JP5929823B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、排気還流装置を備えた内燃機関の制御装置に関する。

従来の内燃機関では、燃費改善を目的として触媒通過後の排気ガスを吸気へ還流させる排気還流装置（以下、「ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置」とも称する）を備えるものがある。このようなＥＧＲ装置付き内燃機関では、燃費改善効果を運転条件に応じて最大にするためにＥＧＲの量を制御する必要があり、この制御には排気を還流させる通路に配設された絞り弁（ＥＧＲ弁）が使用されている。

ＥＧＲ弁に弁の固着や異物の噛み込みが発生すると、ＥＧＲ弁を所望の開度に制御することができず燃費の悪化を招くおそれがある。このような不具合を解消するために、例えば特開２０１２−９２６７７号公報では、吸気管に取り付けた圧力センサを用いてＥＧＲ弁の異常有無を判定する方法が提案されている。吸気管圧力は吸気脈動と排気脈動の影響を受けるため、圧力センサにより検出される波形はこれら２つの脈動の合成波となる。上記従来の装置では、ＥＧＲ弁に全閉信号を出した際の合成波から排気脈動の周期に対応する周波数成分を抽出し、この振幅が閾値を上回っているか否かを評価することにより実際にＥＧＲ弁が全閉されているかを判定することとしている。

特開２０１２−９２６７７号公報

しかしながら、上述した従来の装置では、新たに吸気管内に圧力センサを追加する必要があるためコストや搭載性に課題がある。また、上述した従来の装置では、吸気脈動と排気脈動の合成波から排気脈動の成分を抽出する構成のため、吸気脈動の影響を完全に排除することはできずに精度が低下するおそれがある。また、抽出のための複雑な演算も必要となり演算負荷の増大も問題となる。このように、従来の技術では、ＥＧＲ弁の実開度を簡易な構成で精度よく算出することができず、改善が望まれていた。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、ＥＧＲ装置を備えた内燃機関において、ＥＧＲ弁の実開度を簡易な構成で高精度に算出することのできる制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の吸気通路に配設されたスロットルバルブと、
前記吸気通路における前記スロットルバルブの上流側と排気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路の途中に配設されたＥＧＲ弁と、
前記吸気通路における前記スロットルバルブの上流側における吸気流量又は吸気圧力に対応した信号を計測する計測手段と、
前記スロットルバルブの開度が所定の閾値よりも小さい場合における前記信号の脈動波形に基づいて、前記ＥＧＲ弁の実開度を算出する開度算出手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記開度算出手段は、前記脈動波形の振幅の大きさに応じて前記ＥＧＲ弁の実開度を算出することを特徴としている。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記計測手段は、前記吸気通路の前記スロットルバルブの上流側に配設されたエアフローメータであることを特徴としている。

第４の発明は、第３の発明において、
前記開度算出手段は、前記内燃機関の機関回転数が所定回転数よりも小さい場合における前記脈動波形に基づいて、前記ＥＧＲ弁の実開度を算出することを特徴としている。

第５の発明は、第１または２の発明において、
前記計測手段は、前記吸気通路の前記スロットルバルブの上流側に配設された圧力センサであることを特徴としている。

第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
前記開度算出手段により算出された実開度と前記ＥＧＲ弁への制御指令開度との比較に基づいて、前記ＥＧＲ弁の異常有無を判定する異常判定手段を更に備えることを特徴としている。

第１の発明によれば、スロットルバルブの開度が所定の閾値よりも小さい場合に、吸気流量又は吸気圧力に対応した信号による脈動波形が計測される。スロットルバルブを絞ると当該スロットルの上流側において吸気脈動の影響を低減することができる。このため、本発明によれば、吸気流量又は吸気圧力に対応した信号を用いてＥＧＲ通路を介して伝わる排気脈動を精度よく計測することができるので、当該排気脈動を用いてＥＧＲ弁の実開度を高精度に算出することができる。

第２の発明によれば、ＥＧＲ弁の開度が大きいほど、ＥＧＲ通路を介して吸気系に伝わる排気脈動の振幅は大きなものとなる。このため、本発明によれば、計測された脈動波形の振幅の大きさに応じてＥＧＲ弁の実開度を高精度に算出することができる。

第３の発明よれば、エアフローメータの信号を用いて吸気流量に対応した信号の脈動波形が計測される。このため、本発明によれば、既存の構成を用いてＥＧＲ弁の実開度を高精度に算出することが可能となる。

第４の発明によれば、機関回転数が所定回転数よりも小さい場合に脈動波形の計測が行われる。エアフローメータにより計測される信号の脈動波形はセンサ特有の応答遅れによる誤差が生じている。脈動波形の周波数が少ないほど、すなわち機関回転数が小さいほど応答遅れによる誤差の影響が小さくなる。このため、本発明によれば、応答遅れによる誤差の影響を小さくすることができるので、ＥＧＲ弁の実開度の算出精度を更に高めることができる。

第５の発明によれば、吸気通路内に配設された圧力センサの信号を用いて吸気圧力の脈動波形が検出される。このため、本発明によれば、簡易な構成でＥＧＲ弁の実開度を高精度に算出することが可能となる。

第６の発明によれば、算出されたＥＧＲ弁の実開度を参照することによりＥＧＲ弁への制御指令値が実現されているのか否かを判断することができるので、ＥＧＲ弁の開度異常の有無を高精度に判定することができる。

本発明の実施の形態１としての制御装置が適用される内燃機関が搭載されたシステムの概略構成を示す図である。 スロットルバルブの開度を絞った状態での吸気量変化（脈動）とＥＧＲ弁の開度との関係を示す図である。 エアフローメータによって計測される脈動波形の振幅とＥＧＲ弁の開度との関係を示す図である。 エアフローメータによって計測される吸気量の計測値と真値との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１でＥＣＵにより実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２でＥＣＵにより実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図を参照して説明する。

［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１としての制御装置が適用される内燃機関（以下、単にエンジンという）が搭載されたシステムの概略構成を示す図である。図１に示すエンジン１０は、火花点火式の４ストロークレシプロエンジンである。エンジン１０は、各気筒の燃焼室内に空気を供給するための吸気系、排気ガスを排出するための排気系、排気系の排気ガスの一部を吸気系へ還流させるＥＧＲ系、およびエンジン１０の運転を制御するための制御系の構成を有している。以下、これらの構成についてそれぞれ詳細に説明する。

エンジン１０の吸気系は吸気通路１２を備えている。吸気通路１２の入口側にはエアクリーナ１４が取り付けられている。吸気通路１２におけるエアクリーナ１４の下流側には、吸気通路１２に吸入される空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ（ＡＦＭ）１６が取り付けられている。吸気通路１２の出口側は、サージタンク１８および吸気マニホールド２０を介して各気筒の燃焼室に接続されている。

吸気通路１２におけるエアフローメータ１６の下流側にはターボ過給機２２のコンプレッサ２２ａが配置されている。コンプレッサ２２ａの下流側の吸気通路１２には、コンプレッサ２２ａによって圧縮された吸気を冷却するためのインタークーラ２４が配置されている。インタークーラ２４の下流側の吸気通路には、エンジン１０内に供給される空気量を調整するためのスロットルバルブ２６が配置されている。

エンジン１０の排気系は排気通路３０を備えている。排気通路３０の一端側は排気マニホールド２８を介して各気筒の燃焼室に接続されている。排気通路３０の途中には、ターボ過給機２２のタービン２２ｂが配置されている。タービン２２ｂの下流側の排気通路３０には、スタート触媒（以下、「Ｓ／Ｃ」と称する）３２およびリーンＮＯｘ触媒３４がこの順に配置されている。Ｓ／Ｃ３２は所謂三元触媒であって、理論空燃比近傍において排気ガスに含まれるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの３成分を効率的に浄化する。一方、リーンＮＯｘ触媒３４は、所謂吸蔵還元型のＮＯｘ触媒であって、排気ガスの空燃比が所定のリーン域にある場合にＮＯｘを吸蔵しリッチ域にある場合にＮＯｘを放出するという吸放出作用を有している。また、リーンＮＯｘ触媒３４の下流側の排気通路３０には、消音のためのマフラー３６が配置されている。

また、エンジン１０のＥＧＲ系はＥＧＲ通路４０を備えている。ＥＧＲ通路４０は、その一端がＳ／Ｃ３２とリーンＮＯｘ触媒３４との間の排気通路３０に接続され、他端がエアフローメータ１６とコンプレッサ２２ａとの間の吸気通路１２に接続されている。ＥＧＲ通路４０の途中には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４２および当該ＥＧＲ通路４０を開閉するためのＥＧＲ弁４４が、排気通路３０との連通側から順に設けられている。

本実施形態のエンジン１０は、その制御系としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の出力側には、前述のＥＧＲ弁４４、スロットルバルブ２６や、点火プラグ（図示せず）等の種々のアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０の入力側には、前述のエアフローメータ１６の他、クランク軸（図示せず）の回転角度に応じた信号を出力するクランク角センサや空燃比センサ（何れも図示せず）等の種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ５０は、エンジンが備える各センサの出力に基づき、所定の制御プログラムにしたがってエンジンが備える各アクチュエータを動作させるようになっている。

［実施の形態１の動作］
次に、図１乃至図４を参照して実施の形態１の動作について説明する。図１に示すように、本実施の形態のエンジン１０は燃費改善等を目的として、Ｓ／Ｃ３２を通過して圧力が低下した排気ガスの一部を吸気系へ還流させるＬＰＬ−ＥＧＲ系を備えている。ＥＧＲ通路４０を通過するＥＧＲガスは、新気と合流する前にＥＧＲ弁４４によってその流量が調整される。この際、運転条件に応じて燃費改善効果を最大にするために、ＥＧＲ弁４４の実開度を正確に把握しておくことが望ましい。これにより、燃費改善効果を最大にするためのＥＧＲ量が運転条件に応じて実現される仕組みになっている。

ＥＧＲ弁４４に異物の噛み込みや固着等の開度異常が発生した場合、開度指令値通りの開度が実現されずに燃費が悪化するおそれがある。このため、ＥＧＲ系を備えたエンジンでは、ＥＧＲ弁４４の実開度を正確に計測する手段を備えておくことが望ましい。そこで、本実施の形態のシステムでは、エアフローメータによって計測される吸気量を用いて、ＥＧＲ弁４４の実開度を算出することとする。以下、ＥＧＲ弁４４の実開度の算出方法について詳細に説明する。

吸気通路１２にはエンジン１０の吸気行程により発生する吸気圧力変化が吸気脈動となって伝わる。また、これとは別に排気通路３０にはエンジン１０の排気行程により発生する排気圧力変化が排気脈動となって伝わる。このため、ＥＧＲ系を備える本実施の形態のエンジン１０では、ＥＧＲ通路４０を介して排気脈動も吸気通路１２に伝わることとなる。

吸気通路１２に伝わるこれらの脈動は、エアフローメータ１６によって計測される吸気流量の波形として計測することができる。ここで、スロットルバルブ２６を絞るほどエアフローメータ１６に到達する吸気脈動の影響は小さくなる。このため、スロットルバルブ２６の開度を一定以上絞ることとすれば、エアフローメータ１６により排気脈動を感度よく計測することが可能となる。

そこで、本実施の形態のシステムでは、スロットルバルブ１６の開度を所定の閾値より小開度に絞った状態でエアフローメータ１６に伝達される脈動を計測することとする。図２は、スロットルバルブ１６の開度を絞った状態での吸気量変化（脈動）とＥＧＲ弁の開度との関係を示す図であり、図中の（ａ）はＥＧＲ弁を全閉に制御しているときの脈動を、図中の（ｂ）はＥＧＲ弁を小開度に制御しているときの脈動を、図中の（ｃ）はＥＧＲ弁を中開度に制御しているときの脈動を、図中の（ｄ）はＥＧＲ弁を全開に制御しているときの脈動を、それぞれ示している。

この図中（ａ）に示すとおり、ＥＧＲ弁４４が全閉に操作された状態では、排気脈動が吸気通路１２へ有意に伝わらないので、エアフローメータ１６によって計測される吸気量には脈動が発生していない。これに対して、この図中（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に示すとおり、ＥＧＲ弁４４が開弁状態に操作されると、排気脈動の影響がエアフローメータ１６によって脈動波形として計測される。特に、計測された排気脈動の振幅に着目すると、ＥＧＲ弁４４の開度が大きいほど計測された脈動波形の振幅が大きくなることが分かる。図３は、エアフローメータ１６によって計測される脈動波形の振幅とＥＧＲ弁４４の開度との関係を示す図である。この図に示すとおり、脈動波形の振幅とＥＧＲ弁４４の開度との間には一定の相関が存在する。

そこで、本実施の形態のシステムでは、スロットルバルブ１６の開度を所定の閾値よりも小開度に絞った状態でエアフローメータ１６によって計測される脈動波形の振幅に基づいて、ＥＧＲ弁４４の実開度を判断することとする。これにより、既存の簡易な構成を用いてＥＧＲ弁４４の実開度を高精度に算出することが可能となる。

尚、エアフローメータ１６の計測値にはセンサ特有の応答遅れがある。図４は、エアフローメータによって計測される吸気量の計測値と真値との関係を示す図である。この図に示すように、エアフローメータ１６の計測値には真値に対して応答遅れが生じている。応答遅れによるセンサ誤差は、入力である脈動波形の周波数が小さいほど小さくなる。このため、脈動波形の周波数が小さいほど、すなわちエンジン１０の機関回転数が小さいほど正確な脈動波形を計測することが可能となる。そこで、本実施の形態のシステムでは、スロットルバルブ２６の開度条件に加えて、更にエンジン１０の機関回転数が所定値よりも小さいことを条件として脈動波形の計測を行うことが好ましい。これにより、ＥＧＲ弁４４の実開度算出精度を有効に高めることが可能となる。

また、例えば、可変バルブタイミング装置（ＶＶＴ）を備えるエンジンでは、バルブタイミングを変えることにより排気脈動の振幅および位相が変化する。このため、ＶＶＴを備えるエンジンでは、スロットルバルブ２６の開度条件に加えて、更に排気脈動の振幅が最大となるバルブタイミングに操作されていることを条件として脈動波形の計測を行うことが好ましい。これにより、脈動波形の振幅に対するＥＧＲ弁４４の実開度の感度を上げることができるので、ＥＧＲ弁４４の実開度算出精度を有効に高めることが可能となる。

［実施の形態１の具体的処理］
次に、図５を参照して本実施の形態のシステムにおいて実行されるＥＧＲ弁４４の実開度算出の具体的処理について説明する。図５は、本実施の形態でＥＣＵ５０により実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。

図５に示す制御ルーチンでは、先ず、スロットルバルブ２６の開度が閾値よりも小さいか否かが判定される（ステップＳ１）。ここでの閾値は、吸気脈動がエアフローメータ１６まで有意に到達しないための開度として予め設定された値が使用される。その結果、スロットル開度＜閾値の成立が認められない場合には、吸気脈動の影響がエアフローメータ１６まで到達しているため排気脈動を感度よく計測できないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップＳ１において、スロットル開度＜閾値の成立が認められた場合には、吸気脈動の影響がエアフローメータ１６まで有意に到達しないため排気脈動を感度よく計測できると判断されて、次にステップに移行し、エアフローメータ１６により吸気量の脈動波形が計測される（ステップＳ２）。

次に、上記ステップＳ２において計測された脈動波形から脈動の振幅が算出される（ステップＳ３）。ここでは、具体的には、エアフローメータ１６によって計測された脈動波形から最大値と最小値とが抽出され、これらの差分が振幅として算出される。

次に、ＥＧＲ弁４４の実開度が算出される（ステップＳ４）。ここでは、具体的には、脈動の振幅とＥＧＲ弁４４の実開度との関係を規定したマップ（例えば図４）に従い、上記ステップＳ３にて算出された振幅に対応するＥＧＲ弁４４の実開度が算出される。

以上説明したとおり、本実施の形態１のシステムによれば、既存のエアフローメータ１６の計測値を用いてＥＧＲ弁４４の開度を高精度に検出することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムでは、エアフローメータ１６によって計測される吸気量の脈動波形を用いてＥＧＲ弁４４の実開度を算出することとしたが、使用可能なセンサはエアフローメータ１６に限らない。すなわちスロットルバルブ２６の上流側の吸気通路１２に伝わる脈動波形を計測できるのであれば、例えば、スロットルバルブ２６の上流側の吸気通路１２に圧力センサを配置し、当該圧力センサにより計測される信号から吸気通路１２に伝わる圧力の脈動波形を計測することとしてもよい。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を参照して説明する。

［実施の形態２の特徴］
本発明に係る実施の形態２は、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ５０に後述する図６に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

ＥＧＲ弁４４に異物の噛み込みや固着等の開度異常が発生した場合、指令値通りの開度が実現されず燃費が悪化するおそれがある。このため、ＥＧＲ弁４４に発生した異常は早期に発見されることが望ましい。そこで、本実施の形態２のシステムでは、エアフローメータによって計測される吸気量を用いて、ＥＧＲ弁４４が制御目標とする開度指令値通りに開閉が行われているか否かを判定することとする。より詳しくは、ＥＧＲ弁４４に対して全開又は全閉の開度指令値を出した際の当該ＥＧＲ弁４４の実開度を、実施の形態１のシステムの手法を用いて算出する。そして、算出された実開度と制御指令値とを比較し、これらの開度の間に有意な差異が生じている場合にはＥＧＲ弁４４の開度に異常が生じていると判断する。これにより、ＥＧＲ弁４４の全閉又は全開の開度異常を効果的に判断することができる。

［実施の形態２の具体的処理］
次に、図６を参照して本実施の形態のシステムにおいて実行されるＥＧＲ弁４４の実開度算出の具体的処理について説明する。図６は、本実施の形態でＥＣＵ５０により実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。

図６に示す制御ルーチンでは、先ず、ＥＧＲ弁４４に対して全閉又は全開の開度指令値を出した際の実開度が算出される（ステップＳ１０）。ここでは、具体的には、ＥＧＲ弁４４に対して全閉又は全開の開度指令値を出した上で、上記ステップＳ１〜Ｓ４の処理が実行される。

次に、上記ステップＳ１０において算出されたＥＧＲ弁の実開度が開度指令値（全閉又は全開）と一致しているか否かが判定される（ステップＳ１１）。その結果、算出された実開度が開度指令値と一致している場合には、ＥＧＲ弁４４に開度異常が発生していないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。一方、上記ステップＳ１１において、算出された実開度が開度指令値と一致していない場合には、開度指令値通りのＥＧＲ弁開度が実現されていないと判断されて、次にステップに移行し、ＭＩＬ等によりＥＧＲ弁４４の開度異常が通知される（ステップＳ１３）。

以上説明したとおり、本実施の形態２のシステムによれば、既存のエアフローメータ１６の計測値を用いてＥＧＲ弁４４の開度異常の有無を高精度に判定することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態２のシステムでは、ＥＧＲ弁４４を全開又は全閉に操作する制御指令値を発した場合のＥＧＲ弁４４の開度異常を判定することとしたが、異常判定に用いる開度指令値はこれらに限らず中間開度でもよい。

１０ 内燃機関（エンジン）
１２ 吸気通路
１６ エアフローメータ
２２ ターボ過給機
２２ａ コンプレッサ
２２ｂ タービン
２６ スロットルバルブ
３０ 排気通路
３２ スタート触媒（Ｓ／Ｃ）
４０ ＥＧＲ通路
４４ ＥＧＲ弁
５０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）

Claims (6)

1. 内燃機関の吸気通路に配設されたスロットルバルブと、
   前記吸気通路における前記スロットルバルブの上流側と排気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路の途中に配設されたＥＧＲ弁と、
   前記吸気通路における前記スロットルバルブの上流側における吸気流量又は吸気圧力に対応した信号を計測する計測手段と、
   前記スロットルバルブの開度が所定の閾値よりも小さい場合における前記信号の脈動波形に基づいて、前記ＥＧＲ弁の実開度を算出する開度算出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記開度算出手段は、前記脈動波形の振幅の大きさに応じて前記ＥＧＲ弁の実開度を算出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記計測手段は、前記吸気通路の前記スロットルバルブの上流側に配設されたエアフローメータであることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記開度算出手段は、前記内燃機関の機関回転数が所定回転数よりも小さい場合における前記脈動波形に基づいて、前記ＥＧＲ弁の実開度を算出することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記計測手段は、前記吸気通路の前記スロットルバルブの上流側に配設された圧力センサであることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記開度算出手段により算出された実開度と前記ＥＧＲ弁への制御指令開度との比較に基づいて、前記ＥＧＲ弁の異常有無を判定する異常判定手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。

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