JP2019190387A

JP2019190387A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2019190387A
Application number: JP2018084873A
Authority: JP
Inventors: 俊輔麸谷; Shunsuke Futani; 高木　康行; Yasuyuki Takagi; 康行高木; 崇宮崎; Takashi Miyazaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2038-04-26
Also published as: JP7206625B2

Abstract

【課題】吸入空気量が少ない場合にも、適切な量のＥＧＲガスを供給する。【解決手段】内燃機関の制御装置は、排気通路からＥＧＲガスを吸気通路へ還流させるＥＧＲ通路と、ＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲ弁と、排気通路上に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出部と、フィルタよりも上流側の排気通路内の圧力を排気圧として検出する排気圧検出部と、吸入空気量が第１閾値未満の場合、吸入空気量が第１閾値未満となってからフィルタに堆積したＰＭの推定量と、吸入空気量が第１閾値未満となる前にフィルタに堆積していたＰＭの推定量との和に基づきＥＧＲガスの流量を決定する第１決定部と、吸入空気量が第１閾値以上の場合、排気圧に基づきＥＧＲガスの流量を決定する第２決定部と、決定されたＥＧＲガスの流量に応じてＥＧＲ弁の開度を制御する制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関におけるＮＯｘの発生量を低減させるために、内燃機関の排気通路から排気の一部をＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスとして取り込み、内燃機関の吸気通路へ当該ＥＧＲガスを還流させるＥＧＲ装置を設けることが知られている。

特許文献１では、吸気圧センサと排気圧センサとによりそれぞれ検出した吸気圧と排気圧との圧力差に基づいてＥＧＲガスの流量を算出し、当該流量を実現するＥＧＲ弁の開度を算出している。

特開平１０−２３８４１２号公報

しかしながら、従来の技術では、吸入空気量が低い場合、排気圧（背圧）の上昇が正確に検出できず、運転状況によっては吸気通路にＥＧＲガスが多量に供給され、燃焼悪化が起こるおそれがある。また、高温のＥＧＲガスが多量に供給されることにより吸気系部品の耐久性が悪化するおそれがある。

そこで、本明細書開示の内燃機関の制御装置は、吸入空気量が少ない場合にも、適切な量のＥＧＲガスを供給することを課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書に開示された内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気通路から排気の一部をＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスとして内燃機関の吸気通路へ還流させるＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路上に設けられ、前記ＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲ弁と、前記排気通路上に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出部と、前記パティキュレートフィルタよりも上流側の前記排気通路内の圧力を排気圧として検出する排気圧検出部と、前記吸入空気量が第１閾値未満の場合、前記吸入空気量が第１閾値未満となってから前記パティキュレートフィルタに堆積したＰＭの推定量と、前記吸入空気量が第１閾値未満となる前に前記パティキュレートフィルタに堆積していたＰＭの推定量との和に基づき、前記ＥＧＲガスの流量を決定する第１決定部と、前記吸入空気量が第１閾値以上の場合、前記排気圧に基づき、前記ＥＧＲガスの流量を決定する第２決定部と、決定された前記ＥＧＲガスの流量に応じて前記ＥＧＲ弁の開度を制御する制御部と、を備える。

本明細書開示の内燃機関の制御装置によれば、吸入空気量が少ない場合にも、適切な量のＥＧＲガスを供給することができる。

図１は、一実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用されたエンジンシステムの構成を示す概略図である。図２（Ａ）は、吸入空気量と排気圧とからＰＭ堆積量を求めるマップの一例を示す図であり、図２（Ｂ）は、排気圧からＥＧＲガス流量を求めるマップの一例を示す図である。図３（Ａ）は、図２（Ａ）に示すマップの低ＧＡ領域を拡大した図であり、図３（Ｂ）は、ＥＧＲガス流量の決定に用いられるマップの一例を示す図である。図４は、ＥＣＵが実行するＥＧＲガス流量算出処理の一例を示すフローチャートである。図５は、ＰＭ推定堆積量からＥＧＲガス流量を求めるマップの一例を示す図である。

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。

まず、図１を参照し、一実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用されたエンジンシステムについて説明する。図１は、一実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用されたエンジンシステム１００の構成を示す概略図である。

エンジンシステム１００は、車両に搭載された内燃機関１０を備えている。本実施形態の内燃機関１０は、直列４気筒型であるものとするが、本発明は任意の気筒数の内燃機関に適用することができる。なお、図１には、４気筒のうち一つの気筒の断面が示されている。内燃機関１０の各気筒内には、ピストン１２が設けられている。各気筒内には、吸気通路２０および排気通路３０が連通している。

吸気通路２０には、上流側から順に、吸入空気量を検出するエアフローメータ２１、電子制御式のスロットル弁２２、及びサージタンク２３が設けられている。エアフローメータ２１は、吸入空気量検出部の一例である。

排気通路３０には、排気ガスを浄化する排気浄化触媒３１が配置されている。また、排気通路３０には、排気浄化触媒３１よりも上流側の排気通路３０の圧力を検出する排気圧センサ３２が配置されている。排気浄化触媒３１は、パティキュレートフィルタの一例であり、排気圧センサ３２は、排気圧検出部の一例である。

内燃機関１０の各気筒には、吸気ポート内に燃料を噴射する燃料インジェクタ１５と、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ１６と、吸気弁１７と、排気弁１８とが設けられている。なお、本発明では、燃料インジェクタ１５に代えて、または燃料インジェクタ１５とともに、気筒内に燃料を直接に噴射する筒内インジェクタが設けられていてもよい。

内燃機関１０のクランク軸１１の近傍には、クランク軸１１の回転角度（クランク角）を検出するためのクランク角センサ１９が設けられている。また、内燃機関１０の冷却水温度を検出する水温センサ５２が設けられている。アクセルペダルの近傍には、アクセルペダル位置を検出するアクセルポジションセンサ４４が設置されている。

また、内燃機関１０は、排気通路３０内の排気ガスを吸気通路２０に還流させる、いわゆる外部ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)を実行するためのＥＧＲ通路４０を備えている。ＥＧＲ通路４０の一端は、排気通路３０に接続され、ＥＧＲ通路４０の他端は、サージタンク２３の下流側の吸気通路２０に接続されている。ＥＧＲ通路４０の途中には、このＥＧＲ通路４０を開閉することによって排気還流量を制御するためのＥＧＲ弁４１が設けられている。

また、エンジンシステム１００は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２００を備えている。ＥＣＵ２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及び記憶装置等を備える。ＥＣＵ２００は、ＲＯＭや記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより後述するＥＧＲガス流量算出処理を実行する。ＥＣＵ２００は、第１決定部、第２決定部、及び制御部の一例である。

ＥＣＵ２００の出力側には、前述の燃料インジェクタ１５、点火プラグ１６、スロットル弁２２、ＥＧＲ弁４１等の種々のアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ２００には、前述したエアフローメータ２１、排気圧センサ３２、クランク角センサ１９、アクセルポジションセンサ４４、水温センサ５２の他、筒内圧を検出する筒内圧センサ等の各種のセンサから、エンジンの運転状態や運転条件に関する様々な情報や信号が入力される。ＥＣＵ２００は、上述した情報や信号に基づいて、ＥＧＲガスの流量を算出し、当該流量を実現するようにＥＧＲ弁４１を制御する。

ここで、内燃機関１０が排気浄化触媒３１を有する場合の、従来のＥＧＲガス流量の算出方法の一例について説明する。なお、従来のＥＧＲガス流量の算出方法を実行するＥＣＵを、ＥＣＵ２００Ａとして説明する。

ＥＣＵ２００Ａは、エアフローメータ２１から入力される吸入空気量（ＧＡ）と、排気圧センサ３２から入力される排気圧と、に基づき、排気浄化触媒３１に堆積した粒子状物質（以後、ＰＭ：Particulate Matterと記載する）の量（ＰＭ堆積量）を取得する。例えば、ＥＣＵ２００Ａは、図２（Ａ）に示す、吸入空気量（ＧＡ）と排気圧とからＰＭ堆積量を求めるマップを用いて、排気浄化触媒３１におけるＰＭ堆積量を取得する。なお、図２（Ａ）の各線は、ＰＭ堆積量を表している。そして、ＥＣＵ２００Ａは、取得したＰＭ堆積量に対して設定されている、図２（Ｂ）に示す排気圧からＥＧＲガスの流量を求めるマップから、ＥＧＲガス流量を算出する。なお、図２（Ｂ）に示すマップでは、失火や吸気系部品の耐久性の悪化（ＯＴ）が発生しないように、排気圧に対してＥＧＲガス流量が定義されている。

図３（Ａ）は、図２（Ａ）の吸入空気量が０〜２０［ｇ／ｓ］の領域を拡大したマップである。図３（Ａ）に示すように、吸入空気量が少ない領域（低ＧＡ領域）では、排気圧が１ｋＰａ変動すると、ＰＭ堆積量も大きく変動する。排気圧センサ３２の測定バラツキ（±１ｋＰａ程度）を考慮すると、低ＧＡ領域では、算出精度が低くなるため、図２（Ａ）に示すマップをＰＭ堆積量の算出に使用することができない。したがって、図３（Ｂ）に示すように、低ＧＡ領域をマスクしたマップを用いて、ＥＣＵ２００Ａは、ＥＧＲガス流量の算出を行う。

しかし、低ＧＡ領域で内燃機関１０が運転され続けると、排気浄化触媒３１にＰＭがどれだけ堆積しているのか（ＰＭの詰まり具合）がわからないまま、ＰＭが堆積され続け、排気圧が上昇する。その結果、ＥＧＲガス流量が過多となり、失火が発生したり、吸気系部品の耐久性が悪化したりしてしまう。

そこで、本実施形態では、内燃機関１０が低ＧＡ領域で運転している間、ＥＣＵ２００は、ＰＭ堆積量を推定し、当該推定したＰＭ堆積量からＥＧＲガス流量を算出する。

図４は、ＥＣＵ２００が実行するＥＧＲガス流量算出処理のフローチャートである。

まず、ＥＣＵ２００は、吸入空気量が第１閾値よりも小さいか否かを判断する（ステップＳ１１）。本ステップでは、内燃機関１０が低ＧＡ領域で運転しているか否かを判断している。

ＥＣＵ２００は、吸入空気量が第１閾値よりも小さい場合（ステップＳ１１／ＹＥＳ）、ＥＣＵ２００は、内燃機関１０が低ＧＡ領域で運転を始めてから現時点までに排気浄化触媒３１に堆積したＰＭの量（ＰＭ堆積変化量）を算出する（ステップＳ１３）。例えば、ＥＣＵ２００は、クランク角センサ１９及びアクセルポジションセンサ４４の出力から算出される内燃機関１０の回転数及び負荷率と、水温センサ５２から入力される冷却水温度と、に基づいて、燃料噴射量を算出する。ＥＣＵ２００は、算出した燃料噴射量に基づき、排気浄化触媒３１に堆積するＰＭの量を推定する。ＥＣＵ２００は、推定したＰＭの量を累積して、ＰＭ堆積変化量を算出する。

続いて、ＥＣＵ２００は、内燃機関１０が低ＧＡ領域で運転されるまでに排気浄化触媒３１に堆積していたＰＭ量（推定値）とステップＳ１３で算出したＰＭ堆積変化量との和（ＰＭ推定堆積量）を算出する（ステップＳ１５）。

次に、ＥＣＵ２００は、図５に示す、ＰＭ推定堆積量とＥＧＲガス流量との関係を定義したマップを用いて、ＥＧＲガス流量を算出する（ステップＳ１７）。

ところで、吸入空気量が第１閾値以上の場合（ステップＳ１１／ＮＯ）、内燃機関１０は、通常領域で運転していることになる。したがって、この場合、ＥＣＵ２００は、排気圧を使用してＥＧＲガス流量を算出する（ステップＳ２１）。具体的には、ＥＣＵ２００は、図３（Ｂ）に示すマップにおいて吸入空気量と排気圧とからＰＭ堆積量を取得し、当該ＰＭ堆積量に対して設定されている排気圧とＥＧＲガス流量との関係を定義したマップ（図２（Ｂ）参照）を用いて、ＥＧＲガス流量を算出する（ステップＳ２１）。

ステップＳ１７又はＳ２１の終了後、ＥＣＵ２００は、ＥＧＲガス流量を算出したＥＧＲガス流量に更新する（ステップＳ１９）。

次に、ＥＣＵ２００は、更新されたＥＧＲガス流量を実現するよう、ＥＧＲ弁４１の開度を変更し（ステップＳ２１）、図４の処理を終了する。例えば、ステップＳ１７の処理において、ＰＭ推定堆積量が、図５に示すマップにおいて点線で示される第２閾値よりも大きい場合、ＥＧＲガス流量が維持される。この場合、ＰＭの堆積により排気圧が上昇しているため、ＥＣＵ２００は、ＥＧＲガス流量を維持するためにＥＧＲ弁４１の開度を小さくする。

以上、詳細に説明したように、本実施形態に係るエンジンシステム１００は、内燃機関１０の排気通路３０から排気の一部をＥＧＲガスとして内燃機関１０の吸気通路２０へ還流させるＥＧＲ通路４０と、ＥＧＲ通路４０上に設けられ、ＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲ弁４１と、排気通路３０上に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集する排気浄化触媒３１と、内燃機関１０の吸入空気量を検出するエアフローメータ２１と、排気浄化触媒３１よりも上流側の排気通路３０内の圧力を排気圧として検出する排気圧センサ３２と、を備える。また、エンジンシステム１００は、吸入空気量が第１閾値未満の場合、吸入空気量が第１閾値未満となってから排気浄化触媒３１に堆積したＰＭの推定量と、吸入空気量が第１閾値未満となる前に排気浄化触媒３１に堆積していたＰＭの推定量との和に基づき、ＥＧＲガスの流量を決定し、吸入空気量が第１閾値以上の場合、排気圧に基づき、ＥＧＲガスの流量を決定し、決定されたＥＧＲガスの流量に応じてＥＧＲ弁４１の開度を制御するＥＣＵ２００を備える。これにより、低ＧＡ領域でも、ＰＭ推定堆積量に基づいてＥＧＲガス流量を精度よく決定できるため、適切な量のＥＧＲガスを還流させることができる。このため、失火等の燃焼悪化の発生や、高温のＥＧＲガスにより吸気系部品の耐久性が悪化することを抑制することができる。

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
２０吸気通路
２１エアフローメータ（吸入空気量検出部）
３０排気通路
３１排気浄化触媒（パティキュレートフィルタ）
３２排気圧センサ（排気圧検出部）
４０ＥＧＲ通路
４１ＥＧＲ弁
１００エンジンシステム（内燃機関の制御装置）
２００ＥＣＵ（第１決定部、第２決定部、制御部）

Claims

内燃機関の排気通路から排気の一部をＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスとして内燃機関の吸気通路へ還流させるＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路上に設けられ、前記ＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲ弁と、
前記排気通路上に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出部と、
前記パティキュレートフィルタよりも上流側の前記排気通路内の圧力を排気圧として検出する排気圧検出部と、
前記吸入空気量が第１閾値未満の場合、前記吸入空気量が第１閾値未満となってから前記パティキュレートフィルタに堆積したＰＭの推定量と、前記吸入空気量が第１閾値未満となる前に前記パティキュレートフィルタに堆積していたＰＭの推定量との和に基づき、前記ＥＧＲガスの流量を決定する第１決定部と、
前記吸入空気量が第１閾値以上の場合、前記排気圧に基づき、前記ＥＧＲガスの流量を決定する第２決定部と、
決定された前記ＥＧＲガスの流量に応じて前記ＥＧＲ弁の開度を制御する制御部と、
を備える内燃機関の制御装置。