JP2016098771A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リファレンスガバナを用いた目標値修正において、コンプレッサ作動点に関するサージ制約およびチョーク制約を取り扱うことのできる新規手法を提供する。【解決手段】リファレンスガバナは、式（２）に示す評価関数Ｊ（ｗ）を用いて修正目標値ｗを計算する。評価関数Ｊ（ｗ）の右辺第２項はペナルティ関数（第１ペナルティ関数）であり、制御出力予測値ｙ^が制約ｙ−に抵触する場合に目的関数にペナルティを加えるように構成されている。評価関数Ｊ（ｗ）の右辺第３項もペナルティ関数（第２ペナルティ関数）であり、制御出力予測値ｚ^、つまり、コンプレッサ後圧力とコンプレッサ流量の予測値とで定まる予測点ｚ^と、コンプレッサ通常運転領域との最短距離に応じて目的関数にペナルティを加えるように構成されている。【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、内燃機関の制御量の出力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当該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、当該内燃機関と当該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当該内燃機関の特定状態量の将来の予測値を計算し、当該予測値と当該特定状態量に課せられた制約とに基づいて当該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リファレンスガバナと、を備える内燃機関の制御装置が開示されている。

この制御装置において、リファレンスガバナは、特定状態量（酸化触媒およびＤＰＦの床温、過給圧、ＥＧＲ率等）の将来の予測値および制約と、修正目標値候補と、オリジナルの目標値とを用いて表される評価関数の最適値を最急降下法による繰り返し計算によって探索する。また、リファレンスガバナは、この評価関数を最適化する修正目標値候補、制御量の最終的な修正目標値として決定する。このようにしてオリジナルの目標値が修正され、最終的な修正目標値がフィードバックコントローラに入力されている。

特開２０１４−１２７０００号公報

ところで、過給機を備える内燃機関では、コンプレッサの下流の排気圧力（以下、「コンプレッサ後圧力」ともいう。）と、コンプレッサの吸気流量（以下、「コンプレッサ流量」ともいう。）とで定まる作動点（以下、「コンプレッサ作動点」ともいう。）が、サージラインとチョークラインの間の領域内に位置するように、内燃機関と過給機が制御される。つまり、内燃機関と過給機は、コンプレッサ作動点に関するサージ制約とチョーク制約を同時充足するように制御される。

サージ制約とチョーク制約は過給機付き内燃機関に必ず存在する制約であることから、これらを直接制御で取り扱い同時充足させる必要がある。これまで、サージ制約とチョーク制約の同時充足に対しては、主に制御パラメータやフィードバックコントローラのマップ定数適合によって実験的に検討されていたため、非常に多くの作業工数を要していた。この点、モデリングをベースとした手法によれば適合が不要となるものの、コンプレッサなどの過給機のモデリングがそもそも複雑であることからモデリングによる制御構築も余り進んでいない状況である。

仮に、コンプレッサ後圧力とコンプッサ流量を上述の特定状態量としてリファレンスガバナでの目標値修正に組み込むことができれば、適合やモデリングに頼ることなくサージ制約とチョーク制約を同時充足できる可能性がある。しかし、特許文献１をはじめとする従来のリファレンスガバナは、複数の状態量が複合的に関与するサージ制約やチョーク制約を取り扱うものではなく、そのための改良が必要であった。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものである。即ち、リファレンスガバナを用いた目標値修正において、コンプレッサ作動点に関するサージ制約およびチョーク制約を取り扱うことのできる新規手法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、過給機とＥＧＲ装置を備える内燃機関の制御量の出力値をその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内燃機関の特定状態量の将来の予測値を計算すると共に、計算した予測値と、前記特定状態量に課せられた制約と、オリジナルの目標値と、修正目標値の候補とを用いて表される評価関数の最適値を最急降下法による繰り返し計算によって探索し、前記最適値を用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、を備える内燃機関の制御装置であって、
前記特定状態量は、ＥＧＲ率、過給圧、前記過給機のコンプレッサの下流の排気圧力および前記コンプレッサの吸気流量であり、
前記オリジナルの目標値と前記修正目標値の候補との差に基づいて表される目的関数と、前記予測値として計算したＥＧＲ率および過給圧がそれぞれの制約に抵触する場合に前記目的関数にペナルティを与える第１ペナルティ関数と、前記予測値として計算したコンプレッサの下流の排気圧力とコンプレッサの吸気流量とで特定される予測点とサージラインとチョークラインの間の領域との最短距離に応じて前記目的関数にペナルティを与える第２ペナルティ関数と、に基づいて前記評価関数を表したことを特徴とする。

本発明によれば、リファレンスガバナを用いた目標値修正において、ＥＧＲ率や過給圧に課せられた制約に加えて、コンプレッサ作動点に関するサージ制約やチョーク制約をも充足させることが可能となる。

実施の形態に係る制御装置が適用されるシステムの構成を示す図である。 実施の形態に係る制御装置が有する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て得られたフィードフォワード構造である。 過給圧（ｘ軸）とＥＧＲ率（ｙ軸）の制約ｙ⁻を説明する図である。 コンプレッサ流量（ｘ軸）とコンプレッサ後圧力（ｙ軸）の制約ｚ⁻を説明する図である。 予測点ｚ^とコンプレッサ通常運転領域との最短距離を説明するための図である。 実施の形態に係るリファレンスガバナアルゴリズムを示す図である。 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。

図１は、本実施の形態に係る制御装置が適用されるシステムの構成を示す図である。図１に示すように、内燃機関としてのディーゼルエンジンの本体２には、４つの気筒が直列に備えられ、気筒ごとにインジェクタ８が設けられている。エンジン本体２には吸気マニホールド４と排気マニホールド６が取り付けられている。

吸気マニホールド４にはエアクリーナ２０から取り込まれた新気が流れる吸気通路１０が接続されている。吸気通路１０にはターボ過給機１４のコンプレッサ１４ａが取り付けられている。コンプレッサ１４ａの下流にはインタークーラ２２が備えられ、インタークーラ２２の下流にはディーゼルスロットル２４が設けられている。排気マニホールド６にはエンジン本体２からの排気を大気中に放出するための排気通路１２が接続されている。排気通路１２にはターボ過給機１４のタービン１４ｂが取り付けられている。ターボ過給機１４は可変容量型であって、タービン１４ｂには可変ノズル１６が備えられている。

図１に示すシステムは、排気系から吸気系へ排気を戻すＥＧＲ装置３０を備えている。ＥＧＲ装置３０は、吸気通路１０におけるディーゼルスロットル２４の下流と排気マニホールド６とをＥＧＲ通路３２によって接続する高圧ループＥＧＲ装置である。ＥＧＲ通路３２にはＥＧＲ弁３４が設けられている。但し、ＥＧＲ装置は、吸気通路１０におけるコンプレッサ１４ａの上流と、排気通路１２におけるタービン１４ｂの下流とを、ＥＧＲ通路３２とは別のＥＧＲ通路によって接続する低圧ループＥＧＲ装置であってもよい。

図１に示すＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０が本実施の形態に係る制御装置に相当する。ＥＣＵ４０は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）等を備えている。ＥＣＵ４０は、各種センサの信号を取り込み処理する。各種センサには、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ４２や、アクセルペダルの開度に応じた信号を出力するアクセルペダル開度センサ４４などが含まれている。ＥＣＵ４０は、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムに従ってアクチュエータを操作する。ＥＣＵ４０によって操作されるアクチュエータには、可変ノズル１６、ディーゼルスロットル２４、ＥＧＲ弁３４などが含まれている。

本実施の形態において、ＥＣＵ４０は、ディーゼルエンジンの過給圧、ＥＧＲ率、コンプレッサ後圧力およびコンプレッサ流量を制御する。この制御における制御入力（操作量）は可変ノズル開度、ＥＧＲ弁開度およびディーゼルスロットル開度であり、制御出力（特定状態量）は過給圧、ＥＧＲ率、コンプレッサ後圧力およびコンプレッサ流量である。ここで、過給圧とＥＧＲ率にはハード上或いは制御上の制約としての上限値および下限値が設定されている。また、コンプレッサ作動点の制約として、サージ制約とチョーク制約とが設定されている（詳細は後述）。ＥＣＵ４０は、過給圧、ＥＧＲ率、コンプレッサ後圧力およびコンプレッサ流量がそれぞれの制約を満たし、尚且つ、それぞれの目標値に追従させるように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目標値追従制御構造を示す図である。なお、図２に示す目的値追従制御構造は、ＥＣＵ４０のＲＯＭに格納された制御プログラムに従いＣＰＵが動作することで仮想的に実現される構成である。この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）およびフィードバックコントローラ（ＦＢＣ）を備えている。

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ｄ＝［エンジン回転速度；燃料噴射量］が与えられると、ディーゼルエンジンの制御量のオリジナルの目標値ｒ＝［ＥＧＲ率目標値；過給圧目標値；コンプレッサ後圧力目標値；コンプレッサ流量目標値］を出力する。

リファレンスガバナは、オリジナルの目標値ｒが与えられると、制御出力ｙ＝［ＥＧＲ率；過給圧］および制御出力ｚ＝［コンプレッサ後圧力；コンプレッサ流量］に関する制約が満たされるようにオリジナルの目標値ｒを修正し、修正目標値ｗ＝［ＥＧＲ率修正目標値；過給圧修正目標値；コンプレッサ後圧力目標値；コンプレッサ流量目標値］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ｗが与えられると、ディーゼルエンジンの状態量ｘ＝［ＥＧＲ率；過給圧；コンプレッサ後圧力；コンプレッサ流量］を修正目標値ｗ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，ｇ，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、上記の式（１）で表される予測モデルを用いてディーゼルエンジンの制御出力ｙ，ｚの将来の予測値（制御出力予測値）ｙ^，ｚ^を計算する。上述したように、制御出力ｙはＥＧＲ率と過給圧であり、上限値以下かつ下限値以上であることが制御出力ｙに課せられた制約ｙ⁻である。図４は、過給圧（ｘ軸）とＥＧＲ率（ｙ軸）の制約ｙ⁻を説明する図である。図４に示すように、制約ｙ⁻は、過給圧の上限値ｘ_ｍａｘおよび下限値ｘ_ｍｉｎと、ＥＧＲ率の上限値ｙ_ｍａｘおよび下限値ｙ_ｍｉｎとで囲まれる四角形状の領域として表される（ｘ_ｍｉｎ≦ｘ≦ｘ_ｍａｘかつｙ_ｍｉｎ≦ｙ≦ｙ_ｍａｘ）。

また、制御出力ｚはコンプレッサ後圧力とコンプレッサ流量であり、コンプレッサ作動点がサージラインとチョークラインとの間のコンプレッサ通常運転領域内にあることが制御出力ｚに課せられた制約ｚ⁻である。図５は、コンプレッサ流量（ｘ軸）とコンプレッサ後圧力（ｙ軸）の制約ｚ⁻を説明する図である。図５に示すように、コンプレッサ通常運転領域は、チョークライン（ａ_１ｘ＋ｂ_１ｙ＝ｃ_１）とサージライン（ａ_２ｘ＋ｂ_２ｙ＝ｃ_２）の間に位置する領域として表される（ａ_１ｘ＋ｂ_１ｙ≧ｃ_１かつａ_２ｘ＋ｂ_２ｙ≦ｃ_２）。

式（１）に示すように、制御出力予測値ｙ^，ｚ^の計算には、状態量ｘおよび外生入力ｄに加えて修正目標値ｗが用いられる。リファレンスガバナは、制御出力予測値ｙ^，ｚ^と制約ｙ⁻，ｚ⁻とに基づき、次式（２）で表される評価関数Ｊ（ｗ）を用いて修正目標値ｗを計算する。

式（２）に示す評価関数Ｊ（ｗ）の右辺第１項は修正目標値候補ｗを変数とする目的関数である。この目標関数はオリジナルの目標値ｒと修正目標値候補ｗとの距離が小さいほど小さな値を取るように構成されている。

評価関数Ｊ（ｗ）の右辺第２項はペナルティ関数（第１ペナルティ関数）である。このペナルティ関数は制御出力予測値ｙ^が制約ｙ⁻に抵触する場合に目的関数にペナルティを加えるように構成されている。即ち、ＥＧＲ率の予測値が上限値を上回る場合または下限値を下回る場合に、目的関数にペナルティが与えられる。同様に、過給圧の予測値が上限値を上回る場合または下限値を下回る場合に目的関数にペナルティが与えられる。

なお、右辺第２項のペナルティ関数には、ペナルティに重みを付けるための重み定数ρ_１が設定されている。また、このペナルティ関数においてｙ^（ｋ＋ｉ|ｋ）は時刻ｋの時点での情報に基づく時刻ｋ＋ｉの時点の制御出力予測値ｙ^を表し、Ｎ_ｈは予測ホライズン（予測ステップ数）を表し、ｐは出力ベクトルの要素数を表している。

評価関数Ｊ（ｗ）の右辺第３項もペナルティ関数（第２ペナルティ関数）である。このペナルティ関数は制御出力予測値ｚ^、つまり、コンプレッサ後圧力とコンプレッサ流量の予測値とで定まる予測点ｚ^と、コンプレッサ通常運転領域との最短距離に応じて目的関数にペナルティを加えるように構成されている。図６は、予測点ｚ^とコンプレッサ通常運転領域との最短距離を説明するための図である。図６に示すように、様々な候補点（例えば、候補点ξ_１〜ξ_５）の内から、予測点ｚ^から見てコンプレッサ通常運転領域に最も近い候補点（例えばξ_３）を採用して、最短距離を求める。この最短距離は、２次計画問題をニュートン法や勾配法を用いて解くことで達成される。

なお、右辺第３項のペナルティ関数には、ペナルティに重みを付けるための重み定数ρ_２が設定されている。また、このペナルティ関数においてｚ^（ｋ＋ｉ|ｋ）は時刻ｋの時点での情報に基づく時刻ｋ＋ｉの時点の制御出力予測値ｚ^を表し、Ｎ_ｈは予測ホライズン（予測ステップ数）を表している。

リファレンスガバナによる修正目標値ｗの計算は、具体的に、式（２）の評価関数Ｊ（ｗ）を最小化する修正目標値候補ｗを、最小値探索手法として公知である最急降下法を用いて決定することにより行われる。図７は、本実施の形態に係るリファレンスガバナアルゴリズムを示す図である。図７に示すように、本実施の形態では、修正目標値候補ｗに対して、現在のディーゼルエンジンの運転条件に基づく閉ループシステムの将来予測と、この予測結果を用いた評価関数Ｊ（ｗ）の演算とが有限回反復される。これにより、式（２）に示す評価関数Ｊ（ｗ）を最小にする修正目標値候補ｗを選択し、選択した修正目標値候補ｗを最終的な修正目標値ｗとして決定する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、式（２）に示したように、評価関数Ｊ（ｗ）に２つのペナルティ関数を設けたので、リファレンスガバナを用いた修正目標値の計算において、ＥＧＲ率や過給圧に課せられた制約に加えて、コンプレッサ作動点に関するサージ制約やチョーク制約をも充足させることが可能となる。特に、本実施の形態によれば、式（２）の右辺第３項のペナルティ関数を設けたので、適合やモデリングに頼ることなく、コンプレッサの制約として最も重要なサージ制約とチョーク制約を同時充足させることが可能となる。

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、図２に示した目標値追従制御構造は、ディーゼルエンジンが低圧ループＥＧＲ装置と高圧ループＥＧＲ装置とを備える場合には、図８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８の（ａ）および（ｂ）では、可変ノズル開度（ＶＮ開度）やディーゼルスロットル開度（Ｄスロ開度）の他に、低圧ループＥＧＲ装置のＥＧＲ弁開度（ＬＰＬ−ＥＧＲ弁開度）と高圧ループＥＧＲ装置のＥＧＲ弁開度（ＨＰＬ−ＥＧＲ弁開度）とが制御入力に含まれている。図８の（ｃ）および（ｄ）では、ＥＧＲ率の代わりに、低圧ループＥＧＲ装置のＥＧＲ量（ＬＰ−ＥＧＲ量）と高圧ループＥＧＲ装置のＥＧＲ量（ＨＰ−ＥＧＲ量）とが制御出力に含まれている。

２ エンジン本体
１４ 過給機
１４ａ コンプレッサ
１４ｂ タービン
１６ 可変ノズル
２４ ディーゼルスロットル
３０ ＥＧＲ装置
３２ ＥＧＲ通路
３４ ＥＧＲ弁
４０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 過給機とＥＧＲ装置を備える内燃機関の制御量の出力値をその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内燃機関の特定状態量の将来の予測値を計算すると共に、計算した予測値と、前記特定状態量に課せられた制約と、オリジナルの目標値と、修正目標値の候補とを用いて表される評価関数の最適値を最急降下法による繰り返し計算によって探索し、前記最適値を用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、を備える内燃機関の制御装置であって、
   前記特定状態量は、ＥＧＲ率、過給圧、前記過給機のコンプレッサの下流の排気圧力および前記コンプレッサの吸気流量であり、
   前記オリジナルの目標値と前記修正目標値の候補との差に基づいて表される目的関数と、前記予測値として計算したＥＧＲ率および過給圧がそれぞれの制約に抵触する場合に前記目的関数にペナルティを与える第１ペナルティ関数と、前記予測値として計算したコンプレッサの下流の排気圧力とコンプレッサの吸気流量とで特定される予測点とサージラインとチョークラインの間の領域との最短距離に応じて前記目的関数にペナルティを与える第２ペナルティ関数と、に基づいて前記評価関数を表したことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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