JP6019864B2

JP6019864B2 - エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP6019864B2
Application number: JP2012159563A
Authority: JP
Inventors: 洋紀瀬戸
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2032-07-18
Also published as: JP2014020281A

Description

本発明は、エンジンの制御装置に関し、特に、排気系と吸気系とを接続する流路に設けられた流量調整バルブを含む排気再循環装置と、排気により駆動されるタービンに設けられた可変ノズルを含む可変容量型過給機とを備えるエンジンの制御装置に関する。

従来、エンジンから排出される排気の一部を吸気系に再循環する排気再循環装置（以下、ＥＧＲ装置）が知られている。このＥＧＲ装置は、排気系と吸気系とを接続する流路に設けられた流量調整バルブ（以下、ＥＧＲバルブ）の開度を制御することで、再循環排気（以下、ＥＧＲガス）の流量を調整している。

また、排気により駆動されるタービンと、吸気を圧送するコンプレッサと、タービンに設けられた可変ノズルとを備える可変容量型過給機（Variable Nozzle Turbo：以下、ＶＮＴ）も知られている。このＶＮＴは、可変ノズルの開度を制御してタービンの駆動を増減させることで、吸気の過給率を調整している。このようなＥＧＲ装置と、ＶＮＴとを備えるエンジンの制御装置は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００１−８２２３４号公報

ところで、一般的なエンジンの制御装置では、ＥＧＲバルブ及び可変ノズルの開度をそれぞれ独立したフィードバック制御により制御している。例えば、ＥＧＲバルブの制御においては、吸気流量の目標値と吸気流量センサの検出値とを入力したＰＩＤ制御等のフィードバック制御に、エンジン回転数と燃料噴射量とに基づいたフィードフォワード制御を加えることで、ＥＧＲバルブの開度を制御している。

また、可変ノズルの制御においては、吸気圧力の目標値と吸気圧センサの検出値とを入力したＰＩＤ制御等のフィードバック制御に、エンジン回転数と燃料噴射量とに基づいたフィードフォワード制御を加えることで、可変ノズルの開度を制御している。

しかしながら、このようにＥＧＲバルブの制御と可変ノズルの制御とを独立して行うと互いに制御干渉が生じ、目標値の追従性の劣化や制御系の不安定化を引き起こす可能性がある。例えば、ＥＧＲバルブの制御を行うと、ＥＧＲバルブの開閉作動によりＶＮＴのタービンに流れ込む排気の流量が変動して、吸気圧力に変化が生じる。同様に、可変ノズルの制御を行うと、吸気圧力のみなら吸気流量にも変化が生じる。そのため、従来の制御装置では、制御干渉を回避するために、一方の制御のフィードバックゲインを小さくしてフィードバックを弱める等、制御性能を犠牲にする必要がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、その目的は、ＥＧＲバルブの制御と可変ノズルの制御とを相互に協調させて制御干渉を回避すると共に、制御性能を効果的に向上させることにある。

上記目的を達成するため、本発明のエンジンの制御装置は、エンジンの排気通路と吸気通路との間に連通される排気再循環通路と、前記排気再循環通路に設けられる流量調整バルブと、を有する排気再循環装置と、前記排気通路に設けられるタービンと、前記タービンに設けられる可変ノズルと、前記吸気通路に設けられると共に前記タービンと回転軸を介して連結されるコンプレッサと、を有する可変容量型過給機と、前記エンジンの吸気マニホールドに設けられると共に前記エンジンの吸気圧を検出する吸気圧検出手段と、前記コンプレッサよりも吸気上流側の前記吸気通路に設けられると共に前記エンジンの吸気流量を検出する吸気流量検出手段と、前記コンプレッサよりも吸気下流側の前記吸気通路に設けられるスロットルバルブと、を備えるエンジンの制御装置であって、前記排気再循環通路は、前記タービンよりも排気上流側の前記排気通路と前記コンプレッサよりも吸気下流側であって前記スロットルバルブよりも吸気上流側の前記吸気通路との間に連通され、前記吸気圧検出手段と前記吸気流量検出手段の検出値に基づいて、スライディングモード制御により、前記流量調整バルブの開度と前記可変ノズルの開度に対する制御量を出力するスライディングモード制御手段をさらに備えることを特徴とする。

前記スライディングモード制御手段は、前記エンジンの複数の運転状態に対応して少なくとも二以上設けられると共に、該二以上のスライディングモード制御手段を前記エンジンの運転状態に応じて切り替える切替手段をさらに備えてもよい。

また、前記二以上のスライディングモード制御手段は、少なくとも、前記エンジンの複数の運転状態に対応して、低負荷運転領域に対応する低負荷用スライディングモード制御手段と、中負荷運転領域に対応する中負荷用スライディングモード制御手段と、高負荷運転領域に対応する高負荷用スライディングモード制御手段とを含むものであってもよい。

本発明のエンジンの制御装置によれば、ＥＧＲバルブの制御と可変ノズルの制御とを相互に協調させて制御干渉を回避すると共に、制御性能を効果的に向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの制御装置を示す模式的な全体構成図である。本発明の一実施形態に係る電子制御ユニット（ＥＣＵ）を示す機能ブロック図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係るエンジンの制御装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

まず、図１に基づいて、本実施形態のディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０の吸排気系構成から説明する。

エンジン１０の吸気マニホールド１０ａには吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには排気通路１２が接続されている。吸気通路１１には吸気上流側から順に、ＶＮＴ２０のコンプレッサ２０ａ、スロットルバルブ１３、インタークーラ１４が設けられ、排気通路１２にはＶＮＴ２０のタービン２０ｂが設けられている。また、コンプレッサ２０ａよりも吸気上流側の吸気通路１１には吸気流量センサ３０が設けられ、吸気マニホールド１０ａ（又は、コンプレッサ２０ａよりも吸気下流側の吸気通路１１）には吸気圧センサ３１が設けられている。これら吸気流量センサ３０の検出値（以下、吸気流量ＭＡＦ）及び、吸気圧センサ３１の検出値（以下、吸気圧力Ｐ_inm）は、電気的に接続されたＥＣＵ５０に出力される。

ＶＮＴ２０は、吸気通路１１に設けられたコンプレッサ２０ａと、排気通路１２に設けられたタービン２０ｂと、タービン２０ｂに設けられた可変ノズル２０ｃとを備えている。これらコンプレッサ２０ａとタービン２０ｂとは、回転軸を介して連結されている。また、ＶＮＴ２０には、ＥＣＵ５０から出力される指示信号に応じて可変ノズル２０ｃを開閉動作させる図示しないアクチュエータが設けられている。

ＥＧＲ装置４０は、タービン２０ｂよりも排気上流側の排気通路１２とインタークーラ１４よりも吸気上流側の吸気通路１１とを連通するＥＧＲ通路４１と、ＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲバルブ４２と、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ４３とを備えている。このＥＧＲ装置４０によるＥＧＲガスの流量は、ＥＣＵ５０から出力される指示信号に応じてＥＧＲバルブ４２の開度が制御されることで調整される。

エンジン回転センサ３２は、エンジン１０の図示しないクランクシャフトの回転数を検出するもので、検出されるセンサ値（以下、エンジン回転数Ｎ）は電気的に接続されたＥＣＵ５０に出力される。アクセルポジションセンサ３３は、運転者による図示しないアクセルペダルの操作量を検出するもので、検出されるセンサ値は電気的に接続されたＥＣＵ５０に出力される。

ＥＣＵ５０は、エンジン１０の燃料噴射などの各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。また、ＥＣＵ５０は、図２に示すように、複数（本実施形態では５個）のスライディングモード制御部５１〜５５と、運転状態判定部５６と、切替制御部５７とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ５０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

スライディングモード制御部５１〜５５は、入力変数を吸気流量ＭＡＦ・吸気圧力Ｐ_inmとして、追従性が高い公知の積分型スライディングモード制御により、出量変数としてのＥＧＲバルブ４２の開度Ｖ_EGRと可変ノズル２０ｃの開度Ｖ_VNTとを算出する２入力２出力のスライディングモード制御器である。このスライディングモード制御部５１〜５５において、制御モデルは二次の状態空間モデルとして表現されている。また、状態空間モデルは、ＥＧＲバルブ４２の開度Ｖ_EGRと可変ノズル２０ｃの開度Ｖ_VNTとを入力する状態方程式、及び吸気流量ＭＡＦと吸気圧力Ｐ_inmとを出力する出力方程式で構成されている。

本実施形態において、このスライディングモード制御部５１〜５５は、単体ではエンジン１０の広い運転領域を補うことができないため、エンジン１０の運転領域を複数の運転領域に分割し、それぞれが分割された任意の運転領域に対応するように設けられている。例えば、スライディングモード制御部５１は低負荷運転領域、スライディングモード制御部５２は低〜中負荷運転領域、スライディングモード制御部５３は中負荷運転領域、スライディングモード制御部５４は中〜高荷運転領域、スライディングモード制御部５５は高負荷運転領域にそれぞれ対応する。

なお、スライディングモード制御部５１〜５５の個数は５個に限定されず、エンジン１０の仕様やＥＣＵ５０の演算能力に応じて適宜設定することが可能である。また、最も使用頻度の高い運転領域（例えば、低中負荷運転領域）ほど、その個数を増加させて設けてもよい。

運転状態判定部５６は、エンジン回転数Ｎ、アクセルペダルの操作量から換算した燃料噴射量Ｑに基づいて、エンジン１０の運転状態（例えば、低負荷運転・低〜中負荷運転・中負荷運転・中〜高負荷運転・高負荷運転）を判定する。運転状態判定部５６により判定されたエンジン１０の運転状態は、切替制御部５７に出力される。

切替制御部５７は、運転状態判定部５６から入力されるエンジン１０の運転状態に応じて、複数のスライディングモード制御部５１〜５５を切り替える。例えば、運転状態判定部５６からの入力が低負荷運転の場合は低負荷用のスライディングモード制御部５１、高負荷運転の場合は高負荷用のスライディングモード制御部５５が選択される。これにより、エンジン１０の運転状態に応じた最適なスライディングモード制御部５１〜５５に切り替えられるように構成されている。

次に、本実施形態に係るエンジンの制御装置による作用効果を説明する。

一般的なエンジンの制御装置では、ＥＧＲバルブ及び可変ノズルの開度をそれぞれ独立したフィードバック制御により制御している。そのため、ＥＧＲバルブの制御を行うと、タービンに流れ込む排気流量の変動により吸気圧力が変化する一方、可変ノズルの制御を行うと、吸気圧力のみならず吸気流量も変化する。その結果、従来の制御装置では、制御干渉を回避するために、一方の制御のフィードバックゲインを小さくしてフィードバックを弱める等、制御性能を犠牲にする必要がある。

これに対し、本実施形態のエンジンの制御装置では、外乱やモデル化誤差に対するロバスト性が高いスライディングモード制御により、吸気流量ＭＡＦ・吸気圧力Ｐ_inmを入力変数とし、出量変数としてのＥＧＲバルブ４２の開度Ｖ_EGRと可変ノズル２０ｃの開度Ｖ_VNTとを算出している。また、複数のスライディングモード制御部５１〜５５は、エンジン１０の運転状態に応じて適宜切り替えられるように構成されている。

したがって、本実施形態のエンジンの制御装置によれば、制御干渉を考慮した２入力２出力のスライディングモード制御部５１〜５５により、ＥＧＲバルブ４２及び可変ノズル２０ｃの制御干渉を効果的に抑制することができる。また、運転状態に応じたスライディングモード制御部５１〜５５の切り替えにより、運転条件の変化に対して適宜対応することが可能となり、排ガス性能も効果的に向上することができる。さらに、想定外の運転条件（急激な運転状態の変化）に対しても、スライディングモード制御のロバスト性により制御性能の劣化を効果的に抑止することができる。

なお、本発明は、上述の実施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、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、ＥＧＲ装置４０のＥＧＲ通路４１は、タービン２０ｂよりも排気下流側の排気通路１２とコンプレッサ２０ａよりも吸気上流側の吸気通路１１とを連通するものであってもよい。また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限られず、他のエンジンにも広く適用することが可能である。

１０エンジン
２０ＶＮＴ
２０ａコンプレッサ
２０ｂタービン
２０ｃ可変ノズル
３０吸気流量センサ
３１吸気圧センサ
４０ＥＧＲ装置
４１ＥＧＲ通路
４２ＥＧＲバルブ
５０ＥＣＵ（電子制御ユニット）
５１〜５５スライディングモード制御部（スライディングモード制御手段）
５６運転状態判定部
５７切替制御部（切替手段）

Claims

エンジンの排気通路と吸気通路との間に連通される排気再循環通路と、前記排気再循環通路に設けられる流量調整バルブと、を有する排気再循環装置と、
前記排気通路に設けられるタービンと、前記タービンに設けられる可変ノズルと、前記吸気通路に設けられると共に前記タービンと回転軸を介して連結されるコンプレッサと、を有する可変容量型過給機と、
前記エンジンの吸気マニホールドに設けられると共に前記エンジンの吸気圧を検出する吸気圧検出手段と、
前記コンプレッサよりも吸気上流側の前記吸気通路に設けられると共に前記エンジンの吸気流量を検出する吸気流量検出手段と、
前記コンプレッサよりも吸気下流側の前記吸気通路に設けられるスロットルバルブと、
を備える
エンジンの制御装置であって、
前記排気再循環通路は、前記タービンよりも排気上流側の前記排気通路と前記コンプレッサよりも吸気下流側であって前記スロットルバルブよりも吸気上流側の前記吸気通路との間に連通され、
前記吸気圧検出手段と前記吸気流量検出手段の検出値に基づいて、スライディングモード制御により、前記流量調整バルブの開度と前記可変ノズルの開度に対する制御量を出力するスライディングモード制御手段をさらに備える
ことを特徴とするエンジンの制御装置。
前記スライディングモード制御手段は、前記エンジンの複数の運転状態に対応して少なくとも二以上設けられると共に、該二以上のスライディングモード制御手段を前記エンジンの運転状態に応じて切り替える切替手段をさらに備える
請求項１に記載のエンジンの制御装置。
前記二以上のスライディングモード制御手段は、少なくとも、前記エンジンの複数の運転状態に対応して、低負荷運転領域に対応する低負荷用スライディングモード制御手段と、中負荷運転領域に対応する中負荷用スライディングモード制御手段と、高負荷運転領域に対応する高負荷用スライディングモード制御手段と、を含む
請求項２に記載のエンジンの制御装置。