WO2014080523A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a control device for an internal combustion engine in which an exhaust passage and an intake passage are connected via an EGR valve.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-54657 discloses a technique related to EGR control of a diesel engine.
  • the target EGR rate is calculated based on the engine speed, the target injection amount, and the water temperature, and the opening degree of the EGR valve is controlled toward the target EGR rate.
  • the estimated value of the EGR rate obtained by performing first-order lag processing or delay processing on the target EGR rate is used for the estimation of the intake fresh air amount, not the target EGR rate. This is because the actual EGR rate follows the target EGR rate with a delay in response due to a response delay caused by the volume of the EGR passage or the collector in the transition period in which the EGR rate changes rapidly.
  • the above publication does not describe a specific method of the first-order lag processing or delay processing used for calculating the predicted value of the EGR rate.
  • the estimation accuracy of the intake fresh air amount is enhanced by predicting the actual EGR rate by a method that takes into account the response delay of the EGR gas.
  • no countermeasure is taken against the delay of the actual EGR rate with respect to the target EGR rate.
  • the EGR rate and EGR amount are controlled to the target EGR rate in a transition period in which a response delay occurs although the target EGR rate is an optimum value of the EGR rate determined from the engine speed and the fuel injection amount. I can't. That is, the technique described in the above publication has a problem in terms of the control accuracy of the EGR rate or EGR amount.
  • An object of the present invention is to improve the control accuracy of an EGR rate or EGR amount by operating an EGR valve in an internal combustion engine in which an exhaust passage and an intake passage are connected via an EGR valve.
  • the control apparatus of the internal combustion engine which concerns on this invention is comprised so that the following operation
  • the control device calculates a first-order lag time constant, which is an index of the response delay of the EGR gas movement with respect to the operation of the EGR valve, based on the pressure difference between the upstream and downstream of the EGR valve.
  • the control apparatus calculates a control target value related to the control of the EGR valve from the calculated first-order lag time constant and the target value of the EGR rate or EGR amount.
  • a method for calculating the control target value it is preferable to calculate the control target value by performing inverse first-order lag conversion using a first-order lag time constant on the target value of the EGR rate or EGR amount.
  • the control device operates the EGR valve in accordance with the control target value thus obtained. According to this, the actual value of the EGR rate or EGR amount can be made to accurately follow the target value even in a transition period in which a response delay occurs.
  • the target value of the EGR rate or EGR amount is preferably calculated by the following method.
  • the base target value of the EGR rate or EGR amount based on steady performance is calculated based on the load and rotation speed of the internal combustion engine and the value of the temperature and pressure conditions that affect the EGR rate or EGR amount.
  • the correction amount of the EGR rate or the EGR amount in the transition period is calculated based on the difference between the value of the temperature pressure condition and the steady value of the temperature pressure condition under the load and the rotational speed.
  • the target value of the EGR rate or the EGR amount is calculated by correcting the base target value based on the steady performance with the correction amount in the transition period. According to such a method, the target value of the optimal EGR rate or EGR amount at the current load and rotation speed can be calculated even in the transition period.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an engine system to which a control device according to an embodiment of the present invention is applied.
  • the internal combustion engine according to the present embodiment is a diesel engine with a turbocharger (hereinafter simply referred to as an engine).
  • the engine body 2 is provided with four cylinders in series, and an injector 8 is provided for each cylinder.
  • An intake manifold 4 and an exhaust manifold 6 are attached to the engine body 2.
  • An intake passage 10 through which fresh air taken in from the air cleaner 20 flows is connected to the intake manifold 4.
  • a turbocharger compressor 14 is attached to the intake passage 10.
  • a diesel throttle 24 is provided downstream of the compressor 14 in the intake passage 10.
  • An intercooler 22 is provided between the compressor 14 and the diesel throttle 24 in the intake passage 10.
  • the exhaust manifold 6 is connected to an exhaust passage 12 for releasing the exhaust gas emitted from the engine body 2 into the atmosphere.
  • a turbocharger turbine 16 is attached to the exhaust passage 12.
  • the turbocharger is a variable displacement type, and the turbine 16 is provided with a variable nozzle 18.
  • a catalyst device 26 for purifying exhaust gas is provided downstream of the turbine 16 in the exhaust passage 12.
  • the engine according to the present embodiment includes an EGR device that recirculates exhaust gas from the exhaust system to the intake system.
  • EGR device a position downstream of the diesel throttle 24 in the intake passage 10 and the exhaust manifold 6 are connected by an EGR passage 30.
  • An EGR valve 32 is provided in the EGR passage 30.
  • An EGR cooler 34 is provided on the exhaust side of the EGR valve 32 in the EGR passage 30.
  • the EGR passage 30 is provided with a bypass passage 36 that bypasses the EGR cooler 34.
  • a bypass valve 38 that switches the direction in which the exhaust gas flows is provided at a location where the bypass passage 36 branched from the EGR passage 30 joins the EGR passage 30 again.
  • the engine system according to the present embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 50.
  • the ECU 50 is a control device that comprehensively controls the entire engine system, and the control device according to the present invention is embodied as one function of the ECU 50.
  • ECU50 takes in and processes the signal of the sensor with which the engine system is provided. Sensors are installed in various parts of the engine system.
  • An air flow meter 58 is attached to the intake passage 10 downstream of the air cleaner 20, a supercharging pressure sensor 54 is attached downstream of the diesel throttle, and a temperature sensor 60 is attached to the intake manifold 4.
  • An exhaust pressure sensor 56 is attached to the exhaust manifold 6. Further, a rotation speed sensor 52 that detects rotation of the crankshaft, an accelerator opening sensor 62 that outputs a signal corresponding to the opening of the accelerator pedal, and the like are also attached.
  • the ECU 50 processes the signals of the acquired sensors and operates the actuators according to a predetermined control program.
  • the actuator operated by the ECU 50 includes the variable nozzle 18, the injector 8, the EGR valve 32, the diesel throttle 24, and the like. There are many actuators and sensors connected to the ECU 50 other than those shown in the figure, but the description thereof is omitted in this specification.
  • the engine control executed by the ECU 50 includes EGR control.
  • the EGR valve 32 is operated by feedforward control and feedback control so that the actual value of the EGR rate calculated from the signals of various sensors becomes the control target value.
  • the target value of the EGR rate determined from the engine speed and the fuel injection amount is set as the control target value as it is, but in the EGR control of the present embodiment, the target value of the EGR rate is set. Based on this, a control target value that is a control target value is determined.
  • the EGR rate target value is determined as the target value of one state quantity of the engine, and the control target value for EGR control by operating the EGR valve 32 is the EGR rate target value. It is decided separately.
  • a method for determining the control target value in the EGR control of the present embodiment will be described.
  • the response delay of the movement of the EGR gas with respect to the operation of the EGR valve 32 that is, the response delay of the change in the EGR rate with respect to the change in the opening degree of the EGR valve 32 can be represented by “primary delay”.
  • the waveform of the EGR rate obtained by operating the EGR valve 32 according to the control target value corresponds to a waveform obtained by first-order delay processing of the control target value. Therefore, if the control target value is determined so that the waveform obtained by first-order delay processing of the control target value becomes the waveform of the target value of the EGR rate, the EGR valve 32 is operated according to the control target value, It becomes possible to achieve the target value of the EGR rate in the actual change of the EGR rate.
  • the inventors of the present application have confirmed that the degree of response delay of the change in the EGR rate with respect to the change in the opening degree of the EGR valve 32 is related to the pressure difference between the upstream and downstream of the EGR valve 32.
  • the response delay index is the first-order lag time constant, and it has been confirmed by experiments that there is a clear relationship between the first-order lag time constant and the pressure difference between the upstream and downstream sides of the EGR valve 32.
  • FIG. 2 is a graph showing the results of examining the tendency of the first-order lag time constant with respect to the pressure difference between the exhaust pressure before the operation of the EGR valve 32 and the supercharging pressure. From this graph, it can be seen that as the pressure difference increases, the first-order lag time constant decreases, that is, the rate of change of the EGR rate increases.
  • the first-order lag time constant can be uniquely specified. If the first-order lag time constant can be specified, the control target value for achieving it in the actual change in the EGR rate can be calculated from the target value of the EGR rate by inverse first-order lag conversion using the first-order lag time constant.
  • a specific method of determining the control target value can be described using the flowchart of FIG.
  • the flowchart of FIG. 3 shows a routine for EGR control executed by the ECU 50 in the present embodiment.
  • step S1 of the routine shown in FIG. 3 the engine speed is measured from the signal of the speed sensor 52.
  • step S2 the fuel injection amount is calculated according to the accelerator opening obtained from the signal of the accelerator opening sensor 62.
  • step S ⁇ b> 3 the boost pressure that is the pressure downstream of the EGR valve 32 is calculated from the signal of the boost pressure sensor 54.
  • step S4 the temperature of the gas in the intake manifold 4 is calculated from the signal from the temperature sensor 60.
  • the processing in the above steps is processing for obtaining data necessary for calculating the EGR rate target value as the engine state quantity target value. Therefore, the order of each step can be changed as appropriate.
  • EGR rate target value The calculation of the EGR rate target value is performed in steps S5 to S7.
  • step S5 an EGR rate target value based on steady performance is calculated according to the engine speed, fuel injection amount, boost pressure, and intake manifold gas temperature acquired in steps S1-S4.
  • the EGR rate target value based on the steady performance means a value of the EGR rate that can obtain a desired performance when the engine is in a steady state.
  • the EGR rate target value based on the steady performance can be expressed as a function of the in-cylinder inflow air amount and the smoke limit air amount in the steady state.
  • EGRst is an EGR rate target value on the assumption of steady performance
  • Gcylinder the in-cylinder inflow air amount
  • Glimit the steady-state smoke limit air amount.
  • EGRst (Gcylinder-Glimit) / Gcylinder Equation 1
  • the in-cylinder inflow air amount Gcylinder in Equation 1 can be expressed as a function of the supercharging pressure and the intake manifold gas temperature.
  • Tin is the intake manifold gas temperature
  • Pcharge is the supercharging pressure.
  • A, a, and b are constants.
  • Gcylinder (A / Tin) * (a * Pcharge + b) ... Equation 2
  • the smoke limit air amount Glimit in Equation 1 means the lower limit value of the air amount that can suppress the generation of smoke to an acceptable level.
  • the smoke limit air amount Glimit is a constant determined from the engine speed and the fuel injection amount.
  • the fuel injection amount represents the magnitude of the engine load.
  • the ECU 50 is provided with a map in which the smoke limit air amount is stored in association with the engine speed and the fuel injection amount.
  • step S6 the correction amount of the EGR rate in the transition period is calculated according to the engine speed, the fuel injection amount, the boost pressure, and the intake manifold gas temperature acquired in steps S1 to S4. The following two types of EGR rate correction amounts are prepared.
  • the first EGR rate correction amount is an EGR rate correction amount corresponding to the transient of the supercharging pressure, and is used as a correction coefficient for the EGR rate target value based on steady performance.
  • the magnitude of the supercharging pressure affects the atomization speed of the sprayed fuel, and the smoke limit air amount becomes smaller as the fuel atomization speed increases.
  • the first EGR rate correction amount is provided to correct the influence of the supercharging pressure on the smoke limit air amount, and is a constant corresponding to the difference between the current supercharging pressure and the normal supercharging pressure.
  • the normal supercharging pressure means a supercharging pressure that is obtained from the current engine speed and fuel injection amount, assuming that the present is the normal time.
  • the ECU 50 stores the map in which the normal supercharging pressure is stored in association with the engine speed and the fuel injection amount, and the first EGR rate correction amount in association with the difference between the current supercharging pressure and the normal supercharging pressure. A memorized map is prepared.
  • the second EGR rate correction amount is an EGR rate correction amount corresponding to the intake manifold gas temperature transient, and is used as a correction coefficient for the EGR rate target value based on steady performance.
  • the level of intake manifold gas temperature affects the atomization speed of the sprayed fuel as well as the supercharging pressure.
  • the second EGR rate correction amount is provided to correct the influence of the intake manifold gas temperature on the smoke limit air amount, and is a constant corresponding to the difference between the current intake manifold gas temperature and the intake manifold gas temperature in the steady state. It is said that.
  • the intake manifold gas temperature at the steady state means the intake manifold gas temperature obtained at the current engine speed and fuel injection amount, assuming that the current state is the steady state.
  • the ECU 50 stores the map in which the steady-state intake manifold gas temperature is stored in association with the engine speed and the injection amount, and the second EGR rate correction amount in the difference between the current intake manifold gas temperature and the steady-state intake manifold gas temperature. A map stored in association is prepared.
  • step S7 as shown in the following Expression 3, the EGR rate target value based on the steady performance is multiplied by the first EGR rate correction amount and the second EGR rate correction amount, thereby obtaining an engine state quantity.
  • An EGR rate target value as a target value is calculated. According to such a method of calculating the EGR rate target value, the optimum EGR rate target value at the current engine load and engine speed can be calculated even in the transition period.
  • EGRT is an EGR rate target value as a state quantity target value
  • EGRcorrect1 is a first EGR rate correction amount
  • EGRcorrect2 is a second EGR rate correction amount.
  • EGRT EGRst * EGRcorrect1 * EGRcorrect2 ⁇ ⁇ ⁇ Equation 3
  • steps S5 to S7 In the processing of steps S5 to S7 described above, the order of steps 5 and 6 can be appropriately changed.
  • step S ⁇ b> 8 the exhaust pressure that is the pressure upstream of the EGR valve 32 is calculated from the signal of the exhaust pressure sensor 56.
  • step S9 the pressure difference between the upstream and downstream sides of the EGR valve 32 is calculated using the boost pressure obtained in step S3 and the exhaust pressure obtained in step S8.
  • step S10 a first-order lag time constant corresponding to the pressure difference between the upstream and downstream sides of the EGR valve 32 is calculated.
  • the characteristics of the first-order lag time constant with respect to the pressure difference between the upstream side and the downstream side of the EGR valve 32 are mapped and stored. It should be noted that the process in step 8-S10 can be performed prior to the process in steps S5-S7 for calculating the EGR rate target value.
  • step S11 the control target value is calculated by the following equation 4 using the EGR rate target value calculated in step S7 and the first-order lag time constant calculated in step S10.
  • Expression 4 is an expression showing processing of inverse primary conversion.
  • ControlT (i) is the current control target value
  • EGRT (i) is the current EGR rate target value
  • EGRT (i-1) is the previous EGR rate target value
  • TL is the first-order lag time constant
  • Ts is calculated It is a period.
  • ControlT (i) (EGRT (i) ⁇ EGRT (i-1)) * (TL / Ts) + EGRT (i-1) Equation 4
  • the graph of FIG. 4 shows an example of calculating the control target value using Equation 4 above.
  • a control target value indicated by a black square in FIG. 4 is calculated every calculation cycle.
  • step S11 by performing the calculation in step S11, it is possible to obtain a control target value having a reverse first-order lag relationship with respect to the EGR rate target value (state quantity target value).
  • step S12 a feedforward value (F / F value) and a feedback value (F / F value) of the opening degree of the EGR valve 32 are calculated based on the control target value calculated in step S11.
  • the graph of FIG. 4 also shows the calculation result of the EGR valve opening based on the control target value.
  • the actual value of the EGR rate can be accurately followed by the target value not only in a steady state but also in a transition period in which a response delay occurs.
  • the target value of the EGR rate is calculated as the state quantity target value
  • the control target value is calculated from the target value of the EGR quantity.
  • the target value of the EGR quantity is calculated as the state quantity target value.
  • the control target value may be calculated from the target value of the EGR amount.
  • the pressure downstream of the EGR valve is calculated from the output value of the supercharging pressure sensor, but the pressure downstream of the EGR valve is estimated from information related to the operating state of the engine and other sensor values. Also good. The same applies to the pressure upstream of the EGR valve.
  • the pressure upstream of the EGR valve may be estimated not from the output value of the exhaust pressure sensor but from information related to the operating state of the engine and other sensor values.
  • control device according to the present invention is applied to a supercharged engine, but the control device according to the present invention can also be applied to a naturally aspirated engine.
  • the control device according to the present invention can be applied not only to a diesel engine but also to a spark ignition engine such as a gasoline engine.

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Abstract

　本発明の課題は、排気通路と吸気通路とをＥＧＲ弁を介して接続する内燃機関において、ＥＧＲ弁の操作によるＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の制御精度を高めることである。このため、本発明に係る制御装置は、ＥＧＲ弁の動作に対するＥＧＲガスの動きの応答遅れの指標である一次遅れ時定数をＥＧＲ弁の上流と下流の圧力差に基づいて算出する。本発明に係る制御装置は、ＥＧＲ弁の上流と下流の圧力差から算出した一次遅れ時定数とＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の目標値とから制御目標値を算出し、制御目標値に従ってＥＧＲ弁を動作させる。

Description

内燃機関の制御装置
　本発明は、排気通路と吸気通路とをＥＧＲ弁を介して接続する内燃機関の制御装置に関する。
　特開２００５－５４６５７号公報には、ディーゼルエンジンのＥＧＲ制御に関する技術が開示されている。この公報に記載の技術によれば、エンジン回転数、目標噴射量及び水温に基づいて目標ＥＧＲ率が計算され、目標ＥＧＲ率へ向けてＥＧＲ弁の開度が制御される。ただし、吸入新気量の推定には目標ＥＧＲ率ではなく、目標ＥＧＲ率に対して一次遅れ処理やディレイ処理を施すことにより得られるＥＧＲ率の予測値が用いられる。ＥＧＲ率が急激に変化する過渡期には、ＥＧＲ通路やコレクタ部の容積に起因する応答遅れによって実際のＥＧＲ率は目標ＥＧＲ率に遅れて追従するからである。なお、上記公報にはＥＧＲ率の予測値の計算に用いる一次遅れ処理やディレイ処理の具体的方法については記載されていない。
　上記公報に記載の技術では、ＥＧＲガスの応答遅れを考慮した方法で実際のＥＧＲ率を予測することによって吸入新気量の推定精度が高められている。しかしながら、上記公報に記載の技術では、実ＥＧＲ率の目標ＥＧＲ率に対する遅れに対しては何ら対策が施されていない。このため、目標ＥＧＲ率はエンジン回転数や燃料噴射量から定まるＥＧＲ率の最適値であるにも関わらず、応答遅れが発生する過渡期には、ＥＧＲ率やＥＧＲ量を目標ＥＧＲ率に制御することができない。つまり、ＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の制御精度の点において上記公報に記載の技術には問題がある。
特開２００５－５４６５７号公報
　本発明は、排気通路と吸気通路とをＥＧＲ弁を介して接続する内燃機関において、ＥＧＲ弁の操作によるＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の制御精度を高めることを課題とする。そして、この課題を達成するために、本発明に係る内燃機関の制御装置は、以下の動作を行うように構成される。
　本発明に係る制御装置は、ＥＧＲ弁の動作に対するＥＧＲガスの動きの応答遅れの指標である一次遅れ時定数をＥＧＲ弁の上流と下流の圧力差に基づいて算出する。そして、本発明に係る制御装置は、算出した一次遅れ時定数とＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の目標値とからＥＧＲ弁の制御に係る制御目標値を算出する。制御目標値の計算の方法としては、ＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の目標値に対して一次遅れ時定数を用いた逆一次遅れ変換を施すことによって制御目標値を算出することが好ましい。本発明に係る制御装置は、このようして得られた制御目標値に従ってＥＧＲ弁を動作させる。これによれば、応答遅れが発生する過渡期においてもＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の実際値を目標値に精度良く追従させることができる。
　なお、ＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の目標値は好ましくは次のような方法で算出する。まず、内燃機関の負荷及び回転数とＥＧＲ率或いはＥＧＲ量に影響する温度圧力条件の値とに基づいて、定常性能を前提としたＥＧＲ率或いはＥＧＲ量のベース目標値を算出する。また、上記の温度圧力条件の値と、上記の負荷及び回転数のもとでの温度圧力条件の定常値との差に基づいて、過渡期におけるＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の補正量を算出する。そして、定常性能を前提としたベース目標値を過渡期における補正量で補正することによって、ＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の目標値を算出する。このような方法によれば、現在の負荷及び回転数における最適なＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の目標値を過渡期においても算出することができる。
本発明の実施の形態の制御装置が適用されるエンジンシステムの構成を示すブロック図である。 ＥＧＲ弁動作前の排気圧と過給圧との圧力差に対する一次遅れ時定数の傾向を調べた結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態の制御装置により実行されるＥＧＲ制御のためのルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の制御装置による制御目標値とＥＧＲ弁開度の計算例を示すグラフである。
　本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
　図１は、本発明の実施の形態の制御装置が適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。本実施の形態に係る内燃機関は、ターボ過給機付きのディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）である。エンジンの本体２には４つの気筒が直列に備えられ、気筒ごとにインジェクタ８が設けられている。エンジン本体２にはインテークマニホールド４とエキゾーストマニホールド６が取り付けられている。インテークマニホールド４にはエアクリーナ２０から取り込まれた新気が流れる吸気通路１０が接続されている。吸気通路１０にはターボ過給機のコンプレッサ１４が取り付けられている。吸気通路１０においてコンプレッサ１４の下流にはディーゼルスロットル２４が設けられている。吸気通路１０においてコンプレッサ１４とディーゼルスロットル２４との間にはインタークーラ２２が備えられている。エキゾーストマニホールド６にはエンジン本体２から出た排気ガスを大気中に放出するための排気通路１２が接続されている。排気通路１２にはターボ過給機のタービン１６が取り付けられている。ターボ過給機は可変容量型であって、タービン１６には可変ノズル１８が備えられている。排気通路１２においてタービン１６の下流には排気ガスを浄化するための触媒装置２６が設けられている。
　本実施の形態に係るエンジンは、排気系から吸気系へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ装置を備えている。ＥＧＲ装置は、吸気通路１０におけるディーゼルスロットル２４の下流の位置とエキゾーストマニホールド６とをＥＧＲ通路３０によって接続している。ＥＧＲ通路３０にはＥＧＲ弁３２が設けられている。ＥＧＲ通路３０においてＥＧＲ弁３２の排気側にはＥＧＲクーラ３４が備えられている。ＥＧＲ通路３０にはＥＧＲクーラ３４をバイパスするバイパス通路３６が設けられている。ＥＧＲ通路３０から分岐したバイパス通路３６が再びＥＧＲ通路３０に合流する箇所には、排気ガスが流れる方向を切り替えるバイパス弁３８が設けられている。
　本実施の形態に係るエンジンシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備える。ＥＣＵ５０は、エンジンシステムの全体を総合制御する制御装置であって、本発明に係る制御装置はＥＣＵ５０の一つの機能として具現化されている。
　ＥＣＵ５０は、エンジンシステムが備えるセンサの信号を取り込み処理する。センサはエンジンシステムの各所に取り付けられている。吸気通路１０には、エアクリーナ２０の下流にエアフローメータ５８が取り付けられ、ディーゼルスロットルの下流には過給圧センサ５４が取り付けられ、インテークマニホールド４には温度センサ６０が取り付けられている。また、エキゾーストマニホールド６には排気圧センサ５６が取り付けられている。さらに、クランク軸の回転を検出する回転数センサ５２や、アクセルペダルの開度に応じた信号を出力するアクセル開度センサ６２なども取り付けられている。ＥＣＵ５０は、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムにしたがって各アクチュエータを操作する。ＥＣＵ５０によって操作されるアクチュエータには、可変ノズル１８、インジェクタ８、ＥＧＲ弁３２、ディーゼルスロットル２４などが含まれている。なお、ＥＣＵ５０に接続されるアクチュエータやセンサは図中に示す以外にも多数存在するが、本明細書においてはその説明は省略する。
　ＥＣＵ５０により実行されるエンジン制御にはＥＧＲ制御が含まれる。本実施の形態のＥＧＲ制御では、各種センサの信号から算出されたＥＧＲ率の実際値が制御目標値になるようにフィードフォワード制御及びフィードバック制御によってＥＧＲ弁３２が操作される。ただし、従来のＥＧＲ制御では、エンジン回転数や燃料噴射量から決定されるＥＧＲ率の目標値がそのまま制御目標値として設定されていたが、本実施の形態のＥＧＲ制御では、ＥＧＲ率目標値に基づいて制御上の目標値である制御目標値が決定される。つまり、本実施の形態のＥＧＲ制御では、エンジンの１つの状態量の目標値としてＥＧＲ率目標値が決定されるとともに、ＥＧＲ弁３２の操作によるＥＧＲ制御のための制御目標値がＥＧＲ率目標値とは別に決定される。以下、本実施の形態のＥＧＲ制御における制御目標値の決定方法について説明する。
　ＥＧＲ弁３２の動作に対するＥＧＲガスの動きには応答遅れがある。このため、ＥＧＲ率の目標値をそのまま制御目標値としてＥＧＲ弁３２の開度を変化させたとしても、実際に得られるＥＧＲ率の変化はＥＧＲ率の目標値に対して遅れたものとなる。ＥＧＲ率の目標値を実際のＥＧＲ率の変化において達成するためには、応答遅れを考慮した制御目標値の決定が必要となる。
　ＥＧＲ弁３２の動作に対するＥＧＲガスの動きの応答遅れ、つまり、ＥＧＲ弁３２の開度の変化に対するＥＧＲ率の変化の応答遅れは、「一次遅れ」で表すことができる。これは、制御目標値に従ってＥＧＲ弁３２を動作させることで得られるＥＧＲ率の波形は、制御目標値を一次遅れ処理して得られる波形に相当することを意味する。よって、制御目標値を一次遅れ処理して得られる波形がＥＧＲ率の目標値の波形になるように制御目標値が決定されているならば、制御目標値に従ってＥＧＲ弁３２を動作させることで、実際のＥＧＲ率の変化においてＥＧＲ率の目標値を達成することが可能となる。
　上記のように制御目標値を決定するうえで重要なことは、一次遅れ処理後の波形を決定付ける「一次遅れ時定数」をどのように決定するかである。この点に関し、本願に係る発明者は、ＥＧＲ弁３２の開度の変化に対するＥＧＲ率の変化の応答遅れの程度は、ＥＧＲ弁３２の上流と下流の圧力差に関係することを確認した。応答遅れの指標が一次遅れ時定数であり、一次遅れ時定数とＥＧＲ弁３２の上流と下流の圧力差との間には明確な関係があることが実験によって確認された。
　図２は、ＥＧＲ弁３２の動作前の排気圧と過給圧との圧力差に対する一次遅れ時定数の傾向を調べた結果を示すグラフである。このグラフからは、圧力差が大きくなるに連れて一次遅れ時定数は小さくなる、すなわち、ＥＧＲ率の変化速度が速くなることが分かる。このグラフに示す特性を既知の情報として把握しておくことにより、具体的には、前記特性をマップ化してＥＣＵ５０に記憶しておくことにより、ＥＧＲ弁３２の上流と下流の圧力差が分かれば一次遅れ時定数は一義的に特定することができる。一次遅れ時定数が特定できれば、それを用いた逆一次遅れ変換により、ＥＧＲ率の目標値からそれを実際のＥＧＲ率の変化において達成するための制御目標値を算出することができる。
　具体的な制御目標値の決定方法は、図３のフローチャートを用いて説明することができる。図３のフローチャートは、本実施の形態でＥＣＵ５０により実行されるＥＧＲ制御のためのルーチンを示している。
　図３に示すルーチンのステップＳ１では、回転数センサ５２の信号からエンジン回転数が計測される。ステップＳ２では、アクセル開度センサ６２の信号から得られたアクセル開度に応じて燃料噴射量が算出される。ステップＳ３では、過給圧センサ５４の信号からＥＧＲ弁３２の下流の圧力である過給圧が算出される。ステップＳ４では、温度センサ６０の信号からインテークマニホールド４内のガスの温度が算出される。以上のステップの処理は、エンジンの状態量目標値としてのＥＧＲ率目標値の算出に必要なデータを得るための処理である。したがって、各ステップの順番は適宜変更することもできる。
　ＥＧＲ率目標値の算出はステップＳ５－Ｓ７で行われる。ステップＳ５では、ステップＳ１－Ｓ４で取得されたエンジン回転数、燃料噴射量、過給圧、及びインテークマニホールドガス温度に応じて、定常性能を前提としたＥＧＲ率目標値が算出される。定常性能を前提としたＥＧＲ率目標値とは、エンジンが定常状態にあるときに所望の性能を得ることができるＥＧＲ率の値を意味している。定常性能を前提としたＥＧＲ率目標値は、筒内流入空気量と定常時のスモーク限界空気量との関数で表すことができる。次の式１において、EGRstは定常性能を前提としたＥＧＲ率目標値、Gcylinderは筒内流入空気量、Glimitは定常時スモーク限界空気量である。
　EGRst＝(Gcylinder－Glimit)/Gcylinder　・・・式１
　式１における筒内流入空気量Gcylinderは、過給圧とインテークマニホールドガス温度との関数で表すことができる。次の式２において、Tinはインテークマニホールドガス温度、Pchargeは過給圧である。また、Ａ，ａ，ｂはそれぞれ定数である。
　Gcylinder＝(Ａ/Tin)*(a*Pcharge＋b) 　・・・式２
　式１におけるスモーク限界空気量Glimitは、スモークの発生を許容可能な程度に抑えることのできる空気量の下限値を意味する。スモーク限界空気量Glimitは、エンジン回転数と燃料噴射量とから決まる定数である。燃料噴射量はエンジンの負荷の大きさを表している。ＥＣＵ５０には、スモーク限界空気量をエンジン回転数と燃料噴射量とに関連付けて記憶したマップが用意されている。
　ステップＳ６では、ステップＳ１－Ｓ４で取得されたエンジン回転数、燃料噴射量、過給圧、及びインテークマニホールドガス温度に応じて、過渡期におけるＥＧＲ率の補正量が算出される。ＥＧＲ率補正量としては次の２種類が用意される。
　第１のＥＧＲ率補正量は、過給圧の過渡に対応するＥＧＲ率補正量であり、定常性能を前提としたＥＧＲ率目標値に対する補正係数として用いられる。過給圧の大小は噴霧された燃料の微粒化速度に影響し、燃料の微粒化速度が大きいほど前述のスモーク限界空気量は小さくなる。第１のＥＧＲ率補正量は、過給圧のスモーク限界空気量に与える影響を補正するために設けられ、現在の過給圧と定常時の過給圧との差に応じた定数とされている。なお、定常時の過給圧とは、仮に現在が定常時であるとした場合に現在のエンジン回転数及び燃料噴射量で得られる過給圧を意味する。ＥＣＵ５０には、定常時過給圧をエンジン回転数と燃料噴射量とに関連付けて記憶したマップと、第１のＥＧＲ率補正量を現在過給圧と定常時過給圧との差に関連付けて記憶したマップとが用意されている。
　第２のＥＧＲ率補正量は、インテークマニホールドガス温度の過渡に対応するＥＧＲ率補正量であり、定常性能を前提としたＥＧＲ率目標値に対する補正係数として用いられる。インテークマニホールドガス温度の高低は過給圧と同様に噴霧された燃料の微粒化速度に影響する。第２のＥＧＲ率補正量は、インテークマニホールドガス温度のスモーク限界空気量に与える影響を補正するために設けられ、現在のインテークマニホールドガス温度と定常時のインテークマニホールドガス温度との差に応じた定数とされている。なお、定常時のインテークマニホールドガス温度とは、仮に現在が定常時であるとした場合に現在のエンジン回転数及び燃料噴射量で得られるインテークマニホールドガス温度を意味する。ＥＣＵ５０には、定常時インテークマニホールドガス温度をエンジン回転数と噴射量とに関連付けて記憶したマップと、第２のＥＧＲ率補正量を現在インテークマニホールドガス温度と定常時インテークマニホールドガス温度との差に関連付けて記憶したマップとが用意されている。
　ステップＳ７では、次の式３に示すように、定常性能を前提としたＥＧＲ率目標値に第１のＥＧＲ率補正量と第２のＥＧＲ率補正量とを乗算することによって、エンジンの状態量目標値としてのＥＧＲ率目標値が算出される。このようなＥＧＲ率目標値の算出方法によれば、現在のエンジン負荷及びエンジン回転数における最適なＥＧＲ率目標値を過渡期においても算出することができる。なお、次の式３において、EGRTは状態量目標値としてのＥＧＲ率目標値、EGRcorrect1は第１のＥＧＲ率補正量、EGRcorrect2は第２のＥＧＲ率補正量である。
　EGRT＝EGRst*EGRcorrect1*EGRcorrect2　・・・式３
　以上のステップＳ５－Ｓ７の処理において、ステップ５とステップ６の順番は適宜変更することもできる。
　次のステップＳ８－Ｓ１１では制御目標値の算出が行われる。まず、ステップＳ８では、排気圧センサ５６の信号からＥＧＲ弁３２の上流の圧力である排気圧が算出される。ステップＳ９では、ステップＳ３で得られた過給圧とステップＳ８で得られた排気圧とを用いてＥＧＲ弁３２の上流と下流の圧力差が算出される。そして、ステップＳ１０では、ＥＧＲ弁３２の上流と下流の圧力差に対応する一次遅れ時定数が算出される。ＥＣＵ５０には、ＥＧＲ弁３２の上流と下流の圧力差に対する一次遅れ時定数の特性がマップ化されて記憶されている。なお、ステップ８－Ｓ１０の処理は、ＥＧＲ率目標値の算出のためのステップＳ５－Ｓ７の処理に先立ち行うこともできる。
　ステップＳ１１では、ステップＳ７で算出されたＥＧＲ率目標値とステップＳ１０で算出された一次遅れ時定数とを用いて、次の式４により制御目標値が算出される。式４は逆一次変換の処理を示す式である。式４においてControlT(i)は今回の制御目標値、EGRT(i)は今回のＥＧＲ率目標値、EGRT(i-1)は前回のＥＧＲ率目標値、TLは一次遅れ時定数、Tsは演算周期である。
　ControlT(i)＝(EGRT(i)－EGRT(i-1))*(TL/Ts)＋EGRT(i-1)　・・・式４
　図４のグラフには、上記の式４を用いた制御目標値の計算例が示されている。図４中に曲線で示すＥＧＲ率目標値（状態量目標値）が与えられた場合、演算周期ごとに図４中に黒四角印で示す制御目標値が算出される。このグラフから分かるように、ステップＳ１１の計算を行うことにより、ＥＧＲ率目標値（状態量目標値）に対して逆一次遅れの関係にある制御目標値を得ることができる。
　ステップＳ１２では、ステップＳ１１で算出された制御目標値に基づいてＥＧＲ弁３２の開度のフィードフォワード値（Ｆ／Ｆ値）とフィードバック値（Ｆ／Ｆ値）とが算出される。本発明の実施にあたっては、ＥＧＲ制御におけるフィードフォワード制御の具体的な方法に関する限定はなく、また、フィードバック制御の具体的な方法に関する限定もない。図４のグラフには、制御目標値に基づいたＥＧＲ弁開度の計算結果が併せて示されている。ステップＳ１２で算出されたＥＧＲ弁開度に従ってＥＧＲ弁３２を動作させることにより、実際のＥＧＲ率の変化においてステップＳ７で算出されたＥＧＲ率目標値（状態量目標値）が実現される。
　以上説明したルーチンに従ってＥＧＲ制御を行うことにより、定常時のみならず、応答遅れが発生する過渡期においてもＥＧＲ率の実際値を目標値に精度良く追従させることができる。
　ところで、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
　上述の実施の形態では、状態量目標値としてＥＧＲ率の目標値を算出し、ＥＧＲ量の目標値から制御目標値を算出しているが、状態量目標値としてＥＧＲ量の目標値を算出し、ＥＧＲ量の目標値から制御目標値を算出してもよい。
　上述の実施の形態では、過給圧センサの出力値からＥＧＲ弁の下流の圧力を算出しているが、エンジンの運転状態に関する情報や他のセンサ値からＥＧＲ弁の下流の圧力を推定してもよい。ＥＧＲ弁の上流の圧力についても同様である。排気圧センサの出力値ではなく、エンジンの運転状態に関する情報や他のセンサ値からＥＧＲ弁の上流の圧力を推定してもよい。
　上述の実施の形態では、本発明に係る制御装置を過給エンジンに適用しているが、本発明に係る制御装置は自然吸気型のエンジンにも適用することができる。また、本発明に係る制御装置はディーゼルエンジンだけでなく、ガソリンエンジンのような火花点火式エンジンにも適用することができる。
２　エンジン本体
４　インテークマニホールド
６　エキゾーストマニホールド
３０　ＥＧＲ通路
３２　ＥＧＲ弁
５０　ＥＣＵ
５２　回転数センサ
５４　過給圧センサ
５６　排気圧センサ
６０　温度センサ
６２　アクセル開度センサ

Claims (4)

  1. 　排気通路と吸気通路とをＥＧＲ弁を介して接続する内燃機関の制御装置において、
    　前記ＥＧＲ弁の動作に対するＥＧＲガスの動きの応答遅れの指標である一次遅れ時定数を前記ＥＧＲ弁の上流と下流の圧力差に基づいて算出する一次遅れ時定数算出手段と、
    　前記一次遅れ時定数とＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の目標値とから制御目標値を算出する制御目標値算出手段と、
    　前記制御目標値に従って前記ＥＧＲ弁を動作させるＥＧＲ弁操作手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 　前記制御目標値算出手段は、
    　前記内燃機関の負荷及び回転数とＥＧＲ率或いはＥＧＲ量に影響する温度圧力条件の値とに基づいて定常性能を前提としたＥＧＲ率或いはＥＧＲ量のベース目標値を算出する手段と、
    　前記ベース目標値が基礎とする前記内燃機関の負荷及び回転数のもとでの前記温度圧力条件の定常値と前記ベース目標値が基礎とする前記温度圧力条件の値との差に基づいて過渡期におけるＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の補正量を算出する手段と、
    　前記ベース目標値を前記補正量で補正することによってＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の前記目標値を算出する手段と、
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 　前記制御目標値算出手段は、ＥＧＲ率或いはＥＧＲ量の前記目標値に対して前記一次遅れ時定数を用いた逆一次遅れ変換を施すことによって前記制御目標値を算出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制御装置。
  4. 　前記内燃機関は過給機付きの内燃機関であって排気圧センサと過給圧センサとを備え、
    　前記一次遅れ時定数算出手段は、前記排気圧センサにより計測される排気圧と前記過給圧センサによる計測される過給圧との差から前記圧力差を得ることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
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