JP4472003B2 - 複数の燃焼モードを有する機関のための制御システム - Google Patents

Description

本発明は機関制御システムに関し、より詳細には複数の燃焼モードを有する機関のための制御システムに関する。

機関の排出を少なくし、かつ、機関の性能を改善するための近代の努力は、代替機関燃焼モードの研究に至っている。代替燃焼モードは、様々なタイプの機関で実施されている。

例えばディーゼル機関の場合、従来のディーゼル燃焼（不均質チャージ圧縮点火）は、それだけでは期待排出レベルを満足することはできないことが明らかになっている。圧縮点火直接点火（ＣＩＤＩ）機関は、広く知られているディーゼル機関が進歩したバージョンであり、小型車両に対する有望な技術である。ＣＩＤＩ機関は、従来のハイブリッド電力トレイン構成の両方に適している。

ディーゼル機関の場合、代替燃焼モードには、均質チャージ圧縮点火、低温燃焼および予混合チャージ圧縮点火がある。これらの代替燃焼モードは、それぞれ、排出、速度−トルク範囲、シリンダ内条件、燃料補給などの独自の運転特性および要求事項を有している。

また、排出基準を満足するためには、場合によっては燃焼を改善するだけでは十分ではないようである。より詳細には、燃焼の改善と共に場合によっては排気処理デバイスを使用しなければならない。これらの処理デバイスは、それぞれ独自の動作特性を有しており、このようなデバイスの中には、定期的な再生を必要とするデバイスもある。

現在研究されている、排出目標を達成し、かつ、機関の要求事項を満足するためのもう１つの概念は、同じ機関で複数の燃焼モードを使用することである。詳細には、排出処理システムは、ガスの組成およびベッド温度などの、機関の速度−トルクの全運転範囲にわたって満足しなければならない運転要求事項を有している。これは、異なる運転条件に対して異なる燃焼モードを使用することによって達成することができる。例えば、特定の機関の場合、始動時およびより重い負荷時には従来の燃焼モードが使用され、また、軽負荷時には低温燃焼モードを使用して負荷が加減される。

この実施形態およびその利点については、添付の図面と共に以下の説明を参照することによってより完全に理解されよう。図において、同様の参照番号は、同様の機能を表している。

「背景技術」で言及したように、性能を最適化し、かつ、排出要求事項を満足するために、現在、複数の燃焼モードを有する機関が開発されている。以下の説明には、複数の燃焼モードを有するディーゼル機関と共に使用するためのモデル化および制御システムが記述されているが、任意の燃料燃焼機関に同じ概念を適用することができる。

ディーゼル機関の場合、均質チャージ圧縮点火（ＨＣＣＩ）、低温燃焼（ＬＴＣ）および予混合チャージ圧縮点火（ＰＣＣＩ）などの複雑な代替燃焼モードが積極的に開発され、かつ、従来のディーゼル燃焼と共に実施されている。これらの代替燃焼モードは、著しい性能損失を伴うことなく機関の排出レベルを小さくする大きな可能性を提供している。

代替燃焼モードは、独自の利点および欠点と共に、燃焼、排出、適用可能な速度−トルク範囲、必要なシリンダ内条件および燃料補給に関する個々の特性を有している。例えば、必要な局部当量比および局部温度は、燃焼モード毎に異なっている。

排気処理デバイスは、それぞれ独自の動作特性を有しており、定期的に再生しなければならない。再生中におけるシリンダ内燃焼は、（リッチ排気ガスなど）必要な排気状態を生成するためには、正規の運転時のシリンダ内燃焼とはまったく異なる燃焼になる。

現在、１つまたは２つの燃焼モードのみを使用して、速度−トルク（車両アプリケーションによって要求される）の全範囲をカバーし、かつ、排気処理システムの動作要求事項（ガスの組成およびベッド温度は最も重要な要求事項である）を満足することは困難であることが明らかになっている。機関の総合性能および排出を最適化し、かつ、排気処理システムの機能を維持するためには、速度−トルクの全運転領域にわたって、異なる複数の燃焼モードおよびサブ・モードを使用しなければならない。

適用可能な速度−トルクの範囲およびこれらの燃焼モードの目的がまったく異なることを考慮すると、燃焼モードを切り換える必要がある。しかしながら、これらの燃焼モードのシリンダ内条件要求事項がまったく異なり、また、燃焼モードのいくつかは、シリンダ内条件に極めて敏感である不安定燃焼の境目に近いため、性能および排出低減を犠牲にすることなく、円滑で迅速かつ頑丈なモード切換えを達成することは、難しい課題である。

定常状態では、適切な較正により、個々の燃焼モードを出力、排出および排気処理システムの対応する要求事項に極めて良好に合致させることができる。しかしながら、定常状態なる状況は、実際の車両アプリケーションにはほとんど存在せず、また、複数の燃焼モードを備えた機関を車両上で実施する場合、いずれの場合においても必ず慎重な燃焼モードの切換えを余儀なくされる。モードを切り換えている間、円滑で迅速かつ頑丈な移行を達成するためには複雑な制御手法が必要である。機関制御システムは、使用する燃焼モードの数が多いほど、急激にその課題が過酷になり、また、その複雑性が増す。

複数の燃焼モードを備えた、多変数高結合非線形システムとしての機関は、従来の燃焼モードしか備えていない機関よりはるかに複雑になる。特別な手法を使用した古典線形制御では、許容可能な性能を得ることはできない。燃焼、排出および車両アプリケーションの要求事項を満足するためには、最新の非線形制御手法が必要である。非線形モデル化および制御は、現在、積極的に研究されている分野であるが、この研究は、従来の単一の燃焼モードしか備えていない機関を対象にしている。

複数の燃焼モードを有する機関のための系統的非線形モデル化および制御手法は、現時点では未確立であり、調査が必要である。本明細書において説明する本発明の目的は、最新の多変数非線形モデル化および制御を開発することである。より詳細には、本発明の目的は、複数の燃焼モードを実施するための、既存の燃焼モードおよび／または将来的に出現する新しい燃焼モードを含むことができる、系統的で迅速かつ頑丈なシリンダ内条件制御手法である。より詳細には、とりわけ機関吸込みシステムのための制御志向非線形動的モデルを構築することができる。動的モデルは、複雑な物理モデルのリダクションから得ることができ、あるいは実験データに基づく非線形システム識別技法を使用することによって得ることができる。これらのモデルに基づいて非線形シリンダ内条件制御システムを設計し、実施し、かつ、実験的に基づいて検証することができる。

図１は、機関および排出システム１００の性能、および制御システム２００によってその性能が影響を受ける様子を高水準のプロセス線図で示したものである。システム１００は、１つまたは複数の燃焼モードを有していることが仮定されている。

機関燃焼１０３は、シリンダ内条件１０１と燃料補給パラメータ（ｆｕｅｌｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）１０２の２つの主要要因によって決定される。適切なシリンダ内条件および燃料補給パラメータを使用して、異なる燃焼モードを達成することができる。

シリンダ内条件１００は、複数のパラメータによって定義することができる。シリンダ内酸素量、シリンダ内不活性ガス量、温度および旋回レベルなどは、これらのパラメータの一例である。これらのシリンダ内条件の定量値は、センサ（質量空気流センサ、吸込みマニホルド圧力／温度センサ）およびモデルを使用して測定または予測することができる。

燃料補給パラメータ１０２には、通常、個々の噴射事象に対する噴射パターン［単一、二重、後噴射（ｐｏｓｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）など］、噴射時期および噴射量ならびに噴射圧力が含まれている。

機関によって使用される実際の燃焼モードに応じて、より多くのパラメータをシリンダ内条件および燃料補給パラメータの両方の範囲に含めることができる。

燃料補給パラメータ１０２は、通常、瞬時に変更することができる。噴射圧力は例外であるが、圧力変化の遅延は、変化が小さい場合、燃焼に大きく影響することはない。噴射の時期および噴射量に動力学が含まれていないと仮定すると、所与の燃焼サイクルに必要な精度で燃焼室に燃料を引き渡すことができる。

一方、シリンダ内条件（ｉｎ−ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）１００は、吸込み／排気マニホルド充填および排気動力学、ＥＧＲ（排気ガス再循環）遅延およびターボチャージャ動作の複雑性などの要因のため、速度の遅い非線形動的プロセスである。所与のシリンダ内条件に到達するためには複数の燃焼サイクルが必要であり、また、シリンダ内条件には複雑な制御が必ず必要である。

制御システム２００に関しては、シリンダ内条件２０１のための良好な制御システムにより、良好な燃焼制御２０３が得られる。そのために、良好な機関排出および性能１０４を達成することができる。

機関および排出システム１００の複雑性および非線形性のため、複雑な制御理論および技術を使用しなければならない。課題は多いが、２つの主要な課題は、燃焼モード切換えの駆動性および頻度である。

駆動性に関しては、シリンダ内条件を変更する時間スケールを遅くすることによって円滑なモード切換えを困難にしている。モード切換えの頻度に関しては、所与の燃焼モードの間に、コントローラを適切に較正することによって期待性能および排出を満足することができる。しかしながら、これらのメトリクス（性能および排出）［ｍｅｔｒｉｃｓ（ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）］は、燃焼モードを切り換えている間、場合によっては満足なメトリクスには及ばないことがある。したがって、モード切換えの頻度を小さくし、かつ、移行時間を短くすることが重要である。

図２は、通常はＶＧＴ、ＥＧＲおよび燃料補給しか備えていない従来のディーゼル機関のアクチュエーションを示したものである。図３は、複数の燃焼モードを備えた開発中のディーゼル機関のための、数が増加したアクチュエーションを示したものである。新しい燃焼モードを達成するために、より多くのシリンダ内条件を処理するデバイス（二重スロットル・バルブ（高圧スロットル、低圧スロットル）、二重ＥＧＲループ（高圧ＥＧＲ、低圧ＥＧＲ）、可変バルブ・アクチュエーション（ＶＶＡ）、旋回制御バルブ（ＳＣＶ）など）が使用されており、また、より多くのシリンダ内条件変数が定義されている。そのためにシステムが著しく複雑になっている。

複雑な制御は、移行状態の間、所望のシリンダ内条件を達成するためである。このことを考慮すると、複数の燃焼モードを使用している機関の場合、シリンダ内条件の制御は極めて重要である。シリンダ内条件を良好に制御することは、燃焼が良好に制御されることを意味しており（燃料補給／噴射制御がほぼ完璧であることを認識されたい）、したがって良好な機関排出および性能を達成することができる。

図４は、本発明による制御システム２００の構造を示したものである。以下で説明するように、システム２００は、複数の燃焼モードを有する内燃機関システム１００のための非線形モデル化および制御を提供している。システム２００は、適切なデータ処理装置、論理および記憶装置を使用して実施することができ、また、独立型制御ユニットにすることも、あるいは他の機関制御処理装置と一体にすることも可能であることを理解されたい。

シリンダ内条件は、ガス処理デバイスによって、２つの経路を介して制御される。第１の経路は、機関速度（ＲＰＭ）および所望のトルクＴによって決定されるフィードフォワード寄与である。所望のトルクは、ペダル位置データ２１０および機関速度（ＲＰＭ）データ２１１から決定される。これらの入力は、所望のトルクを出力するマップ２１２に引き渡される。

所望のトルクおよびＲＰＭは、ガス処理フィードフォワード・ベクトルＧを提供するフィードフォワード・マップ２１３に入力される。スロットル・バルブ（Ｔｈｒ）、ＥＧＲバルブ、旋回制御バルブ（ＳＣＶ）、可変形態ターボチャージャ（ＶＧＴ）および可変バルブ・アクチュエータ（ＶＶＡ）は、ガス処理デバイスの一例である。したがって、ベクトルＧは、ガス処理データ、Ｇ＝［スロットル、ＥＧＲ、ＶＧＴ、ＳＣＶ、ＶＶＡ等］を表している。

マップ２１２および２１３は、様々な記憶装置を使用して実施することができる。例えば、マップ２１２および２１３は、データにアクセスするためのルック・アップ・テーブルまたは他の手段として実施することができる。

第２の経路は、非線形シリンダ内条件コントローラ２１５によって決定される閉ループ・フィードバック寄与である。コントローラ２１５は、所望のシリンダ内条件マップ２１４および測定／予測シリンダ内条件２１６からのデータに応答して動作する。

所望のシリンダ内条件マップ２１４は、所望の機関燃焼モードで決まる。所望のシリンダ内条件マップ２１４は、トルクおよび機関速度データを受け取り、その出力は、シリンダ内条件ベクトルＸで表すことができる。詳細には、Ｘ＝［空気の質量、ＥＧＲ質量、旋回レベル、温度等］である。

コントローラ２１５は、ベクトルＸデータおよび予測器２１６からのデータを受け取っている。コントローラ２１５の出力は、制限器２１７に引き渡される。制限器２１７は、その出力を論理回路２１８に引き渡す。論理回路２１８は、フィードフォワード・ベクトルＧおよび閉ループ・ベクトルＧを使用して、所望のＧベクトルを提供している。Ｇベクトル・ハンドラ２１９は、機関１００の適切なコントローラおよびアクチュエータへの機関制御データの引渡しを処理している。

噴射パターン（単一噴射、二重噴射等）、噴射時期、噴射量および噴射圧力からなる燃料補給パラメータのベクトルＦは、機関速度ＲＰＭ、所望のトルクＴ（機関速度およびペダル位置の関数である）、予測器２１６からの測定／予測シリンダ内条件および所望の燃焼モードによって決定される。これらのデータは、燃料補給マップおよび修正機能２２０に引き渡される。

Ｆベクトル・ハンドラ２２１は、機関１００の適切なコントローラおよびアクチュエータへの機関制御データの引渡しを処理している。

機関１００は、ベクトルＧで表される制御されたシリンダ内条件、およびベクトルＦで表される適切に較正された燃料補給によって、所望のトルクを生成する。

この制御システム２００では、「シリンダ内条件予測器」２１６は、シリンダ内条件に関する全状態フィードバック情報をコントローラに提供する「センサ」として作用している。予測器２１６は、適度に正確なシリンダ内条件情報を実時間で提供している。予測器２１６は、物理学をベースとするモデルおよび／またはデータをベースとするモデルから構成することができる。「物理学をベースとするモデル」は物理学の法則から引き出され、「データをベースとするモデル」は実験データから生成される。

非線形シリンダ内コントローラ２１５は、従来の燃焼モードのみのために開発された従来の既存の機関吸込みシステム動的モデルとは異なる動的シリンダ内条件モデルに基づいている。ここでは、動的シリンダ内条件モデルには、複数の代替燃焼モードへの適用を可能にしているより多くの変数（吸込みマニホルド温度など）が含まれている。

シリンダ内条件制御は、非線形システムに結合された多重入力多重出力（ＭＩＭＯ）である。特別な制御を使用したＰＩＤコントローラなどの古典的な線形制御手法では、満足な性能は得られない。現実の駆動性要求事項および排出要求事項を同時に満足するためには、複雑な最新のＭＩＭＯ非線形状態−空間制御設計手法が必要である。シリンダ内条件は、機関によって使用される燃焼モードに応じて、システム状態空間に及ぶ多重変数ベクトルとして定義することができる。

例えば、次の式は、シリンダ内条件が、シリンダ内酸素質量、シリンダ内不活性ガス質量および温度によって定義されることを示している。
ｘ＝ＩｎＣｙｌＣｏｎｄ＝［Ｍ_Ｏｘｙ，Ｍ_{Ｉｎｅｒｔ}，Ｔ，．．．］^Ｔ

これらの３つのパラメータは一例にすぎず、異なるパラメータつまり他のパラメータを使用することも可能である。

図５は、３状態ベクトル［酸素量、不活性ガス量、温度］として定義されるシリンダ内条件の一例を示したものである。点線は、この状態空間における、異なる燃焼モードに対する所望のシリンダ内条件軌道を表している。実際のシリンダ内条件軌道（実線で示されている）を、所望する軌道の周りのマニホルド内で制御することができると仮定すると、良好な機関性能（滑らかなトルク）および排出を常に達成することができる。

シリンダ内条件ＩｎＣｙｌＣｏｎｄの制御可能性を保証するために、機関は、相応して、システム入力ベクトルを構成するガス処理デバイスを備えている。例えば、次の式は、システム入力が５つの異なるガス処理デバイスを備えていることを示している。これらの５つのパラメータは一例にすぎず、異なるパラメータすなわち他のパラメータを使用することも可能である。
ｕ＝［θ_Ｔｈｒ，θ_ＥＧＲ，θ_ＳＣＶ，θ_ＶＧＴ，Φ_ＶＶＡ］^Ｔ

システムの動力学は、次の式で記述することができ、図６は、それを示したものである。

これらのシステム動力学に基づいて、機関システム１００の確固とした制御のための非線形コントローラ２１５を設計することができる。コントローラ２１５は、適切にプログラムされた論理および／または処理デバイスを使用して実施することができ、また、スライド・モード制御および全状態フィードバック線形化などの機能を備えることができる。

機関モデル化および制御システム２００は、複数の燃焼モードで走行する機関を制御するための汎用手法を表している。システム２００は、燃焼モードの異なる組合せを有する様々な機関に適合させることができる。

もう一度図３を参照すると、シリンダ内条件を制御するために、より多くのガス処理デバイスが機関に追加されている。しかしながら、ガス処理デバイスの各々は、異なるシリンダ内条件変数に対して異なるレベルの制御権限を有している（例えばＥＧＲバルブは、シリンダ内慣性ガス量に対して、吸込み空気スロットル・バルブより高い制御権限を有している）。個々のガス処理デバイスの有効性は、運転条件／システムの状態によって変化する。

図７は、異なる開口位置におけるスロットル・バルブ対吸込みマニホルド圧の有効性の変化を示したものである。これらのガス処理デバイスの間の統制の取れた制御が肝要である。上で言及したように、とりわけ新たに開発された、不安定燃焼の境目に極めて近い代替燃焼モードの場合、機関の燃焼はシリンダ内条件に敏感である。シリンダ内条件を追跡制御している間のシリンダ内条件のオーバシュート／アンダーシュートを最小化し、かつ、異なるアクチュエータの結合効果を抑制するために、異なる運転条件におけるシリンダ内条件変数に対するそれらの制御権限のレベルに基づいて、ガス処理デバイスを利用する優先順位が決められている。そのようにすることにより、シリンダ内条件の収束速度を改善することができ、また、結合効果を最小化することができる。

内燃機関およびその制御システムのプロセス線図である。 従来のディーゼル機関のための様々なアクチュエータを示す図である。 現在開発中のディーゼル機関のための様々なアクチュエータを示す図である。 本発明による制御システムを示す図である。 ３状態ベクトルとして定義される、図４に示すシリンダ内条件を示す図である。 シリンダ内条件の動的方程式である。 異なる開口位置におけるスロットル・バルブ対吸込みマニホルド圧の有効性の変化を示すグラフである。

Claims (12)

1. 複数の燃焼モードを有する内燃機関のための制御システムであって、
   ガス処理フィードフォワード・データを提供するためのフィードフォワード経路と、
   ガス処理フィードバック・データを提供するための閉ループ・フィードバック経路と、
   前記フィードフォワード経路からのデータと前記フィードバック経路からのデータを結合するための論理であって、それにより所望する最終ガス処理データが提供される論理と、
   ガス制御データを前記機関に引き渡すためのガス・データ・ハンドラと、
   所望の燃料パラメータ・データを提供するための燃料パラメータ制御経路と、
   燃料制御データを前記機関に引き渡すための燃料データ・ハンドラと、
   予測または測定されたシリンダ内条件データを前記フィードバック経路および前記燃料パラメータ制御経路に引き渡すためのシリンダ内条件予測器と
   を備えた制御システム。
2. 前記シリンダ内条件データが、シリンダ内酸素量、シリンダ内不活性ガス量、ＥＧＲ質量、温度および旋回レベルのうちの１つまたは複数の条件を表すデータである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記フィードフォワード経路が、機関速度およびトルクに基づいて前記ガス処理フィードフォワード・データを提供する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記フィードフォワード経路が、機関速度およびトルクを前記ガス処理フィードバック・データにマップする、請求項１に記載のシステム。
5. 前記ガス処理データが、スロットル・バルブ、ＥＧＲバルブ、旋回制御バルブ、ターボチャージャ、バルブ・アクチュエータのうちの１つまたは複数のデバイスの制御を表すデータである、請求項１に記載のシステム。
6. 前記燃料制御データが、噴射パターン、噴射時期、噴射量、噴射圧力のうちの１つまたは複数の条件を表すデータである、請求項１に記載のシステム。
7. 複数の燃焼モードを有する内燃機関を制御する方法であって、
   ガス処理フィードフォワード・データを提供するためのフィードフォワード経路を使用するステップと、
   ガス処理フィードバック・データを提供するための閉ループ・フィードバック経路を使用するステップと、
   前記フィードフォワード経路からのデータと前記フィードバック経路からのデータを結合するステップであって、それにより所望する最終ガス処理データが提供されるステップと、
   ガス制御データを前記機関に引き渡すためのガス・データ・ハンドラを使用するステップと、
   所望の燃料パラメータ・データを提供するための燃料パラメータ制御経路を使用するステップと、
   燃料制御データを前記機関に引き渡すための燃料データ・ハンドラを使用するステップと、
   予測または測定されたシリンダ内条件データを前記フィードバック経路および前記燃料パラメータ制御経路に引き渡すステップと
   を含む方法。
8. 前記シリンダ内条件データが、シリンダ内酸素量、シリンダ内不活性ガス量、ＥＧＲ質量、温度および旋回レベルのうちの１つまたは複数の条件を表すデータである、請求項７に記載の方法。
9. 前記フィードフォワード経路が、機関速度およびトルクに基づいて前記ガス処理フィードフォワード・データを提供する、請求項７に記載の方法。
10. 前記フィードフォワード経路が、機関速度およびトルクを前記ガス処理フィードフォワード・データにマップする、請求項７に記載の方法。
11. 前記ガス処理データが、スロットル・バルブ、ＥＧＲバルブ、旋回制御バルブ、ターボチャージャ、バルブ・アクチュエータのうちの１つまたは複数のデバイスの制御を表すデータである、請求項７に記載の方法。
12. 前記燃料制御データが、噴射パターン、噴射時期、噴射量、噴射圧力のうちの１つまたは複数の条件を表すデータである、請求項７に記載の方法。

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