JP2017223130A - ターボチャージャの制御方法、制御装置及び運転制御プログラム並びに過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの状態によらず適切に制御可能なターボチャージャの制御方法を提供する。【解決手段】エンジン又はターボチャージャの状態を示す第１状態量を用いた予測モデルに基づいて、エンジンの過渡状態でのノズルベーンの開度指令値である第１暫定指令値を取得する第１取得ステップと、エンジンの定常状態における、エンジン又はターボチャージャの状態を示す第２状態量と、該第２状態量に対応するノズルベーンの開度指令値との関係を表すマップに基づいて、エンジンの定常状態でのノズルベーンの開度指令値である第２暫定指令値を取得する第２取得ステップと、エンジンの現在の状態が過渡状態又は定常状態のいずれかを判定する状態判定ステップと、該判定結果に基づいて、第１暫定指令値又は第２暫定指令値の一方を用いて、実際に制御のためにターボチャージャに与えるノズルベーンの最終開度指令値を取得する最終指令値取得ステップと、を備える。【選択図】図３

Description

本開示は、ターボチャージャの制御方法、制御装置及び運転制御プログラム並びに過給システムに関する。

ターボチャージャにおいて、エンジンの排ガス流路に設けたノズルベーンを用いて過給圧を調節することが知られている。

特許文献１には、ノズルベーンの開度を変化させることにより、タービンホイールに向かって流れる気体の流路面積を変化させて過給圧を変化させることが可能なターボチャージャを備えたエンジンが記載されている。このエンジンでは、エンジンのトルクアップが求められる際、エンジンの燃料噴射圧を上昇させた後、上昇後の燃料噴射圧に応じた過給圧が得られるように、ノズルベーンの開度を調節するようになっている。

特許第４９５７６５１号明細書

ところで、エンジンの過渡状態においては目標過給圧が急激に変化することがある。この場合、ターボチャージャの慣性によりターボチャージャの回転数の増加が遅れて、応答性能（レスポンス）が低下することがある。このため、エンジンの過渡状態において、ターボチャージャの応答性能を向上させることが望まれる。

この点、特許文献１に記載のターボチャージャでは、エンジンのトルクアップが求められる過渡状態において、燃料噴射圧の上昇量が大きいほど、過給圧の増加量が大きくなるように、ノズルベーンの開度が調節されるようになっている。
しかしながら、エンジンの過渡状態における、様々なエンジン回転数又は負荷に応じた、各燃料噴射圧に対応する過給圧を求めるための具体的な手法は、特許文献１には記載されていない。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、エンジンの状態（定常状態又は過渡状態）によらず適切に制御可能なターボチャージャの制御方法、制御装置及び運転制御プログラム並びに過給システムを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るターボチャージャの制御方法は、
エンジンからの排ガスにより回転駆動されるように構成されたタービンと、前記タービンに流入する前記排ガスの流路面積を変えるように開度調節可能なノズルベーンと、を含むターボチャージャの制御方法であって、
前記エンジン又は前記ターボチャージャの状態を示す少なくとも１つの第１状態量を用いた予測モデルに基づいて、前記エンジンの過渡状態での制御のための前記ノズルベーンの開度指令値である第１暫定指令値を取得する第１取得ステップと、
前記エンジンの定常状態における、前記エンジン又は前記ターボチャージャの状態を示す少なくとも１つの第２状態量と、該第２状態量に対応する前記ノズルベーンの開度指令値との関係を表すマップに基づいて、前記エンジンの定常状態での制御のための前記ノズルベーンの開度指令値である第２暫定指令値を取得する第２取得ステップと、
前記エンジンの現在の状態が前記過渡状態又は前記定常状態のいずれの状態であるかを判定する状態判定ステップと、
前記状態判定ステップでの判定結果に基づいて、前記第１暫定指令値又は前記第２暫定指令値の少なくとも一方を用いて、実際に前記ターボチャージャに与える前記ノズルベーンの最終開度指令値を取得する最終指令値取得ステップと、
を備える。

上記（１）の方法では、エンジン又はターボチャージャの状態を示す状態量に基づいて、予測モデルを用いて過渡状態での制御のためのノズルベーン開度指令値である第１暫定指令値を取得するとともに、予め作成されたマップから定常状態での制御のノズルベーン開度指令値である第２暫定指令値を取得し、状態判定ステップでのエンジンの状態の判定結果に応じて、第１暫定指令値又は第２暫定指令値の少なくとも一方を用いて実際にターボチャージャに与える最終開度指令値を取得する。これにより、エンジン又はターボチャージャの動作状態が時々刻々変化する過渡状態においても、ノズルベーンの開度を適切に調節することができる。よって、上記（１）の方法によれば、エンジンの状態によらず、ターボチャージャを適切に制御することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の方法において、
前記第１取得ステップでは、前記少なくとも１つの前記第１状態量から、前記予測モデルに基づいて前記第１暫定指令値を算出する。

上記（２）の方法によれば、予測モデルを用いて、エンジン又はターボチャージャの状態を示す第１状態量から未来の状態量を予測し、予測された未来の状態量に基づいて過渡状態での制御のための開度指令値である第１暫定指令値が算出される。このように算出された第１暫定指令値に基づいて取得される最終開度指令値を用いることで、過渡状態において時々刻々変化するエンジン又はターボチャージャの動作状態に応じて、ノズルベーンの開度を適切に調節することができる。これにより、エンジンの過渡状態においても、応答性能が良好なターボチャージャの制御が可能となり、エンジンの状態によらず、ターボチャージャを適切に制御することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）の方法において、
前記第１取得ステップでは、前記予測モデルを用いて予め作成され、前記エンジンの過渡状態における、前記少なくとも１つの第１状態量と、該第１状態量に対応する前記ノズルベーンの開度指令値との関係を表すマップを参照することにより前記第１暫定指令値を取得する。

上記（３）の方法によれば、エンジン又はターボチャージャの状態を示す第１状態量と、予測モデルを用いて前述の第１状態量から予測される未来の状態量から求まるノズルベーンの開度指令値と、の関係を表すマップを参照することにより、過渡状態での制御のための開度指令値である第１暫定指令値が取得される。このように取得された第１暫定指令値に基づいて取得される最終開度指令値を用いることで、過渡状態において時々刻々変化するエンジン又はターボチャージャの動作状態に応じて、ノズルベーンの開度を適切に調節することができる。これにより、エンジンの過渡状態においても、応答性能が良好なターボチャージャの制御が可能となり、エンジンの状態によらず、ターボチャージャを適切に制御することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの方法において、
前記少なくとも１つの第１状態量は、前記エンジンの過給圧、前記エンジンの回転数、前記エンジンのマニホールドの温度、前記マニホールドの圧力、前記ノズルベーンの開度、または、前記エンジンの目標過給圧の少なくとも一つのパラメータの現在値を含む。

上記（４）の方法によれば、第１状態量として、前記エンジンの過給圧、前記エンジンの回転数、前記エンジンのマニホールドの温度、前記マニホールドの圧力、前記ノズルベーンの開度、または、前記エンジンの目標過給圧の少なくとも一つのパラメータの現在値を予測モデルに適用する。これにより、現在の状態量（第１状態量）に応じた未来の状態量を予測し、これに基づき過渡状態での制御のための開度指令値（第１暫定指令値）及び最終開度指令値を取得することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの方法において、
前記少なくとも１つの第２状態量は、前記エンジンの目標過給圧を含むことを特徴とする。

上記（５）の方法によれば、エンジンの定常状態における目標過給圧と、該目標過給圧に対応するノズルベーンの開度指令値との関係を表すマップに基づいて、エンジンの定常状態での制御のためのノズルベーンの開度指令値である第２暫定指令値を取得することができる。これにより、エンジンの状態によらず、ターボチャージャを適切に制御することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの方法において、
前記状態判定ステップでは、前記エンジンの第３状態量の現在値と、前記エンジンの前記第３状態量の目標値との差と、閾値との比較に基づいて、前記エンジンの現在の状態が前記過渡状態又は前記定常状態のいずれの状態であるかを判定する。

上記（６）の方法によれば、エンジンの第３状態量の現在値と目標値との差（偏差）と、閾値との比較に基づいて、エンジンの現在の状態が過渡状態又は定常状態のいずれの状態であるかを判定する。この判定結果に基づいて、ターボチャージャに与えるノズルベーンの最終開度指令値を適切に取得することができるので、エンジンの状態によらず、ターボチャージャを適切に制御することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの方法において、
前記最終指令値取得ステップでは、前記第１暫定指令値をＡとし、前記第２暫定指令値をＢとしたとき、重み付け係数α（０≦α≦１）を用いて、Ｘ＝α×Ａ＋（１−α）×Ｂにより表される値Ｘに基づいて、前記最終開度指令値を算出する。

上記（７）の方法によれば、重み付け係数αが０≦α≦１の範囲で可変であるので、重み付け係数αによって定まるＸも、過渡状態での制御のための第１暫定指令値Ａと定常状態での制御のための第２暫定指令値Ｂとの間で可変である。したがって、エンジンの状態が定常状態と過渡状態との間で遷移したときに、ＸをＡとＢとの間で重み付け係数αに応じて変化させることにより、エンジンの遷移的状態（例えば、過渡状態から定常状態への到達度合い）に応じて最終開度指令値を適切に設定することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の方法において、
前記エンジンが前記過渡状態のときに１であり、前記エンジンが前記定常状態のとき０である過渡度α_０に対して、レートリミット処理を施すことで前記重み付け係数αを求める重み付け係数算出ステップをさらに備える。

上記（８）の方法によれば、過渡度α_０に対してレートリミット処理を施すことで重み付け係数αが求められる。すなわち、定常状態（α＝０）から過渡状態（α＝１）、又は、過渡状態（α＝１）から定常状態（α＝０）に遷移するとき、重み付け係数αの時間変化率に制限が設けられる。このため、エンジンの状態が遷移するとき、重み付け係数αが徐々に変化するとともに、重み付け係数によって定まるＸも徐々に変化する。これにより、最終開度指令値の急激な変化を効果的に抑制して、ノズルベーン開度又は過給圧のオーバーシュート又はハンチングを抑制することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（８）の方法において、
前記レートリミット処理では、
前記過渡度α_０が０から１に変化したとき前記重み付け係数αの変化速度の絶対値が第１レート制限Ｒ_ｍａｘ１以下に制限されるとともに、
前記過渡度α_０が１から０に変化したとき前記重み付け係数αの変化速度の絶対値が第２レート制限Ｒ_ｍａｘ２以下に制限され、
前記第１レート制限Ｒ_ｍａｘ１と前記第２レート制限Ｒ_ｍａｘ２とは、Ｒ_ｍａｘ１＞Ｒ_ｍａｘ２の関係を満たす。

上記（９）の方法によれば、エンジンの状態が定常状態から過渡状態に遷移するとき（すなわち過渡度α_０が０から１に変化したとき）には、重み付け係数αの変化速度の絶対値が比較的大きいＲ_ｍａｘ１以下に制限される。よって、このとき、重み付け係数αによって定まるＸについても比較的大きな時間変化率が許容されるため、Ｘに基づく最終開度指令値を比較的大きな時間変化率で変化させることができる。これにより、例えば、過給圧を迅速に要求値に近づけることができる。
一方、上記（９）の方法によれば、エンジンの状態が過渡状態から定常状態に遷移するとき（すなわち過渡度α_０が１から０に変化したとき）には、重み付け係数αの変化速度の絶対値が比較的小さいＲ_ｍａｘ２以下に制限される。よって、このとき、重み付け係数αによって定まるＸについても比較的小さな時間変化率で変化するので、最終開度指令値の急激な変化を効果的に抑制して、ノズルベーン開度又は過給圧のオーバーシュート又はハンチングを抑制することができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の方法において、
前記最終指令値取得ステップでは、
前記状態判定ステップでの判定結果が前記定常状態から前記過渡状態に変化したときには、前記定常状態から前記過渡状態に変化してから少なくとも規定時間の間、前記状態判定ステップでの判定結果に関わらず、前記第１暫定指令値に基づいて前記最終開度指令値を決定し、
前記規定時間を除く期間において、前記第２暫定指令値に基づいて前記最終開度指令値を決定する。

第１暫定指令値に基づくノズルベーン開度の制御の結果、過給圧が目標値に近づいたとしても、エンジンにおいて過給圧以外の状態が定常状態に完全に移行できていない場合もある。
この点、上記（１０）の方法によれば、規定時間の間は、状態判定ステップでの判定結果に関わらず、過渡状態での制御のための第１暫定指令値に基づいて最終開度指令値を決定するとともに、それ以外の期間においては、定常状態の制御のための第２暫定指令値に基づいて最終開度指令値を決定するので、エンジンが完全な定常状態に近づくのを待ってから、定常状態に適した制御に移行できる。これにより、エンジンの状態によらず、ターボチャージャを適切に制御することができる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１０）の方法において、
前記最終指令値取得ステップで取得される前記最終開度指令値の時間変化率は、レート制限以下に制限されている。

上記（１１）の方法によれば、最終開度指令値の時間変化率がレート制限以下に制限されるので、最終指令値は徐々に変化する。これにより、最終開度指令値の急激な変化を効果的に抑制して、ノズルベーン開度又は過給圧のオーバーシュート又はハンチングを抑制することができる。

（１２）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１１）の方法において、
前記エンジン又は前記ターボチャージャの状態を示す少なくとも１つの第４状態量に基づいて、前記予測モデルを修正するステップをさらに備える。

上記（１２）の方法によれば、エンジン又はターボチャージャの状態を示す少なくとも１つの第４状態量に基づいて、予測モデルが修正される。これにより、エンジン又はターボチャージャの製品状態に変化（例えば径時劣化）が生じた場合に、エンジン又はターボチャージャの製品状態の変化に応じて予測モデルが修正されるので、エンジン又はターボチャージャの現在の製品状態において適切な最終開度指令値を取得することができる。よって、エンジンの製品寿命にわたって、エンジンの状態によらず、ターボチャージャを適切に制御することができる。

（１３）本発明の少なくとも一実施形態に係るターボチャージャの制御装置は、
エンジンからの排ガスにより回転駆動されるように構成されたタービンと、前記タービンに流入する前記排ガスの流路面積を変えるように開度調節可能なノズルベーンと、を含むターボチャージャの制御装置であって、
前記エンジン又は前記ターボチャージャの状態を示す少なくとも１つの第１状態量を用いた予測モデルに基づいて、前記エンジンの過渡状態での制御のための前記ノズルベーンの開度指令値である第１暫定指令値を取得する第１取得部と、
前記エンジンの定常状態における、前記エンジン又は前記ターボチャージャの状態を示す少なくとも１つの第２状態量と、該第２状態量に対応する前記ノズルベーンの開度指令値との関係を表すマップに基づいて、前記エンジンの定常状態での制御のための前記ノズルベーンの開度指令値である第２暫定指令値を取得する第２取得部と、
前記エンジンの現在の状態が前記過渡状態又は前記定常状態のいずれの状態であるかを判定する状態判定部と、
前記状態判定部による判定結果に基づいて、前記第１暫定指令値又は前記第２暫定指令値の少なくとも一方を用いて、実際に前記ターボチャージャに与える前記ノズルベーンの最終開度指令値を取得する最終指令値取得部と、
を備える。

上記（１３）の構成では、エンジン又はターボチャージャの状態を示す状態量に基づいて、予測モデルを用いて過渡状態での制御のためのノズルベーン開度指令値である第１暫定指令値を取得するとともに、予め作成されたマップから定常状態での制御のノズルベーン開度指令値である第２暫定指令値を取得し、状態判定ステップでのエンジンの状態の判定結果に応じて、第１暫定指令値又は第２暫定指令値の少なくとも一方を用いて実際にターボチャージャに与える最終開度指令値を取得する。これにより、エンジン又はターボチャージャの動作状態が時々刻々変化する過渡状態においても、ノズルベーンの開度を適切に調節することができる。よって、上記（１３）の構成によれば、エンジンの状態によらず、ターボチャージャを適切に制御することができる。

（１４）本発明の少なくとも一実施形態に係る過給システムは、
エンジンからの排ガスにより回転駆動されるように構成されたタービンと、前記タービンに流入する前記排ガスの流路面積を変えるように開度調節可能なノズルベーンと、を含むターボチャージャと、
前記ターボチャージャを制御するための制御装置と、
を備える過給システムであって、
前記制御装置は、上記（１３）の制御装置である。

上記（１４）の構成では、エンジン又はターボチャージャの状態を示す状態量に基づいて、予測モデルを用いて過渡状態での制御のためのノズルベーン開度指令値である第１暫定指令値を取得するとともに、予め作成されたマップから定常状態での制御のノズルベーン開度指令値である第２暫定指令値を取得し、状態判定ステップでのエンジンの状態の判定結果に応じて、第１暫定指令値又は第２暫定指令値の少なくとも一方を用いて実際にターボチャージャに与える最終開度指令値を取得する。これにより、エンジン又はターボチャージャの動作状態が時々刻々変化する過渡状態においても、ノズルベーンの開度を適切に調節することができる。よって、上記（１４）の構成によれば、エンジンの状態によらず、ターボチャージャを適切に制御することができる。

（１５）本発明の少なくとも一実施形態に係るターボチャージャの運転制御プログラムは、
エンジンからの排ガスにより回転駆動されるように構成されたタービンと、前記タービンに流入する前記排ガスの流路面積を変えるように開度調節可能なノズルベーンと、を含むターボチャージャの運転制御プログラムであって、
前記エンジン又は前記ターボチャージャの状態を示す少なくとも１つの第１状態量を用いた予測モデルに基づいて、前記エンジンの過渡状態での制御のための前記ノズルベーンの開度指令値である第１暫定指令値を取得する手順と、
前記エンジンの定常状態における、前記エンジン又は前記ターボチャージャの状態を示す少なくとも１つの第２状態量と、該第２状態量に対応する前記ノズルベーンの開度指令値との関係を表すマップに基づいて、前記エンジンの定常状態での制御のための前記ノズルベーンの開度指令値である第２暫定指令値を取得する手順と、
前記エンジンの現在の状態が前記過渡状態又は前記定常状態のいずれの状態であるかを判定する手順と、
前記エンジンの状態の判定結果に基づいて、前記第１暫定指令値又は前記第２暫定指令値の少なくとも一方を用いて、実際に前記ターボチャージャに与える前記ノズルベーンの最終開度指令値を取得する手順と、
をコンピュータに実行させる。

上記（１５）のプログラムでは、エンジン又はターボチャージャの状態を示す状態量に基づいて、予測モデルを用いて過渡状態での制御のためのノズルベーン開度指令値である第１暫定指令値を取得するとともに、予め作成されたマップから定常状態での制御のノズルベーン開度指令値である第２暫定指令値を取得し、状態判定ステップでのエンジンの状態の判定結果に応じて、第１暫定指令値又は第２暫定指令値の少なくとも一方を用いて実際にターボチャージャに与える最終開度指令値を取得する。これにより、エンジン又はターボチャージャの動作状態が時々刻々変化する過渡状態においても、ノズルベーンの開度を適切に調節することができる。よって、上記（１５）のプログラムによれば、エンジンの状態によらず、ターボチャージャを適切に制御することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、エンジンの状態によらず適切に制御可能なターボチャージャの制御方法、制御装置及び運転制御プログラム並びに過給システムが提供される。

一実施形態に係る過給システムが適用されるエンジンシステムの一例の概略構成図である。 一実施形態に係るターボチャージャのタービンの概略断面図である。 一実施形態に係るターボＥＣＵ（制御装置）の構成を示すブロック図である。 一実施形態に係る第１取得部による処理の一例を示すフローチャートである。 一実施形態に係る状態判定部による処理の一例を示すフローチャートである。 一実施形態に係る最終指令値取得部による処理の一例を示すフローチャートである。 一実施形態に係る最終指令値取得部による処理の一例を示すフローチャートである。 一実施形態に係る最終指令値取得部による処理の一例を示すフローチャートである。 一実施形態に係る制御方法をシミュレーションした結果を示す図である。 一実施形態に係る制御方法をシミュレーションした結果を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

まず、図１を参照して、一実施形態に係る過給システムが適用されるエンジンシステムについて説明する。図１は、一実施形態に係る過給システムが適用されるエンジンシステムの一例の概略構成図である。図１に示すように、エンジンシステム１は、エンジン２と、ターボチャージャ３と、エンジン２及びターボチャージャ３を制御するための制御装置１０と、を備える。

ターボチャージャ３は、エンジン２に供給される空気を圧縮するためのコンプレッサ３ａと、回転シャフト３ｃを介してコンプレッサ３ａに接続されるタービン３ｂと、を有する。コンプレッサ３ａは、エンジン２の吸気側に接続される吸気管路４に設けられており、タービン３ｂは、エンジン２の排気側に接続される排気管路６に設けられている。

エンジンシステム１において、不図示のエアクリーナを介して吸気管路４に導入された空気（吸気）は、ターボチャージャ３のコンプレッサ３ａに流入し、該コンプレッサ３ａによって圧縮される。
コンプレッサ３ａで圧縮された吸気は、吸気管路４に設けられたインタークーラ８で冷却され、スロットルバルブ７でその吸気量が調整されて、吸気マニホールド５を介してエンジン２の各燃焼室２ａに供給される。エンジン２の各燃焼室２ａには、圧縮空気及び燃料が供給されて、これらが燃焼して生成した排ガスは、排気マニホールド９を介して排気管路６に排出されるようになっている。

排気管路６に排出された排ガスは、ターボチャージャ３のタービン３ｂに流入し、タービン３ｂを回転駆動させる。タービン３ｂが回転駆動されることにより、タービン３ｂに接続されたコンプレッサ３ａが同軸駆動され、これにより、上述したように、コンプレッサ３ａに流入した吸気が圧縮されるようになっている。

ターボチャージャ３は、タービン３ｂに流入する排ガスの流路面積を変えるように開度調節可能なノズルベーン３ｄをさらに備える。すなわち、ターボチャージャ３は、ノズルベーン３ｄの開度を変更可能な、可変型ターボチャージャである。
ノズルベーン３ｄの開度を変更してタービン３ｂに流入する排ガスの流路面積を調節することで、タービン３ｂ及びこれと同軸駆動するコンプレッサ３ａの回転数を調節し、これによりターボチャージャ３による過給圧が調節されるようになっている。

ノズルベーン３ｄの開度は、制御装置１０によって制御される。一実施形態では、過給システム１００は、上述したノズルベーン３ｄを有するターボチャージャ３と、制御装置１０と、を含む。
図１に示すように、制御装置１０は、エンジンＥＣＵ１０Ａ（エンジンコントローラ）と、ターボＥＣＵ１０Ｂ（ターボコントローラ）と、を含む。エンジンＥＣＵ１０Ａ及びターボＥＣＵ１０Ｂの各々は、中央処理装置（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、およびＩ／Ｏインターフェイス等から構成される。

ここで、図２を参照して、ノズルベーンによる排ガスの流路面積の調節について説明する。図２は、一実施形態に係るターボチャージャ３のタービン３ｂの概略断面図である。
図２に示すように、タービン３ｂは、タービンケーシング５０内に複数の動翼５６が取り付けられたタービンロータ５４を備える。タービンロータ５４は回転シャフト３ｃを介してコンプレッサ３ａに接続される。エンジン２からの排ガスがタービン３ｂに流入すると、動翼５６が排ガスの流れを受けてタービンロータ５４が回転し、これによりコンプレッサ３ａが回転駆動されるようになっている。複数のノズルベーン３ｄは、タービンロータ５４の外周側において、支持軸３ｅを回動軸として回動自在に設けられている。

複数のノズルベーン３ｄの開度は、アクチュエータ（不図示）によって支持軸３ｅを回転させることで変化させることができるようになっている。図２において、二点鎖線で示されるノズルベーン３ｄ’は、実線で示されるノズルベーン３ｄよりも開度が大きい状態である。すなわち、二点鎖線で示されるノズルベーン３ｄ’同士の間の距離Ｄ_２は、実線で示されるノズルベーン３ｄ同士の間の距離Ｄ_１よりも大きい。このため、排ガスの流路面積は、開度が小さい時に比べて、開度が大きい時の方が大きくなる。

ノズルベーン３ｄの開度を減少させる（すなわち、排ガスの流路面積を減少させる）ことで、排ガスのタービン３ｂへの流入速度が上昇するため、過給システム１００による過給圧を上昇させることができる。また、ノズルベーン３ｄの開度を開く（すなわち、排ガスの流路面積を増加させる）ことで、排ガスのタービン３ｂへの流入速度が減少するため、過給システム１００による過給圧を減少させることができる。このようにして、ノズルベーン３ｄの開度を調整することにより、エンジン２における過給圧を調節することができる。

以下、図３〜図８を参照して、上述の構成を有するターボチャージャ３を制御するための制御装置（ターボＥＣＵ）及び制御方法の例について説明する。

図３は、一実施形態に係るターボＥＣＵ（制御装置）の構成を示すブロック図である。図３に示すように、ターボＥＣＵ１０Ｂは、エンジン２又はターボチャージャ３の状態を示す状態量に基づいて、ノズルベーン３ｄの暫定の開度指令値をそれぞれ取得するための第１取得部１２及び第２取得部１４と、エンジン２の現在の状態を判定するための状態判定部１７と、状態判定部１７の判定結果に基づいて、実際にターボチャージャ３に与えるノズルベーン３ｄの最終開度指令値を取得するための最終指令値取得部１８と、を備えている。

第１取得部１２は、エンジン２又はターボチャージャ３の状態を示す少なくとも１つの第１状態量を用いた予測モデルに基づいて、エンジン２の過渡状態での制御のためのノズルベーン３ｄの開度指令値である第１暫定指令値Ａを取得するように構成されている。

第１状態量は、エンジン２又はターボチャージャ３の状態を示す状態量である。第１状態量は、エンジン２の過給圧、エンジン２の回転数、吸気マニホールド５の圧力、吸気マニホールド５の温度、排気マニホールド９の圧力、排気マニホールド９の温度、ノズルベーン３ｄの開度、または、エンジン２の目標過給圧の少なくとも一つのパラメータの現在値であってもよい。

上述の第１状態量は、エンジン２又はターボチャージャ３に設けられたセンサ３０ａ〜３０ｆ等から取得されてもよい。
例えば、エンジン２の過給圧は、吸気管路４において吸気マニホールド５よりも上流側に設けられた圧力センサ３０ａにより取得してもよい。エンジン２の回転数は、エンジン２の回転数を検出するための回転数センサ３０ｂにより取得してもよい。吸気マニホールド５の圧力又は温度は、吸気マニホールド５に設けられた圧力センサ３０ｃ又は温度センサ３０ｄにより取得してもよい。排気マニホールド９の圧力又は温度は、排気マニホールド９に設けられた圧力センサ３０ｅ又は温度センサ３０ｆにより取得してもよい。
ノズルベーン３ｄの開度は、ノズルベーン３ｄを作動させるためのアクチュエータの作動量を検出するセンサ（不図示）から取得されるデータに基づいて算出してもよい。
また、エンジン２の目標過給圧は、エンジン２又はターボチャージャ３に設けられた各種センサから取得したデータに基づいてエンジンＥＣＵ１０Ａによって算出された値であってもよい。

幾つかの実施形態では、第１取得部１２は、少なくとも１つの第１状態量から、予測モデルに基づいて第１暫定指令値Ａを算出する。すなわち、上述したセンサ３０ａ〜３０ｆ等によって取得される第１状態量の現在値に基づいて、該第１状態量に応じた第１暫定指令値Ａが、リアルタイムに算出される。

第１取得部１２による第１暫定指令値Ａの算出フローの例について、図４を参照して説明する。図４は、一実施形態に係る第１取得部１２による処理の一例を示すフローチャートである。

まず、上述したセンサ３０ａ〜３０ｆ等によって第１状態量ベクトルｘを取得する（ステップＳ１０２）。ここで、ｘは、エンジン２の過給圧やエンジン２の回転数等、予測モデル計算に用いる各第１状態量を成分とするベクトルである。

次に、第１取得部１２は、ステップＳ１０２で取得した第１状態量ベクトルに基づいて、予測ステップ数先までのモデル行列を作成する（ステップＳ１０４）。
例えば、時間ステップｋからＮｐステップ先までのモデル行列は、以下のように表現できる。
ｘ_ｋ＋１＝Ａｘ_ｋ＋Ｂｕ_ｋ ・・・（１）
ｘ_ｋ＋２＝Ａｘ_ｋ＋１＋Ｂｕ_ｋ＋１ ・・・（２）
…
ｘ_ｋ＋Ｎｐ＝Ａｘ_{ｋ＋Ｎｐ−１}＋Ｂｕ_{ｋ＋Ｎｐ−１} ・・・（Ｎｐ）
ただし、上記式において、ｕはノズルベーン３ｄの開度指令値であり、添え字ｋ、ｋ＋１、ｋ＋２、…、ｋ＋Ｎｐは、時間ステップを表し、Ａ及びＢは、それぞれ、エンジン２及びターボチャージャ３のモデルを行列形式で表現したものである。Ａ及びＢは、それぞれ、運動方式等から導出される物理関係から導かれる。

そして、最適化計算により、ｘ_ｋ＋Ｎｐを最適にするｕ_ｋ〜ｕ_{ｋ＋Ｎｐ−１}を算出する（ステップＳ１０８）。より具体的には、上述のモデル行列を表す上式（１）、（２）、…、（Ｎｐ）より、Ａ，Ｂ，ｘ_ｋ及びｕを用いて、ｘ_ｋ＋Ｎｐを以下のように表現できる。
ｘ_ｋ＋Ｎｐ＝Ａｘ_{ｋ＋Ｎｐ−１}＋Ｂｕ_{ｋ＋Ｎｐ−１}
＝Ａ^Ｎｐｘ_ｋ＋Ａ^Ｎｐ−１Ｂｕ_ｋ＋Ａ^Ｎｐ−２Ｂｕ_ｋ＋１＋…＋Ｂｕ_{ｋ＋Ｎｐ−１}
この式に、既知のＡ〜Ａ^Ｎｐ、ＡＢ〜Ａ^Ｎｐ−１Ｂ、ｘ_ｋを入力すれば、ｕ_ｋ，…，ｕ_{ｋ＋Ｎｐ−１}を変数としてｘ_ｋ＋Ｎｐを表現できる。これより、ｘ_ｋ＋Ｎｐを最適にするｕ_ｋ，…，ｕ_{ｋ＋Ｎｐ−１}を導出する。そして、このようにして求められたｕ_ｋを、第１暫定指令値Ａとして取得する。
以上のようにして、第１取得部１２により、少なくとも１つの第１状態量から、予測モデルに基づいて第１暫定指令値Ａを算出することができる。

幾つかの実施形態では、第１取得部１２は、センサ３０ａ〜３０ｆ等によって取得される第１状態量の現在値に応じた第１暫定指令値Ａをリアルタイムに算出する代わりに、例えば上述した予測モデルを用いて予め作成された第１状態量と、該第１状態量に対応するノズルベーン３ｄの開度指令値との関係を表すマップを参照し、センサ３０ａ〜３０ｆ等によって取得される第１状態量の現在値に応じた第１暫定指令値Ａを、該マップから取得するようになっていてもよい。
第１状態量とノズルベーン３ｄの開度指令値との関係を表すマップは、ターボＥＣＵ１０Ｂの内部又は外部に設けられた記憶部（例えばメモリ）に記憶されていてもよい。

第２取得部１４は、エンジン２又はターボチャージャ３の状態を示す少なくとも１つの第２状態量とノズルベーン３ｄの開度指令値との関係を表すマップ１６に基づいて、エンジン２の定常状態での制御のためのノズルベーン３ｄの開度指令値である第２暫定指令値Ｂを取得するように構成されている。
第２状態量とノズルベーン３ｄの開度指令値との関係を表すマップ１６は、ターボＥＣＵ１０Ｂの内部又は外部に設けられた記憶部１５（例えばメモリ）に記憶されていてもよい。

第２状態量は、エンジン２の目標過給圧であってもよい。すなわち、マップ１６は、エンジン２の目標過給圧と、ノズルベーン３ｄの開度指令値との関係を表すマップであってもよい。
エンジン２の目標過給圧とノズルベーン３ｄの開度指令値との相関関係は、エンジン２の回転数によって異なる場合がある。この観点から、マップ１６は、エンジン２の異なる回転数に対応するエンジン２の目標過給圧とノズルベーン３ｄの開度指令値との関係を表す複数のマップを含んでいてもよい。

状態判定部１７は、第３状態量の現在値と目標値との差に基づいて、エンジン２の現在の状態が過渡状態又は定常状態のいずれの状態であるかを判定するように構成されている。なお、エンジン２の定常状態とは、エンジン２の状態量（回転数又は負荷等）が経時的に一定である状態のことであり、エンジン２の過渡状態とは、エンジン２が、ある定常状態から別の定常状態へと移っている最中の状態のことである。

第３状態量としては、例えば、エンジン２の過給圧、エンジン２のトルク、又はエンジン２における燃料噴射量の少なくとも１つを用いることができる。

状態判定部１７によるエンジン２の状態判定のフローの例について、図５を参照して説明する。図５は、一実施形態に係る状態判定部１７による処理の一例を示すフローチャートである。ここでは、第３状態量がエンジン２の過給圧である場合を例として説明する。

状態判定部１７は、まず、圧力センサ３０ａから取得されるエンジン２の過給圧の現在値と、エンジン２の過給圧の目標値との差を算出し、この差を予め設定された閾値範囲と比較する（ステップＳ２０２）。

ステップＳ２０２での比較の結果、エンジン２の過給圧の現在値と目標値との差が閾値範囲内である場合（Ｓ２０２のＹＥＳ）、状態判定部１７は、エンジン２は定常状態であると判断する（過渡度α_０を０とする）（ステップＳ２０４）。
一方、ステップＳ２０２での比較の結果、エンジン２の過給圧の現在値と目標値との差が閾値範囲外である場合（Ｓ２０２のＮＯ）、状態判定部１７は、エンジン２は過渡状態であると判断する（過渡度α_０を１とする）（ステップＳ２０６）。
ここで、過渡度α_０はエンジン２の状態を示すパラメータであり、エンジン２が過渡状態のときに１であり、エンジン２が定常状態のとき０であると定義する。

なお、状態判定部１７によるエンジン２の状態の判定は、第１取得部１２及び第２取得部１４による第１暫定指令値Ａ及び第２暫定指令値Ｂの取得より先に行われてもよく、後に行われてもよい。
例えば、状態判定部１７によってエンジン２の状態が定常状態であるか過渡状態であるかを判定した後、その判定結果に基づいて、第１暫定指令値Ａ又は第２暫定指令値Ｂのうち、最終開度指令値Ｚの取得のために必要とされる一方のみが取得されるようになっていてもよい。

最終指令値取得部１８は、状態判定部１７による判定結果に基づいて、第１暫定指令値Ａ又は第２暫定指令値Ｂの少なくとも一方を用いて、実際にターボチャージャ３に与えるノズルベーン３ｄの最終開度指令値Ｚを取得するように構成されている。

幾つかの実施形態では、最終指令値取得部１８は、第１暫定指令値Ａ、第２暫定指令値Ｂ、及び、重み付け係数α（０≦α≦１）を用いて、Ｘ＝α×Ａ＋（１−α）×Ｂにより表される値Ｘに基づいて、最終開度指令値Ｚを算出する。

この場合、重み付け係数αが０≦α≦１の範囲で可変であるので、重み付け係数αによって定まるＸも、過渡状態での制御のための第１暫定指令値Ａと定常状態での制御のための第２暫定指令値Ｂとの間で可変である。したがって、エンジン２の状態が定常状態と過渡状態との間で遷移したときに、ＸをＡとＢとの間で重み付け係数αに応じて変化させることにより、エンジン２の遷移的状態（例えば、過渡状態から定常状態への到達度合い）に応じて最終開度指令値Ｚを適切に設定することができる。

なお、上述の式から算出される値Ｘそのものを最終開度指令値Ｚとしてもよい。あるいは、上述の値Ｘに対して、後述するレートリミット処理を施したうえで、最終開度指令値Ｚとしてもよい。

一実施形態では、最終指令値取得部１８は、上述の過渡度α_０（０又は１）に対して、レートリミット処理を施すことで前記重み付け係数αを求める重み付け係数を算出するように構成されていてもよい。

例えば、一実施形態では、エンジン２の状態が定常状態（α_０＝０）から過渡状態（α_０＝１）に遷移するとき、重み付け係数αは、定常状態における過渡度α_０＝０から開始するとともに、ある時刻からΔｔの期間におけるαの変化速度の絶対値（時間変化率）｜Δα／Δｔ｜に上限値である第１レート制限Ｒ_ｍａｘ１が設けられる。そして、変化速度の絶対値がＲ_ｍａｘ１以下との制限のもと、αは０から１まで変化する。
また、例えば、一実施形態では、エンジン２の状態が過渡状態（α_０＝１）から定常状態（α_０＝０）に遷移するとき、重み付け係数αは、過渡状態における過渡度α_０＝１から開始するとともに、ある時刻からΔｔの期間におけるαの変化速度の絶対値（時間変化率）｜Δα／Δｔ｜に上限値である第２レート制限Ｒ_ｍａｘ２が設けられる。そして、変化速度がＲ_ｍａｘ２以下との制限のもと、αは１から０まで変化する。

このように、重み付け係数αにレート制限処理を施すことにより、エンジン２の状態が遷移するとき、重み付け係数αが徐々に変化するとともに、重み付け係数によって定まる上述のＸも徐々に変化する。これにより、Ｘに基づく最終開度指令値Ｚの急激な変化を効果的に抑制して、ノズルベーン３ｄの開度又は過給圧のオーバーシュート又はハンチングを抑制することができる。

ここで、重み付け係数αのレートリミット処理を含む最終開度指令値Ｚを取得するフローの一例について、図６を参照して説明する。図６は、一実施形態に係る最終指令値取得部１８による処理の一例を示すフローチャートである。

最終指令値取得部１８は、まず、状態判定部１７による判定結果（定常状態：α_０＝０）又は過渡状態：α_０＝１）を受け取って、現在、エンジン２が定常状態（α_０＝０）から過渡状態（α_０＝１）に変化したか否か（ステップＳ３１２）、あるいは、エンジン２が過渡状態（α_０＝１）から定常状態（α_０＝０）に変化したか否か（ステップＳ３１４）、を判定する。

エンジン２が定常状態から過渡状態に変化たと判定された場合（ステップＳ３１２のＹＥＳ）、重み付け係数αの変化速度の絶対値｜Δα／Δｔ｜の上限値を第１レート制限Ｒ_ｍａｘ１に設定する（ステップＳ３１３）。また、エンジン２が過渡状態から定常状態に変化したと判定された場合（ステップＳ３１２のＮＯかつステップＳ３１４のＹＥＳ）、重み付け係数αの変化速度の絶対値｜Δα／Δｔ｜の上限値を第２レート制限Ｒ_ｍａｘ２に設定する（ステップＳ３１５）。ここで、第１レート制限Ｒ_ｍａｘ１と第２レート制限Ｒ_ｍａｘ２とは、Ｒ_ｍａｘ１＞Ｒ_ｍａｘ２の関係を満たす。

そして、上述の第１レート制限Ｒ_ｍａｘ１又は第２レート制限Ｒ_ｍａｘ２に基づいて求まる変化量Δαを加算することで、重み付け係数αを更新する（ステップＳ３１６）。このようにして取得された重み付け係数αに基づいて上述の値Ｘが算出され（ステップＳ３１８）、この値Ｘに基づいて最終開度指令値Ｚが取得される。

上述の例では、エンジン２の状態が定常状態から過渡状態に遷移するときには、重み付け係数αの変化速度の絶対値が比較的大きいＲ_ｍａｘ１以下に制限される。よって、このとき、重み付け係数αによって定まるＸについても比較的大きな時間変化率が許容されるため、Ｘに基づく最終開度指令値Ｚを比較的大きな時間変化率で変化させることができる。これにより、例えば、過給圧を迅速に要求値に近づけることができる。
一方、上述の例では、エンジン２の状態が過渡状態から定常状態に遷移するときには、重み付け係数αの変化速度の絶対値が比較的小さいＲ_ｍａｘ２以下に制限される。よって、このとき、重み付け係数αによって定まるＸについても比較的小さな時間変化率で変化するので、最終開度指令値Ｚの急激な変化を効果的に抑制して、ノズルベーン３ｄの開度又は過給圧のオーバーシュート又はハンチングを抑制することができる。

なお、図６のフローチャートのステップＳ３１２及びＳ３１４において、エンジン２の状態が定常状態と過渡状態との間で遷移しておらず、エンジン２は定常状態（α_０＝０）又は過渡状態（α_０＝１）であると判断された場合には（ステップＳ３１２のＮＯかつＳ３１４のＮＯ）、過渡度α_０（０又は１）をそのまま重み付け係数αとして設定し（ステップＳ３１７）、このαに基づいて値Ｘを算出してもよい。

図７は、一実施形態に係る最終指令値取得部１８による処理の一例を示すフローチャートである。
幾つかの実施形態では、最終指令値取得部１８は、上述の可変の重み付け係数α（０≦α≦１）を用いる代わりに、エンジン２が定常状態であるか、又は過渡状態であるかにかかわらず、第１暫定指令値Ａ又は第２暫定指令値Ｂに基づいて最終開度指令値Ｚを決定するように構成されていてもよい。

例えば、図７に示すように、最終指令値取得部１８は、まず、状態判定部１７による判定結果（定常状態：α_０＝０）又は過渡状態：α_０＝１）を受け取って、現在、エンジン２が定常状態（α_０＝０）から過渡状態（α_０＝１）に変化しているか否かを判定する（ステップＳ３２２）。
ステップＳ３２２で、エンジン２が定常状態（α_０＝０）から過渡状態（α_０＝１）に変化したと判定された場合（ステップＳ３２２のＹＥＳ）、エンジン２が定常状態から過渡状態に変化してから規定時間Ｔ_０が経過しなければ（ステップＳ３２４のＹＥＳ）、過渡度α_０＝１を重み付け係数αとして用い、過渡状態での制御のための第１暫定指令値ＡがＸとして算出される（ステップＳ３２６）。
一方、それ以外の場合、すなわち、エンジン２が定常状態から過渡状態に変化してから規定時間Ｔ_０が経過していた場合（ステップＳ３２４のＮＯ）、又はエンジン２が定常状態（α_０＝０）から過渡状態（α_０＝１）に変化したと判定さていない場合（ステップＳ３２２のＮＯ）は、過渡度α_０＝０を重み付け係数αとして用い、定常状態での制御のための第２暫定指令値ＢがＸとして算出される（ステップＳ３２８）。

上述の例では、エンジン２が定常状態から過渡状態に変化してから規定時間Ｔ_０の間は、状態判定部１７での判定結果に関わらず、過渡状態での制御のための第１暫定指令値Ａに基づいて最終開度指令値Ｚを決定するとともに、それ以外の期間においては、定常状態の制御のための第２暫定指令値Ｂに基づいて最終開度指令値Ｚを決定するので、エンジン２が完全な定常状態に近づくのを待ってから、定常状態に適した制御に移行できる。これにより、エンジン２の状態によらず、ターボチャージャ３を適切に制御することができる。

幾つかの実施形態では、最終指令値取得部１８で取得される最終開度指令値Ｚの時間変化率は、レート制限Ｓ_ｍａｘ以下に制限されている。すなわち、既に説明した幾つかの例において最終指令値取得部１８で取得される値Ｘ（Ｘ＝α×Ａ＋（１−α）×Ｂ）に対して、レートリミット処理を施したうえで、最終開度指令値Ｚとしてもよい。
この場合、最終開度指令値の時間変化率がレート制限以下に制限されるので、最終指令値は徐々に変化する。これにより、最終開度指令値の急激な変化を効果的に抑制して、ノズルベーン開度又は過給圧のオーバーシュート又はハンチングを抑制することができる。

ここで、上述の値Ｘに対するレートリミット処理を含む最終開度指令値Ｚを取得するフローの一例について、図８を参照して説明する。図８は、一実施形態に係る最終指令値取得部１８による処理の一例を示すフローチャートである。

最終指令値取得部１８は、状態判定部１７による判定結果（定常状態：α_０＝０）又は過渡状態：α_０＝１）を受け取って、現在、エンジン２が定常状態（α_０＝０）から過渡状態（α_０＝１）に変化したか否か（ステップＳ３３２）、あるいは、エンジン２が過渡状態（α_０＝１）から定常状態（α_０＝０）に変化したか否か（ステップＳ３３４）、を判定する。

エンジン２が定常状態から過渡状態に変化したと判定された場合（ステップＳ３３２のＹＥＳ）、既に取得された値Ｘの変化速度の絶対値｜ΔＸ／Δｔ｜の上限値を第１レート制限Ｓ_ｍａｘ１に設定する（ステップＳ３３３）。また、エンジン２が過渡状態から定常状態に変化したと判定された場合（ステップＳ３３２のＮＯかつステップＳ３３４のＹＥＳ）、既に取得された値Ｘの変化速度の絶対値｜ΔＸ／Δｔ｜の上限値を第２レート制限Ｓ_ｍａｘ２に設定する（ステップＳ３３５）。ここで、第１レート制限Ｓ_ｍａｘ１と第２レート制限Ｓ_ｍａｘ２とは、Ｓ_ｍａｘ１＞Ｓ_ｍａｘ２の関係を満たす。

そして、上述の第１レート制限Ｓ_ｍａｘ１又は第２レート制限Ｓ_ｍａｘ２に基づいて求まる変化量ΔＸを加算することで、値Ｘを更新する（ステップＳ３３６）。このようにして取得された値Ｘに基づいて最終開度指令値Ｚが算出される（ステップＳ３３８）。

上述の例では、エンジン２の状態が定常状態から過渡状態に遷移するときには、最終開度指令値Ｚを決定するための値Ｘの変化速度の絶対値が比較的大きいＳ_ｍａｘ１以下に制限される。よって、このとき、値Ｘによって定まる最終開度指令値Ｚについても比較的大きな時間変化率が許容される。これにより、例えば、過給圧を迅速に要求値に近づけることができる。
一方、上述の例では、エンジン２の状態が過渡状態から定常状態に遷移するときには、最終開度指令値Ｚを決定するための値Ｘの変化速度の絶対値が比較的小さいＳ_ｍａｘ２以下に制限される。よって、このとき、値Ｘによって定まる最終開度指令値Ｚについても比較的小さな時間変化率で変化するので、最終開度指令値Ｚの急激な変化を効果的に抑制して、ノズルベーン３ｄの開度又は過給圧のオーバーシュート又はハンチングを抑制することができる。

なお、図８のフローチャートのステップＳ３３２及びＳ３３４において、エンジン２の状態が定常状態と過渡状態との間で遷移しておらず、エンジン２は定常状態（α_０＝０）又は過渡状態（α_０＝１）であると判断された場合には（ステップＳ３３２のＮＯかつＳ３３４のＮＯ）、値Ｘをそのまま最終開度指令値Ｚとして設定するようにしてもよい（ステップＳ３３８）。

ここで、図９Ａ及び図９Ｂは、一実施形態に係る制御方法をシミュレーションした結果を示す図である。図９Ａは、ノズルベーン開度のシミュレーション結果を示すグラフであり、図９Ｂは、図９Ａに示すノズルベーン開度に基づいて得られる過給圧のシミュレーション結果を示すグラフである。

このシミュレーションは、以下の条件において行われた。すなわち、過給圧のシミュレーション値と目標過給圧との差が所定範囲ＴＨ（図９Ｂ参照）のときにエンジン２が定常状態であり、それ以外の時にはエンジン２は過渡状態であると判断されるようにした。このエンジン２の状態判定結果に基づいて、目標過給値が図９Ｂに示すものとなるように、第１暫定指令値Ａ及び第２暫定指令値Ｂを取得するとともに、Ｘ＝α×Ａ＋（１−α）×Ｂ（ただし、αは重み付け係数（０≦α≦１））により表される値Ｘを、ノズルベーン開度（最終開度指令値Ｚ）のシミュレーション値として算出した。ただし、重み付け係数αにはレート制限が設けられており、定常状態から過渡状態に変化するときの第１レート制限Ｒ_ｍａｘ１及び過渡状態から定常状態に変化するときの第２レート制限Ｒ_ｍａｘ２は、Ｒ_ｍａｘ１がＲ_ｍａｘ２の１０倍となるように設定した。
このようにして得られたシミュレーションの算出値が図９Ａ及び図９Ｂに示されている。

図９Ａ及び図９Ｂに示されるように、目標過給圧が急上昇した時刻ｔ_１において、エンジン２は定常状態から過渡状態に変化したと判断された。時刻ｔ_２において、目標過給圧と過給圧計算値の差が範囲ＴＨの範囲内となり、エンジン２は過渡状態から定常状態に変化したと判断された。
これに従い、時刻ｔ_１〜ｔ_２では、比較的大きな第１レート制限Ｒ_ｍａｘ１を用いてノズルベーン開度が算出され、時刻ｔ_２〜ｔ_３では、比較的小さな第２レート制限Ｒ_ｍａｘ２を用いてノズルベーン開度が算出された。これにより、時刻ｔ_１〜ｔ_２では、ノズルベーン開度の増加速度（変化速度）は比較的大きく、時刻ｔ_２〜ｔ_３では、ノズルベーン開度の減少速度（変化速度）は比較的小さくなっている。

その結果、エンジン２が定常状態から過渡状態に変化した時刻ｔ_１からｔ_２までの間は、過給圧の計算値が迅速に目標値に近づくとともに、過給圧の計算値が目標値に近づいて定常状態となった時刻ｔ_２以後、過給圧の計算値は、安定的に目標値付近の値となっており、大きく目標値から外れていない。そして、時刻ｔ_３では、ノズルベーン開度が一定となり、定常状態での制御に移行したことがわかる。
すなわち、時刻ｔ_１〜ｔ_３の過程において、過給圧のオーバーシュートやハンチングが抑制されている。

以上より、本発明の実施形態に係る制御方法、制御装置又は制御プログラムにより、エンジン２又はターボチャージャ３の動作状態が時々刻々変化する過渡状態においても、ノズルベーン３ｄの開度を適切に調節することができ、エンジン２の状態によらず、ターボチャージャ３を適切に制御可能であることが示される。

幾つかの実施形態では、ターボＥＣＵ１０Ｂは、エンジン２又はターボチャージャ３の状態を示す少なくとも１つの第４状態量に基づいて、第１取得部１２で第１暫定指令値Ａを取得する際に用いる予測モデルを修正するための予測モデル修正部１９をさらに備えていてもよい。

例えば、時間ステップｋからＮｐステップ先までのモデル行列が上述の式（１）、（２）、…、（Ｎｐ）で表される場合、予測モデル修正部１９は、エンジン２及びターボチャージャ３のモデルを行列形式で表現した上述の式中のＡ又はＢを構成するパラメータの少なくとも何れかを修正するようになっていてもよい。

第４状態量は、例えば、エンジン２の過給圧、エンジン２の回転数、吸気マニホールド５の圧力、吸気マニホールド５の温度、排気マニホールド９の圧力、排気マニホールド９の温度、ノズルベーン３ｄの開度、または、エンジン２の目標過給圧の少なくとも一つのパラメータの現在値であってもよい。

このように、エンジン２又はターボチャージャ３の状態を示す少なくとも１つの第４状態量に基づいて、予測モデルが修正されることにより、エンジン２又はターボチャージャ３の製品状態に変化（例えば径時劣化）が生じた場合に、エンジン２又はターボチャージャ３の製品状態の変化に応じて予測モデルが修正される。よって、エンジン２又はターボチャージャ３の現在の製品状態において適切な最終開度指令値Ｚを取得することができ、エンジン２の製品寿命にわたって、エンジン２の状態によらず、ターボチャージャ３を適切に制御することができる。

幾つかの実施形態に係る運転制御プログラムは、上述の実施形態で説明したターボチャージャ３の制御方法を、ターボＥＣＵ１０Ｂによって実行するためのプログラムである。

幾つかの実施形態では、運転制御プログラムは、第１暫定指令値Ａを取得するための予測モデルが修正されるように、予測モデル修正部１９等によって自動的に修正されるようになっていてもよい。

以上に説明した実施形態によれば、エンジン２又はターボチャージャ３の状態を示す状態量に基づいて、予測モデルを用いて過渡状態での制御のためのノズルベーン３ｄの開度指令値である第１暫定指令値Ａを取得するとともに、予め作成されたマップから定常状態での制御のノズルベーン３ｄの開度指令値である第２暫定指令値Ｂを取得し、エンジン２の状態の判定結果に応じて、第１暫定指令値Ａ又は第２暫定指令値Ｂの少なくとも一方を用いて実際にターボチャージャ３に与える最終開度指令値Ｚを取得する。これにより、エンジン２又はターボチャージャ３の動作状態が時々刻々変化する過渡状態においても、ノズルベーン３ｄの開度を適切に調節することができる。よって、以上説明した実施啓太いによれば、エンジン２の状態によらず、ターボチャージャ３を適切に制御することができる。

また、例えば、定常状態でのマップに基づく制御を過渡状態の制御に適用した場合、過給圧が目標値を超えて過大とならないようにするために、過給圧の制限値を設けることがあり、この場合、最適な過給圧が得られずに、エンジンの性能が低下する可能性がある。
この点、以上説明した実施形態によれば、モデル予測に基づいて将来の過給圧を予測できるので、過給圧の目標値を超えないように制御することが可能となる。したがって、過給圧制限値を低めに設定する必要がないため、エンジン２の性能低下を抑制することができる。

以上、本発明の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定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

１ エンジンシステム
２ エンジン
２ａ 燃焼室
３ ターボチャージャ
３ａ コンプレッサ
３ｂ タービン
３ｃ 回転シャフト
３ｄ ノズルベーン
３ｅ 支持軸
４ 吸気管路
５ 吸気マニホールド
６ 排気管路
７ スロットルバルブ
８ インタークーラ
９ 排気マニホールド
１０ 制御装置
１０Ａ エンジンＥＣＵ
１０Ｂ ターボＥＣＵ
１２ 第１取得部
１４ 第２取得部
１５ 記憶部
１６ マップ
１７ 状態判定部
１８ 最終指令値取得部
１９ 予測モデル修正部
３０ａ 圧力センサ
３０ｂ 回転数センサ
３０ｃ 圧力センサ
３０ｄ 温度センサ
３０ｅ 圧力センサ
３０ｆ 温度センサ
５０ タービンケーシング
５４ タービンロータ
５６ 動翼
１００ 過給システム

Claims (15)

1. エンジンからの排ガスにより回転駆動されるように構成されたタービンと、前記タービンに流入する前記排ガスの流路面積を変えるように開度調節可能なノズルベーンと、を含むターボチャージャの制御方法であって、
   前記エンジン又は前記ターボチャージャの状態を示す少なくとも１つの第１状態量を用いた予測モデルに基づいて、前記エンジンの過渡状態での制御のための前記ノズルベーンの開度指令値である第１暫定指令値を取得する第１取得ステップと、
   前記エンジンの定常状態における、前記エンジン又は前記ターボチャージャの状態を示す少なくとも１つの第２状態量と、該第２状態量に対応する前記ノズルベーンの開度指令値との関係を表すマップに基づいて、前記エンジンの定常状態での制御のための前記ノズルベーンの開度指令値である第２暫定指令値を取得する第２取得ステップと、
   前記エンジンの現在の状態が前記過渡状態又は前記定常状態のいずれの状態であるかを判定する状態判定ステップと、
   前記状態判定ステップでの判定結果に基づいて、前記第１暫定指令値又は前記第２暫定指令値の少なくとも一方を用いて、実際に前記ターボチャージャに与える前記ノズルベーンの最終開度指令値を取得する最終指令値取得ステップと、
   を備えることを特徴とするターボチャージャの制御方法。
2. 前記第１取得ステップでは、前記少なくとも１つの前記第１状態量から、前記予測モデルに基づいて前記第１暫定指令値を算出することを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャの制御方法。
3. 前記第１取得ステップでは、前記予測モデルを用いて予め作成され、前記エンジンの過渡状態における、前記少なくとも１つの第１状態量と、該第１状態量に対応する前記ノズルベーンの開度指令値との関係を表すマップを参照することにより前記第１暫定指令値を取得することを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャの制御方法。
4. 前記少なくとも１つの第１状態量は、前記エンジンの過給圧、前記エンジンの回転数、前記エンジンのマニホールドの温度、前記マニホールドの圧力、前記ノズルベーンの開度、または、前記エンジンの目標過給圧の少なくとも一つのパラメータの現在値を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のターボチャージャの制御方法。
5. 前記少なくとも１つの第２状態量は、前記エンジンの目標過給圧を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のターボチャージャの制御方法。
6. 前記状態判定ステップでは、前記エンジンの第３状態量の現在値と、前記エンジンの前記第３状態量の目標値との差と、閾値との比較に基づいて、前記エンジンの現在の状態が前記過渡状態又は前記定常状態のいずれの状態であるかを判定することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のターボチャージャの制御方法。
7. 前記最終指令値取得ステップでは、前記第１暫定指令値をＡとし、前記第２暫定指令値をＢとしたとき、重み付け係数α（０≦α≦１）を用いて、Ｘ＝α×Ａ＋（１−α）×Ｂにより表される値Ｘに基づいて、前記最終開度指令値を算出することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のターボチャージャの制御方法。
8. 前記エンジンが前記過渡状態のときに１であり、前記エンジンが前記定常状態のとき０である過渡度α_０に対して、レートリミット処理を施すことで前記重み付け係数αを求める重み付け係数算出ステップをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のターボチャージャの制御方法。
9. 前記レートリミット処理では、
   前記過渡度α_０が０から１に変化したとき前記重み付け係数αの変化速度の絶対値が第１レート制限Ｒ_ｍａｘ１以下に制限されるとともに、
   前記過渡度α_０が１から０に変化したとき前記重み付け係数αの変化速度の絶対値が第２レート制限Ｒ_ｍａｘ２以下に制限され、
   前記第１レート制限Ｒ_ｍａｘ１と前記第２レート制限Ｒ_ｍａｘ２とは、Ｒ_ｍａｘ１＞Ｒ_ｍａｘ２の関係を満たす
   ことを特徴とする請求項８に記載のターボチャージャの制御方法。
10. 前記最終指令値取得ステップでは、
    前記状態判定ステップでの判定結果が前記定常状態から前記過渡状態に変化したときには、前記定常状態から前記過渡状態に変化してから少なくとも規定時間の間、前記状態判定ステップでの判定結果に関わらず、前記第１暫定指令値に基づいて前記最終開度指令値を決定し、
    前記規定時間を除く期間において、前記第２暫定指令値に基づいて前記最終開度指令値を決定する
    ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のターボチャージャの制御方法。
11. 前記最終指令値取得ステップで取得される前記最終開度指令値の時間変化率は、レート制限以下に制限されていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載のターボチャージャの制御方法。
12. 前記エンジン又は前記ターボチャージャの状態を示す少なくとも１つの第４状態量に基づいて、前記予測モデルを修正するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載のターボチャージャの制御方法。
13. エンジンからの排ガスにより回転駆動されるように構成されたタービンと、前記タービンに流入する前記排ガスの流路面積を変えるように開度調節可能なノズルベーンと、を含むターボチャージャの制御装置であって、
    前記エンジン又は前記ターボチャージャの状態を示す少なくとも１つの第１状態量を用いた予測モデルに基づいて、前記エンジンの過渡状態での制御のための前記ノズルベーンの開度指令値である第１暫定指令値を取得する第１取得部と、
    前記エンジンの定常状態における、前記エンジン又は前記ターボチャージャの状態を示す少なくとも１つの第２状態量と、該第２状態量に対応する前記ノズルベーンの開度指令値との関係を表すマップに基づいて、前記エンジンの定常状態での制御のための前記ノズルベーンの開度指令値である第２暫定指令値を取得する第２取得部と、
    前記エンジンの現在の状態が前記過渡状態又は前記定常状態のいずれの状態であるかを判定する状態判定部と、
    前記状態判定部による判定結果に基づいて、前記第１暫定指令値又は前記第２暫定指令値の少なくとも一方を用いて、実際に前記ターボチャージャに与える前記ノズルベーンの最終開度指令値を取得する最終指令値取得部と、
    を備えることを特徴とするターボチャージャの制御装置。
14. エンジンからの排ガスにより回転駆動されるように構成されたタービンと、前記タービンに流入する前記排ガスの流路面積を変えるように開度調節可能なノズルベーンと、を含むターボチャージャと、
    前記ターボチャージャを制御するための制御装置と、
    を備える過給システムであって、
    前記制御装置は、請求項１３に記載の制御装置である
    ことを特徴とする過給システム。
15. エンジンからの排ガスにより回転駆動されるように構成されたタービンと、前記タービンに流入する前記排ガスの流路面積を変えるように開度調節可能なノズルベーンと、を含むターボチャージャの運転制御プログラムであって、
    前記エンジン又は前記ターボチャージャの状態を示す少なくとも１つの第１状態量を用いた予測モデルに基づいて、前記エンジンの過渡状態での制御のための前記ノズルベーンの開度指令値である第１暫定指令値を取得する手順と、
    前記エンジンの定常状態における、前記エンジン又は前記ターボチャージャの状態を示す少なくとも１つの第２状態量と、該第２状態量に対応する前記ノズルベーンの開度指令値との関係を表すマップに基づいて、前記エンジンの定常状態での制御のための前記ノズルベーンの開度指令値である第２暫定指令値を取得する手順と、
    前記エンジンの現在の状態が前記過渡状態又は前記定常状態のいずれの状態であるかを判定する手順と、
    前記エンジンの状態の判定結果に基づいて、前記第１暫定指令値又は前記第２暫定指令値の少なくとも一方を用いて、実際に前記ターボチャージャに与える前記ノズルベーンの最終開度指令値を取得する手順と、
    をコンピュータに実行させるためのターボチャージャの運転制御プログラム。

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