以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
図1は、一実施形態の内燃機関の制御装置を含むエンジンシステムを示す概略構成図である。エンジン(内燃機関)1は、一例としてコモンレール式の4気筒直列ディーゼルエンジンである。
エンジン1は、エンジン本体2を備えている。エンジン本体2には、4つのシリンダ3が設けられている。各シリンダ3には、燃焼室4内に燃料を噴射するインジェクタ5が配設されている。各インジェクタ5は、コモンレール6に接続されている。インジェクタ5には、コモンレール6に貯留された高圧燃料が供給される。エンジン1は、吸気通路7にターボチャージャ21を備えている。ターボチャージャ21は、排気通路12側に配設されたタービン22と、吸気通路7側に配設されたコンプレッサ23とを有している。エンジン1は、例えば車両等に搭載されている。
エンジン本体2には、燃焼室4内に空気を吸入するための吸気通路7がインテークマニホールド8を介して接続されている。吸気通路7には、吸入空気の流れ方向上流側から順にエアクリーナ9、ターボチャージャ21のコンプレッサ23、インタークーラ10、及びスロットルバルブ11が設けられている。エンジン本体2には、燃焼後の排気ガスを排出するための排気通路12がエキゾーストマニホールド13を介して接続されている。排気通路12には、例えば、DOC[Diesel Oxidation Catalyst]及びDPF[Diesel Particulate Filter]を含む触媒14が設けられている。
エンジン1は、燃焼後の排気ガスの一部を排気再循環(EGR)ガスとして燃焼室4内に還流するEGRユニット15を備えている。EGRユニット15は、吸気通路7とエキゾーストマニホールド13とを繋ぐように設けられている。EGRユニット15は、EGRガスを流通させるEGR通路16と、EGRガスの還流量を調整するEGRバルブ17と、EGRガスを冷却するEGRクーラ18と、EGRクーラ18をバイパスするバイパス通路19と、EGRガスの流路をEGRクーラ18側またはバイパス通路19側に切り替える切替弁20とを有している。
図2に示されるように、タービン22は、タービンホイール24と、タービンホイール24を収容するタービンハウジング25とを有している。タービンハウジング25には、スクロール通路25a及び排出通路25bが形成されている。スクロール通路25a及び排出通路25bは、排気通路12と連通されている。スクロール通路25aは、エキゾーストマニホールド13からの排気ガスを旋回させるための通路である。排出通路25bは、スクロール通路25aの下流側に位置し、スクロール通路25a内の排気ガスをタービンホイール24を介して排出するための通路である。
コンプレッサ23は、コンプレッサインペラ26と、コンプレッサインペラ26を収容するコンプレッサハウジング27とを有している。コンプレッサハウジング27には、導入通路27a及び送出通路27bが形成されている。導入通路27a及び送出通路27bは、吸気通路7と連通されている。導入通路27aは、エアクリーナ9からの吸入空気を導入するための通路である。送出通路27bは、導入通路27aの下流側に位置し、コンプレッサインペラ26により圧縮された吸入空気を送出するための通路である。
タービンホイール24とコンプレッサインペラ26とは、タービンシャフト28により連結されている。タービンシャフト28は、中間ハウジング29にベアリング(図示省略)を介して回転可能に支持されている。
ターボチャージャ21は、コンプレッサ23側に設けられた可変ディフューザベーン21aと、タービン22側に設けられた可変ノズル21bと、を含んでいる。つまり、エンジン1は、可変容量式ターボチャージャとして構成されたターボチャージャ21を具備している。
図3(a)は、ディフューザベーンの開状態を例示する図である。図3(b)は、ディフューザベーンの閉状態を例示する図である。図2及び図3に示されるように、可変ディフューザベーン21aは、環状のディフューザプレート30と、ディフューザプレート30に回動軸31を介して回動可能に取り付けられた複数のディフューザベーン32とを有している。各ディフューザベーン32は、コンプレッサハウジング27の導入通路27aから送出通路27bに流れる吸入空気の向き及び流速を調整するものである。各ディフューザベーン32は、ディフューザプレート30の円周方向に等間隔で配置されている。各回動軸31は、図示しないアームを介してユニゾンリング33に連結されており、ユニゾンリング33の回動に同期して回動する。ユニゾンリング33は、図示しない駆動機構を介して駆動部34(図1参照)によって駆動可能に構成されている。回動軸31を含むユニゾンリング33周りの構造及び駆動機構は、公知の構造を用いることができる。駆動部34は、後述のECU60に電気的に接続されており、駆動部34の動作は、ECU60よって制御される(詳しくは後述)。
図4(a)は、ノズルベーンの開状態を例示する図である。図4(b)は、ノズルベーンの閉状態を例示する図である。図2及び図4に示されるように、可変ノズル21bは、環状のノズルプレート40と、ノズルプレート40に回動軸41を介して回動可能に取り付けられた複数のノズルベーン42とを有している。各ノズルベーン42は、タービンハウジング25のスクロール通路25aから排出通路25bに流れる排気ガスの向き及び流速を調整するものである。各ノズルベーン42は、ノズルプレート40の円周方向に等間隔で配置されている。各回動軸41は、図示しないアームを介してユニゾンリング43に連結されており、ユニゾンリング43の回動に同期して回動する。ユニゾンリング43は、図示しない駆動機構を介して駆動部44(図1参照)によって駆動可能に構成されている。回動軸41を含むユニゾンリング43周りの構造及び駆動機構は、公知の構造を用いることができる。駆動部44は、後述のECU60に電気的に接続されており、駆動部44の動作は、ECU60よって制御される(詳しくは後述)。
内燃機関の制御装置100は、エンジン1の吸気脈動音を低減するために、ターボチャージャ21を制御する。より詳しくは、内燃機関の制御装置100は、吸気脈動の共鳴を抑制するように可変ディフューザベーン21a及び可変ノズル21bの制御を行う。
図5は、図1のECUに関する構成を示すブロック図である。図1及び図5に示されるように、内燃機関の制御装置100は、エンジン回転数センサ(回転数検出部)51と、アクセルセンサ52と、エアフロセンサ(コンプレッサ状態量検出部)53と、下流圧センサ54(コンプレッサ状態量検出部)と、上流圧センサ(コンプレッサ状態量検出部)55と、タービン回転数センサ56と、ECU[Electronic Control Unit](制御部)60と、を備えている。ECU60には、上記各センサ51~56、可変ディフューザベーン21a、及び可変ノズル21bが接続されている。
エンジン回転数センサ51は、例えばエンジン1のクランクシャフトの回転数をエンジン1の回転数(以下、エンジン回転数という)として検出する検出器である。エンジン回転数センサ51は、検出したエンジン回転数の検出信号をECU60に送信する。
アクセルセンサ52は、例えば車両のアクセルペダルに併設されている。アクセルセンサ52は、例えば運転者が車両を運転している場合のエンジン1の負荷としてアクセルペダルのアクセル開度を検出する。アクセルセンサ52は、検出したアクセル開度の検出信号をECU60に送信する。
エアフロセンサ53は、エンジン1の吸入空気量を検出する検出器である。エアフロセンサ53は、例えば吸気通路7におけるエアクリーナ9とコンプレッサ23との間に設けられている。エアフロセンサ53は、検出した吸入空気量の検出信号をECU60に送信する。
下流圧センサ54は、例えば吸気通路7におけるコンプレッサ23とインタークーラ10との間に設けられており、コンプレッサ23の下流側の吸入空気の圧力を下流圧として検出する検出器である。下流圧センサ54は、検出した下流圧の検出信号をECU60に送信する。
上流圧センサ55は、例えば吸気通路7におけるエアクリーナ9とコンプレッサ23との間に設けられており、コンプレッサ23の上流側の吸入空気の圧力を上流圧として検出する検出器である。上流圧センサ55は、検出した上流圧の検出信号をECU60に送信する。
タービン回転数センサ56は、タービンシャフト28の回転数(以下、「タービン回転数」という)を検出する検出器である。タービン回転数センサ56は、例えば中間ハウジング29におけるタービンシャフト28付近に取り付けられてもよい。タービン回転数センサ56は、タービン回転数の検出値をECU60に出力する。
ECU60は、エンジン回転数に基づいて、エンジン回転数が所定の共鳴条件を満たす場合に、回転数が共鳴条件を満たさない場合と比べてターボチャージャ21のコンプレッサ23の下流の圧力振幅をコンプレッサ23の上流の圧力振幅で除した圧力振幅比が大きくなるように、ターボチャージャ21を制御する。一例として、ECU60は、エンジン回転数に基づいて、予め記憶されたベーン開度データに基づいて、可変ディフューザベーンを制御する(詳しくは後述)。
ECU60は、CPU[Central Processing Unit]、ROM[Read Only Memory]、RAM[Random Access Memory]、CAN[Controller Area Network]通信回路等を有する電子制御ユニットである。ECU60では、ROMに記憶されているプログラムをRAMにロードし、RAMにロードされたプログラムをCPUで実行することにより各種の機能を実現する。ECU60は、複数の電子制御ユニットから構成されていてもよい。
ECU60は、機能的構成として、エンジン状態取得部61と、コンプレッサ状態取得部62と、ベーン開度データ記憶部63と、ノズル開度データ記憶部64と、ベーン開度制御部65と、ノズル開度制御部66と、を有している。
エンジン状態取得部61は、上記各センサ51~55の検出結果に基づいて、エンジン状態を取得する。エンジン状態取得部61は、例えば、エンジン回転数センサ51で検出されたエンジン回転数、アクセルセンサ52で検出されたアクセル開度、エアフロセンサ53で検出された吸入空気量、下流圧センサ54で検出された下流圧、及び、上流圧センサ55で検出された上流圧を、エンジン状態として取得する。
なお、エンジン状態取得部61は、例えば公知の手法により、アクセル開度及びエンジン回転数に応じてエンジン1の燃料噴射量及び目標空燃比を算出してもよい。エンジン状態取得部61は、算出した燃料噴射量及び目標空燃比に基づいて、エンジン1の目標吸入空気量を算出してもよい。
エンジン状態取得部61は、エンジン回転数に基づいて、エンジン回転数が共鳴条件を満たすか否かを判定する。共鳴条件は、エンジン1の吸気脈動によりエンジン1の吸気音が共鳴するか否かに対応する条件である。吸気脈動は、シリンダ3でのピストンの上下往復運動と吸気バルブの開閉動作とによって発生する吸気通路7における圧力脈動を意味する。吸気脈動は、吸気通路7において、コンプレッサ23の下流側で発生し、コンプレッサ23を介してコンプレッサ23の上流側に伝搬する。
上記コンプレッサ23の下流の圧力振幅は、コンプレッサ23の下流側における吸気脈動の振幅を意味し、ここでは下流圧センサ54で検出された下流圧に対応する。上記コンプレッサ23の上流の圧力振幅は、コンプレッサ23の上流側における吸気脈動の振幅を意味し、ここでは上流圧センサ55で検出された上流圧に対応する。圧力振幅比は、一例として、下流圧を上流圧で除したコンプレッサ23の前後の圧力比に対応する。
共鳴条件は、例えば、吸気脈動の周波数が吸気通路7の共鳴周波数と一致するか否かとすることができる。吸気脈動の周波数は、エンジン回転数の次数と比例する成分を有する。より詳しくは、吸気脈動の周波数は、エンジン回転数に対応する周波数の基本次数成分と、基本次数成分に正比例する高調波成分とを有する。また、ここでの共鳴条件は、後述のディフューザベーン32の開度(以下、単に「ベーン開度」という)が所定の効率優先ベーン開度である場合の条件とされる。
エンジン状態取得部61は、ベーン開度が所定の効率優先ベーン開度である場合において、基本次数成分又は高調波成分が吸気通路7の共鳴周波数と一致するエンジン回転数であるとき、エンジン回転数が共鳴条件を満たすと判定する。この場合、エンジン1の吸気脈動音が増幅されて問題となる可能性がある。一方、エンジン状態取得部61は、ベーン開度が所定の効率優先ベーン開度である場合において、基本次数成分又は高調波成分が吸気通路7の共鳴周波数と一致するエンジン回転数ではないとき、エンジン回転数が共鳴条件を満たさないと判定する。この場合は、エンジン1の吸気脈動音が共鳴によっては増幅されないため、エンジン回転数が共鳴条件を満たす場合と比べて、エンジン1の吸気脈動音が問題となりにくい。
コンプレッサ状態取得部62は、上記各センサ53~56の検出結果に基づいて、コンプレッサ状態を取得する。コンプレッサ状態は、コンプレッサ23の作動状態を意味する。コンプレッサ状態は、例えば、コンプレッサ23の流量とコンプレッサ23の前後の圧力比とタービン回転数とを含むコンプレッサ状態量で表される。具体的には、コンプレッサ状態取得部62は、吸入空気量をコンプレッサ23の流量として取得する。コンプレッサ状態取得部62は、下流圧を上流圧で除した値をコンプレッサ23の前後の圧力比として取得する。コンプレッサ状態取得部62は、タービン回転数センサ56で検出されたタービン回転数を取得する。
なお、コンプレッサ状態取得部62は、例えば公知の手法により、目標吸入空気量に基づいて、コンプレッサ23の下流圧の目標値、コンプレッサ23の前後の圧力比の目標値(以下、「目標圧力比」ともいう)、及びコンプレッサ23の流量の目標値(以下、「目標流量」ともいう)を算出してもよい。コンプレッサ状態取得部62は、目標圧力比と目標流量とコンプレッサ特性とからタービン回転数の目標値(以下、「目標タービン回転数」ともいう)を算出してもよい。
図6は、コンプレッサ特性を例示する模式的な図である。図6の横軸は、コンプレッサ23の流量を示しており、縦軸は、コンプレッサ23の前後の圧力比を示している。図6では、一例として、ベーン開度が後述の効率優先ベーン開度の場合におけるコンプレッサ特性CR1が示されている。
図6に示されるように、コンプレッサ特性CR1は、タービン回転数を一定としたときのコンプレッサ23の作動点を結んだ線N1,N2,N3を含んでいる。コンプレッサ23の作動点(以下、単に「作動点」ともいう)とは、コンプレッサ23が作動可能な流量及び圧力比の範囲において、流量及び圧力比で定まる座標点を意味する。線N1,N2,N3では、タービン回転数が線N1,N2,N3の順で大きくなっている。図6に示されるように、タービン回転数を一定をしたときのコンプレッサ23の前後の圧力比は、ある流量を超えると、流量の増加に伴って顕著に低下する傾向がある。
図7は、コンプレッサ効率を説明するための模式的な図である。図7の横軸は、コンプレッサ23の流量を示しており、縦軸は、コンプレッサ23の前後の圧力比を示している。図7では、一例として、図6と同様、ベーン開度が後述の効率優先ベーン開度とされている。図7に示されるように、コンプレッサ23は、作動点に応じたコンプレッサ効率を有している。例えば、同一の効率を有する作動点の点群を結ぶと、図7の複数の等高線E1,E2等で示されるようなコンプレッサ効率の分布を得ることができる。コンプレッサ効率とは、ターボチャージャ21の過給性能の指標の一種であり、例えばコンプレッサ23の上流圧と流量との比率で表される。コンプレッサ効率は、例えばシミュレーションによる性能予測又は性能評価により同定することができる。
図7において、破線L1で囲まれる領域は、ベーン開度が効率優先ベーン開度の場合に、作動可能なタービン回転数の範囲で作動点が存在し得る領域に相当する。一点鎖線L2は、コンプレッサ23が各流量において最大効率で作動する作動点を結んだ線(いわゆる最大効率作動ライン)である。なお、ベーン開度が後述の共鳴抑制ベーン開度である場合には、図7に示されるようなベーン開度が効率優先ベーン開度である場合と比較して、一点鎖線L2の位置は、低流量側にシフトする。
図6及び図7に示されるように、破線L3で囲まれる領域A2は、一点鎖線L2よりもコンプレッサ23の流量が大きい(高流量側の)領域である。領域A2では、破線L1で囲まれる領域のうち一点鎖線L2よりもコンプレッサ23の流量が小さい(低流量側の)領域A1と比べて、タービン回転数を一定をしたときのコンプレッサ効率が、流量の増加に伴って顕著に低下する。なお、領域A2では、例えばコンプレッサ23のチョーク現象が間欠的に(あるいは局所的に)発生すること等の影響により、上述のようにコンプレッサ効率が低下傾向を顕著に示すものと考えられる。
ベーン開度データ記憶部63は、可変ディフューザベーン21aを制御するための予め設定されたベーン開度を表すベーン開度データを記憶する。ベーン開度データ記憶部63は、例えばECU60のROMであってもよい。ベーン開度データは、基準ベーン開度データと共鳴抑制ベーン開度データとを含む。
基準ベーン開度データは、ベーン開度の制御の基準となるデータであり、ベーン開度が効率優先ベーン開度となるように予め設定されている。効率優先ベーン開度は、吸気脈動の共鳴の抑制よりもコンプレッサ効率を優先させたベーン開度であり、コンプレッサ23の流量及びタービン回転数に応じてコンプレッサ効率が最大となるように設定される。効率優先ベーン開度は、例えば、コンプレッサインペラ26からディフューザベーン32に流れ込んだ空気流で剥離が生じにくいような空気流の流線方向に沿う角度とすることができる。効率優先ベーン開度は、例えば、コンプレッサ性能試験又は性能予測のシミュレーションによって予め設定される。効率優先ベーン開度は、例えば、図3(a)のようなディフューザベーンの開状態に相当してもよい。
共鳴抑制ベーン開度データは、吸気脈動の共鳴を抑制するために用いられるベーン開度のデータであり、ベーン開度が共鳴抑制ベーン開度となるように予め設定されている。共鳴抑制ベーン開度は、コンプレッサ効率よりも吸気脈動の共鳴の抑制を優先させたベーン開度であり、コンプレッサ23の流量及びタービン回転数に応じてコンプレッサ効率が最大よりも小さくなるように設定される。
共鳴抑制ベーン開度は、例えば、効率優先ベーン開度と比べて閉じ側のベーン開度である。ベーン開度について閉じ側とは、コンプレッサインペラ26からの空気流に対する交差角度がより大きくなることを意味し、図3(b)のようなディフューザベーンの閉状態に近づけることを意味する。共鳴抑制ベーン開度は、例えば、コンプレッサ23のチョーク現象を少なくとも間欠的に生じさせるベーン開度であってもよい。共鳴抑制ベーン開度は、基準ベーン開度データのベーン開度を基準として閉じ側へベーン開度を補正するベーン開度補正値として設定されてもよいし、基準ベーン開度データのベーン開度を基準として閉じ側に設定されたベーン開度そのものの値であってもよい。共鳴抑制ベーン開度は、例えばコンプレッサ性能試験又は性能予測のシミュレーションによって取得されるコンプレッサ23の上流の圧力振幅の低下量と吸気脈動の減衰効果とを照らし合わせて予め設定することができる。
ノズル開度データ記憶部64は、可変ノズル21bを制御するための予め設定された可変ノズル21bの開度(ノズル開度)を表すノズル開度データを記憶する。ノズル開度データ記憶部64は、例えばECU60のROMであってもよい。ノズル開度データは、基準ノズル開度データと増速ノズル開度データとを含む。
基準ノズル開度データは、ノズル開度の制御の基準となるノズル開度のデータである。基準ノズル開度データは、例えば、タービンホイール24からノズルベーン42に流れ込んだ排気ガスの流速が所定の排気要求から決まるタービン回転数を実現可能な流速となるようなノズル開度として、予め設定されている。
増速ノズル開度データは、タービン回転数を増速するために用いられるノズル開度のデータである。増速ノズル開度データは、例えば、タービンホイール24からノズルベーン42に流れ込んだ排気ガスの流速が基準ノズル開度データでの排気要求よりも高速なタービン回転数を実現可能な流速となるようなノズル開度として、予め設定されている。増速ノズル開度データは、例えば基準ノズル開度データのノズル開度を基準として閉じ側へノズル開度を補正するノズル開度補正値として設定されてもよいし、基準ノズル開度データのノズル開度を基準として閉じ側に設定されたノズル開度そのものの値であってもよい。増速ノズル開度データは、少なくとも基準ノズル開度データよりも閉じ側(全閉開度側)の開度であればよい。なお、ノズル開度について開き側とは、排気ガスの流路断面積が増加することを意味し、図4(a)のようなノズルベーンの開状態に近づけることを意味する。ノズル開度について閉じ側とは、排気ガスの流速が増加することを意味し、図4(b)のようなノズルベーンの閉状態に近づけることを意味する。
ベーン開度制御部65は、エンジン回転数が所定の共鳴条件を満たす場合、ベーン開度データに基づいて、効率優先ベーン開度と比べて閉じ側のベーン開度である共鳴抑制ベーン開度となるように、可変ディフューザベーン21aを制御する。
具体的には、ベーン開度制御部65は、例えば、エンジン状態取得部61によりエンジン回転数が共鳴条件を満たさないと判定された場合に、基準ベーン開度データを用いて可変ディフューザベーン21aを制御する。より詳しくは、ベーン開度制御部65は、例えば、ベーン開度が効率優先ベーン開度である場合において、基本次数成分又は高調波成分が吸気通路7の共鳴周波数と一致するエンジン回転数ではないとエンジン状態取得部61により判定された場合に、ベーン開度が効率優先ベーン開度となるように可変ディフューザベーン21aを制御する。
ベーン開度制御部65は、例えば、エンジン状態取得部61によりエンジン回転数が共鳴条件を満たすと判定した場合に、共鳴抑制ベーン開度データを用いて可変ディフューザベーン21aを制御する。より詳しくは、ベーン開度制御部65は、ベーン開度が効率優先ベーン開度である場合において、基本次数成分又は高調波成分が吸気通路7の共鳴周波数と一致するエンジン回転数であるとエンジン状態取得部61により判定された場合に、ベーン開度が共鳴抑制ベーン開度となるように可変ディフューザベーン21aを制御する。つまり、ベーン開度は、効率優先ベーン開度と比べて閉じ側のベーン開度とされる。
図8は、ECU60のベーン開度制御を説明するための模式的な図である。図8の横軸は、コンプレッサ23の流量を示しており、縦軸は、コンプレッサ23の前後の圧力比を示している。図8では、図6で示された効率優先ベーン開度の場合におけるコンプレッサ特性CR1が破線で示されており、共鳴抑制ベーン開度の場合におけるコンプレッサ特性CR2が実線で示されている。コンプレッサ特性CR2は、タービン回転数を一定としたときのコンプレッサ23の作動点を結んだ線M1,M2,M3を含んでいる。線M1,M2,M3におけるタービン回転数は、線N1,N2,N3におけるタービン回転数とそれぞれ等しい。
図8に示されるように、まず、作動点P1において、ベーン開度が効率優先ベーン開度とされ、線N2に対応するタービン回転数とされている。この状態において、基本次数成分又は高調波成分が吸気通路7の共鳴周波数と一致するエンジン回転数であるとエンジン状態取得部61により判定された場合に、ベーン開度が共鳴抑制ベーン開度となるように可変ディフューザベーン21aが制御され、効率優先ベーン開度と比べて閉じ側のベーン開度とされる。その結果、コンプレッサ23は、コンプレッサ特性CR2における作動点P2で作動されることとなる。作動点P2においては、流量の変化に対するコンプレッサ23の前後の圧力比の変動勾配(線M2の作動点P2における接線の傾き)が、コンプレッサ特性CR1での変動勾配(線N2の作動点P1における接線の傾き)よりも大きくなる。
ここで、作動点P1と作動点P2とでは、ベーン開度が異なるものの、エンジン回転数、各シリンダ3の吸気バルブの開閉タイミング等は、同等とされている。そのため、作動点P1と作動点P2とでは、コンプレッサ23の下流側における吸気脈動は同等であり、吸気脈動の振幅(コンプレッサ23の下流の圧力振幅)は同等ということができる。一方、圧力比に対応する圧力振幅比では、分子がコンプレッサ23の下流の圧力振幅であり、分母がコンプレッサ23の上流の圧力振幅であるところ、コンプレッサ特性CR2の作動点P2おいては、圧力振幅比に対応する圧力比の変動勾配が作動点P1よりも大きくなっている。すなわち、作動点P2では、作動点P1と比べて、コンプレッサ23の下流の圧力振幅は同等なのに対し、コンプレッサ23の上流側における吸気脈動の振幅(コンプレッサ23の上流の圧力振幅)は、小さくなっているということが判る。換言すれば、吸気脈動音の発生源側であるコンプレッサ23の下流の圧力振幅(吸気脈動音の大きさ)が略一定である状態同士での比較においては、エンジン回転数が共鳴条件を満たす場合のコンプレッサ23の上流の圧力振幅が、エンジン回転数が共鳴条件を満たさない場合のコンプレッサ23の上流の圧力振幅よりも小さくなる。これにより、エンジン回転数が共鳴条件を満たす場合にコンプレッサ23の上流に伝搬する吸気脈動音が減衰させられる。なお、コンプレッサ特性CR2の作動点P2おいては、例えばチョーク現象が間欠的に生じるような状態となっていてもよい。
ちなみに、例えばベーン開度が効率優先ベーン開度である状態を維持しつつ吸気脈動の発生自体を抑制しようとすると、燃焼室への吸入空気の入り方が最適となるよう適合された状態から外れてしまい、シリンダ3の体積効率の低下を招く可能性がある。その結果、コンプレッサ23の流量が低下してエンジン1の出力性能及び燃費性能の低下を招く可能性がある。この点、上述のように効率優先ベーン開度と比べて閉じ側のベーン開度とすることで、大きくなった圧力比の変動を利用してコンプレッサ23の上流側の吸気脈動を減衰させることが可能となる。その結果、シリンダ3の体積効率の低下を招くような場合と比べて、コンプレッサ23の流量の低下が抑制され、エンジン1の出力性能及び燃費性能の低下を抑制することが可能となる。
ノズル開度制御部66は、エンジン回転数が共鳴条件を満たすときに、基準コンプレッサ状態量にコンプレッサ状態量が近付くように、可変ノズル21bを制御してもよい。基準コンプレッサ状態量は、ベーン開度が効率優先ベーン開度である場合のコンプレッサ状態量である。基準コンプレッサ状態量としては、例えば、ベーン開度が効率優先ベーン開度である場合の目標圧力比を用いることができる。基準コンプレッサ状態量としては、例えば、目標タービン回転数を用いてもよい。
具体的には、ノズル開度制御部66は、例えば、エンジン状態取得部61によりエンジン回転数が共鳴条件を満たさないと判定された場合に、基準ノズル開度データを用いて可変ノズル21bを制御する。ノズル開度制御部66は、例えば、ベーン開度制御部65によって効率優先ベーン開度となるように可変ディフューザベーン21aが制御された場合、基準ノズル開度データを用いて可変ノズル21bを制御する。
ノズル開度制御部66は、例えば、エンジン状態取得部61によりエンジン回転数が共鳴条件を満たすと判定された場合に、タービン回転数が目標タービン回転数となるように、可変ノズル21bを制御する。ノズル開度制御部66は、例えば、ベーン開度制御部65によって共鳴抑制ベーン開度となるように可変ディフューザベーン21aが制御された場合、タービン回転数が目標タービン回転数となるように、増速ノズル開度データを用いて可変ノズル21bを制御する。つまり、ノズル開度は、基準ノズル開度と比べて閉じ側のノズル開度とされる。
図8に示されるように、ベーン開度が効率優先ベーン開度から共鳴抑制ベーン開度となるように可変ディフューザベーン21aが制御された結果、作動点P1の状態で作動していたコンプレッサ23は、作動点P2の状態で作動することとなる。その結果、作動点P2での圧力比は、目標圧力比(つまり作動点P1での圧力比)よりも低いものとなっている。
そこで、目標タービン回転数は、コンプレッサ状態取得部62によって、目標流量と目標圧力比とコンプレッサ特性CR2とから、線M3に相当するタービン回転として算出される。よって、線M2に相当するタービン回転から線M3に相当するタービン回転に目標タービン回転数が増加されるため、増速ノズル開度データを用いて可変ノズル21bが制御される。つまり、作動点P2の状態で作動していたコンプレッサ23は、作動点P3の状態で作動することとなり、コンプレッサ23の前後の圧力比が目標圧力比に近付く。その結果、ベーン開度が共鳴抑制ベーン開度とされた状態であっても、コンプレッサ23の前後の圧力比の低下を補償することができ、エンジン1の出力性能及び燃費性能の低下を抑制することが可能となる。ちなみに、作動点P1,P3は、図8において見易さの点で便宜的に横軸方向にずらしているが、作動点P3は、線M3上の作動点であり、線N2と線M3とが交差する位置に近い作動点P1の流量と略同等の流量を有している。
次に、ECU60による処理の一例について、図9を参照して説明する。図9は、図1のECUの処理を例示するフローチャートである。図9の処理は、例えばエンジン1の運転中に実行される。
図9に示されるように、ECU60は、S11において、エンジン状態取得部61により、エンジン状態の取得を行う。エンジン状態取得部61は、例えば、エンジン1のエンジン回転数を取得すると共に、目標吸入空気量を算出する。
ECU60は、S12において、エンジン状態取得部61により、エンジン回転数が共鳴条件を満たすか否かの判定を行う。エンジン状態取得部61は、エンジン回転数に基づいて、エンジン回転数が共鳴条件を満たすか否かを判定する。
エンジン状態取得部61によりエンジン回転数が共鳴条件を満たさないと判定された場合(S12:NO)、ECU60は、S13において、ベーン開度制御部65により、基準ベーン開度データを用いて可変ディフューザベーン21aを制御する。ECU60は、S14において、ノズル開度制御部66により、基準ノズル開度データを用いて可変ノズル21bを制御する。その後、ECU60は、図9の処理を終了する。
一方、エンジン状態取得部61によりエンジン回転数が共鳴条件を満たすと判定された場合(S12:YES)、ECU60は、S15において、ベーン開度制御部65により、共鳴抑制ベーン開度データを用いて可変ディフューザベーン21aを制御する。ECU60は、S16において、ノズル開度制御部66により、増速ノズル開度データを用いて可変ノズル21bを制御する。
S16においては、ECU60は、コンプレッサ状態取得部62により、コンプレッサ状態量の取得を行う。コンプレッサ状態取得部62は、コンプレッサ23の流量とコンプレッサ23の前後の圧力比とタービン回転数とを取得する。コンプレッサ状態取得部62は、目標圧力比と目標流量とコンプレッサ特性とから目標タービン回転数を算出する。コンプレッサ状態取得部62は、目標吸入空気量に基づいて目標圧力比と目標流量とを算出し、目標圧力比と目標流量とから目標タービン回転数を算出する。ノズル開度制御部66は、タービン回転数が目標タービン回転数となるように、可変ノズル21bを制御する。その後、ECU60は、図9の処理を終了する。
以上説明したように、内燃機関の制御装置100では、エンジン回転数が所定の共鳴条件を満たす場合に、エンジン回転数が共鳴条件を満たさない場合と比べてターボチャージャ21のコンプレッサ23の下流の圧力振幅をコンプレッサ23の上流の圧力振幅で除した圧力振幅比が大きくなるように(流量の変化に対するコンプレッサ23の前後の圧力比の変動勾配が大きくなるように)、ターボチャージャ21が制御される。これにより、例えば吸気脈動音の発生源側であるターボチャージャ21のコンプレッサ23の下流の圧力振幅(吸気脈動音の大きさ)が略一定の状態を基準とすると、エンジン回転数が共鳴条件を満たす場合のコンプレッサ23の上流の圧力振幅が、エンジン回転数が共鳴条件を満たさない場合のコンプレッサ23の上流の圧力振幅よりも小さくなる。このように、ターボチャージャ21の制御によってコンプレッサ23の上流に伝搬する圧力振幅が小さくなるため、例えば吸気脈動音の低減のための部品を別途追加することなく、コンプレッサ23の上流の吸気脈動音のエネルギーを減衰させることができる。したがって、内燃機関の制御装置100によれば、部品の搭載スペース及びコストの増大を抑制しつつ、吸気脈動音を低減することが可能となる。
内燃機関の制御装置100では、ターボチャージャ21は、コンプレッサ23側に設けられた可変ディフューザベーン21aを含む可変容量式ターボチャージャであり、ECU60は、エンジン回転数が共鳴条件を満たすときに、予め記憶されたベーン開度データに基づいて、コンプレッサ効率を優先させたベーン開度である効率優先ベーン開度と比べて閉じ側のベーン開度である共鳴抑制ベーン開度となるように、可変ディフューザベーン21aを制御する。これにより、可変ディフューザベーン21aのベーン開度を制御することで、コンプレッサ23の上流の吸気脈動音のエネルギーを減衰させることができる。
内燃機関の制御装置100では、ベーン開度データは、ベーン開度が効率優先ベーン開度となるように予め設定された基準ベーン開度データと、ベーン開度が共鳴抑制ベーン開度となるように予め設定された共鳴抑制ベーン開度データと、を含んでいる。ECU60は、エンジン回転数が共鳴条件を満たさないと判定した場合に、基準ベーン開度データを用いて可変ディフューザベーン21aを制御する。ECU60は、エンジン回転数が共鳴条件を満たすと判定した場合に、共鳴抑制ベーン開度データを用いて可変ディフューザベーン21aを制御する。これにより、エンジン回転数が共鳴条件を満たすか否かの判定結果に応じて基準ベーン開度データと共鳴抑制ベーン開度データとを適切に使い分けて、可変ディフューザベーン21aを制御することができる。
内燃機関の制御装置100は、少なくともコンプレッサ23の下流圧を含むコンプレッサ状態量を検出する下流圧センサ54を備えている。ターボチャージャ21は、タービン22側に設けられた可変ノズル21bを含んでいる。ECU60は、エンジン回転数が共鳴条件を満たすときに、ベーン開度が効率優先ベーン開度である場合のコンプレッサ状態量である基準コンプレッサ状態量にコンプレッサ状態量が近付くように、可変ノズル21bを制御する。これにより、コンプレッサ23の上流の吸気脈動音のエネルギーを減衰させたままコンプレッサ状態量(例えば圧力比)が基準コンプレッサ状態量(例えば目標圧力比)に近付けられるため、吸気脈動音の低減と、エンジン1の出力及び燃費性能の維持と、の両立を図ることができる。
内燃機関の制御装置100では、ECU60は、エンジン回転数が共鳴条件を満たす場合に、コンプレッサ23のチョーク現象を少なくとも間欠的に生じさせるようにターボチャージャ21を制御する。これにより、チョーク現象が発生するようなコンプレッサ23の特性を利用して、コンプレッサ23の上流の吸気脈動音のエネルギーを減衰させることができる。
[変形例]
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限られるものではない。
上記実施形態では、一例として、図9に示されるように、エンジン回転数が共鳴条件を満たす場合のベーン開度及びノズル開度の制御がフィードフォワード制御となるように(ベーン開度及びノズル開度が例えば一度の処理で所定の開度となるように)、共鳴抑制ベーン開度データ及び増速ノズル開度データが設定されていたが、例えば図10に示されるように、エンジン回転数が共鳴条件を満たす場合のベーン開度及びノズル開度の制御がフィードバック制御とされてもよい。
具体的には、図10のフローチャートでは、図9のフローチャートに対して、S17及びS18の処理が追加されると共に、フィードバック制御の繰り返し処理に伴ってベーン開度及びノズル開度が徐々に変化するように、共鳴抑制ベーン開度データ及び増速ノズル開度データがフィードバック補正値(例えば比例補正値、積分補正値等)として設定されている。
図10のS17において、ECU60は、コンプレッサ状態取得部62により、コンプレッサ状態量の取得を行う。コンプレッサ状態取得部62は、例えば、コンプレッサ23の前後の圧力比を、圧力振幅比として取得する。ECU60は、S18において、コンプレッサ状態取得部62により、圧力振幅比が所定の目標値以上であるか否かの判定を行う。コンプレッサ状態取得部62は、コンプレッサ23の上流圧と下流圧とに基づいて、圧力振幅比が目標値以上であるか否かを判定する。ここでの目標値は、吸気脈動の減衰効果が所望の一定効果以上となるようにコンプレッサ23の上流の圧力振幅を低下させる圧力振幅比の目標の値である。
コンプレッサ状態取得部62により圧力振幅比が目標値以上ではないと判定された場合(S18:NO)、ECU60は、S15及びS16の処理を再び行う。一方、コンプレッサ状態取得部62により圧力振幅比が目標値以上であると判定された場合(S18:YES)、ECU60は、図10の処理を終了する。以上により、圧力振幅比が目標値以上となるため、所望の一定効果以上となる吸気脈動の減衰効果を得ることができる。
上記実施形態では、回転数検出部としてエンジン回転数センサ51を例示したが、内燃機関の回転数を検出できるものであれば、その他のセンサ等を用いてもよい。
上記実施形態では、コンプレッサ状態量検出部として、エアフロセンサ53、下流圧センサ54、及び上流圧センサ55を例示したが、少なくともコンプレッサの下流圧を含むコンプレッサ状態量を検出できるものであれば、これらのセンサの一部を省略してもよく、あるいはその他のセンサ等を用いてもよい。また、公知の推定手法を用いて少なくともコンプレッサの下流圧を含むコンプレッサ状態量を検出してもよい。
なお、ノズル開度制御部66は、タービン回転数が目標タービン回転数となったか否かの判定結果に基づいて、可変ノズル21bをフィードバック制御してもよい。この場合、ノズル開度制御部66は、タービン回転数が目標タービン回転数未満であるとの判定結果に基づいて、増速ノズル開度データを用いて可変ノズル21bをフィードバック制御する。ノズル開度制御部66は、タービン回転数が目標タービン回転数となったとの判定結果に基づいて、基準ノズル開度データを用いて可変ノズル21bをフィードバック制御する。
上記実施形態では、ノズル開度制御部66による可変ノズル21bの制御を実行したが、吸気脈動音を低減する観点では、必ずしも実行されなくてもよい。この場合、ターボチャージャ21の可変ノズル21b、タービン回転数センサ56、ノズル開度データ記憶部64、及びノズル開度制御部66は省略されてもよい。
上記実施形態では、共鳴抑制ベーン開度は、コンプレッサ23のチョーク現象を少なくとも間欠的に生じさせるベーン開度であると説明したが、要はコンプレッサ23の流量の変化に対するコンプレッサ23の前後の圧力比の変動勾配が大きくなればよく、必ずしもチョーク現象を生じさせなくてもよい。
上記実施形態では、エンジン回転数が共鳴条件を満たす場合のターボチャージャ21の制御対象の例として、可変ディフューザベーン21aの制御を示したが、ターボチャージャ21の制御対象は、可変ディフューザベーン21a以外であってもよい。
上記実施形態では、コンプレッサ23の下流の圧力振幅は、下流圧センサ54で検出された下流圧に対応し、コンプレッサ23の上流の圧力振幅は、上流圧センサ55で検出された上流圧に対応したが、各圧力振幅は、これらに限定されない。例えば、各圧力振幅は、コンプレッサ23の上流又は下流の吸気脈動音の音圧の振幅であってもよい。圧力振幅比は、下流圧を上流圧で除したコンプレッサ23の前後の圧力比に対応したが、コンプレッサ23の下流の吸気脈動音の音圧の振幅をコンプレッサ23の上流の吸気脈動音の音圧の振幅で除した値であってもよい。
上記実施形態では、ECU60は、エンジン回転数が共鳴条件を満たす場合に、エンジン回転数が共鳴条件を満たさない場合と比べてターボチャージャ21のコンプレッサ23の下流の圧力振幅をコンプレッサ23の上流の圧力振幅で除した圧力振幅比が大きくなるように、ターボチャージャ21を制御したが、圧力振幅比の分子と分母を入れ替えて、実質的に同じ制御を行ってもよい。すなわち、ECU60は、エンジン回転数が共鳴条件を満たす場合に、エンジン回転数が共鳴条件を満たさない場合と比べてターボチャージャ21のコンプレッサ23の上流の圧力振幅をコンプレッサ23の下流の圧力振幅で除した圧力振幅比(逆数)が小さくなるように、ターボチャージャ21を制御してもよい。
上記実施形態では、内燃機関としてディーゼルエンジンとしてのエンジン1を例示したが、例えばガソリンエンジン等、その他の内燃機関であってもよい。エンジン1は、必ずしも車両等に搭載されていなくてもよい。