JP6657633B2 - 内燃機関の制御装置、内燃機関、及び内燃機関の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、排気通路に空気過剰率検出装置を備え、この空気過剰率検出装置の検出値を用いて内燃機関を制御する内燃機関の制御装置、内燃機関、及び内燃機関の制御方法に関する。

一般的に、車両に搭載されるディーゼルエンジン等の内燃機関では、排気通路に空気過剰率センサ（ラムダセンサ；排気λセンサ）が備えられ、この空気過剰率センサの検出値を使用して、気筒（シリンダ）の燃焼室内における燃焼ガスの空燃比を制御している。特に、ＥＧＲ制御を行う場合や排気ガス浄化装置の浄化能力を回復するための再生制御を行う場合には、ＥＧＲバルブの制御に排気ガスの空気過剰率を使用するので、この空気過剰率センサの検出値は、内燃機関の制御で重要な役割を果たしている。

例えば、ディーゼルエンジンの排気通路に、上流側より順に、酸化触媒、ＮＯｘトラップ触媒を設けるとともに、この酸化触媒の上流側の排気の空気過剰率を検出する空気過剰率検出手段（排気センサ）を設け、ポスト噴射を行い排気の空燃比を通常運転中の排気空燃比よりもリッチにする排気空燃比リッチ化制御時に、エンジンの燃料噴射量と回転速度とに基づいて推定されたＮＯｘトラップ触媒から脱離するＮＯｘの速度であるＮＯｘ脱離速度に対して、空気過剰率検出手段で検出された空気過剰率に基づく第１の補正と、空気過剰率検出手段で検出されない未燃ＨＣを考慮した第２の補正とを行うことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、空気過剰率センサの特性上、排気ガスの空気過剰率が大きくなるにつれて、言い換えれば、排気ガスの空燃比が燃料が非常に少ないリーン状態になると、この空気過剰率センサの検出値の誤差は大きくなってしまうという問題がある。特に、排気ガスの空気過剰率が一定値以上となったときには、空気過剰率センサの検出値の飽和が発生してしまう。また、内燃機関の運転状態が定常状態から過渡状態に移行するにつれて、空気過剰率センサの特性や空気過剰率センサが配置される位置の関係から、この空気過剰率センサの検出値に生じる応答遅れの影響が大きくなってくるという問題もある。そのため、エンジン運転状態によっては、この検出値の誤差拡大や飽和や応答遅れにより、燃焼ガスの空燃比の制御の精度が低下してしまうことになる。

特開２０１０―５３８４２号公報

本発明者は、空気過剰率センサの検出値に加え、内燃機関の運転状態に基づいて排気ガスの空気過剰率の算出値を算出し、この算出された空気過剰率の算出値の値とエンジン運転状態の組み合わせを考慮して、内燃機関の制御に用いる空気過剰率の使用値を設定することで、空気過剰率センサの検出値の誤差拡大や飽和や応答遅れに起因する問題の発生を抑制することができるとの知見を得た。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、排気通路に配置された空気過剰率センサの検出値を用いて内燃機関を制御する内燃機関の制御システムに関し、内燃機関の制御に用いる空気過剰率の使用値を適切に設定することで、空気過剰率センサの検出値の誤差拡大や飽和や応答遅れに起因する問題の発生を抑制して、内燃機関の制御を向上させることができる内燃機関の制御装置、内燃機関、及び内燃機関の制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の制御装置は、排気通路に配設された空気過剰率センサの検出値を使用して内燃機関を制御する内燃機関の制御装置において、当該制御装置が、前記内燃機関の運転状態に基づいて排気ガスの空気過剰率の算出値を算出するとともに、この算出された排気ガスの空気過剰率の算出値と前記空気過剰率センサの検出値との重み付平均値を内燃機関の制御に使用する空気過剰率の使用値として設定し、さらに、前記空気過剰率の算出値が大きくなるにつれて前記空気過剰率センサの検出値の重みを小さくして前記重み付平均値を算出する制御を行うように構成される。

この構成によれば、排気ガスの空気過剰率の算出値と検出値との重み付平均値における重み係数を変更することにより、空気過剰率センサの検出値の計測精度や応答遅れに問題が無い状態では、空気過剰率センサの検出値の寄与の度合いを大きくし、一方で、空気過剰率センサの検出値の誤差拡大や飽和が発生する虞のあるエンジンの運転状態において、空気過剰率センサの検出値の寄与の度合いを小さくすることができる。

これにより、空気過剰率センサの検出値に問題があるときにはその程度に応じて、空気流量（吸気空気量）の算出、燃料噴射量の算出、気筒内酸素濃度の算出、燃料噴射制御、ＥＧＲ制御、排気ガス浄化装置の再生制御等における空気過剰率センサの検出値の寄与の度合いを小さくすることができ、内燃機関の制御を向上することができる。

また、上記の内燃機関の制御装置において、当該制御装置が、前記空気過剰率の算出値が大きくなるにつれて前記空気過剰率センサの検出値の重みを小さくするのに加えて、前記内燃機関の運転状態の変化率が大きくなるにつれて前記空気過剰率センサの検出値の重みを小さくして、前記重み付平均値の重み係数を設定するように構成される。

すなわち、空気過剰率センサの検出値の誤差拡大や飽和発生や応答遅れに起因する問題が発生するような、空気過剰率の値（ここでは算出値を用いる）の範囲と、定常状態から過渡状態への移行の度合いを示す内燃機関の運転状態の変化率に基づいて重み係数を設定することで、この重み係数の設定において、空気過剰率センサの検出値の誤差拡大や飽和や応答遅れに起因する問題の影響が大きくなるような状態、即ち、排気ガスの空気過剰率が大きくなるか、または、内燃機関の運転状態における過渡の度合いが大きくなるかによって、検出値よりも算出値の影響が強くなるように重み係数を設定する。

これにより、空気過剰率センサの検出値の測定精度が高いエンジンの運転状態では、検出値の重みを大きくして、算出値の誤差による制御の精度低下を抑制し、空気過剰率センサの検出値の誤差拡大や飽和や応答遅れに起因する問題の影響が大きくなるようなエンジンの運転状態では、その程度によって算出値の重みを大きくして、検出値と算出値のバランスをエンジン運転状態に合わせて効果的に使用しながら、空気過剰率の使用値を最適に設定することができ、内燃機関の制御を向上させることができる。

また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、上記の内燃機関の制御装置を備えて構成され、この内燃機関は、上記の内燃機関の制御装置と同様の作用効果を奏することができる。

また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の制御方法は、排気通路に配設された空気過剰率センサの検出値を使用して内燃機関を制御する内燃機関の制御方法において、前記内燃機関の運転状態に基づいて排気ガスの空気過剰率の算出値を算出するとともに、この算出された排気ガスの空気過剰率の算出値と前記空気過剰率センサの検出値との重み付平均値を内燃機関の制御に使用する空気過剰率の使用値として設定し、さらに、前記空気過剰率の算出値が大きくなるにつれて前記空気過剰率センサの検出値の重みを小さくして前記重み付平均値を算出する制御を行う。

また、上記の内燃機関の制御方法において、前記空気過剰率の算出値をλｃ、前記空気過剰率センサの検出値をλｄ、前記重み付平均値の重み係数をα、前記重み付平均値をλｍとして、
式（１）：λｍ＝α×λｄ＋（１−α）×λｃ
上記の式（１）を用いて前記重み付平均値を算出する。

これらの方法によれば、上記の内燃機関の制御装置と同様の作用効果を奏することができる。

本発明の内燃機関の制御装置、内燃機関、及び内燃機関の制御方法によれば、排気通路に配置された空気過剰率センサの検出値を用いて内燃機関を制御する内燃機関の制御において、内燃機関の運転状態に基づいて排気ガスの空気過剰率の算出値を算出して、この排気ガスの空気過剰率の算出値と検出値の両方から、内燃機関の制御に用いる空気過剰率の使用値を適切に設定することで、空気過剰率センサの検出値の誤差拡大や飽和や応答遅れに起因する問題の発生を抑制して、内燃機関の制御を向上させることができる。

本発明に係る実施の形態の内燃機関の制御装置を備えた内燃機関の構成を模式的に示す図である。 空気過剰率の算出値と内燃機関の過渡状態の割合と重み係数の関係の一例を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の制御装置、内燃機関、及び内燃機関の制御方法について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明に係る実施の形態の内燃機関１０は、本発明に係る実施の形態の内燃機関の制御装置３０を備えて構成され、後述する内燃機関の制御装置３０が奏する作用効果と同様の作用効果を奏することができる。

図１に示すように、本発明に係る実施の形態の内燃機関の制御装置３０を備えたエンジン（内燃機関）１０は、エンジン本体１１と吸気通路１２と排気通路１３とＥＧＲ通路１４を備えている。このＥＧＲ通路１４は、排気通路１３と吸気通路１２とを接続して設けられ、上流側より順に、エンジン冷却水を冷却媒体とするＥＧＲクーラー１５、ＥＧＲバルブ１６が設けられている。

そして、大気から導入される新気Ａが、必要に応じて、ＥＧＲ通路１４から吸気マニホールド１１ａに流入するＥＧＲガスＧｅを伴って、気筒（シリンダ）１１ｃ内の燃焼室に送られ、燃焼室にて燃料噴射装置（図示しない）より噴射された燃料と混合圧縮されて、燃料が燃焼することで、エンジン１０に動力を発生させる。そして、エンジン１０での燃焼により発生した排気ガスＧが、排気マニホールド１１ｂから排気通路１３に流出するが、その一部はＥＧＲ通路１４にＥＧＲガスＧｅとして流れ、残りの排気ガスＧａ（＝Ｇ−Ｇｅ）は、排気浄化処理装置（図示しない）により浄化処理された後、マフラー（図示しない）を経由して大気へ放出される。

また、吸気通路１２には、吸気流量を検出する吸気流量センサ（ＭＡＦセンサ）２１、吸気圧力を検出する吸気圧力センサ２２及び吸気温度を検出する吸気温度センサ２３が設けられるとともに、ＥＧＲ通路１４の分岐点より下流側の排気通路１３に、排気ガスＧａのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度センサ２０が設けられる。更に、排気通路１３には、排気ガスＧの空気過剰率を検出する空気過剰率センサ（排気λセンサ）２４が設けられる。

また、本発明の内燃機関を制御する制御装置３０が備えられる。この制御装置３０は、通常は、エンジン１０の運転状態全般を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）に組み込まれるが、独立して設けてもよい。そして、この制御装置３０は、上記のセンサ２０〜２４より送信された信号に基づいて、予め設定された制御時間毎に、センサ２０〜２４の検出値を算出するとともに、必要な検出値のデータ（通常は、最新の検出値のデータ）を記憶する。

そして、本発明に係る内燃機関の制御装置３０は、空気過剰率の使用値λを使用してエンジン１０を制御する。例えば、ＥＧＲをしていない通常運転時には、燃料噴射ノズルの噴射精度を改善したり、ＥＧＲをしている通常運転時には、空気過剰率の使用値λを使用してシリンダ内酸素濃度を算出してＥＧＲバルブ１６の開度を制御したり、排気ガス浄化装置の再生制御時には、シリンダ内燃料噴射におけるポスト噴射量や排気管内直接燃料噴射における燃料噴射量を空気過剰率の使用値λを使用して制御したりする。

本発明においては、これらのエンジン１０の制御に使用する、時々刻々の制御時点における空気過剰率の使用値λの設定に際して、空気過剰率センサ２４の信号から空気過剰率の検出値λｄを求めると共に、空気過剰率の算出値λｃを算出し、更に、エンジン１０の運転状態が定常状態であるか過渡状態にあるかに関しての過渡の状態を示す運転状態の変化率ΔＥを算出する。

この空気過剰率の算出値λｃの算出は、例えば、吸気流量センサ（ＭＡＦセンサ）２１、吸気圧力センサ２２及び吸気温度センサ２３の検出値から吸気流量（吸気空気量）を算出し、この吸気流量と燃料噴射量ｑから、排気ガスＧの空気過剰率の算出値λｃを算出したりする。

一方、エンジン１０の運転状態の過渡判定である変化率ΔＥとしては、アクセルペダルの踏込量であるアクセル開度の変化量、燃料噴射量ｑの変化量、エンジントルクの変化量、吸気流量センサ２１の検出値である吸気流量の変化量等を用いることができる。この変化率ΔＥが小さい程、エンジンの運転状態の変化が小さく、定常状態に近づき、この変化率ΔＥがゼロ近辺では、エンジンの運転状態は定常状態となる。一方、この変化率ΔＥが大きい程、エンジンの運転状態の変化が多くなり、過渡状態の度合いが大きくなる。

そして、この空気過剰率の算出値λｃと変化率ΔＥに対して設定される重み係数α（０≦α≦１）を用いて、空気過剰率の算出値λｃと空気過剰率センサの検出値λｄとの重み付平均（加重平均）を行い、この重み付平均値λｍ（＝α×λｄ＋（１−α）×λｃ）をエンジン１０の制御に使用する空気過剰率の使用値λとして設定する。

この重み係数αの設定方法について説明すると、図２に示すように、縦軸を空気過剰率の算出値λｃ、横軸をエンジン１０の運転状態の変化率（過渡判定値）ΔＥとした重み係数αのデータマップを作成する。この図２のデータマップでは、実験結果等に基づいて、空気過剰率の算出値λｃと運転状態の変化率ΔＥの組み合わせに対して、Ｒａ〜Ｒｊの各領域Ｒｘを設定し、これらの領域Ｒｘ毎にαａ〜αｊの重み係数αｘを設定している。

なお、図２における領域Ｒａ〜Ｒｄは、空気過剰率センサ２４の検出精度が比較的良い領域であるので、重み係数αを１．０にして、空気過剰率の使用値λを、空気過剰率センサ２４の検出値λｄに設定してもよい（λ＝λｄ）。また、領域Ｒｊは、空気過剰率センサ２４の検出値λｄが飽和する領域であるので、重み係数αを０．０にして、空気過剰率の使用値λを、空気過剰率の算出値λｃとする（λ＝λｃ）。なお、エンジン１０の種類にもよるが、領域Ｒｉと領域Ｒｊの境界となる空気過剰率の算出値λｃの境界値λｃ１は、例えば、３〜５になる。

そして、エンジン１０の制御時に空気過剰率の算出値λｃとエンジン１０の運転状態の変化率ΔＥを算出した後、このデータマップを参照して、空気過剰率の算出値λｃと運転状態の変化率ΔＥの組み合わせ（λｃ、ΔＥ）がどの領域Ｒｘに該当するかを算出し、この該当する領域Ｒｘにおける重み係数αｘを算出し、この算出した重み係数αｘを重み係数αとして、「λｍ＝α×λｄ＋（１−α）×λｃ」により空気過剰率の重み付平均値λｍを算出し、これを使用値λとする。

つまり、制御装置３０が、エンジン１０の運転状態の変化率ΔＥと空気過剰率の算出値λｃの値に基づいて重み付平均の重み係数αを設定するように構成される。

次に、本発明に係る実施の形態の内燃機関の制御方法について説明すると、この内燃機関の制御方法は、排気通路１３に配設された空気過剰率センサ２４の検出値λｄに基づいてエンジン１０を制御する内燃機関の制御方法であり、この内燃機関の制御方法において、エンジン１０の運転状態に基づいて排気ガスＧの空気過剰率の算出値λｃを算出するとともに、この算出された排気ガスの空気過剰率の算出値λｃと空気過剰率センサ２３の検出値λｃとの重み付平均値λｍを、エンジン１０の制御に使用する空気過剰率の使用値λとして設定する方法であり、更には、エンジン１０の運転状態の変化率ΔＥと空気過剰率の算出値λｃの値に基づいて重み付平均の重み係数αを設定する方法である。

つまり、空気過剰率センサ２４の検出値λｄの誤差拡大や飽和発生や応答遅れに起因する問題が発生するような、空気過剰率の値（ここでは算出値λｃを用いる）の範囲と、定常状態から過渡状態への移行の度合いを示すエンジン１０の運転状態の変化率ΔＥに基づいて重み係数αを設定することで、この重み係数αの設定において、空気過剰率センサ２４の検出値λｄの誤差拡大や飽和や応答遅れに起因する問題の影響が大きくなるような状態、即ち、排気ガスＧの空気過剰率が大きくなるか、または、エンジン１０の運転状態における変化率（過渡の度合い）ΔＥが大きくなるかによって、検出値λｄよりも算出値λｃの影響が強くなるように重み係数αを設定する。

このように、排気ガスＧの空気過剰率の算出値λｃと検出値λｄとの重み付平均値λｍにおける重み係数αを変更することにより、空気過剰率センサ２４の検出値λｄの計測精度や応答遅れに問題が無い状態では、空気過剰率センサ２４の検出値λｄの寄与の度合いを大きくし、一方で、空気過剰率センサ２４の検出値λｄの誤差拡大や飽和が発生する虞のあるエンジン１０の運転状態において、空気過剰率センサ２４の検出値λｄの寄与の度合いを小さくすることができる。

そして、空気過剰率センサの検出値λｄの測定精度が高いエンジン１０の運転状態では、検出値λｄの重みを大きくして、算出値λｃの誤差による制御の精度低下を抑制し、空気過剰率センサ２４の検出値λｄの誤差拡大や飽和や応答遅れに起因する問題の影響が大きくなるようなエンジン１０の運転状態では、その程度によって算出値λｃの重みを大きくして、検出値λｄと算出値λｃのバランスをエンジン１０の運転状態に合わせて効果的に使用しながら、空気過剰率の使用値λを最適に設定することができ、エンジン１０の制御を向上させることができる。

これにより、空気過剰率センサ２４の検出値λｄに問題があるときにはその程度に応じて、空気流量（吸気空気量）の算出、燃料噴射量ｑの算出、気筒内酸素濃度の算出、燃料噴射制御、ＥＧＲ制御、排気ガス浄化装置の再生制御等における空気過剰率センサ２４の検出値λｄの寄与の度合いを小さくすることができ、エンジン１０の制御を向上することができる。

上記の構成の内燃機関の制御装置３０、エンジン（内燃機関）１０及び内燃機関の制御方法によれば、排気通路１３に配置された空気過剰率センサ２４の検出値λｄを用いてエンジン１０を制御する内燃機関の制御において、エンジン１０の運転状態に基づいて排気ガスＧの空気過剰率の算出値λｃを算出して、この排気ガスＧの空気過剰率の算出値λｃと検出値λｄの両方から、エンジン１０の制御に用いる空気過剰率の使用値λを適切に設定することで、空気過剰率センサ２４の検出値λｄの誤差拡大や飽和や応答遅れに起因する問題の発生を抑制して、エンジン１０の制御を向上させることができる。

１０ エンジン（内燃機関）
１１ エンジン本体
１１ａ 吸気マニホールド
１１ｂ 排気マニホールド
１１ｃ 気筒
１２ 吸気通路
１３ 排気通路
１４ ＥＧＲ通路
１５ ＥＧＲクーラー
１６ ＥＧＲバルブ
２０ ＮＯｘ濃度センサ
２１ 吸気流量センサ（ＭＡＦセンサ）
２２ 吸気圧力センサ
２３ 吸気温度センサ
２４ 空気過剰率センサ
３０ 制御装置
Ａ 新気
Ｇ、Ｇａ 排気ガス
Ｇｅ ＥＧＲガス
Ｒｘ、Ｒａ〜Ｒｊ 領域
λ 空気過剰率の使用値
λｃ 空気過剰率の算出値
λｄ 空気過剰率センサの検出値
λｍ 空気過剰率センサの重み付平均値
ΔＥ エンジンの運転状態の変化率

Claims (5)

1. 排気通路に配設された空気過剰率センサの検出値を使用して内燃機関を制御する内燃機関の制御装置において、
   当該制御装置が、前記内燃機関の運転状態に基づいて排気ガスの空気過剰率の算出値を算出するとともに、この算出された排気ガスの空気過剰率の算出値と前記空気過剰率センサの検出値との重み付平均値を内燃機関の制御に使用する空気過剰率の使用値として設定し、さらに、前記空気過剰率の算出値が大きくなるにつれて前記空気過剰率センサの検出値の重みを小さくして前記重み付平均値を算出する制御を行うように構成されたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 当該制御装置が、前記空気過剰率の算出値が大きくなるにつれて前記空気過剰率センサの検出値の重みを小さくするのに加えて、前記内燃機関の運転状態の変化率が大きくなるにつれて前記空気過剰率センサの検出値の重みを小さくして、前記重み付平均値の重み係数を設定するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置を備えたことを特徴とする内燃機関。
4. 排気通路に配設された空気過剰率センサの検出値を使用して内燃機関を制御する内燃機関の制御方法において、
   前記内燃機関の運転状態に基づいて排気ガスの空気過剰率の算出値を算出するとともに、この算出された排気ガスの空気過剰率の算出値と前記空気過剰率センサの検出値との重み付平均値を内燃機関の制御に使用する空気過剰率の使用値として設定し、さらに、前記空気過剰率の算出値が大きくなるにつれて前記空気過剰率センサの検出値の重みを小さくして前記重み付平均値を算出する制御を行うことを特徴とする内燃機関の制御方法。
5. 前記空気過剰率の算出値をλｃ、前記空気過剰率センサの検出値をλｄ、前記重み付平均値の重み係数をα、前記重み付平均値をλｍとして、
   式（１）：λｍ＝α×λｄ＋（１−α）×λｃ
   上記の式（１）を用いて前記重み付平均値を算出することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御方法。

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