JP4056776B2 - Control device for internal combustion engine - Google Patents

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  • Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に排気還流機構を備える内燃機関の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
特開平6−26383号公報には、ターボチャージャ及び排気還流機構を備えたディーゼル機関の吸入空気量をできる限り正確に求めるために、機関回転数、燃料量、排気還流率、並びにターボチャージャのコンプレッサのパワー及びタービンのパワーとの比較に基づいて、吸入空気量を推定する制御システムが提案されている。
【0003】
また計測自動制御学会論文集(Vol.35, No.2,230/237(1999))に掲載された「エンジン制御系設計・評価のための排気ガス再循環モデル」と題する論文には、完全燃焼時の化学反応式にしたがって燃焼が進むと仮定した燃焼系モデルを用いて、燃焼により生成されるCO2,O2,H2Oといった排気成分のそれぞれのモル数を算出し、排気系モデル、排気環流系モデル、及び吸気系モデルに適用することが示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
燃料に対する空気の比率を理論空燃比より大きくして希薄燃焼を行う内燃機関においては、燃焼室より排出される排気中にも比較的多くの酸素が含まれている。その排気が排気還流機構を介して燃焼室に環流されるため、燃焼室に実際に流入する酸素の量は、新気として吸入される量より多くなる。上記特開平6−26383号公報に記載のシステムにおいては、排気還流率は考慮されているが、環流ガスに含まれるガス成分については考慮されていない。すなわち、環流ガスに含まれる酸素の量を考慮した演算が行われないので、推定された吸入空気量に応じて最大燃料噴射量を設定すると、燃料噴射量は実際に噴射可能な量よりを少ない噴射量に制限されることになる。その結果、内燃機関の十分な出力を得ることができず、運転性能を損なうおそれがあった。
【0005】
また排気還流機構より上流側に設けたエアフローセンサで吸入空気量を実際に検出する場合も、排気系から環流される空気量は検出されないので、同様に実際に噴射可能な量よりも燃料供給量が制限される。
さらに、上記論文集に掲載された論文に示された手法は、排気中に含まれる成分毎にそれぞれモル数の移動を計算する必要があるため、演算量が多くなりすぎる。したがって、この手法はエンジン制御系設計評価のための手法としては使用可能であるが、内燃機関のリアルタイム制御には適していない。
【0006】
本発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、排気還流機構を備えた内燃機関の燃焼室に供給されるガス中の空気(酸素)の量を少ない演算量で精度よく推定し、内燃機関をより適切に制御することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項1に記載の発明は、排気還流機構を備える内燃機関に供給される空気量を推定する吸入空気量推定手段を備え、推定される空気量に基づいて前記機関を制御する内燃機関の制御装置において、前記吸入空気量推定手段は、前記機関の吸気系をモデル化した吸気系モデル(36)と、前記機関の燃焼室をモデル化した燃焼室モデル(37)と、前記機関の排気系をモデル化した排気系モデル(38)と、前記排気還流機構をモデル化した排気還流系モデル(39)とを含む機関システムモデルを用いて、前記燃焼室に供給される空気量(G cyl_in_air の推定を行い、前記機関システムモデルでは、前記各モデル間で受け渡すパラメータとして、ガス質量流量(G)、ガス成分質量比(λ)、ガス温度(T)、及びガス圧力(P)を用い、前記ガス成分質量比(λ)は、空気と、前記燃焼室における完全燃焼によって生成される、空気以外の燃焼ガスとの質量比であり、前記燃焼ガスは二酸化炭素、窒素及び水蒸気を成分とし、各成分の比率は一定として取り扱うこととし、前記燃焼室に供給される空気量(G cyl_in_air )は、前記燃焼室に流入するガスの圧力(P cyl_in )及び温度(T cyl_in )と、前記機関の回転数(Ne)と、前記燃焼室に流入するガスに対応するガス成分質量比(λ cyl_in )とに応じて算出されることを特徴とする。
【0008】
この構成によれば、吸気系モデル、燃焼室モデル、排気系モデル、及び排気還流系モデルを含む機関システムモデルを用いて、機関燃焼室に供給される空気量の推定が行われ、前記機関システムモデルでは、各モデルにおけるガス組成を表すパラメータとして、空気と、機関燃焼室における完全燃焼によって生成される、空気以外の燃焼ガスとの質量比が用いられる。すなわち、従来のように排気中に含まれる各成分毎のモル数(複数パラメータ)を用いずに、空気とそれ以外の燃焼ガスとの比率(単一パラメータ)が用いられるので、排気還流機構を介して接続された排気管及び吸気管内における空気量を、少ない演算量で正確に推定することができ、機関燃焼室に流入する空気量(酸素量)を正確に推定することが可能となる。その結果、上記機関システムモデルに基づいて推定される燃焼室流入空気量を、内燃機関のリアルタイム制御に適用し、例えば燃料供給量の不足を防止することができる。また各モデル間で受け渡すパラメータとして、ガス質量流量、ガス成分質量比、ガス温度、及びガス圧力を用いることにより、機関システム内のガス挙動を正確に把握することができ、燃焼室に供給される空気量の推定精度を向上させることができるとともに、モデルを再利用する際の利便性を高めることができる。さらに燃焼ガスは二酸化炭素、窒素及び水蒸気を成分とし、各成分の比率は一定として取り扱うことにより、燃焼ガスの比熱を定数として取り扱うことが可能となり、演算量を低減することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は本発明の一実施形態にかかる内燃機関と、その制御装置の構成を示す図である。内燃機関(以下「エンジン」という)1は、シリンダ内に燃料を直接噴射する直噴式のエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁11が設けられている。燃料噴射弁11は、電子制御ユニット(以下「ECU」という)20に電気的に接続されており、燃料噴射弁11の開弁時間は、ECU20により制御される。
【0013】
エンジン1は、吸気管2,排気管4、及びターボチャージャ8を備えている。ターボチャージャ8は、排気の運動エネルギーにより駆動されるタービン10と、タービン10により回転駆動され、吸気の圧縮を行うコンプレッサ9とを備えている。コンプレッサ9の下流側には、圧縮された空気を冷却するインタークーラ3が設けられている。
【0014】
タービン10は、ノズル開度を変化させることにより、タービン回転数(回転速度)を変更できるように構成されている。タービン10のノズル開度は、ECU20により電磁的に制御される。より具体的には、ECU20は、デューティ比可変の制御信号をタービン10に供給し、これによってノズル開度を制御する。
【0015】
排気管4と吸気管2との間には、排気を吸気管2に環流する排気還流通路5が設けられている。排気還流通路5には、排気還流量を制御するための排気還流弁(以下[EGR弁」という)6が設けられている。EGR弁6は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はECU20により制御される。EGR弁6には、その弁開度(弁リフト量)LACTを検出するリフトセンサ7が設けられており、その検出信号はECU20に供給される。排気還流通路5及びEGR弁6より、排気還流機構が構成される。
【0016】
エンジン1により駆動される車両のアクセルペダル(図示せず)の踏み込み量APを検出するアクセルセンサ21、大気圧PAを検出する大気圧センサ22、大気温度TAを検出する大気温度差センサ23、及びエンジン回転数(回転速度)Neを検出するエンジン回転数センサ24が設けられている。これらのセンサの検出信号は、ECU20に供給される。
【0017】
ECU20は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット(以下「CPU」という)、CPUで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁11、EGR弁6などに駆動信号を供給する出力回路等から構成される。
【0018】
ECU20は、アクセルセンサ21により検出されるアクセルの踏み込み量APに応じて燃料噴射弁11の開弁時間TOUTを算出し、開弁時間TOUTに応じた駆動信号を燃料噴射弁11に供給する。燃料噴射弁11から噴射される燃料量は、燃料噴射時間TOUTに比例するので、以下「燃料噴射量TOUT」という。
【0019】
ECU20は、さらに、以下に詳述するエンジンモデルに基づいて、エンジン1の吸入空気量の推定値QEを算出し、その吸入空気量推定値QEに応じて燃料噴射量の最大値TOUTMAXを算出し、燃料噴射量TOUTが吸入空気量に応じた最大値TOUTMAXを超えないように制御する。
【0020】
ECU20は、さらに吸入空気量推定値QEに基づいて、排気還流量及び過給圧を決定し、EGR弁6のリフト量(開弁量)及びタービン10のノズル開度を制御する。
【0021】
本実施形態では、エンジン1、吸気管2、インタークーラ3、排気管3、排気還流機構、及びターボチャージャ8からなるエンジンシステムのモデルを、各構成要素毎のモデルの組み合わせで定義し、そのモデルに基づいてエンジンシステム内のガスの挙動を推定している。図2は、このエンジンシステムモデルの構成を示すブロック図である。この図に示すように、エンジンシステムモデルは、ターボチャージャ8をモデル化したターボチャージャモデル31と、インタークーラ3をモデル化したインタークーラモデル35と、吸気管2をモデル化した吸気管モデル36と、エンジン1をモデル化したシリンダモデル37と、排気管4をモデル化した排気管モデル38と、排気還流機構をモデル化したEGRモデル39とからなる。またターボチャージャモデル31は、コンプレッサ9をモデル化したコンプレッサモデル32と、タービン10をモデル化したタービンモデル34と、タービン回転数を演算するためのタービン回転数演算モデル33とからなる。
【0022】
図2に示した各構成要素のモデルは、分布定数系の厳密モデルではなく、集中定数系の近似モデルである。近似モデルによっても、十分な推定精度を得ることができることが確認されており、近似モデルを用いることにより、必要な演算量を大幅に低減することができる。
【0023】
さらに図2に示すモデルでは、各構成要素に対応するモデル間の入出力パラメータとして、各構成要素間を流れるガスのエネルギーを算出にかかるパラメータを採用した。すなわち、ガスエネルギーの算出に直接かかわるガス質量流量、ガス成分比、及び温度と、質量流量の算出に必要な圧力とを用いることとした。図2に示すG、λ、T、及びPが、それぞれ質量流量、ガス成分比、温度、及び圧力を示している。なお、ターボチャージャモデル31の内部では、タービン回転数NT及びトルクMをパラメータとして用いている。タービンモデル34では、ノズル開度に対応する有効開口面積SNを入力パラメータとして用い、EGRモデル39では、EGR弁6の開弁量に対応する有効開口面積SEを入力パラメータとして用いる。さらにシリンダモデル37では、エンジン回転数Ne及び燃料供給流量GFを入力パラメータとして用いる。
【0024】
このように、各構成要素毎のモデルの組み合わせによって全体のシステムモデルを構築し、エネルギー算出にかかるパラメータ(G、λ、T、P)を各モデル間の入出力パラメータとして用いることにより、モデルを再利用する際の利便性(再利用性)を高めることができる。すなわち、一度構築したモデルを他のシステムに容易に適用することが可能となる。
【0025】
以下図2に示すエンジンシステムモデルをより詳細に説明する。
エンジンシステムを流れるガスは、ターボチャージャ8による圧縮と膨張,インタークーラ3での冷却,シリンダ(エンジン1)での燃焼そして排気還流機構によるガス混合によって圧力,温度,ガス成分がさまざまに変化する。そして、その変化は気体状態方程式(式(1))で表す複数パラメータの従属的な関係によって成り立っている。
pv=mRT (1)
ここで、pは圧力[Pa]、vは容積[m3]、mは質量[kg]、Rはガス定数[J/(kg・K)]、Tは温度[K]である。
【0026】
エンジンシステムを構成する要素の機能によってさまざまに変化するガスの状態は,エネルギー保存則と質量保存則の考え方を適用することで,例えばインタークーラ3での冷却は、物質交換が無いため熱エネルギーの減少として捕らえることができ,また排気還流によるガス混合は物質交換であるから、空気と環流ガスがそれぞれ持つエネルギーと質量の加算として考えることができる。このようにガスを取り巻くさまざまな現象をエネルギーと質量の単純な加減演算で表すことで,温度や圧力といった測定可能な物理量に換算することが容易になる。
【0027】
ガスのエネルギーは、下記式(2)で算出されるエネルギー流量H[J/s]として把握される。
H=G・cP・T (2)
ここで、Gは質量流量[kg/s]、cPは定圧比熱[J/(kg・K)]、Tは温度[K]である。
【0028】
ガス成分によって変化する比熱は、ガス成分とその質量割合によって決定される。特にEGR弁6は、排気の還流量を常に調整するものであるから,空気と排気の混合割合とともに比熱も常に変化する。そのためモデル計算においても吸気管2内のガス比熱は常に計算する必要がある.
【0029】
排気のうち燃焼によって発生したガスは,二酸化炭素CO2と水H2Oのみを取り扱い、NOx(窒素酸化物),CO(一酸化炭素),HC(炭化水素)は通常燃焼では微量であるため、除外した。また空気(N2,O2)と燃料(Cnm)が理想空燃比で反応した(燃料が完全燃焼した)後に生成されるCO2、N2(窒素)およびH2Oをまとめて「燃焼ガス」と定義し,モデルで扱うガスはこの燃焼ガスと空気の2種類のみとした。燃焼ガスの成分は常に一定とし,その比熱Ccmbを定数として取り扱うこととした。燃焼ガス比熱Ccmbは、下記式(3)により算出される。
【0030】
【数1】

Figure 0004056776
【0031】
ここで、nは1モル燃料中の炭素含有量[mol]、CO2は、二酸化炭素分子量[g/mol]、cCO2は二酸化炭素比熱[J/(kg・K)]、mは1モル燃料中の水素含有量[mol]、H2Oは水分子量[g/mol]、cH2Oは水(水蒸気)比熱[J/(kg・K)]、χは空気中の酸素に対する窒素容量割合、N2は窒素分子量[g/mol]、cN2は窒素比熱[J/(kg・K)]である。
【0032】
このように,エンジンシステム内を流れるガスを空気と燃焼ガスの2つの成分のみとして取り扱うことで、常に変化する比熱の演算量を低減することができる。空気と燃焼ガスの混合ガスの比熱cmixは、下記式(4)により算出される。
mix=cair・(1−λ)+ccmb・λ (4)
【0033】
ここで、cairは空気の比熱[J/(kg・K)]、ccmbは燃焼ガスの比熱[J/(kg・K)]、λはガス成分質量比(全ガス量に対する燃焼ガス量の比率)である。
【0034】
次にターボチャージャモデル31を構成するコンプレッサモデル32について説明する。
コンプレッサモデル32では、コンプレッサ上流圧力PC_in、コンプレッサ下流圧力PC_out、コンプレッサ上流ガス温度TC_in、タービン回転数Ntbからコンプレッサ上下流の各ガス流量,成分比,下流ガス温度および圧縮に必要な軸トルクを算出する。コンプレッサ上流ガス体積流量Qcは,上下流の圧縮比PR(=PC_out/PC_in)とタービン回転数Ntbに応じて、図3(a)に示すQcテーブルを検索して算出する(下記式(5))。
【0035】
次に下記式(6)により、体積流量Qc[m3/s]を質量流量GC_in[kg/s]に変換する。また、コンプレッサは機能的に物質交換が無く、上下流の各ガス流量および成分比は同じであるため、式(6)及び(7)が成立する。
【0036】
【数2】
Figure 0004056776
ここで、RCはガス定数である。
【0037】
コンプレッサ下流ガス温度TC_outは、空気が圧縮されることで上昇するが、理想的な断熱圧縮に比べて、実際は温度が高くなる傾向を示す。これを表すための無次元量として、コンプレッサの断熱効率ηCを用いる。コンプレッサ断熱効率ηCは、圧縮比PR及び体積流量QCに応じて図3(b)に示すηCテーブルを検索することにより算出される。この断熱効率ηCを下記式(8)に適用して、コンプレッサ下流温度TC_outが算出される。
【数3】
Figure 0004056776
ここで、TC_inは、コンプレッサ上流温度、すなわち大気温度TAであり、kCは、コンプレッサ通過ガス、すなわち空気の比熱比である。
【0038】
ガスを圧縮するために用いた機械エネルギーはエネルギーの保存則にもとづき、コンプレッサ上下流のガスエネルギー差に等しいと考えられる。そこで、下記式(9)により、圧縮に必要とする軸トルクMC[Nm]が算出される。
【数4】
Figure 0004056776
【0039】
ここで、GCは式(6)により算出されるコンプレッサ通過ガス質量流量[kg/s]、cP_Cは、コンプレッサ通過ガス、すなわち空気の定圧比熱[J/(kg・K)]である。
【0040】
次にタービンモデル34について説明する。
タービンモデル34は、可変ノズルを装備したものを想定し、タービン上流圧力Ptb_in、タービン下流圧力Ptb_out、タービン上流ガス温度Ttb_in、タービン回転数Ntb及びノズル開度(ノズル有効開口面積)Atbから、タービン通過ガス流量Gtb(=Gtb_in=Gtb_out)、タービン下流ガス温度Ttb_out及び膨張によって得た軸トルクMtbを算出する。ノズル有効開口面積Atbは、ECU20から出力されるデューティ制御信号のデューティ比に応じて予め設定されたテーブル(図示せず)を参照して求められる。
【0041】
タービン通過ガス流量Gtbは、コンプレッサと同様に特性テーブルより算出する方法もあるが,データ量削減を考えてベルヌーイの原理にもとづく物理式により算出することとした。また、コンプレッサと同様に上下流ガスの流量および成分比は同じであるとした。
【0042】
タービン通過ガス質量流量[kg/s]は、下記式(10−1)または(10−2)により算出される。
【数5】
Figure 0004056776
【0043】
ここで、Ptb_inはタービン上流圧、Ptb_outはタービン下流圧、ktbはタービン通過ガス比熱比、Rtbはタービン通過ガス定数、Ttb_inはタービン上流ガス温度である。
【0044】
タービン通過ガス比熱比ktbは、タービン通過ガスの定圧比熱と定容比熱の比であり、タービン通過ガス、すなわち空気と燃焼ガスの混合ガスの比熱は、前記式(4)により算出される。
【0045】
下流ガス温度Ttb_outは、コンプレッサと同様にタービンの断熱効率ηtbを用いて下記式(12)により算出される。
【数6】
Figure 0004056776
【0046】
タービンを回転させるための機械エネルギーは、タービン上下流のガスエネルギーの差と等しいと考えられる。そこで、下記式(13)により、タービン回転に必要とする軸トルクMtbを算出する。
【0047】
【数7】
Figure 0004056776
ここで、cp_tbはタービン通過ガス定圧比熱であり、前記式(4)により算出される。
【0048】
次にタービン回転数演算モデル33について説明する。
タービン回転数Ntbは、コンプレッサの軸トルクMcとタービンの軸トルクMtbの差、及び回転軸での摩擦トルクMfを下記式(14)に適用して算出される。
【数8】
Figure 0004056776
ここで、Itbはタービンの慣性モーメント[kg・m2]である。
【0049】
次にインタークーラモデル35について説明する。
インタークーラモデル35では、冷却効率ηIC、インタークーラ上流ガス温度TIC_in、及び検出される大気温度TAを下記式(15)に適用して、インタークーラ下流ガス温度TIC_outが算出される。冷却効率ηICは、インタークーラ通過ガス流量GICに応じて図4に示すテーブルを用いて算出される。
IC_out=(1−ηIC)・TIC_in+ηIC・TA (15)
【0050】
インタークーラでは物質交換が無いことから,下流ガス流量および成分比は上流と等しい。また圧力損失は無視できる程度に小さいので、上下流の各圧力には変化が無いとする。
【0051】
次にEGRモデル39について説明する。
EGRモデル39では、タービンモデルの可変ノズルと同様に,ベルヌーイの原理を用いてEGR通過ガス流量GEGR(=GEGR_in=GEGR_out)が下記式(16−1)または(16−2)を用いて算出される。
【0052】
【数9】
Figure 0004056776
ここで、PEGR_inはEGR上流圧、PEGR_outはEGR下流圧、AEGRはEGR弁有効開口面積、kEGRはEGR通過ガス比熱比、REGRはEGR通過ガス定数、TEGR_inはEGRタービン上流ガス温度である。EGR通過ガス比熱比kEGR及びEGR通過ガス定数REGRは、それぞれタービン通過ガス比熱比ktb及びタービン通過ガス定数Rtbと等しい。また、EGR弁有効開口面積AEGRは、検出されるEGR弁のリフト量LACTに応じて予め設定されたテーブル(図示せず)を用いて算出される。
【0053】
次に吸気管モデル36及び排気管モデル38について説明する。
吸気管2及び排気管4は、ともにガスが流出入する定容室として考える。管内の圧力Pchと温度Tchは、流出入するガスエネルギーと質量バランスを考慮して、下記式(18−1)〜(18−4)により算出される。
【0054】
【数10】
Figure 0004056776
ここで、Gch_inは管内流入ガス質量流量、Gch_outは管内流出ガス質量流量、Rchは管内ガス定数、mchは管内滞留ガス質量、Tch_inは管内流入ガス温度、cv_chは管内滞留ガス定容比熱、cp_ch_inは管内流入ガス定圧比熱、cp_chは管内滞留ガス定圧比熱、Vchは管内容積、Pch(0)は管内圧力初期値である。
【0055】
また吸気管流出ガス成分比λch_outは、吸気管内の空気と燃焼ガスが完全に混合したものと仮定して、下記式(19)により算出される。吸気管流出ガス成分比λch_outは、シリンダ吸入ガス成分比λcyl_inと等しい。
【数11】
Figure 0004056776
【0056】
ここで、mch_cmbは吸気管内滞留燃焼ガス質量、mch_airは吸気管内滞留空気質量、mch_cmb(0)は吸気管内滞留燃焼ガス質量の初期値、mch_air(0)は吸気管内滞留空気質量の初期値、Gch_inは吸気管流入新気質量流量、Gcyl_in_airはシリンダ流入空気質量流量、Gcyl_in_cmbはシリンダ流入燃焼ガス質量流量、GEGR_airはEGR通過空気質量流量、GEGR_cmbはEGR通過燃焼ガス質量流量である。
【0057】
また排気管流入ガス成分比(排気成分比)λexは、下記式(20)により算出される。EGR通過ガス成分比λEGR及びタービン通過ガス成分比λtbは、排気成分比λexと等しい。
【数12】
Figure 0004056776
【0058】
ここで、mex_cmbは排気管内滞留燃焼ガス質量、mex_airは排気管内滞留空気質量、mex_cmb(0)は排気管内滞留燃焼ガス質量の初期値、mex_air(0)は排気管内滞留空気質量の初期値、Gex_airは排気管流入空気質量流量、Gex_cmbは排気管流入燃焼ガス質量流量、GEGR_airはEGR通過空気質量流量、GEGR_cmbはEGR通過燃焼ガス質量流量、Gtb_airはタービン通過空気質量流量、Gtb_cmbはタービン通過燃焼ガス質量流量である。
【0059】
次にシリンダモデル37について説明する。
シリンンダモデル37では、シリンダ流入ガスの圧力Pcyl_in、温度Tcyl_in及び成分比、燃料流量Gfuel、並びにエンジン回転数Neから、シリンダ流入ガス質量流量Gcyl_in、排気ガス質量流量Gcyl_out、排気温度Tcyl_out及び成分比λcyl_outを算出する。
【0060】
シリンダモデル37では、気筒数やピストンの往復運動による間欠的なガス流動は考慮せず、時間ベースの定常流として表す。シリンダ流入ガス流量Gcyl_inは、シリンダ吸入体積効率ηv_cyl、シリンダ吸入ガス圧力Pcyl_in、シリンダ吸入ガス温度Tcyl_in、及びシリンダ排気量Vcyl_in[m3]を、下記式(21)に適用して算出される。シリンダ吸入体積効率ηv_cylは、エンジン回転数Neに応じて図5に示すηv_cylテーブルを検索することにより算出される。シリンダ排気量Vcyl_inは、シリンダ形状により決まる定数である。
【0061】
また、シリンダ流入空気流量Gcyl_in_airは、ガス成分比λcyl_inを用いて、下記式(22)により算出される。シリンダ流入空気流量Gcyl_in_airが、推定吸入空気量QEに相当する。
【0062】
【数13】
Figure 0004056776
ここで、Rcyl_inはシリンダ吸入ガス定数である。
【0063】
排気流量Gcyl_outは、下記式(23)により、シリンダ流入ガス流量Gcyl_inと燃料流量(燃料噴射量)Gfuelの和として算出される。
cyl_out=Gcyl_in+Gfuel (23)
【0064】
排気ガスエネルギーは、吸入ガスエネルギーと燃焼エネルギーの一部との合計と考えられる。燃焼による熱エネルギーは発生した水が蒸気のままであると仮定し、単位重量あたりに燃料が発生するエネルギーとして低発熱量Hu[J/kg]を用いる.排気損失率ηex_cylと定義した流入エネルギーと排気ガスエネルギーの割合から、下記式(24)により、排気温度Tcyl_outが算出される。排気損失率ηex_cylは、エンジン回転数Neに応じて図6に示すηex_cylテーブルを検索することにより算出される。
【0065】
【数14】
Figure 0004056776
ここで、cp_cyl_inはシリンダ吸入ガス定圧比熱、Gfuel_cは燃焼燃料質量流量、Gcyl_in_airはシリンダ吸入空気質量流量、AFは理論空燃比である。
【0066】
また燃料流量Gfuelと理論空燃比AFの積、すなわち完全燃焼に必要な空気の最低必要量(Gfuel・AF)が、シリンダ吸入空気質量流量Gcyl_in_airより大きいときは、燃焼燃料質量流量Gfuel_cは、(Gcyl_in_air/AF)とし、燃料の一部(Gfuel−Gcyl_in_air/AF)はそのまま排出される。一方、完全燃焼に必要な空気の最低必要量(Gfuel・AF))が、シリンダ吸入空気質量流量Gcyl_in_air以下であるときは、噴射された燃料が全部燃焼するので、燃焼燃料質量流量Gfuel_cは燃料流量Gfuelと等しくなる。
【0067】
なお、上記式(24)では、シリンダ壁から流出入する熱エネルギーが考慮されていないため、実際には温度補正値TCを加算する必要がある。この温度補正値TCは、対象とするエンジン毎に実験により決定される。
【0068】
図7及び図8は、上述したエンジンシステムモデルを用いて算出されるパラメータ値と、実測値とを比較して示す図である。
図7(a)には、実測時のエンジン回転数Ne、EGR弁のリフト量LACT及びタービンのノズル開度Atbの推移が示されている。同図(b)には、コンプレッサ通過ガス質量流量GCの演算データ(実線)と、実測データ(破線)とが示されている。また図8(a)には、吸気管内圧力(吸気管モデルに対応するPch)と排気管内圧力(排気管モデルに対応するPch)に対応するの演算データ(実線)と、実測データ(破線)とが示されている。同図(b)には、排気温度Tcyl_out及び吸気温度Tcyl_inの演算データ(実線)と、実測データ(破線)とが示されている。
これらの図から明らかなように、簡易化されたモデルでありながら、実測データを精度よく近似する演算データが得られることがわかる。
【0069】
以上のように本実施形態では、エンジンシステムを構成する各構成要素のモデルの組み合わせとしてシステム全体のモデルを構成し、かつ排気に含まれるガス組成を、二酸化炭素、窒素、酸素、水蒸気などの個々の成分の比率(複数パラメータ)として扱わずに、空気と燃焼ガスの比率(1つのパラメータ)として把握するようにしたので、排気還流機構を介して接続された排気管及び吸気管内における空気量を比較的少ない演算量で正確に推定することができる。したがって、エンジン1の燃焼室(シリンダ)に流入する空気量(酸素量)を正確に推定することが可能となる。その結果、上述したモデルに基づいて推定されるシリンダ流入空気量を、エンジンのリアルタイム制御に適用し、例えば燃料供給量の不足を防止することができる。
【0070】
また上述したモデルは、各構成要素に対応するモデル間で受け渡すパラメータとして、ガスエネルギーの算出にかかるパラメータ、すなわち質量流量、温度、ガス成分比、及び圧力を用いるようにしたので、排気還流機構のようなガス交換を発生させる構成要素だけでなく、ターボチャージャやインタークーラのようなガス交換を伴わない構成要素を含むエンジンシステム内のガス挙動を正確に把握することができる。その結果、燃焼室に供給される空気量の推定精度を向上させることができる。
またシステムモデルを各構成要素に対応する複数のモデルの組み合わせとして構成し、かつガスエネルギー算出にかかるパラメータを各モデル間で受け渡すようにしたので、モデルの汎用性(再利用性)を高める効果も得られる。
【0071】
本実施形態では、ECU20が吸入空気量推定手段を構成する。
【0072】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、スロットル弁が設けられていないエンジンシステムについてのモデルを示したが、スロットル弁が設けられているエンジンについては、スロットル弁モデルを追加することにより、容易にモデル化することが可能である。スロットル弁モデルでは、EGRモデルやタービンモデルと同様の数式に、スロットル弁の有効開口面積を適用することにより、通過ガス質量流量を算出することができる。
【0073】
また吸入空気量を検出するエアフローセンサを用いる場合には、上記システムモデルを用いてエアフローセンサ出力に対応するパラメータを算出し、そのパラメータとエアフローセンサ出力とを比較することにより、エアフローセンサの劣化または異常を判定するようにしてもよい。
【0074】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項1に記載の発明によれば、吸気系モデル、燃焼室モデル、排気系モデル、及び排気還流系モデルを含む機関システムモデルを用いて、機関燃焼室に供給される空気量の推定が行われ、前記機関システムモデルでは、各モデルにおけるガス組成を表すパラメータとして、空気と、機関燃焼室における完全燃焼によって生成される、空気以外の燃焼ガスとの質量比が用いられる。すなわち、従来のように排気中に含まれる各成分毎のモル数(複数パラメータ)を用いずに、空気とそれ以外の燃焼ガスとの比率(単一パラメータ)が用いられるので、排気還流機構を介して接続された排気管及び吸気管内における空気量を、少ない演算量で正確に推定することができ、機関燃焼室に流入する空気量(酸素量)を正確に推定することが可能となる。その結果、上記機関システムモデルに基づいて推定される燃焼室流入空気量を、内燃機関のリアルタイム制御に適用し、例えば燃料供給量の不足を防止することができる。また各モデル間で受け渡すパラメータとして、ガス質量流量、ガス成分質量比、ガス温度、及びガス圧力を用いることにより、機関システム内のガス挙動を正確に把握することができ、燃焼室に供給される空気量の推定精度を向上させることができるとともに、モデルを再利用する際の利便性を高めることができる。さらに燃焼ガスは二酸化炭素、窒素及び水蒸気を成分とし、各成分の比率は一定として取り扱うことにより、燃焼ガスの比熱を定数として取り扱うことが可能となり、演算量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図2】図1に示す内燃機関をモデル化した機関システムモデルの構成を示すブロック図である。
【図3】図2に示すコンプレッサモデルでの演算に使用されるテーブルを示す図である。
【図4】図2に示すインタークーラモデルでの演算に使用されるテーブルを示す図である。
【図5】図2に示すシリンダモデルでの演算に使用されるテーブルを示す図である。
【図6】図2に示すシリンダモデルでの演算に使用されるテーブルを示す図である。
【図7】モデルを用いた演算データと実測データとを比較して示すタイムチャートである。
【図8】モデルを用いた演算データと実測データとを比較して示すタイムチャートである。
【符号の説明】
1 内燃機関
2 吸気管
4 排気管
5 排気還流通路
6 排気還流弁
7 リフトセンサ
11 燃料噴射弁
20 電子制御ユニット(吸入空気量推定手段)
21 アクセルセンサ
22 大気圧センサ
23 大気温度センサ
24 エンジン回転数センサ
36 吸気管モデル(吸気系モデル)
37 シリンダモデル(燃焼室モデル)
36 排気管モデル(排気系モデル)
39 EGRモデル(排気環流系モデル)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal combustion engine control device, and more particularly to an internal combustion engine control device including an exhaust gas recirculation mechanism.
[0002]
[Prior art]
In Japanese Patent Laid-Open No. 6-26383, in order to obtain the intake air amount of a diesel engine equipped with a turbocharger and an exhaust gas recirculation mechanism as accurately as possible, the engine speed, the fuel amount, the exhaust gas recirculation rate, and the compressor of the turbocharger are disclosed. A control system for estimating the intake air amount is proposed based on a comparison between the power of the engine and the power of the turbine.
[0003]
The paper entitled “Exhaust gas recirculation model for engine control system design and evaluation” published in the Society of Instrument and Control Engineers Vol.35, No.2,230 / 237 (1999) CO2 produced by combustion using a combustion system model that assumes that combustion proceeds according to the chemical reaction formula of2, O2, H2It is shown that the number of moles of each exhaust component such as O is calculated and applied to an exhaust system model, an exhaust recirculation system model, and an intake system model.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In an internal combustion engine that performs lean combustion with the ratio of air to fuel greater than the stoichiometric air-fuel ratio, a relatively large amount of oxygen is also contained in the exhaust discharged from the combustion chamber. Since the exhaust gas is circulated to the combustion chamber via the exhaust gas recirculation mechanism, the amount of oxygen actually flowing into the combustion chamber is larger than the amount sucked as fresh air. In the system described in JP-A-6-26383, the exhaust gas recirculation rate is considered, but the gas component contained in the reflux gas is not considered. That is, since the calculation considering the amount of oxygen contained in the reflux gas is not performed, if the maximum fuel injection amount is set according to the estimated intake air amount, the fuel injection amount is less than the amount that can be actually injected. The amount of injection is limited. As a result, a sufficient output of the internal combustion engine cannot be obtained, and there is a possibility that the driving performance is impaired.
[0005]
Even when the intake air amount is actually detected by the air flow sensor provided upstream of the exhaust gas recirculation mechanism, the amount of air circulated from the exhaust system is not detected. Is limited.
Furthermore, the method shown in the papers published in the above paper collection requires calculation of the movement of the number of moles for each component contained in the exhaust gas. Therefore, this technique can be used as a technique for engine control system design evaluation, but is not suitable for real-time control of an internal combustion engine.
[0006]
The present invention has been made to solve such problems, and accurately estimates the amount of air (oxygen) in the gas supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine equipped with the exhaust gas recirculation mechanism with a small amount of calculation, It is an object of the present invention to provide a control device for an internal combustion engine that can control the internal combustion engine more appropriately.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 includes intake air amount estimating means for estimating the amount of air supplied to an internal combustion engine having an exhaust gas recirculation mechanism, and the engine is controlled based on the estimated air amount. In the control device for an internal combustion engine to be controlled, the intake air amount estimation means includes an intake system model (36) that models the intake system of the engine, and a combustion chamber model (37) that models the combustion chamber of the engine. The engine system model including an exhaust system model (38) that models the exhaust system of the engine and an exhaust system model (39) that models the exhaust gas recirculation mechanism is supplied to the combustion chamber. Air volume(G cyl_in_air )In the engine system model,As parameters passed between the models, gas mass flow rate (G), gas component mass ratio (λ), gas temperature (T), and gas pressure (P) are used, and the gas component mass ratio (λ) is: It is the mass ratio of air and combustion gas other than air produced by complete combustion in the combustion chamber, and the combustion gas is treated with carbon dioxide, nitrogen and water vapor as components, and the ratio of each component is assumed to be constant. , The amount of air supplied to the combustion chamber (G cyl_in_air ) Is the pressure of the gas flowing into the combustion chamber (P cyl_in ) And temperature (T cyl_in ), The rotational speed (Ne) of the engine, and the gas component mass ratio (λ) corresponding to the gas flowing into the combustion chamber cyl_in ) And calculated according toIt is characterized by that.
[0008]
  According to this configuration, the amount of air supplied to the engine combustion chamber is estimated using an engine system model including an intake system model, a combustion chamber model, an exhaust system model, and an exhaust gas recirculation system model. In the model, parameters representing the gas composition in each model include air and combustion gases other than air generated by complete combustion in the engine combustion chamber.Mass ratioIs used. That is, the ratio of air and other combustion gases (single parameter) is used without using the number of moles (multiple parameters) for each component contained in the exhaust as in the prior art. Thus, the amount of air in the exhaust pipe and the intake pipe connected via the engine can be accurately estimated with a small amount of calculation, and the amount of air (oxygen amount) flowing into the engine combustion chamber can be accurately estimated. As a result, the combustion chamber inflow air amount estimated based on the engine system model can be applied to the real-time control of the internal combustion engine, and for example, a shortage of the fuel supply amount can be prevented.In addition, by using the gas mass flow rate, gas component mass ratio, gas temperature, and gas pressure as parameters passed between models, the gas behavior in the engine system can be accurately grasped and supplied to the combustion chamber. As a result, it is possible to improve the accuracy of estimating the amount of air to be used and to improve the convenience in reusing the model. Further, by treating the combustion gas with carbon dioxide, nitrogen, and water vapor as components, and by treating the ratio of each component as constant, the specific heat of the combustion gas can be handled as a constant, and the amount of calculation can be reduced.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an internal combustion engine and a control device thereof according to an embodiment of the present invention. An internal combustion engine (hereinafter referred to as “engine”) 1 is a direct injection engine that directly injects fuel into a cylinder, and a fuel injection valve 11 is provided in each cylinder. The fuel injection valve 11 is electrically connected to an electronic control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 20, and the valve opening time of the fuel injection valve 11 is controlled by the ECU 20.
[0013]
The engine 1 includes an intake pipe 2, an exhaust pipe 4, and a turbocharger 8. The turbocharger 8 includes a turbine 10 driven by exhaust kinetic energy, and a compressor 9 that is rotationally driven by the turbine 10 and compresses intake air. An intercooler 3 for cooling the compressed air is provided on the downstream side of the compressor 9.
[0014]
The turbine 10 is configured to change the turbine rotational speed (rotational speed) by changing the nozzle opening. The nozzle opening degree of the turbine 10 is electromagnetically controlled by the ECU 20. More specifically, the ECU 20 supplies a control signal having a variable duty ratio to the turbine 10 to thereby control the nozzle opening.
[0015]
Between the exhaust pipe 4 and the intake pipe 2, an exhaust gas recirculation passage 5 that circulates exhaust gas to the intake pipe 2 is provided. The exhaust gas recirculation passage 5 is provided with an exhaust gas recirculation valve (hereinafter referred to as “EGR valve”) 6 for controlling the exhaust gas recirculation amount. The EGR valve 6 is an electromagnetic valve having a solenoid, and the valve opening degree is controlled by the ECU 20. The EGR valve 6 is provided with a lift sensor 7 for detecting the valve opening degree (valve lift amount) LACT, and the detection signal is supplied to the ECU 20. An exhaust gas recirculation mechanism is configured by the exhaust gas recirculation passage 5 and the EGR valve 6.
[0016]
An accelerator sensor 21 for detecting a depression amount AP of an accelerator pedal (not shown) of a vehicle driven by the engine 1, an atmospheric pressure sensor 22 for detecting an atmospheric pressure PA, an atmospheric temperature difference sensor 23 for detecting an atmospheric temperature TA, and An engine speed sensor 24 for detecting the engine speed (rotation speed) Ne is provided. Detection signals from these sensors are supplied to the ECU 20.
[0017]
The ECU 20 shapes input signal waveforms from various sensors, corrects the voltage level to a predetermined level, converts an analog signal value into a digital signal value, a central processing unit (hereinafter referred to as “CPU”). A storage circuit that stores various calculation programs executed by the CPU and calculation results, an output circuit that supplies a drive signal to the fuel injection valve 11, the EGR valve 6, and the like.
[0018]
The ECU 20 calculates the valve opening time TOUT of the fuel injection valve 11 according to the accelerator depression amount AP detected by the accelerator sensor 21 and supplies a drive signal corresponding to the valve opening time TOUT to the fuel injection valve 11. Since the amount of fuel injected from the fuel injection valve 11 is proportional to the fuel injection time TOUT, it is hereinafter referred to as “fuel injection amount TOUT”.
[0019]
The ECU 20 further calculates an estimated value QE of the intake air amount of the engine 1 based on an engine model described in detail below, and calculates a maximum value TOUTMAX of the fuel injection amount according to the intake air amount estimated value QE. The fuel injection amount TOUT is controlled so as not to exceed the maximum value TOUTMAX corresponding to the intake air amount.
[0020]
The ECU 20 further determines the exhaust gas recirculation amount and the boost pressure based on the intake air amount estimated value QE, and controls the lift amount (valve opening amount) of the EGR valve 6 and the nozzle opening degree of the turbine 10.
[0021]
In the present embodiment, an engine system model including the engine 1, the intake pipe 2, the intercooler 3, the exhaust pipe 3, the exhaust gas recirculation mechanism, and the turbocharger 8 is defined by a combination of models for each component, and the model Based on the above, the behavior of the gas in the engine system is estimated. FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the engine system model. As shown in this figure, the engine system model includes a turbocharger model 31 that models the turbocharger 8, an intercooler model 35 that models the intercooler 3, and an intake pipe model 36 that models the intake pipe 2. The cylinder model 37 that models the engine 1, the exhaust pipe model 38 that models the exhaust pipe 4, and the EGR model 39 that models the exhaust gas recirculation mechanism. The turbocharger model 31 includes a compressor model 32 that models the compressor 9, a turbine model 34 that models the turbine 10, and a turbine rotation speed calculation model 33 for calculating the turbine rotation speed.
[0022]
The model of each component shown in FIG. 2 is not a strict model of a distributed parameter system but an approximate model of a lumped parameter system. It has been confirmed that sufficient estimation accuracy can be obtained also by the approximate model, and the required amount of calculation can be greatly reduced by using the approximate model.
[0023]
Further, the model shown in FIG. 2 employs a parameter for calculating the energy of the gas flowing between each component as an input / output parameter between the models corresponding to each component. That is, the gas mass flow rate, the gas component ratio, and the temperature directly related to the calculation of the gas energy and the pressure necessary for the calculation of the mass flow rate are used. G, λ, T, and P shown in FIG. 2 indicate mass flow rate, gas component ratio, temperature, and pressure, respectively. In the turbocharger model 31, the turbine speed NT and the torque M are used as parameters. In the turbine model 34, the effective opening area SN corresponding to the nozzle opening is used as an input parameter, and in the EGR model 39, the effective opening area SE corresponding to the valve opening amount of the EGR valve 6 is used as an input parameter. Further, the cylinder model 37 uses the engine speed Ne and the fuel supply flow rate GF as input parameters.
[0024]
In this way, the entire system model is constructed by combining the models for each component, and the parameters (G, λ, T, P) for energy calculation are used as input / output parameters between the models. Convenience (reusability) when reusing can be improved. That is, the model once constructed can be easily applied to other systems.
[0025]
Hereinafter, the engine system model shown in FIG. 2 will be described in more detail.
The gas flowing through the engine system varies in pressure, temperature, and gas components by compression and expansion by the turbocharger 8, cooling by the intercooler 3, combustion in the cylinder (engine 1), and gas mixing by the exhaust gas recirculation mechanism. The change is formed by a subordinate relationship of a plurality of parameters expressed by the gas state equation (formula (1)).
pv = mRT (1)
Here, p is pressure [Pa], and v is volume [m.Three], M is mass [kg], R is gas constant [J / (kg · K)], and T is temperature [K].
[0026]
The state of the gas, which varies depending on the functions of the elements that make up the engine system, can be applied by applying the concept of the law of conservation of energy and the law of conservation of mass. It can be captured as a decrease, and gas mixing by exhaust gas recirculation is mass exchange, so it can be considered as the addition of energy and mass of air and reflux gas, respectively. By representing various phenomena surrounding gas in this way by simple calculation of energy and mass, it becomes easy to convert them into measurable physical quantities such as temperature and pressure.
[0027]
The energy of the gas is grasped as an energy flow rate H [J / s] calculated by the following formula (2).
H = G · cP・ T (2)
Where G is the mass flow rate [kg / s], cPIs the constant pressure specific heat [J / (kg · K)], and T is the temperature [K].
[0028]
The specific heat that varies depending on the gas component is determined by the gas component and its mass ratio. In particular, since the EGR valve 6 constantly adjusts the recirculation amount of the exhaust gas, the specific heat always changes with the mixing ratio of air and exhaust gas. Therefore, it is necessary to always calculate the specific heat of the gas in the intake pipe 2 in the model calculation.
[0029]
The gas generated by combustion in the exhaust is carbon dioxide CO2And water H2Only O was handled, and NOx (nitrogen oxide), CO (carbon monoxide), and HC (hydrocarbon) were excluded because they were trace amounts in normal combustion. Air (N2, O2) And fuel (CnHm) Reacts at the ideal air-fuel ratio (fuel is completely burned)2, N2(Nitrogen) and H2O is collectively defined as “combustion gas”, and only two types of gas are used in the model: combustion gas and air. The composition of the combustion gas is always constant and its specific heat CcmbIs treated as a constant. Combustion gas specific heat CcmbIs calculated by the following equation (3).
[0030]
[Expression 1]
Figure 0004056776
[0031]
Here, n is the carbon content [mol] in 1 mol fuel, CO2Is carbon dioxide molecular weight [g / mol], cCO2Is the specific heat of carbon dioxide [J / (kg · K)], m is the hydrogen content in 1 mol fuel [mol], H2O is water molecular weight [g / mol], cH2OIs the specific heat of water (steam) [J / (kg · K)], χ is the nitrogen capacity ratio to oxygen in the air, N2Is nitrogen molecular weight [g / mol], cN2Is the specific heat of nitrogen [J / (kg · K)].
[0032]
In this way, by handling the gas flowing in the engine system as only two components, air and combustion gas, it is possible to reduce the amount of calculation of specific heat that constantly changes. Specific heat c of mixed gas of air and combustion gasmixIs calculated by the following equation (4).
cmix= Cair(1-λ) + ccmb・ Λ (4)
[0033]
Where cairIs the specific heat of air [J / (kg · K)], ccmbIs the specific heat [J / (kg · K)] of the combustion gas, and λ is the gas component mass ratio (ratio of the combustion gas amount to the total gas amount).
[0034]
Next, the compressor model 32 constituting the turbocharger model 31 will be described.
In the compressor model 32, the compressor upstream pressure PC_in, Compressor downstream pressure PC_out, Compressor upstream gas temperature TC_in, Turbine speed NtbTo calculate each gas flow rate, component ratio, downstream gas temperature, and shaft torque required for compression. The compressor upstream gas volume flow Qc is determined by the upstream / downstream compression ratio PR (= PC_out/ PC_in) And turbine speed NtbAccordingly, the Qc table shown in FIG. 3A is searched and calculated (the following formula (5)).
[0035]
Next, according to the following formula (6), the volume flow rate Qc [mThree/ S] is the mass flow rate GC_inConvert to [kg / s]. Further, since the compressor has no functional material exchange and the upstream and downstream gas flow rates and component ratios are the same, the equations (6) and (7) are established.
[0036]
[Expression 2]
Figure 0004056776
Where RCIs the gas constant.
[0037]
Compressor downstream gas temperature TC_outIncreases as the air is compressed, but the temperature actually tends to be higher than the ideal adiabatic compression. As a dimensionless quantity to express this, the adiabatic efficiency η of the compressorCIs used. Compressor insulation efficiency ηCIs compression ratio PR and volumetric flow rate QCΗ shown in FIG.CCalculated by searching the table. This thermal insulation efficiency ηCIs applied to the following equation (8), and the compressor downstream temperature TC_outIs calculated.
[Equation 3]
Figure 0004056776
Where TC_inIs the compressor upstream temperature, that is, the atmospheric temperature TA, and kCIs the specific heat ratio of the gas passing through the compressor, that is, air.
[0038]
The mechanical energy used to compress the gas is considered to be equal to the gas energy difference between the upstream and downstream of the compressor based on the energy conservation law. Therefore, the shaft torque M required for compression is calculated by the following equation (9).C[Nm] is calculated.
[Expression 4]
Figure 0004056776
[0039]
Where GCIs the compressor passing gas mass flow rate [kg / s] calculated by the equation (6), cP_CIs the constant-pressure specific heat [J / (kg · K)] of the compressor passing gas, that is, air.
[0040]
Next, the turbine model 34 will be described.
The turbine model 34 is assumed to be equipped with a variable nozzle, and the turbine upstream pressure Ptb_in, Turbine downstream pressure Ptb_out, Turbine upstream gas temperature Ttb_in, Turbine speed NtbAnd nozzle opening (nozzle effective opening area) AtbFrom the turbine passing gas flow rate Gtb(= Gtb_in= Gtb_out), Turbine downstream gas temperature Ttb_outAnd shaft torque M obtained by expansiontbIs calculated. Nozzle effective opening area AtbIs obtained with reference to a table (not shown) set in advance according to the duty ratio of the duty control signal output from the ECU 20.
[0041]
Turbine passing gas flow rate GtbAs with the compressor, there is a method of calculating from the characteristic table, but considering the reduction of the data amount, it was determined by a physical formula based on Bernoulli's principle. In addition, the flow rate and the component ratio of the upstream and downstream gases are the same as in the compressor.
[0042]
The turbine passing gas mass flow rate [kg / s] is calculated by the following equation (10-1) or (10-2).
[Equation 5]
Figure 0004056776
[0043]
Where Ptb_inIs the turbine upstream pressure, Ptb_outIs the turbine downstream pressure, ktbIs the specific heat ratio of the gas passing through the turbine, RtbIs the turbine passing gas constant, Ttb_inIs the turbine upstream gas temperature.
[0044]
Turbine passing gas specific heat ratio ktbIs the ratio of the constant pressure specific heat and the constant volume specific heat of the turbine passing gas, and the specific heat of the turbine passing gas, that is, the mixed gas of air and combustion gas, is calculated by the equation (4).
[0045]
Downstream gas temperature Ttb_outIs the thermal insulation efficiency of the turbinetbIs calculated by the following equation (12).
[Formula 6]
Figure 0004056776
[0046]
The mechanical energy for rotating the turbine is considered to be equal to the difference in gas energy upstream and downstream of the turbine. Therefore, the shaft torque M required for turbine rotation is expressed by the following equation (13).tbIs calculated.
[0047]
[Expression 7]
Figure 0004056776
Where cp_tbIs the specific heat of the turbine passing gas constant pressure, and is calculated by the equation (4).
[0048]
Next, the turbine speed calculation model 33 will be described.
Turbine speed NtbIs the compressor shaft torque McAnd turbine shaft torque MtbAnd frictional torque M at the rotating shaftfIs applied to the following equation (14).
[Equation 8]
Figure 0004056776
Where ItbIs the moment of inertia of the turbine [kg · m2].
[0049]
Next, the intercooler model 35 will be described.
In the intercooler model 35, the cooling efficiency ηI c, Intercooler upstream gas temperature TIC_in, And the detected atmospheric temperature TA to the following equation (15), the intercooler downstream gas temperature TIC_outIs calculated. Cooling efficiency ηI cIs the intercooler passage gas flow rate GI cIs calculated using the table shown in FIG.
TIC_out= (1-ηI c) ・ TIC_in+ ΗI c・ TA (15)
[0050]
Since there is no material exchange in the intercooler, the downstream gas flow rate and the component ratio are equal to the upstream. Further, since the pressure loss is negligibly small, it is assumed that there is no change in the upstream and downstream pressures.
[0051]
Next, the EGR model 39 will be described.
In the EGR model 39, the EGR passage gas flow rate G is calculated using Bernoulli's principle, like the variable nozzle of the turbine model.EGR(= GEGR_in= GEGR_out) Is calculated using the following formula (16-1) or (16-2).
[0052]
[Equation 9]
Figure 0004056776
Where PEGR_inIs EGR upstream pressure, PEGR_outIs EGR downstream pressure, AEGRIs the effective opening area of the EGR valve, kEGRIs the EGR passing gas specific heat ratio, REGRIs the EGR passage gas constant, TEGR_inIs the EGR turbine upstream gas temperature. EGR passage gas specific heat ratio kEGRAnd EGR passage gas constant REGRIs the specific heat ratio k of the gas passing through the turbine.tbAnd turbine gas constant RtbIs equal to EGR valve effective opening area AEGRIs calculated using a table (not shown) set in advance according to the detected lift amount LACT of the EGR valve.
[0053]
Next, the intake pipe model 36 and the exhaust pipe model 38 will be described.
Both the intake pipe 2 and the exhaust pipe 4 are considered as constant volume chambers through which gas flows in and out. Pressure P in the pipechAnd temperature TchIs calculated by the following formulas (18-1) to (18-4) in consideration of gas energy flowing in and out and mass balance.
[0054]
[Expression 10]
Figure 0004056776
Where Gch_inIs the mass flow rate of the incoming gas in the pipe, Gch_outIs the mass flow rate of outflow gas in the pipe, RchIs the gas constant in the pipe, mchIs the mass of gas in the pipe, Tch_inIs the pipe inflow gas temperature, cv_chIs constant heat capacity of the gas staying in the tube, cp_ch_inIs the constant pressure specific heat of the inflow gas in the pipe, cp_chIs the specific heat of the gas staying in the tube, VchIs the pipe volume, Pch (0)Is the initial pressure in the pipe.
[0055]
Also, the intake pipe outflow gas component ratio λch_outIs calculated by the following equation (19) on the assumption that the air in the intake pipe and the combustion gas are completely mixed. Intake pipe outflow gas component ratio λch_outIs the cylinder intake gas component ratio λcyl_inIs equal to
## EQU11 ##
Figure 0004056776
[0056]
Where mch_cmbIs the mass of accumulated combustion gas in the intake pipe, mch_airIs the mass of air in the intake pipe, mch_cmb(0) is the initial value of the mass of combustion gas staying in the intake pipe, mch_air(0) is the initial value of the mass of air staying in the intake pipe,ch_inIs the intake air inlet fresh air mass flow, Gcyl_in_airIs the mass flow rate of air flowing into the cylinder, Gcyl_in_cmbIs the cylinder inflow combustion gas mass flow, GEGR_airIs the EGR passing air mass flow rate, GEGR_cmbIs the EGR passing combustion gas mass flow rate.
[0057]
Also, exhaust pipe inflow gas component ratio (exhaust component ratio) λexIs calculated by the following equation (20). EGR passage gas component ratio λEGRAnd turbine passing gas component ratio λtbIs the exhaust component ratio λexIs equal to
[Expression 12]
Figure 0004056776
[0058]
Where mex_cmbIs the mass of the accumulated combustion gas in the exhaust pipe, mex_airIs the mass of accumulated air in the exhaust pipe, mex_cmb(0) is the initial value of the mass of the combustion gas staying in the exhaust pipe, mex_air(0) is the initial value of the mass of accumulated air in the exhaust pipe, Gex_airIs the exhaust pipe inflow air mass flow rate, Gex_cmbIs the mass flow rate of the exhaust gas entering the exhaust pipe, GEGR_airIs the EGR passing air mass flow rate, GEGR_cmbIs EGR passage combustion gas mass flow rate, Gtb_airIs the air mass flow rate through the turbine, Gtb_cmbIs the mass flow rate of the combustion gas passing through the turbine.
[0059]
Next, the cylinder model 37 will be described.
In the cylinder model 37, the cylinder inlet gas pressure Pcyl_in, Temperature Tcyl_inAnd component ratio, fuel flow rate GfuelAs well as the engine speed Ne, the cylinder inflow gas mass flow rate Gcyl_in, Exhaust gas mass flow rate Gcyl_out, Exhaust temperature Tcyl_outAnd component ratio λcyl_outIs calculated.
[0060]
In the cylinder model 37, the intermittent flow of gas due to the number of cylinders and the reciprocating motion of the piston is not considered, and is expressed as a time-based steady flow. Cylinder inflow gas flow rate Gcyl_inIs the cylinder suction volume efficiency ηv_cyl, Cylinder suction gas pressure Pcyl_in, Cylinder suction gas temperature Tcyl_in, And cylinder displacement Vcyl_in[MThree] Is applied to the following equation (21). Cylinder suction volume efficiency ηv_cylIs shown in FIG. 5 according to the engine speed Ne.v_cylCalculated by searching the table. Cylinder displacement Vcyl_inIs a constant determined by the cylinder shape.
[0061]
Also, the cylinder inflow air flow rate Gcyl_in_airIs the gas component ratio λcyl_inIs calculated by the following equation (22). Cylinder inflow air flow rate Gcyl_in_airCorresponds to the estimated intake air amount QE.
[0062]
[Formula 13]
Figure 0004056776
Where Rcyl_inIs the cylinder suction gas constant.
[0063]
Exhaust flow rate Gcyl_outIs the cylinder inflow gas flow rate G according to the following equation (23).cyl_inAnd fuel flow rate (fuel injection amount) GfuelIs calculated as the sum of
Gcyl_out= Gcyl_in+ Gfuel          (23)
[0064]
The exhaust gas energy is considered as the sum of the intake gas energy and a part of the combustion energy. Assuming that the heat energy generated by combustion is still steam, the low heating value Hu [J / kg] is used as the energy generated by the fuel per unit weight. Exhaust loss rate ηex_cylFrom the ratio of the inflow energy and exhaust gas energy defined as follows, the exhaust temperature Tcyl_outIs calculated. Exhaust loss rate ηex_cylIs shown in FIG. 6 according to the engine speed Ne.ex_cylCalculated by searching the table.
[0065]
[Expression 14]
Figure 0004056776
Where cp_cyl_inIs the cylinder suction gas constant pressure specific heat, Gfuel_cIs the combustion fuel mass flow, Gcyl_in_airIs the cylinder intake air mass flow rate, and AF is the stoichiometric air-fuel ratio.
[0066]
Fuel flow rate GfuelAnd the theoretical air-fuel ratio AF, that is, the minimum required amount of air required for complete combustion (GfuelAF) is the cylinder intake air mass flow rate Gcyl_in_airWhen it is larger, the combustion fuel mass flow rate Gfuel_c(Gcyl_in_air/ AF) and part of the fuel (Gfuel-Gcyl_in_air/ AF) is discharged as it is. On the other hand, the minimum amount of air required for complete combustion (GfuelAF)) is the cylinder intake air mass flow rate Gcyl_in_airWhen the following is true, all of the injected fuel burns, so the combustion fuel mass flow rate Gfuel_cIs the fuel flow rate GfuelIs equal to
[0067]
In the above equation (24), since the heat energy flowing in and out from the cylinder wall is not taken into consideration, it is actually necessary to add the temperature correction value TC. The temperature correction value TC is determined by experiment for each target engine.
[0068]
7 and 8 are diagrams showing a comparison between the parameter value calculated using the engine system model described above and the actually measured value.
FIG. 7A shows changes in the engine speed Ne at the time of actual measurement, the lift amount LACT of the EGR valve, and the nozzle opening degree Atb of the turbine. In the same figure (b), the compressor passing gas mass flow rate GCCalculation data (solid line) and actual measurement data (broken line) are shown. FIG. 8A shows the intake pipe pressure (P corresponding to the intake pipe model).ch) And exhaust pipe pressure (P corresponding to exhaust pipe model)ch) Corresponding to the calculation data (solid line) and actual measurement data (broken line). In FIG. 5B, the exhaust temperature Tcyl_outAnd intake air temperature Tcyl_inCalculation data (solid line) and actual measurement data (broken line) are shown.
As is apparent from these drawings, it is understood that calculation data that approximates the actual measurement data with high accuracy can be obtained with the simplified model.
[0069]
As described above, in the present embodiment, a model of the entire system is configured as a combination of models of each component constituting the engine system, and the gas composition contained in the exhaust is changed to individual carbon dioxide, nitrogen, oxygen, water vapor, and the like. The ratio of air and combustion gas (one parameter) is not grasped as a component ratio (multiple parameters), so the amount of air in the exhaust pipe and the intake pipe connected via the exhaust gas recirculation mechanism is determined. Accurate estimation can be performed with a relatively small amount of calculation. Therefore, it is possible to accurately estimate the amount of air (oxygen amount) flowing into the combustion chamber (cylinder) of the engine 1. As a result, the cylinder inflow air amount estimated based on the above-described model can be applied to engine real-time control, and for example, a shortage of fuel supply can be prevented.
[0070]
In addition, since the above-described model uses parameters relating to calculation of gas energy, that is, mass flow rate, temperature, gas component ratio, and pressure, as parameters passed between models corresponding to each component, the exhaust gas recirculation mechanism It is possible to accurately grasp the gas behavior in the engine system including not only the components that generate gas exchange as described above but also the components that do not involve gas exchange such as a turbocharger and an intercooler. As a result, it is possible to improve the estimation accuracy of the amount of air supplied to the combustion chamber.
In addition, the system model is configured as a combination of multiple models corresponding to each component, and the parameters for calculating gas energy are passed between the models, so that the versatility (reusability) of the model is improved. Can also be obtained.
[0071]
In the present embodiment, the ECU 20 constitutes intake air amount estimation means.
[0072]
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, a model for an engine system without a throttle valve is shown. However, an engine with a throttle valve can be easily modeled by adding a throttle valve model. It is possible. In the throttle valve model, the passing gas mass flow rate can be calculated by applying the effective opening area of the throttle valve to the same mathematical expression as the EGR model and the turbine model.
[0073]
When an air flow sensor that detects the intake air amount is used, a parameter corresponding to the air flow sensor output is calculated using the above system model, and the parameter is compared with the air flow sensor output, so that the deterioration of the air flow sensor or You may make it determine abnormality.
[0074]
【The invention's effect】
  As described above in detail, according to the first aspect of the present invention, the engine system model including the intake system model, the combustion chamber model, the exhaust system model, and the exhaust gas recirculation system model is used to supply the engine combustion chamber. In the engine system model, air and a combustion gas other than air generated by complete combustion in the engine combustion chamber are used as parameters representing the gas composition in each model.Mass ratioIs used. That is, the ratio of air and other combustion gases (single parameter) is used without using the number of moles (multiple parameters) for each component contained in the exhaust as in the prior art. Thus, the amount of air in the exhaust pipe and the intake pipe connected via the engine can be accurately estimated with a small amount of calculation, and the amount of air (oxygen amount) flowing into the engine combustion chamber can be accurately estimated. As a result, the combustion chamber inflow air amount estimated based on the engine system model can be applied to the real-time control of the internal combustion engine, and for example, a shortage of the fuel supply amount can be prevented.In addition, by using the gas mass flow rate, gas component mass ratio, gas temperature, and gas pressure as parameters passed between models, the gas behavior in the engine system can be accurately grasped and supplied to the combustion chamber. As a result, it is possible to improve the accuracy of estimating the amount of air to be used and to improve the convenience in reusing the model. Further, by treating the combustion gas with carbon dioxide, nitrogen, and water vapor as components, and by treating the ratio of each component as constant, the specific heat of the combustion gas can be handled as a constant, and the amount of calculation can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an internal combustion engine and a control device thereof according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of an engine system model that models the internal combustion engine shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing a table used for calculation in the compressor model shown in FIG. 2;
4 is a diagram showing a table used for calculation in the intercooler model shown in FIG. 2. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a table used for calculation in the cylinder model shown in FIG. 2;
6 is a diagram showing a table used for calculation in the cylinder model shown in FIG. 2. FIG.
FIG. 7 is a time chart showing comparison between calculated data using a model and measured data.
FIG. 8 is a time chart showing comparison between calculation data using a model and actual measurement data.
[Explanation of symbols]
1 Internal combustion engine
2 Intake pipe
4 Exhaust pipe
5 Exhaust gas recirculation passage
6 Exhaust gas recirculation valve
7 Lift sensor
11 Fuel injection valve
20 Electronic control unit (intake air amount estimation means)
21 Accelerator sensor
22 Atmospheric pressure sensor
23 Atmospheric temperature sensor
24 Engine speed sensor
36 Intake pipe model (Intake system model)
37 Cylinder model (combustion chamber model)
36 Exhaust pipe model (exhaust system model)
39 EGR model (exhaust reflux system model)

Claims (1)

排気還流機構を備える内燃機関に供給される空気量を推定する吸入空気量推定手段を備え、推定される空気量に基づいて前記機関を制御する内燃機関の制御装置において、
前記吸入空気量推定手段は、前記機関の吸気系をモデル化した吸気系モデルと、前記機関の燃焼室をモデル化した燃焼室モデルと、前記機関の排気系をモデル化した排気系モデルと、前記排気還流機構をモデル化した排気還流系モデルとを含む機関システムモデルを用いて、前記燃焼室に供給される空気量の推定を行い、
前記機関システムモデルでは、前記各モデル間で受け渡すパラメータとして、ガス質量流量、ガス成分質量比、ガス温度、及びガス圧力を用い、
前記ガス成分質量比は、空気と、前記燃焼室における完全燃焼によって生成される、空気以外の燃焼ガスとの質量比であり、前記燃焼ガスは二酸化炭素、窒素及び水蒸気を成分とし、各成分の比率は一定として取り扱うこととし、
前記燃焼室に供給される空気量は、前記燃焼室に流入するガスの圧力及び温度と、前記機関の回転数と、前記燃焼室に流入するガスに対応するガス成分質量比とに応じて算出されることを特徴とする内燃機関の制御装置。
In a control device for an internal combustion engine, comprising an intake air amount estimating means for estimating an air amount supplied to an internal combustion engine having an exhaust gas recirculation mechanism, and controlling the engine based on the estimated air amount,
The intake air amount estimation means includes an intake system model that models the intake system of the engine, a combustion chamber model that models the combustion chamber of the engine, an exhaust system model that models the exhaust system of the engine, Using an engine system model including an exhaust gas recirculation system model that models the exhaust gas recirculation mechanism, the amount of air supplied to the combustion chamber is estimated,
In the engine system model , gas mass flow rate, gas component mass ratio, gas temperature, and gas pressure are used as parameters passed between the models.
The gas component mass ratio is a mass ratio of air and a combustion gas other than air generated by complete combustion in the combustion chamber. The combustion gas includes carbon dioxide, nitrogen, and water vapor as components. The ratio will be treated as constant,
The amount of air supplied to the combustion chamber is calculated according to the pressure and temperature of the gas flowing into the combustion chamber, the rotational speed of the engine, and the gas component mass ratio corresponding to the gas flowing into the combustion chamber. by the control device for an internal combustion engine characterized by Rukoto.
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