JP2017198091A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過給圧が目標値になるように制御弁の開度に対してフィードバック制御を行う場合において、ＥＧＲ装置による排気の再循環がフィードバック制御の目標値追従性に影響することを抑制する。
【解決手段】制御装置は、センサによる検出或いはモデルによる推定により過給圧を取得する。そして、制御弁であるウエストゲートバルブの開度に基づいてフィードバック制御のゲインを変更するとともに、センサによる検出或いはモデルによる推定により取得された過給圧が大きくなるほど、又はタービンの運転条件から推定されるタービンの仕事量が大きくなるほど、フィードバック制御のゲインを小さく設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、排気通路に配置されたタービンを有するターボチャージャと、タービンをバイパスするバイパス通路に設けられてバイパス通路の開口面積を変更する制御弁と、排気通路から吸気通路へ排気の一部を再循環させるＥＧＲ装置と、を備えた内燃機関を制御する制御装置に関する。

特開２００２−１１５５５１号公報には、ターボチャージャにより過給された吸気の圧力である過給圧を可変にするアクチュエータ、特に、可変ノズルに対するフィードバック制御に関する技術が開示されている。詳しくは、同公報に開示された技術によれば、目標過給圧と実過給圧との差（或いは、目標吸入空気量と実吸入空気量との差）が小さくなるように、ＰＩ制御によって可変ノズルの開口割合のフィードバック補正量が演算される。また、同公報に開示された技術によれば、ＰＩ制御における各ゲインは可変ノズルの開口割合と実排気量とに基づいて設定される。

特開２００２−１１５５５１号公報 特開２００６−２７４８３４号公報

ところで、排気通路から吸気通路へ排気の一部を再循環させるＥＧＲ装置が内燃機関に備えられる場合、再循環される排気量、すなわち、ＥＧＲ量に応じてアクチュエータの操作に対するターボチャージャの過給感度は変化する。排気の再循環の有無によらず過給圧を目標値に応答良く追従させるためには、ＥＧＲ量に応じて変化するターボチャージャの過給感度に合わせて、フィードバック制御のゲインも変化させればよい。しかし、排気量にはＥＧＲ量の情報は含まれていない。このため、上記の技術のごとく実排気量に基づいて設定したゲインでは、排気の再循環が行われているときには、過給圧を目標値に応答良く追従させることができないおそれがある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、過給圧が目標値になるように制御弁の開度に対してフィードバック制御を行う場合において、ＥＧＲ装置による排気の再循環がフィードバック制御の目標値追従性に影響することを抑え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。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、排気通路に配置されたタービンを有するターボチャージャと、タービンをバイパスするバイパス通路に設けられてバイパス通路の開口面積を変更する制御弁と、排気通路から吸気通路へ排気の一部を再循環させるＥＧＲ装置と、を備えた内燃機関を制御する制御装置であって、次のように構成される。

すなわち、本発明に係る内燃機関の制御装置は、ターボチャージャによって過給された吸気の圧力である過給圧を検出又は推定による取得する過給圧取得部と、制御弁の開度を制御する制御部とを備える。制御部は、内燃機関の運転状態に基づいて過給圧の目標値を設定するとともに、過給圧取得部によって取得された過給圧がその目標値になるように制御弁の開度に対してフィードバック制御を行うように構成されている。さらに、制御部は、フィードバック制御におけるゲインを制御弁の開度に基づいて変更するとともに、過給圧取得部によって取得された過給圧が大きくなるほど、又はタービンの運転条件から推定されるタービンの仕事量が大きくなるほど、ゲインを小さく設定するように構成されている。

制御弁の開度に対するターボチャージャの過給感度との相関が高い状態量としては、タービンの仕事量を挙げることができる。ＥＧＲ装置による排気の再循環が行われる場合、ＥＧＲガス量に応じてタービンの仕事量は変化する。すなわち、タービンの仕事量はＥＧＲ量の情報が含まれた状態量でもある。過給圧取得部によって取得される過給圧は、タービンの仕事量と相関のある状態量であるので、これもまた過給感度が高く且つＥＧＲ量の情報が含まれた状態量として挙げることができる。過給圧やタービン仕事量が大きいほど過給感度は高くなることから、過給圧又はタービン仕事量が小さいときはフィードバック制御におけるゲインを大きく設定し、過給圧又はタービン仕事量が大きくなるほどゲインを小さく設定することで、ＥＧＲ装置による排気の再循環がフィードバック制御の目標値追従性に影響することを抑えるようにゲインを適正化することができる。

本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、フィードバック制御におけるゲインを制御弁の開度に基づいて変更するとともに、過給圧又はタービンの仕事量が大きくなるほどゲインを小さく設定することによって、ＥＧＲ装置による排気の再循環がフィードバック制御の目標値追従性に影響することを抑えることができる。

本発明の実施の形態に係る内燃機関システムの構成を示す図である。 制御装置により実行される過給圧フィードバック制御のルーチンを示すフローチャートである。 制御装置が有するフィードバック補正量の演算構造を示す図である。 固定ゲインマップのイメージを示す図である。 可変ゲイン補正係数マップのイメージを示す図である。 ＷＧＶ開度とゲインとの関係について説明する図である。 過給圧又はタービン仕事量と過給感度との関係について示す図である。 過給圧又はタービン仕事量と過給感度との関係にＷＧＶ開度が与える影響について示す図である。

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。

図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関システムの構成を示す図である。この実施の形態の内燃機関２は、圧縮着火式の内燃機関である。内燃機関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。内燃機関２には吸気マニホールド４と排気マニホールド６が取り付けられている。

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にはターボチャージャのコンプレッサ１４が取り付けられている。吸気通路１０のコンプレッサ１４よりも下流には、コンプレッサ１４で過給された吸気を冷却するインタークーラ２２が設けられている。吸気通路１０のインタークーラ２２よりも下流には、全開を基本状態とするスロットル（いわゆるディーゼルスロットル）２４が設けられている。

排気マニホールド６には、内燃機関２から排出された排気が流れる排気通路１２が接続されている。排気通路１２には、ターボチャージャのタービン１６が取り付けられている。タービン１６にはウエストゲートバルブ（以下、ＷＧＶと表記する）１８が設けられている。ＷＧＶ１８は、タービン１６をバイパスする図示しないバイパス通路に設けられ、このバイパス通路の開口面積を変更するように構成された制御弁である。

内燃機関２は、排気系から吸気系へ排気の一部を再循環させる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通路３０の開口面積を変更するＥＧＲ弁３２が設けられている。ＥＧＲ通路３０のＥＧＲ弁３２に対して排気側には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３４が設けられている。また、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、ＥＧＲクーラ３４を流れるＥＧＲガスの流量とバイパス通路３６を流れるＥＧＲガスの流量との比率を変更するバイパス弁３８が設けられている。

内燃機関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取り付けられている。吸気通路１０のエアクリーナ２０よりも下流には、吸気通路１０に取り込まれた吸入空気量（新気の流量）を検出するためのエアフローメータ６０が取り付けられている。吸気通路１０のコンプレッサ１４とインタークーラ２２との間、インタークーラ２２とスロットル２４との間、及び吸気マニホールド４には、それぞれ圧力センサ５８，５６，５４が取り付けられている。これらの圧力センサ５８，５６，５４によって検出される圧力は、何れもコンプレッサ１４によって過給された吸気の圧力である。以下、過給圧とは、これらの圧力センサ５８，５６，５４の中のある特定の圧力センサによって検出される圧力を指すものとする。さらに、内燃機関２には、クランク軸の回転を検出するクランク角センサ５２や、アクセル開度に応じた信号を出力するアクセル開度センサ６２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、内燃機関２を制御する制御装置１００に電気的に接続されている。制御装置１００は、少なくとも１つのＣＰＵ、少なくとも１つのＲＯＭ、少なくとも１つのＲＡＭを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。ただし、制御装置１００は、複数のＥＣＵから構成されていてもよい。制御装置１００では、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＣＰＵで実行することで、内燃機関２に対する様々な制御が行われる。

制御装置１００により行われる内燃機関２の制御には、ＥＧＲ率フィードバック制御が含まれる。ＥＧＲ率フィードバック制御では、現在ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率になるように、ＥＧＲ率を制御可能なアクチュエータであるＥＧＲ弁３２とスロットル２４とを操作することが行われる。目標ＥＧＲ率は、予め用意されているマップを用いて、燃料噴射量とエンジン回転速度とから算出される。燃料噴射量は、アクセル開度センサ６２により得られたアクセル開度に基づいて算出される。エンジン回転速度は、クランク角センサ５２が出力する信号から検出される。一方、現在ＥＧＲ率は、エアフローメータ６０によって検出された吸入空気量とエンジン回転速度と過給圧とに基づいて推定される。

ＥＧＲ率フィードバック制御では、詳しくは、目標ＥＧＲ率と現在ＥＧＲ率との間のＥＧＲ率偏差が計算される。次に、そのＥＧＲ率偏差に基づいてＰＩ制御が行われて、そのフィードバック補正量であるＰＩ補正量が算出される。そして、ＰＩ補正量に基づいてＥＧＲ弁３２の開度に対する補正量とスロットル２４の開度に対する補正量がそれぞれ算出される。各補正量によれば、目標ＥＧＲ率に対して現在ＥＧＲ率が不足している場合には、ＥＧＲ弁３２の開度は開き側に補正され、スロットル２４の開度は閉じ側に補正される。逆に、目標ＥＧＲ率に対して現在ＥＧＲ率が過剰な場合には、ＥＧＲ弁３２の開度は閉じ側に補正され、スロットル２４の開度は開き側に補正される。

制御装置１００により行われる内燃機関２の制御には、さらに、過給圧フィードバック制御が含まれる。過給圧フィードバック制御では、現在過給圧が目標過給圧になるようにＷＧＶ１８を操作することが行われる。図２は、制御装置１００が実行する過給圧フィードバック制御のルーチンを示すフローチャートである。以下、図２を用いて、制御装置１００が行う過給圧フィードバック制御の詳細について説明する。

フローチャートのステップＳ１では、制御装置１００は、クランク角センサ５２が出力する信号よりエンジン回転速度を検出する。ステップＳ２では、アクセル開度センサ６２により得られたアクセル開度に基づいて燃料噴射量を算出する。そして、ステップＳ３は、予め用意されているマップを用いて、ステップＳ１で得たエンジン回転速度とステップＳ２で得た燃料噴射量とから目標過給圧を算出するとともに、目標過給圧に対応するＷＧＶ１８のベース開度（フィードフォワード制御によるＷＧＶ１８の開度、以下、ベースＷＧＶ開度という）を算出する。有効な目標過給圧が設定される領域、すなわち、ターボチャージャによる過給が行われる領域の少なくとも一部は、有効な目標ＥＧＲ率が設定される領域、すなわち、ＥＧＲ装置による排気の再循環が行われる領域と重なっている。

ステップＳ４では、制御装置１００は、圧力センサ５８，５６，５４のうちの所定の圧力センサにより現在過給圧を検出する。ただし、ここで用いる現在過給圧は、モデルによる推定値であってもよい。例えば、コンプレッサ１４の動特性をモデル化したコンプレッサモデルにより、エアフローメータ６０による検出される吸入空気量と、大気圧と、コンプレッサ１４の回転速度とから過給圧を推定するようにしてもよい。つまり、過給圧は検出により取得してもよいし、推定により取得してもよい。そして、ステップＳ５では、ステップＳ３で算出した目標過給圧とステップＳ４で検出或いは推定した現在過給圧との間の過給圧偏差を算出する。

次に、ステップＳ６では、制御装置１００は、ステップＳ５で算出した過給圧偏差に基づいてＰＩＤ制御を行い、フィードバック補正量であるＰＩＤ補正量を算出する。そして、ステップＳ７では、ステップＳ６で算出したフィードバック補正量をステップＳ３で算出したベースＷＧＶ開度に加算することによって最終ＷＧＶ開度を算出する。フィードバック補正量を加えることにより、目標過給圧に対して現在過給圧が不足している場合には、最終ＷＧＶ開度は閉じ側に補正される。逆に、目標過給圧に対して現在過給圧が過剰な場合には、最終ＷＧＶ開度は開き側に補正される。制御装置１００は、ステップＳ７で算出した最終ＷＧＶ開度に従ってＷＧＶ１８を操作する。

このようなルーチンにより行われる過給圧フィードバック制御において、この実施の形態に特有の内容を有する処理は、ステップＳ６で行われるフィードバック補正量の計算である。フィードバック補正量の演算においては、ＰＩＤ制御により、過給圧偏差からＰ補正量（フィードバック補正量の比例項）、Ｉ補正量（フィードバック補正量の積分項）、及びＤ補正量（フィードバック補正量の微分項）が計算される。Ｐ補正量の計算では、過給圧偏差に対して比例ゲインが乗じられる。Ｉ補正量の計算では、過給圧偏差の積分値に対して積分ゲインが乗じられる。そして、Ｄ補正量の計算では、過給圧偏差の微分値に対して微分ゲインが乗じられる。比例ゲイン、積分ゲイン、及び微分ゲインの設定値はそれぞれに異なってはいるが、その設定方法には、以下に述べるこの実施の形態に特有の共通点がある。この共通点について説明するにあたり、本明細書では、比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインを総称してゲインと呼ぶ（或いは、比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインのそれぞれを成分とするベクトルをゲインと呼ぶ）。

図３は、制御装置１００が有するフィードバック補正量の演算構造を示す図である。この実施の形態では、フィードバック補正量の計算に２種類のマップが用いられる。第１のマップは、ゲインの基本値である固定ゲインを決定するための固定ゲインマップである。固定ゲインマップでは、過給圧偏差が引数として用いられる。第２のマップは、固定ゲインの補正に用いる可変ゲイン補正係数を決定するための可変ゲイン補正係数マップである。可変ゲイン補正係数マップでは、現在ＷＧＶ開度と過給圧が引数として用いられる。ただし、現在ＷＧＶ開度に代えてベースＷＧＶ開度を引数として用いてもよい。また、引数として用いる過給圧は絶対圧ではなくゲージ圧である。過給圧の検出に用いられる圧力センサの出力が絶対圧である場合には、別に設けられた大気圧センサの出力を用いてゲージ圧に補正したものが可変ゲイン補正係数マップの引数として用いられる。制御装置１００は、固定ゲインに可変ゲイン補正係数をかけたものを用いてフィードバック補正量を演算する。

固定ゲインマップの詳細について図４を用いて説明する。図４は、固定ゲインマップのイメージを示す図である。この図に示すように、過給圧偏差のゼロを中心とする一定範囲は、過給圧偏差の増減に関係なく固定ゲインをゼロとする不感帯とされている。不感帯の外の過給圧偏差が正の領域では、過給圧偏差の増加量に対して固定ゲインの増加量が正比例する領域とされている。また、不感帯の外の過給圧偏差が負の領域では、過給圧偏差の減少量に対して固定ゲインの減少量が正比例する領域とされている。つまり、目標過給圧に対する現在過給圧の不足量が大きいほど、また、目標過給圧に対する現在過給圧の過剰量が大きいほど、過給圧偏差の変化量に対するフィードバック補正量の変化量が大きくなるように、固定ゲインマップは作成されている。

次に、可変ゲイン補正係数マップの詳細について図５を用いて説明する。図５は、可変ゲイン補正係数マップのイメージを示す図である。この図に示すように、過給圧を一定とした場合には、ＷＧＶ開度の中央付近において可変ゲイン補正係数は最小値とされ、ＷＧＶ開度が中央付近から離れて全閉に近づくほど、また、ＷＧＶ開度が中央付近から離れて全開に近づくほど、可変ゲイン補正係数は大きい値とされる。ＷＧＶ開度を一定とした場合には、過給圧が小さいほど、可変ゲイン補正係数は大きい値とされる。

可変ゲイン補正係数マップにおけるＷＧＶ開度と可変ゲイン補正係数との関係は、ＷＧＶ１８が有する過給圧の制御特性に基づいている。図６に描かれている左側のチャートは、ＷＧＶ開度（或いは有効開口面積）と過給圧との関係を示している。このチャートに示すように、ＷＧＶ開度の中央付近において過給圧はＷＧＶ開度の変化に対して急激に変化するが、中央付近よりも開き側及び閉じ側でのＷＧＶ開度の変化に対する過給圧の変化は僅かである。つまり、ＷＧＶ開度と過給圧との関係は非線形であり、ＷＧＶ開度の変化に対する過給圧の応答性は現在のＷＧＶ開度に依存する。このため、過給偏差のフィードバックに対する過給圧の応答性をＷＧＶ開度によらずに一定に近づけるには、図６の右側のチャートに示すように、ＷＧＶ開度に応じてゲインを可変にする必要がある。

一方、可変ゲイン補正係数マップにおける過給圧と可変ゲイン補正係数との関係は、ＷＧＶ開度に対するターボチャージャの過給感度とタービン仕事量との相関関係に基づいている。以下の式で表されるタービン仕事量は、ＷＧＶ開度に対するターボチャージャの過給感度との相関が高い状態量である。以下の式において、Ｌｔはタービン仕事量、Ｃｐｇは係数、Ｇａは吸入空気量、Ｇｆは噴射された燃料の質量流量、ＧｗｇｖはＷＧＶ１８を通過する排気の流量、Ｔ４はタービン前温度、Ｐ４はタービン前圧力、Ｐ６はタービン後圧力、κは比熱比である。

前述の通り、この実施の形態では、ターボチャージャによる過給が行われる領域の少なくとも一部は、ＥＧＲ装置による排気の再循環が行われる領域と重なっている。ＥＧＲ装置による排気の再循環が行われる場合、上記の式に含まれるタービン前温度Ｔ４やタービン前圧力Ｐ４は、ＥＧＲガス量に応じて変化する状態量であるため、タービン仕事量ＬｔもＥＧＲガス量に応じて変化する。すなわち、上記の式で表されるタービン仕事量Ｌｔは、ＥＧＲ量の情報が含まれた状態量でもある。

上記の式において、Ｇａ、Ｔ４、Ｐ４、Ｐ６はセンサによる検出値を用いることができる。Ｇｆは燃料噴射量から計算することができる。ＧｗｇｖはＷＧＶ開度とタービン１６の前後の圧力Ｐ４、Ｐ６から計算することができる。タービン１６の運転条件を表すこれらのパラメータＧａ、Ｇｆ、Ｇｗｇｖ、Ｔ４、Ｐ４、Ｐ６を取得して上記の式を計算することにより、タービン仕事量Ｌｔを推定することができる。ただし、この実施の形態では、タービン前温度Ｔ４やタービン１６の前後の圧力Ｐ４、Ｐ６の検出を不要にするため、タービン仕事量Ｌｔに代えて、タービン仕事量Ｌｔとの相関が高い過給圧（ゲージ圧）を採用している。タービン１６がされた仕事は、コンプレッサ１４がする仕事となり、コンプレッサ１４が仕事をすることで過給圧が上昇する。ゆえに、過給圧の大気圧に対する上昇分であるゲージ圧は、タービン仕事量との相関が高い状態量であると言える。つまり、過給圧（ゲージ圧）は、タービン仕事量と同様に、過給感度が高く且つＥＧＲ量の情報が含まれた状態量として挙げることができる。

図７は、過給圧（ゲージ圧）又はタービン仕事量と過給感度との関係について示す図である。図７に示すように、過給感度はタービン仕事量が大きいほど、すなわち、過給圧（ゲージ圧）が大きいほど高くなる。よって、過給偏差のフィードバックに対する過給圧の応答性を過給圧によらずに一定に近づけるには、前掲の図５に示す通り、過給圧（ゲージ圧）やタービン仕事量が小さいほどゲインを大きくする必要がある。また、過給圧（ゲージ圧）又はタービン仕事量と過給感度との関係は、図８に示すように、ＷＧＶ開度によって変化する。ゆえに、前掲の図５に示す通り、ＷＧＶ開度に応じてゲインを変化させる必要もある。

制御装置１００によって実施される過給圧フィードバック制御によれば、過給圧が小さいときはゲインを大きくし、過給圧が大きくなるほどゲインを小さくするように可変ゲイン補正係数によるゲインの補正が行わる。この補正が行われることで、ＥＧＲ装置による排気の再循環がフィードバック制御の目標値追従性に影響することを抑えるようにゲインは最適化される。これにより、過給圧が目標過給圧へ収束するのに要する時間を短縮することができる。

２ エンジン
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
１８ ＷＧＶ
２４ スロットル
３０ ＥＧＲ通路
３２ ＥＧＲ弁
３４ ＥＧＲクーラ
１００ 制御装置

Claims (1)

1. 排気通路に配置されたタービンを有するターボチャージャと、前記タービンをバイパスするバイパス通路に設けられて前記バイパス通路の開口面積を変更する制御弁と、前記排気通路から吸気通路へ排気の一部を再循環させるＥＧＲ装置と、を備えた内燃機関を制御する制御装置であって、
   過給圧を検出又は推定により取得する過給圧取得部と、
   前記制御弁の開度を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記内燃機関の運転状態に基づいて過給圧の目標値を設定するとともに、前記過給圧取得部によって取得された過給圧が前記目標値になるように前記制御弁の開度に対してフィードバック制御を行うように構成され、且つ、
   前記制御部は、前記フィードバック制御におけるゲインを前記制御弁の開度に基づいて変更するとともに、前記過給圧取得部によって取得された過給圧が大きくなるほど、又は前記タービンの運転条件から推定される前記タービンの仕事量が大きくなるほど、前記ゲインを小さく設定するように構成されている
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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