JP2019173664A

JP2019173664A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2019173664A
Application number: JP2018063214A
Authority: JP
Inventors: 利彰廣沢; Toshiaki Hirosawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2019-10-10
Anticipated expiration: 2038-03-28
Also published as: JP7073843B2

Abstract

【課題】ＥＧＲ弁が過渡的に動作した場合の筒内吸入ＥＧＲガス量の算出精度を向上させることを課題とする。【解決手段】内燃機関の制御装置は、排気の一部を吸気系に還流するＥＧＲ通路を備えた内燃機関の筒内吸入ＥＧＲガス量を算出する内燃機関の制御装置であって、機関回転数取得手段によって取得された前記内燃機関の機関回転数と、筒内吸入新気量取得手段によって取得された前記内燃機関の筒内に流れ込む筒内吸入新気量と、前後圧力比取得手段によって取得された前記ＥＧＲ通路に設置されたＥＧＲ弁の前後圧力比と、新気吹き返し量取得手段によって取得された前記内燃機関が備える吸気弁からの新気吹き返し量と、に基づいて、筒内吸入ＥＧＲガス量を算出する演算部を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、内燃機関における筒内充填ガス量から、筒内吸入ＥＧＲガス（Exhaust Gas Recirculation）量を減算することにより、筒内に導入された空気の量である筒内吸入新気量を算出することが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、筒内充填ガス量を算出すための吸気弁モデル等が開示されている。

ところで、ＥＧＲ弁の開度を変化させる過渡期には、目標とするＥＧＲ弁の開度と実際のＥＧＲ弁の開度とが相違する。このため、定常状態を前提として筒内吸入ＥＧＲガスを算出すると、その算出値は、実際の値と乖離することがある。特許文献１では、ＥＧＲ弁が過渡的に動作した場合に筒内吸入ＥＧＲガスを正確に算出するために、ＥＧＲ弁を通過したＥＧＲガスがシリンダに到達するのにかかる時間に相当する無駄時間と、追従遅れとを考慮して筒内吸入ＥＧＲガス量を算出している。

特許文献２においても、ＥＧＲ弁を通過したＥＧＲガスが各気筒に到達するまでにかかる無駄時間と、ＥＧＲ弁通過ガス量の変化に対する筒内吸入ＥＧＲガス量の追従遅れを考慮することで、ＥＧＲ弁が過渡的に動作した場合の筒内吸入ＥＧＲガス量の推定精度を高めようとしている。

特開２００７−６４２３０号公報特開２０１０−２０９８３２号公報

ところで、シリンダ内に戻されるＥＧＲガスは、その流路環境に応じて、無駄時間や追従遅れも影響を受けると考えられる。特許文献１や特許文献２は、これらの観点から改善の余地を有していると考えられる。

そこで、本明細書開示の内燃機関の制御装置は、ＥＧＲ弁が過渡的に動作した場合の筒内吸入ＥＧＲガス量の算出精度を向上させることを課題とする。

本明細書に開示された内燃機関の制御装置は、排気の一部を吸気系に還流するＥＧＲ通路を備えた内燃機関の筒内吸入ＥＧＲガス量を算出する内燃機関の制御装置であって、機関回転数取得手段によって取得された前記内燃機関の機関回転数と、筒内吸入新気量取得手段によって取得された前記内燃機関の筒内に流れ込む筒内吸入新気量と、前後圧力比取得手段によって取得された前記ＥＧＲ通路に設置されたＥＧＲ弁の前後圧力比と、新気吹き返し量取得手段によって取得された前記内燃機関が備える吸気弁からの新気吹き返し量と、に基づいて、筒内吸入ＥＧＲガス量を算出する演算部を備える。

本明細書開示の内燃機関の制御装置によれば、ＥＧＲ弁が過渡的に動作した場合の筒内吸入ＥＧＲガス量の算出精度を向上させることができる。

図１は実施形態の内燃機関を模式的に示す説明図である。図２は実施形態の内燃機関における筒内吸入ＥＧＲガス量の算出処理の流れを示すフローチャートである。図３は実施形態の内燃機関の無駄時間を算出する際に参照するマップの一例である。図４は実施形態の内燃機関の時定数を算出する際に参照するマップの一例である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

（実施形態）
以下、本明細書開示の内燃機関の制御装置を、内燃機関を統括的に制御する電子制御装置として具体化した一実施形態について図１〜４を参照して説明する。図１は本実施形態にかかる内燃機関の吸気系及び排気系の構成と、同内燃機関を統括的に制御する電子制御装置の概略構成を示している。

図１を参照すると、内燃機関１０は、シリンダ１１を備える。シリンダ１１内にはピストン１２が摺動可能に配置されている。また、シリンダヘッド１１ａには、点火プラグ１３が設置されている。本実施形態の内燃機関１０は、直列４気筒のガソリンエンジンであるが、シリンダの数、配列は、これに限定されない。

内燃機関１０には、吸気通路２０と排気通路３０とが接続されている。吸気通路２０にはスロットル弁２１が設けられている。スロットル弁２１は、モータによって開閉駆動され、開度が制御されることで吸入空気量が調量される。

吸気通路２０におけるスロットル弁２１よりも下流側の部位には、サージタンク２３が設けられている。サージタンク２３には、吸気枝管２４が接続されている。吸気枝管２４は、シリンダ毎に設けられている。吸気通路２０を通過した吸気は、シリンダヘッド１１ａに設けられた吸気弁３２を介してシリンダ１１内へ導入される。吸気弁３２は、吸気カム３３によって開閉駆動される。本実施形態の吸気カム３３は、カム位相可変部３３ａによって、その位相が変更可能とされている。吸気通路２０やサージタンク２３は、吸気系に含まれる。

一方、排気通路３０は排気マニホルド３１を介して各シリンダ１１に接続されている。これにより、各シリンダ１１から排出された排気が排気マニホルド３１でまとめられ、排気通路３０を通じて排出される。シリンダヘッド１１ａには、排気カム３５によって駆動される排気弁３４が設けられている。

排気通路３０からは、ＥＧＲ装置４０に含まれるＥＧＲ通路４０ａが分岐している。ＥＧＲ通路４０ａの他端は、図１中、参照番号Ａ１で示す合流部位、すなわち、吸気通路２０におけるスロットル弁２１よりも下流で、かつ、サージタンク２３よりも上流側の部位に接続されている。これにより、排気通路３０を流れる排気の一部が吸気系に含まれる吸気通路２０に還流される。ＥＧＲ通路４０ａにはステップモータ４２によってその開度が変更されるＥＧＲ弁４１が設けられており、このＥＧＲ弁４１の開度が変更されることにより排気通路３０から吸気通路２０に還流される排気の量が調量される。

本実施形態のＥＧＲ弁４１にあっては、ステップモータ４２のステップ数ｓｔｐが増大するほどＥＧＲ弁４１の開度が大きくなる。

スロットル弁２１の開度制御や、ＥＧＲ弁４１の開度制御は、内燃機関１０を統括的に制御する電子制御装置（ＥＣＵ：Engine Control Unit）１００によって実行される。電子制御装置１００は、機関制御にかかる各種演算処理を実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）、機関制御用の演算プログラムや演算マップ、各種データが記憶された読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、演算の結果等を一時的に記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等を備えている。電子制御装置１００は、演算部として機能する。

電子制御装置１００には、各種センサが接続されている。アクセルポジションセンサ５０は運転者によるアクセルペダルの操作量を検出する。エアフロメータ５１は内燃機関１０に導入される筒内吸入新気量ｋｌａｉｒ及び吸気温度を検出する。回転速度センサ５２は内燃機関１０の出力軸の回転速度に基づいて機関回転数ＮＥを検出する。車速センサ５３は車速信号を出力する。スロットルポジションセンサ５４はスロットル弁２１の開度であるスロットル開度信号を出力する。空燃比センサ５５は排気通路３０に設けられ、排気の酸素濃度を検出する。吸気管圧力センサ５６は、吸気管における吸気の圧力（吸気管圧力Ｐｍ）を検出する。吸気カム位相センサ５７は、吸気カム３３の位相、すなわち、吸気カム位相Ｐｈｃａｍを検出する。

電子制御装置１００は、これらの各種センサ５０〜５７からの出力信号に基づいて、車両を統括的に制御する。具体的には、アクセルポジションセンサ５０によって検出されるアクセルペダルの操作量に基づいて、スロットル弁２１の開度を調整する。これにより、アクセルペダルの操作量に応じて内燃機関１０の吸入空気量が制御される。

ここで、回転速度センサ５２は、機関回転数取得手段として機能する。エアフロメータ５１は、筒内吸入新気量取得手段として機能する。吸気管圧力センサ５６は、ＥＧＲ弁４１の下流側の圧力を検出するため、前後圧力比取得手段の一部として機能する。ＥＧＲ弁４１の上流側の圧力を大気圧とみなし、吸気管圧力センサ５６の検出値である吸気管圧力Ｐｍとの比を算出することで、ＥＧＲ弁４１の前後圧力比を算出することができる。吸気カム位相センサ５７は、新気吹き返し量取得手段として機能する。吸気カム３３は、カム位相可変部３３ａによって、駆動状態を変更することでアトキンソンサイクルを実現することができる。アトキンソン領域では、吸気カム３３の位相によって、吸気弁３２を介してシリンダ１１内からの新気の吹き戻しが発生する。このため、吸気カム３３の位相を把握することで、新気の吹き戻し量を検出することができる。なお、ＥＧＲ弁４１の前後にそれぞれ圧力センサを設け、これらの圧力センサの検出値の比を算出し、前後圧力比としてもよい。

本実施形態では、機関回転数ＮＥ、ＥＧＲ弁４１を駆動するステップモータ４２のステップ数ｓｔｐ及び吸気管圧力Ｐｍに基づいてＥＧＲ弁４１を通過するＥＧＲガスの量であるＥＧＲ弁通過ガス量ｋｌｅｇｒを算出する。そして、このＥＧＲ弁通過ガス量ｋｌｅｇｒに基づいて筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍを算出する。

本実施形態の電子制御装置１００は、ＥＧＲ弁４１の過渡状態における筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍを算出するときに、ＥＧＲガスの輸送遅れと、追従遅れの影響を考慮する。

以下、図２〜４を参照して本実施形態にかかる筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍの算出処理について説明する。尚、図２は本実施形態にかかる筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍの算出処理の流れを示すフローチャートである。この処理は機関運転中に電子制御装置１００によって制御周期Δｔ（例えば８ミリ秒）毎に繰り返し実行される。

図２に示すように、この処理が開始されると、電子制御装置１００は、まずステップＳ１において、ＥＧＲ弁４１の開度を示すステップモータ４２のステップ数ｓｔｐ、筒内吸入新気量ｋｌａｉｒ、機関回転数ＮＥ、吸気管圧力Ｐｍ及び吸気カム位相Ｐｈｃａｍを読み込む。

そして、ステップＳ２において、ＥＧＲ弁通過ガス量ｋｌｅｇｒを算出する。このステップＳ２にあっては、予め行う実験等の結果に基づいて作成された演算マップを参照してステップモータ４２のステップ数ｓｔｐ、機関回転数ＮＥ及び吸気管圧力Ｐｍに基づいてＥＧＲ弁通過ガス量ｋｌｅｇｒを算出する。この演算マップにあっては、基本的に機関回転数ＮＥが高いときほど、吸気管圧力Ｐｍが低いときほど、またステップ数ｓｔｐが大きいときほど、ＥＧＲ弁通過ガス量ｋｌｅｇｒとして大きな値が算出されるようになっている。

こうしてＥＧＲ弁通過ガス量ｋｌｅｇｒを算出すると、ステップＳ３へと進み、無駄時間ｎｄｌｙ及び時定数τを算出する。無駄時間ｎｄｌｙ及び時定数τの算出は、具体的には以下のように行う。

電子制御装置１００は、図３に示される演算マップを参照してＥＧＲガスがＥＧＲ弁４１から吸気通路２０の合流部位Ａ１を通過し、シリンダ１１（吸気弁３２）に到達するまでの輸送遅れに相当する無駄時間ｎｄｌｙを算出する。

ＥＧＲ弁前後圧力比、本実施形態にあっては、吸気管圧力Ｐｍ（インマニ負圧）と大気圧との比が“１”に近づくほど、無駄時間ｎｄｌｙが長くなる。無駄時間ｎｄｌｙは、ＥＧＲガスの流速によって変化し、また、ＥＧＲガスの流速は、ＥＧＲ弁前後圧力比に応じて変化する。すなわち、ＥＧＲ弁４１の前後の圧力差が小さくなり、ＥＧＲ弁前後圧力比が“１”に近づくとＥＧＲガスの流速が遅くなり、この結果、無駄時間ｎｄｌｙが長くなる。

また、無駄時間ｎｄｌｙは、機関回転数ＮＥが高いほど無駄時間ｎｄｌｙが短い。これは、ＥＧＲガスがポートに到達してから吸気工程が開始されるまでの時間が短くなるためであると考えられる。

電子制御装置１００は、また、図４に示される演算マップを参照して追従遅れの時定数τを算出する。

図１に示された合流部位Ａ１から導入されたＥＧＲガスは、シリンダ１１内へ流れ込む新気によって運ばれる。このため、時定数τは、筒内吸入新気量が多くなるほど、短くなる。

また、カム位相可変部３３ａによって吸気カム３３の位相が、アトキンソン領域へ入る状態となっていると、吸気弁３２を介してシリンダ１１内からの新気の吹き戻しが発生する。新気の吹き戻しが発生すると、ＥＧＲガスはシリンダ１１内へ入りにくくなり、追従遅れが生じやすくなる。このため、時定数τは、吸気カム位相Ｐｈｃａｍが大きくなり、新気の吹き返し量が多くなるほど、長くなる。

なお、ステップＳ３において、無駄時間ｎｄｌｙと時定数τの算出の順序は問わない。いずれか一方を先に算出してもよいし、双方を同時に算出してもよい。

ステップＳ３に引き続いて行われるステップＳ４では、ステップＳ２で算出したＥＧＲ弁通過ガス量ｋｌｅｇｒと、ステップＳ３で算出した無駄時間ｎｄｌｙ及び時定数τとに基づいて、式（１）〜式（３）を利用して筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍを算出する。

・・・式（１）

・・・式（２）

・・・式（３）

具体的には、まず数式（１）に示される一次遅れの式を利用して、ステップＳ２において算出されたＥＧＲ弁通過ガス量ｋｌｅｇｒと、ステップＳ３において算出された時定数τに基づいて追従遅れを反映させた筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍを算出する。

数式（１）において筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍ及びＥＧＲ弁通過ガス量ｋｌｅｇｒに付された添え字「ｋ」及び「ｋ−１」は、これらの値が算出された時期の違いを示すものである。すなわち添え字「ｋ」及び「ｋ−１」は、添え字「ｋ」が付された値が今回の制御周期において算出された値であり、添え字「ｋ−１」が付された値が前回の制御周期において算出された値であることを示している。

また、数式（１）に示される「ｅ」はネイピア数である。こうしてＥＧＲガスの追従遅れを反映させた筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍを算出すると、数式（２）を利用して、ステップＳ３において算出した無駄時間ｎｄｌｙに基づいて無駄周期数Ｘを算出する。

電子制御装置１００は、無駄周期数Ｘを算出すると、数式（３）に示されるように今回算出した筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍを、無駄周期数Ｘ後の制御周期において参照する筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍとして記憶する。すなわち、これにより無駄時間ｎｄｌｙ経過後に参照する筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍの値が予め電子制御装置１００に記憶される。

こうして無駄時間ｎｄｌｙ経過後に参照する筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍを予め記憶しておき、記憶されている筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍを無駄時間ｎｄｌｙ経過後に参照することにより、追従遅れに加えて、輸送遅れを考慮した筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍを算出することができるようになる。

電子制御装置１００は、筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍを算出すると、一連の処理を一旦終了する。無駄時間ｎｄｌｙ及び時定数τとに基づいて算出された筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍは、ＥＧＲ弁が過渡的に動作した場合においても、実際に筒内に吸入されてたガス量を精度よく表したものとなっている。

算出された筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍは、筒内吸入新気量ｋｌａｉｒの算出に用いられる。筒内吸入新気量ｋｌａｉｒは、筒内充填ガス量ｋｌｃｙｌから筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍを減算することにより、算出される。筒内吸入新気量ｋｌａｉｒは、内燃機関１０の燃料噴射量や点火時期の制御、ＥＧＲ弁４１の開度制御等に用いられる。

本実実施形態では、輸送遅れに相当する無駄時間ｎｄｌｙと追従遅れに相当する時定数τに基づいて算出された筒内吸入ＥＧＲガス量ｋｌｅｇｒｓｍを用いて筒内吸入新気量ｋｌａｉｒを算出するため、その精度を向上させることができる。筒内吸入新気量ｋｌａｉｒの算出精度が向上することで、空燃比制御性やドラビリの悪化を抑制することができる。

なお、筒内充填ガス量ｋｌｃｙｌは、従来公知の方法を用いて取得することができる。例えば、特許文献１に開示されたスロットル弁モデルの式、吸気管モデルの式、吸気弁モデルの式を利用して、筒内充填ガス量ｋｌｃｙｌを算出することができる。スロットル弁モデルの式は吸気通路２０におけるスロットル弁２１よりも下流側の部位の圧力である吸気管圧力Ｐｍと、吸気温度と、スロットル開度とに基づいてスロットル通過吸気量を算出する式である。吸気管モデルの式は吸気通路２０のスロットル弁２１よりも下流側の部位に流入する吸気のエネルギと吸気通路２０のスロットル弁２１よりも下流側の部位から流出する吸気のエネルギとの差が吸気通路２０内の総エネルギの変化量と等しいという関係に基づいて流入する吸気の質量及び温度と、流出する吸気の質量及び温度とから吸気管圧力Ｐｍと吸気通路２０におけるスロットル弁２１よりも下流側の部位の吸気の温度である吸気管温度とを算出する式である。吸気弁モデルの式は吸気管圧力Ｐｍ及び吸気管温度の値から筒内充填ガス量ｋｌｃｙｌを算出する式である。

上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１０内燃機関
１１シリンダ
２０吸気通路
２１スロットル弁
２３サージタンク
３０排気通路
４０ＥＧＲ装置
４０ａＥＧＲ通路
４１ＥＧＲ弁
４２ステップモータ
５１エアフロメータ
５２回転速度センサ
５６吸気管圧力センサ
５７吸気カム位相センサ
１００電子制御装置

Claims

排気の一部を吸気系に還流するＥＧＲ通路を備えた内燃機関の筒内吸入ＥＧＲガス量を算出する内燃機関の制御装置であって、
機関回転数取得手段によって取得された前記内燃機関の機関回転数と、筒内吸入新気量取得手段によって取得された前記内燃機関の筒内に流れ込む筒内吸入新気量と、前後圧力比取得手段によって取得された前記ＥＧＲ通路に設置されたＥＧＲ弁の前後圧力比と、新気吹き返し量取得手段によって取得された前記内燃機関が備える吸気弁からの新気吹き返し量と、に基づいて、筒内吸入ＥＧＲガス量を算出する演算部を備える内燃機関の制御装置。