特許 7179492 過給システム

(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】

(24)【登録日】2022-11-18

(45)【発行日】2022-11-29

(54)【発明の名称】過給システム

(51)【国際特許分類】

   F02B 39/10 20060101AFI20221121BHJP

   F02B 37/04 20060101ALI20221121BHJP

   F02B 37/00 20060101ALI20221121BHJP

【ＦＩ】

F02B39/10

F02B37/04 C

F02B37/00 500B

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2018100507

(22)【出願日】2018-05-25

(65)【公開番号】P2019203476

(43)【公開日】2019-11-28

【審査請求日】2021-01-29

(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】100140914

【弁理士】

【氏名又は名称】三苫 貴織

(74)【代理人】

【識別番号】100136168

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 美紀

(72)【発明者】

【氏名】山下 幸生

(72)【発明者】

【氏名】小▲柳▼ 拓也

(72)【発明者】

【氏名】ジワリヤウェート ウィツター

(72)【発明者】

【氏名】内藤 あゆみ

【審査官】北村 亮

(56)【参考文献】

【文献】特開平０９－０３２５６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５１２２９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１７９３４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－０３２５６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０８４３０９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０６－３４１３２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】英国特許出願公開第０２４４４６０３（ＧＢ，Ａ）

【文献】特開２００２－１７１６０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１１－５０４０８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｂ ３９／１０

Ｆ０２Ｂ ３７／０４

Ｆ０２Ｂ ３７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電動モータによって駆動し、内燃機関へ流体を圧送する圧縮機と、
前記内燃機関からの排気によって回転するタービン発電機と、
前記タービン発電機で発電した電気により前記電動モータを駆動する駆動装置と、
を備え、
前記駆動装置は、
前記タービン発電機で発電した電気を整流する整流部と、
前記整流部によって整流した直流電圧の電圧値を昇圧または降圧して出力するコンバータ部と、
前記コンバータ部から出力された直流電圧を用いて前記電動モータを駆動するインバータ部と、
前記コンバータ部における入力電圧に対する出力電圧の電圧値の変化量を制御する制御部と、
を有し、
前記コンバータ部はチョッパ回路であり、
前記制御部は、
過給システムの運転状態を示す状態量の目標値を目標状態量として設定する目標値設定部と、
前記過給システムの状態量と前記目標状態量との差を変数として含む所定の評価関数を用いて、所定時間経過後において前記評価関数の解が略最小となる前記過給システムの最適状態量を前記過給システムの解析モデルに基づいて演算するモデル解析部と、
前記モデル解析部により演算された前記最適状態量に基づいて、前記コンバータ部における直流電圧の変化量を制御する電圧変化量制御部と、を有し、
前記モデル解析部は、所定時間経過後の将来における状態量である前記タービン発電機の回転数Ｎｔと吸気マニホールド圧力ＭＡＰを（式５）より予測し、その所定時間経過後の将来において、（式８）の前記評価関数の解が略最小となるような前記最適状態量（Ｐｍ、Ｐｄｃ、ＷＧ）を演算する
過給システム。
（式５）

Ｐｔ：タービンの動力
ηｔ：タービンの効率
Ｃｐ：タービンの定圧熱容量
Ｔｉｎ：タービンの入口温度
ｗｔ：タービンの質量流量
Π：タービンの圧力比
κ：比熱比
（式８）

ｇ（ｘ，ｕ）：評価関数
ｘ：状態量
ｕ：将来において最適と推定される状態量
Ｎｔ*：目標回転数
ＭＡＰ*：吸気マニホールド圧力目標値
Ｑ：目標値に対する追従誤差において付加される重みづけ
Ｐｍ：電動モータの入力電力
Ｐｄｃ：コンバータ部の入力電力
ＷＧ：ウェイストゲートの開度
Ｒ：ｕの変化量に対する重みづけ

【請求項2】

前記駆動装置は、前記コンバータ部から出力された直流電圧を蓄電する蓄電部を有する請求項１に記載の過給システム。

【請求項3】

前記制御部は、
前記タービン発電機の目標回転数を設定する前記目標値設定部と、
前記タービン発電機の現在の回転数と前記目標回転数とが一致するように、前記コンバータ部における直流電圧の変化量を制御する前記電圧変化量制御部と、
を有する請求項１または２に記載の過給システム。

【請求項4】

前記目標値設定部は、前記目標状態量として前記タービン発電機の目標回転数を設定し、
前記モデル解析部は、前記評価関数において、前記タービン発電機における回転数と前記目標回転数との差を前記変数として含む請求項１に記載の過給システム。

【請求項5】

前記目標値設定部は、前記タービン発電機において、タービンに流入する流体の流速に対するタービンの外周速度の比である周速比が所定の値となる前記目標回転数を設定する請求項３または４に記載の過給システム。

【請求項6】

前記目標値設定部は、前記タービン発電機における前記排気の入口温度と、前記タービン発電機における前記排気の圧力比とに基づいて、前記周速比が所定の値となる前記目標回転数を設定する請求項５に記載の過給システム。

【請求項7】

前記目標値設定部は、前記タービン発電機における前記排気の入口温度と、前記タービン発電機における前記排気の圧力比と、前記タービン発電機において効率が略最大となる回転数との関係を有しており、前記関係に基づいて前記タービン発電機の現在の前記入口温度及び前記圧力比から効率が略最大となる回転数を特定し、特定した回転数を前記目標回転数として設定する請求項３または４に記載の過給システム。

【請求項8】

前記目標値設定部は、前記内燃機関の運転状態と、前記タービン発電機において効率が略最大となる回転数との関係を有しており、前記関係に基づいて前記内燃機関の現在の運転状態から効率が略最大となる回転数を特定し、特定した回転数を前記目標回転数として設定する請求項３または４に記載の過給システム。

【請求項9】

前記運転状態とは、前記内燃機関の回転数及び負荷状態である請求項８に記載の過給システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、過給システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

自動車等に搭載された内燃機関（エンジン）では、高出力・高効率化のために、内燃機関の吸入口側に圧縮機を設け、また、内燃機関の排出口側にタービン発電機を設けた構成が考案されている（例えば、特許文献１）。タービン発電機で回生された電気は、圧縮機の駆動に使用される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５７００２３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の構成では、内燃機関からの排気によってタービン発電機が受動的に回転して発電を行い、発電された電気は圧縮機の駆動に使用される。すなわち、タービン発電機の運転状態（回転数等）は受動的に決定されている。しかしながら、タービン発電機の効率は、例えば周速度等に依存するため、タービン発電機の運転状態が受動的に決定されると（制御されていないと）、効率がよくない動作点でタービン発電機が運転してしまう場合がある。すなわち、タービン発電機を、積極的に効率の良い運転状態とすることができなかった。

【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、タービン発電機の回転数を能動的かつ容易に制御することのできる過給システム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】

本発明の第１態様は、電動モータによって駆動し、内燃機関へ流体を圧送する圧縮機と、前記内燃機関からの排気によって回転するタービン発電機と、前記タービン発電機で発電した電気により前記電動モータを駆動する駆動装置と、を備え、前記駆動装置は、前記タービン発電機で発電した電気を整流する整流部と、前記整流部によって整流した直流電圧の電圧値を昇圧または降圧して出力するコンバータ部と、前記コンバータ部から出力された直流電圧を用いて前記電動モータを駆動するインバータ部と、前記コンバータ部における直流電圧の変化量を制御する制御部と、を有する過給システムである。

【0007】

上記のような構成によれば、タービン発電機において発電した電気を整流した後、整流した直流電圧の電圧値を昇圧または降圧して、電圧値の変化量を制御することとした。タービン発電機において発電した電気を変化させること（昇圧または降圧させること）によって、タービン発電機の負荷（ブレーキング力）を変化させることができるため、タービン発電機の回転数を制御することが可能となる。例えば、発電した電気を昇圧すると、導通する電流量が増加するため、負荷が増加してタービン発電機の回転数が減少する。また、発電した電気を降圧すると、導通する電流量が減少するため、負荷が減少してタービン発電機の回転数が増加する。すなわち、発電した電気を変化させることによってタービン発電機の回転数を能動的かつ容易に制御することができる。例えば、タービン発電機の効率が良い回転数等に制御することが可能である。なお、直流電圧の電圧値を昇圧または降圧して出力するコンバータ部とは、ＤＣ／ＤＣコンバータであって、昇圧コンバータ、降圧コンバータ、または昇降圧コンバータである。

【0008】

また、電動モータを駆動するインバータ部の上流側において直流電圧を昇圧または降圧することとしたため、電動モータや内燃機関の制御及び運転状態に依らず、タービン発電機の回転数を制御することが可能となる。

【0009】

また、コンバータ部における直流電圧の変化量を制御することとしたため、例えばベクトル制御のような複雑な制御系を用いることなく、簡単な構成でタービン発電機の回転数を制御することが可能となる。

【0010】

上記過給システムにおいて、前記駆動装置は、前記コンバータ部から出力された直流電圧を蓄電する蓄電部を有することとしてもよい。

【0011】

上記のような構成によれば、コンバータ部から出力された直流電圧を蓄電することとしたため、コンバータ部において直流電圧の電圧値を変化させたとしても、該変化を緩衝することができる。

【0012】

上記過給システムにおいて、前記制御部は、前記タービン発電機の目標回転数を設定する目標値設定部と、前記タービン発電機の現在の回転数と前記目標回転数とが一致するように、前記コンバータ部における直流電圧の変化量を制御する電圧変化量制御部と、を有することとしてもよい。

【0013】

上記のような構成によれば、タービン発電機の現在の回転数と目標回転数とが一致するようにコンバータ部における直流電圧の変化量を制御するため、簡便な制御系の構成で容易にタービン発電機の回転数を制御することができる。

【0014】

上記過給システムにおいて、前記制御部は、前記過給システムの運転状態を示す状態量の目標値を目標状態量として設定する目標値設定部と、前記過給システムの状態量と前記目標状態量との差を変数として含む所定の評価関数を用いて、所定時間経過後において前記評価関数の解が略最小となる前記過給システムの最適状態量を前記過給システムの解析モデルに基づいて演算するモデル解析部と、前記モデル解析部により演算された前記最適状態量に基づいて、前記コンバータ部における直流電圧の変化量を制御する電圧変化量制御部と、を有することとしてもよい。

【0015】

上記のような構成によれば、過給システムの状態量と目標状態量との差を変数として含む関数を評価関数とし、所定時間経過後において該評価関数の解が略最小となる過給システムの最適状態量を演算するため、将来における過給システムの最適な状態量を算出することができる。そして、最適状態量に基づいて、コンバータ部における直流電圧の変化量を制御するため、先行的かつ効率的に過給システムを最適な運転状態とすることができる。すなわち、過給システムの運転状態が過渡的な場合であっても、より効果的に運転状態を最適化することができる。なお、過給システムの運転状態を示す状態量とは、例えば、タービン発電機の回転数やマニホールドの圧力等である。

【0016】

上記過給システムにおいて、前記目標値設定部は、前記目標状態量として前記タービン発電機の目標回転数を設定し、前記モデル解析部は、前記評価関数において、前記タービン発電機における回転数と前記目標回転数との差を前記変数として含むこととしてもよい。

【0017】

上記のような構成によれば、評価関数において、タービン発電機における回転数と目標回転数との差を変数として含むため、容易に取得できるパラメータ（回転数）を用いて評価関数を設定することができる。

【0018】

上記過給システムにおいて、前記目標値設定部は、前記タービン発電機において、タービンに流入する流体の流速に対するタービンの外周速度の比である周速比が所定の値となる前記目標回転数を設定することとしてもよい。

【0019】

上記のような構成によれば、タービン発電機において周速比が所定の値となる目標回転数を設定するため、タービン発電機を所望の周速比にて運転させることができる。例えば、タービン発電機の効率は周速比に依存するため、周速比を適切に設定することで、タービン発電機をより効率のよい運転状態に維持することができる。具体的には、タービン発電機の効率は、周速比が０．７付近で最大となる。周速比とは、タービンに流入する流体の流速に対するタービンの外周速度（タービン翼の外周部における周速度）の比である。

【0020】

上記過給システムにおいて、前記目標値設定部は、前記タービン発電機における前記排気の入口温度と、前記タービン発電機における前記排気の圧力比とに基づいて、前記周速比が所定の値となる前記目標回転数を設定することとしてもよい。

【0021】

上記のような構成によれば、タービン発電機における排気の入口温度と圧力比とを用いて、周速比が所定の値となる目標回転数を設定することとした。タービン発電機における周速比は、タービン発電機における排気の入口温度と圧力比に大きく依存するため、タービン発電機の運転状態によって変動してしまう。そこで、タービン発電機における排気の入口温度と圧力比を考慮することで、適格にタービン発電機の運転状態を同定することができ、より正確に、周速比が所定の値となる目標回転数を設定することができる。

【0022】

上記過給システムにおいて、前記目標値設定部は、前記タービン発電機における前記排気の入口温度と、前記タービン発電機における前記排気の圧力比と、前記タービン発電機において効率が略最大となる回転数との関係を有しており、前記関係に基づいて前記タービン発電機の現在の前記入口温度及び前記圧力比から効率が略最大となる回転数を特定し、特定した回転数を前記目標回転数として設定することとしてもよい。

【0023】

上記のような構成によれば、タービン発電機における排気の入口温度及び圧力比と、タービン発電機において効率が略最大となる回転数との関係を用いることによって、タービン発電機の現在の該入口温度及び該圧力比から効率が略最大となる回転数を容易に取得することが可能となる。すなわち、より簡単に目標回転数を設定することができる。

【0024】

また、タービン発電機の効率がより良い状態となる周速比（例えば、０．７）は必ずしも一定ではないため、タービン発電機における排気の入口温度及び圧力比から直接的に効率が略最大となる回転数を取得することで、より精度よくタービン発電機を高効率状態とすることができる。なお、タービン発電機における排気の入口温度及び圧力比と、タービン発電機において効率が略最大となる回転数との関係については、事前試験や解析等によって予め設定されるものである。

【0025】

上記過給システムにおいて、前記目標値設定部は、前記内燃機関の運転状態と、前記タービン発電機において効率が略最大となる回転数との関係を有しており、前記関係に基づいて前記内燃機関の現在の運転状態から効率が略最大となる回転数を特定し、特定した回転数を前記目標回転数として設定することとしてもよい。

【0026】

上記のような構成によれば、内燃機関の運転状態と、タービン発電機において効率が略最大となる回転数との関係を用いることによって、効率が略最大となる回転数を容易に取得することが可能となる。

【0027】

上記過給システムにおいて、前記運転状態とは、前記内燃機関の回転数及び負荷状態であることとしてもよい。

【0028】

上記のような構成によれば、運転状態として内燃機関の回転数及び負荷状態を用いることとしたため、効率的に内燃機関の運転状態を特定することができる。

【発明の効果】

【0029】

本発明によれば、タービン発電機の回転数を能動的かつ容易に制御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】

【0030】

【図1】本発明の第１実施形態に係る過給システムの概略構成を示す図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る駆動装置の概略構成を示す図である。

【図3】本発明の第１実施形態に係る制御部の制御ブロック図である。

【図4】本発明の第２実施形態に係る制御部の制御ブロック図である。

【図5】本発明の第２実施形態に係る制御部における入口温度と圧力比と回転数の関係を示したマップである。

【図6】本発明の第３実施形態に係る制御部の制御ブロック図である。

【図7】本発明の第３実施形態に係る制御部におけるエンジンの運転状態と回転数の関係を示したマップである。

【図8】本発明の第４実施形態に係る制御部の制御ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

〔第１実施形態〕
以下に、本発明に係る過給システムの第１実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る過給システム１の概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係る過給システム１は、内燃機関（以下、「エンジン４」という。）に設けられ、低圧側電動圧縮機（以下、「低圧コンプレッサ２」という。）と、高圧側圧縮機（以下「高圧コンプレッサ３」という。）と、排気タービン５と、タービン発電機６と、駆動装置７とを主な構成として備えている。過給システム１において、低圧コンプレッサ２、高圧コンプレッサ３、エンジン４、排気タービン５、タービン発電機６の順に流体が流通しており、本実施形態では該流体として空気を用いる場合について説明する。なお、空気に替えて他の流体を使用することとしてもよい。また、本実施形態では、過給システム１が自動車に適用される場合について説明するが、エンジン４を要するものであれば自動車に限定されず適用することが可能である。

【0032】

低圧コンプレッサ２は、電動モータ２ｂによって駆動する電動コンプレッサであって、空気（外気）を取り込んで圧縮し、高圧状態の空気をエンジン４へ圧送する。このため、低圧コンプレッサ２は、圧縮機２ａと電動モータ２ｂとを有しており、互いに同軸で接続されている。なお、電動モータ２ｂは、後述する駆動装置７によって制御される。

【0033】

高圧コンプレッサ３は、排気タービン５で回収した排気のエネルギーによって駆動される圧縮機であり、排気タービン５と同軸で接続されている。エンジン４からの排気によって排気タービン５が回転し、排気タービン５の回転力が該同軸を介して高圧コンプレッサ３に伝達されることで高圧コンプレッサ３が駆動される。高圧コンプレッサ３では、低圧コンプレッサ２によって圧縮した空気を更に高圧状態にしてエンジン４へ供給する。

【0034】

エンジン４は、低圧コンプレッサ２及び高圧コンプレッサ３より圧送された高圧空気を用い、内部で燃料を燃焼することによって、熱エネルギーを機械的エネルギー（回転力）へ変換する。そして、エンジン４は、取り出した機械的エネルギーを用いて、例えば、自動車の車輪を駆動して自動車を走行させる。燃焼された空気は、排気として排気タービン５へ供給される。

【0035】

排気タービン５は、エンジン４から供給された排気が有するエネルギーを回転力に変換し、同軸を介して高圧コンプレッサ３を駆動する。

【0036】

タービン発電機６は、エンジン４より排出された排気からエネルギーを回生して発電を行う。このため、タービン発電機６は、タービン６ａと発電機６ｂとを有しており、互いに同軸で接続されている。エンジン４より排出された排気は、タービン６ａに流入してタービン翼に対して仕事を行い、回転力を発生させる。発生した回転力は同軸を介して発電機６ｂに伝達され、発電機６ｂ内では、磁石が回転し、コイルに電磁誘導を発生させることで交流電圧を発生させる。このようにして、タービン発電機６は、三相交流電圧を発生させる。なお、タービン発電機６において仕事を終えた排気は、過給システム１の外（外気中）に放出される。

【0037】

発電機６ｂの負荷は、発電機６ｂの電力出力側における導通電流の大きさ（負荷抵抗値の状態）によって変動する。例えば、導通電流が大きくなると、発電機６ｂの負荷は増加し、発電機６ｂのブレーキング力が増加し、発電機６ｂは減速する（タービン６ａの回転数Ｎｔも低下する）。また、導通電流が小さくなると、発電機６ｂの負荷は減少し、発電機６ｂのブレーキング力が減少し、発電機６ｂは加速する（タービン６ａの回転数Ｎｔも増加する）。タービン発電機６にて発電した電気は、駆動装置７へ供給され、低圧コンプレッサ２の駆動に用いられる。

【0038】

駆動装置７は、タービン発電機６で発電した電気により低圧コンプレッサ２の電動モータ２ｂを駆動する。また、駆動装置７は、タービン発電機６の負荷状態（導通電流量）を変化させることによって、タービン発電機６の回転数Ｎｔ（タービン６ａの回転数Ｎｔ）を制御する。図２は、駆動装置７の概略構成を示した図である。図２に示されるように、駆動装置７は、整流部１１と、コンバータ部１２と、蓄電部１３と、インバータ部１４と、制御部１５とを有している。整流部１１、コンバータ部１２、蓄電部１３、及びインバータ部１４は、電気回路としてハード的に構成されている。なお、蓄電部１３は不要としてもよい。

【0039】

整流部１１は、タービン発電機６で発電した三相交流を整流する。具体的には、整流部１１は、タービン発電機６で発電した三相交流のそれぞれの相に対応して２つ（計６つ）のダイオード素子が設けられており、三相交流を全波整流する。整流した直流電圧（入力電圧Ｖｉｎ）は、コンバータ部１２へ出力される。なお、本実施形態では、整流部１１は全波整流を行うこととしているが、整流を行うものであれば、全波整流に限らず半波整流等とすることも可能である。

【0040】

コンバータ部１２は、整流部１１によって整流した直流電圧の電圧値を昇圧または降圧して出力する。具体的には、コンバータ部１２は、昇降圧が可能なＤＣ／ＤＣコンバータ（昇降圧チョッパ）であって、コンバータ部１２へ入力される電圧（以下、「入力電圧Ｖｉｎ」という。）を昇圧または降圧する。入力電圧Ｖｉｎとコンバータ部１２から出力される電圧（以下、「出力電圧Ｖｏｕｔ」という。）との昇降圧の変化量は、後述する制御部１５によって制御される。

【0041】

例えば、コンバータ部１２は、図２に示されるように、整流部１１の出力側の電路を直流線２１（正極側直流電路）と接地線２２（接地側直流電路）として、整流部１１側より、直流線２１と接地線２２とに接続されたコンデンサ２３と、直流線２１上に設けられたスイッチング素子２４（例えば、トランジスタ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）と、直流線２１と接地線２２とに接続されたインダクタ２５と、直流線２１上に設けられた逆流防止素子２６（ダイオード）と、直流線２１と接地線２２とに接続されたコンデンサ２７とを有している。

【0042】

コンバータ部１２では、スイッチング素子２４のデューティー比Ｄ（単位制御周期に対してスイッチング素子２４が導通状態となる期間の割合）に応じて、入力電圧Ｖｉｎに対する出力電圧Ｖｏｕｔの変化量（例えば、昇降圧比＝出力電圧Ｖｏｕｔ／入力電圧Ｖｉｎ）を変化させる。例えば、デューティー比Ｄが０．５以上であれば、入力電圧Ｖｉｎを昇圧し（出力電圧Ｖｏｕｔ＞入力電圧Ｖｉｎ）、デューティー比Ｄが０．５未満であれば、入力電圧Ｖｉｎを降圧する（出力電圧Ｖｏｕｔ＜入力電圧Ｖｉｎ）。

【0043】

すなわち、コンバータ部１２では、スイッチング素子２４のデューティー比Ｄを制御して入力電圧Ｖｉｎの昇降圧の変化量を調整することによって、発電機６ｂの負荷状態を変化させ、タービン発電機６の回転数Ｎｔを制御する。具体的には、デューティー比Ｄを０．５以上として昇圧を行うと、後述する蓄電部１３やインバータ部１４へ流れる導通電流が増加し、発電機６ｂの負荷が増加（ブレーキング力が増加）して、発電機６ｂは減速する（タービン６ａの回転数Ｎｔも低下する）。また、デューティー比Ｄを０．５未満として降圧を行うと、導通電流が減少し、発電機６ｂの負荷が減少（ブレーキング力が減少）して、発電機６ｂは加速する（タービン６ａの回転数Ｎｔも増加する）。スイッチング素子２４を制御するためのデューティー比Ｄは、後述する制御部１５によって、タービン発電機６の回転数Ｎｔが目標回転数Ｎｔ*となるように制御されている。

【0044】

なお、本実施形態では、コンバータ部１２を図２に示すような構成の昇降圧コンバータとしているが、他の回路構成の昇降圧コンバータを使用することも可能である。また、コンバータ部１２として、昇圧コンバータまたは降圧コンバータとすることも可能である。

【0045】

蓄電部１３（バッテリ）は、コンバータ部１２から出力された直流電圧を蓄電する。具体的には、蓄電部１３は、コンバータ部１２の出力側における直流線２１と接地線２２との間に接続されており、接地線２２に対する直流線２１の電圧差（出力電圧Ｖｏｕｔ）に応じて蓄電を行う。

【0046】

インバータ部１４は、コンバータ部１２から出力された直流電圧を用いて電動モータ２ｂを駆動する。具体的には、インバータ部１４は、例えば６つのスイッチング素子（例えば、トランジスタ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）を有する三相ブリッジインバータ回路であり、各スイッチング素子をスイッチング制御することによって、コンバータ部１２の出力電圧Ｖｏｕｔを所望の周期の三相交流電圧に変換して電動モータ２ｂへ供給する。なお、インバータ部１４におけるスイッチング素子は、電動モータ２ｂの回転数が所望の回転数（低圧コンプレッサ２において要求される能力が出力可能なように設定された電動モータ２ｂの目標回転数）に一致するようにＰＷＭ制御されている。

【0047】

制御部１５は、コンバータ部１２における直流電圧の変化量を制御する。すなわち、直流電圧の変化量を制御することによって、タービン発電機６に発生するブレーキング力を変化させ、タービン発電機６の回転数Ｎｔを制御する。

【0048】

制御部１５は、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリ、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

【0049】

図３は、制御部１５の制御ブロック図である。図３に示されるように、制御部１５は、目標値設定部３１と、電圧変化量制御部３２とを備えている。

【0050】

なお、過給システム１には、制御部１５で必要とされる情報を計測するための各種計測器が設けられている。具体的には、タービン発電機６における排気の入口温度Ｔｉｎ（以下、単に「入口温度Ｔｉｎ」という。）を計測する温度計測器（不図示）がタービン６ａの排気流入口に設けられている。なお、タービン発電機６における排気の入口温度Ｔｉｎとは、エンジン４から出力された排気がタービン発電機６におけるタービン６ａに流入する際の排気の温度である。また、タービン発電機６における排気の圧力比Π（以下、単に「圧力比Π」という。）を計測するために、圧力計測器（不図示）がタービン６ａの排気流入口及び排気流出口に設けられている。なお、タービン発電機６における排気の圧力比Πとは、エンジン４から出力された排気がタービン発電機６におけるタービン６ａに流入する際の排気の圧力と、タービン６ａから流出する際の排気の圧力との比である。また、タービン発電機６の回転数Ｎｔ（タービン６ａの回転数Ｎｔ）を計測する回転数計測器（不図示）がタービン発電機６に対して設けられている。また、コンバータ部１２におけるスイッチング素子２４を流れる直流の導通電流（以下、単に「直流電流Ｉｄｃ」という。）を計測する電流計測器（不図示）がコンバータ部１２に設けられている。温度計測器、圧力計測器、回転数計測器、及び電流計測器の計測結果は制御部１５へ出力される。

【0051】

目標値設定部３１は、タービン発電機６の目標回転数Ｎｔ*を設定する。具体的には、目標値設定部３１は、タービン発電機６における排気の入口温度Ｔｉｎと、タービン発電機６における排気の圧力比Πとに基づいて、タービン発電機６において周速比Ｕ／ＣＯが所定の値となる目標回転数Ｎｔ*を設定する。なお、目標値設定部３１は、入口温度Ｔｉｎをタービン６ａの排気流入口に設けた温度計測器から取得し、タービン発電機６における排気の圧力比Πをタービン６ａの排気流入口及び排気流出口に設けた圧力計測器から取得する。

【0052】

周速比Ｕ／ＣＯとは、タービン発電機６（特に、タービン６ａ）の効率と相関関係を有するパラメータであって、タービン翼の外周部における周速度（以下、「外周速度Ｕ」という。）とタービン６ａへ流入する排気の流速ＣＯ（以下、単に「流速ＣＯ」という。）との比で表されるパラメータである。外周速度Ｕ及び流速ＣＯは、以下の（１）式及び（２）式で表される。

【0053】

【数1】

【0054】

上記の（１）式において、Ｄｔはタービン翼の外径（直径）である。上記の（２）式において、Ｃｐはタービン６ａの定圧熱容量、κは比熱比である。タービン６ａは、周速比Ｕ／ＣＯがある最適値（例えば０．７）となると効率が最大となり、該最適値から乖離した周速比Ｕ／ＣＯでタービン６ａが運転されると、効率が大幅に低下する。すなわち、周速比Ｕ／ＣＯが最適値となるようにタービン発電機６の運転状態を制御することで、高効率でタービン６ａを運転することができる。

【0055】

しかしながら、（２）式におけるタービン６ａの入口温度Ｔｉｎ及びタービン６ａの圧力比Πは、エンジン４の運転状態等に依存して変動するため、流速ＣＯは時々刻々変動する。そこで、目標値設定部３１は、タービン６ａの入口温度Ｔｉｎと圧力比Πの計測値を取得して、（２）式より現在のタービン６ａにおける流速ＣＯを特定し、（１）式に基づいて、周速比Ｕ／ＣＯがある最適値となるタービン発電機６の回転数Ｎｔを算出する。

【0056】

具体的には、図３に示すように、目標値設定部３１は、まず、予め設定された周速比Ｕ／ＣＯの最適値（目標値）と、タービン６ａの入口温度Ｔｉｎ及び圧力比Πの計測値を取得し、（２）式に基づいて流速ＣＯを算出する。そして、周速比（Ｕ／ＣＯ）の最適値と算出した流速ＣＯとを乗ずることによって、周速比（Ｕ／ＣＯ）を最適値とするためのタービン６ａの外周速度Ｕを算出する。そして、算出した外周速度Ｕから（１）式を用いて（すなわち、外周速度Ｕに６０／（Ｄｔ・π）を乗ずることで）、タービン発電機６の回転数Ｎｔを算出し、算出した回転数Ｎｔを目標回転数Ｎｔ*として設定する。

【0057】

上記の処理によって、目標値設定部３１は、現在の流速ＣＯにおいて周速比Ｕ／ＣＯが最適値となるタービン発電機６の回転数Ｎｔを目標回転数Ｎｔ*として設定することができる。目標値設定部３１で算出した目標回転数Ｎｔ*は電圧変化量制御部３２へ出力される。

【0058】

電圧変化量制御部３２は、タービン発電機６の現在の回転数Ｎｔと目標回転数Ｎｔ*とが一致するように、コンバータ部１２における直流電圧（入力電圧Ｖｉｎ）の変化量を制御する。なお、電圧変化量制御部３２における制御には、タービン６ａの回転数Ｎｔに対するフィードバック制御が適用される。

【0059】

具体的には、電圧変化量制御部３２は、図３に示すように、目標値設定部３１において設定した目標回転数Ｎｔ*を取得するとともに、現在のタービン６ａの回転数Ｎｔの計測値を取得し、差分ΔＮｔを算出する。そして、タービン６ａの回転数Ｎｔと目標回転数Ｎｔ*とを一致させるために、算出した該差分ΔＮｔが零となる直流電流Ｉｄｃの目標値（目標直流電流Ｉｄｃ*）を算出する。なお、目標直流電流Ｉｄｃ*を算出するための制御は、例えば、現在のタービン６ａの回転数Ｎｔと目標回転数Ｎｔ*との差分ΔＮｔ（偏差）に基づくＩＰ制御が適用される。

【0060】

そして、現在の直流電流Ｉｄｃ（計測値）を電流計測器から取得して、現在の直流電流Ｉｄｃ（計測値）と目標直流電流Ｉｄｃ*との差分ΔＩｄｃを算出し、コンバータ部１２における直流電流Ｉｄｃを目標直流電流Ｉｄｃ*とを一致させるために、該差分ΔＩｄｃが零となるスイッチング素子２４のデューティー比Ｄを算出する。なお、デューティー比Ｄを算出するための制御は、例えば、現在の直流電流Ｉｄｃと目標直流電流Ｉｄｃ*との差分ΔＩｄｃ（偏差）に基づくＩＰ制御が適用される。算出されたデューティー比Ｄのスイッチング制御信号はコンバータ部１２におけるスイッチング素子２４の制御端子（ゲート）に入力され、該デューティー比Ｄでスイッチング素子２４のＯＮ／ＯＦＦが制御される。

【0061】

算出されたデューティー比Ｄによりスイッチング素子２４が制御されることによって、スイッチング素子２４に流れる直流電流Ｉｄｃを目標直流電流Ｉｄｃ*とすることができる。すなわち、発電機６ｂの負荷状態を適切な状態として、タービン６ａの回転数Ｎｔを目標回転数Ｎｔ*とすることができる。

【0062】

なお、本実施形態に係る過給システム１において、低圧コンプレッサ２から出力された高温高圧状態の空気や、高圧コンプレッサ３から出力された高温高圧状態の空気を冷却する冷却装置（例えば、インタークーラ）等を更に備えることとしてもよい。低圧コンプレッサ２または高圧コンプレッサ３から排出された空気は密度が低下してしまっているため、冷却装置を設けることで、空気を冷却して密度を高め、酸素をより大きい質量流量としてエンジン４に供給することができ、エンジン４の効率を高めることができる。

【0063】

また、本実施形態では、エンジン４より空気流れの上流側（過給側）に低圧コンプレッサ２と高圧コンプレッサ３を備えており（２段構成）、エンジン４より空気流れの下流側（排気側）に排気タービン５とタービン発電機６を備える構成（２段構成）としているが、過給側に少なくとも１台のコンプレッサ（電動コンプレッサ）を備えており、排気側に少なくともタービン発電機６を有する構成であれば、様々な構成が適宜設計可能である。

【0064】

以上説明したように、本実施形態に係る過給システムによれば、タービン発電機６において発電した電気を整流した後、整流した直流電圧の電圧値を昇圧または降圧して、電圧値の変化量を制御することとした。タービン発電機６において発電した電気を変化させること（昇圧または降圧させること）によって、タービン発電機６の負荷（ブレーキング力）を変化させることができるため、タービン発電機６の回転数Ｎｔを制御することが可能となる。例えば、発電した電気を昇圧すると、導通する電流量が増加するため、負荷が増加してタービン発電機６の回転数Ｎｔが減少する。また、発電した電気を降圧すると、導通する電流量が減少するため、負荷が減少してタービン発電機６の回転数Ｎｔが増加する。すなわち、発電した電気を変化させることによってタービン発電機６の回転数Ｎｔを能動的かつ容易に制御することができる。例えば、タービン発電機６の効率が良い回転数Ｎｔ等に制御することが可能である。

【0065】

また、電動モータ２ｂを駆動するインバータ部１４の上流側において直流電圧を昇圧または降圧することとしたため、電動モータ２ｂやエンジン４の制御及び運転状態に依らず、タービン発電機６の回転数Ｎｔを制御することが可能となる。

【0066】

また、コンバータ部１２における直流電圧の変化量を制御することとしたため、例えばベクトル制御のような複雑な制御系を用いることなく、簡単な構成でタービン発電機６の回転数Ｎｔを制御することが可能となる。また、コンバータ部１２から出力された直流電圧を蓄電することとしたため、コンバータ部１２において直流電圧の電圧値を変化させたとしても、該変化を緩衝することができる。

【0067】

また、タービン発電機６において周速比Ｕ／ＣＯが所定の値となる目標回転数Ｎｔ*を設定するため、タービン発電機６を所望の周速比Ｕ／ＣＯにて運転させることができる。例えば、タービン発電機６の効率は周速比Ｕ／ＣＯに依存するため、周速比Ｕ／ＣＯを適切に設定することで、タービン発電機６をより効率のよい運転状態に維持することができる。また、タービン発電機６における排気の入口温度Ｔｉｎと圧力比Πとを用いて、周速比Ｕ／ＣＯが所定の値となる目標回転数Ｎｔ*を設定することとした。タービン発電機６における周速比Ｕ／ＣＯは、タービン発電機６における排気の入口温度Ｔｉｎと圧力比Πに大きく依存するため、タービン発電機６の運転状態によって変動してしまう。そこで、タービン発電機６における排気の入口温度Ｔｉｎと圧力比Πを考慮することで、適格にタービン発電機６の運転状態を同定することができ、より正確に、周速比Ｕ／ＣＯが所定の値となる目標回転数Ｎｔ*を設定することができる。

【0068】

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る過給システムについて説明する。
上述した第１実施形態では、目標値設定部３１は、タービン発電機６において周速比Ｕ／ＣＯが所定の値となる目標回転数Ｎｔ*を設定することとした。しかしながら、タービン発電機６の効率が最大化する周速比は、必ずしも一定とは限らない場合がある。そこで、本実施形態では、周速比を一定の値に限定せずに、タービン発電機６の効率が略最大となる回転数Ｎｔを目標回転数Ｎｔ*として設定する。以下、本実施形態に係る過給システム１について、第１実施形態と異なる点について主に説明する。

【0069】

図４は、本実施形態における制御部１５の制御ブロック図である。本実施形態における目標値設定部３１’は、タービン発電機６における排気の入口温度Ｔｉｎと、タービン発電機６における排気の圧力比Πと、タービン発電機６において効率が略最大となる回転数Ｎｔとの関係を有しており、該関係に基づいてタービン発電機６の現在の入口温度Ｔｉｎ及び圧力比Πから効率が略最大となる回転数Ｎｔを特定し、特定した回転数Ｎｔを目標回転数Ｎｔ*として設定する。

【0070】

タービン発電機６における排気の入口温度Ｔｉｎと、タービン発電機６における排気の圧力比Πと、タービン発電機６において効率が略最大となる回転数Ｎｔとの関係とは、例えば、図５に示すようなマップである。具体的には、図５に示すマップでは、横軸を圧力比Π、縦軸を入口温度Ｔｉｎとして、入口温度Ｔｉｎ及び圧力比Πがそれぞれある値である場合において、タービン発電機６の効率が略最大となる回転数Ｎｔが等値線図方式（コンター図）で示されている。なお、図５のマップでは、一例として、回転数Ｎｔが６万ｒｐｍ、５万ｒｐｍ、４万ｒｐｍの等値線が示されている。すなわち、図５に示すようなマップを用いることで、入口温度Ｔｉｎと圧力比Πから、タービン発電機６において効率が略最大となる回転数Ｎｔを算出することができる。

【0071】

なお、図５に示すようなマップ（関係性）は、過給システム１に適用するタービン発電機６と同様の構成のタービン発電機６を用いた事前試験や、過去データによる解析等によって予め作成されるものである。なお、入口温度Ｔｉｎと、圧力比Πと、タービン発電機６において効率が略最大となる回転数Ｎｔとの関係については、図５に示すようなマップに限られず、テーブルや数式など、入口温度Ｔｉｎ及び圧力比Πから回転数Ｎｔが一意的に決定可能な方法であれば適宜適用することが可能である。

【0072】

電圧変化量制御部３２では、目標値設定部３１’によって設定した目標回転数Ｎｔ*に基づいて、タービン発電機６の現在の回転数Ｎｔと目標回転数Ｎｔ*とが一致するように、コンバータ部１２における直流電圧の変化量を制御する。

【0073】

すなわち、本実施形態では、目標値設定部３１’における目標回転数Ｎｔ*の設定において、タービン発電機６における排気の入口温度Ｔｉｎと圧力比Πとから、周速比に依存せずに、効率が略最大となるタービン発電機６の回転数Ｎｔを特定することができるため、タービン発電機６の効率が最大化する周速比が一定とならない場合であっても、タービン発電機６を効率よく運転することが可能となる。

【0074】

以上説明したように、本実施形態に係る過給システムによれば、タービン発電機６における排気の入口温度Ｔｉｎ及び圧力比Πと、タービン発電機６において効率が略最大となる回転数Ｎｔとの関係を用いることによって、タービン発電機６の現在の該入口温度Ｔｉｎ及び該圧力比Πから効率が略最大となる回転数Ｎｔを容易に取得することが可能となる。すなわち、より簡単に目標回転数Ｎｔ*を設定することができる。

【0075】

また、タービン発電機６の効率がより良い状態となる周速比Ｕ／ＣＯ（例えば、０．７）は必ずしも一定ではないため、タービン発電機６における排気の入口温度Ｔｉｎ及び圧力比Πから直接的に効率が略最大となる回転数Ｎｔを取得することで、より精度よくタービン発電機６を高効率状態とすることができる。

【0076】

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る過給システムについて説明する。
上述した第１実施形態及び第２実施形態では、目標値設定部３１（または目標値設定部３１’）は、タービン発電機６における排気の入口温度Ｔｉｎと、タービン発電機６における排気の圧力比Πとに基づいて、目標回転数Ｎｔ*を設定することとした。しかしながら、第１実施形態及び第２実施形態では、タービン発電機６における排気の入口温度Ｔｉｎと、タービン発電機６における排気の圧力比Πを計測する計測器が必要となる。そこで、本実施形態では、タービン発電機６における排気の入口温度Ｔｉｎと圧力比Πを計測する計測器を設けることなく、タービン発電機６の効率が略最大となる回転数Ｎｔを目標回転数Ｎｔ*として設定する。以下、本実施形態に係る過給システム１について、第１実施形態及び第２実施形態と異なる点について主に説明する。

【0077】

なお、本実施形態では、エンジン４の回転数Ｎｅ及び負荷状態Ｐをそれぞれ計測する計測器がエンジン４に対して設けられているものとする。なお、エンジン４の回転数Ｎｅ及び負荷状態Ｐを計測する計測器は、一般的にエンジン４の制御に使用されるため、制御部１５による制御とは独立して設けられている。すなわち、本実施形態では、新たに計測器（例えば、タービン発電機６の入口温度Ｔｉｎの計測器）を設けることなく、既存の計測器（エンジン４の回転数Ｎｅ及び負荷状態Ｐを計測する計測器）を併用して、タービン発電機６の回転数Ｎｔ制御を実現する。このため、本実施形態の過給システム１は、既にエンジン４の回転数Ｎｅ及び負荷状態Ｐを計測する計測器が設けられている場合に適用することが好ましい。

【0078】

なお、エンジン４の回転数Ｎｅとは、圧送された高温高圧の空気を燃焼することにより取り出したエネルギーを回転運動へ変換した場合の回転数（例えば、燃焼によるピストンの往復運動をフライホイール等によって回転運動に変換した場合の回転数）である。また、エンジン４の負荷状態Ｐとは、エンジン４のトルク、またはエンジン４のトルクと回転数から算出される出力である。

【0079】

図６は、本実施形態における制御部１５の制御ブロック図である。本実施形態における目標値設定部３１’’は、エンジン４の運転状態と、タービン発電機６において効率が略最大となる回転数Ｎｔとの関係を有しており、該関係に基づいてエンジン４の現在の運転状態から効率が略最大となる回転数Ｎｔを特定し、特定した回転数Ｎｔを目標回転数Ｎｔ*として設定する。なお、本実施形態では、エンジン４の運転状態として、エンジン４の回転数Ｎｅ及び負荷状態Ｐを挙げて説明するが、他のパラメータを用いることとしてもよい。エンジン４の回転数Ｎｅ及び負荷状態Ｐは、タービン発電機６における排気の入口温度Ｔｉｎ及び圧力比Πと相関関係を有しているため、エンジン４の回転数Ｎｅ及び負荷状態Ｐを用いることで、タービン発電機６における排気の入口温度Ｔｉｎ及び圧力比Π、すなわち、タービン発電機６の運転状態（効率の状態）を容易に把握することができる。

【0080】

エンジン４の運転状態と、タービン発電機６において効率が略最大となる回転数Ｎｔとの関係とは、例えば、図７に示すようなマップである。具体的には、図７に示すマップでは、横軸をエンジン４の回転数Ｎｅ、縦軸をエンジン４の負荷状態Ｐとして、回転数Ｎｅ及び負荷状態Ｐがそれぞれある値である場合において、タービン発電機６の効率が略最大となる回転数Ｎｔが等値線図方式（コンター図）で示されている。すなわち、図７に示すようなマップに基づいて、エンジン４の回転数Ｎｅとエンジン４の負荷状態Ｐから、タービン発電機６において効率が略最大となる回転数Ｎｔを算出することができる。

【0081】

なお、図７に示すようなマップ（関係性）は、過給システム１に適用するタービン発電機６と同様の構成のタービン発電機６を用いた事前試験や、過去データによる解析等によって予め作成されるものである。なお、エンジン４の回転数Ｎｅと、負荷状態Ｐと、タービン発電機６において効率が略最大となる回転数Ｎｔとの関係については、図７に示すようなマップに限られず、テーブルや数式など、エンジン４の回転数Ｎｅ及び負荷状態Ｐから回転数Ｎｔが一意的に決定可能な方法であれば適宜適用することが可能である。

【0082】

電圧変化量制御部３２では、目標値設定部３１’’によって設定した目標回転数Ｎｔ*に基づいて、タービン発電機６の現在の回転数Ｎｔと目標回転数Ｎｔ*とが一致するように、コンバータ部１２における入力電圧Ｖｉｎの変化量を制御する。

【0083】

以上説明したように、本実施形態に係る過給システムによれば、エンジン４の運転状態と、タービン発電機６において効率が略最大となる回転数Ｎｔとの関係を用いることによって、効率が略最大となるタービン発電機６の回転数Ｎｔを容易に取得することが可能となる。また、運転状態としてエンジン４の回転数Ｎｅ及び負荷状態Ｐを用いることとしたため、効率的にエンジン４の運転状態を特定することができる。

【0084】

〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態に係る過給システムについて説明する。
上述した第１実施形態では、タービン発電機６の回転数Ｎｔと目標回転数Ｎｔ*とが一致するようにコンバータ部１２における直流電圧の変化量を制御することとしたが、本実施形態では、将来における過給システム１の最適な状態量を算出して、最適状態量に基づいてコンバータ部１２における直流電圧の変化量を制御する。以下、本実施形態に係る過給システム１について、第１実施形態、第２実施形態、及び第３実施形態と異なる点について主に説明する。

【0085】

本実施形態における制御部１５は、所定時間経過後の将来における過給システム１の所定の状態量（制御入力等）の最適状態量を算出し、算出した最適状態量に基づいて、コンバータ部１２における直流電圧の変化量を制御する。概念的には、制御部１５は、所定時間経過後の将来における過給システム１の運転状態が、所定の評価関数に基づいて最適と推定される場合の状態量（最適状態量）を予測し、予測した最適状態量となるように先行的に過給システム１（コンバータ部１２等）を制御する。特に、制御部１５は、先行的にコンバータ部１２における直流電圧の変化量を制御する。図８は、本実施形態における制御部１５の制御ブロック図である。図８に示されるように、制御部１５は、目標値設定部３１’’’と、モデル解析部３３と、電圧変化量制御部３２’とを備えている。

【0086】

目標値設定部３１’’’は、過給システム１の運転状態を示す状態量の目標値を目標状態量として設定する。具体的には、目標値設定部３１’’’は、目標状態量として、タービン発電機６の目標回転数Ｎｔ*及び吸気マニホールド圧力ＭＡＰの目標値ＭＡＰ*を設定する。なお、吸気マニホールド圧力ＭＡＰとは、エンジン４の吸気側の気筒（吸気マニホールド）における吸気の圧力である。本実施形態では、タービン発電機６の目標回転数Ｎｔ*及び吸気マニホールド圧力目標値ＭＡＰ*を用いる場合について説明するが、他のパラメータを用いることも可能である。

【0087】

目標値設定部３１’’’は、タービン発電機６の目標回転数Ｎｔ*を設定する。なお、具体的な設定方法については、上記の第１実施形態（目標値設定部３１）、第２実施形態（目標値設定部３１’）、及び第３実施形態（目標値設定部３１’’）に記載の設定方法を用いることが可能である。本実施形態では、目標値設定部３１’’’は、第３実施形態に記載の設定方法を用いるものとする。

【0088】

また、目標値設定部３１’’’は、吸気マニホールド圧力目標値ＭＡＰ*を設定する。目標値設定部３１’’’は、エンジン４の運転状態（エンジン４の回転数Ｎｅ及び負荷状態Ｐ）と、エンジン４の燃費が略最大（燃料消費が略最小）となる吸気マニホールド圧力ＭＡＰとの関係を有しており、該関係に基づいてエンジン４の現在の運転状態から、エンジン４の燃費が略最大（燃料消費が略最小）となる吸気マニホールド圧力ＭＡＰを特定し、特定した吸気マニホールド圧力ＭＡＰを吸気マニホールド圧力目標値ＭＡＰ*として設定する。なお、目標値設定部３１’’’は、エンジン４の運転状態（エンジン４の回転数Ｎｅ及び負荷状態Ｐ）以外のパラメータから吸気マニホールド圧力目標値ＭＡＰ*を算出することとしてもよい。

【0089】

モデル解析部３３は、過給システム１の状態量と目標状態量との差を変数として含む所定の評価関数を用いて、所定時間経過後において評価関数の解が略最小となる過給システム１の最適状態量を過給システム１の解析モデルに基づいて演算する。モデル解析部３３は、過給システム１における将来の状態量を予測するために解析モデルを有し、また、将来の過給システム１の状態を評価するために所定の評価関数（目的関数）を有している。モデル解析部３３は、解析モデル及び評価関数を用いて、所定時間経過後の将来において、過給システム１が最適な動作点となる最適状態量（制御入力等）を先行的に予測する。

【0090】

解析モデルとは、過給システム１における特定のパラメータの将来の状態を予想可能なモデルであり、例えば、解析モデルは（３）式に示されるようなシステムの状態量ｘに対する微分方程式である。モデルを微分方程式で記述することで、状態量ｘの変化（挙動）を容易に予測することができる。

【0091】

【数2】

【0092】

（３）式において、ｘは、変化の予測対象の状態量（本実施形態では、タービン発電機６の回転数Ｎｔ、吸気マニホールド圧力ＭＡＰ）であり、ｕは、モデル解析部３３において算出対象の状態量（制御入力等）であり、ｄは外乱である。なお、（３）式の関数ｆに含まれるパラメータは一例であり、予測対象の状態量ｘの微分方程式によって異なる。

【0093】

具体的には、システムの状態量ｘをタービン発電機６の回転数Ｎｔとした場合、（３）式の微分方程式は、（４）式で表される。

【0094】

【数3】

【0095】

（４）式において、Ｊｔはタービン発電機６のイナーシャ、Ｐｔは供給される排気によって生じるタービン６ａの動力（エネルギー）、Ｐｇは発電機６ｂの負荷（発電機６ｂに要求される発電電力）である。タービン６ａの動力Ｐｔは例えば（５）式で表される。

【0096】

【数4】

【0097】

（５）式において、ηｔはタービン６ａの効率、Ｃｐはタービン６ａの定圧熱容量、ｗｔはタービン６ａの質量流量、κは比熱比である。また、発電機６ｂの負荷Ｐｇは、例えば（６）式で表される。

【0098】

【数5】

【0099】

（６）式において、Ｐｄｃはコンバータ部１２の入力電力（入力電圧Ｖｉｎと直流電流Ｉｄｃの積）、ηｇは発電機６ｂの効率、ηｒｅｃは整流部１１の効率である。

【0100】

なお、他の状態量（吸気マニホールド圧力ＭＡＰ）についても微分方程式のモデルがモデル解析部３３に格納されているものとする。

【0101】

評価関数は、過給システム１の状態量と目標状態量との差（追従誤差）を変数として含んでおり、例えば（７）式のように定義される。モデル解析部３３では、解析モデルを用いて状態量ｘの将来の値を予測し、評価関数を用いて該将来において最適と推定される状態量ｕの値を算出する。

【0102】

【数6】

【0103】

（７）式において、ｘ*は状態量ｘの目標値である。また、Ｑは目標値に対する追従誤差（（ｘ－ｘ*）の絶対値）において付加される重みづけである。Ｑが大きくなると応答性が向上する。また、Ｒはｕの変化量に対する重みづけである。なお、重みづけとは、例えば定数を乗ずることであり、評価関数における各パラメータの大きさを調整して、応答性等を制御するものである。

【0104】

（７）式において、状態量ｘをタービン発電機６の回転数Ｎｔ及び吸気マニホールド圧力ＭＡＰとした場合の具体例を（８）式に示す。

【0105】

【数7】

【0106】

（８）式において、Ｐｍは電動モータ２ｂの入力電力、ＷＧはウェイストゲートの開度を示している。ウェイストゲートとは、エンジン４の排気を直接外気へ排出するバイパス経路（不図示）上に設けた弁であり、エンジン４の背圧を調節するためのものである。電動モータ２ｂの入力電力Ｐｍ、コンバータ部１２の入力電力Ｐｄｃ、及びウェイストゲートの開度ＷＧは、将来の最適状態量として算出されるパラメータである。なお、最適状態量として算出するパラメータは適宜変更可能である。

【0107】

すなわち、モデル解析部３３では、所定時間経過後の将来における状態量であるタービン発電機６の回転数Ｎｔを（５）式の微分方程式より予測し（吸気マニホールド圧力ＭＡＰについても同様に微分方程式を用いて予測し）、その所定時間経過後の将来において、（８）式の評価関数の解が略最小となるような最適状態量（Ｐｍ、Ｐｄｃ、ＷＧ）を演算する。

【0108】

なお、（６）式に示されるように、発電機６ｂの負荷Ｐｇはコンバータ部１２の入力電力Ｐｄｃの関数であるため、（４）式のタービン発電機６の回転数Ｎｔは、コンバータ部１２の入力電力Ｐｄｃの関数（Ｎｔ（Ｐｄｃ））となる。すなわち、状態量（Ｎｔ、ＭＡＰ）を予測するには算出対象の状態量（Ｐｍ、Ｐｄｃ、ＷＧ）も考慮されるため、（８）式において、追従誤差（（Ｎｔ－Ｎｔ*）の絶対値、（ＭＡＰ－ＭＡＰ*）の絶対値）についても状態量（Ｐｍ、Ｐｄｃ、ＷＧ）に依存することとなる。

【0109】

すなわち、（８）式のような評価関数を用いることで、より過給システム１全体の状況を加味しつつ、所定時間経過後の将来において状態量（Ｎｔ、ＭＡＰ）が目標値（Ｎｔ*、ＭＡＰ*）により近づく状態量（Ｐｍ、Ｐｄｃ、ＷＧ）を演算することができる。なお、演算された状態量（Ｐｍ、Ｐｄｃ、ＷＧ）は、将来の最適状態量として各制御に使用される。例えば、（８）式より演算された将来の最適状態量であるコンバータ部１２の入力電力Ｐｄｃは、電圧変化量制御部３２’へ出力され、コンバータ部１２における直流電圧の変化量の制御に用いられる。

【0110】

電圧変化量制御部３２’は、モデル解析部３３により演算された最適状態量に基づいて、コンバータ部１２における直流電圧の変化量を制御する。具体的には、電圧変化量制御部３２’は、図８に示すように、モデル解析部３３にて演算した最適状態量であるＰｄｃを取得する。そして、Ｐｄｃをコンバータ部１２の入力電圧Ｖｉｎの計測値で割ることによって、目標直流電流Ｉｄｃ*を算出する。そして、現在の直流電流Ｉｄｃ（計測値）を電流計測器から取得し、差分ΔＩｄｃを算出し、該差分ΔＩｄｃを零とするためのスイッチング素子２４のデューティー比Ｄを算出する。算出されたデューティー比Ｄのスイッチング制御信号はコンバータ部１２におけるスイッチング素子２４の制御端子（ゲート）に入力され、該デューティー比Ｄでスイッチング素子２４のＯＮ／ＯＦＦが制御される。

【0111】

このように、所定時間経過後の将来における最適状態量に基づいてコンバータ部１２におけるスイッチング素子２４を制御するため、先行的にタービン発電機６の運転状態を調整することができる。このため、過渡状態等の運転状態が変動しやすい期間においても、先行的に過給システム１を制御することができる。

【0112】

なお、モデル解析部３３における評価関数は、（８）式に限られず適用することができる。例えば、低圧コンプレッサ２の回転数をＮｅｃとして、（９）式を評価関数として用いることとしてもよい。また、電動モータ２ｂの入力電力Ｐｍを用いて、（１０）式を評価関数として用いることとしてもよい。

【0113】

【数8】

【0114】

以上説明したように、本実施形態に係る過給システムによれば、過給システム１の状態量と目標状態量との差を変数として含む関数を評価関数とし、所定時間経過後において該評価関数の解が略最小となる過給システム１の最適状態量を演算するため、将来における過給システム１の最適な状態量を算出することができる。そして、最適状態量に基づいて、コンバータ部１２における直流電圧の変化量を制御するため、先行的かつ効率的に過給システム１を最適な運転状態とすることができる。すなわち、過給システム１の運転状態が過渡的な場合であっても、より効果的に運転状態を最適化することができる。

【0115】

また、評価関数において、タービン発電機６における回転数Ｎｔと目標回転数Ｎｔ*との差を変数として含むため、容易に取得できるパラメータ（回転数Ｎｔ）を用いて評価関数を設定することができる。

【0116】

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、種々変形実施が可能である。なお、各実施形態を組み合わせることも可能である。

【符号の説明】

【0117】

１ ：過給システム
２ ：低圧コンプレッサ
２ａ ：圧縮機
２ｂ ：電動モータ
３ ：高圧コンプレッサ
４ ：エンジン
５ ：排気タービン
６ ：タービン発電機
６ａ ：タービン
６ｂ ：発電機
７ ：駆動装置
１１ ：整流部
１２ ：コンバータ部
１３ ：蓄電部
１４ ：インバータ部
１５ ：制御部
２１ ：直流線
２２ ：接地線
２３ ：コンデンサ
２４ ：スイッチング素子
２５ ：インダクタ
２６ ：逆流防止素子
２７ ：コンデンサ
３１、３１’、３１’’、３１’’’ ：目標値設定部
３２、３２’ ：電圧変化量制御部
３３ ：モデル解析部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】