプレッサ効率を推定するコンプレッサ効率推定部と、
前記タービンを通過する排気の流量であるタービン通過流量を、前記タービンの上流側と下流側との圧力の比であるタービン圧力比と前記タービン通過流量との関係を定めたタービン通過流量マップを用いて、推定するタービン通過流量推定部と、
前記タービンの効率であるタービン効率を、前記タービン圧力比と前記タービン効率との関係を定めたタービン効率マップを用いて、推定するタービン効率推定部と、
前記タービンの下流側の排気の圧力であるタービン下流圧力を推定するタービン下流圧力推定部と、
前記コンプレッサ出力、前記コンプレッサ効率、前記タービン通過流量、前記タービン下流圧力及び前記タービン効率に基づいて、前記タービンの上流側の排気の圧力であるタービン上流圧力を推定するタービン上流圧力推定部とを備え、
前記タービン下流圧力推定部は、前記タービンの下流側の排気系の状態を示すタービン下流側状態値に基づいて前記タービン下流圧力を推定し、
前記タービン通過流量推定部及び前記タービン効率推定部はそれぞれ、タービン通過流量マップ及びタービン効率マップを用いて、暫定的に定めたタービン圧縮比から前記タービン通過流量及び前記タービン効率を推定し、
前記タービン上流圧力推定部は、前記タービン圧力比、前記タービン通過流量及び前記タービン効率から求まる前記タービンの仕事と、前記コンプレッサ出力及び前記コンプレッサ効率から求まる前記コンプレッサの仕事と、が釣り合うことを示す関係式が収束するまで、前記タービン圧力比の値を変更すると共に、前記関係式が収束したときのタービン圧力比と、前記タービン下流圧力とから、前記タービン上流圧力を推定することを特徴とするターボ過給機付きエンジンの制御装置。
請求項１に記載のターボ過給機付きエンジンの制御装置において、
前記タービン下流圧力推定部は、大気圧を前記タービン下流側状態値として用い、大気圧が高いほど前記タービン下流圧力が高くなるように前記タービン下流圧力を推定することを特徴とするターボ過給機付きエンジンの制御装置。
請求項１又は２に記載のターボ過給機付きエンジンの制御装置において、
前記タービンと前記排気通路において前記タービンの下流側に設けられた排気浄化触媒との間を通過する排気の温度を取得する排気温度取得部をさらに備え、
前記タービン下流圧力推定部は、前記排気温度取得部が取得した排気温度を前記タービン下流側状態値として用い、前記排気温度が高いほど前記タービン下流圧力が高くなるように前記タービン下流圧力を推定することを特徴とするターボ過給機付きエンジンの制御装置。
請求項１乃至３の何れか１項に記載のターボ過給機付きエンジンの制御装置において、
前記タービン下流圧力推定部は、前記排気通路の前記タービンの下流側における圧力損失を前記タービン下流側状態値として用い、前記圧力損失が大きいほど前記タービン下流圧力が高くなるように前記タービン下流圧力を推定することを特徴とするターボ過給機付きエンジンの制御装置。
請求項１乃至４の何れか１項に記載のターボ過給機付きエンジンの制御装置において、
前記タービン下流圧力推定部は、前記排気通路のうち前記タービンの下流側の部分を通過する排気の流量であるタービン下流流量を前記タービン下流側状態値として用い、前記タービン下流流量が多いほど前記タービン下流圧力が高くなるように前記タービン下流圧力を推定することを特徴とするターボ過給機付きエンジンの制御装置。
請求項５に記載のターボ過給機付きエンジンの制御装置において、
前記排気通路のうち前記タービンの上流側の排気を前記吸気通路に還流させるように構
成されたＥＧＲ通路を通過する排気の流量であるＥＧＲ流量を推定するＥＧＲ流量推定部をさらに備え、
前記タービン下流圧力推定部は、前記ＥＧＲ流量に基づいて前記タービン下流流量を推定することを特徴とするターボ過給機付きエンジンの制御装置。
請求項１乃至６の何れか１項に記載のターボ過給機付きエンジンの制御装置において、
前記排気通路のうち前記タービンの上流側の排気を前記吸気通路に還流させるように構成されたＥＧＲ通路の上流端と下流端との圧力差、及び、前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブの開度に基づいてＥＧＲ量を制御すると共に、推定した前記タービン上流圧力を前記ＥＧＲ通路の上流端の圧力として用いることを特徴とするターボ過給機付きエンジンの制御装置。