JP2014047777A - State quantity estimating device of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
【課題】多段過給システムを備えた内燃機関において各段のターボチャージャのコンプレッサ側及びタービン側の状態量を高精度に推定できる内燃機関の状態量推定装置を提供することを課題とする。
【解決手段】高圧段ターボチャージャ6及び低圧段ターボチャージャ5を含む多段過給システムを備えた内燃機関1において、各ターボチャージャ5,6についての状態量を推定する状態量推定装置であって、高圧段ターボチャージャ6のコンプレッサ6aと低圧段ターボチャージャ5のコンプレッサ5aとの間の圧力を検出する中間ブースト圧センサ11を設け、その中間ブースト圧センサ11で検出したコンプレッサ間の中間ブースト圧に基づいてコンプレッサ側の状態量を推定し、推定したコンプレッサ側の状態量(例えば、コンプレッサ回転数)を用いてタービン側の状態量を推定する。
【選択図】図1An object of the present invention is to provide a state quantity estimating device for an internal combustion engine capable of accurately estimating state quantities on the compressor side and turbine side of each stage of a turbocharger in an internal combustion engine equipped with a multistage supercharging system.
In an internal combustion engine (1) equipped with a multi-stage turbocharging system including a high-pressure stage turbocharger (6) and a low-pressure stage turbocharger (5), a state quantity estimation device for estimating a state quantity for each turbocharger (5, 6), An intermediate boost pressure sensor 11 for detecting the pressure between the compressor 6a of the high-pressure stage turbocharger 6 and the compressor 5a of the low-pressure stage turbocharger 5 is provided. Based on the intermediate boost pressure between the compressors detected by the intermediate boost pressure sensor 11 Then, the state quantity on the compressor side is estimated, and the state quantity on the turbine side is estimated using the estimated state quantity on the compressor side (for example, the compressor rotation speed).
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、高圧段ターボチャージャ及び低圧段ターボチャージャを含む多段過給システムを備えた内燃機関において、各ターボチャージャについての状態量を推定する状態量推定装置に関する。 The present invention relates to a state quantity estimating device for estimating a state quantity for each turbocharger in an internal combustion engine including a multistage turbocharging system including a high pressure stage turbocharger and a low pressure stage turbocharger.
車両のエンジン制御や排気ガス浄化制御等を行う場合、制御精度を向上させるためには、エンジンの各部の状態量を正確に把握することが重要となる。特に、多段過給システムを備えたエンジンの場合、各段のターボチャージャの状態量を把握する必要がある。特許文献1には、2段のターボチャージャにおいて、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとのコンプレッサ間の圧力を検出し、その中間圧力を用いてコンプレッサ間の温度を算出することが開示されている。
When performing vehicle engine control, exhaust gas purification control, or the like, it is important to accurately grasp the state quantities of each part of the engine in order to improve control accuracy. In particular, in the case of an engine equipped with a multistage supercharging system, it is necessary to grasp the state quantity of the turbocharger at each stage.
多段過給システムではコンプレッサ側及びタービン側がそれぞれ直列に接続されており、互いに影響し合いながら作動している。特に、過渡運転の場合、個々のターボチャージャの作動状態によって、多段過給システムとしてのトータルの効率が大きく変動する。そのため、トータルの効率が良い状態で多段過給システムを使用するためには、各段のターボチャージャのコンプレッサ側及びタービン側の状態量を正確に把握する必要がある。しかし、特許文献1では、コンプレッサ間の中間圧力を用いてコンプレッサ間の温度しか推定していない。
In the multistage turbocharging system, the compressor side and the turbine side are connected in series, and operate while affecting each other. In particular, in the case of transient operation, the total efficiency of the multistage supercharging system varies greatly depending on the operating state of each turbocharger. Therefore, in order to use the multistage turbocharging system in a state where the total efficiency is good, it is necessary to accurately grasp the state quantities on the compressor side and the turbine side of each stage of the turbocharger. However, in
そこで、本発明は、多段過給システムを備えた内燃機関において各段のターボチャージャのコンプレッサ側及びタービン側の状態量を高精度に推定できる内燃機関の状態量推定装置を提供することを課題とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an internal combustion engine state quantity estimation device capable of accurately estimating state quantities on the compressor side and turbine side of each stage turbocharger in an internal combustion engine equipped with a multistage turbocharging system. To do.
本発明に係る内燃機関の状態量推定装置は、高圧段ターボチャージャ及び低圧段ターボチャージャを含む多段過給システムを備えた内燃機関において、各ターボチャージャについての状態量を推定する状態量推定装置であって、高圧段ターボチャージャのコンプレッサと低圧段ターボチャージャのコンプレッサとの間の圧力又は高圧段ターボチャージャのタービンと低圧段ターボチャージャのタービンとの間の圧力を検出する中間圧力検出手段と、中間圧力検出手段がコンプレッサ間の中間圧力を検出する検出手段の場合には中間圧力検出手段で検出したコンプレッサ間の中間圧力に基づいてコンプレッサ側の状態量を推定し、推定したコンプレッサ側の状態量を用いてタービン側の状態量を推定し、中間圧力検出手段がタービン間の中間圧力を検出する検出手段の場合には中間圧力検出手段で検出したタービン間の中間圧力に基づいてタービン側の状態量を推定し、推定したタービン側の状態量を用いてコンプレッサ側の状態量を推定する推定手段とを備えることを特徴とする。 An internal combustion engine state quantity estimation apparatus according to the present invention is a state quantity estimation apparatus that estimates a state quantity for each turbocharger in an internal combustion engine having a multistage turbocharging system including a high-pressure stage turbocharger and a low-pressure stage turbocharger. Intermediate pressure detecting means for detecting the pressure between the compressor of the high-pressure stage turbocharger and the compressor of the low-pressure stage turbocharger or the pressure between the turbine of the high-pressure stage turbocharger and the turbine of the low-pressure stage turbocharger; In the case where the pressure detecting means is a detecting means for detecting the intermediate pressure between the compressors, the state quantity on the compressor side is estimated based on the intermediate pressure between the compressors detected by the intermediate pressure detecting means, and the estimated state quantity on the compressor side is calculated. To estimate the state quantity on the turbine side. In the case of the detection means for detecting the engine, the state quantity on the turbine side is estimated based on the intermediate pressure between the turbines detected by the intermediate pressure detection means, and the state quantity on the compressor side is estimated using the estimated state quantity on the turbine side. And an estimating means.
この状態量推定装置では、中間圧力検出手段によって、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとのコンプレッサ間の圧力を検出する。そして、状態量推定装置では、推定手段によって、そのコンプレッサ間の中間圧力に基づいてコンプレッサ側の状態量を推定し、そのコンプレッサ側の状態量を用いてタービン側の状態量を推定する。また、状態量推定装置では、中間圧力検出手段によって、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとのタービン間の圧力を検出する。そして、状態量推定装置では、推定手段によって、そのタービン間の中間圧力に基づいてタービン側の状態量を推定し、そのタービン側の状態量を用いてコンプレッサ側の状態量を推定する。各状態量を推定する際に、必要に応じて、内燃機関に一般的に設けられるセンサ(例えば、吸気ガスの温度センサや流量センサ、ブースト圧センサ)の検出値を用いる。このように、この状態量推定装置では、内燃機関に設けられる一般的なセンサにコンプレッサ間又はタービン間の中間圧力を検出する中間圧力検出手段を追加するだけで、多段過給システムの各段のターボチャージャのコンプレッサ側及びタービン側の状態量を高精度に推定できる。このように、各段のターボチャージャのコンプレッサ側及びタービン側の状態量が得られるので、定常運転状態だけでなく過渡運転状態でも、これらの各状態量から各段のターボチャージャの作動状態を把握でき、その作動状態に基づいて多段過給システムのトータルとして効率の良いところで各ターボチャージャを使用できる。さらに、これらの各状態量を内燃機関制御(ターボチャージャ制御等を含む)、排気ガス浄化制御、故障検知等にも利用でき、制御精度を向上できる。なお、3段以上の多段過給システムの場合、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとの組み合わせが複数あり、組み合わせ毎に、コンプレッサ間又はタービン間の中間圧力を検出して、状態量を推定する。 In this state quantity estimating device, the pressure between the compressors of the high-pressure stage turbocharger and the low-pressure stage turbocharger is detected by the intermediate pressure detecting means. In the state quantity estimation device, the estimation means estimates the compressor-side state quantity based on the intermediate pressure between the compressors, and estimates the turbine-side state quantity using the compressor-side state quantity. Further, in the state quantity estimating device, the intermediate pressure detecting means detects the pressure between the turbines of the high-pressure stage turbocharger and the low-pressure stage turbocharger. In the state quantity estimation device, the estimation means estimates the turbine-side state quantity based on the intermediate pressure between the turbines, and estimates the compressor-side state quantity using the turbine-side state quantity. When estimating each state quantity, a detection value of a sensor (for example, an intake gas temperature sensor, a flow rate sensor, or a boost pressure sensor) generally provided in an internal combustion engine is used as necessary. As described above, in this state quantity estimating device, only the intermediate pressure detecting means for detecting the intermediate pressure between the compressors or the turbines is added to a general sensor provided in the internal combustion engine, so that each stage of the multistage turbocharging system is The state quantity on the compressor side and turbine side of the turbocharger can be estimated with high accuracy. In this way, the state quantities on the compressor and turbine sides of each stage of the turbocharger can be obtained, so the operating state of each stage of the turbocharger can be ascertained not only from the steady state but also from the transient state. Each turbocharger can be used in an efficient place as a total of the multistage turbocharging system based on the operating state. Furthermore, each of these state quantities can be used for internal combustion engine control (including turbocharger control), exhaust gas purification control, failure detection, etc., and control accuracy can be improved. In the case of a multi-stage turbocharging system with three or more stages, there are multiple combinations of high-pressure turbochargers and low-pressure turbochargers. For each combination, the intermediate pressure between compressors or turbines is detected to estimate the state quantity. To do.
本発明の上記内燃機関の状態量推定装置では、推定手段は、中間圧力検出手段がコンプレッサ間の中間圧力を検出する検出手段の場合には中間圧力検出手段で検出したコンプレッサ間の中間圧力に基づいて高圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量及び低圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量を推定し、推定した高圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量に含まれる高圧段コンプレッサ回転数を用いて高圧段ターボチャージャのタービンの状態量を推定するとともに推定した低圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量に含まれる低圧段コンプレッサ回転数を用いて低圧段ターボチャージャのタービンの状態量を推定し、中間圧力検出手段がタービン間の中間圧力を検出する検出手段の場合には中間圧力検出手段で検出したタービン間の中間圧力に基づいて高圧段ターボチャージャのタービンの状態量及び低圧段ターボチャージャのタービンの状態量を推定し、推定した高圧段ターボチャージャのタービンの状態量に含まれる高圧段タービン回転数を用いて高圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量を推定するとともに推定した低圧段ターボチャージャのタービンの状態量に含まれる低圧段タービン回転数を用いて低圧段ターボチャージャのコンプレッサの状態量を推定すると好適である。 In the internal combustion engine state quantity estimating apparatus according to the present invention, the estimating means is based on the intermediate pressure between the compressors detected by the intermediate pressure detecting means when the intermediate pressure detecting means is a detecting means for detecting the intermediate pressure between the compressors. Then, the state quantity of the compressor of the high-pressure stage turbocharger and the state quantity of the compressor of the low-pressure stage turbocharger are estimated, and the high-pressure stage turbocharger is used using the estimated high-speed stage turbocharger compressor state quantity. The turbine state quantity of the low pressure stage turbocharger is estimated using the low speed stage turbocharger rotational speed included in the estimated state quantity of the compressor of the low pressure stage turbocharger. In the case of detection means for detecting the intermediate pressure between The state quantity of the turbine of the high-pressure stage turbocharger and the state quantity of the turbine of the low-pressure stage turbocharger are estimated based on the intermediate pressure between the extracted turbines, and the high-pressure stage turbine included in the estimated state quantity of the turbine of the high-pressure stage turbocharger The state quantity of the compressor of the high-pressure stage turbocharger is estimated using the rotation speed, and the state quantity of the compressor of the low-pressure stage turbocharger is calculated using the low-pressure stage turbine rotation speed included in the estimated state quantity of the turbine of the low-pressure stage turbocharger. It is preferable to estimate.
各ターボチャージャでは、コンプレッサとタービンとが同軸で回転するので、コンプレッサ回転数とタービン回転数とが同一の回転数である。したがって、コンプレッサ回転数を推定した場合、そのコンプレッサ回転数をタービン回転数として用いることができる。あるいは、タービン回転数を推定した場合、そのタービン回転数をコンプレッサ回転数として用いることができる。そこで、中間圧力検出手段がコンプレッサ間の中間圧力を検出する検出手段の場合、推定手段では、中間圧力検出手段で検出したコンプレッサ間の中間圧力に基づいて高圧段ターボチャージャのコンプレッサの各部の状態量(コンプレッサ回転数を含む)及び低圧段ターボチャージャのコンプレッサの各部の状態量(コンプレッサ回転数を含む)を推定し、その高圧段ターボチャージャのコンプレッサ回転数を用いて高圧段ターボチャージャのタービンの各部の状態量を推定でき、その低圧段ターボチャージャのコンプレッサ回転数を用いて低圧段ターボチャージャのタービンの各部の状態量を推定できる。一方、中間圧力検出手段がタービン間の中間圧力を検出する検出手段の場合、推定手段では、中間圧力検出手段で検出したタービン間の中間圧力に基づいて高圧段ターボチャージャのタービンの各部の状態量(タービン回転数を含む)及び低圧段ターボチャージャのタービンの各部の状態量(タービン回転数を含む)を推定し、その高圧段ターボチャージャのタービン回転数を用いて高圧段ターボチャージャのコンプレッサの各部の状態量を推定でき、その低圧段ターボチャージャのタービン回転数を用いて低圧段ターボチャージャのコンプレッサの各部の状態量を推定できる。 In each turbocharger, since the compressor and the turbine rotate coaxially, the compressor speed and the turbine speed are the same. Therefore, when the compressor rotational speed is estimated, the compressor rotational speed can be used as the turbine rotational speed. Alternatively, when the turbine rotational speed is estimated, the turbine rotational speed can be used as the compressor rotational speed. Therefore, in the case where the intermediate pressure detecting means is a detecting means for detecting the intermediate pressure between the compressors, the estimating means determines the state quantity of each part of the compressor of the high-pressure turbocharger based on the intermediate pressure between the compressors detected by the intermediate pressure detecting means. Estimating the state quantity (including compressor speed) of each part of the compressor (including the compressor speed) and the compressor of the low-pressure stage turbocharger, and using the compressor speed of the high-pressure stage turbocharger, each part of the turbine of the high-pressure stage turbocharger The state quantity of each part of the turbine of the low-pressure stage turbocharger can be estimated using the compressor rotation speed of the low-pressure stage turbocharger. On the other hand, when the intermediate pressure detecting means is a detecting means for detecting the intermediate pressure between the turbines, the estimating means determines the state quantity of each part of the turbine of the high-pressure stage turbocharger based on the intermediate pressure between the turbines detected by the intermediate pressure detecting means. The state quantity (including turbine speed) of each part of the turbine of the low-pressure stage turbocharger (including the turbine speed) is estimated, and each part of the compressor of the high-pressure stage turbocharger is estimated using the turbine speed of the high-pressure stage turbocharger. The state quantity of each part of the compressor of the low-pressure stage turbocharger can be estimated using the turbine speed of the low-pressure stage turbocharger.
本発明の上記内燃機関の状態量推定装置では、中間圧力検出手段は、コンプレッサ間の中間圧力を検出する検出手段であると好適である。コンプレッサ側は内燃機関の吸気側であり、吸気側は圧力検出手段を設ける上で安全性が高く、排気側よりも適している。 In the internal combustion engine state quantity estimating apparatus according to the present invention, it is preferable that the intermediate pressure detecting means is a detecting means for detecting an intermediate pressure between the compressors. The compressor side is the intake side of the internal combustion engine, and the intake side has higher safety in providing pressure detecting means, and is more suitable than the exhaust side.
本発明によれば、内燃機関に設けられる一般的なセンサにコンプレッサ間又はタービン間の中間圧力を検出する中間圧力検出手段を追加するだけで、多段過給システムの各段のターボチャージャのコンプレッサ側及びタービン側の状態量を高精度に推定できる。 According to the present invention, the compressor side of the turbocharger at each stage of the multi-stage turbocharging system can be obtained by adding an intermediate pressure detecting means for detecting an intermediate pressure between compressors or between turbines to a general sensor provided in an internal combustion engine. In addition, the state quantity on the turbine side can be estimated with high accuracy.
以下、図面を参照して、本発明に係る内燃機関の状態量推定装置の実施の形態を説明する。 Hereinafter, an embodiment of a state quantity estimating device for an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to the drawings.
本実施の形態では、本発明に係る内燃機関の状態量推定装置を、ディーゼル車に搭載されるエンジン(内燃機関)のECU[Electronic Control Unit]に適用する。本実施の形態に係るエンジンは、2段過給システム及びHPL[High Pressure Loop]のEGR[Exhaust GasRecirculation]システムを装備しており、2段過給システムにおける高圧段ターボチャージャが可変容量型であり、低圧段ターボチャージャが固定容量型である。本実施の形態に係るエンジンは、ECUによって周知のエンジン制御、ターボの可変容量制御、EGR制御、排気ガス浄化制御、故障診断等が行われるとともに、それらの制御等に利用するための各段のターボチャージャの状態量の推定が行われる。なお、本実施の形態では、ECUにおけるこれらの周知の各制御等については説明せず、ターボチャージャの状態量の推定処理についてのみ詳細に説明する。 In the present embodiment, the state quantity estimating device for an internal combustion engine according to the present invention is applied to an ECU (Electronic Control Unit) of an engine (internal combustion engine) mounted on a diesel vehicle. The engine according to the present embodiment is equipped with a two-stage turbocharging system and an EGR [Exhaust Gas Recirculation] system of HPL [High Pressure Loop], and the high-pressure turbocharger in the two-stage turbocharging system is a variable capacity type. The low-pressure stage turbocharger is a fixed capacity type. In the engine according to the present embodiment, well-known engine control, turbo variable capacity control, EGR control, exhaust gas purification control, failure diagnosis, and the like are performed by the ECU, and each stage for use in such control is performed. The state quantity of the turbocharger is estimated. In this embodiment, these well-known controls in the ECU are not described, and only the turbocharger state quantity estimation process is described in detail.
図1を参照して、本実施の形態に係るエンジン1について説明する。図1は、本実施の形態に係るエンジンの概略構成図である。
An
エンジン1(特に、ECU17における状態量推定)は、各段のターボチャージャのコンプレッサ側及びタービン側の各部の状態量(温度、圧力、回転数)を推定するために、エンジンに一般的に搭載される各センサに対してコンプレッサ間の中間圧力(以下、「中間ブースト圧P2L」と記載)を検出するセンサだけを追加する。特に、ECU17における状態量推定では、中間ブースト圧P2Lを用いて低圧段コンプレッサの各部の状態量を推定し、さらに、高圧段コンプレッサの各部の状態量を推定し、高圧段コンプレッサの回転数を用いて高圧段タービンの各部の状態量を推定し、さらに、低圧段コンプレッサの回転数を用いて低圧段タービンの各部の状態量を推定する。
The engine 1 (especially the state quantity estimation in the ECU 17) is generally mounted in the engine in order to estimate the state quantities (temperature, pressure, rotation speed) of the compressor side and turbine side parts of the turbochargers of each stage. Only a sensor for detecting an intermediate pressure between the compressors (hereinafter referred to as “intermediate boost pressure P2L”) is added to each sensor. In particular, in the state quantity estimation in the
エンジン1は、エンジン本体1aに直列に6つのシリンダ(気筒)2a〜2fを配した直列式6気筒のディーゼルエンジンである。各シリンダ2a〜2fには、インジェクタ(図示せず)がそれぞれ設けられている。各インジェクタでは、各シリンダ2a〜2f内に燃料(軽油)を噴射する。エンジン本体1aでは、シリンダ2a〜2f毎に、シリンダ内のガス(大気中からの空気+排気ガス再循環のEGRガス)がピストン(図示せず)によって断熱圧縮された状態で、燃料が噴射されることによって燃焼が行われる。
The
エンジン本体1a(シリンダ2a〜2f)には、インテークマニホールド3が接続されている。インテークマニホールド3では、吸い込んだガス(空気+EGRガス)を各シリンダ2a〜2fに分配して供給する。インテークマニホールド3には、インマニ温度センサ3aが設けられている。インマニ温度センサ3aでは、インテークマニホールド3内のガスの温度(以下、「インマニ温度」と記載)を検出し、その検出値をECU17に出力する。
An
また、エンジン本体1a(シリンダ2a〜2f)には、エキゾーストマニホールド4が接続されている。エキゾーストマニホールド4では、各シリンダ2a〜2fから排気された排気ガスを合流させて高圧段ターボチャージャ6のタービン6bやEGRシステム16のEGR通路16aに導く。エキゾーストマニホールド4には、エキマニ圧力センサ4a及びエキマニ温度センサ4bが設けられている。エキマニ圧力センサ4aでは、エキゾーストマニホールド4内の排気ガスの圧力(以下、「エキマニ圧力P3H」と記載)を検出し、その検出値をECU17に出力する。エキマニ温度センサ4bでは、エキゾーストマニホールド4内の排気ガスの温度(以下、「エキマニ温度T3H」と記載)を検出し、その検出値をECU17に出力する。なお、これらのエキマニ圧力センサ4a、エキマニ温度センサ4bを設けない構成でも、状態量推定は可能である。
An
エンジン1は、2段過給システム(低圧段ターボチャージャ5及び高圧段ターボチャージャ6)を装備している。低圧段ターボチャージャ5は、低圧段コンプレッサ5aと低圧段タービン5bを備えており、低圧段コンプレッサ5aと低圧段タービン5bとが同軸で回転する。低圧段ターボチャージャ5では、高圧段タービン6bから排出された排気ガスの圧力で低圧段タービン5bが回転し、低圧段タービン5bと同軸で回転する低圧段コンプレッサ5aで空気を圧縮して過給する。
The
高圧段ターボチャージャ6は、高圧段コンプレッサ6aと高圧段タービン6bを備えており、高圧段コンプレッサ6aと高圧段タービン6bとが同軸で回転する。高圧段コンプレッサ6aは吸気側で低圧段コンプレッサ5aより下流に配置され、高圧段タービン6bは排気側で低圧段タービン5bより上流に配置される。高圧段ターボチャージャ6では、エキゾーストマニホールド4から導かれた排気ガスの圧力で高圧段タービン6bが回転し、高圧段タービン6bと同軸で回転する高圧段コンプレッサ6aで空気を圧縮して過給する。高圧段タービン6bには、ノズルベーン6cが設けられ、ノズルベーン6cの開度によって高圧段タービン6bに導入される排気ガス流量が制御される。高圧段ターボチャージャ6は、低圧段ターボチャージャ5と比べて容量の小さいものが用いられる。これは、高圧段ターボチャージャ6において排気エネルギが一度回収され、膨張した排気ガスを低圧段ターボチャージャ5で扱うためである。
The high-
吸気側では、大気中から空気がエアクリーナ7を介して吸い込まれ、低圧段コンプレッサ5aで圧縮される。エアクリーナ7と低圧段コンプレッサ5aとの間の吸気通路8aには、吸気温度兼吸気量センサ9が設けられている。吸気温度兼吸気量センサ9は、大気中から吸い込まれる空気の温度(以下、「吸気温度T1L」と記載)及び空気の量(以下、「吸気量Ga」と記載)を検出し、その各検出値をECU17に出力する。低圧段コンプレッサ5aで圧縮された空気は、インタクーラ10で冷却される。インタクーラ10は、エンジン本体1aとは別回路の低温冷却水を冷媒としており、冷媒温度センサ10aが設けられている。冷媒温度センサ10aは、インタクーラ10の冷媒の温度(以下、「冷媒温度Tic」と記載)を検出し、その検出値をECU17に出力する。低圧段コンプレッサ5aとインタクーラ10との間の吸気通路8bには、中間ブースト圧センサ11が設けられている。中間ブースト圧センサ11は、低圧段コンプレッサ5aと高圧段コンプレッサ6aとの間の中間圧力(以下、「中間ブースト圧P2L」と記載)を検出し、その検出値をECU17に出力する。インタクーラ10で冷却された圧縮空気は、高圧段コンプレッサ6aで更に圧縮される。高圧段コンプレッサ6aで圧縮された空気は、アフタクーラ12で冷却され、インテークマニホールド3に吸気される。アフタクーラ12とインテークマニホールド3との間の吸気通路8cには、ブースト圧センサ13が設けられている。ブースト圧センサ13は、2段のターボチャージャ5,6による過給後のインテークマニホールド3での圧力(以下、「ブースト圧Pim」と記載)を検出し、その検出値をECU17に出力する。なお、本実施の形態では、中間ブースト圧センサ11が特許請求の範囲に記載する中間圧力検出手段に相当する。
On the intake side, air is sucked from the atmosphere through the
排気側では、エキゾーストマニホールド4から排気ガスがノズルベーン6cで流量調整されて高圧段タービン6bに導入され、その排気ガスで高圧段タービン6bが回転する。高圧段タービン6bから出た排気ガスは、低圧段タービン5bに導入され、その排気ガスで低圧段タービン5bが回転する。低圧段タービン5bから出た排気ガスは、排気通路14を通って排気システム(図示せず)に導かれ、排気システムで浄化されて、マフラ15から車外に排気される。
On the exhaust side, the exhaust gas from the
また、エンジン1は、EGRシステム16を装備している。EGRシステム16は、EGR通路16aを備えている。EGR通路16aは、エキゾーストマニホールド4と吸気通路8cとを接続する通路であり、エキゾーストマニホールド4からの排気ガスを吸気側にEGRガスとして再循環させる。EGR通路16aには、EGRクーラ16bが設けられ、EGRクーラ16bで再循環させる排気ガスが冷却される。また、EGR通路16aには、EGRバルブ16cが設けられ、EGRバルブ16cによって再循環するEGRガス量が制御される。
The
ECU17は、CPU[CentralProcessing Unit]、ROM[ReadOnly Memory]、RAM[Random Access Memory]等からなる電子制御ユニットであり、エンジン1を統括制御する。ECU17では、ROMに記憶されている各種プログラムをRAMにロードしてCPUで実行することによって、エンジン本体制御(例えば、インジェクタの燃料噴射制御)、ターボの可変容量制御(例えば、ノズルベーン6cの開度制御)、EGR制御(例えば、EGRバルブ16cの開度制御)、排気ガス浄化制御、故障診断等の周知の処理を行うとともに状態量推定処理を行う。本実施の形態では、ECU17で行う処理については、この状態量推定処理についてのみ詳細に説明する。なお、本実施の形態では、ECU17における処理が特許請求の範囲に記載する推定手段に相当する。
The
ECU17では、一定時間毎に、インマニ温度センサ3a、エキマニ圧力センサ4a、エキマニ温度センサ4b、吸気温度兼吸気量センサ9、冷媒温度センサ10a、中間ブースト圧センサ11、ブースト圧センサ13から、インマニ温度、エキマニ圧力P3H、エキマニ温度T3H、吸気温度T1L、吸気量Ga、冷媒温度Tic、中間ブースト圧P2L、ブースト圧Pimをそれぞれ取得する。ECU17内には、大気圧センサ17aが設けられている。大気圧センサ17aは、大気圧P0を検出する。ECU17では、一定時間毎に、大気圧センサ17aから大気圧P0を取得する。
In the
ECU17のROM内には、修正回転数Ncor=Map(Gcor,πc)、コンプレッサ効率ηc=Map(Gcor,Ncor)やタービン効率ηt=Map(Gcor,Ncor)、タービン膨張比πt=Map(Gcor,Ncor)等の各マップMapが保持されている。これらの各マップは、一般的に知られている周知のターボマップである。πcは、圧力比である。Gcorは、修正ガス流量である。GcorやNcorは、「修正」となっているが、入口温度や入口圧力によって標準化されたガス流量や回転数である。また、ECU17のROM内には、エアクリーナ7等を含む低圧段コンプレッサ5aの上流側での損失ΔPaf=f(Ga)、インタクーラ等10を含む低圧段コンプレッサ5aと高圧段コンプレッサ6aとの間での損失ΔPic=f(Ga)、アフタクーラ12等を含む高圧段コンプレッサ6aの下流側での損失ΔPac=f(Ga)、インタクーラ冷却効率ηic=f(Ga)等の各関数fが保持されている。これらの各関数は、一般的に知られている周知の関数である。なお、上記各マップについては関数化してもよいし、上記各関数についてはマップ化してもよい。
In the ROM of the
これらの各マップMapや各関数fは、ターボチャージャ単体でのデータではなく、エンジン実機にて使用領域の定常データを取得し、その定常データを用いてマップ化や関数化したものである。例えば、コンプレッサ効率ηcについてはコンプレッサの入力温度T1、出口温度T2、圧力比πcを用いて式(1)によって求めることができるので、各吸気ガス流量や各コンプレッサ回転数での定常データを用いて式(1)によってコンプレッサ効率ηcをそれぞれ算出して、マップ化する。式(1)におけるκは、比熱比であり、κ=定圧比熱Cp/定容比熱Cvである。また、タービン効率ηtについてはタービンの入力温度T3、出口温度T4、膨張比πtを用いて式(2)によって求めることができるので、各排気ガス流量や各タービン回転数での定常データを用いて式(2)によってタービン効率ηtをそれぞれ算出して、マップ化する。また、冷却器(インタクーラ等)の一般的な効率ηcoolについては冷却器の入力温度Tin、出口温度Tout、冷媒温度Tcoolを用いて式(3)によって求めることができるので、各吸気ガス量での定常データを用いて式(3)によって冷却効率ηcoolをそれぞれ算出して、関数化する。なお、可変容量型のターボチャージャ(タービン)の場合、ベーン開度毎に固有のマップとなるため、所定間隔のベーン開度毎にマップを用意しておく。
ECU17における状態量推定処理について詳細に説明する。ECU17では、吸気温度兼吸気量センサ9、ブースト圧センサ13、大気圧センサ17aに加えて中間ブースト圧センサ11の各検出値を用いて、低圧段コンプレッサ5aの各部の状態量、高圧段コンプレッサ6aの各部の状態量を順に推定する。さらに、ECU17では、高圧段コンプレッサ6aのコンプレッサ回転数を用いて高圧段タービン6bの各部の状態量を推定し、低圧段コンプレッサ5aのコンプレッサ回転数を用いて低圧段タービン5bの各部の状態量を順に推定する。
The state quantity estimation process in the
低圧段コンプレッサ5aの各部の状態量の推定について説明する。一定時間毎に、ECU17では、吸気量Gaを用いて、関数f1による式(4)によりエアクリーナ7を含む低圧段コンプレッサ5aの上流側での損失ΔPafを算出する。次に、ECU17では、その損失ΔPafと大気圧P0を用いて、式(5)により低圧段コンプレッサ5aの入口圧力P1Lを算出する。次に、ECU17では、その入口圧力P1Lと中間ブースト圧P2Lを用いて、式(6)により低圧段コンプレッサ5aの圧力比πcLを算出する。次に、ECU17では、その圧力比πcLと修正流量GcorLを用いて、式(7)に示すMap1により低圧段コンプレッサ5aの修正回転数NcorLを検索する。修正流量GcorLは、吸気量Gaが低圧段コンプレッサ5aの入口温度(吸気温度T1L)と入口圧力P1Lにより標準化された値である。次に、ECU17では、その修正回転数NcorLと修正流量GcorLを用いて、式(8)に示すMap2により低圧段コンプレッサ5aの効率ηcLを検索する。最後に、ECU17では、その効率ηcL、圧力比πcLと入口温度(吸気温度T1L)を用いて、式(9)により低圧段コンプレッサ5aの出口温度T2Lを算出する。
高圧段コンプレッサ6aの各部の状態量の推定について説明する。一定時間毎に、ECU17では、吸気量Gaを用いて、関数f2による式(10)によりインタクーラ10を含む低圧段コンプレッサ5aと高圧段コンプレッサ6aとの間での損失ΔPicを算出する。次に、ECU17では、その損失ΔPicと中間ブースト圧P2Lを用いて、式(11)により高圧段コンプレッサ6aの入口圧力P1Hを算出する。次に、ECU17では、吸気量Gaを用いて、関数f3による式(12)によりインタクーラ10の冷却効率ηicを算出する。次に、ECU17では、その冷却効率ηic、冷媒温度Ticと低圧段コンプレッサ5aの出口温度T2Lを用いて、式(13)により高圧段コンプレッサ6aの入口温度T1Hを算出する。
次に、ECU17では、吸気量Gaを用いて、関数f4による式(14)によりアフタクーラ12を含む高圧段コンプレッサ6aの下流側での損失ΔPacを算出する。次に、ECU17では、その損失ΔPacとブースト圧Pimを用いて、式(15)により高圧段コンプレッサ6aの出口圧力P2Hを算出する。次に、ECU17では、その出口圧力P2Hと入口圧力P1Hを用いて、式(16)により高圧段コンプレッサ6aの圧力比πcHを算出する。次に、ECU17では、その圧力比πcHと修正流量GcorHを用いて、式(17)に示すMap3により高圧段コンプレッサ6aの修正回転数NcorHを検索する。修正流量GcorHは、吸気量Gaが高圧段コンプレッサ6aの入口温度T1Hと入口圧力P1Hにより標準化された値である。次に、ECU17では、その修正回転数NcorHと修正流量GcorHを用いて、式(18)に示すMap4により高圧段コンプレッサ6aの効率ηcHを検索する。最後に、ECU17では、その効率ηcH、圧力比πcHと入口温度T1Hを用いて、式(19)により高圧段コンプレッサ6aの出口温度T2Hを算出する。
高圧段タービン6bの各部の状態量の推定について説明する。一定時間毎に、ECU17では、高圧段コンプレッサ6a側から引き渡された修正回転数NcorHと修正流量GcorHを用いて、式(20)に示すMap5により高圧段タービン6bの膨張比πtHを検索する。この修正流量GcorHは、排気ガス流量(吸気量Ga+燃料流量)が高圧段タービン6bの入口温度(エキマニ温度T3H)と入口圧力(エキマニ圧力P3H)により標準化された値である。燃料流量は、ECU17から各インジェクタに指示する燃料噴射量と実際の燃料噴射量とが十分に一致するように調整しておくことにより、ECU17からの燃料噴射量の指示量から得ることができる。次に、ECU17では、その膨張比πtHと入口圧力(エキマニ圧力P3H)を用いて、式(21)により高圧段タービン6bの出口圧力P4Hを算出する。次に、ECU17では、高圧段コンプレッサ6a側から引き渡された修正回転数NcorHと修正流量GcorHを用いて、式(22)に示すMap6により高圧段タービン6bの効率ηtHを検索する。最後に、ECU17では、その効率ηtH、膨張比πtHと入口温度T3Hを用いて、式(23)により高圧段タービン6bの出口温度T4Hを算出する。なお、可変容量型のターボチャージャ(タービン)の場合、上記したようにベーン開度毎にマップが固有となるので、上記の式によって各ベーン開度について各値を算出し、現在のベーン開度にて補間した値を現在の状態量として採用する。
なお、入口圧力P3Hについては、エキマニ圧力センサ4aで検出する構成としているが、インマニ圧力(ブースト圧Pim)やベーン開度等を用いた推定によって得てもよい。また、入口温度T3Hについては、エキマニ温度センサ4bで検出する構成としているが、センサが折損した場合のタービンへのダメージ等を考慮し、推定によって得てもよい。これらの推定によって入口圧力P3Hや入口温度T3Hを得た場合、エキゾーストマニホールド4におけるセンサが不要である。
The inlet pressure P3H is detected by the exhaust
低圧段タービン5bの各部の状態量の推定について説明する。一定時間毎に、ECU17では、式(24)に示すように、高圧段タービン6bの出口圧力P4Hを低圧段タービン5bの入口圧力P3Lとする。次に、ECU17では、式(25)に示すように、高圧段タービン6bの出口温度T4Hを低圧段タービン5bの入口温度T3Lとする。次に、ECU17では、低圧段コンプレッサ5a側から引き渡された修正回転数NcorLと修正流量GcorLを用いて、式(26)に示すMap7により低圧段タービン5bの膨張比πtLを検索する。この修正流量GcorLは、排気ガス流量(吸気量Ga+燃料流量)が低圧段タービン5bの入口温度T3Lと入口圧力P3Lにより標準化された値である。次に、ECU17では、その膨張比πtLと入口圧力P3Lを用いて、式(27)により低圧段タービン5bの出口圧力P4Lを算出する。次に、ECU17では、低圧段コンプレッサ5a側から引き渡された修正回転数NcorLと修正流量GcorLを用いて、式(28)に示すMap8により低圧段タービン5bの効率ηtLを検索する。最後に、ECU17では、その効率ηtL、膨張比πtLと入口温度T3Lを用いて、式(29)により低圧段タービン5bの出口温度T4Lを算出する。
そして、ECU17では、この推定した低圧段コンプレッサ5aの各状態量(入口圧力P1L、出口温度T2L、修正回転数NcorL等)、高圧段コンプレッサ6aの各状態量(入口圧力P1H、入口温度T1H、出口圧力P2H、出口温度T2H、修正回転数NcorH等)、高圧段タービン6bの各状態量(出口圧力P4H、出口温度T4H等)、低圧段タービン5bの各状態量(入口圧力P3L、入口温度T3L、出口圧力P4L、出口温度T4L)を、エンジン本体制御、ターボの可変容量制御、EGR制御、排気ガス浄化制御、故障診断等で用いる。この際、定常運転状態や過渡運転状態において、各段のコンプレッサ5a,6a及びタービン5b,6bの各状態量が得られるので、これらの各状態量から各段のターボチャージャ5,6の作動状態を把握でき、各作動状態に基づいて2段過給システムのトータルとして効率の良いところでターボチャージャ5,6を使用できる。なお、算出される各状態量は瞬時値であるので、必要に応じて、状態量毎に、時系列の瞬時値を用いて一次遅れ補正等を行い、なまし値を算出し、なまし値を用いてもよい。
Then, the
このエンジン1(特に、中間ブースト圧センサ11を用いたECU17における状態量推定処理)によれば、エンジンに設けられる一般的なセンサ(吸気温度兼吸気量センサ9、ブースト圧センサ13等)に加えてコンプレッサ5a,6a間の中間圧力を検出する中間ブースト圧センサ11だけを追加するだけで、2段過給システムの各段のターボチャージャ5,6のコンプレッサ側及びタービン側の各部の状態量を高精度に推定できる。このように、各段のターボチャージャ5,6のコンプレッサ側及びタービン側の各部の状態量が得られるので、定常運転状態だけでなく過渡運転状態でも、2段過給システムのトータルとして効率の良いところでターボチャージャ5,6を使用できる。さらに、これらの各状態量をエンジン制御(ターボ制御、EGR制御を含む)、排気ガス浄化制御、故障検知等にも利用でき、定常運転状態だけでなく過渡運転状態における制御精度を向上できる。
According to the engine 1 (particularly, the state quantity estimation processing in the
また、このエンジン1によれば、ターボチャージャ5,6のコンプレッサ側(吸気側)に中間圧力を検出する中間ブースト圧センサ11を設けたので、排気側に比べた環境が良く、安全性が高い。
Further, according to the
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。 As mentioned above, although embodiment which concerns on this invention was described, this invention is implemented in various forms, without being limited to the said embodiment.
例えば、本実施の形態ではエンジンのECUの一つの機能として状態量推定装置を組み込む形態としたが、他のECUに組み込む形態、状態量推定装置単体として構成する形態など、状態量推定装置を他の形態で構成してもよい。 For example, in the present embodiment, the state quantity estimation device is incorporated as one function of the engine ECU. However, the state quantity estimation device may be incorporated in other ECUs or configured as a state quantity estimation device alone. You may comprise in the form of.
また、本実施の形態では内燃機関としてはディーゼルエンジンであり、可変容量型のターボチャージャと固定容量型のターボチャージャ及びEGRシステムを装備するものに適用したが、ガソリンエンジン等の他の内燃機関でも適用可能であり、EGRシステムを装備しないものでも適用可能であり、ターボチャージャについては固定容量型/可変容量型に関係なく適用可能であり、EGRシステムについてはLPLのEGRシステムにも適用可能である。また、中間冷却器(インタークーラ)を装備しないものでも適用可能であり、中間冷却器の冷却方法についても空冷等の他の冷却方法でもよい。 In the present embodiment, the internal combustion engine is a diesel engine, which is applied to a variable displacement turbocharger, a fixed displacement turbocharger, and an EGR system. However, other internal combustion engines such as a gasoline engine are also used. Applicable, even without an EGR system, applicable to turbochargers regardless of fixed capacity type / variable capacity type, and EGR systems applicable to EPL systems of LPL . Further, it is also possible to use a device without an intermediate cooler (intercooler), and the cooling method of the intermediate cooler may be another cooling method such as air cooling.
また、本実施の形態では2段過給システムに適用したが、3段過給システム等の他の多段過給システムにも適用できる。例えば、3段過給システムの場合、1段目のターボチャージャと2段目のターボチャージャとのコンプレッサ間(又はタービン間)及び2段目のターボチャージャと3段目のターボチャージャとのコンプレッサ間(又はタービン間)にそれぞれ中間ブースト圧センサを設けて、その組み合わせ毎に中間ブースト圧を用いてコンプレッサ(又はタービン)側の各部の状態量を求め、コンプレッサ回転数(又はタービン回転数)を用いてタービン(又はコンプレッサ)側の各部の状態量を求める。 Moreover, although applied to the two-stage supercharging system in the present embodiment, the present invention can also be applied to other multistage supercharging systems such as a three-stage supercharging system. For example, in the case of a three-stage turbocharging system, between the compressors (or between the turbines) of the first-stage turbocharger and the second-stage turbocharger, and between the compressors of the second-stage turbocharger and the third-stage turbocharger Provide an intermediate boost pressure sensor (or between turbines) to obtain the state quantity of each part on the compressor (or turbine) side using the intermediate boost pressure for each combination, and use the compressor speed (or turbine speed) The state quantity of each part on the turbine (or compressor) side is obtained.
また、本実施の形態では中間冷却器(インタクーラ)をエンジン本体とは別回路の低温冷却水を冷媒とする冷却器としたので、冷媒温度センサ(水温センサ)を設ける構成としたが、エンジン本体と同回路の冷却水を冷媒とする冷却器の場合、空冷式の冷却器の場合等の他の構成の場合には冷媒温度センサは必要ない。 In the present embodiment, since the intercooler (intercooler) is a cooler that uses low-temperature cooling water in a separate circuit from the engine main body as a refrigerant, a refrigerant temperature sensor (water temperature sensor) is provided. In the case of the cooler using the coolant in the same circuit as the refrigerant, the refrigerant temperature sensor is not necessary in the case of other configurations such as an air-cooled cooler.
また、本実施の形態では中間ブースト圧センサ(中間圧力検出手段)をインタクーラと低圧段コンプレッサとの間に設けたが、中間ブースト圧センサは低圧段コンプレッサと高圧段コンプレッサとの間に設ければよいので、インタクーラと高圧段コンプレッサとの間に設けてもよい。 In this embodiment, the intermediate boost pressure sensor (intermediate pressure detection means) is provided between the intercooler and the low-pressure compressor, but the intermediate boost pressure sensor may be provided between the low-pressure compressor and the high-pressure compressor. Therefore, it may be provided between the intercooler and the high-pressure stage compressor.
また、本実施の形態ではコンプレッサ間に中間圧力センサを設け、コンプレッサ間の中間圧力を検出し、その中間圧力を用いて高圧段コンプレッサの状態量及び低圧段コンプレッサの状態量を推定し、推定した高圧段コンプレッサ回転数を用いて高圧段タービンの状態量を推定するとともに低圧段コンプレッサ回転数を用いて低圧段タービンの状態量を推定する構成としたが、タービン間に中間圧力センサを設け、タービン間の中間圧力を検出し、その中間圧力を用いて高圧段タービンの状態量及び低圧段タービンの状態量を推定し、推定した高圧段タービン回転数を用いて高圧段コンプレッサ状態量を推定するとともに低圧段タービン回転数を用いて低圧段コンプレッサの状態量を推定する構成としてもよい。 Further, in the present embodiment, an intermediate pressure sensor is provided between the compressors, the intermediate pressure between the compressors is detected, and the state quantity of the high-pressure stage compressor and the state quantity of the low-pressure stage compressor are estimated using the intermediate pressure. The state quantity of the high-pressure stage turbine is estimated using the high-pressure stage compressor rotational speed and the state quantity of the low-pressure stage turbine is estimated using the low-pressure stage compressor rotational speed. The intermediate pressure is detected, the state quantity of the high-pressure turbine and the state quantity of the low-pressure turbine are estimated using the intermediate pressure, and the high-pressure stage compressor state quantity is estimated using the estimated high-pressure turbine speed. It is good also as a structure which estimates the state quantity of a low pressure stage compressor using a low pressure stage turbine rotation speed.
また、本実施の形態ではコンプレッサ側の状態量としてコンプレッサ回転数を用いてタービン側の状態量を推定する構成としたが、コンプレッサ側の他の状態量を用いてタービン側の状態量を推定する構成としてもよい。 In the present embodiment, the turbine-side state quantity is estimated using the compressor rotation speed as the compressor-side state quantity. However, the turbine-side state quantity is estimated using another compressor-side state quantity. It is good also as a structure.
1…エンジン、1a…エンジン本体、2a,2b,2c,2d,2e,2f…シリンダ、3…インテークマニホールド、3a…インマニ温度センサ、4…エキゾーストマニホールド、4a…エキマニ圧力センサ、4b…エキマニ温度センサ、5…低圧段ターボチャージャ、5a…低圧段コンプレッサ、5b…低圧段タービン、6…高圧段ターボチャージャ、6a…高圧段コンプレッサ、6b…高圧段タービン、6c…ノズルベーン、7…エアクリーナ、8a,8b,8c…吸気通路、9…吸気温度兼吸気量センサ、10…インタクーラ、10a…冷媒温度センサ、11…中間ブースト圧センサ、12…アフタクーラ、13…ブースト圧センサ、14…排気通路、15…マフラ、16…EGRシステム、16a…EGR通路、16b…EGRクーラ、16c…EGRバルブ、17…ECU、17a…大気圧センサ。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記高圧段ターボチャージャのコンプレッサと前記低圧段ターボチャージャのコンプレッサとの間の圧力又は前記高圧段ターボチャージャのタービンと前記低圧段ターボチャージャのタービンとの間の圧力を検出する中間圧力検出手段と、
前記中間圧力検出手段がコンプレッサ間の中間圧力を検出する検出手段の場合には前記中間圧力検出手段で検出したコンプレッサ間の中間圧力に基づいてコンプレッサ側の状態量を推定し、前記推定したコンプレッサ側の状態量を用いてタービン側の状態量を推定し、前記中間圧力検出手段がタービン間の中間圧力を検出する検出手段の場合には前記中間圧力検出手段で検出したタービン間の中間圧力に基づいてタービン側の状態量を推定し、前記推定したタービン側の状態量を用いてコンプレッサ側の状態量を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の状態量推定装置。 In an internal combustion engine equipped with a multi-stage turbocharging system including a high-pressure stage turbocharger and a low-pressure stage turbocharger, a state quantity estimation device that estimates a state quantity for each turbocharger,
Intermediate pressure detecting means for detecting the pressure between the compressor of the high-pressure stage turbocharger and the compressor of the low-pressure stage turbocharger or the pressure between the turbine of the high-pressure stage turbocharger and the turbine of the low-pressure stage turbocharger;
When the intermediate pressure detecting means is a detecting means for detecting an intermediate pressure between the compressors, a state quantity on the compressor side is estimated based on the intermediate pressure between the compressors detected by the intermediate pressure detecting means, and the estimated compressor side In the case where the intermediate pressure detection means is a detection means for detecting the intermediate pressure between the turbines, it is based on the intermediate pressure between the turbines detected by the intermediate pressure detection means. Estimating the state quantity on the turbine side, and estimating means for estimating the state quantity on the compressor side using the estimated state quantity on the turbine side,
A state quantity estimating device for an internal combustion engine, comprising:
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