JP7191199B2 - 内燃機関制御装置 - Google Patents
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Description
少なくとも第1の排ガスセンサの検出値を入力とする触媒反応モデルに基づいて、触媒の酸素貯蔵割合を演算する酸素貯蔵割合演算部と、
酸素貯蔵割合を入力とし、触媒下流排ガス濃度を出力とする統計モデルを用いて、触媒下流排ガス濃度を予測する統計モデル演算部と、
統計モデル演算部で演算された触媒下流排ガス濃度の予測値に基づき、内燃機関の混合気の空燃比補正量を演算する空燃比補正量演算部と、を備え、
内燃機関の運転状態に基づき決定される混合気の空燃比を空燃比補正量で補正して目標空燃比を演算し、内燃機関の混合気の空燃比が目標空燃比となるように制御し、
統計モデルの入力要素には、入力が増加するときと減少するときの間で出力の応答速度が異なる特性を反映したヒステリシス項が設定され、そのヒステリシス項には、正値と負値の両方をとる第1の入力パラメータ、並びに、正値をとる出力パラメータと第1の入力パラメータの絶対値との積で定義される第2の入力パラメータ、で規定される項が含まれる
内燃機関制御装置。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
まず、本発明の一実施形態に係る内燃機関制御装置が制御対象とするエンジンシステム全体の構成例について説明する。
図2は、ECU28のハードウェア構成例を示すブロック図である。ECU(Electronic Control Unit)28は、システムバスを介して相互に接続された、制御部31、記憶部32、及び入出力インターフェース33を備える。制御部31は、CPU(central processing unit)31a、ROM(Read Only Memory)31b、及びRAM(Random Access Memory)31cより構成されている。CPU31aがROM31bに記憶された制御プログラムを実行することにより、ECU28の各機能が実現される。
以下、内燃機関1に備えられたスロットルシステム及びウェイストゲートシステム、EGRシステムによって、低燃費運転を実現する内燃機関1の制御方法について説明する。
図4は、内燃機関1の排ガスを浄化する後処理システムの構成を説明する図である。排気浄化触媒21には、三元触媒が用いられる。三元触媒の浄化効率を最適点に保持することを目的として、三元触媒の上流と下流とに、それぞれ排ガス組成を検出するセンサが備えられる。上述のセンサの種類によって3つの後処理システムA,B,Cが構成できる。
図4において、触媒上流側を「フロント」、触媒下流側を「リア」と称している。
図5は、排ガスの当量比(=理論空燃比/空燃比)と空燃比センサの出力との関係を説明する図である。図5の横軸は当量比、縦軸は空燃比センサ出力を表す。当量比が増加するほど(リッチ化するほど)、空燃比センサ出力は減少する傾向を示す。空燃比センサは、図5の関係を示した情報を予め取得することによって、排ガスについてリーン状態からリッチ状態まで広範囲に精度良く当量比を検出することが可能である点が特徴である。
図6は、排ガスの当量比と酸素センサの出力との関係を説明する図である。図6の横軸は当量比、縦軸は酸素センサ出力を表す。酸素センサ出力は、排ガスに含まれる酸素濃度と空気中の酸素濃度との濃度差に伴う起電力で表される。リーン条件では概ね最小起電力を示し、リッチ条件では最大起電力を示す。そのため理論空燃比(当量比1.0)にて出力が急変する特性を有する。酸素センサ出力の変化タイミングを捉え、これを空燃比制御へフィードバックすることで、排ガス当量比を理論空燃比近傍に保持することができる点が特徴である。
図7は、排ガスの化学種濃度の当量比に対する傾向を説明する図である。図7の上側グラフの横軸は当量比、縦軸は濃度[%]を表し、図7の下側グラフの横軸は当量比、縦軸は濃度[ppm]を表す。
ここで、後処理システムで使用される三元触媒(セリア系)の主な反応過程を説明する。
三元触媒の反応過程は主に、酸化反応、NOx還元反応、酸素貯蔵・放出反応からなる。酸化反応では、リッチ条件あるいは高温条件で生成するCO、H2、HCが酸素と反応し、無害なCO2とH2Oを生成する。未燃炭化水素(HC)にはメタン、プロパン、エチレン、ブタンなどの成分が含まれ、それぞれ異なる速度で反応が進行する(反応式(1)~(3))。NOx還元反応では、主にCOとNOとの反応で表され、無害なCO2とN2が生成される(反応式(4))。酸素貯蔵・放出反応では、触媒材料であるCe(セリウム)を介して、酸素の貯蔵・放出とHC、CO及びNOの各酸化・還元反応が進行する(反応式(5)~(8))。各反応式は、素反応式の形式で表現している。
CO+O2⇒CO2 ・・・・(1)
H2+O2⇒H20 ・・・・(2)
CnHm+O2⇒CO2+H2O ・・・・(3)
CO+NO⇒CO2+N2 ・・・・(4)
CeO2+CO⇒Ce2O3+CO2 ・・・・(5)
CnHm+CeO2⇒CeO2O3+CO+H2O ・・・・(6)
Ce2O3+O2⇒CeO2 ・・・・(7)
Ce2O3+NO⇒CeO2+N2 ・・・・(8)
図8は、触媒活性化温度以上における排ガス当量比に対する三元触媒の浄化効率の傾向を説明する図である。図8の横軸は当量比、縦軸は触媒浄化効率[%]を表す。
図9は、当量比1.0を中心にして、空燃比をリーン側、又はリッチ側に時間的にステップ変動させた際の触媒21下流に設置された酸素センサ22の出力挙動を説明する図である。図9の各グラフにおいて、横軸は時間、縦軸は当量比(上側グラフ)、及びリア酸素センサ出力(下側グラフ)を表す。
一方、リーン側からリッチ側に空燃比を変化させると、リア酸素センサ出力はより大きい遅れ期間d2を伴って変化するヒステリシス性を示す。
図10は、理論空燃比で制御された状態からモータリング運転(燃料カット)期間を経て、再度理論空燃比状態でファイアリング運転を実施する場合のリア酸素センサ出力と触媒下流NOx濃度の時間的変化を説明する図である。図10の各グラフにおいて、横軸は時間、縦軸は当量比(上段グラフ)、リア酸素センサ出力(中段グラフ)、及び触媒下流NOx濃度(下段グラフ)を表す。また、各グラフにおいて、実線はストイキ制御時の挙動、破線はリッチ補正後の挙動を示す。
図11は、三元触媒の劣化度合いと酸素貯蔵能との関係を説明する図である。図11の横軸は触媒劣化度合い、縦軸は酸素貯蔵能を表す。触媒劣化とは、熱的な影響や燃料に含まれる硫黄による被毒の影響を受けて、触媒作用が低下した状態を指す。図11に示すように、触媒劣化が進行するに従って、酸素貯蔵能が低下する傾向がある。以下、酸素貯蔵能の変化が三元触媒の浄化作用に与える影響について述べる。
図12は、新品触媒と劣化触媒において当量比1.0を中心にして、空燃比をリーン側、又はリッチ側に時間的にステップ変動させた際の、触媒下流に設置された酸素センサ22の出力挙動の比較結果を説明する図である。図12の各グラフにおいて、横軸は時間、縦軸は当量比(上段グラフ)、酸素貯蔵割合(中段グラフ)、及びリア酸素センサ出力(下段グラフ)を表す。また、各グラフにおいて、実線は劣化触媒の挙動、破線は新品触媒の挙動を示す。
図13は、酸素貯蔵割合とNOx浄化効率との関係を説明する図である。図13の横軸は酸素貯蔵割合、縦軸はNOx浄化効率を表す。酸素貯蔵能に対して酸素貯蔵量が100%のとき、酸素貯蔵割合は1.0である。
図14は、触媒状態を考慮して空燃比を補正制御する制御モデルの機能を示すブロック図を説明する図である。この制御モデルは、ECU28により実現される。ECU28は、触媒境界条件演算部1401、触媒温度演算部1402、酸素貯蔵割合演算部1403、統計モデル演算部1404、システム同定部1405、空燃比補正量演算部1406、目標空燃比演算部1407、及び劣化度判定部1408を備える。
図15は、図14に示した触媒境界条件演算部1401における触媒境界条件の演算内容を説明する図である。触媒境界条件演算部1401は、排ガス流量演算部1501、及び排ガス温度演算部1502を備える。
図16は、図14に示した触媒温度演算部1402における触媒温度の演算内容を説明する図である。触媒温度演算部1402は、排ガス/触媒熱伝達量演算部1601、触媒/大気熱伝達量演算部1602、触媒反応生成熱量演算部1603、触媒熱収支演算部1604、及び触媒温度演算部1605を備える。
ここで、ECU28においてオンラインで(リアルタイムに)演算することを想定した酸素貯蔵割合演算モデルの構成を説明する。
三元触媒の反応は、上述した反応式(1)~(8)の8つの反応機構で記述される。しかしながら、同反応式をオンライン演算することは演算負荷の観点から現実的では無いため、本実施形態のエンジンシステムでは、制御実装を想定した簡略化された反応モデルを用いる。排ガス組成のうち、HCやNOx濃度は他の化学種と比較して十分に小さいことから、簡略した反応モデルでは、COとO2のみを扱うこととする。そして、酸素貯蔵割合を規定するCeO2とCe2O3が関与する2つの反応式(9),(10)を連立して解く。酸素貯蔵割合は、反応式(11)に示すようにCeO2とCe2O3のモル数の比率で規定した。各反応式は、素反応式の形式で表現している。
CeO2+CO⇒Ce2O3+CO2 ・・・・(9)
Ce2O3+O2⇒CeO2 ・・・・(10)
ψ=[CeO2]/([CeO2]+[Ce2O3]) ・・・・(11)
・・・・(12)R2=A2・exp(-E2/(R・Tcat))・[O2]・(1-ψ)・ψcap
・・・・(13)
図17は、図14に示した酸素貯蔵割合演算部1403における酸素貯蔵割合の演算内容を説明する図である。酸素貯蔵割合演算部1403は、排ガス濃度演算部1700、O2反応速度/濃度演算部1701、CO反応速度/濃度演算部1702、及び酸素貯蔵割合推移演算部1703で構成される。
上流排ガス濃度として、例えば上流O2濃度、上流CO濃度が算出される。測定された実排ガスの挙動と、あらかじめ開発段階で得られた排ガス組成情報とに基づき演算する構成とすることで、精度良く触媒上流排ガス組成を演算することができる。演算された上流排ガス濃度は、触媒温度演算部1402に出力される。なお、排ガス濃度演算部1700は、ECU28としてその機能を持っていればよく、酸素貯蔵割合演算部1403内に限定されない。
図18は、図14に示した触媒温度演算部1402及び酸素貯蔵割合演算部1403における触媒温度及び酸素貯蔵割合の演算精度を向上させるためのモデル構成を説明する図である。図18に示す触媒温度/酸素貯蔵割合演算部1800は、排ガス温度/触媒温度演算部1801,1803,1805と、O2/CO濃度・酸素貯蔵割合演算部1802,1804,1806と、平均酸素貯蔵割合演算部1807とを備える。
図19は、酸素センサ特性のヒステリシス性を説明する図である。図19の横軸は当量比、縦軸は酸素センサ出力を表す。
次に、図14に示した統計モデル演算部1404における統計モデル1404Mについて、図20を参照して説明する。本実施形態のエンジンシステムでは、触媒21及び酸素センサ22の劣化を時変システムとして扱い、線形過渡モデルの逐次システム同定によってオンボード近似する方式を採用する。
(x)は、当量比がリッチ状態のときに出力が大きく当量比がリーン状態のときに出力が小さくなればよく、シグモイド関数に限定されない。
図21は、図14に示したシステム同定部1405におけるシステム同定アルゴリズムの例を示すフローチャートである。本実施形態では、統計モデル1404Mのチューニングパラメータの逐次同定に、可変忘却要素付き逐次最小二乗近似アルゴリズムを採用している。忘却要素とは、過去履歴を古さに応じて指数関数的に忘却することである。忘却要素を採用することで、チューニングパラメータに対してエンジンシステムの最新状態の影響を適切に考慮できる。
図22は、図14に示した空燃比補正量演算部1406における空燃比補正量演算を説明する図である。図22の各グラフにおいて、横軸は時間、縦軸は当量比(上段グラフ)、リア酸素センサ出力(中段グラフ)、及び触媒下流NOx濃度(下段グラフ)を表す。
また、各グラフにおいて、実線は過去の制御時の挙動、破線は未来の制御による挙動を示す。ここでは、燃料カット後の空燃比補正を例に、空燃比補正量演算部1406の演算方法及び効果を説明する。
図23は、ECU28が、流量センサ検出値と触媒上流/下流排ガスセンサ検出値に基づいて空燃比補正量を演算し、燃料噴射量制御を実行する手順例を示すフローチャートである。
さらに、本発明は上述した各実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。
Claims (13)
- 排気管内に配置された触媒と、前記触媒の上流に配置された第1の排ガスセンサと、を備えた内燃機関を制御する内燃機関制御装置であって、
少なくとも前記第1の排ガスセンサの検出値を入力とする触媒反応モデルに基づいて、前記触媒の酸素貯蔵割合を演算する酸素貯蔵割合演算部と、
前記酸素貯蔵割合を入力とし、触媒下流排ガス濃度を出力とする統計モデルを用いて、前記触媒下流排ガス濃度を予測する統計モデル演算部と、
前記統計モデル演算部で演算された前記触媒下流排ガス濃度の予測値に基づき、前記内燃機関の混合気の空燃比補正量を演算する空燃比補正量演算部と、を備え、
前記内燃機関の運転状態に基づき決定される前記混合気の空燃比を前記空燃比補正量で補正して目標空燃比を演算し、前記内燃機関の混合気の空燃比が前記目標空燃比となるように制御し、
前記統計モデルの入力要素には、入力が増加するときと減少するときの間で出力の応答速度が異なる特性を反映したヒステリシス項が設定され、前記ヒステリシス項には、正値と負値の両方をとる第1の入力パラメータ、並びに、正値をとる出力パラメータと前記第1の入力パラメータの絶対値との積で定義される第2の入力パラメータ、で規定される項が含まれる
内燃機関制御装置。 - 前記触媒の熱量の収支を基に前記触媒の温度を演算する触媒温度演算部、を備え、
前記触媒反応モデルは、少なくとも前記第1の排ガスセンサの検出値と、前記触媒の温度と、前記内燃機関の回転速度及び回転トルクに基づき求められる前記排気管内の前記触媒上流の排ガス流量と、を入力とする
請求項1に記載の内燃機関制御装置。 - 前記触媒反応モデルは、少なくとも前記触媒上流の酸素と、前記触媒上流の一酸化炭素と、前記触媒内に担持されている金属との間の反応速度で規定される
請求項1に記載の内燃機関制御装置。 - 前記酸素貯蔵割合演算部は、
前記触媒上流の前記第1の排ガスセンサの検出値に基づいて、前記触媒上流の酸素濃度を演算し、
前記触媒上流の前記第1の排ガスセンサの検出値に基づいて、前記触媒上流の一酸化炭素濃度を演算し、
前記触媒上流の酸素と前記触媒内の金属との間の反応速度、及び前記触媒上流の酸素濃度、前記触媒上流の一酸化炭素と前記触媒内の金属との間の反応速度、及び前記触媒上流の一酸化炭素濃度を用いて、前記触媒の酸素貯蔵割合の時間的推移を演算する
請求項3に記載の内燃機関制御装置。 - 前記酸素貯蔵割合演算部は、触媒内に担持されている金属の量に対応する酸素貯蔵能をパラメータに備え、前記触媒の劣化が進むにつれて低下する傾向がある前記触媒の前記酸素貯蔵能を前記触媒の劣化度合いに応じて設定する
請求項3に記載の内燃機関制御装置。 - 前記統計モデルの出力要素には、シグモイド関数が設定される
請求項1に記載の内燃機関制御装置。 - 前記統計モデルに設定されているチューニングパラメータを、前記触媒の下流に配置された第2の排ガスセンサの検出値と、前記触媒下流排ガス濃度の予測値とに基づいて更新する統計モデル学習部、を更に備える
請求項1に記載の内燃機関制御装置。 - 前記統計モデル学習部には、逐次最小二乗アルゴリズムが適用される
請求項7に記載の内燃機関制御装置。 - 前記空燃比補正量演算部は、前記チューニングパラメータを更新された前記統計モデルに基づいて現在から所定の演算ステップ数先の触媒下流排ガス濃度の予測値を取得し、前記触媒下流排ガス濃度の予測値が前記触媒下流排ガス濃度の目標値を超えないように、現在の前記空燃比補正量による前記空燃比の補正期間を演算する
請求項7に記載の内燃機関制御装置。 - 前記統計モデル学習部は、前記第1の排ガスセンサ及び前記第2の排ガスセンサの起動前、又は、前記触媒の熱量の収支を基に前記触媒の温度を演算する触媒温度演算部により求められた前記触媒の温度が所定範囲外のとき、前記統計モデルの前記チューニングパラメータを更新する処理を行わない
請求項7に記載の内燃機関制御装置。 - 前記統計モデルの前記チューニングパラメータに含まれる前記触媒並びに前記第1の排ガスセンサ及び前記第2の排ガスセンサの動特性の変化から前記触媒の劣化度合いを判定し、判定結果を前記酸素貯蔵割合演算部へ出力する劣化度判定部、を更に備え、
前記酸素貯蔵割合演算部は、触媒内に担持されている金属の量に対応する酸素貯蔵能をパラメータに備え、前記触媒の劣化が進むにつれて低下する傾向がある前記触媒の前記酸素貯蔵能を前記触媒の劣化度合いに応じて設定する
請求項7に記載の内燃機関制御装置。 - 前記統計モデル学習部は、前記劣化度判定部が前記触媒の劣化度合いを判定しているときには、前記統計モデルの前記チューニングパラメータを更新する処理を行わない
請求項11に記載の内燃機関制御装置。 - 前記統計モデル学習部は、燃料カット運転時に前記統計モデルの前記チューニングパラメータを更新する処理を行う
請求項7に記載の内燃機関制御装置。
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