JP5803766B2 - エンジン制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、過給機及びEGR装置を備えるエンジンの制御装置に関する。
過給機の回転数(コンプレッサの回転数)は、過給機やエンジンの保護及びエンジンの制御にとって重要な指標である。コンプレッサの回転数が高くなりすぎると、過給機及びエンジンが故障するおそれがあるため、コンプレッサの回転数を制限する必要がある。また、コンプレッサの回転数はガスの過給状態を示す指標であることから、コンプレッサの回転数がエンジンの制御に用いられることがある。
それゆえ、コンプレッサの回転数を正確に取得することが望ましい。しかしながら、コンプレッサの回転数を検出するために専用の回転センサを設けることは、コストアップとなり好ましくない。
そこで、特許文献1では、吸気量−過給圧−コンプレッサ回転数定常関係と、過給圧取得値と、筒内吸入空気量とから定常状態における暫定コンプレッサ回転数を算出し、さらに暫定コンプレッサ回転数を補正して実際の運転状態におけるコンプレッサ回転数を推定している。
また、特許文献2では、コンプレッサに導入される空気密度とコンプレッサ回転数との相関関係と、取得した空気密度とからコンプレッサ回転数を算出している。さらに、吸気圧力比(過給圧/大気圧)とコンプレッサ回転数との相関関係と、取得した吸気圧力比とからコンプレッサ回転数を算出している。
特許第4671068号公報 特開2011−185263号公報
しかしながら、特許文献1の場合、EGRガスの導入は考慮されていない。EGRガスが導入されると、過給圧−吸気量−コンプレッサ回転数の相関にずれが生じる。したがって、コンプレッサがEGRガスを使用するエンジンに設置されている場合、特許文献1の回転数推定方法は、コンプレッサの回転数を推定するには適さない。
一方、特許文献2の場合は、EGR装置の作動時とEGR装置の非作動時のそれぞれについて、空気密度とコンプレッサ回転数との相関関係データ、あるいは吸気圧力比とコンプレッサ回転数との相関関係データを備えておき、EGRガスの使用状況に応じて切り替えて用いている。したがって、相関関係データの収集が煩雑になるおそれがある。さらに、EGRガス量が変化する場合は、精度良く推定されないおそれがある。
本発明は、上記実情を鑑みてなされたものである。本発明の目的は、EGRガスの有無及び導入量に関わらず、コンプレッサの回転数を、簡易な方法で精度良く推定することが可能なエンジン制御装置を提供することである。
上記課題を解決するため、発明は、エンジンの吸気管に設置されたコンプレッサと前記エンジンの排気管に配置されたタービンとを含む過給機と、前記吸気管と前記排気管とに接続されたEGR配管を含み前記排気管内の排気の一部をEGRガスとして前記吸気管に還流させるEGR装置と、を備えたエンジンを制御するエンジン制御装置であって、前記吸気管と前記EGR配管との接続部及び前記コンプレッサよりも下流において、前記吸気管内の吸気の密度と相関がある吸気密度相関値を取得する取得手段と、あらかじめ作成された前記吸気密度相関値と前記コンプレッサの回転数との相関関係を記憶した記憶手段と、前記取得手段により取得される前記吸気密度相関値と前記記憶手段に記憶された前記相関関係とに基づいて、前記コンプレッサの回転数を推定する推定手段と、を備える。
本発明の構成によれば、EGR装置の作動時は、コンプレッサにより圧縮された空気と、排気管から吸気管に還流されるEGRガスと、が混合された吸気がエンジンに供給される。また、EGR装置の非作動時には、コンプレッサにより圧縮された空気が吸気としてエンジンに供給される。
吸気圧(過給圧)とコンプレッサの回転数とには、相関関係があることが知られている。しかしながら、EGR装置の作動時とEGR装置の非作動時とでは、吸気圧とコンプレッサの回転数との相関関係は異なる。本発明者は、EGR装置の作動時とEGR装置の非作動時とで相関関係が異なる原因が、EGRガスの導入による吸気温度の変化であるとの知見を得た。さらに、本発明者は、EGRガスの導入による吸気温度の変化を考慮した吸気密度相関値(吸気の密度と相関がある値)とコンプレッサの回転数との間には、EGRガスの有無、及び導入量に関わらず強い相関があるという知見を得た。すなわち、あらかじめ作成した吸気密度相関値とコンプレッサの回転数との相関関係を用いれば、コンプレッサの回転数を精度良く推定できることを発見した。
上記構成によれば、取得手段により取得された吸気密度相関値と、あらかじめ作成された吸気密度相関値とコンプレッサの回転数との相関関係とに基づいて、コンプレッサの回転数が推定される。よって、EGRガスの有無及び導入量に関わらず、コンプレッサの回転数を、簡易な方法で精度良く推定することができる。
エンジンシステムの構成図。 吸気圧とコンプレッサの回転数との関係を示す図(EGRなし)。 吸気圧とコンプレッサの回転数との関係を示す図。 吸気密度相関値とコンプレッサの回転数との関係を示す図。 過給機を保護する処理手順を示すフローチャート。 コンプレッサの回転数の推定を行うサブルーチンを示すフローチャート。 EGR装置の変形例。
以下、ディーゼルエンジンに具現化した実施形態について、図面を参照しつつ説明する。まず、図1を参照して、エンジンシステムの構成について説明する。
エンジン10は、吸気管11と、吸気管11に接続された燃焼室15と、燃焼室15に接続された排気管12と、燃焼室15に突出するようにして設けられた燃料噴射弁14とを備えている。吸気管11に吸入された空気は、吸気管11を通って燃焼室15に流入し、燃焼室15で圧縮されて高温になる。そして、高温の吸気が充填された燃焼室15へ、燃料噴射弁14から燃料が噴射されると、燃料は自己着火して燃焼する。その際に発生する排気は、排気管12を通ってエンジン10の外部に放出される。なお、燃料噴射弁14は、エンジン10の運転状態に応じて、後述するECU30(電子制御装置)により操作される。これにより、燃料噴射量は制御される。
吸気管11から排気管12にわたって、過給機16が設けられている。過給機16は、吸気管11に設置されたコンプレッサ16aと、排気管12に設置されたタービン16bとを含む。タービン16bは、排気の流速エネルギにより駆動される。コンプレッサ16aは、タービン16bと同軸駆動され、吸入される空気を圧縮する。これにより、燃焼室15に流入する空気は過給されて充填効率が向上する。なお、過給機16が可変ノズル過給機の場合は、エンジン10の運転状態に応じて、ECU30によりノズルが操作される。
吸気管11には、コンプレッサ16aよりも下流に、インタークーラ17が設置され、インタークーラ17よりも下流に、スロットルバルブ25が設置されている。インタークーラ17は、コンプレッサ16aで圧縮された空気を冷却して体積を減少させる。これにより、燃焼室15に流入する空気の充填効率は更に向上する。スロットルバルブ25は、エンジン10の運転状態に応じて開閉され、燃焼室15へ流入する空気の流量を調整する。
排気管12には、タービン16bよりも下流に、排気を浄化する浄化装置18が設置されている。浄化装置18としては、例えば、排気中のPM(粒子状物質)を捕集するためのDPF(Diesel Particulate Filter)、排気中のNOx(窒素酸化物)を浄化するNOx触媒、及び排気中のHC(炭化水素)やCO(一酸化炭素)を浄化する酸化触媒等がある。
また、エンジン10は、EGR配管13とEGRバルブ19とを含むEGR装置20を備える。EGR装置20は、排気管12内の排気の一部をEGRガスとして、EGR配管13を通して吸気管11に還流させる。これにより、燃焼室15の燃焼温度が抑制され、NOxの発生が低減される。
EGR配管13は、排気管12におけるタービン16bよりも上流部分から分岐して、吸気管11におけるスロットルバルブ25よりも下流部分で吸気管11に接続されている。よって、排気管12におけるタービン16bよりも上流部分の排気ガスが、吸気管11に導入される(高圧EGR)。その際、吸気管11においてスロットルバルブ25を閉じ側に制御することにより、EGRガスの導入をアシストすることも可能である。
EGRバルブ19は、EGR配管13に取り付けられており、EGR配管13の流通路を開閉する。それにより、EGR配管13の流路面積が調整され、EGRガスの導入量が調整される。EGR装置20の作動時は、EGRバルブ19の開度に応じた量のEGRガスが導入される。一方、EGR装置20の非作動時は、EGRバルブ19は全閉され、EGRガスの導入量はゼロとなる。EGRバルブ19の開閉は、エンジン10の運転状態に応じて、ECU30により操作される。
なお、EGR装置20は、EGRクーラ(図示しない)を備えていてもよい。EGRクーラがEGR配管13に設置されている場合、EGRガスは、EGRクーラにより冷却され体積が減少される。これにより、燃焼室15に流入する吸気の充填効率は向上する。
EGR装置20の作動時は、スロットルバルブ25を通過した空気と、EGR配管13を通って還流されるEGRガスとが混合したものが、吸気として燃焼室15に充填される。一方、EGR装置20の非作動時は、スロットルバルブ25を通過した空気が、吸気として燃焼室15に充填される。この吸気の状態を検知する圧力センサ21及び温度センサ22が、吸気管11においてコンプレッサ16a及び吸気管11とEGR配管13との接続部分よりも下流側に設けられている。圧力センサ21及び温度センサ22は、それぞれ吸気の圧力及び温度を測定する。なお、本実施形態において、圧力センサ21及び温度センサ22は取得手段に含まれる。
さらに、エンジン10は、エンジン10の運転状態を検出するセンサとして、エンジン10の出力軸であるクランクシャフト31の回転数を検出するクランクセンサ23や、運転者によるアクセルペダル32の操作量を検出するアクセルセンサ24等を備えている。なお、本実施形態において、クランクセンサ23は検出手段に相当する。
上記各種センサの検出値は、ECU30に入力される。ECU30は、CPU(中央処理装置)、ROM及びRAM(記憶装置)よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、ROMに記憶された各種の制御プログラムを実行する。また、ECU30は、各種センサの検出値に基づき、EGRバルブ19及び燃料噴射弁14を操作する。なお、本実施形態において、ECU30は、エンジン制御装置、記憶手段、及び推定手段に相当する。
次に、コンプレッサ16aの回転数Ncmpの推定について述べる。図2に、EGRガスの導入がない場合における、吸気圧(過給圧)と1分あたりのコンプレッサ16aの回転数Ncmpの関係を示す。同図の各点は、1分あたりのエンジン10の回転数Neを1000rpm、1500rpm、2000rpm、2500rpm、3000rpm、と変更して、吸気圧とコンプレッサ16aの回転数Ncmpの関係を求めたものである。図示されるように、エンジン10の回転数Neごとに、各点は1つの曲線上に乗っている。すなわち、エンジン10の各回転数Neにおいて、吸気圧とコンプレッサ16aの回転数Ncmpとには相関がある。
図3に、エンジン10の回転数Neを2000rpmとし、EGRガスの導入がある場合と、EGRガスの導入がない場合における、吸気圧とコンプレッサ16aの回転数Ncmpの関係を示す。EGRガスの導入がない場合は、吸気圧とコンプレッサ16aの回転数Ncmpとの間には図2と同様な相関が見られる。一方、EGRガスの導入がある場合も、吸気圧とコンプレッサ16aの回転数Ncmpとの間には相関が見られる。しかしながら、EGRガスがある場合の相関関係を示す曲線は、EGRガスがない場合の相関関係を示す曲線からずれている。さらに、このずれは、EGRガスの導入量が多くなるほど大きくなる。すなわち、EGRガスの有無及び導入量に応じて、吸気圧とコンプレッサ16aの回転数Ncmpとの相関関係は変化する。
本発明者は、EGRガスの有無及び導入量に応じて相関関係が変化する原因を調査したところ、EGRガスが吸気管11に導入されることによる吸気温度の変化が原因であるとの知見を得た。さらに、本発明者は、EGRガスの導入による吸気温度の変化を考慮した吸気密度相関値とコンプレッサ16aの回転数Ncmpとの間には、EGRガスの有無、及び導入量に関わらず強い相関があるという知見を得た。
図4に、吸気密度相関値とコンプレッサ16aの回転数Ncmpとの関係を示す。各点は、エンジン10の回転数Neを1500rpm、2000rpm、2500rpmと変更して、吸気密度相関値とコンプレッサ16aの回転数Ncmpとの関係を求めたものである。エンジン10の回転数Neを1500rpm及び2500rpmとしたときは、EGRガスの導入がある場合とEGRガスの導入がない場合とについて、吸気密度相関値とコンプレッサ16aの回転数Ncmpとの関係を求めている。エンジン10の回転数Neを2000rpmとしたときは、可変ノズル過給機のノズル開度を変化させることにより、EGRガスの導入なしの場合を含めて吸気のEGRガス率を4通りに変化させた場合について、吸気密度相関値とコンプレッサ16aの回転数Ncmpとの関係を求めている。
図示されるように、エンジン10の回転数Neが1500rpmの場合、EGRガスの有無に関わらず、各点はほぼ1つの曲線上にある。エンジン10の回転数Neが2500rpmの場合も、1500rpmとは異なる曲線上ではあるが、EGRガスの有無に関わらず、各点はほぼ1つの曲線上にある。また、エンジン10の回転数Neが2000rpmの場合は、1500rpm及び2500rpmとは異なる曲線上ではあるが、EGRガスの有無及び導入量に関わらず、各点はほぼ1つの曲線上にある。すなわち、エンジン10の各回転数Neにおいて、EGRガスの有無及び導入量に関わらず、吸気密度相関値とコンプレッサ16aの回転数Ncmpとの間には強い相関がある。
したがって、あらかじめ作成した吸気密度相関値とコンプレッサ16aの回転数Ncmpとの相関関係を用いれば、EGRガスの有無及び導入量に関わらず、コンプレッサ16aの回転数Ncmpを精度良く推定できる。さらに、エンジン10の回転数Neごとに、吸気密度相関値とコンプレッサ16aの回転数Ncmpとの相関関係を作成すれば、エンジン10の回転数Neを変化させてもコンプレッサ16aの回転数Ncmpを推定できる。なお、あらかじめ作成した相関関係は、ECU30の記憶装置に格納される。
以下、コンプレッサ16aの回転数Ncmpを推定し、推定した回転数Ncmpに基づいて過給機16を保護する処理手順について、図5〜6のフローチャートを参照しつつ説明する。図5は、過給機16を保護する処理を実行するメインルーチンである。本処理は、ECU30により定期的に繰り返し実行される。
まず、S1において、コンプレッサ16aの回転数の上限値Nlimを決定する。上限値Nlimは、過給機16が故障するおそれがない最大許容値とすることができる。
次に、S2において、コンプレッサ16aの回転数Ncmpを推定するサブルーチンを実行する。図6は、コンプレッサ16aの回転数Ncmpを推定するサブルーチンである。本サブルーチンでは、まず、エンジン10の回転数Neをクランクセンサ23により検出する(S21)。
続いて、吸気管11において、吸気管11とEGR配管13の接続部分及びコンプレッサ16aよりも下流側に存在する吸気の吸気圧Pを、圧力センサ21により測定する(S22)。さらに、吸気管11の同じ部分に存在する吸気の吸気温度Tを、温度センサ22により測定する(S23)。そして、圧力センサ21により測定された吸気圧Pを温度センサ22により測定された吸気温度Tで除算してP/Tを算出する。算出されたP/Tは、気体の状態方程式PV=nRTから分かるように、吸気の密度に相関がある値である。算出されたP/Tを吸気密度相関値とする(S24)。
さらに、S25において、あらかじめエンジン10の回転数Neごとに作成された、吸気密度相関値P/Tとコンプレッサ16aの回転数Ncmpとの相関関係を、ECU30の記憶装置から読み出す。そして、検出されたエンジン10の回転数Neと、取得された吸気密度相関値P/Tと、読み出した相関関係とに基づいて、コンプレッサ16aの回転数Ncmpを推定する。その後、本サブルーチンの処理を終了し、メインサブルーチンのS3に戻る。
S3では、推定されたコンプレッサ16aの回転数Ncmpが、上限値Nlimより大きいかどうかを判定する。コンプレッサ16aの回転数Ncmpが上限値Nlim以下の場合は(No)、そのまま本処理を終了する。一方、コンプレッサ16aの回転数Ncmpが上限値Nlimより大きい場合は(Yes)、S4に進む。
S4では、コンプレッサ16aの回転数Ncmpを低減する処理を実行して、過給機16を保護する。コンプレッサ16aの回転数Ncmpを低減する具体的な処理例として、次のようなものがある。過給機16が可変ノズル過給機の場合は、可変ノズルを開いて排気の流速エネルギを小さくすることにより、コンプレッサ16aの回転数Ncmpを低くする。また、過給機16が可変ノズル過給機でない場合は、燃料噴射弁14を操作して燃料噴射量を制限し、エンジン10の出力を制限する。これにより、コンプレッサ16aの回転数Ncmpは低減される。
以上説明した本実施形態は以下の効果を奏する。
・EGR装置20の作動時は、コンプレッサ16aにより圧縮された空気と、排気管12から吸気管11に還流されるEGRガスと、が混合された吸気がエンジン10に供給される。また、EGR装置20の非作動時には、コンプレッサ16aにより圧縮された空気が吸気としてエンジン10に供給される。
そして、圧力センサ21及び温度センサ22により、吸気の密度に相関がある吸気密度相関値が取得される。また、吸気密度相関値とコンプレッサ16aの回転数Ncmpとの相関関係があらかじめ作成され、ECU30の記憶装置に格納されている。よって、EGRガスの有無及び導入量に関わらず、吸気密度相関値と、吸気密度相関値とコンプレッサ16aの回転数Ncmpとの相関関係とに基づいて、コンプレッサ16aの回転数Ncmpが推定される。すなわち、コンプレッサ16aの回転数Ncmpを、簡易な方法で精度良く推定することができる。
・クランクセンサ23により検出されたエンジン10の回転数Neと、取得された吸気密度相関値と、エンジン10の回転数Neごとに作成されている相関関係とに基づいて、コンプレッサ16aの回転数Ncmpが推定される。よって、エンジン10の回転数Neを変化させても、コンプレッサ16aの回転数Ncmpを推定することができる。また、エンジン10の回転数Neは、エンジン10のクランクシャフト31に通常設置されているクランクセンサ23により検出される。そのため、新たに回転センサを設ける必要はなく、コストアップにならない。
・吸気密度相関値は、圧力センサ21により測定された吸気圧Pを、温度センサ22により測定された吸気温度Tで除算して算出される。よって、吸気密度相関値は、EGRガスの導入による温度変化が考慮されたパラメータであるため、EGRガスの有無、導入量に関わらず、コンプレッサ16aの回転数Ncmpと強い相関関係を有する。
・EGR配管13は、吸気管11においてコンプレッサ16aよりも下流に設けられたスロットルバルブ25よりも下流部分と、排気管12におけるタービン16bよりも上流部分とに接続される。よって、スロットルバルブ25を閉じ側に制御することによりEGRガスの導入をアシストすることも可能である。また、排気管12におけるタービン16bよりも上流部分から、高圧EGRガスが吸気管11に導入される。
高圧EGRガスの導入は、吸気温度に与える影響が大きいが、吸気密度相関値とコンプレッサ16aの回転数Ncmpとの相関関係から、コンプレッサ16aの回転数Ncmpを簡単に精度良く推定することができる。したがって、高圧EGRガスの導入にも対応できる。
・吸気管11において、コンプレッサ16aと、吸気管11とEGR配管13との接続部と、の間にインタークーラ17が設置される。よって、コンプレッサ16aで圧縮された空気が下流のインタークーラ17により冷却され、燃焼室15への吸気の充填効率が向上する。また、インタークーラ17はEGR配管13の上流に設置されるので、高圧EGRガスによりインタークーラ17が腐食されるおそれがない。
さらに、上述した実施形態に限定されず、例えば次のように実施することもできる。
・吸気密度相関値は、吸気管11においてEGR配管13との接続部から燃焼室15との接続部までの部分に存在する吸気の質量を、その部分の容積で除算したものとしてもよい。この場合は、吸気流量の検出値等に基づいて、吸気の質量を算出することができる。また、容積はエンジン10の設計値等に基づいて予め算出することができる。
・図7に示すように、EGR配管13は、吸気管11におけるコンプレッサ16aの上流部分と、排気管12においてタービン16bの下流側に設けられた浄化装置18よりも下流部分とに接続されるようにしてもよい。このようなEGR装置20は、排気管12において低排気圧部分に存在する排気の一部を、吸気管11において負圧が低い部分に還流させる。こうした構成であっても、EGRガスの導入により吸気の温度が影響を受けるため、吸気密度相関値に基づいてコンプレッサ回転数を求める利益がある。
・記憶手段は、光学ディスク等の持ち運び可能なメディアや、ハードディスク等の外部記憶装置でもよい。
・エンジン10は、ガソリンエンジンや、その他のエンジンでもよい。
10…エンジン、11…吸気管、12…排気管、13…EGR配管、16…過給機、16a…コンプレッサ、16b…タービン、20…EGR装置、21…圧力センサ、22…温度センサ。

Claims (6)

  1. エンジン(10)の吸気管(11)に設置されたコンプレッサ(16a)と前記エンジンの排気管(12)に配置されたタービン(16b)とを含む過給機(16)と、前記吸気管と前記排気管とに接続されたEGR配管(13)を含み前記排気管内の排気の一部をEGRガスとして前記吸気管に還流させるEGR装置(20)と、を備えたエンジンを制御するエンジン制御装置(30)であって、
    前記吸気管と前記EGR配管との接続部及び前記コンプレッサよりも下流において、前記吸気管内の吸気圧を前記吸気管内の吸気温度で除算して算出した吸気密度相関値を取得する取得手段と、
    あらかじめ作成された前記吸気密度相関値と前記コンプレッサの回転数との相関関係を記憶した記憶手段と、
    前記取得手段により取得される前記吸気密度相関値と前記記憶手段に記憶された前記相関関係とに基づいて、前記コンプレッサの回転数を推定する推定手段と、
    を備えることを特徴とするエンジン制御装置。
  2. 前記取得手段は、前記吸気管と前記EGR配管との接続部及び前記コンプレッサよりも下流において、前記吸気管内の吸気圧を測定する圧力センサ(21)と前記吸気管内の吸気温度を測定する温度センサ(22)とを含む請求項1に記載のエンジン制御装置。
  3. 前記吸気密度相関値は、前記圧力センサにより測定された吸気圧を、前記温度センサにより測定された吸気温度で除算して算出する請求項に記載のエンジン制御装置。
  4. 前記エンジンの回転数を検出する検出手段(23)を備え、
    前記相関関係は、前記エンジンの回転数ごとに作成されており、
    前記推定手段は、前記検出手段により検出される前記エンジンの回転数と、前記取得手段により取得される前記吸気密度相関値と、前記記憶手段に記憶された前記相関関係とに基づいて、前記コンプレッサの回転数を推定する請求項1〜のいずれかに記載のエンジン制御装置。
  5. 前記エンジンは、前記吸気管において前記コンプレッサよりも下流にスロットルバルブ(25)を備え、
    前記EGR配管は、前記吸気管における前記スロットルバルブよりも下流部分と、前記排気管における前記タービンよりも上流部分とに接続されている請求項1〜のいずれかに記載のエンジン制御装置。
  6. 前記吸気管において前記コンプレッサと前記接続部との間にインタークーラ(17)を設置した請求項に記載のエンジン制御装置。
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