KR101563831B1

KR101563831B1 - 내연 기관의 제어 장치

Info

Publication number: KR101563831B1
Application number: KR1020147010988A
Authority: KR
Inventors: 고 다카야나기
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2012-01-24
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2015-10-27
Also published as: CN103906908B; JP2013151864A; IN2014CN03067A; CN103906908A; EP2808515B1; EP2808515A1; US9567926B2; JP5936369B2; US20140298805A1; WO2013111385A1; EP2808515A4; KR20140065007A

Abstract

본 발명은 배기 가스 재순환(EGR) 장치에 의한 EGR 가스 공급량과 가변 유량 기구를 구비한 과급기의 과급량을 협조 제어하는 내연 기관의 제어 장치에 관한 것이다. 특히, 내연 기관의 운전 상태에 근거하여 실린더 내 산소 과잉률을 산출하는 상태량 추정 연산부(77)와, 그 산출한 실린더 내 산소 과잉률에 근거하여 내연 기관이 과도 상태에 있다고 판정된 경우에, EGR 밸브의 개방도 및 과급기에 구비된 가변 유량 기구의 개방도가 평상 상태에 비하여 작아지도록, 각각의 개방도 지령을 전환하는 전환 수단(81)을 구비한 것을 특징으로 한다.

Description

내연 기관의 제어 장치{CONTROL APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연 기관의 제어 장치에 관한 것으로, 특히 내연 기관의 배기 가스 재순환 장치(이하 간단히 EGR이라고 한다)에 의한 EGR 제어와, 가변 유량 기구를 구비한 과급기에 의한 과급기 제어의 협조 제어에 관한 것이다.

가변 유량 기구를 구비한 과급기 등의 과급량이나 과급 압력을 제어 가능한 과급기 제어 장치를 구비하고, 또한, 배기 가스의 일부를 흡기 통로 또는 실린더 내에 환류시키는 배기 가스 재순환 장치(EGR)를 구비한 내연 기관이 알려져 있다. 이와 같은 내연 기관, 특히 디젤 엔진에 있어서는, 가변 유량 기구를 구비한 과급기의 제어에 의해 배기 압력이 증대되면 EGR에 의한 배기 가스의 환류량의 증대에 의해 연소실로의 흡기 유량이나 급기 산소 농도가 확보되지 않고 스모크(PM)의 발생이 증대되는 것이나, 또한, 배기 압력의 감소에 의해 EGR 가스의 환류량이 확보되지 않고 NOx 저감 효과를 얻을 수 없는 등, EGR의 제어와 가변 유량 기구를 구비한 과급기의 제어는 서로 영향을 미치는 관계를 갖고 있다.

그래서, 이 EGR 제어와 과급기 제어를 협조하여 제어하는 기술이 알려져 있다. 이러한 종류의 협조 제어의 일례로서 특허 문헌 1이 있다. 특허 문헌 1에서는 배기 환류(EGR)를 행하게 하는 운전 영역에서, 가변 유량 기구의 개방도를 부분 개방도의 소정 범위 내로 조정하면서, 공연비(air fuel ratio)가 목표 공연비가 되도록 EGR 제어 밸브를 피드백함으로써, NOx 및 PM의 저감이 가능하게 되어 있다.

(선행 기술 문헌)

(특허 문헌)

(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 2000-110574호 공보

그렇지만, 특허 문헌 1에서는 배기 환류를 부분 부하 영역에서 행하고 있기 때문에, 그 밖의 부하 영역에서는 협조 제어에 의해 NOx 및 PM을 저감할 수 없다. 또한, PM 배출량은 실린더 내 산소 과잉률에 크게 의존하지만, 특허 문헌 1에 있어서의 협조 제어에서는 실린더 내 산소 과잉률이 제어 파라미터로서 고려되고 있지 않아 개량의 여지가 있다.

이와 같이 EGR 제어와 과급기 제어의 협조 제어는 충분하다고는 할 수 없다. 특히, 내연 기관의 부하가 변화하는 것에 의해 각 실린더에 있어서의 연료 분사량이 시간이 흐름에 따라 변동하는 과도 상태에 관해서는 이하에 설명하는 문제가 있다. 여기서 도 8은 과도 상태에 있어서의 연료 분사량, 급기 산소 농도, 실린더 내 산소 과잉률, NOx 배출량, PM 배출량의 추이를 나타내는 그래프 도면이다. 도 8(a)에 나타내는 바와 같이, 시각 T1에서 내연 기관의 부하가 증가함에 따라 연료 분사량이 증가하고 새로운 목표 연료 분사량이 되도록 피드백 제어가 이루어지고 있다. 이와 같이 연료 분사량이 증가하면 흡기량도 증가하므로, 급기 산소 농도나 실린더 내 산소 과잉률도 또한 일시적으로 감소한 후에 증가로 바뀌고, 그 후 새로운 목표 급기 산소 농도가 되도록 피드백 제어된다. 도 8(b)에 나타내는 바와 같이, 과도 상태에서는 급기 산소 농도가 일시적으로 증가하기 때문에, 배기 가스에 포함되는 NOx가 증가하여 버리는 점에서 문제가 된다. 또한, 도 8(c)에 나타내는 바와 같이, 과도 상태에서는 실린더 내 산소 과잉률이 일시적으로 감소하기 때문에, 배기 가스에 포함되는 PM이 증가하여 버리는 점에서 문제가 된다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것이고, 내연 기관의 부하가 변동하는 과도 상태에 있어서의 배기 가스 중의 NOx 및 PM을 억제하도록 EGR 제어와 과급기 제어의 협조 제어가 가능한 내연 기관의 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 내연 기관의 제어 장치는 상기 과제를 해결하기 위해, 배기 가스 재순환(EGR) 장치에 의한 EGR 가스 공급량이 목표 EGR 가스 공급량이 되도록 EGR 지령 신호를 송신하여 EGR 밸브의 개방도를 제어하는 EGR 제어 수단과, 가변 유량 기구를 구비한 과급기의 과급량이 목표 과급량이 되도록 과급 지령 신호를 송신하여 상기 가변 유량 기구의 개방도를 제어하는 과급기 제어 수단을 구비한 내연 기관의 제어 장치에 있어서, 상기 내연 기관의 운전 상태에 근거하여 실린더 내 산소 과잉률을 산출하는 실린더 내 산소 과잉률 산출 수단과, 상기 실린더 내 산소 과잉률 산출 수단에서 산출한 실린더 내 산소 과잉률에 근거하여 상기 내연 기관이 과도 상태에 있는지 여부를 판정하는 과도 상태 판정 수단과, 상기 과도 상태 판정 수단에 의해 상기 내연 기관이 과도 상태에 있다고 판정된 경우, 상기 EGR 밸브의 개방도 및 상기 가변 유량 기구의 개방도가 평상 상태에 비하여 작아지도록 상기 EGR 지령 신호 및 상기 과급 지령 신호를 전환하는 전환 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 실린더 내 산소 과잉률에 근거하여 내연 기관이 과도 상태에 있다고 검지된 경우, 전환 수단에 의해 EGR 지령 신호 및 과급 지령 신호를 전환하는 것에 의해, EGR 밸브의 개방도 및 가변 유량 기구의 개방도가 평상 상태에 비하여 작아지도록 제어한다. 이것에 의해, 과도 상태에 있어서의 일시적인 급기 산소 농도의 증가나 실린더 내 산소 과잉률의 저하가 억제되므로, NOx 및 PM의 배출량을 저감 가능한 협조 제어를 실현할 수 있다.

상기 전환 수단은 상기 EGR 밸브의 개방도 및 상기 가변 유량 기구의 개방도가 미리 설정된 하한치가 되도록 상기 EGR 지령 신호 및 상기 과급 지령 신호를 전환하면 좋다. 이것에 의하면, EGR 밸브의 개방도 및 가변 유량 기구의 개방도를 하한치가 되도록 제어함으로써, 과도 상태에 있어서의 일시적인 급기 산소 농도의 증가나 실린더 내 산소 과잉률의 저하를 억제하고, NOx 및 PM의 배출량의 저감을 도모할 수 있다.

이 경우, 상기 EGR 밸브의 개방도의 하한치는 내연 기관의 운전 상태에 따라 미리 설정되어 있으면 좋다. EGR 밸브의 개방도의 하한치는 0이 아닌, 내연 기관의 운전 상태에 따라 규정되는 유한한 하한치로 설정하는 것에 의해, 내연 기관의 운전 효율을 양호하게 유지하면서, NOx나 PM의 배출량을 억제할 수 있다.

상기 과도 상태 판정 수단은 상기 실린더 내 산소 과잉률 산출 수단에서 산출된 실린더 내 산소 과잉률이 제 1 임계치 이하인지 여부를 판정하는 제 1 판정 수단과, 상기 실린더 내 산소 과잉률 산출 수단에서 산출된 실린더 내 산소 과잉률과 상기 내연 기관의 운전 상태에 근거하여 미리 설정된 실린더 내 산소 과잉률의 최적치의 실린더 내 산소 과잉률 편차가 제 2 임계치 이상인지 여부를 판정하는 제 2 판정 수단을 구비하여 이루어지고, 상기 제 1 판정 수단에서 상기 실린더 내 산소 과잉률이 상기 제 1 임계치 이하라고 판정되고, 또한, 상기 제 2 판정 수단에서 상기 실린더 내 산소 과잉률 편차가 상기 제 2 임계치 이상이라고 판정된 경우에, 상기 내연 기관이 과도 상태에 있다고 판정한다.

제 1 판정 수단에서는, 과도 상태에서 실린더 내 산소 과잉률이 일시적으로 감소하는 것을 감안하여, 실린더 내 산소 과잉률 산출 수단에서 산출된 실린더 내 산소 과잉률이 제 1 임계치 이하인지 여부를 판단함으로써, 과도 상태의 유무를 판정한다. 한편, 제 2 판정 수단에서는, 과도 상태에서는 실린더 내 산소 과잉률이 내연 기관의 운전 상태에 근거하여 규정되는 최적치로부터 괴리되는 것을 감안하여, 실린더 내 산소 과잉률과 그 최적치의 실린더 내 산소 과잉률 편차가 제 2 임계치 이상인지 여부를 판단함으로써, 과도 상태의 유무를 판정한다. 본 측면에서는 특히, 이와 같은 제 1 판정 수단 및 제 2 판정 수단에 있어서 모두 과도 상태라고 판정된 경우에, 과도 상태가 있었다고 판정함으로써, 정밀하게 판정을 행할 수 있다.

이 경우, 상기 과도 상태 판정 수단은 상기 과급기의 과급압과 상기 내연 기관의 운전 상태에 근거하여 미리 설정된 과급압의 최적치의 과급압 편차가 제 3 임계치 이상인지 여부를 판정하는 제 3 판정 수단을 구비하고, 상기 제 3 판정 수단에서 상기 과급압 편차가 제 3 임계치 이상이라고 더 판정된 경우에, 상기 내연 기관이 과도 상태에 있다고 판정하면 좋다. 제 3 판정 수단에서는 또한, 과도 상태에서는 과급압이 내연 기관의 운전 상태에 근거하여 규정되는 최적치로부터 괴리되는 것을 감안하여, 과급압과 그 최적치의 과급압 편차가 제 3 임계치 이상인지 여부를 판단함으로써, 과도 상태의 유무를 판정한다. 이것에 의해, 보다 정밀하게 과도 상태의 검지를 행할 수 있다.

상기 전환 수단은 상기 과도 상태 판정 수단에 의해 상기 내연 기관이 과도 상태에 있지 않다고 판정된 경우, 상기 EGR 지령 신호 및 상기 과급 지령 신호에 대한 전환 제어를 해제하면 좋다. 이것에 의하면, 과도 상태 판정 수단에 의해 과도 상태가 종료되었다고 판정된 경우에는, 전환 수단에 의한 전환 제어를 해제하여 통상의 운전 상태로 복귀한다.

이 경우, 상기 과도 상태 판정 수단은 상기 실린더 내 산소 과잉률 산출 수단에서 산출된 실린더 내 산소 과잉률이 제 4 임계치보다 큰지 여부를 판정하는 제 4 판정 수단과, 상기 실린더 내 산소 과잉률 산출 수단에서 산출된 실린더 내 산소 과잉률과 상기 내연 기관의 운전 상태에 근거하여 미리 설정된 실린더 내 산소 과잉률의 최적치의 실린더 내 산소 과잉률 편차가 제 5 임계치 미만인지 여부를 판정하는 제 5 판정 수단을 구비하여 이루어지고, 상기 제 4 판정 수단에서 상기 실린더 내 산소 과잉률이 상기 제 4 임계치보다 크다고 판정되거나, 또는, 상기 제 5 판정 수단에서 상기 실린더 내 산소 과잉률 편차가 상기 제 5 임계치 미만이라고 판정된 경우에, 상기 내연 기관이 과도 상태에 있지 않다고 판정하면 좋다. 이것에 의하면, 상술한 제 4 판정 수단, 또는, 제 5 판정 수단의 어느 한쪽에 있어서 과도 상태가 아니라고 판정된 경우에, 신속하게 통상 상태로 복귀할 수 있다. 또, 제 4 임계치 및 제 5 임계치는 각각 상술한 제 1 임계치 및 제 2 임계치와 동일하게 설정하더라도 좋고, 상이하게 설정하더라도 좋다.

상기 전환 수단은 상기 전환 제어를 해제할 때에, 상기 EGR 밸브의 개방도가 상기 전환 제어시의 개방도보다 큰 소정 개방도가 되도록 상기 EGR 지령 신호를 리셋하면 좋다. 과도 상태가 종료되어 통상의 운전 상태로 복귀할 때에는, 과도 상태시로 전환 제어되는 것에 의해 닫혀 있던 EGR 밸브의 개방도가 열리기까지 지연이 발생하여, 급기 산소 농도가 상승하고, NOx가 증가하는 경우가 있다. 이 측면에서는, 과도 상태의 종료시에, EGR 밸브의 개방도를 소정 개방도가 되도록 제어하는 것에 의해, 신속하게 EGR 밸브의 개방도를 증가시켜, NOx의 증가를 방지할 수 있다.

또한, 상기 가변 유량 기구의 개방도가 상기 내연 기관의 정상(定常) 상태에 있어서의 개방도가 되도록 상기 과급 지령 신호를 제한하는 과급 지령 신호 제한 수단을 더 구비하면 좋다. 일반적으로, 과급기의 개방도가 피드백 제어되고 있는 경우, 목표 과급압보다 실제 과급압이 높을 때에는, 과급압을 감소시키도록 과급 지령 신호가 생성된다. 이와 같이 과급 지령 신호가 과급압의 감소 지령인 경우에, 내연 기관의 부하가 증가하는 과도 상태(예컨대 차량의 급가속 등)가 발생하면, 과급압을 상승으로 바꾸기까지의 시간 지연이 증대된다. 그러면, 과도 상태에 있어서 실린더 내 산소 과잉률이 감소하고, 배기 가스 중의 PM이 증가하기 때문에 문제가 된다. 이 측면에서는, 상기 가변 유량 기구의 개방도가 상기 내연 기관의 정상 상태에 있어서의 개방도가 되도록 상기 과급 지령 신호를 제한하는 것에 의해, 과급압이 과도하게 감소되지 않도록, 미리 가변 유량 기구의 개방도를 통상 상태의 개방도로 확보하여 두는 것에 의해, 과도 상태가 발생했을 때의 시간 지연을 경감하고, PM의 증가를 억제할 수 있다.

도 1은 제 1 실시형태에 따른 내연 기관의 제어 장치의 전체 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 제 1 실시형태에 따른 내연 기관의 제어 장치의 내부 구성 블록도이다.
도 3은 가변 유량 기구를 구비한 과급기의 요부 단면 설명도이다.
도 4는 λ 리미트 제어부에 있어서의 전환 제어에 관한 내부 구성 블록도이다.
도 5는 λ 리미트 제어부에 있어서의 전환 해제 제어에 관한 내부 구성 블록도이다.
도 6은 제 2 실시형태에 따른 내연 기관의 제어 장치의 PID 제어부(80)의 내부 구성 블록도이다.
도 7은 제 3 실시형태에 따른 내연 기관의 제어 장치의 VFT 지령치 리미터 주변의 구성 블록도이다.
도 8은 종래예에 따른 과도 상태에 있어서의 연료 분사량, 급기 산소 농도, 흡기 산소 과잉률, NOx 배출량, PM 배출량의 추이를 나타내는 그래프 도면이다.

이하, 본 발명을 도면에 나타낸 실시형태를 이용하여 상세히 설명한다. 단, 이 실시형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대 배치 등은 특별히 특정적인 기재가 없는 한, 이 발명의 범위를 그것으로만 한정하는 취지가 아니다.

(제 1 실시형태)

도 1은 제 1 실시형태에 따른 내연 기관의 제어 장치의 전체 구성을 나타내는 모식도이다. 디젤 엔진(엔진)(1)은 배기 터빈(3)과 이것에 동축 구동되는 컴프레서(5)를 갖는 배기 터보 과급기(7)를 구비하고 있고, 그 배기 터보 과급기(7)의 컴프레서(5)로부터 토출된 공기는 흡기 통로(9)를 지나서 인터쿨러(11)에 들어가 흡기가 냉각된 후, 흡기 스로틀 밸브(13)에서 흡기 유량이 제어되고, 그 후, 흡기 매니폴드(15)로부터 엔진(1)의 도시하지 않는 연소실 내에 유입되도록 되어 있다.

이 배기 터보 과급기(7)는 가변 유량 기구를 구비한 과급기(VFT)이고, 그 구체적인 구조를 도 3에 나타낸다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 배기 터보 과급기(7)는 둘레 방향으로 연속적으로 터빈 로터의 전체 둘레를 포위하도록 연장되는 내측 스크롤(19)과 외측 스크롤(21)을 갖고, 내측 스크롤(19)에만 배기 가스를 흐르게 하는 상태와, 내측 스크롤(19)과 외측 스크롤(21)의 양쪽에 배기 가스를 흐르게 하는 상태를 전환하는 전환 수단인 VFT 제어 밸브(23)를 구비하여 구성되어 있다. 이 VFT 제어 밸브(23)를 작동시킴으로써 내측 스크롤(19)에만 배기 가스를 흐르게 하는 상태와, 내측 스크롤(19)과 외측 스크롤(21)의 양쪽에 배기 가스를 흐르게 하는 상태를 전환한다.

또한, 도 1에 나타내는 바와 같이, 엔진(1)에 있어서는, 연료 분사 밸브(27)로부터의 연료 분사 시기 및 분사량을 제어하여 연소실 내에 분사하는 연료 분사 장치(29)가 마련되어 있다. 엔진(1)의 연소실에서 연소된 연소 가스, 즉 배기 가스(31)는 실린더마다 마련된 배기 포트가 집합하여 배기 매니폴드(33) 및 배기 통로(35)를 지나서, 상기 배기 터보 과급기(7)의 배기 터빈(3)을 구동하여 컴프레서(5)의 동력원이 된 후, 배기 통로(35)를 지나서 배기 가스 후처리 장치(도시하지 않음)를 통과하여 배출되도록 되어 있다.

또한, 배기 통로(35) 또는 배기 매니폴드(33)의 도중으로부터 EGR 통로(37)가 분기되어, 배기 가스의 일부가 흡기 스로틀 밸브(13)의 하류측 부위에 EGR 쿨러(39), EGR 제어 밸브(41)를 거쳐서 투입되는 EGR 장치(40)가 마련되어 있다.

배기 터보 과급기(7)의 상류측에는, 에어 플로 미터(43), 대기 온도 센서(45)가 마련되고, 흡기 매니폴드(15) 내에는, 흡기 온도 센서(47), 과급압 센서(49)가 마련되어 있다. 또한, 엔진 회전수 센서(51), 대기압 센서(53)가 마련되어 있고, 각 센서로부터의 신호는 신호 변환기(55)를 거쳐서 제어 장치(ECU)(57)에 들어가고 있다.

또한, EGR 제어 밸브(41)에 대해서는, EGR 밸브 제어 수단(EGR 제어 수단)(59)을 거쳐서 구동 신호가 출력됨과 아울러, EGR 밸브 개방도 신호가 제어 장치(57)에 입력된다. 흡기 스로틀 밸브(13)에 대해서도 마찬가지로, 스로틀 밸브 구동 회로(61)를 거쳐서 구동 신호가 출력됨과 아울러, 스로틀 밸브 개방도 신호가 제어 장치(57)에 입력된다. 또한, 배기 터보 과급기(7)에 대해서는, VFT 밸브 제어 수단(과급기 제어 수단)(63)을 거쳐서, 구동 신호가 가변 유량 기구를 구성하는 VFT 제어 밸브(23)(도 3 참조)에 출력됨과 아울러, 그 VFT 제어 밸브(23)의 밸브 개방도 신호가 제어 장치(57)에 입력되도록 되어 있다.

도 2는 제 1 실시형태에 따른 내연 기관의 제어 장치(57)의 내부 구성 블록도이다. 제어 장치(57)에 있어서, EGR 제어 밸브(41)의 개방도 제어와 VFT 제어 밸브(23)의 협조 제어가 행해진다.

도 2에 있어서, 목표 과급압 설정 수단(65)에서는, 엔진(1)의 운전 상태를 나타내는, 엔진 회전수 센서(51)에 의한 엔진 회전수, 연료 분사 장치(29)에 의한 연료 분사량을 바탕으로, 목표 과급압 맵(67)을 이용하여, 목표 과급압 r1을 구한다. 또한, 실제 과급압 y1은 과급압 센서(49)로부터의 신호를 바탕으로 구한다. 그리고, 이 실제 과급압 y1과 상기 목표 과급압 설정 수단(65)에 의해 설정된 목표 과급압 r1의 편차 e1을 가감산기(69)에서 산출하고, 과급압 제어량으로서 PID 제어부(80)에 입력시킨다.

한편, 급기 산소 농도에 대해서도 마찬가지이고, 목표 급기 산소 농도 설정 수단(73)에 의해 엔진(1)의 운전 상태, 예컨대 엔진 회전수 센서(51)에 의한 엔진 회전수, 연료 분사 장치(29)에 의한 연료 분사량으로부터 목표 급기 산소 농도 맵(75)을 이용하여 목표 급기 산소 농도 r2를 구한다.

실제 급기 산소 농도 및 실린더 내 산소 과잉률은 상태량 추정 연산부(77)에 의해 연산한 값이 이용된다. 이 상태량 추정 연산부(77)는 엔진(1)의 운전 상태를 나타내는, 엔진 회전수 센서(51)로부터의 엔진 회전수, 연료 분사 장치(29)로부터의 연료 분사량, 과급압 센서(49)로부터의 과급압, 흡기 온도 센서(47)로부터의 흡기 매니폴드 온도, 에어 플로 미터(43)로부터의 흡기 유량을 바탕으로, 실제 급기 산소 농도 및 실린더 내 산소 과잉률을 산출한다. 그리고, 상태량 추정 연산부(77)에 의해 추정한 실제 급기 산소 농도 y2와, 상기 목표 급기 산소 농도 설정 수단(73)에 의해 설정된 목표 급기 산소 농도 r2의 편차 e2를 가감산기(79)에서 산출하고, 급기 산소 농도 제어량으로서 PID 제어부(80)에 입력시킨다.

PID 제어부(80)는 입력된 과급압 제어량 e1 및 급기 산소 농도 제어량 e2에 근거하여, 실제 과급압 r1이 목표 과급압 y1이 됨과 아울러 실제 급기 산소 농도 r2가 목표 급기 산소 농도 y2가 되도록, EGR 제어 밸브(41)의 개방도 지령(이하, 적절히 「EGR 개방도 지령」으로 칭한다) 및 VFT 제어 밸브(23)의 개방도 지령(이하, 적절히 「VFT 개방도 지령」으로 칭한다)을 생성한다. 이와 같이, PID 제어부(80)는 EGR 제어 밸브(41)의 제어와 VFT 제어 밸브(23)의 제어를 협조 제어한다.

한편, λ 리미트 제어부(81)에는, 상태량 추정 연산부(77)에 의해 추정한 실린더 내 산소 과잉률과 과급압 센서(49)로부터의 실제 과급압이 입력된다. 이 λ 리미트 제어부(81)는 후술하는 과도 상태의 판정 결과에 근거하여, PID 제어부(80)에서 생성된 EGR 제어 밸브 개방도 지령과 VFT 제어 밸브 개방도 지령에 대하여, 각각 전환 지령(EGR 전환 지령과 VFT 전환 지령)을 생성한다.

PID 제어부(80)에서 생성된 EGR 제어 지령은 λ 리미트 제어부(81)에서 생성된 EGR 전환 지령에 의해 전환된 후, EGR 지령치 리미터(91)에 의해 상하한치가 규제되어, EGR 제어 밸브(41)의 개방도 지령 신호로서 출력된다. 마찬가지로, PID 제어부(80)에서 생성된 VFT 제어 지령은 λ 리미트 제어부(81)에서 생성된 VFT 전환 지령에 의해 전환된 후, VFT 지령치 리미터(97)에 의해 상하한치가 규제되어, VFT 제어 밸브(23)의 개방도 지령 신호로서 출력된다.

도 4는 본 발명에 따른 λ 리미트 제어부(81)에 있어서의 전환 제어에 관한 내부 구성 블록도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, λ 리미트 제어부(81)에 입력된 실린더 내 산소 과잉률 λO₂는 비교기(101，102，104)에 각각 입력됨과 아울러, 실제 과급압은 가감산기(106)에 입력된다.

제 1 판정부(110)에서는, 비교기(101)에 있어서 실린더 내 산소 과잉률 λO₂가 미리 규정된 λO₂ 리미트값(예컨대 2 이하) 이하인지 여부가 판정된다. 여기서 λO₂ 리미트값은 본 발명에 따른 「제 1 임계치」의 일례이고, 도 10을 참조하여 상술한 바와 같이, 과도 상태 발생시의 실린더 내 산소 과잉률의 감소를 판정하기 위한 임계치이다. 즉, 제 1 판정부(110)에서는, 과도 상태에서 실린더 내 산소 과잉률이 일시적으로 감소하는 것을 감안하여, 입력된 실린더 내 산소 과잉률이 제 1 임계치 이하인지 여부를 판단함으로써, 과도 상태의 유무를 판정한다.

제 2 판정부(112)에서는, λO₂ 맵(107)은 엔진(1)의 운전 상태에 대하여 실린더 내 산소 과잉률의 최적치를 규정하는 맵이고, 도 4에서는 도시를 생략하고 있지만, 엔진 회전수나 연료 분사량 등의 엔진(1)의 운전 상태를 취득하여, 이것에 대응하는 실린더 내 산소 과잉률의 최적치가 출력되고, 가감산기(105)에 입력된다. 한편, 당해 가감산기(105)에는 본 발명에 따른 「제 2 임계치」의 일례인 λO₂ 오프셋값이 입력되고, 실린더 내 산소 과잉률 λO₂의 최적치와의 편차가 생성되고, 비교기(102)에서 실린더 내 산소 과잉률 λO₂가 당해 편차 이상인지 여부가 판정된다. 즉, 제 2 판정부(112)에서는, 과도 상태에서는 실린더 내 산소 과잉률이 엔진(1)의 운전 상태에 근거하여 규정되는 최적치로부터 괴리되는 것을 감안하여, 실린더 내 산소 과잉률과 그 최적치의 실린더 내 산소 과잉률 편차가 제 2 임계치 이상인지 여부를 판단함으로써, 과도 상태의 유무를 판정한다.

제 3 판정부(114)에서는, 목표 과급압 맵(108)은 엔진(1)의 운전 상태에 대하여 과급압의 최적치를 규정하는 맵이고, 도 4에서는 도시를 생략하고 있지만, 엔진 회전수나 연료 분사량 등의 엔진(1)의 운전 상태를 취득하여, 이것에 대응하는 목표 과급압이 출력되고, 가감산기(106)에 입력된다. 한편, 당해 가감산기(106)에는 실제 과급압이 입력되고, 목표 과급압과의 편차가 생성되고, 비교기(103)에서 당해 편차가 미리 규정된 과급압 편차 리미트값(본 발명에 따른 「제 3 임계치」의 일례이다) 이상인지 여부가 판정된다. 즉, 제 3 판정 수단(114)에서는 또한, 과도 상태에서는 과급압이 엔진(1)의 운전 상태에 근거하여 규정되는 최적치로부터 괴리되는 것을 감안하여, 과급압과 그 최적치의 과급압 편차가 제 3 임계치 이상인지 여부를 판단함으로써, 과도 상태의 유무를 판정한다.

제 1 판정부(110), 제 2 판정부(112) 및 제 3 판정부(114)의 판정 결과는 AND 회로(118)에 입력되고, 각 판정부에 있어서 과도 상태라고 판정된 경우에, OR 회로(120)를 지나서 전환 지령을 출력한다. 이와 같이, 제 1 판정부(110), 제 2 판정부(112) 및 제 3 판정부(114)에 있어서 상이한 조건에 근거하여 다중적으로 과도 상태를 판정하는 것에 의해, 정밀하게 과도 상태의 유무를 판단할 수 있다.

또, 제 4 판정부(116)에서는, 비교기(104)에 있어서 λ 리미트 제어부(81)에 입력된 실린더 내 산소 과잉률 λO₂와 미리 규정된 λO₂ 하한치가 입력되고, 실린더 내 산소 과잉률 λO₂가 λO₂ 하한치 이하인지 여부가 판정된다. 여기서 λO₂ 하한치는 제 1 판정부(110)에 있어서의 λO₂ 리미트값(제 1 임계치)에 비하여 작게 설정된 임계치이고, 제 1 판정부(110), 제 2 판정부(112) 및 제 3 판정부(114)에 있어서의 판정 결과에 관계없이, 실린더 내 산소 과잉률 λO₂의 극단적인 저하가 검지된 경우에는, 과도 상태가 있다고 판정하기 위한 임계치이다. 이것에 의해, 실린더 내 산소 과잉률 λO₂의 극단적인 저하가 검지된 경우에는, 신속히 과도 상태의 판정을 할 수 있도록 되어 있다.

이와 같이 과도 상태라고 판정된 경우, 전환 지령 생성부(122)는 EGR 전환 지령 및 VFT 전환 지령을 각각 생성하여 출력한다. EGR 전환 지령은 엔진(1)의 운전 상태에 근거하여 EGR 제어 밸브(41)의 개방도 하한치를 규정하는 EGR 개방도 하한치 맵(124)을 이용하여 생성된다. 여기서는, 엔진(1)의 운전 상태를 취득하여, EGR 제어 밸브(41)의 개방도가 EGR 개방도 하한치 맵(124)에 근거한 개방도 하한치가 되도록, EGR 제어 지령을 전환하는 EGR 전환 지령이 생성된다. 한편, VFT 전환 지령은 엔진(1)의 운전 상태에 관계없이, VFT 제어 밸브(23)의 개방도가 개방도 하한치(전형적으로는 0)가 되도록 생성된다.

이와 같이 엔진(1)이 과도 상태에 있다고 검지된 경우에, EGR 제어 지령 및 VFT 제어 지령을 전환하는 것에 의해, EGR 제어 밸브(41)의 개방도 및 VFT 제어 밸브(23)의 개방도가 평상 상태에 비하여 작아지도록 제어한다. 이것에 의해, 과도 상태에 있어서의 일시적인 급기 산소 농도의 증가나 실린더 내 산소 과잉률의 저하가 억제되므로, NOx 및 PM의 배출량을 저감 가능한 협조 제어를 실현할 수 있다.

계속하여 도 5는 본 발명에 따른 λ 리미트 제어부(81)에 있어서의 전환 제어의 해제 제어에 관한 내부 구성 블록도이다. 전환 제어의 해제 제어에서는, 상술한 제 1 판정부(110) 및 제 2 판정부(112)에 있어서, 과도 상태인지 여부가 판정된다. 즉, 제 1 판정부(110)에서는, 비교기(101)에 있어서 실린더 내 산소 과잉률 λO₂가 미리 규정된 λO₂ 리미트값(예컨대 2 이하)보다 큰지 여부가 판정된다. 그리고, 제 2 판정부(112)에서는, 실린더 내 산소 과잉률과 그 최적치의 실린더 내 산소 과잉률 편차가 제 2 임계치 미만인지 여부가 판정된다. 그리고, 각 판정부의 판정 결과는 OR 회로(126)에 입력되는 것에 의해, 어느 하나의 판정부에 있어서 과도 상태가 아니라고 판정된 경우에, 상술한 전환 제어가 해제되도록 되어 있다. 이것에 의해, 과도 상태로부터 통상 상태로 복귀했을 때에, 전환 제어를 신속히 해제할 수 있다.

또, 도 5에 있어서의 제 1 판정부(110) 및 제 2 판정부(112)는 각각 본 발명의 「제 4 판정 수단」 및 「제 5 판정 수단」의 일례이다. 본 실시형태에서는 특히, 본 발명에 따른 「제 4 임계치」 및 「제 5 임계치」가 각각 본 발명에 따른 「제 1 임계치」 및 「제 2 임계치」와 동일하게 되도록 설정된 경우를 예시하고 있지만, 서로 다르도록 설정하더라도 좋다.

이상 설명한 바와 같이, 제 1 실시형태에 따른 제어 장치(57)에 의하면, 과도 상태에 있어서의 일시적인 급기 산소 농도의 증가나 실린더 내 산소 과잉률의 저하가 억제되므로, NOx 및 PM의 배출량을 저감 가능한 협조 제어를 실현할 수 있다.

(제 2 실시형태)

계속하여 도 6을 참조하여, 제 2 실시형태에 따른 내연 기관의 제어 장치에 대하여 설명한다. 제 2 실시형태에서는 제 1 실시형태와 공통 부분에는 공통 부호를 붙이는 것으로 하고, 중복하는 설명은 적절히 생략하는 것으로 한다.

도 6은 제 2 실시형태에 따른 내연 기관의 제어 장치의 PID 제어부(80)의 내부 구성 블록도이다. PID 제어부(80)에는, 제 1 실시형태에서 설명한 바와 같이, 실제 과급압 y1과 상기 목표 과급압 설정 수단(65)에 의해 설정된 목표 과급압 r1의 편차 e1 및 상태량 추정 연산부(77)에 의해 추정된 급기 산소 농도 y2와 상기 목표 급기 산소 농도 설정 수단(73)에 의해 설정된 목표 급기 산소 농도 r2의 편차 e2가 입력된다. 그리고, PID 제어부(80)에서는, 입력된 편차 e1에 근거하여 VFT 개방도 지령이 출력됨과 아울러, 편차 e2에 근거하여 EGR 개방도 지령이 출력되지만, 도 6에서는 특히 EGR 개방도 지령이 편차 e2에 근거하여 소정의 이득(130)이 인가된 후, 적분기(132)를 지나서 출력되는 모습을 나타내고 있다.

한편, PID 제어부(80)에는 λ 리미트 제어부(81)로부터 상술한 전환 제어가 실시 상태에 있는지 여부를 나타내는 λ 리미트 제어 신호가 입력된다. S/W(134)는 λ 리미트 제어 신호가 ON 상태에 있는 경우(즉 전환 제어가 실시되고 있는 상태에 있는 경우), 리셋 신호를 출력하는 전환 수단이다. 적분기(132)에 리셋 신호가 입력되면, 적분기(132)는 이득(130)의 적산치를 리셋하고, EGR 제어 밸브(41)가 소정 개방도가 되도록 EGR 제어 밸브 지령을 출력한다.

종래, 과도 상태가 종료되어 통상의 운전 상태로 복귀할 때에는, 과도 상태시로 전환되는 것에 의해 닫혀 있던 EGR 제어 밸브(41)의 개방도가 열리기까지 지연이 발생하여, 급기 산소 농도가 상승하고, NOx가 증가하는 경우가 있다. 이 측면에서는, 과도 상태의 종료시에, EGR 제어 밸브(41)의 개방도를 소정 개방도가 되도록 제어하는 것에 의해, 신속히 EGR 제어 밸브(41)의 개방도를 증가시켜, NOx의 증가를 방지할 수 있다.

(제 3 실시형태)

계속하여 도 7을 참조하여, 제 3 실시형태에 따른 내연 기관의 제어 장치에 대하여 설명한다. 제 3 실시형태에서는 제 1 및 제 2 실시형태와 공통 부분에는 공통 부호를 붙이는 것으로 하고, 중복하는 설명은 적절히 생략하는 것으로 한다.

도 7은 제 3 실시형태에 따른 내연 기관의 제어 장치의 VFT 지령치 리미터(97) 주변의 구성 블록도이다. VFT 지령치 리미터(97)는 본 발명에 따른 「과급 지령 신호 제한 수단」의 일례이고, VFT 개방도 지령에 대하여 상한치 설정 수단(136)에서 설정된 상한치 및 하한치 설정 수단(138)에서 설정된 하한치에 의해 규정된 범위로 제한한다. 상한치 설정 수단(136) 및 하한치 설정 수단(138)에서 설정되는 범위는 엔진(1)의 정상 상태에 있어서 허용되는 VFT 제어 밸브(23)의 개방도 범위이고, 그 상한치 및 하한치는 각각 VFT 최대 개방도 맵(140) 및 VFT 최소 개방도 맵(142)에 의해 엔진(1)의 운전 상태에 따라 규정된다.

일반적으로, VFT 제어 밸브(23)의 개방도가 피드백 제어되고 있는 경우, 목표 과급압보다 실제 과급압이 높을 때에는, 과급압을 감소시키도록 VFT 개방도 지령이 생성된다. 이와 같이 VFT 개방도 지령이 과급압의 감소 지령인 경우에, 엔진(1)의 부하가 증가하는 과도 상태(예컨대 차량의 급가속 등)가 발생하면, 과급압을 상승으로 바꾸기까지의 시간 지연이 증대된다. 그러면, 과도 상태에 있어서 실린더 내 산소 과잉률이 감소하고, 배기 가스 중의 PM이 증가하기 때문에 문제가 된다. 본 실시형태에서는, VFT 지령치 리미터(97)에 있어서 VFT 제어 밸브(23)의 개방도가 엔진(1)의 정상 상태에 있어서의 개방도가 되도록 제한하는 것에 의해, 과급압이 과도하게 감소하지 않도록 하고, 과도 상태가 발생했을 때의 시간 지연을 경감하고, PM의 증가를 억제할 수 있다.

(산업상이용가능성)

본 발명은 내연 기관의 제어 장치에 관한 것이고, 특히, 내연 기관의 배기 가스 재순환 장치(이하 간단히 EGR이라고 한다)에 의한 EGR 제어와, 가변 유량 기구를 구비한 과급기에 의한 과급기 제어의 협조 제어에 이용 가능하다.

Claims

배기 가스 재순환(EGR) 장치에 의한 EGR 가스 공급량이 목표 EGR 가스 공급량이 되도록 EGR 지령 신호를 송신하여 EGR 밸브의 개방도를 제어하는 EGR 제어 수단과, 가변 유량 기구를 구비한 과급기의 과급량이 목표 과급량이 되도록 과급 지령 신호를 송신하여 상기 가변 유량 기구의 개방도를 제어하는 과급기 제어 수단을 구비한 내연 기관의 제어 장치에 있어서,
상기 내연 기관의 운전 상태에 근거하여 실린더 내 산소 과잉률을 산출하는 실린더 내 산소 과잉률 산출 수단과,
상기 실린더 내 산소 과잉률 산출 수단에서 산출한 실린더 내 산소 과잉률에 근거하여 상기 내연 기관이 과도 상태에 있는지 여부를 판정하는 과도 상태 판정 수단과,
상기 과도 상태 판정 수단에 의해 상기 내연 기관이 과도 상태에 있다고 판정된 경우, 상기 EGR 밸브의 개방도 및 상기 가변 유량 기구의 개방도가 평상 상태에 비하여 작아지도록, 상기 EGR 지령 신호 및 상기 과급 지령 신호를 전환하는 전환 수단
을 구비하고,
상기 과도 상태 판정 수단은,
상기 실린더 내 산소 과잉률 산출 수단에서 산출된 실린더 내 산소 과잉률이 제 1 임계치 이하인지 여부를 판정하는 제 1 판정 수단과,
상기 실린더 내 산소 과잉률 산출 수단에서 산출된 실린더 내 산소 과잉률과 상기 내연 기관의 운전 상태에 근거하여 미리 설정된 실린더 내 산소 과잉률의 최적치의 실린더 내 산소 과잉률 편차가 제 2 임계치 이상인지 여부를 판정하는 제 2 판정 수단
을 구비하여 이루어지고,
상기 제 1 판정 수단에서 상기 실린더 내 산소 과잉률이 상기 제 1 임계치 이하라고 판정되고, 또한, 상기 제 2 판정 수단에서 상기 실린더 내 산소 과잉률 편차가 상기 제 2 임계치 이상이라고 판정된 경우에, 상기 내연 기관이 과도 상태에 있다고 판정하는
것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전환 수단은 상기 EGR 밸브의 개방도 및 상기 가변 유량 기구의 개방도가 미리 설정된 하한치가 되도록, 상기 EGR 지령 신호 및 상기 과급 지령 신호를 전환하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 EGR 밸브의 개방도의 하한치는 상기 내연 기관의 운전 상태에 따라 미리 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 과도 상태 판정 수단은 상기 과급기의 과급압과 상기 내연 기관의 운전 상태에 근거하여 미리 설정된 과급압의 최적치의 과급압 편차가 제 3 임계치 이상인지 여부를 판정하는 제 3 판정 수단을 구비하고,
상기 제 3 판정 수단에서 상기 과급압 편차가 상기 제 3 임계치 이상이라고 판정된 경우에, 상기 내연 기관이 과도 상태에 있다고 또한 판정하는
것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전환 수단은 상기 과도 상태 판정 수단에 의해 상기 내연 기관이 과도 상태에 있지 않다고 판정된 경우, 상기 EGR 지령 신호 및 상기 과급 지령 신호에 대한 전환 제어를 해제하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 과도 상태 판정 수단은,
상기 실린더 내 산소 과잉률 산출 수단에서 산출된 실린더 내 산소 과잉률이 제 4 임계치보다 큰지 여부를 판정하는 제 4 판정 수단과,
상기 실린더 내 산소 과잉률 산출 수단에서 산출된 실린더 내 산소 과잉률과 상기 내연 기관의 운전 상태에 근거하여 미리 설정된 실린더 내 산소 과잉률의 최적치의 실린더 내 산소 과잉률 편차가 제 5 임계치 미만인지 여부를 판정하는 제 5 판정 수단
을 구비하여 이루어지고,
상기 제 4 판정 수단에서 상기 실린더 내 산소 과잉률이 상기 제 4 임계치보다 크다고 판정되거나, 또는, 상기 제 5 판정 수단에서 상기 실린더 내 산소 과잉률 편차가 상기 제 5 임계치 미만이라고 판정된 경우에, 상기 내연 기관이 과도 상태에 있지 않다고 판정하는
것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 전환 수단은 상기 전환 제어를 해제할 때에, 상기 EGR 밸브의 개방도가 상기 전환 제어시의 개방도보다 큰 소정 개방도가 되도록 상기 EGR 지령 신호를 리셋하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 가변 유량 기구의 개방도가 상기 내연 기관의 정상(定常) 상태에 있어서의 개방도가 되도록 상기 과급 지령 신호를 제한하는 과급 지령 신호 제한 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.