JP2006161605A - 内燃機関のｅｇｒ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 定常状態における機関性能の安定化を図ることができる内燃機関のＥＧＲ制御装置を提供する。
【解決手段】 内燃機関の運転状態に基づいて内燃機関が定常状態若しくは過渡状態であるかを判別し、過渡状態から定常状態に切り変わる信号を出力する定常判別手段(S301-S305)と、過渡状態から定常状態に切り変わる信号の出力時から制御ゲインを次第に小さく設定し、制御ゲインを零に至らしめる制御ゲイン補正値設定手段(S306-S308)と、設定された制御ゲインに基づいてアクチュエータの動作量を制御するアクチュエータ制御手段とを含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関の運転状態に応じて排ガスの再循環量（ＥＧＲ量）を制御する内燃機関のＥＧＲ制御装置に関する。

この種のＥＧＲ制御装置は、排ガスの一部がＥＧＲ通路を介して吸気通路に還流され、燃焼室に供給される。そして、ＥＧＲ量をフィードバック制御することにより、良好な燃焼状態の確保及び排ガス浄化の促進を図る。
上記ＥＧＲ通路にはＥＧＲ弁が設けられており、このＥＧＲ弁の開度は、一般にＰＩ制御又はＰＩＤ制御を用い、設定された制御ゲインからの指示値によって制御される。

ここで、この開度調整によってＥＧＲ量が過度に変動すると、燃焼の安定化が図れなくなる。このため、内燃機関の定常或いは過渡状態を判別し、過渡状態の場合には定常状態の場合に比して上記制御ゲインを大きく設定するシステムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１０４６２８号公報

ところで、上記従来の技術では、内燃機関の過渡状態の場合には制御ゲインを大きく設定し、過渡状態における制御応答性の確保を図る。
しかしながら、過渡状態を基準として制御ゲインの設定がなされると、定常状態の如くの内燃機関が安定した状態にあっても、ＥＧＲ量のフィードバック制御を行うべく、ＥＧＲ弁が動作することになる。また、このような制御ゲインの設定は、電気的なノイズ等の発生によってもＥＧＲ弁を同様に動作させる。

すなわち、過渡状態を基準とした制御ゲインの設定では、定常状態における機関性能が不安定となり、これでは、例えば排ガス等の定常性能の計測が困難になるし、また、高速道路等を定速で走行している場合にも、運転者が上記ＥＧＲ弁の作動音を認知する、或いは運転者にトルクの変化による不快感を与えるとの問題がある。
このように、過渡状態を基準として制御ゲインを設定するには何等かの措置が必要になるが、上記従来の技術では、過渡状態の場合には定常状態の場合に比して上記制御ゲインを大きく設定、換言すれば、定常状態の場合には制御ゲインを小さく設定することが単に示されるのみであって具体的には示されておらず、定常状態における機関性能の安定化の点については依然として課題が残されている。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、定常状態における機関性能の安定化を図ることができる内燃機関のＥＧＲ制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載の内燃機関のＥＧＲ制御装置は、内燃機関の吸気通路、或いは吸気通路と排気通路とを接続するＥＧＲ通路に配設されたアクチュエータを備え、アクチュエータの動作量を制御ゲインの設定によって制御することにより、ＥＧＲ量をフィードバック制御する内燃機関のＥＧＲ制御装置であって、内燃機関の運転状態に基づいて内燃機関が定常状態若しくは過渡状態であるかを判別し、過渡状態から定常状態に切り変わる信号を出力する定常判別手段と、過渡状態から定常状態に切り変わる信号の出力時から制御ゲインを次第に小さく設定し、制御ゲインを零に至らしめる制御ゲイン補正値設定手段と、設定された制御ゲインに基づいてアクチュエータの動作量を制御するアクチュエータ制御手段とを含むことを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、定常判別手段は、フィードバック制御における制御偏差の絶対値に基づいて内燃機関が定常状態若しくは過渡状態であるかを判別し、過渡状態から定常状態に切り変わる信号を出力することを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、アクチュエータは、吸気通路に配設された吸気絞り弁と、ＥＧＲ通路に配設されたＥＧＲ弁とから構成されることを特徴としている。

従って、請求項１記載の本発明の内燃機関のＥＧＲ制御装置によれば、内燃機関が過渡状態から定常状態に切り変わった時には、制御ゲインが次第に小さく設定され、アクチュエータの動作量は収束値に向かう。しかも、この制御ゲインは、最終的には零に設定されることから、動作量は上記収束値にて固定される。この結果、定常状態における内燃機関の性能の安定化が図られ、定常性能の計測が容易になる。また、定速走行時におけるアクチュエータの作動音やトルク変動を運転者に認知させなくなり、ドライバビリティが向上する。

また、請求項２記載の発明によれば、定常判別には、フィードバック制御における制御偏差、つまり、目標値と実効値との偏差の絶対値が入力パラメータの一つとして用いられるので、高精度の判別が達成可能となる。
更に、請求項３記載の発明によれば、大量ＥＧＲが要求され、複数個のアクチュエータを作動させる場合にも対応可能となる。

以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１はディーゼルエンジン用に具体化されたＥＧＲ制御装置である。
同図に示されるように、ディーゼルエンジン２の吸気通路４には過給機６が設けられており、図示しないエアクリーナから取り入れられた吸入空気は、コンプレッサ８により過給された後にインタークーラ１０を経て燃焼室１６に導入される。

また、吸気通路４の適宜位置には吸気絞り弁（アクチュエータ）１２が配設されており、モータ等により駆動されるバタフライ弁体１４の開閉動作により吸入空気の流量を制御し、後述の如く排ガスの再循環量（ＥＧＲ量）も制御する。
エンジン２の排気通路２０にはコンプレッサ８と同軸上に結合されたタービン２２が設けられ、燃焼後の排ガスによってコンプレッサ８及びタービン２２が回転駆動される。

また、吸気通路４と排気通路２０とはＥＧＲ通路２４により連結され、ＥＧＲ通路２４の適宜位置にはＥＧＲ弁（アクチュエータ）２６が配設されている。このＥＧＲ弁２６はモータ等により駆動されるポペット弁体２８を備え、この弁体２８の開閉動作によりＥＧＲ量を制御する。
車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＢＵＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０が設置されており、吸気絞り弁１２やＥＧＲ弁２６の開度の連続制御を含めたエンジン２の総合的な制御が行われる。

ＥＣＵ４０の入力側には、エンジン２の吸入空気量に応じた電圧を出力するエアフローセンサ３０、吸気圧を検出する吸気圧センサ３２、吸気温を検出する吸気温センサ３４、エンジン２の回転速度を検出する回転速度センサ３６、運転者によるアクセル開度を検出するアクセルセンサ３８、車両速度を検出する速度センサ３９等の各種センサ類が接続されている。一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述の吸気絞り弁１２やＥＧＲ弁２６の他、燃料噴射弁１８等の各種デバイス類が接続されている。

ここで、ＥＣＵ４０は、燃料噴射弁１８を対象とした燃料噴射制御部４２と、吸気絞り弁１２やＥＧＲ弁２６を対象としたＥＧＲ制御部４４とを備えており、ＥＧＲ量が要求された場合には、目標の空気過剰率となるように、ＥＧＲ弁２６の弁体２８の開度を制御ゲインの設定によって連続制御することにより、ＥＧＲ量をフィードバック制御している。また、高ＥＧＲ率のＥＧＲ量が要求された場合、つまり、大量ＥＧＲが要求された場合には吸気絞り弁１２の弁体１４の開度やＥＧＲ弁２６の弁体２８の開度を同じく制御ゲインの設定によって連続制御することにより、ＥＧＲ量をフィードバック制御している。

より具体的には、燃料噴射制御部４２では、例えば回転速度センサ３６からの回転速度やアクセルセンサ３８からのアクセル開度から燃料噴射量等を設定し、これらの設定値に基づいて燃料噴射弁１８を駆動制御してエンジン２を運転する。
また、ＥＧＲ制御部４４では、目標値設定部４６にて上記回転速度及び燃料噴射量に基づいて目標の空気過剰率を制御マップから設定し、目標のＥＧＲ量を算出する。一方、実効値設定部４８にて、エアフローセンサ３０からの１秒あたりの新気量の他、１秒あたりの燃料噴射量、理論空燃比やＥＧＲ通路２４からの排ガス中の空気相当量に基づいて実際の空気過剰率を算出し、実際のＥＧＲ量を算出する。なお、上記ＥＧＲ通路２４からの排ガス中の空気相当量は、例えば吸気圧センサ３２からの吸気圧、吸気温センサ３４からの吸気温に基づいて燃焼室１６への１秒あたりの全吸入量を求め、この全吸入量から上記新気量を減算すれば１秒あたりに供給されるＥＧＲ量が求められるので、このＥＧＲ量と前回演算された実際の空気過剰率とから求めることができる。

そして、本実施形態では、上記算出された目標のＥＧＲ量と実際のＥＧＲ量との制御偏差をフィードバックし、ＰＩＤ制御部（アクチュエータ制御手段）５０にて設定された制御ゲインから指示値を得て、この指示値により吸気絞り弁１２の弁体１４の回動量やＥＧＲ弁２６の弁体２８のリフト量を連続制御する。この結果、要求したＥＧＲ量が得られ、目標の空気過剰率に近づくことになる。

ところで、ＥＧＲ制御部４４では、エンジン２の定常状態と過渡状態とでは上記制御ゲインの設定を異ならしめている。より詳しくは、定常判別部（定常判別手段）５２には、上記アクセル開度、燃料噴射量、回転速度、車両速度の他、上記フィードバック制御における制御偏差が入力されており、エンジン２が定常状態であるか若しくは過渡状態であるかを判別する。そして、過渡状態から定常状態に切り変わった時、及び定常状態から過渡状態に切り変わった時には、その切り変わりを示す各信号を制御ゲイン補正値設定部（制御ゲイン補正値設定手段）５４に出力する。

次いで、この制御ゲイン補正値設定部５４では、これら各信号に応じて制御ゲインを補正する。具体的には、エンジン２が過渡状態から定常状態に切り変わった場合には、その切り換え時から制御ゲインを次第に小さく設定し、最終的にはこの制御ゲインを零に至らしめるように補正値を設定する。この補正値はＰＩＤ制御部５０に出力される。これに対し、エンジン２が定常状態から過渡状態に切り変わった場合、例えば運転者がアクセルを離した、或いは踏み込んだときには定常状態からの脱出を図るべく、その切り換え時から制御ゲインを大きく設定するように補正値を設定し、ＰＩＤ制御部５０に出力する。

なお、これら小さく又は大きく設定された制御ゲインの変化速度は、ランプ係数（単位時間あたりのゲイン変化量）の設定によって調整が可能であり、例えば、上記過渡状態から定常状態に切り変わった場合には、定常状態から過渡状態に切り変わった場合に比して小さなランプ係数を設定し、制御ゲインを徐々に零に到達させる。
上記ＰＩＤ制御部５０は、図２に示されるように、目標値設定部４６と実効値設定部４８とから求められる制御偏差と、制御ゲイン補正値設定部５４で求められた制御ゲイン補正係数とがそれぞれ入力され、これら制御偏差、制御ゲイン補正係数及び比例要素Ｋｐが乗算される。この乗算結果が上述した制御ゲインに相当し、積分要素Ｋｉ及び微分要素Ｋｄにそれぞれ出力された後、これらの各結果と更に足し合わされて指示値に反映され、吸気絞り弁１２やＥＧＲ弁２６に出力される。

ここで、上述のように、定常状態に切り変わったときには、上記乗算後の制御ゲインを最終的には零にするために、制御ゲイン補正値設定部５４にて制御ゲイン補正係数を零に移行させるのであるが、上記乗算後の制御ゲインが零になったとしても、積分要素Ｋｉの下流に設置された積分器の効果によって上記指示値は零にはならない。つまり、指示値はこの積分器が積算した値に収束し、吸気絞り弁１２やＥＧＲ弁２６の開度は固定される。なお、過渡状態に切り変わったときには、上記乗算後の制御ゲインが零からランプ状に増加し、再び通常の設定値に戻される。

図３は、本実施形態のＥＧＲ制御装置による制御ゲイン補正のフローチャートである。
同図のステップＳ３０１では、定常判別部５２にて、アクセル開度の変化率が安定範囲内であるか否かが判別され、その変化率の絶対値が閾値Ａ１に達せず、安定範囲内であると判定された場合、すなわち、ＹＥＳのときにはステップＳ３０２に進む。
このステップＳ３０２では、燃料噴射量の変化率が安定範囲内であるか否かが判別され、その変化率の絶対値が閾値Ａ２に達しないと判定された場合、すなわち、ＹＥＳのときにはステップＳ３０３に進み、回転速度の変化率が安定範囲内であるか否かが判別され、その変化率の絶対値が閾値Ａ３に達しないと判定された場合、すなわち、ＹＥＳのときにはステップＳ３０４に進む。そして、車両速度の変化率が安定範囲内であるか否かが判別され、その変化率の絶対値が閾値Ａ４に達しないと判定された場合、すなわち、ＹＥＳのときにはステップＳ３０５に進み、最後に、フィードバック制御における制御偏差が安定範囲内であるか否かが判別され、その絶対値が閾値Ａ５に達しないと判定された場合、すなわち、ＹＥＳのときには、エンジン２が過渡状態から定常状態に切り変わった時であるとしてステップＳ３０６に進み、その切り変わりを示す信号を制御ゲイン補正値設定部５４に出力する。

ステップＳ３０６では、制御ゲイン補正値設定部５４にて、制御ゲインの補正係数が零であるか否かが判別される。そして、零であると判定された場合、すなわち、ＹＥＳのときにはステップＳ３０７に進み、制御ゲインの補正係数をそのまま零に維持し、ＰＩＤ制御部５０に出力して一連のルーチンを抜ける。
一方、ステップＳ３０６にて制御ゲインの補正係数が零でないと判定された場合には、ステップＳ３０８に進み、制御ゲインを次第に零に至らしめるべく現在の補正係数から所定係数Ｃを減して一連のルーチンを抜ける。

これに対し、上記ステップＳ３０１〜Ｓ３０４の各変化率の絶対値がいずれかの閾値以上であると判定されたとき、或いは、ステップＳ３０５の制御偏差の絶対値が閾値以上であると判定されたときには、エンジン２が定常状態から過渡状態に切り変わった時であるとしてステップＳ３０９に進み、その切り変わりを示す信号を制御ゲイン補正値設定部５４に出力する。そして、ステップＳ３０９では、制御ゲインの補正係数が１であるか否かが判別され、１であると判定された場合、すなわち、ＹＥＳのときにはステップＳ３１０に進み、制御ゲインの補正係数をそのまま１に維持し、ＰＩＤ制御部５０に出力して一連のルーチンを抜ける。一方、ステップＳ３０９にて制御ゲインの補正係数が１でないと判定された場合には、ステップＳ３１１に進み、制御ゲインを１に至らしめるべく現在の補正係数に所定係数Ｂを加えて一連のルーチンを抜ける。

以上のように、本実施形態は、定常状態にてエンジン２の性能を安定させるには、制御ゲインを如何に設定するかに着目したものである。
より具体的には、図４に示されるように、アクセルが踏み込まれて燃料噴射量が増加すると、吸気絞り弁１２は吸入空気量の増加、ＥＧＲ弁２６はＥＧＲ量のカットによってその開度が大きく変動する。この場合には過渡状態であり、制御ゲイン補正係数は１に設定される。

次いで、燃料噴射量等が安定し、定常判別部５２にてエンジン２の定常状態が判定されると、エンジン２が過渡状態から定常状態に切り変わった旨の信号を制御ゲイン補正値設定部５４に出力する。
そして、制御ゲイン補正値設定部５４では、定常状態に切り変わった時点から、ＰＩＤ制御部５０における上記乗算後の制御ゲインが次第に小さくなるように、制御ゲイン補正係数を設定する。これにより、吸気絞り弁１２やＥＧＲ弁２６の動作量は徐々に、その振幅が小さくなって収束値に向かう。

更に、制御ゲイン補正値設定部５４では、この制御ゲインが最終的には零になるように、制御ゲイン補正係数を零に向けて設定する。これにより、吸気絞り弁１２やＥＧＲ弁２６の開度は上記収束値にて維持固定される。
この結果、定常状態におけるエンジン２の性能の安定化が図られ、定常性能の計測が容易になる。しかも、高速道路等にて定速走行している場合にも、吸気絞り弁１２やＥＧＲ弁２６の作動音やトルク変動を運転者には認知させなくなり、ドライバビリティが向上し、快適なドライブが可能となる。

なお、同図に示されるように、アクセルが離されて燃料噴射量が減少すると、定常判別部５２にてエンジン２が定常状態から過渡状態に切り変わった旨の信号を制御ゲイン補正値設定部５４に出力する。そして、制御ゲイン補正値設定部５４では、過渡状態に切り変わった時点から、ＰＩＤ制御部５０における上記乗算後の制御ゲインが大きくなるように、制御ゲイン補正係数を設定する。これにより、固定されていた吸気絞り弁１２やＥＧＲ弁２６はＥＧＲ量を高応答で目標値に制御すべく動作を開始する。

また、定常判別部５２には、フィードバック制御における制御偏差の絶対値が入力されている。よって、例えば制御偏差が小さいときには安定状態に近いことが分かり、この値を用いれば定常状態か否かの判別が速やかに行われるので、高精度の定常状態の判別が達成可能となる。
更に、ＰＩＤ制御部５０では、吸気絞り弁１２やＥＧＲ弁２６の開度を連続制御が可能である。従って、ＥＧＲ弁２６の開度を全開方向に制御し、更に、吸気絞り弁１２の開度を全閉方向に制御することにより、大量ＥＧＲの要求にも応ずることができ、ＮＯｘ（窒素酸化物）の抑制や排気浄化触媒の昇温化も図られる。

以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記ＰＩＤ制御部５０では、制御偏差、制御ゲイン補正係数及び比例要素Ｋｐが乗算されて制御ゲインを構成しているが、この比例要素Ｋｐは積分要素Ｋｉや微分要素Ｋｄと並列に、つまり、制御偏差及び制御ゲイン補正係数を乗算し、これを比例要素Ｋｐ、積分要素Ｋｉ及び微分要素Ｋｄにそれぞれ出力しても良い。この場合には、これら３つを足し合わせたものが制御ゲインに相当し、指示値に反映される。更に、補正された制御ゲインは上記の如く一直線状に変化する他、ランプ係数の設定値を代えることにより、ステップ状（瞬時）の変化を複数組み合わせて構成させても良い。

また、上記実施形態では、実効値設定部４８にてエアフローセンサ３０等の値から実際のＥＧＲ量を算出しているが、この算出値に代えて、実際のＥＧＲ量の検出値を用いたＥＧＲ量のフィードバック制御であっても良い。更に、上記実施形態では、目標の空気過剰率となるように、吸気絞り弁１２やＥＧＲ弁２６を連続制御することにより、ＥＧＲ量をフィードバック制御しているが、必ずしもこの例に限定されるものではなく、ＥＧＲ制御に反映される値であれば、例えば、目標の吸気Ｏ₂濃度となるように、吸気絞り弁１２やＥＧＲ弁２６を連続制御することにより、ＥＧＲ量をフィードバック制御しても良い。

更にまた、上記実施形態ではディーゼルエンジン２用のＥＧＲ制御装置の説明がなされているが、例えばガソリンエンジン用のＥＧＲ制御装置であっても良く、これはＥＧＲ通路２４からの排ガス中の空気相当量等を考慮しないことで達成可能となる。

本発明の一実施形態に係るＥＧＲ制御装置を示す全体構成図である。 図１のＥＧＲ制御装置におけるＰＩＤ制御部の構成図である。 図１のＥＧＲ制御装置による制御ゲイン補正のフローチャートである。 図１のＥＧＲ制御装置による過渡状態と定常状態とのタイミングチャートである。

符号の説明

２ エンジン
４ 吸気通路
１２ 吸気絞り弁（アクチュエータ）
２０ 排気通路
２４ ＥＧＲ通路
２６ ＥＧＲ弁（アクチュエータ）
４０ ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
４４ ＥＧＲ制御部
４６ 目標値設定部
４８ 実効値設定部
５０ ＰＩＤ制御部（アクチュエータ制御手段）
５２ 定常判別部（定常判別手段）
５４ 制御ゲイン補正値設定部（制御ゲイン補正値設定手段）

Claims (3)

1. 内燃機関の吸気通路、或いは該吸気通路と排気通路とを接続するＥＧＲ通路に配設されたアクチュエータを備え、該アクチュエータの動作量を制御ゲインの設定によって制御することにより、ＥＧＲ量をフィードバック制御する内燃機関のＥＧＲ制御装置において、
   前記内燃機関の運転状態に基づいて該内燃機関が定常状態若しくは過渡状態であるかを判別し、該過渡状態から前記定常状態に切り変わる信号を出力する定常判別手段と、
   該過渡状態から前記定常状態に切り変わる信号の出力時から前記制御ゲインを次第に小さく設定し、該制御ゲインを零に至らしめる制御ゲイン補正値設定手段と、
   該設定された制御ゲインに基づいて前記アクチュエータの動作量を制御するアクチュエータ制御手段と
   を含むことを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御装置。
2. 前記定常判別手段は、前記フィードバック制御における制御偏差の絶対値に基づいて該内燃機関が前記定常状態若しくは前記過渡状態であるかを判別し、該過渡状態から前記定常状態に切り変わる信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のＥＧＲ制御装置。
3. 前記アクチュエータは、前記吸気通路に配設された吸気絞り弁と、前記ＥＧＲ通路に配設されたＥＧＲ弁とから構成されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のＥＧＲ制御装置。

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