JP2008534856A - エンジンの燃料および空気の調整された多変数制御 - Google Patents
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Abstract
燃料側/空気側複合コントローラを使用してディーゼルエンジンを制御するための方法およびシステムが開示されている。実例となる方法は、エンジンの燃料側および空気側制御の両方を調整するように適合された燃料側/空気側複合コントローラを提供するステップと、1つまたは複数のパラメータを感知するステップと、エンジンの燃料側の少なくとも一部および空気側の少なくとも一部を制御するための燃料プロフィール信号および1つまたは複数の空気側制御信号を出力するステップとを含むことができる。エンジンの燃料側および空気側の両方の制御を中心的に調整することによって、そのシステムをエンジンの将来の燃料側および/または空気側の必要性を予想するように構成することができ、したがってシステムの応答性、性能、および/またはエミッションが改善される。
【選択図】図1
【選択図】図1
Description
本発明は、概して、エンジンおよびエンジンの制御に関する。より詳細には、本発明は、エンジン中の燃料および空気の流れを制御するための方法に関する。
本出願は、全て2004年12月29日に出願された、米国特許出願第11/024531号、表題「Multivariable Control For An Engine」、米国特許出願第11/025221号、表題「Pedal Position And/Or Pedal Change Rate For Use In Control Of An Engine」、および米国特許出願第11/025563号、表題「Method And System For Using A Measure Of Fueling Rate In The Air Side Control Of An Engine」の一部継続出願である。
火花点火エンジンは、一般的に、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。一般的には、ガスペダルを踏み込むと空気絞り弁が開き、それにより、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、所望の空燃比(AFR)を維持するようにエンジンに提供される燃料を調節する。AFRは通常、理論値の燃焼をもたらすために理論空燃比(例えば、14.6:1)に近くなるように保持され、これが、エンジンエミッションを最小限に抑える助けをし、三元触媒が炭化水素、一酸化炭素、および窒素酸化物(NOx)を同時に除去することを可能にする。
その一方、ディーゼルエンジンなどの圧縮着火エンジンは、通常、理論空燃比で動作せず、そのため一般的に、異なるエミッション成分を含むエミッションがより多くなる。最近では、自動車および軽トラック市場におけるディーゼルエンジンの使用が増加しているので、ディーゼルエンジンに関するより厳しいエミッションレベルを求める連邦規制法が通過した。こうした規制法は、自動車メーカーに、エンジン効率の改善およびエミッションの減少のための代替の方法を考えることを促している。
火花点火エンジンとは異なり、ディーゼルエンジンの燃料ペダルは、一般的にエンジンに入る空気を流量調節する空気絞り弁と直接連結していない。その代わりに、電子燃料噴射(EFI)を備えた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ることが多く、そのセンサが、ペダル位置を感知しエンジンに供給される燃料レートを調節し、それにより、エンジンに供給する、燃料ポンプ1工程当たりの燃料を多くすることも少なくすることができる。多くの最近のディーゼルエンジンでは、エンジンへの空気は、可変ノズルターボチャージャ(VNT)またはウェイストゲートターボチャージャなどのターボチャージャによって制御される。一般的には、より多くの燃料を噴射するために運転者が燃料ペダルを係合するときと、所望のAFRを生成するのに必要な追加の空気を供給するためにターボチャージャが回転数を上げるときとの間に、時間遅れすなわち「ターボラグ」がある。こうした「ターボラグ」は、エンジンの反応性および性能を低下させる恐れがあり、エンジンから排出されるエミッションの量を増加させる恐れがある。
一般的には、ディーゼルエンジンの排気流の中には、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がない。センサがない理由の1つは、ディーゼルエンジンは一般的に、火花点火エンジンの約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の酸素レベルは、標準的な酸素エミッションセンサが有用な情報を提供し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的には従来の三元触媒には希薄すぎる。その結果、ディーゼルエンジンにおける燃焼の制御は、一般的には、「開ループ」方式で実行され、許容可能な排気エミッションのために好都合である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ためにエンジンマップなどに依存することが多い。
本発明は、エンジン内の燃料および空気の両方の流れを制御するための方法に関する。本発明の例示的な実施形態による図示の方法は、エンジンの燃料側および空気側の両方の制御を調整するように適合された燃料側/空気側複合コントローラを提供するステップと、そのシステムの1つまたは複数のパラメータを感知するステップと、エンジンの燃料側の少なくとも一部および空気側の少なくとも一部を制御するための、燃料プロフィール信号、および1つまたは複数の空気側制御信号を出力するステップとを含むことができる。1つまたは複数のエンジンパラメータを感知するための、MAPセンサ、MAFセンサ、NOxセンサおよび/または粒子状物質(PM)エミッションセンサを含む、いくつかのセンサを提供することができる。コントローラならびに他のシステム構成要素から受け取る制御信号に基づいて、エンジンの動作の少なくとも一部を制御するための1つまたは複数のアクチュエータをさらに提供することができる。いくつかの実施形態では、コントローラは、多変数モデル予測コントローラ(MPC)とすることができ、中心最適化アルゴリズムまたはルーチンを使用して1つまたは複数の燃料側および/または空気側パラメータを計算するように構成することができる。
以下の説明は、図面を参照して解釈すべきであり、異なる図面における同様の要素は同様にして番号付けされている。これらの図面は、必ずしも縮尺が正確ではなく、選択された実施形態を示しており、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。様々な要素の構造、寸法、および材料の例が示されているが、提供される多くの例が、利用することのできる適切な代替例を有することを当業者は認識するであろう。
図1は、本発明の例示的な実施形態による図示のディーゼルエンジンシステムの概略図である。図示のディーゼルエンジンシステムは、全体的に10で示され、吸気マニホールド22および排気マニホールド24を有するディーゼルエンジン20を含む。図示の実施形態では、燃料噴射器26がエンジン20に燃料を供給する。その燃料噴射器26は、単一の燃料噴射器を含むことができるが、より一般的には、独立に制御可能ないくつかの燃料噴射器を含むことができる。エンジン20の燃料側および/または空気側制御に関する燃料プロフィール設定28ならびに1つまたは複数の他の信号30に基づいて、所望の燃料プロフィールをエンジン20に提供するように燃料噴射器26を構成することができる。本明細書で使用される燃料の「プロフィール」という用語は、例えば、燃料送出レート、燃料送出レートの変化、燃料タイミング、燃料噴射前イベント、燃料噴射後イベント、燃料パルス、および/または所望により任意の他の燃料送出特徴を含む、任意の数の燃料パラメータまたは特徴を含むことができる。1つまたは複数の燃料側アクチュエータを使用して、それらのおよび所望により他の燃料パラメータを制御することができる。
図1でさらに分かるように、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、その排気マニホールド24は、その排気ガスを排気管32に送出する。図示の実施形態ではさらに、ターボチャージャ34が排気マニホールド24の下流に提供される。図示のターボチャージャ34は、タービン36を含むことができ、そのタービン36は排気ガス流によって駆動される。図示の実施形態では、回転するタービン36は、機械的な連結部40を介して圧縮機38を駆動する。その圧縮機40は、図示のように、通路42を通して周囲空気を受け取り、その周囲空気を圧縮し、次いで圧縮された空気を吸気マニホールド22に供給する。
ターボチャージャ34は、可変ノズルタービン(VNT)ターボチャージャとすることができる。しかし、例えば、ウェイストゲートまたはVGT羽根の組を動作させるアクチュエータを備えたウェイストゲートターボチャージャまたは可変形状の入口ノズルのターボチャージャ(VGT)を含む、任意の適切なターボチャージャを使用することができることが企図される。図示のVNTターボチャージャは、調節可能な羽根を排気スクロール内で使用して、入ってくる排気ガスが排気タービン36に当たるときの排気ガスの迎え角を変化させる。図示の実施形態では、羽根の迎え角、すなわち圧縮機38によってもたらされるブースト圧(MAP)の量は、VNT SET信号44によって制御することができる。場合によっては、VNT POS信号46を現在の羽根位置を示すために提供することができる。TURBO SPEED信号48を現在のタービン回転数を示すように提供することもでき、場合によっては、そのTURBO SPEED信号48を使用して、そのターボ回転数を制限し、タービン36の損傷を防ぐ助けをすることができる。
ターボラグを減少させるには、タービン36は、電気モータの支援(例示的に図示せず)を含むことができる。全ての実施形態に必要というわけではないが、電気モータの支援は、タービン36の回転数、すなわち圧縮機38によって吸気マニホールド22に供給されるブースト圧力の増加を助けることができる。これは、エンジン20がエンジンの回転数が低い状態のときや、高加速状態下など、より高いブースト圧力が望ましいときに特に有用な場合がある。こうした状況の下では、吸気マニホールド22において所望のブースト圧力(MAP)を生成するのに排気ガス流が不十分なことがある。いくつかの実施形態では、提供される電気モータの支援の量を制御するためにETURBO SET信号50を提供することができる。
圧縮機38は、可変圧縮機または非可変圧縮機のいずれかを備えることができる。場合によっては、例えば、圧縮機38によって提供される圧縮空気が、タービン36が圧縮機38を回転させる回転数の関数でしかない場合がある。場合によっては、圧縮機38は、可変形状圧縮機(VGC)とすることができ、そこではVGC SET信号52を使用して、圧縮空気の制御された量を吸気マニホールド22に所望の通りに供給するように圧縮機38の出口における羽根の位置を設定することができる。
圧縮空気冷却器54を、圧縮空気が吸気マニホールド22に供給される前に、その圧縮空気を冷却する助けをするように提供することができる。いくつかの実施形態では、1つまたは複数の圧縮空気COMP. COOLER SET信号56を、最終的に吸気マニホールド22に供給される圧縮空気の温度を制御する助けをするように圧縮空気冷却器54に提供することができる。場合によっては、所望の場合に燃料側/空気側複合コントローラ(図2および図3を参照)によって、1つまたは複数のCOMP. COOLER SET信号56を提供することができる。
いくつかの実施形態では、いくつかのディーゼルエンジンのエミッションを減少させるには、図示のように排気マニホールド24と吸気マニホールド22との間に、排気ガス再循環(EGR)弁58を挿入することができる。図示の実施形態では、EGR弁58は、排気ガス再循環(EGR)の所望の量を設定するために使用されるEGR SET信号60を受け取る。所望の場合は、EGR弁58の現在の位置を示すEGR POS信号62も提供することができる。
場合によっては、排気ガスが吸気マニホールド22に供給される前にその排気ガスを冷却する助けをするために、EGR冷却器64をEGR弁58の上流または下流のいずれかに提供することができる。いくつかの実施形態では、再循環される排気ガスの温度を制御する助けをするように、1つまたは複数のEGR COOLER SET信号66をEGR冷却器64に提供することができる。場合によっては、所望の場合に1つまたは複数のEGR COOLER SET信号66を燃料側/空気側複合コントローラ(図2を参照)によって提供することができる。
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提供することができる。例えば、吸気マニホールド空気流(MAF)センサ68が、吸気マニホールド空気流(MAF)の基準を提供することができる。吸気マニホールド空気圧(MAP)センサ70が、吸気マニホールド空気圧(MAP)の基準を提供することができる。マニホールド空気温度(MAT)センサ72が、吸気マニホールド空気温度(MAT)の基準を提供することができる。NOxセンサ74が、排気ガス中のNOx濃度の基準を提供することができる。同様に、粒子状物質(PM)センサ76が、排気ガス中における粒子状物質の濃度の基準を提供することができる。NOxセンサ74およびPMセンサ76は、排気マニホールド24に位置するように示されているが、エンジン20の下流のどこにでも所望の通りにそれらのセンサを提供することができることが企図される。さらに、図1に示すセンサは、単なる例であり、所望により多くのまたはより少ないセンサを提供することができることが企図される。
図2は、図1に示したディーゼルエンジンシステム10と共に使用するための図示の燃料側/空気側複合コントローラ84の概略図である。図2で分かるように、コントローラ84は、いくつかの入力パラメータ86を受け取るように構成することができ、それらの入力パラメータ86は、エンジン20の燃料側および空気側の両方の制御を行うように使用することができる。コントローラ84は、1つまたは複数の燃料側信号88を出力するように構成することができ、その燃料側信号88は、燃料噴射器26を介してエンジン20に送出される燃料プロフィールを制御するための、様々な燃料アクチュエータおよび/または燃料パラメータを制御するように使用することができる。さらに、コントローラ84は、吸気マニホールド22、排気マニホールド24、ターボチャージャ34、圧縮機冷却器54、EGR弁58、および/または他の空気側エンジン構成要素を制御するための1つまたは複数の空気側信号90を出力するように構成することができる。いくつかの実施形態では、コントローラ84はさらに、トランスミッション、エンジン冷却系、車速制御系など、エンジンシステム10の他の様々な機能を制御するために使用することができる、いくつかの他のエンジン信号92を出力するように構成することができる。
次に図3に移ると、図2に示したコントローラ84の特定の実施形態がここで示される。図3で分かるように、コントローラ84は、例えば、PEDAL POSITION信号94、MAF信号68、ENGINE SPEED信号98、および/またはAFR LOW LIMIT信号100を含む、エンジン20の燃料側制御に関する様々な入力信号を受け取るように構成することができ、それらの信号はそれぞれ、図1に示す燃料プロフィール設定28の一部として提供することができる。さらに、コントローラ84は、例えば、図1に示すようなMAP信号70、MAT信号72、TURBO SPEED信号48、NOx信号74、および/またはPM信号76を含む、エンジン20の空気側制御に関する様々な出力信号を受け取るように構成することができる。図3に示した実施形態は、エンジン20の燃料側および空気側の両方の調整された制御のためのいくつかのエンジンパラメータの使用を示しているが、コントローラ84を所望の場合にエンジン20の片側(例えば、燃料側)のみ制御するように構成することができることを理解されたい。さらに、コントローラ84は、特定の適用例に応じて他のパラメータおよび/または信号を受け取り出力するように構成することができる。いくつかの実施形態では、例えば、コントローラ84は、所望の場合に、様々な状態およびアクチュエータ限界値102を受け取るように構成することができる。
受け取られる入力パラメータ86の値に基づいて、コントローラ84は、燃料側および/または空気側制御を行う助けをするように、エンジン20にいくつかの制御出力を提供することができる。いくつかの実施形態では、図3にさらに示すように、例えば、コントローラ84は、FUEL PROFILE信号104を出力するように構成することができ、そのFUEL PROFILE信号104を使用して、例えば、燃料送出レート、燃料送出レートの変化、燃料タイミング、任意の燃料噴射前イベント、任意の燃料噴射後イベント、燃料パルスオン/オフ時間、および/または所望による他のそのような燃料送出特徴を含む、燃料噴射システムの様々な燃料パラメータを調節することができる。
図3でさらに分かるように、コントローラ84はさらに、例えば、VNT SET信号44、VGC SET信号52、EGR SET信号60、場合によっては、ETURBO SET信号50、COMP. COOLER SET信号56、およびEGR COOLER SET信号66を含む、エンジン20の空気側制御のための他のパラメータを出力するように構成することができ、それらの信号はそれぞれ図1で見ることができる。しかし、適用例によっては、他の出力信号および/またはパラメータが可能である。
いくつかの実施形態では、コントローラ84は、多変数モデル予測コントローラ(MPC)を備えることができる。そのMPCは、エンジン動作の動的プロセスのモデルを含むことができ、制御変数および出力変数測定値の限界値を受けるエンジン20に予測制御信号を提供することができる。それらのモデルは、適用例に応じて静的および/または動的なものとすることができる。場合によっては、それらのモデルは、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、典型的には、静的モデルに加えてその系の時間応答についての情報を含む。したがって、動的モデルは静的モデルより忠実度が高いことが多い。
数学的な表現では、線形の動的モデルの形式は、
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、y(t)が時間tにおける出力を表し、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)、および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=...=Bu=0、およびA1=...=Am=0である特別な場合であり、それにより、より簡単な関係によって表すことができる。
動的モデルでは、y(t)が時間tにおける出力を表し、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)、および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=...=Bu=0、およびA1=...=Am=0である特別な場合であり、それにより、より簡単な関係によって表すことができる。
ただし、B0は単純な行列乗数である。静的モデルは、過去の入力u(t−1)、...、u(t−n)または過去の出力y(t−1)...y(t−m)のいずれの「メモリ」も有しないので、このようなモデルはより単純になる傾向があるが、いくつかの動的なシステムパラメータのモデル化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のディーゼルエンジンシステムについては、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。非最小位相は、出力y(t)が、入力u(t)中のステップの作用を受けると、最初はある方向に移動し、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のエミッションはこのような現象の一例である。場合によっては、それらの動力学は、制御系の最適動作にとって重要である場合がある。したがって、動的モデルは、少なくとも、いくつかの制御パラメータをモデル化するときに好ましいことが多い。
一例では、MPCは、(例えば、AFR LOW LIMIT100、MAP70、MAF72、NOx74、PM76など)2つ以上の入力パラメータそれぞれについての、(例えば、VNN SET44、EGR SET60、COMP. COOLER SET56、EGR COOLER SET66、ETURBO SET50、燃料供給レートなど)エンジンの1つまたは複数のアクチュエータの変化による影響をモデル化し、次いで、それら2つ以上のパラメータの少なくとも1つにおいて所望の応答を生成するようにアクチュエータを制御する多変数モデルを含むことができる。同様に、そ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、2つ以上のアクチュエータにおいて同時に起きる変化による影響をモデル化し、次いで、その1つまたは複数の入力パラメータのそれぞれについて所望の応答を生成するようにアクチュエータの少なくとも1つを制御することができる。
図示の一実施形態では、例えば、離散時間動的システムの状態−空間モデルを、以下の式を用いて表すことができる。
モデル予測アルゴリズムは、u(k)=argmin{J}の問題を解くことを必要とする。ただし、関数Jは、
によって与えられ、
の制約を受ける。いくつかの実施形態では、これを二次計画(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に関しては、これらはMAF68、MAP70、MAT72、TURBO SPEED48、NOx74、PM76などを含むがそれらに限定されない)。それらの変数
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に関しては、これらはMAF68、MAP70、MAT72、TURBO SPEED48、NOx74、PM76などを含むがそれらに限定されない)。それらの変数
は、測定値「y(t)」が利用できるときに時間「t+k」において予測されるシステムの出力を指す。モデル予測コントローラでそれらを使用して、(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使用される。ターボチャージャの問題に関しては、それらは、VNT SET44、EGR SET60、COMP. COOLER SET56、EGR COOLER SET66、ETURBO SET50などを含むがそれらに限定されない。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
は、状態変数のk個の離散時間ステップの将来への予測バージョンを示し、その系の将来の値を最適化するためにMPCで使用される。
変数yminおよびymaxは、限界値であり、それぞれその系の予測される測定値
変数yminおよびymaxは、限界値であり、それぞれその系の予測される測定値
が達することができる最小値および最大値を示す。それらはしばしば、そ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、所与の時間において1秒当たりあるグラム数を超えることができないように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のみの限界値が提供される。例えば、最大値のPMエミッションの限界値を提供することができ、最小値のPMエミッションの限界値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も限界値であり、その系のアクチュエータ
が達することができる最小値および最大値を示し、それらはアクチュエータの物理的な制限に対応することが多い。例えば、EGR弁58は、弁が完全に閉じた位置に対応する最小値ゼロと、弁が完全に開いた位置に対応する最大値1とを有することができる。上記のように、いくつかの実施形態では、状況に応じて、最小値uminのみ、または最大値umaxのみの限界値を提供することができる。また、それらの限界値(例えば、ymin、ymax、umin、umax)の一部または全部が、現在の動作状況に応じて時間変化することができる。状態およびアクチュエータの限界値を、所望の場合にインターフェース102を介して図2〜3のコントローラ84に提供することができる。
定数行列P、Q、Rは、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ことが多い。実際には、それらを使用して、その系の閉ループ応答を「調和」させる。
図4は、本発明の例示的な実施形態による図示のモデル予測コントローラの概略図である。図4に示すように、MPC84は、状態オブザーバ106およびMPCコントローラ108を含むことができる。上述のように、MPCコントローラ108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」を供給する。図示の制御出力は、例えば、FUEL PROFILE信号104、VNT SET信号44、VGC設定信号52、EGR SET信号60、ETURBO SET信号50、COMP. COOLER SET信号56、およびEGR COOLER SET信号66を含み、それらは全て図1および図3に関して上で示され説明されている。MPCコントローラ108は、u(t)、u(t−1)、u(t−2)など制御出力の過去の値を格納するためのメモリを含むことができる。
状態オブザーバ106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。図示の入力「y」は、図1および3に関して上で示され説明されているように、例えば、PEDAL POSITION信号94、MAF信号68、ENGINE SPEED信号98、AFR LOW LIMIT信号100、MAP信号70、MAT信号72、TURBO SPEED信号48、NOx信号74、および/またはPM信号76を含むことができる。入力「y」は、常に、間欠的に、または周期的に、あるいは所望により任意の他のときに問い合わせを受けることが企図されている。また、それらの入力パラメータは、単なる例示に過ぎず、適用例に応じてより多くのまたはより少ない入力信号を提供することができ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106は、適用例に応じて、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」のそれぞれについて、現在および/または過去の値を受け取ることができる。
状態オブザーバ106は、現在の1組の状態変数「x」を生成し、次いでそれらをMPCコントローラ108に提供する。次いで、MPCコントローラ108は、新規の制御出力「u」を計算し、それらをエンジン20のアクチュエータなどに供給する。制御出力「u」を、常に、間欠的に、または周期的に、あるいは所望により任意の他の時間に更新することができる。エンジン20は、新規の制御出力「u」を使用して動作し、それに応じて新規の入力「y」を生成する。
図示の一実施形態では、標準型の二次計画(QP)および/または線形計画(LP)技術を使用して、制御出力「u」に関する値を予測するようにMPC84をプログラムすることができ、その結果、エンジン20は、所望の目標範囲内にある所望の目標値でありかつ/またはどんな所定の限界値にも違反しない入力「y」を生成する。例えば、NOxおよび/またはPMエミッションに対するVNT SET信号44、EGR SET信号60および/またはETURBO SET信号50による影響を知ることにより、NOx74および/またはPMエミッション信号76の将来の値が所望の目標範囲内にある所望の目標値でありかつ/または現在の限界値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、MPC84は、VNT SET信号44、EGR SET信号60および/またはETURBO SET信号50の制御出力についての値を予測することができる。そのような予測能力は、VNT SET信号44、EGR SET信号60および/またはETURBO SET信号50の変化が起こるときから、かつ、その結果、NOxおよび/またはPMエミッション信号74、76の変化が起こるときに、「ターボラグ」(例えば、1秒)が存在することが多いので特に有用である場合がある。場合によっては、それらの限界値は変化することがあり、現在の動作状況に応じて決まることがある。
MPC84は、問題の複雑度に応じて、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で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することができ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ならびに複数のシステム動作モードに関する限界値を符号化して、車両のエンジン制御装置(ECU)で実装することのできるルックアップテーブルにすることができる。それらのエミッションの限界値は、追加のパラメータとしてルックアップテーブルに入力される時間変化信号でよい。ハイブリッドマルチパラメータアルゴリズムはさらに、F.Borrelliによる、「Constrained Optimal Control of Linear and Hybrid Systems」、volume 290、Lecture Notes in Control and Information Sciences、Springer、2003年、に記載されており、この文献を参照により本明細書に組み込む。
あるいは、またはさらに、MPC84は、1つまたは複数の比例微分積分(PID)制御ループ、1つまたは複数の予測限界値制御ループ(例えば、スミス予測器制御ループ)、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つまたは複数の動的マトリックス制御ループ、1つまたは複数の統計処理制御ループ、知識ベースのエキスパートシステム、ニューラルネットワーク、ファジー理論または所望の通りに任意の他の適切な制御メカニズムを含むことができる。また、MPC84は、エンジンのアクチュエータを制御するために使用される、より低いレベルのコントローラに関するコマンドおよび/または設定点を提供することができることが企図されている。場合によっては、そのより低い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)コントローラでよい。
図5は、燃料側/空気側複合コントローラを採用する、本発明の例示的な実施形態による他の図示のディーゼルエンジンシステムの概略図である。図示のディーゼルエンジンシステムは、参照番号110で全体的に表され、電気モータの援助を有する可変ノズルタービン(VNT)ターボチャージャに連結されたディーゼルエンジン112と、エンジン排気マニホールドとエンジン吸気マニホールドとの間に挿入された排気ガス再循環(EGR)弁と、を含むことができる。あるいは、他の実施形態では、ディーゼルエンジン112は、EGR弁に加えて他のタイプのターボチャージャを含むことができ、所望の場合に、例えば、可変形状入口ノズルターボチャージャ(VGT)またはウェイストゲートターボチャージャを含む。図1に示した実施形態と同様に、ディーゼルエンジンシステム110は、所望により圧縮機冷却器、EGR冷却器など他の構成要素を含むことができる。
いくつかのセンサ出力を、動作中にエンジン112の様々なパラメータをモニターするために提供することができる。いくつかの実施形態では、例えば、エンジン112の図示のセンサ出力は、図示のように、ENGINE SPEED信号114、吸気MAF信号116、吸気MAP信号118、吸気MAT信号120、TURBO SPEED信号122、NOx信号124、PM信号126、およびENGINE TEMPERATURE感知信号128を含むことができる。本明細書の他の実施形態と同様に、提供されるエンジンセンサ出力の数および/またはタイプは、適用例に応じて変更することができる。
図5でさらに分かるように、燃料側/空気側複合コントローラ130を、エンジン112に連結することができ、燃料噴射器によってエンジン112に送出される燃料プロフィール132を含むエンジン112の燃料側および空気側の両方の制御を調整するように働かせることができる。いくつかの実施形態では、PEDAL POSITION信号134およびSTATE AND ACTUATOR CONSTRAINTS信号136をコントローラ130によって使用して、エンジン112のための燃料の所望の量を計算することができる。図3に関して上述したものなど他の入力信号を、所望の場合に燃料側/空気側複合コントローラ130に入力することもできる。場合によっては、ペダルを踏み込むことにより、本明細書で説明したように、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よって求められるようにして、燃料の流れを増大させる。
MAP、MAF、MAT、TURBO SPEED、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による影響を知ることによって、コントローラ130は、VNT SET信号138、VGC SET信号140、EGR SET信号142、ETURBO SET信号144、COMP. COOLER SET信号146および/またはEGR COOLER SET信号148など、1つまたは複数の制御信号を調節して、例えば、MAP、MAF、ターボ回転数、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緩和することができる。使用の際には、それらの信号の制御は、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。
エンジン112に送出される燃料プロフィール132を制御することに加えて、図示のコントローラ130はさらに、エンジン112の空気側制御を調整するように構成することができる。本明細書で使用される「空気側制御」という用語は、吸気および排気の両方またはエミッション制御を含むことができる。図5に示した実施形態では、例えば、コントローラ130を、MAF信号116、MAP信号118、MAT信号120、TURBO SPEED信号122、NOx信号124、PM信号126、および/またはENGINE TEMPERATURE信号128などの入力信号を受け取るように構成することができる。それらの入力パラメータは、単なる例示に過ぎず、適用例に応じてより多くのまたはより少ない信号を受け取ることができることが企図されている。
現在および/または過去に受け取った入力パラメータの値に基づいて、図示のコントローラ130は、燃料側および/または空気側制御をエンジン112に提供する助けをするように、いくつかの制御出力を提供することができる。いくつかの実施形態では、例えば、コントローラ130は、図5に示すように、FUEL PROFILE信号132、VNT SET信号138、VGC SET信号140、EGR SET信号142、ETURBO SET信号144、COMP. COOLER SET信号146、およびEGR COOLER SET信号148を提供することができる。しかし、適用例によっては、他の制御出力をエンジン112に提供することができることを理解されたい。場合によっては、コントローラ130は、図3のコントローラ84と同様のものとすることができる。
図6は、本発明の例示的な実施形態による他の図示のディーゼルエンジンシステム150の概略図である。ディーゼルエンジンシステム150は、図5に関連して上述したものと同様であり、各図面において同様の要素は同様にして番号付けされる。しかし、図6に示した実施形態では、コントローラ130はさらに、PEDAL RATE信号152およびBRAKE POSITION信号154を受け取るように構成することができ、所望の場合は、コントローラ130によってそれらの信号をさらに使用して、エンジンの燃料側および/または空気側制御を調節することができる。
場合によっては、燃料ペダルが係合または係合解除するときのレートの変化を判定することによって、将来の燃料および/または空気の必要性を予想するために、PEDAL RATE信号152をPEDAL POSITION信号134と併せて使用することができる。同様にして、BRAKE POSITION信号154を使用して、例えば、運転者によってブレーキに加えられた圧力、ブレーキレート、および/またはブレーキの移動に基づいて、将来の燃料および/または空気側の必要性を予想することができる。こうした入力信号152、154を使用して、コントローラ130は、エンジンの将来の燃料および/または空気の必要性を予想することができ、その予想された必要性を満たすように燃料プロフィールおよび/または空気プロフィールを調節することができる。
図7は、燃料側/空気側複合コントローラを採用する、本発明の例示的な実施形態による他の図示のディーゼルエンジンシステム156の概略図である。図7に示した実施形態では、燃料側位置およびレートマップ160ならびに空気側位置およびレートマップ162に提供されるPEDAL POSITION信号158が示されており、それらのレートマップは、動的マップ、静的マップ、またはそれらの組合せとすることができる。図7に破線の箱164によって示すように、マップ160、162は両方とも、エンジンの燃料側および空気側の両方を制御するための単一の(すなわち、一体の)マップとして提供することができる。しかし、所望の場合は、それらのマップ160、162を別々に実施することができることを理解されたい。
図示の実施形態では、燃料側位置およびレートマップ160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、さらにそのペダル位置の微分)を1つまたは複数の燃料側設定点166に変換することができる。さらに、空気側位置およびレートマップ162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168に変換することができる。いくつかの実施形態では、他の空気側設定点マップ170は、ブレーキ位置パラメータ、VNT位置パラメータ、外気温パラメータ、外気圧パラメータ、エンジン温度パラメータ、湿度パラメータおよび/または任意の他の所望のパラメータなど、他のいくつかのエンジンパラメータ172を受け取ることができ、それらを1つまたは複数の空気側設定点174として設定点マップ170に提供することができる。
燃料側/空気側複合コントローラ176は、燃料側位置およびレートマップ160、空気側位置およびレートマップ162から1つまたは複数の燃料側および空気側設定点および/またはパラメータ、ならびに、場合によっては、空気側設定点マップ170から空気側設定点174を受け取るように構成することができる。燃料側/空気側複合コントローラ176はさらに、エンジンの燃料側および空気側の両方から様々なセンサ信号を受け取るように構成することができる。いくつかの実施形態では、例えば、燃料側/空気側複合コントローラ176は、ENGINE SPEED、MAFなど、いくつかの燃料側信号178を受け取るように構成することができ、それらの信号を、エンジンの1つまたは複数の燃料側アクチュエータ(例えば、燃料噴射器)にFUEL PROFILE信号180として提供することができる。
エンジンの空気側制御の場合は、燃料側/空気側複合コントローラ176は、MAF、MAP、MAT、NOx、PM、TURBO SPEED、VNT POS、EGR POSなど、いくつかの空気側信号182を受け取るように構成することができ、それらの信号は、設定点マップ170によって提供される任意選択の空気側設定点174と組合せて、所望の通りにVNT SET、VGC SET、EGR SET、ETURBO SET、COMP. COOLER SET、EGR COOLER SETなど、1つまたは複数の空気側制御信号184として提供することができる。
いくつかの実施形態では、燃料側/空気側複合コントローラ176は、中心最適化アルゴリズムまたはルーチンを使用して全てのアクチュエータ信号を計算するように構成することができる、多変数モデル予測コントローラ(MPC)とすることができる。本明細書の他の実施形態と同様に、燃料側/空気側複合コントローラ176を、問題の複雑さに応じて、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で計算される等価なルックアップテーブルを使用することによって実装することができる。ハイブリッドマルチパラメータアルゴリズムは、エミッションパラメータならびに複数のシステム動作モードに関する限界値を符号化して、車両のエンジン制御装置(ECU)で実装することができるルックアップテーブルにすることができる。エミッション限界値は、追加のパラメータとしてルックアップテーブルに入力される時間変化信号でよい。
あるいは、またはさらに、燃料側/空気側複合コントローラ176は、1つまたは複数の比例微分積分(PID)制御ループ、1つまたは複数の予測限界値制御ループ(例えば、スミス予測器制御ループ)、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つまたは複数の動的マトリックス制御ループ、1つまたは複数の統計処理制御ループ、知識ベースのエキスパートシステム、ニューラルネットワーク、ファジー理論または所望のように任意の他の適切な制御メカニズムを含むことができる。また、燃料側/空気側複合コントローラ176が、エンジンのアクチュエータを制御するために使用されるより低いレベルのコントローラに関するコマンドおよび/または設定点を提供することができることが企図されている。場合によっては、そのより低い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)コントローラでよい。
このように、本発明のいくつかの実施形態を説明してきたが、本明細書に添付された特許請求の範囲の範囲内に包含される他の実施形態を作り使用することができることを当業者は簡単に理解するであろう。本書でカバーする本発明の多くの利点は、前述の説明に記載されている。本開示は多くの点において単に説明のためであることが理解されよう。細部において、特に部品の形状、寸法および配置については、本発明の範囲から逸脱することなく変更を加えることができる。
Claims (38)
- ディーゼルエンジンシステムを制御するための方法であって、
ディーゼルエンジンシステムは、燃料側および空気側を有するディーゼルエンジンを有し、前記ディーゼルエンジンの前記燃料側が少なくとも1つの燃料噴射器を含み、前記ディーゼルエンジンの前記空気側が吸気マニホールドと、排気マニホールドと、圧縮空気を前記吸気マニホールドに供給するための圧縮機を駆動するように適合されたタービンとを含み、
前記方法はさらに、
前記エンジンの前記燃料側および空気側の両方の制御を調整するように適合された燃料側/空気側複合コントローラを提供するステップと、
1つまたは複数の燃料側パラメータおよび1つまたは複数の空気側パラメータを感知するステップと、
前記エンジンの前記燃料側の少なくとも一部および前記空気側の少なくとも一部を制御するための、燃料プロフィール信号および1つまたは複数の空気側制御信号を出力するステップとを含む、方法。 - 請求項1に記載の方法であって、前記1つまたは複数の燃料側パラメータが、ペダルレート信号を含む、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記1つまたは複数の燃料側パラメータが、ブレーキ位置信号を含む、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記1つまたは複数の燃料側パラメータが、ペダル位置信号、MAF信号、エンジン回転数信号、AFR下限信号、ペダルレート信号、およびブレーキ位置信号からなる信号の群から選択される、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記1つまたは複数の空気側パラメータが、NOxエミッション信号を含む、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記1つまたは複数の空気側パラメータが、粒子状物質(PM)エミッション信号を含む、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記1つまたは複数の空気側パラメータが、MAF信号、MAP信号、MAT信号、NOx信号、PM信号、ターボスピード信号、VNT位置信号、およびEGR位置信号からなる信号の群から選択される、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記1つまたは複数の空気側制御信号が、VNT設定信号、VGC設定信号、EGR設定信号、ETURBO設定信号、圧縮機冷却器設定信号、およびEGR冷却器信号からなる信号の群から選択される、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記燃料側/空気側複合コントローラが、多変数モデル予測コントローラである、方法。
- 請求項9に記載の方法であって、前記モデル予測コントローラが、中心最適化アルゴリズムまたはルーチンを使用して燃料側パラメータおよび空気側パラメータの両方を計算するように適合される、方法。
- 請求項9に記載の方法であって、前記モデル予測コントローラが燃料側マップおよび空気側マップを含み、前記燃料側および空気側マップが、ペダル位置信号および/またはペダルレート信号を、前記燃料側/空気側複合コントローラによって使用されるための、1つまたは複数の燃料側設定点および1つまたは複数の空気側パラメータに変換するように適合される、方法。
- 請求項11に記載の方法であって、前記燃料側および空気側マップがそれぞれ、動的マップを備える、方法。
- 請求項11に記載の方法であって、前記燃料側および空気側マップがそれぞれ、静的マップを備える、方法。
- 請求項11に記載の方法であって、前記燃料側および空気側マップが、単一のマップを備える、方法。
- 請求項11に記載の方法であって、1つまたは複数の空気側設定点を前記燃料側/空気側複合コントローラに提供するように適合された、少なくとも1つの空気側設定点マップをさらに備える、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記ディーゼルエンジンがさらに、前記排気マニホールドを介して排気ガスを受け取るように適合された、調節可能な排気ガス再循環(EGR)弁を含む、方法。
- 請求項16に記載の方法であって、前記EGR弁が、前記EGR弁の設定位置によって決定される選択的な量の排気ガスを前記吸気マニホールドに供給する、方法。
- 請求項17に記載の方法であって、前記1つまたは複数の燃料側および/または空気側パラメータのうち少なくとも1つの将来の値に影響するように、前記タービンの現在の設定位置および/または前記EGR弁の現在の設定位置を設定するステップをさらに含み、前記現在の設定位置が、前記1つまたは複数の感知された燃料側および/または空気側パラメータに応じて変わる、方法。
- 請求項18に記載の方法であって、前記吸気マニホールドが、吸気マニホールド空気圧(MAP)を有し、前記タービンの前記現在の設定値および前記EGR弁の前記現在の設定位置が、前記1つまたは複数の感知されたパラメータおよび前記MAPに応じて変わる、方法。
- 請求項18に記載の方法であって、前記吸気マニホールドが、吸気マニホールド空気流量(MAF)を有し、前記タービンの前記現在の設定位置および前記EGR弁の前記現在の設定位置が、1つまたは複数の感知されたパラメータおよび前記MAFに応じて変わる、方法。
- 請求項18に記載の方法であって、前記燃料側/空気側複合コントローラが、前記タービンの前記現在の設定位置および前記EGR弁の前記現在の設定位置を予測するように適合される、方法。
- ディーゼルエンジンシステムを制御するための方法であって、
ディーゼルエンジンシステムは、燃料側および空気側を有するディーゼルエンジンを有し、前記ディーゼルエンジンの前記燃料側が少なくとも1つの燃料噴射器を含み、前記ディーゼルエンジンの前記空気側が吸気マニホールドと、排気マニホールドと、圧縮空気を前記吸気マニホールドに供給するための圧縮機を駆動するように適合されたタービンとを含み、
前記方法はさらに、
前記エンジンの前記燃料側および空気側の両方の制御を調整するように適合された燃料側/空気側複合コントローラを提供するステップと、
1つまたは複数の燃料側パラメータおよび1つまたは複数の空気側パラメータを感知するステップと、
前記エンジンの前記燃料側の少なくとも一部および前記空気側の少なくとも一部を制御するための、燃料プロフィール信号および1つまたは複数の空気側制御信号を出力するステップとを含み、
前記燃料側/空気側複合コントローラが、中心最適化アルゴリズムまたはルーチンを使用して前記燃料側パラメータおよび空気側パラメータの両方を計算するように適合されたモデル予測コントローラを含む、方法。 - ディーゼルエンジンシステムを制御するための方法であって、
ディーゼルエンジンシステムは、燃料側および空気側を有するディーゼルエンジンを有し、前記ディーゼルエンジンの前記燃料側が少なくとも1つの燃料噴射器を含み、前記ディーゼルエンジンの前記空気側が吸気マニホールドと、排気マニホールドと、圧縮空気を前記吸気マニホールドに供給するための圧縮機を駆動するように適合されたタービンと、前記排気マニホールドを介して排気ガスを受け取るように適合された排気ガス再循環弁とを含み、
前記方法は、
前記エンジンの前記燃料側および空気側の両方の制御を調整するように適合された燃料側/空気側複合コントローラを提供するステップと、
1つまたは複数の燃料側パラメータおよび1つまたは複数の空気側パラメータを感知するステップと、
前記1つまたは複数の燃料側パラメータおよび/または空気側パラメータのうち少なくとも1つの将来の値に影響を与えるように、前記タービンの現在の設定位置および前記排気ガス再循環弁の現在の設定位置を設定するステップであって、前記タービンおよび排気ガス再循環弁の前記現在の設定位置が、1つまたは複数の感知された燃料および空気側パラメータに少なくとも部分的に依存する、ステップと、
前記タービンの現在の設定点および前記排気ガス再循環弁の現在の設定点を予測するステップと、
前記エンジンの前記燃料側の少なくとも一部および前記空気側の少なくとも一部を制御するための、燃料プロフィール信号および1つまたは複数の空気側制御信号を出力するステップとを含む、方法。 - エンジンシステムであって、
燃料側および空気側を有するエンジンを備え、前記エンジンの前記燃料側が少なくとも1つの燃料噴射器を含み、前記エンジンの前記空気側が吸気マニホールドと、排気マニホールドと、圧縮空気を前記吸気マニホールドに供給するための圧縮機を駆動するように適合されたタービンとを含み、
前記エンジンシステムはさらに、燃料プロフィール信号および少なくとも1つの空気側制御信号を出力するように適合された燃料側/空気側複合コントローラを備える、エンジンシステム。 - 請求項24に記載のエンジンシステムであって、前記エンジンの1つまたは複数の燃料側パラメータ、および/または、1つまたは複数の空気側パラメータを感知するための少なくとも1つのセンサをさらに含む、エンジンシステム。
- 請求項25に記載のエンジンシステムであって、前記エンジンの動作の少なくとも一部を制御するための1つまたは複数のアクチュエータをさらに含む、エンジンシステム。
- 請求項26に記載のエンジンシステムであって、前記エンジンシステムが閉ループシステムであり、少なくとも1つの前記アクチュエータが、前記1つまたは複数の燃料側および/または空気側パラメータのフィードバックを提供する、エンジンシステム。
- 請求項25に記載のエンジンシステムであって、前記1つまたは複数の燃料側パラメータが、ペダルレート信号を含む、エンジンシステム。
- 請求項25に記載のエンジンシステムであって、前記1つまたは複数の燃料側パラメータが、ブレーキ位置信号を含む、エンジンシステム。
- 請求項25に記載のエンジンシステムであって、前記1つまたは複数の燃料側パラメータが、ペダル位置信号、MAF信号、エンジン回転数信号、AFR下限信号、ペダルレート信号、およびブレーキ位置信号からなる信号の群から選択される、エンジンシステム。
- 請求項25に記載のエンジンシステムであって、前記1つまたは複数の空気側パラメータが、NOxエミッション信号を含む、エンジンシステム。
- 請求項25に記載のエンジンシステムであって、前記1つまたは複数の空気側パラメータが、粒子状物質(PM)エミッション信号を含む、エンジンシステム。
- 請求項25に記載のエンジンシステムであって、前記1つまたは複数の空気側パラメータが、MAF信号、MAP信号、MAT信号、NOx信号、PM信号、ターボスピード信号、VNT位置信号、およびEGR位置信号からなる信号の群から選択される、エンジンシステム。
- 請求項24に記載のエンジンシステムであって、前記1つまたは複数の空気側制御信号が、VNT設定信号、VGC設定信号、EGR設定信号、ETURBO設定信号、圧縮機冷却器設定信号、およびEGR冷却器信号からなる信号の群から選択される、エンジンシステム。
- 請求項24に記載のエンジンシステムであって、前記燃料側/空気側複合コントローラが、多変数モデル予測コントローラである、エンジンシステム。
- 請求項35に記載のエンジンシステムであって、前記モデル予測コントローラが、中心最適化アルゴリズムまたはルーチンを使用して前記燃料側パラメータおよび空気側パラメータの両方を計算するように適合される、エンジンシステム。
- 請求項24に記載のエンジンシステムであって、前記エンジンがディーゼルエンジンである、エンジンシステム。
- エンジンシステムであって、
燃料側および空気側を有するエンジンを備え、前記エンジンの前記燃料側が少なくとも1つの燃料噴射器を含み、前記エンジンの前記空気側が吸気マニホールドと、排気マニホールドと、圧縮空気を前記吸気マニホールドに供給するための圧縮機を駆動するように適合されたタービンとを含み、
前記エンジンシステムはさらに、前記エンジンの1つまたは複数の燃料側パラメータおよび1つまたは複数の空気側パラメータを感知するための少なくとも1つのセンサと、
前記少なくとも1つのセンサによって受け取られる前記燃料側パラメータおよび空気側パラメータに少なくとも部分的に基づいて、燃料プロフィール信号および少なくとも1つの空気側制御信号を出力するように適合された燃料側/空気側複合コントローラと、
前記出力された燃料プロフィール信号および前記空気側制御信号に基づいて、前記エンジンの動作の少なくとも一部を制御するための1つまたは複数のアクチュエータとを備える、エンジンシステム。
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