JP6065822B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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、制約が課せられている状態量の将来値を予測モデルによって予測する。そして、状態量の予測値とそれに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。この先行技術において、リファレンスガバナは、フィードバック制御に係る閉ループシステムの動特性を「むだ時間＋２次振動系」でモデル化したプラントモデルを用いて、過給圧や充填効率といった特定状態量の将来の軌道を予測し、特定状態量に課せられる制約を満足するように目標値を整形する。また、リファレンスガバナを用いて将来の軌跡を予測する範囲は、プラントモデルにおけるむだ時間と２次振動系の振動周期の半分の時間との合計時間に設定される。

特開２０１３−０８４０９１号公報

ところで、特許文献１のリファレンスガバナを用いた将来予測においては、内燃機関の運転条件といった外部入力の将来情報が上記予測範囲内で一定であることを前提としている。しかしながら、当該予測範囲内に亘って運転条件が変化しないとするのは現実的ではない。従って、運転条件が急変するようなケースにも対応できるような改良が望まれる。

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、リファレンスガバナを用いた将来予測において、内燃機関の運転条件が急変するような場合においても目標値を安定的に整形することを目的する。

上記の目的を達成するため、本発明に係る内燃機関の制御装置は、
内燃機関の制御量の出力値を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予め設定された予測区間に亘って前記内燃機関の特定状態量の将来の予測値を計算し、計算した前記予測値と前記特定状態量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、
前記特定状態量は、前記内燃機関の排気に含まれる微粒子の除去装置の温度であり、
前記リファレンスガバナは、前記予測区間の開始時点での前記内燃機関の運転条件が前記予測区間の終了時点まで変更されないと仮定して計算した前記温度の第１将来予測値と、前記予測区間の開始時点から終了時点まで前記内燃機関がアイドル運転されると仮定して計算した前記温度の第２将来予測値と、前記温度に課せられた制約とに基づいて前記目標値を修正することを特徴とする。
なお、「アイドル運転」とは、内燃機関の負荷がほぼ零の状態であって、内燃機関によって発生する駆動力がその内燃機関を搭載した車両を駆動するのに用いられていない運転状態を意味する。

本発明の制御装置によれば、予測区間の開始時点での内燃機関の運転条件が予測区間の終了時点まで継続されると仮定して計算した特定状態量の将来予測値（第１将来予測値）のみならず、予測区間の開始時点から終了時点まで内燃機関のアイドル運転が継続されると仮定して計算した特定状態量の将来予測値（第２将来予測値）をも用いてフィードバックコントローラに与えられる目標値を修正するので、内燃機関の運転条件が急変するような場合においても、特定状態量である微粒子除去装置の温度の目標値を安定的に整形することが可能となる。

ディーゼルエンジンの後処理システムの構成を示す概略図である。 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。 実施の形態に係るリファレンスガバナアルゴリズムを示す図である。 本発明の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。

実施の形態１．
先ず、本発明の実施の形態１について図を参照しながら説明する。

本実施の形態の制御装置は、車両に搭載されるディーゼルエンジンの後処理システムを制御対象とする。図１はディーゼルエンジンの後処理システムの構成を示す概略図である。図１に示す後処理システムは、排気通路にＤＯＣ（ディーゼル酸化触媒）とＤＰＦ（ディーゼル微粒子除去装置）とを備え、シリンダヘッドの排気ポートに燃料添加弁を備えている。

ＤＰＦの温度（特定状態量）にはハード上或いは制御上の制約として上限値が設定されている。本実施の形態の制御装置は、ＤＰＦ温度を上限値以下に維持しながら、その目標値に追従させるための制御構造を備えている。その制御構造が図２に示す目標値追従制御構造である。図２に示すように、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が与えられると、制御量であるＤＰＦ温度の目標値ｒを出力する。外生入力ｄには、排気ガスの質量流量と、ＤＰＦ上流（ＤＯＣ下流）の排気ガス温度とが含まれる。外生入力ｄに含まれるこれらの物理量は計測値でもよいし推定値でもよい。

リファレンスガバナは、ＤＰＦ温度の目標値ｒが与えられると、ＤＰＦ温度に関する制約が満たされるように目標値ｒを修正し、ＤＰＦ温度の修正目標値ｗ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ＤＰＦ温度の修正目標値ｗが与えられると、ＤＰＦ温度の現在値を示す状態量ｘを取得し、修正目標値ｗと状態量ｘとの偏差ｅに基づくフィードバック制御によって制御対象に与える制御入力ｕを決定する。本実施の形態における制御対象は後処理システムであるので、制御入力ｕには、燃料添加弁によって排気ガス中に添加される燃料量、すなわち、燃料添加量が用いられる。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。例えば、比例積分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に示した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を示す図である。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、上記の式（１）で表される予測モデルを用いて制御対象の制御出力ｙの予測値ｙ^を計算する。本実施の形態における制御出力ｙはＤＰＦ温度であり、制御出力ｙには制約が課せられている。制御出力ｙがその上限値ｙ^-以下であることが制御出力ｙに課せられた制約である。制御出力予測値ｙ^の計算には、状態量ｘおよび外生入力ｄに加えて修正目標値ｗが用いられる。リファレンスガバナは、制御出力予測値ｙ^と制御出力上限値ｙ^-とに基づき、次式（２）で表される評価関数Ｊ（ｗ）を用いて修正目標値ｗを計算する。

式（２）に示した評価関数Ｊ（ｗ）の右辺第１項は、修正目標値候補ｗを変数とする目的関数である。この目的関数は、オリジナルの目標値ｒと修正目標値候補ｗとの距離が小さいほど小さな値を取るように構成されている。評価関数Ｊ（ｗ）の右辺第２項および第３項は、異なる２つの運転条件（排気流量条件）のもとで上記式（１）により将来予測した出力予測値ｙ^の重み付き和によって演算される項である。ρ_{ｃｏｎｓｔａｎｔ}およびρ_{ｗｏｒｓｔ}は、重み係数である。

２つの運転条件とは、具体的に、現在における排気流量条件、および、アイドル運転時における排気流量条件である。Ｊ_{ｃｏｎｓｔａｎｔ}は、現在の排気流量が予測区間の開始時点から終了時点まで続くと仮定して、予測モデルを用いて予測した出力予測値ｙ^_{ｃｏｎｓｔａｎｔ}に基づいて算出した制約抵触量の総和であり、次式（３）で表される。Ｊ_{ｗｏｒｓｔ}は、アイドル運転時の排気流量が予測区間の開始時点から終了時点まで続くと仮定して、予測モデルを用いて予測した出力予測値ｙ^_{ｗｏｒｓｔ}に基づいて算出した制約抵触量の総和であり、次式（４）で表される。

本実施の形態の制御装置においては、式（２）に示した評価関数Ｊ（ｗ）を最小にする修正目標値候補ｗが最終的な修正目標値ｗとして用いられる。式（２）に示す評価関数Ｊ（ｗ）は、制約無し最適化問題として解くことができる。ただし、リファレンスガバナを用いた目標値追従制御構造を実際のエンジンに適用する場合は、評価関数Ｊ（ｗ）をオンラインで最適化できるようにすることが望ましい。そのため、本実施の形態に係る制御装置では、評価関数Ｊ（ｗ）の最小値探索の手法として公知の手法である最急降下法を採用している。

図４は、本実施の形態に係るリファレンスガバナアルゴリズムを示す図である。図４に示すように、本実施の形態では、修正目標値候補ｗに対して、現在の排気流量条件に基づく予測と、アイドル運転時の排気流量条件に基づく予測とが並列に行われる。そして、これらの予測結果を用いた目的関数の計算を有限回反復することで、式（２）に示す評価関数Ｊ（ｗ）を最小にする修正目標値候補ｗを選択し、最終的な修正目標値ｗとして決定する。

アイドル運転時は排気流量が少量である。そのため、通常運転からアイドル運転に切り替えられた場合には排気流量が減少し、アイドル運転から通常運転に切り替えられた場合には排気流量が増加する。そのため、現在の運転条件とアイドル運転時の運転条件とを組み合わせて将来予測を行う本実施の形態によれば、最悪なケースに備えた目標値追従制御を実現できる。従って、例えば運転者によって突然クラッチを切られて排気流量が急減少したような場合において、ＤＰＦの熱暴走といった不具合が発生するのを未然に防止できる。また、定常状態で保守的な予測になることがなく、ＤＰＦ温度を上昇させることも可能となる。

なお、上述の実施形態においては、出力予測値ｙ^_{ｃｏｎｓｔａｎｔ}が本発明の「第１将来予測値」に、出力予測値ｙ^_{ｗｏｒｓｔ}が本発明の「第２将来予測値」に、それぞれ相当している。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２の制御装置は、上記実施の形態１の構成を前提としており、上記実施の形態１で説明した重み係数ρ_{ｃｏｎｓｔａｎｔ}，ρ_{ｗｏｒｓｔ}の更新手法にその特徴がある。そのため、以下の説明においては、この特徴部分についてのみ説明を行う。

重み係数ρ_{ｃｏｎｓｔａｎｔ}，ρ_{ｗｏｒｓｔ}は、シミュレーションによって最適値が初期設定されている。本実施の形態においては、過去のエンジン運転状態に基づいて、この初期設定値を修正する。具体的に、現在に至るまでの所定時間内のエンジン運転状態が定常状態であった場合には、現在以降も定常状態が続く可能性が高い。そのため、重み係数ρ_{ｗｏｒｓｔ}よりも重み係数ρ_{ｃｏｎｓｔａｎｔ}の方に重みを追加する。他方、現在に至るまでの所定時間内のエンジン運転状態が過渡状態であった場合には、現在以降も過渡状態が続く可能性が高い。そのため、重み係数ρ_{ｃｏｎｓｔａｎｔ}よりも重み係数ρ_{ｗｏｒｓｔ}の方に重みを追加する。このような修正を行うことで、定常状態においてはＤＰＦ温度を安定的に上昇させてＤＰＦの再生を早期に完了させることが可能となる。また、過渡状態においてはＤＰＦ温度の過度な上昇を抑制しつつ、その目標値に追従させることが可能となる。

ところで、上述の各実施の形態では、ディーゼルエンジンの後処理システムを制御対象とした。しかし、本発明に係る制御装置は、図５の（ａ）−（ｉ）に示すように、制御対象をディーゼルエンジン本体（ＤＥ）とすることができる。

制御対象がディーゼルエンジン本体である場合、図５の（ａ）に示すように、制御入力を可変ノズル開度（ＶＮ開度）とし、制御出力を過給圧とすることができる。つまり、本発明はディーゼルエンジンの過給圧制御に適用することができる。この場合、図５の（ｂ）に示すように、制御入力は可変ノズル開度とディーゼルスロットル開度（Ｄ開度）にすることもできる。

また、図５の（ｃ）に示すように、制御入力をＥＧＲ弁開度とし、制御出力をＥＧＲ率とすることができる。つまり、本発明はディーゼルエンジンのＥＧＲ制御に適用することができる。この場合、図５の（ｄ）に示すように、制御入力はＥＧＲ弁開度とディーゼルスロットル開度とにすることもできる。

さらに、図５の（ｅ）に示すように、制御入力を可変ノズル開度とＥＧＲ弁開度とディーゼルスロットル開度とし、制御出力を過給圧とＥＧＲ率とすることができる。つまり、本発明はディーゼルエンジンにおける過給圧とＥＧＲ率の協調制御にも適用することができる。

制御対象のディーゼルエンジンが低圧ＥＧＲシステムと高圧ＥＧＲシステムとを有する場合には、図５の（ｆ）に示すように、制御入力を低圧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）と可変ノズル開度とにすることができる。また、図５の（ｇ）に示すように、制御入力を低圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度と高圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度と可変ノズル開度とディーゼルスロットル開度とにすることもできる。また、図５の（ｈ）および（ｉ）に示すように、制御出力を低圧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）と過給圧とにすることもできる。

さらに、各実施の形態の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ない。例えば、ガソリンエンジンやハイブリッドシステム等の他の車載動力の他、燃料電池システムにも適用することができる。

Claims (1)

1. 内燃機関の制御量の出力値を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予め設定された予測区間に亘って前記内燃機関の特定状態量の将来の予測値を計算し、計算した前記予測値と前記特定状態量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、
   前記特定状態量は、前記内燃機関の排気に含まれる微粒子の除去装置の温度であり、
   前記リファレンスガバナは、前記予測区間の開始時点での前記内燃機関の運転条件が前記予測区間の終了時点まで変更されないと仮定して計算した前記温度の第１将来予測値と、前記予測区間の開始時点から終了時点まで前記内燃機関がアイドル運転されると仮定して計算した前記温度の第２将来予測値と、前記温度に課せられた制約とに基づいて前記目標値を修正することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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