JP4407508B2

JP4407508B2 - 内燃機関のアイドル回転数制御装置

Info

Publication number: JP4407508B2
Application number: JP2004369319A
Authority: JP
Inventors: 学三浦
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2024-12-21
Also published as: JP2006177202A

Description

本発明は、内燃機関のアイドル回転数制御装置に関する。

内燃機関、特にディーゼルエンジンでのアイドル回転数の制御は、特許文献１に示されているように、エンジン回転数が目標アイドル回転数に一致するように、燃料噴射量をフィードバック制御している。
特開２００２−０３０９６２号公報

しかしながら、ディーゼルエンジンの通常のリーン領域より、空気過剰率（λ）が低い領域では、燃料噴射量のトルク感度が小さくなり、燃料噴射量のフィードバック制御では、回転数制御が困難になるという問題がある。
本発明は、このような問題を解決できる内燃機関のアイドル回転数制御装置を提供することを目的とする。

このため、本発明では、エンジン回転数が目標アイドル回転数に一致するように、目標空気過剰率が所定値以下の場合に燃焼開始時期のフィードバック制御を行う一方、目標空気過剰率が所定値未満の場合に燃料噴射量のフィードバック制御を行う構成とする。

本発明によれば、燃焼開始時期を早めるように制御することでエンジントルクを上昇させ、燃焼開始時期を遅らせるように制御することでエンジントルクを減少させることができ、空気過剰率（λ）が低い領域でも、回転数制御が容易となる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関（ここではディーゼルエンジン）のシステム図である。
ディーゼルエンジン１の吸気通路２には過給機（ターボチャージャ）３の吸気コンプレッサが備えられ、吸入空気は吸気コンプレッサによって過給され、インタークーラ４で冷却され、吸気絞り弁５を通過した後、コレクタ６を経て、各気筒の燃焼室内へ流入する。燃料は、コモンレール式燃料噴射装置により、すなわち、高圧燃料ポンプ７により高圧化されてコモンレール８に送られ、各気筒の燃料噴射弁９から燃焼室内へ直接噴射される。燃焼室内に流入した空気と噴射された燃料はここで圧縮着火により燃焼し、排気は排気通路１０へ流出する。

排気通路１０へ流出した排気の一部は、ＥＧＲガスとして、ＥＧＲ装置により、すなわち、ＥＧＲ通路１１によりＥＧＲ弁１２を介して、吸気側へ還流される。排気の残りは、過給機３の排気タービンを通り、これを駆動する。
また、排気通路１０の排気タービン下流には、排気浄化のため、三元触媒にＮＯｘトラップ材を添加してなり、排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘをトラップし、トラップしたＮＯｘを排気空燃比がストイキないしリッチのときに脱離浄化することのできるＮＯｘトラップ触媒１３を配置してある。

更に、このＮＯｘトラップ触媒１３の下流には、排気中の粒子状物質であるＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１４を配置してある。
コントロールユニット２０には、エンジン１の制御のため、エンジン回転数Ｎｅ検出用の回転数センサ２１、アクセル開度ＡＰＯ検出用のアクセル開度センサ２２、吸入空気量Ｑａ検出用のエアフローメータ２３、エンジン冷却水温Ｔｗ検出用の水温センサ２４、吸気温（コレクタ６内の吸気温）Ｔａ検出用の吸気温センサ２５から、信号が入力されている。

コントロールユニット２０は、これらの入力信号に基づいて、燃料噴射弁９による燃料噴射の燃料噴射量及び噴射時期制御のための燃料噴射弁９への燃料噴射指令信号、吸気絞り弁５への開度指令信号、ＥＧＲ弁１２への開度指令信号等を出力する。
ここにおいて、コントロールユニット２０では、アイドル運転条件にて、エンジン回転数Ｎｅを目標アイドル回転数に制御するアイドル回転数制御を実行するようにしており、かかるアイドル回転数制御について、以下に詳細に説明する。

ディーゼルエンジンでは、通常、エンジン回転数が目標アイドル回転数に一致するように、燃料噴射量をフィードバック制御する。
ところで、図２は、燃料噴射量Ｑｆ＝一定の条件での、空気過剰率とエンジントルクとの関係を示しており、通常、ディーゼルエンジンで使用するリーン領域（空気過剰率が所定値＃ＬＡＭＢより大きい領域）では、燃料噴射量が一定であれば、空気過剰率を変化させてもエンジントルクは変化せず、燃料噴射量がトルクに支配的となる。従って、高λのの領域では、燃料噴射量によるアイドル回転数制御を行うのが望ましい。

しかし、空気過剰率が所定値＃ＬＡＭＢ以下の領域では、空気過剰率の低下に伴ってエンジントルクが大幅に低下するようになり、相対的に、燃料噴射量のトルク感度が小さくなる。従って、低λの場合、燃料噴射量のフィードバック制御では、アイドル回転数制御が困難となる。
そこで本発明では、特に低λの領域にて、燃焼開始時期のフィードバック制御によってアイドル回転数制御を行う。この場合、燃焼開始時期を早めるように制御することで、エンジントルクを上昇でき、燃焼開始時期を遅くするように制御することで、エンジントルクを減少させることができる。

また、燃焼開始時期の制御は、空気過剰率あるいは燃料噴射時期の少なくとも一方を制御することによって行う。
具体的には、空気過剰率を増大させること（リーン化）で、燃焼開始時期を早め、エンジントルクを増大させることができ、逆に、空気過剰率を低下させること（リッチ化）で、燃焼開始時期を遅らせ、エンジントルクを減少させることができる。

また、燃料噴射時期を早くすることで、燃焼開始時期を早め、エンジントルクを増大させることができ、逆に、燃料噴射時期を遅らせることで、燃焼開始時期を遅らせ、エンジントルクを減少させることができる。
このような背景の下に、第１実施形態（図３のフロー）では、空気過剰率を制御することで燃焼開始時期を制御して、アイドル回転数を制御し、第２実施形態（図４のフロー）では、燃料噴射時期を制御することで燃焼開始時期を制御して、アイドル回転数を制御する。

図３はアイドル回転数制御の第１実施形態のフローチャートである。尚、本フローは、アイドル運転条件にて所定時間毎に実行される。
Ｓ１では、各種センサの信号を読込み、エンジン回転数Ｎｅ、アクセル開度ＡＰＯ、吸入空気量Ｑａ、水温Ｔｗ、吸気温Ｔａなどを検出する。
Ｓ２では、エンジン水温Ｔｗなどに応じ、目標アイドル回転数Ｎｓを設定する。

Ｓ３では、目標空気過剰率（目標λ）が所定値＃ＬＡＭＢ以下か否かを判定する。尚、目標λは、基本的には、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑｆとから設定されている。また、ここでの所定値＃ＬＡＭＢは、図２に示されているように、燃料噴射量のみではなく、吸入空気量もエンジントルクに影響を及ぼすようになる空気過剰率である。
目標λ＞＃ＬＡＭＢの場合は、エンジントルクに対し燃料噴射量が支配的となるため、Ｓ４へ進んで、燃料噴射量による通常のアイドル回転数制御を実施する。すなわち、エンジン回転数Ｎｅが目標アイドル回転数Ｎｓより低ければ、燃料噴射量Ｑｆを増量補正して、エンジントルクを増大し、エンジン回転数Ｎｅが目標アイドル回転数Ｎｓより高ければ、燃料噴射量Ｑｆを減量補正して、エンジントルクを減少させることで、エンジン回転数Ｎｅを目標アイドル回転数Ｎｓに一致させる。

目標λ≦＃ＬＡＭＢの場合は、燃料噴射量のトルク感度が小さくなるため、燃焼開始時期（空気過剰率）によるアイドル回転数制御を実施すべく、Ｓ５へ進む。
Ｓ５では、エンジン回転数Ｎｅと目標アイドル回転数Ｎｓとの大小を比較する。
Ｓ５での比較の結果、エンジン回転数Ｎｅが目標アイドル回転数Ｎｓより低い場合（Ｎｅ＜Ｎｓの場合）は、先ず、Ｓ６へ進む。

Ｓ６では、目標アイドル回転数Ｎｓとエンジン回転数Ｎｅとの偏差（Ｎｓ−Ｎｅ）に応じた分、目標λを、燃焼開始時期の早期化によるエンジントルク増大方向（λ増大方向）に補正するための、フィードバック補正量ＦＢ＝ｆ（Ｎｓ−Ｎｅ）を算出する。
次に、Ｓ７へ進み、フィードバック補正量ＦＢを吸気温Ｔａで補正する。すなわち、吸気温Ｔａが低い場合は、燃焼開始時期を早期化するために、目標λをより増大させる必要があるため、吸気温Ｔａが低いほど、フィードバック補正量ＦＢをより大きくするように補正する。

次に、Ｓ８へ進み、次式のごとく、目標λ（エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑｆとから定められる値、又は前回値）にフィードバック補正量ＦＢを加算することで、
目標λ＝目標λ＋ＦＢ
目標λを増大方向（燃焼開始時期の早期化によるエンジントルク増大方向）に補正・更新する。

Ｓ５での比較の結果、エンジン回転数Ｎｅが目標アイドル回転数Ｎｓより高い場合（Ｎｅ＞Ｎｓの場合）は、先ず、Ｓ９へ進む。
Ｓ９では、エンジン回転数Ｎｅと目標アイドル回転数Ｎｓとの偏差（Ｎｅ−Ｎｓ）に応じた分、目標λを、燃焼開始時期の遅角化によるエンジントルク減少方向（λ低下方向）に補正するための、フィードバック補正量ＦＢ＝ｆ（Ｎｅ−Ｎｓ）を算出する。

次に、Ｓ１０へ進み、フィードバック補正量ＦＢを吸気温Ｔａで補正する。すなわち、吸気温Ｔａが低い場合は、燃焼開始時期を遅角化するために、目標λをさほど低下させる必要はないため、吸気温Ｔａが低いほど、フィードバック補正量ＦＢをより小さくするように補正する。
次に、Ｓ１１へ進み、次式のごとく、目標λ（エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑｆとから定められる値、又は前回値）からフィードバック補正量ＦＢを減算することで、
目標λ＝目標λ−ＦＢ
目標λを低下方向（燃焼開始時期の遅角化によるエンジントルク減少方向）に補正・更新する。

尚、目標λへの制御は、次のように行う。アクセル開度ＡＰＯ及びエンジン回転数Ｎｅから算出される要求燃料噴射量Ｑｆと、目標λとから、目標空気量ｔＱａを算出する。そして、この目標空気量ｔＱａを実現するように、吸気絞り弁５及びＥＧＲ弁１２を制御する。より具体的には、目標空気量ｔＱａを実現するように、吸気絞り弁５を制御し、その上で、微調整のため、エアフローメータ２３により実空気量Ｑａを検出し、Ｑａ＝ｔＱａとなるように、ＥＧＲ弁１２でフィードバック制御を行う。

図４はアイドル回転数制御の第２実施形態のフローチャートである。尚、本フローも、アイドル運転条件にて所定時間毎に実行される。
Ｓ２１〜Ｓ２４は、図３のＳ１〜Ｓ４と同じであるので、説明を省略し、Ｓ２３での判定で、目標λ≦＃ＬＡＭＢの場合について説明する。
目標λ≦＃ＬＡＭＢの場合は、燃料噴射量のトルク感度が小さくなるため、燃焼開始時期（燃料噴射弁９の燃料噴射時期）によるアイドル回転数制御を実施すべく、Ｓ２５へ進む。

Ｓ２５では、エンジン回転数Ｎｅと目標アイドル回転数Ｎｓとの大小を比較する。
Ｓ２５での比較の結果、エンジン回転数Ｎｅが目標アイドル回転数Ｎｓより低い場合（Ｎｅ＜Ｎｓの場合）は、先ず、Ｓ２６へ進む。
Ｓ２６では、目標アイドル回転数Ｎｓとエンジン回転数Ｎｅとの偏差（Ｎｓ−Ｎｅ）に応じた分、燃料噴射時期ＩＴを、燃焼開始時期の早期化によるエンジントルク増大方向（ＩＴ進角方向）に補正するための、フィードバック補正量ＦＢ＝ｆ（Ｎｓ−Ｎｅ）を算出する。

次に、Ｓ２７へ進み、フィードバック補正量ＦＢを吸気温Ｔａで補正する。すなわち、吸気温Ｔａが低い場合は、燃焼開始時期を早期化するために、燃料噴射時期ＩＴをより進角させる必要があるため、吸気温Ｔａが低いほど、フィードバック補正量ＦＢをより大きくするように補正する。
次に、Ｓ２８へ進み、次式のごとく、燃料噴射時期ＩＴ（エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑｆとから定められる値、又は前回値）にフィードバック補正量ＦＢを加算することにより、
ＩＴ＝ＩＴ＋ＦＢ
燃料噴射時期ＩＴを進角方向（燃焼開始時期の早期化によるエンジントルク増大方向）に補正・更新する。

Ｓ２５での比較の結果、エンジン回転数Ｎｅが目標アイドル回転数Ｎｓより高い場合（Ｎｅ＞Ｎｓの場合）は、先ず、Ｓ２９へ進む。
Ｓ２９では、エンジン回転数Ｎｅと目標アイドル回転数Ｎｓとの偏差（Ｎｅ−Ｎｓ）に応じた分、燃料噴射時期ＩＴを、燃焼開始時期の遅角化によるエンジントルク減少方向（ＩＴ遅角方向）に補正するための、フィードバック補正量ＦＢ＝ｆ（Ｎｅ−Ｎｓ）を算出する。

次に、Ｓ３０へ進み、フィードバック補正量ＦＢを吸気温Ｔａで補正する。すなわち、吸気温Ｔａが低い場合は、燃焼開始時期を遅角化するために、燃料噴射時期ＩＴをさほど遅角させる必要はないため、吸気温Ｔａが低いほど、フィードバック補正量ＦＢをより小さくするように補正する。
次に、Ｓ３１へ進み、次式のごとく、燃料噴射時期ＩＴ（エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑｆとから定められる値、又は前回値）からフィードバック補正量ＦＢを減算することにより、
ＩＴ＝ＩＴ−ＦＢ
燃料噴射時期ＩＴを遅角方向（燃焼開始時期の遅角化によるエンジントルク減少方向）に補正・更新する。

以上の実施形態によれば、目標アイドル回転数を設定する手段（Ｓ２、Ｓ２２）と、エンジン回転数を検出する手段（回転数センサ２１）と、エンジン回転数が目標アイドル回転数に一致するように、空気過剰率あるいは燃料噴射時期の少なくとも一方を制御することで、燃焼開始時期をフィードバック制御する手段（Ｓ５〜Ｓ１１、Ｓ２５〜Ｓ３１）とを備えることにより、アイドル回転数を応答良く制御することができる。

また、燃焼開始時期のフィードバック制御は、目標空気過剰率（目標λ）が所定値＃ＬＡＭＢ以下の場合に許可することにより、低λ領域で燃料噴射量のトルク感度が小さくなった場合に良好に対応できる。
また、前記所定値＃ＬＡＭＢは、燃料噴射量のみではなく、吸入空気量もエンジントルクに影響を及ぼすようになる空気過剰率とすることにより、許可領域を適切なものとすることができる。

また、エンジン回転数が目標アイドル回転数と一致するように、燃料噴射量をフィードバック制御する手段（Ｓ４、Ｓ２４）を備え、燃焼開始時期のフィードバック制御を許可する条件以外では、燃料噴射量のフィードバック制御を行うことにより、燃料噴射量がトルクに支配的な領域での制御性能を確保できる。
尚、低λ領域にて、あるいはその一部にて、燃料噴射量のフィードバック制御と、燃焼開始時期（空気過剰率、燃料噴射時期）のフィードバック制御とを併用して、アイドル回転数制御を行うようにしてもよい。

また、燃焼開始時期のフィードバック補正量を吸気温に応じて可変とする手段（Ｓ７、Ｓ１０、Ｓ２７、Ｓ３０）を備えることにより、環境変化にも対応できる。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図空気過剰率とエンジントルクとの関係を示す図アイドル回転数制御の第１実施形態のフローチャートアイドル回転数制御の第２実施形態のフローチャート

符号の説明

１ディーゼルエンジン
２吸気通路
３過給機
５吸気絞り弁
９燃料噴射弁
１０排気通路
１１ＥＧＲ通路
１２ＥＧＲ弁
１３ＮＯｘトラップ触媒
１４ＤＰＦ
２０コントロールユニット
２１回転数センサ
２２アクセル開度センサ
２３エアフローメータ
２４水温センサ
２５吸気温センサ

Claims

目標アイドル回転数を設定する手段と、
エンジン回転数を検出する手段と、
エンジン回転数が目標アイドル回転数に一致するように燃焼開始時期をフィードバック制御する手段と、
エンジン回転数が目標アイドル回転数に一致するように燃焼噴射量をフィードバック制御する手段と、
を備え、
目標空気過剰率が所定値以下の場合に前記燃焼開始時期のフィードバック制御を行う一方、目標空気過剰率が前記所定値未満の場合に前記燃料噴射量のフィードバック制御を行うことを特徴とする内燃機関のアイドル回転数制御装置。
前記燃焼開始時期は、吸入空気量あるいは燃料噴射時期の少なくとも一方で制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関のアイドル回転数制御装置。
前記所定値は、燃料噴射量のみではなく、吸入空気量もエンジントルクに影響を及ぼすようになる空気過剰率であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関のアイドル回転数制御装置。
前記燃焼開始時期のフィードバック補正量を吸気温に応じて可変とする手段を備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関のアイドル回転数制御装置。