JP2020143640A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ流量を精度高く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を課題とする。【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられ、粒状物質を捕集するフィルタと、吸気通路と前記排気通路とに接続され、排気の一部を前記吸気通路に導入するＥＧＲ通路と、ＥＧＲバルブと、背圧を取得する背圧取得部と、前記背圧に基づき、前記背圧の変化率に関するパラメータを取得するパラメータ取得部と、前記パラメータとＥＧＲガスの流量との関係を記憶する記憶部と、前記記憶部が記憶する関係に基づき、前記パラメータ取得部が取得するパラメータとは異なる大きさのパラメータに対応するＥＧＲガスの流量である第１の流量を推定する第１推定部と、前記第１の流量および前記背圧に基づき、前記パラメータ取得部が取得するパラメータに対応するＥＧＲガスの流量である第２の流量を推定する第２推定部と、を具備する内燃機関の制御装置。【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

車両に搭載する内燃機関には、排気通路から吸気通路へと排気の一部を循環させるいわゆる排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）が用いられることがある。インテークマニホールド内の圧力（インマニ圧）、排気通路内の圧力、ＥＧＲバルブの開度などに基づいてＥＧＲガスの流量を算出する技術がある（例えば特許文献１）。

特開２０１６−９８６９４号公報

ところで、排気通路には粒子状物質（ＰＭ：Particle Matter）を捕集するフィルタが設けられている。ＰＭのフィルタへの堆積量が多くなると、フィルタが目詰まりする。フィルタの目詰まりの度合いに応じてＥＧＲガスの流量が変化するため、ＥＧＲ流量の推定の精度が低下する恐れがある。そこでＥＧＲ流量を精度高く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を目的とする。

上記目的は、内燃機関の排気通路に設けられ、粒状物質を捕集するフィルタと、前記内燃機関の吸気通路と前記排気通路とに接続され、排気の一部を前記吸気通路に導入するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブと、前記排気通路のうち前記フィルタの上流側における圧力である背圧を取得する背圧取得部と、前記背圧に基づき、前記フィルタの目詰まりに応じた前記背圧の変化率に関するパラメータを取得するパラメータ取得部と、前記パラメータとＥＧＲガスの流量との関係を記憶する記憶部と、前記記憶部が記憶する関係に基づき、前記パラメータ取得部が取得するパラメータとは異なる大きさのパラメータに対応するＥＧＲガスの流量である第１の流量を推定する第１推定部と、前記第１の流量および前記背圧に基づき、前記パラメータ取得部が取得するパラメータに対応するＥＧＲガスの流量である第２の流量を推定する第２推定部と、を具備する内燃機関の制御装置によって達成できる。

ＥＧＲ流量を精度高く推定することが可能な内燃機関の制御装置を提供できる。

図１はエンジンシステムを例示する模式図である。 図２（ａ）は背圧上昇レベルを例示する図である。図２（ｂ）は背圧上昇レベルに応じたＥＧＲ量のマップを例示する図である。図２（ｃ）はＥＧＲ量と圧力比との関係を例示する図である。 図３はＥＣＵが実行する制御を例示するフローチャートである。 図４はＥＧＲ量と圧力比との関係を例示する図である。 図５はＥＣＵが実行する制御を例示するフローチャートである。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本実施形態の内燃機関の制御装置について説明する。まず制御装置が適用されるエンジンシステム１００の構成を説明する。図１はエンジンシステム１００を例示する模式図である。図１に示すように、エンジンシステム１００は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０、エンジン１１（内燃機関）、触媒４０、フィルタ４２などを備える。

エンジン１１は例えば４つの気筒＃１〜＃４を有する四気筒のガソリンエンジンであり、車両に搭載される。エンジン１１の気筒＃１〜＃４はインテークマニホールド２２およびエキゾーストマニホールド２４に接続されている。インテークマニホールド２２の上流側には吸気通路２０が接続されている。エキゾーストマニホールド２４の下流側に排気通路２６が接続されている。

吸気通路２０には、上流側から順に、エアフロ―メータ２１、過給機３６のコンプレッサ３６ａ、インタークーラ２５およびスロットルバルブ３０が設けられている。エアフロ―メータ２１は吸入空気量（吸気量）を検出する。コンプレッサ３６ａが回転することで吸気を過給する。インタークーラ２５は吸気を冷却する。スロットルバルブ３０の開度により吸気の流量を調整する。吸気はインテークマニホールド２２を通じて気筒＃１〜＃４に導入される。

各気筒には燃料噴射弁１２および点火プラグ１４が設けられている。燃料噴射弁１２はコモンレール１８に接続されている。ポンプ１６からコモンレール１８へと高圧の燃料が供給され、燃料噴射弁１２が開弁すると、燃料が気筒内に噴射される。圧縮により燃料と空気との混合気が点火する。燃焼で発生する排気はエキゾーストマニホールド２４および排気通路２６を通じて排出される。

排気通路２６には、上流側から順に、過給機３６のタービン３６ｂ、触媒４０、圧力センサ４１、およびフィルタ４２が設けられている。排気が流れ込むことでタービン３６ｂおよびコンプレッサ３６ａが回転する。触媒４０は例えば三元触媒などであり排気中のＨＣなどを酸化し、かつＮＯｘを還元する。フィルタ４２は例えば多孔質のセラミックなどで形成され、排気中のＰＭを捕集する。圧力センサ４１は、フィルタ４２よりも上流側における排気通路２６内の圧力（背圧）を検出する。ＰＭが堆積することによりフィルタ４２が目詰まりすることがある。フィルタ４２の目詰まりの度合いに応じて、背圧およびＥＧＲガスの流量は変化する。

インテークマニホールド２２とエキゾーストマニホールド２４とにＥＧＲ通路２８が接続されている。ＥＧＲ通路２８の一端はスロットルバルブ３０よりも下流側に接続され、他端は過給機３６のタービン３６ｂよりも上流側に接続されている。排気の一部はＥＧＲ通路２８を通りインテークマニホールド２２内の吸入空気に合流する。ＥＧＲ通路２８にはＥＧＲバルブ３２およびＥＧＲクーラ３４が設けられている。ＥＧＲバルブ３２の開度を調整することでＥＧＲ通路２８内の排気（ＥＧＲガス）の循環量が調整される。ＥＧＲクーラ３４はＥＧＲガスを冷却する。

ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶装置を備え、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各種制御を行う。

ＥＣＵ１０は、スロットルバルブ３０およびＥＧＲバルブ３２の開度を制御し、かつこれらの開度を取得する。ＥＣＵ１０は、エアフロ―メータ２１から吸気量を取得し、圧力センサ４１から背圧を取得する。ＥＣＵ１０は、吸気量などに基づき、インテークマニホールド２２内の圧力（インマニ圧）を取得する。ＥＣＵ１０は、ＥＧＲクーラ３４より下流側におけるＥＧＲガスの温度を推定する。ＥＧＲガスの温度はＥＧＲクーラ３４の性能により定まる。ＥＣＵ１０は、後述の背圧上昇レベルに応じてＥＧＲガスの流量（ＥＧＲ量）を推定するマップを記憶している。

次にＥＧＲ量の推定について説明する。図２（ａ）は背圧上昇レベルを例示する図である。背圧上昇レベルとは、フィルタ４２の目詰まりによる背圧の変化率（上昇率）に関するパラメータであり、背圧上昇レベルが高いほど背圧の上昇率が大きい。図２（ａ）の横軸は吸気量を表し、縦軸は背圧を表す。実線は背圧上昇レベルに応じた背圧を表す。図２（ａ）に示すように、吸気量が増加するほど背圧も上昇する。フィルタ４２の目詰まりの度合いが大きいほど背圧上昇レベルは高く、背圧は急激に上昇することになる。なお、図２（ａ）におけるＬ０〜Ｌ３にかけて背圧上昇レベルは高くなる。

図２（ｂ）は背圧上昇レベルに応じたＥＧＲ量のマップを例示する図であり、背圧上昇レベルＬ０に対応するマップである。横軸はインマニ圧を表し、縦軸はＥＧＲ量を表す。図２（ｂ）に示すように、インマニ圧がＰ２未満の範囲ではＥＧＲ量はほぼ一定である。インマニ圧がＰ２以上の範囲ではＥＧＲ量はインマニ圧の増加に伴い減少する。ＥＣＵ１０は、例えば背圧上昇レベルＬ０〜Ｌ３それぞれに対応するマップを記憶する。

第１実施形態においてＥＣＵ１０は例えば４つのマップを記憶している。背圧上昇レベルがＬ０〜Ｌ３のいずれかである場合、マップを参照してＥＧＲ量を求めることができる。ＥＣＵ１０がより多くのマップを記憶していれば、各レベルに対応してＥＧＲ量を求めることができる。しかしＥＧＲ量を求めるための適合の工数が増大してしまう。したがってＥＣＵ１０は例えば４つなど、２つ以上のマップを記憶している。

背圧上昇レベルがＬ０〜Ｌ３以外のレベルである場合、マップから直接にＥＧＲ量を求めることは困難である。例えば図２（ａ）に示すように、吸気量がＦ１、背圧がＰ１である場合、背圧上昇レベルはＬ１より高くＬ２より低い。ＥＣＵ１０は当該レベル（背圧上昇レベルＬ）に対応するマップは記憶していない。この場合、ＥＣＵ１０は、背圧上昇レベルＬより低い背圧上昇レベルおよび高い背圧上昇レベル（例えばＬ０およびＬ３）におけるＥＧＲ量を用いて、背圧上昇レベルＬにおけるＥＧＲ量を推定する。

推定に用いる数式を以下に示す。

ｍｔはＥＧＲ量であり、Ｒは気体定数であり、ＴはＥＧＲバルブ３２を通過するＥＧＲガスの温度である。流量係数μおよび開口面積Ａは、ＥＧＲバルブ３２の開度の関数である。Φはインマニ圧Ｐｍと背圧Ｐｅｘとの比の関数である。κを比熱比とし、Ｐｍ／Ｐｅｘ≦１／（κ＋１）の場合、関数Φは次式で表される。

Ｐｍ／Ｐｅｘ＞１／（κ＋１）の場合、関数Φは次式で表される。

図２（ｃ）はＥＧＲ量と圧力比との関係を例示する図である。横軸は圧力比Ｐｍ／Ｐｅｘを表し、縦軸はＥＧＲ量を表す。フィルタ４２の目詰まりの度合いが小さいほど背圧Ｐｅｘはインマニ圧Ｐｍに近づき、圧力比は大きくなり１に近づく。目詰まりの度合いが大きいほど背圧Ｐｅｘが上昇し、圧力比は低下する。Ｃ０は背圧上昇レベルＬ０におけるＥＧＲ量の特性曲線であり、背圧上昇レベルＬ０におけるＥＧＲ量ｍｔ（Ｌ０，ｒａ）および数１から得られる。Ｃ３は背圧上昇レベルＬ３における特性曲線であり、背圧上昇レベルＬ３におけるＥＧＲ量ｍｔ（Ｌ３，ｒｂ）および数１から得られる。圧力比ｒは現在の背圧上昇レベルに対応する圧力比である。後述のようにｍｔ（ｒ）は第１実施形態から得られるＥＧＲ量であり、ｍｔ（Ｓ，ｒ）は比較例から得られるＥＧＲ量である。

図３はＥＣＵが実行する制御を例示するフローチャートである。ＥＣＵ１０は、圧力センサ４１が検出する背圧、およびエアフロ―メータ２１が検出する吸気量を取得する（ステップＳ１０）。ＥＣＵ１０は、背圧および吸気量に基づき、背圧上昇レベルＬを取得する（ステップＳ１２）。背圧上昇レベルＬは例えば図２（ａ）の流量Ｆ１および背圧Ｐ１から得られるレベルであり、Ｌ１より高くＬ２より低いものとする。ＥＣＵ１０は、取得した背圧上昇レベルＬとは異なるレベル、例えば背圧上昇レベルＬ０およびＬ３に対応する図２（ｂ）のようなマップを呼び出す（ステップＳ１４）。

ＥＣＵ１０は、インマニ圧Ｐｍを取得する（ステップＳ１６）。ＥＣＵ１０は、インマニ圧Ｐｍと、背圧上昇レベルＬ０およびＬ３のマップから、ＥＧＲ量を取得する。レベルＬ０に対応するＥＧＲ量をｍｔ（Ｌ０，ｒａ）とし、レベルＬ３に対応するＥＧＲ量をｍｔ（Ｌ３，ｒｂ）とする。ＥＣＵ１０は、数１およびｍｔ（Ｌ０，ｒａ）を用いてレベルＬ０に対応するＥＧＲ量の特性曲線Ｃ０を取得し、数１およびｍｔ（Ｌ３，ｒｂ）を用いてレベルＬ３に対応する特性曲線Ｃ３を取得する（ステップＳ２０、図２（ｃ））。ＥＧＲ量ｍｔ（Ｌ０，ｒａ）は特性曲線Ｃ０における圧力比ｒａに対応するＥＧＲ量である。ＥＧＲ量ｍｔ（Ｌｂ，ｒｂ）は特性曲線Ｃ３における圧力比ｒｂに対応するＥＧＲ量である。

ＥＣＵ１０は圧力Ｐｅｘとインマニ圧Ｐｍとの比Ｐｍ／Ｐｅｘを取得する（ステップＳ２４）。ここで得られた圧力比をｒとする。ＥＣＵ１０は、圧力比ｒ、特性曲線Ｃ０およびＣ３に基づき、圧力比ｒにおけるＥＧＲ量ｍｔ（ｒ）を取得する（ステップＳ２６）。

ステップＳ２６について、より具体的に説明する。ステップＳ２４で取得する圧力比ｒは、現在の背圧上昇レベルＬに対応した値であり、ｒｂより高くｒａより低い。図２（ｃ）のように特性曲線Ｃ０から圧力比ｒにおけるＥＧＲ量ｍｔ（Ｌ０，ｒ）、および特性曲線ｎＣ３から圧力比ｒにおけるＥＧＲ量ｍｔ（Ｌ３，ｒ）を取得する。ＥＣＵ１０は、例えば２つのＥＧＲ量ｍｔ（Ｌ０，ｒ）およびｍｔ（Ｌ３，ｒ）（第１の流量）の平均値としてＥＧＲ量ｍｔ（ｒ）（第２の流量）を算出する。以上で制御は終了する。

比較例では、図２（ｃ）に一点鎖線で示すようにｍｔ（Ｌ０，ｒａ）およびｍｔ（Ｌ３，ｒｂ）の線形補間によりＥＧＲ量を求める。すなわち、ｍｔ（Ｌ０，ｒａ）およびｍｔ（Ｌ３，ｒｂ）を結ぶ直線Ｓ上の、圧力比ｒに対応する値ｍｔ（Ｓ，ｒ）がＥＧＲ量である。比較例ではＥＧＲ量の推定誤差が大きくなってしまう。フィルタ４２の目詰まりに起因して背圧Ｐｅｘが上昇することで、圧力比およびＥＧＲ量も変化する。特に、圧力比がｒｂ以上の範囲では圧力比の変化に対するＥＧＲ量の非線形性が強く、ＥＧＲ量が大きく変化する。したがって線形補間では推定の精度が低下する。

第１実施形態によれば、ＥＣＵ１０は、背圧上昇レベルＬを取得する。ＥＣＵ１０は、記憶されたマップに基づき当該レベルＬとは異なる背圧上昇レベル（例えばＬ０およびＬ３）からＥＧＲ量ｍｔ（Ｌ０，ｒ）およびｍｔ（Ｌ３，ｒ）を取得する。ＥＣＵ１０は、ＥＧＲ量ｍｔ（Ｌ０，ｒ）およびｍｔ（Ｌ３，ｒ）に基づき、背圧上昇レベルＬに対応したＥＧＲ量ｍｔ（ｒ）を推定する。これにより、線形補間を行う比較例に比べてＥＧＲ量を精度高く推定することができる。

ＥＣＵ１０は２つ以上のマップを記憶していればよい。記憶したマップのうち２つのマップから背圧上昇レベルにおけるＥＧＲ量（例えばｍｔ（Ｌ０，ｒ）およびｍｔ（Ｌ３，ｒ））を取得し、これらの中間の値としてＥＧＲ量ｍｔ（ｒ）を求める。これにより精度の向上が可能である。

圧力比ｒｂ以上の範囲ではフィルタ４２の目詰まりに対するＥＧＲ量の感度が大きく、ＥＧＲ量の非線形性が強くなる。したがって線形補間による誤差が大きくなりやすい。こうした圧力比の範囲において第１実施形態によるＥＧＲ量の算出を行うことで、精度を効果的に高めることができる。

（第２実施形態）
図４はＥＧＲ量と圧力比との関係を例示する図である。図４の例では、背圧上昇レベルＬ０に対応する特性曲線Ｃ０が示されている。圧力比ｒにおけるＥＧＲ量ｍｔ（ｒ）は特性曲線Ｃ０から推定される値である。

図５はＥＣＵが実行する制御を例示するフローチャートである。ＥＣＵ１０は、背圧上昇レベルＬ０のマップを呼び出し（ステップＳ１４）、当該マップからＥＧＲ量ｍｔ（Ｌ０，ｒａ）を取得する（ステップＳ１７）。ＥＣＵ１０は、数１およびｍｔ（Ｌ０，ｒａ）を用いてレベルＬ０に対応するＥＧＲ量の特性曲線Ｃ０を取得する（ステップＳ２０）。

ＥＣＵ１０は、圧力センサ４１から背圧Ｐｅｘを取得し、圧力Ｐｅｘとインマニ圧Ｐｍとの比Ｐｍ／Ｐｅｘ（これをｒとする）を取得する（ステップＳ２４）。ＥＣＵ１０は、圧力比ｒおよび特性曲線Ｃ０に基づきＥＧＲ量ｍｔ（ｒ）を取得する（ステップＳ２６）。具体的には、図４に示すように特性曲線Ｃ０上の圧力比ｒに対応する点からＥＧＲ量ｍｔ（ｒ）が得られる。以上で制御は終了する。

第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、ＥＧＲ量を精度高く推定することができる。また、特性曲線Ｃ０および圧力比ｒからＥＧＲ量ｍｔ（ｒ）を求めることができるため、第１実施形態よりも処理が簡単である。上記の例では背圧上昇レベルＬ０を用いたが、Ｌ０以外の背圧上昇レベルを用いてもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ ＥＣＵ
１１ エンジン
１２ 燃料噴射弁
１４ 点火プラグ
１６ ポンプ
１８ コモンレール
２０ 吸気通路
２１ エアフロ―メータ
２２ インテークマニホールド
２４ エキゾーストマニホールド
２５ インタークーラ
２６ 排気通路
３０ スロットルバルブ
３２ ＥＧＲバルブ
３４ ＥＧＲクーラ
３６ 過給機
３６ａ コンプレッサ
３６ｂ タービン
４０ 触媒
４１ 圧力センサ
４２ フィルタ
１００ エンジンシステム

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、粒状物質を捕集するフィルタと、
   前記内燃機関の吸気通路と前記排気通路とに接続され、排気の一部を前記吸気通路に導入するＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブと、
   前記排気通路のうち前記フィルタの上流側における圧力である背圧を取得する背圧取得部と、
   前記背圧に基づき、前記フィルタの目詰まりに応じた前記背圧の変化率に関するパラメータを取得するパラメータ取得部と、
   前記パラメータとＥＧＲガスの流量との関係を記憶する記憶部と、
   前記記憶部が記憶する関係に基づき、前記パラメータ取得部が取得するパラメータとは異なる大きさのパラメータに対応するＥＧＲガスの流量である第１の流量を推定する第１推定部と、
   前記第１の流量および前記背圧に基づき、前記パラメータ取得部が取得するパラメータに対応するＥＧＲガスの流量である第２の流量を推定する第２推定部と、を具備する内燃機関の制御装置。

Images