(57)【要約】【課題】多段過給システムを備えた内燃機関において各段のターボチャージャのコンプレッサ側及びタービン側の状態量を高精度に推定できる内燃機関の状態量推定装置を提供することを課題とする。【解決手段】高圧段ターボチャージャ６及び低圧段ターボチャージャ５を含む多段過給システムを備えた内燃機関１において、各ターボチャージャ５，６についての状態量を推定する状態量推定装置であって、高圧段ターボチャージャ６のコンプレッサ６ａと低圧段ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａとの間の圧力を検出する中間ブースト圧センサ１１を設け、その中間ブースト圧センサ１１で検出したコンプレッサ間の中間ブースト圧に基づいてコンプレッサ側の状態量を推定し、推定したコンプレッサ側の状態量（例えば、コンプレッサ回転数）を用いてタービン側の状態量を推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧段ターボチャージャ及び低圧段ターボチャージャを含む多段過給システムを備えた内燃機関において、各ターボチャージャについての状態量を推定する状態量推定装置であって、
前記高圧段ターボチャージャのコンプレッサと前記低圧段ターボチャージャのコンプレッサとの間の圧力又は前記高圧段ターボチャージャのタービンと前記低圧段ターボチャージャのタービンとの間の圧力を検出する中間圧力検出手段と、
前記中間圧力検出手段がコンプレッサ間の中間圧力を検出する検出手段の場合には前記中間圧力検出手段で検出したコンプレッサ間の中間圧力に基づいてコンプレッサ側の状態量を推定し、前記推定したコンプレッサ側の状態量を用いてタービン側の状態量を推定し、前記中間圧力検出手段がタービン間の中間圧力を検出する検出手段の場合には前記中間圧力検出手段で検出したタービン間の中間圧力に基づいてタービン側の状態量を推定し、前記推定したタービン側の状態量を用いてコンプレッサ側の状態量を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の状態量推定装置。
【請求項２】
前記推定手段は、前記中間圧力検出手段がコンプレッサ間の中間圧力を検出する検出手段の場合には前記中間圧力検出手段で検出したコンプレッサ間の中間圧力に基づいて前記高圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量及び前記低圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量を推定し、前記推定した高圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量に含まれる高圧段コンプレッサ回転数を用いて前記高圧段ターボチャージャのタービンの状態量を推定するとともに前記推定した低圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量に含まれる低圧段コンプレッサ回転数を用いて前記低圧段ターボチャージャのタービンの状態量を推定し、前記中間圧力検出手段がタービン間の中間圧力を検出する検出手段の場合には前記中間圧力検出手段で検出したタービン間の中間圧力に基づいて前記高圧段ターボチャージャのタービンの状態量及び前記低圧段ターボチャージャのタービンの状態量を推定し、前記推定した高圧段ターボチャージャのタービンの状態量に含まれる高圧段タービン回転数を用いて前記高圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量を推定するとともに前記推定した低圧段ターボチャージャのタービンの状態量に含まれる低圧段タービン回転数を用いて前記低圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量を推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の状態量推定装置。
【請求項３】
前記中間圧力検出手段は、コンプレッサ間の中間圧力を検出する検出手段であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の状態量推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧段ターボチャージャ及び低圧段ターボチャージャを含む多段過給システムを備えた内燃機関において、各ターボチャージャについての状態量を推定する状態量推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両のエンジン制御や排気ガス浄化制御等を行う場合、制御精度を向上させるためには、エンジンの各部の状態量を正確に把握することが重要となる。特に、多段過給システムを備えたエンジンの場合、各段のターボチャージャの状態量を把握する必要がある。特許文献１には、２段のターボチャージャにおいて、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとのコンプレッサ間の圧力を検出し、その中間圧力を用いてコンプレッサ間の温度を算出することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１０−５３１４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
多段過給システムではコンプレッサ側及びタービン側がそれぞれ直列に接続されており、互いに影響し合いながら作動している。特に、過渡運転の場合、個々のターボチャージャの作動状態によって、多段過給システムとしてのトータルの効率が大きく変動する。そのため、トータルの効率が良い状態で多段過給システムを使用するためには、各段のターボチャージャのコンプレッサ側及びタービン側の状態量を正確に把握する必要がある。しかし、特許文献１では、コンプレッサ間の中間圧力を用いてコンプレッサ間の温度しか推定していない。
【０００５】
そこで、本発明は、多段過給システムを備えた内燃機関において各段のターボチャージャのコンプレッサ側及びタービン側の状態量を高精度に推定できる内燃機関の状態量推定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る内燃機関の状態量推定装置は、高圧段ターボチャージャ及び低圧段ターボチャージャを含む多段過給システムを備えた内燃機関において、各ターボチャージャについての状態量を推定する状態量推定装置であって、高圧段ターボチャージャのコンプレッサと低圧段ターボチャージャのコンプレッサとの間の圧力又は高圧段ターボチャージャのタービンと低圧段ターボチャージャのタービンとの間の圧力を検出する中間圧力検出手段と、中間圧力検出手段がコンプレッサ間の中間圧力を検出する検出手段の場合には中間圧力検出手段で検出したコンプレッサ間の中間圧力に基づいてコンプレッサ側の状態量を推定し、推定したコンプレッサ側の状態量を用いてタービン側の状態量を推定し、中間圧力検出手段がタービン間の中間圧力を検出する検出手段の場合には中間圧力検出手段で検出したタービン間の中間圧力に基づいてタービン側の状態量を推定し、推定したタービン側の状態量を用いてコンプレッサ側の状態量を推定する推定手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この状態量推定装置では、中間圧力検出手段によって、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとのコンプレッサ間の圧力を検出する。そして、状態量推定装置では、推定手段によって、そのコンプレッサ間の中間圧力に基づいてコンプレッサ側の状態量を推定し、そのコンプレッサ側の状態量を用いてタービン側の状態量を推定する。また、状態量推定装置では、中間圧力検出手段によって、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとのタービン間の圧力を検出する。そして、状態量推定装置では、推定手段によって、そのタービン間の中間圧力に基づいてタービン側の状態量を推定し、そのタービン側の状態量を用いてコンプレッサ側の状態量を推定する。各状態量を推定する際に、必要に応じて、内燃機関に一般的に設けられるセンサ（例えば、吸気ガスの温度センサや流量センサ、ブースト圧センサ）の検出値を用いる。このように、この状態量推定装置では、内燃機関に設けられる一般的なセンサにコンプレッサ間又はタービン間の中間圧力を検出する中間圧力検出手段を追加するだけで、多段過給システムの各段のターボチャージャのコンプレッサ側及びタービン側の状態量を高精度に推定できる。このように、各段のターボチャージャのコンプレッサ側及びタービン側の状態量が得られるので、定常運転状態だけでなく過渡運転状態でも、これらの各状態量から各段のターボチャージャの作動状態を把握でき、その作動状態に基づいて多段過給システムのトータルとして効率の良いところで各ターボチャージャを使用できる。さらに、これらの各状態量を内燃機関制御（ターボチャージャ制御等を含む）、排気ガス浄化制御、故障検知等にも利用でき、制御精度を向上できる。なお、３段以上の多段過給システムの場合、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとの組み合わせが複数あり、組み合わせ毎に、コンプレッサ間又はタービン間の中間圧力を検出して、状態量を推定する。
【０００８】
本発明の上記内燃機関の状態量推定装置では、推定手段は、中間圧力検出手段がコンプレッサ間の中間圧力を検出する検出手段の場合には中間圧力検出手段で検出したコンプレッサ間の中間圧力に基づいて高圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量及び低圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量を推定し、推定した高圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量に含まれる高圧段コンプレッサ回転数を用いて高圧段ターボチャージャのタービンの状態量を推定するとともに推定した低圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量に含まれる低圧段コンプレッサ回転数を用いて低圧段ターボチャージャのタービンの状態量を推定し、中間圧力検出手段がタービン間の中間圧力を検出する検出手段の場合には中間圧力検出手段で検出したタービン間の中間圧力に基づいて高圧段ターボチャージャのタービンの状態量及び低圧段ターボチャージャのタービンの状態量を推定し、推定した高圧段ターボチャージャのタービンの状態量に含まれる高圧段タービン回転数を用いて高圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量を推定するとともに推定した低圧段ターボチャージャのタービンの状態量に含まれる低圧段タービン回転数を用いて低圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量を推定すると好適である。
【０００９】
各ターボチャージャでは、コンプレッサとタービンとが同軸で回転するので、コンプレッサ回転数とタービン回転数とが同一の回転数である。したがって、コンプレッサ回転数を推定した場合、そのコンプレッサ回転数をタービン回転数として用いることができる。あるいは、タービン回転数を推定した場合、そのタービン回転数をコンプレッサ回転数として用いることができる。そこで、中間圧力検出手段がコンプレッサ間の中間圧力を検出する検出手段の場合、推定手段では、中間圧力検出手段で検出したコンプレッサ間の中間圧力に基づいて高圧段ターボチャージャのコンプレッサの各部の状態量（コンプレッサ回転数を含む）及び低圧段ターボチャージャのコンプレッサの各部の状態量（コンプレッサ回転数を含む）を推定し、その高圧段ターボチャージャのコンプレッサ回転数を用いて高圧段ターボチャージャのタービンの各部の状態量を推定でき、その低圧段ターボチャージャのコンプレッサ回転数を用いて低圧段ターボチャージャのタービンの各部の状態量を推定できる。一方、中間圧力検出手段がタービン間の中間圧力を検出する検出手段の場合、推定手段では、中間圧力検出手段で検出したタービン間の中間圧力に基づいて高圧段ターボチャージャのタービンの各部の状態量（タービン回転数を含む）及び低圧段ターボチャージャのタービンの各部の状態量（タービン回転数を含む）を推定し、その高圧段ターボチャージャのタービン回転数を用いて高圧段ターボチャージャのコンプレッサの各部の状態量を推定でき、その低圧段ターボチャージャのタービン回転数を用いて低圧段ターボチャージャのコンプレッサの各部の状態量を推定できる。
【００１０】
本発明の上記内燃機関の状態量推定装置では、中間圧力検出手段は、コンプレッサ間の中間圧力を検出する検出手段であると好適である。コンプレッサ側は内燃機関の吸気側であり、吸気側は圧力検出手段を設ける上で安全性が高く、排気側よりも適している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、内燃機関に設けられる一般的なセンサにコンプレッサ間又はタービン間の中間圧力を検出する中間圧力検出手段を追加するだけで、多段過給システムの各段のターボチャージャのコンプレッサ側及びタービン側の状態量を高精度に推定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施の形態に係るエンジンの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明に係る内燃機関の状態量推定装置の実施の形態を説明する。
【００１４】
本実施の形態では、本発明に係る内燃機関の状態量推定装置を、ディーゼル車に搭載されるエンジン（内燃機関）のＥＣＵ[Electronic Control Unit]に適用する。本実施の形態に係るエンジンは、２段過給システム及びＨＰＬ[High Pressure Loop]のＥＧＲ[Exhaust GasRecirculation]システムを装備しており、２段過給システムにおける高圧段ターボチャージャが可変容量型であり、低圧段ターボチャージャが固定容量型である。本実施の形態に係るエンジンは、ＥＣＵによって周知のエンジン制御、ターボの可変容量制御、ＥＧＲ制御、排気ガス浄化制御、故障診断等が行われるとともに、それらの制御等に利用するための各段のターボチャージャの状態量の推定が行われる。なお、本実施の形態では、ＥＣＵにおけるこれらの周知の各制御等については説明せず、ターボチャージャの状態量の推定処理についてのみ詳細に説明する。
【００１５】
図１を参照して、本実施の形態に係るエンジン１について説明する。図１は、本実施の形態に係るエンジンの概略構成図である。
【００１６】
エンジン１（特に、ＥＣＵ１７における状態量推定）は、各段のターボチャージャのコンプレッサ側及びタービン側の各部の状態量（温度、圧力、回転数）を推定するために、エンジンに一般的に搭載される各センサに対してコンプレッサ間の中間圧力（以下、「中間ブースト圧Ｐ２Ｌ」と記載）を検出するセンサだけを追加する。特に、ＥＣＵ１７における状態量推定では、中間ブースト圧Ｐ２Ｌを用いて低圧段コンプレッサの各部の状態量を推定し、さらに、高圧段コンプレッサの各部の状態量を推定し、高圧段コンプレッサの回転数を用いて高圧段タービンの各部の状態量を推定し、さらに、低圧段コンプレッサの回転数を用いて低圧段タービンの各部の状態量を推定する。
【００１７】
エンジン１は、エンジン本体１ａに直列に６つのシリンダ（気筒）２ａ〜２ｆを配した直列式６気筒のディーゼルエンジンである。各シリンダ２ａ〜２ｆには、インジェクタ（図示せず）がそれぞれ設けられている。各インジェクタでは、各シリンダ２ａ〜２ｆ内に燃料（軽油）を噴射する。エンジン本体１ａでは、シリンダ２ａ〜２ｆ毎に、シリンダ内のガス（大気中からの空気＋排気ガス再循環のＥＧＲガス）がピストン（図示せず）によって断熱圧縮された状態で、燃料が噴射されることによって燃焼が行われる。
【００１８】
エンジン本体１ａ（シリンダ２ａ〜２ｆ）には、インテークマニホールド３が接続されている。インテークマニホールド３では、吸い込んだガス（空気＋ＥＧＲガス）を各シリンダ２ａ〜２ｆに分配して供給する。インテークマニホールド３には、インマニ温度センサ３ａが設けられている。インマニ温度センサ３ａでは、インテークマニホールド３内のガスの温度（以下、「インマニ温度」と記載）を検出し、その検出値をＥＣＵ１７に出力する。
【００１９】
また、エンジン本体１ａ（シリンダ２ａ〜２ｆ）には、エキゾーストマニホールド４が接続されている。エキゾーストマニホールド４では、各シリンダ２ａ〜２ｆから排気された排気ガスを合流させて高圧段ターボチャージャ６のタービン６ｂやＥＧＲシステム１６のＥＧＲ通路１６ａに導く。エキゾーストマニホールド４には、エキマニ圧力センサ４ａ及びエキマニ温度センサ４ｂが設けられている。エキマニ圧力センサ４ａでは、エキゾーストマニホールド４内の排気ガスの圧力（以下、「エキマニ圧力Ｐ３Ｈ」と記載）を検出し、その検出値をＥＣＵ１７に出力する。エキマニ温度センサ４ｂでは、エキゾーストマニホールド４内の排気ガスの温度（以下、「エキマニ温度Ｔ３Ｈ」と記載）を検出し、その検出値をＥＣＵ１７に出力する。なお、これらのエキマニ圧力センサ４ａ、エキマニ温度センサ４ｂを設けない構成でも、状態量推定は可能である。
【００２０】
エンジン１は、２段過給システム（低圧段ターボチャージャ５及び高圧段ターボチャージャ６）を装備している。低圧段ターボチャージャ５は、低圧段コンプレッサ５ａと低圧段タービン５ｂを備えており、低圧段コンプレッサ５ａと低圧段タービン５ｂとが同軸で回転する。低圧段ターボチャージャ５では、高圧段タービン６ｂから排出された排気ガスの圧力で低圧段タービン５ｂが回転し、低圧段タービン５ｂと同軸で回転する低圧段コンプレッサ５ａで空気を圧縮して過給する。
【００２１】
高圧段ターボチャージャ６は、高圧段コンプレッサ６ａと高圧段タービン６ｂを備えており、高圧段コンプレッサ６ａと高圧段タービン６ｂとが同軸で回転する。高圧段コンプレッサ６ａは吸気側で低圧段コンプレッサ５ａより下流に配置され、高圧段タービン６ｂは排気側で低圧段タービン５ｂより上流に配置される。高圧段ターボチャージャ６では、エキゾーストマニホールド４から導かれた排気ガスの圧力で高圧段タービン６ｂが回転し、高圧段タービン６ｂと同軸で回転する高圧段コンプレッサ６ａで空気を圧縮して過給する。高圧段タービン６ｂには、ノズルベーン６ｃが設けられ、ノズルベーン６ｃの開度によって高圧段タービン６ｂに導入される排気ガス流量が制御される。高圧段ターボチャージャ６は、低圧段ターボチャージャ５と比べて容量の小さいものが用いられる。これは、高圧段ターボチャージャ６において排気エネルギが一度回収され、膨張した排気ガスを低圧段ターボチャージャ５で扱うためである。
【００２２】
吸気側では、大気中から空気がエアクリーナ７を介して吸い込まれ、低圧段コンプレッサ５ａで圧縮される。エアクリーナ７と低圧段コンプレッサ５ａとの間の吸気通路８ａには、吸気温度兼吸気量センサ９が設けられている。吸気温度兼吸気量センサ９は、大気中から吸い込まれる空気の温度（以下、「吸気温度Ｔ１Ｌ」と記載）及び空気の量（以下、「吸気量Ｇａ」と記載）を検出し、その各検出値をＥＣＵ１７に出力する。低圧段コンプレッサ５ａで圧縮された空気は、インタクーラ１０で冷却される。インタクーラ１０は、エンジン本体１ａとは別回路の低温冷却水を冷媒としており、冷媒温度センサ１０ａが設けられている。冷媒温度センサ１０ａは、インタクーラ１０の冷媒の温度（以下、「冷媒温度Ｔｉｃ」と記載）を検出し、その検出値をＥＣＵ１７に出力する。低圧段コンプレッサ５ａとインタクーラ１０との間の吸気通路８ｂには、中間ブースト圧センサ１１が設けられている。中間ブースト圧センサ１１は、低圧段コンプレッサ５ａと高圧段コンプレッサ６ａとの間の中間圧力（以下、「中間ブースト圧Ｐ２Ｌ」と記載）を検出し、その検出値をＥＣＵ１７に出力する。インタクーラ１０で冷却された圧縮空気は、高圧段コンプレッサ６ａで更に圧縮される。高圧段コンプレッサ６ａで圧縮された空気は、アフタクーラ１２で冷却され、インテークマニホールド３に吸気される。アフタクーラ１２とインテークマニホールド３との間の吸気通路８ｃには、ブースト圧センサ１３が設けられている。ブースト圧センサ１３は、２段のターボチャージャ５，６による過給後のインテークマニホールド３での圧力（以下、「ブースト圧Ｐｉｍ」と記載）を検出し、その検出値をＥＣＵ１７に出力する。なお、本実施の形態では、中間ブースト圧センサ１１が特許請求の範囲に記載する中間圧力検出手段に相当する。
【００２３】
排気側では、エキゾーストマニホールド４から排気ガスがノズルベーン６ｃで流量調整されて高圧段タービン６ｂに導入され、その排気ガスで高圧段タービン６ｂが回転する。高圧段タービン６ｂから出た排気ガスは、低圧段タービン５ｂに導入され、その排気ガスで低圧段タービン５ｂが回転する。低圧段タービン５ｂから出た排気ガスは、排気通路１４を通って排気システム（図示せず）に導かれ、排気システムで浄化されて、マフラ１５から車外に排気される。
【００２４】
また、エンジン１は、ＥＧＲシステム１６を装備している。ＥＧＲシステム１６は、ＥＧＲ通路１６ａを備えている。ＥＧＲ通路１６ａは、エキゾーストマニホールド４と吸気通路８ｃとを接続する通路であり、エキゾーストマニホールド４からの排気ガスを吸気側にＥＧＲガスとして再循環させる。ＥＧＲ通路１６ａには、ＥＧＲクーラ１６ｂが設けられ、ＥＧＲクーラ１６ｂで再循環させる排気ガスが冷却される。また、ＥＧＲ通路１６ａには、ＥＧＲバルブ１６ｃが設けられ、ＥＧＲバルブ１６ｃによって再循環するＥＧＲガス量が制御される。
【００２５】
ＥＣＵ１７は、ＣＰＵ[CentralProcessing Unit]、ＲＯＭ[ReadOnly Memory]、ＲＡＭ[Random Access Memory]等からなる電子制御ユニットであり、エンジン１を統括制御する。ＥＣＵ１７では、ＲＯＭに記憶されている各種プログラムをＲＡＭにロードしてＣＰＵで実行することによって、エンジン本体制御（例えば、インジェクタの燃料噴射制御）、ターボの可変容量制御（例えば、ノズルベーン６ｃの開度制御）、ＥＧＲ制御（例えば、ＥＧＲバルブ１６ｃの開度制御）、排気ガス浄化制御、故障診断等の周知の処理を行うとともに状態量推定処理を行う。本実施の形態では、ＥＣＵ１７で行う処理については、この状態量推定処理についてのみ詳細に説明する。なお、本実施の形態では、ＥＣＵ１７における処理が特許請求の範囲に記載する推定手段に相当する。
【００２６】
ＥＣＵ１７では、一定時間毎に、インマニ温度センサ３ａ、エキマニ圧力センサ４ａ、エキマニ温度センサ４ｂ、吸気温度兼吸気量センサ９、冷媒温度センサ１０ａ、中間ブースト圧センサ１１、ブースト圧センサ１３から、インマニ温度、エキマニ圧力Ｐ３Ｈ、エキマニ温度Ｔ３Ｈ、吸気温度Ｔ１Ｌ、吸気量Ｇａ、冷媒温度Ｔｉｃ、中間ブースト圧Ｐ２Ｌ、ブースト圧Ｐｉｍをそれぞれ取得する。ＥＣＵ１７内には、大気圧センサ１７ａが設けられている。大気圧センサ１７ａは、大気圧Ｐ０を検出する。ＥＣＵ１７では、一定時間毎に、大気圧センサ１７ａから大気圧Ｐ０を取得する。
【００２７】
ＥＣＵ１７のＲＯＭ内には、修正回転数Ｎｃｏｒ＝Ｍａｐ（Ｇｃｏｒ，πｃ）、コンプレッサ効率ηｃ＝Ｍａｐ（Ｇｃｏｒ，Ｎｃｏｒ）やタービン効率ηｔ＝Ｍａｐ（Ｇｃｏｒ，Ｎｃｏｒ）、タービン膨張比πｔ＝Ｍａｐ（Ｇｃｏｒ，Ｎｃｏｒ）等の各マップＭａｐが保持されている。これらの各マップは、一般的に知られている周知のターボマップである。πｃは、圧力比である。Ｇｃｏｒは、修正ガス流量である。ＧｃｏｒやＮｃｏｒは、「修正」となっているが、入口温度や入口圧力によって標準化されたガス流量や回転数である。また、ＥＣＵ１７のＲＯＭ内には、エアクリーナ７等を含む低圧段コンプレッサ５ａの上流側での損失ΔＰａｆ＝ｆ（Ｇａ）、インタクーラ等１０を含む低圧段コンプレッサ５ａと高圧段コンプレッサ６ａとの間での損失ΔＰｉｃ＝ｆ（Ｇａ）、アフタクーラ１２等を含む高圧段コンプレッサ６ａの下流側での損失ΔＰａｃ＝ｆ（Ｇａ）、インタクーラ冷却効率ηｉｃ＝ｆ（Ｇａ）等の各関数ｆが保持されている。これらの各関数は、一般的に知られている周知の関数である。なお、上記各マップについては関数化してもよいし、上記各関数についてはマップ化してもよい。
【００２８】
これらの各マップＭａｐや各関数ｆは、ターボチャージャ単体でのデータではなく、エンジン実機にて使用領域の定常データを取得し、その定常データを用いてマップ化や関数化したものである。例えば、コンプレッサ効率ηｃについてはコンプレッサの入力温度Ｔ１、出口温度Ｔ２、圧力比πｃを用いて式（１）によって求めることができるので、各吸気ガス流量や各コンプレッサ回転数での定常データを用いて式（１）によってコンプレッサ効率ηｃをそれぞれ算出して、マップ化する。式（１）におけるκは、比熱比であり、κ＝定圧比熱Ｃｐ／定容比熱Ｃｖである。また、タービン効率ηｔについてはタービンの入力温度Ｔ３、出口温度Ｔ４、膨張比πｔを用いて式（２）によって求めることができるので、各排気ガス流量や各タービン回転数での定常データを用いて式（２）によってタービン効率ηｔをそれぞれ算出して、マップ化する。また、冷却器（インタクーラ等）の一般的な効率ηｃｏｏｌについては冷却器の入力温度Ｔｉｎ、出口温度Ｔｏｕｔ、冷媒温度Ｔｃｏｏｌを用いて式（３）によって求めることができるので、各吸気ガス量での定常データを用いて式（３）によって冷却効率ηｃｏｏｌをそれぞれ算出して、関数化する。なお、可変容量型のターボチャージャ（タービン）の場合、ベーン開度毎に固有のマップとなるため、所定間隔のベーン開度毎にマップを用意しておく。
【数１】
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【００２９】
ＥＣＵ１７における状態量推定処理について詳細に説明する。ＥＣＵ１７では、吸気温度兼吸気量センサ９、ブースト圧センサ１３、大気圧センサ１７ａに加えて中間ブースト圧センサ１１の各検出値を用いて、低圧段コンプレッサ５ａの各部の状態量、高圧段コンプレッサ６ａの各部の状態量を順に推定する。さらに、ＥＣＵ１７では、高圧段コンプレッサ６ａのコンプレッサ回転数を用いて高圧段タービン６ｂの各部の状態量を推定し、低圧段コンプレッサ５ａのコンプレッサ回転数を用いて低圧段タービン５ｂの各部の状態量を順に推定する。
【００３０】
低圧段コンプレッサ５ａの各部の状態量の推定について説明する。一定時間毎に、ＥＣＵ１７では、吸気量Ｇａを用いて、関数ｆ１による式（４）によりエアクリーナ７を含む低圧段コンプレッサ５ａの上流側での損失ΔＰａｆを算出する。次に、ＥＣＵ１７では、その損失ΔＰａｆと大気圧Ｐ０を用いて、式（５）により低圧段コンプレッサ５ａの入口圧力Ｐ１Ｌを算出する。次に、ＥＣＵ１７では、その入口圧力Ｐ１Ｌと中間ブースト圧Ｐ２Ｌを用いて、式（６）により低圧段コンプレッサ５ａの圧力比πｃＬを算出する。次に、ＥＣＵ１７では、その圧力比πｃＬと修正流量ＧｃｏｒＬを用いて、式（７）に示すＭａｐ１により低圧段コンプレッサ５ａの修正回転数ＮｃｏｒＬを検索する。修正流量ＧｃｏｒＬは、吸気量Ｇａが低圧段コンプレッサ５ａの入口温度（吸気温度Ｔ１Ｌ）と入口圧力Ｐ１Ｌにより標準化された値である。次に、ＥＣＵ１７では、その修正回転数ＮｃｏｒＬと修正流量ＧｃｏｒＬを用いて、式（８）に示すＭａｐ２により低圧段コンプレッサ５ａの効率ηｃＬを検索する。最後に、ＥＣＵ１７では、その効率ηｃＬ、圧力比πｃＬと入口温度（吸気温度Ｔ１Ｌ）を用いて、式（９）により低圧段コンプレッサ５ａの出口温度Ｔ２Ｌを算出する。
【数２】
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【００３１】
高圧段コンプレッサ６ａの各部の状態量の推定について説明する。一定時間毎に、ＥＣＵ１７では、吸気量Ｇａを用いて、関数ｆ２による式（１０）によりインタクーラ１０を含む低圧段コンプレッサ５ａと高圧段コンプレッサ６ａとの間での損失ΔＰｉｃを算出する。次に、ＥＣＵ１７では、その損失ΔＰｉｃと中間ブースト圧Ｐ２Ｌを用いて、式（１１）により高圧段コンプレッサ６ａの入口圧力Ｐ１Ｈを算出する。次に、ＥＣＵ１７では、吸気量Ｇａを用いて、関数ｆ３による式（１２）によりインタクーラ１０の冷却効率ηｉｃを算出する。次に、ＥＣＵ１７では、その冷却効率ηｉｃ、冷媒温度Ｔｉｃと低圧段コンプレッサ５ａの出口温度Ｔ２Ｌを用いて、式（１３）により高圧段コンプレッサ６ａの入口温度Ｔ１Ｈを算出する。
【数３】
2014047777.tif 000005
【００３２】
次に、ＥＣＵ１７では、吸気量Ｇａを用いて、関数ｆ４による式（１４）によりアフタクーラ１２を含む高圧段コンプレッサ６ａの下流側での損失ΔＰａｃを算出する。次に、ＥＣＵ１７では、その損失ΔＰａｃとブースト圧Ｐｉｍを用いて、式（１５）により高圧段コンプレッサ６ａの出口圧力Ｐ２Ｈを算出する。次に、ＥＣＵ１７では、その出口圧力Ｐ２Ｈと入口圧力Ｐ１Ｈを用いて、式（１６）により高圧段コンプレッサ６ａの圧力比πｃＨを算出する。次に、ＥＣＵ１７では、その圧力比πｃＨと修正流量ＧｃｏｒＨを用いて、式（１７）に示すＭａｐ３により高圧段コンプレッサ６ａの修正回転数ＮｃｏｒＨを検索する。修正流量ＧｃｏｒＨは、吸気量Ｇａが高圧段コンプレッサ６ａの入口温度Ｔ１Ｈと入口圧力Ｐ１Ｈにより標準化された値である。次に、ＥＣＵ１７では、その修正回転数ＮｃｏｒＨと修正流量ＧｃｏｒＨを用いて、式（１８）に示すＭａｐ４により高圧段コンプレッサ６ａの効率ηｃＨを検索する。最後に、ＥＣＵ１７では、その効率ηｃＨ、圧力比πｃＨと入口温度Ｔ１Ｈを用いて、式（１９）により高圧段コンプレッサ６ａの出口温度Ｔ２Ｈを算出する。
【数４】
2014047777.tif 000006
【００３３】
高圧段タービン６ｂの各部の状態量の推定について説明する。一定時間毎に、ＥＣＵ１７では、高圧段コンプレッサ６ａ側から引き渡された修正回転数ＮｃｏｒＨと修正流量ＧｃｏｒＨを用いて、式（２０）に示すＭａｐ５により高圧段タービン６ｂの膨張比πｔＨを検索する。この修正流量ＧｃｏｒＨは、排気ガス流量（吸気量Ｇａ＋燃料流量）が高圧段タービン６ｂの入口温度（エキマニ温度Ｔ３Ｈ）と入口圧力（エキマニ圧力Ｐ３Ｈ）により標準化された値である。燃料流量は、ＥＣＵ１７から各インジェクタに指示する燃料噴射量と実際の燃料噴射量とが十分に一致するように調整しておくことにより、ＥＣＵ１７からの燃料噴射量の指示量から得ることができる。次に、ＥＣＵ１７では、その膨張比πｔＨと入口圧力（エキマニ圧力Ｐ３Ｈ）を用いて、式（２１）により高圧段タービン６ｂの出口圧力Ｐ４Ｈを算出する。次に、ＥＣＵ１７では、高圧段コンプレッサ６ａ側から引き渡された修正回転数ＮｃｏｒＨと修正流量ＧｃｏｒＨを用いて、式（２２）に示すＭａｐ６により高圧段タービン６ｂの効率ηｔＨを検索する。最後に、ＥＣＵ１７では、その効率ηｔＨ、膨張比πｔＨと入口温度Ｔ３Ｈを用いて、式（２３）により高圧段タービン６ｂの出口温度Ｔ４Ｈを算出する。なお、可変容量型のターボチャージャ（タービン）の場合、上記したようにベーン開度毎にマップが固有となるので、上記の式によって各ベーン開度について各値を算出し、現在のベーン開度にて補間した値を現在の状態量として採用する。
【数５】
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【００３４】
なお、入口圧力Ｐ３Ｈについては、エキマニ圧力センサ４ａで検出する構成としているが、インマニ圧力（ブースト圧Ｐｉｍ）やベーン開度等を用いた推定によって得てもよい。また、入口温度Ｔ３Ｈについては、エキマニ温度センサ４ｂで検出する構成としているが、センサが折損した場合のタービンへのダメージ等を考慮し、推定によって得てもよい。これらの推定によって入口圧力Ｐ３Ｈや入口温度Ｔ３Ｈを得た場合、エキゾーストマニホールド４におけるセンサが不要である。
【００３５】
低圧段タービン５ｂの各部の状態量の推定について説明する。一定時間毎に、ＥＣＵ１７では、式（２４）に示すように、高圧段タービン６ｂの出口圧力Ｐ４Ｈを低圧段タービン５ｂの入口圧力Ｐ３Ｌとする。次に、ＥＣＵ１７では、式（２５）に示すように、高圧段タービン６ｂの出口温度Ｔ４Ｈを低圧段タービン５ｂの入口温度Ｔ３Ｌとする。次に、ＥＣＵ１７では、低圧段コンプレッサ５ａ側から引き渡された修正回転数ＮｃｏｒＬと修正流量ＧｃｏｒＬを用いて、式（２６）に示すＭａｐ７により低圧段タービン５ｂの膨張比πｔＬを検索する。この修正流量ＧｃｏｒＬは、排気ガス流量（吸気量Ｇａ＋燃料流量）が低圧段タービン５ｂの入口温度Ｔ３Ｌと入口圧力Ｐ３Ｌにより標準化された値である。次に、ＥＣＵ１７では、その膨張比πｔＬと入口圧力Ｐ３Ｌを用いて、式（２７）により低圧段タービン５ｂの出口圧力Ｐ４Ｌを算出する。次に、ＥＣＵ１７では、低圧段コンプレッサ５ａ側から引き渡された修正回転数ＮｃｏｒＬと修正流量ＧｃｏｒＬを用いて、式（２８）に示すＭａｐ８により低圧段タービン５ｂの効率ηｔＬを検索する。最後に、ＥＣＵ１７では、その効率ηｔＬ、膨張比πｔＬと入口温度Ｔ３Ｌを用いて、式（２９）により低圧段タービン５ｂの出口温度Ｔ４Ｌを算出する。
【数６】
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【００３６】
そして、ＥＣＵ１７では、この推定した低圧段コンプレッサ５ａの各状態量（入口圧力Ｐ１Ｌ、出口温度Ｔ２Ｌ、修正回転数ＮｃｏｒＬ等）、高圧段コンプレッサ６ａの各状態量（入口圧力Ｐ１Ｈ、入口温度Ｔ１Ｈ、出口圧力Ｐ２Ｈ、出口温度Ｔ２Ｈ、修正回転数ＮｃｏｒＨ等）、高圧段タービン６ｂの各状態量（出口圧力Ｐ４Ｈ、出口温度Ｔ４Ｈ等）、低圧段タービン５ｂの各状態量（入口圧力Ｐ３Ｌ、入口温度Ｔ３Ｌ、出口圧力Ｐ４Ｌ、出口温度Ｔ４Ｌ）を、エンジン本体制御、ターボの可変容量制御、ＥＧＲ制御、排気ガス浄化制御、故障診断等で用いる。この際、定常運転状態や過渡運転状態において、各段のコンプレッサ５ａ，６ａ及びタービン５ｂ，６ｂの各状態量が得られるので、これらの各状態量から各段のターボチャージャ５，６の作動状態を把握でき、各作動状態に基づいて２段過給システムのトータルとして効率の良いところでターボチャージャ５，６を使用できる。なお、算出される各状態量は瞬時値であるので、必要に応じて、状態量毎に、時系列の瞬時値を用いて一次遅れ補正等を行い、なまし値を算出し、なまし値を用いてもよい。
【００３７】
このエンジン１（特に、中間ブースト圧センサ１１を用いたＥＣＵ１７における状態量推定処理）によれば、エンジンに設けられる一般的なセンサ（吸気温度兼吸気量センサ９、ブースト圧センサ１３等）に加えてコンプレッサ５ａ，６ａ間の中間圧力を検出する中間ブースト圧センサ１１だけを追加するだけで、２段過給システムの各段のターボチャージャ５，６のコンプレッサ側及びタービン側の各部の状態量を高精度に推定できる。このように、各段のターボチャージャ５，６のコンプレッサ側及びタービン側の各部の状態量が得られるので、定常運転状態だけでなく過渡運転状態でも、２段過給システムのトータルとして効率の良いところでターボチャージャ５，６を使用できる。さらに、これらの各状態量をエンジン制御（ターボ制御、ＥＧＲ制御を含む）、排気ガス浄化制御、故障検知等にも利用でき、定常運転状態だけでなく過渡運転状態における制御精度を向上できる。
【００３８】
また、このエンジン１によれば、ターボチャージャ５，６のコンプレッサ側（吸気側）に中間圧力を検出する中間ブースト圧センサ１１を設けたので、排気側に比べた環境が良く、安全性が高い。
【００３９】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【００４０】
例えば、本実施の形態ではエンジンのＥＣＵの一つの機能として状態量推定装置を組み込む形態としたが、他のＥＣＵに組み込む形態、状態量推定装置単体として構成する形態など、状態量推定装置を他の形態で構成してもよい。
【００４１】
また、本実施の形態では内燃機関としてはディーゼルエンジンであり、可変容量型のターボチャージャと固定容量型のターボチャージャ及びＥＧＲシステムを装備するものに適用したが、ガソリンエンジン等の他の内燃機関でも適用可能であり、ＥＧＲシステムを装備しないものでも適用可能であり、ターボチャージャについては固定容量型／可変容量型に関係なく適用可能であり、ＥＧＲシステムについてはＬＰＬのＥＧＲシステムにも適用可能である。また、中間冷却器（インタークーラ）を装備しないものでも適用可能であり、中間冷却器の冷却方法についても空冷等の他の冷却方法でもよい。
【００４２】
また、本実施の形態では２段過給システムに適用したが、３段過給システム等の他の多段過給システムにも適用できる。例えば、３段過給システムの場合、１段目のターボチャージャと２段目のターボチャージャとのコンプレッサ間(又はタービン間)及び２段目のターボチャージャと３段目のターボチャージャとのコンプレッサ間(又はタービン間)にそれぞれ中間ブースト圧センサを設けて、その組み合わせ毎に中間ブースト圧を用いてコンプレッサ（又はタービン）側の各部の状態量を求め、コンプレッサ回転数（又はタービン回転数）を用いてタービン（又はコンプレッサ）側の各部の状態量を求める。
【００４３】
また、本実施の形態では中間冷却器（インタクーラ）をエンジン本体とは別回路の低温冷却水を冷媒とする冷却器としたので、冷媒温度センサ（水温センサ）を設ける構成としたが、エンジン本体と同回路の冷却水を冷媒とする冷却器の場合、空冷式の冷却器の場合等の他の構成の場合には冷媒温度センサは必要ない。
【００４４】
また、本実施の形態では中間ブースト圧センサ（中間圧力検出手段）をインタクーラと低圧段コンプレッサとの間に設けたが、中間ブースト圧センサは低圧段コンプレッサと高圧段コンプレッサとの間に設ければよいので、インタクーラと高圧段コンプレッサとの間に設けてもよい。
【００４５】
また、本実施の形態ではコンプレッサ間に中間圧力センサを設け、コンプレッサ間の中間圧力を検出し、その中間圧力を用いて高圧段コンプレッサの状態量及び低圧段コンプレッサの状態量を推定し、推定した高圧段コンプレッサ回転数を用いて高圧段タービンの状態量を推定するとともに低圧段コンプレッサ回転数を用いて低圧段タービンの状態量を推定する構成としたが、タービン間に中間圧力センサを設け、タービン間の中間圧力を検出し、その中間圧力を用いて高圧段タービンの状態量及び低圧段タービンの状態量を推定し、推定した高圧段タービン回転数を用いて高圧段コンプレッサ状態量を推定するとともに低圧段タービン回転数を用いて低圧段コンプレッサの状態量を推定する構成としてもよい。
【００４６】
また、本実施の形態ではコンプレッサ側の状態量としてコンプレッサ回転数を用いてタービン側の状態量を推定する構成としたが、コンプレッサ側の他の状態量を用いてタービン側の状態量を推定する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１…エンジン、１ａ…エンジン本体、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ…シリンダ、３…インテークマニホールド、３ａ…インマニ温度センサ、４…エキゾーストマニホールド、４ａ…エキマニ圧力センサ、４ｂ…エキマニ温度センサ、５…低圧段ターボチャージャ、５ａ…低圧段コンプレッサ、５ｂ…低圧段タービン、６…高圧段ターボチャージャ、６ａ…高圧段コンプレッサ、６ｂ…高圧段タービン、６ｃ…ノズルベーン、７…エアクリーナ、８ａ，８ｂ，８ｃ…吸気通路、９…吸気温度兼吸気量センサ、１０…インタクーラ、１０ａ…冷媒温度センサ、１１…中間ブースト圧センサ、１２…アフタクーラ、１３…ブースト圧センサ、１４…排気通路、１５…マフラ、１６…ＥＧＲシステム、１６ａ…ＥＧＲ通路、１６ｂ…ＥＧＲクーラ、１６ｃ…ＥＧＲバルブ、１７…ＥＣＵ、１７ａ…大気圧センサ。
【図１】
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