JP2014034948A - 内燃機関のｅｇｒ率推定装置およびｅｇｒ率推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エアフロメータ１１の計測誤差等に影響されずにＥＧＲ率を高い精度で推定できるようにする。
【解決手段】スロットル弁６の前後に温度センサ１２および圧力センサ１３，１４を有し、これらの値からスロットル通過ガス流量演算部２１ではスロットル通過ガス流量mthを算出する。排気還流カット時に、スロットル通過ガス流量mthに基づきエアフロメータ通過推定ガス流量演算部２２が算出したエアフロメータ通過推定ガス流量mafmsと、エアフロメータ１１によるエアフロメータ検出流量mafmと、が同じ誤差を有するように、補正係数ｋを求め、補正係数テーブル２４に記憶する。排気還流実行時には、補正係数ｋでもってスロットル開口面積Aを修正し、スロットル通過ガス流量mthをエアフロメータ検出流量mafmとからＥＧＲ率を求める。
【選択図】図３

Description

この発明は、排気の一部を吸気系に還流する排気還流装置を備えた内燃機関において、シリンダに流入するガス中に占める排気の割合つまりＥＧＲ率（排気還流率）を推定する装置および方法に関する。

排気還流が過剰であると、内燃機関の燃焼が不安定化して運転性が悪化し、逆に不十分であると、燃費が悪化する。また排気還流が、運転条件に対し設定された所期の割合よりも少ないと、点火時期が不適切となり、ノッキングが発生することがある。

さらに、近年は、燃費向上の要請からより多量の排気還流を行う傾向にあり、目標とするＥＧＲ率がより高くなっているが、このように基本的な目標ＥＧＲ率が高くなると、運転性の悪化などの点から、制御の上で許容されるＥＧＲ率の幅が狭くなる。従って、より高精度なＥＧＲ率制御が必要となり、その前提として、実際のＥＧＲ率を精度よく検出する技術が要請されている。また、ノッキング回避のためにも、ＥＧＲ率を正確に検知し、適切な点火時期とすることが望ましい。

特許文献１には、ＥＧＲ率の算出のために、吸気通路の排気還流通路との合流点よりも上流側の位置および下流側の位置にそれぞれ流量センサを配置した構成が開示されている。前者の流量センサは、新気の質量流量を検出し、後者の流量センサは、排気が新気に混入した混合ガスの質量流量を検出している。従って、両者の差としてＥＧＲガス流量が算出され、ひいてはＥＧＲ率が算出されることとなる。

特開２００６−３１６７０９号公報

しかしながら、上記のような構成では、２つの流量センサの各々が誤差ないし公差を有し、これらが最終的なＥＧＲ率の精度に影響するため、個体差によるばらつきが大きくなり、十分な精度でＥＧＲ率を求めることができない。

この発明は、最終的に求めようとしているＥＧＲ率が「比」であることに着目し、新気を計測するエアフロメータの誤差に対し、絞りを用いた下流側（排気還流通路との合流点よりも下流側）での流量検出が同じ割合の誤差を有するようにすることで、エアフロメータの誤差を約分つまり相殺するようにしたものである。

すなわち、この発明に係る内燃機関のＥＧＲ率推定装置は、
吸気通路に排気還流通路が合流してなる内燃機関において、
上記排気還流通路の合流点よりも上流側に位置し、かつ吸気流量を検出するエアフロメータと、
上記合流点よりも下流側に位置する絞りと、
上記絞りの上流側圧力および下流側圧力に基づいて上記絞りを通過するガス流量を求める絞り通過ガス流量演算部と、
上記の絞り通過ガス流量から上記エアフロメータ位置における推定ガス流量を求めるエアフロメータ推定ガス流量演算部と、
排気還流カット時に、上記エアフロメータの検出値と上記エアフロメータ位置における推定ガス流量とが一致するように、いずれか一方の特性についての補正係数を求める補正係数演算部と、
排気還流実行時に、上記エアフロメータの検出値と上記絞り通過ガス流量と上記補正係数とに基づいてＥＧＲ率を求めるＥＧＲ率演算部と、
を備えて構成されている。

本発明によれば、エアフロメータの検出誤差や個体差あるいは絞りを利用した下流側での流量検出の精度に影響されずに、ＥＧＲ率を精度よく求めることができる。

この発明に係るＥＧＲ率推定装置の一実施例を備えた内燃機関の構成説明図。 内燃機関の吸排気系のより具体的な説明図。 この実施例のＥＧＲ率推定装置の機能ブロック図。 実施例の計算式で用いられる変数の説明図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明のＥＧＲ率推定装置が適用される内燃機関１の一例として過給器付きの火花点火式ガソリン機関の概略を示している。

この内燃機関１は、吸気通路２および排気通路３を有し、吸気通路２の上流端には、エアクリーナ４が設けられている。吸気通路２の途中には、公知のターボ過給器もしくは機械式過給器などの過給器におけるコンプレッサ５が介装されており、このコンプレッサ５よりも下流側の位置に、絞りとなるスロットル弁６が介装されている。

また、排気通路３から排気還流通路７が分岐しており、この排気還流通路７の先端が、コンプレッサ５より上流側の位置において吸気通路２に合流している。この排気還流通路７には、排気還流量を制御するために、ＥＧＲバルブ８が介装されている。このＥＧＲバルブ８の開度は、コントロールユニット１０によって可変制御される。なお、ＯＮ−ＯＦＦ型のソレノイドバルブなどからＥＧＲバルブ８を構成し、そのデューティ比制御によってＥＧＲガスの流量を可変制御する構成であってもよい。コントロールユニット１０は、機関運転条件（例えば負荷と回転速度）に応じた目標ＥＧＲ率のマップを有し、これに沿ってＥＧＲバルブ８を制御する。

上記吸気通路２の比較的上流側、詳しくは排気還流通路７との合流点よりも上流側の位置に、吸気流量つまり新気の流量を検出するエアフロメータ１１が配置されている。このエアフロメータ１１としては、ガスの流量を質量流量として検出する例えば熱線式エアフロメータが用いられる。吸気通路２のスロットル弁６上流側、詳しくはコンプレッサ５とスロットル弁６との間には、この区間におけるガスの温度および圧力をそれぞれ検出する温度センサ１２および上流側圧力センサ１３が配置されている。さらに、スロットル弁６の下流側には、この区間におけるガスの圧力を検出する下流側圧力センサ１４が配置されている。これらのセンサ類の検出信号は、それぞれコントロールユニット１０に入力されており、これらの信号に基づいて後述するようにＥＧＲ率が求められる。

また、スロットル弁６は、この実施例では、電気的なアクチュエータを具備し、図示せぬアクセルペダル開度などに基づいてコントロールユニット１０によって開度が制御される構成となっており、その実際の開度TVOは、スロットル開度センサ１５によって検出され、コントロールユニット１０にフィードバックされている。スロットル弁６として、アクセルペダルにワイヤを介して機械的に連係した構成のものを用いることも可能である。

図２は、より具体的な内燃機関１の吸排気系の構成を示しており、この例では、コンプレッサ５は排気タービン５ａにより駆動されるターボ過給器からなり、減速時に開放されるリサーキュレーションバルブ１６ａならびにリサーキュレーション通路１６を備えている。また排気還流通路７は、排気通路３に設けられた触媒コンバータ１９の下流側から分岐し、かつＥＧＲガスクーラ１７を通路中に備えている。また、吸気通路２のスロットル弁６下流側には、過給された給気を冷却するインタークーラ１８が設けられている。上述した下流側圧力センサ１４は、スロットル弁６とインタークーラ１８との間に位置している。

なお、本発明においては、コンプレッサ５つまり過給器は必須ではなく、コンプレッサ５を具備しない自然給気型内燃機関にも本発明は適用し得る。また、ガソリン機関のほか、圧縮着火を行うディーゼル機関に対しても本発明は適用可能である。

次に、図３は、この実施例のＥＧＲ率推定装置を機能ブロック図として示したものであって、本発明のＥＧＲ率推定原理については後述するが、図示するように、上述したセンサ類の検出信号に基づいてスロットル弁６を通過するガスの質量流量（スロットル通過ガス流量mth）を求めるスロットル通過ガス流量演算部２１と、このスロットル通過ガス流量mthを用いてエアフロメータ１１の位置におけるガスの推定質量流量（エアフロメータ通過推定ガス流量mafms）を求めるエアフロメータ通過推定ガス流量演算部２２と、排気還流カット時に上記エアフロメータ通過推定ガス流量mafmsとエアフロメータ１１により計測されたエアフロメータ検出流量mafmとが一致するように、そのときのスロットル弁開度TVOの下での補正係数ｋを求める補正係数演算部２３と、求めた補正係数ｋをスロットル弁開度TVOに対する補正係数ｋのテーブルとして記憶する補正係数テーブル２４と、を備えている。さらに、実際の排気還流実行時に上記補正係数ｋを用いてスロットル弁開度TVOに対応するスロットル開口面積Aを補正した上で、他のセンサ類の検出信号とともに、最終的なＥＧＲ率を求めるＥＧＲ率演算部２５を備えている。

図４は、以下で説明する実施例のＥＧＲ率推定の計算式で用いられる変数の説明図である。一部の変数は図示していないが、各変数は、下記の通りである。

mafm：エアフロメータ１１を通過するガスの質量流量（エアフロメータ検出流量）
mafms：エアフロメータ１１を通過するガスの推定質量流量（エアフロメータ通過推定ガス流量）
mcomp：コンプレッサ５を通過するガスの質量流量（コンプレッサ通過ガス流量）
mth：スロットル弁６を通過するガスの質量流量（スロットル通過ガス流量）
megr：ＥＧＲガスの質量流量（ＥＧＲガス流量）
P：コンプレッサ５とスロットル弁６との間に存在するガスの圧力
V：コンプレッサ５とスロットル弁６との間の容積
ｎ：コンプレッサ５とスロットル弁６との間に存在するガスのモル数
M0：コンプレッサ５とスロットル弁６との間に存在するガスの平均分子量
M：コンプレッサ５とスロットル弁６との間に存在するガスの質量
T：コンプレッサ５とスロットル弁６との間に存在するガスの温度
Pd：スロットル弁６下流側におけるガスの圧力
R：ガス定数
κ：比熱比
TVO：スロットル弁開度
A：スロットル開口面積
ここで、エアフロメータ検出流量mafmおよびエアフロメータ通過推定ガス流量mafmsは、いずれもエアフロメータ１１の位置（つまりＥＧＲガスの合流前）におけるガス（新気）の質量流量であるが、前者のエアフロメータ検出流量mafmはエアフロメータ１１の検出値であり、後者のエアフロメータ通過推定ガス流量mafmsは後述するように推定値である。また、スロットル弁上流側圧力Pおよびスロットル弁下流側圧力Pdは、それぞれ上流側圧力センサ１３および下流側圧力センサ１４によって検出され、ガス温度Tは温度センサ１２によって検出される。スロットル弁開度TVOは、スロットル開度センサ１５によって検出され、スロットル開口面積Aは、スロットル弁開度TVOに基づいて算出される。

次に、本発明のＥＧＲ率推定方法について詳細に説明する。

ＥＧＲガスの合流点よりも下流側となるコンプレッサ５とスロットル弁６との間の容積に理想気体の状態方程式をあてはめると、
P・V＝（M／M0）・R・T であるので、ガスの質量Mは、
M＝M0・P・V／R・T となる。

一方、コンプレッサ５とスロットル弁６との間の質量Mの時間微分は、（１）式のように表される。

前述の状態方程式において、ガス定数Rおよび容積Vは時間に対して変化せず、また平均分子量M0も実質的に変動しないものとみなすと、前述の状態方程式による質量Mの時間微分は、（２）式の通りとなる。

従って、（３）式の関係が得られる。

ここで、エアフロメータ１１からコンプレッサ５までの距離が近いことから、その輸送遅れを無視すると、mcomp＝mafm＋megr であるから、下記（４）式の関係が得られる。

これを変形すると、（５）式となり、従って、この（５）式によってＥＧＲガスの質量流量megrが求められる。

次に、本発明では、エアフロメータ１１の計測誤差ないし個体差によるばらつき等を相殺するために、以下のようにして補正係数ｋを求める。

すなわち、排気還流は機関の負荷や回転速度に応じて目標ＥＧＲ率が設定されているが、特定のカット条件のとき、例えば所定の水温以下では、負荷等に拘わらずに排気還流が行われない。このような排気還流カット時には、ＥＧＲガス流量megrは０であるから、（５）式から（６）式の関係が得られる。

ここで、スロットル通過ガス流量mthは、センサ１２，１３，１４によってそれぞれ検出されるガス温度T、スロットル弁上流側圧力P、スロットル弁下流側圧力Pd、さらにはスロットル弁開度TVOに基づくスロットル開口面積Aを用いて、下記の（７）式、（８）式のように算出することができる。

このように求められるスロットル通過ガス流量mthに基づき、（６）式の関係から、逆にエアフロメータ１１における質量流量を推定することが可能である。このように推定される質量流量を、エアフロメータ１１で直接に計測されたエアフロメータ検出流量mafmとは区別してエアフロメータ通過推定ガス流量mafmsとする。このエアフロメータ通過推定ガス流量mafmsは、下記（９）式の通りとなる。

エアフロメータ１１で直接に計測されたエアフロメータ検出流量mafmとエアフロメータ通過推定ガス流量mafmsとは通常は一致しない。すなわち、エアフロメータ１１の計測誤差、スロットル開口面積Aの誤差、ガス温度Tや圧力P、Pdの誤差、などによって、両者が不一致となる。

本実施例では、何らかの要因によるエアフロメータ検出流量mafmの誤差と同じく何らかの要因によるエアフロメータ通過推定ガス流量mafmsの誤差とが互いに等しくなるように、補正係数ｋを求める。例えば、エアフロメータ検出流量mafmを基準とし、これにエアフロメータ通過推定ガス流量mafmsが一致するように、スロットル開口面積Aに対する補正係数ｋを設定する。つまり、全ての誤差の要因を集約して、スロットル開口面積Aに対する補正係数ｋとする。

具体的には、∫(mafms−mafm)dtに定数Kを乗じた値K∫(mafms−mafm)dtを開口面積Aに乗じ、この修正した開口面積Aを用いてエアフロメータ通過推定ガス流量mafmsを算出する。そして、mafms−mafm＝０もしく「mafms−mafm」の絶対値が所定の微小量ε以下となったときのK∫(mafms−mafm)dtを、そのときのスロットル弁開度TVOに対応する補正係数ｋとして、前述した補正係数テーブル２４に記憶する。

このような補正係数ｋの算出は、排気還流カット中に逐次行われ、従って、補正係数テーブルにおける補正係数ｋは、適宜に学習更新される。

なお、本発明においては、上記とは逆に、スロットル通過ガス流量mthに基づくエアフロメータ通過推定ガス流量mafmsを基準として、これにエアフロメータ検出流量mafmが一致するように、エアフロメータ検出流量mafmに対する補正係数を設定するように構成してもよい。

上記のようにして求めた補正係数ｋをエアフロメータ通過推定ガス流量mafmsの算出の際に用いることで、そのときのスロットル弁開度TVOの下で、エアフロメータ検出流量mafmとエアフロメータ通過推定ガス流量mafmsとが真値に対し同一の誤差を含むものとなる。これらの誤差は、排気還流が実行されているときでも基本的に変わることがないので、排気還流実行時に、エアフロメータ検出流量mafmとスロットル通過ガス流量mthとは、それぞれの真値に対し同じ割合の誤差を含むものとなる。

排気還流実行時に、ＥＧＲガスの質量流量megrは、前述したように（５）式でもって求められる。

従って、ＥＧＲ率は、下記（１０）式のように求められる。

なお、内燃機関１の定常状態では、（dP／dt）および（dT／dt）がいずれも０となるから、ＥＧＲ率は、下記（１１）式のようになる。

ここで、これらの式中のスロットル通過ガス流量mthは、そのときのスロットル弁開度TVOに対応した補正係数ｋを乗じて修正した修正後のスロットル開口面積Aを用いて、（７）式もしくは（８）式から算出される。

従って、（１０）式もしくは（１１）式において、エアフロメータ検出流量mafmとスロットル通過ガス流量mthとが、それぞれの真値に対し同じ割合の誤差を含むこととなり、これらの誤差が分母と分子とで約分されるため、得られるＥＧＲ率は、真値となる。

このように、上記実施例では、エアフロメータ検出流量mafmのほかにスロットル通過ガス流量mthを算出し、かつ両者が同じ割合の誤差を含むように補正係数ｋを設定することで、エアフロメータ１１の計測誤差やスロットル弁６側のセンサ類の誤差などに影響されずに、過渡時および定常時の双方でＥＧＲ率を高い精度でもって求めることができる。

なお、上記実施例では、内燃機関１の出力制御のためのスロットル弁６を絞りとして利用したが、この発明はこれに限定されるものではなく、例えばスロットル弁を具備しないディーゼル機関などにおいても何らかの絞りを設けることで適用可能である。

１…内燃機関
２…給気通路
３…排気通路
５…コンプレッサ
６…スロットル弁
７…排気還流通路
１１…エアフロメータ
１２…温度センサ
１３…上流側圧力センサ
１４…下流側圧力センサ
２１…スロットル通過ガス流量演算部
２２…エアフロメータ通過推定ガス流量演算部
２３…補正係数演算部
２４…補正係数テーブル
２５…ＥＧＲ率演算部

Claims (8)

1. 吸気通路に排気還流通路が合流してなる内燃機関において、
   上記排気還流通路の合流点よりも上流側に位置し、かつ吸気流量を検出するエアフロメータと、
   上記合流点よりも下流側に位置する絞りと、
   上記絞りの上流側圧力および下流側圧力に基づいて上記絞りを通過するガス流量を求める絞り通過ガス流量演算部と、
   上記の絞り通過ガス流量から上記エアフロメータ位置における推定ガス流量を求めるエアフロメータ推定ガス流量演算部と、
   排気還流カット時に、上記エアフロメータの検出値と上記エアフロメータ位置における推定ガス流量とが一致するように、いずれか一方の特性についての補正係数を求める補正係数演算部と、
   排気還流実行時に、上記エアフロメータの検出値と上記絞り通過ガス流量と上記補正係数とに基づいてＥＧＲ率を求めるＥＧＲ率演算部と、
   を備えてなる内燃機関のＥＧＲ率推定装置。
2. 上記絞りは、内燃機関のスロットル弁であり、上記補正係数は、該スロットル弁の開度毎に求められることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のＥＧＲ率推定装置。
3. 上記補正係数は、スロットル弁の開度に対し補正係数を設定したテーブルとして記憶されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関のＥＧＲ率推定装置。
4. 上記テーブルにおける補正係数が、内燃機関の運転中に学習更新されることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のＥＧＲ率推定装置。
5. 上記絞りの上流側に、ガス温度を検出する温度センサおよび上流側圧力センサが設けられるとともに、上記絞りの下流側に下流側圧力センサが設けられており、
   上記絞り通過ガス流量演算部は、これらのセンサの検出値および上記絞りの開口面積を用いて絞り通過ガス流量を算出することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関のＥＧＲ率推定装置。
6. 上記補正係数は、上記絞りの開口面積を補正する係数として設定されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関のＥＧＲ率推定装置。
7. 上記補正係数は、上記エアフロメータの検出値を補正する係数として設定されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関のＥＧＲ率推定装置。
8. 吸気通路に排気還流通路が合流し、この合流点よりも上流側にエアフロメータが位置するとともに、上記合流点よりも下流側に絞りを備えた内燃機関において、
   上記絞りの上流側圧力および下流側圧力に基づいて上記絞りを通過するガス流量を求め、
   この絞り通過ガス流量から上記エアフロメータ位置における推定ガス流量を求め、
   排気還流カット時に、上記エアフロメータの検出値と上記エアフロメータ位置における推定ガス流量とが一致するように、いずれか一方の特性についての補正係数を求め、
   排気還流実行時に、上記エアフロメータの検出値と上記絞り通過ガス流量と上記補正係数とに基づいてＥＧＲ率を求める、ことを特徴とする内燃機関のＥＧＲ率推定方法。

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