JP6044590B2

JP6044590B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP6044590B2
Application number: JP2014107458A
Authority: JP
Inventors: 勇人仲田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2034-05-23
Also published as: EP3147488A4; EP3147488B1; WO2015178255A1; EP3147488A1; JP2015222066A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

一般的な内燃機関の制御装置は、内燃機関の制御量に関して目標値が与えられた場合、同制御量の出力値を目標値に追従させるようにフィードバック制御によって内燃機関の制御入力を決定するように構成されている。ただし、実際の内燃機関の制御においては、内燃機関の状態量に関してハード上或いは制御上の様々な制約が存在している場合が多い。それらの制約が充足されない場合、ハードの破損や制御性能の低下が生じるおそれがある。制約の充足性は、目標値に対する出力値の追従性と同じく、内燃機関の制御において求められる重要な性能の１つである。

リファレンスガバナは上記要求を満たすための１つの有効な手段である。リファレンスガバナは制御対象である内燃機関とフィードバックコントローラとを含む閉ループシステム（フィードバック制御システム）をモデル化した予測モデルを備え、ある目標値に従って制御量が制御された場合に、当該内燃機関の状態量の将来値を予測モデルによって予測する。そして、予測された状態量と、課せられた制約とに基づいて内燃機関の制御量の目標値を修正する。

本出願の発明者は既に、下記の特許文献１において、リファレンスガバナを内燃機関の制御に適用した先行技術を開示している。この先行技術では、上記制御量および状態量としての過給圧を予測し、予測した過給圧に課せられた制約を満たす範囲内の制御量の目標値を探索し、排気タービンのベーンの制御量が修正される。

特開２０１３−７９６３７号公報

ところで、リファレンスガバナを用いて内燃機関に関する複数の制御量の将来の予測値を演算する場合は、当該予測値のそれぞれに課せられた制約に基づいて、当該制御量に対応する複数の目標値を修正することになる。ここで、当該制御量として過給圧とＥＧＲ率の将来値を予測する場合を考える。例えば過給圧制御においては過給圧とＥＧＲ率が協調制御されることから、過給圧とＥＧＲ率の将来値を予測する場合は、予測モデルの次元が大きくなる。そのため、予測のための演算量が大きくなり、決められた予測区間内に演算を終了できない可能性がある。また、過給圧とＥＧＲ率は応答性の速さの違いが大きいＳｔｉｆｆ系であるため、将来値の演算が細かくなりがちで演算負荷が高くなり易い。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものである。すなわち、協調制御される複数の制御量の将来の予測値をリファレンスガバナによって演算する場合において、演算負荷を低減することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関に関する複数の制御量の出力値を対応する目標値のそれぞれに近づけるようにフィードバック制御によって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、
前記内燃機関と前記フィードバックコントローラとを含む閉ループシステムのモデルを用いて前記内燃機関の複数の状態量の将来の予測値を演算すると共に、当該予測値のそれぞれと当該複数の状態量のそれぞれに課せられた制約とに基づいて、前記フィードバックコントローラに与えられる前記目標値を修正するリファレンスガバナと、を備え、
前記複数の制御量は、前記内燃機関の制御において協調制御されるＥＧＲ率と過給圧であり、
前記リファレンスガバナは、予め設定した順序でＥＧＲ率と過給圧の将来予測値を演算し、尚且つ、フィードバック制御における時定数が相対的に大きいＥＧＲ率の将来予測値の演算期間においては当該ＥＧＲ率の演算開始時における過給圧を一定値とし、フィードバック制御における時定数が相対的に小さい過給圧の将来予測値の演算期間においては当該過給圧の演算開始時において前記フィードバックコントローラに与えられたＥＧＲ率の目標値を一定値とすることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記複数の制御量であるＥＧＲ率は、ＨＰＬ−ＥＧＲ率と、フィードバック制御における時定数がＨＰＬ−ＥＧＲ率よりも小さく、尚且つ、過給圧よりも大きいＬＰＬ−ＥＧＲ率と、を含み、
前記リファレンスガバナは、ＨＰＬ−ＥＧＲ率の将来予測値の演算期間においては当該ＨＰＬ−ＥＧＲ率の演算開始時における過給圧とＬＰＬ−ＥＧＲ率を一定値とし、過給圧の将来予測値の演算期間においては当該過給圧の演算開始時において前記フィードバックコントローラに与えられたＬＰＬ−ＥＧＲ率およびＨＰＬ−ＥＧＲ率の目標値を一定値とし、ＬＰＬ−ＥＧＲ率の将来予測値の演算期間においては当該ＬＰＬ−ＥＧＲ率の演算開始時において過給圧を一定値としつつ、前記フィードバックコントローラに与えられたＨＰＬ−ＥＧＲ率の目標値を一定値とすることを特徴とする。

本発明に係る制御装置によれば、予め設定した順序でＥＧＲ率と過給圧の将来予測値を演算し、尚且つ、フィードバック制御における時定数が相対的に大きいＥＧＲ率の将来予測値の演算期間においては当該ＥＧＲ率の演算開始時における過給圧を一定値とし、フィードバック制御における時定数が相対的に小さい過給圧の将来予測値の演算期間においては当該過給圧の演算開始時において前記フィードバックコントローラに与えられたＥＧＲ率の目標値を一定値とするので、協調制御されるＥＧＲ率と過給圧の将来の予測値をリファレンスガバナによって演算する場合の演算負荷を低減することができる。

実施の形態の制御装置が適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。実施の形態の制御装置が有するディーゼルエンジンの目標値追従制御構造を示す図である。図２に示す目標値追従制御構造を等価変形した図である。実施の形態におけるＥＧＲ率と過給圧の修正目標値ｇの予測イメージを示した図である。本発明に係る制御装置を適用可能なディーゼルエンジンの制御入力および制御出力の例を示す図である。過給圧、ＨＰＬ−ＥＧＲ量およびＬＰＬ−ＥＧＲ量の修正目標値ｇの予測パターンを示した図である。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態の制御装置が適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。このエンジンシステムに備えられる内燃機関は、ターボ過給機付きのディーゼルエンジンである。ディーゼルエンジンの本体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１４のコンプレッサが取り付けられている。このコンプレッサの下流にはインタークーラ２２が備えられ、インタークーラ２２の下流にはディーゼルスロットル２４が設けられている。排気マニホールド６にはエンジン本体２からの排気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１４のタービンが取り付けられている。ターボ過給機１４は可変容量型であって、タービンには可変ノズル１６が備えられている。

本エンジンシステムは、排気系から吸気系へ排気を再循環させる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。

本エンジンシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０は、エンジンシステム全体を総合制御する制御装置であり、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）等を備えている。ＥＣＵ４０は、エンジンシステムが備える各種センサの信号を取り込み処理する。センサには、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ４２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ペダル開度センサ４４などが含まれている。ＥＣＵ４０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従って各アクチュエータを操作する。ＥＣＵ４０によって操作されるアクチュエータには、可変ノズル１６、ディーゼルスロットル２４、ＥＧＲ弁３２などが含まれている。

本実施の形態においてＥＣＵ４０により実行されるエンジン制御には過給圧制御が含まれる。過給圧制御では、過給圧に影響する可変ノズル１６、ディーゼルスロットル２４およびＥＧＲ弁３２の各操作量が協調制御される。過給圧制御において、ディーゼルエンジンの制御入力（操作量）は可変ノズル開度、ＥＧＲ弁開度およびディーゼルスロットル開度であり、ディーゼルエンジンの制御出力（状態量）は過給圧とＥＧＲ率である。

ディーゼルエンジンの制御入力および制御出力には、ハード上或いは制御上の制約が存在する。本実施の形態においては、ハード上或いは制御上の制約としての上限値および下限値が、過給圧とＥＧＲ率の両者に設定されている。そこで、本実施の形態においては、ディーゼルエンジンの制御出力を下限値以上かつ上限値以下に維持しながら、過給圧とＥＧＲ率をそれぞれの目標値に追従させるようにディーゼルエンジンの制御入力を決定する。図２は本実施の形態に係る制御装置が有するディーゼルエンジンの目標値追従制御構造を示す図である。なお、図２に示す目的値追従制御構造は、ＥＣＵ４０のＲＯＭに格納された制御プログラムに従いＣＰＵが動作することで仮想的に実現される構成である。この目標値追従制御構造は、目標値マップ（ＭＡＰ）、リファレンスガバナ（ＲＧ）およびフィードバックコントローラ（ＦＢＣ）を備えている。

目標値マップは、ディーゼルエンジンの運転条件を示す外生入力ｄ＝［エンジン回転速度；燃料噴射量］が与えられると、ディーゼルエンジンの制御量の目標値ｒ＝［ＥＧＲ率目標値；過給圧目標値］を出力する。

リファレンスガバナは、制御量の目標値ｒ＝［ＥＧＲ率目標値；過給圧目標値］が与えられると、ディーゼルエンジンの制御量の出力値ｚ＝［ＥＧＲ率；過給圧］に関する制約が満たされるように制御量の目標値ｒを修正し、修正目標値ｇ＝［ＥＧＲ率修正目標値；過給圧修正目標値］を出力する。リファレンスガバナの詳細については後述する。

フィードバックコントローラは、リファレンスガバナから修正目標値ｇが与えられると、ディーゼルエンジンの各状態量（状態変数ｘ＝［ＥＧＲ率；過給圧］）を修正目標値ｇに近づけるように、フィードバック制御によってディーゼルエンジンの制御入力ｕ＝［ディーゼルスロットル開度；ＥＧＲ弁開度；可変ノズル開度］を決定する。フィードバックコントローラの仕様に限定はなく、公知のフィードバックコントローラを用いることができる。

図３は図２に示す目標値追従制御構造を等価変形して得られたフィードフォワード構造である。図２において破線で囲まれた閉ループシステムは既に設計済みであるとして、図３に示すフィードフォワード構造では１つのモデル（Ｐ）とされている。閉ループシステムのモデルは次のモデル式（１）で表される。式（１）において、ｆ，ｈはモデル式の関数である。また、ｋは離散時間ステップを表している。

リファレンスガバナは、与えられた目標値ｒに基づいて修正目標値ｇの候補を複数用意する。具体的には、過給圧とＥＧＲ率とを軸とする２次元平面上に格子状に探索点を配列し、各探索点を修正目標値ｇの候補（ｇ_１，ｇ_２，・・・，ｇ_Ｎｇ）として設定する。Ｎ_ｇは修正目標値ｇの候補の個数を表している。リファレンスガバナは、修正目標値ｇの複数候補のそれぞれを閉ループシステムのモデルに入力して過給圧とＥＧＲ率の将来値を予測する。リファレンスガバナが用いる予測モデルは式（１）で表されるので、状態変数ｘおよび制御量の出力値ｚの将来値は次の式（２）で表される。

式（２）に示すｘ（ｉ｜ｋ）,ｚ（ｉ｜ｋ）は、時刻ｋの情報をもとに推定されたｉステップ先の将来の状態量と制御出力の予測値である。また、式（２）に示すＮ_ｈは予測ステップ数（予測ホライズン）である。予測ステップ数に離散時間ステップの時間間隔を乗じた値が現在から将来にかけての予測長（予測区間）となる。また、ここでは、予測区間の間、時刻ｋにおける外生入力の値ｄ（ｋ）が継続すると仮定されている。

リファレンスガバナは予測区間にわたって制御量の出力値ｚの将来値ｚ（ｉ｜ｋ）を演算し、将来値ｚ（ｉ｜ｋ）が制約に抵触するかどうか、つまり、将来値ｚ（ｉ｜ｋ）が上限値を上回るのか否か、或いは、下限値を下回るのか否かを修正目標値ｇの候補ごとに判定する。そして、下限値以上かつ上限値以下の範囲にある将来値ｚ（ｉ｜ｋ）のうち、目標値ｒに最も近い修正目標値ｇの候補を最終的な修正目標値ｇとして選択する。

既に述べたように、過給圧制御においては過給圧とＥＧＲ率が協調制御されることから、予測モデルの次元（ＥＧＲ率と過給圧の振舞いを再現するのに必要な状態変数の数）が大きくなる。そのため、予測のための演算量が大きくなり、決められた予測区間内（例えば４ｍｓ，８ｍｓ）に演算を終了できない可能性がある。また、過給圧とＥＧＲ率は応答性の速さの違いが大きいＳｔｉｆｆ系であるため、将来値の演算が細かくなりがちで演算負荷が高くなり易い。

そこで、本実施の形態においては、以下に説明する手法によってＥＧＲ率と過給圧の修正目標値ｇを予測する。図４は、本実施の形態におけるＥＧＲ率と過給圧の修正目標値ｇの予測イメージを示した図である。図４に示すように、リファレンスガバナにおいて一方の修正目標値ｇを演算している間は他方の修正目標値ｇの演算を行わず、一方の修正目標値ｇの予測区間の終了時に他方の修正目標値ｇの演算を開始する。つまり、ＥＧＲ率と過給圧の修正目標値ｇを交互に演算する。なお、この演算の順序については事前に設定されているものとする。また、図４においては各予測区間を均等としているが、ＥＧＲ率と過給圧とで予測区間のを異ならしめることもできる。

ＥＧＲ率と過給圧の修正目標値ｇを交互に演算するため、本実施の形態においては、式（２）の状態変数ｘの予測式を分割して、次式（３）で表される要素ごとの記述とする。式（３）の状態変数ｘ_１は過給圧であり、状態変数ｘ_２はＥＧＲ率である。また、関数ｆ_１，ｆ_２は元の関数ｆを要素分解したものである。

ここで、ＥＧＲ率と過給圧の両者をフィードバック制御した場合、ＥＧＲ率は過給圧よりも応答時定数が１０倍程度大きくなる。つまり、過給圧はＥＧＲ率に比べてフィードバック制御における応答が非常にゆっくりである。そこで、ＥＧＲ率の修正目標値ｇの予測区間においては、過給圧が現在値ｘ_１ ^＊で一定であると見做す。なお、現在値ｘ_１ ^＊とは、当該予測区間の最初のステップにおける過給圧の値である。そうすると、式（３）のｘ_１（ｉ｜ｋ）＝ｘ_１（ｉ＋１｜ｋ）＝ｘ_１ ^＊であり、状態変数ｘ_１すなわち過給圧の将来値の演算を省略できる。つまり、ＥＧＲ率の修正目標値ｇの予測区間においては、次の式（４）で表されるモデルによってＥＧＲ率のみの将来予測軌道を演算して、ＥＧＲ率の将来値ｚ（ｉ｜ｋ）について制約の抵触の有無を判定する。

一方、ＥＧＲ率は過給圧に比べてフィードバック制御における応答が非常に速い。そこで、過給圧の修正目標値ｇの予測区間においては、ＥＧＲ率が当該予測区間の最初のステップにおいてステップ状に変化して目標値ｒ_２ ^＊となり、その後は目標値ｒ_２ ^＊で一定となると見做す。なお、目標値ｒ_２ ^＊とは、当該予測区間の開始時に目標値マップから出力されたＥＧＲ率の目標値である。そうすると、式（３）のｘ_２（ｉ｜ｋ）＝ｘ_２（ｉ＋１｜ｋ）＝ｒ_２ ^＊となり、状態変数ｘ_２すなわちＥＧＲ率の将来値の演算を省略できる。つまり、過給圧の修正目標値ｇの予測区間においては、次の式（５）で表されるモデルによって過給圧のみの将来予測軌道を演算して、過給圧の将来値ｚ（ｉ｜ｋ）について制約の抵触の有無を判定する。

このように、本実施の形態では、リファレンスガバナにおいてＥＧＲ率と過給圧の修正目標値ｇを予測する際に、一方の状態量の予測中は他方の状態量を一定値と見做してこれらを交互に演算するので、ＥＧＲ率と過給圧という２つの制御量の修正目標値ｇの予測の際に発生する問題を未然に防止できる。また、修正目標値ｇの予測に係る演算負荷を下げることも可能となる。加えて、ＥＧＲ率の修正目標値ｇの演算と、過給圧の修正目標値ｇの演算とを分散できるので、演算の並列実装が容易となるという効果も期待できる。

なお、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、図２に示した目標値追従制御構造は、ディーゼルエンジン（ＤＥ）が低圧ループＥＧＲ（ＬＰＬ−ＥＧＲ）システムと高圧ループ（ＨＰＬ−ＥＧＲ）ＥＧＲシステムとを有する場合には、図５の（ａ）〜（ｄ）に示すような制御入力と制御出力との組み合わせにも適用することができる。図５の（ａ）および（ｂ）では、可変ノズル開度（ＶＮ開度）やディーゼルスロットル開度（Ｄスロ開度）の他に、低圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度（ＬＰＬ−ＥＧＲ弁開度）と高圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度（ＨＰＬ−ＥＧＲ弁開度）とが制御入力に含まれている。図５の（ｃ）および（ｄ）では、ＥＧＲ率の代わりに、低圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ量（ＬＰＬ−ＥＧＲ量）と高圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ量（ＨＰＬ−ＥＧＲ量）とが制御出力に含まれている。

なお、本発明を図５の（ｃ）や（ｄ）に示した３出力系に適用する際は、各制御量の修正目標値ｇを例えば次のように演算することができる。図６は、過給圧、ＨＰＬ−ＥＧＲ量およびＬＰＬ−ＥＧＲ量の修正目標値ｇの予測パターンを示した図である。図６（ａ）は、過給圧、ＨＰＬ−ＥＧＲ量およびＬＰＬ−ＥＧＲ量の修正目標値ｇを１回ずつ順番に演算した場合を示している。また、図６（ｂ）は、ＨＰＬ−ＥＧＲ量とＬＰＬ−ＥＧＲ量の演算を交互に２回ずつ行い、その間に過給圧の演算を１回行う場合を示している。また、図６（ｃ）は、ＨＰＬ−ＥＧＲ量の演算頻度を最も高くし、過給圧の演算頻度を最も低くした場合を示している。但し、何れの予測パターンにおいても、ある特定の制御量の修正目標値ｇを演算している間は残りの制御量の修正目標値ｇの演算を行わず、当該特定の制御量の修正目標値ｇの予測区間が終了したら、それとは別の制御量の修正目標値ｇの演算を開始する。なお、図６（ａ）乃至（ｃ）の何れの場合においても、演算の順序については事前に設定されているものとする。

図６（ｂ）や（ｃ）に示した予測パターンは、フィードバック制御における時定数の大小関係に基づいている。即ち、フィードバック制御における時定数は過給圧が最も小さく、ＬＰＬ−ＥＧＲ量、ＨＰＬ−ＥＧＲ量の順に大きくなる。そのため、図６（ｂ）や（ｃ）の予測パターンとすれば、図６（ａ）の予測パターンの場合に比べて、時定数が相対的に大きい制御量の予測精度の低下を抑えることができるという効果がある。

また、図６に示した過給圧の修正目標値ｇの予測区間においては、ＬＰＬ−ＥＧＲ量とＨＰＬ−ＥＧＲ量の両者が当該予測区間の最初のステップにおいてステップ状に変化して各目標値となり、その後は各目標値で一定となると見做す。また、ＨＰＬ−ＥＧＲ量の予測区間においては、過給圧とＬＰＬ−ＥＧＲ量が共に現在値で一定であると見做す。また、ＬＰＬ−ＥＧＲ量の予測区間においては、過給圧は現在値で一定であると見做し、ＨＰＬ−ＥＧＲ量は当該予測区間の最初のステップにおいてステップ状に変化してその目標値となり、その後は当該目標値で一定となると見做す。

さらに、本発明に係る制御装置が適用される内燃機関はディーゼルエンジンのみに限定されず、ガソリンエンジンにも適用することができる。本発明をガソリンエンジンに適用する場合の制御入力の例としては要求トルクがあり、これに対応する制御出力の例としては、スロットルの開度と点火時期がある。スロットルの開度と点火時期は要求トルクに基づいて協調制御されるところ、上記実施の形態で示した手法によれば、これら２つの制御量の修正目標値の予測の際における問題を未然に防止できる。

２エンジン本体
１６可変ノズル
２４ディーゼルスロットル
３２ＥＧＲ弁
４０ＥＣＵ

Claims

内燃機関に関する複数の制御量の出力値を対応する目標値のそれぞれに近づけるようにフィードバック制御によって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、
前記内燃機関と前記フィードバックコントローラとを含む閉ループシステムのモデルを用いて前記内燃機関の複数の状態量の将来の予測値を演算すると共に、当該予測値のそれぞれと当該複数の状態量のそれぞれに課せられた制約とに基づいて、前記フィードバックコントローラに与えられる前記目標値を修正するリファレンスガバナと、を備え、
前記複数の制御量は、前記内燃機関の制御において協調制御されるＥＧＲ率と過給圧であり、
前記リファレンスガバナは、予め設定した順序でＥＧＲ率と過給圧の将来予測値を演算し、尚且つ、フィードバック制御における時定数が相対的に大きいＥＧＲ率の将来予測値の演算期間においては当該ＥＧＲ率の演算開始時における過給圧を一定値とし、フィードバック制御における時定数が相対的に小さい過給圧の将来予測値の演算期間においては当該過給圧の演算開始時において前記フィードバックコントローラに与えられたＥＧＲ率の目標値を一定値とすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記複数の制御量であるＥＧＲ率は、ＨＰＬ−ＥＧＲ率と、フィードバック制御における時定数がＨＰＬ−ＥＧＲ率よりも小さく、尚且つ、過給圧よりも大きいＬＰＬ−ＥＧＲ率と、を含み、
前記リファレンスガバナは、ＨＰＬ−ＥＧＲ率の将来予測値の演算期間においては当該ＨＰＬ−ＥＧＲ率の演算開始時における過給圧とＬＰＬ−ＥＧＲ率を一定値とし、過給圧の将来予測値の演算期間においては当該過給圧の演算開始時において前記フィードバックコントローラに与えられたＬＰＬ−ＥＧＲ率およびＨＰＬ−ＥＧＲ率の目標値を一定値とし、ＬＰＬ−ＥＧＲ率の将来予測値の演算期間においては当該ＬＰＬ−ＥＧＲ率の演算開始時において過給圧を一定値としつつ、前記フィードバックコントローラに与えられたＨＰＬ−ＥＧＲ率の目標値を一定値とすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。