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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5943848
(24)【登録日】2016年6月3日
(45)【発行日】2016年7月5日
(54)【発明の名称】多段式過給システム及びその制御装置並びにその制御方法
(51)【国際特許分類】
F02B 37/00 20060101AFI20160621BHJP
F02B 29/04 20060101ALI20160621BHJP
F02B 37/013 20060101ALI20160621BHJP
【ＦＩ】
F02B37/00 302D
F02B37/00 500B
F02B29/04 R
F02B37/013
【請求項の数】7
【全頁数】12
(21)【出願番号】特願2013-14282(P2013-14282)
(22)【出願日】2013年1月29日
(65)【公開番号】特開2014-145302(P2014-145302A)
(43)【公開日】2014年8月14日
【審査請求日】2015年7月24日
(73)【特許権者】
【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100112737
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴
(74)【代理人】
【識別番号】100118913
【弁理士】
【氏名又は名称】上田 邦生
(72)【発明者】
【氏名】堀田 和郎
【審査官】
北村 亮
(56)【参考文献】
【文献】
特開平２−９５７２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２００９−５１５０８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２０１１／０７３５１２（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ０２Ｂ ３７／００
Ｆ０２Ｂ ２９／０４
Ｆ０２Ｂ ３７／０１３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
低圧側の第１過給機と、前記第１過給機の吐出空気を冷却する冷却手段と、冷却後の前記吐出空気を圧縮する高圧側の第２過給機とを備え、少なくとも２段に渡って圧縮された空気を内燃機関に供給する多段式過給システムの制御装置であって、
前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力を入力情報として取得する情報取得手段と、
前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力をパラメータとして用いて、前記第１過給機の吐出空気の水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出手段と、
前記水蒸気分圧算出手段によって算出された水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を目標温度として設定する目標温度設定手段と、
前記第２過給機の吸込空気温度が前記目標温度以上となるように、前記冷却手段を制御する冷却制御手段と
を具備し、
前記情報取得手段は、入力情報として前記第１過給機の回転数または空気流量を更に取得し、
前記目標温度設定手段は、前記水蒸気分圧算出手段によって算出された前記水蒸気分圧、並びに前記第１過給機の吸込空気温度、吸気圧力、吐出圧力、及び回転数または空気流量を用いて、前記第２過給機の吸込空気に含まれる凝縮水量が前記第２過給機の特性から決定される所定の許容凝縮水量となる前記第２過給機の吸込空気温度を、前記目標温度として設定する多段式過給システムの制御装置。
前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力を入力情報として取得する情報取得手段と、
前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力をパラメータとして用いて、前記第１過給機の吐出空気の水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出手段と、
前記水蒸気分圧算出手段によって算出された水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を目標温度として設定する目標温度設定手段と、
前記第２過給機の吸込空気温度が前記目標温度以上となるように、前記冷却手段を制御する冷却制御手段と
を具備し、
前記情報取得手段は、入力情報として前記第１過給機の回転数または空気流量を更に取得し、
前記目標温度設定手段は、前記水蒸気分圧算出手段によって算出された前記水蒸気分圧、並びに前記第１過給機の吸込空気温度、吸気圧力、吐出圧力、及び回転数または空気流量を用いて、前記第２過給機の吸込空気に含まれる凝縮水量が前記第２過給機の特性から決定される所定の許容凝縮水量となる前記第２過給機の吸込空気温度を、前記目標温度として設定する多段式過給システムの制御装置。
【請求項2】
低圧側の第１過給機と、前記第１過給機の吐出空気を冷却する冷却手段と、冷却後の前記吐出空気を圧縮する高圧側の第２過給機とを備え、少なくとも２段に渡って圧縮された空気を内燃機関に供給する多段式過給システムの制御装置であって、
前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力を入力情報として取得する情報取得手段と、
前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力をパラメータとして用いて、前記第１過給機の吐出空気の水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出手段と、
前記水蒸気分圧算出手段によって算出された水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を目標温度として設定する目標温度設定手段と、
前記第２過給機の吸込空気温度が前記目標温度以上となるように、前記冷却手段を制御する冷却制御手段と
を具備し、
前記目標温度設定手段は、
前記第２過給機の吸込空気における水蒸気分圧を未知数として用いて、前記第２過給機の吸込空気に含まれる凝縮水量を表わす式を設定し、
該式と許容凝縮水量とを等式としたときの前記水蒸気分圧を取得し、
該水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を前記目標温度として設定する多段式過給システムの制御装置。
前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力を入力情報として取得する情報取得手段と、
前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力をパラメータとして用いて、前記第１過給機の吐出空気の水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出手段と、
前記水蒸気分圧算出手段によって算出された水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を目標温度として設定する目標温度設定手段と、
前記第２過給機の吸込空気温度が前記目標温度以上となるように、前記冷却手段を制御する冷却制御手段と
を具備し、
前記目標温度設定手段は、
前記第２過給機の吸込空気における水蒸気分圧を未知数として用いて、前記第２過給機の吸込空気に含まれる凝縮水量を表わす式を設定し、
該式と許容凝縮水量とを等式としたときの前記水蒸気分圧を取得し、
該水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を前記目標温度として設定する多段式過給システムの制御装置。
【請求項3】
前記目標温度設定手段は、
前記第２過給機の吸込空気における水蒸気分圧を未知数として用いて、前記第２過給機の吸込空気に含まれる凝縮水量を表わす式を設定し、
該式と前記許容凝縮水量とを等式としたときの前記水蒸気分圧を取得し、
該水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を前記目標温度として設定する請求項１に記載の多段式過給システムの制御装置。
前記第２過給機の吸込空気における水蒸気分圧を未知数として用いて、前記第２過給機の吸込空気に含まれる凝縮水量を表わす式を設定し、
該式と前記許容凝縮水量とを等式としたときの前記水蒸気分圧を取得し、
該水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を前記目標温度として設定する請求項１に記載の多段式過給システムの制御装置。
【請求項4】
低圧側の第１過給機と、
前記第１過給機の吐出空気を冷却する冷却手段と、
冷却後の前記吐出空気を圧縮する高圧側の第２過給機と、
請求項１または請求項２に記載の多段式過給システムの制御装置と
を備え、
少なくとも２段に渡って圧縮された空気を内燃機関に供給する多段式過給システム。
前記第１過給機の吐出空気を冷却する冷却手段と、
冷却後の前記吐出空気を圧縮する高圧側の第２過給機と、
請求項１または請求項２に記載の多段式過給システムの制御装置と
を備え、
少なくとも２段に渡って圧縮された空気を内燃機関に供給する多段式過給システム。
【請求項5】
低圧側の第１過給機と、前記第１過給機の吐出空気を冷却する冷却手段と、冷却後の前記吐出空気を圧縮する高圧側の第２過給機とを備え、少なくとも２段に渡って圧縮された空気を内燃機関に供給する多段式過給システムの制御方法であって、
前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力を入力情報として取得する情報取得過程と、
前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力をパラメータとして用いて、前記第１過給機の吐出空気の水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出過程と、
前記水蒸気分圧算出過程によって算出された水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を目標温度として設定する目標温度設定過程と、
前記第２過給機の吸込空気温度が前記目標温度以上となるように、前記冷却手段を制御する冷却制御過程と
を具備し、
前記情報取得過程では、入力情報として前記第１過給機の回転数または空気流量を更に取得し、
前記目標温度設定過程は、前記水蒸気分圧算出過程において算出された前記水蒸気分圧、並びに前記第１過給機の吸込空気温度、吸気圧力、吐出圧力、及び回転数または空気流量を用いて、前記第２過給機の吸込空気に含まれる凝縮水量が前記第２過給機の特性から決定される所定の許容凝縮水量となる前記第２過給機の吸込空気温度を、前記目標温度として設定する多段式過給システムの制御方法。
前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力を入力情報として取得する情報取得過程と、
前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力をパラメータとして用いて、前記第１過給機の吐出空気の水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出過程と、
前記水蒸気分圧算出過程によって算出された水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を目標温度として設定する目標温度設定過程と、
前記第２過給機の吸込空気温度が前記目標温度以上となるように、前記冷却手段を制御する冷却制御過程と
を具備し、
前記情報取得過程では、入力情報として前記第１過給機の回転数または空気流量を更に取得し、
前記目標温度設定過程は、前記水蒸気分圧算出過程において算出された前記水蒸気分圧、並びに前記第１過給機の吸込空気温度、吸気圧力、吐出圧力、及び回転数または空気流量を用いて、前記第２過給機の吸込空気に含まれる凝縮水量が前記第２過給機の特性から決定される所定の許容凝縮水量となる前記第２過給機の吸込空気温度を、前記目標温度として設定する多段式過給システムの制御方法。
【請求項6】
低圧側の第１過給機と、前記第１過給機の吐出空気を冷却する冷却手段と、冷却後の前記吐出空気を圧縮する高圧側の第２過給機とを備え、少なくとも２段に渡って圧縮された空気を内燃機関に供給する多段式過給システムの制御方法であって、
前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力を入力情報として取得する情報取得過程と、
前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力をパラメータとして用いて、前記第１過給機の吐出空気の水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出過程と、
前記水蒸気分圧算出過程によって算出された水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を目標温度として設定する目標温度設定過程と、
前記第２過給機の吸込空気温度が前記目標温度以上となるように、前記冷却手段を制御する冷却制御過程と
を具備し、
前記目標温度設定過程は、
前記第２過給機の吸込空気における水蒸気分圧を未知数として用いて、前記第２過給機の吸込空気に含まれる凝縮水量を表わす式を設定し、
該式と許容凝縮水量とを等式としたときの前記水蒸気分圧を取得し、
該水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を前記目標温度として設定する多段式過給システムの制御方法。
前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力を入力情報として取得する情報取得過程と、
前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力をパラメータとして用いて、前記第１過給機の吐出空気の水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出過程と、
前記水蒸気分圧算出過程によって算出された水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を目標温度として設定する目標温度設定過程と、
前記第２過給機の吸込空気温度が前記目標温度以上となるように、前記冷却手段を制御する冷却制御過程と
を具備し、
前記目標温度設定過程は、
前記第２過給機の吸込空気における水蒸気分圧を未知数として用いて、前記第２過給機の吸込空気に含まれる凝縮水量を表わす式を設定し、
該式と許容凝縮水量とを等式としたときの前記水蒸気分圧を取得し、
該水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を前記目標温度として設定する多段式過給システムの制御方法。
【請求項7】
前記目標温度設定過程は、
前記第２過給機の吸込空気における水蒸気分圧を未知数として用いて、前記第２過給機の吸込空気に含まれる凝縮水量を表わす式を設定し、
該式と前記許容凝縮水量とを等式としたときの前記水蒸気分圧を取得し、
該水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を前記目標温度として設定する請求項５に記載の多段式過給システムの制御方法。
前記第２過給機の吸込空気における水蒸気分圧を未知数として用いて、前記第２過給機の吸込空気に含まれる凝縮水量を表わす式を設定し、
該式と前記許容凝縮水量とを等式としたときの前記水蒸気分圧を取得し、
該水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を前記目標温度として設定する請求項５に記載の多段式過給システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、多段式過給システム及びその制御装置並びにその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、内燃機関においては、高出力低燃費化を図る目的で、二段過給システムが提案されている。例えば、特許文献１には、低圧段ターボチャージャと高圧段ターボチャージャとの間に冷却器を設け、低圧段ターボチャージャで圧縮された空気流を冷却器において冷却して高圧段ターボチャージャに供給する二段過給システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１２−８７７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上述した二段式の過給システムでは、上記冷却器によって吸気が冷却される際、圧縮空気中の水分が凝縮して水ミストが発生し、この水ミストが後段の過給機のインペラに衝突して、インペラを破損させる可能性があった。インペラが破損すると、過給機の効率が低下するとともに、仮に、破片が内燃機関のシリンダに混入した場合には、摺動部不良や焼きつき等の原因になる。
【0005】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、圧縮空気の冷却時における水ミストの発生を抑制することのできる多段式過給システム及びその制御装置並びにその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、低圧側の第１過給機と、前記第１過給機の吐出空気を冷却する冷却手段と、冷却後の前記吐出空気を圧縮する高圧側の第２過給機とを備え、少なくとも２段に渡って圧縮された空気を内燃機関に供給する多段式過給システムの制御装置であって、前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力を入力情報として取得する情報取得手段と、前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力をパラメータとして用いて、前記第１過給機の吐出空気の水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出手段と、前記水蒸気分圧算出手段によって算出された水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を目標温度として設定する目標温度設定手段と、前記第２過給機の吸込空気温度が前記目標温度以上となるように、前記冷却手段を制御する冷却制御手段とを具備し、前記情報取得手段は、入力情報として前記第１過給機の回転数または空気流量を更に取得し、前記目標温度設定手段は、前記水蒸気分圧算出手段によって算出された前記水蒸気分圧、並びに前記第１過給機の吸込空気温度、吸気圧力、吐出圧力、及び回転数または空気流量を用いて、前記第２過給機の吸込空気に含まれる凝縮水量が前記第２過給機の特性から決定される所定の許容凝縮水量となる前記第２過給機の吸込空気温度を、前記目標温度として設定する多段式過給システムの制御装置を提供する。
【0007】
例えば、第２過給機の吸込空気に水ミストが発生しないようにするためには、単純に第２過給機の吸込空気温度を上昇させればよい。しかし、吸込空気の温度上昇は過給機の効率低下を招くため、効率の観点からは温度上昇は避けた方が好ましい。このように、第２過給機の吸込空気においては、水ミストの発生の観点と、過給機の効率の観点とから最適な温度に制御することが重要となる。本発明によれば、第１過給機の吐出空気における水蒸気分圧を算出し、この水蒸気分圧が飽和水蒸気分圧となる温度を求め、この温度を第２過給機の吸込空気の目標温度として設定する。この目標温度は、第２過給機の吸込空気において、水ミストが発生しない最低温度を意味するので、水ミストの発生を回避することができるとともに、過給機の効率低下を可能な限り抑制することが可能となる。このように、本発明によれば、第２過給機の吸込温度を水ミストの発生の観点と過給機の効率の観点とから適正な範囲に制御することができる。
また、本発明によれば、第２過給機の吸込空気に含まれる凝縮水量を予め設定されている許容凝縮水量に一致させる温度が目標温度として設定される。例えば、第２過給機のインペラに比較的強度があり、多少の凝縮水を許容するような構造である場合には、その許容範囲内での凝縮水の混入を許容し、その分、第２過給機の吸込空気の目標温度を下げる。これにより、水ミストの混入を確実に排除する場合と比べて、第２過給機の効率を向上させることができる。
【0010】
本発明は、低圧側の第１過給機と、前記第１過給機の吐出空気を冷却する冷却手段と、冷却後の前記吐出空気を圧縮する高圧側の第２過給機とを備え、少なくとも２段に渡って圧縮された空気を内燃機関に供給する多段式過給システムの制御装置であって、前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力を入力情報として取得する情報取得手段と、前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力をパラメータとして用いて、前記第１過給機の吐出空気の水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出手段と、前記水蒸気分圧算出手段によって算出された水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を目標温度として設定する目標温度設定手段と、前記第２過給機の吸込空気温度が前記目標温度以上となるように、前記冷却手段を制御する冷却制御手段とを具備し、前記目標温度設定手段は、前記第２過給機の吸込空気における水蒸気分圧を未知数として用いて、前記第２過給機の吸込空気に含まれる凝縮水量を表わす式を設定し、該式と許容凝縮水量とを等式としたときの前記水蒸気分圧を取得し、該水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を前記目標温度として設定する多段式過給システムの制御装置を提供する。
【0011】
本発明は、低圧側の第１過給機と、前記第１過給機の吐出空気を冷却する冷却手段と、冷却後の前記吐出空気を圧縮する高圧側の第２過給機と、上記の多段式過給システムの制御装置とを備え、少なくとも２段に渡って圧縮された空気を内燃機関に供給する多段式過給システムを提供する。
【0012】
本発明は、低圧側の第１過給機と、前記第１過給機の吐出空気を冷却する冷却手段と、冷却後の前記吐出空気を圧縮する高圧側の第２過給機とを備え、少なくとも２段に渡って圧縮された空気を内燃機関に供給する多段式過給システムの制御方法であって、前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力を入力情報として取得する情報取得過程と、前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力をパラメータとして用いて、前記第１過給機の吐出空気の水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出過程と、前記水蒸気分圧算出過程によって算出された水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を目標温度として設定する目標温度設定過程と、前記第２過給機の吸込空気温度が前記目標温度以上となるように、前記冷却手段を制御する冷却制御過程とを具備し、前記情報取得過程では、入力情報として前記第１過給機の回転数または空気流量を更に取得し、前記目標温度設定過程は、前記水蒸気分圧算出過程において算出された前記水蒸気分圧、並びに前記第１過給機の吸込空気温度、吸気圧力、吐出圧力、及び回転数または空気流量を用いて、前記第２過給機の吸込空気に含まれる凝縮水量が前記第２過給機の特性から決定される所定の許容凝縮水量となる前記第２過給機の吸込空気温度を、前記目標温度として設定する多段式過給システムの制御方法を提供する。
【0014】
本発明は、低圧側の第１過給機と、前記第１過給機の吐出空気を冷却する冷却手段と、冷却後の前記吐出空気を圧縮する高圧側の第２過給機とを備え、少なくとも２段に渡って圧縮された空気を内燃機関に供給する多段式過給システムの制御方法であって、前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力を入力情報として取得する情報取得過程と、前記第１過給機の吸込空気温度及び吸込空気湿度並びに前記第１過給機の吸気圧力及び吐出圧力をパラメータとして用いて、前記第１過給機の吐出空気の水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出過程と、前記水蒸気分圧算出過程によって算出された水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を目標温度として設定する目標温度設定過程と、前記第２過給機の吸込空気温度が前記目標温度以上となるように、前記冷却手段を制御する冷却制御過程とを具備し、前記目標温度設定過程は、前記第２過給機の吸込空気における水蒸気分圧を未知数として用いて、前記第２過給機の吸込空気に含まれる凝縮水量を表わす式を設定し、該式と許容凝縮水量とを等式としたときの前記水蒸気分圧を取得し、該水蒸気分圧が飽和水蒸気圧となる温度を前記目標温度として設定する多段式過給システムの制御方法を提供する。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、圧縮空気の冷却時における水ミストの発生を抑制するので、後段の過給機における水ミストの問題を解消でき、インペラ等の破損を回避することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明の第１実施形態に係る多段式過給システムとして、二段式の過給システムの一構成例を概略的に示した図である。
【図2】本発明の第１実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。
【図3】飽和水蒸気圧と温度との関係を示すテーブルの一例を示した図である。
【図4】本発明の第２実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
〔第１実施形態〕以下に、本発明の第１実施形態に係る多段式過給システム及びその制御装置並びにその方法について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る多段式過給システムの一例として、二段式の過給システムの一構成例を概略的に示した図である。図１に示すように、多段式過給システム１は、低圧側の第１過給機２と、第１過給機２の吐出空気を冷却するインタークーラ（冷却手段）３と、冷却後の吐出空気を圧縮する高圧側の第２過給機４と、制御装置５とを主な構成として備えている。
【0018】
第２過給機４から吐出された圧縮空気は、インタークーラ６によって冷却された後に、内燃機関７に供給される。内燃機関７の排気ガスが排出される排ガス配管８には、高圧側の第２タービン１０、低圧側の第１タービン１１が設けられ、これらが排ガスによって回転する。
【0019】
第２タービン１０が第２過給機４と、第１タービン１１が第１過給機２とそれぞれ一軸で接続されることにより、第２タービン１０、第１タービン１１の回転力が第２過給機４、第１過給機２にそれぞれ伝達され、第２過給機４、第１過給機２が駆動する。このような多段式過給システム１において、第１過給機２の吸込空気温度T1[℃]、吸込空気湿度H1[％]、吸気圧力P1[kPa]、吐出圧力P2[kPa]、及び第２過給機４の吸込空気温度T2[℃]がそれぞれセンサ（図示略）により検出され、制御装置５に出力される。
制御装置５は、例えば、第２過給機４の健全性及び効率の両観点から、第２過給機４の吸込空気温度T2が適切な温度となるように、インタークーラ３の制御を行う。
【0020】
図２は、制御装置５の機能ブロック図である。図２に示すように、制御装置５は、情報取得部２１と、水蒸気分圧算出部２２と、目標温度設定部２３と、バルブ開度制御部（冷却制御手段）２４とを備えている。情報取得部２１は、上述した各センサによって検出された第１過給機２の吸込空気温度T1[℃]、吸込空気湿度H1[％]、吸気圧力P1[kPa]、吐出圧力P2[kPa]、及び第２過給機４の吸込空気温度T2[℃]をそれぞれ取得する。
【0021】
水蒸気分圧算出部２２は、第１過給機２の吸込空気温度T1[℃]、吸込空気湿度H1[％]、吸気圧力P1[kPa]及び吐出圧力P2[kPa]をパラメータとして用いて、第１過給機２の吐出空気の水蒸気分圧PW2[kPa]を算出する。以下、水蒸気分圧算出部２２による第１過給機２の吐出空気の水蒸気分圧PW2[kPa]の一算出手法について説明する。
【0022】
まず、第１過給機２の吸込空気の水蒸気分圧PW1[kPa]は、吸込空気温度T1[℃]と吸込空気湿度H1[%]とをパラメータとする関数により、以下の（１）式で表わされる。
【0023】
PW1＝Fx1 (T1,H1) （１）
【0024】
具体的には、第１過給機２の吸込空気の水蒸気分圧PW1[kPa]は、吸込空気温度T1[℃]での飽和水蒸気圧PW1_SAT[kPa]に吸込空気湿度H1[%]を乗じることにより得ることができる。吸込空気温度T1[℃]での飽和水蒸気圧PW1_SAT[kPa]は、例えば、図３に示すような飽和水蒸気圧PW_SAT[kPa]と温度T[℃]との関係が示されたテーブルやこれらを計算する近似式から得ることができる。
【0025】
次に、第１過給機２による圧縮前後において、それぞれの空気圧に対する水蒸気分圧の比は保存されるので、以下の（２）式が成り立つ。
【0026】
PW1/P1＝PW2/P2 （２）
【0027】
上記（２）式を、第１過給機２の吐出空気の水蒸気分圧PW2[kPa]について解くと、以下の（３）式となる。
【0028】
PW2＝(P2/P1)PW1 （３）
【0029】
このように、第１過給機２の吐出空気の水蒸気分圧PW2[kPa]は、上記（１）式及び（３）式を用いて得ることができる。従って、水蒸気分圧算出部２２は、例えば、上記（１）式及び（３）式を保有しており、これらの演算式に、情報取得部２１によって取得された所定のパラメータを代入することで、第１過給機２の吐出空気の水蒸気分圧PW2[kPa]を容易に得ることができる。
【0030】
目標温度設定部２３は、水蒸気分圧算出部２２によって算出された吐出空気の水蒸気分圧PW2[kPa]が、飽和水蒸気圧PW2_SAT[kPa]となるような温度T3[℃]、すなわち、水蒸気分圧PW2[kPa]において湿度が100[%]となる温度T3[℃]を求め、この温度T3[℃]を目標温度Ttg[℃]として設定する。これは、例えば、図３に示したテーブルを用いて得ることができる。
【0031】
バルブ開度制御部２４は、第２過給機４の吸込空気温度T2[℃]が目標温度設定部２３によって設定された目標温度Ttg[℃]となるように、例えば、インタークーラ３に設けられた流量調節弁１５の弁開度を制御する。なお、吸込空気温度T2[℃]を目標温度Ttg[℃]に一致させるための制御手法については、フォードバック、フィードフォワード等の公知の制御を適宜用いればよい。なお、流量調節弁１５による冷却強度の調整は一例であり、例えば、他の手法を用いて冷却強度を調整することとしてもよい。
【0032】
このような構成を備える多段式過給システム１によれば、第１過給機２、第２過給機４によって２段階に圧縮された圧縮空気が内燃機関７に供給される。内燃機関７において働きを終えた空気は、排ガス配管８に排出され、排ガス配管８に設けられた第２タービン１０及び第１タービン１１を駆動する。これにより、第２タービン１０、第１タービン１１の回転力を動力として、第２過給機４、第１過給機２がそれぞれ回転することとなる。また、第１過給機２の吸込空気温度T1、吸込空気湿度H1、吸気圧力P1、及び吐出圧力P2、第２過給機４の吸込空気温度T2[℃]がそれぞれセンサ（図示略）により検出され、制御装置５に出力される。
【0033】
これらのセンサ検出値は、制御装置５の情報取得部２１によって取得され、水蒸気分圧算出部２２に出力される。水蒸気分圧算出部２２では、情報取得部２１から入力されたこれら情報を上記（１）、（３）式に代入することにより、第１過給機２の吐出空気の水蒸気分圧PW2[kPa]が算出される。この水蒸気分圧PW2[kPa]は、目標温度設定部２３に出力される。
【0034】
目標温度設定部２３では、水蒸気分圧算出部２２によって算出された吐出空気の水蒸気分圧PW2[kPa]を飽和水蒸気圧PW2_SAT[kPa]とする温度T3[℃]が図３に示すテーブルを用いて取得され、この温度T3[℃]が目標温度Ttg[℃]として設定される。
【0035】
設定された目標温度Ttg[℃]は、バルブ開度制御部２４に出力され、この目標温度Ttg[℃]に基づいて流量調節弁１５の弁開度が制御される。これにより、第２過給機４の吸込空気に含まれる水ミストを理論的にはゼロとすることが可能となる。
【0036】
以上説明したように、本実施形態に係る多段式過給システム１及びその制御装置５並びにその制御方法によれば、第１過給機２の吐出空気における水蒸気分圧PW2[kPa]を算出し、この水蒸気分圧PW2[kPa]が飽和水蒸気分圧PW2_SAT[kPa]となる温度T3[℃]を求め、この温度T3[℃]を第２過給機４の吸込空気の目標温度Ttg[℃]として設定する。この目標温度Ttg[℃]は、第２過給機４の吸込空気において、水ミストが発生しない最低温度を意味するので、水ミストの発生と過給機の効率との両観点から最適な温度に目標温度Ttg[℃]を設定することができる。
【0037】
なお、バルブ開度制御部２４は、必ずしも目標温度Ttg[℃]に第２過給機４の吸込空気温度T2を一致させる必要はなく、第２過給機４の吸込空気温度T2[℃]が目標温度Ttg[℃]以上となるように制御することとしてもよい。例えば、バルブ開度制御部２４において、目標温度Ttg[℃]に予め設定された所定量のマージンを加えることにより、新たな目標温度を設定し、第２過給機４の吸込空気温度T2[℃]がこの新たな目標温度となるように、バルブ開度を制御することとしてもよい。このような制御は、過給機の効率を多少低下させるが、水ミストの発生をより確実に回避することができるという点で優れている。
【0038】
〔第２実施形態〕次に、本発明の第２実施形態に係る多段式過給システム及びその制御装置並びにその制御方法について説明する。
上述した第１実施形態では、第１過給機２の吐出空気の水蒸気分圧PW2[kPa]に基づいて目標温度Ttg[℃]を設定していた。これに対し、本実施形態では、第２過給機４の吸込空気に含まれる凝縮水量が、第２過給機４の特性等に基づいて予め設定された所定の許容凝縮水量以下となるように、インタークーラ３を制御する。
【0039】
以下、第１実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。図４は、本実施形態に係る制御装置５´の機能ブロック図である。図４に示すように、本実施形態に係る制御装置５´は、情報取得部２１´、水蒸気分圧算出部２２、目標値設定部２３´、及びバルブ開度制御部２４を備えている。
情報取得部２１´は、第１過給機２の吸込空気温度T1[℃]、吸込空気湿度H1[％]、吸気圧力P1[kPa]、吐出圧力P2[kPa]、及び第２過給機４の吸込空気温度T2[℃]に加えて、第１過給機２の回転数N1[rpm]を取得する。すなわち、本実施形態においては、第１過給機２の回転数N1[rpm]を検出する回転数センサまたは空気流量センサが必要とされる。
【0040】
水蒸気分圧算出部２２は、上述の第１実施形態と同様の手法により、第１過給機２の吐出空気の水蒸気分圧PW2[kPa]を算出する。
【0041】
目標温度設定部２３´は、第２過給機４の吸込空気に含まれる凝縮水量が、所定の許容凝縮水量Gwtgとなる吸込空気温度T4[℃]を、目標温度Ttg[℃]として設定する。以下、本実施形態に係る目標温度Ttg[℃]の考え方について説明する。
【0042】
まず、第１過給機２の吐出空気の状態を考えると、圧力はP2、水蒸気分圧はPW2[kPa]である。この状態で、温度をT4[℃]まで下げたときに、この空気に含まれる凝縮水量Gwは、以下の（４）式で表わされる。
【0043】
Gw=(PW_COND/P2)×Ga （４）
【0044】
ここで、PW_CONDは、以下の（５）式で表わされる。PW_COND= PW2[kPa]−PW4_SAT[kPa] （５）
【0045】
（５）式において、PW4_SAT[kPa]は温度T4のときの飽和水蒸気圧であり、未知数である。
【0046】
また、（４）式においてGaは質量流量[kg/s]であり、以下の（６）式で表わされる。Ga=ρQ=P1Q/RT1 （６）
ここで、質量流量Gaは、計測値を用いることとしても良い。
【0047】
（６）式において、ρは密度[kg/m3]、Qは体積流量[m3/s]であり、以下の（７）式で表わされる。また、Rは気体定数[JK-1mol-1]である。
【0048】
Q=Fx ((P2/P1),N) （７）
【0049】
ここで、体積流量Qは、第１過給機２における圧縮比と回転数をパラメータとして、過給機特性マップにより一意的に決定される値である。
【0050】
上記（４）式から（７）式において、飽和水蒸気圧PW4_SAT[kPa]以外は既知数となる。従って、上記（４）式が成立するような飽和水蒸気圧PW4_SAT[kPa]を求め、この飽和水蒸気圧PW4_SAT[kPa]に対応する温度T4[℃]を図３に示した飽和水蒸気圧と温度とのテーブルから取得することで、第２過給機４の吸込空気における凝縮水量を許容凝縮水量Gwtgとすることができる。目標温度設定部２３´は、この温度T4[℃]を目標温度Ttg[℃]に設定する。
【0051】
以上から、例えば、（４）式と（５）式とを用いて、飽和水蒸気圧PW4_SAT[kPa]について解くと、以下の（８）式が得られる。
【0052】
PW4_SAT[kPa] =PW2[kPa]−(Gwtg×P2/ Ga) （８）
【0053】
従って、例えば、目標温度設定部２３´は、上記（８）式及び（８）式に用いられている各種パラメータを得るための付随の演算式（例えば、上記（６）、（７）式等）を予め保有しており、これらの演算式に情報取得部２１´によって取得された各種検出値を代入することで、飽和水蒸気圧PW4_SAT[kPa]を得ることができる。そして、得た飽和水蒸気圧PW4_SAT[kPa]に対応する温度T4[℃]を図３に示したテーブルから得ることで目標温度Ttg[℃]を設定することができる。
【0054】
バルブ回路制御部２４は、第２過給機４の入口温度T2が目標温度設定部２３´によって設定された目標温度Ttg[℃]以上となるように、流量調節弁１５の弁開度を制御する。
【0055】
このように、本実施形態によれば、第２過給機４の吸込空気に含まれる凝縮水量が予め設定されている許容凝縮水量以下となるように、インタークーラ３の流量調節弁１５の弁開度が調整される。このように、第２過給機４のインペラが比較的強度があり、多少の凝縮水を許容するような構造である場合には、その許容範囲内での凝縮水の混入を許容し、その分、第２過給機４の吸込空気温度を下げる。これにより、水ミストの混入を排除する第１実施形態に比べて、第２過給機４の効率を更に向上させることができる。
【0056】
なお、本発明は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、例えば、上述した各実施形態を部分的または全体的に組み合わせる等して、種々変形実施が可能である。例えば、本発明の多段式過給システムは、図１に示した２段式の過給システムに限定されない。例えば、３段の過給システムであってもよく、この場合、１段目と２段目の間における空気温度の制御、２段目と３段目の間における空気温度の制御の少なくともいずれかに上述の制御を適用することが可能である。
【符号の説明】
【0057】
１ 多段式過給システム２ 第１過給機
３ インタークーラ
４ 第２過給機
５ 制御装置
７ 内燃機関
２１、２１´ 情報取得部
２２ 水蒸気分圧算出部
２３、２３´ 目標温度設定部
２４ バルブ開度制御部