JP2015075036A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】環境変化や経年劣化による内燃機関の排ガス性能の低下を抑制可能な内燃機関の制御装置を安価に提供する。【解決手段】ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブの開度調整によって、ＥＧＲ量を制御する内燃機関の制御装置に関し、温度検出手段と、圧力検出手段と、ＥＧＲバルブの基本開度Ｄｂを算出する手段４８と、温度検出手段及び圧力検出手段の検出値に基づいて、空気過剰率及び吸気酸素濃度の少なくとも一方の推定値を算出する手段４４と、該推定値の目標値を算出する手段４６と、推定空気過剰率λs及び目標空気過剰率λｔに基づいて補正係数Ｋを算出する手段５０と、基本開度Ｄｂ及び補正係数Ｋに基づいて、ＥＧＲバルブの開度指示値Ｄを算出する手段５２と、該開度指示値Ｄに基づいてＥＧＲバルブを制御する手段５４とを備えることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、排ガスの一部を吸気通路に再循環させる排ガス再循環装置（ＥＧＲ）を備えた内燃機関の制御装置の技術分野に関する。
内燃機関の排気ガスの一部を吸気通路に再循環させる排ガス再循環装置（ＥＧＲ）を備えた内燃機関が知られている。このような内燃機関、特にディーゼルエンジンにおいては、運転状態の変化に伴ってＥＧＲ循環量が増大すると、吸気流量が確保されずにスモーク（ＰＭ）の発生が増大することがある。また、ＥＧＲ循環量が減少するとＮＯｘ低減効果が得られなくなってしまう場合がある。このように、排ガスに含まれるＰＭやＮＯｘの排出量を抑制するために、運転条件に応じて、ＥＧＲ循環量を適切に制御することが求められている。
この種のＥＧＲ装置の制御例として、例えば特許文献１及び２がある。
特許文献１では、燃料噴射量と吸入空気量とさらに吸気系に還流されるＥＧＲガス中の未燃焼空気量とを用いてシリンダ内の空気過剰率を算出し、当該空気過剰率に基づいてＥＧＲバルブの開度目標値を求めることにより、ＥＧＲバルブの開度制御を行うことが開示されている。
特許文献２では、温度センサの検出値に基づいて、内燃機関の吸気に占める排気ガスの割合であるＥＧＲ率を算出することにより、当該ＥＧＲ率を制御パラメータとしたＥＧＲバルブの開度制御を行うことが開示されている。
特開２００９−２７０５１８号公報 特開２００３−１５５９５７号公報
特許文献１では、制御パラメータである空気過剰率を算出する際に、エアフローセンサの検出値を用いている。すなわち、ＥＧＲバルブの開度制御を行うために、エアフローセンサを新設しなければならず、コストが高くなってしまう。
特許文献２では、ＥＧＲ率が排ガスに含まれるＰＭやＮＯｘの排出量と少なからず相関があるとして、ＥＧＲ率を制御パラメータに選択して開度制御を行っている。しかしながら、その相関の大きさは、内燃機関の運転状態に応じて変化するため、一様でない。そのため、ＥＧＲ率を制御パラメータとした開度制御では、内燃機関の運転状態によっては、排ガスに含まれるＰＭ排出量やＮＯｘ排出量を十分に低減できないおそれがある。
本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであって、内燃機関の排ガス性能の低下を低コストで抑制可能な内燃機関の制御装置を安価に提供することを目的とする。
本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置は上記課題を解決するために、内燃機関の排ガスの一部を排ガス再循環（ＥＧＲ）通路を介して吸気通路に再循環するＥＧＲ装置を備え、前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブの開度調整によって、ＥＧＲ量を制御する内燃機関の制御装置であって、前記吸気通路のうち前記ＥＧＲ通路との合流部より上流側に設けられた第１の温度検出手段と、前記吸気通路のうち前記合流部より下流側に設けられた第２の温度検出手段と、前記ＥＧＲ通路のうち前記ＥＧＲバルブ及び前記合流部間に設けられた第３の温度検出手段と、前記吸気通路のうち前記合流部より下流側に設けられた圧力検出手段と、前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記ＥＧＲバルブの基本開度を算出するＥＧＲバルブ基本開度算出手段と、前記第１の温度検出手段、前記第２の温度検出手段、前記第３の温度検出手段、及び、前記圧力検出手段の検出値に基づいて、前記内燃機関の燃焼室における空気過剰率及び吸気酸素濃度の少なくとも一方について推定値を算出する推定値算出手段と、前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記空気過剰率及び吸気酸素濃度の少なくとも一方について目標値を算出する目標値算出手段と、前記推定値及び前記目標値に基づいて、前記ＥＧＲバルブの基本開度に対する補正係数を算出する補正係数算出手段と、前記基本開度及び前記補正係数に基づいて、前記ＥＧＲバルブに対する開度指示値を算出する開度指示値算出手段と、前記開度指示値に基づいて、前記ＥＧＲバルブの開度制御を行う制御手段とを備えることを特徴とする。
本実施形態によれば、排ガスに含まれるＰＭ排出量に対して大きな相関を有する空気過剰率、及び、ＮＯｘ排出量に対して大きな相関を有する吸気酸素濃度の少なくとも一方を制御パラメータとして補正係数を求め、内燃機関の運転状態に基づいて算出されるＥＧＲバルブの基本開度を補正する。特に、補正係数の算出に用いられる空気過剰率や吸気酸素濃度の推定値を、第１乃至第３の温度検出手段、及び、圧力検出手段の検出値に基づいて求めることができる。すなわち、従来技術のように空気過剰率や吸気酸素濃度の推定値算出のために高価なエアフローセンサを用いる必要がない。これにより、内燃機関の排ガス性能の低下を低コストで抑制可能な内燃機関の制御装置を安価に提供することができる。
また前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段を更に備え、前記補正係数算出手段は、前記負荷検出手段によって検出された負荷が所定値以上である場合に、前記空気過剰率の推定値及び目標値に基づいて前記補正係数を算出し、前記負荷検出手段によって検出された負荷が所定値未満である場合に、前記吸気酸素濃度の推定値及び目標値に基づいて前記補正係数を算出してもよい。
本実施形態によれば、内燃機関の負荷が所定値以上である高負荷領域では、排ガスに含まれるＰＭ排出量が増加する傾向があるため、ＰＭ排出量と大きな相関を有する空気過剰率を制御パラメータとして補正係数を求め、基本開度を補正する。一方、内燃機関の負荷が所定値未満である低負荷領域では、空気過剰率が十分に高くＰＭ排出量は問題とならないため、ＮＯｘ排出量を優先して低減すべきであり、ＮＯｘ排出量と大きな相関を有する吸気酸素濃度を制御パラメータとして補正係数を求め、基本開度を補正する。すなわち、内燃機関の負荷の大きさに応じて、空気過剰率或いは吸気酸素濃度のいずれかに基づいて補正係数を算出し、ＥＧＲバルブの基本開度を補正する。
また、前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段を備え、前記補正係数算出手段は、前記負荷検出手段によって検出された負荷の変化率が所定値を超えた場合に、前記補正係数の算出を所定期間中止してもよい。
本実施形態によれば、内燃機関の負荷の変化率が所定値を超える過渡状態にある場合には補正係数の算出を中止する。過渡状態では、内燃機関の運転状態が安定していないため、補正係数の算出精度が低下する。そのため、過渡状態であると判定された場合には、補正係数の算出を中止することによって、開度制御の精度低下を防止できる。
本発明によれば、排ガスに含まれるＰＭ排出量に対して大きな相関を有する空気過剰率、及び、ＮＯｘ排出量に対して大きな相関を有する吸気酸素濃度の少なくとも一方を制御パラメータとして補正係数を求め、内燃機関の運転状態に基づいて算出されるＥＧＲバルブの基本開度を補正する。特に、補正係数の算出に用いられる空気過剰率や吸気酸素濃度の推定値を、第１乃至第３の温度検出手段、及び、圧力検出手段の検出値に基づいて求めることができる。すなわち、従来技術のように空気過剰率や吸気酸素濃度の推定値算出のために高価なエアフローセンサを用いる必要がない。これにより、内燃機関の排ガス性能の低下を低コストで抑制可能な内燃機関の制御装置を安価に提供することができる。
本実施形態に係るエンジンの制御装置の全体構成を示す模式図である。 実施例１に係るＥＣＵの内部構成を示すブロック図である。 エンジンの運転状態を示す回転数及び燃料噴射量とＥＧＲバルブの基本開度との関係を規定するマップの一例である。 エンジンの運転状態を示す回転数及び燃料噴射量と目標空気過剰率との関係を規定するマップの一例である。 空気過剰率とＥＧＲ率に対する排ガスに含まれるＰＭ排出量の相関を示す実験結果例である。 （ａ）エンジンに過渡状態が生じた際の燃料噴射量、（ｂ）推定空気過剰率及び目標空気過剰率、並びに、（ｃ）補正係数の経時変化を示すタイムチャートである。 実施例２に係るＥＣＵの内部構成を示すブロック図である。 エンジンの運転状態を示す回転数及び燃料噴射量と目標吸気酸素濃度との関係を規定するマップの一例である。 ＥＧＲ率及び吸気酸素濃度に対するＮＯｘ排出量の相関をそれぞれ示すグラフである。 実施例３に係るＥＣＵの内部構成を示すブロック図である。 エンジン回転数及び燃料噴射量によって規定される運転状態における負荷分布を概念的に示したものである。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
まず図１を参照して、本実施形態に係る内燃機関（エンジン）２の制御装置１の基本構成について説明する。図１は本実施形態に係るエンジン２の制御装置の全体構成を示す模式図である。
エンジン２は圧縮着火燃焼を行うディーゼルエンジンであり、吸気通路６から吸気マニホールド４及び吸気弁３３を介して燃焼室３に吸気が導入される。燃焼室３では、高圧ポンプ３６により加圧された高圧燃料が燃料噴射手段３８によって噴射され、圧縮着火燃焼が行われる。燃焼室３で発生する排ガスは、排気弁３４を介して排気通路８に排出される。
排気通路８には、排ガスの一部（ＥＧＲガス）を吸気側へ再循環させるＥＧＲ通路１６が接続されている。ＥＧＲ通路１６には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１８と、ＥＧＲ通路１６を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲ弁２０が設けられている。
吸気通路６のうちＥＧＲ通路１６との合流部２２より上流側には、吸気温度Ｔａを検出するための吸気温度センサ２４が設けられている。当該吸気温度センサ２４は本発明に係る第１の温度検出手段の一例である。
吸気通路６のうちＥＧＲ通路１６との合流部２２より下流側には、燃焼室（シリンダ）３の入口温度Ｔｓ及び入口圧力Ｐｓを検出するためのシリンダ入口温度センサ２６及びシリンダ入口圧力センサ２８が設けられている。当該シリンダ入口温度センサ２６は本発明に係る第２の温度検出手段の一例であり、シリンダ入口圧力センサ２８は本発明に係る圧力検出手段の一例である。
ＥＧＲ通路１６のうちＥＧＲバルブ２０及び吸気通路６との合流部２２間には、ＥＧＲガスの温度Ｔｅを検出するためのＥＧＲガス温度センサ３０が設けられている。当該ＥＧＲガス温度センサ３０は本発明に係る第３の温度検出手段の一例である。
尚、ＥＧＲガス温度センサ３０の設置箇所はＥＧＲ通路１６のうちＥＧＲクーラ１８より下流側であればよい。
また、本制御装置２には、エンジン２の運転状態を表わすパラメータの一例であるエンジン回転数Ｎｅを検出するための回転数センサ３２が設けられている。
ＥＣＵ４０はエンジン２の制御ユニットであり、吸気温度センサ２４、シリンダ入口温度センサ２６、シリンダ入口圧力センサ２８、ＥＧＲガス温度センサ３０、及び、回転数センサ３２を含む各種センサ類からの入力信号に基づいて、燃料噴射量や噴射時期、ＥＧＲ弁２０の開度を制御する。
図２は、実施例１に係るＥＣＵ４０の内部構成を示すブロック図である。
ＥＣＵ４０は、負荷検出手段４２、推定空気過剰率算出手段４４、目標空気過剰率算出手段４６、ＥＧＲバルブ基本開度算出手段４８、補正係数算出手段５０、開度指示値算出手段５２、及び、制御手段５４を備える。
ＥＧＲバルブ基本開度算出手段４８は、エンジン２の運転状態に基づいてＥＧＲバルブ２０の基本開度Ｄｂを算出する。図２の例では、エンジン２の運転状態として、回転数センサ３２によって検出されたエンジン回転数Ｎｅと、ＥＣＵ４０による燃料噴射装置３８に対する指示値である燃料噴射量Ｑｆが入力され、ＥＧＲバルブ基本開度算出手段４８によって、対応するＥＧＲバルブ２０の基本開度が算出される。
ＥＧＲバルブ２０の基本開度Ｄｂの具体的な算出方法は、不図示の記憶手段（例えばＥＣＵ４０に内蔵されるメモリ等）に予め記憶されたエンジン２の運転状態と基本開度Ｄｂとの関係を規定するマップを参照することによって行われる。図３は、エンジン２の運転状態を示す回転数Ｎｅ及び燃料噴射量ＱｆとＥＧＲバルブ２０の基本開度Ｄｂとの関係を規定するマップの一例である。この例では、横軸にエンジン回転数Ｎｅ、縦軸に燃料噴射量Ｑｆが示されており、それぞれの組み合わせに対応する基本開度Ｄｂが規定されている。
尚、本実施例では、エンジン２の運転状態を示すパラメータとして、エンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑｆを用いた場合について説明するが、エンジン２の運転状態を示す限りにおいて、他のパラメータを用いてもよいことはいうまでもない。
推定空気過剰率算出手段４４では、内燃機関２の燃焼室３における空気過剰率の推定値λｓを算出する。本実施例では特に、推定空気過剰率λｓの算出は、吸気温度センサ２４、シリンダ入口温度センサ２６、シリンダ入口圧力センサ２８、及び、ＥＧＲガス温度センサ２８の検出値に基づいて行われる。
ここで推定空気過剰率算出手段４４における推定空気過剰率λｓの算出方法について、具体的に説明する。
まずシリンダ吸入ガス（燃焼室に吸入される吸気）の質量流量Ｇｓは、吸気通路６に吸入される新気（吸気通路のうち合流部より上流側の吸気）の質量流量Ｇａと、ＥＧＲガス（ＥＧＲ通路１６から合流部２２に供給されるガス）の質量流量Ｇｅｇｒとの和であるから、次式が成立する。
Ｇｓ＝Ｇａ＋Ｇｅｇｒ （１）
またシリンダ吸入ガス（燃焼室に吸入される吸気：比熱Ｃｐｓ）が有する熱量は、吸気通路６に吸入される新気（吸気通路のうち合流部より上流側の吸気：比熱Ｃｐａ）の熱量と、ＥＧＲガス（ＥＧＲ通路から合流部に供給されるガス：比熱Ｃｐｅ）の熱量との和であるから、吸気温度センサ２４の検出値Ｔａ、シリンダ入口温度センサ２６の検出値Ｔｓ、及び、ＥＧＲガス温度センサ３０の検出値Ｔｅを用いて、次式が成立する。
Ｇｓ・Ｃｐｓ・Ｔｓ＝Ｇａ・Ｃｐａ・Ｔａ＋Ｇｅｇｒ・Ｃｐｅ・Ｔｅ （２）
上記（１）（２）を連立して解くことにより、吸気通路６に吸入される新気（吸気通路６のうち合流部２２より上流側の吸気）の質量流量Ｇａ、及び、ＥＧＲガス（ＥＧＲ通路１６から合流部２２に供給されるガス）の質量流量Ｇｅｇｒは、次式により求められる。
Ｇａ＝Ｇｓ（Ｃｐｅ・Ｔｅ−Ｃｐｓ・Ｔｓ）／（Ｃｐｅ・Ｔｅ−Ｃｐａ・Ｔａ） （３）
Ｇｅｇｒ＝Ｇｓ（Ｃｐｓ・Ｔｓ−Ｃｐａ・Ｔａ）／（Ｃｐｅ・Ｔｅ−Ｃｐａ・Ｔａ） （４）
一方、シリンダ吸入ガス（燃焼室に吸入される吸気）の質量流量Ｇｓは、エンジン２の１シリンダあたりの行程容積Ｖｓｔ、シリンダ数Ｎｃｙｌ、エンジン回転数Ｎｅ、シリンダ入口圧力Ｐｓ、シリンダ入口温度Ｔｓ、ガス定数Ｒａ、及び、体積効率ηｖを用いて、次式により求められる。
Ｇｓ＝Ｖｓｔ・Ｎｃｙｌ・Ｎｅ／（２・６０）・Ｐｓ／（Ｒａ・Ｔｓ）・ηｖ （５）
尚、体積効率ηｖは、典型的にはエンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆに対してマップで与えられる値を用いるとよい。また（５）式における「２」は、本実施例で使用しているエンジン２が４ストロークエンジンであることを表わしており、エンジンの仕様によって適宜変更するとよい（例えばエンジン２として２ストロークエンジンのときは「１」とする）。
ＥＧＲガスに含まれる空気質量流量Ｇｅｇｒａは、（３）〜（５）を次式に代入することにより求められる。
Ｇｅｇｒａ＝（Ｇｅｇｒ（λｎ−１−１）・Ｇｆ・Ｌｔｈ）／（Ｇａ＋Ｇｆ＋Ｇｅｇｒ） （６）
ここで、λｎ−１は推定空気過剰率λｓの前回算出値であり、Ｇｆは燃料噴射量（ＥＣＵによる指示値）であり、Ｌｔｈは理論空燃比である。そして、（６）式で求められる空気質量流量Ｇｅｇｒａを用いて、推定空気過剰率λｓは次式により得られる。
λｓ＝（Ｇａ＋Ｇｅｇｒａ）／（Ｇｆ・Ｌｔｈ） （７）
このように推定空気過剰率算出手段４４では、吸気温度センサ２４、シリンダ入口温度センサ２６、ＥＧＲガス温度センサ３０、及び、シリンダ入口圧力センサ２８の検出値に基づいて推定空気過剰率λｓを算出することができる。従来、空気過剰率を算出する際には、吸気通路６に吸入される新気（吸気通路６のうち合流部２２より上流側の吸気）の質量流量Ｇａは、吸気通路６に設置された高価なエアフローセンサを用いて検出されていたため、コスト面で不利であった。一方、本実施例では上述したように高価なエアフローセンサを用いることなく空気過剰率を推定演算することができるため、コスト的に有利である。
続いて、目標空気過剰率算出手段４６は、エンジン２の運転状態に基づいて、空気過剰率の目標値λｔを算出する。図２の例では、エンジン２の運転状態として、回転数センサによって検出されたエンジン回転数Ｎｅと、ＥＣＵ４０による燃料噴射装置３８に対する指示値である燃料噴射量Ｑｆが入力され、目標空気過剰率算出手段４６によって、対応する目標空気過剰率λｔが算出される。
目標空気過剰率λｔの具体的な算出は、不図示の記憶手段に予め記憶されたエンジン２の運転状態と目標空気過剰率λｔとの関係を規定するマップを参照することによって行われる。図４は、エンジン２の運転状態を示す回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑｆと目標空気過剰率λｔとの関係を規定するマップの一例である。この例では、横軸にエンジン回転数Ｎｅ、縦軸に燃料噴射量Ｑｆが示されており、それぞれの組み合わせに対応する目標空気過剰率λｔが規定されている。
補正係数算出手段５０は、推定空気過剰率算出手段４４によって算出された推定空気過剰率λｓ及び目標空気過剰率算出手段４６によって算出された目標空気過剰率λｔに基づいて、ＥＧＲバルブ２０の基本開度Ｄｂに対する補正係数Ｋを算出する。
補正係数Ｋは、推定空気過剰率λｓと目標空気過剰率λｔの比較結果に基づき増減され、推定空気過剰率λｓが目標空気過剰率λｔに収束するようフィードバック制御が行われる。
負荷検出手段４２は、エンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑｆに基づいて、エンジン２の負荷Ｌを検出する。検出した負荷Ｌは補正係数算出手段５０に送られ、図７を参照して後述するように、負荷Ｌの値に応じて補正係数Ｋの算出を中止するように構成されている。
開度指示値算出手段５２は、基本開度算出手段４８によって算出された基本開度Ｄｂに、補正係数算出手段５０によって算出された補正係数Ｋを掛けることで、次式によりＥＧＲバルブ２０に対する開度指示値Ｄを算出する。
Ｄ＝Ｄｂ×Ｋ （８）
制御手段５４は、開度指示値算出手段５２によって算出された開度指示値Ｄに基づいて、ＥＧＲバルブに対して制御信号を送り、開度制御を行う。
このように実施例１では、空気過剰率の推定値λｓ及び目標値λｔに基づいて算出した補正係数Ｋによって、ＥＧＲバルブ２０の基本開度Ｄｂを補正して求めた開度指示値Ｄを用いてＥＧＲバルブ２０の開度制御を行う。このように空気過剰率を基準にしたＥＧＲバルブ２０の開度制御を行うことにより、従来のＥＧＲ率に基づいた開度制御に比べて、エンジン２の排ガスに含まれるＰＭ排出量を効果的に抑制可能な制御を実施することができる。
図５は、空気過剰率とＥＧＲ率に対する排ガスに含まれるＰＭ排出量の相関を示す実験結果例である。図５（ａ）はＥＧＲ率及びＰＭ排出量の相関を示すデータであり、図５（ｂ）は空気過剰率及びＰＭ排出量の相関を示すデータである。これによれば、ＰＭ排出量はＥＧＲ率に比べて空気過剰率の方が高い相関を有していることが示されている。
すなわち、本実施形態では排ガスに含まれるＰＭ排出量に対して大きな相関を有する空気過剰率λを制御パラメータとして補正係数Ｋを求め、エンジン２の運転状態に基づいて算出されるＥＧＲバルブ２０の基本開度Ｄｂを補正する。これにより、排ガスに含まれるＰＭ排出量の増加を抑制可能なＥＧＲバルブ開度制御を実施することができる。
ここで図６は、（ａ）エンジンに過渡状態２が生じた際の燃料噴射量Ｑｆ、（ｂ）推定空気過剰率λｓ及び目標空気過剰率λｔ、並びに、（ｃ）補正係数Ｋの経時変化を示すタイムチャートである。図６では、定常状態で運転が行われているエンジンにおいて、時刻ｔ１のタイミングで負荷が変動し、過渡変化が生じている状況を示している。
図６（ａ）に示すように燃料噴射量Ｑｆは、エンジン負荷の変化タイミングに応じて、時刻ｔ１からｔ２にかけて増加している。このような燃料噴射量Ｑｆの変化に伴って、該燃料噴射量Ｑｆに基づいて算出される目標空気過剰率λｔもまた、図６（ｂ）に示す如く変化する。すなわち、図４を参照して上述したように、目標空気過剰率λｔは燃料噴射量Ｑｆを変数とするマップに基づいて算出されるため、燃料噴射量Ｑｆの振る舞いに応ずるように変化する。一方、推定空気過剰率λｓは燃焼室３における空気過剰率の実測値に相当するものであり、急激な負荷上昇が生じた際には燃料噴射量の増加に吸入空気の増加が追い付かないため、推定空気過剰率λｓは一時的に大きな低下を示す。しかし、推定空気過剰率λｓの算出に用いる温度センサは一般的に実際の温度に対する計測値の応答性が悪く、過渡状態では推定空気過剰率λｓの推定精度が低下する。そのため、図６（ｃ）に示すように、過渡状態の開始タイミングｔ１から所定期間Ｔの間、推定空気過剰率λｓと目標空気過剰率λｔの乖離があっても、補正係数Ｋの増減は行わずｔ1の時点における補正係数Ｋ1に固定する。これにより推定空気過剰率λｓの推定精度低下による制御不良を避け、エンジン２の性能低下を回避することができる。
尚、エンジン２は車両等の移動体の動力源として用いられているものでもよいが、例えば発電用の定置型エンジンのように、定格出力で運転が行われるものに適用するとよい。このような定格出力エンジンでは出力が略一定であるため、エンジンの運転開始タイミング及び停止タイミングを除いて、基本的に過渡状態が存在しない。そのため、図６（ｃ）に示した補正係数Ｋの算出中止期間が少なく、精度のよいＥＧＲバルブ開度制御を実施することができる。
以上説明したように実施例１によれば、排ガスに含まれるＰＭ排出量に対して大きな相関を有する空気過剰率を制御パラメータとして補正係数Ｋを求め、エンジン２の運転状態に基づいて算出されるＥＧＲバルブ２０の基本開度を補正する。これにより、ＥＧＲバルブ２０の開度制御を行うことができ、排ガスに含まれるＰＭ排出量の増加を効果的に抑制できる。
図７は、実施例２に係るＥＣＵ４０の内部構成を示すブロック図である。
ＥＣＵ４０は、負荷検出手段４２、推定吸気酸素濃度算出手段５６、目標吸気酸素濃度算出手段５８、補正係数算出手段５０、ＥＧＲバルブ基本開度算出手段４８、開度指示値算出手段５２、及び、制御手段５４を備える。尚、以下の説明では上述の実施例１と同じ箇所に関しては共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略する。
推定吸気酸素濃度算出手段５６では、エンジン２の燃焼室３への吸気に含まれる酸素濃度の推定値ＲＯ２を算出する。本実施例では特に、推定吸気酸素濃度ＲＯ２の算出は、吸気温度センサ２４、シリンダ入口温度センサ２６、ＥＧＲガス温度センサ３０、及び、シリンダ入口圧力センサ２８の検出値に基づいて算出した推定空気過剰率λｓを用いて行われる。
ここで推定吸気酸素濃度算出手段５６における推定吸気酸素濃度ＲＯ２の算出方法について、具体的に説明する。
まずシリンダ吸気に含まれる酸素の質量流量ＧＯ２を、次式により得られる。
ＧＯ２＝λｓ・Ｇｆ・Ｌｔｈ×０．２３ （９）
尚、（９）式において「０．２３」は空気中の酸素の質量割合である。
そして、当該シリンダ吸気酸素質量流量ＧＯ２、及び、（３）（４）式を用いて、推定吸気酸素濃度ＲＯ２は次式により求められる。ここでρＯ２、ρａ、ρｅｇｒはぞれぞれ酸素、空気、ＥＧＲガスの密度である。
ＲＯ２＝（ＧＯ２／ρＯ２）／（Ｇａ／ρａ＋Ｇｅｇｒ／ρｅｇｒ） （１０）
このように推定吸気酸素濃度算出手段５６では、補正係数Ｋの算出に用いられる吸気酸素濃度ＲＯ２の推定値を、吸気温度センサ２４、シリンダ入口温度センサ２６、ＥＧＲガス温度センサ３０、及び、シリンダ入口圧力センサ２８の検出値の検出値に基づいて算出した空気過剰率λsを用いて求めることができる。すなわち、従来技術のように吸気酸素濃度の算出のために高価なエアフローセンサを用いる必要がなく、低コストを図ることができる。
続いて、目標吸気酸素濃度算出手段５８は、エンジン２の運転状態に基づいて、吸気酸素濃度の目標値ＲＯ２ｔを算出する。図７の例では、エンジン２の運転状態として、回転数センサによって検出されたエンジン回転数Ｎｅと、ＥＣＵ４０による燃料噴射装置３８に対する指示値である燃料噴射量Ｑｆが入力され、目標吸気酸素濃度算出手段５８によって、対応する目標吸気酸素濃度ＲＯ２ｔが算出される。
目標吸気酸素濃度ＲＯ２ｔの具体的な算出は、不図示の記憶手段に予め記憶されたエンジン２の運転状態と目標吸気酸素濃度ＲＯ２ｔとの関係を規定するマップを参照することによって行われる。図８は、エンジンの運転状態を示す回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑｆと目標吸気酸素濃度ＲＯ２ｔとの関係を規定するマップの一例である。この例では、横軸にエンジン回転数Ｎｅ、縦軸に燃料噴射量Ｑｆが示されており、それぞれの組み合わせに対応する目標吸気酸素濃度ＲＯ２ｔが規定されている。
補正係数算出手段５０は、推定吸気酸素濃度算出手段５６によって算出された推定吸気酸素濃度ＲＯ２ｓ及び目標吸気酸素濃度算出手段５８によって算出された目標吸気酸素濃度ＲＯ２ｔに基づいて、ＥＧＲバルブ２０の基本開度Ｄｂに対する補正係数Ｋを算出する。
補正係数Ｋは、推定吸気酸素濃度ＲＯ２と目標吸気酸素濃度ＲＯ２ｔの比較結果に基づき増減され、推定吸気酸素濃度ＲＯ２が目標吸気酸素濃度ＲＯ２ｔに収束するようフィードバック制御が行われる。
このように算出された補正係数Ｋは、実施例１と同様に、開度指示値算出手段５２において（８）式に基づいてＥＧＲバルブ２０に対する開度指示値Ｄが算出され、当該開度指示値ＤをＥＧＲバルブ２０に対する制御信号として送り、開度制御を行う。
以上説明したように実施例２によれば、排ガスに含まれるＮＯｘ排出量に対して大きな相関を有する吸気酸素濃度を制御パラメータとして補正係数を求め、エンジン２の運転状態に基づいて算出されるＥＧＲバルブ２０の基本開度を補正する。これにより、ＥＧＲバルブ２０の開度制御を行うことができ、排ガスに含まれるＮＯｘ排出量の増加を効果的に抑制できる。
図１０は、実施例３に係るＥＣＵ４０の内部構成を示すブロック図である。
ＥＣＵ４０は、負荷検出手段４２、推定空気過剰率算出手段４４、目標空気過剰率算出手段４６、推定吸気酸素濃度算出手段５６、目標吸気酸素濃度算出手段５８、ＥＧＲバルブ基本開度算出手段４８、補正係数算出手段５０、開度指示値算出手段５２、及び、制御手段５４を備える。
尚、以下の説明では上述の実施例１及び２と同じ箇所に関しては共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略する。すなわち、第３実施形態では実施例１及び２の特徴を兼ね合わせており、エンジンの運転状態に応じて使い分ける点を特徴としている。
負荷検出手段４２は燃料噴射量Ｑｆ（指示値）に基づいてエンジン負荷を検出し、当該負荷Ｌが高負荷領域にあるか否かを判定する。ここで図１１はエンジン回転数及び燃料噴射量によって規定される運転状態における負荷分布を概念的に示したものである。
図１１では、所定閾値を境界にして低負荷領域と高負荷領域が規定されている。当該閾値は、図１１に示すようにエンジン回転数や燃料噴射量などのエンジン制御パラメータに基づいて可変に設定されていてもよいし、一定値に固定されていてもよい。
実施例３では、実施例１のように推定空気過剰率算出手段４４及び目標空気過剰率算出手段４６を備えることにより、排ガスに含まれるＰＭ排出量と大きな相関を有する空気過剰率に基づいて補正係数Ｋを算出可能であると共に、実施例２のように推定吸気酸素濃度算出手段５６及び目標吸気酸素濃度算出手段５８を備えることにより、排ガスに含まれるＮＯｘ排出量と大きな相関を有する吸気酸素濃度に基づいて補正係数Ｋを算出可能である。
そしてＥＣＵ４０は負荷検出手段４２で検出された負荷Ｌが所定値Ｌ１以上であるか否か（すなわち図１１においてエンジン２の運転状態が高負荷領域にあるか低負荷領域にあるか）に基づいて、実施例１のように空気過剰率に基づいて補正係数Ｋを算出するか、或いは、実施例２のように吸気酸素濃度に基づいて補正係数Ｋを算出するかを切り替え可能に構成されている。
本願発明者の研究によれば、エンジン２の負荷Ｌが増加するに従って、排ガスに含まれるＰＭ排出量が増加する傾向がある。そのため、エンジン２の負荷が所定値Ｌ１以上である高負荷領域では、ＰＭ排出量と大きな相関を有する空気過剰率を制御パラメータとして補正係数Ｋを求め、基本開度を補正する。
一方、エンジン２の負荷が減少するに従って、空気過剰率が増加しＰＭ排出量が問題とならなくなるため、ＮＯｘ排出量を優先して低減することが望ましい。そのため、エンジン２の負荷が所定値Ｌ１未満である低負荷領域では、ＮＯｘ排出量と大きな相関を有する吸気酸素濃度を制御パラメータとして補正係数Ｋを求め、基本開度を補正する。
以上説明したように実施例３によれば、エンジン２の負荷Ｌが所定値Ｌ１以上である高負荷領域では、排ガスに含まれるＰＭ排出量が増加する傾向があるため、ＰＭ排出量と大きな相関を有する空気過剰率を制御パラメータとして補正係数Ｋを求め、基本開度Ｄｂを補正する。一方、エンジン２の負荷Ｌが所定値Ｌ１未満である低負荷領域では、空気過剰率が十分に高くＰＭ排出量は問題とならないため、ＮＯｘ排出量を優先して低減すべきであり、ＮＯｘ排出量と大きな相関を有する吸気酸素濃度を制御パラメータとして補正係数Ｋを求め、基本開度Ｄｂを補正する。すなわち、エンジン２の負荷Ｌの大きさに応じて、空気過剰率或いは吸気酸素濃度のいずれかに基づいて補正係数Ｋを算出し、ＥＧＲバルブ２０の基本開度Ｄｂを補正する。これにより、内燃機関の運転状態に応じた適切な開度制御を行うことができる。
本発明は、排ガスの一部を吸気通路に再循環させる排ガス再循環装置（ＥＧＲ）を備えた内燃機関の制御装置に利用可能である。
１ 制御装置
２ エンジン
３ 燃焼室
４ 吸気マニホールド
６ 吸気通路
８ 排気通路
１６ ＥＧＲ通路
１８ ＥＧＲクーラ
２０ ＥＧＲ弁
２２ 合流部
２４ 吸気温度センサ
２６ シリンダ入口温度センサ
２８ シリンダ入口圧力センサ
３０ ＥＧＲガス温度センサ
３２ エンジン回転数センサ
３３ 吸気弁
３４ 排気弁
３６ 高圧ポンプ
３８ 燃料噴射手段
４０ ＥＣＵ
４２ 負荷検出手段
４４ 推定空気過剰率算出手段
４６ 目標空気過剰率算出手段
４８ ＥＧＲバルブ基本開度算出手段
５０ 補正係数算出手段
５２ 開度指示値算出手段
５４ 制御手段
５６ 推定吸気酸素濃度算出手段
５８ 目標吸気酸素濃度算出手段

Claims (3)

  1. 内燃機関の排ガスの一部を排ガス再循環（ＥＧＲ）通路を介して吸気通路に再循環するＥＧＲ装置を備え、前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブの開度調整によって、ＥＧＲ量を制御する内燃機関の制御装置であって、
    前記吸気通路のうち前記ＥＧＲ通路との合流部より上流側に設けられた第１の温度検出手段と、
    前記吸気通路のうち前記合流部より下流側に設けられた第２の温度検出手段と、
    前記ＥＧＲ通路のうち前記ＥＧＲバルブ及び前記合流部間に設けられた第３の温度検出手段と、
    前記吸気通路のうち前記合流部より下流側に設けられた圧力検出手段と、
    前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記ＥＧＲバルブの基本開度を算出するＥＧＲバルブ基本開度算出手段と、
    前記第１の温度検出手段、前記第２の温度検出手段、前記第３の温度検出手段、及び、前記圧力検出手段の検出値に基づいて、前記内燃機関の燃焼室における空気過剰率及び吸気酸素濃度の少なくとも一方について推定値を算出する推定値算出手段と、
    前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記空気過剰率及び吸気酸素濃度の少なくとも一方について目標値を算出する目標値算出手段と、
    前記推定値及び前記目標値に基づいて、前記ＥＧＲバルブの基本開度に対する補正係数を算出する補正係数算出手段と、
    前記基本開度及び前記補正係数に基づいて、前記ＥＧＲバルブに対する開度指示値を算出する開度指示値算出手段と、
    前記開度指示値に基づいて、前記ＥＧＲバルブの開度制御を行う制御手段と
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段を更に備え、
    前記補正係数算出手段は、前記負荷検出手段によって検出された負荷が所定値以上である場合に、前記空気過剰率の推定値及び目標値に基づいて前記補正係数を算出し、前記負荷検出手段によって検出された負荷が所定値未満である場合に、前記吸気酸素濃度の推定値及び目標値に基づいて前記補正係数を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段を更に備え、
    前記補正係数算出手段は、前記負荷検出手段によって検出された負荷の変化率が所定値を超えた場合に、前記補正係数の算出を所定期間中止することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
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