JP2019094879A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の過給機を備えた内燃機関において、過給機のタービン回転数の制約条件を充足しつつ、作動される過給機の数を減らすタイミングが遅れることを抑制する。【解決手段】内燃機関１の制御装置は、過給機数変更部と、過給圧及びＥＧＲ率が目標値に近付くように制御入力を決定するフィードバックコントローラ９２と、作動過給機の数が減らされる前に、過給機のタービン回転数に関する制約条件の充足度を考慮して定められた目的関数の値が小さくなるように作動過給機の数が減らされた後の目標値を導出するリファレンスガバナ９４とを備える。リファレンスガバナは、作動過給機の数が減らされた後の所定の予測期間におけるタービン回転数の将来予測値を用いて目的関数の値を算出し、過給機数変更部は、リファレンスガバナによって導出された目標値に対応するタービン回転数の将来予測値が予測期間において制約条件を充足する場合に作動過給機の数を減らす。【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、複数の過給機を備えた内燃機関が知られている（例えば、特許文献１）。斯かる内燃機関では、内燃機関の運転状態に応じて、複数の過給機のうち作動される過給機の数が変更される。

特開２００９−１１４９４４号公報 特開２０１６−１６９６８８号公報

ところで、過給機のタービン回転数は上限値を有する。通常、作動される過給機の数が減らされると、作動される過給機に流入する排気ガスの量が増えるため、作動される過給機のタービン回転数が上昇する。このため、作動される過給機の数が減らされた後の状態を考慮せずに過給圧の目標値が設定されると、作動される過給機の数が減らされた後に、作動される過給機のタービン回転数が上限値に達するおそれがある。

また、過給機のタービン回転数が上限値に達しないように、タービン回転数が十分に低下してから、作動される過給機の数を減らすことが考えられる。しかしながら、タービン回転数が十分に低下した状態で過給圧の増大が再び要求されると、タービン回転数の上昇に時間がかかり、ターボラグが生じる。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、複数の過給機を備えた内燃機関において、過給機のタービン回転数の制約条件を充足しつつ、作動される過給機の数を減らすタイミングが遅れることを抑制することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、ＥＧＲシステム及び複数の過給機を備えた内燃機関を制御する、内燃機関の制御装置であって、前記複数の過給機のうち作動される過給機の数を変更する過給機数変更部と、過給圧及びＥＧＲ率が目標値に近付くように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、前記作動される過給機の数が減らされる前に、該作動される過給機の数が減らされた後も作動される過給機のタービン回転数に関する制約条件の充足度を考慮して定められた目的関数の値が小さくなるように、前記作動される過給機の数が減らされた後の前記目標値を導出するリファレンスガバナとを備え、前記リファレンスガバナは、前記作動される過給機の数が減らされた後の所定の予測期間における前記タービン回転数の将来予測値を用いて前記目的関数の値を算出し、前記過給機数変更部は、前記リファレンスガバナによって導出された前記目標値に対応する前記タービン回転数の将来予測値が前記予測期間において前記制約条件を充足する場合に、前記作動される過給機の数を減らす、内燃機関の制御装置が提供される。

本発明によれば、複数の過給機を備えた内燃機関において、過給機のタービン回転数の制約条件を充足しつつ、作動される過給機の数を減らすタイミングが遅れることを抑制することができる。

図１は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置の目標値追従制御構造を示す図である。 図３は、図２の目標値追従制御構造を等価変形することによって得られるフィードフォワード制御構造を示す。 図４は、機関回転数及び燃料噴射量と仮目標値との関係を示すマップである。 図５は、本実施形態における制御によって作動過給機の数を減少させるときの作動過給機数の減少要求の有無等のタイムチャートである。 図６は、本実施形態における過給モード変更処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関１は、ディーゼルエンジンであり、車両に搭載される。

内燃機関１は、機関本体２と、吸気マニホルド４と、排気マニホルド５と、二つのターボチャージャ６、７と、電子制御ユニット（ＥＣＵ）７０とを備える。二つのターボチャージャ６、７は、吸入空気を過給する過給機として機能する。

ＥＣＵ７０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、ＲＯＭ及びＲＡＭのようなメモリ、入力ポート、出力ポート等を含む。ＥＣＵ７０は内燃機関１の各種センサの出力等に基づいて内燃機関１の各種アクチュエータを制御する。

最初に、内燃機関１の吸気通路側の構成について説明する。内燃機関１に取り込まれた空気は最初にエアクリーナ８によって浄化される。エアクリーナ８の出口は第１主吸気通路２１に接続される。第１主吸気通路２１は第１分岐吸気通路２２と第２分岐吸気通路２３とに分岐する。

第１分岐吸気通路２２には第１ターボチャージャ６の第１コンプレッサ６ａが配置される。一方、第２分岐吸気通路２３には第２ターボチャージャ７の第２コンプレッサ７ａが配置される。また、第２分岐吸気通路２３の第２コンプレッサ７ａの下流側には吸気制御弁４１が配置される。吸気制御弁４１の開度はＤＣモータのようなアクチュエータを介してＥＣＵ７０によって制御される。

第１分岐吸気通路２２及び第２分岐吸気通路２３は合流して第２主吸気通路２４の上流側端部に接続される。第２主吸気通路２４の下流側端部は吸気マニホルド４に接続される。第２主吸気通路２４にはスロットル弁４２が配置される。スロットル弁４２の開度はＤＣモータのようなアクチュエータを介してＥＣＵ７０によって制御される。また、第２主吸気通路２４のスロットル弁４２よりも上流側には圧力センサ５１が配置される。圧力センサ５１は、スロットル弁４２よりも上流側の第２主吸気通路２４を流れる吸入空気の圧力（過給圧）を検出する。圧力センサ５１の出力はＥＣＵ７０に送信される。

また、第２コンプレッサ７ａよりも下流側且つ吸気制御弁４１よりも上流側の第２分岐吸気通路２３と、第１主吸気通路２１の分岐位置近傍とを接続するバイパス吸気通路２５が設けられる。バイパス吸気通路２５には吸気バイパス弁４３が配置される。吸気バイパス弁４３の開度はＤＣモータのようなアクチュエータを介してＥＣＵ７０によって制御される。第１主吸気通路２１、第１分岐吸気通路２２、第２分岐吸気通路２３、バイパス吸気通路２５、第２主吸気通路２４及び吸気マニホルド４は、空気を気筒３内に導く吸気通路を形成する。

次に、内燃機関１の排気通路側の構成について説明する。排気マニホルド５は第１主排気通路３１の上流側端部に接続される。第１主排気通路３１は第１分岐排気通路３２と第２分岐排気通路３３とに分岐する。

第１分岐排気通路３２には第１ターボチャージャ６の第１タービン６ｂが配置される。一方、第２分岐排気通路３３には第２ターボチャージャ７の第２タービン７ｂが配置される。第１タービン６ｂには第１可変ノズル６ｃが設けられ、第２タービン７ｂには第２可変ノズル７ｃが設けられる。第１可変ノズル６ｃ及び第２可変ノズル７ｃの開度はＤＣモータのようなアクチュエータを介してＥＣＵ７０によって制御される。

第１可変ノズル６ｃの開度が変更されると、タービンブレードに供給される排気ガスの流速が変化し、ひいては第１タービン６ｂの回転数が変化する。このため、第１可変ノズル６ｃの開度が変更されると、過給圧が変化する。同様に、第２可変ノズル７ｃの開度が変更されると、第２タービン７ｂの回転数が変化する。このため、第２可変ノズル７ｃの開度が変更されると、過給圧が変化する。

また、第１タービン６ｂには、タービン回転数センサ４０が設けられる。タービン回転数センサ４０は第１タービン６ｂの回転数を検出する。タービン回転数センサ４０の出力はＥＣＵ７０に送信される。

第２分岐排気通路３３の第２タービン７ｂの上流側には排気制御弁４４が配置される。排気制御弁４４の開度はＤＣモータのようなアクチュエータを介してＥＣＵ７０によって制御される。

第１分岐排気通路３２及び第２分岐排気通路３３は合流して第２主排気通路３４の上流側端部に接続される。第２主排気通路３４の下流側端部は排気浄化触媒（図示せず）等に接続される。排気マニホルド５、第１主排気通路３１、第１分岐排気通路３２、第２分岐排気通路３３及び第２主排気通路３４は、混合気の燃焼によって生じた排気ガスを気筒３内から排出する排気通路を形成する。

また、内燃機関１は、排気通路を流れる排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路に流入させる排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム６０を備える。ＥＧＲシステム６０は、ＥＧＲ通路６１、ＥＧＲクーラ６２及びＥＧＲ弁６３を含む。ＥＧＲ通路６１は排気通路と吸気通路とを接続する。具体的には、ＥＧＲ通路６１は、第１主排気通路３１と、スロットル弁４２よりも下流側の第２主吸気通路２４とを接続する。ＥＧＲクーラ６２は、ＥＧＲ通路６１の周囲に配置され、ＥＧＲ通路６１を流れるＥＧＲガスを冷却する。

ＥＧＲ弁６３はＥＧＲクーラ６２よりも第２主吸気通路２４側のＥＧＲ通路６１に配置される。ＥＧＲ弁６３の開度はＤＣモータのようなアクチュエータを介してＥＣＵ７０によって制御される。ＥＧＲ弁６３の開度が変更されると、吸気通路に流入するＥＧＲガスの量が変化する。このため、ＥＧＲ弁６３の開度が変更されると、ＥＧＲ率が変化する。なお、ＥＧＲ率とは、気筒３内に供給される全ガス量（新気量とＥＧＲガス量との合計）に対するＥＧＲガス量の割合である。また、スロットル弁４２の開度が変更されると、新気量が変化する。このため、スロットル弁４２の開度が変更されると、ＥＧＲ率が変化する。

また、内燃機関１には、負荷センサ７１及びクランク角センサ７２が設けられる。負荷センサ７１は、アクセルペダル７３の踏込み量に比例した出力電圧を発生させ、機関負荷を検出する。クランク角センサ７２は、クランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生させ、機関回転数を検出する。負荷センサ７１及びクランク角センサ７２の出力はＥＣＵ７０に送信される。

＜内燃機関の制御装置＞
内燃機関の制御装置（以下、単に「制御装置」という）は、内燃機関１のようなＥＧＲシステム及び複数の過給機を備えた内燃機関を制御する。具体的には、制御装置は、内燃機関の運転状態に応じて過給圧及びＥＧＲ率の目標値を設定し、過給圧及びＥＧＲ率が目標値に近付くように内燃機関を制御する。本実施形態では、ＥＣＵ７０が制御装置に相当する。

通常、内燃機関が複数の過給機を備えている場合、作動される過給機の数が多いほど、過給圧が高くなる。このため、制御装置は、過給圧の制御において、内燃機関の運転状態に応じて、作動される過給機の数を変更する。基本的には、内燃機関が低負荷状態にあるときには、作動される過給機の数が減らされ、内燃機関が高負荷状態にあるときには、作動される過給機の数が増やされる。

制御装置は、複数の過給機のうち作動される過給機の数を変更する過給機数変更部を備える。本実施形態では、過給機数変更部は、第１ターボチャージャ６のみが作動される第１過給モードと、第１ターボチャージャ６及び第２ターボチャージャ７が作動される第２過給モードとの間で内燃機関１の過給モードを切り替える。すなわち、過給機数変更部は、作動される過給機の数を１つと２つとの間で切り替える。

過給機数変更部は、吸気制御弁４１、排気制御弁４４及び吸気バイパス弁４３を用いて過給モードを制御する。過給機数変更部は、第１過給モードにおいて、吸気制御弁４１及び排気制御弁４４の開度を全閉にし、吸気バイパス弁４３の開度を全開にする。排気制御弁４４の開度が全閉にされると、排気ガスは排気制御弁４４を通って第２タービン７ｂに流入することができない。このため、第１過給モードでは、第２ターボチャージャ７が作動されず、第１ターボチャージャ６のみが作動される。

また、吸気制御弁４１の開度を全閉にすることで、第１コンプレッサ６ａによって過給された吸入空気が吸気制御弁４１を通って第２分岐吸気通路２３を逆流することを防止することができる。また、吸気バイパス弁４３の開度を全開にすることによって、第２コンプレッサ７ａに流入した吸入空気をバイパス吸気通路２５を介して第１主吸気通路２１に逃がすことができる。

一方、過給機数変更部は、第２過給モードにおいて、吸気制御弁４１及び排気制御弁４４の開度を全開にし、吸気バイパス弁４３の開度を全閉にする。排気制御弁４４の開度が全開にされると、排気ガスは排気制御弁４４を通って第２タービン７ｂに流入する。また、吸気制御弁４１の開度が全開にされ且つ吸気バイパス弁４３の開度が全閉にされると、第２コンプレッサ７ａによって過給された吸入空気は、第１コンプレッサ６ａによって過給された吸入空気と共に第２主吸気通路２４に流入する。このため、第２過給モードでは、第１ターボチャージャ６及び第２ターボチャージャ７の両方が作動される。

図２は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置の目標値追従制御構造を示す図である。制御装置は、目標値マップ９５、リファレンスガバナ（ＲＧ）９４、比較部９１及びフィードバックコントローラ９２を備える。図２において破線で囲まれた部分は、内燃機関１の制御出力ｘが目標値ｗｆに近付くようにフィードバック制御を行う閉ループシステム９０として機能する。

閉ループシステム９０が設計済である場合、図２の目標値追従制御構造を等価変形することによって図３のフィードフォワード制御構造が得られる。なお、図２及び図３におけるｙは、とりうる値に制約がある内燃機関１の状態量である。

比較部９１は、目標値ｗｆから制御出力ｘを減算して偏差ｅ（＝ｗｆ−ｘ）を算出し、偏差ｅをフィードバックコントローラ９２に入力する。目標値ｗｆは後述するリファレンスガバナ９４によって比較部９１に入力され、制御出力ｘは、制御入力ｕ及び外生入力ｄが入力される内燃機関１から出力される。外生入力ｄは内燃機関１の所定のパラメータである。

フィードバックコントローラ９２は、制御出力ｘが目標値ｗｆに近付くように内燃機関１の制御入力ｕを決定する。すなわち、フィードバックコントローラ９２は、偏差ｅがゼロに近付くように制御入力ｕを決定する。フィードバックコントローラ９２では、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御等の公知の制御が用いられる。フィードバックコントローラ９２は制御入力ｕを内燃機関１に入力する。また、状態フィードバックとして制御出力ｘがフィードバックコントローラ９２に入力される。なお、制御出力ｘのフィードバックコントローラ９２への入力は省略されてもよい。また、比較部９１はフィードバックコントローラ９２に組み込まれていてもよい。

上述したように、閉ループシステム９０では、制御出力ｘが目標値ｗｆに近付くようにフィードバック制御が行われる。しかしながら、実際の制御では、ハード又は制御上の制約に起因して、状態量ｙに制約がある。このため、制約を考慮せずに算出された目標値が閉ループシステム９０に入力されると、状態量ｙが制約に抵触し、過渡応答の悪化や制御の不安定化が生じるおそれがある。

そこで、本実施形態では、目標値マップ９５及びリファレンスガバナ９４を用いて制御出力ｘの目標値ｗｆが算出される。外生入力ｄが目標値マップ９５に入力されると、目標値マップ９５は、外生入力ｄに基づいて仮目標値ｒを算出し、仮目標値ｒをリファレンスガバナ９４に出力する。したがって、目標値マップ９５は、内燃機関１の所定のパラメータに基づいて仮目標値を算出する仮目標値算出部として機能する。

リファレンスガバナ９４は、状態量ｙに関する制約条件の充足度が高まるように仮目標値ｒを修正して目標値ｗｆを導出する。具体的には、リファレンスガバナ９４は、状態量ｙに関する制約条件の充足度を考慮して定められた目的関数の値が小さくなるように目標値ｗｆを導出する。

本実施形態では、制御出力ｘは過給圧及びＥＧＲ率である。制御出力ｘとして比較部９１に入力される過給圧は圧力センサ５１によって検出される。また、制御出力ｘとして比較部９１に入力されるＥＧＲ率は、ＥＧＲ弁６３の開度等に基づいて公知の手法によって推定される。なお、本実施形態では、制御出力ｘ、仮目標値ｒ、目標値ｗｆ等は二次元ベクトルによって表される。

過給圧及びＥＧＲ率を制御するための制御入力ｕはスロットル弁４２の開度、ＥＧＲ弁６３の開度、第１可変ノズル６ｃ及び第２可変ノズル７ｃの開度である。外生入力ｄは、内燃機関１の運転パラメータである機関回転数及び燃料噴射量である。機関回転数はクランク角センサ７２によって検出される。燃料噴射量は、負荷センサ７１によって検出される機関負荷等に基づいてＥＣＵ８０によって決定される。目標値マップ９５では、図４に示されるように、仮目標値ｒが機関回転数ＮＥ及び燃料噴射量Ｑｅの関数として示される。

また、過給圧及びＥＧＲ率は制約条件として上限値を有する。このため、本実施形態では、状態量ｙは、制御出力ｘである過給圧及びＥＧＲ率である。このとき、目的関数Ｊ₁（ｗ）は下記式（１）によって定義される。
Ｊ₁（ｗ）＝||ｒ−ｗ||²＋Ｓ_pres＋Ｓ_EGR…（１）

ここで、ｒは目標値マップ９５から出力された仮目標値であり、ｗは修正目標値である。目的関数Ｊ₁（ｗ）は、修正項（式（１）の右辺第一項）、第１ペナルティ関数Ｓ_pres（式（１）の右辺第二項）及び第２ペナルティ関数Ｓ_EGR（式（１）の右辺第三項）を含む。

修正項は、目標値の修正量を表し、仮目標値ｒと修正目標値ｗとの差の二乗である。このため、目的関数Ｊ₁（ｗ）の値は、仮目標値ｒと修正目標値ｗとの差が小さいほど、すなわち目標値の修正量が小さいほど小さくなる。

第１ペナルティ関数Ｓ_presは、過給圧に関する制約条件の充足度を表し、下記式（２）によって定義される。

ここで、ｘ₁（ｋ）は過給圧の将来予測値であり、ｘ_1Limは予め定められた過給圧の上限値であり、ｐ₁は予め定められた重み係数である。また、ｋは離散時間ステップであり、Ｎｈは予測ステップ数（予測ホライズン）である。第１ペナルティ関数Ｓ_presは、過給圧の将来予測値ｘ₁（ｋ）が上限値ｘ_1Limを超えた場合に超過量がペナルティとして目的関数Ｊ₁（ｗ）に加算されるように構成されている。このため、目的関数Ｊ₁（ｗ）の値は、過給圧の将来予測値ｘ₁（ｋ）が上限値ｘ_1Limを超える量が小さいほど小さくなる。なお、過給圧が制約条件を有しない場合、第１ペナルティ関数Ｓ_presは目的関数Ｊ₁（ｗ）から省略される。

第２ペナルティ関数Ｓ_EGRは、ＥＧＲ率に関する制約条件の充足度を表し、下記式（３）によって定義される。

ここで、ｘ₂（ｋ）はＥＧＲ率の将来予測値であり、ｘ_2Limは予め定められたＥＧＲ率の上限値であり、ｐ₂は予め定められた重み係数である。また、ｋは離散時間ステップであり、Ｎｈは予測ステップ数（予測ホライズン）である。第２ペナルティ関数Ｓ_EGRは、ＥＧＲ率の将来予測値ｘ₂（ｋ）が上限値ｘ_2Limを超えた場合に超過量がペナルティとして目的関数Ｊ₁（ｗ）に加算されるように構成されている。このため、目的関数Ｊ₁（ｗ）の値は、ＥＧＲ率の将来予測値ｘ₂（ｋ）が上限値ｘ_2Limを超える量が小さいほど小さくなる。なお、ＥＧＲ率が制約条件を有しない場合、第２ペナルティ関数Ｓ_EGRは目的関数Ｊ₁（ｗ）から省略される。

リファレンスガバナ９４は内燃機関１のモデルを用いて過給圧の将来予測値ｘ₁（ｋ）及びＥＧＲ率の将来予測値ｘ₂（ｋ）を算出する。リファレンスガバナ９４は、例えば、過給圧の将来予測値ｘ₁（ｋ）を下記式（４）によって算出する。
ｘ₁（ｋ＋１）＝ｆ₁（ｘ₁（ｋ）,ｗ，ｄ）…（４）
ｆ₁は、過給圧の将来予測値ｘ₁（ｋ）を算出するために用いられるモデル関数である。最初に、算出時点の過給圧であるｘ₁（０）を用いて、算出時点から１ステップ先の過給圧の予測値ｘ₁（１）が算出される。算出時点の過給圧であるｘ₁（０）は圧力センサ５１によって検出される。その後、算出時点からＮｈステップ先の過給圧の予測値ｘ₁（Ｎｈ）まで過給圧の将来予測値ｘ₁（ｋ）が順次算出され、合計Ｎｈ個の過給圧の将来予測値が算出される。なお、１ステップに相当する時間に予測ステップ数Ｎｈを乗じた値が予測期間になる。

また、リファレンスガバナ９４は、例えば、ＥＧＲ率の将来予測値ｘ₂（ｋ）を下記式（５）によって算出する。
ｘ₂（ｋ＋１）＝ｆ₂（ｘ₂（ｋ）,ｗ，ｄ）…（５）
ｆ₂は、ＥＧＲ率の将来予測値ｘ₂（ｋ）を算出するために用いられるモデル関数である。最初に、算出時点のＥＧＲ率であるｘ₂（０）を用いて、算出時点から１ステップ先のＥＧＲ率の予測値ｘ₂（１）が算出される。算出時点のＥＧＲ率であるｘ₂（０）は、ＥＧＲ弁６３の開度等に基づいて公知の手法によって推定される。その後、算出時点からＮｈステップ先のＥＧＲ率の予測値ｘ₂（Ｎｈ）までＥＧＲ率の将来予測値ｘ₂（ｋ）が順次算出され、合計Ｎｈ個のＥＧＲ率の将来予測値が算出される。なお、１ステップに相当する時間に予測ステップ数Ｎｈを乗じた値が予測期間になる。

リファレンスガバナ９４は、目的関数Ｊ₁（ｗ）の値が小さくなるように仮目標値ｒを修正して目標値ｗｆを導出する。具体的には、リファレンスガバナ９４は、勾配法、二分探索法等の公知の方法によって目的関数Ｊ₁（ｗ）の値が小さくなるように修正目標値ｗを更新し、最終的な修正目標値ｗを目標値ｗｆに設定する。修正目標値ｗの初期値は例えば仮目標値ｒである。

ところで、第１タービン６ｂ及び第２タービン７ｂの回転数は上限値を有する。作動される過給機（以下、「作動過給機」と称する。）の数が減らされると、すなわち過給モードが第２過給モードから第１過給モードに変更されると、第１タービン６ｂに流入する排気ガスの量が増えるため、第１タービン６ｂの回転数が上昇する。このため、上記のように作動過給機の数が減らされた後の状態を考慮せずに過給圧の目標値が設定されると、作動過給機の数が減らされた後に、第１タービン６ｂのタービン回転数が上限値に達するおそれがある。

また、第１タービン６ｂの回転数が上限値に達しないように、第１タービン６ｂの回転数が十分に低下してから作動過給機の数を減らすことが考えられる。しかしながら、第１タービン６ｂの回転数が十分に低下した状態で過給圧の増大が再び要求されると、第１タービン６ｂの回転数の上昇に時間がかかり、ターボラグが生じる。

そこで、本実施形態では、リファレンスガバナ９４は、作動過給機の数が減らされる前に、第１タービン６ｂの回転数に関する制約条件の充足度を考慮して定められた目的関数の値が小さくなるように、作動過給機の数が減らされた後の過給圧及びＥＧＲ率の目標値を導出する。この場合、制約を有する状態量ｙに第１タービン６ｂの回転数が加えられ、目的関数Ｊ₂（ｗ）は下記式（６）によって定義される。
Ｊ₂（ｗ）＝||ｒ−ｗ||²＋Ｓ_pres＋Ｓ_EGR＋Ｓ_Nt…（６）

目的関数Ｊ₂（ｗ）は、修正項（式（６）の右辺第一項）、第１ペナルティ関数Ｓ_pres（式（６）の右辺第二項）、第２ペナルティ関数Ｓ_EGR（式（６）の右辺第三項）及び第３ペナルティ関数Ｓ_Nt（式（６）の右辺第四項）を含む。修正項、第１ペナルティ関数Ｓ_pres及び第２ペナルティ関数Ｓ_EGRは、上記式（１）に関して上述したとおりである。なお、過給圧が制約条件を有しない場合には第１ペナルティ関数Ｓ_presは目的関数Ｊ₂（ｗ）から省略され、ＥＧＲ率が制約条件を有しない場合には第２ペナルティ関数Ｓ_EGRは目的関数Ｊ₂（ｗ）から省略される。

第３ペナルティ関数Ｓ_Ntは、第１タービン６ｂの回転数に関する制約条件の充足度を表し、下記式（７）によって定義される。

ここで、Ｎｔ（ｋ）は第１タービン６ｂの回転数の将来予測値であり、Ｎｔ_Limは予め定められた第１タービン６ｂの回転数の上限値であり、ｐ₃は予め定められた重み係数である。また、ｋは離散時間ステップであり、Ｎｈは予測ステップ数（予測ホライズン）である。第３ペナルティ関数Ｓ_Ntは、第１タービン６ｂの回転数の将来予測値Ｎｔ（ｋ）が上限値Ｎｔ_Limを超えた場合に超過量がペナルティとして目的関数Ｊ₂（ｗ）に加算されるように構成されている。このため、目的関数Ｊ₂（ｗ）の値は、第１タービン６ｂの回転数の将来予測値Ｎｔ（ｋ）が上限値Ｎｔ_Limを超える量が小さいほど小さくなる。

リファレンスガバナ９４は内燃機関１のモデルを用いて第１タービン６ｂの回転数の将来予測値Ｎｔ（ｋ）を算出する。リファレンスガバナ９４は、例えば、第１タービン６ｂの回転数の将来予測値Ｎｔ（ｋ）を下記式（８）によって算出する。
Ｎｔ（ｋ＋１）＝ＡＮｔ（ｋ）＋Ｂｗ₁＋Ｃｗ₂＋ＤＱｅ…（８）
Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは予め定められた係数である。ｗ₁は過給圧の修正目標値であり、ｗ₂はＥＧＲ率の修正目標値であり、Ｑｅは燃料噴射量である。燃料噴射量は、負荷センサ７１によって検出される機関負荷等に基づいてＥＣＵ８０によって決定される。なお、上記式（８）では、過給モードが第２過給モードから第１過給モードに変更された後の第１タービン６ｂの回転数の将来予測値が算出される。

最初に、算出時点の第１タービン６ｂの回転数であるＮｔ（０）を用いて、算出時点から１ステップ先の過給圧の予測値Ｎｔ（１）が算出される。算出時点の第１タービン６ｂの回転数であるＮｔ（０）はタービン回転数センサ４０によって検出される。その後、算出時点からＮｈステップ先の第１タービン６ｂの回転数Ｎｔ（Ｎｈ）まで第１タービン６ｂの回転数の将来予測値Ｎｔ（ｋ）が順次算出され、合計Ｎｈ個の第１タービン６ｂの回転数の将来予測値が算出される。なお、１ステップに相当する時間に予測ステップ数Ｎｈを乗じた値が予測期間になる。

リファレンスガバナ９４は、目的関数Ｊ₂（ｗ）の値が小さくなるように仮目標値ｒを修正して、作動過給機の数が減らされた後の過給圧及びＥＧＲ率の目標値（以下、「減少後目標値」と称する）を導出する。具体的には、リファレンスガバナ９４は、勾配法、二分探索法等の公知の方法によって目的関数Ｊ₂（ｗ）の値が小さくなるように修正目標値ｗを更新し、最終的な修正目標値ｗを減少後目標値に設定する。修正目標値ｗの初期値は例えば仮目標値ｒである。

上記式（７）から分かるように、リファレンスガバナ９４は、作動過給機の数が減らされた後の所定の予測期間における第１タービン６ｂの回転数の将来予測値を用いて目的関数Ｊ₂（ｗ）の値を算出し、目的関数Ｊ₂（ｗ）の値が小さくなるように減少後目標値を導出する。このため、作動過給機の数を減らすときに過給圧及びＥＧＲ率の目標値を減少後目標値に変更した場合、第１タービン６ｂの回転数に関する制約条件の充足度が高くなる。

しかしながら、リファレンスガバナ９４によって減少後目標値が導出されたとしても、減少後目標値に対応する第１タービン６ｂの回転数の将来予測値の少なくとも一部が上限値を超える場合がある。すなわち、修正目標値ｗが減少後目標値であるときの第３ペナルティ関数Ｓ_Ntの値がゼロよりも大きい場合がある。例えば、作動過給機の数の減少が要求されたときに第１タービン６ｂの回転数が高い場合には、減少後目標値に対応する第１タービン６ｂの回転数の将来予測値の少なくとも一部が上限値を超える可能性が高い。

このため、過給機数変更部は、リファレンスガバナ９４によって導出された減少後目標値に対応する第１タービン６ｂの回転数の将来予測値が予測期間において制約条件を充足する場合に、作動過給機の数を減らす。言い換えれば、過給機数変更部は、修正目標値ｗが減少後目標値であるときの第３ペナルティ関数Ｓ_Ntの値がゼロである場合に、作動過給機の数を減らす。このことによって、作動過給機の数が減らされた後に第１タービン６ｂの回転数が制約条件を充足することを確実なものとすることができる。

＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図５を参照して、本実施形態において作動過給機の数を減少させるときの制御について説明する。図５は、本実施形態における制御によって作動過給機の数を減少させるときの作動過給機数の減少要求の有無、第１タービン６ｂの回転数の将来予測値の制約条件の充足の有無、過給モードの種類、過給圧の目標値及び第１タービンの回転数のタイムチャートである。

図示した例では、時刻ｔ０において過給モードが第２過給モードに設定されている。したがって、第１ターボチャージャ６及び第２ターボチャージャ７の両方が作動されている。また、時刻ｔ０において、作動過給機数の減少、すなわち第２過給モードから第１過給モードへの過給モードの切替は要求されていない。

過給モードが第２過給モードに設定されているとき、予め、リファレンスガバナ９４によって目的関数Ｊ₂（ｗ）の値が小さくなるように減少後目標値が導出される。また、導出された減少後目標値に対応する第１タービン６ｂの回転数の将来予測値が予測期間において制約条件を充足するか否かが判定される。修正目標値ｗが減少後目標値であるときの第３ペナルティ関数Ｓ_Ntの値がゼロである場合には、制約条件が充足されていると判定され、修正目標値ｗが減少後目標値であるときの第３ペナルティ関数Ｓ_Ntの値がゼロよりも大きい場合には、制約条件が充足されていないと判定される。この例では、時刻ｔ０において、制約条件は充足されていない。

時刻ｔ０の後、内燃機関１の運転状態に応じて過給圧の目標値が徐々に低下し、時刻ｔ１において、作動過給機数の減少が要求される。しかしながら、時刻ｔ１において制約条件は充足されていない。すなわち、時刻ｔ１において過給モードを第１過給モードに変更すると共に過給圧及びＥＧＲ率の目標値を減少後目標値に変更した場合、第１タービン６ｂの回転数が上限値Ｎｔ_Limを超えることが予想される。このため、時刻ｔ１では、過給モードは第２過給モードに維持される。

時刻ｔ１の後、時刻ｔ２において、制約条件が充足される。このため、時刻ｔ２において、過給モードが第１過給モードに変更される。具体的には、吸気制御弁４１及び排気制御弁４４の開度が全閉にされ、吸気バイパス弁４３の開度が全開にされる。この結果、第１過給モードでは、第１ターボチャージャ６のみが作動される。また、時刻ｔ２において、過給圧及びＥＧＲ率の目標値が減少後目標値に変更される。

時刻ｔ２の後、作動過給機の数が減らされた結果、第１タービン６ｂの回転数が上昇する。しかしながら、過給圧及びＥＧＲ率の目標値を減少後目標値に変更したことによって、第１タービン６ｂの回転数は上限値Ｎｔ_Limに達しない。したがって、本実施形態では、過給機のタービン回転数の制約条件を充足することができる。

また、本実施形態では、作動過給機の数が減らされるときの目標値が制約条件を考慮してリファレンスガバナ９４によって修正されるため、作動過給機の数が減らされた後の第１タービン６ｂの回転数の上昇量を抑制することができる。このため、作動過給機の数を減らすタイミングが遅れることを抑制することができる。この結果、作動過給機の数を減らすまでの過給機のタービン回転数の低下量を少なくすることができ、過給圧の増大が再び要求されたときにターボラグが生じることを抑制することができる。

なお、作動過給機の数が減らされる前の過給圧及びＥＧＲ率の目標値は、上記式（１）の目的関数Ｊ₁（ｗ）の値が小さくなるようにリファレンスガバナ９４によって導出される。しかしながら、作動過給機の数が減らされる前の過給圧及びＥＧＲ率の目標値は、リファレンスガバナ９４を用いることなく仮目標値ｒに設定されてもよい。作動過給機の数が減らされてから所定時間経過後の過給圧及びＥＧＲ率の目標値も同様である。

＜過給モード変更処理＞
以下、図６のフローチャートを参照して、上述した制御について詳細に説明する。図６は、本実施形態における過給モード変更処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、過給モードを第２過給モードから第１過給モードに変更するためにＥＣＵ７０によって所定の実行間隔で実行される。

最初に、ステップＳ１０１において、過給モードが第２過給モードであるか否かが判定される。過給モードが第１過給モードであると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、過給モードが第２過給モードであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、目標値マップ９５によって外生入力ｄ（本実施形態では、機関回転数及び燃料噴射量）に基づいて仮目標値ｒが算出される。

次いで、ステップＳ１０３において、目的関数Ｊ₂（ｗ）が小さくなるように仮目標値ｒから減少後目標値ｗｆ_arが導出される。次いで、ステップＳ１０４において、減少後目標値ｗｆ_arに対応する第１タービン６ｂの回転数の将来予測値が所定の予測期間において制約条件を充足するか否かが判定される。修正目標値ｗが減少後目標値ｗｆ_arであるときの第３ペナルティ関数Ｓ_Ntの値がゼロであるときには、制約条件を充足すると判定され、修正目標値ｗが減少後目標値ｗｆ_arであるときの第３ペナルティ関数Ｓ_Ntの値がゼロよりも大きいときには、制約条件を充足しないと判定される。

ステップＳ１０４において制約条件を充足すると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、作動過給機数の減少要求があるか否かが判定される。作動過給機数の減少要求は、例えば、作動過給機の数が減らされる前の過給圧の目標値が所定値以下になったときに生じる。

ステップＳ１０５において作動過給機数の減少要求があると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、過給モードが第２過給モードから第１過給モードに変更される。すなわち、作動過給機の数が減らされる。

一方、ステップＳ１０４において制約条件を充足しないと判定された場合、又はステップＳ１０５において作動過給機数の減少要求がないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７では、過給モードが第２過給モードに維持される。すなわち、作動過給機の数が変更されない。ステップＳ１０７の後、本制御ルーチンは終了する。

本制御ルーチンでは、リファレンスガバナ９４は、過給モードが第２過給モードであるとき、すなわち作動過給機の数が複数であるときに減少後目標値を導出する。しかしながら、リファレンスガバナ９４は、作動過給機数の減少要求があるときに減少後目標値を導出してもよい。この場合、ステップＳ１０５が省略され、ステップＳ１０１において作動過給機数の減少要求があるか否かが判定される。

以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、内燃機関１はガソリンエンジンであってもよい。

また、内燃機関１は、二つの過給機（第１ターボチャージャ６及び第２ターボチャージャ７）が吸気通路及び排気通路に並列に配置されたパラレルツインターボシステムを備える。しかしながら、内燃機関１は、二つの過給機が吸気通路及び排気通路に直列に配置されたシリーズツインターボシステムを備えていてもよい。

また、目的関数Ｊ₁（ｗ）は下記式（９）によって定義され、目的関数Ｊ₂（ｗ）は下記式（１０）によって定義されてもよい。
Ｊ₁（ｗ）＝||ｒ−ｗ||²＋Ｓ_pres ²＋Ｓ_EGR ²…（９）
Ｊ₂（ｗ）＝||ｒ−ｗ||²＋Ｓ_pres ²＋Ｓ_EGR ²＋Ｓ_Nt ²…（１０）
上記式（９）では各ペナルティ関数の二乗が目的関数Ｊ₁（ｗ）に加算され、上記式（１０）では各ペナルティ関数の二乗が目的関数Ｊ₂（ｗ）に加算される。この場合も、過給圧が制約条件を有しない場合には第１ペナルティ関数Ｓ_presは目的関数Ｊ₁（ｗ）及び目的関数Ｊ₂（ｗ）から省略され、ＥＧＲ率が制約条件を有しない場合には第２ペナルティ関数Ｓ_EGRは目的関数Ｊ₁（ｗ）及び目的関数Ｊ₂（ｗ）から省略される。

また、過給機の数は三つ以上であってもよい。この場合も、目的関数は、作動過給機の数が減らされた後も作動される過給機のタービン回転数に関する制約条件の充足度を考慮して定められる。作動過給機の数が減らされた後も作動される過給機の数が複数である場合には、目的関数は、各過給機のタービン回転数に関する制約条件の充足度を表す複数のペナルティ関数を含む。また、過給機数変更部は、減少後目標値に対応する各タービン回転数の将来予測値が予測期間において制約条件を充足する場合、すなわち修正目標値が減少後目標値であるときの上記複数のペナルティ関数の全ての値がゼロである場合に、作動過給機の数を減らす。

１ 内燃機関
６ 第１ターボチャージャ
７ 第２ターボチャージャ
６０ ＥＧＲシステム
７０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
９２ フィードバックコントローラ
９４ リファレンスガバナ

Claims (1)

1. ＥＧＲシステム及び複数の過給機を備えた内燃機関を制御する、内燃機関の制御装置であって、
   前記複数の過給機のうち作動される過給機の数を変更する過給機数変更部と、
   過給圧及びＥＧＲ率が目標値に近付くように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、
   前記作動される過給機の数が減らされる前に、該作動される過給機の数が減らされた後も作動される過給機のタービン回転数に関する制約条件の充足度を考慮して定められた目的関数の値が小さくなるように、前記作動される過給機の数が減らされた後の前記目標値を導出するリファレンスガバナと
   を備え、
   前記リファレンスガバナは、前記作動される過給機の数が減らされた後の所定の予測期間における前記タービン回転数の将来予測値を用いて前記目的関数の値を算出し、
   前記過給機数変更部は、前記リファレンスガバナによって導出された前記目標値に対応する前記タービン回転数の将来予測値が前記予測期間において前記制約条件を充足する場合に、前記作動される過給機の数を減らす、内燃機関の制御装置。

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