JP6930902B2 - バルブ制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジンの吸排気通路に配設されるバルブの開度を制御するバルブ制御装置に関する。
エンジンは、吸気行程において作動ガスを吸入し、その吸入した作動ガスに燃料を供給することにより混合気を生成する。そのため、エンジンが吸入する作動ガスの性状はエンジンの出力や排気ガスを制御するうえで大変重要である。こうした作動ガスの性状を制御する装置として、エンジンシステムには、たとえば特許文献１のように、排気ガスの一部を排気側から吸気側へと還流するＥＧＲ通路を有した排気再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置や排気ガスのエネルギーを利用して吸入空気を過給するターボチャージャーなどが搭載されている。
特開２００３−１９３８７５号公報
上述したＥＧＲ装置やターボチャージャーは、各種ガスが流れる流路の流路断面積を変更可能なバルブを有している。こうしたバルブとして、ＥＧＲ装置は、ＥＧＲ通路の流路断面積を変更可能なＥＧＲ弁を有し、ターボチャージャーは、タービンに流入する排気ガスの流路断面積を変更する可変ノズルを有している。これらのバルブの開度の制御には、エンジンが吸入する作動ガスの性状を所望の性状へと高い精度で制御可能であることが求められる。こうした要求は、ＥＧＲ装置やターボチャージャーを構成するバルブに限らず、エンジンの吸排気通路において流路断面積を調整可能なバルブに共通するものである。
本発明は、エンジンの吸排気通路に配設されたバルブの開度を制御するバルブ制御装置であって、エンジンが吸入する作動ガスの性状を高い精度で制御することのできるバルブ制御装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するバルブ制御装置は、エンジンの吸排気通路に配設されるバルブの開度を制御するバルブ制御装置であって、エンジン回転数、アクセル開度、および、前記バルブの開度の各々の観測値を取得する観測値取得部と、前記バルブに流入するガスの温度である入口温度を取得する入口温度取得部と、前記エンジン回転数の観測値および前記アクセル開度の観測値のもとで前記エンジンが平衡状態にあるときの値であって前記バルブの上流側圧力および下流側圧力、ならびに、前記バルブの流量を含む状態パラメーターの平衡状態値と、前記エンジン回転数の観測値および前記アクセル開度の観測値に応じた目標状態に前記エンジンがあるときの値であって前記エンジンが吸入する作動ガスの性状に関する性状パラメーターの目標性状値とを演算する目標演算部と、前記上流側圧力の平衡状態値、前記下流側圧力の平衡状態値、前記流量の平衡状態値、および、前記入口温度の取得値を変数に含む演算式を用いて前記平衡状態における前記バルブの開度である平衡開度を演算する平衡開度演算部と、前記バルブの開度の観測値を変数に含むモデルを有し、前記状態パラメーターの推定状態値と前記性状パラメーターの推定性状値とを演算するオブザーバーと、前記平衡状態値と前記推定状態値との偏差、および、前記目標性状値と前記推定性状値との偏差の積分値を構成要素とする偏差ベクトルをゲイン行列に乗算することにより前記平衡開度に対する補正開度を演算する補正開度演算部と、前記平衡開度を前記補正開度で補正することにより、前記性状パラメーターを前記目標性状値に追従させつつ前記状態パラメーターを前記推定状態値から前記平衡状態値に制御する指示開度を演算する指示開度演算部と、前記指示開度を示す制御信号を前記バルブに出力する出力部とを備える。
上記構成によれば、エンジンの駆動状態を示すエンジン回転数、および、エンジンの出力に対する運転者の要求を示すアクセル開度に基づく目標性状値に性状パラメーターを追従させつつ、状態パラメーターを平衡状態値へと制御する開度が指示開度として演算される。その結果、作動ガスの性状を高い精度のもとで制御することができる。
上記構成のバルブ制御装置において、前記性状パラメーターが前記状態パラメーターに含まれていることが好ましい。
上記構成によれば、性状パラメーターを目標性状値に追従させるうえで、性状パラメーターの変化に対する応答性を高めつつ、目標性状値に対する定常偏差を小さくすることができる。
上記構成のバルブ制御装置は、互いに異なる位置に配設された複数のバルブの開度を制御することが好ましい。
上記構成によれば、複数のバルブの開度が同じ条件のもとで同時期に制御されることから、複数のバルブの開度を効率よく協調的に制御することができる。
上記構成のバルブ制御装置が制御する前記複数のバルブは、前記エンジンの排気通路と前記エンジンの吸気通路とを接続して排気ガスの一部を前記吸気通路に還流するＥＧＲ通路の流路断面積を変更可能なＥＧＲ弁と、前記排気通路に配設されてターボチャージャーに流入する排気ガスの流路断面積を変更可能な可変ノズルと、前記エンジンの吸気通路に配設されて吸入空気の流路断面積を変更可能なスロットルとを含むことが好ましい。
上記構成によれば、ＥＧＲ弁の指示開度、可変ノズルの指示開度、および、スロットルの指示開度が同じ条件のもとで同時期に制御されることから、これらのバルブの開度を効率よく協調的に制御することができる。その結果、作動ガスの性状をより高い精度のもとで制御することができる。
バルブ制御装置の一実施形態を搭載したエンジンシステムの概略構成図。 バルブ制御装置の一例を示す機能ブロック図。 フルステートフィードバック部の一例を示す機能ブロック図。 バルブ制御装置の他の一例を示す機能ブロック図。
図１〜図３を参照して、バルブ制御装置の一実施形態について説明する。バルブ制御装置は、エンジンの吸排気通路に配設されて流路断面積を変更可能なバルブの開度を制御する。まず、図１を参照してエンジンシステムの全体構成について説明する。
図１に示すように、エンジンシステムは、軽油を燃料とするディーゼルエンジン１０（以下、単にエンジン１０という。）を備えている。エンジン１０のシリンダーブロック１１には複数のシリンダー１２が形成されている。各シリンダー１２においては、吸入した作動ガスに対してインジェクター１３から燃料が噴射され、作動ガスと燃料との混合気が燃焼する。こうした混合気の燃焼が所定の順番で各シリンダー１２において行われることにより、エンジン１０のクランクシャフト１０ａが駆動される。
シリンダーブロック１１には、各シリンダー１２に作動ガスを供給するためのインテークマニホールド１４と、各シリンダー１２からの排気ガスが流入するエキゾーストマニホールド１５とが接続されている。
インテークマニホールド１４に接続される吸気通路１６は、上流側から順に図示されないエアクリーナー、ターボチャージャー１７のコンプレッサー１８、インタークーラー１９を備えている。吸気通路１６は、インタークーラー１９の下流側であって、かつ、後述するＥＧＲ通路２５との接続部分よりも上流側に、吸気通路１６の流路断面積を変更可能なディーゼルスロットル２０（以下、単にスロットル２０という。）を備えている。スロットル２０においては、スロットルアクチュエーター２０ａの駆動によりスロットル開度ＶＴｔｈが変更されることで吸入空気が流通可能な有効開口面積が変更される。スロットル２０は、スロットル開度ＶＴｔｈが最小値である０にあるときに全開状態となる。
エキゾーストマニホールド１５には、排気通路２１が接続されている。排気通路２１は、コンプレッサー１８に連結軸２２を介して連結されたタービン２３を備えている。また、エキゾーストマニホールド１５には、吸気通路１６に接続されて排気ガスの一部をＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガスとして吸気通路１６に導入するＥＧＲ装置２４のＥＧＲ通路２５が接続されている。ＥＧＲ通路２５は、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラー２６と、ＥＧＲクーラー２６の下流側にＥＧＲ通路２５の流路断面積を変更可能なＥＧＲ弁２７とを備えている。シリンダー１２には、ＥＧＲ弁２７が開状態にあるときに排気ガスと吸入空気との混合気体が作動ガスとして供給され、ＥＧＲ弁２７が閉状態にあるときに吸入空気が作動ガスとして供給される。ＥＧＲ弁２７においては、ＥＧＲアクチュエーター２７ａの駆動によりＥＧＲ開度ＶＴｅｇｒが変更されることでＥＧＲ弁２７に流入するＥＧＲガスが流通可能な有効開口面積が変更される。
ターボチャージャー１７は、タービン２３に可変ノズル２８が配設された可変容量型ターボチャージャー（ＶＮＴ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｎｏｚｚｌｅ Ｔｕｒｂｏ）である。可変ノズル２８においては、ＶＮＴアクチュエーター２８ａの駆動によりＶＮＴ開度ＶＴｖｎｔが変更されることでタービン２３に流入する排気ガスが流通可能な有効開口面積が変更される。
エンジンシステムは、複数のセンサーを備える。スロットル開度センサー３１は、スロットル２０の開度であるスロットル開度ＶＴｔｈを観測する。エンジン回転数センサー３２は、クランクシャフト１０ａの回転数であるエンジン回転数Ｎｅを観測する。ＥＧＲ入口温度センサー３３は、ＥＧＲ弁２７に流入するＥＧＲガスの温度であるＥＧＲ入口温度Ｔｅｇｒを観測する。ＥＧＲ開度センサー３４は、ＥＧＲ弁２７の開度であるＥＧＲ開度ＶＴｅｇｒを観測する。ＶＮＴ開度センサー３５は、可変ノズル２８の開度であるＶＮＴ開度ＶＴｖｎｔを観測する。アクセル開度センサー３６は、運転者が操作するアクセルペダル３８の踏み込み量であるアクセル開度Ａｃｃを観測する。
この他、エンジンシステムは、上記のパラメーターとは異なる他のパラメーターを観測対象とする１以上のセンサー３７を備えている。センサー３７は、たとえば、排気通路２１におけるタービン２３の下流に配設されて排気ガスにおける空気過剰率λを検出する空気過剰率センサーやコンプレッサー１８の上流にて吸入空気の質量流量である吸入空気量Ｇａを観測する吸入空気量センサーである。またたとえば、センサー３７は、スロットル２０の下流であって、かつ、吸気通路１６とＥＧＲ通路２５との接続部分よりも上流にて、ターボチャージャー１７によって過給された吸入空気の圧力であるブースト圧Ｐｂを観測するブースト圧センサーである。またたとえば、センサー３７は、インテークマニホールド１４内の温度であって、エンジン１０が吸入する作動ガスの温度である吸気温度Ｔｉｍを観測する吸気温度センサーである。各種センサー３１〜３７の出力した信号は、エンジンシステムを統括制御する制御装置を構成するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５０に入力される。
ＥＣＵ５０は、プロセッサ、メモリ、入力インターフェース、および、出力インターフェース等がバスを介して互いに接続されたマイクロコンピューターを中心に構成される。ＥＣＵ５０は、エンジン１０の吸排気通路に配設されて流路断面積を変更可能なバルブの開度を制御するバルブ制御装置として機能する。ＥＣＵ５０は、各種センサー３１〜３７の観測値を取得し、その取得した観測値に基づいて、スロットル２０、ＥＧＲ弁２７、および、可変ノズル２８といった各種バルブの開度を制御する。
図２に示すように、ＥＣＵ５０は、各種機能部として、観測値取得部５１、目標演算部５２、ＥＧＲ平衡開度演算部５４、ＶＮＴ平衡開度演算部５５、ＬＱＩ（Ｌｉｎｅａｒ Ｑｕａｄｒａｔｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御部６０、ＥＧＲ指示開度演算部６８、ＶＮＴ指示開度演算部６９、および、出力部７０を備えている。ＬＱＩ制御部６０は、オブザーバー６１、減算器６２、および、補正開度演算部として機能するフルステートフィードバック部６３（以下、単にフィードバック部６３という。）で構成されている。
観測値取得部５１は、各種センサー３１〜３７が観測した観測値を取得する。観測値取得部５１は、各種センサー３１〜３７からの信号に基づいて、スロットル開度ＶＴｔｈ、エンジン回転数Ｎｅ、ＥＧＲ入口温度Ｔｅｇｒ、ＥＧＲ開度ＶＴｅｇｒ、ＶＮＴ開度ＶＴｖｎｔ、アクセル開度Ａｃｃなどの観測値を取得する。
目標演算部５２は、エンジン１０の駆動状態を示すエンジン回転数Ｎｅとエンジン１０の出力に対する運転者の要求を示すアクセル開度Ａｃｃとに基づいて、エンジン１０の状態に関わる各種状態パラメーターの平衡値である平衡状態値を演算する。目標演算部５２は、たとえば、エンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃごとに平衡状態値が規定された平衡値データ５３ａを状態パラメーターごとにメモリーの所定領域に保持している。目標演算部５２は、その平衡値データから対応する値を読み出すことにより各種状態パラメーターの平衡状態値を演算する。平衡値データ５３ａは、予め行った実験やシミュレーションなどの結果に基づいて作成されるマップデータである。また、たとえば、目標演算部５２は、エンジン回転数Ｎｅといったエンジン１０の駆動状態を示すパラメーターやエンジン１０の出力に対する運転者の要求を示すアクセル開度Ａｃｃなどを変数に含む演算式を用いて各種状態パラメーターの平衡状態値を演算する。
平衡状態値は、たとえば外気温や外気圧など、所定の環境条件のもとでエンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃに応じたエンジン１０の定常状態を平衡状態として、その平衡状態を具現化する最適な燃焼が得られるときの各種状態パラメーターの値である。換言すれば、上記所定の環境条件のもとで各種状態パラメーターが平衡状態値にあるとき、エンジン１０は、エンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃに応じた最適な燃焼が具現化された定常状態にある。なお、平衡状態は、たとえば、エンジン回転数Ｎｅが低く、かつ、アクセル開度Ａｃｃが小さいときには、排気ガスの性状を優先させる燃焼が得られる状態に設定される。また、平衡状態は、たとえば、エンジン回転数Ｎｅにかかわらず、アクセル開度Ａｃｃが大きいときには、エンジン１０の出力を優先させる燃焼が得られる状態に設定される。
目標演算部５２は、下記に示す各種状態パラメーターの平衡状態値を演算する。
・エキゾーストマニホールド１５における排気ガスの圧力である排気圧力Ｐｅｍ
・ターボチャージャー１７によって過給されたのちスロットル２０を通過した吸入空気の圧力であるブースト圧Ｐｂ
・ＥＧＲ弁２７を通過するＥＧＲガスの質量流量であるＥＧＲ流量Ｇｅｇｒ
・タービン２３の出口における排気ガスの圧力であるタービン出口圧力Ｐｅｐ
・タービン２３を通過する排気ガスの質量流量であるタービン流量Ｇｔｂｎ
・エキゾーストマニホールド１５における排気ガスの温度である排気温度Ｔｅｍ
・エンジン１０が吸入する作動ガスの質量流量である作動ガス量Ｇｗｇ
・エンジン１０が吸入する作動ガスにおけるＥＧＲガスの割合を示すＥＧＲ率ηｅｇｒ
また、目標演算部５２は、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ａｃｃとに基づいて、エンジン１０が吸入する作動ガスの性状に関わる各種性状パラメーターの目標値である目標性状値を演算する。たとえば、目標演算部５２は、エンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃごとに目標性状値が規定された目標値データ５３ｂをパラメーターごとにメモリーの所定領域に保持している。目標演算部５２は、その目標値データから対応する値を読み出すことにより各種パラメーターの目標性状値を演算する。目標値データ５３ｂは、予め行った実験やシミュレーションなどの結果に基づいて作成されるマップデータである。また、たとえば、目標演算部５２は、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ａｃｃなどを変数に含む演算式を用いて各種パラメーターの目標性状値を演算する。
目標性状値は、エンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃに応じた目標状態にエンジン１０があるときに最適な燃焼が得られる作動ガス量と酸素濃度とを具現化する各種性状パラメーターの値である。換言すれば、各種性状パラメーターが目標性状値にあるとき、エンジン１０は、エンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃに応じた目標状態について最適な燃焼が得られる作動ガスを吸入する状態にある。なお、目標状態は、たとえば、エンジン回転数Ｎｅに対して相対的にアクセル開度Ａｃｃが小さいほどエンジン１０の出力が現状よりも抑えられる状態に設定される。また、目標状態は、たとえば、エンジン回転数Ｎｅに対して相対的にアクセル開度Ａｃｃが大きいほどエンジン１０の出力が現状よりも大きくなる状態に設定される。
目標演算部５２は、下記に示す各種性状パラメーターの目標性状値を演算する。
・エンジン１０が吸入する作動ガスの質量流量である作動ガス量Ｇｗｇ
・エンジン１０が吸入する作動ガスにおけるＥＧＲガスの割合を示すＥＧＲ率ηｅｇｒ
上述した各種パラメーターのうち、排気圧力Ｐｅｍ、ブースト圧Ｐｂ、ＥＧＲ流量ＧｅｇｒはＥＧＲ弁２７に関わる状態パラメーターであり、排気圧力Ｐｅｍ、タービン出口圧力Ｐｅｐ、タービン流量Ｇｔｂｎ、および、排気温度Ｔｅｍは可変ノズル２８に関わる状態パラメーターである。また、各種パラメーターのうち、作動ガス量ＧｗｇおよびＥＧＲ率ηｅｇｒは、エンジン１０が吸入する作動ガスに関わる状態パラメーターであり、かつ、当該作動ガスの性状を示す性状パラメーターである。
目標演算部５２は、排気圧力Ｐｅｍ、ブースト圧Ｐｂ、および、ＥＧＲ流量ＧｅｇｒをＥＧＲ平衡開度演算部５４に出力する。目標演算部５２は、排気圧力Ｐｅｍ、タービン出口圧力Ｐｅｐ、タービン流量Ｇｔｂｎ、および、排気温度ＴｅｍをＶＮＴ平衡開度演算部５５に出力する。目標演算部５２は、各種状態パラメーターの平衡状態値および各種性状パラメーターの目標性状値をＬＱＩ制御部６０の減算器６２に出力する。
なお、状態パラメーターは、上記のパラメーターの他、たとえば、インテークマニホールド１４における作動ガスの密度である作動ガス密度やエキゾーストマニホールド１５における排気ガスの密度である排気ガス密度などを含んでいてもよい。また、性状パラメーターは、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ａｃｃとに応じた目標状態にあるエンジン１０において最適な燃焼が得られる作動ガス量と酸素濃度とが求められるものであればよい。そのため、性状パラメーターは、作動ガス量ＧｗｇおよびＥＧＲ率ηｅｇｒに限らず、作動ガス量Ｇｗｇ、ＥＧＲ率ηｅｇｒ、ブースト圧Ｐｂ、吸入空気量Ｇａなど、作動ガスの性状にかかわるパラメーターから選択される複数のパラメーターであってもよい。
ＥＧＲ平衡開度演算部５４は、観測値取得部５１が取得したＥＧＲ入口温度Ｔｅｇｒ、および、目標演算部５２が演算した排気圧力Ｐｅｍ、ブースト圧Ｐｂ、ＥＧＲ流量Ｇｅｇｒに基づいてＥＧＲ平衡開度ＶＴｅｇｒ＿ｓを演算する。ＥＧＲ平衡開度ＶＴｅｇｒ＿ｓは、観測値取得部５１が取得したエンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃに応じた平衡状態にエンジン１０があるときのＥＧＲ弁２７の開度である。また、換言すれば、ＥＧＲ平衡開度ＶＴｅｇｒ＿ｓは、ＥＧＲ弁２７に関する状態パラメーターが平衡状態値となり、エンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃに応じた平衡状態にエンジン１０が制御されるＥＧＲ弁２７の開度である。
なお、排気圧力ＰｅｍはＥＧＲ弁２７の上流側圧力であり、ブースト圧ＰｂはＥＧＲ弁２７の下流側圧力であり、ＥＧＲ入口温度ＴｅｇｒはＥＧＲ弁２７の入口温度であり、ＥＧＲ流量ＧｅｇｒはＥＧＲ弁２７の流量に相当する。また、ＥＧＲ弁２７に関しては観測値取得部５１が入口温度取得部として機能する。
ＥＧＲ平衡開度ＶＴｅｇｒ＿ｓを演算するにあたり、ＥＧＲ平衡開度演算部５４は、ＥＧＲ弁２７に流入するＥＧＲガスの圧力であるＥＧＲ入口圧力Ｐｅｇｒを演算する。たとえば、ＥＧＲ平衡開度演算部５４は、ＥＧＲ流量Ｇｅｇｒや排気圧力Ｐｅｍなどに基づいてＥＧＲ入口圧力Ｐｅｇｒを演算可能なモデルを有している。ＥＧＲ平衡開度演算部５４は、ＥＧＲ流量Ｇｅｇｒに基づいてエキゾーストマニホールド１５からＥＧＲ弁２７の入口までの圧力損失値ΔＰｅｇｒを演算し、その演算した圧力損失値ΔＰｅｇｒを排気圧力Ｐｅｍから減算することによりＥＧＲ入口圧力Ｐｅｇｒを演算する。そして、ＥＧＲ平衡開度演算部５４は、ＥＧＲ入口圧力Ｐｅｇｒ、ブースト圧Ｐｂ、ＥＧＲ入口温度Ｔｅｇｒ、ＥＧＲ流量Ｇｅｇｒを下記に示すベルヌーイの定理に基づく式（１）に代入することによりＥＧＲ開口面積Ａｅｇｒを演算する。
Figure 0006930902
Ｇ ：ＥＧＲ流量Ｇｅｇｒ
Ｐ１：ＥＧＲ入口圧力Ｐｅｇｒ
Ｐ２：ブースト圧Ｐｂ
Ｔ１：ＥＧＲ入口温度Ｔｅｇｒ
Ａ ：ＥＧＲ開口面積Ａｅｇｒ
κ ：排気ガスの比熱比
Ｒ ：気体定数
次に、ＥＧＲ平衡開度演算部５４は、ＥＧＲ開口面積Ａｅｇｒに対応するＥＧＲ弁２７の開度であるＥＧＲ平衡開度ＶＴｅｇｒ＿ｓを演算する。ＥＧＲ平衡開度演算部５４は、たとえば、ＥＧＲ開口面積Ａｅｇｒを有効開口面積とするＥＧＲ平衡開度ＶＴｅｇｒ＿ｓを演算する。ここでいう有効開口面積は、設計諸元値、あるいは、予め行なった実験やシミュレーションの結果により得られる開口面積である。有効開口面積は、例えば、所定の開度に維持されたバルブに対して所定流量の排気ガスを供給し、そのときのバルブの圧力比および入口温度から逆算されるバルブの開口面積である。ＥＧＲ平衡開度演算部５４は、有効開口面積ごとにＥＧＲ弁２７の開度が規定されたＥＧＲ開度データをメモリーの所定領域に保持しており、ＥＧＲ開口面積Ａｅｇｒに応じた開度をＥＧＲ開度データから読み出すことによりＥＧＲ平衡開度ＶＴｅｇｒ＿ｓを演算する。
ＶＮＴ平衡開度演算部５５は、目標演算部５２が演算した排気圧力Ｐｅｍ、タービン出口圧力Ｐｅｐ、タービン流量Ｇｔｂｎ、および、排気温度Ｔｅｍに基づいて、可変ノズル２８のＶＮＴ平衡開度ＶＴｖｎｔ＿ｓを演算する。ＶＮＴ平衡開度ＶＴｖｎｔ＿ｓは、観測値取得部５１が取得したエンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃに応じた平衡状態にエンジン１０があるときの可変ノズル２８の開度である。また、換言すれば、ＶＮＴ平衡開度ＶＴｖｎｔ＿ｓは、可変ノズル２８に関する状態パラメーターが平衡状態値となり、エンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃに応じた平衡状態にエンジン１０が制御される可変ノズル２８の開度である。ＶＮＴ平衡開度演算部５５は、目標演算部５２が演算した各種パラメーターを上記式（１）に代入することによりＶＮＴ開口面積Ａｖｎｔを演算する。
Ｇ ：タービン流量Ｇｔｂｎ
Ｐ１：排気圧力Ｐｅｍ
Ｐ２：タービン出口圧力Ｐｅｐ
Ｔ１：排気温度Ｔｅｍ
Ａ ：ＶＮＴ開口面積Ａｖｎｔ
κ ：排気ガスの比熱比
Ｒ ：気体定数
なお、排気圧力Ｐｅｍは可変ノズル２８の上流側圧力であり、タービン出口圧力Ｐｅｐは可変ノズル２８の下流側圧力であり、排気温度Ｔｅｍは可変ノズル２８の入口温度であり、タービン流量Ｇｔｂｎは可変ノズル２８の流量に相当する。また、可変ノズル２８に関しては目標演算部５２が入口温度取得部として機能する。
次に、ＶＮＴ平衡開度演算部５５は、ＶＮＴ開口面積Ａｖｎｔに対応する可変ノズル２８の開度であるＶＮＴ平衡開度ＶＴｖｎｔ＿ｓを演算する。ＶＮＴ平衡開度演算部５５は、たとえば、ＶＮＴ開口面積Ａｖｎｔを有効開口面積とするＶＮＴ平衡開度ＶＴｖｎｔ＿ｓを演算する。ＶＮＴ平衡開度演算部５５は、有効開口面積ごとに可変ノズル２８の開度が規定されたＶＮＴ開度データをメモリーの所定領域に保持しており、ＶＮＴ開口面積Ａｖｎｔに応じた開度をＶＮＴ開度データから読み出すことによりＶＮＴ平衡開度ＶＴｖｎｔ＿ｓを演算する。
ＬＱＩ制御部６０は、ＬＱＩ制御により、ＥＧＲ平衡開度ＶＴｅｇｒ＿ｓを補正するＥＧＲ補正開度ＶＴｅｇｒ＿ｃ、ＶＮＴ平衡開度ＶＴｖｎｔ＿ｓを補正するＶＮＴ補正開度ＶＴｖｎｔ＿ｃ、および、スロットル平衡開度ＶＴｔｈ＿ｓを補正するスロットル補正開度ＶＴｔｈ＿ｃを演算する。
なお、ディーゼルエンジン１０におけるスロットル平衡開度ＶＴｔｈ＿ｓは、スロットル２０での吸気抵抗が最小となる全開状態を示す０に設定される。そのため、ＬＱＩ制御部６０が演算するスロットル補正開度ＶＴｔｈ＿ｃは、スロットル平衡開度ＶＴｔｈ＿ｓに対する補正開度であると同時にスロットル指示開度ＶＴｔｈ＿ｔとなる。こうしたことから、図２では、スロットル２０に関するＬＱＩ制御部６０の演算結果であるスロットル補正開度ＶＴｔｈ＿ｃがそのままスロットル指示開度ＶＴｔｈ＿ｔとして出力されるように記載している。
ＬＱＩ制御部６０が実行するＬＱＩ制御は、いわゆる積分型最適サーボ制御であり、下記に示す状態方程式（２）および出力方程式（３）で示されるシステムに適用されるものである。なお、状態方程式（２）において、ｘ（ｔ）は状態パラメーターの値を構成要素とする状態量ベクトルであり、ｕ（ｔ）は各種バルブへの制御入力値（指示開度）を構成要素とする制御入力ベクトルである。観測方程式（３）において、ｙ（ｔ）は性状パラメーターの値を構成要素とする出力ベクトルである。また、状態方程式（２）において、Ａはシステム行列、Ｂは入力行列、ｄ（ｔ）はステップ状の外乱である。また、出力方程式（３）においてＣは観測行列である。
Figure 0006930902
ＬＱＩ制御部６０が実行するＬＱＩ制御について説明する。まず、平衡状態における状態量ベクトルｘ（ｔ）を平衡状態量ベクトルｘｓ（≠０）、平衡状態における出力ベクトルｙ（ｔ）を目標出力ベクトルｒ（≠０）、平衡状態における制御入力ベクトルｕ（ｔ）を平衡制御入力ベクトルｕｓ（≠０）とする。また、現在のシステムの状態量ベクトルｘ（ｔ）が平衡状態量ベクトルｘｓから状態量偏差ベクトルδｘ（ｔ）（＝ｘ（ｔ）−ｘｓ）だけずれているとする。
なお、ここでは、平衡状態量ベクトルｘｓの構成要素は目標演算部５２が演算した各種状態パラメーターの平衡状態値であり、状態量ベクトルｘ（ｔ）の構成要素はオブザーバー６１が演算した各種状態パラメーターの推定状態値である。また、目標出力ベクトルｒの構成要素は目標演算部５２が演算した各種性状パラメーターの目標性状値であり、出力ベクトルｙ（ｔ）の構成要素はオブザーバー６１が演算した各種性状パラメーターの推定性状値である。また、平衡制御入力ベクトルｕｓの構成要素は平衡開度演算部５４，５５が演算した平衡開度ＶＴｅｇｒ＿ｓ，ＶＴｖｎｔ＿ｓおよび一定値である平衡開度ＶＴｔｈ＿ｓであり、制御入力ベクトルｕ（ｔ）の構成要素は各種バルブへの指示開度ＶＴｅｇｒ＿ｔ，ＶＴｖｎｔ＿ｔ、ＶＴｔｈ＿ｔである。
こうした前提条件のもと、上記ＬＱＩ制御は、ｔ→∞において、現在のシステムの状態量ベクトルｘ（ｔ）に基づく出力ベクトルｙ（ｔ）を目標出力ベクトルｒに追従させつつ（ｙ（ｔ）→ｒ）、現在のシステムの状態量ベクトルｘ（ｔ）を平衡状態量ベクトルｘｓに戻す（δｘ（ｔ）→０）うえで、所定の二次形式評価関数を最小化する最適な制御入力ベクトルｕ（ｔ）を求めることを目的として、平衡制御入力ベクトルｕｓに対する補正制御入力ベクトルδｕ（ｔ）（＝ｕ（ｔ）−ｕｓ）を状態フィードバックのかたちで求める制御である。
そして、ＬＱＩ制御部６０が実行するＬＱＩ制御においては、下記の式（４）によって、補正制御入力ベクトルδｕ（ｔ）が演算される。なお、式（４）では、状態量偏差ベクトルδｘ（ｔ）に対するゲイン行列を第１ゲイン行列Ｋ１、出力ベクトルｙ（ｔ）と目標出力ベクトルｒとの偏差の積分値を構成要素とする出力偏差ベクトル∫δｙ（ｔ）に対するゲイン行列を第２ゲイン行列Ｋ２で示すとともに、状態量偏差ベクトルδｘ（ｔ）の初期値を０としている。また、状態方程式（２）におけるステップ状の外乱ｄ（ｔ）は、式（４）を求める過程において消去される。
Figure 0006930902
上述したＬＱＩ制御を行うＬＱＩ制御部６０は、各種機能部として、オブザーバー６１、減算器６２、および、フィードバック部６３を有している。
オブザーバー６１は、観測値取得部５１の取得した観測値を変数として現在のエンジンシステムにおける各種パラメーターの値を推定するモデルを有している。オブザーバー６１は、観測値取得部５１の取得した観測値をモデルに代入することにより各種パラメーターの推定値を演算する。オブザーバー６１は、演算した各種パラメーターの推定値のうち、状態パラメーターの推定値を推定状態値、性状パラメーターの推定値を推定性状値として減算器６２に出力する。なお、オブザーバー６１には、各種パラメーターの推定値を演算するうえで上記観測値のほか、燃料噴射制御部（図示略）が演算した燃料噴射量など、エンジン１０の制御に関わる制御入力値が入力されてもよい。
減算器６２は、状態パラメーターの各々について、目標演算部５２が演算した平衡状態値とオブザーバー６１が演算した推定状態値との偏差である状態量偏差を演算し、その演算した状態量偏差をフィードバック部６３に出力する。
また、減算器６２は、性状パラメーターの各々について、目標演算部５２が演算した目標性状値とオブザーバー６１が演算した推定性状値との偏差である性状偏差を演算し、その演算した性状偏差をフィードバック部６３に出力する。
図３に示すように、フィードバック部６３は、各種機能部として、積分器６４、変換器６５、および、行列積演算部６６を有している。
フィードバック部６３は、減算器６２が出力した状態量偏差を上記式（４）における状態量偏差ベクトルδｘ（ｔ）の構成要素として変換器６５に入力する。またフィードバック部６３は、減算器６２が出力した性状偏差を積分器６４で積分し、その積分値を上記式（４）における出力偏差ベクトル∫δｙ（ｔ）の構成要素として変換器６５に入力する。
変換器６５は、入力される状態量偏差および性状偏差の積分値を構成要素とする偏差ベクトルｅ（ｔ）（＝［δｘ（ｔ） ∫δｙ（ｔ）］Ｔ：Ｔは転置行列を示す）に変換し、その変換した偏差ベクトルｅ（ｔ）を行列積演算部６６に出力する。
行列積演算部６６は、変換器６５から入力された偏差ベクトルｅ（ｔ）を、第１ゲイン行列Ｋ１と第２ゲイン行列Ｋ２とで構成されるゲイン行列Ｋ（＝［−Ｋ１ −Ｋ２］）に乗算する。これにより、ＥＧＲ補正開度ＶＴｅｇｒ＿ｃ、ＶＮＴ補正開度ＶＴｖｎｔ＿ｃ、および、スロットル補正開度ＶＴｔｈ＿ｃが演算される。そして、フィードバック部６３は、ＥＧＲ補正開度ＶＴｅｇｒ＿ｃをＥＧＲ指示開度演算部６８に出力し、ＶＮＴ補正開度ＶＴｖｎｔ＿ｃをＶＮＴ指示開度演算部６９に出力し、スロットル補正開度ＶＴｔｈ＿ｃを出力部７０に出力する。
図２に示すように、ＥＧＲ指示開度演算部６８は、ＥＧＲ弁２７に対する指示開度であるＥＧＲ指示開度ＶＴｅｇｒ＿ｔを演算する。ＥＧＲ指示開度演算部６８は、ＥＧＲ平衡開度演算部５４が演算したＥＧＲ平衡開度ＶＴｅｇｒ＿ｓとフィードバック部６３が演算したＥＧＲ補正開度ＶＴｅｇｒ＿ｃとの加算値をＥＧＲ指示開度ＶＴｅｇｒ＿ｔとして演算する。
ＶＮＴ指示開度演算部６９は、可変ノズル２８に対する指示開度であるＶＮＴ指示開度ＶＴｖｎｔ＿ｔを演算する。ＶＮＴ指示開度演算部６９は、ＶＮＴ平衡開度演算部５５が演算したＶＮＴ平衡開度ＶＴｖｎｔ＿ｓとフィードバック部６３が演算したＶＮＴ補正開度ＶＴｖｎｔ＿ｃとの加算値をＶＮＴ指示開度ＶＴｖｎｔ＿ｔとして演算する。
出力部７０は、ＥＧＲ指示開度演算部６８が演算したＥＧＲ指示開度ＶＴｅｇｒ＿ｔを示す制御信号をＥＧＲアクチュエーター２７ａに出力し、ＶＮＴ指示開度演算部６９が演算したＶＮＴ指示開度ＶＴｖｎｔ＿ｔを示す制御信号をＶＮＴアクチュエーター２８ａに出力する。これにより、ＥＧＲ弁２７はＥＧＲ指示開度ＶＴｅｇｒ＿ｔに制御され、可変ノズル２８はＶＮＴ指示開度ＶＴｖｎｔ＿ｔに制御される。また、出力部７０は、フィードバック部６３が演算したスロットル補正開度ＶＴｔｈ＿ｃを示す制御信号をスロットル指示開度ＶＴｔｈ＿ｔとしてスロットルアクチュエーター２０ａに出力する。これにより、スロットル２０は、スロットル指示開度ＶＴｔｈ＿ｔに制御される。
上記実施形態のバルブ制御装置によれば、以下に列挙する作用効果が得られる。
（１）バルブ制御装置であるＥＣＵ５０は、エンジン１０の駆動状態を示すエンジン回転数Ｎｅ、および、エンジン１０の出力に対する運転者の要求を示すアクセル開度Ａｃｃに応じた定常状態において最適な燃焼が得られる平衡状態での各種状態パラメーターの平衡状態値を演算する。また、ＥＣＵ５０は、エンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃに応じた目標状態において最適な燃焼が得られる各種性状パラメーターの目標性状値を演算する。そして、ＥＣＵ５０は、各種状態パラメーターの平衡状態値に基づいて各種バルブの平衡開度を演算する。平衡開度は、所定の環境条件のもとでエンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃに応じた平衡状態にエンジン１０が制御されるときのバルブの開度である。
一方、エンジン１０の状態は刻々と変化するため、エンジン１０の状態がその時々のエンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃに応じた平衡状態にあることは多くはない。換言すれば、状態パラメーターの値は平衡状態値からずれていることが多い。
ＥＣＵ５０は、平衡開度に加えて、ＬＱＩ制御を通じて、各種状態パラメーターの推定状態値を平衡状態値に戻しつつ、各種性状パラメーターの推定性状値を目標性状値に追従させるための最適な指示開度を演算するべく、平衡開度に対する補正開度を演算する。そしてＥＣＵ５０は、各種バルブに対し、平衡開度を補正開度で補正した開度を指示開度として出力する。すなわち、各種バルブに出力される指示開度は、性状パラメーターを目標性状値に追従させつつ状態パラメーターを平衡状態値へ戻す最適な開度に設定される。これにより、エンジン１０は、エンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃに応じた平衡状態を保持しながら、それらエンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃに応じた目標状態へ移行するように作動ガスの性状が制御される。このようにＥＣＵ５０は、定常状態であれ、過渡状態であれ、エンジン１０の吸排気通路に配設されたバルブをその時々のエンジン１０の状態に応じた開度に高い精度のもとで制御することができる。その結果、作動ガスの性状を所望の性状に高い精度で制御することができる。
（２）また、たとえば、各種バルブの平衡開度を環境条件に応じたマップデータに基づき演算することも可能である。しかしながら、こうした構成は、その環境条件ごと、具体的には、外気温ごとや外気圧ごとのデータをバルブごとに用意しなければならず、膨大な量のデータが必要となる。
この点、上記構成によれば、エンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度Ａｃｃに基づいて各種バルブの平衡開度が与えられることで上述した膨大な量のデータが不要となる。また、性状パラメーターは、外気から取り込んだ空気を含む作動ガスの性状に関するパラメーターである。すなわち、性状パラメーターの偏差である性状偏差は、現在の環境条件を反映するものである。そのため、性状パラメーターが目標性状値に追従するように補正開度が演算されることにより、その時々の環境条件を考慮した値を含んだ開度を補正開度として演算することができる。
（３）ＥＣＵ５０においては、状態パラメーターのうちで作動ガスの性状に関するパラメーターを性状パラメーターとして取り扱っている。すなわち、性状パラメーターである作動ガス量ＧｗｇおよびＥＧＲ率ηｅｇｒは、状態量偏差ベクトルδｘ（ｔ）および出力偏差ベクトル∫δｙ（ｔ）の双方の構成要素である。こうした構成によれば、補正開度は、目標性状値に対する定常偏差を小さくしつつ、状態量偏差ベクトルδｘ（ｔ）に性状パラメーターが含まれていることにより性状パラメーターの変化に対する応答性が高い開度とすることができる。
（４）ＥＣＵ５０は、ＬＱＩ制御を通じて、ＥＧＲ弁２７、可変ノズル２８、および、スロットル２０の各種バルブの開度を制御している。これらの開度について、ＥＣＵ５０は、同じ条件のもとで同時期に補正開度を演算したうえで各種バルブに対して指示開度を出力している。その結果、これら複数のバルブの開度を効率よく協調的に制御することができる。
（５）観測値取得部５１は、ＥＧＲ入口温度センサー３３の観測値を観測可能に構成されており、当該センサー３３の観測値を取得することでＥＧＲ弁２７に対応する入口温度取得部として機能する。こうした構成によれば、入口温度取得部の構成を簡易なものとすることができるとともに、ＥＣＵ５０に対する演算負荷を軽減することができる。
なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・ＥＣＵ５０の制御するバルブは、エンジン１０の吸排気通路に配設されるバルブであればよい。そのため、バルブは、ＥＧＲ弁２７、可変ノズル２８、および、スロットル２０に限らず、たとえば、ターボチャージャーに配設されるバルブであって、タービンに流入する排気ガスを分流することによりタービンに対する流入量を調整するウェイストゲートバルブであってもよい。またたとえば、バルブは、排気浄化装置を通過した排気ガスを吸気通路１６におけるコンプレッサー１８の上流へと還流する低圧ＥＧＲ装置において、エンジン１０の排気通路２１に配設されて低圧ＥＧＲガスの還流量を調整する低圧ＥＧＲ弁であってもよい。
・ＥＣＵ５０は、エンジン１０の吸排気通路に配設された１以上のバルブを上述したＬＱＩ制御により制御すればよい。そのため、たとえば、ＥＣＵ５０は、ＥＧＲ弁２７を上述したＬＱＩ制御により制御し、可変ノズル２８およびスロットル２０を他の制御方法により制御してもよい。
・性状パラメーターは、状態パラメーターに含まれていなくてもよい。こうした構成であっても、性状パラメーターを目標値に追従させつつ、状態パラメーターを平衡状態値に制御するための補正開度を演算することができる。
・図４に示すように、入口温度取得部は、観測値取得部５１の取得値を変数に含み、オブザーバー６１の有するモデルとは異なるモデルを用いた演算により入口温度を推定する入口温度推定部７１であってもよい。こうした構成によれば、温度センサーに生じやすい応答遅れの影響が小さくなることから、入口温度を変数に含む演算式により平衡開度を求めるバルブについて、その平衡開度の精度を高めることができる。
・エンジンシステムのエンジン１０は、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンやガスエンジンであってもよい。
１０…ディーゼルエンジン、１０ａ…クランクシャフト、１１…シリンダーブロック、１２…シリンダー、１３…インジェクター、１４…インテークマニホールド、１５…エキゾーストマニホールド、１６…吸気通路、１７…ターボチャージャー、１８…コンプレッサー、１９…インタークーラー、２０…スロットル、２０ａ…スロットルアクチュエーター、２１…排気通路、２２…連結軸、２３…タービン、２４…ＥＧＲ装置、２５…ＥＧＲ通路、２６…ＥＧＲクーラー、２７…ＥＧＲ弁、２７ａ…ＥＧＲアクチュエーター、２８…可変ノズル、２８ａ…ＶＮＴアクチュエーター、３１…スロットル開度センサー、３２…エンジン回転数センサー、３３…ＥＧＲ入口温度センサー、３４…ＥＧＲ開度センサー、３５…ＶＮＴ開度センサー、３６…アクセル開度センサー、３８…アクセルペダル、５０…ＥＣＵ、５１…観測値取得部、５２…目標演算部、５３ａ…平衡値データ、５３ｂ…目標値データ、５４…ＥＧＲ平衡開度演算部、５５…ＶＮＴ平衡開度演算部、６０…ＬＱＩ制御部、６１…オブザーバー、６２…減算器、６３…フルステートフィードバック部、６４…積分器、６５…変換器、６６…行列積演算部、６８…ＥＧＲ指示開度演算部、６９…ＶＮＴ指示開度演算部、７０…出力部、７１…入口温度推定部。

Claims (4)

  1. エンジンの吸排気通路に配設されるバルブの開度を制御するバルブ制御装置であって、
    エンジン回転数、アクセル開度、および、前記バルブの開度の各々の観測値を取得する観測値取得部と、
    前記バルブに流入するガスの温度である入口温度を取得する入口温度取得部と、
    前記エンジン回転数の観測値および前記アクセル開度の観測値のもとで前記エンジンが平衡状態にあるときの値であって前記バルブの上流側圧力および下流側圧力、ならびに、前記バルブの流量を含む状態パラメーターの平衡状態値と、前記エンジン回転数の観測値および前記アクセル開度の観測値に応じた目標状態に前記エンジンがあるときの値であって前記エンジンが吸入する作動ガスの性状に関する性状パラメーターの目標性状値とを演算する目標演算部と、
    前記上流側圧力の平衡状態値、前記下流側圧力の平衡状態値、前記流量の平衡状態値、および、前記入口温度の取得値を変数に含む演算式を用いて前記平衡状態における前記バルブの開度である平衡開度を演算する平衡開度演算部と、
    前記バルブの開度の観測値を変数に含むモデルを有し、前記状態パラメーターの推定状態値と前記性状パラメーターの推定性状値とを演算するオブザーバーと、
    前記平衡状態値と前記推定状態値との偏差、および、前記目標性状値と前記推定性状値との偏差の積分値を構成要素とする偏差ベクトルをゲイン行列に乗算することにより前記平衡開度に対する補正開度を演算する補正開度演算部と、
    前記平衡開度を前記補正開度で補正することにより、前記性状パラメーターを前記目標性状値に追従させつつ前記状態パラメーターを前記推定状態値から前記平衡状態値に制御する指示開度を演算する指示開度演算部と、
    前記指示開度を示す制御信号を前記バルブに出力する出力部とを備える
    バルブ制御装置。
  2. 前記性状パラメーターが前記状態パラメーターに含まれている
    請求項１に記載のバルブ制御装置。
  3. 前記バルブ制御装置は、互いに異なる位置に配設された複数のバルブの開度を制御する
    請求項１または２に記載のバルブ制御装置。
  4. 前記複数のバルブは、
    前記エンジンの排気通路と前記エンジンの吸気通路とを接続して排気ガスの一部を前記吸気通路に還流するＥＧＲ通路の流路断面積を変更可能なＥＧＲ弁と、
    前記排気通路に配設されてターボチャージャーに流入する排気ガスの流路断面積を変更可能な可変ノズルと、
    前記エンジンの吸気通路に配設されて吸入空気の流路断面積を変更可能なスロットルとを含む
    請求項３に記載のバルブ制御装置。
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