JP5418787B2 - 内燃機関の吸気制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気制御装置であって、吸気通路におけるデポジットの堆積状態を推定して吸気流量を演算する技術に関する。

エンジン（内燃機関）の吸気流量を測定する手段としては、エアフローセンサにより直接検出する方法や、スピードデンシティ方式のようにエンジン回転速度と吸気圧とから推定する方法が知られている。特に、スピードデンシティ方式では、例えば吸気マニホールドで吸気圧を検出することで、燃焼室に流入する直前での吸気流量を推定することが可能になるとともに、吸気抵抗を抑制することができる。

しかしながら、エンジンの吸気管には、粉塵等の付着物（デポジット）が付着する虞がある。このように吸気管にデポジットが付着すると、吸気圧が変化するので上記のようなスピードデンシティ方式では吸気流量を正確に検出できなくなる虞がある。そこで、スピードデンシティ方式以外の吸気流量の検出装置を新たに備え、吸気流量の検出値を比較して、スピードデンシティ方式で推定した吸気流量が正確であるか否かを判別する技術が開発されている（特許文献１）。

また、排気還流（Exhaust Gas Recirculation：以下、ＥＧＲ）装置を備えたエンジンにおいて、エアフローセンサにより吸入空気量を検出するとともに、スピードデンシティ方式により、エンジンの燃焼室に流入する直前、即ちＥＧＲガスを含んだ吸気流量を推定する技術が開発されている。このようなエンジンでは、吸入空気量及びＥＧＲ量を夫々検出することが可能となり、これらの検出値に基づいてスロットルバルブ及びＥＧＲバルブの両方を夫々正確に制御することが可能となる。

特開２００６−２４２０６７号公報

ＥＧＲ装置を備えたエンジンでは、排気が吸気管に還流するので、吸気管内に排気中のすすがデポジットとして堆積し易くなる。したがって、スピードデンシティ方式により吸気流量を検出する場合には、よりデポジットによる影響を抑制させる必要がある。
しかしながら、ＥＧＲ装置を備えたエンジンでは、上記のようにスピードデンシティ方式以外にもエアフローセンサを設けていたとしても、それはＥＧＲガスを含まない吸入空気の流量を検出するためのものであって、スピードデンシティ方式により検出した吸気流量と単純に比較できるものではない。したがって、ＥＧＲガスを含んだ吸気流量を正確に検出するためには、上記特許文献１のように吸気流量の検出装置を更に設けなければならず、コストの増加を招いてしまう。

本発明の目的は、ＥＧＲ装置を備えた内燃機関において、新たに吸気流量の検出装置を設けることなく、吸気通路の閉塞状態を容易に推定し、吸気流量を正確に検出することが可能な吸気制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の内燃機関の吸気制御装置は、内燃機関の排気通路から排気の一部を導入し吸気通路に還流する排気還流通路と、排気還流通路を開閉する排気還流バルブと、排気還流通路との接続位置より上流側の吸気通路に設けられ、当該吸気通路を通過する新気流量を検出する新気流量検出手段と、排気還流通路との接続位置より下流側の吸気通路に設けられ、吸気圧を検出する吸気圧検出手段と、少なくとも吸気圧検出手段により検出された吸気圧及び体積効率に基づいて、排気還流通路との接続位置より下流側の吸気通路を通過する吸気流量を演算する吸気流量演算手段と、排気還流バルブが閉作動した状態で、新気流量検出手段により検出された新気流量と吸気流量演算手段により演算された吸気流量とに基づいて、吸気通路の閉塞状態を推定する閉塞状態推定手段と、閉塞状態検出手段により推定した吸気通路の閉塞状態に基づいて、吸気流量演算手段により吸気流量を演算するための体積効率を補正する補正手段と、排気還流バルブが開作動した状態において、新気流量検出手段により検出した新気流量と補正手段により補正された体積効率を用いて吸気流量演算手段により演算された吸気流量との差に基づいて、排気還流通路を通過して吸気通路に還流される排気の流量を演算する排気還流量演算手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２の内燃機関の吸気制御装置は、請求項１において、閉塞状態推定手段は、新気流量と吸気流量の比と内燃機関の回転速度により吸気通路の閉塞指数を算出することを特徴とする。

また、請求項３の内燃機関の吸気制御装置は、請求項１または２において、新気流量検出手段は、エアフローセンサであることを特徴とする。
また、請求項４の内燃機関の吸気制御装置は、請求項１〜３のいずれか１項において、閉塞状態推定手段は、内燃機関の運転中に排気還流バルブを所定時間強制的に閉作動させて、吸気通路の閉塞状態の推定を行なうことを特徴とする。

本発明の請求項１の内燃機関の吸気制御装置によれば、排気還流バルブが閉作動した状態では、吸気通路の閉塞状態が大きくなるほど、新気流量検出手段により検出された排気還流通路との接続位置より上流側の吸気通路を通過する新気流量と、吸気流量演算手段により演算された排気還流通路との接続位置より下流側の吸気通路を通過する吸気流量との違いが大きくなるので、これらの新気流量と吸気流量とに基づいて、新たに吸気流量の検出装置を設けることなく容易に吸気通路の閉塞状態を推定することが可能となる。

そして、補正手段により、吸気通路の閉塞状態に基づいて吸気流量を演算するための体積効率が補正され、当該補正された体積効率を用いて吸気流量が補正されるので、吸気通路の閉塞状態に拘わらず吸気圧と吸気温度に基づいて吸気流量を正確に求めることが可能となる。
また、排気還流バルブが開作動した状態において、排気還流量演算手段により、新気流量検出手段により検出した新気流量と吸気流量演算手段により演算された補正後の吸気流量との差に基づいて、吸気通路に還流される排気の流量が演算されるので、吸気通路の閉塞状態に拘わらず、吸気通路に還流される排気の流量を正確に求めることが可能となる。
本発明の請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、新気流量と吸気流量の比と内燃機関の回転速度により吸気通路の閉塞指数を算出するので、吸気通路内を流れる吸気流量の多少に影響を受けることなく閉塞状態をより正確に推定することが可能となる。

本発明の請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気還流通路との接続位置より上流側の吸気通路を通過する新気流量を容易に検出することが可能となる。
本発明の請求項４の内燃機関の排気浄化装置によれば、閉塞状態推定手段は、内燃機関の運転中に排気還流バルブを所定時間強制的に閉作動させて、吸気通路の閉塞状態を推定するので、閉塞状態を推定する機会を増加させることができる。よって、補正手段による吸気流量の補正機会が増加し、吸気流量演算手段における吸気流量の演算精度をより向上させることができる。

本発明の吸気制御装置が適用されたエンジンの吸排気系の概略構成図である。 体積効率の補正要領を示すフローチャートである。 閉塞係数を求めるマップの一例である。 体積効率の補正係数を求めるマップの一例である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の吸気制御装置が適用されたエンジン１(内燃機関)の吸排気系の概略構成図である。
本実施形態のエンジン１は、ターボチャージャ２及びＥＧＲ装置３を備えたディーゼルエンジンである。

エンジン１のシリンダヘッド４には、各気筒毎に燃料噴射弁５が設けられている。燃料噴射弁５は、図示しないコモンレールから供給された高圧化した燃料を筒内に噴射する機能を有する。
エンジン１の吸気管１０（吸気通路）には、ターボチャージャ２のコンプレッサ１１より上流側に、エアクリーナ１２が介装されている。また、コンプレッサ１１より下流側の吸気管１０には、スロットルバルブ１３が介装されている。エアクリーナ１２は、吸気中の塵埃を捕捉する機能を有する。スロットルバルブ１３は、吸気管１０の流路面積を調節することで、新気流量を制御する機能を有している。

エアクリーナ１２とコンプレッサ１１との間の吸気管１０には、新気流量Ｇaを検出するエアフローセンサ２０（新気流量検出手段）が設けられている。また、エンジン１の吸気マニホールド２１には、吸気圧Ｐiｍを検出する吸気圧センサ２２（吸気圧検出手段）及び吸気温度を検出する温度センサ２３が設けられている。
エンジン１の排気管３０には、ターボチャージャ２のタービン３１とその下流側に図示しない酸化触媒、ＤＰＦ等の排気浄化装置が設けられている。

ＥＧＲ装置３は、ＥＧＲ通路３２と、該ＥＧＲ通路３２を開閉するＥＧＲバルブ３３とを備えて構成されている。ＥＧＲ通路３２は、エンジン１の排気マニホールド３４と、スロットルバルブ１３より下流側の吸気管１０とを接続している。ＥＧＲ装置３は、ＥＧＲバルブ３３を開作動させることで、排気の一部を吸気管１０内に還流させ、エンジン１の燃焼温度を低下させてＮＯxの排出を抑制する機能を有する。

ＥＣＵ４０は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。
ＥＣＵ４０の入力側には、エアフローセンサ２０、吸気圧センサ２２、温度センサ２３、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ２４や図示しないアクセルポジションセンサ等の各種センサが接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。

ＥＣＵ４０の出力側には、スロットルバルブ１３、ＥＧＲバルブ３３、燃料噴射弁５等の各種出力デバイスが接続されている。ＥＣＵ４０は、各種センサ類からの検出情報に基づいて新気流量、ＥＧＲ量、燃料噴射量、燃料噴射時期等を演算し、各種出力デバイスにそれぞれ出力することで、適正なタイミングでスロットルバルブ１３、ＥＧＲバルブ３３、燃料噴射弁５等を制御する。

本実施形態では、エアフローセンサ２０により吸気管１０に導入される新気流量Ｇaを検出するとともに、ＥＣＵ４０において、吸気圧センサ２２により検出した吸気圧Ｐimと吸気温度センサにより検出した吸気温度Timに基づいてスピードデンシティ方式によりエンジン１の燃焼室に流入する吸気管内ガス流量（吸気流量）Ｇtを推定する。吸気管内ガス流量Ｇtは、ＥＧＲ装置３によって還流されたＥＧＲガスとスロットルバルブ１３を通過した新気とを含む合計流量である。ＥＣＵ４０は、スピードデンシティ方式による吸気管内ガス流量Ｇtからエアフローセンサ２０によって検出された新気流量Ｇaを減算することで、ＥＧＲ量Ｇeを演算する（排気還流量演算手段）。ＥＣＵ４０は、このようにして求められた新気流量Ｇa、ＥＧＲ量Ｇeを用いて、アクセル操作等に基づいて設定された所望の吸気流量及びＥＧＲ量となるように、スロットルバルブ１３やＥＧＲバルブ３３の制御を行なう。

更に、本実施形態では、ＥＣＵ４０は、吸気管１０のデポジットによる閉塞状態を推定し、スピードデンシティ方式による吸気管内ガス流量Ｇtの演算精度を向上させる機能を有している。詳しくは、ＥＧＲ装置３により還流した排気に含まれるすす等によって吸気管１０内にデポジットが堆積すると、吸気圧センサ２２によって検出した吸気圧Ｐimが同じであっても、実際の流量は減少してしまうので、吸気圧Ｐimに基づく吸気管内ガス流量Ｇtの演算に誤差が生じる虞がある。そこで、このデポジットの堆積による誤差が解消されるように、吸気管内ガス流量Ｇtを補正するのである。

図２は、吸気管内ガス流量Ｇt演算時に使用される体積効率ηvの補正要領を示すフローチャートである。本ルーチンは、エンジン運転時において、ＥＧＲバルブ３３の閉作動時に所定時間毎に繰り返し行なわれる。
始めに、ステップＳ１０では、エアフローセンサ２０により検出した新気流量Ｇａを入力する。そして、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、吸気圧センサ２２により検出した吸気圧Ｐimを入力し、吸気管内ガス流量Ｇtを演算する。吸気管内ガス流量Ｇtは、以下の式（１）により算出される。
Ｇt＝Ｖcyl×ηv×ρa×（Ｐim／Ｐa）×√（Ｔa／Ｔim）・・・（１）
但し、Ｖcylはシリンダ容積、ηvは体積効率、ρaは大気密度、Ｐaは大気圧、Ｔaは基準大気温度、Ｔimは温度センサ２３により検出された吸気温度である。ここで使用する体積効率とは吸気行程で燃焼室に取り込める吸気流量の指標であり、吸気管の状態における吸気体積を排気量で割った値である。そして、ステップＳ３０に進む。なお、本ステップにおける吸気管内ガス流量Ｇtの演算は、本発明の吸気流量演算手段に該当する。システム構成上、ＥＧＲバルブ３３の閉作動時でデポジット堆積等による変化が無い場合には、新気流量Ｇａと吸気管内ガス流量Ｇtは基本的に等しい値になる。

ステップＳ３０では、ステップＳ１０で入力した新気流量ＧaとステップＳ２０で演算した吸気管内ガス流量Ｇtとを比較する。詳しくは、Ｇａ／Ｇt＜１であるか否かを判別し、Ｇａ／Ｇt＜１である場合には、ステップＳ４０に進む。
ステップＳ４０では、新気流量Ｇaと吸気管内ガス流量Ｇtとの比であるＧａ／Ｇtと、クランク角センサ２３から入力したクランク角の推移より求められたエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて、閉塞指数Ｉbを演算する。閉塞指数Ｉbは、例えば図３に示すようなマップを用いて求めればよい。図３に示すように、新気流量Ｇaと吸気管内ガス流量Ｇtとの比Ｇａ／Ｇtが減少するに従って、閉塞係数Ｉbが大きくなるように設定されている。閉塞指数Ｉbは、吸気管１０の閉塞度合いを示す指数であり、閉塞指数Ｉbが大きくなると閉塞度合いが大きくなることを示す。そして、ステップＳ５０に進む。なお、本ステップにおける閉塞係数Ｉbの演算は、本発明の閉塞状態推定手段に該当する。

ステップＳ５０では、上記式（１）で示す吸気管内ガス流量Ｇtを演算するために用いられる体積効率ηvを補正する。体積効率ηvは、補正係数Ｃηvを乗算して補正される。補正係数Ｃηvは、ステップＳ４０で演算した閉塞指数Ｉbと、エンジン回転速度Ｎeとに基づいて、図４に示すようなマップを用いて求めればよい。なお、本ステップにおける体積効率ηvの補正は、本発明の補正手段に該当する。そして、本ルーチンを終了する。

なお、ステップＳ４０において、Ｇａ／Ｇt＜１でない場合、即ち新気流量Ｇaと吸気管内ガス流量Ｇtとが同一である場合には、ステップＳ１０に戻る。
以上のように制御することで、吸気管内ガス流量Ｇtを演算するために用いられる体積効率ηvが補正される。体積効率ηvを補正する補正係数Ｃηvは、吸気管１０の閉塞度合いを示す閉塞指数Ｉbに基づいて求められる。そして、本実施形態では、ＥＣＵ４０は、この閉塞指数Ｉbを記憶しておき、その後、ＥＧＲバルブ３３の開作動時において吸気管内ガス流量Ｇtを演算する際に、この閉塞指数Ｉbを用いて、都度、補正係数Ｃηvを算出し補正された体積効率ηvを用いる。したがって、吸気管内ガス流量Ｇtを演算する際に、吸気管１０の閉塞度合いが反映されることとなり、例えばデポジットにより吸気管１０が閉塞され吸気圧Ｐimが上昇したり、実吸気流量が減少したとしても、吸気管内ガス流量Ｇtを正確に演算することが可能となる。

このように、吸気管内ガス流量Ｇtがデポジットによる影響がなく正確に演算されるので、吸気管内ガス流量Ｇtと新気流量Ｇaとの差により求められるＥＧＲ量Ｇeを正確に演算することができ、ＥＧＲバルブ３３を正確に作動させることが可能となる。具体的には、デポジットにより実吸気流量が減少しても、ＥＧＲ量Ｇeを過小に設定することがなくなり、ＮＯｘ増加を抑制することができる。

本実施形態では、ＥＧＲ装置３を備えたエンジン１において、吸気圧Ｐimに基づいて新気とＥＧＲガスとを含む吸気管内ガス流量Ｇt（吸気流量）を演算するスピードデンシティ方式による吸気流量演算手段と、エアフローセンサ２０により新気流量Ｇａを検出する新気流量検出手段とを利用して、ＥＧＲバルブ３３が閉作動しているときに、これらの吸気管内ガス流量Ｇtと新気流量Ｇａとを比較し、比Ｇａ／Ｇtに基づき吸気管１０の閉塞度合いを推定しているが、この吸気流量検出手段及び新気流量検出手段は、ＥＧＲ量を演算するためにあらかじめ設けられているものであり、これらを利用して部品コストを増加することなく、容易に閉塞度合いを推定可能としている。

なお、本実施形態では、ＥＧＲバルブ３３が閉作動しているときに体積効率ηvの補正を行なうが、エンジン運転時に強制的にＥＧＲバルブ３３を閉作動させて体積効率ηvの補正を行なってもよい。このようにすれば、体積効率ηvの補正機会が増加し、デポジット閉塞状況を常に正確に把握して、その後のＥＧＲバルブ３３の開作動時における作動制御をより正確に行なうことができる。

また、本実施形態では、ディーゼルエンジンに本発明を適用しているが、本発明はガソリンエンジンでも適用可能である。

１ エンジン
１０ 吸気管
１３ スロットルバルブ
２０ エアフローセンサ
２２ 吸気圧センサ
３２ ＥＧＲ通路
３３ ＥＧＲバルブ
４０ ＥＣＵ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路から排気の一部を導入し吸気通路に還流する排気還流通路と、
   前記排気還流通路を開閉する排気還流バルブと、
   前記排気還流通路との接続位置より上流側の前記吸気通路に設けられ、当該吸気通路を通過する新気流量を検出する新気流量検出手段と、
   前記排気還流通路との接続位置より下流側の前記吸気通路に設けられ、吸気圧を検出する吸気圧検出手段と、
   少なくとも前記吸気圧検出手段により検出された吸気圧及び体積効率に基づいて、前記排気還流通路との接続位置より下流側の前記吸気通路を通過する吸気流量を演算する吸気流量演算手段と、
   前記排気還流バルブが閉作動した状態で、前記新気流量検出手段により検出された新気流量と前記吸気流量演算手段により演算された吸気流量とに基づいて、前記吸気通路の閉塞状態を推定する閉塞状態推定手段と、
   前記閉塞状態検出手段により推定した前記吸気通路の閉塞状態に基づいて、前記吸気流量演算手段により前記吸気流量を演算するための前記体積効率を補正する補正手段と、
   前記排気還流バルブが開作動した状態において、前記新気流量検出手段により検出した前記新気流量と前記補正手段により補正された前記体積効率を用いて前記吸気流量演算手段により演算された前記吸気流量との差に基づいて、前記排気還流通路を通過して前記吸気通路に還流される排気の流量を演算する排気還流量演算手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
2. 前記閉塞状態推定手段は、前記新気流量と前記吸気流量の比と前記内燃機関の回転速度により前記吸気通路の閉塞指数を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
3. 前記新気流量検出手段は、エアフローセンサであることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の吸気制御装置。
4. 前記閉塞状態推定手段は、前記内燃機関の運転中に前記排気還流バルブを所定時間強制的に閉作動させて、前記吸気通路の閉塞状態の推定を行なうことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の吸気制御装置。

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