JP2017020357A

JP2017020357A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2017020357A
Application number: JP2015136026A
Authority: JP
Inventors: 隼人白井; Hayato Shirai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-07-07
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2017-01-26

Abstract

【課題】ＥＧＲ率及び過給圧に課せられた制約が充足されるようにリファレンスガバナを用いて修正目標値を演算し、ＥＧＲ率及び過給圧を修正目標値に近づけるようにフィードバック制御を行うにあたり、制御干渉の発生を抑制することのできる内燃機関の制御装置を提供する。【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予測モデルを用いて過給圧及びＥＧＲ率の将来の予測値を計算し、予測値とこれら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。制御装置は、予測モデルに基づいて、過給圧及びＥＧＲ率の収束時間をそれぞれ予測し、予測された収束時間のうちの少なくとも一方が所定値以上である場合に、過給圧のフィードバック制御を停止するとともに、過給圧の目標値の修正を停止するように構成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、内燃機関の状態量に課せられる制約が充足されるようにリファレンスガバナを用いて内燃機関の制御量の目標値を修正する制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、内燃機関の制御出力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をモデル化した予測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、制御量の目標値としてＥＧＲ率目標値及び過給圧目標値が与えられると、ＥＧＲ率及び過給圧に関する制約が満たされるように目標値を修正する。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が与えられると、内燃機関の状態量であるＥＧＲ率及び過給圧を修正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であるスロットル開度、ＥＧＲ弁開度及び可変ノズル開度等を決定する。

特開２０１５−３１２４５号公報国際公開第２０１１／１４２０３８号

ここで、ＥＧＲ率及び過給圧の両方を同時に目標値へフィードバックすると、制御干渉が発生してＥＧＲ率及び過給圧が収束するまでの収束時間が長期化するおそれがある。この場合、ドライバビリティへの悪影響を及ぼすおそれがある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、ＥＧＲ率及び過給圧に課せられた制約が充足されるようにリファレンスガバナを用いて修正目標値を演算し、ＥＧＲ率及び過給圧を修正目標値に近づけるようにフィードバック制御を行うにあたり、制御干渉の発生を抑制することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、
過給圧及びＥＧＲ率の出力値をそれぞれ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予測モデルを用いて過給圧及びＥＧＲ率の将来の予測値をそれぞれ計算し、過給圧及びＥＧＲ率に課せられた制約と前記予測値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、を備える内燃機関の制御装置において、
前記制御装置は、前記予測モデルに基づいて、過給圧及びＥＧＲ率の収束時間をそれぞれ予測し、予測された収束時間のうちの少なくとも一方が所定値以上である場合に、前記フィードバックコントローラを用いた過給圧のフィードバック制御を停止するとともに、前記リファレンスガバナを用いた過給圧の目標値の修正を停止するように構成されていることを特徴としている。

制御干渉が発生すると過給圧及びＥＧＲ率の収束時間が長期化するため、収束時間は、制御干渉が発生するか否かを判定するための指標として用いることができる。本発明によれば、過給圧及びＥＧＲ率の収束時間のうちの少なくとも一方が所定値以上である場合に、フィードバックコントローラを用いた過給圧のフィードバック制御を停止するとともに、リファレンスガバナを用いた過給圧の目標値の修正を停止することが行なわれる。これにより、制御干渉を防止しつつＥＧＲ率の制約充足性を保つことができるので、ドライバビリティの悪化を防止しつつ燃費やエミッション性能の悪化を抑制することが可能となる。

本実施の形態に係る制御装置の目標値追従制御構造を示す図である。リファレンスガバナを用いた目標値の修正が行なわれていない場合のフィードバック制御の動特性の一例を示す図である。リファレンスガバナを用いた目標値の修正が行なわれている場合のフィードバック制御の動特性の一例を示す図である。制御干渉を回避するために制御装置が実行する制御のルーチンを示すフローチャートである。収束時間を予測するための方法を説明するための図である。修正目標値の探索手法を説明するための図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１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、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、排気系から吸気系へ排気を再循環させるＥＧＲ装置と排気エネルギを利用して吸気を過給するターボ過給機とを備えている。ＥＧＲ装置は、特定状態量であるＥＧＲ率を制御するためのアクチュエータとして、ＥＧＲ通路の途中にＥＧＲ弁を備えている。また、ターボ過給機は、特定状態量である過給圧を制御するアクチュエータとしてタービンに可変ノズルを備えている。

特定状態量であるＥＧＲ率及び過給圧には許容できる上限が存在し、これらがＥＧＲ装置によるＥＧＲ制御及びターボ過給機における過給圧制御の制約となっている。本実施の形態に係る制御装置は、特定状態量であるＥＧＲ率及び過給圧が制限（上限値）に抵触しないようにしながら、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であるＥＧＲ弁開度や可変ノズル開度を決定する。その制御構造が図１に示す目標値追従制御構造である。

図１は本実施の形態に係る制御装置の目標値追従制御構造を示す図である。本制御装置は、目標値マップ、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。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、ディーゼルエンジン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予測モデル用いて過給圧及びＥＧＲ率の将来の予測値を計算する。具体的には、予測モデルは次式（１）及び（２）で表される。

上式（１）は過給圧予測モデルであり、上式（２）は、ＥＧＲ率予測モデルである。これらの式において、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ及びＥはモデルの係数を、Ｐ_ｉｍは過給圧を、ＥＧＲはＥＧＲ率を、Ｘ_ＶＧＴは可変ノズル開度を、Ｑ_ｆｉｎは噴射量を、Ｘ_ＥＧＲはＥＧＲ弁の開度を、Ｘ_Ｔｈｒはスロットルの開度を、それぞれ表している。また、ｋは離散時刻のタイムステップを示している。

過給圧及びＥＧＲ率には、それぞれ制約が課せられている。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、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＝［ＥＧＲ率修正目標値；過給圧修正目標値］を出力する。

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の出力値である修正目標値ｗ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＝［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。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できる。

ここで、ＥＧＲ率及び過給圧の両方を同時に目標値へフィードバックすると、制御干渉が発生してＥＧＲ率及び過給圧が収束するまでの収束時間が長期化するおそれがある。図２は、リファレンスガバナを用いた目標値の修正が行なわれていない場合のフィードバック制御の動特性の一例を示す図であり、図中（Ａ）はＥＧＲ率の動特性の一例を、図中（Ｂ）は過給圧の動特性の一例を、それぞれ示している。また、図３は、リファレンスガバナを用いた目標値の修正が行なわれている場合のフィードバック制御の動特性の一例を示す図であり、図中（Ａ）はＥＧＲ率の動特性の一例を、図中（Ｂ）は過給圧の動特性の一例を、それぞれ示している。図２に示すように、リファレンスガバナを用いていない場合のフィードバック制御においては、目標値が修正されることがないため、例えば噴射量過渡時にも互いのフィードバック制御が制御干渉しないように、実機適合によってフィードバックゲインを調整することが可能となる。

しかしながら、図３に示すように、リファレンスガバナを用いた目標値修正が行なわれている場合のフィードバック制御においては、例えば噴射量過渡時に制約への抵触が予測された場合に目標値が修正される。この場合、実機適合によって制御干渉を確認していたときよりも大きな目標値変化が生じる場合があり、その結果ＥＧＲ率及び過給圧が収束するまでの時間が長期化して互いの制御が干渉する可能性が生じる。

そこで、本実施の形態の制御装置では、過給圧を制御する過給圧制御とＥＧＲ率を制御するＥＧＲ制御の間で制御干渉が生じるか否かの判定を行い、制御干渉が生じると判定された場合に、過給圧の目標値修正及び過給圧のフィードバック制御を停止することとしている。なお、制御干渉が生じるか否かは、過給圧及びＥＧＲ率の予測値が目標値に収束するまでの収束時間の長短によって判定する。以下、フローチャートに沿って、制御干渉を回避するために制御装置が実行する制御の具体的処理について詳細に説明する。

図４は、制御干渉を回避するために制御装置が実行する制御のルーチンを示すフローチャートである。図４に示すフローチャートでは、先ず、リファレンスガバナを用いた修正目標値の探索が行われる（ステップＳ１０）。次に、上記ステップＳ１０において算出された修正目標値を反映させた場合のＥＧＲ率及び過給圧の予測値が算出される（ステップＳ１２）。

次に、上記ステップＳ１２において算出された予測値が目標値に収束するまでの収束時間が所定時間以上か否かが判定される（ステップＳ１４）。ここでは、先ずＥＧＲ率及び過給圧の予測値の収束時間がそれぞれ予測される。図５は、収束時間を予測するための方法を説明するための図である。この図に示すように、ＥＧＲ率及び過給圧の予測値はオーバーシュートを繰り返しながら徐々に目標値へと収束する。このため、予測値が目標値±α％の範囲を超えた回数は、収束時間の指標として用いることができる。そこで、例えば、予測値が目標値±α％の範囲を超えた回数と収束時間との関係を予め実機等で明らかにしておき、予測値が目標値±α％の範囲を超えた回数をカウントすることにより収束時間を予測することができる。なお、±α％は、官能上問題ないレベルの値に設定すればよく、また、エミッションや燃費を考慮した閾値に設定してもよい。

なお、収束時間を予測する方法は上記方法に限られない。すなわち、予測値が目標値±α％の範囲を超えた頻度を指標として収束時間を予測してもよく、また、予測値近傍の所定範囲に収束した時点を特定し、当該時点までの時間を収束時間としてもよい。

上記ステップＳ１４では、次にＥＧＲ率及び過給圧の予測値の収束時間が所定値以上か否かがそれぞれ判定される。所定値は、制御干渉の発生によりドライバビリティの悪化やエミッションのバラつき等が生じる収束時間として予め設定された値がそれぞれ用いられる。その結果、予測値の収束時間が何れも所定値以上でないと判定された場合には、ＥＧＲ率制御と過給圧制御との間で制御干渉が発生する可能性が低いと判断することができる。この場合、次のステップに移行して、ＥＧＲ率及び過給圧の目標値修正が継続されるとともに、ＥＧＲ率及び過給圧のフィードバック制御がそれぞれ継続される（ステップＳ１６）。

一方、上記ステップＳ１４において、少なくとも何れかの予測値の収束時間が所定値以上であると判定された場合には、ＥＧＲ率制御と過給圧制御との間で制御干渉が発生する可能性が高いと判断することができる。この場合、次のステップに移行して、過給圧の目標値修正が停止されるとともに、過給圧のフィードバック制御が停止される（ステップＳ１８）。

図６は、修正目標値の探索手法を説明するための図である。この図に示すように、本実施の形態のリファレンスガバナによる修正目標値の探索では、目的関数を最小とする修正目標値が探索される。上記ステップＳ１０における修正目標値の探索では、過給圧及びＥＧＲ率の両者が修正されるので、図中（ａ）に示すように、過給圧の方向及びＥＧＲ率の方向の両者を考慮した修正目標値の探索が行われる。一方、ステップＳ１８の処理では、過給圧の目標値修正が停止されるので、図中（ｂ）に示すようにＥＧＲ率の方向に向かって修正目標値の探索が行われる。

このように、本実施の形態の制御装置によれば、過給圧及びＥＧＲ率の予測値が目標値に収束する収束時間を用いて、ＥＧＲ率制御と過給圧制御の制御干渉の発生有無を予測することができる。また、本実施の形態の制御装置によれば、制御干渉が発生すると予測された場合に過給圧の目標値修正と過給圧のフィードバック制御が停止されるので、制御干渉を有効に防いでドライバビリティの悪化の防止、燃費及び排気性能の悪化を抑制することができる。また、この際、ＥＧＲ率の目標値修正とＥＧＲ率のフィードバック制御は継続されるので、ＥＧＲ過多による失火を抑制してドライバビリティの悪化を防ぐことができる。

なお、本実施の形態の制御装置では、制御干渉の可能性が高いと判断された場合に過給圧の目標値修正と過給圧のフィードバック制御を停止することとしているが、これに替えてＥＧＲ率の目標値修正とフィードバック制御を停止させることは好ましくない。ＥＧＲ率の目標値修正とフィードバック制御を停止させると、ＮＯｘ排出への影響が大きいためである。

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。

上述の実施の形態では、制御対象をディーゼルエンジン本体とし、制御入力を可変ノズル開度（ＶＮ開度）とＥＧＲ弁開度とし、制御出力を過給圧とＥＧＲ率とした。しかしながら、制御対象であるディーゼルエンジンの制御入力及び制御出力の組み合わせはこれに限られない。すなわち、制御入力はＶＮ開度とＥＧＲ弁開度とディーゼルスロットル開度とにすることもできる。さらに、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、制御入力を低圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度と高圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度と可変ノズル開度とにすることができる。また、制御入力を低圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度と高圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度と可変ノズル開度とディーゼルスロットル開度とにすることもできる。また、制御出力を低圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ率と高圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ率と過給圧とにすることもできる。さらに、制御対象のディーゼルエンジンが２つのターボ過給機を備える２ターボシステムを有する場合には、制御入力を各ターボ過給機の可変ノズル開度とＥＧＲ弁開度とにすることができる。

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。例えば、ガソリンエンジン等の他の内燃機関に適用することができる。

Claims

過給圧及びＥＧＲ率の出力値をそれぞれ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予測モデルを用いて過給圧及びＥＧＲ率の将来の予測値をそれぞれ計算し、過給圧及びＥＧＲ率に課せられた制約と前記予測値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、
を備える内燃機関の制御装置において、
前記制御装置は、前記予測モデルに基づいて、過給圧及びＥＧＲ率の収束時間をそれぞれ予測し、予測された収束時間のうちの少なくとも一方が所定値以上である場合に、前記フィードバックコントローラを用いた過給圧のフィードバック制御を停止するとともに、前記リファレンスガバナを用いた過給圧の目標値の修正を停止するように構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。