(57)【要約】  エンジンへの燃料を制御して、エンジンの排気内のエミッションを最小限に抑えるためのシステム。コントローラ（２２）が、アクチュエータ（２８）、例えばエンジンの燃料制御アクチュエータに、及びエンジンの排気出力に近接したＮＯｘ又はＰＭセンサ等のエミッションセンサ（２３、２４）に接続されている。コントローラ、例えばスピードコントローラは、ペダル又は所望のスピード設定機構の出力に接続された入力を有することができる。エンジンの動力出力におけるスピードセンサ（１８）は、コントローラの入力に接続することができる。
2009504988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンに接続されたコントローラと、
前記エンジンの排気システムに配置され、かつ前記コントローラに接続されたセンサと
を備えるエンジン制御システム。
【請求項２】
前記センサがＮＯｘセンサである、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記センサがＰＭセンサである、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記排気システムに配置され、かつ前記コントローラに接続された第２のセンサを更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記センサがＰＭセンサであり、
前記第２のセンサがＮＯｘセンサである、
請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記コントローラに接続されたスピードマップと、
前記コントローラにかつ前記エンジンの出力に接続されたスピードセンサとを更に備え、
前記センサが排気エミッションセンサである、
請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記コントローラにかつ前記エンジンに接続されたアクチュエータユニットを更に備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記コントローラが、前記エンジンのペダル位置によって設定される目標スピードに感知スピードを駆動するためのものである、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記コントローラが、信号を前記アクチュエータユニットに送ることができ、
前記信号が、タイミング、燃料量、又は多数の燃料噴射イベントを含む、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
エンジンからのエミッションを制御するための方法であって、
前記エンジンの排気内のＮＯｘを感知するステップと、
前記排気内のＰＭを感知するステップと、
前記エンジンへの燃料を制御して、前記排気内のＮＯｘ及びＰＭを最小限に抑えるステップと
を含む方法。
【請求項１１】
前記エンジンの出力のスピードを感知するステップと、
スピード設定に従って前記エンジンの出力のスピードを制御するステップと
を更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
ＮＯｘ及びＰＭの量が設定限度内に維持される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記エンジンへの燃料を制御するステップが、タイミング、燃料量、又は多数の燃料噴射イベントを含むことができる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
エンジンからのエミッションを制御するための手段であって、
前記エンジンに接続された燃料制御のための手段と、
前記燃料制御のための手段に接続された、前記エンジンの排気内のエミッションを感知するための手段と
を備える手段。
【請求項１５】
前記燃料制御のための手段が、前記排気内のエミッション量を制御することができる、請求項１４に記載の手段。
【請求項１６】
前記エンジンのスピードを感知するための手段と、
スピード設定に従って前記エンジンのスピードを制御するための手段とを更に備え、
前記スピードを制御するための手段が、前記感知するための手段と、前記燃料制御のための手段とに接続される、
請求項１５に記載の手段。
【請求項１７】
コントローラと、
前記コントローラに接続されたエミッションセンサとを備え、
前記コントローラが、前記エミッションセンサからのエミッション指標に従ってエンジンの少なくとも１つのパラメータを少なくとも部分的に調節するためのものである、
エミッション制御システム。
【請求項１８】
前記コントローラがエンジンに接続される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記コントローラに接続された、前記エンジンの出力にあるスピードセンサと、
前記コントローラに接続されたスピード設定機構と
を更に備える、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記エミッションセンサがＮＯｘ及びＰＭを検出することができる、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
ＮＯｘ及びＰＭエミッションの量が、前記エンジンの出力で感知されるスピードに関しコントローラの作用を受ける、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
コントローラと、
前記コントローラに接続されたエミッションセンサとを備え、
前記コントローラが、前記エミッションセンサからの信号に従ってエンジンの少なくとも１つのパラメータを少なくとも部分的に調節するためのものである、
エンジン制御システム。
【請求項２３】
前記コントローラがルックアップテーブルを備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記ルックアップテーブルが、マルチパラメータハイブリッドアルゴリズムを使用して計算される、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記コントローラが、経時変化する１つ以上のエミッション制御制約を備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２６】
前記コントローラが、１つ以上の比例積分微分（ＰＩＤ）制御ループを備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２７】
前記コントローラが、１つ以上の予測制約制御ループを備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２８】
前記予測制約制御ループの少なくとも１つがスミス予測器を含む、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記コントローラが、１つ以上のマルチパラメータ制御ループを備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項３０】
前記コントローラが、１つ以上のモデルベース予測制御ループを備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項３１】
前記コントローラが、１つ以上の動的マトリックス制御ループを備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項３２】
前記コントローラが、１つ以上の統計的プロセス制御ループを備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項３３】
前記コントローラが、知識ベースエキスパートシステムを備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記コントローラがニューラルネットワークを備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項３５】
前記コントローラがファジー論理を備える、請求項２２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、エンジン、特に内燃機関用の燃料制御に関する。より詳しくは、本発明は、エンジン排気の内容物に基づく燃料制御に関する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
本発明は、エンジンの排気ガス内のエミッション（emission；排出物）に基づくエンジンの燃料制御を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００３】
エンジンでは、エンジンエミッションの制御を補助するために触媒コンバータ及び酸素センサを使用することが多い。運転者によって操作されるペダルは、一般に、空気をエンジン内に配量（meter）する絞り弁に接続される。即ち、ペダルを踏み込むことにより、絞り弁が直接開かれ、より多くの空気をエンジンに入れることができる。所望の空燃比（ＡＦＲ）を、一般に理論空燃比近傍に維持して理論燃焼を達成するために、エンジン排気の酸素レベルを測定して、フィードバックを燃料噴射器制御部に供給するために酸素センサがしばしば使用される。理論燃焼では、火花点火エンジンのエミッション要件を満たすために、三元触媒により、同時に炭化水素、一酸化炭素、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去することができる。
【０００４】
圧縮点火エンジン（例えば、ディーゼルエンジン）は、着実に人気を増している。かつては商用車市場に限られていたディーゼルエンジンは、今や、自動車及び軽トラック市場に実際に浸透しつつある。一つにはこの理由により、ディーゼルエンジンのエミッション低下を求める連邦規制法が可決された。
【０００５】
多くのディーゼルエンジンは、今や、効率の向上のためターボチャージャを使用している。このようなシステムでは、たいていの火花点火エンジンと異なり、ペダルは、エンジン内に空気を配量する絞り弁と直接接続されない。その代わりに、ペダル位置を利用して、燃料「ラック（rack）」を調節することによって、エンジンに供給される燃料レート（rate;率）を制御し、これにより、燃料ポンプ１行程当たりの燃料を増減することができる。エンジンへの空気は一般にターボチャージャによって制御され、このターボチャージャは、可変ノズルターボチャージャ（ＶＮＴ）又はウエィストゲート（waste-gate）ターボチャージャであることが多い。
【０００６】
従来のディーゼルエンジンでは、エンジンに供給される空気と燃料との間に不適合が生じることがあるが、特に、この理由は、運転者がペダルを動かし、即ちより多くの燃料を噴射させる時点と、ターボチャージャが回転を増して、所望の空燃比の生成に必要な追加の空気を供給する時点との間にしばしば時間遅延が存在するからである。この「ターボラグ」を短縮するために、ペダル位置センサ（燃料レートセンサ）を加え、ターボチャージャコントローラにフィードバックして、自然なターボ加速(natural turbo acceleration)を高めることができ、結果として、例えばＶＮＴターボチャージャのベーン位置を設定し得るエンジンへの空気流を増加させることができる。
【０００７】
ペダル位置は、静的マップへの入力としてしばしば使用され、次に、静的マップの出力は、エンジンスピード設定点と測定されたエンジンスピードとを比較し得る燃料噴射器制御ループの設定点として使用される。ペダルを踏み込むことにより、静的マップによって指定される方法でエンジンスピード設定点が増大される。場合によっては、ディーゼルエンジンは、空燃比（ＡＦＲ）推定器を含み、この推定器は、燃料噴射器の流れ及び吸気マニホールドの空気流等の入力パラメータに基づき、排気内に煤煙が現れることが予想される程度にＡＦＲが十分に低い時点（その時点で燃料流量が低減される）を推定する。空気流は、各々の運転状態について吸気マニホールド圧力及び吸気マニホールド流量を供給するターボチャージャによって管理されることが多い。
【０００８】
ディーゼルエンジンでは、一般に、排気流内には、火花点火エンジンに見られる酸素センサに類似するセンサはない。したがって、燃焼に対する制御は、しばしば「開ループ」で実施され、許容可能な排気エミッションに好ましい吸気マニホールドパラメータの設定点を生成するために、エンジンマップ等に依存することが多い。このように、エンジンの空気側制御は、エンジン性能全体にとって及び排気エミッション要件を満たす点において重要な部分であることが多い。多くの場合、ターボチャージャ及びＥＧＲシステムの制御は、ディーゼルエンジンのエミッションレベルを制御する際の一次構成要素である。
【０００９】
現在及び将来のディーゼル自動車のエミッション基準は、粒子状物質（煤）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）に関し部分的に述べることができる。真の煤測定(true soot measurement)に対する直接の測定フィードバックは、関連技術の空燃比（ＡＦＲ）に対し大きな利点を有することができる。本発明のシステムにより、可能性のある煤煙を推論するために（確実でない）ＡＦＲ推定を使用せずに、煤を直接読取ることが可能になり得る。粒子状物質（Particulate matter, ＰＭ）センサ及びＮＯｘセンサの読取りは、ディーゼルエンジンの燃料噴射制御のために使用してもよい。ＮＯｘ及びＰＭは両方とも、ディーゼルエンジンのエミッション規制の対象となる可能性がある。
【００１０】
ＮＯｘ及びＰＭ両方の低減が好ましいであろう。ディーゼルエンジンに対し行われる大部分の変化について、エンジン出口のＰＭの低減が一般にエンジン出口のＮＯｘの増加を伴い、またその逆もあるように、ＮＯｘとＰＭとの間に基本的なトレードオフ（tradeoff;関係）があり得る。図１では、横座標はＰＭの大きさを示し、縦座標はエンジン排気ガス内のＮＯｘの大きさを示している。エンジンのＰＭとＮＯｘのエミッションは、曲線１１で示すことができる。面積１２は、エンジン排気ガスの最大エミッションを表している。ＰＭセンサは、曲線１１のＰＭ部分を特徴づけるのに適しているであろう（一般にリッチな燃焼、高い排気ガス再循環（ＥＧＲ）レートその他と関連して）。
【００１１】
ＮＯｘセンサは、ディーゼルエンジンの燃焼を表す曲線１１の「他の極度状態」("other extreme")を特徴づけるために十分に適しているであろう（一般に、希薄な高温燃焼(lean, hot burn)、低いＥＧＲ等に関連して）。本発明は、ディーゼルのエミッション制御の問題がディーゼル燃焼部の両端をエミッション感知装置で覆うことを必要とするという概念を含み得る。ＮＯｘとＰＭのセンサは、ディーゼル燃焼の理解に統合される情報を与え得る。ＮＯｘとＰＭの両方は、多くの国でますます厳しく規制されるエミッションであるので、このことは重要である。
【００１２】
燃料噴射のある要素又はパラメータは、ＮＯｘとＰＭのエミッションにある影響を及ぼすことができる。それらの例としては、優れた燃料消費率（ｂｓｆｃ）、低いＰＭ及び高いＮＯｘをもたらし得る早期の噴射開始が挙げられる。高いレール圧力は、ＮＯｘの増加、低いＰＭ及び燃料消費量の僅かな改良をもたらし得る。合計燃料量を低減することによって達成されるリーン空燃比（ＡＦＲ）は、ＮＯｘの増加及びＰＭの減少をもたらし得る。合計燃料量を変更することによって達成されるリッチ空燃比（ＡＦＲ）は、ＮＯｘの減少及びＰＭの増加をもたらし得る。
【００１３】
図３は、エンジン排気１４のエミッションに少なくとも部分的に基づくエンジン１３の燃料制御システム１０を示している。ペダル入力１５は、車両又は他のある機構を駆動するために使用し得るエンジン１３の出力のスピードを制御するためのスピードマップ１６に接続可能である。エンジン出力１７のスピードは、スピードセンサ１８によって検出し得る。センサ１８は、スピードの指標１９をスピードマップ１６に提供し得る。スピードマップ１６は、ペダル信号１５とスピード信号１９とを組み合わせて、燃料制御信号２１を燃料レートリミッタ、燃料コントローラ又は他のコントローラ２２に提供し得る。
【００１４】
排気１４内に配置されたＮＯｘセンサ２３は、排気１４内で感知されたＮＯｘの量を示す信号２５を提供し得る。ＰＭセンサ２４は、排気１４内に配置されて、排気１４内で感知されるＰＭの量を示す信号２６を提供し得る。コントローラ２２は、信号２１、２５と２６を処理して、エンジン１３の燃料噴射器及び／又は他のアクチュエータ等のアクチュエータ２８への出力信号２７にすることができる。信号２７は、燃料提供のタイミング、燃料量、多噴射イベント（event;事象）等のエンジン１３の制御に関係する情報を含んでもよい。信号２７は、エンジン制御ユニット２６に行くことが可能であり、エンジン制御ユニットは、次に、適切な操作のためにエンジン１１の様々なパラメータを感知して、制御することが可能である。燃料制御、エミッション制御、エンジン制御等のために、ＳＯｘセンサ等の他のエミッションセンサを本発明のシステム１０に利用してもよい。
【００１５】
図２の噴射レート制御のグラフに示されているように、プレイベント３５、パイロットイベント３６、メインイベント３７、アフタイベント３８及びポストイベント３９等の噴射イベントをこの時間順に提供するように、燃料噴射システムを設計することができる。アフタ噴射イベント及びポスト噴射イベント３８と３９は、エンジンによって発生される力に寄与せず、単に排気を加熱して、過剰酸素を使用し尽くすために使用し得ることが賢明である。前触媒は、燃焼のすべてがシリンダ内で行われないので、本発明の方法の重要な部分であり得る。
【００１６】
図３では、信号２５と２６は、燃料レートリミッタ、燃料コントローラ又はコントローラ２２に排気１４内のＮＯｘとＰＭの量を示すことができる。コントローラ２２は、排気１４内のＮＯｘとＰＭのエミッションを制御するか又は制限するように、エンジン１３への燃料噴射又は供給、及び／又は他のパラメータを調節又は制御するためのものであり得る。エミッションは、図１の曲線１１の部分３１によって表されるように維持し得る。ＮＯｘとＰＭとの間のトレードオフは、一般に、ＰＭの低減がＮＯｘの増加を伴い、その逆もあり得ることを意味する。ＰＭセンサ２４は、曲線１１の部分３２の情報に依存し得る。ＮＯｘセンサ２３は、曲線１１の部分３３の検知情報に依存し得る。両方のセンサ２３と２４は、曲線１１の部分３１の排気１４内のエミッション出力を達成するために、情報を組み合わせて提供し得る。
【００１７】
ＰＭセンサ２４は、例えばリッチ（rich;濃混合気）燃焼又は高い排気再循環率に一般に関連付けられ得る曲線１１のＰＭ部分３２を適切に特徴づけることができる。ＮＯｘセンサ２３は、例えばリーン（lean;希薄混合気）燃焼又は高温燃焼(hot burn)及び低い排気燃焼レートに一般に関連付けられ得る燃焼の他の極度状態(extreme)を特徴づけるためにより適しているであろう。
【００１８】
場合によっては、コントローラ２２は、多変数モデル予測コントローラ（ＭＰＣ）であってもよい。ＭＰＣは、エンジン動作の動的プロセスのモデルを含み、制御変数及び測定出力変数の制約を受けるエンジンに予測制御信号を提供することができる。モデルは、用途に応じて、静的及び／又は動的であり得る。場合によっては、モデルは、１つ以上の入力信号ｕ（ｔ）から１つ以上の出力信号ｙ（ｔ）を生成してもよい。動的モデルは、一般に、システムの時間応答に関する情報を加えた静的モデルを含む。したがって、動的モデルは、静的モデルよりも忠実度が高いことが多い。
【００１９】
数学的な表現では、線形動的モデルは、次式、
ｙ（ｔ）＝Ｂ０＊ｕ（ｔ）＋Ｂ１＊ｕ（ｔ−１）＋．．＋Ｂｎ＊ｕ（ｔ−ｎ）＋Ａ１＊ｙ（ｔ−１）＋．．．Ａｍ＋＊ｙ（ｔ−ｍ）で表され、
式中、Ｂ０．．．Ｂｎ、及びＡ１．．．Ａｍは定数行列である。動的モデルでは、時間ｔにおける出力であるｙ（ｔ）は、現在の入力ｕ（ｔ）、１つ以上の過去の入力ｕ（ｔ−１），．．．，ｕ（ｔ−ｎ）、同様に１つ以上の過去の出力ｙ（ｔ−１）．．．ｙ（ｔ−ｍ）に基づいてもよい。
【００２０】
静的モデルは、行列Ｂ１＝．．．＝Ｂｎ＝０、及びＡ１＝．．．＝Ａｍ＝０である特別な場合であり、以下のより簡単な関係式によって与えられる。
ｙ（ｔ）＝Ｂ０  ｕ（ｔ）
示した静的モデルは、単純な行列乗数である。静的モデルは、一般に、入力ｕ（ｔ−１）、ｕ（ｔ−２）．．．又は出力ｙ（ｔ−１）．．．等の「メモリ」をもたない。この結果、静的モデルはより簡単になり得るが、ある動的なシステムパラメータをモデル化する際にあまり強力でない場合がある。
【００２１】
ターボチャージャ式のディーゼルシステムでは、システムの動作機構は、比較的複雑なことがあり、その相互作用のいくつかは、「非最小位相」として知られる特徴を有し得る。これは、出力ｙ（ｔ）が、入力ｕ（ｔ）のステップの作用を受けると、最初は一方向に移動し、次に、方向転換して、その定常状態に向かって反対方向に移動可能な動的応答である。ディーゼルエンジン内の煤（ＰＭ）エミッションはその一例にすぎない。場合によっては、これらの動作機構は、制御システムの最適動作に重要であり得る。したがって、少なくともいくつかの制御パラメータをモデル化するときに、しばしば動的モデルが使用される。
【００２２】
一例では、ＭＰＣは、１つ以上のパラメータ（例えば、エンジンスピード１９、ＮＯｘ２６、ＰＭ２５）のそれぞれに対するエンジンの１つ以上のアクチュエータ（例えば、燃焼供給レート等）の変化の影響をモデル化する多変数モデルを含んでもよく、多変数コントローラは、２つ以上のパラメータの所望の応答を生成するようにアクチュエータを制御してもよい。同様に、モデルは、場合によっては、１つ以上のエンジンパラメータのそれぞれに対する２つ以上のアクチュエータの同時変化の影響をモデル化してもよく、多変数コントローラは、１つ以上のパラメータのそれぞれの所望の応答を生成するようにアクチュエータを制御することが可能である。
【００２３】
例えば、離散時間力学系の状態・空間モデルは、以下の形態の式を用いて表すことができる。
ｘ（ｔ＋１）＝Ａｘ（ｔ）＋Ｂｕ（ｔ）
ｙ（ｔ）＝Ｃｘ（ｔ）
モデル予測アルゴリズムは、問題、即ち、
ｕ（ｋ）＝ａｒｇ  ｍｉｎ｛Ｊ｝
を解くことを含む。
【００２４】
ここで、関数Ｊは、次式、
【数１】
2009504988.tif 000003
によって与えられ、
次式、
【数２】
2009504988.tif 000004
の制約を受ける。ある例では、これは２次プログラミング（ＱＰ）の問題に変換されて、標準又はカスタマイズしたツールによって解かれる。
【００２５】
変数「ｙ（ｋ）」は、センサ測定値を含んでもよい（ターボチャージャの問題では、これらは、エンジンスピード、ＮＯｘエミッション、ＰＭエミッション等を含むが、それらに限定されない）。変数
【数３】
2009504988.tif 000005
は、測定値「ｙ（ｔ）」が利用可能である場合に、時間「ｔ＋ｋ」で予測される系の出力を示す。これらの出力をモデル予測コントローラで用いて、「最善」（性能指数Ｊによる）の予測出力シーケンスが得られる入力シーケンスを選択することができる。
【００２６】
変数「ｕ（ｋ）」は、Ｊを最適化することによって生成され、場合によっては、アクチュエータの設定点に使用される。燃料コントローラの問題では、これらの信号２７は、タイミング、量、多噴射イベント等を含んでもよいが、それらに限定されない。変数「ｘ（ｋ）」は、系の動的な状態空間モデルの内部状態を表す変数である。変数
【数４】
2009504988.tif 000006
は、状態変数ｋの将来への離散時間ステップの予測バージョンを示し、モデル予測コントローラに使用して系の将来の値を最適化することができる。
【００２７】
変数ｙｍｉｎ及びｙｍａｘは制約であり、系の予測される測定値
【数５】
2009504988.tif 000007
が達成可能である最小値及び最大値を示すことが可能である。これらは、しばしば、制御系の閉ループ挙動に対するハードリミットに対応する。例えば、ある所定の時間において、ＰＭエミッションに１秒当たりあるグラム数を超えさせないように、ＰＭエミッションに対しハードリミットを課してもよい。場合によっては、最小値ｙｍｉｎ又は最大値ｙｍａｘのみの制約が設けられる。例えば、最大のＰＭエミッション制約を設けてもよく、一方、最小のＰＭエミッション制約は不要であるか又は望ましくない場合がある。
【００２８】
変数ｕｍｉｎ及びｕｍａｘも制約であり、系のアクチュエータの
【数６】
2009504988.tif 000008
が達成可能である最小値及び最大値を示し、これらはしばしばアクチュエータに対する物理的制限に対応する。例えば、燃料量は、アクチュエータによって達成可能な最大燃料レートに対応する最小値及び最大値を有してもよい。上記のように、場合によりまた状況に応じて、最小値ｕｍｉｎ又は最大値ｕｍａｘのみの制約を設けてもよい。同様に、制約（例えば、ｙｍｉｎ、ｙｍａｘ、ｕｍｉｎ、ｕｍａｘ）の一部又は全部は、現在の動作状態に応じて時間とともに変化し得る。この状態及びアクチュエータの制約は、インターフェースを介してコントローラ２２に設けられ得る。
【００２９】
定数行列Ｐ、Ｑ、Ｒは、しばしば、それぞれの変数の最適化に対するペナルティを設定するために使用される正定値行列である。実際にこれらを使用して、系の閉ループ応答を「調整」してもよい。
【００３０】
図４は、例示的なモデル予測コントローラの概略図である。この例では、ＭＰＣ２２は、状態オブザーバ４１及びＭＰＣコントローラ４２を含んでもよい。ＭＰＣコントローラ４２は、エンジン１３のアクチュエータ等にいくつかの制御出力「ｕ」を提供する。例示的な制御出力２７としては、例えば、タイミング、量、多噴射イベント等が挙げられる。ＭＰＣコントローラは、制御出力ｕ（ｔ）、ｕ（ｔ−１）、ｕ（ｔ−２）等の過去の値を記憶するためのメモリを含むことが可能である。
【００３１】
状態オブザーバ４１は、いくつかの入力「ｙ」、いくつかの制御出力「ｕ」、及びいくつかの内部変数「ｘ」を受け取ることができる。例示的な入力「ｙ」としては、例えば、エンジンスピード信号１９、ＮＯｘセンサ２３の出力２６、及び／又はＰＭセンサ２４の出力２５が挙げられる。入力「ｙ」は、常時、断続的、又は周期的、或いは必要に応じて任意の他の時間に問い合わせされてもよいことが考えられる。同様に、これらの入力パラメータはあくまで例示であり、用途に応じて、より少ない又はより多い入力信号を提供してもよいことが考えられる。場合によっては、状態オブザーバは、用途に応じて、いくつかの入力「ｙ」、いくつかの制御出力「ｕ」、及びいくつかの内部状態変数「ｘ」のそれぞれについて、現在及び／又は過去の値を受け取ることができる。
【００３２】
状態オブザーバ４１は、現在の１組の状態変数「ｘ」を生成することが可能であり、次に、これらがＭＰＣコントローラ４２に提供される。次に、ＭＰＣコントローラ４２は、新しい制御出力「ｕ」を計算することが可能であり、これらがエンジン１３のアクチュエータ等に提示される。制御出力「ｕ」は、常時、断続的、又は周期的、或いは必要に応じて任意の他の時間に更新されることができる。エンジンシステム４４は、新しい制御出力「ｕ」を使用して動作し、新しい入力「ｙ」を生成し得る。
【００３３】
例示的な一例では、ＭＰＣ２２は、標準の２次プログラミング（ＱＰ）技術及び／又は線形プログラミング（ＬＰ）技術を使用してプログラムされ、制御出力「ｕ」に関する値を予測することが可能であり、この結果、エンジンシステム４４は、所望の目標範囲内の所望の目標値にあり及び／又は所定の制約に違反しない入力「ｙ」を生成する。例えば、エンジンスピード、ＮＯｘ及び／又はＰＭのエミッションに対する燃料量及びタイミングの影響を知ることによって、ＭＰＣ２２は、制御出力２７の燃料量及びタイミングに関する値を予測することが可能であり、この結果、エンジンスピード１９、ＮＯｘ２４及び／又はＰＭ２３のエミッションの将来の値は、所望の目標範囲内の所望の目標値にあるか又はその目標値に留まり、及び／又は現在の制約に違反しない。
【００３４】
ＭＰＣ２２は、オンライン最適化の形態で及び／又はハイブリッドマルチパラメータアルゴリズムで計算された等価のルックアップテーブルを使用することによって実施し得る。ハイブリッドマルチパラメータアルゴリズムにより、エミッションパラメータ並びに多数のシステム動作モードに対する制約を、エンジンのエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）内に実装できるルックアップテーブル内に符号化することができる。エミッションの制約は、追加のパラメータとしてルックアップテーブルに入力される経時変化信号でもよい。更に、ハイブリッドマルチパラメータアルゴリズムが、Ｆ．ボレリ(F. Borrelli)、「線形及びハイブリッドシステムの制約付き最適制御(Constrained Optimal Control of Linear and Hybrid Systems)」、Lecture Notes in Control and Information Sciences、第２９０巻、Springer、２００３年に記載されており、これは参照により本明細書に援用されている。
【００３５】
代わりに、又はそれに加えて、ＭＰＣ２２は、必要に応じて、１つ以上の比例積分微分（ＰＩＤ）制御ループ、スミス(Smith)予測器制御ループ等の１つ以上の予測制約制御ループ、１つ以上のマルチパラメータ制御ループ、１つ以上の多変数制御ループ、１つ以上の動的マトリックス制御ループ、１つ以上の統計的プロセス制御ループ、知識ベースエキスパートシステム、ニューラルネットワーク（神経回路網）、ファジー（fuzzy;あいまい）論理、又は他の任意の適切な制御メカニズムを含んでもよい。同様に、ＭＰＣは、エンジンのアクチュエータを制御するために使用されるより低レベルのコントローラに対するコマンド及び／又は設定点を提供し得る。場合によっては、より低レベルのコントローラは、例えば、ＰＩＤコントローラ等の単一入力・単一出力（ＳＩＳＯ）コントローラであってもよい。
【００３６】
ＰＭセンサ２４は、図５に示したような点火プラグ状の支持部６２を有することができる。ＰＭセンサは、プローブに形成されたＰＭに基づき出力を供給し得る。センサ又はプローブは、エンジン１３の排気の通路に配置してもよい。プローブ電極６５の長さ６３及び直径６４は、感知エレクトロニクス及びエンジンのパラメータに応じて変更してもよい。プローブ電極６５は、非常に薄い導電性被覆又はプローブ電極上の層６６で不動態化し得る。この被覆又は層６６は、エンジン１３の運転中にプローブによって蓄積された煤層による電気短絡を防止することが可能である。不動態化材料６６は、ＳｉＮ４、セリウム又は他の酸化物等から構成可能である。不動態化層６６の厚さは、０．０２５４〜０．５０８ｍｍ(0.001-0.020 inch)であり得る。名目厚さは、約０．２５４ｍｍ(0.01 inch)であり得る。不動態化層６６は、プローブ電極６５を高温排気に曝すことによって達成されるか、或いはエンジンの燃料に加えられた材料を介して層を不動態化層に被覆してもよい。
【００３７】
センサ又はプローブ２４は、様々な寸法を有することが可能である。電極６５の長さ寸法６３の例は、６．３５〜３０４．８ｍｍ(0.25-12 inches)であり得る。長さ６３の名目値は、約７６．２〜１０１．６ｍｍ(3-4 inches)であり得る。厚さ又は直径の寸法６４の例は、０．７９４ｍｍ〜９．５２５ｍｍ(1/32 inch-3/8 inch)であり得る。名目厚さは、約３．１７５ｍｍ(1/8 inch)であり得る。
【００３８】
プローブの例は、外側又は接地電極を取り外した標準点火プラグハウジング６２を含むことが可能であり、このハウジングは、中心電極に溶接された約３．１７５ｍｍ(1/8 inch)の厚さ又は直径の１０１．６〜１５２．４ｍｍ(4-6 inch)の金属延長部を有する。センサ２４は、排気マニホールドの近くの排気流内に、又は存在する場合エンジン１３のターボチャージャの後に装着される。感知電極６５は、処理エレクトロニクスのアナログ電荷増幅器に接続され得る。プローブ２４の電極６５からの電荷過渡状態は、排気流内の煤（微粒子）濃度に正比例し得る。
【００３９】
延長電極６５は、エンジン１３の排気ガスに曝された電極６５の表面の非常に薄い非導電層６６によって不動態化され得る。例示的な例では、３０４型ステンレス鋼は、４００℃（７５０°Ｆ）よりも高い温度における排気流内の数分の運転後に、不動態化層６６をプローブ電極６５に自然に成長させることが可能である。しかし、代わりに、酸化セリウムの不動態化層６６は、有機金属セリウム化合物（約１００ｐｐｍ）をエンジン１３の燃料に加えることによって、排気口内に配置されたプローブ電極６５で成長させられ得る。
【００４０】
層６６でプローブ又は電極６５を不動態化する他の方法は、耐火セラミック材料をスパッタ蒸着すること、又は制御された環境で酸化物層を成長させることを含むことが可能である。再び、排気内に配置された電極６５に不動態化層６６を成長させるか又は蒸着する目的は、電極とスパークプラグ状のホルダ６２のベースとの間のＰＭ形成による短絡を防止することであるので、センサ又はプローブ２４はその画像電荷(image charge)を保持して、排気流の活動を監視することが可能である。電極６５がその上に不動態化層６６を有しない場合、プローブ２４は、電極上の煤又はＰＭの形成により電極６５がセンサの支持ベース６２に短絡するため、短い動作期間後に故障する可能性がある。
【００４１】
要約すると、コントローラは、１つ以上のルックアップテーブル（例えば、マルチパラメータハイブリッドアルゴリズムを組み込んだ）、経時変化のエミッション制御制約、比例積分微分（ＰＩＤ）制御ループ、予測制約制御ループ（例えばスミス予測器を含む）、マルチパラメータ制御ループ、モデルベース予測制御ループ、動的マトリックス制御ループ、統計的プロセス制御ループ、知識ベースエキスパートシステム、ニューラルネットワーク、及び／又はファジー論理スキームを有することが可能である。
【００４２】
本明細書では、内容の一部は、仮説的又は予測的な性質を有するが、他の方法又は時制(tense)で述べることが可能である。
【００４３】
本発明は、少なくとも１つの例示的な例に関し記載しているが、本明細書を読むことにより、多くの変更と修正が当業者には明らかになるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、従来技術を考慮して、このようなすべての変更と修正を含むように可能な限り広く解釈されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】エンジンの粒子状物質と窒素酸化物エミッションとの間の標準ディーゼルエンジンのトレードオフを示す線図である。
【図２】燃料噴射器イベント及びエンジンのある噴射レート制御を反映する大きさのグラフである。
【図３】エンジン燃料制御のエミッション感知及び制御システムのグラフである。
【図４】粒子状物質センサを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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