JP6707038B2 - 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。

近年、自動車の燃料消費量(以下、燃費と表記する)や有害排気ガスに関する規制が強化されており、今後もますます厳しくなる傾向にある。特に燃費については、排出される二酸化炭素が地球温暖化へ与える影響から低燃費化が強く求められている。そして、近年は低燃費化を進めるため、ターボチャージャのような過給機を搭載し、圧縮比を高くする傾向にある。しかしながら、内燃機関の出力が比較的高い条件において、ノッキング等の異常燃焼が発生する可能性が増加するため、点火時期を遅くすることで異常燃焼を回避するようにしている。

しかしながら、点火時期を遅くすると出力を確保するため多くの燃料が必要となり、燃費が悪化することになる。そこで、外部ＥＧＲ装置によって再循環用排気ガス（以下、ＥＧＲガスと表記する）を燃焼室に再導入してノッキングを抑制することで、点火時期を適切な値に設定して燃費を向上させるようにしている。このために、燃焼室に導入されるＥＧＲ量、或いはＥＧＲ率を正確に求めることが必要となっている。ここで、ＥＧＲ率とは、ＥＧＲガス量／（空気流量＋ＥＧＲガス量）で定義される値である。

ＥＧＲ量（率）を推定する方法として、例えば、特開２００１−２８０２０２号公報（特許文献１）、特開２０１３−１０８４６４号公報（特許文献２）に記載の外部ＥＧＲ装置が知られている。特許文献１では、ＥＧＲバルブの前後差圧とＥＧＲバルブ開度とからＥＧＲ量（率）を精度良く推定する方法が開示されている。また、特許文献２では、吸気系に設けた吸気量センサと酸素濃度センサを利用してＥＧＲ量（率）を精度良く推定する方法が示されている。

特開２００１−２８０２０２号公報 特開２０１３−１０８４６４号公報

ところで、外部ＥＧＲ装置には、排気管に備えられた過給機のタービンの下流から排気ガスを取り出し、吸気管に備えられた過給器のコンプレッサの上流にＥＧＲガスを導入する低圧ＥＧＲというシステムが存在する。この低圧ＥＧＲシステムでは、ＥＧＲガスが吸気管に導入される箇所から燃焼室までに比較的長い通路距離が存在する。そして、この長い通路距離を空気とＥＧＲガスの混合ガスが移動する間には、混合ガスの流量や圧力を制御する複数の制御弁や、混合ガスの温度を低減する冷却器を通過する構成となっている。

このため、特許文献１のようにＥＧＲ弁開度と差圧のみを使用するものでは、内燃機関の動作領域が変化する過渡状態時に、ＥＧＲ量（率）の推定精度が悪化する課題がある。また、特許文献２に記載のように吸気管中にＥＧＲ量（率）を検出するための酸素センサ等のＥＧＲセンサを備えるものでは、ＥＧＲセンサを用いることで内燃機関の運転領域が一定の場合、ＥＧＲ量（率）を高い精度で検出することが可能である。しかしながら、内燃機関の動作領域が変化する過渡状態時では、往々にしてＥＧＲセンサの応答性がＥＧＲ量（率）の変化する速さに比して遅いため、過渡状態時のＥＧＲ量（率）を適切に推定することが難しいという課題がある。

したがって、適切なＥＧＲガス量を燃焼室に導入できない恐れがあり、燃焼室内での可燃混合気の燃焼が不安定化して、燃費の悪化を招くようになる。

本発明の目的は、過渡状態時のＥＧＲ量（率）の推定を高精度に行なう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。

本発明の特徴は、吸気管を流れる空気とＥＧＲガスの混合ガスの流量を調整するスロットルバルブの下流側に設けたＥＧＲセンサの検出信号を入力として第１のＥＧＲ率を求め、少なくとも空気流量センサ、ＥＧＲバルブ開度センサ、スロットルバルブ開度センサの１つ以上の検出信号を入力として所定の演算を行なって第２のＥＧＲ率を推定すると共に、第２のＥＧＲ率をＥＧＲセンサの応答遅れに対応して遅れ処理して第３のＥＧＲ率を求め、更に、第３のＥＧＲ率と第１のＥＧＲ率の差分を反映して第２のＥＧＲ率を学習補正する、ところにある。

本発明によれば、過渡状態時おいても高精度にＥＧＲ率を推定することができる。これにより適切なＥＧＲガス量を燃焼室に導入し異常燃焼を回避することで、燃費の悪化を防止することができる。

本発明が適用される内燃機関のシステム構成を示す構成図である。 図1に示す制御手段の構成を示すシステムブロック図である。 本発明の第１の実施形態になるＥＧＲ率を推定する物理モデル学習を示すフローチャート図である。 第１の実施形態になるＥＧＲ率を推定する物理モデル学習の動作を説明する説明図である。 第１の実施形態による学習前の状態を説明するための説明図である。 第１の実施形態による学習後の状態を説明するための説明図である。 本発明の第２の実施形態になる結露を考慮したＥＧＲ率を推定する物理モデル学習を示すフローチャート図である。 吸気管内のガス組成を説明するもので、空気の場合を説明する説明図である。 吸気管内のガス組成を説明するもので、空気と排気ガスの混合ガスの場合を説明する説明図である。 吸気管内のガス組成を説明するもので、空気、排気ガス、水分の混合ガスの場合を説明する説明図である。 本発明が適用される他の内燃機関のシステム構成を示す構成図である。 本発明の第３の実施形態になるＥＧＲ率を推定する物理モデル学習を示すフローチャート図である。 本発明の第４の実施形態になる結露を考慮したＥＧＲ率を推定する物理モデル学習を示すフローチャート図である。

以下、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の実施形態における内燃機関のシステム構成を示している。内燃機関Ｅｎｇは火花点火式の内燃機関である。

内燃機関Ｅｎｇには、吸気系である吸気管入口の空気流量を計測する空気流量（或いは質量流量）センサ３と、吸入される空気の湿度を計測する大気湿度センサ２４と、吸気管圧力を計測する吸気管圧力センサ８と、燃焼室１４に流入する直前の空気と排気ガスの混合ガスの湿度を検出する混合ガス湿度センサ９と、吸入される混合ガス圧を調整する第１スロットルバルブ４と、吸入混合ガス量を調整する第２スロットルバルブ７と、吸入混合ガスを圧縮する過給機のコンプレッサ５ａと、吸入混合ガスを冷却して温度を低減するインタークーラ６が吸気管１０の各々の適宜位置に備えられている。

また、内燃機関Ｅｎｇには燃焼室１４の中に燃料を噴射する燃料噴射弁１２と、点火エネルギを供給する点火プラグ１３とが内燃機関Ｅｎｇの燃焼室の各々の適宜位置に備えられている。また、吸気弁の開閉位相を制御する吸気側可変動弁機構１１ａ、及び排気弁の開閉位相を制御する排気側可変動弁機構１１ｂも備えられている。可変動弁機構のことをValve Timing Control system(VTC)と呼んでも良い。

更に、排気ガスのエネルギを利用し、コンプレッサ５ａを駆動するタービン５ｂと排気ガスを浄化する三元触媒１７と、空燃比検出器の一態様であって三元触媒１７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１６とが、排気系である排気管１５の各々の適宜位置に備えられている。空燃比センサ１６は酸素濃度センサとしてもよい。また三元触媒１７の下流には排気管１８が接続されており、排気管１８には三元触媒２３が適宜位置に備えられている。

排気管１８の三元触媒２３より上流から、ＥＧＲガスを取り出すＥＧＲ配管２２が分岐しており、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２１と、ＥＧＲ量を調整するＥＧＲバルブ２０と、ＥＧＲバルブ前後の圧力を計測する差圧センサ１９がＥＧＲ配管２２の適宜位置に備えられている。

空気流量センサ３から得られる検出信号Ｓｓ３と、第１スロットルバルブ４と第２スロットルバルブ７の開度センサから得られる検出信号Ｓｓ７、Ｓｓ４と、吸気管圧力センサ８から得られる検出信号Ｓｓ８と、混合ガス湿度センサ９から得られる検出信号Ｓｓ９と、吸排気動弁機構１１a,１１ｂから得られる検出信号Ｓｓ１１a,１１ｂと、空燃比センサ１６から得られる検出信号Ｓｓ１６と、差圧センサ１９から得られる検出信号Ｓｓ１９と、ＥＧＲバルブ２０から得られる検出信号Ｓｓ２０、大気湿度センサ２４から得られる検出信号Ｓｓ２４とは、制御手段であるコントロールユニット（以下ＥＣＵ）１に送られている。また、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から得られる信号Ｓｓ２もＥＣＵ１に送られている。

ＥＣＵ１は、アクセル開度センサ２の出力信号Ｓｓ２や各種センサ信号に基づいて要求トルクを演算する。すなわち、アクセル開度センサ２は内燃機関Ｅｎｇ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は各種センサの出力から得られる内燃機関Ｅｎｇの運転状態に基づいて、第１スロットルバルブ４の開度、第２スロットルバルブ７の開度、燃料噴射弁１２の噴射パルス期間、点火プラグ１３の点火時期、吸気側可変動弁機構１１ａ、及び排気側可変動弁機構１１ｂの開閉時期、ＥＧＲバルブ２０の開度等の内燃機関Ｅｎｇの主要な作動量を最適に演算する。

ＥＣＵ１で演算された燃料噴射パルス期間は、燃料噴射弁開バルブパルス信号Ｄｓ１２に変換され燃料噴射弁１２に送られる。また、ＥＣＵ１で演算された第１スロットルバルブ４の開度は第１スロットルバルブ駆動信号Ｄｓ４として第１スロットルバルブ４へ送られ、同様に第２スロットルバルブ７の開度は第２スロットルバルブ駆動信号Ｄｓ７として第２スロットルバルブ７送られる。点火プラグ駆動信号Ｄｓ１３は点火プラグ１３へ送られ、燃料噴射弁駆動信号Ｄｓ１２は燃料噴射弁１２に送られる。ＥＧＲバルブ駆動信号Ｄｓ２０はＥＧＲバルブ２０へ送られる。

以上のような構成において。吸気管１０から吸気バルブを経て燃焼室１４内に流入した混合ガスに対して、燃料が燃料タンクから図示していない燃料ポンプを経て燃料噴射弁１２から噴射され可燃混合気を形成する。可燃混合気は、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を押し下げて回転駆動力を発生する。

燃焼後の排気ガスは、排気弁、及び排気管１５、タービン５ｂを経て三元触媒１７に送られ、三元触媒１７内でＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ成分等が浄化された後、排気管１８を経て三元触媒２３で再度浄化されて外部に排出される。また、排気ガスの一部は、ＥＧＲガスとしてＥＧＲ配管２２、ＥＧＲクーラ２１、ＥＧＲバルブ２０を経て吸気管に再導入される。

図２は、ＥＣＵ１の構成を示すシステムブロックを示している。アクセル開度センサ２、空気流量センサ３、吸気管圧力センサ８、混合ガス湿度センサ９、及び空燃比センサ１６の各出力信号は、ＥＣＵ１の入力回路３０ａに入力される。ただし入力信号はこれらだけに限定されるものではない。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に保管されてＣＰＵ３０ｅで演算処理される。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いる。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第１スロットル駆動回路３０ｆ、第２スロットル駆動回路３０ｇ、可変動弁機構駆動回路３０ｈ、燃料噴射弁駆動回路３０ｉ、点火出力回路３０ｊ、及びＥＧＲバルブ駆動回路３０ｋ等がある。各駆動回路は第１スロットルバルブ４、第２スロットルバルブ７、可変動弁機構１１ａ、１１ｂ、燃料噴射弁１２、点火プラグ１３、及びＥＧＲバルブ２０を制御する。本実施形態のＥＣＵ１はＥＣＵ１内に駆動回路を備えているが、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外に設けてもよい。

図３は、本発明の第１の実施形態におけるＥＧＲ率の学習補正に関する制御フローを示すものである。

まず、ステップＳ１０においては、大気湿度センサ２４によって吸入される空気の大気湿度ＲＨＡＭＢを検出する。次にステップＳ１１においては、混合ガス湿度センサ９によって、第２スロットルバルブ７下流の吸気管１０を流れる混合ガスの混合ガス湿度ＲＨＩＭＡＮＩを検出する。ステップＳ１０、Ｓ１１で夫々の湿度センサ９、２４から湿度を検出するとステップＳ１２に移行する。尚、夫々の湿度センサ２４、９はＥＧＲセンサとして機能するものである。

ステップＳ１２においては、ステップＳ１０とステップＳ１１で検出した、大気湿度ＲＨＡＴＭと混合ガス湿度ＲＨＩＭＡＮＩから、吸気管内の第２スロットルバルブ７下流のＥＧＲ率ＲＶＡＰを算出する。ＥＧＲガスが混合されているため、混合ガス湿度ＲＨＩＭＡＮＩは、大気湿度ＲＨＡＴＭに比べてその値が変化しているので、それぞれの湿度から「ＥＧＲ率ＲＶＡＰ」を算出することができ、この算出方法は公知の方法で行うことができる。「ＥＧＲ率ＲＶＡＰ」を算出するとステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３においては、空気流量センサ３の空気流量情報、ＥＧＲバルブ２０の開度情報、及び第２スロットルバルブ７の開度情報と、必要に応じてその他のセンサ情報の１つ以上に基づき、混合ガスの挙動を記述した複数の数式（所謂、物理モデルである）によって、第２スロットルバルブ７の下流の混合ガスの「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬ」を算出する。尚、物理モデルは気体の状態方程式や運動方程式を組み合わせることで構築することができる。この物理モデルは、ＥＣＵ１のＲＯＭ３０ｄ内に記憶されている。物理モデルによる混合ガスの「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬ」が求まるとステップＳ１４に移行する。

ステップＳ１４においては、物理モデルで推定した「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬ」に、混合ガス湿度センサ９の設計上の計測応答遅れを１次遅れで反映した、応答遅れ処理後の「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬＦ」を算出する。したがって、物理モデルで推定した「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬ」に湿度センサ９の検出遅れが反映されたものとなる。応答遅れ処理された「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬＦ」が求まるとステップＳ１５に移行する。

ステップＳ１５においては、湿度センサに基づく「ＥＧＲ率ＲＶＡＰ」と、応答遅れ処理された「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬＦ」の「差分ＤＲＥＧＲ」を計算する。この計算は、
「差分ＤＲＥＧＲ」＝「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬＦ」−「ＥＧＲ率ＲＶＡＰ」
で求めることができる。「差分ＤＲＥＧＲ」が求まるとステップＳ１６に移行する。

ステップＳ１６においては、上述したＥＧＲ率の「差分ＤＲＥＧＲ」が予め定めた「閾値ＳＬＥＧＲ」以上であるか判定する。「閾値ＳＬＥＧＲ」以上であればステップＳ１７に進み、「閾値ＳＬＥＧＲ」以下であればエンドに抜けて処理を終了する。ここで、「差分ＤＲＥＧＲ」が予め定めた「閾値ＳＬＥＧＲ」以上であれば、物理モデルのＥＧＲバルブの開度が適切ないと見做し、「差分ＤＲＥＧＲ」が予め定めた「閾値ＳＬＥＧＲ」以下であれば、物理モデルのＥＧＲバルブの開度が適切な範囲にあると見做しているものである。そして、「差分ＤＲＥＧＲ」が「閾値ＳＬＥＧＲ」以上であれば、ステップＳ１７に移行する。

ステップＳ１７においては、「差分ＤＲＥＧＲ」と、「差分ＤＲＥＧＲ」を求めた時点のＥＧＲバルブ２０の開度に対応するＥＧＲバルブ開口面積の「補正係数ＫＡＥＧＲＶ」を、ＲＯＭ３０ｄに記憶されたテーブルから読み出して算出する。このテーブルは、「差分ＤＲＥＧＲ」が大きいほど「補正係数ＫＡＥＧＲＶ」が大きく設定されているものである。「補正係数ＫＡＥＧＲＶ」が求まるとステップＳ１８に移行する。

ステップＳ１８においては、先のステップＳ１３で演算した、「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬ」を求める物理モデルを構築する数式に使用されるＥＧＲバルブ２０の開口面積に、「差分ＤＲＥＧＲ」に対応した「補正係数ＫＡＥＧＲＶ」を反映させる演算を実行する。これによって、「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬ」の学習補正が実行できることになる。

ここで、本実施形態では、ＥＧＲバルブ２０の開口面積に「補正係数ＫＡＥＧＲＶ」を乗算して反映させるようにしているが、ＥＧＲバルブ２０の開口面積に「補正開口面積」を加算して反映させるようにしても良いものである。ＥＧＲバルブ２０の開口面積に「補正係数ＫＡＥＧＲＶ」を反映させると、エンドに抜けて次の起動タイミングを待つことになる。

以上に説明した制御フローで求められる、推定ＥＧＲ率、ＥＧＲ率の差分、補正係数等の時間的な変化について、図４を用いて簡単に説明する。

図４において、内燃機関の動作状態が変化する過渡状態では、例えば、時刻Ｔ１でＥＧＲバルブ２０の開度が大きく開かれると、ＥＧＲガス量が増加して推定ＥＧＲ率が大きく変化する。この時、ステップＳ１０〜ステップＳ１２によって、湿度センサに基づく「ＥＧＲ率ＲＶＡＰ」が求められる。

一方、ステップＳ１３によって、空気流量センサ３の空気流量、第２スロットルバルブ７の開度、ＥＧＲバルブ２０の開度に基づき、物理モデルによって混合ガスの「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬ」が求められる。更に、ステップＳ１４によって、「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬ」を応答遅れ処理することで「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬＦ」を求める。したがって、図４にある通り、「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬ」は「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬＦ」へと遅れ処理されている。

そして、制御フローの進行によってステップＳ１５で「ＥＧＲ率ＲＶＡＰ」と「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬＦ」の間の「差分ＤＲＥＦＲ」が演算される。ここで、ステップＳ１６で時刻Ｔ２において、「差分ＤＲＥＦＲ」が「閾値ＳＬＥＧＲ］より大きくなったと判断される、つまり「ＥＧＲ率ＲＶＡＰ」と「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬＦ」が大きく乖離していると判定された場合、物理モデルのＥＧＲバルブ２０の開口面積の演算結果に「補正係数ＫＡＥＧＲＶ」を反映（＝学習補正）させるものである。

したがって、図４の場合は、「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬＦ」が「ＥＧＲ率ＲＶＡＰ」より大きいため、ＥＧＲバルブ２０の開口面積の「補正係数ＫＡＥＧＲＶ」を小さくする学習を行なうことになる。もちろん、「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬＦ」が「ＥＧＲ率ＲＶＡＰ」より小さい場合は、ＥＧＲバルブ２０の開口面積の「補正係数ＫＡＥＧＲＶ」を大きくする学習を行なうことになる。

図５Ａ、図５Ｂは、ＥＧＲバルブ２０を大きく開いた際の吸気管１０内の実際のＥＧＲ率と、物理モデルによる「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬ」と、応答遅れ処理した「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬＦ」と、湿度センサ９、２４による「ＥＧＲ率ＲＶＡＰ」の変化状態を示したものである。

図５Ａは、ＥＧＲバルブ２０に人為的に所定の「詰り」を与えた際に、補正を行う前の上述の各ＥＧＲ率を示したものである。実際のＥＧＲ率がステップ状に上昇するのに対して、物理モデルで推定した「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬ」は、立ち上がりの応答性については実際のＥＧＲ率に近いが、定常状態に遷移した場合は所定の誤差ΔＥＧＲが発生している。また、湿度センサ９、２４により算出した「ＥＧＲ率ＲＶＡＰ」は定常状態では実際のＥＧＲ率に合致して精度は良いが、過渡状態では応答性が遅く計測精度が悪くなっている。また、物理モデルで推定した「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬ」に混合ガス湿度センサ９の応答遅れを反映させない「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬＦ」は、「ＥＧＲ率ＲＶＡＰ」に比較的近いが、定常状態では実際のＥＧＲ率とずれが生じ、このずれは時間経過と共に実際のＥＧＲ率から乖離していくようになる。このように、ＥＧＲ率の補正が必要なことがわかる。

一方、図５Ｂは、本実施形態になる物理モデルのＥＧＲバルブ２０の開口面積について、「詰り」を考慮して「補正係数ＫＡＥＧＲＶ」を反映させた場合を示している。「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬＦ」と「ＥＧＲ率ＲＶＡＰ」がほぼ一致していることがわかる。また、この状態では、実際のＥＧＲ率と、物理モデルで推定した「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬ」が良く一致していることが分かる。

このように、本実施形態によれば、吸気管に取り付けた湿度センサ（＝ＥＧＲセンサ）の値に基づいて算出したＥＧＲ率と、空気流量センサ等から物理モデルに基づき推定し、しかも応答遅れ処理したＥＧＲ率を比較し、両ＥＧＲ率のずれに基づいて、物理モデルのＥＧＲバルブの開口面積を学習補正することで、物理モデルによるＥＧＲ率の推定精度を向上することが可能となる。

次に本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態では吸気管内に付着した結露の影響によってＥＧＲ率が変動するのを補償する制御を追加している点で第１の実施形態と異なっている。したがって、第１の実施形態についての作用、効果を含めた説明は省略する。

図６は本発明の第２実施形態における制御フローを示している。そして、ステップＳ２０〜ステップＳ２４は、図３のステップＳ１０〜ステップＳ１４と同一であるので説明は省略する。そして、ステップＳ２４の処理が終了するとステップＳ２５に移行する。

ステップＳ２５においては、吸気管１０内で結露が発生しているか推定する。具体的には、吸気管１０の「温度ＴＩＭＡＮＩ」から「飽和水蒸気圧ＰＷＩＭＡＮＩ」を算出する。温度と飽和水蒸気圧の関係はＲＯＭ３０ｄ内のテーブルに記憶させておいても良いし、また、下記の式（１）に示すような「Tetensの式」を使用して演算しても良いものである。

次に、物理モデルで推定した「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬ」から吸気管１０内の水蒸気分圧を算出する。燃焼によって生じる排気ガス中の「水蒸気体積分率Ｈ２ＯＣＭＢ」と大気中の湿度から算出する「水蒸気体積分率Ｈ２ＯＡＴＭ」、及び物理モデルから求めた「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬ」を用いて、吸気管１０内の「水蒸気体積分率Ｈ２ＯＩＭＡＮＩ」を式（２）で算出する。

次に、吸気管１０内の「水蒸気体積分率Ｈ２ＯＩＭＡＮＩ」と吸気管１０内の「吸気圧ＰＩＭＡＮＩ」から吸気管１０内の「水蒸気分圧ＰＷＩＭＡＮＩＥＳＴ」を式（３）で算出する。

そして、「水蒸気分圧ＰＷＩＭＮＩＥＳＴ」が「飽和水蒸気圧ＰＷＩＭＡＮＩ」より大きい場合は結露が生じている判定する。結露が生じていないと判定された場合は、ステップＳ３４に移行して、図３のステップＳ１５〜ステップＳ１８に基づいてＥＧＲバルブ２０の物理モデル学習を行なって、ステップＳ３５に移行する。この結露が生じていない場合の物理モデルの学習を実行した場合は、ステップＳ３５で実行フラグを立てて後述のステップＳ３０での判断に使用する。一方、結露が生じていると判定された場合はステップＳ２６に移行する。

ステップＳ２６においては、「飽和水蒸気圧ＰＷＩＭＡＮＩ」と「水蒸気分圧ＰＷＩＭＮＩＥＳＴ」の「分圧差分ＤＰＷ」を算出する。これは、結露相当の「分圧差分ＤＰＷ」となるものである。「分圧差分ＤＰＷ」が求まるとステップＳ２７に移行する。

ステップＳ２７においては、算出した「分圧差分ＤＰＷ」と対応する、吸気管１０内の結露相当の「ＥＧＲ率差分ＤＥＧＲＰＷ」を推定、算出する。「分圧差分ＤＰＷ」と「ＥＧＲ率差分ＤＥＧＲＰＷ」は、排気ガス中のＣＯ２、及びＨ２Ｏの比率がほぼ一定であるため、両者の関係はＲＯＭ３０ｄのテーブルに記憶させておけば良いものである。「ＥＧＲ率差分ＤＥＧＲＰＷ」が推定されるとステップＳ２８に移行する。

ステップＳ２８においては、「ＥＧＲ率差分ＤＥＧＲＰＷ」を遅れ処理された「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＦ」から減じることで、結露による混合ガス湿度センサの検出ずれと、混合ガス湿度センサ９の検出遅れを反映した「推定ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬＦＣＯＮＤ」を算出する。実際には結露発生時は図７に示すように、Ｈ２ＯとＣＯ２の比率は変化しているが、湿度センサでは比率が一定としているため、「ＥＧＲ率差分ＤＥＧＲＰＷ」を「ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＦ」から減じることで湿度センサの挙動を模擬することができる。

図７Ａ〜図７Ｃは吸気管１０内の混合ガスの組成を模式的に示したものである。尚、図中の各成分の面積は説明の都合で変更しており、実際の比率とは異なっている。そして、図７Ａは空気のみの場合を示し、図７Ｂは空気とＥＧＲガスが混合した場合を示し、図７Ｃは空気とＥＧＲガスに加えて結露が生じた場合を示している。

図７Ｂに示す通り、ＥＧＲガスが混合した混合ガス内には、空気中の水分と燃焼によって生じた水分が存在する。また、ＥＧＲガス中のＨ２ＯとＣＯ２の比率はほぼ一定である。したがって、空気中の湿度と吸気管内の湿度の差分に基づいてＥＧＲ量の推定を行うことが可能となる。しかしながら、図７Ｃのように結露が生じた場合、Ｈ２Ｏのみが減少し、実際のＨ２ＯとＣＯ２の比率が変化する。このため、混合ガス湿度センサ９で計測した水分量に基づいてＥＧＲ率を算出すると、ＣＯ２も減少していると判断してＥＧＲ率を過小評価する。そのため、ステップＳ６０８では水分量だけでなく、ＣＯ２も含んだＥＧＲ量を減じるようにしている。「推定ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬＦＣＯＮＤ」を算出すると、ステップＳ２９に移行する。

ステップＳ２９においては、「ＥＧＲ率ＲＶＡＰ」と「推定ＥＧＲ率ＲＭＯＤＥＬＦＣＯＮＤ」の「差分ＤＲＥＧＲ」を算出する。尚、この「差分ＤＲＥＧＲ」は結露量に対応している。「差分ＤＲＥＧＲ」が求まるとステップＳ３０に移行する。

ステップＳ３０においては、過去の所定期間内に既にＥＧＲバルブ開口面積の「補正係数ＫＡＥＧＲＶ」の学習補正が行われているか判定する。この判定には先に述べた実行フラグを参照することで判定することができる。そして、学習補正が行われている場合はステップＳ３１へ移行し、学習補正が行われていない場合はステップＳ３３へ移行する。

ステップＳ３１においては、「差分ＤＲＥＧＲ」に対応する「結露量ＤＣＯＮＤ」を算出する。「差分ＤＲＥＧＲ」に対応する「結露量ＤＣＯＮＤ」は、ＲＯＭ３０ｄのテーブルに予め記憶させていれば良いものである。「結露量ＤＣＯＮＤ」が求まるとステップＳ３２に移行する。

ステップＳ３２においては、物理モデルのインタークーラ６に関する伝熱パラメータに、「結露量ＤＣＯＮＤ」に対応する「冷却補正係数ＫＨＥＡＴＥＧＲ」を学習補正して、物理モデルによるＥＧＲ率の推定精度を高めるようにしている。

尚、ステップＳ３０でＥＧＲバルブの学習補正が行なわれていないと判断されている場合は、ステップＳ３３において、ＥＧＲバルブを全閉、或いは開度を減少する方向に制御して、過剰なＥＧＲガスの供給を抑制し、同時に点火時期を遅角制御して異常燃焼の発生を抑制している。

このように、物理モデル内で結露量推定を行うことで、結露が発生しやすい条件でもＥＧＲ率の推定精度を向上することができ、燃費の向上が図れるようになる。また、学習条件が成立しない場合はＥＧＲバルブの開度を小さくし、また、点火時期を遅角することで、過剰なＥＧＲが導入されて失火することを抑制し、また異常燃焼も抑制することができるようになる。

次に本発明の第３の実施形態について説明する。第１の実施形態では、ＥＧＲセンサとして湿度センサを使用したが、本実施形態では、ＥＧＲセンサとして吸気側酸素濃度センサを使用した点で第１の実施形態と異なっている。吸気側酸素濃度センサは吸気管１０内の混合ガスにおける酸素濃度を計測することが可能であり、これによってＥＧＲ率を測定することができるものである。

図８は本実施形態における内燃機関システムの構成を示しており、吸気管１０内には吸気側酸素濃度センサ２５が配置されている。吸気側酸素濃度センサ２５は、酸素濃度に対して線形な出力信号を出力できるものであり、これによって混合ガスのＥＧＲ率を求めることができる。尚、これ以外の構成は図１に示す構成と同じなので詳細な説明は省略する。

図９は、本発明の第３の実施形態におけるＥＧＲ率の学習補正に関する制御フローを示すものである．ここでも、ステップＳ４１〜ステップＳ４６の制御ステップは、図３のステップＳ１３〜ステップＳ１８の制御と同じなので詳細な説明は省略する。

図９において、ステップＳ４０においては、吸気側酸素濃度センサ２５で検出した酸素濃度から吸気管１０内の「ＥＧＲ率ＲＩＭＯ２」を算出する。酸素濃度からＥＧＲ率を算出する方法は、種々提案されているので、これらの公知の方法で求めればよいものである。吸気管１０内の「ＥＧＲ率ＲＩＭＯ２」が求まるとステップｓ１に移行する。これ以降は、図３の「ＥＧＲ率ＲＶＡＰ」を「ＥＧＲ率ＲＩＭＯ２」に置き換えて、図３と同様の制御ステップを実行するものである。

このように、吸気管に取り付けた吸気側酸素濃度センサ（＝ＥＧＲセンサ）の値に基づいて算出したＥＧＲ率と、空気流量センサ等から物理モデルに基づき推定し、しかも応答遅れ処理したＥＧＲ率を比較し、両ＥＧＲ率のずれに基づいて、物理モデルのＥＧＲバルブの開口面積を学習補正することで、物理モデルによるＥＧＲ率の推定精度を向上することが可能となる。

次に本発明の第４の実施形態について説明する。第２の実施形態では、ＥＧＲセンサとして湿度センサを使用したが、本実施形態では、ＥＧＲセンサとして吸気側酸素濃度センサを使用した点で第２の実施形態と異なっている。上述の通り吸気側酸素濃度センサは吸気管１０内の混合ガスにおける酸素濃度を計測することが可能であり、これによってＥＧＲ率を測定することができるものである。

図１０は、本発明の第４の実施形態におけるＥＧＲ率の学習補正に関する制御フローを示すものである．ここでも、ステップＳ５１〜ステップＳ６２の制御ステップは、図６のステップＳ２３〜ステップＳ３５の制御と同じなので詳細な説明は省略する。

図１０において、ステップＳ５０においては、吸気側酸素濃度センサ２５で検出した酸素濃度から吸気管１０内の「ＥＧＲ率ＲＩＭＯ２」を算出する。本実施形態においても酸素濃度からＥＧＲ率を算出する方法は、種々提案されているので、これらの公知の方法で求めればよいものである。吸気管１０内の「ＥＧＲ率ＲＩＭＯ２」が求まるとステップＳ５１に移行する。これ以降は、図６と同様の制御ステップを実行するものである。

このように、物理モデル内で結露量推定を行うことで、結露が発生しやすい条件でもＥＧＲ率の推定精度を向上することができ、燃費の向上が図れるようになる。また、学習条件が成立しない場合はＥＧＲバルブの開度を小さくし、また、点火時期を遅角することで、過剰なＥＧＲが導入されて失火することを抑制し、また異常燃焼も抑制することができるようになる。

以上の通り、本発明によれば、吸気管を流れる空気とＥＧＲガスの混合ガスの流量を調整するスロットルバルブの下流側に設けたＥＧＲセンサの検出信号を入力として第１のＥＧＲ率を求め、少なくとも空気流量センサとＥＧＲバルブ開度センサの検出信号を入力として所定の演算を行なって第２のＥＧＲ率を推定すると共に、第２のＥＧＲ率をＥＧＲセンサの応答遅れに対応して遅れ処理して第３のＥＧＲ率を求め、更に、第３のＥＧＲ率と第１のＥＧＲ率の差分を反映して第２のＥＧＲ率を学習補正する、ものである。

これによれば、過渡状態時おいても高精度にＥＧＲ率を推定することができる。これにより適切なＥＧＲガス量を燃焼室に導入し異常燃焼を回避することで、燃費の悪化を防止することができる。

尚、本発明は上記した各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…空気流量センサ、４…第１スロットルバルブ、５…過給機、６…インタークーラ、７…第２スロットルバルブ、８…吸気管圧力センサ、９…混合ガス湿度センサ、１２…燃料噴射弁、１３…点火プラグ、１９…差圧センサ、２０…ＥＧＲバルブ、２１…ＥＧＲクーラ、２４…大気湿度センサ、２５…吸気側酸素濃度センサ。

Claims (12)

1. 内燃機関の吸気系に排気系からの排気ガスを再循環するＥＧＲバルブを有する外部ＥＧＲ装置と、前記内燃機関の吸気系に設けられ、前記内燃機関に吸入される空気の空気流量を測定する空気流量センサと、排気ガスが混合された混合ガスのＥＧＲ率を検出するＥＧＲセンサとを備えた内燃機関に使用され、少なくとも前記空気流量センサ、及び前記ＥＧＲセンサに基づき混合ガスのＥＧＲ率を推定するＥＧＲ推定手段を備えた内燃機機関の制御装置において、
   前記ＥＧＲ推定手段は、前記吸気系を流れる混合ガスの流量を調整するスロットルバルブの下流側に設けた前記ＥＧＲセンサの検出信号を入力として第１のＥＧＲ率を求める第１機能部と、少なくとも前記空気流量センサ、前記ＥＧＲバルブの開度センサ、前記スロットルバルブの開度センサの１つ以上の検出信号を入力として所定の演算を行なって第２のＥＧＲ率を推定する第２機能部と、前記第２のＥＧＲ率を前記ＥＧＲセンサの応答遅れに対応して応答遅れ処理して第３のＥＧＲ率を求める第３機能部と、更に、前記第３のＥＧＲ率と前記第１のＥＧＲ率の差分を反映して前記第２のＥＧＲ率を学習補正する第４機能部を備えていることを特徴とする内燃機機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記ＥＧＲセンサは、少なくとも前記吸気系に設けられ混合ガスの湿度を検出する混合ガス湿度センサから構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記ＥＧＲセンサは、前記混合ガス湿度センサに加えて、前記吸気系に設けられ空気の湿度を検出する大気湿度センサから構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記ＥＧＲセンサは、前記吸気系に設けられ混合ガスの酸素濃度を検出する吸気側酸素濃度センサから構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記第２機能部は、混合ガスの挙動を模擬する複数の数式からなる物理モデルを演算して前記第２のＥＧＲ率を推定す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、
   前記第４機能部は、前記第３のＥＧＲ率と前記第１のＥＧＲ率とが所定の値以上に乖離している場合に、前記第３のＥＧＲ率と前記第１のＥＧＲ率の差分に対応して前記第２のＥＧＲ率を学習補正することを特徴とする内燃機機関の制御装置。
7. 請求項６に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記第４機能部による学習補正は、前記物理モデルで使用する前記ＥＧＲバルブの開口面積を補正することで実行され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、
   前記第４機能部による学習補正は、前記第３のＥＧＲ率が前記第１のＥＧＲ率よりも大きい場合、前記ＥＧＲバルブの開口面積を小さくする補正を実行し、前記第３のＥＧＲ率が前記第１のＥＧＲ率よりも小さい場合、前記ＥＧＲバルブの開口面積を大きくする補正を実行することを特徴とする内燃機関の制御装置。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記ＥＧＲ推定手段は、前記吸気系で結露が生じているかどうかを判定する結露判定機能部を備え、結露が生じている場合は前記第４機能部による学習補正を実行しない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、
    前記結露判定機能部は、前記吸気系の推定された水蒸気分圧が飽和水蒸気圧以上になった場合に、前記吸気系に結露が生じたと判定す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、
    推定された前記水蒸気分圧は、前記吸気系の混合ガスの圧力と温度から算出されることを特徴とする内燃機関の制御装置。
12. 請求項９に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記ＥＧＲ推定手段は、前記結露判定機能部によって結露していると判定された状態で、前記第４機能部による学習補正が実行されていない場合、前記ＥＧＲバルブの開度を減少すると共に、点火プラグによる点火時期を遅角することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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