(57)【要約】  本発明に係る乗り物の内燃エンジン用のコンプレッサまたはタービンなどの圧縮空気供給源の動作をシミュレーションする方法および装置は、タービンまたはコンプレッサ内の接合部分におけるモーメンタムを算出する。モデルは、回転速度、入口圧力および温度ならびに出口圧力に関連する質量流量およびエンタルピの変化量の定常状態値を格納している。このシミュレーションは、コンプレッサまたはタービンと接続されている乗り物エンジンの動作を制御するための、エンジン制御モジュールへの入力となりうる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンのコンプレッサまたはタービンの動作シミュレーションの方法であって、
ａ．タービンまたはコンプレッサの上流側中心点と下流側中心点の間にある接合部分における質量流量を、前記接合部分における前回の質量流量、上流側質量流量、上流側流速、下流側質量流量、下流側流速、接合部面積、上流側静圧、下流側静圧、及びモーメンタムソースの関数によって定義するステップと、
ｂ．質量流量および圧力の定常状態値のルックアップマップまたは演算を与え、前記定常状態の質量流量およびエンタルピ変化が前記コンプレッサまたはタービンの回転速度、入口温度、入口圧、および出口圧の関数であり、または、出口の定常状態圧または定常状態圧力比が前記回転速度、前記質量流量、前記入口圧力、および前記入口温度の関数であるステップと、
ｃ．前記ルックアップマップの前記定常状態値または前記定常状態値の演算を用いて前記接合部における前記モーメンタムソースを算出するステップと、
ｄ．入口ダクトと制御体の間の第１接合部および前記制御体と出口ダクトの間の第２接合部においてステップｃを行うことにより、タービンまたはコンプレッサの動作をシミュレーションするステップとを含む方法。
【請求項２】
前記ステップａは、時間ｎ＋１における質量流量を、時間ｎにおける質量流量に所定の値を加えたものに等しいと定義することで行われ、該所定の値は、上流側の質量流量に上流側の流速を掛けたものに上流側中心点から下流側中心点までの距離に対する時間ｎから時間ｎ＋１の間の比を掛け、これから下流側の質量流量に下流側の流速を掛けたものを引き、これに接合部分の面積に上流側の圧力と下流側の圧力の差を掛けたものを加え、これに接合部分の面積を加えたものである、請求項１に記載の方法。  
【請求項３】
タービンを有する内燃エンジンを制御するための装置であって、
前記エンジンの動作を制御するためのエンジン制御モジュールと、
前記エンジン制御モジュールに接続され、前記タービンの動作特性のシミュレーションを生成するためのモデル手段とを備えており、
前記エンジン制御モジュールが、リアルタイムで前記シミュレーションに応答し、前記エンジンの動作を制御する、装置。
【請求項４】
前記モデル手段は、ルックアップマップに定常状態値を格納しているかまたはそれらを算出し、算出された定常状態値または前記ルックアップマップ内の前記定常状態値を用いて前記タービン内の接合部分におけるモーメンタムソースを算出し、前記接合部分には、入口ダクトと制御体との間の第１接合部分と、前記制御体と出口ダクトとの間の第２接合部分とが含まれる、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
コンプレッサを有する内燃エンジンを制御するための装置であって、
前記エンジンの動作を制御するためのエンジン制御モジュールと、
前記エンジン制御モジュールに接続され、前記コンプレッサの動作特性のシミュレーションを生成するためのモデル手段とを備えており、
前記エンジン制御モジュールが、リアルタイムで前記シミュレーションに応答し、前記エンジンの動作を制御する、装置。
【請求項６】
前記モデル手段は、ルックアップマップに定常状態値を格納しているかまたはそれらを算出し、算出された定常状態値または前記ルックアップマップ内の前記定常状態値を用いて前記コンプレッサ内の接合部分におけるモーメンタムソースを算出し、前記接合部分には、入口ダクトと制御体との間の第１接合部分と、前記制御体と出口ダクトとの間の第２接合部分とが含まれる、請求項５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にタービンおよびコンプレッサの性能をシミュレーションするための装置および方法に関するものであり、具体的にはこれらをエンジンのモデル化およびエンジンの制御に用いることに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
様々な内燃エンジンの流体流れを計算するために、一次元の計算流体力学（ｃｆｄ）コードが用いられる。これらのコードでは、エンジン内のガス流を予測するためにガス動的モデルを利用する。このアプローチは、ジョンＢ．ヘーウッド、「内燃エンジンの基本」、７５６〜７６２頁に記述されている。通常、これらのＣＦＤコードでは、定常状態での質量流量比を用いるために、コンプレッサおよびタービンの性能マップが利用されている。
【０００３】
モデル化および制御用のルックアップテーブルの使用法について様々な具体例が以下の文献に記載されている。
【０００４】
米国特許第５,５２６,２６６号には、ブースト圧力モデルに基づいてコンピュータを利用したエンジンの診断方法が示されており、ここではターボチャージャの実際のブースト圧力値とモデル化されたブースト圧力値を比較している。
【０００５】
米国特許第５,７５３,８０５号には、内燃エンジンシステム内の気体状態を決定するための方法が示されており、ここでは質量流量を計算するのための圧力および温度の密度補正を決定するにあたってルックアップテーブルを用いている。
【０００６】
米国特許第５,９１５,９１７号には、空気流非対称測定を用いてコンプレッサの失速およびサージ制御することが示されている。非対称関数は、静圧センサまたは全圧センサによって測定され、これらはコンプレッサの入口の円周に沿って配置され、信号プロセッサへ圧力信号を送るようになっている。
【０００７】
米国特許第６,０９８,０１０号には、コンプレッサの失速を予測および安定化するための方法および装置が示されており、ここでは時間の関数である軸方向の流速測定を用いて失速を予側している。
【０００８】
米国特許第６,１７８,７４９号には、排気ガス循環を有するディーゼルエンジンのターボラグを削減するための方法が示されており、ここでは吸込みマニホルド絶対圧および空気質量流量の実際の値およびモデル化された値に基づいてターボチャージャ制御信号を生成している。
【０００９】
米国特許第６,２９８,７１８号には、ターボチャージャコンプレッサ診断システムが示されており、このシステムでは、センサデータを「合理性テスト」によって検証し、コンプレッサ動作マップと比較して、コンプレッサがサージ状態またはチョーク状態であるかを判定する。
【００１０】
米国特許第６,５１０,６９１号には、可変タービン形状のターボチャージャを有する非常に強力な内燃エンジンについて、調整または制御をする方法が示されており、ここでは異なる動作状態に基づく上側範囲および下側範囲を用いて、ターボチャージャの可変形状のために必要な調節を決定する。
【００１１】
公開された米国特許出願第２００３／０１０１７２３号には、排気ガスターボチャージャを有する内燃エンジンの負荷圧力を制御する方法が示されており、ここでは、コンプレッサの出力またはトルクと、タービンからコンプレッサへの伝達によって発生する出力損失またはトルク損失を比較することで操作変数を算出し、その操作変数を用いてコンプレッサの負荷圧力出力を調整している。
【００１２】
公開された米国特許出願第２００３／０１０６５４１号には、電子的に制御されるコンプレッサによりブーストされる内燃エンジンの制御システムが示されており、ここでは組み合わせられたルックアップテーブルまたはファクタを用いて、コンプレッサの低いおよび高いアイドル速度ファクタを生成している。
【００１３】
公開された米国特許出願第２００３／０２１６８５６にはターボチャージエンジン用の診断システムが示されており、ここではエンジン制御モジュールに設けられた複数のセンサからの入力を用いて、格納されたコンプレッサおよびタービンのマップと予測値および実測値を比較した結果に基づいてターボチャージャの性能を決定している。
【００１４】
公開された米国特許出願第２００５／０１３１６２０号には制御システムが示されており、ここでは、予測モデル、制御アルゴリズム、およびルックアップテーブルを備えた定常状態マップを用いて、ディーゼルエンジンのブーストおよび排気ガス循環（ＥＧＲ）弁の動作を制御している。
【００１５】
米国特許第３,７３８,１０２号には、可変面積形状を有するタービンタイプの発電所用の燃料制御が示されており、ここでは「ΔＰ／Ｐ」の決定によってタービンを制御している。米国特許第５,３８１,７７５号には、特性マップおよびシミュレーションと通信する加算部から信号を受信するコントローラを備えた内燃エンジンを制御するシステムが示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、タービンまたはコンプレッサの性能の判定にモーメンタムを用いる方法および装置に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
従来行われていた、定常状態における質量流量比、圧力比、または出口圧力を用いることに代えて、この方法ではマップから導かれる定常状態におけるモーメンタムソースを用いる。
【００１８】
既存の技術に対する利点の１つは、この方法が物理学に基づいた空気力学的な時間ラグ（遅れ）を導入しているため、コンプレッサまたはタービンの動特性をより良好に表わすことが可能となっている点にある。このことは、音響予測、および、パルスフロー条件下の性能の予測を向上することができる。
【００１９】
グレイツァモデル（グレイツァ  Ｅ−Ｍ、「軸流コンプレッサのサージおよび回転失速  パート１：理論的圧縮システムモデル」、ＡＳＭＥトランザクション、１９０頁、１９７６年４月）のようなサージコンプレッサシステムをモデル化する他の方法は、１次元（ｃｆｄ）の気体力学アプローチに適用できない。
【００２０】
コンプレッサマップのサージ限界の近くでは、圧力比（出口圧力を入口圧力で割ったもの）に対する質量流量の曲線は、一定の速度において、正の傾きを有していることが多く、その結果、ピーク圧力比がマップのサージ限界質量流量より高い質量流量において生じてしまうことになる。このことは、マップからの質量流量を調べるのにあたって圧力比を用いることを困難にしている。というのは、与えられた圧力比について、一または複数の質量流量が存在する場合があるからである。本発明に係る新しい方法を用いると、質量流量に対して一意的な値を算出することができる。
【００２１】
「モーメンタム体結合」構造により、モデルがタービンまたはコンプレッサの容積の空気力学的な効果を含むことが可能となり、また、それにより、導入される熱移動モデルに用いることができる内部領域も形成される。
【００２２】
本発明にかかる装置および方法は、設計プロセスおよび実際のエンジン制御を向上するために、ターボチャージ内燃エンジン、スーパチャージ内燃エンジンまたはターボ複合内燃エンジンのいかなる製造業者にも用いられる。
【００２３】
当業者ならば、本発明の上述の利点および他の利点が、添付の図面と照らし合わせて検討すると、好ましい実施形態の以下の詳細な記載から容易に明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
通常、コンプレッサのような装置は、入口空気を圧縮して内燃エンジンの性能を向上させるために用いられる。通常、タービンのような装置は、排気ガスからエネルギを抽出するために用いられる。タービンにより抽出されたエネルギは、コンプレッサを駆動するため（たとえば、ターボチャージャの場合）、補助装置を駆動するなど他の目的で動力を供給するため、または、内燃エンジンの出力に機械的動力を加えるために用いることができる。
【００２５】
本発明は、質量流量、エンタルピ上昇または降下、結合器（コンプレッサまたはターボチャージャ）を活用するタービンまたはコンプレッサのシミュレーションモデルに関するものであり、入口および出口におけるモーメンタムソースを算出する。シミュレーションモデルは、ＣＦＤコードで、定常状態性能を表わすルックアップマップを用いながら、パルスフローの条件下でタービンおよびコンプレッサの性能の予測を向上し、コンプレッサのサージ安定性のモデル化を向上し、質量流量が入口圧力および出口圧力により一意に定義されない場合に質量流量を算出し、圧力波伝達の予測を向上すことを意図している。
【００２６】
本発明にかかる方法をコンプレッサまたはタービンに同様に用いることができるので、以下の記載では、コンプレッサとタービンとの両方を「結合器」と呼ぶ。
【００２７】
タービンまたはコンプレッサの性能シミュレーションで通常用いられる従来のアルゴリズムでは、タービンまたはコンプレッサの特性を示すために、定常状態性能マップが用いられる。通常、このマップは、圧力比、入口圧力、入口温度、速度、質量流量、および、定常状態条件下で発生する効率またはエンタルピの上昇の値を関連づけている。通常、式１または式２によりマップを表わすことができる。この式で、「ｓｓ」は「定常状態」を表している。
【００２８】
【数１】
2009524833.tif 000003
【００２９】
【数２】
2009524833.tif 000004
【００３０】
この新しいアプローチでは、マップから読み込んだ定常状態値として瞬間的な質量流量、圧力、圧力比またはエンタルピ上昇を規定するのではなく、むしろモーメンタムソースを算出し、タービンまたはコンプレッサを表わす制御面または制御体の解に用いる。このモーメンタムソースとは、タービンまたはコンプレッサのインペラまたはベーンによって流れに加えられた力であって、定常状態における質量流量、および／または出口圧力、および／またはエンタルピの増加が、マップから読み取られる定常状態値に一致するように選択される。この方法では、マップの代わりに、コンプレッサ、タービン、またはこれらの構成部品（ロータまたはステータのような）の定常状態性能の物理モデルを用いることもできる。
（図１、接合部分のモーメンタムバランス）
図１には、特定の離散化メッシュ構造のモーメンタムバランスが示されている。ただし、この方法ではいかなる離散化メッシュが適用されてもよい。この構造では、ｕは上流側の制御体を表しており、ｄは下流側の制御体を表しており、ｉは上流側の制御体と下流側の制御体との間の接合部分を表している。ドットｍは質量流量であり、Ｕは速度であり、Ｐは静圧であり、Ａｉは接合部分面積であり、Ｓｉはモーメンタムソースである。正の質量流量または速度は、上流側から下流側に向かって流れることを意味し、負の質量流量または速度は、下流側から上流側に向かって流れることを意味する。接合部分ｉでは、時間ステップｎ＋１の質量流量が式３を用いてモーメンタムバランスから算出される。
【００３１】
【数３】
2009524833.tif 000005
【００３２】
定常状態条件では、
【００３３】
【数４】
2009524833.tif 000006
【００３４】
または
【００３５】
【数５】
2009524833.tif 000007
【００３６】
式５では、Ｕｄ、Ｕｎ、Ｐｄ、Ｐｕ、およびドットｍのうちの一部または全てが、式１の左側から求められた、または導出された定常状態値である。その他の項は瞬時値である。
（可能な解決手段の構造）
基本構造として「モーメンタム制御面」と「モーメンタム制御体」の２つが考えられる。図２には、モーメンタム制御面が示されている。 
（図２、モーメンタム制御面）
この構造は内部容積を有していない。これは、隣接する計算上のセルを接続し、接合部分において式３により記載されるモーメンタムバランスを算出する。この場合、上流側の流量は入口の流量となり、下流側の流量は出口の流量となる。
【００３７】
図３には、モーメンタム制御体が示されている。この構造は内部容積を有している。それぞれの入口または出口接合部分に対してモーメンタムのバランスがとられる。この図には、１つの出口と二つの入口とを備えた制御体が示されているが、いかなる数の入口または出口が用いられてもよい。
（図３、モーメンタム体結合）
モーメンタム制御面は、簡単で、数的にロバストであり、入力パラメータをほとんど必要としない。モーメンタム制御体構造は、複数の入口および／または出口に対応するという利点を有しており、さらに、実際のコンプレッサまたはタービンの内部容積の動特性を表わすために内部容積を使用することができる。
【００３８】
実施形態１：
図２に示されているモーメンタム制御面について、このアルゴリズムの可能な例の１つは以下のとおりであると考えられる。
【００３９】
マップから、式６で示すように、速度Ｎ、上流側圧力Ｐｕ、上流側温度Ｔｕの瞬時の値と、質量流量ドットｍの瞬時の値とによって、定常状態における出口圧力Ｐoutletssおよびエンタルピの上昇または損失Δｈssを読み取る。
【００４０】
【数６】
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【００４１】
そして、モーメンタムソースを以下のように計算することができる。
【００４２】
【数７】
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【００４３】
式６では、ＵｄおよびＵｕは瞬時の上流側速度および下流側速度である。式７のモーメンタムソースは、瞬時の上流側圧力、上流側速度、下流側速度および質量流量が与えられた場合に、出口圧力がマップからの定常状態圧力となるために接合部分が流体に及ぼす必要のある力である。
【００４４】
式３において、上流側質量流量と下流側質量流量とが同一であると仮定した場合、式６が式３に代入される。
【００４５】
【数８】
2009524833.tif 000010
【００４６】
質量流量が圧力比の固有の関数でないコンプレッサまたはその他の結合器の場合、式７および式８を用いて一意的に質量流量を算出することができる。
【００４７】
長さΔｕ＋Δｄは、結合器を通る流路の特徴的な長さとなりうる。コンプレッサの場合、例えば次のようになる。
【００４８】
【数９】
2009524833.tif 000011
【００４９】
この式で、Ｌｃはコンプレッサの特徴的な長さのことである。長さＬｃと断面積とにより、コンプレッサの時定数が定義される。式９のモーメンタムバランスにより引き起こされるタイムラグは、コンプレッサのサージ安定性を特徴づけすることを可能にする。
【００５０】
実施形態２：
図２に示されているモーメンタム制御面に対するこのアルゴリズムの他の可能な具体例は以下のとおりでる。
【００５１】
式５において、質量流量、速度および圧力の項を定常状態値に置き換えると、式１０が得られる。
【００５２】
【数１０】
2009524833.tif 000012
【００５３】
定常状態にある場合、式１１におけるモーメンタムソースは、モーメンタム制御面により流体に及ぼされうる力のことである。マップでは、式１からＰinletおよびＴinletが静温度および静圧力であり、Ｐoutletが静圧であると仮定する。  
【００５４】
入口速度が以下の式で表される。
【００５５】
【数１１】
2009524833.tif 000013
【００５６】
この式で、Ｒは、動作流体における理想気体法則の定数である。
【００５７】
出口よどみ温度は以下のように算出することができる。
【００５８】
【数１２】
2009524833.tif 000014
【００５９】
この式で、Ｃｐは動作流体の比熱である。
【００６０】
静温度とよどみ点温度とを、質量流量およびマッハ数関係を用いて関連づけすることができる。
【００６１】
出口速度は以下の式で表される。
【００６２】
【数１３】
2009524833.tif 000015
【００６３】
実際のコンプレッサまたはタービンの内部容積の動特性を予測し、エンジンのより良好な制御を達成するために、ソフトウェアプログラムを実行するコンピュータをエンジン制御システムに用いることができる。図４には、このようなコンピュータおよびソフトウェアを表わすモデル４０が示されている。
【００６４】
また、図４には、本発明にかかるエンジン制御システム７０が示されている。内燃エンジン７２には、吸込みマニホルド７４と排気マニホルド７６が設けられている。一部のエンジンでは、スロットル（図示せず）がエンジン７２に導入される新鮮な空気の量を制御するようになっている。 
【００６５】
一部のエンジンは一または複数のコンプレッサ７８を有している。コンプレッサは形状が可変となっているタイプであってもよく、この場合には、流れ特性を制御することができるようになる。コンプレッサは排気タービン９５により駆動されてもよいし、または、エンジンクランクシャフトのような他の動力源により駆動されてもよい。また、エンジンは、一または複数の排気タービン９５を有していてもよい。タービン９５を通る排気ガス流は、逃し通路により制御してもよいし、または、タービン９５の形状が可変となっているタイプであってもよい。タービン９５はコンプレッサを駆動するために用いられてもよいし、または、エンジン出力に動力を加えるためにもしくは補助デバイス装置を駆動するために用いられてもよい。逃し通路、ならびに／またはコンプレッサおよび／もしくはタービンの可変形状の設定は、エンジン制御モジュール（ＥＣＭ）８４からの制御信号に応答するようになっている。
【００６６】
排気ガス循環（ＥＧＲ）を備えたエンジンでは、エンジン７２から排気マニホルド７６を通って流れる排気ガスの少量が、マニホルド間に接続されている通過８０を通って吸込みマニホルド７４に戻るように構成されている。再循環される排気ガスの量は、ＥＧＲ弁８２の調節により制御される。弁８２は、弁に接続されているエンジンＥＣＭ８４からの制御信号に応答するようになっている。また、ＥＣＭ８４は、燃料制御８６に接続して、エンジン７２に供給される燃料の量を決定するための制御信号を生成する。
【００６７】
ＥＣＭ８４は、エンジン７２および排出物質制御システム７０の動作状態に関する情報を提供する複数のセンサ９２からのセンサ信号を受信するようになっている。例えば、複数のセンサ９２には、質量空気流量センサ（ＭＡＦ）、吸込みマニホルド絶対圧センサ（ＭＡＰ）、スロットル位置センサ（ＴＰＳ）、車両速度センサ（ＶＳＳ）、エンジンＲＰＭセンサ（ＲＰＭ）、冷却液温度センサ（ＴＭＰ）、加熱排気ガス酸素センサ（ＨＥＧＯ）、排気ガス温度センサ（ＥＧＴ）および触媒監視センサ（ＣＭＳ）が含まれる。通常、ＨＥＧＯセンサは、コンバータ９０への入口の上流側の排気ガスストリームに設けられており、ＥＧＴセンサは、コンバータに設けられており、ＣＭＳは、コンバータからの出口の下流側に設けられている。
【００６８】
また、ＥＣＭ８４は、モデル４０に接続され、それにデータを提供し、そこから制御指令を受け取るようになっている。ＥＣＭ８４は、モデル４０により生成された予測またはシミュレートされた性能に基づいてコンプレッサ７８またはタービン９５を制御することができる。通常、この制御は、タービン逃し通路を調節することによりまたはコンプレッサもしくはタービンの可変形状用の調節器を調節することにより達成される。吸い込みダクトまたは排出ダクトのバイパス弁の如き他の調節手段が同様に用いられてもよい。したがって、本発明にかかるエンジン制御システム７０は、モデルに基づいてリアルタイムでエンジンを制御するものである。
【００６９】
特許法の要件に従って、本発明は、その好ましい実施形態を表わすと考えられるものが記載されている。しかしながら、当業者にとって明らかなように、本発明が、その精神または範疇から逸脱することなく具体的に図示および記載されているものとは別の方法で実施されてもよい。 
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】流体流れモーメンタムに対する接合部分からの位置をプロットしたグラフである。
【図２】本発明に従ってモデル化可能な単純化されたモーメンタム結合構造を示す概略図である。
【図３】本発明に従ってモデル化可能なモーメンタム体結合構造を示す概略図である。
【図４】本発明に係るエンジン制御システムを示すブロック図である。
【図１】
2009524833.tif 000016
【図２】
2009524833.tif 000017
【図３】
2009524833.tif 000018
【図４】
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【国際調査報告】
2009524833.tif 000020