JPWO2014080523A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明の課題は、排気通路と吸気通路とをＥＧＲ弁を介して接続する内燃機関において、ＥＧＲ弁の操作によるＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の制御精度を高めることである。このため、本発明に係る制御装置は、ＥＧＲ弁の動作に対するＥＧＲガスの動きの応答遅れの指標である一次遅れ時定数をＥＧＲ弁の上流と下流の圧力差に基づいて算出する。本発明に係る制御装置は、ＥＧＲ弁の上流と下流の圧力差から算出した一次遅れ時定数とＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の目標値とから制御目標値を算出し、制御目標値に従ってＥＧＲ弁を動作させる。

Description

本発明は、排気通路と吸気通路とをＥＧＲ弁を介して接続する内燃機関の制御装置に関する。

特開２００５−５４６５７号公報には、ディーゼルエンジンのＥＧＲ制御に関する技術が開示されている。この公報に記載の技術によれば、エンジン回転数、目標噴射量及び水温に基づいて目標ＥＧＲ率が計算され、目標ＥＧＲ率へ向けてＥＧＲ弁の開度が制御される。ただし、吸入新気量の推定には目標ＥＧＲ率ではなく、目標ＥＧＲ率に対して一次遅れ処理やディレイ処理を施すことにより得られるＥＧＲ率の予測値が用いられる。ＥＧＲ率が急激に変化する過渡期には、ＥＧＲ通路やコレクタ部の容積に起因する応答遅れによって実際のＥＧＲ率は目標ＥＧＲ率に遅れて追従するからである。なお、上記公報にはＥＧＲ率の予測値の計算に用いる一次遅れ処理やディレイ処理の具体的方法については記載されていない。

上記公報に記載の技術では、ＥＧＲガスの応答遅れを考慮した方法で実際のＥＧＲ率を予測することによって吸入新気量の推定精度が高められている。しかしながら、上記公報に記載の技術では、実ＥＧＲ率の目標ＥＧＲ率に対する遅れに対しては何ら対策が施されていない。このため、目標ＥＧＲ率はエンジン回転数や燃料噴射量から定まるＥＧＲ率の最適値であるにも関わらず、応答遅れが発生する過渡期には、ＥＧＲ率やＥＧＲ量を目標ＥＧＲ率に制御することができない。つまり、ＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の制御精度の点において上記公報に記載の技術には問題がある。

特開２００５−５４６５７号公報

本発明は、排気通路と吸気通路とをＥＧＲ弁を介して接続する内燃機関において、ＥＧＲ弁の操作によるＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の制御精度を高めることを課題とする。そして、この課題を達成するために、本発明に係る内燃機関の制御装置は、以下の動作を行うように構成される。

本発明に係る制御装置は、ＥＧＲ弁の動作に対するＥＧＲガスの動きの応答遅れの指標である一次遅れ時定数をＥＧＲ弁の上流と下流の圧力差に基づいて算出する。そして、本発明に係る制御装置は、算出した一次遅れ時定数とＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の目標値とからＥＧＲ弁の制御に係る制御目標値を算出する。制御目標値の計算の方法としては、ＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の目標値に対して一次遅れ時定数を用いた逆一次遅れ変換を施すことによって制御目標値を算出することが好ましい。本発明に係る制御装置は、このようして得られた制御目標値に従ってＥＧＲ弁を動作させる。これによれば、応答遅れが発生する過渡期においてもＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の実際値を目標値に精度良く追従させることができる。

なお、ＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の目標値は好ましくは次のような方法で算出する。まず、内燃機関の負荷及び回転数とＥＧＲ率或いはＥＧＲ量に影響する温度圧力条件の値とに基づいて、定常性能を前提としたＥＧＲ率或いはＥＧＲ量のベース目標値を算出する。また、上記の温度圧力条件の値と、上記の負荷及び回転数のもとでの温度圧力条件の定常値との差に基づいて、過渡期におけるＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の補正量を算出する。そして、定常性能を前提としたベース目標値を過渡期における補正量で補正することによって、ＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の目標値を算出する。このような方法によれば、現在の負荷及び回転数における最適なＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の目標値を過渡期においても算出することができる。

本発明の実施の形態の制御装置が適用されるエンジンシステムの構成を示すブロック図である。 ＥＧＲ弁動作前の排気圧と過給圧との圧力差に対する一次遅れ時定数の傾向を調べた結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態の制御装置により実行されるＥＧＲ制御のためのルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の制御装置による制御目標値とＥＧＲ弁開度の計算例を示すグラフである。

本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態の制御装置が適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。本実施の形態に係る内燃機関は、ターボ過給機付きのディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）である。エンジンの本体２には４つの気筒が直列に備えられ、気筒ごとにインジェクタ８が設けられている。エンジン本体２にはインテークマニホールド４とエキゾーストマニホールド６が取り付けられている。インテークマニホールド４にはエアクリーナ２０から取り込まれた新気が流れる吸気通路１０が接続されている。吸気通路１０にはターボ過給機のコンプレッサ１４が取り付けられている。吸気通路１０においてコンプレッサ１４の下流にはディーゼルスロットル２４が設けられている。吸気通路１０においてコンプレッサ１４とディーゼルスロットル２４との間にはインタークーラ２２が備えられている。エキゾーストマニホールド６にはエンジン本体２から出た排気ガスを大気中に放出するための排気通路１２が接続されている。排気通路１２にはターボ過給機のタービン１６が取り付けられている。ターボ過給機は可変容量型であって、タービン１６には可変ノズル１８が備えられている。排気通路１２においてタービン１６の下流には排気ガスを浄化するための触媒装置２６が設けられている。

本実施の形態に係るエンジンは、排気系から吸気系へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ装置を備えている。ＥＧＲ装置は、吸気通路１０におけるディーゼルスロットル２４の下流の位置とエキゾーストマニホールド６とをＥＧＲ通路３０によって接続している。ＥＧＲ通路３０にはＥＧＲ弁３２が設けられている。ＥＧＲ通路３０においてＥＧＲ弁３２の排気側にはＥＧＲクーラ３４が備えられている。ＥＧＲ通路３０にはＥＧＲクーラ３４をバイパスするバイパス通路３６が設けられている。ＥＧＲ通路３０から分岐したバイパス通路３６が再びＥＧＲ通路３０に合流する箇所には、排気ガスが流れる方向を切り替えるバイパス弁３８が設けられている。

本実施の形態に係るエンジンシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備える。ＥＣＵ５０は、エンジンシステムの全体を総合制御する制御装置であって、本発明に係る制御装置はＥＣＵ５０の一つの機能として具現化されている。

ＥＣＵ５０は、エンジンシステムが備えるセンサの信号を取り込み処理する。センサはエンジンシステムの各所に取り付けられている。吸気通路１０には、エアクリーナ２０の下流にエアフローメータ５８が取り付けられ、ディーゼルスロットルの下流には過給圧センサ５４が取り付けられ、インテークマニホールド４には温度センサ６０が取り付けられている。また、エキゾーストマニホールド６には排気圧センサ５６が取り付けられている。さらに、クランク軸の回転を検出する回転数センサ５２や、アクセルペダルの開度に応じた信号を出力するアクセル開度センサ６２なども取り付けられている。ＥＣＵ５０は、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムにしたがって各アクチュエータを操作する。ＥＣＵ５０によって操作されるアクチュエータには、可変ノズル１８、インジェクタ８、ＥＧＲ弁３２、ディーゼルスロットル２４などが含まれている。なお、ＥＣＵ５０に接続されるアクチュエータやセンサは図中に示す以外にも多数存在するが、本明細書においてはその説明は省略する。

ＥＣＵ５０により実行されるエンジン制御にはＥＧＲ制御が含まれる。本実施の形態のＥＧＲ制御では、各種センサの信号から算出されたＥＧＲ率の実際値が制御目標値になるようにフィードフォワード制御及びフィードバック制御によってＥＧＲ弁３２が操作される。ただし、従来のＥＧＲ制御では、エンジン回転数や燃料噴射量から決定されるＥＧＲ率の目標値がそのまま制御目標値として設定されていたが、本実施の形態のＥＧＲ制御では、ＥＧＲ率目標値に基づいて制御上の目標値である制御目標値が決定される。つまり、本実施の形態のＥＧＲ制御では、エンジンの１つの状態量の目標値としてＥＧＲ率目標値が決定されるとともに、ＥＧＲ弁３２の操作によるＥＧＲ制御のための制御目標値がＥＧＲ率目標値とは別に決定される。以下、本実施の形態のＥＧＲ制御における制御目標値の決定方法について説明する。

ＥＧＲ弁３２の動作に対するＥＧＲガスの動きには応答遅れがある。このため、ＥＧＲ率の目標値をそのまま制御目標値としてＥＧＲ弁３２の開度を変化させたとしても、実際に得られるＥＧＲ率の変化はＥＧＲ率の目標値に対して遅れたものとなる。ＥＧＲ率の目標値を実際のＥＧＲ率の変化において達成するためには、応答遅れを考慮した制御目標値の決定が必要となる。

ＥＧＲ弁３２の動作に対するＥＧＲガスの動きの応答遅れ、つまり、ＥＧＲ弁３２の開度の変化に対するＥＧＲ率の変化の応答遅れは、「一次遅れ」で表すことができる。これは、制御目標値に従ってＥＧＲ弁３２を動作させることで得られるＥＧＲ率の波形は、制御目標値を一次遅れ処理して得られる波形に相当することを意味する。よって、制御目標値を一次遅れ処理して得られる波形がＥＧＲ率の目標値の波形になるように制御目標値が決定されているならば、制御目標値に従ってＥＧＲ弁３２を動作させることで、実際のＥＧＲ率の変化においてＥＧＲ率の目標値を達成することが可能となる。

上記のように制御目標値を決定するうえで重要なことは、一次遅れ処理後の波形を決定付ける「一次遅れ時定数」をどのように決定するかである。この点に関し、本願に係る発明者は、ＥＧＲ弁３２の開度の変化に対するＥＧＲ率の変化の応答遅れの程度は、ＥＧＲ弁３２の上流と下流の圧力差に関係することを確認した。応答遅れの指標が一次遅れ時定数であり、一次遅れ時定数とＥＧＲ弁３２の上流と下流の圧力差との間には明確な関係があることが実験によって確認された。

図２は、ＥＧＲ弁３２の動作前の排気圧と過給圧との圧力差に対する一次遅れ時定数の傾向を調べた結果を示すグラフである。このグラフからは、圧力差が大きくなるに連れて一次遅れ時定数は小さくなる、すなわち、ＥＧＲ率の変化速度が速くなることが分かる。このグラフに示す特性を既知の情報として把握しておくことにより、具体的には、前記特性をマップ化してＥＣＵ５０に記憶しておくことにより、ＥＧＲ弁３２の上流と下流の圧力差が分かれば一次遅れ時定数は一義的に特定することができる。一次遅れ時定数が特定できれば、それを用いた逆一次遅れ変換により、ＥＧＲ率の目標値からそれを実際のＥＧＲ率の変化において達成するための制御目標値を算出することができる。

具体的な制御目標値の決定方法は、図３のフローチャートを用いて説明することができる。図３のフローチャートは、本実施の形態でＥＣＵ５０により実行されるＥＧＲ制御のためのルーチンを示している。

図３に示すルーチンのステップＳ１では、回転数センサ５２の信号からエンジン回転数が計測される。ステップＳ２では、アクセル開度センサ６２の信号から得られたアクセル開度に応じて燃料噴射量が算出される。ステップＳ３では、過給圧センサ５４の信号からＥＧＲ弁３２の下流の圧力である過給圧が算出される。ステップＳ４では、温度センサ６０の信号からインテークマニホールド４内のガスの温度が算出される。以上のステップの処理は、エンジンの状態量目標値としてのＥＧＲ率目標値の算出に必要なデータを得るための処理である。したがって、各ステップの順番は適宜変更することもできる。

ＥＧＲ率目標値の算出はステップＳ５−Ｓ７で行われる。ステップＳ５では、ステップＳ１−Ｓ４で取得されたエンジン回転数、燃料噴射量、過給圧、及びインテークマニホールドガス温度に応じて、定常性能を前提としたＥＧＲ率目標値が算出される。定常性能を前提としたＥＧＲ率目標値とは、エンジンが定常状態にあるときに所望の性能を得ることができるＥＧＲ率の値を意味している。定常性能を前提としたＥＧＲ率目標値は、筒内流入空気量と定常時のスモーク限界空気量との関数で表すことができる。次の式１において、EGRstは定常性能を前提としたＥＧＲ率目標値、Gcylinderは筒内流入空気量、Glimitは定常時スモーク限界空気量である。
EGRst＝(Gcylinder−Glimit)/Gcylinder ・・・式１

式１における筒内流入空気量Gcylinderは、過給圧とインテークマニホールドガス温度との関数で表すことができる。次の式２において、Tinはインテークマニホールドガス温度、Pchargeは過給圧である。また、Ａ，ａ，ｂはそれぞれ定数である。
Gcylinder＝(Ａ/Tin)*(a*Pcharge＋b) ・・・式２

式１におけるスモーク限界空気量Glimitは、スモークの発生を許容可能な程度に抑えることのできる空気量の下限値を意味する。スモーク限界空気量Glimitは、エンジン回転数と燃料噴射量とから決まる定数である。燃料噴射量はエンジンの負荷の大きさを表している。ＥＣＵ５０には、スモーク限界空気量をエンジン回転数と燃料噴射量とに関連付けて記憶したマップが用意されている。

ステップＳ６では、ステップＳ１−Ｓ４で取得されたエンジン回転数、燃料噴射量、過給圧、及びインテークマニホールドガス温度に応じて、過渡期におけるＥＧＲ率の補正量が算出される。ＥＧＲ率補正量としては次の２種類が用意される。

第１のＥＧＲ率補正量は、過給圧の過渡に対応するＥＧＲ率補正量であり、定常性能を前提としたＥＧＲ率目標値に対する補正係数として用いられる。過給圧の大小は噴霧された燃料の微粒化速度に影響し、燃料の微粒化速度が大きいほど前述のスモーク限界空気量は小さくなる。第１のＥＧＲ率補正量は、過給圧のスモーク限界空気量に与える影響を補正するために設けられ、現在の過給圧と定常時の過給圧との差に応じた定数とされている。なお、定常時の過給圧とは、仮に現在が定常時であるとした場合に現在のエンジン回転数及び燃料噴射量で得られる過給圧を意味する。ＥＣＵ５０には、定常時過給圧をエンジン回転数と燃料噴射量とに関連付けて記憶したマップと、第１のＥＧＲ率補正量を現在過給圧と定常時過給圧との差に関連付けて記憶したマップとが用意されている。

第２のＥＧＲ率補正量は、インテークマニホールドガス温度の過渡に対応するＥＧＲ率補正量であり、定常性能を前提としたＥＧＲ率目標値に対する補正係数として用いられる。インテークマニホールドガス温度の高低は過給圧と同様に噴霧された燃料の微粒化速度に影響する。第２のＥＧＲ率補正量は、インテークマニホールドガス温度のスモーク限界空気量に与える影響を補正するために設けられ、現在のインテークマニホールドガス温度と定常時のインテークマニホールドガス温度との差に応じた定数とされている。なお、定常時のインテークマニホールドガス温度とは、仮に現在が定常時であるとした場合に現在のエンジン回転数及び燃料噴射量で得られるインテークマニホールドガス温度を意味する。ＥＣＵ５０には、定常時インテークマニホールドガス温度をエンジン回転数と噴射量とに関連付けて記憶したマップと、第２のＥＧＲ率補正量を現在インテークマニホールドガス温度と定常時インテークマニホールドガス温度との差に関連付けて記憶したマップとが用意されている。

ステップＳ７では、次の式３に示すように、定常性能を前提としたＥＧＲ率目標値に第１のＥＧＲ率補正量と第２のＥＧＲ率補正量とを乗算することによって、エンジンの状態量目標値としてのＥＧＲ率目標値が算出される。このようなＥＧＲ率目標値の算出方法によれば、現在のエンジン負荷及びエンジン回転数における最適なＥＧＲ率目標値を過渡期においても算出することができる。なお、次の式３において、EGRTは状態量目標値としてのＥＧＲ率目標値、EGRcorrect1は第１のＥＧＲ率補正量、EGRcorrect2は第２のＥＧＲ率補正量である。
EGRT＝EGRst*EGRcorrect1*EGRcorrect2 ・・・式３

以上のステップＳ５−Ｓ７の処理において、ステップ５とステップ６の順番は適宜変更することもできる。

次のステップＳ８−Ｓ１１では制御目標値の算出が行われる。まず、ステップＳ８では、排気圧センサ５６の信号からＥＧＲ弁３２の上流の圧力である排気圧が算出される。ステップＳ９では、ステップＳ３で得られた過給圧とステップＳ８で得られた排気圧とを用いてＥＧＲ弁３２の上流と下流の圧力差が算出される。そして、ステップＳ１０では、ＥＧＲ弁３２の上流と下流の圧力差に対応する一次遅れ時定数が算出される。ＥＣＵ５０には、ＥＧＲ弁３２の上流と下流の圧力差に対する一次遅れ時定数の特性がマップ化されて記憶されている。なお、ステップ８−Ｓ１０の処理は、ＥＧＲ率目標値の算出のためのステップＳ５−Ｓ７の処理に先立ち行うこともできる。

ステップＳ１１では、ステップＳ７で算出されたＥＧＲ率目標値とステップＳ１０で算出された一次遅れ時定数とを用いて、次の式４により制御目標値が算出される。式４は逆一次変換の処理を示す式である。式４においてControlT(i)は今回の制御目標値、EGRT(i)は今回のＥＧＲ率目標値、EGRT(i-1)は前回のＥＧＲ率目標値、TLは一次遅れ時定数、Tsは演算周期である。
ControlT(i)＝(EGRT(i)−EGRT(i-1))*(TL/Ts)＋EGRT(i-1) ・・・式４

図４のグラフには、上記の式４を用いた制御目標値の計算例が示されている。図４中に曲線で示すＥＧＲ率目標値（状態量目標値）が与えられた場合、演算周期ごとに図４中に黒四角印で示す制御目標値が算出される。このグラフから分かるように、ステップＳ１１の計算を行うことにより、ＥＧＲ率目標値（状態量目標値）に対して逆一次遅れの関係にある制御目標値を得ることができる。

ステップＳ１２では、ステップＳ１１で算出された制御目標値に基づいてＥＧＲ弁３２の開度のフィードフォワード値（Ｆ／Ｆ値）とフィードバック値（Ｆ／Ｆ値）とが算出される。本発明の実施にあたっては、ＥＧＲ制御におけるフィードフォワード制御の具体的な方法に関する限定はなく、また、フィードバック制御の具体的な方法に関する限定もない。図４のグラフには、制御目標値に基づいたＥＧＲ弁開度の計算結果が併せて示されている。ステップＳ１２で算出されたＥＧＲ弁開度に従ってＥＧＲ弁３２を動作させることにより、実際のＥＧＲ率の変化においてステップＳ７で算出されたＥＧＲ率目標値（状態量目標値）が実現される。

以上説明したルーチンに従ってＥＧＲ制御を行うことにより、定常時のみならず、応答遅れが発生する過渡期においてもＥＧＲ率の実際値を目標値に精度良く追従させることができる。

ところで、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

上述の実施の形態では、状態量目標値としてＥＧＲ率の目標値を算出し、ＥＧＲ量の目標値から制御目標値を算出しているが、状態量目標値としてＥＧＲ量の目標値を算出し、ＥＧＲ量の目標値から制御目標値を算出してもよい。

上述の実施の形態では、過給圧センサの出力値からＥＧＲ弁の下流の圧力を算出しているが、エンジンの運転状態に関する情報や他のセンサ値からＥＧＲ弁の下流の圧力を推定してもよい。ＥＧＲ弁の上流の圧力についても同様である。排気圧センサの出力値ではなく、エンジンの運転状態に関する情報や他のセンサ値からＥＧＲ弁の上流の圧力を推定してもよい。

上述の実施の形態では、本発明に係る制御装置を過給エンジンに適用しているが、本発明に係る制御装置は自然吸気型のエンジンにも適用することができる。また、本発明に係る制御装置はディーゼルエンジンだけでなく、ガソリンエンジンのような火花点火式エンジンにも適用することができる。

２ エンジン本体
４ インテークマニホールド
６ エキゾーストマニホールド
３０ ＥＧＲ通路
３２ ＥＧＲ弁
５０ ＥＣＵ
５２ 回転数センサ
５４ 過給圧センサ
５６ 排気圧センサ
６０ 温度センサ
６２ アクセル開度センサ

Claims (4)

1. 排気通路と吸気通路とをＥＧＲ弁を介して接続する内燃機関の制御装置において、
   前記ＥＧＲ弁の動作に対するＥＧＲガスの動きの応答遅れの指標である一次遅れ時定数を前記ＥＧＲ弁の上流と下流の圧力差に基づいて算出する一次遅れ時定数算出手段と、
   前記一次遅れ時定数とＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の目標値とから制御目標値を算出する制御目標値算出手段と、
   前記制御目標値に従って前記ＥＧＲ弁を動作させるＥＧＲ弁操作手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記制御目標値算出手段は、
   前記内燃機関の負荷及び回転数とＥＧＲ率或いはＥＧＲ量に影響する温度圧力条件の値とに基づいて定常性能を前提としたＥＧＲ率或いはＥＧＲ量のベース目標値を算出する手段と、
   前記ベース目標値が基礎とする前記内燃機関の負荷及び回転数のもとでの前記温度圧力条件の定常値と前記ベース目標値が基礎とする前記温度圧力条件の値との差に基づいて過渡期におけるＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の補正量を算出する手段と、
   前記ベース目標値を前記補正量で補正することによってＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の前記目標値を算出する手段と、
   を含む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. 前記制御目標値算出手段は、ＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の前記目標値に対して前記一次遅れ時定数を用いた逆一次遅れ変換を施すことによって前記制御目標値を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記内燃機関は過給機付きの内燃機関であって排気圧センサと過給圧センサとを備え、
   前記一次遅れ時定数算出手段は、前記排気圧センサにより計測される排気圧と前記過給圧センサによる計測される過給圧との差から前記圧力差を得ることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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