特許 6687402 モデルベースおよびマップベーススロットル位置導出値ならびにモニタリングのためのシステムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6687402

(24)【登録日】2020年4月6日

(45)【発行日】2020年4月22日

(54)【発明の名称】モデルベースおよびマップベーススロットル位置導出値ならびにモニタリングのためのシステムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   F02D 41/02 20060101AFI20200413BHJP

   F02D 45/00 20060101ALI20200413BHJP

   F02D 9/02 20060101ALI20200413BHJP

   F02D 41/22 20060101ALI20200413BHJP

【ＦＩ】

   F02D41/02

   F02D45/00 366

   F02D45/00 364G

   F02D45/00 370

   F02D45/00 369

   F02D45/00 345

   F02D9/02 341Z

   F02D41/22

   F02D9/02 351M

【請求項の数】20

【外国語出願】

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2016-13886(P2016-13886)

(22)【出願日】2016年1月28日

(65)【公開番号】特開2016-145573(P2016-145573A)

(43)【公開日】2016年8月12日

【審査請求日】2019年1月11日

(31)【優先権主張番号】14/614,237

(32)【優先日】2015年2月4日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】319005659

【氏名又は名称】エーアイ アルパイン ユーエス ビドゥコ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100091568

【弁理士】

【氏名又は名称】市位 嘉宏

(72)【発明者】

【氏名】ピン・ゼン

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル・エム・ランバーソン

【審査官】 丸山 裕樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−１４４５６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１３２４６４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平１１−１４８３７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１４４８２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｄ ９／００ − １１／１０

Ｆ０２Ｄ ４１／００ − ４５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンシステムであって、
スロットル弁から下流に配置される第１の圧力センサから送信される第１の圧力信号を受信し、
前記スロットル弁から下流に配置される第１の温度センサから送信される第１の温度信号を受信し、
前記第１の圧力信号の表す第１の圧力を導出し、前記第１の温度信号の表す第１の温度を導出し、
前記スロットル弁を通る所望の空気−燃料混合流を導出し、
前記所望の空気−燃料混合流、前記第１の圧力、および前記第１の温度をモデル入力として使用するよう構成されるモデルを使用して第１のスロットル位置を導出し、
マップ（６１）を使用して第２のスロットル位置を導出し、
前記第１のスロットル位置を前記第２のスロットル位置と比較し、
前記第１のスロットル位置と前記第２のスロットル位置とが１つまたは複数の較正閾値内にある場合に前記スロットル弁を制御するために前記第１のスロットル位置を適用するよう構成される
エンジン制御システム
を備える、エンジンシステム。

【請求項2】

前記エンジン制御システムが、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）を備え、前記ＥＣＵが、
前記スロットル弁から上流に配置される第２の圧力センサから送信される第２の圧力信号を受信し、
前記スロットル弁から上流に配置される第２の温度センサから送信される第２の温度信号を受信し、
前記第２の圧力信号の表す第２の圧力を導出し、
前記第２の温度信号の表す第２の温度を導出するよう構成され、
前記モデルが、入力として、前記第１の圧力および前記第２の圧力ならびに前記第１の温度および第２の温度を使用して、前記第１のスロットル位置を導出するよう構成される、
請求項１に記載のエンジンシステム。

【請求項3】

前記モデルが、前記スロットル弁を有するスロットルシステムの流体力学的モデル（６０）を備える、請求項１に記載のエンジンシステム。

【請求項4】

前記マップ（６１）が、所望のエンジントルクおよびエンジン速度を、前記第２のスロットル位置にマッピングするルックアップテーブルを備える、請求項１に記載のエンジンシステム。

【請求項5】

前記エンジン制御システムが、所望の燃料量、所望の空気量、および所望の排気再循環量に基づいて、前記所望の空気−燃料混合流を導出するよう構成される、請求項１に記載のエンジンシステム。

【請求項6】

前記エンジン制御システムが、所望のエンジントルク、燃料発熱量、燃料変換効率、またはそれらの何らかの組み合わせに基づいて、前記所望の燃料量を導出するよう構成される、請求項５に記載のエンジンシステム。

【請求項7】

前記燃料発熱量が、ユーザによって提供されるか、または燃料のサンプリングを介して自動的に導出される、請求項６に記載のエンジンシステム。

【請求項8】

前記１つまたは複数の較正閾値が、前記第１および前記第２のスロットル位置の間の閾値差、前記第１および前記第２のスロットル位置が逸脱する時間の閾値量、またはそれらの組み合わせを備える、請求項１に記載のエンジンシステム。

【請求項9】

前記エンジン制御システムが、前記第１および前記第２のスロットル位置が前記１つまたは複数の較正閾値内に無い場合に前記第１のスロットル位置または前記第２のスロットル位置のより小さい方を適用するよう構成される、請求項８に記載のエンジンシステム。

【請求項10】

前記エンジン制御システムが、空燃比および前記所望の燃料量に基づいて、前記所望の空気量を導出するよう構成され、前記エンジン制御システムが、前記所望の空気量をもたらすようアクチュエータ（１１６）を作動させるよう構成される、請求項５に記載のエンジンシステム。

【請求項11】

前記エンジン制御システムが、前記第１および前記第２のスロットル位置が前記１つまたは複数の較正閾値内に無い場合、前記第１および前記第２のスロットル位置の間の逸脱を報告し、前記スロットル弁を有するエンジンを停止し、警告もしくは警報を生じさせ、またはそれらの組み合わせを行うよう構成される、請求項１に記載のエンジンシステム。

【請求項12】

方法であって、
プロセッサ（４４）を介して、エンジンのスロットル弁から下流に配置される第１の圧力センサから送信される第１の圧力信号を受信するステップと、
前記プロセッサ（４４）を介して、前記スロットル弁から下流に配置される第１の温度センサから送信される第１の温度信号を受信するステップと、
前記プロセッサ（４４）を介して、前記第１の圧力信号の表す第１の圧力を導出するステップと、
前記プロセッサ（４４）を介して、前記第１の温度信号の表す第１の温度を導出するステップと、
前記プロセッサ（４４）を介して、前記スロットル弁を通る所望の空気−燃料混合流を導出するステップと、
前記プロセッサ（４４）を介して、前記所望の空気−燃料混合流、前記第１の圧力、および前記第１の温度をモデル入力として使用するよう構成されるモデルを使用して第１のスロットル位置を導出するステップと、
前記プロセッサ（４４）を介して、マップ（６１）を使用して第２のスロットル位置を導出するステップと、
前記プロセッサ（４４）を介して、前記第１のスロットル位置を前記第２のスロットル位置と比較するステップと、
前記プロセッサ（４４）を介して、前記第１のスロットル位置と前記第２のスロットル位置とが１つまたは複数の較正閾値内にある場合に前記スロットル弁を制御するために前記第１のスロットル位置を適用するステップと
を備える、方法。

【請求項13】

前記プロセッサ（４４）を介して、前記スロットル弁から上流に配置される第２の圧力センサから送信される第２の圧力信号を受信するステップと、
前記プロセッサ（４４）を介して、前記スロットル弁から上流に配置される第２の温度センサから送信される第２の温度信号を受信するステップと、
前記プロセッサ（４４）を介して、前記第２の圧力信号の表す第２の圧力を導出するステップと、
前記プロセッサ（４４）を介して、前記第２の温度信号の表す第２の温度を導出するステップと
を備え、前記モデルが、モデル入力として、前記第１の圧力および前記第２の圧力ならびに前記第１の温度および前記第２の温度を使用し、前記第１のスロットル位置を導出するよう構成される、
請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記モデルが、前記スロットル弁を有するスロットルシステムの流体力学的モデル（６０）を備える、請求項１２に記載の方法。

【請求項15】

所望の燃料量、所望の空気量、および所望の排気再循環量に基づいて、前記所望の空気−燃料混合流を導出するステップを備える、請求項１２に記載の方法。

【請求項16】

所望のエンジントルク、燃料発熱量、燃料変換効率、またはそれらの何らかの組み合わせに基づいて、前記所望の燃料量を導出するステップを備える、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記第１および前記第２のスロットル位置が前記１つまたは複数の較正閾値内に無い場合に、前記第１および前記第２のスロットル位置の間の逸脱を報告するステップ、前記スロットル弁を有するエンジンを停止するステップ、警告もしくは警報を生じさせるステップ、またはそれらの組み合わせを備える、請求項１２に記載の方法。

【請求項18】

符号化された命令を備える有形の、非一時的、コンピュータ読込み可能媒体であって、前記命令が、プロセッサ（４４）によって実行される場合、
エンジンのスロットル弁から下流に配置される第１の圧力センサから送信される第１の圧力信号を受信し、
前記スロットル弁から下流に配置される第１の温度センサから送信される第１の温度信号を受信し、
前記第１の圧力信号の表す第１の圧力を導出し、
前記第１の温度信号の表す第１の温度を導出し、
前記スロットル弁を通る所望の空気−燃料混合流を導出し、
前記所望の空気−燃料混合流、前記第１の圧力、および前記第１の温度をモデル入力として使用するよう構成されるモデルを使用して第１のスロットル位置を導出し、
マップ（６１）を使用して第２のスロットル位置を導出し、
前記第１のスロットル位置を前記第２のスロットル位置と比較し、
前記第１のスロットル位置と前記第２のスロットル位置とが１つまたは複数の較正閾値内にある場合に前記スロットル弁を制御するために前記第１のスロットル位置を適用するよう構成される、
有形の、非一時的、コンピュータ読込み可能媒体。

【請求項19】

前記１つまたは複数の較正閾値が、前記第１および前記第２のスロットル位置の間の閾値量差、前記第１および前記第２のスロットル位置が異なる時間の閾値量、またはそれらの組み合わせを備え、前記エンジンのテストの間に設定される、請求項１８に記載のコンピュータ読込み可能媒体。

【請求項20】

前記モデルが、前記空気−燃料混合流と、前記スロットルの表面、ならびに前記スロットルから上流および下流の圧力および温度との相互作用をシミュレートし、前記第１のスロットル位置を導出する前記スロットルの流体力学的モデル（６０）である、請求項１８に記載のコンピュータ読込み可能媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はモデルベースおよびマップベーススロットル位置導出値ならびにモニタリングのためのシステムおよび方法に関する。

【背景技術】

【0002】

本明細書で開示する発明の主題は、エンジンの制御に関し、より詳しくは、モデルベース技術を適用することによって、所望のエンジン負荷（例えば、トルク）を生成することに関する。

【0003】

本セクションは、以下で説明および／または請求する、本開示のさまざまな態様に関連する可能性のある技術のさまざまな態様を読者に紹介することを意図している。本説明は、本開示のさまざまな態様のより良好な理解を促すために、背景情報を読者に提供するのに有用であると考えられる。したがって、これらの記述は、この観点から読まれるべきであり、先行技術の承認（ａｄｍｉｓｓｉｏｎｓ ｏｆ ｐｒｉｏｒ ａｒｔ）として読まれるべきではない。

【0004】

エンジン（例えば、レシプロエンジンまたはガスタービンなどの内燃機関）は、燃料と空気の混合物を燃焼し、（例えば、ピストンを動かすため、またはタービンを駆動するため）そのエンジンの構成要素に駆動力を印加する燃焼ガスを生成する。トルク出力などの、所望のエンジン負荷を達成するために、エンジンは、スロットルを使用して、エンジンに入る空気および燃料の量を調節することができる。典型的に、スロットルの位置は、所望のトルクおよびエンジン速度が、所望のエンジン速度を生成する所望のトルクをもたらす既知のスロットル位置に基づくとして算出することができる。しかしながら、そのような方法でスロットル位置を判断することは、さまざまな要因を考慮に入れておらず、スロットル制御応答を遅くする可能性がある。

【発明の概要】

【0005】

当初に特許請求される発明の主題に対応する実施形態について、以下で概要を説明する。これらの実施形態は、特許請求される発明の主題の範囲を限定するものではないが、これらの実施形態は、発明の主題の可能な形式の簡潔な概要を提供することのみを意図する。実際に、本発明の主題は、以下に記載する実施形態と同様か、または異なる可能性のある、さまざまな形式を包含することができる。

【0006】

一実施形態において、エンジンシステムは、スロットル弁から下流に配置される第１の圧力センサから送信される第１の圧力信号を受信し、スロットル弁から下流に配置される第１の温度センサから送信される第１の温度信号を受信し、第１の圧力信号の表す第１の圧力を導出し、第１の温度信号の表す第１の温度を導出し、スロットル弁を通る所望の空気−燃料混合流を導出し、所望の空気−燃料混合流、第１の圧力、および第１の温度をモデル入力として使用するよう構成されるモデルを使用して第１のスロットル位置を導出し、マップを使用して第２のスロットル位置を導出し、第１のスロットル位置を第２のスロットル位置と比較し、第１のスロットル位置と第２のスロットル位置とが１つまたは複数の較正閾値内にある場合にスロットル弁を制御するために第１のスロットル位置を適用するよう構成されるエンジン制御システムを含むことができる。

【0007】

一実施形態において、方法は、プロセッサを介して、スロットル弁から下流に配置される第１の圧力センサから送信される第１の圧力信号を受信するステップと、プロセッサを介して、スロットル弁から下流に配置される第１の温度センサから送信される第１の温度信号を受信するステップと、プロセッサを介して、第１の圧力信号の表す第１の圧力を導出するステップと、プロセッサを介して、第１の温度信号の表す第１の温度を導出するステップと、プロセッサを介して、スロットル弁を通る所望の空気−燃料混合流を導出するステップと、プロセッサを介して、所望の空気−燃料混合流、第１の圧力、および第１の温度をモデル入力として使用するよう構成されるモデルを使用して第１のスロットル位置を導出するステップと、プロセッサを介して、マップを使用して第２のスロットル位置を導出するステップと、プロセッサを介して、第１のスロットル位置を第２のスロットル位置と比較するステップと、第１のスロットル位置と第２のスロットル位置とが１つまたは複数の較正閾値内にある場合にスロットル弁を制御するために第１のスロットル位置を適用するステップとを含むことができる。

【0008】

一実施形態において、有形の、非一時的、コンピュータ読込み可能媒体が、符号化された命令を含むことができる。命令は、プロセッサによって実行される場合、スロットル弁から下流に配置される第１の圧力センサから送信される第１の圧力信号を受信し、スロットル弁から下流に配置される第１の温度センサから送信される第１の温度信号を受信し、第１の圧力信号の表す第１の圧力を導出し、第１の温度信号の表す第１の温度を導出し、スロットル弁を通る所望の空気−燃料混合流を導出し、所望の空気−燃料混合流、第１の圧力、および第１の温度をモデル入力として使用するよう構成されるモデルを使用して第１のスロットル位置を導出し、マップを使用して第２のスロットル位置を導出し、第１のスロットル位置を第２のスロットル位置と比較し、第１のスロットル位置と第２のスロットル位置とが１つまたは複数の較正閾値内にある場合にスロットル弁を制御するために第１のスロットル位置を適用するよう構成することができる。

【0009】

本開示のこれらの、および他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むと、より理解されるであろう。添付図面において、同様の参照符号は、図面を通じて、同様の項目を意味する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】一実施形態による、モデルおよびマップベース制御を介してスロットル位置を制御する制御システムを含むエンジンの概略図である。

【図2】一実施形態による、スロットルのすぐ上流および下流のスロットルおよび接続部のモデルの概略図である。

【図3】一実施形態による、モデルベーススロットル位置を導出し、導出されたマップベーススロットル位置でモデルベーススロットル位置導出値をモニタリングするのに適切な処理のフロー図である。

【図4A】一実施形態による、モデルベースおよびマップベーススロットル位置導出値を使用し、エンジン負荷を制御するようモニタリングするシステムの概略図である。

【図4B】一実施形態による、モデルベースおよびマップベーススロットル位置導出値を使用し、エンジン負荷を制御するようモニタリングするシステムの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本開示の１つまたは複数の特定の実施形態について以下で説明する。これらの実施形態に関する簡潔な説明を提供するために、実際の実装態様に関する全ての特徴について本明細書に説明するわけではない。いずれのそのような実際の実装態様の開発において、任意のエンジニアリングもしくは設計プロジェクトの場合と同様に、多数の実装形態特有の決定を、ある実装態様から他の実装態様に変更するなどの、システム関連の制約およびビジネス関連の制約との適合などの、開発者の特定の目的を達成するために行わなければならないことを認識すべきである。さらに、そのような開発努力は、複雑であり、時間を消費するものであろうが、本開示の利点を有する当業者とって、設計、製作、および製造の日常的な仕事であろうことを認識すべきである。

【0012】

本開示のさまざまな実施形態の要素を導入する場合、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「ｓａｉｄ」は、その要素が１つまたは複数存在することを意味することを意図する。「備える」、「含む」、および「有する」という用語は、記載された要素以外の追加の要素が存在する可能性を含む、および意味することを意図する。

【0013】

本開示は、所望のトルクを生成するためにエンジンにおけるスロットル位置をより正確に制御するためのシステムおよび方法に関する。スロットル位置は、スロットル本体内部のスロットルプレートの角度、またはスロットルスローもしくはスロットル移動の量に関することができることに留意されたい。本技術は、ブースト対吸気マニホールド圧力比、吸気マニホールド圧力、吸気温度、空気燃料比、燃料品質（燃料発熱量）およびエンジン動作効率などの、多数の要因を考慮するスロットルの１つまたは複数のモデルを用いてスロットル位置を導出することができる。いくつかの実施形態において、要因は、１つまたは複数のセンサを介して取得されるか、ユーザから入力されるか、自動的に導出されるか、または他の任意の技術により取得することができる。本明細書に記載する技術は、センサが望まない保守状態にある状況でも、スロットル制御をより確実にもたらすことができる。

【0014】

例えば、２次元（２Ｄ）マップベーススロットル位置導出値を使用して、モデルベーススロットル導出値をモニタリングすることができる。２Ｄマップベーススロットル位置導出値は、２Ｄマップが同量の（または、任意の）センサデータを使用しない可能性があるため、モデルベーススロットル位置導出値より堅実である可能性があるが、２Ｄマップは、モデルより正確さに欠けるスロットル位置を導出する可能性がある。したがって、２Ｄマップベーススロットル位置導出値を使用して、モデルを用いて導出したスロットル位置をクロスチェックすることができる。すなわち、２Ｄマップベーススロットル位置導出値およびモデルベーススロットル位置導出値は、連続的に、周期的に、または任意の望ましい割合で、比較することができる。導出値が、ある較正閾値内にある場合、モデルベーススロットル導出値を使用して、エンジン負荷（例えば、エンジントルク）を制御することができる。導出値が、較正閾値を超えるか、較正期間より長くなるか、またはそれらの何らかの組み合わせにより逸脱する場合、スロットルモニタ障害を設定することができ、１つまたは複数の障害応答手順を開始して、障害に対処することができる。いくつかの実施形態において、１つまたは複数の障害応答手順は、マップベーススロットル位置導出値とモデルベーススロットル位置導出値との間でより小さな値を使用すること、障害が較正期間より長く続く場合、および／またはマップベーススロットル位置導出値とモデルベーススロットル位置導出値とが較正閾値量を超えて逸脱する場合、エンジンを停止すること、ワークステーションに警報を送信すること、警告音を鳴らすこと、またはそれらの何らかの組み合わせを含むことができる。

【0015】

開示する技術の利点は、マップベーススロットル導出値のみを使用した場合よりも、スロットルの物理的モデルで含まれるセンサデータを使用することによって所望のトルクに対するスロットル位置のより正確な導出値をもたらすことを含むことができる。また、モデルベーススロットル位置導出値は、より迅速な制御応答、ターボチャージャ開始の間のより高い感度、ならびに動作条件および環境条件が変化した場合のより一様なエンジン性能をもたらすことができる。しかしながら、理解されるように、いくつかの場合において、データをモデルにもたらすセンサのいずれかが応答しない場合、またはいくつかのセンサはドリフトを有するが、依然として動作範囲内にある場合、モデルベーススロットル位置導出値は、望ましくない影響を及ぼす可能性がある。したがって、堅実なマップベーススロットル位置導出値を使用して、モデルベーススロットル位置導出値が適正であることをクロスチェックおよび検証することができる。このようにして、本技術は、モデルベーススロットル位置導出値からのより良好な制御を活用することができ、依然として、マップベーススロットル位置導出値の堅実さを維持することができる。

【0016】

ここで図面および図１を参照すると、スロットル１４の位置を制御する制御システム１２を含むエンジン１０の一実施形態の概略図が示される。エンジン１０は、レシプロエンジンまたはタービンエンジン（例えば、内燃機関）を含むことができる。エンジン１０は、火花点火エンジンまたは圧縮点火エンジンを含むことができる。エンジン１０は、天然ガスエンジン、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、またはデュアル燃料エンジンを含むことができる。エンジン１０は、２ストロークエンジン、３ストロークエンジン、４ストロークエンジン、５ストロークエンジン、または６ストロークエンジンとすることができる。エンジン１０はまた、任意の数のシリンダ１６（例えば、１から２４個のシリンダまたは他の任意の数のシリンダ）ならびに関連するピストンおよびライナを含むことができる。エンジン１０は、機関車、自動車、バス、またはボートなどの、乗物で使用することができる。あるいは、エンジン１０は、発電機に結合された固定システムで使用してもよい。

【0017】

エンジン１０は、吸気マニホールド１８および排気マニホールド２０を含むことができる。いくつかの実施形態において、エンジン１０はまた、給気冷却器２２（例えば、熱交換機）および吸気プレナム２４を含むことができる。図示した給気冷却器２２は、コンプレッサ２６への流体接続を含む。エンジン１０はまた、排気によって駆動するターボチャージャ２８を含むことができる。コンプレッサ２６は、給気冷却器２２による冷却および吸気プレナム２４での加圧のあとで吸気マニホールド１８に取り入れるためにオキシダント（例えば、吸気）３０を圧縮する。燃料３２は、噴射され、マニュアルレギュレータ３４を開くことによって、空気３０と混合され得る。マニュアルレギュレータ３４は、エンジン１０に入る燃料３２の量および流れを調節することができる。いくつかの実施形態において、エンジン１０は、燃料３２を空気３０に加えるために２つのオプションを含むことができる。第１のオプションは、吸引オプション３６を含むことができ、第２のオプションは、吹出オプション３８を含むことができる。吸引オプション３６を使用すると、燃料３２と空気３０とを、吸気マニホールド１８に送られる前に、圧縮、冷却、および加圧以前に混合することができ、吹出オプション３８を使用すると、燃料３２を、吸気マニホールド１８に入る直前に空気３０と混合することができる。密封燃料遮断弁４０により、要望通りに閉じられた場合、エンジン１０への燃料３２の流れを終わらせることができる。

【0018】

空気−燃料混合物は、エンジン１０のある程度の速度を維持するために要求されるトルクの量に従って、制御システム１２によって設定されたスロットル１４の位置に基づいて、スロットル１４を通って流れることが可能となる。空気−燃料混合物は、所望の流率でスロットル１４を通り、吸気マニホールド１８に流れる。吸気マニホールド１８は、シリンダ１６に空気−燃料混合物を一様に分散する。一旦、シリンダ１６において、空気−燃料混合物が燃焼し、高温燃焼ガスが生成され、排気マニホールド２０を通って、ターボチャージャ２８に向けて下流に流れる。例えば、燃焼ガスが、ターボチャージャ２８を通り、ターボチャージャ２８を回転させ、例えば、コンプレッサ２６に余分な空気を導入することによってエンジン１０の効率および動力を増加することができる。コンプレッサ２６は、吸気チャージを圧縮して、ブースト圧を生成することができる。ターボチャージャ２８を通過すると、高温燃焼ガスは、排気４１として排出することができる。また、示すように、エンジンは、ターボチャージャ２８から離れて排気を迂回させて、ターボチャージャ２８の速度を調節するウエイストゲート４２弁を含むことができる。

【0019】

制御システム１２は、エンジン１０全体にわたる１つまたは複数のセンサ４３およびデバイスに接続することができる。例えば、図示した制御システム１２は、スロットル１４ならびにスロットル１４の上流および下流にあるセンサ４３に少なくとも結合される。すなわち、センサ４３は、スロットル１４の入口および出口に（例えば、吸気プレナム２４とスロットル１４との間、およびスロットル１４と吸気マニホールド１８との間に）近接配置することができる。センサ４３は、圧力センサ、温度センサ、および速度センサなどの、大気およびエンジンセンサを含むことができる。例えば、センサ４３は、ノックセンサ、ＮＯ_xセンサ、酸素またはラムダセンサ、エンジン吸気温度センサ、エンジン吸気圧力センサ、ジャケット水温センサ、エンジン排気温度センサ、およびエンジン排気圧力センサなどを含むことができる。他のセンサ４３はまた、温度および圧力に対する、コンプレッサ２６吸気口および排気口センサ４３を含むことができる。センサ４３の配置によって、信号を制御システム１２にもたらして、スロットル１４から上流および下流の圧力および温度を示すことが可能になることを理解すべきである。

【0020】

いくつかの実施形態において、制御システム１２は、１つまたは複数のプロセッサ４４と、開示技術を実行するコンピュータ命令を格納する１つまたは複数の有形非一時的コンピュータ読込み可能媒体（メモリ４５）とを含むことができる。また、制御システム１２は、吸気制御器４６、エンジントルク制御器（ＴＱＣ）４８、ならびにエンジン速度およびトルクリクエスタ（ＲＥＱ）５０などの、特定の機能を実行するさまざまなモジュールを含むことができる。吸気制御器４６は、センサ４３によって取得された圧力および／または温度データ、ならびにスロットル１４を通る空気−燃料混合物の所望の総流量に基づいて、スロットル１４の流体力学的モデル６０（例えば、物理ベースモデル）を使用して、スロットル位置を導出するための機能を提供することができる。スロットル位置を導出するために使用するモデル６０は、ＲＥＱ５０からのエンジン速度およびトルクリクエストを受信する際に導出することができる、所望のトルクなどの、ＴＱＣ４８からの入力を受け取ることができる。さらに、モデルは、燃料発熱量および燃料変換効率などを含む、他の入力を受け取ることができる。さらに、吸気制御器４６はまた、上記したような、２次元（２Ｄ）マップ６１を使用してスロットル位置を導出するための機能を提供することができる。２Ｄマップ６１は、入力として所望のエンジン速度およびトルクを受け取り、関連するスロットル位置を出力することができる。いくつかの実施形態において、２Ｄマップ６１は、所望のトルクおよびエンジン速度をもたらすスロットル位置を出力するルックアップテーブルを含むことができる。

【0021】

以下で詳細に説明するように、吸気制御器４６は、マップ６１ベーススロットル位置導出値と比較することによって、モデル６０を使用して取得したスロットル位置導出値をモニタリングすることができる。モデル６０ベーススロットル位置導出値およびマップ６１ベーススロットル位置導出値が、閾値（例えば、１％、２％、５％、１０％などの、任意の適切なパーセンテージ）内で整合した場合、モデル６０ベーススロットル位置導出値は、スロットル１４に適用され、所望のトルクを生成することができる。具体的には、スロットルプレートは、スロットル本体における決定角度（位置）に設定され、空気−燃料混合物の所望の流れが、スロットル１４を通り、吸気マニホールド１８および空気−燃料混合物が燃焼するシリンダ１６に向かうことを可能にすることができる。閾値は、製造の品質保証段階の間のスロットル１４のテスト中に、および／またはエンジン１０の第１の始動の際に、較正され、（例えば、製造者から送信される）外部ソースを介して取得され得る。モデル６０ベーススロットル位置導出値とマップ６１ベーススロットル位置導出値とが較正閾値内に無く、較正された時間を逸脱し、またはそれらの何らかの組み合わせである場合、制御システム１２は、障害値を設定することができ、１つまたは複数の障害応答手順を開始することができる。モデル６０ベース制御とマップ６１ベース制御とを組み合わせることによって、本明細書で説明する技術は、信頼性および制御の精度を高めることができる。

【0022】

図２は、一実施形態による、スロットル１４のすぐ上流および下流のスロットル１４（例えば、スロットル弁１４）および接続部を有するスロットルシステムのモデル６０の概略図を示す。上記したように、モデル６０は、スロットル１４の物理的（例えば、流体力学的）モデルとすることができる。モデル６０は、スロットルプレート６４の位置（角度）６２を、空気−燃料混合物の所望の流れがスロットル１４を通るようにするべきかを判断するのに有用なシミュレーションを実行することができる。モデル６０は、空気−燃料混合物と、スロットル本体６６およびスロットルプレート６４などの、スロットル１４の表面との相互作用、ならびにさまざまな上流および下流圧力および温度をシミュレートすることができる。さらに、モデル６０は、空燃比、燃料の発熱量、および／またはエンジン動作効率を含むさまざまな要因を考慮することができる。

【0023】

図示したように、モデル６０は、スロットル１４の上流の圧力（Ｐ１）、吸気マニホールド１８でのスロットル１４の下流の圧力（Ｐ２）、スロットル１４の上流の温度（Ｔ１）、吸気マニホールド１８でのスロットル１４の下流の温度（Ｔ２）、およびスロットル１４を通る空気−燃料混合物の総流量（Ｑ）に対する入力を含むことができる。モデル６０は、スロットル１４を通る所望の総流量Ｑを達成するよう、入力を用いて、シミュレーションを実行したあと、所望のスロットル位置６２（θ）を出力することができる。

【0024】

上流圧力および下流圧力（Ｐ１およびＰ２）ならびに上流温度および下流温度（Ｔ１およびＴ２）は、センサ４３から受信したデータから取得することができる。センサ４３のデータを使用して、モデル６０は上流圧力および下流圧力（Ｐ１およびＰ２）ならびに上流温度および下流温度（Ｔ１およびＴ２）に基づいて、スロットル位置６２（θ）を調整することができる。例えば、上流圧力Ｐ１が高い場合、スロットル位置６２（θ）は、より大きい角度に開くであろう。しかしながら、吸気圧力Ｐ１が低い場合、モデル６０は、スロットル位置６２（θ）がより小さい角度に開くであろうように導出することができる。さらに、モデル６０は、エンジン１０におけるある部品の劣化を考慮することができる。例えば、燃料アクチュエータが遅くなっている場合、圧力Ｐ１および／またはＰ２は形成されない可能性があり、センサ４３は、圧力Ｐ１および／またはＰ２の低下を検出する可能性があり、モデル６０は、それに応じて、スロットル位置６２（θ）を調整することができる。このようにして、モデル６０は、シミュレーションを実行している場合、より正確なスロットル位置６２（θ）をもたらすよう変更するように、動作状態および環境条件を考慮することができる。

【0025】

所望の総流量Ｑは、所望の量の燃料、所望の量の空気、および所望のトルクを生成するのに必要な所望の量の排気再循環（ＥＧＲ）に関する入力から導出することができる。燃料の量は、燃料発熱量を使用するモデル６０およびＴＱＣ５０によって入力されたトルクによって導出することができる。燃料発熱量は、燃料のエネルギに関係する。トルクおよび燃料発熱量に基づいて、モデル６０は、燃料の量を導出することができる。例えば、燃料発熱量が高い場合、燃料がより早く燃焼する可能性があるため、所望のトルクを生成し続けるために、より多くの燃料が必要となる可能性があり、その逆も成り立つ。いくつかの実施形態において、燃料発熱量は、ヒューマン・マシン・インタフェース（ＨＭＩ）でユーザによって入力してもよく、および／またはモデル６０を使用して自動的に導出してもよい。

【0026】

次いで、必要な燃料の量と燃料発熱量とを使用して、必要な空気の量を導出することができる。例えば、規制排出要件を満たすために、空燃比（ＡＦＲ）は、ある量（例えば、４０／６０、５０／５０、６０／４０など）にすることが必要である。したがって、必要な燃料の量に基づいて、吸気制御器４６は、排出要件を満足するよう空燃比を満たすのに必要とされる空気の量を判断することができる。したがって、理解されるであろうように、空燃比は、燃料発熱量に依存する。さらに、ＥＧＲの量が、吸気システムに戻る排気の予期される排気および再循環を判断するために、空気および燃料の量に加えて使用される。燃料の量、空気の量、およびＥＧＲの量を使用して、モデル６０は、スロットル位置６２（θ）を導出する場合に使用するための総流量Ｑを導出することができる。

【0027】

図３は、一実施形態による、モデルベーススロットル位置６２（θ）を導出し、導出されたマップ６１ベーススロットル位置でモデルベーススロットル位置６２（θ）導出値をモニタリングするのに適切な処理７０のフロー図を示す。処理７０は、メモリ４５に格納されて、プロセッサ４４によって実行可能な、コンピュータ命令として実施することができる。処理７０は、上流圧力および下流圧力（Ｐ１およびＰ２）、ならびに上流温度および下流温度（Ｔ１およびＴ２）、ならびに空気−燃料混合物の総流量Ｑに関する入力を受信するステップ（処理ブロック７２）を含むことができる。次いで、処理７０は、スロットル位置６２（θ）を導出し（処理ブロック７４）、マップ６１を使用して導出されたスロットル位置と比較することによってモデルの導出されたスロットル位置６２（θ）をモニタリングする（処理ブロック７６）ことができる。次いで、処理７０において、モデルの導出されたスロットル位置６２（θ）およびマップ６１の導出されたスロットル位置が、較正された閾値量、時間量を較正した閾値、またはそれらの何らかの組み合わせを超えるまで変化した場合に、障害が生じた可能性がある（処理ブロック７８）。処理７０において、モデルベーススロットル位置６２（θ）導出値を使用して、マップベーススロットル位置導出値と共に閾値量内にある場合に、スロットル１４の位置を制御することができる（処理ブロック８０）。すなわち、処理７０では、まず、モデルベース制御を使用し、次いで、モデル６０ベース制御を介して導出された位置と、マップ６１ベースの値とを比較し、信頼性を向上することができる。

【0028】

処理ブロック７２を開始すると、モデル６０は、上流圧力および下流圧力（Ｐ１およびＰ２）ならびに上流温度および下流温度（Ｔ１およびＴ２）をセンサ４３のデータから受信することができ、総流量Ｑを、さまざまな要因に基づいて、導出することができる。より具体的には、総流量Ｑは、所望のトルクを生成するのに必要な、燃料の量、空気の量、および／またはＥＧＲの量に基づいて導出することができる。以下により詳細に説明するように、燃料の量は、燃料発熱量と、ＴＱＣ４８から入力される所望のトルクに基づいて判断することができる。燃焼に必要な空気の量は、必要な燃料の量および空燃比（ＡＦＲ）に基づいて導出することができ、放出要件に基づいて設定することができる。モデル６０は、入力を受け取り、スロットル位置６２（θ）を導出し、総流量Ｑがスロットル１４を通ることを可能にするようスロットル１４に適用することができる（処理ブロック７４）。

【0029】

処理ブロック７６では、処理７０は、２Ｄマップ６１（例えば、ルックアップテーブル）を使用して導出されたスロットル位置と比較することによってモデルベーススロットル位置６２（θ）導出値をモニタリングするステップを含むことができる。２Ｄマップ６１は、上記のように、ＴＱＣ４８によって送信されたトルクおよび所望のエンジン速度をもたらすスロットル位置を提供することができる。モデル６０ベーススロットル位置導出値とマップベーススロットル位置導出値との間の逸脱が、較正閾値より大きくなる場合、または時間の較正閾値より長く生じる場合、またはその両方の場合、障害値を設定することができる（処理ブロック７８）。障害値を設定されることで、１つまたは複数の障害応答手順を開始することができる。

【0030】

障害応答手順は、マップ６１ベーススロットル位置導出値とモデル６０ベーススロットル位置６２（θ）導出値との間のスロットル位置に対するより小さな値を使用するステップ、導出値が較正閾値量より大きい場合および／または導出値が時間の較正量より長く続く場合に停止するステップ、警告をワークステーションに送信するステップ、スロットルが期待したように動作しない状況または位置が存在するかどうかを判断するために製造者に導出値を報告するステップ（遠隔モニタリング）、警告音を鳴らすステップ、またはそれらの何らかの組み合わせを含むことができる。上記したように、閾値は、エンジン１０のテストの間に確立することができる。いくつかの実施形態において、閾値は、充分な余裕を伴い較正され、過度の感度のために非常に多くの障害が引き起こされないようにすることができる。

【0031】

モデル６０ベーススロットル位置導出値およびマップ６１ベーススロットル位置導出値が互いに較正閾値内にある場合、モデル６０ベーススロットル位置６２（θ）導出値を使用して、エンジン１０の負荷（エンジン１０のトルク）を制御することができる（処理ブロック８０）。このようにして、本技術は、モデル６０ベーススロットル位置６２（θ）導出値のより正確な制御を活用し、一方、同時に、マップ６１ベーススロットル位置導出値の堅実性を活用し、モデル６０の結果をクロスチェックし、適度なスロットル位置６２（θ）が、スロットル１４に導出されたスロットル位置６２（θ）を適用する前に導出されていることを確実にする。これにより、モデル６０が、センサ４３に障害が発生した場合にエンジン１０の望まない保守状況に繋がる可能性があるスロットル位置６２（θ）を導出し、不正確なデータをモデル６０にもたらすことを抑制することができる。

【0032】

図４Ａおよび図４Ｂは、一実施形態による、モデル６０ベーススロットル位置導出値およびマップ６１ベーススロットル位置導出値を使用し、エンジン１０の負荷を制御するようモニタリングする制御システム９０の概略図を示す。システム９０は、エンジン速度およびトルクリクエスタ（ＲＥＱ）５０、エンジントルク制御器（ＴＱＣ）４８、および吸気制御器４６を含むことができ、マップ６１ベーススロットル位置導出値およびモデル６０ベーススロットル位置導出値を適用して、エンジンシステム１０を制御することができる。ＲＥＱ５０は、エンジン１０の速度およびトルク設定点を含むことができる。例えば、所望のエンジン１０速度のために、ＲＥＱ５０は、各トルク設定点を提供して、所望のエンジン１０速度を生成することができる。さらに、ＲＥＱ５０は、ある種類の負荷およびエンジン１０に対するプロファイルをロードおよびディロードすることを含むことができる。システム９０は、駆動されたアプリケーション（負荷）について把握する必要が無いことに留意されたい。実際に、負荷は、スワップアウトすることができ、システム９０は、どの種類の負荷が駆動されているかを正確に把握することなく切り替えを判断することができる。すなわち、システム９０を使用して、導出されたスロットル１４の位置は、駆動されている特定のアプリケーションについての知識が無くても、独立して判断することができる。

【0033】

ＲＥＱ５０は、エンジン１０の速度およびトルクリクエストをＴＱＣ４８にもたらすことができる。ＴＱＣ４８は、トルクリクエストを受信し、トルクコマンド９５を出力することができ、トルクコマンド９５は、モデル６０ベーススロットル位置導出値およびマップ６１ベーススロットル位置導出値によって使用される。いくつかの実施形態において、ＴＱＣ４８は、トルク損失コンポーネント９６を使用して、摩擦などを考慮することができる。トルクリクエストは、速度およびトルク調節コンポーネント９８によって調整することができる。さらに、ＴＱＣ４８は、トリミングされたトルクリクエストがトルク率閾値１００をパスするかどうかを判断することができる。高速トルクまたはアイドル速度は、燃料燃焼効率推定器１０４と点火モジュール１０６とに結合される点火制御器１０２に送信することができる。低速トルクは、指示されたトルクリミッタ１０７を通過し、トルクコマンド９５として出力することができる。

【0034】

図示したように、モデルベーススロットル位置導出値は、燃料流制御器（ＦＦＣ）１０８コンポーネント、空気流制御器（ＡＦＣ）１１０コンポーネント、および総流量Ｑ制御器１１２コンポーネントを含むことができる、さまざまなコンポーネントから取得される導出値などの、モデル６０を適用することによって算出される導出値を含み、スロットル位置６２（θ）を導出することができる。ＦＦＣ１０８は、少なくとも３つの入力を、すなわち、各シリンダに対するＴＱＣ４８からのトルクコマンド９５と、ユーザによって入力される、および／または自動的に導出される、燃料発熱量１１４と、燃料変換効率推定１０４とを受け取ることができる。

【0035】

ＦＦＣ１０８は、トルクコマンド９５、燃料発熱量１１４、および燃料変換効率推定１０４を使用して、所望のトルクを生成するために各シリンダにおける燃焼の間に必要とされる可能性のある燃料の量を導出することができる。ＦＦＣ１０８は、トルクおよび各シリンダで必要とされる燃料の導出された量を、ＡＦＣ１１０、総流量Ｑ制御器１１２、および燃料アクチュエータ１１６に出力することができる。燃料アクチュエータ１１６は、燃料を、要求されたようにエンジン１０に噴射することができる。制御システム９０は、アクチュエータ１１６からシリンダへの間の燃料搬送遅延１１７を考慮することができることに留意されたい。さらに、制御システム９０は、ある放出要件に基づいて、エンジン１０に噴射される燃料の量および／または流れを減らすことができる空燃比（ＡＦＲ）燃料トリムコンポーネント１１８を含むことができる。

【0036】

要求された燃料の量および所望のトルクを使用して、ＡＦＣ１１０は、空燃比（ＡＦＲ）設定点１１９に基づいて、適切な燃焼のためにシリンダ内で必要とされる空気の量を導出することができる。例えば、ＡＦＲ設定点１１９が５０％である場合、ＡＦＣ１１０は、空気−燃料混合物が燃料を５０％、空気を５０％含まなければならないと判断することができる。したがって、この例では、要求された量の燃料と同じ量の空気が、ＡＦＲ設定点１１９を達成するために使用されなければならない。いくつかの実施形態において、ＡＦＲ設定点１１９は、規制排出要件に従って設定してもよい。ＡＦＣ１１０は、各シリンダでの空気の量および所望のトルクを、総流量Ｑ制御器１１２に出力することができる。

【0037】

また、いくつかの実施形態において、総流量Ｑ制御器１１２は、ＥＧＲ流量制御器１２０からの入力を受け取ることができる。ＥＧＲ流量制御器１２０は、予期される排気を判断し、吸気システムを通って戻るためのＥＧＲの量を導出することができる。ＥＧＲ流量制御器１２０は、ＥＧＲリクエストをＥＧＲ弁制御器１２２に送信し、判断されたようにＥＧＲの量を制御することができる。

【0038】

ＦＦＣ１０８から要求された燃料の量、ＡＦＣ１１０から要求された空気の量、および／またはＥＧＲ流量制御器１２０から要求されたＥＧＲの量を使用して、総流量Ｑ制御器１１２は、スロットル１４を通過するための所望の総流量Ｑを導出することができる。モデル６０は、上流圧力および下流圧力（Ｐ１およびＰ２）ならびに上流温度および下流温度（Ｔ１およびＴ２）と共に、総流量Ｑを使用し、所望の総流量Ｑがスロットル１４の物理的（流体力学的）モデル６０をより最適に横断することを可能にするのはどの位置かを判断するためにシミュレーションを実行することによってスロットル位置６２（θ）を導出することができる。

【0039】

図示したように、マップ６１ベーススロットル位置導出値を使用して、モデル６０ベーススロットル位置導出値をモニタリングすることができる。マップ６１は、入力としてＴＱＣ４８からのトルクコマンド９５および所望のエンジン速度１２４を受信することができ、関連するスロットル位置を導出することができる。上記したように、マップ６１は、スロットル位置を導出するためにセンサデータを使用しない可能性があり、関連したトルク、エンジン速度、およびスロットル位置を伴うルックアップテーブルを含むことができる。マップ６１は、２つの入力、すなわち、トルク９５およびエンジン速度１２４を受け取るので、２次元（２Ｄ）とすることができる。システム９０は、連続的に、周期的に、またはその組み合わせで、マップ６１ベーススロットル位置導出値を、モデル６０ベーススロットル１４位置導出値と比較し、導出値が、互いの較正閾値内にあるかどうかを確認することができる。導出値が較正閾値内に無い場合、システム９０は、上記のように、１つまたは複数の障害応答手順を実行することができる。

【0040】

本開示の技術的効果は、モデル６０ベースアプローチを使用してより正確なスロットル１４位置を導出すること、および２Ｄマップ６１を使用して導出されたスロットル位置を使用してモデル６０の精度をクロスチェックすることを含む。スロットル１４のモデル６０は、上流圧力および下流圧力（Ｐ１およびＰ２）ならびに上流温度および下流温度（Ｔ１およびＴ２）、燃料発熱量１１４、およびエンジン動作効率（燃料変換効率１０４）などの、さまざまな要因を考慮することができる。圧力（Ｐ１およびＰ２）ならびに温度（Ｔ１およびＴ２）に関するデータは、１つまたは複数のセンサ４３を介して取得することができ、したがって、モデル６０が、環境状態および動作状態に対して、それらが変化した場合に調整することを可能にする。マップ６１ベーススロットル１４位置導出値を使用することによって、本技術は、モデル６０ベーススロットル１４位置導出値をクロスチェックし、ある較正閾値が満たされない場合に障害であると設定することができる。このようにして、本技術は、モデル６０ベーススロットル１４位置導出値から取得されたより良好な制御を活用し、一方、マップ６１ベーススロットル１４位置導出値の堅実さを維持する。

【0041】

本明細書は最良の形態を含む本開示の技術を開示するため、および、あらゆるデバイスまたはシステムを製作し、ならびに使用し、およびあらゆる組込方法を実行することを含む任意の当業者が本開示の技術を実施することを可能にするための例を用いる。開示の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差が無い構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差が無い等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にある。

【符号の説明】

【0042】

１０ エンジン、エンジンシステム
１２ 制御システム
１４ スロットル、スロットル弁
１６ シリンダ
１８ 吸気マニホールド
２０ 排気マニホールド
２２ 給気冷却器
２４ 吸気プレナム
２６ コンプレッサ
２８ ターボチャージャ
３０ 空気
３２ 燃料
３４ マニュアルレギュレータ
３６ 吸引オプション
３８ 吹出オプション
４０ 燃料遮断弁
４１ 排気
４２ ウエイストゲート
４３ センサ
４４ プロセッサ
４５ メモリ
４６ 吸気制御器
４８ エンジントルク制御器（ＴＱＣ）
５０ エンジン速度およびトルクリクエスタ（ＲＥＱ）
６０ 流体力学的モデル
６１ ２次元（２Ｄ）マップ
６２ モデルベーススロットル位置
６４ スロットルプレート
６６ スロットル本体
７０ 処理
７２ 処理ブロック
７４ 処理ブロック
７６ 処理ブロック
７８ 処理ブロック
８０ 処理ブロック
９０ 制御システム
９５ トルクコマンド
９６ トルク損失コンポーネント
９８ 速度およびトルク調節コンポーネント
１００ トルク率閾値
１０２ 点火制御器
１０４ 燃料燃焼効率推定器、燃料変換効率推定、燃料変換効率
１０６ 点火モジュール
１０７ トルクリミッタ
１０８ 燃料流制御器（ＦＦＣ）
１１０ 空気流制御器（ＡＦＣ）
１１２ 総流量Ｑ制御器
１１４ 燃料発熱量
１１６ 燃料アクチュエータ
１１７ 燃料搬送遅延
１１８ 空燃比（ＡＦＲ）燃料トリムコンポーネント
１１９ 空燃比（ＡＦＲ）設定点
１２０ ＥＧＲ流量制御器
１２２ ＥＧＲ弁制御器
１２４ エンジン速度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】