Устройство управления и способ управления для двигателя внутреннего сгорания

Устройство управления и способ управления для двигателя внутреннего сгорания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Уровень техники

1. Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Изобретение относится к устройству управления и способу управления для двигателя внутреннего сгорания.

2. Описание предшествующего уровня техники

[0002] В целом, устройство управления для двигателя внутреннего сгорания выполняется с возможностью определять управляющий входной сигнал для двигателя внутреннего сгорания посредством управления с обратной связью, так что выходное значение величины управления согласуется с целевым значением, в случае, когда целевое значение предоставляется относительно величины управления для двигателя внутреннего сгорания. Во многих случаях фактического управления двигателем внутреннего сгорания, однако, присутствуют различные ограничения технических средств и управления относительно количественного параметра состояния двигателя внутреннего сгорания. В случае, когда эти ограничения не удовлетворяются, может возникать отказ технических средств и отклонение в характеристике управления. Возможность удовлетворения ограничений, а также возможность согласования выходного значения с целевым значением, является одной из важных характеристик, требуемых для управления двигателем внутреннего сгорания.

[0003] Эталонный регулятор является эффективным средством для удовлетворения требования. Эталонный регулятор снабжается прогностической моделью, которая моделирует систему с замкнутым контуром (систему управления с обратной связью), которая включает в себя управляемый объект и контроллер обратной связи, и прогнозирует будущее значение количественного параметра состояния, на которое накладывается ограничение, с помощью прогностической модели. Затем, целевое значение величины управления для двигателя внутреннего сгорания модифицируется на основе прогнозируемого значения количественного параметра состояния и ограничения, наложенного на него.

[0004] Предшествующий уровень техники, на котором эталонный регулятор применяется к управлению двигателем внутреннего сгорания, уже был описан в публикации японской патентной заявки № 2013-084091 и публикации японской патентной заявки № 2014-084845. Устройство управления, относящееся к предшествующему уровню техники, снабжается контроллером обратной связи и эталонным регулятором. Контроллер обратной связи определяет величину действия исполнительного устройства (регулируемое сопло и дроссельная заслонка турбины переменной емкости) посредством управления с обратной связью, так что фактическое значение конкретного количественного параметра состояния (давления наддува и эффективности наполнения) двигателя внутреннего сгорания становится ближе к целевому значению. Эталонный регулятор прогнозирует будущую траекторию конкретного количественного параметра состояния с помощью прогностической модели, которая моделирует динамическую характеристику системы с замкнутым контуром, относящуюся к управлению с обратной связью как "время нечувствительности плюс колебательная система второго порядка", и модифицирует целевое значение так, что ограничение удовлетворяется.

Сущность изобретения

[0005] В эталонном регуляторе, описанном выше, выполняется вычисление в режиме реального времени с помощью прогностической модели. Это обусловлено тем, что двигатель внутреннего сгорания устанавливается на транспортное средство, и модификация целевого значения должна быть основана не на вычислении в автономном режиме, а на вычислении в режиме реального времени для того, чтобы удовлетворять ограничение, когда целевое значение конкретного количественного параметра состояния изменяется от момента к моменту вследствие рабочего состояния и условия эксплуатации транспортного средства. Однако, арифметическая емкость устройства управления, установленного на транспортном средстве, не настолько большая, как объем вычислений, требуемый для вычисления в режиме реального времени с помощью прогностической модели. Соответственно, вычислительная нагрузка на устройство управления может становиться большой в случае, когда вычисление в режиме реального времени с помощью прогностической модели реализуется в установленном в транспортном средстве устройстве управления.

[0006] Вычислительная нагрузка на устройство управления увеличивается, когда диапазон прогнозирования будущей траектории конкретного количественного параметра состояния расширяется. В отношении этого момента, диапазон прогнозирования будущей траектории конкретного количественного параметра состояния с помощью прогностической модели задается в сумму времени нечувствительности прогностической модели и половины цикла колебания вторичной колебательной системы в устройстве управления, описанном выше. Это является преимущественным в том, что вычисление для прогнозирования будущей траектории конкретного количественного параметра состояния выполняется, только когда необходимо. Однако, прогнозирование в заданное время прогнозирования может приводить в результате к отклонению в точности прогнозирования и консервативной модификации целевого значения.

[0007] Изобретение предоставляет устройство управления и способ управления для двигателя внутреннего сгорания, с помощью которых вычислительная нагрузка, применяемая к устройству управления, которое выполняет вычисление в режиме реального времени с помощью прогностической модели, уменьшается, и модификация целевого значения может быть точно выполнена.

[0008] Первый аспект изобретения относится к устройству управления для двигателя внутреннего сгорания, устройство управления выполнено с возможностью управлять конкретным количественным параметром состояния двигателя внутреннего сгорания посредством функционирования исполнительного устройства. Устройство управления включает в себя: контроллер обратной связи, выполненный с возможностью определять величину действия исполнительного устройства посредством управления с обратной связью, так что фактическое значение количественного параметра состояния становится ближе к целевому значению; и эталонный регулятор, выполненный с возможностью модифицировать целевое значение количественного параметра состояния так, что ограничение, накладываемое на количественный параметр состояния, удовлетворяется. Ограничение удовлетворяется, когда величина изменения в количественном параметре состояния в единицу времени равна или меньше верхнего предельного значения β. Эталонный регулятор (34) выполняется с возможностью вычислять модифицированное целевое значение как значение, полученное посредством сложения одного из 2ζβ/ ω n и β/ { ( T 2 / T 1 ) T 2 / ( T 1 − T 2 ) − ( T 2 / T 1 ) T 1 / ( T 1 − T 2 ) } с текущим значением количественного параметра состояния, когда коэффициент ζ затухания и собственная частота ω_n угловых колебаний соответственно указывают коэффициент затухания и собственную частоту угловых колебаний формулы модели в случае, когда динамическая характеристика системы с замкнутым контуром моделируется как время нечувствительности плюс колебательная система второго порядка, и T₁ и T₂ выражаются как − ω n −1 ( −ζ± ( ζ 2 −1 ) ) −1 , и выполняется с возможностью определять меньшее из модифицированного целевого значения и первоначального целевого значения в качестве конечного целевого значения количественного параметра состояния.

[0009] Второй аспект изобретения относится к способу управления для двигателя внутреннего сгорания, в котором конкретный количественный параметр состояния двигателя внутреннего сгорания управляется посредством действия исполнительного устройства. Способ управления включает в себя: определение величины действия исполнительного устройства посредством управления с обратной связью, так что фактическое значение количественного параметра состояния становится ближе к целевому значению; и модификацию целевого значения количественного параметра состояния так, что ограничение, накладываемое на количественный параметр состояния, удовлетворяется. Ограничение удовлетворяется, когда величина изменения в количественном параметре состояния в единицу времени равна или меньше верхнего предельного значения β. Модификация целевого значения количественного параметра включает в себя вычисление модифицированного целевого значения как значения, полученного посредством сложения одного из 2ζβ/ ω n и β/ { ( T 2 / T 1 ) T 2 / ( T 1 − T 2 ) − ( T 2 / T 1 ) T 1 / ( T 1 − T 2 ) } с текущим значением количественного параметра состояния, когда коэффициент ζ затухания и собственная частота ω_n углового колебания соответственно указывают коэффициент затухания и собственную частоту угловых колебаний формулы модели в случае, когда динамическая характеристика системы с замкнутым контуром моделируется как время нечувствительности плюс колебательная система второго порядка, и T₁ и T₂ выражаются как − ω n −1 ( −ζ± ( ζ 2 −1 ) ) −1 , и определение меньшего из модифицированного целевого значения и первоначального целевого значения в качестве конечного целевого значения количественного параметра состояния.

[0010] Количественный параметр состояния может быть температурой пакета дизельного сажевого фильтра, распложенного в выхлопном канале дизельного двигателя, и исполнительное устройство может быть устройством, добавляющим топливо выше по потоку от дизельного сажевого фильтра в выхлопном канале.

[0011] Согласно конфигурации, описанной выше, вычислительная нагрузка, применяемая к устройству управления, выполняющему вычисление в режиме реального времени с помощью прогностической модели, выраженной как время нечувствительности плюс колебательная система второго порядка, может быть уменьшена, и модификация целевого значения может быть точно выполнена.

Краткое описание чертежей

[0012] Признаки, преимущества и техническое и промышленное значение примерных вариантов осуществления изобретения будут описаны ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых аналогичные номера обозначают аналогичные элементы, и на которых:

Фиг. 1 - это схематичный чертеж, иллюстрирующий конфигурацию системы нейтрализации отработавшего газа для дизельного двигателя;

Фиг. 2 - это схема, иллюстрирующая структуру контроля за соблюдением целевого параметра для дизельного двигателя в ECU 30;

Фиг. 3 - это схема, иллюстрирующая модель системы с замкнутым контуром, относящейся к управлению с обратной связью, которая окружена пунктирной линией на фиг. 2;

Фиг. 4 - это схема, иллюстрирующая модель системы с замкнутым контуром, относящейся к управлению с обратной связью, которая окружена пунктирной линией на фиг. 2;

Фиг. 5 - это схема для показа проблемы алгоритма эталонного регулятора предшествующего уровня техники;

Фиг. 6 - это график для показа величины изменения в температуре пакета DPF в единицу времени во время управления нагревом для DPF 16;

Фиг. 7 - это график, иллюстрирующий результат численного моделирования, свойственного случаю, когда первоначальное целевое значение модифицируется на основе уравнения (18);

Фиг. 8 - это график, иллюстрирующий результат численного моделирования, свойственного случаю, когда первоначальное целевое значение не модифицируется;

Фиг. 9 - это схема, иллюстрирующая алгоритм эталонного регулятора согласно первому варианту осуществления;

Фиг. 10 - это график для показа проблемы первого варианта осуществления;

Фиг. 11 - это график, иллюстрирующий результат построения графика уравнения (20);

Фиг. 12 - это график, иллюстрирующий результат численного моделирования, свойственного случаю, когда первоначальное целевое значение модифицируется на основе уравнения (23); и

Фиг. 13 - это схема, иллюстрирующая алгоритм эталонного регулятора согласно второму варианту осуществления.

Подробное описание вариантов осуществления

[0013] Далее в данном документе варианты осуществления изобретения будут описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи. На чертежах аналогичные ссылочные номера будут использованы, чтобы ссылаться на аналогичные элементы, и повторяющееся описание будет опущено. Изобретение не ограничено вариантами осуществления, описанными ниже.

[0014] Сначала, первый вариант осуществления изобретения будет описан со ссылкой на фиг. 1-9.

[0015] Устройство управления согласно первому варианту осуществления управляет системой нейтрализации отработавшего газа для двигателя внутреннего сгорания, который устанавливается в транспортном средстве. Фиг. 1 - это схематичный чертеж, иллюстрирующий конфигурацию системы нейтрализации отработавшего газа для двигателя внутреннего сгорания. Система нейтрализации отработавшего газа, которая иллюстрируется на фиг. 1, предусматривается с дизельным двигателем 10 в качестве двигателя внутреннего сгорания, каталитическим нейтрализатором дизельного топлива (DOC) 14 и дизельным сажевым фильтром (DPF) 16, расположенным в выхлопном канале 12 дизельного двигателя 10, устройством 20 добавления топлива, расположенным в выпускном отверстии 18, и датчиком 22 температуры, расположенным выше по потоку от DPF 16. DOC 14 является каталитическим нейтрализатором, который преобразует углеводород (HC) и окись углерода (CO), содержащиеся в отработавшем газе, в воду (H₂O) и двуокись углерода (CO₂) посредством окисления. DPF 16 - это фильтр, который собирает компоненты в виде частиц, содержащихся в отработавшем газе. Устройство 20 добавления топлива выполняется с возможностью добавлять топливо выше по потоку от DOC 14. Датчик 22 температуры выполняется с возможностью измерять температуру пакета DPF 16 (далее в данном документе также называемую "температурой пакета DPF").

[0016] Система нейтрализации отработавшего газа, которая иллюстрируется на фиг. 1, также снабжается электронным блоком управления (ECU) 30. ECU 30 снабжается оперативным запоминающим устройством (RAM), постоянным запоминающим устройством (ROM), центральным процессором (CPU) в качестве микропроцессора и т.п. (которые не иллюстрируются в данном документе). Программа алгоритма эталонного регулятора (описанного позже) хранится в ROM в ECU 30.

[0017] В целом, топливо и масло, используемые в дизельном двигателе, содержат серу, и, таким образом, сернистое соединение (SOx) формируется в результате сгорания топлива. Когда SOx формируется в дизельном двигателе 10, сформированное SOx адсорбируется на DPF 16, и накапливающая функция DPF 16 снижается. В первом варианте осуществления управление нагревом для DPF 16 выполняется посредством ECU 30, так что накапливающая функция может быть восстановлена. В частности, управление нагревом для DPF 16 является управлением для повышения температуры пакета DPF до температуры, находящейся в диапазоне от 300°C до 700°C, посредством добавления топлива в выхлопную систему из устройства 20 добавления топлива. Управление нагревом для DPF 16 предоставляет возможность десорбции SOx из DPF 16 и высвобождения в атмосферу.

[0018] Когда величина изменения температуры пакета DPF в единицу времени в течение управления нагревом для DPF 16 (далее в данном документе также называемая "градиентом температуры пакета") является большой, концентрация SOx, десорбируемого из DPF 16, временно увеличивается, и десорбированное SOx высвобождается в атмосферу в видимом состоянии, т.е., в состоянии белого дыма. В первом варианте осуществления ограничение (верхнее предельное значение β (°C/с)) накладывается на градиент температуры пакета во время управления нагревом для DPF 16, так что белый дым предотвращается.

[0019] ECU 30 снабжается структурой управления, которая инструктирует согласование температуры пакета DPF с целевым значением, в то же время поддерживая градиент температуры пакета во время управления нагревом для DPF 16 в или ниже верхнего предельного значения β. Эта структура управления является структурой контроля за соблюдением целевого значения, которая иллюстрируется на фиг. 2. Как иллюстрировано на фиг. 2, структура контроля за соблюдением целевого значения снабжается картой целевых значений (MAP) 32, эталонным регулятором (RG) 34 и контроллером 36 обратной связи.

[0020] Когда внешний входной сигнал d, который указывает условие работы дизельного двигателя 10, предоставляется, карта 32 целевых значений выводит целевое значение r для температуры пакета DPF, которое является величиной управления. Внешний входной сигнал d включает в себя расход отработавшего газа (массовый расход) через DPF 16 и температуру отработавшего газа выше по потоку от DPF 16. Эти физические величины, которые включены во внешний входной сигнал d, могут быть измеренными значениями или расчетными значениями.

[0021] Эталонный регулятор 34 модифицирует целевое значение температуры пакета DPF посредством вычисления в режиме реального времени, так что различные ограничения технических средств или управления удовлетворяются. В частности, когда целевое значение r температуры пакета DPF предоставляется, эталонный регулятор 34 модифицирует целевое значение r так, что ограничение, относящееся к градиенту температуры пакета, удовлетворяется, и выводит модифицированное целевое значение g для температуры пакета DPF. На фиг. 2 ограниченный сигнал z, который является управляющим входным сигналом или управляющим выходным сигналом, означает градиент температуры пакета. Как описано выше, верхнее предельное значение β накладывается на градиент z температуры пакета.

[0022] Когда модифицированное целевое значение g температуры пакета DPF предоставляется от эталонного регулятора 34, контроллер 36 обратной связи получает текущее значение y для температуры пакета DPF, выведенное от температурного датчика 22, и определяет управляющий входной сигнал u, который должен быть предоставлен управляемому объекту 38 посредством управления с обратной связью, на основе отклонения между модифицированным целевым значением g и текущим значением y. В первом варианте осуществления управляемым объектом является система нейтрализации отработавшего газа, и, таким образом, величина действия устройства 20 добавления топлива (т.е., объем топлива, который добавляется в выхлопную систему посредством устройства 20 добавления топлива) используется в качестве управляющего входного сигнала u. Спецификации контроллера 36 обратной связи не ограничиваются, и известный контроллер обратной связи может быть использован в качестве контроллера 36 обратной связи. Например, пропорционально-интегральный контроллер обратной связи может быть использован в качестве контроллера 36 обратной связи.

[0023] Фиг. 3 - это схема, иллюстрирующая модель системы с замкнутым контуром, относящейся к управлению с обратной связью, которая окружена пунктирной линией на фиг. 2; Фиг. 4 - это график, иллюстрирующий динамическую характеристику этой системы с замкнутым контуром. Как иллюстрировано на фиг. 3, эта модель системы с замкнутым контуром выполняется как прогностическая модель, которая выводит температуру y пакета DPF, когда вводится целевое значение r для температуры пакета DPF (первоначальное целевое значение r или модифицированное целевое значение g). В этой прогностической модели динамическая характеристика системы с замкнутым контуром моделируется как "время нечувствительности плюс колебательная система второго порядка (запаздывание второго порядка)", как иллюстрировано на фиг. 4. Эта прогностическая модель выражается как следующая формула (1) модели с помощью передаточной функции G(s), которая иллюстрируется на фиг. 3.

y=G( s )r (1)

В частности, G(s) в уравнении (1) выражается как следующее уравнение (2). В уравнении (2) "s" представляет дифференциальный оператор, "ζ" представляет коэффициент затухания, "ω_n" представляет собственную частоту угловых колебаний, а "L" представляет время нечувствительности.

G( s )= ω n 2 s 2 +2ζ ω n s+ ω n 2 e −Ls (2)

[0024] Далее в данном документе проблема алгоритма эталонного регулятора предшествующего уровня техники будет описана со ссылкой на фиг. 5. Как и с первым вариантом осуществления, этот алгоритм повторяет прогнозирование будущего целевого значения конечное число раз посредством вычисления в режиме реального времени с помощью прогностической модели, которая моделирует динамическую характеристику системы с замкнутым контуром. В этом алгоритме предшествующего уровня техники, однако, поиск оптимального значения для целевой функции с помощью модифицированного возможного целевого значения в качестве переменной выполняется в дополнение к прогнозированию будущего целевого значения с помощью прогностической модели, и, таким образом, вычислительная нагрузка, накладываемая на ECU, имеет тенденцию увеличиваться. Кроме того, модификация целевого значения может быть выполнена консервативным образом в случае, когда поиск оптимального значения для целевой функции прерывается в конечном числе раз.

[0025] Изобретатель настоящей заявки уделил внимание проблеме и обнаружил, что оптимально модифицированное целевое значение может быть вычислено в режиме реального времени посредством математического будущего прогнозирования. Фиг. 6 - это график для показа градиента температуры пакета, который должен быть отмечен в настоящей заявке. Ясно по фиг. 6, что время нечувствительности не влияет на градиент температуры пакета в случае, когда динамическая характеристика системы с замкнутым контуром моделируется как время нечувствительности плюс колебательная система второго порядка (запаздывание второго порядка). Это показывает, что время нечувствительности может быть проигнорировано в вычислении градиента температуры пакета, и градиент температуры пакета может быть определен на основе лишь характеристики запаздывания второго порядка.

[0026] В уравнении (2) характеристика запаздывания второго порядка выражается как ω_n²/s²⁺2ζω_ns+ω_n², а характеристика времени нечувствительности выражается как e^-Ls. В случае, когда градиент температуры пакета выражается исключительно с помощью характеристики запаздывания второго порядка, уравнение (1) может быть выражено как уравнение (3).

y= ω n 2 s 2 +2ζ ω n s+ ω n 2 r (3)

[0027] Когда уравнение (3) дополнительно модифицируется на основе T₁₌˗1/p₁ и T₂₌-1/p₂, p₁ и p₂ являются решениями квадратного уравнения (s²⁺2ζω_ns+ω_n²⁼0), относящегося к s, принадлежащего к случаю, когда знаменатель с правой стороны уравнения (3) равен 0, получается уравнение (4) ( T 1 , T 2 =− ω n −1 ( −ζ± ( ζ 2 −1 ) ) −1 ).

y= ω n 2 ( s− p 1 )( s− p 2 ) r= 1 ( T 1 s+1 )( T 2 s+1 ) r= 1 T 1 − T 2 ( T 1 T 1 s+1 − T 2 T 2 s+1 )r (4)

[0028] Когда формула обратного преобразования Лапласа, показанная в уравнении (5), применяется к уравнению (4), получается уравнение (6), которое указывает градиент температуры пакета.

G( s )= b s+a ⇔g( t )= L −1 [ G( s ) ]=b e −at (5)

y ˙ ( t )= 1 T 1 − T 2 ( e − t T 1 − e − t T 2 )r (6)

[0029] В случае, когда градиент температуры пакета максимизируется (достигает максимального градиента), значение производной по времени уравнения (6) равно нулю, и, таким образом, уравнение (7) получается посредством дифференцирования по времени обеих сторон уравнения (6).

y ¨ ( t )= 1 T 1 − T 2 ( − 1 T 1 e − t T 1 + 1 T 2 e − t T 2 )r=0 (7)

[0030] Для того, чтобы уравнение (7) удовлетворялось, значение в скобках с правой стороны уравнения (7) может быть нулевым. Соответственно, получается уравнение (8).

1 T 1 e − t T 1 = 1 T 2 e − t T 2 (8)

[0031] Уравнение (9) и уравнение (10) получаются, когда уравнение (8) дополнительно модифицируется.

−ln T 1 − t T 1 =−ln T 2 − t T 2 (9)

( 1 T 1 − 1 T 2 )t=ln T 2 T 1 (10)

[0032] Время t_max, которое затрачивается на то, чтобы градиент температуры пакета максимизировался после инициирования управления нагревом для DPF 16, может быть выражено как в уравнении (11) с помощью уравнения (10), модифицированного относительно t.

t max = ( 1 T 1 − 1 T 2 ) −1 ln T 2 T 1 (11)

[0033] Уравнение (12) получается, когда уравнение (6) организуется с помощью уравнения (11).

(12)

[0034] Во время t_max коэффициент знаменателя с правой стороны уравнения (12) максимизируется, и, таким образом, максимальное значение g_1max градиента температуры пакета относительно реакции на ступенчатое возмущение может быть выражено как в уравнении (13). Кроме того, уравнение (14) удовлетворяется во время t_max относительно r с правой стороны уравнения (12), и, таким образом, получается уравнение (15). В уравнении (14) T_dpf^ref представляет целевое значение температуры пакета DPF, а T_dpf представляет температуру пакета DPF.

g 1max :={ ( T 2 T 1 ) T 2 T 1 − T 2 − ( T 2 T 1 ) T 1 T 1 − T 2 } (13)

r:= T dpf ref − T dpf (14)

y ˙ max = g 1max ( T dpf ref − T dpf ) (15)

[0035] Ограничение, описанное выше, удовлетворяется, когда градиент температуры пакета во время t_max равен или меньше верхнего предельного значения β. Другими словами, выражение (16) удовлетворяется в случае, когда удовлетворяется ограничение.

y ˙ max = g 1max ( T dpf ref − T dpf )≤β (16)

[0036] Выражение (17) получается, когда выражение (16) организуется относительно целевого значения T_dpf^ref температуры пакета DPF.

T dpf ref ≤ T dpf + β g 1max (17)

[0037] Соответственно, ограничение, относящееся к градиенту температуры пакета, теоретически удовлетворяется, когда целевое значение T_dpf^ref температуры пакета DPF модифицируется на основе уравнения (18), полученного из уравнения (17). В уравнени