JP2017101627A

JP2017101627A - 内燃機関制御装置

Info

Publication number: JP2017101627A
Application number: JP2015236628A
Authority: JP
Inventors: 隼人白井; Hayato Shirai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2015-12-03
Publication date: 2017-06-08

Abstract

【課題】勾配法を用いて過給圧とＥＧＲ率のオリジナルの目標値を修正するリファレンスガバナにおいて、目標値候補の修正禁止領域を設定した場合においても制約充足性の低下を抑制する。【解決手段】ステップＳ１では、修正目標値候補から過給圧目標値方向とＥＧＲ率目標値方向に所定距離だけ離れた周囲４点における目的関数値が算出され、各目標値方向における２点間の負方向の傾きを用いて勾配が算出される。ステップＳ２では、ＥＧＲ率目標値を増やす側の勾配があるか否かが判定される。ステップＳ３では、勾配算出地点のＥＧＲ率目標値が、修正許可領域の上限と等しいか否かが判定される。ステップＳ２，Ｓ３の判定の結果が肯定的な場合、ステップＳ４で、ＥＧＲ率目標値方向の傾きがゼロに設定され、ステップＳ１で算出した過給圧目標値方向における傾きのみを用いて勾配が再度算出される。【選択図】図１０

Description

本発明は、内燃機関制御装置に関し、より詳細には、リファレンスガバナを用いた過給圧とＥＧＲ率の制御が行われる内燃機関制御装置に関する。

特許文献１には、ディーゼルエンジンの過給圧とＥＧＲ率のそれぞれに課せられた上限値の制約を充足しつつ、過給圧とＥＧＲ率をそれぞれの目標値に追従させるための制御構造として、目標値マップと、リファレンスガバナと、フィードバックコントローラと、を備える制御装置が開示されている。この制御装置の制御対象であるディーゼルエンジンは、可変ノズルベーン機構を備えるターボチャージャと、ＥＧＲバルブと、ディーゼルスロットルとを備えており、可変ノズルベーン機構の開度が変更されると過給圧が変化し、排気（ＥＧＲガス）の再循環中にディーゼルスロットルの開度またはＥＧＲバルブの開度が変更されるとＥＧＲ率が変化する。

また、この制御装置のリファレンスガバナは、目標値マップから出力された過給圧とＥＧＲ率のオリジナルの目標値を修正し、修正後の目標値をフィードバックコントローラに出力するように構成されている。このリファレンスガバナでは、具体的に、修正後の目標値の候補としての複数の目標値候補の中から目的関数を最も小さくする目標値候補が勾配法によって探索され、修正後の目標値として採用される。

特開２０１５−０３１２４５号公報国際公開第２０１４／０９１７１７号特開２０１１−１９５０７５号公報

ところで、一般にはＥＧＲ率が高くなると失火が発生し易くなり、過給圧が高くなり過ぎると異常燃焼が発生し易くなる。そのため、勾配法による目標値候補の探索に際しては、このようなＥＧＲ率や過給圧が修正後の目標値として導出されないように修正禁止領域を事前に設定しておくことが望ましい。しかし、このような修正禁止領域を設定した場合において、修正禁止領域と修正許可領域の境界上に目標値候補が位置し、尚且つ、探索方向が修正禁止領域に入る方向となったときには、この探索が途中で止まるおそれがある。そして、目標値候補の探索が途中で止まった場合は、目標値の修正が不十分となるので、制約充足性が担保できなくなるという新たな問題が生じる。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、勾配法を用いて過給圧とＥＧＲ率のオリジナルの目標値を修正するリファレンスガバナにおいて、目標値候補の修正禁止領域を設定した場合においても制約充足性の低下を抑制することにある。

本発明は、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ている。フィードバックコントローラは、可変ノズルベーン機構を備えるターボチャージャとＥＧＲバルブとスロットルとを備える内燃機関の過給圧とＥＧＲ率が目標値に追従するように前記可変ノズルベーン機構、前記ＥＧＲバルブおよび前記スロットルの開度の制御量を決定する。リファレンスガバナは、内燃機関の過給圧とＥＧＲ率のオリジナルの目標値を修正し、修正後の目標値を前記フィードバックコントローラに出力する。また、リファレンスガバナは、前記修正後の目標値の候補としての複数の目標値候補の中から目的関数を最も小さくする目標値候補を勾配法によって探索し、前記修正後の目標値を導出する。本発明では、過給圧とＥＧＲ率の少なくとも一方の修正を禁止する修正禁止領域と修正許可領域の境界上に目標値候補が位置し、尚且つ、この目標値候補から算出される勾配の方向が前記修正禁止領域に入る方向である場合、リファレンスガバナが修正禁止に係る目標値方向の傾きをゼロに設定して勾配を再度算出し、前記目的関数を最も小さくする目標値候補を探索することを特徴としている。

本発明によれば、過給圧とＥＧＲ率の少なくとも一方の修正を禁止する修正禁止領域と修正許可領域の境界上に目標値候補が位置し、尚且つ、この目標値候補から算出される勾配の方向が前記修正禁止領域に入る方向である場合、リファレンスガバナが修正禁止に係る目標値方向の傾きをゼロに設定して勾配を再度算出し、前記目的関数を最も小さくする目標値候補を探索するので、目標値候補の探索が途中で止まるような不具合を未然に防止して制約充足性の低下を抑制することができる。

本発明の実施の形態のシステム構成を示す図である。リファレンスガバナのアルゴリズムを説明するための図である。過給圧の制約オーバー量S_Pimのイメージを示す図である。勾配法のアルゴリズムを説明するための図である。リファレンスガバナによって修正前目標値から修正後目標値が求められる様子を示した図である。修正禁止領域の一例を示す図である。修正禁止領域を設定した場合の問題点を説明するための図である。本実施の形態における勾配法アルゴリズムを説明するための図である。本実施の形態における勾配法アルゴリズムを適用した場合における、過給圧とＥＧＲ率（目標値および実値）の時系列変化を示した図である。本実施の形態における勾配法アルゴリズムを記述したフローチャートである。

［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態のシステム構成を示す図である。図１に示すシステムは、車両に搭載される内燃機関としてのディーゼルエンジン１０（以下単に「エンジン１０」ともいう。）を備えている。エンジン１０は複数気筒を備えているが、図１においてはその内の１つを示している。エンジン１０の各気筒には、ピストンにより燃焼室が形成されており、このピストンはクランク軸に連結されている。また、エンジン１０の各気筒には、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室に開口する吸気ポートおよび排気ポートと、吸気ポートを開閉する吸気バルブと、排気ポートを開閉する排気バルブと、が設けられている。なお、上記構成については、公知であるため図示を省略している。

図１に示すエンジン１０は、吸気通路１２と排気通路１４とを備えている。吸気通路１２の入口端には、エアクリーナ１６が設けられている。エアクリーナ１６の下流には、可変容量型ターボチャージャ（ＶＧＴ）１８のコンプレッサ１８ａが設けられている。コンプレッサ１８ａは、ＶＧＴ１８のタービン１８ｂの回転により駆動し、吸気を過給する。コンプレッサ１８ａの下流には、過給により温度が上昇した吸気を冷却するインタークーラ２０が設けられている。インタークーラ２０の下流には、吸空量を調節するディーゼルスロットル２２が設けられている。ディーゼルスロットル２２の下流には、サージタンク２４が形成されている。

排気通路１４に設けられるタービン１８ｂは、可変ノズルベーン機構（図示しない）を備えている。可変ノズルベーン機構は複数のノズルベーンを有しており、それらの開度（互いに隣り合うノズルベーン間の流路面積（スロート面積））を変更することによって排気の流れを調節する。可変ノズルベーン機構の開度（以下「ＶＧＴ開度」ともいう。）が変更されると、エンジン１０の過給圧が変化する。タービン１８ｂの下流には、排気を浄化する触媒２６が設けられている。

図１に示すエンジン１０は、排気系から吸気系に排気（ＥＧＲガス）を再循環させるＥＧＲ装置（ＨＰＬ−ＥＧＲ装置）を備えている。ＥＧＲ装置は、タービン１８ｂよりも上流の排気通路１４と、サージタンク２４とを接続するＥＧＲ通路３０を備えている。ＥＧＲ通路３０のサージタンク２４側には、ＥＧＲバルブ３２が設けられている。排気の再循環中にＥＧＲバルブ３２の開度（以下「ＥＧＲ開度」ともいう。）またはディーゼルスロットル２２の開度（以下「スロットル開度」ともいう。）が変更されると、ＥＧＲ率（＝ＥＧＲガス量／（ＥＧＲガス量＋新気量））が変化する。ＥＧＲ通路３０の途中には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３４が設けられている。

また、図１に示すシステムは、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。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、車両に搭載された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、コンプレッサ１８ａの下流を流れる吸気の圧力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各種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、上述した可変ノズルベーン機構、ディーゼルスロットル２２、ＥＧＲバルブ３２などが含まれている。

［ＥＣＵ４０によるエンジン制御］
本実施の形態において、ＥＣＵ４０は、制御対象であるエンジン１０の過給圧とＥＧＲ率のそれぞれに課せられた上限値の制約を充足しつつ、過給圧とＥＧＲ率をそれぞれの目標値に追従させる制御を実行する。このようなエンジン制御を実行するための制御構造として、ＥＣＵ４０は、目標値マップと、リファレンスガバナと、フィードバックコントローラと、を備えている。

目標値マップは、過給圧とＥＧＲ率のオリジナルの目標値（以下「修正前目標値」ともいう。）を算出するためのマップであり、エンジン回転速度と燃料噴射量ごとに予め適合されたものがこれに相当する。この目標値マップにエンジン回転速度と燃料噴射量が入力されると、修正前目標値がリファレンスガバナに出力される。リファレンスガバナは、修正前目標値を修正し、修正後の過給圧とＥＧＲ率の目標値（以下「修正後目標値」ともいう。）、フィードバックコントローラに出力するように構成されている（詳細は後述）。フィードバックコントローラは、エンジン１０の過給圧とＥＧＲ率のそれぞれを、修正後目標値に近づけるようにＶＧＴ開度、ＥＧＲ開度およびスロットル開度の制御量を決定するように構成されている。なお、上述した制御構造については、上述した特許文献１を参照することができる。

リファレンスガバナのアルゴリズムについて図２を参照しながら説明する。図２に示すアルゴリズムでは、(i)修正目標値候補に対する予測モデルを用いた将来予測を行うステップと、(ii)将来予測から目的関数を計算するステップと、(iii)修正目標値候補を探索するステップと、が有限回反復される。ここで、修正目標値候補とは、修正後目標値の候補を意味しており、ステップ(i)の１回目では上述したオリジナルの目標値がこれに相当し、２回目以降は直前のステップ(iii)で探索された修正目標値候補がこれに相当する。また、ステップ(i)で使用される予測モデルとは、過給圧とＥＧＲ率の将来挙動を予測するためのモデルであり、一例として下記式（１），（２）が挙げられる。なお、下記式（１），（２）におけるP_imは過給圧であり、ＥＧＲはＥＧＲ率であり、A〜Eはモデルの係数であり、X_VGT、X_EGR、X_THR、Q_fuelはそれぞれＶＧＴ開度、ＥＧＲ開度、スロットル開度、燃料噴射量である。

ステップ(ii)において使用される目的関数は、一例として下記式（３）が挙げられる。下記式（３）では、目的関数J(w)が、目標値の修正量に関する項（右辺第１項：修正前目標値ｒと修正目標値候補ｗの差の二乗）と、制約オーバー量に関する項（右辺第２項以降）の和で表されている。なお、右辺第２項に示す過給圧の制約オーバー量S_Pimのイメージは図３に示すとおりであり、これを式で表すと下記式（４）となる。ＥＧＲ率の制約オーバー量S_EGRを同様に式で表すと下記式（５）となる。なお、下記式（４），（５）におけるN_hは予測長であり、P_im(k)およびEGR(k)は上記式（１），（２）からそれぞれ求めた過給圧およびＥＧＲ率の予測値であり、上付き線が付いているP_imおよびEGRは過給圧およびＥＧＲ率の上限制約値である。

ステップ(iii)においては、上記式（３）の目的関数の値を最小にする過給圧とＥＧＲ率の目標値の組み合わせ（最適解）が勾配法により探索される。この勾配法のアルゴリズムについて図４を参照しながら説明する。なお、この図のｘ軸は過給圧目標値を示し、ｙ軸はＥＧＲ率目標値を示している。また、この図の等高線はｚ軸方向の目的関数値（等高線上の数値は一例である。）を示している。図４に示すアルゴリズムでは、先ず、修正前目標値からｘ軸方向およびｙ軸方向に所定距離だけ離れた周囲４点における目的関数値が算出される。続いて、ｘ軸方向およびｙ軸方向における２点間の負方向の傾きが算出され、そこから勾配が算出される。続いて、修正前目標値を起点とした勾配の方向に探索範囲を絞り込みつつ、目的関数値の最小値が探索される。これにより、１回目の修正目標値候補（修正目標値候補１）が算出される。この修正目標値候補１に対し、先ほどの修正前目標値に対する処理と同じ処理がなされることで、２回目の修正目標値候補（修正目標値候補２）が算出される。一連の処理を有限回繰り返すことで、最適解が導出される。

リファレンスガバナによって修正前目標値から修正後目標値が求められる様子を図５に示す。この図では目的関数の形状が下に凸の曲面形状となっている。上述したステップ(i)〜(iii)を繰り返すことで図５に示す修正目標値候補１，修正目標値候補２，・・・が次々に探索される。そして、有限回の反復が完了したら、その中で目的関数値を最も小さくする修正目標値候補が最適解として導出される。このようにして導出された修正目標値候補が修正後目標値であり、フィードバックコントローラに出力される。

［本実施の形態の特徴］
一般にＥＧＲ率が高くなれば失火が発生し易くなることから、本実施の形態の勾配法アルゴリズムでは、このようなＥＧＲ率が目標値として導出されないように修正目標値候補の修正禁止領域を設定している。この修正禁止領域の一例を図６に示す。この図の修正禁止領域よりも下側の領域が修正許可領域に相当する。この図は図４同様、過給圧目標値をｘ軸に、ＥＧＲ率目標値をｙ軸としている。但し、図４とは異なり、図６の等高線（等高線上の数値は一例である。）の位置関係は、ＥＧＲ率目標値が増加するほど目的関数値が小さくなっている。また、図６に示す修正目標値候補は、修正禁止領域と修正許可領域の境界上に位置している。そのため、この修正目標値候補から算出される勾配の方向は修正禁止領域に入る方向となる（図７参照）。

修正目標値候補の修正許可領域が設定されている以上、修正禁止領域に入る方向で修正目標値候補の探索がなされることはない。そのため、図７に示したような事象が発生した場合では新たな修正目標値候補の算出ができなくなり、その結果として制約充足性が低下してしまうことになる。そこで、本実施の形態では、修正目標値候補が修正禁止領域と修正許可領域の境界上に位置し、尚且つ、この修正目標値候補から算出される勾配の方向が修正禁止領域に入る方向であることが判明した場合、ＥＧＲ率目標値方向における２点間の傾きをゼロに設定する。

図８は、本実施の形態における勾配法アルゴリズムを説明するための図である。この図は図６同様、過給圧目標値をｘ軸に、ＥＧＲ率目標値をｙ軸としており、また、修正目標値候補のｙ座標値が修正許可領域の上限と等しくなっている。ｙ軸方向、つまり、ＥＧＲ率目標値方向の傾きをゼロとすれば、ｘ軸方向、つまり、過給圧目標値方向の傾きのみに基づいて勾配が算出されることになる。そのため、勾配の方向が破線矢印方向から実線矢印方向に変わり、ｘ軸方向に探索範囲が絞りこまれて目的関数値の最小値が探索される。これは、ｘ軸方向に修正目標値候補の算出が継続されることを意味している。

図９は、図８で説明した勾配法アルゴリズムを適用した場合における、過給圧とＥＧＲ率（目標値および実値）の時系列変化を示した図である。右側に示す「本提案」がこの時系列変化に相当し、左側に示す「従来」は図４で説明した勾配法アルゴリズムを適用した場合の時系列変化に相当している。なお、「本提案」および「従来」の何れにおいても、時刻ｔ_０において図７に示した事象が発生し、修正前目標値候補の探索中この事象が続くことを前提としている。また、過給圧の実値は例えば圧力センサ４６で検出した圧力値がこれに相当し、ＥＧＲ率の実値は例えばアクセルペダル開度センサ４４で検出したアクセルペダルの開度から推定したＥＧＲ率の値がこれに相当する。

「従来」の場合、勾配の方向が修正禁止領域に入る方向となると、修正目標値候補の算出が途中で止まってしまう。そのため、時刻ｔ_０までに算出された修正目標値候補の中から修正後目標値を求めなければならない。つまり、目標値の修正が不十分であるにも関わらず修正後目標値を求めなければならない。従って、この図に示すように過給圧の実値が制約に抵触するケースが出てきてしまう。一方「本提案」の場合は、勾配の方向が修正禁止領域に入る方向となっても、ｘ軸方向に修正目標値候補の算出が継続される。そのため、ＥＧＲ率目標値の修正がなされることはないものの、時刻ｔ_０以降も過給圧の目標値が修正され、その結果として「従来」の場合に見られたような制約抵触を回避しつつ、過給圧とＥＧＲ率をそれぞれの目標値に追従させることができる。

図１０は、図８で説明した勾配法アルゴリズムを記述したフローチャートである。このフローチャートでは先ず、修正目標値候補の周囲４点から勾配が算出される（ステップＳ１）。本ステップでは具体的に、図５で説明した過給圧目標値、ＥＧＲ率目標値および目的関数値をそれぞれｘ軸、ｙ軸およびｚ軸とする３次元空間に修正目標値候補がプロットされ、そこからｘ軸方向およびｙ軸方向に所定距離だけ離れた周囲４点における目的関数値が算出される。続いて、ｘ軸方向およびｙ軸方向における２点間の負方向の傾きが算出され、そこから勾配が算出される。

ステップＳ１に続いて、ＥＧＲ率目標値を増やす側の勾配があるか否かが判定される（ステップＳ２）。本ステップでは具体的に、ステップＳ１において算出したｙ軸方向における２点間の傾きから、修正目標値候補の探索範囲がＥＧＲ率目標値を増やす側にあるか否かを判定する。そして、ＥＧＲ率目標値が増加傾向にあると判定された場合はステップＳ３に進み、そうでないと判定された場合はステップＳ５に進む。

ステップＳ３では、勾配算出地点のＥＧＲ率目標値が、修正許可領域の上限と等しいか否かが判定される。本ステップでは具体的に、ステップＳ１で使用した修正目標値候補のＥＧＲ率が、修正許可領域の上限と比較される。そして、このＥＧＲ率が修正許可領域の上限に等しい場合はステップＳ４に進み、そうでないと判定された場合はステップＳ５に進む。

ステップＳ４では、ｙ軸方向、つまり、ＥＧＲ率目標値方向の傾きがゼロに設定され、ステップＳ１で算出したｘ軸方向、つまり、過給圧目標値方向における２点間の傾きのみを用いて勾配が再度算出される。ステップＳ２，Ｓ３の判定の結果が肯定的な場合、ステップＳ１で算出した勾配の方向では修正目標値候補の算出が止まってしまうと判断できるためである。

ステップＳ５では、最適解の探索が行われる。本ステップでは具体的に、ステップＳ１で使用した修正前目標値を起点として、ステップＳ１またはステップＳ４で算出された勾配の方向に探索範囲を絞り込みつつ、目的関数値を最小にする修正目標値候補が探索される。最適解は、ステップＳ１〜Ｓ５の処理の有限回の繰り返しが完了した段階において、目的関数値を最小にする修正目標値候補であることは既に説明した通りである。

以上、本実施の形態によれば、修正目標値候補が修正禁止領域と修正許可領域の境界上に位置し、尚且つ、この修正目標値候補から算出される勾配の方向が修正禁止領域に入る方向であることが判明した場合、過給圧目標値方向における２点間の傾きのみから算出した勾配を用いて最適解を探索できる。従って、修正目標値候補の算出が止まるような不具合を未然に防止して制約充足性を向上できる。

ところで、上記実施の形態ではディーゼルエンジンを前提として説明したが、本発明に係る制御装置はガソリンエンジンにも適用できる。また、上記実施の形態ではＨＰＬ−ＥＧＲ装置を備えるシステムを前提として説明したが、本発明に係る制御装置はＨＰＬ−ＥＧＲ装置の代わりにＬＰＬ−ＥＧＲ装置を備えるシステム、または、ＨＰＬ−ＥＧＲ装置とＬＰＬ−ＥＧＲ装置を同時に備えるシステムにも適用できる。また、本発明に係る制御装置はＶＧＴ１８がツインエントリ型のターボチャージャであっても適用できる。

また、上記実施の形態では、ＥＧＲ率目標値に関する修正禁止領域（図６参照）を設定した。しかし、同様の修正禁止領域は過給圧目標値にも設定できることから、本発明においてはＥＧＲ率目標値に関する修正禁止領域の代わりに過給圧目標値に関する修正禁止領域を設定してもよく、または、ＥＧＲ率目標値に関する修正禁止領域と同時に過給圧目標値に関する修正禁止領域を設定してもよい。

１０ディーゼルエンジン
１８可変容量型ターボチャージャ
１８ａコンプレッサ
１８ｂタービン
２２ディーゼルスロットル
３０ＥＧＲ通路
３２ＥＧＲバルブ
４０ＥＣＵ

Claims

可変ノズルベーン機構を備えるターボチャージャとＥＧＲバルブとスロットルとを備える内燃機関の過給圧とＥＧＲ率が目標値に追従するように前記可変ノズルベーン機構、前記ＥＧＲバルブおよび前記スロットルの開度の制御量を決定するフィードバックコントローラと、
内燃機関の過給圧とＥＧＲ率のオリジナルの目標値を修正し、修正後の目標値を前記フィードバックコントローラに出力するリファレンスガバナであって、前記修正後の目標値の候補としての複数の目標値候補の中から目的関数を最も小さくする目標値候補を勾配法によって探索し、前記修正後の目標値を導出するリファレンスガバナと、を備える内燃機関制御装置であって、
前記リファレンスガバナは、過給圧とＥＧＲ率の少なくとも一方の修正を禁止する修正禁止領域と修正許可領域の境界上に目標値候補が位置し、尚且つ、この目標値候補から算出される勾配の方向が前記修正禁止領域に入る方向である場合、修正禁止に係る目標値方向の傾きをゼロに設定して勾配を再度算出し、前記目的関数を最も小さくする目標値候補を探索することを特徴とする内燃機関制御装置。