JP2010216305A - 内燃機関の過給圧制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気流量可変機構の全開度にわたり、物ばらつきや劣化による影響を修正することができ、また、エンジンの運転中であっても上述のような修正を行うことができる過給圧制御装置を提供すること。
【解決手段】過給圧制御装置は、実過給圧Ｐ２が目標過給圧Ｐ２ＣＭＤに一致するように、実前後排気圧力比ＰＲに対する目標値ＰＲＣＭＤを算出する排気圧制御器４２１と、実前後排気圧力比ＰＲ及び修正流量Ｇと、可変ベーンの開度とを関連付けるタービンモデルに基づいて、目標前後排気圧力比ＰＲＣＭＤに応じた可変ベーン開度ＶＯを算出するベーン開度決定部４２２と、上記タービンモデルに基づいて、実前後排気圧力比ＰＲに応じた推定ベーン開度ＶＯＨＡＴを算出し、この推定ベーン開度ＶＯＨＡＴとベーン開度ＶＯとが一致するように、ベーン開度決定部４２２のタービンモデルを修正する修正パラメータａ，ｂを算出する修正パラメータ算出部４２６とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボチャージャを備える内燃機関の過給圧制御装置に関する。

従来、内燃機関に吸入される空気を加圧するコンプレッサホイールと、このコンプレッサホイールに連結され、排気が吹き付けられることで回転駆動するタービンホイールと、このタービンホイールに吹き付けられる排気の流量を変更する可変ベーンとを備える可変容量型のターボチャージャが知られている。このようなターボチャージャでは、可変ベーンの開度を制御することで、過給圧を適切な圧力にすることができる。

可変ベーンは、アクチュエータによって開閉駆動され、またこのアクチュエータは、コントローラにより所定のプログラムに基づいて制御される。しかしながら、ターボチャージャや可変ベーンのアクチュエータに物ばらつきがあった場合や劣化が発生した場合には、コントローラの可変ベーンに対する指示開度と、実際の可変ベーンの開度との間にずれが生じてしまい、過給圧の制御精度が低下するおそれがある。そこで、特許文献１には、このような物ばらつきや劣化による影響を修正する技術が示されている。

より具体的には、特許文献１には、エンジンの始動時に可変ベーンの基準開度を設定する制御装置が示されている。この制御装置では、エンジンを始動する度に、可変ベーンの全閉時の開度を学習し、この全閉時の開度に基づいて基準開度を設定する。これにより、ターボチャージャや可変ベーンの物ばらつきや劣化によらず、安定して基準開度を設定することができる。

特許第３９９５９４４号公報

しかしながら、特許文献１に示された制御装置では、物ばらつきや劣化による影響が修正されるのは可変ベーンの閉じ側のみである。すなわちこの制御装置では、可変ベーンの全開度にわたって物ばらつきや劣化による影響を適切に修正することはできない。また、このような修正が行われるのは、エンジンの始動時のみである。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、排気流量可変機構の全開度にわたり、物ばらつきや劣化による影響を修正することができ、また、エンジンの運転中であっても上述のような修正を行うことができる過給圧制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）に吸入される空気を加圧するコンプレッサホイール（８２）と、当該コンプレッサホイールと連結され、前記内燃機関から排出された排気ガスが吹き付けられることで回転駆動するタービンホイール（８１）と、を有するターボチャージャ（８）と、開閉動作により前記タービンホイールに吹き付けられる排気の流量を変化させる排気流量可変機構（８４，８５）と、を備え、実過給圧（Ｐ２）が所定の目標過給圧（Ｐ２ＣＭＤ）に一致するように、前記排気流量可変機構の開度を決定する内燃機関の過給圧制御装置であって、実過給圧（Ｐ２）が目標過給圧（Ｐ２ＣＭＤ）に一致するように、所定の制御量（ＰＲ，Ｐ３）に対する目標値（ＰＲＣＭＤ，Ｐ３ＣＭＤ）を算出する目標値算出手段（４１，４２１）と、前記制御量及び所定の物理量（Ｔ３，Ｐ３，Ｇ）と、前記排気流量可変機構の開度とを関連付けるモデルに基づいて、前記制御量の目標値（ＰＲＣＭＤ，Ｐ３ＣＭＤ）に応じた前記排気流量可変機構の開度指示値（ＶＯ，ＷＯ）を算出する開度指示値算出手段（４２２）と、前記モデルに基づいて、前記制御量の実測値（ＰＲ，Ｐ３）に応じた前記排気流量可変機構の開度推定値（ＶＯＨＡＴ，ＷＯＨＡＴ）を算出し、当該開度推定値（ＶＯＨＡＴ，ＷＯＨＡＴ）と前記開度指示値（ＶＯ，ＷＯ）とが一致するように、前記開度指示値算出手段のモデルを修正する修正パラメータ（ａ，ｂ）を算出する修正パラメータ算出手段（４２６）と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の過給圧制御装置において、前記物理量は、前記タービンホイールの上流側の排気圧（Ｐ３）、前記タービンホイールの上流側の排気温度（Ｔ３）、及び前記タービンホイールを駆動する排気の質量流量（ＭＴ）を含むことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の過給圧制御装置において、前記修正パラメータ算出手段は、前記機関の運転状態（ＮＥ，ＴＲＱ）に応じて修正パラメータ（ａ，ｂ）を更新する速度を変更することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の過給圧制御装置において、前記修正パラメータ算出手段は、前記排気流量可変機構の開度（ＶＯ）に応じて修正パラメータ（ａ，ｂ）を更新する速度を変更することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の過給圧制御装置において、前記排気流量可変機構は、開閉動作により前記タービンホイールに流入する排気の入口面積を変更する可変ベーン（８４）を含み、前記モデルは、前記制御量及び所定の物理量と、前記可変ベーンの開度とを関連付けることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の過給圧制御装置において、前記排気流量可変機構は、前記タービンホイールの上流側と下流側とをバイパスするバイパス通路を開閉するウェストゲートバルブ（８５）を含み、前記モデルは、前記制御量及び所定の物理量と、前記ウェストゲートバルブの開度とを関連付けることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、目標値算出手段は、実過給圧が目標過給圧に一致するように、所定の制御量に対する目標値を算出する。また、開度指示値算出手段は、上述の制御量及び所定の物理量と排気流量可変機構の開度とを関連付けるモデルに基づいて、上述の目標値に応じた排気流量可変機構の開度指示値を算出する。排気流量可変機構の開度は、この開度指示値に応じて変更される。

ここで、修正パラメータ算出手段は、上述の開度指示値算出手段のモデルに基づいて上述の制御量の実測値に応じた排気流量可変機構の開度推定値を算出し、さらにこの開度推定値と上述の開度指示値とが一致するように、開度指示値算出手段のモデルを修正する修正パラメータを算出する。すなわち、ターボチャージャや排気流量可変機構の物ばらつきや劣化により、開度指示値と開度推定値との間に誤差が生じた場合には、この誤差が無くなるようにモデルを修正する修正パラメータが算出される。以上のようにして、制御量及び所定の物理量と排気流量可変機構の開度とを関連付けるモデルを修正することにより、排気流量可変機構の全開度にわたり、物ばらつきや劣化による影響を修正することができる。また、エンジンの運転中であってもこのような修正を行うことができる。

ところで従来では、過給圧のフィードバック制御を行う場合、ターボチャージャや排気流量可変機構の劣化を想定して、フィードバックゲインは低めに設定される。この構成によれば、ターボチャージャや排気流量可変機構の劣化に応じてモデルを修正するので、従来と比較してフィードバックゲインを高めに設定することができる。このため、制御性を向上することができる。

請求項２に記載の発明によれば、モデルは、タービンホイールの上流側の排気圧、タービンホイールの上流側の排気温度、及びタービンホイールを駆動する排気の質量流量といったエンジンの運転状況によって変化する物理量と、排気流量可変機構の開度とを関連付ける。このようなモデルを、上述のようにして修正することにより、あらゆる運転状況下であっても、排気流量可変機構の開度を的確に修正することができる。

請求項３に記載の発明によれば、修正パラメータ算出手段は、内燃機関の運転状態に応じて、モデルを修正する修正パラメータの更新速度を変更する。ところで、このモデルに基づいて排気流量可変機構の開度を決定する場合、モデルにおいて参照される物理量を検出するかあるいは推定する必要がある。しかしながら、内燃機関の運転状態によっては物理量の検出値や推定値に大きな誤差がある。このような運転状態では、モデルの修正が不安定になる場合がある。この発明によれば、例えば、物理量の検出値や推定値の誤差が大きい運転状態では、修正パラメータの更新速度を遅くしたり、逆に物理量の検出値や推定値の誤差が小さい運転状態では、修正パラメータの更新速度を速くしたりすることができる。これにより、安定したモデルの修正が可能となる。
また、上述のモデルは、所定の物理量と排気流量可変機構の開度とを関連付けるものであるが、運転状態によっては出現頻度の低い物理量と開度との組み合わせが存在する。この発明によれば、例えば、このような運転状態では、他の運転状態よりも更新速度を速くすることにより、モデルの修正精度を向上することができる。

請求項４に記載の発明によれば、修正パラメータ算出手段は、排気流量可変機構の開度に応じて、モデルを修正する修正パラメータの更新速度を変更する。ところで、排気流量可変機構の開度は、一般的には非線形な特性を有する。具体的には、開度の絞り側では開度変化量に対するタービン流量もしくは排気圧変化量が大きく、開度の開き側では開度変化量に対するタービン流量もしくは排気圧変化量が小さくなっている。このような非線形特性を有する排気流量可変機構の開度を決定するモデルに対し、上述のように開度に応じて修正パラメータの更新速度を変更することにより、モデルの修正精度を向上することができる。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関及びその過給圧制御装置の構成を示す図である。 上記実施形態に係る過給圧制御を実行するためのモジュールの構成を示すブロック図である。 上記実施形態に係るモデルの具体的な例を示す図である。 上記実施形態に係る指示ベーン開度と実ベーン開度との相関関係を示す図である。 上記実施形態に係る忘却係数をエンジンの運転状態に応じて決定するためのマップを示す図である。 上記実施形態に係る忘却係数をベーン開度に応じて決定するためのマップを示す図である。 上記実施形態に係る過給圧制御のシミュレーションの結果を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る過給圧制御を実行するためのモジュールの構成を示すブロック図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関及びその過給圧制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、シリンダ７の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、シリンダ７には図示しない燃料噴射弁が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）４０により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間及び閉弁時間は、ＥＣＵ４０により制御される。

エンジン１には、吸気が流通する吸気管２と、排気が流通する排気管４と、排気管４内の排気の一部を吸気管２に還流する排気還流通路６と、吸気管２に吸気を圧送するターボチャージャ８とが設けられている。

吸気管２は、吸気マニホールドの複数の分岐部を介してエンジン１の各シリンダ７の吸気ポートに接続されている。排気管４は、排気マニホールドの複数の分岐部を介してエンジン１の各シリンダ７の排気ポートに接続されている。排気還流通路６は、排気管４から分岐し吸気管２に至る。

ターボチャージャ８は、排気管４に設けられたタービンホイール８１と、吸気管２に設けられたコンプレッサホイール８２と、これらタービンホイール８１とコンプレッサホイール８２とを連結するタービンシャフト８３と、を備える。タービンホイール８１は、エンジン１から排出された排気が吹き付けられることで回転駆動する。コンプレッサホイール８２は、タービンホイール８１により回転駆動され、エンジン１の吸気を加圧し吸気管２内へ圧送する。

この他、ターボチャージャ８は、タービンホイール８１に吹き付けられる排気の流量を変化させる排気流量可変機構として、可変ベーン８４や、ウェストゲートバルブ８５を備える。可変ベーン８４は、その開閉動作によりタービンホイール８１に流入する排気の入口面積を変更し、これにより、タービンホイール８１に吹き付けられる排気の流量を変えるとともに、タービンホイール８１の回転速度を変えることができる。この可変ベーン８４は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その開度はＥＣＵ４０により制御される。

ウェストゲートバルブ８５は、排気管４のうちタービンホイール８１の上流側と下流側とをバイパスするバイパス通路８６に設けられ、このバイパス通路８６を開閉する。すなわち、このウェストゲートバルブ８５を開閉し、排気の一部を、タービンホイール８１を介さずに排出することにより、タービンホイール８１に吹き付けられる排気の流量を変えることができる。このウェストゲートバルブ８５は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その開度はＥＣＵ４０により制御される。

吸気管２のうち、ターボチャージャ８の下流側には、ターボチャージャ８により加圧された空気を冷却するインタークーラ５と、エンジン１の吸入空気量を制御するスロットル弁９とが設けられている。このスロットル弁９は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その開度はＥＣＵ４０により制御される。

排気管４のうち、ターボチャージャ８の下流側には、排気中に含まれる粒子状物質を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ１５が設けられている。

排気還流通路６は、排気管４と吸気管２の吸気マニホールドとを接続し、エンジン１から排出された排気の一部を還流する。排気還流通路６には、還流する排気の流量を制御するＥＧＲ弁１３が設けられている。ＥＧＲ弁１３は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その弁開度はＥＣＵ４０により制御される。

ＥＣＵ４０には、吸気管２のうちコンプレッサホイール８２の下流側の吸気圧すなわち過給圧Ｐ２を検出する過給圧センサ２１、排気管４のうちタービンホイール８１の上流側の排気圧（以下、「上流側排気圧」という）Ｐ３を検出する上流側排気圧センサ２２、排気管４のうちタービンホイール８１の下流側の排気圧（以下、「下流側排気圧」という）Ｐ４を検出する下流側排気圧センサ２３、排気管４のうちタービンホイール８１の上流側の排気温度（以下、「上流側排気温度」という）Ｔ３を検出する上流側排気温度センサ２４、エンジン１のクランク軸の回転角度を検出するクランク角度位置センサ２５、及びエンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量ＡＰを検出するアクセルペダルセンサ２６が接続されており、これらセンサの検出信号は、ＥＣＵ４０に供給される。また、エンジン１の回転数（以下、「エンジン回転数」という）ＮＥは、クランク角度位置センサ２５の出力に基づいて、ＥＣＵ４０により算出される。

ＥＣＵ４０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ４０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、ターボチャージャ８の可変ベーン８４及びウェストゲートバルブ８５、スロットル弁９、ＥＧＲ弁１３、並びにエンジン１の燃料噴射弁を駆動する各アクチュエータに制御信号を出力する出力回路とを備える。

次に、可変ベーン８４のベーン開度を制御する過給圧制御について、図２から図７を参照して説明する。
図２は、過給圧制御を実行するためのモジュールの構成を示すブロック図である。このモジュールの機能は、上述のようなハードウェア構成を備えるＥＣＵ４０により実現される。

図２に示すモジュールは、目標上流側排気圧算出部４１とベーン開度制御部４２との２つのフィードバックコントローラを含んで構成され、実過給圧Ｐ２が後述の目標過給圧Ｐ２ＣＭＤに一致するように、ベーン開度の指示値（以下、単に「ベーン開度」という）ＶＯを決定する。より具体的には、これら目標上流側排気圧算出部４１及びベーン開度制御部４２により、２つの制御出力（実過給圧Ｐ２と、実上流側排気圧Ｐ３又は実前後排気圧力比ＰＲ（＝Ｐ３／Ｐ４））に基づいて、所謂カスケード制御によりベーン開度ＶＯを決定する。

目標上流側排気圧算出部４１は、過給圧制御器４１２と、目標値リミッタ４１４と、目標値フィルタ４１６と、を含んで構成される。
過給圧制御器４１２は、実過給圧Ｐ２が後述の目標過給圧Ｐ２ＣＭＤに一致するように、上流側排気圧の目標値（以下、「目標上流側排気圧」という）Ｐ３ＣＭＤを算出する。具体的には、実過給圧Ｐ２と目標過給圧Ｐ２ＣＭＤとの偏差Ｅを下記式（１）で定義し、この偏差Ｅ（ｋ）が０に収束するように、後述のスライディングモード制御に基づいて制御入力Ｕ（コントローラの出力）を算出し、算出した制御入力Ｕを目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤに変換する。

ここで、記号（ｋ）は、離散化した時間を示す記号であり、所定の制御周期毎に検出又は算出されたデータであることを示す。すなわち、記号（ｋ）が今回の制御タイミングにおいて検出又は算出されたデータであるとした場合、記号（ｋ−１）は前回の制御タイミングにおいて検出又は算出されたデータであることを示す。なお、以下の説明においては、記号（ｋ）を適宜、省略する。

次に、下記式（２）〜（５）に示すスライディングモード制御のアルゴリズムについて説明する。スライディングモード制御とは、制御量の収束速度を指定できる所謂応答指令型制御を発展させたものであり、制御量の目標値に対する追従速度と、外乱が印加された場合の制御量の収束速度を個別に指定できる制御である。

上記式（２）に示すように、制御入力Ｕ（ｋ）は、上記式（３）に示す到達則入力Ｕ_ＲＣＨ（ｋ）と、上記式（４）に示す適応則入力Ｕ_ＡＤＰ（ｋ）との和により算出される。
到達則入力Ｕ_ＲＣＨ（ｋ）は、偏差Ｅ（ｋ）を後述の切換直線上に載せるための入力であり、上記式（５）に示す切換関数σ（ｋ）に所定の到達則制御ゲインＫ_ＲＣＨを乗算することで算出される。
適応則入力Ｕ_ＡＤＰ（ｋ）は、モデル化誤差や外乱の影響を抑制し、偏差Ｅ（ｋ）を後述の切換直線に載せるための入力であり、切換関数σ（ｋ）の積分値に所定の適応則制御ゲインＫ_ＡＤＰを乗算することで算出される。

切換関数σ（ｋ）は、上記式（５）に示すように、今回制御時の偏差Ｅ（ｋ）と、前回制御時の偏差Ｅ（ｋ−１）に所定の切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥを乗算したものとの和により算出される。

ここで、切換関数設定パラメータＶＰＯＬＥと、偏差Ｅ（ｋ）の収束速度との関係について説明する。
上記式（５）に示すように、横軸を前回制御時の偏差Ｅ（ｋ−１）とし、縦軸を今回制御時の偏差Ｅ（ｋ）と定義した位相平面内では、切換関数σ（ｋ）＝０を満たす偏差Ｅ（ｋ）及びＥ（ｋ−１）の組み合わせは、傾きが−ＶＰＯＬＥの直線となる。特にこの直線は、切換直線と呼ばれる。また、この切換直線上では、−ＶＰＯＬＥを１より小さく０より大きい値に設定することにより、Ｅ（ｋ−１）＞Ｅ（ｋ）となるので、偏差Ｅ（ｋ）は０に収束することとなる。スライディングモード制御は、この切換直線上における偏差Ｅ（ｋ）の振る舞いに着目した制御となっている。
すなわち、今回制御時の偏差Ｅ（ｋ）と前回制御時の偏差Ｅ（ｋ−１）との組み合わせが、この切換直線上に載るように制御を行うことで、外乱やモデル化誤差に対してロバストな制御を実現し、制御量をその目標値に対し過剰なオーバシュートすることなく収束させることができる。

目標過給圧Ｐ２ＣＭＤは、目標過給圧設定部４３により、エンジン１の運転状態に応じて適宜設定される。具体的には、目標過給圧Ｐ２ＣＭＤは、踏み込み量ＡＰに応じて算出される要求トルクＴＲＱに応じて基本燃料量ＴＩ（具体的には、燃料噴射弁の開弁時間）を算出し、この基本燃料量ＴＩ及びエンジン回転数ＮＥに応じて設定される。また、この目標過給圧Ｐ２ＣＭＤは、基本燃料量ＴＩが増加するほど、またエンジン回転数ＮＥが高くなるほど大きくなるように設定される。したがって、アクセルペダルが踏み込まれる加速時においては、目標過給圧Ｐ２ＣＭＤはステップ状に増加する。

目標値リミッタ４１４は、目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤに対し、所定のリミット値Ｐ３ＬＭＴを上限値とするリミット処理を施す。すなわち、算出された目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤが所定のリミット値Ｐ３ＬＭＴより大きい場合には、このリミット値Ｐ３ＬＭＴを目標上流側排気圧とする。

目標値フィルタ４１６は、リミット処理が施された目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤに対し、以下に示すフィルタ処理を施すことにより、実際に成しうる目標上流側排気圧を算出する。具体的には、下記式（６）に示す一次遅れフィルタアルゴリズムにより、目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤのフィルタ値Ｐ３ＣＭＤＦを算出する。なお、下記式（６）において、Ｒは目標値フィルタ係数であり、−１から０の間に設定される。また以下では、特に混同のおそれが無い限り、目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤのフィルタ値Ｐ３ＣＭＤＦを、単に目標上流側排気圧という。

ベーン開度制御部４２は、排気圧制御器４２１と、ベーン開度決定部４２２と、修正パラメータ算出部４２６と、を含んで構成され、実上流側排気圧Ｐ３が目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤに一致するように、ベーン開度ＶＯを決定する。

排気圧制御器４２１は、上述の実上流側排気圧Ｐ３が目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤＦに一致するように、すなわち、実過給圧Ｐ２が目標過給圧Ｐ２ＣＭＤに一致するように、実前後排気圧力比ＰＲの目標値（以下、「目標前後排気圧力比」という）ＰＲＣＭＤを算出する。

具体的には、排気圧制御器４２１では、実上流側排気圧Ｐ３と目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤＦとの偏差Ｅ（ｋ）を下記式（７）で定義し、この偏差Ｅ（ｋ）が０に収束するように、上記式（２）〜（５）に示すスライディングモード制御に基づいて制御入力Ｕを算出し、算出した制御入力Ｕを目標前後排気圧力比ＰＲＣＭＤに変換する。

ベーン開度決定部４２２は、後述のタービンモデルに基づいて、排気圧制御器４２１により算出された目標前後排気圧力比ＰＲＣＭＤに応じたベーン開度ＶＯを算出する。より具体的には、ベーン開度決定部４２２は、基準開度決定部４２３によりベーン開度の基準値（以下、「基準ベーン開度」という）ＶＯＢＳを算出し、この基準ベーン開度ＶＯＢＳを基準開度修正部４２４により修正し、修正した開度をベーン開度ＶＯとして決定する。

基準開度決定部４２３では、以下に示すように、ターボチャージャ８のタービンホイール８１の動特性を記述するタービンモデルに基づいて基準ベーン開度ＶＯＢＳを算出する。

図３は、ターボチャージャ及び可変ベーンの基準の状態における各ベーン開度での流量特性を示す図であり、基準開度決定部により参照されるタービンモデルの具体的な例を示す図である。この図３において、横軸は前後排気圧力比ＰＲを示し、縦軸は修正流量Ｇを示す。流量特性とは、ベーン開度を一定に保った状態での前後排気圧力比ＰＲと修正流Ｇとの関係を示すものである。図３には、ベーン開度を２０％，４０％，６０％，８０％，１００％にした場合における流量特性のみを示す。なお、本実施形態では、ターボチャージャ及び可変ベーンの新品の状態を基準の状態とする。

修正流量Ｇは、タービンホイールを駆動する排気の質量流量、すなわちタービンホイールを通過した排気の質量流量（以下、「タービン通過流量」という）ＭＴを、上流側排気温度Ｔ３及び上流側排気圧Ｐ３のもとで修正した流量を示す。この修正流量Ｇは、所定の定義式に基づいて、タービン通過流量ＭＴ、上流側排気温度Ｔ３、及び上流側排気圧Ｐ３に応じて算出される。

図３に示すように、ベーン開度を一定に保った状態では、前後排気圧力比ＰＲが大きくなるに従い、修正流量Ｇも大きくなる。また、どのベーン開度においても、前後排気圧力比が所定の値よりも大きくなると、修正流量Ｇは略一定となる。
また、図３に示すように、各ベーン開度における流量特性曲線の間隔は、ベーン開度が大きくなるに従い（可変ベーンが開き側になるに従い）、狭くなる。これは、可変ベーンの開き側での作動に対する過給圧及び上流側排気圧の変化は、絞り側での作動に対する過給圧及び上流側排気圧の変化よりも小さいことを示している。すなわち、ベーン開度は、過給圧や上流側排気圧に対し非線形な特性を有する。

図２に戻って、基準開度決定部４２３では、前後排気圧力比ＰＲ及び修正流量Ｇと、可変ベーンの開度とが関連付けられた上述のようなタービンモデルに基づいて、目標前後排気圧力比ＰＲＣＭＤ及び修正流量Ｇに応じたベーン開度を算出し、これを基準ベーン開度ＶＯＢＳとする。

基準開度修正部４２４は、後述の修正パラメータ同定器４２８により決定された修正パラメータに基づいて基準ベーン開度ＶＯＢＳを修正し、これをベーン開度ＶＯとして決定する。

図４は、指示ベーン開度と、実ベーン開度との相関関係を示す図である。上述の基準の状態のターボチャージャ及び可変ベーンを備えるシステムでは、図４に示すように、実ベーン開度と指示ベーン開度はほぼ等しい。この場合、実際のターボチャージャや可変ベーンの動特性が上述のモデルにより再現されている、すなわちモデル化による誤差は無いため、上述の基準ベーン開度ＶＯＢＳを修正する必要はない。

このような実ベーン開度の理想的な初期特性を有するシステムに対し、物ばらつきがあるターボチャージャや可変ベーンを備えるシステムや、劣化したターボチャージャや可変ベーンを備えるシステムでは、実ベーン開度と指示ベーン開度との間の相関関係は変化する。すなわち、指示ベーン開度と実ベーン開度との間にずれが生じる。この場合、実際のターボチャージャや可変ベーンの動特性が上述のモデルにより再現されていない、すなわちモデル化による誤差が生じるため、上述の基準ベーン開度ＶＯＢＳを修正する必要がある。

本実施形態では、このような物ばらつきや劣化を原因とした、実ベーン開度の特性の変化を再現する誤差モデルを設定し、この誤差モデルに基づいて基準ベーン開度ＶＯＢＳを修正する。

図４の破線は、誤差モデルの一例を示す。図４に示すように、この誤差モデルは、物ばらつきや劣化を原因とした実ベーン開度の特性の変化を一次関数で再現したものである。このような誤差モデルによれば、例えば、可変ベーンを絞りきっても絞りきれなくなった状態を再現することができる。誤差モデルとしては、このような一次関数の他、様々な関数が考えられる。

図２に戻って、基準開度修正部４２４では、上述のような一次関数で設定された誤差モデルに基づいて基準ベーン開度ＶＯＢＳを修正する。より具体的には、下記式（８）に基づいて基準ベーン開度ＶＯＢＳを修正し、これをベーン開度ＶＯとして決定する。なお、修正パラメータａ（ｋ），ｂ（ｋ）は、後述の修正パラメータ同定器４２８により同定されたものが用いられる。

以上のようにして決定されたベーン開度ＶＯは、図示しない変換器により、この開度に対応するデューティ比Ｄｕｔｙの制御信号に変換された後、可変ベーンを駆動するアクチュエータに供給される。

修正パラメータ算出部４２６は、ベーン開度推定部４２７及び修正パラメータ同定器４２８を備え、上述の修正パラメータａ，ｂを算出する。

ベーン開度推定部４２７は、上述のタービンモデルに基づいて、実前後排気圧力比ＰＲ及び修正流量Ｇに応じたベーン開度を算出し、これを推定ベーン開度ＶＯＨＡＴとする。

修正パラメータ同定器４２８は、推定ベーン開度ＶＯＨＡＴと基準ベーン開度ＶＯＢＳに基づいて、推定ベーン開度ＶＯＨＡＴとベーン開度ＶＯとが一致するように、修正パラメータａ，ｂを同定する。

具体的には、以下に示す逐次型最小２乗法アルゴリズムにより、修正パラメータａ，ｂを逐次同定する。この逐次型最小２乗法アルゴリズムでは、修正パラメータの最新値ａ（ｋ），ｂ（ｋ）は、修正パラメータの前回値ａ（ｋ−１），ｂ（ｋ−１）と推定ベーン開度の最新値ＶＯＨＡＴ（ｋ）及び基準ベーン開度の最新値ＶＯＢＳ（ｋ）とに基づいて算出される。

先ず、修正パラメータａ（ｋ），ｂ（ｋ）を成分とするベクトルθ（ｋ）と、基準ベーン開度ＶＯＢＳ（ｋ）及び「１」を成分とするベクトルζ（ｋ）を、下記式（９）で定義する。
また、これらベクトルθ（ｋ）及びζ（ｋ）の積により、下記式（１０）に示すように同定値ＶＯＨＡＴ＿ＨＡＴ（ｋ）を定義する。

次に、下記式（１１）に示すように、この推定ベーン開度ＶＯＨＡＴ（ｋ）と同定値ＶＯＨＡＴ＿ＨＡＴ（ｋ）との偏差で同定誤差Ｅ（ｋ）を定義する。

逐次型最小２乗法アルゴリズムでは、この同定誤差Ｅ（ｋ）が最小になるように、すなわち、推定ベーン開度ＶＯＨＡＴ（ｋ）と上記式（８）で決定されたベーン開度ＶＯ（ｋ）とが一致するように、下記式（１２）〜（１４）に基づいて、修正パラメータａ，ｂを決定する。

ここで、上記式（１４）において、「Ｉ」は単位行列である。また、λ_１及びλ_２は、重みパラメータであり、これらパラメータの設定により、同定アルゴリズムは以下に示す５つのアルゴリズムに分類される。
λ_１＝１，λ_２＝１ 最小２乗法アルゴリズム
λ_１＝λ（０＜λ≦１），λ_２＝１ 重み付き最小２乗法アルゴリズム
λ_１＝１，λ_２＝０ 固定ゲインアルゴリズム
λ_１＝１，λ_２＝λ（０＜λ＜２） 漸近ゲインアルゴリズム
λ_１／λ_２＝σ（固定値） 固定トレースアルゴリズム

また、上記式（１２）において、ベクトルθ（ｋ−１）に乗算された行列Ｍ（ｋ）は、忘却係数行列である。この忘却係数行列Ｍ（ｋ）は、下記式（１５）に示すように、対角成分を忘却係数ρ_１，ρ_２とした対角行列である。

このような忘却係数行列Ｍ（ｋ）を前回時のベクトルθ（ｋ−１）に乗算しておくことにより、例えば、最新のベクトルθ（ｋ）において、ｍ周期前の制御時のベクトルθ（ｋ−ｍ）に関するデータは、ρのｍ乗で抑制されることとなる。したがって、これら忘却係数ρ_１，ρ_２には、前回制御時までのデータを忘却するとともに、新しいデータで更新する効果がある。

忘却係数ρ_１，ρ_２を「１」に近づけることにより前回制御時までのデータを忘却しにくくできる。すなわち、忘却係数ρ_１，ρ_２を「１」に近づけることにより、データθ（ｋ）の更新速度を比較的遅くすることができる。
また、忘却係数ρ_１，ρ_２を「１」から小さくすることにより前回制御時までのデータを忘却しやすくすることができる。すなわち、忘却係数ρ_１，ρ_２を「１」から小さくすることにより、データθ（ｋ）の更新速度を比較的速くすることができる。

また、本実施形態では、この忘却係数ρ_１，ρ_２を、エンジンの運転状態、あるいは、ベーン開度に応じて変更する。

図５及び図６は、忘却係数ρ_１，ρ_２を決定するためのマップの一例を示す図である。より具体的には、図５は、エンジンの運転状態（要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数）に応じて忘却係数ρ_１，ρ_２を決定するためのマップを示す図であり、図６は、ベーン開度（ＶＯ）に応じて忘却係数ρ_１，ρ_２を決定するためのマップを示す図である。

図５に示すように、エンジンの運転状態に応じて忘却係数ρ_１，ρ_２を変更する場合、高回転かつ高負荷の領域では、忘却係数ρ_１，ρ_２を比較的小さな値に設定し、修正パラメータの更新速度を速めにする。また、低回転かつ低負荷の領域では、忘却係数ρ_１，ρ_２を比較的大きな値に設定し、修正パラメータの更新速度を遅めにする。

また、図６に示すように、ベーン開度に応じて忘却係数ρ_１，ρ_２を変更する場合、ベーン開度の開き側では、忘却係数ρ_１，ρ_２を比較的小さな値に設定し、修正パラメータの更新速度を速めにする。また、ベーン開度の絞り側では、忘却係数ρ_１，ρ_２を比較的大きな値に設定し、修正パラメータの更新速度を遅めにする。

式（１２）〜（１４）に示すように、逐次型最小２乗法アルゴリズムでは、逆行列の演算が不要であり、また、修正パラメータの最新値ａ（ｋ），ｂ（ｋ）を同定するために必要となるのは、修正パラメータの前回値ａ（ｋ−１），ｂ（ｋ−１）と、推定ベーン開度の最新値ＶＯＨＡＴ（ｋ）及び基準ベーン開度の最新値ＶＯＢＳ（ｋ）のみである。この点は、逆行列の演算が必要であり、かつ、パラメータの過去の値が必要な通常の最小２乗法アルゴリズムとは大きく異なる点である。したがって、以上のような逐次型最小２乗法アルゴリズムで修正パラメータａ，ｂを同定することにより、通常の最小２乗法アルゴリズムにより同定した場合と比較して、演算にかかる負担を大幅に軽減することができる。このため、比較的小さな容量のメモリを備える車載用のコンピュータに適した統計処理演算であるといえる。

次に、図７を参照して、本実施形態の過給圧制御装置による過給圧制御のシミュレーションの結果について説明する。

図７は、過給圧制御のシミュレーションの結果を示す図である。
図７には、基準状態に対し物ばらつきが生じた場合における過給圧とベーン開度のシミュレーション結果を示す。より具体的には、本実施形態のように修正パラメータでタービンモデルを修正した場合のシミュレーション結果を実線で示し、基準状態のままタービンモデルを修正しなかった場合のシミュレーション結果を破線で示す。

図７に示すように、ステップ状に変化する目標過給圧に対し、ターボチャージャ及び可変ベーンが基準状態にある場合は、実過給圧は速やかに目標過給圧に追従する。

これに対し、物ばらつきを与えると、指示開度と実開度との間にずれが生じる。すなわち、絞りきっても絞りきれない状況が発生する。ここで、本実施形態のようにタービンモデルを修正した場合と修正しなかった場合とを比較する。

タービンモデルを修正しなかった場合、前後排気圧力比と過給圧との関係が基準状態からずれているため、図７に示すように、目標過給圧に対し実過給圧に追従遅れが発生し、結果として振動してしまう。
これに対して、タービンモデルを修正した場合、前後排気圧力比と過給圧との関係を適切に修正することで、目標過給圧に対する実過給圧の追従性を安定させることができる。したがって、上述のような実過給圧の振動は発生しない。

以上詳述したように、本実施形態によれば、目標上流側排気圧算出部４１及び排気圧制御器４２１は、実過給圧Ｐ２が目標過給圧Ｐ２ＣＭＤに一致するように、目標前後排気圧力比ＰＲＣＭＤを算出する。また、ベーン開度決定部４２２は、タービンモデルに基づいて、目標前後排気圧力比ＰＲＣＭＤに応じたベーン開度ＶＯを算出する。可変ベーンの開度は、このベーン開度ＶＯに応じて変更される。

ここで、修正パラメータ算出部４２６は、上述のベーン開度決定部４２２のタービンモデルに基づいて実前後排気圧力比ＰＲに応じた推定ベーン開度ＶＯＨＡＴを算出し、さらにこの推定ベーン開度ＶＯＨＡＴと上述のベーン開度ＶＯとが一致するように、ベーン開度決定部４２２のタービンモデルの出力を修正する修正パラメータａ，ｂを算出する。すなわち、ターボチャージャや可変ベーンの物ばらつきや劣化により、ベーン開度ＶＯと推定ベーン開度ＶＯＨＡＴとの間に誤差が生じた場合には、この誤差が無くなるようにモデルを修正する修正パラメータａ，ｂが算出される。以上のようにして、前後排気圧力比及び修正流量と可変ベーンの開度とを関連付けるタービンモデルの出力を修正することにより、可変ベーンの全開度にわたり、物ばらつきや劣化による影響を修正することができる。また、エンジンの運転中であってもこのような修正を行うことができる。

ところで従来では、過給圧のフィードバック制御を行う場合、ターボチャージャや可変ベーンの劣化を想定して、フィードバックゲインは低めに設定される。本実施形態によれば、ターボチャージャや可変ベーンの劣化に応じてタービンモデルを修正するので、従来と比較してフィードバックゲインを高めに設定することができる。このため、制御性を向上することができる。

また、本実施形態によれば、タービンモデルは、上流側排気圧、上流側排気温度、及びタービン通過流量といったエンジンの運転状況によって変化する物理量と、可変ベーンの開度とを関連付ける。このようなタービンモデルの出力を、上述のようにして修正することにより、あらゆる運転状況下であっても、可変ベーンの開度を的確に修正することができる。

また、本実施形態によれば、修正パラメータ算出部４２６は、エンジンの運転状態に応じて、モデルを修正する修正パラメータａ，ｂの更新速度を変更する。より具体的には、実上流側排気圧Ｐ３や実前後排気圧力比ＰＲの誤差が大きい低回転かつ低負荷の運転状態では、修正パラメータａ，ｂの更新速度を遅くし、実上流側排気圧Ｐ３や実前後排気圧力比ＰＲの誤差が小さい高回転かつ高負荷の運転状態では、修正パラメータａ，ｂの更新速度を速くする。これにより、安定したモデルの修正が可能となる。
また、上述の高回転かつ高負荷の運転状態は、他の運転状態よりも出現頻度が低い。このような運転状態で修正パラメータａ，ｂの更新速度を速くすることにより、モデルの修正精度を向上することができる。

また、本実施形態によれば、修正パラメータ算出部４２６は、可変ベーンの開度に応じて、モデルを修正する修正パラメータａ，ｂの更新速度を変更する。上述のように、非線形特性を有する可変ベーンの開度を決定するモデルに対し、このように可変ベーンの開度に応じて修正パラメータａ，ｂの更新速度を変更することにより、モデルの修正精度を向上することができる。

本実施形態では、ＥＣＵ４０が目標値算出手段、開度指示値算出手段、及び修正パラメータ算出手段を構成する。より具体的には、例えば、目標上流側排気圧算出部４１及び排気圧制御器４２１が目標値算出手段を構成し、ベーン開度決定部４２２が開度指示値算出手段を構成し、修正パラメータ算出部４２６が修正パラメータ算出手段を構成する。

＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態を、図面を参照して説明する。
以下の第２実施形態の説明にあたって、第１実施形態と同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略化又は簡略化する。

上述の第１実施形態では、可変ベーン８４の開度ＶＯを変更することにより、タービンホイール８１に吹き付けられる排気の流量を変化させた。これに対して本実施形態では、ウェストゲートバルブ８５の開度ＷＯを変更し、バイパス通路８６を流通する排気の流量を変更することにより、タービンホイール８１に吹き付けられる排気の流量を変化させる。

図８は、過給圧制御を実行するためのモジュールの構成を示すブロック図である。このモジュールの機能は、ＥＣＵ４０Ａで実行される処理により実現される。

ウェストゲートバルブ開度制御部４２Ａは、排気圧制御器４２１と、ウェストゲートバルブ開度決定部４２２Ａと、を含んで構成され、実上流側排気圧Ｐ３が目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤに一致するように、ウェストゲートバルブ開度ＷＯを制御する。

ウェストゲートバルブ開度決定部４７Ａは、所定のタービンモデルに基づいて、排気圧制御器４６により算出された目標前後排気圧力比ＰＲＣＭＤに対応するウェストゲートバルブ開度ＷＯを決定する。

バルブ開度決定部４２２Ａは、後述モデルに基づいて、排気圧制御器４２１により算出された目標前後排気圧力比ＰＲＣＭＤに応じたバルブ開度ＷＯを算出する。より具体的には、バルブ開度決定部４２２Ａは、基準開度決定部４２３Ａによりバルブ開度の基準値（以下、「開度基準値」という）ＷＯＢＳを算出し、この開度基準値ＷＯＢＳを基準開度修正部４２４により修正し、修正した開度をバルブ開度ＷＯとする。
ここで、基準開度決定部４２３Ａにより参照されるタービンモデルには、上述の図３に示すタービンモデルと同様に、ウェストゲートバルブ開度ＷＯごとにおける前後排気圧力比ＰＲと修正流量Ｇとの関係が規定されたものが用いられる。

基準開度修正部４２４は、後述の修正パラメータ同定器４２８により決定された修正パラメータに基づいて基準ベーン開度ＷＯＢＳを修正し、これをバルブ開度指示値（以下、単に「バルブ開度」という）ＷＯとして決定する。

修正パラメータ算出部４２６Ａは、バルブ開度推定部４２７Ａ及び修正パラメータ同定器４２８を備え、上述の修正パラメータａ，ｂを算出する。

バルブ開度推定部４２７Ａは、上述のタービンモデルに基づいて、実前後排気圧力比ＰＲ及び修正流量Ｇに応じたバルブ開度を算出し、これを推定バルブ開度ＷＯＨＡＴとする。

修正パラメータ同定器４２８は、推定バルブ開度ＷＯＨＡＴと基準バルブ開度ＷＯＢＳに基づいて、推定ベーン開度ＷＯＨＡＴとバルブ開度ＷＯとが一致するように、逐次型最小２乗法アルゴリズムにより、修正パラメータａ，ｂを同定する。

以上詳述したように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。

本実施形態では、ＥＣＵ４０Ａが目標値算出手段、開度指示値算出手段、及び修正パラメータ算出手段を構成する。より具体的には、例えば、目標上流側排気圧算出部４１及び排気圧制御器４２１が目標値算出手段を構成し、バルブ開度決定部４２２Ａが開度指示値算出手段を構成し、修正パラメータ算出部４２６Ａが修正パラメータ算出手段を構成する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上述した実施形態では、前後排気圧力比とベーン開度とが関連付けられた図３に示すようなタービンモデルに基づいて、ベーン開度を決定したが、これに限らない。例えば、上流側排気圧力とベーン開度とが関連付けられたタービンモデルに基づいて、ベーン開度を決定してもよい。

１…エンジン（内燃機関）
４０，４０Ａ…ＥＣＵ
４１…目標上流側排気圧算出部（目標値算出手段）
４２，４２Ａ…ベーン開度制御部
４２１…排気圧制御器（目標値算出手段）
４２２…ベーン開度決定部（開度指示値算出手段）
４２２Ａ…バルブ開度決定部（開度指示値算出手段）
４２６，４２６Ａ…修正パラメータ算出部（修正パラメータ算出手段）
８…ターボチャージャ
８１…タービンホイール
８２…コンプレッサホイール
８４…可変ベーン
８５…ウェストゲートバルブ

Claims (6)

1. 内燃機関に吸入される空気を加圧するコンプレッサホイールと、当該コンプレッサホイールと連結され、前記内燃機関から排出された排気ガスが吹き付けられることで回転駆動するタービンホイールと、を有するターボチャージャと、
   開閉動作により前記タービンホイールに吹き付けられる排気の流量を変化させる排気流量可変機構と、を備え、実過給圧が所定の目標過給圧に一致するように、前記排気流量可変機構の開度を決定する内燃機関の過給圧制御装置であって、
   実過給圧が目標過給圧に一致するように、所定の制御量に対する目標値を算出する目標値算出手段と、
   前記制御量及び所定の物理量と、前記排気流量可変機構の開度とを関連付けるモデルに基づいて、前記制御量の目標値に応じた前記排気流量可変機構の開度指示値を算出する開度指示値算出手段と、
   前記モデルに基づいて、前記制御量の実測値に応じた前記排気流量可変機構の開度推定値を算出し、当該開度推定値と前記開度指示値とが一致するように、前記開度指示値算出手段のモデルを修正する修正パラメータを算出する修正パラメータ算出手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の過給圧制御装置。
2. 前記物理量は、前記タービンホイールの上流側の排気圧、前記タービンホイールの上流側の排気温度、及び前記タービンホイールを駆動する排気の質量流量を含むことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の過給圧制御装置。
3. 前記修正パラメータ算出手段は、前記機関の運転状態に応じて修正パラメータを更新する速度を変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の過給圧制御装置。
4. 前記修正パラメータ算出手段は、前記排気流量可変機構の開度に応じて修正パラメータを更新する速度を変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の過給圧制御装置。
5. 前記排気流量可変機構は、開閉動作により前記タービンホイールに流入する排気の入口面積を変更する可変ベーンを含み、
   前記モデルは、前記制御量及び所定の物理量と、前記可変ベーンの開度とを関連付けることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の過給圧制御装置。
6. 前記排気流量可変機構は、前記タービンホイールの上流側と下流側とをバイパスするバイパス通路を開閉するウェストゲートバルブを含み、
   前記モデルは、前記制御量及び所定の物理量と、前記ウェストゲートバルブの開度とを関連付けることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の過給圧制御装置。

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