JP3897869B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転条件に応じて燃焼状態を変化させるエンジンの制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近のエンジンでは、筒内噴射による混合気の成層化や空気流動の強化等によって大幅な空燃比のリーン化やEGR限界の向上を達成しており、このようなエンジンでは、主に燃費改善を目的としたリーン空燃比あるいはEGR付加状態と、空気利用率の向上を目的とした理論空燃比の状態(NOx吸蔵触媒におけるNOxの離脱と還元処理を目的としたオーバーリッチ状態を含む)とを選択的に用いる等して広範な空燃比での制御を可能としている。
【0003】
すなわち、主に燃費改善を目的とする燃焼状態では、空燃比のリーン化によって理論熱効率を改善し、また、EGR付加によってポンプ損失、冷却損失等を改善することができるが、一方、エンジン出力性能の観点からは、空気利用率を向上させることが重要であり、このためには、空気と燃料との比を理論空燃比近傍にする必要があり、この理論空燃比近傍の燃焼では、筒内で均一に混合した燃料に点火する均一燃焼となる。
【0004】
この場合、排気浄化は、リーン空燃比あるいはEGR付加による燃焼状態では、EGR付加によるエンジン出口のNOx低減、酸化触媒による一酸化炭素や未燃炭化水素の酸化処理、酸化雰囲気中でもNOxを還元できるリーンNOx触媒、あるいはNOx吸蔵触媒等によって行い、理論空燃比近傍の燃焼状態では、三元触媒による排気浄化処理を主として、EGR付加によるエンジン出口のNOx低減処理、さらには、NOx吸蔵触媒を利用して排気浄化を行い、NOx吸蔵触媒では、リーン状態で吸着したNOxを一時的にオーバーリッチ状態にすることで、NOxの離脱と還元処理を行う。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、リーン空燃比での成層燃焼や理論空燃比(含むリッチ空燃比)での均一燃焼等、異なる燃焼状態を切り換えて制御する場合、燃焼状態の切り換え直後における最適燃焼状態については、電子制御化によって燃料噴射量や点火時期については要求値に対して急峻に変化させることが可能であるものの、空気やEGRについては、アクチュエータの動作遅れや機械的応答限界、吸気チャンバの充填分による圧力応答遅れ等により、要求値が達成できない状態が発生する。
【0006】
この空気・EGRの要求値が達成できないままで燃料噴射量や点火時期を要求通りとすると、成層燃焼の場合は結果としての空燃比が正常燃焼範囲の空燃比のリッチ限界を超え、均一あるいは予混合燃焼の場合にはリーン限界あるいはEGR限界を超えてしまう。このため、正常燃焼ができずに失火が発生して排気ガスエミッションの悪化を招くばかりでなく、空燃比切り換え時のエンジン出力変動によってトルクショックが発生し、ドライバビリティの悪化を招く。
【0007】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、異なる燃焼状態を切り換える際に、燃焼状態を正常燃焼範囲に維持し、また、出力トルクショックを最小限に抑えることのできるエンジンの制御装置を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、運転条件に応じて空燃比制御状態を変化させるエンジンの制御装置において、シリンダ流入量の初期設定値と、このシリンダ流入量の初期設定値と吸気系の制御結果としてのシリンダ流入量との一致度により、マップ設定値及び/又は計算によって求まる目標値への制御が可燃範囲で達成可能か否かを判断する手段と、上記目標値への制御が可燃範囲を外れ達成不可と判断されたとき、可燃範囲となる燃焼限界空燃比を設定する手段と、上記燃焼限界空燃比と基本燃料噴射量の初期設定値から求めた空燃比とを比較し、可燃範囲となる燃料噴射量を求める手段とを備えたことを特徴とする。
【0009】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、理論空燃比で換算したEGR率に基づいて上記燃焼限界空燃比を設定することを特徴とする。
【0010】
請求項3記載の発明は、請求項1記載の発明において、基本燃料噴射量の初期設定値に対応する空燃比で換算したEGR率に基づいて上記燃焼限界空燃比を設定することを特徴とする。
【0017】
すなわち、本発明では、マップ設定値及び/又は計算によって求まる目標値への制御が可燃範囲で達成可能か否かを、シリンダ流入量の初期設定値と、このシリンダ流入量の初期設定値と吸気系の制御結果としてのシリンダ流入量との一致度により判断し、目標値への制御が可燃範囲を外れ達成不可と判断されたときには、可燃範囲となる燃焼限界空燃比を設定し、この燃焼限界空燃比と基本燃料噴射量の初期設定値から求めた空燃比とを比較して可燃範囲となる燃料噴射量を求める。
【0018】
この際、燃焼限界空燃比は、理論空燃比で換算したEGR率、あるいは、基本燃料噴射量の初期設定値に対応する空燃比で換算したEGR率に基づいて設定することが望ましい。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図面は本発明の実施の一形態に係わり、図1は燃料・吸気・EGR制御部のブロック図、図2は第2の負荷・燃焼制御マネージャのブロック図、図3はエンジン制御系の全体ブロック図、図4は初期化ルーチンのフローチャート、図5は定期処理ルーチンのフローチャート、図6は燃料・吸気・EGR制御処理ルーチンのフローチャート、図7は可燃限界判定ルーチンのフローチャート、図8は点火時期補正ルーチンのフローチャート、図9はクランク角割込みルーチンのフローチャート、図10は吸気系モデルの説明図、図11は可燃限界算出モデルの説明図、図12は均一燃焼リーン限界テーブルの説明図、図13は成層燃焼リッチ限界テーブルの説明図、図14は点火時期補正マップの説明図、図15は点火時期補正の説明図、図16は点火時期補正マップの説明図、図17は気筒判別の説明図である。
【0021】
図3は、燃料噴射制御、吸気制御、EGR制御を総合的に行うエンジン制御系を示し、本形態では、筒内噴射エンジン等のように、リーン空燃比による成層燃焼からストイキオ近傍の空燃比による均一燃焼まで広範囲に渡る空燃比での燃焼を行うエンジンに適用され、各種制御量を演算するマイクロコンピュータからなるメイン制御ユニット20に、エンジン運転状態を検出するための各種センサ類が接続されるとともに、エンジン制御のための各種アクチュエータ類が接続されている。
【0022】
上記メイン制御ユニット20に接続されるセンサ類としては、所定の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2、このクランク角センサ2から出力されるパルス信号間で発生する気筒判別のためのパルス信号を出力する気筒判別センサ3、図示しないアクセルペダルの踏み込み量に応じた電圧信号を出力するアクセル開度センサ4、吸気管内圧力に応じた電圧信号を出力する吸気管圧力センサ5、吸気管内のガス温度に応じた電圧信号を出力する吸気管温度センサ6、空燃比を検出する空燃比センサ7、スロットル通過空気流量を計測する吸入空気量センサ8等がある。
【0023】
また、上記メイン制御ユニット20に接続されるアクチュエータ類としては、燃料を噴射する各気筒のインジェクタ10、気筒毎の点火プラグ12に連設される点火コイル11等があり、さらに、スロットル開度を可変するためのスロットルアクチュエータ13、及び、EGR量を可変するためのEGRバルブ14が接続されている。
【0024】
上記メイン制御ユニット20は、各センサ類からの信号を処理してエンジン運転状態を表す各種パラメータを算出する機能として、気筒判別部21、クランク角度判定部22、クランク角度パルス発生間隔時間算出部23、エンジン回転数算出部24、アクセル開度算出部25、マニホルド全圧算出部26、吸気管内ガス温度算出部27、空燃比算出部28、スロットル通過空気流量算出部29を有し、さらに、エンジン制御の中枢となる燃料・吸気・EGR制御部30を有し、制御量出力に係わる機能として、噴射パルス時間算出部40、噴射時期設定部41、噴射パルス発生部42、点火時期設定部43、及び、点火信号発生部44の各機能を有している。
【0025】
すなわち、気筒判別部21で、クランク角センサ2からの出力パルス信号(クランクパルス)と気筒判別センサ3からの出力パルス信号(気筒判別パルス)との入力パターンによって気筒判別を行い、気筒判別した特定気筒の所定クランク角度位置を基準クランク位置として、順次入力されるクランクパルスに対応するクランク角度位置をクランク角度判定部22で判定する。また、クランク角度パルス発生間隔時間算出部23では、クランクパルスの入力間隔時間を計時して所定クランク角度間の経過時間を算出し、エンジン回転数算出部24で180°CAの経過時間からエンジン回転数Neを算出する。
【0026】
また、アクセル開度算出部25でアクセル開度センサ4の出力電圧値に基づいてアクセル開度(アクセル踏み込み量)Sを算出し、マニホルド全圧算出部26で吸気管圧力センサ5の出力電圧値に基づいて吸気管圧力(以下、マニホルド全圧と称する)Pmを算出する。
【0027】
さらに、吸気管内ガス温度算出部27で吸気管温度センサ6の出力電圧値に基づいて吸気管内ガス温度Tmを算出し、空燃比算出部28で空燃比センサ7の出力電圧に基づいて空燃比λを算出し、スロットル通過空気流量算出部29で吸入空気量センサ8からの出力に基づいてスロットル通過空気流量計測値Qaveを算出する。
【0028】
一方、燃料・吸気・EGR制御部30は、詳細には、図1に示すように、目標トルク設定部31、第1の負荷・燃焼制御マネージャ32、第2の負荷・燃焼制御マネージャ32a、吸気系係数算出部33、第1の吸気制御マネージャ34、第2の吸気制御マネージャ34a、制御係数算出部35、F/B制御部36、電子制御スロットル(ETC)指示部37、及び、EGR指示部38から構成されている。
【0029】
目標トルク設定部31では、エンジン回転数Neとアクセル開度Sとに基づいて目標エンジントルクTeiを設定し、第1の負荷・燃焼制御マネージャ32で目標エンジントルクTeiに対応した基本燃料噴射量及びEGR設定値(EGR率)を初期設定すると、第1の吸気制御マネージャ34で基本燃料噴射量及びEGR設定値から吸気管内の圧力目標値を空気有効成分分圧とEGRガス有効成分分圧とに分けて設定する。
【0030】
そして、F/B制御部36で、以下の吸気系モデルに従い、空気有効成分分圧の推定値及びEGRガス有効成分分圧の推定値を算出し、EGRガス有効成分分圧の推定値とEGRガス有効成分分圧の制御目標値との偏差に基づいてEGRバルブ通過ガス流量設定値Qeを算出するとともに、空気有効成分分圧の推定値と空気有効成分分圧の制御目標値との偏差、及び、EGRガス中の空気過不足成分に基づいて、スロットルバルブ通過空気流量設定値Qaを算出する。
【0031】
尚、各パラメータに付加する添字は、iが初期設定値、*が目標値、(-k)がk制御周期前の値(例えば、添字(-1)で1制御周期前の値)であることを表す。
【0032】
ここで、有効成分、過不足成分について説明する。まず、有効成分とは、目標値(初期設定値)に呼応するための成分を示し、EGRガス有効成分は、制御空燃比が当量(理論空燃比)であれば、EGRガス中の非空気成分である不活性成分(理論空燃比での既燃ガスに相当する成分;H20,CO2,N2等からなる)と同じ値であるが、制御空燃比がリーンの場合、当量比分の空気を含み、EGRガス中の空気成分に不活性成分を加えた値となる。
【0033】
また、過不足成分は、有効分に対する過不足分を示し、定常状態では目標当量比と排気当量比とが同じであるため、過不足は生じないが、過渡的には、これから制御しようとする目標当量比と現在還流されてくるEGRガスの排気当量比とが一致しないことが多く、目標当量比>排気当量比の場合には、還流されてくるEGRガス中に過剰空気を生じ、目標当量比<排気当量比の場合には、還流されてくるEGRガス中に不足空気を生じる。従って、この過剰・不足空気分をスロットルバルブ・EGRバルブ制御で目標状態に制御するのである。
【0034】
次に、本発明で採用する吸気系モデルは、図10に示すように、エンジン1の吸気管1aに介装されたスロットルバルブ1bを通過する新気分の流量(スロットル通過空気流量)Qaと、排気管1cから吸気管1aへの排気還流管1dに介装されたEGRバルブ14を通過するEGRガス流量(EGRバルブ通過ガス流量)Qeとが吸気管1a内に供給され、エンジン1のシリンダに流出している(シリンダ流入ガス量Qs)とする吸気系モデルであり、スロットル通過空気流量QaとEGRバルブ通過ガス流量Qeとによって吸気管容積を充填する分の空気量を見込むことにより、アクセル操作量とエンジン回転数から設定した目標トルクを過渡的に遅れなく実現することができる。
【0035】
吸気管内の空気有効成分は、スロットルバルブ1bを通過する新気と、EGRバルブ14を通過するEGRガス中の空気過不足成分との和から、シリンダ内へ流入する空気有効成分を除いたものであり、スロットル通過空気流量Qa、EGRガス中の空気過不足成分のEGRバルブ通過流量Qea、吸気管内の空気有効成分のシリンダ流入流量Qso、吸気管容積Vm、吸気管内ガス温度Tm、空気有効成分の気体定数Raを用いて気体の状態方程式を適用すると、吸気管内の空気有効成分分圧Pmoの時間変化量dPmo/dtは、以下の(1)式で表すことができる。
dPmo/dt=(Qa+Qea−Qso)・Ra・Tm/Vm …(1)
【0036】
また、吸気管内のEGRガス有効成分は、EGRバルブ14を通過するEGRガス有効成分からシリンダ内へ流入するEGRガス有効成分を除いたものであり、同様に、吸気管内のEGRガス有効成分分圧Pmeeの時間変化量dPmee/dtは、EGRガス有効成分のEGRバルブ通過流量Qee、EGRガス有効成分のシリンダ流入流量Qsee、EGRガス有効成分の気体定数Reにより、以下の(2)式で表すことができる。
dPmee/dt=(Qee−Qsee)・Re・Tm/Vm …(2)
【0037】
上記(1)式におけるEGRガス中の空気過不足成分のEGRバルブ通過流量Qea、上記(2)式におけるEGRガス有効成分のEGRバルブ通過流量Qeeは、EGRバルブ通過ガス流量Qeに、EGRバルブ14入口におけるEGRガスの当量比Φとシリンダ内当量比の初期設定値である目標当量比Φiとの比を適用することにより、それぞれ、以下の(3),(4)式のように表すことができる。
Qea=(1−Φ/Φi)・Qe …(3)
Qee=(Φ/Φi)・Qe …(4)
【0038】
また、上記(1)式における空気有効成分のシリンダ流入流量Qso、上記(2)式におけるEGRガス有効成分のシリンダ流入流量Qseeは、それぞれ、1気筒当たりのストローク容積Vs、体積効率ηv、エンジンの気筒数Lを用いて、以下の(5),(6)式で表すことができる。
Qso=((Pmo・Vs)/(Ra・Tm))・ηv・(Ne・L/120) …(5)
Qsee=((Pmee・Vs)/(Re・Tm))・ηv・(Ne・L/120) …(6)
【0039】
従って、上記(1),(2)式に上記(3)〜(5)式を適用して式中の一部を以下の(7)〜(9)式で示す係数a,ba,beで置き換え、上記(1),(2)式をマトリックス形式で記述すると、以下の(10)式で示すようになり、スロットル通過空気流量Qa、EGRバルブ通過ガス流量Qe、及び、EGRガスの当量比Φと目標当量比Φiとの比に基づいて、吸気管内の状態を空気有効成分分圧Pmoの時間変化量とEGRガス有効成分分圧Pmeeの時間変化量とによって表現することができる。
a =(Vs/Vm)・ηv・(Ne・L/120) …(7)
ba=Ra・Tm/Vm …(8)
be=Re・Tm/Vm …(9)
【0040】
以上の吸気系モデルを用いることにより、吸気管内の空気有効成分分圧Pmo及びEGRガス有効成分分圧Pmeeの時間変化量に基づいて、スロットル通過空気流量QaとEGRバルブ通過ガス流量Qeとを算出することができ、F/B制御部36では、吸気管内のEGRガス有効成分分圧の目標値と、EGRガス有効成分分圧の計算値であるEGRガス有効成分分圧推定値との偏差をフィードバックしてEGRバルブ通過ガス流量初期設定値Qeiを算出し、さらに、EGRバルブ通過ガス流量に含まれる空気有効成分、及び、吸気管内の空気有効成分分圧の目標値と空気有効成分分圧の計算値である空気有効成分分圧推定値との偏差をフィードバックし、スロットル通過空気流量初期設定値Qaiを算出する。
【0041】
この際、第2の吸気制御マネージャ34aで、EGRガス有効成分分圧の理論的な圧力応答予測値であるEGRガス有効成分分圧予測値とEGRガス有効成分分圧推定値との誤差の時間積分値、及び、空気有効成分分圧の理論的な圧力応答予測値である空気有効成分分圧予測値と空気有効成分分圧推定値との誤差の時間積分値を算出し、F/B制御部36では、これらの誤差の時間積分値に基づいて、EGRバルブ通過ガス流量初期設定値Qei、スロットル通過空気流量初期設定値Qaiを算出するようにしており、外乱に対する目標値の追従性及びF/B制御精度を向上させる。
【0042】
そして、ETC指示部37で、マニホルド全圧Pmとスロットル通過空気流量設定値Qaとから、制御対象であるスロットルアクチュエータ13に対する操作量としてのスロットルアクチュエータ指示値Saを設定してスロットルアクチュエータ13へ出力するとともに、EGR指示部38で、マニホルド全圧PmとEGRバルブ通過ガス流量設定値Qeとから、EGRバルブ14に対する操作量としてのEGRバルブ指示値Seを設定してEGRバルブ14へ出力する。尚、吸気系係数算出部33、制御係数算出部35は、それぞれ、吸気系モデルの係数、フィードバック制御の係数を算出する。
【0043】
また、第2の負荷・燃焼制御マネージャ32aでは、スロットルバルブ1bやEGRバルブ14による吸気系の制御結果として、マップ設定値や計算によって求まる空気量やEGR量の目標値への追従制御が達成できるか否かを判定する。そして、目標状態が達成できると判定したときには、通常制御における最終的な基本燃料噴射量Gf*を算出し、リーン空燃比での成層燃焼←→ストイキオでの均一燃焼の切り換え等に目標状態が達成できないと判定したとき、可燃範囲での中間的な燃焼状態の制御を行うべく、可燃範囲となる最終的な基本燃料噴射量Gf*を算出するとともに、空燃比切り換えに伴うトルクショックを緩和するための点火時期補正量IGNTmを算出する。
【0044】
このため、上記第2の負荷・燃焼制御マネージャ32aは、図2に示すように、目標吸気・EGR状態達成判定部50、可燃限界設定部51、最終基本噴射量算出部52、トルク調整制御部53から構成されており、目標吸気・EGR状態達成判定部50で、目標状態が達成できるか否かを判定し、目標状態が達成できないと判定したとき、可燃限界設定部51で燃焼限界空燃比を算出し、最終基本噴射量算出部52で可燃範囲となる燃料噴射量を求めて最終的な基本燃料噴射量Gf*として噴射パルス時間算出部40へ出力するとともに、トルク調整制御部53で中間燃焼におけるエンジン出力変動のトルクショックを抑えるための点火時期補正量IGNTmを算出し、点火時期設定部43へ出力する。
【0045】
噴射パルス時間算出部40では、上記第2の負荷・燃焼制御マネージャ32aで算出した基本燃料噴射量Gf*からインジェクタ10の噴射パルス時間Toutを算出し、この噴射パルス時間Toutと噴射時期設定部41で設定した噴射時期Tinjとに従い、噴射パルス発生部42で噴射パルス発生タイマを予め定めた特定のクランク角度でセットし、所定のタイミングで噴射パルスをインジェクタ10へ出力する。
【0046】
また、点火時期設定部43では、エンジン回転数Neと目標エンジントルクTeiとに基づいて点火時期初期設定値IGNTiを設定し、以下の(11)式に示すように、この点火時期初期設定値IGNTmに点火時期補正量IGNTmを加えて最終的な点火時期IGNT*を求めると、点火信号発生部44で、この最終的な点火時期IGNT*に従い、予め定めた特定のクランク角度で点火パルス発生タイマをセットし、所定のタイミングで点火信号を点火コイル11に出力し、点火プラグ12を放電させる。
IGNT*=IGNTi+IGNTm …(11)
【0047】
以下、上記メイン制御ユニット20によって実行される燃料・吸気・EGR制御処理について、図4〜図9のフローチャートに従って説明する。
【0048】
図4は、図示しないイグニッションスイッチがONされ、メイン制御ユニット20に電源が供給されてシステムがリセットされたとき、割込み実行される初期化ルーチンであり、まず、ステップS10でCPUを初期設定すると、ステップS20で制御データを初期設定し、ステップS30で、吸気管容積Vm、1気筒当たりのストローク容積Vs、エンジンの気筒数L、空気有効成分の気体定数Ra、EGRガス有効成分の気体定数Re等の吸気系定数を設定してルーチンを抜ける。
【0049】
そして、システムイニシャライズ後、図5に示す定期処理ルーチンが一定時間毎(例えば、10ms毎)に実行されるとともに、図9に示すクランク角割込みルーチンがクランクパルス入力毎に割込み実行される。
【0050】
図5の定期処理ルーチンでは、まず、ステップS50で、アクセル開度算出部25の処理として、アクセル開度センサ4の出力をA/D変換してアクセル開度Sを算出し、ステップS60で、マニホルド全圧算出部26の処理として、吸気管圧力センサ5の出力をA/D変換してマニホルド全圧Pmを算出する。さらに、ステップS70で、吸気管内ガス温度算出部27の処理として、吸気管温度センサ6の出力をA/D変換して吸気管内のガス温度Tmを算出する。
【0051】
次に、ステップS80へ進み、スロットル通過空気流量算出部29の処理として、吸入空気量センサ8の出力をA/D変換し、スロットル通過空気流量計測値Qaveを算出すると、ステップS90で、空燃比算出部28の処理として、空燃比センサ7の出力をA/D変換して空燃比λを算出し、ステップS100で、エンジン回転数算出部24の処理として、後述する図9のクランク角割込みルーチンで算出された180°CAの経過時間からエンジン回転数Neを算出してステップS110へ進む。
【0052】
ステップS110では、燃料・吸気・EGR制御部30の処理として図6の燃料・吸気・EGR制御処理ルーチンを実行し、目標エンジントルクTeiを基準として、基本燃料噴射量Gf*、スロットルアクチュエータ指示値Sa、EGRバルブ指示値Seを算出する。
【0053】
その後、ステップS120へ進み、噴射パルス時間算出部40の処理として、上記ステップS110で算出した基本燃料噴射量Gf*を、各種補正項や無効分を加えて噴射パルス時間Toutに換算し、また、噴射時期設定部41の処理として、エンジン回転数Neと目標エンジントルクTeiを格子とするマップを参照して噴射時期Tinjを設定すると、ステップS130で、点火時期設定部43の処理としてエンジン回転数Neと目標エンジントルクTeiとを格子とするマップを参照して点火時期初期設定値IGNTiを設定すると、この点火時期初期設定値IGNTiに、後述する図8の点火時期補正ルーチンによって算出された点火時期補正量IGNTmを加算して最終点火時期IGNT*を算出し((11)式参照)、ルーチンを抜ける。
【0054】
次に、上記ステップS110における燃料・吸気・EGR制御処理ルーチンについて、図6に基づき説明する。このルーチンでは、ステップS150で、目標トルク設定部31の処理としてエンジン回転数Neとアクセル開度Sとを格子とするマップを参照して目標エンジントルクTeiを設定し、ステップS160で吸気系係数算出部33の処理を行う。この吸気系係数算出処理では、まず、エンジン回転数Neとマニホルド全圧Pmとに基づいて体積効率ηvを設定し、エンジン回転数Ne、吸気管内のガス温度Tm、体積効率ηv、吸気系定数Vm,Vs,L,Ra,Reにより、前述の(7)〜(9)式による吸気系係数a,ba,be、及び、以下の(12)〜(14)式による吸気系係数ca,ce,dを算出する。
ca=a/ba=(Vs/(Ra・Tm))・ηv・(Ne・L/120) …(12)
ce=a/be=(Vs/(Re・Tm))・ηv・(Ne・L/120) …(13)
d =(Vs/(Ra・Tm))・ηv …(14)
【0055】
続くステップS170では、第1の負荷・燃焼制御マネージャ32の処理として、エンジン回転数Neと目標エンジントルクTeiとに基づいて、基本燃料噴射量初期設定値Gfi、当量比設定値faii(目標当量比)での目標EGR率の初期値であるEGR初期設定値EGRi、シリンダ内当量比設定値faiiを、それぞれマップ参照により設定し、ステップS180で第1の吸気制御マネージャ34による処理を行う。尚、本発明におけるEGR率についての定義は後述する。
【0056】
このステップS180における第1の吸気制御マネージャ34による処理では、まず、先に設定したシリンダ内当量比設定値faiiからEGRバルブ14入口におけるEGRガスの当量比を推定した当量比推定値faiを求める。そして、当量比推定値fai、当量比設定値faii、基本燃料噴射量初期設定値Gfi、EGR初期設定値EGRi、吸気系係数d、理論空燃比ABFTから、以下の(16)〜(19)式により、空気有効成分分圧目標値初期設定値Pmo*i、EGRガス有効成分分圧目標値初期設定値Pmee*i、マニホルド全圧目標値初期設定値Pm*iを算出し、また、以下の(18)式による当量比推定値faiと当量比設定値faiiとの比を、当量比係数rfaiとして算出する。
Pmo*i =(1/d)・Gfi・ABFT/faii …(16)
Pmee*i=EGRi/(1−EGRi)・(Re/Ra)・Pmo*i …(17)
Pm*i =Pmo*i+Pmee*i …(18)
rfai =fai/faii …(19)
【0057】
上記当量比推定値faiは、空燃比センサ7が広域型空燃比センサである場合、実際の空燃比λより算出した当量比算出値を用いることで最も優れた精度を得ることができるが、以下の(20)式に示すように、EGRの配管等で発生する燃焼ガスの輸送遅れ時間を考慮し、k制御周期前の当量比設定値faii (-k)から加重平均により、当量比設定値faiiの一次遅れで当量比推定値faiを算出しても良い。
fai=(1−q)・fai(-1)+q・faii (-k) …(20)
但し、q:加重平均係数
【0058】
上記(20)式による加重平均で当量比推定値faiを求める場合、加重平均係数qを予め設定した定数としても良いが、厳密には、燃焼ガスの輸送遅れ時間は運転条件によって変化するため、一次遅れを運転条件で最適に設定できるよう、加重平均係数qをマニホルド全圧Pmより設定し、k制御周期前の当量比設定値faii (-k)は、エンジン回転数Neとマニホルド全圧Pmとにより設定した無駄時間に相当するk御周期前の値とすることが望ましい。
尚、簡易的には、以下の(21)式に示すように、当量比設定値faiiを、そのまま当量比推定値faiとして設定しても良い。
fai=faii …(21)
【0059】
その後、ステップS190へ進み、制御係数算出部35の処理として、吸気系係数ba,be,ca,ceと当量比係数rfaiとにより、以下の(22)〜(27)式で示すフィードバック係数f1,f2,h1,h2,g1,g2を算出する。
f1=(1/(ba・dt))・n …(22)
f2=(1/(rfai・be・dt))・n …(23)
h1=ca …(24)
h2=ce/rfai …(25)
g1=m/Ne …(26)
g2=m/Ne …(27)
但し、dt:制御周期
n :重み係数(0<n<1)
m :積分制御係数(m≧0)
【0060】
次いで、ステップS200へ進み、前述した吸気系モデルに従い、スロットル通過空気流量設定値Qa、EGRバルブ通過ガス流量設定値Qeを算出するF/B制御部36の処理を行う。この処理では、まず、空気有効成分分圧及びEGRガス有効成分分圧の各時間変化量を推定するため、吸気系モデルに従って、EGRガスの空気過不足成分分圧モデル値Pfea及びEGRガス有効成分分圧モデル値Pfeeを当量比係数rfaiに基づいて算出し、また、実際に計測したスロットル通過空気流量によって吸入空気分の新気分圧モデル値Pfaを算出する。
【0061】
そして、EGRガスの空気過不足成分分圧モデル値Pfeaと新気分圧モデル値Pfaとの和を空気有効成分分圧推定値Pmoとして算出し、各分圧モデル値Pfea,Pfee,Pfaの総和を吸気管圧力の実測値であるマニホルド全圧Pmと一致させるべく、マニホルド全圧Pmから空気有効成分分圧推定値Pmoを減算した値をEGRガス有効成分分圧推定値Pmeeとして算出する。
【0062】
すなわち、当量比係数rfaiを用いることでEGRガス有効成分分圧の推定精度を高めるとともに、実際の吸入空気量から求めた新気分圧モデル値Pfaを修正することなく各分圧の総和をマニホルド全圧Pmに一致させることでEGR分のモデル誤差を修正し、吸気温度、大気圧、バルブクリアランス等の影響を排除して空気有効成分分圧の推定精度を向上させる。
【0063】
次いで、前述の第1の吸気制御マネージャ34による処理で算出したEGRガス有効成分分圧目標値初期設定値Pmee*iとEGRガス有効成分分圧推定値Pmeeとの偏差をフィードバックしてEGRバルブ通過ガス流量Qeを求め、さらに、このEGRバルブ通過ガス流量Qeを用い、同様に、前述の第1の吸気制御マネージャ34による処理で算出した空気有効成分分圧目標値初期設定値Pmo*iと空気有効成分分圧推定値Pmoとの偏差をフィードバックし、スロットル通過空気流量Qaを求める。
【0064】
具体的には、EGRガスの空気過不足成分分圧モデル値Pfea、EGRガス有効成分分圧モデル値Pfeeは、吸気系係数a,ba,be、当量比係数rfai、1制御周期前のEGRバルブ通過ガス流量設定値Qe(-1)、1制御周期前のEGRガスの空気過不足成分分圧モデル値Pfea(-1)、1制御周期前のEGRガス有効成分分圧モデル値Pfee(-1)を用いて以下の(28),(29)式により算出され、また、吸入空気の新気分圧モデル値Pfaは、吸入空気量センサ8によって実際に計測したスロットル通過空気流量計測値Qaveを用いて以下の(30)式によって算出される。
【0065】
次に、上記(28)で算出したEGRガスの空気過不足成分分圧モデル値Pfea、上記(30)式で算出した新気分圧モデル値Pfaを用い、以下の(31)式により空気有効成分分圧推定値Pmoを算出し、さらに、この空気有効成分分圧推定値Pmoと吸気管圧力センサ5で計測したマニホルド全圧Pmとから、以下の(32)式によりEGRガス有効成分分圧推定値Pmeeを算出する。
Pmo=Pfa+Pfea …(31)
Pmee=Pm−Pmo …(32)
【0066】
尚、空気有効成分分圧推定値Pmoは、マニホルド全圧Pmから新気分圧モデル値Pfaを減算したEGRガス分圧と、EGRガスの空気過不足成分分圧モデル値PfeaとEGRガス有効成分分圧モデル値Pfeeとの和として導かれるEGRガス分圧との比によってEGRガスの空気過不足成分分圧モデル値Pfeaを修正した以下の(33)式によって算出しても良い。
Pmo=Pfa+Pfea・(Pm−Pfa)/(Pfea+Pfee)…(33)
但し、(Pfea+Pfee)=0でEGRが実施されていないときには、(Pm−Pfa)=0であり、Pmo=Pfaとする。
【0067】
そして、EGRガス有効成分分圧目標値初期設定値Pmee*i、EGRガス有効成分分圧推定値Pmee、フィードバック係数f2,h2,g2を用い、以下の(34)式により、EGRガス有効成分分圧の目標値と推定値との偏差、及び、後述する第2の吸気制御マネージャ34aの処理によって算出される1制御周期前のEGRガス有効成分分圧誤差の時間積分値(1制御周期前のEGRガス有効成分分圧予測値Pmee* (-1)と1制御周期前のEGRガス有効成分分圧推定値Pmee(-1)との誤差の時間積分値)Imee(-1)に基づき、EGRバルブ通過ガス流量初期設定値Qeiを算出する。
【0068】
上記(34)式で算出したEGRバルブ通過ガス流量初期設定値Qeiは、必ずしも実現可能な値ではないこともあるため、以下の(35)式の範囲(0以上最大流量(Qe)max以下の範囲)に飽和させて制御可能(実現可能)な流量とし、この流量を最終的なEGRバルブ通過ガス流量設定値Qeとする。
0≦Qe≦(Qe)max …(35)
【0069】
この場合、上記最大EGRバルブ通過ガス流量(Qe)maxは、予め実験等によって求めた定数としても良いが、制御可能なEGRバルブ通過ガス流量はマニホルド全圧Pmに依存するため、マニホルド全圧Pmに基づいてマップ参照等により設定した値を用いることで、正確なF/B制御を実現することができる。
【0070】
さらには、EGRバルブ通過ガス流量を制御する場合、制御することのできる(変化させることのできる)流量は、マニホルド全圧Pmと1制御周期前のEGRバルブ通過ガス流量Qe(-1)とによって制限されるため、マニホルド全圧Pmと1制御周期前のEGRバルブ指示値Se(-1)とから最大EGRバルブ通過ガス流量変化量(ΔQe)maxを設定し、この最大EGRバルブ通過ガス流量変化量(ΔQe)maxと1制御周期前のEGRバルブ通過ガス流量設定値Qe(-1)とによって以下の(36)式で算出した最大EGRバルブ通過ガス流量(Qe)maxを用いることで、より正確なF/B制御を実現することができる。
(Qe)max=Qe(-1)+(ΔQe)max …(36)
【0071】
その後、以下の(37)式に従って、上記EGRバルブ通過ガス流量設定値Qe、空気有効成分分圧推定値Pmo、空気有効成分分圧目標値初期設定値Pmo*i、当量比係数rfai、フィードバック係数f1,h1,g1を用い、同様に、後述する第2の吸気制御マネージャ34aの処理で算出される1制御周期前の空気有効成分分圧の誤差の時間積分値(1制御周期前の空気有効成分分圧予測値Pmo* (-1)と1制御周期前の空気有効成分分圧推定値Pmo(-1)との誤差の時間積分値)Imo(-1)を加味してスロットル通過空気流量初期設定値Qaiを算出する。
【0072】
そして、算出したスロットル通過空気流量初期設定値Qaiを以下の(38)式の範囲(0以上最大流量(Qa)max以下の範囲)に飽和させてスロットル通過空気流量設定値Qaを定める。
0≦Qa≦(Qa)max …(38)
【0073】
この場合においても、上記最大EGRバルブ通過ガス流量(Qe)maxの場合と同様、上記最大スロットル通過空気流量(Qa)maxは、予め設定した定数としても良く、制御可能な流量を考慮してマニホルド全圧Pmに基づいてマップ参照等により設定した値を用いても良い。さらに、マニホルド全圧Pmと1制御周期前のスロットルアクチュエータ指示値Sa(-1)とによって最大スロットル通過空気流量変化量(ΔQa)maxを設定し、この最大スロットル通過空気流量変化量(ΔQa)maxと1制御周期前のスロットル通過空気流量設定値Qa(-1)とによって以下の(39)式で算出した最大スロットル通過空気流量(Qa)maxを用いても良い。
(Qa)max=Qa(-1)+(ΔQa)max …(39)
【0074】
以上により、上記ステップS200でのF/B制御部36の処理が済むと、次にステップS210へ進み、ETC指示部37の処理として、上記ステップS200で算出したスロットル通過空気流量Qaとマニホルド全圧Pmとに基づいて、マップ参照によりスロットルアクチュエータ指示値Saを算出する。さらに、ステップS220で、EGR指示部38の処理として、上記ステップS200で算出したEGRバルブ通過ガス流量設定値Qeとマニホルド全圧Pmとに基づいて、マップ参照によりEGRバルブ指示値Seを算出し、ステップS230へ進む。
【0075】
ステップS230では、第2の吸気制御マネージャ34aによる処理として、まず、空気有効成分分圧推定値Pmo、スロットル通過空気流量設定値Qa、EGRバルブ通過ガス流量設定値Qe、当量比係数rfai、1制御周期前の空気有効成分分圧誤差の時間積分値Imo(-1)、フィードバック係数f1,h1,g1により、設定されたスロットル通過空気流量に相当する圧力目標値である空気有効成分分圧目標補正値Pmoh*を以下の(40)式によって算出する。
【0076】
さらに、EGRガス有効成分分圧推定値Pmee、EGRバルブ通過ガス流量設定値Qe、1制御周期前のEGRガス有効成分分圧誤差の時間積分値Imee(-1)、フィードバック係数f2,h2,g2により、設定されたEGRバルブ通過ガス流量に相当する圧力目標値であるEGRガス有効成分分圧目標補正値Pmeeh*を以下の(41)式によって算出する。
【0077】
次いで、空気有効成分分圧目標補正値Pmoh*、1制御周期前の空気有効成分分圧予測値Pmo* (-1)、フィードバック係数f1、吸気系係数baを用い、以下の(42)式により、空気有効成分分圧予測値Pmo*を算出する。
【0078】
また、EGRガス有効成分分圧目標補正値Pmeeh*、1制御周期前のEGRガス有効成分分圧予測値Pmee* (-1)、当量比推定値fai、フィードバック係数f2、吸気系係数beを用い、以下の(43)式により、EGRガス有効成分分圧予測値Pmee*を算出する。
【0079】
そして、空気有効成分分圧予測値Pmo*と空気有効成分分圧推定値Pmoとの誤差の時間積分値Imoを、以下の(44)式によって算出するとともに、EGRガス有効成分分圧予測値Pmee*とEGRガス有効成分分圧推定値Pmeeとの誤差の時間積分値Imeeを、以下の(45)式によって算出する。
Imo =Imo(-1)+(Pmo*−Pmo)・dt …(44)
Imee=Imee(-1)+(Pmee*−Pmee)・dt …(45)
【0080】
簡易的には、上記(40)式による空気有効成分分圧目標補正値Pmoh*、上記(41)式によるEGRガス有効成分分圧目標補正値Pmeeh*は、それぞれ、以下の(46),(47)式に示すように、空気有効成分分圧目標値初期設定値Pmo*i、EGRガス有効成分分圧目標値初期設定値Pmee*iとすることも可能であり、制御精度が若干落ちるもののCPUの計算負荷を大きく軽減することができる。
Pmoh* =Pmo*i …(46)
Pmeeh*=Pmee*i …(47)
【0081】
この場合、前述のF/B制御部36による処理において、EGRバルブ通過ガス流量初期設定値Qei、スロットル通過空気流量初期設定値Qaiを、それぞれ、0から最大流量の範囲に飽和させる際、初期設定値と最大流量との大小関係に応じ、それぞれ飽和フラグE,Aをセット/クリアするようにし、第2の吸気制御マネージャ34aによる処理で、各飽和フラグの値に応じて空気有効成分分圧誤差の時間積分値Imo、EGRガス有効成分分圧誤差の時間積分値Imeeを設定するようにしても良く、制御精度をある程度確保しつつ計算負荷を軽減することができる。
【0082】
すなわち、EGRバルブ通過ガス流量初期設定値QeiとEGRバルブ通過ガス流量設定値Qeとが等しいとき飽和フラグEをクリアし、EGRバルブ通過ガス流量初期設定値QeiとEGRバルブ通過ガス流量設定値Qeとが異なるとき飽和フラグEをセットする。また、スロットル通過空気流量初期設定値Qaiとスロットル通過空気流量設定値Qaとが等しいとき飽和フラグAをクリアし、スロットル通過空気流量初期設定値Qaiとスロットル通過空気流量設定値Qaとが異なるとき飽和フラグAをセットする。
【0083】
そして、飽和フラグA,Eが共にクリアされているとき、上記(44)式によって空気有効成分分圧誤差の時間積分値Imoを算出し、飽和フラグA,Eのいずれか一方がセットされているときには、以下の(48)式に示すように、空気有効成分分圧誤差の時間積分値Imoを1制御周期前の値とする。また、飽和フラグEがクリアされているとき、上記(45)式によってEGRガス有効成分分圧誤差の時間積分値Imeeを算出し、飽和フラグEがセットされているときには、以下の(49)式に示すように、EGRガス有効成分分圧誤差の時間積分値Imeeを1制御周期前の値とする。
Imo =Imo(-1) …(48)
Imee=Imee(-1) …(49)
【0084】
尚、以上の第2の吸気制御マネージャ34a及びその処理は、省略することも可能であり、前述の(34)式によるEGRバルブ通過ガス流量初期設定値Qei、前述の(37)式によるスロットル通過空気流量初期設定値Qaiは、それぞれ、以下の(34'),(37')式に示すように、EGRガス有効成分分圧誤差の時間積分値Imeeに係わる項g2・Imee、空気有効成分分圧誤差の時間積分値Imoに係わる項g1・Imoを除いた値としても良い。
【0085】
その後、ステップS240へ進み、第2の負荷・燃焼制御マネージャ32aの処理を行う。この処理では、まず、目標吸気・EGR状態達成判定部50において、以下の条件に従い、現在の燃焼状態でマップ設定による目標値への制御が可能であるか否かを判定し、目標状態が達成できると判定されたときには通常制御に戻り、目標状態が達成できないと判定されたとき、可燃範囲での中間的な燃焼状態に制御する。この場合、達成不可判定時間が所定時間を超えた場合には、通常制御に戻ることを目的として達成不可状態であっても達成可とする。また、複数の条件を組み合わせて判定しても良く、その場合には、それぞれの判定結果についてAND,OR等の論理条件を設定し、その論理的な結論に従って目標状態が達成できるか否かを判定する。
【0086】
具体的には、筒内空燃比の初期設定値ABFi(=ABFT/faii)、基本燃料噴射量初期設定値Gfi及びエンジン回転数Neに基づいて以下の(50)式により求められる空気有効成分のシリンダ流入流量初期設定値Qsoiと、現在のシリンダ流入流量もしくは吸気系の状態推定によって求められる空気有効成分のシリンダ流入流量Qso((5)式参照)との比較による一致度、及び、上記空気有効成分のシリンダ流入流量初期設定値QsoiとEGR初期設定値EGRiとを用いて以下の(51)式によって求められるEGRガス有効成分のシリンダ流入流量初期設定値Qseeiと、EGRガス有効成分のシリンダ流入流量Qsee((6)式参照)との比較による一致度を調べ、Qsoi≠QsoあるいはQseei≠Qseeのとき、目標状態の達成不可と判定する。
Qsoi =ABFi・Gfi/1000・Ne・L/120 …(50)
Qseei=Qsoi・EGRi/(EGRi−1) …(51)
【0087】
この場合、空気有効成分のシリンダ流入流量の初期設定値Qsoiと推定値Qsoとの一致度、及び、EGRガス有効成分のシリンダ流入流量の初期設定値Qseeiと推定値Qseeとの一致度を、割合や偏差で評価し、一致度が所定範囲であれば目標状態達成可と判断しても良い。
【0088】
また、上記判定条件に代えて採用する判定条件、あるいは、上記判定条件と組み合わせる判定条件として、筒内空燃比の初期設定値ABFi、及び、基本燃料噴射量初期設定値Gfiから求まる空燃比換算値ABFfiによる判定がある。この空燃比換算値ABFfiは、燃焼後の不活性成分が基本燃料噴射量初期設定値Gfiに対応するシリンダ流入空気量QafiとEGRガス中の不活性成分のシリンダ流入流量Qsetとの和になる当量比faifiで換算した空燃比(ABFfi=ABFT/faifi)であり、この空燃比換算値ABFfiによる判定では、以下の(52),(53)式に示すように、均一燃焼時、あるいは、成層燃焼時に、空燃比換算値ABFfiが所定範囲内にあるとき、目標状態達成可と判定する。
均一燃焼時:ABFfi≦(ABFik+Ofstk) …(52)
成層燃焼時:ABFfi≦(ABFis−Ofsts) …(53)
但し、ABFik :均一燃焼時の空燃比初期設定値
ABFis :成層燃焼時の空燃比初期設定値
Ofstk:均一燃焼時の中間燃焼リセット幅
Ofsts:成層燃焼時の中間燃焼リセット幅
【0089】
以上により、目標状態が達成できると判定されたときには、後述するように、中間燃焼状態を示すフラグや噴射量補正状態を示すフラグをクリアし、最終基本噴射量算出部52で基本燃料噴射量初期設定値Gfiから最終基本燃料噴射量Gf*を算出して通常制御に戻り、目標状態が達成できないと判定されたとき、可燃範囲での中間的な燃焼状態に制御する。この中間的な燃焼状態への制御に際しては、まず、可燃限界設定部51で燃焼限界空燃比ABFlmを算出し、最終基本噴射量算出部52で、可燃範囲となる燃料噴射量Gflmを求めて最終的な基本燃料噴射量Gf*とするとともに、トルク調整制御部53で、中間燃焼におけるエンジン出力変動のトルクショックを抑えるための点火時期補正量IGNTmを算出する。
【0090】
上記燃焼限界空燃比ABFlmは、均一燃焼では、EGRガスの増加に伴う比熱の増加等によってリーン限界が低下し、成層燃焼では、EGRガス中に含まれる空気成分やEGRによるガス温度上昇等によってリッチ限界が改善する傾向にあるため、理論空燃比換算EGR率EGRtあるいは空燃比換算値ABFfi時の相当EGR率EGRfiを用い、均一燃焼で安定燃焼を確保可能なリーン側空燃比の限界値である均一燃焼可燃リーン限界空燃比ABFL_KE、及び、成層燃焼で安定燃焼を確保可能なリッチ側空燃比の限界値である成層燃焼可燃リッチ限界空燃比ABFR_SE(ABFR_SE>ABFL_KE)を、燃焼限界空燃比ABFlmとして求める。
【0091】
ここで、本発明における目標EGR率(EGR初期設定値)EGRi、理論空燃比換算EGR率EGRt、空燃比換算値ABFfi時の相当EGR率EGRfiについて説明する。
【0092】
通常、EGR率はシリンダに流入する全体のガス量に対するEGRガス量の比で表現されるが、本発明では、目標EGR率EGRiを、シリンダに流入する全体のガス量に対するEGRガス有効成分のシリンダ流入流量Qseeの比として定義する。また、理論空燃比では、EGRガス中の不活性成分と有効成分とが同じ値であるため、理論空燃比換算EGR率EGRtを、シリンダに流入する全体のガス量に対するEGRガス中の不活性成分のシリンダ流入流量Qsetの比として定義する。
【0093】
図11は、過渡時における各成分のシリンダ流入量と吸気管内の対応する分圧とを図示した可燃限界算出モデルであり、シリンダに流入する全体のガス量は、新気のシリンダ流入流量Qsa(吸気管内分圧Pma)とEGRガスのシリンダ流入流量Qse(吸気管内分圧Pme)との和として与えられる。シリンダに流入するEGRガスの成分は、過不足空気成分Qsea(吸気管内の分圧Pmea)と有効成分Qsee(吸気管内分圧Pmee)とに分けられ、さらに、有効成分Qseeは、空気成分Qseeaと不活性成分Qsetとに分けられる。
【0094】
新気のシリンダ流入流量Qsaは、新気分圧Pmaを用いて以下の(54)式によって求めることができ、また、吸気系の制御結果として得られるEGRガスのシリンダ流入流量Qseは、EGRガス中の空気過不足成分のシリンダ流入流量Qsea(空気有効成分のシリンダ流入流量Qsoと新気のシリンダ流入流量Qsaとの差として求めることができる)とEGRガス有効成分のシリンダ流入流量Qseeとの和であることから、以下の(55)式によって求めることができる。
【0095】
従って、目標EGR率(EGR初期設定値)EGRiは、以下の(56)式によって算出することができ、理論空燃比換算EGR率EGRtは、以下の(57)式によって算出することができる。
【0096】
また、燃焼後の不活性成分が基本燃料噴射量初期設定値Gfiに対応するシリンダ流入空気量QafiとEGRガス中の不活性成分のシリンダ流入流量Qsetとの和になる当量比faifiでの空燃比において、シリンダに流入する全体のガス量相当値を求め、この相当値に対するEGRガス中の不活性成分のシリンダ流入流量Qsetの比で定義したEGR率EGRfiを、空燃比換算値ABFfiにおけるEGR率とする。
【0097】
基本燃料噴射量初期設定値Gfiに対応するシリンダ流入空気量Qafiは、以下の(58)式によって求めることができ、当量比faifiは以下の(59)式に示す関係となることから、EGR率EGRfiは以下の(60)式によって算出することができる。
Qafi =ABFT・Gfi/1000・Ne・L/120 …(58)
faifi=(Qafi+Qset)/(Qsa+Qse) …(59)
EGRfi=Qset/(Qsa+Qse)/faifi …(60)
【0098】
以上の理論空燃比換算EGR率EGRt、あるいは空燃比換算値ABFfi時の相当EGR率EGRfiを用い、上記均一燃焼可燃リーン限界空燃比ABFL_KE、上記成層燃焼可燃リッチ限界空燃比ABFR_SEは、それぞれ、テーブル・マップ類を参照することで求めることができる。このテーブル・マップ類としては、図12,13に示すような特性の一次元テーブル、エンジン回転数Neと理論空燃比換算EGR率EGRt(あるいは空燃比換算値ABFfi時の相当EGR率EGRfi)とを格子とするマップ、さらには、水温等の燃焼限界の支配因子と理論空燃比換算EGR率EGRt(あるいは空燃比換算値ABFfi時の相当EGR率EGRfi)とを格子とするテーブル等を採用することができる。
【0099】
但し、上述の理論空燃比換算EGR率EGRtを用いて燃焼限界空燃比を求める場合、前述したように理論空燃比換算EGR率EGRtがシリンダ流入ガス量全体に対する不活性成分割合を示すものであるため、空燃比の影響を受けることがないのに対し、上記EGR率EGRfiを用いて燃焼限界空燃比を求める場合には、基本燃料噴射量初期設定値Gfiから求まる空燃比換算値ABFfiが、いわば仮の空燃比であるため、正確な燃焼限界を求めるには、基本燃料噴射量初期設定値Gfiに後述する可燃範囲となる燃料噴射量Gflmを代入して同様の処理を繰り返し、燃焼限界空燃比を求めた結果が収束するまで所定回数繰り返す必要がある。この繰り返し計算の回数は、必要とする誤差範囲に応じ、適宜、1回から所定回数までの回数が選択される。
【0100】
次に、最終基本噴射量算出部52での最終的な基本燃料噴射量Gf*を求める処理について説明する。この処理では、図7の可燃限界判定ルーチンによって基本燃料噴射量初期設定値Gfiから求めた空燃比換算値ABFfiと上記均一燃焼可燃リーン限界空燃比ABFL_KE、及び、成層燃焼可燃リッチ限界空燃比ABFR_SEとの関係から基本燃料噴射量初期設定値Gfiが可燃範囲にあるか否かを判定し、その判定結果に応じて最終的な基本燃料噴射量Gf*が決定される。
【0101】
この可燃限界基本燃料噴射量算出ルーチンでは、まず、ステップS250で中間燃焼フラグがONされているか否かを調べ、中間燃焼フラグがONで現在の燃焼状態が成層燃焼と均一燃焼との切り換え状態にあるときには、ステップS253へ進み、中間燃焼フラグがOFFのとき、ステップS251で成層燃焼から均一燃焼あるいは均一燃焼から成層燃焼への燃焼切換要求があるか否かを調べる。
【0102】
そして、上記ステップS251で、燃焼切換要求があるときには、ステップS252で中間燃焼フラグをONして同様にステップS253へ進み、燃焼切換要求がなく、成層燃焼あるいは均一燃焼での定常状態であるときには、上記ステップS251からステップS254へ進んで、中間燃焼フラグ、噴射量補正フラグ、及び、Gf優先制御フラグを全てOFFし、ルーチンを抜ける。
【0103】
上記中間燃焼フラグ、噴射量補正フラグ、及び、Gf優先制御フラグは、通常制御ルーチンで参照され、中間燃焼フラグOFF時には、均一燃焼か成層燃焼かの燃焼方式の選択・決定が行われて最終的な基本燃料噴射量Gf*が算出される。この最終的な基本燃料噴射量Gf*は、以下の(61)式に示すように、空気有効成分分圧予測値Pmo*を用い、現在の制御操作量に対する吸気管圧力の応答値を理論的に予測することにより、スロットル系やEGR系のハード的な動作遅れや処理計算時間の遅れによって実際の吸気系に生じる遅れを回避し、脈動の影響等を除去して空気量の過渡的な変化に対する追従性を向上し、空燃比優先の制御とする。
Gf*=d・Pmo*・faii/ABFT …(61)
【0104】
尚、上記最終的な基本燃料噴射量Gf*は、実際の吸気管圧力の応答が制御目標値に対して遅れる場合があることを考慮し、空気有効成分分圧推定値Pmoを用い、以下の(61')式に示すように、現実的な吸気管圧力に従ってD−ジェトロ的に算出しても良く、過渡時の空燃比制御性を向上することができる。
Gf*=d・Pmo・faii/ABFT …(61')
【0105】
一方、上記ステップS250で中間燃焼フラグがONで上記ステップS250からステップS253へ進んだとき、あるいは、中間燃焼フラグがOFFであったにも拘わらず、燃焼切換要求が有り、ステップS250→ステップS251→ステップS252を経てステップS253へ進んだときには、前述の目標吸気・EGR状態達成判定部50の判定結果を参照し、目標吸気・EGR状態が達成可か否かを調べる。
【0106】
そして、目標吸気・EGR状態が達成可のときには、上記ステップS253から前述のステップS254を経てルーチンを抜け、目標吸気・EGR状態が達成不可のとき、上記ステップS253からステップS255へ進んで基本燃料噴射量初期設定値Gfiから求めた空燃比換算値ABFfiと成層燃焼可燃リッチ限界空燃比ABFR_SEとを比較する。その結果、ABFfi≧ABFR_SEの条件を満たすとき、ステップS256へ進んで均一燃焼のGf優先制御フラグをONしてGf優先の制御とし、最終的な基本燃料噴射量Gf*として基本燃料噴射量初期設定値Gfiを採用してルーチンを抜ける。
【0107】
尚、このGf優先の制御とは、空燃比は初期設定値と異なるものの、出力(トルク)変化が少ない状態を目的とした制御であり、このときのEGR率は空燃比換算値ABFfi時の相当EGR率EGRfiとなる。
【0108】
一方、上記ステップS255でABFfi≧ABFR_SEの条件を満たさないときには、上記ステップS255からステップS257へ進み、基本燃料噴射量初期設定値Gfiから求めた空燃比換算値ABFfiと均一燃焼可燃リーン限界空燃比ABFL_KEとを比較し、ABFfi≦ABFL_KEの条件を満たすとき、ステップS258で成層燃焼のGf優先制御フラグをONしてGf優先の制御とし、最終的な基本燃料噴射量Gf*として基本燃料噴射量初期設定値Gfiを採用してルーチンを抜ける。
【0109】
また、上記ステップS257でABFfi≦ABFL_KEの条件を満たさないとき、すなわち、基本燃料噴射量初期設定値Gfiから求めた空燃比換算値ABFfiがABFL_KE<ABFfi<ABFR_SEのときには、基本燃料噴射量初期設定値Gfiでは可燃範囲に入らないことになり、このときには、上記ステップS257からステップS259へ進んで均一燃焼の可燃範囲となる燃料噴射量Gflmを算出し、この可燃範囲噴射量Gflmを最終的な基本燃料噴射量Gf*として、噴射量補正フラグをONするとともにGf優先制御フラグをOFFして燃焼限界制御とし、ルーチンを抜ける。
【0110】
上記可燃範囲噴射量Gflmは、燃焼限界空燃比ABFlmに対応する燃焼限界当量比failm相当時の燃料噴射量であり、この燃料噴射量の燃料当量分のシリンダ流入空気量をQalmとして、以下の(62)〜(64)式によって算出することができる。また、この燃焼限界制御時のEGR率は、以下の(65)式に示すEGR率EGRlmとなる。
failm=ABFT/ABFlm …(62)
Qalm =failm・(Qsa+Qse)−Qset …(63)
Gflm =Qalm・(1000・120)/(ABFT・Ne・L) …(64)
EGRlm=Qset/(Qsa+Qse)/failm …(65)
【0111】
以上の処理における噴射量補正フラグ及びGf優先制御フラグは、トルク調整制御部53における図8の点火時期補正ルーチンで参照され、このルーチンでは、ステップS260で、噴射量補正フラグ及びGf優先制御フラグが共にOFFのときには、点火時期補正量IGNTmを算出することなくルーチンを抜け、噴射量補正フラグあるいはGf優先制御フラグがONのとき、ステップS261で中間燃焼におけるエンジン出力変動のトルクショックを抑えるための点火時期補正量IGNTmを算出してルーチンを抜ける。
【0112】
ここで、上記点火時期補正量IGNTmの算出処理の説明に先立ち、中間燃焼における燃料噴射量、空燃比、EGR率等についてまとめると、中間燃焼時に選択された燃料噴射量、空燃比、EGR率を、それぞれ、選択後燃料噴射量Gfsel、選択後相当空燃比ABFsel、選択後相当EGR率EGRselとした場合、Gf優先制御時、燃焼限界制御に伴う噴射量補正時には、以下のようになる。
【0113】
そして、燃料噴射量変化率KGfmを以下の(66)式で定義すると、点火時期補正量IGNTmは、この燃料噴射量変化率KGfmと選択後相当空燃比ABFselとを格子とする図14に示すような点火時期補正マップ(IGNTmマップ)を参照することで、求めることができる。
KGfm =Gfsel/Gfi …(66)
【0114】
上記IGNTmマップは、燃料噴射量変化率KGfmの軸方向に対し、燃料噴射量変化率KGfmが1のとき、すなわち、Gf優先制御時を補正量0として、変化率が大きいほど遅角量を増加させ、選択された空燃比ABFselの軸方向に対しては、補正量0の基準値に対し、空燃比が大きいほど進角量を増加させるようになっている。
【0115】
また、上記IGNTmマップは、燃料噴射量変化率KGfmと、以下の(67)式で定義される空燃比変化率KABFmと格子とするマップとしても良い。
KABFm=ABFsel/ABFi …(67)
【0116】
さらに、点火時期補正量IGNTmは、以下に説明するように、燃料噴射量変化率KGFmに基づく第1の補正量IGNTm1と、空燃比とEGR率とに基づく第2の補正量IGNTm2とを別々に求め、(68)式に示すように、これらの和として求めても良い。
IGNTm=IGNTm1+IGNTm2 …(68)
【0117】
第1の補正量IGNTm1は、燃料噴射量変化率KGFmからテーブル参照などによって求めることができ、図15に示すように、KGFm=1のとき、すなわち、Gf優先制御時を補正量0として、燃料噴射量変化率が大きいほど遅角量を増加させる。
【0118】
また、第2の補正量IGNTm2は、筒内空燃比の初期設定値ABFiとEGR初期設定値EGRiとから補正量IGNTm2_1を求め、選択後相当空燃比ABFselと選択後相当EGR率EGRselとから補正量IGNTm2_2を求め、これらの差を第2の補正量IGNTm2とする。
【0119】
各補正量IGNTm2_1,GNTm2_2は、図16に示すようなマップを参照して求めることができる。図16では、補正量IGNTm2_1に対するマップと、補正量GNTm2_2に対するマップとを、IGNTm2マップとして代表して概念的に示しており(EGR初期設定値EGRi及び選択後相当EGR率EGRselをEGRで表記し、筒内空燃比の初期設定値ABFi及び選択後相当空燃比ABFselをABFで表記する)、EGR初期設定値EGRiあるいは選択後相当EGR率EGRselが基準値のときを補正量0としてEGR率が増加するほど進角量を増加させ、筒内空燃比の初期設定値ABFiあるいは選択後相当空燃比ABFselが基準値のときを補正量0として空燃比が大きくなるほど進角量を増加させる。
【0120】
以上の定期処理ルーチンに対し、図9のクランク角割込みルーチンでは、まず、ステップS300で、気筒判別部21による処理として、クランク角センサ2からのクランクパルス間で発生する気筒判別センサ3からの気筒判別パルスの数に従って現在の気筒を判別し、さらに、引続き発生しているクランクパルスの数に従って以降の気筒を判別する処理を行い、ステップS310で、クランク角度判定部22によるクランク角度判別処理を行う。
【0121】
図17に示すように、本形態では、各気筒のBTDC97°,65°,10°CA毎にクランク角センサ2からクランクパルスが出力され、気筒判別センサからは、#3気筒のBTDC97°と前の点火気筒である#1気筒のBTDC10°との間で3個の気筒判別パルス、#4気筒のBTDC97°と前の点火気筒である#2気筒のBTDC10°との間で2個の気筒判別パルス、#1,#2気筒のBTDC97°と前の点火気筒のBTDC10°との間で1個の気筒判別パルスが出力される。
【0122】
従って、気筒判別パルスが入力される毎に、そのパルス数をカウントし、3個の気筒判別パルスが入力された後のクランクパルスは、#3気筒のBTDC97°のクランクパルス、2個の気筒判別パルスが入力された後のクランクパルスは#4気筒のBTDC97°のクランクパルス、1個の気筒判別パルスが入力された後のクランクパルスは#1気筒あるいは#2気筒のBTDC97°クランクパルスであり、前の気筒判別が#4気筒であれば#1気筒、前の気筒判別が#3気筒であれば#2気筒と判別する。
【0123】
また、BTDC65°,BTDC10°のクランク位置は、BTDC97°のクランクパルスからのパルス数で判定し、#1気筒のBTDC97°のクランクパルスを0(基準位置)としてクランクパルスが入力される毎に1,2,3,…と順次カウントアップし、基準位置からのカウント値に応じてクランク位置を判別する。
【0124】
続くステップS320では、クランク角度パルス発生間隔時間算出部23の処理として、前回のクランク割込み発生から今回のクランクパルス割込み発生までの経過時間すなわち、前回のクランクパルス入力から今回のクランクパルス入力までの経過時間を計時し、BTDC10°のクランクパルス入力からBTDC97°のクランクパルス入力までのクランク角度93°分の経過時間をMT93、BTDC97°のクランクパルス入力からBTDC65°のクランクパルス入力までのクランク角度32°分の経過時間をMT32、BTDC65°のクランクパルス入力からBTDC10°のクランクパルス入力までのクランク角度55°分の経過時間をMT55としてメモリにストアする。各経過時間MT93,MT,32,MT55の合計が180°CAの経過時間としてエンジン回転数Neの算出に用いられる。
【0125】
ステップS330では、噴射時期設定部41、点火時期設定部43の処理を行い、噴射時期、点火時期を決定する。すなわち、定期処理ルーチンで設定された噴射時期Tinjを、予め定めた特定のクランク角からの噴射タイミングに換算するとともに、同じく定期処理ルーチンで設定された最終点火時期IGNT*を、予め定めた特定のクランク角からの点火タイミングに換算する。
【0126】
そして、ステップS340で、噴射パルス発生部42の処理として、今回のクランク角割込みが予め定めた特定のクランク角度における割込みであるとき、噴射パルス発生タイマをセットし、さらに、ステップS350で、点火信号発生部44の処理として、同様に、今回のクランク角割込みが予め定めた特定のクランク角度における割込みであるとき、点火パルス発生タイマをセットし、ルーチンを抜ける。その結果、上記ステップS330で決定した噴射タイミングで噴射パルス発生タイマから噴射パルスがインジェクタ10に出力されて燃料が噴射され、上記ステップS330で決定した点火タイミングで点火パルス発生タイマから点火パルスが点火コイル11に出力され、点火プラグ12による点火が行われる。
【0127】
以上により、スロットルバルブ1bやEGRバルブ14等のアクチュエータの動作遅れや機械的応答限界、吸気チャンバの充填分による圧力応答遅れ、EGRガスの輸送遅れ等により、初期設定値に対する空燃比やEGRの非追従が発生して要求値が達成できない状態が予想される場合には、燃焼状態を正常燃焼範囲に維持して適切な空燃比に切り換えることができ、燃焼悪化による排気ガスエミッションの悪化を防止することができるばかりでなく、空燃比を切り換える際に、エンジン出力変動によるトルクショックを緩和し、ドライバビリティの悪化を防止することができる。
【0128】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、マップ設定値及び/又は計算によって求まる目標値への制御が可燃範囲で達成可能か否かを、シリンダ流入量の初期設定値と、このシリンダ流入量の初期設定値と吸気系の制御結果としてのシリンダ流入量との一致度により判断し、目標値への制御が可燃範囲を外れ達成不可と判断されたときには、可燃範囲となる燃焼限界空燃比を設定し、この燃焼限界空燃比と基本燃料噴射量の初期設定値から求めた空燃比とを比較して可燃範囲となる燃料噴射量を求めるため、アクチュエータの動作遅れや機械的応答限界、吸気チャンバの充填分による圧力応答遅れ、EGRガスの輸送遅れ等により、初期設定値に対する空燃比やEGRの非追従が発生して要求値が達成できない状態が予想される場合にも、燃焼状態を正常燃焼範囲に維持して適切な空燃比に切り換えることができ、燃焼悪化による排気ガスエミッションの悪化を防止することができる。また、現在の空燃比から可燃範囲となる燃料噴射量による空燃比へ切り換える際に点火時期を補正することにより、エンジン出力変動によるトルクショックを緩和し、ドライバビリティの悪化を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】燃料・吸気・EGR制御部のブロック図
【図2】第2の負荷・燃焼制御マネージャのブロック図
【図3】エンジン制御系の全体ブロック図
【図4】初期化ルーチンのフローチャート
【図5】定期処理ルーチンのフローチャート
【図6】燃料・吸気・EGR制御処理ルーチンのフローチャート
【図7】可燃限界判定ルーチンのフローチャート
【図8】点火時期補正ルーチンのフローチャート
【図9】クランク角割込みルーチンのフローチャート
【図10】吸気系モデルの説明図
【図11】可燃限界算出モデルの説明図
【図12】均一燃焼リーン限界テーブルの説明図
【図13】成層燃焼リッチ限界テーブルの説明図
【図14】点火時期補正マップの説明図
【図15】点火時期補正の説明図
【図16】点火時期補正マップの説明図
【図17】気筒判別の説明図
【符号の説明】
1 …エンジン
1b …スロットルバルブ
10 …インジェクタ
13 …スロットルアクチュエータ
14 …EGRバルブ
ABFlm…燃焼限界空燃比
Gfi …基本燃料噴射量初期設定値
Gflm …可燃範囲噴射量
Qsoi …空気有効成分のシリンダ流入流量初期設定値
Qso …空気有効成分のシリンダ流入流量
Qseei …EGRガス有効成分のシリンダ流入流量初期設定値
Qsee …EGRガス有効成分のシリンダ流入流量
ABFi …筒内空燃比の初期設定値
ABFfi …空燃比換算値
EGRt …理論空燃比換算EGR率
EGRfi …相当EGR率
IGNTm…点火時期補正量
Claims (3)
- 運転条件に応じて空燃比制御状態を変化させるエンジンの制御装置において、
シリンダ流入量の初期設定値と、このシリンダ流入量の初期設定値と吸気系の制御結果としてのシリンダ流入量との一致度により、マップ設定値及び/又は計算によって求まる目標値への制御が可燃範囲で達成可能か否かを判断する手段と、
上記目標値への制御が可燃範囲を外れ達成不可と判断されたとき、可燃範囲となる燃焼限界空燃比を設定する手段と、
上記燃焼限界空燃比と基本燃料噴射量の初期設定値から求めた空燃比とを比較し、可燃範囲となる燃料噴射量を求める手段とを備えたことを特徴とするエンジンの制御装置。 - 理論空燃比で換算したEGR率に基づいて上記燃焼限界空燃比を設定することを特徴とする請求項1記載のエンジンの制御装置。
- 基本燃料噴射量の初期設定値に対応する空燃比で換算したEGR率に基づいて上記燃焼限界空燃比を設定することを特徴とする請求項1記載のエンジンの制御装置。
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