JP5387914B2

JP5387914B2 - 内燃機関の筒内流入ｅｇｒガス流量推定装置

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Publication number: JP5387914B2
Application number: JP2010239129A
Authority: JP
Inventors: 浩行竹添
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2030-10-25
Also published as: US20120097139A1; JP2012092689A; US8751137B2

Description

本発明は、内燃機関の筒内に流入するＥＧＲガス流量（筒内流入ＥＧＲガス流量）を推定する内燃機関の筒内流入ＥＧＲガス流量推定装置に関する発明である。

特許文献１（特開２００８−１０１６２６号公報）では、内燃機関から排出される排出ガスの一部をＥＧＲ通路を通して内燃機関の吸気通路に還流させる流量（ＥＧＲガス流量）を該ＥＧＲ通路のＥＧＲ弁で制御するＥＧＲ装置付きの内燃機関において、ＥＧＲ通路内を流れるＥＧＲガスがＥＧＲ弁を通過する挙動を模擬したＥＧＲ弁モデルを用いてＥＧＲ弁通過ガス流量を演算し、定常運転時には、ＥＧＲ弁通過ガス流量をそのまま筒内流入ＥＧＲガス流量とし、過渡運転時には、ＥＧＲ弁を通過したＥＧＲガスが吸気管内に流入して内燃機関の吸気口に到達するまでの挙動を模擬したＥＧＲガス拡散モデル（無駄時間＋一次遅れ系）を用いてＥＧＲ弁通過ガス流量の演算値から筒内に流入するＥＧＲガス流量（筒内流入ＥＧＲガス流量）を演算するようにしている。

特開２００８−１０１６２６号公報

ＥＧＲ装置付きの内燃機関で、近年の重要な技術的課題である内燃機関の燃費を低減するためには、内燃機関の運転条件に応じて、ＥＧＲガスを含む筒内流入ガスを最適な燃焼条件で燃焼させるように筒内流入ＥＧＲガス流量（ＥＧＲ率）を制御する必要があり、そのためには、筒内流入ＥＧＲガス流量を高精度に推定することが必要となる。しかし、上記特許文献１の推定方法では、筒内流入ＥＧＲガス流量の推定精度が燃費低減のための要求精度を満たさず、特に過渡運転時の筒内流入ＥＧＲガス流量の推定誤差が要求される誤差範囲を越えてしまうことが判明した。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、筒内流入ＥＧＲガス流量の推定精度を向上できる内燃機関の筒内流入ＥＧＲガス流量推定装置を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の排気通路からＥＧＲ通路を通して該内燃機関の吸気通路に還流させるＥＧＲガス流量を制御するＥＧＲ弁と、前記吸気通路内を流れる新気流量を計測する新気流量計測手段とを備えた内燃機関の筒内流入ＥＧＲガス流量推定装置において、前記吸気通路内を流れるガスが筒内に吸入される挙動を模擬した吸気弁モデルを用いて筒内流入総ガス流量を演算する手段Ａと、前記ＥＧＲ通路内を流れるＥＧＲガスが前記ＥＧＲ弁を通過する挙動を模擬したＥＧＲ弁モデルを用いてＥＧＲ弁通過ガス流量を演算する手段Ｂと、前記ＥＧＲ弁を通過したＥＧＲガスが前記吸気通路内に流入して前記内燃機関の吸気口に到達するまでの挙動を模擬したＥＧＲガス拡散モデルを用いて前記ＥＧＲ弁通過ガス流量の演算値に基づいて仮の筒内流入ＥＧＲガス流量を演算する手段Ｃと、前記筒内流入総ガス流量の演算値から前記仮の筒内流入ＥＧＲガス流量の演算値を差し引いて筒内流入新気流量を求める手段Ｄと、前記新気流量計測手段で計測した新気流量の計測値を用いて前記筒内流入新気流量の演算値を補正する手段Ｅと、前記手段Ｅで補正した筒内流入新気流量の演算値に基づいて吸気管圧力を演算する手段Ｆと、少なくとも前記吸気管圧力の演算値を用いて筒内流入ＥＧＲガス流量を演算する手段Ｇとを備えた構成としたものである。

この構成では、吸気弁モデルを用いて筒内流入総ガス流量を演算し、ＥＧＲ弁モデルとＥＧＲガス拡散モデルを用いて仮の筒内流入ＥＧＲガス流量を演算した後、筒内流入総ガス流量の演算値から仮の筒内流入ＥＧＲガス流量の演算値を差し引いて筒内流入新気流量を求める。
筒内流入新気流量＝筒内流入総ガス流量−仮の筒内流入ＥＧＲガス流量

更に、新気流量計測手段で計測した新気流量の計測値を用いて筒内流入新気流量の演算値を補正し、補正した筒内流入新気流量の演算値に基づいて吸気管圧力を演算して、少なくとも吸気管圧力の演算値を用いて筒内流入ＥＧＲガス流量を演算する。このようにすれば、新気流量計測手段（エアフローメータ等）で計測した新気流量の計測値を筒内流入ＥＧＲガス流量の演算値に反映させて、筒内流入ＥＧＲガス流量の演算精度を高めることができる。

この場合、請求項２のように、新気流量の計測値を用いて筒内流入新気流量の演算値を補正する際に、筒内流入新気流量の演算値に対する補正量を定常運転時と過渡運転時とで切り換えるようにすると良い。定常運転時には、新気流量の計測値と筒内流入新気流量とがほぼ一致するが、過渡運転時には、新気流量の計測値と筒内流入新気流量とが異なる値となるためである。

また、請求項３のように、新気流量の計測値を用いて筒内流入新気流量の演算値を補正する際に、筒内流入新気流量の演算値に対する補正量を、新気流量の計測値と該筒内流入新気流量の演算値との差分値に設定するようにすると良い。これにより、筒内流入新気流量の演算精度を高めることができる。

また、請求項４のように、補正後の筒内流入新気流量の演算値に基づいて吸気管圧力を演算する際に、吸気弁モデルの逆モデルを用いて吸気管圧力を演算するようにすると良い。これにより、吸気管圧力の演算精度を高めることができる。

また、請求項５のように、筒内流入ＥＧＲガス流量を演算する際に、吸気管圧力の演算値の他に、内燃機関回転速度とＥＧＲ弁の開度を用いて筒内流入ＥＧＲガス流量を演算するようにすると良い。これにより、筒内流入ＥＧＲガス流量の演算精度を高めることができる。

図１は本発明の一実施例における過給機付きエンジン制御システムの構成を概略的に説明する図である。図２は筒内流入ＥＧＲガス流量の演算方法を説明するブロック図である。図３は筒内流入ＥＧＲガス流量演算プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を過給機付きの内燃機関に適用して具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいて過給機付きのエンジン制御システムの構成を概略的に説明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２（吸気通路）の最上流部に、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流に、吸入空気（新気）の流量を計測するエアフローメータ１４（新気流量計測手段）が設けられている。一方、エンジン１１の排気管１５（排気通路）には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する三元触媒等の触媒１６が設置されている。

このエンジン１１には、排気タービン式の過給機１７が搭載されている。この過給機１７は、排気管１５のうちの触媒１６の上流に排気タービン１８が配置され、吸気管１２のうちのエアフローメータ１４の下流にコンプレッサ１９が配置されている。この過給機１７は、排気タービン１８とコンプレッサ１９とが一体的に回転するように連結され、排出ガスの運動エネルギーで排気タービン１８を回転駆動することでコンプレッサ１９を回転駆動して吸入空気（新気）を過給するようになっている。

コンプレッサ１９の下流の吸気管２１（吸気通路）には、吸入空気を冷却するインタークーラ２２が設けられ、このインタークーラ２２の下流には、モータ２０によって開度調節されるスロットルバルブ２３と、このスロットルバルブ２３の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ２４とが設けられている。

スロットルバルブ２３の下流の吸気管２１ａには、サージタンク２５が設けられ、このサージタンク２５には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２６が設けられ、各気筒毎に筒内噴射又は吸気ポート噴射を行う燃料噴射弁（図示せず）が取り付けられている。サージタンク２５には、吸気管圧力Ｐｍを検出する吸気管圧力センサ２８が設けられている。エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ（図示せず）が取り付けられ、各点火プラグの火花放電によって各気筒内の混合気に着火される。

エンジン１１の各気筒の排気口には排気マニホールド２７（排気通路）が接続され、各気筒の排気マニホールド２７の下流側の集合部が排気タービン１８の上流の排気管１５ａに接続されている。排気タービン１８の上流の排気通路（排気マニホールド２７又は排気管１５ａ）と、スロットルバルブ２３の下流の吸気通路（吸気管２１ａ、サージタンク２５、吸気マニホールド２６のいずれか）との間には、エンジン１１から排出した排出ガスの一部をスロットルバルブ２３の下流の吸気通路に還流させるＥＧＲ装置２９のＥＧＲ配管３０が接続され、このＥＧＲ配管３０には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３１と、ＥＧＲガス流量を制御するＥＧＲ弁３２が設けられている。このＥＧＲ弁３２は、モータ（図示せず）によって開度が調整される。

また、エンジン１１には、吸気・排気の各バルブタイミング（吸気ＶＣＴと排気ＶＣＴ）をそれぞれ調整する吸気・排気可変バルブタイミング装置（図示せず）が設けられている。その他、エンジン１１には、所定クランク角毎にパルス信号を出力するクランク角センサ（図示せず）が設けられ、このクランク角センサの出力信号に基づいてエンジン回転速度Ｎｅやクランク角が検出される。

これら各種センサの出力信号は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３７に入力される。ＥＣＵ３７は、各種センサの出力信号に基づいてエンジン運転状態を検出して、エンジン運転領域がＥＧＲ実行領域である場合は、ＥＧＲ弁３２を開放してエンジン１１から排出された排出ガスの一部をＥＧＲガスとしてスロットルバルブ２３の下流の吸気通路に還流させる。この際、ＥＣＵ３７は、後述する図３の筒内流入ＥＧＲガス流量演算プログラムを実行することで、筒内に流入するＥＧＲガス流量（筒内流入ＥＧＲガス流量）を演算し、演算した筒内流入ＥＧＲガス流量を、エンジン１１の運転状態に応じて設定した目標筒内流入ＥＧＲガス流量に一致させるようにＥＧＲ弁３２の開度をフィードバック制御等により制御する。又は、演算した筒内流入ＥＧＲガス流量からＥＧＲ率を算出して、ＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率に一致させるようにＥＧＲ弁３２の開度をフィードバック制御等により制御する。

ＥＧＲ率＝筒内流入ＥＧＲガス流量／筒内流入総ガス流量
＝筒内流入ＥＧＲガス流量／（筒内流入新気流量＋筒内流入ＥＧＲガス流量）或は、演算した筒内流入ＥＧＲガス流量（ＥＧＲ率）に基づいて点火時期の遅角量、吸気ＶＣＴ、排気ＶＣＴ等を制御するようにしても良い。

本実施例では、図２に示す手段Ａ〜Ｇにより筒内流入ＥＧＲガス流量を演算する。以下、各手段Ａ〜Ｇの機能を説明する。
［手段Ａ］
手段Ａは、吸気通路内を流れる新気がＥＧＲガスと混合して筒内に吸入される挙動を模擬した吸気弁モデルを用いて筒内流入総ガス流量（＝筒内流入新気流量＋筒内流入ＥＧＲガス流量）を演算する。

吸気弁モデルは、推定吸気管圧力Ｐｍと係数Ａ₀，Ａ₁，Ａ₂を入力パラメータとする次の多項式（１）で近似されている。
筒内流入総ガス流量＝Ａ₂・Ｐｍ²＋Ａ₁・Ｐｍ＋Ａ₀ ……（１）

上記多項式（１）の係数Ａ₀，Ａ₁，Ａ₂は、予めシミュレーション又は実験データにより作成した吸気特性マップを用いて算出される。吸気特性マップは、ＥＧＲ開度毎に作成した複数枚のマップから成り、ＥＧＲ開度毎に、例えばエンジン回転速度Ｎｅ、吸気ＶＣＴ、排気ＶＣＴを入力パラメータとして多項式（１）の係数Ａ₀，Ａ₁，Ａ₂を算出するように作成されている。上記多項式（１）の入力パラメータである推定吸気管圧力Ｐｍは、吸気管モデルで算出される。尚、吸気管モデルの詳細は、例えば特許文献１（特開２００８−１０１６２６号公報）に記載されている。

［手段Ｂ］
手段Ｂは、ＥＧＲ配管３０内を流れるＥＧＲガスがＥＧＲ弁３２を通過する挙動を模擬したＥＧＲ弁モデルを用いてＥＧＲ弁通過ガス流量を演算する。
ＥＧＲ弁モデルは、吸気弁モデルと同様に推定吸気管圧力Ｐｍと係数Ｂ₀，Ｂ₁，Ｂ₂を入力パラメータとする次の多項式（２）で近似されている。
ＥＧＲ弁通過ガス流量＝Ｂ₂・Ｐｍ²＋Ｂ₁・Ｐｍ＋Ｂ₀ ……（２）

上記多項式（２）の係数Ｂ₀，Ｂ₁，Ｂ₂は、予めシミュレーション又は実験データにより作成したＥＧＲ特性マップを用いて算出される。ＥＧＲ特性マップは、ＥＧＲ開度毎に作成した複数枚のマップから成り、ＥＧＲ開度毎に、例えばエンジン回転速度Ｎｅ、吸気ＶＣＴ、排気ＶＣＴを入力パラメータとして多項式（２）の係数Ｂ₀，Ｂ₁，Ｂ₂を算出するように作成されている。上記多項式（２）の入力パラメータである推定吸気管圧力Ｐｍは、前記吸気管モデルで算出される。

［手段Ｃ］
手段Ｃは、ＥＧＲ弁３２を通過したＥＧＲガスが吸気通路内に流入してエンジン１１の吸気口に到達するまでの挙動を模擬したＥＧＲガス拡散モデルを用いてＥＧＲ弁通過ガス流量の演算値に基づいて仮の筒内流入ＥＧＲガス流量を演算する。ＥＧＲガス拡散モデルは、例えば、無駄時間＋一次遅れ系で近似されている。

［手段Ｄ］
手段Ｄは、手段Ａで演算した筒内流入総ガス流量の演算値から上記仮の筒内流入ＥＧＲガス流量の演算値を差し引いて筒内流入新気流量を求める。
筒内流入新気流量＝筒内流入総ガス流量−仮の筒内流入ＥＧＲガス流量

［手段Ｅ］
手段Ｅは、エアフローメータ１４で計測した新気流量の計測値を用いて筒内流入新気流量の演算値を補正する。具体的には、筒内流入新気流量の演算値に対する補正量を定常運転時と過渡運転時とで切り換える手段を有する。定常運転と過渡運転との判別は、例えば推定吸気管圧力Ｐｍの単位時間当たりの変化量ΔＰｍ（絶対値）を所定値と比較して、当該変化量ΔＰｍが所定値以下であれば定常運転と判定し、当該変化量ΔＰｍが所定値より大きければ過渡運転と判定する。

過渡運転時には、筒内流入新気流量の演算値に対する補正量を、筒内流入新気流量の演算値とエアフローメータ１４で計測した新気流量の計測値との差分値に設定して、筒内流入新気流量の演算値を補正する。

補正量＝筒内流入新気流量−新気流量計測値
補正後筒内流入新気流量＝筒内流入新気流量＋補正量
＝筒内流入新気流量＋（筒内流入新気流量−新気流量計測値）

定常運転時には、筒内流入新気流量の演算値に対する補正量を０に設定する。従って、定常運転時には、手段Ｄで演算した筒内流入新気流量の演算値を補正せずに、そのまま用いる。

［手段Ｆ］
手段Ｆは、前記手段Ｅで補正した筒内流入新気流量の演算値に基づいて推定吸気管圧力Ｐｍを演算する。この際、前記手段Ａで用いた吸気弁モデルの逆モデルを用いて推定吸気管圧力Ｐｍを演算する。

［手段Ｇ］
手段Ｇは、上記手段Ｆで演算した推定吸気管圧力Ｐｍと、エンジン回転速度Ｎｅ、吸気ＶＣＴ、排気ＶＣＴ、ＥＧＲ弁開度を用いて筒内流入ＥＧＲガス流量を演算する。この際、前記手段Ｂで用いたＥＧＲ弁モデルと同様のモデルを用いる。

以上説明した各手段Ａ〜Ｆの機能は、ＥＣＵ３７によって図３の筒内流入ＥＧＲガス流量演算プログラムを実行することで実現される。図３の筒内流入ＥＧＲガス流量演算プログラムは、エンジン運転中に所定の演算周期で繰り返し実行される。本プログラムが起動されると、まずステップ１０１で、吸気管１２内を流れる空気（新気）がスロットルバルブ２３を通過する挙動を模擬したスロットルモデルを用いて、スロットル開度センサ２４で検出したスロットル開度等からスロットル通過空気流量を算出する。尚、スロットルモデルは、例えば特許文献１（特開２００８−１０１６２６号公報）に記載されたモデルを使用すれば良い。

この後、ステップ１０２に進み、前記吸気管モデルを用いて推定吸気管圧力Ｐｍを算出した後、ステップ１０３に進み、前記手段Ａにより吸気弁モデルを用いて筒内流入総ガス流量を算出する。

そして、次のステップ１０４で、前記手段Ｂ及び手段Ｃにより、ＥＧＲ弁モデルとＥＧＲガス拡散モデルを用いて、仮の筒内流入ＥＧＲガス流量を算出する。この後、ステップ１０５に進み、上記ステップ１０３で算出した筒内流入総ガス流量から、上記ステップ１０４で算出した仮の筒内流入ＥＧＲガス流量を差し引いた値を補正前の筒内流入新気流量として求める。

補正前の筒内流入新気流量＝筒内流入総ガス流量−仮の筒内流入ＥＧＲガス流量
この後、ステップ１０６に進み、上記ステップ１０２で算出した推定吸気管圧力Ｐｍの単位時間当たりの変化量ΔＰｍ（絶対値）が所定値以下であるか否かを判定する。その結果、推定吸気管圧力Ｐｍの単位時間当たりの変化量ΔＰｍ（絶対値）が所定値以下と判定されれば、定常運転と判断して、ステップ１０７に進み、補正前の筒内流入新気流量に対する補正量を０にセットして、補正前の筒内流入新気流量をそのまま補正後の筒内流入新気流量とする。
補正後の筒内流入新気流量＝補正前の筒内流入新気流量

これに対して、上記ステップ１０６で、推定吸気管圧力Ｐｍの単位時間当たりの変化量ΔＰｍ（絶対値）が所定値より大きいと判定されれば、過渡運転と判断して、ステップ１０８に進み、補正前の筒内流入新気流量に対する補正量を、補正前の筒内流入新気流量とエアフローメータ１４で計測した新気流量の計測値との差分値に設定して、次式により補正後の筒内流入新気流量を算出する。

補正後の筒内流入新気流量＝補正前の筒内流入新気流量＋補正量
＝補正前の筒内流入新気流量＋
（補正前の筒内流入新気流量−新気流量計測値）

この後、ステップ１０９に進み、前記手段Ａで用いた吸気弁モデルの逆モデルを用いて補正後の筒内流入新気流量から推定吸気管圧力Ｐｍを算出する。そして、次のステップ１１０で、ＥＧＲ弁モデルと同様のモデルを用いて、上記ステップ１０９で算出した推定吸気管圧力Ｐｍと、エンジン回転速度Ｎｅ、吸気ＶＣＴ、排気ＶＣＴ、ＥＧＲ弁開度を用いて筒内流入ＥＧＲガス流量を演算する。

以上説明した本実施例によれば、エアフローメータ１４で計測した新気流量の計測値を用いて筒内流入新気流量の演算値を補正するようにしたので、精度の良い筒内流入新気流量の演算値を用いて筒内流入ＥＧＲガス流量を精度良く演算することができ、筒内流入ＥＧＲガス流量の演算精度を向上することができる。

尚、本発明の適用範囲は、図１に示すような過給機付きのエンジン制御システムに限定されず、過給機の無いエンジン制御システムにも適用して実施できる。

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１４…エアフローメータ（新気流量計測手段）、１５…排気管（排気通路）、１７…排気タービン式の過給機、１８…排気タービン、１９…コンプレッサ、２０…モータ、２１，２１ａ…吸気管（吸気通路）、２２…インタークーラ、２３…スロットルバルブ、２５…サージタンク（吸気通路）、２６…吸気マニホールド（吸気通路）、２７…排気マニホールド（排気通路）、２８…吸気管圧力センサ、２９…ＥＧＲ装置、３０…ＥＧＲ配管、３１…ＥＧＲクーラ、３２…ＥＧＲ弁、３７…ＥＣＵ

Claims

内燃機関の排気通路からＥＧＲ通路を通して該内燃機関の吸気通路に還流させるＥＧＲガス流量を制御するＥＧＲ弁と、前記吸気通路内を流れる新気流量を計測する新気流量計測手段とを備えた内燃機関の筒内流入ＥＧＲガス流量推定装置において、
前記吸気通路内を流れるガスが筒内に吸入される挙動を模擬した吸気弁モデルを用いて筒内流入総ガス流量を演算する手段Ａと、
前記ＥＧＲ通路内を流れるＥＧＲガスが前記ＥＧＲ弁を通過する挙動を模擬したＥＧＲ弁モデルを用いてＥＧＲ弁通過ガス流量を演算する手段Ｂと、
前記ＥＧＲ弁を通過したＥＧＲガスが前記吸気通路内に流入して前記内燃機関の吸気口に到達するまでの挙動を模擬したＥＧＲガス拡散モデルを用いて前記ＥＧＲ弁通過ガス流量の演算値に基づいて仮の筒内流入ＥＧＲガス流量を演算する手段Ｃと、
前記筒内流入総ガス流量の演算値から前記仮の筒内流入ＥＧＲガス流量の演算値を差し引いて筒内流入新気流量を求める手段Ｄと、
前記新気流量計測手段で計測した新気流量の計測値を用いて前記筒内流入新気流量の演算値を補正する手段Ｅと、
前記手段Ｅで補正した筒内流入新気流量の演算値に基づいて吸気管圧力を演算する手段Ｆと、
少なくとも前記吸気管圧力の演算値を用いて筒内流入ＥＧＲガス流量を演算する手段Ｇと
を備えていることを特徴とする内燃機関の筒内流入ＥＧＲガス流量推定装置。
前記手段Ｅは、前記筒内流入新気流量の演算値に対する補正量を定常運転時と過渡運転時とで切り換えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の筒内流入ＥＧＲガス流量推定装置。
前記手段Ｅは、前記筒内流入新気流量の演算値に対する補正量を、前記新気流量の計測値と前記筒内流入新気流量の演算値との差分値に設定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筒内流入ＥＧＲガス流量推定装置。
前記手段Ｆは、前記吸気弁モデルの逆モデルを用いて前記吸気管圧力を演算することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関の筒内流入ＥＧＲガス流量推定装置。
前記手段Ｇは、前記吸気管圧力の演算値の他に、内燃機関回転速度と前記ＥＧＲ弁の開度を用いて前記筒内流入ＥＧＲガス流量を演算することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関の筒内流入ＥＧＲガス流量推定装置。