JP2009510327A - ディーゼルエンジン向け状態オブザーバにおけるセンサの使用 - Google Patents

Abstract

１つまたは複数のセンサからのフィードバックを使用してエンジンを制御するためのシステムおよび方法が開示される。ディーゼルエンジンを制御するための例示の制御システムは、エンジンの排気マニホールドから排出された排気ガスの少なくとも１つの成分を直接検出するように構成された１つまたは複数のポスト燃焼センサ、および、ポスト燃焼センサから受け取られたフィードバック信号を基に、また、それに続いてアクチュエータ設定値を送るコントローラの推定された状態を使用することから、ディーゼルエンジンの内部状態を推定するための状態オブザーバを含んでよい。ポスト燃焼センサは、排気流中の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）および／または粒子状物質（ＰＭ）などのエミッションを直接測定するように構成され得て、状態オブザーバにそのような情報を与え、その結果として、状態オブザーバは、これらの測定を基に内部の動的状態を更新する。場合によっては、トルク負荷センサ、シリンダ内圧センサ、および／または燃料組成センサなどの他のセンサが、状態空間モデルの内部状態を必要に応じて更新するためにさらに使用され得る。状態フィードバックコントローラは、状態オブザーバからの推定された状態を用いて、システムの真の状態をより正確に表す値から、様々なアクチュエータ設定値を計算し調整することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にエンジン向けのエミッション検出に関する。より詳細には、本発明は、ディーゼルエンジンのフィードバック制御におけるセンサの使用に関する。

エンジンセンサは、多くの従来型エンジンで、排気流中の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）および／または粒子状物質（ＰＭ）などのエミッションの存在を間接的に検出するために使用される。例えば、ディーゼルエンジンでは、そのようなセンサは、エンジンの燃焼に先立ってエンジン吸気マニホールドに、また後処理デバイスに、噴射される空気の吸気温度（ＭＡＴ）、吸気圧力（ＭＡＰ）および吸気流（ＭＡＦ）を測定するために時々使用される。次いで、エンジンの性能特性を調整するために、検出されたパラメータは、他のエンジン特性と共に分析される。

いくつかの設計では、車両は、エンジン出力とエミッションの間の所望のバランスを実現するために、エンジン、後処理デバイス、ならびに他の駆動系要素を制御するためにアクチュエータへ指令を送ることができる電子制御装置（ＥＣＵ）を装備することがある。エンジンによって出力されるエミッションの推定を得るために、生成されてエンジンから排出されるＮＯ_ＸおよびＰＭの量を推定するために、エンジン燃焼をモデル化するエンジンマップが較正中に構成され得る。駆動サイクル中の特定の時間に応じて、ＥＣＵは、エンジン性能およびエミッション定数の両方を補償するために、エンジンを制御するように、所望のやり方で様々なアクチュエータを調整することができる。一般に、エンジン性能とエンジンから排出され得る許容ＮＯ_Ｘ量および／または許容ＰＭ量の間に妥協点が存在する。例えば巡航速度中など駆動サイクルの特定の時間では、エンジン性能を著しく犠牲にすることなく、排出されるＮＯ_Ｘおよび／またはＰＭの量を低減するためにエンジンを制御することが可能であり得る。反対に、急加速中など駆動サイクルの別の時間では、エンジン出力を向上させるためにエミッション性能を犠牲にすることが必要なことがある。他の時には、後処理デバイスが積極的に再生される可能性があり、アクチュエータへの信号を部分的に変化させなければ達成できない別の条件を必要とする。

エンジンモデルおよび／または後処理デバイスの効率は、モデルの仮定が実際の車両の運転条件に適合する精度に依存することが多い。エンジンの磨耗、燃料組成、および周囲空気の組成などの条件は、例えば周囲条件の変化の結果として急速に変化することがあり、または車両の存続期間にわたってゆっくり変化することもあるが、いずれの場合もエンジンモデルが実際の車両の運転条件を正確に予測する能力に影響を及ぼす。燃料タイプの変化などの他の要因も、実際の運転条件を推定するために使用されるモデルの仮定に影響を及ぼすことがある。結果として、エンジンモデルが時代遅れで効果のないものになる恐れがある。

本発明は、ディーゼルエンジンおよびガソリンエンジンを含むエンジンのフィードバック制御におけるセンサの使用に関する。本発明の例示の実施形態によってディーゼルエンジンを制御するための例示の制御システムは、エンジンの排気マニホールドから排出された排気ガスの少なくとも１つの成分を直接検出するように構成された１つまたは複数のポスト燃焼センサ、およびポスト燃焼センサから受け取られたフィードバック信号を基に動的モデルの状態を推定するための状態オブザーバを含んでよい。ポスト燃焼センサは、排気流中の成分を測定するように構成された任意数のセンサを含むことができる。ある実施形態では、例えば、ポスト燃焼センサは、排気流中の窒素酸化物を測定するためのＮＯ_Ｘセンサおよび／あるいは排気流中の粒子状物質またはすすを測定するためのＰＭセンサを含んでよい。いくつかの実施形態では、状態オブザーバによってモデルの動的状態を推定するために使用され得るエンジンに関連した他のパラメータを直接検出するように、トルク負荷センサ、シリンダ内圧センサ、および／または流体組成センサなど他のセンサも与えられてよい。次いで、エンジン性能およびエミッション排出を制御するための制御方式において、この状態が使用され得る。いくつかの実施形態では、後処理などエンジンの他の態様を制御するために、この制御方式が使用され得る。

状態オブザーバのアルゴリズムは、コントローラ（例えば電子制御装置）に内蔵されたソフトウェアで実現され得る。このアルゴリズムは、エンジンの空気側と燃料側の両方を含むエンジンシステムの状態空間モデル表現を含んでよい。いくつかの実施形態では、例えば、状態空間モデルは、センサおよびアクチュエータの位置を表す様々な信号を受け取るエンジンモデルを含んでよい。場合によっては、回転慣性のモデルを拡大するために、エンジン速度と共にトルクセンサが使用されてよい。様々なポスト燃焼センサによってもたらされた信号ならびに他のセンサ（例えばトルク負荷センサ、シリンダ内圧センサ、燃料組成センサなど）からの信号を使用して、状態オブザーバは、状態空間モデルの内部状態を監視し、かつ必要に応じて調整するように構成でき、モデルが、エンジンの磨耗、燃料組成、周囲の空気の質など、車両の使用期間にわたってエンジン性能および／またはエミッションに影響を及ぼし得る条件を補償することが可能になる。

本発明の例示の実施形態によってディーゼルエンジンシステムを制御する例示の方法は、１つまたは複数のポスト燃焼センサを使用して、エンジンの排気流中の少なくとも１つの成分を直接測定するステップと、１つまたは複数のポスト燃焼センサおよび／または１つまたは複数の他のセンサから受け取られた信号に部分的に基づいて状態空間モデルの内部状態を求めるように使用されるディーゼルエンジンシステムの状態空間モデルを含む状態オブザーバを設けるステップと、モデルの真の状態が推定された状態と異なる場合には推定された状態を更新するステップと、状態空間モデルからの更新された値を使用して１つまたは複数のエンジンパラメータおよび／または後処理パラメータを計算し予測するステップと、計算され予測されたエンジンパラメータおよび／または後処理パラメータを基に１つまたは複数のアクチュエータ入力信号を調整するために、推定された状態を制御アルゴリズムで使用するステップとを含んでよい。

以下の説明は、図面を参照しながら読まれるべきであり、異なる図面の類似の要素には同様に番号が付けられる。図面は必ずしも原寸に比例せず、選択された実施形態を図示するが、本発明の範囲を限定するようには意図されない。動作ステップおよびパラメータの例が様々な図で示されるが、当業者なら、提供された多くの例が、利用され得る適切な代案を有することを理解するであろう。

図１は、本発明の例示の一実施形態による例示のディーゼルエンジンシステムの概略図である。この例示のディーゼルエンジンシステムは全体的に１０で示され、吸気マニホールド２２および排気マニホールド２４を有するディーゼルエンジン２０を含む。例示の実施形態では、燃料噴射器２６は、エンジン２０へ燃料を供給する。燃料噴射器２６は、単一の燃料噴射器を含んでよいが、より一般的には、独立して制御可能な複数の燃料噴射器を含んでよい。燃料噴射器２６は、燃料プロファイル設定値２８ならびにエンジン２０の燃料側および／または空気側の制御に関する１つまたは複数の他の信号３０を基に、エンジン２０へ所望の燃料プロファイルを与えるように構成され得る。本明細書で使用される燃料「プロファイル」という用語は、例えば、燃料供給率、燃料供給率の変化、燃料タイミング、燃料噴射前の事象、燃料噴射後の事象、燃料パルス、および／または他の任意の燃料供給特性を含む燃料パラメータまたは特性を必要に応じて任意数だけ含んでよい。これらおよび他の燃料パラメータを制御するために、必要に応じて１つまたは複数の燃料側アクチュエータが使用されてよい。

図１にさらに見られるように、エンジン２０からの排気ガスは、排気マニホールド２４に供給され排気管３２を通って送られる。この例示の実施形態では、排気マニホールド２４の下流にターボチャージャ３４がさらに設けられる。例示のターボチャージャ３４は、タービン３６を含んでよく、これは排気ガス流によって駆動される。例示の実施形態では、回転するタービン３６が機械的継手４０を介して圧縮機３８を駆動する。圧縮機４０は、通路４２を通して周囲空気を受け取ってこれを圧縮し、次いで、図示のように、吸気マニホールド２２へ圧縮空気を供給する。

ターボチャージャ３４は、可変ノズルタービン（ＶＮＴ）のターボチャージャでよい。しかし、例えば、ウエイストゲートまたは可変容量吸気ノズルターボチャージャ（ＶＧＴ）のベーンセットを操作するためのアクチュエータを有するウエイストゲートターボチャージャ、またはＶＧＴを含む任意の適当なターボチャージャが使用されてもよい。例示のＶＮＴターボチャージャは、排気ガスが排気タービン３６にぶつかるときに、入ってくるガスの迎え角を変化させるために、排気スクロールの内部の可動ベーンを使用する。例示の実施形態では、ベーンの迎え角はＶＮＴ ＳＥＴ信号４４により制御でき、したがって圧縮機３８によって供給された過給圧（ＭＡＰ）の総計も同信号により制御できる。場合によっては、目下のベーン位置を示すためにＶＮＴ ＰＯＳ信号４６が供給され得る。ＴＵＲＢＯ ＳＰＥＥＤ信号４８も目下のタービン速度を示すために供給されてよく、これは、場合によってはターボチャージャ３４の損傷を防ぐのに役立つようにタービン速度を制限するために利用できる。

ターボラグを低減するために、タービン３６は電動機アシストを含んでよい。すべての実施形態で必要とされるわけではないが、電動機アシストはタービン３６の速度を増加させるのに有用であり、したがって圧縮機３８によって吸気マニホールド２２に供給された過給圧を増加させるのに有用である。エンジン２０が低回転のとき、また、高加速条件下などで高い過給圧が望まれるとき、これは特に有効であり得る。これらの条件下では、吸気マニホールド２２で所望の過給圧（ＭＡＰ）を生成するためにターボチャージャ３４を駆動するのに排気ガス流が不十分なことがある。いくつかの実施形態では、供給される電動機アシストの量を制御するためにＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ信号５０が供給されてよい。

圧縮機３８は、可変容量圧縮機または非可変容量圧縮機のいずれかを含んでよい。例えば、圧縮機３８によって供給される圧縮空気は、タービン３６が圧縮機３８を回転させる速度の関数でしかない場合がある。他の例では、圧縮機３８は可変容量圧縮機（ＶＧＣ）でよく、ＶＧＣ ＳＥＴ信号５２は、必要に応じて吸気マニホールド２２へ制御された量の圧縮空気を供給するために、圧縮機３８の排気口のベーン位置を設定するために使用され得る。

圧縮空気が吸気マニホールド２２に供給される前に、圧縮空気を冷却するのを支援するために、給気冷却器５４が設けられてよい。いくつかの実施形態では、最終的に吸気マニホールド２２に供給される圧縮空気の温度制御を支援するために、給気冷却器５４に１つまたは複数の圧縮空気のＣＨＡＲＧＥ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号５６が供給されてよい。

ある実施形態では、ＮＯ_Ｘなどいくつかのディーゼルエンジンのエミッションを低減するために、図示のように、排気マニホールド２４と吸気マニホールド２２の間に排気ガス再循環（ＥＧＲ）バルブ５８が挿入されてよい。例示の実施形態では、ＥＧＲバルブ５８はＥＧＲ ＳＥＴ信号６０を受け取り、この信号は、ＥＧＲバルブ５８の位置の設定値を直接変化させることによって排気ガス再循環（ＥＧＲ）の所望量を設定するために使用され得る。ＥＧＲバルブ５８の現在位置を示すＥＧＲ ＰＯＳ信号６２も、所望であれば供給されてよい。

場合によっては、排気ガスが吸気マニホールド２２に供給される前に冷却するのを支援するために、ＥＧＲバルブ５８の上流または下流にＥＧＲクーラ６４が設けられてよい。いくつかの実施形態では、再循環された排気のいくらかまたはすべてがクーラ６４をバイパスできるようにすることにより、再循環された排気ガスの温度制御を支援するために、ＥＧＲクーラ６４に１つまたは複数のＥＧＲ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号６６が供給されてよい。

エンジンシステム１０は、燃焼に先立ってエンジン２０の動作を監視するために使用され得る複数のプレ燃焼センサを含んでよい。図１の例示の実施形態では、例えば、吸気流（ＭＡＦ）センサ６８は、吸気マニホールド２２への吸気流（ＭＡＦ）の測定を与えることができる。そしてまた、吸気圧力（ＭＡＰ）センサ７０は、吸気マニホールドでの吸気圧力（ＭＡＰ）の測定を与えることができる。吸気温度（ＭＡＴ）センサ７２は、吸気マニホールドへの吸気温度（ＭＡＴ）の測定を与えることができる。所望であれば、ディーゼルエンジンシステム１０の他のプレ燃焼パラメータまたは特性を測定するために１つまたは複数の他のセンサが設けられてよい。

エンジンシステム１０は、燃焼後のエンジン２０の動作を監視するために使用され得る複数のポスト燃焼センサをさらに含んでよい。いくつかの実施形態では、動作サイクル中にエンジンシリンダ７６の内圧を検出するために、例えば複数のシリンダ内圧（ＩＣＰ）センサ７４が使用され得る。排気マニホールド２４に機能的に結合されたＮＯ_Ｘセンサ７８は、エンジン２０から放出された排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度の測定を与えることができる。同様にして、排気マニホールド２４に機能的に結合された粒子状物質（ＰＭ）センサ８０は、排気ガス中の粒子状物質またはすす濃度の測定を与えることができる。エンジン２０の下流の排気ガスの他のパラメータおよび／または特性を所望であれば検出するために、１つまたは複数の他のポスト燃焼センサ８２が使用され得る。他のタイプのエミッションセンサは、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）センサ、二酸化炭素（ＣＯ_２）センサおよび炭化水素（ＨＣ）センサを含んでよい。ある実施形態では、エンジン２０のトルク負荷を測定するためにトルク負荷センサ８４が設けられてよく、動作サイクル中にエンジン性能およびエミッションの定数を調整するために、ポスト燃焼センサ７８、８０、８２と共に、またはその代わりに使用され得る。

いくつかの実施形態では、エンジン２０に送られる燃料の１つまたは複数の成分を測定するために、複数の燃料組成センサ８６が設けられてよい。燃料組成センサ８６は、例えば、バイオディーゼル／ディーゼル燃料混合物中のバイオディーゼル組成を検出するためのフレキシブル燃料組成センサを含んでよい。燃料中の水または灯油の存在など他の成分の検出および測定に使用される他のセンサも所望であれば使用されてよい。動作中に、燃料組成センサ８６は、エンジン性能および／または排出されたエミッションを変えるために噴射時期および／または他の噴射パラメータを調整するように使用され得る。

次に図２を参照して、図１の例示のディーゼルエンジン２０を制御するための状態フィードバックコントローラ向けに推定された状態を与えるために状態オブザーバを使用する例示の電子制御装置（ＥＣＵ）８８を示す概略図が次に説明される。図２に制御の観点から示されるように、ＥＣＵ８８は、ディーゼルエンジンシステム１０のモデル表現を含む状態オブザーバ９０を含んでよい。ＥＣＵ８８は、例えば、アクチュエータ変数、内部状態変数、および測定された出力変数での制約を条件としてエンジン２０へ制御信号を与えることができるモデル予測コントローラ（ＭＰＣ）または他の適当なコントローラを備えてよい。

状態オブザーバ９０は、時間「ｋ」でエンジン２０から得られた様々なセンサ測定を表す複数のセンサ信号ｙ（ｋ）を受け取るように構成され得る。図１を参照しながら前述されたように、例示のセンサ信号ｙ（ｋ）は、例えば、ＭＡＦ信号６８、ＭＡＰ信号７０、ＭＡＴ信号７２、ＴＵＲＢＯ ＳＰＥＥＤ信号４８、ＴＯＲＱＵＥ ＬＯＡＤ信号８４、および／またはＦＵＥＬ ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮ信号８６を含んでよい。センサモデルの入力ｙ（ｋ）は、ＩＣＰ信号７４、ＮＯ_Ｘ信号７８および／またはＰＭ信号８０を含む１つまたは複数のポスト燃焼センサ信号であってもよい。

図２にさらに示されるように、状態オブザーバ９０は、各離散時間「ｋ」でエンジン２０への様々なアクチュエータ入力を表す複数のアクチュエータ信号ｕ（ｋ）を受け取るようにも構成され得る。アクチュエータ信号ｕ（ｋ）は、ＶＮＴ ＰＯＳ信号４６、ＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ信号５０、ＣＯＭＰ． ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号５６、ＥＧＲ ＰＯＳ．信号６２およびＥＧＲ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号６６など、様々なアクチュエータの動きおよび位置の信号であってよい。

様々なセンサモデルの入力ｙ（ｋ）およびアクチュエータモデルの入力ｕ（ｋ）は、常に、断続的に、または周期的に、あるいは他の任意の時間に、必要に応じて応答指令信号を送られてよい。また、これらのモデルの入力、ｙ（ｋ）、ｕ（ｋ）は単に例示であり、用途次第で、より多いかまたはより少ない入力信号が与えられてよい。場合によっては、状態オブザーバ９０は、用途次第で、複数のセンサおよびアクチュエータの各々向けに１つまたは複数の過去の値ｙ（ｋ−Ｎ）、ｕ（ｋ−Ｎ）を受け取るようにも構成され得る。

状態オブザーバ９０は推定された状態

を計算するように構成され得て、次いで、これは、アクチュエータの入力ｕ（ｋ）をモデルの内部状態ｘ（ｋ）の関数として計算するＥＣＵ８８の個別の状態フィードバックコントローラ９２に与えられ得る。状態フィードバックコントローラ９２を使用して内部状態ｘ（ｋ）をフィードバックすることにより有効になり得るフィードバック制御方式の例は、Ｈ無限大、Ｈ２、ＬＱＧおよびＭＰＣを含んでよいがこれらには限定されない。いくつかの実施形態では、状態フィードバックコントローラ９２は、一般化された式ｕ（ｋ）＝Ｆ（ｘ）を基に新規のアクチュエータ入力ｕ（ｋ）を計算するように構成され得る。この関数の非常に一般的な実現は、次のアフィン形式である。
（１） ｕ（ｋ）＝Ｆ・ｘ（ｋ）＋ｇ
上式で、
ｕ（ｋ）はモデルへの入力変数を表し、
ｘ（ｋ）はモデルの内部状態を表し、
Ｆは状態フィードバックコントローラマトリクスであり、
ｇは定数である。

上記の基本的な状態フィードバックコントローラに対する拡張は、次のスイッチング式の状態フィードバックコントローラである。
（２） ｕ（ｋ）＝Ｆ_ｉ・ｘ（ｋ）＋ｇ_ｉ
上式で、
ｕ（ｋ）はモデルへの入力変数を表し、
ｘ（ｋ）はモデルの内部状態を表し、
Ｆ_ｉはｉ番目の状態フィードバックコントローラマトリクスであり、
ｇ_ｉはｉ番目の定数であり、
ｉは、時間ｋで、ｍの別個の状態フィードバックコントローラのどれが実行されるかを示すインデックスである。

式（２）で上に示された形式のスイッチングフィードバックコントローラは、例えば、「エンジン向けの多変数制御（Multivariable Control For An Engine）」という名称の米国特許出願第１１／０２４，５３１号、「エンジン制御で使用するペダル位置および／またはペダル変化速度（Pedal Position And/Or Pedal Change Rate For Use In Control Of An Engine）」という名称の米国特許出願第１１／０２５，２２１号、「エンジンの空気側制御において燃料供給速度の測定を用いるための方法およびシステム（Method And System For Using A Measure Of Fueling Rate In The Air Side Control Of An Engine）」という名称の米国特許出願第１１／０２５，５６３号、および「エンジン中の燃料および空気の統合的多変数制御（Coordinated Multivariable Control Of Fuel And Air In Engines）」という名称の米国特許出願第１１／０９４，３５０号で論じられたように、マルチパラメータ制御技術において制約つき最適モデル予測制御のリアルタイム実行向けに使用することができ、これらのすべてが参照によって本明細書に組み込まれる。ハイブリッドのマルチパラメータアルゴリズムは、Ｆ．ボレリによって、制御および情報科学における講義ノートの第２９０巻（スプリンガー出版、２００３年）の「線形ハイブリッドシステムの制約つき最適制御（Constrained Optimal Control of Linear and Hybrid Systems）」でさらに説明されており、これも参照によって本明細書に組み込まれる。

次いで、状態フィードバックコントローラ９２は、状態オブザーバ９０からの推定された状態

を使用して新規のアクチュエータの動きｕ（ｋ）を計算し、次いで、これがエンジン２０のアクチュエータなどに与えられる。ＥＣＵ８８によって出力されるアクチュエータの動きｕ（ｋ）は、必要に応じて、常に、断続的に、または周期的に、あるいは任意の他の時間に更新されてよい。次いで、エンジン２０は、ＥＣＵ８８からの新規のアクチュエータ入力ｕ（ｋ）を使用して動作し、これは、さらなる補正のために、必要に応じて再び検出されて状態オブザーバ９０および状態フィードバックコントローラ９２にフィードバックされ得る。

ある実施形態では、状態オブザーバ９０によって使用されるモデルは、以下の一般化された式を基に、その「状態空間」表示の観点から表現され得る。
（３）ｘ（ｋ＋１）＝ｆ（ｕ，ｘ）かつ
（４）ｙ（ｋ）＝ｈ（ｕ，ｘ）
上式で、
ｕ（ｋ）は状態空間モデルへの入力変数を表し、
ｙ（ｋ）は状態空間モデルの出力変数を表し、
ｘ（ｋ）は、状態空間モデルによって時間「ｋ」にその出力ｙ（ｋ）を生成するために必要とされる情報を含む状態ベクトルである。

いくつかの実施形態では、上記の状態空間モデル表現は、線形の時間不変（ＬＴＩ）システムでよく、その場合、上記の式（３）および（４）における状態空間モデルは、次のように一定のマトリクスによって表され得る。
（５）ｘ（ｋ＋１）＝Ａ・ｘ（ｋ）＋Ｂ・ｕ（ｋ）および
（６）ｙ（ｋ）＝Ｃ−ｘ（ｋ）＋Ｄ・ｕ（ｋ）
上式で、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは状態オブザーバ９０によって使用される一定のマトリクスである。

多くの場合、状態空間モデルの内部状態「ｘ」が未知であるため、内部状態は利用不可能なことがある。そのような場合、真の内部状態変数ｘ（ｋ）の代わりに、状態空間モデルの推定された状態ベクトル

が計算され使用されなければならない。これを達成するために、また、以下の一般化された式への参照によって理解されるように、状態オブザーバ９０は、その計算において、別個のモデル予測要素（以下のステップ（７）、（８）を参照されたい）および別個の測定補正（以下のステップ（９）を参照されたい）を利用してよい。

上式で、

は、時間「ｋ」での状態空間モデル向けの予測された状態ベクトルであり、

は、状態空間モデル向けの予測された入力変数であり、

は、時間「ｋ」での状態空間モデル向けの、時間「ｋ」でのセンサ測定によって補正された状態ベクトルであり、
Ｌはオブザーバのゲインマトリクスであり、
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、ディーゼルエンジンシステムのモデル化において状態オブザーバのモデル要素で使用される一定のマトリクスである。

上記の式（７）、（８）および（９）では、変数

は時間「ｋ」での状態モデルの予測された状態ベクトルを含み、

は時間「ｋ」でのシステムからの予測された入力変数を含む。そしてまた、変数

は、時間「ｋ」での状態空間モデル向けの、時間「ｋ」でのセンサ測定（補正式９で示されるように、センサ信号ｙ（ｋ）と予測された出力

を比較し、その誤差

にオブザーバのゲインマトリクス「Ｌ」を掛けることによって与えられる状態空間モデルにおける誤差を補償する）によって補正された状態ベクトルを示す。センサ信号ｙ（ｋ）は、例えば、前述のセンサ信号（例えばＭＡＦ ６８、ＭＡＰ ７０、ＭＡＴ ７２、ＮＯ_Ｘ ７８、ＰＭ ８０、ＴＯＲＱＵＥ ＬＯＡＤ ８４、ＦＵＥＬ ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮ ８６など）のうち１つまたは複数を多重化することにより得られるベクトルを含んでよい。センサ信号ｙ（ｋ）は、ディーゼルエンジンシステム１０のその他のパラメータまたは特性に対応するその他の測定された変数も含んでよい。

動作中に、状態オブザーバ９０は、モデルの実際の状態を近似する状態空間モデルの推定された状態

を生成するために、予測と補正を交互に行ってよい。線形システムについては、オブザーバのダイナミクスが安定し、かつ意図した用途を十分に実行するように、極配置、カルマンフィルタ、および／またはルーエンバーガ（Luenberger）オブザーバ設計手法などの技術がオブザーバのゲインマトリクスＬの値を求めるために使用されてよい。非線形システムについては他の技術が必要なことがある。補正マトリクスの値を指定し計算するのに使用される特定の技術は、一般に、センサおよびアクチュエータの考慮に入れられた入力数およびタイプ、モデル化されたエンジン要素数およびタイプ、性能要件（例えば速度および精度）ならびに他の配慮次第であろう。

使用するとき、状態オブザーバ９０の、１つまたは複数の直接検出されたエンジンパラメータからの情報を用いて状態空間モデルの内部状態

を照合調整して初期状態にする能力は、時間が経つにつれてモデル予測が悪化し、したがって不十分なエンジン性能およびエミッションの上昇を招くということのないように保証するのに役立つ。例えば、排気流中のＮＯ_ＸおよびＰＭなどのポスト燃焼パラメータを直接検出し、次いで状態空間モデルにそのような値を与えることによって、状態オブザーバ９０は、車両の使用期間にわたって燃料組成および／またはエンジン磨耗におけるあらゆる変化の影響をよりよく補償することができる。

図３は、図２のＥＣＵ８８を使用して図１の例示のディーゼルエンジンシステム１０を制御するための例示の制御システム９４の概略図である。図３に示されるように、ＥＣＵ８８は、エンジン２０の燃料側制御および空気側制御と関係する様々なアクチュエータ入力パラメータ９８（すなわち「ｕ（ｋ）」）を送るように構成され得る。矢印１００および１０２によって全般的に示されるように、１つまたは複数の空気側センサおよび燃料側センサからの情報（すなわち「ｙ（ｋ）」）は、次いで状態オブザーバ９０に送られ得て、図２を参照しながら前述されたように、エンジン２０および任意の関連するエンジン要素（例えばターボチャージャ３４、圧縮機クーラ５４など）を制御するためにＥＣＵ８８によって使用され得る。アクチュエータ入力信号９８は、例えば、図１を参照しながら前述されたエンジン２０のアクチュエータ設定値信号（例えばＶＮＴ ＳＥＴ ４４、ＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ ５０、ＶＧＣ ＳＥＴ ５２、ＣＯＭＰ．ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ ５６、ＥＧＲ ＳＥＴ ６０）を表してよい。そしてまた、検出された出力パラメータ１００、１０２は、燃料供給、排気ガス循環（ＥＧＲ）、噴射時期、ニードルリフト、クランク軸角度、シリンダ圧力、バルブの位置およびリフト、マニホールド真空、混合気、および／または吸気マニホールドでの吸気量などのパラメータまたは特性を含んでよい。

エンジン２０に関連したエミッションプロセス（参照番号１０４によって全体的に表される）は、ＮＯ_Ｘ、ＰＭまたは空気側パラメータおよび燃料側パラメータ１００、１０２に加えてエンジン２０から排出された他のエミッションを制御するために、様々なアクチュエータパラメータを計算し予測するためにＥＣＵ８８によってさらに使用され得る。例えば、排気エミッション１０４は予測するのが困難であることが周知であり、排気ガスおよび／または燃料中の１つまたは複数の成分を示す様々な測定されていない空気組成パラメータ１０６および燃料組成パラメータ１０８を含み得る。空気組成信号１０６は、例えば、ポスト燃焼センサ７８、８０、８２によって測定された、ＮＯ_Ｘ、ＰＭ、および／または排気ガス中の他の成分のレベルを示す信号を表してよい。燃料組成信号１０８は、例えば、燃料組成センサ８６によって測定されたバイオディーゼル／ディーゼル燃料混合物中のバイオディーゼルの組成レベルを検出する信号を表してよい。しかし、空気組成パラメータ１０６および燃料組成パラメータ１０８は、所望であれば他のパラメータを含んでよいことを理解されたい。

エンジン２０によって使用されたパラメータ１００、１０２ならびに空気組成パラメータ１０６および燃料組成パラメータ１０８を基に、エミッションに関連した複数のパラメータが検出され得て、次いでＥＣＵ８８内の状態オブザーバ９０へ入力として与えられ得る。エミッションプロセス１０４は、例えば、排気流中のＮＯ_Ｘのレベルを検出し、状態オブザーバ９０へのセンサ入力として与えられ得るＮＯ_Ｘセンサ信号１１０を出力することができる。同様にして、エミッションプロセス１０４は、排気流中のＰＭを検出し、これも状態オブザーバ９０へのセンサ入力として与えられ得る粒子状物質（ＰＭ）信号１１２を出力することができる。いくつかの実施形態では、エンジン２０のエミッションプロセス１０４は、所望であれば追加のセンサをさらに備え、状態オブザーバ９０へ追加センサ入力として与えられ得るエミッションに関連した他の信号１１４を必要に応じて出力することができる。場合によっては、信号１１０、１１２、１１４は、追加センサなど、エミッション１０４を測定するために利用される追加のハードウェアを表してよい。

状態オブザーバ９０が、一旦、モデルの推定された状態を反映して状態空間モデル

の内部状態の推定を求めると、次いで、状態フィードバックコントローラ９２は、エンジン２０のモデルのアクチュエータおよび／または状態向けの将来のアクチュエータの動きを計算し予測するように構成され得る。これらの計算し予測されたアクチュエータの動きおよび／または状態は、次いで、例えば燃料混合物、噴射時期、パーセントＥＧＲ、バルブ制御などの調整により、エミッションの排出量が低減されるようにエンジン２０を制御するために使用され得る。エンジン２０のエミッションプロセス１０４に部分的に基づいてモデルの内部状態を補正するために、状態オブザーバ９０によって使用され得るエミッション検出を組み込むことによって、コントロールシステム９４は、エンジン２０の存続期間にわたってエンジン性能および／または後処理デバイスにおける劣化をよりよく補償することができる。

コントロールシステム９４の例示の実装形態が、図４を参照することによって理解され得る。図４は、図１を参照しながら前述されたいくつかの例示の入力パラメータおよび出力パラメータを示す。図４に示されるように、エンジン２０は、ＥＣＵ８８および／または他のシステム構成要素からの、ターボチャージャの現在のベーン位置を示すＶＮＴ ＰＯＳ信号４６、電動機アシストの量を制御するためのＥＴＵＲＢＯ ＳＥＴ信号５０、圧縮機クーラ５４によって供給された圧縮空気の温度を制御するためのＣＯＭＰ． ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号５６、ＥＧＲバルブ５８の現在位置を示すＥＧＲ ＰＯＳ信号６２、および再循環された排気ガスの温度を制御するためのＥＧＲ ＣＯＯＬＥＲ ＳＥＴ信号６６を含む複数のアクチュエータ入力パラメータ９８を受け取るように構成され得る。しかし、これらの信号に加えて、またはその代わりに、特定の用途次第で、他のアクチュエータ入力パラメータ９８がエンジン２０に与えられてよい。

ＥＣＵ８８から受け取られた入力パラメータ４６、５０、５６、６２、６６を基に、マニホールド空気流（ＭＡＦ）信号１１６、マニホールド空気圧（ＭＡＰ）信号１１８を含む１つまたは複数の空気側信号１００、および燃料プロファイル設定信号１２０など１つまたは複数の燃料側パラメータ１０２が、エンジン２０から検出され得る。次いで、ポスト燃焼センサ１１０、１１２、１１４からの情報に加えてプレ燃焼センサ１１６、１１８、１２０からの情報が状態オブザーバ９０に供給され得て、これらは、前述のように、エンジン２０から放出されるＮＯ_Ｘ、ＰＭまたは他のエミッションを制御するために、様々なアクチュエータパラメータを計算し予測するためにＥＣＵ８８によって利用され得る。

図５は、図１の例示のディーゼルエンジンシステム１０を制御するための別の例示のコントロールシステム１２２の概略図である。図５の制御システム１２２は、図４を参照しながら前述されたものと類似であり、図では同じ要素は同様に標識付けされる。しかし、図５の例示の実施形態では、センサは、トルク負荷センサ８４から受け取られた信号を基にエンジン２０の回転速度を計算し予測するために使用され得る回転慣性モデル１２４（例えば積分器）の内部状態を推定するために、測定されたエンジン速度と共に使用され得るトルクセンサ８４をさらに含んでよい。本明細書の他の実施形態と同様に、回転慣性モデル１２４は、モデル１２４の内部状態のオンライン推定を構成するために、トルク負荷センサ８４から検出された信号を使用する状態空間モデル表現を用いてモデル化され得る。次いで、回転慣性モデル１２４によって計算され予測された回転速度（Ｎｅ）の軌跡は、入力パラメータ９８のうちの１つとして状態フィードバックコントローラ９２に与えられ得る。

次いで、矢印１２８によってさらに示されるように、エンジン速度１２６に加えてエンジン２０の負荷またはトルク（Ｔ）が検出され、状態オブザーバ９０に供給され得て、状態オブザーバ９０は、回転速度（Ｎｅ）の新規の値を予測するために次に使用され得る回転慣性モデル１２４の内部状態の推定を計算するように構成され得る。

ＥＣＵ８８は、状態オブザーバ９０へのモデル入力として回転速度（Ｎｅ）信号１２６およびトルク信号１２８を受け取るように構成され得て、そしてまた状態オブザーバ９０は状態ベクトル

を出力し、これが、エンジン２０の速度および負荷を制御するために燃料噴射器２６によって使用される燃料プロファイル設定値２８を調整するために、状態フィードバックコントローラ９２によって使用され得る。状態フィードバックコントローラ９２は、所望であれば、エンジン２０の燃料側制御および／または空気側制御に関係のある１つまたは複数の他のパラメータを補償するために使用され得る明示的に示されない他のパラメータも出力することができる。さらに、図４を参照しながら前述されたものなど他のパラメータも、状態オブザーバ９０に対するモデル入力として、エミッションプロセス１０４などエンジン２０の他の態様の制御で使用するために与えられてよい。

図６は、例示のディーゼルエンジンの後処理システムを制御するための別の例示の制御システム１３０の概略図である。図６の例示の実施形態では、後処理システムは、タービンの排気管３２から放出されたポストタービン排気ガス１３４をフィルタリングするために使用され得るディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）１３２を含んでよい。ＤＰＦ１３２は、フィルタ１３２の内部で排気管３２から環境中に放出される微粒子１３６の数を低減するために、エンジン排出粒子状物質（ＰＭ）を収集することにより機能する。しかし、ＤＰＦ１３２内に閉じ込められた微粒子は、時間とともに内側に蓄積する傾向があり、エンジン性能および燃費を衰えさせる恐れのあるエンジンに対する背圧の上昇をもたらす。図６の例示の実施形態に示されるように、いくつかの実施形態では、そのような背圧は差圧（ｄＰ）センサ１３８を使用して測定され得て、ｄＰセンサ１３８は、ＤＰＦ１３２の入力１４０と出力１４２の間での圧力降下を検出するための２つの個別の圧力センサ１３８ａ、１３８ｂを含んでよい。一旦ＤＰＦ１３２の内部ＰＭ負荷がそれだけ高くなると、エンジンの背圧を追体験するために、またＤＰＦ１３２については低レベルの微粒子しか含まないポストＤＰＦ排気ガス１３６を出力し続けるように、ＤＰＦ１３２は再生されなければならない。一般に、再生は、周期的にＤＰＦ１３２内のすすを点火し焼いて除去することにより行われる。

ＤＰＦ１３２を再生するべきかどうか判断するために、状態オブザーバ１４６および再生ロジック１４８を装備したＥＣＵ１４４は、再生計算の実行を課され得て、再生が望まれるかどうか判断する。ＥＣＵ１４４は、例えば、制御変数および測定された出力変数の制約を条件としてＤＰＦ１３２へ予測制御信号を与えることができるモデル予測コントローラ（ＭＰＣ）または他の適当なコントローラを備えてよい。再生ロジック１４８によって計算され出力された再生判定１５０は、望ましくない粒子状物質を焼いて除去するためにＤＰＦ１３２中への燃料噴射を作動させるために使用され得る信号であってよい。しかし、用途次第で他の技術が再生に用いられてよい。

状態オブザーバ１４６は、時間「ｋ」でＤＰＦ１３２から得られた様々なセンサ測定を表す複数のセンサ信号を受け取るように構成され得る。例えば図６の例示の実施形態では、状態オブザーバ１４６は、上流の粒子状物質（ＰＭ）センサ１５０および／または二酸化炭素（ＣＯ_２）センサ１５２からモデル入力センサ信号として受け取るように構成され得て、この信号は、ポストタービン排気ガス１３４に含まれるＰＭおよびＣＯ_２のレベルを検出するために使用され得る。同様にして、状態オブザーバ１４６は、下流のＰＭセンサ１５４および／またはＣＯ_２センサ１５６からモデル入力センサ信号として受け取るように構成され得て、この信号は、ポストＤＰＦ排気ガス１３６に含まれるＰＭおよびＣＯ_２のレベルを検出するために使用され得る。ＤＰＦ１３２中のＰＭ負荷は、一般に、入ってきたＰＭと出て行くＰＭの間の差の関数であるため、場合によっては、これは上流のセンサ１５０、１５２および下流のセンサ１５４、１５６の両方の使用を含んでよい。差圧センサ１３８を含むこれらの実施形態では、状態オブザーバ１４６は、圧力センサ１３８ａ、１３８ｂのどちらからもセンサ信号を受け取るようにさらに構成され得て、ＥＣＵ１４４がＤＰＦ１３２の両端間の圧力差を直接測定することが可能になる。

様々なセンサ入力を使用すると、状態オブザーバ１４６は、ＤＰＦ１３２の内部状態

の推定を計算するように構成され得て、次いで、この推定は、ＤＰＦ１３２を再生するべきかどうか判断するために再生ロジック１４８に与えられ得る。例えば、状態オブザーバがＰＭセンサ１５０、１５４および／またはＣＯ_２センサ１５２、１５６からの検出された信号を基にＤＰＦ１３２の性能劣化を予測するとき、そのような再生が行われ得る。その代わりに、またはそれに加えて、状態オブザーバ１４６が、差圧センサ１３８から受け取られたセンサ信号を基にＤＰＦ１３２からの背圧を推定したとき、ＤＰＦ１３２の再生が行われることがある。したがって、ＤＰＦ１３２を再生するべきかどうかの判定１５０は、時間「ｋ」でのＤＰＦ１３２の内部状態の推定

に基づく。
図６に示された例示の後処理システム１３０は、排気管３２内の微粒子を低減するためにＤＰＦ１３２を使用するが、そのようなデバイスに加えて、またはその代わりに、他の適当な後処理デバイスが使用されてよいことを理解されたい。実施され得る他の後処理システムおよび／または後処理デバイスは、例えば、ディーゼル用酸化触媒（ＤＯＣ）、選択接触還元（ＳＣＲ）および希薄ＮＯ_Ｘトラップ（ＬＮＴ）を含んでよい。さらに、２つのＰＭセンサおよびＣＯ_２センサが示されているが、排気管３２内の微粒子を検出するために他の数および／または他のタイプのセンサが使用されてよい。（諸）後処理デバイスを再生する判定がＤＰＦ１３２の内部状態に少なくとも部分的に基づくものと予想されるが、ある予定された時間（例えば１日１回、８０４．５ｋｍ（５００マイル）の稼動毎など）または他のある事象に基づいて再生が行われてもよいことを理解されたい。

このように、本発明のいくつかの実施形態を説明してきたが、当業者なら、ここに添付された特許請求の範囲内にある他の実施形態が作製され使用され得ることを容易に理解するであろう。本文献の対象にされた本発明の多くの利点が、上記説明で明らかになった。この開示が、多くの点で単に例示であることが理解されよう。本発明の範囲を超えることなく、本明細書に説明された様々な要素に対して変更が行われ得る。

本発明の例示の一実施形態による例示のディーゼルエンジンシステムの概略図である。 図１の例示のディーゼルエンジンシステムを制御するための状態フィードバックコントローラ向けに推定された状態を与えるために状態オブザーバを使用する例示のコントローラの概略図である。 図２のコントローラを使用して図１の例示のディーゼルエンジンシステムを制御するための例示の制御システムの概略図である。 図３の例示の制御システムの詳細な実装形態の概略図である。 図１の例示のディーゼルエンジンシステムを制御するための別の例示の制御システムの概略図である。 例示のディーゼルエンジンの後処理システムを制御するための例示の制御システムの概略図である。

Claims (20)

1. １つまたは複数のセンサからのフィードバックを使用してディーゼルエンジンを制御する制御システムであって、前記ディーゼルエンジンは、少なくとも１つの燃料噴射器、吸気マニホールド、および排気マニホールドを含み、
   前記制御システムは、前記ディーゼルエンジンの前記排気マニホールドから排出された排気ガスの少なくとも１つの成分を直接検出するように構成された１つまたは複数のポスト燃焼センサと、
   前記１つまたは複数のポスト燃焼センサからの信号を使用してエンジン性能の少なくとも１つのパラメータに関係するモデルの内部状態を推定するように構成された状態オブザーバと、
   前記ディーゼルエンジンの１つまたは複数のアクチュエータを制御するために、前記状態オブザーバによって出力された推定状態を基に、少なくとも１つのアクチュエータ設定値を設定するように構成された状態フィードバック制御アルゴリズムとを備える制御システム。
2. 請求項１に記載の制御システムであって、前記１つまたは複数のポスト燃焼センサが窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）センサを含む制御システム。
3. 請求項１に記載の制御システムであって、前記１つまたは複数のポスト燃焼センサが粒子状物質（ＰＭ）センサを含む制御システム。
4. 請求項１に記載の制御システムであって、前記ディーゼルエンジン内のシリンダ内圧を直接検出するように構成されたシリンダ内圧（ＩＣＰ）センサをさらに備える制御システム。
5. 請求項１に記載の制御システムであって、前記少なくとも１つの燃料噴射器によって前記ディーゼルエンジンに供給された燃料の少なくとも１つの成分を測定するために１つまたは複数の燃料組成センサをさらに備える制御システム。
6. 請求項１に記載の制御システムであって、前記状態オブザーバが、前記１つまたは複数のポスト燃焼センサからのフィードバック信号を基に内部予測状態を監視し調整するように構成されたオンライン状態空間モデルを使用する制御システム。
7. 請求項１に記載の制御システムであって、前記ディーゼルエンジンに関するトルクの要求を測定するためにトルク負荷センサをさらに備える制御システム。
8. 請求項７に記載の制御システムであって、前記トルク負荷センサから受け取られた信号を基にエンジン速度を計算し予測するように構成された回転慣性装置をさらに備える制御システム。
9. 請求項１に記載の制御システムであって、前記状態オブザーバが、電子制御装置上で動作するように構成されたアルゴリズムを含む制御システム。
10. 請求項１に記載の制御システムであって、前記制御システムが、後処理システムを制御するように構成される制御システム。
11. １つまたは複数のポスト燃焼センサからのフィードバックを使用してエンジンを制御するのに使用する制御装置であって、
    前記エンジンの内部状態を推定するための状態オブザーバを備え、前記状態オブザーバが、１つまたは複数のポスト燃焼センサおよび少なくとも１つの追加センサからのフィードバックを基に前記状態オブザーバの内部状態ベクトルを更新するために１つまたは複数の信号を受け取るように構成された状態空間モデルを含む制御装置。
12. 請求項１１に記載の制御装置であって、前記１つまたは複数のポスト燃焼センサが窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）センサを含む制御装置。
13. 請求項１１に記載の制御装置であって、前記１つまたは複数のポスト燃焼センサが粒子状物質（ＰＭ）センサを含む制御装置。
14. 請求項１１に記載の制御装置であって、前記少なくとも１つの追加センサがシリンダ内圧（ＩＣＰ）センサである制御装置。
15. 請求項１１に記載の制御装置であって、前記少なくとも１つの追加センサがトルク負荷センサである制御装置。
16. 請求項１１に記載の制御装置であって、前記少なくとも１つの追加センサが燃料組成センサである制御装置。
17. １つまたは複数のセンサからのフィードバックを使用してディーゼルエンジンを制御する方法であって、前記ディーゼルエンジンは、少なくとも１つの燃料噴射器、吸気マニホールド、および排気マニホールドを含み、
    前記方法は、１つまたは複数のポスト燃焼センサを使用して前記エンジンの排気流中の少なくとも１つの成分を直接測定するステップと、
    前記ディーゼルエンジンの状態空間モデル表現を含む状態オブザーバを提供するステップと、
    前記１つまたは複数のポスト燃焼センサから受け取られたフィードバック信号に部分的に基づいて前記状態空間モデルの内部状態を決定するステップと、
    前記モデルの真の状態が推定された状態と異なる場合には前記内部状態を更新するステップと、
    前記状態オブザーバからの前記推定された状態の関数として１つまたは複数のアクチュエータ設定値を計算するステップと、
    前記計算された状態推定を基に１つまたは複数のアクチュエータ設定値を調整するステップとを含む方法。
18. 請求項１７に記載の方法であって、
    前記エンジンに機能的に結合されたトルク負荷センサを使用して前記ディーゼルエンジンのトルク負荷を直接測定するステップと、
    前記トルク負荷センサから受け取られたフィードバック信号を基に前記状態空間モデルの前記内部状態を決定するステップと、
    前記モデルの真の状態が推定された状態と異なる場合には前記内部状態をさらに更新するステップとをさらに含む方法。
19. 請求項１７に記載の方法であって、
    前記エンジンに機能的に結合されたシリンダ内圧（ＩＣＰ）センサを使用して前記ディーゼルエンジンのシリンダ内圧を直接測定するステップと、
    前記シリンダ内圧センサから受け取られたフィードバック信号を基に前記状態空間モデルの前記内部状態を決定するステップと、
    前記モデルの真の状態が推定された状態と異なる場合には前記内部状態をさらに更新するステップとをさらに含む方法。
20. 請求項１７に記載の方法であって、
    燃料組成センサを使用して前記ディーゼルエンジンに与えられた燃料の少なくとも１つの成分を直接測定するステップと、
    前記燃料組成センサから受け取られたフィードバック信号を基に前記状態空間モデルの前記内部状態を決定するステップと、
    前記モデルの真の状態が推定された状態と異なる場合には前記内部状態をさらに更新するステップとをさらに含む方法。

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