JP6294671B2

JP6294671B2 - Ｅｇｒ制御装置

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Publication number: JP6294671B2
Application number: JP2014000903A
Authority: JP
Inventors: 直雅内田
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2014-01-07
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2034-01-07
Also published as: JP2015129453A

Description

本発明は、ＥＧＲ流路へ還流させる排気ガスの流量を制御するＥＧＲ制御装置に関する。

ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）は、エンジンから排出された排気ガスをエンジンの吸気に混入して循環させることで、酸素濃度を低下させて、エンジンの燃焼温度を低減して窒素酸化物（ＮＯｘ）などの生成を抑える技術である。ＥＧＲ流路に、排気ガスを還流させる流量は、大気圧や冷却水温度、吸入空気量などに基づいて制御される（例えば、特許文献１、２）。

このようなＥＧＲを利用して、エンジンの始動時に、燃焼室から排出された排気ガスを燃焼室に還流させることで、燃焼室の昇温を図る構成が公開されている（例えば、特許文献３、４）。燃焼室が昇温されると、燃焼室に噴射された燃料が霧状になって燃焼し易く燃費が改善する。

特許第３４９３９８６号公報特開平１１−２００９０７号公報特開昭６１−２１５４２６号公報特許第３４９３９８１号公報

上述したように、特許文献３、４の構成によれば、エンジンの始動時、エンジンを迅速に暖気することが可能となる。しかし、エンジンの始動時は燃焼が不安定であるため、従来の大気圧や冷却水温度、吸入空気量などに基づく制御では、エンジンの始動不良（例えば、エンジンストップ）が発生するおそれがあった。

本発明は、このような課題に鑑み、ＥＧＲを用いてエンジンを迅速に暖気しつつ、始動不良を抑えることが可能なＥＧＲ制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のＥＧＲ制御装置は、排気ガスをエンジンのシリンダに還流させるＥＧＲ流路の流量を、シリンダへ流入する気体全量と、シリンダに還流する排気ガスの量との比を示すＥＧＲ率の目標値である目標ＥＧＲ率に基づいて制御するＥＧＲ制御装置であって、エンジンの回転数を取得する回転数取得部と、エンジンの始動時において、取得されたエンジンの回転数の上昇率を示す指標値が、第１閾値未満であるか否か、および、指標値が、第１閾値よりも小さい第２閾値未満であるか否かを判定する回転数判定部と、目標ＥＧＲ率を設定する目標ＥＧＲ率設定部と、を備え、目標ＥＧＲ率設定部は、指標値が第１閾値未満であると判定されると、目標ＥＧＲ率を下げ、指標値が第２閾値未満であると判定されると、目標ＥＧＲ率を０とすることを特徴とする。

目標ＥＧＲ率設定部は、エンジンの始動時、エンジンの回転数がアイドル時における目標回転数を超えるまで、目標ＥＧＲ率を０としてもよい。

目標ＥＧＲ率設定部は、エンジンの始動時、エンジンの回転数がアイドル時における目標回転数を超えると、目標ＥＧＲ率を漸増させてもよい。

本発明によれば、ＥＧＲを用いてエンジンを迅速に暖気しつつ、始動不良を抑えることが可能となる。

エンジンの吸排気系の概略的な構成を示した図である。ＥＧＲ制御装置における制御系を説明するための機能ブロック図である。ＥＧＲ制御に用いられるテーブルを示した図である。エンジンの始動時におけるＥＧＲ制御処理の流れを示した第１のタイミングチャートである。エンジンの始動時におけるＥＧＲ制御処理の流れを示した第２のタイミングチャートである。エンジンの始動時におけるＥＧＲ制御処理の流れを示した第３のタイミングチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、エンジン１００の吸排気系の概略的な構成を示した図である。エンジン１００は、例えば、車両などに搭載されて車両に駆動力を供給する。エンジン１００には、シリンダヘッド１０２に複数のシリンダ１０４が連結されており、シリンダヘッド１０２には、シリンダ１０４ごとに、点火プラグ１０６が、シリンダ１０４内に先端を向けて固定されている。インジェクタ１０８は、シリンダ１０４内に燃料を噴射する。

吸気マニホールド１１０は、シリンダヘッド１０２に連結されており、各シリンダ１０４に吸気を供給する。吸気マニホールド１１０には吸気管１１２が連通しており、エアクリーナ１１４を通って過給機１１６のコンプレッサ１１６ａで圧縮された空気が、インタークーラ１１８で冷却された後、吸気管１１２から吸気マニホールド１１０に流入する。スロットル弁１２０は、吸気管１１２に設けられ、吸気管１１２の流路幅を調整することで、吸気の流量を制御する。

排気マニホールド１２２は、シリンダヘッド１０２に連結されており、各シリンダ１０４から排出される排気ガスが流通する。排気マニホールド１２２には排気管１２４が連通しており、排気管１２４を流通する排気ガスは、排気管１２４に連結された過給機１１６のタービン１１６ｂを回転させ、触媒が収容された触媒ユニット１２６で浄化されて排出される。

ＥＧＲ流路１２８は、排気管１２４におけるタービン１１６ｂの上流と、吸気管１１２におけるスロットル弁１２０の下流とを連通させる。ＥＧＲ流路１２８には、ＥＧＲクーラ１３０が設けられており、ＥＧＲクーラ１３０で冷却された排気ガスがシリンダ１０４に還流する。ＥＧＲバルブ１３２（バルブ）は、ＥＧＲ流路１２８に設けられ、ＥＧＲ流路１２８の流路幅を調整することで、ＥＧＲ流路１２８を流れる排気ガスの流量（以下、ＥＧＲ流量と称す）を制御する。

ＥＧＲ流路１２８を介して吸気管１１２に流入した排気ガスは、インタークーラ１１８で冷却された吸気とともにシリンダ１０４に供給される。このように、排気ガスを吸気と共にシリンダ１０４に供給することで、酸素濃度を低下させて、燃料の燃焼温度を低減してＮＯｘ（窒素酸化物）などの生成を抑えることが可能となる。続いて、このようなＥＧＲ処理の制御を遂行するＥＧＲ制御装置１４０について詳述する。

図２は、ＥＧＲ制御装置１４０における制御系を説明するための機能ブロック図である。ＥＧＲ制御装置１４０は、例えば、ＥＣＵ（Engine Control Unit）の一部であって、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路で構成され、エンジン１００全体を制御する。

また、ＥＧＲ制御装置１４０は、目標ＥＧＲ率設定部１４２、バルブ開度決定部１４４、バルブ制御部１４６、回転数取得部１４８、回転数判定部１５０としても機能する。

目標ＥＧＲ率設定部１４２は、エンジン１００の冷却水の温度を検出する水温センサ１４２ａから、冷却水の温度を示す信号を取得し、冷却水の温度に応じて目標ＥＧＲ率を導出する。

ここで、ＥＧＲ率は、シリンダ１０４へ流入する気体全量と、シリンダ１０４に還流する排気ガスの量との比である。すなわち、ＥＧＲ率は、ＥＧＲ流量を、シリンダ１０４内に流入する流量（吸入空気量＋ＥＧＲ流量）で除算した値である（ＥＧＲ流量／（吸入空気量＋ＥＧＲ流量））。また、目標ＥＧＲ率は、随時更新されるＥＧＲ率の目標値である。

図３は、ＥＧＲ制御に用いられるテーブルを示した図である。目標ＥＧＲ率設定部１４２は、図３（ａ）に示すような目標ＥＧＲ率特定テーブルを参照し、冷却水の温度（水温）に応じて、目標ＥＧＲ率を特定する。

図２に示すバルブ開度決定部１４４は、ＥＧＲバルブ１３２の開度を決定する。まず、バルブ開度決定部１４４は、吸気マニホールド１１０内の圧力（インマニ圧）を検出するインマニ圧センサ１４４ａから、インマニ圧を示す信号を取得する。さらに、バルブ開度決定部１４４は、大気圧を検出する大気圧センサ１４４ｂから、大気圧を示す信号を取得する。

そして、バルブ開度決定部１４４は、図３（ｂ）に示すような背圧特定テーブルを参照し、インマニ圧および大気圧に応じて、排気マニホールド１２２の圧力（背圧）を特定（推定）する。

続いて、バルブ開度決定部１４４は、図３（ｃ）に示すようなＥＧＲ流量特定テーブルを参照し、インマニ圧から背圧を減算した差分値（インマニ圧−背圧）と、ＥＧＲバルブ１３２の現在の開度（バルブ開度）とに応じて、ＥＧＲ流量を特定（推定）する。ここで、バルブ開度は、例えば、段階的に設定されるステップ数で示される。

また、図２に示すバルブ開度決定部１４４は、シリンダ１０４内に流入する吸気の流量（吸入空気量）を検出する流量センサ１４４ｃから、吸入空気量を示す信号を取得する。そして、バルブ開度決定部１４４は、特定したＥＧＲ流量と吸入空気量からＥＧＲ率を導出する。

その後、バルブ開度決定部１４４は、導出したＥＧＲ率と、目標ＥＧＲ率に基づいて、ＥＧＲ率と目標ＥＧＲ率との差分が０に近づくように、ＥＧＲバルブ１３２のバルブ開度のステップ数を調整する。すなわち、バルブ開度決定部１４４は、ＥＧＲ率と、目標ＥＧＲ率とを入力値とし、バルブ開度を出力値とするフィードバック制御を遂行する。

バルブ制御部１４６は、バルブ開度決定部１４４が決定したバルブ開度となるように、ＥＧＲバルブ１３２の開度を制御する。

ところで、上述したように、エンジン１００の始動時には、シリンダ１０４から排出された排気ガスを還流させることで、シリンダ１０４やシリンダヘッド１０２の昇温を図ることができる。しかし、エンジン１００の始動時は燃焼が不安定であるため、大気圧や冷却水温度、吸入空気量などに基づく制御では、ＥＧＲ流量が多くなり過ぎ、酸素不足などによって、エンジン１００の始動不良（例えば、エンジンストップ（所謂エンスト））が発生するおそれがあった。そこで、本実施形態では、ＥＧＲ制御装置１４０によって、エンストを抑えた適切なＥＧＲ制御を遂行する。

（エンジン１００の始動時の制御処理）
図４は、エンジン１００の始動時におけるＥＧＲ制御処理の流れを示した第１のタイミングチャートである。図４（ａ）において、二点鎖線１６０は、エンジン１００の始動時、アイドル状態において設定されるエンジン１００の目標回転数を示す。また、実線１６２は、エンジン１００の実際の回転数（実回転数）の推移を示し、破線１６４は、エンジン１００の実回転数の一次遅れの推移を示す。ここで、一次遅れは、例えば、ラプラス変換した場合に分母がＳの一次式で表された、遅れ要素を示す伝達関数で表される。

また、図４（ｂ）において、二点鎖線１６６は、目標ＥＧＲ率を示し、破線１６８は、ＥＧＲバルブ１３２のステップ数（バルブ開度）を示す。ここでは、説明の便宜上、破線１６８におけるステップ数の変化を段階的ではなく直線的に示す。

また、図４において、期間ａ１は、クランキングを経てエンジン１００が始動した後、エンジン１００の実回転数が目標回転数を超えるまでの期間を示す。期間ａ２は、期間ａ１の後、エンジン１００の実回転数の一次遅れが、実回転数を超えるまでの期間を示す。期間ａ３は、期間ａ２の後、エンジン１００の実回転数が目標回転数に収束するまでの期間を示す。

図４に示す、二点鎖線１６０、実線１６２、破線１６４、二点鎖線１６６、破線１６８は、下記の図５および図６でも、同様の凡例を示す。また、図５および図６において、期間ａ１、期間ａ２、期間ａ３は、それぞれ、図４と同様の契機によって特定される期間を示す。

図４（ａ）に示すように、エンジン１００の実回転数は、エンジン１００の始動後、目標回転数を一時的に超えた後、目標回転数に収束する。

図２に示す回転数取得部１４８は、少なくとも期間ａ１〜期間ａ３において、クランク角センサ１４８ａからクランクシャフトの回転角度（クランク角）を示す信号を取得し、エンジン１００の回転数を導出する。

回転数判定部１５０は、回転数取得部１４８が導出したエンジン１００の回転数から、エンジン１００の回転数の上昇率を示す指標値を導出する。指標値は、値が大きいほど、エンジン１００の回転数の上昇率が大きいことを示す。具体的に、指標値は、例えば、エンジン１００の回転数の微分値、または、図４（ａ）に実線１６２で示す実回転数と破線１６４で示す一次遅れとの差分値などである。ここでは、指標値は、エンジン１００の回転数の微分値とする。

期間ａ１においては、エンジン１００の状態が不安定であることから、回転数判定部１５０が導出した指標値に関わらず、目標ＥＧＲ率設定部１４２は、目標ＥＧＲ率を０に設定しており、ＥＧＲバルブ１３２のステップ数は０、すなわち、ＥＧＲバルブ１３２を閉じている。そのため、ＥＧＲ流量は０となり、ＥＧＲ率は０となる。

すなわち、バルブ制御部１４６は、エンジン１００の始動時、エンジン１００の実回転数が目標回転数を超えるまで、ＥＧＲバルブ１３２を閉じている。こうして、期間ａ１において、ＥＧＲ流量が０となり、酸素不足によるエンストの発生を抑えることが可能となる。

期間ａ２、および、期間ａ３の間、回転数判定部１５０は、導出した指標値が予め設定された負の値である第１閾値未満であるか否かを、繰り返し判定する。図４の例では、指標値は、期間ａ２、および、期間ａ３の間中、第１閾値以上であるものとする。

指標値が第１閾値以上の場合、エンジン１００は、正常に始動していると推定される。目標ＥＧＲ率設定部１４２は、期間ａ２において、目標ＥＧＲ率特定テーブルによって特定された目標ＥＧＲ率を暫定値とし、かかる暫定値に補正処理を施して暫定値より大きくなった値を目標ＥＧＲ率とする。

目標ＥＧＲ率設定部１４２は、目標ＥＧＲ率特定テーブルによって目標ＥＧＲ率の暫定値を特定するごとに、このような補正処理を行いながら、図４（ｂ）に二点鎖線１６６で示すように、時間経過とともに目標ＥＧＲ率を漸増させる。

すなわち、バルブ制御部１４６は、エンジン１００の始動時、エンジン１００の実回転数が目標回転数を超えると、ＥＧＲバルブ１３２の開度を漸増させる。こうして、期間ａ２および期間ａ３において、ＥＧＲ流量を極端に急増させ過ぎて、エンストが発生してしまう事態を回避することが可能となる。

このとき、目標ＥＧＲ率設定部１４２は、回転数判定部１５０が導出した指標値、すなわち、エンジン１００の実回転数の微分値が正の値であると、エンジン１００の実回転数の微分値の大きさに応じ、目標ＥＧＲ率の上昇率、すなわち、目標ＥＧＲ率の微分値を大きく設定する。

このように、エンジン１００の始動後、燃焼が安定化したと推定される期間ａ２において、エンジン１００の回転数が順調に増加していると、目標ＥＧＲ率の増加を急峻とし、シリンダ１０４やシリンダヘッド１０２の昇温を図ることが可能となる。

その後、期間ａ３に至ると、目標ＥＧＲ率設定部１４２は、目標ＥＧＲ率の微分値が、正の値であって、かつ、期間ａ２のときよりも小さい値となるように目標ＥＧＲ率を設定する。その結果、目標ＥＧＲ率は、期間ａ３において、期間ａ２よりも、傾きが小さいものの、漸増を続ける。

期間ａ３においては、エンジン１００の実回転数が減少していることから、エンジン１００の実回転数の増加時よりも、エンストのリスクが上昇している。そのため、目標ＥＧＲ率の増加の傾きを期間ａ２よりも抑えることで、エンジン１００への排気ガスの流入によるエンストの発生を抑える。

期間ａ３の後、アイドル状態の間、目標ＥＧＲ率設定部１４２は、目標ＥＧＲ率の増加を止め、所定値に維持する。

このように、エンジン１００の回転数の微分値に応じて、目標ＥＧＲ率およびその増加の傾きを変化させることで、エンジン１００を迅速に暖気しつつ、エンストを抑えることが可能となる。また、エンジン１００の始動後、期間ａ１〜期間ａ３といったように、エンジン１００の回転数に応じて区画された期間に合わせて、目標ＥＧＲ率や、目標ＥＧＲ率の増加の傾きを制御することで、さらなる暖気の迅速化と、エンストの抑制を図ることが可能となる。

図４では、指標値が第１閾値以上であると判定された場合について説明した。一方で、目標ＥＧＲ率設定部１４２は、指標値が第１閾値未満であると判定されると、目標ＥＧＲ率を下げる。

図５は、エンジン１００の始動時におけるＥＧＲ制御処理の流れを示した第２のタイミングチャートである。図５に示す例では、期間ａ３において、すなわち、エンジン１００の実回転数が減少に転じ、エンジン１００の実回転数を実回転数の一次遅れが超えたとき、例えば、時刻ｔ１において、実回転数の減少の傾きが大きくなり過ぎて、指標値が第１閾値未満となったものとする（ただし、後述する第２閾値以上）。

この場合、目標ＥＧＲ率設定部１４２は、目標ＥＧＲ率特定テーブルによって特定された目標ＥＧＲ率を暫定値とし、かかる暫定値に補正処理を施して暫定値より小さくなった値を目標ＥＧＲ率とする。

目標ＥＧＲ率設定部１４２は、目標ＥＧＲ率特定テーブルによって目標ＥＧＲ率の暫定値を特定するごとに、このような補正処理を行いながら、図５（ｂ）に二点鎖線１６６で示すように、時間経過とともに目標ＥＧＲ率を漸減させる。

その結果、図５（ｂ）に破線１６８で示すように、ＥＧＲバルブ１３２のステップ数も漸減し、バルブ制御部１４６は、ＥＧＲバルブ１３２の開度を小さくする。やがて、目標ＥＧＲ率が０に収束すると、バルブ制御部１４６は、ＥＧＲバルブ１３２を閉じる。

このように、指標値が第１閾値未満であると判定されると、エンジン１００がエンストするリスクが高いことから、バルブ制御部１４６は、ＥＧＲバルブ１３２の開度を小さくすることで、ＥＧＲ流量を抑え、エンジン１００への排気ガスの流入によるエンストの発生をさらに抑えることが可能となる。

ここでは、エンジン１００の実回転数の減少が続き、指標値が第１閾値未満の状態が続き、目標ＥＧＲ率が０に至る場合について説明した。しかし、指標値が第１閾値未満となった後、再び第１閾値以上になると、目標ＥＧＲ率設定部１４２は、目標ＥＧＲ率を漸増させることとなる。

図６は、エンジン１００の始動時におけるＥＧＲ制御処理の流れを示した第３のタイミングチャートである。図６に示す例では、期間ａ３において、すなわち、エンジン１００の実回転数が減少に転じ、エンジン１００の実回転数を実回転数の一次遅れが超えたとき、例えば、時刻ｔ２において、実回転数の減少の傾きが大きくなり過ぎて、指標値が第１閾値よりも小さい第２閾値未満となったものとする。

回転数判定部１５０は、指標値が第２閾値未満であるか否かを判定する。指標値が第２閾値未満であると判定されると、目標ＥＧＲ率設定部１４２は、図６（ｂ）に二点鎖線１６６で示すように、目標ＥＧＲ率を０に固定する。

その結果、図６（ｂ）に破線１６８で示すように、ＥＧＲバルブ１３２のステップ数も０となり、バルブ制御部１４６は、ＥＧＲバルブ１３２を閉じる。

このように、指標値が第２閾値未満となると、エンジン１００がエンストを起こす可能性が高いと推定される。そのため、バルブ制御部１４６は、ＥＧＲバルブ１３２を即座に閉じることでＥＧＲ流量を０とし、エンジン１００への排気ガスの流入によるエンストを回避することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、指標値が第２閾値未満となると、目標ＥＧＲ率が０に設定される場合について説明したが、指標値が第２閾値未満となっても、目標ＥＧＲ率が０に設定されなくともよい。

また、上述した実施形態では、目標ＥＧＲ率設定部１４２は、エンジン１００の始動時、エンジン１００の回転数が目標回転数を超えるまで、目標ＥＧＲ率を０とする場合について説明したが、かかる制御は必須の構成ではない。

また、上述した実施形態では、目標ＥＧＲ率設定部１４２は、エンジン１００の始動時、エンジン１００の回転数が目標回転数を超えると、目標ＥＧＲ率を漸増させる場合について説明したが、かかる制御は必須の構成ではない。

本発明は、ＥＧＲ流路へ還流させる排気ガスの流量を制御するＥＧＲ制御装置に利用することができる。

１００エンジン
１２８ＥＧＲ流路
１３２ＥＧＲバルブ（バルブ）
１４０ＥＧＲ制御装置
１４２目標ＥＧＲ率設定部
１４８回転数取得部
１５０回転数判定部

Claims

排気ガスをエンジンのシリンダに還流させるＥＧＲ流路の流量を、該シリンダへ流入する気体全量と、該シリンダに還流する該排気ガスの量との比を示すＥＧＲ率の目標値である目標ＥＧＲ率に基づいて制御するＥＧＲ制御装置であって、
前記エンジンの回転数を取得する回転数取得部と、
前記エンジンの始動時において、取得された前記エンジンの回転数の上昇率を示す指標値が、第１閾値未満であるか否か、および、該指標値が、該第１閾値よりも小さい第２閾値未満であるか否かを判定する回転数判定部と、
前記目標ＥＧＲ率を設定する目標ＥＧＲ率設定部と、
を備え、
前記目標ＥＧＲ率設定部は、前記指標値が前記第１閾値未満であると判定されると、前記目標ＥＧＲ率を下げ、該指標値が前記第２閾値未満であると判定されると、該目標ＥＧＲ率を０とすることを特徴とするＥＧＲ制御装置。
前記目標ＥＧＲ率設定部は、前記エンジンの始動時、該エンジンの回転数がアイドル時における目標回転数を超えるまで、前記目標ＥＧＲ率を０とすることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ制御装置。
前記目標ＥＧＲ率設定部は、前記エンジンの始動時、前記エンジンの回転数が前記アイドル時における目標回転数を超えると、前記目標ＥＧＲ率を漸増させることを特徴とする請求項２に記載のＥＧＲ制御装置。