JP7359367B2 - エンジン吸気系制御装置及びその制御方法 - Google Patents

エンジン吸気系制御装置及びその制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、エンジン吸気系制御装置及びその制御方法に関する。
エンジンは、自動車のガソリンエンジンやディーゼルエンジンに使用される。エンジン制御の分野では、制御対象であるエンジンシステムの非線形性が強く、通常のPID制御（Proportional-Integral-Differential Controller）のような線形制御では、適切な制御ができない。
そこで、制御対象の状況に応じた最善の制御を行うゲインスケジューリング制御が用いられることが多い。ゲインスケジューリング制御は、可変パラメータPID制御とも呼ばれ、PID制御のパラメータであるPIDゲインを、制御対象の状況に応じて変更する。ゲインスケジューリング制御では、制御対象の状況に合わせて制御パラメータを変更するので、制御対象の状況判別に利用する要因の選定が重要となる。通常、制御パラメータの値は、入力の要因に応じてマップ関数を生成する。
エンジン制御では、エンジン運転条件であるエンジン回転数や燃料噴射量等の要因が制御対象の状況判別の要因に用いられる。例えば、非特許文献１の図１２に記載されるとおりである。
特開２０１１－３２９１３号公報 特開２０１０－２４９０５７号公報 特開２００８－１４４６５５号公報 特開２００６－１０５０９８号公報
Z. Yang, E. Winward, D. Zhao, R. Stobart：Three-Input-Three-Output Air Path Control System of a Heavy-Duty Diesel Engine, Proc. of 8th IFAC International Symposium on Advances in Automotive Control pp.616-622 (2016)
しかし、エンジン回転数と燃料噴射量等を要因としてマップ関数によりPID制御パラメータ（PIDゲイン，制御ゲイン）を生成するゲインスケジューリング制御では、複数の状況に応じた最適なPIDゲインを生成することができない。
エンジン吸気系制御装置の場合、エンジン回転数と燃料噴射量が一定値の状況下で、エンジン吸気系が異なる状況になると、その複数の各状況に即したPIDゲインを必要とする。しかし、エンジン回転数と燃料噴射量を要因とするマップ関数は、そのような複数の各状況に則したPIDゲインを生成することはできない。
そこで、本実施の形態の第1の側面の目的は、異なる状況に則したPIDゲインを生成するエンジン吸気系制御装置及びその制御方法を提供することにある。
本実施の形態の第１の側面は、エンジンの吸気系を制御するエンジン吸気系制御装置において、少なくとも前記エンジンの燃料噴射圧と、新気流量と、過給器のコンプレッサ出口温度を入力し、制御ゲインを出力するマップ関数と、前記エンジンの吸気系の制御量と目標値との偏差と、前記制御ゲインとを入力し、前記エンジンの吸気系の操作量を制御する制御部とを有する、エンジン吸気系制御装置である。
第１の側面によれば、異なる状況に則したPIDゲインを生成することができる。
本実施の形態の制御装置が制御する対象のエンジンの構成の一例を示す図である。 エンジン回転数RT_Nと燃料噴射量F_INJ_Qに基づいてPIDゲインを算出するマップ関数を有するエンジン吸気系制御装置の構成例を示す図である。 マップ関数を設計する手順のフローチャートを示す図である。 本発明者らの実験で求められたエンジン回転数と燃料噴射量の２つの組み合わせそれぞれに対する、６つの操作量変化パターンに対する理想的なPIDゲインの例を示す図である。 図４の実験に基づいて設計中のマップ関数Mf_pを示す図である。 本実施の形態における過給器に入力する新気流量NAF_Qと過給器のコンプレッサ出口温度SPC_Toutとエンジン燃料噴射圧F_INJ_Pに基づいてPIDゲインを算出するマップ関数を有するエンジン吸気系制御装置を示す図である。 制御器CNTのPID制御器のブロック図である。 制御器CNTのPID制御器の別のブロック図である。 本実施の形態におけるエンジンの吸気系制御装置のハードウエア構成例を示す図である。 図２と図６のエンジンの吸気系制御装置のマップ関数のPIDゲインの再現率の比較結果を示す図である。 図２と図６のエンジンの吸気系制御装置により制御された制御量と目標値との偏差を評価値として比較した結果を示す図である。 図１１で行った制御量の目標値を変更した場合の制御量の測定値の変化例を示す図である。
図１は、本実施の形態の制御装置が制御する対象のエンジンの構成の一例を示す図である。図１に示されるエンジンは、例えば、自動車に使用されるガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンである。エンジンは、内燃機関の４つの気筒（シリンダ）CYLと、気筒に取り付けられたインジェクタINJCTと、気筒に空気を供給するインテークマニホールドIMFと、気筒の排気を出力するイグゾーストマニホールドEMFを有する。気筒のインジェクタINJCTは、燃料を気筒内に噴射し、その燃料噴射圧INJ_Pを測定するセンサが設けられてもよい。
さらに、エンジンは、外部から空気を吸入する吸気口１１と、吸気した新気流をイグゾーストマニホールドEMFからの排気で圧縮する過給器SPCと、過給器で圧縮された空気をインテークマニホールドIMFに供給する給気通路１と、給気通路１に設けられたインタークーラ３と、IMFに供給する空気量を制御するスロットルバルブ７を有する。また、エンジンは、EMFとIMF間に設けられた排気ガス再循環器（EGR：Exhaust Gas Recirculation）EGRを有し、EGRには排気ガスの温度を下げるEGRクーラ４と排気ガスの再循環量を調整するEGRバルブ６が設けられる。
エンジンの吸気系システム１０には過給器SPCが設けられる。過給器SPCは、排気ガスにより回転するタービン１３と、タービンの回転により回転して新気流を圧縮するコンプレッサ１２と、イグゾーストマニホールドEMFと排気通路２との間に設けられたタービンのバイパスバルブBYP_Vとを有する。また、タービン１３内には、開度が調整可能なタービンベーンTRB_Bが設けられる。タービンベーン開度が可変制御されるタービンは、可変ノズルタービンである。吸気系システム１０には、新気流量NAF_Qを測定するセンサと、過給圧SPC_Pを測定するセンサと、過給器SPCのコンプレッサ１２の出口温度SPC_Toutを測定するセンサとが設けられる。
そして、排気通路２には空気過剰率検出器９が設けられ、更に、排気通路２と排気口８との間には排気後処理装置５が設けられる。
吸気系システム１０の過給器のアクチュエータとして、タービンベーンTRB_Bの開度（タービンベーン開度）と、バイパスバルブBYP_Vの開度（バイパスバルブ開度）がある。また、EGRバルブ６の開度も、タービンを回転する排気ガスの量を制御するので、アクチュエータの１つである。
図２は、エンジン回転数RT_Nと燃料噴射量F_INJ_Qに基づいてPIDゲインを算出するマップ関数を有するエンジン吸気系制御装置の構成例を示す図である。図２のエンジン吸気系制御装置は、エンジンの回転数RT_Nと燃料噴射量F_INJ_Qとその他の要因を入力とし、PIDゲインKp, Ki, Kdをそれぞれ出力するマップ関数MF_1, MF_2, MF_3を有する。
更に、エンジン吸気系制御装置は、エンジンの吸気系の制御量である過給圧SPC_P_yとその目標値SPC_P_rとの偏差errと、マップ関数が出力する制御ゲインであるPIDゲインKp, Ki, Kdとを入力し、タービンベーン開度TRB_B_uを制御する過給器の制御器CNTを有する。過給器の制御器CNTは、例えば、偏差errに対してPIDゲインKp, Ki, Kdに基づいて操作量のタービンベーン開度TRB_B_uを算出するPID制御器である。タービンベーン開度TRB_B_uは、エンジンの吸気系の操作量の１つである。
上記のとおり、エンジン吸気系制御装置は、マップ関数MF_1, MF_2, MF_3と、過給器の制御器CNTと、過給圧SPC_P_yとその目標値SPC_P_rとの差分を求める減算器SUBを有する。そして、上記エンジン吸気系制御装置は、過給圧の目標値の変化に応答して、エンジンENGの過給器の操作量の１つであるタービンベーン開度を制御する。マップ関数MF_1, MF_2, MF_3は、エンジンの状況を示すパラメータであるエンジン回転数RT_Nと燃料噴射量F_INJ_Qとその他の要因の入力に応じて、PID制御器CNTのPIDゲインKp, Ki, Kdを算出する。そして、エンジン吸気系制御装置の制御部CNTは、PIDゲインと制御量の目標値とエンジンの制御量の測定値との偏差errに基づいて、操作量のタービンベーン開度TRB_B_uを可変制御する。
図２のように、マップ関数MF_1, MF_2, MF_3が、エンジンの回転数RT_Nと燃料噴射量F_INJ_Qとその他の要因を入力し、PIDゲインKp, Ki, Kdをそれぞれ出力すると、マップ関数が出力するPIDゲインが、異なる制御状況に対応した理想的なPIDゲインと一致しない場合がある。その理由は次の通りである。
図３は、マップ関数を設計する手順のフローチャートを示す図である。３つのマップ関数MF_1, MF_2, MF_3は、エンジンの回転数RT_Nと燃料噴射量F_INJ_Qとその他の要因の複数の組み合わせに対するPIDゲインKp, Ki, Kdをそれぞれ有するテーブルである。そこで、マップ関数の設計工程は、マップ関数の入力であるエンジンの回転数RT_Nと燃料噴射量F_INJ_Qとその他の要因の複数の組み合わせについて（S10,S18）、処理S11～S17を有する。
まず、実エンジンを動作させ、エンジンの回転数RT_Nと燃料噴射量F_INJ_Qとその他の要因を複数の組み合わせの一つに固定する（S11）。この状態で、操作量（タービンベーン開度TRB_B_U）を変化させたときの制御量（過給圧SPC_P_y）の変化を記録し、被制御装置であるエンジンの吸気系の伝達関数を算出する。操作量の変化パターンとは、タービンベーン開度をある値から別の値に変化させる変化パターンである。具体的には、マップ関数の設計では、操作量の複数の変化パターンについて（S12,S16）、処理S13～S15を実行する。
即ち、入力である操作量を所定の変化パターンで変化させたときの、被制御装置（エンジンの吸気系）の出力である制御量の変化を記録する（S13）。このとき、関連する物理量のデータを収集してもよい。
次に、操作量（タービンベーン開度TRB_B_U）の変化パターンと制御量（過給圧SPC_P_y）の変化に基づいて、モデルであるエンジンの吸気系の伝達関数を算出する（S14）。伝達関数は、時定数TとゲインKと無駄時間Lなどを含む。算出したモデルの伝達関数に基づいて、制御量である過給圧を、過給圧の目標値に適切に変化させる理想的なPIDゲインKp, Ki, Kdをそれぞれ算出する（S15）。理想的なPIDゲインとは、例えば、机上において、前記伝達関数を仮想的な制御対象とし、前記伝達関数とPID制御に基づく制御器を接続して実施する制御シミュレーションの評価において、制御量がオーバーシュートせず且つ過度に遅延しないで制御量の目標値に近づくように操作量を変化させる制御パラメータの値である。上記の処理S13～S15が、操作量の全変化パターンについて行われる。
次に、エンジンの回転数と燃料噴射量から算出した理想的なPIDゲインをそれぞれ出力するマップ関数Mf_p, Mf_i, Mf_kを作成する（S17）。以上の処理S11～S17を、エンジンの回転数と燃料噴射圧の全ての組み合わせについて実行する（S18）。
一般に、エンジンの回転数と燃料噴射量が、エンジンの状況を把握するための物理量と考えられている。したがって、図２のエンジンの状況に応じて最適なPIDゲインを出力するマップ関数の入力（要因）に、エンジンの回転数と燃料噴射量が使用されてきている。
しかしながら、図２のようにマップ関数の入力（要因）をエンジンの回転数と燃料噴射量にすると、マップ関数はエンジンの吸気系の状況に応じた理想的なPIDゲインを出力できない。その理由は、上記のマップ関数の設計工程で、エンジンの回転数と燃料噴射量を所定値に固定した状態で、操作量（タービンベーン開度）の複数の変化パターンそれぞれに対して算出される理想的なPIDゲインは、互いに異なるからである。したがって、マップ関数は、ある所定値のエンジン回転数と燃料噴射量に対して、操作量の複数の変化パターンに対応する複数の理想的なPIDゲインを出力することができない。従来のマップ関数の設計では、マップ関数が、所定値のエンジン回転数と燃料噴射量の入力に対して、複数の理想的なPIDゲインの平均値等を出力するように設計される。その結果、設計されたマップ関数は、制御対象であるエンジンの吸気系の複数の状況下それぞれにおける理想的なPIDゲインを出力することができない。
図４は、本発明者らの実験で求められたエンジン回転数と燃料噴射量の２つの組み合わせそれぞれに対する、６つの操作量変化パターンに対する理想的なPIDゲインの例を示す図である。
エンジン回転数RT_Nと燃料噴射量F_INJ_Qの第１の組み合わせ、１５００rpmと４０mm3/st、の場合、操作量（タービンベーン開度TRB_B_u）の６つの変化パターンNo.1～６に対して算出された理想的なPIDゲインKp, Ki, Kdは、それぞれ異なっている。つまり、No.1～６では、エンジン回転数と燃料噴射量の第１の組合せに対して、理想的なPIDゲインは、Kp1, Ki1, Kd1～Kp6, Ki6, Kd6の６つである。
さらに、エンジン回転数RT_Nと燃料噴射量F_INJ_Qの第２の組み合わせ、２５００rpmと５０cc、の場合も、操作量（タービンベーン開度TRB_B_u）の６つの変化パターンNo.７～１２に対して算出された理想的なPIDゲインKp, Ki, Kdは、それぞれ異なっている。つまり、No.７～１２では、理想的なPIDゲインは、Kp7, Ki7, Kd7～Kp12, Ki12, Kd12の６つである。
図５は、図４の実験に基づいて設計中のマップ関数Mf_pを示す図である。図５には、マップ関数Mf_pの入力（エンジン回転数RT_N、燃料噴射量F_INJ_Q）の組み合わせそれぞれに対する理想的なPIDゲインKpの位置が点でプロットされている。図５に示されるとおり、エンジン回転数RT_N、燃料噴射量F_INJ_Qのいくつかの組み合わせに対して、理想的なPIDゲインKpが複数存在し、ばらついている。つまり、エンジン回転数と燃料噴射量の条件点において、理想的なPIDゲインKpのばらつきが大きい。図中、縦の矢印がばらつきを示す。その結果、マップ関数が状況に応じた理想的なPIDゲインを出力できない。
［第１の実施の形態］
図６は、本実施の形態における過給器に入力する新気流量NAF_Qと過給器のコンプレッサ出口温度SPC_Toutとエンジンの燃料噴射圧F_INJ_Pに基づいてPIDゲインを算出するマップ関数を有するエンジン吸気系制御装置を示す図である。
図６のエンジン吸気系制御装置は、新気流量NAF_Qと過給器のコンプレッサ出口温度SPC_Toutとエンジンの燃料噴射圧F_INJ_Pを入力として、PIDゲインKp、Ki、Kdをそれぞれ出力するマップ関数MF_1、 MF_2、 MF_3を有する。更に、エンジン吸気系制御装置は、エンジンの吸気系の制御量である過給圧SPC_P_yと過給圧の目標値SPC_P_rとの偏差errと、マップ関数が出力する制御ゲインであるPIDゲインKp、Ki、Kdとを入力し、エンジンの吸気系の操作量の１つであるタービンベーン開度TRB_B_uを算出する過給器の制御器CNTを有する。
この過給器の制御器CNTは、例えば、偏差errに対して、マップ関数が出力するPIDゲインKp、Ki、Kdに基づいて、操作量のタービンベーン開度TRB_B_uを算出するPID制御器である。
図４に示されるように、過給器の新気流量NAF_Qとコンプレッサ出口温度SPC_Toutとエンジンの燃料噴射圧F_INJ_Pらは、操作量（タービンベーン開度）の複数（例えば６つ）の変化パターンそれぞれに対して、６組の異なる値、M_af1, T_comp1, R_P1～M_af6, T_comp6, R_P6、 M_af7, T_comp7, R_P7～M_af12, T_comp12, R_P12、をとる。
そこで、発明者らは、エンジンの複数の物理量の組み合わせをランダムに変更し、それぞれの組み合わせを入力し、操作量の各変化パターンに対する理想的なPIDゲインを出力するマップ関数を設計し、各マップ関数について評価を行った。
その結果、図６に示したように、マップ関数の入力を過給器の新気流量NAF_Qとコンプレッサ出口温度SPC_Toutとエンジンの燃料噴射圧F_INJ_Pの組み合わせにしたとき、そのマップ関数は最も高い評価を得ることができた。評価結果については後述する。
本実施の形態では、被制御装置であるエンジンの過給器の操作量が、可変ノズルタービンのベーン開度（タービンベーン開度）であり、制御量が、コンプレッサの出力空気の圧力、過給圧である。また、マップ関数の入力の物理量として、過給器の新気流量NAF_Qとコンプレッサ出口温度SPC_Toutとエンジンの燃料噴射圧F_INJ_Pの組み合わせを採用した。この組み合わせをマップ関数の要因（入力）に採用することで、マップ関数Mf_P, Mf_i, Mf_dは、操作量の複数の変化パターンに対応する過給器の状況に適した理想的なPIDゲインを出力することができる。
図６に示したエンジンの吸気系制御装置は、燃料噴射圧、新気流量、および、コンプレッサ出口温度の情報から第１の制御ゲインとして比例ゲインKpを算出する第１のマップ関数Mf_1と、燃料噴射圧、新気流量、および、コンプレッサ出口温度の情報から第２の制御ゲインとして積分ゲインKiを算出する第２のマップ関数Mf_2と、燃料噴射圧、新気流量、および、コンプレッサ出口温度の情報から第３の制御ゲインとして微分ゲインKdを算出する第３のマップ関数Mf_3を有する。各マップ関数は、３次元構造のマップ、または２次元構造と1次元構造の組み合わせからなるマップのいずれかである。
さらに、エンジンの吸気系制御装置は、被制御量である過給圧の目標値SPC_P_rと過給圧の測定値SPC_P_yとの偏差errを算出する減算器SUBと、比例ゲインKp、積分ゲインKi、微分ゲインKd、および偏差errの情報からタービンベーン開度TRB_B_uの操作量を算出する過給器の制御器CNTを有する。エンジンの吸気系制御装置が、被制御装置であるエンジンの過給器のタービンベーン開度を可変制御し、過給圧SPC_P_yを目標値に近づけるよう制御する。
エンジンの燃料噴射圧F_INJ_Pは、エンジンの排気圧に関わる物理量である。この燃料噴射圧F_INJ_Pは、燃料噴射システムの噴射圧目標値、噴射圧センサの測定値、予測モデルやソフトセンサによる推定値のいずれかであってもよい。
新気流量NAF_Qは、外気から新たにエンジンに取り込まれる新気流量であり、過給器に入力される空気の量であり、新気流量を測定する新気流量センサの測定値、予測モデルやソフトセンサによる推定値のいずれかであってもよい。
さらに、コンプレッサ出口温度SPC_Toutは、過給器のコンプレッサが出力する圧縮された空気の温度であり、コンプレッサ出口側の温度を測定するコンプレッサ出口温度センサの測定値、予測モデルやソフトセンサによるそれらの推定値のいずれかであってもよい。また、大気温度に依存してコンプレッサの圧縮後の温度が異なるので、コンプレッサ出口温度は、コンプレッサ出口温度と大気温度との温度差であってもよい。
過給器の制御器CNTは、比例ゲインKp、積分ゲインKi、微分ゲインKd、および、偏差errの情報から、PID制御器CNTに基づいてタービンベーン開度の操作量を算出する。
PID制御器のゲインGPID(s)は、以下の数式に示されるとおりである。
Figure 0007359367000001
 上記において、uFB(s)はフィードバック制御の操作量、uFF(s)はフィードフォワード制御の操作量である。フィードフォワード制御の操作量uFF(s)は、例えば、エンジン回転数と噴射量によってマップ関数に基づいて決定することもできるし、燃料噴射圧、新気流量、およびコンプレッサ出口温度の情報によってマップ関数に基づいて決定することもできる。
図６の実施の形態例では、PID制御器を用いる例を示したが、PI制御器、PID制御器、微分先行型PD制御器、微分先行型PID制御器（PI-D制御器）、比例・微分先行型PID制御器（I-PD制御器）などを用いることもできる。
図７は、制御器CNTのPID制御器のブロック図である。制御器CNTは、入力される過給圧の目標値SPC_P_rと測定値SPC_P_yの偏差errに、比例ゲインKp、積分ゲインKi、微分ゲインKdをそれぞれ乗算する乗算器２１，２２，２３と、時間積分を求める積分器２４と、時間微分を求める微分器２５と、３つの制御値を加算する加算器２６とを有する。
制御器CNTは、過給圧の目標値SPC_P_rと測定値SPC_P_yの偏差errを比例ゲインKpで乗算した値に比例して、操作量uFBを変化させ、偏差errを積分ゲインKiで乗算した値に比例して、操作量uFBを変化させ、更に、偏差errを微分ゲインKdで乗算した値に比例して、操作量uFBを変化させる。
図８は、制御器CNTのPID制御器の別のブロック図である。図８の制御器CNTは、フィードバック制御部FBと、フィードフォワード制御部FFと、加算器２８を有する。フィードバック制御部FBは、図７と同じである。フィードフォワード制御部FFは、例えば、エンジンの燃料噴射圧F_INJ_Pと、過給器の新気流量NAF_Qとコンプレッサ出口温度SPC_Toutを入力とし、フィードフォワード値uFFを出力するマップ関数である。
フィードフォワード制御部FFは、エンジンの回転数RT_Nと、エンジンの燃料噴射量F_INJ_Qを入力とし、フィードフォワード値uFFを出力するマップ関数でもよい。
図９は、本実施の形態におけるエンジンの吸気系制御装置のハードウエア構成例を示す図である。エンジンの吸気系制御装置は、例えば、電子制御ユニット（ECU：Electric Control Unit）である。このECUは、プロセッサ３０と、プロセッサがアクセス可能なメインメモリ３２と、フラッシュメモリなどのストレージデバイス３４と、物理量の入出力処理を行う入出力部４０と、車内のネットワークとのインターフェースを行うインターフェース部４２とを有する。ストレージデバイス３４には、例えば、PID制御プログラム３６とテーブル形式のマップ関数３８とが記録される。
プロセッサ３０は、エンジンの吸気系の新気流量NAF_Qとコンプレッサ出口温度CMP_Toutと燃料噴射圧F_INJ_Pを入力し、マップ関数３８を参照して、３つの入力の値に対応するマップ関数の出力であるPIDゲインを生成し、PID制御プログラム３６を実行して、前述の制御器CNTのPID制御を行う。
図１０は、図２と図６のエンジンの吸気系制御装置のマップ関数のPIDゲインの再現率の比較結果を示す図である。具体的に、マップ関数のPIDゲインの再現率とは、図２と図６のエンジンの吸気系制御装置それぞれのマップ関数が算出するPIDゲインが、どの程度、理想的なPIDゲインと類似するか、つまり理想的なPIDゲインを再現できたかを示す値である。それぞれの再現率は、入力に対してマップ関数が算出するPIDゲインの、理想的なPIDゲインに対する割合の平均値である。
図１０には、図２と図６のエンジンの吸気系制御装置それぞれにおける、比例ゲインの再現率RP1と積分ゲインの再現率RP2と、両再現率の合計とが示される。
前述したとおり、図２のマップ関数では、エンジンの回転数と燃料噴射量のある組み合わせに対する理想的なPIDゲインが、操作量の変化パターン毎に異なるため、エンジンの回転数と燃料噴射量のある組み合わせに対するPIDゲインが、複数の理想的なPIDゲインの平均値にされることがある。そのため、図２のマップ関数が算出する比例ゲイン及び積分ゲインそれぞれの再現率RP1,RP2は、それぞれ０．５０、０．６６で、それらの合計値は１．１６である。
これに対して、図６のマップ関数では、新気流量とコンプレッサ出口温度と燃料噴射圧のある組み合わせに対してマップ関数が算出する比例ゲイン及び積分ゲインの再現率は、それぞれ０．６７，０．７９であり、それらの合計値は１．４６である。比例ゲイン、積分ゲイン及び両ゲインの合計のいずれにおいても、図６のマップ関数のPIDゲインのほうが、図２のそれより、理想的なPIDゲインに近い値であることを示している。
本発明者らは、エンジンの複数の物理量のうち３つの物理量の順列組合せについて、図６の再現率が高いものを調べた。その結果、図６に示すとおり、新気流量とコンプレッサ出口温度と燃料噴射圧の組合せを入力とした場合のマップ関数が、最も再現性が高かった。
図１１は、図２と図６のエンジンの吸気系制御装置により制御された制御量と目標値との偏差を評価値として比較した結果を示す図である。評価値は、制御量の目標値の複数の変更パターンでの、過給圧の測定値SPC_P_yとその目標値SPC_P_rとの偏差errの所定時間の時間平均値に、操作量であるタービンベーン開度の変化幅の所定時間の時間平均値を重みづけて加算した値である。偏差の所定時間の時間平均値が小さいほど、制御量（過給圧）の測定値がその目標値により近いことを意味する。また、操作量の変化幅の所定時間の時間平均値が小さいほど、バルブ開度を不必要に激しく動作するチャタリングが生じない望ましい操作となる。したがって、複数の目標値の変更パターンにおける前記の評価値を平均化した総合評価が小さいほど、制御性能が高いことを意味する。
図１１によれば、図２の制御装置の総合評価値に比較すると、図６の制御装置の総合評価値が非常に小さくなっている。
但し、評価値は、目標値の複数の変更パターンでの、エンジンの吸気系制御装置の過給圧の測定値SPC_P_yと目標値SPC_P_rとの偏差の積分値の平均値でもよい。
図１２は、図１１で行った制御量の目標値を変更した場合の制御量の測定値の変化例を示す図である。図１２では、過給圧について、過給圧の目標値SPC_P_rの変化を破線で、図２の制御装置における過給圧の出力SPC_P_yの変化を一点鎖線で、図６の制御装置における過給圧の出力SPC_P_yの変化を実線で、それぞれ示す。また、図１２では、偏差については、図２の制御装置における過給圧の出力SPC_P_yから目標値SPC_P_rを減算した偏差errの変化を一点鎖線で、図６の制御装置における同じ偏差errを実線でそれぞれ示す。
図１２によれば、図２の制御装置よりも、図６の制御装置のほうが、出力SPC_P_yが目標値SPC_P_rに対してオーバーシュートなく追従していることがわかる。
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態のPID制御器に対して、第２の実施の形態では、内部モデル制御器（IMC: Internal Model Controller）を用いる。第１の実施の形態では，各制御ゲインはPIDゲイン（比例ゲインKp，積分ゲインKi，微分ゲインKd）であるが，第２の実施の形態の内部モデル制御器の場合は，PIDゲインは、比例ゲインKp:IMC、積分ゲインKi:IMC、微分ゲインKd:IMCである。
具体的には、内部モデル制御器（IMC）の場合、内部モデル制御器のゲインGIMC(s)、比例ゲインKp:IMC、積分ゲインKi:IMC、微分ゲインKd:IMCは、以下の式に示すとおりである。
Figure 0007359367000002
 ただし、Tiは積分時間、Tdは微分時間、λは無駄時間（制御量目標値の変更から実際の制御量が変化開始するまでの時間）である。内部モデル制御器の場合は、被制御対象の動的挙動に則した数理モデルを仮定し，その数理モデルの構造にしたがって制御則が決まり、Kp（λ）、積分時間Ti、微分時間Tdをそれぞれ算出することができる。
［変形例］
上記の実施の形態では、操作量としてタービンベーン開度を用いた。しかし、タービンベーン開度の代わりに、過給器SPCに接続されるイグゾーストマニホールドEMFと排気通路２との間に設けたバイパスバルブBYP_Vのバルブ開度や、エンジンの気筒のイグゾーストマニホールドEMF側の排気ガスを吸気側のインテークマニホールドIMFに再循環させるEGRに設けたバルブ、EGRバルブの開度を用いても、同様に本実施の形態を適用することができる。エンジンにおいて、バイパスバルブBYP_Vのバルブ開度や、EGRバルブの開度を変更した場合も、過給器の過給圧を変更することができる。
また、マップ関数の入力は、新気流量とコンプレッサ出口温度と燃料噴射圧に加えて、更に、エンジン回転数及び燃料噴射量を有してもよい。
さらに、エンジンは、過給器を備えた内燃機関であり、ガソリンエンジンでも、ディーゼルエンジンでも、本実施の形態を適用できる。
以上のとおり、本実施の形態では、エンジンの吸気系のゲインスケジューリング制御装置において、マップ関数が、エンジンの新気流量と過給器のコンプレッサ出口温度とエンジンの燃料噴射圧からPIDゲインを算出し、制御器が、制御量の目標値とその測定値の偏差と、そのPIDゲインに基づいて操作量を算出する。これにより、マップ関数が算出するPIDゲインを、理想的なPIDゲインに近づけることができ、過給器が出力する空気の過給圧の目標値に対するオーバーシュートやアンダーシュートの少ない高精度な過給圧制御を行うことができる。
１：吸気通路
２：排気通路
６：EGRバルブ
１０：吸気系システム
１１：吸気口
SPC：過給器
１２：コンプレッサ
１３：タービン
TRB_B：タービンベーン
SPC_P：過給圧
SPC_Tout：コンプレッサ出口温度
BYP_V：バイパスバルブ
IMF：インテークマニホールド
EMF：イグゾーストマニホールド
RT_N：エンジン回転数
F_INJ_Q：燃料噴射量
F_INJ_P：燃料噴射圧

Claims (7)

  1. 外部空気を吸入する吸気口と、タービン及びコンプレッサを有する過給器とを有するエンジンの吸気系を制御するエンジン吸気系制御装置において、
    少なくとも前記エンジンの燃料噴射圧と、新気流量と、過給器のコンプレッサ出口温度を入力し、入力した前記燃料噴射圧と、新気流量と、過給器のコンプレッサ出口温度の組み合わせに対応する制御ゲインを出力するマップ関数と、
    前記エンジンの吸気系の制御量と目標値との偏差と、前記制御ゲインとを入力し、前記エンジンの吸気系の操作量を制御する制御部とを有し、
    前記制御量は、前記過給器の過給圧であり、
    前記操作量は、前記エンジンの過給器のタービンベーン開度と、前記過給器のバイパス路のバルブ開度と、排気ガス再循環器のバルブ開度のうち、いずれかである、エンジン吸気系制御装置。
  2. 前記制御部は、PID制御器であり、前記制御ゲインは、比例ゲインと積分ゲインと微分
    ゲインを有するPIDゲインである、請求項１に記載のエンジン吸気系制御装置。
  3. 前記制御部は、内部モデル制御器である、請求項１に記載のエンジン吸気系制御装置。
  4. 前記コンプレッサ出口温度は、大気温度との温度差である、請求項１に記載のエンジン吸気系制御装置。
  5. 前記燃料噴射圧は、前記エンジンの燃料噴射圧の計測値、または前記燃料噴射圧の目標値のいずれかである、請求項１に記載のエンジン吸気系制御装置。
  6. 前記マップ関数は、更に、エンジン回転数及び燃料噴射量を入力とする、請求項１に記載のエンジン吸気系制御装置。
  7. 外部空気を吸入する吸気口と、タービン及びコンプレッサを有する過給器とを有するエンジンの吸気系を制御するエンジン吸気系制御方法において、
    少なくとも前記エンジンの燃料噴射圧と、新気流量と、過給器のコンプレッサ出口温度を入力し、マップ関数を参照して入力した前記燃料噴射圧と、新気流量と、過給器のコンプレッサ出口温度の組み合わせに対応する制御ゲインを出力し、
    前記エンジンの吸気系の制御量と目標値との偏差と、前記制御ゲインとを入力し、前記エンジンの吸気系の操作量を制御する、処理を有し、
    前記制御量は、前記過給器の過給圧であり、
    前記操作量は、前記エンジンの過給器のタービンベーン開度と、前記過給器のバイパス路のバルブ開度と、排気ガス再循環器のバルブ開度のうち、いずれかである、エンジン吸気系制御方法。
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