(57)【要約】【課題】過給機を備えた内燃機関に付帯する排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置のＥＧＲ率またはＥＧＲ量を吸気管内圧力とともに制御するに際して、過給機が仕事をしない負圧域におけるＥＧＲ率またはＥＧＲ量の制御を適正化する。【解決手段】吸気管内圧力と大気圧との差が所定閾値以下またはこれを下回る場合には、吸気管内圧力とその目標値との偏差を０と見なした上で、ＥＧＲ率またはＥＧＲ量をその目標値に制御する制御装置５を構成した。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給機を備えた内燃機関に付帯する排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置のＥＧＲ率またはＥＧＲ量を、吸気管内圧力とともに制御するものであって、
吸気管内圧力と大気圧との差が所定閾値以下またはこれを下回ることを条件として吸気管内圧力とその目標値との偏差を０と見なし、ＥＧＲ率またはＥＧＲ量をその目標値に制御することを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機を備えた内燃機関及びこれに付帯する排気ガス再循環装置を制御する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１に開示されている排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムは、過給機を備えた内燃機関のＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）を制御するものである。過給圧とＥＧＲ率との間には相互干渉が存在し、１入力１出力のコントローラで過給圧、ＥＧＲ率の両方を同時に制御することは難しい。しかも、内燃機関の運転領域によって応答性が異なる上、過給機にはターボラグ（むだ時間）がある。このような事情から、特許文献１に記載のシステムでは、非線形制御対象に対して有効な制御手法であるスライディングモード制御を採用し、相互作用を考慮した他入力多出力のコントローラを設計してＥＧＲ制御をしている。
【特許文献１】特開２００７−０３２４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
アイドル運転時のような低負荷領域、即ちエンジン回転数もトルクも低い負圧域（または、無過給域）では、吸気管内圧力はおおよそ大気圧に近い大きさとなる。このとき、可変ターボのノズル開度を幾ら変えても過給機が仕事をしてくれない状態になる。そのような場合に、吸気管内圧力の目標値が実際の吸気管内圧力より少しでも高いと、可変ターボのノズル開度が絞られ、ついには飽和（極小化）してそれ以上ノズル開度が変化しなくなる。結果、アイドル運転時にも重要なＥＧＲ率の制御に支障を来たしてしまう。
【０００４】
さらなる問題として、負圧域ではモデル化誤差（摂動）が拡大することが挙げられる。制御コントローラの設計に際しては、内燃機関のモデルパラメータを同定するのであるが、通常想定される過給域では、ＥＧＲバルブの開度を上げると排気管内圧力が低下してターボ効率が落ち、吸気管内圧力が低下するという特性が得られる。が、過給機が仕事をしない負圧域では、ＥＧＲバルブの開度を上げて排気管内圧力を下げてもターボ効率に影響しないばかりか、排気管内と吸気管内との圧力差で排気ガスが吸気管に還流するので、吸気管内圧力は低下せず寧ろ上昇する傾向にある。それ故に、過給域を想定して設計したコントローラを以て負圧域の制御を行うことは、最適であるとは言えない。この負圧域に適切に対処するためには、例えばアイドル運転中のみＰＩＤ制御するというように、条件に応じてコントローラを切り換えることが有効である。が、コントローラの複雑化を招く上、複数のコントローラの設計には多大な工数を要する。
【０００５】
本発明は、以上に述べた新規な課題に初めて着目してなされたものであり、モデル同定またはコントローラ設計の工数を徒に増大させることなく、負圧域におけるＥＧＲ率またはＥＧＲ量の制御を適正化することを所期の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、過給機を備えた内燃機関に付帯する排気ガス再循環装置のＥＧＲ率またはＥＧＲ量を、吸気管内圧力とともに制御するものであって、吸気管内圧力と大気圧との差が所定閾値以下またはこれを下回ることを条件として吸気管内圧力とその目標値との偏差を０と見なし、またコントローラに与える吸気管内圧力の計測値を吸気管内圧力目標値に置き換えることで吸気管内圧力を一定と見なして、ＥＧＲ率またはＥＧＲ量をその目標値に制御することを特徴とする制御装置を構成した。
【０００７】
つまり、負圧域に突入した暁には、吸気管内圧力の制御を度外視してＥＧＲ率またはＥＧＲ量の制御に注力するようにしたのである。本発明の制御装置を用いるならば、負圧域におけるＥＧＲ率またはＥＧＲ量の制御を適正化することができる。また、本発明では、条件に応じてコントローラを切り換えるようなことは行わないので、コントローラを複数設計せずに済み、コントローラの構造も複雑化しない。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、モデル同定またはコントローラ設計の工数を徒に増大させることなく、負圧域におけるＥＧＲ率またはＥＧＲ量の制御を適正化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に示すものは、本発明の適用対象の一であるＥＧＲシステムである。内燃機関２に付帯するこのＥＧＲシステムは、吸排気系３、４における複数の流体圧または流量に関する値を検出するための計測器（または、センサ）１１、１２と、それらの値に目標値を設定し、各値を目標値に追従させるべく複数の操作部４５、４２、３３を操作する制御装置たる電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）５とを具備してなる。
【００１０】
内燃機関２は、例えば過給機を備えたディーゼルエンジンである。内燃機関２の吸気系３には、可変ターボのコンプレッサ３１を配設するとともに、その下流に吸気冷却用のインタークーラ３２、及び吸入空気（新気）量を調節するＤスロットルバルブ３３を設ける。また、吸入空気量を計測する流量計１１、吸気管内圧力を計測する圧力計１２をそれぞれ設置する。
【００１１】
内燃機関２の排気系４には、コンプレッサ３１を駆動するタービン４１を配設し、タービン４１の入口には過給機のＡ／Ｒ比を増減させるためのノズルベーン４２を設ける。そして、内燃機関２の燃焼室より排出される排気ガスの一部を吸気系３に還流させるＥＧＲ通路４３を形成する。ＥＧＲ通路４３は、吸気系３におけるスロットルバルブ３３よりも下流に接続する。ＥＧＲ通路４３には、排気冷却用のＥＧＲクーラ４４と、通過する排気ガス（ＥＧＲガス）量を調節する外部ＥＧＲバルブ４５とを設ける。
【００１２】
本実施形態では、ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）と、吸気管内圧力とについて各々目標値を設定し、双方の制御量を一括に目標値に向かわせるべく複数の操作部、即ちＥＧＲバルブ４５、可変ターボのノズル４２及びスロットルバルブ３３を操作する制御を実施する。
【００１３】
ＥＧＲバルブ４５、ノズルベーン４２、スロットルバルブ３３は、ＥＣＵ５により統御されてその開度をリニアに変化させる。各操作部４５、４２、３３は、駆動信号のデューティ比を増減させることで開度を変える電気式のバルブや、あるいはバキュームコントロールバルブ等と組み合わされ弁体のリフト量を制御して開度を変える機械式のバルブ等を用いてなる。
【００１４】
ＥＣＵ５は、プロセッサ、ＲＡＭ、ＲＯＭまたはフラッシュメモリ、Ａ／Ｄ変換回路、Ｄ／Ａ変換回路等を包有するマイクロコンピュータである。ＥＣＵ５は、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力を検出するための計測器１１、１２の他、外部の気圧を検出する計測器（大気圧センサ）１３や、エンジン回転数、アクセルペダルの踏込量、冷却水温、吸気温、外部の気温等を検出する各種計測器（図示せず）と電気的に接続し、これら計測器から出力される信号を受け取って各値を知得することができる。
【００１５】
因みに、本実施形態では、ＥＧＲ率を直接計測していない。内燃機関２のシリンダに入る空気量は、可変ターボのノズル開度を基に予測することが可能である。その空気量の予測値をｇcylとおき、流量計１１で計測される吸入空気量をｇaとおくと、推定ＥＧＲ率ｅegrについて、ｅegr＝１−ｇa／ｇcylなる関係が成立する。ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、可変ターボのノズル開度とシリンダに入る空気量との関係を定めたマップデータが記憶されている。ＥＣＵ５は、可変ターボのノズル開度をキーとしてマップを検索し、シリンダに入る空気量の予測値を得、これと吸入空気量とを上記式に代入してＥＧＲ率を算出する。
【００１６】
並びに、ＥＣＵ５は、ＥＧＲバルブ４５、可変ターボのノズル４２、スロットルバルブ３３や、燃料噴射を司るインジェクタ及び燃料ポンプ等（図示せず）と電気的に接続しており、これらを駆動するための信号を入力することができる。
【００１７】
ＥＣＵ５で実行するべきプログラムはＲＯＭまたはフラッシュメモリに予め記憶されており、その実行の際にＲＡＭへ読み込まれ、プロセッサによって解読される。ＥＣＵ５は、プログラムに従い内燃機関２を制御する。例えば、エンジン回転数、アクセルペダルの踏込量、冷却水温等の諸条件に基づき要求される燃料噴射量（いわば、エンジン負荷）を決定し、その要求噴射量に対応する駆動信号をインジェクタ等に入力して燃料噴射を制御する。その上で、ＥＣＵ５は、プログラムに従い、図２ないし４に示すスライディングモードコントローラ５１、及び目標値切換部５２としての機能を発揮する。
【００１８】
スライディングモードコントローラ５１は、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力のスライディングモード制御を担う。フィードバック制御時、ＥＣＵ５は、各種計測器（図示せず）が出力する信号を受け取ってエンジン回転数、アクセル踏込量、冷却水温、吸気温、外部の気温及び気圧等を知得し、要求噴射量を決定する。続いて、少なくともエンジン回転数及び要求噴射量に基づき、目標ＥＧＲ率及び目標吸気管内圧力を設定する。ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、エンジン回転数及び要求噴射量に応じて設定するべき各目標値を示すマップデータが記憶されている。ＥＣＵ５は、エンジン回転数及び要求噴射量をキーとしてマップを検索し、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力の目標値を得る。さらに、マップを参照して得た目標値を基本値とし、これを冷却水温、吸気温、外部の気温や気圧等に応じて補正して最終的な目標値とする。
【００１９】
そして、ＥＣＵ５は、計測器１１、１２が出力する信号を受け取ってＥＧＲ率及び吸気管内圧力の現在値を知得し、各制御量の現在値と目標値との偏差からＥＧＲバルブ４５の開度、可変ターボのノズル４２の開度及びスロットルバルブ３３の開度を演算して、各々の操作量に対応する駆動信号をそれら操作部４５、４２、３３に入力、開度を操作する。
【００２０】
ＥＧＲ率の適応スライディングモード制御に関して補記する。状態方程式及び出力方程式は、下式（数１）の通りである。
【００２１】
【数１】
2010112310.tif 000003
【００２２】
本実施形態では、状態量ベクトルＸを出力ベクトルＹから直接知得できる構造とする、換言すれば計測器１１、１２を介して検出可能な値を直接の制御対象とすることにより、状態推定オブザーバを排して推定誤差に伴う制御性能の低下を予防している。出力行列Ｃは既知、本実施形態では単位行列とする。
【００２３】
プラントのモデル化、即ち状態方程式（数１）における係数行列Ａ及び入力行列Ｂの同定にあたっては、各操作部４５、４２、３３に様々な周波数からなるＭ系列信号を入力して開度を操作し、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力の値を観測して、その入出力データから行列Ａ、Ｂを同定する。各操作部４５、４２、３３に入力するＭ系列信号は、互いに無相関なものとする。これにより、各値の相互干渉を考慮したモデルを作成することができる。
【００２４】
図４に、適応スライディングモード制御系のブロック線図を示す。スライディングモードコントローラ５１の設計手順には、切換超平面の設計と、状態量を切換超平面に拘束するための非線形切換入力の設計とが含まれる。
【００２５】
１形のサーボ系を構成するべく、当初の状態量ベクトルＸに、目標値ベクトルＲと出力ベクトルＹとの偏差の積分値ベクトルＺを付加した新たな状態量ベクトルＸeを定義すると、下式（数２）に示す拡大系の状態方程式を得る。
【００２６】
【数２】
2010112310.tif 000004
【００２７】
安定余裕を考慮し、切換超平面の設計にはシステムの零点を用いた設計手法を用いる。即ち、上式（数２）の拡大系がスライディングモードを生じているときの等価制御系が安定となるように超平面を設計する。切換関数σを式（数３）で定義すると、状態が超平面に拘束されている場合にσ＝０かつ式（数４）が成立する。
【００２８】
【数３】
2010112310.tif 000005
【００２９】
【数４】
2010112310.tif 000006
【００３０】
故に、スライディングモードが生じているときの線形入力（等価制御入力）は、下式（数５）となる。
【００３１】
【数５】
2010112310.tif 000007
【００３２】
上式（数５）の線形入力を拡大系の状態方程式（数２）に代入すると、下式（数６）の等価制御系となる。
【００３３】
【数６】
2010112310.tif 000008
【００３４】
この等価制御系が安定になるように超平面を設計することと、目標値Ｒを無視した系に対して設計することとは等価であるので、下式（数７）が成立する。
【００３５】
【数７】
2010112310.tif 000009
【００３６】
上式（数７）の系に対して安定度εを考慮し、最適制御理論を用いてフィードバックゲインを求め、それを超平面とすると、下式（数８）となる。
【００３７】
【数８】
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【００３８】
行列Ｐsは、リカッチ方程式（数９）の正定解である。
【００３９】
【数９】
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【００４０】
リカッチ方程式（数９）におけるＱsは制御目的の重み行列で、非負定な対称行列である。ｑ1、ｑ2は偏差の積分Ｚに対する重みであり、制御系の周波数応答の速さの違いにより決定する。ｑ3、ｑ4は出力Ｙに対する重みであり、ゲインの大きさの違いにより決定する。また、リカッチ方程式（数９）におけるＲsは制御入力の重み行列で、正定対称行列である。εは安定余裕係数で、ε≧０となるように指定する。
【００４１】
なお、上記式（数８）、（数９）に替えて、以下に示す離散系の超平面構築式（数１０）及び代数リカッチ方程式（数１１）を用いてもよい。
【００４２】
【数１０】
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【００４３】
【数１１】
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【００４４】
超平面に拘束するための入力の設計には、最終スライディングモード法を用いる。ここでは、制御入力Ｕを、線形入力Ｕeqと新たな入力即ち非線形入力（非線形制御入力）Ｕnlとの和として、下式（数１２）で表す。
【００４５】
【数１２】
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【００４６】
切換関数σを安定させたいので、σについてのリアプノフ関数を下式（数１３）のように選び、これを微分すると式（数１４）となる。
【００４７】
【数１３】
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【００４８】
【数１４】
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【００４９】
式（数１２）を式（数１４）に代入すると、下式（数１５）となる。
【００５０】
【数１５】
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【００５１】
非線形入力Ｕnlを下式（数１６）とすると、リアプノフ関数の微分は式（数１７）となる。
【００５２】
【数１６】
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【００５３】
【数１７】
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【００５４】
従って、切換ゲインｋを正とすれば、リアプノフ関数の微分値を負とすることができ、スライディングモードが保証される。このときの制御入力Ｕは、下式（数１８）である。
【００５５】
【数１８】
2010112310.tif 000020
【００５６】
ηはチャタリング低減のために導入した平滑化係数であって、η＞０である。
【００５７】
スライディングモード制御では、状態量を超平面に拘束するために非線形ゲインを大きくする必要がある。だが、非線形ゲインを大きくすると、制御入力にチャタリングが発生する。そこで、モデルの不確かさを、構造が既知でパラメータが未知な確定部分と、構造が未知だがその上界値が既知な不確定部分とに分ける。状態方程式（数１）に不確かさ（ｆ＋Δｆ）を加え、下式（数１９）で表す。
【００５８】
【数１９】
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【００５９】
不確かさの確定部分ｆは、未知パラメータθを同定することで補償される。さすれば、切換ゲインは不確かさの不確定部分Δｆのみにかかることとなり、切換ゲインが不確実成分全体（ｆ＋Δｆ）にかかる場合と比べて制御入力のチャタリングを大幅に低減できる。
【００６０】
制御入力Ｕは、式（数１８）に適応項Ｕadを追加した下式（数２０）となる。
【００６１】
【数２０】
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【００６２】
制御入力（数２０）におけるΓ1は、適応ゲイン行列である。関数ｈは、一般には状態量ｘ及び／または未知パラメータθの関数とするが、本実施形態ではｈをｘ及びθに無関係な単純式、定数とすることにより、ｘを速やかに収束させ、θの適応速度を高めるようにしている。特に、ｈ＝１とした場合、推定パラメータを下式（数２１）に則って同定することができる。
【００６３】
【数２１】
2010112310.tif 000023
【００６４】
本実施形態では、ＥＧＲ率ｙ1及び吸気管内圧力ｙ2を制御出力変数とし、ＥＧＲバルブ４５の開度ｕ1、可変ターボのノズル４２の開度ｕ2及びスロットルバルブ３３の開度ｕ3を制御入力変数とした３入力２出力のフィードバック制御を行う。状態変数の個数（システムの次数）は、当初の系（数１）では出力変数の個数と同じく２、拡大系（数２）では４となる。制御出力及び状態量をこのように特定することで、排気ガスに直接触れる箇所に流量計等の計測器を設置する必要がなくなる。
【００６５】
尤も、本実施形態のような３入力２出力のシステムでは、ｄｅｔ（ＳＢe）＝０が成立し、行列（ＳＢe）は正則とはならない。そこで、逆行列（ＳＢe）-1を、一般化逆行列として算定する。一般化逆行列には、例えばムーア・ペンローズ型の逆行列（ＳＢe）†を用いる。
【００６６】
しかして、目標値切換部５２は、計測器１２を介して検出される吸気管内圧力と計測器１３を介して検出される外部の気圧との差に応じて、スライディングモードコントローラ５１に与える目標値Ｒの切り換えを行う。目標値切換部５２は、吸気管内圧力と外部の気圧との差が所定閾値以下またはこれを下回る場合において、図３に示しているように、負圧域用の吸気管内圧力目標値ｐｉｍｔａｒｇをコントローラ５１に与える。なおかつ、同じｐｉｍｔａｒｇを、吸気管内圧力の実測値ｙ2としてコントローラ５１に与える。即ち、計測器１２を介して検出した現実の吸気管内圧力の値を制御に使用しない。これにより、負圧域における吸気管内圧力とその目標値との偏差が０となる。翻って、吸気管内圧力と外部の気圧との差が所定閾値以上またはこれを上回る場合には、エンジン回転数や燃料噴射量等に基づいて定まる目標吸気管内圧力ｒ2及び計測器１２を介して検出した現実の吸気管内圧力ｙ2をコントローラ５１に与える。
【００６７】
他方、ＥＧＲ率については、負圧域にあるか否かにかかわらず、エンジン回転数や燃料噴射量等に基づいて定まる目標ＥＧＲ率ｒ1をコントローラ５１に与え、制御出力ｙ1を目標値ｒ1に追従させる制御を継続する。
【００６８】
本実施形態によれば、過給機を備えた内燃機関に付帯する排気ガス再循環装置のＥＧＲ率またはＥＧＲ量を、吸気管内圧力とともに制御するものであって、吸気管内圧力と大気圧との差が所定閾値以下またはこれを下回ることを条件として吸気管内圧力とその目標値との偏差を０と見なし、ＥＧＲ率またはＥＧＲ量をその目標値に制御することを特徴とする制御装置を構成して、負圧域において吸気管内圧力を制御せずにＥＧＲ率またはＥＧＲ量のみを制御することとしたため、可変ターボのノズルベーン４２の開度の飽和等を有効に回避してＥＧＲ率またはＥＧＲ量の制御を適正化することができる。本実施形態の制御装置では、負圧域であるかそうでないかによってフィードバックコントローラ５１の内容や目標値ｒ1の決定ロジックを切り換えたりしないので、複数のモデルを同定し複数のコントローラを設計するといった工数の増大を甘受せずに済む。
【００６９】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。特に、コントローラが実現する多入力多出力制御の手法はスライディングモード制御には限定されず、スライディングモード制御以外の手法、例えば最適制御、Ｈ∞制御、バックステッピング制御等を採用しても構わない。
【００７０】
その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の一実施形態におけるＥＧＲシステムのハードウェア資源構成図。
【図２】同実施形態の制御装置の構成説明図。
【図３】同実施形態の制御装置の構成説明図。
【図４】適応スライディングモードコントローラのブロック線図。
【符号の説明】
【００７２】
５…ＥＣＵ（制御装置）
５１…適応スライディングモードコントローラ
５２…目標値切換部
【図１】
2010112310.tif 000024
【図２】
2010112310.tif 000025
【図３】
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【図４】
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