JP6237654B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、より詳しくは、内燃機関を構成するアクチュエータの制御アルゴリズムを2つの制御アルゴリズムの間で切り替える制御装置に関する。
内燃機関には、スロットル、EGR弁、可変ノズルなどの様々なアクチュエータが設けられ、これらアクチュエータの操作によって内燃機関の運転が制御されている。上記に例示したアクチュエータは、その操作量が連続可変或いは多段可変である。操作量を決定する指令値は制御装置により計算される。指令値の計算はアクチュエータの制御アルゴリズムにのっとって行われる。例えば、フィードフォワード制御(以下、FF制御)とフィードバック制御(以下、FB制御)とによりアクチュエータが制御される場合、指令値はフィードフォワード項(以下、FF項)とフィードバック項(以下、FB項)の和として算出される。FB項は、具体的には、P項、I項、及びD項の何れか或いはその組み合わせである。
一つのアクチュエータに対して複数の制御アルゴリズムが選択的に適用される場合がある。一つの制御アルゴリズムからもう一つの制御アルゴリズムへ切り替える場合、指令値の計算方法が切り替えられるため、切り替えの直後に指令値が急変するおそれがある。アクチュエータに対する指令値の急変は、アクチュエータの操作によって制御される制御量の変動を生じさせる。単に指令値の急変を抑えることを目的とするのであれば、フィルタ処理やなまし処理によって指令値の変化を抑えればよい。しかし、そのような処理を指令値に対してほどこした場合、制御量に対する制御性自体が低下してしまう。このため、かねてより、制御アルゴリズムの切り替えの際に生じうる指令値の急変を、制御性を低下させることなく抑えることが求められている。
下記の特許文献1及び特許文献2には、制御アルゴリズムの切り替えの際に生じうる指令値の急変を抑えることを目的とした技術が開示されている。以下、その概要と問題点について説明する。
下記の特許文献1には、燃料噴射システムの高圧ポンプの制御アルゴリズムを、FF制御とFB制御とを併用するFF−FB併用制御と、FB制御のみを実行するFB単独制御との間で切り替える制御装置が開示されている。この制御装置は、FF−FB併用制御からFB単独制御への切り替えの際、切り替え前におけるFF制御用のFF項を切り替え後のFB制御用のI項の初期値として設定するように構成されている。また、この制御装置は、FB単独制御からFF−FB併用制御への切り替えの際、FB制御用のI項を切り替え後のFF制御用のFF項の初期値として設定するように構成されている。
下記の特許文献2には、ベルト式無段変速機の油圧制御用のソレノイドバルブの制御アルゴリズムを、FF制御及びFB制御を共に実行する第1の制御と、FB制御のみを実行する第2の制御との間で切り替える制御装置が開示されている。この制御装置は、第1の制御から第2の制御への切り替えの際、切り替え前におけるFF制御用のFF項と、切り替え時点におけるFB制御用のI項とを合算し、切り替え後におけるFB制御用のI項の初期値として設定するように構成されている。また、この制御装置は、第2の制御から第1の制御への切り替えの際、切り替え前におけるFB制御用のI項から、切り替え時点におけるFF制御用のFF項を減算し、切り替え後におけるFB制御用のI項の初期値として設定するように構成されている。
しかしながら、特許文献1に開示された技術には改善の余地がある。FB単独制御からFF−FB併用制御へ切り替えられた最初の制御周期では、FF制御用のFF項の初期値は、前回の制御周期のFB制御用のI項の値とされる。ところが、次の制御周期では、FF制御用のFF項の値は、要求燃料噴射量とエンジン回転速度に応じてマップにより設定される。このため、最初の制御周期と次の制御周期との間で、FF制御用のFF項が急変し、ひいては、ソレノイドバルブに与える指示値が急変するおそれがある。
特許文献2に開示された技術にも改善の余地がある。第2の制御から第1の制御へ切り替えられた最初の制御周期では、前回の制御周期のFB制御用のI項から、今回の制御周期のFF制御用のFF項を減算することにより、切り替え後のI項の初期値が求められる。しかし、本出願に係る発明者による計算の結果、指令値の急変を確実に抑えるためには、切り替え後のI項の初期値の計算において、前回の制御周期のI項のみを考慮するだけでは十分ではないことが確認されている。また、I項は、その前回値と今回の更新量(偏差にIゲインを乗じて得られる値)との和で表わされるが、上記のようにI項の初期値を設定する場合、今回の更新量はI項には反映されない。I項の更新量は偏差に応じて変化する値であって、FB制御による目標値への追従性を確保するために必要な変化量である。このため、I項に今回の更新量が反映されない場合、制御量に対する制御性が低下してしまう。
以上述べたように、従来提案されている方法では、少なくとも、FB制御のみを含む制御アルゴリズムから、FF制御及びFB制御を含む制御アルゴリズムへの切り替えの際に、アクチュエータに対する指示値が急変するおそれは解消されているとは言えなかった。
特開2007−218144号公報 特開2006−275172号公報 特開2003−166445号公報
本出願に係る発明者は、制御アルゴリズムの切り替えに係る上述の問題をより一般化して捉え、ある制御アルゴリズム(FB制御のみを含む制御アルゴリズムには限定されない)から、少なくともFB制御を含む制御アルゴリズムへの切り替えにおいて、制御性を低下させることなくアクチュエータに与える指令値の急変を抑えることができないか検討した。
本発明は、上記の検討から創案されたものである。本発明は、制御アルゴリズムの切り替えによりアクチュエータに与える指令値が急変することを、制御量に対する制御性を低下させることなく抑えることのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
本発明に係る制御装置は、内燃機関のアクチュエータを制御する制御装置である。制御されるアクチュエータは、操作量が連続可変或いは多段可変であるアクチュエータである。本発明に係る制御装置は、第1の制御アルゴリズムと第2の制御アルゴリズムとの間でアクチュエータの制御アルゴリズムを切り替える制御アルゴリズム切替手段を備える。第1の制御アルゴリズムの内容には限定はない。第2の制御アルゴリズムは、少なくともFB制御を含む制御アルゴリズムである。第2の制御アルゴリズムのFB制御には、少なくともI制御が含まれる。P制御やD制御が含まれていてもよい。さらに、第2の制御アルゴリズムには、FF制御が含まれていてもよい。アクチュエータの操作により制御される制御量は、第1の制御アルゴリズムと第2の制御アルゴリズムとで共通の制御量であってもよいし、別々の制御量であってもよい。本発明に係る制御装置は、第1の制御アルゴリズムにしたがってアクチュエータに与える指令値を計算する第1の計算手段と、第2の制御アルゴリズムにしたがってアクチュエータに与える指令値を計算する第2の計算手段とを備える。第1の計算手段及び第2の計算手段による指令値の計算は、所定の制御周期ごとに行われる。
アクチュエータの制御アルゴリズムが第1の制御アルゴリズムから第2の制御アルゴリズムへ切り替えられる場合、指示値の計算は第1の計算手段から第2の計算手段へ切り替えられる。第2の計算手段は、第1の制御アルゴリズムから第2の制御アルゴリズムへの切り替え後の最初の制御周期では、第1の計算手段により計算された指令値の前回値(すなわち、前回の制御周期の指令値)に、FB制御に含まれる偏差に応じて変化する項(以下、偏差従属項)の今回値を加算して得られる値を指令値の今回値として計算するように構成される。偏差従属項には、少なくともI制御のI項の更新量が含まれる。FB制御がP制御を含む場合、偏差従属項にはP制御のP項が含まれる。そして、FB制御がD制御を含む場合、偏差従属項にはD制御のD項が含まれる。
第2の制御アルゴリズムがFF制御とI制御を含む場合、好ましくは、第2の計算手段は、第1の制御アルゴリズムから第2の制御アルゴリズムへの切り替え後の最初の制御周期では、第1の計算手段により計算された指令値の前回値から、FF制御のFF項の今回値を差し引いた値をI制御のI項の前回値として、指令値の今回値を計算するように構成される。これによれば、FF項が相殺されて、第1の計算手段により計算された指令値の前回値と、少なくともI項の更新量を含む偏差従属項の今回値とを合算した値が指令値の今回値として算出される。なお、FF項は必ずしも入力に応じて変化する変数である必要はなく、固定値であってもよい(つまり、FF制御の内容には限定はない)。
第1の制御アルゴリズムが少なくともFB制御を含むのであれば、上述の技術思想は、第2の制御アルゴリズムから第1の制御アルゴリズムへの切り替えにも適用することができる。アクチュエータの制御アルゴリズムが第2の制御アルゴリズムから第1の制御アルゴリズムへ切り替えられる場合、指示値の計算は第2の計算手段から第1の計算手段へ切り替えられる。上述の技術思想をこの切り替えに適用する場合、第1の計算手段は、第2の制御アルゴリズムから第1の制御アルゴリズムへの切り替え後の最初の制御周期では、第2の計算手段により計算された指令値の前回値(すなわち、前回の制御周期の指令値)に、FB制御に含まれる偏差従属項の今回値を加算して得られる値を指令値の今回値として計算するように構成される。第1の制御アルゴリズムのFB制御がI制御を含む場合、偏差従属項にはI制御のI項の更新量が含まれる。FB制御がP制御を含む場合、偏差従属項にはP制御のP項が含まれる。そして、FB制御がD制御を含む場合、偏差従属項にはD制御のD項が含まれる。
上記のように構成される本発明に係る制御装置によれば、第1の制御アルゴリズムから少なくともFB制御を含む第2の制御アルゴリズムへの切り替えの際、第1の制御アルゴリズムにより計算された指令値の前回値に、FB制御に含まれる偏差従属項の今回値を加算して得られる値が指令値の今回値として計算されるので、制御アルゴリズムの切り替えによりアクチュエータに与える指令値が急変することを、制御量に対する制御性を低下させることなく抑えることができる。
本発明の実施の形態に係るエンジンシステムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る制御装置のスロットル操作の制御構造を示す図である。 スロットル操作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に係る制御装置の可変ノズル操作の制御構造を示す図である。 可変ノズル操作のルーチンを示すフローチャートである。 実施例1に対する第1の比較例の計算結果を示すグラフ群である。 実施例1に対する第2の比較例の計算結果を示すグラフ群である。 実施例1の計算結果を示すグラフ群である。 実施例2に対する第1の比較例の計算結果を示すグラフ群である。 実施例2に対する第2の比較例の計算結果を示すグラフ群である。 実施例2の計算結果を示すグラフ群である。 実施例3の計算結果を示すグラフ群である。 実施例4の計算結果を示すグラフ群である。 実施例5の計算結果を示すグラフ群である。 実施例6の計算結果を示すグラフ群である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数にこの発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
1.エンジンシステムの構成
図1は、本発明の実施の形態に係るエンジンシステムの構成を示す図である。本実施の形態の内燃機関は、ターボ過給機付きの圧縮着火式内燃機関(以下、単にエンジンという)である。エンジン2には4つの気筒が直列に設けられ、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から取り込まれた空気(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とスロットル24との間にはインタークーラ22が設けられている。排気マニホールド6には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。タービン16には可変ノズル18が設けられている。
エンジン2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のEGR弁32に対して排気側にはEGRクーラ34が設けられている。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、EGRクーラ34を流れる排気ガスの流量とバイパス通路36を流れる排気ガスの流量との比率を変更するバイパス弁38が設けられている。
エンジン2は、排気ガスを浄化するための排気ガス浄化装置を備えている。排気ガス浄化装置は、排気通路12においてタービン16の下流に設けられている。排気ガス浄化装置は、排気通路12の上流から順に並べられたDOC(Diesel Oxidation Catalyst)70、DPF(Diesel Particulate Filter)72、及びSCR(Selective Catalytic Ruduction)74を含む。SCR74の入口には尿素添加弁76が設けられている。
エンジン2には、その運転状態に関する情報を得るためのセンサが各所に取り付けられている。吸気通路10におけるエアクリーナ20の下流には、吸気通路10に取り込まれた新気の流量を計測するためのエアフローメータ58が取り付けられている。コンプレッサ14の上流と下流には、それぞれ圧力センサ62,64が取り付けられている。インタークーラ22とスロットル24の間には、圧力センサ56と温度センサ60が取り付けられている。吸気マニホールド4と排気マニホールド6には、それぞれに圧力センサ54,68が取り付けられている。排気通路12におけるSCR74の下流には、排気ガスに含まれるNOxの濃度を計測するためのNOxセンサ78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クランク角センサ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66なども設けられている。
上述した各種のセンサ及びアクチュエータは、制御装置100に電気的に接続されている。制御装置100はECU(Electronic Control Unit)である。制御装置100は、エンジン2のシステム全体の制御を行うものであり、CPU、ROM、RAMを含むコンピュータを主体として構成されている。ROMには、後述する各種制御のルーチンが記憶されている。制御装置100によってそれらルーチンが実行され、センサからの信号に基づいてアクチュエータが操作されることにより、エンジン2の運転が制御される。
2.制御装置によるアクチュエータ操作の内容
制御装置100は、アクチュエータに対して指令値を与えることによってアクチュエータを操作する。アクチュエータに対する指令値は、アクチュエータごとに定められた所定の制御アルゴリズムにしたがって計算される。アクチュエータの役割によっては、一つのアクチュエータに複数の制御アルゴリズムが選択的に適用される場合がある。本実施の形態のエンジン2では、少なくとも、スロットル24、可変ノズル18、EGR弁32、バイパス弁38、及び尿素添加弁76には、複数の制御アルゴリズムが適用されている。一つのアクチュエータに複数の制御アルゴリズムが適用される場合、制御アルゴリズムの切り替えに伴って指令値の計算方法にも切り替えが発生する。計算方法が変われば、切替前と切替後とで指令値が急変するおそれがある。このため、制御装置100には、制御アルゴリズムを切り替えたときにアクチュエータに対する指令値を急変させないための対策が施されている。以下、これについてアクチュエータごとに具体的に説明する。
2−1.スロットル操作
スロットル24の操作は、以下に説明するスロットル前後差圧制御及び新気量制御において行われる。
2−1−1.スロットル前後差圧制御
スロットル前後差圧制御は、スロットル24の上流の圧力と下流の圧力との差圧(これをスロットル前後差圧という)が目標差圧になるようにスロットル24を操作する制御である。スロットル前後差圧制御における制御量はスロットル前後差圧であり、操作量はスロットル24の閉度、詳しくは、全開位置を基本位置とした場合の全開位置に対する閉度である。スロットル前後差圧制御の制御アルゴリズムは、FF制御からなる。
スロットル前後差圧制御のFF制御では、目標スロットル前後差圧、エアフローメータ58により計測される新気量(現在新気量)、圧力センサ56により計測されるスロットル上流圧力、及び、温度センサ60により計測されるスロットル上流温度に基づいて、指令値であるスロットル24の閉度を計算することが行われる。スロットル24の閉度の計算は、スロットル24のモデル式(例えば絞りの式)、或いは、適合により得られたデータをもとに作成されたマップを用いて行われる。なお、スロットル前後差圧制御によるスロットル24の操作は、後述するEGR率制御によるEGR弁32の操作と組み合わせて実施される。目標スロットル前後差圧は、EGR弁32の上流と下流との間にEGR率制御に必要な差圧が確保されるように設定される。
2−1−2.新気量制御
新気量制御は、スロットル24を通過する新気量が目標新気量になるようにスロットル24を操作する制御である。新気量制御における制御量は新気量であり、操作量はスロットル24の閉度である。新気量制御の制御アルゴリズムは、FF制御とFB制御とからなる。
新気量制御のFF制御では、目標新気量、温度センサ60により計測されるスロットル上流温度、圧力センサ56により計測されるスロットル上流圧力、圧力センサ54により計測される吸気マニホールド圧(スロットル下流圧力)、及び、エアフローメータ58により計測される新気量(現在新気量)に基づいて、スロットル閉度のFF項を計算することが行われる。FF項の計算は、スロットル24のモデル式(例えば絞りの式)、或いは、適合により得られたデータをもとに作成されたマップを用いて行われる。
新気量制御のFB制御はPID制御であり、そこでは、目標新気量と現在新気量との偏差に基づいて、スロットル閉度のFB項を計算することが行われる。FB項は、P項、I項、及び、D項からなる。このうち特に重要な項がI項である。よって、FB制御は必ずしもPID制御である必要はないが、少なくともI制御は含まれていることが好ましい。FF項とFB項との和がスロットル24に対する指令値として設定される。なお、目標新気量は、燃料噴射量及びエンジン回転速度に基づきマップから決定される。新気量制御によるスロットル24の操作は、後述するEGR弁前後差圧制御によるEGR弁32の操作と組み合わせて実施される。
2−1−3.スロットル操作のための制御構造
図2は、スロットル24の操作に関係する制御装置100の制御構造を示すブロック図である。図2に示す制御構造は、第1の計算手段としてのスロットル前後差圧制御ユニット102、第2の計算手段としての新気量制御ユニット104、及び、制御アルゴリズム切替手段としての制御アルゴリズム切替ユニット106を含む。スロットル前後差圧制御ユニット102は、上述のスロットル前後差圧制御の制御アルゴリズムにしたがってスロットル24に対する指令値を計算する。新気量制御ユニット104は、上述の新気量制御の制御アルゴリズムにしたがってスロットル24に対する指令値を計算する。
制御アルゴリズム切替ユニット106は、スロットル24に適用する制御アルゴリズムを選択し、その選択結果に応じてスロットル前後差圧制御ユニット102及び新気量制御ユニット104に対して指示を行う。新気量制御を選択した場合、制御アルゴリズム切替ユニット106は、スロットル前後差圧制御ユニット102に対して指令値の計算の停止を指示するとともに、新気量制御ユニット104に対して指令値の計算の開始を指示する。スロットル前後差圧制御ユニット102は、指令値の計算の停止の指示を受けると、指令値の計算を停止するとともに最新の指令値を新気量制御ユニット104に与える。新気量制御ユニット104は、指令値の計算の開始の指示を受けると、スロットル前後差圧制御ユニット102から与えられた指令値(指令値の前回値)を用いて指令値の計算を開始する。一方、スロットル前後差圧制御を選択した場合、制御アルゴリズム切替ユニット106は、新気量制御ユニット104に対して指令値の計算の停止を指示するとともに、スロットル前後差圧制御ユニット102に対して指令値の計算の開始を指示する。この場合、スロットル前後差圧制御ユニット102と新気量制御ユニット104との間で指令値の前回値の受け渡しは行われない。制御アルゴリズムの切り替えの際の指令値の計算については、後でフローチャートを用いて詳しく説明する。
制御装置100が含むこれらのユニット102,104,106は、制御装置100のROMに記憶されたスロットル操作のルーチンに対応している。このルーチンがROMから読みだされてCPUで実行されることによって、これらのユニット102,104,106の機能が制御装置100にて実現される。
2−1−4.スロットル操作のルーチン
図3は、スロットル24の操作に係るユニット102,104,106の機能を制御装置100において実現するためのルーチンを示すフローチャートである。制御装置100は、図3に示すルーチンを一定の制御周期で実行する。以下、このルーチンを実行した場合の処理についてステップごとに順に説明する。なお、以下の説明において、アクチュエータとは、スロットル24を指す。また、第1の制御アルゴリズムとは、スロットル前後差圧制御の制御アルゴリズムを指し、第2の制御アルゴリズムとは、新気量制御の制御アルゴリズムを指す。
ステップS101では、各制御アルゴリズムにしたがって指令値を計算するのに必要な各種のデータが取得される。
ステップS102では、制御アルゴリズムを切り替えるかどうかエンジン2の運転状態に基づいて判定される。この切替判定において第1の制御アルゴリズムが選択された場合、次の処理としてステップS103及びS104が実行される。第2の制御アルゴリズムが選択された場合、次の処理としてステップS111、S112、S113、S114及びS115が実行されるか、或いは、ステップS111、S112、S114及びS115が実行される。
第1の制御アルゴリズムが選択された場合、まず、ステップS103が実行される。ステップS103では、第1の制御アルゴリズムに含まれるFF制御用のFF項(FF項1)が算出される。
ステップS104では、ステップS103で算出されたFF項(FF項1)を用いて、以下の式によってアクチュエータに与える指令値(指令値1)が算出される。
指令値1=FF項1
第2の制御アルゴリズムが選択された場合、まず、ステップS111が実行される。ステップS111では、第2の制御アルゴリズムに含まれるFF制御用のFF項(FF項2)が算出される。
ステップS112では、今回の制御周期は制御アルゴリズムの切替後の最初の制御周期かどうかの確認が行われる。今回の制御周期が第2の制御アルゴリズムへの切替後の最初の制御周期であれば、まず、ステップS113が実行され、その次にステップS114が実行される。しかし、そうでなければ、ステップS113はスキップされてステップS114が実行される。
ステップS113では、第2の制御アルゴリズムに含まれるI制御用のI項(I項2)の前回値が算出される。I項の前回値とは前回の制御周期におけるI項のことであるが、I項の計算は第2の制御アルゴリズムへの切り替え後に行われるので、切り替え後の最初の制御周期においてはI項の前回値は存在しない。また、I項は、FB制御を繰り返し行った結果として得られる定常誤差に対する補正項であるので、FB制御が開始される最初の制御周期においては、I項の前回値としてもっともな値はない。よって、ここで計算されるI項の前回値は、あくまでも仮想の前回値である。ステップS113では、以下の式のように、前回の制御周期においてステップS104で算出された指令値(指令値1の前回値)から、今回の制御周期においてステップS111で算出されたFF項(FF項2)を差し引いた値を計算し、その値を実際には存在しないI項(I項2)の前回値として設定する。なお、I項の前回値をどのような値に設定したとしても、FB制御が繰り返されるにしたがってI項は制御系の定常誤差に対応する値へと収束していく。
I項2の前回値=指令値1の前回値−FF項2
ステップS114では、第2の制御アルゴリズムに含まれるP制御用のP項(P項2)、I制御用のI項(I項2)、及びD制御用のD項(D項2)がそれぞれ以下の式で算出される。なお、以下の式における“偏差”は、制御対象となる制御量の目標値と実際値との偏差を指す。新気量制御の場合の制御量は新気量である。“偏差×Iゲイン”はI項の更新量である。“I項2の前回値”は、ステップS113が実行された場合は、ステップS113で算出されたI項の前回値であり、ステップS113がスキップされた場合は、前回の制御周期においてステップS114で算出されたI項である。
P項2=偏差×Pゲイン
I項2=偏差×Iゲイン+I項2の前回値
D項2=偏差の微分値×Dゲイン
ステップS115では、ステップS111で算出されたFF項(FF項2)と、ステップS114で算出されたFB項(P項2,I項2,D項2)とを用いて、以下の式によってアクチュエータに与える指令値(指令値2)が算出される。
指令値2=FF項2+P項2+I項2+D項2
ステップS113が実行された場合、つまり、第1の制御アルゴリズムから第2の制御アルゴリズムへの切り替え後の最初の制御周期では、結果的には、アクチュエータに与えられる指令値(指令値2)は以下の式で表わされる。
指令値2=P項2+I項2の更新量+D項2+指令値1の前回値
上記の式において、P項2、I項2の更新量、D項2は、いずれも偏差に応じて変化する偏差従属項である。つまり、切り替えの直前に、第1の制御アルゴリズムにしたがって計算された指令値(指令値1)からFF項の今回値を差し引いた値がI項の前回値とされることにより、最初の制御周期において計算される指令値(指令値2)は、指令値(指令値1)の前回値に偏差従属項のみを加えた値となる。
この結果、第1の制御アルゴリズムから第2の制御アルゴリズムへの切り替え後の最初の制御周期において発生する指令値の変化量(前回値に対する今回値の変化量)は、偏差に応じた変化量のみとなる。これにより、制御アルゴリズムの切り替えの前後においてアクチュエータに与える指令値が急変することは抑えられる。さらに、偏差従属項であるP項2、I項2の更新量、D項2は全て指令値に含まれるので、制御量に対する制御性が低下することも抑えられる。
2−2.可変ノズル操作
可変ノズル18は、ターボ過給機のタービン16に流入する排気ガスの流量を制御するアクチュエータである。同種のものとしてはウエストゲートバルブが知られている。可変ノズルに代えてウエストゲートバルブを備えるエンジンの場合には、以下の操作はウエストゲートバルブに応用することができる。
可変ノズル18の操作は、以下に説明する吸気マニホールド圧制御、排気マニホールド圧制御、スロットル上流圧力制御、及び、ターボ効率制御において行われる。
2−2−1.吸気マニホールド圧制御
吸気マニホールド圧制御は、吸気マニホールド圧が目標吸気マニホールド圧になるように可変ノズル18を操作する制御である。吸気マニホールド圧制御における制御量は吸気マニホールド圧であり、操作量は可変ノズル18の開度である。吸気マニホールド圧制御の制御アルゴリズムは、FF制御とFB制御とからなる。
吸気マニホールド圧制御のFF制御では、エンジン回転速度、燃料噴射量、EGR弁32の開度、及び、スロットル24の閉度に基づいて、可変ノズル開度のFF項を計算することが行われる。FF項の計算は、適合により得られたデータをもとに作成されたマップを用いて行われる。
吸気マニホールド圧制御のFB制御はPID制御であり、そこでは、目標吸気マニホールド圧と、圧力センサ54により計測される現在吸気マニホールド圧との偏差に基づいて、可変ノズル18の開度のFB項を計算することが行われる。FF項とFB項との和が可変ノズル18に対する指令値として設定される。
2−2−2.排気マニホールド圧制御
排気マニホールド圧制御は、排気マニホールド圧が目標排気マニホールド圧になるように可変ノズル18を操作する制御である。排気マニホールド圧制御における制御量は排気マニホールド圧であり、操作量は可変ノズル18の開度である。排気マニホールド圧制御の制御アルゴリズムは、FF制御とFB制御とからなる。
排気マニホールド圧制御のFF制御では、エンジン回転速度、燃料噴射量、及び、EGR弁32の開度に基づいて、可変ノズル開度のFF項を計算することが行われる。FF項の計算は、適合により得られたデータをもとに作成されたマップを用いて行われる。
排気マニホールド圧制御のFB制御はPID制御であり、そこでは、目標排気マニホールド圧と、圧力センサ68により計測される現在排気マニホールド圧との偏差に基づいて、可変ノズル18の開度のFB項を計算することが行われる。FF項とFB項との和が可変ノズル18に対する指令値として設定される。
2−2−3.スロットル上流圧力制御
スロットル上流圧力制御は、スロットル上流圧力が目標スロットル上流圧力になるように可変ノズル18を操作する制御である。スロットル上流圧力制御における制御量はスロットル上流圧力であり、操作量は可変ノズル18の開度である。スロットル上流圧力制御の制御アルゴリズムは、FF制御とFB制御とからなる。
スロットル上流圧力制御のFF制御では、エンジン回転速度、燃料噴射量、及び、EGR弁32の開度に基づいて、可変ノズル開度のFF項を計算することが行われる。FF項の計算は、適合により得られたデータをもとに作成されたマップを用いて行われる。
スロットル上流圧力制御のFB制御はPID制御であり、そこでは、目標スロットル上流圧力と、圧力センサ56により計測される現在スロットル上流圧力との偏差に基づいて、可変ノズル18の開度のFB項を計算することが行われる。FF項とFB項との和が可変ノズル18に対する指令値として設定される。
2−2−4.ターボ効率制御
ターボ効率制御は、ターボ効率(過給効率)が目標ターボ効率になるように可変ノズル18を操作する制御である。ターボ効率制御における制御量はターボ効率であり、操作量は可変ノズル18の開度である。ターボ効率は、コンプレッサへの供給仕事に対する断熱的に圧縮挿入するための仕事の比として定義することができる。具体的には、コンプレッサの入口温度をTo、出口温度をTs、入口圧力をPo、出口圧力をPs、比熱比をκとすると、ターボ効率は次の式で表すことができる。
ターボ効率={(Ps/Po)(κ-1)/κ-1}/(Ts/To-1)
ターボ効率制御の制御アルゴリズムは、FF制御とFB制御とからなる。ターボ効率制御のFF制御では、エンジン回転速度、燃料噴射量、及び、EGR弁32の開度に基づいて、可変ノズル開度のFF項を計算することが行われる。FF項の計算は、適合により得られたデータをもとに作成されたマップを用いて行われる。
ターボ効率制御のFB制御はPID制御であり、そこでは、目標ターボ効率と現在ターボ効率との偏差に基づいて、可変ノズル18の開度のFB項を計算することが行われる。現在ターボ効率は、圧力センサ62,64により計測されるコンプレッサ14の前後の圧力と、エアフローメータ58により計測される新気量とから計算される。FF項とFB項との和が可変ノズル18に対する指令値として設定される。
2−2−5.可変ノズル操作のための制御構造
図4は、可変ノズル18の操作に関係する制御装置100の制御構造のうち、特に、吸気マニホールド圧制御と排気マニホールド圧制御に関係する制御構造を示すブロック図である。図4に示す制御構造は、第1の計算手段としての吸気マニホールド圧制御ユニット112、第2の計算手段としての排気マニホールド圧制御ユニット114、及び、制御アルゴリズム切替手段としての制御アルゴリズム切替ユニット116を含む。吸気マニホールド圧制御ユニット112は、上述の吸気マニホールド圧制御の制御アルゴリズムにしたがって可変ノズル18に対する指令値を計算する。排気マニホールド圧制御ユニット114は、上述の排気マニホールド圧制御の制御アルゴリズムにしたがって可変ノズル18に対する指令値を計算する。
制御アルゴリズム切替ユニット116は、可変ノズル18に適用する制御アルゴリズムを選択し、その選択結果に応じて吸気マニホールド圧制御ユニット112及び排気マニホールド圧制御ユニット114に対して指示を行う。吸気マニホールド圧制御ユニット112と排気マニホールド圧制御ユニット114は、制御アルゴリズム切替ユニット116からの指示を受けて指令値の計算を停止或いは開始する。排気マニホールド圧制御ユニット114が指令値の計算を開始する場合、吸気マニホールド圧制御ユニット112は指令値の計算を停止するとともに最新の指令値(指令値の前回値)を排気マニホールド圧制御ユニット114に渡す。逆に、吸気マニホールド圧制御ユニット112が指令値の計算を開始する場合、排気マニホールド圧制御ユニット114は指令値の計算を停止するとともに最新の指令値(指令値の前回値)を吸気マニホールド圧制御ユニット112に渡す。制御アルゴリズムの切り替えの際の指令値の計算については、後でフローチャートを用いて説明する。
制御装置100が含むこれらのユニット112,114,116は、制御装置100のROMに記憶された可変ノズル操作のルーチンに対応している。このルーチンがROMから読みだされてCPUで実行されることによって、これらのユニット112,114,116の機能が制御装置100にて実現される。
なお、制御アルゴリズムの切り替えは、吸気マニホールド圧制御と排気マニホールド圧制御との間だけでなく、スロットル上流圧力制御やターボ効率制御も含む全ての組み合わせの間で行われる。これら4つの制御アルゴリズムは、どれもFF制御とFB制御からなり、どのFB制御もI制御を含んでいる。よって、上記4つの制御アルゴリズムの全ての組み合わせにおいて、図4に示す制御構造と同様の制御構造を用いることができる。例えば、スロットル上流圧力制御とターボ効率制御との間で制御アルゴリズムを切り替える場合には、図4に示す制御構造において、吸気マニホールド圧制御に代えてスロットル上流圧力制御をユニット112に適用し、排気マニホールド圧制御に代えてターボ効率制御をユニット114に適用すればよい。
2−2−6.可変ノズル操作のルーチン
図5は、可変ノズル18の操作に係るユニット112,114,116の機能を制御装置100において実現するためのルーチンを示すフローチャートである。制御装置100は、図5に示すルーチンを一定の制御周期で実行する。なお、以下の説明において、アクチュエータとは、可変ノズル18を指す。また、第1の制御アルゴリズムとは、吸気マニホールド圧制御、排気マニホールド圧制御、スロットル上流圧力制御、及び、ターボ効率制御のうちの何れか1つを指し、第2の制御アルゴリズムとは、上記4つの制御アルゴリズムのうちの第1の制御アルゴリズムとは異なる何れか1つを指す。
図5において、図2に示すルーチンと同じ内容の処理には、同一のステップ番号を付している。図5に示すルーチンと図2に示すルーチンとは、ステップS102で第2の制御アルゴリズムが選択された場合の処理は同一であるが、ステップS102で第1の制御アルゴリズムが選択された場合の処理は異なる。
図5に示すフローによれば、ステップS102において第1の制御アルゴリズムが選択された場合、次の処理としてステップS121、S122、S123、S124及びS125が実行されるか、或いは、ステップS121、S122、S124及びS125が実行される。
ステップS121では、第1の制御アルゴリズムに含まれるFF制御用のFF項(FF項1)が算出される。
ステップS121では、今回の制御周期は制御アルゴリズムの切替後の最初の制御周期かどうかの確認が行われる。今回の制御周期が第1の制御アルゴリズムへの切替後の最初の制御周期であれば、まず、ステップS123が実行され、その次にステップS124が実行される。しかし、そうでなければ、ステップS123はスキップされてステップS124が実行される。
ステップS123では、第1の制御アルゴリズムに含まれるI制御用のI項(I項1)の前回値が算出される。吸気マニホールド圧制御、排気マニホールド圧制御、スロットル上流圧力制御、及び、ターボ効率制御は何れもI制御を含んでいるので、I項の計算のためにその前回値を確定しておく必要がある。ステップS123では、以下の式のように、前回の制御周期においてステップS114で算出された指令値(指令値2の前回値)から、今回の制御周期においてステップS121で算出されたFF項(FF項1)を差し引いた値を計算し、その値をI項(I項1)の前回値として設定する。
I項1の前回値=指令値2の前回値−FF項1
ステップS124では、第1の制御アルゴリズムに含まれるP制御用のP項(P項1)、I制御用のI項(I項1)、及びD制御用のD項(D項1)がそれぞれ以下の式で算出される。なお、以下の式における“I項1の前回値”は、ステップS123が実行された場合は、ステップS123で算出されたI項の前回値であり、ステップS123がスキップされた場合は、前回の制御周期においてステップS124で算出されたI項である。
P項1=偏差×Pゲイン
I項1=偏差×Iゲイン+I項1の前回値
D項1=偏差の微分値×Dゲイン
ステップS125では、ステップS121で算出されたFF項(FF項1)と、ステップS124で算出されたFB項(P項1,I項1,D項1)とを用いて、以下の式によってアクチュエータに与える指令値(指令値1)が算出される。
指令値1=FF項1+P項1+I項1+D項1
ステップS123が実行された場合、つまり、第2の制御アルゴリズムから第1の制御アルゴリズムへの切り替え後の最初の制御周期では、結果的には、アクチュエータに与えられる指令値(指令値1)は以下の式で表わされる。
指令値1=P項1+I項1の更新量+D項1+指令値2の前回値
上記の式に示すように、第2の制御アルゴリズムから第1の制御アルゴリズムへの切り替え後の最初の制御周期において発生する指令値の変化量(前回値に対する今回値の変化量)は、P項1とI項1の更新量とD項1との和で表される変化量、すなわち、偏差に応じた変化量のみとなる。また、図5に示すルーチンによれば、第1の制御アルゴリズムから第2の制御アルゴリズムへの切り替え後の最初の制御周期において発生する指令値の変化量(前回値に対する今回値の変化量)も、偏差に応じた変化量のみとなる。つまり、切り替えられる2つの制御アルゴリズムがともにFF制御とI制御とを含むのであれば、図5に示すルーチンにより指令値の計算を行うことにより、双方向の切り替えにおいて、FB制御による制御性は確保しつつ、急変のない連続的な指令値を得ることができる。
2−3.EGR弁操作
EGR弁32の操作は、以下に説明するEGR弁前後差圧制御及びEGR率制御において行われる。
2−3−1.EGR弁前後差圧制御
EGR弁前後差圧制御は、EGR弁32の上流の圧力と下流の圧力との差圧(これをEGR弁前後差圧という)が目標差圧になるようにEGR弁32を操作する制御である。EGR弁前後差圧制御における制御量はEGR弁前後差圧であり、操作量はEGR弁32の開度、詳しくは、全閉位置を基本位置とした場合の全閉位置に対する開度である。EGR弁前後差圧制御の制御アルゴリズムは、FF制御からなる。
EGR弁前後差圧制御のFF制御では、エンジン回転速度、及び、燃料噴射量に基づいて、EGR弁開度のFF項を計算することが行われる。FF項の計算は、適合により得られたデータをもとに作成されたマップを用いて行われる。先に述べたように、EGR弁前後差圧制御によるEGR弁32の操作は、新気量制御によるスロットル24の操作と組み合わせて実施される。
2−3−2.EGR率制御
EGR率制御は、筒内に吸入されるガスのEGR率が目標EGR率になるようにEGR弁32を操作する制御である。EGR率制御における制御量はEGR率であり、操作量はEGR弁32の開度である。EGR率制御の制御アルゴリズムは、FB制御からなる。
EGR率制御のFB制御はPID制御であり、そこでは、目標EGR率と現在EGR率との偏差に基づいて、EGR弁開度のFB項を計算することが行われる。FB項がEGR弁32に対する指令値として設定される。先に述べたように、EGR率制御によるEGR弁32の操作は、スロットル前後差圧制御によるスロットル24の操作と組み合わせて実施される。
なお、EGR率は、1ストローク当たりの総ガス量に対する1ストローク当たりのEGRガス量の比であり、1ストローク当たりのEGRガス量は1ストローク当たりの総ガス量と1ストローク当たりの新気量との差分である。1ストローク当たりの総ガス量は、エンジン回転速度と吸気マニホールド圧と吸気マニホールド温度から算出することができる。1ストローク当たりの新気量は、エアフローメータ58により計測される時間あたりの新気量とエンジン回転速度とから算出することがきる。よって、現在EGR率は、エアフローメータ58により計測される新気量、吸気マニホールド圧、吸気マニホールド温度、及びエンジン回転速度から算出することができる。一方、目標EGR率は目標新気量を得るためのEGR率であって、目標新気量はエンジン回転速度と燃料噴射量とから決まる。よって、目標EGR率は、エンジン回転速度、燃料噴射量、吸気マニホールド圧、及び吸気マニホールド温度から算出することができる。ただし、以上説明した現在EGR率及び目標EGR率の算出方法は一例であって、より多くのパラメータから算出してもよいし、より少ないパラメータで簡易的に算出してもよい。
2−3−3.EGR弁操作のための制御構造
図2に示す制御構造は、EGR弁操作のための制御構造に応用することができる。EGR率制御は新気量制御と同じくFB制御を含み、EGR弁前後差圧制御はスロットル前後差圧制御と同じくFB制御を含まないので、図2に示す制御構造において、新気量制御に代えてEGR率制御をユニット104に適用し、スロットル前後差圧制御に代えてEGR弁前後差圧制御をユニット102に適用すればよい。
2−3−4.EGR弁操作のルーチン
図3に示すルーチンは、EGR弁操作のルーチンに応用することができる。この場合、アクチュエータとは、EGR弁32を指す。また、第1の制御アルゴリズムとは、EGR弁前後差圧制御の制御アルゴリズムを指し、第2の制御アルゴリズムとは、EGR率制御の制御アルゴリズムを指す。ただし、EGR率制御はFF制御を含まないので、ステップS111,S113及びS115では、FF項2はゼロとみなす。
2−4.バイパス弁操作
バイパス弁38の操作は、以下に説明するEGR弁前温度制御及びEGRクーラ効率制御において行われる。
2−4−1.EGR弁前温度制御
EGR弁前温度制御は、EGR弁32の入口における温度が目標温度になるようにバイパス弁38を操作する制御である。EGR弁前温度制御における制御量はEGR弁32の入口における温度であり、操作量はバイパス弁38の位置、詳しくは、EGRガスの全てがEGRクーラ34に流れる全開位置と、EGRガスの全てがバイパス通路36に流れる全閉位置とを基準とする位置である。EGR弁前温度制御の制御アルゴリズムは、FF制御からなる。
EGR弁前温度制御のFF制御では、エンジン回転速度、及び、燃料噴射量に基づいて、バイパス弁位置のFF項を計算することが行われる。FF項の計算は、適合により得られたデータをもとに作成されたマップを用いて行われる。
2−4−2.EGRクーラ効率制御
EGRクーラ効率制御は、EGRクーラ34によるEGRガスの冷却効率が目標効率になるようにバイパス弁38を操作する制御である。EGRクーラ効率制御における制御量はEGRガスの冷却効率であり、操作量はバイパス弁38の位置である。EGRクーラ効率制御の制御アルゴリズムは、FF制御とFB制御とからなる。
EGRクーラ効率制御のFF制御では、目標効率、EGRガス量、EGRクーラ入口温度、及び、水温に基づいて、バイパス弁位置のFF項を計算することが行われる。FF項の計算は、適合により得られたデータをもとに作成されたマップを用いて行われる。
EGRクーラ効率制御のFB制御はPID制御であり、そこでは、目標効率と現在効率との偏差に基づいて、バイパス弁位置のFB項を計算することが行われる。目標効率は、燃料噴射量及びエンジン回転速度に基づきマップから決定される。現在効率は、EGRガス量、EGRクーラ流入水温、EGRクーラ入口温度、及び、EGRクーラ出口温度等に基づいて算出される。なお、EGRガス量は、EGR弁32の開度とEGR弁32の前後の差圧とから算出することができる。EGRクーラ34に流入する冷却水の水温とEGRクーラ34の入口及び出口における排気ガスの温度は、それぞれ温度センサ(不図示)によって計測することができる。FF項とFB項との和がバイパス弁38に対する指令値として設定される。
2−4−3.バイパス弁操作のための制御構造
図2に示す制御構造は、バイパス弁操作のための制御構造に応用することができる。EGRクーラ効率制御は新気量制御と同じくFB制御を含み、EGR弁前温度制御はスロットル前後差圧制御と同じくFB制御を含まないので、図2に示す制御構造において、新気量制御に代えてEGRクーラ効率制御をユニット104に適用し、スロットル前後差圧制御に代えてEGR弁前温度制御をユニット102に適用すればよい。
2−4−4.EGR弁操作のルーチン
図3に示すルーチンは、バイパス弁操作のルーチンに応用することができる。この場合、アクチュエータとは、バイパス弁38を指す。また、第1の制御アルゴリズムとは、EGR弁前温度制御の制御アルゴリズムを指し、第2の制御アルゴリズムとは、EGRクーラ効率制御の制御アルゴリズムを指す。
2−5.尿素添加弁操作
尿素添加弁76の操作は、以下に説明する当量比制御及びアンモニア吸着量制御において行われる。
2−5−1.当量比制御
当量比制御は、SCR74に流入する排気ガス中のNOxに対するアンモニアの当量比が目標当量比になるように尿素添加弁76を操作する制御である。当量比制御における制御量は上記当量比であり、操作量は尿素添加弁76の尿素添加量である。当量比制御の制御アルゴリズムは、FF制御からなる。
当量比制御のFF制御では、目標当量比とSCR74に流入するNOxの流量とに基づいて、尿素添加量のFF項を計算することが行われる。NOxの流量は、エンジン回転速度や燃料噴射量等のエンジン2の運転状態に基づいて推定される。FF項の計算は、適合により得られたデータをもとに作成されたマップを用いて行われる。
2−5−2.アンモニア吸着量制御
アンモニア吸着量制御は、SCR74に吸着されるアンモニアの量が目標吸着量になるように尿素添加弁76を操作する制御である。アンモニア吸着量制御における制御量はSCR74のアンモニア吸着量であり、操作量は尿素添加弁76の尿素添加量である。アンモニア吸着量制御の制御アルゴリズムは、FF制御とFB制御とからなる。
アンモニア吸着量制御のFF制御では、SCR74の温度とSCR74に流入するNOxの流量とに基づいて、尿素添加量のFF項を計算することが行われる。SCR74の温度はエンジン2の運転状態に基づいて推定してもよいし、温度センサ(不図示)によって計測してもよい。FF項の計算は、適合により得られたデータをもとに作成されたマップを用いて行われる。
アンモニア吸着量制御のFB制御はPID制御であり、そこでは、目標吸着量と現在吸着量との偏差に基づいて、尿素添加量のFB項を計算することが行われる。目標吸着量は、燃料噴射量及びエンジン回転速度に基づきマップから決定される。現在吸着量は、NOxセンサ78により計測されるSCR74を通過した排気ガス中のNOxの濃度から推定される。FF項とFB項との和が尿素添加弁76に対する指令値として設定される。
2−5−3.尿素添加弁操作のための制御構造
図2に示す制御構造は、尿素添加弁操作のための制御構造に応用することができる。アンモニア吸着量制御は新気量制御と同じくFB制御を含み、当量比制御はスロットル前後差圧制御と同じくFB制御を含まないので、図2に示す制御構造において、新気量制御に代えてアンモニア吸着量制御をユニット104に適用し、スロットル前後差圧制御に代えて当量比制御をユニット102に適用すればよい。
2−5−4.尿素添加弁操作のルーチン
図3に示すルーチンは、尿素添加弁操作のルーチンに応用することができる。この場合、アクチュエータとは、尿素添加弁76を指す。また、第1の制御アルゴリズムとは、当量比制御の制御アルゴリズムを指し、第2の制御アルゴリズムとは、アンモニア吸着量制御の制御アルゴリズムを指す。
3.実施例
本発明の具体的な実施例として図6乃至図15を提示する。
3−1.実施例1
3−1−1.実施例1の概要
実施例1では、可変ノズル操作に係る制御アルゴリズムを吸気マニホールド圧制御から排気マニホールド圧制御へ切り替える場合の指令値の計算に本発明が適用されている。なお、実施例1及びその比較例に示す排気マニホールド圧及び吸気マニホールド圧の各挙動は、エンジンの実機において計測されたものではなく、エンジンを模したシミュレーションモデルを用いて計算されたものである。
図6は実施例1に対する第1の比較例(比較例1A)の計算結果を示すグラフ群、図7は実施例1に対する第2の比較例(比較例1B)の計算結果を示すグラフ群、そして、図8は実施例1の計算結果を示すグラフ群である。図6乃至図8において、グラフ(a)は可変ノズル指令値の挙動、グラフ(b)は排気マニホールド圧の挙動、グラフ(c)はFF項2の挙動、グラフ(d)はP2項の挙動、グラフ(e)はI項2の挙動をそれぞれ示している。実施例1及び各比較例では、吸気マニホールド圧制御と排気マニホールド圧制御のFB制御の各ゲインは以下のように設定されている。この設定により、実施例1及び各比較例では、吸気マニホールド圧制御ではFF制御が行われ、排気マニホールド圧制御ではFF制御とPI制御が行われている。
吸気マニホールド圧制御:Pゲイン=0,Iゲイン=0,Dゲイン=0
排気マニホールド圧制御:Pゲイン=0.1,Iゲイン=0.3,Dゲイン=0
3−1−2.比較例1Aの考察
図6に示す比較例1Aでは、切り替え後の最初の制御周期におけるI項2の前回値はゼロに設定されている。
比較例1Aによれば、制御アルゴリズムの切り替え直前における可変ノズル指令値は50%であり、切り替え直後におけるFF項2は20%となっている。切り替え直後におけるI項2の前回値は0%に設定されているため、0%に更新量を加えた値が切り替え直後におけるI項2となる。切り替え直後における排気マニホールド圧は目標値よりも高いので、目標値と現在値との偏差に比例する更新量は負の値となり、I項2は0%よりも若干低い値となっている。
切り替え直後におけるI項2の値が上記のように算出される結果、切り替えの直後に可変ノズル指令値は閉方向に急変している。その結果、制御量である排気マニホールド圧に急変が生じ、排気マニホールド圧は目標値よりも大きく低下している。
3−1−3.比較例1Bの考察
図7に示す比較例1Bでは、切り替え後の最初の制御周期におけるI項2の前回値はFF項の前回値に設定されている。
比較例1Bによれば、制御アルゴリズムの切り替え直前における可変ノズル指令値は50%であり、切り替え直後におけるFF項2は20%となっている。FF項の前回値は切り替え直前の可変ノズル指令値に等しく50%であるため、切り替え直後におけるI項2の前回値も50%に設定される。このため、50%に更新量を加えた値が切り替え直後におけるI項2となる。切り替え直後における排気マニホールド圧は目標値よりも高いので、目標値と現在値との偏差に比例する更新量は負の値となり、I項2は50%よりも若干低い値となっている。
切り替え直後におけるI項2の値が上記のように算出される結果、切り替えの直後に可変ノズル指令値は開方向に急変している。その結果、制御量である排気マニホールド圧に急変が生じ、排気マニホールド圧は一旦目標値から離れる方向に変化している。
3−1−4.実施例1の考察
図8に示す実施例1では、図2に示すルーチンのステップS113の処理にしたがい、指令値の前回値からFF項2の今回値を差し引いて得られた値が、切り替え後の最初の制御周期におけるI項2の前回値とされている。
実施例1によれば、制御アルゴリズムの切り替え直前における可変ノズル指令値は50%であり、切り替え直後においてFF項2は20%となっている。その結果、切り替え直後におけるI項2の前回値は30%に設定され、30%に更新量を加えた値が切り替え直後におけるI項2となる。切り替え直後における排気マニホールド圧は目標値よりも高いので、目標値と現在値との偏差に比例する更新量は負の値となり、I項2は30%よりも若干低い値となっている。
切り替え直後におけるI項2の値が上記のように算出される結果、偏差従属項であるP項2やI項2の更新量が可変ノズル指令値に確実に反映されているにも関わらず、切り替えの直後に可変ノズル指令値は急変せず、その後も可変ノズル指令値は滑らかに変化している。その結果、制御量である排気マニホールド圧は、制御アルゴリズムの切り替え直後から目標値に向けて滑らかに変化している。
3−2.実施例2
3−2−1.実施例2の概要
実施例2では、可変ノズル操作に係る制御アルゴリズムを吸気マニホールド圧制御から排気マニホールド圧制御へ切り替える場合の指令値の計算に本発明が適用されている。実施例1とは、吸気マニホールド圧制御の制御アルゴリズムに違いがある。なお、実施例2及びその比較例に示す排気マニホールド圧及び吸気マニホールド圧の各挙動は、エンジンの実機において計測されたものではなく、エンジンを模したシミュレーションモデルを用いて計算されたものである。
図9は実施例2に対する第1の比較例(比較例2A)の計算結果を示すグラフ群、図10は実施例2に対する第2の比較例(比較例2B)の計算結果を示すグラフ群、そして、図11は実施例2の計算結果を示すグラフ群である。図9乃至図11において、グラフ(a)は可変ノズル指令値の挙動、グラフ(b)は吸気マニホールド圧の挙動、グラフ(c)は排気マニホールド圧の挙動、グラフ(d)はFF項1の挙動、グラフ(e)はP項1の挙動、グラフ(f)はI項1の挙動、グラフ(g)はFF項2の挙動、グラフ(h)はP項2の挙動、そして、グラフ(i)はI項2の挙動をそれぞれ示している。実施例2及び各比較例では、吸気マニホールド圧制御と排気マニホールド圧制御のFB制御の各ゲインは以下のように設定されている。この設定により、実施例2及び各比較例では、吸気マニホールド圧制御と排気マニホールド圧制御ともに、FF制御とPI制御が行われている。
吸気マニホールド圧制御:Pゲイン=0.2,Iゲイン=0.6,Dゲイン=0
排気マニホールド圧制御:Pゲイン=0.1,Iゲイン=0.3,Dゲイン=0
3−2−2.比較例2Aの考察
図9に示す比較例2Aでは、切り替え後の最初の制御周期におけるI項2の前回値はゼロに設定されている。
比較例2Aによれば、制御アルゴリズムの切り替え直後に可変ノズル指令値は閉方向に急変し、さらに、開方向に急変している。その結果、制御量である排気マニホールド圧は急低下して目標値を大きく下回り、その後、目標値まで急上昇している。
3−2−3.比較例2Bの考察
図10に示す比較例2Bでは、切り替え後の最初の制御周期におけるI項2の前回値はFF項の前回値に設定されている。
比較例2Bによれば、比較例2Aほどではないが、制御アルゴリズムの切り替えの直後に可変ノズル指令値は閉方向に急変している。その結果、比較例2Aほどではないが、制御量である排気マニホールド圧は急低下して目標値を下回り、その後、目標値まで上昇している。
3−2−4.実施例2の考察
図11に示す実施例2では、図2に示すルーチンのステップS113の処理にしたがい、指令値の前回値からFF項の今回値を差し引いて得られた値が、切り替え後の最初の制御周期におけるI項2の前回値とされている。
実施例2によれば、切り替えの直後に可変ノズル指令値が急変することはなく、その後も可変ノズル指令値は滑らかに変化している。その結果、制御量である排気マニホールド圧は、制御アルゴリズムの切り替え直後から目標値に向けて滑らかに変化している。
3−3.実施例1及び2に基づく本発明の評価
上記の2つの実施例の計算結果とそれらに対する比較例の計算結果との比較から分かるように、本発明によれば、制御アルゴリズムの切り替えによりアクチュエータに与える指令値が急変することを抑え、制御量をその目標値に向けて滑らかに変化させることができる。
3−4.実施例3
3−4−1.実施例3の概要
実施例3では、スロットル操作に係る制御アルゴリズムを新気量制御からスロットル前後差圧制御(以下、単に差圧制御という)へ切り替える場合の指令値の計算に本発明が適用されている。「2−1.スロットル操作」において説明したとおり、基本的には、差圧制御の制御アルゴリズムはFF制御からなる。しかし、差圧制御はFF制御とFB制御とで構成することも可能である。FB制御では、目標差圧と現在差圧との偏差に基づいて、スロットル閉度のFB項を計算することが行われる。実施例3及び後述する実施例4では、このような変形例にも本発明を適用可能であることを説明する。なお、実施例3に示す新気量及び差圧の各挙動は、エンジンの実機において計測されたものではなく、エンジンを模したシミュレーションモデルを用いて計算されたものである。
図12は実施例3の計算結果を示すグラフ群である。図12において、グラフ(a)はスロットル指令値の挙動、グラフ(b)は新気量の挙動、グラフ(c)は差圧の挙動、グラフ(d)はFF項1の挙動、グラフ(e)はP項1の挙動、グラフ(f)はI項1の挙動、グラフ(g)はスロットル指令値1の挙動、グラフ(h)はFF項2の挙動、グラフ(i)はP項2の挙動、グラフ(j)はI項2の挙動、そして、グラフ(k)はスロットル指令値2の挙動をそれぞれ示している。実施例3では、新気量制御と差圧制御のFB制御の各ゲインは以下のように設定されている。この設定により、実施例3では、新気量制御と差圧制御ともに、FF制御とPI制御が行われている。
新気量制御:Pゲイン=0.2,Iゲイン=0.8,Dゲイン=0
差圧制御:Pゲイン=−1,Iゲイン=−3,Dゲイン=0
3−4−2.実施例3の考察
実施例3では、制御アルゴリズムの切り替え直前のスロットル指令値1から、切り替え直後のFF項2を差し引いて得られた値が、切り替え後の最初の制御周期におけるI項2の前回値とされている。切り替え直前におけるスロットル指令値1は50%であり、切り替え直後においてFF項2は50%となっている。その結果、切り替え直後におけるI項2の前回値は0%に設定され、0%に更新量を加えた値が切り替え直後におけるI項2となる。
偏差従属項であるP項2やI項2の更新量は、切り替え直後からスロットル指令値(スロットル指令値1)に反映される。このため、切り替えの前後において偏差従属項の分の変化は生じるものの、グラフ(a)に示すように、切り替えの前後でスロットル指令値に急変は生じない。グラフ(b)及び(c)に示すように、実施例3では、制御アルゴリズムの切り替えまでは新気量を目標値に制御し、切り替え後は差圧を目標値に制御することができている。
3−5.実施例4
3−5−1.実施例4の概要
実施例4では、スロットル操作に係る制御アルゴリズムを新気量制御から差圧制御へ切り替える場合の指令値の計算に本発明が適用されている。実施例3とは、差圧制御の制御アルゴリズムに違いがある。なお、実施例4に示す新気量及び差圧の各挙動は、エンジンの実機において計測されたものではなく、エンジンを模したシミュレーションモデルを用いて計算されたものである。
図13は実施例4の計算結果を示すグラフ群である。図13において、グラフ(a)はスロットル指令値の挙動、グラフ(b)は新気量の挙動、グラフ(c)は差圧の挙動、グラフ(d)はFF項1の挙動、グラフ(e)はP項1の挙動、グラフ(f)はI項1の挙動、グラフ(g)はスロットル指令値1の挙動、グラフ(h)はFF項2の挙動、グラフ(j)はI項2の挙動、そして、グラフ(k)はスロットル指令値2の挙動をそれぞれ示している。実施例4では、新気量制御と差圧制御のFB制御の各ゲインは以下のように設定されている。この設定により、実施例4では、新気量制御はFF制御とPI制御が行われ、差圧制御はFF制御とI制御が行われている。
新気量制御:Pゲイン=0.2,Iゲイン=0.8,Dゲイン=0
差圧制御:Pゲイン=0,Iゲイン=−3,Dゲイン=0
3−5−2.実施例4の考察
実施例4では、制御アルゴリズムの切り替え直前におけるスロットル指令値1に、切り替え直後におけるI項2の更新量を加えた値が、切り替え直後におけるスロットル指令値2とされる。このため、グラフ(a)に示すように、I項2の更新量の分だけ変化は生じるものの、制御アルゴリズムの切り替えの前後でスロットル指令値に急変は生じていない。また、グラフ(b)及び(c)に示すように、実施例4でも、制御アルゴリズムの切り替えまでは新気量を目標値に制御し、切り替え後は差圧を目標値に制御することができている。
3−6.実施例5
3−6−1.実施例5の概要
実施例5では、スロットル操作に係る制御アルゴリズムを新気量制御から差圧制御へ切り替える場合の指令値の計算に本発明が適用されている。実施例3及び4では、差圧制御がFF制御とFB制御とで構成された場合について説明したが、差圧制御はFB制御のみで構成することも可能である。実施例5及び後述する実施例6では、このような変形例にも本発明を適用可能であることを説明する。なお、実施例5に示す新気量及び差圧の各挙動は、エンジンの実機において計測されたものではなく、エンジンを模したシミュレーションモデルを用いて計算されたものである。
図14は実施例5の計算結果を示すグラフ群である。図15において、グラフ(a)はスロットル指令値の挙動、グラフ(b)は新気量の挙動、グラフ(c)は差圧の挙動、グラフ(d)はFF項1の挙動、グラフ(e)はP項1の挙動、グラフ(f)はI項1の挙動、グラフ(g)はスロットル指令値1の挙動、グラフ(i)はP項2の挙動、グラフ(j)はI項2の挙動、そして、グラフ(k)はスロットル指令値2の挙動をそれぞれ示している。実施例5では、新気量制御と差圧制御のFB制御の各ゲインは以下のように設定されている。この設定により、実施例5では、新気量制御はFF制御とPI制御が行われ、差圧制御はPI制御が行われている。
新気量制御:Pゲイン=0.2,Iゲイン=0.8,Dゲイン=0
差圧制御:Pゲイン=−1,Iゲイン=−3,Dゲイン=0
3−6−2.実施例5の考察
実施例5では、新気量制御はFF項を有していないので、制御アルゴリズムの切り替え直前のスロットル指令値1が、切り替え後の最初の制御周期におけるI項2の前回値とされている。切り替え直前におけるスロットル指令値1は50%であるので、切り替え直後におけるI項2の前回値は50%に設定され、50%に更新量を加えた値が切り替え直後におけるI項2となる。
偏差従属項であるP項2やI項2の更新量は、切り替え直後からスロットル指令値(スロットル指令値1)に反映される。このため、切り替えの前後において偏差従属項の分の変化は生じるものの、グラフ(a)に示すように、切り替えの前後でスロットル指令値に急変は生じない。また、グラフ(b)及び(c)に示すように、実施例5でも、制御アルゴリズムの切り替えまでは新気量を目標値に制御し、切り替え後は差圧を目標値に制御することができている。
3−7.実施例6
3−7−1.実施例6の概要
実施例6では、スロットル操作に係る制御アルゴリズムを新気量制御から差圧制御へ切り替える場合の指令値の計算に本発明が適用されている。実施例5とは、差圧制御の制御アルゴリズムに違いがある。なお、実施例6に示す新気量及び差圧の各挙動は、エンジンの実機において計測されたものではなく、エンジンを模したシミュレーションモデルを用いて計算されたものである。
図15は実施例6の計算結果を示すグラフ群である。図15において、グラフ(a)はスロットル指令値の挙動、グラフ(b)は新気量の挙動、グラフ(c)は差圧の挙動、グラフ(d)はFF項1の挙動、グラフ(e)はP項1の挙動、グラフ(f)はI項1の挙動、グラフ(g)はスロットル指令値1の挙動、グラフ(j)はI項2の挙動、そして、グラフ(k)はスロットル指令値2の挙動をそれぞれ示している。実施例6では、新気量制御と差圧制御のFB制御の各ゲインは以下のように設定されている。この設定により、実施例6では、新気量制御はFF制御とPI制御が行われ、差圧制御はI制御のみが行われている。
新気量制御:Pゲイン=0.2,Iゲイン=0.8,Dゲイン=0
差圧制御:Pゲイン=0,Iゲイン=−3,Dゲイン=0
3−7−2.実施例6の考察
実施例6では、制御アルゴリズムの切り替え直前におけるスロットル指令値1に、切り替え直後におけるI項2の更新量を加えた値が、切り替え直後におけるスロットル指令値2とされる。このため、グラフ(a)に示すように、I項2の更新量の分だけ変化は生じるものの、制御アルゴリズムの切り替えの前後でスロットル指令値に急変は生じていない。また、グラフ(b)及び(c)に示すように、実施例6でも、制御アルゴリズムの切り替えまでは新気量を目標値に制御し、切り替え後は差圧を目標値に制御することができている。
3−8.実施例3乃至6に基づく本発明の評価
上記の4つの実施例の計算結果から分かるように、本発明は、切り替え後の制御アルゴリズムが少なくともI制御を含んでさえいれば、どのような制御アルゴリズムの切り替えにも適用可能である。
4.その他
本発明は、圧縮着火方式の内燃機関の制御装置だけでなく、火花点火式の内燃機関の制御装置にも適用することができる。また、制御されるアクチュエータは、2つの制御アルゴリズムが選択的に適用されるアクチュエータであれば、上記実施の形態で例示したものには限定されない。
2 エンジン
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
24 スロットル
30 EGR通路
32 EGR弁
34 EGRクーラ
36 バイパス通路
38 バイパス弁
74 SCR
76 尿素添加弁
100 制御装置

Claims (6)

  1. 内燃機関の制御装置において、
    第1の制御アルゴリズムにしたがって所定の制御周期ごとに前記内燃機関のアクチュエータに与える指令値を計算する第1の計算手段と、
    I制御を含むフィードバック制御を含む第2の制御アルゴリズムにしたがって前記制御周期ごとに前記アクチュエータに与える前記指令値を計算する第2の計算手段と、
    前記第1の制御アルゴリズムと前記第2の制御アルゴリズムとの間で前記アクチュエータの制御アルゴリズムを切り替える制御アルゴリズム切替手段と、を備え、
    前記第2の計算手段は、前記第1の制御アルゴリズムから前記第2の制御アルゴリズムへの切り替え後の最初の制御周期では、前記第1の計算手段により計算された前記指令値の前回値に、前記I制御のI項の更新量を含む偏差に応じて変化する項の今回値を加算して得られる値を前記指令値の今回値として計算するように構成されることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記第2の制御アルゴリズムはフィードフォワード制御を含み、
    前記第2の計算手段は、前記第1の制御アルゴリズムから前記第2の制御アルゴリズムへの切り替え後の最初の制御周期では、前記第1の計算手段により計算された前記指令値の前回値から、前記フィードフォワード制御のフィードフォワード項の今回値を差し引いた値を前記I制御のI項の前回値として、前記指令値の今回値を計算するように構成され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。
  3. 前記フィードバック制御はP制御を含み、前記偏差に応じて変化する項は前記P制御のP項を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記フィードバック制御はD制御を含み、前記偏差に応じて変化する項は前記D制御のD項を含むことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記内燃機関は圧縮着火式内燃機関であって、前記アクチュエータは前記内燃機関の吸気通路に配置されたスロットルであり、
    前記第1の制御アルゴリズムは、前記スロットルの前後の差圧が目標差圧になるように前記スロットルに与える前記指令値を計算する制御アルゴリズムであり、
    前記第2の制御アルゴリズムは、前記スロットルを通過する新気量が目標新気量になるように前記スロットルに与える前記指令値を計算する制御アルゴリズムであることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の内燃機関の制御装置。
  6. 前記内燃機関はターボ過給機付きの内燃機関であって、前記アクチュエータは前記ターボ過給機のタービンに流入する排気ガスの流量を制御するアクチュエータであり、
    前記第1の制御アルゴリズムは、吸気マニホールド圧、排気マニホールド圧、スロットル上流圧力、及びターボ効率の中から選択される何れか1つの制御量がその目標値になるように前記アクチュエータに与える前記指令値を計算する制御アルゴリズムであり、
    前記第2の制御アルゴリズムは、前記吸気マニホールド圧、前記排気マニホールド圧、前記スロットル上流圧力、及び前記ターボ効率の中から選択される、前記第1の制御アルゴリズムの制御量とは異なる何れか1つの制御量がその目標値になるように前記アクチュエータに与える前記指令値を計算する制御アルゴリズムであることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の内燃機関の制御装置。
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