JP4589434B2 - 内燃機関の制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

従来技術
本発明は内燃機関の制御方法および制御装置に関する。

たとえばDE 196 20 036 A1から内燃機関の制御方法および制御装置が公知である。これによれば、内燃機関へ供給される外気質量流を制御するために第１の調整器が用いられ、排気ガス再循環質量流を制御するために第２の調整器が用いられる。第１の調整器として有利にはコントロールバルブが用いられ、これは吸気管内において流れの方向でコンプレッサの下流に配置されている。第２の調整器として有利には高圧側の排気ガス再循環バルブが用いられ、これは高圧側の排気ガス再循環導管内に配置されている。特定の動作状態において、外気質量流も再循環排気ガスの割合も精確に調節できるようにする目的で、排気ガス再循環バルブもコントロールバルブも調整されながら、ないしは閉ループ制御されながら駆動される。一般に、吸気管圧力の調整すなわち内燃機関へ吸気される前の圧力の調整が行われている。排気ガス再循環バルブを介した吸気管圧力調整は、高圧側の排気ガス再循環バルブがさらに開かれると吸気管圧力はコントロールバルブの位置とは無関係に常に上昇する、という想定をベースとしている。ただしこのことが成り立つのは、コントロールバルブを介することではっきりとした圧力低下が生じるようコントロールバルブが作動される場合にかぎる。しかしながらコントロールバルブの特定の開放角度から、この作用が逆になる可能性がある。このケースにおいて排気ガス再循環バルブが開かれると、いっそう多くの排気ガスが排気ガス再循環導管を介して流れ、つまりはタービンを介した質量流は僅かになる。この理由からコンプレッサの供給が僅かになり、流れの方向でコンプレッサの下流の圧力が低下する。さらにこのことによって、吸気管圧力も低下することになる。結局のところこのことは、排気ガス再循環バルブを用いた吸気管圧力調整の調整方向ないしは調整特性がコントロールバルブの開放角度に依存して変化する可能性がある、ということを意味する。このような挙動をコントローラによって相殺することはできず、ひいては目標値を適合調整することもできない。この問題を解決するため、まだ公開されていないDE 10 2004 035 316.6によれば内燃機関を制御する以下の方法が提案されている。すなわちこの方法によれば、内燃機関へ供給される外気質量流を制御するための第１の調整器と、排気ガス再循環質量流を制御するための第２の調整器が設けられており、外気質量流に対する第１の目標値と第１の実際値との比較に基づき第１の調整器のための第１の調整量をまえもって設定可能であり、排気ガス質量流に対する第２の目標値と第２の実際値との比較に基づき、第２の調整器のための第２の調整量をまえもって設定可能である。この場合、第１の調整量にも第２の調整量にも、１つのモデルを用いて設定可能な予備制御値が重畳される。この方法によって、調整方向ないしは調整特性の逆転が生じるのを回避することができる。排気ガス再循環バルブは、コントロールバルブのポジションには依存することなく同じ調整方向ないしは調整特性を有している。さらにこの場合、これまで排気ガス循環率は吸気管圧力により間接的に適用しなければならなかったことから、適用が簡単になる。この方法によれば、排気ガス循環率を直接目標値として設定することができる。調整経路もしくは閉ループ制御システムを表現する際のベースとなる予備制御によって、迅速な目標値設定が達せられる。

さて、高圧側の排気ガス再循環に加えて、いくつかの適用領域においては低圧側の排気ガス再循環も望まれる。この場合、排気ガスはタービンの後方で取り出され、コンプレッサの前方で供給される。この目的で、低圧側排気ガス再循環導管が設けられている。低圧側導管を介して再循環される排気ガス量を制御できるようにする目的で、低圧側排気ガス再循環バルブが設けられている。さらに、たとえば排気ガスバルブおよび／またはコントロールバルブといった別の調整器も、低圧側の排気ガス再循環供給部の前に設けることができる。この種のシステムにおいて問題となるのは、複数の目標値を同時に設定することであり、すなわち望ましい実際値に合わせて整合させることである。つまり高圧側排気ガス再循環率に対する目標値と、低圧側排気ガス再循環率に対する目標値と、外気質量流に対する目標値を、同時に適合調整しなければならない。

たとえば調整器ストッパにおけるような特定の物理的境界条件において、個々の目標値の間で優先順位を設定しなければならない。なぜならば、この場合には必要とされるすべての調整自由度が存在するわけではないからである。たとえば高圧側排気ガス再循環バルブが開放ストッパに達した場合、３つの目標値をすべて同時に設定することはできない。慣用の調整ストラテジによれば、このことはまったく不可能であるか、あるいは適用のために著しく手間ないしはコストをかけることによってしか可能ではなく、その際、殊にダイナミックな領域において問題が発生する。さらに高度にダイナミックな領域においても問題が発生する。なぜならばこの場合、個々の調整器がコーディネートされない状態で動く可能性があるからである。これにより調整品質が低下し、最悪のケースでは目標値を設定できなくなってしまう。

この問題を解決するために、第１の調整量に第１のモデルベースの予備制御値が重畳され、第２の調整量に第２のモデルベースの予備制御値が重畳され、第３の調整量に第３のモデルベースの予備制御値が重畳される。モデルベースの予備制御値は１つのモデルによって決定され、このモデルは第１の調整器の調整量目標値に対する外気質量流の目標値を表現し、および／または第２の調整器の調整量目標値に対する高圧側排気ガス質量流の目標値を表現し、および／または第３の調整器の調整量目標値に対する低圧側排気ガス質量流の目標値を表現する。これらの表現の各々は、ある意味では個々の調整経路ないしは閉ループ制御システムの反転を表す。

このようなモデルにより、少なくとも混合調整ボリュームＶ２２と調整器の手前におけるボリュームＶ２１のモデリングが可能となる。

第２のモデルを用いて実際値を得ることができ、このようにすることで既存のセンサ信号から妨害作用を取り除くことができ、測定不可能な信号を計算することができ、コストのかかる他のセンサを省くことができる。

図面
次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明のさらに別の利点ならびに特徴について詳しく説明する。

図１は内燃機関の概略ブロック図であり、図２は本発明による手法を示すブロック図である。

実施例の説明
以下では、コントロールバルブ、高圧側排気ガス再循環バルブおよび低圧側排気ガス再循環バルブの例に基づき本発明による方法について説明する。原理的に本発明による手法を、ガス質量流に作用を及ぼすあらゆる調整器に適用可能であり、たとえば外気質量流、高圧側排気ガス質量流もしくは低圧側排気ガス質量流を制御可能なあらゆる調整器に適用することができる。なお、自明のとおり、外気質量流もしくは高圧側および低圧側の排気ガス質量流の代わりに、それらの量に対応する他の量を調整および／または制御することができ、ないしは閉ループ制御および／または開ループ制御することができる。したがってあとで説明するこれらの量の実際値と目標値は、外気質量流、高圧側排気ガス再循環質量流ならびに低圧側排気ガス再循環質量流を表す量である。ここで調整量とは、対応する調整器を制御するための適切な量のことである。

内燃機関１００に対し高圧側外気導管１０２を介して、所定の割合の酸素量を含む所定のガス量が供給される。高圧側外気導管１０２は２つの部分から成る。第１の部分１０２ａは、排気ガス混合が行われる個所まで案内されている。第２の部分１０２ｂは、排気ガス混合が行われた後の個所まで案内されている。第１の部分１０２ａにはコントロールバルブ１０４が配置されている。低圧側外気導管１０８を介して周囲空気がコンプレッサ１０６に到達し、ついでこの空気はコントロールバルブ１０４を介して高圧側外気導管１０２へ流れる。コンプレッサ１０６を介して空気量はコントロールバルブ１０４を経て高圧側外気導管１０２へ流れる。コンプレッサ１０６とコントロールバルブとの間において容積ないしはボリュームＶ２１が生じ、そこには圧力ｐ２１が加わっている。混合の行われる個所では、ボリュームＶ２２において圧力ｐ２２が加わる。

内燃機関１００からは、相応の割合の酸素量を含む空気量が高圧側排気ガス導管１１０に流れる。高圧側排気ガス導管は分岐を有しており、これは一方では高圧側排気ガス再循環バルブ１１８へ導かれ、他方ではタービン１１２へ導かれる。排気ガスはタービン１１２から、排気管とも呼ばれる低圧側排気ガス導管１１４に達する。タービン１１２は軸１１１によってコンプレッサ１０６を駆動する。過給器調整器１１３を用いてタービン１１２の特性を制御することができ、つまりは過給器全体の特性を制御することができる。駆動制御のために過給器調整器１１３に駆動制御信号が供給され、この信号によればリフト量ないしはストローク量について過給器の調節が行われる。このリフト量を過給器リフト量とも称し、この駆動制御信号を過給器調整量とも称する。

高圧側排気ガス導管１１０と高圧側外気導管１０２との間に接続導管が設けられており、この接続導管を高圧側排気ガス再循環導管１１６と称する。高圧側の排気ガス再循環導管１１６を通って所定の排気ガス量が流れる。高圧側排気ガス再循環導管１１６の横断面積は、有利には高圧側排気ガス再循環バルブ１１８によって制御可能である。駆動制御のために排気ガス再循環調整器１１９に駆動制御信号が供給され、この信号によれば排気ガス再循環バルブ１１８の調節がリフト量もしくはストローク量について行われる。このリフト量を排気ガス再循環リフト量とも称し、この駆動制御信号を排気ガス再循環調整量とも称する。

低圧側排気ガス導管１１４と低圧側外気導管１０８との間にも同様に接続導管が設けられており、これを低圧側排気ガス再循環導管１２６と称する。低圧側排気ガス再循環導管１２６を通って所定の排気ガス量が流れる。低圧側排気ガス再循環導管１２６の横断面積は、有利には低圧側排気ガス再循環バルブ１２８によって制御可能である。駆動制御のために低圧側排気ガス再循環調整器１２９に駆動制御信号が供給され、この信号によれば低圧側排気ガス再循環バルブ１２８の調節がリフト量ないしはストローク量について行われる。このリフト量を低圧側排気ガス再循環リフト量とも称し、この駆動制御信号を低圧側排気ガス再循環調整量とも称する。さらにこの場合、回転数センサ１０１によって内燃機関のクランクシャフトおよび／またはカムシャフトの回転数も捕捉される。さらに量調節部材１０３が設けられており、これによって内燃機関へ供給される噴射すべき燃料量が決定される。量調節部材１０３には量信号が供給される。

図２には、本発明による手法がブロック図として描かれている。

実際値検出部２１０は、図示されていない入力量に基づきそのつど外気質量流の実際値、低圧側排気ガス再循環質量流の実際値ならびに高圧側排気ガス再循環質量流の実際値を求める。実際値検出は有利にはモデルを介して実現される。たとえば外気質量流の実際値を求めるためのモデル計算はDE 199 63 358 A1により公知であり、開示の目的でこの文献を本出願の参考文献とする。同様の手法で、低圧側排気ガス再循環質量流および高圧側排気ガス再循環質量流の実際値もモデリングされる。この点で、実際値検出部２１０に複数のサブモデルを含めることができる。実際値検出部の出力信号は、あとで詳しく説明するコントローラ２３０，２４０，２５０に到達する。コントローラ２３０，２４０，２５０の出力信号はさらにコントロールバルブ１０４、高圧側排気ガス再循環バルブ１１８の調整器１１９、ならびに低圧側排気ガス再循環バルブ１２８の調整器１２９へ供給される。

全体として参照符号２２０を用いて表されているモデルにおいて、外気質量流２２５、低圧側排気ガス再循環質量流２２６ならびに高圧側排気ガス再循環質量流２２７の入力量から、個々の調整器の目標値が計算され、すなわちコントロールバルブ１０４、低圧側排気ガス再循環バルブ１２８の調整器１２９ならびに高圧側排気ガス再循環バルブ１１８の調整器１１９の目標値が計算される。この目的で、調整経路ないしは閉ループ制御システムの逆モデルと称することもできるモデル２２０に計算装置２２２，２２３，２２４を含めることができ、これらの計算装置によって、入力量２２５，２２６，２２７に関する調整量限界、ダイナミック限界ならびにシステムに起因する限界等が設定される。たとえば外気質量に跳躍的変化が生じた場合、この跳躍的変化は計算装置２２２において「平滑化」される。低圧側排気ガス再循環質量流ならびに高圧側排気ガス再循環質量流の跳躍的変化についても、同様に図示されている計算装置２２３および２２４において同様のことが行われる。これらもダイナミックに整合される。この場合、それぞれボリュームＶ２２とボリュームＶ２１のサブモデルによって構成可能な反転モデルないしは逆モデル２２１において、調整器に対するガス質量流の目標値が決定され、すなわちコントロールバルブ１０４と低圧側排気ガス再循環バルブ１２８の調整器１２９と高圧側排気ガス再循環バルブ１１８の調整器１１９の目標値が決定され、やはり計算装置２３０，２４０，２５０へ供給される。

これらの計算装置２３０，２４０，２５０の各々は同じ構造を有しているので、以下ではこれらの計算装置２３０，２４０，２５０の機能について、コントロールバルブ１０４を規定するための計算装置２３０に基づき説明する。モデル２２０または対応するサブモデルによって、個々のコントローラに対し目標質量流が供給される。これらは調整器を絞りないしはスロットルとして表現する別のモデルを介して、実際に貫流する面積に変換され、ついで個々の特性曲線を用いて調整器リフト量に変換される。このような予備制御の利点は、目標値の変化に対し著しく迅速に応答することができ、それによって著しく迅速な制御特性が得られるようになることである。その際、システムダイナミックがすでに考慮される。つまりモデル２２０と調整器リフト量への変換とによって、高圧側排気ガス再循環率または高圧側排気ガス再循環質量流、低圧側排気ガス再循環質量流または低圧側排気ガス再循環率ならびに空気質量流が、変化する目標値に合わせて著しく迅速に整合される。これはたとえば再生動作への切り替えまたは再生動作からの切り替えのように種々の動作状態間の切り替えの際に殊に有利であり、たとえばＮＯｘ吸蔵触媒、粒子フィルタ再生、部分均質動作などのために有利である。コントローラ２３０は２つの計算ユニット２３１，２３２を有している。第１の計算ユニット２３１は、予備制御部すなわちモデル２２０からの質量流目標値に割り当てられている。第２の計算ユニット２３２は、実際値検出部すなわちモデル２１０により決定される外気質量流の実際値に割り当てられている。これらの計算装置は基本的に逆の絞りないしは反転スロットルを表している。なぜならばコントロールバルブ１０４も排気ガス再循環バルブ１１８，１２８も、流れにおいてそれぞれスロットルとして作用するからである。計算装置２３１の出力信号から、すなわち予備制御部であるモデル２２０により求められた質量流の目標値と反転スロットルモデルとから、スロットルの実効面積が得られる。ついでこれは特性曲線２３３を用いてコントロールバルブの予備制御信号に変換される。

これと同時に計算装置２３２を経た後に実効面積の実際値が計算装置２３１の出力値から結合点２３５において減算され、ＰＩコントローラ２３４へ供給される。ＰＩコントローラ２３４は実際面積を目標面積に整合し、つまりは空気質量流目標値も空気質量流実際値に対応するようになる。この目的で、モデル２１０により供給される実際値がフィルタリングされた目標値と比較される。ついで目標値と実際値の偏差に基づき、コントローラ２３４によりコントロールバルブ１０４に加えられる調整量が設定される。その際にこの調整に対し、モデル２２０、計算装置２３１および特性曲線２３３により形成される予備制御が重畳される。すでに説明したように予備制御のモデルによって、外気質量の目標値から出発してコントロールバルブ１０４に対する調整量が設定される。この目的で予備制御２２０の逆モデル２２１にはサブモデルが含まれ、このサブモデルによって、混合調整ボリュームＶ２２とコントローラすなわちコントロールバルブ１０４よりも手前のボリュームＶ２１のモデリングがシミュレートされる。

内燃機関の概略ブロック図 本発明による手法を示すブロック図

Claims (9)

1. 内燃機関の制御方法において、
   高圧側で内燃機関（１００）へ供給される外気質量流を制御する第１の調整器（１０４）と、
   内燃機関（１００）から排出される高圧側排気ガス再循環質量流を制御する第２の調整器（１１８）と、
   低圧側へ戻される低圧側排気ガス再循環質量流を制御する少なくとも１つの第３の調整器（１２８）が設けられており、
   外気質量流のための第１の目標値と第１の実際値との比較に基づき、前記第１の調整器（１０４）に対する第１の調整量が設定され、
   高圧側排気ガス再循環質量流のための第２の目標値と第２の実際値との比較に基づき、第２の調整器（１１８）に対する第２の調整量が設定され、
   低圧側排気ガス再循環質量流のための第３の目標値と第３の実際値との比較に基づき、前記少なくとも１つの第３の調整器（１２８）に対する第３の調整量が設定され、
   前記第１、第２および第３の目標値は、モデル（２２０，２２１）を介して設定され、
   前記第１、第２および第３の実際値は、測定によりまたは別のモデル（２１０）を介して求められることを特徴とする、
   内燃機関の制御方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   前記第１の調整量に、外気質量流が入力されるモデル（２２０，２２１）を介して前記第１の調整量のための予備制御値が重畳されることを特徴とする方法。
3. 請求項１記載の方法において、
   前記第２の調整量に、高圧側排気ガス再循環質量流が入力されるモデル（２２０，２２１）を介して前記第２の調整量のための予備制御値が重畳されることを特徴とする方法。
4. 請求項１記載の方法において、
   前記第３の調整量に、低圧側排気ガス再循環質量流が入力されるモデル（２２０，２２１）を介して前記第３の調整量のための予備制御値が重畳されることを特徴とする方法。
5. 請求項２から４のいずれか１項記載の方法において、
   前記モデル（２２１）によって、前記第１の調整器（１０４）の目標値に合わせた外気質量流の目標値が表現され、および／または前記第２の調整器（１１８）の目標値に合わせた高圧側排気ガス再循環質量流の目標値が表現され、および／または前記第３の調整器（１２８）の目標値に合わせた低圧側排気ガス再循環質量流の目標値が表現されることを特徴とする方法。
6. 請求項５記載の方法において、
   前記モデル（２２１）により少なくとも、前記第１の調整器（１０４）から送出されたガス質量流と前記第２の調整器（１１８）から送出されたガス質量流との混合調整容積Ｖ２２と前記第１の調整器（１０４）よりも前のガス質量流の容積Ｖ２１のモデリングが行われることを特徴とする方法。
7. 請求項１から６のいずれか１項記載の方法において、
   前記外気質量流に対する実際値は該外気質量流の目標値に、および／または前記高圧側排気ガス再循環質量流に対する実際値は該高圧側排気ガス再循環質量流の目標値に、および／または前記低圧側排気ガス再循環質量流に対する実際値は前記低圧側排気ガス再循環質量流の目標値に、それぞれ１つのコントローラ（２３０；２４０；２５０）により整合されることを特徴とする方法。
8. 請求項７記載の方法において、
   前記コントローラは前記モデル（２２１）を用いた予備制御およびガス質量流の貫流面積設定を行うＰＩコントローラを有することを特徴とする方法。
9. 内燃機関（１００）の制御装置において、
   高圧側で内燃機関（１００）へ供給される外気質量流を制御する第１の調整器（１０４）と、
   内燃機関（１００）から排出される高圧側排気ガス再循環質量流を制御する第２の調整器（１１８）と、
   低圧側へ戻される低圧側排気ガス再循環質量流を制御する少なくとも１つの第３の調整器（１２８）と、
   外気質量流のための第１の目標値と第１の実際値との比較に基づき、前記第１の調整器（１０４）に対する第１の調整量を設定する手段と、
   高圧側排気ガス再循環質量流のための第２の目標値と第２の実際値との比較に基づき、第２の調整器（１１８）に対する第２の調整量を設定する手段と、
   低圧側排気ガス再循環質量流のための第３の目標値と第３の実際値との比較に基づき、前記少なくとも１つの第３の調整器（１２８）に対する第３の調整量を設定する手段が設けられており、
   前記第１、第２および第３の目標値は、モデル（２２０，２２１）を介して形成され、
   前記第１、第２および第３の実際値は、測定によりまたは別のモデル（２１０）を介して求められることを特徴とする、
   内燃機関（１００）の制御装置。

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