内燃機関の制御装置
【課題】内燃機関を制御するアクチュエータの制御量を入力パラメータとして、内燃機関の制御量の予測値を出力するプラントモデルを備えた内燃機関において、運転条件が変化した場合であってもプラントモデルから出力される予測値に不連続が発生することの無い内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関を制御するアクチュエータの制御量（ＥＧＲバルブ開度、可変ノズル型ターボ過給機の可変ノズル開度、排気絞り弁開度）を入力パラメータとして、内燃機関の制御量（過給圧、ＥＧＲ率）の予測値を出力するプラントモデルと、プラントモデルの演算に用いる係数を出力する係数出力モデルと、を備え、係数出力モデルは、プラントモデルから出力される予測値を内燃機関の運転条件の変化に応じて連続的に変化させるための係数を、内燃機関の機関回転数および燃料噴射量を入力パラメータとしてリニアに出力する。
【解決手段】内燃機関を制御するアクチュエータの制御量（ＥＧＲバルブ開度、可変ノズル型ターボ過給機の可変ノズル開度、排気絞り弁開度）を入力パラメータとして、内燃機関の制御量（過給圧、ＥＧＲ率）の予測値を出力するプラントモデルと、プラントモデルの演算に用いる係数を出力する係数出力モデルと、を備え、係数出力モデルは、プラントモデルから出力される予測値を内燃機関の運転条件の変化に応じて連続的に変化させるための係数を、内燃機関の機関回転数および燃料噴射量を入力パラメータとしてリニアに出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２００６−１３２３５７号公報に開示されるように、複数の制御入力（例えば、目標スロットル開度、目標バルブリフト）と、複数の制御量（例えば、吸気管内圧、吸入空気量）との間に相互干渉が存在するプラントの制御装置が知られている。この装置では、プラントを離散時間系モデルとしてモデル化したプラントモデルに基づく所定の応答指定型制御アルゴリズムと所定の非干渉制御アルゴリズムとを組み合わせた所定のアルゴリズムにより、制御入力としての目標スロットル開度および目標バルブリフトを、吸気管内圧および吸入空気量を目標吸気管内圧および目標吸入空気量にそれぞれ追従させるための、相互干渉を解消するような２つの非干渉化入力として算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１３２３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、内燃機関にモデル予測制御を適用する場合においては、プラントモデルの同定が必要となる。この際、従来の技術では内燃機関の運転条件における時定数等の差異によるプラントモデルの精度悪化を回避するため、内燃機関の運転条件（例えば、機関回転数、噴射量）に応じてプラントモデルの領域を複数に分割することとしている。このように、分割された領域毎にプラントモデルを同定することで、各領域におけるモデル精度が有効に高められる。
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術のように、プラントモデルの領域を運転条件に応じて分割すると、内燃機関の運転条件が領域を跨ぐ際に出力されるモデル予測値に不連続が発生し、アクチュエータの制御性が悪化してしまう。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関を制御するアクチュエータの制御量を入力パラメータとして、内燃機関の制御量の予測値を出力するプラントモデルを備えた内燃機関において、運転条件が変化した場合であってもプラントモデルから出力される予測値に不連続が発生することの無い内燃機関の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】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関を制御するアクチュエータの制御量を入力パラメータとして、前記内燃機関の制御量の予測値を出力するプラントモデルと、
前記プラントモデルの演算に用いる係数を出力する係数出力モデルと、を備え、
前記係数出力モデルは、前記プラントモデルから出力される予測値を前記内燃機関の運転条件の変化に応じて連続的に変化させるための前記係数を、前記内燃機関の機関回転数および燃料噴射量を入力パラメータとしてリニアに出力するモデルであることを特徴としている。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記内燃機関は、前記アクチュエータとしてＥＧＲバルブ、可変ノズル型ターボ過給機、および排気絞り弁を備えたディーゼル機関として構成されており、
前記プラントモデルは、前記ＥＧＲバルブの開度、前記可変ノズル型ターボ過給機の可変ノズル開度、および前記排気絞り弁の開度を入力パラメータとして、過給圧およびＥＧＲ率の少なくとも何れかの予測値を出力するモデルであることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、プラントモデルではアクチュエータの制御量を入力パラメータとして内燃機関の制御量の予測値が出力される。また、係数出力モデルでは、プラントモデルにおける演算に用いる係数が出力される。そしてこの際に、係数出力モデルでは、プラントモデルにおいて算出される制御量の予測値を内燃機関の運転条件に応じて連続的に変化させるための係数が、機関回転数および燃料噴射量を入力パラメータとしてリニアに出力される。このため、本発明によれば、プラントモデルを用いて内燃機関の制御量の予測値を連続的に出力することができるので、該予測値を用いるアクチュエータの制御性が悪化する事態を有効に抑制することができる。
【００１０】
第２の発明によれば、プラントモデルは、ＥＧＲバルブの開度、可変ノズル型ターボ過給機の可変ノズル開度、および排気絞り弁の開度を入力パラメータとして、過給圧およびＥＧＲ率の少なくとも何れかの予測値を出力するモデルとして構成されている。このため、本発明によれば、過給圧および／またはＥＧＲ率の予測値が連続的に変化することとなるので、これらの値に応じて制御量が決定されるＥＧＲバルブ開度、可変ノズル開度、および排気絞り弁の開度の制御性を有効に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態としての内燃機関システムの概略構成を説明するための図である。
【図２】従来のモデルベース制御の概要を説明するための図である。
【図３】運転条件に応じて分割された領域の一例を説明するための図である。
【図４】プラントモデルの予測値の不連続性について説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態１のモデル構成を説明するための図である。
【図６】プラントモデルの予測値の連続性について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態としての内燃機関システムの概略構成を説明するための図である。図１に示すとおり、本実施の形態のシステムは、複数気筒（図１では４気筒）を有する４サイクルのディーゼル機関１０を備えている。ディーゼル機関１０は車両に搭載され、その動力源とされているものとする。
【００１４】
以下、本実施形態では、本発明をディーゼル機関（圧縮着火内燃機関）の制御に適用した場合について説明するが、本発明はディーゼル機関に限定されるものではなく、ガソリン機関（火花点火内燃機関）、その他の各種の内燃機関の制御に適用することが可能である。
【００１５】
ディーゼル機関１０の各気筒には、燃料を筒内に直接噴射するためのインジェクタ１２が設置されている。各気筒のインジェクタ１２は、共通のコモンレール１４に接続されている。図示しない燃料タンク内の燃料は、サプライポンプ１６によって所定の燃圧まで加圧されて、コモンレール１４内に蓄えられ、コモンレール１４から各インジェクタ１２に供給される。また、ディーゼル機関１０の排気通路１８は、排気マニホールド２０により枝分かれして、各気筒の排気ポート（図示せず）に接続されている。
【００１６】
ディーゼル機関１０は、可変ノズル型のターボ過給機２４を備えている。ターボ過給機２４は、排気ガスの排気エネルギによって作動するタービン２４ａと、タービン２４ａと一体的に連結され、タービン２４ａに入力される排気ガスの排気エネルギによって回転駆動されるコンプレッサ２４ｂとを有している。更に、ターボ過給機２４は、タービン２４ａに供給される排気ガスの流量を調整するための可変ノズル（ＶＮ）２４ｃを有している。
【００１７】
可変ノズル２４ｃは、図示省略するアクチュエータ（例えば、電動モータ）によって開閉動作可能になっている。可変ノズル２４ｃの開度（以下、「ＶＮ開度」と称する）を小さくすると、タービン２４ａの入口面積が小さくなり、タービン２４ａに吹き付けられる排気ガスの流速を速くすることができる。その結果、コンプレッサ２４ｂおよびタービン２４ａの回転数（以下、「ターボ回転数」と称する）が上昇するので、過給圧を上昇させることができる。逆に、ＶＮ開度を大きくすると、タービン２４ａの入口面積が大きくなり、タービン２４ａに吹き付けられる排気ガスの流速が遅くなる。その結果、ターボ回転数が降下するので、過給圧を低下させることができる。
【００１８】
ターボ過給機２４のタービン２４ａは、排気通路１８の途中に配置されている。タービン２４ａよりも下流側の排気通路１８には、排気ガスを浄化するための後処理装置２６が設けられている。後処理装置２６としては、例えば、酸化触媒、ＮＯｘ触媒、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、ＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOx-Reduction system）等を用いることができる。
【００１９】
ディーゼル機関１０の吸気通路２８の入口付近には、エアクリーナ３０が設けられている。エアクリーナ３０を通って吸入された空気は、ターボ過給機２４のコンプレッサ２４
ｂで圧縮された後、インタークーラ３２で冷却される。インタークーラ３２を通過した吸入空気は、吸気マニホールド３４により各気筒の吸気ポート（図示せず）に分配される。
【００２０】
吸気通路２８におけるインタークーラ３２と吸気マニホールド３４との間には、吸気絞り弁３６が設置されている。吸気絞り弁３６は、図示省略するアクチュエータによって電気的に開閉自在に構成されている。また、吸気通路２８におけるエアクリーナ３０の下流近傍には、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５２が設置されている。
【００２１】
吸気通路２８における吸気マニホールド３４近傍には、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路４０の一端が接続されている。ＥＧＲ通路４０の他端は、排気通路１８における排気マニホールド２０近傍に接続されている。本システムでは、このＥＧＲ通路４０を通して、排気ガス（既燃ガス）の一部を吸気通路２８へ還流させること、つまり外部ＥＧＲを行うことができる。
【００２２】
ＥＧＲ通路４０の途中には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４２が設けられている。ＥＧＲ通路４０におけるＥＧＲクーラ４２下流には、ＥＧＲバルブ４４が設けられている。このＥＧＲバルブ４４の開度（以下、「ＥＧＲバルブ開度」と称する）を変化させることにより、ＥＧＲ通路４０を通る排気ガス量、すなわちＥＧＲ量を調整することができる。
【００２３】
本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力部には、上述したエアフローメータ５２の他、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するためのアクセルポジションセンサ６０、ディーゼル機関１０のクランク角度を検出するためのクランク角センサ６２等、ディーゼル機関１０を制御するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力部には、上述したインジェクタ１２、吸気絞り弁３６、ＥＧＲバルブ４４、ターボ過給機２４の他、ディーゼル機関１０を制御するための各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、入力された各種の情報に基づいて、所定のプログラムに従って各機器を駆動する。
【００２４】
［実施の形態の１動作］
次に、本実施の形態１の動作について説明する。上述したとおり、本実施の形態にかかる内燃機関１０は、その動作を制御するためのアクチュエータとして、インジェクタ１２、吸気絞り弁３６、ＥＧＲバルブ４４、ターボ過給機２４の他、内燃機関１０を制御するための各種アクチュエータを備えている。本実施の形態の制御装置は、いわゆるモデルベース制御によって内燃機関を制御するものであり、プラントモデルによる予測を多用して制御状態を推定し、上述した種々のアクチュエータの制御量を決定する。
【００２５】
先ず、図１に示す本実施の形態１のシステムに従来のモデルベース制御を適用した場合の一例について説明する。図２は、従来のモデルベース制御の概要を説明するための図である。この図に示すとおり、プラントモデル５０１には、各種アクチュエータの制御量として、ＥＧＲバルブ４４の開度（ＥＧＲバルブ開度）、可変ノズル２４ｃの開度（ＶＮ開度）および吸気絞り弁３６の開度（以下、「スロットル開度」と称する）が入力され、過給圧、ＥＧＲ率等の予測値が出力される。
【００２６】
ここで、図２に示すモデルベース制御を内燃機関へ適用するためには、プラントモデルの同定が必要となる。そこで、従来の技術では、運転条件における時定数等の差異による精度悪化を回避すべく、運転条件に応じて領域を複数に分割し、それぞれの領域毎にモデルの同定を行うこととしている。図３は、運転条件に応じて分割された領域の一例を説明するための図である。この図に示す例では、機関回転数および燃料噴射量に応じて、その領域が６つに分割されている。一例として、領域１および２において同定されたプラントモデルの多項式を以下に示す。
【００２７】
【数１】
【００２８】
尚、上式（１）は領域１のプラントモデルを、上式（２）は領域２のプラントモデルを、それぞれ示している。また、θ１〜８は領域１におけるモデル係数（固定値）を、θ９〜１６は領域２におけるモデル係数（固定値）を、ｕはＥＧＲバルブ開度、ＶＮ開度等のモデル入力パラメータを、ｙはＥＧＲ率、過給圧等のモデル出力（予測値）を、それぞれ示している。
【００２９】
上式（１）、（２）に示すとおり、分割された領域毎にモデルを同定すると、モデルの多項式は領域毎に異なるものとなる。このため、運転条件が複数の領域間を跨ぐ場合においては、プラントモデルから出力される予測値に不連続が発生してしまい、当該予測値を用いるアクチュエータの制御性が悪化してしまうことが想定される。このことを、図４を参照して詳細に説明する。
【００３０】
図４は、プラントモデルの予測値の不連続性について説明するための図である。尚、この図中の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、車速、プラントモデルの領域、モデル出力値（過給圧予測値）および制御量としてのＶＮ開度の時間変化をそれぞれ示している。図４中の（ａ）に示すように車速が上昇した場合、機関回転数および燃料噴射量が変化するため、プラントモデルの領域が時間とともに領域１から２、３へと移行する（図４中の（ｂ）参照）。この場合、プラントモデルの出力値である過給圧予測値は、図４中の（ｃ）に示すとおり、領域が他の領域へ移行するタイミングで不連続になってしまう。ＶＮ開度の制御量はプラントモデルから出力された過給圧予測値に基づいて設定される。このため、過給圧予測値が不連続になると、図４中の（ｄ）に示すとおり、ＶＮ開度に急峻な変化が生じてしまい、制御性が悪化するという問題がある。
【００３１】
そこで、本実施の形態１のシステムでは、図５に示すプラントモデルを用いることとする。図５は、本発明の実施の形態１のモデル構成を説明するための図である。この図に示すとおり、本発明の実施の形態１のモデル構成では、領域毎にプラントモデルを同定するのではなく、全運転条件共通のプラントモデル５０２を構成することとする。そして、運転条件を入力としてプラントモデル５０２の各項の係数θ１〜ｎ（ｎはプラントモデル５０２の項数）を出力する係数出力モデル５０４を構成することとする。具体的には、プラントモデル５０２は、例えば次式（３）に示すような多項式で表すことができる。
【００３２】
【数２】
【００３３】
尚、上式（３）において、θはプラントモデル５０２の各項のモデル係数を、ｕはＥＧＲバルブ開度、スロットル開度、ＶＮ開度等のモデル入力パラメータを、ｙはＥＧＲ率、過給圧等のモデル出力を、それぞれ示している。上式（３）に使用されるモデル係数θは、係数出力モデル５０４により出力される。具体的には、係数出力モデル５０４には、クランク角センサ６２により検出される機関回転数およびインジェクタ１２から噴射される燃料噴射量が入力される。係数出力モデル５０４は、入力された運転条件を用いて例えば多項式演算等を行うことにより、上式（３）においてモデル出力ｙが連続的に変化するためのモデル係数θ１〜ｎ（ｎはプラントモデルの項数）を出力する。
【００３４】
図６は、プラントモデルの予測値の連続性について説明するための図である。尚、この図中の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、車速、モデル出力値（過給圧予測値）および制御量としてのＶＮ開度の時間変化をそれぞれ示している。図６中の（ａ）に示すように車速が上昇した場合、機関回転数および燃料噴射量は、車速の上昇に応じて変化する。この場合、係数出力モデル５０４ではモデル出力が連続的に変化するためのモデル係数θが出力されて、プラントモデル５０２へ入力される。このため、図６中の（ｂ）に示すように、プラントモデルの出力値である過給圧の予測値は、運転条件の変化に応じて連続的に変化する。上述したとおり、ＶＮ開度の制御量はプラントモデルから出力された過給圧予測値に基づいて設定される。このため、ＶＮ開度は、図６中の（ｃ）に示すとおり、急峻な変化が生じることなく連続的に変化する。
【００３５】
以上説明したとおり、本実施の形態のシステムによれば、全運転条件共通のプラントモデル５０２が構成されるとともに、連続的なモデル出力（予測値）を得るためのモデル係数θが係数出力モデル５０４からリニアに出力される。これにより、プラントモデル５０２を用いてディーゼル機関１０の制御量の予測値を連続的に出力することができるので、該予測値を用いるアクチュエータの制御性が悪化する事態を有効に抑制することができる。
【００３６】
ところで、上述した実施の形態１においては、プラントモデル５０２への入力パラメータとして、ＥＧＲバルブ開度、スロットル開度、ＶＮ開度を用いることとしているが、使用可能な値はこれらに限られず、他の入力パラメータを用いることとしてもよい。また、プラントモデル５０２のモデル構造に関しても、上式（３）に示す多項式に限られず、他の多項式やＲＢＦ関数等で構築することとしてもよい。
【００３７】
尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が前記第１の発明における「制御部」に相当しているとともに、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１００および１０２の処理を実行することにより、前記第１および第２の発明における「取得手段」が、上記ステップ１０４〜１０８処理を実行することにより、前記第１の発明における「選択手段」が、それぞれ実現されている。
【符号の説明】
【００３８】
１０ ディーゼル機関（エンジン）
１２ インジェクタ
１８ 排気通路
２４ 可変ノズル型ターボ過給機
２４ｃ 可変ノズル
２８ 吸気通路
３６ 吸気絞り弁
４０ ＥＧＲ通路
４４ ＥＧＲバルブ
５０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
５０２ プラントモデル
５０４ 係数出力モデル
６２ クランク角センサ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２００６−１３２３５７号公報に開示されるように、複数の制御入力（例えば、目標スロットル開度、目標バルブリフト）と、複数の制御量（例えば、吸気管内圧、吸入空気量）との間に相互干渉が存在するプラントの制御装置が知られている。この装置では、プラントを離散時間系モデルとしてモデル化したプラントモデルに基づく所定の応答指定型制御アルゴリズムと所定の非干渉制御アルゴリズムとを組み合わせた所定のアルゴリズムにより、制御入力としての目標スロットル開度および目標バルブリフトを、吸気管内圧および吸入空気量を目標吸気管内圧および目標吸入空気量にそれぞれ追従させるための、相互干渉を解消するような２つの非干渉化入力として算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１３２３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、内燃機関にモデル予測制御を適用する場合においては、プラントモデルの同定が必要となる。この際、従来の技術では内燃機関の運転条件における時定数等の差異によるプラントモデルの精度悪化を回避するため、内燃機関の運転条件（例えば、機関回転数、噴射量）に応じてプラントモデルの領域を複数に分割することとしている。このように、分割された領域毎にプラントモデルを同定することで、各領域におけるモデル精度が有効に高められる。
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術のように、プラントモデルの領域を運転条件に応じて分割すると、内燃機関の運転条件が領域を跨ぐ際に出力されるモデル予測値に不連続が発生し、アクチュエータの制御性が悪化してしまう。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関を制御するアクチュエータの制御量を入力パラメータとして、内燃機関の制御量の予測値を出力するプラントモデルを備えた内燃機関において、運転条件が変化した場合であってもプラントモデルから出力される予測値に不連続が発生することの無い内燃機関の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】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関を制御するアクチュエータの制御量を入力パラメータとして、前記内燃機関の制御量の予測値を出力するプラントモデルと、
前記プラントモデルの演算に用いる係数を出力する係数出力モデルと、を備え、
前記係数出力モデルは、前記プラントモデルから出力される予測値を前記内燃機関の運転条件の変化に応じて連続的に変化させるための前記係数を、前記内燃機関の機関回転数および燃料噴射量を入力パラメータとしてリニアに出力するモデルであることを特徴としている。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記内燃機関は、前記アクチュエータとしてＥＧＲバルブ、可変ノズル型ターボ過給機、および排気絞り弁を備えたディーゼル機関として構成されており、
前記プラントモデルは、前記ＥＧＲバルブの開度、前記可変ノズル型ターボ過給機の可変ノズル開度、および前記排気絞り弁の開度を入力パラメータとして、過給圧およびＥＧＲ率の少なくとも何れかの予測値を出力するモデルであることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、プラントモデルではアクチュエータの制御量を入力パラメータとして内燃機関の制御量の予測値が出力される。また、係数出力モデルでは、プラントモデルにおける演算に用いる係数が出力される。そしてこの際に、係数出力モデルでは、プラントモデルにおいて算出される制御量の予測値を内燃機関の運転条件に応じて連続的に変化させるための係数が、機関回転数および燃料噴射量を入力パラメータとしてリニアに出力される。このため、本発明によれば、プラントモデルを用いて内燃機関の制御量の予測値を連続的に出力することができるので、該予測値を用いるアクチュエータの制御性が悪化する事態を有効に抑制することができる。
【００１０】
第２の発明によれば、プラントモデルは、ＥＧＲバルブの開度、可変ノズル型ターボ過給機の可変ノズル開度、および排気絞り弁の開度を入力パラメータとして、過給圧およびＥＧＲ率の少なくとも何れかの予測値を出力するモデルとして構成されている。このため、本発明によれば、過給圧および／またはＥＧＲ率の予測値が連続的に変化することとなるので、これらの値に応じて制御量が決定されるＥＧＲバルブ開度、可変ノズル開度、および排気絞り弁の開度の制御性を有効に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態としての内燃機関システムの概略構成を説明するための図である。
【図２】従来のモデルベース制御の概要を説明するための図である。
【図３】運転条件に応じて分割された領域の一例を説明するための図である。
【図４】プラントモデルの予測値の不連続性について説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態１のモデル構成を説明するための図である。
【図６】プラントモデルの予測値の連続性について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態としての内燃機関システムの概略構成を説明するための図である。図１に示すとおり、本実施の形態のシステムは、複数気筒（図１では４気筒）を有する４サイクルのディーゼル機関１０を備えている。ディーゼル機関１０は車両に搭載され、その動力源とされているものとする。
【００１４】
以下、本実施形態では、本発明をディーゼル機関（圧縮着火内燃機関）の制御に適用した場合について説明するが、本発明はディーゼル機関に限定されるものではなく、ガソリン機関（火花点火内燃機関）、その他の各種の内燃機関の制御に適用することが可能である。
【００１５】
ディーゼル機関１０の各気筒には、燃料を筒内に直接噴射するためのインジェクタ１２が設置されている。各気筒のインジェクタ１２は、共通のコモンレール１４に接続されている。図示しない燃料タンク内の燃料は、サプライポンプ１６によって所定の燃圧まで加圧されて、コモンレール１４内に蓄えられ、コモンレール１４から各インジェクタ１２に供給される。また、ディーゼル機関１０の排気通路１８は、排気マニホールド２０により枝分かれして、各気筒の排気ポート（図示せず）に接続されている。
【００１６】
ディーゼル機関１０は、可変ノズル型のターボ過給機２４を備えている。ターボ過給機２４は、排気ガスの排気エネルギによって作動するタービン２４ａと、タービン２４ａと一体的に連結され、タービン２４ａに入力される排気ガスの排気エネルギによって回転駆動されるコンプレッサ２４ｂとを有している。更に、ターボ過給機２４は、タービン２４ａに供給される排気ガスの流量を調整するための可変ノズル（ＶＮ）２４ｃを有している。
【００１７】
可変ノズル２４ｃは、図示省略するアクチュエータ（例えば、電動モータ）によって開閉動作可能になっている。可変ノズル２４ｃの開度（以下、「ＶＮ開度」と称する）を小さくすると、タービン２４ａの入口面積が小さくなり、タービン２４ａに吹き付けられる排気ガスの流速を速くすることができる。その結果、コンプレッサ２４ｂおよびタービン２４ａの回転数（以下、「ターボ回転数」と称する）が上昇するので、過給圧を上昇させることができる。逆に、ＶＮ開度を大きくすると、タービン２４ａの入口面積が大きくなり、タービン２４ａに吹き付けられる排気ガスの流速が遅くなる。その結果、ターボ回転数が降下するので、過給圧を低下させることができる。
【００１８】
ターボ過給機２４のタービン２４ａは、排気通路１８の途中に配置されている。タービン２４ａよりも下流側の排気通路１８には、排気ガスを浄化するための後処理装置２６が設けられている。後処理装置２６としては、例えば、酸化触媒、ＮＯｘ触媒、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、ＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOx-Reduction system）等を用いることができる。
【００１９】
ディーゼル機関１０の吸気通路２８の入口付近には、エアクリーナ３０が設けられている。エアクリーナ３０を通って吸入された空気は、ターボ過給機２４のコンプレッサ２４
ｂで圧縮された後、インタークーラ３２で冷却される。インタークーラ３２を通過した吸入空気は、吸気マニホールド３４により各気筒の吸気ポート（図示せず）に分配される。
【００２０】
吸気通路２８におけるインタークーラ３２と吸気マニホールド３４との間には、吸気絞り弁３６が設置されている。吸気絞り弁３６は、図示省略するアクチュエータによって電気的に開閉自在に構成されている。また、吸気通路２８におけるエアクリーナ３０の下流近傍には、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５２が設置されている。
【００２１】
吸気通路２８における吸気マニホールド３４近傍には、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路４０の一端が接続されている。ＥＧＲ通路４０の他端は、排気通路１８における排気マニホールド２０近傍に接続されている。本システムでは、このＥＧＲ通路４０を通して、排気ガス（既燃ガス）の一部を吸気通路２８へ還流させること、つまり外部ＥＧＲを行うことができる。
【００２２】
ＥＧＲ通路４０の途中には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４２が設けられている。ＥＧＲ通路４０におけるＥＧＲクーラ４２下流には、ＥＧＲバルブ４４が設けられている。このＥＧＲバルブ４４の開度（以下、「ＥＧＲバルブ開度」と称する）を変化させることにより、ＥＧＲ通路４０を通る排気ガス量、すなわちＥＧＲ量を調整することができる。
【００２３】
本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力部には、上述したエアフローメータ５２の他、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するためのアクセルポジションセンサ６０、ディーゼル機関１０のクランク角度を検出するためのクランク角センサ６２等、ディーゼル機関１０を制御するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力部には、上述したインジェクタ１２、吸気絞り弁３６、ＥＧＲバルブ４４、ターボ過給機２４の他、ディーゼル機関１０を制御するための各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、入力された各種の情報に基づいて、所定のプログラムに従って各機器を駆動する。
【００２４】
［実施の形態の１動作］
次に、本実施の形態１の動作について説明する。上述したとおり、本実施の形態にかかる内燃機関１０は、その動作を制御するためのアクチュエータとして、インジェクタ１２、吸気絞り弁３６、ＥＧＲバルブ４４、ターボ過給機２４の他、内燃機関１０を制御するための各種アクチュエータを備えている。本実施の形態の制御装置は、いわゆるモデルベース制御によって内燃機関を制御するものであり、プラントモデルによる予測を多用して制御状態を推定し、上述した種々のアクチュエータの制御量を決定する。
【００２５】
先ず、図１に示す本実施の形態１のシステムに従来のモデルベース制御を適用した場合の一例について説明する。図２は、従来のモデルベース制御の概要を説明するための図である。この図に示すとおり、プラントモデル５０１には、各種アクチュエータの制御量として、ＥＧＲバルブ４４の開度（ＥＧＲバルブ開度）、可変ノズル２４ｃの開度（ＶＮ開度）および吸気絞り弁３６の開度（以下、「スロットル開度」と称する）が入力され、過給圧、ＥＧＲ率等の予測値が出力される。
【００２６】
ここで、図２に示すモデルベース制御を内燃機関へ適用するためには、プラントモデルの同定が必要となる。そこで、従来の技術では、運転条件における時定数等の差異による精度悪化を回避すべく、運転条件に応じて領域を複数に分割し、それぞれの領域毎にモデルの同定を行うこととしている。図３は、運転条件に応じて分割された領域の一例を説明するための図である。この図に示す例では、機関回転数および燃料噴射量に応じて、その領域が６つに分割されている。一例として、領域１および２において同定されたプラントモデルの多項式を以下に示す。
【００２７】
【数１】
【００２８】
尚、上式（１）は領域１のプラントモデルを、上式（２）は領域２のプラントモデルを、それぞれ示している。また、θ１〜８は領域１におけるモデル係数（固定値）を、θ９〜１６は領域２におけるモデル係数（固定値）を、ｕはＥＧＲバルブ開度、ＶＮ開度等のモデル入力パラメータを、ｙはＥＧＲ率、過給圧等のモデル出力（予測値）を、それぞれ示している。
【００２９】
上式（１）、（２）に示すとおり、分割された領域毎にモデルを同定すると、モデルの多項式は領域毎に異なるものとなる。このため、運転条件が複数の領域間を跨ぐ場合においては、プラントモデルから出力される予測値に不連続が発生してしまい、当該予測値を用いるアクチュエータの制御性が悪化してしまうことが想定される。このことを、図４を参照して詳細に説明する。
【００３０】
図４は、プラントモデルの予測値の不連続性について説明するための図である。尚、この図中の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、車速、プラントモデルの領域、モデル出力値（過給圧予測値）および制御量としてのＶＮ開度の時間変化をそれぞれ示している。図４中の（ａ）に示すように車速が上昇した場合、機関回転数および燃料噴射量が変化するため、プラントモデルの領域が時間とともに領域１から２、３へと移行する（図４中の（ｂ）参照）。この場合、プラントモデルの出力値である過給圧予測値は、図４中の（ｃ）に示すとおり、領域が他の領域へ移行するタイミングで不連続になってしまう。ＶＮ開度の制御量はプラントモデルから出力された過給圧予測値に基づいて設定される。このため、過給圧予測値が不連続になると、図４中の（ｄ）に示すとおり、ＶＮ開度に急峻な変化が生じてしまい、制御性が悪化するという問題がある。
【００３１】
そこで、本実施の形態１のシステムでは、図５に示すプラントモデルを用いることとする。図５は、本発明の実施の形態１のモデル構成を説明するための図である。この図に示すとおり、本発明の実施の形態１のモデル構成では、領域毎にプラントモデルを同定するのではなく、全運転条件共通のプラントモデル５０２を構成することとする。そして、運転条件を入力としてプラントモデル５０２の各項の係数θ１〜ｎ（ｎはプラントモデル５０２の項数）を出力する係数出力モデル５０４を構成することとする。具体的には、プラントモデル５０２は、例えば次式（３）に示すような多項式で表すことができる。
【００３２】
【数２】
【００３３】
尚、上式（３）において、θはプラントモデル５０２の各項のモデル係数を、ｕはＥＧＲバルブ開度、スロットル開度、ＶＮ開度等のモデル入力パラメータを、ｙはＥＧＲ率、過給圧等のモデル出力を、それぞれ示している。上式（３）に使用されるモデル係数θは、係数出力モデル５０４により出力される。具体的には、係数出力モデル５０４には、クランク角センサ６２により検出される機関回転数およびインジェクタ１２から噴射される燃料噴射量が入力される。係数出力モデル５０４は、入力された運転条件を用いて例えば多項式演算等を行うことにより、上式（３）においてモデル出力ｙが連続的に変化するためのモデル係数θ１〜ｎ（ｎはプラントモデルの項数）を出力する。
【００３４】
図６は、プラントモデルの予測値の連続性について説明するための図である。尚、この図中の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、車速、モデル出力値（過給圧予測値）および制御量としてのＶＮ開度の時間変化をそれぞれ示している。図６中の（ａ）に示すように車速が上昇した場合、機関回転数および燃料噴射量は、車速の上昇に応じて変化する。この場合、係数出力モデル５０４ではモデル出力が連続的に変化するためのモデル係数θが出力されて、プラントモデル５０２へ入力される。このため、図６中の（ｂ）に示すように、プラントモデルの出力値である過給圧の予測値は、運転条件の変化に応じて連続的に変化する。上述したとおり、ＶＮ開度の制御量はプラントモデルから出力された過給圧予測値に基づいて設定される。このため、ＶＮ開度は、図６中の（ｃ）に示すとおり、急峻な変化が生じることなく連続的に変化する。
【００３５】
以上説明したとおり、本実施の形態のシステムによれば、全運転条件共通のプラントモデル５０２が構成されるとともに、連続的なモデル出力（予測値）を得るためのモデル係数θが係数出力モデル５０４からリニアに出力される。これにより、プラントモデル５０２を用いてディーゼル機関１０の制御量の予測値を連続的に出力することができるので、該予測値を用いるアクチュエータの制御性が悪化する事態を有効に抑制することができる。
【００３６】
ところで、上述した実施の形態１においては、プラントモデル５０２への入力パラメータとして、ＥＧＲバルブ開度、スロットル開度、ＶＮ開度を用いることとしているが、使用可能な値はこれらに限られず、他の入力パラメータを用いることとしてもよい。また、プラントモデル５０２のモデル構造に関しても、上式（３）に示す多項式に限られず、他の多項式やＲＢＦ関数等で構築することとしてもよい。
【００３７】
尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が前記第１の発明における「制御部」に相当しているとともに、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１００および１０２の処理を実行することにより、前記第１および第２の発明における「取得手段」が、上記ステップ１０４〜１０８処理を実行することにより、前記第１の発明における「選択手段」が、それぞれ実現されている。
【符号の説明】
【００３８】
１０ ディーゼル機関（エンジン）
１２ インジェクタ
１８ 排気通路
２４ 可変ノズル型ターボ過給機
２４ｃ 可変ノズル
２８ 吸気通路
３６ 吸気絞り弁
４０ ＥＧＲ通路
４４ ＥＧＲバルブ
５０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
５０２ プラントモデル
５０４ 係数出力モデル
６２ クランク角センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関を制御するアクチュエータの制御量を入力パラメータとして、前記内燃機関の制御量の予測値を出力するプラントモデルと、
前記プラントモデルの演算に用いる係数を出力する係数出力モデルと、を備え、
前記係数出力モデルは、前記プラントモデルから出力される予測値を前記内燃機関の運転条件の変化に応じて連続的に変化させるための前記係数を、前記内燃機関の機関回転数および燃料噴射量を入力パラメータとしてリニアに出力するモデルであることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記内燃機関は、前記アクチュエータとしてＥＧＲバルブ、可変ノズル型ターボ過給機、および排気絞り弁を備えたディーゼル機関として構成されており、
前記プラントモデルは、前記ＥＧＲバルブの開度、前記可変ノズル型ターボ過給機の可変ノズル開度、および前記排気絞り弁の開度を入力パラメータとして、過給圧およびＥＧＲ率の少なくとも何れかの予測値を出力するモデルであ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１】
内燃機関を制御するアクチュエータの制御量を入力パラメータとして、前記内燃機関の制御量の予測値を出力するプラントモデルと、
前記プラントモデルの演算に用いる係数を出力する係数出力モデルと、を備え、
前記係数出力モデルは、前記プラントモデルから出力される予測値を前記内燃機関の運転条件の変化に応じて連続的に変化させるための前記係数を、前記内燃機関の機関回転数および燃料噴射量を入力パラメータとしてリニアに出力するモデルであることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記内燃機関は、前記アクチュエータとしてＥＧＲバルブ、可変ノズル型ターボ過給機、および排気絞り弁を備えたディーゼル機関として構成されており、
前記プラントモデルは、前記ＥＧＲバルブの開度、前記可変ノズル型ターボ過給機の可変ノズル開度、および前記排気絞り弁の開度を入力パラメータとして、過給圧およびＥＧＲ率の少なくとも何れかの予測値を出力するモデルであ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。
【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２０１３−５００４５（Ｐ２０１３−５００４５Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８７２３３（Ｐ２０１１−１８７２３３）
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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