JP2005120929A - ディーゼル機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ過給手段および排ガス再循環手段を備えたディーゼル機関に利用する、吸気量センサの劣化または不具合をバックアップする。ディーゼル機関のターボ過給および排ガス再循環の制御を合理的に実行する。
【解決手段】制御回路に設けられた大気圧センサの出力、ディーゼル機関の吸気マニホールドに設けられた気圧センサの出力、およびターボ過給手段の回転翼回転センサからの出力を取込み、吸気量を関数演算する。演算結果を吸気量センサの検出出力と比較して異常値を示すときに警報を発生する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ターボ過給手段および排ガス再循環（EGR、Exhaust Gas Recirculation)手段を備えたディーゼル機関の制御に利用する。本発明はディーゼル機関の排ガス浄化およびディーゼル機関の運転効率の改善に関する。本発明は、ディーゼル機関の吸気通路に設けられた吸気流量センサをバックアップするために開発された装置であるが、バックアップとしての利用に限らず、センサを設けることなく吸気流量を推定演算するための装置として利用することができる。

ディーゼル機関の排ガス流を利用して吸気を圧縮加速するターボ過給手段、およびディーゼル機関の排ガスの一部を吸気に還流する排ガス再循環手段は、自動車のディーゼル機関に広く利用されるようになった。これらは、排ガスの浄化のために不可欠であるとともに、ディーゼル機関の効率的な運転を行うためにもきわめて有用である。そしてこれらの装置を目的にかなうように運転するには、高い精度の制御が必要である。このための制御は複数の入力情報に基づき、プログラム制御回路により実行される。

このプログラム制御回路の主要な入力情報は、エンジンの回転情報、エンジンの負荷情報（アクセル・ペダルの踏み込み量）、吸気マニホールドの気圧情報、吸気通路の流量情報、各部温度情報、ターボ過給手段の圧縮機回転情報その他である。一方、このプログラム制御回路の主要な制御出力は、燃料ポンプを制御する燃料供給量、ターボ過給のための空気供給量および排ガス再循環のための循環量を制御する制御弁の開度などである。

下記［特許文献１］に記載された発明は、本願出願人に係る先願であり、ディーゼル機関のターボ過給手段および排ガス再循環手段について、その制御特性を改善するものである。

特開２００３−２１０００号公報

上記説明の入力情報のうち吸気通路の流量情報としては、従来から熱線流速計の出力情報が利用されている。熱線流速計は、吸気通路に通電発熱している金属線を配置し、吸気によりその金属線が冷却されると、その金属線の温度を維持するように電流を自動的に調節するサーボ制御系が設けられている。そしてそのサーボ制御系がその金属線に供給する電流値から、その速度すなわち流量を算出するように構成された装置である。

この熱線流速計は計測精度が高く優れた装置であるが、使用状態ではセンサとなる金属線は細い電線であり、この金属線には常に電流が供給され比較的高温の状態で使用されているから、他の部品に比べるとどうしても劣化が早くなる。断線するなどの劣化であれば保守交換が可能であるが、経年的に計測数値が変動するような劣化形態の場合には、熱線流速計が劣化したことを適正に検出することができない場合が考えられる。このため本願発明者は、何らかの手法により、吸気通路の流量に関する情報源を二重化しておくことが合理的であると考えた。吸気通路に同様装置を二重に設けることが考えられるが、高価であるとともに、二重に設けた装置は同一傾向で経年劣化するものと考えられるから、かならずしも合理的でない。

本発明はこのような背景に行われたものであって、本発明は、吸気通路における流量計測の信頼性を向上することを目的とする。本発明は吸気通路に設ける流量センサの劣化を監視することができる装置を提供することを目的とする。本発明は、基本的にハードウエアを増設することなく、流量計測値の信頼性を向上し、流量センサを監視することができる装置を提供することを目的とする。本発明は、ハードウエアを増設することなく、吸気通路に設ける流量センサに代わる吸気流量の計測手段を提供することを目的とする。

本発明は、ディーゼル機関の吸気マニホールド内部の気圧を監視する気圧センサの出力ｐ₁、大気圧センサの出力ｐ₀、およびターボ過給手段の回転翼回転速度ωの情報を取込み、この三つの値を含む入力情報から、あらかじめ設定された関数演算により吸気流量を推定することを特徴とする。吸気マニホールド内の気圧センサは、ディーゼル機関の制御入力情報を得るために従来からすでにもうけられている。大気圧ｐ₀の情報は、従来装置ですでに制御回路の内部に設けられている大気圧センサからの出力を利用することができる。ターボ過給手段の回転翼回転速度はターボ制御を高精度化するために、これからのディーゼル機関に導入されるものと考えられる。

すなわち本発明は、ターボ過給手段、インタークーラおよび排ガス再循環手段を備えたディーゼル機関の制御装置において、吸気マニホールドに設けた気圧センサの出力値ｐ₁、大気圧センサの出力値ｐ₀およびターボ過給手段の圧縮機回転速度ωを含む情報を入力情報とし、前記ディーゼル機関に供給される単位時間あたりの吸気流量ｖをあらかじめ設定されたｐ₁、ｐ₀およびωの関数
ｖ＝ｆ(ｐ₁,ｐ₀,ω)
として演算する手段を備えたことを特徴とする。

前記関数は、マップ情報として制御対象となるディーゼル機関の機種またはそのディーゼル機関が取付けられた車種対応に設定することができる。また、前記マップ情報は、前記ｐ₁およびｐ₀の比（ｐ₁／ｐ₀）に対して単位時間あたりの吸気流量ｖを求める変換マップを含む構成とすることができる。比（ｐ₁／ｐ₀）を利用することにより、二つの圧力値は別のパラメタとなることはなく、上記関数ｆ(ｐ₁,ｐ₀,ω)は、三次元の関数ではなく、二次元の関数として扱うことができる。

ディーゼル機関に供給される吸気流量を流速計により計測するほかに独立に推定演算することにより、流速計の劣化を監視することができるとともに、吸気流量の計測が不適当になったことによる制御の乱れを回避することができる。さらに、本発明の手法を独立に利用することにより、吸気流量を計測するための流速計を省くことも可能になる。

図１は本発明実施例装置のブロック構成図である。このディーゼル機関１１には、ターボ過給手段１２、および排ガス再循環手段１３が設けられている。

ターボ過給手段１２は、排気マニホールド1４から排出される排気通路の内部に、排気流により回転駆動される第一の回転翼１５が設けられ、この第一の回転翼１５の回転軸１６は、排気通路と吸気通路との間に設けられた壁面を貫通し、吸気通路に設けられた第二の回転翼１７を駆動するように構成されている。この構成により吸気通路に設けられた第二の回転翼１７は吸気通路の空気流を加速する。そして本発明の構成では、この回転軸には回転センサ３が設けられている。この回転センサ３は回転翼の回転力の負荷にならないように、近接センサ等を利用する。回転センサ３の検出出力は電気信号であり、制御回路１０に取込まれる。吸気マニホールド２１からディーゼル機関１１に供給される空気の気圧は気圧センサ１により検出され、電気信号として制御回路１０に取込まれる。

制御回路１０はプログラム制御回路であり、ディーゼル機関１１の回転センサ出力４および負荷センサ出力５（アクセル開度）の情報を入力情報とし、図外の燃料供給ポンプを制御することにより、このディーゼル機関１１の回転速度および出力を制御する。制御回路１０は静翼回転手段６を制御することにより、ターボ過給の程度を制御する。さらにこの制御回路１０は排ガス再循環手段１３を制御する。

排ガス再循環手段１３は、排気マニホールド１４から排気ガスの一部を分流し、制御弁１８、管路１９、クーラ２０を介して吸気マニホールド２１に排気の一部を還流するための装置である。吸気マニホールド２１の内部温度は、吸気温度センサ７により検出されて制御回路１０に取込まれる。制御回路１０は制御弁１８に制御信号を送出して再循環の程度を制御する。

ここで本発明に係る吸気の流れについて説明すると、吸気は大気に開口するエアクリーナ２２を経由して、ターボ過給手段１２に供給される。ターボ過給手段１２により加速された空気流は、吸気管２３、インタークーラ９を経由して、吸気マニホールド２１からディーゼル機関１１に供給される。上述のように吸気マニホールド２１の気圧は気圧センサ１から制御回路１０に電気信号として取込まれる。制御回路１０には、その内部に大気圧センサ２を備えていて、大気圧の情報はこの大気圧センサ２から取込まれる。この大気圧センサ２は、車両が高地を走行するとき吸気中の酸素が希薄になるから、その制御関数を変更するために必要な情報を検出する目的で設けられたセンサである。すなわち多くのディーゼル機関の制御回路にはすでに大気圧センサ２は搭載されている。そしてターボ過給手段１２のインレット側の通路には、吸気量センサ８が設けられている。

本発明の装置は上記説明のように、この吸気量センサ８をバックアップするための装置である。すなわち吸気量センサ８の出力情報が合理的な検出出力信号を送出しているか否かを検出するために、この吸気量センサ８の出力に依存しない独立の吸気量情報を得ようとするものである。

すなわち本発明の構成では、吸気マニホールド２１の内部気圧を検出する気圧センサ１の出力ｐ₁と、上記説明の大気圧センサ２の出力ｐ₀と、ターボ過給手段１２に設けた回転翼回転センサ３の出力ωを変数として、制御回路１０にあらかじめ設定された関数
ｖ=ｆ(ｐ₁,ｐ₀,ω)
により単位時間あたりに吸気管２３を通過する空気体積（空気流速）ｖを演算する。この実施例装置では、上記関数ｆは制御回路１０のソフトウエアに演算プログラムとして追加する形式とした。この演算プログラムは、ディーゼル機関の種類により、ディーゼル機関が搭載された車種により、プログラムに設定されるパラメタが異なる。したがって、この追加する演算プログラムは、ディーゼル機関の機種または搭載される車両の車種ごとに、パラメタが少しずつ変更されたものとなる。これはそれぞれ制御回路１０に後からインストールすることもできるし、機種または車種ごとに、メモリ素子（ROM, Read Only Memory)に記録されたプログラム変更部分を個別に付加することによっても対応することができる。

この実施例装置では、上記演算結果により求めた空気流速ｖの値が吸気量センサ８の出力値と所定以上に隔たっているかをチエックして、所定以上の隔たりがあるときに運転席に警報を発生するように構成した。一例として、このチエックはディーゼル機関の始動ごとに実行する。この警報は、運転を停止するための警報ではなく、サービス工場で保守点検を受けるように促す二次的な警報である。この構成により、吸気量センサ８が劣化してもそれを知らずに運転を継続するようなことが回避できる。

つぎに制御回路１０に設定された上記関数ｆ（ｐ₁,ｐ₀,ω）について説明する。図２はターボ過給手段のコンプレッサ流量特性を示す。横軸にターボ回転翼の回転速度（ω）をとり、縦軸に圧力比（ｐ₁／ｐ₀）をとる。この圧力比は、図１で説明した気圧センサ１の出力ｐ₁と大気圧センサ２の出力ｐ₀との比である。この座標軸で吸気量Ｖｘをパラメタにとると、吸気量の値にしたがって図２に示す特性となる。すなわち吸気量Ｖｘが小さいときには、ターボ翼の回転速度に対して圧力比特性は右上がりの急な傾斜になり、吸気量Ｖｘが大きいときには、ターボ翼の回転速度に対して圧力比特性は右上がりの緩い傾斜になる。これを図２に複数の曲線で表示する。

ところで上記圧力比（ｐ₁／ｐ₀）は、本来コンプレッサの直後の気圧と直前の気圧との比を用いなければならないが、それらの位置には気圧センサは配置されていない。そこで大気圧センサ２の出力値ｐ₀に対する吸気マニホールドに配置した気圧センサ１の出力ｐ₁との比、すなわち（ｐ₁／ｐ₀）を、圧力比の初期値としてターボ回転翼の回転速度ω_１とともに制御回路１０に与えて、図２に示す特性から暫定の吸気量Ｖ′が求まる。

大気圧からコンプレッサ直前の気圧まで、およびコンプレッサ直後の気圧から吸気マニホールドの気圧までは、空気が流れている状態では、それぞれ、配管、エアクリーナ、インタークーラに起因する圧力損失ｐＬ₀，ｐＬ₁が生じる。そしてこれらは管路を流れている吸気量の関数であり、管路の構造が固定されていれば一義的に定めることができる。すなわち図３はコンプレッサ直後から吸気マニホールドに設けた気圧センサまでの圧力損失特性であり、図４は大気圧からコンプレッサ直前までの圧力損失特性である。図３および図４の特性を制御回路１０に設定しておくことにより、吸気量Ｖ′からそれぞれ圧力損失ｐＬ₀およびｐＬ₁を求めることができる。そして図２で求めた暫定の吸気量V′について、それぞれ圧力ｐ₁については（ｐ₁−ｐＬ₁)、圧力ｐ₀については(ｐ₀−ｐＬ₀)が求まるから、この圧力比は
（ｐ₁−ｐＬ₁）／（ｐ₀−ｐＬ₀）
となり、これを図２の圧力比として利用することにより真の吸気量Ｖを求めることができる。上記説明の変換を関数ｆとして制御回路１０に保持しておき、そのつど演算を実行することにより、気圧センサがそれぞれの位置に配置されていなくとも吸気量Ｖを演算により求めることができる

上記説明は、従来装置ですでに設置されている吸気量センサをバックアップする装置として説明したが、本発明による吸気量推定演算が一般的に有用であることが多数の車両について実証されるなら、吸気量センサそのものを本発明の構成の装置に置き換えて実施することも期待できる。

本発明実施例装置のブロック構成図。 本発明装置の関数演算を実行するための装置特性図。 本発明装置の関数演算を実行するための装置特性図。 本発明の関数演算を実行するための装置特性図。

符号の説明

１ 気圧センサ
２ 大気圧センサ
３ 回転翼回転センサ
４ ディーゼル機関の回転センサ出力
５ 負荷センサ出力
６ 静翼回転手段
７ 吸気温度センサ
８ 吸気量センサ
９ インタークーラ
１０ 制御回路
１１ ディーゼル機関
１２ ターボ過給手段
１３ 排ガス再循環手段
１４ 排気マニホールド
１５ 第一の回転翼
１６ 回転軸
１７ 第二の回転翼
１８ 制御弁
１９ 管路
２０ クーラ
２１ 吸気マニホールド
２２ エアクリーナ
２３ 吸気管

Claims (3)

1. ターボ過給手段、インタークーラ、および排ガス再循環手段を備えたディーゼル機関の制御装置において、
   吸気マニホールドに設けた気圧センサの出力値ｐ₁、大気圧センサの出力値ｐ₀およびターボ過給手段の圧縮機回転速度ωを含む情報を入力情報とし、前記ディーゼル機関に供給される単位時間あたりの吸気流量ｖをあらかじめ設定されたｐ₁、ｐ₀およびωの関数
   ｖ=ｆ(ｐ₁,ｐ₀,ω)
   として演算する手段を備えたことを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
2. 前記関数は、マップ情報として制御対象となるディーゼル機関の機種対応に設定された請求項１記載のディーゼル機関の制御装置。
3. 前記マップ情報は、前記ｐ₁およびｐ₀の比（ｐ₁／ｐ₀）に対して単位時間あたりの吸気流量ｖを求める変換マップを含む請求項２記載のディーゼル機関の制御装置。

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