JP2019138154A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制約充足性が高まるように過給圧及びＥＧＲ率の目標値をリファレンスガバナによって修正する場合に、制約充足性を高めつつ、ターボ効率が低下することを抑制する。【解決手段】内燃機関１の制御装置は、過給圧及びＥＧＲ率が目標値に近付くように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９２と、過給圧及びＥＧＲ率に関する制約条件の充足度とターボ効率の将来予測値と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を導出するリファレンスガバナ９４とを備える。【選択図】図７

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

従来、ターボチャージャ及びＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、制約充足性が高まるように過給圧及びＥＧＲ率の目標値をリファレンスガバナによって修正することが知られている（例えば、特許文献１）。また、特許文献１に記載の制御では、過給圧とＥＧＲ率との制御干渉が生じていると判定した場合には、過給圧のフィードバック制御及び目標値の修正が停止される。

特開２０１７−２０３５７号公報

しかしながら、斯かる制御では、過給圧及びＥＧＲ率の目標値を修正する際にターボ効率が一切考慮されていない。このため、目標値の修正によってターボ効率が低下するおそれがある。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、制約充足性が高まるように過給圧及びＥＧＲ率の目標値をリファレンスガバナによって修正する場合に、制約充足性を高めつつ、ターボ効率が低下す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、ターボチャージャ及びＥＧＲシステム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、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、過給圧及びＥＧＲ率に関する制約条件の充足度とターボ効率の将来予測値と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、内燃機関の制御装置が提供される。

本発明によれば、制約充足性が高まるように過給圧及びＥＧＲ率の目標値をリファレンスガバナによって修正する場合に、制約充足性を高めつつ、ターボ効率が低下す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適用さ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に基づいて仮目標値を算出するためのマップである。 図５は、コンプレッサのサージ領域を示すグラフである。 図６は、過給時のターボ効率の軌跡を説明するための図である。 図７は、本実施形態における目標値導出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適用さ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、圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であり、車両に搭載される。

図１を参照すると、内燃機関１は、機関本体１００と、各気筒の燃焼室２と、燃焼室２内に燃料を噴射する電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気マニホルド４と、排気マニホルド５と、ターボチャージャ７とを備える。吸気マニホルド４は吸気管６を介してターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結される。コンプレッサ７ａの入口は吸気管６を介してエアクリーナ８に連結される。吸気管６内には、ＤＣモータのようなスロットル弁駆動アクチュエータによって駆動されるスロットル弁９が配置される。さらに、吸気管６周りには吸気管６内を流れる吸入空気を冷却するためのインタークーラ１３が配置される。吸気マニホルド４及び吸気管６は、空気を燃焼室２に導く吸気通路を形成する。

一方、排気マニホルド５は排気管２７を介してターボチャージャ７のタービン７ｂの入口に連結される。タービン７ｂの出口は、排気管２７を介して、排気浄化触媒２８を内蔵したケーシング２９に連結される。排気マニホルド５及び排気管２７は、燃焼室２における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。排気浄化触媒２８は、例えば、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する選択還元型ＮＯｘ低減触媒（ＳＣＲ触媒）又はＮＯｘ吸蔵還元触媒である。また、排気通路には、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を低減するために、酸化触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等が配置されてもよい。

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（以下、「ＥＧＲ」という）システムを備える。ＥＧＲシステムは、ＥＧＲ通路１４、ＥＧＲクーラ２０及びＥＧＲ弁１５を含む。ＥＧＲ通路１４は排気マニホルド５と吸気マニホルド４とを互いに接続する。ＥＧＲ通路１４内には電子制御式のＥＧＲ弁１５が配置される。また、ＥＧＲ通路１４周りにはＥＧＲ通路１４内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２０が配置される。本実施形態におけるＥＧＲシステムはいわゆる高圧ループ方式（ＨＰＬ方式）のＥＧＲシステムである。

ＥＧＲ弁１５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１５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９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９の開度が変更されると、ＥＧＲ率が変化する。

燃料は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１９によって燃料タンク３３から燃料配管３４を介してコモンレール１８内に供給される。コモンレール１８内に供給された燃料は各燃料供給管１７を介して各燃料噴射弁３に供給される。

ターボチャージャ７のタービン７ｂには、可変ノズル７ｃが設けられている。ターボチャージャ７はいわゆる可変ノズルターボチャージャである。可変ノズル７ｃ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、ひいてはタービン７ｂの回転数が変化する。このため、可変ノズル７ｃの開度が変更されると、過給圧が変化する。

内燃機関１の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）８０によって実行される。ＥＣＵ８０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス８１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）８２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）８３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）８４、入力ポート８５及び出力ポート８６を備える。圧力センサ１０、負荷センサ１０１及びエアフロメータ１０２の出力が、対応するＡＤ変換器８７を介して入力ポート８５に入力される。一方、出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して、燃料噴射弁３、スロットル弁駆動アクチュエータ、可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及び燃料ポンプ１９に接続されている。

圧力センサ１０は、吸気通路においてインタークーラ１３とスロットル弁９との間に配置され、コンプレッサ７ａよりも下流側且つスロットル弁９よりも上流側の吸気管６内を流れる吸気の圧力（過給圧）を検出する。負荷センサ１０１は、アクセルペダル１２０の踏込み量に比例した出力電圧を発生させる。したがって、負荷センサ１０１は機関負荷を検出する。エアフロメータ１０２は、吸気通路においてエアクリーナ８とコンプレッサ７ａとの間に配置され、吸気管６内を流れる吸入空気量を検出する。さらに、入力ポート８５には、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するクランク角センサ１０８が接続され、クランク角センサ１０８によって機関回転数が検出される。

＜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のようなターボチャージャ７及びＥＧＲシステムを備えた内燃機関を制御する。本実施形態では、ＥＣＵ８０が制御装置に相当する。

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の所定の運転パラメータである。

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。

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１０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。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９の開度、ＥＧＲ弁６３の開度及び可変ノズル７ｃの開度である。

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に基づいて制御出力ｘの仮目標値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の所定の運転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。

本実施形態では、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１０８によって検出される。燃料噴射量は、負荷センサ１０１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。

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。本実施形態では、状態量ｙは、過給圧、ＥＧＲ率、タービン回転数、排気圧及びターボチャージャ７の動作点を含む。

しかしながら、状態量ｙに関する制約条件の充足度が考慮された結果、過給圧の制御の過程においてターボ効率が低下し、内燃機関１の燃費性能や出力性能が悪化するおそれがある。このため、本実施形態では、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とターボ効率の将来予測値と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。このことによって、制約条件だけでなくターボ効率も考慮して仮目標値ｒが修正されるため、制約充足性を高めつつ、ターボ効率が低下することを抑制することができる。

なお、本明細書において、ターボ効率とは、タービン効率とコンプレッサ効率と機械効率とを乗算した値を意味する（ターボ効率＝タービン効率×コンプレッサ効率×機械効率）。タービン効率は、タービン７ｂによってなされた仕事（タービン仕事）を排気エネルギーで除算した値である（タービン効率＝タービン仕事／排気エネルギー）。コンプレッサ効率は、コンプレッサ７ａによってなされた仕事（コンプレッサ仕事）をタービン仕事で除算した値である（コンプレッサ効率＝コンプレッサ仕事／タービン仕事）。機械効率は、ベアリング等の摩擦抵抗によって生じる損失である。

本実施形態では、目的関数Ｊ（ｗ）は下記式（１）によって表される。
Ｊ（ｗ）＝||ｒ−ｗ||²＋Ｓ_pim＋Ｓ_EGR＋Ｓ_Nt＋Ｓ_pex＋Ｓ_sur−η_tb…（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Ｊ（ｗ）は、修正量の項（式（１）の右辺第一項）、第１ペナルティ関数Ｓ_pim、第２ペナルティ関数Ｓ_EGR、第３ペナルティ関数Ｓ_Nt、第４ペナルティ関数Ｓ_pex、第５ペナルティ関数Ｓ_sur及びターボ効率の項η_tbを含む。

修正量の項は、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Ｊ（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_pim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_pim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Ｊ（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Ｊ（ｗ）の値は、過給圧の将来予測値ｘ₁（ｋ）が上限値ｘ_1Limを超える量の合計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のモデルを用いて過給圧の将来予測値ｘ₁（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（３）によって算出する。
ｘ₁（ｋ＋１）＝ｆ₁（ｘ₁（ｋ）,ｗ，ｄ）…（３）
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１０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。

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（４）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。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Ｊ（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Ｊ（ｗ）の値は、ＥＧＲ率の将来予測値ｘ₂（ｋ）が上限値ｘ_2Limを超える量の合計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、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。

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

ここで、ｘ₃（ｋ）はタービン回転数の将来予測値であり、ｘ_3Limは予め定められたタービン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。第３ペナルティ関数Ｓ_Ntは、タービン回転数の将来予測値ｘ₃（ｋ）が上限値ｘ_3Limを超えた場合に超過量がペナルティとして目的関数Ｊ（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Ｊ（ｗ）の値は、タービン回転数の将来予測値ｘ₃（ｋ）が上限値ｘ_3Limを超える量の合計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のモデルを用いてタービン回転数の将来予測値ｘ₃（ｋ）を算出する。リファレンスガバナ９４は、例えば、タービン回転数の将来予測値ｘ₃（ｋ）を下記式（７）によって算出する。
ｘ₃（ｋ＋１）＝ｆ₃（ｘ₃（ｋ）,ｗ，ｄ）…（７）
ｆ₃は、タービン回転数の将来予測値ｘ₃（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、算出時点のタービン回転数であるｘ₃（０）を用いて、算出時点から１ステップ先のＥＧＲ率の予測値ｘ₃（１）が算出される。算出時点のタービン回転数であるｘ₃（０）は、例えば、タービン７ｂに設けられたタービン回転数センサ（図示せず）によって検出される。その後、算出時点からＮｈステップ先のタービン回転数の予測値ｘ₃（Ｎｈ）までタービン回転数の将来予測値ｘ₃（ｋ）が順次算出され、合計Ｎｈ個のタービン回転数の将来予測値が算出される。

第４ペナルティ関数Ｓ_pexは、排気圧に関する制約条件の充足度を表し、下記式（８）によって定義される。

ここで、ｘ₄（ｋ）は排気圧の将来予測値であり、ｘ_4Limは予め定められた排気圧の上限値であり、ｐ₄は予め定められた重み係数である。第４ペナルティ関数Ｓ_pexは、排気圧の将来予測値ｘ₄（ｋ）が上限値ｘ_4Limを超えた場合に超過量がペナルティとして目的関数Ｊ（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Ｊ（ｗ）の値は、排気圧の将来予測値ｘ₄（ｋ）が上限値ｘ_4Limを超える量の合計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のモデルを用いて排気圧の将来予測値ｘ₄（ｋ）を算出する。リファレンスガバナ９４は、例えば、排気圧の将来予測値ｘ₄（ｋ）を下記式（９）によって算出する。
ｘ₄（ｋ＋１）＝ｆ₄（ｘ₄（ｋ）,ｗ，ｄ）…（９）
ｆ₄は、排気圧の将来予測値ｘ₄（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、算出時点の排気圧であるｘ₄（０）を用いて、算出時点から１ステップ先の排気圧の予測値ｘ₄（１）が算出される。算出時点の排気圧であるｘ₄（０）は、例えば、排気通路に設けられた排気圧センサ（図示せず）によって検出される。その後、算出時点からＮｈステップ先の排気圧の予測値ｘ₄（Ｎｈ）まで排気圧の将来予測値ｘ₃（ｋ）が順次算出され、合計Ｎｈ個の排気圧の将来予測値が算出される。

第５ペナルティ関数Ｓ_surは、ターボチャージャ７の動作点に関する制約条件の充足度を表し、下記式（１０）によって定義される。

図５は、コンプレッサ７ａのサージ領域を示すグラフである。図５において、ｘ軸は吸入空気量を示し、ｙ軸はコンプレッサ７ａ前後の圧力比（出力圧／入力圧）を示している。図５に示されるように、コンプレッサ７ａ前後の圧力比及び吸入空気量によって定められるターボチャージャ７の動作点に応じてコンプレッサ７ａのサージの発生の有無が決定される。例えば、過給状態においてスロットル弁９が急に閉じられると、コンプレッサ７ａの下流側の圧力が過剰に高まり、コンプレッサ７ａのサージが発生する。

図５に示されるように、コンプレッサ７ａのサージが発生するサージ領域と、コンプレッサ７ａのサージが発生しない非サージ領域はサージ境界線によって分けられる。ターボチャージャ７の動作点がサージ領域にある場合、動作点とサージ境界線との距離が長いほど、サージ度合が大きくなる。このため、第５ペナルティ関数Ｓ_surは、ターボチャージャ７の動作点の将来予測値がサージ領域にある場合に動作点とサージ境界線との距離がペナルティとして目的関数Ｊ（ｗ）に加算されるように構成されている。

上記式（１０）において、Ｌ（ｋ）はターボチャージャ７の動作点とサージ境界線との距離の将来予測値であり、ｐ₅は予め定められた重み係数である。なお、距離の将来予測値Ｌ（ｋ）は、ターボチャージャ７の動作点の将来予測値がサージ領域にない場合にはゼロにされる。

リファレンスガバナ９４は内燃機関１のモデルを用いてターボチャージャ７の動作点とサージ境界線との距離の将来予測値Ｌ（ｋ）を算出する。リファレンスガバナ９４は、例えば、距離の将来予測値Ｌ（ｋ）を下記式（１１）によって算出する。
Ｌ（ｋ）＝ｆ₅（Ｐｒ（ｋ）,Ｇａ（ｋ））…（１１）
ｆ₅は、距離の将来予測値Ｌ（ｋ）を算出するために用いられるモデル関数である。ここで、Ｐｒ（ｋ）はコンプレッサ７ａ前後の圧力比の将来予測値であり、Ｇａ（ｋ）は吸入空気量の将来予測値である。なお、距離の将来予測値Ｌ（ｋ）は、圧力比の将来予測値Ｐｒ（ｋ）及び吸入空気量の将来予測値Ｇａ（ｋ）に基づいて、マップを用いて算出されてもよい。

また、リファレンスガバナ９４は内燃機関１のモデルを用いて圧力比の将来予測値Ｐｒ（ｋ）及び吸入空気量の将来予測値Ｇａ（ｋ）を算出する。リファレンスガバナ９４は、例えば、圧力比の将来予測値Ｐｒ（ｋ）を下記式（１２）によって算出し、吸入空気量の将来予測値Ｇａ（ｋ）を下記式（１３）によって算出する。
Ｐｒ（ｋ＋１）＝Ａ₁Ｐｒ（ｋ）＋Ｂ₁Ｘ_VGT（ｋ）＋Ｃ₁Ｘ_EGR（ｋ）＋Ｄ₁Ｘ_THR（ｋ）＋Ｅ₁Ｑ_fuel（ｋ）…（１２）
Ｇａ（ｋ＋１）＝Ａ₂Ｇａ（ｋ）＋Ｂ₂Ｘ_VGT（ｋ）＋Ｃ₂Ｘ_EGR（ｋ）＋Ｄ₂Ｘ_THR（ｋ）＋Ｅ₂Ｑ_fuel（ｋ）…（１３）

ここで、Ｘ_VGT（ｋ）は可変ノズル７ｃの開度の将来予測値であり、Ｘ_EGR（ｋ）はＥＧＲ弁１５の開度の将来予測値であり、Ｘ_THR（ｋ）はスロットル弁９の開度の将来予測値であり、Ｑ_fuel（ｋ）は燃料噴射弁３による燃料噴射量の将来予測値である。また、Ａ₁、Ｂ₁、Ｃ₁、Ｄ₁、Ｅ₁、Ａ₂、Ｂ₂、Ｃ₂、Ｄ₂及びＥ₂は、予め定められた係数である。

リファレンスガバナ９４は内燃機関１のモデルを用いてこれら将来予測値を算出する。リファレンスガバナ９４は、例えば、可変ノズル７ｃの開度の将来予測値Ｘ_VGT（ｋ）を下記式（１４）によって算出する。
Ｘ_VGT（ｋ＋１）＝ｆ₆（Ｘ_VGT（ｋ）,ｗ，ｄ）…（１４）
ｆ₆は、可変ノズル７ｃの開度の将来予測値Ｘ_VGT（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、算出時点の可変ノズル７ｃの開度であるＸ_VGT（０）を用いて、算出時点から１ステップ先の可変ノズル７ｃの開度の予測値Ｘ_VGT（１）が算出される。算出時点の可変ノズル７ｃの開度であるＸ_VGT（０）は例えば算出時点のＥＣＵ８０による制御目標値にされる。その後、算出時点からＮｈステップ先の可変ノズル７ｃの開度の予測値Ｘ_VGT（Ｎｈ）まで可変ノズル７ｃの開度の将来予測値Ｘ_VGT（ｋ）が順次算出され、合計Ｎｈ個の可変ノズル７ｃの開度の将来予測値が算出される。

ＥＧＲ弁１５の開度の将来予測値Ｘ_EGR（ｋ）及びスロットル弁９の開度の将来予測値Ｘ_THR（ｋ）も可変ノズル７ｃの開度の将来予測値Ｘ_VGT（ｋ）と同様に算出される。なお、これら将来予測値の算出方法は、修正目標値ｗに基づいて算出されれば、上記の方法に限定されない。例えば、これら将来予測値は、マップ等を用いて算出されてもよい。

また、燃料噴射量の将来予測値Ｑ_fuel（ｋ）は、内燃機関１を搭載した車両のドライバのアクセル操作によって変動し、将来のアクセル操作は不明である。このため、燃料噴射量の将来予測値Ｑ_fuel（ｋ）は予測期間に亘って算出時点の値にされる。

上記式（１２）を用いて圧力比の将来予測値Ｐｒ（ｋ）は以下のように算出される。最初に、算出時点の圧力比であるＰｒ（０）等を用いて、算出時点から１ステップ先の圧力比の予測値Ｐｒ（１）が算出される。その後、算出時点からＮｈステップ先の圧力比の予測値Ｐｒ（Ｎｈ）まで圧力比の将来予測値Ｐｒ（ｋ）が順次算出され、合計Ｎｈ個の圧力比の将来予測値が算出される。

算出時点の圧力比であるＰｒ（０）は、算出時点のコンプレッサ７ａの出力圧を算出時点のコンプレッサ７ａへの入力圧で除算することによって算出される。算出時点のコンプレッサ７ａの出力圧は例えば圧力センサ１０によって検出される。算出時点のコンプレッサ７ａへの入力圧は大気圧にされる。内燃機関１又は内燃機関１を搭載した車両に大気圧センサが設けられている場合、算出時点のコンプレッサ７ａへの入力圧は大気圧センサによって検出されてもよい。

上記式（１３）を用いて吸入空気量の将来予測値Ｇａ（ｋ）は以下のように算出される。最初に、算出時点の吸入空気量であるＧａ（０）等を用いて、算出時点から１ステップ先の吸入空気量の予測値Ｇａ（１）が算出される。算出時点の吸入空気量であるＧａ（０）はエアフロメータ１０２によって検出される。その後、算出時点からＮｈステップ先の吸入空気量の予測値Ｇａ（Ｎｈ）まで吸入空気量の将来予測値Ｇａ（ｋ）が順次算出され、合計Ｎｈ個の吸入空気量の将来予測値が算出される。

ターボ効率の項η_tbは、ターボ効率を表し、下記式（１５）によって定義される。

ここで、η_tb（ｋ）はターボ効率の将来予測値であり、ｐ₆は予め定められた重み係数である。

図６は、過給時のターボ効率の軌跡を説明するための図である。図６において、ｘ軸は吸入空気量を示し、ｙ軸はコンプレッサ７ａ前後の圧力比（出力圧／入力圧）を示し、等高線はターボ効率を示している。また、図６には、変速比が３速のときに過給によって４０ｋｍ／ｈから７０ｋｍ／ｈまで車両を加速させたときのターボチャージャ７の動作点の軌跡の例が二つ描かれている。加速に伴い、吸入空気量及びコンプレッサ７ａ前後の圧力比は徐々に増加している。図６において下側の軌跡は、図６において上側の軌跡に比べて、過給時のターボ効率が高い。

図６に示されるように、ターボ効率は吸入空気量及びコンプレッサ７ａ前後の圧力比に応じて変化する。このため、リファレンスガバナ９４は、例えば、ターボ効率の将来予測値η_tb（ｋ）を下記式（１６）によって算出する。
η_tb（ｋ）＝ｆ₁（Ｇａ（ｋ），Ｐｒ（ｋ））…（１６）

吸入空気量の将来予測値Ｇａ（ｋ）及び圧力比の将来予測値Ｐｒ（ｋ）は第５ペナルティ関数Ｓ_surの場合と同様に算出される。なお、ターボ効率の将来予測値η_tb（ｋ）は、圧力比の将来予測値Ｐｒ（ｋ）及び吸入空気量の将来予測値Ｇａ（ｋ）に基づいて、マップを用いて算出されてもよい。

上記式（１）及び式（１５）から分かるように、目的関数Ｊ（ｗ）の値は、ターボ効率の各将来予測値の合計が高いほど小さくなる。したがって、目的関数Ｊ（ｗ）は、ターボ効率の将来予測値を考慮して定められている。

＜目標値導出処理＞
以下、図７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７は、本実施形態における目標値導出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、目標値を導出するためにＥＣＵ８０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、外生入力ｄ（本実施形態では機関回転数及び燃料噴射量）が取得される。次いで、ステップＳ１０２において、目標値マップ９５によって外生入力ｄに基づいて制御出力ｘ（本実施形態では過給圧及びＥＧＲ率）の仮目標値ｒが算出される。

次いで、ステップＳ１０３において、勾配法による修正目標値ｗの最適値探索を行うべく、現在の修正目標値ｗから所定距離だけ離れた４つの近傍目標値ｗ１〜ｗ４における目的関数Ｊ（ｗ１）〜Ｊ（ｗ４）の値が、上記式（１）を用いて算出される。このとき、近傍目標値ｗ１〜ｗ４を修正目標値ｗとして、上記式（１）の目的関数Ｊ（ｗ）の各項が算出される。なお、修正目標値ｗの初期値は仮目標値ｒである。

次いで、ステップＳ１０４において、目的関数Ｊ（ｗ１）〜Ｊ（ｗ４）の値から算出された勾配の方向に修正目標値ｗが移動される。すなわち、修正目標値ｗが更新される。次いで、ステップＳ１０５において、更新回数Ｃｏｕｎｔに１が加算される。更新回数Ｃｏｕｎｔは、修正目標値ｗの更新が行われた回数を示す。更新回数Ｃｏｕｎｔの初期値は０である。

次いで、ステップＳ１０６において更新回数Ｃｏｕｎｔが所定回数Ｎ以上であるか否かが判定される。所定回数Ｎは例えば５〜２００である。ステップＳ１０９において更新回数Ｃｏｕｎｔが所定回数Ｎ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に戻る。したがって、更新回数Ｃｏｕｎｔが所定回数Ｎに達するまで、修正目標値ｗの最適値探索が繰り返し行われる。

ステップＳ１０６において更新回数Ｃｏｕｎｔが所定回数Ｎ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７では、制御出力ｘの目標値ｗｆが最終的な修正目標値ｗに設定される。また、ステップＳ１０７では、更新回数Ｃｏｕｎｔがゼロにリセットされる。ステップＳ１０７の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、目的関数の値が小さくなるように修正目標値ｗを更新できれば、勾配法以外の方法によって修正目標値ｗが更新されてもよい。

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は火花点火式内燃機関（例えば、ガソリンエンジン）であってもよい。

また、過給圧は、可変ノズル７ｃの代わりに、バイパス通路に設けられたウエストゲートバルブによって調整されてもよい。この場合、制御入力ｕとして、可変ノズル７ｃの開度の代わりにウエストゲートバルブの開度が用いられる。また、圧力比の将来予測値Ｐｒ（ｋ）及び吸入空気量の将来予測値Ｇａ（ｋ）を算出するとき、可変ノズル７ｃの開度の将来予測値Ｘ_VGT（ｋ）の代わりにウエストゲートバルブの開度の将来予測値が用いられる。

また、内燃機関１は、ＨＰＬ方式のＥＧＲシステムの代わりに低圧ループ方式（ＬＰＬ方式）のＥＧＲシステムを備えてもよい。この場合、ＥＧＲ通路１４は排気浄化触媒２８よりも下流側の排気通路とコンプレッサ７ａよりも上流側の吸気通路とに接続される。

また、目的関数Ｊ（ｗ）は下記式（１７）によって定義されてもよい。すなわち、目的関数Ｊ（ｗ）において、第１ペナルティ関数Ｓ_pim、第２ペナルティ関数Ｓ_EGR、第３ペナルティ関数Ｓ_Nt、第４ペナルティ関数Ｓ_pex、第５ペナルティ関数Ｓ_sur及びターボ効率の項η_tbが二乗されてもよい。
Ｊ（ｗ）＝||ｒ−ｗ||²＋Ｓ_pim ²＋Ｓ_EGR ²＋Ｓ_Nt ²＋Ｓ_pex ²＋Ｓ_sur ²−η_tb ²…（１７）

また、目的関数Ｊ（ｗ）の上記式（１）又式（１７）において、第３ペナルティ関数Ｓ_Nt、第４ペナルティ関数Ｓ_pex、第５ペナルティ関数Ｓ_surの少なくとも一つは省略されてもよい。

１ 内燃機関
７ ターボチャージャ
８０ 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. ターボチャージャ及びＥＧＲシステム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、
   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、
   過給圧及びＥＧＲ率に関する制約条件の充足度とターボ効率の将来予測値と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、内燃機関の制御装置。

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