JP2019007460A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過渡状態時のＥＧＲ率の推定を高精度に行なうことができる新規な内燃機関の制御装置を提供することにある。【解決手段】吸入空気とＥＧＲガスの混合ガスが流れる流線に沿って前記吸気通路の基準空間を複数に分割して単位空間ＵＳｕ、ＵＳｄを形成し、夫々の単位空間ＵＳｕ、ＵＳｄに対応して混合ガスのＥＧＲ率を推定するための移流方程式に基づく物理モデルを構築し、この物理モデルによって、先頭の単位空間ＵＳｕ、ＵＳｄからこれに繋がる単位空間のＥＧＲ率を順番に推定して燃焼室に流入するＥＧＲ率を推定する。【選択図】図４

Description

本発明は内燃機関の制御装置に係り、特に外部ＥＧＲシステムを備えた内燃機関の制御装置に関するものである。

自動車の燃料消費量や排気有害成分に関する規制が強化されており、今後もますます厳しくなる傾向にある。特に燃料消費量については、排出される二酸化炭素が地球温暖化へ与える影響が大きいことから、更に低燃費化が求められている。

そして、この低燃費化を促進するため、最近では過給機を搭載して内燃機関の圧縮比を高くする傾向にある。しかしながら、圧縮比を高くすると内燃機関の出力が比較的大きい運転条件において、ノッキング等の異常燃焼が発生する可能性が増加する。このため、点火時期を遅くすることで、燃焼室内の温度を低減して異常燃焼を回避することが行われている。

しかしながら、点火時期を遅くすると、これに伴って燃費が悪化する課題が発生する。そこで、内燃機関に外部ＥＧＲシステムを設け、排気管から吸気管に排気ガスを導入して異常燃焼を抑制しながら、点火時期を適切な値に進角することで燃費を向上させるようにしている。そして、最近では更に排気ガスの導入量を多くすることが求められている。

一方、多くの排気ガスを吸入管に再導入すると、燃焼変動が発生し易くなり、逆に排気ガス有害成分の増加を招くことになる。したがって、吸気管に再導入される排気ガスの導入量、言い換えれば、ＥＧＲ率を精度良く推定して、内燃機関に与えられる燃料噴射量、点火時期、ＥＧＲ量を制御する制御出力信号に反映させてやることが重要である。ＥＧＲ率を推定する方法として、例えば、特開２００１−２８０２０２号公報(特許文献１)や特開２００４−１１６１８号公報(特許文献２)が知られている。

特許文献１には、ＥＧＲバルブの前後差圧と、ＥＧＲバルブ開度とからＥＧＲ流量を精度良く推定できるようにして、排気ガス再循環を高精度で制御できる内燃機関の排気ガス再循環システムが示されている。また、特許文献２には、排気ガスを含む混合ガスの圧縮・膨張を加味した上でブランチ内での混合ガスの移送過程を実状に則して模擬し、内燃機関の運転状態に関わらず、燃焼室内に導入される混合ガスのＥＧＲ率を正確に推定する内燃機関のＥＧＲ率推定システムが示されている。

特開２００１−２８０２０２号公報 特開２００４− １１６１８号公報

ところで、外部ＥＧＲシステムでは、排気管に備えられた過給機のタービンの下流から排気ガスを取り出し、吸気管に備えられた過給機のコンプレッサの上流に導入する低圧ＥＧＲシステムが知られている。この低圧ＥＧＲシステムでは、排気ガスが吸気管に導入される箇所から燃焼室までに比較的長い配管上の距離が存在する。更に、この配管には種々の機器、例えば、スロットルバルブ、インタークーラ、サージタンク等が配置されている。そして、吸入空気や排気ガスは、長い配管を移動する間にスロットルバルブ、インタークーラ、サージタンクを通過することになる。

このため、特許文献１にあるように、ＥＧＲ弁開度とＥＧＲ弁の上下差圧のみでＥＧＲ量を求める方法では、内燃機関の動作領域が様々に変化する過渡時のＥＧＲ率の推定精度が悪化するという課題を有している。また、特許文献２にあるように、吸気管を分割する方法はＥＧＲ率の推定精度の向上を図れるが、ＥＧＲ率を圧力変化によって補正しながら上流から移動させる場合では、実際の過渡におけるＥＧＲ率の推定精度としては不十分であるという課題を有している。

本発明の目的は、過渡時のＥＧＲ率を高精度に推定することが可能な内燃機関の制御装置を提供することにある。

本発明の特徴は、吸入空気とＥＧＲガスの混合ガスが流れる流線に沿って吸気通路の基準空間を複数に分割して単位空間を形成し、夫々の単位空間に対応して混合ガスのＥＧＲ率を推定するための移流方程式に基づく物理モデルを構築し、この物理モデルによって、先頭の単位空間からこれに繋がる単位空間のＥＧＲ率を順番に推定して燃焼室に流入するＥＧＲ率を推定する、ところにある。

本発明によれば、内燃機関の運転状態が種々変化する過渡状態おいても、高精度にＥＧＲ率を推定することができる。

本発明が適用される内燃機関システムの構成を示す構成図である。 図１に示す制御手段を機能ブロックで示した機能ブロック図である。 本発明の基礎となる単位空間毎のＥＧＲ率を推定する物理モデルを説明する説明図である。 本発明の第１実施形態になる、ＥＧＲ率推定の物理モデルの機能ブロックを示すブロック図である。 図４に示す機能ブロックを実行し、上流基準空間でのＥＧＲ率を求める制御フローを示すフローチャート図である。 図４に示す機能ブロックを実行し、下流基準空間でのＥＧＲ率を求める制御フローを示すフローチャート図である。 従来のＥＧＲ率推定方法と本実施形態になるＥＧＲ率推定方法を比較した比較図である。 燃料噴射量と点火時期の演算を行う機能ブロックを示すブロック図である。 本実施形態になるＥＧＲ率推定方法を用いて、燃料噴射量を制御する場合の制御フローを示すフローチャート図である。 本実施形態になるＥＧＲ率推定方法を用いて、点火時期を制御する場合の制御フローを示すフローチャート図である。 吸入ガスＥＧＲ率と補正点火時期の関係を示すデータテーブルの特性図である。 過渡時における、ＥＧＲ率、点火時期、及び燃料噴射量の時間的変化を示す特性図である。

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内燃機関システムの構成を示している。図１において、内燃機関１は火花点火式内燃機関である。図１において、空気流量を計測する質量流量計２と、吸気圧を調整する圧力調整バルブ３と、吸入空気と排気ガスの混合ガスの流量を調整するスロットルバルブ４と、混合ガスを圧縮する過給機のコンプレッサ５ｂが、吸気通路６の各々の適宜位置に備えられている。

また、燃焼室７の中に燃料を噴射する燃料噴射弁８と、点火エネルギを供給する点火プラグ９とが、内燃機関１の各々の適宜位置に備えられている。更に、排気ガスのエネルギを利用してコンプレッサ５ａを駆動するタービン５ｂと、排気ガスを浄化する三元触媒１０と、空燃比検出器の一態様であって第１三元触媒１０の上流側にて排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ１１とが排気管１２の各々の適宜位置に備えられている。尚、空燃比センサ１１は酸素濃度センサとしても良いものである。

また、第１三元触媒１０の下流には排気通路１３が接続されており、排気通路１３には第２三元触媒１４が適宜位置に備えられている。更に、排気通路１３の第２三元触媒１４より上流から還流用排気ガス(以下、ＥＧＲガスと表記する)を取り出すＥＧＲ配管１５が分岐している。ＥＧＲ配管１５には、ＥＧＲを冷却するＥＧＲクーラ１６と、ＥＧＲガス量を調整するＥＧＲバルブ１７と、ＥＧＲバルブ前後の圧力を計測する圧力センサ１８が、適宜位置に備えられている。

空燃比センサ１１から得られる検出信号と、質量流量計２から得られる検出信号と、吸気管圧力センサ(図示せず)から得られる検出信号は、コントロールユニット（以下、ＥＣＵと表記する）１９に送られる。同様に、アクセルペダルの踏込量、すなわちアクセル開度を検出するアクセル開度センサ２０から得られる信号もＥＣＵ１９に送られる。

ＥＣＵ１９は、アクセル開度センサ２０の検出信号や各種センサ信号に基づいて要求トルクを演算する。すなわち、アクセル開度センサ２０は内燃機関１への要求トルクを検出する要求トルク検出センサとして用いられる。ＥＣＵ１９は上述した各種センサの出力から得られる内燃機関１の運転状態に基づいて、圧力調整バルブ３の開度、スロットルバルブ４の開度、燃料噴射弁８の噴射パルス期間、点火プラグ９の点火時期、吸気バルブ２１ａおよび排気バルブ２１ｂの開閉時期、ＥＧＲバルブ１７の開度などの内燃機関１の主要な作動量を適切に演算する。

ＥＣＵ１９で演算された燃料噴射パルス期間は、燃料噴射弁８の開弁パルス信号に変換されて燃料噴射弁８に送られる。また、ＥＣＵ１９で演算された圧力調整バルブ３の開度は、圧力調整バルブ駆動信号として圧力調整バルブ３へ送られる。以下、同様にしてＥＣＵ１９で演算されたスロットルバルブ４の開度は、スロットルバルブ駆動信号としてスロットルバルブ４へ送られ、点火プラグ９の点火時期信号は、点火プラグ９へ送られ、ＥＧＲバルブ１７の開度は、ＥＧＲバルブ駆動信号としてＥＧＲバルブ１７へ送られる。

インタークーラ２２、吸気通路６、サージタンク２３を通って吸気バルブ２１ａを経て燃焼室７内に流入した混合ガスに対して、燃料が燃料タンクから図示していない燃料ポンプを経て燃料噴射弁８から噴射され、燃焼室７内に混合気を形成する。混合気は所定の点火時期で点火プラグ９から発生される火花により着火、燃焼し、その燃焼圧によりピストンを押し下げて内燃機関１の駆動力となる。

燃焼後の排気ガスは、排気バルブ２１ｂ、及び排気管１２、タービン５ｂを経て第１三元触媒１０に送られ、第１三元触媒１０内でＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ成分が浄化された後、排気通路１３を経て第２三元触媒１４で再度浄化されて外部に排出される。

また、排気ガスの一部は、ＥＧＲガスとしてＥＧＲ配管１５、ＥＧＲクーラ１６、ＥＧＲバルブ１７を経て吸気通路６に導入され、この導入領域で吸入空気とＥＧＲガスとが合流される。吸入空気とＥＧＲガスからなる混合ガスは、吸気通路６の形状に倣った流線に沿って流れて燃焼室７の入口に到達して燃焼室に吸入されるようになる。

図２は、本実施形態に用いられるＥＣＵ１９の機能ブロックを示している。質量流量計２、空燃比センサ１１、及びアクセル開度センサ２０等の各センサの検出信号は、ＥＣＵ１９の入力回路１９ａに入力される。但し、入力信号はこれらに限定されるものではない。入力された各センサからの検出信号は、入出力ポート１９ｂ内の入力ポートに送られる。入出力ポート１９ｂに送られた検出信号の値は、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)１９ｃに一時記憶され、ＣＰＵ１９ｅで演算処理される。このとき、入力回路１９ａに送られる検出信号のうち、アナログ信号で入力される検出信号は、入力回路１９ａに設けられたＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換される。

演算処理内容を記述した制御プログラムは、リードオンリーメモリ(ＲＯＭ)１９ｄに予め書き込まれている。制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの作動量を示す値は、ＲＡＭ１９ｃに一次記憶された後、入出力ポート１９ｂの出力ポートに送られ、各駆動回路を経て各アクチュエータに送られる。

本実施形態の場合は、駆動回路として圧力調整バルブ駆動回路１９ｆ、スロットルバルブ駆動回路１９ｇ、可変バルブ機構(ＶＴＣ)駆動回路１９ｈ、燃料噴射弁駆動回路１９ｉ、点火信号出力回路１９ｊ、及びＥＧＲバルブ駆動回路１９ｋが備えられている。各駆動回路は、圧力調整バルブ３、スロットルバブ４、燃料噴射弁８、点火プラグ９、ＥＧＲバルブ１７、及び吸、排気バルブ２１ａ、２１ｂ等を制御する。本実施形態のＥＣＵ１９は、内部に上述した駆動回路を備えているが、本実施形態はこれに限るものではなく、駆動回路のいずれか或いは全てをＥＣＵ１９とは別に、各アクチュエータ等に一体化して外部に設けても良いものである。

以上のような構成を備える内燃機関の制御装置において、次に本発明の第１の実施形態の具体的な構成等について説明する。図３は、本実施形態におけるＥＧＲ率を高精度に推定する考え方を説明するための概要を示している。

本実施形態の基礎となる考え方は、ＥＧＲガスが吸気通路６を流れる際のＥＧＲガスの移送状態を、吸気通路６の単位空間毎に物理モデルで記述してＥＧＲ率を推定するものであり、その物理モデルは、移流方程式を基礎として構築されている。

図３において、本実施形態では、まずスロットルバルブ４を境にして上流側空間と下流側空間の２つに分割した演算領域を設定している。この２つの領域を、それぞれ上流基準空間ＢＳｕと、下流基準空間ＢＳｄとする。上流基準空間ＢＳｕは、基本的にはＥＧＲガスの合流部からスロットルバルブ４までに設定されるが、図３では便宜的にコンプレッサ５ａからスロットルバルブ４までとしている。したがって、ＥＧＲガスの合流部からコンプレッサ５ａまでの領域を新たな基準空間として追加しても良いものである。更に、下流基準空間ＢＳｄは、基本的にはスロットルバルブ４から燃焼室７の入口までに設定されている。

そして、それぞれの基準空間ＢＳｕ、ＢＳｄに存在する混合ガスのガス圧力、ガス温度、ガス質量を演算し、それぞれの基準空間ＢＳｕ、ＢＳｄの各演算領域から流出する混合ガス流量を演算する。ここで求めた基準空間ＢＳｕ、ＢＳｄに存在する混合ガスのガス圧力、ガス温度、ガス質量は以下に説明する中間ガス流量とＥＧＲ率を求めるのに使用されるパラメータである。

更に、本実施形態では、それぞれの基準空間ＢＳｕ、ＢＳｄを、複数個の単位空間ＵＳｕ１〜ＵＳｕｎ、単位空間ＵＳｄ１〜ＵＳｄｎ、に分割して設定する。そして、それぞれの基準空間ＢＳｕ、ＢＳｄの単位空間ＵＳｕ１〜ＵＳｕｎ、単位空間ＵＳｄ１〜ＵＳｄｎの間を通過する混合ガスの中間流量とＥＧＲ率を、基準上流空間ＢＳｕの先頭単位空間ＵＳｕ１から順番に演算することで、ＥＧＲガスが燃焼室７まで到達する遅れを推定する。尚、図３に示した単位空間の境に示す「白抜き矢印」は、単位空間毎の中間ガス流量を示し、また、単位空間に示す「格子模様」は、或る時刻でのＥＧＲ率を示している。

図３に示す、「Ｒ１ＬＤＩＶ[ｋ]」、「Ｒ２ＬＤＩＶ[ｋ]」はＥＧＲ率を示し、「Ｒ１ＬＤＩＶ[ｋ]」は上流基準空間ＢＳｕ、「Ｒ２ＬＤＩＶ[ｋ]」は下流基準空間ＢＳｄの各単位空間のＥＧＲ率を示している。同様に、「ＤＧ１ＬＤＩＶ[ｋ]」、「ＤＧ２ＬＤＩＶ[ｋ]」は中間ガス流量を示し、「ＤＧ１ＬＤＩＶ[ｋ]」は上流基準空間ＢＳｕ、「ＤＧ２ＬＤＩＶ[ｋ]」は下流基準空間ＢＳｄの各単位空間の中間ガス流量を示している。ここで、[ｋ]は、上流側から付与した単位空間の分割位置を示す番号である。また、「ＤＧＣＹＬ」は、最終的に燃焼室に吸入される燃焼室吸入ガス流量を示している。

ここで、ＥＧＲガスが流れるのは、ＥＧＲ配管１５と吸気通路６の合流領域から燃焼室７の入口(吸気バルブの配置位置)の間である。したがって、この範囲で基準空間ＢＳ、単位空間ＵＳを分割すれば良いものである。

そして、基準空間ＢＳの分割位置は、スロットルバルブ４、インタークーラ２２、サージタンク２３等の境界を分割位置とすることができる。スロットルバルブ４の配置領域では、吸気通路６の断面積が可変的に調整され、インタークーラ２２、サージタンク２３の配置領域では、吸気通路６の断面積が拡大されるので、これらを境として基準空間を分割すれば、演算精度が向上して望ましいものである。つまり、吸気通路６の断面積が拡大、或いは縮小する「断面積変化部分」を分割点とすれば良いものである。このように、実際の吸気通路６の形状に合わせて分割を行うことで、実際のＥＧＲ率の変動状況を模擬することができ、ＥＧＲ率を高精度に推定することが可能となる。

更に、基準空間を単位空間に分割する場合は、基本的には夫々の単位空間を等しい容積(等容積)にして分割するのが望ましい。ただ、インタークーラ２２は、単一の単位空間として取り扱うのが望ましく、また、サージタンク２３は複数の単位空間として取り扱うのが望ましい。ただ、これらは、吸気通路６の形態によって変わるので、インタークーラ２２を複数の単位空間としたり、サージタンク２３を単一の単位空間として取り扱っても良いものである。

また、単位空間の分割数は、吸気通路６の容積と、内燃機関に吸入される最大ガス流量に基づいて設定することも可能である。例えば、吸気通路６の容積が大きく、且つ最大ガス流量が多いほど単位空間の分割数が多く設定されるものである
次に、これらの考え方を基に、本実施形態の具体的なＥＧＲ率の推定方法を図４〜図７に基づき説明する。

図４は、本実施形態における演算ブロックを示しており、特にスロットルバルブ４の上流の上流基準空間ＢＳｕにおける演算ブロックを示している。図４に示す演算ブロックにおける各演算の詳細は、図５に示す制御フローで説明するので、図４においては、簡単に演算ブロックの説明を行なう。ここで、図４でガス流量やＥＧＲ率に「ｚ」の符号を付しているのは、前回の演算周期で求められることを意味している。

尚、スロットルバルブ４の下流の下流基準空間ＢＳｄにおける演算ブロックは、図４に示す流入ガス流量を圧縮機通過流量から燃焼室吸入ガス流量に変更し、第ｎ単位空間ＥＧＲ率演算部で演算したＥＧＲ率の適用先を、スロットルバルブ上流ＥＧＲ率から吸入ガスＥＧＲ率に変更したものであり、内部の演算処理は同一のため省略している。

図４において、スロットル上流流入ガス流量演算部２５は、質量流量計２によって計測された空気流量と、ＥＧＲバルブ１７を通過するＥＧＲガス流量から流入ガス流量を演算する。この流入ガス流量はスロットル上流圧力/温度/質量演算部２６に入力され、スロットル上流圧力/温度/質量演算部２６によって、上流基準空間のガス圧力、ガス温度、ガス質量が演算される。更に、ガス圧力、ガス温度、ガス質量はスロットルガス流量演算部２７に入力されて、スロットルバルブ４を通過するスロットルガス流量が演算される。以上は、図５に示すステップＳ５０５〜ステップＳ５０７に対応している。

また、スロットル上流流入ガス流量演算部２５で演算された流入ガス流量と、先の演算タイミングで求められたスロットルガス流量は流出ガス流量として、中間ガス流量演算部２８に入力される。中間ガス流量演算部２８では、単位空間毎の中間ガス流量を演算している。以上は、図５に示すステップＳ５０８に対応している。

中間ガス流量演算部２８からの中間ガス流量は、第１単位空間ＥＧＲ質量演算部２９、第２単位空間ＥＧＲ質量演算部３０、第ｎ単位空間ＥＧＲ質量演算部３１に順次入力されていき、混合ガスの移動方向に沿って単位空間毎のＥＧＲガス質量が順番に演算される。夫々の単位空間ＥＧＲ質量演算部２９〜３１には、先の演算タイミングで求められた夫々の単位空間ＥＧＲ率が入力され、中間ガス流量にＥＧＲ率を乗算してＥＧＲ質量を演算している。以上は、図５に示すステップＳ５０９に対応している。

夫々の単位空間ＥＧＲ質量演算部２９〜３１からのＥＧＲガス質量は、第１単位空間ＥＧＲ率演算部３２、第２単位空間ＥＧＲ率演算部３３、第ｎ単位空間ＥＧＲ率演算部３４に順次入力されて、混合ガスの移動方向に沿って単位空間毎の新たなＥＧＲ率が順番に演算される。夫々の単位空間ＥＧＲ率演算部３２〜３４には、スロットル上流圧力/温度/質量演算部２６に求められた、ガス圧力、ガス温度、ガス質量が入力され、現在の混合ガス質量とＥＧＲガス質量からＥＧＲ率を演算している。

そして、最終的に第ｎ単位空間ＥＧＲ率演算部３３で演算されたＥＧＲ率が、スロットルバルブ上流の現在のＥＧＲ率として確定されるようになる。以上は、図５に示すステップＳ５１０〜Ｓ５１３に対応している。

以上に述べた演算ブロックは、実際にはマイクロコンピュータで実行されるものであり、次にこの具体的な制御フローを図５に基づき説明する。図５に示す制御フローは、過給機のコンプレッサ５ａからスロットルバルブ４に至るまでの吸気通路６における、上流基準空間ＢＳｕのＥＧＲ率の推定方法について示している。尚、演算に使用するパラメータの表示において、「１」を付与しているのは、上流基準空間であることを表している。これに対して、図６においては、下流基準空間であるので「２」を付与している。

まず、ステップＳ５０１では、ＥＧＲ制御実行フラグが「ＯＮ」かどうかの判定を行う。ＥＧＲ制御実行フラグが「ＯＦＦ」の場合、ステップＳ５０２に進み、最下流の単位空間のＥＧＲ率「Ｒ１ＬＤＩＶｎ」を「０」に設定し、ステップＳ５１３に移行する。一方、ＥＧＲ制御実行フラグが「ＯＮ」の場合、ステップＳ５０３に移行する。

ステップＳ５０３では、ＥＧＲバルブ開度「ＥＧＲＳＴＭ」とＥＧＲバルブ前後圧「ＬＰＤＰ１ＰＭＳ」からＥＧＲバルブ通過ＥＧＲ流量「ＤＧＥＧＲＶ」を演算する。ＥＧＲバルブ通過ＥＧＲガス流量が求まると、ステップＳ５０４に移行する。

ステップＳ５０４では、質量流量計２を用いて圧力調整バルブ３を通過する空気流量「ＤＧＡＦＳ」を計測する。空気流量が求まると、ステップＳ５０５に移行する。

ステップＳ５０５では、ＥＧＲバルブ通過ＥＧＲガス流量「ＤＧＥＧＲＶ」と空気流量「ＤＧＡＦＳ」を合計し、圧力調整バルブ３の上流の流入ガス流量（＝圧縮機通過ガス流量）「ＤＧＩＮ１」を算出する。流入ガス流量「ＤＧＩＮ１」が求まると、ステップＳ５０６に移行する。

ステップＳ５０６では、流入ガス流量「ＤＧＩＮ１」と先の演算周期で演算したスロットルバルブ４の通過ガス流量「ＤＧＴＨＶＺ」を用いて、過給機のコンプレッサ５ａとスロットルバルブ４の間の吸気通路６（以下、上流基準空間）における、ガス圧力「ＰＴＨＶＵ」、ガス温度「ＴＴＨＶＵ」、ガス質量「ＭＴＨＶＵ」を演算する。ガス圧力「ＰＴＨＶＵ」、ガス温度「ＴＴＨＶＵ」、ガス質量「ＭＴＨＶＵ」が求まると、ステップＳ５０７に移行する。

ステップＳ５０７では、ガス圧力「ＰＴＨＶＵ」、ガス温度「ＴＴＨＶＵ」、ガス質量「ＭＴＨＶＵ」を用いて現在のスロットルバルブ４の通過ガス流量「ＤＧＴＨＶ」を演算する。尚、ステップＳ５０６、Ｓ５０７の演算は公知の方法で良いため、詳細な説明は省略する。スロットルバルブ４の通過ガス流量「ＤＧＴＨＶ」が求まると、ステップＳ５０８に移行する。

ステップＳ５０８では、以下の(１)式に基づき、流入ガス流量「ＤＧＩＮ１」、スロットルバルブ４の通過ガス流量「ＤＧＴＨＶ」を用いて、上流基準空間の単位空間の中間ガス流量「ＤＧ１ＬＤＩＶ[ｋ]」を演算する。

ここで、(１）式中の「ｎ」は単位空間の分割数、「ｋ」は各単位空間の分割位置を示す番号である。つまり、(１)式は、ｋ＝１〜ｎまでの各単位空間の現在の中間ガス流量「ＤＧ１ＬＤＩＶ[ｋ]」の演算を順番に実行するものである。中間ガス流量「ＤＧ１ＬＤＩＶ[ｋ]」が求まると、ステップＳ５０９に移行する。

ステップＳ５０９では、以下の(２)式に基づき、中間ガス流量「ＤＧ１ＬＤＩＶ[ｋ]」と先の演算周期で演算した単位空間のＥＧＲ率「Ｒ１ＬＤＩＶＺ[ｋ]」を用いて、現在の単位空間のＥＧＲ質量「ＭＥＧＲ１ＬＤＩＶ[ｋ]」を演算する。尚、上述のパラメータの「Ｚ」は、前回の演算周期での演算値であることを示し、また、(２)式の［ｋ−１］は、演算対象の単位空間の上流の単位空間の値を意味するものである。

単位空間のＥＧＲ質量「ＭＥＧＲ１ＬＤＩＶ[ｋ]」が求まると、ステップＳ５１０に移行する。

ステップＳ５１０では、以下の(３)式に基づき、ステップＳ５０６で求めたガス質量「ＭＴＨＶＵ」を分割数「ｎ」で分割(＝除算)して、単位空間のガス質量「ＭＡＬＬ１ＬＤＩＶ」を演算する。

単位空間のガス質量「ＭＡＬＬ１ＬＤＩＶ」が求まると、ステップＳ５１１に移行する。

ステップＳ５１１では、単位空間のＥＧＲ質量「ＭＥＧＲ１ＬＤＩＶ」と単位空間のガス質量「ＭＡＬＬ１ＬＤＩＶ」を用いて、単位空間のＥＧＲ率「Ｒ１ＬＤＩＶ[ｋ]」を演算する。単位空間のＥＧＲ率「Ｒ１ＬＤＩＶ[ｋ]」が求まると、ステップＳ５１２に移行する。

ステップＳ５１２では、すべての単位空間におけるＥＧＲ率「Ｒ１ＬＤＩＶ[ｋ]」が演算されたか判定を行う。すなわち「ｋ＝１」から「ｋ＝ｎ」までの単位空間のＥＧＲ率「Ｒ１ＬＤＩＶ[ｋ]」がすべて演算されていれば処理を終了する。演算されていない単位空間が存在すれば、該当の単位空間でステップＳ５０８からＳ５１１の処理を実行する。上述したステップＳ５０２、又はステップＳＳ５１２の処理が終了すると、ステップＳ５１３に移行する。

ステップＳ５１３では、最下流の単位空間のＥＧＲ率「Ｒ１ＬＤＩＶ「ｎ」」をスロットルバルブ４の上流基準空間のＥＧＲ率「ＲＴＨＶ」として、今回の演算周期での処理を終了し、次の演算周期以降、同様の処理をＥＣＵ１９が停止するまで繰り返すことになる。

以上の説明は、スロットルバルブ４より上流の上流基準空間ＢＳｕに関するものであるが、次にスロットルバルブ４より下流の下流基準空間ＢＳｄに関する説明を行なうことにする。図６に示す制御フローは、スロットルバルブ４から燃焼室７に至るまでの吸気通路６における、下流基準空間ＢＳｄのＥＧＲ率の推定方法について示している。尚、演算に使用するパラメータの表示において、上述した通り「２」を付与しているのは、下流基準空間であることを表している。

ステップＳ６０１では、図５のステップＳ５０１と同じ判定処理を実行する。ＥＧＲ実行フラグが「ＯＦＦ」の場合は、ステップＳ６０２に移行してＥＧＲ率を「０」としてステップＳ６１１に移行する。一方、ＥＧＲ制御実行フラグが「ＯＮ」の場合は、ステップＳ６０３に移行する。

ステップＳ６０３では、先の演算周期に演算したスロットルバルブ通過ガス流量「ＤＧＴＨＶＺ」、燃焼室吸入ガス流量「ＤＧＣＹＬＺ」を読み出し、ステップＳ６０４に移行する。尚、上述のパラメータの「Ｚ」は、前回の演算周期での演算値であることを示している。

そして、ステップＳ６０４からステップＳ６１０は、図５のステップＳ５０６からステップＳ５１２の演算における、流入ガス流量「ＤＧＩＮ１」をスロットルバルブ通過ガス流量「ＤＧＴＨＶＺ」に変更し、スロットルバルブ通過ガス流量「ＤＧＴＨＶＺ」を燃焼室吸入ガス流量「ＤＧＣＹＬ」に変更した処理と同じのため、詳細な説明は省略する。

尚、ステップＳ６０５では、ステップＳ６０４で求めたガス圧力「ＰＩＭＡＮＩ」、ガス温度「ＴＩＭＡＮＩ」、ガス質量「ＭＩＭＡＮＩ」、吸気バルブ開時期「ＩＶＴＣ」、排気バルブ開時期「ＥＶＴＣ」、回転数「ＮＥ」から燃焼室吸入ガス流量「ＤＧＣＹＬ」を算出している。尚、ステップＳ６０４、Ｓ６０５の演算は公知の方法で良いため、詳細な説明は省略する。上述したステップＳ６０２、又はステップＳＳ６１０の処理が終了すると、ステップＳ６１１に移行する。

ステップＳ６１１では、最下流の単位空間のＥＧＲ率「Ｒ２ＬＤＩＶ「ｎ」」をスロットルバルブ４の下流基準空間の燃焼室７に吸入される吸入ガスＥＧＲ率「ＲＣＹＬ」として、今回の演算周期での処理を終了し、次の演算周期以降、同様の処理をＥＣＵが停止するまで繰り返すことになる。

図５、図６からわかるように、吸気通路を複数に分割し、単位空間の中間ガス流量と基準空間の流量から演算して、順番にＥＧＲ率を演算することで、ＥＧＲ率の過渡応答を高精度に推定することが可能となる。

図７は、従来のＥＧＲ率推定方法と本実施形態になるＥＧＲ率推定方法による推定結果を比較したものである。図７の(Ａ)、及び(Ｂ)は、従来の推定方法でＥＧＲ率を推定した結果を示し、図７の(Ｃ)は、本実施形態の推定方法でＥＧＲ率を推定した結果を示している。

尚、それぞれの図の上側はＥＧＲ率の変化を示し、実線が実際のＥＧＲ率を示し、破線が推定ＥＧＲ率を示している。また、下側はスロットルバルブ及びＥＧＲバルブの開度変化を示している。実際は異なるバルブだが、ここでは同時に閉じた場合を示すため、重ねて１本の実線で示している。

図７の(Ａ)、(Ｂ)、(Ｃ)において、ＥＧＲバルブが開かれると、ＥＧＲガスが遅れを伴い基準空間の出口に到達する。このため、ＥＧＲ率は基準空間の入口と出口で異なる変化となる。更に、出口ではＥＧＲガスが滞留してＥＧＲ率の上昇が生じる等の入口とは異なる変化となっている。

そして、図７の(Ａ)では、基準空間の代表ＥＧＲ率を推定するものであるため、入口と出口の区別がなく応答の遅れを模擬することができないものである。そこで、図７の(Ｂ)では、遅れを時定数で設定したものであるが、この場合は、出口での滞留状態を推定することができないものである。

一方、本実施形態のＥＧＲ率推定方法においては、移流方程式を利用して、基準空間のガス流量から中間ガス流量を演算し、その結果を用いてＥＧＲ率の推定演算を行うことで、実際のＥＧＲ率の遅れの挙動を模擬することが可能となり、正確なＥＧＲ率を推定することができるようになる。

上述した第１の実施形態は、正確なＥＧＲ率の推定を行なう推定方法を提案したものであるが、本発明の第２の実施形態では、演算した燃焼室吸入ガス流量「ＤＧＣＹＬ」と吸入ガスＥＧＲ率「ＲＣＹＬ」を用いて燃料噴射量、及び点火時期を補正する制御を提案するものである。

図８は、燃料噴射量と点火時期の演算を行う機能ブロックを示しており、燃焼室吸入ガス流量「ＤＧＣＹＬ」と吸入ガスＥＧＲ率「ＲＣＹＬ」が、吸入空気流量演算部４０に入力され、燃焼室内の吸入空気量を演算する。求められた吸入空気量は、燃料噴射量演算部４１と基準点火時期演算部４２に入力される。

また、燃料噴射量演算部４１には、回転数やこれ以外の種々の補正情報も入力されており、これらを基に燃料噴射量が演算される。また、基準点火時期演算部４２には、回転数が入力されており、これを基に基準点火時期が演算される。また、吸入ガスＥＧＲ率「ＲＣＹＬ」と回転数が進角点火時期演算部４３に入力され、点火時期の補正点火時期を演算する。基準点火時期と補正点火時期は点火時期演算部４４に入力されて、最終的な点火時期が演算される。尚、燃料噴射量や点火時期は、上述した入力情報だけでなく、種々の補正情報によって補正されることはいうまでもない。

次に、以上に述べた演算ブロックの具体的な制御フローを図９、図１０に基づき説明する。図９は、燃料噴射量を制御する場合の制御フローを示しており、図１０は、点火時期を制御する場合の制御フローを示している。まず、燃料噴射量を制御する場合の制御フローを説明する。

ステップＳ９０１では、以下の(４)式に基づいて、吸入ガスＥＧＲ率「ＲＣＹＬ」と、燃焼室吸入ガス流量「ＤＧＣＹＬ」を用いて吸入空気流量「ＤＧＣＹＬＡＩＲ」を演算する。

吸入空気流量「ＤＧＣＹＬＡＩＲ」が求まると、ステップＳ９０２に移行する。

ステップＳ９０２では、以下の(５)式に基づいて、吸入空気流量「ＤＧＣＹＬＡＩＲ」から燃料噴射量「ＭＦＵＥＬ」を演算する。

この燃料噴射量「ＭＦＵＥＬ」は、図示しない演算ブロックで演算された目標当量比「ＴＡＢＦＣ」を用いて演算されている。燃料噴射量「ＭＦＵＥＬ」が求まると、ステップＳ９０３に移行する。

ステップＳ９０３では、燃料噴射量「ＭＦＵＥＬ」をインジェクタ駆動回路から燃料噴射弁８に送信して実際の燃料噴射を実行する。尚、実際に燃料噴射弁に送信する信号は、燃料噴射弁８の開弁期間であるが、燃料噴射量「ＭＦＵＥＬ」から開弁期間への変換は公知であるため、説明は省略する。

次に、図１０に基づき点火時期を制御する場合の制御フローを説明する。

ステップＳ１００１では、吸入空気量「ＤＧＣＹＬＡＩＲ」に基づいて基準点火時期「ＳＴＤ」を演算する。ここでは、吸入空気量「ＤＧＣＹＬＡＩＲ」と基準点火時期「ＳＴＤ」を事前に対応づけた、データテーブルを用いて読み出すように構成されている。基準点火時期「ＳＴＤ」が求まると、ステップＳ１００２に移行する。

ステップＳ１００２では、吸入ガスＥＧＲ率「ＲＣＹＬ」から補正点火時期「ＥＧＲＡＤＶ」を演算する。尚、補正点火時期「ＥＧＲＡＤＶ」も図１１に示すように、吸入ガスＥＧＲ率「ＲＣＹＬ」と対応づけた、データテーブルから読み取ることで演算される。このテーブルでは、燃焼室に吸入される混合ガスのＥＧＲ率が高いほど、点火時期を最適時期（例えば、ＭＢＴ）に向けて進角される特性とされている。つまり、吸入ガスＥＧＲ率が大きいほど点火時期を最適点火時期に向けて進角し、吸入ガスＥＧＲ率が小さいほど点火時期を遅角するように構成されている。補正点火時期「ＥＧＲＡＤＶ」が求まると、ステップＳ１００３に移行する。

ステップＳ１００３では、減速中で、かつ吸入ガスＥＧＲ率「ＲＣＹＬ」が閾値以上であるかどうかの判定を実行する。減速中で、かつ吸入ガスＥＧＲ率「ＲＣＹＬ」が閾値以上である場合はステップＳ１００４に移行する。一方、減速中で、かつ吸入ガスＥＧＲ率「ＲＣＹＬ」が閾値以上でない場合はステップＳ１００５に移行する。

ステップＳ１００４では、点火時期を所定時間だけ遅角しないようにするため、前回の演算周期の補正点火時期「ＥＧＲＡＤＶ」を保持して補正点火時期「ＥＧＲＡＤＶ」とする。一方、ステップＳ１００５では、ステップＳ１００１で演算した基準点火時期「ＳＴＤ」に補正点火時期「ＥＧＲＡＤＶ」を加算して最終点火時期「ＦＡＤＶＳ」を演算する。更に、ステップＳ１００６では、最終点火時期「ＦＡＤＶＳ」に基づき、それぞれの燃焼周期毎に点火信号出力回路から点火プラグに点火信号を送信する。

図１２は、本実施形態における吸入ガスＥＧＲ率「ＲＣＹＬ」に合わせた点火時期及び燃料噴射量の制御状態を示している。

減速時において、スロットルバルブ４及びＥＧＲバルブ１７を閉じたとすると、吸入空気流量とＥＧＲガス流量が低下する。これに伴って、燃焼室内への燃焼室吸入ガス流量、及び吸入空気流量も減少する。ここでＥＧＲ率の変化と空気流量の変化の応答性に差があるため、空気とＥＧＲガスの混合気体の流量である燃焼室吸入ガス流量から、ＥＧＲガス流量を減算することで、実際の吸入空気流量を演算することができ、燃料噴射量は、この空気流量を基に目標空燃比を反映させて算出することができる。

一方、ＥＧＲ率は、推定した吸入ガスＥＧＲ率「ＲＣＹＬ」に加えて内部ＥＧＲ率（残留ガス率）との組み合わせで高いＥＧＲ率となるため、点火時期を急速に遅角すると失火する可能性がある。そのため、ステップＳ１００４にある通り、所定時間、又はＥＧＲ率が一定量以下になるまで、点火時期を進角状態で所定期間ΔＴだけ維持する。この所定期間ΔＴを経過すると、吸入ガスＥＧＲ率「ＲＣＹＬ」に合せて徐々に点火時期を遅角方向に移行させていくようにする。

本実施形態の燃料噴射制御によれば、適切な空燃比を実現でき、ＥＧＲガスが導入されても排気有害成分の増大を防止することが可能となる。また、本実施形態の点火時期制御によれば、通常時はＥＧＲ率に合わせて点火時期を設定することで異常燃焼を避けながら低燃費化を図ることができ、更に、減速時は推定が困難な内部ＥＧＲ率の増加による失火を避けることができるようになる。

以上述べた通り、本発明によれば、吸入空気とＥＧＲガスの混合ガスが流れる流線に沿って吸気通路の基準空間を複数に分割して単位空間を形成し、夫々の単位空間に対応して混合ガスのＥＧＲ率を推定するための移流方程式に基づく物理モデルを構築し、この物理モデルによって、先頭の単位空間からこれに繋がる単位空間のＥＧＲ率を順番に推定して燃焼室に流入するＥＧＲ率を推定する構成とした。これによれば、内燃機関の運転状態が種々変化する過渡状態おいても、高精度にＥＧＲ率を推定することができる。

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。

１…内燃機関、２…質量流量計、３…圧力調整バルブ、４…スロットルバルブ、５ａ…コンプレッサ、６…吸気通路、７…燃焼室、８…燃料噴射弁、９…点火プラグ、１０…三元触媒、１１…空燃比センサ、１２…排気マニフォルド、１３…排気管、１４…第２三元触媒、１５…ＥＧＲ配管、１６…ＥＧＲクーラ、１７…ＥＧＲバルブ、１８…圧力センサ、１９…コントロールユニット、２０…アクセル開度センサ、２２…インタークーラ、２３…サージタンク、ＢＳｕ…上流基準空間、ＢＳｄ…下流基準空間、ＵＳｕ１〜ＵＳｕｎ…単位空間、ＵＳｄ１〜ＵＳｄｎ…単位空間、２５…スロットル上流流入ガス流量演算部、２６…スロットル上流圧力/温度/質量演算部、２７…スロットルガス流量演算部、２８…中間ガス流量演算部、２９、３０、３１…単位空間ＥＧＲガス質量演算部、３２、３３、３４…単位空間ＥＧＲ率演算部。

Claims (11)

1. 燃焼室に接続され、吸入空気を前記燃焼室に供給する吸気通路と、前記吸気通路に接続され、排気ガス(以下、ＥＧＲガスと表記する)を再循環させる排気ガス再循環通路と、吸入空気とＥＧＲガスの混合された混合ガスの流量を制御するスロットルバルブを備えた内燃機関に使用され、前記燃焼室に供給される混合ガスとＥＧＲガスの割合(以下、ＥＧＲ率と表記する)を推定する制御手段を備えた内燃機関の制御装置において、
   前記制御手段は、
   吸入空気とＥＧＲガスの混合ガスが流れる流線に沿って前記吸気通路の基準空間を複数に分割して単位空間を形成し、夫々の前記単位空間に対応して混合ガスのＥＧＲ率を推定するための移流方程式に基づく物理モデルを構築し、前記物理モデルによって、先頭の前記単位空間からこれに繋がる前記単位空間のＥＧＲ率を順番に推定して前記燃焼室に流入するＥＧＲ率を推定するＥＧＲ率推定手段を備えている
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記ＥＧＲ率推定手段は、
   前記基準空間のガス質量から前記単位空間の単位空間ガス質量を演算する単位空間ガス質量演算部と、
   夫々の前記単位空間の入口のガス流量と出口のガス流量に基づいて、前記単位空間の夫々における中間ガス流量を演算する中間ガス流量演算部と、
   前記中間ガス流量演算部で求められた中間ガス流量とＥＧＲ率とから、夫々の前記単位空間の単位空間ＥＧＲガス質量を求める単位空間ＥＧＲガス質量演算部と、
   前記単位空間ガス質量演算部で求められた単位空間ガス質量と、前記単位空間ＥＧＲガス質量演算部で求められた単位空間ＥＧＲガス質量とに基づいて、混合ガスの新たなＥＧＲ率を先頭の前記単位空間から順番に演算する単位空間ＥＧＲ率演算部と
   から構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記単位空間ガス質量演算部は、前記基準空間のガス質量を前記単位空間の個数で除算して、単位空間ガス質量を求める
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記基準空間は、前記吸気通路の断面積が拡大、或いは縮小する断面積変化部分を境にして設定されている
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記単位空間の容積は、それぞれ等しい容積に設定されている
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
6. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記吸気通路の途中にはインタークーラ、或いはサージタンクが設けられており、前記インタークーラ、或いは前記サージタンクは、単独で前記単位空間として設定されるか、或いは複数の前記単位空間として設定される
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
7. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記単位空間の分割数は、前記吸気通路の容積と前記内燃機関に吸入される最大ガス流量に基づいて設定される
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
8. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記基準空間は、前記吸気通路に設けられた前記スロットルバルブを境にして、前記スロットルバルブとＥＧＲガスが導入される領域までの上流基準空間と、前記スロットルバルブと前記燃焼室の入口までの下流基準空間と設定されており、
   前記上流基準空間の最後部の前記単位空間のＥＧＲ率が、前記下流基準空間の先頭部の前記単位空間のＥＧＲ率として設定される
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置において
   前記制御手段は、前記燃焼室の混合気に点火する点火制御手段を有しており、前記点火制御手段は、前記ＥＧＲ率推定手段で推定されたＥＧＲ率に基づいて点火時期を補正する点火時期補正手段を備えている
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
10. 請求項９に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記点火制御手段は、ＥＧＲ率が大きいほど点火時期を最適点火時期に向けて進角し、ＥＧＲ率が小さいほど点火時期を遅角する
    ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
11. 請求項１０に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記点火制御手段は、前記スロットルバルブが閉じられＥＧＲガス流量が減少された場合において、この時の点火時期を維持した状態で、前記ＥＧＲ率推定手段で推定されたＥＧＲ率が一定以下になった後に、ＥＧＲ率に合わせて点火時期を遅角させる
    ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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