JP2011179448A - Egr valve control device and program - Google Patents
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Abstract
【課題】EGR率を目標値に収束させる過程で、EGR率が上限値を超えることを防ぐ。
【解決手段】EGRバルブ制御装置10の演算部24は、スロットルバルブ18の開度指令を受信した現在時から開度指令どおりにスロットルバルブ18が開く作動時刻までの遅延期間におけるEGRバルブ14の開度を算出する。EGRバルブ制御装置10の記憶部26には、EGR率の目標値が記憶されるとともに、EGR率の上限値が制約条件として記憶されており、演算部24は、EGR率を目標値に収束させるために、制約条件に逸脱しない範囲内でEGRバルブ14の開度を算出する。
【選択図】 図3The EGR rate is prevented from exceeding an upper limit value in the process of converging the EGR rate to a target value.
An operation unit 24 of an EGR valve control device 10 opens an EGR valve 14 during a delay period from the current time when an opening command of the throttle valve 18 is received to an operation time when the throttle valve 18 opens according to the opening command. Calculate the degree. The storage unit 26 of the EGR valve control device 10 stores the target value of the EGR rate and the upper limit value of the EGR rate as a constraint condition, and the calculation unit 24 converges the EGR rate to the target value. Therefore, the opening degree of the EGR valve 14 is calculated within a range that does not deviate from the constraint conditions.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、EGRバルブの開度を制御するEGRバルブ制御装置およびプログラムに関する。 The present invention relates to an EGR valve control device and a program for controlling the opening of an EGR valve.
車両等の内燃機関から排出される排出ガス中の有害ガス濃度を低減させる手段の一つに、排出ガスの一部を吸気側に還流させることにより、吸気に排出ガスを混入させる排出ガス再循環(Exhaust Gas Recirculation、以下EGRと呼ぶ)と呼ばれる技術が知られている。 Exhaust gas recirculation that mixes exhaust gas into intake air by recirculating part of the exhaust gas to the intake side as one of the means to reduce the concentration of harmful gas in exhaust gas discharged from internal combustion engines such as vehicles A technique called “Exhaust Gas Recirculation” (hereinafter referred to as “EGR”) is known.
EGRは内燃機関の吸気側と排気側とをEGR管で接続し、排気側の排出ガスの一部をEGR管を経由して吸気側に戻すことにより行われる。なお、EGR管には吸気側に還流させる排出ガスの流量を制御するEGRバルブが設けられている。 EGR is performed by connecting an intake side and an exhaust side of an internal combustion engine with an EGR pipe and returning a part of exhaust gas on the exhaust side to the intake side via the EGR pipe. The EGR pipe is provided with an EGR valve that controls the flow rate of exhaust gas recirculated to the intake side.
排出ガスを吸気に混入させ、この吸気を内燃機関の燃焼室に送ることで燃焼室における燃焼温度を低下させることができる。排出ガスの一つである窒素酸化物(NOx)は燃焼温度が低下することにより発生量が低減することが知られており、EGR率(吸気に対する排出ガスの割合)を高めることによってNOxを低減させることができる。 By mixing exhaust gas into the intake air and sending the intake air to the combustion chamber of the internal combustion engine, the combustion temperature in the combustion chamber can be lowered. Nitrogen oxide (NOx), which is one of the exhaust gases, is known to reduce the generation amount when the combustion temperature decreases, and NOx is reduced by increasing the EGR rate (ratio of exhaust gas to intake air). Can be made.
EGR率を所望の値に収束させるため、車両に設けられたEGRバルブや、吸気量を調整するスロットルバルブの開度を制御する技術が従来から知られている。例えば特許文献1では、EGR率を決定する複数のパラメータ(吸入空気量、過給機前圧、掃気圧)に目標値を設定し、これらのパラメータを目標値に向かわせるためにスロットルバルブ、EGRバルブ、ウェイストゲートバルブの開度を制御している。
In order to converge the EGR rate to a desired value, a technique for controlling the opening degree of an EGR valve provided in a vehicle or a throttle valve for adjusting an intake air amount has been conventionally known. For example, in
ところで、EGR率が過度に高くなると(排出ガスの割合が高くなると)吸気中の酸素濃度が低下し、その結果、内燃機関の燃焼室において燃焼が起こらない失火と呼ばれる現象が生じるおそれがある。このためEGR率には上限値が定められており、EGR率の目標値はこの上限値以下となるように設定されている。 By the way, when the EGR rate becomes excessively high (when the ratio of exhaust gas becomes high), the oxygen concentration in the intake air decreases, and as a result, a phenomenon called misfire in which combustion does not occur in the combustion chamber of the internal combustion engine may occur. For this reason, an upper limit value is set for the EGR rate, and the target value of the EGR rate is set to be equal to or lower than the upper limit value.
ここで、一般的に制御対象を目標値に収束させる過程においては、制御対象の値は目標値に対して上下に変動する。つまり、EGR率を目標値に収束させる過程でEGR率は目標値に対して上下に変動する。このとき、収束の過程でEGR率が目標値以上の値に変動して最大EGR率を超えてしまい、内燃機関で失火が生じるおそれがあった。 Here, generally, in the process of converging the control target to the target value, the value of the control target fluctuates up and down with respect to the target value. That is, the EGR rate fluctuates up and down with respect to the target value in the process of converging the EGR rate to the target value. At this time, the EGR rate fluctuated to a value equal to or higher than the target value in the process of convergence, exceeding the maximum EGR rate, and there was a risk of misfire in the internal combustion engine.
そこで本願の目的は、EGR率を目標値に収束させる過程において失火の発生を防ぐEGRバルブ制御装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present application is to provide an EGR valve control device that prevents the occurrence of misfire in the process of converging the EGR rate to a target value.
本願発明は、内燃機関から排出部に排出された排出ガスの一部を吸気部に還流させる際に、還流させる排出ガスの流量を調整するEGRバルブの開度制御を行う、EGRバルブ制御装置に関するものである。EGRバルブ制御装置は、EGR率の目標値が記憶されるとともに、EGR率の上限値が制約条件として記憶された記憶部を備えている。さらにEGRバルブ制御装置は、吸気部の吸気量を調整するスロットルバルブに対する開度指令を受信した際に、EGR率を目標値に収束させるために、制約条件に逸脱しない範囲内でEGRバルブの開度を算出する演算部を備え、EGRバルブの開度を算出された開度に制御する。 The present invention relates to an EGR valve control device that controls the opening degree of an EGR valve that adjusts the flow rate of exhaust gas to be recirculated when a part of exhaust gas discharged from an internal combustion engine to an exhaust portion is recirculated to an intake portion. Is. The EGR valve control device includes a storage unit in which a target value of the EGR rate is stored and an upper limit value of the EGR rate is stored as a constraint condition. Further, the EGR valve control device opens the EGR valve within a range that does not deviate from the constraint condition in order to converge the EGR rate to the target value when the opening degree command for the throttle valve for adjusting the intake amount of the intake portion is received. A calculation unit for calculating the degree is provided, and the opening degree of the EGR valve is controlled to the calculated opening degree.
また、上記発明において、演算部は、スロットルバルブの開度指令を受信したときから前記スロットルバルブが開度指令の開度に開く作動時刻の間の各時刻におけるEGRバルブの開度を算出することが好適である。 In the above invention, the calculation unit calculates the opening degree of the EGR valve at each time between the time when the throttle valve opening command is received and the operation time when the throttle valve opens to the opening command opening degree. Is preferred.
また、上記発明において、記憶部には、制約条件として、EGR率の上限値に加えて、EGRバルブの動作制限が記憶されていることが好適である。さらに演算部は、制約条件を満足するEGRバルブの開度を算出できない場合には、作動時刻のスロットルバルブの開度をスロットル開度指令よりも低い開度に設定する指令を、スロットルバルブの開度を制御するスロットルバルブ制御装置に送ることが好適である。 Moreover, in the said invention, it is suitable for the memory | storage part to memorize | store the operation | movement restriction | limiting of an EGR valve in addition to the upper limit of an EGR rate as a constraint condition. Further, when the opening of the EGR valve that satisfies the constraint conditions cannot be calculated, the calculation unit issues a command for setting the opening of the throttle valve at the operating time to an opening lower than the throttle opening command. It is preferable to send it to a throttle valve control device for controlling the degree.
また、上記発明において、制約条件は、EGRバルブの時間に対する流量の変化量を入力変数とする関数として構成されていることが好適である。 Moreover, in the said invention, it is suitable that the constraint conditions are comprised as a function which uses the variation | change_quantity of the flow volume with respect to the time of an EGR valve as an input variable.
また、上記発明において、制約条件の関数は、吸気部の圧力と、EGRバルブの流量を状態変数とし、スロットルバルブに対する開度指令と排出部の圧力を定数または状態変数および入力変数に従属しない変数として含む関数として構成されていることが好適である。また、演算部は、スロットルバルブに対する開度指令と、吸気部および排出部の圧力と、EGRバルブの流量と、関数とに基づいてEGRバルブの開度を算出することが好適である。 In the above invention, the function of the constraint condition is that the pressure of the intake portion and the flow rate of the EGR valve are state variables, and the opening command for the throttle valve and the pressure of the discharge portion are variables that are not dependent on constants or state variables and input variables. It is preferable to be configured as a function including Further, it is preferable that the calculation unit calculates the opening degree of the EGR valve based on the opening degree command for the throttle valve, the pressure of the intake part and the exhaust part, the flow rate of the EGR valve, and the function.
また、本願発明は、内燃機関から排出部に排出された排出ガスの一部を吸気部に還流させる際に、還流させる排出ガスの流量を調整するEGRバルブの開度制御を行う、EGRバルブ制御装置に対して、開度制御を実行させるプログラムに関するものである。EGRバルブ制御装置の記憶部には、EGR率の目標値が記憶されるとともに、EGR率の上限値が制約条件として記憶されている。プログラムは、EGRバルブ制御装置の演算部が、吸気部の吸気量を調整するスロットルバルブに対する開度指令を受信した際に、演算部に、EGR率を目標値に収束させるために、制約条件に逸脱しない範囲内でEGRバルブの開度を算出させる。さらにプログラムは、EGRバルブ制御装置に対して、EGRバルブの開度を算出された開度に制御させる。 The present invention also provides an EGR valve control that controls the opening of an EGR valve that adjusts the flow rate of the exhaust gas to be recirculated when a part of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine to the exhaust portion is recirculated to the intake portion. The present invention relates to a program for executing opening degree control on an apparatus. The storage unit of the EGR valve control device stores the target value of the EGR rate and the upper limit value of the EGR rate as a constraint condition. When the calculation unit of the EGR valve control device receives an opening degree command for the throttle valve that adjusts the intake air amount of the intake unit, the program sets the constraint condition so that the calculation unit converges the EGR rate to the target value. The opening degree of the EGR valve is calculated within a range that does not deviate. Further, the program causes the EGR valve control device to control the opening degree of the EGR valve to the calculated opening degree.
また、本願発明は、内燃機関に連通する気体通路に設けられた複数のバルブのうちの第1のバルブの開度を制御する、バルブ制御装置に関するものである。バルブ制御装置は、第1のバルブにおける状態量の目標値が記憶されるとともに、第1のバルブの状態量の制約条件が記憶された記憶部を備えている。さらに、バルブ制御装置は、気体通路に設けられ、第1のバルブとは異なる第2のバルブの状態量の変化を検知するとともに、第1のバルブの状態量を目標値に収束させるために、制約条件に逸脱しない範囲内で第1のバルブの開度を算出する演算部と、を備え、バルブの開度を算出された開度に制御する。 The present invention also relates to a valve control device that controls the opening of a first valve among a plurality of valves provided in a gas passage communicating with an internal combustion engine. The valve control device includes a storage unit that stores the target value of the state quantity of the first valve and stores the constraint condition of the state quantity of the first valve. Further, the valve control device is provided in the gas passage, detects a change in the state quantity of the second valve different from the first valve, and converges the state quantity of the first valve to the target value. A calculation unit that calculates the opening of the first valve within a range that does not deviate from the constraint conditions, and controls the opening of the valve to the calculated opening.
また、本願発明は、内燃機関に連通する気体通路に設けられたバルブのうちの第1のバルブの開度を制御する、バルブ制御装置に対して、開度制御を実行させるプログラムに関するものである。バルブ制御装置の記憶部には、第1のバルブにおける状態量の目標値が記憶されるとともに、第1のバルブの状態量の制約条件が記憶されている。プログラムは、気体通路に設けられ、第1のバルブとは異なる第2のバルブの状態量の変化をバルブ制御装置の演算部が検知した際に、演算部に、第1のバルブの状態量を目標値に収束させるために、制約条件に逸脱しない範囲内で、第1のバルブの開度を算出させる。さらにプログラムは、バルブ制御装置に対して、第1のバルブの開度を算出された開度に制御させる。 The present invention also relates to a program for controlling the opening degree of a valve control device that controls the opening degree of a first valve among valves provided in a gas passage communicating with an internal combustion engine. . The storage unit of the valve control device stores the target value of the state quantity of the first valve and the constraint condition of the state quantity of the first valve. The program is provided in the gas passage, and when the calculation unit of the valve control device detects a change in the state quantity of the second valve different from the first valve, the calculation unit sets the state quantity of the first valve to the calculation unit. In order to converge to the target value, the opening degree of the first valve is calculated within a range that does not deviate from the constraint condition. Further, the program causes the valve control device to control the opening degree of the first valve to the calculated opening degree.
本願発明によれば、EGR率を目標値に収束させるためにEGRバルブ開度を算出する上で、EGR率の上限値をEGRバルブ開度算出の制約条件として設定している。EGRバルブ制御装置の演算部はこの制約条件に逸脱しない範囲内でEGRバルブの開度を決定する。これにより、EGR率の上限値を逸脱せずにEGR率を目標値に収束させることが可能となる。 According to the present invention, in calculating the EGR valve opening to converge the EGR rate to the target value, the upper limit value of the EGR rate is set as a constraint condition for calculating the EGR valve opening. The calculation unit of the EGR valve control device determines the opening of the EGR valve within a range that does not deviate from this constraint. As a result, the EGR rate can be converged to the target value without departing from the upper limit value of the EGR rate.
さらに、本願発明は、EGRバルブの制御に限らず、内燃機関における種々のバルブ制御についても適用することができる。すなわち、内燃機関の周辺に設けられた所定のバルブの状態量の上限値を開度算出の際の制約条件として定めることにより、当該所定のバルブの状態量を目標値に収束させるためのバルブ開度算出において、制約条件を逸脱せずにバルブの開度を算出することが可能となる。 Further, the present invention can be applied not only to the control of the EGR valve but also to various valve controls in the internal combustion engine. In other words, by defining the upper limit value of the state quantity of a predetermined valve provided around the internal combustion engine as a constraint condition when calculating the opening, the valve opening for converging the state quantity of the predetermined valve to the target value is established. In the degree calculation, the opening degree of the valve can be calculated without departing from the constraint condition.
本発明の実施形態に係るEGRバルブ制御装置およびその周辺の構成を図1に示す。図1においては、気体の流路及び流れ方向を実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示している。EGRバルブ制御装置10は内燃機関5の周辺の各種パラメータを制御するエンジンコントロールユニット(ECU)12と通信可能となっている。EGRバルブ制御装置10はEGRバルブ14に接続されている。また、EGRバルブ制御装置10はサージタンク15の圧力を検出するサージタンク圧力センサ16と接続している。また、EGRバルブ制御装置10は排出ガス集合部17の圧力を検出する排出ガス集合部圧力センサ20と接続している。さらにEGRバルブ制御装置10は、アクセルペダルの踏み込み角等をもとにエンジンコントロールユニット12が算出したスロットルバルブ18の開度指令を受信可能になっている。
FIG. 1 shows an EGR valve control device according to an embodiment of the present invention and the surrounding configuration. In FIG. 1, the gas flow path and the flow direction are indicated by solid arrows, and the signal flow is indicated by broken arrows. The EGR
次に、EGRバルブ制御装置10のシステム構成図を図2に示す。EGRバルブ制御装置10は、受信部22、演算部24、記憶部26、出力部28を含んで構成される。これら各部は互いに通信可能となっている。
Next, a system configuration diagram of the EGR
EGRバルブ制御装置10の各部の機能について説明する。受信部22は、サージタンク圧力センサ16から送信された圧力値を、吸気部圧力Paとして受信する。また、排出ガス集合部圧力センサ20から送信された圧力値を、排出部圧力Peとして受信する。また、受信部22は、エンジンコントロールユニット12からスロットルバルブ18の開度指令Atを受信する。さらに受信部22は、EGRバルブ14からEGRバルブ14の開度Aegrを示す開度信号を受信する。ここで、開度とは開度面積を示すものとする。
The function of each part of the EGR
記憶部26は、半導体メモリやハードディスク等の記憶手段を含んで構成され、EGRバルブ14の開度Aegrを制御する開度制御プログラム、EGR率の目標値、および、開度制御の際の種々の制約条件が記憶されている。例えば制約条件として、EGR率上限値γa,max、EGRバルブ14の動作制限を含む情報が記憶されている。ここで、EGR率上限値は内燃機関5が失火しない最大のEGR率を示し、例えば内燃機関がガソリンエンジンであれば20〜30%、ディーゼルエンジンであれば30〜40%がEGR率上限値γa,maxとして設定されている。また、EGRバルブ14の動作制限とは、単位時間当たりにEGRバルブ14が開閉できる量の最大値δAegr,maxや、EGRバルブ14の最大開度Aegr,max等を定めたものである。なお、EGR率上限値、EGRバルブ14の動作制限に加えて、吸気部圧力Paが排気部圧力Pe以下であるとする吸気部圧力制限等を記憶部26に記憶させても良い。
The
また、EGR率の目標値は最大EGR率以下の値が設定される。例えばガソリンエンジンであれば15〜30%の値が設定され、ディーゼルエンジンであれば25〜40%の値が設定される。ここで、最大EGR率を目標値として設定しても良い。 Further, the target value of the EGR rate is set to a value equal to or less than the maximum EGR rate. For example, a value of 15 to 30% is set for a gasoline engine, and a value of 25 to 40% is set for a diesel engine. Here, the maximum EGR rate may be set as the target value.
演算部24は、図3に示すように、制御対象30から出力される観測量32(例えばEGRバルブ流量Megrや吸気部圧Pa)や必要であればその他の観測量34(例えば温度等の外乱成分や排気部圧力Pe)を取り込むとともに、制御対象30の出力に対する目標値36(例えば最大EGR率)を取り込む。さらに制御対象30に対する入力制約38(例えば最大EGR率を超えない)や、制御対象30の状態制約40(例えばEGRバルブ14の動作制約)等の制約条件を参照し、EGR率が目標値に収束し、かつ、制約条件を満足する入力値42(例えばEGR開度Aegr)を算出する。
演算部24はいわゆるCPUであり、記憶部26にアクセス可能となっている。演算部24は、受信部22が受信した各種の値を取り込み、また、記憶部26に記憶された目標値、制約条件、開度制御プログラムを読み出し、開度制御プログラムを実行することにより、EGRバルブ14の開度Aegrを算出する。ここで、演算部24は、受信部22がエンジンコントロールユニットからスロットルバルブ開度指令を受信した時(現在時)から、スロットルバルブ18が実際に開度指令通りの開度に開く作動時刻までの間(以下、これを遅延期間と呼ぶ)の各時刻における開度を算出している。
The
遅延期間について説明する。スロットルバルブ18の開度指令を受信部22が受信した時(現在時)からスロットルバルブ18が当該開度指令の開度に開く作動時刻までには30msec〜80msec程度のわずかな遅延期間が生じる。演算部24はこの遅延期間を複数個のステップに分割する。例えば1ステップ=8msecとし、各ステップにおけるEGRバルブ14の開度Aegrを算出する。例えば遅延期間のステップがNステップに分割されているとすると、演算部24はEGRバルブ開度Aegr、t、Aegr、t+1、…、Aegr、t+Nを算出する。この開度算出の際にあたっては、記憶部26に記憶された制約条件を参照し、当該制約条件を逸脱しない範囲でEGR率が目標値に収束するように、EGRバルブ14の開度Aegrを算出している。
The delay period will be described. A slight delay period of about 30 msec to 80 msec occurs from the time when the receiving
出力部28は、演算部24の算出結果に基づいて、遅延期間におけるEGRバルブ14の開度指令をEGRバルブ14に送信する。EGRバルブ14は開度指令を受けて開度Aegrを変更するとともに、変更後の開度Aegrを受信部22にフィードバックする。
The
次に、演算部24が実行する開度算出プログラムの内容について図4のフローチャートを用いて説明する。演算部24は、受信部22を介してスロットルバルブ18の開度指令Atを取得する(S1)。また、演算部24は、受信部22を介して現在時刻におけるEGRバルブ14の開度Aegr、吸気部の圧力Paおよび排出部の圧力Peを取得する(S2)。演算部24はこれらの入力値と、記憶部26に記憶された目標値および制約条件をもとに、開度算出プログラムを実行する(S3)。開度算出プログラムはいわゆる制約つき最適制御問題から構成され、演算部24はこの最適制御問題を解くことにより、遅延期間の各ステップにおけるEGRバルブの開度Aegrを求める。制約つき最適制御問題とは、入力変数と、入力変数により状態が変化する状態変数とを含んで構成される状態方程式と、入力変数の制約条件を定めた制約条件式と、制約条件下で状態方程式を満たす解(実行可能解)のうち最適解を求めるための評価関数の3つの数式から構成される。状態方程式、制約条件式、評価関数については後述する。
Next, the contents of the opening degree calculation program executed by the
演算部24は、それぞれの数式にS1、S2で送られた各値を代入し、制約条件を満足する実行可能解が存在するか否かを判定する(S4)。実行可能解が存在しない場合には、作動時刻のスロットルバルブ18の開度Atを開度指令よりも低い(つまり、開度偏差の小さい)開度にするようにエンジンコントロールユニット12に指令を送る(S5)。開度偏差が小さくなることで制約が緩くなり、実行可能解を得られる確率が高くなる。演算部24は、偏差の小さくなったスロットル開度Atに基づいて再度実行可能解の有無を判定する(S4)。S1からS5の処理は、実行可能解が見出されるまで行う。実行可能解が見出されたら、演算部24は、複数ある実行可能解から最適解を求めるために評価関数を演算する(S6)。評価関数は、所定の評価条件に照らして最適解が導出できるようになっている。例えば、EGR率と目標値との差異が小さいほど良いという条件1、および、EGRバルブ14の操作量が小さいほど良いという条件2を評価関数に反映させ、条件1、2の観点から最適解を導出する。
The
最適解が求められると、演算部24はこの最適解に応じて遅延期間の各ステップにおけるEGRバルブの開度指令を出力部28に送る(S7)。出力部28は、EGRバルブ14に当該開度指令を送信する。以下、時間が1ステップ進むごとにS1〜S7の処理を繰り返す。
When the optimal solution is obtained, the
なお、ステップ5(S5)においてスロットルバルブ18の開度指令について演算部24から変更指令を受けたエンジンコントロールユニット12は、作動時刻のスロットルバルブ18の開度が、変更後の、つまり開度偏差の幅が縮小された開度になるようにスロットルバルブ18に対して開度指令を送る。さらに作動時刻後数ステップ(1ステップ〜3ステップ)後に変更前の開度となるようにスロットルバルブ18の開度を制御する。
In step 5 (S5), the
以上説明した開度算出処理を実行するEGRバルブ制御装置10機能ブロック図を図5に示す。EGRバルブ制御装置10は、S1、S2を実行する入力データ取得手段44、S3、S4、S5を実行する実行可能解判定手段46、S6を実行する最適解判定手段48、S7、S8を実行する開度送信手段50を含んで構成される。
FIG. 5 shows a functional block diagram of the EGR
次に、開度算出プログラムにおいて実行される制約つき最適制御問題について説明する。上述したように、最適制御問題は状態方程式、制約条件式、評価関数から構成される。状態方程式と制約条件式の一般形を以下の数式1、2に示す。
Next, the optimal control problem with restrictions executed in the opening degree calculation program will be described. As described above, the optimal control problem includes a state equation, a constraint condition expression, and an evaluation function. The general form of the state equation and the constraint equation is shown in the following
ここで、xは状態変数(例えばバルブにおける流量)、uは入力変数(例えばバルブ開度)、xおよびuのサフィックスkは離散時間ステップ(遅延期間を複数の時間ステップに分けたもの)、pは目標値(例えば最大EGR率)、外部入力(例えばスロットルバルブ開度Mt)、境界条件等を示す。ここで、pは離散時間ステップkによって変化しない定数、または状態変数、入力変数に従属しない変数を示す。 Here, x is a state variable (for example, flow rate in a valve), u is an input variable (for example, valve opening), x and u suffix k is a discrete time step (a delay period divided into a plurality of time steps), p Indicates a target value (for example, maximum EGR rate), an external input (for example, throttle valve opening M t ), a boundary condition, and the like. Here, p represents a constant that does not change with the discrete time step k, or a variable that does not depend on the state variable or the input variable.
数式1、2は非線形の数式であり、計算処理に多大な時間がかかる。遅延期間は30msec〜80msec程度の短期間であるから、より簡易で計算処理時間の少ない線形式または二次線形式に修正することが好適である。ここで、状態方程式および制約条件式は制御対象であるEGRバルブ14における流量モデルをもとにして生成される。そこで、流量モデルを線形または二次線形式に変形することにより数式1、2を線形式に変形する。
EGRバルブ14における流量モデルを以下に示す。
A flow rate model in the
ここで、MegrはEGRバルブ14における気体の流量(質量流量)を示し、AegrはEGRバルブ14の開度面積を示している。さらにPaは吸気部圧力を示している。つまり、Megrは変数Aegrと変数Paとの積で表されることから、数式3は非線形式であることが理解される。数式3の概形を図6の実線で示す。図6において、横軸は吸気部圧力Paと排気部圧力Pe(定数)との比を示し、縦軸はMegrの値(相対値)を示している。
Here, M egr represents the gas flow rate (mass flow rate) in the
ここで、数式3に対して区分線形処理を行う。区分線形処理とは、横軸を複数の区間に分割し、それぞれの区分ごとに数式3を一次関数で近似する処理を指す。区分線形処理後の数式4を下記に示すとともに、その概形を図6の点線で示す。
Here, piecewise linear processing is performed on
ここで、a1、c1、γは任意の定数である。この数式4に基づいて制約条件式を生成する。なお、以下では入力変数をEGRバルブ開度であるAegrから、EGRバルブ14の時間に対する流量の変化量(以下、流量偏差と呼ぶ)δMegrに変更する。さらに、状態変数を吸気部圧力PaおよびEGRバルブ流量Megrとする。後述するように、入力変数を流量偏差δMegrに変更することにより制約条件を線形に記述できる。まず、EGRバルブ開度Aegrの制約条件を下記数式5に示す。
Here, a 1 , c 1 , and γ are arbitrary constants. A constraint condition formula is generated based on
数式4と数式5に基づき、下記数式6に示すような、EGRバルブ流量Megr(状態変数)の制約条件を求める。
Based on
次に、EGRバルブ開度偏差δAegrの制約条件を下記数式7に示す。
数式7を変形し、下記数式8に示すような、EGRバルブ流量偏差δMegr(入力変数)の制約条件を求める。
上記数式6、8はEGRバルブ14の動作制約を定める制約条件式である。ここで、数式6においてAegr,min、Aegr,max、δAegr,min、δAegr,maxは定数として予め求めることができ、さらにPeは定数として設定するか、入力変数および状態変数に従属しない変数として排出ガス集合部圧力センサ20から取得することが可能となる。このことから、数式6、8はともに入力変数δMegr、状態変数Megr、Paに関して線形な式となる。
The
さらに、EGR率の上限値を制約条件として定める。最大EGR率をγa,maxとすると、EGR率の上限値は下記数式9で示される。 Furthermore, the upper limit value of the EGR rate is determined as a constraint condition. When the maximum EGR rate is γ a, max , the upper limit value of the EGR rate is expressed by the following formula 9.
ここで、Mtはスロットルバルブ18における気体の流量を示している。このMtもPeと同様に定数として設定するか、入力変数および状態変数に従属しない変数としてエンジンコントロールユニット12から送られるスロットル開度指令に基づいて設定することができる。なお、数式9ではEGR率=(Megr/Mt)としたが、EGR率=(Megr/Mt+Megr)としても良い。
Here, M t indicates the gas flow rate in the
さらに、その他の制約条件として、吸気部圧力Paと排出部圧力Peとの関係や吸気部圧力Paとサージタンク15の上流にあるインタークーラ52の気体圧力Picとの関係を定めた式を加えても良い。なお、PicはPeと同様に定数として設定するか、入力変数および状態変数に従属しない変数としてインタークーラ52の圧力センサ54の値をEGRバルブ制御装置10が取得することにより設定することができる。PaとPeとの関係式、および、PaとPicとの関係式を下記数式10に示す。
Further, as the other constraints, it defines the relationship between the gas pressure P ics of the
数式6、8、9の制約条件式をまとめ、さらに遅延期間におけるステップk(t〜t+N)を考慮すると下記数式11になる。
When the conditional expressions of
ここで、C、D、Eは任意に定められる定数行列であり、あらかじめ設定することができる。さらにMegrとPaをまとめて状態変数ベクトルxk、δMegrを入力変数ベクトルvk、右辺の定数項、または入力変数や状態変数に従属しない変数をまとめてベクトルpで表すと、数式11は下記数式12のように変形できる。
Here, C, D, and E are arbitrarily defined constant matrices, which can be set in advance. Further, when M egr and P a are collectively expressed as a state variable vector x k , δM egr as an input variable vector v k , a constant term on the right side, or a variable not dependent on an input variable or a state variable is expressed as a vector p, Expression 11 Can be transformed as shown in
次に、上記状態変数ベクトルxkと入力変数ベクトルvkについての状態方程式を下記数式13に示す。 Next, a state equation for the state variable vector x k and the input variable vector v k is shown in the following Equation 13.
数式13から状態変数ベクトルxkは、入力変数ベクトルvKとxKの初期値vtとxtから漸化式的に求められることが理解される。そこで、数式12を、状態変数ベクトルxkを陽に含む形から下記数式14に示すように陰に含む形に変形することができる。
It can be understood from Equation 13 that the state variable vector x k is obtained recursively from the initial values v t and x t of the input variable vectors v K and x K. Therefore,
ここで、G、Wは任意の定数行列であり、予め設定することができる。さらにVは各ステップの入力変数ベクトルvKをまとめて表記したものである。 Here, G and W are arbitrary constant matrices and can be set in advance. Furthermore V are those represented collectively input variable vector v K in each step.
数式11〜数式14より、入力変数ベクトルV(δMegr,t〜δMegr,t+N)は、現在時tにおける、EGRバルブ流量Megr,t(=xt)、吸気部圧力Pa,t(=xt)、スロットル開度指令Mt(pに含まれる)、排気部圧力Pe(pに含まれる)を取得することにより求めることができることが理解される。 From Expressions 11 to 14, the input variable vector V (δM egr, t to δM egr, t + N ) is the EGR valve flow rate M egr, t (= x t ) and the intake part pressure P a, t ( = X t ), throttle opening command M t (included in p), and exhaust pressure P e (included in p) can be obtained.
以上説明したように、数式13に状態方程式を示し、数式14に制約条件式を示した。次に、制約条件式を満たす実行可能領域における状態方程式の実行可能解のうち、最適解を求める評価関数Jを下記数式15に示す。
As described above, Equation 13 shows the state equation, and
ここで、Q、H、Fは任意の定数行列を示し、予め設定することができる。また、xt+N|tとは、遅延期間をNステップの時間区分(ホライゾン)に分けたときの、現サンプル時刻t(現在時)からNステップ先の状態変数ベクトルを示している。また、rtは目標値を表し、サンプル時刻t(現在時)において受信部22が受け取ったスロットル開度指令に対応する値(本実施形態においてはスロットルバルブ流量Mtおよび吸気部圧力Pa)を表している。
Here, Q, H, and F are arbitrary constant matrices and can be set in advance. Further, x t + N | t indicates a state variable vector that is N steps ahead from the current sample time t (current time) when the delay period is divided into time segments (horizontal) of N steps. Further, r t represents the target value, the sample time t a value corresponding to the throttle opening command the
数式15において、(xt+N|t−rt)または(xt+k|t−rt)の項は入力変数ベクトルと目標値との差を表している。つまりこの項は上述した条件1(EGR率と目標値との差異が小さいほど良い)を表している。また、(vT t+kRvt+k)の項は、入力変数ベクトルの操作量を表している。つまりこの項は上述した条件2(EGRバルブ14の操作量が小さいほど良い)を表している。このことから、評価関数Jの値を最小にする入力変数ベクトルVの値が最適解であることが理解される。
In
ここで、数式15の下段において、入力変数ベクトルVが含まれる項は第1項と第2項であり、第3項は定数項とみなすことができる。したがって、数式15の下段における第1項+第2項が最小のとき、評価関数Jは最小値を取ることが理解される。このことから、演算部24が演算を行う制約つき最適制御問題は、最終的に下記数式16にまとめることができる。
Here, in the lower part of
数式16の解法としては、従来から知られている種々の解法を利用することができる。例えば、マルチパラメトリック計画法を用いてパラメータ空間を複数の領域に分割し、さらに最適性条件(KKT条件)を用いて、各領域における最適ゲインFを導くことができる。例えば、パラメータ領域iにおける最適流量偏差は下記数式17のように表すことができ、パラメータ領域iは下記数式18のように表すことができる。
As a solution of
ここで、Fiは最適ゲインを示し、giは定数行列を示す。また、いわゆる後退ホライゾン(Reseiding Horizon)方策を適用するため、入力変数ベクトル(流量偏差)vおよび状態変数ベクトルxのサフィックスtは現在時を示している。 Here, F i represents an optimum gain, and g i represents a constant matrix. In addition, in order to apply a so-called reverse horizon strategy, the input variable vector (flow rate deviation) v and the suffix t of the state variable vector x indicate the current time.
実際には、まず現在時の状態xt(例えばEGRバルブ流量Megr,t、吸気部圧力Pa,t)および定数p(例えばスロットル開度指令Mt)から、複数のパラメータ領域のうち特定のパラメータ領域を特定する。次に、特定されたパラメータ領域に対応する最適ゲインFiを用いて、最適な入力変数(例えば流量偏差)を計算する。次に、現在のEGRバルブ流量に最適流量偏差を加えて次のステップにおけるEGRバルブ流量を計算し、上述した流量モデルを用いて対応するEGRバルブ開度を計算する。最後に、計算されたEGRバルブ開度の指令をEGRバルブに送信する。これを1ステップごとに繰り返す。 In practice, first, the current state x t (for example, EGR valve flow rate M egr, t , intake air pressure Pa , t ) and constant p (for example, throttle opening command M t ) are specified from among a plurality of parameter regions. Specify the parameter area. Next, an optimum input variable (for example, flow rate deviation) is calculated using the optimum gain F i corresponding to the specified parameter region. Next, an optimal flow rate deviation is added to the current EGR valve flow rate to calculate the EGR valve flow rate in the next step, and the corresponding EGR valve opening is calculated using the flow rate model described above. Finally, the command for the calculated EGR valve opening is transmitted to the EGR valve. This is repeated every step.
なお、一般的に、パラメータ領域の分割は、予測ステップ数、制約条件数で指数的に増加し、リアルタイムでパラメータ領域iを選択することが困難となることが知られている。そこで、制約条件の中から等式が成立する制約(アクティブとなる制約)の候補を判別することで、パラメータ領域数を大幅に低減することができる。 In general, it is known that the division of the parameter area increases exponentially with the number of prediction steps and the number of constraint conditions, and it is difficult to select the parameter area i in real time. Therefore, the number of parameter regions can be greatly reduced by determining candidates for constraints (active constraints) that satisfy the equation from the constraint conditions.
上述したEGRバルブ開度制御によるシミュレーション結果を、図7に示す。図7においては、本実施形態における出力を四角のマーカーで示し、EGR率を制約条件に持たない従来技術における出力を丸のマーカーで示している。図7の上段に、スロットル開度の推移を示す。ここでは、8ステップを遅延期間とし、現在時から8ステップ後に開度が急閉される設定としている。また、中段はEGR率の推移を示している。ここで、目標EGR率を破線で示し、最大EGR率を一点鎖線で示している。なお、ここでは本実施形態と従来技術との差異をより明確にするために、目標値を最大EGR率よりも若干低い値に設定している。 The simulation result by the above-mentioned EGR valve opening degree control is shown in FIG. In FIG. 7, the output in the present embodiment is indicated by a square marker, and the output in the prior art that does not have the EGR rate as a constraint is indicated by a circle marker. The transition of the throttle opening is shown in the upper part of FIG. Here, 8 steps are set as a delay period, and the opening degree is set to be rapidly closed after 8 steps from the present time. The middle row shows the transition of the EGR rate. Here, the target EGR rate is indicated by a broken line, and the maximum EGR rate is indicated by a one-dot chain line. Here, in order to clarify the difference between the present embodiment and the prior art, the target value is set to a value slightly lower than the maximum EGR rate.
また、下段はEGRバルブ流量の動作制限が示されている。EGRバルブの動作制限の上限である最大EGR増量(1ステップ中に増やすことのできる最大の増加量)を一点鎖線で示し、動作制限の加減である最大EGR減量(1ステップ中に減らすことのできる最大の減少量)を点線で示している。EGRバルブの流量偏差の取り得る値は、この最大EGR増量と最大EGR減量との間に限られている。 The lower part shows the operation restriction of the EGR valve flow rate. The maximum EGR increase (maximum increase that can be increased in one step), which is the upper limit of the EGR valve operation limit, is indicated by a one-dot chain line, and the maximum EGR decrease (can be reduced in one step), which is the increase / decrease of the operation limit. The maximum reduction amount is indicated by a dotted line. A possible value of the flow rate deviation of the EGR valve is limited between the maximum EGR increase and the maximum EGR decrease.
従来技術においては8ステップ目において最大EGR率を大きく逸脱し、その後目標値に収束していることが理解される。すなわち目標値に収束させる過程で最大EGR率を大きく逸脱していることが理解される。これに対して本実施形態に係るEGRバルブ制御においては、最大EGR率を制約条件としているため、EGR率の変動は最大EGR率を超えない範囲内に収まっていることが理解される。このように、本実施形態に係るEGRバルブ制御においては、最大EGR率を制約条件として設定していることから、EGR率の変動を最大EGR率を超えない範囲内に抑えながらEGR率を目標値に収束させることが可能となる。 In the prior art, it is understood that the maximum EGR rate greatly deviates at the 8th step and then converges to the target value. That is, it is understood that the maximum EGR rate deviates greatly in the process of convergence to the target value. On the other hand, in the EGR valve control according to the present embodiment, since the maximum EGR rate is a constraint, it is understood that the fluctuation of the EGR rate is within a range not exceeding the maximum EGR rate. As described above, in the EGR valve control according to the present embodiment, the maximum EGR rate is set as a constraint condition. Therefore, the EGR rate is set to the target value while suppressing the fluctuation of the EGR rate within a range not exceeding the maximum EGR rate. It is possible to converge to.
また、本実施形態に係るEGR開度制御による他のシミュレーション結果を、図8に示す。この例では、制約条件を満たす解が存在しない場合に、作動時刻におけるスロットルバルブ18の開度を指令よりも低減させる処理が行われている。
Further, FIG. 8 shows another simulation result by the EGR opening degree control according to the present embodiment. In this example, when there is no solution that satisfies the constraint conditions, processing is performed to reduce the opening of the
図8における点線、一点鎖線、マーカーの役割は図7と同様である。本実施形態においては、演算部24の演算により制約条件を満足する実行可能解がないという結果が導出された際に、演算部24はエンジンコントロールユニット12に対して作動時刻のスロットルバルブ18の開度を開度指令よりも所定割合で低減させる旨の指令を送る。これにより、図8上段に示されているように、8ステップ目においてスロットルバルブ18の開度は修正される。本実施形態における開度制御では、スロットル開度が修正されることにより制約条件が緩和され、EGR率は最大EGR率まで増加するものの、それ以上は増加せず、制約条件を満足していることが図8上段のグラフから理解される。一方、EGR率について上限を設けない従来技術においては8ステップ目、9ステップ目で最大EGR率を大きく逸脱していることが理解される。
The roles of the dotted line, the alternate long and short dash line, and the marker in FIG. 8 are the same as those in FIG. In this embodiment, when the
以上説明したように、本実施形態に係るEGRバルブ制御装置においては、最大EGR率を逸脱しないという制約条件を設定することにより、最大EGR率を超えない範囲内でEGRバルブ開度を決定することが可能となる。さらに、制約条件を満たす開度の組み合わせが導き出せない場合には、EGR制御系から見て外部の制御系であるスロットルバルブ制御系に対してスロットルバルブ開度の変更を指令し、制約条件を緩和させることにより、実行可能解の導出を可能にしている。 As described above, in the EGR valve control device according to the present embodiment, the EGR valve opening is determined within a range not exceeding the maximum EGR rate by setting a constraint condition that the maximum EGR rate is not deviated. Is possible. Furthermore, if a combination of openings that satisfies the constraint conditions cannot be derived, the throttle valve opening is commanded to the throttle valve control system, which is an external control system as seen from the EGR control system, and the constraint conditions are relaxed. This makes it possible to derive an executable solution.
なお、上述した実施形態においては、制御対象をEGRバルブ制御に限定して説明したが、当該制御および制御プログラムを、内燃機関に連通する気体通路に設けられた任意のバルブ制御に適用することが可能である。すなわち、上述の実施形態においてはEGRバルブの線形流量モデル(数式4)をもとに状態方程式、制約条件を導いたが、これを他のバルブの線形または二次線形流量モデルに置き換え、対応する状態方程式、制約条件を導くことにより、当該バルブを制御することが可能となる。具体的には、内燃機関に連通する気体通路に設けられた所定の第1のバルブの状態量が、内燃機関の気体通路に設けられ、第1のバルブとは異なる第2のバルブの状態量によって変化する場合を考える。第2のバルブの状態量変化を検知したときに、第1のバルブの状態量を目標値に収束させる際に、第1のバルブの状態量の上限値を第1のバルブの開度算出の制約条件として定めることにより、当該制約条件を逸脱せずに第1のバルブの開度を算出することが可能となる。 In the above-described embodiment, the control target is limited to the EGR valve control. However, the control and the control program may be applied to any valve control provided in the gas passage communicating with the internal combustion engine. Is possible. That is, in the above-described embodiment, the state equation and the constraint condition are derived based on the linear flow rate model (Equation 4) of the EGR valve, but this is replaced with the linear or secondary linear flow rate model of other valves. It is possible to control the valve by deriving a state equation and constraint conditions. Specifically, a state quantity of a predetermined first valve provided in a gas passage communicating with the internal combustion engine is provided in a gas passage of the internal combustion engine, and a state quantity of a second valve different from the first valve Consider the case of changing by When the state quantity change of the second valve is detected, when the state quantity of the first valve is converged to the target value, the upper limit value of the state quantity of the first valve is calculated for the opening degree of the first valve. By defining the restriction condition, the opening degree of the first valve can be calculated without departing from the restriction condition.
図1に示すように、内燃機関の周辺にはEGRバルブ14の他にも、インタークーラ52とサージタンク15の間に設けられたスロットルバルブ18、内燃機関5に設けられた吸気バルブ56及び排出バルブ58、さらにタービン60およびコンプレッサ62の流量を制御するウェイストゲートバルブ64が備えられている。これらのバルブについても、上述の制御を行うことができる。また、本実施形態に係るバルブ制御の適用範囲は個々のバルブ制御に限られず、これらのバルブを統合して制御する統合制御においても適用可能である。
As shown in FIG. 1, in addition to the
スロットルバルブ流量は、下記数式19にて表される。 The throttle valve flow rate is expressed by Equation 19 below.
ここで、Mtはスロットルバルブ流量、Atはスロットルバルブ開度、Picはインタークーラ52の圧力、a2、c2は任意の定数を表す。また、ウェイストゲートバルブ流量は、下記数式20にて表される。
Here, M t is the throttle valve flow, A t is the throttle valve opening, P ics pressure of the intercooler 52, a 2, c 2 denotes an arbitrary constant. The waste gate valve flow rate is expressed by the following
ここで、Mwgはウェイストゲートバルブ流量、Awgはウェイストゲートバルブ開度、Poは大気圧、a5、c5は任意の定数を表す。また、吸気バルブ流量は吸気掃気流量または排気逆流量を用いて表すことができる。排気逆流量は数式21にて表される。 Here, M wg is the waste gate valve flow, A wg is the waste gate valve opening, P o is the atmospheric pressure, a 5, c 5 represents an arbitrary constant. Further, the intake valve flow rate can be expressed using an intake scavenging flow rate or an exhaust reverse flow rate. The exhaust reverse flow rate is expressed by Equation 21.
ここで、Mexは排気逆流量、IAOLは吸気バルブ56と排出バルブ58のオーバーラップ時(両バルブが開いている時、O/L時)における流路の有効開口面積を表している。また、a3、c3は任意の定数を表す。また、吸気掃気量は数式22にて表される。
Here, M ex represents the exhaust reverse flow rate, and I AOL represents the effective opening area of the flow path when the
ここで、Mscavは吸気掃気量、a4、c4は任意の定数を表す。また、吸気バルブ流量は数式23にて表される。 Here, M scav represents the intake scavenging amount, and a 4 and c 4 represent arbitrary constants. Further, the intake valve flow rate is expressed by Equation 23.
ここで、Minは吸気バルブ流量、Toutは排出バルブ58における気体温度、Taは吸気部における気体温度、k1、k4は任意の定数、または回転数や温度の関数を表す。ここで、排出バルブ58と排出ガス集合部17とは互いに近い位置に設けられているため、Toutを近似的に排出ガス集合部17の温度Teと等しいと定めても良い。
Here, M in the intake valve flow, the T out represents a function of the gas temperature at the
また、排出バルブ流量は数式24にて表される。
Further, the discharge valve flow rate is expressed by
ここで、Moutは排出バルブ流量、Mfは燃料の流量を示す。つまり右辺は吸気と燃料とが混合された混合気の流量を表している。以上説明した流量モデルはいずれも線形、または二次線形式であり、非線形式に比べて演算が簡便であることが理解される。 Here, M out represents the discharge valve flow rate, and M f represents the fuel flow rate. That is, the right side represents the flow rate of the air-fuel mixture in which intake air and fuel are mixed. It is understood that all the flow rate models described above are linear or quadratic lines, and are simpler to calculate than non-linear equations.
さらに、タービン流量Mtrb、およびコンプレッサ流量Mcmpは数式25にて表す、既知のタービン/コンプレッサマップに基づいて求めることができる。
Further, the turbine flow rate M trb and the compressor flow rate M cmp can be obtained based on a known turbine / compressor map expressed by
ここで、Ωtcはタービン回転数を示す。また、タービン温度Ttrb、およびコンプレッサ温度Tcmpは数式26にて表す。既知のタービン/コンプレッサマップに基づいて求めることができる。
Here, Ω tc represents the turbine speed. Further, the turbine temperature T trb and the compressor temperature T cmp are expressed by
以上、それぞれの流量モデルを示した。EGRバルブ14の流量モデル(数式4)から、流量偏差δMegrを入力変数とし、吸気部圧力Pa及びEGRバルブ流量Megrを状態変数とする線形制約条件(数式6、8、9、10)を導出したように、それぞれの流量モデルから、各バルブの状態量(流量、流量偏差、圧力、温度)についての線形、または二次線形の制約条件を導出することができる。
Each flow model is shown above. Flow model of the
次に、各流量モデルを用いた状態方程式を以下に示す。インタークーラ52の出口圧Picとコンプレッサ62の流量Mcmp、スロットルバルブ18の流量Mt(入力変数)との関係を下記数式27に示す。ここで、インタークーラ52の出口圧Picを制御対象として考慮する場合は、出口圧Picを状態変数とする。一方、制御対象として考慮しない場合は、入力変数と状態変数に従属されない変数として取り扱う。
Next, the equation of state using each flow model is shown below. Flow rate M cmp outlet pressure P ics and
ここで、κは気体の比熱比、Rは気体定数、Ticはインタークーラ52の温度、Vicはインタークーラ52における気体の体積、Qicはインタークーラ52における熱伝達量、Cpは定圧比熱を表している。
Here, κ is the specific heat ratio of the gas, R is the gas constant, T ic is the temperature of the
また、吸気部圧力Pa(状態変数)とスロットルバルブ18の流量Mt(入力変数)、EGRバルブ14の流量Megr(入力変数)、吸気バルブ流量Min(入力変数)との関係を下記数式28に示す。
Further, the relationship between the intake portion pressure P a (state variable), the flow rate M t (input variable) of the
ここで、Twは内燃機関5の冷却水温度、Taは吸気部の気体温度、Vaは吸気部における気体の体積、Qaは吸気部における熱伝達量を表している。
Here, T w is the volume of gas in the cooling water temperature, T a is the gas temperature in the intake section, V a is the intake portion of an
また、排出部圧力Peとウェイストゲートバルブの流量Mwg(入力変数)、排出ガス流量Mout、EGRバルブ流量Megr(入力変数)、タービン流量Mtrb(タービンノズルが付いていれば入力変数となる)との関係を下記数式29に示す。なお、排出部圧力Peを制御対象として考慮する場合には排出部圧力Peを状態変数とする。一方、考慮しない場合には、入力変数と状態変数に従属されない変数として取り扱う。 Further, the exhaust pressure P e and the waste gate valve flow rate M wg (input variable), exhaust gas flow rate M out , EGR valve flow rate M egr (input variable), turbine flow rate M trb (input variable if a turbine nozzle is attached) The following formula 29 shows the relationship. In addition, when considering discharge part pressure Pe as control object, let discharge part pressure Pe be a state variable. On the other hand, when not considered, it is treated as a variable that is not subordinate to the input variable and the state variable.
ここで、Toutは大気に放出される排出ガスの温度、Teは排出部(排出ガス集合部17)の気体温度、Veは排出部における気体の体積、Qeは排出部における熱伝達量を表している。 Here, T out is the temperature of exhaust gas emitted to the atmosphere, T e is the volume of gas in the gas temperature, V e is discharged portion of the discharge portion (exhaust gas collecting portion 17), Q e is the heat transfer at the discharge portion Represents quantity.
また、エンジン回転数Ω(状態変数)と排出部における仕事量Weおよび負荷トルクτdとの関係を下記数式30に示す。
The relation between workload W e and the load torque tau d at the discharge portion engine speed Omega (state variables) the following
また、数式30の第2式の代わりに下記数式31を適用しても良い。
Further, instead of the second expression of
ここで、aΩ、aw1、aw2、aw2は定数、Ncylは内燃機関5におけるシリンダの数を示している。また、VBDCは下死点(Bottom Dead Center)時のシリンダ容積、VTDCは上死点(Top Dead Center)時のシリンダ容積、MIVCは吸気バルブが閉じた(Intake Valve Close)時のシリンダ内容積、gwは点火時間の関数、usは点火時期、FCは筒内燃料量、Hfは低位発熱量、αは空燃比、dは吸気バルブが閉じた時からトルク生成までの無駄時間ステップ数を示し、さらにMEVOは排気バルブが開いた(Exhaust Valve Open)時のシリンダ内質量、Mfは燃料の流量を示している。
Here, a Ω, a w1, a w2, a w2 are constants, N cyl represents the number of cylinders in the
また、タービン回転数Ωtc(状態変数)とタービン流量Mtrb(タービンノズルが付いていれば入力変数となる)およびコンプレッサ流量Mcmpとの関係を下記数式32に示す。 Further, the relationship between the turbine rotational speed Ω tc (state variable), the turbine flow rate M trb (which becomes an input variable if a turbine nozzle is attached), and the compressor flow rate M cmp is shown in Equation 32 below.
ここで、Jtcはタービン60、コンプレッサ62の慣性モーメントを示し、Ltcはタービン60、コンプレッサ62の負荷を表している。
Here, J tc represents the moment of inertia of the
以上、各バルブについての流量モデルと状態方程式について説明した。数式27から数式32に示されるように、状態方程式についても制約条件と同様に線形または二次線形式にて表すことができることが理解される。またEGRバルブ制御と同様に、現在値が取得できればNステップ後の状態変数が漸化式的に算出できることが理解される。実際にバルブ制御を行う際には、対象となるバルブ周辺の状態量の変化をバルブ制御装置またはその演算部が検知したときに、制御対象のバルブの流量モデルおよび状態方程式から制約条件を求め、制約条件および状態方程式に現在値を代入することにより実行可能解を得る。さらに記憶部26に予め記憶された状態量についての目標値を数式14の評価関数に代入し、当該評価関数に基づいて、実行可能解の中から最適解を導出する。これにより、制約条件を逸脱しない範囲内でバルブの開度を目標値に収束させる制御を行うことができる。
The flow model and the state equation for each valve have been described above. As shown in Expressions 27 to 32, it is understood that the state equation can also be expressed in a linear or quadratic line format as well as the constraint condition. Further, similarly to EGR valve control, it is understood that if the current value can be acquired, the state variable after N steps can be calculated recursively. When actually performing valve control, when the valve control device or its calculation unit detects a change in the state quantity around the target valve, the constraint condition is obtained from the flow model and state equation of the valve to be controlled, A feasible solution is obtained by substituting current values into constraints and state equations. Furthermore, the target value for the state quantity stored in advance in the
以上説明した実施形態は、いずれも現在時からNステップ後における目標値(スロットル開度等)が入力された際に、実行可能解の中から最適階を導出した。なお、最適階を導出するアルゴリズムは、オフラインアルゴリズム、すなわち、現在値、目標値、その他の外部変数を入力とし、最適フィードバックゲインを出力して持つマップ(またはテーブル)を予め制約条件を考慮して計算しておくアルゴリズムと、オフラインアルゴリズム、すなわち、線形計画問題(もしくは二次計画問題)としてステップごとに直接制約付き制御問題を解くアルゴリズムのどちらでも良い。 In all the embodiments described above, the optimum floor is derived from the feasible solutions when a target value (throttle opening degree, etc.) after N steps from the present time is input. Note that the algorithm for deriving the optimum floor is an offline algorithm, that is, a map (or table) having the current feedback value, target value, and other external variables as inputs, and outputting the optimum feedback gain, in consideration of the constraints in advance. Either an algorithm to be calculated or an offline algorithm, that is, an algorithm that solves a constrained control problem for each step as a linear programming problem (or a quadratic programming problem) may be used.
5 内燃機関、10 EGRバルブ制御装置、12 エンジンコントロールユニット、14 EGRバルブ、15 サージタンク、16 サージタンク圧力センサ、17 排出ガス集合部、18 スロットルバルブ、20 排出ガス集合部圧力センサ、22 受信部、24 演算部、26 記憶部、28 出力部、30 制御対象、32 観測量、34 他の観測量、36 目標値、38 入力制約、40 状態制約、42 入力値、44 入力データ取得手段、46 実行可能解判定手段、48 最適解判定手段、50 開度送信手段、52 インタークーラ、54 インタークーラ圧力センサ、56 吸気バルブ、58 排出バルブ、60 タービン、62 コンプレッサ、64 ウェイストゲートバルブ。 5 internal combustion engine, 10 EGR valve control device, 12 engine control unit, 14 EGR valve, 15 surge tank, 16 surge tank pressure sensor, 17 exhaust gas collecting part, 18 throttle valve, 20 exhaust gas collecting part pressure sensor, 22 receiving part , 24 arithmetic unit, 26 storage unit, 28 output unit, 30 control target, 32 observation amount, 34 other observation amount, 36 target value, 38 input constraint, 40 state constraint, 42 input value, 44 input data acquisition means, 46 Executable solution determination means, 48 optimum solution determination means, 50 opening transmission means, 52 intercooler, 54 intercooler pressure sensor, 56 intake valve, 58 discharge valve, 60 turbine, 62 compressor, 64 waste gate valve.
Claims (8)
EGR率の目標値が記憶されるとともに、前記EGR率の上限値が制約条件として記憶された記憶部と、
前記吸気部の吸気量を調整するスロットルバルブに対する開度指令を受信した際に、前記EGR率を前記目標値に収束させるために、前記制約条件に逸脱しない範囲内で前記EGRバルブの開度を算出する演算部と、
を備え、前記EGRバルブの開度を前記算出された開度に制御することを特徴とする、EGRバルブ制御装置。 An EGR valve control device that controls the opening of an EGR valve that adjusts the flow rate of the exhaust gas to be recirculated when a part of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine to the exhaust portion is recirculated to the intake portion.
A storage unit in which a target value of the EGR rate is stored and an upper limit value of the EGR rate is stored as a constraint;
In order to converge the EGR rate to the target value when receiving an opening degree command for the throttle valve that adjusts the intake air amount of the intake portion, the opening degree of the EGR valve is set within a range not deviating from the constraint condition. A computing unit to calculate,
And an EGR valve control device that controls the opening degree of the EGR valve to the calculated opening degree.
前記演算部は、前記スロットルバルブの開度指令を受信したときから前記スロットルバルブが前記開度指令の開度に開く作動時刻の間の各時刻における前記EGRバルブの開度を算出することを特徴とする、EGRバルブ制御装置。 The EGR valve control device according to claim 1,
The calculation unit calculates the opening degree of the EGR valve at each time between the time when the throttle valve opening command is received and the operation time when the throttle valve opens to the opening command opening degree. An EGR valve control device.
前記記憶部には、前記制約条件として、前記EGR率の上限値に加えて、前記EGRバルブの動作制限が記憶され、
前記演算部は、前記制約条件を満足する前記EGRバルブの開度を算出できない場合には、前記作動時刻の前記スロットルバルブの開度を前記スロットル開度指令よりも低い開度に設定する指令を、前記スロットルバルブの開度を制御するスロットルバルブ制御装置に送ることを特徴とする、EGRバルブ制御装置。 The EGR valve control device according to claim 1 or 2,
In the storage unit, in addition to the upper limit value of the EGR rate, an operation limit of the EGR valve is stored as the constraint condition,
When the calculation unit cannot calculate the opening degree of the EGR valve that satisfies the constraint condition, the arithmetic unit issues a command to set the opening degree of the throttle valve at the operation time to an opening degree lower than the throttle opening degree command. The EGR valve control device is characterized by being sent to a throttle valve control device for controlling the opening of the throttle valve.
前記制約条件は、前記EGRバルブの時間に対する流量の変化量を入力変数とする関数として構成されていることを特徴とする、EGRバルブ制御装置。 The EGR valve control device according to claim 3,
The EGR valve control device, wherein the constraint condition is configured as a function having an amount of change in flow rate with respect to time of the EGR valve as an input variable.
前記演算部は、前記スロットルバルブに対する開度指令と、前記吸気部および排出部の圧力と、前記EGRバルブの流量と、前記関数とに基づいて前記EGRバルブの開度を算出する、ことを特徴とする、EGRバルブ制御装置。 5. The EGR valve control device according to claim 4, wherein the function of the constraint condition is that the pressure of the intake portion and the flow rate of the EGR valve are state variables, and an opening degree command for the throttle valve and the discharge portion Configured as a function including pressure as a constant or a variable independent of the state variable and the input variable,
The calculation unit calculates the opening degree of the EGR valve based on an opening degree command for the throttle valve, pressures of the intake and exhaust parts, a flow rate of the EGR valve, and the function. An EGR valve control device.
前記EGRバルブ制御装置の記憶部には、EGR率の目標値が記憶されるとともに、前記EGR率の上限値が制約条件として記憶され、
前記EGRバルブ制御装置の演算部が、前記吸気部の吸気量を調整するスロットルバルブに対する開度指令を受信した際に、前記演算部に、前記EGR率を前記目標値に収束させるために、前記制約条件に逸脱しない範囲内で前記EGRバルブの開度を算出させ、
前記EGRバルブ制御装置に対して、前記EGRバルブの開度を前記算出された開度に制御させることを特徴とする、プログラム。 For an EGR valve control device that controls the opening of an EGR valve that adjusts the flow rate of the exhaust gas to be recirculated when a part of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine to the exhaust portion is recirculated to the intake portion. A program for executing the opening degree control,
In the storage unit of the EGR valve control device, a target value of the EGR rate is stored, and an upper limit value of the EGR rate is stored as a constraint condition,
When the calculation unit of the EGR valve control device receives an opening degree command for the throttle valve that adjusts the intake air amount of the intake unit, the calculation unit causes the calculation unit to converge the EGR rate to the target value. The opening of the EGR valve is calculated within a range that does not deviate from the constraints,
A program for causing the EGR valve control device to control the opening of the EGR valve to the calculated opening.
前記第1のバルブにおける状態量の目標値が記憶されるとともに、前記第1のバルブの状態量の制約条件が記憶された記憶部と、
前記気体通路に設けられ、前記第1のバルブとは異なる第2のバルブの状態量の変化を検知するとともに、前記第1のバルブの状態量を前記目標値に収束させるために、前記制約条件に逸脱しない範囲内で前記第1のバルブの開度を算出する演算部と、を備え、前記バルブの開度を前記算出された開度に制御することを特徴とする、バルブ制御装置。 A valve control device for controlling an opening degree of one or a plurality of first valves among a plurality of valves provided in a gas passage communicating with an internal combustion engine,
A storage unit in which a target value of a state quantity in the first valve is stored and a constraint condition of the state quantity of the first valve is stored;
In order to detect a change in the state quantity of a second valve that is provided in the gas passage and is different from the first valve, and to converge the state quantity of the first valve to the target value, the constraint condition And a calculation unit that calculates the opening degree of the first valve within a range that does not deviate from the above, and controls the opening degree of the valve to the calculated opening degree.
前記バルブ制御装置の記憶部には、前記第1のバルブにおける状態量の目標値が記憶されるとともに、前記第1のバルブの状態量の制約条件が記憶され、
前記気体通路に設けられ、前記第1のバルブとは異なる第2のバルブの状態量の変化を前記バルブ制御装置の演算部が検知した際に、前記演算部に、前記第1のバルブの状態量を前記目標値に収束させるために、前記制約条件に逸脱しない範囲内で、前記第1のバルブの開度を算出させ、
前記バルブ制御装置に対して、前記第1のバルブの開度を前記算出された開度に制御させることを特徴とする、プログラム。 A program for controlling the opening degree of one or a plurality of first valves among a plurality of valves provided in a gas passage communicating with an internal combustion engine, for causing the valve control device to execute the opening degree control. And
The storage unit of the valve control device stores a target value of the state quantity in the first valve, and stores a constraint condition of the state quantity of the first valve,
When the calculation unit of the valve control device detects a change in the state quantity of a second valve that is provided in the gas passage and is different from the first valve, the calculation unit has a state of the first valve. In order to converge the amount to the target value, the opening degree of the first valve is calculated within a range not departing from the constraint condition,
A program for causing the valve control device to control the opening degree of the first valve to the calculated opening degree.
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