JP6026211B2 - Turbocharger control device and control method - Google Patents
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Description
本開示の技術は、可変容量型の高圧段ターボチャージャーと固定容量型の低圧段ターボチャージャーとを備えた２段過給式ターボチャージャーにおいて、高圧段ターボチャージャーにおける可変ノズルの開度を制御するターボチャージャーの制御装置、及びターボチャージャーの制御方法に関する。 The technology of the present disclosure is a two-stage supercharged turbocharger that includes a variable capacity high-pressure stage turbocharger and a fixed capacity low-pressure stage turbocharger, and a turbo that controls the opening of a variable nozzle in the high-pressure stage turbocharger. The present invention relates to a charger control device and a turbocharger control method.
従来から、高圧段ターボチャージャーと、高圧段ターボチャージャーのタービンよりも排気通路の下流側にタービンが配設された低圧段ターボチャージャーとを備えた２段過給式ターボチャージャーが知られている。こうした２段過給式ターボチャージャーにおいては、排気ガスの流量が少ないときには主に高圧段ターボチャージャーによって過給が行われ、排気ガスの流量が多いときには主に低圧段ターボチャージャーによって過給が行われる。また、２段過給式ターボチャージャーには、高圧段ターボチャージャーとして可変ノズルを備えた可変容量型ターボチャージャー、低圧段ターボチャージャーとして固定容量型ターボチャージャーを備えたものも知られている（例えば特許文献１参照）。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a two-stage supercharged turbocharger including a high-pressure stage turbocharger and a low-pressure stage turbocharger in which a turbine is disposed on the downstream side of an exhaust passage from the turbine of the high-pressure stage turbocharger. In such a two-stage supercharged turbocharger, supercharging is mainly performed by a high-pressure stage turbocharger when the flow rate of exhaust gas is small, and supercharging is performed mainly by a low-pressure stage turbocharger when the flow rate of exhaust gas is large. . In addition, two-stage turbocharged turbochargers are also known that have a variable displacement turbocharger with a variable nozzle as a high-pressure turbocharger, and a fixed displacement turbocharger as a low-pressure turbocharger (for example, a patent) Reference 1).
ところで、上述した可変ノズルの開度は、通常、いずれか一方のターボチャージャーによる過給が主たる過給であることを前提として、エンジンの運転状態に基づいて制御される。一方で、エンジンからの排気ガスは、高圧段ターボチャージャーと低圧段ターボチャージャーとの両方に流入し、エンジンからの排気ガスのエネルギーは、高圧段ターボチャージャーにおける過給の仕事に変換され、また、低圧段ターボチャージャーにおける過給の仕事にも変換される。そのため、一方のターボチャージャーによる過給が主たる過給であることを前提として可変ノズルの開度が制御されると、他方のターボチャージャーによる過給が考慮されてない分だけ、目標とする過給圧に対して実際の過給圧の精度が低くなる。 By the way, the opening degree of the variable nozzle described above is normally controlled based on the operating state of the engine on the premise that the supercharging by either one of the turbochargers is the main supercharging. On the other hand, the exhaust gas from the engine flows into both the high-pressure stage turbocharger and the low-pressure stage turbocharger, and the energy of the exhaust gas from the engine is converted into supercharging work in the high-pressure stage turbocharger, It is also converted into supercharged work in a low-pressure stage turbocharger. Therefore, if the opening of the variable nozzle is controlled on the assumption that the supercharging by one turbocharger is the main supercharging, the target supercharging is as much as the supercharging by the other turbocharger is not considered. The accuracy of the actual supercharging pressure becomes lower than the pressure.
本開示の技術は、２段過給式ターボチャージャーによって得られる過給圧の精度を高めることが可能なターボチャージャーの制御装置、及びターボチャージャーの制御方法を提供することを目的とする。 An object of the technology of the present disclosure is to provide a turbocharger control device and a turbocharger control method capable of increasing the accuracy of the supercharging pressure obtained by the two-stage supercharging turbocharger.
上記課題を解決するターボチャージャーの制御装置は、可変容量型の高圧段ターボチャージャーの回転数である第１回転数と、固定容量型の低圧段ターボチャージャーの回転数である第２回転数と、エンジンの運転状態とを取得する取得部と、前記高圧段ターボチャージャーにおける可変ノズルの開度を前記高圧段ターボチャージャーにおける排気ガスの流入量と目標膨張比とに対応する開度に制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１回転数と前記第２回転数とに膨張比が対応づけられた過給用データと、前記高圧段ターボチャージャーの膨張比がエンジンの運転状態に対応づけられた排気圧力用データと、前記第２回転数の第１設定値と、前記第１設定値よりも高い第２設定値とを記憶する記憶部と、前記取得部が取得した情報と前記記憶部に記憶した情報とに基づいて前記目標膨張比を演算する演算部と、を備え、前記演算部は、前記取得された前記第２回転数が前記第１設定値以下であるとき、前記取得された前記第１回転数と前記第２回転数とを前記過給用データに適用して得られる前記膨張比を前記目標膨張比として演算し、前記取得された前記第２回転数が前記第２設定値よりも高いとき、前記取得された前記運転状態を前記排気圧力用データに適用して得られる前記膨張比を前記目標膨張比として演算する。 A turbocharger control device that solves the above problems includes a first rotation speed that is a rotation speed of a variable capacity high pressure stage turbocharger, and a second rotation speed that is a rotation speed of a fixed capacity low pressure stage turbocharger , An acquisition unit that acquires an operating state of the engine, and a control unit that controls the opening degree of the variable nozzle in the high-pressure stage turbocharger to an opening degree corresponding to an inflow amount of exhaust gas and a target expansion ratio in the high-pressure stage turbocharger. The control unit includes supercharging data in which an expansion ratio is associated with the first rotational speed and the second rotational speed, and the expansion ratio of the high-pressure turbocharger is in an engine operating state. a correspondence is exhaust pressure data, the second rotational speed first set value, a storage unit for storing a second set value higher than the first set value, information acquired by the acquiring unit And and a calculator for calculating the target expansion ratio on the basis of the stored information in the storage unit, the calculation unit, when the second rotation speed that the obtained is below the first set value The expansion ratio obtained by applying the acquired first rotation speed and the second rotation speed to the supercharging data is calculated as the target expansion ratio, and the acquired second rotation speed is calculated. Is higher than the second set value, the expansion ratio obtained by applying the acquired operating state to the exhaust pressure data is calculated as the target expansion ratio.
上記課題を解決するターボチャージャーの制御方法は、可変容量型の高圧段ターボチャージャーの回転数である第１回転数と、固定容量型の低圧段ターボチャージャーの回転数である第２回転数と、エンジンの運転状態とを取得すること、前記高圧段ターボチャージャーに対する排気ガスの流入量を取得すること、前記高圧段ターボチャージャーにおける目標膨張比を演算すること、前記流入量と前記目標膨張比とに対応する開度に可変ノズルの開度を制御すること、を含み、前記目標膨張比の演算では、前記第１回転数と前記第２回転数とに膨張比が対応づけられた過給用データと、前記高圧段ターボチャージャーの膨張比がエンジンの運転状態に対応づけられた排気圧力用データと、前記第２回転数の第１設定値と、前記第１設定値よりも高い第２設定値とを用い、前記取得された前記第２回転数が前記第１設定値以下であるとき、前記取得された前記第１回転数と前記第２回転数とを前記過給用データに適用して得られる前記膨張比を前記目標膨張比として演算し、前記取得された前記第２回転数が前記第２設定値よりも高いとき、前記取得された前記運転状態を前記排気圧力用データに適用して得られる前記膨張比を前記目標膨張比として演算する。 A turbocharger control method that solves the above problems includes a first rotation speed that is a rotation speed of a variable-capacity high-pressure turbocharger, and a second rotation speed that is a rotation speed of a fixed-capacity low-pressure turbocharger , Obtaining an operating state of the engine, obtaining an inflow amount of exhaust gas into the high-pressure stage turbocharger, calculating a target expansion ratio in the high-pressure stage turbocharger, and calculating the inflow amount and the target expansion ratio. Controlling the opening of the variable nozzle to the corresponding opening, and in the calculation of the target expansion ratio, the supercharging data in which the expansion ratio is associated with the first rotation speed and the second rotation speed The exhaust pressure data in which the expansion ratio of the high-pressure turbocharger is associated with the operating state of the engine, the first set value of the second rotational speed, and the first set value High using a second set value, when the acquired second rotational speed is below the first set value, for the supercharge the obtained with the first speed and the second rotational speed The expansion ratio obtained by applying to data is calculated as the target expansion ratio, and when the acquired second rotational speed is higher than the second set value, the acquired operating state is determined as the exhaust pressure. The expansion ratio obtained by applying to the operation data is calculated as the target expansion ratio.
これらの構成によれば、各ターボチャージャーの作動状態に対応する目標膨張比が演算されるため、その目標膨張比を用いて演算される可変ノズルの開度は、各ターボチャージャーの作動状態が反映された開度である。それゆえに、一方のターボチャージャーによる過給が主たる過給であることを前提として、単にエンジンの運転状態から開度が制御される構成に比べて、２段過給式ターボチャージャーの過給によって得られる過給圧の精度が高められる。 According to these configurations, since the target expansion ratio corresponding to the operating state of each turbocharger is calculated, the opening degree of the variable nozzle calculated using the target expansion ratio reflects the operating state of each turbocharger. Opening degree. Therefore, on the premise that the supercharging by one turbocharger is the main supercharging, it can be obtained by supercharging the two-stage supercharging turbocharger compared to the configuration in which the opening degree is controlled simply from the engine operating state. The accuracy of the supercharging pressure that can be increased.
第２回転数が第１設定値以下である場合には、第２回転数が第１設定値よりも大きい場合に比べて、排気ガスの流量が少なく、各ターボチャージャーによる仕事も小さいため、高い過給圧を得られがたい状態である。この点、ターボチャージャーはそもそも過給を目的とするものであるため、高い過給圧が得られがたい状態では、過給不足を生じさせることがないように、特に過給圧の精度が求められる。上記構成によれば、第２回転数が第１設定値以下であるときに上述の開度の制御が行われるから、過給圧の精度が高められる効果が特に顕著になる。 When the second rotational speed is equal to or lower than the first set value, the exhaust gas flow rate is small and the work by each turbocharger is small compared to when the second rotational speed is larger than the first set value, and therefore high. It is difficult to obtain supercharging pressure. In this regard, since turbochargers are primarily intended for supercharging, accuracy of supercharging pressure is particularly required so that insufficient supercharging does not occur when high supercharging pressure is difficult to obtain. It is done. According to the above configuration, since the above-described opening degree control is performed when the second rotation speed is equal to or less than the first set value, the effect of increasing the accuracy of the supercharging pressure is particularly remarkable.
例えば、エンジンの吸気通路に対して排気ガスを還流させる排気再循環、いわゆるＥＧＲを行うことにより、排気ガスに含まれるＮＯｘの低減や燃費の向上が図られる。そして、第２回転数が第１設定値よりも大きいときは、第２回転数が第１設定値以下であるときに比べて排気ガスの流量が多い。そのため、ＮＯｘの低減や燃費の向上を図るうえでは、排気圧力がエンジンの運転状態毎にＥＧＲに適した圧力となることが望ましい。 For example, by performing exhaust gas recirculation for recirculating exhaust gas to the intake passage of the engine, so-called EGR, NOx contained in the exhaust gas can be reduced and fuel consumption can be improved. When the second rotational speed is larger than the first set value, the flow rate of the exhaust gas is larger than when the second rotational speed is equal to or lower than the first set value. Therefore, in order to reduce NOx and improve fuel efficiency, it is desirable that the exhaust pressure be a pressure suitable for EGR for each operating state of the engine.
この構成によれば、第２回転数が第２設定値よりも高いときに、排気圧力用データに規定された膨張比が目標膨張比として演算される。その結果、エンジンの運転状態に応じた過給がなされることから、例えば、ＮＯｘの低減や燃費の向上が効率的に図られる。 According to this configuration, when the second rotational speed is higher than the second set value, the expansion ratio defined in the exhaust pressure data is calculated as the target expansion ratio. As a result, supercharging according to the operating state of the engine is performed, so that, for example, NOx reduction and fuel consumption improvement can be efficiently achieved.
この構成によれば、目標膨張比が過給用データの膨張比と排気圧力用データの膨張比とに切り替わる際に、第１設定値よりも高く、且つ、第２設定値以下の区間を介して、目標膨張比が切り替わる。そのため、目標膨張比の切り替えが１つの値を境界として行われる場合に比べて、過給用データの膨張比と排気圧力用データの膨張比とが不要に切り替わることが抑えられる。 According to this configuration, when the target expansion ratio is switched between the expansion ratio of the supercharging data and the expansion ratio of the exhaust pressure data, the interval is higher than the first set value and not more than the second set value. Thus, the target expansion ratio is switched. Therefore, it is possible to suppress unnecessary switching between the expansion ratio of the supercharging data and the expansion ratio of the exhaust pressure data, compared to the case where the target expansion ratio is switched using one value as a boundary.
上記ターボチャージャーの制御装置について、前記過給用データに規定された膨張比の前記目標膨張比に占める割合を係数αとし、前記取得された前記第１回転数と前記第２回転数とを前記過給用データに適用して得られる前記膨張比を第１膨張比とし、前記取得された前記運転状態を前記排気圧力用データに適用して得られる前記膨張比を第２膨張比とし、前記記憶部は、前記係数αが前記第２回転数毎に規定された切替データを記憶し、前記演算部は、第１膨張比×α＋第２膨張比×（１−α）を前記目標膨張比として演算し、前記切替データは、前記第２回転数が前記第１設定値よりも高く、且つ、前記第２設定値以下の区間に、前記第２回転数が大きいほど減少する前記係数αが規定されていることが好ましい。 In the turbocharger control device, the ratio of the expansion ratio defined in the supercharging data to the target expansion ratio is a coefficient α, and the acquired first rotation speed and the second rotation speed are The expansion ratio obtained by applying to the supercharging data is a first expansion ratio, the expansion ratio obtained by applying the acquired operating state to the exhaust pressure data is a second expansion ratio, The storage unit stores switching data in which the coefficient α is defined for each of the second rotational speeds, and the calculation unit calculates the first expansion ratio × α + second expansion ratio × (1−α) as the target expansion ratio. The switching data includes the coefficient α that decreases as the second rotation speed increases in a section in which the second rotation speed is higher than the first setting value and equal to or less than the second setting value. It is preferable that it is defined.
この構成によれば、第１設定値よりも大きく且つ第２設定値以下の範囲では、過給用データに規定された膨張比の目標膨張比に占める割合が減少する。すなわち、目標膨張比は、第２回転数の増加にともなって過給用データの膨張比から排気圧力用データの膨張比に徐々に切り替えられる。その結果、排気圧力の変化に起因する各ターボチャージャーやエンジンに対する機械的な負荷が軽減される。 According to this configuration, the ratio of the expansion ratio defined in the supercharging data to the target expansion ratio decreases in a range that is greater than the first set value and less than or equal to the second set value. That is, the target expansion ratio is gradually switched from the supercharging data expansion ratio to the exhaust pressure data expansion ratio as the second rotational speed increases. As a result, the mechanical load on each turbocharger and engine due to changes in exhaust pressure is reduced.
上記ターボチャージャーの制御装置について、過給用データには、前記高圧段ターボチャージャーによる仕事と前記低圧段ターボチャージャーによる仕事との合計が最大となる膨張比が規定されていることが好ましい。 In the turbocharger control device, it is preferable that the supercharging data defines an expansion ratio that maximizes the sum of work by the high-pressure stage turbocharger and work by the low-pressure stage turbocharger.
この構成によれば、過給用データに規定された膨張比が目標膨張比として演算される場合に、各ターボチャージャーによる仕事の合計が最大となる。その結果、２段過給式ターボチャージャーによる過給の効率が高められる。 According to this configuration, when the expansion ratio defined in the supercharging data is calculated as the target expansion ratio, the total work by each turbocharger is maximized. As a result, the efficiency of supercharging by the two-stage supercharging turbocharger is increased.
以下、図１〜図１１を参照して、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、図１を参照して、ターボチャージャーの制御装置が搭載されるディーゼルエンジンの全体構成について説明する。 Hereinafter, an embodiment embodying a control device for a turbocharger will be described with reference to FIGS. First, an overall configuration of a diesel engine equipped with a turbocharger control device will be described with reference to FIG.
［ディーゼルエンジン１０］
図１に示されるように、ディーゼルエンジン１０（以下、単にエンジン１０という。）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が形成されており、各シリンダー１２には、インジェクタ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。
[Diesel engine 10]
As shown in FIG. 1, a cylinder block 11 of a diesel engine 10 (hereinafter simply referred to as an engine 10) is formed with four cylinders 12 arranged in a row, and each cylinder 12 includes an injector 13. Fuel is injected. Connected to the cylinder block 11 are an intake manifold 14 for supplying intake air to each cylinder 12 and an exhaust manifold 15 into which exhaust gas from each cylinder 12 flows.
インテークマニホールド１４に接続される吸気通路１６の上流端には、図示されないエアクリーナーが取り付けられている。吸気通路１６には、低圧段ターボチャージャー１７Ｌのコンプレッサー１８Ｌが取り付けられている。また、吸気通路１６には、コンプレッサー１８Ｌの下流に、高圧段ターボチャージャー１７Ｈのコンプレッサー１８Ｈが取り付けられている。吸気通路１６には、コンプレッサー１８Ｈの下流側に、該コンプレッサー１８Ｌ，１８Ｈによって圧縮された吸入空気を冷却するインタークーラー１９が取り付けられている。 An air cleaner (not shown) is attached to the upstream end of the intake passage 16 connected to the intake manifold 14. A compressor 18L of a low-pressure stage turbocharger 17L is attached to the intake passage 16. Further, a compressor 18H of a high-pressure stage turbocharger 17H is attached to the intake passage 16 downstream of the compressor 18L. An intercooler 19 for cooling the intake air compressed by the compressors 18L and 18H is attached to the intake passage 16 on the downstream side of the compressor 18H.
一方、エキゾーストマニホールド１５には、排気通路２０が接続されている。排気通路２０には、上述したコンプレッサー１８Ｈに連結軸２１Ｈを介して連結されるタービン２２Ｈが取り付けられている。また、排気通路２０には、コンプレッサー１８Ｈの下流に、上述したコンプレッサー１８Ｌに連結軸２１Ｌを介して連結されるタービン２２Ｌが取り付けられている。また、エキゾーストマニホールド１５には、吸気通路１６に接続されて排気ガスの一部を吸気通路１６に導入するＥＧＲ通路２５が接続されている。 On the other hand, an exhaust passage 20 is connected to the exhaust manifold 15. A turbine 22H connected to the above-described compressor 18H via a connecting shaft 21H is attached to the exhaust passage 20. Further, a turbine 22L connected to the above-described compressor 18L via a connecting shaft 21L is attached to the exhaust passage 20 downstream of the compressor 18H. The exhaust manifold 15 is connected to an EGR passage 25 that is connected to the intake passage 16 and introduces part of the exhaust gas into the intake passage 16.
ＥＧＲ通路２５には、該ＥＧＲ通路２５を流れる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラー２６が取り付けられている。ＥＧＲクーラー２６の下流側には、ＥＧＲ通路２５の流路断面積を変更可能なＥＧＲ弁２７が取り付けられている。ＥＧＲ弁２７の開度は、図示されないＥＧＲ制御装置によって制御される。ＥＧＲ制御装置は、エンジンの運転状態に応じてＥＧＲ弁２７の基本開度を演算し、その演算した基本開度を基準としてＥＧＲ弁２７を制御する。吸気通路１６には、ＥＧＲ弁２７が開状態にあるときにＥＧＲ通路２５を通じて排気ガスの一部が導入され、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。なお、以下では、ＥＧＲ通路２５を流れる排気ガスをＥＧＲガスという。 An EGR cooler 26 that cools the exhaust gas flowing through the EGR passage 25 is attached to the EGR passage 25. On the downstream side of the EGR cooler 26, an EGR valve 27 capable of changing the flow path cross-sectional area of the EGR passage 25 is attached. The opening degree of the EGR valve 27 is controlled by an EGR control device (not shown). The EGR control device calculates the basic opening degree of the EGR valve 27 according to the operating state of the engine, and controls the EGR valve 27 based on the calculated basic opening degree. A part of the exhaust gas is introduced into the intake passage 16 through the EGR passage 25 when the EGR valve 27 is in the open state, and the working gas which is a mixed gas of the exhaust gas and the intake air is supplied to the cylinder 12. The Hereinafter, the exhaust gas flowing through the EGR passage 25 is referred to as EGR gas.
コンプレッサー１８Ｈとタービン２２Ｈとで構成される高圧段ターボチャージャー１７Ｈは、タービン２２Ｈ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内の圧力及びタービン２２Ｈへの排気ガスの流入量を調整する。この可変ノズル２８の開度は、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。 The high-pressure stage turbocharger 17H composed of the compressor 18H and the turbine 22H is a variable capacity turbocharger (VNT: Variable Nozzle Turbo) in which a variable nozzle 28 is disposed in the turbine 22H. The variable nozzle 28 adjusts the pressure in the exhaust manifold 15 and the amount of exhaust gas flowing into the turbine 22H by changing the opening degree by driving an actuator 29 having a stepping motor. The opening degree of the variable nozzle 28 is controlled by a VNT controller 50 that is a turbocharger controller.
ディーゼルエンジン１０には、エンジン１０の運転状態を検出する各種センサーが備えられている。例えば、ＥＧＲ通路２５には、ＥＧＲクーラー２６の下流側且つＥＧＲ弁２７の上流側にＥＧＲ圧力センサー３１とＥＧＲ温度センサー３４とが取り付けられている。ＥＧＲ圧力センサー３１は、ＥＧＲ弁２７に流入する直前のＥＧＲガスの圧力であるＥＧＲ圧力Ｐｅｇｒを所定の制御周期で検出する。ＥＧＲ温度センサー３４は、ＥＧＲ弁２７に流入する直前のＥＧＲガスの温度であるＥＧＲ温度Ｔｅｇを所定の制御周期で検出する。 The diesel engine 10 is provided with various sensors that detect the operating state of the engine 10. For example, an EGR pressure sensor 31 and an EGR temperature sensor 34 are attached to the EGR passage 25 downstream of the EGR cooler 26 and upstream of the EGR valve 27. The EGR pressure sensor 31 detects the EGR pressure Pegr, which is the pressure of the EGR gas immediately before flowing into the EGR valve 27, at a predetermined control cycle. The EGR temperature sensor 34 detects the EGR temperature Teg, which is the temperature of the EGR gas immediately before flowing into the EGR valve 27, in a predetermined control cycle.
吸気通路１６には、吸気通路１６とＥＧＲ通路２５との接続部分よりも下流側にブースト圧センサー３２が取り付けられている。ブースト圧センサー３２は、吸気通路１６内を流れる作動ガスの圧力であるブースト圧Ｐｂを所定の制御周期で検出する。 A boost pressure sensor 32 is attached to the intake passage 16 downstream of the connection portion between the intake passage 16 and the EGR passage 25. The boost pressure sensor 32 detects the boost pressure Pb that is the pressure of the working gas flowing in the intake passage 16 at a predetermined control cycle.
吸気通路１６におけるコンプレッサー１８Ｌの上流側には、吸入空気量センサー３６が取り付けられている。吸入空気量センサー３６は、吸気通路１６を流れる吸入空気の質量流量である吸入空気量Ｇａを所定の制御周期で検出する。 An intake air amount sensor 36 is attached to the intake passage 16 upstream of the compressor 18L. The intake air amount sensor 36 detects an intake air amount Ga that is a mass flow rate of the intake air flowing through the intake passage 16 at a predetermined control cycle.
インテークマニホールド１４には、吸気温度センサー３５が取り付けられている。吸気温度センサー３５は、シリンダー１２に流入する直前の作動ガスの温度である吸気温度Ｔｉｎを所定の制御周期で検出する。 An intake air temperature sensor 35 is attached to the intake manifold 14. The intake air temperature sensor 35 detects an intake air temperature Tin, which is the temperature of the working gas immediately before flowing into the cylinder 12, at a predetermined control cycle.
ディーゼルエンジン１０には、回転速度センサー３７、第１回転数センサー３８Ｈ、第２回転数センサー３８Ｌが備えられている。回転速度センサー３７は、エンジン１０のクランクシャフト２４の回転速度である回転速度ＮＥを所定の制御周期で検出する。第１回転数センサー３８Ｈは、高圧段ターボチャージャー１７Ｈに連結軸２１Ｈの回転数である第１回転数ＮｔｂＨを所定の制御周期で検出する。第２回転数センサー３８Ｌは、低圧段ターボチャージャー１７Ｌに連結軸２１Ｌの回転数である第２回転数ＮｔｂＬを所定の制御周期で検出する。 The diesel engine 10 includes a rotation speed sensor 37, a first rotation speed sensor 38H, and a second rotation speed sensor 38L. The rotation speed sensor 37 detects a rotation speed NE that is the rotation speed of the crankshaft 24 of the engine 10 at a predetermined control cycle. The first rotation speed sensor 38H detects the first rotation speed NtbH that is the rotation speed of the connecting shaft 21H in the high-pressure stage turbocharger 17H at a predetermined control cycle. The second rotation speed sensor 38L detects the second rotation speed NtbL, which is the rotation speed of the connecting shaft 21L, in the low-pressure stage turbocharger 17L at a predetermined control cycle.
図２に示されるように、可変ノズル２８では、ノズル開度ＶＴｖｎｔが大きいほどタービン２２Ｈに流入する排気ガスの流路断面積である開口面積Ａｔｂが小さい。
［ＶＮＴ制御装置５０］
図３〜図８を参照してＶＮＴ制御装置５０の構成を説明する。
図３に示されるように、ＶＮＴ制御装置５０の制御部５１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成されており、外部からの信号を取得する取得部５２と、各種演算を行なう演算部５３と、各種制御プログラムや各種データが格納される記憶部５４と、アクチュエーター２９を駆動するノズル駆動部５５とを備えている。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可変ノズル２８の駆動処理を実行する。
As shown in FIG. 2, in the variable nozzle 28, the larger the nozzle opening VTvnt, the smaller the opening area Atb, which is the flow path cross-sectional area of the exhaust gas flowing into the turbine 22H.
[VNT control device 50]
The configuration of the VNT control device 50 will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 3, the control unit 51 of the VNT control device 50 includes a CPU, a ROM, a RAM, and the like. The acquisition unit 52 acquires an external signal, and the calculation unit 53 performs various calculations. A storage unit 54 that stores various control programs and various data, and a nozzle drive unit 55 that drives the actuator 29 are provided. The control unit 51 executes the driving process of the variable nozzle 28 using the signal acquired by the acquisition unit 52 and the various data stored in the storage unit 54 according to various control programs stored in the storage unit 54.
取得部５２は、上述の各種センサーから、ＥＧＲ圧力Ｐｅｇｒ、ブースト圧Ｐｂ、ＥＧＲ温度Ｔｅｇ、吸気温度Ｔｉｎ、吸入空気量Ｇａ、第１回転数ＮｔｂＨ、第２回転数ＮｔｂＬ、回転速度ＮＥを所定の制御周期で取得する。また、取得部５２は、燃料噴射量を制御する燃料噴射制御部３９から燃料噴射量Ｑｆを取得し、ＥＧＲ弁２７の開度を検出するＥＧＲ弁開度センサー４０からＥＧＲ弁２７の開度であるＥＧＲ弁開度ＶＴｅｇｒを取得する。また、取得部５２は、可変ノズル２８の開度を検出する可変ノズル開度センサー４１から可変ノズル２８の開度であるノズル開度ＶＴｖｎｔを取得する。 The acquisition unit 52 obtains the EGR pressure Pegr, the boost pressure Pb, the EGR temperature Teg, the intake air temperature Tin, the intake air amount Ga, the first rotation speed NtbH, the second rotation speed NtbL, and the rotation speed NE from the various sensors described above. Acquired at the control cycle. The acquisition unit 52 acquires the fuel injection amount Qf from the fuel injection control unit 39 that controls the fuel injection amount, and detects the opening degree of the EGR valve 27 from the EGR valve opening degree sensor 40 based on the opening degree of the EGR valve 27. A certain EGR valve opening VTegr is acquired. The acquisition unit 52 acquires the nozzle opening VTvnt that is the opening of the variable nozzle 28 from the variable nozzle opening sensor 41 that detects the opening of the variable nozzle 28.
［体積流量Ｑｔｂ］
演算部５３は、取得部５２にて取得された各種センサーの検出値などを用いて、下記５つのパラメーターを演算し、その演算結果を用いて、高圧段ターボチャージャー１７Ｈに流入する排気ガスの体積流量Ｑｔｂを演算する。
・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
・ＥＧＲガスの質量流量であるＥＧＲ量Ｇｅｇ
・高圧段ターボチャージャー１７Ｈに流入する排気ガスの質量流量である質量流量Ｇｔｂ
・作動ガス量Ｇｗｇに対するＥＧＲ量Ｇｅｇの割合であるＥＧＲ率η
・高圧段ターボチャージャー１７Ｈに流入する排気ガスの温度である流入温度ＴｔｂＨ
・高圧段ターボチャージャー１７Ｈに流入する排気ガスの圧力である排気圧力Ｐｅｍ
[Volume flow rate Qtb]
The calculation unit 53 calculates the following five parameters using the detection values of various sensors acquired by the acquisition unit 52, and uses the calculation results to calculate the volume of exhaust gas flowing into the high-pressure turbocharger 17H. The flow rate Qtb is calculated.
-Working gas amount Gwg which is the mass flow rate of the working gas supplied to the cylinder 12
-EGR amount Geg which is mass flow rate of EGR gas
-Mass flow rate Gtb which is the mass flow rate of the exhaust gas flowing into the high-pressure stage turbocharger 17H
-EGR rate η which is the ratio of the EGR amount Geg to the working gas amount Gwg
-Inflow temperature TtbH which is the temperature of the exhaust gas flowing into the high-pressure stage turbocharger 17H
-Exhaust pressure Pem which is the pressure of the exhaust gas flowing into the high pressure turbocharger 17H
すなわち、演算部５３は、状態方程式Ｐ×Ｖ＝Ｇｗｇ×Ｒ×Ｔに各種センサーからの入力値を適用することによって作動ガス量Ｇｗｇを演算する。
Ｐ：ブースト圧センサー３２の検出値であるブースト圧Ｐｂ
Ｖ：エンジン１０の回転速度ＮＥとエンジン１０の排気量Ｄとの乗算値
Ｔ：吸気温度センサー３５の検出値である吸気温度Ｔｉｎ
Ｒ：気体定数
That is, the computing unit 53 computes the working gas amount Gwg by applying input values from various sensors to the state equation P × V = Gwg × R × T.
P: Boost pressure Pb which is a detected value of the boost pressure sensor 32
V: Multiplication value of the rotational speed NE of the engine 10 and the exhaust amount D of the engine 10 T: Intake air temperature Tin which is a detection value of the intake air temperature sensor 35
R: Gas constant
また、演算部５３は、ベルヌーイの定理に基づく式（１）に各種センサーからの検出値を適用することによりＥＧＲ量Ｇｅｇを演算する。
Ｐ１：ＥＧＲ圧力センサー３１の検出値であるＥＧＲ圧力Ｐｅｇｒ
Ｐ２：ブースト圧センサー３２の検出値であるブースト圧Ｐｂ
Ｔ１：ＥＧＲ温度センサー３４の検出値であるＥＧＲ温度Ｔｅｇ
Ａ ：ＥＧＲ弁開度センサー４０の検出値であるＥＧＲ弁開度ＶＴｅｇｒに基づくＥＧＲ弁２７の開口面積Ａｅｇ
κ ：排気ガスの比熱比
Ｒ ：気体定数
The computing unit 53 computes the EGR amount Geg by applying detection values from various sensors to Equation (1) based on Bernoulli's theorem.
P1: EGR pressure Pegr which is a detected value of the EGR pressure sensor 31
P2: Boost pressure Pb which is a detected value of the boost pressure sensor 32
T1: EGR temperature Teg which is a detection value of the EGR temperature sensor 34
A: Opening area Aeg of the EGR valve 27 based on the EGR valve opening VTegr which is a detection value of the EGR valve opening sensor 40
κ: Specific heat ratio of exhaust gas R: Gas constant
また、演算部５３は、作動ガス量ＧｗｇからＥＧＲ量Ｇｅｇを減算することにより排気ガスの質量流量Ｇｔｂを演算し、ＥＧＲ量Ｇｅｇを作動ガス量Ｇｗｇで除算することによってＥＧＲ率η（＝Ｇｅｇ／Ｇｗｇ）を演算する。 In addition, the calculation unit 53 calculates the exhaust gas mass flow rate Gtb by subtracting the EGR amount Geg from the working gas amount Gwg, and divides the EGR amount Geg by the working gas amount Gwg to obtain an EGR rate η (= Geg / Gwg) is calculated.
また、演算部５３は、作動ガス量Ｇｗｇ、ＥＧＲ率η、燃料噴射制御部３９からの入力値である燃料噴射量Ｑｆ、及び、記憶部５４に格納された温度データ６１に基づいて流入温度ＴｔｂＨを演算する。この際に、温度データ６１は、作動ガス量Ｇｗｇ、ＥＧＲ率η、及び、燃料噴射量Ｑｆ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、演算部５３は、作動ガス量Ｇｗｇ、ＥＧＲ率η、及び、燃料噴射量Ｑｆに応じた温度を温度データ６１から読み出すことによって流入温度ＴｔｂＨを演算する。 The calculation unit 53 also calculates the inflow temperature TtbH based on the working gas amount Gwg, the EGR rate η, the fuel injection amount Qf that is an input value from the fuel injection control unit 39, and the temperature data 61 stored in the storage unit 54. Is calculated. At this time, the temperature data 61 is data in which the temperature of the exhaust gas is uniquely defined using the working gas amount Gwg, the EGR rate η, and the fuel injection amount Qf as parameters. And the calculating part 53 calculates the inflow temperature TtbH by reading the temperature according to the working gas amount Gwg, the EGR rate η, and the fuel injection amount Qf from the temperature data 61.
次いで、演算部５３は、ＥＧＲ圧力Ｐｅｇｒと、記憶部５４に格納されているＥＧＲ通路データ６２とに基づいて排気圧力Ｐｅｍを演算する。なお、この排気圧力Ｐｅｍは、高圧段ターボチャージャー１７Ｈに流入する排気ガスの圧力である。 Next, the calculation unit 53 calculates the exhaust pressure Pem based on the EGR pressure Pegr and the EGR passage data 62 stored in the storage unit 54. The exhaust pressure Pem is the pressure of the exhaust gas flowing into the high pressure turbocharger 17H.
そして、演算部５３は、質量流量Ｇｔｂを体積流量Ｑｔｂに変換する。この際に、演算部５３は、質量流量Ｇｔｂ、流入温度ＴｔｂＨ、及び、排気圧力Ｐｅｍを所定の演算式（Ｑｔｂ＝Ｇｔｂ×（ＴｔｂＨ＾１／２）／Ｐｅｍ）に適用することにより、質量流量Ｇｔｂを体積流量Ｑｔｂに変換する。 Then, the computing unit 53 converts the mass flow rate Gtb into a volume flow rate Qtb. At this time, the calculation unit 53 applies the mass flow rate Gtb, the inflow temperature TtbH, and the exhaust pressure Pem to a predetermined calculation formula (Qtb = Gtb × (TtbH ^ 1/2) / Pem). Gtb is converted into a volumetric flow rate Qtb.
［目標膨張比πｔｔａｒ］
演算部５３は、取得部５２にて取得された各種センサーの検出値などを用いて、下記３つのパラメーターを演算し、その演算結果を用いて、高圧段ターボチャージャー１７Ｈにおける目標膨張比πｔｔａｒを演算する。
・ＥＧＲよりも過給が優先される膨張比である第１膨張比πｔ１
・過給よりもＥＧＲが優先される膨張比である第２膨張比πｔ２
・切替係数α
[Target expansion ratio πttar]
The calculation unit 53 calculates the following three parameters using detection values of various sensors acquired by the acquisition unit 52, and calculates a target expansion ratio πttar in the high-pressure stage turbocharger 17H using the calculation result. To do.
A first expansion ratio πt1 that is an expansion ratio in which supercharging is prioritized over EGR
A second expansion ratio πt2 that is an expansion ratio in which EGR is prioritized over supercharging
・ Switching coefficient α
すなわち、演算部５３は、高圧段ターボチャージャー１７Ｈにおける膨張比である第１膨張比πｔ１と第２膨張比πｔ２とを演算する。この際に、演算部５３は、第１回転数ＮｔｂＨ、第２回転数ＮｔｂＬ、及び、記憶部５４に格納された過給用データ６３に基づいて第１膨張比πｔ１を演算する。また、演算部５３は、エンジン１０の回転速度ＮＥ、燃料噴射量Ｑｆ、及び、記憶部５４に格納された排気圧力用データ６４に基づいて第２膨張比πｔ２を演算する。また、演算部５３は、第２回転数ＮｔｂＬと、記憶部５４に格納された切替データ６５とに基づいて、高圧段ターボチャージャー１７Ｈにおける目標膨張比πｔｔａｒを演算するための切替係数αを演算する。そして、演算部５３は、切替係数α、第１膨張比πｔ１、及び、第２膨張比πｔ２を下記に示す式（２）に代入することによって目標膨張比πｔｔａｒを演算する。式（２）からも明らかなように、切替係数αは、目標膨張比πｔｔａｒを演算する際に、該目標膨張比πｔｔａｒに占める第１膨張比πｔ１の割合を示したものである。
πｔｔａｒ＝πｔ１×α＋πｔ２×（１−α） … （２）
That is, the calculation unit 53 calculates the first expansion ratio πt1 and the second expansion ratio πt2 that are expansion ratios in the high-pressure stage turbocharger 17H. At this time, the calculation unit 53 calculates the first expansion ratio πt1 based on the first rotation speed NtbH, the second rotation speed NtbL, and the supercharging data 63 stored in the storage unit 54. The computing unit 53 computes the second expansion ratio πt2 based on the rotational speed NE of the engine 10, the fuel injection amount Qf, and the exhaust pressure data 64 stored in the storage unit 54. The computing unit 53 computes a switching coefficient α for computing the target expansion ratio πttar in the high-pressure turbocharger 17H based on the second rotation speed NtbL and the switching data 65 stored in the storage unit 54. . Then, the calculation unit 53 calculates the target expansion ratio πttar by substituting the switching coefficient α, the first expansion ratio πt1 and the second expansion ratio πt2 into the following equation (2). As is clear from the equation (2), the switching coefficient α indicates the ratio of the first expansion ratio πt1 to the target expansion ratio πttar when calculating the target expansion ratio πttar.
πttar = πt1 × α + πt2 × (1-α) (2)
［目標ノズル開度ＶＴｔａｒ］
演算部５３は、可変ノズル２８の目標ノズル開度ＶＴｔａｒを演算し、可変ノズル２８のノズル開度ＶＴｖｎｔを目標ノズル開度ＶＴｔａｒに制御するための指示開度ＶＴｃｏｍを演算する。この際に、演算部５３は、体積流量Ｑｔｂ、目標膨張比πｔｔａｒ、及び、記憶部５４に格納された開度データ６６を用いて、可変ノズル２８の目標ノズル開度ＶＴｔａｒを演算する。
[Target nozzle opening VTtar]
The calculation unit 53 calculates the target nozzle opening VTtar of the variable nozzle 28 and calculates the instruction opening VTcom for controlling the nozzle opening VTvnt of the variable nozzle 28 to the target nozzle opening VTtar. At this time, the calculation unit 53 calculates the target nozzle opening VTtar of the variable nozzle 28 using the volume flow rate Qtb, the target expansion ratio πttar, and the opening degree data 66 stored in the storage unit 54.
そして、演算部５３は、可変ノズル開度センサー４１からのノズル開度ＶＴｖｎｔを用いて、可変ノズル２８の開度をノズル開度ＶＴｖｎｔから目標ノズル開度ＶＴｔａｒに変更するために必要な開度である指示開度ＶＴｃｏｍを演算する。演算部５３は、演算された指示開度ＶＴｃｏｍをノズル駆動部５５に出力する。 Then, the calculation unit 53 uses the nozzle opening VTvnt from the variable nozzle opening sensor 41 to set the opening of the variable nozzle 28 at an opening necessary for changing the opening of the variable nozzle 28 from the nozzle opening VTvnt to the target nozzle opening VTtar. A certain instruction opening VTcom is calculated. The calculating unit 53 outputs the calculated instruction opening VTcom to the nozzle driving unit 55.
ノズル駆動部５５は、演算部５３から入力された指示開度ＶＴｃｏｍ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。 The nozzle drive unit 55 generates a drive signal for changing the opening of the variable nozzle 28 by the indicated opening VTcom input from the calculation unit 53, and outputs the generated drive signal to the actuator 29.
［各種データ］
図４に示されるように、排気圧力Ｐｅｍの演算に用いられるＥＧＲ通路データ６２では、ＥＧＲ通路２５の入口からＥＧＲ圧力センサー３１までの間におけるＥＧＲガスの圧力損失値ΔＰｅｇｒが、ＥＧＲ量Ｇｅｇ毎に規定されている。演算部５３は、演算結果であるＥＧＲ量Ｇｅｇに応じた圧力損失値ΔＰｅｇｒをＥＧＲ通路データ６２から読み出して、その読み出した圧力損失値ΔＰｅｇｒをＥＧＲ圧力Ｐｅｇｒに加算することで排気圧力Ｐｅｍを演算する。
[Various data]
As shown in FIG. 4, in the EGR passage data 62 used for the calculation of the exhaust pressure Pem, the pressure loss value ΔPegr of the EGR gas between the inlet of the EGR passage 25 and the EGR pressure sensor 31 is calculated for each EGR amount Geg. It is prescribed. The calculation unit 53 reads the pressure loss value ΔPegr corresponding to the EGR amount Geg as the calculation result from the EGR passage data 62, and calculates the exhaust pressure Pem by adding the read pressure loss value ΔPegr to the EGR pressure Pegr. .
図５に示されるように、第１膨張比πｔ１の演算に用いられる過給用データ６３では、第１回転数ＮｔｂＨと第２回転数ＮｔｂＬとに応じて第１膨張比πｔ１が規定されている。第１膨張比πｔ１は、第１回転数ＮｔｂＨで作動する高圧段ターボチャージャー１７Ｈによる仕事ＷＨと、第２回転数ＮｔｂＬで作動する低圧段ターボチャージャー１７Ｌによる仕事ＷＬとの合計ＷＳが最大となる膨張比である。第１膨張比πｔ１は、「１」以上の値であって、後述するシミュレーションの結果に基づいて規定される。 As shown in FIG. 5, in the supercharging data 63 used for the calculation of the first expansion ratio πt1, the first expansion ratio πt1 is defined according to the first rotation speed NtbH and the second rotation speed NtbL. . The first expansion ratio πt1 is an expansion that maximizes the total WS of the work WH by the high-pressure stage turbocharger 17H operating at the first rotational speed NtbH and the work WL by the low-pressure stage turbocharger 17L operating at the second rotational speed NtbL. Is the ratio. The first expansion ratio πt1 is a value equal to or greater than “1”, and is defined based on a simulation result described later.
図６に示されるように、第２膨張比πｔ２の演算に用いられる排気圧力用データ６４には、エンジン１０の回転速度ＮＥと燃料噴射量Ｑｆとに応じて第２膨張比πｔ２が規定されている。第２膨張比πｔ２は、予め行ったシミュレーションに基づいて規定される。第２膨張比πｔ２は、回転速度ＮＥ及び燃料噴射量Ｑｆにあるエンジン１０において、基本開度に制御されたＥＧＲ弁２７を通じて、該回転速度ＮＥ及び燃料噴射量Ｑｆに適した量のＥＧＲガスが吸気通路１６に供給される目標排気圧力Ｐｅｍｔに排気圧力Ｐｅｍが制御される膨張比である。 As shown in FIG. 6, in the exhaust pressure data 64 used for calculating the second expansion ratio πt2, the second expansion ratio πt2 is defined according to the rotational speed NE of the engine 10 and the fuel injection amount Qf. Yes. The second expansion ratio πt2 is defined based on a simulation performed in advance. The second expansion ratio πt2 is determined so that the amount of EGR gas suitable for the rotational speed NE and the fuel injection amount Qf is obtained through the EGR valve 27 controlled to the basic opening degree in the engine 10 at the rotational speed NE and the fuel injection amount Qf. This is the expansion ratio at which the exhaust pressure Pem is controlled to the target exhaust pressure Pemt supplied to the intake passage 16.
図７に示されるように、切替係数αの演算に用いられる切替データ６５は、第２回転数ＮｔｂＬ毎に切替係数αが規定されたデータである。切替データ６５において、第２回転数ＮｔｂＬは、切替係数αの値に応じて３つの区間７１，７２，７３に区分けされる。 As shown in FIG. 7, the switching data 65 used for calculating the switching coefficient α is data in which the switching coefficient α is defined for each second rotation speed NtbL. In the switching data 65, the second rotation speed NtbL is divided into three sections 71, 72, 73 according to the value of the switching coefficient α.
区間７１は、他の区間７２，７３に比べて第２回転数ＮｔｂＬが低い区間であり、第２回転数ＮｔｂＬが第１設定値ＵＢ以下の区間である。区間７１は、例えば、エンジン１０の運転状態がアイドリング状態から移行したときの加速状態である。それゆえに、区間７１では、排気ガスの流量が少なく、且つ、十分な過給が必要とされ、ＥＧＲ弁２７が閉状態に制御される必要がある。すなわち、この区間７１は、ＥＧＲよりも過給が優先されるべき区間である。そこで、区間７１には、目標膨張比πｔｔａｒが第１膨張比πｔ１となるべく、切替係数αとして「１」が規定されている。 The section 71 is a section in which the second rotation speed NtbL is lower than the other sections 72 and 73, and the second rotation speed NtbL is a section that is equal to or less than the first set value UB. For example, the section 71 is an acceleration state when the operation state of the engine 10 shifts from the idling state. Therefore, in the section 71, the flow rate of the exhaust gas is small, sufficient supercharging is required, and the EGR valve 27 needs to be controlled to be closed. That is, this section 71 is a section in which supercharging should be given priority over EGR. Therefore, in the section 71, “1” is defined as the switching coefficient α so that the target expansion ratio πttar becomes the first expansion ratio πt1.
一方、区間７２は、他の区間７１，７３に比べて第２回転数ＮｔｂＬが高い区間であり、第２回転数ＮｔｂＬが第２設定値ＬＢよりも高い区間である。この第２設定値ＬＢは、エンジン１０が定常状態にあると判断される第２回転数ＮｔｂＬであって回転速度ＮＥと燃料噴射量Ｑｆとに応じた目標第２回転数Ｎｔよりも小さい値である。すなわち、第２回転数ＮｔｂＬが高い区間７２は、エンジン１０が定常状態あるいは定常状態に近い状態であるため、ＮＯｘの低減や燃費の向上を図るべく、過給よりもＥＧＲが優先される区間である。そこで、区間７２には、目標膨張比πｔｔａｒが第２膨張比πｔ２となるべく、切替係数αとして「０」が規定されている。 On the other hand, the section 72 is a section in which the second rotational speed NtbL is higher than the other sections 71 and 73, and the second rotational speed NtbL is higher than the second set value LB. The second set value LB is a second rotation speed NtbL at which the engine 10 is determined to be in a steady state, and is smaller than the target second rotation speed Nt according to the rotation speed NE and the fuel injection amount Qf. is there. That is, the section 72 where the second rotational speed NtbL is high is a section where EGR is prioritized over supercharging in order to reduce NOx and improve fuel consumption because the engine 10 is in a steady state or a state close to a steady state. is there. Therefore, in the section 72, “0” is defined as the switching coefficient α so that the target expansion ratio πttar becomes the second expansion ratio πt2.
他方、区間７３は、第２回転数ＮｔｂＬが第１設定値ＵＢよりも高く、且つ、第２設定値ＬＢ以下の区間であり、エンジン１０の運転状態が加速状態から定常状態へと移行する区間である。そして、この区間７３には、第２回転数ＮｔｂＬが高いほど目標膨張比πｔｔａｒに占める第１膨張比πｔ１の割合が低い形式で切替係数αが規定されている。 On the other hand, the section 73 is a section in which the second rotation speed NtbL is higher than the first set value UB and equal to or less than the second set value LB, and the section in which the operating state of the engine 10 shifts from the acceleration state to the steady state. It is. In this section 73, the switching coefficient α is defined in such a form that the ratio of the first expansion ratio πt1 to the target expansion ratio πttar is lower as the second rotational speed NtbL is higher.
すなわち、切替データ６５には、第２回転数ＮｔｂＬが高いほど、目標膨張比πｔｔａｒに占める第１膨張比πｔ１の割合が小さく、反対に、目標膨張比πｔｔａｒに占める第２膨張比πｔ２の割合が大きい形式で切替係数αが規定されている。 That is, in the switching data 65, the higher the second rotational speed NtbL, the smaller the ratio of the first expansion ratio πt1 to the target expansion ratio πttar, and conversely, the ratio of the second expansion ratio πt2 to the target expansion ratio πttar. The switching coefficient α is defined in a large format.
図８に示されるように、目標ノズル開度ＶＴｔａｒの演算に用いられる開度データ６６では、体積流量Ｑｔｂと目標膨張比πｔｔａｒとに応じたノズル開度ＶＴｖｎｔが、目標ノズル開度ＶＴｔａｒとして規定されている。目標ノズル開度ＶＴｔａｒは、上記式（１）に対して下記の値が適用されることによって、体積流量Ｑｔｂ及び目標膨張比πｔｔａｒを変数とする関数として表される。なお、開度データ６６は、該関数に対して予め行った実験結果を代入することにより誤差が補正されたデータである。
Ｇ ：質量流量Ｇｔｂ＝Ｑｔｂ×Ｐｅｍ／（ＴｔｂＨ＾１／２）
Ｐ１／Ｐ２：目標膨張比πｔｔａｒ
Ａ ：ノズル開度ＶＴｖｎｔに基づく可変ノズル２８の開口面積Ａｔｂ
κ ：排気ガスの比熱比
Ｒ ：気体定数
As shown in FIG. 8, in the opening degree data 66 used for calculating the target nozzle opening degree VTtar, the nozzle opening degree VTvnt corresponding to the volume flow rate Qtb and the target expansion ratio πttar is defined as the target nozzle opening degree VTtar. ing. The target nozzle opening VTtar is expressed as a function having the volume flow rate Qtb and the target expansion ratio πttar as variables by applying the following values to the above equation (1). The opening degree data 66 is data in which an error is corrected by substituting a result of an experiment performed in advance for the function.
G: Mass flow rate Gtb = Qtb × Pem / (TtbH ^ 1/2)
P1 / P2: target expansion ratio πttar
A: Opening area Atb of variable nozzle 28 based on nozzle opening VTvnt
κ: Specific heat ratio of exhaust gas R: Gas constant
［過給用データ６３］
図９〜図１１を参照して、第１膨張比πｔ１の演算に用いられる過給用データ６３に関し、それを作成するうえで行われるシミュレーションの例について説明する。このシミュレーションでは、下記（ａ）〜（ｃ）に示される条件の下で、各ターボチャージャー１７Ｈ，１７Ｌによる仕事ＷＨ，ＷＬの合計ＷＳが求められる。
[Supercharging data 63]
With reference to FIG. 9 to FIG. 11, an example of simulation performed to create the supercharging data 63 used for the calculation of the first expansion ratio πt1 will be described. In this simulation, the total WS of the work WH and WL by the turbochargers 17H and 17L is obtained under the conditions shown in the following (a) to (c).
（ａ）高圧段ターボチャージャー１７Ｈのタービン２２Ｈには、圧力３００ｋＰａ（ａｂｓ）及び温度９００Ｋである単位流量のガスが流入する。
（ｂ）低圧段ターボチャージャー１７Ｌのタービン２２Ｌから圧力１２０ｋＰａ（ａｂｓ）のガスが流出する。
（ｃ）ガスは、各ターボチャージャー１７Ｈ，１７Ｌにおいて断熱膨張する。
(A) A unit flow rate gas having a pressure of 300 kPa (abs) and a temperature of 900 K flows into the turbine 22H of the high-pressure stage turbocharger 17H.
(B) Gas having a pressure of 120 kPa (abs) flows out from the turbine 22L of the low-pressure stage turbocharger 17L.
(C) The gas adiabatically expands in each turbocharger 17H, 17L.
このシミュレーションでは、まず、高圧段ターボチャージャー１７Ｈに対して、第１回転数ＮｔｂＨ、ノズル開度ＶＴｖｎｔ、及び、膨張比πｔＨが設定され、高圧段ターボチャージャー１７Ｈの断熱効率ηｔＨが求められる。そして、該断熱効率ηｔＨでの高圧段ターボチャージャー１７Ｈの仕事ＷＨと、該仕事におけるガスの断熱膨張による高圧段ターボチャージャー１７Ｈの出口でのガスの温度Ｔ４が求められる。 In this simulation, first, the first rotational speed NtbH, the nozzle opening VTvnt, and the expansion ratio πtH are set for the high-pressure turbocharger 17H, and the heat insulation efficiency ηtH of the high-pressure turbocharger 17H is obtained. Then, the work WH of the high-pressure stage turbocharger 17H at the adiabatic efficiency ηtH and the gas temperature T4 at the outlet of the high-pressure stage turbocharger 17H due to the adiabatic expansion of the gas in the work are obtained.
次に、第１膨張比πｔ１の分だけ圧力の低下したガスが、温度Ｔ４にて低圧段ターボチャージャー１７Ｌに流入するものとして、第２回転数ＮｔｂＬが設定され、低圧段ターボチャージャー１７Ｌにおける断熱効率ηｔＬが求められる。そして、該断熱効率ηｔＬでの低圧段ターボチャージャー１７Ｌの仕事ＷＬが求められ、この仕事ＷＬと上記仕事ＷＨとが加算されることにより合計ＷＳが求められる。そして、合計ＷＳが最大となる膨張比πｔＨが第１膨張比πｔ１として規定される。 Next, the gas whose pressure has decreased by the amount corresponding to the first expansion ratio πt1 flows into the low-pressure stage turbocharger 17L at the temperature T4, the second rotational speed NtbL is set, and the adiabatic efficiency in the low-pressure stage turbocharger 17L. ηtL is obtained. Then, the work WL of the low-pressure stage turbocharger 17L at the heat insulation efficiency ηtL is obtained, and the work WS and the work WH are added to obtain the total WS. The expansion ratio πtH that maximizes the total WS is defined as the first expansion ratio πt1.
図９は、第１回転数ＮｔｂＨが１３５０００ｒｐｍであり、第２回転数ＮｔｂＬが４２０００ｒｐｍであるものとして設定されたケース１でのシミュレーションの結果を示すマップである。 FIG. 9 is a map showing a simulation result in case 1 where the first rotation speed NtbH is set to 135000 rpm and the second rotation speed NtbL is set to 42000 rpm.
図９に示されるように、ケース１では、膨張比πｔＨが２．４であるときに、各ターボチャージャー１７Ｈ，１７Ｌによる仕事ＷＨ，ＷＬの合計ＷＳが最大になる。そのため、第１回転数ＮｔｂＨが１３５０００ｒｐｍであり、第２回転数ＮｔｂＬが４２０００ｒｐｍである水準に応じた第１膨張比πｔ１として、膨張比πｔＨ＝２．４が規定される。 As shown in FIG. 9, in the case 1, when the expansion ratio πtH is 2.4, the total WS of the work WH and WL by the turbochargers 17H and 17L is maximized. Therefore, the expansion ratio πtH = 2.4 is defined as the first expansion ratio πt1 corresponding to the level at which the first rotation speed NtbH is 135000 rpm and the second rotation speed NtbL is 42000 rpm.
図１０は、第１回転数ＮｔｂＨが４５０００ｒｐｍであり、第２回転数ＮｔｂＬが４２０００ｒｐｍであるものとして設定されたケース２でのシミュレーションの結果である。
図１０に示されるように、ケース２では、第１膨張比πｔ１が２．３であるときに、各ターボチャージャー１７Ｈ，１７Ｌによる仕事ＷＨ，ＷＬの合計ＷＳが最大になる。そのため、第１回転数ＮｔｂＨが４５０００ｒｐｍであり、第２回転数ＮｔｂＬが４２０００ｒｐｍである水準に応じた第１膨張比πｔ１として、膨張比πｔＨ＝２．３が規定された。
FIG. 10 shows the result of simulation in Case 2 in which the first rotation speed NtbH is set to 45000 rpm and the second rotation speed NtbL is set to 42000 rpm.
As shown in FIG. 10, in the case 2, when the first expansion ratio πt1 is 2.3, the total WS of the work WH and WL by the turbochargers 17H and 17L is maximized. Therefore, the expansion ratio πtH = 2.3 is defined as the first expansion ratio πt1 corresponding to the level at which the first rotation speed NtbH is 45000 rpm and the second rotation speed NtbL is 42000 rpm.
図１１は、第１回転数ＮｔｂＨが９００００ｒｐｍであり、第２回転数ＮｔｂＬが１２６０００ｒｐｍであるものとして設定されたケース３でのシミュレーションの結果である。 FIG. 11 shows the result of simulation in Case 3 in which the first rotation speed NtbH is set to 90000 rpm and the second rotation speed NtbL is set to 126000 rpm.
図１１に示されるように、ケース３では、第１膨張比πｔ１が１．５であるときに、各ターボチャージャー１７Ｈ，１７Ｌによる仕事ＷＨ，ＷＬの合計ＷＳが最大になる。そのため、第１回転数ＮｔｂＨが９００００ｒｐｍであり、第２回転数ＮｔｂＬが１２６０００ｒｐｍである水準に応じた第１膨張比πｔ１として、膨張比πｔＨ＝１．５が規定される。 As shown in FIG. 11, in the case 3, when the first expansion ratio πt1 is 1.5, the total WS of the work WH and WL by the turbochargers 17H and 17L is maximized. Therefore, the expansion ratio πtH = 1.5 is defined as the first expansion ratio πt1 corresponding to the level at which the first rotation speed NtbH is 90000 rpm and the second rotation speed NtbL is 126000 rpm.
なお、このシミュレーションでは、上記（ａ）（ｂ）を条件とした。これは、こうした条件にすることにより、第２回転数ＮｔｂＬが第１設定値ＵＢ以下の範囲における仕事ＷＬ，ＷＳの合計ＷＳの傾向が把握可能なためである。 In this simulation, the above conditions (a) and (b) were used. This is because such a condition makes it possible to grasp the tendency of the total WS of the work WL and WS in the range where the second rotation speed NtbL is equal to or less than the first set value UB.
［可変ノズル２８の開度制御］
可変ノズル２８の開度が変更される手順について説明する。
制御部５１は、各種情報を取得する。すなわち、制御部５１は、ＥＧＲ圧力Ｐｅｇｒ、ブースト圧Ｐｂ、ＥＧＲ温度Ｔｅｇ、吸気温度Ｔｉｎを取得する。また、制御部５１は、吸入空気量Ｇａ、回転速度ＮＥ、第１回転数ＮｔｂＨ、第２回転数ＮｔｂＬ、燃料噴射量Ｑｆ、ＥＧＲ弁開度ＶＴｅｇｒ、ノズル開度ＶＴｖｎｔを取得する。
[Opening control of variable nozzle 28]
A procedure for changing the opening degree of the variable nozzle 28 will be described.
The control unit 51 acquires various information. That is, the control unit 51 acquires the EGR pressure Pegr, the boost pressure Pb, the EGR temperature Teg, and the intake air temperature Tin. In addition, the control unit 51 acquires the intake air amount Ga, the rotational speed NE, the first rotational speed NtbH, the second rotational speed NtbL, the fuel injection amount Qf, the EGR valve opening VTegr, and the nozzle opening VTvnt.
制御部５１は、取得された値を用いて、作動ガス量Ｇｗｇ、ＥＧＲ量Ｇｅｇ、及び、高圧段ターボチャージャー１７Ｈに流入する排気ガスの質量流量Ｇｔｂを演算する。次いで、制御部５１は、作動ガス量ＧｗｇとＥＧＲ量Ｇｅｇとを用いてＥＧＲ率ηを演算し、作動ガス量Ｇｗｇ、ＥＧＲ率η、及び、燃料噴射量Ｑｆに応じた温度を温度データ６１から読み出して、その読み出した温度を流入温度ＴｔｂＨとして演算する。制御部５１は、ＥＧＲ量Ｇｅｇに応じたＥＧＲガスの圧力損失値ΔＰｅｇｒをＥＧＲ通路データ６２から読み出し、読み出された圧力損失値ΔＰｅｇｒをＥＧＲ圧力Ｐｅｇｒに加算することによって排気圧力Ｐｅｍを演算する。そして、制御部５１は、質量流量Ｇｔｂ、流入温度ＴｔｂＨ、及び、排気圧力Ｐｅｍを用いて、質量流量Ｇｔｂを体積流量Ｑｔｂに変換する。 The control unit 51 calculates the working gas amount Gwg, the EGR amount Geg, and the mass flow rate Gtb of the exhaust gas flowing into the high pressure turbocharger 17H using the acquired values. Next, the control unit 51 calculates the EGR rate η using the working gas amount Gwg and the EGR amount Geg, and calculates the temperature corresponding to the working gas amount Gwg, the EGR rate η, and the fuel injection amount Qf from the temperature data 61. Reading is performed, and the read temperature is calculated as the inflow temperature TtbH. The controller 51 reads the pressure loss value ΔPegr of EGR gas corresponding to the EGR amount Geg from the EGR passage data 62, and calculates the exhaust pressure Pem by adding the read pressure loss value ΔPegr to the EGR pressure Pegr. Then, the control unit 51 converts the mass flow rate Gtb into the volume flow rate Qtb using the mass flow rate Gtb, the inflow temperature TtbH, and the exhaust pressure Pem.
制御部５１は、第２回転数ＮｔｂＬに応じた切替係数αを切替データ６５から読み出して、読み出された値を切替係数αとして設定する。また、制御部５１は、第１回転数ＮｔｂＨと第２回転数ＮｔｂＬとに応じた膨張比を過給用データ６３から読み出して、読み出された膨張比を第１膨張比πｔ１として設定する。また、制御部５１は、エンジン１０の回転速度ＮＥと燃料噴射量Ｑｆとに応じた膨張比を排気圧力用データ６４から読み出して、読み出された膨張比を第２膨張比πｔ２として設定する。そして、制御部５１は、第１膨張比πｔ１、第２膨張比πｔ２、及び、切替係数αを上記式（２）に代入することにより目標膨張比πｔｔａｒを演算する。 The control unit 51 reads the switching coefficient α corresponding to the second rotation speed NtbL from the switching data 65, and sets the read value as the switching coefficient α. Further, the control unit 51 reads the expansion ratio according to the first rotation speed NtbH and the second rotation speed NtbL from the supercharging data 63, and sets the read expansion ratio as the first expansion ratio πt1. Further, the control unit 51 reads the expansion ratio according to the rotational speed NE of the engine 10 and the fuel injection amount Qf from the exhaust pressure data 64, and sets the read expansion ratio as the second expansion ratio πt2. Then, the control unit 51 calculates the target expansion ratio πttar by substituting the first expansion ratio πt1, the second expansion ratio πt2, and the switching coefficient α into the above equation (2).
次いで、制御部５１は、体積流量Ｑｔｂと目標膨張比πｔｔａｒとに応じた開度を開度データ６６から読み出して、読み出された開度を可変ノズル２８の目標ノズル開度ＶＴｔａｒとして設定する。また、制御部５１は、可変ノズル開度センサー４１の検出値であるノズル開度ＶＴｖｎｔから目標ノズル開度ＶＴｔａｒへ可変ノズル２８の開度を変更するために必要な開度である指示開度ＶＴｃｏｍを演算する。そして、制御部５１は、可変ノズル２８の開度を指示開度ＶＴｃｏｍの分だけ変更するための駆動信号を生成し、生成された駆動信号をアクチュエーター２９に出力する。これにより、アクチュエーター２９が駆動されて、可変ノズル２８が目標ノズル開度ＶＴｔａｒに制御される。 Next, the control unit 51 reads the opening degree corresponding to the volume flow rate Qtb and the target expansion ratio πttar from the opening degree data 66 and sets the read opening degree as the target nozzle opening degree VTtar of the variable nozzle 28. Further, the control unit 51 indicates an instruction opening VTcom that is an opening required to change the opening of the variable nozzle 28 from the nozzle opening VTvnt that is a detection value of the variable nozzle opening sensor 41 to the target nozzle opening VTtar. Is calculated. Then, the control unit 51 generates a drive signal for changing the opening of the variable nozzle 28 by the indicated opening VTcom, and outputs the generated drive signal to the actuator 29. As a result, the actuator 29 is driven, and the variable nozzle 28 is controlled to the target nozzle opening VTtar.
［ＶＮＴ制御装置５０の作用］
上述したように、ＶＮＴ制御装置５０は、高圧段ターボチャージャー１７Ｈに流入する排気ガスの体積流量Ｑｔｂと高圧段ターボチャージャー１７Ｈにおける目標膨張比πｔｔａｒとに応じて、可変ノズル２８のノズル開度ＶＴｖｎｔを制御する。そして、ＶＮＴ制御装置５０は、各ターボチャージャー１７Ｈ，１７Ｌによる仕事ＷＨ，ＷＬの合計ＷＳが最大となる第１膨張比πｔ１を目標膨張比πｔｔａｒとして演算する。
[Operation of VNT control device 50]
As described above, the VNT control device 50 sets the nozzle opening VTvnt of the variable nozzle 28 according to the volume flow rate Qtb of the exhaust gas flowing into the high-pressure stage turbocharger 17H and the target expansion ratio πttar in the high-pressure stage turbocharger 17H. Control. The VNT controller 50 calculates the first expansion ratio πt1 at which the total WS of the work WH and WL by the turbochargers 17H and 17L is maximized as the target expansion ratio πttar.
そのため、例えば、エンジン１０の回転速度ＮＥと燃料噴射量Ｑｆとに基づいて可変ノズル２８のノズル開度ＶＴｖｎｔが設定される場合に比べて、各ターボチャージャー１７Ｈ，１７Ｌによる仕事ＷＨ，ＷＬの合計ＷＳが最大となる頻度が高められる。言い換えれば、各ターボチャージャー１７Ｈ，１７Ｌの過給によって得られる過給圧が精度よく制御される。その結果、２段過給式ターボチャージャーによる過給が効率的に行われる。 Therefore, for example, compared with the case where the nozzle opening VTvnt of the variable nozzle 28 is set based on the rotational speed NE of the engine 10 and the fuel injection amount Qf, the total WS of the work WH and WL by the turbochargers 17H and 17L. The frequency at which is maximized is increased. In other words, the supercharging pressure obtained by supercharging each turbocharger 17H, 17L is accurately controlled. As a result, supercharging by the two-stage supercharging turbocharger is efficiently performed.
また、ＶＮＴ制御装置５０は、第２回転数ＮｔｂＬが第１設定値ＵＢ以下のとき、高圧段ターボチャージャー１７Ｈの目標膨張比πｔｔａｒを第１膨張比πｔ１に設定する。このとき、例えば、エンジン１０の運転状態がアイドリング状態から移行した加速状態にあるため、十分な過給が必要とされる。また、第２回転数ＮｔｂＬが第１設定値ＵＢよりも大きい場合に比べて排気ガスの流量が少ないため、仕事ＷＨ，ＷＬの合計ＷＳも小さくなりやすい。この点、ＶＮＴ制御装置５０では、排気ガスの流量が少なく、且つ、十分な過給が必要とされるときに目標膨張比πｔｔａｒが第１膨張比πｔ１に設定される。その結果、排気ガスの流量が少ないときの過給が効率的に行われる。すなわち、排気ガスの流量が少なく且つ過給が必要とされる状態において過給圧の制御が精度よく行われる。その結果、２段過給式ターボチャージャーによる過給が効率的に行われる。 Further, the VNT control device 50 sets the target expansion ratio πttar of the high-pressure stage turbocharger 17H to the first expansion ratio πt1 when the second rotation speed NtbL is equal to or less than the first set value UB. At this time, for example, since the operating state of the engine 10 is in an acceleration state shifted from the idling state, sufficient supercharging is required. Further, since the flow rate of the exhaust gas is smaller than when the second rotation speed NtbL is larger than the first set value UB, the total WS of the work WH and WL is likely to be small. In this regard, in the VNT control device 50, the target expansion ratio πttar is set to the first expansion ratio πt1 when the flow rate of the exhaust gas is small and sufficient supercharging is required. As a result, supercharging when the flow rate of the exhaust gas is small is performed efficiently. That is, the supercharging pressure is accurately controlled in a state where the exhaust gas flow rate is small and supercharging is required. As a result, supercharging by the two-stage supercharging turbocharger is efficiently performed.
また、ＶＮＴ制御装置５０は、第２回転数ＮｔｂＬが第２設定値ＬＢよりも大きいとき、高圧段ターボチャージャー１７Ｈの目標膨張比πｔｔａｒを第２膨張比πｔ２に設定する。このとき、エンジン１０の運転状態が定常状態あるいは定常状態に近い状態にあるため、ＮＯｘの低減や燃費の向上を図るべく過給よりもＥＧＲが優先されることが望ましい。この点、ＶＮＴ制御装置５０は、上述したように、第２回転数ＮｔｂＬが第２設定値ＬＢよりも大きいときに目標膨張比πｔｔａｒを第２膨張比πｔ２に設定する。すなわち、排気圧力ＰｅｍがＥＧＲに適した圧力に制御される。その結果、第２回転数ＮｔｂＬが第２設定値ＬＢよりも大きいときにも目標膨張比πｔｔａｒが第１膨張比πｔ１に設定される状態がある場合に比べて、ＮＯｘの低減や燃費の向上が図られる。 Further, when the second rotational speed NtbL is larger than the second set value LB, the VNT control device 50 sets the target expansion ratio πttar of the high-pressure turbocharger 17H to the second expansion ratio πt2. At this time, since the operating state of the engine 10 is in a steady state or a state close to a steady state, it is desirable that EGR be given priority over supercharging in order to reduce NOx and improve fuel consumption. In this regard, as described above, the VNT control device 50 sets the target expansion ratio πttar to the second expansion ratio πt2 when the second rotational speed NtbL is larger than the second set value LB. That is, the exhaust pressure Pem is controlled to a pressure suitable for EGR. As a result, when the second rotational speed NtbL is larger than the second set value LB, NOx is reduced and fuel consumption is improved as compared with the case where the target expansion ratio πttar is set to the first expansion ratio πt1. Figured.
また、ＶＮＴ制御装置５０では、第２回転数ＮｔｂＬが第１設定値ＵＢよりも大きく、且つ、第２設定値ＬＢ以下であるときには、第２回転数ＮｔｂＬが大きいほど切替係数αが小さい。すなわち、第２回転数ＮｔｂＬが大きいほど、目標膨張比πｔｔａｒに占める第１膨張比πｔ１の割合が小さく、且つ、目標膨張比πｔｔａｒに占める第２膨張比πｔ２の割合が大きい。そのため、第２回転数ＮｔｂＬが高くなるにつれて、排気圧力Ｐｅｍが、過給を優先させる圧力からＥＧＲに適した圧力へと徐々に切り替えられる。その結果、目標膨張比πｔｔａｒの切り替えが特定の１つの第２回転速度を境界にして行われる場合に比べて、切り替えにともなう排気圧力Ｐｅｍの急激な変化が抑えられる。また、排気圧力Ｐｅｍの変化に起因する各ターボチャージャー１７Ｈ，１７Ｌやエンジン１０に対する機械的な負荷が高い確率の下で軽減される。 In the VNT control device 50, when the second rotational speed NtbL is larger than the first set value UB and equal to or smaller than the second set value LB, the switching coefficient α is smaller as the second rotational speed NtbL is larger. That is, as the second rotational speed NtbL is larger, the ratio of the first expansion ratio πt1 to the target expansion ratio πttar is smaller, and the ratio of the second expansion ratio πt2 to the target expansion ratio πttar is larger. Therefore, as the second rotational speed NtbL increases, the exhaust pressure Pem is gradually switched from a pressure that gives priority to supercharging to a pressure that is suitable for EGR. As a result, compared with the case where the target expansion ratio πttar is switched with a specific second rotation speed as a boundary, a rapid change in the exhaust pressure Pem accompanying the switching is suppressed. Further, the mechanical load on the turbochargers 17H and 17L and the engine 10 due to the change in the exhaust pressure Pem is reduced with a high probability.
以上説明したように、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を得ることができる。
（１）各ターボチャージャー１７Ｈ，１７Ｌによる仕事ＷＨ，ＷＬの合計ＷＳが最大となるノズル開度ＶＴｖｎｔに可変ノズル２８が制御される。それゆえに、各ターボチャージャー１７Ｈ，１７Ｌの現在の作動状態から得られる最大の過給圧に対し、各ターボチャージャー１７Ｈ，１７Ｌの過給によって得られる過給圧の精度が高められる。
As described above, according to the VNT control device 50 of the above embodiment, the effects listed below can be obtained.
(1) The variable nozzle 28 is controlled to the nozzle opening VTvnt that maximizes the total WS of the work WH and WL by the turbochargers 17H and 17L. Therefore, the accuracy of the supercharging pressure obtained by the supercharging of each turbocharger 17H, 17L is increased with respect to the maximum supercharging pressure obtained from the current operating state of each turbocharger 17H, 17L.
（２）第２回転数ＮｔｂＬが第１設定値ＵＢ以下のときに、目標膨張比πｔｔａｒが第１膨張比πｔ１に設定される。その結果、排気ガスの流量が少なく且つ過給が必要とされるときの過給が効率的に行われる。 (2) When the second rotation speed NtbL is equal to or less than the first set value UB, the target expansion ratio πttar is set to the first expansion ratio πt1. As a result, the supercharging when the flow rate of the exhaust gas is small and the supercharging is required is efficiently performed.
（３）第２回転数ＮｔｂＬが第２設定値ＬＢよりも高いとき、目標膨張比πｔｔａｒが第２膨張比πｔ２に設定される。その結果、ＮＯｘの低減や燃費の向上が図られる。
（４）第２設定値ＬＢが第１設定値ＵＢよりも高いことから、第２設定値ＬＢと第１設定値ＵＢとが等しい場合に比べて、過給用データ６３を用いる開度の制御と、排気圧力用データ６４を用いる開度の制御とが不要に切り替わることが抑えられる。
(3) When the second rotation speed NtbL is higher than the second set value LB, the target expansion ratio πttar is set to the second expansion ratio πt2. As a result, NOx can be reduced and fuel consumption can be improved.
(4) Since the second set value LB is higher than the first set value UB, the control of the opening degree using the supercharging data 63 compared to the case where the second set value LB and the first set value UB are equal. And the opening degree control using the exhaust pressure data 64 can be prevented from being switched unnecessarily.
（５）第２回転数ＮｔｂＬが、第１設定値ＵＢよりも高く、且つ、第２設定値ＬＢ以下のとき、第２回転数ＮｔｂＬが高くなるほど切替係数αが小さくなる。その結果、排気圧力Ｐｅｍの急激な変化に起因する各ターボチャージャー１７Ｈ，１７Ｌやエンジン１０に対する機械的な負荷が高い確率の下で軽減される。 (5) When the second rotational speed NtbL is higher than the first set value UB and less than or equal to the second set value LB, the switching coefficient α decreases as the second rotational speed NtbL increases. As a result, the mechanical load on the turbochargers 17H and 17L and the engine 10 caused by the rapid change in the exhaust pressure Pem is reduced with a high probability.
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。
・過給用データ６３に規定される第１膨張比は、各ターボチャージャー１７Ｈ，１７Ｌによる仕事ＷＨ，ＷＬの合計ＷＳが最大となる値に限られない。例えば、合計ＷＳが最大となる膨張比よりも若干低く、且つ、回転数に対する合計ＷＳの変動が所定の範囲で抑えられている膨張比が、第１膨張比として規定されてもよい。こうした構成であれば、回転数の検出誤差に伴う過給圧の変動が抑えられる。また、例えば、各回転数において合計ＷＳが所定の値になるときの膨張比が第１膨張比として規定されてもよい。こうした構成であっても、回転数の検出誤差に伴う過給圧の変動は抑えられる。
In addition, the said embodiment can also be suitably changed and implemented as follows.
The first expansion ratio defined in the supercharging data 63 is not limited to a value that maximizes the total WS of the work WH and WL by the turbochargers 17H and 17L. For example, an expansion ratio in which the total WS is slightly lower than the maximum expansion ratio and the variation of the total WS with respect to the rotational speed is suppressed within a predetermined range may be defined as the first expansion ratio. With such a configuration, fluctuations in supercharging pressure associated with rotation speed detection errors can be suppressed. Further, for example, the expansion ratio when the total WS becomes a predetermined value at each rotation speed may be defined as the first expansion ratio. Even with such a configuration, fluctuations in supercharging pressure due to rotation speed detection errors can be suppressed.
・切替データ６５における区間７３には、第２回転数ＮｔｂＬが高くいほど小さい切替係数に限らず、第１設定値ＵＢにて切替係数α＝１、且つ、第２設定値ＬＢにて切替係数α＝０であればよく、切替係数αが一定となっている区間が設けられていてもよい。また、区間７３には、第２回転数ＮｔｂＬに対する切替係数αの減少幅が互いに異なる区間が複数設けられていてもよいし、切替係数αが増加する区間が設けられていてもよい。 The section 73 in the switching data 65 is not limited to a switching coefficient that is smaller as the second rotational speed NtbL is higher, but a switching coefficient α = 1 at the first set value UB and a switching coefficient at the second set value LB. It suffices if α = 0, and a section in which the switching coefficient α is constant may be provided. In addition, the section 73 may be provided with a plurality of sections in which the decrease amount of the switching coefficient α with respect to the second rotation speed NtbL is different, or may be provided with a section in which the switching coefficient α increases.
・ＶＮＴ制御装置５０は、第２回転数ＮｔｂＬが所定の閾値以下のときに目標膨張比πｔｔａｒを第１膨張比πｔ１に設定し、且つ、当該所定の閾値よりも大きいときに目標膨張比πｔｔａｒを第２膨張比πｔ２に設定してもよい。 The VNT control device 50 sets the target expansion ratio πttar to the first expansion ratio πt1 when the second rotation speed NtbL is equal to or less than a predetermined threshold, and sets the target expansion ratio πttar when the second rotation speed NtbL is larger than the predetermined threshold. The second expansion ratio πt2 may be set.
・ＶＮＴ制御装置５０は、例えば、定常状態にあるエンジン１０が加速状態に移行したときに、目標膨張比πｔｔａｒを第１膨張比πｔ１に設定してもよい。すなわち、第２回転数ＮｔｂＬが第１設定値ＵＢを超えているときであっても、エンジン１０の運転状態に応じて目標膨張比πｔｔａｒを第１膨張比πｔ１に設定してもよい。 The VNT control device 50 may set the target expansion ratio πttar to the first expansion ratio πt1 when, for example, the engine 10 in the steady state shifts to the acceleration state. That is, even when the second rotation speed NtbL exceeds the first set value UB, the target expansion ratio πttar may be set to the first expansion ratio πt1 according to the operating state of the engine 10.
・取得部５２による第１回転数ＮｔｂＨの取得は、第１回転数センサー３８Ｈによる第１回転数ＮｔｂＨの検出に限られない。例えば、ＶＮＴ制御装置に入力される回転数以外の各種情報に基づいて第１回転数ＮｔｂＨを推定する推定部をＶＮＴ制御装置５０が備え、演算部５３が取得部の機能を兼ね、推定部の推定結果を演算部５３が取得する構成であってもよい。なお、制御部５１による第２回転数ＮｔｂＬの取得も同様である。 The acquisition of the first rotation speed NtbH by the acquisition unit 52 is not limited to the detection of the first rotation speed NtbH by the first rotation speed sensor 38H. For example, the VNT control device 50 includes an estimation unit that estimates the first rotation speed NtbH based on various information other than the rotation speed input to the VNT control device, and the calculation unit 53 also functions as an acquisition unit. The configuration in which the calculation unit 53 acquires the estimation result may be used. The acquisition of the second rotation speed NtbL by the control unit 51 is the same.
・記憶部５４には、エンジン１０の運転状態ごとに複数の排気圧力用データ６４が記憶されていてもよい。
・また、排気圧力用データ６４に規定される第２膨張比πｔ２は、エンジン１０の回転速度ＮＥと燃料噴射量Ｑｆとに応じて選択される膨張比に限らず、例えば、取得部５２の取得する情報に基づいて選択される膨張比が規定されていればよい。
The storage unit 54 may store a plurality of exhaust pressure data 64 for each operating state of the engine 10.
The second expansion ratio πt2 defined in the exhaust pressure data 64 is not limited to the expansion ratio selected according to the rotational speed NE of the engine 10 and the fuel injection amount Qf. It is only necessary that the expansion ratio selected based on the information to be specified is specified.
・記憶部５４には、複数の過給用データ６３が記憶されていてもよい。例えば、記憶部５４には、排気圧力Ｐｅｍと低圧段ターボチャージャー１７Ｌの出口における排気圧力Ｐｅｐごとに一義的に選択される相互に異なる複数の過給用データ６３が記憶されていてもよい。この際、制御部５１は、排気圧力Ｐｅｍ，Ｐｅｐを取得し、その取得した排気圧力Ｐｅｍ，Ｐｅｐに応じて選択される過給用データ６３を用いて目標膨張比πｔｔａｒを演算する。こうした構成によれば、その時々の排気ガスの圧力に応じた過給用データ６３が選択されるため、過給圧の制御がさらに高い精度の下で行われる。なお、排気圧力Ｐｅｐは、センサーを用いて取得してもよいし、低圧段ターボチャージャー１７Ｌから流出した排気ガスが大気開放されるまでの圧力損失値を質量流量Ｇｔｂ毎に規定したデータを用い、大気圧に対して該データにより得られる圧力損失値を加算することにより取得してもよい。 The storage unit 54 may store a plurality of supercharging data 63. For example, the storage unit 54 may store a plurality of different supercharging data 63 that are uniquely selected for each exhaust pressure Pem and each exhaust pressure Pep at the outlet of the low-pressure turbocharger 17L. At this time, the control unit 51 acquires the exhaust pressures Pem and Pep, and calculates the target expansion ratio πttar using the supercharging data 63 selected according to the acquired exhaust pressures Pem and Pep. According to such a configuration, the supercharging data 63 corresponding to the exhaust gas pressure at that time is selected, so that the supercharging pressure is controlled with higher accuracy. The exhaust pressure Pep may be acquired using a sensor, or data defining the pressure loss value for each mass flow rate Gtb until the exhaust gas flowing out from the low-pressure stage turbocharger 17L is released to the atmosphere. You may acquire by adding the pressure loss value obtained by this data with respect to atmospheric pressure.
・ＶＮＴ制御装置５０は、区間７２において、例えば目標となる排気圧力と排気圧力演算部６０の演算結果との偏差に応じて目標ノズル開度ＶＴｔａｒを補正してもよい。
・ＶＮＴ制御装置５０は、１つの電子制御ユニットであってもよいし、複数の電子制御ユニットで構成されていてもよい。
The VNT control device 50 may correct the target nozzle opening VTtar in the section 72 according to, for example, the deviation between the target exhaust pressure and the calculation result of the exhaust pressure calculation unit 60.
The VNT control device 50 may be a single electronic control unit or may be composed of a plurality of electronic control units.
・ＶＮＴ制御装置５０が適用されるエンジンは、ガソリンエンジンであってもよい。 The engine to which the VNT control device 50 is applied may be a gasoline engine.
１０…ディーゼルエンジン、１１…シリンダーブロック、１２…シリンダー、１３…インジェクタ、１４…インテークマニホールド、１５…エキゾーストマニホールド、１６…吸気通路、１７Ｈ…高圧段ターボチャージャー、１７Ｌ…低圧段ターボチャージャー、１８Ｈ，１８Ｌ…コンプレッサー、１９…インタークーラー、２０…排気通路、２１Ｈ…連結軸、２１Ｌ…連結軸、２２Ｈ，２２Ｌ…タービン、２４…クランクシャフト、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…ＥＧＲ圧力センサー、３２…ブースト圧センサー、３４…ＥＧＲ温度センサー、３５…吸気温度センサー、３６…吸入空気量センサー、３７…回転速度センサー、３８Ｈ…第１回転数センサー、３８Ｌ…第２回転数センサー、３９…燃料噴射制御部、４０…ＥＧＲ弁開度センサー、４１…可変ノズル開度センサー、５０…ＶＮＴ制御装置、５１…制御部、５２…取得部、５３…演算部、５４…記憶部、５５…ノズル駆動部、６０…排気圧力演算部、６１…温度データ、６２…ＥＧＲ通路データ、６３…過給用データ、６４…排気圧力用データ、６５…切替データ、６６…開度データ、７１，７２，７３…区間。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Diesel engine, 11 ... Cylinder block, 12 ... Cylinder, 13 ... Injector, 14 ... Intake manifold, 16 ... Exhaust manifold, 16 ... Intake passage, 17H ... High pressure stage turbocharger, 17L ... Low pressure stage turbocharger, 18H, 18L Compressor, 19 Intercooler, 20 Exhaust passage, 21H Connection shaft, 21L Connection shaft, 22H, 22L Turbine, 24 Crankshaft, 25 EGR passage, 26 EGR cooler, 27 EGR valve, 28 Variable nozzle, 29 ... actuator, 31 ... EGR pressure sensor, 32 ... boost pressure sensor, 34 ... EGR temperature sensor, 35 ... intake temperature sensor, 36 ... intake air amount sensor, 37 ... rotation speed sensor, 38H ... first rotation speed sensor 38L ... second rotational speed sensor, 39 ... fuel injection control unit, 40 ... EGR valve opening sensor, 41 ... variable nozzle opening sensor, 50 ... VNT control device, 51 ... control unit, 52 ... acquisition unit, 53 ... calculation , 54 ... storage section, 55 ... nozzle drive section, 60 ... exhaust pressure calculation section, 61 ... temperature data, 62 ... EGR passage data, 63 ... supercharging data, 64 ... exhaust pressure data, 65 ... switching data, 66... Opening degree data, 71, 72, 73.
Claims (4)
前記高圧段ターボチャージャーにおける可変ノズルの開度を前記高圧段ターボチャージャーにおける排気ガスの流入量と目標膨張比とに対応する開度に制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記第１回転数と前記第２回転数とに膨張比が対応づけられた過給用データと、前記高圧段ターボチャージャーの膨張比がエンジンの運転状態に対応づけられた排気圧力用データと、前記第２回転数の第１設定値と、前記第１設定値よりも高い第２設定値とを記憶する記憶部と、
前記取得部が取得した情報と前記記憶部に記憶した情報とに基づいて前記目標膨張比を演算する演算部と、
を備え、
前記演算部は、
前記取得された前記第２回転数が前記第１設定値以下であるとき、前記取得された前記第１回転数と前記第２回転数とを前記過給用データに適用して得られる前記膨張比を前記目標膨張比として演算し、
前記取得された前記第２回転数が前記第２設定値よりも高いとき、前記取得された前記運転状態を前記排気圧力用データに適用して得られる前記膨張比を前記目標膨張比として演算する
ターボチャージャーの制御装置。 An acquisition unit for acquiring a first rotational speed that is a rotational speed of the variable-capacity high-pressure turbocharger, a second rotational speed that is a rotational speed of the fixed-capacity low-pressure turbocharger, and an operating state of the engine ;
A control unit that controls the opening degree of the variable nozzle in the high-pressure stage turbocharger to an opening degree corresponding to an inflow amount of exhaust gas and a target expansion ratio in the high-pressure stage turbocharger;
With
The controller is
Supercharging data in which an expansion ratio is associated with the first rotational speed and the second rotational speed, and exhaust pressure data in which an expansion ratio of the high-pressure turbocharger is associated with an operating state of the engine; A storage unit for storing a first set value of the second rotational speed and a second set value higher than the first set value ;
A calculation unit that calculates the target expansion ratio based on the information acquired by the acquisition unit and the information stored in the storage unit ;
Equipped with a,
The computing unit is
The expansion obtained by applying the acquired first rotation speed and the second rotation speed to the supercharging data when the acquired second rotation speed is equal to or less than the first set value. Calculating the ratio as the target expansion ratio,
When the acquired second rotational speed is higher than the second set value, the expansion ratio obtained by applying the acquired operation state to the exhaust pressure data is calculated as the target expansion ratio. Turbocharger control device.
前記取得された前記第１回転数と前記第２回転数とを前記過給用データに適用して得られる前記膨張比を第１膨張比とし、
前記取得された前記運転状態を前記排気圧力用データに適用して得られる前記膨張比を第２膨張比とし、
前記記憶部は、前記係数αが前記第２回転数毎に規定された切替データを記憶し、
前記演算部は、第１膨張比×α＋第２膨張比×（１−α）を前記目標膨張比として演算し、
前記切替データには、前記第２回転数が前記第１設定値よりも高く、且つ、前記第２設定値以下の区間に、前記第２回転数が高いほど減少する前記係数αが規定されている
請求項１に記載のターボチャージャーの制御装置。 The ratio of the expansion ratio specified in the supercharging data to the target expansion ratio is a coefficient α,
The expansion ratio obtained by applying the acquired first rotation speed and the second rotation speed to the supercharging data is defined as a first expansion ratio,
The expansion ratio obtained by applying the acquired operating state to the exhaust pressure data is a second expansion ratio,
The storage unit stores switching data in which the coefficient α is defined for each second rotational speed,
The calculation unit calculates a first expansion ratio × α + second expansion ratio × (1−α) as the target expansion ratio,
The switching data defines the coefficient α that decreases as the second rotation speed increases in a section where the second rotation speed is higher than the first setting value and equal to or less than the second setting value. The turbocharger control device according to claim 1 .
請求項１または２に記載のターボチャージャーの制御装置。 The turbocharger control device according to claim 1 or 2 , wherein the supercharging data defines an expansion ratio that maximizes a sum of work by the high-pressure stage turbocharger and work by the low-pressure stage turbocharger. .
前記高圧段ターボチャージャーに対する排気ガスの流入量を取得すること、
前記高圧段ターボチャージャーにおける目標膨張比を演算すること、
前記流入量と前記目標膨張比とに対応する開度に可変ノズルの開度を制御すること、
を含み、
前記目標膨張比の演算では、
前記第１回転数と前記第２回転数とに膨張比が対応づけられた過給用データと、前記高圧段ターボチャージャーの膨張比がエンジンの運転状態に対応づけられた排気圧力用データと、前記第２回転数の第１設定値と、前記第１設定値よりも高い第２設定値とを用い、
前記取得された前記第２回転数が前記第１設定値以下であるとき、前記取得された前記第１回転数と前記第２回転数とを前記過給用データに適用して得られる前記膨張比を前記目標膨張比として演算し、
前記取得された前記第２回転数が前記第２設定値よりも高いとき、前記取得された前記運転状態を前記排気圧力用データに適用して得られる前記膨張比を前記目標膨張比として演算する
ターボチャージャーの制御方法。 Obtaining a first rotational speed that is a rotational speed of a variable capacity high pressure stage turbocharger, a second rotational speed that is a rotational speed of a fixed capacity type low pressure stage turbocharger, and an operating state of the engine ;
Obtaining an inflow amount of exhaust gas to the high-pressure stage turbocharger;
Calculating a target expansion ratio in the high pressure turbocharger;
Controlling the opening of the variable nozzle to an opening corresponding to the inflow amount and the target expansion ratio;
Including
In the calculation of the target expansion ratio,
Supercharging data in which an expansion ratio is associated with the first rotational speed and the second rotational speed, and exhaust pressure data in which an expansion ratio of the high-pressure turbocharger is associated with an operating state of the engine; Using a first set value of the second rotational speed and a second set value higher than the first set value ;
The expansion obtained by applying the acquired first rotation speed and the second rotation speed to the supercharging data when the acquired second rotation speed is equal to or less than the first set value. Calculating the ratio as the target expansion ratio,
When the acquired second rotational speed is higher than the second set value, the expansion ratio obtained by applying the acquired operation state to the exhaust pressure data is calculated as the target expansion ratio. Turbocharger control method.
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