エンジンおよび排出物の協調制御システム
【課題】内燃機関からの環境に有害な排出物を削減するためのシステムを提供すること。
【解決手段】本システムは、排気後処理装置を組み込むことができる。排気後処理装置は、選択的触媒還元を使用して、エンジンの排気から一定の排出物を除去することができる。尿素溶液が、排気排出物の中に挿入されてよく、尿素溶液は、アンモニアに分解されて、排出物の中のＮＯｘを還元するための還元剤になる。エンジンは制御器で管理されてよく、排気後処理装置は別の制御器で管理されてよい。これらの制御器は縦続接続されてよく、またはエンジン性能と排出物削減との階層制御または協調制御を提供する第３の制御器で管理されてよい。実際のエンジンと選択的触媒還元の後処理装置との協調制御のためのシステムを設計および構築することにおいて支援するために、エンジンおよび排気後処理装置がモデル化されてよい。制御器は、予測モデル制御器であってよい。
【解決手段】本システムは、排気後処理装置を組み込むことができる。排気後処理装置は、選択的触媒還元を使用して、エンジンの排気から一定の排出物を除去することができる。尿素溶液が、排気排出物の中に挿入されてよく、尿素溶液は、アンモニアに分解されて、排出物の中のＮＯｘを還元するための還元剤になる。エンジンは制御器で管理されてよく、排気後処理装置は別の制御器で管理されてよい。これらの制御器は縦続接続されてよく、またはエンジン性能と排出物削減との階層制御または協調制御を提供する第３の制御器で管理されてよい。実際のエンジンと選択的触媒還元の後処理装置との協調制御のためのシステムを設計および構築することにおいて支援するために、エンジンおよび排気後処理装置がモデル化されてよい。制御器は、予測モデル制御器であってよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、環境に有害な排出物、とりわけ、内燃機関からのそのような排出物を削減するための手法に関する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
本開示は、内燃機関からの環境に有害な排出物を削減するためのシステムを提示する。システムは、排気後処理装置（exhaust after-treatment device）を組み込むことができる。排気後処理装置は、選択的触媒還元（selective catalytic reduction）を使用して、エンジンの排気から一定の排出物を除去することができる。尿素溶液が排気排出物（exhaust emission）の中に挿入されてよく、尿素溶液は、アンモニアに分解されて、排出物の中のＮＯｘを還元するための還元剤になる。エンジンは制御器で管理されてよく、排気後処理装置は別の制御器で管理されてよい。これらの制御器は縦続接続されてよく、またはエンジン性能と排出物削減との階層的協調制御または中央協調制御を提供する第３の制御器で管理されてよい。実際のエンジンと選択的触媒還元の後処理装置との協調制御のためのシステムを設計し構築することにおいて支援するために、エンジンおよび排気後処理装置がモデル化されてよい。制御器は、予測モデル制御器であってよい。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
【図１】基本的なエンジンプラントシステムの図である。
【図２】制御を有するが選択的触媒還元のない基本的エンジン構成の図である。
【図３】組み合わされたエンジンおよび選択的触媒還元システムの図である。
【図４】非協調的なエンジンおよび選択的触媒還元制御システムの図である。
【図５】縦続接続された協調制御を有するシステムの図である。
【図６】階層的協調制御システムの図である。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
多くの地理的地域における、かつ多くの用途に対する現行の排出物規制法（emissions legislation）によって、多くのディーゼルエンジンは、排気管からのＮＯｘ排出物を著しく制限する必要がある。選択的触媒還元（ＳＣＲ）は、触媒化学反応のためにアンモニアに分解しうる尿素溶液を排気流に積極的に噴霧するＮＯｘ後処理装置を伴うことができる。しかし、ＮＯｘ排出物および車両の燃費の観点から、達成可能な最大性能を獲得するために、制御戦略が連係される必要がある。
【０００５】
本手法は、エンジンとＳＣＲ装置との制御を連係させることができる。これら２つのサブコンポーネントの協調制御が、著しく削減されたＮＯｘ排出物をもたらして、厳しい大気清浄化規制（clean air regulation）のみならず改良された車両燃料効率をも満足することができる。
【０００６】
エンジンおよび後処理機構の２つの装置が独立に制御される場合は、エンジン制御システムは、単純かつ全体的に常時、エンジンを出るＮＯｘを可能な限り削減しようとする可能性がある。このことは、多くの場合、すす排出物（soot emission）および燃料効率に関して必ずしも最適ではない大量の排気ガス再循環によってなされる可能性がある。全体的な最適化の観点から、多くの場合、エンジン制御システムは、後処理機構に依存してＮＯｘ排出物を削減することが考えられうる。そうではなく、エンジン制御システムは、後処理温度を制御してその効率を最大化すべきである。このことは、実質的には協調制御によってのみ達成されうる。
【０００７】
本手法は、モデリングおよび制御の技術を使用することができる。最初に、エンジンおよび後処理サブシステムのモデルが生成されてよい。エンジンおよび排気後処理サブシステムのモデルは、実際のエンジンおよび排気後処理サブシステムを追跡する（track）ことができる。これらのモデルから、１つまたは複数の多変数制御器が組み立てられうる。多変数制御器は、協調的なエンジン−ＳＣＲ制御システム全体に固有の相互作用に対処することができる。
【０００８】
本明細書では、エンジンおよび排気後処理サブシステムのモデルを実際のサブシステムとして取り扱うことができる。
一連の図１〜図４は、エンジンおよび排出制御手法について、本システムの例を示す図５および図６につながる基本的要素のいくつかを表示する。図１は、基本的なエンジンプラントモデルシステム１０の図である。入力１２（Ｗｅｎｇ）は、検出されたエンジン速度、燃料供給率（fueling rate）、温度および大気圧などの周囲条件、他を組み込むことができる。入力１３（ｕｅｎｇ）は、エンジンにおけるアクチュエータへの信号（例えば、可変形状タービン（variable geometry turbine）（ＶＧＴ）、排気ガス再循環（ＥＧＲ）、スロットル、燃料噴射仕様（fuel injection specifications）、可変弁駆動（variable valve actuation）、他）を組み込んでよい。「ｕｅｎｇ」は、１つまたは複数のエンジンアクチュエータとしてみなされてよい。ターボ過給器（turbocharger）を有するディーゼルエンジンなど、エンジンプラントモデルを表すブロック（Ｇｅｎｇ）１１が存在してよい。出力１４は、エンジンのＳＦＣ（例えば、グラム／キロワット時を単位とする燃料消費率（specific fuel consumption））に基づいてよい。出力１５は、エンジンのＰＭ（粒子状物質（particulate matter））出力を示してよく、出力１７は、エンジンのＮＯｘｅｎｇ（すなわち、窒素酸化物）出力を示してよい。ＮＯｘは、百万分の一で測定されてよい。
【０００９】
図２は、制御を有するがＳＣＲを持たない基本的エンジン構成１８の図である。Ｇｅｎｇ１１から、埋込型コンピュータを表すＫｅｎｇブロック２１へのフィードバック１９（ｙｅｎｇ）（エンジンセンサ）が存在してよい。ｙｅｎｇ１９は、ＭＡＰ、ＥＧＲ流、温度、ＮＯｘ排出物、他のためのセンサからの信号を組み込んでよい。Ｋｅｎｇ制御器２１は、１つまたは複数の制御アルゴリズムを組み込んでよい。信号１９は、エンジンでの測定値を表してよい。「ｙｅｎｇ」は、エンジンセンサとみなされてよい。制御の目標は、所望の給気圧（boost pressure）、新鮮な空気流量および／または質量空気流量（mass air flow）、ＥＧＲ流、他を追跡することなどのエンジンの特定の目標を達成し、かつＳＦＣ、ＰＭおよびＮＯｘ、ならびに他の項目の間でトレードオフをもたらすための役割を間接的に果たすために、種々のアクチュエータを制御することであり得る。多くの場合、制御の目標は、ＰＭおよびＮＯｘに対する法的規制が満足されるようにＳＦＣを最小化することであってよい。ｕｅｎｇ１３（エンジンアクチュエータ）は、Ｋｅｎｇ制御器２１からＧｅｎｇブロック１１までのアクチュエータ信号を組み込んでよい。
【００１０】
図３は、組み合わされたエンジンおよびＳＣＲプラントシステム２３の図である。ＳＣＲ後処理装置２４を基本的エンジンプラントモデル１１に追加することで、エンジン出力のＮＯｘ成分が、アンモニア成分（ＮＨ３）を加えることによって変更されうる。エンジン（Ｇｅｎｇ）ブロック１１へのＷｅｎｇ入力１２およびｕｅｎｇ入力１３が存在してよい。性能は、部分的に、Ｇｅｎｇブロック１１からのＳＦＣ１４およびＰＭ１５によって特徴付けられてよい。ＮＯｘｅｎｇ、Ｔｅｘｈ（排気温度）、およびｍｅｘｈ（排気質量（exhaust mass））を表すかまたは示す信号１７が、Ｇｅｎｇブロック１１からＳＣＲ後処理（Ｇｓｃｒ）装置２４まで進んでよい。Ｔｅｘｈは、排気が装置２４に入る前に決定されてよい。システム２３は、ｕｕｒｅａ入力信号２５をＧｓｃｒ装置ブロック２４に供給することができる。「ｕｕｒｅａ」は、尿素溶液投与アクチュエータとみなされてよい。ブロック２４は、ＮＯｘｓｃｒの出力２６およびＮＨ３ｓｃｒの出力２７を有することができる。出力２６および２７は、排気のＮＯｘ排出物に関連する法的要求事項を満足するために必要な、システムの項目である。
【００１１】
時定数が、ブロック１１におけるエンジンおよびブロック２４におけるＳＣＲ装置に関連する可能性がある。ブロック１１の時定数は、変更されたブロック１１への入力に対して、その入力に対するシステムの応答の安定状態に対する一定量（例えば６３％）になるのに必要な時間の長さ（例えば、約１〜２秒）であってよい。ブロック２４の時定数は、排気の変化をもたらす入力の変化によって引き起こされた温度変化に起因して、後処理装置が必要とする時間の長さ（例えば、約２０〜３０秒）であってよい。
【００１２】
ＳＣＲ装置に関連して、触媒が、装置の一部（普通はウォッシュコート（wash coat）に含まれる）であってよい。排気ガスに噴射される物はアンモニアに分解される尿素溶液であってよく、アンモニアは、種々の化学反応（例えば、ＮＯｘ還元）のための還元剤として使用される。アンモニアは、触媒（例えば、白金−ゼオライトタイプの触媒）において吸収される。
【００１３】
図４は、図２のシステム１８の部分および図３のシステム２４の部分を有し、Ｇｓｃｒブロック２４すなわち後処理機構２４からＫｓｃｒすなわち制御器ブロック３１までのｙｓｃｒ信号２９（ＳＣＲセンサ）と、制御器ブロック３１から、後処理機構２４の中でエンジン排気１７に噴射される尿素溶液の量を制御するためのＧｓｃｒブロック２４に入力されるｕｕｒｅａ信号２５とを有する、Ｇｓｃｒブロック２４のフィードバックループの中に、Ｋｓｃｒブロック３１を付加的に有する、非協調的なエンジンおよびＳＣＲ制御システム２８の図である。「ｙｓｃｒ」は、ＳＣＲセンサとみなされてよい。そのようなＳＣＲセンサは、上流のＮＯｘ（エンジンを出るＮＯｘ）、下流のＮＯｘ（排気管を出るＮＯｘ）、下流のＮＨ３、上流／下流の温度、排気流量、他のためのものであってよい。ＳＣＲ制御のための技術は、Ｇｓｃｒ２４すなわちＳＣＲ装置２４に入る排気１７の状態の情報ｙｓｃｒ２９に基づいてＫｓｃｒ３１に実行させることができる。装置２４に入る排気の状態は、ＮＯｘ、Ｔｅｘｈおよび／またはｍｅｘｈのうちの何らかの組合せであってよい。ＳＣＲ装置２４を離れる排気の状態は、ＮＯｘおよび／またはＮＨ３の何らかの組合せであってよい。
【００１４】
「組み合わされたエンジン−ＳＣＲプラント」を見ると、集中型ＭＩＭＯ制御器が、可能性のある選択肢であるように思われる。しかし、帯域幅（すなわち、Ｇｅｎｇブロック１１およびＧｓｃｒブロック２４の時定数）における劇的な差が困難な課題であり、そのことが、分離構造がより実際的でありえることを示唆する。概して、ＳＣＲ装置２４は、エンジンを出るＮＯｘを減少させることができ、そのことが、エンジン制御器Ｋｅｎｇ２１において、他の項目を最適化する可能性が余分に存在することを意味することができる。ここで、より良いＳＦＣを達成するためにＮＯｘｅｎｇより高くさせるステップ、またはその反対のステップが存在する場合に、トレードオフが行われてよい。
【００１５】
ＳＣＲ装置２４の性能は、尿素溶液投与によって調節されてよく、同様に、ＳＣＲ装置の状態（温度およびＮＨ３の範囲（coverage））に影響を与えるＮＯｘｅｎｇ（排気ガスのＮＯｘ濃度）、Ｔｅｘｈ（排気ガスの温度）、およびｍｅｘｈ（排気ガスの質量流量）の特性によっても調節されてよい。同じく、エンジン変数が、２０〜３０秒のＧｓｃｒ、すなわちＳＣＲ２４の時定数よりずっと速く変化する、エンジン速度と燃料、周囲の条件、ならびにエンジンアクチュエータの関数として変化してよい。ＮＯｘｅｎｇ、Ｔｅｘｈ、およびｍｅｘｈのＳＣＲ関連変数を管理することに加えて、ＳＦＣおよびＰＭなどのエンジン性能因子を操作するために、ｕｅｎｇに関連するアクチュエータは、エンジン機能を調節する役割を果たすことができる。
【００１６】
それゆえ、ＮＯｘｅｎｇ、Ｔｅｘｈ、ｍｅｘｈは、エンジン−ＳＣＲシステム２８の全体的な性能を高めるために、尿素溶液投与と連係されてよいが、制御のどの側面に重点を置くべきかを、注意深く考慮する必要があるように思われる。すなわち、ＳＣＲ２４の動的な要求、およびＧｅｎｇ１１すなわちエンジンプラントモデル１１のエンジンアクチュエータが、同様に、エンジン性能を達成する必要があるという事実を考慮すると、ＮＯｘｅｎｇ、Ｔｅｘｈ、およびｍｅｘｈを所望の設定点に非常に長い時間、保持することが可能であることは、必ずしも期待できない。
【００１７】
図５は、検討される縦続接続された協調制御を有するシステム３４の図である。縦続接続する制御器３１および２１は、システムの制御戦略の一部であってよい。監視用制御器（supervisory controller）が制御器３１に内在してよい。Ｗｅｎｇ信号１２が、Ｋｓｃｒ制御器ブロック３１およびＧｅｎｇエンジンブロック１１に入ってよい。ｒｅｎｇ信号３６が、Ｋｓｃｒブロック３１からＫｅｎｇブロック２１に進んでよい。エンジンアクチュエータのためのｕｅｎｇ信号１３が、Ｋｅｎｇブロック２１からＧｅｎｇエンジンブロック１１に進んでよい。エンジンセンサからの信号ｙｅｎｇ１９が、Ｇｅｎｇエンジンブロック１１からＫｅｎｇブロック２１にフィードバックされた情報を有してよい。出力のＳＦＣ信号１４およびＰＭ信号１５が、Ｇｅｎｇエンジンブロック１１から出力されてよい。直接または間接に測定されたＮＯｘｅｎｇ、Ｔｅｘｈ、ｍｅｘｈ信号１７が、Ｇｅｎｇエンジンブロック１１からＧｓｃｒブロック２４まで進んでよい。Ｋｓｃｒブロック３１が、ＳＣＲ装置であるＧｓｃｒブロック２４内に噴射される尿素溶液の量を示すための出力信号であるｕｕｒｅａ２５信号（アクチュエータ）を供給することができる。Ｗｅｎｇ１２で示される、エンジンの設定点、入力パラメータ、速度、燃料、他を修正するために、Ｇｓｃｒブロック２４は、Ｇｓｃｒブロック２４に関するＳＣＲセンサ情報を有するｙｓｃｒ信号２９を、Ｋｓｃｒブロック３１にフィードバックすることができる。ＳＣＲ装置（Ｇｓｃｒブロック２４）は、ＮＯｘｓｃｒ信号２６およびＮＨ３ｓｃｒ信号２７を出力することができる。
【００１８】
ｒｅｎｇ信号３６は、エンジン制御器（Ｋｅｎｇ）２１に対する設定点および入力パラメータに関連してよい。ＳＣＲ制御器（Ｋｓｃｒ）３１は、ＮＯｘｅｎｇ、Ｔｅｘｈ、ｍｅｘｈ信号１７を介してＳＣＲ２４制御において支援するように作動するために、ｒｅｎｇ信号３６を使用することができる。
【００１９】
Ｋｅｎｇブロック２１および／またはＫｓｃｒブロック３１は、それぞれ、モデル予測制御（ＭＰＣ）の制御器を表すことができる。Ｋｓｃｒブロック３１がＭＰＣ制御器を表すものと仮定すると、例えばＰＭ、ＳＦＣおよびＮＯｘｅｎｇに対する要求事項など、エンジン制御の目標が考慮されるように、ｒｅｎｇ信号３６に対する制約が与えられてよい。本構造３４は、Ｋｓｃｒブロック３１の遅い過渡応答を高めるために、ｒｅｎｇ信号３６を使用することを可能にする。
【００２０】
図６は、階層的協調制御システム３８の図である。Ｗｅｎｇ信号１２が、Ｋブロック３９およびＧｅｎｇブロック１１に入ってよい。ｒｅｎｇ信号３６が、Ｋブロック３９からＫｅｎｇブロック２１に進んでよい。ｕｅｎｇ信号１３が、Ｋｅｎｇブロック２１からＧｅｎｇブロック１１に進んでよい。ｙｅｎｇ信号１９が、Ｇｅｎｇブロック１１からＫｅｎｇブロック２１にフィードバックされてよい。エンジンの出力が、Ｇｅｎｇブロック１１からの出力としてＳＦＣ１４およびＰＭ信号１５を含んでよい。ＮＯｘｅｎｇ、Ｔｅｘｈ、ｍｅｘｈ信号１７が、Ｇｅｎｇブロック１１からＧｓｃｒブロック２４に進んでよい。ｒｓｃｒ信号４１が、Ｋブロック３９からＫｓｃｒブロック３１に進んでよい。ｕｕｒｅａ信号２５が、Ｋｓｃｒブロック３１からＧｓｃｒブロック２４に進んでよい。ＳＣＲ装置であるＧｓｃｒブロック２４からの出力が、ＮＯｘｓｃｒ信号２６およびＮＨ３ｓｃｒ信号２７を含んでよい。
【００２１】
図６のシステム３８に対する制御戦略が、Ｇｓｃｒ２４に専用の制御器Ｋｓｃｒ３１を有する階層構造を有してよい。ここで、Ｋブロック３９は、所定の目標、すなわちＮＯｘｓｃｒ、ＮＨ３ｓｃｒ、ＰＭ、ＳＦＣ、他に対する要求事項が達成されるように、局所制御器Ｋｅｎｇ２１およびＫｓｃｒ３１のための設定点Ｗｅｎｇ、ｒｅｎｇ、ｒｓｃｒ、他を操作する、監視用の制御器または調整器（coordinator）であってよい。Ｋブロック３９、Ｋｅｎｇブロック２１および／またはＫｓｃｒブロック３１が、それぞれ、ＭＰＣ制御器を表してよい。
【００２２】
モデル予測制御（ＭＰＣ）は、多くの産業用制御用途に首尾よく適用されているように見える制御手法である。いくつかの制御変数を駆動するために、動的に対等のいくつかのアクチュエータを必要とする用途に対して、ＭＰＣが適切であるように見える。そのようなシステムは、多変数として知られている場合がある。ＭＰＣは、一制御ループの中の種々の信号に対する制約を、体系的に含むことができるように見える。制約された多変数の動的システムを体系的なやり方で取り扱う能力が、ＭＰＣの知名度を高める主要な要因でありうる。
【００２３】
ＭＰＣは、制御された技術または工程の将来の挙動を予測するために、制御されたシステムの動的モデルを使用することができる。この予測に基づきかつ定義された最適性規準に基づいて、ＭＰＣは、制約された最適化問題を解くことによって最適制御信号を計算することができる。この最適化問題は、外乱を排除するため、かつ一定程度のロバスト性を確保するために、各サンプリング期間において解かれるべきである。そのような最適化問題の一例が、式（１）である。
【００２４】
Ｕｏｐｔ＝ａｒｇ ｍｉｎ Ｊ（Ｕ，ｘ，ｐ） ｓ．ｔ． ｇ（Ｕ，ｘ，ｐ）＜＝０ （１）
式（１）において、Ｕｏｐｔは最適制御信号の軌跡であり、Ｊ（Ｕ，ｘ，ｐ）はＭＰＣのコスト関数であり、ｇ（Ｕ，ｘ，ｐ）はＭＰＣの制約を表し、Ｕは最適化変数であり、ｘは制御システムの内部状態であってよく、ｐは種々のパラメータを表してよい。コスト関数Ｊ（Ｕ，ｘ，ｐ）は、種々のペナルティの加重和、例えば予測区間（prediction horizon）にわたる追従誤差（tracking error）の二乗された第２のノルム（squared 2nd norm）の和、アクチュエータ運動の二乗された第２のノルムの和、他であってよい。制約ｇ（Ｕ，ｘ，ｐ）は、アクチュエータに対する制限、および予測区間にわたる種々の制御変数に対する制限を含んでよい。
【００２５】
解法（solver）の効率は、（計算環境の性能と相まって）高速サンプリング周期を有する用途、例えば自動車用途の範囲を制限する主要な要因であるように見える。高速ＭＰＣのための解法の最近の発展は、比較的高速の自動車システム、例えば本明細書で簡潔に説明されるようなエンジンの空気経路制御または排出物制御に対して、ＭＰＣ技術の適用を可能にする。高速ＭＰＣに対する適切な解法は、パラメトリック最適化問題（１）のオンライン解（on-line solution）または陽解（explicit solution）に基づくことができる。最良効率を達成するために、ＭＰＣのための解法は、標準でよく、ＭＰＣのために直接適合されてよく、または特定のＭＰＣの用途のために直接適合されてよい。オンライン解法（on-line solver）は、有効制約集合（active set）（標準方式（standard formulation）、射影勾配（gradient projection）、他）、内点（interior point）、他に基づいてよい。陽解は、多様性手法（multi-parametric approach）、主双対実行可能性手法（primal-dual feasibility approach）、他に基づいてよい。
【００２６】
非協調的なＭＰＣ制御が、図４に示される制御構造（ブロックすなわちシステム２８）によって例示される。制御器２１および３１の一方または両方が、ＭＰＣとして実施されてよい。エンジン空気経路制御器Ｋｅｎｇ２１の目的は、選択された制御変数が、すべての所与の制約が満足されながら、それらの設定点を追従することを確保することである。制御変数１９（エンジンセンサ）は、例えば、以下の集合、すなわち、給気圧、排気ガス再循環流、ラムダセンサ、排気マニフォルド圧、総エンジン空気量、ターボ過給器速度、他、からの任意の組合せであってよい。エンジンアクチュエータ１３は、排気ガス再循環弁、ターボ過給器クチュエータ、ウェイストゲート弁（wastegate valve）、スロットル弁、噴射開始（start of injection）、他を含んでよい。考慮される制約は、例えば、アクチュエータ位置の上限および下限、ラムダセンサに対する制限、ターボ過給器速度に対する制限、他であってよい。制御器Ｋｓｃｒ３１に対する目的は、排気管排出物を制御することである。Ｋｓｃｒ３１に対して操作される変数は、エンジン排気ガス流に噴射される尿素溶液２５の量であってよい。制御変数２９（ＳＣＲセンサ）は、排気管排出物、すなわちＮＯｘ濃度２６、ならびにＰＭおよび未反応アンモニア（ammonia slip）２７であってよい。
【００２７】
縦続接続された協調的なＭＰＣ制御が、図５に示される構造すなわちシステム３４に例示される。この構造は、ＳＣＲシステム２４が、エンジン空気経路よりずっと遅いという事実を反映してよい。それゆえ、２つのＭＰＣ制御器２１および３１を縦続接続構造３４の中に構成することは有利でありうる。エンジン制御器（Ｋｅｎｇ）２１は、エンジン空気経路の基本的安定性を確保するように構成されてよい。従って、制御器２１の付加的自由度は、下流のＳＣＲ装置２４が効率的に働くことができるように、エンジン排気ガス特性に影響を与えるために使用されてよい。Ｋｅｎｇ制御器２１の制御変数（ｙｅｎｇ）１９（エンジンセンサ）は、非協調の場合の制御変数と同じであってよいが、ＳＣＲ装置動作に直接関連し、かつエンジンアクチュエータによって影響されうる他の制御変数１７（後処理センサ）、すなわちＮＯｘ濃度および排気ガス温度を加ええることが有利でありうる。ＳＣＲ制御器（Ｋｓｃｒ）３１が、Ｋｅｎｇ制御器２１の調整器として構成されてよい。Ｋｓｃｒ制御器３１は、Ｋｅｎｇ制御器２１より遅くてよく、ＳＣＲ装置２４の効率的な動作（ＮＯｘ変換）を確保するように、Ｋｅｎｇ制御器２１に対する設定点３６を供給することができる。Ｋｓｃｒ制御器３１の制御変数（ｙｓｃｒ）２９（ＳＣＲセンサ）は、非協調な場合における制御変数と同じ、すなわちＮＯｘ濃度２６および未反応アンモニア２７であってよい。操作される変数は、噴射される尿素溶液２５の量であるばかりでなく、Ｋｅｎｇ制御器２１に対する設定点３６の選択された部分集合、例えばエンジン排気ＮＯｘ濃度１７の設定点およびエンジン排気ガス温度１７の設定点であってよい。
【００２８】
構成、構造またはシステム３８が、図６に示される。制御構造３８は、非協調的なＭＰＣ制御と、縦続接続された協調制御とを組み合わせることができる。２つの局所的制御器Ｋｅｎｇ２１およびＫｓｃｒ３１が存在してよい。制御器Ｋｅｎｇ２１およびＫｓｃｒ３１は、中央調整器すなわち制御器Ｋ３９によって連係されてよい。制御器２１、３１、および３９のうちの１つ、２つ、または３つが、ＭＰＣ制御器であってよい。Ｋｅｎｇ制御器２１の制御すなわちアクチュエータ（ｕｅｎｇ）１３および制御変数（ｙｅｎｇ）１９（エンジンセンサ）は、縦続接続された協調的なＭＰＣ制御におけるアクチュエータおよび制御変数と同じであってよい。制御されたｙｅｎｇ信号１９（エンジンセンサ）に対するｒｅｎｇ設定点３６が、制御器すなわち調整器Ｋ３９によって計算されてよい。操作される制御器Ｋｓｃｒ３１の変数は、噴射される尿素溶液（ｕｕｒｅａ）２５の量であってよい。Ｋｓｃｒ制御器３１の制御変数（ｙｓｃｒ）２９（ＳＣＲセンサ）は、ＮＯｘ排出物２６および未反応ＮＨ３ ２７であってよい。制御変数２９に対する設定点（ｒｓｃｒ）４１は、調整器Ｋ３９によって計算されてよい。調整器Ｋ３９は、動作コストを最小化しながらエンジンおよびＳＣＲ装置の両方の総合効率が最大化されるように構成されてよい。
【００２９】
要点が、図１〜図６を考慮して言及される。選択的触媒還元制御システムは、ディーゼルエンジンまたはエンジンのモデル、エンジンに接続するための選択的触媒還元の排気後処理機構、エンジン制御器、ならびに選択的触媒還元の排気後処理機構およびエンジン制御器に接続された選択的触媒還元制御器を組み込んでよい。エンジン制御器および選択的触媒還元制御器は、エンジンからの排気排出物の中の汚染物質の量を制御するために、エンジンと、選択的触媒還元の排気後処理機構との協調制御を提供することができる。本明細書で言及される項目が、モデル化されてよい。
【００３０】
エンジン制御器および選択的触媒還元制御器が、排気排出物の中の汚染物質の選択的触媒還元を最適化するために、エンジンと選択的触媒還元の排気後処理機構との協調制御を提供することができ、それにより、燃料消費率および／または粒子状物質排出が削減される。エンジン制御器および選択的触媒還元制御器は、モデル予測制御器であってよい。
【００３１】
選択的触媒還元の排気後処理機構は、排気排出物の中の汚染物質の選択的触媒還元のために、排気排出物の中に触媒を供給することができる。汚染物質は、ＮＯｘを有してよい。選択的触媒還元は、排気排出物の中のＮＯｘを削減するステップを組み込むことができる。
【００３２】
排気排出物の中に噴射されるアンモニアに分解される尿素溶液の量は、選択的触媒還元制御器からの信号によって決定されて得る。信号は、排気排出物の中の汚染物質に関する情報に従って、尿素溶液の量を決定することができる。汚染物質に関する情報は、排気排出物の中のＮＯｘの大きさの示度を有することができる。
【００３３】
出力信号が、選択的触媒還元制御器によってエンジン制御器に供給されてよい。出力信号は、排気に関する情報を示すためであってよい。排気に関する情報は、排気排出物の中のＮＯｘの量、排気質量、および／または排気温度を示すステップを組み込むことができる。
【００３４】
選択的触媒還元のための手法は、ディーゼルエンジンおよび関連する構成要素の第１のモデルと、ディーゼルエンジンの第１のモデルの排気に連結された排気後処理装置の第２のモデルと、ディーゼルエンジンの第１のモデルに接続されたエンジン制御器と、排気後処理装置の第２のモデルに接続された選択的触媒還元制御器とを設けるステップを組み込むことができる。また、本手法はまた、第１のモデルの排気の中の汚染物質を削減するために、第２のモデルによって提供される選択的触媒還元により排気を処理するステップをシミュレーションするステップと、燃料効率を高めるための第１のモデルの動作をシミュレーションするステップと、汚染物質の削減および燃料効率の向上を可能にするために、第１および第２のモデルを、それぞれ、第１および第２の制御器と連係させるステップとを組み込むことができる。制御器は、モデル予測制御器であってよい。
【００３５】
汚染物質の選択的触媒還元は、所定の量の尿素溶液を排気の中に噴射するステップを組み込むことができる。所定の量の尿素溶液は、ＮＯｘなどの汚染物質の削減と、高められたエンジンの燃料効率とを可能にするために、第１および第２のモデルと選択的触媒還元との協調制御によって決定されてよい。
【００３６】
本手法は、尿素溶液から分解されたアンモニアによるＮＯｘの量の削減に関する情報を取得するステップをさらに組み込むことができる。排気に供給される尿素溶液の量は、尿素溶液から分解されるアンモニアによるＮＯｘの還元に関する情報に従って規定されてよい。
【００３７】
エンジン排出物削減システムは、排気後処理装置と、排気後処理装置に接続されるシステム制御器とを組み込むことができる。排気後処理装置は、ディーゼルエンジンの排気に接続するためのカップリングを組み込むことができる。システム制御器が、エンジンおよび排気後処理装置に接続されてよい。システム制御器は、エンジンからの汚染排出物の選択的触媒還元をもたらすために、エンジンと排気後処理装置との制御を連係させることができる。
【００３８】
システム制御器は、監視用制御器と、監視用制御器およびエンジンに接続されたエンジン制御器と、監視用制御器および排気後処理装置に接続された選択的触媒還元制御器とを組み込むことができる。システム制御器は、高められたエンジンの燃料効率をさらに提供するために、エンジンと排気後処理装置との制御を連係させることができる。汚染排出物は、ＮＯｘを有してよい。選択的触媒還元は、尿素溶液を排出物に付加することによってＮＯｘを中和させることができる。
【００３９】
制御器は、モデル予測制御器であってよい。選択的触媒還元制御器は、汚染排出物に供給される尿素溶液の量を示す信号を供給することができる。その量の尿素溶液をエンジンの汚染排出物排気の中に放出する（release）ために、信号が排気後処理装置に伝達されてよい。排気後処理装置から下流の排気出力（exhaust output）において、排気の中に放出される尿素溶液の量が、排気の中のＮＯｘおよびＮＨ３の量と、排出物に関する適用可能な規制によって排気の中に許容されるＮＯｘおよびＮＨ３の量とを示す選択的触媒還元制御器からの信号によって決定されてよい。
【００４０】
本明細書において、事柄のいくつかは、仮説的または予測的な性質のものであってよいが、別の方法または時制で記述されうる。
本システムおよび／または本手法が、少なくとも１つの例示的な例に関して説明されたが、多くの変形形態および改変形態が、本明細書を読むと当業者には明らかとなろう。それゆえ、添付の特許請求の範囲は、すべてのそのような変形形態および改変形態を含むために、関連技術を考慮して可能な限り広く解釈されることが意図される。
【符号の説明】
【００４１】
１０ エンジンプラントモデルシステム
１１ Ｇｅｎｇブロック
１２ Ｗｅｎｇ入力
１３ ｕｅｎｇ信号
１４ ＳＦＣ出力
１５ ＰＭ出力
１７ ＮＯｘｅｎｇ出力
１８ 基本的エンジン構成
１９ ｙｅｎｇフィードバック
２１ Ｋｅｎｇブロック（エンジン制御器）
２３ ＳＣＲプラントシステム
２４ Ｇｓｃｒ ＳＣＲ後処理装置
２５ ｕｕｒｅａ信号
２６ ＮＯｘｓｃｒ出力
２７ ＮＨ３ｓｃｒ出力
２８ ＳＣＲ制御システム
２９ ｙｓｃｒ信号（ＳＣＲセンサ）
３１ Ｋｓｃｒ ＳＣＲ制御器ブロック
３４ 縦続接続された協調制御システム
３６ ｒｅｎｇ信号
３８ 階層的協調制御システム
３９ Ｋブロック（調整器）
４１ ｒｓｃｒ信号
【技術分野】
【０００１】
本開示は、環境に有害な排出物、とりわけ、内燃機関からのそのような排出物を削減するための手法に関する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
本開示は、内燃機関からの環境に有害な排出物を削減するためのシステムを提示する。システムは、排気後処理装置（exhaust after-treatment device）を組み込むことができる。排気後処理装置は、選択的触媒還元（selective catalytic reduction）を使用して、エンジンの排気から一定の排出物を除去することができる。尿素溶液が排気排出物（exhaust emission）の中に挿入されてよく、尿素溶液は、アンモニアに分解されて、排出物の中のＮＯｘを還元するための還元剤になる。エンジンは制御器で管理されてよく、排気後処理装置は別の制御器で管理されてよい。これらの制御器は縦続接続されてよく、またはエンジン性能と排出物削減との階層的協調制御または中央協調制御を提供する第３の制御器で管理されてよい。実際のエンジンと選択的触媒還元の後処理装置との協調制御のためのシステムを設計し構築することにおいて支援するために、エンジンおよび排気後処理装置がモデル化されてよい。制御器は、予測モデル制御器であってよい。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
【図１】基本的なエンジンプラントシステムの図である。
【図２】制御を有するが選択的触媒還元のない基本的エンジン構成の図である。
【図３】組み合わされたエンジンおよび選択的触媒還元システムの図である。
【図４】非協調的なエンジンおよび選択的触媒還元制御システムの図である。
【図５】縦続接続された協調制御を有するシステムの図である。
【図６】階層的協調制御システムの図である。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
多くの地理的地域における、かつ多くの用途に対する現行の排出物規制法（emissions legislation）によって、多くのディーゼルエンジンは、排気管からのＮＯｘ排出物を著しく制限する必要がある。選択的触媒還元（ＳＣＲ）は、触媒化学反応のためにアンモニアに分解しうる尿素溶液を排気流に積極的に噴霧するＮＯｘ後処理装置を伴うことができる。しかし、ＮＯｘ排出物および車両の燃費の観点から、達成可能な最大性能を獲得するために、制御戦略が連係される必要がある。
【０００５】
本手法は、エンジンとＳＣＲ装置との制御を連係させることができる。これら２つのサブコンポーネントの協調制御が、著しく削減されたＮＯｘ排出物をもたらして、厳しい大気清浄化規制（clean air regulation）のみならず改良された車両燃料効率をも満足することができる。
【０００６】
エンジンおよび後処理機構の２つの装置が独立に制御される場合は、エンジン制御システムは、単純かつ全体的に常時、エンジンを出るＮＯｘを可能な限り削減しようとする可能性がある。このことは、多くの場合、すす排出物（soot emission）および燃料効率に関して必ずしも最適ではない大量の排気ガス再循環によってなされる可能性がある。全体的な最適化の観点から、多くの場合、エンジン制御システムは、後処理機構に依存してＮＯｘ排出物を削減することが考えられうる。そうではなく、エンジン制御システムは、後処理温度を制御してその効率を最大化すべきである。このことは、実質的には協調制御によってのみ達成されうる。
【０００７】
本手法は、モデリングおよび制御の技術を使用することができる。最初に、エンジンおよび後処理サブシステムのモデルが生成されてよい。エンジンおよび排気後処理サブシステムのモデルは、実際のエンジンおよび排気後処理サブシステムを追跡する（track）ことができる。これらのモデルから、１つまたは複数の多変数制御器が組み立てられうる。多変数制御器は、協調的なエンジン−ＳＣＲ制御システム全体に固有の相互作用に対処することができる。
【０００８】
本明細書では、エンジンおよび排気後処理サブシステムのモデルを実際のサブシステムとして取り扱うことができる。
一連の図１〜図４は、エンジンおよび排出制御手法について、本システムの例を示す図５および図６につながる基本的要素のいくつかを表示する。図１は、基本的なエンジンプラントモデルシステム１０の図である。入力１２（Ｗｅｎｇ）は、検出されたエンジン速度、燃料供給率（fueling rate）、温度および大気圧などの周囲条件、他を組み込むことができる。入力１３（ｕｅｎｇ）は、エンジンにおけるアクチュエータへの信号（例えば、可変形状タービン（variable geometry turbine）（ＶＧＴ）、排気ガス再循環（ＥＧＲ）、スロットル、燃料噴射仕様（fuel injection specifications）、可変弁駆動（variable valve actuation）、他）を組み込んでよい。「ｕｅｎｇ」は、１つまたは複数のエンジンアクチュエータとしてみなされてよい。ターボ過給器（turbocharger）を有するディーゼルエンジンなど、エンジンプラントモデルを表すブロック（Ｇｅｎｇ）１１が存在してよい。出力１４は、エンジンのＳＦＣ（例えば、グラム／キロワット時を単位とする燃料消費率（specific fuel consumption））に基づいてよい。出力１５は、エンジンのＰＭ（粒子状物質（particulate matter））出力を示してよく、出力１７は、エンジンのＮＯｘｅｎｇ（すなわち、窒素酸化物）出力を示してよい。ＮＯｘは、百万分の一で測定されてよい。
【０００９】
図２は、制御を有するがＳＣＲを持たない基本的エンジン構成１８の図である。Ｇｅｎｇ１１から、埋込型コンピュータを表すＫｅｎｇブロック２１へのフィードバック１９（ｙｅｎｇ）（エンジンセンサ）が存在してよい。ｙｅｎｇ１９は、ＭＡＰ、ＥＧＲ流、温度、ＮＯｘ排出物、他のためのセンサからの信号を組み込んでよい。Ｋｅｎｇ制御器２１は、１つまたは複数の制御アルゴリズムを組み込んでよい。信号１９は、エンジンでの測定値を表してよい。「ｙｅｎｇ」は、エンジンセンサとみなされてよい。制御の目標は、所望の給気圧（boost pressure）、新鮮な空気流量および／または質量空気流量（mass air flow）、ＥＧＲ流、他を追跡することなどのエンジンの特定の目標を達成し、かつＳＦＣ、ＰＭおよびＮＯｘ、ならびに他の項目の間でトレードオフをもたらすための役割を間接的に果たすために、種々のアクチュエータを制御することであり得る。多くの場合、制御の目標は、ＰＭおよびＮＯｘに対する法的規制が満足されるようにＳＦＣを最小化することであってよい。ｕｅｎｇ１３（エンジンアクチュエータ）は、Ｋｅｎｇ制御器２１からＧｅｎｇブロック１１までのアクチュエータ信号を組み込んでよい。
【００１０】
図３は、組み合わされたエンジンおよびＳＣＲプラントシステム２３の図である。ＳＣＲ後処理装置２４を基本的エンジンプラントモデル１１に追加することで、エンジン出力のＮＯｘ成分が、アンモニア成分（ＮＨ３）を加えることによって変更されうる。エンジン（Ｇｅｎｇ）ブロック１１へのＷｅｎｇ入力１２およびｕｅｎｇ入力１３が存在してよい。性能は、部分的に、Ｇｅｎｇブロック１１からのＳＦＣ１４およびＰＭ１５によって特徴付けられてよい。ＮＯｘｅｎｇ、Ｔｅｘｈ（排気温度）、およびｍｅｘｈ（排気質量（exhaust mass））を表すかまたは示す信号１７が、Ｇｅｎｇブロック１１からＳＣＲ後処理（Ｇｓｃｒ）装置２４まで進んでよい。Ｔｅｘｈは、排気が装置２４に入る前に決定されてよい。システム２３は、ｕｕｒｅａ入力信号２５をＧｓｃｒ装置ブロック２４に供給することができる。「ｕｕｒｅａ」は、尿素溶液投与アクチュエータとみなされてよい。ブロック２４は、ＮＯｘｓｃｒの出力２６およびＮＨ３ｓｃｒの出力２７を有することができる。出力２６および２７は、排気のＮＯｘ排出物に関連する法的要求事項を満足するために必要な、システムの項目である。
【００１１】
時定数が、ブロック１１におけるエンジンおよびブロック２４におけるＳＣＲ装置に関連する可能性がある。ブロック１１の時定数は、変更されたブロック１１への入力に対して、その入力に対するシステムの応答の安定状態に対する一定量（例えば６３％）になるのに必要な時間の長さ（例えば、約１〜２秒）であってよい。ブロック２４の時定数は、排気の変化をもたらす入力の変化によって引き起こされた温度変化に起因して、後処理装置が必要とする時間の長さ（例えば、約２０〜３０秒）であってよい。
【００１２】
ＳＣＲ装置に関連して、触媒が、装置の一部（普通はウォッシュコート（wash coat）に含まれる）であってよい。排気ガスに噴射される物はアンモニアに分解される尿素溶液であってよく、アンモニアは、種々の化学反応（例えば、ＮＯｘ還元）のための還元剤として使用される。アンモニアは、触媒（例えば、白金−ゼオライトタイプの触媒）において吸収される。
【００１３】
図４は、図２のシステム１８の部分および図３のシステム２４の部分を有し、Ｇｓｃｒブロック２４すなわち後処理機構２４からＫｓｃｒすなわち制御器ブロック３１までのｙｓｃｒ信号２９（ＳＣＲセンサ）と、制御器ブロック３１から、後処理機構２４の中でエンジン排気１７に噴射される尿素溶液の量を制御するためのＧｓｃｒブロック２４に入力されるｕｕｒｅａ信号２５とを有する、Ｇｓｃｒブロック２４のフィードバックループの中に、Ｋｓｃｒブロック３１を付加的に有する、非協調的なエンジンおよびＳＣＲ制御システム２８の図である。「ｙｓｃｒ」は、ＳＣＲセンサとみなされてよい。そのようなＳＣＲセンサは、上流のＮＯｘ（エンジンを出るＮＯｘ）、下流のＮＯｘ（排気管を出るＮＯｘ）、下流のＮＨ３、上流／下流の温度、排気流量、他のためのものであってよい。ＳＣＲ制御のための技術は、Ｇｓｃｒ２４すなわちＳＣＲ装置２４に入る排気１７の状態の情報ｙｓｃｒ２９に基づいてＫｓｃｒ３１に実行させることができる。装置２４に入る排気の状態は、ＮＯｘ、Ｔｅｘｈおよび／またはｍｅｘｈのうちの何らかの組合せであってよい。ＳＣＲ装置２４を離れる排気の状態は、ＮＯｘおよび／またはＮＨ３の何らかの組合せであってよい。
【００１４】
「組み合わされたエンジン−ＳＣＲプラント」を見ると、集中型ＭＩＭＯ制御器が、可能性のある選択肢であるように思われる。しかし、帯域幅（すなわち、Ｇｅｎｇブロック１１およびＧｓｃｒブロック２４の時定数）における劇的な差が困難な課題であり、そのことが、分離構造がより実際的でありえることを示唆する。概して、ＳＣＲ装置２４は、エンジンを出るＮＯｘを減少させることができ、そのことが、エンジン制御器Ｋｅｎｇ２１において、他の項目を最適化する可能性が余分に存在することを意味することができる。ここで、より良いＳＦＣを達成するためにＮＯｘｅｎｇより高くさせるステップ、またはその反対のステップが存在する場合に、トレードオフが行われてよい。
【００１５】
ＳＣＲ装置２４の性能は、尿素溶液投与によって調節されてよく、同様に、ＳＣＲ装置の状態（温度およびＮＨ３の範囲（coverage））に影響を与えるＮＯｘｅｎｇ（排気ガスのＮＯｘ濃度）、Ｔｅｘｈ（排気ガスの温度）、およびｍｅｘｈ（排気ガスの質量流量）の特性によっても調節されてよい。同じく、エンジン変数が、２０〜３０秒のＧｓｃｒ、すなわちＳＣＲ２４の時定数よりずっと速く変化する、エンジン速度と燃料、周囲の条件、ならびにエンジンアクチュエータの関数として変化してよい。ＮＯｘｅｎｇ、Ｔｅｘｈ、およびｍｅｘｈのＳＣＲ関連変数を管理することに加えて、ＳＦＣおよびＰＭなどのエンジン性能因子を操作するために、ｕｅｎｇに関連するアクチュエータは、エンジン機能を調節する役割を果たすことができる。
【００１６】
それゆえ、ＮＯｘｅｎｇ、Ｔｅｘｈ、ｍｅｘｈは、エンジン−ＳＣＲシステム２８の全体的な性能を高めるために、尿素溶液投与と連係されてよいが、制御のどの側面に重点を置くべきかを、注意深く考慮する必要があるように思われる。すなわち、ＳＣＲ２４の動的な要求、およびＧｅｎｇ１１すなわちエンジンプラントモデル１１のエンジンアクチュエータが、同様に、エンジン性能を達成する必要があるという事実を考慮すると、ＮＯｘｅｎｇ、Ｔｅｘｈ、およびｍｅｘｈを所望の設定点に非常に長い時間、保持することが可能であることは、必ずしも期待できない。
【００１７】
図５は、検討される縦続接続された協調制御を有するシステム３４の図である。縦続接続する制御器３１および２１は、システムの制御戦略の一部であってよい。監視用制御器（supervisory controller）が制御器３１に内在してよい。Ｗｅｎｇ信号１２が、Ｋｓｃｒ制御器ブロック３１およびＧｅｎｇエンジンブロック１１に入ってよい。ｒｅｎｇ信号３６が、Ｋｓｃｒブロック３１からＫｅｎｇブロック２１に進んでよい。エンジンアクチュエータのためのｕｅｎｇ信号１３が、Ｋｅｎｇブロック２１からＧｅｎｇエンジンブロック１１に進んでよい。エンジンセンサからの信号ｙｅｎｇ１９が、Ｇｅｎｇエンジンブロック１１からＫｅｎｇブロック２１にフィードバックされた情報を有してよい。出力のＳＦＣ信号１４およびＰＭ信号１５が、Ｇｅｎｇエンジンブロック１１から出力されてよい。直接または間接に測定されたＮＯｘｅｎｇ、Ｔｅｘｈ、ｍｅｘｈ信号１７が、Ｇｅｎｇエンジンブロック１１からＧｓｃｒブロック２４まで進んでよい。Ｋｓｃｒブロック３１が、ＳＣＲ装置であるＧｓｃｒブロック２４内に噴射される尿素溶液の量を示すための出力信号であるｕｕｒｅａ２５信号（アクチュエータ）を供給することができる。Ｗｅｎｇ１２で示される、エンジンの設定点、入力パラメータ、速度、燃料、他を修正するために、Ｇｓｃｒブロック２４は、Ｇｓｃｒブロック２４に関するＳＣＲセンサ情報を有するｙｓｃｒ信号２９を、Ｋｓｃｒブロック３１にフィードバックすることができる。ＳＣＲ装置（Ｇｓｃｒブロック２４）は、ＮＯｘｓｃｒ信号２６およびＮＨ３ｓｃｒ信号２７を出力することができる。
【００１８】
ｒｅｎｇ信号３６は、エンジン制御器（Ｋｅｎｇ）２１に対する設定点および入力パラメータに関連してよい。ＳＣＲ制御器（Ｋｓｃｒ）３１は、ＮＯｘｅｎｇ、Ｔｅｘｈ、ｍｅｘｈ信号１７を介してＳＣＲ２４制御において支援するように作動するために、ｒｅｎｇ信号３６を使用することができる。
【００１９】
Ｋｅｎｇブロック２１および／またはＫｓｃｒブロック３１は、それぞれ、モデル予測制御（ＭＰＣ）の制御器を表すことができる。Ｋｓｃｒブロック３１がＭＰＣ制御器を表すものと仮定すると、例えばＰＭ、ＳＦＣおよびＮＯｘｅｎｇに対する要求事項など、エンジン制御の目標が考慮されるように、ｒｅｎｇ信号３６に対する制約が与えられてよい。本構造３４は、Ｋｓｃｒブロック３１の遅い過渡応答を高めるために、ｒｅｎｇ信号３６を使用することを可能にする。
【００２０】
図６は、階層的協調制御システム３８の図である。Ｗｅｎｇ信号１２が、Ｋブロック３９およびＧｅｎｇブロック１１に入ってよい。ｒｅｎｇ信号３６が、Ｋブロック３９からＫｅｎｇブロック２１に進んでよい。ｕｅｎｇ信号１３が、Ｋｅｎｇブロック２１からＧｅｎｇブロック１１に進んでよい。ｙｅｎｇ信号１９が、Ｇｅｎｇブロック１１からＫｅｎｇブロック２１にフィードバックされてよい。エンジンの出力が、Ｇｅｎｇブロック１１からの出力としてＳＦＣ１４およびＰＭ信号１５を含んでよい。ＮＯｘｅｎｇ、Ｔｅｘｈ、ｍｅｘｈ信号１７が、Ｇｅｎｇブロック１１からＧｓｃｒブロック２４に進んでよい。ｒｓｃｒ信号４１が、Ｋブロック３９からＫｓｃｒブロック３１に進んでよい。ｕｕｒｅａ信号２５が、Ｋｓｃｒブロック３１からＧｓｃｒブロック２４に進んでよい。ＳＣＲ装置であるＧｓｃｒブロック２４からの出力が、ＮＯｘｓｃｒ信号２６およびＮＨ３ｓｃｒ信号２７を含んでよい。
【００２１】
図６のシステム３８に対する制御戦略が、Ｇｓｃｒ２４に専用の制御器Ｋｓｃｒ３１を有する階層構造を有してよい。ここで、Ｋブロック３９は、所定の目標、すなわちＮＯｘｓｃｒ、ＮＨ３ｓｃｒ、ＰＭ、ＳＦＣ、他に対する要求事項が達成されるように、局所制御器Ｋｅｎｇ２１およびＫｓｃｒ３１のための設定点Ｗｅｎｇ、ｒｅｎｇ、ｒｓｃｒ、他を操作する、監視用の制御器または調整器（coordinator）であってよい。Ｋブロック３９、Ｋｅｎｇブロック２１および／またはＫｓｃｒブロック３１が、それぞれ、ＭＰＣ制御器を表してよい。
【００２２】
モデル予測制御（ＭＰＣ）は、多くの産業用制御用途に首尾よく適用されているように見える制御手法である。いくつかの制御変数を駆動するために、動的に対等のいくつかのアクチュエータを必要とする用途に対して、ＭＰＣが適切であるように見える。そのようなシステムは、多変数として知られている場合がある。ＭＰＣは、一制御ループの中の種々の信号に対する制約を、体系的に含むことができるように見える。制約された多変数の動的システムを体系的なやり方で取り扱う能力が、ＭＰＣの知名度を高める主要な要因でありうる。
【００２３】
ＭＰＣは、制御された技術または工程の将来の挙動を予測するために、制御されたシステムの動的モデルを使用することができる。この予測に基づきかつ定義された最適性規準に基づいて、ＭＰＣは、制約された最適化問題を解くことによって最適制御信号を計算することができる。この最適化問題は、外乱を排除するため、かつ一定程度のロバスト性を確保するために、各サンプリング期間において解かれるべきである。そのような最適化問題の一例が、式（１）である。
【００２４】
Ｕｏｐｔ＝ａｒｇ ｍｉｎ Ｊ（Ｕ，ｘ，ｐ） ｓ．ｔ． ｇ（Ｕ，ｘ，ｐ）＜＝０ （１）
式（１）において、Ｕｏｐｔは最適制御信号の軌跡であり、Ｊ（Ｕ，ｘ，ｐ）はＭＰＣのコスト関数であり、ｇ（Ｕ，ｘ，ｐ）はＭＰＣの制約を表し、Ｕは最適化変数であり、ｘは制御システムの内部状態であってよく、ｐは種々のパラメータを表してよい。コスト関数Ｊ（Ｕ，ｘ，ｐ）は、種々のペナルティの加重和、例えば予測区間（prediction horizon）にわたる追従誤差（tracking error）の二乗された第２のノルム（squared 2nd norm）の和、アクチュエータ運動の二乗された第２のノルムの和、他であってよい。制約ｇ（Ｕ，ｘ，ｐ）は、アクチュエータに対する制限、および予測区間にわたる種々の制御変数に対する制限を含んでよい。
【００２５】
解法（solver）の効率は、（計算環境の性能と相まって）高速サンプリング周期を有する用途、例えば自動車用途の範囲を制限する主要な要因であるように見える。高速ＭＰＣのための解法の最近の発展は、比較的高速の自動車システム、例えば本明細書で簡潔に説明されるようなエンジンの空気経路制御または排出物制御に対して、ＭＰＣ技術の適用を可能にする。高速ＭＰＣに対する適切な解法は、パラメトリック最適化問題（１）のオンライン解（on-line solution）または陽解（explicit solution）に基づくことができる。最良効率を達成するために、ＭＰＣのための解法は、標準でよく、ＭＰＣのために直接適合されてよく、または特定のＭＰＣの用途のために直接適合されてよい。オンライン解法（on-line solver）は、有効制約集合（active set）（標準方式（standard formulation）、射影勾配（gradient projection）、他）、内点（interior point）、他に基づいてよい。陽解は、多様性手法（multi-parametric approach）、主双対実行可能性手法（primal-dual feasibility approach）、他に基づいてよい。
【００２６】
非協調的なＭＰＣ制御が、図４に示される制御構造（ブロックすなわちシステム２８）によって例示される。制御器２１および３１の一方または両方が、ＭＰＣとして実施されてよい。エンジン空気経路制御器Ｋｅｎｇ２１の目的は、選択された制御変数が、すべての所与の制約が満足されながら、それらの設定点を追従することを確保することである。制御変数１９（エンジンセンサ）は、例えば、以下の集合、すなわち、給気圧、排気ガス再循環流、ラムダセンサ、排気マニフォルド圧、総エンジン空気量、ターボ過給器速度、他、からの任意の組合せであってよい。エンジンアクチュエータ１３は、排気ガス再循環弁、ターボ過給器クチュエータ、ウェイストゲート弁（wastegate valve）、スロットル弁、噴射開始（start of injection）、他を含んでよい。考慮される制約は、例えば、アクチュエータ位置の上限および下限、ラムダセンサに対する制限、ターボ過給器速度に対する制限、他であってよい。制御器Ｋｓｃｒ３１に対する目的は、排気管排出物を制御することである。Ｋｓｃｒ３１に対して操作される変数は、エンジン排気ガス流に噴射される尿素溶液２５の量であってよい。制御変数２９（ＳＣＲセンサ）は、排気管排出物、すなわちＮＯｘ濃度２６、ならびにＰＭおよび未反応アンモニア（ammonia slip）２７であってよい。
【００２７】
縦続接続された協調的なＭＰＣ制御が、図５に示される構造すなわちシステム３４に例示される。この構造は、ＳＣＲシステム２４が、エンジン空気経路よりずっと遅いという事実を反映してよい。それゆえ、２つのＭＰＣ制御器２１および３１を縦続接続構造３４の中に構成することは有利でありうる。エンジン制御器（Ｋｅｎｇ）２１は、エンジン空気経路の基本的安定性を確保するように構成されてよい。従って、制御器２１の付加的自由度は、下流のＳＣＲ装置２４が効率的に働くことができるように、エンジン排気ガス特性に影響を与えるために使用されてよい。Ｋｅｎｇ制御器２１の制御変数（ｙｅｎｇ）１９（エンジンセンサ）は、非協調の場合の制御変数と同じであってよいが、ＳＣＲ装置動作に直接関連し、かつエンジンアクチュエータによって影響されうる他の制御変数１７（後処理センサ）、すなわちＮＯｘ濃度および排気ガス温度を加ええることが有利でありうる。ＳＣＲ制御器（Ｋｓｃｒ）３１が、Ｋｅｎｇ制御器２１の調整器として構成されてよい。Ｋｓｃｒ制御器３１は、Ｋｅｎｇ制御器２１より遅くてよく、ＳＣＲ装置２４の効率的な動作（ＮＯｘ変換）を確保するように、Ｋｅｎｇ制御器２１に対する設定点３６を供給することができる。Ｋｓｃｒ制御器３１の制御変数（ｙｓｃｒ）２９（ＳＣＲセンサ）は、非協調な場合における制御変数と同じ、すなわちＮＯｘ濃度２６および未反応アンモニア２７であってよい。操作される変数は、噴射される尿素溶液２５の量であるばかりでなく、Ｋｅｎｇ制御器２１に対する設定点３６の選択された部分集合、例えばエンジン排気ＮＯｘ濃度１７の設定点およびエンジン排気ガス温度１７の設定点であってよい。
【００２８】
構成、構造またはシステム３８が、図６に示される。制御構造３８は、非協調的なＭＰＣ制御と、縦続接続された協調制御とを組み合わせることができる。２つの局所的制御器Ｋｅｎｇ２１およびＫｓｃｒ３１が存在してよい。制御器Ｋｅｎｇ２１およびＫｓｃｒ３１は、中央調整器すなわち制御器Ｋ３９によって連係されてよい。制御器２１、３１、および３９のうちの１つ、２つ、または３つが、ＭＰＣ制御器であってよい。Ｋｅｎｇ制御器２１の制御すなわちアクチュエータ（ｕｅｎｇ）１３および制御変数（ｙｅｎｇ）１９（エンジンセンサ）は、縦続接続された協調的なＭＰＣ制御におけるアクチュエータおよび制御変数と同じであってよい。制御されたｙｅｎｇ信号１９（エンジンセンサ）に対するｒｅｎｇ設定点３６が、制御器すなわち調整器Ｋ３９によって計算されてよい。操作される制御器Ｋｓｃｒ３１の変数は、噴射される尿素溶液（ｕｕｒｅａ）２５の量であってよい。Ｋｓｃｒ制御器３１の制御変数（ｙｓｃｒ）２９（ＳＣＲセンサ）は、ＮＯｘ排出物２６および未反応ＮＨ３ ２７であってよい。制御変数２９に対する設定点（ｒｓｃｒ）４１は、調整器Ｋ３９によって計算されてよい。調整器Ｋ３９は、動作コストを最小化しながらエンジンおよびＳＣＲ装置の両方の総合効率が最大化されるように構成されてよい。
【００２９】
要点が、図１〜図６を考慮して言及される。選択的触媒還元制御システムは、ディーゼルエンジンまたはエンジンのモデル、エンジンに接続するための選択的触媒還元の排気後処理機構、エンジン制御器、ならびに選択的触媒還元の排気後処理機構およびエンジン制御器に接続された選択的触媒還元制御器を組み込んでよい。エンジン制御器および選択的触媒還元制御器は、エンジンからの排気排出物の中の汚染物質の量を制御するために、エンジンと、選択的触媒還元の排気後処理機構との協調制御を提供することができる。本明細書で言及される項目が、モデル化されてよい。
【００３０】
エンジン制御器および選択的触媒還元制御器が、排気排出物の中の汚染物質の選択的触媒還元を最適化するために、エンジンと選択的触媒還元の排気後処理機構との協調制御を提供することができ、それにより、燃料消費率および／または粒子状物質排出が削減される。エンジン制御器および選択的触媒還元制御器は、モデル予測制御器であってよい。
【００３１】
選択的触媒還元の排気後処理機構は、排気排出物の中の汚染物質の選択的触媒還元のために、排気排出物の中に触媒を供給することができる。汚染物質は、ＮＯｘを有してよい。選択的触媒還元は、排気排出物の中のＮＯｘを削減するステップを組み込むことができる。
【００３２】
排気排出物の中に噴射されるアンモニアに分解される尿素溶液の量は、選択的触媒還元制御器からの信号によって決定されて得る。信号は、排気排出物の中の汚染物質に関する情報に従って、尿素溶液の量を決定することができる。汚染物質に関する情報は、排気排出物の中のＮＯｘの大きさの示度を有することができる。
【００３３】
出力信号が、選択的触媒還元制御器によってエンジン制御器に供給されてよい。出力信号は、排気に関する情報を示すためであってよい。排気に関する情報は、排気排出物の中のＮＯｘの量、排気質量、および／または排気温度を示すステップを組み込むことができる。
【００３４】
選択的触媒還元のための手法は、ディーゼルエンジンおよび関連する構成要素の第１のモデルと、ディーゼルエンジンの第１のモデルの排気に連結された排気後処理装置の第２のモデルと、ディーゼルエンジンの第１のモデルに接続されたエンジン制御器と、排気後処理装置の第２のモデルに接続された選択的触媒還元制御器とを設けるステップを組み込むことができる。また、本手法はまた、第１のモデルの排気の中の汚染物質を削減するために、第２のモデルによって提供される選択的触媒還元により排気を処理するステップをシミュレーションするステップと、燃料効率を高めるための第１のモデルの動作をシミュレーションするステップと、汚染物質の削減および燃料効率の向上を可能にするために、第１および第２のモデルを、それぞれ、第１および第２の制御器と連係させるステップとを組み込むことができる。制御器は、モデル予測制御器であってよい。
【００３５】
汚染物質の選択的触媒還元は、所定の量の尿素溶液を排気の中に噴射するステップを組み込むことができる。所定の量の尿素溶液は、ＮＯｘなどの汚染物質の削減と、高められたエンジンの燃料効率とを可能にするために、第１および第２のモデルと選択的触媒還元との協調制御によって決定されてよい。
【００３６】
本手法は、尿素溶液から分解されたアンモニアによるＮＯｘの量の削減に関する情報を取得するステップをさらに組み込むことができる。排気に供給される尿素溶液の量は、尿素溶液から分解されるアンモニアによるＮＯｘの還元に関する情報に従って規定されてよい。
【００３７】
エンジン排出物削減システムは、排気後処理装置と、排気後処理装置に接続されるシステム制御器とを組み込むことができる。排気後処理装置は、ディーゼルエンジンの排気に接続するためのカップリングを組み込むことができる。システム制御器が、エンジンおよび排気後処理装置に接続されてよい。システム制御器は、エンジンからの汚染排出物の選択的触媒還元をもたらすために、エンジンと排気後処理装置との制御を連係させることができる。
【００３８】
システム制御器は、監視用制御器と、監視用制御器およびエンジンに接続されたエンジン制御器と、監視用制御器および排気後処理装置に接続された選択的触媒還元制御器とを組み込むことができる。システム制御器は、高められたエンジンの燃料効率をさらに提供するために、エンジンと排気後処理装置との制御を連係させることができる。汚染排出物は、ＮＯｘを有してよい。選択的触媒還元は、尿素溶液を排出物に付加することによってＮＯｘを中和させることができる。
【００３９】
制御器は、モデル予測制御器であってよい。選択的触媒還元制御器は、汚染排出物に供給される尿素溶液の量を示す信号を供給することができる。その量の尿素溶液をエンジンの汚染排出物排気の中に放出する（release）ために、信号が排気後処理装置に伝達されてよい。排気後処理装置から下流の排気出力（exhaust output）において、排気の中に放出される尿素溶液の量が、排気の中のＮＯｘおよびＮＨ３の量と、排出物に関する適用可能な規制によって排気の中に許容されるＮＯｘおよびＮＨ３の量とを示す選択的触媒還元制御器からの信号によって決定されてよい。
【００４０】
本明細書において、事柄のいくつかは、仮説的または予測的な性質のものであってよいが、別の方法または時制で記述されうる。
本システムおよび／または本手法が、少なくとも１つの例示的な例に関して説明されたが、多くの変形形態および改変形態が、本明細書を読むと当業者には明らかとなろう。それゆえ、添付の特許請求の範囲は、すべてのそのような変形形態および改変形態を含むために、関連技術を考慮して可能な限り広く解釈されることが意図される。
【符号の説明】
【００４１】
１０ エンジンプラントモデルシステム
１１ Ｇｅｎｇブロック
１２ Ｗｅｎｇ入力
１３ ｕｅｎｇ信号
１４ ＳＦＣ出力
１５ ＰＭ出力
１７ ＮＯｘｅｎｇ出力
１８ 基本的エンジン構成
１９ ｙｅｎｇフィードバック
２１ Ｋｅｎｇブロック（エンジン制御器）
２３ ＳＣＲプラントシステム
２４ Ｇｓｃｒ ＳＣＲ後処理装置
２５ ｕｕｒｅａ信号
２６ ＮＯｘｓｃｒ出力
２７ ＮＨ３ｓｃｒ出力
２８ ＳＣＲ制御システム
２９ ｙｓｃｒ信号（ＳＣＲセンサ）
３１ Ｋｓｃｒ ＳＣＲ制御器ブロック
３４ 縦続接続された協調制御システム
３６ ｒｅｎｇ信号
３８ 階層的協調制御システム
３９ Ｋブロック（調整器）
４１ ｒｓｃｒ信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンと、
前記エンジンに接続するための選択的触媒還元の排気後処理機構と、
エンジン制御器と、
前記選択的触媒還元の排気後処理機構および前記エンジン制御器に接続された選択的触媒還元制御器と
を備え、
前記エンジン制御器および前記選択的触媒還元制御器が、前記エンジンからの排気排出物の中の汚染物質の量を制御するために、前記エンジンと、選択的触媒還元の排気後処理機構との協調制御を提供する、
選択的触媒還元制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記選択的触媒還元の排気後処理機構が、前記排気排出物の中の前記汚染物質の選択的触媒還元のために、触媒を前記排気排出物の中に供給し、
前記排気排出物の中に噴射されるアンモニアに分解される尿素溶液の量が、前記選択的触媒還元制御器からの信号によって決定され、
前記信号が、前記排気排出物の中の前記汚染物質に関する情報に従って尿素溶液の前記量を決定し、
前記汚染物質に関する前記情報が、前記排気排出物の中のＮＯｘの大きさの示度を含む、
システム。
【請求項３】
ディーゼルエンジンおよび関連する構成要素の第１のモデルを設けるステップと、
前記ディーゼルエンジンの前記第１のモデルの排気に連結された排気後処理装置の第２のモデルを設けるステップと、
前記ディーゼルエンジンの前記第１のモデルに接続されたエンジン制御器を設けるステップと、
前記排気後処理装置の前記第２のモデルに接続された選択的触媒還元制御器を設けるステップと、
前記第１のモデルの排気の中の汚染物質を削減するために、前記第２のモデルによって提供される選択的触媒還元により前記排気を処理するステップをシミュレーションするステップと、
燃料効率を高めるための前記第１のモデルの動作をシミュレーションするステップと、
汚染物質の削減および前記燃料効率の向上を可能にするために、前記第１および前記第２のモデルを、それぞれ、前記第１および前記第２の制御器と連係させるステップと
を含み、
１つまたは複数の制御器がモデル予測制御器である、
選択的触媒還元のための方法。
【請求項４】
排気後処理装置と、
前記排気後処理装置に接続されたシステム制御器と
を備え、
前記排気後処理装置が、ディーゼルエンジンの排気に接続するためのカップリングを備え、
前記システム制御器が、前記エンジンおよび前記排気後処理装置に接続され、
前記システム制御器が、前記エンジンからの汚染排出物の選択的触媒還元をもたらすために、前記エンジンと前記排気後処理装置との制御を連係させ、
前記システム制御器が、
監視用制御器と、
前記監視用制御器および前記エンジンに接続されたエンジン制御器と、
前記監視用制御器および前記排気後処理装置に接続された選択的触媒還元制御器と
を備える、
エンジン排出物削減システム。
【請求項１】
ディーゼルエンジンと、
前記エンジンに接続するための選択的触媒還元の排気後処理機構と、
エンジン制御器と、
前記選択的触媒還元の排気後処理機構および前記エンジン制御器に接続された選択的触媒還元制御器と
を備え、
前記エンジン制御器および前記選択的触媒還元制御器が、前記エンジンからの排気排出物の中の汚染物質の量を制御するために、前記エンジンと、選択的触媒還元の排気後処理機構との協調制御を提供する、
選択的触媒還元制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記選択的触媒還元の排気後処理機構が、前記排気排出物の中の前記汚染物質の選択的触媒還元のために、触媒を前記排気排出物の中に供給し、
前記排気排出物の中に噴射されるアンモニアに分解される尿素溶液の量が、前記選択的触媒還元制御器からの信号によって決定され、
前記信号が、前記排気排出物の中の前記汚染物質に関する情報に従って尿素溶液の前記量を決定し、
前記汚染物質に関する前記情報が、前記排気排出物の中のＮＯｘの大きさの示度を含む、
システム。
【請求項３】
ディーゼルエンジンおよび関連する構成要素の第１のモデルを設けるステップと、
前記ディーゼルエンジンの前記第１のモデルの排気に連結された排気後処理装置の第２のモデルを設けるステップと、
前記ディーゼルエンジンの前記第１のモデルに接続されたエンジン制御器を設けるステップと、
前記排気後処理装置の前記第２のモデルに接続された選択的触媒還元制御器を設けるステップと、
前記第１のモデルの排気の中の汚染物質を削減するために、前記第２のモデルによって提供される選択的触媒還元により前記排気を処理するステップをシミュレーションするステップと、
燃料効率を高めるための前記第１のモデルの動作をシミュレーションするステップと、
汚染物質の削減および前記燃料効率の向上を可能にするために、前記第１および前記第２のモデルを、それぞれ、前記第１および前記第２の制御器と連係させるステップと
を含み、
１つまたは複数の制御器がモデル予測制御器である、
選択的触媒還元のための方法。
【請求項４】
排気後処理装置と、
前記排気後処理装置に接続されたシステム制御器と
を備え、
前記排気後処理装置が、ディーゼルエンジンの排気に接続するためのカップリングを備え、
前記システム制御器が、前記エンジンおよび前記排気後処理装置に接続され、
前記システム制御器が、前記エンジンからの汚染排出物の選択的触媒還元をもたらすために、前記エンジンと前記排気後処理装置との制御を連係させ、
前記システム制御器が、
監視用制御器と、
前記監視用制御器および前記エンジンに接続されたエンジン制御器と、
前記監視用制御器および前記排気後処理装置に接続された選択的触媒還元制御器と
を備える、
エンジン排出物削減システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−６４４０３（Ｐ２０１３−６４４０３Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−２０４５２０（Ｐ２０１２−２０４５２０）
【出願日】平成２４年９月１８日（２０１２．９．１８）
【出願人】（５１２２４２１１４）ハネウェル スポル，エス．エル．オ． (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２０４５２０（Ｐ２０１２−２０４５２０）
【出願日】平成２４年９月１８日（２０１２．９．１８）
【出願人】（５１２２４２１１４）ハネウェル スポル，エス．エル．オ． (2)
【Ｆターム（参考）】
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