(57)【要約】【課題】ＥＧＲ制御と可変流量機構付き過給機や電動アシスト機構付き過給機等による過給機制御とを備えた内燃機関の協調制御において、制御対象に適した動特性を有した伝達関数をもって相互に影響を与えることで、過渡運転状態での適切な協調制御を可能とすること。【解決手段】目標吸気量を設定する目標吸気量設定手段６５と、目標吸気酸素濃度を設定する目標吸気酸素濃度設定手段７３と、実吸気量と目標吸気量との偏差から吸気量制御量を算出する吸気制御量演算手段７１と、実吸気酸素濃度と目標吸気酸素濃度との偏差から吸気酸素濃度制御量を算出する酸素濃度制御量演算手段８１と、を備え、吸気制御量演算手段７１および酸素濃度制御量演算手段８１によって算出されたそれぞれの制御量を相互に影響を与えるように構成し、一方の制御手段の操作による他方の制御対象への動特性を有した伝達関数手段Ｃ２１、Ｃ１２を介して相互に影響させることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）によるＥＧＲ制御手段と、可変流量機構付き過給機または電動アシスト機構付き過給機を含む過給圧もしくは過給量を制御する過給機制御手段とを備えた内燃機関の制御装置において、
内燃機関の運転状態に基づいて目標吸気量または該目標吸気量に対応する指標の目標値を設定する目標吸気量設定手段と、
内燃機関の運転状態に基づいて目標吸気酸素濃度または該目標吸気酸素濃度に対応する指標の目標値を設定する目標吸気酸素濃度設定手段と、
実吸気量または該実吸気量に対応する指標と前記目標吸気量設定手段によって設定された目標値との偏差から吸気量制御量を算出する吸気制御量演算手段と、
実吸気酸素濃度または該実吸気酸素濃度に対応する指標と前記目標吸気酸素濃度によって設定された目標値との偏差から吸気酸素濃度制御量を算出する酸素濃度制御量演算手段と、を備え、
前記吸気制御量演算手段および前記酸素濃度制御量演算手段によって算出されたそれぞれの制御量を前記ＥＧＲ制御手段と前記過給機制御手段とで相互に影響を与えるように構成し、一方の制御手段の操作による他方の制御対象への動特性を有した伝達関数手段を介在させて相互に影響させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記酸素濃度制御量演算手段によって算出された制御量を、前記吸気制御量演算手段によって算出された制御量の処理において加算して過給機制御手段への指令信号を算出する過給機制御信号算出部を備え、該過給機制御信号算出部には、ＥＧＲ操作による吸気流量の動特性を考慮した第１伝達関数部を備えた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】
前記吸気制御量演算手段によって算出された制御量を、前記酸素濃度制御量演算手段によって算出された制御量の処理において加算してＥＧＲ制御手段への指令信号を算出するＥＧＲ制御信号算出部を備え、該ＥＧＲ制御信号算出部には、過給機制御による吸気酸素濃度の動特性を考慮した第２伝達関数部を備えた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４】
前記実吸気量および前記吸気酸素濃度を吸気通路のエアフローメータおよび酸素濃度センサを用いずに算出することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記過給機制御手段が、電動アシスト機構付き過給機からなり、ＥＧＲ制御弁と前記電動アシスト機構付き過給機とを協調して制御するように構成したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
目標吸気量が減少時に前記電動アシスト機構付き過給機のモータを発電機として使用する制御が行われることを特徴とする請求項５記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記過給機制御手段が、周方向に連続的にタービンロータの全周を包囲するように延びる内側スクロールと外側スクロールとを有し、内側スクロールにのみ排気ガスを流す状態度と、前記内側スクロールと外側スクロールの両方に排ガスを流す状態とを切換える切換手段を備えて構成された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８】
前記ＥＧＲ制御手段への出力信号および過給機制御手段への出力信号のリミッタを、前記伝達関数手段を構成するＰＩＤ制御器の積分器毎に配置したことを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【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に関し、特に、内燃機関の排気ガス再循環装置（以下ＥＧＲと略す）によるＥＧＲ制御と、可変流量機構付き過給機や電動アシスト機構付き過給機等による過給機制御との協調制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
可変流量機構付き過給機、もしくは、電動モータアシスト付き過給機等の過給量や過給圧力を制御可能な過給機制御装置を備え、且つ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）を備えた内燃機関において、例えば、ディーゼルエンジンにおいて、可変流量機構付き過給機の制御によって、排気圧力が増大するとＥＧＲによる排気ガスの還流量の増大によって、燃焼室への吸気流量や吸気酸素濃度が確保されずに黒煙の発生が増大することや、また、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関係を有している。
【０００３】
そこで、このＥＧＲ制御と過給機制御とを協調して制御する技術が知られている。例えば、特開２００３−２１０００号公報（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、吸気量と目標空気量との偏差だけでなく、吸気圧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、吸気圧と目標過給圧の偏差だけではなく、吸気量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。
【０００４】
また、特開２００５−２３３０３３号公報（特許文献２）には、ＥＧＲ制御と過給圧制御との相互干渉を回避できると共に、過給機の可変ノズル（ＶＮＴ）の開度変化があってもＥＧＲを目標通りに制御するために、可変ノズルの開度変化がＥＧＲに与える影響を算出するＥＧＲ干渉量コントローラと、ＥＧＲバルブの開度変化が過給圧に与える影響を算出する過給圧干渉量コントローラとを有した統合制御部を備えている技術が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２１０００号公報
【特許文献２】特開２００５−２３３０３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の技術は、吸気量と目標空気量との偏差だけでなく、吸気圧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制御しているが、相互の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、協調制御において、動特性が考慮されていないため、過渡運転状態において十分な効果が得られ難い。具体的には、制御対象の持つ時定数やむだ時間に適した制御器の動特性を設定することまでは開示されていない。
空気流量を制御するために過給機の可変流量機構を制御したときの応答特性と、過給圧力を制御するために過給機の可変流量機構を制御したときの応答特性とで異なるため、それぞれの制御に合わせた動特性によって制御することが、過渡状態の運転を含めてより一層協調制御の効果を得る上で必要である。
【０００７】
また、特許文献２には、ＥＧＲバルブとＶＮＴバルブのそれぞれの制御を相互に干渉させるコントローラを設けて協調制御を行う技術が示されているが、ＥＧＲバルブ制御信号を過給圧干渉量コントローラによってＶＮＴコントローラの入力側に戻し、ＶＮＴバルブ制御信号をＥＧＲ干渉量コントローラによってＥＧＲコントローラの入力側に戻している。すなわち、制御対象への指令信号を、それぞれ相手側のコントローラ（制御器）の入力側に戻して加減算するような構成を採用しているため、相互制御の応答性に遅れを生じやすい。
【０００８】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、ＥＧＲ制御と可変流量機構付き過給機や電動アシスト機構付き過給機等による過給機制御とを備えた内燃機関の協調制御において、制御対象に適した動特性を有した伝達関数をもって相互に影響を与えることで、過渡運転状態での適切な協調制御を可能とする制御装置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】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明は、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）によるＥＧＲ制御手段と、可変流量機構付き過給機または電動アシスト機構付き過給機を含む過給圧もしくは過給量を制御する過給機制御手段とを備えた内燃機関の制御装置において、
内燃機関の運転状態に基づいて目標吸気量または該目標吸気量に対応する指標の目標値を設定する目標吸気量設定手段と、内燃機関の運転状態に基づいて目標吸気酸素濃度または該目標吸気酸素濃度に対応する指標の目標値を設定する目標吸気酸素濃度設定手段と、実吸気量または該実吸気量に対応する指標と前記目標吸気量設定手段によって設定された目標値との偏差から吸気量制御量を算出する吸気制御量演算手段と、実吸気酸素濃度または該実吸気酸素濃度に対応する指標と前記目標吸気酸素濃度によって設定された目標値との偏差から吸気酸素濃度制御量を算出する酸素濃度制御量演算手段と、を備え、前記吸気制御量演算手段および前記酸素濃度制御量演算手段によって算出されたそれぞれの制御量を前記ＥＧＲ制御手段と前記過給機制御手段とで相互に影響を与えるように構成し、一方の制御手段の操作による他方の制御対象への動特性を有した伝達関数手段を介在させて相互に影響させることを特徴とする。
【００１０】
かかる発明によれば、目標吸気量または該目標吸気量に対応する指標の目標値、および目標吸気酸素濃度または該目標吸気酸素濃度に対応する指標の目標値と、それぞれの実際値との偏差に基づいて、ＥＧＲ制御弁と過給機制御弁とをそれぞれフィードバック制御する。この際に、一方の制御手段の操作による他方の制御対象への動特性を有した伝達関数手段を介在させて相互に協調制御するので、ＥＧＲ制御と過給機制御とが過渡運転状態においても適切に行われて、内燃機関に供給される空気量と、燃焼室に供給されるガス中の酸素濃度の制御性が向上する。これにより、車両加速時等の過渡状態におけるスモーク排出量やＮＯｘの排出量の増大を防止できる。
【００１１】
なお、目標吸気量に対応する指標としては、過給圧力が考えられ、また、目標吸気酸素濃度に対応する指標としては、空気過剰率、ＥＧＲ量、排気酸素濃度、ＥＧＲ率等の値が考えられ、これら値を用いてもよい。
さらに、実吸気量および実目標吸気酸素量においても同様である。
【００１２】
本発明において具体的には、前記酸素濃度制御量演算手段によって算出された制御量を、前記吸気制御量演算手段によって算出された制御量の処理において加算して過給機制御手段への指令信号を算出する過給機制御信号算出部を備え、該過給機制御信号算出部には、ＥＧＲ操作による吸気流量の動特性を考慮した第１伝達関数部を備えるとよい。
【００１３】
このように構成することで、例えば、車両減速時に目標空気量（目標吸気量）が減少した場合に、空気量を減らすために過給機制御手段が過給量を低減するように作動する。例えば、可変流量機構付き過給機（ＶＦＴ）におけるＶＦＴ制御弁が開く操作が行われる。このときに、目標吸気酸素濃度と実吸気酸素濃度との偏差に応じてＶＦＴ制御弁の目標値を補正するため、排圧が減少することで、ＥＧＲガスの還流量が減少することによるＮＯｘ排出量の増大を防止できる。
さらに、この時の補正において、ＥＧＲ操作による吸気流量の動特性を考慮した第１伝達関数部を備えるため、すなわち、ＥＧＲ操作による空気流量変化の動特性（むだ時間、時定数等）を考慮した伝達関数手段が設けられているため、過渡状態においても適切な制御が行われる。
【００１４】
また、本発明において具体的には、前記吸気制御量演算手段によって算出された制御量を、前記酸素濃度制御量演算手段によって算出された制御量の処理において加算してＥＧＲ制御手段への指令信号を算出するＥＧＲ制御信号算出部を備え、該ＥＧＲ制御信号算出部には、過給機制御による吸気酸素濃度の動特性を考慮した第２伝達関数部を備えるとよい。
【００１５】
このように構成することで、例えば、車両加速時に目標空気量（目標吸気量）を増やすために、過給機制御手段が過給量を増加するように作動する。例えば、可変流量機構付き過給機（ＶＦＴ）におけるＶＦＴ制御弁が閉じる操作が行われる。このときに、目標吸気量と実吸気量との偏差に応じてＥＧＲ制御弁の目標値を補正するため、排圧が増大することで、必要以上にＥＧＲガスが吸気通路に還流されることによるスモークの発生を防止できる。
さらに、この時の補正において、ＶＦＴ操作による吸気酸素濃度の動特性を有した第２伝達関数手段を備えるため、すなわち、ＶＦＴ操作による吸気酸素濃度の動特性（むだ時間、時定数等）を考慮した伝達関数手段が設けられているため、過渡状態においても適切な制御が行われる。
【００１６】
また、本発明において好ましくは、前記実吸気量および前記吸気酸素濃度を吸気通路のエアフローメータおよび酸素濃度センサを用いずに算出するとよい。
このよう吸気通路側に吸気流量センサ（エアフローメータ）を持たないシステム構成でよいため、システムの簡素化およびコスト低減が図れる。
【００１７】
また、本発明において好ましくは、前記過給機制御手段が、電動アシスト機構付き過給機からなり、ＥＧＲ制御弁と前記電動アシスト機構付き過給機とを協調して制御するようにするとよい。
【００１８】
電動アシスト機構付き過給機を用いて過給の制御を行うため、具体的には、車両の減速時に目標空気量（目標吸気量）が減少した場合に、空気量を減らすために電動アシスト付き過給機のモータを発電機として使用する制御が行われる。このときに、目標吸気酸素濃度と実吸気酸素濃度との偏差に応じて目標発電量を補正するため、排圧が上昇することで必要以上のＥＧＲガスが還流されて、吸気酸素濃度が低下してスモークが発生することを防止できる。
さらに、この時の補正において、ＥＧＲ操作による吸気流量の動特性を考慮した第１伝達関数部を備えるため、つまり、ＥＧＲ操作による空気流量変化の動特性（むだ時間、時定数等）を考慮した伝達関数手段が設けられているため、過渡状態においても適切な制御が行われる。
また、車両加速時においては、目標空気量（目標吸気量）を増やすために、電動アシスト機構付き過給機に対してアシストするよう指令が出される。このとき、目標吸気量と実吸気量との偏差に応じてＥＧＲ制御弁の目標値を補正するため、吸気圧が増大することで、必要量のＥＧＲガスが吸気通路に還流されず、吸気酸素濃度が上昇してＮＯｘ排出量が増加することを防止できる。
さらに、この時の補正なおいて、アシスト量変化に対する吸気酸素濃度変化の動特性（むだ時間、時定数等）を考慮しているため、過渡状態において適切な制御が行われる。
【００１９】
なお、車両の減速時に目標空気量（目標吸気量）が減少した場合に、空気量を減らすために電動アシスト付き過給機のモータを発電機として使用する制御が行われるため、内燃機関の排気エネルギを効率的に利用できる。
【００２０】
また、本発明において好ましくは、前記過給機制御手段が、周方向に連続的にタービンロータの全周を包囲するように延びる内側スクロールと外側スクロールとを有し、内側スクロールにのみ排気ガスを流す状態度と、前記内側スクロールと外側スクロールの両方に排ガスを流す状態とを切換える切換手段を備えて構成されるとよい。
【００２１】
可変流量機構の一つとして可変容量過給機（ＶＧＴ）が知られており、このＶＧＴにおいては、多数のノズルベーンがタービンロータの外周側に多数配置されて、それらを多数のノズルベーンの角度を同時に変更してタービンロータに作用するトルクを制御しているが、本発明における可変流機構（ＶＦＴ）は、周方向に連続的にタービンロータの全周を包囲するように延びる内側スクロールと外側スクロールとを有し、内側スクロールにのみ排気ガスを流す状態度と、前記内側スクロールと外側スクロールの両方に排ガスを流す状態とを切換える切換手段を備えて構成されおり、タービンロータから離れた位置にある1つの切換手段よって、弁開度を切換えて内側スクロールへの流れと外側スクロールへの流れを制御するため、前述のＶＧＴと比較すると、タービンロータの応答性において劣る傾向がある。
【００２２】
従って、ＶＧＴを適用した場合と比較すると制御ゲインを低く設定する必要が生じ、過渡運転時における過渡応答性が低下し、ＥＧＲ制御からの干渉が強くなる傾向があるが、本発明を採用することで、動特性を考慮した伝達関数を用いた制御器を用いるため、ＶＦＴのような機構の可変流量機構付き過給機を用いた場合においても、適切な協調制御が可能となる。
【００２３】
また、本発明において好ましくは、前記ＥＧＲ制御手段への出力信号および過給機制御手段への出力信号のリミッタを、前記伝達関数手段を構成するＰＩＤ制御器の積分器毎に配置するとよい。
このように、制御対象への出力信号のリミッタを、伝達関数手段を構成するＰＩＤ制御器の積分器毎に配置することによって、リミッタのカット条件及び積分器加算量等の対応をそれぞれの制御器の積分器毎に設定できるようになるため、精度良いリセットワインドアップの対策（入力飽和現象の対策）が可能になる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、ＥＧＲによる排気ガス再循環制御と、可変流量機構付き過給機や電動アシスト機構付き過給機等による過給制御とを備えた内燃機関の協調制御において、目標吸気量または該目標吸気量に対応する指標の目標値、および目標吸気酸素濃度または該目標吸気酸素濃度に対応する指標の目標値と、それぞれの実際値との偏差に基づいて、ＥＧＲ制御手段と過給機制御手段とをそれぞれフィードバック制御する際に、一方の制御手段の操作による他方の制御対象への動特性を有した伝達関数手段を介在させて相互に協調制御するので、ＥＧＲ制御と過給機制御とが適切に行われて、内燃機関に供給される空気量と、燃焼室に供給されるガス中の酸素濃度の制御性が向上する。これにより、車両加速時等の過渡状態におけるスモーク排出量やＮＯｘの排出量の増大を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の制御装置の概要構成図である。
【図２】制御装置の構成ブロック図である。
【図３】可変流量機構付き過給機の要部断面説明図である。
【図４】協調制御の説明図である。
【図５】第２実施形態の概要構成図である。
【図６】第２実施形態の制御装置の要部構成ブロック図である。
【図７】第３実施形態の概要構成図である。
【図８】第３実施形態の制御装置の要部構成ブロック図である。
【図９】第４実施形態の制御装置の要部構成ブロック図である。
【図１０】第４実施形態の積分器リミッタが入った制御器のブロック線図であり、（ａ）は組み込まれる前を示し、（ｂ）は組み込まれた後を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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。
【００２７】
（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。
【００２８】
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３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。
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。
【００２９】
また、図１に示すように、エンジン１においては、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する燃料噴射装置２９が設けられている。
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ようになっている。
【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ＥＧＲ装置４０が設けられている。
【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。
【００３２】
さらに、ＥＧＲ制御弁４１に対しては、ＥＧＲバルブ制御手段（ＥＧＲ制御手段）５９を介して駆動信号が出力されると共に、ＥＧＲ弁開度信号が制御装置５７に入力される。吸気スロットルバルブ１３に対しも同様に、スロットルバルブ駆動回路６１を介して駆動信号が出力されると共に、スロットルバルブ弁開度信号が制御装置５７に入力される。
さらに、排気ターボ過給機７に対しては、ＶＦＴバルブ制御手段（過給機制御手段）６３を介して、駆動信号が可変流量機構を構成するＶＦＴ制御弁２３（図３参照）に出力されると共に、該ＶＦＴ制御弁２３の弁開度信号が制御装置５７に入力されるようになっている。
【００３３】
（協調制御）
制御装置５７において、ＥＧＲ制御弁４１の開度制御とＶＦＴ制御弁２３との協調制御が行われる。その協調制御の制御構成ブロック図を図２に示す。
図２において、目標吸気量設定手段６５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によるエンジン回転数、燃料噴射装置２９による燃料噴射量、大気温度センサ４５による大気温度、および大気圧センサ５３による大気圧のパラメータを基に、目標吸気量マップ６７を用いて、目標吸気量すなわち目標空気量ｒ１を求める。
【００３４】
また、実吸気量ｙ１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ｙ１と前記目標吸気量設定手段６５によって設定された目標吸気量との偏差ｅ１を、加減算器６９からの出力として算出する。このｅ１の算出は吸気制御量演算手段７１によって行われ、偏差ｅ１は吸気量制御量として制御器Ｃ１１、Ｃ２１に入力される。
【００３５】
一方、吸気酸素濃度についても同様であり、目標吸気酸素濃度設定手段７３によって、エンジン１の運転状態、例えば、エンジン回転数センサ５１によるエンジン回転数、燃料噴射装置２９による燃料噴射量、大気温度センサ４５による大気温度、および大気圧センサ５３による大気圧から、目標吸気酸素濃度マップ７５を用いて、目標吸気酸素濃度ｒ２を求める。
【００３６】
また、実吸気酸素濃度については、図２に示すように、吸気酸素濃度推定演算部７７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７７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。
【００３７】
そして、吸気酸素濃度推定演算部７７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７３によって設定された目標吸気酸素濃度との偏差ｅ２を、加減算器７９からの出力として算出する。このｅ２の算出は酸素濃度制御量演算手段８１によって行われ、偏差ｅ２は吸気酸素濃度制御量として制御器Ｃ１２、Ｃ２２に入力される。
【００３８】
次に、吸気制御量演算手段７１で算出された吸気量制御量ｅ１を基にＶＦＴ制御弁２３のフィードバック制御が行われ、酸素濃度制御量演算手段８１で算出された吸気酸素濃度制御量ｅ２を基にＥＧＲ制御弁４１のフィードバック制御が行われる。
そして、このフィードバック制御において、ＥＧＲ制御弁４１の制御と、ＶＦＴ制御弁２３との制御を協調制御するための協調制御部８３が設けられ、協調制御部８３は制御器Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２によって構成されるとともに、制御器Ｃ１１とＣ１２とによって、ＶＦＴ制御弁２３への制御部８４ａを構成し、制御器Ｃ２１とＣ２２とによってＥＧＲ制御弁４１への制御部８４ｂを構成する。
【００３９】
吸気量制御量ｅ１は、制御器Ｃ１１とＣ２１に入力され、制御器Ｃ１１においては、例えばＰＩＤ演算処理が行われて、出力信号が加算器８５に入力される。制御器Ｃ２１（第２伝達関数部）においては、ＰＩＤ演算の伝達関数に動特性、例えば、むだ時間および時定数が制御対象に応じた値に設定されており、ＶＦＴ制御弁２３の操作による吸気酸素濃度変化の特性を表すような制御定数に設定されている。そして、制御器Ｃ２１の出力信号は、加算器８７に入力されて、加算器８７で、制御器Ｃ２２からの出力信号に加算されて出力信号ｕ２が出力される。
【００４０】
一方、制御器Ｃ１２、Ｃ２２においても制御器Ｃ１１、Ｃ２１と同様に機能する。
すなわち、吸気酸素濃度制御量ｅ２は、制御器Ｃ１２とＣ２２に入力され、制御器Ｃ２２においては、例えばＰＩＤ演算処理が行われて、出力信号が加算器８７に入力される。制御器Ｃ１２においては、ＰＩＤ演算の伝達関数に、制御対象の動特性、例えば、むだ時間および時定数に応じた値が設定されている。
制御器Ｃ１２（第１伝達関数部）においては、ＥＧＲ制御弁４１の操作による吸気量変化の動特性を考慮した制御定数に設定されている。そして、制御器Ｃ１２の出力信号は、加算器８５に入力されて、加算器８５で、制御器Ｃ１１からの出力信号に加算されて出力信号ｕ１が出力される。
【００４１】
加算器８５からの出力信号ｕ１は加算器８９に入力され、さらに定常ＶＦＴマップ９０によってエンジン１の運転状態におけるＶＦＴ制御弁２３の開度信号が入力されて、その加算結果がＶＦＴ指令値リミッタ９１によって上下限値が規制されて、ＶＦＴ制御弁２３の開度指令信号として出力される。
同様に、加算器８７からの出力信号ｕ２は加算器９３に入力され、さらに定常ＥＧＲ開度マップ９５によって求められたエンジン１の運転状態におけるＥＧＲ制御弁４１の開度信号が入力されて、その加算結果がＥＧＲ指令値リミッタ９７によって上下限値が規制されて、ＥＧＲ制御弁４１の開度指令信号として出力される。
【００４２】
協調制御について式を用いて説明する。図４に示すように、エンジンシステムの入力として、ｚ１（ＶＦＴ制御弁開度指令）、ｚ２（ＥＧＲバルブ開度指令）をとり、出力として実吸気量ｙ１、吸気酸素濃度ｙ２をとり、制御の対象をＰ１１、Ｐ１２、Ｐ２１、Ｐ２２とすると、出力ｙ１、ｙ２は式（１）、（２）で表わせる。
【００４３】
ｙ１=Ｐ１１＊ｚ１＋Ｐ１２＊ｚ２      …（１）
ｙ２＝Ｐ２１＊ｚ１＋Ｐ２２＊ｚ２      …（２）
また、図２に示した信号、制御器の符号を用いて、ｚ１、ｚ２は式（３）、（４）で表せる。
ｚ１＝ｕ１＝Ｃ１１＊ｅ１＋Ｃ１２＊ｅ２                …（３）
ｚ２＝ｕ２=Ｃ２１＊ｅ１＋Ｃ２２＊ｅ２                …（４）
そして、式（３）、（４）を式（１）、（２）に代入することで、式（５）、（６）が得られる。
ｙ１＝（Ｐ１１＊Ｃ１１＋Ｐ１２＊Ｃ２１）＊ｅ１＋（Ｐ１１＊Ｃ１２＋Ｐ１２＊Ｃ２２）＊ｅ２      …（５）
ｙ２＝（Ｐ２１＊Ｃ１１＋Ｐ２２＊Ｃ２１）＊ｅ１＋（Ｐ２１＊Ｃ１２＋Ｐ２２＊Ｃ２２）＊ｅ２      …（６）
【００４４】
このように、吸気量制御量（偏差）ｅ１に対して、吸気量ｙ１だけでなく、吸気酸素濃度ｙ２も影響を受ける。同様に、吸気酸素濃度制御量（偏差）ｅ２に対して、吸気酸素濃度ｙ２だけでなく吸気量ｙ１も影響を受ける。
ｅ１からｙ２、ｅ２からｙ１の影響が大きいことは、実吸気量と実吸気酸素濃度の目標値追従性が悪いことを意味する。これを改善するためにＣ１１だけでなくＣ２１が必要であり、更には、その伝達は単なるゲインではなく、制御対象の伝達特性に応じて望ましい動特性を有する必要がある。
【００４５】
以上の第１実施形態によれば、目標吸気量または該目標吸気量に対応する指標の目標値（例えば、過給圧力等の目標値）、および目標吸気酸素濃度または該目標吸気酸素濃度に対応する指標の目標値（例えば、空気過剰率、ＥＧＲ量、排気酸素濃度、ＥＧＲ率等の目標値）と、それぞれの実際値との偏差ｅ１、ｅ２に基づいて、ＥＧＲ制御弁４１とＶＦＴ制御弁２３とをそれぞれフィードバック制御する際に、一方の制御弁の操作による他方の制御対象への動特性を考慮した制御器Ｃ２１、Ｃ１２（伝達関数手段）を設けて相互に協調制御することで、ＥＧＲ制御と過給機制御とが適切に行われて、内燃機関に供給される空気量と、燃焼室に供給されるガス中の酸素濃度の制御性が向上する。これにより、車両加速時等の過渡状態におけるスモーク排出量やＮＯｘの排出量の増大を防止できる。
【００４６】
例えば、車両減速時に目標空気量（目標吸気量）が減少した場合には、空気量を減らすためにＶＦＴ制御弁２３が過給量を低減するように開く操作が行われる。このときに、目標吸気酸素濃度と実吸気酸素濃度との偏差ｅ１に応じてＶＦＴ制御弁２３の目標値を補正するため、排圧が減少することで、ＥＧＲガスの還流量が減少することによるＮＯｘ排出量の増大を防止できる。
また、車両加速時に目標空気量（目標吸気量）を増やす場合には、ＶＦＴ制御弁２３が閉じる操作が行われる。このときに、目標吸気量と実吸気量との偏差に応じてＥＧＲ制御弁４１の目標値を補正するため、排圧が増大することで、必要以上にＥＧＲガスが吸気通路に還流されることによるスモークの発生を防止できる。
【００４７】
また、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、その構造は、内側スクロール１９にのみ排気ガスを流す状態度と、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ＶＦＴ制御弁２３をタービンロータ１７から離れた位置に１つ設けて、内側スクロール１９への流れと外側スクロール２１への流れを制御するものである。このため、ＶＧＴの可変流量機構のように多数のノズルベーンがタービンロータ１７の外周側に多数配置されて、それら多数のノズルベーンの角度を同時に変更してタービンロータ１７に作用するトルクを制御する機構と比較すると、タービンロータ１７の応答性において劣る傾向があるが、動特性を考慮した伝達関数を用いた制御器Ｃ２１、Ｃ１２を用いることによって、過渡状態においても、適切な協調制御が可能となるのでＶＦＴのような可変流量機構付き過給機への適用において、効果的である。
【００４８】
（第２実施形態）
次に、図５、６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実施形態のエアフローメータ４３を用いずに、エンジン１の運転状態の信号から吸気質量流量ＭＣＬＹを算出して、その算出結果を用いて吸気制御量演算手段１０１を構成するものである。また、吸気酸素濃度においても第１実施形態とは異なる手法で、推定吸気酸素濃度ＯＣＬＹを算出し、その算出結果を用いて酸素濃度制御量演算手段１０３を構成するものである。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００４９】
吸気質量流量（ＭＣＬＹ）は、次の式（７）によって算出する。
ＭＣＬＹ＝Ｐｍ／（Ｔｍ・Ｒ）・（Ｎｅ／６０）・ＮＣＹＬ／ＩＣＹＣ・２・ＥＶ  …（７）
ここで、Ｐｍ：吸気圧力
Ｔｍ：吸気温度
Ｒ：  気体定数
Ｎｅ：エンジン回転数
ＮＣＹＬ：シリンダ数（４気筒エンジンであれば４）
ＩＣＹＣ：サイクル数（４サイクルであれば４）
ＥＶ  ：  体積効率
である。
【００５０】
また、推定吸気酸素濃度ＯＣＬＹについては、エンジン１のシリンダ内に吸入した酸素質量流量から燃焼に寄与して消費した酸素質量流量を差し引いた分が排出される酸素質量流量になる関係を基に算出する。すなわち、式（８）の関係式を基に、シリンダ内に吸入される酸素質量流量を算出し、そこから吸気酸素濃度ＯＣＬＹを算出する。
【００５１】
（シリンダ内に吸入される酸素質量流量）＝（排ガス中の酸素質量流量）＋（燃焼に寄与して消費した酸素質量流量）    …（８）
【００５２】
排ガス中の酸素質量流量は、排気マニホールド３３下流側に設置された酸素濃度センサ１０５によって検出された酸素濃度から、酸素濃度センサ１０５の設置位置と排気マニホールド３３との位置の差による応答遅れ表す伝達特性を基に排気マニホールド３３内の酸素濃度を推定する。
そして、その排気マニホールド３３内の酸素濃度推定値を基に排気マニホールド３３内の酸素質量流量を換算して、その排気マニホールド３３内の酸素質量流量を、前記関係式の排ガス中の酸素質量流量として、燃焼に寄与して消費した酸素質量流量の関係を基に、シリンダ内に吸入する酸素質量流量を算出する。
【００５３】
第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用効果を有するが、それに加えて、エアフローメータ４３を用いずに、エンジン１の運転状態の信号から吸気質量流量ＭＣＬＹ、および吸気酸素濃度ＯＣＬＹのそれぞれについて算出するため、コスト低減、およびシステムを簡素化できる。
【００５４】
（第３実施形態）
次に、図７、８を参照して第３実施形態について説明する。
図７のように、過給機制御手段が、電動アシスト機構付き過給機１１０からなり、ＥＧＲ制御弁４１と電動アシスト機構付き過給機１１０のアシスト量を制御する電動モータ１１２の回転制御とを協調して制御するものである。
【００５５】
電動アシスト機構付き過給機１１０は、排気タービン３と連結してこれに同軸駆動する電動モータ１１２を備えている。電動モータ１１２は、モータ制御手段１１４によって制御されている。
車両の減速時に目標空気量が減少した場合には、空気量を減らすために電動アシスト付き過給機１１０の電動モータ１１２を発電機とする制御がモータ制御手段１１４によって行われる。
このときに、目標吸気酸素濃度と実吸気酸素濃度との偏差に応じて目標発電量を補正するため、排圧が上昇することで必要以上のＥＧＲガスが還流されて、吸気酸素濃度が低下してスモークが発生することを防止できる。
さらに、減速時に電動モータ１１２を発電機として使用する制御が行われるため、内燃機関の排気エネルギを効率的に利用できる。
【００５６】
また、車両加速時においては、目標空気量（目標吸気量）を増やすために、電動アシスト機構付き過給機１１０に対してアシストするようモータ制御手段１１４から指令が出される。このとき、目標吸気量と実吸気量との偏差に応じてＥＧＲ制御弁４１の目標値を補正するため、吸気圧が増大することで、必要量のＥＧＲガスが吸気通路９側に還流されず、吸気酸素濃度が上昇してＮＯｘ排出量が増加することを防止できる。
【００５７】
なお、図８に示すように、定常運転状態における最適なアシスト量について定常アシスト量マップ１２０が備えられ、該定常アシスト量マップ１２０からのアシスト量に対して制御器からの制御量が加算器１２２で加算されて、その後、アシスト量に対してアシスト量リミッタ１２４で上下限値が制限されてアシスト量指令値として出力される。
【００５８】
以上のように、第３実施形態によれば、電動アシスト機構付き過給機１１０を用いた場合においても、第１実施形態と同様に、内燃機関に供給される空気量と、燃焼室に供給されるガス中の酸素濃度の制御性を向上することができ、これにより、車両加速時等の過渡状態におけるスモーク排出量やＮＯｘの排出量の増大を防止できる。
【００５９】
（第４実施形態）
次に、図９を参照して第４実施形態について説明する。
第１実施形態では、ＥＧＲ制御弁４１の開度指令値に対して、ＥＧＲ指令値リミッタ９７が１つ設けられるとともに、ＶＦＴ制御弁２３の開度指令値に対しても、ＶＦＴ指令値リミッタ９１が１つ設けられている。この場合に、リセットワインドアップ現象の対策がうまく作動しない問題がある。すなわち、４つの制御器Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２の積分器との対応が不明のため適切な対策がとれないが、本第４実施形態においては、その問題を解消するために、ＰＩＤ制御器Ｃ１１ａ〜Ｃ２２ａの積分器には、図１０（ｂ）に示すように積分器リミッタ１２１〜１２４が入っている。
図１０（ａ）は積分器リミッタ１２１〜１２４が入っていない場合を示し、図１０（ｂ）は積分器リミッタ１２１〜１２４が入っている場合を示す。
【００６０】
制御器Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２からの出力がリミッタにより飽和した状態で、制御対象に与えない操作量を積分器に加算し続けると、制御量が目標値付近に達してもこの積分器の影響で、操作量は大きくなり、制御量がオーバーシュートする現象が発生する。この現象をリセットワインドアップという。
【００６１】
第４実施形態においては、制御器Ｃ１１ａ、Ｃ１２ａ、Ｃ２１ａ、Ｃ２２ａ毎の積分器に対応して積分器リミッタ１２１〜１２４を別々に設置したので、リミッタのカット条件及び積分器加算量等の対応をそれぞれの制御器の積分器ごとに設定できるため、精度良いリセットワインドアップの対策が可能になる。
【００６２】
尚、以上説明した第１実施形態〜第４実施形態については、適宜組み合わせて用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明によれば、ＥＧＲ制御と可変流量機構付き過給機や電動アシスト機構付き過給機等による過給機制御とを備えた内燃機関の協調制御において、制御対象に適した動特性を有した伝達関数をもって相互に影響を与えることで、過渡運転状態での適切な協調制御を可能とするので、内燃機関の制御装置への利用に適している。
【符号の説明】
【００６４】
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（切換手段）
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
５９    ＥＧＲバルブ制御手段（ＥＧＲ制御手段）
６３    ＶＦＴバルブ制御手段（過給機制御手段）
６５    目標吸気量設定手段
７１    吸気制御量演算手段
７３    目標吸気酸素濃度設定手段
８１    酸素濃度制御量演算手段
８４ａ  過給機制御信号算出部
８４ｂ  ＥＧＲ制御信号算出部
９１    ＶＦＴ指令値リミッタ
９７    ＥＧＲ指令値リミッタ
１２１、１２２、１２３、１２４    積分器リミッタ
Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２    制御器（伝達関数手段）
Ｃ１１ａ、Ｃ１２ａ、Ｃ２１ａ、Ｃ２２ａ  制御器（伝達関数手段）
【図１】
2012082720.tif 000003
【図２】
2012082720.tif 000004
【図３】
2012082720.tif 000005
【図４】
2012082720.tif 000006
【図５】
2012082720.tif 000007
【図６】
2012082720.tif 000008
【図７】
2012082720.tif 000009
【図８】
2012082720.tif 000010
【図９】
2012082720.tif 000011
【図１０】
2012082720.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成23年5月25日(2011.5.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2012082720.tif 000013
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2012082720.tif 000014