(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス再循環装置と、可変流量機構付き過給機とを備えた内燃機関の制御装置において、
前記制御装置は、吸入空気量と吸気酸素濃度を制御量とし、前記排気ガス再循環装置の制御弁の開度と前記可変流量機構付き過給機の制御弁の開度とを操作量とする２入力２出力の積分型最適サーボ系によって構成されるとともに、内燃機関からの前記制御量をフィードバックする出力フィードバック系によって構成され、
さらに、前記制御装置は前記排気ガス再循環装置の制御弁の開度を制御するＥＧＲ弁開度制御部と、前記可変流量機構付き過給機の制御弁の開度を制御する可変流量弁開度制御部とを備え、それぞれの制御部には前記排気ガス再循環装置の制御弁の操作量と前記可変流量機構付き過給機の制御弁の操作量とを相互に非干渉化する非干渉制御器を有し、
前記内燃機関からの前記制御量の出力フィードバックは、前記それぞれの制御部の入力側に戻る第１出力フィードバック信号と、該制御部の出力側に戻る第２出力フィードバック信号とからなり、前記非干渉制御器は、前記第１出力フィードバック信号と前記制御量の目標値との偏差値に、又は該偏差値に基づいて算出される算出値に非干渉化ゲインを掛け合わすように構成され、
前記非干渉化ゲインの各要素は、吸気酸素濃度とＥＧＲ制御弁の開度との非干渉関係を定めるゲイン値と、吸気酸素濃度と可変流量機構付き過給機の制御弁の開度との非干渉関係を定めるゲイン値と、吸気量とＥＧＲ制御弁の開度との非干渉関係を定めるゲイン値と、吸気量と可変流量機構付き過給機の制御弁の開度との非干渉関係を定めるゲイン値と、から構成されることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記非干渉制御器の非干渉化ゲインは、前記第２出力フィードバック信号の出力フィードバックゲイン、および制御対象である前記排気ガス再循環装置の制御弁と前記可変流量機構付き過給機の制御弁とにおける操作量に対する吸入空気量および吸気酸素濃度の伝達関数を用いて設定されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記ＥＧＲ弁開度制御部、および前記可変流量弁開度制御部は、前記それぞれの制御部における前記制御量の目標値と前記第１出力フィードバック信号との偏差を算出する偏差器と、該偏差器によって算出された偏差を積分する積分器と、該積分器によって算出された積分値が入力される前記非干渉制御器とを備えていることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記ＥＧＲ弁開度制御部、および前記可変流量弁開度制御部は、前記それぞれの制御部における前記制御量の目標値と前記第１出力フィードバック信号との偏差を算出する偏差器と、該偏差器によって算出された偏差値が入力される前記非干渉制御器と、該非干渉制御器からの出力値を積分する積分器とを備えていることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記それぞれの制御部には前記操作量を一定の範囲に制限するリミッタが備えられるとともに、アンチワインドアップ部が設けられた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。
【請求項６】
前記非干渉制御器の非干渉化ゲインが内燃機関の回転数および燃料噴射量に対応したマップデータとして設定されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
排気ガス再循環装置と、可変流量機構付き過給機とを備えた内燃機関の制御方法において、
吸入空気量と吸気酸素濃度を制御量とし、前記排気ガス再循環装置の制御弁の開度と前記可変流量機構付き過給機の制御弁の開度とを操作量とする２入力２出力の積分型最適サーボ系によって制御するとともに、内燃機関からの前記制御量をフィードバックする出力フィードバック系によって制御し、
前記排気ガス再循環装置の制御弁の操作量と前記可変流量機構付き過給機の制御弁の操作量とを相互に非干渉化する非干渉制御器の非干渉化ゲインを予め運転状態をパラメータとしたマップデータとして設定し、
前記マップデータには、前記非干渉化ゲインの各要素としての、吸気酸素濃度とＥＧＲ制御弁の開度との非干渉関係を定めるゲイン値と、吸気酸素濃度と可変流量機構付き過給機の制御弁の開度との非干渉関係を定めるゲイン値と、吸気量とＥＧＲ制御弁の開度との非干渉関係を定めるゲイン値と、吸気量と可変流量機構付き過給機の制御弁の開度との非干渉関係を定めるゲイン値と、を記憶し、
前記マップデータから非干渉化ゲインを算出し、
該算出した非干渉化ゲインを前記内燃機関からの前記制御量の出力フィードバック信号と前記制御量の目標値との偏差値に、又は該偏差値に基づいて算出した算出値に掛け合わして前記非干渉制御器からの出力を算出し、
前記非干渉制御器からの出力に基づいて、相互に非干渉化される前記排気ガス再循環装置の制御弁の操作量と前記可変流量機構付き過給機の制御弁の操作量とを算出することを特徴とする内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置および方法に関し、特に、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）と、可変流量機構付き過給機を備えた内燃機関の制御装置および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室内への吸気量および吸気圧力を制御可能な可変流量機構付き過給機の制御装置、および排気ガスの一部を吸気通路またはシリンダ内に還流させる排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）の制御装置を備えた内燃機関、例えば、ディーゼルエンジンにおいては、ＥＧＲの作動時にシリンダ内に流入する空気流量不足を補うため、可変流量機構付き過給機（例えばＶＦＴ）を構成する可変流量機構のガイドベーンを絞ると、排気圧力が増大し、それに伴ってＥＧＲによる排気ガスの還流量が増大し、燃焼室への空気量や吸気酸素濃度が確保されずに黒煙の発生が増大し、また、可変流量機構のガイドベーンを開くと排気圧力の減少によって、ＥＧＲガスの還流量が確保されずにＮＯｘ低減効果が得られない等、ＥＧＲの制御と可変流量機構付き過給機の制御とは相互に影響を及ぼす相互干渉の関係を有している。
【０００３】
特に、過渡時である負荷トルク増大時には、空気流量確保のためＶＦＴの可変流量機構のガイドベーンが閉め側に作動して排気圧力が上昇して必要以上にＥＧＲガスが還流して、空気量および吸気酸素濃度が下がり黒煙の発生が顕著になる。
【０００４】
ＥＧＲ制御と可変流量機構付き過給機の制御との協調制御の技術として、例えば、特開２００３−２１０００号公報（特許文献１）が知られており、この特許文献１には、目標空気量および目標過給圧をそれぞれ設定して、ＥＧＲバルブ偏差量を算出する際には、吸気量センサ検出値と目標空気量との偏差だけでなく、吸気圧センサ検出値と目標空気圧の偏差も考慮し、また、過給機の可変容量機構（ＶＧＴ）の偏差量を算出する際には、吸気圧センサ検出値と目標過給圧の偏差だけではなく、吸気量センサ検出値と目標空気量の偏差も考慮して、ＥＧＲバルブとＶＧＴとを協調して制御することが示されている。
【０００５】
また、特開２０１０−２４９０５７号公報（特許文献２）には、空気流量と吸気圧力の検出値を入力して、ＥＧＲバルブの弁開度と可変ノズルタービンのガイドベーンの開度の制御を行う内燃機関の制御を、２入力２出力の積分型最適サーボ系で制御すると共に、該積分型最適サーボ系の状態フィードバックゲインＫＦ（ｈ）と積分ゲインＫＩ（ｈ）を、内燃機関の運転条件ｈに対応させて変化させることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２１０００号公報
【特許文献２】特開２０１０−２４９０５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の技術は、吸気量センサ検出値と目標空気量との偏差だけでなく、吸気圧センサ検出値と目標空気圧の偏差も考慮してＥＧＲバルブとＶＧＴバルブのそれぞれを協調制御しているが、相互制御への補正係数がマップに設定された定数によって行われるものであるため、つまり、部分的な運転状態における補正係数を用いてのフィードバック制御であるため、常に所望の特性が得られるとは限らず、また動特性への対応が十分考慮されず過渡運転状態においての効果も得られ難いものである。
【０００８】
また、特許文献２には、前述のように、ＥＧＲバルブの弁開度と可変ノズルタービンのガイドベーンの開度とを、２入力２出力の積分型最適サーボ系で制御すると共に該積分型最適サーボ系の状態フィードバックゲインＫＦ（ｈ）と積分ゲインＫＩ（ｈ）を、内燃機関の運転条件ｈに対応させて変化させることが示されている。
しかし、ＥＧＲ弁の開度と可変ノズルタービンのベーン開度との制御干渉を回避する具体的な状態フィードバックゲインＫＦ（ｈ）と積分ゲインＫＩ（ｈ）の設計手法までは開示されていない。
【０００９】
さらに、特許文献１、２に示される制御入力信号は、空気流量と吸気圧力であるが、ディーゼルエンジンにおけるＮＯｘおよびスモーク排出量の低減効果を考慮すると、ＮＯｘの排出量に影響するのは吸気酸素濃度であり、スモークの排出量に影響するのは空気流量であるため、空気流量および吸気圧力に基づく制御は、ＮＯｘ排出量およびスモーク排出量の低減制御に適切とはいえない。
【００１０】
本発明は以上のような問題に鑑みてなされたものであり、ＥＧＲおよび可変流量機構付き過給機を備えた内燃機関において、２入力２出力の積分型最適サーボ系によって前記ＥＧＲおよび可変流量機構付き過給機の制御を行う制御装置を構成すると共に、これらＥＧＲの制御と可変流量機構付き過給機の制御との相互干渉を回避して、ＮＯｘおよびスモークの排出量を効率よく安定した低減効果が得られる制御装置および制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため、本発明は、排気ガス再循環装置と、可変流量機構付き過給機とを備えた内燃機関の制御装置において、前記制御装置は、吸入空気量と吸気酸素濃度を制御量とし、前記排気ガス再循環装置の制御弁の開度と前記可変流量機構付き過給機の制御弁の開度とを操作量とする２入力２出力の積分型最適サーボ系によって構成されるとともに、内燃機関からの前記制御量をフィードバックする出力フィードバック系によって構成され、さらに、前記制御装置は前記排気ガス再循環装置の制御弁の開度を制御するＥＧＲ弁開度制御部と、前記可変流量機構付き過給機の制御弁の開度を制御する可変流量弁開度制御部とを備え、それぞれの制御部には前記排気ガス再循環装置の制御弁の操作量と前記可変流量機構付き過給機の制御弁の操作量とを相互に非干渉化する非干渉制御器を有し、
前記内燃機関からの前記制御量の出力フィードバックは、前記それぞれの制御部の入力側に戻る第１出力フィードバック信号と、該制御部の出力側に戻る第２出力フィードバック信号とからなり、前記非干渉制御器は、前記第１出力フィードバック信号と前記制御量の目標値との偏差値に、又は該偏差値に基づいて算出される算出値に非干渉化ゲインを掛け合わすように構成され、
前記非干渉化ゲインの各要素は、吸気酸素濃度とＥＧＲ制御弁の開度との非干渉関係を定めるゲイン値と、吸気酸素濃度と可変流量機構付き過給機の制御弁の開度との非干渉関係を定めるゲイン値と、吸気量とＥＧＲ制御弁の開度との非干渉関係を定めるゲイン値と、吸気量と可変流量機構付き過給機の制御弁の開度との非干渉関係を定めるゲイン値と、から構成されることを特徴とする。
【００１２】
かかる制御装置の発明によれば、吸入空気量と吸気酸素濃度を制御量とし、排気ガス再循環装置の制御弁の開度と前記可変流量機構付き過給機の制御弁の開度とを操作量とする２入力２出力の積分型最適サーボ系によって構成するとともに、内燃機関から検出される吸入空気量と吸気酸素濃度をフィードバックする出力フィードバック系で構成するので、排気ガス再循環装置の制御弁の開度と可変流量機構付き過給機の制御弁の開度とを２つの独立した制御装置によって制御するものに比べて、お互いに協調した制御ができるようになる。
【００１３】
さらに、前記排気ガス再循環装置の制御弁の開度を制御するＥＧＲ弁開度制御部と、前記可変流量機構付き過給機の制御弁の開度を制御する可変流量弁開度制御部とを備え、それぞれの制御部には前記排気ガス再循環装置の制御弁の操作量と前記可変流量機構付き過給機の制御弁の操作量とを相互に非干渉化する非干渉制御器を有するので、非干渉制御器によって、排気ガス再循環装置の制御弁の操作量と可変流量機構付き過給機の制御弁の操作量とが相互に干渉し合うことがないように制御可能となる。その結果、ＮＯｘおよびスモークの排出量を効率よく安定してできるようになる。
【００１４】
また、本装置発明において好ましくは、前記非干渉制御器の非干渉化ゲインは、前記第２出力フィードバック信号の出力フィードバックゲイン、および制御対象である前記排気ガス再循環装置の制御弁と前記可変流量機構付き過給機の制御弁とにおける操作量に対する吸入空気量および吸気酸素濃度の伝達関数を用いて設定されるとよい。
【００１５】
このように、ＥＧＲ弁開度制御部およびＶＦＴ弁開度制御部にそれぞれ設けられる非干渉制御器の非干渉化ゲインは、それぞれの制御部の出力側に戻される第２出力フィードバック信号のフィードバックゲインに基づいて設定されるため、すなわち、非干渉制御器の非干渉化ゲインを出力フィードバックゲインとの関係で設定するため簡単に非干渉制御器を構成できる。
【００１６】
また、本装置発明において好ましくは、前記ＥＧＲ弁開度制御部、および前記可変流量弁開度制御部は、前記それぞれの制御部における前記制御量の目標値と前記第１出力フィードバック信号との偏差を算出する偏差器と、該偏差器によって算出された偏差を積分する積分器と、該積分器によって算出された積分値が入力される前記非干渉制御器とを備えるとよい。
このように、積分器によって積分された信号に対して非干渉化ゲインが付与されるため非干渉化が効率良く行われる。
【００１７】
また、本装置発明において好ましくは、前記ＥＧＲ弁開度制御部、および前記可変流量弁開度制御部は、前記それぞれの制御部における前記制御量の目標値と前記第１出力フィードバック信号との偏差を算出する偏差器と、該偏差器によって算出された偏差値が入力される前記非干渉制御器と、該非干渉制御器からの出力値を積分する積分器とを備えとよい。
このように、積分器を非干渉制御器の後に設けることによって、非干渉制御器で設定される非干渉制御ゲインが定常運転状態においてもエンジン回転数または燃料噴射量によって変動しても非干渉制御器からの出力が積分器で積分されてから操作量として出力されるので、非干渉化が安定して行われる。
【００１８】
また、本装置発明において好ましくは、前記それぞれの制御部には前記操作量を一定の範囲に制限するリミッタが備えられるとともに、アンチワインドアップ部が設けられるとよい。
このように、アンチワインドアップ部が設けられることによって、操作量がリミッタによって制限された後、制御量の目標値が変化した際に、アンチワインドアップ部がない場合には、ワインドアップ（積分器の飽和状態）が発生して制御量の応答性が悪化するが、本発明のようにアンチワインドアップ部が設けられることによって、ワインドアップの発生が防止され、制御量の応答性が改善して、過渡状態におけるＮＯｘ排出量および黒煙排出量の低減効果が得られる。
【００１９】
また、本装置発明において好ましくは、前記非干渉制御器の非干渉化ゲインが内燃機関の回転数および燃料噴射量に対応したマップデータとして設定されるとよく、内燃機関の運転状態に応じたマップデータとして記憶しておくことで、制御装置を簡単化することができる。
【００２０】
また、本発明は、排気ガス再循環装置と、可変流量機構付き過給機とを備えた内燃機関の制御方法において、
吸入空気量と吸気酸素濃度を制御量とし、前記排気ガス再循環装置の制御弁の開度と前記可変流量機構付き過給機の制御弁の開度とを操作量とする２入力２出力の積分型最適サーボ系によって制御するとともに、内燃機関からの前記制御量をフィードバックする出力フィードバック系によって制御し、前記排気ガス再循環装置の制御弁の操作量と前記可変流量機構付き過給機の制御弁の操作量とを相互に非干渉化する非干渉制御器の非干渉化ゲインを予め運転状態をパラメータとしたマップデータとして設定し、前記マップデータには、前記非干渉化ゲインの各要素としての、吸気酸素濃度とＥＧＲ制御弁の開度との非干渉関係を定めるゲイン値と、吸気酸素濃度と可変流量機構付き過給機の制御弁の開度との非干渉関係を定めるゲイン値と、吸気量とＥＧＲ制御弁の開度との非干渉関係を定めるゲイン値と、吸気量と可変流量機構付き過給機の制御弁の開度との非干渉関係を定めるゲイン値と、を記憶し、前記マップデータから非干渉化ゲインを算出し、該算出した非干渉化ゲインを前記内燃機関からの前記制御量の出力フィードバック信号と前記制御量の目標値との偏差値に、又は該偏差値に基づいて算出した算出値に掛け合わして前記非干渉制御器からの出力を算出し、前記非干渉制御器からの出力に基づいて、相互に非干渉化される前記排気ガス再循環装置の制御弁の操作量と前記可変流量機構付き過給機の制御弁の操作量とを算出することを特徴とする。
【００２１】
かかる方法発明によれば、吸入空気量と吸気酸素濃度を制御量とし、排気ガス再循環装置の制御弁の開度と前記可変流量機構付き過給機の制御弁の開度とを操作量とする２入力２出力の積分型最適サーボ系によって制御するとともに、内燃機関から検出される吸入空気量と吸気酸素濃度をフィードバックする出力フィードバック系で制御するので、排気ガス再循環装置の制御弁の開度と可変流量機構付き過給機の制御弁の開度とを２つの独立した制御装置によって制御するものに比べて、お互いに協調した制御ができるようになる。
【００２２】
さらに、出力フィードバック信号の出力フィードバックゲインに基づいて前記排気ガス再循環装置の制御弁の操作量と前記可変流量機構付き過給機の制御弁の操作量とを相互に非干渉化する非干渉制御器の非干渉化ゲインを算出し、該算出された非干渉化ゲインに設定された前記非干渉制御器からの出力に基づいて、相互に非干渉化される前記排気ガス再循環装置の制御弁の操作量と前記可変流量機構付き過給機の制御弁の操作量とを算出するので、排気ガス再循環装置の制御弁の操作量と可変流量機構付き過給機の制御弁の操作量とが相互に干渉し合うことがないように制御可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の装置発明および方法発明によれば、ＥＧＲおよび可変流量機構付き過給機を備えた内燃機関において、２入力２出力の積分型最適サーボ系によって前記ＥＧＲおよび可変流量機構付き過給機の制御を行うと共に、これらＥＧＲの制御と可変流量機構付き過給機の制御との相互干渉を非干渉制御によって回避して、ＮＯｘおよびスモークの排出量を効率よく安定して低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の制御装置を適用したディーゼルエンジンの全体概要図である。
【図２】可変流量機構付き過給機の要部断面説明図である。
【図３】制御装置の第１実施形態を示す構成ブロック図である。
【図４】非干渉化の説明図である。
【図５】制御装置の第１実施形態の構成図である。
【図６】目標吸気量設定手段、目標吸気酸素濃度設定手段、吸気酸素濃度推定手段の説明図である。
【図７】制御装置の第２実施形態を示す構成ブロック図であり、（ａ）が第１実施形態を示し、（ｂ）が第２実施形態を示す。
【図８】制御装置の第２実施形態を示す構成図である。
【図９】制御装置の第３実施形態を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２６】
（第１実施形態）
＜全体構成＞
図１を参照して、本発明に係る内燃機関の制御装置を適用したディーゼルエンジンの全体構成について説明する。
ディーゼルエンジン（エンジン）１は、排気タービン３とこれに同軸駆動されるコンプレッサ５を有する排気ターボ過給機７を備えており、該排気ターボ過給機７のコンプレッサ５から吐出された空気は吸気通路９を通って、インタークーラ１１に入り吸気が冷却された後、吸気スロットルバルブ１３で吸気流量が制御され、その後、吸気マニホールド１５からエンジン１の図示しない燃焼室内に流入するようになっている。
【００２７】
この排気ターボ過給機７は、可変流量機構付き過給機（ＶＦＴ）であり、具体的な構造は、図２に示すように、周方向に連続的にタービンロータ１７の全周を包囲するように延びる内側スクロール１９と外側スクロール２１とを有し、内側スクロール１９のみに排気ガスを流す状態と、内側スクロール１９と外側スクロール２１の両方に排ガスを流す状態とを切換える切換手段であるＶＦＴ制御弁２３を備えて構成されている。
【００２８】
ＶＦＴ制御弁２３は、ハウジング２５の端部に１箇所設けられており、このＶＦＴ制御弁２３を作動させることで内側スクロール１９にのみ排気ガスを流す状態と、内側スクロール１９と外側スクロール２１の両方に排ガスを流す状態とを切換える。また、その開閉切換えだけでなく開度を調整して中間開度に設定することで過給される吸気流量および吸気圧力を任意に調整可能となっている。
【００２９】
図１に示すように、エンジン１においては、図示しない燃料供給装置から供給される高圧燃料が、燃料噴射制御装置２９によって燃料噴射弁２７からの燃料噴射時期及び噴射量を制御して燃焼室内に噴射されるようになっている。
また、エンジン１の燃焼室で燃焼された燃焼ガス即ち排気ガス３１は、シリンダ毎に設けられた排気ポートが集合して、排気マニホールド３３及び排気通路３５を通って、前記排気ターボ過給機７の排気タービン３を駆動してコンプレッサ５の動力源となった後、排気通路３５を通って排ガス後処理装置（不図示）を通過して排出される。
【００３０】
また、排気通路３５または排気マニホールド３３の途中から、ＥＧＲ通路３７が分岐されて、排ガスの一部が吸気スロットルバルブ１３の下流側部位にＥＧＲクーラ３９、ＥＧＲ制御弁４１を介して投入されるようになっていて、これらＥＧＲ通路３７、ＥＧＲクーラ３９、およびＥＧＲ制御弁４１によってＥＧＲ装置４０が構成されている。
【００３１】
排気ターボ過給機７の上流側には、エアフローメータ４３、大気温度センサ４５が設けられ、吸気マニホールド１５内には、吸気温度センサ４７、吸気圧力センサ４９が設けられている。また、エンジン回転数センサ５１、大気圧センサ５３が設けられて、各センサからの信号は、信号変換器５５を介して制御装置（ＥＣＵ）５７に取り込まれている。さらに、燃料噴射制御装置２９からは燃料噴射量信号が制御装置（ＥＣＵ）５７に取り込まれている。
【００３２】
また、制御装置（ＥＣＵ）５７からは、ＥＧＲ制御弁４１に対してＥＧＲ弁操作量信号ｕ１が出力され、排気ターボ過給機７のＶＦＴ制御弁２３に対してＶＦＴ弁操作量信号ｕ２が出力される。
【００３３】
＜制御装置＞
制御装置５７は、ＥＧＲ制御弁４１の開度制御を行うＥＧＲ制御と、排気ターボ過給機７のＶＦＴ制御弁２３の開度制御を行うＶＦＴ制御とを統合させた積分型最適サーボ系によって構成されている。
すなわち、制御装置５７は、吸入空気量と吸気酸素濃度を制御量とし、ＥＧＲ制御弁４１の開度と、排気ターボ過給機７のＶＦＴ制御弁２３の開度とを操作量とする２入力２出力の積分型最適サーボ系によって構成されている。さらに、エンジン１からの出力として吸入空気量と吸気酸素濃度とを制御量としてフィードバックする出力フィードバック系によって構成されている。
【００３４】
この２入力２出力の積分型最適サーボ系について説明する。
図３に本発明の積分型サーボ系の構成ブロック図を示す。制御量（吸入空気量と吸気酸素濃度）の目標値ｒが入力され、この目標値ｒはエンジンの運転状態に応じて予め設定され、例えば、後述するようにマップデータまた演算式等に基づいて算出される。
【００３５】
加減算器６０によって、目標値ｒと制御対象のエンジン１からの検出値、または検出値に基づく算出値による出力ｙとの偏差（ｅ＝ｒ−ｙ）が算出される。偏差ｅは積分器６２によって積分され、その出力ｖは、非干渉制御器６４に入力される。そして、非干渉制御器６４の出力ｗは加減算器６６に入力して、加減算器６６よって、非干渉制御器６４の出力ｗと出力フィードバックゲイン器６８からの出力Ｆｙとの偏差（ｕ＝ｗ−Ｆｙ）が算出され、該算出値が操作量ｕとして、ＥＧＲ制御弁４１、および排気ターボ過給機７のＶＦＴ制御弁２３へ出力される。
出力フィードバックは、加減算器６０にフィードバックする第１出力フィードバックと、加減算器６６にフィードバックする第２出力フィードバックからなっている。
【００３６】
ここで、非干渉制御器６４の理論について説明する。
出力フィードバックゲイン器６８で設定する出力フィードバックゲインＦ（２×２のマトリックス）を、
0005854662.tif 000002
の状態方程式のＢマトリックス、Ｃマトリックス、および調整パラメータβを用いてＦ＝β（ＣＢ）−１とすると、図３に示す構成ブロック図を式で表すと、次の式（１）〜（６）の関係が成り立つ。  
【００３７】
0005854662.tif 000003
【００３８】
式（６）の関係式を満たすように非干渉制御器６４の非干渉化ゲインＧを設定することで、非干渉化を行うことができる。
すなわち、非干渉化ゲインＧを、出力フィードバックゲインＦ、および制御対象であるＥＧＲ制御弁４１およびＶＦＴ制御弁２３における操作量に対する吸気量および吸気酸素濃度との伝達関数を導出してその状態方程式を表すＡ、Ｂ、Ｃマトリックスを用いて設定することができるようになるため簡単に非干渉制御器６４を構成できる。
【００３９】
また、図４は、ｖからｙまでの非干渉化特性を示しており、ｖ−ｗ間の伝達関数すなわち非干渉制御器６４の伝達関数、ｗ−ｙ間の伝達関数すなわち制御対象Ｐの伝達関数を模式的示した説明図である。
図４（ａ）のように伝達関数を表すことができ、安定状態ではＳ→０（ｔ→∞）となり図４（ｂ）のようになり、ｖからｙまでが単位マトリックスＩに漸近することで非干渉化システムを構成することが示される。
【００４０】
制御装置５７の具体的な構成図を図５に示す。排気ガス再循環装置のＥＧＲ制御弁４１の開度を制御するＥＧＲ弁開度制御部７０と、可変流量機構付きの排気ターボ過給機７のＶＦＴ制御弁２３の開度を制御するＶＦＴ弁開度制御部（可変流量弁開度制御部）７２とを備え、それぞれの制御部には、図３で説明した構成と同様の積分器６２、非干渉制御器６４、および出力フィードバックゲイン器６８がそれぞれ備えられている。
【００４１】
目標吸気酸素濃度は、図６（ａ）に示す目標吸気酸素濃度設定手段８０が設けられ、そこで、エンジン１の運転状態、例えば、エンジン回転数センサ５１からのエンジン回転数、燃料噴射制御装置２９からの燃料噴射量、大気温度センサ４５からの大気温度、および大気圧センサ５３からの大気圧をパラメータにして、例えば、目標吸気酸素濃度マップ８２を用いて、目標吸気酸素濃度ｒ１が求められるようになっている。
【００４２】
また、エンジン１からの吸気酸素濃度の制御量（出力）ｙ１については、図６（ｃ）に示すような吸気酸素濃度推定演算部８４によって推定した値を用いる。
この吸気酸素濃度推定演算部８４は、エンジン１の運転状態を示すエアフローメータ４３からの空気流量、吸気マニホールド１５内の吸気温度センサ４７、吸気圧力センサ４９からの吸気マニホールド圧力、吸気マニホールド温度、エンジン回転数センサ５１からのエンジン回転数、燃料噴射制御装置２９からの燃料噴射量、のそれぞれの信号を基に算出される。
そして、吸気酸素濃度推定演算部８４によって推定した、実吸気酸素濃度と、前記目標吸気酸素濃度設定手段８０によって設定された目標吸気酸素濃度とを加減算器６０ａに入力して、偏差ｅ１を加減算器６０ａからの出力として算出する。そしてこのｅ１の算出値は積分器６２ａに入力される。
【００４３】
一方、目標吸気量についても同様であり、図６（ｂ）に示すような目標吸気量設定手段９０によって設定される。目標吸気量設定手段９０では、エンジン１の運転状態を示すエンジン回転数センサ５１からのエンジン回転数、燃料噴射制御装置２９からの燃料噴射量、大気温度センサ４５からに大気温度、および大気圧センサ５３からの大気圧をパラメータにして、例えば、目標吸気量マップ９２を用いて、目標吸気量ｒ２が求められるようになっている。
【００４４】
また、エンジン１からの吸気量の制御量（出力）ｙ２は、エアフローメータ４３からの信号を基に求める。そして、この実吸気量ｙ２と前記目標吸気量設定手段９０によって設定された目標吸気量ｒ２との偏差ｅ２を、加減算器６０ｂからの出力として算出する。そして偏差ｅ２は積分器６２ｂに入力される。
【００４５】
次に、ＥＧＲ弁開度制御部７０の加減算器６０ａにおいて算出した偏差ｅ１は、積分器６２ａに入力されて積分演算され、積分演算の出力が非干渉制御器６４に入力される。この非干渉制御器６４においては、前述の式（６）の関係に基づいて予め設定された非干渉化ゲインＧが乗算器９６ａよって掛け合わされるようになっている。
【００４６】
非干渉化ゲインＧは分解されて要素（Ｇ１１、Ｇ２１、Ｇ１２、Ｇ２２）ごとに、エンジンの運転状態を示すパラメータ、例えば、エンジン回転数Ｎｅおよび燃料噴射量Ｑｆをパラメータとして設定され、制御装置５７の記憶手段内に非干渉化ゲインマップ１００、１０１、１０２、１０３として記憶されている。図５には示されていないが、非干渉化ゲインマップ１００、１０１、１０２、１０３のそれぞれには、エンジン回転数Ｎｅおよび燃料噴射量Ｑｆの信号が入力される。
【００４７】
非干渉化ゲインマップ１００には、非干渉化ゲインの要素Ｇ１１が設定され吸気酸素濃度とＥＧＲ制御弁４１の開度との関係を定めるゲイン値が設定されている。また非干渉化ゲインマップ１０１には、非干渉化ゲインの要素Ｇ２１が設定され吸気酸素濃度とＶＦＴ制御弁２３の開度との非干渉関係を定めるゲイン値が記憶されている。
【００４８】
さらに、同様に、非干渉化ゲインマップ１０３には、非干渉化ゲインの要素Ｇ２２が設定され吸気量とＶＦＴ制御弁２３の開度との関係を定めるゲイン値が設定されている。また非干渉化ゲインマップ１０２には、非干渉化ゲインの要素Ｇ１２が設定され吸気量とＥＧＲ制御弁４１の開度との非干渉関係を定めるゲイン値が記憶されている。
【００４９】
ＥＧＲ弁開度制御部７０の非干渉化ゲインの要素Ｇ１１は乗算器９６ａよって積分器６２ａの出力信号に掛け合わされ、加算器１０５ａに入力される。また、ＶＦＴ弁開度制御部７２の非干渉化ゲインの要素Ｇ１２は乗算器９６ｃによって積分器６２ｂの出力信号に掛け合わされ、加算器１０５ａに入力される。そしてこれら信号が加算されて出力信号ｗ１として出力される。
【００５０】
また、ＶＦＴ弁開度制御部７２においても、同様に、非干渉化ゲインの要素Ｇ２２は乗算器９６ｄよって積分器６２ｂの出力信号に掛け合わされ、加算器１０５ｂに入力される。また、ＥＧＲ弁開度制御部７０の非干渉化ゲインの要素Ｇ２１は乗算器９６ｂによって積分器６２ａの出力信号に掛け合わされ、加算器１０５ｂに入力される。そしてこれら信号が加算されて出力信号ｗ２として出力される。
【００５１】
ＥＧＲ弁開度制御部７０の出力信号ｗ１は、その後、加減算器６６ａに入力されて、加減算器６６ａで出力フィードバックゲイン器６８からの出力信号と加減算される。
出力フィードバックゲイン器６８は、出力フィードバックゲインＦを出力フィードバックされる吸気酸素濃度および吸気量に乗算器７０ａ〜７０ｄで掛け合わせるようになっている。
【００５２】
出力フィードバックゲインＦは、２×２のマトリックスを分解して、要素（Ｆ１１、Ｆ２１、Ｆ１２、Ｆ２２）ごとに、エンジンの運転状態を示すパラメータ、例えば、エンジン回転数Ｎｅおよび燃料噴射量Ｑｆをパラメータとして設定され、制御装置５７の記憶手段内に出力フィードバックゲインマップ１０５、１０６、１０７、１０８として記憶されている。図５には示されていないが、出力フィードバックゲインマップ１０５、１０６、１０７、１０８のそれぞれには、エンジン回転数Ｎｅおよび燃料噴射量Ｑｆの信号が入力される。
この出力フィードバックゲインＦは、前述の式（６）の関係によって非干渉化できる関係が成立できるようなゲイン値が設定されている。
【００５３】
出力フィードバックゲインマップ１０５には、出力フィードバックゲインの要素Ｆ１１が設定され吸気酸素濃度とＥＧＲ制御弁４１の開度との関係を定めるゲイン値が設定されている。また出力フィードバックゲインマップ１０６には、出力フィードバックゲインの要素Ｆ２１が設定され吸気酸素濃度とＶＦＴ制御弁２３の開度との非干渉関係を定めるゲイン値が記憶されている。
【００５４】
同様に、出力フィードバックゲインマップ１０８には、出力フィードバックゲインの要素Ｆ２２が設定され吸気量とＶＦＴ制御弁２３の開度との関係を定めるゲイン値が設定されている。また出力フィードバックゲインマップ１０７には、出力フィードバックゲインの要素Ｆ１２が設定され吸気量とＥＧＲ制御弁４１の開度との非干渉関係を定めるゲイン値が記憶されている。
【００５５】
ＥＧＲ弁開度制御部７０の非干渉制御器６４からの出力信号ｗ１は加減算器６６ａに入力され、出力フィードバックゲイン器６８からの出力信号と加減算され、その後、非線形性補正部１１０ａにおいて、非線形信号を線形出力信号に変換され、線形出力信号をリミッタ部１１２ａでリミッタ処理を行いＥＧＲ制御弁４１の開度操作量の出力信号ｕ１として出力される。
【００５６】
同様に、ＶＦＴ弁開度制御部７２においても、非干渉制御器６４からの出力信号ｗ２は加減算器６６ｂに入力され、出力フィードバックゲイン器６８からの出力信号と加減算され、その後、非線形性補正部１１０ｂにおいて、非線形信号を線形出力信号に変換され、線形出力信号をリミッタ部１１２ｂでリミッタ処理を行いＶＦＴ制御弁２３の開度操作量の出力信号ｕ２として出力される。
【００５７】
なお、ＥＧＲ制御弁４１への操作量を規制するためにリミッタ部１１２ａ、１１２ｂを設けているが、このリミッタ部に代えて、図８に示すようにＥＧＲ制御弁４１の最大開度と最小開度とをエンジンの運転状態（エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑｆ）に応じて最適に設定したＥＧＲバルブ最小開度マップ１１４、ＥＧＲバルブ最大開度マップ１１６を基に設定してもよい。
【００５８】
これはＥＧＲ弁開度が全開状態になると、ＶＦＴ制御弁２３を変化させても吸気空気量が変化しなくなる傾向があるため、最大開度マップを設けてＶＦＴ制御弁２３の変化が影響されなくなる開度を最大開度として制限している。また、排ガス浄化性能が確認できる最小開度を最小開度として規定して、排ガス浄化性能を確保している。
【００５９】
以上のように構成された制御装置５７によれば、吸入空気量と吸気酸素濃度を制御量とし、ＥＧＲ制御弁４１の開度と可変流量機構付きの排気ターボ過給機７のＶＦＴ制御弁２３の開度とを操作量とする２入力２出力の積分型最適サーボ系によって構成するとともに、エンジン１から検出される吸入空気量と、エンジン１の運転状態に基づいて算出された吸気酸素濃度をフィードバックする出力フィードバック系で構成するので、排気ガス再循環装置のＥＧＲ制御弁４１と排気ターボ過給機７のＶＦＴ制御弁２３とを２つの独立した制御装置によって制御するものに比べて、お互いに協調した制御ができるようになる。
【００６０】
さらに、制御装置５７には排気ガス再循環装置のＥＧＲ制御弁４１の開度を制御するＥＧＲ弁開度制御部７０と、可変流量機構付きの排気ターボ過給機７のＶＦＴ制御弁２３の開度を制御するＶＦＴ弁開度制御部７２とを備えるとともに、ＥＧＲ制御弁４１の操作量とＶＦＴ制御弁２３の操作量とを相互に非干渉化する非干渉制御器６４を有するので、非干渉制御器６４によって、ＥＧＲ制御弁４１の操作量とＶＦＴ制御弁２３の操作量とが相互に干渉し合うことがないように制御可能となる。
【００６１】
また、この非干渉制御器６４の非干渉化ゲインＧを、出力フィードバックゲインＦ、および制御対象であるＥＧＲ制御弁４１およびＶＦＴ制御弁２３における操作量に対する吸気量および吸気酸素濃度との伝達関数を導出してその状態方程式を表すＡ、Ｂ、Ｃマトリックスを用いて設定することができるため簡単に非干渉制御器６４を構成できる。
【００６２】
（第２実施形態）
次に、図７、８を参照して、第２実施形態について説明する。この第２実施形態は、第１実施形態に対して積分器６２の積分演算部６３を、非干渉制御器６４および出力フィードバックゲイン器６８からの出力信号を加減算した後に設置したものである。
【００６３】
図７（ａ）は第１実施形態の構成ブロック図を示し、積分ゲイン部６５で積分ゲインが設定され後に積分演算部６３で演算処理されている。これを第２実施形態では図７（ｂ）のように、積分演算部６３を加減算器６６の後に設置する。
これにより、出力フィードバック信号を微分処理する必要が生じるため、微分処理部１２０を出力フィードバックゲイン器６８の前に設置する。
【００６４】
具体的な構成図を図８に示す。ＥＧＲ弁開度制御部７０において、積分器６２ａの積分演算部６３ａが加減算器６６ａの後方に設置されている。また、出力フィードバックゲイン器６８への入力部に微分処理部１２０ａが設けられている。
また、ＶＦＴ弁開度制御部７２においても、積分器６２ｂの積分演算部６３ｂが加減算器６６ｂの後方に設置されている。また、出力フィードバックゲイン器６８への入力部に微分処理部１２０ｂが設けられている。
その他の構成は、図５に示す第１実施形態と同様であるため、同一符号を付して説明は省略する。
【００６５】
このように積分器６２ａ、６２ｂの積分演算部６３ａ、６３が、非干渉制御器６４によって非干渉化ゲインＧが設定されて、出力フィードバックゲイン器６８によって出力フィードバックゲインＦが設定されて、それらゲインが掛け合わされた出力信号が加減算器６６ａ、６６ｂで加減算された後に設置されることによって、非干渉化が安定して行われる。
【００６６】
すなわち、非干渉制御器６４で設定される非干渉化ゲインＧはエンジン回転数または燃料噴射量をパラメータとする非干渉化ゲインマップ１００、１０１、１０２、１０３によって設定されたるため、定常運転時においてエンジン回転数または燃料噴射量の僅かな変動によって非干渉ゲインの変動が生じて出力される操作量に振動が生じるおそれがあるが、本実施形態では、積分演算部６３ａ、６３ｂで積分されてから操作量として出力されるので、非干渉化処理が安定して行われる。つまり、非干渉化ゲインＧや出力フィードバックゲインＦをエンジン回転数や燃料噴射量をパラメータとしたマップデータによってきめ細かい設定をしても操作量の振動がなく安定した非干渉効果が得られる。
【００６７】
（第３実施形態）
次に、図９を参照して、第３実施形態について説明する。この第３実施形態は、第２実施形態に対して、アンチワインドアップ部１３０を設けたものである。
このアンチワインドアップ部１３０は、図９に示すように、ＥＧＲ制御弁４１の開度操作量の出力信号ｕ１、およびＶＦＴ制御弁２３の開度操作量の出力信号ｕ２が、それぞれ非線形化部１３２ａ、１３２ｂに入力し、その出力が加減算器１３４ａ、１３４ｂで、積分演算部６３ａ、６３ｂの出力とそれぞれ加減算算されて、その出力にゲイン部１３６ａ、１３６ｂでゲインが乗算されて、入力側に戻されて偏差ｅ１、ｅ２に加算器１３８ａ、１３８ｂで加算されるように構成されている。
【００６８】
このように、アンチワインドアップ部１３０が設けられることによって、操作量の出力信号ｕ１、ｕ２がリミッタによって制限された後、制御量の目標値が変化した際に、アンチワインドアップ部がない場合には、ワインドアップ（積分器の飽和状態）が発生して制御量の応答性が悪化するが、本実施形態のようにアンチワインドアップ部１３０が設けられることによって、ワインドアップの発生が防止され、制御量の応答性が改善して、過渡状態におけるＮＯｘ排出量および黒煙排出量の低減効果が得られる。
【００６９】
以上の実施形態において可変流量機構付きの排気ターボ過給機７として、図２に示すＶＦＴ制御弁２３を備えたＶＦＴ（バリアブルフローターボ）構造について説明したが、必ずしもこの構造に限るものではなく、タービン羽根車の周囲に設けられたベーンの開度を変化させてタービン羽根車に流入される排ガス量を可変とする所謂ＶＧＴ（バリアブルジオメトリーターボ）構造であっても、その他、過給流量を可変化できる構造であればよい。
また、吸気量についてもエアフローメータ４３からの検出値でなく、エンジン１の運転状態の信号を基に算出するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明によれば、ＥＧＲおよび可変流量機構付き過給機を備えた内燃機関において、２入力２出力の積分型最適サーボ系によって前記ＥＧＲおよび可変流量機構付き過給機の制御を行う制御装置を構成すると共に、これらＥＧＲの制御と可変流量機構付き過給機の制御との相互干渉を回避して、ＮＯｘおよびスモークの排出量を効率よく安定して低減できるので、内燃機関の制御装置および制御方法への利用に適している。
【符号の説明】
【００７１】
1      内燃機関（ディーゼルエンジン）
７      可変流量機構付き過給機
９      吸気通路
１９    内側スクロール
２１    外側スクロール
２３    ＶＦＴ制御弁
３７    ＥＧＲ通路
４０    排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）
４１    ＥＧＲ制御弁
４３    エアフローメータ
５７    制御装置（ＥＣＵ）
６２、６２ａ、６２ｂ    積分器
６３、６３ａ、６３ｂ    積分演算部
６４    非干渉制御器
６５、６５ａ、６５ｂ    積分ゲイン部
６８    出力フィードバックゲイン器
７０    ＥＧＲ弁開度制御部
７２    ＶＦＴ弁開度制御部（可変流量弁開度制御部）
８０    目標吸気酸素濃度設定手段
８４    吸気酸素濃度推定演算部
９０    目標吸気量設定手段
１００、１０１、１０２、１０３  非干渉化ゲインマップ
１０５、１０６、１０７、１０８  出力フィードバックゲインマップ
１１０、１１０ａ、１１０ｂ  非線形性補正部
１１２、１１２ａ、１１２ｂ  リミッタ部
１３０  アンチワインドアップ部
【図１】
0005854662.tif 000004
【図２】
0005854662.tif 000005
【図３】
0005854662.tif 000006
【図４】
0005854662.tif 000007
【図５】
0005854662.tif 000008
【図６】
0005854662.tif 000009
【図７】
0005854662.tif 000010
【図８】
0005854662.tif 000011
【図９】
0005854662.tif 000012