JP2014084845A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＰＦの単位時間当り熱量変化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ＤＰＦ温度の目標値を修正するにあたり、単位時間当り熱量変化の将来予測にかかる演算負荷と予測値の信頼性との最適化をはかる。
【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ＤＰＦの単位時間当り熱量変化の将来の予測値を計算する。このとき、リファレンスガバナは、ＤＰＦの単位時間当り熱量変化に課せられた制約に対する予測値の余裕度が大きいほど将来予測に係る演算周期を長くするように、余裕度に応じて演算周期を変更する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ＤＰＦを備えた内燃機関の制御装置に関し、詳しくはＤＰＦの単位時間当り発熱量変化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ＤＰＦ温度の目標値を修正する制御装置に関する。

一般的なプラント制御装置は、プラントの制御量に関して目標値が与えられた場合、同制御量の出力値を目標値に追従させるようにフィードバック制御によってプラントの制御入力を決定するように構成されている。ただし、実際のプラントの制御においては、プラントの状態量に関してハード上或いは制御上の様々な制約が存在している場合が多い。それらの制約が充足されない場合、ハードの破損や制御性能の低下が生じるおそれがある。制約の充足性は、目標値に対する出力値の追従性と同じく、プラントの制御において求められる重要な性能の１つである。

リファレンスガバナは上記要求を満たすための１つの有効な手段である。リファレンスガバナは制御対象であるプラント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（フィードバック制御システム）をモデル化した予測モデルを備え、制約が課せられている状態量の将来値を予測モデルによって予測する。そして、状態量の予測値とそれに課せられた制約とに基づいてプラントの制御量の目標値を修正する。

リファレンスガバナをプラントの制御に適用した先行技術の例としては、下記の特許文献１に開示された先行技術を挙げることができる。この先行技術は多段圧延装置における圧延材の張力制御に関するものである。特許文献１に開示された先行技術では、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、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。

ＤＰＦを備え内燃機関の場合、ＤＰＦの信頼性の観点からの制約がＤＰＦの単位時間当り熱量変化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ＤＰＦの単位時間当り熱量変化の将来の予測値を計算し、予測値とＤＰＦの単位時間当り熱量変化に課せられる制約とに基づいてＤＰＦ温度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演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、ＤＰＦの単位時間当り熱量変化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ＤＰＦ温度の目標値を修正するにあたり、単位時間当り熱量変化の将来予測にかかる演算負荷と予測値の信頼性との最適化をはか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、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、ＤＰＦの温度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ように構成される。内燃機関が燃料添加弁を備える場合には燃料添加量を好適な制御入力として用いることができる。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ＤＰＦの単位時間当り熱量変化の将来の予測値を計算し、単位時間当り熱量変化の予測値と単位時間当り熱量変化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ように構成される。また、リファレンスガバナは、単位時間当り熱量変化の予測値の制約に対する余裕度が大きいほど将来予測に係る演算周期を長くするように、余裕度に応じて演算周期を変更するように構成される。

本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、単位時間当り熱量変化の予測値の制約に対する余裕度が大きい場合、つまり、制約に抵触する可能性が低い場合には、リファレンスガバナの演算周期を長くすることによって制御装置の演算負荷を減らすことができ、また、消費電力を抑えることもできる。逆に、単位時間当り熱量変化の予測値の制約に対する余裕度が小さい場合、つまり、制約に抵触する可能性が高い場合には、リファレンスガバナの演算周期を短くすることによって将来予測の精度を高めて予測値の信頼性を担保することができる。

本発明の実施の形態１に係る制御装置が適用されるディーゼルエンジンの後処理システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る制御装置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。 ＤＰＦのＰＭ堆積量と単位時間当り熱量変化との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る制御装置において設定されるリファレンスガバナの演算周期とＤＰＦの単位時間当り熱量変化との関係を示す図である。 ＤＰＦの床温と排気ガスによる熱の持ち去りによる単位時間当り熱量変化との関係を示す図である。 ＤＰＦの床温とＰＭの燃焼による単位時間当り熱量変化との関係を示す図である。 ＤＰＦの床温とＤＰＦの単位時間当り熱量変化との関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る制御装置において設定されるリファレンスガバナの演算周期とＤＰＦの単位時間当り熱量変化との関係を示す図である。 ＤＰＦを通過する排気ガスの温度と排気ガスによる熱の持ち去りによる単位時間当り熱量変化との関係を示す図である。 ＤＰＦを通過する排気ガスの流量と排気ガスによる熱の持ち去りによる単位時間当り熱量変化との関係を示す図である。

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、より詳しくは、ディーゼルエンジンの後処理システムを制御対象プラントとする制御装置である。図１はディーゼルエンジンの後処理システムの構成を示す概略図である。後処理システムは、排気通路にＤＯＣ（ディーゼル酸化触媒）とＤＰＦ（ディーゼル微粒子除去装置）とを備え、シリンダヘッドの排気ポートに燃料添加弁を備えている。排気通路におけるＤＰＦの下流にはＤＰＦ温度（詳しくは、ＤＰＦの出口ガス温度）を計測するための温度センサが取り付けられている。

本実施の形態に係る制御装置は、ＤＰＦの単位時間当り熱量変化（以下、単に熱量変化という）に課せられた制約を満足させながら、ＤＰＦ温度を目標値に追従させるための制御構造を備えている。その制御構造が図２に示す目標値追従制御構造である。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を備える。

目標値マップは、制御対象プラントの運転条件を示す外生入力ｄが与えられると、制御量であるＤＰＦ温度の目標値ｒを出力する。外生入力ｄには、排気ガスの質量流量や大気温度等が含まれる。外生入力ｄに含まれるこれらの物理量は計測値でもよいし推定値でもよい。

リファレンスガバナは、ＤＰＦ温度の目標値ｒが与えられると、ＤＰＦの熱量変化に課せられた制約が満たされるように目標値ｒを修正し、ＤＰＦ温度の修正目標値ｗを出力する。図２中に示すｚは制御入力や制御出力のうち制約のある信号を表現している。ＤＰＦの熱量変化もそのような制約のある信号のひとつである。ここでは、ＤＰＦ温度との関連性が高いＤＰＦの熱量変化のみに着目し、制約のある信号ｚはＤＰＦの熱量変化を意味するものとする。熱量変化ｚには制約として上限値が設けられている。熱量変化ｚが高い値になるとＤＰＦの温度が上昇し続けて溶損に至るおそれがある。制約として設定された上限値は、溶損を防いでＤＰＦの信頼性を担保することのできる値とされている。

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ＤＰＦ温度の修正目標値ｗが与えられると、ＤＰＦ温度の現在値を示す状態量ｘを取得し、修正目標値ｗと状態量ｘとの偏差ｅに基づくフィードバック制御によって制御対象プラントに与える制御入力ｕを決定する。本実施の形態に係る制御対象プラントは後処理システムであるので、制御入力ｕには、燃料添加弁によって排気ガス中に添加される燃料量、すなわち、燃料添加量が用いられる。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。例えば、比例積分フィードバックコントローラを用いることが可能である。

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を示す図である。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，ｇ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ｗの候補を複数用意する。そして、外生入力ｄと修正目標値候補のそれぞれを上記の式（１）で表される予測モデルに入力してＤＰＦの熱量変化ｚの将来の予測値を計算する。リファレンスガバナは現在から所定時間先の未来までの期間にわたって熱量変化ｚの予測値を計算し、熱量変化ｚの予測値が制約に抵触するかどうか、つまり、予測値が熱量変化の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、予測値が制約に抵触しない範囲でオリジナルの目標値ｒに最も近い修正目標値候補を最終的な修正目標値ｗとして決定する。

制約抵触の判定に用いる熱量変化の計算には、ＤＰＦに堆積したＰＭ量の推定値が用いられる。図４は、ＤＰＦのＰＭ堆積量と熱量変化との関係を示す図である。ＰＭの堆積量が大きいほどＰＭの燃焼により多くの熱が発生するため、熱量変化はＰＭ堆積量に比例して大きくなる。なお、ＰＭの燃焼による熱量変化は常に正の値をとり、その値にはＤＰＦの溶損を防止するための上限値が設定されている。図４に示すＰＭ堆積量と熱量変化との関係はマップ化されて制御装置に記憶されている。リファレンスガバナは、運転条件を示す外生入力ｄやＤＰＦ温度等からＰＭ堆積量を推定し、ＰＭ堆積量の推定値に基づいて熱量変化の予測値を算出する。

本実施の形態に係る制御装置では、リファレンスガバナの将来予測に係る演算周期は可変である。より詳しくは、ＤＰＦの熱量変化に課せられた制約に対する熱量変化の予測値の余裕度に応じてリファレンスガバナの演算周期が変更される。余裕度は制約である上限値と予測値との差として定義される。図５は、本実施の形態に係る制御装置において設定されるリファレンスガバナの演算周期とＤＰＦの熱量変化との関係を示す図である。本実施の形態では、ＤＰＦの熱量変化が小さいほど、つまり、制約である上限値（図示略）との差が大きいほど、将来予測に係る演算周期は長くされる。

このように熱量変化の予測値の制約に対する余裕度に応じてリファレンスガバナの演算周期を変更することにより、余裕度が大きい場合、つまり、制約に抵触する可能性が低い場合には、リファレンスガバナの演算周期を長くすることによって制御装置の演算負荷を減らすことができる。演算負荷を減らすことができれば消費電力を抑えることもできる。逆に余裕度が小さい場合、つまり、制約に抵触する可能性が高い場合には、リファレンスガバナの演算周期を短くすることによって将来予測の精度を高めて予測値の信頼性を担保することができる。予測値の信頼性を高めて制約への抵触を回避することにより、溶損を防いでＤＰＦの信頼性を担保することができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を参照して説明する。

本実施の形態に係る制御装置は、実施の形態１に係る制御装置と同じく、図２に示す目標値追従制御構造を有している。ただし、本実施の形態に係る制御装置は、実施の形態１に係る制御装置とはリファレンスガバナの機能に違いがある。詳しくは、本実施の形態の制御装置が備えるリファレンスガバナは、制約抵触の判定に用いる熱量変化の計算にＤＰＦの床温の推定値を使用する。ＤＰＦの床温は温度センサによって計測されるＤＰＦの出口ガス温度から推定される。

ＤＰＦの温度を低下させる主たる要因は排気ガスによる熱の持ち去りであり、ＤＰＦの温度を上昇させる主たる要因はＰＭの燃焼による熱の発生である。排気ガスによる熱の持ち去りによるＤＰＦの熱量変化にはＤＰＦの床温が影響する。図６は、ＤＰＦの床温と排気ガスによる熱の持ち去りによる熱量変化との関係を示す図である。また、ＰＭの燃焼によるＤＰＦの熱量変化の大きさにもＤＰＦの床温が影響する。図７は、ＤＰＦの床温とＰＭの燃焼による熱量変化との関係を示す図である。これらの図に示すように、ＤＰＦの床温が高いほど排気ガスによる熱の持ち去りによる負の熱量変化は大きくなる一方、ＰＭの燃焼による正の熱量変化も大きくなる。

排気ガスによる熱の持ち去りによる熱量変化とＰＭの燃焼による熱量変化とを合計することで、図８に示すＤＰＦの床温とＤＰＦの熱量変化との関係を得ることができる。この図に示すように、ＤＰＦの床温がある温度のとき熱量変化の値はゼロとなる。実施の形態１における熱量変化の計算では発熱のみが考慮されているのに対し、本実施の形態における熱量変化の計算では発熱と放熱とが考慮されている。熱量変化がゼロであることは発熱と放熱が釣り合っていることを意味し、熱量変化がゼロより大きい場合には発熱が放熱を上回るためにＤＰＦの温度は上昇し続ける。このため、本実施の形態で計算される熱量変化の上限値はゼロに設定されている。なお、図８に示すＤＰＦの床温と熱量変化との関係はマップ化されて制御装置に記憶されている。リファレンスガバナは、運転条件を示す外生入力ｄやＤＰＦの出口ガス温度等からＤＰＦの床温を推定し、ＤＰＦの床温の推定値に基づいて熱量変化の予測値を算出する。

本実施の形態に係る制御装置では、実施の形態１に係る制御装置と同様に、リファレンスガバナの将来予測に係る演算周期は上限値に対する熱量変化の予測値の余裕度に応じて変更される。図９は、本実施の形態に係る制御装置において設定されるリファレンスガバナの演算周期とＤＰＦの熱量変化との関係を示す図である。本実施の形態では、ＤＰＦの熱量変化が上限値であるゼロよりも小さい値になるようにＤＰＦ温度の修正目標値が計算される。その際、ＤＰＦの熱量変化が上限値であるゼロに近いほど、つまり、制約に対する余裕度が小さいほど、将来予測に係る演算周期は短くされ、上限値であるゼロとの差が大きいほど、将来予測に係る演算周期は長くされる。

本実施の形態ではＤＰＦの熱量変化の計算に発熱と放熱の両方が考慮されているので、実施の形態１よりも高い精度で熱量変化を計算し、より高い精度で制約の抵触判定を行うことができる。よって、本実施の形態に係る制御装置によれば、実施の形態１よりもさらに高い次元において、熱量変化の将来予測にかかる演算負荷と予測値の信頼性との最適化をはかることができる。

その他．
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、図１に示す構成ではＤＰＦの出口に温度センサを配置しているが、ＤＰＦの入口に温度センサを配置してＤＰＦの入口ガス温度をＤＰＦ温度として扱うこともできる。また、ＤＯＣの入口に温度センサを備える場合には、ＤＯＣの入口ガス温度からＤＰＦ温度を推定してもよいし、或いは、内燃機関の運転条件からＤＰＦ温度を推定してもよい。

また、実施の形態１における熱量変化の計算では、図７に示すＤＰＦの床温と熱量変化との関係に基づいてＰＭ堆積量から推定した熱量変化の値を補正してもよい。

実施の形態２における熱量変化の計算では、ＤＰＦを通過する排気ガスの温度に基づいてＤＰＦの床温から推定した熱量変化の値を補正してもよい。図１０は、ＤＰＦを通過する排気ガスの温度と排気ガスによる熱の持ち去りによる熱量変化との関係を示す図である。この図に示すように、排気ガスの温度が高いほど、排気ガスによって持ち去られる熱量は小さくなる。

さらに、実施の形態２における熱量変化の計算では、ＤＰＦを通過する排気ガスの流量に基づいてＤＰＦの床温から推定した熱量変化の値を補正してもよい。図１１は、ＤＰＦを通過する排気ガスの流量と排気ガスによる熱の持ち去りによる熱量変化との関係を示す図である。この図に示すように、排気ガスの流量が多いほど、排気ガスによって持ち去られる熱量は大きくなる。

Claims (5)

1. ＤＰＦを備える内燃機関の制御装置において、
   前記ＤＰＦの温度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前記ＤＰＦの単位時間当り熱量変化の将来の予測値を計算し、前記予測値と前記単位時間当り熱量変化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、前記予測値の前記制約に対する余裕度が大きいほど将来予測に係る演算周期を長くするように、前記余裕度に応じて前記演算周期を変更することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記リファレンスガバナは、前記ＤＰＦに堆積したＰＭ量の推定値に基づいて前記予測値を計算する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。
3. 前記リファレンスガバナは、前記ＤＰＦの温度の計測値或いは推定値に基づいて前記予測値を計算することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記リファレンスガバナは、前記ＤＰＦを通過するガスの温度の計測値或いは推定値に基づいて前記予測値を計算することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記リファレンスガバナは、前記ＤＰＦを通過するガスの流量の計測値或いは推定値に基づいて前記予測値を計算することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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