JP2016109031A

JP2016109031A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2016109031A
Application number: JP2014247068A
Authority: JP
Inventors: 翔中村; Sho Nakamura; 真介青柳; Shinsuke Aoyagi; 卓伊吹; Taku Ibuki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2016-06-20
Anticipated expiration: 2034-12-05
Also published as: DE102015120741B4; DE102015120741A1; JP6375912B2

Abstract

【課題】空気量の制御性を担保しつつサージの発生を回避することのできる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】制御装置は、内燃機関の運転状態に応じて目標空気量を決定するが、コンプレッサにサージが発生することが予測された場合は、サージを回避可能な空気量に目標空気量を修正する。制御装置は、筒内に吸入される空気の量が目標空気量になるようにＥＧＲ弁の開度を制御するとともに、少なくともコンプレッサにサージが発生することが予測された場合は、ＥＧＲ弁の前後に所定値以上の大きさの差圧が生じるようにスロットルの閉度を制御する。【選択図】図７

Description

本発明は、自動車に搭載される内燃機関、詳しくは、吸気通路に設けられたコンプレッサと、吸気通路におけるコンプレッサの下流に設けられたスロットルと、吸気通路におけるスロットルの下流と排気通路とを接続するＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁とを備える内燃機関の制御装置に関する。

吸気通路にコンプレッサが設けられた内燃機関では、コンプレッサにおけるサージの発生を抑制することが一つの課題となっている。サージが発生したときには、溜息のような吹き返し音（サージ音）が内燃機関の吸気系から発生し、これが車両の商品性を低下させるからである。サージは、コンプレッサを通過する空気の流量に対してコンプレッサの前後の圧力比が過大になることが原因で発生する。このため、車両の減速時や自動変速機のシフトアップ時のように、スロットルが急速に閉じられる状況においてサージが発生しやすい。

サージの発生を抑制する技術は、例えば下記の特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された技術は、可変ノズル付きターボ過給機を備えるディーゼルエンジンを対象とする制御技術である。この技術によれば、車両の減速時、コンプレッサがサージ状態になるかどうか判定され、サージ状態になると判定されたときには、サージ回避制御が行われる。サージ回避制御では、運転状態及びスロットル開度に基づく可変ノズルの目標開度と、予め定めたサージ回避用目標開度とが比較される。そして、目標開度がサージ回避用目標開度以上であれば、目標開度にしたがって可変ノズルが制御されるが、目標開度がサージ回避用目標開度よりも小さければ、サージ回避用目標開度にしたがって可変ノズルが制御される。

特開２０１３−２４９７３９号公報特開２００２−２２１０５０号公報特開２００６−１８３５５８号公報特開２００３−０９７２９８号公報

上記の特許文献１に開示された技術は、可変ノズルを開いて過給圧を低下させることでサージを回避するものである。しかし、過給圧が低下すると筒内に吸入されるガスの量も低下することになる。制御対象のディーゼルエンジンがＥＧＲ装置付きの場合、筒内ガスは空気（新気）とＥＧＲガスとで構成される。このため、筒内ガス量の低下は、筒内の空気量とＥＧＲガス量の何れか一方或いは両方の低下を意味する。筒内のＥＧＲガス量が低下し、ＥＧＲ率が適正値に対して不足した場合には、ＮＯｘの排出量が増大することになる。一方、筒内の空気量が適正量に対して不足した場合には、スモークの発生やＨＣやＣＯの排出量の増大、さらには、失火を招いてしまう。つまり、過給圧を低下させることにより、排気ガスのエミッション性能の低下等の弊害が生じてしまう。

このようなことから、サージを回避する方法として、過給圧を低下させるのではなくコンプレッサを通過する空気の流量をサージが回避可能な流量まで増大させることが検討されている。コンプレッサを通過する空気の量を増やすには、スロットルを開けばよい。ディーゼルエンジンにおいても、通常、車両の減速時にはスロットルが閉じ方向に操作されるが、これを開いたままとすることでサージを回避することができる。

ただし、単にスロットルを開いたままとするだけでは、筒内に吸入される空気の量が過剰になるおそれがある。車両の減速後に燃焼が再開されたとき、筒内の空気量が過剰になっていると、ＮＯｘの排出量が多くなってしまう。このため、筒内の空気量は適正な量に制御される必要がある。ＥＧＲ装置付きのディーゼルエンジンの場合、吸気通路に導入されるＥＧＲガスの流量を増やせばコンプレッサを通過する空気の流量が減り、逆にＥＧＲガスの流量を減らせば空気の流量が増える。つまり、ＥＧＲ弁によってＥＧＲガスの流量を制御することによって、間接的にコンプレッサを通過する空気の流量を制御し、ひいては、筒内の空気量を制御することができる。

ところが、スロットルの閉じ具合によってはＥＧＲ弁による空気量の制御が有効に機能しない場合がある。ＥＧＲ弁を経由したＥＧＲガスの流れは、ＥＧＲ弁の前後の差圧、つまり、排気通路の圧力と吸気通路の圧力との差圧によって生じる。スロットルが開いて吸気通路の圧力が高くなっている場合、なかでも減速時のように燃料噴射が停止されて排気通路の圧力が低下している場合には、ＥＧＲ弁の前後の差圧は小さく大きな流量は得られない。このため、ＥＧＲ弁の前後の差圧があまりに小さい場合、ＥＧＲ弁は全開に固定された状態となってしまう。この状態では、ＥＧＲ弁の開度によって空気量を制御することができず、エミッション性能を維持できる適正な空気量を得ることができない。

本発明は、上記の課題に鑑みて創案されたものであって、空気量の制御性を担保しつつサージの発生を回避することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る制御装置は、吸気通路に設けられたコンプレッサと、吸気通路におけるコンプレッサの下流に設けられたスロットルと、吸気通路におけるスロットルの下流と排気通路とを接続するＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁とを備える内燃機関を制御する。制御される内燃機関は、好ましくは、全開位置を基本位置としてスロットルの制御が行われる内燃機関、たとえば、ディーゼルエンジンである。

本発明に係る制御装置は、コンプレッサにおけるサージの発生を予測するサージ予測手段を備える。サージの発生を予測するとは、サージが発生した事実を検知或いは推定することではなく、サージが未だ発生していない状況において、内燃機関の現在及び将来の運転状態或いは運転条件に関する情報から近い将来におけるサージの発生を事前に察知することを意味する。サージの発生を予測する具体的な方法には限定はない。好ましい方法の１つは、コンプレッサの前後の圧力の比からサージ限界空気量を算出し、目標空気量（筒内に吸入される空気の量の目標値）がサージ限界空気量より少ない場合にサージが発生すると判断することである。

本発明に係る制御装置は、目標空気量を設定する目標空気量設定手段を備える。目標空気量設定手段は、内燃機関の運転状態に応じて目標空気量を決定するが、サージ予測手段によってサージが発生することが予測された場合は、サージを回避可能な空気量に目標空気量を修正するように構成される。サージを回避可能な空気量は、コンプレッサの前後の圧力比との関係で決まる。好ましくは、コンプレッサの前後の圧力の比から算出することができるサージ限界空気量に目標空気量を修正する。サージ限界空気量に対して余裕のある空気量に目標空気量を修正することも勿論可能であるが、エミッション性能等を考慮すれば、修正後の目標空気量は運転状態から決まる目標空気量になるべく近いほうが好ましい。

本発明に係る制御装置は、ＥＧＲ弁を制御するＥＧＲ弁制御手段を備える。ＥＧＲ弁制御手段は、筒内に吸入される空気の量が目標空気量設定手段で設定された目標空気量になるようにＥＧＲ弁の開度を制御するように構成される。ＥＧＲ弁の開度の制御はフィードバック制御であることが好ましい。フィードバック制御では、目標空気量から計算される所定の制御量の目標値と、その制御量の実際値との差に基づいてＥＧＲ弁の開度を補正することが行われる。

本発明に係る制御装置は、スロットルを制御するスロットル制御手段を備える。スロットル制御手段は、少なくともサージ予測手段によってサージが発生することが予測された場合は、ＥＧＲ弁の前後に所定値以上の大きさの差圧が生じるようにスロットルの閉度を制御するように構成される。スロットルの閉度の制御はオープンループ制御でもよいしフィードバック制御でもよい。好ましくは、スロットル制御手段は、ＥＧＲ弁制御手段によるＥＧＲ弁の制御によって空気量が制御されている間は、ＥＧＲ弁の前後に所定値以上の大きさの差圧が生じるようにスロットルの閉度を制御するように構成される。より好ましくは、スロットル制御手段は、目標空気量を達成するために必要な量のＥＧＲガスがＥＧＲ弁が全開まで開かれることなく吸気通路に供給されるように、スロットルの閉度を制御してスロットルの下流の圧力を低下させるように構成される。

本発明に係る制御装置によれば、コンプレッサにサージが発生することが予測された場合、目標空気量がサージを回避可能な空気量に修正されるとともに、ＥＧＲ弁の前後に所定値以上の大きさの差圧が生じるようにスロットルの閉度が制御される。そして、筒内に吸入される空気の量が修正された目標空気量になるようにＥＧＲ弁の開度が制御される。ＥＧＲ弁の前後には所定値以上の大きさの差圧が確保されているので、ＥＧＲ弁の開度によるＥＧＲガスの流量の制御は有効であり、ＥＧＲガスの流量の制御を介して間接的に筒内の空気量の制御が行われる。このような動作により、本発明に係る制御装置によれば、空気量の制御性を担保しつつサージの発生を回避することができる。

本発明の実施の形態に係るエンジンシステムの構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る制御装置の制御構造を示す図である。サージ予測及び目標空気量修正を説明する図である。サージ予測及び目標空気量設定のルーチンを示すフローチャートである。ＥＧＲ弁制御のルーチンを示すフローチャートである。スロットル制御のルーチンを示すフローチャートである。本発明の実施の形態で実現される動作を示すタイムチャートである。ＥＧＲ弁制御のルーチンの他の実施例を示すフローチャートである。スロットル制御のルーチンの他の実施例を示すフローチャートである。スロットル制御のルーチンの他の実施例を示すフローチャートである。スロットル制御のルーチンの他の実施例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数にこの発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

［エンジンシステムの構成］
図１は、本発明の実施の形態に係るエンジンシステムの構成を示す図である。本実施の形態の内燃機関は、ターボ過給機付きのディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）である。エンジン２には４つの気筒が直列に設けられ、気筒ごとにインジェクタ８が設けられている。エンジン２は吸気マニホールド４と排気マニホールド６を備える。吸気マニホールド４にはエアクリーナ２０から取り込まれた空気（新気）が流れる吸気通路１０が接続されている。吸気通路１０にはターボ過給機のコンプレッサ１４が取り付けられている。吸気通路１０においてコンプレッサ１４の下流にはスロットル２４が設けられている。吸気通路１０においてコンプレッサ１４とスロットル２４との間にはインタークーラ２２が備えられている。排気マニホールド６には排気ガスを大気中に放出するための排気通路１２が接続されている。排気通路１２にはターボ過給機のタービン１６が取り付けられている。タービン１６には可変ノズル１８が設けられている。排気通路１２においてタービン１６の下流には排気ガスを浄化するための触媒装置２６が設けられている。

エンジン２は、排気系から吸気系へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ装置を備えている。ＥＧＲ装置は、吸気通路１０におけるスロットル２４の下流の位置と排気マニホールド６とをＥＧＲ通路３０によって接続している。ＥＧＲ通路３０にはＥＧＲ弁３２が設けられている。ＥＧＲ通路３０においてＥＧＲ弁３２の排気側にはＥＧＲクーラ３４が備えられている。ＥＧＲ通路３０にはＥＧＲクーラ３４をバイパスするバイパス通路３６が設けられている。ＥＧＲ通路３０とバイパス通路３６が合流する箇所には、排気ガスが流れる方向を切り替えるバイパス弁３８が設けられている。

エンジン２には、その運転状態に関する情報を得るためのセンサが各所に取り付けられている。吸気通路１０には、エアクリーナ２０の下流に、吸気通路１０に取り込まれた空気の流量を計測するためのエアフローメータ５８が取り付けられている。コンプレッサ１４の上流と下流には、それぞれ圧力センサ６２，６４が取り付けられている。インタークーラ２２とスロットル２４の間には、圧力センサ５６と温度センサ６０が取り付けられている。スロットル２４の下流には、圧力センサ５４が取り付けられている。さらに、クランク軸の回転を検出するクランク角センサ５２や、アクセルペダルの開度に応じた信号を出力するアクセル開度センサ６６なども設けられている。

上述した各種のセンサ及びアクチュエータは、制御装置１００に電気的に接続されている。制御装置１００はＥＣＵ(Electronic Control Unit)である。制御装置１００は、エンジン２のシステム全体の制御を行うものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されている。ＲＯＭには、後述する各種制御のルーチンが記憶されている。制御装置１００によってそれらルーチンが実行され、センサからの信号に基づいてアクチュエータが操作されることにより、エンジン２の運転が制御される。

［制御装置の制御構造］
図２は、制御装置１００の制御構造を示すブロック図である。図２に示す制御構造は、目標空気量設定手段としての目標空気量設定ユニット１０２、ＥＧＲ弁制御手段としてのＥＧＲ弁制御ユニット１０４、スロットル制御手段としてのスロットル制御ユニット１０６、及び、サージ予測手段としてのサージ予測ユニット１０８を含む。制御装置１００が含むこれらのユニットは、制御装置１００のＲＯＭに記憶された制御用のルーチン或いはその一部に対応している。制御用のルーチンがＲＯＭから読みだされてＣＰＵで実行されることによって、これらのユニットの機能が制御装置１００にて実現される。

目標空気量設定ユニット１０２の機能について説明する。目標空気量設定ユニット１０２は、筒内に吸入される空気量の目標値である目標空気量を設定する。目標空気量は、エンジン２に要求される燃費性能及びエミッション性能を満たすことのできる空気量であって、エンジン２の運転状態を示す情報、具体的には、エンジン回転速度及び燃料噴射量に対して適合されている。制御装置１００のＲＯＭに記憶された目標空気量マップにおいて、目標空気量はエンジン回転速度と燃料噴射量とに関連付けられている。目標空気量設定ユニット１０２は、エンジン回転速度と燃料噴射量によって目標空気量マップを検索し、検索で得られた空気量を目標空気量として設定する。なお、検索に用いられる燃料噴射量は、インジェクタ８に対して次回設定される燃料噴射量である。

目標空気量設定ユニット１０２は、目標空気量マップから得られた目標空気量に対して修正を加える機能を有している。この修正は、次に説明するサージ予測ユニット１０８からの要求を受けて行われる。サージ予測ユニット１０８においてサージ予測フラグがオンにされている間、目標空気量設定ユニット１０２は、サージ予測ユニット１０８から与えられるサージ限界空気量に目標空気量を修正する。

次に、サージ予測ユニット１０８の機能について説明する。サージ予測ユニット１０８は、コンプレッサ１４におけるサージの発生を予測する。サージが発生する条件は、コンプレッサ１４の前後の圧力の比（以下、コンプレッサ圧力比）とコンプレッサ１４を通過する空気の流量との関係によって表すことができる。コンプレッサ前後圧力比とは、コンプレッサ１４の上流の圧力に対する下流の圧力の比であり、コンプレッサ１４による過給が行われている過給域では、圧力比の値は１よりも大きい値となる。コンプレッサ１４を通過する空気の流量は、筒内に吸入される空気の量（１サイクル当りの空気量）に対応する。また、目標空気量は筒内の空気量の将来値（近い将来において実現される空気量）でもある。このため、ごく近い将来においてサージが発生するか否かは、コンプレッサ前後圧力比と目標空気量との関係から判断することができる。

ここで、図３には、コンプレッサ前後圧力比と空気量とを軸とする平面上に、サージが発生する領域（サージ発生域）が表わされている。サージ発生域の境界における空気量、つまり、サージが発生するかどうかの判定基準となる空気量がサージ限界空気量である。図３に示すように、サージ限界空気量はコンプレッサ前後圧力比と一対一の関係にあり、コンプレッサ前後圧力比が高いほど大きくなる。サージ限界空気量とコンプレッサ前後圧力比との関係は予め実験によって調べられ、マップ化されて制御装置１００のＲＯＭに記憶されている。

図３には、車両が急加速して減速する場合の目標空気量の軌跡の一例が描かれている。目標空気量はエンジン２の運転状態（エンジン回転速度及び燃料噴射量）に応じて設定されるので、加速時には増大していき、減速時には減少していく。この例では、減速時、目標空気量はサージ限界空気量まで低下している。図３において点線で示す軌跡は、サージ限界空気量まで低下した後もエンジン２の運転状態から目標空気量を決めた場合の目標空気量の軌跡である。この軌跡のように目標空気量を設定した場合、サージが発生する可能性は極めて高い。サージ予測ユニット１０８は、目標空気量がサージ限界空気量より小さくなった場合、コンプレッサ１４にサージが発生すると予測する。

再び図２に戻り、図２に示す制御構造の説明を続ける。サージ予測ユニット１０８は、サージ予測フラグを提示する機能を有している。サージ予測フラグは通常はオフに設定されている。コンプレッサ１４にサージが発生すると予測した場合、サージ予測ユニット１０８は、サージ予測フラグをオフからオンに切り替える。サージ予測フラグは、目標空気量が再びサージ限界空気量以上になるまでオンに維持される。サージ予測フラグがオンになっている間、サージ予測ユニット１０８は、目標空気量設定ユニット１０２に対してサージ限界空気量を与える。また、サージ予測フラグは、後述するスロットル制御ユニット１０６に対しても提示される。

次に、ＥＧＲ弁制御ユニット１０４の機能について説明する。ＥＧＲ弁制御ユニット１０４は、目標空気量設定ユニット１０２から目標空気量を取得する。そして、筒内に吸入される空気の量が目標空気量になるようにＥＧＲ弁３２の開度を制御する。ＥＧＲ弁制御ユニット１０４により行われる開度制御はフィードバック制御である。ただし、ＥＧＲ弁３２の開度と空気量との間には直接の関係がない。このため、ＥＧＲ弁３２の開度と直接の関係がある制御量、具体的には、ＥＧＲ率の目標値が目標空気量から計算される。ＥＧＲ弁制御ユニット１０４は、ＥＧＲ弁３２のベース開度をエンジン２の運転状態を示す情報から決定するとともに、目標ＥＧＲ率と実ＥＧＲ率との偏差に基づいてベース開度に対する補正量を算出する。補正量は、例えば、偏差に対する比例項と積分項の和として表わすことができる。ＥＧＲ弁制御ユニット１０４は、算出したＥＧＲ弁開度をＥＧＲ弁３２に対して指令値として出力する。

次に、スロットル制御ユニット１０６の機能について説明する。スロットル制御ユニット１０６は、スロットル２４の全開位置を基本位置として、全開位置に対する閉度によってスロットル２４を制御する。スロットル制御ユニット１０６は、サージ予測ユニット１０８から提示されるサージ予測フラグがオンになった場合、ＲＯＭに記憶された目標差圧マップから、スロットル２４の前後に発生させる差圧の目標値（目標差圧）を取得する。目標差圧は、ＥＧＲ弁３２の前後に所定値以上の大きさの差圧が生じるように、エンジン２の運転状態を示す情報（例えばエンジン回転速度や燃料噴射量）に関連付けて設定されている。

サージが発生しやすい車両の減速時や自動変速機のシフトアップ時には、燃料噴射の停止或いは燃料噴射量の低減によって排気圧が低下するため、ＥＧＲ弁３２の前後に生じる差圧が小さくなりやすい。ＥＧＲ弁３２の前後に生じる差圧が小さい場合、ＥＧＲ弁３２を全開にしても目標空気量の達成のために必要な流量を得ることができない。このため、ＥＧＲ弁３２の開度が全開に固定されてしまう。ＥＧＲ弁３２が全開に固定されてしまうと空気量の制御ができなくなり、エミッション性能を維持できる適正な空気量を得ることができなくなる。よって、ＥＧＲ弁３２の前後には、空気量制御に必要な最低差圧以上の差圧を生じさせる必要がある。上記の所定値以上の大きさの差圧とは、ＥＧＲ弁３２による空気量制御に必要な最低差圧以上の差圧のことであり、上記の目標差圧はこれを実現できるように設定されている。スロットル制御ユニット１０６は、取得した目標差圧に基づいてスロットル閉度を算出し、算出したスロットル閉度をスロットル２４に対して指令値として出力する。

なお、空気量制御には、スロットル２４による空気量制御とＥＧＲ弁３２による空気量制御が含まれる。このうち本発明に関係するのはＥＧＲ弁３２による空気量制御である。ＥＧＲ弁３２による空気量制御が行われている間、スロットル制御ユニット１０６は、ＥＧＲ弁３２の前後に空気量制御に必要な大きさの差圧が生じるようにスロットル２４の閉度を制御する。サージ予測フラグがオンになっている状況での制御もこれに含まれる。ただし、サージ予測フラグがオンの場合に用いる目標差圧マップは、通常使用する目標差圧マップとは別に用意してもよい。

次に、上述の各ユニット１０２，１０４，１０６，１０８の機能を制御装置１００において実現するためのルーチンについてフローチャートを用いて説明する。

［サージ予測及び目標空気量設定のルーチン］
図４は、上述の目標空気量設定ユニット１０２及びサージ予測ユニット１０８の機能を制御装置１００において実現するためのルーチンを示すフローチャートである。制御装置１００は、図４に示すルーチンを一定の制御周期で実行する。以下、このルーチンを実行した場合の処理についてステップごとに順に説明する。

ステップＳ１０１では、圧力センサ６２の信号より計測されたコンプレッサ１４の入口における圧力（コンプレッサ上流圧力）が取得される。また、圧力センサ６４の信号より計測されたコンプレッサ１４の出口における圧力（コンプレッサ下流圧力）が取得される。なお、制御装置１００は、これらの圧力センサ６２，６４を含む各センサの信号を常時受信し、各センサの信号よりエンジン２の運転状態を示す各種の状態量（上記のコンプレッサ上流圧力やコンプレッサ下流圧力もこれに含まれる）を計測している。

ステップＳ１０２では、コンプレッサ上流圧力に対するコンプレッサ下流圧力の比をとることによって、コンプレッサ前後圧力比が算出される。

ステップＳ１０３では、ＲＯＭに記憶されたサージ限界空気量マップが取得される。サージ限界空気量マップは、サージ限界空気量とコンプレッサ前後圧力比との関係を規定したマップである。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０２で算出されたコンプレッサ前後圧力比によってステップＳ１０３で取得したサージ限界空気量マップが検索される。この検索により、現在のコンプレッサ前後圧力比に対応するサージ限界空気量が算出される。

ステップＳ１０５では、目標空気量が取得される。目標空気量は、本ルーチンと並行して実行される他のルーチンにおいて、エンジン回転速度と燃料噴射量による目標空気量マップの検索によって決定される。

ステップＳ１０６では、ステップＳ１０５で取得された目標空気量と、ステップＳ１０４で算出されたサージ限界空気量とが比較される。目標空気量がサージ限界空気量以上の大きさであれば、少なくとも次回の制御周期においてコンプレッサ１４の運転域がサージ発生域に入ることはないと判断することができる。これに対し、目標空気量がサージ限界空気量より小さければ、次回の制御周期においてコンプレッサ１４の運転域はサージ発生域に入ると判断することができる。よって、比較の結果に応じて、次の処理が行われる。

目標空気量がサージ限界空気量以上の場合、ステップＳ１０７の処理が選択される。ステップＳ１０７では、サージ予測フラグはオフとされる。この場合、目標空気量の修正は行われない。エンジン回転速度と燃料噴射量により決定された目標空気量がそのまま最終的な目標空気量として設定される。

目標空気量がサージ限界空気量より小さい場合、ステップＳ１０８及びステップＳ１０９の処理が選択される。ステップＳ１０８では、サージ予測フラグはオンとされる。ステップＳ１０６の判定の結果が肯定になってステップＳ１０７の処理が選択されるまで、サージ予測フラグはオンに維持される。

そして、ステップＳ１０９では、目標空気量の修正が行われる。エンジン回転速度と燃料噴射量により決定された目標空気量に代えて、ステップＳ１０４で算出されたサージ限界空気量が新たな目標空気量として設定される。

［ＥＧＲ弁制御のルーチン］
図５は、上述のＥＧＲ弁制御ユニット１０４の機能を制御装置１００において実現するためのルーチンを示すフローチャートである。制御装置１００は、図５に示すルーチンを一定の制御周期で実行する。以下、このルーチンを実行した場合の処理についてステップごとに順に説明する。

ステップＳ２０１では、図４に示すルーチンによって最終的に設定された目標空気量が取得される。サージ予測フラグがオフの場合、ここで取得される目標空気量はエンジン回転速度と燃料噴射量により決定された目標空気量であり、サージ予測フラグがオンの場合、ここで取得される目標空気量はサージ限界空気量である。

ステップＳ２０２では、筒内の総ガス量が取得される。筒内の総ガス量は、空気量とＥＧＲガス量との和である。筒内の総ガス量の計算方法に限定はない。例えば、図示しない筒内圧センサにより計測される筒内圧から筒内総ガス量を推定することができる。また、吸気ポートに流量センサを取り付けて、その信号から筒内総ガス量を計測することもできる。

ステップＳ２０３では、目標ＥＧＲ率が算出される。ここでは、筒内総ガス量から目標空気量を差し引いて得られるガス量と、筒内総ガス量との比を計算することが行われ、その計算により得られた値が目標ＥＧＲ率として算出される。

ステップＳ２０４では、実ＥＧＲ率が取得される。実ＥＧＲ率の計算方法に限定はない。例えば、ＥＧＲ弁３２の開度とＥＧＲ弁３２の前後の差圧から計算されるＥＧＲガスの流量と、エアフローメータ５８により計測される吸入空気の流量とから実ＥＧＲ率を推定することができる。

ステップＳ２０５では、ステップＳ２０３で算出された目標ＥＧＲ率と、ステップＳ２０５で取得された実ＥＧＲ率との偏差が算出される。

ステップＳ２０６では、フィードバック制御に係るＰゲインとＩゲインがそれぞれＲＯＭに記憶されたゲインマップより取得される。

ステップＳ２０７では、ＥＧＲ弁３２によって空気量制御を行う場合のＥＧＲ弁３２のベース開度がＲＯＭに記憶されたベース開度マップより取得される。ベース開度は、ＥＧＲ弁３２によって空気量制御を行う場合に、目標空気量を達成するために必要なＥＧＲ弁３２の開度の適合値である。ベース開度マップでは、エンジン２の運転状態或いは目標空気量にベース開度が関連付けられている。

ステップＳ２０８では、ステップＳ２０５で算出されたＥＧＲ率偏差と、ステップＳ２０６で取得されたＰゲイン及びＩゲインとを用いて、ＰＩ制御に係るＰ項とＩ項が算出される。そして、ステップＳ２０７で取得されたベース開度にＰ項及びＩ項が補正量として加算されることにより、ＥＧＲ弁開度が算出される。算出されたＥＧＲ弁開度はＥＧＲ弁３２に対して指令値として出力される。

［スロットル制御のルーチン］
図６は、上述のスロットル制御ユニット１０６の機能を制御装置１００において実現するためのルーチンを示すフローチャートである。制御装置１００は、図６に示すルーチンを一定の制御周期で実行する。以下、このルーチンを実行した場合の処理についてステップごとに順に説明する。

ステップＳ３０１では、エアフローメータ５８の信号より計測された吸入空気の流量が取得される。また、温度センサ６０の信号より計測されたスロットル２４の上流における温度（スロットル上流温度）が取得される。さらに、圧力センサ５６の信号より計測されたスロットル２４の上流における圧力（スロットル上流圧力）が取得される。

ステップＳ３０２では、スロットル２４の前後における目標差圧が目標差圧マップより取得される。目標差圧はＥＧＲ弁３２による空気量制御に必要な最低差圧であって、具体的には３〜５kPaの範囲に設定されている。

ステップＳ３０３では、ステップＳ３０１で取得したスロットル上流圧力からステップＳ３０２で取得した目標差圧を差し引くことにより、スロットル２４の下流における圧力の目標値（目標スロットル下流圧力）が算出される。

ステップＳ３０４では、スロットル２４のモデル化式である下記の絞りの式(1)を用いてスロットル２４の有効開口面積が算出される。下記の式(1)において、Gaは空気の流量[kg/sec]、μＡは有効開口面積[m²]、Pusはスロットル上流圧力[Pa]、Pdsはスロットル下流圧力[Pa]、Tusはスロットル上流温度[K]、Rは気体定数（J/K*kg）、κは比熱比である。“Ga”、“Pus”、“Tus”にはステップＳ３０１で取得された各計測値が入力され、“Pds”にはステップＳ３０３で算出された目標スロットル下流圧力が入力される。

ステップＳ３０５では、ＲＯＭに記憶されたスロットル閉度特性マップを用いて、ステップＳ３０４で算出されたスロットル２４の有効開口面積からスロットル２４の閉度が算出される。スロットル閉度と有効開口面積との間には一次式で近似することができる相関がある。スロットル閉度特性マップにはこの関係が定められている。算出されたスロットル閉度はスロットル２４に対して指令値として出力される。

［制御装置により実現される動作］
図７は、制御装置１００により実現される動作を示すタイムチャートである。図７に示すタイムチャートには、アクセルペダルを踏んでいない惰行運転の状態から急加速と急減速が行われた場合のアクセル開度、燃料噴射量、目標空気量、実空気量、ＥＧＲ弁開度、スロットル閉度、及び、スロットル２４の前後の差圧の各時間変化が示されている。以下、このタイムチャートを参照して本実施の形態に係るエンジン制御の作用及び効果について説明する。

タイムチャートでは、時点ｔ１においてアクセル開度が全閉から全開へ切り替えられる。時点ｔ１でのアクセル開度の変化によって燃料噴射量は急増される。そして、燃料噴射量の急増によって図示しないエンジン回転速度は上昇し、エンジン回転速度と燃料噴射量とにより決定される目標空気量も時点ｔ１から連続的に上昇していく。このときの目標空気量の上昇速度は実現可能な最大の変化速度であり、これに実空気量を追従させるべくスロットル２４は全開にされ、ＥＧＲ弁３２は全閉にされる。スロットル２４が全開となることで、スロットル２４の前後の差圧は最小値まで低下する。

タイムチャートでは、時点ｔ２においてアクセル開度が再び全開から全閉へ切り替えられている。時点ｔ２でのアクセル開度の変化によって燃料噴射は停止される。燃料噴射の停止によって図示しないエンジン回転速度は低下し、エンジン回転速度と燃料噴射量とにより決定される目標空気量は時点ｔ２において急減される。タイムチャートの時点ｔ２以降の時間において、エンジン回転速度と燃料噴射量とにより決定される目標空気量の時間変化は点線で描かれている。しかし、制御装置１００によれば、サージの発生を回避するために、実線で描かれているように目標空気量の修正が行われる。修正後の目標空気量は、サージを回避可能な最小空気量であるサージ限界空気量である。

タイムチャートの時点ｔ２以降の時間において、サージ対策のためにスロットル閉度を全開に維持した場合のスロットル閉度の時間変化と、それにより実現されるスロットル前後差圧の時間変化が点線で描かれている。スロットル閉度を全開に維持した場合、スロットル２４の前後の差圧は最小値に維持される。時点ｔ２以降はＥＧＲ弁３２によって空気量制御が行われるが、スロットル２４の前後の差圧が最小値になっている状況ではＥＧＲ弁３２の前後の差圧も最小値になっている。このため、点線で描かれているようにＥＧＲ弁３２の開度は全開に固定されてしまう。この場合、目標空気量を実現することができず、点線で描かれているように実空気量は目標空気量よりも過剰になってしまう。しかし、制御装置１００によれば、空気量制御に必要な最低差圧を確保できるように、実線で描かれているようにスロットル２４の閉度が制御される。これにより、実線で描かれているようにＥＧＲ弁３２の開度が全開に固定されてしまうことがなく、ＥＧＲ弁３２の開度による空気量制御は有効となる。よって、制御装置１００によれば、実線で描かれているように実空気量を目標空気量に追従させることができる。

タイムチャートでは、時点ｔ３において燃料噴射が再開される。このとき、点線で描かれているように実空気量が目標空気量に対して過剰になっている場合、実ＥＧＲ率が適正なＥＧＲ率よりも過小となってＮＯｘの生成量が増大してしまう。しかし、制御装置１００によれば、実線で描かれているように実空気量と目標空気量との乖離を抑えることができる。また、このときの目標空気量はサージ限界空気量であり、エンジン２の運転状態から決まる空気量よりも大きいが、その差は最小限に抑えられているので、ＮＯｘの生成量の増大は抑えられている。

以上説明したように、制御装置１００によれば、空気量の制御性を担保しつつサージの発生を回避することができる。

［ＥＧＲ弁制御のルーチンの他の実施例］
図８は、上述のＥＧＲ弁制御ユニット１０４の機能を制御装置１００において実現するためのルーチンの他の実施例を示すフローチャートである。図８において、図５に示すＥＧＲ弁制御のルーチンと同じ内容の処理には、同一のステップ番号を付している。図８に示すルーチンでは、図５に示すルーチンにおけるステップＳ２０３の処理がステップＳ２１１及びＳ２１２の処理に置き換えられている。

ステップＳ２１１では、ベース目標ＥＧＲ率がＲＯＭに記憶されたベース目標ＥＧＲ率マップより取得される。このマップでは、エンジン２の運転状態或いは目標空気量にベース目標ＥＧＲ率が関連付けられている。

ステップＳ２１２では、目標ＥＧＲ率が算出される。ここでは、ベース目標ＥＧＲ率に筒内総ガス量を乗算して得られるガス量と、ベース目標ＥＧＲ率に筒内総ガス量を乗算して得られるガス量と目標空気量とを合計して得られるガス量との比を計算することが行われ、その計算により得られた値が目標ＥＧＲ率として算出される。

［スロットル制御のルーチンの他の実施例１］
図９は、上述のスロットル制御ユニット１０６の機能を制御装置１００において実現するためのルーチンの他の実施例１を示すフローチャートである。図９において、図６に示すスロットル制御のルーチンと同じ内容の処理には、同一のステップ番号を付している。図９に示すルーチンでは、図６に示すルーチンにおけるステップＳ３０４及びＳ３０５の処理がステップＳ３１１及びＳ３１２の処理に置き換えられている。

ステップＳ３１１では、ＲＯＭに記憶されたスロットル閉度マップが取得される。スロットル閉度マップは、吸入空気の流量、スロットル上流圧力、スロットル下流圧力、及びスロットル上流温度にスロットル閉度を関連付けたマップである。このマップは、適合により得られたデータをもとに作成されている。

ステップＳ３１２では、ステップＳ３０１で取得された各計測値とステップＳ３０３で算出された目標スロットル下流圧力とによって、ステップＳ３１１で取得したスロットル閉度マップが検索され、検索条件に応じたスロットル閉度が算出される。算出されたスロットル閉度はスロットル２４に対して指令値として出力される。

［スロットル制御のルーチンの他の実施例２］
図１０は、上述のスロットル制御ユニット１０６の機能を制御装置１００において実現するためのルーチンの他の実施例２を示すフローチャートである。図６及び図９に示す各ルーチンがフィードフォワード制御によってスロットル閉度を算出するものであるのに対し、図１０に示すルーチンは、フィードバック制御によってスロットル閉度を算出するものである。以下、このルーチンを実行した場合の処理についてステップごとに順に説明する。

ステップＳ３２１では、圧力センサ５６の信号より計測されたスロットル２４の上流における圧力（スロットル上流圧力）が取得される。また、圧力センサ５４の信号より計測されたスロットル２４の下流における圧力（スロットル下流圧力）が取得される。

ステップＳ３２２では、スロットル２４の前後における目標差圧が目標差圧マップより取得される。

ステップＳ３２３では、ステップＳ３２１で取得されたスロットル上流圧力からスロットル下流圧力を差し引くことにより、スロットル２４の前後における実際の差圧が算出される。

ステップＳ３２４では、ステップＳ３２２で取得された目標差圧と、ステップＳ３２３で算出された実際差圧との偏差が算出される。そして、この偏差をゼロにするためのスロットル閉度の補正量がフィードバック制御（例えばＰＩ制御）によって算出される。

ステップＳ３２５では、現在のスロットル閉度にステップＳ３２４で算出された補正量が加算され、新たなスロットル閉度が算出される。算出されたスロットル閉度はスロットル２４に対して指令値として出力される。

［スロットル制御のルーチンの他の実施例３］
図１１は、上述のスロットル制御ユニット１０６の機能を制御装置１００において実現するためのルーチンの他の実施例３を示すフローチャートである。図１１において、図１０に示すスロットル制御のルーチンと同じ内容の処理には、同一のステップ番号を付している。図１１に示すルーチンでは、図１０に示すルーチンにおけるステップＳ３２３及びＳ３２４の処理がステップＳ３３１及びＳ３３２の処理に置き換えられている。

ステップＳ３３１では、ステップＳ３２１で取得されたスロットル上流圧力からステップＳ３２２で取得された目標差圧を差し引くことにより、目標スロットル下流圧力が算出される。

ステップＳ３３２では、ステップＳ３２１で取得された実スロットル下流圧力と、ステップＳ３３１で算出された目標スロットル下流圧力との偏差が算出される。そして、この偏差をゼロにするためのスロットル閉度の補正量がフィードバック制御（例えばＰＩ制御）によって算出される。

［その他の変形例］
エンジンの吸気通路に設けられるコンプレッサは、クランクシャフトによって駆動されるものでもよく、電動モータによって駆動されるものでもよい。

２エンジン
４吸気マニホールド
６排気マニホールド
８インジェクタ
１０吸気通路
１２排気通路
１４コンプレッサ
１６タービン
２４スロットル
３０ＥＧＲ通路
３２ＥＧＲ弁
５２クランク角センサ
５４，５６，６２，６４圧力センサ
６０温度センサ
６６アクセル開度センサ
１００制御装置

本発明に係る制御装置は、スロットルを制御するスロットル制御手段を備える。スロットル制御手段は、少なくともサージ予測手段によってサージが発生することが予測された場合は、ＥＧＲ弁の前後に所定値以上の大きさの差圧が生じるようにスロットルの閉度の制御によってスロットルの前後の差圧を制御するように構成される。スロットルの閉度の制御はオープンループ制御でもよいしフィードバック制御でもよい。好ましくは、スロットル制御手段は、ＥＧＲ弁制御手段によるＥＧＲ弁の制御によって空気量が制御されている間は、ＥＧＲ弁の前後に所定値以上の大きさの差圧が生じるようにスロットルの閉度の制御によってスロットルの前後の差圧を制御するように構成される。より好ましくは、スロットル制御手段は、目標空気量を達成するために必要な量のＥＧＲガスがＥＧＲ弁が全開まで開かれることなく吸気通路に供給されるように、スロットルの閉度を制御してスロットルの下流の圧力を低下させるように構成される。

本発明に係る制御装置によれば、コンプレッサにサージが発生することが予測された場合、目標空気量がサージを回避可能な空気量に修正されるとともに、ＥＧＲ弁の前後に所定値以上の大きさの差圧が生じるようにスロットルの閉度の制御によってスロットルの前後の差圧が制御される。そして、筒内に吸入される空気の量が修正された目標空気量になるようにＥＧＲ弁の開度が制御される。ＥＧＲ弁の前後には所定値以上の大きさの差圧が確保されているので、ＥＧＲ弁の開度によるＥＧＲガスの流量の制御は有効であり、ＥＧＲガスの流量の制御を介して間接的に筒内の空気量の制御が行われる。このような動作により、本発明に係る制御装置によれば、空気量の制御性を担保しつつサージの発生を回避することができる。

なお、空気量制御には、スロットル２４による空気量制御とＥＧＲ弁３２による空気量制御が含まれる。このうち本発明に関係するのはＥＧＲ弁３２による空気量制御である。ＥＧＲ弁３２による空気量制御が行われている間、スロットル制御ユニット１０６は、ＥＧＲ弁３２の前後に空気量制御に必要な大きさの差圧が生じるようにスロットル２４の閉度の制御によってスロットル２４の前後の差圧を制御する。サージ予測フラグがオンになっている状況での制御もこれに含まれる。ただし、サージ予測フラグがオンの場合に用いる目標差圧マップは、通常使用する目標差圧マップとは別に用意してもよい。

タイムチャートの時点ｔ２以降の時間において、サージ対策のためにスロットル閉度を全開に維持した場合のスロットル閉度の時間変化と、それにより実現されるスロットル前後差圧の時間変化が点線で描かれている。スロットル閉度を全開に維持した場合、スロットル２４の前後の差圧は最小値に維持される。時点ｔ２以降はＥＧＲ弁３２によって空気量制御が行われるが、スロットル２４の前後の差圧が最小値になっている状況ではＥＧＲ弁３２の前後の差圧も最小値になっている。このため、点線で描かれているようにＥＧＲ弁３２の開度は全開に固定されてしまう。この場合、目標空気量を実現することができず、点線で描かれているように実空気量は目標空気量よりも過剰になってしまう。しかし、制御装置１００によれば、空気量制御に必要な最低差圧を確保できるように、実線で描かれているようにスロットル２４の閉度が制御され、スロットル２４の前後の差圧が制御される。これにより、実線で描かれているようにＥＧＲ弁３２の開度が全開に固定されてしまうことがなく、ＥＧＲ弁３２の開度による空気量制御は有効となる。よって、制御装置１００によれば、実線で描かれているように実空気量を目標空気量に追従させることができる。

Claims

吸気通路に設けられたコンプレッサと、前記吸気通路における前記コンプレッサの下流に設けられたスロットルと、前記吸気通路における前記スロットルの下流と排気通路とを接続するＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁とを備える内燃機関の制御装置において、
前記コンプレッサにおけるサージの発生を予測するサージ予測手段と、
内燃機関の運転状態に応じて目標空気量を決定し、前記サージ予測手段によってサージが発生することが予測された場合は、サージを回避可能な空気量に前記目標空気量を修正する目標空気量設定手段と、
筒内に吸入される空気の量が前記目標空気量設定手段で設定された前記目標空気量になるように前記ＥＧＲ弁の開度を制御するＥＧＲ弁制御手段と、
少なくとも前記サージ予測手段によってサージが発生することが予測された場合は、前記ＥＧＲ弁の前後に所定値以上の大きさの差圧が生じるように前記スロットルの閉度を制御するスロットル制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記スロットル制御手段は、前記ＥＧＲ弁制御手段による前記ＥＧＲ弁の制御によって空気量が制御されている間は、前記ＥＧＲ弁の前後に所定値以上の大きさの差圧が生じるように前記スロットルの閉度を制御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。
前記スロットル制御手段は、前記目標空気量を達成するために必要な量のＥＧＲガスが前記ＥＧＲ弁が全開まで開かれることなく前記吸気通路に供給されるように、前記スロットルの閉度を制御して前記スロットルの下流の圧力を低下させることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
前記サージ予測手段は、前記コンプレッサの前後の圧力の比からサージ限界空気量を算出し、前記目標空気量が前記サージ限界空気量より少ない場合にサージが発生すると判断することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
前記目標空気量設定手段は、前記サージ予測手段によりサージが発生することが予測された場合は、前記目標空気量を前記サージ限界空気量に修正することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。