JP6320587B1 - 内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】EGRバルブの流量特性の個体差、経年変化の影響を、内燃機関本体の個体差、経年変化の影響を受け難い方法で学習し、還流排気ガスの流量の推定精度を向上させることができる内燃機関の制御装置及びその制御方法を提供する。【解決手段】マニホールド内酸素濃度φo2_inに基づいて酸素濃度検出EGR率Regrを算出する酸素濃度検出EGR率算出部52と、酸素濃度検出EGR率Regr及び吸入空気流量Qaに基づいて酸素濃度検出還流流量Qeoxを算出し、EGRバルブの開口面積の学習値ΔSegrLを算出する開口面積学習値算出部53と、学習後開口面積SegrLに基づいて制御用の還流排気ガスの流量Qesを算出する制御用還流排気ガス算出部60と、を備えた内燃機関の制御装置50。【選択図】図2
Description
本発明は、吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するEGR流路と、EGR流路を開閉するEGRバルブと、を備えた内燃機関の制御装置及び制御方法に関するものである。
内燃機関を良好に制御するためには、シリンダに吸入される空気量を精度良く算出し、シリンダ吸入空気量に応じて燃料供給量、及び点火時期を精度良く制御することが重要である。点火時期制御については、内燃機関の回転速度及びシリンダ吸入空気量のみならず、他の要因、例えば、内燃機関の冷却水温、ノック発生状況、燃料性状、EGR(Exhaust Gas Recirculation)率に応じて、出力トルクが最大となる点火時期(MBT:Minimum Spark Advance for Best Torque)等に、点火時期を変化させることが求められる。
ところで、EGRについては、排気路から吸気マニホールドに排気ガスを還流するEGR流路にEGRバルブを設け、そのEGRバルブの開度により、吸気マニホールドに還流される排気ガス量を制御する方法(以下、外部EGRと称す)と、吸気バルブ及び排気バルブの一方又は双方の開閉タイミングを可変化した可変バルブタイミング機構を設け、吸気バルブと排気バルブが同時に開いているバルブオーバーラップ期間を変化させることで、シリンダ内に残留する排気ガス量を制御する方法(以下、内部EGRと称す)がある。近年では、低燃費化、高出力化のために、外部EGR機構及び内部EGR機構の双方を備えた内燃機関が増加している。本願では、単にEGR、EGR率と記載した場合は、外部EGR、外部EGR率を意味するものとする。
また、近年では、内燃機関の出力トルクを指標として内燃機関を制御することが行われている。熱効率は、シリンダ吸入空気量及びEGR率に応じて変化するため、シリンダ吸入空気量及びEGR率に基づいて出力トルクを推定することが求められる。よって、点火時期を制御するためにも、出力トルクを推定するためにも、EGR率を精度よく推定することが求められる。
EGR率を推定する技術として、例えば、下記の特許文献1に記載された技術が既に知られている。特許文献1の技術では、EGRバルブの流量特性を用い、EGRバルブの開口面積に応じた還流排気ガスの流量QACTを推定すると共に、EGRバルブの流量特性を用い、EGRバルブの開口面積の指令値に応じた還流排気ガスの流量QCMDを推定する。還流排気ガスの流量QACT、QCMDに基づいて、EGR率を推定するように構成されている。
しかしながら、特許文献1の技術では、EGRバルブの流量特性の個体差、煤等の堆積物によるEGRバルブの流量特性の経年変化等により、還流排気ガスの流量の推定精度が悪化し、EGR率の推定精度が悪化するという問題があった。
推定精度を向上させるためには、EGRバルブの流量特性の変動を学習することが考えられる。この際、学習精度を向上させるために、内燃機関本体の個体差、経年変化の影響をできるだけ受け難い方法を用いることが望ましい。
そこで、EGRバルブの流量特性の個体差、経年変化の影響を、内燃機関本体の個体差、経年変化の影響を受け難い方法で学習し、還流排気ガスの流量の推定精度を向上させることができる内燃機関の制御装置及びその制御方法が求められる。
本発明に係る内燃機関の制御装置は、吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するEGR流路と、前記EGR流路を開閉するEGRバルブと、を備えた内燃機関の制御装置であって、前記吸気マニホールド内の気体の酸素濃度であるマニホールド内酸素濃度、前記吸気路に吸入される吸入空気の流量である吸入空気流量、及び前記EGRバルブの開度を検出する運転状態検出部と、前記マニホールド内酸素濃度に基づいて、前記吸入空気に対する前記吸気マニホールドに還流された前記排気ガスである還流排気ガスの比率である酸素濃度検出EGR率を算出する酸素濃度検出EGR率算出部と、前記酸素濃度検出EGR率及び前記吸入空気流量に基づいて、前記還流排気ガスの流量である酸素濃度検出還流流量を算出し、前記酸素濃度検出還流流量を実現する前記EGRバルブの開口面積である酸素濃度検出開口面積を算出し、前記酸素濃度検出開口面積に基づいて、前記EGRバルブの開口面積の学習値を算出する開口面積学習値算出部と、前記開口面積の学習値を用いて、現在の前記EGRバルブの開度に対応する前記EGRバルブの学習後開口面積を算出し、前記学習後開口面積に基づいて、前記内燃機関の制御に用いる制御用の前記還流排気ガスの流量を算出する制御用還流排気ガス算出部と、を備えたものである。
また、本発明に係る内燃機関の制御方法は、吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するEGR流路と、前記EGR流路を開閉するEGRバルブと、を備えた内燃機関の制御方法であって、前記吸気マニホールド内の気体の酸素濃度であるマニホールド内酸素濃度、前記吸気路に吸入される吸入空気の流量である吸入空気流量、及び前記EGRバルブの開度を検出する運転状態検出ステップと、前記マニホールド内酸素濃度に基づいて、前記吸入空気に対する前記吸気マニホールドに還流された前記排気ガスである還流排気ガスの比率である酸素濃度検出EGR率を算出する酸素濃度検出EGR率算出ステップと、前記酸素濃度検出EGR率及び前記吸入空気流量に基づいて、前記還流排気ガスの流量である酸素濃度検出還流流量を算出し、前記酸素濃度検出還流流量を実現する前記EGRバルブの開口面積である酸素濃度検出開口面積を算出し、前記酸素濃度検出開口面積に基づいて、前記EGRバルブの開口面積の学習値を算出する開口面積学習値算出ステップと、前記開口面積の学習値を用いて、現在の前記EGRバルブの開度に対応する前記EGRバルブの学習後開口面積を算出し、前記学習後開口面積に基づいて、前記内燃機関の制御に用いる制御用の前記還流排気ガスの流量を算出する制御用還流排気ガス算出ステップと、を実行するものである。
本発明に係る内燃機関の制御装置及び制御方法によれば、内燃機関本体の個体差、経年変化の影響を受け難い、マニホールド内酸素濃度の検出値に基づいて、EGR率(酸素濃度検出EGR率)を算出するので、EGR率の検出精度を向上させることができる。一方、マニホールド内酸素濃度は、吸気マニホールド内で吸入空気と還流排気ガスとが混合し、平均化された後の気体の酸素濃度であるため、酸素濃度検出EGR率は、EGRバルブを通過している還流排気ガスの流量よりも応答が遅れた情報となっている。そのため、酸
素濃度検出EGR率から、直接的に、応答遅れのない精度の良い還流排気ガスの流量を算出することは容易でない。そこで、酸素濃度検出EGR率等に基づいて、応答性が要求されないEGRバルブの開口面積の学習値を算出し、EGRバルブの学習後開口面積に基づいて、制御用の還流排気ガスの流量を算出することにより、応答遅れのない学習後の還流排気ガスの流量を算出することができる。従って、EGRバルブの流量特性の個体差、経年変化の影響を、内燃機関の個体差、経年変化の影響を受け難い方法で学習し、制御用の還流排気ガスの流量の推定精度を向上させることができる。
素濃度検出EGR率から、直接的に、応答遅れのない精度の良い還流排気ガスの流量を算出することは容易でない。そこで、酸素濃度検出EGR率等に基づいて、応答性が要求されないEGRバルブの開口面積の学習値を算出し、EGRバルブの学習後開口面積に基づいて、制御用の還流排気ガスの流量を算出することにより、応答遅れのない学習後の還流排気ガスの流量を算出することができる。従って、EGRバルブの流量特性の個体差、経年変化の影響を、内燃機関の個体差、経年変化の影響を受け難い方法で学習し、制御用の還流排気ガスの流量の推定精度を向上させることができる。
1.実施の形態1
実施の形態1に係る内燃機関1の制御装置50(以下、単に制御装置50と称す)について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る内燃機関1及び制御装置50の概略構成図であり、図2は、本実施の形態に係る制御装置50のブロック図である。内燃機関1及び制御装置50は、車両に搭載され、内燃機関1は、車両(車輪)の駆動力源となる。
実施の形態1に係る内燃機関1の制御装置50(以下、単に制御装置50と称す)について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る内燃機関1及び制御装置50の概略構成図であり、図2は、本実施の形態に係る制御装置50のブロック図である。内燃機関1及び制御装置50は、車両に搭載され、内燃機関1は、車両(車輪)の駆動力源となる。
1−1.内燃機関1の構成
まず、内燃機関1の構成について説明する。内燃機関1は、空気と燃料の混合気を燃焼するシリンダ25を有している。内燃機関1は、シリンダ25に空気を供給する吸気路23と、シリンダ25で燃焼した排気ガスを排出する排気路17とを備えている。内燃機関1は、吸気路23を開閉するスロットルバルブ6を備えている。スロットルバルブ6は、制御装置50により制御される電気モータにより開閉駆動される電子制御式スロットルバルブとされている。スロットルバルブ6には、スロットルバルブ6の開度に応じた電気信号を出力するスロットル開度センサ7が設けられている。
まず、内燃機関1の構成について説明する。内燃機関1は、空気と燃料の混合気を燃焼するシリンダ25を有している。内燃機関1は、シリンダ25に空気を供給する吸気路23と、シリンダ25で燃焼した排気ガスを排出する排気路17とを備えている。内燃機関1は、吸気路23を開閉するスロットルバルブ6を備えている。スロットルバルブ6は、制御装置50により制御される電気モータにより開閉駆動される電子制御式スロットルバルブとされている。スロットルバルブ6には、スロットルバルブ6の開度に応じた電気信号を出力するスロットル開度センサ7が設けられている。
吸気路23の最上流部には、吸気路23に吸入された空気を浄化するエアクリーナ24が設けられている。スロットルバルブ6の上流側の吸気路23には、大気から吸気路23に吸入される空気である吸入空気の流量に応じた電気信号を出力するエアフローセンサ3と、吸入空気の温度である吸入空気温度Taに応じた電気信号を出力する吸入空気温度センサ4と、が設けられている。スロットルバルブ6の上流側の吸気路23内の圧力は、大気圧と等しいとみなすことができる。吸気路23の外部(例えば、制御装置50の内部)には、吸入空気(本例では、大気)の圧力である吸入空気圧Paに応じた電気信号を出力する吸入空気圧センサ2が設けられている。
なお、吸入空気温度センサ4は、エアフローセンサ3と一体化されてもよいし、別体化されてもよい。或いは、吸入空気温度センサ4は、吸入空気圧センサ2と同様に、吸気路23の外部に設けられてもよいし、吸入空気圧センサ2は、吸入空気温度センサ4と同じ個所に設けられてもよい。いずれにしても、吸入空気圧センサ2、及び吸入空気温度センサ4は、吸気路23に吸入される吸入空気が存在する場所であって、吸入空気の圧力が実質的に同じになる場所に設けられる。
スロットルバルブ6の下流側の吸気路23の部分は、吸気マニホールド12とされている。吸気マニホールド12の上流側の部分は、吸気脈動を抑制するサージタンク11とされている。内燃機関1は、排気路17から吸気マニホールド12(本例では、サージタンク11)に排気ガスを還流するEGR流路21と、EGR流路21を開閉するEGRバルブ22と、を備えている。本実施の形態では、EGR流路21は、触媒19の下流側の排気路17の部分に接続されている。なお、EGR流路21は、触媒19の上流側の排気路17の部分に接続されてもよい。EGRバルブ22は、制御装置50により制御される電動モータ等の電動アクチュエータより開閉駆動される電子制御式EGRバルブとされている。EGRバルブ22には、EGRバルブ22の開度Oeに応じた電気信号を出力するEGR開度センサ27が設けられている。サージタンク11に還流された排気ガス(以下、還流排気ガスと称す)と、サージタンク11に吸入された吸入空気は、サージタンク11内で混合され、均一化される。なお、EGRは、Exhaust Gas Recirculationの頭文字で
ある。
ある。
吸気マニホールド12には、吸気マニホールド12内の気体の圧力であるマニホールド圧Pbに応じた電気信号を出力するマニホールド圧センサ8と、吸気マニホールド12内の気体の温度であるマニホールド温度Tbに応じた電気信号を出力するマニホールド温度センサ9と、吸気マニホールド12内の気体の酸素濃度であるマニホールド内酸素濃度φo2_inに応じた電気信号を出力するマニホールド酸素濃度センサ10と、が設けられている。なお、マニホールド酸素濃度センサ10により検出される酸素濃度は、体積濃度とされている。
なお、マニホールド温度センサ9及びマニホールド酸素濃度センサ10は、マニホールド圧センサ8と一体化されてもよいし、別体化されてもよい。マニホールド温度センサ9及びマニホールド酸素濃度センサ10は、吸気マニホールド12とEGR流路21との接続部よりも下流側に設けられており、吸入空気と還流排気ガスとが十分に混合した気体の温度と酸素濃度を検出可能なように構成されている。
吸気マニホールド12の下流側の部分には、燃料を噴射するインジェクタ13が設けられている。なお、インジェクタ13は、シリンダ25内に直接燃料を噴射するように設けられてもよい。
シリンダ25の頂部には、空気と燃料の混合気に点火する点火プラグと、点火プラグに点火エネルギーを供給する点火コイル16と、が設けられている。また、シリンダ25の頂部には、吸気路23からシリンダ25内に吸入される吸入空気量を調節する吸気バルブ14と、シリンダ内から排気路17に排出される排気ガス量を調節する排気バルブ15と、が設けられている。吸気バルブ14には、そのバルブ開閉タイミングを可変にする吸気可変バルブタイミング機構が設けられている。排気バルブ15には、そのバルブ開閉タイミングを可変にする排気可変バルブタイミング機構が設けられている。可変バルブタイミング機構14、15は、電動アクチュエータを有している。内燃機関1のクランク軸には、その回転角に応じた電気信号を出力するクランク角センサ20が設けられている。
排気路17には、排気ガス中の空気と燃料との比率である空燃比AF(Air/Fuel)に応じた電気信号を出力する空燃比センサ18が設けられている。また、排気路17には、排気ガスを浄化する触媒19が設けられている。触媒19には、理論空燃比AF0近傍で浄化性能が高くなる三元触媒が用いられている。
1−2.制御装置50の構成
次に、制御装置50について説明する。
制御装置50は、内燃機関1を制御対象とする制御装置である。図2に示すように、制御装置50は、運転状態検出部51、酸素濃度検出EGR率算出部52、開口面積学習値算出部53、制御用還流排気ガス算出部54、及び還流量利用制御部55等の制御部を備えている。制御装置50の各制御部51〜55等は、制御装置50が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置50は、図3に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置
90とデータのやり取りをする記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93、及び演算処理装置90が外部装置とデータ通信を行うための通信回路94等を備えている。
次に、制御装置50について説明する。
制御装置50は、内燃機関1を制御対象とする制御装置である。図2に示すように、制御装置50は、運転状態検出部51、酸素濃度検出EGR率算出部52、開口面積学習値算出部53、制御用還流排気ガス算出部54、及び還流量利用制御部55等の制御部を備えている。制御装置50の各制御部51〜55等は、制御装置50が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置50は、図3に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置
90とデータのやり取りをする記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93、及び演算処理装置90が外部装置とデータ通信を行うための通信回路94等を備えている。
演算処理装置90として、DSP(Digital Signal Processor)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、IC(Integrated Circuit)等が備えられてもよい。また、演算処理装置90として、同じ種類のもの又は異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。記憶装置91として、演算処理装置90からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたRAM(Random Access Memory)や、演算処理装置90からデータを読み出し可能に構成されたROM(Read Only Memory)等が備えられている。入力回路92は、各種のセンサやスイッチが接続され、これらセンサやスイッチの出力信号を演算処理装置90に入力するA/D変換器等を備えている。出力回路93は、電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置90から制御信号を出力する駆動回路等を備えている。通信回路94は、変速装置の制御装置81等の他の車載用の電子機器等が通信線を介して接続され、CAN(Controller Area Network)等の通信プロトコルに基づいて有線通信を行う。
そして、制御装置50が備える各制御部51〜55等の各機能は、演算処理装置90が、ROM等の記憶装置91に記憶されたソフトウェア(プログラム)を実行し、記憶装置91、入力回路92、出力回路93、及び通信回路94等の制御装置50の他のハードウェアと協働することにより実現される。なお、各制御部51〜55等が用いる特性データ、判定値等の設定データは、ソフトウェア(プログラム)の一部として、ROM等の記憶装置91に記憶されている。
本実施の形態では、入力回路92には、吸入空気圧センサ2、エアフローセンサ3、吸入空気温度センサ4、スロットル開度センサ7、マニホールド圧センサ8、マニホールド温度センサ9、マニホールド酸素濃度センサ10、空燃比センサ18、クランク角センサ20、アクセルポジションセンサ26、及びEGR開度センサ27等が接続されている。出力回路93には、スロットルバルブ6(電気モータ)、インジェクタ13、吸気可変バルブタイミング機構14、排気可変バルブタイミング機構15、点火コイル16、及びEGRバルブ22(電動アクチュエータ)等が接続されている。なお、制御装置50には、図示していない各種のセンサ、スイッチ、及びアクチュエータ等が接続されている。
制御装置50は、基本的な制御として、入力された各種センサの出力信号等に基づいて、燃料噴射量、点火時期等を算出し、インジェクタ13及び点火コイル16等を駆動制御する。制御装置50は、アクセルポジションセンサ26の出力信号等に基づいて、運転者が要求している内燃機関1の出力トルクを算出し、当該要求出力トルクを実現する吸入空気量となるように、スロットルバルブ6等を制御する。この際、後述する、制御用の還流排気ガス流量Qesに基づいて算出される内燃機関1の出力トルクが考慮されてもよい。具体的には、制御装置50は、目標スロットル開度を算出し、スロットル開度センサ7の出力信号に基づき検出したスロットル開度が、目標スロットル開度に近づくように、スロットルバルブ6の電気モータを駆動制御する。
<運転状態検出部51>
運転状態検出部51は、内燃機関1及び車両の運転状態を検出する。運転状態検出部51は、各種のセンサの出力信号等に基づいて各種の運転状態を検出する。運転状態検出部51は、マニホールド圧Pb、マニホールド温度Tb、及びマニホールド内酸素濃度φo2_inを検出する。本実施の形態では、運転状態検出部51は、マニホールド圧センサ8の出力信号に基づいてマニホールド圧Pbを検出する。運転状態検出部51は、マニホールド温度センサ9の出力信号に基づいてマニホールド温度Tbを検出する。運転状態検出部51は、マニホールド酸素濃度センサ10の出力信号に基づいてマニホールド内酸素濃度φo2_inを検出する。
運転状態検出部51は、内燃機関1及び車両の運転状態を検出する。運転状態検出部51は、各種のセンサの出力信号等に基づいて各種の運転状態を検出する。運転状態検出部51は、マニホールド圧Pb、マニホールド温度Tb、及びマニホールド内酸素濃度φo2_inを検出する。本実施の形態では、運転状態検出部51は、マニホールド圧センサ8の出力信号に基づいてマニホールド圧Pbを検出する。運転状態検出部51は、マニホールド温度センサ9の出力信号に基づいてマニホールド温度Tbを検出する。運転状態検出部51は、マニホールド酸素濃度センサ10の出力信号に基づいてマニホールド内酸素濃度φo2_inを検出する。
また、運転状態検出部51は、吸入空気圧Pa、吸入空気温度Taを検出する。本実施の形態では、運転状態検出部51は、吸入空気圧センサ2の出力信号に基づいて吸入空気圧Paを検出する。運転状態検出部51は、吸入空気温度センサ4の出力信号に基づいて吸入空気温度Taを検出する。
また、運転状態検出部51は、スロットル開度センサ7の出力信号に基づいてスロットル開度を検出し、EGR開度センサ27の出力信号に基づいてEGRバルブ22の開度Oeを検出する。運転状態検出部51は、空燃比センサ18の出力信号に基づいて排気ガスの空燃比AFを検出し、クランク角センサ20の出力信号に基づいて内燃機関1の回転速度Neを検出し、アクセルポジションセンサ26の出力信号に基づいてアクセル開度を検出する。
なお、ここでEGRバルブを構成する電動モータの種類によっては、モータの通電制御出力状態よりEGRバルブの開度を推定可能な場合は、EGR開度センサ27を設けずに、その開度推定値をEGRバルブ22の開度Oeとしてもよい。
運転状態検出部51は、エアフローセンサ3の出力信号に基づいて吸入空気流量Qaを検出する。運転状態検出部51は、式(1)に示すように、吸入空気流量Qa[g/s]に基づいて、1行程間(例えば、BTDC5degCA間の期間)に吸気路23(吸気マニホールド12)に吸入される吸入空気量QA[g/stroke]を算出し、吸入空気量QAに対して吸気マニホールド12(サージタンク)の遅れを模擬した1次遅れフィルタ処理を行って、1行程間にシリンダ25に吸入されるシリンダ吸入空気量QAc[g/stroke]を算出する。運転状態検出部51は、例えば、吸入空気流量Qaに1行程周期ΔTを乗算して、吸入空気量QAを算出する。
ここで、KCCAは、予め設定されたフィルタゲインである。(n)は、今回の演算周期の値であることを表し、(n−1)は、前回の演算周期の値であることを表す。
また、運転状態検出部51は、シリンダ吸入空気量QAcを、標準大気状態の空気密度ρ0とシリンダ容積Vcとを乗算した値で除算して、吸入空気の充填効率Ecを算出する。充填効率Ecは、シリンダ容積Vcを満たす標準大気状態の空気質量(ρ0×Vc)に対するシリンダ吸入空気量QAcの比率である。なお、標準大気状態は、1atm、25℃である。
運転状態検出部51は、EGRバルブ22の排気路17側の排気ガスの温度Texを検出する。本実施の形態では、運転状態検出部51は、内燃機関1の回転速度Neと充填効率Ecと排気ガスの温度Texとの関係が予め設定された排気ガス温度特性データを用いて、現在の内燃機関1の回転速度Ne及び充填効率Ecに対応する排気ガスの温度Texを算出する。なお、排気路17に温度センサが設けられ、運転状態検出部51は、温度センサの出力信号に基づいて、排気ガスの温度Texを検出するように構成されてもよい。なお、各特性データには、データマップ、データテーブル、多項式、数式等が用いられる。
運転状態検出部51は、EGRバルブ22の排気路17側の排気ガスの圧力Pexを検出する。本実施の形態では、運転状態検出部51は、内燃機関1の回転速度Neと充填効率Ecと排気ガスの圧力Pexとの関係が予め設定された排気ガス圧力特性データを用いて、現在の内燃機関1の回転速度Ne及び充填効率Ecに対応する排気ガスの圧力Pexを算出する。
<酸素濃度検出EGR率算出部52>
酸素濃度検出EGR率算出部52は、マニホールド内酸素濃度φo2_inに基づいて、吸入空気に対する吸気マニホールド12に還流された排気ガスの比率である酸素濃度検出EGR率Regrを算出する。酸素濃度検出EGR率算出部52の詳細については後述する。
酸素濃度検出EGR率算出部52は、マニホールド内酸素濃度φo2_inに基づいて、吸入空気に対する吸気マニホールド12に還流された排気ガスの比率である酸素濃度検出EGR率Regrを算出する。酸素濃度検出EGR率算出部52の詳細については後述する。
<開口面積学習値算出部53>
開口面積学習値算出部53は、酸素濃度検出EGR率Regr及び吸入空気流量Qaに基づいて、還流排気ガスの流量である酸素濃度検出還流流量Qeoxを算出する酸素濃度検出還流流量算出部56を備えている。本実施の形態では、酸素濃度検出EGR率算出部52により算出される酸素濃度検出EGR率Regrは、後述する式(11)に示すように、吸入空気及び還流排気ガスの合計に対する還流排気ガスの比率である絶対EGR率とされている。そこで、酸素濃度検出還流流量算出部56は、式(3)に示すように、絶対EGR率Regrを、吸入空気に対する還流排気ガスの比率である相対EGR率Regrrに変換した後、相対EGR率Regrrに吸入空気流量Qaを乗算して酸素濃度検出還流流量Qeoxを算出する。
開口面積学習値算出部53は、酸素濃度検出EGR率Regr及び吸入空気流量Qaに基づいて、還流排気ガスの流量である酸素濃度検出還流流量Qeoxを算出する酸素濃度検出還流流量算出部56を備えている。本実施の形態では、酸素濃度検出EGR率算出部52により算出される酸素濃度検出EGR率Regrは、後述する式(11)に示すように、吸入空気及び還流排気ガスの合計に対する還流排気ガスの比率である絶対EGR率とされている。そこで、酸素濃度検出還流流量算出部56は、式(3)に示すように、絶対EGR率Regrを、吸入空気に対する還流排気ガスの比率である相対EGR率Regrrに変換した後、相対EGR率Regrrに吸入空気流量Qaを乗算して酸素濃度検出還流流量Qeoxを算出する。
開口面積学習値算出部53は、酸素濃度検出還流流量Qeoxを実現するEGRバルブ22の開口面積である酸素濃度検出開口面積Segroxを算出する酸素濃度検出開口面積算出部57と、酸素濃度検出開口面積Segroxに基づいて、EGRバルブ22の開口面積の学習値ΔSegrLを算出する学習値算出部58と、を備えている。
本実施の形態では、酸素濃度検出開口面積算出部57は、排気ガスの温度Texに基づいて、EGRバルブ22の排気路17側の排気ガスの音速Aeを算出する。また、酸素濃度検出開口面積算出部57は、排気ガスの温度Tex及び排気ガスの圧力Pexに基づいて、EGRバルブ22の排気路17側の排気ガスの密度ρeを算出する。そして、酸素濃度検出開口面積算出部57は、マニホールド圧Pb、排気ガスの圧力Pex、排気ガスの音速Ae、排気ガスの密度ρe、及び酸素濃度検出還流流量Qeoxに基づいて酸素濃度検出開口面積Segroxを算出する。
具体的には、酸素濃度検出開口面積算出部57は、EGRバルブ22近傍の流れを絞り弁前後の流れと考えた、圧縮性流体における流体力学の理論式であるオリフィスの流量算出式を用いて、酸素濃度検出還流流量Qeoxを実現する酸素濃度検出開口面積Segroxを算出するように構成されている。絞り弁としたEGRバルブ22を流れる還流排気ガスの流量Qe[g/s]の理論式は、エネルギー保存則、等エントロピ流れの関係式、音速の関係式及び状態方程式より、式(4)のように導出される。
ここで、κは還流排気ガスの比熱比であり、予め設定された値が用いられる。Rは還流排気ガスのガス定数であり、予め設定された値が用いられる。SegrはEGRバルブ22の開口面積である。σeは、EGRバルブ22の上下流(前後)の圧力比Pb/Pexに応じて変化する無次元流量定数である。
酸素濃度検出開口面積算出部57は、式(4)の第2式を用い、排気ガスの温度Texに基づいて、排気ガスの音速Aeを算出する。また、酸素濃度検出開口面積算出部57は、式(4)の第3式を用い、排気ガスの温度Tex及び排気ガスの圧力Pexに基づいて、排気ガスの密度ρeを算出する。
また、酸素濃度検出開口面積算出部57は、排気ガスの圧力Pex及びマニホールド圧Pbの圧力比Pb/Pexと、無次元流量定数σeとの関係が、式(4)の第4式に基づいて予め設定された流量定数特性データを用い、現在の排気ガスの圧力Pex及びマニホールド圧Pbの圧力比Pb/Pexに対応する無次元流量定数σeを算出する。
そして、酸素濃度検出開口面積算出部57は、式(4)の第1式を開口面積Segrについて整理した式(5)に示すように、酸素濃度検出還流流量Qeoxを、排気ガスの音速Ae、密度ρe及び無次元流量定数σeで除算して酸素濃度検出開口面積Segroxを算出する。
学習値算出部58は、EGRバルブ22のベース開口面積SegrbとEGRバルブ22の開度Oeとの関係が予め設定されたベース開口特性データを用いて、現在のEGRバルブ22の開度Oeに対応するベース開口面積Segrbを算出する。そして、学習値算出部58は、ベース開口面積Segrbと酸素濃度検出開口面積Segroxとの比較結果に基づいて、開口面積の学習値ΔSegrLを算出する。
本実施の形態では、学習値算出部58は、式(6)に示すように、酸素濃度検出開口面積Segroxとベース開口面積Segrbとの開口面積の偏差ΔSegroxを算出し、開口面積の偏差ΔSegroxに対して平均化処理(本例では一次遅れフィルタ処理)を行った値を、開口面積の学習値ΔSegrLとして算出し、不揮発性のRAM等の記憶装置91に記憶する。
ここで、(n)は、今回の演算周期の値であることを表し、(n−1)は、前回の演算周期の値であることを表す。Ksは、一次遅れフィルタ処理のフィルタゲインを表し、時定数に応じた値に予め設定されている。なお、一次遅れフィルタ処理の代わりに、例えば、移動平均処理等の平均化処理が行われてもよい。また、開口面積の偏差ΔSegroxの代わりに、開口面積の比率等が用いられてもよい。
平均化処理により、マニホールド酸素濃度センサ10の応答遅れ、酸素濃度検出EGR率Regrが吸気マニホールド12内混合後のEGR率であることによるEGRバルブ22を通過する還流排気ガスの流量との応答ズレ、及びその他の外乱要因等の影響を低減し、開口面積の学習値ΔSegrLの安定性及び精度を向上させることができる。
或いは、学習値算出部58は、酸素濃度検出開口面積Segroxと、後述する学習後開口面積SegrLとの比較結果に基づいて、開口面積の学習値ΔSegrLを増加又は減少させるように構成されてもよい。例えば、学習値算出部58は、酸素濃度検出開口面積Segroxが学習後開口面積SegrLよりも大きい場合は、開口面積の学習値ΔSegrLを増加させ、酸素濃度検出開口面積Segroxが学習後開口面積SegrLよりも小さい場合は、開口面積の学習値ΔSegrLを減少させる。
また、学習値算出部58は、EGRバルブ22の開度Oeの動作点毎に開口面積の学習値ΔSegrLを算出するように構成されてもよい。例えば、学習値算出部58は、EGRバルブ22の開度Oeが予め複数の区間に分割された開度区間毎に、開口面積の学習値ΔSegrLを不揮発性のRAM等の記憶装置91に記憶しており、現在のEGRバルブ22の開度Oeに対応する開度区間の学習値ΔSegrLを記憶装置91から読み出し、開口面積の偏差ΔSegroxにより更新する。すなわち、開口面積の学習値ΔSegrLは、開度区間の数と同数設けられている。
学習値算出部58は、EGR率の変化が小さい定常状態であると判定した場合は、式(6)を用いた、開口面積の学習値ΔSegrLの更新を許可し、EGR率の変化が大きい過渡状態であると判定した場合は、式(6)を用いた、開口面積の学習値ΔSegrLの更新を禁止し、開口面積の学習値ΔSegrLを保持する。例えば、学習値算出部58は、EGRバルブ22の開度Oeの変化量が予め設定されたEGR判定値以下であり、且つスロットルバルブ6の開度の変化量が予め設定されたスロットル判定値以下である期間が、予め設定された判定期間経過している場合は、定常状態であると判定し、それ以外の場合は、過渡状態であると判定する。
このような、学習許可条件を設けることにより、マニホールド酸素濃度センサ10の応答遅れ、及び酸素濃度検出EGR率Regrが吸気マニホールド12内混合後のEGR率であることによるEGRバルブ22を通過する還流排気ガスの流量との応答ズレ等の影響を低減し、開口面積の学習値ΔSegrLの精度を向上させることができる。
<制御用還流排気ガス算出部54>
制御用還流排気ガス算出部54は、開口面積の学習値ΔSegrLを用いて、現在のEGRバルブ22の開度Oeに対応するEGRバルブ22の学習後開口面積SegrLを算出する学習後開口面積算出部59と、学習後開口面積SegrLに基づいて、内燃機関1の制御に用いる制御用の還流排気ガスの流量Qesを算出する制御用還流流量算出部60と、を備えている。
制御用還流排気ガス算出部54は、開口面積の学習値ΔSegrLを用いて、現在のEGRバルブ22の開度Oeに対応するEGRバルブ22の学習後開口面積SegrLを算出する学習後開口面積算出部59と、学習後開口面積SegrLに基づいて、内燃機関1の制御に用いる制御用の還流排気ガスの流量Qesを算出する制御用還流流量算出部60と、を備えている。
マニホールド酸素濃度センサ10の応答遅れ、及び酸素濃度検出EGR率Regrが吸気マニホールド12内混合後のEGR率であることにより応答が遅れる酸素濃度検出還流流量Qeoxを直接用いずに、酸素濃度検出還流流量Qeoxに基づいて算出した開口面積の学習値ΔSegrLを用いているので、制御用の還流排気ガスの流量Qesに、上記の応答遅れが生じることを抑制しつつ、制御用の還流排気ガスの流量Qesの算出精度を高めることができる。
本実施の形態では、学習後開口面積算出部59は、開口面積の学習値ΔSegrLによりベース開口面積Segrbを補正して学習後開口面積SegrLを算出する。そして、制御用還流流量算出部60は、学習後開口面積SegrL、マニホールド圧Pb、排気ガスの圧力Pex、排気ガスの音速Ae、及び排気ガスの密度ρeに基づいて制御用の還流排気ガスの流量Qesを算出する。
学習後開口面積算出部59は、式(7)に示すように、現在のEGRバルブ22の開度Oeに対応するベース開口面積Segrbに開口面積の学習値ΔSegrLを加算した値を、学習後開口面積SegrLとして算出する。学習後開口面積算出部59は、学習値算出部58と同様に、上述したベース開口特性データを用いて、現在のEGRバルブ22の開度Oeに対応するベース開口面積Segrbを算出する。なお、学習値算出部58が算出したベース開口面積Segrbが用いられてもよい。
開口面積学習値算出部53が、EGRバルブ22の開度Oeの動作点毎に開口面積の学習値ΔSegrLを算出するように構成されている場合は、学習後開口面積算出部59は、現在のEGRバルブ22の開度Oeに対応する開口面積の学習値ΔSegrLを用いて、制御用の還流排気ガスの流量Qesを算出する。具体的には、学習後開口面積算出部59は、現在のEGRバルブ22の開度Oeに対応する開度区間の学習値ΔSegrLを記憶装置91から読み出して、読み出した学習値ΔSegrLを、ベース開口面積Segrbに加算した値を、学習後開口面積SegrLとして算出する。
制御用還流流量算出部60は、開口面積学習値算出部53と同様に、式(4)のオリフィスの流量算出式を用いて、学習後開口面積SegrLにより実現される制御用の還流排気ガスの流量Qesを算出する。制御用還流流量算出部60は、酸素濃度検出開口面積算出部57と同様に、式(4)の第2式を用い、排気ガスの温度Texに基づいて、排気ガスの音速Aeを算出する。また、制御用還流流量算出部60は、酸素濃度検出開口面積算出部57と同様に、式(4)の第3式を用い、排気ガスの温度Tex及び排気ガスの圧力Pexに基づいて、排気ガスの密度ρeを算出する。また、制御用還流流量算出部60は、酸素濃度検出開口面積算出部57と同様に、上述した流量定数特性データを用い、現在の排気ガスの圧力Pex及びマニホールド圧Pbの圧力比Pb/Pexに対応する無次元流量定数σeを算出する。なお、酸素濃度検出開口面積算出部57が算出した排気ガスの音速Ae、排気ガスの密度ρe、及び無次元流量定数σeが用いられてもよい。
そして、制御用還流流量算出部60は、式(4)の第1式に相当する式(8)を用い、学習後開口面積SegrLに、排気ガスの音速Ae、密度ρe及び無次元流量定数σeを乗算した値を、制御用の還流排気ガスの流量Qesとして算出する。
制御用還流排気ガス算出部54は、制御用の還流排気ガスの流量Qesに基づいて、制御用のEGR率Regrsを算出する制御用EGR率算出部61を備えている。制御用EGR率算出部61は、式(9)に示すように、制御用の還流排気ガスの流量Qes[g/s]に基づいて、1行程間(例えば、BTDC5degCA間の期間)に吸気マニホールド12に還流される還流排気ガス量QES[g/stroke]を算出し、還流排気ガス量QESに対して吸気マニホールド12(サージタンク)の遅れを模擬した1次遅れフィルタ処理を行って、1行程間にシリンダ25に吸入される還流排気ガス量であるシリンダ吸入還流排気ガス量QESc[g/stroke]を算出する。制御用EGR率算出部61は、例えば、制御用の還流排気ガス流量Qesに1行程周期ΔTを乗算して、還流排気ガス量QESを算出する。
ここで、KCCAは、予め設定されたフィルタゲインであり、式(1)のものと同じ値を用いることができる。
制御用EGR率算出部61は、シリンダ吸入空気量QAc及びシリンダ吸入還流排気ガス量QEScに基づいて制御用のEGR率Regrsを算出する。本実施の形態では、制御用EGR率算出部61は、式(10)に示すように、制御用のEGR率Regrsとして、シリンダ吸入還流排気ガス量QEScをシリンダ吸入空気量QAcで除算した相対EGR率を算出する。なお、絶対EGR率が算出されてもよい。
<還流量利用制御部55>
還流量利用制御部55は、制御用還流排気ガス算出部54が算出した制御用の還流排気ガス流量Qesを利用した内燃機関1の制御を行う。本実施形態では、還流量利用制御部55は、制御用の還流排気ガス流量Qesに基づいた、点火時期の変化、EGRバルブ22の開度Oeの変化、及び内燃機関1の出力トルクの算出の少なくとも一つ以上を実行するように構成されている。
還流量利用制御部55は、制御用還流排気ガス算出部54が算出した制御用の還流排気ガス流量Qesを利用した内燃機関1の制御を行う。本実施形態では、還流量利用制御部55は、制御用の還流排気ガス流量Qesに基づいた、点火時期の変化、EGRバルブ22の開度Oeの変化、及び内燃機関1の出力トルクの算出の少なくとも一つ以上を実行するように構成されている。
例えば、還流量利用制御部55は、内燃機関1の回転速度Ne、充填効率Ec、及び制御用のEGR率Regrsに基づいて点火時期を算出する。また、還流量利用制御部55は、内燃機関1の回転速度Ne及び充填効率Ec等の運転状態に基づいて、目標EGR率を算出し、制御用のEGR率Regrsが目標EGR率に近づくように、EGRバルブ22の開度Oeを増加又は減少させる。制御用の還流排気ガス流量Qesの算出精度の向上により、点火時期の設定精度、EGR率の制御精度を向上させることができ、内燃機関1の燃焼状態、出力トルク、熱効率、及びNOx発生量等の制御精度を向上させることができる。
また、還流量利用制御部55は、内燃機関1の回転速度Ne、充填効率Ec、及び制御用のEGR率Regrsに基づいて熱効率を算出する。そして、還流量利用制御部55は、シリンダ25に供給された燃料の発熱量に熱効率を乗算して図示平均有効圧を算出し、図示平均有効圧に基づいて内燃機関1の出力トルクを算出する。還流量利用制御部55は、内燃機関1の出力トルクに基づいて、点火時期、吸入空気量、還流排ガス量を変化したり、内燃機関1の出力トルクを、変速装置の制御装置81等の他の制御装置に伝達して、車両全体のトルク制御に利用させたりする。
1−2−1.酸素濃度検出EGR率算出部52の詳細説明
次に、酸素濃度検出EGR率算出部52について詳細に説明する。
本実施の形態では、酸素濃度検出EGR率Regrは、絶対EGR率とされており、吸気マニホールド12内の気体に対する、吸気マニホールド12内に還流された排気ガス(還流排気ガス)の比率である。なお、以下では、酸素濃度検出EGR率Regrを、単にEGR率Regrとも称す。EGR率Regrは、式(11)に示すように、吸気マニホールド12内の気体の圧力であるマニホールド圧Pbに対する吸気マニホールド12内に還流された還流排気ガスの分圧P_egrの比率により算出できる。
次に、酸素濃度検出EGR率算出部52について詳細に説明する。
本実施の形態では、酸素濃度検出EGR率Regrは、絶対EGR率とされており、吸気マニホールド12内の気体に対する、吸気マニホールド12内に還流された排気ガス(還流排気ガス)の比率である。なお、以下では、酸素濃度検出EGR率Regrを、単にEGR率Regrとも称す。EGR率Regrは、式(11)に示すように、吸気マニホールド12内の気体の圧力であるマニホールド圧Pbに対する吸気マニホールド12内に還流された還流排気ガスの分圧P_egrの比率により算出できる。
図4に、排気ガスを吸気マニホールド12に還流させた場合の、吸気マニホールド12内の気体の分圧状態を示す。吸気マニホールド12内の気体は、大気から吸気マニホールド12内に吸入された吸入空気と、吸気マニホールド12内に還流された還流排気ガスとの混合気体である。ここで、吸気マニホールド12内に吸入された吸入空気の分圧をP_
newとしている。
newとしている。
吸気マニホールド12内の気体の酸素分圧Pb_o2は、式(12)に示すように、間接的には、吸気マニホールド12内に吸入された吸入空気の酸素分圧(P_new・φo2_air)と、吸気マニホールド12内に還流された還流排気ガスの酸素分圧(P_egr・φo2_ex)と、を合計して算出でき、直接的には、マニホールド圧Pbにマニホールド内酸素濃度φo2_in[vol%]を乗算して算出できる。ここで、吸気マニホールド12内の吸入空気の酸素分圧は、マニホールド圧中の吸入空気の分圧P_newに大気の酸素濃度φo2_air[vol%]を乗算して算出できる。吸気マニホールド12内の還流排気ガスの酸素分圧は、マニホールド圧中の還流排気ガスの分圧P_egrに排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]を乗算して算出できる。なお、各酸素濃度は、体積濃度である。
式(12)をPb・φo2_inで除算した後、整理すると、EGR率Regrを算出する式(13)が導出される。式(13)から、マニホールド内酸素濃度φo2_in[vol%]に基づいて、EGR率Regrが算出できることがわかる。
そこで、酸素濃度検出EGR率算出部52は、マニホールド内酸素濃度φo2_in[vol%]に基づいて、酸素濃度検出EGR率Regrを算出するように構成されている。
この構成によれば、内燃機関1本体の個体差、経年変化の影響を受け難い、マニホールド内酸素濃度φo2_inの検出値に基づいて、EGR率(酸素濃度検出EGR率)を算出するので、EGR率の検出精度を向上させることができる。一方、マニホールド内酸素濃度φo2_inは、吸気マニホールド12内で吸入空気と還流排気ガスとが混合し、平均化された後の気体の酸素濃度であるため、酸素濃度検出EGR率Regrは、EGRバルブ22を通過している還流排気ガスの流量よりも応答が遅れた情報となっている。そのため、酸素濃度検出EGR率Regrから、直接的に、応答遅れのない、精度の良い還流排気ガスの流量を算出することは容易でない。そこで、上述したように、酸素濃度検出EGR率Regr等に基づいて、応答性が要求されないEGRバルブ22の開口面積の学習値ΔSegrLを算出し、学習後開口面積SegrLに基づいて、制御用の還流排気ガスの流量Qesを算出することにより、応答遅れのない学習後の還流排気ガスの流量を算出することができる。従って、EGRバルブ22の流量特性の個体差、経年変化の影響を、
内燃機関本体の個体差、経年変化の影響を受け難い方法で学習し、制御用の還流排気ガスの流量Qesの推定精度を向上させることができる。
内燃機関本体の個体差、経年変化の影響を受け難い方法で学習し、制御用の還流排気ガスの流量Qesの推定精度を向上させることができる。
本実施の形態では、酸素濃度検出EGR率算出部52は、式(14)の算出式を用い、検出したマニホールド内酸素濃度φo2_in[vol%]に基づいて、酸素濃度検出EGR率Regrを算出するように構成されている。ここで、大気の酸素濃度φo2_air[vol%]は、標準値として21[vol%]に予め設定されている。
排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]は、燃焼によって大気よりも大幅に低くなっているため、0、又は0付近の予め設定された固定値に設定されてもよい。この場合でも、式(14)の分母において、大気の酸素濃度φo2_airの21に対して、排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]は小さくなるため、酸素濃度検出EGR率Regrの算出精度が大幅に悪化することが抑制される。
なお、酸素濃度検出EGR率算出部52は、マニホールド内酸素濃度φo2_in[vol%]と酸素濃度検出EGR率Regrとの関係が予め設定されたEGR率特性データを用い、現在のマニホールド内酸素濃度φo2_in[vol%]に対応する酸素濃度検出EGR率Regrを算出するように構成されてもよい。EGR率特性データは、式(14)に基づいて予め設定されてもよいし、実験値に基づいて予め設定されてもよい。
<空燃比に基づく排気ガスの酸素濃度の算出>
排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]は、内燃機関1の空燃比AFに応じて変化する。酸素濃度検出EGR率Regrの算出精度を向上するためには、内燃機関1の空燃比AFに応じて排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]を変化させることが望ましい。
排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]は、内燃機関1の空燃比AFに応じて変化する。酸素濃度検出EGR率Regrの算出精度を向上するためには、内燃機関1の空燃比AFに応じて排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]を変化させることが望ましい。
本実施の形態では、酸素濃度検出EGR率算出部52は、内燃機関1の空燃比AFに基づいて、排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]を算出し、マニホールド内酸素濃度φo2_in[vol%]及び排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]に基づいて、酸素濃度検出EGR率Regrを算出するように構成されている。
この構成によれば、空燃比AFに応じて排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]を変化させ、酸素濃度検出EGR率Regrの算出精度を向上させることができる。
本実施の形態では、酸素濃度検出EGR率算出部52は、空燃比センサ18により検出した空燃比AFに基づいて、排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]を算出する。或いは、酸素濃度検出EGR率算出部52は、燃料噴射量を算出する際に用いる燃料補正係数に基づいて算出した空燃比AFを用いてもよい。例えば、燃料補正係数は、理論空燃比となるように算出された基本燃料噴射量に対して乗算される補正係数とされ、理論空燃比(例えば、14.7)を燃料補正係数で除算した値が、空燃比AFとして算出される。
酸素濃度検出EGR率算出部52は、式(14)の算出式を用い、マニホールド内酸素濃度φo2_in[vol%]及び排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]に基づいて、酸素濃度検出EGR率Regrを算出する。或いは、酸素濃度検出EGR率算出部
52は、マニホールド内酸素濃度φo2_in[vol%]と排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]と酸素濃度検出EGR率Regrとの関係が予め設定されたEGR率特性データを用いて、現在のマニホールド内酸素濃度φo2_in[vol%]及び排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]に対応する酸素濃度検出EGR率Regrを算出するように構成されてもよい。EGR率特性データは、式(14)に基づいて予め設定されてもよいし、実験値に基づいて予め設定されてもよい。
52は、マニホールド内酸素濃度φo2_in[vol%]と排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]と酸素濃度検出EGR率Regrとの関係が予め設定されたEGR率特性データを用いて、現在のマニホールド内酸素濃度φo2_in[vol%]及び排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]に対応する酸素濃度検出EGR率Regrを算出するように構成されてもよい。EGR率特性データは、式(14)に基づいて予め設定されてもよいし、実験値に基づいて予め設定されてもよい。
<排気ガスの酸素濃度>
以下で、燃焼化学反応式における各分子のモル数、及び各気体の分圧に着目して、それらと酸素濃度及びEGR率Regrとの関係式を導出する。内燃機関1の燃料を、例えばガソリンとした場合の炭化水素の燃焼化学反応式は、式(15)で表される。
以下で、燃焼化学反応式における各分子のモル数、及び各気体の分圧に着目して、それらと酸素濃度及びEGR率Regrとの関係式を導出する。内燃機関1の燃料を、例えばガソリンとした場合の炭化水素の燃焼化学反応式は、式(15)で表される。
ガソリンの平均分子式をC7H14と仮定し、空気の組成を「酸素(O2):窒素(N2)=21:79」と仮定する。ガソリンと空気との比率である空燃比AFが理論空燃比AF0である条件(λ=1)で、ガソリンで完全燃焼した場合の燃焼化学反応式は、式(16)で表される。
なお、式(16)、式(17)、式(18)は、還流排気ガスを考慮していない、純粋
な燃焼化学反応式である。空気過剰率λは、式(19)に示すように、空燃比AFを理論空燃比AF0(例えば、14.7)で除算した比率である。λ=1であれば、空燃比AFが理論空燃比AF0であり、λ<1であれば、空燃比AFがリッチであり、λ>1であれば、空燃比AFがリーンである。
な燃焼化学反応式である。空気過剰率λは、式(19)に示すように、空燃比AFを理論空燃比AF0(例えば、14.7)で除算した比率である。λ=1であれば、空燃比AFが理論空燃比AF0であり、λ<1であれば、空燃比AFがリッチであり、λ>1であれば、空燃比AFがリーンである。
式(20)及び図5に示すように、理論空燃比(λ=1)及びリッチ(λ<1)の場合は、式(16)、式(17)の右辺にO2がなく、排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]にゼロを設定することができる。リーン(λ>1)の場合は、式(18)の右辺における、各気体分子の合計モル数に対するO2のモル数の比を、排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]に設定することができる。
酸素濃度検出EGR率算出部52は、図5の例に示すように、空燃比AFが理論空燃比(λ=1)又はリッチ(λ<1)である場合は、排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]をゼロに設定し、空燃比AFがリーン(λ>1)である場合は、空燃比AFのリーン度合が増加するに従って、排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]をゼロから増加させるように構成されている。
この構成によれば、空燃比AFが理論空燃比、リッチ、又はリーンであるかに応じて、排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]を精度よく算出することができる。本実施の形態では、排気ガスは、触媒19の下流側の排気路17から還流されるように構成されており、シリンダ25から排出された排気ガスに未燃の燃料が含まれている場合でも、触媒19で酸化(燃焼)され、理論空燃比及びリッチの場合は、排気ガスの酸素濃度はゼロに近くなる。よって、上記の構成のように、排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]をゼロに設定しても、酸素濃度検出EGR率Regrの算出精度を維持できる。
本実施の形態では、酸素濃度検出EGR率算出部52は、空燃比AFがリーン(λ>1)である場合は、式(20)の第2式の算出式により、排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]を算出するように構成されている。この構成によれば、式(18)のリーンの場合の化学反応式のモル数比から導出した式により、リーンの場合の酸素濃度検出EGR率Regrを精度よく算出できる。
或いは、酸素濃度検出EGR率算出部52は、空燃比AFと排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]との関係が予め設定された図5の例のような排気酸素濃度特性データを用い、現在の空燃比AFに対応する排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]を設定するように構成されてもよい。排気酸素濃度特性データは、式(20)に基づいて予め
設定されてもよいし、実験値に基づいて予め設定されてもよい。
設定されてもよいし、実験値に基づいて予め設定されてもよい。
また、排気ガスが、触媒19の上流側の排気路17から還流されるように構成されている場合は、未燃燃料が触媒19により酸化されないので、理論空燃比及びリッチの場合でも、排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]がゼロよりも高くなり、リーンの場合は、排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]は式(20)の第2式よりも高くなる。
そこで、酸素濃度検出EGR率算出部52は、図6の例に示すように、空燃比AFが理論空燃比(λ=1)又はリッチ(λ<1)である場合は、排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]をゼロより大きい値に設定し、空燃比AFがリーン(λ>1)である場合は、空燃比AFのリーン度合が増加するに従って、排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]を増加させるように構成されてもよい。この場合は、酸素濃度検出EGR率算出部52は、図6の例に示すような、予め設定された排気酸素濃度特性データを用い、現在の空燃比AFに対応する排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]を設定する。排気酸素濃度特性データは、実験値に基づいて予め設定される。
また、排気ガスの酸素濃度は、内燃機関1の回転速度Ne、充填効率Ec、及びEGR率等の運転状態に応じて変化する。そのため、酸素濃度検出EGR率算出部52は、運転状態毎に予め設定された排気酸素濃度特性データを用い、現在の運転状態及び空燃比AFに対応する排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]を設定するように構成されてもよい。
1−2−2.フローチャート
本実施の形態に係る制御装置50の処理の手順(内燃機関1の制御方法)について、図7に示すフローチャートに基づいて説明する。図7のフローチャートの処理は、演算処理装置90が記憶装置91に記憶されたソフトウェア(プログラム)を実行することにより、例えば一定の演算周期毎に繰り返し実行される。
本実施の形態に係る制御装置50の処理の手順(内燃機関1の制御方法)について、図7に示すフローチャートに基づいて説明する。図7のフローチャートの処理は、演算処理装置90が記憶装置91に記憶されたソフトウェア(プログラム)を実行することにより、例えば一定の演算周期毎に繰り返し実行される。
ステップS01で、運転状態検出部51は、上記のように、マニホールド内酸素濃度φo2_in、吸入空気流量Qa、及びEGRバルブ22の開度Oe等の各種の内燃機関1の運転状態を検出する運転状態検出処理(運転状態検出ステップ)を実行する。
次に、ステップS02で、酸素濃度検出EGR率算出部52は、上記のように、マニホールド内酸素濃度φo2_inに基づいて、酸素濃度検出EGR率Regrを算出する酸素濃度検出EGR率算出処理(酸素濃度検出EGR率算出ステップ)を実行する。本実施の形態では、酸素濃度検出EGR率算出部52は、上記のように、内燃機関1の空燃比AFに基づいて、排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]を算出し、マニホールド内酸素濃度φo2_in[vol%]及び排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]に基づいて、酸素濃度検出EGR率Regrを算出するように構成されている。
ステップS03で、開口面積学習値算出部53は、上記のように、酸素濃度検出EGR率Regr及び吸入空気流量Qaに基づいて、酸素濃度検出還流流量Qeoxを算出し、酸素濃度検出還流流量Qeoxを実現するEGRバルブ22の開口面積である酸素濃度検出開口面積Segroxを算出し、酸素濃度検出開口面積Segroxに基づいて、EGRバルブ22の開口面積の学習値ΔSegrLを算出する開口面積学習値算出処理(開口面積学習値算出ステップ)を実行する。
ステップS04で、制御用還流排気ガス算出部54は、上記のように、開口面積の学習値ΔSegrLを用いて、現在のEGRバルブ22の開度Oeに対応するEGRバルブ2
2の学習後開口面積SegrLを算出し、学習後開口面積SegrLに基づいて、内燃機関1の制御に用いる制御用の還流排気ガスの流量Qesを算出する制御用還流排気ガス算出処理(制御用還流排気ガス算出ステップ)を実行する。
2の学習後開口面積SegrLを算出し、学習後開口面積SegrLに基づいて、内燃機関1の制御に用いる制御用の還流排気ガスの流量Qesを算出する制御用還流排気ガス算出処理(制御用還流排気ガス算出ステップ)を実行する。
ステップS05で、還流量利用制御部55は、上記のように、制御用の還流排気ガス流量Qesを利用した内燃機関1の制御を行う還流量利用制御処理(還流量利用制御ステップ)を実行する。
〔その他の実施の形態〕
最後に、本発明のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
最後に、本発明のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
(1)上記の実施の形態1においては、内燃機関1の燃料としてガソリンが用いられる場合を考え、ガソリンの平均分子式及び空気の組成を式(16)から式(18)のように仮定した場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、ガソリンの平均分子式及び空気の組成に、より厳密な値を用いて、化学反応式、及び化学反応式における各分子のモル数を変更し、排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]の算出に用いる式(20)の第2式の各定数の設定値等を変更してもよい。また、内燃機関1の燃料として、ガソリン以外の燃料、例えば、軽油、アルコール、又は天然ガス等が用いられ、燃料の種類に応じて燃料の平均分子式が変更されると共に、化学反応式及び化学反応式における各分子のモル数が変更され、排気ガスの酸素濃度φo2_ex[vol%]の算出に用いる式(20)の第2式の各定数の設定値等を変更してもよい。
(2)上記の実施の形態1においては、内燃機関1は、自然吸気の内燃機関とされている場合を例として説明した。しかし、内燃機関1は、ターボチャージャー又はスーパーチャージャー等の過給機を備えた内燃機関とされてもよい。
(3)上記の実施の形態1においては、還流量利用制御部55は、上記のように、制御用の還流排気ガス流量Qesに基づいた、点火時期の変化、EGRバルブ22の開度Oeの変化、及び内燃機関1の出力トルクの算出の少なくとも一つ以上を実行するように構成されている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、還流量利用制御部55は、これら以外の制御、例えば、吸入空気量の制御、可変バルブタイミング機構において吸気バルブ14及び排気バルブ15の一方又は双方のバルブ開閉タイミングを変化させる制御等に、制御用の還流排気ガス流量Qesを用いるように構成されてもよい。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
1 内燃機関、2 吸入空気圧センサ、3 エアフローセンサ、4 吸入空気温度センサ、7 スロットル開度センサ、8 マニホールド圧センサ、9 マニホールド温度センサ、10 マニホールド酸素濃度センサ、12 吸気マニホールド、16 点火コイル、17 排気路、18 空燃比センサ、19 触媒、21 EGR流路、22 EGRバルブ、23 吸気路、27 EGR開度センサ、50 内燃機関の制御装置、51 運転状態検出部、52 酸素濃度検出EGR率算出部、53 開口面積学習値算出部、54 制御用還流排気ガス算出部、55 還流量利用制御部、56 酸素濃度検出還流流量算出部、57 酸素濃度検出開口面積算出部、58 学習値算出部、59 学習後開口面積算出部、60 制御用還流流量算出部、61 制御用EGR率算出部、81 変速装置の制御装
置、ΔSegrL 開口面積の学習値、ΔSegrox 開口面積の偏差、λ 空気過剰率、ρe 排気ガスの密度、σe 無次元流量定数、φo2_air 大気の酸素濃度、φo2_ex 排気ガスの酸素濃度、φo2_in マニホールド内酸素濃度、AF 空燃比、AF0 理論空燃比、Ae 排気ガスの音速、Oe EGRバルブの開度、P_egr 還流排気ガスの分圧、P_new 吸入空気の分圧、Pb マニホールド圧、Pb_o2 酸素分圧、Pex 排気ガスの圧力、QA 吸入空気量、QAc シリンダ吸入空気量、QES 還流排気ガス量、QESc シリンダ吸入還流排気ガス量、Qa 吸入空気流量、Qe 還流排気ガスの流量、Qeox 酸素濃度検出還流流量、Qes 還流排気ガス流量、Regr 酸素濃度検出EGR率、Regrr 相対EGR率、Regrs 制御用のEGR率、Segr EGRバルブの開口面積、SegrL EGRバルブの学習後開口面積、Segrb EGRバルブのベース開口面積、Segrox EGRバルブの酸素濃度検出開口面積、Tb マニホールド温度、Tex 排気ガスの温度
置、ΔSegrL 開口面積の学習値、ΔSegrox 開口面積の偏差、λ 空気過剰率、ρe 排気ガスの密度、σe 無次元流量定数、φo2_air 大気の酸素濃度、φo2_ex 排気ガスの酸素濃度、φo2_in マニホールド内酸素濃度、AF 空燃比、AF0 理論空燃比、Ae 排気ガスの音速、Oe EGRバルブの開度、P_egr 還流排気ガスの分圧、P_new 吸入空気の分圧、Pb マニホールド圧、Pb_o2 酸素分圧、Pex 排気ガスの圧力、QA 吸入空気量、QAc シリンダ吸入空気量、QES 還流排気ガス量、QESc シリンダ吸入還流排気ガス量、Qa 吸入空気流量、Qe 還流排気ガスの流量、Qeox 酸素濃度検出還流流量、Qes 還流排気ガス流量、Regr 酸素濃度検出EGR率、Regrr 相対EGR率、Regrs 制御用のEGR率、Segr EGRバルブの開口面積、SegrL EGRバルブの学習後開口面積、Segrb EGRバルブのベース開口面積、Segrox EGRバルブの酸素濃度検出開口面積、Tb マニホールド温度、Tex 排気ガスの温度
Claims (11)
- 吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するEGR流路と、前記EGR流路を開閉するEGRバルブと、を備えた内燃機関の制御装置であって、
前記吸気マニホールド内の気体の酸素濃度であるマニホールド内酸素濃度、前記吸気路に吸入される吸入空気の流量である吸入空気流量、及び前記EGRバルブの開度を検出する運転状態検出部と、
前記マニホールド内酸素濃度に基づいて、前記吸入空気に対する前記吸気マニホールドに還流された前記排気ガスである還流排気ガスの比率である酸素濃度検出EGR率を算出する酸素濃度検出EGR率算出部と、
前記酸素濃度検出EGR率及び前記吸入空気流量に基づいて、前記還流排気ガスの流量である酸素濃度検出還流流量を算出し、前記酸素濃度検出還流流量を実現する前記EGRバルブの開口面積である酸素濃度検出開口面積を算出し、前記酸素濃度検出開口面積に基づいて、前記EGRバルブの開口面積の学習値を算出する開口面積学習値算出部と、
前記開口面積の学習値を用いて、現在の前記EGRバルブの開度に対応する前記EGRバルブの学習後開口面積を算出し、前記学習後開口面積に基づいて、前記内燃機関の制御に用いる制御用の前記還流排気ガスの流量を算出する制御用還流排気ガス算出部と、
を備えた内燃機関の制御装置。 - 前記酸素濃度検出EGR率算出部は、前記内燃機関の空燃比に基づいて、前記排気ガスの酸素濃度を算出し、前記マニホールド内酸素濃度及び前記排気ガスの酸素濃度に基づいて、前記酸素濃度検出EGR率を算出する請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記酸素濃度検出EGR率算出部は、前記空燃比が理論空燃比又はリッチである場合は、前記排気ガスの酸素濃度をゼロに設定し、前記空燃比がリーンである場合は、前記空燃比のリーン度合が増加するに従って、前記排気ガスの酸素濃度をゼロから増加させる請求項2に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記酸素濃度検出EGR率算出部は、
前記空燃比が理論空燃比又はリッチである場合は、前記排気ガスの酸素濃度をゼロに設定し、
前記空燃比がリーンである場合は、前記排気ガスの酸素濃度をO2_exとし、前記空燃比を理論空燃比で除算した空気過剰率をλとし、
O2_ex=21×(λ−1)/(100×λ+7)
の算出式により前記排気ガスの酸素濃度を算出する請求項2又は3に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記酸素濃度検出EGR率算出部は、前記酸素濃度検出EGR率をRegrとし、前記マニホールド内酸素濃度をO2_inとし、前記排気ガスの酸素濃度をO2_exとし、標準値に予め設定された前記吸入空気の酸素濃度をO2_airとし、
Regr=(O2_air−O2_in)/(O2_air−O2_ex)
の算出式により前記酸素濃度検出EGR率を算出する請求項2から4のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記運転状態検出部は、前記EGRバルブの前記排気路側の前記排気ガスの温度、及び前記EGRバルブの前記排気路側の前記排気ガスの圧力を検出し、
前記開口面積学習値算出部は、前記排気ガスの温度に基づいて、前記EGRバルブの前記排気路側の前記排気ガスの音速を算出し、前記排気ガスの温度及び前記排気ガスの圧力
に基づいて、前記EGRバルブの前記排気路側の前記排気ガスの密度を算出し、前記マニホールド圧、前記排気ガスの圧力、前記排気ガスの音速、前記排気ガスの密度、及び前記酸素濃度検出還流流量に基づいて前記酸素濃度検出開口面積を算出する請求項1から5のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記開口面積学習値算出部は、前記EGRバルブのベース開口面積と前記EGRバルブの開度との関係が予め設定されたベース開口特性データを用いて、現在の前記EGRバルブの開度に対応するベース開口面積を算出し、前記ベース開口面積と前記酸素濃度検出開口面積との比較結果に基づいて、前記開口面積の学習値を算出し、
前記制御用還流排気ガス算出部は、前記開口面積の学習値により前記ベース開口面積を補正して前記学習後開口面積を算出し、前記学習後開口面積、前記マニホールド圧、前記排気ガスの圧力、前記排気ガスの音速、及び前記排気ガスの密度に基づいて前記制御用の還流排気ガスの流量を算出する請求項6に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記開口面積学習値算出部は、前記EGRバルブの開度の動作点毎に前記開口面積の学習値を算出し、
前記制御用還流排気ガス算出部は、現在の前記EGRバルブの開度に対応する前記開口面積の学習値を用いて、前記制御用の還流排気ガスの流量を算出する請求項1から7のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記開口面積学習値算出部は、EGR率の変化が小さい定常状態であると判定した場合は、前記開口面積の学習値の更新を許可し、前記EGR率の変化が大きい過渡状態であると判定した場合は、前記開口面積の学習値の更新を禁止し、前記開口面積の学習値を保持する請求項1から8のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記制御用の還流排気ガスの流量に基づいた、点火時期の変化、前記EGRバルブの開度の変化、及び前記内燃機関の出力トルクの算出の少なくとも一つ以上を実行する還流量利用制御部を備えた請求項1から9のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 吸気路及び排気路と、前記吸気路を開閉するスロットルバルブと、前記スロットルバルブの下流側の前記吸気路部分である吸気マニホールドに前記排気路から排気ガスを還流するEGR流路と、前記EGR流路を開閉するEGRバルブと、を備えた内燃機関の制御方法であって、
前記吸気マニホールド内の気体の酸素濃度であるマニホールド内酸素濃度、前記吸気路に吸入される吸入空気の流量である吸入空気流量、及び前記EGRバルブの開度を検出する運転状態検出ステップと、
前記マニホールド内酸素濃度に基づいて、前記吸入空気に対する前記吸気マニホールドに還流された前記排気ガスである還流排気ガスの比率である酸素濃度検出EGR率を算出する酸素濃度検出EGR率算出ステップと、
前記酸素濃度検出EGR率及び前記吸入空気流量に基づいて、前記還流排気ガスの流量である酸素濃度検出還流流量を算出し、前記酸素濃度検出還流流量を実現する前記EGRバルブの開口面積である酸素濃度検出開口面積を算出し、前記酸素濃度検出開口面積に基づいて、前記EGRバルブの開口面積の学習値を算出する開口面積学習値算出ステップと、
前記開口面積の学習値を用いて、現在の前記EGRバルブの開度に対応する前記EGRバルブの学習後開口面積を算出し、前記学習後開口面積に基づいて、前記内燃機関の制御に用いる制御用の前記還流排気ガスの流量を算出する制御用還流排気ガス算出ステップと、
を実行する内燃機関の制御方法。
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