JP2009197670A - エンジンの制御方法及びエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの長時間使用時における過給器系の性能劣化を自動的に補正する制御で、エンジン性能の中で、吸入空気量等の参照パラメータにおいて、性能劣化前の初期状態の目標値に近い値を維持できるように、エンジンの制御値を補正するエンジンの制御方法及びエンジンを提供する。
【解決手段】ＥＧＲ弁開度Ｃａｄ、可変容量式ターボチャージャーの可変ノズル開度Ｃｂｄ、燃料の噴射時期Ｃｃｄ、燃料の噴射圧力Ｃｄｄの制御パラメータのうちの少なくととも２つ以上を補正対象パラメータとし、参照パラメータＤ２ｉの検出値と目標値の偏差を目的関数とする最適化法を用いて、補正対象パラメータの最適制御値Ｃｉｅを求めて、この最適制御値Ｃｉｅと、現状の制御値Ｃｉｄとの差から補正量ΔＣｉを算出し、この補正量ΔＣｉで、補正対象パラメータの制御値Ｃｉｄを算出するためのデータを補正する。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの過給器系の経時変化等による性能劣化に対応して、ＥＧＲ弁開度等の幾つかの制御値を補正することにより、このエンジンの過給器系の性能劣化を補って、燃料消費率等の性能を、性能劣化が生じる前の状態に近い状態にするエンジンの制御方法及びエンジンに関する。

トラックやバス等の車両搭載のエンジンの運転制御においては、排出ガスの厳しい規制値を達成するために、刻一刻と変化するエンジン運転状態に合わせて、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と呼ばれる制御装置が、ＥＧＲ弁開度、可変容積型ターボチャージャー（ＶＧＴ）の可変ノズル開度、燃料の噴射時期、燃料噴射圧力等の制御値を算出し、フィードバック制御で、ＥＧＲ弁、可変ノズル、燃料噴射装置等を制御している。

しかしながら、エンジンを長時間使用するとエンジンの諸性能が劣化する。大型車においては、ライフサイクルが１００万ｋｍにも達するため、性能の劣化は避けられず、特に、燃料消費率が大きく劣化する。この性能の劣化を引き起こす要因には、ピストンリングの磨耗や可変容量式ターボチャージャーの性能低下による空気量、筒内圧の低下等がある。その結果、過給圧の不足から、ＥＧＲガス量が増加し、スモークが増加するため、排気エミッションが悪化し、燃費も悪化する。

例えば、ターボチャージャーのタービンやコンプレッサの羽根に、排気ガスやＥＧＲガスに含まれている未燃燃料、ＳＯＦ、ＰＭ等が付着する。更に、図１に示すように、クランクケース内で発生したブローバイガスをエンジンに再循環するために、コンプレッサ１７ａの入口部のダクトにブローバイガスを戻す方法が広く採用されており、このブローバイガスがコンプレッサ１７ａを通過することになるため、その際にオイルセパレータ２１で処理しきれなかったブローバイガス中のオイルミストがコンプレッサハウジングの内壁に堆積して、コンプレッサ効率の低下を引き起こす。また、コンプレッサ１７ａの羽根にも、ブーローバイガス中の油分が付着し、コーキングする。そのため、コンプレッサの回転性能が劣化し効率が低下する。

これに関連して、エンジンと燃料噴射装置に製造上のバラツキが生じた場合であっても、エンジンを目標値通りに作動させることを目的に、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、エンジン運転状態と予め設定された目標の運転状態とを比較してエンジンのバラツキに応じた補正量を求め、この補正量に基づいて燃料噴射量を決定する制御装置とを備える自律補正型燃料噴射装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この自律補正型燃料噴射装置では、エアセンサで検出される実際の単位吸気量と回転速度から算出される目標の単位吸気量とから燃料噴射量の補正量を求めて、この補正量に基づいて燃料噴射量を決定し、経時変化による黒煙発生や出力不足の発生等の不具合も抑えて、生産ラインで合わせこみ工数を不要にし、コストを低減しようとしている。

また、経時変化の状態を複数の進行段階に分けて、それぞれに応じた補正量を記憶させて、その進行段階にあった補正量を用いて、燃料噴射指令値を補正する内燃機関の燃料噴射装置も提案されている(例えば、特許文献２参照。）。

この自律補正型燃料噴射装置では、吸気量に関して、製造時のバラツキや経年変化による燃料噴射量の補正を行っており、また、内燃機関の燃料噴射装置では予め設定した補正量で燃料噴射指令値の補正を行っているが、実際のエンジンの運転では、過給器系だけでも、ＥＧＲ弁開度、可変容積式ターボチャージャーの可変ノズル開度、燃料の噴射時期、燃料の噴射圧力等を制御しており、単純に、燃料噴射量一つを変更しただけでは、エンジンの運転状態に対して、エンジンの総合的な性能を経時変化による劣化前の状態に近い状態にすることはできない。

つまり、エンジンの性能に関する指標としては、単に吸気量だけでなく、過給器系に関係するものでも、吸入空気量、過給圧、吸気酸素濃度、筒内圧、ＮＯｘ排出量、排気温度、タービン回転数等がある。そして、エンジンは、複数の制御値で制御されているため、これらのエンジンの性能を示す指標も、複数の制御値に絡み合って変化するため、単一の指標を改善するために、単一の制御値を補正しても、他の指標が悪化したりする。そのため、総合的なエンジンの性能、例えば、ＮＯｘ排出量を低い状態に維持したまま、燃料消費率(燃費）の悪化を抑制するようなことはできないという問題がある。

上記のように、単一の制御値の補正だけでは、総合的なエンジン性能を劣化前の状態に近い状態にすることは困難なため、エンジン性能に影響する性能劣化、即ち、エンジンを長時間使用した時におけるターボチャージャー等の性能劣化に対して、エンジン性能を総合的に性能劣化前の状態に維持することができるような補正を、自動的にする制御方法及びこの制御方法を備えたエンジンが強く望まれる。
特開２００２−２４２７３１号公報 特開２００５−２０１１４１号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンの長時間使用時における過給器系の性能劣化を自動的に補正する制御で、エンジン性能の中で、吸入空気量、過給圧、吸気酸素濃度、筒内圧、ＮＯｘ排出量、排気温度、タービン回転数のいずれか一つ又は幾つかの組み合わせ又は全部において、総合的な観点から劣化前の状態に近い状態になるように、ＥＧＲ弁開度、可変容量式ターボチャージャーの可変ノズルの開度、燃料の噴射時期、燃料の噴射圧力の少なくととも２つ以上を所定の時期に自動的に補正するエンジンの制御方法及びエンジンを提供することにある。

上記の目的を達成するためのエンジンの制御方法は、エンジンの過給器系の性能劣化に対してエンジンの制御値を補正するエンジンの制御方法において、ＥＧＲ弁開度、可変容量式ターボチャージャーの可変ノズルの開度、燃料の噴射時期、燃料の噴射圧力の少なくととも２つ以上を補正対象パラメータとすると共に、吸入空気量、過給圧、吸気酸素濃度、筒内圧、ＮＯｘ排出量、排気温度、タービン回転数のいずれか一つ又は幾つかの組み合わせ又は全部を参照パラメータとし、所定の場合に、所定のエンジン運転状態の下で、前記参照パラメータの検出値と目標値との偏差が全体的に小さくなるように、最適化法を用いて、前記補正対象パラメータの最適制御値を求めて、前記補正対象パラメータの最適制御値と制御値との差から補正量を算出し、この補正量で、前記補正対象パラメータの制御値を算出するためのデータを補正することを特徴とする方法である。

つまり、センサで検出でき、エンジンの運転状態に深く関係する参照パラメータを、吸入空気量、過給圧、吸気酸素濃度、筒内圧、ＮＯｘ排出量、排気温度、タービン回転数の中の一つ又は幾つか又は全部を選択し、これらの検出値とそのエンジン運転状態で設定された目標値との偏差を小さくすることを目的とする。また、補正対象パラメータとして、エンジンの運転時に制御するＥＧＲ弁開度、可変ノズルの開度、燃料の噴射時期(噴射タイミング）、燃料の噴射圧力の制御パラメータのうちの少なくとも２つ以上を用いる。

この補正対象パラメータと、参照パラメータとの関係は、予め実験などにより、求めて置き、各参照パラメータは、２つ以上の補正対象パラメータで表現できるようにしておく。言い換えれば、各参照パラメータを補正対象パラメータの関数として表現する。

この補正対象パラメータで表現された参照パラメータの目標値において、検出値との偏差を、全体的に小さくするように、多目的最適化法を用いて、補正対象パラメータの最適制御値を求める。なお、選択した参照パラメータが一つの場合には、目的が一つとなるため、多目的最適化ではなくなり、単なる最適化となる。

この最適制御値と実際の制御値とを比較して、その偏差を各補正対象パラメータの補正量として、各制御値を算出する際のマップデータ等のデータを自動的に補正する。これにより、この自動補正後の制御値で制御することにより、参照パラメータの実際の値を示す検出値が、経時変化前の初期設定時の目標値に近づくことになる。

この補正マップの算出では、参照パラメータにおける目標値と検出値の差分を少なくすために変更パラメータを書き換えるが、変更パラメータと参照パラメータには複雑な関係があるため、変更パラメータをどの程度補正すれば良いかの判断は非常に難しい。本発明においては、この参照パラメータのどの差分をどれだけ少なくするかの指標として、目的関数として、ＮＯｘ排出量等の参照パラメータの検出値と目標値との偏差を使用し、この目的関数が最小になるように、補正対象パラメータの最適制御値を求めて、現状の制御値と比較して補正量を求める。

これにより、ピストンリングの磨耗やターボチャージャーの性能低下等のエンジンの性能劣化による、空気量、筒内圧の低下分を補って、経時変化前のエンジンの運転状態に近い状態にすることができるようになる。

なお、参照パラメータが安定し、また、制御パラメータの制御値も一定値を保つエンジンの運転状態の方が、より適切に補正量を算出することができるので、この所定のエンジン運転状態は、安定していることが望ましく、エンジン暖機完了後の定常運転の運転状態等が好ましい。このエンジンの運転状態を示すものとしては、エンジン回転数、燃料噴射量をはじめ、エンジン暖機状態(冷却水温度）、外気温度、大気圧等がある。

上記のエンジンの制御方法において、前記所定の場合が、走行距離が所定の走行距離以上の場合、あるいは、吸入空気量、過給圧、吸気酸素濃度、筒内圧、ＮＯｘ排出量、排気温度、タービン回転数のいずれか一つ又はその組み合わせ又は全部における検出値と目標値との偏差が所定の閾値より大きくなった場合であると、自動補正を行う時期を簡単な方法で決定することができる。つまり、走行距離や参照パラメータを所定の閾値と比較するだけであるので、自動補正の開始判断が容易にできるようになる。

上記のディーゼルエンジンの制御方法において、前記参照パラメータを用いて、最適化法により目標値としての燃料消費率を優先的に最小にすると、つまり、最適化計算をする際に燃料消費量を優先的に最小にすると、参照パラメータの間での重み付けなどが比較的簡単になるため、最適化が非常に単純化されて、各制御パラメータの補正量の算出が容易となる。また、燃料消費率は、エンジン性能の中でも重要視されているので、劣化補正によるエンジン性能の回復の方向が好ましい方向となる。

つまり、各参照パラメータの幾つか又は全部の検出値と目標値の偏差を小さくしようとすると、一つの参照パラメータ（例えば、吸入空気量）の偏差を小さくできても、必ずしも、他の参照パラメータ（例えば、ＮＯｘ排出量）の偏差を小さくできるとは限らないため、各参照パラメータの間で優先度合を決めて重み付けを行うか、目的関数そのものを工夫して擬似的な別の目的関数を作り出す必要がある。参照パラメータが多くなると、この重み付けや重み付けされた目的関数の最適化の計算が増えたり、擬似的な別の目的関数の作成が難しくなる。そのため、最適化計算を実行する際に、燃料消費率を優先的に小さくするようにすると簡単な最適化法で、制御パラメータの最適制御値を算出することができるようになる。

上記のエンジンの制御方法において、前記参照パラメータと前記補正対象パラメータとを、実験データを基に最小二乗法を用いて求めた回帰モデルで関連付けると、比較的容易に両者の関連付けができる。

上記の目的を達成するためのエンジンは、エンジンの過給器系の性能劣化に対してエンジンの制御値を補正する制御装置を備えたエンジンにおいて、前記制御装置が、ＥＧＲ弁開度、可変容量式ターボチャージャーの可変ノズルの開度、燃料の噴射時期、燃料の噴射圧力の少なくととも２つ以上を補正対象パラメータとすると共に、吸入空気量、過給圧、吸気酸素濃度、筒内圧、ＮＯｘ排出量、排気温度、タービン回転数のいずれか一つ又は幾つかの組み合わせ又は全部を参照パラメータとし、所定の場合に、所定のエンジン運転状態の下で、前記参照パラメータの検出値と目標値との偏差が全体的に小さくなるように、最適化法を用いて、前記補正対象パラメータの最適制御値を求めて、前記補正対象パラメータの最適制御値と制御値との差から補正量を算出し、この補正量で、前記補正対象パラメータの制御値を算出するためのデータを補正する劣化自動補正手段を備えて構成される。

この構成により、ピストンリングの磨耗やターボチャージャーの性能低下等のエンジンの性能劣化による、空気量、筒内圧の低下分を補って、経時変化前のエンジンの運転状態に近い状態にすることができるようになる。

上記のエンジンにおいて、前記制御装置が、前記所定の場合を、走行距離が所定の走行距離以上の場合、あるいは、吸入空気量、過給圧、吸気酸素濃度、筒内圧、ＮＯｘ排出量、排気温度、タービン回転数のいずれか一つ又はその組み合わせ又は全部における検出値と目標値との偏差が所定の閾値より大きくなった場合とするように構成すると、走行距離や参照パラメータを所定の閾値と比較するだけであるので、自動補正の開始判断が容易にできるようになる。

上記のエンジンにおいて、前記制御装置が、前記参照パラメータを用いて、最適化法により目標値としての燃料消費率を優先的に最小にするように構成すると、つまり、最適化計算を実行する際に、燃料消費率を優先的に最小にするように構成すると、参照パラメータの間での重み付けなどが比較的簡単になるため、最適化が非常に単純化されて、各制御パラメータの補正量の算出が容易となる。また、燃料消費率は、エンジン性能の中でも重要視されているので、劣化補正によるエンジン性能の回復の方向が好ましい方向となる。

上記のエンジンにおいて、前記制御装置が、前記参照パラメータと前記制御パラメータとを、実験データを基に最小二乗法を用いて求めた回帰モデルで関連付けるように構成すると、比較的容易に両者の関連付けができる。

本発明に係るエンジンの制御方法及びエンジンによれば、エンジンの長時間使用時における過給器系の性能劣化に対して、ＥＧＲ弁開度、可変容量式ターボチャージャーの可変ノズルの開度、燃料の噴射時期、燃料の噴射圧力の制御パラメータのうちの２つ以上の補正対象パラメータの制御値を自動的に補正することができ、エンジン性能の中で、吸入空気量、過給圧、吸気酸素濃度、筒内圧、ＮＯｘ排出量、排気温度、タービン回転数の一つ又は幾つかの組み合わせ又は全部の参照パラメータにおいて、検出値が劣化前の初期に設定される目標値に近い値になるようにすることができ、これにより、燃料消費率等のエンジン性能の低下を改善することができる。

以下、本発明に係るエンジンの制御方法及びエンジンについて、図面を参照しながら説明する。ここではディーゼルエンジンを例にして説明するが、本発明はこのディーゼルエンジンに限定されるものではなく、他のエンジンにも適用できる。

図１に、本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンの構成を示す。このディーゼルエンジン１０では、エンジン本体１１に新規空気Ａを導入するための吸気通路１２と、排気ガスＧを排出するための排気通路１３とが接続されている。また、排気再循環（ＥＧＲ）を行うためにＥＧＲガスＧｅを循環させるためのＥＧＲ通路１４が排気通路１３と吸気通路１２を接続して設けられている。また、エンジン本体１１のクランクケース内で発生したブローバイガスＧｂを再循環させるためのブローバイガス通路１５がエンジン本体１１とコンプレッサ１７ａの上流側の吸気通路１２に接続している。

吸気通路１２には、エアクリーナー１６と、可変容量式ターボーチャージャー（ＶＧＴ）１７のコンプレッサ１７ａとインタークーラー１８とが配置されている。排気通路１３には可変容量式ターボーチャージャー１７のガスタービン１７ｂと排気ガス浄化装置（図示しない）と消音器（図示しない）が配置されている。また、ＥＧＲ通路１４には、ＥＧＲクーラー１９とＥＧＲ弁２０とが配置され、ブローバイガス通路１５にはオイルセパレータ２１が配置されている。また、エンジン本体１１の燃焼室２２には、燃料噴射弁（インジェクタ）２３が配置されている。

そして、吸気通路１２に、吸入空気量Ｄ２ａを検出するための吸入空気量センサ３１、過給圧Ｄ２ｂを検出するための過給圧センサ３２、吸気酸素濃度Ｄ２ｃを検出するための吸気酸素濃度センサ３３が配置される。また、燃焼室２２に、筒内圧（シリンダ内圧力）Ｄ２ｄを検出するための筒内圧センサ３４が配置され、排気通路１３に、ＮＯｘ排出量Ｄ２ｅを検出するためのＮＯｘセンサ３５と排気温度Ｄ２ｆを検出するための排気温度センサ３６とが配置される。また、ガスタービン１７ｂのタービン回転数Ｄ２ｇを検出するためのタービン回転数センサ３７を設ける。

これらのセンサの検出値は、エンジン１０を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置３０に入力される。更に、この制御装置３０には、エンジン運転状態を示すエンジン回転数Ｎｅやアクセル開度センサ３８で検出されるアクセル開度、燃料噴射量Ｑ、冷却水温度、排気温度Ｄ２ｆ、タービン回転数Ｄ２ｇ等も入力される。この制御装置３０では、これらのエンジンの運転に必要なデータを入力して、予め設定されたデータやプログラムにより、ＥＧＲ弁開度Ｃａｄ、可変容量式ターボチャージー１７の可変ノズル開度Ｃｂｄ、燃料の噴射時期Ｃｃｄ、燃料の噴射圧力Ｃｄｄ等の制御パラメータの制御値（指示値）Ｃｉｄ（Ｃａｄ，Ｃｂｄ，Ｃｃｄ，Ｃｄｄの代表としてＣｉｄとする）を算出して、これらに対応する制御信号を出力して、ＥＧＲ弁２０、可変容量式ターボーチャージャー１７の可変ノズル(図示しない）、燃料噴射弁２３、燃料ポンプ（図示しない）を制御している。

次に、エンジン１０の制御ロジックについて説明する。エンジン１０の運転時に制御する制御パラメータとして、ＥＧＲ弁開度Ｃａｄ、ＶＧＴ開度Ｃｂｄ、噴射時期Ｃｃｄ、噴射圧力Ｃｄｄ等の制御値（指示値）Ｃｉｄを算出して、この制御値ＣｉｄでＥＧＲ弁２０、可変ノズル開度、燃料噴射弁２３等の燃料噴射制御装置を制御している。この制御値Ｃｉｄを算出する算出ロジックのブロック図の例を図２〜図４に示す。

図２に、ＥＧＲ弁開度の制御値Ｃａｄを算出するブロック図の例を示す。このＥＧＲ弁開度Ｃａｄの算出のブロックは、制御値算出ブロックＡ１ａと自動補正量算出ブロックＡ２ａとからなり、制御値算出ブロックＡ１ａは基本開度算出ブロックＢ１ａと補正開度算出ブロックＢ２ａと目標過給圧算出ブロックＢ３ａとを有して構成され、自動補正量算出ブロックＡ２ａは劣化自動補正量算出ブロックＢ４ａを有して構成されている。

このＥＧＲ弁２０の弁開度の最終的な制御値（指示弁開度）Ｃａｄは、次のようにして算出される。制御値算出ブロックＡ１ａでは、制御時の、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑ、エンジン暖機状態（冷却水温度）、外気温度、大気圧等のエンジン運転状態を示すデータＤ１を入力して、基本開度ブロックＢ１ａで、基本開度Ｃａａが算出される。また、目標過給圧算出ブロックＢ３ａで、その時々のエンジン運転状態を示すデータＤ１から目標過給圧Ｄ２ａｃが算出される。この目標過給圧Ｄ２ａｃと過給圧センサ３２で計測された測定過給圧Ｄ２ａｍとの偏差が、補正開度ブロックＢ２ａに入力されて、補正開度Ｃａｂが算出される。この補正開度Ｃａｂは、主に過渡運転時の過給圧遅れによるＥＧＲ率の過剰を防止するために算出される。そして、この基本開度Ｃａａと補正開度Ｃａｂの和としてＥＧＲ弁２０の最終的なＥＧＲ弁開度Ｃａｄが求められる。なお、ここでは、補正開度Ｃａｂの算出に過給圧を用いたが、空気量を用いてもよい。

本発明では、制御値算出ブロックＡ１ａに、自動補正量算出ブロックＡ２ａを加えて設ける。この自動補正量算出ブロックＡ２ａでは、劣化自動補正量算出ブロックＢ４ａで、エンジンの運転状態を示すデータＤ１と、エンジンの劣化度合のモニター用として使用される参照パラメータのデータＤ２とから、ＥＧＲ弁開度に対する補正量ΔＣａを算出する。この参照パラメータとしては、吸入空気量Ｄ２ａ、過給圧Ｄ２ｂ、吸気酸素濃度Ｄ２ｃ、筒内圧Ｄ２ｄ、ＮＯｘ排出量Ｄ２ｅ、排気温度Ｄ２ｆ、タービン回転数Ｄ２ｇのうちのいずれか一つ、又は、幾つかの組み合わせ、又は、全部を用いる。この補正量ΔＣａが経時変化による性能劣化に対する補正量として基本開度算出ブロックＢ１ａに入力される。なお、この図２では、参照パラメータのデータＤ２としても使用される測定過給圧Ｄ２ａｍが、この自動補正以外の補正開度算出ブロックＢ２ａでも使用されているので、参照パラメータのデータＤ２とは別にして示してある。

図３に、可変容量式ターボチャージャー１７の可変ノズル開度（ＶＧＴ開度）の制御値Ｃｂｄを算出するブロック図の例を示す。この可変ノズル開度の算出のブロックは、ＥＧＲ弁開度の制御値Ｃａｄを算出するブロックと同様である。この可変ノズル開度Ｃｂｄの算出のブロックは、制御値算出ブロックＡ１ｂと自動補正量算出ブロックＡ２ｂとからなり、制御値算出ブロックＡ１ｂは基本開度算出ブロックＢ１ｂと補正開度算出ブロックＢ２ｂと目標過給圧算出ブロックＢ３ｂとを有して構成され、自動補正量算出ブロックＡ２ｂは劣化自動補正量算出ブロックＢ４ｂを有して構成されている。

この可変ノズル開度の最終的な制御値（指示開度）Ｃｂｄは、次のようにして算出される。制御値算出ブロックＡ１ｂでは、制御時の、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑ、エンジン暖機状態（冷却水温度）、外気温度、大気圧等のエンジン運転状態を示すデータＤ１を入力して、基本開度ブロックＢ１ｂで、基本開度Ｃｂａが算出される。また、目標過給圧算出ブロックＢ３ｂで、その時々のエンジン運転状態を示すデータＤ１から目標過給圧Ｄ２ａｃが算出される。この目標過給圧Ｄ２ａｃと過給圧センサ３２で計測された測定過給圧Ｄ２ａｍとの偏差が、補正開度ブロックＢ２ｂに入力されて、補正開度Ｃｂｂが算出される。そして、この基本開度Ｃｂａと補正開度Ｃｂｂの和として最終的な可変ノズル開度Ｃｂｄが求められる。なお、ここでは、補正開度Ｃａｂの算出には過給圧のみを用い、空気量は用いない。

本発明では、制御値算出ブロックＡ１ｂに、自動補正量算出ブロックＡ２ｂを加えて設ける。この自動補正量算出ブロックＡ２ｂでは、劣化自動補正量算出ブロックＢ４ｂで、エンジンの運転状態を示すデータＤ１と、エンジンの劣化度合のモニター用として使用される参照パラメータのデータＤ２とから、可変ノズル開度に対する補正量ΔＣｂを算出する。この参照パラメータとしては、吸入空気量Ｄ２ａ、過給圧Ｄ２ｂ、吸気酸素濃度Ｄ２ｃ、筒内圧Ｄ２ｄ、ＮＯｘ排出量Ｄ２ｅ、排気温度Ｄ２ｆ、タービン回転数Ｄ２ｇのうちのいずれか一つ、又は、幾つかの組み合わせ、又は、全部を用いる。この補正量ΔＣｂが経時変化による性能劣化に対する補正量として基本開度算出ブロックＢ１ｂに入力される。なお、この図３では、参照パラメータのデータＤ２としても使用される測定過給圧Ｄ２ａｍが、この自動補正以外の補正開度算出ブロックＢ２ｂでも使用されているので、参照パラメータのデータＤ２とは別にして示してある。

図４に、燃料の噴射時期の制御値Ｃｃｄを算出するブロック図の例を示す。この燃料の噴射時期の算出のブロックは、制御値算出ブロックＡ１ｃと自動補正量算出ブロックＡ２ｃとからなり、制御値算出ブロックＡ１ｃは基本値算出ブロックＢ１ｃを有して構成され、自動補正量算出ブロックＡ２ｃは劣化自動補正量算出ブロックＢ２ｃを有して構成される。

この燃料の噴射時期の最終的な制御値Ｃｃｄは、次のようにして算出される。制御値算出ブロックＡ１ｃで、エンジン運転状態を示すデータＤ１を入力して、基本値算出ブロックＢ１ｃで、燃料の噴射時期の基本値Ｃｃａが算出される。本発明では、この通常運転の制御値算出ブロックＡ１ｃに、自動補正量算出ブロックＡ２ｃが追加して設けられ、劣化自動補正量算出ブロックＢ２ｃで、エンジンの運転状態を示すデータＤ１と、エンジンの劣化度合のモニター用として使用される参照パラメータのデータＤ２とから、燃料の噴射時期に対する補正量ΔＣｃを算出する。この補正量ΔＣｃが経時変化による性能劣化に対する補正量として基本値算出ブロックＢ１ｃに入力される。なお、燃料の噴射圧力の制御値Ｃｄｄ等も、この燃料の噴射時期の制御値Ｃｃｄと同様な算出ブロックの構成で，同様に算出される。

次に、劣化自動補正の制御フローについて、図５及び図６を参照しながら説明する。図５の制御フローはエンジンの運転開始と共にスタートし、エンジンの運転制御と並行して実施され、エンジンの運転終了でリターンして終了する制御フローとして示してある。なお、予め、参照パラメータとして、吸入空気量Ｄ２ａ、過給圧Ｄ２ｂ、吸気酸素濃度Ｄ２ｃ、筒内圧Ｄ２ｄ、ＮＯｘ排出量Ｄ２ｅ、排気温度Ｄ２ｆ、タービン回転数Ｄ２ｇの一つ又は幾つかの組み合わせ又は全部を選択し、補正対象パラメータとして、ＥＧＲ弁開度Ｃａ、ＶＧＴ開度Ｃｂ、噴射時期Ｃｃ、噴射圧力Ｃｄの制御パラメータのうちの少なくととも２つ以上を選択しておく。

この制御フローがスタートすると、ステップＳ１１で、エンジン１０の運転状態を示すデータＤ１を入力する。具体的には、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑ、冷却水温度等を入力する。次のステップＳ１２で、劣化補正のための補正量算出が可能なエンジンの運転状態であるか否かを判定する。この判定は、例えば、エンジン冷却水温度が所定の閾値以上、エンジン回転変化率が所定の閾値以内、燃料噴射量変化率が所定の閾値以内、安定時間が所定の閾値以上の全条件を満たしている（ＹＥＳ）か、否か（ＮＯ）で判断する。満たしていない場合は、ステップＳ１１に戻り、所定の時間毎にステップＳ１２の判定を行う。満たしている場合には、ステップＳ１３に行く。

このステップＳ１２の判定により、劣化自動補正の補正量が算出可能であるとする時のエンジン運転状態を、参照パラメータＤ２がそれぞれ安定し、また、制御パラメータの制御値Ｃｉｄも略一定値を保っている状態とすることができる。この運転状態としては、例えば、エンジン暖機完了後の定常運転の運転状態等が好ましい。このようなエンジン１０の運転状態では、より適切に補正量ΔＣｉ（＝ΔＣａ，ΔＣｂ，．．．）を算出することができる。

ステップＳ１３で、走行距離Ｍｍの入力と、参照パラメータＤ２の検出値Ｄ２ｉｍ（＝Ｄ２ａｍ，Ｄ２ｂｍ，．．．．．）と参照パラメータＤ２の目標値Ｄ２ｉｃ（＝Ｄ２ａｃ，Ｄ２ｂｃ，．．．．．）を入力する。次のステップＳ１４では、次のステップＳ１５で自動補正の時期か否かを判定する前に、ステップＳ１３の制御パラメータの制御値Ｃｉｄ、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑ、参照パラメータの検出値Ｄ２ｉｍと目標値Ｄ２ｉｃとその差分等のデータを、ステップＳ１５で自動補正の時期（ＹＥＳ）になるまで、所定のメモリに記憶してデータを蓄積する。この蓄積されたデータで劣化自動補正を確実に精度良く行う。

次のステップＳ１５で、自動補正の時期であるか否かを判定する。この判定は、検出された走行距離Ｍｍが予め設定された所定の走行距離ＭＬ以上である場合、又は、参照パラメータＤ２のいずれか一つ又はその組み合わせにおいて、検出値Ｄ２ｉｍと、エンジンの運転状態に対応して予め設定されている目標値Ｄ２ｉｃとの偏差が所定の閾値より大きくなった場合に、自動補正の時期である（ＹＥＳ）と判断する。

ステップＳ１５での判定が自動補正の時期では無い（ＮＯ）の場合には、ステップＳ１３に戻り、所定の時間毎にステップＳ１５の判定を行う。自動補正の時期である（ＹＥＳ）場合には、ステップＳ２０の劣化自動補正に行く。

この劣化自動補正は、図６に示すように、ステップＳ２１では、ステップＳ１４で記憶及び蓄積した参照パラメータの検出値Ｄ２ｉｍと目標値Ｄ２ｉｃと制御値Ｃｉｄを入力する。次のステップＳ２２で、多目的最適化により最適制御値Ｃｉｅを算出する。この自動補正における補正量ΔＣｉの算出は、次のようにして行われる。

最初に、制御パラメータＣｉと参照パラメータＤ２ｉとの関係は、予め実験などにより求めて置き、各参照パラメータＤ２ｉは、ＥＧＲ弁開度Ｃａｄ、可変ノズル開度（ＶＧＴ開度）Ｃｂｄ、噴射時期Ｃｃｄ、噴射圧力Ｃｄｄの４つの制御パラメータの制御値Ｃｉｄで表現できるように、言い換えれば、各参照パラメータＤ２ｉを４つの制御パラメータの制御値Ｃｉｄの関数として表現できるようにしておく。例えば、これらの関係を示す回帰モデル式を２次多項式で近似して、実験データから最少二乗法を使って、この２次多項式の係数を求めることで、関数表示することができる。

これらの関係を図７に模式的に示す。この図７では、各小図で示すように、縦軸の参照パラメータＤ２ｉ（＝Ｄ２ａ，Ｄ２ｂ，．．．）は、実験結果等で回帰モデルにより、横軸の制御パラメータの制御値Ｃｉｄ（＝Ｃａｄ，Ｃｂｄ，．．．）で表現されている。なお、この縦軸以外の横軸は、ＥＧＲ弁開度Ｃａ、可変ノズル開度Ｃｂ、噴射時期Ｃｃ、噴射圧力ｃｄの４軸であるが、４軸表現は難しいので、図７では、イメージし易いように仮に２軸で表現している。

次に、多目的最適化について説明する。ここでは、ＮＯｘ排出量Ｄ２ｅ、筒内圧Ｄ２ｄ、排気温度Ｄ２ｆ、タービン回転数Ｄ２ｇ及び燃料消費率Ｄ２ｈの回帰モデルを目的関数とし、燃料消費率Ｄ２ｈを優先的に最小にするように多目的最適化を行う場合について説明する。

この場合、各参照パラメータＤ２ｉの検出値Ｄ２ｉｍと目標値Ｄ２ｉｃの偏差を少なくする方向に最適制御値Ｃｉｅを検索すると共に、ＮＯｘ排出量Ｄ２ｅに関しては所定の値になるようにする。また、筒内圧Ｄ２ｄ、排気温度Ｄ２ｆ、タービン回転数Ｄ２ｇについては、偏差を少なくすると共に、所定の閾値以下に納める制約条件を適用する。

この多目的最適化により、補正対象パラメータ（設計変数）の最適制御値Ｃｉｅを求めることが可能となる。また、本発明で補正される補正パラメータは、初期値に対して僅かな補正を想定しているため、最適制御値Ｃｉｅの算出においては、初期値に対して所定の閾値を設定し、その範囲内でおこなう。

この多目的最適化の演算手法には、遺伝的アルゴリズム等があるが、市販されている商用プログラム等を用いることができ、これらのプログラムを使用することで、容易に補正対象パラメータの最適制御値Ｃｉｅを求めることができる。

この説明では、多目的最適化で使用する回帰モデルをＮＯｘ排出量Ｄ２ｅ、筒内圧Ｄ２ｄ、排気温度Ｄ２ｆ、タービン回転数Ｄ２ｇ、及び燃料消費率Ｄ２ｈとしたが、必要に応じ、その他の回帰モデルを使用する。適用する回帰モデルに応じて制約条件が異なるため、運転条件に応じて、適用する回帰モデルを選択する。具体的には、部分負荷運転領域での多目的最適化では、筒内圧に余裕があるため、筒内圧Ｄ２ｄの回帰モデルを適用しなくても良い。

次のステップＳ２３で、この各補正対象パラメータの最適制御値Ｃｉｅと、現状の制御値Ｃｉｄとの差から各補正量（劣化補正量）ΔＣｉ（＝ΔＣａ，ΔＣｂ，．．．）を算出し、この各補正量ΔＣｉで、各補正対象パラメータの制御値Ｃｉｄを算出するためのデータを補正する。つまり、この各補正対象パラメータの補正量ΔＣｉで、劣化自動補正マップを作成し、この劣化自動補正マップを更新する。この更新により、各制御値Ｃｉｄを算出する際のマップデータ等のデータが自動的に補正される。

この劣化自動補正マップの更新により、更新後は、自動的に、エンジンの性能の劣化分を補う補正量が加味された状態で、補正対象パラメータとして選択された制御パラメータの制御値Ｃｉｄが算出されるようになり、エンジンの劣化状態に対応した制御値Ｃｉｄとなる。なお、ここでは、図２〜図４の算出ブロックに従って、制御値Ｃｉｄの算出量のデータを補正量ΔＣｉで補正しているが、各制御値を算出した後に、この補正量ΔＣｉで補正して制御値Ｃｉｄを求めるように構成してもよい。

このステップＳ２０の劣化自動補正が終了すると、図５のステップＳ１６で、走行距離Ｍｍをゼロにリセットする（Ｍｍ＝０）。このリセットにより、所定の走行距離ＭＬ毎に劣化自動補正を行うようになる。このステップＳ１６の後は、ステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１〜ステップＳ１６を繰り返す。なお、エンジンが運転停止になると、割り込みが発生して、リターンして、この図５の制御フローも終了する。但し、終了時の走行距離Ｍｍ等は所定のメモリに記憶し、次回の制御フローの開始では、この所定のメモリから読み出した走行距離Ｍｍを初期値として積算が継続されるように構成する。

図５及び図６の制御フローにより、劣化自動補正による補正量ΔＣｉは、所定の走行距離ＭＬ毎に、あるいは、参照パラメータＤ２ｉのいずれか一つ又はその組み合わせにおいて、これらの検出値Ｄ２ｉｍと、エンジンの運転状態に対応して予め設定されている目標Ｄ２ｉｃとの偏差が所定の閾値より大きくなった場合に改めて算出されて、次の算出まで、その値に固定される。なお、走行距離Ｍｍや参照パラメータＤ２ｉを自動補正の開始時期の判定に用いると、自動補正を行う時期を簡単な方法で決定することができる。

これにより、この自動補正後の制御値Ｃｉｄで、ＥＧＲ弁２０、可変容量式ターボチャージャーの可変ノズル、燃料噴射弁２３、燃料ポンプ等を制御することにより、参照パラメータＤ２ｉの実際の値を示す検出値Ｄ２ｉｍが、経時変化による性能劣化前の初期設定時の目標値Ｄ２ｉｃに近づくことになり、ピストンリングの磨耗やターボチャージャーの性能低下による空気量、筒内圧の低下分を補って、性能劣化前のエンジンの運転状態を維持できるようになる。

また、この制御方法において、燃料消費率Ｄ２ｈを優先的に最小にするようにすると、参照パラメータの間での重み付けなどが比較的簡単になるため、最適化が容易となる。また、燃料消費率のみを目的関数とすると、一つの目的関数の最適化となり、非常に単純化されるので、各補正対象パラメータの補正量ΔＣｉの算出が容易となる。

図８に、初期状態Ａ１と劣化補正が無い場合Ａ２と劣化補正した場合Ａ３の燃料消費率Ｄ２ｈの変化を模式的に示す。劣化自動補正により、劣化補正の無いカーブＡ２であったものが、劣化補正した場合のカーブＡ３となり、１００万ｋｍ走行後の劣化割合を改善量ΔＤ２ｈ分だけ改善することができる。ただし、ピストンリングの磨耗等の補正することができない性能劣化もあるため、初期状態をそのまま維持することはできない。

図９に、初期状態と、補正をしない劣化状態と、ＥＧＲ弁開度と可変ノズル開度のみを補正した補正その１と、ＥＧＲ弁開度と可変ノズル開度に加えて燃料の噴射時期を補正した補正その２とを示す。

劣化状態では、同じ制御値Ｃｉｄでエンジンの運転を制御していても、ブローバイガスによるコンプレッサ効率の低下等により、新規空気が減少し、ＥＧＲガス量が増加してくる。その結果、初期状態に比べて、ＮＯｘ排出量Ｄ２ｅは減少するが、燃料消費率（ＳＦＣ）Ｄ２ｈが増加する。

補正その１では、補正対象パラメータとして、ＥＧＲ弁開度Ｃａｄと可変ノズル開度Ｃｂｄを選択し、その両方を小さくする方向（閉じる方向に）補正することで、新規空気量とＥＧＲガス量を調整し、これにより、ＮＯｘ排出量Ｄ２ｅを初期状態に戻すことができるが、可変ノズル開度を絞ることによる背圧上昇分のポンピングロス増加のため、燃料消費率Ｄ２ｈの悪化が生じる。

補正その２では、補正対象パラメータとして、ＥＧＲ弁開度Ｃａｄと可変ノズル開度Ｃｂｄに加えて燃料の噴射時期Ｃｃｄを選択し、燃料の噴射時期Ｃｃｄを進角させると共に、ＥＧＲ弁開度Ｃａｄと可変ノズル開度Ｃｂｄを大きくする方向に補正することで、新規空気量とＥＧＲガス量を調整した。この噴射時期の進角により、筒内の燃焼を改善して、燃料消費率Ｄ２ｈを改善することができ、新規空気量とＥＧＲ量を共に初期状態よりも増すことにより、シリンダ内に取り込まれるトータル吸気酸素量を確保すると共にＥＧＲ率も確保して、ＮＯｘ排出量Ｄ２ｅを初期状態に戻すことができる。この補正その２では、ＮＯｘ排出量Ｄ２ｅと燃料消費率Ｄ２ｈの両方の性能劣化を回復している。但し、ピストンリングの磨耗等の、補正することができない性能劣化もあるため、初期状態をそのまま維持することはできない。

本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンの構成を示す図である。 ＥＧＲ弁開度の制御値の算出のブロック図である。 可変ノズル開度（ＶＧＴ開度）の制御値の算出のブロック図である。 燃料の噴射時期の制御値の算出のブロック図である。 劣化自動補正のための制御フローを示す図である。 劣化自動補正の制御フローを示す図である。 参照パラメータと対象パラメータと制御パラメータとの関係を示す図である。 劣化自動補正の効果を説明するための走行距離と燃料消費率の関係を示す図である。 制御パラメータの補正の差による効果の差を説明するための図である。

符号の説明

１０ ディーゼルエンジン
１７ 可変容量式ターボーチャージャー
２０ ＥＧＲ弁
２３ 燃料噴射弁（インジェクタ）
３０ 制御装置（ＥＣＵ）
３１ 吸入空気量センサ
３２ 過給圧センサ
３３ 吸気酸素濃度センサ
３４ 筒内圧センサ
３５ ＮＯｘセンサ
３６ アクセル開度センサ
Ａ１ａ、Ａ１ｂ、Ａ１ｃ 制御値算出ブロック
Ａ２ａ、Ａ２ｂ、Ａ２ｃ 自動補正量算出ブロック
Ｂ１ａ、Ｂ１ｂ 基本開度算出ブロック
Ｂ１ｃ 基本値算出ブロック
Ｂ２ａ、Ｂ２ｂ 補正開度算出ブロック
Ｂ２ｃ、Ｂ４ａ、Ｂ４ｂ 劣化自動補正量算出ブロック
Ｂ３ａ、Ｂ３ｂ 目標過給圧算出ブロック
Ｃａａ、Ｃｂａ 基本開度
Ｃａｂ、Ｃｂｂ 補正開度
Ｃａｄ ＥＧＲ弁開度
Ｃｂｄ ＶＧＴ開度
Ｃｃｄ 燃料の噴射時期
Ｃｄｄ 燃料の噴射圧力
Ｃｉｄ 制御値
Ｃｉｅ，Ｃａｅ，Ｃｂｅ，．．． 補正対象パラメータの最適制御値
Ｄ１ エンジンの運転状態を示すデータ
Ｄ２ 参照パラメータのデータ
Ｄ２ａｃ 目標過給圧
Ｄ２ａｍ 測定過給圧
Ｄ２ａ 吸入空気量
Ｄ２ｂ 過給圧
Ｄ２ｃ 吸気酸素濃度
Ｄ２ｄ 筒内圧
Ｄ２ｅ ＮＯｘ排出量
Ｄ２ｆ 排気温度
Ｄ２ｇ タービン回転数
Ｄ２ｈ 燃料消費率
Ｄ２ｉ 参照パラメータ
Ｄ２ｉｍ，Ｄ２ａｍ，Ｄ２ｂｍ，．．．．． 参照パラメータの検出値
Ｄ２ｉｃ，Ｄ２ａｃ，Ｄ２ｂｃ，．．．．． 参照パラメータの目標値
Ｎｅ エンジン回転数
Ｍｍ 走行距離
ＭＬ 所定の走行距離
Ｑ 燃料噴射量
ΔＣｉ 補正量

Claims (8)

1. エンジンの過給器系の性能劣化に対してエンジンの制御値を補正するエンジンの制御方法において、
   ＥＧＲ弁開度、可変容量式ターボチャージャーの可変ノズルの開度、燃料の噴射時期、燃料の噴射圧力の少なくととも２つ以上を補正対象パラメータとすると共に、吸入空気量、過給圧、吸気酸素濃度、筒内圧、ＮＯｘ排出量、排気温度、タービン回転数のいずれか一つ又は幾つかの組み合わせ又は全部を参照パラメータとし、
   所定の場合に、所定のエンジン運転状態の下で、
   前記参照パラメータの検出値と目標値との偏差が全体的に小さくなるように、最適化法を用いて、前記補正対象パラメータの最適制御値を求めて、前記補正対象パラメータの最適制御値と制御値との差から補正量を算出し、
   この補正量で、前記補正対象パラメータの制御値を算出するためのデータを補正する
   ことを特徴とするエンジンの制御方法。
2. 前記所定の場合が、走行距離が所定の走行距離以上の場合、あるいは、吸入空気量、過給圧、吸気酸素濃度、筒内圧、ＮＯｘ排出量、排気温度、タービン回転数のいずれか一つ又はその組み合わせ又は全部における検出値と目標値との偏差が所定の閾値より大きくなった場合であることを特徴とする請求項１記載のエンジンの制御方法。
3. 前記参照パラメータを用いて、最適化法により目標値としての燃料消費率を優先的に最小にすることを特徴とする請求項１又は２記載のエンジンの制御方法。
4. 前記参照パラメータと前記補正対象パラメータとを、実験データを基に最小二乗法を用いて求めた回帰モデルで関連付けることを特徴とする請求項１、２又は３記載のエンジンの制御方法。
5. エンジンの過給器系の性能劣化に対してエンジンの制御値を補正する制御装置を備えたエンジンにおいて、
   前記制御装置が、
   ＥＧＲ弁開度、可変容量式ターボチャージャーの可変ノズルの開度、燃料の噴射時期、燃料の噴射圧力の少なくととも２つ以上を補正対象パラメータとすると共に、吸入空気量、過給圧、吸気酸素濃度、筒内圧、ＮＯｘ排出量、排気温度、タービン回転数のいずれか一つ又は幾つかの組み合わせ又は全部を参照パラメータとし、
   所定の場合に、所定のエンジン運転状態の下で、
   前記参照パラメータの検出値と目標値との偏差が全体的に小さくなるように、最適化法を用いて、前記補正対象パラメータの最適制御値を求めて、前記補正対象パラメータの最適制御値と制御値との差から補正量を算出し、
   この補正量で、前記補正対象パラメータの制御値を算出するためのデータを補正する劣化自動補正手段を備えている
   ことを特徴とするエンジン。
6. 前記制御装置が、前記所定の場合を、走行距離が所定の走行距離以上の場合、あるいは、吸入空気量、過給圧、吸気酸素濃度、筒内圧、ＮＯｘ排出量、排気温度、タービン回転数のいずれか一つ又はその組み合わせ又は全部における検出値と目標値との偏差が所定の閾値より大きくなった場合とすることを特徴とする請求項５記載のエンジン。
7. 前記制御装置が、前記参照パラメータを用いて、最適化法により目標値としての燃料消費率を優先的に最小にすることを特徴とする請求項５又は６記載のエンジン。
8. 前記制御装置が、前記参照パラメータと前記補正対象パラメータとを、実験データを基に最小二乗法を用いて求めた回帰モデルで関連付けることを特徴とする請求項５、６又は７記載のエンジン。

Images