JP6488113B2

JP6488113B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP6488113B2
Application number: JP2014240729A
Authority: JP
Inventors: 一浩押領司; 赤城　好彦; 好彦赤城
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2019-03-20
Anticipated expiration: 2034-11-28
Also published as: US10280855B2; CN107002565B; JP2016102442A; US20170268442A1; WO2016084538A1; EP3225821A4; EP3225821A1; CN107002565A; EP3225821B1

Description

本発明は、エンジンの制御装置に関する。

自動車の燃費を低減するため、排気ガスを吸気側に還流する仕組み（ＥＧＲ：ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）を導入したエンジンが市場に投入されている。排気ガスを還流する狙いは、エンジンの出力が小さい条件における吸気管負圧（吸気行程中の筒内圧と大気圧の差）を減らしピストンが系外に行う仕事（ポンプ損失）を減らすこと、エンジン出力の比較的大きい条件における異常燃焼（ノック）を抑制し排気損失を減らすことである。

エンジン出力が小さい条件においてポンプ損失を無くすという観点からは、吸気管圧力が大気圧に達する程度まで排気ガスを還流したい。しかし、排気ガスは基本的に不活性ガスとして働くため、還流する排気ガスの増加に伴い火炎が伝播する速度が小さくなり、還流する排気ガス量が一定の水準に達すると燃焼が不安定化することが分かっている。このため、還流する排気ガスの量には燃焼の安定性が確保できる条件から決まる上限値（燃焼安定限界質量）が存在する。この上限値は、エンジンの型式や運転条件により異なる燃焼安定性を考慮し、これを満たすように排気ガスの還流量を定義している。

一方、空気中の水分も、排気ガスと同様に不活性ガスとして働き、火炎の伝播する速度を減少させる。このため、空気中の水分を考慮せず還流する排気ガス量を決めると、湿度条件によってはエンジンの燃焼状態が不安定化し、所望の性能を得られない可能性がある。このような課題に対する技術として、特許文献１に記載される内燃機関の制御装置がある。この内燃機関の制御装置は、検出した湿度（相対湿度）とエンジン筒内へ導入される新気目標量から新気中の水分量を算出し、本算出値に応じて、新気中の水分量が増加するにつれ、排気ガス量を減少させる補正を実施する。

特開２０１１−００１８５３号公報

本発明は、気筒と、前記気筒から排出される排気ガスを前記気筒の吸入側に戻すＥＧＲ機構とを備える内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、前記気筒に供給される外気の湿度を直接的又は間接的に検出する演算部を備え、前記演算部は、検出した外気の湿度に基づいて算出されるＥＧＲガス中の水分量と、ＥＧＲガス量と、に基づいて安定燃焼限界気筒質量を算出し、検出した外気の湿度に基づいて算出される前記気筒に供給される空気中の水分量と前記安定燃焼限界気筒質量とに基づいて目標ＥＧＲ量を設定し、前記目標ＥＧＲ量に基づいて前記ＥＧＲ機構を制御することを特徴とする。

しかし、実際には、新気と排気ガスの混合気中に含まれる各成分（主に、二酸化炭素、窒素、水）が燃焼状態に与える影響が異なる。特許文献１に記載の技術では、排ガス中の水分は検出していないので、この化学種毎の燃焼状態に与える影響の違いを考慮できないため、条件によっては還流する排気ガスの量が適切に設定できず、燃焼不安定化を招く可能性がある。

そこで、本発明は、還流する排気ガスの量を適切に設定することで、燃焼状態をより安定させることのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、気筒と、前記気筒から排出される排気ガスを気筒の吸入側に戻すＥＧＲ機構とを備える内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、前記ＥＧＲ機構のＥＧＲ流量を制御するＥＧＲ制御部と、前記気筒に供給される外気の湿度を直接的又は間接的に検出する湿度検出手段とを備え、前記ＥＧＲ制御部は、外気の水分量と、還流される排気ガス中の水分量とを算出し、気筒内の燃焼状態に応じて設定される安定燃焼限界気筒質量と、気筒に導入される空気の質量と、燃料の質量と前記水分量と、に基づいて前記ＥＧＲ機構を制御することを特徴とする。

本発明によれば、還流する排気ガスの量を適切に設定することで、燃焼状態をより安定させることのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係るエンジンの制御装置の構成を示すシステムブロック図。本発明の実施形態に係るエンジンの制御装置のＥＣＵ内で実施される湿度に応じたＥＧＲ量制御ロジックの概要図。本発明の実施形態に係る燃焼安定限界質量のエンジンマップデータの概念図。実施例１に係るＥＧＲ量のエンジンマップデータの概念図。実施例１に係るエンジンの制御装置のシステム構成図。実施例１に係るエンジンの制御装置の水分量に応じたＥＧＲ量制御内容を示すフローチャート。実施例１に係るエンジンの制御装置を用いた際の各種アクチュエータや計測値の変化を示すタイムチャート。湿度に応じたスロットルバルブ開度の制御内容を示す概念図。湿度に応じたＥＧＲバルブ開度の制御内容を示す概念図。実施例２に係るエンジンの制御装置の水分量に応じたＥＧＲ量制御内容を示すフローチャート。実施例２に係るエンジンの制御装置を用いた際の各種アクチュエータや計測値の変化を示すタイムチャート。実施例３に係るエンジンの制御装置のシステム構成図。実施例３に係るエンジンの制御装置の水分量に応じたＥＧＲ量制御内容を示すフローチャート。実施例４に係るエンジンの制御装置を用いた際の各種アクチュエータや計測値の変化を示すタイムチャート。実施例４に係るエンジンの制御装置のシステム構成図。実施例４に係るエンジンの制御装置の水分量に応じたＥＧＲ量制御内容を示すフローチャート。実施例４に係るエンジンの制御装置を用いた際の各種アクチュエータや計測値の変化を示すタイムチャート。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置は、還流する排気ガスの量が過大になり、燃焼不安定化を避けるため、直接的又は間接的に検出した新気中の水分量に基づいて、エンジン筒内へ導入される新気、及び、還流される排気ガスの水分量を算出し、本算出値に基づき排気ガス量を制御する。このような構成により、排気ガス、エンジン筒内に吸入されるガスの組成を考慮して排気ガス量の決定ができ、湿度の影響で燃焼安定性を損なうことなくポンプ損失低減の最大化し、低燃費化の最大化が実現できる。

また、新気中の水分量を直接検知し、還流する排気ガス量の計算値に適用し、還流する排気ガス量を制御するようにすれば、新気中の水分量の絶対値を直接検出することが可能になり、還流する排気ガス量の設定値を正確に算出、制御できるようになる。

また、この内燃機関の制御装置は、筒内へ導入される水分量の増減に伴い燃焼安定限界を変更する。この結果、水とその他の成分（窒素や二酸化炭素）の燃焼安定性に与える影響度の違いを考慮して還流する排気ガス量を調整できるため、さらに、燃焼安定限界の変化に伴う燃焼不安定化の回避しながら、ポンプ損失低減による燃費低減量の最大化が図れる。

ところで、低圧ＥＧＲシステムでガスを還流する場合には、触媒の活性化状態により筒内に還流する排気ガス量を変更する。触媒が活性化していない状態では、排気ガスに触媒が活性化している状態に比べて多くのラジカルが存在することから、燃焼が安定しやすい。本発明により、触媒の活性化状態により変化する排気ガスの組成の変化を考慮して、還流する排気ガスの制御が可能となり、より多くの条件で燃費低減量を増加できる。

また、高圧ＥＧＲシステムで排気ガスを還流する場合には、水温が高い条件で還流する排気ガスの量を増加させるように制御する。水温が低い場合は、還流する排気ガス温度が低くなり、逆に、水温が高い場合は、還流する排気ガス温度が高くなる。還流する排気ガス温度が低い条件では、燃焼速度が低下しやすいため、燃焼安定性を確保するためには、水温が高い条件に比べて還流する排気ガス量を減らす必要がある。本発明により、水温が低い場合と水温が高い場合で還流する排気ガスを制御できるため、水温に応じて低燃費幅を最大化することができる。

また、高圧ＥＧＲシステムと低圧ＥＧＲシステムを備える内燃機関では、高圧ＥＧＲシステムを用いる場合には、低圧ＥＧＲシステムを用いる場合に比べ、還流する排気ガス量を増加させる。高圧ＥＧＲシステムで還流される排気ガスは触媒を通過していないことから、低圧ＥＧＲシステムで還流される排気ガスに比べて多くの活性化学種が含まれていることから、高圧ＥＧＲシステムで還流される排気ガスのほうが燃焼速度の低下が起こりにくい。この結果、低圧ＥＧＲシステムで還流されるガスに比べて高圧ＥＧＲシステムで還流されるガスの方が、同等の燃焼安定性を得られた条件で、多量に導入可能である。本発明により、各ＥＧＲシステムを用いた際の燃費低減代をそれぞれ最大化できる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。まず、以下に示す各実施例に共通の構成を図１、図２、図３を用いて説明する。

図１は、エンジンの制御装置の構成を示すシステムブロック図である。エアフローセンサ１、湿度センサ３、アクセル開度センサ１２、差圧センサ４３、ＥＧＲ温度センサ４４、冷却水温度センサ（図示しない）の出力信号は、ＥＣＵ２０の入力回路２０ａに入力する。但し、入力信号はこれらだけに限られない。入力された各センサの入力信号は入出力ポート２０ｂ内の入力ポートに送られる。入力ポート２０ｂに送られた値は、ＲＡＭ２０ｃに保管され、ＣＰＵ２０ｅで演算処理される。演算処理内容を記述した制御プログラムは、ＲＯＭ２０ｄに予め書き込まれている。

制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの作動量を示す値は、ＲＡＭ２０ｃに保管された後、入出力ポート２０ｂ内の出力ポートに送られ、各駆動回路を経て各アクチュエータに送られる。本実施形態の場合は、駆動回路として、電子スロットル駆動回路２０ｆ、ＥＧＲバルブ駆動回路２０ｍがある。各回路は、それぞれ、電子制御スロットル２、ＥＧＲバルブ４１を制御する。本実施形態においては、ＥＣＵ２０内に上記駆動回路を備えた装置であるが、これに限るものではなく、上記駆動回路のいずれかをＥＣＵ２０内に備えるものであってもよい。

ＥＣＵ２０は、入力信号に基づいてＥＧＲ率を推定し、要求される運転条件に応じて、スロットル弁２およびＥＧＲバルブ４１を制御する。

図２は、エンジンの制御装置のＥＣＵ２０内で実施される還元する排出するガスの制御ロジックの概要を示す図である。アクセル開度センサ１２の出力に基づき要求トルク及び要求空気量を算出する要求トルク算出部、エアフロセンサ１の出力、湿度センサ３の出力に基づき算出した新気中の水分量及び排出ガス中の水分量、要求空気量に基づきＥＧＲバルブの制御量を算出するＥＧＲバルブ制御部から構成される。アクセル開度センサ１２は要求トルク算出部、エアフロセンサ信号１、湿度センサ信号３はＥＧＲバルブ制御部に入力され、ＥＧＲバルブ４１及びスロットル弁の制御が実施される。

図３は、エンジンマップ上での安定燃焼限界質量を既定するマップである。エンジン出力が小さい領域からエンジン出力が大きくなるにつれて安定燃焼限界質量は増加する傾向にある。ここで、本実施形態では安定燃焼限界質量のマップを外気温度Ｔａｍｂ、相対湿度１００％で構築したとする。これは、相対湿度１００％において定義しておくことで、いかなる湿度条件においても、燃焼不安定性を引き起こすことなくエンジンを運転することが可能であるためである。なお、安定燃焼限界質量は、各運転条件で燃焼不安定性を引き起こす筒内質量としてもよく、また、各運転条件で燃費が最小になる質量としてもよく、さらに、一つのマップをこれらの定義を混ぜて決めてもよい。

図４は、エンジンマップ上でのＥＧＲ量を既定するマップである。エンジン出力が小さい領域（領域Ａ）は、ポンプ損失を低減するためにＥＧＲを導入する領域であり、エンジン出力が小さくなるにつれて要求されるＥＧＲ量は大きくなる。またエンジン出力が大きい領域（領域Ｂ）は、異常燃焼を抑制するためにＥＧＲを導入する領域であり、エンジン出力が大きくなるにつれて要求されるＥＧＲ量は大きくなる傾向がある。ここで、実施例１ではマップを外気温度Ｔａｍｂ、相対湿度１００％で構築したとする。これは、相対湿度１００％においてＥＧＲ量を適合しておけば、いかなる湿度条件においても、燃焼不安定性を引き起こすことなくエンジンを運転することが可能であるためである。

以下、実施例１について説明する。図５は、低圧ＥＧＲ流路を備えた自動車用筒内噴射式ガソリンエンジン構成図である。

エンジン１００は、火花点火式燃焼を実施する自動車用のガソリンエンジンである。吸入空気量を計測するエアフローセンサ１と、吸気湿度を検出する湿度センサ３と、吸気を過給するための過給機のコンプレッサ４ａと、吸気を冷却するためのインタークーラ７と、吸気管圧力を調整する電子制御スロットル２が吸気管の各々の適宜位置に備えられている。ここで、湿度センサ３は相対湿度及び絶対湿度が検出可能なセンサである。また、エンジン１００には、各気筒のシリンダ１４の中に燃料を噴射する燃料噴射装置（以下、インジェクタ）１３と、点火エネルギーを供給する点火プラグ１６が気筒ごとに備えられている。また、筒内に流入、または筒内から排出するガスを調整する可変バルブ５が、シリンダヘッドに備えられている。可変バルブ５を調整することにより、全気筒の吸気量および内部ＥＧＲ量を調整する。また、図示していないが燃料噴射装置１３に高圧燃料を供給するための高圧燃料ポンプが燃料配管によって燃料噴射装置１３と接続されており、燃料配管中には、燃料噴射圧力を計測するための燃料圧力センサが備えられている。

さらに、排気エネルギによって過給機のコンプレッサ４ａに回転力を与えるためのタービン４ｂと、タービンに流れる排気流量を調整するための電子制御ウェイストゲート弁１１と、排気を浄化する三元触媒１０と、空燃比検出器の一態様であって、三元触媒１０の上流側にて排気の空燃比を検出する空燃比センサ９と、が排気管１５の各々の適宜位置に備えられる。

さらに、排気管の触媒１０の下流から、吸気管のコンプレッサ４ａの上流に排気を還流させるためのＥＧＲ管４０を備えている。また、ＥＧＲを冷却するためのＥＧＲクーラ４２、ＥＧＲ流量を制御するためのＥＧＲバルブ（ＥＧＲ機構）４１、ＥＧＲバルブ前後の差圧を検出する差圧センサ４３、ＥＧＲ温度を検出するＥＧＲ温度センサ４４が、ＥＧＲ管４０の各々の適宜位置に、取りつけられている。また、図示していないがエンジンを巡る冷却水の温度を計測する温度センサ４５が備えられている。

エアフローセンサ１と湿度センサ３と空燃比センサ９と差圧センサ４３とＥＧＲ温度センサ４４から得られる信号は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０に送られる。また、アクセル開度センサ１２から得られる信号がＥＣＵ２０に送られる。アクセル開度センサ１２は、アクセルペダルの踏み込み量、すなわち、アクセル開度を検出する。ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ１２の出力信号に基づいて、要求トルクを演算する。すなわち、アクセル開度センサ１２は、エンジンへの要求トルクを検出する要求トルク検出センサとして用いられる。また、ＥＣＵ２０は、クランク角度センサの出力信号に基づいて、エンジンの回転速度を演算する。ＥＣＵ２０は、上記各種センサの出力から得られるエンジンの運転状態に基づき、空気流量、燃料噴射量、点火時期、燃料圧力等のエンジンの主要な作動量を最適に演算する。

ＥＣＵ２０で演算された燃料噴射量は開弁パルス信号に変換され、インジェクタ１３に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された点火時期で点火されるように、点火信号が点火プラグ１７に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算されたスロットル開度は、スロットル駆動信号として電子制御スロットル２に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算されたＥＧＲバルブ開度は、ＥＧＲバルブ開度駆動信号として、ＥＧＲバルブ４１へ送られる。

吸気管から吸気バルブを経てシリンダ１４内に流入した空気に対し、燃料が噴射され、混合気を形成する。混合気は所定の点火時期で点火プラグ１６から発生される火花により爆発し、その燃焼圧によりピストンを押し下げてエンジンの駆動力となる。更に、爆発後の排気ガスは排気管１５を経て、三元触媒１０に送りこまれ、排気成分は三元触媒１０内で浄化され、外部へと排出される。三元触媒１０をＥＧＲ管４０の入り口上流に備えることで、還流する排気ガスの組成を安定させること可能となり、結果、任意の運転条件でのＥＧＲ量制御において安定して性能を得ることができる。

図６には、図２のＥＧＲ弁制御部にて実施される演算処理が記載されている。

まず、ステップＳ６０１にて、筒内に導入される新気中の水分量を計算する。まず、湿度センサの出力で検出される絶対湿度Ｈ_air［ｋｇ／ｍ³］と空気密度ρ_air［ｋｇ／ｍ³］から、空気中の水分の質量分率Ｙ_H2O,air、体積分率αを、以下のように算出する。空気密度はＥＣＵに記録しておく。または、検出した情報に基き推定する。
ここで、Ｗ_H2O、Ｗ_airはそれぞれ水、空気のモル質量［ｋｇ／ｍｏｌ］である。

次に、エアフロセンサ１の出力ｍ_air［ｋｇ／ｓ］、又は、要求トルク算出部で求められた要求空気量Ｍ_air,R［ｋｇ／ｃｙｃｌｅ］から以下のように新気中の水分流量及び筒内へ導入される水分量の新気分を算出する。
新気中の水分流量
又は
筒内へ導入される水分量
又は
ここで、Ｎｅはエンジン回転数［ｒｐｍ］である。以下に示すように間接的に水分の検出も可能であるが、推定誤差を多く含み得る。このため、湿度センサから水分量の絶対値を検出することで、間接的に水分量を検出する場合に比べて、高精度に水分量の算出が可能になり、精密に各種アクチュエータの制御信号を設定できるようになる。

また、湿度センサ３が取り付けられていない場合には、間接的に湿度を検出することで代替が可能になる。例えば、一定トルクで走行している際のエアフロセンサ１の出力ｍ_air、に基づき算出した空気量と要求空気量Ｍ_air,Rとの差から、筒内に流入する水分量を以下のように間接的に検出できる。
ここで、質量分率Ｙ_H2O,air、体積分率αは以下の通り推定できる。
加えて燃料質量Ｍ_Fuelは、Ｍ_air,R又はｍ_airに基づき次のとおり算出する。
ここでＣは予め決定した定数であり、両論混合比での燃焼を実施する場合にはおよそ１／１５に設定する。

次に、ステップＳ６０２にて、還流してくる排気ガス中に含まれる水分量を算出する。排気ガス中に含まれる水分量の算出には、検出した空気中の水分量の最新値を用いる。ここで、燃料分子の組成はＣｎＨｍ、更に空気が窒素７９ｖｏｌ％、酸素２１ｖｏｌ％の混合気である、燃焼時に完全燃焼し水と二酸化炭素が発生し、窒素は反応せず残る、と仮定すると、以下の関係が反応前後で成立する
ただし、左辺は燃焼前の筒内の状態を示しており、右辺は燃焼後の筒内の状態を示す。ここでＣｎＨｍは燃料分子、Ｏ２は酸素分子、Ｎ２は窒素分子、ＣＯ２は二酸化炭素分子、Ｈ２Ｏは水分子、ｍは燃料を構成する炭化水素分子中の平均炭素数、ｎは燃料を構成する炭化水素分子中の平均炭水素数である。本関係に基づけば、還流されてくる排気ガス中の水分量は、以下のように算出する。
ここで、ＷＨ２Ｏ、ＷＣＯ２、ＷＮ２はそれぞれ水、二酸化炭素、窒素のモル質量［ｋｇ／ｍｏｌ］である。

次にステップＳ６０３にて、安定燃焼限界質量を計算する。これは、図３の安定燃焼限界質量のマップから運転条件に応じた安定燃焼限界質量Ｍ_max,map値を取り出してもよく、また、図４のＥＧＲガス量のマップから、現在の運転条件に応じたＥＧＲ量Ｍ_EGR,mapを読み込み、式７のように計算しても良い。γはγｋｇの二酸化炭素や窒素と、１ｋｇの水が燃焼安定性に対して同等の影響を与えると仮定して設定する係数である。実験計測に基づき決める。
ここでＭ_airは空気量であり、
又は
で求めることができる。

ステップＳ６０４で、最終的に筒内に導入される水分量を考慮して、還流する排気ガス量を算出する。

算出方法の説明に当たり、安定燃焼限界質量との関係を説明する。ガソリンエンジンの中では火炎伝播により燃焼が生じるが、火炎伝播に与える影響は二酸化炭素と水で異なる。例えば、当量比１の燃料と空気の混合気に対して、質量比で１０％の水を希釈ガスとして加えた場合と、質量比で１０％の二酸化炭素を希釈ガスとして加えた場合に、火炎伝播速度の減少量が異なる。排気ガスを還流した場合にエンジンにおける燃焼不安定性が生じるのは、火炎伝播速度の低下が要因であることから、水と二酸化炭素が燃焼の不安定化に与える影響度が異なることを示している。以下では、γｋｇの二酸化炭素や窒素と、１ｋｇの水が燃焼安定性に対して同等の影響を与えるとみなす。ＥＧＲガス量を徐々に増加し、燃焼が不安定化する際の条件における気筒内の実効ガス質量Ｍ_limitは以下の式で与えられる。
ここで排気ガスの還流量Ｍ_EGRとし、式６で定義されるβを用いて式９を整理すると式１０の通り書ける。

式１０から、燃焼安定限界における実効ガス質量Ｍ_limitが既知の値とできれば、燃焼安定限界におけるＥＧＲガス質量は、式１１より求めることができる。
ここで、Ｍ_limitをＭ_max,mapで置き換えると、式１１の右辺はすべて既知であり、目標排気ガス量を決めることが出来る。
なお、γは予めエンジン試験や、数値シミュレーションによる模擬試験により決定する。γは、１〜２の間をとることが多いが、これに限られない。

また、式１２から、目標排気ガス量は、水と二酸化炭素や窒素の反応性が同じと仮定した場合は、以下の式から設定する。
このように目標排気ガス量を設定することで、安定燃焼を維持しつつ、湿度変化に応じてＥＧＲ量を最大化し、大きな燃費低減を実現できる。

以上の関係から、γ＝１の場合には、新気から導入される水分量（Ｍ_H2O,air）、排気ガスから導入される水分量（β）を算出しＥＧＲ量を決定することで、水分量に応じてＥＧＲ量を制御することができるため、筒内の水分量に応じてＥＧＲ量を設定することができ、結果、空気の湿度に応じて燃費低減を最大化できるように制御ができる。

γ＞１の場合には、新気から導入される水分量（Ｍ_H2O,air）、排気ガスから導入される水分量（β）を算出し、水分量の変化に伴う安定燃焼限界質量の変化を考慮できる。この結果、過大なＥＧＲ量を避けることができ、燃焼安定性の不安定化を最小限に抑制しつつ吸気負圧低減による燃費低減を最大化するように制御ができる。

以下で、図３の燃焼安定限界質量Ｍ_max,mapの最適な定義について説明する。燃焼安定限界質量は、前述の通り、燃焼不安定を起こさせないために、大気温Ｔａｍｂ、相対湿度１００％で決めることが適切である。この場合、湿度１００％時の空気中の水質量を
Ｍ_H2O,air,100%とすると、燃焼安定限界質量Ｍ_max,mapについては、式１２の関係が成り立つ。
ここから、燃焼安定限界質量Ｍ_max,mapのマップ図３は、式１２の右辺で計算される値を持つことが適切である。

次に、ステップＳ６０５にて、新気中の水分量の影響、還流するＥＧＲガス量の影響を補正し、要求空気量を導入するために必要となるスロットル開度を算出する。スロットル開度は、図８に示すような流量とスロットル開度の関係をマップとしてＥＣＵに備えておき、この関係から算出する。ただし、湿度に伴う空気中の水分やＥＧＲガス量が混合していることを考慮し、スロットル開度を制御することで、要求空気量が筒内に導入されるようにする。

次にＳ６０６にて、図９に示すようなＥＧＲバルブ開度とＥＧＲ流量の関係に基づきＥＧＲバルブ開度を設定する。まず、目標排気ガス量に応じて、図９に示すマップデータからＥＧＲバルブ開度を設定する。式１５で検出した検出値と目標値に差が生じた場合は、検出値の差に応じて開弁量を増減するように設定する。

検出値が目標値に比べて大きければ、ＥＧＲバルブ開度を小さくし、逆に検出値が目標値に比べて小さければ、ＥＧＲバルブ開度を大きくする。ここで、Ｔ_EGRは、図５に図示しないＥＧＲガス温度センサを用いて計測したＥＧＲガスの温度又は水温に基づき推定したＥＧＲガス温度の推定値である。

次にＳ６０７にて、Ｓ６０５で求めたスロットル開度に基づき制御する。

次にＳ６０８にて、Ｓ６０６にて設定したＥＧＲバルブ開度に基づきＥＧＲバルブを制御する。

以上のステップを経て、エンジンは制御される。

図７は、図６に示した制御を実施した際の各アクチュエータの動作及び検出値の変化を示したものである。外部の湿度条件が変化したときを取り上げた。要求トルクは一定であるとする。次に外気の湿度が時間ｔ１から減少を始め、時間ｔ２に検出値の変化が無くなる遷移を考える。この場合、図６のステップＳ６０３で計算する安定燃焼限界質量に変化は無い。続いて時間ｔ１以降で湿度が減少していることから、図６ステップＳ６０５で計算される目標排気ガス量は時間ｔ１以降に増加する。この結果、ＥＧＲバルブ開度の設定値も時間ｔ１から時間ｔ２にかけて徐々に開度が大きくなる。γ＝１を想定した場合は、全体のガス量は変化しないため、スロットル開度はほとんど変更しなくて良い。この結果、筒内に導入される空気量は一定に保たれる。γ＞１を想定した場合は、湿度の低下に伴い筒内に導入するガス量（筒内質量）が増加するため、ステップＳ６０５でスロットルバルブ開度を時間ｔ１に比べて大きくするように設定される。この結果、スロットルバルブ開度が増加し、筒内へ導入される空気量が一定値になるように制御される。本制御を実施した結果、導入される排気ガス量は、外気湿度の増加に応じて増加する。これは、ステップＳ６０５で実施している算出の中で、水分量を考慮してＥＧＲ量を補正しているためである。この結果、γ＝１、γ＞１の両場合において、吸気管圧力量を水分量の補正を入れない場合（ＥＧＲ量マップを用いた場合）に比べて増加させることができ、この結果燃料消費率も低減することができる。また、γ＝１の場合は、燃焼安定性が低下する傾向に有り、この結果、γ＜１の場合の方が、燃料消費率を上げることができる。

次に、実施例２について説明する。エンジンの構成は図５やＥＣＵの構成は図２である。図１０には、図２のＥＧＲ弁制御部にて実施される演算処理が記載されている。実施例１とステップＳ１００４における処理を除き同じである。ステップＳ１００４において目標排気ガス量の設定する際に、冷却水温度センサを用いて計測した冷却水の温度の上昇や始動からの時間に応じて触媒温度を推定し、推定した触媒活性状態に応じて、目標排気ガス量を設定する。触媒活性前の排気ガスには、低圧ＥＧＲシステムにおいては、触媒暖機定常状態に比べ一酸化炭素（ＣＯ）や一酸化窒素（ＮＯ）といった燃焼安定性に寄与する活性化学種が多く含まれる。こ暖気後の定常状態では、これらの活性化学種は、触媒内での酸化反応や還元反応により、二酸化炭素、水、窒素といった安定化学種に変換される。このため、暖気後に比べて、暖気前の安定燃焼限界質量は大きい。図３で定義する安定燃焼限界質量Ｍ_max,mapは暖気後の定常状態を用いて決めている。このため、活性化学種を多く含む暖気前の化学種の影響で、Ｍ_max,mapから決めた目標排気ガス量よりも多くのＥＧＲガスを投入しても燃焼は不安定にならない。そこで、触媒が活性化されていないと判断した場合は、ステップＳ１００４において以下の式で目標排気ガス量を決める。
ここでΔＭ_Radが活性化学種の影響を考慮するための補正項である。低圧ＥＧＲシステムの場合、ΔＭ_Radは触媒の活性度に応じて変化する。触媒の活性化していない状態では、燃焼で生じたＣＯやＮＯが変換されずに残るため、ΔＭ_Radは大きな値を持つ。触媒が活性化すると、ΔＭ_Radは０となる。水温、エンジン始動からの時間により検出した触媒の活性度に基づきΔＭ_Radを変化させることで、目標排気ガス量を適切に変化可能である。触媒の活性度に対するΔＭ_Radの変化は、事前にエンジン試験で調査し、ＥＣＵ内にデータを保存しておく。図１０に示した制御を実施した場合のアクチュエータの動きを図１１にて説明する。冷却水温度及びエンジン始動からの時間に基づき推定した触媒温度が変化したときを取り上げた。要求トルクは一定であるとする。検出した触媒温度が時間ｔ１から増加を始め、時間ｔ２に触媒が活性化する温度まで上昇する変化を考える。この場合、図１０のステップＳ１００３で計算する安定燃焼限界質量のマップ値は時間的に変化しない。ただし、図１０ステップＳ１００５にて計算される目標排気ガス量は時間ｔ１から時間ｔ２にかけて減少する。これは、検出した触媒活性化状態（触媒温度）に基づき式１６で目標排気ガス量を補正するためである。このため、時間ｔ１から時間ｔ２に掛けて、触媒の温度上昇に応じて、目標排気ガス量が減少するように値が設定される。この結果、ＥＧＲバルブ開度の設定値も時間ｔ１から時間ｔ２にかけて、徐々に開度が小さくなるように設定される。要求トルクは変化していないが目標排気ガス量が減少するため、ステップＳ１００５で目標排気ガス量の減少に応じてスロットルバルブ開度を時間ｔ１に比べて小さくするように設定される。この結果、スロットルバルブ開度が減少し、筒内へ導入される空気量が一定値になるように制御される。本制御を実施した結果、導入される排気ガス量は、触媒温度の増加に伴い、減少するように変化する。以上によって、触媒の活性状態に応じて変化する活性化学種の量を反映して目標排気ガス量を設定することが可能になり、低圧ＥＧＲシステムを備えるエンジンにおいて触媒が活性化状態にない条件において、より大きな低燃費化を実現することができる。

以上から、低圧ＥＧＲシステムを用いた際の触媒活性化状態に応じて燃焼不安定性を避けながら触媒活性化前の燃費低減量を最大化することが可能になる。

次に実施例３を説明する。実施例３は、図１２にはエンジンの構成、図１３には、図２のＥＧＲ弁制御部にて実施される演算処理が記載されている。図１２に示すエンジンの構成は、図５に示すエンジンの構成と排気ガスを還流する仕組みを除き同一である。図１２の構成では、排気ガスは、ターボチャージャーのタービン上流から排気ガスを取り出し、コンプレッサ下流へと還流する仕組みになっている。図１３に示す演算処理は、図６に示す実施例１の演算処理とステップＳ１３０４を除き同じである。ステップＳ１３０４において目標排気ガス量の設定する際に、冷却水温度センサを用いて計測した冷却水温度又は検出したＥＧＲガス温度に応じた目標排気ガス量を設定する。冷却水温度が低い状態では、ＥＧＲガスの温度も低くなる。温度が下がると、燃焼の不安定化が起こり易いため、ＥＧＲガスの温度が高い場合に比べて、安定燃焼限界質量が小さくなる。そこで、式１７を用いた目標排気ガス量の設定を行う。
ここで、ΔＭ_Tは排気ガス温度を考慮するための補正項である。

高圧ＥＧＲシステムの場合、冷却水温度に応じて達するエンジン筒内に導入される際の温度に差が生じる。具体的には、エンジン始動に近い状態では、冷却水温度が低いため排気ガス温度は暖機定常状態に比べて温度が低くなり、エンジン始動から十分な時間が経過した後は、排気ガス温度は暖機定常状態と同じ温度（始動時に比べ高い温度）に達する。前述の通り、還流する排気ガス温度が下がると混合気の温度が低くなり、燃焼不安定化が起こり易くなる。このため、ＥＧＲガス温度に応じた補正が、燃費低減を最大化させつつ燃焼を安定化させるために有効である。図３で定義する安定燃焼限界質量Ｍ_max,mapは暖気後の定常状態を用いて決めていることから、ΔＭ_Tは０以下の値で設定される。つまり、水温やＥＧＲガス温度が低い条件では、安定燃焼限界ガス質量Ｍ_max,mapから計算したＥＧＲ量よりも少ない目標排気ガス量を設定する。水温が十分に上昇した場合又はＥＧＲガス温度が十分に上昇した場合は、ΔＭ_Tを０とし、基準条件に基き設定した安定燃焼限界ガス質量から計算したＥＧＲ量と同じ量を目標排気ガス量とする。水温やＥＧＲガス温度に対するΔＭ_Tの変化は、事前にエンジン試験で調査し、ＥＣＵ内にデータを保存しておく。

図１４に、図１３の制御フローチャートに従い処理した場合の各種アクチュエータの処理を示す。要求トルクが一定の条件であるとする。運転中に冷却水温度センサにて検出した冷却水温度又はＥＧＲ温度センサ４４で検出したＥＧＲガス温度が時間ｔ１から増加を始め、時間ｔ２に定常状態に達する変化を考える。この場合、図１３のステップＳ１３０３で計算する安定燃焼限界質量の値は時間的に変化しない。ただし、図１３のステップＳ１３０５にて計算される目標排気ガス量は時間ｔ１から時間ｔ２にかけて増加する。これは、冷却水温度又は排気ガス温度に基づき式１７で目標排気ガス量を計算するためである。このため、時間ｔ１から時間ｔ２に掛けての冷却水温度又は排気ガス温度の上昇に伴い、目標排気ガス量が冷却水温度又は排気ガス温度が徐々に増加している。この結果、ＥＧＲバルブ開度の設定値も時間ｔ１から時間ｔ２にかけて、徐々に開度が大きくなるように設定される。要求トルクは変化していないが目標排気ガス量が増加するため、ステップＳ１３０５で目標排気ガス量の減少に応じてスロットルバルブ開度を時間ｔ１に比べて大きくするように設定される。この結果、スロットルバルブ開度が増加し、筒内へ導入される空気量が一定値になるように制御される。本制御を実施した結果、導入される排気ガス量は、冷却水温度又は排気ガス温度の増加に伴い、増加するように変化する。この結果、冷却水温度又は排気ガス温度が低い条件における燃焼安定性悪化を避けることができる。燃焼が不安定化すると燃費性能も悪化するため、実施例１で検討した制御に比べて燃料消費率も小さくすることが可能である。

以上から、高圧ＥＧＲシステムを用いた際の冷却水又はＥＧＲガス温度の低い条件における燃焼不安定性を避けながら燃費低減を最大化することが可能になる。

次に実施例４を説明する。図１５にエンジンの構成、図１６には、図２のＥＧＲ弁制御部にて実施される演算処理が記載されている。図１５の構成は、図５に示す構成と排気ガスを還流する仕組みを除き同一である。図１５の構成は、図５の構成に、排気ガスをターボチャージャーのタービン上流から排気ガスを取り出し、コンプレッサ下流へと排気ガスを還流する仕組みを組み合わせたものである。図１６に示す演算処理は、図６に示す実施例１の演算処理と図１６のステップＳ１６０９、ステップＳ１６１０を除き同じである。ステップＳ１６０９では、還流する排気ガスを高圧ＥＧＲシステムとするか低圧ＥＧＲシステムとするかを決める。例えば、要求トルクの急変動があり高い排気ガスの応答性が必要な状況では、高圧排気ガスを利用する、過給する条件であり高圧ＥＧＲシステムでは必要となる排気ガスを還流できない場合は、低圧ＥＧＲを利用する、ように判断する。その他、水温やエンジン起動からの時間、触媒活性化状況に基づき選択するＥＧＲシステムを決めてよい。ステップＳ１６０９にて高圧ＥＧＲシステムを選択するとした場合は、ステップＳ１６１０にすすむ。ステップＳ１６１０においては、目標排気ガス量を式（１８）を用いた目標排気ガス量に変更する。
ここで、ΔＭ_highが高圧ＥＧＲシステムを用いる際の補正項である。高圧ＥＧＲシステムの場合、排気ガスは触媒を通過することなく吸気側に戻るため、一酸化炭素や窒素酸化物等の活性化学種を多く含む。一方、低圧ＥＧＲシステムの場合、排気ガスは触媒を通過した後、吸気側に戻るため、活性化学種は殆ど無く、安定化学種で構成される。活性化学種は、燃焼速度を加速する効果があるため、活性化学種が多い場合は、安定化学種を想定して決めた場合に比べて、安定燃焼限界質量が大きくなる。このため、より多くの排気ガスを還流できる可能性がある。ΔＭ_highは、事前にエンジン試験で調査し決める必要がある。本実施例では、低圧ＥＧＲシステムを用いた際の暖機定常で安定燃焼質量限界Ｍ_max,mapを決定し、次にΔＭ_highを決めたとする。この場合、ΔＭ_highは正の値を持つ。つまり、高圧ＥＧＲシステムを用いる場合は、低圧ＥＧＲシステムを用いる場合に比べて、より大きな目標排気ガス量を設定できる。ここで、低圧ＥＧＲシステムと高圧ＥＧＲシステムのそれぞれを用いた場合に還流できるＥＧＲ量の差ΔＭ_highは、事前にエンジン試験で調査し、ＥＣＵ内にデータを保存しておく。

図１７に、図１６の演算処理に従い処理した場合の各種アクチュエータの処理を示す。要求トルクが一定の条件であるとする。時間ｔ１において、フローチャートにおけるステップＳ１６０９にて高圧ＥＧＲシステムを用いると設定する場合を考える。この場合、図１５のステップＳ１６０３で読み込む安定燃焼限界質量のマップ値に変化は無い。ただし、時間ｔ１以降は、図１５ステップＳ１６１０を経て目標排気ガス量が変更されるため、目標排気ガス量が増加する。この結果、時間ｔ１以降ではＥＧＲバルブ開度も大きくなる。要求トルクは変化していないが目標排気ガス量が増加するため、ステップＳ１６０５で目標排気ガス量の増加に応じてスロットルバルブ開度を時間ｔ１に比べて大きくするように設定される。この結果、スロットルバルブ開度が増加し、筒内へ導入される空気量が一定値になるように制御される。本制御を実施した結果、導入される排気ガス量は、低圧ＥＧＲシステムを用いた場合に比べ、高圧ＥＧＲシステムを用いた場合に大きくなる。実施例４の場合、高圧ＥＧＲに切り替えた際に導入するＥＧＲ量が増加したため、ポンプ損失が低減され、これにともない燃費が低減する。

この結果、燃焼安定性を確保しながら、低圧ＥＧＲシステム及び高圧ＥＧＲシステムに応じた適切なＥＧＲ量を設定でき、それぞれのシステムを切り替えた際に燃焼安定性悪化を避けながら燃費性能を最大化することが出来る。

１…エアフローセンサ、２…電子制御スロットル、３…湿度センサ、４…過給機、４ａ…コンプレッサ、４ｂ…タービン、５…可変バルブ、６…吸気マニホールド、７…インタークーラ、９…空燃比センサ、１０…三元触媒、１１…ウェイストゲート弁、１２…アクセル開度センサ、１３…筒内直接噴射用インジェクタ、１４…シリンダ、１５…排気管、１６…点火プラグ、２０…ＥＣＵ、２０ａ…入力回路、２０ｂ…入出力ポート、２０ｃ…ＲＡＭ、２０ｄ…ＲＯＭ、２０ｅ…ＣＰＵ、２０ｆ…電子制御スロットル駆動回路、２０ｇ…インジェクタ駆動回路、２０ｈ…ウェイストゲート弁駆動回路、２０ｊ…インタークーラ冷却水弁駆動回路、２０ｋ…変速機駆動回路、２０ｍ…ＥＧＲバルブ駆動回路、３０…変速機、４０…ＥＧＲ管、４１…ＥＧＲバルブ、４２…ＥＧＲクーラ、４３…差圧センサ、４４…ＥＧＲ温度センサ、１００…エンジン

Claims

気筒と、前記気筒から排出される排気ガスを前記気筒の吸入側に戻すＥＧＲ機構とを備える内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、
前記気筒に供給される外気の湿度を直接的又は間接的に検出する演算部を備え、
前記演算部は、
検出した外気の湿度に基づいて算出されるＥＧＲガス中の水分量と、ＥＧＲガス量と、に基づいて安定燃焼限界気筒質量を算出し、
検出した外気の湿度に基づいて算出される前記気筒に供給される空気中の水分量と前記安定燃焼限界気筒質量とに基づいて目標ＥＧＲ量を設定し、
前記目標ＥＧＲ量に基づいて前記ＥＧＲ機構を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
前記演算部は、前記気筒に供給される外気の湿度を湿度センサにより直接的に検出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
前記気筒に供給される空気の相対湿度を１００％であるものとして前記気筒に供給される空気の水分量を算出し、算出した空気の水分量に基づいて前記安定燃焼限界気筒質量を算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関は、前記気筒を冷却する冷却水温度を検出する冷却水温度検出手段と、過給機と、前記過給機のタービン下流側に配置される触媒とを備え、
前記ＥＧＲ機構は、前記触媒の下流の取り出し孔から前記過給機の圧縮機上流側の取り込み孔に排気ガスを戻す機構であり、
前記演算部は、前記冷却水温度検出手段で検出した冷却水温度に基づき、前記触媒が活性状態ではないと判断した場合に、前記気筒の吸入側に戻すＥＧＲガス量を増加させるように前記ＥＧＲ機構を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関は、前記気筒を冷却する冷却水温度を検出する冷却水温度検出手段と、過給機とを備え、
前記ＥＧＲ機構は、前記過給機のタービン上流側の取り出し孔から前記過給機の圧縮機下流側の取り込み孔に排気ガスを戻す機構であり、
前記演算部は、前記冷却水温度検出手段で検出した冷却水温度の上昇に伴い目標ＥＧＲ量が大きくなるように設定し、設定した目標ＥＧＲ量に基づき、前記ＥＧＲ機構を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関は、過給機と、前記過給機のタービン下流側に配置される触媒とを備え、
前記ＥＧＲ機構は、前記過給機のタービン上流側の取り出し孔から前記過給機の圧縮機下流側の取り込み孔に排気ガスを戻す高圧ＥＧＲ機構と、前記触媒の下流側の取り出し孔から前記過給機の圧縮機上流側の取り込み孔に排気ガスを戻す低圧ＥＧＲ機構とを備えて構成され、
前記演算部は、前記低圧ＥＧＲ機構を用いて排気ガスを還流する場合に比べ、前記高圧ＥＧＲ機構を用いて前記気筒の吸入側に排気ガスを戻す場合に、目標ＥＧＲ量が大きくなるように設定し、設定した目標ＥＧＲ量に基づき、前記ＥＧＲ機構を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。