JP4639480B2 - ディーゼルエンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明はディーゼルエンジンの制御装置、特にEGR装置(排気の一部を吸気通路へ再循環させる装置)と過給機を備えるものに関する。
【0002】
【従来の技術】
各エンジン運転条件毎にスモークおよびパーティキュレートをあまり発生させない最適な空気過剰率とNOxをあまり発生させない最適なEGR率との組み合わせが存在することに着目して、理想的な空気過剰率とEGR率との関係を直線で表し(図76の直線M参照)、吸入空気については現在の空気過剰率λnが目標空気過剰率λtと一致するように両者の偏差Δλに基づいてターボ過給機の可変ノズルの開度を制御するとともに、EGR率については現在の空気過剰率λnに対して直線Mの関係を満たすEGR率γtを目標として現在のEGR率γnとの偏差Δγに基づきEGR弁開度を制御するようにしたものが提案されている(特開平10−288043号公報参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、エンジンに吸入されるガスの空気過剰率を調整する手段としての可変容量ターボ過給機は、過給機の流量可変手段である可変ノズルの開口割合を大きくするほどたとえば過給圧が小さくなり空気過剰率が減少してゆく。またエンジンに吸入されるガスの酸素濃度を調整する手段としてのEGR装置は、EGR率(EGR量)を大きくするほど酸素濃度が減少してゆく。
【0004】
これらエンジンに吸入されるガス中の空気過剰率や酸素濃度が燃費や排気エミッション(特にNOx)に及ぼす影響は次の通りである。すなわち、空気に対する燃料分が増えて空気過剰率が低くなると燃費が悪くなり、この逆に空気過剰率が高くなると燃費がよくなる。また、エンジンに吸入されるガス中の酸素濃度が高くなると燃焼状態がよくなって高温で発生するNOxが増え、この逆に酸素濃度が低くなると燃焼温度が抑えられNOxが減る。
【0005】
これらの特性より過渡時に燃費を良くしかつNOxを低減するには過渡時においても空気過剰率を高くしかつ酸素濃度を低くすることが望まれる。すなわち、空気過剰率と酸素濃度がそれぞれ目標値へと過渡的に変化するとき、空気過剰率に対する酸素濃度の変化の経路を酸素濃度が低い側に調整して、酸素濃度が低くかつ空気過剰率が高い状態にある時間を長くすることが望まれる。
【0006】
たとえば図75(a)に示すように運転条件がA点にある状態から酸素濃度と空気過剰率がともに高くなるB点(目標値)へと過渡的に変化するとき、従来装置ではターボ過給機による空気過剰率の変更動作がEGR装置による酸素濃度の変更動作より遅れて開始するため酸素濃度の方が空気過剰率より速く目標値に近づこうとすることから、結果的に図で上に凸の経路▲1▼を辿って目標値に達する。すなわちA点からB点へと直線的に変化する場合より酸素濃度が高くかつ空気過剰率が低い状態にある時間が長くなり、これによりNOxが増えるとともに燃費も悪くなる。
【0007】
さらに考えると空気過剰率、酸素濃度の目標値の過渡的な変化は全部で4つある。すなわち過渡的な変化は図75(a)に示した変化を含めて図75(b)に示すように次の4つになる。
【0008】
〈1〉A点からB点への変化(空気過剰率と酸素濃度の各目標値がともに高くなる方向への変化)、
〈2〉C点からB点への変化(酸素濃度の目標値が高くなりかつ空気過剰率の目標値が低くなる方向への変化)、
〈3〉D点からB点への変化(空気過剰率と酸素濃度の各目標値がともに低くなる方向への変化)、
〈4〉E点からB点への変化(酸素濃度の目標値が低くなりかつ空気過剰率の目標値が高くなる方向への変化)、
ここで、〈2〉の場合にも前述した〈1〉の場合と同様、従来装置ではターボ過給機による空気過剰率の変更動作がEGR装置による酸素濃度の変更動作より遅れて開始するため酸素濃度の方が空気過剰率より速く目標値に近づこうとするので、図で上に凸の経路▲3▼を辿って目標値に達する。すなわちC点からB点へと直線的に変化する場合より酸素濃度が高くかつ空気過剰率が低い状態にある時間が長くなり、これによりNOxが増えるとともに燃費も悪くなる。
【0009】
なお、従来装置の図76においてu点からp点へと変化する場合が図75(a)、(b)のA点からB点へと変化する場合に対応する。これは、図76においてu点から図で下に凸の経路を通ってp点へと達しているが(一点鎖線参照)、図76に示す縦軸のEGR率と図75(a)、(b)に示す縦軸の酸素濃度とはちょうど反比例の関係を有するため、図76のu点からp点への下に凸の変化を図75(a)、(b)に移すと上に凸の変化となり▲1▼と一致するからである。
【0010】
このように、従来装置では排気と燃費が最適となるように設定した空気過剰率とEGR率(酸素濃度)の目標値に対して最短時間で到達するように制御を行うだけで過渡状態の瞬時の排気および燃費のレベルが最適になっているかどうかまでは考慮していないため、過渡状態の時間が短くても過渡時全体の排気、燃費が最適であるとはいえない。
【0011】
そこで本発明は、過給機(空気過剰率調整手段)とEGR装置(酸素濃度調整手段)を用いて空気過剰率と酸素濃度とをともに制御するに際して、少なくとも酸素濃度の目標値が高くなる側に変化する場合すなわち図75(b)のうちA点またはC点からB点の目標値へと変化する場合(上記〈1〉または〈2〉の場合)に、空気過剰率に対する酸素濃度の変化の経路が酸素濃度の低い側になるよう図で経路▲1▼または▲3▼よりも下側の経路、例えば経路▲2▼または▲6▼を辿らせ、経路▲1▼または▲3▼を辿る従来装置より酸素濃度が低くかつ空気過剰率が高い状態にある時間を長くすることにより、過渡時全体としてNOx低減と燃費向上をともに図ることを目的とする。
【0012】
なお、図75(b)のうちD点またはE点からB点へと変化する場合(上記〈3〉、〈4〉の場合)には図で下に凸の経路▲4▼または▲5▼を辿り、D点またはE点から直線的にB点へと変化する場合より酸素濃度が低くかつ空気過剰率が高い状態にある時間が長くなるので、このままで問題ない。
【0013】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、図77に示すように
エンジンに吸入されるガスの空気過剰率を調整可能なターボ過給機71と、エンジンに吸入されるガスの酸素濃度としてのEGR率を調整可能なEGR装置72と、運転条件に応じた空気過剰率とEGR率の目標値を設定する目標値設定手段73、74と、実EGR率を演算する実EGR率演算手段75と、EGR率の目標値が実EGR率より小さいときに、EGR率の目標値が実EGR率と一致するときよりもEGR率の応答の時定数が大きくなるようにゲインを変更するゲイン変更手段76と、EGR率の目標値及びこの変更されたゲインに基づいて目標EGR量を演算する目標EGR量演算手段77と、この目標EGR量が得られるように前記EGR装置72を制御する制御手段78と、前記空気過剰率の目標値に基づいて前記ターボ過給機71を制御する制御手段79とを備える。
【0020】
【発明の効果】
運転条件の変化により酸素濃度の目標値が高くなる側に変化したとき、たとえば図75(b)に示したように運転条件の変化により空気過剰率と酸素濃度の目標値がともに高くなる側に変化したときや空気過剰率の目標値が低くなりかつ酸素濃度の目標値が高くなる側に変化したとき(A点やC点よりB点へと変化する場合)に、従来装置では空気過剰率が低くかつ酸素濃度が高い経路である、<1>や<3>を辿るのに対して、第1の発明によればゲイン変更手段によりターボ過給機による空気過剰率の変更動作とEGR装置による酸素濃度の変更動作のうちEGR装置の変更動作に要する時間または変更動作の開始時期を調整して、変更動作中の空気過剰率に対する酸素濃度の変化の経路を酸素濃度が低い側にすることで酸素濃度が低くかつ空気過剰率が高い経路である<2>や<6>を辿ることから酸素濃度が低くかつ空気過剰率が高い状態にある時間が長くなり、過渡時のNOxと燃料消費率をともに低減することが可能となる。
【0023】
【発明の実施の形態】
図1に、熱発生率のパターンが単段燃焼となる、いわゆる低温予混合燃焼を行わせるための構成を示す。なお、この構成そのものは特開平8−86251号公報などにより公知である。
【0024】
さて、NOxの生成は燃焼温度に大きく依存し、その低減には燃焼温度の低温化が有効である。低温予混合燃焼では、EGRによる酸素濃度の低減で、低温燃焼を実現するため、排気通路2と吸気通路3のコレクタ部3aとを結ぶEGR通路4に、圧力制御弁5からの制御圧力に応動するダイヤフラム式のEGR弁6(EGR装置)を備えている。
【0025】
圧力制御弁5は、コントロールユニット41からのデューティ制御信号により駆動されるもので、これによって運転条件に応じた所定のEGR率を得るようにしている。たとえば、低回転低負荷域でEGR率を最大の100パーセントとし、回転速度、負荷が高くなるに従い、EGR率を減少させる。高負荷側では排気温度が上昇するため、多量のEGRガスを還流すると、吸気温度の上昇によってNOx低減の効果が減少したり、噴射燃料の着火遅れ期間が短くなって予混合燃焼が実現できなくなる等のため、EGR率を段階的に減少させている。
【0026】
EGR通路4の途中には、EGRガスの冷却装置7を備える。これは、EGR通路4の周りに形成されエンジン冷却水の一部が循環されるウォータジャケット8と、冷却水の導入口7aに設けられ冷却水の循環量を調整可能な流量制御弁9とからなり、コントロールユニット41からの指令により、制御弁9を介して循環量を増やすほどEGRガスの冷却度が増す。
【0027】
燃焼促進のため吸気ポート近傍の吸気通路に所定の切欠を有するスワールコントロールバルブ(図示しない)を備える。コントロールユニット41により、このスワールコントロールバルブが低回転速度低負荷域で閉じられると、燃焼室に吸入される吸気の流速が高まり燃焼室にスワールが生成される。
【0028】
燃焼室は大径トロイダル燃焼室(図示しない)である。これは、ピストンキャビティを、入口を絞らずピストンの冠面から底部まで円筒状に形成したもので、その底部中央には、圧縮行程後期にピストンキャビティの外部から旋回しながら流れ込むスワールに抵抗を与えないように、さらに空気と燃料の混合を良好にするため、円錐部が形成されている。この入口を絞らない円筒状のピストンキャビティにより、前述のスワールバルブ等によって生成されたスワールは、燃焼過程でピストンが下降していくのに伴い、ピストンキャビティ内からキャビティ外に拡散され、キャビティ外でもスワールが持続される。
【0029】
エンジンにはコモンレール式の燃料噴射装置10を備える。これを図2により概説する。
【0030】
この燃料噴射装置10は、主に燃料タンク11、燃料供給通路12、サプライポンプ14、コモンレール(蓄圧室)16、気筒毎に設けられるノズル17からなり、サプライポンプ14により加圧された燃料は燃料供給通路15を介して蓄圧室16にいったん蓄えられたあと、蓄圧室16の高圧燃料が気筒数分のノズル17に分配される。
【0031】
ノズル17は、針弁18、ノズル室19、ノズル室19への燃料供給通路20、リテーナ21、油圧ピストン22、針弁18を閉弁方向(図で下方)に付勢するリターンスプリング23、油圧ピストン22への燃料供給通路24、この通路24に介装される三方弁(電磁弁)25などからなり、ノズル内の通路20と24が連通して油圧ピストン22上部とノズル室19にともに高圧燃料が導かれる三方弁25のOFF時(ポートAとBが連通、ポートBとCが遮断)には、油圧ピストン22の受圧面積が針弁18の受圧面積より大きいことから、針弁18が着座状態にあるが、三方弁25がON状態(ポートAとBが遮断、ポートBとCが連通)になると、油圧ピストン22上部の燃料が戻し通路28を介して燃料タンク11に戻され、油圧ピストン22に作用する燃料圧力が低下する。これによって針弁18が上昇してノズル先端の噴孔より燃料が噴射される。三方弁25をふたたびOFF状態に戻せば、油圧ピストン22に蓄圧室16の高圧燃料が導びかれて燃料噴射が終了する。つまり、三方弁25のOFFからONへの切換時期により燃料の噴射開始時期が、またON時間により燃料噴射量が調整され、蓄圧室16の圧力が同じであれば、ON時間が長くなるほど燃料噴射量が多くなる。26は逆止弁、27はオリフィスである。
【0032】
この燃料噴射装置10にはさらに、蓄圧室圧力を調整するため、サプライポンプ14から吐出された燃料を戻す通路13に圧力調整弁31を備える。この調整弁31は通路13の流路を開閉するもので、蓄圧室16への燃料吐出量を調整することにより蓄圧室圧力を調整する。蓄圧室16の燃料圧力(噴射圧)によって燃料噴射率が変化し、蓄圧室16の燃料圧力が高くなるほど燃料噴射率が高くなる。
【0033】
アクセル開度センサ33、エンジン回転速度とクランク角度を検出するセンサ34、気筒判別のためのセンサ35、水温センサ36からの信号が入力されるコントロールユニット41では、エンジン回転速度とアクセル開度に応じて目標燃料噴射量と蓄圧室16の目標圧力を演算し、圧力センサ32により検出される蓄圧室圧力がこの目標圧力と一致するように圧力調整弁31を介して蓄圧室16の燃料圧力をフィードバック制御する。
【0034】
また、演算した目標燃料噴射量に対応して三方弁25のON時間を制御するほか、三方弁25のONへの切換時期を制御することで、運転条件に応じた所定の噴射開始時期を得るようにしている。たとえば、高EGR率の低回転速度低負荷側で噴射燃料の着火遅れ期間が長くなるように燃料の噴射時期(噴射開始時期)をピストン上死点(TDC)にまで遅延している。この遅延により、着火時期の燃焼室内の温度を低温状態にし、予混合燃焼比率を増大させることにより、高EGR率域でのスモークの発生を抑える。これに対して、回転速度、負荷が高くなるにしたがい、噴射時期を進めている。これは、着火遅れの時間が一定であっても、着火遅れクランク角度(着火遅れの時間をクランク角度に換算した値)がエンジン回転速度の増加に比例して大きくなり、低EGR率時に所定の着火時期を得るために、噴射時期を進めるのである。
【0035】
図1に戻り、EGR通路4の開口部下流の排気通路2に可変容量ターボ過給機を備える。これは、排気タービン52のスクロール入口に、圧力アクチュエータ54により駆動される可変ノズル53を設けたもので、コントロールユニット41により、可変ノズル53は低回転速度域から所定の過給圧が得られるように、低回転速度側では排気タービン52に導入される排気の流速を高めるノズル開度(傾動状態)に、高回転速度側では排気を抵抗なく排気タービン52に導入させノズル開度(全開状態)に制御する。
【0036】
上記の圧力アクチュエータ54は、制御圧力に応動して可変ノズル53を駆動するダイヤフラムアクチュエータ55と、このアクチュエータ55への制御圧力を調整する圧力制御弁56とからなり、可変ノズル53の開口割合が、後述するようにして得られる目標開口割合Rvntとなるように、デューティ制御信号が作られ、このデューティ制御信号が圧力制御弁56に出力される。
【0037】
さて、過給圧制御という観点からみると、EGR制御も、過給圧制御の役割を物理的に果たしている。つまり、EGR量を変化させることにより過給圧も変化する。逆に、過給圧を変化させると、排気圧力が変化するため、EGR量も変化することになり、過給圧とEGR量とは独立に制御できない。また、ややもするとお互いに制御上の外乱となっている。なお、一方を変化させた場合に、制御精度を確保するには、他方を適合し直すことであるが、他方を適合し直した後には、もう一方を再適合しなければならなくなるので、この方法では、過渡時の制御精度を確保することが困難である。
【0038】
このように、過給圧とEGR量とはお互いに影響を与え、EGR量を変えると、ノズル開度を変える必要があるなど適切な適合が困難な上に、特に過渡時は双方の制御精度が低下するので、コントロールユニット41では、目標吸入空気量tQacと目標EGR量や目標EGR率Megrに遅れ処理を施した値である実EGR量Qecや実GR率Megrdからターボ過給機の作動目標値である可変ノズル53の目標開口割合Rvntを設定するほか、目標空気過剰率Tlambと実EGR率Megrdとから所定の演算式(後述する)により目標当量比Tfbyaを設定し、この目標当量比Tfbyaに基づいて上記の目標吸入空気量tQacと最終目標噴射量Qfinを演算し、これら目標吸入空気量tQacと最終目標噴射量Qfinが得られるように吸入空気量と噴射量を制御するようにしている。
【0039】
また、運転条件の変化を受けて少なくとも目標EGR率Megr(目標酸素濃度)が高くなる側に変化したとき、EGR装置(酸素濃度調整手段)による酸素濃度の変更動作に要する時間が、ターボ過給機(空気過剰率調整手段)による空気過剰率の変更動作に要する時間より長くなるように空気過剰率とEGR率を制御する。
【0040】
コントロールユニット41で実行されるこの制御の内容を、以下のフローチャートにしたがって説明する。
【0041】
まず、図3は目標燃料噴射量Qsolを演算するためのもので、REF信号(クランク角の基準位置信号で、4気筒エンジンでは180度毎、6気筒エンジンでは120度毎の各信号)の入力毎に実行する。
【0042】
ステップ1、2でエンジン回転速度Neとアクセル開度Clを読み込み、ステップ3では、これらNeとClに基づいて、図4を内容とするマップを検索すること等により、基本燃料噴射量Mqdrvを演算し、ステップ4ではこの基本燃料噴射量Mqdrvに対してエンジン冷却水温等による増量補正を行い、補正後の値を目標燃料噴射量Qsolとして設定する。
【0043】
図5はEGR弁6の開口面積Aevを演算するためのもので、REF信号の入力毎に実行する。ステップ1では目標EGR量Tqekを演算する。このTqekの演算については図7のフローにより説明する。
【0044】
図7(図5ステップ1のサブルーチン)において、ステップ1、2では1シリンダ当たりの吸入空気量Qacnと目標EGR率Megrを演算する。
【0045】
ここで、Qacnの演算については図8のフローにより、またMegrの演算については図11のフローにより説明する。
【0046】
まず、図8において、ステップ1ではエンジン回転速度Neを読み込み、このエンジン回転速度Neとエアフローメータより得られる吸入空気量Qas0とから
【0047】
【数1】
Qac0=(Qas0/Ne)×KCON#、
ただし、KCON#:定数、
の式により1シリンダ当たりの吸入空気量Qac0を演算する。
【0048】
上記のエアフローメータ39(図1参照)は、コンプレッサ上流の吸気通路3に設けており、エアフローメータ39からコレクタ部3aまでの輸送遅れ分のディレイ処理を行うため、ステップ3ではL(ただしLは定数)回前のQac0の値をコレクタ入口部3a位置における1シリンダ当たりの吸入空気量Qacnとして求めている。そして、ステップ4ではこのQacnに対して
【0049】
【数2】
Qac=Qacn-1×(1−KIN×KVOL)+Qacn×KIN×KVOL、
ただし、KIN:体積効率相当値、
KVOL:VE/NC/VM、
VE:排気量、
NC:気筒数、
VM:吸気系容積、
Qacn-1:前回のQac、
の式(一次遅れの式)により吸気弁位置における1シリンダ当たりの吸入空気量(この吸入空気量を、以下「シリンダ吸入空気量」で略称する。)Qacを演算する。これはコレクタ入口部3aから吸気弁までのダイナミクスを補償するためのものである。
【0050】
上記数1式右辺の吸入空気量Qas0の検出については図9のフローにより説明する。図9のフローは4ms毎に実行する。
【0051】
ステップ1ではエアフローメータ39の出力電圧Usを読み込み、このUsからステップ2で図10を内容とする電圧−流量変換テーブルを検索すること等により吸入空気量Qas0 dを演算する。さらに、ステップ3でこのQas0 dに対して加重平均処理を行い、その加重平均処理値を吸入空気量Qas0として設定する。
【0052】
次に、図11において、ステップ1ではエンジン回転速度Ne、目標燃料噴射量Qsol、エンジン冷却水温Twを読み込む。ステップ2ではエンジン回転速度Neと目標燃料噴射量Qsolから図12を内容とするマップを検索すること等により基本目標EGR率Megrbを演算する。この場合、基本目標EGR率は、エンジンの使用頻度の高い領域、つまり低回転速度、低負荷(低噴射量)になるほど大きくなり、スモークが発生しやすい高出力時には小さくする。
【0053】
次にステップ3で冷却水温Twから図13を内容とするテーブルを検索すること等により、基本目標EGR率の水温補正係数Kegr twを演算する。そして、ステップ4において、基本目標EGR率とこの水温補正係数とから、
【0054】
【数3】
Megr=Megrb×Kegr tw
の式により目標EGR率Megrを算出する。
【0055】
ステップ5ではエンジンの状態が完爆状態であるか否かを判定する。ただし、この完爆の判定は、図14のフローで後述する。
【0056】
ステップ6では完爆状態かどうかみて、完爆状態のときは、今回の処理をそのまま終了し、完爆状態でないと判定されたときは、目標EGR率Megrを0として今回の処理を終了する。
【0057】
これにより、エンジンの完爆後にEGR制御が行われ、完爆前は安定した始動性を確保するためにもEGRは行われない。
【0058】
図14はエンジンの完爆を判定するためのものである。ステップ1でエンジン回転速度Neを読み込み、このエンジン回転速度Neと完爆回転速度に相当する完爆判定スライスレベルNRPMKとをステップ2において比較する。Neのほうが大きいときは完爆と判断し、ステップ3に進む。ここでは、カウンタTmrkbと所定時間TMRKBPとを比較し、カウンタTmrkbが所定時間よりも大きいときは、ステップ4に進み、完爆したものとして処理を終了する。
【0059】
これに対して、ステップ2でNeのほうが小さいときは、ステップ6に進み、カウンタTmrkbをクリアし、ステップ7で完爆状態にはないものとして処理を終了する。また、ステップ2でNeよりも大きいときでも、ステップ3でカウンタTmrkbが所定時間よりも小さいときは、ステップ5でカウンタをインクリメントし、完爆でないと判断する。
【0060】
これらにより、エンジン回転速度が所定値(たとえば400rpm)以上であって、かつこの状態が所定時間にわたり継続されたときに完爆したものと判定するのである。
【0061】
このようにして図8によりシリンダ吸入空気量Qacn、図11により目標EGR率Megrの演算を終了したら、図7のステップ3に戻り、両者から
【0062】
【数4】
Mqec=Qacn×Megr
の式により要求EGR量Mqecを演算する。
【0063】
ステップ4ではこのMqecに対して、KIN×KVOLを加重平均係数とする
【0064】
【数5】
Rqec=Mqec×KIN×KVOL+Rqecn-1×(1−KIN×KVOL)、
ただし、KIN:体積効率相当値、
KVOL:VE/NC/VM、
VE:排気量、
NC:気筒数、
VM:吸気系容積、
Rqecn-1:前回の中間処理値、
の式により、中間処理値(加重平均値)Rqecを演算し、このRqecと要求EGR量Mqecを用いてステップ5で
【0065】
【数6】
Tqec=Mqec×GKQEC+Rqecn-1×(1−GKQEC)、
ただし、GKQEC:進み補正ゲイン、
の式により進み補正を行って、1シリンダ当たりの目標EGR量Tqecを演算する。要求値に対して吸気系の遅れ(すなわちEGR弁6→コレクタ部3a→吸気マニホールド→吸気弁の容量分の遅れ)があるので、ステップ4、5はこの遅れ分の進み処理を行うものである。
【0066】
数6式の進み補正ゲインGKQECは目標EGR量の応答の時定数と逆数の関係にあり、進み補正ゲインを大きくするほど応答の時定数が小さくなり(応答が速くなり)、この逆に補正ゲインを小さくすると応答の時定数が大きくなる(応答が遅くなる)。この進み補正ゲインの演算については図74によりさらに説明する。
【0067】
図74においてステップ1では目標EGR率Megr、実EGR率Megrd(図17で後述する)、進み補正ゲインのデフォルト値(初期設定値)GKQEC0を読み込み、ステップ2で目標EGR率Megrと実EGR率Megrdを比較する。定常状態であれば目標EGR率と実EGR率は一致するので、目標EGR率が実EGR率より小さい場合とは、運転条件の変化により目標EGR率が低くなる側に変化しその目標値へと遅れて実EGR率が追従している過渡期間中(すなわち酸素濃度の目標値が高くなる側に変化し実際の酸素濃度がその目標値に到達するまでの過渡期間中)である。この場合にはEGR率の応答(つまり酸素濃度の変更動作)の時定数を空気過剰率の応答(つまり空気過剰率の変更動作)の時定数より大きくしてEGR率の応答を空気過剰率の応答より遅らせるためステップ3に進み、
GKQEC=GKQEC0×Kgkqec、
ただし、Kgkqec:1より小さい正の定数、
の式により進み補正ゲインGKQECを算出する。
【0068】
ここで、定数Kgkqecの値を小さくするほどEGR率の応答が遅くなるので、EGR率の応答が空気過剰率の応答より遅れるようにKgkqecを運転性に影響を及ぼさない範囲でなるべく小さい値に設定する。なお、EGR量とEGR率は厳密には異なるが、進み補正ゲインGKQECによりEGR量の応答を定めることはEGR率の応答を定めることに通ずる。
【0069】
EGR率(酸素濃度)の応答を空気過剰率の応答より遅らせる方法はこれに限られない。理論的には次の4つの方法が考えられこのうち実施形態は〔1〕を採用するものである。
【0070】
〔1〕空気過剰率の応答はそのままで酸素濃度の応答を遅くする。
【0071】
〔2〕酸素濃度の応答はそのままで空気過剰率の応答を速くする。
【0072】
〔3〕空気過剰率の応答を速くするとともに酸素濃度の応答を遅くする。
【0073】
〔4〕酸素濃度の応答を遅くするとともに空気過剰率の応答を速くする。
【0074】
実際には、吸入空気(空気過剰率)の応答が遅れがちな過給機(空気過剰率調整手段)を備える場合に、空気過剰率の応答を速くすることになる〔2〕〜〔4〕の方法は現実的でない。もちろん将来的に応答の速い空気過剰率調整手段が出現したときには〔2〕〜〔4〕の方法を採用することが可能となる。
【0075】
なお、空気過剰率の応答の時定数は図29で後述する進み補正ゲインGkvntにより定まるがこの値は変更しない。
【0076】
一方、目標EGR率Megrが実EGR率Megrdに等しいとき(定常時)および目標EGR率Megrが実EGR率Megrdより大きいとき(目標EGR率が大きくなる側に変化するとき)にはステップ2よりステップ4に進み、デフォルト値GKQEC0をそのまま進み補正ゲインGKQECとする。
【0077】
図7に戻りステップ6では
【0078】
【数7】
Tqek=Tqec×(Ne/KCON#)/Kqac00
ただし、Kqac00:EGR量フィードバック補正係数、
KCON#:定数、
の式により単位変換(1シリンダ当たり→単位時間当たり)を行って、目標EGR量Tqekを求める。なお、EGR量フィードバック補正係数Kqac00の演算については後述する(図54参照)。
【0079】
このようにして目標EGR量Tqekの演算を終了したら、図5のステップ2に戻り、EGRガス(EGR弁を流れるガス)の流速(このEGRガスの流速を以下、単に「EGR流速」という)Cqeを演算し、このEGR流速Cqeと目標EGR量Tqekとから
【0080】
【数8】
Aev=Tqek/Cqe
の式でEGR弁開口面積Aevを演算する。なお、EGR流速Cqeの演算については後述する(図63により参照)。
【0081】
このようにして得られたEGR弁開口面積Aevは、図示しないフローにおいて図6を内容とするテーブルを検索する等によりEGR弁6のリフト量に変換され、このEGR弁リフト量になるように、圧力制御弁5へのデューティ制御信号が作られ、このデューティ制御信号が圧力制御弁5に出力される。
【0082】
次に、図15、図16はターボ過給機駆動用の圧力制御弁56に与える制御指令デューティ値Dtyvntを演算するためのもので、一定時間毎(たとえば10ms毎)に実行する。
【0083】
図15を第1実施形態、図16を第2実施形態とすると、2つの実施形態では可変ノズル53の目標開口割合Rvntを演算するのに用いるパラメータに違いがある(図15の第1実施形態では実EGR量Qecに基づいて、また図16の第2実施形態では実EGR率Megrdに基づいて可変ノズル53の目標開口割合Rvntを演算する)。
【0084】
なお、図15、図16はメインルーチンで、制御の大きな流れは図示のステップに従うものであり、各ステップの処理に対してサブルーチンが用意されている。したがって、以下ではサブルーチンを中心に説明していく。
【0085】
図17(図16のステップ2のサブルーチン)は実EGR率を演算するためのもので、10msの入力毎に実行する。ステップ1で目標EGR率Megr(図11で既に得ている)を読み込み、ステップ2でコレクタ容量分の時定数相当値Kkinを演算する。このKkinの演算については図18のフローにより説明する。
【0086】
図18(図17のステップ2のサブルーチン)において、ステップ1でエンジン回転速度Ne、目標燃料噴射量Qsol、後述する実EGR率の前回値であるMegrdn-1[%]を読み込み、このうちNeとQsolからステップ2において図19を内容とするマップを検索すること等により体積効率相当基本値Kinbを演算し、ステップ3では
【0087】
【数9】
Kin=Kinb×1/(1+Megrdn-1/100)
の式により体積効率相当値Kinを演算する。これはEGRによって体積効率が減少するので、その分の補正を行うようにしたものである。
【0088】
このようにして求めたKinに対し、ステップ4において吸気系容積とシリンダ容積の比相当の定数であるKVOL(図8のステップ4参照)を乗じた値をコレクタ容量分の時定数相当値Kkinとして演算する。
【0089】
このようにしてKkinの演算を終了したら図17のステップ3に戻り、このKkinと目標EGR率Megrを用い、
【0090】
【数10】
Megrd=Megr×Kkin×Ne×KE2#+Megrdn-1×(1−Kkin×Ne×KE2#)、
ただし、Kkin:Kin×KVOL#、
KE2#:定数、
Megrdn-1:前回のMegrd、
の式で遅れ処理と単位変換(1シリンダ当たり→単位時間当たり)を同時に行って吸気弁位置におけるEGR率Megrdを演算する。数10式の右辺のNe×KE2#が単位変換のための値である。目標EGR率Megrに対してこのMegrdは一次遅れで応答するため、このMegrdを、以下「実EGR率」という。
【0091】
図20(図15、図16のステップ2のサブルーチン)は目標吸入空気量tQacを演算するためのものである。ステップ1で実EGR率Megrd(図17で既に得ている)を読み込み、ステップ2で目標空気過剰率Tlambを演算する。この目標空気過剰率Tlambの演算については図21のフローにより説明する。
【0092】
図21において、ステップ1ではエンジン回転速度Ne、基本燃料噴射量Mqdrv、水温Tw、リッチスパイク実行フラグfrspkを読み込む。リッチスパイク実行フラグfrspkは、frspk=1のときリッチスパイクを実行することを、これに対してfrspk=0のときリッチスパイクを実行しないことを意味する。ここで、リッチスパイクとは空気過剰率を1以下にすることをいう。
【0093】
ここで、リッチスパイク実行フラグfrspkの設定について図67のフローにより説明する。まずステップ1でエンジン回転速度Ne、目標燃料噴射量Qsol、水温Twを読み込む。
【0094】
ステップ2、3、4はリッチスパイク許可条件であるかどうかを判定する部分である。すなわち、水温Twが所定温度TWRSK#を超えているかどうか、エンジン回転速度Neと目標燃料噴射量Qsolとがともに所定の範囲に入っているかどうかをみる。水温Twが所定温度TWRSK#を超えており(エンジンの暖機が完了している)、かつNeとQsolとがともに所定の範囲に入っているとき(リッチスパイクにより供給されるHCを用いて触媒にトラップしているNOxを還元浄化できる温度域にあるとき、したがって低負荷域のように排気温度が低い領域はNOx触媒が働かないので除く)、リッチスパイク許可条件にあると判断し、ステップ5、6に進んでリッチスパイク終了フラグfrspk1とリッチスパイク実行フラグの前回値であるfrspkn-1をみる。
【0095】
frspk1=0かつfrspkn-1=0のとき(リッチスパイク実行フラグfrspkの0から1への切換時)には、ステップ7、8でリッチスパイク実行カウンタCtrrhを所定値TMRRSK#(正の値)に設定するとともに、リッチスパイク実行フラグfrspk=1として今回の処理を終了する。上記の所定値TMRRSK#はリッチスパイクを実行する時間を定めるもので、触媒の容量によって異なる値とする。
【0096】
このフラグfrspk=1により次回からもリッチスパイク許可条件にあればステップ5、6よりステップ8に進み、リッチスパイク実行カウンタCtrrhをカウントダウンし、ステップ9でそのカウントダウンしたリッチスパイク実行カウンタCtrrhとゼロを比較する。
【0097】
カウントダウンの開始当初はCtrrh>0であるので、ステップ12の操作を行って今回の処理を繰り返す。次回以降もリッチスパイク許可条件にあればステップ8、9の操作を繰り返す。やがてリッチスパイク実行カウンタCtrrh=0となればリッチスパイクを終了させるためステップ10、11に進み、リッチスパイク終了フラグfrspk1=1とするとともにリッチスパイク実行フラグfrspk=0として今回の処理を終了する。
【0098】
リッチスパイク終了フラグfrspk1=1より次回にリッチスパイク許可条件であったとしても、ステップ5よりステップ6以降に進むことができない。
【0099】
一方、リッチスパイク許可条件でないときやリッチスパイクの途中でリッチスパイク許可条件からはずれたときにはステップ2、3、4よりステップ11、13に進んで、2つのフラグfrspk1=0、frspk=0として今回の処理を終了する。
【0100】
このように、リッチスパイク許可条件(運転条件)が成立し、まだリッチスパイクを行っていないときには所定時間リッチスパイクを実行して終了し、その後はリッチスパイク許可条件が続いていてもリッチスパイクを行わず、一度、リッチスパイク許可条件から外れて再びリッチスパイク条件が成立したときリッチスパイクをまた実行することで、不必要なリッチスパイクが行われることを防止している。
【0101】
図21に戻り、ステップ2ではエンジン回転速度Neと基本燃料噴射量Mqdrvより図22を内容とするマップを用いて目標空気過剰率基本値Tlambbを設定する。スモーク対策のため高負荷域でだけ空気過剰率に対する制限値を設定していた従来と異なり、本実施形態では図22に示したように全ての運転条件(Ne、Mqdrv)で最適な空気過剰率を設定している。すなわち、Tlambbの値はエンジン回転速度が一定であれば基本燃料噴射量Mqdrvが大きくなるほど小さくなり、またエンジン回転速度が高いほど小さくなる特性である。
【0102】
続いてステップ3、4、5で、水温Tw、吸気温Ta、大気圧Paより図23、図65、図66を内容とするテーブルを検索することにより水温補正係数Klamb tw、吸気温補正係数Klamb ta、大気圧補正係数Klamb paを設定し、リッチスパイク実行フラグfrspk=0(リッチスパイク非実行条件)のときにはステップ6よりステップ7に進み、目標空気過剰率基本値Tlambbに対してこれら3つの補正係数Klamb tw、Klamb ta、Klamb Paを乗じた値を目標空気過剰率Tlambとして演算する。
【0103】
ここで、水温補正係数Klamb twは低温時に増大するフリクションや燃焼の安定化のために空気過剰率を大きくして空気量を増大させるためのものである。吸気温補正係数Klamb taは吸気温Taが高い領域(図では80度以上)で空気過剰率を大きくして空気密度が低い分の空気量を増大するとともに燃焼温度を下げるためのもの、また大気圧補正係数Klamb Paも1気圧より低くなる高地で空気過剰率を大きくして、空気密度が低くなる分の空気量を大きくするためのものである。
【0104】
一方、リッチスパイク実行フラグfrspk=1(リッチスパイク実行条件)のときにはステップ6よりステップ8に進み、目標空気過剰率Tlambを1.0以下の一定値TLAMRC#とする。図示しないが、排気通路にNOxをトラップする触媒を設けている。ここでのリッチスパイクは還元剤としてのHCをこの触媒に供給することを目的としており、空気過剰率を1.0以下の値とすることで、排気中のHC濃度を高めることができる。
【0105】
このようにして目標空気過剰率Tlambを設定したら図20に戻り、ステップ3でこの目標空気過剰率Tlambと実EGR率Megrdとを用いて、
の式で目標当量比Tfbyaを演算する。
【0106】
上記の(31)式は次のようにして導いたものである。
【0107】
空気過剰率λは吸入空気量と燃料量から定まる供給空燃比を理論空燃比の14.7で割った値(吸入空気量と燃料量から定まる供給空燃比と理論空燃比との関係を表す値)であるから、Gaを吸入空気量(新気量)、GeをEGR量、Gfを燃料量とすれば、定常状態で次式が成立する。
【0108】
λ={Ga+Ge×(λ−1)/λ}/(Gf×14.7)・・・(32)
ここで、右辺の分子の第2項はEGR量の中に含まれる新気量である。これは、空気過剰率は本来、
λ=Ga/(Gf×14.7) ・・・(33)
の式により定義される値であるが、ディーゼルエンジンでは空気過多の状態で運転されEGRガス中に多くの新気量が含まれるため、本実施形態ではこの分を考慮したものである。(λ−1)/λはEGRガス中の酸素割合を示すのでGeにこの酸素割合を乗じることでEGR量の中に含まれる新気量を求めている。
【0109】
(32)式を次のように変形する。
【0110】
ただし、EGR率=Ge/Gaである。
【0111】
ここで、当量比と空気過剰率とは逆数の関係にあり、
当量比=Gf×14.7/Ga ・・・(35)
の式で定義されるので、(34)式右辺のGa/(Gf×14.7)=1/当量比であるから、これを(34)式に代入する。
【0112】
λ=(1/当量比)×{1+EGR率×(λ−1)/λ}・・・(36)
(36)式を当量比について整理すると次式を得る。
【0113】
(37)式の当量比、EGR率にそれぞれ目標当量比Tfbya、実EGR率Megrdを代入すると、上記(31)式が得られる。
【0114】
このようにして求められる目標空気過剰率Tlambと基本燃料噴射量Mqdrvとを用い、ステップ4において
tQac=Mqdrv×BLAMB#/Tfbya ・・・(38)
ただし、BLAMB#:14.7、
の式により目標吸入空気量tQacを演算する。
【0115】
図68は最終目標燃料噴射量Qfinを設定するためのもので、REF信号の入力毎に実行する。ステップ1では目標当量比Tfbya(図20のステップ3で既に得ている)、シリンダ吸入空気量Qac(図8で既に得ている)を読み込み、これらより
Qfin=(Qac/BLAMB#)×Tfbya ・・・(38)
ただし、BLAMB#:14.7
の式で最終目標燃料噴射量Qfinを演算する。求められた最終目標燃料噴射量Qfinは図示しないフローにより三方弁25のON時間に変換されて三方弁25へと出力される。
【0116】
このように本実施形態では、従来と相違して目標当量比Tfbyaに基づいて燃料噴射量が演算される。したがって、基本燃料噴射量Mqdrvや目標燃料噴射量Qsol(図3、図4参照)が燃料噴射量の基本となることはなく、これらはもっぱらエンジン負荷相当として扱われる。
【0117】
図69は吸気絞り弁の開度を設定するためのもので、一定時間毎(たとえば10ms毎)に実行する。ステップ1では上記の目標吸入空気量tQac(図20により既に得ている)のほか、エンジン回転速度Ne、目標EGR率Megr、基本燃料噴射量Mqdrvを読み込む。
【0118】
これらのうちエンジン回転速度Neと目標EGR率Megrからステップ2で図70を内容とするマップを検索することにより過給機の可変ノズル53で制御しうる最低吸入空気量基本値aQacbを演算するとともに、ステップ3では基本燃料噴射量Mqdrvから図71を内容とするテーブルを検索することにより負荷補正係数kaQqcを演算し、この負荷補正係数kaQqcをステップ4において最低吸入空気量基本値aQacbに乗じた値を過給機制御可能最低吸入空気量aQacとして算出する。
【0119】
ここで、aQacbの値は図70に示したようにエンジン回転速度Neが一定であれば目標EGR率Megrが大きくなるほど小さくなり、また目標EGR率Megrが一定のときエンジン回転速度Neが高いほど大きくなる特性である。また、負荷補正係数kaQqcは高負荷になるほど過給圧が上昇して吸入空気量が増加するので、これに合わせるためのものである。
【0120】
このようにして求めた過給機制御可能最低吸入空気量aQacと目標吸入空気量tQacとをステップ5で比較する。目標吸入空気量tQacが過給機制御可能最低吸入空気量aQac以上であれば過給機の可変ノズル53による制御で目標吸入空気量tQacを達成することが可能であるためステップ9に進んで吸気絞り弁開度TVOを絞り弁全開状態を表す所定値TVOWOT#(たとえば約80度)とすることで、吸気絞り弁60を閉じることによるポンピングロスを低減し、燃費の悪化を防止する。
【0121】
これに対して目標吸入空気量tQacが過給機制御可能最低吸入空気量aQacより小さいときには過給機の可変ノズル53による制御で目標吸入空気量tQacを達成することが不可能であるため(過給圧が最も高くなるように可変ノズル53を全閉としてもtQacが得られない)、ステップ6〜8で吸気絞りにより目標吸入空気量tQacを達成する。
【0122】
このうちステップ6、7はtQac(重量流量)を吸気絞り弁が制御できる体積流量に変換する部分である。すなわちステップ6で目標吸入空気量tQacより図72を内容とするテーブルを検索することにより吸気量比tDNVを演算し、これにステップ7においてエンジン回転速度Neと排気量VOL#を乗じて吸気絞り弁の目標開口面積tAtvoを算出する。そしてこの目標開口面積tAtvoからステップ8において図73を内容とするテーブルを検索することにより吸気絞り弁開度TVOを演算する。
【0123】
このようにしてステップ8で演算されあるいはステップ9で設定される吸気絞り弁開度TVOとなるようにスロットルアクチュエータにより吸気絞り弁が駆動される。
【0124】
図24(図15のステップ3のサブルーチン)は実EGR量を演算するためのものである。ステップ1でコレクタ入口部3a位置における1シリンダ当たりの吸入空気量Qacn(図8のステップ3で既に得ている)、目標EGR率Megr、コレクタ容量分の時定数相当値Kkinを読み込む。このうちQacnとMegrからステップ2で
【0125】
【数11】
Qec0=Qacn×Megr
の式によりコレクタ入口部3a位置における1シリンダ当たりのEGR量Qec0を演算し、このQec0とKkinを用いステップ3において、
【0126】
【数12】
Qec=Qec0×Kkin×Ne×KE#+Qecn-1×(1−Kkin×Ne×KE#)、
ただし、Kkin:Kin×KVOL、
KE#:定数、
Qecn-1:前回のQec、
の式により、上記の数10式と同様に遅れ処理と単位変換(1シリンダ当たり→単位時間当たり)を同時に行ってシリンダ吸入EGR量Qecを演算する。数12式の右辺のNe×KE#が単位変換のための値である。このQecは目標EGR量Tqekに対して一次遅れで応答するため、以下このQecを「実EGR量」という。また、目標吸入空気量tQacに対して一次遅れで応答する上記のQacを、以下「実吸入空気量」という。
【0127】
図25(図15のステップ4のサブルーチン)、図27(図16のステップ3のサブルーチン)は可変ノズル53の目標開口割合Rvntを演算するためのものである(図25が第1実施形態、図27が第2実施形態)。
【0128】
ここで、可変ノズル53の開口割合とは、可変ノズル53の全開時のノズル面積に対する現在のノズル面積の比のことである。したがって、可変ノズル53の全開時に開口割合は100%、全閉時に開口割合は0%となる。開口割合を採用する理由は汎用性を持たせる(ターボ過給機の容量と関係ない値とする)ためである。もちろん、可変ノズルの開口面積を採用してもかまわない。
【0129】
なお、実施形態のターボ過給機は、全開時に過給圧が最も小さく、全閉時に過給圧が最も高くなるタイプのものであるため、開口割合が小さいほど過給圧が高くなる。
【0130】
まず、第1実施形態の図25のほうから説明すると、ステップ1で目標吸入空気量tQac、実EGR量Qec、エンジン回転速度Ne、目標燃料噴射量Qsolを読み込む。
【0131】
ステップ2、3では
【0132】
【数13】
tQas0=(tQac+Qsol×QFGAN#)×Ne/KCON#、
Qes0=(Qec+Qsol×QFGAN#)×Ne/KCON#、
ただし、QFGAN#:ゲイン、
KCON#:定数、
の2つの式により、目標開口割合を設定するための吸入空気量相当値tQas0(以下、この吸入空気量相当値を「設定吸入空気量相当値」という)と同じく目標開口割合を設定するためのEGR量相当値Qes0(以下、このEGR量相当値を「設定EGR量相当値」という)を演算する。数13式において、tQac、QecにQsol×QFGAN#を加算しているのは、設定吸入空気量相当値、設定EGR量相当値に対して負荷補正を行えるようにし、かつその感度をゲインQFGAN#で調整するようにしたものである。また、Ne/KCON#は単位時間当たりの吸入空気量、EGR量に変換するための値である。
【0133】
このようにして求めた設定吸入空気量相当値tQas0と設定EGR量相当値tQes0からステップ4ではたとえば図26を内容とするマップを検索することにより可変ノズル53の目標開口割合Rvntを設定する。
【0134】
一方、第2実施形態の図27のほうでは、ステップ1で目標吸入空気量tQac、実EGR率Megrd、エンジン回転速度Ne、目標燃料噴射量Qsolを読み込み、ステップ2において、上記数13式のうち上段の式により設定吸入空気量相当値tQas0を演算し、この設定吸入空気量相当値tQas0と実EGR率Megrdからステップ3でたとえば図28を内容とするマップを検索することにより可変ノズル53の目標開口割合Rvntを設定する。
【0135】
図26、図28に示した特性は燃費重視で設定したものである。なお、排気重視で設定することも可能である。ただし、排気重視の設定例との違いは具体的な数値にしかないので、両者に共通する特性を先に説明し、その後に両者の違いについて説明する。なお、図28の特性は、縦軸が図26と相違するものの(図26において原点からの傾斜がEGR率を示す)、基本的に図26と変わるものでないため、図26のほうで説明する。
【0136】
図26に示すように、設定吸入空気量相当値tQas0の大きな右側の領域において設定EGR量相当値Qes0が増えるほど目標開口割合を小さくしている。これは次の理由からである。EGR量が多くなると、そのぶん新気が減り、これによって空燃比がリッチ側に傾くとスモークが発生する。そこで、EGR量が多くなるほど、目標開口割合を小さくして過給圧を高める必要があるからである。
【0137】
これに対して、tQas0の小さな左側の領域では過給効果があまり得られない。この領域でtQas0が小さくなるほど目標開口割合を小さくしている。これは次の理由からである。この領域でも目標開口割合を大きくすると、排気圧が立ち上がりにくいのでこれを避けたいこと、また全開加速のためにはその初期において開口割合が小さいほうがよいことのためである。このように、異なる2つの要求から図26の特性が基本的に定まっている。
【0138】
さて、図26で代表させた目標開口割合の傾向は、燃費重視と排気重視に共通のもので、両者の違いは具体的な数値にある。同図において「小」とある位置の数値は、ターボ過給機が効率よく働く最小の値であるため、燃費重視の設定例、排気重視の設定例とも同じで、たとえば20程度である。一方、「大」とある位置の数値が両者で異なり、燃費重視の設定例の場合に60程度、排気重視の設定例になると30程度になる。
【0139】
なお、目標開口割合の設定は上記のものに限られるものでない。第1実施形態では設定吸入空気量相当値tQas0と設定EGR量相当値tQes0とから目標開口割合を設定しているが、これに代えて、目標吸入空気量tQacと実EGR量Qecから設定してもかまわない。さらに、これに代えて目標吸入空気量tQacと目標EGR量(Qec0)から設定してもかまわない。同様にして、第2実施形態では設定吸入空気量相当値tQas0と実EGR率Megrdから目標開口割合を設定しているが、これに代えて、目標吸入空気量tQacと実EGR率Megrdから設定してもかまわない。さらに、これに代えて目標吸入空気量tQacと目標EGR率Megrから設定してもかまわない。
【0140】
図29(図15のステップ5、図16のステップ4のサブルーチン)は、上記のようにして求めた目標開口割合Rvntに対して、可変ノズル駆動用の圧力アクチュエータ54(圧力制御弁56とダイヤフラムアクチュエータ55からなる)のダイナミクスを補償するため、進み処理を行うものである。これは、可変ノズル53のアクチュエータが圧力アクチュエータである場合には、ステップモータである場合と異なり、無視できないほどの応答遅れがあるためである。
【0141】
ステップ1で目標開口割合Rvntを読み込み、このRvntと前回の予想開口割合であるCavntn-1をステップ2において比較する。ここで、予想開口割合Cavntとは、すぐ後で述べるように、目標開口割合Rvntの加重平均値である(ステップ10参照)。
【0142】
Rvnt>Cavntn-1であれば(可変ノズル53を開く側に動かしているとき)、ステップ3、4に進み、所定値GKVNTO#を進み補正ゲインGkvnt、所定値TCVNTO#を進み補正の時定数相当値Tcvntとして設定し、これに対して、Rvnt<Cavntn-1であるとき(可変ノズル53を閉じる側に動かしているとき)は、ステップ6、7に進み、所定値GKVNTC#を進み補正ゲインGkvnt、所定値TCVNTC#を進み補正の時定数相当値Tcvntとして設定する。また、RvntとCavntn-1が同一であればステップ8、9に進み、前回の進み補正ゲイン、進み補正の時定数相当値を維持する。
【0143】
可変ノズル53を開き側に動かしているときと閉じ側に動かしているときとで進み補正ゲインGkvnt、進み補正の時定数相当値Tcvntを相違させ、GKVNTO#<GKVNTC#、TCVNTO#<TCVNTC#としている。これは、可変ノズル53を閉じ側に動かすときは、排気圧に抗する必要があるので、そのぶんゲインGkvntを大きくし、かつ時定数を小さくする(時定数と逆数の関係にある時定数相当値Tcvntは大きくする)必要があるからである。
【0144】
ステップ10ではこのようにして求めた進み補正の時定数相当値Tcvntと目標開口割合Rvntを用いて、
【0145】
【数14】
Cavnt=Rvnt×Tcvnt+Cavntn-1×(1−Tcvnt)、
ただし、Cavntn-1:前回のCavnt、
の式により予想開口割合Cavntを演算し、この値と目標開口割合Rvntからステップ11において、
【0146】
【数15】
Avnt f=Gkvnt×Rvnt−(Gkvnt−1)×Cavntn-1、
ただし、Cavntn-1:前回のCavnt、
の式により進み補正を行い、目標開口割合のフィードフォワード量Avnt fを演算する。ステップ10、11の進み処理そのものは、図7のステップ4、5に示した進み処理と基本的に同様である。
【0147】
図30(図15のステップ6、図16のステップ5の各サブルーチン)は目標開口割合のフィードバック量Avnt fbを演算するためのものである。ステップ1で目標吸入空気量tQac、目標EGR率Megr、エンジン回転速度Ne、目標燃料噴射量Qsol、実吸入空気量Qacを読み込み、ステップ2では目標EGR率Megrと所定値MEGRLV#を比較する。
【0148】
Megr≧MEGRLV#であるとき(EGRの作動域であるとき)は、ステップ4において
【0149】
【数16】
dQac=tQac/Qac−1
の式により目標吸入空気量からの誤差割合dQacを演算する。dQacの値は0を中心とし、実際値としてのQacが目標値としてのtQacより小さいとき正の値に、この逆にQacがtQacより大きいとき負の値になる。
【0150】
一方、Megr<MEGRLV#であるとき(EGRの非作動域であるとき)は、ステップ3に進み、誤差割合dQac=0とする(すなわち、フィードバックを禁止する)。
【0151】
ステップ5ではNeとQsolから所定のマップを検索することによりフィードバックゲインの補正係数Khを演算し、この値をステップ6において各定数(比例定数KPB#、積分定数KIB#、微分定数KDB#)に掛けることによってフィードバックゲインKp、Ki、Kdを算出し、これらの値を用いて目標開口割合のフィードバック量Avnt fbをステップ7において演算する。このフィードバック量の演算方法は周知のPID処理である。
【0152】
上記の補正係数Khは、運転条件(Ne、Qsol)により適正なフィードバックゲインが変化するのに対応して導入したもので、負荷および回転速度が大きくなるほど大きくなる。
【0153】
図31(図15のステップ7、図16のステップ6の各サブルーチン)は、目標開口割合に対して線型化処理を行うためのものである。ステップ1で目標開口割合のフィードフォワード量Avnt fとフィードバック量Avnt fbを読み込み、この両者をステップ2において加算した値を指令開口割合Avntとして算出する。ステップ3ではこの指令開口割合Avntからたとえば図32を内容とするテーブル(線型化テーブル)を検索することにより指令開口割合線型化処理値Ratdtyを設定する。
【0154】
この線型化処理は、図32のように開口割合(あるいは開口面積)に対して、ターボ過給機を駆動するアクチュエータへの指令信号が非線型な特性を有する場合に必要となるものである。たとえば、図33に示したように空気量(過給圧)の変化幅が同じでも、空気量の小さな領域と空気量の大きな領域とでは、開口面積の変化幅がdA0、dA1と大きく異なる(ただしEGRなしのとき)。さらにEGRの有無(図では「w/o EGR」がEGRなし、「w/ EGR」がEGRありを表す)によっても開口面積の変化幅が変わる。したがって、運転条件に関係なく同じフィードバックゲインとしたのでは目標の吸入空気量(過給圧)が得られない。そこで、フィードバックゲインの適合を容易にするため、上記のように運転条件に応じたフィードバックゲインの補正係数Khを導入しているのである。
【0155】
図34(図15のステップ8、図16のステップ7の各サブルーチン)は圧力制御弁56に与えるONデューティ値(以下、単に「デューティ値」という)である制御指令値Dtyvntを設定するためのものである。まず、ステップ1でエンジン回転速度Ne、目標燃料噴射量Qsol、指令開口割合線型化処理値Ratdty、進み補正の時定数相当値Tcvnt、水温Twを読み込む。
【0156】
ステップ2ではデューティ選択信号フラグの設定を行う。このフラグ設定については図35のフローより説明する。図35において、ステップ1で指令開口割合Avntと進み補正の時定数相当値Tcvntを読み込み、これらからステップ2において、
【0157】
【数17】
Adlyvnt=Avnt×Tcvnt+Adlyvntn-1×(1−Tcvnt)、
ただし、Adlyvntn-1:前回のAdlyvnt、
の式により遅れ処理を行って予想開口割合Adlyvntを演算し、この値と前回の予想開口割合のM(ただしMは定数)回前の値であるAdlyvntn-Mとをステップ3において比較する。
【0158】
Adlyvnt≧Adlyvntn-Mであるとき(増加傾向または定常状態にあるとき)は、増加傾向または定常状態にあることを示すためステップ4で作動方向指令フラグfvnt=1とし、それ以外ではステップ5で作動方向指令フラグfvnt=0とする。ステップ6ではさらに増加傾向である場合と定常状態とを分離するため、AdlyvntとAdlyvntn-Mを比較し、Adlyvnt=Adlyvntn-Mであるときは、ステップ7でデューティ保持フラグfvnt2=1とし、それ以外ではステップ8でデューティ保持フラグfvnt2=0とする。
【0159】
このようにして2つのフラグfvnt、fvnt2の設定を終了したら、図34のステップ3に戻り、デューティ値の温度補正量Dty tを演算する。この演算については図36のフローより説明する。
【0160】
図36において、ステップ1でエンジン回転速度Ne、目標燃料噴射量Qsol、水温Twを読み込み、このうちNeとQsolからステップ2においてたとえば図37を内容とするマップを検索すること等により基本排気温度Texhbを演算する。ここで、Texhbは暖機完了後の排気温度である。これに対して暖機途中であれば暖機完了後の排気温度とは異なってくるため、ステップ3で水温Twよりたとえば図38を内容とするテーブルを検索すること等により排気温度の水温補正係数Ktexh twを演算し、この値をステップ4において上記の基本排気温度に乗算した値を排気温度Texhiとして演算する。
【0161】
ステップ5ではこの排気温度Texhiから
【0162】
【数18】
Texhdly=Texhi×KEXH#+Texhdlyn-1×(1−KEXH#)、
ただし、KEXH#:定数、
Texhdlyn-1:前回のTexhdly、
の式により遅れ処理を行った値を実排気温度Texhdlyとして演算する。これは、熱慣性分の遅れ処理を行うものである。
【0163】
ステップ6では基本排気温度Texhbとこの実排気温度Texhdlyとの差dTexhを演算し、この差dTexhからステップ7においてたとえば図39を内容とするテーブルを検索すること等によりデューティ値の温度補正量Dty tを演算する。ステップ6、7は、後述するヒステリシス対応に用いるマップ(Duty h p、Duty h n、Duty l p、Duty l nのマップ)を暖機完了後に対して設定することを念頭に置き、その状態からの差分(つまりdTexh)に応じた補正量を持たせるものである。なお、温度補正量Dty tによる補正は、雰囲気温度による温度特性を有するターボ過給機駆動用アクチュエータを使用する場合に必要となる処理である(図40参照)。
【0164】
このようにして温度補正量Dty tの演算が終了したら、図34のステップ4に戻る。
【0165】
図34のステップ4〜9はヒステリシス処理を行うものである。この処理を図45を用いて先に説明しておくと、これは、指令開口割合線型化処理値Ratdtyが増加傾向にあるときに上側の特性(Duty l pを可変ノズル全開時の指令信号、Duty h pを可変ノズル全閉時の指令信号とする直線特性)を用いるのに対して、指令開口割合線型化処理値Ratdtyが減少傾向にあるときには、もう一つの下側の特性(Duty l nを可変ノズル全開時の指令信号、Duty h nを可変ノズル全閉時の指令信号とする直線特性)を用いるものである。なお、Ratdtyが1に近い領域で2つの特性がひっくり返っている領域があるが、この領域が実際に使われることはない。
【0166】
図34に戻り、ステップ4でフラグfvnt1をみる。fvnt=1のとき(すなわち開口割合が増加傾向にあるかまたは定常状態にあるとき)は、ステップ5、6に進み、たとえば図41を内容とするマップ(Duty h pマップ)と図42を内容とするマップ(Duty l pマップ)を検索することにより可変ノズル全閉時のデューティ値Duty hと可変ノズル全開時のデューティ値Duty lをそれぞれ設定する。一方、fvnt=0のとき(すなわち開口割合が減少傾向にあるとき)は、ステップ7、8に進み、たとえば図43を内容とするマップ(Duty h nマップ)と図44を内容とするマップ(Duty l nマップ)を検索することにより可変ノズル全閉時のデューティ値Duty hと可変ノズル全開時のデューティ値Duty lをそれぞれ設定する。
【0167】
このようにして設定した可変ノズル全閉時のデューティ値Duty h、可変ノズル全開時のデューティ値Duty lと上記の指令開口割合線型化処理値Ratdtyを用いステップ9において、
【0168】
【数18】
Dty h=(Duty h−Duty l)×Ratdty+Duty l+Dty t
の式により線型補間計算を行って指令デューティ値基本値Dty hを演算する。つまり、線型補間計算に用いる直線の特性を、指令開口割合線型化処理値が増加傾向にあるかまたは定常状態にあるときと指令開口割合線型化処理値が減少傾向にあるときとで変更する(ヒステリシス処理を行う)ことで、指令開口割合線型化処理値が同じであっても、指令開口割合線型化処理値が増加傾向(または定常状態)にあるときのほうが、減少傾向にあるときより指令デューティ値基本値Dty hが大きくなる。
【0169】
ステップ10ではもう一つのフラグfvnt2をみる。fvnt2=1(すなわち指令開口割合線型化処理値の変化がない)ときは、ステップ11に進み、前回の制御指令デューティ値(後述する)であるDtyvntn-1を通常指令デューティ値Dtyvに入れ(デューティ値をホールドし)、fvnt2=0(すなわち開口割合が減少傾向にある)ときは、ステップ12に進み、最新の演算値であるDty hをDtyvとする。
【0170】
ステップ13では動作確認制御処理を行う。この処理については図46のフローより説明する。図46において、ステップ1で通常指令デューティ値Dtyv、エンジン回転速度Ne、目標燃料噴射量Qsol、水温Twを読み込む。
【0171】
動作確認制御に入るための条件判定は、ステップ2、3、4、5の内容を一つずつチェックすることにより行い、各項目のすべてが満たされたときにさらに制御実行までの時間の計測に入る。すなわち、
ステップ2:Qsolが所定値QSOLDIZ#未満(つまり燃料カット時)である、
ステップ3:Neが所定値NEDIZ#未満(つまり中回転速度域)である、
ステップ4:Twが所定値TWDIZ#未満(つまり暖機完了前)である、
ステップ5:動作確認制御済みフラグfdiz=0である(まだ動作確認制御を行っていない)、
とき、ステップ6で動作確認制御カウンタCtrdizをインクリメントする。
【0172】
ステップ7ではこの動作確認制御カウンタと所定値CTRDIZH#、CTRDIZL#を比較する。ここで、所定値CTRDIZL#、CTRDIZH#は動作確認制御カウンタの下限リミット、上限リミットをそれぞれ定めるもので、CTRDIZL#はたとえば2秒程度、CTRDIZH#はたとえば7秒程度の値である。したがって、動作確認制御カウンタが下限リミットであるCTRDIZL#と一致したタイミングより、動作確認制御カウンタが上限リミットであるCTRDIZH#未満であるあいだ、ステップ9に進み、動作確認制御指令デューティ値を設定する。つまり、CTRDIZH#−CTRDIZL#が動作確認制御実行時間となる。
【0173】
動作確認制御指令デューティ値の設定については図47のフローにより説明する。図47においてステップ1で動作確認制御カウンタCtrdiz、エンジン回転速度Neを読み込み、ステップ2においてCtrdiz−CTRDIZL#(≧0)よりたとえば図48を内容とするテーブルを検索することにより制御パターンDuty puを設定する。これは、短い周期で可変ノズル53を全閉位置と全開位置とに動かすものである。
【0174】
ステップ3では、エンジン回転速度Neからたとえば図49を内容とするテーブルを検索することによりデューティ値Duty p neを設定し、このDuty p neにステップ4において上記の制御パターンDuty puを乗じた値を制御指令デューティ値Dtyvntとして演算する。図49のように、制御パターンDuty puに乗じるデューティ値Duty p neをエンジン回転速度Neに応じた値としている。これは、エンジン回転速度により可変ノズル53の開閉動作を確認するデューティの指令値が異なることを想定したものである。たとえば、可変ノズル53は排気圧に抗して閉じる必要があるが、その排気圧は高回転になるほど高くなるので、これに対応してデューティの指令値を大きくしている。また、さらに高回転側では当制御による悪影響を受けないようにその値を下げるようにしている。
【0175】
図46に戻り、動作確認制御カウンタが下限リミットとしてのCTRDIZL#未満のときは、ステップ8よりステップ15に進み、通常指令デューティ値Dtyvを制御指令デューティ値Dtyvntとする。
【0176】
また、動作確認制御カウンタが上限リミットとしてのCTRDIZH#以上になると、ステップ7よりステップ10に進み、前回の動作確認制御カウンタであるCtrdizn-1と上限リミットとしてのCTRDIZH#を比較する。Ctrdizn-1<CTRDIZH#であれば、動作確認制御カウンタが上限リミットとしてのCTRDIZH#以上になった直後と判断し、動作確認制御を終了するため、ステップ11で制御指令デューティ値Dtyvnt=0とする。これは、動作確認制御終了時に一度、可変ノズル53を全開にして、通常制御時の制御精度を確保するためである。ステップ12では、動作確認制御済みフラグfdiz=1として、今回の処理を終了する。このフラグfdiz=1により、次回以降ステップ6以降に進むことができないので、エンジンを始動した後に動作確認制御が2度行われることはない。
【0177】
動作確認制御カウンタが上限リミットとしてのCTRDIZH#以上になった直後でないときは、ステップ10よりステップ14に進み、次回に備えるため動作確認制御カウンタCtrdiz=0とした後、ステップ15の処理を実行する。
【0178】
一方、Qsolが所定値QSOLDIZ#以上(燃料カット時でない)であるとき、Neが所定値NEDIZ#以上(高回転速度域)であるとき、Twが所定値TWDIZ#以上(暖機完了後)であるときは動作確認制御を禁止するため、ステップ2、3、4よりステップ13に進み、フラグfdiz=0としたあと、ステップ14、15の処理を実行する。
【0179】
このように、特に低温時など、ターボ過給機駆動用アクチュエータの動作が不安定な場合に動作確認制御を行わせることで、可変ノズルの動きが滑らかとなり、ターボ過給機駆動用アクチュエータの動作をより確実にすることができる。
【0180】
以上で、図15、図16の説明を終了する。
【0181】
次に、図50はEGR量の演算とEGR流速の演算に用いる2つのフィードバック補正係数Kqac00、Kqac0とEGR流速学習補正係数Kqacを演算するためのもので、REF信号の入力毎に実行する。
【0182】
まず、ステップ1で目標吸入空気量tQac、実吸入空気量Qac、エンジン回転速度Ne、目標燃料噴射量Qsolを読み込む。ステップ2では、目標吸入空気量tQacから
【0183】
【数19】
tQacd=tQac×KIN×KVOL×KQA#+tQacdn-1×(1−KIN×KVOL×KQA#)、
ただし、KIN:体積効率相当値、
KVOL:VE/NC/VM、
VE:排気量、
NC:気筒数、
VM:吸気系容積、
KQA#:定数、
tQacdn-1:前回のQacd、
の式(一次遅れの式)により目標吸入空気量遅れ処理値tQacdを演算する。これは、吸気系容積分の存在に伴う空気の供給遅れのために、後述する2つのフィードバック補正係数Kqac00、Kqac0や学習値Rqacが大きくならないように遅れ処理を施したものである。
【0184】
ステップ3ではフィードバック関連の各種フラグを読み込む。これらの設定については図51、図52、図53のフローより説明する。
【0185】
図51、図52、図53は図50と独立に一定時間毎(たとえば10ms毎)に実行する。
【0186】
図51はフィードバック許可フラグfefbを設定するためのものである。ステップ1でエンジン回転速度Ne、目標燃料噴射量Qsol、実EGR率Megrd、水温Twを読み込む。
【0187】
フィードバック許可条件の判定は、ステップ2〜5、8の内容を一つずつチェックすることにより行い、各項目のすべてが満たされたときにフィードバックを許可し、一つでも反するときはフィードバックを禁止する。すなわち、
ステップ2:Megrdが所定値MEGRFB#を超えている(つまりEGRの作動域)、
ステップ3:Twが所定値TWFBL#(たとえば30℃程度)を超えている、
ステップ4:Qsolが所定値QSOLFBL#を超えている(燃料カットしていない)、
ステップ5:Neが所定値NEFBL#を超えている(エンストになる回転速度域でない)、
ステップ8:フィードバック開始カウンタCtrfbが所定値TMRFB#(たとえば1秒未満の値)を超えている
とき、ステップ9でフィードバックを許可するためフィードバック許可フラグfefb=1とし、そうでなければステップ10に移行し、フィードバックを禁止するためフィードバック許可フラグfefb=0とする。
【0188】
なお、フィードバック開始カウンタはステップ2〜5の成立時にカウントアップし(ステップ6)、ステップ2〜5の不成立時にフィードバック開始カウンタをリセットする(ステップ7)。
【0189】
図52は学習値反映許可フラグfelrn2を設定するためのものである。ステップ1でエンジン回転速度Ne、目標燃料噴射量Qsol、実EGR率Megrd、水温Twを読み込む。
【0190】
学習値反映許可条件の判定も、ステップ2〜5、8の内容を一つずつチェックすることにより行い、各項目のすべてが満たされたときに学習値の反映を許可し、一つでも反するときは学習値の反映を禁止する。すなわち、
ステップ2:Megrdが所定値MEGRLN2#を超えている(つまりEGRの作動域)、
ステップ3:Twが所定値TWLNL2#(たとえば20℃程度)を超えている、
ステップ4:Qsolが所定値QSOLLNL2#を超えている(燃料カットしていない)、
ステップ5:Neが所定値NELNL2#を超えている(エンストになる回転速度域でない)、
ステップ8:学習値反映カウンタCtrln2が所定値TMRLN2#(たとえば0.5秒程度)を超えている
とき、ステップ9で学習値の反映を許可するため学習値反映許可フラグfeln2=1とし、そうでなければステップ10に移行し、学習値の反映を禁止するため学習値反映許可フラグfeln2=0とする。
【0191】
なお、学習値反映カウンタはステップ2〜5の成立時にカウントアップし(ステップ6)、ステップ2〜5の不成立時にリセットする(ステップ7)。
【0192】
図53は学習許可フラグfelrnを設定するためのものである。ステップ1でエンジン回転速度Ne、目標燃料噴射量Qsol、実EGR率Megrd、水温Twを読み込む。
【0193】
学習許可条件の判定は、ステップ2〜7、10の内容を一つずつチェックすることにより行い、各項目のすべてが満たされたときに学習を許可し、一つでも反するときは学習を禁止する。すなわち、
ステップ2:Megrdが所定値MEGRLN#を超えている(つまりEGRの作動域)、
ステップ3:Twが所定値TWLNL#(たとえば70〜80℃程度)を超えている、
ステップ4:Qsolが所定値QSOLLNL#を超えている(燃料カットしていない)、
ステップ5:Neが所定値NELNL#を超えている(エンストになる回転速度域でない)、
ステップ6:フィードバック許可フラグfefb=1である、
ステップ7:学習値反映許可フラグfelrn2=1である、
ステップ10:学習ディレイカウンタCtrlnが所定値TMRLN#(たとえば4秒程度)を超えている
とき、ステップ11で学習を許可するため学習許可フラグfeln=1とし、そうでなければステップ12に移行し、学習を禁止するため学習許可フラグfeln=0とする。
【0194】
なお、学習ディレイカウンタはステップ2〜7の成立時にカウントアップし(ステップ8)、ステップ2〜7の不成立時にリセットする(ステップ9)。
【0195】
図50に戻り、このようにして設定される3つのフラグのうち、ステップ4でフィードバック許可フラグfefbをみる。fefb=1のときはステップ5、6でEGR量のフィードバック補正係数Kqac00とEGR流速のフィードバック補正係数Kqac0を演算する。一方、fefb=0のとき(フィードバックを禁止するとき)はステップ4よりステップ7、8に進み、Kqac00=1、Kqac0=1とする。
【0196】
ここで、EGR量フィードバック補正係数Kqac00の演算については図54のフローにより、またEGR流速フィードバック補正係数Kqac0の演算については図57のフローにより説明する。
【0197】
まず図54(図50のステップ5のサブルーチン)において、ステップ1で目標吸入空気量遅れ処理値tQacd、実吸入空気量Qac、エンジン回転速度Ne、目標燃料噴射量Qsol、水温Twを読み込む。
【0198】
ステップ2ではNeとQsolからたとえば図55を内容とするマップを検索すること等によりEGR流量の補正ゲインGkfbを、またステップ3では補正ゲインの水温補正係数KgfbtwをTwからたとえば図56を内容とするテーブルを検索すること等によりそれぞれ演算し、これらを用いステップ4において
【0199】
【数20】
Kqac00=(tQacd/Qac−1)×Gkfb×Kgfbtw+1の式によりEGR量フィードバック補正係数Kqac00を演算する。
【0200】
この式の右辺第1項の(tQacd/Qac−1)は目標吸入空気量遅れ処理値からの誤差割合であり、これに1を加えることで、Kqac00は1を中心とする値になる。数20式は、目標吸入空気量遅れ処理値からの誤差割合に比例させてEGR量フィードバック補正係数Kqac00を演算するものである。
【0201】
次に、図57(図50のステップ6のサブルーチン)において、ステップ1で目標吸入空気量遅れ処理値tQacd、実吸入空気量Qac、エンジン回転速度Ne、目標燃料噴射量Qsol、水温Twを読み込む。
【0202】
ステップ2ではNeとQsolからたとえば図58を内容とするマップを検索すること等によりEGR流速の補正ゲインGkfbiを、またステップ3では補正ゲインの水温補正係数KgfbitwをTwからたとえば図59を内容とするテーブルを検索すること等によりそれぞれ演算し、これらを用いステップ4において
【0203】
【数21】
Rqac0=(tQacd/Qac−1)×Gkfbi×kGfbitw+Rqac0n-1、
ただし、Rqac0n-1:前回のRqac0、
の式により誤差割合Rqac0を更新し、この誤差割合Rqac0に対してステップ5において1を加えた値をEGR流速フィードバック補正係数Kqac0として算出する。
【0204】
これは、目標吸入空気量遅れ処理値からの誤差割合(tQacd/Qac−1)の積算値(積分値)に比例させてEGR流速フィードバック補正係数Kqac0を演算する(積分制御)ものである。
【0205】
図55、図58のように、補正ゲインを運転条件(Ne、Qsol)に応じた値としたのは次の理由による。同じゲインでも運転条件によりハンチングを生じたり生じなかったりするので、ハンチングを生じる領域では補正ゲインを小さくするためである。図56、図59のように低水温のとき(暖機完了前)に値を小さくしているのは、エンジン回転の不安定な低水温域でのエンジンの安定化を図るためである。
【0206】
このようにしてEGR量フィードバック補正係数Kqac00とEGR流速フィードバック補正係数Kqac0の演算を終了したら、図50に戻り、ステップ9で学習値反映許可フラグfelrn2をみる。学習反映許可フラグfelrn2=1のとき(学習値の反映を許可するとき)は、ステップ10に進み、NeとQsolよりたとえば図60の学習マップを検索することにより誤差割合学習値Rqacを読み出し、これに1を足した値をEGR流速学習補正係数Kqacとして演算する。一方、学習反映許可フラグfelrn2=0のとき(学習値の反映を禁止するとき)は、ステップ9よりステップ12に進み、EGR流速学習補正係数Kqac=1とする。
【0207】
続いてステップ13では、学習許可フラグfelrnをみる。学習許可フラグfelrn=1であれば(学習を許可するとき)、ステップ14に進み、EGR流速フィードバック補正係数Kqac0から1を減算して誤差割合Rqacnとする。一方、学習許可フラグfelrn=0であるとき(学習を禁止するとき)は、ステップ13よりステップ15に進み、誤差割合Rqacn=0とする。
【0208】
このようにして求めた誤差割合Rqacnに基づいてステップ16では誤差割合学習値Rqacの更新を行う。この学習値の更新については図61のフローにより説明する。
【0209】
図61(図50のステップ16のサブルーチン)において、ステップ1で誤差割合Rqacn、エンジン回転速度Ne、目標燃料噴射量Qsolを読み込む。NeとQsolからステップ2で学習速度Tclrnをたとえば図62を内容とするマップを検索すること等により演算する。ステップ3ではNe、Qsolより上記図60の学習マップから誤差割合学習値Rqacを読み出す。ステップ4で
【0210】
【数22】
Rqacn=Rqacn×Tclrn+Rqacn-1×(1−Tclrn)、
ただし、Rqacn:更新後の誤差割合学習値、
Rqacn-1:更新前の誤差割合学習値(=学習値読み出し値)、の式により加重平均処理を行い、更新後の学習値をステップ5で図60の学習マップにストアする(更新前の値に対して更新後の値を上書きする)。
【0211】
図63(図5のステップ2のサブルーチン)はEGR流速Cqeを演算するためのものである。
【0212】
ステップ1、2で実EGR量Qec、実EGR率Megrd、実吸入空気量Qac、EGR流速フィードバック補正係数Kqac0、EGR流速学習補正係数Kqacを読み込み、ステップ3において
【0213】
【数23】
Qec h=Qec×Kqac×Kqac0
の式により、Kqac0とKqacで実EGR量Qecを補正した値を補正実EGR量Qec hとして算出し、この補正実EGR量Qec hと実EGR率Megrdよりステップ8において、たとえば図64を内容とするマップを検索することにより、EGR流速Cqeを演算する。なお、説明しなかったステップ4〜7は後述する。
【0214】
図64のEGR流速の特性は、非線型性が強く運転条件に応じてEGRのフィードバックの感度が相違することを示しているため、運転条件に対するフィードバック量の差が小さくなるように、EGR流速フィードバック補正係数Kqac0は、流速マップの検索に用いる実EGR量Qecへのフィードバックとしている。
【0215】
ただし、図64において特性の傾きが急になる右端に近い部分は、マップの適合誤差が生じ勝ちな領域であるため、適合誤差があると、その適合誤差の影響を受けてEGR弁開口面積Aevが変化してしまう。つまり、EGR弁開口面積Aevを演算する式であるAev=Tqek/CqeにおいてCqeには適合誤差が生じるのであるから、これに対処するには、目標EGR量Tqekに対しても流速誤差分の補正を行う必要がある。そのため新たに導入したのが上記のEGR量フィードバック補正係数Kqac00で、このKqac00により図7のステップ6で目標EGR量Tqekを補正している。
【0216】
この場合、Kqac00を演算する式である上記数20式は、目標吸入空気量遅れ処理値からの誤差割合に比例させてKqac00を演算するので、この比例制御により図64のEGR流速マップの適合誤差に対して即座に補正できることになる。たとえば、簡単のため数20式において、補正ゲインGkfb=1かつ暖機完了後で考えると、Kqac00=(tQacd/Qac−1)+1となる。この場合に、目標値としてのtQacdより実吸入空気量Qacが小さいと、Kqac00が1より大きな値となり、これによってTqecが即座に減量される。目標EGR量が即座に減量されると、相対的に新気量(吸入空気量)が増え、これによって実吸入空気量Qacが目標値としてのtQacdへと収束する。
【0217】
説明しなかった図63のステップ4〜7はEGRの作動開始時の初期値を設定する部分である。具体的には、ステップ4では補正実EGR量Qec hと0を比較する。Qec h=0(つまりEGRの非作動時)であるときは、ステップ5に進み、
【0218】
【数24】
Qec h=Qac×MEGRL#、
ただし、MEGRL#:定数、
の式により、補正実EGR量Qec hを設定する。同様にして、ステップ6では実EGR率Megrdと0を比較し、Megrd=0のときはステップ7で
【0219】
【数25】
Megrd=MEGRL#
の式により実EGR率Megrdを設定する。
【0220】
EGR弁6の全閉時にEGR弁6を通過するEGR流速は当然のことながらゼロであるが、数24式、数25式はEGRの作動開始時のことを考えて、流速の演算に用いるパラメータの初期値を設定する。MEGRL#の値は前述したようにたとえば0.5である。さらに述べると、運転条件によってEGRの作動開始時のEGR弁前後の差圧(したがってEGR流速も)が異なるため、これに対処するものである。この場合、EGRの作動開始時のEGR弁前後の差圧は実吸入空気量Qacに関係する。そこで、数24式によりQacに比例してQec hの初期値を与えることで、EGRの作動開始時のEGR流速の演算精度が向上する。
【0221】
ここで、本実施形態(第1、第2の2つの実施形態)の作用を説明すると、本実施形態では、目標空気過剰率Tlambと実EGR率Megrd(EGR装置の制御目標値)とから上記の(31)式により目標当量比Tfbyaが設定され、この目標当量比Tfbyaに基づいて目標吸入空気量tQacと最終目標噴射量Qfin(目標燃料量)が演算され、これら目標吸入空気量tQacと最終目標噴射量Qfinが得られるように吸入空気量と噴射量がそれぞれ制御される。すなわち、本実施形態によれば最適な空気過剰率およびEGR率が得られるように目標空気過剰率Tlambと目標EGR率Megrとを運転条件に応じて予め定めておけば(空気過剰率について図22、EGR率について図12参照)、空気過剰率とEGR率とが運転条件(Ne、QsolあるいはMqdrv)に応じてどのように変化しようと、過渡を含めてその変化する空気過剰率とEGR率となるように吸入空気量と噴射量が同時に制御されるので、空気過剰率とEGR率とから定まる最適な燃焼状態をトレースすることができる。
【0222】
この場合、図22と図12から定まる空気過剰率とEGR率の関係は従来装置の図74の直線Mのように限定されるものでなく、両者の関係が線型の場合も含めて非線型の場合にも対応できる。
【0223】
また、リッチスパイクを行いたいときには、EGR率が一定となる定常時を選んで目標空気過剰率を1.0以下の値に固定するだけで、EGR率が一定で空気過剰率だけを変化させることができる。本実施形態は排気通路に排気中のNOxをトラップする触媒を備えており、リッチスパイク許可条件(触媒のトラップしたNOxを還元浄化する条件)になると、リッチスパイクを実行するので、触媒のトラップしたNOxを還元浄化することができる。同様にして空気過剰率が一定でEGR率だけを変化させることも可能である。
【0224】
また、本実施形態では吸入空気可変装置としてターボ過給機および吸気絞り弁60の2つを備えており、目標吸入空気量tQacを達成するに際してはターボ過給機の制御を優先するので、不要な吸気絞りによる燃焼悪化を防止することができる。
【0225】
また、吸気絞り弁60を閉じることでも(吸気絞り装置を作動させても)目標吸入空気量tQacを達成できる場合があるものの、吸気絞り弁60を閉じることによりポンピング仕事が増して燃費の悪化を招くことになるが、本実施形態では目標吸入空気量tQacが過給機により制御可能な最低吸入空気量aQac以上のとき吸気絞り弁60を全開とし(吸気絞り装置の作動を停止し)、過給機制御により目標吸入空気量tQacを達成するので、こうした燃費や運転性の悪化を防止できる。
【0226】
また、本実施形態では目標空気過剰率基本値Tlambbを、アクセル開度により定まる基本燃料噴射量Mqdrv(エンジン負荷相当)に応じ、Mqdrvが大きくなるほど小さくなるように設定していることから(図22参照)、ドライバーがアクセルペダルを大きく踏み込めば目標空気過剰率が小さくなってトルクが増し、この逆にドライバーがアクセルペダルを少ししか踏み込まないときには目標空気過剰率が大きくなってトルクが減少するので、運転性が悪くなることはない。
【0227】
また、本実施形態では低水温時に目標空気過剰率を大きくして空気量を増大させることで低温時に増大するフリクションを抑制できるとともに燃焼状態を安定させることができる。また、吸気温が高い領域で空気過剰率を大きくして空気密度が低い分の空気量を増大することで燃焼温度を下げることができ、さらに高地で空気過剰率を大きくすることで、空気密度が低くなる分の空気量を補うことができる。
【0228】
また、目標EGR率Megrを用いて目標当量比Tfbyaを演算したのでは過渡時にEGRガスの吸気遅れによる目標値との誤差分が生じるのであるが、本実施形態では目標EGR率Megrに遅れ処理を施した値である実EGR率Megrdを用いて目標当量比Tfbyaを演算するので、こうした過渡時のEGRガスの吸気遅れによる目標値との誤差分が生じないようにすることができる。
【0229】
また、触媒のトラップしたNOxを還元浄化する許可条件を定めておき、この許可条件が成立したときリッチスパイクを所定の期間実行し、リッチスパイクを終了した後は前記許可条件がいったん不成立となるまでリッチスパイクを禁止するので、燃費や排気を悪化させるリッチスパイクを不必要に行うことがない。
【0230】
さらに本実施形態では、図74に示したように目標EGR率が実EGR率より小さい場合に、進み補正ゲインGKQECが小さくされる(ステップ2、3)。ここで、目標EGR率が実EGR率より小さい場合とは、目標EGR率が低くなる側に変化する場合、すなわちEGR率と逆数の関係にある酸素濃度の目標値が高くなる側に変化する場合である。これを図75(b)でみると、図75(b)のうちA点またはC点からB点の目標値へと変化する場合である。この場合に、本実施形態では進み補正ゲインGKQECの減少でEGR装置によるEGR量(EGR率ひいては酸素濃度)の応答がターボ過給機による空気過剰率の応答より遅れるため、空気過剰率のほうが酸素濃度より速く目標値に近づこうとすることから、図で下に凸の経路▲2▼または▲6▼を辿って目標値に達する。この結果、同じ条件で上に凸の経路▲1▼または▲3▼を辿る従来装置より酸素濃度が低くかつ空気過剰率が高い状態にある時間が長くなり、過渡時全体でみればNOxが減るとともに燃費もよくなる。
【0231】
一方、目標EGR率が実EGR率より大きい場合、すなわち図75(b)のうちD点またはE点からB点の目標値へと変化する場合には、もともとターボ過給機による空気過剰率の応答がEGR装置による酸素濃度の応答より遅れるため、酸素濃度のほうが空気過剰率より速く目標値に近づこうとすることから、図で下に凸の経路▲4▼または▲5▼を辿って目標値に達する。したがって、この場合には進み補正ゲインGKQECを変更しなくても(図74のステップ2、4)、酸素濃度が低くかつ空気過剰率が高い状態にある時間が長くなり、過渡時全体でNOxが減るとともに燃費もよくなる。
【0232】
このように本実施形態では図75(b)において空気過剰率と酸素濃度の目標値がともに変化する4つのいずれの場合においても下に凸の経路▲2▼、▲6▼、▲4▼、▲5▼を辿って目標値に達するため、過渡時全体でのNOxの低減と燃費向上とをともに図ることができる。
【0233】
また、従来装置に対して進み補正ゲインGKQECの変更だけで対処可能であるため、酸素濃度調整手段としてのEGR装置や空気過剰率調整手段としての過給機の構成を変更することが不要となる。
【0234】
また、低温予混合燃焼領域ではNOxとPMを同時に低減できるため、過渡時のNOxだけでなくPMも合わせて低減することが可能となる。
【0235】
実施形態では、運転条件の変化により酸素濃度の目標値が高い側に変化したとき、変更動作調整手段が、空気過剰率調整手段による空気過剰率の変更動作と酸素濃度調整手段による酸素濃度の変更動作のうち少なくとも一方の変更動作に要する時間を調整して、変更動作中の空気過剰率に対する酸素濃度の変化の経路を酸素濃度が低い側にする場合で説明したが、変更動作に要する時間に代えて変更動作の開始時期を用いてもかまわない。すなわち、運転条件の変化により酸素濃度の目標値が高い側に変化したとき、変更動作調整手段が、空気過剰率調整手段による空気過剰率の変更動作と酸素濃度調整手段による酸素濃度の変更動作のうち少なくとも一方の変更動作の開始時期を調整して、変更動作中の空気過剰率に対する酸素濃度の変化の経路を酸素濃度が低い側にするように構成する。
【0236】
実施形態では、可変ノズルの開口割合に応じて過給圧が変化するターボ過給機で説明したが、これに限られるものでなく、以下のものにも適用がある。
【0237】
▲1▼流量に応じて過給圧が変化する別のタイプのターボ過給機、
▲2▼ウェストゲートバルブを備える一定容量のターボ過給機、
▲3▼スーパーチャージャ、
たとえば、▲1▼のターボ過給圧に対しては当該過給機の流量可変手段の開口割合や開口面積あるいは当該過給機駆動用のアクチュエータに与える制御割合や作動割合を、▲2▼のターボ過給機に対してはウェストゲートバルブの開口割合や開口面積を、▲3▼のスーパーチャージャに対しては当該スーパーチャージャ駆動用のアクチュエータに与える制御割合や作動割合を過給機の作動目標値として用いればよい。
【0238】
本発明の実施形態では、熱発生のパターンが単段燃焼となる、いわゆる低温予混合燃焼を行わせる場合で説明したが、予混合燃焼の後に拡散燃焼が付加される、通常のディーゼル燃焼の場合でも、本発明を適用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施形態の制御システム図。
【図2】コモンレール式燃料噴射装置の概略構成図。
【図3】目標燃料噴射量の演算を説明するためのフローチャート。
【図4】基本燃料噴射量のマップ特性図。
【図5】EGR弁開口面積の演算を説明するためのフローチャート。
【図6】EGR弁開口面積に対するEGR弁駆動信号の特性図。
【図7】目標EGR量の演算を説明するためのフローチャート。
【図8】シリンダ吸入空気量の演算を説明するためのフローチャート。
【図9】吸入空気量の検出を説明するためのフローチャート。
【図10】エアフローメータ出力電圧に対する吸入空気量の特性図。
【図11】目標EGR率の演算を説明するためのフローチャート。
【図12】基本目標EGR率のマップ特性図。
【図13】水温補正係数のテーブル特性図。
【図14】完爆判定を説明するためのフローチャート。
【図15】第1実施形態の圧力制御弁に与える制御指令デューティ値の演算を説明するためのフローチャート。
【図16】第2実施形態の圧力制御弁に与える制御指令デューティ値の演算を説明するためのフローチャート。
【図17】実EGR率の演算を説明するためのフローチャート。
【図18】コレクタ容量分の時定数相当値の演算を説明するためのフローチャート。
【図19】体積効率相当基本値のマップ特性図。
【図20】目標吸入空気量の演算を説明するためのフローチャート。
【図21】目標空気過剰率の演算を説明するためのフローチャート。
【図22】目標空気過剰率基本値のマップ特性図。
【図23】目標空気過剰率の水温補正係数のテーブル特性図。
【図24】実EGR量の演算を説明するためのフローチャート。
【図25】第1実施形態の目標開口割合の演算を説明するためのフローチャート。
【図26】目標開口割合のマップ特性図。
【図27】第2実施形態の目標開口割合の演算を説明するためのフローチャート。
【図28】目標開口割合のマップ特性図。
【図29】目標開口割合のフィードフォワード量の演算を説明するためのフローチャート。
【図30】目標開口割合のフィードバック量の演算を説明するためのフローチャート。
【図31】線型化処理を説明するためのフローチャート。
【図32】線型化のテーブル特性図。
【図33】開口面積と過給圧の関係を示す特性図。
【図34】信号変換を説明するためのフローチャート。
【図35】デューティ選択信号フラグの設定を説明するためのフローチャート。
【図36】デューティ値の温度補正量の演算を説明するためのフローチャート。
【図37】基本排気温度のマップ特性図。
【図38】水温補正係数のテーブル特性図。
【図39】温度補正量のテーブル特性図。
【図40】ターボ過給機駆動用アクチュエータの温度特性図。
【図41】可変ノズル全閉時のデューティ値のマップ特性図。
【図42】可変ノズル全開時のデューティ値のマップ特性図。
【図43】可変ノズル全閉時のデューティ値のマップ特性図。
【図44】可変ノズル全開時のデューティ値のマップ特性図。
【図45】指令開口割合線型化処理値をデューティ値に変換するときのヒステリシス図。
【図46】動作確認制御を説明するためのフローチャート。
【図47】動作確認制御指令デューティ値の設定を説明するためのフローチャート。
【図48】制御パターンのテーブル特性図。
【図49】動作確認制御時のデューティ値のテーブル特性図。
【図50】EGR制御の2つのフィードバック補正係数と学習補正係数の演算を説明するためのフローチャート。
【図51】フィードバック許可フラグの設定を説明するためのフローチャート。
【図52】学習値反映許可フラグの設定を説明するためのフローチャート。
【図53】学習許可フラグの設定を説明するためのフローチャート。
【図54】EGR量フィードバック補正係数の演算を説明するためのフローチャート。
【図55】EGR流量の補正ゲインのマップ特性図。
【図56】水温補正係数のテーブル特性図。
【図57】EGR流速フィードバック補正係数の演算を説明するためのフローチャート。
【図58】EGR流速の補正ゲインのマップ特性図。
【図59】水温補正係数のテーブル特性図。
【図60】誤差割合学習値の学習マップの表図。
【図61】学習値の更新を説明するためのフローチャート。
【図62】学習速度のマップ特性図。
【図63】EGR流速の演算を説明するためのフローチャート。
【図64】EGR流速のマップ特性図。
【図65】目標空気過剰率の吸気温補正係数のテーブル特性図。
【図66】目標空気過剰率の大気圧補正係数のテーブル特性図。
【図67】リッチスパイク実行フラグの設定を説明するためのフローチャート。
【図68】最終目標噴射量の設定を説明するためのフローチャート。
【図69】吸気絞り弁開度の設定を説明するためのフローチャート。
【図70】最低吸入空気量基本値のマップ特性図。
【図71】最低吸入空気量の負荷補正係数のテーブル特性図。
【図72】吸気量比のテーブル特性図。
【図73】絞り弁開度のテーブル特性図。
【図74】進み補正ゲインの演算を説明するためのフローチャート。
【図75】空気過剰率と酸素濃度の目標値が変化する場合の本発明の作用を説明するための特性図。
【図76】従来装置の説明図。
【図77】第1の発明のクレーム対応図。
【符号の説明】
4 EGR通路
6 EGR弁(EGR装置)
41 コントロールユニット
52 排気タービン
53 可変ノズル
54 圧力アクチュエータ
55 ダイヤフラムアクチュエータ
Claims (2)
- エンジンに吸入されるガスの空気過剰率を調整可能なターボ過給機と、
エンジンに吸入されるガスの酸素濃度としてのEGR率を調整可能なEGR装置と、
運転条件に応じた空気過剰率とEGR率の目標値を設定する目標値設定手段と、
実EGR率を演算する実EGR率演算手段と、
EGR率の目標値が実EGR率より小さいときに、EGR率の目標値が実EGR率と一致するときよりもEGR率の応答の時定数が大きくなるようにゲインを変更するゲイン変更手段と、
EGR率の目標値及びこの変更されたゲインに基づいて目標EGR量を演算する目標EGR量演算手段と、
この目標EGR量が得られるように前記EGR装置を制御する制御手段と、
前記空気過剰率の目標値に基づいて前記ターボ過給機を制御する制御手段と
を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。 - 前記ゲイン変更手段は、EGR率の目標値が実EGR率と一致するときにデフォルト値を前記ゲインとし、EGR率の目標値が実EGR率より小さいときにこのデフォルト値に1より小さい正の定数を乗算した値を前記ゲインとすることを特徴とする請求項1に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
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