JP7130952B2 - 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関するものである。

従来において、内燃機関の排気管のうち過給機の排気タービンよりも上流側と、内燃機関の吸気管のうち過給機のコンプレッサよりも下流側とを接続するＥＧＲ通路を備え、排気の一部をＥＧＲガスとして循環させる内燃機関が知られている。このような内燃機関では、内燃機関のシリンダに吸入されるシリンダ吸入空気量やＥＧＲ量（より詳しくはＥＧＲ量に基づき算出されるＥＧＲ率）等に応じて、点火時期制御を行っている。このため、ＥＧＲ量を精度よく算出するため、様々な方法が提案されている。

例えば、特許文献１では、所定条件下において、吸気圧と、排気圧と、排気管内音速と、排気管内密度と、ＥＧＲ量とを取得し、これらの各種パラメータに基づき、ＥＧＲバルブ開度と、ＥＧＲ有効開口面積との関係を学習する。そして、学習したＥＧＲバルブ開度とＥＧＲ有効開口面積との関係に基づき、ＥＧＲ量を推定することにより、堆積物により流量特性が変化した場合や、経年劣化により排気管バルブが正常に動作しなくなった場合であっても、ＥＧＲ量を高精度で算出（推定）可能となる。

特開２０１５－１７５６９号公報

ところで、上記方法を採用する場合、排気圧を実測する、又は、マップ演算により推定する必要がある。排気圧を実測するには、高温高圧となる排気管内にセンサを設ける必要がある。一方、マップにより排気圧を推定する場合には、エンジン回転数、吸気圧、及び後処理の状態に応じた排気圧の関係を示すマップを取得する必要がある。しかしながら、このマップ取得のためには、膨大な適合工数を要する。以上により、上記方法においては、排気圧を実測する、又はマップにより推定することが、難しいという問題があった。

本発明は、上記実情に鑑み、各種流量を好適に推定できる内燃機関の制御装置を提供することを主たる目的とする。

上記課題を解決する内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気により吸気を過給する過給機と、前記内燃機関に接続された吸気通路及び排気通路の間に設けられて且つ、前記排気通路のうち前記過給機の排気タービンよりも上流側と前記吸気通路のうち前記過給機のコンプレッサよりも下流側とを接続するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に還流されるＥＧＲ量を制御するＥＧＲバルブと、を備える内燃機関システムに適用され、前記吸気通路において、前記ＥＧＲ通路との合流部分よりも下流の吸気圧を取得する吸気圧取得部と、前記排気タービンの背圧を取得する背圧取得部と、前記排気通路において、前記排気タービンの上流における排気圧としての仮値を、予め定められた探索範囲から選択して設定する設定部と、前記内燃機関のシリンダに吸入されるシリンダ吸気量を取得する吸気量取得部と、前記仮値から前記吸気圧を減算して前記ＥＧＲバルブの前後における第１差圧を算出し、前記第１差圧、前記ＥＧＲバルブにおけるバルブ開度、及びＥＧＲ通路におけるＥＧＲガス密度から算出された第１引数を、第１のモデル演算式に代入して又は第１引数からマップ演算により前記ＥＧＲ量を算出する第１算出部と、前記仮値から前記背圧を減算して前記排気タービンの前後における第２差圧を算出し、前記第２差圧、前記過給機における開度、及び前記排気タービンの下流における排気ガス密度から算出された第２引数を、第２のモデル演算式に代入して又は第２引数からマップ演算により前記排気タービンを通過するタービン通過量を算出する第２算出部と、前記シリンダ吸気量から前記ＥＧＲ量を減算して算出した分岐量が、前記タービン通過量と一致した場合には、前記仮値を排気圧の真値として特定し、一致しなかった場合には、前記設定部により新たな前記仮値を設定させて前記第１算出部に新たな前記ＥＧＲ量を算出させるとともに前記第２算出部に新たな前記タービン通過量を算出させて、前記シリンダ吸気量から新たな前記ＥＧＲ量を減算して算出した新たな分岐量が、新たな前記タービン通過量と一致するか否かを再び判定することを繰り返して排気圧の真値を探索する探索部と、前記探索部により探索された排気圧の真値を利用して、ＥＧＲ量を推定し、ＥＧＲ量が目標ＥＧＲ量と一致するように、ＥＧＲバルブの駆動制御を行う制御部と、を備えることを要旨とする。

ＥＧＲバルブの前後における第１差圧からＥＧＲ量は、算出（推定）可能であり、排気タービンの前後における第２差圧からタービン通過量は、算出（推定）可能である。そして、質量保存の法則から、シリンダ吸気量からＥＧＲ量を減算した値は、タービン通過量に一致するはずなので、設定部は、排気圧として仮値を１又は複数回設定して、そのような条件を満たす排気圧の真値を探索する。そして、探索により特定された真値である排気圧に基づき、ＥＧＲ量など各種流量が好適に算出可能となる。つまり、排気圧を実測又はマップにより推定しなくても、排気圧の真値を特定し、ＥＧＲ量など各種流量を好適に算出することができる。

エンジンシステムを示すブロック図。 排気圧の推定処理を示す機能ブロック図。 排気タービンに対する指令値と、ノズル開度との関係を示す図。 分岐量又はタービン通過量と仮値との関係を示す図。 排気圧推定処理を示すフローチャート。 センサの異常判定処理を示すフローチャート。

以下、本発明に係る内燃機関の制御装置をコモンレール式燃料噴射装置が備えられる多気筒ディーゼルエンジンに適用した実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付している。

本実施形態において、図１にエンジンシステム（内燃機関システム）について示す。図１に示すエンジン１０は、車載主機として車両に搭載されており、吸気、圧縮、膨張及び排気行程からなる４サイクルエンジンである。エンジン１０の吸気通路１１には、上流側から順に、吸気通路１１を流れる新気の質量流量を検出するエアフローメータ１２、ターボチャージャ１６の吸気コンプレッサ１６ａ、更にはスロットルバルブ装置１４が設けられている。スロットルバルブ装置１４は、ＤＣモータ等のアクチュエータにより、スロットルバルブ１４ａの開度を調節する。

吸気通路１１においてスロットルバルブ装置１４の下流側には、サージタンク１５を介してエンジン１０の各気筒の燃焼室１０ａが接続されている。燃焼室１０ａは、エンジン１０のシリンダ１０ｂ及びピストン１７にて区画されている。エンジン１０には、燃焼室１０ａ内に先端部が突出した燃料噴射弁１８が設けられている。燃料噴射弁１８には、蓄圧容器としてのコモンレール１９から高圧の燃料が供給される。具体的には、燃料噴射弁１８には高圧の軽油が供給される。燃料噴射弁１８は、通電操作されることにより、コモンレール１９から供給された燃料を燃焼室１０ａ内へと直接噴射供給する。なお、コモンレール１９には、燃料ポンプ２０から燃料が圧送される。また、図１では、１つの気筒のみを示している。

エンジン１０の各気筒の吸気ポート及び排気ポートのそれぞれは、吸気バルブ２１及び排気バルブ２２のそれぞれにより開閉される。ここでは、吸気バルブ２１の開弁により、新気、又は新気及び後述する外部ＥＧＲガスが燃焼室１０ａに導入される。新気等が燃焼室１０ａに導入された状態で燃料噴射弁１８から燃焼室１０ａに燃料が噴射されると、燃焼室１０ａの圧縮によって燃料が自己着火し、燃焼によってエネルギが発生する。このエネルギは、ピストン１７を介して、エンジン１０のクランク軸２３の回転エネルギとして取り出される。燃焼に供されたガスである既燃ガスは、排気バルブ２２の開弁によって、排気通路２４に排気として排出される。本実施形態において、既燃ガスとは、新気、燃料及び外部ＥＧＲガスが燃焼室１０ａ内で燃焼に供されることにより生成されたガスのことをいう。なお、クランク軸２３付近には、クランク軸２３の回転角度を検出するクランク角度センサ２５が設けられている。

車両には、過給機としてのターボチャージャ１６が設けられている。ターボチャージャ１６は、吸気通路１１に設けられた吸気コンプレッサ１６ａと、排気通路２４に設けられた排気タービン１６ｂと、これらを連結する回転軸１６ｃとを備えている。詳しくは、排気通路２４を流れる排気のエネルギによって排気タービン１６ｂが回転し、その回転エネルギが回転軸１６ｃを介して吸気コンプレッサ１６ａに伝達され、吸気コンプレッサ１６ａによって新気が圧縮される。すなわち、ターボチャージャ１６によって新気が過給される。

なお、本実施形態では、ターボチャージャ１６として、通常のターボチャージャの他に、通電操作によって新気の過給圧を調節可能なものを想定している。また、ターボチャージャ１６として、タービンホイールの羽根角（ノズル開度）を調整することにより過給状態を調整することが可能な可変式ノズル式のターボチャージャ（ＶＮＴ）も想定している。

排気通路２４のうちターボチャージャ１６の下流側には、排気を浄化する浄化装置２６が設けられている。

排気通路２４に排出された排気の一部は、ＥＧＲ通路２７を介して吸気通路１１に還流される。詳しくは、排気通路２４のうち排気タービン１６ｂの上流側は、ＥＧＲ通路２７を介してサージタンク１５に接続されている。ＥＧＲ通路２７には、ＥＧＲバルブ装置２８が設けられている。ＥＧＲバルブ装置２８は、ＤＣモータ等のアクチュエータにより、ＥＧＲバルブ２８ａの開度を調節する。ＥＧＲバルブ２８ａの開度に応じて、排気通路２４に排出された排気の一部が、ＥＧＲクーラ２９によって冷却された後に外部ＥＧＲガスとしてサージタンク１５に供給される。

エンジンシステムを制御対象とする電子制御装置であるＥＣＵ４０は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成されている。ＥＣＵ４０には、吸気圧センサ３１、吸気温センサ３２、排気温センサ３３、及び背圧センサ３４の各検出値がそれぞれ入力される。ＥＣＵ４０には、さらに、アクセルセンサ３７、排気酸素濃度センサ３８、大気圧センサ３９、エアフローメータ１２、及びクランク角度センサ２５の各検出値がそれぞれ入力される。

吸気圧センサ３１は、サージタンク１５内のガス圧力を検出し、吸気温センサ３２は、サージタンク１５内のガス温度を検出する。排気温センサ３３は、燃焼室１０ａから排出された排気の温度を検出する。背圧センサ３４は、排気通路２４において、排気タービン１６ｂの下流であって浄化装置２６等の後処理装置よりも上流側におけるガス圧力を検出する。アクセルセンサ３７は、ドライバのアクセル操作部材のアクセル操作量を検出し、具体的にはアクセルペダルの踏み込み量を検出する。排気酸素濃度センサ３８は、排気中の酸素濃度を検出する。大気圧センサ３９は、大気の圧力を検出する。

ＥＣＵ４０は、上述した各種センサの検出値に基づいて、燃料噴射弁１８の燃料噴射制御、ＥＧＲバルブ装置２８の駆動制御、及びターボチャージャ１６による過給圧制御を含むエンジン１０の燃焼制御を行う。

ＥＧＲバルブ装置２８の駆動制御では、ＥＣＵ４０は、排気酸素濃度の推定値を目標値に一致させるような目標ＥＧＲ量を定め、ＥＧＲ量が目標ＥＧＲ量と一致するように、ＥＧＲバルブ２８ａの開度をフィードバック制御する。

ちなみに、ＥＧＲ量が過少の場合には十分なＮＯｘ低減効果が得られず、ＥＧＲ量が過大の場合には、気筒内の酸素が不足してパティキュレート（特にスモーク）が増加する。そのため、ＥＧＲバルブ装置２８の駆動制御は、スモークの発生量が急増する限界（スモークリミット）までＥＧＲ量を増やすことで、ＮＯｘの低減を狙っている。そこで、スモークの発生量と相関が強い排気酸素濃度を制御指標とし、スモークリミットの排気酸素濃度を上述の目標排気酸素濃度に設定している。また、浄化装置２６の状態に応じても目標排気酸素濃度は設定される。

但し、排気通路２４に搭載された排気酸素濃度センサ３８で排気酸素濃度を直接検出して前記駆動制御に利用する場合には、排気が排気通路２４を流通して排気酸素濃度センサ３８へ到達するのに要する時間と、排気酸素濃度センサ３８が排気酸素濃度を検出してから信号を出力するまでの反応時間を合わせた遅れ時間がある。そのため、排気酸素濃度センサ３８の検出値を上記フィードバック制御に直接用いることは困難である。

そこで、ＥＣＵ４０は、吸気の状態量を検出する吸気系センサ（例えばエアフローメータ１２、吸気圧センサ３１、吸気温センサ３２）の検出値や、燃料の要求噴射量、回転速度をモデル演算式に代入して、排気酸素濃度を推定している。

また、内燃機関を定常運転させている時は、エンジン１０から排出される排気酸素濃度は一定である。このため、排気酸素濃度センサ３８の検出値は前記遅れ時間が排除された現時点での排気酸素濃度と見なすことができる。したがって、定常運転時の排気酸素濃度センサ３８の検出値と推定値との誤差量を学習（定常時学習）し、その学習値に基づき排気酸素濃度推定値を補正している。

このため、ＥＧＲバルブ装置２８の駆動制御では、ＥＧＲ量の算出（推定）を好適に算出する必要がある。以下、ＥＧＲ量を好適に算出するための本実施形態における構成について詳しく説明する。

図２に示すように、ＥＣＵ４０は、吸気圧取得部４１と、背圧取得部４２と、吸気量取得部４３と、設定部４４と、ＥＧＲ量算出部４５と、タービン通過量算出部４６と、探索部４７としての機能を備える。これらの機能は、ＥＣＵ４０が備える記憶装置（記憶用メモリ）に記憶されたプログラムが実行されることで、各種機能が実現される。なお、各種機能は、ハードウェアである電子回路によって実現されてもよく、あるいは、少なくとも一部をソフトウェア、すなわちコンピュータ上で実行される処理によって実現されてもよい。

吸気圧取得部４１としてのＥＣＵ４０は、吸気圧センサ３１からの検出値に基づき、吸気通路１１において、ＥＧＲ通路２７との合流部分よりも下流の吸気圧Ｐｉｍを取得する。

背圧取得部４２としてのＥＣＵ４０は、背圧センサ３４からの検出値に基づき、排気タービン１６ｂの背圧Ｐｔｂ（排気タービン１６ｂよりも下流における排気圧）を取得する。なお、背圧センサ３４を設けたが、大気圧センサ３９から取得した大気圧と、浄化装置２６等の後処理装置により生ずる差圧とから、背圧Ｐｔｂを取得してもよい。

吸気量取得部４３としてのＥＣＵ４０は、シリンダ１０ｂに吸入されるシリンダ吸気量Ｍｃｌｄを取得する。具体的には、ＥＣＵ４０は、吸気圧Ｐｉｍ及び回転速度Ｎｅから体積効率をマップ演算する。そして、吸気温Ｔｉｍ、排気温Ｔｅｘ、吸気圧Ｐｉｍ及び体積効率を用いて気体の状態方程式からシリンダ吸気量Ｍｃｌｄを算出（取得）する。なお、吸気温Ｔｉｍ、排気温Ｔｅｘ、吸気圧Ｐｉｍ及び回転速度Ｎｅから、シリンダ吸気量Ｍｃｌｄをマップ演算により算出（取得）してもよいし、モデル演算式によって算出（取得）してもよい。回転速度Ｎｅ（エンジン回転速度）は、クランク角度センサ２５からの検出値に基づき算出すればよい。

設定部４４としてのＥＣＵ４０は、排気通路２４において、排気タービン１６ｂの上流における排気圧Ｐｅｘとしての仮値Ｐｅｘ１を設定する。具体的には、初回設定時には、予め定められた探索範囲における中間値を仮値Ｐｅｘ１の初期値として設定する。一方、初回以降、排気圧Ｐｅｘの真値Ｐｅｘ２が決定されるまで（探索が終了するまで）の間においては、後述する探索部４７による探索結果（前回の探索結果）として算出（特定）された排気圧Ｐｅｘを、仮値Ｐｅｘ１として設定する。

ＥＧＲ量算出部４５（第１算出部に相当）としてのＥＣＵ４０は、吸気圧Ｐｉｍと仮値Ｐｅｘ１とから、ＥＧＲバルブ２８ａの前後における第１差圧ΔＰ１（＝Ｐｅｘ１－Ｐｉｍ）を算出し、当該第１差圧ΔＰ１に基づき、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒを算出する。なお、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒは、ＥＧＲ通路２７を通過する外部ＥＧＲガスの質量流量のことである。

より詳しく説明すると、ＥＣＵ４０は、第１差圧ΔＰ１、ＥＧＲバルブ２８ａにおけるバルブ開度Ｒｅｇｒ、及びＥＧＲ通路２７におけるＥＧＲガス密度ρｅｇｒに基づき算出された引数Ｃ１を関数Ｆ１に代入して、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒを算出する。なお、ＥＧＲバルブ２８ａにおけるバルブ開度Ｒｅｇｒは、ＥＧＲ通路２７の断面積に対する開口面積の割合のことであり、実測値でもよいし、指令値でもよい。ＥＧＲガス密度ρｅｇｒは、吸気圧Ｐｉｍ及び吸気温Ｔｉｍに基づき、モデル演算式により推定してもよいし、マップ演算により推定してもよい。

ここで、引数Ｃ１は、数式（１）により、第１差圧ΔＰ１、バルブ開度Ｒｅｇｒ、及びＥＧＲガス密度ρｅｇｒに基づき算出されるものである。また、数式（２）に示す関数Ｆ１は、物理式に準拠する近似式（モデル演算式）であり、関数Ｆ１に、引数Ｃ１を代入してＥＧＲ量Ｍｅｇｒを算出する場合、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒは、引数Ｃ１に対して純増の特性を有する。

関数Ｆ１は、どのように導出されるものかについて詳しく説明する。流速と差圧の関係式から、ＥＧＲガスの流速ＶｅｇｒとＥＧＲバルブ２８ａの前後における第１差圧ΔＰ１とは、数式（３）を満たす。なお、摩擦係数を「λ」としている。そして、ＥＧＲバルブ２８ａにおける断面積（開口面積）を「Ａ」とすると、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒは、数式（４）に示すような関係性がある。

ＥＧＲバルブ２８ａにおける断面積Ａは、バルブ開度Ｒｅｇｒに対して純増する性質があるため、数式（４）において、係数Ｒは、バルブ開度Ｒｅｇｒに対して純増とみなせる。したがって、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒは、引数Ｃ１に対して純増の特性を有するといえる。

なお、本実施形態では、引数Ｃ１に基づいてモデル演算式により、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒを算出（取得）したが、引数Ｃ１に基づいて、マップ演算することにより、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒを算出（取得）してもよい。

タービン通過量算出部４６（第２算出部に相当）としてのＥＣＵ４０は、背圧Ｐｔｂと仮値Ｐｅｘ１とから、排気タービン１６ｂの前後における第２差圧ΔＰ２（＝Ｐｅｘ１－Ｐｔｂ）を算出する。そして、ＥＣＵ４０は、当該第２差圧ΔＰ２に基づき、排気タービン１６ｂを通過した空気の質量流量であるタービン通過量Ｍｔｂを算出する。

より詳しく説明すると、ＥＣＵ４０は、第２差圧ΔＰ２、排気タービン１６ｂにおけるノズル開度Ｒｖｎｔ、及び排気通路２４における排気ガス密度ρｅｘに基づき算出された引数Ｃ２を関数Ｆ２に代入して、タービン通過量Ｍｔｂを算出する。なお、排気ガス密度ρｅｘは、背圧Ｐｔｂ及び排気温Ｔｅｘ（又は後処理装置におけるガス温度）に基づき、モデル演算式により推定してもよいし、マップ演算により推定してもよい。ノズル開度Ｒｖｎｔは、ターボチャージャ１６の開度に相当し、排気タービン１６ｂが設けられた排気通路２４の断面積に対する開口面積の割合のことである。

ここで、引数Ｃ２は、数式（５）により、第２差圧ΔＰ２、ノズル開度Ｒｖｎｔ、及び排気ガス密度ρｅｘに基づき算出されるものである。また、数式（６）に示す関数Ｆ２は、関数Ｆ１と同様に、物理式に準拠する近似式（モデル演算式）である。

ところで、ターボチャージャ１６は、可変ノズルなしのターボチャージャの他に、可変ノズル式のターボチャージャを想定している。可変ノズル式のターボチャージャは、排気タービン１６ｂに対して全閉と指令した場合であっても、所定の開口面積が生じるものである。このため、可変ノズル式のターボチャージャを採用する場合、ノズルの開口面積（断面積）が、排気タービン１６ｂに対する指令値に対して純増する性質を有するとは言えない。つまり、可変ノズル式のターボチャージャを採用する場合、排気タービン１６ｂに対する指令値を、バルブ開度Ｒｅｇｒと同様に取り扱うことはできない。

そこで、可変ノズル式のターボチャージャを採用する場合、排気タービン１６ｂに対する指令値を、バルブ開度Ｒｅｇｒと同様に取り扱えるようにするため、排気タービン１６ｂに対する指令値を全閉指令とした場合における所定の開口面積に基づいて補正（修正）している。そして、修正後の値を、ノズル開度Ｒｖｎｔとしている。

具体的には、図３に示すように、排気タービン１６ｂに対する指令値が全開指令（１００パーセント）である場合には、ノズル開度Ｒｖｎｔを１００パーセントとする一方、全閉指令（０パーセント）である場合には、所定の開口面積に基づき算出された開度（αパーセント）がノズル開度Ｒｖｎｔとなるように、指令値を修正する。その際、ノズル開度Ｒｖｎｔに対して、ノズルの開口面積が純増する性質を有するように修正する。

これにより、ノズル開度Ｒｖｎｔは、ノズルの開口面積に対して純増する関係となり、関数Ｆ２に引数Ｃ２を代入してタービン通過量Ｍｔｂを算出する場合、タービン通過量Ｍｔｂは、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒと同様に、引数Ｃ２に対して純増の特性を有することとなる。

なお、本実施形態では、引数Ｃ２に基づいてモデル演算式により、タービン通過量Ｍｔｂを算出（取得）したが、引数Ｃ２に基づいて、マップ演算することにより、タービン通過量Ｍｔｂを算出（取得）してもよい。

探索部４７としてのＥＣＵ４０は、排気圧Ｐｅｘの真値Ｐｅｘ２を探索するものである。すなわち、図１に示すように、質量保存の法則からシリンダ吸気量ＭｃｌｄからＥＧＲ量Ｍｅｇｒを減算した値（以下、分岐量Ｍｅｘと示す）は、タービン通過量Ｍｔｂと一致するはずである。そこで、ＥＣＵ４０は、シリンダ吸気量ＭｃｌｄからＥＧＲ量Ｍｅｇｒを減算した値が、タービン通過量Ｍｔｂに一致する（近づく）ような、排気圧Ｐｅｘの真値Ｐｅｘ２を探索する。

ところで、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒは、前述したように、引数Ｃ１に対して純増する特性を有する。そして、引数Ｃ１は、数式（１）に示すように、排気圧Ｐｅｘの仮値Ｐｅｘ１に対して純増する。このため、図４において実線で示すように、シリンダ吸気量ＭｃｌｄからＥＧＲ量Ｍｅｇｒを減算することにより算出される分岐量Ｍｅｘは、排気圧Ｐｅｘの仮値Ｐｅｘ１に対して、純減することとなる。

一方、タービン通過量Ｍｔｂは、引数Ｃ２に対して純増の特性を有することとなる。そして、引数Ｃ２は、数式（５）に示すように、排気圧Ｐｅｘの仮値Ｐｅｘ１に対して純増する。このため、図４において破線で示すように、タービン通過量Ｍｔｂは、排気圧Ｐｅｘの仮値Ｐｅｘ１に対して純増することとなる。

従って、図４に示すように、分岐量Ｍｅｘとタービン通過量Ｍｔｂと一致するような排気圧Ｐｅｘの真値Ｐｅｘ２を探索する際、局所解がないことが物理的に担保されている。すなわち、最適な解が１つであり、所定の演算回数（例えば、５回）を行うことにより、所定の精度で、解（真値）の探索を完了することが可能となる。

本実施形態において、ＥＣＵ４０は、排気圧Ｐｅｘの真値Ｐｅｘ２を探索する場合、二分探索を採用している。詳しく説明すると、ＥＣＵ４０は、分岐量Ｍｅｘ（＝Ｍｃｌｄ間－Ｍｅｇｒ）を算出する。そして、ＥＣＵ４０は、分岐量Ｍｅｘからタービン通過量Ｍｔｂを減算した値（Ｍｅｘ－Ｍｔｂ）が、０よりも大きければ、式（７）に基づき、今回の排気圧（Ｐｅｘ１（ｎ））よりも真値に近い排気圧（Ｐｅｘ１（ｎ＋１））を算出する。一方、分岐量Ｍｅｘからタービン通過量Ｍｔｂを減算した値が、０よりも小さければ、式（８）に基づき、今回の排気圧（Ｐｅｘ１（ｎ））よりも真値に近い排気圧（Ｐｅｘ１（ｎ＋１））を算出する。

なお、数式（７）、（８）において、「ｎ」は、演算回数（探索回数）を示し、初期値は１であり、演算（探索）を行うごとに、１加算される。また、数式（７）、（８）において、「Ｐｅｘ１（ｎ）」は、今回における仮値Ｐｅｘ１に相当する値である。「Ｐｅｘ１（ｎ＋１）」は、今回の排気圧よりも真値に近い排気圧であり、真値Ｐｅｘ２（所定の演算回数を実行した場合）、又は次回における仮値Ｐｅｘ１（所定の演算回数を実行していない場合）に相当する値である。「Ｐｅｘｍａｘ」は、探索範囲における排気圧Ｐｅｘの最大値を示し、「Ｐｅｘｍｉｎ」は、探索範囲における排気圧Ｐｅｘの最小値を示す。

探索部４７としてのＥＣＵ４０は、所定の演算回数（探索回数、例えば、５回）、演算を繰り返し、その後に算出されたＰｅｘ１（ｎ＋１）を真値Ｐｅｘ２とする。なお、所定の演算回数は、固定回数であり、真値Ｐｅｘ２の算出精度により、定められている。つまり、高精度に算出する必要がある場合には、演算回数を多くすればよい。また、分岐量Ｍｅｘとタービン通過量Ｍｔｂが一致すれば、仮値Ｐｅｘ１が真値Ｐｅｘ２として特定する。

ＥＣＵ４０は、排気圧Ｐｅｘの真値Ｐｅｘ２を特定した場合、特定した真値Ｐｅｘ２に基づき、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒ等、各種流量の真値を特定し、ＥＧＲバルブ装置２８の駆動制御などの各種制御を実行する。

次に、図５に基づいて、排気圧Ｐｅｘを推定するため、ＥＣＵ４０により実行される排気圧推定処理について説明する。排気圧推定処理は、所定周期ごとに実行される。なお、本実施形態では、所定周期ごとに実行されたが、所定のタイミング（例えば、吸気開始のタイミング）において実行されてもよい。

ＥＣＵ４０は、各種情報（吸気圧Ｐｉｍ、背圧Ｐｔｂ、吸気温Ｔｉｍ、排気温Ｔｅｘなど）を取得する（ステップＳ１０１）。そして、ＥＣＵ４０は、取得した各種情報に基づき、シリンダ吸気量Ｍｃｌｄや、その他ガス密度（ＥＧＲガス密度ρｅｇｒ、排気ガス密度ρｅｘ）などを算出し、取得する（ステップＳ１０２）。

次に、ＥＣＵ４０は、排気圧Ｐｅｘの仮値Ｐｅｘ１を設定する（ステップＳ１０３）。排気圧推定処理が実行されてから、ステップＳ１０３を最初に実行する場合には、予め決められた排気圧Ｐｅｘの探索範囲における中間値を初期値として設定する。なお、探索範囲は、排気圧Ｐｅｘとして取り得る可能性がある最小の値を下限とし、最大の値を上限としている。

一方、排気圧推定処理が実行されてから、ステップＳ１０３の実行回数が２回目以降である場合には、ＥＣＵ４０は、後述するステップＳ１０７による探索結果（前回の探索結果）として特定された排気圧Ｐｅｘを、仮値Ｐｅｘ１として設定する。

そして、ＥＣＵ４０は、吸気圧Ｐｉｍと仮値Ｐｅｘ１とからＥＧＲバルブ２８ａの前後における第１差圧ΔＰ１を算出し、当該第１差圧ΔＰ１に基づき、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒを算出（取得）する（ステップＳ１０４）。より詳しくは、ＥＣＵ４０は、第１差圧ΔＰ１、バルブ開度Ｒｅｇｒ、及びＥＧＲガス密度ρｅｇｒに基づき引数Ｃ１を算出し、引数Ｃ１に基づき、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒを算出する。

ＥＣＵ４０は、ステップＳ１０２で算出（取得）されたシリンダ吸気量Ｍｃｌｄから、ステップＳ１０４で算出（取得）されたＥＧＲ量Ｍｅｇｒを減算して、分岐量Ｍｅｘを算出（取得）する（ステップＳ１０５）。

そして、ＥＣＵ４０は、背圧Ｐｔｂと仮値Ｐｅｘ１とから排気タービン１６ｂの前後における第２差圧ΔＰ２を算出し、当該第２差圧ΔＰ２に基づき、タービン通過量Ｍｔｂを算出（取得）する（ステップＳ１０６）。より詳しくは、ＥＣＵ４０は、第２差圧ΔＰ２、ノズル開度Ｒｖｎｔ、及び排気ガス密度ρｅｘに基づき引数Ｃ２を算出し、算出された引数Ｃ２に基づき、タービン通過量Ｍｔｂを算出する。

ＥＣＵ４０は、分岐量Ｍｅｘが、タービン通過量Ｍｔｂに一致する（近づく）ような、排気圧Ｐｅｘを探索する（ステップＳ１０７）。具体的には、ＥＣＵ４０は、分岐量Ｍｅｘからタービン通過量Ｍｔｂを減算した値（Ｍｅｘ－Ｍｔｂ）が、０よりも大きければ、式（７）に基づき、今回の排気圧（Ｐｅｘ１（ｎ））よりも真値に近い排気圧（Ｐｅｘ１（ｎ＋１））を算出する。一方、分岐量Ｍｅｘからタービン通過量Ｍｔｂを減算した値が、０よりも小さければ、式（８）に基づき、今回の排気圧（Ｐｅｘ１（ｎ））よりも真値に近い排気圧（Ｐｅｘ１（ｎ＋１））を算出する。

ＥＣＵ４０は、演算が終了したか否かを判定する（ステップＳ１０８）。具体的には、排気圧推定処理が実行されてから、ステップＳ１０７の実行回数が所定の演算回数（例えば、５回）となったか否かを判定する。この判定結果が否定の場合、ステップＳ１０３の処理に移行し、ステップＳ１０３以降の処理を再び実行する。なお、次のステップＳ１０３において、今回のステップＳ１０７の探索結果により算出（特定）された排気圧（Ｐｅｘ１（ｎ＋１））を、新たな仮値Ｐｅｘ１として設定する。

一方、この判定結果が肯定の場合、ＥＣＵ４０は、排気圧推定処理を終了する。終了する際、ＥＣＵ４０は、最後のステップＳ１０７において算出された排気圧（Ｐｅｘ１（ｎ＋１））を真値Ｐｅｘ２として特定する。また、ＥＣＵ４０は、特定した排気圧Ｐｅｘの真値Ｐｅｘ２に基づき、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒなどの各種流量を推定する。なお、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒの算出方法は、ステップＳ１０４における算出方法と同様である。

上記構成により、以下の効果を奏する。

ＥＧＲバルブ２８ａの前後における第１差圧ΔＰ１からＥＧＲ量Ｍｅｇｒは、算出（推定）可能であり、排気タービン１６ｂの前後における第２差圧ΔＰ２からタービン通過量Ｍｔｂは、算出（推定）可能である。そして、質量保存の法則から、シリンダ吸気量ＭｃｌｄからＥＧＲ量Ｍｅｇｒを減算した値（分岐量Ｍｅｘ）は、タービン通過量Ｍｔｂに一致するはずである。ＥＣＵ４０は、排気圧Ｐｅｘとしての仮値Ｐｅｘ１を１又は複数回設定して、そのような条件を満たす排気圧Ｐｅｘの真値Ｐｅｘ２を探索する。そして、探索により特定された真値Ｐｅｘ２に基づき、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒなど各種流量の真値が好適に算出可能となる。つまり、排気圧Ｐｅｘを実測又はマップにより推定しなくても、排気圧Ｐｅｘの真値Ｐｅｘ２を特定し、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒなど各種流量（の真値）を好適に算出することができる。

ＥＣＵ４０は、第１差圧ΔＰ１、ＥＧＲバルブ２８ａにおけるバルブ開度Ｒｅｇｒ、及びＥＧＲ通路２７におけるＥＧＲガス密度ρｅｇｒにより算出された引数Ｃ１に基づいて、ＥＧＲ量Ｍｅｇｒを算出する。また、ＥＣＵ４０は、第２差圧ΔＰ２、排気タービン１６ｂにおけるノズル開度Ｒｖｎｔ、及び排気タービン１６ｂの下流における排気ガス密度ρｅｘにより算出された引数Ｃ２に基づいて、タービン通過量Ｍｔｂを算出する。このようにした場合、図４に示すように、分岐量Ｍｅｘは、排気圧Ｐｅｘ（仮値Ｐｅｘ１）に対して純減し、タービン通過量Ｍｔｂは、排気圧Ｐｅｘ（仮値Ｐｅｘ１）に対して純増する。このため、局所解が存在せず、固定回数の設定（演算）で、所望の精度の排気圧Ｐｅｘ（真値Ｐｅｘ２）を特定することが可能となる。

可変ノズル式のターボチャージャの場合、排気タービン１６ｂに対する指令値が全閉指令とされた場合に生じる所定の開口面積に基づき、排気タービン１６ｂに対する指令値を修正し、ノズル開度Ｒｖｎｔとしている。つまり、指令値が全開指令である場合には、ノズル開度Ｒｖｎｔを１００パーセントとする一方、全閉指令である場合には、所定の開口面積に基づき算出された開度（αパーセント）となるように、指令値を修正し、ノズル開度Ｒｖｎｔとしている。このため、全閉指令とした場合に、所定の開口面積が生じる可変ノズル式のターボチャージャを採用した場合であっても、タービン通過量Ｍｔｂを、排気圧Ｐｅｘ（仮値Ｐｅｘ１）に対して適切に純増させることができ、局所解がないことを担保することができる。

ＥＣＵ４０は、予め設定した探索範囲において、二分探索により、排気圧Ｐｅｘの真値Ｐｅｘ２を探索する。二分探索では、予め探索範囲を定め、真値（解）を含む区間の中心を繰り返し求めることで、真値に近づくため、探索結果の精度が探索回数で一意に決定される。このため、どのような条件でも、固定演算回数で真値（解）を見つけることができる。

（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限定されず、例えば以下のように実施してもよい。なお、以下では、各実施形態で互いに同一又は均等である部分には同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

上記実施形態において、二分探索を採用したが、これ以外の探索方法を採用してもよい。例えば、線形探索を採用してもよい。
上記実施形態において、ノズル開度として、指令値を修正したものを使用したが、ノズル開度の実測値（推定値を含む）であってもよい。

上記実施形態において、吸気通路１１、排気通路２４及びＥＧＲ通路２７のうち少なくともいずれかに、通過する空気量（ガス量）を検出するセンサを設けてもよい。この場合、ＥＣＵ４０にセンサの異常を検出する異常検出部としての機能を備えてもよい。例えば、図６に示すように、ＥＣＵ４０は、探索された排気圧Ｐｅｘの真値Ｐｅｘ２に基づき、当該センサにより検出されるべき空気量（センサの推定値）を推定（算出）する（ステップＳ２０１）。その後、ＥＣＵ４０は、推定した空気量（算出結果）と、当該センサにより検出された空気量（入力結果）との比較を行う（ステップＳ２０２）。そして、ＥＣＵ４０は、その比較に基づき、センサの異常を判定する（ステップＳ２０３）。つまり、ＥＣＵ４０は、差が閾値以上であるか否かに基づき、異常を判定する。センサの異常がある場合、ＥＣＵ４０は、異常を通知し（ステップＳ２０４）、異常がない場合には、処理を終了する。

上記実施形態において、排気タービン１６ｂよりも上流側に排気圧Ｐｅｘを検出する圧力センサを設けてもよい。この場合、ＥＣＵ４０に当該圧力センサの異常を検出する異常検出部としての機能を備えてもよい。例えば、図６に示すように、ＥＣＵ４０は、探索された排気圧Ｐｅｘの真値Ｐｅｘ２により、当該圧力センサにより検出されるべき排気圧（センサの推定値）を推定（算出）する（ステップＳ２０１）。その後、ＥＣＵ４０は、推定した排気圧（算出結果、すなわち、真値）と、当該圧力センサにより検出された排気圧（入力結果、すなわち実測値）との比較を行う（ステップＳ２０２）。そして、ＥＣＵ４０は、その比較に基づき、圧力センサの異常を判定する（ステップＳ２０３）。つまり、ＥＣＵ４０は、差が閾値以上であるか否かに基づき、異常を判定する。圧力センサの異常がある場合、ＥＣＵ４０は、異常を通知し（ステップＳ２０４）、異常がない場合には、処理を終了する。

１０…エンジン、１１…吸気通路、１６…ターボチャージャ、１６ｂ…排気タービン、２４…排気通路、２７…ＥＧＲ通路、２８ａ…ＥＧＲバルブ、４０…ＥＣＵ、４１…吸気圧取得部、４２…背圧取得部、４３…吸気量取得部、４４…設定部、４５…ＥＧＲ量算出部、４６…タービン通過量算出部、４７…探索部。

Claims (5)

1. 内燃機関（１０）の排気により吸気を過給する過給機（１６）と、前記内燃機関に接続された吸気通路（１１）及び排気通路（２４）の間に設けられて且つ、前記排気通路のうち前記過給機の排気タービン（１６ｂ）よりも上流側と前記吸気通路のうち前記過給機のコンプレッサ（１６ａ）よりも下流側とを接続するＥＧＲ通路（２７）と、前記ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に還流されるＥＧＲ量を制御するＥＧＲバルブ（２８ａ）と、を備える内燃機関システムに適用される内燃機関の制御装置（４０）において、
   前記吸気通路において、前記ＥＧＲ通路との合流部分よりも下流の吸気圧を取得する吸気圧取得部（４１）と、
   前記排気タービンの背圧を取得する背圧取得部（４２）と、
   前記排気通路において、前記排気タービンの上流における排気圧としての仮値を、予め定められた探索範囲から選択して設定する設定部（４４）と、
   前記内燃機関のシリンダに吸入されるシリンダ吸気量を取得する吸気量取得部（４３）と、
   前記仮値から前記吸気圧を減算して前記ＥＧＲバルブの前後における第１差圧を算出し、前記第１差圧、前記ＥＧＲバルブにおけるバルブ開度、及びＥＧＲ通路におけるＥＧＲガス密度から算出された第１引数を、第１のモデル演算式に代入して又は第１引数からマップ演算により前記ＥＧＲ量を算出する第１算出部（４５）と、
   前記仮値から前記背圧を減算して前記排気タービンの前後における第２差圧を算出し、前記第２差圧、前記過給機における開度、及び前記排気タービンの下流における排気ガス密度から算出された第２引数を、第２のモデル演算式に代入して又は第２引数からマップ演算により前記排気タービンを通過するタービン通過量を算出する第２算出部（４６）と、
   前記シリンダ吸気量から前記ＥＧＲ量を減算して算出した分岐量が、前記タービン通過量と一致した場合には、前記仮値を排気圧の真値として特定し、一致しなかった場合には、前記設定部により新たな前記仮値を設定させて前記第１算出部に新たな前記ＥＧＲ量を算出させるとともに前記第２算出部に新たな前記タービン通過量を算出させて、前記シリンダ吸気量から新たな前記ＥＧＲ量を減算して算出した新たな分岐量が、新たな前記タービン通過量と一致するか否かを再び判定することを繰り返して排気圧の真値を探索する探索部（４７）と、
   前記探索部により探索された排気圧の真値を利用して、ＥＧＲ量を推定し、ＥＧＲ量が目標ＥＧＲ量と一致するように、ＥＧＲバルブの駆動制御を行う制御部と、を備える内燃機関の制御装置。
2. 前記過給機は、前記排気タービンに対する指令値が全閉指令とされた場合に所定の開口面積が生じるものであり、
   前記過給機における開度は、前記所定の開口面積に基づき、前記排気タービンに対する指令値を修正したものである請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記設定部は、予め設定した探索範囲の中間値を前記仮値の初期値として設定し、
   前記探索部は、前記シリンダ吸気量から前記ＥＧＲ量を減算して算出した分岐量が、前記タービン通過量と一致しなかった場合、前記分岐量から前記タービン通過量を減算した値がゼロよりも大きければ、前記仮値を大きくした値を算出し、当該値を前記設定部に新たな仮値として設定させる一方、前記分岐量から前記タービン通過量を減算した値がゼロよりも小さければ、前記仮値を小さくした値を算出し、当該値を前記設定部に新たな仮値として設定させ、その後、前記第１算出部に新たな前記ＥＧＲ量を算出させるとともに前記第２算出部に新たな前記タービン通過量を算出させて、前記シリンダ吸気量から新たな前記ＥＧＲ量を減算した値が、新たな前記タービン通過量と一致するか否かを再び判定することを繰り返して前記排気圧の真値を探索する請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記探索部は、予め設定した探索範囲において、二分探索により、前記排気圧の真値を探索する請求項１～３のうちいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記排気通路のうち前記過給機の排気タービンよりも上流側に圧力センサが設けられ、
   前記探索部により探索された排気圧の真値と、前記圧力センサにより検出された実測値との比較に基づき、前記圧力センサの異常を検出する異常検出部を備えた請求項１～４のうちいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。

Images