JP7449377B2 - 内燃機関制御装置 - Google Patents
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Description
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
まず、本発明の一実施形態に係る内燃機関制御装置が制御対象とするエンジンシステム全体の構成例について説明する。
図2は、ECU28のハードウェア構成例を示すブロック図である。ECU(Electronic Control Unit)28は、システムバスを介して相互に接続された、制御部31、記憶部32、及び入出力インターフェース33を備える。制御部31は、CPU(central processing unit)31a、ROM(Read Only Memory)31b、及びRAM(Random Access Memory)31cより構成されている。CPU31aがROM31bに記憶された制御プログラムを実行することにより、ECU28の各機能が実現される。
図3は、内燃機関1の排ガスを浄化する後処理システムの構成例を示す。排気浄化触媒21には、一般に三元触媒が用いられる。三元触媒の浄化効率を最適点に保持することを目的として、三元触媒の上流と下流とに、それぞれ排ガス組成を検出するセンサが備えられる。図3において、触媒上流側を「フロント」、触媒下流側を「リア」と称している。
図4は、排ガスの当量比(=理論空燃比/空燃比)と空燃比センサの出力との関係を説明する図である。図5の横軸は当量比、縦軸は空燃比センサ出力を表す。当量比が増加するほど(リッチ化するほど)、空燃比センサ出力は減少する傾向を示す。空燃比センサは、図5の関係を示した情報を予め取得することによって、排ガスについてリーン状態からリッチ状態まで広範囲に精度良く当量比を検出することが可能である点が特徴である。
図5は、排ガスの当量比と酸素センサの出力との関係を説明する図である。図6の横軸は当量比、縦軸は酸素センサ出力を表す。酸素センサ出力は、排ガスに含まれる酸素濃度と空気中の酸素濃度との濃度差に伴う起電力で表される。リーン条件では概ね最小起電力を示し、リッチ条件では最大起電力を示す。そのため理論空燃比(当量比1.0)にて出力が急変する特性を有する。酸素センサ出力の変化タイミングを捉え、これを空燃比制御へフィードバックすることで、排ガス当量比を理論空燃比近傍に保持することができる点が特徴である。
図6は、排ガスの化学種濃度の当量比に対する傾向を示す。図6の上側グラフの横軸は当量比、縦軸は濃度[%]を表し、図6の下側グラフの横軸は当量比、縦軸は濃度[ppm]を表す。
ここで、後処理システムで使用される三元触媒(セリア系)の主な反応過程を説明する。
三元触媒の反応過程は主に、酸化反応、NOx還元反応、酸素貯蔵・放出反応からなる。酸化反応では、リッチ条件あるいは高温条件で生成するCO、H2、HCが酸素と反応し、無害なCO2とH2Oを生成する。未燃炭化水素(HC)にはメタン、プロパン、エチレン、ブタンなどの成分が含まれ、それぞれ異なる速度で反応が進行する(反応式(1)~(3))。NOx還元反応では、主にCOとNOとの反応で表され、無害なCO2とN2が生成される(反応式(4))。酸素貯蔵・放出反応では、触媒材料であるCe(セリウム)を介して、酸素の貯蔵・放出とHC、CO及びNOの各酸化・還元反応が進行する(反応式(5)~(8))。各反応式は、素反応式の形式で表現している。
CO+O2⇒CO2 ・・・・(1)
H2+O2⇒H20 ・・・・(2)
CnHm+O2⇒CO2+H2O ・・・・(3)
CO+NO⇒CO2+N2 ・・・・(4)
CeO2+CO⇒Ce2O3+CO2 ・・・・(5)
CnHm+CeO2⇒CeO2O3+CO+H2O ・・・・(6)
Ce2O3+O2⇒CeO2 ・・・・(7)
Ce2O3+NO⇒CeO2+N2 ・・・・(8)
ψ=[CeO2]/([CeO2]+[Ce2O3]) ・・・・(9)
図7は、触媒活性化温度以上における排ガス当量比に対する三元触媒の浄化効率の傾向を示す。図7の横軸は当量比、縦軸は触媒浄化効率[%]を表す。
図8は、当量比1.0を中心にして、触媒上流の空燃比をリーン側又はリッチ側に時間的にステップ変動させた際の触媒21下流の空燃比、及び触媒21下流に設置された酸素センサ22の出力挙動を示す。図8の各グラフにおいて、横軸は時間、縦軸は触媒上流当量比(上段グラフ)、触媒下流当量比(中段グラフ)、及びリア酸素センサ出力(下段グラフ)を表す。なお、図8では、時間経過に応じて区間(a)~区間(d)に区切っている。
図9は、酸素センサ特性のヒステリシス性を示すグラフである。図9の横軸は当量比、縦軸は酸素センサ出力を表す。
図10は、理論空燃比で制御された状態からモータリング運転(燃料カット)期間を経て、再度理論空燃比状態でファイアリング運転を実施する場合の、リア酸素センサの出力と触媒下流NOx濃度の時間的変化を示す。図10の各グラフにおいて、横軸は時間、縦軸は触媒上流当量比(一段目グラフ)、リア酸素センサ出力(二段目グラフ)、触媒下流NOx濃度(三段目グラフ)、及び触媒下流HC濃度(四段目グラフ)を表す。また、各グラフにおいて、実線はストイキ制御時の挙動、破線は適正なリッチ補正後の挙動、一点鎖線は過剰なリッチ補正後の挙動を示す。
図11は、三元触媒の劣化度合いと酸素貯蔵能力との関係を示す。図11の横軸は触媒劣化度合い、縦軸は酸素貯蔵能を表す。触媒劣化とは、熱的な影響や燃料に含まれる硫黄による被毒の影響を受けて、触媒作用が低下した状態を指す。図11に示すように、三元触媒は、劣化が進行するに従って、酸素貯蔵能力が低下する傾向がある。以下、酸素貯蔵能力の変化が三元触媒の浄化作用に与える影響について述べる。
図12は、新品触媒と劣化触媒において、酸素貯蔵割合とNOx浄化効率との関係を示す。図12の横軸は酸素貯蔵割合、縦軸はNOx浄化効率を表す。実線は新品触媒の特性、破線は劣化触媒の特性を示す。酸素貯蔵能力に対して酸素貯蔵量が100%のとき、酸素貯蔵割合は1.0である。
図13は、新品触媒と劣化触媒において、当量比1.0を中心にして空燃比をリーン側又はリッチ側に時間的にステップ変動させた際の、空燃比センサの出力挙動、酸素貯蔵能力、及びリア酸素センサの出力挙動の比較結果を示す。図13の各グラフにおいて、横軸は時間、縦軸は触媒上流当量比(一段目グラフ)、触媒下流当量比(二段目グラフ)酸素貯蔵割合(三段目グラフ)、及びリア酸素センサ出力(四段目グラフ)を表す。また、各グラフにおいて、実線は新品触媒の挙動、破線は劣化触媒の挙動を示す。
次に、触媒酸素ストレージ制御を実現する制御モデルを構築するにあたり、用いられる機能について説明する。
推定器1410は、入力変数と、内部の状態変数モデル定数と、このモデル定数で規定される静特性及び動特性に基づき、出力変数を求める。これにより、入力に対する出力挙動や内部状態の挙動を推定することができる。
図15は、触媒状態を考慮して空燃比を補正制御する制御モデルの内部構成例を示すブロック図である。この制御モデルは、ECU28により実現される。ECU28は、触媒境界条件演算部1501、触媒温度演算部1502、触媒統計モデル演算部1503、リア酸素センサ統計モデル演算部1504、リア当量比演算部1505、空燃比補正量演算部1506、システム同定部1507、及び劣化度判定部1508を備える。
空燃比補正量演算部1506は、リア酸素センサ検出値とカルマンフィルタによって、触媒酸素貯蔵割合に相当する情報であるリア当量比を補正し、この補正されたリア当量比に基づき空燃比補正量を演算する。そのため、本実施形態では、リア酸素センサ検出値に基づくフィードバック制御と比較して、より好適に触媒内部の酸素貯蔵割合を所定の範囲内に保持することができる。これによって、触媒の浄化効率を高位に保持して、エミッション性能を向上させることができる。空燃比補正量演算部1506は、制御器1440(図14参照)に位置付けられる。
図16は、図15に示した触媒境界条件演算部における触媒境界条件の演算内容を示すブロック図である。触媒境界条件演算部1501は、排ガス流量演算部1601、及び排ガス温度演算部1602を備える。
図17は、図15に示した触媒温度演算部1502における触媒温度の演算内容を示すブロック図である。触媒温度演算部1502は、排ガス/触媒熱伝達量演算部1701、触媒/大気熱伝達量演算部1702、触媒反応生成熱量演算部1703、触媒熱収支演算部1704、及び触媒温度算出部1705を備える。
次に、図15に示した触媒統計モデル演算部1503及びリア酸素センサ統計モデル演算部1504における、触媒統計モデル1503M及びリア酸素センサ統計モデル1504Mで採用する非線形過渡統計モデルについて、図18を参照して説明する。以下では、触媒統計モデル1503M、及びリア酸素センサ統計モデル1504Mを、「統計モデル」と略称することがある。
次に、触媒統計モデル1503M及びリア酸素センサ統計モデル1504Mについて説明する。
触媒統計モデル1503M及びリア酸素センサ統計モデル1504Mは、ともにヒステリシス性を有しており、ヒステリシスモデルを採用している。さらに、リア酸素センサ統計モデル1504Mは、リア酸素センサの有する非線形性を考慮した変換関数を入力非線形要素に備える。このような構成とすることで、触媒下流当量比及びリア酸素センサ出力を精度良く演算することができる。
触媒統計モデル1503Mにおいて、入力非線形要素1810の関数f(ν)に、三元触媒のヒステリシス特性を考慮する項を設定したとき、一例として線形過渡モデル1820の出力y(リア当量比)のモデル数式は式(14)で表すことができる。u1,u2はチューニングパラメータ(定数)である。
また、リア酸素センサ統計モデル1504Mにおいて、入力非線形要素1810の関数f(ν)に、リア酸素センサのヒステリシス特性を考慮する項を設定したとき、一例として線形過渡モデル1820の出力yのモデル数式は式(15)で表すことができる。これにより、入力のリア当量比がリア酸素センサ特性に基づいて変換される。また、リア酸素センサの出力(推定値)が得られる。u1~u3はチューニングパラメータ(定数)である。リア酸素センサ統計モデル1504Mのチューニングパラメータは、触媒統計モデル1503Mとは独立して設定できる。
次に、リア当量比演算部1505において用いられるカルマンフィルタアルゴリズムについて、図19及び図20を参照して説明する。図19は、図15に示したリア当量比演算部1505において用いられるカルマンフィルタアルゴリズムの例を示すフローチャートである。図20は、カルマンフィルタの内部構成例を示すブロック図である。
カルマンフィルタ(リア当量比演算部1505)から出力される触媒下流当量比は、状態フィードバック制御及び劣化同定(劣化学習)のための教師データに用いられる。
図21は、図15に示したシステム同定部1507におけるシステム同定アルゴリズムの例を示すフローチャートである。本実施形態では、触媒統計モデル1503Mのチューニングパラメータの逐次同定に、可変忘却要素付き逐次最小二乗近似アルゴリズムを採用している。忘却要素とは、過去履歴を古さに応じて指数関数的に忘却することである。忘却要素を採用することで、チューニングパラメータに対してエンジンシステムの最新状態の影響を適切に考慮できる。
図22は、図15に示した空燃比補正量演算部1506における空燃比補正量の演算結果及び効果を示す。図22の各グラフにおいて、横軸は時間、縦軸は触媒上流当量比(一段目グラフ)、リア酸素センサ出力(二段目グラフ)、触媒下流NOx濃度(三段目グラフ)、及び触媒下流HC濃度(四段目グラフ)を表す。また、各グラフにおいて、実線はリッチ補正時の挙動、破線は下流当量比の挙動を示す。ここでは、燃料カット後の空燃比補正を例に、空燃比補正量演算部1506の演算方法及び効果を説明する。
図23は、流量センサ2の検出値と、触媒上流/下流の排ガスセンサ(空燃比センサ20、酸素センサ22)の検出値に基づいて空燃比補正量を演算し、燃料噴射量制御を実行する手順例を示すフローチャートである。
このようなカルマンフィルタ補正処理の停止機能を備える構成とすることで、カルマンフィルタによる補正処理を高精度に実施することができる。
この内燃機関制御装置は、少なくとも空燃比センサの検出値を入力とし、触媒下流排ガス当量比(リア当量比)を出力とする触媒統計モデル(触媒統計モデル1503M)を用いて、触媒下流排ガス当量比を演算する下流当量比演算部(触媒統計モデル演算部1503)と、
触媒下流排ガス当量比を入力とし、酸素センサの出力値を出力とする酸素センサ統計モデル(リア酸素センサ統計モデル1504M)を用いて、酸素センサの出力値を演算する酸素出力演算部(リア酸素センサ統計モデル演算部1504)と、酸素出力演算部の演算結果と酸素センサの検出値に基づいて、下流当量比演算部で演算された触媒下流排ガス当量比を補正する下流当量比補正部(リア当量比演算部1505)と、
補正された触媒下流排ガス当量比と空燃比目標値に基づき、内燃機関の混合気の空燃比を制御する空燃比制御部(空燃比補正量演算部1506、制御部31)と、を備える。
本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。
Claims (13)
- 内燃機関の排気管内に設けられた排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒の上流に配置された空燃比センサと、前記排気浄化触媒の下流に配置された酸素センサと、を備えた内燃機関制御装置であって、
少なくとも前記空燃比センサの検出値を入力とし、触媒下流排ガス当量比を出力とする触媒統計モデルを用いて、触媒下流排ガス当量比を演算する下流当量比演算部と、
前記触媒下流排ガス当量比を入力とし、前記酸素センサの出力値を出力とする酸素センサ統計モデルを用いて、前記酸素センサの出力値を演算する酸素出力演算部と、
前記酸素出力演算部の演算結果と前記酸素センサの検出値との差分に基づいて、前記酸素センサ統計モデルの状態方程式の状態変数を更新し前記下流当量比演算部で演算された前記触媒下流排ガス当量比を補正する下流当量比補正部と、
補正された前記触媒下流排ガス当量比と空燃比目標値の差分から空燃比補正量を演算し、前記内燃機関の運転状態に基づいて決定される空燃比制御量を前記空燃比補正量で補正して目標空燃比を演算し、該目標空燃比に基づいて前記内燃機関の混合気の空燃比を制御する空燃比制御部と、を備える
内燃機関制御装置。 - 前記空燃比センサの検出値と、補正された前記触媒下流排ガス当量比とに基づき、前記触媒統計モデルのパラメータを学習する触媒統計モデル学習部、を備える
請求項1に記載の内燃機関制御装置。 - 前記触媒統計モデル学習部に、逐次最小二乗アルゴリズムが適用される
請求項2に記載の内燃機関制御装置。 - 前記下流当量比補正部に、カルマンフィルタが適用される
請求項1に記載の内燃機関制御装置。 - 前記触媒統計モデルに、入力が増加するときと減少するときの間で出力の応答速度が異なる特性を反映したヒステリシス項が設定される
請求項1に記載の内燃機関制御装置。 - 前記酸素センサ統計モデルに、入力が増加するときと減少するときの間で出力の応答速度が異なる特性を反映したヒステリシス項が設定される
請求項1に記載の内燃機関制御装置。 - 前記ヒステリシス項には、正値と負値の両方をとる第1の入力パラメータ、並びに、正値をとる出力パラメータと前記第1の入力パラメータの絶対値との積で定義される第2の入力パラメータ、で規定される項が含まれる
請求項5又は6に記載の内燃機関制御装置。 - 前記酸素センサ統計モデルの出力要素に、シグモイド関数が設定される
請求項1に記載の内燃機関制御装置。 - 前記触媒統計モデルの入力パラメータに、少なくとも触媒温度及び排ガス流量を備える
請求項1に記載の内燃機関制御装置。 - 前記下流当量比補正部は、前記内燃機関の始動直後における前記酸素センサの起動前、前記排気浄化触媒の温度を演算する触媒温度演算部にて演算された前記排気浄化触媒の温度が所定範囲外のとき、又は、前記排気浄化触媒もしくは前記酸素センサの診断時、前記触媒下流排ガス当量比の補正を停止する
請求項1に記載の内燃機関制御装置。 - 前記触媒統計モデル学習部は、前記内燃機関の始動直後における前記酸素センサの起動前、前記排気浄化触媒の温度を演算する触媒温度演算部にて演算された前記排気浄化触媒の温度が所定範囲外のとき、又は、前記排気浄化触媒もしくは前記酸素センサの診断時、前記触媒統計モデルの学習を停止する
請求項2に記載の内燃機関制御装置。 - 学習された前記触媒統計モデルのパラメータの変化に基づき前記排気浄化触媒の劣化度合いを判定し、判定した前記排気浄化触媒の劣化度合いと前記触媒統計モデルで想定されている劣化状態に基づいて、触媒劣化診断結果を出力する劣化度判定部、を更に備える
請求項2に記載の内燃機関制御装置。 - 前記触媒統計モデル学習部は、燃料カット運転時に前記触媒統計モデルの前記パラメータの学習を行う
請求項2に記載の内燃機関制御装置。
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