JP2016169688A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二分探索法に基づく反復アルゴリズムに従って過給圧とＥＧＲ率の修正目標値を探索する際に、無駄な演算が生じるのを抑制する。【解決手段】二分探索法の解の精度ｘと、探索範囲の上限および下限と、探索回数ｎとの関係を表す式（ｘ＝（上限−下限）／２ｎ）に着目し、ディーゼルエンジンの運転条件に応じて二分探索法での探索範囲と探索回数を変更する。上記式の探索範囲の上限および下限は、アクチュエータ開度に対する状態量の感度を線形的に表現できる状態量の上限および下限に設定する。その上で、ディーゼルエンジンの運転中に状態量の実際の変化特性を学習し、設定した上限および下限を更新する。【選択図】図７

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、より詳細には、過給機とＥＧＲ装置を備える内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特開２０１４−２２７９７４号公報には、過給圧とＥＧＲ率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、予測モデルを用いて過給圧とＥＧＲ率の将来値を計算し、計算した将来値と、過給圧およびＥＧＲ率のそれぞれに課せられる制約とに基づいて当該目標値を修正するリファレンスガバナと、を備える制御装置が開示されている。

また、特開２０１４−１３４９６７号公報には、ＤＰＦ（ディーゼル微粒子除去装置）の温度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、予測モデルを用いてＤＰＦの温度の将来値を計算し、計算した将来値と、ＤＰＦおよびＤＯＣ（ディーゼル酸化触媒）の温度のそれぞれに課せられる制約とに基づいて当該目標値を修正するリファレンスガバナと、を備える制御装置において、二分探索法に基づく反復アルゴリズムに従って制約を満たす修正目標値を探索するようにリファレンスガバナを構成した制御装置が開示されている。

特開２０１４−４８７１５号公報 特開２０１１−１２６７１号公報 特開２００９−５７９４５号公報 特開２０１４−２２７９７４号公報 特開２０１４−１３４９６７号公報

ところで、上述した二分探索法に基づく反復アルゴリズムにおいては、内燃機関の運転条件に応じて修正目標値の探索の範囲や回数を設定することが望ましい。また、過給機やＥＧＲ装置の構成部品の劣化を考慮すると、同じ運転条件であっても構成部品の劣化度合いに併せて探索の範囲や回数を変えることが望ましい。しかし、リファレンスガバナでの二分探索法に唯一言及している特開２０１４−１３４９６７号公報でさえも修正目標値の探索範囲の設定方法を開示するに留まり、その探索回数の適切な設定方法は皆無であると言わざるを得ない。そのため、修正目標値の探索回数を試行錯誤的な適合により設定せざるを得ず、結果として設定される探索回数は安全側の回数となることから、無駄な演算が生じる可能性が否めない。また、構成部品が劣化したとしても適合時の探索回数を使い続けることになるので、劣化時には演算の無駄が高確率で生じてしまう。

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、二分探索法に基づく反復アルゴリズムに従って過給圧とＥＧＲ率の修正目標値を探索する際に、無駄な演算が生じるのを抑制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、可変ノズル式の過給機とＥＧＲ弁とを備える内燃機関の制御装置であって、
過給圧とＥＧＲ率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、
線形モデルを用いて過給圧とＥＧＲ率の将来値を予測し、予測した前記将来値を変数として含む目的関数を最小にする修正目標値を二分探索法に基づく反復アルゴリズムに従って探索するリファレンスガバナと、
前記可変ノズルの操作中に前記可変ノズルの開度に対する変化を線形的に表現できる過給圧の範囲を、過給圧方向の探索範囲として内燃機関の運転条件ごとに記憶する手段と、
前記ＥＧＲ弁の操作中に前記ＥＧＲ弁の開度に対する変化を線形的に表現できるＥＧＲ率の範囲を、ＥＧＲ率方向の探索範囲として内燃機関の運転条件ごとに記憶する手段と、
内燃機関の運転条件から特定される、前記過給圧方向の探索範囲の上限および下限と、前記ＥＧＲ率方向の探索範囲の上限および下限と、に基づいて、前記反復アルゴリズムの反復回数を決定する手段と、
前記可変ノズルの実開度と実過給圧に基づいて、前記過給圧方向の探索範囲を更新する手段と、
前記ＥＧＲ弁の実開度と実ＥＧＲ率に基づいて、前記ＥＧＲ率方向の探索範囲を更新する手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、内燃機関の運転条件に関連付けて記憶した過給圧方向とＥＧＲ率方向の探索範囲に基づいて、修正目標値の二分探索を行うことができる。また、内燃機関の運転条件から特定したこれらの探索範囲の上限および下限に基づいて、二分探索時の反復アルゴリズムの反復回数を決定できる。従って、修正目標値の二分探索時に無駄な演算が生じるのを抑制できる。また、演算資源の有効活用にも繋がるので、演算抜けを回避でき、演算精度を向上することもできる。これに加え、本発明によれば、これらの探索範囲を更新することもできる。従って、構成部品が劣化した場合であっても、修正目標値の二分探索時に無駄な演算が生じるのを抑制でき、演算資源の有効活用を図るといった上述の副次的効果を得ることができる。

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説明する図である。 実施の形態に係るリファレンスガバナアルゴリズムを説明する図である。 最適化ソルバを用いた修正目標値の通常の探索手法を説明するための図である。 最適化ソルバを用いた修正目標値の通常の探索手法を説明するための図である。 可変ノズル１６の開度に対する過給圧の変化を示す図である。 探索範囲の上限および下限の更新手法を説明するためのフローチャートである。 可変ノズル１６の開度に対する変化を線形的に表現できる過給圧の上限および下限を示す図である。 本実施の形態の手法による探索回数の設定イメージ図である。 探索回数の具体的な決定手法を説明するためのフローチャートである。

本発明の実施の形態に係る制御装置は、ディーゼルエンジンの制御装置である。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に示すシステムは、エンジン本体２を備えている。エンジン本体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。また、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のコンプレッサが取り付けられている。このコンプレッサ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、タービンには可変ノズル１６が備えられている。

また、図１に示すシステムは、排気通路１２から吸気通路１０に排気を還流させるＥＧＲ装置を備えている。ＥＧＲ装置は、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３０によって接続する高圧ループＥＧＲ装置であり、ＥＧＲ通路３０の途中にはＥＧＲ弁３２が設けられている。但し、このＥＧＲ装置は、吸気通路１０におけるコンプレッサの上流と、排気通路１２におけるタービンの下流とを、ＥＧＲ通路３０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、ディーゼルエンジンの回転速度を検出する回転速度センサ４２、アクセルペダルの開度を検出するアクセルペダル開度センサ４４、コンプレッサ上流の吸気通路１０内の圧力（過給圧）を検出する圧力センサ４６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３２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率制御を実行する。過給圧・ＥＧＲ率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（状態量）は過給圧とＥＧＲ率である。ここで、過給圧とＥＧＲ率にはハード上或いは制御上の制約が課せられている。ＥＣＵ４０は、過給圧とＥＧＲ率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す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説明する図である。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）と、リファレンスガバナ（ＲＧ）と、フィードバックコントローラ（ＦＢＣ）とを備えている。

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、目標値ｒが与えられると、制御出力ｙ＝［ＥＧＲ率；過給圧］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ｗ＝［修正ＥＧＲ率目標値；修正過給圧目標値］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ｚ＝［ＥＧＲ率；過給圧］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は、比例積分フィードバックコントローラであり、図２に示すｅは誤差で、ｖは誤差積分値である。ここで紹介する比例積分フィードバックコントローラは本発明で用いることのできるフィードバックコントローラの一例に過ぎない。即ち、所望するシステムの応答特性によっては、比例積分微分コントローラを用いることも可能である。

制御対象であるディーゼルエンジンには、フィードバックコントローラからの制御入力ｕと、外生入力ｄとが入力される。これらの入力によって、ディーゼルエンジンの状態量ｚと、制御出力ｙとが決まる。

図３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説明する図である。図３に示すように、本実施の形態では、修正目標値候補に対する予測モデルによる将来予測と、この将来予測に基づく目的関数の計算と、最適化ソルバを用いた修正目標値候補の探索と、が有限回に亘って反復される。ここで、予測モデルとは、ＥＧＲ率および過給圧の将来値を予測するためのモデルであり、図２において破線で囲まれた閉ループシステムの線形モデルとして既に設計済みであるものとする。また、目的関数の計算には、過給圧、ＥＧＲ率の他、ターボ回転数、エキマニ圧力等が変数として用いられる。また、最適化ソルバは、勾配法と二分探索法を組み合わせたものであり、このうちの二分探索計算手法に本実施の形態の特徴がある。

図４乃至図５は、最適化ソルバを用いた修正目標値の通常の探索手法を説明するための図である。この修正目標値探索では、先ず、目的関数の勾配計算が行なわれる（ステップＳ１）。具体的には、修正前目標値（１回目はオリジナルの目標値で、２回目以降は直前の探索に使用した目標値）からＥＧＲ率方向と過給圧方向に所定距離だけ離れた近傍４点での目的関数が算出され、これらの目的関数に基づきこれから行う修正目標値の探索方向が決定される。続いて、この探索方向において、目的関数を最小とする修正目標値候補が二分探索法によって探索される（ステップＳ２）。探索した修正目標値候補は、この時点では候補の一つに過ぎない。即ち、反復終了と判定される（ステップＳ３でＹｅｓと判定される）までステップＳ１，Ｓ２の処理が繰り返され、修正目標値候補が複数リストアップされる。そして、反復終了までに探索した修正目標値候補のうち、目的関数を最小化するものが最終的な修正目標値として決定される。

ところで、図５に示したように、二分探索法では探索範囲をＥＧＲ率方向と過給圧方向に半分ずつ絞り込んで目的関数の最小値を探索しており、この探索範囲はディーゼルエンジンの運転条件や経時劣化（デポや詰り）を考慮して変更させることが望ましい。この理由について図６を参照しながら説明する。図６は、可変ノズル１６の開度に対する過給圧の変化を示す図である。図６に示すように、現在の運転条件の近傍では、可変ノズル１６の開度と過給圧の間に線形性が見られ、線形モデルで設計した予測モデル（破線）で予測される過給圧の傾向と概ね一致する。しかし、上述した過給圧の非線形性は、現在の運転条件から遠ざかるほど強くなる。つまり、現在の運転条件から遠ざかるほど、過給圧の予測精度が低下する。また、可変ノズル１６が経時劣化すれば、この線形性が見られる範囲そのものが狭まり、過給圧の予測精度がより一層低下してしまう。

また、図６で説明した特性は、ＥＧＲ弁３２の開度に対するＥＧＲ率の変化においても同様である。即ち、現在の運転条件から遠ざかるほどＥＧＲ率の予測精度が低下し、ＥＧＲ弁３２が経時劣化すると、より一層この予測精度が低下してしまう。このように、非線形性が強くなる領域では状態量の予測精度が低下し、条件次第では制約抵触側の値が算出される可能性があるにも関わらず、修正目標値候補を探索するのは演算の無駄である。

そこで、本実施の形態では、二分探索法の解の精度ｘと、探索範囲の上限および下限と、探索回数ｎとの関係を表す式（１）に着目し、二分探索法での探索範囲と探索回数をディーゼルエンジンの運転条件に応じて変更できるようにした。
ｘ＝（上限−下限）／２^ｎ ・・・（１）

式（１）において、探索範囲の上限および下限と、必要な解の精度を予め設定しておけば、式（１）を変形した式（２）から探索回数ｎを得ることができる。
ｎ＝ｌｏｇ_２｛（上限−下限）／ｘ｝ ・・・（２）
例えば、過給圧の上限および下限が２００ｋＰａおよび１５０ｋＰａであり、必要な過給圧精度が０．５ｋＰａ以内だとすると、これらの値を式（２）に代入して得られるｎの値（６．６４）から、探索回数ｎは７回となる。

また、式（１）の探索範囲の上限および下限は、アクチュエータ開度に対する状態量の感度を線形的に表現できる状態量の上限および下限に設定する。その上で、ディーゼルエンジンの運転中に状態量の実際の変化特性を学習し、設定した上限および下限を更新する。具体的には、可変ノズル１６の実際の開度に対する変化を線形的に表現できる実際の過給圧の上限および下限と、ＥＧＲ弁３２の実際の開度に対する変化を線形的に表現できる実際のＥＧＲ率の上限および下限とを設定し、ディーゼルエンジンの運転中に過給圧とＥＧＲ率の実際の変化特性を学習して、これらの設定値を更新する。

図７は、探索範囲の上限および下限の更新手法を説明するためのフローチャートである。この手法では、先ず、可変ノズル１６の開度（ＶＮ開度）と過給圧感度が計測される（ステップＳ４）。本ステップＳ４では、具体的に、可変ノズル１６の操作中の過給圧センサ値（具体的には圧力センサ４６のセンサ値）を定期的に取得する。ステップＳ４に続いて、可変ノズル１６の開度に対する変化を線形的に表現できる過給圧の上限および下限が更新される（ステップＳ５）。本ステップＳ５では、具体的には図８に示すように、ステップＳ４で取得した過給圧センサ値を可変ノズル１６の開度に対してプロットしていき、現在のディーゼルエンジンの運転条件に相当する点を通る近似直線からの距離が閾値を超える両側２点を過給圧方向の上限および下限として更新する。

ステップＳ４，Ｓ５同様に、ＥＧＲ率方向の上限および下限が特定される（ステップＳ６，Ｓ７）。即ち、ステップＳ６においてＥＧＲ弁３２の開度とＥＧＲ率感度が計測され、ステップＳ７においてＥＧＲ弁３２の開度に対する変化を線形的に表現できるＥＧＲ率の上限および下限が更新される。

上述した探索範囲の上限および下限の更新は、現在のディーゼルエンジンの運転条件に基づいて行われるものである。従って、更新後の上限および下限によれば、ディーゼルエンジンの運転条件や経時劣化を考慮した二分探索が可能となる。そのため、状態量の予測精度が低下する領域での修正目標値候補の探索を省略して、必要最低限の探索回数を設定することができる。

図９は、本実施の形態の手法による探索回数の設定イメージ図である。図９に「従来」として示すように、二分探索法での探索範囲が固定とされる従来手法では、運転状態によらず探索回数も固定（一例として１０回）となる。一方、「本提案」として示すように、本実施の形態による手法によれば、運転状態に応じて探索回数を変更できる。よって、修正目標値の二分探索時に無駄な演算が生じるのを抑制できる。また、演算資源の有効活用にも繋がるので、演算抜けを回避でき、演算精度を向上することもできる。

図１０は、探索回数の具体的な決定手法を説明するためのフローチャートである。この手法では、先ず、式（３），（４）により過給圧方向およびＥＧＲ率方向の探索回数が算出される（ステップＳ８，Ｓ９）。具体的には、ディーゼルエンジンの運転条件から過給圧方向の上限_{ｂｏｏｓｔ}および下限_{ｂｏｏｓｔ}と、ＥＧＲ率方向の上限_ＥＧＲおよび下限_ＥＧＲを特定し、これらを式（３），（４）に代入して過給圧方向の探索回数ｎ_{ｂｏｏｓｔ}とＥＧＲ率方向の探索回数ｎ_ＥＧＲを算出する。
ｎ_{ｂｏｏｓｔ}＝ｌｏｇ_２｛（上限_{ｂｏｏｓｔ}−下限_{ｂｏｏｓｔ}）／ｘ_{ｂｏｏｓｔ}｝ ・・・（３）
ｎ_ＥＧＲ＝ｌｏｇ_２｛（上限_ＥＧＲ−下限_ＥＧＲ）／ｘ_ＥＧＲ｝ ・・・（４）
なお、式（３），（４）に示すｘ_{ｂｏｏｓｔ}，ｘ_ＥＧＲは必要な解の精度（固定値）である。

ステップＳ９に続いて、過給圧方向の探索回数ｎ_{ｂｏｏｓｔ}とＥＧＲ率方向の探索回数ｎ_ＥＧＲの比較がされる（ステップＳ１０）。そして、より回数の多い方が二分探索法での探索回数として採用される（ステップＳ１１，Ｓ１２）。

以上、本実施の形態によれば、二分探索法での探索範囲と探索回数をディーゼルエンジンの運転条件に応じて変更できるので、状態量の予測精度が低下する領域での修正目標値候補の探索を省略して、必要最低限の探索回数を設定することができる。従って、修正目標値の二分探索時に無駄な演算が生じるのを抑制できる。また、演算資源の有効活用にも繋がるので、演算抜けを回避でき、演算精度を向上することもできる。

ところで、上記実施の形態では、ターボ過給機１４とＥＧＲ装置が１つのシステムを前提として説明したが、本発明は２つ以上のターボ過給機と２つ以上のＥＧＲ装置（例えば高圧ループＥＧＲ装置と低圧ループＥＧＲ装置の両方を備えるＥＧＲシステム）とを備えるディーゼルエンジンにも適用が可能である。

２ エンジン本体
１４ ターボ過給機
１６ 可変ノズル
２４ ディーゼルスロットル
３０ ＥＧＲ通路
３２ ＥＧＲ弁
４０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 可変ノズル式の過給機とＥＧＲ弁とを備える内燃機関の制御装置であって、
   過給圧とＥＧＲ率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、
   線形モデルを用いて過給圧とＥＧＲ率の将来値を予測し、予測した前記将来値を変数として含む目的関数を最小にする修正目標値を二分探索法に基づく反復アルゴリズムに従って探索するリファレンスガバナと、
   前記可変ノズルの操作中に前記可変ノズルの開度に対する変化を線形的に表現できる過給圧の範囲を、過給圧方向の探索範囲として内燃機関の運転条件ごとに記憶する手段と、
   前記ＥＧＲ弁の操作中に前記ＥＧＲ弁の開度に対する変化を線形的に表現できるＥＧＲ率の範囲を、ＥＧＲ率方向の探索範囲として内燃機関の運転条件ごとに記憶する手段と、
   内燃機関の運転条件から特定される、前記過給圧方向の探索範囲の上限および下限と、前記ＥＧＲ率方向の探索範囲の上限および下限と、に基づいて、前記反復アルゴリズムの反復回数を決定する手段と、
   前記可変ノズルの実開度と実過給圧に基づいて、前記過給圧方向の探索範囲を更新する手段と、
   前記ＥＧＲ弁の実開度と実ＥＧＲ率に基づいて、前記ＥＧＲ率方向の探索範囲を更新する手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

Images