JP5737422B2 - ターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用のターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御装置に関し、特に、アクチュエータによるタービン回転数の制御によって過給圧を能動的に制御可能なターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御装置に関する。

可変ノズルを有する可変容量ターボ過給機付きディーゼルエンジンでは、可変ノズルの開度によるタービン回転数の制御によって過給圧を能動的に制御することができる。このため、そのようなターボ過給機付きディーゼルエンジンでは、エンジン回転数と燃料噴射量とから目標過給圧が決定され、過給圧センサの信号から算出される実過給圧が目標過給圧になるようにフィードバック制御によって可変ノズルが操作される。

ところで、ターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御においては、アクチュエータの操作量やエンジンの状態量に関してハード上の或いは制御上の様々な制約が存在している。それらの制約が満たされない場合、ハードの破損や制御性能の低下が生じるおそれがある。そして、それらの制約のうちの少なくとも一部は過給圧制御に関係することから、上記のフィードバック制御において用いられる目標過給圧は、それら制約とエンジンの応答性能とを同時に満たすことのできる値に設定されている。

ただし、エンジン回転数ごと及び燃料噴射量ごとに目標過給圧を定める適合作業は、エンジンの定常運転下で行われるのが一般的である。エンジン回転数が上昇しているときのような過渡運転下も含めると適合作業に要する工数が膨大になってしまう。また、全ての過渡運転条件を想定して漏れなく目標過給圧の適合を行うことには無理がある。このため、エンジンが過渡運転下にあるときは、過給圧制御に関連する一部の制約が満たされなくなるおそれがある。そのような制約の１つがハードの信頼性保障に関する制約である。過渡運転時には、目標過給圧と実過給圧との差が大きくなるため、タービン回転数を早急に上昇させて実過給圧を高めるように可変ノズル開度が変更される。その際、可変ノズル開度の急変に伴って排気圧は急激に上昇することになるが、排気圧が高くなりすぎるとハードに破損が生じるおそれがある。

ハードの信頼性保障を目的とした発明を開示する文献としては、特開２０１０−１８５４１５号公報を挙げることができる。この公報には、オープンループ制御によって可変ノズルの開度を制御するものにおいて、加速時に生じうる過給圧のオーバーシュートを回避できるようにした過給圧制御の発明が開示されている。この公報に開示された発明によれば、定常運転時には、エンジン回転速度と燃料噴射量とに基づいて目標吸入空気量が算出され、目標吸入空気量に基づいて可変ノズルの目標開度が決められる。一方、加速時には、目標過給圧と実際の過給圧との偏差に基づいて目標吸入空気量偏差が算出され、目標吸入空気量偏差を吸入空気量に加算したものが過給機制御目標吸入空気量として算出される。そして、過給機制御目標吸入空気量に基づいて可変ノズルの目標開度が決められる。

しかしながら、過渡運転時に満たされなくなるおそれがある制約はハードの信頼性保障に関する制約のみではない。過給圧制御に関連する制約には、その他にも吸気音に関する制約やＥＧＲ率の制御性に関する制約などが含まれ、それらも過渡運転時には満たされなくなる可能性がある。吸気音に関して言えば、過給圧の急激な変化によって乗員の耳に届くような大きな吸気音が発生するおそれがある。ＥＧＲ率の制御性に関して言えば、排気圧と過給圧と差圧が過小になることによってＥＧＲ率の制御性が低下するおそれがある。このように過渡運転時には過給圧制御に関連する様々な制約が満たされなくなるおそれがあるが、上記公報に開示された発明はその一部の制約を満たすことができるにすぎず、その他の制約に関する問題に対しては全く対処されていない。

以上のことから分かるように、可変ノズルによって過給圧のフィードバック制御を行う場合には、過給圧制御に関連する様々な制約を過渡運転下でも満足させるための何らかの対策が必要である。その対策では、当然のことながら、膨大な工数を要する適合作業は不要にするか、適合作業が必要であるならばその工数は可能な限り少なくしたい。また、ある時刻において採りうる過給圧の制御状態、より詳しくは、ある時刻において採りうる可変ノズルの開度はただ１つであるので、必ずしも全ての制約を同時に満たすことができるとは限らない。よって、満たすべき複数の制約がある場合に、どの制約を優先させるかという判断を如何に行うかも重要な課題である。

特開２０１０−１８５４１５号公報

本発明は、アクチュエータの操作により過給圧を能動的に制御可能なターボ過給機付きディーゼルエンジンにおいて、過給圧制御に関連する様々な制約を過渡運転時においても満たせるようにすることを課題とする。そして、この課題を達成するために、本発明に係るターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御装置は、以下の動作を行うように構成される。

本発明の１つの形態によれば、本制御装置は、過給圧センサの信号からエンジンの実過給圧を算出するとともに、エンジン回転数と燃料噴射量とに基づいて定常運転時の過給圧の目標値（以下、定常目標値）を算出する。そして、実過給圧を定常目標値に近づけるようにフィードバック制御によって過給圧制御用のアクチュエータを操作する。過給圧制御用のアクチュエータには可変容量ターボ過給機の可変ノズルやウエストゲートバルブが含まれる。本制御装置による上記の動作は、定常運転時か過渡運転時かに関係なく行われる動作である。ただし、次に説明する過渡目標値の選択が行われている場合、本制御装置は、フィードバック制御の目標値を定常目標値から選択された過渡目標値に変更する。

本制御装置は、過渡運転時に満たされる可能性のある異なる複数の条件に関し、いずれかの条件が満たされた場合、条件ごとに用意された計算規則に従ってその満たされた条件に適した過給圧の目標値（以下、過渡目標値）を算出する。各条件は過給圧制御に関連する何れかの制約に関係している。よって、上記の複数の条件には、例えば、排気圧及び排気圧変化率に関する条件、過給圧変化率に関する条件、排気圧と過給圧との差圧に関する条件などが含まれる。また、本制御装置は、加速度に関連する所定の物理量の値に応じて複数の条件間の優先順位を決定する。そして、１つの過渡目標値が存在する場合はその過渡目標値を選択し、同時に複数の過渡目標値が存在する場合は優先順位に従って１つの過渡目標値を選択する。

本制御装置が以上のように動作することにより、過給圧制御に関連する何れかの制約が満たされなくなる状況では、その制約を満たすことのできる過渡目標値にフィードバック制御の目標値が変更される。また、過給圧制御に関連する複数の制約が満たされなくなる状況では、より優先度の高い制約を満たすことのできる過渡目標値にフィードバック制御の目標値が変更される。制約間の優先順位は加速度に応じて変更されることから、過渡状況に応じた最適な過給圧制御が実現される。また、本制御装置によれば、その制御プログラムの作成段階において過渡運転条件ごとに膨大な工数の適合作業を行わなくて済み、また、フィードバック制御の機能が複雑にならなくて済む。

本発明の実施の形態としてのエンジンシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態の制御装置により実行される過給圧制御のためのルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の制御装置により実行される定常目標値の算出のためのルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の制御装置により実行される、ハードの信頼性保障に関する制約を満たす過渡目標値の算出のためのルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の制御装置により実行される、吸気音に関する制約を満たす過渡目標値の算出のためのルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の制御装置により実行される、ＥＧＲ率の制御性に関する制約を満たす過渡目標値の算出のためのルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の制御装置により実行されるフィードバック制御の目標値の決定のためのルーチンを示すフローチャートである。 加速度から各過渡目標値の優先度を決めるための表の例を示す図である。 本発明の実施の形態の制御装置による制御結果を示す図である。 本発明の実施の形態の制御装置による制御結果を示す図である。 図１０に示す制御結果を詳細に示す図である。 本発明の実施の形態の制御装置による制御結果を示す図である。

本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態としてのエンジンシステムの構成を示す図である。本実施の形態のエンジンは、ターボ過給機付きのディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）である。エンジンの本体２には４つの気筒が直列に備えられ、気筒ごとにインジェクタ８が設けられている。エンジン本体２には吸気マニホールド４と排気マニホールド６が取り付けられている。吸気マニホールド４にはエアクリーナ２０から取り込まれた新気が流れる吸気通路１０が接続されている。吸気通路１０にはターボ過給機のコンプレッサ１４が取り付けられている。吸気通路１０においてコンプレッサ１４の下流にはディーゼルスロットル２４が設けられている。吸気通路１０においてコンプレッサ１４とディーゼルスロットル２４との間にはインタークーラ２２が備えられている。排気マニホールド６にはエンジン本体２から出た排気ガスを大気中に放出するための排気通路１２が接続されている。排気通路１２にはターボ過給機のタービン１６が取り付けられている。本実施の形態のターボ過給機は可変容量型であって、タービン１６には可変ノズル１８が備えられている。排気通路１２においてタービン１６の下流には排気ガスを浄化するための触媒装置２６が設けられている。

本実施の形態のエンジンは、排気系から吸気系へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ装置を備えている。ＥＧＲ装置は、吸気通路１０におけるディーゼルスロットル２４の下流の位置と排気マニホールド６とをＥＧＲ通路３０によって接続している。ＥＧＲ通路３０にはＥＧＲ弁３２が設けられている。ＥＧＲ通路３０においてＥＧＲ弁３２の排気側にはＥＧＲクーラ３４が備えられている。ＥＧＲ通路３０にはＥＧＲクーラ３４をバイパスするバイパス通路３６が設けられている。ＥＧＲ通路３０とバイパス通路３６が合流する箇所には、排気ガスが流れる方向を切り替えるバイパス弁３８が設けられている。

本実施の形態のエンジンシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備える。ＥＣＵ５０は、エンジンシステム全体を総合制御する制御装置である。ＥＣＵ５０は、エンジンシステムが備えるセンサの信号を取り込み処理する。センサはエンジンシステムの各所に取り付けられている。例えば、吸気通路１０には、エアクリーナ２０の下流にエアフローメータ５８が取り付けられ、インタークーラ２２の出口付近には吸気温センサ６０が取り付けられ、ディーゼルスロットルの下流には過給圧センサ５４が取り付けられている。また、排気マニホールド６には排気圧センサ５６が取り付けられている。さらに、クランク軸の回転を検出する回転数センサ５２や、アクセルペダルの開度に応じた信号を出力するアクセル開度センサ６２なども取り付けられている。ＥＣＵ５０は、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムにしたがって各アクチュエータを操作する。ＥＣＵ５０によって操作されるアクチュエータには、可変ノズル１８、インジェクタ８、ＥＧＲ弁３２、ディーゼルスロットル２４などが含まれている。なお、ＥＣＵ５０に接続されるアクチュエータやセンサは図中に示す以外にも多数存在するが、本明細書においてはその説明は省略する。

ＥＣＵ５０により実行されるエンジン制御には過給圧制御とＥＧＲ制御とが含まれる。本実施の形態の過給圧制御では、過給圧センサ５４の信号から算出された実過給圧が目標過給圧になるようにフィードバック制御によって可変ノズル１８が操作される。ＥＧＲ制御では、各種センサの信号から算出された実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率になるようにフィードバック制御によってＥＧＲ弁３２が操作される。これらのエンジン制御のうち、本実施の形態において特に特徴的であるのが過給圧制御である。ただし、本発明の実施にあたっては、過給圧制御におけるフィードバック制御の具体的な方法に関する限定はない。本実施の形態では、過給圧制御とＥＧＲ制御の両方において、実際値と目標値との差分に基づくＰＩＤ制御が行われているものとする。本実施の形態で実行される過給圧制御は、目標過給圧の決定方法に特徴を有している。以下、これについてフローチャートを用いて説明する。

図２のフローチャートは、本実施の形態でＥＣＵ５０により実行される過給圧制御のためのルーチンを示している。このルーチンではＥＧＲ制御も併せて行われる。過給圧制御のルーチンは、定常目標値を算出するステップＳ１と、過渡目標値を算出するステップＳ２と、最終的にフィードバック制御で用いる目標値（ＦＢ制御目標値）を決定するステップＳ３とから構成される。各ステップでは後述するサブルーチンが実行される。

図３のフローチャートは、過給圧制御ルーチンのステップＳ１で実行されるサブルーチンを示している。このサブルーチンでは、過給圧とＥＧＲ率のそれぞれについて定常目標値が算出される。定常目標値とは、エンジンの定常運転下で適合されたデータを用いて決定される目標値を意味する。

このサブルーチンのステップＳ１０１では、回転数センサ５２の信号からエンジン回転数が計測される。ステップＳ１０２では、アクセル開度センサ６２の信号から得られたアクセル開度に応じて燃料噴射量が算出される。ステップＳ１０３では、過給圧センサ５４の信号から実過給圧が算出される。なお、以降の説明では、実過給圧を“pim”と表記する場合がある。ステップＳ１０４では、エアフローメータ５８の信号から実新気量が算出される。実新気量とは実際に気筒内に吸入される新気の量である。ステップＳ１０５では、過給圧センサ５４及び吸気温センサ６０の各信号並びに実新気量から実ＥＧＲ率が算出される。以上のステップの処理は、定常目標値の算出に必要なデータを得るための処理である。したがって、各ステップの順番は適宜変更することもできる。

定常目標値の算出はステップＳ１０６及びステップＳ１０７で行われる。ステップＳ１０６では、エンジン回転数と燃料噴射量とを引数とするマップより目標の過給圧が算出される。このステップで算出される目標過給圧は、エンジンの定常運転下で適合された目標値、すなわち、過給圧の定常目標値である。定常目標値の算出に用いるマップは、エンジン回転数と燃料噴射量とをそれぞれ一定ずつ変化させながら定常運転下で試験して得られた適合データに基づき作成されている。なお、以降の説明では、過給圧の定常目標値を“pimtrgst”と表記する場合がある。ステップＳ１０７では、新気量に基づいて目標のＥＧＲ率が算出される。新気量と目標ＥＧＲ率との関係は、ＥＧＲ率がスモークを発生させない限界を超えない範囲内で、気筒内に吸入される空気の酸素濃度が狙いの値になるように決定されている。このステップで算出される目標ＥＧＲ率は、エンジンの定常運転下で適合された目標値、すなわち、ＥＧＲ率の定常目標値である。なお、狙いの吸入空気酸素濃度を実現する値とスモーク限界となる値との双方が算出され、どちらか小さい値がこの目標ＥＧＲ率として設定されるようになっていてもよい。

過給圧制御ルーチンのステップＳ２では、図４、図５、及び図６の各フローチャートに示すサブルーチンが実行される。各サブルーチンは、所定の順序で順番に実施されてもよいし、或いは、並列に実施されてもよい。これらのサブルーチンでは過給圧の過渡目標値が算出される。過渡目標値とは、エンジンの過渡運転時に満たされる可能性のある所定の条件に関し、その条件が満たされた場合にのみ設定される目標値である。過給圧制御ルーチンのステップＳ１で算出される過給圧の定常目標値は、エンジンが定常運転下にある場合を前提にしている。このため、加速時や減速時のような過渡運転時には、過給圧制御に関連する何らかの制約が満たされなくなる場合がある。本実施の形態の過給圧制御において特に問題としているのは、ハードの信頼性保障に関する制約、吸気音に関する制約、及びＥＧＲ率の制御性に関する制約である。これらの制約の一つ一つに対応して、過渡目標値を算出するサブルーチンが作成されている。各サブルーチンでは、制約が満たされなくなることを所定の条件が満たされているかどうかで予測する。そして、制約が満たされなくなることが予測される場合にのみ、その制約を確実に満たすことができる過給圧の目標値を過渡目標値として算出する。

図４に示すサブルーチンは、ハードの信頼性保障に関する制約を満たす過渡目標値を算出するためのサブルーチンである。ハードの信頼性保障に関する制約とは、詳しくは、排気圧が過大になりすぎることで生じる排気系の破損を防止するための制約である。このサブルーチンのステップＳ２１１では、排気圧及び排気圧変化率に関する条件が満たされたかどうか判定される。その条件とは、排気圧センサ５６によって計測された実排気圧“P4”が所定の排気圧基準“P4C”より大きく、且つ、実排気圧の変化率“dP4”が所定の排気圧変化率基準“dP4C”より大きいことである。排気圧基準“P4C”は、排気系のハードの信頼性を保障できる設計上の限界よりも低い値に設定されている。排気圧変化率基準“dP4C”は、排気圧基準“P4C”の信頼性保障限界に対する余裕と過給圧制御の応答速度とに基づいて決められる。排気圧基準“P4C”の信頼性保障限界に対する余裕が大きければ、排気圧変化率基準“dP4C”の値は大きくすることができる。しかし、排気圧基準“P4C”を信頼性保障限界に近い値に設定するほど、排気圧変化率基準“dP4C”はより小さい値にする必要がある。ステップＳ２１１の条件が満たされた場合には、近い将来、排気圧が信頼性保障限界を超えてしまうことが予測される。そこで、ステップＳ２１１の条件が満たされた場合はステップＳ２１２の処理が行われる。ステップＳ２１２では、現在の過給圧をそのまま維持するように、過給圧センサ５４の信号から算出された実過給圧の値“pim”が過給圧の過渡目標値“pimtrgk1”として設定される。また、ハードの信頼性を保障するための過渡目標値が設定されたことを示すフラグｋ１の値が“１”にセットされる。

図５に示すサブルーチンは、吸気音に関する制約を満たす過渡目標値を算出するためのサブルーチンである。吸気音に関する制約とは、詳しくは、過給圧の急変に伴う吸気音の発生を防止するための制約である。このサブルーチンのステップＳ２２１では、過給圧センサ５４によって計測された過給圧の変化率“dpim”が正の値かどうか判定される。ここでいう過給圧の変化率とは、過給圧制御の時間ステップ（例えばエンジンの制御周期）当たりの過給圧の変化量を意味する。過給圧変化率“dpim”が正の値であればエンジンは加速状態にあり、過給圧変化率“dpim”が負の値であればエンジンは減速状態にある。過給圧変化率“dpim”が正の値の場合、ステップＳ２２２において過給圧変化率“dpim”が所定の過給圧変化率基準“dpimC”より大きいかどうか判定される。過給圧変化率基準“dpimC”は正の値であって、吸気音が発生する過給圧変化率の限界値よりも小さい値に設定されている。つまり、過給圧変化率基準“dpimC”は吸気音が発生しないことが保障される値に設定されている。したがって、過給圧変化率“dpim”が過給圧変化率基準“dpimC”よりも大きい場合には、近い将来、過給圧変化率が吸気音発生限界を超えてしまうことが予測される。そこで、ステップＳ２２２の条件が満たされた場合はステップＳ２２３の処理が行われる。ステップＳ２２３では、過給圧センサ５４の信号から算出された実過給圧の値“pim”に過給圧変化率基準“dpimC”を加えた値が過給圧の過渡目標値“pimtrgk2”として設定される。また、吸気音の発生を防止するための過渡目標値が設定されたことを示すフラグｋ２の値が“１”にセットされる。一方、ステップＳ２２１の判定の結果、過給圧変化率“dpim”が負の値の場合は、ステップＳ２２４において過給圧変化率“dpim”が過給圧変化率基準“dpimC”に“−１”を乗じた値より小さいかどうか判定される。ステップＳ２２４の条件が満たされた場合はステップＳ２２５の処理が行われる。ステップＳ２２５では、過給圧センサ５４の信号から算出された実過給圧の値“pim”から過給圧変化率基準“dpimC”を差し引いた値が過給圧の過渡目標値“pimtrgk2”として設定される。また、吸気音の発生を防止するための過渡目標値が設定されたことを示すフラグｋ２の値が“１”にセットされる。

図６に示すサブルーチンは、ＥＧＲ率の制御性に関する制約を満たす過渡目標値を算出するためのサブルーチンである。ＥＧＲ率の制御性に関する制約とは、詳しくは、排気圧と過給圧との差圧を十分に確保してＥＧＲ率の制御性を保障するための制約である。このサブルーチンのステップＳ２３１では、排気圧センサ５６の信号から算出された実排気圧“P4”と過給圧センサ５４の信号から算出された実過給圧“pim”との差圧が算出される。そして、その差圧が所定の差圧基準“[P4-pim]C”より小さいかどうか判定される。実排気圧“P4”と実過給圧“pim”との差圧が十分であることは、ＥＧＲ制御における重要な要件である。ＥＧＲ制御では実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率になるようにフィードバック制御によってＥＧＲ弁３２の開度が変更されるが、ＥＧＲ弁３２の前後における差圧が十分でない場合には、いくらＥＧＲ弁３２を操作してもＥＧＲ率を制御することができない。上記の差圧基準“[P4-pim]C”は正の値であって、ＥＧＲ弁３２によるＥＧＲ率の制御性が保障される差圧の値に設定されている。よって、実排気圧“P4”と実過給圧“pim”との差圧が“[P4-pim]C”より小さい場合には、ＥＧＲ率の制御性を保障できるだけの十分な差圧を確保できなくなるおそれがある。そこで、ステップＳ２３１の条件が満たされた場合はステップＳ２３２の処理が行われる。ステップＳ２３２では、排気圧センサ５６の信号から算出された実排気圧“P4”から差圧基準“[P4-pim]C”を差し引いた値が過給圧の過渡目標値“pimtrgk3”として設定される。また、ＥＧＲ率の制御性を保障するための過渡目標値が設定されたことを示すフラグｋ３の値が“１”にセットされる。

次に、過給圧制御ルーチンのステップＳ３で実行されるサブルーチンについて説明する。過渡運転時におけるエンジンの運転状態によっては、過給圧制御に関連する複数の制約が同時に満たされなくなる場合がある。そのような場合、上述のステップＳ２では、満たされなくなるおそれのある制約ごとに過渡目標値が設定される。ところが、複数の過渡目標値を全て同時に完全に実現することはできない。このため、複数の過渡目標値の中から１つの過渡目標値を選択する処理、すなわち、過渡目標値の調停が必要となる。この調停処理では、現在の過渡運転下ではどの制約がより優先されるかが判断され、より優先されるべき制約を満たす過渡目標値が選択される。過渡状況を表す情報としては加速度に関連する物理量が用いられる。加速度は、現在の運転状態が定常運転からどれだけ乖離しているかを示す情報である。加速度に関連する物理量は加速度そのものでもよい。加速度は車速やエンジン回転数から計算することもできるし、加速度センサによって直接計測することもできる。しかし、より好ましい加速度に関連する物理量は、燃料噴射量の微小時間当たり変化量、すなわち、燃料噴射量の変化率である。燃料噴射量の変化率が正の値であれば、燃焼エネルギーの増大によってエンジン回転数は高まり車両は加速する。逆に、燃料噴射量の変化率が負の値であれば、燃焼エネルギーの減少によってエンジン回転数は低下して車両は減速する。つまり、燃料噴射量の変化率から将来の加速度を予測することができる。よって、燃料噴射量の変化率に応じて制約間の優先順位を決定すれば、過渡状況の変化に遅れることなく、現在の過渡状況に応じた最適な過給圧制御が実現されるものと考えられる。

図７のフローチャートは、過給圧制御ルーチンのステップＳ３で実行されるサブルーチンを示している。このサブルーチンの最初のステップＳ３０１では、加速度に関連する物理量である燃料噴射量の変化率“dqfin/dt”が算出される。燃料噴射量“qfin”は図３に示すサブルーチンのステップＳ１０２においてアクセル開度から算出されている。次のステップＳ３０２では、予め用意された優先順位表に基づいて燃料噴射量の変化率“dqfin/dt”から制約間の優先順位が決定される。図８は優先順位表の一例を示している。この例では、燃料噴射量の変化率“dqfin/dt”の値が４つの領域に分けられ、領域ごとに制約間の優先順位が定められている。例えば、負の値を有するｂから０までの減速領域に“dqfin/dt”の値がある場合には、優先順位は優先度の高いほうから順にｋ１、ｋ３、ｋ２とされる。０から正の値を有するｃまでの加速領域に“dqfin/dt”の値がある場合には、優先順位は優先度の高いほうから順にｋ１、ｋ２、ｋ３とされる。なお、ｋ１はハードの信頼性保障に関する制約に対応するフラグであり、ｋ２は吸気音に関する制約に対応するフラグであり、ｋ３はＥＧＲ率の制御性に関する制約に対応するフラグである。以下の説明では、一例として、優先順位はｋ１、ｋ２、ｋ３の順になっているものとする。

ステップＳ３０３では、最も優先度の高い制約に対応するフラグの値が“１”にセットされているかどうか判定される。上記例の優先順位に従えば、ここではフラグｋ１の値が“１”にセットされているかどうか判定される。フラグｋ１の値が“１”であることは、ハードの信頼性保障のための過渡目標値が設定されていることを意味する。よって、フラグｋ１の値が“１”であるならば、ステップＳ３０４の処理が選択される。ステップＳ３０４では、図４に示すサブルーチンで算出された過給圧の過渡目標値“pimtrgk1”がＦＢ制御目標値“pimtrg”として決定される。これにより、過渡運転時の排気圧の急激な上昇は抑えられて排気系のハードの信頼性は保障される。

ステップＳ３０３の判定結果が否定であるならば、ステップＳ３０５の処理が選択される。ステップＳ３０５では、２番目に優先度の高い制約に対応するフラグの値が“１”にセットされているかどうか判定される。上記例の優先順位に従えば、ここではフラグｋ２の値が“１”にセットされているかどうか判定される。フラグｋ２の値が“１”であることは、吸気音の発生を防止するための過渡目標値が設定されていることを意味する。よって、フラグｋ２の値が“１”であるならば、ステップＳ３０６の処理が選択される。ステップＳ３０６では、図５に示すサブルーチンで算出された過給圧の過渡目標値“pimtrgk2”がＦＢ制御目標値“pimtrg”として決定される。これにより、過渡運転時の過給圧の急激な変化は抑えられて乗員が不快感を覚えるような吸気音の発生を防ぐことができる。

ステップＳ３０５の判定結果が否定であるならば、ステップＳ３０７の処理が選択される。ステップＳ３０７では、３番目に優先度の高い制約に対応するフラグの値が“１”にセットされているかどうか判定される。上記例の優先順位に従えば、ここではフラグｋ３の値が“１”にセットされているかどうか判定される。フラグｋ３の値が“１”であることは、ＥＧＲ率の制御性を保障するための過渡目標値が設定されていることを意味する。よって、フラグｋ３の値が“１”であるならば、ステップＳ３０８の処理が選択される。ステップＳ３０８では、図６に示すサブルーチンで算出された過給圧の過渡目標値“pimtrgk3”がＦＢ制御目標値“pimtrg”として決定される。これにより、過渡運転時において実排気圧と実過給圧との差圧を十分に確保してＥＧＲ率の制御性が低下するのを防ぐことができる。

そして、ステップＳ３０７の判定結果も否定であるならば、ステップＳ３０９の処理が選択される。ステップＳ３０９では、図３のサブルーチンで算出された過給圧の定常目標値“pimtrgst”がそのままＦＢ制御目標値“pimtrg”として決定される。この場合には、実過給圧“pim”が定常目標値“pimtrgst”に追従するように可変ノズルの操作が行われる。

以上の過給圧制御ルーチンがＥＣＵ５０により実行されることで、過給圧制御に関連する何れかの制約が満たされなくなる状況では、その制約を満たすことのできる過渡目標値にフィードバック制御の目標値が変更される。また、過給圧制御に関連する複数の制約が満たされなくなる状況では、現在の加速度のレベルにおいてより優先度の高い制約を満たすことのできる過渡目標値にフィードバック制御の目標値が変更される。以下、過渡目標値“pimtrgk1”，pimtrgk2”，pimtrgk3”のそれぞれに関し、それらがフィードバック制御の目標値として選択された場合の効果について図を用いて説明する。

過渡目標値“pimtrgk1”がＦＢ制御目標値“pimtrg”として決定された場合の効果は図９を用いて説明することができる。図９には加速時の過給圧制御に関して２つの制御結果が示されている。制御結果（Ａ）は、常に定常目標値のみを用いて過給圧制御を行った結果、つまり、過渡目標値の設定を行わなかった場合の制御結果である。一方、制御結果（Ｂ）は、本実施の形態の過給圧制御によって過渡目標値が設定された場合の制御結果である。各制御結果の上から１番目のチャートは、排気圧“P4”の時間による変化を示している。２番目のチャートは、排気圧変化率“dP4”の時間による変化を示している。そして、３番目のチャートは、過給圧のＦＢ制御目標値“pimtrg”と実過給圧“pim”の時間による変化を示している。破線で示すのがＦＢ制御目標値“pimtrg”の時間による変化であり、実線で示すのが実過給圧“pim”の時間による変化である。

まず、制御結果（Ａ）から見ると、排気圧“P4”が急激に上昇し、一時的ではあるが排気圧の信頼性保持限界を超えてしまっている。これは、燃料噴射量の増量による排気圧の上昇効果と、過給圧のフィードバック制御による排気圧の上昇効果とが重なってしまったことによる。加速時には運転者によりアクセルペダルが踏み込まれることで燃料噴射量が増量され、燃焼エネルギーの増大によって排気圧は上昇する。また、加速時には燃料噴射量の増量に応じて過給圧の定常目標値も大きくされるが、ターボ過給機は過給遅れを伴うため、ＦＢ制御目標値“pimtrg”と実過給圧“pim”との差は一時的に拡大する。このため、タービン回転数を早急に上昇させて実過給圧“pim”を高めるようにフィードバック制御が働き、可変ノズル１８の開度が狭められる。その結果、排気圧がさらに上昇することになる。

これに対して制御結果（Ｂ）では、実排気圧“P4”が排気圧基準“P4C”より大きく、且つ、実排気圧変化率“dP4”が排気圧変化率基準“dP4C”より大きくなっている間、ＦＢ制御目標値“pimtrg”は実過給圧“pim”と同じ値に変更される。これにより、可変ノズル１８は現状の過給圧を維持するように操作されることになって、過給圧のフィードバック制御による排気圧の上昇は抑えられる。その結果、過給圧のフィードバック制御による排気圧の上昇効果が燃料噴射量の増量による排気圧の上昇効果に重なることは回避され、実排気圧“P4”の最大値は信頼性保持限界よりも低く抑えられる。その後、実排気圧“P4”が排気圧基準“P4C”より小さくなるか、或いは、図に示すように実排気圧変化率“dP4”が排気圧変化率基準“dP4C”より小さくなった場合、ＦＢ制御目標値“pimtrg”は、エンジン回転数と燃料噴射量から定まる定常目標値へ再び変更される。この時点では、燃料噴射量の増量による排気圧の上昇効果のピークは過ぎているので、過給圧のフィードバック制御による排気圧の上昇効果が現れたとしても、実排気圧“P4”が再び大きく上昇することはない。これにより、排気圧が上昇する加速時であっても排気系のハードの信頼性は保障される。

図１０は、過渡目標値“pimtrgk2”がＦＢ制御目標値“pimtrg”として決定された場合の効果を説明するための図である。図１０には加速時の過給圧制御に関して２つの制御結果が示されている。制御結果（Ａ）は、常に定常目標値のみを用いて過給圧制御を行った結果、つまり、過渡目標値の設定を行わなかった場合の制御結果である。一方、制御結果（Ｂ）は、本実施の形態の過給圧制御によって過渡目標値が設定された場合の制御結果である。各制御結果の上から１番目のチャートは、過給圧のＦＢ制御目標値“pimtrg”と実過給圧“pim”の時間による変化を示している。このチャートにおいて白丸で示すデータがＦＢ制御目標値“pimtrg”の時間ステップごとのデータであり、黒丸で示すデータが実過給圧“pim”の時間ステップごとのデータである。２番目のチャートには、過給圧変化率“dpim”の時間ステップごとのデータが白丸で示されている。

制御結果（Ａ）では、過給圧変化率“dpim”が正方向へ急激に変化し、一時的ではあるが吸気音発生限界を超える状況が生じている。これは、過給圧のフィードバック制御の作用による。加速時には燃料噴射量の増量に応じてＦＢ制御目標値“pimtrg”は増大されていく。このとき、ターボ過給機の過給遅れによってＦＢ制御目標値“pimtrg”と実過給圧“pim”との差は一時的に拡大する。フィードバック制御はこの差を解消するように働き、可変ノズル１８の開度を狭めることによってタービン回転数を上昇させ、ひいては、実過給圧“pim”を急激に上昇させる。その結果、過給圧変化率“dpim”が増大し吸気音発生限界を超える状況が生じることになる。

これに対して制御結果（Ｂ）では、過給圧変化率“dpim”が過給圧変化率基準“dpimC”より大きくなった場合、ＦＢ制御目標値“pimtrg”は実過給圧“pim”に過給圧変化率基準“dpimC”を加えた値に変更される。このときのＦＢ制御目標値“pimtrg”と実過給圧“pim”の時間ステップごとの変化と、過給圧変化率“dpim”の時間ステップごとの変化をそれぞれ詳細に示したものが図１１である。図１１では、時間ステップs2において過給圧変化率“dpim”が過給圧変化率基準“dpimC”を超えている。このため、次の時間ステップs3では、ＦＢ制御目標値“pimtrg”は過渡目標値、すなわち、前回の時間ステップs2での実過給圧“pim”に過給圧変化率基準“dpimC”を加えた値に変更される。これにより、時間ステップs3での実過給圧“pim”の上昇は抑えられ、過給圧変化率“dpim”は過給圧変化率基準“dpimC”を下回るようになる。過給圧変化率“dpim”が過給圧変化率基準“dpimC”を下回ったので、次の時間ステップs4でのＦＢ制御目標値“pimtrg”はエンジン回転数と燃料噴射量とから算出される定常目標値へ戻される。しかし、その時間ステップs4での過給圧変化率“dpim”が再び過給圧変化率基準“dpimC”を超えたため、次の時間ステップs5では、ＦＢ制御目標値“pimtrg”は再び過渡目標値、すなわち、前回の時間ステップs4での実過給圧“pim”に過給圧変化率基準“dpimC”を加えた値に変更される。これにより、時間ステップs5での実過給圧“pim”の上昇は抑えられ、過給圧変化率“dpim”は再び過給圧変化率基準“dpimC”を下回るようになる。このように、過給圧変化率“dpim”が過給圧変化率基準“dpimC”を超えるたびにＦＢ制御目標値“pimtrg”が過渡目標値に変更されることで、過給圧変化率“dpim”がさらに増大することは回避される。これにより、過給圧が上昇する加速時であっても乗員が不快感を覚えるような吸気音が発生することは防止される。図を用いた説明は省略するが、減速時においても加速時と同様の効果を得ることができる。

図１２は、過渡目標値“pimtrgk3”がＦＢ制御目標値“pimtrg”として決定された場合の効果を説明するための図である。図１２には減速時の過給圧制御に関して２つの制御結果が示されている。制御結果（Ａ）は、常に定常目標値のみを用いて過給圧制御を行った結果、つまり、過渡目標値の設定を行わなかった場合の制御結果である。一方、制御結果（Ｂ）は、本実施の形態の過給圧制御によって過渡目標値が設定された場合の制御結果である。各制御結果の上から１番目のチャートは、過給圧のＦＢ制御目標値“pimtrg”と実過給圧“pim”の時間による変化を示している。破線で示すのがＦＢ制御目標値“pimtrg”の時間による変化であり、実線で示すのが実過給圧“pim”の時間による変化である。２番目のチャートは、実排気圧“P4”の時間による変化を示している。３番目のチャートは、実排気圧“P4”と実過給圧“pim”との差圧の時間による変化を示している。４番目のチャートは、ＥＧＲ弁２４の開度の時間による変化を示している。そして、５番目のチャートは、目標ＥＧＲ率“egrtrg”と実ＥＧＲ率“egr”の時間による変化を示している。破線で示すのが目標ＥＧＲ率“egrtrg”の時間による変化であり、実線で示すのが実ＥＧＲ率“egr”の時間による変化である。

まず、制御結果（Ａ）から見ると、ＦＢ制御目標値“pimtrg”は一定の変化率で低下せしめられている。そして、それに追従するように実過給圧“pim”が低下している。また、実排気圧“P4”は実過給圧“pim”の低下に呼応するように低下している。ＦＢ制御目標値“pimtrg”の低下は減速時の燃料噴射量の減量に合わせて行われるものであり、実過給圧“pim”の低下は過給圧フィードバック制御によって達成される。また、実排気圧“P4”の低下は燃料噴射量の減量と過給圧フィードバック制御により可変ノズル１８が開かれることによって達成される。制御結果（Ａ）では、実過給圧“pim”と実排気圧“P4”がともに低下していく過程において両者の差圧は小さくなり、前述の差圧基準“[P4-pim]C”を下回る状態が暫くの間続いている。差圧は排気ガスを再循環させる駆動力であるため、それが弱まっている状況ではＥＧＲ量を最大限に確保するためにＥＧＲ弁２４は上限まで開かれる。しかし、差圧があまりに小さい場合には、ＥＧＲ弁２４が上限まで開かれていても排気ガスは吸気側にはあまり流れない。このため、ＥＧＲ弁２４は上限まで開かれたまま、目標ＥＧＲ率“egrtrg”に対して実ＥＧＲ率“egr”が不足した状態が続くことになる。

これに対して制御結果（Ｂ）では、実排気圧“P4”と実過給圧“pim”との差圧が差圧基準“[P4-pim]C”よりも小さくなった場合、ＦＢ制御目標値“pimtrgk”は実排気圧“P4”から差圧基準“[P4-pim]C”を差し引いた過渡目標値に変更される。つまり、現在の実排気圧“P4”のもとでＥＧＲ率の制御性を保障できるだけの過給圧が得られる値に変更される。このようにＦＢ制御目標値“pimtrgk”が過渡目標値に変更されることで、実過給圧“pim”の低下が促される。このとき実排気圧“P4”も同時に低下するが、その変化量は実過給圧“pim”の変化量よりも小さい。よって、実排気圧“P4”と実過給圧“pim”との差圧は拡大し、再び差圧基準“[P4-pim]C”を超える値まで回復するようになる。差圧が差圧基準“[P4-pim]C”を超えていればＥＧＲ弁２４が上限まで開かれることはなくなり、ＥＧＲ弁２４の開度の調整によって実ＥＧＲ率“egr”を目標ＥＧＲ率“egrtrg”に合わせることができるようになる。つまり、ＥＧＲ率の制御性が保障される。

以上説明したように、本実施の形態で実行される過給圧制御によれば、過給圧制御に関連する様々な制約を過渡運転時においても満たすことができる。さらに、そのような制御上の利点に加えて、制御プログラムの作成段階における利点もある。本実施の形態の過給圧制御のようにフィードバック制御の目標値を変更する方法であれば、フィードバック制御のゲインの微調整や制御方法の切り替え等を行う必要がなく、フィードバック制御の機能が複雑にならなくて済む。また、過渡運転条件ごとに膨大な工数の適合作業を行わなくて済む。さらに、過給圧制御に関連する新たな制約を付け加えたい場合には、その制約に関連する過渡目標値を算出するサブルーチンを作成し、そのサブルーチンで算出された過渡目標値も優先度に応じて選択できるように最終的な目標値を決定するサブルーチンの一部を変更するだけでよい。よって、新たな制約を付け加えたり制約の内容を変更したりすることも容易である。

ところで、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

ハードの信頼性保障のための過渡目標値は、定常目標値よりも低い値であればよい。図４に示すサブルーチンにおいてステップＳ２１１の条件が満たされた場合、フィードバック制御の目標値を単に低くするだけでも、一定の効果は得ることができる。ただし、より好ましいのは、上述の実施の形態のように、現状の過給状態を維持すべく実過給圧と同じ値に過渡目標値を設定することである。

吸気音の発生を防止するための過渡目標値は、実過給圧との差の大きさが定常目標値と実過給圧との差の大きさよりも小さい値であればよい。ある時間ステップにおいて過給圧変化率が過給圧変化率基準を超えた場合、少なくとも次の時間ステップでのＦＢ制御目標値と実過給圧との差を今時間ステップでの差よりも小さくすることができれば、過給圧変化率のさらなる増大を抑えることができる。ただし、より好ましいのは、上述の実施の形態のように、過給圧変化率が正の値の場合には実過給圧に過給圧変化率基準を加えた値を過渡目標値として設定し、過給圧変化率が負の値の場合には実過給圧から過給圧変化率基準を差し引いた値を過渡目標値として設定することである。これによれば、実過給圧を確実に上昇或いは低下させながら実過給圧の急激な上昇或いは低下を抑えることができる。

ＥＧＲ率の制御性を保障するための過渡目標値は、実排気圧との差圧が差圧基準よりも大きい値であってもよい。つまり、過給圧を大きく下げることによって実排気圧と実過給圧との差圧を差圧基準以上まで回復することができればよい。少なくとも差圧基準以上の差圧が確保されるようになっていれば、過渡運転時におけるＥＧＲ率の制御性の低下を防ぐことができる。

過給圧制御用アクチュエータとしては、可変ノズルの他にもウエストゲートバルブを用いることができる。ただし、その場合のウエストゲートバルブは、開度を連続的に或いは多段階に変化させることが可能なものであることが望ましい。

２ エンジン本体
４ 吸気マニホールド
６ 排気マニホールド
８ インジェクタ
１０ 吸気通路
１２ 排気通路
１４ コンプレッサ
１６ タービン
１８ 可変ノズル
３０ ＥＧＲ通路
３２ ＥＧＲ弁
５０ ＥＣＵ
５２ 回転数センサ
５４ 過給圧センサ
５６ 排気圧センサ
５８ エアフローメータ
６０ 吸気温センサ
６２ アクセル開度センサ

Claims (4)

1. アクチュエータの操作によって過給圧を能動的に制御可能なターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御装置において、
   過給圧センサの信号から前記エンジンの実過給圧を算出する手段と、
   エンジン回転数と燃料噴射量とに基づいて定常運転時の過給圧の目標値（以下、定常目標値）を算出する手段と、
   前記実過給圧を前記定常目標値に近づけるようにフィードバック制御によって前記アクチュエータを操作する手段と、
   過渡運転時に満たされる可能性のある異なる複数の条件に関し、いずれかの条件が満たされた場合、条件ごとに用意された計算規則に従ってその満たされた条件に適した過給圧の目標値（以下、過渡目標値）を算出する手段と、
   加速度に関連する所定の物理量の値に応じて前記複数の条件間の優先順位を決定する手段と、
   １つの過渡目標値が存在する場合はその過渡目標値を選択し、同時に複数の過渡目標値が存在する場合は前記優先順位に従って１つの過渡目標値を選択する手段と、
   過渡目標値が存在する場合、前記フィードバック制御の目標値を前記定常目標値から選択された過渡目標値に変更する手段と、
   を備えることを特徴とするターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御装置。
2. 前記複数の条件は排気圧及び排気圧変化率に関する条件を含むことを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御装置。
3. 前記複数の条件は過給圧変化率に関する条件を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御装置。
4. 前記内燃機関はＥＧＲ装置を備える内燃機関であって、
   前記複数の条件は排気圧と過給圧との差圧に関する条件を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御装置。

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