(57)【要約】【課題】過給制御装置に関し、過給応答性を改善する。【解決手段】エンジンに付設された過給機の回転数を目標値に維持するのに要する第一エネルギーE1を第一算出部６で算出する。また、回転数を現在値から目標値へと変化させるのに要する第二エネルギーE2を第二算出部７で算出する。さらに、第一エネルギーE1と第二エネルギーE2との加算値に基づき、過給機の過給状態を制御部８で制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンに付設された過給機の回転数を目標値に維持するのに要する第一エネルギーを算出する第一算出部と、
前記回転数を現在値から前記目標値へと変化させるのに要する第二エネルギーを算出する第二算出部と、
前記第一エネルギーと前記第二エネルギーとの加算値に基づき、前記過給機の過給状態を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする、過給制御装置。
【請求項２】
前記第二算出部が、前記過給機の前記目標値における運動エネルギーと前記現在値における運動エネルギーとの差に基づき、前記第二エネルギーを算出する
ことを特徴とする、請求項１記載の過給制御装置。
【請求項３】
前記制御部が、少なくとも前記現在値よりも前記目標値が大きい場合に、前記加算値に基づいて前記過給機の過給状態を制御する
ことを特徴とする、請求項１又は２記載の過給制御装置。
【請求項４】
前記制御部が、前記過給機のタービンを迂回する排気通路上に介装されたウェイストゲートバルブ開度を前記加算値に基づいて制御する
ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の過給制御装置。
【請求項５】
前記制御部が、前記過給機のタービンの周囲に配設される可変ノズル装置のノズルベーン開度を前記加算値に基づいて制御する
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の過給制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンに付設された過給機の過給状態を制御する過給制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、過給機を備えたエンジンにおいて、過給機を迂回する吸排気通路上に設けられた弁の開度を増減させることで、過給状態を制御する技術が知られている。例えば、タービンの迂回通路上に設けられるウェイストゲートバルブの開度を絞ることで、タービンに作用する排気圧や排気流量が増加してタービン回転速度が上昇することから、コンプレッサの回転数も上昇し、過給圧が上昇する。反対に、ウェイストゲートバルブの開度を開けば、過給機の回転速度が低下して過給圧が低下する。ウェイストゲートバルブの開度は、例えばエンジンの回転速度や吸入空気の流量，アクセルペダルの開度などに応じて設定される（特許文献１参照）。このように、エンジンの運転状態に応じて弁開度を制御することで、所望の過給状態が実現されうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2014-080897号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、エンジン運転状態によっては過給機の回転速度が目標とする回転速度になるまでに時間がかかり、良好な応答性が得られないことがある。例えば、ウェイストゲートバルブの開度を変化させてから、実際にタービンに作用する排気圧や排気流量が増加するまでにはタイムラグがあるため、直ちに過給状態が変動するわけではない。また、排気系のタービンの回転数を上昇させるには、吸気系の吸気流量を増加させなければならないため、吸入空気の移動時間に相当する応答遅れも存在する。そのため、エンジンに要求される目標過給圧が急変したときに、ウェイストゲートバルブの開度を遅滞なく制御したとしても、その目標過給圧に実過給圧を遅滞なく追従させることは難しい。
【０００５】
本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑みて創案されたものであり、過給応答性を改善できるようにした過給制御装置を提供することである。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）ここで開示する過給制御装置は、エンジンに付設された過給機の回転数を目標値に維持するのに要する第一エネルギーを算出する第一算出部を備える。また、前記回転数を現在値から前記目標値へと変化させるのに要する第二エネルギーを算出する第二算出部を備える。さらに、前記第一エネルギーと前記第二エネルギーとの加算値に基づき、前記過給機の過給状態を制御する制御部を備える。
【０００７】
（２）前記第二算出部が、前記過給機の前記目標値における運動エネルギーと前記現在値における運動エネルギーとの差に基づき、前記第二エネルギーを算出することが好ましい。例えば、前記目標値の二乗から前記現在値の二乗を減じたものと前記過給機の慣性モーメントとの乗算値に基づき、前記第二エネルギーを算出することが好ましい。
【０００８】
（３）前記制御部が、少なくとも前記現在値よりも前記目標値が大きい場合に、前記加算値に基づいて前記過給機の過給状態を制御することが好ましい。
（４）前記制御部が、前記過給機のタービンを迂回する排気通路上に介装されたウェイストゲートバルブ開度を前記加算値に基づいて制御することが好ましい。
（５）前記制御部が、前記過給機のタービンの周囲に配設される可変ノズル装置のノズルベーン開度を前記加算値に基づいて制御することが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
第一エネルギーと第二エネルギーとの加算値に基づいて過給機の過給状態を制御することで、過給機の回転速度が変化する過渡期間を短縮することができ、過給応答性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】過給制御装置が適用されたエンジンの装置構成を示す模式図である。
【図２】過給制御装置による制御内容を説明するためのブロック図である。
【図３】過給機の性能特性図である。
【図４】過給制御装置で実施される制御手順を例示するフローチャートである。
【図５】過給制御装置による制御結果を例示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面を参照して、実施形態としての過給制御装置について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。
【００１２】
［１．装置構成］
本実施形態の過給制御装置は、図１に示す過給機１１が付設された車両のエンジン１０に適用される。この過給機１１は、排気通路上のタービン１２と吸気通路上のコンプレッサ１３とが同軸上に配置され、タービン１２で回収された排気エネルギーによりコンプレッサ１３を駆動する機械式過給機である。本実施形態では、過給機１１の現在の回転数のことを「コンプレッサ回転数Nc」と呼び、その目標値を「目標コンプレッサ回転数NcTGT」と呼ぶ。
【００１３】
また、排気通路にはタービン１２の上流側と下流側との間を連絡する排気バイパス通路１５が設けられ、タービン１２を迂回する排気流量を制御するためのウェイストゲートバルブ１６がこれに介装される。同様に、吸気通路にもコンプレッサ１３の上流側と下流側との間を連絡する吸気バイパス通路１７が設けられ、コンプレッサ１３の下流側の過給圧を上流側へと逃がすためのバイパスバルブ１８がこれに介装される。また、吸気通路と吸気バイパス通路１７との合流箇所よりも下流側には、吸気を冷却するためのインタークーラ１９が設けられるとともに、吸気流量を制御するためのスロットルバルブ２０が設けられる。上記のウェイストゲートバルブ１６，バイパスバルブ１８，スロットルバルブ２０の作動状態は、過給制御装置１によって制御される。
【００１４】
過給制御装置１は、内部バス５で接続されたプロセッサ２，メモリ３，インタフェイス装置４を内蔵する電子デバイス（電子制御装置）であり、エンジン１０が搭載された車両の車載ネットワーク網に接続される。プロセッサ２は、例えば制御ユニット（制御回路）や演算ユニット（演算回路），キャッシュメモリ（レジスタ）などを内蔵する処理装置（プロセッサ）である。また、メモリ３は、プログラムや作業中のデータが格納されるメモリ装置であり、ROM（Read Only Memory），RAM（Random Access Memory），不揮発メモリなどを含む。過給制御装置１で実施される制御の内容は、ファームウェアやアプリケーションプログラムとしてメモリ３に記録，保存されており、プログラムの実行時にはプログラムの内容がメモリ空間内に展開されて、プロセッサ２によって実行される。
【００１５】
過給制御装置１に接続されるセンサ類を図２に例示する。アクセル開度センサ２１はアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出し、ブレーキセンサ２２はブレーキペダルの踏み込み量（ブレーキ開度）やブレーキ液圧を検出する。車速センサ２３は車速を検出し、エンジン回転数センサ２４はエンジン１０の回転数を検出する。水温センサ２５はエンジン冷却水の温度（水温）を検出し、インマニ圧センサ２６及び吸気温度センサ２７はそれぞれインマニ内における吸気の圧力（インマニ圧）と温度（吸気温度）とを検出する。大気圧センサ２８は大気圧を検出し、エアフローセンサ２９は吸気通路に流入した吸気の流量（吸気流量，体積流量）を検出する。ターボ回転数センサ３０はコンプレッサ回転数Nc、またはこれに相当する回転速度（回転角速度）を検出する。過給制御装置１は、これらのセンサ類２１〜３０で検出された各種情報に基づき、ウェイストゲートバルブ１６の開度，バイパスバルブ１８の開度，スロットル開度を制御する。なお、これらの開度の制御では、それぞれの弁の作動状態も考慮される。
【００１６】
［２．制御構成］
過給制御装置１には、エンジン１０の過給応答性を改善する制御を実施するための要素として、第一算出部６，第二算出部７，制御部８が設けられる。これらの要素は、過給制御装置１で実行されるプログラムの一部の機能を示すものであり、ソフトウェアで実現されるものとする。ただし、各機能の一部又は全部をハードウェア（電子回路）で実現してもよく、あるいはソフトウェアとハードウェアとを併用して実現してもよい。
【００１７】
第一算出部６は、過給機１１の回転数（コンプレッサ回転数Nc）を目標値（目標コンプレッサ回転数NcTGT）に維持するのに要する運動エネルギーを、第一エネルギーE1として算出するものである。第一エネルギーE1には、過給機１１の回転数が目標コンプレッサ回転数NcTGTに維持されているときのタービン１２の運動エネルギーやコンプレッサ１３の運動エネルギー，摩擦損失（風損失や機械損失）などが含まれる。つまり、第一エネルギーE1は、過給機１１を目標コンプレッサ回転数NcTGTで定常回転させるためのエネルギーである。本実施形態の第一算出部６は、目標コンプレッサ回転数NcTGTに対応する目標吸気量Qとコンプレッサ１３の目標圧力比R（下流圧に対する上流圧の割合の目標値）と基づき、第一エネルギーE1を算出する。目標吸気量Qは、エンジン１０の要求トルクに応じて設定される。また、目標圧力比Rは、目標吸気量Qが実現される状態での目標スロットル上流圧に基づいて設定される。
【００１８】
第二算出部７は、過給機１１の回転数（コンプレッサ回転数Nc）を現在値から目標値（目標コンプレッサ回転数NcTGT）へと変化させるのに要する運動エネルギーを、第二エネルギーE2として算出するものである。第二エネルギーE2は、目標コンプレッサ回転数NcTGTで回転する過給機１１の運動エネルギーと、現在の過給機１１の運動エネルギーとの差分に相当する。つまり、第二エネルギーE2は、過給機１１の回転数が現在値から目標コンプレッサ回転数NcTGTへと過渡変動する時間を短縮するためのエネルギーである。本実施形態の第二算出部７は、目標コンプレッサ回転数NcTGTの二乗から現在のコンプレッサ回転数Ncの二乗を減じた値と過給機１１の慣性モーメントとの乗算値に基づき、第二エネルギーE2を算出する。過給機１１の慣性モーメントの値は、あらかじめ設定された定数である。ここで用いられる慣性モーメントには、少なくともタービン１２又はコンプレッサ１３のいずれかの慣性モーメントが含まれ、好ましくはタービン１２及びコンプレッサ１３の全体についての慣性モーメントが含まれる。
【００１９】
制御部８は、第一算出部６で算出された第一エネルギーE1と、第二算出部７で算出された第二エネルギーE2との加算値に基づいて過給機１１の過給状態を制御するものである。ここでは、少なくとも目標コンプレッサ回転数NcTGTがその現在値よりも大きい場合に、第一エネルギーE1と第二エネルギーE2との加算値が過給状態に反映される。例えば、コンプレッサ１３の作動状態が図３中の点Ａ（吸気量がQ0かつ圧力比が１の状態）に位置する非過給状態において、コンプレッサ１３の目標作動状態が点Ｂ（過給状態，吸気量がQ1かつ圧力比がR1の状態）になったときには、第一エネルギーE1と第二エネルギーE2との加算値に基づく制御が実施される。
【００２０】
一方、目標コンプレッサ回転数NcTGTがその現在値よりも小さい場合には、第一エネルギーE1のみを過給状態に反映させてもよいし、第一エネルギーE1と第二エネルギーE2との加算値を過給状態に反映させてもよい。例えば、コンプレッサ１３の作動状態が図３中の点Ｂに位置する状態において、コンプレッサ１３の目標作動状態が点Ａ（非過給状態）になったときには、第一エネルギーE1と第二エネルギーE2との加算値に基づく制御を実施したとしても、過給応答性の改善効果が弱いと考えられる。したがって、第一エネルギーE1のみに基づく過給状態の制御を実施してもよい。ただし、コンプレッサ１３の作動状態が過給領域内で変動したような場合〔点Ｂから点Ｃ（過給状態，吸気量がQ2かつ圧力比がR2の状態）へと移行する場合〕には、ある程度の過給応答性の改善効果が認められるため、第一エネルギーE1と第二エネルギーE2との加算値に基づく過給状態の制御を実施してもよい。
【００２１】
ここで、過給機１１の過給状態を制御するためのパラメータとして、目標コンプレッサ駆動エネルギーETGTを定義する。目標コンプレッサ駆動エネルギーETGTとは、第一エネルギーE1と第二エネルギーE2との加算値に基づいて算出される、最終的な制御用エネルギーの目標値である。目標コンプレッサ駆動エネルギーETGTの値には、第一エネルギーE1と第二エネルギーE2との加算値をそのまま用いてもよい（ETGT=E1+E2）。また、その加算値に所定のゲインKを乗じた値を用いてもよい〔ETGT=K(E1+E2)〕。あるいは、第一エネルギーE1，第二エネルギーE2のそれぞれに対して係数K1，K2を乗じてから加算したものを目標コンプレッサ駆動エネルギーETGTとしてもよい〔ETGT=K1・E1+K2・E2=K1(E1+E2)+(K2-K1)E2〕。いずれの場合においても、目標コンプレッサ駆動エネルギーETGTの値は、第一エネルギーE1と第二エネルギーE2との加算値に基づいて算出された値となる。
【００２２】
制御部８は、目標コンプレッサ駆動エネルギーETGTに基づき、ウェイストゲートバルブ１６の開度，バイパスバルブ１８の開度をそれぞれ制御する機能を持つ。例えば、ウェイストゲートバルブ１６及びバイパスバルブ１８の開度は、目標コンプレッサ駆動エネルギーETGTが大きいほど絞られ、バイパス通路１５，１７の通過流量が減量される。
【００２３】
［３．フローチャート］
図４は、過給制御装置１で実施される制御内容を説明するためのフローチャート例である。まず、センサ類２１〜３０で検出された各種情報が過給制御装置１に入力される（ステップＡ１）。ここでは、エンジン回転数，アクセル開度，ブレーキ開度，車速などからエンジン１０の要求トルクが算出される。続いて、要求トルクに対応する吸気流量が算出され、吸気温度，冷却水温，インマニ圧，大気圧などに応じてこれが補正されて、目標吸気量Qが算出される。また、スロットルバルブ２０を通過する空気の流量を目標吸気量Qにするために要する圧力が目標スロットル上流圧として算出され、目標スロットル上流圧に対する大気圧の割合がコンプレッサ１３の目標圧力比Rとして算出される。
【００２４】
目標吸気量Qと目標圧力比Rとが算出されると、例えば図３に示すような関係や数式に基づいて、目標コンプレッサ回転数NcTGTが設定される（ステップＡ２）。また、第一算出部６では、目標コンプレッサ回転数NcTGTに基づき、例えばコンプレッサ１３の目標圧力比Rと目標吸気量Qとから第一エネルギーE1が算出される（ステップＡ３）。一方、第二算出部７では、目標コンプレッサ回転数NcTGTで回転するコンプレッサ１３の運動エネルギーと、現在のコンプレッサ１３の運動エネルギーとの差分に相当する第二エネルギーE2が算出される（ステップＡ４）。その後、制御部８では第一エネルギーE1と第二エネルギーE2との加算値に基づいて目標コンプレッサ駆動エネルギーETGTが算出され（ステップＡ５）、目標コンプレッサ駆動エネルギーETGTに応じてウェイストゲートバルブ１６の開度，バイパスバルブ１８の開度が制御される。
【００２５】
［４．作用］
図５は、コンプレッサ１３の作動状態が図３中の点Ａから点Ｂを経由して点Ｃへ移行した場合における過給機１１の過給状態を説明するためのグラフである。アクセルペダルが踏み込まれると、目標吸気量Qや目標圧力比Rが増大し、目標コンプレッサ回転数NcTGTが上昇する。このとき、第一算出部６で算出される第一エネルギーE1の値は、目標コンプレッサ回転数NcTGTの上昇に対応するように変化する。ここで仮に、第一エネルギーE1のみを過給機１１の過給状態に反映させる制御を実施したとすると、図５中に細実線で示すように、実際のコンプレッサ回転数Ncが目標コンプレッサ回転数NcTGTに達するまでに時間がかかり、良好な応答性が得られない。
【００２６】
一方、第二算出部７では、コンプレッサ回転数Ncを目標コンプレッサ回転数NcTGTへと変化させるのに要する第二エネルギーE2が算出され、第一エネルギーE1と第二エネルギーE2との加算値として算出される目標コンプレッサ駆動エネルギーETGTが過給機１１の過給状態に反映される。これにより、ウェイストゲートバルブ１６の開度が一時的に絞られた後に定常状態へと移行するように調節されることになり、過給応答性が改善される。
【００２７】
アクセルペダルが踏み戻された場合には、コンプレッサ回転数Ncを目標コンプレッサ回転数NcTGTへと変化させるのに要する第二エネルギーE2が負の値として算出される。そのため、目標コンプレッサ駆動エネルギーETGTは、第一エネルギーE1から第二エネルギーE2の絶対値を減算したものとなる。これにより、ウェイストゲートバルブ１６の開度が一時的に全開状態とされた後に定常状態へと移行するように調節されることになり、過給応答性が改善される。
【００２８】
［５．効果］
（１）このように、過給機１１を定常回転させるための第一エネルギーE1と、回転数を変化させるための第二エネルギーE2との加算値を用いて過給状態を制御することで、目標コンプレッサ回転数NcTGTの変化に対する実際の回転数の応答性を改善することができる。したがって、過給圧の目標コンプレッサ回転数NcTGTに対する追従性を高めることができ、過給応答性及び制御性を高めることができる。
【００２９】
（２）上記の第二算出部７では、目標コンプレッサ回転数NcTGTで回転する過給機１１の運動エネルギーと、現在の過給機１１の運動エネルギーとの差分に相当する第二エネルギーE2が算出される。これにより、回転数の変化量に相当する大きさのエネルギーを精度よく算出することができ、過給機１１の回転数の制御性をさらに高めることができる。
【００３０】
（３）上記の制御部８では、少なくとも目標コンプレッサ回転数NcTGTがその現在値よりも大きい場合に、第一エネルギーE1と第二エネルギーE2との加算値が過給状態に反映される。これにより、加速時の過給応答性を改善することができ、車両の加速フィーリングを向上させることができる。
なお、目標コンプレッサ回転数NcTGTがその現在値よりも小さい場合に、第一エネルギーE1と第二エネルギーE2との加算値を過給状態に反映するような制御を実施した場合には、減速時の応答性を改善することができる。一方、減速時に第一エネルギーE1と第二エネルギーE2との加算値を不使用とした場合には、過給圧の急降下を抑制することができ、エンジン１０の燃焼安定性や走行フィーリングを向上させることができる。
【００３１】
（４）上記の制御部８では、第一エネルギーE1，第二エネルギーE2の加算値に応じて算出される目標コンプレッサ駆動エネルギーETGTに基づいて、ウェイストゲートバルブ１６の開度が制御される。これにより、過給機１１のタービン１２を駆動するための排気流量を増減させることができ、過給機１１の回転数の応答性を精度よく改善することができる。また、タービン１２に接触する排気流量を増加させることで、タービン１２で回収可能なエネルギーの最大値を上昇させることができ、回転数の応答性をより確実に改善することができる。
【００３２】
［６．変形例］
過給装置は、上述の実施形態に記載された装置（過給機１１）に限定されない。
例えば、排気通路上のタービン１２に接触する排気流量を変更するための可変ノズル装置が内蔵された可変容量型ターボチャージャを用いてもよい。可変容量型ターボチャージャは、可変ノズル装置のノズルベーン開度を変更することで、タービン１２を回転させる排気流の流速，流量，圧力などを変化させることができる。これにより、タービン１２及びコンプレッサ１３の回転数（すなわち、過給機１１の回転数）が変更可能となり、排気圧に対する過給圧の割合が可変となる。
【００３３】
可変ノズル装置のノズルベーン開度は、第一エネルギーE1，第二エネルギーE2の加算値に応じて算出される目標コンプレッサ駆動エネルギーETGTに基づいて制御することが考えられる。これにより、タービン１２のハウジングに流入する排気流量を変化させることなく応答性を改善することができる。つまり、過給機１１よりも下流側に配置される装置（例えば、排気浄化装置や消音装置）に与える影響をできる限り小さくしつつ、過給機１１の回転数の応答性を改善することができる。
【００３４】
また、第一エネルギーE1の算出手法は、上述の実施形態に記載された手法に限定されない。例えば、コンプレッサ１３の上流側と下流側との圧力比（前後圧力比）と目標吸気量Qとに基づいて第一エネルギーE1を算出してもよい。あるいは、タービン１２に流入する排気の流速やコンプレッサ１３に流入する空気の流速，目標コンプレッサ回転数NcTGTなどに基づき、タービン１２及びコンプレッサ１３の運動エネルギーや摩擦損失の推定値を算出し、それらを合算して第一エネルギーE1を算出してもよい。この場合、流速はコンプレッサ１３の目標圧力比Rに基づいて算出してもよい。また、センサ類２１〜３０で検出される各種情報の一部と第一エネルギーE1との関係をあらかじめマップ化，数式化しておき、メモリ３内に記録，保存させておいてもよい。
【００３５】
第二エネルギーE2の算出手法についても同様であり、上述の実施形態に記載された手法に限定されない。例えば、タービン１２に流入する排気の流速やコンプレッサ１３に流入する空気の流速，コンプレッサ回転数Ncなどに基づき、タービン１２及びコンプレッサ１３の運動エネルギーや摩擦損失の現在値を算出する。これらを合算した現在の実運動エネルギーを第一エネルギーE1から減算することで、第二エネルギーE2を算出することができる。また、第一エネルギーE1の場合と同様に、センサ類２１〜３０で検出される各種情報の一部と第二エネルギーE2との関係をあらかじめマップ化，数式化しておき、メモリ３内に記録，保存させておいてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１  過給制御装置
２  プロセッサ
３  メモリ
４  インタフェイス装置
５  内部バス
６  第一算出部
７  第二算出部
８  制御部
１０  エンジン
１１  過給機
１２  タービン
１３  コンプレッサ
Nc コンプレッサ回転数
NcTGT 目標コンプレッサ回転数
E1 第一エネルギー
E2 第二エネルギー
ETGT 目標コンプレッサ駆動エネルギー
R 目標圧力比
Q 目標吸気量
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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