JP2018059444A - エンジンシステムの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンを備えたエンジンシステムを高い精度のもとで制御することのできるエンジンシステムの制御装置を提供する。【解決手段】エンジンシステムは、ディーゼルエンジン１０、ディーゼルスロットル２０、ＥＧＲ装置２４、及び、可変容量型ターボチャージャー１７を備える。ＥＣＵ５０は、複数のパラメーターの値を取得し、複数のパラメーターの一部である複数の制御パラメーターの各々について、その取得した取得値に基づく目標値を演算する。ＥＣＵ５０は、複数の制御パラメーターの各々について目標値と取得値との偏差に基づく目標偏差を演算し、この目標偏差を構成要素に含む偏差ベクトルとゲイン行列とを乗算することで制御対象に対する制御指示値を演算する。ＥＣＵ５０が制御する制御パラメーターは吸気ＥＧＲ率とブースト圧とであり、制御対象はディーゼルスロットル２０、ＥＧＲ弁２７、及び、可変ノズル２８である。【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン、ディーゼルスロットル、ＥＧＲ装置、及び、可変容量型ターボチャージャーを備えたエンジンシステムに適用されるエンジンシステムの制御装置に関する。

従来から、ディーゼルエンジンを用いたエンジンシステムにおいては、ＮＯｘの低減や燃費の向上を図るために様々な技術が用いられている。例えば特許文献１に記載のエンジンシステムでは、ディーゼルエンジンの排気側から吸気側へ排気ガスの一部を還流させる排気再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置やターボチャージャーに流入する排気ガスの流速を変更可能な可変容量型ターボチャージャーが搭載されている。

特開２００３−１９３８７５号公報

近年では、さらなるＮＯｘの低減や燃費の向上を図るために、より高い精度のもとでエンジンシステムを制御することが求められている。
本発明は、ディーゼルエンジンを備えたエンジンシステムを高い精度のもとで制御することのできるエンジンシステムの制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するエンジンシステムの制御装置は、エンジンシステムの制御対象を制御するエンジンシステムの制御装置であって、前記エンジンシステムは、ディーゼルエンジン、ディーゼルスロットル、ＥＧＲ装置、及び、可変容量型ターボチャージャーを含むものであり、前記制御対象は、前記ディーゼルスロットル、前記ＥＧＲ装置のＥＧＲ弁、及び、前記可変容量型ターボチャージャーの可変ノズルを含むものであり、前記ディーゼルエンジンの状態量に関する複数のパラメーターの値を取得する取得部と、前記複数のパラメーターの一部である複数の制御パラメーターの各々について、前記取得部の取得値に基づく目標値を演算する目標値演算部と、前記複数の制御パラメーターの各々について前記目標値と前記取得部の取得値との偏差に基づく目標偏差を演算する目標偏差演算部と、前記目標偏差を構成要素に含む偏差ベクトルとゲイン行列とを乗算することで制御対象に対する制御指示値を演算する指示値演算部とを備え、前記制御パラメーターは、前記ディーゼルエンジンが吸入する作動ガスにおけるＥＧＲガスの割合である吸気ＥＧＲ率と前記可変容量型ターボチャージャーによって過給された吸入空気が流れる通路内の圧力であるブースト圧とを含む。

上記構成によれば、吸気ＥＧＲ率及びブースト圧の各々の目標偏差を構成要素に含む偏差ベクトルとゲイン行列とを乗算することにより制御対象の制御指示値が演算される。そして、制御対象には、吸気ＥＧＲ率及びブースト圧の双方に影響力を持つディーゼルスロットル、ＥＧＲ装置のＥＧＲ弁、及び、可変容量型ターボチャージャーの可変ノズルが設定されている。すなわち、上記構成によれば、吸気ＥＧＲ率及びブースト圧の各々の目標偏差、及び、吸気ＥＧＲ率及びブースト圧の各々が制御対象に与える影響力を考慮したうえで制御対象への制御指示値が演算される。これにより、他の制御パラメーターの影響を考慮しつつ、制御パラメーターの各々が目標値となるように制御対象の制御指示値が演算される。その結果、エンジンシステムを高い精度のもとで制御することができる。

上記エンジンシステムの制御装置は、前記ディーゼルエンジンの状態量に関するパラメーターであって前記制御対象の制御により値が変化する状態パラメーターについて、前記取得部の取得値のもとで前記ディーゼルエンジンが定常状態にあるときの値である理想値を演算する理想値演算部と、前記状態パラメーターについて前記理想値と前記取得部の取得値との偏差である状態偏差を演算する状態偏差演算部とをさらに備え、前記偏差ベクトルは、前記目標偏差と前記状態偏差とを構成要素に含んでいることが好ましい。

上記構成によれば、制御対象の制御指示値は、制御パラメーターの目標偏差に加えて、状態パラメーターの偏差である状態偏差を考慮して演算される。これにより、制御指示値は、制御パラメーターが目標値となるような値であり、かつ、ディーゼルエンジンが定常状態に近づくような値に設定される。その結果、排気ガスの性能が最もよい定常状態により近い状態にエンジンシステムを制御することができる。

上記エンジンシステムの制御装置において、前記目標偏差演算部は、前記制御パラメーターの各々について偏差の積算値を前記目標偏差として演算することが好ましい。
上記構成によれば、各制御パラメーターの偏差の積算値が目標偏差に設定されるから、各制御パラメーターを目標値に偏差なく到達させるサーボ系を構成することができる。

上記エンジンシステムの制御装置は、前記複数のパラメーターの推定値をモデルを用いて演算する状態量推定部をさらに備え、前記取得部は、前記状態量推定部が演算した前記推定値を取得することが好ましい。

取得部は、状態量推定部がモデルを用いて演算した推定値をエンジンの状態量に関するパラメーターの値として取得する。そのため、例えば、取得部がエンジンの状態量に関するパラメーターの値としてセンサーの観測値を取得する場合に比べて、より高い精度のもとでエンジンシステムを制御することができる。

上記エンジンシステムの制御装置は、前記ディーゼルエンジンの状態量に関するパラメーターを観測する観測部を備え、前記状態量推定部は、前記制御対象への制御指示値を入力ベクトルの構成要素、前記観測部の観測値を観測ベクトルの構成要素として用いるカルマンフィルター理論により前記推定値を演算するものであることが好ましい。そして、前記観測部が観測するパラメーターは、前記ブースト圧、前記ディーゼルエンジンが吸入する空気の量である吸入空気量、インテークマニホールド内の温度であるインマニ温度、これらディーゼルエンジンに対する吸気側の状態量を含み、また、前記可変容量型ターボチャージャーにおけるタービンの回転数であるタービン回転数、すなわちディーゼルエンジンに対する吸気側の状態と排気側の状態とのバランスを示す状態量を含むとよい。

上記構成によれば、状態量推定部の演算する推定値を、エンジンの今現在の状態量を示す値にさらに近づけることができる。そして、該推定値を利用して各制御対象の制御指示値が演算されることにより、エンジンシステムをさらに高い精度のもとで制御することができる。

エンジンシステムの制御装置の一実施形態を搭載したエンジンシステムの概略構成を示す図。 カルマンフィルター理論の一例を示すブロック線図。 エンジンシステムの制御装置の一例を示す機能ブロック図。 制御演算部の一例を示す機能ブロック図。 状態量推定部の一例を示す機能ブロック図。

図１〜図５を参照して、エンジンシステムの制御装置の一実施形態について説明する。まず、図１を参照してエンジンシステムの全体構成について説明する。
図１に示すように、エンジンシステムは、軽油を燃料とするディーゼルエンジン１０（以下、単にエンジン１０という。）を備えている。エンジン１０のシリンダーブロック１１には６つのシリンダー１２が形成されている。各シリンダー１２においては、吸入した作動ガスに対してインジェクター１３から燃料が噴射され、作動ガスと燃料との混合気が燃焼する。こうした混合気の燃焼が所定の順番で各シリンダー１２において行われることにより、エンジン１０のクランクシャフト１０ａが駆動される。

シリンダーブロック１１には、各シリンダー１２に作動ガスを供給するためのインテークマニホールド１４と、各シリンダー１２からの排気ガスが流入するエキゾーストマニホールド１５とが接続されている。

インテークマニホールド１４に接続される吸気通路１６には、上流側から順に、図示されないエアクリーナー、ターボチャージャー１７のコンプレッサー１８、インタークーラー１９が取り付けられている。また、吸気通路１６には、インタークーラー１９の下流側であって、かつ、後述するＥＧＲ通路２５との接続部分よりも上流側に、吸気通路１６の流路断面積を変更可能なディーゼルスロットル２０（以下、単にスロットル２０という。）が取り付けられている。

エキゾーストマニホールド１５には、排気通路２１が接続されている。排気通路２１には、コンプレッサー１８に連結軸２２を介して連結されたタービン２３が取り付けられている。また、エキゾーストマニホールド１５には、吸気通路１６に接続されて排気ガスの一部をＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガスとして吸気通路１６に導入するＥＧＲ装置２４のＥＧＲ通路２５が接続されている。ＥＧＲ通路２５には、ＥＧＲクーラー２６が取り付けられている。ＥＧＲ通路２５のうちでＥＧＲクーラー２６とエキゾーストマニホールド１５とを接続する部分は、第１ＥＧＲ通路２５Ａと第２ＥＧＲ通路２５Ｂとで構成される。ＥＧＲ通路２５には、ＥＧＲクーラー２６の下流側に、ＥＧＲ通路２５の流路断面積を変更可能なＥＧＲ弁２７が取り付けられている。シリンダー１２には、ＥＧＲ弁２７が開状態にあるときに排気ガスと吸入空気との混合気体が作動ガスとして供給され、ＥＧＲ弁２７が閉状態にあるときに吸入空気が作動ガスとして供給される。

ターボチャージャー１７は、タービン２３に可変ノズル２８が配設された可変容量型ターボチャージャー（ＶＮＴ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｎｏｚｚｌｅ Ｔｕｒｂｏ）である。可変ノズル２８は、ステッピングモーターを備えたアクチュエーター２９の駆動により開度が変更され、タービン２３に流入する排気ガスの流路断面積を変更する。

エンジンシステムは、吸入空気量センサー３１、ブースト圧センサー３２、インマニ温度センサー３３、エンジン回転数センサー３４、タービン回転数センサー３５、アクセル開度センサー３６を備える。

吸入空気量センサー３１は、コンプレッサー１８の上流にて吸入空気の質量流量である吸入空気量Ｇａを観測する。ブースト圧センサー３２は、スロットル２０の下流であって、かつ、吸気通路１６とＥＧＲ通路２５との接続部分よりも上流にて、ターボチャージャー１７によって過給された吸入空気の圧力であるブースト圧Ｐｂを観測する。インマニ温度センサー３３は、インテークマニホールド１４内の温度であって、エンジン１０が吸入する作動ガスの温度であるインマニ温度Ｔｉｍを観測する。エンジン回転数センサー３４は、クランクシャフト１０ａの回転数であるエンジン回転数Ｎｅを観測する。タービン回転数センサー３５は、ターボチャージャー１７の連結軸２２の回転数であるタービン回転数Ｎｔを観測する。アクセル開度センサー３６は、運転者が操作するアクセルペダルの踏み込み量であるアクセル開度ＡＣＣを観測する。上記各種センサー３１〜３６は、エンジン１０の状態量（運転状態）に関するパラメーターを観測する観測部として機能可能であり、センサー群４０（図３参照）を構成する。各種センサー３１〜３６の出力した信号は、エンジンシステムを統括制御する制御装置であるＥＣＵ５０に入力される。

ＥＣＵ５０は、プロセッサ、メモリ、入出力インターフェース等を有するマイクロコンピューターを中心に構成される。ＥＣＵ５０は、各種センサー３１〜３６の観測値を取得し、その取得した観測値を用いたカルマンフィルター理論により求めた状態量の推定値に基づいてスロットル２０、ＥＧＲ弁２７、可変ノズル２８といった制御対象６０（図３参照）を制御する。

ＥＣＵ５０の構成について説明するまえに、図２を参照してカルマンフィルター理論について説明する。
図２に示すように、カルマンフィルター理論において、制御対象に関する状態量を構成要素とする状態ベクトルをｘ（ｋ）、制御対象に対する制御指示値を構成要素とする入力ベクトルをｕ（ｋ）とした場合、状態方程式は、式（１）のように設定される。この入力ベクトルｕ（ｋ）は、例えば、状態ベクトルｘ（ｋ）、各種の運転条件におけるエンジンの理想的な状態量の値を構成要素とする理想ベクトルｘｓｓ（ｋ）、及び、制御対象に関する状態量の目標値を構成要素とする目標ベクトルｒ（ｋ）に基づくフィードバック制御により演算される。また、予め設定されたセンサーの観測値を構成要素とする観測ベクトルをｙ（ｋ）とした場合、観測方程式は、式（２）のように設定される。

なお、ｋは、０以上の整数であって離散時刻である。また、Ａはシステム行列、Ｂは入力行列、Ｃは観測行列であり、これらの行列は、例えば運動方程式といった第１原理モデリングやシミュレーションの結果等に基づいて予め設定される。また、ｗ（ｋ）はシステム雑音であり、ｖ（ｋ）は観測雑音である。これらシステム雑音ｗ（ｋ）及び観測雑音ｖ（ｋ）は、正規分布にしたがう互いに独立な白色雑音として取り扱われる。そのため、システム雑音ｗ（ｋ）及び観測雑音ｖ（ｋ）の平均値は０に設定される。また、システム雑音ｗ（ｋ）の分散σ_ｗ ^２及び観測雑音ｖ（ｋ）の分散σ_ｖ ^２は、予め行ったシミュレーション等の結果に基づいて設定される。

カルマンフィルター理論では、時刻ｋ−１までの情報に基づいて時刻ｋにおける状態ベクトルｘ（ｋ）の推定値である予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）を演算する予測ステップと、時刻ｋまでの情報に基づいて時刻ｋにおける状態ベクトルｘ（ｋ）の推定値であるフィルタリング推定値ｘ＾（ｋ）を演算するフィルタリングステップとが行われる。システム雑音ｗ（ｋ）及び観測雑音ｖ（ｋ）が互いに独立な正規分布にしたがう白色雑音であることから、予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）は式（３）で示され、フィルタリング推定値ｘ＾（ｋ）は式（４）で示される。状態ベクトルｘ（ｋ）の初期値ｘ（０）は、予め行ったシミュレーションの結果等に基づいて設定される。式（４）において、Ｇ（ｋ）はカルマンゲインである。カルマンゲインＧ（ｋ）は、予め行ったシミュレーション等の結果に基づいて設定された一定値であってもよいし、時刻ｋごとに更新されてもよい。

カルマンゲインＧ（ｋ）が更新される場合、予測ステップにおいて、式（５）に示すように、時刻ｋ−１の事後誤差共分散行列Ｐ（ｋ−１）やシステム行列Ａに基づいて、時刻ｋにおける事前誤差共分散行列Ｐ⁻（ｋ）が演算される。一方、フィルタリングステップにおいては、式（６）に示すようにカルマンゲインＧ（ｋ）が時刻ｋごとに更新される。また、フィルタリングステップにおいては、式（７）に示すように、時刻ｋにおける事前誤差共分散行列Ｐ⁻（ｋ）や更新されたカルマンゲインＧ（ｋ）等に基づいて事後誤差共分散行列Ｐ（ｋ）が演算される。

なお、事前誤差共分散行列Ｐ⁻（ｋ）の初期値Ｐ⁻（０）は、予め行ったシミュレーション等の結果に基づき設定される。式（５）〜（７）において、Ｉは単位行列、Ａ^Ｔはシステム行列Ａの転置行列、Ｃ^Ｔは観測行列Ｃの転置行列である。Ｑは、観測雑音ｖ（ｋ）についての共分散行列であり、予め行ったシミュレーションの結果に基づき設定される。

すなわち、カルマンフィルター理論では、まず、時刻ｋ−１までの情報に基づいて時刻ｋにおける状態ベクトルｘ（ｋ）の推定値である予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）が演算される。そして、時刻ｋにおいて観測ベクトルｙ（ｋ）が入力されると、観測ベクトルｙ（ｋ）から観測ベクトルｙ（ｋ）の予測値である観測予測値（＝Ｃｘ＾⁻（ｋ））が減算され、続いて観測予測誤差（＝ｙ（ｋ）−Ｃｘ＾⁻（ｋ））が演算される。

次に、観測予測誤差に対してカルマンゲインＧ（ｋ）が乗算されて予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）についての補正項（＝Ｇ（ｋ）×（ｙ（ｋ）−Ｃｘ＾⁻（ｋ）））が演算される。そして、予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）に補正項が加算され、時刻ｋまでの情報に基づく状態ベクトルｘ（ｋ）の推定値であるフィルタリング推定値ｘ＾（ｋ）が演算される。

次に、フィルタリング推定値ｘ＾（ｋ）に対してシステム行列Ａが乗算されたもの（＝Ａｘ＾（ｋ））と入力ベクトルｕ（ｋ）に対して入力行列Ｂが乗算されたもの（＝Ｂｕ（ｋ））とが加算されることにより、時刻ｋ＋１における予測推定値ｘ＾⁻（ｋ＋１）が演算される。予測推定値ｘ＾⁻（ｋ＋１）は、時刻を一つ遅らせることにより、次の時刻ｋにおける予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）として、入力ベクトルｕ（ｋ）の演算や観測予測値（＝Ｃｘ＾⁻（ｋ））の演算に用いられる。

図３〜図５を参照してＥＣＵ５０の構成について詳しく説明する。
図３に示すように、ＥＣＵ５０は、スロットル２０、ＥＧＲ弁２７、可変ノズル２８といった制御対象６０に対する制御指示値を構成要素とする入力ベクトルｕ（ｋ）を演算する制御演算部５１を備える。またＥＣＵ５０は、各種センサーの観測値を用いたカルマンフィルター理論を適用して、エンジン１０の状態量を示すパラメーターを構成要素とする状態ベクトルｘ（ｋ）の予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）を演算する状態量推定部５２を備える。

制御演算部５１は、取得部として、予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）、及び、センサー群４０の中から予め設定された複数のセンサーの観測値を構成要素とする観測ベクトルｙ（ｋ）を取得する。制御演算部５１は、予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）及び観測ベクトルｙ（ｋ）に基づき、状態パラメーターの理想値を構成要素とする理想ベクトルｘｓｓ（ｋ）と制御パラメーターの目標値を構成要素とする目標ベクトルｒ（ｋ）とを演算する。制御演算部５１は、理想ベクトルｘｓｓ（ｋ）、目標ベクトルｒ（ｋ）、及び、予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）に基づく状態フィードバック制御により入力ベクトルｕ（ｋ）を演算する。制御演算部５１は、入力ベクトルｕ（ｋ）を制御対象６０及び状態量推定部５２に出力する。

状態量推定部５２は、観測ベクトルｙ（ｋ）、制御演算部５１から入力される入力ベクトルｕ（ｋ）、及び、カルマンフィルター理論を用い、エンジン１０の状態量を示す複数のパラメーターを構成要素とする予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）を演算する。状態量推定部５２は、演算した予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）を制御演算部５１に出力する。

ＥＣＵ５０において、観測ベクトルｙ（ｋ）の構成要素である観測パラメーターには、吸入空気量Ｇａ、ブースト圧Ｐｂ、インマニ温度Ｔｉｍ、タービン回転数Ｎｔ、エンジン回転数Ｎｅ、及び、アクセル開度ＡＣＣが含まれている。

状態ベクトルｘ（ｋ）の構成要素には、目標ベクトルｒ（ｋ）の構成要素である制御パラメーターとしての吸気ＥＧＲ率ηｉ及びブースト圧Ｐｂが含まれている。また、状態ベクトルｘ（ｋ）の構成要素には、吸入空気量Ｇａ、インマニ温度Ｔｉｍ、タービン回転数Ｎｔが含まれている。吸気ＥＧＲ率ηｉは、作動ガス量Ｇｗｇ（重量）におけるＥＧＲガス量Ｇｒ（重量）の割合（＝Ｇｒ／Ｇｗｇ）を示す。また、状態ベクトルｘ（ｋ）の構成要素には、インテークマニホールド１４における作動ガスの密度である吸気密度ρｉｍ、エキゾーストマニホールド１５における排気ガスの圧力である排気圧力Ｐｅｍ、エキゾーストマニホールド１５における排気ガスの密度である排気密度ρｅｍ、及び、エンジン１０が排出した排気ガス量Ｇｅｘ（重量）におけるＥＧＲガス量Ｇｒ（重量）の割合（＝Ｇｒ／Ｇｅｘ）である排気ＥＧＲ率ηｅ等が含まれている。

入力ベクトルｕ（ｋ）の構成要素には、スロットル２０の制御指示値であるスロットル開度Ａｔｈ、ＥＧＲ弁２７の制御指示値であるＥＧＲ弁開度Ａｒ、可変ノズル２８の制御指示値であるノズル開度Ａｎｚが含まれている。

上述した状態ベクトルｘ（ｋ）の構成要素には、状態パラメーターが含まれている。状態パラメーターは、本実施形態では、ブースト圧Ｐｂ、吸気密度ρｉｍ、吸気ＥＧＲ率ηｉ、排気圧力Ｐｅｍ、排気密度ρｅｍ、排気ＥＧＲ率ηｅ等である。このように状態パラメーターは、スロットル２０、ＥＧＲ弁２７、可変ノズル２８といった制御対象６０の制御を通じてエンジン１０の運転状態が変化すると値が変化するパラメーターである。また、制御パラメーターは、制御対象６０を制御することでエンジン１０を目標の運転状態へと導くためのパラメーターである。

図４に示すように、制御演算部５１は、状態量設定部５１ａ、状態偏差演算部５１ｂ、目標偏差演算部５１ｃ、及び、指示値演算部５１ｆを備えている。
状態量設定部５１ａは、理想値演算部として各状態パラメーターの理想値を構成要素とする理想ベクトルｘｓｓ（ｋ）を設定する。理想値は、各運転条件で排気ガスの性能が最もよい定常状態にエンジン１０がある場合に各状態パラメーターがとるはずの値である。

例えば、状態量設定部５１ａは、エンジン回転数Ｎｅとインジェクター１３への制御指示値である燃料噴射量Ｇｆとに基づいて理想ベクトルｘｓｓ（ｋ）を演算する。燃料噴射量Ｇｆは、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度ＡＣＣとに基づく要求トルクＴｒに基づいて演算され、入力ベクトルｕ（ｋ）とは別個にインジェクター１３に入力されてもよいし、入力ベクトルｕ（ｋ）の一つとしてインジェクター１３に入力されてもよい。入力ベクトルｕ（ｋ）に燃料噴射量Ｇｆが含まれる場合、状態量設定部５１ａが演算時に用いる燃料噴射量Ｇｆは、前回の制御指示値である。状態量設定部５１ａは、予め行った実験やシミュレーションの結果に基づき、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｇｆとに応じた理想値が規定された理想値マップを状態パラメーターごとに保持している。そして状態量設定部５１ａは、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｇｆとに応じた理想値を各状態パラメーターの理想値マップから選択することにより理想ベクトルｘｓｓ（ｋ）を演算する。

状態量設定部５１ａは、目標値演算部として各制御パラメーターの目標値を構成要素とする目標ベクトルｒ（ｋ）を設定する。目標値は、エンジン１０を目標の運転状態へ移行させるうえで各制御パラメーターがとるべき値である。

例えば、状態量設定部５１ａは、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｇｆとに基づいて目標ベクトルｒ（ｋ）を演算する。状態量設定部５１ａは、制御パラメーターごとに目標値を演算することにより目標ベクトルｒ（ｋ）を演算する。状態量設定部５１ａは、予め行った実験やシミュレーションの結果に基づき、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｇｆとに応じた目標値が規定された目標値マップを制御パラメーターごとに保持している。そして状態量設定部５１ａは、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｇｆとに応じた目標値を各制御パラメーターの目標値マップから選択することにより目標ベクトルｒ（ｋ）を演算する。

状態偏差演算部５１ｂは、減算器であり、理想ベクトルｘｓｓ（ｋ）から予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）を減算することにより、状態パラメーターの偏差を構成要素とする状態偏差ベクトルｘｅ（ｋ）を演算する。

目標偏差演算部５１ｃは、減算器５１ｄと積分回路５１ｅとを有している。減算器５１ｄは、目標ベクトルｒ（ｋ）から予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）を減算することにより、各制御パラメーターの偏差を構成要素とする制御偏差ベクトルｒｅ（ｋ）を演算する。積分回路５１ｅは、制御偏差ベクトルｒｅ（ｋ）を積算することにより、制御パラメーターの偏差の積算値を構成要素とする目標偏差ベクトルｘｉ（ｋ）を演算する。

指示値演算部５１ｆは、ゲイン行列Ｋと、状態偏差ベクトルｘｅ（ｋ）と目標偏差ベクトルｘｉ（ｋ）とで構成される偏差ベクトルｅ（ｋ）（＝［ｘｅ（ｋ） ｘｉ（ｋ）］^Ｔ）とを乗算することにより、入力ベクトルｕ（ｋ）を構成するスロットル開度Ａｔｈ、ＥＧＲ弁開度Ａｒ、ノズル開度Ａｎｚを演算する。このゲイン行列Ｋは、予め行った実験の結果やシミュレーションの結果に基づいて設定されるものであり、例えば最小二乗推定法等に基づいて設定される。

すなわち、ＥＣＵ５０において、制御演算部５１は、状態パラメーターについての偏差と制御パラメーターについての偏差とに基づいて入力ベクトルｕ（ｋ）を演算し、その演算した入力ベクトルｕ（ｋ）を制御対象６０及び状態量推定部５２に出力する。

図５に示すように、状態量推定部５２は、エンジン１０の１サイクルの平均値を扱うエンジンモデル５２ａと、観測予測誤差を演算する誤差演算器５２ｂと、カルマンフィルター理論による補正項を演算する補正項演算部５２ｃと、を備える。

エンジンモデル５２ａは、入力ベクトルｕ（ｋ）、システム行列Ａ、入力行列Ｂ、予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）、及び、補正項演算部５２ｃが演算した補正項に基づき、予測推定値ｘ＾⁻（ｋ＋１）を演算する。エンジンモデル５２ａは、予測推定値ｘ＾⁻（ｋ＋１）の時刻を一つ遅らせることにより、当該予測推定値ｘ＾⁻（ｋ＋１）を次の時刻ｋの予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）として取り扱う。また、エンジンモデル５２ａは、予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）と観測行列Ｃとに基づき、観測予測値（＝Ｃｘ＾⁻（ｋ））を演算する。

誤差演算器５２ｂは、観測ベクトルｙ（ｋ）から観測予測値を減算することにより観測予測誤差（＝ｙ（ｋ）−Ｃｘ＾⁻（ｋ））を演算する。補正項演算部５２ｃは、観測予測誤差にカルマンゲインＧ（ｋ）を乗算することにより、予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）についての補正項を演算し、その演算した補正項をエンジンモデル５２ａに出力する。

上述した構成のＥＣＵ５０の作用について説明する。
ＥＣＵ５０は、状態パラメーターについて、予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）、理想ベクトルｘｓｓ（ｋ）、及び、理想ベクトルｘｓｓ（ｋ）と予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）との偏差で構成される状態偏差ベクトルｘｅ（ｋ）、これらを演算する。またＥＣＵ５０は、制御パラメーターについて、予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）、目標ベクトルｒ（ｋ）、及び、目標ベクトルｒ（ｋ）と予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）との偏差の積算値で構成される目標偏差ベクトルｘｉ（ｋ）、これらを演算する。そしてＥＣＵ５０は、ゲイン行列Ｋと、状態偏差ベクトルｘｅ（ｋ）と目標偏差ベクトルｘｉ（ｋ）とを構成要素とする偏差ベクトルｅ（ｋ）とを乗算することで入力ベクトルｕ（ｋ）を演算する。

このようにＥＣＵ５０では、スロットル開度Ａｔｈ、ＥＧＲ弁開度Ａｒ、ノズル開度Ａｎｚに密接に関わり合う制御パラメーターである吸気ＥＧＲ率ηｉ及びブースト圧Ｐｂによって目標ベクトルｒ（ｋ）が構成されている。そして、ゲイン行列Ｋと各制御パラメーターの偏差の積算値である積算偏差を含む偏差ベクトルｅ（ｋ）との乗算によって入力ベクトルｕ（ｋ）が演算される。そのため、入力ベクトルｕ（ｋ）を構成するスロットル開度Ａｔｈ、ＥＧＲ弁開度Ａｒ、ノズル開度Ａｎｚを演算する演算式の各々は、吸気ＥＧＲ率ηｉの積算偏差を含む項とブースト圧Ｐｂの積算偏差を含む項とを有する。すなわち、スロットル開度Ａｔｈ、ＥＧＲ弁開度Ａｒ、ノズル開度Ａｎｚの各々は、吸気ＥＧＲ率ηｉの積算偏差とブースト圧Ｐｂの積算偏差とを考慮したうえで、これら吸気ＥＧＲ率ηｉ及びブースト圧Ｐｂの双方が目標値に近づく値に設定される。

その結果、例えば、ブースト圧Ｐｂに基づくスロットル開度Ａｔｈのフィードバック制御と吸気ＥＧＲ率ηｉに基づくＥＧＲ弁開度Ａｒ及びノズル開度Ａｎｚのフィードバック制御とが互いに独立して行われる場合よりも高い精度のもとでエンジンシステムを制御することができる。

また、偏差ベクトルｅ（ｋ）が各状態パラメーターの偏差を構成要素とする状態偏差ベクトルｘｅ（ｋ）を含んでいる。そのため、開度Ａｔｈ、Ａｒ，Ａｎｚの各々を求める演算式は、状態パラメーターの偏差を含む項を状態パラメーターごとに有している。すなわち、開度Ａｔｈ、Ａｒ，Ａｎｚの各々は、各状態パラメーターの偏差を考慮して、各状態パラメーターの値を理想値に近づける値に設定される。つまり、各開度Ａｔｈ、Ａｒ，Ａｎｚは、制御パラメーターである吸気ＥＧＲ率ηｉ及びブースト圧Ｐｂの双方が目標値に近づく値であり、かつ、各状態パラメーターが理想値に近づく値に設定される。

上記実施形態のＥＣＵ５０によれば、以下に列挙する効果が得られる。
（１）開度Ａｔｈ、Ａｒ，Ａｎｚの各々が制御パラメーターである吸気ＥＧＲ率ηｉ及びブースト圧Ｐｂの双方を目標値に近づける値に設定される。これにより、高い精度のもとでエンジンシステムを制御することができる。

（２）また、開度Ａｔｈ、Ａｒ，Ａｎｚの各々は、吸気ＥＧＲ率ηｉ及びブースト圧Ｐｂの双方を目標値に近づけつつ、かつ、状態パラメーターの各々を理想値に近づける値に設定される。これにより、定常状態により近い状態でエンジン１０を運転させることができる。その結果、排気ガスの性能の向上を図ることができる。

（３）目標偏差演算部５１ｃは、制御偏差ベクトルｒｅ（ｋ）を積算することで目標偏差ベクトルｘｉ（ｋ）を演算する。すなわち、目標偏差演算部５１ｃは、吸気ＥＧＲ率ηｉ及びブースト圧Ｐｂの各々について偏差の積算値を目標偏差に設定する。これにより、各制御パラメーターを目標値に偏差なく到達させるサーボ系を構成することができる。

（４）状態量推定部５２は、エンジンモデル５２ａが演算した時刻ｋの予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）に基づいてカルマンフィルター理論による補正項を演算し、その補正項を用いて時刻ｋ＋１における予測推定値ｘ＾⁻（ｋ＋１）を演算する。このようにカルマンフィルター理論を用いて予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）を演算することで予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）の精度が高まることから、エンジンシステムをより高い精度のもとで制御することができる。

（５）タービン回転数Ｎｔは、吸気側の状態と排気側の状態とのバランスを示す１つの指標である。そのため、エンジン１０の吸気側の状態を示す吸入空気量Ｇａ、ブースト圧Ｐｂ、インマニ温度Ｔｉｍに加えて、タービン回転数Ｎｔを観測値の１つとしてカルマンフィルター理論に適用することにより、予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）の精度がさらに高まる。

なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・状態量推定部５２が各パラメーターの推定値を演算する方法としては、カルマンフィルター理論を用いた方法に限られない。例えば、予め行ったシミュレーションや実験の結果に基づいてエンジンモデル５２ａを構築し、このエンジンモデル５２ａに観測ベクトルｙ（ｋ）及び入力ベクトルｕ（ｋ）を適用することにより各パラメーターが演算される方法であってもよい。また例えば、予め行ったシミュレーションや実験の結果に基づいて構築された統計モデルに対して、観測ベクトルｙ（ｋ）や入力ベクトルｕ（ｋ）を適用することにより各パラメーターが演算される方法であってもよい。

・ＥＣＵ５０は、状態量推定部５２が割愛された構成であってもよい。この場合、状態量設定部５１ａは、観測ベクトルｙ（ｋ）の構成要素に基づいて、制御パラメーター及び状態パラメーターの各々の現在値及び目標値を演算する。こうした構成であっても上記（１）〜（３）に準ずる効果を得ることができる。

例えば、制御パラメーターである吸気ＥＧＲ率ηｉについては次のように構成することが可能である。すなわち、状態量設定部５１ａは、インテークマニホールド１４における作動ガスの圧力であるインマニ圧Ｐｉｍ、インマニ温度Ｔｉｍ、エンジン回転数Ｎｅ、エンジン１０の排気量Ｄ等を用いた状態方程式に基づいて作動ガス量Ｇｗｇを演算し、この作動ガス量Ｇｗｇから吸入空気量Ｇａを減算することによりＥＧＲガス量Ｇｒを演算する。そして状態量設定部５１ａは、作動ガス量ＧｗｇとＥＧＲガス量Ｇｒとに基づいて吸気ＥＧＲ率ηｉの演算値を演算する。また、状態量設定部５１ａは、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度ＡＣＣとに基づいて吸気ＥＧＲ率ηｉの目標値を演算する。そして、減算器５１ｄは、これら吸気ＥＧＲ率ηｉの目標値と現在値との偏差を演算する。なお、ＥＧＲガス量Ｇｒがセンサーにより観測され、観測値そのものに基づいて吸気ＥＧＲ率ηｉ（＝Ｇｒ／（Ｇａ＋Ｇｒ））の現在値が求められてもよい。

・ＥＣＵ５０において、目標偏差演算部５１ｃは、積分回路５１ｅが割愛された構成であってもよい。こうした構成であっても、制御偏差ベクトルｒｅ（ｋ）を目標偏差ベクトルｘｉ（ｋ）として演算することができる。また、目標偏差演算部５１ｃは、制御偏差ベクトルｒｅ（ｋ）を微分する微分回路を有していてもよい。こうした場合、目標偏差ベクトルｘｉ（ｋ）は、偏差の微分値を構成要素として有する。

・ＥＣＵ５０において、状態パラメーターの理想値の求め方は、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｇｆ、及び、理想値マップを用いる方法に限られない。例えば、理想値は、観測ベクトルｙ（ｋ）や予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）から選択される構成要素の値を所定の演算式に代入することにより演算されてもよい。

・ＥＣＵ５０において、制御パラメーターの目標値の求め方は、エンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｇｆ、及び、目標値マップを用いる方法に限られない。例えば、目標値は、観測ベクトルｙ（ｋ）や予測推定値ｘ＾⁻（ｋ）から選択される構成要素の値を所定の演算式に代入することにより演算されてもよい。

・ＥＣＵ５０において、制御演算部５１は、ゲイン行列Ｋと目標偏差ベクトルｘｉ（ｋ）とに基づく状態フィードバック制御によって制御指示値を演算してもよい。すなわち、制御演算部５１は、状態パラメーターを用いることなく、制御パラメーターのみで状態フィードバック制御を行ってもよい。

・ブースト圧Ｐｂは、ターボチャージャー１７によって過給された吸入空気が流れる通路内の圧力であればよく、上記インマニ圧Ｐｉｍをブースト圧Ｐｂとしてもよい。
・制御パラメーターは、吸気ＥＧＲ率ηｉとブースト圧Ｐｂだけに限られるものではなく、これら吸気ＥＧＲ率ηｉとブースト圧Ｐｂに加えて、例えば吸入空気量Ｇａといった上述した状態パラメーターとして記載したパラメーターが含まれていてもよい。

・状態パラメーターは、制御対象６０の制御によって値が変化するパラメーターであればよい。そのため、上記実施形態に状態パラメーターとして記載したパラメーターの一部であってもよいし、上記実施形態に記載した状態パラメーターに加えて他のパラメーターが含まれていてもよい。

１０…ディーゼルエンジン、１０ａ…クランクシャフト、１１…シリンダーブロック、１２…シリンダー、１３…インジェクター、１４…インテークマニホールド、１５…エキゾーストマニホールド、１６…吸気通路、１７…ターボチャージャー、１８…コンプレッサー、１９…インタークーラー、２０…ディーゼルスロットル、２１…排気通路、２２…連結軸、２３…タービン、２４…ＥＧＲ装置、２５…ＥＧＲ通路、２６…ＥＧＲクーラー、２７…ＥＧＲ弁、２８…可変ノズル、２９…アクチュエーター、３１…吸入空気量センサー、３２…ブースト圧センサー、３３…インマニ温度センサー、３４…エンジン回転数センサー、３５…タービン回転数センサー、３６…アクセル開度センサー、４０…センサー群、５０…ＥＣＵ、５１…制御演算部、５１ａ…状態量設定部、５１ｂ…状態偏差演算部、５１ｃ…目標偏差演算部、５１ｄ…減算器、５１ｅ…積分回路、５１ｆ…指示値演算部、５２…状態量推定部、５２ａ…エンジンモデル、５２ｂ…誤差演算器、５２ｃ…補正項演算部、６０…制御対象。

Claims (5)

1. エンジンシステムの制御対象を制御するエンジンシステムの制御装置であって、
   前記エンジンシステムは、ディーゼルエンジン、ディーゼルスロットル、ＥＧＲ装置、及び、可変容量型ターボチャージャーを含むものであり、
   前記制御対象は、前記ディーゼルスロットル、前記ＥＧＲ装置のＥＧＲ弁、及び、前記可変容量型ターボチャージャーの可変ノズルを含むものであり、
   前記ディーゼルエンジンの状態量に関する複数のパラメーターの値を取得する取得部と、
   前記複数のパラメーターの一部である複数の制御パラメーターの各々について、前記取得部の取得値に基づく目標値を演算する目標値演算部と、
   前記複数の制御パラメーターの各々について前記目標値と前記取得部の取得値との偏差に基づく目標偏差を演算する目標偏差演算部と、
   前記目標偏差を構成要素に含む偏差ベクトルとゲイン行列とを乗算することで制御対象に対する制御指示値を演算する指示値演算部とを備え、
   前記制御パラメーターは、前記ディーゼルエンジンが吸入する作動ガスにおけるＥＧＲガスの割合である吸気ＥＧＲ率と前記可変容量型ターボチャージャーによって過給された吸入空気が流れる通路内の圧力であるブースト圧とを含む
   エンジンシステムの制御装置。
2. 前記ディーゼルエンジンの状態量に関するパラメーターであって前記制御対象の制御により値が変化する状態パラメーターについて、前記取得部の取得値のもとで前記ディーゼルエンジンが定常状態にあるときの値である理想値を演算する理想値演算部と、
   前記状態パラメーターについて前記理想値と前記取得部の取得値との偏差である状態偏差を演算する状態偏差演算部とをさらに備え、
   前記偏差ベクトルは、前記目標偏差と前記状態偏差とを構成要素に含んでいる
   請求項１に記載のエンジンシステムの制御装置。
3. 前記目標偏差演算部は、前記制御パラメーターの各々について偏差の積算値を前記目標偏差として演算する
   請求項１または２に記載のエンジンシステムの制御装置。
4. 前記複数のパラメーターの推定値をモデルを用いて演算する状態量推定部をさらに備え、前記取得部は、前記状態量推定部が演算した前記推定値を取得する
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のエンジンシステムの制御装置。
5. 前記ディーゼルエンジンの状態量に関するパラメーターを観測する観測部を備え、
   前記状態量推定部は、前記制御対象への制御指示値を入力ベクトルの構成要素、前記観測部の観測値を観測ベクトルの構成要素として用いるカルマンフィルター理論により前記推定値を演算するものであり、
   前記観測部が観測するパラメーターは、前記ブースト圧、前記ディーゼルエンジンが吸入する空気の量である吸入空気量、インテークマニホールド内の温度であるインマニ温度、及び、前記可変容量型ターボチャージャーにおけるタービンの回転数であるタービン回転数を含む
   請求項４に記載のエンジンシステムの制御装置。