JP2006189053A - エンジンの空気側制御における燃料供給レートの基準を用いる方法およびシステム - Google Patents

エンジンの空気側制御における燃料供給レートの基準を用いる方法およびシステム Download PDF

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Abstract

【課題】エンジン２０の空気側制御において燃料供給レートの基準を用いる方法およびシステムに関する。燃料供給レートの基準を用いることによって、エンジンの今後の空気側要求量を予見し、エンジンの今後の空気側要求量予見値を満足するように、１つまたは複数の空気側パラメータを調節することができる。エンジンの応答性、性能、およびエミッションを改善する。
【解決手段】ターボチャージャ３３に流体結合された吸気マニホールド２２を有する内燃機関２０とともに使用するように適合し得る。このターボチャージャは、吸気マニホールド空気圧（ＭＡＰ）５２および吸気マニホールド空気流（ＭＡＦ）５０に影響を及ぼす。この内燃機関は、このエンジンの吸気マニホールド内に燃料を噴射する１つまたは複数の燃料噴射器３８も含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にエンジンに関し、より詳細にはエンジンを制御する方法に関する。
火花点火エンジンは一般に、エンジンに入る空気を流量調節する空気絞り弁に機械的に連結されたガスペダルを有する。ガスペダルを踏み込むと一般に空気絞り弁が開き、そのため、エンジンにより多くの空気を入れることができる。場合によっては、燃料噴射器コントローラが、エンジンに供給される燃料を調節して、所望の空燃比（ＡＦＲ）を維持する。ＡＦＲは一般に、理論空燃比燃焼をもたらすための理論空燃比近傍に維持され、これがエンジンのエミッションを最小限に抑える助けとなり、三元触媒により、炭化水素、一酸化炭素、および窒素酸化物（ＮＯＸ）を同時に除去することができる。
圧縮点火エンジン（例えば、ディーゼルエンジン）は一般に、理論空燃比で動作せず、そのためしばしば、エミッションがより多くなり、異なるエミッション成分が生じる。今やディーゼルエンジンは、自動車および軽トラックの市場に実際に食い込みつつあるため、ディーゼルエンジンについてエミッションレベルをより厳しくすることを求める連邦規制法が通過した。
火花点火エンジンと異なり、ディーゼルエンジンのガスペダルは一般に、エンジンに入る空気を流量調節する空気絞り弁に直接連結されない。その代わりに、電子燃料噴射（ＥＦＩ）付きのディーゼルエンジンでは、ペダル位置センサによってペダル位置が感知され、感知されたペダル位置を用いてエンジンへの燃料供給レートを制御し、それによって、燃料ポンプ１工程当たりの燃料を増減することができる。最近の多くのディーゼルエンジンでは、エンジンへの空気は一般にターボチャージャによって制御される。このターボチャージャは、可変ノズルターボチャージャ（ＶＮＴ）またはウエィストゲートターボチャージャであることが多い。
多くのディーゼルエンジンでは、運転者がペダルを動かし、より多くの燃料を噴射させる時点と、ターボチャージャが回転を増して、所望の空燃比になるのに必要とされる追加の空気が供給される時点との間に時間遅れまたは「ターボラグ」が存在する。この「ターボラグ」により、エンジンの応答性および性能が悪くなり、エンジンからのエミッションが多くなることがある。
一般に、ディーゼルエンジンの排気流内には、火花点火エンジンに見られるエミッションセンサに類似のセンサはない。この理由の１つは、ディーゼルエンジンは一般に、火花点火エンジンのほぼ半分の希薄さで動作することである。したがって、ディーゼルエンジンの排気中の酸素レベルは、標準のエミッションセンサでは有用な情報が得られないレベルにあることがある。同時に、ディーゼルエンジンの燃焼は一般に、従来の三元触媒には希薄すぎる。したがって、ディーゼルエンジンにおける燃焼の制御はしばしば、「開ループ」で実施され、許容可能な排気エミッションを得るのに好ましいと考えられる吸気マニホールドパラメータの設定点を生成するのに、エンジンマップなどに依存することが多い。
いずれにしても、ディーゼルエンジンにおける排気エミッションを浄化する助けとなる後処理がしばしば必要とされる。多くの場合、後処理は、「通気酸化」触媒系を含み、これには典型的に何の制御も行われない。適正な条件下では、炭化水素、一酸化炭素、ならびに最も重要には、粒子上に吸着される炭化水素を浄化し得ることがある。ある種の後処理システムは、粒子フィルタを含む。ただし、これらの粒子フィルタは一般に、しばしば、フィルタ上に捕捉されたすす粒子を燃焼させて除去することによって定期的に清浄にして、フィルタ表面を「再生」しなければならない。排気ガス温度を上げることが、再生を開始させる主なやり方であり、そのための一方法は、シリンダ内に、または排気バーナ内に追加の燃料を噴射させることである。このタイプの後処理の制御は、しばしば開ループで、圧力センサまたは走行距離に基づくものであり得る。
Ｆ．Ｂｏｒｒｅｌｌｉ、「Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ Ｏｐｔｉｍａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｌｉｎｅａｒ ａｎｄ Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ（線形およびハイブリッドシステムの条件付き最適制御）」、Ｖｏｌ． ２９０、Ｌｅｃｔｕｒｅ Ｎｏｔｅｓ ｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、２００３年
本発明は、エンジンの空気側制御において燃料供給レートの基準を用いる方法およびシステムに関するものである。燃料供給レートの基準を用いることによって、本発明により、例えば、エンジンの今後の空気側要求量を予見し、エンジンの今後の空気側要求量予見値を満足するように、１つまたは複数の空気側パラメータを調節することができる。こうすると、エンジンの応答性、性能、およびエミッションを改善する助けとなり得る。
実施形態の一例では、本発明は、ターボチャージャに流体結合された吸気マニホールドを有する内燃機関とともに使用するように適合し得る。このターボチャージャは、吸気マニホールド空気圧（ＭＡＰ）および吸気マニホールド空気流（ＭＡＦ）に影響を及ぼし得る。この内燃機関は、このエンジンの吸気マニホールド内に燃料を噴射する１つまたは複数の燃料噴射器も含み得る。
本発明の実施形態の一例は、これら１つまたは複数の燃料噴射器を利用して、内燃機関に燃料供給プロフィールを導入することを含み得る。この燃料供給プロフィールに関係する１つまたは複数の信号が空気側コントローラに提供され、この空気側コントローラは、これら燃料供給プロフィールに関係する１つまたは複数の信号に少なくとも部分的に基づいて、マニホールド空気圧（ＭＡＰ）および／またはマニホールド空気流（ＭＡＦ）など、１つまたは複数の空気側パラメータを調節する。例えば、現在の燃料供給プロフィールが、比較的急峻な燃料供給レートの増加を含む場合、空気側コントローラは、遅延がほとんどないか、または全くない状態で、マニホールド空気圧（ＭＡＰ）および／またはマニホールド空気流（ＭＡＦ）を増加させて、所望のＡＦＲプロフィールおよび／またはエミッションプロフィールを維持する助けとすることができる。こうすると、所望の範囲内で、特にエンジン動作の過渡状態中に、例えば、ターボラグの影響を小さくする助けとなり、エミッションを減少させる助けとなり得る。
場合によっては、ターボチャージャは、エンジンの吸気マニホールドに供給される空気を少なくとも部分的に規定する吸気マニホールド圧力プロフィールを有し得る。空気側コントローラは、燃料供給プロフィールに関係する１つまたは複数の信号に基づいて、この吸気マニホールド圧力プロフィールを調節して、吸気マニホールド内のマニホールド空気圧（ＭＡＰ）および／またはマニホールド空気流（ＭＡＦ）の所望の変化をもたらすことができる。ターボチャージャが、可変ノズルターボチャージャ（ＶＮＴ）であり、ＶＮＴ設定点を有する場合、吸気マニホールド圧力プロフィールは、このＶＮＴ設定点を調節することによって調節することができる。場合によっては、ターボチャージャは、電動モータによる支援を受けることができ、吸気マニホールド圧力プロフィールは、所望の場合には、この電動モータによる支援を調節することによって調節することができる。
ある種の実施形態では、内燃機関は、排気マニホールドから排気ガスを受け取り、吸気マニホールドにある量の排気ガスを供給する排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁を含み得る。この再循環量は、ＥＧＲ弁の設定点によって設定される。空気側コントローラは、燃料供給プロフィールに関係する１つまたは複数の信号に基づいてＥＧＲ弁の設定点を調節して、吸気マニホールドに供給される空気の空気組成に所望の変化をもたらし得ることが企図されている。
ある種の実施形態では、内燃機関から排出される排気ガスの組成に関係する１つまたは複数の排気パラメータを感知する１つまたは複数の排気センサを設けることができる。これらの実施形態では、空気側コントローラは、マニホールド空気圧（ＭＡＰ）、マニホールド空気流（ＭＡＦ）、および／またはＥＧＲレベルなど、１つまたは複数の空気側パラメータを調節して、１つまたは複数の感知された排気パラメータの少なくとも１つの今後の値をもたらし得ることが企図されている。場合によっては、これら１つまたは複数の感知された排気パラメータは、例えば、ＮＯＸ濃度および／またはＰＭ濃度を含み得る。これら１つまたは複数の排気センサを、１つまたは複数の燃料供給プロフィール信号とともに用いることによって、空気側コントローラは、エンジンの今後の空気側要求量を予見することができ、１つまたは複数の感知された排気パラメータを所望のレベルまたは所望の範囲内に保つ助けとなるように調節を行うことができる。空気側コントローラは、ＭＡＰ、ＭＡＦ、ＥＧＲなど、任意の数のエンジンパラメータを調節して、１つまたは複数の感知された排気パラメータを所望のレベルまたは所望の範囲内に保つ助けとすることができる。
上記の概要は、本発明の、開示する各実施形態またはあらゆる実装形態を説明するためのものではない。以下の「図」、「詳細な説明」、および「実施例」により、これらの実施形態をより具体的に例示する。
本発明の他の目的および本発明に付随する利点の多くは、これらが、以下の詳細な説明を添付の図面と併せ読むことによってよりよく理解されれば、容易に理解されるであろう。これらの図を通して、同様の参照数字は、同様の部分を示す。
図１は、本発明によるディーゼルエンジンシステムの例の概略図である。このディーゼルエンジンシステムの例は、全体的に１０で示されており、吸気マニホールド２２および排気マニホールド２４を含むディーゼルエンジン２０を含む。この実施形態の例では、燃料噴射器２８は、エンジン２０に燃料を供給する。燃料噴射器２８は、単一の燃料噴射器とし得るが、より一般には、独立に制御可能ないくつかの燃料噴射器を含み得る。燃料噴射器コントローラ２６は、１つ（または複数）の燃料噴射器２８が、エンジン２０に所望の燃料供給プロフィールを提供するように、１つ（または複数）の２８を制御するように設けられる。本明細書では、燃料「プロフィール」という用語は、例えば、燃料放出レート、燃料放出レートの変化、燃料タイミング、１つ（または複数）の燃料噴射前イベント、１つ（または複数）の燃料噴射後イベント、燃料パルス、および／または、所望のとおりの他の任意の燃料送出特徴を含めて、任意の数の燃料のパラメータまたは特徴を含み得る。１つまたは複数の燃料側アクチュエータを使用して、所望のとおりに上記その他の燃料パラメータを制御し得る。
燃料噴射器コントローラ２６は、任意の数の入力信号を受け取り、それらを用いて、所望の燃料供給プロフィールを生成することができる。例えば、燃料噴射器コントローラ２６の例は、ペダル位置信号６６、吸気マニホールド空気流（ＭＡＦ）信号５０、エンジンスピード信号６８、空燃比（ＡＦＲ）下限信号７０を受け取る。これらの信号は単なる例である。例えば、場合によっては、燃料噴射器コントローラ２６は、空気側コントローラ（図２参照）から１つまたは複数の制御信号を受け取ることができるが、必要条件ではない。
この実施形態の例では、エンジン２０からの排気は、排気マニホールド２４に供給される。排気マニホールド２４は、この排気ガスを排気管３２に送出する。この実施形態の例では、ターボチャージャ３３は、排気マニホールド２４の下流に設けられる。ターボチャージャ３３の例は、排気ガスの流れによって駆動されるタービン３０を含む。この実施形態の例では、回転するタービン３０は、機械的なカップリング３６を介して圧縮機３４を駆動する。図に示すように、この圧縮機は、通路３８を介して周囲の空気を受け取り、この周囲空気を圧縮し、吸気マニホールド２２に圧縮空気を供給する。
ターボチャージャ３３は、可変ノズルタービン（ＶＮＴ）ターボチャージャであり得る。ただし、例えば、ウエィストゲートまたはＶＧＴベーンの組を動作させるアクチュエータを備えた、ウエィストゲートターボチャージャまたは可変形状吸気口ノズルターボチャージャ（ＶＧＴ）を含めて、任意の適切なターボチャージャを使用し得ることが企図されている。このＶＮＴターボチャージャの例では、排気スクロール内で調節可能なベーンを使用して、入ってくる排気ガスが排気タービン３０に当たるときの排気ガス迎え角を変化させる。この実施形態の例では、ベーンの迎え角、したがって、圧縮機３４によってもたらされるブースト（ＭＡＰ）圧力の量は、ＶＮＴ ＳＥＴ信号４２によって制御することができる。場合によっては、現在のベーン位置を示すＶＮＴ位置信号４６が提供される。現在のタービンスピードを示すターボスピード信号４８も提供される。場合によっては、このターボスピードを制限して、タービン３０が損傷しないようにする助けとすることが望ましいことがある。
ターボラグを小さくする助けとするために、タービン３０は、（図には明示的には示さない）電動モータによる支援を含み得る。ただし、これは、すべての実施形態での必要条件ではない。この電動モータによる支援は、タービン３０のスピード、したがって、圧縮機３４によって吸気マニホールド２２にもたらされるブースト圧力を増加させる助けとなり得る。これは、エンジンの回転数が低く、かつ、高加速条件下など、より大きなブースト圧力が望まれるときに特に有用になり得る。これらの条件下では、排気ガスの流れは、吸気マニホールド２２のところで所望のブースト（ＭＡＰ）圧力を生成するには不十分なことがある。この実施形態の例では、提供される電動モータ支援量を制御するＥＴＵＲＢＯ信号を提供することができる。
圧縮機３４は、可変または非可変の圧縮機とし得ることが企図されている。例えば、場合によっては、圧縮機３４によって供給される圧縮空気は、タービン３０が圧縮機３４を回転させるスピードのみの関数とすることができる。他の例では、圧縮機３４は、可変形状圧縮機（ＶＧＣ）とし得る。場合によっては、ＶＧＣ ＳＥＴ信号６７を用いて圧縮機の出口のところでベーン位置を設定して、制御された量の圧縮空気を吸気マニホールド２２に供給する。
圧縮空気冷却器４０は、所望のとおりに、圧縮空気が吸気マニホールド２２に供給される前に圧縮空気を冷却する助けとなるように設けることができる。ある種の実施形態では、圧縮空気冷却器４０に１つまたは複数の圧縮空気冷却器制御信号６５を提供して圧縮空気の温度を制御する助けとし、この温度制御された圧縮空気を最終的に吸気マニホールド２２に供給し得る。場合によっては、これら１つまたは複数の圧縮空気冷却器制御信号６５は、所望の場合には、空気側コントローラ（図２参照）によって提供し得る。
場合によっては、ある種のディーゼルエンジンのエミッションを少なくするために、図に示すように、排気マニホールド２４と吸気マニホールド２２の間に、排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁５８を挿入することができる。この実施形態の例では、ＥＧＲ弁５８は、所望の排気ガス再循環（ＥＧＲ）量を設定するのに使用するＥＧＲ ＳＥＴ信号６０を受け取る。所望の場合には、ＥＧＲ弁５８の現在位置を示し得るＥＧＲ ＰＯＳＩＴＩＯＮ出力信号６２も提供し得る。
場合によっては、ＥＧＲ弁５８の上流または下流に、ＥＧＲ冷却器６４を設けて、排気ガスが吸気マニホールド２２に供給される前に、排気ガスを冷却する助けとし得る。ある種の実施形態では、ＥＧＲ冷却器６４に１つまたは複数のＥＧＲ冷却器制御信号６９を提供して、再循環排気ガスの温度を制御する助けとすることができる。場合によっては、これら１つまたは複数のＥＧＲ冷却器制御信号６９は、所望の場合には、空気側コントローラ（図２参照）によって提供し得る。
エンジン２０の動作を監視するために、いくつかのセンサを設けることができる。例えば、吸気マニホールド空気流（ＭＡＦ）センサ５０により、吸気マニホールド空気流（ＭＡＦ）の基準を提供し得る。吸気マニホールド空気圧（ＭＡＰ）センサ５２により、吸気マニホールド空気圧（ＭＡＰ）の基準を提供し得る。マニホールド空気温度（ＭＡＴ）センサ５３により、吸気マニホールド空気温度（ＭＡＴ）の基準を提供し得る。ＮＯＸセンサ５６により、排気ガス中のＮＯＸ濃度の基準を提供し得る。同様に、粒子状物質（ＰＭ）センサ５４により、排気ガス中の粒子状物質濃度の基準を提供し得る。ＮＯＸセンサ５６およびＰＭセンサ５４を排気マニホールド２４のところに配置して示すが、エンジン２０の下流ならどこでも所望のとおりに、これらのセンサを設けることができることが企図されている。さらに、図１に示すセンサは単なる例であり、設けられるセンサの数を所望のとおりに増減し得ることが企図されている。
図２は、図１のディーゼルエンジンシステムの例とともに使用する空気側コントローラの例の概略図である。この空気側コントローラの例は、全体的に８０で示されており、いくつかのエンジンパラメータを受け取って、エンジン２０に空気側制御を提供する助けとする。例えば、実施形態の一例では、空気側コントローラ８０は、ＭＡＰセンサ出力５２、ＭＡＦセンサ出力５０、ＭＡＴセンサ出力５３、ターボスピード信号４８、ＮＯＸセンサ出力５６、および／またはＰＭセンサ出力５４などの入力信号を受け取る。これらはすべて、図１に示されているものである。これらの入力パラメータは単なる例であり、応用例に応じて、受け取る入力パラメータの数を増減し得ることが企図されている。例えば、ある種の実施形態の例では、図に示すように、空気側コントローラ８０は、ペダル位置信号６６および／または燃料供給プロフィール信号を受け取ることができるが、これは、必要条件でもなく、ある種の実施形態では望ましくさえない。
受け取った入力パラメータの値に基づいて、空気側コントローラの例８０は、エンジン２０に空気側制御を提供する助けとなるいくつかの制御出力を提供し得る。例えば、空気側コントローラ８０は、図１に示すＶＮＴ ＳＥＴ信号４２、ＥＧＲ ＳＥＴ信号６０、および場合によっては、ＣＯＭＰ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号、ＥＧＲ ＣＯＯＬＥＲ Ｓｅｔ信号、およびＥＴＵＲＢＯ信号４４を提供し得る。
場合によっては、空気側コントローラは、多変数モデル予測コントローラ（ＭＰＣ）とし得る。このＭＰＣは、エンジン動作の動的プロセスモデルを含み、制御変数および出力変数測定値の拘束を受けるエンジンに予測制御信号を提供することができる。これらのモデルは、応用例に応じて、静的かつ／または動的なものとし得る。場合によっては、これらのモデルは、１つまたは複数の入力信号ｕ（ｔ）から１つまたは複数の出力信号ｙ（ｔ）を生成する。動的モデルは一般に、静的モデルに加えて、この系の時間応答についての情報を含む。そのため、動的モデルはしばしば、静的モデルよりも忠実度が高い。
数学的な表現では、線形な動的モデルの形式は、
ｙ（ｔ）＝Ｂ０＊ｕ（ｔ）＋Ｂ１＊ｕ（ｔ−１）＋．．＋Ｂｎ＊ｕ（ｔ−ｎ）＋Ａ１＊ｙ（ｔ−１）＋．．．＋Ａｍ＊ｙ（ｔ−ｍ）
である。ただし、Ｂ０．．．ＢｎおよびＡ１．．．Ａｍは、定数行列である。動的モデルでは、時間ｔにおける出力であるｙ（ｔ）は、現在の入力ｕ（ｔ）、１つまたは複数の過去の入力ｕ（ｔ−１），．．．，ｕ（ｔ−ｎ）、さらに、１つまたは複数の過去の出力ｙ（ｔ−１）．．．ｙ（ｔ−ｍ）に基づく。
静的モデルは、行列Ｂ１＝．．．＝Ｂｎ＝０、およびＡ１＝．．．＝Ａｍ＝０の特別な場合である。そのため、以下のより簡単な関係が得られる。
ｙ（ｔ）＝Ｂ０ｕ（ｔ）
ここで示す静的モデルは、単純な行列乗数である。静的モデルは一般に、入力ｕ（ｔ−１）、ｕ（ｔ−２）．．．または出力ｙ（ｔ−１）．．．などの「記憶」をもたない。その結果、静的モデルはより簡単になり得るが、ある種の動的なシステムパラメータをモデル化するにはあまり強力ではないことがある。
ターボチャージャ付きディーゼルシステムでは、システムの動力学は、比較的複雑なことがあり、その相互作用のいくつかは、「非最小位相」として知られる特徴を有することがある。これは、出力ｙ（ｔ）が、入力ｕ（ｔ）中のステップの作用を受けると、最初は一方向に移動し、次いで、方向転換し、その定常状態に向かって反対方向に移動することになる動的応答である。ディーゼルエンジンにおけるすすエミッションはその一例にすぎない。場合によっては、これらの動力学は、制御系の最適動作に重要になり得る。そのため、動的モデルはしばしば、少なくともある種の制御パラメータをモデル化するときに好ましい。
一例では、ＭＰＣは、２つ以上のパラメータ（例えば、ＡＦＲ、ＭＡＰ、ＭＡＦ、ＮＯＸ、ＰＭ）のそれぞれについての、エンジンの１つまたは複数のアクチュエータ（例えば、ＶＮＴ ＳＥＴ、ＥＧＲ ＳＥＴ、ＣＯＭＰ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ、ＥＧＲ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ、ＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ、燃料供給レートなど）の変化の影響をモデル化する多変数モデルを含むことがあり、この多変数コントローラは、これら２つ以上のパラメータにおいて所望の応答が得られるように、これらのアクチュエータを制御することができる。同様に、このモデルは、場合によっては、１つまたは複数のエンジンパラメータのそれぞれについての、２つ以上のアクチュエータの同時変化の影響をモデル化することができ、この多変数コントローラは、これら１つまたは複数のパラメータのそれぞれにおいて所望の応答が得られるように、これらのアクチュエータを制御することができる。
例えば、離散時間力学系の状態−空間モデルは、以下の形の式を用いて表すことができる。
ｘ（ｔ＋１）＝Ａｘ（ｔ）＋Ｂｕ（ｔ）
ｙ（ｔ）＝Ｃｘ（ｔ）
モデル予測アルゴリズムは、
ｕ（ｋ）＝ａｒｇ ｍｉｎ｛Ｊ｝
という問題を解くことを必要とする。ただし、関数Ｊは、
Figure 2006189053
によって与えられ、
Figure 2006189053
の拘束を受ける。ある種の実施形態では、これを２次プログラミング（ＱＰ）問題に変換し、標準の、またはカスタマイズしたツールによって解く。
変数「ｙ（ｋ）」は、センサの測定値を含む（ターボチャージャ問題では、これらは、ＭＡＰ、ＭＡＦ、ＭＡＴ、ターボスピード、ＮＯｘエミッション、ＰＭエミッションなどを含むが、これらに限定されるものではない）。変数
Figure 2006189053
は、測定値「ｙ（ｔ）」が利用可能なときに、時間「ｔ＋ｋ」において予測されるこの系の出力を示す。モデル予測コントローラでこれらの出力を用いて、（性能指数Ｊによる）「最良」予測出力シーケンスが得られる入力シーケンスを選択する。
変数「ｕ（ｋ）」は、Ｊを最適化することによって得られ、場合によっては、アクチュエータの設定点に用いられる。ターボチャージャ問題では、これらのアクチュエータ設定点は、ＶＮＴ ＳＥＴ、ＥＧＲ ＳＥＴ、ＣＯＭＰ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ、ＥＧＲ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ、ＥＴＵＲＢＯなどを含むが、これらに限定されるものではない。変数「ｘ（ｋ）」は、この系の動的な状態−空間モデルの内部状態を表す変数である。変数
Figure 2006189053
は、ｋ個の離散時間ステップ後の状態変数の予測バージョンを示し、モデル予測コントローラで用いて、この系の今後の値を最適化する。
変数ｙｍｉｎおよびｙｍａｘは拘束であり、この系の予測される測定値
Figure 2006189053
がとり得る最小値および最大値を示す。これらはしばしば、この制御系における閉ループ挙動に対するハードリミットに対応する。例えば、所与の時刻において、ＰＭエミッションが１秒当たりあるグラム数よりも大きくなり得ないように、ＰＭエミッションについてハードリミットを設けることができる。場合によっては、最小値ｙｍｉｎのみまたは最大値ｙｍａｘのみの拘束を設けることができる。例えば、ＰＭエミッションの最大値拘束は設けることができ、ＰＭエミッションの最小値拘束は不要であるか、または望ましくないことがある。
変数ｕｍｉｎおよびｕｍａｘも拘束であり、この系のアクチュエータ
Figure 2006189053
がとり得る最小値および最大値を示し、これらはしばしば、これらのアクチュエータについての物理的な制限に対応する。例えば、ＥＧＲ弁は、完全に閉じた弁位置に対応する最小値ゼロと、完全に開いた弁位置に対応する最大値１とを有し得る。上記のように、場合によっては、状況に応じて、最小値ｕｍｉｎのみまたは最大値ｕｍａｘのみの拘束を設けることができる。また、これらの拘束（例えば、ｙｍｉｎ、ｙｍａｘ、ｕｍｉｎ、ｕｍａｘ）の一部または全部は、現在の動作状態に応じて時間変化し得る。これらの状態およびアクチュエータの拘束は、所望のとおりに、インターフェース７８を介して図２の空気側コントローラ８０に提供し得る。
定数行列Ｐ、Ｑ、Ｒはしばしば、それぞれの変数の最適化についてのペナルティを設定するのに用いる正定値行列である。実際には、これらを用いて、この系の閉ループ応答を「調整」する。
図３は、本発明によるモデル予測コントローラの例の概略図である。この実施形態では、ＭＰＣ８０は、状態オブザーバー８２およびＭＰＣコントローラ８４を含む。上記で説明したように、ＭＰＣコントローラ８４は、エンジン２０のアクチュエータなどに、いくつかの制御出力「ｕ」を提供する。制御出力の例には、例えば、ＶＮＴ ＳＥＴ信号４２、ＥＧＲ ＳＥＴ信号６０、ＣＯＭＰ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号６５、ＥＧＲ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号６９、およびＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ信号４４が含まれる。これらはすべて、図１および図２に示されているものである。ＭＰＣコントローラ８４は、制御出力ｕ（ｔ）、ｕ（ｔ−１）、ｕ（ｔ−２）などの過去の値を記憶するメモリを含み得る。
状態オブザーバー８２は、いくつかの入力「ｙ」、いくつかの制御出力「ｕ」、およびいくつかの内部変数「ｘ」を受け取る。入力「ｙ」の例には、例えば、ＭＡＰセンサ出力５２、ＭＡＦセンサ出力５０、マニホールド空気温度（ＭＡＴ）信号５３、ターボスピード信号４８、ＮＯＸセンサ出力５６、および／またはＰＭセンサ出力５４が含まれる。これらは、図１および図２に関して上記で示し説明したものである。入力「ｙ」は、常時、間歇的、または周期的、あるいは所望のとおりの任意の他の時間に問い合わせを受けることができることが企図されている。また、これらの入力パラメータは単なる例であり、応用例に応じて、設けられる入力信号の数を増減し得ることが企図されている。場合によっては、状態オブザーバー８２は、応用例に応じて、これらいくつかの入力「ｙ」、いくつかの制御出力「ｕ」、およびいくつかの内部状態変数「ｘ」ごとに、現在かつ／または過去の値を受け取ることがある。
状態オブザーバー８２は、現在の１組の状態変数「ｘ」を生成し、次いでこれらを、ＭＰＣコントローラ８４に提供する。その後、ＭＰＣコントローラ８４は、新しい制御出力「ｕ」を計算し、これらをエンジン２０のアクチュエータなどに提示する。制御出力「ｕ」は、常時、間歇的、または周期的、あるいは所望のとおりの任意の他の時間に更新することができる。エンジン２０は、これら新しい制御出力「ｕ」を用いて動作し、新しい入力「ｙ」を生成する。
実施形態の一例では、ＭＰＣ８０は、標準の２次プログラミング（ＱＰ）技法および／または線形プログラミング（ＬＰ）技法を利用してプログラムされ、それによって制御出力「ｕ」についての値が予測され、その結果、エンジン２０は、所望の目標範囲内の所望の目標値であり、かつ／または、いかなる所定の拘束にも違反しない入力「ｙ」を生成する。例えば、ＮＯＸエミッションおよび／またはＰＭエミッションに対するＶＮＴ ＳＥＴ位置４２、ＥＧＲ ＳＥＴ位置６０、および／またはＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ信号４４の影響を知ることによって、ＭＰＣ８０は、ＮＯＸエミッション信号５６および／またはＰＭエミッション信号５４の今後の値が、所望の目標範囲内の所望の目標値であり、かつ／または、現在の拘束に違反しない値になるか、あるいはその値のままになるように、ＶＮＴ ＳＥＴ位置４２、ＥＧＲ ＳＥＴ位置６０、および／またはＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ信号４４の制御出力についての値を予測することができる。このような予測能力は、ＶＮＴ ＳＥＴ位置４２、ＥＧＲ ＳＥＴ位置６０、および／またはＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ信号の変化が生じ、その結果、ＮＯＸエミッション信号５６および／またはＰＭエミッション信号５４の変化が生じるときに、「ターボラグ」（例えば、１秒）がしばしば存在するので、特に有用であり得る。場合によっては、これらの拘束は変化することがあり、現在の動作状態に応じて決まることがある。
ＭＰＣ８０は、オンライン最適化の形態で、かつ／または、ハイブリッドマルチパラメータアルゴリズムによって計算された等価なルックアップテーブルを用いることによって実施し得ることが企図されている。ハイブリッドマルチパラメータアルゴリズムにより、エミッションパラメータおよび複数のシステム動作モードについての拘束を符号化して、車両のエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）内で実施し得るルックアップテーブルにすることができる。これらエミッションについての拘束は、追加のパラメータとしてこのルックアップテーブルに入力される経時変化信号であることがある。ハイブリッドマルチパラメータアルゴリズムは、Ｆ．Ｂｏｒｒｅｌｌｉ、「Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ Ｏｐｔｉｍａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｌｉｎｅａｒ ａｎｄ Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ（線形およびハイブリッドシステムの条件付き最適制御）」、Ｖｏｌ． ２９０、Ｌｅｃｔｕｒｅ Ｎｏｔｅｓ ｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、２００３年にさらに記載されている。この文献を参照により本明細書に組み込む。
あるいは、またはそれに加えて、ＭＰＣ８０は、１つまたは複数の比例積分微分（ＰＩＤ）制御ループ、スミス予測器制御ループなどの１つまたは複数の予測拘束制御ループ、１つまたは複数のマルチパラメータ制御ループ、１つまたは複数の多変数制御ループ、１つまたは複数のダイナミックマトリックス制御ループ、１つまたは複数の統計プロセス制御ループ、知識ベースエキスパートシステム、ニューラルネットワーク、ファジィ論理、または、所望のとおりの他の任意の適切な制御メカニズムを含み得る。また、このＭＰＣは、エンジンのアクチュエータを制御するのに使用するより低レベルのコントローラに対するコマンドおよび／または設定点を提供し得ることが企図されている。場合によっては、このより低レベルのコントローラは、例えば、ＰＩＤコントローラなどの単一入力／単一出力（ＳＩＳＯ）コントローラとし得る。
図４は、本発明によるディーゼルエンジンシステムの別の例の概略図である。このディーゼルエンジンシステムの例は、全体的に１００で示されており、ディーゼルエンジン１０２を備える。ディーゼルエンジン１０２は、電動モータによる支援付き可変ノズルタービン（ＶＮＴ）ターボチャージャと、エンジンの排気マニホールドと吸気マニホールドの間に挿入された排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁とを含む。動作中のエンジンの様々なパラメータを監視するいくつかのセンサ出力が設けられる。センサ出力の例には、例えば、図に示すように、エンジンスピードパラメータ、吸気マニホールド空気圧（ＭＡＰ）パラメータ、吸気マニホールド空気流（ＭＡＦ）パラメータ、ターボスピードパラメータ、ＮＯＸパラメータ、およびＰＭパラメータが含まれる。これらは単なる例であり、応用例に応じて、設けられるセンサ出力の数を増減し得ることが企図されている。
エンジン内に噴射される燃料を制御する燃料噴射器コントローラ１０６が設けられる。燃料噴射器コントローラの例１０６は、吸気マニホールド空気流（ＭＡＦ）パラメータおよび燃料供給レートパラメータを受け取って、エンジンに入る空燃比（ＡＦＲ）を推定する空燃比（ＡＦＲ）推定器を含み得る。場合によっては、この空燃比（ＡＦＲ）推定器は、ＡＦＲ推定値を、最小ＡＦＲ下限値よりも大きく保つことができ、それによって、低ＡＦＲ値で生じ得る煤煙その他の望ましくないエミッションを減少させる助けとなり得る。
燃料噴射器コントローラ１０６は、燃料噴射器によってエンジンに送出される燃料供給レートを制御し得る。場合によっては、ペダル位置信号およびエンジンスピード信号を用いて、エンジンに対する所望の量の燃料を計算する。場合によっては、ペダルを踏み込むと、１つまたは複数の静的かつ動的な制御マップに従って燃料流量が増加する。
この実施形態の例では、空気側コントローラ１０８も設けることができる。空気側コントローラ１０８は、エンジン１０２に空気側制御を提供する助けとなるいくつかのエンジンパラメータを受け取ることができる。「空気側制御」という用語は、吸気および排気またはエミッションの制御をともに含み得る。例えば、この実施形態の例では、空気側コントローラ１０８は、ＭＡＰセンサ出力、ＭＡＦセンサ出力、ＭＡＴセンサ出力、ターボスピード信号、ＮＯＸセンサ出力、およびＰＭセンサ出力などの入力信号を受け取ることができる。これらの入力パラメータは単なる例であり、応用例に応じて、受け取る入力信号の数を増減し得ることが企図されている。この実施形態の例では、空気側コントローラ１０８は、燃料噴射器コントローラ１０６によって提供される燃料供給プロフィール１１６の基準を受け取らないことに留意されたい。ただし、図１１〜図１４に関して以下で示し説明する他の実施形態では、空気側コントローラは、燃料供給プロフィールの基準を入力として受け取ることができる。
いずれにしても、受け取った入力パラメータの値に基づいて、場合によっては１つまたは複数の過去に受け取った入力パラメータに基づいて、空気側コントローラの例１０８は、エンジン１０２に空気側制御を提供する助けとなるいくつかの制御出力を提供し得る。例えば、空気側コントローラ１０８は、ＶＮＴ ＳＥＴ信号、ＥＧＲ ＳＥＴ信号、ＶＧＣ ＳＥＴ信号、ＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ信号、ＣＯＭＰ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号、ＥＧＲ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号などを提供し得る。場合によっては、空気側コントローラ１０８は、図２の空気側コントローラ８０に類似のものとし得る。
図５は、燃料噴射器によってエンジンに送出される燃料供給レートを制御するのに従来から使用されている先行技術のスピードコントローラ１２６の概略図である。スピードコントローラ１２６は、いずれも時間の関数であるペダル位置信号１２７と、エンジンスピード信号の測定値１２９とを受け取る。ペダル位置信号１２７は、エンジンスピード設定点１３０にペダル位置を関係づけるテーブルである静的マップ１２８に提供することができる。エンジンスピード設定点１３０と、エンジンスピード信号の測定値１２９とを比較し、スピード制御ブロック１３６にオフセット信号１３４を提供する。次いで、このオフセット信号を用いて、スピード制御ブロック１３６は、エンジンの燃料噴射器の１つまたは複数に燃料供給レート信号１３８を提供する。スピードコントローラ１３６は、ＡＦＲ＞ＡＦＲ ＬＯＷ ＬＩＭＩＴを維持するように設計された燃料供給レートリミッタを含み得る。
図６は、本発明の実施形態の一例によるスピードコントローラの概略図である。図６のスピードコントローラ１５０と図５のスピードコントローラ１２６の１つの違いは、スピードコントローラ１５０は、ペダル位置信号１５２およびペダル変化率信号１５４をともに受け取り得ることである。現在のペダル位置に加えて、ペダル変化率を知ることによって、スピードコントローラ１５０は、エンジンの今後の燃料および／または空気の要求量を予見することができ、これらの予見要求量を満足するように燃料供給プロフィールおよび／または空気プロフィールを調整し得る。
例えば、スピードコントローラ１５０は、ペダル変化率が正であり小さいときよりもペダル変化率が正であり大きいときに、所与のペダル位置に対してより大きな燃料供給レートを提供し得る。同様に、スピードコントローラ１５０は、ペダル変化率が負であり小さいときよりもペダル変化率が負であり大きいときに、所与のペダル位置に対してより小さな燃料供給レートを提供し得る。同様に、スピードコントローラ１５０は、ペダル変化率が正であり小さいときよりもペダル変化率が正であり大きいときに、所与のペダル位置に対してより大きなターボブースト（ＭＡＰ）を提供し得る。同様に、スピードコントローラ１５０は、ペダル変化率が負であり小さいときよりもペダル変化率が負であり大きいときに、所与のペダル位置に対してより小さなターボブースト（ＭＡＰ）を提供し得る。ＥＧＲその他のエンジンパラメータも、同様に制御することができる。
場合によっては、スピードコントローラ１５０は、ブレーキ位置信号１５６を受け取ることができる。ブレーキペダル感知を利用して、エンジンの今後の燃料側要求量を予見することができる。例えば、運転者がブレーキペダルから圧力を取り除いたとき、すぐに燃料ペダルに圧力が加えられることになると仮定するのが妥当であろう。スピードコントローラ１５０は、ブレーキ位置信号１５６を用いて、今後の燃料要求量を予見する助けとし得る。
図７は、本発明によるスピードコントローラの別の例の概略図である。この実施形態の例では、ペダル位置信号１６０は、第１の動的マップ１６２に提供される。第１の動的マップ１６２は、ペダル位置およびペダル変化率（ならびに場合によっては、さらにこのペダル位置の微分）を変換し、対応するエンジンスピード設定点１７０を提供し得る。第１の動的マップ１６２は、ペダル変化率が正のとき、エンジンの加速を予見し、現在のエンジンスピード設定点１７０を増加させる助けとなり得る。同様に、第１の動的マップ１６２は、ペダル変化率が負のとき、減速を予見し、現在のエンジンスピード設定点１７０を減少させる助けとなり得る。
この実施形態の例では、コンパレータ１７４によって、エンジンスピード設定点１７０と、エンジンスピード信号の測定値１７２とを比較し、オフセット信号１７５が、スピード制御ブロック１７６に提供される。オフセット信号１７５を用いて、スピード制御ブロック１７６は、エンジンの燃料噴射器の１つまたは複数に燃料供給レート信号１７８を提供する。ある種の実施形態では、スピードコントローラ１７６は、ＡＦＲ下限信号１８０も受け取ることができる。上記で説明したように、ＡＦＲ下限信号１８０は、エンジンのＡＦＲ推定値が、ＡＦＲ下限信号１８０の値未満に下がった場合、煤煙その他の望ましくないエミッションが、エンジンの排気中に現れると予想し得る値に設定し得る。エミッションを少なくするために、ＡＦＲがＡＦＲ下限信号１８０未満に下がる場合、スピードコントローラ１７６は、燃料供給レート１７８を減少させて、少なくとも一時的に、エンジンに提供されるＡＦＲを増加させることができる。
図８は、動的マップを有するスピードコントローラのエンジンスピード設定点の応答と、静的マップを有するスピードコントローラのエンジンスピード設定点の応答との関係を示すグラフである。入力ペダル位置信号を２１４に示す。入力ペダル位置信号２１４は、比較的低い位置から比較的高い位置に上昇するステップ２１４ａを含む。図５を参照して示し説明した静的マップ１２８を用いる場合、静的マップ１２８によって生成された対応するエンジンスピード設定点１３０（図５参照）は、図８に示すように、入力ペダル位置信号２１４におけるステップに対応するステップ１３０ａを有し得る。ただし、エンジンスピード信号１３０におけるこの対応するステップ１３０ａは単なる反応であり、なんの情報も含んでいないし、エンジンの今後の要求量を予見することもない。
これに対して、図７を参照して示し説明した動的マップ１６２を用いる場合、対応するエンジンスピード設定点１７０の対応するステップ１７０ａは、静的マップによって生成されたステップ１３０よりも大きい初期振幅を有し得る。その後、エンジンスピード設定点１７０は、減衰領域１７０ｂを有し、最終的に、静的マップ１２８によって生成されたものに類似のレベルになる（図８参照）。動的マップ１６２を用いると、エンジンスピード設定点１７０は、情報を含み、かつ／またはエンジンの今後の要求量を予見し、これらの今後の要求量を満足させるように試みるエンジンスピード設定点１７０を生成し得る。
ある種の実施形態では、動的マップ１６２は、ペダル位置およびペダル変化率（ならびに場合によっては、さらにこのペダル位置の微分）を変換し、対応するエンジンスピード設定点１７０を提供し得ることが企図されている。こうすることによって、動的マップ１６２は、エンジンの加速および／またはエンジンの減速を予見する助けとなり、エンジンの今後の予見要求量を満足させるように試みるエンジンスピード設定点１７０を生成し得る。こうすると、例えば、エンジンの性能を向上させ、かつ／または、エンジンのエミッションを少なくする助けとなり得る。
ある種の実施形態では、動的マップとルックアップテーブルの組合せを用いることができる。例えば、実施形態の一例では、第１の動的マップ、次いで、ルックアップテーブル、その後、第２の動的マップを用いることができる。第１の動的マップは、例えば、ルックアップテーブルに入力される１つ（または複数）の信号の前置フィルタとして機能することができ、第２の動的マップは、ルックアップテーブルから出力される１つ（または複数）の信号の後置フィルタとして機能し得る。場合によっては、第１の動的フィルタは、カルマンフィルタ、拡張カルマンフィルタ、または任意の状態オブザーバーフィルタとすることができ、第２の動的フィルタは、同一性のフィルタとし得る。
このルックアップテーブルは、任意の適切な方法を利用して、場合によっては、上記で論じた最適または次善最適のマルチパラメータハイブリッドアルゴリズムを利用して計算することができる。このマルチパラメータハイブリッドアルゴリズムに整合して、このルックアップテーブルは、複数のエンジン動作モードでのエミッションパラメータについての拘束を符号化することができ、指定されたエンジン動作モードについて割り当てられた拘束内にエンジンエミッションその他のパラメータを保つように適合された１つまたは複数のエンジン制御信号を生成し得る。ある種の実施形態では、このルックアップテーブルは、入力パラメータとしてエミッション制御拘束を受け入れることができる。このエミッション制御拘束は、静的な、または時間とともに変化するものとすることができ、所与の１組のエンジン動作モードについて、応用例に応じて、オフラインで、あるいは、リアルタイムまたはほぼリアルタイムで計算し得る。
図９は、本発明によるエンジンコントローラの別の例の概略図である。図９のエンジンコントローラの例は、図７に示す実施形態の例と同じであるが、エンジンの空気側コントローラ２０４にペダル位置を提供する。
この実施形態の例では、ペダル位置信号１６０は、ペダル位置についての情報（例えば、ペダル位置、ペダル変化率など）を１つまたは複数の空気側制御パラメータに関係づける第２の動的（または静的）マップ２０２に提供される。第２の動的マップ２０２の出力を用いて、空気側コントローラ２０４は、１つまたは複数の制御信号を提供して、エンジンの空気側制御の助けと得る。
これらの空気側制御信号は、例えば、ＶＮＴ ＳＥＴ信号２０６、ＥＧＲ ＳＥＴ信号２０８、ＶＧＣ ＳＥＴ信号２１８、ＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ信号２１０、ＣＯＭＰ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号２２０、ＥＧＲ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号２２２、および／または、所望のとおりの他の任意の適切な信号を含み得る。上記と同様に、空気側コントローラ２０４は、ＭＡＰ信号、ＭＡＦ信号、ＭＡＴ信号、ターボスピード信号、ＮＯＸ信号、ＰＭ信号、および／または、所望のとおりの他の任意の適切な信号など、いくつかの他の入力信号２１２を受け取ることができる。例えば、ペダル位置および／またはペダル変化率（ならびに、場合によっては、さらにこのペダル位置の微分）を知ることによって、空気側制御信号の一部または全部を調節して、エンジンの応答時間、性能、および／またはエミッションが改善されるように、必要とされる変化を予見することができる。
例えば、ペダル変化率が比較的大きい場合、空気側コントローラ２０４は、余分なターボブーストが必要になることを予見することができ、ＶＮＴ ＳＥＴ信号２０６および／またはＶＧＣ ＳＥＴ信号２１８を変化させて、遅延がほとんどないか、または全くない状態で、ターボブースト予見値の提供を直ちに開始することができる。ＥＧＲ ＳＥＴ信号２０８、ＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ信号２１０、ＣＯＭＰ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号２２０、ＥＧＲ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号２２２、および／または、空気側コントローラ２０４によって提供される他の任意の制御信号を同様に調節して、ペダル位置および／またはペダル変化率の変化により生じる阻害影響を相殺するか、その他の方法で補償し得る。こうすると、エンジンの応答性、性能、および／またはエミッションを改善する助けとなり得る。
場合によっては、他のいくつかの入力信号２１２は、ブレーキ位置信号を含み得る。ブレーキペダル感知を利用して、エンジンの今後の空気側要求量を予見することができる。例えば、運転者がブレーキペダルから圧力を取り除いたとき、すぐに燃料ペダルに圧力が加えられることになると仮定するのが妥当であろう。空気側コントローラ２０４は、このブレーキ位置信号を用いて、今後の空気側要求量を予見する助けとし得る。
図１０は、本発明によるエンジンコントローラの別の例の概略図である。この実施形態の例では、ペダル位置２４０は、燃料側の位置およびレートマップ２４２、ならびに空気側の位置およびレートマップ２５０に提供される。レートマップ２４２および２５０は、動的マップ、静的マップ、またはこれらの組合せとし得る。
この実施形態の例では、燃料側のレートマップ２４２は、ペダル位置および／またはペダル変化率（ならびに場合によっては、さらにこのペダル位置の微分）を、１つまたは複数の燃料側設定点２４３に変換し得る。燃料側コントローラ２４４は、燃料側設定点２４３を、エンジンスピード、ＭＡＦ、ＭＡＰ、ＭＡＴなど、いくつかの燃料側センサ出力２４６とともに受け取り、エンジンの燃料噴射器に燃料供給プロフィール２４８を提供する。
空気側のレートマップ２５０は、ペダル位置および／またはペダル変化率（ならびに場合によっては、さらにこのペダル位置の微分）を、１つまたは複数の空気側パラメータに変換し得る。別の空気側設定点マップ２５２は、ブレーキパラメータ、温度パラメータ、外部圧力パラメータ、湿度パラメータ、および／または他の任意の適切なパラメータなど、いくつかの他のエンジンパラメータ２５４を受け取り、１つまたは複数の空気側設定点を提供し得る。空気側設定点マップ２５２は、所望のとおりの動的マップまたは静的マップとし得る。
空気側コントローラ２５６は、空気側のレートマップ２５０から１つまたは複数の空気側パラメータを受け取り、場合によっては、空気側設定点マップ２５２から１つまたは複数の空気側設定点を、ＭＡＰ、ＭＡＦ、ＭＡＴ、ＮＯＸ、ＰＭ、ターボスピード、ＶＮＴ ＰＯＳ、ＥＧＲ ＰＯＳなどの１つまたは複数の空気側センサ出力信号とともに受け取り、ＶＮＴ ＳＥＴ、ＥＧＲ ＳＥＴ、ＶＧＣ ＳＥＴ、ＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ、ＣＯＭＰ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ、ＥＧＲ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ、および／または、所望のとおりの他の任意の適切な制御信号など、１つまたは複数の空気側制御信号を提供する。
図１１は、本発明によるディーゼルエンジンシステムの別の例の概略図である。このディーゼルエンジンシステムの例は、全体的に３００で示されており、ディーゼルエンジン３０２を備える。ディーゼルエンジン３０２は、電動モータによる支援付き可変ノズルタービン（ＶＮＴ）ターボチャージャと、エンジンの排気マニホールドとエンジンの吸気マニホールドの間に挿入された排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁とを含む。ディーゼルエンジンの例３０２は、可変形状圧縮機（ＶＧＣ）も含み、場合によっては、ＶＧＣ ＳＥＴ信号を用いて圧縮機の出口のところでベーン位置を設定して、制御された量の圧縮空気を吸気マニホールド２２に供給する。
動作中のエンジンの様々なパラメータを監視するいくつかのセンサ出力が提供される。センサ出力の例には、図に示すように、エンジンスピードパラメータ、吸気マニホールド空気圧（ＭＡＰ）パラメータ、吸気マニホールド空気流（ＭＡＦ）パラメータ、ターボスピードパラメータ、ＮＯＸパラメータ、およびＰＭパラメータが含まれる。所望の場合には、設けられるセンサ出力の数を増減し得る。
エンジン内に噴射される燃料を制御する燃料噴射器コントローラ３０６が設けられる。燃料噴射器コントローラの例３０６は、図４を参照して上記で説明した燃料噴射器コントローラ１０６に類似のものとし得る。燃料噴射器コントローラの例３０６は、吸気マニホールド空気流（ＭＡＦ）パラメータおよび燃料供給レートパラメータを受け取って、エンジンに入る空燃比（ＡＦＲ）を推定する空燃比（ＡＦＲ）推定器を含み得る。場合によっては、この空燃比（ＡＦＲ）推定器は、ＡＦＲ推定値を、最小ＡＦＲ下限値よりも大きく保つことができ、それによって、低いＡＦＲ値で生じ得る煤煙その他の望ましくないエミッションを減少させる助けとなり得る。
燃料噴射器コントローラ３０６は、燃料噴射器によってエンジンに送出される燃料供給レートを制御し得る。この実施形態の例では、ペダル位置信号、ペダル変化率信号、およびエンジンスピード信号を用いて、エンジンに対する所望の量の燃料を計算する。場合によっては、上記で別に説明したように、ペダルを踏み込むと、１つまたは複数の静的および／または動的な制御マップに従って燃料流量が増加する。
この実施形態の例では、空気側コントローラ３２０も設けられる。空気側コントローラ３２０は、エンジン３０２に空気側制御を提供する助けとなるいくつかのエンジンパラメータを受け取る。例えば、この実施形態の例では、図に示すように、空気側コントローラ３２０は、ＭＡＰセンサ出力、ＭＡＦセンサ出力、ターボスピード信号、ＮＯＸセンサ出力、および／またはＰＭセンサ出力などの入力信号を受け取ることができる。これらの入力パラメータは単なる例であり、応用例に応じて、受け取る入力信号の数を増減し得ることが企図されている。
この実施形態の例では、空気側コントローラ３２０は、エンジン３０２に現在提供されている燃料供給プロフィールに関係する情報を提供する１つまたは複数の燃料供給プロフィール信号３１４も受け取る。１つ（または複数）の燃料供給プロフィール信号３１４を含めて、受け取った入力パラメータの値に基づいて、空気側コントローラの例３２０は、エンジン３０２に空気側制御を提供する助けとなるいくつかの制御出力を提供する。例えば、空気側コントローラ３２０は、ＶＮＴ ＳＥＴ信号３２４、ＶＧＣ ＳＥＴ信号３３０、ＥＧＲ ＳＥＴ信号３２６、ＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ信号３２８、ＣＯＭＰ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号３３２、および／またはＥＧＲ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号３３４を提供し得る。所望の場合には、空気側コントローラ３２０によって他の制御信号も提供し得る。
ＭＡＰ、ＭＡＦ、ＭＡＴ、ターボスピード、ＮＯＸエミッション、ＰＭエミッションなど、様々なエンジンパラメータに対する燃料供給レートおよび／または燃料供給レートの変化の影響を知ることによって、空気側コントローラ３２０は、ＶＮＴ ＳＥＴ信号３２４、ＶＧＣ ＳＥＴ信号３３０、ＥＧＲ ＳＥＴ信号３２６、ＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ信号３２８、ＣＯＭＰ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号３３２、および／またはＥＧＲ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号３３４など、１つまたは複数の制御信号を調節して、例えば、ＭＡＰ、ＭＡＦ、ターボスピード、ＮＯＸエミッション、ＰＭエミッションなどに対する阻害影響を相殺または低減することができる。こうすると、エンジンの応答性、性能、および／またはエミッションを改善する助けとなり得る。
図１２は、本発明による空気側コントローラの別の例の概略図である。空気側コントローラの例３４０は、燃料供給プロフィール信号３４２を、１つまたは複数の他のパラメータ３４４とともに受け取る。燃料供給プロフィール信号３４２は、燃料放出レート、燃料放出レートの変化、燃料タイミング、１つ（または複数）の燃料噴射前イベント、１つ（または複数）の燃料噴射後イベント、燃料パルス、および／または、所望のとおりの他の任意の燃料送出特徴など、任意の数の燃料の特徴を含み得る。１つまたは複数の他のパラメータ３４４は、例えば、ＭＡＰパラメータ、ＭＡＦパラメータ、ターボスピードパラメータ、ＮＯＸパラメータ、ＰＭパラメータ、エンジンスピードパラメータ、ＶＮＴ位置パラメータ、ＥＧＲ位置パラメータ、ブレーキ位置パラメータ、外部温度パラメータ、外部圧力パラメータ、湿度パラメータ、および／または、所望のとおりの他の任意のパラメータを含み得る。
次いで、空気側コントローラの例３４０は、１つまたは複数の空気側制御信号をエンジンに提供する。例えば、空気側コントローラ３４０は、ＶＮＴ ＳＥＴ信号３４６、ＶＧＣ ＳＥＴ信号３５２、ＥＧＲ ＳＥＴ信号３４８、ＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ信号３５０、ＣＯＭＰ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号３５４、ＥＧＲ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号３５６、および／または、所望のとおりの他の任意の空気側制御信号を提供し得る。
空気側コントローラ３４０は、オンライン最適化の形態で、かつ／または、ハイブリッドマルチパラメータアルゴリズムによって計算された等価なルックアップテーブルを用いることによって実施し得ることが企図されている。ハイブリッドマルチパラメータアルゴリズムにより、エミッションパラメータおよび複数のシステム動作モードについての拘束を符号化して、車両のエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）内で実施し得るルックアップテーブルにすることができる。これらエミッションについての拘束は、追加のパラメータとしてこのルックアップテーブルに入力される経時変化信号であることがある。ハイブリッドマルチパラメータアルゴリズムは、Ｆ．Ｂｏｒｒｅｌｌｉ、「Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ Ｏｐｔｉｍａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｌｉｎｅａｒ ａｎｄ Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ（線形およびハイブリッドシステムの条件付き最適制御）」、Ｖｏｌ． ２９０、Ｌｅｃｔｕｒｅ Ｎｏｔｅｓ ｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、２００３年にさらに記載されている。この文献を参照により本明細書に組み込む。
あるいは、またはそれに加えて、空気側コントローラ３４０は、１つまたは複数の比例積分微分（ＰＩＤ）制御ループ、スミス予測器制御ループなどの１つまたは複数の予測拘束制御ループ、１つまたは複数のマルチパラメータ制御ループ、１つまたは複数の多変数制御ループ、１つまたは複数のダイナミックマトリックス制御ループ、１つまたは複数の統計プロセス制御ループ、知識ベースエキスパートシステム、ニューラルネットワーク、ファジィ論理、または、所望のとおりの他の任意の適切な制御メカニズムを含み得る。また、空気側コントローラ３４０は、エンジンのアクチュエータを制御するのに使用するより低レベルのコントローラに対するコマンドおよび／または設定点を提供し得ることが企図されている。場合によっては、このより低レベルのコントローラは、例えば、ＰＩＤコントローラなどの単一入力／単一出力（ＳＩＳＯ）コントローラとし得る。
図１３は、本発明による空気側コントローラの別の例の概略図である。空気側コントローラの例３６０は、燃料供給プロフィール信号３６２を受け取る。燃料供給プロフィール信号３６２は、燃料放出レート、燃料放出レートの変化、燃料タイミング、１つ（または複数）の燃料噴射前イベント、１つ（または複数）の燃料噴射後イベント、燃料パルス、および／または、所望のとおりの他の任意の燃料送出特徴など、任意の数の燃料の特徴を含み得る。空気側コントローラ３６０の例は、例えば、ＭＡＰパラメータ３６４、ＭＡＦパラメータ３６６、ターボスピードパラメータ３６８、ＮＯＸパラメータ３７０、ＰＭパラメータ３７２、および／または、所望のとおりの他の任意のパラメータを含めて、他のエンジンパラメータも受け取ることができる。
次いで、空気側コントローラの例３６０は、１つまたは複数の空気側制御信号をエンジンに提供する。例えば、空気側コントローラ３６０は、ＶＮＴ ＳＥＴ信号３７４、ＶＧＣ ＳＥＴ信号３８０、ＥＧＲ ＳＥＴ信号３７６、ＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ信号３７８、ＣＯＭＰ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号３８２、および／またはＥＧＲ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号３８４、および／または、所望のとおりの他の任意の空気側制御信号を提供し得る。
空気側コントローラ３６０は、オンライン最適化の形態で、かつ／または、ハイブリッドマルチパラメータアルゴリズムによって計算された等価なルックアップテーブルを用いることによって実施し得ることが企図されている。ハイブリッドマルチパラメータアルゴリズムにより、エミッションパラメータおよび複数のシステム動作モードについての拘束を符号化して、車両のエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）内で実施し得るルックアップテーブルにすることができる。これらエミッションについての拘束は、追加のパラメータとしてこのルックアップテーブルに入力される経時変化信号であることがある。ハイブリッドマルチパラメータアルゴリズムは、Ｆ．Ｂｏｒｒｅｌｌｉ、「Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ Ｏｐｔｉｍａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｌｉｎｅａｒ ａｎｄ Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ（線形およびハイブリッドシステムの条件付き最適制御）」、Ｖｏｌ． ２９０、Ｌｅｃｔｕｒｅ Ｎｏｔｅｓ ｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、２００３年にさらに記載されている。この文献を参照により本明細書に組み込む。
あるいは、またはそれに加えて、空気側コントローラ３６０は、１つまたは複数の比例積分微分（ＰＩＤ）制御ループ、スミス予測器制御ループなどの１つまたは複数の予測拘束制御ループ、１つまたは複数のマルチパラメータ制御ループ、１つまたは複数の多変数制御ループ、１つまたは複数のダイナミックマトリックス制御ループ、１つまたは複数の統計プロセス制御ループ、知識ベースエキスパートシステム、ニューラルネットワーク、ファジィ論理、または、所望のとおりの他の任意の適切な制御メカニズムを含み得る。また、空気側コントローラ３６０は、エンジンのアクチュエータを制御するのに使用するより低レベルのコントローラに対するコマンドおよび／または設定点を提供し得ることが企図されている。場合によっては、このより低レベルのコントローラは、例えば、ＰＩＤコントローラなどの単一入力／単一出力（ＳＩＳＯ）コントローラとし得る。
図１４は、本発明による空気側コントローラの別の例の概略図である。この空気側コントローラの例を全体的に３８４で示す。ペダル位置信号４０２が、燃料側コントローラ４０６に提供される。燃料側コントローラ４０６は、エンジンスピードパラメータ、ＭＡＦパラメータなどのいくつかの入力パラメータを、インターフェース４０８を介して受け取る。ペダル位置信号４０２およびこれらいくつかの入力パラメータ４０８を用いて、燃料側コントローラ４０６は、燃料噴射器などの１つまたは複数の燃料側アクチュエータに１つまたは複数の燃料制御信号４１０を提供する。
この実施形態の例では、１つまたは複数の燃料制御信号４１０が、外乱の測定値入力として、空気側コントローラ４１４にも提供される。空気側コントローラ４１４の例は、インターフェース４２０を介して空気側センサからいくつかの入力信号も受け取る。これらの空気側センサは、例えば、ＭＡＰセンサ、ＭＡＦセンサ、ＭＡＴセンサ、ＮＯＸセンサ、ＰＭセンサ、ターボスピードセンサ、エンジンスピードセンサ、および／または、所望のとおりの他の任意のタイプのセンサを含み得る。空気側コントローラ４１４の例は、設定点マップ４１６からいくつかの他の空気側設定点４１７も受け取る。設定点マップ４１６は、１つまたは複数の他のエンジンパラメータ４１８を、１つまたは複数の空気側設定点４１７に変換し得る。これら１つまたは複数の他のエンジンパラメータは、例えば、ブレーキパラメータ、温度パラメータ、外部空気圧パラメータ、湿度パラメータ、および／または他の任意の所望のエンジンパラメータを含み得る。設定点マップ４１６は、所望のとおりの動的マップまたは静的マップとし得る。
上記で論じた様々な入力信号を用いて、空気側コントローラの例４１４は、１つまたは複数の空気側制御信号４２２を提供し得る。例えば、空気側コントローラ４１４は、ＶＮＴ ＳＥＴ信号、ＶＧＣ ＳＥＴ信号、ＥＧＲ ＳＥＴ信号、ＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ信号、ＣＯＭＰ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号、ＥＧＲ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号、および／または、所望のとおりの他の任意の空気側制御信号を提供し得る。この実施形態の例は、例えば、加速および／または減速を（例えば、燃料供給レート４１０の増加によって）予見し、次いで、遅延がほとんどないか、または全くない状態で、エンジンへの空気放出レートを増加／減少させて、エンジンの応答性、性能、および／またはエミッションを改善する助けとすることができる。
本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、本明細書に示す教示は、添付の特許請求の範囲の範囲内で、他の実施形態に適用し得ることが当業者には容易に理解されよう。
本発明によるディーゼルエンジンシステムの例の概略図である。 図１のディーゼルエンジンシステムの例とともに使用する空気側コントローラの例の概略図である。 本発明によるモデル予測コントローラの例の概略図である。 本発明によるディーゼルエンジンシステムの別の例の概略図である。 先行技術のスピードコントローラの概略図である。 本発明によるスピードコントローラの例の概略図である。 本発明によるスピードコントローラの別の例の概略図である。 動的マップを有するスピードコントローラのエンジンスピード設定点の応答と、静的マップを有するスピードコントローラのエンジンスピード設定点の応答との関係を示すグラフである。 本発明によるエンジンコントローラの例の概略図である。 本発明によるエンジンコントローラの別の例の概略図である。 本発明によるディーゼルエンジンシステムの別の例の概略図である。 本発明による空気側コントローラの別の例の概略図である。 本発明による空気側コントローラの別の例の概略図である。 本発明による空気側コントローラの別の例の概略図である。
符号の説明
１０ ディーゼルエンジンシステム
２０ ディーゼルエンジン
２２ 吸気マニホールド
２４ 排気マニホールド
２６ 燃料噴射器コントローラ
２８ 燃料噴射器
３０ タービン
３２ 排気管
３３ ターボチャージャ
３４ 圧縮機
４０ 圧縮空気冷却器
５８ 排気ガス再循環弁
６４ ＥＧＲ冷却器
７８ インターフェース
８０ 空気側コントローラ、ＭＰＣ
８２ 状態オブザーバー
８４ ＭＰＣコントローラ
１００ ディーゼルエンジンシステム
１０２ ディーゼルエンジン
１０６ 燃料噴射器コントローラ
１０８ 空気側コントローラ
１１６ 燃料供給プロフィール
１２６ スピードコントローラ
１３６ スピード制御ブロック、スピードコントローラ
１５０ スピードコントローラ
１７４ コンパレータ
１７６ スピード制御ブロック、スピードコントローラ
２０４ 空気側コントローラ
２４４ 燃料側コントローラ
２４８ 燃料供給プロフィール
２５０ 空気側の位置およびレートマップ
２５６ 空気側コントローラ
３００ ディーゼルエンジンシステム
３０２ ディーゼルエンジン
３０６ 燃料噴射器コントローラ
３２０ 空気側コントローラ
３６０ 空気側コントローラ
４０６ 燃料側コントローラ
４１４ 空気側コントローラ
４２０ インターフェース

Claims (4)

  1. ターボチャージャ（３３）は、吸気マニホールド（２２）内のマニホールド空気圧（ＭＡＰ）（５２）およびマニホールド空気流（ＭＡＦ）（５０）に影響を及ぼし、内燃機関（２０）は、前記内燃機関（２０）の前記吸気マニホールド（２２）内に燃料を噴射する１つまたは複数の燃料噴射器（３８）も有し、
    前記１つまたは複数の燃料噴射器（３８）を利用して、前記内燃機関（２０）に燃料供給プロフィールを導入するステップと、
    前記燃料供給プロフィールに関係する１つまたは複数の信号を提供するステップと、
    前記燃料供給プロフィールに関係する前記１つまたは複数の信号に少なくとも部分的に基づいて、前記吸気マニホールド（２２）内の空気の前記マニホールド空気圧（ＭＡＰ）（５２）および／または前記マニホールド空気流（ＭＡＦ）（５０）を調節するステップとを含む、
    ターボチャージャ（３３）に流体結合された吸気マニホールド（２２）を有する内燃機関（２０）を制御する方法。
  2. 前記内燃機関（２０）は、排気マニホールド（２４）と、前記排気マニホールド（２４）から排気ガスを受け取り、前記吸気マニホールド（２２）にある量の排気ガスを供給する排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁とを含み、前記量は、前記ＥＧＲ弁（５８）の設定点によって設定され、前記調節ステップは、前記ＥＧＲ弁（５８）の前記設定点を調節して、前記吸気マニホールド（２２）内の空気の空気組成をもたらす、請求項１に記載の方法。
  3. 前記内燃機関（２０）の前記排気ガスの組成に関係する１つまたは複数のパラメータの現在の値を感知するステップをさらに含み、
    前記調節ステップは、前記ＥＧＲ弁（５８）の前記設定点を調節して、前記１つまたは複数の感知されたパラメータの少なくとも１つの今後の値をもたらす、請求項２に記載の方法。
  4. ターボチャージャ（３３）は、吸気マニホールド（２２）内のマニホールド空気圧（ＭＡＰ）（５２）およびマニホールド空気流（ＭＡＦ）（５０）に影響を及ぼし、内燃機関（２０）は、前記内燃機関（２０）の前記吸気マニホールド（２２）内に燃料を噴射する１つまたは複数の燃料噴射器（３８）も有し、前記内燃機関（２０）は、排気マニホールド（２４）と、前記排気マニホールド（２４）から排気ガスを受け取り、前記吸気マニホールド（２２）にある量の排気ガスを供給する排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁を有し、前記排気ガスの量は、前記ＥＧＲ弁（５８）の設定点によって設定され、前記方法は、
    前記１つまたは複数の燃料噴射器（３８）を利用して、前記内燃機関（２０）に燃料供給プロフィールを導入するステップと、
    前記燃料供給プロフィールに関係する１つまたは複数の信号を提供するステップと、
    前記燃料供給プロフィールに関係する前記１つまたは複数の信号に少なくとも部分的に基づいて、前記ＥＧＲ弁（５８）の前記設定点を調節するステップとを含む、
    ターボチャージャ（３３）に流体結合された吸気マニホールド（２２）を有する内燃機関（２０）を制御する方法。
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