JP2005226479A - ディーゼルエンジンの制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ポスト噴射またはアフター噴射を開始したときのトルク変動を抑制する。
【解決手段】ターボ過給機と、メイン噴射後にアフター噴射またはポスト噴射を行うことが可能な燃料噴射手段と、ＥＧＲバルブやスロットルバルブ等の空気系の装置を吸入空気量や空気過剰率に基づいてフィードバック制御する手段とを備えるディーゼルエンジンにおいて、アフター噴射またはポスト噴射を行う運転への切り替え時に、前記フィードバック制御に用いるフィードバックゲインの大きさを制限する制限手段を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ターボ過給機付きディーゼルエンジンの制御に関し、特に、アフター噴射またはポスト噴射を行う場合の制御に関する。

ターボ過給機付きのディーゼルエンジンにおいて、排気中のＮＯｘ排出量およびスモーク量を低減するために、吸気管への排気還流量（ＥＧＲ量）を調節して燃焼室内の空燃比を制御する方法が用いられている。ところが、ＥＧＲ量は目標値に対して応答遅れがあるので、加速時にＥＧＲ量の目標値をゼロにしても、実際のＥＧＲ量は直ちにゼロにはならず、また、いわゆるターボラグによる吸気量不足も相俟って、燃焼室内の空燃比は一時的にリッチになる。さらに、ターボラグにより加速性能が低下することにより運転者のアクセルペダル踏み込み量が増加して、排気中のスモーク発生量が増大してしまうという問題があった。

上記の問題を解消するための方法として、特許文献１には、吸気量と燃料噴射噴射量とに基づいて、燃焼室内の空燃比が目標値になるようにＥＧＲ流量をフィードバック制御する方法が開示されている。
特開２０００−１６１１１０号

ところが、燃費性能の向上やスモーク量、ＨＣの低減のために、メイン噴射後に少量の燃料を噴射するポスト噴射やアフター噴射を行う場合には、通常の運転から前記ポスト噴射やアフター噴射を追加する運転に切り替えたときに、急激な排気エネルギーの上昇により、ターボ過給機のタービン回転数が一瞬上昇する。その後、新たに吸入する吸気量（以下、吸気量という）が増加して排気圧力とブースト圧がバランスしたところでタービン回転数は安定するが、ＥＧＲ弁やスロットル弁の開度を特許文献１のようにフィードバック制御していた場合、目標値と実値が一瞬ずれることにより、ＰＩまたはＰＩＤ制御器からのフィードバックゲインが大きくなり、これによりＥＧＲ弁やスロットル弁が動くことになる。これにより、結果としてＥＧＲ率や吸気量の変化が大きくなり、車両の乗員に不快感を与えることとなる。

そこで、本発明では、ポスト噴射やアフター噴射を行うときのＥＧＲ量や吸気量の変化を抑制することを目的とする。

本発明の制御装置は、ターボ過給機と、メイン噴射後にアフター噴射またはポスト噴射を行うことが可能な燃料噴射手段と、ＥＧＲバルブやスロットルバルブ等の空気系の装置を吸入空気量や空気過剰率に基づいてフィードバック制御する手段とを備えるディーゼルエンジンの制御装置であって、アフター噴射またはポスト噴射を行う運転への切り替え時に、前記フィードバック制御に用いるフィードバックゲインの大きさを制限する制限手段を備える。

本発明によれば、アフター噴射またはポスト噴射を行う運転への切り替え時に、フィードバック制御されるＥＧＲバルブやスロットルバルブ等のフィードバックゲインの大きさを制限するので、アフター噴射やポスト噴射による急激な排気エネルギーの上昇に伴ってタービン回転数が上昇して吸入空気量や空気過剰率等の目標値と実際の値との偏差が増大しても、フィードバック制御によってＥＧＲバルブやスロットルバルブが急激に作動することを抑制できる。これにより、乗員に不快感を与える急激なトルク変動を防止することが可能である。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態を適用するディーゼルエンジンのシステム構成図である。

７はエンジン、４は吸気管９から導入される空気（吸気）をエンジン７の各気筒に分配する吸気マニホールド、５はエンジン７と排気管１０とを連通する排気マニホールドである。排気マニホールド５には、吸気マニホールド４と連通し、排気ガスの一部を吸気マニホールド４に戻すためのＥＧＲ管１１が設けられる。吸気マニホールド４に戻す排気ガス量は、ＥＧＲ管１１に介装されたＥＧＲバルブ６を運転状態に応じて開閉することによって調節される。

吸気管９には、吸気量を検出するエアフローメータ（ＡＦＭ）１が介装されており、ＡＦＭ１の下流には後述するようにエンジン７の排気ガス圧力により駆動されて吸気を下流に圧送するターボ過給機２のコンプレッサーが、さらに下流にはエンジン７へ供給する吸気量を調節するスロットルバルブ３が介装されている。

排気管１０には、エンジン７の排気ガス圧力により回転するターボ過給機２のタービンが介装されている。なお、ターボ過給機２のタービンとコンプレッサーとはシャフトを介して接続されており、タービンが排気ガス圧力により回転することによって、コンプレッサーも回転する。また、タービンの下流には排気ガス中の酸素濃度を検出するＯ₂センサー１２が設けられる。

１３はＥＧＲバルブ６やスロットルバルブ３の開度制御やインジェクター８の燃料噴射量を制御するコントロールユニット（以下、ＥＣＵ）であり、ＡＦＭ１およびＯ₂センサー１２からの検出信号等が読込まれる。

上記のように構成されたエンジンシステムの作用について説明する。

ＡＦＭ１を通過した吸気は、エンジン７の排気ガスによって駆動されるターボ過給機２によって圧送され、スロットルバルブ３により吸気量を絞られて吸気マニホールド４に流れ込み、エンジン７の各気筒に分配される。

エンジン７の各気筒に供給された吸気は、ピストンが上昇することによって圧縮され、各気筒に設けられたインジェクター８から噴射される燃料とともに燃焼する（このときの燃料噴射をメイン噴射と呼ぶ）。燃焼後は排気ガスとして排気マニホールド５へと排出され、一部はＥＧＲ管１１を通って吸気マニホールド４へ戻され、その他は排気管１２を通り排出される。

また、本実施形態では、燃費性能の向上やスモーク量、ＨＣの低減のために、メイン噴射後に少量の燃料を噴射する、いわゆるポスト噴射またはアフター噴射を運転状態に応じて行う。

次に、ＥＣＵ１３が行う制御について説明する。

ＥＣＵ１３は、ＡＦＭ１およびＯ₂センサー１２からの信号の他にも、図示しないアクセル開度センサやエンジン回転数センサ等からの検出信号が入力され、これらの検出信号に基づいて、エンジン７の実際の吸気量、目標吸気量（目標スロットル開度）、インジェクター８の目標燃料噴射量等を演算する。

また、Ｏ₂センサー１２の検出値に基づいて、理想空燃比の場合の空気濃度に対する実際の空気濃度の比である空気過剰率λを算出し、常に理想空燃比、つまり空気過剰率λが１となるように、いわゆるλコントロールを行う。

以下、基本的な制御ロジックについて、図２のブロック図を参照して説明する。

ステップＳ１００では、目標吸気量と実際の吸気量（実吸気量）との偏差を求める。

ステップＳ１１０では、ポスト噴射またはアフター噴射を行わない通常運転時のフィードバックゲイン（以下、ゲインという）を図７に示すマップを検索することによって求める。図７はポスト噴射またはアフター噴射及びエンジン回転数に対応する最適なゲインを実験等により求めて作成したものであり、エンジン回転数が高いほど、また噴射量が多いほどゲインが大きくなるように設定されている。

ステップＳ１２０では、通常運転からポスト噴射またはアフター噴射を行う運転への切り替え時のゲインを、図７と同様に作成した別のマップを検索することによって求める。ここで用いるマップは、図７に示したマップよりも全体的にゲインが小さく設定されている。なお、マップを設定せずに、ポスト噴射またはアフター噴射を行う運転への切り替え時にはゲインをゼロとし、制御値を固定してしまってもよい。

ステップＳ１１０およびＳ１２０で検索したゲインは、ステップＳ１４０において、後述する条件に応じて選択される。

ステップＳ１３０では図６に示すしきい値マップからしきい値を検索する。

図６のしきい値マップは、縦軸に燃料噴射量、横軸にエンジン回転数をとったもので、最も大きなしきい値となる領域ａを中心として、その周りにドーナツ状に領域ｂ、ｃ、ｄ・・・があり、領域ｂ、ｃ、ｄ・・・の順にしきい値が小さくなっている。

また、ステップＳ１８０では後述するポスト噴射またはアフター噴射フラグが立っているか否かを判定する。

ステップＳ１９０では、ポスト噴射またはアフター噴射に切り替ってからの時間を読込む。

そして、ステップＳ１７０で、ステップＳ１３０で求めたしきい値が所定値より大きいか否か、ステップＳ１８０でフラグが立っているか否か、ステップＳ１９０で読込んだ時間が所定時間内であるか否かを判定する。

しきい値が所定値以上、かつ、ポスト噴射またはアフター噴射フラグが立っており、かつ、切り替え後所定時間内であるという条件が揃った場合にはステップＳ１４０でポスト噴射またはアフター噴射切り替え後マップから検索したゲインを選択し、それ以外の場合には通常運転時マップから検索したゲインを選択する。

ステップＳ１５０では、ステップＳ１００で算出した偏差とステップＳ１４０で選択したゲインとから、ＥＧＲバルブ６またはスロットルバルブ３の開度の制御値をＰＩもしくはＰＩＤ制御により算出し、ステップＳ１６０で制御値に基づいて制御を行う。

上記のように異なるゲインマップを備える理由は以下の通りである。

ポスト噴射またはアフター噴射を行う運転に切り替えると、排気エネルギーが急激に上昇し、ターボ過給機２のタービン回転数が急激に上昇する。これにより、目標吸気量と実際の吸気量とに差が生じるので、ＰＩまたはＰＩＤ制御器からのフィードバックゲインが大きくなり、ＥＧＲバルブ６やスロットルバルブ３を動かしてしまう。その結果ＥＧＲ率や吸気量の変化が大きくなってトルク変動を生じ、乗員に対して不快感を与えることになってしまう。そこで、運転切り替え直後には、目標吸気量と実際の吸気量とに差が生じても、ＥＧＲバルブ６やスロットルバルブ３が動かないようにするために、通常運転用よりもゲインを小さく設定したマップが必要となる。

次に具体的な制御について図３、４、５のフローチャートを参照して説明する。

図３、図４は、フィードバックゲイン切り替え判定フラグを決定するフローチャートであり、図３はＡＦＭ１の検出値に基づいて算出する吸気量の目標値と実際の値との偏差を用い、図４はＯ₂センサー１２の検出値に基づいて算出した空気過剰率λの目標値と実際の値との偏差を用いたものである。

図５は図３、図４の判定後の、ＥＧＲバルブ６またはスロットルバルブ３の開度制御のフローチャートである。

図３のステップＳ２００では、ＥＧＲバルブ６またはスロットルバルブ３の使用領域であるか否かの判定を行う。使用領域でない場合は判定を繰り返す。使用領域である場合には、ステップＳ２１０に進む。

ステップＳ２１０では、ＥＧＲバルブ６またはスロットルバルブ３の開度の目標値の変化率が、予め定めたしきい値より小さいか否かの判定を行う。そして、しきい値の方が小さい場合にはステップＳ２００にリターンし、目標値の変化率の方が小さい場合にはステップＳ２２０に進む。これにより、例えば、加速時や減速時等のように運転状態が大きく変化して、ＥＧＲバルブ６やスロットルバルブ３の開度の変化率が大きい場合と、アイドル時や定速走行のように、運転状態の変化が小さい場合とを判別できる。

なお、運転状態の変化が大きいときは、変化に対応するためにゲインは大きい方がよいので、本実施形態の制御を行わない。

ステップＳ２２０では、ポスト噴射またはアフター噴射を行っているか否かを判定し、行っていない場合にはステップＳ２００にリターンし、行っている場合にはステップＳ２３０に進む。

ステップＳ２３０では、ポスト噴射またはアフター噴射開始から所定時間以内であるか否かを判定し、所定時間以上経過している場合にはステップＳ２００にリターンし、所定時間内ではステップＳ２４０に進む。

ステップＳ２４０では、目標吸気量と実際の吸気量の偏差がしきい値より大きいか否かを判定する。しきい値より小さい場合はステップＳ２００にリターンし、大きい場合にはステップＳ２５０でフラグＦ＝１として処理を終了する。

図４のステップＳ３００〜Ｓ３３０は、図３のステップＳ２００〜Ｓ２３０と同様である。ステップＳ２４０に相当するステップＳ３４０では、吸気量の代わりに目標空気過剰率、実際の空気過剰率を用いて判定を行い、偏差がしきい値より大きい場合はステップＳ３５０でフラグＦ＝２として処理を終了する。なお、図３、図４のフローチャートは並行して実行する。

次に図５のフローチャートについて説明する。

ステップＳ４００ではフラグを読込む。

ステップＳ４１０では、読込んだフラグが１または２であるか否かの判定を行い、１または２である場合はステップＳ４２０へ進み、それ以外の場合はステップＳ４３０へ進む。

ステップＳ４２０では、前述したポスト噴射またはアフター噴射を行う運転に切り替えた場合のゲインを求める。

ステップＳ４３０では通常運転時のゲインを求める。

ステップＳ４４０では、上記で求めたゲインと、ＡＦＭ１もしくはＯ₂センサー１２の検出値から求めた目標吸気量と実際の吸気量との偏差とを用いてＥＧＲバルブ６またはスロットルバルブ３の制御値を算出する。

ステップＳ４５０では、ステップＳ４４０で算出した制御値に基づいてＥＧＲバルブ６またはスロットルバルブ３を制御する。

上記の制御を実行した場合について、図８、図９のタイムチャートを参照して説明する。

図８はポスト噴射またはアフター噴射を行う運転に切り替えた場合にも通常運転と同様の制御を行った場合のタイムチャートであり、図９は本実施形態を行った場合のタイムチャートである。

まず、図８について説明する。ｔ０でポスト噴射またはアフター噴射を開始すると、タービン回転数が急激に上昇し、吸気流量または空気過剰率も急激に上昇する。この急激な上昇によって吸気量または空気過剰率の目標値と実際の値とにずれが生じ、これによりＰＩまたはＰＩＤ制御器からのゲインが大きくなり、ＥＧＲバルブ６やスロットルバルブ３が動き、これに伴ってトルク変動が生じる。これらの変動はフィードバック制御により収束するが、収束するまでの間はトルク変動が継続し、乗員に不快感を与えることになる。

一方、図９では、図８と同様にｔ０でポスト噴射またはアフター噴射を開始すると、タービン回転数が急激に上昇し、吸気流量または空気過剰率も急激に上昇する。これにより吸気量または空気過剰率λの実際の値は目標値からずれるが、ゲインが大きくならないように制限されているので、ＥＧＲバルブ６やスロットルバルブ３はほとんど動かず、これによりトルク変動が抑制されている。なお、ゲインの大きさを制限する代わりに、変動しないように固定してしまってもよい。

以上により本実施形態では、吸気量または空気過剰率を用いてフィードバック制御を行っているターボ過給機付きディーゼルエンジンにおいて、ポスト噴射またはアフター噴射を行うように運転状態を切り替えたときに、ゲインが大きくならないように制限、または固定するので、切り替え直後にタービン回転数が急激に上昇することによって発生するトルク変動を抑制することができる。

ゲインを制限する必要がある運転領域と不要な領域とを分けているので、不必要な制限によるエンジンレスポンスの悪化を防止し、かつ、吸気量または空気過剰率を用いたフィードバック制御の安定性を向上させることが可能である。

なお、上記の制御は、ＥＧＲバルブ６、スロットルバルブ３に限られるものではなく、吸気量または空気過剰率λを用いてフィードバック制御を行っているものすべてに適用することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本発明は、ターボ付きディーゼルエンジンの制御に適用可能である。

本実施形態のシステム構成図である。 制御ロジックを表すブロック図である。 本実施形態の制御フローチャートである。 本実施形態の制御フローチャートである。 本実施形態の制御フローチャートである。 しきい値マップである。 ゲインマップである。 ゲインの大きさに制限をかけない従来制御のタイムチャートである。 本実施形態を実行した場合のタイムチャートである。

符号の説明

１ エアフローメータ
２ ターボ過給機
３ スロットルバルブ
４ 吸気マニホールド
５ 排気マニホールド
６ ＥＧＲバルブ
７ エンジン
８ インジェクタ
９ 吸気管
１０ 排気管
１１ ＥＧＲ管
１２ Ｏ₂センサー
１３ コントロールユニット（ＥＣＵ）

Claims (7)

1. ターボ過給機と、
   メイン噴射後にアフター噴射またはポスト噴射を行うことが可能な燃料噴射手段と、
   ＥＧＲバルブやスロットルバルブ等の空気系の装置を、吸入空気量や空気過剰率に基づいてフィードバック制御する手段と、を備えるディーゼルエンジンにおいて、
   アフター噴射またはポスト噴射を行う運転への切り替え時に、前記フィードバック制御に用いるフィードバックゲインの大きさを制限する制限手段を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。
2. 前記制限手段は、アフター噴射またはポスト噴射を行う運転に切り替え時に、通常の運転時に比べてフィードバックゲインが小さくなるように制限する請求項１に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
3. 前記制限手段は、前記燃料噴射手段による燃料噴射を行う運転への切り替え時に、前記フィードバックゲインをゼロにする請求項１に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
4. 前記制限手段によるフィードバックゲインの制限は、ポストまたはアフター噴射を行う運転への切り替え後、一定期間だけ行う請求項１〜３のいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
5. 前記制御手段は、エンジンの目標吸入空気量と実際の吸入空気量との差分に基づいてフィードバックゲインを決定する請求項１〜４のいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
6. 前記制御手段は、目標空気過剰率と実際の空気過剰率との差分に基づいてフィードバックゲインを決定する請求項１〜４のいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
7. メイン噴射後にアフター噴射またはポスト噴射を行うことが可能な燃料噴射手段と、
   ターボ過給機と、を備え、
   ＥＧＲバルブやスロットルバルブ等の空気系の装置を、吸入空気量や空気過剰率に基づいてフィードバック制御するディーゼルエンジンにおいて、
   アフター噴射またはポスト噴射を行う運転への切り替え時に、前記フィードバック制御に用いるフィードバックゲインの大きさを制限することを特徴とするディーゼルエンジンの制御方法。

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