JP2020051355A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】適合作業を容易にする。【解決手段】内燃機関の制御装置が提供される。内燃機関１は、インテークマニホールド１０と、タービン１４Ｔのノズル開度が可変なターボチャージャ１４と、排気再循環バルブ３３を有する排気再循環装置３０とを備える。制御装置１００は、ノズル開度とインテークマニホールド圧の関係を表す第１式と、排気再循環バルブ開度と排気再循環ガスモル流量との関係を表す第２式とを状態空間表現で表した第３式を記憶すると共に、空気過剰率を排気再循環ガスモル流量に置換するための関係式である第４式を記憶し、第３式と第４式に基づいて、インテークマニホールド圧と空気過剰率を制御するように構成されている。【選択図】図１

Description

本開示は、内燃機関の制御装置に関する。

例えば車両用の内燃機関において、タービンのノズル開度が可変なターボチャージャと、排気再循環（以下、ＥＧＲともいう）バルブを有するＥＧＲ装置とを備えたものが公知である。こうした内燃機関では、ノズル開度を制御してインテークマニホールド圧を制御すると共に、ＥＧＲバルブ開度を制御して空気過剰率を制御することで、エンジンの出力性能と排ガスエミッションを両立させている。

特開２００１−１７３５２１号公報

一般的に、ノズル開度とＥＧＲバルブ開度の制御は、比例微分積分（ＰＩＤ）制御に代表される古典的フィードバック制御によって実行される。しかしこの種のフィードバック制御では、異なるエンジン運転条件にできるだけ合うように比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインといった制御ゲインを調整する必要があり、適合工数が増大してしまう。また、一方の制御が他方の制御に干渉する制御干渉の問題があるため、適合はさらに複雑困難である。

そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、適合作業を容易にすることができる内燃機関の制御装置を提供することにある。

本開示の一の態様によれば、
内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関は、インテークマニホールドと、タービンのノズル開度が可変なターボチャージャと、排気再循環バルブを有する排気再循環装置とを備え、
前記制御装置は、
前記ノズル開度とインテークマニホールド圧の関係を表す第１式と、前記排気再循環バルブ開度と排気再循環ガスモル流量との関係を表す第２式とを状態空間表現で表した第３式を記憶すると共に、
空気過剰率を前記排気再循環ガスモル流量に置換するための関係式である第４式を記憶し、
前記第３式と前記第４式に基づいて、前記インテークマニホールド圧と前記空気過剰率を制御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が提供される。

好ましくは、前記第３式において、前記ノズル開度と前記排気再循環バルブ開度が入力をなし、前記インテークマニホールド圧と前記排気再循環ガスモル流量が出力をなす。

本開示によれば、適合作業を容易にすることができる。

本開示の実施形態の構成を示す概略図である。 制御システムのブロック図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意すべきである。

図１は、本開示の実施形態の構成を示す概略図である。内燃機関（エンジンともいう）１は、車両（図示せず）に搭載された多気筒エンジンである。本実施形態において、車両はトラック等の大型車両であり、これに搭載される車両動力源としてのエンジン１は直列４気筒ディーゼルエンジンである。しかしながら、車両および内燃機関の種類、形式、用途等に特に限定はなく、例えば車両は乗用車等の小型車両であってもよいし、エンジン１はガソリンエンジンであってもよい。

エンジン１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に接続された吸気通路３および排気通路４と、ターボチャージャ１４と、燃料噴射装置５とを備える。エンジン本体２は、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン、クランクシャフト、バルブ等の可動部品とを含む。

燃料噴射装置５は、コモンレール式燃料噴射装置からなり、各気筒に設けられた燃料噴射弁すなわちインジェクタ７と、インジェクタ７に接続されたコモンレール８とを備える。インジェクタ７は、シリンダ９内すなわち燃焼室内に燃料を直接噴射する。コモンレール８は、インジェクタ７から噴射される燃料を高圧状態で貯留する。

吸気通路３は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続されたインテーク（吸気）マニホールド１０と、インテークマニホールド１０の上流端に接続された吸気管１１とにより主に画成される。以下、インテークマニホールドのことを略称してインマニともいう。

インマニ１０は、吸気管１１から送られてきた吸気を各気筒の吸気ポートに分配供給する。吸気管１１には、上流側から順に、エアクリーナ１２、エアフローメータ１３、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｃ、インタークーラ１５、および電子制御式の吸気スロットルバルブ１６が設けられる。エアフローメータ１３は、エンジン１の単位時間当たりの吸入空気量すなわち吸気流量を検出するためのセンサで、ＭＡＦセンサ等とも称される。

排気通路４は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続されたエキゾースト（排気）マニホールド２０と、エキゾーストマニホールド２０の下流端に接続された排気管２１とにより主に画成される。以下、エキゾーストマニホールドのことを略称してエキマニともいう。

エキマニ２０は、各気筒の排気ポートから送られてきた排気ガスを集合させて排気管２１に排出する。排気管２１の途中に、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔが設けられる。タービン１４Ｔより下流側の排気管２１には、排気後処理を行うための図示しない後処理部材が設けられる。後処理部材として、例えば酸化触媒、パティキュレートフィルタ、選択還元型ＮＯｘ触媒の中から少なくとも一つが選択される。

ターボチャージャ１４は、可変容量型ターボチャージャからなる。タービン１４Ｔの入口におけるノズルの開度すなわちノズル開度は可変となっている。ノズル開度を可変とするため、ノズルには複数の可動ノズルベーン２８が設けられ、これらノズルベーン２８にターボアクチュエータ２９が連結される。ターボアクチュエータ２９を制御してノズルベーン２８の開度を制御することで、ノズル開度を制御するようになっている。

エンジン１は排気再循環（ＥＧＲ）装置３０をも備える。ＥＧＲ装置３０は周知のように、排気通路４内の排気ガスの一部（ＥＧＲガスという）を取り出して吸気通路３内に還流させるためのものである。ＥＧＲ装置３０は、ＥＧＲガスを流すためのＥＧＲ通路３１を備える。ＥＧＲ通路３１は、タービン１４Ｔの上流側の排気管２１に接続された上流端と、コンプレッサ１４Ｃの下流側の吸気管１１に接続された下流端とを有する。なお本実施形態の場合、ＥＧＲ通路３１の下流端は、インタークーラ１５および吸気スロットルバルブ１６の下流側の吸気管１１に接続される。

またＥＧＲ装置３０は、ＥＧＲ通路３１を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３２と、ＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲバルブ３３とを備える。本実施形態の場合、ＥＧＲクーラ３２の下流側にＥＧＲバルブ３３が設けられる。

一方、本実施形態に係る制御装置は、電子制御ユニット（ＥＣＵともいう）１００を備える。ＥＣＵ１００は、制御ユニット、回路要素（circuitry）もしくはコントローラをなすものであり、車両およびエンジン全体の制御を司るものである。ＥＣＵ１００は、演算機能を有するＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶媒体であるＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力ポート、ならびにＲＯＭおよびＲＡＭ以外の記憶装置等を含む。ＥＣＵ１００は、インジェクタ７、吸気スロットルバルブ１６、ターボアクチュエータ２９およびＥＧＲバルブ３３等を制御するように構成され、プログラムされている。

また本実施形態に係る制御装置は、センサ類として、上述のエアフローメータ１３の他、エンジン回転速度（具体的には毎分当たりの回転数（ｒｐｍ））を検出するための回転速度センサ４０と、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ４１とを備える。

また制御装置は、インマニ１０内のインテークガスの温度を検出するためのインマニ温度センサ４２と、インマニ１０内のインテークガスの酸素（Ｏ₂）濃度を検出するためのインマニ酸素濃度センサ４３とを備える。

また制御装置は、エキマニ２０内の排気ガスの温度を検出するためのエキマニ温度センサ４４と、エキマニ２０内の排気ガスの酸素（Ｏ₂）濃度を検出するためのエキマニ酸素濃度センサ４５とを備える。

次に、本実施形態の制御について説明する。

上述の構成によれば、タービン１４Ｔのノズル開度が減少するほどタービン回転数が上昇し、コンプレッサ１４Ｃによる過給が増大し、インマニ１０内のインテークガスの圧力すなわちインマニ圧は上昇する傾向がある。その一方で、インマニ圧が上昇するほど、ＥＧＲ通路３１の下流端の圧力が上昇するので、ＥＧＲガス流量は低下する傾向がある。このようにノズル開度の変化に対して、インマニ圧とＥＧＲガス流量の両者が影響を受け、かつ両者は背反する関係にある。

他方、ＥＧＲバルブ３３の開度すなわちＥＧＲバルブ開度が増大するほど、ＥＧＲガス流量は増大する傾向があるが、その一方でインマニ圧がＥＧＲ通路３１に逃げ易くなるので、インマニ圧は低下する傾向がある。このようにＥＧＲバルブ開度の変化に対しても、インマニ圧とＥＧＲガス流量の両者が影響を受け、かつ両者は背反する関係にある。

一方、ＥＧＲガス流量の変化に応じて空気過剰率も変化する。例えばＥＧＲガス流量が増大するほど、インテークガスの中に占めるＥＧＲガス（すなわち排気ガス）の割合は多くなり、新気である空気の割合は少なくなり、空気過剰率は低下する傾向がある。

本実施形態では、互いに影響を及ぼし合うノズル開度とＥＧＲバルブ開度を２入力とし、インマニ圧と空気過剰率を２出力として、２入力２出力の制御システムを構築する。これにより、両者が互いを考慮して最適に制御される協調制御を実現でき、インマニ圧と空気過剰率を最適に制御することが可能となる。

以下、具体的に説明する。以下の説明で使用される記号の意味と添字の意味は次表に示す通りである。

ここで図１を参照して、ＥＧＲ通路３１が合流する合流点１９よりも上流側の吸気通路３には、ＥＧＲガスが混入する前の新気すなわち空気が流れている。そのため、合流点１９よりも上流側の吸気通路３におけるガスを空気という。これに対し、合流点１９よりも下流側の吸気通路３には、ＥＧＲガスが混入した後の、空気とＥＧＲガスの混合気が流れている。そのため、合流点１９よりも下流側の吸気通路３におけるガスもしくは混合気をインテークガスという。モル流量ｎ’は、単位時間当たりに流れるモル数の意味で、単位はkmol/sもしくはmol/sである。モル数ｎの右上に付された’（ダッシュ）は１階微分を表すが、流体分野等では慣例的に、’（ダッシュ）の代わりに、モル数ｎの上に付される・（ドット）で１階微分を表すことも多い。

次に、インマニ圧に関する制御モデルについて説明する。一般に、圧力、体積および体積流量との間には、次式が成立する。

これを本実施形態に当て嵌めると、次式となる。

上式は、ＰＶ＝ｎＲＴ等の関係を用いて、次式のように変形できる。

上式は、さらに次式のように変形できる。

但し、下記が該当する。

上式に次式を代入する。

すると、次式（１）が得られる。この式（１）がインマニ圧モデルを表すモデル式である。式（１）は、ノズル開度Ｘ_vgtとインマニ圧Ｐ_inmの関係を表しており、特許請求の範囲にいう第１式に相当する。

インマニ体積Ｖ_inm、体積効率η_v、行程容積Ｖ_dsp、および一般ガス定数Ｒ₀は、エンジンの諸元等によって決まる所定の定数であり、ＥＣＵ１００に予め記憶される。エンジン回転速度Ｎｅは、回転速度センサ４０により検出される。インマニ温度Ｔ_inmは、インマニ温度センサ４２により検出される。インテークガス酸素濃度Ｃ_O2intは、インマニ酸素濃度センサ４３により検出される。排気ガス酸素濃度Ｃ_O2extは、エキマニ酸素濃度センサ４５により検出される。空気の酸素濃度Ｃ_O2airは、既知の物性値であり、０．２１（＝２１％）としてＥＣＵ１００に予め記憶される。空気モル流量ｎ’_airは、エアフローメータ１３により検出された空気流量に基づいて算出される。ｋｖは、ノズル開度に対する空気流量の比例定数であり、エンジン運転状態等に応じて変化する変数であり、例えばマップから算出可能である。

次に、ＥＧＲガス流量、特にＥＧＲガスモル流量に関する制御モデルについて説明する。ＥＧＲガスモル流量ｎ’_egrとＥＧＲバルブ開度Ｘ_egrの関係は、基本的に次式によって表すことができる。

ここでｋｅは、ＥＧＲバルブ開度Ｘ_egrに対するＥＧＲガスモル流量ｎ’_egrの比例定数であり、エンジン運転状態等に応じて変化する変数であり、例えばマップから算出可能である。この式の両辺を微分すると、次式（２）となる。

この式（２）がＥＧＲガス流量モデルを表すモデル式である。式（２）は、ＥＧＲバルブ開度Ｘ_egrとＥＧＲガスモル流量ｎ’_egrの関係を表しており、特許請求の範囲にいう第２式に相当する。

さて、上記の式（１）と式（２）を２入力２出力の状態空間表現で表すと、次式（３）となる。

この式（３）は、エンジンのある運転条件において、入力としてのノズル開度およびＥＧＲバルブ開度がそれぞれＸ_vgt、Ｘ_egrであるときの、出力としてのインマニ圧Ｐ_inmとＥＧＲガスモル流量ｎ’_egrを表している。式（３）は、特許請求の範囲にいう第３式に相当し、ＥＣＵ１００に予め記憶されている。

ここで、空気過剰率の要素を反映するため、次式（４）、（５）、（６）に示す関係を利用する。より具体的には、空気過剰率の目標値としての目標空気過剰率を、ＥＧＲガスモル流量の目標値である目標ＥＧＲガスモル流量に置換する。

ここで、ＭＦは質量流量、λは空気過剰率、ＭＷはモル重量を意味する。また添字に関して、ａｉｒは空気、ｉｎｔはインテークガス、ｅｇｒはＥＧＲガス、＿ｅｑは化学量論量、＿ｔｒｇは目標値を意味する。この一組の式（４）、（５）、（６）は、特許請求の範囲にいう第４式に相当し、ＥＣＵ１００に予め記憶されている。

ＥＣＵ１００は、式（３）と式（４）、（５）、（６）とに基づいて、インマニ圧と空気過剰率を制御するように構成されている。すなわちＥＣＵ１００は、式（３）、（４）、（５）、（６）の関係により、インマニ圧の制御と、ＥＧＲガスモル流量を介しての空気過剰率の制御とを実行する。

一般的に、インマニ圧と空気過剰率を制御する場合、インマニ圧と空気過剰率を、それぞれノズル開度とＥＧＲバルブ開度の入力の関係で直接的に定式化することは容易ではない。そこで本実施形態では、空気過剰率の制御をＥＧＲガスモル流量を介した間接的な制御へ置き換えることで、ノズル開度とＥＧＲバルブ開度を入力、インマニ圧と空気過剰率を出力とした、２入力２出力の制御システムを構築することが可能となる。

ここで式（３）は、以下に示す関係として取り扱うことができる。

但し、ｕ（ｔ）、ｘ（ｔ）、Ａ、Ｂは下記の通りである。

ｕ（ｔ）は入力、ｙ（ｔ）は出力、ｘ（ｔ）は状態変数であり、それぞれベクトルである。また、Ａは状態行列、Ｂは入力行列、Ｃは出力行列、Ｄは直達行列である。上式（７）、（８）をブロック図で表すと図２に示す通りとなる。Ｃは単位行列であり、Ｄは単純化のためゼロ行列である。結局、ｙ（ｔ）＝ｘ（ｔ）であり、ｘ（ｔ）は実質的にシステムの出力をなす。

理解されるように、式（３）は制御対象を状態空間表現により表したものに他ならない。従ってこのようなシステムの定式化により、制御理論の適用の可能性を広げることが可能となる。

一例として、システムに最適レギュレータ理論を適用した例を説明する。まず、上式（７）は次の通りである

また、評価関数は次の通りである。

コントローラゲインをＫとすると、次式が成り立つ。

式（ｉ）について、制御における操作量ｕを抑えつつ状態ｘの目標値に対する収束性を高める調整を、評価関数（ｉｉ）の重み係数ＱおよびＲの調整により行う。

式（ｉ）および（ｉｉ）が与えられたとき、式（ｉｉ）を最小化するコントローラゲインＫは、次式（ｉｖ）に示すように一意的に定まる。

このとき、Ｐ＝Ｐ_optは、次式（ｖ）で表されるリカッチ方程式を満足するＰ（正定対称解）として唯一に求めることができる。

以上をまとめると、システムを状態空間表現として表し、評価関数によって制御性能を規定することで、リカッチ方程式を介して一意的にコントローラゲインＫを解析的に求めることができる。

最適レギュレータ理論を適用することで、制御性能（応答性、追従性）を、評価関数の重み係数の調整により、設定することが可能となる。また、システムの安定性を保つようなコントローラゲインを解析的に求めることができる。

すなわち実質的に、評価関数の重み係数を調整するだけで、コントローラの安定性を保ちつつ、制御性能を決めることができる。そのため、ＰＩＤコントローラのように試行錯誤的に制御ゲインを決定することに比べ、適合の工数を大幅に削減できる可能性がある。

以上で説明したとおり、制御対象を状態空間表現とすることで、例えば最適レギュレータ理論の適用により、制御ゲインを解析的に求めることができるようになり、ＰＩＤ制御に代表される古典的フィードバック制御の場合と比べて、制御ゲインの適合作業を著しく容易にすることが可能となる。

またこのほか、Ｈ∞制御も適用が可能となる。この場合、システムのロバスト性などを高めることができるようになる。

なお上記実施形態では空気モル流量ｎ’_airおよびＥＧＲガスモル流量ｎ’_egrを、インマニ酸素濃度センサ４３およびエキマニ酸素濃度センサ４５の検出値に基づいて算出したが、これに限られない。例えば、エアフローメータ１３により検出される空気流量に基づいて算出してもよい。またＥＧＲガス流量を検出するセンサが設けられている場合には、当該センサにより検出されたＥＧＲガス流量に基づいて算出してもよい。

本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 内燃機関（エンジン）
１０ インテークマニホールド（インマニ）
１４ ターボチャージャ
１４Ｔ タービン
２８ ノズルベーン
３０ ＥＧＲ装置
３３ ＥＧＲバルブ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (2)

1. 内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関は、インテークマニホールドと、タービンのノズル開度が可変なターボチャージャと、排気再循環バルブを有する排気再循環装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記ノズル開度とインテークマニホールド圧の関係を表す第１式と、前記排気再循環バルブ開度と排気再循環ガスモル流量との関係を表す第２式とを状態空間表現で表した第３式を記憶すると共に、
   空気過剰率を前記排気再循環ガスモル流量に置換するための関係式である第４式を記憶し、
   前記第３式と前記第４式に基づいて、前記インテークマニホールド圧と前記空気過剰率を制御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。
2. 前記第３式において、前記ノズル開度と前記排気再循環バルブ開度が入力をなし、前記インテークマニホールド圧と前記排気再循環ガスモル流量が出力をなす
   請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

Images