JP2006200377A - 内燃機関の過給圧制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡単な構成の制御系により、排気還流量に応じた、応答性のよい過給圧制御を行うことができる過給圧制御装置を提供する。
【解決手段】 過給圧Ｐ２が目標過給圧Ｐ２ＣＭＤと一致するように、目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤを設定し、上流側排気圧Ｐ３が目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤと一致するように、排気圧制御を行う。排気圧制御は、吸気管２からシリンダ１ａを経て排気管４に至る制御対象をモデル化した制御対象モデルに基づいて、実行される。制御対象モデルを定義するモデルパラメータの１つ、すなわち外乱を示すモデルパラメータｃが、排気還流機構を通過する排気還流量ｍ_rdotの関数となるように設定されており、モデルパラメータｃを同定することにより、排気還流量ｍ_rdotの影響を加味した過給圧制御が可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ターボチャージャを備えた内燃機関の過給圧制御装置に関する。

内燃機関に吸入される空気を加圧するコンプレッサホイールと、該コンプレッサホイールと連結され、排気ガスの運動エネルギにより回転駆動されるタービンホイールと、該タービンホイールに吹き付けられる排気ガスの流量を変化させるべく開閉駆動される可変ベーンとを有する可変容量型のターボチャージャは、広く知られている。

また排気ガスに含まれるＮＯｘを低減するために、排気ガスを吸気系に還流させる排気還流機構を備えた内燃機関も広く用いられている。排気還流機構は排気還流量を制御する排気還流弁を備えており、その排気還流弁の開度の変更は、タービンホイールに供給される排気ガスの圧力（タービンホイールの上流側の排気圧）及び過給圧に影響を及ぼす。

特許文献１には、内燃機関の燃焼モデルを用いて、排気還流弁及びターボチャージャの可変ベーンの開度を制御する制御方法が示されている。この方法によれば、排気還流弁の開度を制御する制御量に応じた吸入空気流量の変化が、過給圧制御部に入力され、排気還流量に応じた可変ベーン開度の調整が行われる。

特表２００３−５２９７１６号公報

特許文献１に示された制御方法では、排気還流弁の制御量を過給圧制御部に入力するために、過渡特性を改善するための補償処理（図２のブロック１４０）、及び排気還流弁の制御量を吸入空気流量の変化に換算する処理（図２のブロック１４２）が必要となり、制御系の構成が複雑化するという課題がある。

本発明はこの点に着目してなされたもので、比較的簡単な構成の制御系により、排気還流量に応じた、応答性のよい過給圧制御を行うことができる過給圧制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）に吸入される空気を加圧するコンプレッサホイール（１５）と、該コンプレッサホイール（１５）と連結され、前記機関の排気ガスの運動エネルギにより回転駆動されるタービンホイール（１０）とを有するターボチャージャ（８）と、前記タービンホイール（１０）に吹き付けられる排気ガスの流量を変化させる排気ガス流量可変手段（１２）と、前記タービンホイール（１０）の上流側から排気ガスを吸気系に還流する排気還流機構（５，６）とを備えた内燃機関の過給圧制御装置において、前記タービンホイール（１０）の上流側の排気圧（Ｐ３）を検出する上流側排気圧検出手段（２３）と、前記機関の吸気系から排気系までをモデル化した制御対象モデルに基づいて、前記上流側排気圧検出手段により検出される上流側排気圧（Ｐ３）が目標排気圧（Ｐ３ＣＭＤＦ）と一致するように、前記排気ガス流量可変手段（１２）を制御する制御手段を備え、前記制御対象モデルを定義するモデルパラメータの１つ（ｃ）が、前記排気還流機構を通過する排気還流量（ｍ_rdot）の関数であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の過給圧制御装置において、前記制御対象モデルは、前記排気ガス流量可変手段（１２）の操作量（ＶＯ）を制御入力とし、前記上流側排気圧（Ｐ３）を制御出力とするものであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の過給圧制御装置において、前記制御手段は、少なくとも１つの前記モデルパラメータ（ｃ）を同定する同定手段を有し、同定したモデルパラメータ（ｃ）を用いて前記制御を行うことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の過給圧制御装置において、前記制御手段は、同定したモデルパラメータを用いてスライディングモード制御により前記制御を行うことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れか１項に記載の過給圧制御装置において、過給圧（Ｐ２）を検出する過給圧検出手段（２２）をさらに備え、前記制御手段は、前記機関の運転状態に応じて目標過給圧（Ｐ２ＣＭＤ）を設定する目標過給圧設定手段と、検出される過給圧（Ｐ２）が、前記目標過給圧（Ｐ２ＣＭＤ）と一致するように前記目標上流側排気圧（Ｐ３ＣＭＤ）を設定する目標上流側排気圧設定手段とを備えることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５の何れか１項に記載の過給圧制御装置において、前記タービンホイールの下流側の排気圧（Ｐ４）を検出する下流側排気圧検出手段（２６）をさらに備え、前記制御手段は、前記下流側排気圧（Ｐ４）に対する前記上流側排気圧（Ｐ３）の圧力比（ＰＲ＝Ｐ３／Ｐ４）が所定圧力比（ＰＲ０）を超えないように、前記排気ガス流量可変手段（１２）を制御することを特徴とする。

具体的には、前記目標上流側排気圧設定手段は、検出される下流側排気圧（Ｐ４）に前記所定圧力比（ＰＲ０）を乗算することにより上流側リミット値（Ｐ３ＬＭＴ）を算出し、該上流側リミット値（Ｐ３ＬＭＴ）を越えないように、前記目標上流側排気圧（Ｐ３ＣＭＤＦ）を設定することが望ましい。
また前記排気ガス流量可変手段は、タービンホイールに吹き付けられる排気ガスの流量を変化させるべく開閉駆動される可変ベーンとすることが望ましい。

請求項１に記載の発明によれば、機関の吸気系から排気系までをモデル化した制御対象モデルに基づいて、検出される上流側排気圧が目標排気圧と一致するように、排気ガス流量可変手段が制御される。制御対象モデルを定義するモデルパラメータの１つが、排気還流機構を通過する排気還流量の関数となっているので、その排気還流量の関数となっているモデルパラメータを同定し、該同定したモデルパラメータを用いることによって、排気還流量の影響を加味した排気圧制御及び過給圧制御が行われる。したがって、比較的簡単な構成で、排気還流量に応じた、応答性のよい過給圧制御を行うことができる。

請求項２に記載の発明によれば、制御対象モデルは、排気ガス流量可変手段の操作量を制御入力とし、タービンホイールの上流側の排気圧を制御出力とするものであるので、制御対象モデルに基づいて上流側排気圧を迅速に目標上流側排気圧と一致させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、少なくとも１つのモデルパラメータが同定され、同定されたモデルパラメータ用いて、排気ガス流量可変手段の操作量の制御が行れる。したがって、排気還流量の関数となっているモデルパラメータを同定することにより、排気還流量の影響を加味した過給圧制御が行うことができる。

請求項４に記載の発明によれば、同定したモデルパラメータを用いてスライディングモード制御により、排気ガス流量可変手段の操作量が制御される。スライディングモード制御は、モデル化誤差（実際の制御対象の特性と、制御対象モデルの特性との差）があっても比較的良好な制御特性を得ることができるロバスト性を有するので、例えば制御系のむだ時間を「０」とした制御対象モデルを用いても、良好な制御性を得ることができる。

請求項５に記載の発明によれば、機関の運転状態に応じて目標過給圧が設定され、検出される過給圧が目標過給圧と一致するように目標上流側排気圧が設定され、検出される上流側排気圧が目標上流側排気圧と一致するように排気ガス流量可変手段の操作量が制御される。このように２つのフィードバック制御を含むカスケード制御を採用することにより、制御性能を向上させることができる。

請求項６に記載の発明によれば、下流側排気圧に対する上流側排気圧の圧力比が所定圧力比を超えないように、排気ガス流量可変手段が制御される。一般に、下流側排気圧に対する上流側排気圧の圧力比が増加すると、タービンホイールを駆動する排気ガスの質量流量（以下単に「タービン通過排気ガス流量」という）は増加するが、排気ガスの流速が音速に達する圧力比ＰＲ０を超えると、ほとんど増加しなくなる。したがって、所定圧力比を圧力比ＰＲ０近傍に設定することにより、例えば機関の加速時に、上流側排気圧を過度の上昇させることなく、タービン通過排気ガス流量を迅速に増加させ、過給圧を迅速に高めることができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関と、その制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁９が設けられている。燃料噴射弁９は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０に電気的に接続されており、燃料噴射弁９の開弁時間は、ＥＣＵ２０により制御される。

エンジン１は、吸気管２，排気管４、及びターボチャージャ８を備えている。ターボチャージャ８は、排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービンホイール１０を有するタービン１１と、タービンホイール１０とシャフト１４を介して連結されたコンプレッサホイール１５を有するコンプレッサ１６とを備えている。コンプレッサホイール１５は、エンジン１に吸入される空気の加圧（圧縮）を行う。

タービン１１は、タービンホイール１０に吹き付けられる排気ガスの流量を変化させるべく開閉駆動される複数の可変ベーン１２（２個のみ図示）及び該可変ベーンを開閉駆動するアクチュエータ（図示せず）を有しており、可変ベーン１２の開度（以下「ベーン開度」という）ＶＯを変化させることにより、タービンホイール１０に吹き付けられる排気ガスの流量を変化させ、タービンホイール１０の回転速度を変更できるように構成されている。可変ベーン１２を駆動するアクチュエータは、ＥＣＵ２０に接続されており、ベーン開度ＶＯは、ＥＣＵ２０により制御される。より具体的には、ＥＣＵ２０は、デューティ比可変の制御信号をアクチュエータに供給し、これによってベーン開度ＶＯを制御する。なお、可変ベーンを有するターボチャージャの構成は広く知られており、例えば特開平１−２０８５０１号公報に示されている。

排気管４と吸気管２との間には、排気ガスを吸気管２に環流する排気還流通路５が設けられている。排気還流通路５には、排気還流量を制御するための排気還流弁（以下［ＥＧＲ弁」という）６が設けられている。ＥＧＲ弁６は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はＥＣＵ２０により制御される。ＥＧＲ弁６には、その弁開度（弁リフト量）ＬＡＣＴを検出するリフトセンサ７が設けられており、その検出信号はＥＣＵ２０に供給される。排気還流通路５及びＥＧＲ弁６より、排気還流機構が構成される。

吸気管２には、吸入空気流量ＧＡを検出する吸入空気流量センサ２１、コンプレッサ１６の下流側の吸気圧（過給圧）Ｐ２を検出する過給圧センサ２２、及び吸気温Ｔiを検出する吸気温センサ２３が設けられている。また、排気管４には、排気温Ｔeを検出する排気温センサ２４、タービン１１の上流側の排気圧Ｐ３を検出する上流側排気圧センサ２５、及びタービン１１の下流側の排気圧Ｐ４を検出する下流側排気圧センサ２６が設けられている。これらのセンサ２１〜２６は、ＥＣＵ２０と接続されており、センサ２１〜２６の検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。

排気管４の、下流側排気圧センサ２６の下流側には、排気ガス中に含まれる粒子状物質（主としてすすからなる）を捕集する粒子状物質フィルタ（以下「ＤＰＦ」という）１７が設けられている。
エンジン１により駆動される車両のアクセルペダル（図示せず）の踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ２７、及びエンジン回転数（回転速度）ＮＥを検出するエンジン回転数センサ２８がＥＣＵ２０に接続されており、これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。

ＥＣＵ２０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、タービン１１の可変ベーン１２を駆動するアクチュエータ、燃料噴射弁９、ＥＧＲ弁６などに駆動信号を供給する出力回路等から構成される。

ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態、具体的にはアクセルペダル操作量ＡＰ対応する要求トルクに応じて基本燃料量ＴＩ（具体的には、燃料噴射弁９の開弁時間）を算出し、基本燃料量ＴＩ及びエンジン回転数ＮＥに応じて目標過給圧Ｐ２ＣＭＤを算出し、検出される過給圧Ｐ２が目標過給圧Ｐ２ＣＭＤと一致するようにベーン開度ＶＯの制御する過給圧制御を行う。さらにＥＣＵ２０は、基本燃料量ＴＩ及びエンジン回転数ＮＥに応じて、目標吸入空気流量ＧＡＣＭＤを設定し、目標吸入空気流量ＧＡＣＭＤと検出される吸入空気流量ＧＡの偏差に応じて、ＥＧＲ弁６のリフト量（弁開度）指令値ＬＣＭＤを算出する。

本実施形態では、検出される過給圧Ｐ２が目標過給圧Ｐ２ＣＭＤと一致するように先ず目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤを設定し、次いで検出される上流側排気圧Ｐ３が目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤと一致するようにベーン開度ＶＯの制御を行う。より具体的には、エンジン１の吸気系からシリンダを経て排気系までをモデル化した制御対象モデルを定義し、その制御対象モデルに基づくスライディングモード制御により、上流側排気圧Ｐ３が目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤに一致するようにベーン開度ＶＯを制御する。そこで先ず制御対象モデルを定義する数式を説明し、次いで該数式に含まれるモデルパラメータの同定、及び同定したモデルパラメータを用いたスライディングモード制御について説明する。

［制御対象モデル］
図２は、エンジン１の吸気管２からシリンダ１ａを経て排気管４に至る制御対象を模式的に示す図である。この図において、ｍ_cdotは吸入空気流量（コンプレッサ通過空気流量）、Ｐ２は過給圧、Ｖiは吸気管２のコンプレッサ１６より下流側の体積、ｍ_zdotはシリンダ１ａに流入する空気流量（以下「シリンダ流入空気流量」という）、Ｔiは吸気温度（°Ｋ）、ｍ_fdotはシリンダ内に噴射される燃料の流量（以下「燃料流量」という）、Ｐ３はタービン１１の上流側の排気圧、Ｖeは排気管４のタービン１１より上流側の体積、Ｔeは排気温度（°Ｋ）、ｍ_rdotは排気還流量、ｍ_tbdotはタービン１１を通過する排気ガスの流量（以下「タービン通過ガス流量」という）である。なお、流量はすべて質量流量［ｋｇ／ｓ］である。このように状態パラメータを定義すると、上流側排気圧Ｐ３の時間微分値（以下「排気圧微分値」という）Ｐ３dotは、下記式（１）及び（２）で与えられる。また、過給圧Ｐ２の時間微分値（以下「過給圧微分値」という）Ｐ２dotは、下記式（３）及び（４）で与えられる。

Ｐ３dot＝ｋ_e（ｍ_zdot＋ｍ_fdot−ｍ_rdot−ｍ_tbdot） （１）
ｋ_e＝ｎＲＴe／Ｖe （２）
Ｐ２dot＝ｋ_i（ｍ_cdot＋ｍ_rdot−ｍ_zdot） （３）
ｋ_i＝ｎＲＴi／Ｖi （４）
ここで、ｎはポリトロープ指数、Ｒはガス定数である。

式（１）及び（３）から下記式（５）が得られる。式（５）から排気圧微分値Ｐ３dotを求めると下記式（６）が得られる。

またタービン通過ガス流量ｍ_tbdotは、タービン１１をノズルとみなすことにより下記式（７）で算出される。
ｍ_tbdot＝Ａtb（ＶＯ）・Ｕ（Ｐ３）・Φ（Ｐ４／Ｐ３） （７）

ここで、Ａtbは、ベーン開度ＶＯの関数として定義されるタービン有効開口面積であり、Ｕ（Ｐ３）は下記式（８）により算出される上流条件関数であり、Φ（Ｐ４／Ｐ３）は、下記式（９）及び（１０）により与えられる圧力関数である。またＰ３及びＰ４は、それぞれ上流側排気圧及び下流側排気圧である。式（８）のρは、タービン１１を通過する排気ガスの密度であり、式（９）及び（１０）のκは、ノズルを通過する排気ガスの比熱比である。排気ガスの流速が音速より低いとき、式（９）が適用され、排気ガスの流速が音速以上であるとき、式（１０）が適用される。

式（７）を式（６）に適用することにより、下記式（１１）が得られる。

ここでタービン有効開口面積Ａtb（ＶＯ）を制御入力ｕとし、上流側排気圧Ｐ３を制御出力ｘとし、連続系の制御対象モデルを下記式（１２）で定義する。
ｘdot＝ａ_c・ｘ＋ｂ_c・ｕ＋ｃ_c （１２）

ここで、ｘdotは、制御出力ｘの時間微分値であり、ａ_c，ｂ_c，ｃ_cは、連続系のモデルパラメータである。式（１２）と、式（１１）とを対比すると、モデルパラメータａ_c，ｂ_c，ｃ_cは、以下のようになる。
ａ_c＝０ （１３）
ｂ_c＝−ｋ_e・Ｕ（Ｐ３）・Φ（Ｐ３／Ｐ４） （１４）
ｃ_c＝ｋ_e（ｍ_cdot＋ｍ_fdot−Ｐ２dot／ｋ_i） （１５）

次に式（１２）を、Ｐａｄｅ近似を用いて離散化すると下記式（１６）が得られる。式（１６）の「ｋ」は、離散化した制御時刻である。
ｘ(k+1)＝ａ(k)・ｘ(k)＋ｂ(k)ｕ(k)＋ｃ(k) （１６）

ここでモデルパラメータａ，ｂ，ｃは、連続時間系のモデルパラメータａ_c，ｂ_c，ｃ_cを下記式（１７），（１８），（１９）に適用することにより算出される。下記式（１７），（１８），（１９）のｈは、サンプリング周期である。

ここで、連続系のモデルパラメータａ_cは、「０」であるので（式（１３））、モデルパラメータａ，ｂ，ｃは、以下のようになる。
ａ＝１ （２０）
ｂ＝ｈ・ｂ_c＝−ｈ・ｋ_e・Ｕ（Ｐ３）・Φ（Ｐ３／Ｐ４） （２１）
ｃ＝ｈ・ｃ_c＝ｈ・ｋ_e（ｍ_cdot＋ｍ_fdot−Ｐ２dot／ｋ_i） （２２）

ここで、吸入空気流量ｍ_cdot及び過給圧微分値Ｐ２dotは、排気還流量ｍ_rdotに依存して変化する、すなわち排気還流量ｍ_rdotの関数である。このように、制御対象に加わる外乱を示すモデルパラメータｃが、排気還流量ｍ_rdotの関数である制御対象モデルを用いて、モデルパラメータｃをリアルタイムで同定することにより、排気還流量ｍ_rdotの影響を加味した排気圧制御、及び過給圧制御が行われる。したがって、比較的簡単な構成で、排気還流量に応じた、応答性のよい過給圧制御を行うことができる。

［モデルパラメータの同定］
本実施形態では、モデルパラメータａは常に「１」であるため、式（１６）は下記式（１６ａ）となる。
ｘ(k+1)＝ｘ(k)＋ｂ(k)ｕ(k)＋ｃ(k) （１６ａ）

また式（２１）及び（２２）で算出されるモデルパラメータをそれぞれ基準モデルパラメータｂ_base及びｃ_baseとし、モデルパラメータｂ(k)は、常に基準モデルパラメータｂ_baseに設定し、モデルパラメータｃ(k)は、下記式（３１）を用いた逐次同定誤差演算を行って算出する。式（３１）のδｃ(k)は、式（３２）により算出される基準モデルパラメータｃ_baseの更新成分、式（３２）のＫidは同定ゲイン、ｅid(k)は、式（３３）により算出される同定誤差である。また式（３３）のｘhat(k)は、式（３４）により算出される、制御出力ｘ（上流側排気圧Ｐ３）の推定値である。

ｃ(k)＝ｃ_base(k)＋δｃ(k) （３１）
δｃ(k)＝δｃ(k-1)＋（Ｋid／（１＋Ｋid））・ｅid(k) （３２）
ｅid(k)＝ｘ(k)−ｘhat(k) （３３）
ｘhat(k)＝ｘ(k-1)＋ｂ(k-1)ｕ(k-1)＋ｃ(k-1) （３４）

［スライディングモード制御による制御入力の演算］
スライディングモード制御における切換関数値σ(k)は、下記式（４１）で定義される。式（４１）のｅ(k)は、下記式（４２）により算出される制御偏差であり、式（４２）のｘ_cmd(k)は、制御目標値である。また式（４１）のｓは、制御偏差ｅ(k)の減衰特性を決める切換関数設定パラメータであり、−１より大きく１より小さい値に設定される。
σ(k)＝ｅ(k)＋ｓ・ｅ(k-1) （４１）
ｅ(k)＝ｘ(k)−ｘ_cmd(k) （４２）

縦軸を制御偏差ｅ(k)とし、横軸を前回制御偏差ｅ(k-1)として定義される位相平面上では、σ(k)＝０を満たす制御偏差ｅ(k)と、前回制御偏差ｅ(k-1)との組み合わせは、直線となるので、この直線は一般に切換直線と呼ばれる。スライディングモード制御は、この切換直線上の制御偏差ｅ(k)の振る舞いに着目した制御であり、切換関数値σ(k)が０となるように、すなわち制御偏差ｅ(k)と前回制御偏差ｅ(k-1)の組み合わせが位相平面上の切換直線上に載るように制御を行い、外乱やモデル化誤差に対してロバストな制御を実現するものである。その結果、制御出力、すなわち上流側排気圧Ｐ３は、目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤに追従するように、良好なロバスト性を持って制御される。

また式（４１）の切換関数設定パラメータｓの値を変更することにより、制御偏差ｅ(k)の減衰特性、すなわち上流側排気圧Ｐ３の目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤへの追従特性を変更することができる。具体的には、ｓ＝−１とすると、全く追従しない特性となり、切換関数設定パラメータｓの絶対値を小さくするほど、追従速度を速めることができる。

スライディングモード制御では、制御偏差ｅ(k)と前回制御偏差ｅ(k-1)の組み合わせ（以下「偏差状態量」という）を切換直線上に拘束することにより、制御偏差ｅ(k)を指定した収束速度で、かつ外乱やモデル化誤差に対してロバストに、０に収束させる。したがって、スライディングモード制御では、如何にして偏差状態量を切換直線に載せ、そこに拘束するかが重要となる。

そのような観点から、制御入力（コントローラの出力）ｕ(k)は、下記式（４３）に示すように、等価制御入力Ｕｅｑ(k)及び到達則入力Ｕｒｃｈ(k)の和として算出される。
ｕ(k)＝Ｕｅｑ(k)＋Ｕｒｃｈ(k) （４３）
ここで、Ｕｅｑ(k)は、偏差状態量を切換直線上に拘束するための入力であり、到達則入力Ｕｒｃｈ(k)は、偏差状態量を切換直線上へ載せるための入力である。以下各入力Ｕｅｑ(k)及びＵｒｃｈ(k)の算出方法を説明する。

等価制御入力Ｕｅｑ(k)は、偏差状態量を切換直線上に拘束するための入力であるから、満たすべき条件は下記式（４４）で与えられる。
σ(k)＝σ(k+1) （４４）
式（１６ａ）並びに式（４１）及び（４２）を用いて式（４４）を満たす制御入力ｕ(k)を求めると、下記式（４５）が得られ、これが等価制御入力Ｕｅｑ(k)となる。さらに、到達則入力Ｕｒｃｈ(k)は、下記式（４６）より算出される。式（４６）において、Ｆは、到達則制御ゲインである。

制御出力ｘ(k)は、具体的には上流側排気圧Ｐ３であるので、等価制御入力Ｕｅｑ(k)及び到達則入力Ｕｒｃｈ(k)は、下記式（４７）及び（４８）により算出される。式（４７）のＰ３ＣＭＤは、目標上流側排気圧であり、式（４８）のΔＰ３は、制御偏差（Ｐ３ＣＭＤ−Ｐ３）である。

制御入力ｕ(k)は、具体的にはタービン有効開口面積Ａtbであるので、これを可変ベーン１２のアクチュエータを駆動する制御信号のデューティ比Ｄｕｔｙに変換し、該デューティ比Ｄｕｔｙの制御信号がアクチュエータに供給される。

図３は、上述した制御を実行する過給圧制御モジュール（排気還流量制御部を含む）の構成を示すブロック図である。各ブロックの機能は、ＥＣＵ２０のＣＰＵによる演算によって実現される。

図３に示す過給圧制御モジュールは、ＧＡＣＭＤ設定部３１と、減算器３２と、ＥＧＲ制御器３３と、Ｐ２ＣＭＤ設定部４１と、減算部４２と、過給圧制御器４３と、リミッタ４４と、排気圧制御器４５とを備えている。ＧＡＣＭＤ設定部３１は、エンジン運転状態、具体的には基本燃料量ＴＩ及びエンジン回転数ＮＥに応じて目標吸入空気流量ＧＡＣＭＤを設定する。基本燃料量ＴＩは、検出されるアクセルペダル操作量ＡＰに応じて算出される要求トルクにほぼ比例するように設定される。減算器３２は、目標吸入空気流量ＧＡＣＭＤから、検出される吸入空気流量ＧＡを減算し、吸入空気流量偏差ΔＧＡを算出する。ＥＧＲ制御器３３は、ＰＩＤ（比例、積分、微分）制御により、吸入空気流量偏差ΔＧＡが「０」となるように、ＥＧＲ弁のリフト量指令値ＬＣＭＤを算出する。ＥＣＵ２０は、リフトセンサ７により検出されるリフト量ＬＡＣＴがリフト量指令値ＬＣＭＤと一致するように、ＥＧＲ弁６の制御を行う。

Ｐ２ＣＭＤ設定部４１は、エンジン回転数ＮＥ及び基本燃料量ＴＩに応じて、目標過給圧Ｐ２ＣＭＤを設定する。目標過給圧Ｐ２ＣＭＤは、エンジン回転数ＮＥが高くなるほど、また基本燃料量ＴＩが増加するほど、高くなるように設定される。したがって、アクセルペダルが踏み込まれる加速時においては、目標過給圧Ｐ２ＣＭＤはステップ状に増加する。減算器４２は、目標過給圧Ｐ２ＣＭＤから検出過給圧Ｐ２を減算して、過給圧偏差ΔＰ２を算出する。過給圧制御器４３は、過給圧偏差ΔＰ２に応じて目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤを算出する。より具体的には、例えばＰＩＤ（比例積分微分）制御により、過給圧偏差ΔＰ２が「０」となるように、目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤを算出する。すなわち過給圧制御器４３は、ΔＰ２＞０であるときは、目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤを増加させ、ΔＰ２＜０であるときは、目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤを減少させる。

リミッタ４４は、検出される下流側排気圧Ｐ４に所定圧力比ＰＲ０を乗算することにより、上流側リミット値Ｐ３ＬＭＴを算出する。ここで、所定圧力比ＰＲ０は、タービン１１を通過する排気ガスの流速が音速であるときの圧力比Ｐ３／Ｐ４に相当するものであり、理論的には下記式（５０）により算出される。式（５０）のκは排気ガスの比熱比である。

そしてリミッタ４４は、目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤが上流側リミット値Ｐ３ＬＭＴ以下であるときは、目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤをそのまま最終目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤＦとする一方、目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤが上流側リミット値Ｐ３ＬＭＴを越えたときは、上流側リミット値Ｐ３ＬＭＴを最終目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤＦとする。

圧力比Ｐ３／Ｐ４が増加すると、タービンホイール１０を駆動する排気ガスの質量流量（以下単に「タービン通過排気ガス流量」という）は増加するが、排気ガスの流速が音速に達する圧力比ＰＲ０を超えると、ほとんど増加しなくなる。したがって、所定圧力比を圧力比ＰＲ０近傍に設定することにより、例えばエンジンの加速時に、上流側排気圧Ｐ４を過度の上昇させることなく、タービン通過排気ガス流量を迅速に増加させ、過給圧Ｐ２を迅速に高めることができる。

排気圧制御器４５は、検出される上流側排気圧Ｐ３が最終目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤＦと一致するように、可変ベーン１２の開度を制御する制御信号のデューティ比Ｄｕｔｙを算出する。すなわち、排気圧制御器４５は、上述した制御対象モデルに基づいて、リアルタイムで同定されたモデルパラメータを用いたスライディングモード制御により、ベーン開度ＶＯを制御する。

図４は、排気圧制御器４５の構成を示すブロック図である。排気圧制御器４５は、スケジューラ５１と、同定器５２と、スライディングモードコントローラ５３と、変換器５４とを備えている。
スケジューラ５１は、エンジン回転数ＮＥ、過給圧Ｐ２、上流側排気圧Ｐ３、下流側排気圧Ｐ４、吸入空気流量ＧＡ、基本燃料量ＴＩ、係数ｋ_e及びｋ_iを用いて、式（２１）及び（２２）により、基準モデルパラメータｂ_base及びｃ_baseを算出する。式（２２）の吸入空気流量ｍ_cdotは、吸入空気流量ＧＡに相当し、燃料流量ｍ_fdotは、基本燃料量ＴＩに応じて算出される。また過給圧微分値Ｐ２dotは、検出される過給圧Ｐ２の変化量（Ｐ２(k)−Ｐ２(k-1)）に応じて算出される。

同定器５２は、基準モデルパラメーｂ_base及びｃ_baseからモデルパラメータｂ(k)及びｃ(k)を算出する。具体的には、モデルパラメータｂ(k)は、基準モデルパラメータｂ_baseに設定し、モデルパラメータｃ(k)は、基準モデルパラメータｃ_baseを用いて、式（３１）を用いた同定演算により算出する。

スライディングモードコントローラ５３は、検出される上流側排気圧Ｐ３及びリミッタ４４から入力される最終目標排気圧Ｐ３ＣＭＤＦから制御偏差ΔＰ３（＝Ｐ３ＣＭＤＦ−Ｐ３）を算出し、式（４３）、（４７）及び（４８）により、制御入力ｕ(k)、具体的にはタービン有効開口面積Ａtbを算出する。

変換器５４は、タービン有効開口面積Ａtbを、可変ベーン１２を駆動するアクチュエータを制御する制御信号のデューティ比Ｄｕｔｙに変換する。

図５は、上述した機能ブロックの機能を実現する過給圧制御処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ２０のＣＰＵで所定時間毎に実行される。
ステップＳ１０では、エンジン回転数ＮＥ及び基本燃料量ＴＩに応じて目標過給圧Ｐ２ＣＭＤを設定する。ステップＳ１１では、目標過給圧Ｐ２ＣＭＤから検出過給圧Ｐ２を減算して、過給圧偏差ΔＰ２を算出する。ステップＳ１２では、過給圧偏差ΔＰ２が「０」となるように、例えばＰＩＤ制御を用いて、目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤを算出する。ステップＳ１３では、検出される下流側排気圧Ｐ４に所定圧力比ＰＲ０を乗算して、上流側リミット値Ｐ３ＬＭＴを算出する。次いでステップＳ１２で算出した目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤが上流側リミット値Ｐ３ＬＭＴより大きいか否かを判別する（ステップＳ１４）。

ステップＳ１４で、Ｐ３ＣＭＤ≦Ｐ３ＬＭＴであるときは、最終目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤＦを、目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤに設定する（ステップＳ１６）。またＰ３ＣＭＤ＞Ｐ３ＬＭＴであるときは、最終目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤＦを、上流側リミット値Ｐ３ＬＭＴに設定する（ステップＳ１５）。ステップＳ１３〜Ｓ１６により、圧力比ＰＲが所定圧力比ＰＲ０を越えないように、最終目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤＦが設定される。

ステップＳ１７では、図６に示す排気圧制御処理を実行し、アクチュエータ制御信号のデューティ比Ｄｕｔｙを算出する。ステップＳ１８では、デューティ比Ｄｕｔｙの制御信号をアクチュエータに出力する。

図６は、図５のステップＳ１７で実行される排気圧制御処理のフローチャートである。
ステップＳ２１では、センサから供給される各種エンジン運転パラメータを読み込み、ステップＳ２２では、前記式（２１）及び（２２）により、基準モデルパラメータｂ_base及びｃ_baseを算出する。ステップＳ２３では、前記式（３３）により同定誤差ｅidを算出する。

ステップＳ２４では、同定誤差ｅidを用いて、モデルパラメータｃ(k)の同定演算を行う。ステップＳ２５では、スライディングモード制御により、タービン有効開口面積Ａtbを算出し、ステップＳ２６では、タービン有効開口面積Ａtbを制御信号のデューティ比Ｄｕｔｙに変換する。ステップＳ２７では、デューティ比Ｄｕｔｙのリミット処理を行い、デューティ比Ｄｕｔｙは所定上下限値の範囲内に入るようにする。

図７は、上述した過給圧制御における、主要なパラメータの推移を示すタイムチャートである。図７には、時刻ｔ１において目標過給圧Ｐ２ＣＭＤがステップ状に増加し、時刻ｔ２においてＥＧＲ弁６のリフト量指令値ＬＣＭＤがステップ状に増加した動作例が示されている。

時刻ｔ１においては、上流側目標排気圧Ｐ３ＣＭＤが目標過給圧Ｐ２ＣＭＤの増加に対応して増加する（同図（ａ）（ｂ））。そして、到達則入力Ｕｒｃｈ及び等価制御入力Ｕｅｑが迅速に変化して、ベーン開度ＶＯ、すなわちタービン有効開口面積Ａtbが増加し（同図（ｄ））、上流側排気圧Ｐ３が上流側目標排気圧Ｐ３ＣＭＤに追従して変化する（同図（ｂ））。その結果、少し遅れて過給圧Ｐ２が目標過給圧Ｐ２ＣＭＤに一致する（同図（ａ））。

時刻ｔ２においては、排気還流量の増加（同図（ｄ））に対応して上流側排気圧Ｐ３が目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤより小さくなるが（同図（ｂ））、タービン有効開口面積Ａtbが迅速に増加して（同図（ｄ））、上流側排気圧Ｐ３を目標上流側排気圧Ｐ３ＣＭＤに復帰させる（同図（ｂ））。その結果、過給圧Ｐ２の変動を抑制することができる（同図（ａ））。

以上のように本実施形態では、エンジン１の吸気管２からシリンダ１ａを経て排気管４に至る制御対象をモデル化した制御対象モデルに基づいて、検出される上流側排気圧Ｐ３が目標排気圧Ｐ３ＣＭＤ（Ｐ３ＣＭＤＦ）と一致するように、可変ベーン１２の開度ＶＯが制御され、制御対象モデルを定義するモデルパラメータｃが、排気還流機構を通過する排気還流量ｍ_rdotの関数となっている。したがって、その排気還流量の関数となっているモデルパラメータｃをリアルタイムで同定し、該同定したモデルパラメータｃを用いることによって、排気還流量ｍ_rdotの影響を加味した排気圧制御及び過給圧制御が行われる。したがって、比較的簡単な構成で、排気還流量に応じた、応答性のよい過給圧制御を行うことができる。

本実施形態では、可変ベーン１２及び可変ベーン１２を駆動するアクチュエータが排気ガス流量可変手段に相当し、上流側排気圧センサ２５が上流側排気圧検出手段に相当し、下流側排気圧センサ２６が下流側排気圧検出手段に相当し、ＥＣＵ２０が制御手段を構成する。すなわち、ＥＣＵ２０のＣＰＵにより実行される図５及び図６に示す処理が、制御手段に相当し、同定手段、目標過給圧設定手段、及び目標上流側排気圧設定手段を含む。具体的には、図５のステップＳ１０が目標過給圧設定手段に相当し、ステップＳ１１及びＳ１２が目標上流側排気圧設定手段に相当し、図６のステップＳ２２〜Ｓ２４が同定手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、モデルパラメータｃのみを同定誤差ｅｉｄに応じて逐次同定するようにしたが、同様の手法でモデルパラメータｂも逐次同定するようにしてもよい。

また、下流側排気圧Ｐ４は、大気圧センサにより大気圧ＰＡを検出し、検出した大気圧ＰＡに補正量ΔＰを加算することにより算出するようにしてもよい。タービン１１の下流側には、本実施形態にようにＤＰＦが設けられたり、またＮＯｘの浄化を行うＮＯｘ吸収触媒が設けられたりするので、下流側排気圧Ｐ４は、大気圧ＰＡより若干高くなる。そこで、大気圧ＰＡに加算すべき補正量ΔＰを予め求めておき、検出した大気圧ＰＡにその補正量ΔＰを加算することにより、簡易的に下流側排気圧Ｐ４（の近似値）を得ることができる。この場合には、大気圧センサ及びＥＣＵ２０によって、下流側排気圧検出手段が構成される。これにより、下流側排気圧センサ２６を設ける必要がなくなり、構成の簡略化を図ることができる。

また上述した実施形態では、可変ベーンを有するターボチャージャを備えた内燃機関における過給圧制御に本発明を適用した例を示したが、本発明は、以下のような構成の過給圧制御装置にも適用可能である。
（１）容量が固定されたターボチャージャと、該ターボチャージャのタービンをバイパスするバイパス通路と、そのバイパス通路に設けられたウエストゲートバルブとを備え、ウエストゲートバルブの開度を変更することにより、タービンに流入する排気量を変化させ、過給圧を制御するように構成されている制御装置。この場合には、バイパス通路及びウエストゲートバルブが、排気ガス流量可変手段に相当する。
（２）容量が固定されたターボチャージャを備え、内燃機関の排気量そのものを機関運転状態（例えば機関回転数及び目標燃料量）に応じて変更することにより、過給圧を制御するように構成されている制御装置。この制御装置では、排気量の変更は、例えば内燃機関への燃料供給量あるい吸入空気量を変化させることにより行われる。この場合には、排気量の制御を行う制御ユニットが排気ガス流量可変手段に相当する。

また上述した実施形態では、本発明のディーゼル内燃機関の過給圧制御に適用して例を示したが、ガソリン内燃機関の過給圧制御にも適用可能である。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの過給圧制御にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 制御対象モデルを説明するための図である。 過給圧制御モジュールの構成を示すブロック図である。 図３に示す排気圧制御器の構成を示すブロック図である。 過給圧制御を実行する処理のフローチャートである。 図５の処理で実行される排気圧制御処理のフローチャートである。 制御動作例を説明するためのタイムチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気管
５ 排気還流通路（排気還流機構）
６ 排気還流弁（排気還流機構）
８ ターボチャージャ
１０ タービンホイール
１１ タービン
１２ 可変ベーン
１５ コンプレッサホイール
１６ コンプレッサ
２０ 電子制御ユニット（制御手段、同定手段、目標過給圧設定手段、目標上流側排気圧設定手段））
２１ 吸入空気流量センサ
２２ 過給圧センサ
２３ 吸気温センサ
２４ 排気温センサ
２５ 上流側排気圧センサ（上流側排気圧検出手段）
２６ 下流側排気圧センサ（下流側排気圧検出手段）

Claims (6)

1. 内燃機関に吸入される空気を加圧するコンプレッサホイールと、該コンプレッサホイールと連結され、前記機関の排気ガスの運動エネルギにより回転駆動されるタービンホイールとを有するターボチャージャと、前記タービンホイールに吹き付けられる排気ガスの流量を変化させる排気ガス流量可変手段と、排気ガスを吸気系に還流する排気還流機構とを備えた内燃機関の過給圧制御装置において、
   前記タービンホイールの上流側の排気圧を検出する上流側排気圧検出手段と、
   前記機関の吸気系から排気系までをモデル化した制御対象モデルに基づいて、前記上流側排気圧検出手段により検出される上流側排気圧が目標上流側排気圧と一致するように、前記排気ガス流量可変手段を制御する制御手段を備え、前記制御対象モデルを定義するモデルパラメータの１つが、前記排気還流機構を通過する排気還流量の関数であることを特徴とする内燃機関の過給圧制御装置。
2. 前記制御対象モデルは、前記排気ガス流量可変手段の操作量を制御入力とし、前記上流側排気圧を制御出力とするものであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の過給圧制御装置。
3. 前記制御手段は、少なくとも１つの前記モデルパラメータを同定する同定手段を有し、同定したモデルパラメータを用いて前記制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の過給圧制御装置。
4. 前記制御手段は、同定したモデルパラメータを用いてスライディングモード制御により前記制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の過給圧制御装置。
5. 過給圧を検出する過給圧検出手段をさらに備え、前記制御手段は、前記機関の運転状態に応じて目標過給圧を設定する目標過給圧設定手段と、検出される過給圧が、前記目標過給圧と一致するように前記目標上流側排気圧を設定する目標上流側排気圧設定手段とを備えることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の過給圧制御装置。
6. 前記タービンホイールの下流側の排気圧を検出する下流側排気圧検出手段をさらに備え、前記制御手段は、前記下流側排気圧に対する前記上流側排気圧の圧力比が所定圧力比を超えないように、前記排気ガス流量可変手段を制御することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の内燃機関の過給圧制御装置。

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