JP2014047757A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過給圧に課せられた制約が満足されるようにリファレンスガバナを用いて過給圧の目標値を修正するにあたり、過給圧の将来予測に掛かる演算負荷を低減する。
【解決手段】リファレンスガバナは、内燃機関とフィードバックコントローラとを含む閉ループシステムのモデルを用いて、内燃機関の運転条件に基づき将来の予測過給圧を計算する。このとき、リファレンスガバナは、予め設定された予測長にわたって予測過給圧の計算を行うとともに、過給圧の応答性が高い運転条件における予測長のほうが過給圧の応答性が低い運転条件における予測長よりも短くなるように、運転条件に応じて予測長の設定値を変更する。そして、リファレンスガバナは、予測長にわたって計算された予測過給圧と過給圧に課せられた制約とに基づいてフィードバックコントローラに与えられる目標値を修正する。
【選択図】図２

Description

本発明は、過給機を備えた内燃機関の制御装置に関し、詳しくは過給圧に課せられた制約が満足されるようにリファレンスガバナを用いて過給圧の目標値を修正する制御装置に関する。

プラントの制御においては、プラントの状態量や制御入力に関して様々な制約が存在している。それらの制約が満たされない場合、ハードの破損や制御性能の低下が生じるおそれがある。このため、プラントの制御装置を設計する際には、所望の応答性能を得ることに加えて上記制約を満たすことが同時に求められている。リファレンスガバナはそのような要求を満たすための１つの手段である。リファレンスガバナによれば、制御システムに入力される目標値を修正することによって制約を満足させることができる。

リファレンスガバナをプラントの制御に適用した発明の例としては、特開２０１０−２５３５０１号公報に開示された発明を挙げることができる。この公報に開示された発明は、多段圧延装置の圧延スタンドで圧延される圧延材の張力制御方法に関する発明である。この発明によれば、圧延材の張力の時間変化を規定した目標軌道データがリファレンスガバナによって予め演算される。そして、圧延材の張力実績値と目標軌道データとの偏差に基づいて圧延材の張力が制御される。

特開２０１０−２５３５０１号公報

上記公報に開示された発明では、リファレンスガバナによるオフライン計算が行われている。多段圧延装置における圧延材の張力の目標値は予め与えられているため、リファレンスガバナによる目標値の修正はオフラインで行うことができる。しかし、プラントの種類によっては、オフライン計算ではなくオンライン計算が必要とされる場合がある。自動車の動力装置として用いられる内燃機関はそのようなプラントの一種である。内燃機関では、運転条件によって刻々と目標値が変化することから、状態量に課せられた制約を満たすためにはオンライン計算による目標値の修正が必要となる。

過給機を備えた内燃機関の場合、燃費の観点からの制約やハードの信頼性の観点からの制約が過給圧に対して課せられる。リファレンスガバナによるオンライン計算によれば、運転条件に基づいて将来の予測過給圧を計算し、予測過給圧と過給圧に課せられる制約とに基づいて過給圧の目標値を逐次修正することができる。ただし、リファレンスガバナのオンライン計算に掛かる計算量は多大であるのに対して、車載される制御装置の演算能力に大きな余裕はない。このため、リファレンスガバナによるオンライン計算を内燃機関の制御装置に実装する場合、制御装置には多大な演算負荷がかかってしまう。

本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたもので、過給圧に課せられた制約が満足されるようにリファレンスガバナを用いて過給圧の目標値を修正するにあたり、過給圧の将来予測に掛かる演算負荷を低減することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、過給機を有する内燃機関の制御装置であって、フィードバックコントローラとリファレンスガバナとを備える。フィードバックコントローラは、過給圧の計測値或いは推定値を目標値に近づけるようにフィードバック制御によって内燃機関の制御入力を決定する。リファレンスガバナは、内燃機関とフィードバックコントローラとを含む閉ループシステムのモデルを用いて、内燃機関の運転条件に基づき将来の予測過給圧を計算する。このとき、リファレンスガバナは、設定された予測長にわたって予測過給圧の計算を行うとともに、過給圧の応答性が高い運転条件における予測長のほうが過給圧の応答性が低い運転条件における予測長よりも短くなるように、運転条件に応じて予測長の設定値を変更する。そして、リファレンスガバナは、設定された予測長にわたって計算された予測過給圧と過給圧に課せられた制約とに基づいてフィードバックコントローラに与えられる目標値を修正する。

過給圧のフィードバック制御では、過給圧の目標値が変化した場合、実際の過給圧は目標値の変化に応答して目標値の変化方向に変化し、一旦、目標値をオーバーシュートして応答ピークに達する。その後、過給圧は目標値を中心に振動しながらやがて目標値へ収束する。このような過給圧の変化において制約への抵触が最も起こりやすいのが過給圧が最大に変化したとき、つまり、過給圧の応答ピークである。よって、リファレンスガバナによる制約の抵触有無の判定は、目標値の変化の時点から過給圧の応答ピークまでを含む時間について行えばよい。ただし、過給圧の応答性は内燃機関の運転条件によって変化する。このため、過給圧の目標値の変化に応答して実際の過給圧が変化するとき、目標値の変化の時点から過給圧の応答ピークまでの時間は運転条件によって異なったものとなる。この点に関し、本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、リファレンスガバナは過給圧の将来予測に係る予測長の設定値を運転条件に応じて変更する。より詳しくは、過給圧の応答性が高い運転条件では予測長は短くされ、過給圧の応答性が低い運転条件では予測長は長くされる。このように運転条件に応じて予測長が変更されることで、過給圧の将来予測のために不必要に長い計算が行われることはない。よって、本発明によれば、過給圧の将来予測に掛かる演算負荷を低減することができる。

本発明の実施の形態の制御装置が適用されるディーゼルエンジンの入出力を示す図である。 本発明の実施の形態の制御装置が有するディーゼルエンジンの目標値追従制御構造を示す図である。 図２に示す目標値追従制御構造を等価変形した図である。 図２に示す目標値追従制御構造の閉ループシステムの動特性を示す図である。 リファレンスガバナで設定される予測長とエンジン回転数との関係について説明するための図である。 図２に示す目標値追従制御構造を適用可能なディーゼルエンジンの入出力の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。

本実施の形態に係る制御装置は、自動車に搭載されるディーゼルエンジンの制御装置である。制御対象であるディーゼルエンジンは、詳しくは、可変容量ターボチャージャーとＥＧＲ装置とを備えるディーゼルエンジンである。図１は本実施の形態の制御装置が適用されるディーゼルエンジン（ＤＥ）の入出力を示す図である。ディーゼルエンジンの制御入力（操作量）は可変ノズル開度（ＶＮ開度）、ＥＧＲ弁開度、及び、ディーゼルスロットル開度（Ｄスロ開度）であり、ディーゼルエンジンの制御出力（状態量）は過給圧とＥＧＲ率である。過給圧にはハード上の制約として上限値が設定されている。本実施の形態に係る制御装置は、過給圧を上限値以下に維持しながら、過給圧とＥＧＲ率のそれぞれを目標値に追従させるようにディーゼルエンジンの制御入力を決定する。

図２は本実施の形態に係る制御装置が有するディーゼルエンジンの目標値追従制御構造を示す図である。本実施の形態に係る目標値追従制御構造は、目標値マップ（ＭＡＰ）、リファレンスガバナ（ＲＧ）、及び、フィードバックコントローラ（ＦＢＣ）を備える。目標値マップは、ディーゼルエンジン（ＤＥ）の運転条件を示す外生入力ｗ＝［回転数；噴射量］が与えられるとディーゼルエンジンの制御量の目標値ｒ＝［ＥＧＲ率目標値；過給圧目標値］を出力する。

リファレンスガバナは、制御量の目標値ｒが与えられると、過給圧ｚに関する制約が満たされるように目標値ｒを修正し、修正目標値ｇ＝［ＥＧＲ率修正目標値；過給圧修正目標値］を出力する。リファレンスガバナの詳細については後述する。

フィードバックコントローラは、リファレンスガバナから修正目標値ｇが与えられると、ディーゼルエンジンの各状態量ｘ＝［ＥＧＲ率；過給圧］を修正目標値ｇに近づけるように、フィードバック制御によってディーゼルエンジンの制御入力ｕ＝［ディーゼルスロットル開度；ＥＧＲ弁開度；可変ノズル開度］を決定する。フィードバックコントローラの仕様に限定はなく、公知のフィードバックコントローラを用いることができる。

図３は図２に示す目標値追従制御構造を等価変形して得られたフィードフォワード構造である。図２において破線で囲まれた閉ループシステムは既に設計済みであるとして、図３に示すフィードフォワード構造では１つのモデル（Ｐ）とされている。閉ループシステムのモデルは次のモデル式（１）で表される。式（１）において、ｆ，ｈはモデル式の関数である。また、ｋは離散時間ステップを表している

リファレンスガバナは、与えられた目標値ｒに基づいて修正目標値ｇの候補を複数用意する。具体的には、過給圧とＥＧＲ率とを軸とする２次元平面上に格子状に探索点を配列し、各探索点を修正目標値候補（ｇ₁,ｇ₂,...,ｇ_Ng）として設定する。Ｎ_gは修正目標値候補の個数を表している。リファレンスガバナは、修正目標値候補のそれぞれを閉ループシステムのモデルに入力して過給圧ｚの将来値を予測する。リファレンスガバナが用いる予測モデルは式（１）で表されるので、過給圧ｚの将来予測値は次の式（２）で表される。式（２）においてＮ_hは予測ステップ数（予測ホライズン）である。予測ステップ数に離散時間ステップの時間間隔を乗じた値が現在から将来にかけての予測長となる。また、ここでは、予測区間の間、時刻ｋにおける外生入力の値ｗ(k)が継続すると仮定されている。

リファレンスガバナは予測ステップ数Ｎ_hの期間にわたって将来の予測過給圧ｚ(k＋τ)を計算し、予測過給圧ｚ(k＋τ)が制約に抵触するかどうか、つまり、予測過給圧ｚ(k＋τ)が過給圧上限値を超えていないかどうか修正目標値候補ごとに判定する。そして、予測過給圧ｚ(k＋τ)が過給圧上限値以下に収まる範囲で目標値ｒに最も近い修正目標値候補を最終的な修正目標値ｇとして選択する。

上記の予測ステップ数Ｎ_hは一般的には一定数に固定される。しかし、本実施の形態に係る制御装置では、予測ステップ数Ｎ_hは一定数に固定されず、以下に説明するとおり、ディーゼルエンジンの運転条件に応じて変更されるようになっている。

図４は、ディーゼルエンジンを含む閉ループシステムの動特性を示す時間図である。この時間図には、フィードバックコントローラに入力された過給圧の目標値の軌道と、ディーゼルエンジンから出力された過給圧の軌道のイメージと、過給圧に課せられた制約である上限値とが描かれている。フィードバックコントローラによる過給圧フィードバック制御によれば、目標値が時刻t0でステップ状に増大した場合、過給圧は目標値の変化に応答して増大していき、一旦、目標値をオーバーシュートして応答ピークに達する。その後、過給圧は目標値を中心に振動しながらやがて目標値へ収束していく。

リファレンスガバナは、式（２）で表される予測モデルを用いて時刻t0の時点でその後の過給圧の軌道を予測し、予測した過給圧の軌道が制約に抵触しないかどうか判断する。予測モデルを用いて将来の過給圧を予測する範囲、すなわち、予測長が長くなるほど、制御装置に掛かる演算負荷は大きくなる。よって、予測長はできる限り短くしたいが、予測長を単純に短くしたのでは将来における制約への抵触を予見することができなくなる。

ここで、図４に示す時刻t0以降の過給圧の軌道について着目する。図４に示す過給圧の軌道によれば、制約に抵触する可能性が最も高いのは過給圧が応答ピークに達した時点（時刻t1）である。よって、目標値の変化の時点から過給圧が応答ピークに達する時点までを含む期間が予測長となるように予測ステップ数Ｎ_hを設定すれば、制約の抵触有無を間違いなく判定しつつ過給圧の将来予測に掛かる演算負荷を最小にすることができると考えられる。

ただし、ディーゼルエンジンにおける過給圧の応答性は一定ではなく、運転条件であるエンジン回転数と燃料噴射量とによって過給圧の応答性は異なってくる。燃料噴射量が一定であるならば、エンジン回転数が高くなるほど過給圧の応答性は高くなっていく。また、エンジン回転数が一定であるならば、燃料噴射量が多くなるほど過給圧の応答性は高くなっていく。一例として、図５に示すグラフＡには低回転時における過給圧の軌道のイメージが描かれ、グラフＢには高回転時における過給圧の軌道のイメージが描かれている。これらの２つのグラフの比較から分かるように、過給圧の目標値の変化の時点から過給圧が応答ピークに達する時点までの応答時間は一定ではない。エンジン回転数が高いほど過給圧の応答時間は短くなる。同様に、燃料噴射量が多いほど過給圧の応答時間は短くなる。

図５の各グラフには、リファレンスガバナで設定される過給圧の将来予測に掛かる予測長が示されている。各グラフに示すように、予測長は、目標値の変化の時点から過給圧が応答ピークに達する時点までの応答時間に合わせて設定されている。エンジン回転数の変化によって応答時間が変われば予測長もそれに応じて変更される。このような設定によれば、過給圧の応答性の高い高回転時には予測長が短くなるように予測ステップ数Ｎ_hは少なくされ、過給圧の応答性の低い低回転時には予測長が長くなるように予測ステップ数Ｎ_hは多くされる。同様に、過給圧の応答性の高い大噴射量時には予測長が短くなるように予測ステップ数Ｎ_hは少なくされ、過給圧の応答性の低い小噴射量時には予測長が長くなるように予測ステップ数Ｎ_hは多くされる。

つまり、本実施の形態に係る制御装置では、過給圧の応答性が高い運転条件における予測長のほうが過給圧の応答性が低い運転条件における予測長よりも短くなるように、運転条件に応じて予測ステップ数Ｎ_hの設定値が変更される。より具体的には、回転数及び噴射量に予測ステップ数Ｎ_hを関連付けたマップを用いて外生入力ｗ＝［回転数；噴射量］から予測ステップ数Ｎ_hが決定される。なお、予測長の設定の基準となる応答時間は、閉ループシステムをモデル化した予測モデルを用いることで運転条件から計算することができる。

以上述べたように、本実施の形態に係る制御装置によれば、リファレンスガバナによる将来予測の予測長は運転条件に応じて変更され、運転条件に係らず現時刻から過給圧の応答ピークまでが予測の範囲とされる。このように応答ピーク後の余分な予測は行わないようにすることで、制約の抵触有無を間違いなく判定しつつ、過給圧の将来予測に掛かる演算負荷を低減することができる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、過給圧の将来予測に係る予測長は、目標値の変化の時点から過給圧が応答ピークに達する時点までの応答時間に余分時間を加えた長さとしてもよい。余分時間は例えば演算誤差に相当する時間とすることができる。つまり、本発明の実施にあたっては、エンジン回転数などの過給圧に影響する運転条件に応じて予測長が可変になっていればよい。

また、図１に示す目標値追従制御構造は、制御対象のディーゼルエンジンが低圧ＥＧＲシステムと高圧ＥＧＲシステムとを有する場合には、図６の（ａ）〜（ｄ）に示すような制御入力と制御出力との組み合わせにも適用することができる。図６の（ａ）及び（ｂ）では、低圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度（ＬＰＬ−ＥＧＲ弁開度）と高圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度（ＨＰＬ−ＥＧＲ弁開度）とが制御入力に含まれている。図６の（ｃ）及び（ｄ）では、低圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ量（ＬＰＬ−ＥＧＲ量）と高圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ量（ＨＰＬ−ＥＧＲ量）とが制御出力に含まれている。

さらに、本発明に係る制御装置が適用される内燃機関はディーゼルエンジンのみに限定されない。本発明に係る制御装置は過給機を備えたガソリンエンジンにも適用することができる。ガソリンエンジンの場合、エンジン回転数と吸入空気量とが過給圧に影響する運転条件となる。よって、本発明に係る制御装置をガソリンエンジンに適用する場合には、エンジン回転数と吸入空気量とに応じて予測長を可変にすればよい。

Claims (2)

1. 過給機を有する内燃機関の制御装置において、
   過給圧の計測値或いは推定値を目標値に近づけるようにフィードバック制御によって前記内燃機関の制御入力を決定するフィードバックコントローラと、
   前記内燃機関と前記フィードバックコントローラとを含む閉ループシステムのモデルを用いて運転条件に基づき将来の予測過給圧を計算し、前記予測過給圧と過給圧に課せられた制約とに基づいて前記フィードバックコントローラに与えられる前記目標値を修正するリファレンスガバナとを備え、
   前記リファレンスガバナは、予め設定された予測長にわたって前記予測過給圧の計算を行うとともに、過給圧の応答性が高い運転条件における予測長のほうが過給圧の応答性が低い運転条件における予測長よりも短くなるように、運転条件に応じて予測長の設定値を変更することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記運転条件は機関回転数を含むことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

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