JP6498537B2 - 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係り、特に排気ガスを吸気管路側に再循環させる外部ＥＧＲ装置を備えた内燃機関の制御装置に関するものである。

内燃機関の燃料噴射量の決定や発生トルクの推定は内燃機関に吸入される吸入空気量に応じて行われる。ところで、この吸入空気量を吸気管路に備えた圧力センサで検出した吸気圧から算出する内燃機関の制御装置（いわゆる、Ｄジェトロとして知られている）が良く知られている。このような内燃機関の制御装置においては、例えば、ポンピングロスやノッキングを低減するため、排気管路と吸気管路とをＥＧＲ通路で連通し、排気ガスを排気管路から吸気管路に戻す外部ＥＧＲ装置が設けられている。

このような外部ＥＧＲ装置を搭載している内燃機関の場合、吸気管路に流れ込んだＥＧＲガスと外部から吸入した空気が混合された混合流体の圧力が圧力センサで検出される。このため、真の空気量を検出するためには、吸気管路に流入するＥＧＲガスの流量を適切に検出、或いは推定し、ＥＧＲガスと空気による圧力を分離する必要がある。

一般的に外部ＥＧＲガスの流量は吸気圧と排気圧とＥＧＲ弁の開口面積によって決まる。ここで、吸気圧は圧力センサで検出でき、またＥＧＲ弁の開口面積はリフトセンサによって検出することができる。しかしながら、過給機を備えた内燃機関では排気圧が運転状態によって変化するため、排気圧を適切に検出しないと、外部ＥＧＲガス流量を正確に求めることができない。

したがって、外部ＥＧＲ流量が正確に求められないと吸入空気量も正確に求めることができなくなり、吸入空気量によって定まる空燃比や点火時期にずれが生じ、結果として排気エミッションの悪化、燃費の悪化を招くようになる。

このような背景において排気圧を求める方法として、例えば特開２０１２−１６３０４８号公報（特許文献１）においては、エアフローセンサによって検出した吸入空気量と排気温度センサの情報に基づいて排気圧を推定する技術が提案されている。

特開２０１２−１６３０４８号公報

ところが、吸気圧センサの圧力情報に基づいて吸入空気量を推定する内燃機関の制御装置では、そもそも空気量を測定するエアフローセンサが無いため、特許文献１にあるように排気圧を推定するための流入空気量が求められないので、これに代わる排気圧の推定方法が必要である。特に、ターボチャージャのような過給機を備えた内燃機関においては、ターボチャージャの運転によって排気圧が変動するため、正確な排気圧を求めることが必要になる。

そして、正確な排気圧を求めることができないと、外部ＥＧＲ流量が正確に求められなく吸入空気量も正確に求めることができなくなる。このため、吸入空気量によって定まる空燃比や点火時期にずれが生じ、結果として排気エミッション性能の悪化、燃費性能の悪化を招くようになる。このように、圧力センサを使用して吸入空気量を求める方式の内燃機関の制御装置においては、正確な外部ＥＧＲ流量を求めることが強く要請されている。

本発明の目的は、正確な排気圧を推定して外部ＥＧＲ流量を求め、これによって正確な吸入空気量を求めることができる新規な内燃機関の制御装置を提供することにある。

本発明の基本的な特徴は、少なくとも吸気弁或いは排気弁の開閉位相に対応した吸気圧と大気圧とから排気圧を推定し、この推定された排気圧を用いて外部ＥＧＲ流量を求める、ところにある。

本発明によれば、正確に推定された排気圧を用いて外部ＥＧＲ流量を求めることができる。これによって正確な吸入空気流量が求められるので、空燃比の変動や点火時期の変動を少なくでき、排気エミッション性能や燃費性能を向上することができるようになる。

本発明の第１の実施形態が適用される内燃機関の制御システムの構成図である。 図１に示すＥＣＵの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による排気圧の推定方法を示すフローチャート図である。 図３に示す相対吸気圧を算出する方法を示すブロック図である。 図３に示す可変吸排気バルブ位相に基づいて基準排気相対圧を決定する方法を示すブロック図である。 図３に示す基準絶対排気圧を算出する方法を示すブロック図である。 図３に示す排気圧変化量を算出する方法を示すブロック図である。 図３に示す基準絶対排気圧と排気圧変化量から排気圧を算出する方法を示すブロック図である。 図３に示す吸気温度によって排気圧を補正する方法を示すブロック図である。 図３に示す基準絶対排気圧を算出する方法を示すブロック図である。 図３に示す吸入空気量及びＥＧＲ率を算出する方法を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態が適用される内燃機関の制御システムの構成図である。 図１２に示すＥＣＵの構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態による排気圧検出手段の異常判定方法を示すフローチャート図である。 図１４に示す排気圧検出手段の異常判定を行う方法を示すフローチャート図である。

次に、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

図１は本発明の第１の実施形態が適用される内燃機関の制御システムの構成図である。内燃機関は火花点火式内燃機関であり、吸気管路の圧力を計測する圧力センサ３と、吸気管路の圧力を調整するスロットル５と、吸入空気の温度検出器の一態様であって吸入空気の温度を計測する吸気管路に設けた空気温度センサ４が吸気管路６の各々の適宜位置に備えられている。

また、内燃機関には雰囲気圧力、すなわち大気圧を計測する大気圧センサ２０が備えられている。内燃機関には燃焼室１２の中に燃料を噴射する燃料噴射弁７と、点火エネルギを供給する点火プラグ１３とが備えられ、燃焼室１２に流入する吸入空気の吸入時期と燃焼後の排気ガスの排出時期を調整する可変吸排気弁機構８ａ、８ｂが内燃機関の適宜位置に備えられている。

吸入側の可変吸気弁機構８ａは吸気弁の開閉位相を制御し、排気側の可変排気弁機構８ｂは排気弁の開閉位相を制御するものである。本実施例では可変吸排気弁機構８ａ、８ｂの両方が設けられているが、可変吸気弁機構８ａ、或いは可変排気弁機構８ｂのいずれかを用いることもできる。尚、この場合は、可変吸気弁機構８ａを優先的に用いるのが良い。

可変吸排気弁機構８ａ、８ｂは、少なくとも吸気弁、または排気弁のいずれか一方（優先的には吸気弁）の作動角の中心角、或いは開閉時期を可変とする機構であれば良いものである。また、可変吸排気弁機構８ａ、８ｂには開閉位相を検出する位相センサが設けられており、位相信号は吸気側位相信号Ｓｓ８a、排気側位相信号Ｓｓ８ｂとしてＥＣＵ１に入力されている。

更に、排気を浄化する三元触媒１９と、空燃比検出器の一態様であって三元触媒１９の上流側にて排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ１８とが排気管路１４の各々の適宜位置に備えられている。空燃比センサ１８は酸素濃度に応じて連続的に出力が大きくなるリニア空燃比センサや酸素濃度に応じてスイッチ的に出力が変化する酸素濃度センサとしても良い。

また、クランクシャフト１０にはクランクシャフト１０の角度、及び回転速度、及びピストン９の移動速度を検出するためのクランク角センサ１１が備えられている。また、吸気管路に導入される排気ガス（以下、ＥＧＲガス）の流量を制御するＥＧＲ弁１７が排気管路１４と吸気管路６を連通させ排気を吸気管路に導入する排気再循環通路２３に備えられている。また、排気管路１４の途中に排気ガスのエネルギを用いて吸入空気を圧縮する過給機１５、及びウェイストゲート弁１６が備えられている。

空燃比センサ１８から得られる検出信号Ｓｓ１８と、クランク角センサ１１から得られる角度検出信号Ｓｓ１１と、空気温度センサ４から得られる温度検出信号Ｓｓ４と、圧力センサ３から得られる圧力検出信号Ｓｓ３と、大気圧センサ２０から得られる大気圧検出信号Ｓｓ２０は、コントロールユニット（以下、ＥＣＵという）１に送られる。更に、アクセルペダルの踏み込み量、すなわちアクセル開度を検出するアクセル開度センサ２から得られるアクセル信号Ｓｓ２もＥＣＵ１に送られる。

ＥＣＵ１は、アクセル開度センサ２の出力信号Ｓｓ２に基づいて要求トルクを演算するが、アクセル開度センサ２は内燃機関への要求トルクを検出する要求トルク検出センサとして用いられる。ＥＣＵ１はクランク角センサ１１の出力信号Ｓｓ１１に基づいてクランクシャフト１０の角度及び回転速度及びピストン９の移動速度を演算する。

ＥＣＵ１は前述の各種センサの出力から得られる内燃機関の運転状態に基づいてスロットル５の開度、燃料噴射弁７の噴射パルス期間、点火プラグ１３の点火時期、可変吸排気弁機構８ａ、８Ｂの開閉位相、ＥＧＲ弁１７の開度等の内燃機関の主要な作動量を最適に演算する。これらの演算は、ＥＣＵ１に内蔵されたマイクロコンピュータを主体とする演算装置によって演算されている。

ＥＣＵ１で演算された燃料噴射パルス期間は燃料噴射弁７の開弁パルス信号Ｄｓ７に変換され燃料噴射弁７に送られる。また、ＥＣＵ１で演算された点火時期で点火されるように点火プラグ駆動信号Ｄｓ１３が点火プラグ１３に送られる。また、ＥＣＵ１で演算されたスロットル開度はスロットル駆動信号Ｄｓ５としてスロットル５を駆動する電動機へ送られる。また、ＥＣＵ１で演算された開閉位相は吸排気弁構駆動信号Ｄｓ８ａ、Ｄｓ８ｂとして可変吸排気弁機構８ａ、８ｂとへ送られる。更に、ＥＣＵ１で演算されたＥＧＲ弁開度はＥＧＲ弁駆動信号Ｄｓ１７としてＥＧＲ弁１７へ送られる。尚、ＥＧＲ弁１７は電動式の弁から構成されている。

吸気管路６から吸気弁を経て燃焼室１２内に流入した空気に対して、燃料噴射弁７から燃料が噴射されて混合気を形成する。形成された混合気は所定の点火時期で点火プラグ１３から発生される火花により点火、燃焼され、その燃焼圧によりピストン９を押し下げて内燃機関の駆動力となる。燃焼後の排気ガスは排気弁及び排気管路１４を経て三元触媒１６に送られ、三元触媒１６内でＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ成分が浄化された後に大気中に排出される。また、排気ガスの一部はポンピングロスやノッキングを低減するためＥＧＲ弁１７を通過して再び吸気管路６に流入する。

図２はＥＣＵ１の構成を示すブロック図である。アクセル開度センサ２、圧力センサ３、温度センサ４、クランク角センサ１１、及び空燃比センサ１８の各出力信号は、ＥＣＵ１の入力回路３０ａに入力される。但し、入力信号はこれらだけに限定されるものではなく、適用されるシステムによって更に多くの信号が入力される。

入力された各センサからの入力信号は、入出力ポート３０ｂ内の入力ポートに送られる。入出力ポート３０ｂに送られた入力信号の値は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３０ｃに一時保管されてＣＰＵ３０ｅでの演算処理に利用される。このとき、入力回路３０ａに送られる入力信号のうちアナログ信号で構成される信号は、入力回路３０ａに設けられたＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換される。

演算処理内容を記述した制御プログラムはＲＯＭ（リードオンリーメモリ）３０ｄに予め書き込まれており、制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの作動量を示す値は、ＲＡＭ３０ｃに一時保管された後、入出力ポート３０ｂの出力ポートに送られ、各駆動回路を経て各アクチュエータに送られる。

本実施形態の場合は駆動回路としてスロットル駆動回路３０ｆ、燃料噴射弁駆動回路３０ｇ、点火出力回路３０ｈ、可変吸排気弁駆動回路３０ｉ、及びＥＧＲ弁駆動回路３０ｊが設けられている。各駆動回路はスロットル５、燃料噴射弁７、点火プラグ１３、可変吸排気弁機構８、及びＥＧＲ弁１７を制御する。本実施例のＥＣＵ１は、ＥＣＵ１自体に上述の各駆動回路を備えているが、本実施例ではこれに限るものでは無く、駆動回路のいずれか或いは全てをＥＣＵ１の外部に設けても良いものである。

このような内燃機関の制御装置は既に良く知られているので、これ以上の説明は省略する。

上述したように、外部ＥＧＲ装置を搭載している内燃機関の場合、吸気管路に流れ込んだＥＧＲガスと外部から吸入した空気が混合された混合流体の圧力が圧力センサで検出される。このため、真の空気量を検出するためには、吸気管路に流入するＥＧＲガスの流量を適切に推定し、ＥＧＲガスと空気による圧力を分離する必要がある。特にターボチャージャのような過給機を備えた内燃機関においては、ターボチャージャの運転によって排気圧が変動するため正確な排気圧を求めることが必要になる。

そして、正確な排気圧を求めることができないと、外部ＥＧＲ流量が正確に求められなく吸入空気量も正確に求めることができなくなる。このため、吸入空気量によって定まる空燃比や点火時期にずれが生じ、結果として排気エミッションの悪化、燃費の悪化を招くようになる。このように、圧力センサを使用して吸入空気量を求める方式の内燃機関の制御装置においては、正確な外部ＥＧＲ流量を求めることが重要である。

本実施例はこのような要請に応えるため、少なくとも吸気弁或いは排気弁の開閉位相に対応した吸気圧と大気圧とから排気圧を推定し、この推定された排気圧を用いて外部ＥＧＲ流量を求めることを提案するものである。このような構成によれば、吸気弁或いは排気弁の開閉位相に対応した吸気圧と大気圧とから排気圧を推定し、この推定された排気圧を用いて正確な外部ＥＧＲ流量を求めることができる。これによって正確な吸入空気流量が求められるので、空燃比の変動や点火時期の変動を少なくでき、排気エミッション性能や燃費性能を向上することができるようになる。

以下、本実施例を図３乃至図１１を用いて詳細に説明する。図３は本実施例による排気圧の推定方法を示す基本的な制御フローチャートである。

≪ステップＳ３０１≫
まず、ステップＳ３０１で吸気圧ＰＭＡＮＩと大気圧ＰＡＴＭから相対吸気圧ＰＭＡＮＩ＿ＲＥＬを算出する。吸気圧は圧力センサ３で検出され、大気圧は大気圧センサ２０で検出されている。図４は図３で示したステップＳ３０１を具体的に示したブロック図である。ＰＭＡＮＩ＿ＲＥＬ＝ＰＭＡＮＩ／ＰＡＴＭの式でわかるように、吸気圧ＰＭＡＮＩを大気圧ＰＡＴＭで除して、相対吸気圧ＰＭＡＮＩ＿ＲＥＬを算出するものである。この相対吸気圧ＰＭＡＮＩ＿ＲＥＬを求めることが本実施例の重要なところであり、相対吸気圧ＰＭＡＮＩ＿ＲＥＬに対応して相対排気圧を推定することができる。これについては次のステップで説明する。

≪ステップＳ３０２≫
ステップＳ３０１で相対吸気圧ＰＭＡＮＩ＿ＲＥＬが求まると、次に本ステップＳ３０２において、ステップＳ３０１で算出した相対吸気圧ＰＭＡＮＩ＿ＲＥＬと、内燃機関の回転数ＨＮＤＡＴＡと、吸気弁の中心角または開弁時期ＩＮＶＶＴ（以下、開閉位相という）と、排気弁の中心角または閉弁時期ＥＸＶＶＴ（以下、開閉位相という）に基づいて、事前に設定した基準相対排気圧マップ（或いはテーブル）２４から基準相対排気圧ＰＥＸＨ＿ＲＥＬ０を読み出すものである。

ここで、基準相対排気圧ＰＥＸＨ＿ＲＥＬ０は相対吸気圧ＰＭＡＮＩ＿ＲＥＬと同様に、排気圧ＰＥＸＨを大気圧ＰＡＴＭで除して求めたものである。そして、発明者等の検討によると、吸気相対圧と基準排気相対圧は大気圧の変化によらず、ほぼ１対１の関係で対応することが判明し、相対吸気圧で基準相対排気圧を推定することができる。

図５は図３で示したステップＳ３０２を具体的に示したブロック図である。吸気弁の開閉位相と、排気弁の開閉位相の組合せ毎に、基準相対排気圧を記憶したマップ２４を選択し、相対吸気圧ＰＭＡＮＩ＿ＲＥＬと回転数ＨＮＤＡＴＡを引数として、基準相対排気圧ＰＥＸＨ＿ＲＥＬ０を読み出すものである。

すなわち、基準相対排気圧マップ２４は、吸気弁と排気弁の所定の開閉位相毎に回転数ＨＮＤＡＴＡと相対吸気圧ＰＭＡＮＩ＿ＲＥＬで決まる基準相対排気圧ＰＥＸＨ＿ＲＥＬ０が記憶されている。例えば、１枚目の基準相対排気圧マップが、吸気弁開閉位相１５°、排気弁開閉位相３０°とした場合の回転数ＨＮＤＡＴＡと相対吸気圧ＰＭＡＮＩ＿ＲＥＬによって決まる基準相対排気圧ＰＥＸＨ＿ＲＥＬ０であり、２枚目の基準相対排気圧マップが、吸気弁開閉位相３０°、排気弁開閉位相３０°とした場合の回転数ＨＮＤＡＴＡと相対吸気圧ＰＭＡＮＩ＿ＲＥＬによって決まる基準相対排気圧ＰＥＸＨ＿ＲＥＬ０である。同様にこれ以外の吸気弁と排気弁の所定の開閉位相毎の基準相対排気圧マップに、回転数ＨＮＤＡＴＡと相対吸気圧ＰＭＡＮＩ＿ＲＥＬで決まる基準相対排気圧ＰＥＸＨ＿ＲＥＬ０が記憶されている。

ここで、相対吸気圧ＰＭＡＮＩ＿ＲＥＬと回転数ＨＮＤＡＴＡのマップ上の分割（格子間隔）は等分割でも良いが、運転領域に応じて密な領域と疎の領域を決めて分割することができる。これによって、メモリの有効利用が可能となるが、これは排気エミッションや燃費の兼ね合いで決めるのが望ましいものである。このため適合作業によって適切な格子間隔を決めてやれば良いものである。

また、このマップの枚数は任意であるが、内燃機関の制御仕様によって適切な枚数が決められるものである。したがって、各運転状態に対応した必要枚数の基準相対排気圧マップ２４を準備しておけば良いものである。尚、この場合、基準相対排気圧ＰＥＸＨ＿ＲＥＬ０の値は適合手法によって求められている。また、基準相対排気圧マップの枚数が多い場合は、基準相対排気圧マップ２４の枚数を削減し、各基準相対排気圧マップ２４の間の適合値を補完演算によって求めることも可能である。基準相対排気圧ＰＥＸＨ＿ＲＥＬ０が求まると、次のステップに移行する。

≪ステップＳ３０３≫
ステップＳ３０２で基準相対排気圧ＰＥＸＨ＿ＲＥＬ０が求まると、次にステップＳ３０３において、基準相対排気圧ＰＥＸＨ＿ＲＥＬ０と大気圧ＰＡＴＭから基準絶対排気圧ＰＥＸＨ０を算出する。準絶対排気圧ＰＥＸＨ０の算出は、図６に示した通り、ＰＥＸＨ０＝ＰＥＸＨ＿ＲＥＬ０×ＰＡＴＭというように、ステップＳ３０２で算出した基準相対排気圧ＰＥＸＨ＿ＲＥＬ０に大気圧ＰＡＴＭを乗じて基準絶対排気圧ＰＥＸＨ０を算出するものである。基準絶対排気圧ＰＥＸＨ０が求まると、次のステップに移行する。

≪ステップＳ３０４≫
ステップＳ３０３で基準絶対排気圧ＰＥＸＨ０が求まると、次にステップＳ３０４において、基準絶対排気圧ＰＥＸＨ０と、吸気圧ＰＭＡＮＩと、大気圧ＰＡＴＭと、ＥＧＲ弁１７の開口面積ＡＥＧＲと、ウェイストゲート弁１６の開口面積ＡＷＧから排気圧変化量ＤＰＥＸＨを算出する。ウェイストゲート弁１６の開閉による排気圧の変化は基準絶対排気圧ＰＥＸＨ０と、大気圧ＰＡＴＭと、ウェイストゲート弁１６の開口面積ＡＷＧから求められ、ＥＧＲ弁１７の開閉による排気圧の変化は基準絶対排気圧ＰＥＸＨ０と、吸気圧ＰＭＡＮＩと、ＥＧＲ弁１７の開口面積ＡＷＧから求められる。この場合、ウェイストゲート弁の開閉による圧力減少の影響と、ＥＧＲ弁の開閉による圧力減少の影響とを分けて排気圧の変化量を求めることが必要である。

図７はステップＳ３０４を具体的に示したものであり、ＥＧＲ弁１７が開くと排気ガスが排気再循環通路２３を通って吸気管路６側に流れ、また、ウェイストゲート弁１６が開くと排気タービンを迂回して排気ガスが排気タービン下流に排出されるので、排気再循環通路２３の排気管路１４側の圧力が低下することを補償する必要がある。

先ず、ウェイストゲート弁１６が開いた場合、以下の（１）式で示す「絞りの式」の演算をＥＣＵ１で実行する。すなわち、基準絶対排気圧ＰＥＸＨ０と、大気圧ＰＡＴＭと、ウェイストゲート弁１６の開口面積ＡＷＧからウェイストゲート弁１６を流れる排気ガスの通過流量ＱＷＧ０を求める。この演算は、ＥＣＵ１のマイクロコンピュータのプログラムによって構成される流量演算機能部２５Ａで演算される。ここで、排気温度ＴＥＸＨは事前に適合したものを用いる。

ここで、ＡＷＧ…ウェイストゲート弁１６の有効開口面積、ＲＥＸＨ…排気ガス定数、ＴＥＸＨ…排気温度、κ…比熱比である。

次に、ＥＧＲ弁１７が開いた場合、以下の（２）式で示す「絞りの式」の演算を実行して、基準絶対排気圧ＰＥＸＨ０と、吸気圧ＰＭＡＮＩと、ＥＧＲ弁１７の開口面積ＡＥＧＲからＥＧＲ弁１７を流れる通過流量ＱＥＧＲ０を求める。この演算もＥＣＵ１のマイクロコンピュータのプログラムによって構成される流量演算機能部２５Ｂで演算される。

ここで、ＡＥＧＲ…ＥＧＲ弁１７の有効開口面積である。

上述の（１）式から求めたウェイストゲート弁１６の排気ガスの通過流量ＱＷＧ０と排気圧の偏差の関係を事前に適合した排気圧偏差テーブル２６Ａから排気圧の偏差を読み出し、同様に（２）式から求めたＥＧＲ弁１７の排気ガスの通過流量ＱＥＧＲ０と排気圧の偏差の関係を事前に適合した排気圧偏差テーブル２６Ｂから排気圧の偏差を読み出し、更に、これらの排気圧の偏差を加算して排気圧が低下する変化量ＤＰＥＸＨを求める。

これによって、ＥＧＲ弁１７及びウェイストゲート弁１６が開くことによる排気再循環通路２３の排気管路側の圧力を補償することができる。尚、ＥＧＲ弁１７或いはウェイストゲート弁１６の一方が開いた場合は、一方の変化量ＤＰＥＸＨが求められることはいうまでもない。排気圧変化量ＤＰＥＸＨが求まると次のステップに移行する。

≪ステップＳ３０５≫
ステップＳ３０４で変化量ＤＰＥＸＨが求まると、次にステップＳ３０５において基準絶対排気圧ＰＥＸＨ０と排気圧変化量ＤＰＥＸＨから排気圧ＰＥＸＨ１を算出する。図８に示した通り、ＰＥＸＨ＝ＰＥＸＨ０−ＤＰＥＸＨというように、基準絶対排気圧ＰＥＸＨ０から排気圧変化量ＤＰＥＸＨを減算することで排気圧ＰＥＸＨ１を算出する。排気圧ＰＥＸＨ１が求まると、次のステップに移行する。

≪ステップＳ３０６≫
ステップＳ３０５で排気圧ＰＥＸＨ１が求まると、次にステップＳ３０６において排気圧ＰＥＸＨ１を吸気温度ＴＭＡＮＩで補正して排気圧ＰＥＸＨを算出する。吸気温度ＴＭＡＮＩが適合時と異なると、同じ吸気圧であっても筒内のガス量が変化して排気圧が変化する。したがって図９に示した通り、吸気温度ＴＭＡＮＩを事前に適合した吸気温度ＴＭＡＮＩ０で除して吸気温度比を求め、排気圧ＰＥＸＨ１をこの吸気温度比で除することで最終排気圧ＰＥＸＨを算出する。最終排気圧ＰＥＸＨが求まると、次のステップに移行する。

≪ステップＳ３０７≫
ステップＳ３０６で最終排気圧ＰＥＸＨが求まると、ステップＳ３０７において最終排気圧ＰＥＸＨと吸気圧ＰＭＡＮＩとＥＧＲ弁１７の開度ＡＥＧＲから外部ＥＧＲ流量ＱＥＧＲを算出する。図１０はステップＳ３０７を具体的に示したものであり、最終排気圧ＰＥＸＨと吸気圧ＰＭＡＮＩとＥＧＲ弁１７の開口面積ＡＥＧＲからＥＧＲ弁１７を通過して吸気管路６に流れ込む外部ＥＧＲガス流量ＱＥＧＲを（３）式に示す「絞りの式」から算出する。

外部ＥＧＲガス流量ＱＥＧＲが求まると、次のステップに移行する。

≪ステップＳ３０８≫
ステップＳ３０７で外部ＥＧＲガス流量ＱＥＧＲが求まると、次にＳ３０８において、吸気圧ＰＭＡＮＩと、大気圧ＰＡＴＭと、吸気温度ＴＭＡＮＩと、回転数ＨＮＤＡＴＡと、吸排気弁の開閉位相ＩＮＶＶＴ、ＥＸＶＶＴと、ＥＧＲ流量ＱＥＧＲから吸入空気量ＱＡＩＲとＥＧＲ率ＲＥＧＲを算出する。図１１はステップＳ３０７を具体的に示したものであり、外部ＥＧＲガス流量ＱＥＧＲと、吸気圧ＰＭＡＮＩと、大気圧ＰＡＴＭと、吸気温ＴＭＡＮＩと、可変吸排気弁機構の開閉位相ＩＮＶＶＴ、ＥＸＶＶＴと、回転数ＨＮＤＡＴＡを入力として、予め定めた物理モデル２７によってＥＧＲ率ＲＥＧＲと内燃機関のシリンダ吸入空気量ＱＡＩＲを算出する。

具体的には、ＥＧＲガス流量、吸気圧、吸気温度、回転数、吸気弁及び前記排気弁の開閉位相、及び大気圧をパラメータとして所定のＥＧＲ率算出物理モデルでＥＧＲ率を算出する。また、同様に、ＥＧＲ率、吸気圧、吸気温度、回転数、吸気弁及び排気弁の開閉位相、大気圧をパラメータとして所定の空気量算出物理モデルで吸入空気量を算出する。

本実施例によれば、吸気圧と大気圧との相対吸気圧と、可変吸排気弁機構の位相と、回転数とに基づいて排気圧を算出する排気圧算出部を備えることで、適切な排気圧を算出でき、算出した排気圧を用いて正確な吸入空気量を求めることができる。この結果、排気管路に排気圧センサや排気温度センサを搭載せずとも、燃費の悪化、排気エミッションの悪化を抑制することが可能となる。

また、本実施例によれば、吸気圧と大気圧の比を相対吸気圧として算出する相対吸気圧算出部を備え、相対吸気圧と回転数に基づいてタービン上流の排気圧と大気圧の比である相対排気圧を算出する相対排気圧算出部を備え、相対排気圧と大気圧から排気圧を算出する絶対排気圧算出部を備えることで、大気圧変化の影響を補償して正確な吸入空気量を求めることができる。

また、本実施例では、基準相対排気圧を記憶した基準相対排気圧マップを可変吸排気弁機構の開閉位相毎に複数備えており、基準相対排気圧を算出する際に、可変吸排気弁機構の開閉位相に合せて、読み出す基準相対排気圧マップを選択することで、可変吸排気弁の開閉位相が運転条件によって変化しても、適切な基準相対排気圧を算出することが可能となる。

また、本実施例では、絶対排気圧を吸気温度に基づいて補正することで、同一吸気圧であっても、吸気温度によって吸入空気量が変化し、排気圧が変化する現象を考慮して補償することで、適切な排気圧を算出することが可能となる。そして、算出した排気圧を用いて正確な吸入空気量やＥＧＲ率を検出することが可能となり、内燃機関の異常燃焼、燃費の悪化、排気エミッションの悪化を抑制することが可能となる。

また、本実施例では、ＥＧＲ弁の開度と、吸気圧と、絶対排気圧と、排気温度から吸気管路に流入するＥＧＲガス流量を「絞りの式」に基づいて演算するＥＧＲガス流量演算部を備えることで、運転条件によってＥＧＲ弁の開度が変化しても、吸気管路に流入するＥＧＲガス量を適切に算出することが可能となる。

また、本実施例では、ＥＧＲガス流量と吸気圧、吸気温度、回転数、可変吸排気弁機構の開閉位相、大気圧とに基づいて、物理モデルからなるＥＧＲ率を演算するＥＧＲ率算出部を備えることで、運転条件が種々変化しても適切にＥＧＲ率を算出することが可能となる。更に、本実施例では、ＥＧＲ率と吸気圧、吸気温度、回転数、可変吸排気弁機構の開閉位相、大気圧とに基づいて、物理モデルからなる吸入空気量を演算する吸入空気量算出部を備えることで、運転条件が種々変化しても適切に吸入空気量を算出することが可能となる。これら吸入空気量やＥＧＲ率を正確に算出することが可能となることで、内燃機関の異常燃焼や燃費の悪化、排気エミッションの悪化を抑制することが可能となる。

また、本実施例によれば、基準相対排気圧算出部は、相対排気圧を回転数と相対吸気圧を引数としたマップとして記憶することで、演算負荷を抑えてＥＣＵの性能が低下するのを抑制することが可能となる。

このように、排気管路に排気圧センサや排気温度センサを搭載しない内燃機関において、吸気圧と大気圧の相対吸気圧と、可変吸排気弁機構の開閉位相と回転数とに基づいて排気圧を算出する排気圧算出部を備えることで正確な排気圧を求めることができ、更にこの排気圧を用いて外部ＥＧＲ量を求めることで、正確な吸入空気量を求めることができるものである。

以上述べた通り本実施例によれば、少なくとも吸気弁或いは排気弁の開閉位相に対応した吸気圧と大気圧とから排気圧を推定し、この推定された排気圧を用いて外部ＥＧＲ流量を求める構成とした。これによれば、吸気弁或いは排気弁の開閉位相に対応した吸気圧と大気圧とから排気圧を推定し、この推定された排気圧を用いて外部ＥＧＲ流量を求めることができるので、排気圧センサを用いずに正確な排気圧を推定して外部ＥＧＲ流量を求めることができる。これによって正確な吸入空気流量が求められるので、空燃比の変動や点火時期の変動を少なくでき、排気エミッションは燃費を向上することができるようになる。

次に本発明の第２の実施形態について説明するが、本実施形態は実施例１で求められた排気圧を利用して排気圧センサ等の異常判断を行うものである。したがって、本実施例においては排気圧センサ等の排気圧検出手段を搭載した内燃機関を対象とするものである。

図１２は本実施例における内燃機関の制御システムの構成を示しており、図１に示す制御システムと同様の構成部分については説明を省略する。

本実施例の内燃機関の制御システムにおいては、図１２にあるように排気管路１４に排気圧センサ２１、或いは排気温度センサ２２が備えられている。排気圧力センサ２１から得られる圧力検出信号Ｓｓ２１、或いは排気温度センサ２２から得られる温度検出信号Ｓｓ２２はＥＣＵ１に送られている。尚、本実施例では排気圧力センサ２１と排気温度センサ２２は両方を備えているが、一方のみを備える構成であっても良いものである。

また、図１３はＥＣＵ１の構成を示すものであり、排気圧力センサ２１、排気温度センサ２２の各出力信号は、ＥＣＵ１の入力回路３０ａに入力されている。尚、ＥＣＵ１は少なくとも吸気圧センサで検出された吸気圧と排気圧検出手段で検出された排気圧を用いて吸入空気量を求めているものである。もちろん、これ以外の補正パラメータで吸入空気量を補正しても差し支えないものである。

次に、排気圧検出手段の異常検出方法について説明する。ここで、排気圧検出手段は排気圧センサ２１の他に、例えば、排気温度センサ２２の温度検出信号から推定演算によって排気圧を推定するもの等を含むものである。

図１４は本実施例における排気圧検出手段の異常判定方法を示したフローチャートである。ステップＳ１４０１〜ステップＳ１４０５までは図３のステップＳ３０１〜ステップＳ３０５と同一の処理であるため説明を省略する。尚、ステップＳ１４０５は、図３のステップＳ３０６を実行しないで最終排気圧ＰＥＸＨとしているが、ステップＳ３０６を実行して最終排気圧ＰＥＸＨとしても良いものである。

ステップＳ１４０１〜ステップＳ１４０５で求められた最終排気圧ＰＥＸＨはステップＳ１４０６で異常判定に利用される。そして、ステップＳ１４０６の詳細な制御ステップを図１５に示しているので、その詳細を説明する。

≪ステップＳ１５０１≫
まず、排気圧検出手段によって実際の排気圧ＰＥＸＨＭを検出する。検出方法は排気圧センサ２１による直接検出、または排気温度センサ２２による推定など公知の手段で良いものである。

≪ステップＳ１５０２≫
次にステップＳ１５０２において、ステップＳ１５０１で検出された検出排気圧と、ステップＳ１４０１〜ステップＳ１４０５で推定した推定排気圧の差分を求める。具体的には、ステップＳ１４０５において算出した最終排気圧ＰＥＸＨを推定排気圧とし、ステップＳ１５０１で検出した実際の排気圧ＰＥＸＨＭから推定排気圧ＰＥＸＨを、以下に示す（４）式を実行して差圧ＤＰＥＸＨＤＩＡＧを算出する。
ＤＰＥＸＨＤＩＡＧ＝ＰＥＸＨＭ−ＰＥＸＨ ・・・（４）

≪ステップＳ１５０３≫
ステップＳ１５０２で差圧ＤＰＥＸＨＤＩＡＧが求まると、次にステップＳ１５０３において、ステップＳ１５０２で算出した差圧ＤＰＥＸＨＤＩＡＧと事前に設定した最小閾値ＤＰＥＴＨＭＩＮ及び最大閾値ＤＰＥＸＨＭＡＸを比較する。具体的には差圧ＤＰＥＸＨＤＩＡＧが最小閾値ＤＰＴＨＭＩＮよりも小さいか、及び最大閾値ＤＰＴＨＭＡＸよりも大きいかを判定する。両方の閾値の範囲内にあると判断されるとステップ１５０４に進み、どちらか一方の閾値、或いは両方の閾値を越えていると判断されるとステップＳ１５０６に進む。

≪ステップＳ１５０４≫
ステップＳ１５０３で、差圧ＤＰＥＸＨＤＩＡＧが最小閾値ＤＰＴＨＭＩＮよりも大きく、また最大閾値ＤＰＴＨＭＡＸよりも小さいと判断されると、ステップＳ１５０４では異常判定カウンタの異常判定回数ＬＴＩＭＥを「０」にクリアする。異常判定カウンタは、ステップＳ１５０３で異常と判定する回数を計数するもので、所定の判定回数に達する前に正常判定すると、最初から異常判定の回数を計数しなおすものである。異常判定カウンタをクリアするとステップＳ１５０５に移行する。

≪ステップＳ１５０５≫
ステップＳ１５０３、Ｓ１５０４の制御ステップを実行すると、排気圧検出手段には異常がないと見做されて、ステップＳ１５０５は異常判定フラグＰＥＸＨＥＲＲに「０」を立ててエンドに抜けるものである。

≪ステップＳ１５０６≫
一方、ステップＳ１５０３で、差圧ＤＰＥＸＨＤＩＡＧが最小閾値ＤＰＴＨＭＩＮよりも小さいか、或いは最大閾値ＤＰＴＨＭＡＸよりも大きいと判定された、或いは最小閾値ＤＰＴＨＭＩＮよりも小さく、かつ最大閾値ＤＰＴＨＭＡＸよりも大きいと判定された場合は、ステップＳ１５０６で異常判定カウンタの判定回数ＬＴＩＭＥを「＋１」に加算する。これによって、継続的に異常が生じていることを知ることができる。異常判定カウンタの判定回数ＬＴＩＭＥの計数値が加算されるとステップＳ１５０７に移行する。

≪ステップＳ１５０７≫
ステップＳ１５０６で異常判定カウンタが加算されると、次にＳ１５０７において判定回数ＬＴＩＭＥが異常回数閾値ＬＴＩＭＥＴＨより大きいか判定する。判定回数ＬＴＩＭＥが異常回数閾値ＬＴＩＭＥＴＨより小さい場合は、まだ最終的に異常と判断するのは早すぎるとして、ステップＳ１５０５に移行する。一方、判定回数ＬＴＩＭＥが異常回数閾値ＬＴＩＭＥＴＨより大きい場合は、最終的に異常が発生したと見做してステップＳ１５０８に移行する。尚、ステップＳ１５０６、Ｓ１５０７において異常判定カウンタは異常判定回数を計数しているが、異常状態の継続時間を判断するようにしても良いものである。この場合、異常状態を判断する継続時間を設定し、この継続時間を過ぎると異常と判断するようにすることができる。

≪ステップＳ１５０８≫
ステップＳ１５０３、Ｓ１５０６、Ｓ１５０７の制御ステップを実行すると、排気圧検出手段には異常が発生していると見做されて、ステップＳ１５０８は異常判定フラグＰＥＸＨＥＲＲに「１」を立てて異常があることを記憶してエンドに抜けるものである。尚、排気圧検出手段に異常が発生していると判断されると、図３に示している制御フローを実行するように制御フローを組むことで、正確な空気流量を求めることが可能となる。

この場合は、ステップＳ１５０８の後に異常判定フラグＰＥＸＨＥＲＲに「１」が立っているかを判断する制御ステップを設け、異常判定フラグＰＥＸＨＥＲＲに「１」立っている場合は、既に最終排気圧ＰＥＸＨが求まっているので、図３に示すステップＳ３０７、Ｓ３０８を実行するように制御フローを組むことによって正確な吸入空気量を求めることができる。

一方、異常判定フラグＰＥＸＨＥＲＲに「１」が立っていない場合は排気圧検出手段が正常であるため、通常通り排気圧検出手段の排気圧信号と吸気圧センサの圧力信号を使用して吸入空気量を求めれば良いものである。

更に、図３に示す制御フローのステップＳ３０７、Ｓ３０８を組み込まない場合、排気圧検出手段に異常が発生したと判断されると、正常な吸入空気量を求める演算ができなくなる恐れがあるので、バックアップモードに移行して他の方法によって擬似的な吸入空気量を求めるようにすることもできる。

例えば、アクセルセンサの検出信号に基づいて擬似的な空気流量を設定し、これによって燃料噴射量や点火時期を求めることができる。この場合、疑似的な吸入空気量はアクセル信号に応じて連続的、或いは段階的に変化させることができる。或いは、スロットルを一定開度に制御して擬似的な空気流量を設定し、これに対応した燃料噴射量や点火時期を決めることができる。

本実施例においては、排気圧算出部によって推定された排気圧と、排気管路またはＥＧＲ弁上流に取り付けた圧力センサまたは温度センサの情報に基づいて検出、或いは推定された排気圧とに基づいて、排気管路またはＥＧＲ弁上流に取り付けた圧力センサまたは温度センサの異常診断を行うことで、何らかの原因で排気管路またはＥＧＲ弁上流に取り付けた圧力センサまたは温度センサが故障したことを検知でき、誤検出による内燃機関の異常制御を防ぐことが可能となる。

また、本実施例では、推定した排気圧と検出した排気圧の差分が閾値以上となる状態が所定判断回数、或いは所定時間以上続いた場合に、排気圧検出手段に異常があると判定することで、一時的な演算誤りではなく、排気圧検出手段の故障などの現実の異常であると判断することが可能となる。このような排気圧検出手段の異常判定の結果、適切なバックアップモードによって内燃機関の制御が可能となり、異常燃焼、燃費の悪化、排気エミッションの悪化を防ぐことが可能となる。

以上述べた通り、本発明によれば、少なくとも吸気弁或いは排気弁の開閉位相に対応した吸気圧と大気圧とから排気圧を推定し、この推定された排気圧を用いて外部ＥＧＲ流量を求める構成とした。これによれば、吸気弁或いは排気弁の開閉位相に対応した吸気圧と大気圧とから排気圧を推定し、この推定された排気圧を用いて外部ＥＧＲ流量を求めることができるので、排気圧センサを用いずに正確な排気圧を推定して外部ＥＧＲ流量を求めることができる。これによって正確な吸入空気流量が求められるので、空燃比の変動や点火時期の変動を少なくでき、排気エミッションは燃費を向上することができるようになる。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ＥＣＵ、２…アクセル開度センサ、３…圧力センサ、４…温度センサ、５…スロットルバルブ、６…吸気管路、７…燃料噴射弁、８ａ…可変吸気弁機構、８ｂ…可変排気弁機構、９…ピストン、１０…クランクシャフト、１１…クランク角センサ、１２…燃焼室、１３…冷却水温センサ、１４…点火プラグ、１５…排気管路、１６…三元触媒、１７…空燃比センサ、１８…湿度センサ、１９…過給圧センサ、２０…大気圧センサ、２１…排気圧力センサ、２２…排気温度センサ。

Claims (13)

1. 吸気管路に設けられ吸気圧を検出する吸気圧センサと、大気圧を検出する大気圧センサと、吸気弁の開閉位相を制御する可変吸気弁機構或いは排気弁の開閉位相を制御する可変排気弁機構と、排気ガスを前記吸気管路に導入しその流量を制御するＥＧＲ弁を備えた排気再還流装置と、排気ガスのエネルギを排気タービンにより回収してコンプレッサによって吸気を圧縮する過給機と、少なくとも前記吸気圧センサによって検出された吸気圧に基づいて吸入空気量を演算する空気量演算装置とを備え、少なくともこの演算された前記吸入空気量に基づいて燃料噴射弁から燃料を噴射する内燃機関の制御装置において、
   前記空気量演算装置は、前記吸気弁或いは前記排気弁の開閉位相に対応した前記吸気圧と前記大気圧とから排気圧を推定し、この推定された排気圧を用いて外部ＥＧＲ流量を求めると共に、少なくとも前記吸気圧と前記外部ＥＧＲ流量に基づいて前記吸入空気量を演算することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記空気量演算装置は、前記吸気弁の開閉位相に対応した前記吸気圧と前記大気圧の他に回転数とに基づいて排気圧を推定する排気圧算出部を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記空気量演算装置は、前記吸気弁及び前記排気弁の開閉位相に対応した前記吸気圧と前記大気圧の他に回転数とに基づいて排気圧を推定する排気圧算出部を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 請求項２或いは請求項３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、
   前記排気圧算出部は、前記吸気圧と前記大気圧の比である相対吸気圧と前記回転数とで決まる相対排気圧を求めることを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 請求項４に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記排気圧算出部は、前記相対吸気圧と前記回転数とによってマップ化された相対排気圧マップを備えており、前記相対排気圧マップは前記吸気弁及び前記排気弁の開閉位相に対応して複数備えられていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
6. 請求項５に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記相対排気圧マップは、予め定めた前記相対排気圧を前記回転数と前記相対吸気圧を引数としたマップであることを特徴とする内燃機関の制御装置。
7. 請求項４に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記排気圧算出部は、前記相対吸気圧を算出する相対吸気圧算出部を備えると共に、前記相対吸気圧と前記回転数に基づいて前記排気タービン上流の排気圧と前記大気圧の比である相対排気圧を算出する相対排気圧算出部を備え、更に前記相対排気圧と前記大気圧から絶対排気圧を算出する絶対排気圧算出部を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
8. 請求項７に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記排気圧算出部は、前記絶対排気圧算出部で算出された前記絶対排気圧を吸気温度に基づいて補正して最終排気圧を求める最終排気圧算出部を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
9. 請求項８に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記空気量演算装置は、前記ＥＧＲ弁の開度と前記吸気圧と前記最終排気圧と排気温度から前記吸気管路に流入するＥＧＲガス流量を「絞りの式」に基づいて演算するＥＧＲガス流量演算部を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
10. 請求項９に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記空気量演算装置は、前記ＥＧＲガス流量、前記吸気圧、前記吸気温度、前記回転数、前記吸気弁及び前記排気弁の開閉位相、及び前記大気圧に基づいてＥＧＲ率を演算するＥＧＲ率算出部を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
11. 請求項１０に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記空気量演算装置は、前記ＥＧＲ率、前記吸気圧、前記吸気温度、前記回転数、前記吸気弁及び前記排気弁の開閉位相、前記大気圧に基づいて前記吸入空気量を演算する吸入空気量算出部を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
12. 吸気管路に設けられ吸気圧を検出する吸気圧センサと、大気圧を検出する大気圧センサと、吸気弁の開閉位相を制御する可変吸気弁機構或いは排気弁の開閉位相を制御する可変排気弁機構と、排気管路の排気ガスを前記吸気管路に導入しその流量を制御するＥＧＲ弁を備えた排気再還流装置と、前記排気管路または前記ＥＧＲ弁上流に取り付けた排気圧検出手段と、排気ガスのエネルギを排気タービンにより回収してコンプレッサによって吸気を圧縮する過給機と、少なくとも前記吸気圧センサによって検出された吸気圧と前記排気圧検出手段によって検出された排気圧に基づいて吸入空気量を演算する空気量演算装置とを備え、少なくともこの演算された前記吸入空気量に基づいて燃料噴射弁から燃料を噴射する内燃機関の制御装置において、
    前記空気量演算装置は、前記吸気弁或いは前記排気弁の開閉位相に対応した前記吸気圧と前記大気圧とから相対排気圧を推定すると共に、前記相対排気圧に所定の演算を実行して最終排気圧を算出し、前記排気圧検出手段で検出された実際の排気圧と前記最終排気圧とに基づいて、前記排気圧検出手段の異常診断を行う排気圧検出手段異常判定部を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
13. 請求項１２に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記排気圧検出手段異常判定部は、前記最終排気圧と前記実際の排気圧との差分が所定値以上である状態が継続していると前記排気圧検出手段に異常があると判断することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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