JP4782759B2 - 内燃機関制御装置および内燃機関制御システム - Google Patents

内燃機関制御装置および内燃機関制御システム Download PDF

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Description

本発明は、内燃機関の排気系から吸気系に還流するEGR量を制御する内燃機関制御装置に関する。
従来より、内燃機関の吸排気系には、燃焼室に流入する吸気量を検出する吸気量センサや、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ等の各種センサが取り付けられている。そして、これらのセンサの検出値に基づき内燃機関の運転状態は制御される(例えば特許文献1参照)。
これらのセンサのうち吸気量センサについては、経年劣化が比較的大きく、機差ばらつきも生じ得るため、当該センサを工場出荷した後においてセンサの検出値を補正することが従来より望まれている。
特開2007−231829号公報
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、内燃機関に取り付けられた吸気量センサの検出値を補正し、その補正した値を内燃機関の制御に用いるようにした内燃機関制御装置を提供することを目的とする。
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
請求項1記載の発明では、
・内燃機関の吸気系から燃焼室に流入する吸気量を検出する吸気量センサから、その吸気量検出値を取得する吸気量取得手段と、
・燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射量又はその噴射量に関連する物理量(以下、単に噴射量と呼ぶ)を検出する噴射量センサから、その噴射量検出値を取得する噴射量取得手段と、
・前記内燃機関から排出される排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサから、その酸素濃度検出値を取得する酸素濃度取得手段と、
・前記吸気量センサ、前記噴射量センサ及び前記酸素濃度センサのうちいずれか1つのセンサの検出対象を、他の2つのセンサの検出値に基づき演算する演算手段と、
・前記演算手段により演算された演算値と前記1つのセンサの検出値との差に基づき、前記吸気量検出値を補正する吸気量補正手段と、
・前記吸気量補正手段により補正された前記吸気量検出値及び前記噴射量検出値に基づき、排気中の酸素濃度を演算する酸素濃度演算手段と、
・前記酸素濃度演算手段により演算された酸素濃度演算値が目標値に近づくよう、前記内燃機関の排気系から吸気系に還流するEGR量を調整するEGRバルブの開度をフィードバック制御するEGR制御手段と、を備え
・前記内燃機関は、ディーゼルエンジンであり、燃料を蓄圧するコモンレールから前記燃料噴射弁へ燃料を分配供給するよう構成されており、
・前記噴射量センサは、前記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を前記物理量として検出する燃圧センサであるとともに、前記燃料噴射弁の内部に取り付けられ、前記燃料噴射弁の燃料流入口から前記噴射孔に至るまでの内部燃料通路の燃料圧力を検出するよう構成されており、
・前記噴射量取得手段は、前記燃圧センサにより検出された燃料圧力に基づいて、前記燃料圧力が下降を開始する変化点に対応する噴射率の上昇開始時点、前記燃料圧力が上昇を停止する変化点に対応する噴射率の下降終了時点、及び前記燃料圧力の下降量に対応する噴射率の上昇量をそれぞれ推定し、これらの噴射率の上昇開始時点、下降終了時点、及び上昇量に基づいて噴射率推移波形を算出し、この噴射率推移波形を前記上昇開始時点から前記下降終了時点まで積分演算することにより前記噴射量検出値を取得することを特徴とする。
ここで、上記特許文献1等に開示されている従来の内燃機関は、吸気量センサ及び酸素濃度センサを備えていることは先述した通りである。これに対し本発明では、これらのセンサに加え、燃料の噴射量を検出する噴射量センサを内燃機関に備えさせている。本発明者らは、吸気量センサ、噴射量センサ及び酸素濃度センサのうちいずれか1つのセンサの検出対象を、他の2つのセンサの検出値に基づけば演算することが可能である(詳細は後述する)点に着目して、上述の如く噴射量センサを備えさせることを想起した。そして本発明では、他の2つのセンサの検出値に基づき演算された演算値と1つのセンサの検出値との差に基づき吸気量検出値を補正する吸気量補正手段を備えるので、吸気量センサの検出値を他の検出値(噴射量検出値及び酸素濃度検出値)に基づき補正するといった従来にはない吸気量補正を実現できる。
次に、「吸気量センサ、噴射量センサ及び酸素濃度センサのうちいずれか1つのセンサの検出対象を、他の2つのセンサの検出値に基づけば演算することが可能である」との理由を、図6に例示する内燃機関の場合について後述する数式(1)〜(8),(7’)を参照しながら説明する。なお、図6に示す内燃機関は本発明の一例であり、本発明は当該内燃機関に限定されるものではない。
以下の数式(1)〜(8)中、変数xは空気の質量流量(以下、単に空気量と呼ぶ)を示し、変数yは酸素濃度を示す。そして、図6に示すように、吸気管51を流通する新気についての空気量x1及び酸素濃度y1は数式(1)(5)で表すことができる。なお、x1は吸気量センサ47の検出対象であり、y1は大気中の酸素濃度であるため既知の値である。
EGR配管52を流通する還流排気についての空気量x2及び酸素濃度y2は数式(2)(6)で表すことができる。新気と還流排気とが合流した吸気についての空気量x3及び酸素濃度y3は数式(3)(7)で表すことができる。なお、x3は、燃焼室50aの容積及びピストン50bが下降する際の吸入効率等に基づき理論的に算出可能な理論値である。
排気管53のうちEGR配管52の上流部位を流通する排気についての空気量x4及び酸素濃度y4は数式(4)(8)で表すことができる。なお、数式(8)中のQは、燃焼室50aに噴射された燃料の噴射量であり、噴射量センサ20aの検出対象である。また、y4は酸素濃度センサ48の検出対象である。
<x:空気量について>
x1=吸気量センサの検出対象 …(1)
x2=x3−x1 …(2)
x3=理論値(燃焼室の容積及び吸入効率等に基づき算出) …(3)
x4=x3 …(4)
<y:酸素濃度について>
y1=理論値(大気中の酸素濃度) …(5)
y2=y4 …(6)
y3=(x1・y1+x2・y2)÷(x1+x2) …(7)
y4=f(x3,y3,Q) …(8)
数式(8)について、y4は、酸素濃度センサ48の検出対象であるため酸素濃度検出値により明らかとなり、x3は理論値であるため明らかとなり、Qは、噴射量センサ20aの検出対象であるため噴射量検出値により明らかとなる。このようにy4,x3,Qが明らかとなるため数式(8)中の残った変数y3も明らかとなる。
一方、数式(7)は、数式(2)を代入することにより以下の数式(7’)で表すことができる。
y3=((x1(y1−y2)+x3・y2)÷x3 …(7’)
数式(7’)について、y3は上述の如く明らかとなり、y1は理論値であるため明らかとなり、y2は、上述のように明らかとなるy4と同じであるため明らかとなり、x3は理論値であるため明らかとなる。このようにy3,y1,y2,x3が明らかとなるため数式(7’)中の残った変数x1も明らかとなる。
以上により、変数x2,x3,x4,y1,y2,y3は理論的に明らかとなるため、残りの変数x1(つまり吸気量検出値)、変数Q(つまり噴射量検出値)及び変数y4(つまり酸素濃度検出値)のうちいずれか1つの変数は、他の2つの変数に基づけば演算することが可能である。したがって、「吸気量センサ、噴射量センサ及び酸素濃度センサのうちいずれか1つのセンサの検出対象を、他の2つのセンサの検出値に基づけば演算することが可能である」と言える。このことは、図6に例示されるEGRバルブを備えたディーゼルエンジンに限らず、他の内燃機関についても同様に言える。
さらに、請求項1記載の発明では、前記吸気量補正手段により補正された前記吸気量検出値及び前記噴射量検出値に基づき、排気中の酸素濃度を演算する酸素濃度演算手段と、前記酸素濃度演算手段により演算された酸素濃度演算値が目標値に近づくよう、EGRバルブの開度をフィードバック制御するEGR制御手段と、を備えることを特徴とする。これによれば、酸素濃度演算手段は、上述のように補正された吸気量検出値を用いて排気中酸素濃度を演算するので、高精度な排気中酸素濃度を取得できる。よって、その酸素濃度を用いたEGR制御手段によるフィードバック制御も精度を向上できるので、エミッション状態を高精度で制御できる。
ここで、燃料噴射弁に供給される燃料の圧力は、噴射孔からの燃料噴射に伴い変動する。よって、その変動の形態(燃圧降下量、燃圧降下時間等)を検出すれば実際の噴射量を算出することができる。この点に着目した上記請求項1記載の発明では、噴射量センサとして、燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を噴射量に関連する物理量として検出する燃圧センサを採用しているため、上述の如く噴射量を算出することができる。
しかも、燃料噴射弁の内部に取り付ける場合には、燃料流入口に取り付ける場合に比べて燃圧センサの取り付け位置が燃料噴射弁の噴射孔に近い位置となるので、噴射孔での圧力変動をより的確に検出することができる。
請求項2記載の発明では、前記演算手段は、前記噴射量検出値及び前記酸素濃度検出値に基づき前記吸気量を演算し、前記吸気量補正手段は、前記演算手段により演算された吸気量演算値と前記吸気量検出値との差に基づき、前記吸気量検出値を補正することを特徴とする。また、請求項3記載の発明では、前記演算手段は、前記吸気量検出値及び前記噴射量検出値に基づき前記酸素濃度を演算し、前記吸気量補正手段は、前記演算手段により演算された酸素濃度演算値と前記酸素濃度検出値との差に基づき、前記吸気量検出値を補正することを特徴とする。
これら請求項2,3記載の発明の他に「前記演算手段は、前記吸気量検出値及び前記酸素濃度検出値に基づき前記噴射量を演算し、前記吸気量補正手段は、前記演算手段により演算された噴射量演算値と前記噴射量検出値との差に基づき、前記吸気量検出値を補正することを特徴とする。」との発明も挙げられる。
請求項4記載の発明では、前記演算手段により演算された演算値と前記1つのセンサの検出値との差を前記吸気量検出値の誤差とみなし、その誤差の値を、前記吸気量との関係を定めるマップに記憶させる学習手段を備えることを特徴とする。これによれば、吸気量センサの検出レンジ全体についての誤差の値をマップに記憶させて学習させることができるので、前記検出レンジ全体について吸気量検出値を補正することができる。
以降の請求項5〜11に記載の発明は、内燃機関の運転状態が安定している時(以下、「安定状態時」と呼ぶ)に検出された噴射量検出値、酸素濃度検出値及び吸気量検出値に基づき、演算手段による演算及び吸気量補正手段による補正を実行することを特徴とするので、吸気量演算値と吸気量検出値との差として算出した値に、吸気量検出値の誤差以外の要因(影響)による誤差が含まれてしまうことを抑制できる。よって、吸気量検出値の誤差を精度良く算出することができ、ひいては、吸気量補正手段による補正の精度を向上できる。
すなわち、請求項5記載の発明では、前記EGRバルブが全閉状態で継続して固定された時を「安定状態時」として前記演算及び前記補正を実行する。これによれば、吸気量演算値と吸気量検出値との差として算出した値からEGR量による影響を排除できるので、吸気量補正手段による補正の精度を向上できる。
請求項6記載の発明では、前記内燃機関には、前記燃焼室に流入する吸気量を調整するスロットルバルブが備えられており、前記スロットルバルブが全開状態で継続して固定された時を「安定状態時」として前記演算及び前記補正を実行する。これによれば、吸気量演算値と吸気量検出値との差として算出した値からスロットルバルブ開度による影響を排除できるので、吸気量補正手段による補正の精度を向上できる。
請求項7記載の発明では、前記内燃機関には、排気を駆動力として吸気を過給する過給機が備えられており、前記過給機は、排気の流体エネルギを前記駆動力に変換する割合を設定変更可能に構成されており、前記過給機の前記変換割合が所定範囲内に継続して設定された時を「安定状態時」として前記演算及び前記補正を実行する。これによれば、吸気量演算値と吸気量検出値との差として算出した値から過給状態の変化による影響を排除できるので、吸気量補正手段による補正の精度を向上できる。
なお、上記「排気の流体エネルギを駆動力に変換する割合を設定変更可能に構成」の具体例としては、容量可変型のターボチャージャが挙げられ、より具体的には、ターボチャージャを構成するタービンホイールに可変ベーンを設ける構成や、タービンホイールに向けて排気を吹き出す吹出口に吹出量を調整する可変フラップを備える構成等が挙げられる。
請求項8記載の発明では、前記内燃機関には、排気を駆動力として吸気を過給する過給機が備えられており、前記過給機による過給圧が所定時間以上安定している時を「安定状態時」として前記演算及び前記補正を実行する。これによれば、吸気量演算値と吸気量検出値との差として算出した値から過給圧の変化による影響を排除できるので、吸気量補正手段による補正の精度を向上できる。
ここで、吸気量センサの設置位置から燃焼室50aまでの吸気管51の長さが長いほど、吸気量センサの検出応答遅れが大きくなる。また、酸素濃度センサの設置位置から燃焼室50aまでの排気管53の長さが長いほど、酸素濃度センサの検出応答遅れが大きくなる。これに対し請求項9記載の発明では、前記内燃機関の出力軸の回転速度が所定時間以上安定している時を「安定状態時」として前記演算及び前記補正を実行する。これによれば、吸気量演算値と吸気量検出値との差として算出した値から上記応答遅れによる影響を排除できるので、吸気量補正手段による補正の精度を向上できる。
請求項10記載の発明では、前記吸気量取得手段により検出される吸気量が所定時間以上安定している時を「安定状態時」として前記演算及び前記補正を実行する。これによれば、吸気量演算値と吸気量検出値との差として算出した値から、吸気量センサの検出対象である吸気量の変化による影響を排除できるので、吸気量補正手段による補正の精度を向上できる。
請求項11記載の発明では、前記噴射量取得手段により検出される噴射量又はその噴射量に関連する物理量が所定時間以上安定している時を「安定状態時」として前記演算及び前記補正を実行する。これによれば、吸気量演算値と吸気量検出値との差として算出した値から、噴射量センサの検出対象である噴射量の変化による影響を排除できるので、吸気量補正手段による補正の精度を向上できる。
ちなみに、噴射量センサとして燃圧センサを適用する以外の適用例としては、燃料噴射弁の弁体リフト量を噴射量に関連する物理量として検出するリフトセンサや、噴射孔に至るまでの燃料供給通路に配置されて燃料流量を噴射量として検出する流量計等が挙げられる。
請求項12記載の発明では、前記蓄圧容器から前記燃料噴射弁の燃料流入口までの燃料通路には、蓄圧容器内の燃料の圧力脈動を減衰させるオリフィスが備えられており、前記燃圧センサは前記オリフィスの燃料流れ下流側に配置されていることを特徴とする。ここで、前記オリフィスの上流側に燃圧センサを配置した場合には、噴射孔での圧力変動がオリフィスにより減衰してしまった後の圧力変動を検出することとなる。これに対し上記請求項12記載の発明によれば、オリフィスの下流側に燃圧センサを配置するので、オリフィスにより減衰する前の状態の圧力変動を検出することができ、噴射孔での圧力変動をより的確に検出することができる。
請求項13記載の発明は、吸気量を検出する吸気量センサ、噴射量又はその噴射量に関連する物理量を検出する噴射量センサ、及び排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、内燃機関制御装置と、を備えることを特徴とする内燃機関制御システムである。この内燃機関制御システムによれば、上述の各種効果を同様に発揮することができる。
以下、吸気量補正装置を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。先ず、本実施形態に係る吸気量補正装置が搭載されるエンジン(内燃機関)の概略について、簡単に説明する。
本実施形態では、4輪自動車用ディーゼルエンジン(内燃機関)を対象にしており、燃焼室に直接的に高圧燃料(例えば噴射圧力「1000気圧」以上の軽油)を噴射供給(直噴供給)する方式のエンジンである。また、当該エンジンは、多気筒(例えば直列4気筒)の4ストローク、レシプロ式ディーゼルエンジン(内燃機関)を想定しており、4つのシリンダ#1〜#4について、それぞれ吸入・圧縮・燃焼・排気の4行程による1燃焼サイクルが「720°CA」周期で、詳しくは例えば各シリンダ間で「180°CA」ずらしてシリンダ#1,#3,#4,#2の順に逐次実行される。
次に、エンジンの燃料系について図1〜図5を用いて説明する。
図1は、本実施形態に係るコモンレール式燃料噴射システムの構成図である。このシステムに備えられたECU30(電子制御ユニット)は、吸入調整弁11cに対する電流供給量を調整して燃料ポンプ11の燃料吐出量を所望の値に制御することで、コモンレール12(蓄圧容器)内の燃料圧力(燃圧センサ20aにて測定される時々の燃料圧力)を目標値(目標燃圧)にフィードバック制御(例えばPID制御)している。そして、その燃料圧力に基づいて、対象エンジンの所定シリンダに対する燃料噴射量、ひいては同エンジンの出力(出力軸の回転速度やトルク)を所望の大きさに制御している。
燃料供給系を構成する諸々の装置は、燃料上流側から、燃料タンク10、燃料ポンプ11、コモンレール12、及びインジェクタ20(燃料噴射弁)の順に配設されている。燃料ポンプ11は、対象エンジンの出力によって駆動される高圧ポンプ11a及び低圧ポンプ11bを有し、低圧ポンプ11bによって上記燃料タンク10から汲み上げられた燃料を、高圧ポンプ11aにて加圧して吐出するように構成されている。そして、高圧ポンプ11aに送られる燃料圧送量、ひいては燃料ポンプ11の燃料吐出量は、燃料ポンプ11の燃料吸入側に設けられた吸入調整弁(SCV:Suction Control Valve)11cによって調量される。すなわち、この燃料ポンプ11では、吸入調整弁11cの駆動電流量(ひいては弁開度)を調整することで、同ポンプ11からの燃料吐出量を所望の値に制御する。
低圧ポンプ11bは、例えばトロコイド式のフィードポンプとして構成されている。これに対し高圧ポンプ11aは、例えばプランジャポンプからなり、図示しない偏心カムにて所定のプランジャ(例えば3本のプランジャ)をそれぞれ軸方向に往復動させることにより加圧室に送られた燃料を逐次所定のタイミングで圧送するように構成されている。
燃料タンク10の燃料は、燃料ポンプ11によりコモンレール12へ加圧供給(圧送)された後、高圧状態でコモンレール12に蓄えられる。その後、シリンダ毎に設けられた高圧配管14を通じて、各シリンダ#1〜#4のインジェクタ20へそれぞれ分配供給される。これらインジェクタ20(#1)〜(#4)の燃料排出口21は、それぞれ余分な燃料を燃料タンク10へ戻すための配管18とつながっている。また、コモンレール12と高圧配管14との間には、コモンレール12から高圧配管14に流れる燃料の圧力脈動を減衰させるオリフィス12a(燃料脈動軽減手段)が備えられている。
図2に、上記インジェクタ20の詳細構造を示す。なお、上記4つのインジェクタ20(#1)〜(#4)は基本的には同様の構造(例えば図2に示す構造)となっている。いずれのインジェクタ20も、燃焼用のエンジン燃料(燃料タンク10内の燃料)を利用した油圧駆動式の燃料噴射弁であり、燃料噴射に際しての駆動動力の伝達が油圧室Cd(制御室)を介して行われる。同図2に示されるように、このインジェクタ20は、非通電時に閉弁状態となるノーマリクローズ型の燃料噴射弁として構成されている。
インジェクタ20のハウジング20eに形成された燃料流入口22には、コモンレール12から送られてくる高圧燃料が流入し、流入した高圧燃料の一部は油圧室Cdに流入し、他は噴射孔20fに向けて流れる。油圧室Cdには制御弁23により開閉されるリーク孔24が形成されており、制御弁23によりリーク孔24が開放されると、油圧室Cdの燃料はリーク孔24から燃料排出口21を経て燃料タンク10に戻される。
このインジェクタ20の燃料噴射に際しては、二方電磁弁を構成するソレノイド20bに対する通電状態(通電/非通電)に応じて制御弁23を作動させることで、油圧室Cdの密閉度合、ひいては同油圧室Cdの圧力(ニードル弁20cの背圧に相当)が増減される。そして、その圧力の増減により、スプリング20d(コイルばね)の伸張力に従って又は抗して、ニードル弁20cがハウジング20e内を往復動(上下)することで、噴射孔20f(必要な数だけ穿設)までの燃料供給通路25が、その中途(詳しくは往復動に基づきニードル弁20cが着座又は離座するテーパ状のシート面)で開閉される。
ここで、ニードル弁20cの駆動制御は、オンオフ制御を通じて行われる。すなわち、ニードル弁20cの駆動部(上記二方電磁弁)には、ECU30からオンオフを指令するパルス信号(通電信号)が送られる。そして、パルスオン(又はオフ)によりニードル弁20cがリフトアップして噴射孔20fが開放され、パルスオフ(又はオン)によりリフトダウンして噴射孔20fが閉塞される。
ちなみに、上記油圧室Cdの増圧処理は、コモンレール12からの燃料供給によって行われる。他方、油圧室Cdの減圧処理は、ソレノイド20bへの通電により制御弁23を作動させてリーク孔24を開放させることによって行われる。これにより、当該インジェクタ20と燃料タンク10とを接続する配管18(図1)を通じてその油圧室Cd内の燃料が上記燃料タンク10へ戻される。つまり、油圧室Cd内の燃料圧力を制御弁23の開閉作動により調整することで、噴射孔20fを開閉するニードル弁20cの作動が制御される。
このように、上記インジェクタ20は、弁本体(ハウジング20e)内部での所定の往復動作に基づいて噴射孔20fまでの燃料供給通路25を開閉(開放・閉鎖)することにより当該インジェクタ20の開弁及び閉弁を行うニードル弁20cを備える。そして、非駆動状態では、定常的に付与される閉弁側への力(スプリング20dによる伸張力)でニードル弁20cが閉弁側へ変位するとともに、駆動状態では、駆動力が付与されることにより上記スプリング20dの伸張力に抗してニードル弁20cが開弁側へ変位する。そしてこの際、それら非駆動状態と駆動状態とでは、ニードル弁20cのリフト量が略対称に変化する。
インジェクタ20には、燃料圧力を検出する燃圧センサ20a(図1も併せ参照)が取り付けられている。具体的には、ハウジング20eに形成された燃料流入口22と高圧配管14とを治具20jで連結させ、この治具20jに燃圧センサ20aを取り付けている。このようにインジェクタ20の燃料流入口22に燃圧センサ20aを取り付けることで、燃料流入口22における燃料圧力(インレット圧)の随時の検出が可能とされている。具体的には、この燃圧センサ20aの出力により、当該インジェクタ20の噴射動作に伴う燃料圧力の変動波形や、燃料圧力レベル(安定圧力)、燃料噴射圧力等を検出(測定)することができる。
燃圧センサ20aは、複数のインジェクタ20(#1)〜(#4)の各々に対して設けられている。そして、これら燃圧センサ20aの出力に基づいて、所定の噴射について、インジェクタ20の噴射動作に伴う燃料圧力の変動波形を高い精度で検出することができるようになっている(詳しくは後述)。
ECU30に搭載されるマイクロコンピュータ(マイコン)は、各種の演算を行うCPU(基本処理装置)、その演算途中のデータや演算結果等を一時的に記憶するメインメモリとしてのRAM、プログラムメモリとしてのROM、データ保存用メモリとしてのEEPROM、バックアップRAM(ECU30の主電源停止後も車載バッテリ等のバックアップ電源により常時給電されているメモリ)等を備えて構成されている。そして、ROMには、当該燃料噴射制御に係るプログラムを含めたエンジン制御に係る各種のプログラムや制御マップ等が、またデータ保存用メモリ(例えばEEPROM)には、対象エンジンの設計データをはじめとする各種の制御データ等が、それぞれ予め格納されている。
また、ECU30は、クランク角センサ42から入力される検出信号に基づき、対象エンジンの出力軸(クランク軸41)の回転角度位置や回転速度(エンジン回転速度NE)を算出する。また、アクセルセンサ44から入力される検出信号に基づき、運転者によるアクセルペダルの操作量(踏込み量)が算出される。ECU30は、前記各種センサ42,44及び後述する各種センサの検出信号に基づいて対象エンジンの運転状態やユーザの要求を把握し、それに応じて上記吸入調整弁11cやインジェクタ20等の各種アクチュエータを操作することにより、その時々の状況に応じた最適な態様で上記エンジンに係る各種の制御を行っている。
次に、ECU30が実行する燃料系の制御についての概略を説明する。
ECU30のマイコンは、時々のエンジン運転状態(例えばエンジン回転速度NE)や運転者によるアクセルペダルの操作量等に応じて燃料噴射量を算出し、所望の噴射時期に同期して、その燃料噴射量での燃料噴射を指示する噴射制御信号(噴射指令信号)を上記インジェクタ20へ出力する。当該噴射制御信号に応じた駆動量(例えば開弁時間)でインジェクタ20が作動することにより、対象エンジンの出力トルクが目標値へ制御されることになる。
以下、図3を参照して、上記燃料系制御の基本的な処理手順について説明する。なお、この図3の処理において用いられる各種パラメータの値は、例えばECU30に搭載されたRAMやEEPROM、あるいはバックアップRAM等の記憶装置に随時記憶され、必要に応じて随時更新される。そして、これら各図の一連の処理は、基本的には、ECU30でROMに記憶されたプログラムが実行される。
同図3に示すように、この一連の処理においては、まずステップS11で、所定のパラメータ、例えばその時のエンジン回転速度NE(クランク角センサ42による実測値)及び燃料圧力(燃圧センサ20aによる実測値)、さらには運転者によるその時のアクセル操作量(アクセルセンサ44による実測値)等を読み込む。
続くステップS12では、上記ステップS11で読み込んだ各種パラメータに基づいて噴射パターンを設定する。例えば単段噴射の場合にはその噴射の噴射量(噴射時間)が、また多段噴射の噴射パターンの場合にはトルクに寄与する各噴射の総噴射量(総噴射時間)が、それぞれ上記出力軸(クランク軸41)に生成すべきトルク(アクセル操作量等から算出される要求トルク、いわばその時のエンジン負荷に相当)に応じて可変設定される。
この噴射パターンは、例えば上記ROMに記憶保持された所定のマップ(噴射制御用マップ、数式でも可)及び補正係数に基づいて取得される。詳しくは、例えば予め上記所定パラメータ(ステップS11)の想定される範囲について試験により最適噴射パターン(適合値)を求め、その噴射制御用マップに書き込んでおく。
この噴射パターンは、例えば噴射段数(1燃焼サイクル中の噴射回数)、並びにそれら各噴射の噴射時期(噴射タイミング)及び噴射時間(噴射量に相当)等のパラメータにより定められるものである。こうして、上記噴射制御用マップは、それらパラメータと最適噴射パターンとの関係を示すものとなっている。
そして、この噴射制御用マップで取得された噴射パターンを、別途更新されている補正係数(例えばECU30内のEEPROMに記憶)に基づいて補正する(例えば「設定値=マップ上の値/補正係数」なる演算を行う)ことで、その時に噴射すべき噴射パターン、ひいてはその噴射パターンに対応した上記インジェクタ20に対する噴射指令信号を得る。補正係数(厳密には複数種の係数のうちの所定の係数)は、別途の処理により内燃機関の運転中に逐次更新されている。
なお、上記噴射パターンの設定(ステップS12)には、同噴射パターンの要素(上記噴射段数等)毎に別々に設けられた各マップを用いるようにしても、あるいはこれら噴射パターンの各要素を幾つか(例えば全て)まとめて作成したマップを用いるようにしてもよい。
こうして設定された噴射パターン、ひいてはその噴射パターンに対応する指令値(噴射指令信号)は、続くステップS13で使用される。すなわち、同ステップS13(指令信号出力手段)では、その指令値(噴射指令信号)に基づいて(詳しくは上記インジェクタ20へその噴射指令信号を出力して)、同インジェクタ20の駆動を制御する。そして、このインジェクタ20の駆動制御をもって、図3の一連の処理を終了する。
次に、インジェクタ20からの燃料噴射量を推定する処理について、図4を用いて説明する。
図4に示す一連の処理は、所定周期(例えば先述のCPUが行う演算周期)又は所定のクランク角度毎に実行される。まずステップS21で、燃圧センサ20aの出力値(検出圧力)を取り込む。この取り込み処理は複数の燃圧センサ20aの各々について実行される。以下、ステップS21の取り込み処理について、図5を用いて詳細に説明する。
図5(a)は、図3のステップS13にてインジェクタ20に出力される噴射指令信号を示しており、この指令信号のパルスオンによりソレノイド20bが作動して噴射孔20fが開弁する。つまり、噴射指令信号のパルスオン時期t1により噴射開始が指令され、パルスオフ時期t2により噴射終了が指令される。よって、指令信号のパルスオン期間(噴射指令期間)により噴射孔20fの開弁時間Tqを制御することで、噴射量Qを制御している。図5(b)は、上記噴射指令に伴い生じる噴射孔20fからの燃料噴射率の変化(推移)を示し、図5(c)は、噴射率の変化に伴い生じる燃圧センサ20aの出力値(検出圧力)の変化(変動波形)を示す。
そして、ECU30は、図4の処理とは別のサブルーチン処理により、燃圧センサ20aの出力値を検出しており、そのサブルーチン処理では燃圧センサ20aの出力値を、該センサ出力で圧力推移波形の軌跡(図5(c)にて例示される軌跡)が描かれる程度に短い間隔(図4の処理周期よりも短い間隔)にて逐次取得している。具体的には、50μsecよりも短い間隔(より望ましくは20μsec)でセンサ出力を逐次取得する。
燃圧センサ20aの検出圧力の変動と噴射率の変化とは以下に説明する相関があるため、検出圧力の変動波形から噴射率の推移波形を推定することができる。すなわち、先ず、図5(a)に示すように噴射開始指令がなされたt1時点の後、噴射率がR1の時点で上昇を開始して噴射が開始される。一方、検出圧力は、R1の時点で噴射率が上昇を開始したことに伴い変化点P1にて下降を開始する。その後、R2の時点で噴射率が最大噴射率に到達したことに伴い、検出圧力の下降は変化点P2にて停止する。次に、R2の時点で噴射率が下降を開始したことに伴い、検出圧力は変化点P2にて上昇を開始する。その後、R3の時点で噴射率がゼロになり実際の噴射が終了したことに伴い、検出圧力の上昇は変化点P3にて停止する。
以上により、燃圧センサ20aによる検出圧力の変動のうち変化点P1及びP3を検出することで、噴射率の上昇開始時点R1(実噴射開始時点)及び下降終了時点R3(実噴射終了時点)を推定することができる。また、以下に説明する検出圧力の変動と噴射率の変化との相関関係に基づき、検出圧力の変動から噴射率の変化を推定できる。
つまり、検出圧力の変化点P1からP2までの圧力下降率Pαと、噴射率の変化点R1からR2までの噴射率上昇率Rαとは相関がある。変化点P2からP3までの圧力上昇率Pγと変化点R2からR3までの噴射率下降率Rγとは相関がある。変化点P1からP2までの圧力下降量Pβ(最大落込量)と変化点R1からR2までの噴射率上昇量Rβとは相関がある。よって、燃圧センサ20aによる検出圧力の変動から圧力下降率Pα、圧力上量率Pγ及び圧力下降量Pβを検出することで、噴射率上昇率Rα、噴射率下降率Rγ及び噴射率上昇量Rβを推定することができる。以上の如く噴射率の各種状態R1,R3,Rα,Rβ,Rγを推定することができ、よって、図5(b)に示す燃料噴射率の変化(推移波形)を推定することができる。
さらに、実噴射開始から終了までの噴射率の積分値(斜線を付した符号Sに示す部分の面積)は噴射量に相当する。そして、検出圧力の変動波形のうち実噴射開始から終了までの噴射率変化に対応する部分(変化点P1〜P3の部分)の圧力の積分値と噴射率の積分値Sとは相関がある。よって、燃圧センサ20aによる検出圧力の変動から圧力積分値を算出することで、噴射量Qに相当する噴射率積分値Sを推定することができる。以上により、燃圧センサ20aは、インジェクタ20に供給される燃料の圧力を噴射量に関連する物理量として検出する噴射量センサとして機能していると言える。
図4の説明に戻り、先述のステップS21に続くステップS22において、ステップS21で取得した変動波形から変化点P1,P3の出現時期を検出する。具体的には、変動波形の1階微分値を演算し、噴射指令のパルスオン時期t1以降、前記微分値が最初に閾値を超えたことをもってして変化点P1の出現を検出するようにして好適である。また、変化点P1の出現以降、前記微分値が閾値内で変動する安定状態となった場合に、その安定状態以前において前記微分値が最後に閾値を下回ったことをもってして変化点P3の出現を検出するようにして好適である。
続くステップS23では、ステップS21で取得した変動波形から圧力下降量Pβを検出する。具体的には、変動波形の変化点P1からP3までにおける検出圧力のピーク値から、変化点P1時点の検出圧力を減算することにより圧力下降量Pβを検出することが挙げられる。
続くステップS24では、ステップS22での検出結果P1,P2に基づき噴射率の上昇開始時点R1(実噴射開始時点)及び下降終了時点R3(実噴射終了時点)を推定する。また、ステップS23での検出結果Pβに基づき噴射率上昇量Rβを推定する。そして、少なくともこれらの推定値R1,R3,Rβに基づき、図5(b)に示すような噴射率の推移波形を算出する。なお、これらの推定値R1,R3,Rβの他にも、先述の如くR2,Rα,Rγ等の値を推定し、これらの推定値R2,Rα,Rγを噴射率推移波形の算出に用いるようにしてもよい。
続くステップS25では、ステップS24にて算出した噴射率推移波形をR1からR3の区間にて積分演算することにより面積Sを算出する。そして、当該面積Sを噴射量として推定する。以上により、図4の一連の処理が終了し、ステップS25にて推定された燃料噴射量及びステップS24にて推定された噴射率推移波形は、図3のステップS11で用いる先述の噴射制御用マップの更新(学習)等に用いられる。
次に、エンジンの吸排気系について図6及び図7を用いて説明する。
図6は、図1のエンジンに係る吸排気系システムの構成図である。当該エンジンは、排気系から吸気系に排気を還流させるEGR配管52を備えており、排気の一部を吸気管51に戻すことで、燃焼温度を下げてNOX低減等を図っている。EGR配管52には、EGR量(排気還流量)を調整するEGRバルブ52aが備えられている。EGRバルブ52aは電動アクチュエータ52bにより開閉作動し、全開作動時にEGR量は最大となり、全閉作動時にEGR量はゼロとなる。また、EGR配管52にはEGRクーラ52cが備えられており、還流させる排気を冷却して体積減少(密度上昇)を図ることで、燃焼室50aに流入する吸気の充填効率向上を図っている。
吸気管51のうち、EGR配管52が接続される部分の上流側には、燃焼室50aに流入する吸気のうち新気の流量を調整するスロットルバルブ51aが備えられている。スロットルバルブ51aは図示しない電動アクチュエータにより開閉作動し、全開作動時に新気量は最大となり、全閉作動時に新気量はゼロとなる。また、吸気管51のうち、EGR配管52が接続される部分の上流側には、吸気圧(後述するターボチャージャの過給圧でもある)を検出する吸気圧センサ45と、吸気温度を検出する吸気温センサ46とが備えられている。これらのセンサ45,46の検出信号はECU30に出力される。
吸気管51と排気管53との間にはターボチャージャ54(過給機)が配設されている。ターボチャージャ54は、吸気管51に設けられたコンプレッサインペラ54aと、排気管53に設けられたタービンホイール54bとを有し、それらがシャフト54cにて連結されている。ターボチャージャ54では、排気管53を流れる排気によってタービンホイール54bが回転し、その回転力がシャフト54cを介してコンプレッサインペラ54aに伝達される。そして、コンプレッサインペラ54aにより、吸気管51内を流れる吸入空気が圧縮されて過給が行われる。
また、本実施形態に係るターボチャージャ54には、排気の流体エネルギをシャフト54cの回転駆動力に変換する割合を設定変更可能にする容量可変型のターボチャージャが採用されている。具体的には、タービンホイール54bには、吹き付けられる排気の流速を可変とするための複数の可変ベーン54dが設けられている。これらの可変ベーン54dは互いに同期した状態で開閉動作する。そして、隣り合う可変ベーン54d間の隙間の大きさ、すなわち可変ベーン54dの開度を変化させることで、前記排気流速を調整し、これによりタービンホイール54bの回転速度が調整される。そして、タービンホイール54bの回転速度が調整されることにより、燃焼室50aに強制的に供給される空気の量、すなわち過給圧が調整される。
なお、ターボチャージャ54にて過給された空気は、インタークーラ55によって冷却された後、その下流側に給送される。インタークーラ55によって吸入空気を冷却して体積減少(密度上昇)を図ることで、燃焼室50aに流入する吸気の充填効率向上を図っている。
吸気管51のうちコンプレッサインペラ54aの上流側には、単位時間あたりに流入する吸入空気の質量流量(以下、単に吸入空気量又は吸気量と呼ぶ)を検出するエアフロメータ47(吸気量センサ)が取り付けられている。本実施形態に係るエアフロメータ47には、吸気流量に応じて発熱体から奪われる熱量の変化を検出することで吸気量を間接的に検出するホットワイヤ式エアフロメータが採用されている。
排気管53のうちタービンホイール54bの下流側には、排気を浄化する浄化装置56が取り付けられている。浄化装置56の具体例としては、排気中のPMを捕集するためのDPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)、排気中のNOxを浄化するNOx触媒や排気中のHCやCOを浄化する酸化触媒等が挙げられる。
排気管53のうち浄化装置56の下流側には、排気中の酸素濃度を検出するA/Fセンサ48(酸素濃度センサ)が取り付けられている。A/Fセンサ48は、時々の排気中酸素濃度に応じた酸素濃度検出信号を出力する酸素濃度センサである。A/Fセンサ48のセンサ出力としての酸素濃度検出信号は、酸素濃度に応じてリニアに変化するように調整される。なお、A/Fセンサ48に替えて、排気がリッチかリーンかに応じて異なる起電力信号を出力する起電力出力型のO2センサを採用してもよい。
次に、ECU30が実行する吸排気系の制御についての概略を説明する。
ECU30のマイコンは、容量可変型ターボチャージャ54の容量を調整することで過給圧を制御する。すなわち、前述のステップS11で設定された燃料噴射量(噴射指令信号)又はステップS25で検出(推定)した噴射量、及びエンジン回転速度NE等をパラメータとして、マップ等を用いて可変ベーン54dの目標開度を算出する。そして、目標開度となるよう図示しないアクチュエータを駆動制御することにより、可変ベーン54dが目標開度となるよう制御する。なお、エンジン回転速度NEが高いほど、或いは燃料噴射量が多いほど目標開度は大きく設定され、ひいては過給圧が増加する。
ECU30のマイコンは、EGRバルブ52aの開度を制御する。すなわち、前述のステップS11で設定された燃料噴射量(噴射指令信号)又はステップS25で検出(推定)した噴射量、及びエンジン回転速度NE等をパラメータとして、マップ等を用いて排気中の酸素濃度(排気酸素濃度)の目標値(目標排気酸素濃度)を算出する。そして、後述する排気酸素濃度予測手段31(図6参照)により予測された排気酸素濃度が目標排気酸素濃度に近づくよう、EGRバルブ52aの開度を制御(EGRフィードバック制御)する。さらにECU30のマイコンは、エアフロメータ47により検出された吸入空気量及びEGRバルブ52aの開度等に基づき、スロットルバルブ51aの開度を制御する。
ちなみに、EGR量が過小の場合には十分なNOx低減効果が得られず、EGR量が過大の場合には、気筒内の酸素が不足してパティキュレート(特にスモーク)が増加する。これを回避するためには、スモーク発生限界ぎりぎりまでEGR量を増やし、スモークの発生なしでNOxを低減させることが要求される。そこで、上記EGRフィードバック制御により、パティキュレート、特にスモーク発生量と相関が強い排気酸素濃度を所定値以上とすることでスモーク発生ぎりぎりまでEGR量を増やすよう、上述の目標排気酸素濃度は設定されている。また、浄化装置56の状態に応じて目標排気酸素濃度は設定される。
次に、上記EGRフィードバック制御に関する図6の制御ブロックについて説明する。なお、制御ブロックを構成する図6の各種手段31,32,33,34,35は、ECU30のマイコンにより実行される手段である。
排気酸素濃度予測手段31は、上記EGRフィードバック制御に用いる排気酸素濃度の予測演算を行う。当該予測手段31には、吸排気系をモデル化した物理モデルが記憶されており、物理モデルの入力値として以下のパラメータが挙げられる。すなわち、燃圧センサ20aの検出圧力に基づきステップS25で推定(検出)した噴射量検出値、エアフロメータ47により検出された吸気量検出値、前述のステップS11で設定された燃料の要求噴射量、クランク角センサ42により検出されたエンジン回転速度NE、吸気圧センサ45により検出された吸気圧、吸気温センサ46により検出された吸気温度等が挙げられる。そして、これらの入力値に基づき物理モデルの演算を実行し、その演算の結果、排気酸素濃度を物理モデルの出力値として得ることができる。
ここで、数式(1)〜(8),(7’)を用いて先に説明した本発明者らの知見「吸気量センサ、噴射量センサ及び酸素濃度センサのうちいずれか1つのセンサの検出対象を、他の2つのセンサの検出値に基づけば演算することが可能である」に基づけば、「噴射量検出値及び吸気量検出値に基づけば酸素濃度を演算することが可能である」と言える。上記物理モデルはこの知見に基づき酸素濃度を演算していると言える。つまり、上記物理モデルは、燃圧センサ20aによる噴射量検出値及びエアフロメータ47による吸気量検出値に基づき排気酸素濃度を演算している。
本実施形態では、このように演算された排気酸素濃度演算値と、A/Fセンサ48により検出された実際の排気酸素濃度検出値との差を算出し、当該差を上記物理モデルで用いた吸気量検出値の検出誤差とみなしている。つまり、燃圧センサ20aによる噴射量検出値及びA/Fセンサ48による酸素濃度検出値に基づき、前記物理モデルを用いて吸気量を演算し、当該吸気量演算値とエアフロメータ47による吸気量検出値との差を吸気量検出値の検出誤差とみなしている。
誤差学習手段33は、このように算出されたエアフロメータ47の検出誤差の値を、吸気量との関係を定めるマップに記憶させることで学習させている。そして、当該マップに基づきエアフロメータ47の検出値を補正することで、以降の排気酸素濃度予測手段31による排気酸素濃度の演算処理に上記学習結果を反映させている。
なお、排気酸素濃度演算値と排気酸素濃度検出値との差を算出するにあたり、当該算出処理には、大気学習手段32により補正された排気酸素濃度検出値を用いている。ここで、実際の排気酸素濃度に対するA/Fセンサ48の出力値(出力電圧)は機差によるばらつきを含んでおり、そこで、当該出力値のばらつきを大気状態にて補正する大気学習を大気学習手段32は実行している。
また、A/Fセンサ48は浄化装置56の下流側に配置されているため、燃焼室50aからA/Fセンサ48に至るまでの排気流路長は、前記物理モデルの遅れ要素として無視できない程度に長い。つまり、物理モデルにより演算した排気酸素濃度演算値が実際のA/Fセンサ48の検出値に反映されるまでに遅れが生じる。そのため、誤差学習手段33にてエアフロメータ47の検出誤差を算出するにあたり、遅れ補償手段34により前記遅れ要素を補償している。
次に、上記EGRフィードバック制御に用いる排気酸素濃度の予測値を算出する処理手順、及びエアフロメータ47の検出誤差を算出して学習させる学習処理手順を、図7を用いて説明する。
図7に示す一連の処理は、所定周期(例えば先述のCPUが行う演算周期)又は所定のクランク角度毎に、ECU30のマイコンが実行する処理である。まずステップS31において、エアフロメータ47による吸入空気量の検出を実行し、続くステップS32にてエアフロメータ47から出力された検出値に基づき吸入空気量を算出する。この吸気量は、先述した数式(1)の新気量x1に相当する。よって、以降のステップにおける数式(1)を用いた算出では、エアフロメータ47による吸空量検出値に基づきステップS32にて算出した新気量x1を用いることができる。
続くステップS33ではEGR量及び還流排気中の酸素量を算出する。EGR量は、先述した数式(2)のx2に相当し、数式(1)〜(3)に基づき算出される。また、還流排気中の酸素量は、数式(2)のy2に相当する還流排気酸素濃度にEGR量x2を乗じることで算出される。つまり、還流排気中酸素量y2・x2を数式(1)〜(8)に基づき算出する。
続くステップS34では、筒内空気量、筒内に吸入された筒内酸素量及び燃焼した酸素量を算出する。筒内空気量は、数式(3)のx3に相当し、燃焼室50aの容積及びピストン50bが下降する際の吸入効率等に基づき理論的に算出される。筒内酸素量は、還流排気及び新気が混合した状態の吸気量(数式(7)のy3に相当)に筒内空気量x3を乗じることで算出される。つまり、筒内酸素量y3・x3を、数式(1)〜(8)に基づき算出する。燃焼した酸素量は、噴射量センサ20aの検出圧力に基づき推定(検出)された燃料噴射量及び筒内酸素量y3・x3等に基づき理論的に算出される。
続くステップS35では、ステップS25で検出(推定)した燃料噴射量Qを取得する。よって、数式(8)を用いた算出では、ステップS35にて取得した噴射量検出値Qを用いることができる。続くステップS36では、先述の排気酸素濃度予測手段31により予測値としての排気酸素濃度を算出する。具体的には、次の数式(9)により排気酸素濃度を算出する。
排気酸素濃度=(筒内O2量−燃焼O2量)/(筒内空気量+噴射量) …(9)
数式(9)の右辺の各パラメータのうち、筒内O2量、燃焼O2量及び筒内空気量にはステップS34で算出した値を代入し、噴射量にはステップS35で取得した噴射量Qを代入することにより、数式(9)の左辺である排気酸素濃度が算出される。
続くステップS37では、A/Fセンサ48により検出された実際の排気酸素濃度検出値を取得する。続くステップS38では、ステップS36にて算出された排気酸素濃度演算値と、ステップS37にて取得した排気酸素濃度検出値との差を算出し、当該差を、ステップS31にて行ったエアフロメータ47による吸入空気量の検出の検出誤差とみなす。
続くステップS39では、ステップS31におけるエアフロメータ47の検出、及びステップS35における燃圧センサ20aの検出が、エンジン運転状態が安定している時に検出されたものであるか否かを判定する。エンジン運転状態が安定しているか否かは、以下の条件(1)〜(7)を満たしているか否かに基づき判定される。
(1)EGRバルブ52aが全閉状態で継続して固定されている。
(2)スロットルバルブ51aが全開状態で継続して固定されている。
(3)ターボチャージャ54による容量(可変ベーン54d開度)が所定範囲内に継続して設定されている。
(4)ターボチャージャ54による過給圧が所定時間以上安定している。
(5)エンジン回転速度NEが所定時間以上安定している。
(6)エアフロメータ47により検出される吸気量検出値が所定時間以上安定している。
(7)燃圧センサ20aの検出圧力に基づき推定される噴射量が所定時間以上安定している。
ステップS39にて安定条件(1)〜(7)を全て満たしている、或いは少なくとも1つを満たしていると判定された場合にはステップS40に進み、先述の誤差学習手段33により、ステップS38にて算出したエアフロメータ47の吸気量検出誤差の値を、吸気量との関係を定めるマップに記憶させる。
なお、図7に示す処理では、ステップS39による安定条件判定結果に拘わらずステップS31〜S38の処理を実行しているが、ステップS31の処理の前に安定条件判定を行い、安定した状態であると判定された場合にステップS31〜S38の処理を実行し、安定状態でないと判定された場合にはステップS31〜S38の処理を実行しないようにして、マイコンの処理負担軽減を図るようにしてもよい。
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
・燃圧センサ20aによる噴射量検出値及びエアフロメータ47による吸気量検出値に基づき物理モデルを用いて排気酸素濃度を演算する。そして、このように演算された排気酸素濃度演算値と、A/Fセンサ48により検出された実際の排気酸素濃度検出値との差を算出し、当該差を上記物理モデルで用いた吸気量検出値の検出誤差とみなす。そして、このようにして得られたエアフロメータ47の検出誤差の値に基づきエアフロメータ47の検出値を補正する。つまり、エアフロメータ47の検出値を他のセンサ20a,48の検出値(噴射量検出値及び酸素濃度検出値)に基づき補正することができる。
そして、燃圧センサ20a及びA/Fセンサ48の検出値はエアフロメータ47の検出値に比べて検出精度が高いため、エアフロメータ47の検出値を補正することができる。よって、エアフロメータ47の検出値を用いて行う排気酸素濃度予測手段31の予測演算精度を向上できる。また、エアフロメータ47の検出値を用いた他の制御(例えばスロットルバルブ51a等の制御)を高精度で制御できる。
・エアフロメータ47の検出誤差の値を、吸気量との関係を定めるマップに記憶させて学習するので、エアフロメータ47の検出レンジ全体についての誤差の値がマップに記憶されることとなる。よって、エアフロメータ47の検出レンジ全体について吸気量検出値を補正することができる。
・エアフロメータ47の検出誤差のうち、内燃機関の運転状態が安定している安定状態時(前記条件(1)〜(7)の全て又は少なくとも1つを満たす時)に検出された噴射量検出値、酸素濃度検出値及び吸気量検出値に基づき算出された誤差についてのみマップに記憶学習させるので、高精度で得られた検出誤差についてのみ記憶学習させることとなり、ひいては、エアフロメータ47検出値の補正の精度を向上できる。
・ここで、燃焼室50aから排出された排気がA/Fセンサ48に到達するまでに要する流通時間の分、A/Fセンサ48の検出値には応答遅れが生じる。これに対し本実施形態では、噴射量検出値及び吸気量検出値に基づき演算された酸素濃度演算値を用いてEGRバルブ52aの開度をフィードバック制御するので、A/Fセンサ48による排気酸素濃度検出値を用いてフィードバック制御する場合に比べて、高応答でEGRバルブ52aを制御できる。
(他の実施形態)
上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。また、本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、各実施形態の特徴的構造をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。
・エアフロメータ47検出誤差を算出するにあたり、上記実施形態では、噴射量検出値及び吸気量検出値に基づき物理モデルを用いて排気酸素濃度を演算し、この演算による排気酸素濃度演算値と実際の排気酸素濃度検出値との差を上記物理モデルで用いた吸気量検出値の検出誤差とみなしている。この場合、物理モデルを用いた排気酸素濃度の演算が特許請求の範囲に記載の「演算手段」に相当することとなる。
これに対し、排気酸素濃度検出値及び吸気量検出値に基づき物理モデルを用いて噴射量を演算し、この演算による噴射量演算値と実際の噴射量検出値との差を上記物理モデルで用いた吸気量検出値の検出誤差とみなしてエアフロメータ47の検出誤差を算出してもよい。この場合、物理モデルを用いた噴射量の演算が「演算手段」に相当することとなる。
また、噴射量検出値及び排気酸素濃度検出値に基づき物理モデル等を用いて吸気量を直接演算し、この演算による吸気量演算値と実際の吸気量検出値との差をエアフロメータ47の検出誤差として算出してもよい。この場合、物理モデル等を用いた吸気量の演算が「演算手段」に相当することとなる。
・上記実施形態では、エアフロメータ47の吸気量検出誤差の値を吸気量と対応付けてマップに記憶させているが、吸気量と対応付けする他に、例えば吸気圧センサ45による吸気圧や吸気温センサ46による吸気温度等、他のパラメータと対応付けして吸気量検出誤差をマップに記憶させるようにしてもよい。
・燃圧センサ20aをインジェクタ20に取り付けるにあたり、上記実施形態では、インジェクタ20の燃料流入口22に燃圧センサ20aを取り付けているが、図2中の一点鎖線200aに示すようにハウジング20eの内部に燃圧センサ200aを組み付けて、燃料流入口22から噴射孔20fに至るまでの内部燃料通路25の燃料圧力を検出するように構成してもよい。
そして、上述の如く燃料流入口22に取り付ける場合には、ハウジング20eの内部に取り付ける場合に比べて燃圧センサ20aの取付構造を簡素にできる。一方、ハウジング20eの内部に取り付ける場合には、燃料流入口22に取り付ける場合に比べて燃圧センサ20aの取り付け位置が噴射孔20fに近い位置となるので、噴射孔20fでの圧力変動をより的確に検出することができる。
・高圧配管14に燃圧センサ20aを取り付けるようにしてもよい。この場合、コモンレール12から一定距離だけ離間した位置に燃圧センサ20aを取り付けることが望ましい。
・コモンレール12と高圧配管14との間に、コモンレール12から高圧配管14に流れる燃料の流量を制限する流量制限手段を備えてもよい。この流量制限手段は、高圧配管14やインジェクタ20等の損傷による燃料漏れにより過剰な燃料流出が発生した時に、流路を閉塞するよう機能するものであり、例えば過剰流量時に流路を閉塞するように作動するボール等の弁体により構成することが具体例として挙げられる。なお、オリフィス12a(燃料脈動軽減手段)と流量制限手段とを一体に構成したフローダンパを採用してもよい。
・また、燃圧センサ20aをオリフィス及び流量制限手段の燃料流れ下流側に配置する構成の他に、オリフィス及び流量制限手段の少なくとも一方に対して下流側に配置するよう構成してもよい。
・燃圧センサ20aの数は任意であり、例えば1つのシリンダの燃料流通経路に対して2つ以上のセンサを設けるようにしてもよい。また、上記実施形態で説明した燃圧センサ20aに加えて、さらにコモンレール12内の圧力を測定するレール圧センサを備える構成としてもよい。
・図2に例示した電磁駆動式のインジェクタ20に替えて、ピエゾ駆動式のインジェクタを用いるようにしてもよい。また、リーク孔24等からの圧力リークを伴わない燃料噴射弁、例えば駆動動力の伝達に油圧室Cdを介さない直動式のインジェクタ(例えば近年開発されつつある直動式ピエゾインジェクタ)等を用いることもできる。そして、直動式のインジェクタを用いた場合には、噴射率の制御が容易となる。
・制御対象とするエンジンの種類やシステム構成も、用途等に応じて適宜に変更可能である。例えば、上記実施形態ではディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について言及したが、例えば火花点火式のガソリンエンジン(特に直噴エンジン)等についても、基本的には同様に本発明を適用することができる。直噴式ガソリンエンジンの燃料噴射システムでは、燃料(ガソリン)を高圧状態で蓄えるデリバリパイプを備えており、このデリバリパイプに対して燃料ポンプから燃料が圧送されるとともに、同デリバリパイプ内の高圧燃料が複数のインジェクタ20に分配され、エンジン燃焼室内に噴射供給される。なお、かかるシステムでは、デリバリパイプが蓄圧容器に相当する。また、本発明に係る装置及びシステムは、シリンダ内に燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁に限らず、エンジンの吸気通路又は排気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁についても適用できる。
実施形態に係る吸気量補正装置が適用された、燃料系システムの概略を示す構成図。 図1の燃料噴射弁の内部構造を模式的に示す内部側面図。 図1のシステムに係る燃料噴射制御処理の基本的な手順を示すフローチャート。 図1の燃圧センサの検出圧力に基づく燃料噴射量推定の処理手順を示すフローチャート。 図1の燃圧センサによる検出圧力の変動波形と噴射率推移波形との関係を示す、単段噴射実行時におけるタイムチャート。 実施形態に係る吸気量補正装置が適用された、吸排気系システムの概略を示す構成図。 図6のシステムに係る排気酸素濃度の予測値算出処理手順、及びエアフロメータの検出誤差を算出して学習させる学習処理手順を示すフローチャート。
符号の説明
20a…燃圧センサ(噴射量センサ)、47…エアフロメータ(吸気量センサ)、48…A/Fセンサ(酸素濃度センサ)、S31…吸気量取得手段、S35…噴射量取得手段、S36,31…排気酸素濃度予測手段(演算手段)、S37…酸素濃度取得手段、S38,S40,33…誤差学習手段(吸気量補正手段)。

Claims (13)

  1. 内燃機関の吸気系から燃焼室に流入する吸気量を検出する吸気量センサから、その吸気量検出値を取得する吸気量取得手段と、
    燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射量に関連する物理量を検出する噴射量センサから、その噴射量検出値を取得する噴射量取得手段と、
    前記内燃機関から排出される排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサから、その酸素濃度検出値を取得する酸素濃度取得手段と、
    前記吸気量センサ、前記噴射量センサ及び前記酸素濃度センサのうちいずれか1つのセンサの検出対象を、他の2つのセンサの検出値に基づき演算する演算手段と、
    前記演算手段により演算された演算値と前記1つのセンサの検出値との差に基づき、前記吸気量検出値を補正する吸気量補正手段と、
    前記吸気量補正手段により補正された前記吸気量検出値及び前記噴射量検出値に基づき、排気中の酸素濃度を演算する酸素濃度演算手段と、
    前記酸素濃度演算手段により演算された酸素濃度演算値が目標値に近づくよう、前記内燃機関の排気系から吸気系に還流するEGR量を調整するEGRバルブの開度をフィードバック制御するEGR制御手段と、を備え
    前記内燃機関は、ディーゼルエンジンであり、燃料を蓄圧するコモンレールから前記燃料噴射弁へ燃料を分配供給するよう構成されており、
    前記噴射量センサは、前記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を前記物理量として検出する燃圧センサであるとともに、前記燃料噴射弁の内部に取り付けられ、前記燃料噴射弁の燃料流入口から噴射孔に至るまでの内部燃料通路の燃料圧力を検出するよう構成されており、
    前記噴射量取得手段は、前記燃圧センサにより検出された燃料圧力に基づいて、前記燃料圧力が下降を開始する変化点に対応する噴射率の上昇開始時点、前記燃料圧力が上昇を停止する変化点に対応する噴射率の下降終了時点、及び前記燃料圧力の下降量に対応する噴射率の上昇量をそれぞれ推定し、これらの噴射率の上昇開始時点、下降終了時点、及び上昇量に基づいて噴射率推移波形を算出し、この噴射率推移波形を前記上昇開始時点から前記下降終了時点まで積分演算することにより前記噴射量検出値を取得することを特徴とする内燃機関制御装置。
  2. 前記演算手段は、前記噴射量検出値及び前記酸素濃度検出値に基づき前記吸気量を演算し、
    前記吸気量補正手段は、前記演算手段により演算された吸気量演算値と前記吸気量検出値との差に基づき、前記吸気量検出値を補正することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関制御装置。
  3. 前記演算手段は、前記吸気量検出値及び前記噴射量検出値に基づき前記酸素濃度を演算し、
    前記吸気量補正手段は、前記演算手段により演算された酸素濃度演算値と前記酸素濃度検出値との差に基づき、前記吸気量検出値を補正することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関制御装置。
  4. 前記演算手段により演算された演算値と前記1つのセンサの検出値との差を前記吸気量検出値の誤差とみなし、その誤差の値を、前記吸気量との関係を定めるマップに記憶させる学習手段を備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の内燃機関制御装置。
  5. 前記EGRバルブが全閉状態で継続して固定された時に検出された前記噴射量検出値、前記酸素濃度検出値及び前記吸気量検出値に基づき、前記演算手段による演算及び前記吸気量補正手段による補正を実行することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の内燃機関制御装置。
  6. 前記内燃機関には、前記燃焼室に流入する吸気量を調整するスロットルバルブが備えられており、
    前記スロットルバルブが全開状態で継続して固定された時に検出された前記噴射量検出値、前記酸素濃度検出値及び前記吸気量検出値に基づき、前記演算手段による演算及び前記吸気量補正手段による補正を実行することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の内燃機関制御装置。
  7. 前記内燃機関には、排気を駆動力として吸気を過給する過給機が備えられており、
    前記過給機は、排気の流体エネルギを前記駆動力に変換する割合を設定変更可能に構成されており、
    前記過給機の前記変換割合が所定範囲内に継続して設定された時に検出された前記噴射量検出値、前記酸素濃度検出値及び前記吸気量検出値に基づき、前記演算手段による演算及び前記吸気量補正手段による補正を実行することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の内燃機関制御装置。
  8. 前記内燃機関には、排気を駆動力として吸気を過給する過給機が備えられており、
    前記過給機による過給圧が所定時間以上安定している時に検出された前記噴射量検出値、前記酸素濃度検出値及び前記吸気量検出値に基づき、前記演算手段による演算及び前記吸気量補正手段による補正を実行することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の内燃機関制御装置。
  9. 前記内燃機関の出力軸の回転速度が所定時間以上安定している時に検出された前記噴射量検出値、前記酸素濃度検出値及び前記吸気量検出値に基づき、前記演算手段による演算及び前記吸気量補正手段による補正を実行することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の内燃機関制御装置。
  10. 前記吸気量取得手段により検出される吸気量が所定時間以上安定している時に検出された前記噴射量検出値、前記酸素濃度検出値及び前記吸気量検出値に基づき、前記演算手段による演算及び前記吸気量補正手段による補正を実行することを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つに記載の内燃機関制御装置。
  11. 前記噴射量取得手段により検出される噴射量に関連する物理量が所定時間以上安定している時に検出された前記噴射量検出値、前記酸素濃度検出値及び前記吸気量検出値に基づき、前記演算手段による演算及び前記吸気量補正手段による補正を実行することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つに記載の内燃機関制御装置。
  12. 前記コモンレールから前記燃料噴射弁の燃料流入口までの燃料通路には、コモンレール内の燃料の圧力脈動を減衰させるオリフィスが備えられており、
    前記燃圧センサは前記オリフィスの燃料流れ下流側に配置されていることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1つに記載の内燃機関制御装置。
  13. 吸気量を検出する吸気量センサ、噴射量に関連する物理量を検出する噴射量センサ、及び排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサと
    請求項1〜12のいずれか1つに記載の内燃機関制御装置と、
    を備えることを特徴とする内燃機関制御システム。
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