JP2016176384A - 可変容量型ターボチャージャーの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャーにおける過回転を抑えることを可能にした可変容量型ターボチャージャーの制御装置を提供する。【解決手段】可変容量型ターボチャージャーの制御装置は、定常状態にあるエンジンに適した基本膨張比πＳを基本膨張比データ７１から選択する基本膨張比選択部７０と、ターボチャージャーの過回転を抑える第１膨張比π１を第１膨張比データ７３から選択する第１膨張比選択部７２とを備える。上限膨張比設定部８３は、目標膨張比ｔπの上限膨張比πＨに第１膨張比π１を設定する。下限膨張比設定部８４は、目標膨張比ｔπの下限膨張比πＬを設定する。下限膨張比πＬは、上限膨張比が基本膨張比πＳ以下のときには上限膨張比πＨであり、上限膨張比πＨが基本膨張比πＳよりも大きいときには基本膨張比πＳである。目標膨張比設定部８７は、下限膨張比πＬ以上であって、かつ、上限膨張比πＨ以下の値を目標膨張比ｔπに設定する。【選択図】図３

Description

本発明は、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、例えば特許文献１に記載されるように、エンジンに備えられるターボチャージャーとして、タービンに流入する排気ガスの流速を変更可能な可変容量型ターボチャージャーが知られている。特許文献１の可変容量型ターボチャージャーでは、エンジンの運転状態に基づいて過給圧の目標値を設定し、その設定した目標値となるように可変ノズルの開度を制御している。具体的には、エンジンの回転数と燃料噴射量とに基づいて設定される目標過給圧とセンサーにより取得した実際の過給圧とが比較され、その比較された結果に応じて可変ノズルの開度が制御されている。

特開平１０−３３１６４８号公報

ところで、ターボチャージャーでは、ターボチャージャーの回転数であるタービン回転数が高すぎる過回転が生じると、ターボチャージャーの構成部品に対する機械的な負荷が増大してしまう。

本発明は、ターボチャージャーにおける過回転を抑えることを可能にした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。

上記課題を解決する可変容量型ターボチャージャーの制御装置は、タービンにおける膨張比であって定常状態にあるエンジンに適した基本膨張比をエンジン回転数および燃料噴射量ごとに規定した基本膨張比データから前記基本膨張比を選択する基本膨張比選択部と、ターボチャージャーの過回転を抑える膨張比の許容値である許容膨張比をタービン回転数ごとに規定した許容膨張比データから前記許容膨張比を選択する許容膨張比選択部と、前記膨張比の上限値である上限膨張比を設定する上限膨張比設定部と、前記膨張比の下限値である下限膨張比を設定する下限膨張比設定部と、前記下限膨張比以上であって、かつ、前記上限膨張比以下の値を前記膨張比の目標値に設定する目標膨張比設定部と、前記膨張比が前記目標値となるように可変ノズルの開度を制御する制御部とを備え、前記上限膨張比設定部は、前記許容膨張比を前記上限膨張比に設定し、前記下限膨張比設定部は、前記上限膨張比および前記基本膨張比の最小値を前記下限膨張比に設定する。

上記構成によれば、下限膨張比および上限膨張比の各々がターボチャージャーの過回転を抑える許容膨張比以下の値に設定される。そして、膨張比の目標値には、下限膨張比以上であって、かつ、上限膨張比以下の値が設定される。すなわち、膨張比の目標値に許容膨張比以下の値が設定されるため、ターボチャージャーの過回転を抑えることができる。

上記可変容量型ターボチャージャーの制御装置において、前記許容膨張比データは、前記許容膨張比の選択に際して基準とされる大気圧である基準大気圧に対応付けられた許容基準膨張比と、該基準大気圧よりも低い大気圧に対応付けられて前記許容基準膨張比よりも小さい値である許容低圧膨張比とを、前記タービン回転数ごとに予め規定し、前記許容膨張比選択部は、前記タービン回転数と前記大気圧とに対応する前記許容膨張比を前記許容膨張比データから選択することが好ましい。

空気の密度は、大気圧が低いときほど小さい。そのため、ターボチャージャーは、大気圧が低いときほどタービン回転数が上昇しやすい。上記構成によれば、タービン回転数が上昇しやすいときには許容膨張比として許容低圧膨張比を選択することができる。すなわち、タービン回転数の上昇のしやすさに応じて許容膨張比を変更することが可能である。その結果、ターボチャージャーの過回転をより確実に抑えることができる。

上記可変容量型ターボチャージャーの制御装置において、前記許容膨張比が第１膨張比であり、前記許容膨張比データが第１膨張比データであり、前記許容膨張比選択部が第１膨張比選択部であり、ターボチャージャーのサージングを抑える膨張比の許容値である第２膨張比を吸入空気の体積流量ごとに規定した第２膨張比データから前記第２膨張比を選択する第２膨張比選択部をさらに備え、前記上限膨張比設定部は、前記第１膨張比および前記第２膨張比の最小値を前記上限膨張比に設定することが好ましい。

ターボチャージャーにおいては、コンプレッサーが空転するサージングが生じることがある。このサージングは、吸入空気が少なく、かつ、コンプレッサーにおける圧力比が大きいときに生じやすい。上記構成によれば、吸入空気の体積流量に応じてタービンに付与されるエネルギーが制限されることから、ターボチャージャーの過回転のみならずサージングを抑えることもできる。

上記可変容量型ターボチャージャーの制御装置において、前記第２膨張比データは、前記第２膨張比の選択に際して基準とされる大気圧である基準大気圧に対応付けられた第２基準膨張比と、該基準大気圧よりも低い大気圧に対応付けられて前記第２基準膨張比よりも小さい値である第２低圧膨張比とを、前記体積流量ごとに予め規定し、前記第２膨張比選択部は、前記体積流量と前記大気圧とに対応する前記第２膨張比を前記第２膨張比データから選択することが好ましい。

上記構成によれば、ターボチャージャーの過回転を抑えつつ、サージングをより確実に抑えることができる。
上記可変容量型ターボチャージャーの制御装置において、前記目標膨張比設定部は、前記燃料噴射量の変化量が第１の閾値以下の場合に、前記下限膨張比を前記目標値に設定し、前記変化量が前記第１の閾値よりも大きく、かつ、第２の閾値以下の場合に、前記変化量が大きいほど、前記下限膨張比の割合が少なく、かつ、前記上限膨張比の割合が大きい値を前記目標値に設定し、前記変化量が前記第２の閾値よりも大きい場合に、前記上限膨張比を前記目標値に設定することが好ましい。

上記構成によれば、エンジンの運転状態が定常状態から過渡状態に変化し、燃料噴射量の変化量が第１の閾値よりも小さい値から第２の閾値よりも大きい値へと変化する場合、目標値は、下限膨張比から徐々に上限膨張比に近い値へと変化し、やがて上限膨張比に設定される。また、下限膨張比は、定常状態にあるエンジンに適した膨張比である基本膨張比、あるいは、上限膨張比と同じ値に設定される。すなわち、目標値は、エンジンの運転状態が定常状態から過渡状態に変化する場合に、定常状態に適した膨張比から過渡状態に適した膨張比へと徐々に変化する。その結果、ターボチャージャーの過回転を抑えつつ、エンジンの運転状態に応じた膨張比でターボチャージャーを駆動することができる。

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システム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の一例を示すブロック図。 演算部が行う演算の一部を示す演算ブロック図。 基本膨張比データを模式的に示すグラフ。 第１膨張比データを構成する第１データを模式的に示すグラフであり、（ａ）は第１基準データを示すグラフ、（ｂ）は第１低圧データを示すグラフ、（ｃ）は第１高圧データを示すグラフ。 第２膨張比データを構成する第２データを模式的に示すグラフであり、（ａ）は第２基準データを示すグラフ、（ｂ）は第２低圧データを示すグラフ、（ｃ）は第２高圧データを示すグラフ。 係数データを模式的に示すグラフ。

図１〜図７を参照して、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エンジンシステムの全体構成について、図１を参照して説明する。

図１に示すように、エンジンシステムは、ディーゼルエンジン１０（以下、エンジン１０という。）を備える。エンジン１０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が形成されている。各シリンダー１２には、インジェクター１３から燃料が噴射される。シリンダーブロック１１には、各シリンダー１２に吸入空気を供給するためのインテークマニホールド１４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１５とが接続されている。

インテークマニホールド１４に接続される吸気通路１６には、上流側から順に、図示されないエアクリーナー、ターボチャージャー１７を構成するコンプレッサー１８、インタークーラー１９が設けられている。エキゾーストマニホールド１５に接続される排気通路２０には、コンプレッサー１８に連結軸２１を介して連結され、ターボチャージャー１７を構成するタービン２２が設けられている。

エンジンシステムは、エキゾーストマニホールド１５と吸気通路１６とを接続するＥＧＲ通路２５を備える。ＥＧＲ通路２５には、ＥＧＲクーラー２６が設けられ、ＥＧＲクーラー２６における吸気通路１６側には、ＥＧＲ通路２５の流路断面積を変更可能なＥＧＲ弁２７が設けられている。ＥＧＲ弁２７が開状態にあるとき、吸気通路１６には、ＥＧＲ通路２５を通じて排気ガスの一部がＥＧＲガスとして導入され、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。

ターボチャージャー１７は、タービン２２に可変ノズル２８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２８は、ステッピングモーターを備えたアクチュエーター２９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１５内の排気ガスの圧力であってタービン２２に流入する排気ガスの圧力である排気圧力Ｐｅｍ、および、タービン２２への排気ガスの流入量Ｇｔｉを調整する。可変ノズル２８の開度は、可変容量型ターボチャージャーの制御装置であるＶＮＴ制御装置５０によって制御される。

エンジンシステムは、各種センサーを備える。吸入空気量センサー３１および吸気温度センサー３２は、吸気通路１６におけるコンプレッサー１８の上流に位置する。吸入空気量センサー３１は、コンプレッサー１８に流入する吸入空気の質量流量である吸入空気量Ｇａを検出し、吸気温度センサー３２は、該吸入空気の温度である吸気温度Ｔａを検出する。ＥＧＲ圧力センサー３３およびＥＧＲ温度センサー３４は、ＥＧＲ通路２５におけるＥＧＲクーラー２６とＥＧＲ弁２７との間に位置する。ＥＧＲ圧力センサー３３は、ＥＧＲ弁２７に流入するＥＧＲガスの圧力であるＥＧＲ圧力Ｐｒを検出し、ＥＧＲ温度センサー３４は、ＥＧＲ弁２７に流入するＥＧＲガスの温度であるＥＧＲ温度Ｔｒを検出する。ブースト圧センサー３６は、吸気通路１６に対するＥＧＲ通路２５の接続部分とインテークマニホールド１４との間に位置し、作動ガスの圧力であるブースト圧Ｐｂを検出する。作動ガス温度センサー３７は、インテークマニホールド１４に取り付けられ、シリンダー１２に流入する作動ガスの温度である作動ガス温度Ｔｗｇを検出する。

エンジン回転数センサー３８は、クランクシャフト３０の回転数であるエンジン回転数Ｎｅを検出する。タービン回転数センサー３９は、ターボチャージャー１７の連結軸２１の回転数であるタービン回転数Ｎｔを検出する。可変ノズル開度センサー４０は、アクチュエーター２９の駆動量に基づいて可変ノズル２８の開度であるノズル開度ＶＴａを検出する。上記各センサーは、検出した検出値を示す信号をＶＮＴ制御装置５０に出力する。

図２に示されるように、ＶＮＴ制御装置５０（以下、単に制御装置５０という。）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成された制御部５１を備える。制御部５１は、外部からの信号を取得する取得部５２と、各種演算を行う演算部５３と、各種制御プログラムや基本膨張比データ７１等の各種データを格納する記憶部５４とを備える。また、制御装置５０は、アクチュエーター２９を駆動するノズル駆動部５５を備える。制御部５１は、記憶部５４に格納された各種制御プログラムに従って、取得部５２が取得した信号と記憶部５４に格納された各種データとを用いて排気圧力Ｐｅｍの目標圧力ｔＰｅｍを演算し、その目標圧力ｔＰｅｍが具現化されるように可変ノズル２８の開度を制御する。なお、制御装置５０には、大気圧センサー４１から大気圧Ｐａｔｍを示す信号、および、燃料噴射を制御する燃料噴射制御部４２から燃料噴射量Ｇｆを示す信号が入力される。

取得部５２は、上述の各種センサーが出力した信号に基づいて、吸入空気量Ｇａ、吸気温度Ｔａ、ＥＧＲ圧力Ｐｒ、ＥＧＲ温度Ｔｒ、ブースト圧Ｐｂ、作動ガス温度Ｔｗｇ、エンジン回転数Ｎｅ、タービン回転数Ｎｔ、ノズル開度ＶＴａ、および、大気圧Ｐａｔｍを取得する。また、取得部５２は、燃料噴射制御部４２からの信号に基づいて燃料噴射量Ｇｆを取得する。

演算部５３は、タービン２２に流入する排気ガスの温度である流入温度Ｔｔｉ、タービン２２に流入する排気ガスの質量流量である流入量Ｇｔｉ、タービン２２の出口における排気ガスの圧力である出口圧力Ｐｔｅを演算する第１演算部５３ａと、排気圧力Ｐｅｍの目標圧力ｔＰｅｍを演算する第２演算部５３ｂとを備える。また演算部５３は、これら流入温度Ｔｔｉ、流入量Ｇｔｉ、出口圧力Ｐｔｅ、目標圧力ｔＰｅｍを用いて、可変ノズル２８の目標開口面積ｔＡを演算する第３演算部５３ｃを備える。この目標圧力ｔＰｅｍは、ターボチャージャー１７を駆動するうえで非常に重要なパラメーターである。目標圧力ｔＰｅｍは、例えば、ＮＯｘおよびＰＭの低減、ターボチャージャー１７の過回転やサージングの抑制、ＥＧＲを行なう際のＥＧＲ弁２７における最小差圧の形成等、その目的に応じて最適値が異なるものである。

第３演算部５３ｃは、ベルヌーイの定理に基づく式（１）に各値を代入することにより目標開口面積ｔＡを演算する。第３演算部５３ｃは、「Ｔ１」に流入温度Ｔｔｉ、「Ｇ」に流入量Ｇｔｉ、「Ｐ２」に出口圧力Ｐｔｅ、「Ｐ１」に目標圧力ｔＰｅｍを代入することにより、その演算結果である「Ａ」として目標開口面積ｔＡを演算する。なお、式（１）において、κは排気ガスの比熱比であり、Ｒは気体定数である。

演算部５３は、式（１）から求めた目標開口面積ｔＡを具現化する目標ノズル開度ｔＶＴを演算し、可変ノズル２８の開度をノズル開度ＶＴａから目標ノズル開度ｔＶＴに変更するために必要な開度である指示開度ＶＴｃを演算する。演算部５３は、その指示開度ＶＴｃをノズル駆動部５５に出力する。

ノズル駆動部５５は、演算部５３から入力された指示開度ＶＴｃの分だけ可変ノズル２８の開度を変更するための駆動信号を生成し、その生成した駆動信号をアクチュエーター２９に出力する。

図３に示すように、第１演算部５３ａは各種演算部を備える。作動ガス量演算部５６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５６は、状態方程式Ｐ×Ｖ＝Ｇｗｇ×Ｒ×Ｔに基づく所定の演算をブースト圧Ｐｂ、エンジン回転数Ｎｅ、エンジン１０の排気量Ｄ、作動ガス温度Ｔｗｇを用いて行うことにより作動ガス量Ｇｗｇを演算する。

ＥＧＲ量演算部５７は、上記作動ガス量Ｇｗｇから吸入空気量Ｇａを減算することにより、ＥＧＲガスの質量流量であるＥＧＲ量Ｇｒを演算する。
ＥＧＲ率演算部５８は、ＥＧＲ量Ｇｒを作動ガス量Ｇｗｇで除算することによってＥＧＲ率η（＝Ｇｒ／Ｇｗｇ）を演算する。

流入温度演算部５９は、作動ガス量Ｇｗｇ、ＥＧＲ率η、燃料噴射制御部４２からの入力値である燃料噴射量Ｇｆ、および、記憶部５４に格納された流入温度データ６０に基づいて流入温度Ｔｔｉを演算する。流入温度データ６０は、予め行った実験等に基づいて、作動ガス量Ｇｗｇ、ＥＧＲ率η、および、燃料噴射量Ｇｆ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。そして、流入温度演算部５９は、作動ガス量Ｇｗｇ、ＥＧＲ率η、および、燃料噴射量Ｇｆに応じた流入温度Ｔｔｉを流入温度データ６０から選択する。

流入量演算部６１は、タービン２２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、吸入空気量Ｇａに燃料噴射量Ｇｆを加算することで流入量Ｇｔｉを演算する。

ＥＧＲ圧力損失演算部６２は、ＥＧＲ量Ｇｒ、および、記憶部５４に格納されたＥＧＲ通路データ６３に基づき、ＥＧＲ通路２５におけるＥＧＲガスの圧力損失ΔＰｒを演算する。ＥＧＲ通路データ６３は、予め行った実験等に基づいて、ＥＧＲ通路２５の入口からＥＧＲ圧力センサー３３までの間におけるＥＧＲガスの圧力損失ΔＰｒがＥＧＲ量Ｇｒごとに規定されたデータである。ＥＧＲ圧力損失演算部６２は、ＥＧＲ量Ｇｒに応じた圧力損失ΔＰｒをＥＧＲ通路データ６３から選択する。

排気圧力演算部６４は、ＥＧＲ圧力Ｐｒに圧力損失ΔＰｒを加算することにより排気圧力Ｐｅｍ（＝Ｐｒ＋ΔＰｒ）を演算する。
出口圧力演算部６５は、流入温度Ｔｔｉ、流入量Ｇｔｉ、大気圧Ｐａｔｍ、及び、記憶部５４に格納された排気通路データ６６に基づき出口圧力Ｐｔｅを演算する。排気通路データ６６は、予め行った実験等に基づきタービン２２の出口から大気への排出までに排気ガスに生じる圧力損失ΔＰｅｐがタービン２２への流入量Ｇｔｉに基づく体積流量であるＧｔｉ×（Ｔｔｉ＾１／２）／Ｐｅｍごとに規定されたデータである。出口圧力演算部６５は、流入量Ｇｔｉに応じた圧力損失ΔＰｅｐを排気通路データ６６から選択し、その選択した圧力損失ΔＰｅｐを大気圧Ｐａｔｍに加算することで出口圧力Ｐｔｅを演算する。このように出口圧力Ｐｔｅが演算により求められることで高温の排気ガスに晒されるセンサーの数を低減することができる。

第２演算部５３ｂは各種演算部を備える。基本膨張比選択部７０は、記憶部５４に格納された基本膨張比データ７１から、定常状態にあるエンジン１０に適した膨張比である基本膨張比πＳを選択する。定常状態は、燃料噴射量Ｇｆの変化量ΔＧｆが一定の範囲内にあるエンジン１０の運転状態である。

図４に示すように、基本膨張比データ７１は、予め行った実験等に基づいて、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｇｆとをパラメーターとして基本膨張比πＳが一義的に規定されたデータである。基本膨張比πＳの各々は、エンジン１０の中回転域において、燃料噴射量Ｇｆが最大となる特定のエンジン回転数Ｎｅを有する。また、基本膨張比πＳの各々は、エンジン回転数Ｎｅが特定のエンジン回転数Ｎｅよりも低い領域ではエンジン回転数Ｎｅの減少とともに対応する燃料噴射量Ｇｆが減少し、また、特定のエンジン回転数Ｎｅよりも高い領域ではエンジン回転数Ｎｅの上昇とともに対応する燃料噴射量Ｇｆが減少する。これにより、エンジン１０の低回転域ではターボチャージャー１７のサージングが抑えられ、エンジン１０の高回転域ではターボチャージャー１７の過回転が抑えられる。

第１膨張比選択部７２は、記憶部５４に格納された第１膨張比データ７３から、タービン回転数Ｎｔに応じた膨張比の許容値であってターボチャージャー１７の過回転を抑える許容膨張比である第１膨張比π１を選択する。第１膨張比データ７３は、許容膨張比データであり、大気圧Ｐａｔｍに応じた第１基準データ７４、第１低圧データ７５、第１高圧データ７６で構成されている。各データ７４，７５，７６には、予め行った実験やシミュレーションの結果に基づく第１膨張比π１がタービン回転数Ｎｔごとに規定されている。第１膨張比選択部７２は、大気圧Ｐａｔｍに応じてデータ７４，７５，７６の１つを選択し、その選択したデータからタービン回転数Ｎｔに応じた第１膨張比π１を選択する。

図５（ａ）に示されるように、第１基準データ７４は、大気圧Ｐａｔｍが所定の第１基準範囲に含まれる場合に選択されるデータであり、タービン回転数Ｎｔごとに第１基準膨張比π１Ｓが規定されている。第１基準膨張比π１Ｓには、基準回転数Ｎｔ１以下の範囲に最大膨張比πｍａｘが規定され、基準回転数Ｎｔ１よりも高い範囲にタービン回転数Ｎｔが高くなるほど低くなる値が規定されている。

図５（ｂ）に示されるように、第１低圧データ７５は、大気圧Ｐａｔｍが上記第１基準範囲よりも低い場合に選択されるデータであり、タービン回転数Ｎｔごとに第１低圧膨張比π１Ｌが規定されている。第１低圧膨張比π１Ｌには、上記基準回転数Ｎｔ１よりも低い低圧回転数Ｎｔ２以下の範囲に最大膨張比πｍａｘが規定され、低圧回転数Ｎｔ２よりも高い範囲に、第１基準膨張比π１Ｓよりも低く、且つ、タービン回転数Ｎｔが高くなるほど低くなる値が規定されている。

図５（ｃ）に示されるように、第１高圧データ７６は、大気圧Ｐａｔｍが上記第１基準範囲よりも高い場合に選択されるデータであり、タービン回転数Ｎｔごとに第１高圧膨張比π１Ｈが規定されている。第１高圧膨張比π１Ｈは、上記基準回転数Ｎｔ１よりも高い高圧回転数Ｎｔ３以下の範囲に最大膨張比πｍａｘが規定され、高圧回転数Ｎｔ３よりも高い範囲に、第１基準膨張比π１Ｓよりも高く、且つ、タービン回転数Ｎｔが高くなるほど低くなる値が規定されている。なお、高圧回転数Ｎｔ３には、ターボチャージャー１７が過回転状態にあると判断される許容回転数以下のタービン回転数Ｎｔが設定される。

体積流量演算部７７は、状態方程式に基づく所定の演算を吸入空気量Ｇａ、大気圧Ｐａｔｍ、吸気温度Ｔａを用いて行うことにより、コンプレッサー１８に流入する吸入空気の体積流量Ｑａを演算する。

第２膨張比選択部７８は、記憶部５４に格納された第２膨張比データ７９から、体積流量Ｑａに応じた膨張比の許容値であってターボチャージャー１７のサージングを抑える第２膨張比π２を選択する。第２膨張比データ７９は、大気圧Ｐａｔｍに応じた第２基準データ８０、第２低圧データ８１、第２高圧データ８２で構成されている。各データ８０，８１，８２には、予め行った実験やシミュレーションの結果に基づく第２膨張比π２が体積流量Ｑａごとに規定されている。第２膨張比選択部７８は、大気圧Ｐａｔｍに応じてデータ８０，８１，８２の１つを選択し、その選択したデータからタービン回転数Ｎｔに応じた第２膨張比π２を選択する。

ここで、ターボチャージャーのサージングとは、コンプレッサー１８が空転する現象である。サージングが生じている期間は、吸入空気の過給が行われないばかりか吸入空気が逆流してしまうこともある。また、ターボチャージャー１７に振動が生じることでターボチャージャーの構成部品に対する機械的な負荷が増大してしまう。また、サージングは、吸入空気の体積流量Ｑａが少なく、且つ、コンプレッサー１８の出口圧力とコンプレッサー１８の入口圧力との比である圧力比が高いときに生じやすい。そのため、サージングは、タービン２２における膨張比が高いときほど生じやすい。

図６（ａ）が示すように、第２基準データ８０は、大気圧Ｐａｔｍが所定の第２基準範囲に含まれる場合に選択されるデータであり、体積流量Ｑａの各々に第２基準膨張比π２Ｓが規定されている。第２基準膨張比π２Ｓには、体積流量Ｑａ１Ｌ以下の範囲に最小膨張比πｍｉｎが規定され、体積流量Ｑａ１Ｌよりも高く、且つ、体積流量Ｑａ１Ｈ以下の範囲では体積流量Ｑａが高いほど高い値が規定されている。第２基準膨張比π２Ｓには、体積流量Ｑａ１Ｈよりも高い範囲に最大膨張比πｍａｘが規定されている。

図６（ｂ）に示されるように、第２低圧データ８１は、大気圧Ｐａｔｍが上記第２基準範囲よりも低い場合に選択されるデータであり、体積流量Ｑａごとに第２低圧膨張比π２Ｌが規定されている。第２低圧膨張比π２Ｌには、上記体積流量Ｑａ１Ｌよりも高い体積流量Ｑａ２Ｌ以下の範囲に最小膨張比πｍｉｎが規定されている。第２低圧膨張比π２Ｌには、体積流量Ｑａ２Ｌよりも高く、且つ、体積流量Ｑａ１Ｈよりも高い体積流量Ｑａ２Ｈ以下の範囲に、第２基準膨張比π２Ｓよりも低く、且つ、体積流量Ｑａが高くなるほど高くなる値が規定されている。第２低圧膨張比π２Ｌには、体積流量Ｑａ２Ｈよりも高い範囲に最大膨張比πｍａｘが規定されている。

図６（ｃ）に示されるように、第２高圧データ８２は、大気圧Ｐａｔｍが上記第２基準範囲よりも高い場合に選択されるデータであり、体積流量Ｑａ毎に第２高圧膨張比π２Ｈが規定されている。第２高圧膨張比π２Ｈには、上記体積流量Ｑａ１Ｌよりも低い体積流量Ｑａ３Ｌ以下の範囲に最小膨張比πｍｉｎが規定されている。第２高圧膨張比π２Ｈには、体積流量Ｑａ３Ｌよりも高く、且つ、体積流量Ｑａ１Ｈよりも低い体積流量Ｑａ３Ｈ以下の範囲に、第２基準膨張比π２Ｓよりも高く、且つ、体積流量Ｑａが高くなるほど高くなる値が規定されている。第２高圧膨張比π２Ｈには、体積流量Ｑａ３Ｈよりも高い範囲に最大膨張比πｍａｘが規定されている。

上限膨張比設定部８３は、目標膨張比ｔπの上限値である上限膨張比πＨを設定する。上限膨張比設定部８３は、第１膨張比π１および第２膨張比π２の最小値を上限膨張比πＨに設定する。すなわち、上限膨張比設定部８３は、第１膨張比π１が第２膨張比π２以下のときに第１膨張比π１を上限膨張比πＨに設定し、第１膨張比π１が第２膨張比π２よりも大きいときに第２膨張比π２を上限膨張比πＨに設定する。

下限膨張比設定部８４は、目標膨張比ｔπの下限値である下限膨張比πＬを設定する。下限膨張比設定部８４は、基本膨張比πＳおよび上限膨張比πＨの最小値を下限膨張比πＬに設定する。すなわち、下限膨張比設定部８４は、基本膨張比πＳが上限膨張比πＨ以下のときに基本膨張比πＳを下限膨張比πＬに設定し、基本膨張比πＳが上限膨張比πＨよりも大きいときに上限膨張比πＨを下限膨張比πＬに設定する。

ここで、定常状態にあるエンジン１０に適した膨張比である基本膨張比πＳといえども上限膨張比πＨを超えてしまうとなれば、定常状態にあるエンジン１０においてターボチャージャー１７の過回転やサージングが生じてしまうおそれがある。この点、上記構成では、下限膨張比πＬが上限膨張比πＨ以下の値に設定されることで、定常状態にあるエンジン１０においてターボチャージャー１７の過回転およびサージングが生じにくい。

係数選択部８５は、記憶部５４に格納された係数データ８６から、目標膨張比ｔπを演算する際に用いる係数ｋを選択する。この係数ｋは、目標膨張比ｔπに占める下限膨張比πＬの割合と上限膨張比πＨの割合とを示す値であって、予め行った実験やシミュレーションの結果に基づいて規定される。係数選択部８５は、今回の燃料噴射量Ｇｆから前回の燃料噴射量Ｇｆを減算することにより燃料噴射量Ｇｆの変化量ΔＧｆを演算し、その変化量ΔＧｆを係数データ８６に適用することで係数ｋを選択する。

図７に示すように、係数データ８６は、変化量ΔＧｆごとに係数ｋを規定したデータである。係数データ８６には、第１の閾値ΔＧｆ１（＞０）以下の変化量ΔＧｆに係数ｋ＝０が規定されている。係数データ８６には、第１の閾値ΔＧｆ１よりも大きく、かつ、第２の閾値ΔＧｆ２（＞ΔＧｆ１）以下の変化量ΔＧｆ（ΔＧｆ１＜ΔＧｆ≦ΔＧｆ２）に、変化量ΔＧｆが大きいほど１に近づく係数ｋが規定されている。係数データ８６には、第２の閾値ΔＧｆ２よりも大きい変化量ΔＧｆに係数ｋ＝１が規定されている。

目標膨張比設定部８７は、上限膨張比設定部８３が設定した上限膨張比πＨ、下限膨張比設定部８４が設定した下限膨張比πＬ、および、係数選択部８５の演算結果である係数ｋ、これらの値を下記の式（２）に代入した演算結果を目標膨張比ｔπに設定する。
ｔπ＝（１−ｋ）×πＬ＋ｋ×πＨ … （２）

こうした構成によれば、目標膨張比ｔπは、第１膨張比π１および第２膨張比π２の双方よりも大きい値に設定されるがない。また、目標膨張比ｔπは、燃料噴射量Ｇｆの変化量ΔＧｆに応じた割合で下限膨張比πＬと上限膨張比πＨとを含む値に設定されることから、エンジン１０の運転状態に適した膨張比に設定される。その結果、ターボチャージャー１７の過回転およびサージングを抑えつつ、エンジン１０の運転状態が例えば定常状態から過渡状態へ移行したときに、定常状態に適した膨張比から過渡状態に適した膨張比へと目標膨張比ｔπを円滑に移行させることができる。

目標圧力設定部８８は、目標膨張比ｔπと出口圧力演算部６５の演算結果である出口圧力Ｐｔｅとを乗算した値を目標圧力ｔＰｅｍとして演算する。
第３演算部５３ｃは、このようにして演算された流入温度Ｔｔｉ、流入量Ｇｔｉ、出口圧力Ｐｔｅ、および、目標圧力ｔＰｅｍを式（１）に代入することにより、可変ノズル２８の目標開口面積ｔＡを演算する。

次に、上述した制御装置５０の作用について説明する。制御装置５０は、排気圧力Ｐｅｍが目標圧力ｔＰｅｍとなるように可変ノズル２８の開度を制御する。目標圧力ｔＰｅｍは、燃料噴射量Ｇｆの変化量ΔＧｆに基づく割合で下限膨張比πＬと上限膨張比πＨとを含む目標膨張比ｔπに基づいて演算される。そして、これら下限膨張比πＬおよび上限膨張比πＨは、ターボチャージャー１７の過回転を抑える第１膨張比π１、ターボチャージャー１７のサージングを抑える第２膨張比π２、これらの双方を超えることのない値である。そのため、目標膨張比ｔπとして下限膨張比πＬが設定された場合であっても上限膨張比πＨが設定された場合であっても、過回転およびサージングを抑えつつターボチャージャー１７を駆動することができる。

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が得られる。
（１）目標膨張比ｔπが第１膨張比π１および第２膨張比π２の双方を超えることがないから、ターボチャージャー１７の過回転およびサージングが抑えられる。これにより、例えば、ターボチャージャー１７の振動、および、ターボチャージャー１７の構成部品に作用する機械的な負荷を抑えることができる。

（２）第１膨張比データ７３には、１つのタービン回転数Ｎｔに対して大気圧Ｐａｔｍに応じた複数の第１膨張比π１が規定されている。その結果、大気圧Ｐａｔｍに応じた第１膨張比π１が選択されることでターボチャージャー１７の過回転がさらに抑えられる。

（３）第２膨張比データ７９には、１つの体積流量Ｑａに対して大気圧Ｐａｔｍに応じた複数の第２膨張比π２が規定されている。その結果、大気圧Ｐａｔｍに応じた第２膨張比π２が選択されることでターボチャージャー１７のサージングがさらに抑えられる。

（４）第１膨張比データ７３が大気圧に応じた３つのデータ、第１基準データ７４、第１低圧データ７５、第１高圧データ７６で構成される。また、第２膨張比データ７９が大気圧に応じた３つのデータ、第２基準データ８０、第２低圧データ８１、第２高圧データ８２で構成される。そのため、大気圧Ｐａｔｍに応じた第１膨張比π１および第２膨張比π２の選択が可能であり、また、大気圧Ｐａｔｍに応じた膨張比π１，π２を選択するうえで各データの構成及び演算部５３による演算を簡素化できる。

（５）目標膨張比ｔπは、燃料噴射量Ｇｆの変化量ΔＧｆに応じた割合で下限膨張比πＬと上限膨張比πＨとを含んでおり、変化量ΔＧｆが大きいほど上限膨張比πＨの割合が高くなる。すなわち、エンジン１０の運転状態が急加速状態といった過渡状態であるほど目標膨張比ｔπにおける上限膨張比πＨの割合が高くなる。その結果、ターボチャージャー１７の過回転およびサージングを抑えつつ、エンジン１０の運転状態に適した膨張比に目標膨張比ｔπが設定される。

（６）制御装置５０は、目標膨張比ｔπを演算したのちに目標圧力ｔＰｅｍを演算する。そのため、各膨張比πＳ，π１，π２に基づく排気圧力を演算し、そのあとにこれらの排気圧力から目標圧力ｔＰｅｍを選択するよりも演算部５３による演算が簡素化される。

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。
・目標膨張比ｔπは、下限膨張比πＬ以上、上限膨張比πＨ以下の値であればよい。そのため、目標膨張比設定部８７は、例えば、燃料噴射量Ｇｆの変化量ΔＧｆに拘わらず一定の割合で下限膨張比πＬと上限膨張比πＨとを含む値を目標膨張比ｔπに設定してもよいし、エンジン回転数Ｎｅといった他の情報に基づき目標膨張比ｔπを設定してもよい。

・第２膨張比データ７９は、大気圧Ｐａｔｍに関わらず、１つの体積流量Ｑａに対して１つの第２膨張比π２が規定されたデータであってもよい。これによれば、第２膨張比データ７９の構成、および、演算部５３による演算をさらに簡素化できる。また、第２膨張比データ７９は、第２基準データ８０と第２低圧データ８１とで構成されてもよいし、大気圧Ｐａｔｍに応じた４以上のデータで構成されてもよい。第２膨張比データ７９を細分化することで大気圧Ｐａｔｍに応じた第２膨張比π２の精度が高まる。

・演算部５３は、ターボチャージャー１７の過回転を抑えるうえで、体積流量演算部７７、第２膨張比選択部７８、および、第２膨張比データ７９が割愛された構成であってもよい。この際、第１膨張比選択部７２は、上限膨張比設定部としても機能する。

・第１膨張比データ７３は、大気圧Ｐａｔｍに関わらず、１つのタービン回転数Ｎｔに対して１つの第１膨張比π１が規定されたデータであってもよい。こうした構成によれば、第１膨張比データ７３の構成、および、演算部５３による演算をさらに簡素化できる。また、第１膨張比データ７３は、第１基準データ７４と第１低圧データ７５とで構成されてもよいし、大気圧Ｐａｔｍに応じた４以上のデータで構成されてもよい。第１膨張比データ７３を細分化することで大気圧Ｐａｔｍに応じた第１膨張比π１の精度が高まる。

・演算部５３は、例えば体積流量Ｑａ等、各種演算で求めたパラメーターにおいてセンサーによって検出が可能なパラメーターは、そのセンサーの検出値を用いてもよい。
・燃料噴射量Ｇｆを制御する燃料噴射制御部とＶＮＴ制御装置５０は同一の制御装置に組み込まれてもよい。

１０…ディーゼルエンジン、１６…吸気通路、１７…ターボチャージャー、１８…コンプレッサー、２０…排気通路、２１…連結軸、２２…タービン、２５…ＥＧＲ通路、２６…ＥＧＲクーラー、２７…ＥＧＲ弁、２８…可変ノズル、２９…アクチュエーター、３１…吸入空気量センサー、３２…吸気温度センサー、３３…ＥＧＲ圧力センサー、３４…ＥＧＲ温度センサー、３６…ブースト圧センサー、３７…作動ガス温度センサー、３８…エンジン回転数センサー、３９…タービン回転数センサー、４０…可変ノズル開度センサー、４１…大気圧センサー、４２…燃料噴射制御部、５０…ＶＮＴ制御装置、５１…制御部、５２…取得部、５３…演算部、５３ａ…第１演算部、５３ｂ…第２演算部、５３ｃ…第３演算部、５４…記憶部、５５…ノズル駆動部、５６…作動ガス量演算部、５７…ＥＧＲ量演算部、５８…ＥＧＲ率演算部、５９…流入温度演算部、６０…流入温度データ、６１…流入量演算部、６２…ＥＧＲ圧力損失演算部、６３…ＥＧＲ通路データ、６４…排気圧力演算部、６５…出口圧力演算部、６６…排気通路データ、７０…基本膨張比選択部、７１…基本膨張比データ、７２…第１膨張比選択部、７３…第１膨張比データ、７７…体積流量演算部、７８…第２膨張比選択部、７９…第２膨張比データ、８３…上限膨張比設定部、８４…下限膨張比設定部、８５…係数選択部、８６…係数データ、８７…目標膨張比設定部、８８…目標圧力設定部。

Claims (5)

1. タービンにおける膨張比であって定常状態にあるエンジンに適した基本膨張比をエンジン回転数および燃料噴射量ごとに規定した基本膨張比データから前記基本膨張比を選択する基本膨張比選択部と、
   ターボチャージャーの過回転を抑える膨張比の許容値である許容膨張比をタービン回転数ごとに規定した許容膨張比データから前記許容膨張比を選択する許容膨張比選択部と、
   前記膨張比の上限値である上限膨張比を設定する上限膨張比設定部と、
   前記膨張比の下限値である下限膨張比を設定する下限膨張比設定部と、
   前記下限膨張比以上であって、かつ、前記上限膨張比以下の値を前記膨張比の目標値に設定する目標膨張比設定部と、
   前記膨張比が前記目標値となるように可変ノズルの開度を制御する制御部とを備え、
   前記上限膨張比設定部は、前記許容膨張比を前記上限膨張比に設定し、
   前記下限膨張比設定部は、前記上限膨張比および前記基本膨張比の最小値を前記下限膨張比に設定する
   可変容量型ターボチャージャーの制御装置。
2. 前記許容膨張比データは、前記許容膨張比の選択に際して基準とされる大気圧である基準大気圧に対応付けられた許容基準膨張比と、該基準大気圧よりも低い大気圧に対応付けられて前記許容基準膨張比よりも小さい値である許容低圧膨張比とを、前記タービン回転数ごとに予め規定し、
   前記許容膨張比選択部は、前記タービン回転数と前記大気圧とに対応する前記許容膨張比を前記許容膨張比データから選択する
   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. 前記許容膨張比が第１膨張比であり、
   前記許容膨張比データが第１膨張比データであり、
   前記許容膨張比選択部が第１膨張比選択部であり、
   ターボチャージャーのサージングを抑える膨張比の許容値である第２膨張比を吸入空気の体積流量ごとに規定した第２膨張比データから前記第２膨張比を選択する第２膨張比選択部をさらに備え、
   前記上限膨張比設定部は、前記第１膨張比および前記第２膨張比の最小値を前記上限膨張比に設定する
   請求項１または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. 前記第２膨張比データは、前記第２膨張比の選択に際して基準とされる大気圧である基準大気圧に対応付けられた第２基準膨張比と、該基準大気圧よりも低い大気圧に対応付けられて前記第２基準膨張比よりも小さい値である第２低圧膨張比とを、前記体積流量ごとに予め規定し、
   前記第２膨張比選択部は、前記体積流量と前記大気圧とに対応する前記第２膨張比を前記第２膨張比データから選択する
   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. 前記目標膨張比設定部は、
   前記燃料噴射量の変化量が第１の閾値以下の場合に、前記下限膨張比を前記目標値に設定し、
   前記変化量が前記第１の閾値よりも大きく、かつ、第２の閾値以下の場合に、前記変化量が大きいほど、前記下限膨張比の割合が少なく、かつ、前記上限膨張比の割合が大きい値を前記目標値に設定し、
   前記変化量が前記第２の閾値よりも大きい場合に、前記上限膨張比を前記目標値に設定する
   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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