JP2011043156A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）カット中に可変ターボのノズルベーンを操作して吸気管内圧力を制御できないケースにおいて、吸気管内圧力を適切に制御できるようにする。
【解決手段】ＥＧＲバルブ４５、可変ターボのノズルベーン４２及びＤスロットルバルブ３３に与えるべき制御入力を反復的に演算するサーボコントローラ５１と、ＥＧＲガスの還流を停止するＥＧＲカットを実行しかつＤスロットルバルブ３３の開閉操作を通じて吸気管内圧力の制御を継続するための所定条件が成立しているときに、ＥＧＲ率とその目標値との偏差を０と見なし、ＥＧＲバルブ４５の開度をサーボコントローラ５１が演算した制御入力によらない値に操作する補正制御部５２とを具備する制御装置５を構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気ターボ過給機及び排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付帯した内燃機関を制御する制御装置に関する。

下記特許文献１に開示されているＥＧＲシステムは、過給機を備えた内燃機関のＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）を制御するものである。ＥＧＲ率と過給圧との間には相互干渉が存在し、一入力一出力のコントローラでＥＧＲ率及び吸気管内圧力（または、吸気量）の両方を同時に制御することは難しい。しかも、内燃機関の運転領域によって応答性が異なる上、過給機にはターボラグ（むだ時間）がある。このような事情から、特許文献１に記載のシステムでは、非線形制御対象に対して有効な制御手法であるスライディングモード制御を採用し、相互作用を考慮した多入力多出力のコントローラを設計してＥＧＲ制御をしている。

ＥＧＲシステムを持つ内燃機関では、時としてそのＥＧＲをカット、即ちＥＧＲ通路を閉鎖して排気ガスの還流を停止する必要が生じる。ところが、上記の如き多入力多出力の協調制御では、吸気管内圧力をＥＧＲ率とともにあるべき目標値に追従させようとすると、ＥＧＲバルブが協調して開いてしまう。となれば、ＥＧＲ通路が完全に閉鎖状態にあることは保証されず、ＥＧＲカット中にもかかわらず排気ガスが漏流してしまうことがあり得た。

そこで、ＥＧＲカットを行う際には、ＥＧＲバルブを強制的に全閉し、かつＤスロットルバルブを強制的に全開するとともに、コントローラにＥＧＲ率及びその偏差として０を与え、このコントローラが算出する制御入力値に応じて可変ターボのノズルベーンを開閉操作するようにしている。このような処理を実行することにより、ＥＧＲを確実にカットしながら、吸気管内圧力を所要の目標値に制御し続けることが可能となる。

しかしながら、上述した処理を適用できないケースも存在する。例えば、高地等の大気圧の低い場所で低回転低負荷運転をする場合や、エンジン冷却水温が低く目標吸気管内圧力及び実測吸気管内圧力もともに低いような場合等には、燃焼不安定または失火を予防する目的でＥＧＲをカットする。だが、排気ガス量が少なく排気圧も低いことから排気ターボは殆ど仕事をしてくれず、ノズルベーンを操作しても吸気管内圧力を増減させることができない。

また、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）を再生する、即ちＤＰＦに捕集しているＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を酸化させて除去する場合、ＤＰＦの温度を高めるべく高温の排気ガスをどんどんＤＰＦに送り込む必要があり、そのためにＥＧＲカットを行う。このときには、ＤＰＦが詰まっていることにより排気ターボにおけるタービン前後の圧力差が小さくなっており、ノズルベーンを操作しても排気ターボの仕事量が変化しないので、やはり吸気管内圧力を増減させることができない。

特開２００７−０３２４６２号公報

以上に鑑みてなされた本発明は、ＥＧＲカット中に可変ターボのノズルベーンを操作して吸気管内圧力を制御できないケースにおいて、吸気管内圧力を適切に制御できるようにすることを所期の目的としている。

本発明では、排気ターボ過給機及びＥＧＲ装置が付帯した内燃機関の吸気管内圧力または吸気量をＥＧＲ率またはＥＧＲ量とともに制御するものであって、ＥＧＲバルブ、可変ターボのノズルベーン及びＤスロットルバルブに与えるべき制御入力を反復的に演算するサーボコントローラと、ＥＧＲガスの還流を停止するＥＧＲカットを実行しかつＤスロットルバルブの開閉操作を通じて吸気管内圧力または吸気量の制御を継続するための所定条件が成立しているときに、ＥＧＲ率またはＥＧＲ量とその目標値との偏差を０と見なし、ＥＧＲバルブの開度をサーボコントローラが演算した制御入力によらない値に操作する補正制御部とを具備することを特徴とする制御装置を構成した。このようなものであれば、低大気圧下で低回転低負荷運転を行うケースや、ＤＰＦ再生を行うケース等において、ＥＧＲをカットしつつ吸気管内圧力の制御を継続することが可能となる。

前記補正制御部は、前記所定条件が成立しているときに、ノズルベーンの開度をサーボコントローラが演算した制御入力によらない値に操作することができる。例えば、低大気圧下で低回転低負荷運転を行うケースではノズルベーン開度を絞り気味の値に固定することが好ましく、ＤＰＦ再生を行うケースではノズルベーン開度を開き気味の値に固定することが好ましい。但し、ノズルベーンの開度操作を、スライディングモードコントローラに委ね続けても構わない。

また、特に、ＤＰＦに捕集しているＰＭを酸化させるＤＰＦ再生を行うケースでは、前記補正制御部が、吸気管内圧力の目標値を大気圧以下に設定するものとする。これにより、サーボコントローラが算出するＤスロットルバルブ開度の縮小、並びにノズルベーン開度の拡大を誘発する。さすれば、ＤＰＦの温度を効果的に高めることが可能となる。

前記サーボコントローラが、制御出力とその目標値との偏差の時間積分ｘ_z及びそれ以外のものｘ_yを含む、各制御出力毎に個別の状態変数を参照して、線形入力及び非線形入力を反復的に演算するスライディングモードコントローラである場合、前記補正制御部は、前記所定条件が成立しているときに、前記非線形入力を規定する、ＥＧＲ率またはＥＧＲ量に係る状態変数ｘ_z及びｘ_yについての多項式Ｓ_zｘ_z＋Ｓ_yｘ_yを０とする。ここで、Ｓ_zは切換超平面を構成する行列Ｓの成分のうち前記状態変数ｘ_zに乗ずる列ベクトルであり、Ｓ_yは同行列Ｓの成分のうち前記状態変数ｘ_yに乗ずる列ベクトルである。

ＥＧＲカット中、スライディングモードコントローラは、ＥＧＲ率の偏差を０として制御入力を演算する。つまり、ＥＧＲカット中は状態変数ｘ_zが一定にホールドされるのであるが、そのｘ_zの固定値はＥＧＲカットの機会が訪れる毎に異なり得る（ｘ_zは積算値であることから、過去の経緯に依存する）。そうなれば、ＥＧＲカット時における、各バルブの開度の再現性が失われてしまう。結果、燃費や燃焼安定性に不利な制御入力が選択されたり（ディーゼルエンジンのＤスロットルバルブの開度を不適当に絞ってしまう等）、エンジン出力がその時々でばらついたり、ＥＧＲカットを終了する際の制御追従性の一時的劣化（ひいては、排気ガスの一時的悪化）を招いたりするきらいがある。このような問題を回避するため、本発明では、ＥＧＲカット中、Ｓ_zｘ_z＋Ｓ_yｘ_y＝０が成立するようにＥＧＲ率に係る状態変数ｘ_zを書き換え、この状態変数ｘ_zが（スライディングモードコントローラが算出する）非線形入力項に影響を及ぼすことを阻止する。

本発明によれば、ＥＧＲカット中に可変ターボのノズルベーンを操作して吸気管内圧力を制御できないケースにおいても、吸気管内圧力を適切に制御することが可能となる。

本発明の一実施形態におけるＥＧＲシステムのハードウェア資源構成図。 同実施形態の制御装置の構成説明図。 同実施形態の適応スライディングモードコントローラのブロック線図。 内燃機関の現在状況に関する指標値（エンジン回転数及び要求負荷）と、ＥＧＲカットＮＡ条件との関係を概説する図。 同実施形態の制御装置が実行する処理の手順を示すフローチャート。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に示すものは、本発明の適用対象の一であるＥＧＲシステムである。内燃機関２に付帯するこのＥＧＲシステムは、吸排気系３、４における複数の流体圧または流量に関する値を検出するための計測器１１、１２と、それらの値に目標値を設定し、各値を目標値に追従させるべく複数の操作部４５、４２、３３を操作する制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５とを具備してなる。

内燃機関２は、例えば過給機を備えたディーゼルエンジンである。内燃機関２の吸気系３には、可変ターボのコンプレッサ３１を配設するとともに、その下流に吸気冷却用のインタークーラ３２、及び新気量を調節するＤスロットルバルブ３３を設ける。また、新気量を計測する流量計１１、吸気管内圧力を計測する圧力計１２をそれぞれ設置する。

内燃機関２の排気系４には、コンプレッサ３１を駆動するタービン４１を配設し、タービン４１の入口には過給機のＡ／Ｒ比を増減させるためのノズルベーン４２を設ける。タービン４１の下流には、ＤＰＦ（図示せず）を設置する。そして、内燃機関２の燃焼室より排出される排気ガスの一部を吸気系３に還流させるＥＧＲ通路４３を形成する。ＥＧＲ通路４３は、吸気系３におけるスロットルバルブ３３よりも下流に接続する。ＥＧＲ通路４３には、排気冷却用のＥＧＲクーラ４４と、通過する排気ガス（ＥＧＲガス）量を調節する外部ＥＧＲバルブ４５とを設ける。

本実施形態では、ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）と、吸気管内圧力（または、吸気量）とについて各々目標値を設定し、双方の制御量を一括に目標値に向かわせるべく複数の操作部、即ちＥＧＲバルブ４５、可変ターボのノズル４２及びスロットルバルブ３３を操作する制御を実施する。

ＥＧＲバルブ４５、ノズルベーン４２、スロットルバルブ３３は、ＥＣＵ５により統御されてその開度をリニアに変化させる。各操作部４５、４２、３３は、駆動信号のデューティ比を増減させることで開度を変える電気式のバルブや、あるいはバキュームコントロールバルブ等と組み合わされ弁体のリフト量を制御して開度を変える機械式のバルブ等を用いてなる。

ＥＣＵ５は、プロセッサ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）またはフラッシュメモリ、Ａ／Ｄ変換回路、Ｄ／Ａ変換回路等を包有するマイクロコンピュータである。ＥＣＵ５は、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力を検出するための計測器１１、１２の他、エンジン回転数、アクセルペダルの踏込量、冷却水温、吸気温、外部の気温、大気圧、ＤＰＦの前後差圧（ＤＰＦの上流側排気圧と下流側排気圧との差）等を検出する各種計測器（図示せず）と電気的に接続し、これら計測器から出力される信号を受け取って各値を知得することができる。

因みに、本実施形態では、ＥＧＲ率を直接計測していない。内燃機関２のシリンダに入る空気量は、可変ターボのノズル開度を基に予測することが可能である。その空気量の予測値をｇ_cylとおき、流量計１１で計測される新気量をｇ_aとおくと、推定ＥＧＲ率ｅ_egrについて、ｅ_egr＝１−ｇ_a／ｇ_cylなる関係が成立する。ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、可変ターボのノズル開度とシリンダに入る空気量との関係を定めたマップデータが記憶されている。ＥＣＵ５は、可変ターボのノズル開度をキーとしてマップを検索し、シリンダに入る空気量の予測値を得、これと新気量とを上記式に代入してＥＧＲ率を算出する。

並びに、ＥＣＵ５は、ＥＧＲバルブ４５、可変ターボのノズル４２、スロットルバルブ３３や、燃料噴射を司るインジェクタ及び燃料ポンプ等（図示せず）と電気的に接続しており、これらを駆動するための信号を入力することができる。

ＥＣＵ５で実行するべきプログラムはＲＯＭまたはフラッシュメモリに予め記憶されており、その実行の際にＲＡＭへ読み込まれ、プロセッサによって解読される。ＥＣＵ５は、プログラムに従い内燃機関２を制御する。例えば、エンジン回転数、アクセルペダルの踏込量、冷却水温等の諸条件に基づき要求される燃料噴射量（いわば、要求されるエンジン負荷）を決定し、その要求噴射量に対応する駆動信号をインジェクタ等に入力して燃料噴射を制御する。その上で、ＥＣＵ５は、プログラムに従い、図２、図３に示すサーボコントローラ５１及び補正制御部５２としての機能を発揮する。

サーボコントローラ５１は、スライディングモードコントローラであって、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力のスライディングモード制御を担う。フィードバック制御時、ＥＣＵ５は、各種計測器（図示せず）が出力する信号を受け取ってエンジン回転数、アクセル踏込量、冷却水温、吸気温、外部の気温及び気圧等を知得し、要求噴射量を決定する。続いて、少なくともエンジン回転数及び要求噴射量に基づき、目標ＥＧＲ率及び目標吸気管内圧力を設定する。ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、エンジン回転数及び要求噴射量に応じて設定するべき各目標値を示すマップデータが記憶されている。ＥＣＵ５は、エンジン回転数及び要求噴射量をキーとしてマップを検索し、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力の目標値を得る。さらに、マップを参照して得た目標値を基本値とし、これを冷却水温、吸気温、外部の気温や気圧等に応じて補正して最終的な目標値とする。

そして、ＥＣＵ５は、計測器１１、１２が出力する信号を受け取ってＥＧＲ率及び吸気管内圧力の現在値を知得し、各制御量の現在値と目標値との偏差からＥＧＲバルブ４５の開度、可変ターボのノズル４２の開度及びスロットルバルブ３３の開度を演算して、各々の操作量に対応する駆動信号をそれら操作部４５、４２、３３に入力、開度を操作する。

ＥＧＲ率の適応スライディングモード制御に関して補記する。状態方程式及び出力方程式は、下式（数１）の通りである。

本実施形態では、状態量ベクトルＸを出力ベクトルＹから直接知得できる構造とする、換言すれば計測器１１、１２を介して検出可能な値を直接の制御対象とすることにより、状態推定オブザーバを排して推定誤差に伴う制御性能の低下を予防している。出力行列Ｃは既知、本実施形態では単位行列とする。

プラントのモデル化、即ち状態方程式（数１）における係数行列Ａ及び入力行列Ｂの同定にあたっては、各操作部４５、４２、３３に様々な周波数からなるＭ系列信号を入力して開度を操作し、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力の値を観測して、その入出力データから行列Ａ、Ｂを同定する。各操作部４５、４２、３３に入力するＭ系列信号は、互いに無相関なものとする。これにより、各値の相互干渉を考慮したモデルを作成することができる。

図３に、本実施形態の適応スライディングモード制御系のブロック線図を示す。スライディングモードコントローラ５１の設計手順には、切換超平面の設計と、状態量を切換超平面に拘束するための非線形切換入力の設計とが含まれる。１形のサーボ系を構成するべく、当初の状態量ベクトルＸに、目標値ベクトルＲと出力ベクトルＹとの偏差の積分値ベクトルＺを付加した新たな状態量ベクトルＸ_eを定義すると、下式（数２）に示す拡大系の状態方程式を得る。

安定余裕を考慮し、切換超平面の設計にはシステムの零点を用いた設計手法を用いる。即ち、上式（数２）の拡大系がスライディングモードを生じているときの等価制御系が安定となるように超平面を設計する。切換関数σを式（数３）で定義すると、状態が超平面に拘束されている場合にσ＝０かつ式（数４）が成立する。

故に、スライディングモードが生じているときの線形入力（等価制御入力）は、下式（数５）となる。

上式（数５）の線形入力を拡大系の状態方程式（数２）に代入すると、下式（数６）の等価制御系となる。

この等価制御系が安定になるように超平面を設計することと、目標値Ｒを無視した系に対して設計することとは等価であるので、下式（数７）が成立する。

上式（数７）の系に対して安定度εを考慮し、最適制御理論を用いてフィードバックゲインを求め、それを超平面とすると、下式（数８）となる。

行列Ｐ_sは、リカッチ方程式（数９）の正定解である。

リカッチ方程式（数９）におけるＱ_sは制御目的の重み行列で、非負定な対称行列である。ｑ₁、ｑ₂は偏差の積分Ｚに対する重みであり、制御系の周波数応答の速さの違いにより決定する。ｑ₃、ｑ₄は出力Ｙに対する重みであり、ゲインの大きさの違いにより決定する。また、リカッチ方程式（数９）におけるＲ_sは制御入力の重み行列で、正定対称行列である。εは安定余裕係数で、ε≧０となるように指定する。

なお、上記式（数８）、（数９）に替えて、以下に示す離散系の超平面構築式（数１０）及び代数リカッチ方程式（数１１）を用いてもよい。

超平面に拘束するための入力の設計には、最終スライディングモード法を用いる。ここでは、制御入力Ｕを、線形入力Ｕ_eqと新たな入力即ち非線形入力（非線形制御入力）Ｕ_nlとの和として、下式（数１２）で表す。

切換関数σを安定させたいので、σについてのリアプノフ関数を下式（数１３）のように選び、これを微分すると式（数１４）となる。

式（数１２）を式（数１４）に代入すると、下式（数１５）となる。

非線形入力Ｕ_nlを下式（数１６）とすると、リアプノフ関数の微分は式（数１７）となる。

従って、切換ゲインｋを正とすれば、リアプノフ関数の微分値を負とすることができ、スライディングモードの安定性が保証される。このときの制御入力Ｕは、下式（数１８）である。

ηはチャタリング低減のために導入した平滑化係数であって、η＞０である。

スライディングモード制御では、状態量を超平面に拘束するために非線形ゲインを大きくする必要がある。だが、非線形ゲインを大きくすると、制御入力にチャタリングが発生する。そこで、モデルの不確かさを、構造が既知でパラメータが未知な確定部分と、構造が未知だがその上界値が既知な不確定部分とに分ける。状態方程式（数１）に不確かさ（ｆ＋Δｆ）を加え、下式（数１９）で表す。

不確かさの確定部分ｆは、未知パラメータθを同定することで補償される。さすれば、切換ゲインは不確かさの不確定部分Δｆのみにかかることとなり、切換ゲインが不確実成分全体（ｆ＋Δｆ）にかかる場合と比べて制御入力のチャタリングを大幅に低減できる。

制御入力Ｕは、式（数１８）に適応項Ｕ_adを追加した下式（数２０）となる。

制御入力（数２０）におけるΓ₁は、適応ゲイン行列である。関数ｈは、一般には状態量ｘ及び／または未知パラメータθの関数とするが、本実施形態ではｈをｘ及びθに無関係な単純式、定数とすることにより、ｘを速やかに収束させ、θの適応速度を高めるようにしている。特に、ｈ＝１とした場合、推定パラメータを下式（数２１）に則って同定することができる。

本実施形態では、ＥＧＲ率ｙ₁及び吸気管内圧力ｙ₂を制御出力変数とし、ＥＧＲバルブ４５の開度ｕ₁、可変ターボのノズル４２の開度ｕ₂及びスロットルバルブ３３の開度ｕ₃を制御入力変数とした３入力２出力のフィードバック制御を行う。状態変数の個数（システムの次数）は、当初の系（数１）では出力変数の個数と同じく２、拡大系（数２）では４となる。制御出力及び状態量をこのように特定することで、排気ガスに直接触れる箇所に流量計等の計測器を設置する必要がなくなる。

尤も、本実施形態のような３入力２出力のシステムでは、ｄｅｔ（ＳＢ_e）＝０が成立し、行列（ＳＢ_e）は正則とはならない。そこで、逆行列（ＳＢ_e）^-1を、一般化逆行列として算定する。一般化逆行列には、例えばムーア・ペンローズ型の逆行列（ＳＢ_e）^†を用いる。

ＥＧＲバルブ４５に係る制御入力ｕ₁、ノズルベーン４２に係る制御入力ｕ₂、Ｄスロットルバルブに係る制御入力ｕ₃はそれぞれ、下式（数２２）に示すように、線形入力項と非線形入力項と適応項との和となる。

スライディングモードコントローラ５１が参照する状態量ベクトルＸ_e＝［ｘ_e1 ｘ_e2 ｘ_e3 ｘ_e4］^Tは、その成分に、制御出力Ｙとその目標値Ｒとの偏差の時間積分ｘ_e1、ｘ_e2と、それ以外のものｘ_e3、ｘ_e4とを含んでいる。ｘ_e1及びｘ_e3は第一の制御出力たるＥＧＲ率ｙ₁に係り、ｘ_e2及びｘ_e4は第二の制御出力たる吸気管内圧力ｙ₂に係り、これら状態変数ｘ_e1及びｘ_e3、ｘ_e2及びｘ_e4は各制御出力ｙ₁、ｙ₂毎に個別のものとなっている。また、ｘ_e3、ｘ_e4は出力方程式（数１）を介して各制御出力ｙ₁、ｙ₂とそれぞれ結びついている。

しかして、補正制御部５２は、ＥＧＲ通路４３を閉鎖してＥＧＲガスの還流を停止する必要が生じた場合に、ＥＧＲカットのための各種処理を実行する。

一般的なＥＧＲカット条件は、内燃機関２や自動車の種類等によっても異なるが、
（Ｉ）高回転で高負荷の運転領域にあるとき。つまり、エンジン回転数が閾値以上かつ燃料噴射量が閾値以上であるとき
（II）標高の高い場所に所在し、ある程度以上の負荷運転領域にあるとき。換言すれば、外部の気圧が、エンジン回転数及び燃料噴射量を基に定まる閾値（ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、エンジン回転数及び燃料噴射量に応じて設定するべき外気圧の閾値を示すマップデータが記憶されている）以下であるとき
（III）標高の低い場所に所在し、暖気運転を必要としているとき。つまり、外部の気圧が所定閾値以上かつ冷却水温が所定閾値（典型的には、４０℃）以下であるとき
等にＥＧＲカットを行う。そのときには、ＥＧＲバルブ４５を強制的に全閉し、Ｄスロットルバルブ３３を強制的に全開するとともに、可変ターボのノズルベーン４２を開閉操作して吸気管内圧力ｙ₂を制御する。

これに対し、本実施形態で重視しているのは、ＥＧＲカットを必要としながらも、ノズルベーン４２の開閉操作によっては吸気管内圧力ｙ₂をその目標値ｒ₂に制御できないケースである。例えば、
（IV）標高の高い場所に所在し、上記条件（II）の成立しない低回転低負荷の運転領域にあるとき
（Ｖ）ＤＰＦの再生を必要とするとき。つまり、ＤＰＦの前後差圧が所定値を越えているとき
（VI）エンジン冷却水温が所定域位置以下であり、目標吸気管内圧力が所定閾値以下、実測吸気管内圧力が所定閾値以下であるとき
等が該当する。以降、このようなケースをＥＧＲカットＮＡ域と呼称する。図４に、現在状況がＥＧＲカットＮＡ域にあるか否かを判定するためのＥＧＲカットＮＡ条件を概念的に示している。

補正制御部５２は、ＥＧＲカットＮＡ域におけるＥＧＲカット中、スライディングモードコントローラ５１に与える目標値Ｒを切り換える。即ち、補正制御部５２は、ＥＧＲカット用のＥＧＲ率目標値ｅｇｒｔａｒｇを、目標値ｒ₁としてスライディングモードコントローラ５１に与える。このｅｇｒｔａｒｇは、通常０である。

他方、吸気管内圧力の目標値ｒ₂については、ＤＰＦの再生処理を行う場合を除き、エンジン回転数や燃料噴射量等に基づいて定まる本来の目標値をスライディングモードコントローラ５１に与える。ＤＰＦの再生処理を行う場合には、大気圧以下の所定値を、吸気管内圧力の目標値ｒ₂としてスライディングモードコントローラ５１に与える。ＤＰＦの再生期間は、ＤＰＦの温度を高める目的で、ノズルベーン４２をできる限り大きく開き、かつＤスロットルバルブ３３をできる限り小さく絞っておきたいことによる。

さらに、補正制御部５２は、同じｅｇｒｔａｒｇを、ＥＧＲ率ｙ₁及びｘ_e3（本実施形態では、状態量Ｘ＝出力Ｙとしていることに留意）としてスライディングモードコントローラ５１に与える。つまり、計測器１１、１２を介して検出したＥＧＲ率の実測値を無視する。これにより、ＥＧＲカット中のＥＧＲ率の偏差が０と見なされる。

また、補正制御部５２は、ＥＧＲカットＮＡ域におけるＥＧＲカット中、ＥＧＲバルブ４５の開度を、スライディングモードコントローラ５１が演算した制御入力ｕ₁によらずに全閉する。並びに、ノズルベーン４２の開度を、スライディングモードコントローラ５１が演算した制御入力ｕ₂によらない値に強制操作する。例えば、標高の高い場所での低回転低負荷運転ではノズルベーン４２を絞り気味の開度に固定し、ＤＰＦの再生処理ではノズルベーン４２を全開に近い開き気味の開度に固定する。このときのノズルベーン４２の開度を、エンジン回転数及び燃料噴射量の多寡に応じて決定するようにしてもよい。

但し、ＥＧＲカットＮＡ域におけるＥＧＲカット中に、ノズルベーン４２の開度操作をスライディングモードコントローラ５１に委ね続ける、即ちスライディングモードコントローラが演算した制御入力ｕ₂をそのままノズルベーン４２に与え続けることを妨げない。

以上に加え、補正制御部５２は、ＥＧＲカットＮＡ域におけるＥＧＲカット中、ＥＧＲ率ｙ₁に係る状態変数ｘ_e1及びｘ_e3についての多項式Ｓ₁ｘ_e1＋Ｓ₃ｘ_e3を０とする。

スライディングモードコントローラ５１が算出する非線形入力Ｕ_nlは、下式（数２３）に示す切換関数σに依存する。

Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃、Ｓ₄はそれぞれ、ｘ_e1に乗ずる列ベクトル、ｘ_e2に乗ずる列ベクトル、ｘ_e3に乗ずる列ベクトル、ｘ_e4に乗ずる列ベクトルである。既に述べた通り、状態変数ｘ_e1はＥＧＲ率ｙ₁とその目標値ｒ₁との偏差の積分であり、状態変数ｘ_e2は吸気管内圧力ｙ₂とその目標値ｒ₂との偏差の積分である。並びに、状態変数ｘ_e3はＥＧＲ率ｙ₁そのものであり、状態変数ｘ_e4は吸気管内圧力ｙ₂そのものである。

ＥＧＲカット中は、ＥＧＲバルブ４５を強制的に全閉してしまうことから、ＥＧＲ率ｙ₁の制御を考慮しなくてよい。つまり、上式（数２３）におけるＳ₁ｘ_e1の項及びＳ₃ｘ_e3の項が必要ない。よって、ＥＧＲカット中、Ｓ₁ｘ_e1＋Ｓ₃ｘ_e3＝０となるように状態変数ｘ_e1、ｘ_e3を反復継続的に書き換えて、これら状態変数ｘ_e1、ｘ_e3が非線形入力Ｕ_nlに与える影響を除去する。

但し、状態変数ｘ_e3は線形入力Ｕ_eqにも影響を及ぼすので、ｘ_e3を書き換えることは得策でない。翻って、状態変数ｘ_e1は線形入力Ｕ_eqに影響を及ぼさない（行列Ａ_eの定義に留意）。従って、状態変数ｘ_e1を書き換えることを通じて、Ｓ₁ｘ_e1＋Ｓ₃ｘ_e3＝０を実現する。そのために必要なｘ_e1は、下式（数２４）となる。

上式（数２４）において、行列Ｓ₁は正方行列ではない。そこで、逆行列Ｓ₁ ^-1を、一般化逆行列として算定する。一般化逆行列には、例えばムーア・ペンローズ型の逆行列Ｓ₁ ^†を用いる。

図５に、ＥＣＵ５が実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ５は、エンジン回転数及び要求燃料噴射量、冷却水温、大気圧、ＤＰＦの前後差圧等を参照して、ＥＧＲカットＮＡ条件が成立したか否かを判断する（ステップＳ１）。ＥＧＲカットＮＡ条件が成立していれば、Ｓ₁ｘ_e1＋Ｓ₃ｘ_e3＝０の関係を満足する状態変数ｘ_e1を算出し（ステップＳ２）、ＥＣＵ５のメモリに記憶保持しているｘ_e1の書き換えを行う（ステップＳ３）。

その上で、スライディングモード制御の手法に則り、制御入力Ｕを算出する（ステップＳ４）。ステップＳ４では、所定の目標ＥＧＲ率ｅｇｒｔａｒｇを、ＥＧＲ率の目標値ｒ₁及び実測値ｙ₁、ｘ_e3としてスライディングモードコントローラ５１に与える。加えて、ＤＰＦの再生処理に伴うＥＧＲカットであるならば、大気圧よりも低い目標吸気管内圧力ｒ₂をスライディングモードコントローラ５１に与える。

しかる後、操作部４５、４２、３３を操作する（ステップＳ５）。ステップＳ５では、Ｄスロットルバルブ３３にスライディングモードコントローラ５１で演算した制御入力値ｕ₃を与える一方、ＥＧＲバルブ４５をスライディングモードコントローラ５１で演算した制御入力値ｕ₁によることなく全閉する。さらに、必要に応じて、ノズルベーン４２を、スライディングモードコントローラ５１で演算した制御入力値ｕ₂を無視して強制操作する。

ステップＳ２ないしＳ５を含むＥＧＲカット処理は、ＥＧＲカットＮＡ条件が成立しなくなるまで、即ちＥＧＲカットを終了するまで続行する（ステップＳ６）。

ＥＧＲカットＮＡ条件の成立していない期間は、原則（ＥＧＲカット条件の成立時等を除き）、通常通り制御入力Ｕを算出し（ステップＳ７）、操作部４５、４２、３３にその制御入力Ｕをそのまま与えてこれら操作部４５、４２、３３を操作する（ステップＳ８）。

ＥＣＵ５は、上記のステップＳ１ないしＳ８を、反復的に実施する。

本実施形態によれば、排気ターボ過給機及びＥＧＲ装置が付帯した内燃機関２の吸気管内圧力または吸気量をＥＧＲ率またはＥＧＲ量とともに制御するものであって、ＥＧＲバルブ４５、可変ターボのノズルベーン４２及びスロットルバルブ３３に与えるべき制御入力Ｕを反復的に演算するサーボコントローラ５１と、ＥＧＲガスの還流を停止するＥＧＲカットを実行しかつスロットルバルブ３３の開閉操作を通じて吸気管内圧力または吸気量の制御を継続するための所定のＥＧＲカットＮＡ条件が成立しているときに、ＥＧＲ率またはＥＧＲ量とその目標値との偏差を０と見なし、ＥＧＲバルブ４５の開度をサーボコントローラ５１が演算した制御入力ｕ₁によらない値に操作する補正制御部５２とを具備する制御装置を構成したため、低大気圧下で低回転低負荷運転を行うケースや、ＤＰＦ再生を行うケース等において、ＥＧＲを確実にカットしつつ吸気管内圧力の適切な制御を継続することが可能となる。

ＥＧＲカットＮＡ条件が成立しているときに、前記補正制御部５２が、ノズルベーン４２の開度をサーボコントローラ５１が演算した制御入力ｕ₂によらない値に操作するものであるため、ＥＧＲカット中にノズルベーン４２の開度が極端に大きくなったり小さくなったりすることを予防できる。ノズルベーン４２の開閉速度は有限である（現実には、１秒間かけても全開から全閉に操作するようなことはできない）が、上記の手立てにより、ＥＧＲカット終了後の制御追従性を保つことが可能となり、ＥＧＲカット終了に伴う排気ガスの一時的悪化を回避できる。

ＤＰＦに捕集しているＰＭの酸化処理を行う場合であって、ＥＧＲカットＮＡ条件が成立しているときに、前記補正制御部５２が、吸気管内圧力の目標値を大気圧以下に設定するものであるため、サーボコントローラ５１が算出するスロットルバルブ３３の開度ｕ₃の縮小、並びにノズルベーン４２の開度ｕ₂の拡大を誘発することができ、ＤＰＦの温度を効果的に高めることが可能となる。

前記サーボコントローラ５１が、制御出力とその目標値との偏差の時間積分ｘ_e1、ｘ_e2及びそれ以外のものｘ_e3、ｘ_e4を含む、各制御出力毎に個別の状態変数を参照して、線形入力Ｕ_eq及び非線形入力Ｕ_nlを反復的に演算するスライディングモードコントローラであり、ＥＧＲカットＮＡ条件が成立しているときに、前記補正制御部５２が、前記非線形入力Ｕ_nlを規定する、ＥＧＲ率またはＥＧＲ量に係る状態変数ｘ_e1及びｘ_e3についての多項式Ｓ₁ｘ_e1＋Ｓ₃ｘ_e3を０とするものであることから、ＥＧＲカットＮＡ域におけるｘ_e1の固定値が恒常的に一定とならないことに起因した不都合を緩和ないし解消できる。即ち、ＥＧＲカットＮＡ域における燃費や燃焼安定性の悪化、エンジン出力のばらつき、ＥＧＲカットを終了する際の制御追従性の一時的劣化等を回避することが可能となる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。ＥＧＲ制御における制御入力変数は、ＥＧＲバルブ開度、可変ノズルターボ開度及びスロットルバルブ開度には限定されない。制御出力変数も、ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）及び吸気管内圧力（または、吸気量）には限定されない。新たな入力変数、出力変数を付加して、４入力３出力の３次システムを構築するようなことも可能である。例えば、吸気系に過給機（のコンプレッサ）をバイパスする通路が存在している場合、その通路上に設けられたバルブをも操作することがある。このとき、当該バイパス通路内の圧力または流量等を制御出力変数に含め、当該バイパス通路上のバルブの開度を制御入力変数に含めることができる。

サーボコントローラが実現する多入力多出力制御の手法はスライディングモード制御には限定されず、スライディングモード制御以外の手法、例えば最適制御、Ｈ∞制御、バックステッピング制御等を採用しても構わない。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、例えば、過給機及びＥＧＲ装置が付帯した内燃機関のＥＧＲ率を制御するための制御コントローラとして利用することができる。

５…ＥＣＵ（制御装置）
５１…適応スライディングモードコントローラ（サーボコントローラ）
５２…補正制御部

Claims (4)

1. 排気ターボ過給機及び排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付帯した内燃機関の吸気管内圧力または吸気量をＥＧＲ率またはＥＧＲ量とともに制御するものであって、
   ＥＧＲバルブ、可変ターボのノズルベーン及びＤスロットルバルブに与えるべき制御入力を反復的に演算するサーボコントローラと、
   ＥＧＲガスの還流を停止するＥＧＲカットを実行しかつＤスロットルバルブの開閉操作を通じて吸気管内圧力または吸気量の制御を継続するための所定条件が成立しているときに、ＥＧＲ率またはＥＧＲ量とその目標値との偏差を０と見なし、ＥＧＲバルブの開度をサーボコントローラが演算した制御入力によらない値に操作する補正制御部と
   を具備することを特徴とする制御装置。
2. 前記補正制御部は、前記所定条件が成立しているときに、ノズルベーンの開度をサーボコントローラが演算した制御入力によらない値に操作する請求項１記載の制御装置。
3. 前記所定条件が、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）に捕集しているＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）の酸化処理を行う場合であって、
   前記補正制御部は、前記所定条件が成立しているときに、吸気管内圧力の目標値を大気圧以下に設定する請求項１または２記載の制御装置。
4. 前記サーボコントローラは、制御出力とその目標値との偏差の時間積分ｘ_z及びそれ以外のものｘ_yを含む、各制御出力毎に個別の状態変数を参照して、線形入力及び非線形入力を反復的に演算するスライディングモードコントローラであり、
   前記補正制御部は、前記所定条件が成立しているときに、前記非線形入力を規定する、ＥＧＲ率またはＥＧＲ量に係る状態変数ｘ_z及びｘ_yについての多項式Ｓ_zｘ_z＋Ｓ_yｘ_yを０とする請求項１、２または３記載の制御装置。
   但し、Ｓ_zは切換超平面を構成する行列Ｓの成分のうち前記状態変数ｘ_zに乗ずる列ベクトルであり、Ｓ_yは同行列Ｓの成分のうち前記状態変数ｘ_yに乗ずる列ベクトルである

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