JP2018204486A - 内燃機関のスロットルバルブ制御装置 - Google Patents

内燃機関のスロットルバルブ制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】内燃機関の目標トルクを精度良く発生することができる新規な内燃機関のスロットルバルブ制御装置を提供することにある。【解決手段】スロットルバルブを通過する目標吸入新気を算出する目標吸入新気流量算出部４１と、スロットルバルブを通過する推定ＥＧＲガス流量を算出するＥＧＲガス流量算出部４３と、目標吸入新気流量と推定ＥＧＲ流量に基づいてスロットルバルブを通過する目標吸入ガス流量を算出する目標吸入ガス量算出部４４と、目標吸入ガス流量から目標スロットルバルブ開度を算出する目標スロットルバルブ開度算出部４５を備える。目標吸入新気流量とスロットルバルブを通過するスロットル通過ＥＧＲガス流量に基づいて目標スロットル開度を設定するので、精度良く目標トルクを発生することができる。【選択図】図２

Description

本発明は燃焼室での混合気の燃焼を制御する内燃機関の制御装置に係り、特に排気ガスを吸気系に再循環させるＥＧＲシステムを備えた内燃機関のスロットルバルブ制御装置に関するものである。
最近の内燃機関においては、ポンプ損失、冷却損失の低減や排気ガス有害成分の低減のために、排気ガスの一部を吸気系に再循環させることが行われている。このように、排気ガスの一部を吸気系に再循環させるシステム（以下、ＥＧＲシステムと表記する）は、例えば、特開２０１２−２５５３７１号公報（特許文献１）に記載されている。
特許文献１には、内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、このＥＧＲ通路の流路面積を制御するＥＧＲバルブと、吸気通路内に配置され吸気通路の流路面積を制御するスロットルバルブとを備える内燃機関が示されている。そして、ＥＧＲバルブで制御された排気ガス（以下、ＥＧＲガスと表記する）は、吸気通路で空気と混合されて吸入ガスとなって燃焼室に供給されている。尚、以下の説明では、ＥＧＲガスが混合される前のガスを「吸入新気」と表記し、ＥＧＲガスが混合された後のガスを「吸入ガス」と表記する。
特許文献１においては、ＥＧＲガスの流動応答遅れを考慮して算出された燃焼室内に吸入される目標ＥＧＲガス量と、これも燃焼室内に吸入される目標吸入新気流量との和である目標吸入ガス量に基づいて、目標とする目標吸入圧（スロットルバルブの下流圧力）を算出している。そして、算出された目標吸入圧の実現に必要な目標スロットル開度を算出することが記載されている。このように、特許文献１においては、目標吸入ガス量から目標吸入圧を求めて目標スロットル開度を算出することが記載されている。
特開２０１２−２５５３７１号公報
ところで、特許文献１に記載の内燃機関においては、ＥＧＲガスがスロットルバルブの下流に再循環されるＥＧＲシステム（スロットルバルブ下流ＥＧＲステム）であるので、ＥＧＲガスがスロットルバルブの上流に再循環されるＥＧＲシステム（スロットルバルブ上流ＥＧＲステム）には適用できないものである。つまり、特許文献１では、スロットルバルブ下流ＥＧＲステムを前提として、スロットルバルブを通過しないで燃焼室に流入するＥＧＲガス量を含む目標吸入ガス量から目標吸入圧を求めて目標スロットル開度を算出している。
これ対して、スロットルバルブ上流ＥＧＲステムにおいては、ＥＧＲガスがスロットルバルブを通過するので、スロットルバルブを通過するＥＧＲガス流量を考慮して、スロットルバルブの開度（開口面積）を求める必要がある。したがって、特許文献１のような方法では正確なスロットルバルブの開度を設定することができず、精度良く目標トルクを発生することができない恐れがある。
本発明の目的は、内燃機関の目標トルクを精度良く発生することができる新規な内燃機関のスロットルバルブ制御装置を提供することにある。
本発明は、スロットルバルブの上流側に接続されたＥＧＲ通路を備えるスロットルバルブ上流ＥＧＲステムであって、スロットルバルブを通過する目標吸入新気流量を算出する目標吸入新気流量算出部と、スロットルバルブを通過するスロットル通過ＥＧＲガス流量を算出するスロットル通過ＥＧＲガス流量算出部と、目標吸入新気流量とスロットル通過ＥＧＲガス流量に基づいてスロットルバルブを通過する目標スロットル吸入ガス流量を算出する目標スロットル吸入ガス量算出部と、目標吸入ガス流量からスロットルバルブの目標スロットルバルブ開度を算出する目標スロットルバルブ開度算出部とを備える、ことを特徴とするものである。
本発明によれば、目標吸入新気流量とスロットルバルブを通過する推定ＥＧＲ流量に基づいて目標スロットル開度を設定するので、精度良く目標トルクを発生することができる。
本発明が適用される低圧ＥＧＲシステムを備えた内燃機関の構成図である。 本発明の第１の実施形態になるスロットルバルブ制御装置の制御ブロックを示すブロック図である。 目標トルク、目標スロットルバルブ開度、吸入ガス流量の挙動を説明する説明図である。 本発明の第１の実施形態になるスロットルバルブ制御装置の制御フローを示すフローチャート図である。 本発明の第２の実施形態になるスロットルバルブ制御装置の制御フローを示すフローチャート図である。 第２の実施形態による目標トルク、目標スロットルバルブ開度、吸入ガス流量の挙動を説明する説明図である。 本発明の第３の実施形態になるスロットルバルブ制御装置の制御ブロックを示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態になるスロットルバルブ制御装置の制御フローを示すフローチャート図である。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。
図１は、本発明が適用されるスロットルバルブ上流ＥＧＲシステムを備えた内燃機関の構成を示している。内燃機関１０の排気通路１１の配管にターボチャージャ１２とプリ触媒１３が設置されている。ターボチャージャ１２は排気ガスの流れを受けて回転するタービンと、タービンの回転を伝達するシャフト、及びタービンの回転トルクを利用して空気を取り込んで圧縮する圧縮機とで構成され、排気ガスの流れを利用して圧縮機を駆動して内燃機関１０が吸入する吸入ガスの空気の密度を高くする過給機能を備えている。
内燃機関１０からの排気ガスは、プリ触媒１３とメイン触媒１４において還元、及び酸化によって浄化される。プリ触媒１３およびメイン触媒１４で浄化できない粒子状物質は粒子除去フィルタ（ＧＰＦ：Gasoline Particulate Filter）１５によって浄化される。
プリ触媒１３により浄化された排気ガスの一部はプリ触媒１３の下流からＥＧＲ配管１６に取り込まれ、ガスクーラ１７で冷却されターボチャージャ１２の上流に戻される。ターボチャージャ１２の上流というのは、吸入ガスがターボチャージャ１２へ流入する部分である。内燃機関１０の燃焼気筒１８内で発生する燃焼ガスの一部がＥＧＲ配管１６を経由して吸気通路１９に還流されて、エアクリーナ２０を介して外部から新たに吸入される吸入新気に混合される。尚、ターボチャージャ１２の下流の吸気通路１９にはインタークーラ３１が配置されている。
エアクリーナ２０は、吸入する吸入新気に含まれる塵埃などを除去する。尚、ＥＧＲ配管１６から還流されるＥＧＲガスの流量は、ＥＧＲバルブ２１の開度を制御することにより決定される。このＥＧＲガスの制御により、燃焼気筒１８での混合気の燃焼温度を低下させて、ＮＯｘの排出量を削減し、更にポンプ損失の低減等を図ることができる。また、ＥＧＲバルブ２１を跨ぐように取り付けられている差圧センサ２２により、ＥＧＲバルブ２１の前側の圧力と後側の圧力の差分（差圧）を検知している。
内燃機関１０は制御装置２３により制御されている。空気流量センサ２４は外部から新たに吸入される吸入新気の流量を検出する。また、図示していないが、ターボチャージャ１２と燃焼気筒１８の間には圧力センサが取り付けられ、燃焼気筒１８へ通じる吸気通路１９、或いはスロットルバルブ２５の下流の吸気コレクタ２６内の圧力を検知している。吸気通路１９から燃焼気筒１８に流れる吸入ガスの流量はスロットルバルブ２５の開度、或いは吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングを変化させる可変位相バルブタイミング機構２７により制御される。
本実施形態の制御装置２３は、少なくとも、アクセルペダルセンサ２８により検出される運転者が要求する目標とする要求トルク（以下、目標トルクと表記する）と、回転数センサ２９により検出される回転数に基づいて、目標吸入ガス量を実現するようにスロットルバルブ２５のアクチュエータ（電動モータ）を制御する。また、制御装置２３は上記した圧力センサの検出値、スロットルバルブ２５の開度、或いは空気流量センサ２４の検出値に基づいて、目標のＥＧＲ率を実現するようにＥＧＲバルブ２１やスロットルバルブ２５のアクチュエータ（電動モータ）を制御する。
尚、本実施形態において、ＥＧＲ率は、吸気通路１９を流れる吸入ガスのうち、吸入新気とＥＧＲガスの流量の割合をいうものである。そして制御装置２３は、差圧センサ２２２によりＥＧＲバルブ２１の前側の圧力と後側の圧力の差分（差圧）を検知し、それに基づいてＥＧＲバルブ２１、及びスロットルバルブ２５の開度、あるいは可変位相バルブタイミング機構２７により吸排バルブの位相角度を設定し、燃焼気筒１８に流入する吸入ガスのＥＧＲ率を制御する。また、制御装置２３はノッキングを発生させず、且つ内燃機関１０の出力を最大化するように点火プラグ３０の点火タイミングを最適に制御している。
以上に示したスロットルバルブ上流ＥＧＲシステムを備えた内燃機関は既に良く知られているので、これ以上の説明は省略する。次に、第１の実施形態になるスロットルバルブ制御装置の制御ブロックを説明する。
図２は制御装置２３の制御ブロックを示しており、制御装置２３は、目標トルク算出部４０、目標吸入新気流量算出部４１、目標ＥＧＲ率算出部４２、スロットル通過ＥＧＲガス流量算出部４３、目標スロットル吸入ガス流量算出部４４、目標スロットルバルブ開度算出部４５、目標ＥＧＲガス流量算出部４６、及び目標ＥＧＲバルブ開度算出部４７から構成されている。次にこれらの具体的な機能について説明する。
目標トルク算出部４０においては、運転者が要求する目標トルクを表すアクセルペダルセンサ２３により検出される踏込量θａｃｃと、回転数センサ２９により検出された回転数Ｎｅに基づいて、内燃機関１０が出力すべき目標トルクＴｒｑを算出する。この目標トルクＴｒｑは演算式で求めても良いし、回転数Ｎｅと踏込量θａｃｃからマップによって求めても良いものである。本実施形態では、演算速度を速めるためにマップ検索方式を採用している。求められた目標トルクＴｒｑは目標吸入新気流量算出部４１に送られる。
目標吸入新気流量算出部４１においては、回転数センサ２９により検出された回転数Ｎｅと目標トルクＴｒｑに基づき、目標トルク算出部４０で求められたる目標トルクＴｒｑを実現するような目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔを算出する。この場合も、この目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔは演算式で求めても良いし、回転数Ｎｅと目標トルクからマップによって求めても良いものである。本実施形態では、演算速度を速めるためにマップ検索方式を採用している。求められた目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔは、後述の目標スロットル吸入ガス流量算出部４４、及び目標ＥＧＲガス流量算出部４６に送られる。
目標ＥＧＲ率算出部４２においては、回転数センサ２９により検出された回転数Ｎｅと目標トルクＴｒｑに基づき、目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒを算出する。この目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒは演算式で求めても良いし、回転数Ｎｅと目標トルクからマップによって求めても良いものである。本実施形態では、演算速度を速めるためにマップ検索方式を採用している。求められた目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒは、後述の目標ＥＧＲガス流量算出部４６に送られる。
スロットル通過ＥＧＲガス流量算出部４３においては、空気流量センサ２４で検出された空気量Ｑａ、ＥＧＲバルブ２１の開度θｅｇｒ、ＥＧＲバルブ２１を跨ぐように取り付けられる差圧センサ２２で検出された差圧Ｐｅｇｒ、スロットルバルブ２５の開度θｔｈ、及び回転数センサ２９で検出された回転数Ｎｅ等に基づいて、ＥＧＲバルブ２１からスロットルバルブ２５を通過するまでのＥＧＲガスの流動量を、ＥＧＲバルブ２１の動作遅れ時間（無駄時間）と、ＥＧＲ通路１６、及び吸気通路１９の通路長による流動遅れ時間を考慮して算出し、最終的にスロットルバルブ２５を通過するスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒを推定する。このスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒの推定は、例えば次のような方法で行うことができる。
先ず、スロットルバルブ２５の上流と下流の２つに分割した演算領域を設定する。そして、ＥＧＲバルブ２１を跨ぐように取り付けられた差圧センサ２２の差圧とＥＧＲバルブ２１の開度からＥＧＲバルブ通過ＥＧＲガス流量を算出する。次に、空気流量センサ２４を用いて吸入新気流量を検出する。更に、ＥＧＲバルブ通過ＥＧＲガス流量と吸入新気流量を合計し、ターボチャージャ１２の圧縮機通過ガス流量、及びＥＧＲ率を算出する。
そして、圧縮機通過ガス流量と前回の演算周期で算出したスロットルバルブ２５を通過するスロットル吸入ガス流量を用いて、スロットルバルブ２５の上流領域の圧力、温度、質量を算出し、これに基づいて今回の演算周期のスロットルバルブ２５を通過するスロットル吸入ガス流量を算出する。最後に、今回の演算周期のスロットルバルブ２５のスロットル吸入ガス流量と前回の演算周期で演算したＥＧＲ率を用いて、スロットルバルブ２５を通過するスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒを算出する。
このスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒの推定については、上述した物理モデルを構築して求めることができるが、その物理モデルは任意であり、要はスロットルバルブ２５を通過するスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒを推定することができれば良いものである。求められたスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒは、目標スロットル吸入ガス流量算出部４４に送られる。
目標スロットル吸入ガス流量算出部４４においては、目標吸入新気流量算出部４１で求められた目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔと、スロットル通過ＥＧＲガス流量算出部４３で求められたスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒから、以下の（１）式を用いて、スロットルバルブ２５を通過する目標スロットル吸入ガス流量Ｑｇｔｈを算出する。
Figure 2018204486
そして、求められた目標スロットル吸入ガス流量Ｑｇｔｈは目標スロットルバルブ開度算出部４５に送られる。
目標スロットルバルブ開度算出部４５においては、目標スロットル吸入ガス流量算出部４４で算出された目標スロットル吸入ガス流量Ｑｇｔｈから、目標スロットルバルブ開度θｔｈｔｒｇｔを算出してスロットルバルブ２５を駆動する電動モータを制御する。この場合も、この目標スロットル開度θｔｈｔｒｇｔは演算式で求めても良いし、目標スロットル吸入ガス流量Ｑｇｔｈからマップによって求めても良いものである。本実施形態では、演算速度を速めるためにマップ検索方式を採用している。尚、スロットルバルブ２５の上流の温度、圧力、及びスロットルバルブ２５の下流の圧力から目標のスロットルバルブ開度を修正して算出することもできる。これについては、第３の実施形態で説明する。
目標ＥＧＲガス流量算出部４６は、目標吸入新気流量算出部４１で求めた目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔと、目標ＥＧＲ率算出部４２で求めた目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒに基づいて、以下の（２）式を用いて、目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒを算出する。
Figure 2018204486
求められた目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒは目標ＥＧＲバルブ開度算出部４７に送られる。
目標ＥＧＲバルブ開度算出部４７においては、目標ＥＧＲガス流量算出部４６で算出された目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒから、目標ＥＧＲバルブ開度θｅｇｒｔｒｇｔを算出してＥＧＲバルブ２１を駆動する電動モータを制御する。この場合も、この目標ＥＧＲバルブ開度θｅｇｒｔｒｇｔは演算式で求めても良いし、目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒからマップによって求めても良いものである。本実施形態では、演算速度を速めるためにマップ検索方式を採用している。
以上のような構成によって、スロットルバルブ上流ＥＧＲステムにおいては、ＥＧＲガスがスロットルバルブ２５を通過するので、スロットルバルブ２５を通過するＥＧＲガス流量を考慮して、スロットルバルブ２５の開口面積を求めることができる。これによって、正確なスロットルバルブ２５の開口面積を設定することができ、精度良く目標トルクを発生することができるようになる。
次に、本実施形態を実施した時の作用、効果について説明する。図３には、目標トルクの変化、目標スロットルバルブ開度の変化、吸入ガス流量変化の挙動を示しており、破線は従来例を示し、実線は本実施形態の例を示している。
図３の（Ａ）に示すように、運転者がアクセルペダル２８を踏み込んで加速した場合においては、目標トルクはこれに対応して増加することになる。そして、この目標トルクを得るために、図３の（Ｂ）の破線で示すように、従来ではスロットルバルブ２５の開度もこれに合わせ増大されるようになる。この場合、ＥＧＲガスはＥＧＲバルブ２１を通過して吸気通路１９に供給されてからスロットルバルブ２５まで到達するには所定の遅れ時間（無駄時間、流動遅れ時間）を有する。
したがって、この状態で目標ＥＧＲ率が実現したと見做して、吸入新気とＥＧＲガスが混合された目標吸入ガス流量に合せてスロットルバルブ２５を破線のように急激に開くと、上述した時間遅れによって、未だスロットルバルブ２５に到達していないＥＧＲガスに相当する吸入新気がスロットルバルブ２５を通過して燃焼気筒１８に流入することになる。このため、ＥＧＲガスの流量増加を見積もった目標吸入新気流量に対して、実際の吸入新気流量は図３の（Ｃ）に示すように過剰となり、実際の発生トルク（実トルク）が目標トルクに対して大きくなる現象を生じる。
一方、図３の（Ａ）に示すように、運転者がアクセルペダル２８を踏み戻して減速した場合においては、目標トルクはこれに対応して減少することになる。そして、この目標トルクを得るために、図３の（Ｂ）の破線で示すように、従来ではスロットルバルブ２５の開度もこれに合わせ減少されるようになる。
この場合、ＥＧＲガスの遅れ時間によって、未だＥＧＲガスはＥＧＲバルブ２１を通過して吸気通路１９に供給され、ＥＧＲガスが引き続きスロットルバルブ２５を通過する。したがって、この状態でＥＧＲガスが流出したと見做してスロットルバルブ２５を破線のように急激に閉じると、上述した遅れ時間によって、未だスロットルバルブ２５をＥＧＲガスが通過して燃焼気筒１８に流入することになる。このため、ＥＧＲガスの減少を見積もった目標吸入新気流量に対して、実際の吸入新気流量は図３の（Ｃ）に示すように過少となり、発生トルクが目標トルクに対して小さくなる現象を生じる。
以上のような目標吸入新気流量の過剰状態と過少状態が発生すると、発生トルクの制御精度の悪化を生じ、場合によってはノッキングや失火による運転性能の悪化を生じるようになる。
これに対して、本実施形態においては、目標吸入新気流量算出部４１によって算出された目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔと、スロットル通過ＥＧＲガス流量算出部４３によって算出されたスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒを、目標スロットル吸入ガス算出部４４で加算しているので、ＥＧＲガスの遅れ時間を補償することができる。
つまり、スロットル通過ＥＧＲガス流量算出部４３は、空気量Ｑａ、ＥＧＲバルブ開度θｅｇｒ、ＥＧＲバルブ前後の差圧Ｐｅｇｒ、スロットルバルブ開度θｔｈ、回転数Ｎｅ等を入力とする物理モデルから、ＥＧＲバルブ２１の動作遅れ時間（無駄時間）、ＥＧＲ通路１６、及び吸気通路１９の通路長による流動遅れ時間を考慮して、ＥＧＲバルブ２１からスロットルバルブ２５を通過するまでのＥＧＲガスの流動量を算出し、最終的にスロットルバルブ２５を通過するスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒを推定している。
図３の（Ｂ）に示すように、目標トルクを増加する加速時の初期には、ＥＧＲガスの遅れ時間に基づいてスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒが、「０」或いは小さく見積もられているので、スロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒと目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔを加算した目標吸入ガス流量Ｑｇｔｈは、目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔだけか、或いは従来のものに比べて少ない目標吸入ガス流量Ｑｇｔｈとなり、スロットルバルブ２５の開度もこれに合せて減少する。したがって、結果的に加速初期の目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔが減少されて発生トルクが小さくされる。
また、図３の（Ｂ）に示すように、目標トルクを減少する減速時の初期には、ＥＧＲガスの遅れ時間に基づいてスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒが大きく見積もられているので、スロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒと目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔを加算した目標吸入ガス流量Ｑｇｔｈは従来例に比べて多くなり、スロットルバルブ２５の開度もこれに合せて増大する。したがって、結果的に目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔが増加されて発生トルクが大きくされる。
このように、本実施形態によれば、スロットルバルブ２５を通過するスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒは、ＥＧＲガスの遅れ時間が反映されているので、スロットルバルブ２５の開度もこれに合せて制御されることになる。したがって、加速時の吸入新気量が過剰になる現象や、減速時の吸入新気量が過少になる現象を抑制することができ、発生トルクの制御精度を向上することができるようになる。
次に図４に基づいて、上述した第１の実施形態になるスロットルバルブ制御装置の制御フローを簡単に説明する。この制御フローはＥＧＲバルブが閉弁状態から開弁状態に切り替わった場合の制御を示すものであり、所定の起動タイミング毎に繰り返し実行されている。
≪ステップＳ４０≫
ステップＳ４０においては、各種センサによって、スロットル通過ＥＧＲガス流量を推定する物理モデルに必要な空気量Ｑａ、ＥＧＲバルブ開度θｅｇｒ、ＥＧＲバルブ前後の差圧Ｐｅｇｒ、スロットルバルブ開度θｔｈ、回転数Ｎｅ等を読み込む。物理モデルに必要な入力を読み込むとステップＳ４１に移行する。
≪ステップＳ４１≫
ステップＳ４１においては、読み込んだ入力に基づいて物理モデルから、ＥＧＲバルブ２１からスロットルバルブ２５を通過するまでのＥＧＲガスの流動量を、ＥＧＲバルブ２１の動作遅れ時間（無駄時間）と、ＥＧＲ通路１６、及び吸気通路１９の通路長による流動遅れ時間を考慮して算出し、最終的にスロットルバルブ２５を通過するスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒを推定する。スロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒが求まるとステップＳ４２に移行する。
≪ステップＳ４２≫
ステップＳ４２においては、推定されたスロットルバルブ２５のスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒが所定の最低流量以下（≒０）であるか否かを判定する。所定の最低流量以下であれば、ステップＳ４３へ移行し、所定の最低流量を越えていれば、ステップＳ４４へ移行する。
≪ステップＳ４３≫
ステップＳ４３においては、ステップＳ４１で求めたスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒが所定の最低流量以下である場合は、ＥＧＲガスがスロットルバルブ２５に到達していないと判断して、目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔに対応したスロットルバルブ開度に制御する。その後、リターンに抜けて次の起動タイミングを待つことになる。
≪ステップＳ４４≫
ステップＳ４４においては、ステップＳ４１で求めたスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒが所定の最低流量を越えている場合は、ＥＧＲガスがスロットルバルブ２５に到達していると判断して、目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔとスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒを加算し、加算して求められた目標吸入ガス流量Ｑｇｔｈに対応したスロットルバルブ開度に制御する。その後、リターンに抜けて次の起動タイミングを待つことになる。
本実施形態によれば、スロットルバルブを通過するスロットル通過ＥＧＲガス流量は、ＥＧＲガスの遅れ時間が反映されているので、スロットルバルブの開度もこれに合せて制御されることになる。したがって、加速時の吸入新気量が過剰になる現象や、減速時の吸入新気量が過少になる現象を抑制することができ、発生トルクの制御精度を向上することができるようになる。
また、本実施形態によれば、ＥＧＲガスの遅れ時間を考慮して目標吸入新気流量を調整することで目標ＥＧＲ率を実現できるので、燃料噴射量と点火時期を正確に制御することができ、排気ガス有害成分を低減することができる。
次に本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態ではスロットル通過ＥＧＲガス流量と目標ＥＧＲガス流量を比較してスロットルバルブの開度を修正する点で第１の実施形態と異なっている。
図５に基づいて、第２の実施形態になるスロットルバルブ制御装置の制御フローを簡単に説明する。
≪ステップＳ５０≫
ステップＳ５０においては、各種センサによって、スロットル通過ＥＧＲガス流量を推定する物理モデルに必要な空気量Ｑａ、ＥＧＲバルブ開度θｅｇｒ、ＥＧＲバルブ前後の差圧Ｐｅｇｒ、スロットルバルブ開度θｔｈ、回転数Ｎｅ等を読み込む。物理モデルに必要な入力を読み込むとステップＳ５１に移行する。
≪ステップＳ５１≫
ステップＳ５１においては、読み込んだ入力に基づいて物理モデルから、ＥＧＲバルブ２１からスロットルバルブ２５を通過するまでのＥＧＲガスの流動量を、ＥＧＲバルブ２１の動作遅れ時間（無駄時間）と、ＥＧＲ通路１６、及び吸気通路１９の通路長による流動遅れ時間を考慮して算出し、最終的にスロットルバルブ２５を通過するスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒを推定する。スロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒが求まるとステップＳ５２に移行する。
≪ステップＳ５２≫
ステップＳ５２においては、目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔと、目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒに基づいて、上述した（２）式を用いて、目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒを算出する。目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒが求まるとステップＳ５３に移行する。
≪ステップＳ５３≫
ステップＳ５３においては、ステップＳ５１で算出されたスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒが、ステップＳ５２で算出された目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒより多いか否か判断する。スロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒが目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒより多いと判断されるとステップＳ５４に移行する。
一方、スロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒが目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒより少ない、或いは同等と判断されるとステップＳ５５に移行する。
≪ステップＳ５４≫
ステップＳ５４においては、スロットルバルブ通過ＥＧＲ流量Ｑｔｈｅｇｒが目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒを越えている場合は、スロットルバルブ開度を現時点の「制御開度」以上に設定する。ここで、現時点の「制御開度」とは、第１の実施形態で求めた目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔとスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒを加算して求められた目標吸入ガス流量Ｑｇｔｈに対応したスロットルバルブ開度である。
また、スロットルバルブ通過ＥＧＲ流量Ｑｔｈｅｇｒと目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒの差分に対応して、制御開度を増加する開度を設定することができる。つまり、差分が大きいほど増加する開度を大きくするものである。これによると、更に発生トルクの制御精度を向上することはできる。更に、この増加する開度にリミッタを設け、過度にスロットルバルブの開度が大きくなるのを抑制することも可能である。
スロットルバルブの開度が修正されると、その後、リターンに抜けて次の起動タイミングを待つことになる。
≪ステップＳ５５≫
ステップＳ５５においては、ステップＳ５１で算出されたスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒが、ステップＳ５２で算出された目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒより少ないか否か判断する。スロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒが目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒより少ないと判断されると、ステップＳ５６に移行する。
一方、スロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒが目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒより多いと判断されると、スロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒと目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒが同等であることを意味するので、ステップＳ５７に移行する。
≪ステップＳ５６≫
ステップＳ５６においては、スロットルバルブ通過ＥＧＲ流量Ｑｔｈｅｇｒが目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒより少ない場合は、スロットルバルブ開度を現時点の制御開度以下に設定する。ここで、現時点の制御開度とは、ステップＳ５４で説明した通り、目標吸入ガス流量Ｑｇｔｈに対応したスロットルバルブ開度である。
また、ステップＳ５４と同様に、スロットルバルブ通過ＥＧＲ流量Ｑｔｈｅｇｒと目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒの差分に対応して、制御開度を増加する開度を設定することができる。つまり、差分が大きいほど減少する開度を大きくするものである。これによると、更に発生トルクの制御精度を向上することはできる。更に、この減少する開度にリミッタを設け、過度にスロットルバルブの開度が小さくなるのを抑制することも可能である。
スロットルバルブの開度が修正されると、その後、リターンに抜けて次の起動タイミングを待つことになる。
≪ステップＳ５７≫
ステップＳ５７においては、スロットルバルブ通過ＥＧＲ流量Ｑｔｈｅｇｒと目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒが同等であるので、スロットルバルブ開度を現時点の制御開度に維持する。その後、リターンに抜けて次の起動タイミングを待つことになる。
図６は、第２の実施形態による加減速を行なった時の目標トルク、スロットル通過ＥＧＲガス流量、スロットルバルブ開度の時間変化を示している。
加速時はＥＧＲガスの遅れ時間があるので、スロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒが増加するまでは、目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔに相当する目標スロットルバルブの開度に制御される。その後、時刻ＴＳでＥＧＲガスがスロットルバルブ２５に到着するので、スロットルバルブ通過ＥＧＲ流量Ｑｔｈｅｇｒと目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔを加算した目標スロットル吸入ガス流量Ｑｇｔｈに対応したスロットルバルブ開度に制御される。尚、この時に上述した制御フローによって、スロットルバルブ通過ＥＧＲ流量Ｑｔｈｅｇｒと目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒが比較されて、スロットルバルブ開度が修正されるように制御される。
減速の場合も同様に、スロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒが減少を開始する時刻ＴＥまでは、スロットルバルブ通過ＥＧＲ流量Ｑｔｈｅｇｒと目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔを加算した目標スロットル吸入ガス流量Ｑｇｔｈに相当するスロットルバルブ開度に制御される。尚、この時も上述した制御フローによって、スロットルバルブ通過ＥＧＲ流量Ｑｔｈｅｇｒと目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒが比較されて、スロットルバルブ開度が修正されるように制御される。
このように、本実施形態においても第１の実施形態と同様の作用効果を得られると共に、これに加えて、スロットルバルブ通過ＥＧＲ流量Ｑｔｈｅｇｒと目標ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒを比較して、スロットルバルブの開度を修正しているので、更に精度良くスロットル開度を制御でき、発生トルクの制御精度を向上することができるようになる。
次に本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態ではスロットルバルブ２５の上流環境（温度、圧力）と下流環境（圧力）に対応してスロットルバルブの開度を制御する点で第１の実施形態と異なっている。
図７は第３の実施形態になる制御装置２３の制御ブロックを示しており、第１の実施形態である図２に示す目標スロットル吸入ガス流量算出部４４と目標スロットルバルブ開度算出部４５の間に、目標スロットル上下流環境算出部４９と目標スロットル開口面積算出部５０を新たに追加した構成を採用している。
目標スロットル上下流環境算出部４９においては、目標スロットル吸入ガス流量算出部４４で算出された目標スロットル吸入ガス流量Ｑｇｔｈと回転数Ｎｅに基づいて、少なくとも、スロットルバルブ２５の上流の目標とする目標温度ＴＴｕｐ、目標とする目標圧力ＴＰｕｐと、スロットルバルブ２５の下流の目標とする目標圧力ＴＰｄｎを算出する。尚、上述した目標温度ＴＴｕｐ、目標圧力ＴＰｕｐ、目標圧力ＴＰｄｎは、目標スロットル吸入ガス流量Ｑｇｔｈではなく、他の方法で求めて良いものである。
また、目標スロットル開口面積算出部５０においては、目標スロットル吸入ガス流量算出部３４の目標スロットル吸入ガス流量Ｑｇｔｈと、目標スロットル上下流状環境算出部４９で求められた目標温度ＴＴｕｐ、目標圧力ＴＰｕｐ、目標圧力ＴＰｄｎに基づいて、以下の（３）式を用いて、目標スロットル開口面積ＡＶを算出する。尚、μＶは流量係数である。
Figure 2018204486
求められた目標スロットル開口面積ＡＶは、目標スロットルバルブ開度算出部４５に送られ、目標スロットルバルブ開度算出部４５によって目標スロットル開度θｔｈｔｒｇｔに変換される。この目標スロットル開度θｔｈｔｒｇｔは、スロットルバルブ２５を駆動する電動モータに送られてスロットルバルブ開度を制御する。この場合も、この目標スロットル開度θｔｈｔｒｇｔは演算式で求めても良いし、目標スロットル開口面積ＡＶからマップによって求めても良いものである。本実施形態では、演算速度を速めるためにマップ検索方式を採用している。
次に図８に基づいて、第３の実施形態になるスロットルバルブ制御装置の制御フローを簡単に説明する。
≪ステップＳ６０≫
ステップＳ６０においては、各種センサによって、スロットル通過ＥＧＲガス流量を推定する物理モデルに必要な空気量Ｑａ、ＥＧＲバルブ開度θｅｇｒ、ＥＧＲバルブ前後の差圧Ｐｅｇｒ、スロットルバルブ開度θｔｈ、回転数Ｎｅ等を読み込む。物理モデルに必要な入力を読み込むとステップＳ６１に移行する。
≪ステップＳ６１≫
ステップＳ６１においては、読み込んだ入力に基づいて物理モデルから、ＥＧＲバルブ２１からスロットルバルブ２５を通過するまでのＥＧＲガスの流動量を、ＥＧＲバルブ２１の動作遅れ時間（無駄時間）と、ＥＧＲ通路１６、及び吸気通路１９の通路長による流動遅れ時間を考慮して算出し、最終的にスロットルバルブ２５を通過するスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒを推定する。スロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒが求まるとステップＳ６２に移行する。
≪ステップＳ６２≫
ステップＳ６２においては、目標トルク算出部４０で算出された目標トルクＴｒｑと回転数Ｎｅとから目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔを算出する。目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔが求まるとステップＳ６３に移行する。
≪ステップＳ６３≫
ステップＳ６３においては、ステップＳ６１で求めたスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｔｈｅｇｒと、ステップＳ６２で求めた目標吸入新気流量Ｑａｔｒｇｔを加算して、目標スロットルバルブ通過吸入ガス流量Ｑｇｔｈを算出する。目標スロットルバルブ通過吸入ガス流量Ｑｇｔｈが求まるとステップＳ６４に移行する。
≪ステップＳ６４≫
ステップＳ６４においては、ステップＳ６３で求めた目標スロットルバルブ通過吸入ガス流量Ｑｇｔｈから、スロットルバルブ２５の上流の目標温度ＴＴｕｐ、目標圧力ＴＰｕｐ、及びスロットルバルブ２５の下流の目標圧力ＴＰｄｎを算出する。スロットルバルブ２５の上流の目標温度ＴＴｕｐ、目標圧力ＴＰｕｐ、及びスロットルバルブ２５の下流の目標圧力ＴＰｄｎが求まると、ステップＳ６５に移行する。
≪ステップＳ６５≫
ステップＳ６５においては、スロットルバルブ２５の上流の目標温度ＴＴｕｐ、目標圧力ＴＰｕｐ、及びスロットルバルブ２５の下流の目標圧力ＴＰｄｎから、上述の（３）式を用いて目標スロットル開口面積Ａｖを算出する。目標スロットル開口面積Ａｖが求まると、ステップＳ６６に移行する。
≪ステップＳ６６≫
ステップＳ６６においては、求められた目標スロットル開口面積ＡＶが目標スロットル開度θｔｈｔｒｇｔに変換される。この場合、目標スロットル開口面積ＡＶからマップ検索によって目標スロットル開度θｔｈｔｒｇｔが求められている。目標スロットル開度θｔｈｔｒｇｔが求められると、その後、リターンに抜けて次の起動タイミングを待つことになる。
以上説明したように、本実施形態によれば、スロットルバルブ２５の上流の目標温度ＴＴｕｐ、目標圧力ＴＰｕｐと、スロットルバルブ２５の下流の目標圧力ＴＰｄｎは、吸気スロットルバルブ２５のスロットル通過ＥＧＲガス流量Ｑｇｅｇｒに対応して変化するため、発生トルクの制御精度を向上しつつ、適合工数（マッチング）を減らすことができる。
上述した実施形態で使用する内燃機関は、点火プラグを備える火花点火方式の内燃機関であるが、本発明は圧縮着火方式の内燃機関（例えば、ディーゼル機関、或いは予混合圧縮着火方式の内燃機関）に適用することも可能である。
以上述べた通り、本発明によれば、スロットルバルブを通過する目標吸入新気を算出する目標吸入新気流量算出部と、スロットルバルブを通過する推定ＥＧＲガス流量を算出するＥＧＲガス流量算出部と、目標吸入新気流量と推定ＥＧＲ流量に基づいてスロットルバルブを通過する目標吸入ガス流量を算出する目標吸入ガス量算出部と、目標吸入ガス流量からスロットルバルブの目標スロットルバルブ開度を算出する目標スロットルバルブ開度算出部を備える、構成とした。
これによれば、目標吸入新気流量とスロットルバルブを通過するスロットル通過ＥＧＲガス流量に基づいて目標スロットル開度を設定するので、精度良く目標トルクを発生することができる。
尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１０…内燃機関、１１…排気通路、１２…ターボチャージャ、１３…プリ触媒、１４…メイン触媒、１５…粒子除去フィルタ、１６…ＥＧＲ配管、１７…ガスクーラ、１８…燃焼気筒、１９…吸気通路、２０…エアクリーナ、２１…ＥＧＲバルブ、２２…差圧センサ、２３…制御装置、２４…空気流量センサ、２５…スロットルバルブ、２６…吸気配管、２７…可変位相バルブタイミング機構、２８…アクセルペダル、４０…目標トルク算出部、４１…目標吸入新気流量算出部、４２…目標ＥＧＲ率算出部、４３…スロットル通過ＥＧＲ流量推定部、４４…目標スロットル吸入ガス流量算出部、４５…目標スロットルバルブ開度算出部、４６…目標ＥＧＲガス流量算出部、４７…目標ＥＧＲバルブ開度算出部。

Claims (8)

  1. 燃焼気筒に接続された吸気通路に配置されたスロットルバルブと、前記スロットルバルブの上流側の前記吸気通路と排気通路を接続して排気ガス（以下、ＥＧＲガスと表記する）を前記吸気通路に流すＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲバルブとを備えた内燃機関に使用され、前記スロットルバルブを制御する制御手段を備えた内燃機関のスロットルバルブ制御装置であって、
    前記制御手段は少なくとも、
    前記スロットルバルブを通過する目標吸入新気流量を算出する目標吸入新気流量算出部と、
    前記スロットルバルブを通過するスロットル通過ＥＧＲガス流量を算出するスロットル通過ＥＧＲガス流量算出部と、
    前記目標吸入新気流量と前記スロットル通過ＥＧＲガス流量に基づいて前記スロットルバルブを通過する目標スロットル吸入ガス流量を算出する目標スロットル吸入ガス量算出部と、
    前記目標スロットル吸入ガス流量から前記スロットルバルブの目標スロットルバルブ開度を算出する目標スロットルバルブ開度算出部と
    を備えることを特徴とする内燃機関のスロットルバルブ制御装置。
  2. 請求項１に記載の内燃機関のスロットルバルブ制御装置において、
    前記スロットル通過ＥＧＲガス流量算出部は、前記ＥＧＲバルブから前記ＥＧＲガスが前記スロットルバルブに到達するまでの遅れ時間を反映して前記スロットル通過ＥＧＲガス流量を求めるものであり、
    前記目標スロットル吸入ガス量算出部は、前記目標吸入新気流量と前記スロットル通過ＥＧＲガス流量を加算して前記目標スロットル吸入ガス流量を求めるものである
    ことを特徴とする内燃機関のスロットルバルブ制御装置。
  3. 請求項２に記載の内燃機関のスロットルバルブ制御装置において、
    前記目標スロットル吸入ガス量算出部は、目標トルクの増加要求が発生した後に前記スロットル通過ＥＧＲガス流量算出部によって算出される前記スロットル通過ＥＧＲガス流量が増加を開始するまでは、前記目標吸入新気流量算出部で算出された前記目標吸入新気流量を前記目標スロットル吸入ガス流量として求め、
    前記目標スロットルバルブ開度算出部は、前記目標吸入新気流量から前記目標スロットルバルブ開度を算出する
    ことを特徴とする内燃機関のスロットルバルブ制御装置。
  4. 請求項２に記載の内燃機関のスロットルバルブ制御装置において、
    前記目標スロットル吸入ガス量算出部は、目標トルクの減少要求が発生した後に前記スロットル通過ＥＧＲガス流量算出部によって算出される前記スロットル通過ＥＧＲガス流量が減少を開始するまでは、前記目標吸入新気流量算出部で算出された前記目標吸入新気流量と前記スロットル通過ＥＧＲガス流量算出部によって算出された前記スロットル通過ＥＧＲガス流量を加算して前記目標スロットル吸入ガス流量として求め、
    前記目標スロットルバルブ開度算出部は、前記目標スロットル吸入ガス流量から前記目標スロットルバルブ開度を算出する
    ことを特徴とする内燃機関のスロットルバルブ制御装置。
  5. 請求項１に記載の内燃機関のスロットルバルブ制御装置において、
    前記制御手段は、
    前記スロットル通過ＥＧＲガス流量に基づいて前記スロットルバルブの上流の目標圧力、目標温度、及び前記スロットルバルブの下流の目標圧力を算出するスロットル上下流環境算出部と、前記スロットルバルブの上流の前記目標圧力、前記目標温度、及び前記スロットルバルブの下流の前記目標圧力から前記スロットルバルブの目標スロットル開口面積を求める目標スロットル開口面積算出部とを備え、
    前記目標スロットルバルブ開度算出部は、前記目標スロットル開口面積から前記目標スロットルバルブ開度を算出する
    ことを特徴とする内燃機関のスロットルバルブ制御装置。
  6. 請求項２に記載の内燃機関のスロットルバルブ制御装置において、
    前記目標吸入新気流量算出部は、アクセルペダルの踏込量と回転数から目標トルクを求める目標トルク算出部からの前記目標トルクに基づいて前記目標吸入新気流量を算出する
    ことを特徴とする内燃機関のスロットルバルブ制御装置。
  7. 請求項２に記載の内燃機関のスロットルバルブ制御装置において、
    前記スロットル通過ＥＧＲガス流量算出部は、物理モデルから構成されており、少なくとも、検出空気量、前記ＥＧＲバルブの開度、前記ＥＧＲバルブの前後の差圧、前記スロットルバルブの開度、及び回転数を前記物理モデルに入力して前記スロットル通過ＥＧＲガス流量を算出する
    ことを特徴とする内燃機関のスロットルバルブ制御装置。
  8. 請求項６に記載の内燃機関のスロットルバルブ制御装置において、
    前記目標吸入新気流量算出部は、前記目標トルクと回転数からマップ検索によって前記目標吸入新気流量を算出し、
    前記目標スロットルバルブ開度算出部は、前記目標スロットル吸入ガス流量からマップ検索によって前記目標スロットルバルブ開度を算出する
    ことを特徴とする内燃機関のスロットルバルブ制御装置。
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