JP4525599B2

JP4525599B2 - エンジン制御システム

Info

Publication number: JP4525599B2
Application number: JP2006011371A
Authority: JP
Inventors: 一実山口
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2026-01-19
Also published as: JP2007192136A

Description

本発明は、排気環流制御を行うエンジン制御システムに関するものである。

従来、ディーゼルエンジンでは、ＮＯｘを低減するために、排気環流制御（以下、ＥＧＲ制御という）を行っている。

例えば、特許文献１には、ＥＧＲ制御時に、エンジンの運転状況に応じてエアフローセンサーとリニアＯ₂センサーとによる検出値を切り替えることが提案されている。その他にも、燃焼効率および排気ガスの清浄化などの関係で１サイクル中に燃料噴射を複数回行う燃料噴射形態を制御するエンジン制御システムが知られている。

ところで、一般に、ＥＧＲ制御を行う場合、ＥＧＲ制御の目標値に、吸気通路のＭＡＦセンサーで検出される新気量を使う方法と、排気通路のＯ₂センサーで検出される排気中の酸素濃度（以下、排気酸素濃度という）を使う方法とがある。排気酸素濃度はスモークとの相関が強いので、スモークが発生しないぎりぎりのところまでＮＯｘの低減を図るには、目標値に排気酸素濃度を使うことが好ましい。

特開平１１−３６９７０号公報

しかしながら、排気酸素濃度を使う場合、燃料噴射量が少ないときに、燃料噴射量のバラツキによりスモークが発生してしまうという懸念があった。

この点を、図５に基づき説明する。図５中のラインＬ１は、ＮＯｘおよびスモーク（ｓｍｏｋｅ）が最適となる燃料噴射量および排気酸素濃度の関係を示したものであり、このラインＬ１上の排気酸素濃度（目標排気酸素濃度）を目標としてＥＧＲ制御が行われる。

図５に示すように、ラインＬ１は、燃料噴射量が少ない領域では、多い領域に比べて、傾きが急になっている。このことから、インジェクターなどの燃料噴射量にバラツキがある場合に、そのバラツキの大きさ（図５においてｄＱで示す）が同じであっても、燃料噴射量が少ない領域では、多い領域に比べて、目標排気酸素濃度のバラツキ（差）が大きくなる（図５においてＤ１＞Ｄ２）。

ここで、ＮＯｘとスモークとは、目標排気酸素濃度を低く設定するほどＮＯｘの低減を図ることができるが、低くしすぎるとスモークが発生してしまうという関係にある。したがって、スモークが出ないギリギリの所までＮＯｘ低減を図ってキャリブレーションした場合、燃料噴射量が少ない領域では、燃料噴射量が少しばらついただけで、スモークが発生してしまうおそれがある。

ところで、図６に示すように、ＮＯｘおよびスモークが最適となる燃料噴射量および新気量の関係を示すラインＬ２は、燃料噴射量が少ない領域では、多い領域に比べて、傾きが緩くなっている。

このように、エアフローセンサーなどによる新気量を用いた場合と、Ｏ₂センサーなどによる排気酸素濃度を用いた場合とでは、燃料噴射量の少ないエンジンの運転状態において、排気酸素濃度を用いたほうが燃料噴射量のバラツキに対してＮＯｘ、スモークの発生の関係がシビアになっているため、インジェクターなどの燃料噴射手段の設計誤差などによって燃料噴射量がばらつくとスモークが発生してしまうことになる。さらに、１サイクル当たり複数回の燃料噴射を行う場合には、各噴射毎に誤差が生じ、それらの誤差が累積されるため、スモークの発生の可能性が高まることになる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、スモークとＮＯｘとを同時に低減することができるエンジン制御システムを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンの気筒内に燃料を噴射するための燃料噴射手段と、上記気筒内に導入される新気量を算出するための新気量算出手段と、上記気筒から排出される排気中の酸素濃度を算出するための排気酸素濃度算出手段と、上記気筒の排気の一部を上記気筒に環流するための排気環流手段と、上記新気量算出手段および上記排気酸素濃度算出手段の算出値に基づいて上記排気環流手段を制御可能な排気環流制御手段とを備え、上記排気環流制御手段は、予め上記燃料噴射手段の１サイクル当たりの燃料噴射回数に応じた切替噴射量閾値を各々設定すると共に、上記エンジンの排気環流を行うに際して、上記燃料噴射手段の１サイクル当たりの燃料噴射量が上記切替噴射量閾値を超える場合に、上記排気酸素濃度算出手段で算出された排気酸素濃度を基に上記排気環流手段を制御し、上記燃料噴射手段の１サイクル当たりの燃料噴射量が上記切替噴射量閾値未満の場合に、上記新気量算出手段で算出された新気量を基に上記排気環流手段を制御するものである。

好ましくは、上記エンジンの排気環流を行うに際して、上記燃料噴射手段の１サイクル当たりの燃料噴射量が上記切替噴射量閾値と同一だった場合には、上記排気酸素濃度、あるいは新気量を基に上記排気環流手段を制御するものである。

好ましくは、上記切替噴射量閾値は、上記燃料噴射手段の１サイクル当たりの燃料噴射回数が多いほど、大きく設定されるものである。

好ましくは、上記排気環流手段は、上記排気通路と上記吸気通路とを連通するための排気環流通路と、その排気環流通路に配置され該排気環流通路の流量を調整するための排気環流弁とを備え、その排気環流弁が上記排気環流制御手段により開閉制御されるものである。

本発明によれば、スモークとＮＯｘとを同時に低減することができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態のエンジン制御システムは、例えば、車両のディーゼルエンジンなどに適用される。

図１に基づき本実施形態のエンジン制御システムを説明する。

図１に示すように、エンジン１０は、気筒（図示せず）が形成されたエンジン本体１１と、エンジン１０の気筒内に燃料を噴射、供給するための燃料噴射手段をなすインジェクター２と、気筒に吸気を供給する吸気通路１３と、気筒の排気を排出する排気通路１４と、エンジン１０を制御するためのエンジン制御装置（以下、ＥＣＭという）７と、上記気筒の排気の一部を上記気筒に環流するための排気環流手段（以下、ＥＧＲ手段という）６とを備え、そのエンジン１０のＥＧＲ制御がエンジン制御システム１により行われる。

エンジン１０の吸気通路１３には、吸気通路１３中の新気量を検出するための新気量センサー３が配置される。エンジン１０の排気通路１４には、排気通路１４中の排気中の酸素濃度（排気酸素濃度）を検出するための排気酸素濃度センサー４が配置される。

本実施形態のエンジン制御システム１は、上記インジェクター２と、上記気筒内に導入される新気量を算出するための新気量算出手段と、上記気筒から排出される排気中の酸素濃度を算出するための排気酸素濃度算出手段と、上記ＥＧＲ手段６と、上記新気量算出手段および上記排気酸素濃度算出手段の算出値に基づいてＥＧＲ手段６を制御可能な排気環流制御手段（以下、ＥＧＲ制御手段）とを備える。

本実施形態では、ＥＣＭ７が上記ＥＧＲ制御手段をなす。上記排気酸素濃度算出手段は、排気酸素濃度センサー４とＥＣＭ７とで構成され、ＥＣＭ７は、排気酸素濃度センサー４の検出値を基に気筒内に導入される新気量を算出する。上記新気量算出手段は、新気量センサー３とＥＣＭ７とで構成され、ＥＣＭ７は、新気量センサー３の検出値を基に気筒から排出される排気中の酸素濃度を算出する。

詳しくは後述するが、そのＥＣＭ７は、予め上記インジェクター２の１サイクル当たりの燃料噴射回数に応じた切替噴射量閾値を各々設定すると共に、上記エンジン１０の排気環流（ＥＧＲ）を行うに際して、上記インジェクター２の１サイクル当たりの燃料噴射量（総燃料噴射量）が上記切替噴射量閾値を超える場合に、上記排気酸素濃度センサー４で検出された排気酸素濃度を基に上記ＥＧＲ手段６を制御し、上記インジェクター２の１サイクル当たりの燃料噴射量（総燃料噴射量）が上記切替噴射量閾値以下の場合に、上記新気量センサー３で検出された新気量を基に上記ＥＧＲ手段６を制御する。

なお、ここでいう１サイクルとは、吸気、圧縮、膨張、排気の４行程を１サイクルとしている。

本実施形態のＥＧＲ手段６は、上記排気通路１４と上記吸気通路１３とを連通するための排気環流通路（以下、ＥＧＲ通路という）６１と、そのＥＧＲ通路６１に配置され該ＥＧＲ通路６１の流量を調整するための排気環流弁（以下、ＥＧＲ弁という）６２とを備え、そのＥＧＲ弁６２がＥＧＲ制御手段をなすＥＣＭ７により開閉制御される。ＥＧＲ弁６２が開放されると、排気通路１４から排気の一部がＥＧＲ通路６１を通じて吸気通路１３に環流され、その環流された排気は、新気と共に気筒内に導入される。

新気量センサー３は、ＥＧＲ通路６１の接続部よりも上流側の吸気通路１３に配置される。新気量センサー３は、例えば、ＭＡＦセンサーなどで構成される。排気酸素濃度センサー４は、ＥＧＲ通路６１の接続部よりも下流側の排気通路１４に配置される。排気酸素濃度センサー４は、例えば、Ｏ₂センサーで構成される。

ＥＣＭ７には、新気量センサー３、排気酸素濃度センサー４、および図示しないエンジン回転センサーなどの各種センサー類が接続され、それらの検出値（信号）が入力される。また、ＥＣＭ７は、１サイクル当たりの燃料（総燃料噴射量）を複数回に分けて噴射するマルチ噴射制御を行う。具体的には、ＥＣＭ７は、インジェクター２に制御信号を出力すべく接続され、そのインジェクター２の１サイクル当たりの総燃料噴射量および燃料噴射回数を、エンジン回転センサーなどから読み取ったエンジン１０の運転状態（負荷）に基づいて決定する。

本実施形態のＥＣＭ７は、ＥＧＲ手段６のＥＧＲ弁６２に制御信号を出力すべく接続され、そのＥＧＲ弁６２の開度を、新気量センサー３または排気酸素濃度センサー４の検出値と、総燃料噴射量（エンジン１０の運転状態）とを基に制御する。

より具体的には、ＥＣＭ７は、総燃料噴射量が所定の切替噴射量閾値を超える場合には、排気酸素濃度センサー４の検出値を基にＥＧＲ弁６２の制御を行い、切替噴射量閾値以下の場合には、新気量センサー３の検出値を基にＥＧＲ弁６２の制御を行う。

例えば、予めＥＣＭ７内に、総燃料噴射量と目標排気酸素濃度との関係を示した目標排気酸素濃度マップ（図５参照）と、総燃料噴射量と目標新気量との関係を示した目標新気量マップ（図６参照）とが各々格納される。総燃料噴射量が切替噴射量閾値（図５および図６においてＴ０で示す）を超える場合には、ＥＣＭ７は、目標排気酸素濃度マップ（図５）から総燃料噴射量に対応する目標排気酸素濃度を求め、自身が算出した排気酸素濃度がその求められた目標排気酸素濃度になるように、ＥＧＲ弁６２をフィードバック制御する。他方、総燃料噴射量が切替噴射量閾値以下の場合には、ＥＣＭ７は、目標新気量マップ（図６）から総燃料噴射量に対応する目標新気量を求め、自身が算出した新気量がその求められた目標新気量になるように、ＥＧＲ弁６２をフィードバック制御する。なお、目標排気酸素濃度マップおよび目標新気量マップは、実験などで予め求められ、本実施形態では、スモークが排出されないギリギリの範囲でＮＯｘを最大限低減できるように設定される。

このように、ＥＣＭ７は、総燃料噴射量が少ないとき（例えば、アイドリングなど）には目標値に新気量を使い、総燃料噴射量が多いときには目標値に排気酸素濃度を使い、排気の環流量を求めて、ＥＧＲ制御を行う。

ところで、インジェクター２の燃料噴射量にバラツキがある場合、そのバラツキを考慮して切替噴射量閾値を設定する必要がある。特に、ＥＣＭ７がマルチ噴射制御を行うときには、バラツキによる誤差がマルチ噴射回数（燃料噴射回数）により変わってくるので、マルチ噴射回数を考慮して切替噴射量閾値を設定する必要がある。

そこで、本実施形態では、マルチ噴射回数ごとに異なる切替噴射量閾値が設定される。具体的には、切替噴射量閾値は、インジェクター２の１サイクル当たりのマルチ噴射回数が多いほど、大きく設定される。これは、各噴射毎の誤差が累積されるのでスモークを防ぐための安全を見込むためであり、一般に、インジェクター２が実際に噴射する燃料噴射量が、ＥＣＭ７に指示された燃料噴射量よりも多くなる傾向があるからである。例えば、図５および図６において、マルチ噴射回数が１回から２回になると、切替噴射量閾値がＴ０からＴ１に移行することになる。

インジェクター２の燃料噴射量の１回噴射当たりのバラツキを±１ｍｍ³とすると、噴射バラツキは、マルチ噴射回数が２回の場合は±２ｍｍ³、マルチ噴射回数が３回の場合は±３ｍｍ³となるので、例えば、図３に示すように、マルチ噴射回数が２回の場合は、切替噴射量閾値を１６ｍｍ³、マルチ噴射回数が３回の場合は、切替噴射量閾値を１７ｍｍ³というように、噴射バラツキ（噴射回数）に応じて切替噴射量閾値を設定する。

図３は、本実施形態のマルチ噴射回数に対する切替噴射量閾値のマップ（テーブル）の一例を示したものである。図３に示すように、マルチ噴射回数が複数の場合には、インジェクター２の１回の噴射による誤差が、マルチ噴射回数分だけ累積される。マルチ噴射回数が多くなれば誤差は大きくなるので、マルチ噴射回数が多いときには切替噴射量閾値が大きく設定される。他方、誤差量の割合が総燃料噴射量に対して小さければ許容範囲とみなされ、切替噴射量閾値が小さく設定される。

つまり、マルチ噴射回数が多い、すなわち誤差が大きいときは切替噴射量閾値が大きく設定されているため比較的新気量を使った制御が多用され、マルチ噴射回数が少ないときは酸素濃度を使った制御が多用される。

切替噴射量閾値は、インジェクター２の特性、並びにエンジン１０の特性などによるＮＯｘ、スモークの発生量を考慮して適切に設定される。それら切替噴射量閾値を、ＥＣＭ７は、図３に示すような切替噴射量閾値のマップとして記憶手段（図示せず）に格納して、設定する。

次に、本実施形態のエンジン制御システム１によるＥＧＲ制御の一例を、図２のフローチャートに基づき説明する。本フローチャートで表されているＥＧＲ制御は、ＥＣＭ７（エンジン制御ＣＰＵ）が行う複数のタスクのうちのひとつであり、本フローチャートは、その他、適宜エンジン制御に必要なタスク（例えば、上述した燃料噴射量（総目標燃料噴射量）やマルチ噴射回数などを求めるタスク）に並行して実行される。

ステップＳ１では、ＥＣＭ７は、イグニッションキーがＯＮか否かを判断し、ＯＮでない場合には、この判断（ステップＳ１）を繰り返す。

ステップＳ１でイグニッションキーがＯＮであると判断された場合、ＥＣＭ７は、ステップＳ２で、図３に示される切替噴射量閾値テーブルを参照して、マルチ噴射回数に対する切替噴射量閾値を求める。

ステップＳ３では、ＥＣＭ７は、今回の総目標燃料噴射量が前回よりも増えているか否かを判断する。具体的には、今回の総目標燃料噴射量が、後述するステップＳ８で記憶した前回の総目標燃料噴射量を超えるか否かを判断し、超えると判断された場合、ＥＣＭ７は、ステップＳ４で、総目標燃料噴射量が「切替噴射量閾値＋ヒステリシス値」を超えるか否かを判断する。ここで、ヒステリシス値は、例えば、１ｍｍ³である。

ステップＳ３で今回の総目標燃料噴射量が前回の総目標燃料噴射量以下である（増えていないもしくは減っている）と判断された場合、ＥＣＭ７は、ステップＳ５で、総目標燃料噴射量が「切替噴射量閾値」を超えるか否かを判断する。

以上のように、本実施形態では、ステップＳ３で今回の総目標燃料噴射量が前回よりも増えていると判断された場合に、切替噴射量閾値にヒステリシス値を加算した値で総目標燃料噴射量の多少を判断する（ステップＳ４）ようにしている。これにより、総目標燃料噴射量の制御サイクル毎の変化によって、後述するステップＳ６およびステップＳ７の切替が、繁雑に実行されてしまうことを抑えることが可能となる。

図４に、マルチ噴射回数が２回の場合における切替噴射量閾値およびヒステリシス値の関係の一例を示す。図４に実線で示すように、ステップＳ３で今回の総目標燃料噴射量が前回の総目標燃料噴射量を超えると判断される場合は、ステップＳ４で「切替噴射量閾値＋ヒステリシス値」（１７ｍｍ³）が用いられる。また図４に一点鎖線で示すように、ステップＳ３で超えないと判断される場合は、ステップＳ５で「切替噴射量閾値」（１６ｍｍ³）が用いられる。

図２に戻り、ステップＳ４で総目標燃料噴射量が「切替噴射量閾値＋ヒステリシス値」を超えない、またはステップＳ５で総目標燃料噴射量が「切替噴射量閾値」を超えないと判断された場合、ＥＣＭ７は、ステップＳ６で、新気量センサー３の検出値を基にＥＧＲ制御を行う。すなわち、ＥＣＭ７は、燃料噴射量が比較的少ない場合に、目標値に新気量を使ったＥＧＲ制御を行う。

他方、ステップＳ４で総目標燃料噴射量が「切替噴射量閾値＋ヒステリシス値」を超える、またはステップＳ５で総目標燃料噴射量が「切替噴射量閾値」を超えると判断された場合、ＥＣＭ７は、ステップＳ７で、排気酸素濃度センサー４の検出値を基にＥＧＲ制御を行う。すなわち、ＥＣＭ７は、燃料噴射量が比較的多い場合に、目標値に排気酸素濃度（量）を使ったＥＧＲ制御を行う。

ステップＳ８では、ＥＣＭ７は、今回の総目標燃料噴射量を、ステップＳ３で使用する前回の総目標燃料噴射量の変数にコピーして、記憶する。

ステップＳ９では、ＥＣＭ７は、イグニッションキーがＯＦＦか否かを判断し、ＯＦＦであれば本処理を抜け、終了する。他方、ＯＦＦでなければステップＳ２に戻りステップＳ２〜ステップＳ９の処理を繰り返す。

このように、本実施形態では、燃料噴射量が切替噴射量閾値を超えるか否かを判断して、排気酸素濃度、新気量のいずれか適したほうを用いてＥＧＲ制御を行うため、スモークの発生を抑えつつ、ＮＯｘの低減を図ることが可能となり、かつマルチ噴射回数に応じて切替噴射量閾値を補正することで、排気酸素濃度、新気量のいずれかを適切に選択することができる。これにより、インジェクター２の噴射バラツキに関係なく、スモークが出ないぎりぎりの所までＮＯｘ低減を図ってキャリブレーションすることができ、スモークを確実に防止することができる。その結果、スモークとＮＯｘとを両方同時に低減することができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

例えば、ＥＧＲ手段は、上述の実施形態に限定されず、吸気弁または排気弁の開閉時期を制御して排気の一部を燃焼室に戻すまたは残留させる所謂内部ＥＧＲ装置でもよい。その場合、ＥＧＲ制御手段をなすＥＣＭ７が、吸気弁または排気弁の動弁機構を制御する。

また、吸気通路１３にインテークスロットルを設けて、そのインテークスロットルとＥＧＲ弁６２とをＥＣＭ７により各々開閉制御してＥＧＲ制御を行うようにしてもよい。

また、新気量、酸素濃度を推定し、算出する方法でもよい。

また、予め設定された切替噴射量閾値を、エンジンの噴射量学習で得られる学習値で補正するようにしてもよい。例えば、ＥＣＭは、噴射量学習の際に、指令した燃料噴射量と実際に噴射される燃料噴射量との差を学習値として求めておき、その学習値により切替噴射量閾値マップの各切替噴射量閾値を補正するようにしてもよい。これにより、インジェクターの経年劣化などによる噴射量バラツキに対応することが可能となる。

また、本実施形態においては、上記燃料噴射手段の１サイクル当たりの燃料噴射量が上記切替噴射量閾値を超える場合に、上記排気酸素濃度算出手段で算出された排気酸素濃度を基に上記排気環流手段を制御し、上記燃料噴射手段の１サイクル当たりの燃料噴射量が上記切替噴射量閾値以下の場合に、上記新気量算出手段で算出された新気量を基に上記排気環流手段を制御するようにしたが、これに限定されない。

すなわち、上記燃料噴射手段の１サイクル当たりの燃料噴射量が切替噴射量閾値以上の場合に、上記排気酸素濃度算出手段で算出された排気酸素濃度を基に上記排気環流手段を制御し、上記燃料噴射手段の１サイクル当たりの燃料噴射量が切替噴射量閾値未満の場合に、上記新気量算出手段で算出された新気量を基に上記排気環流手段を制御するようにしてもよい。この場合、切替噴射量閾値は、上述した実施形態の切替噴射量閾値に対して、設定可能な最小値分だけ小さく予め設定されることになる。

本発明の一実施形態に係るエンジン制御システムのシステム構成図を示す。本実施形態のエンジン制御システムが実行するＥＧＲ制御フローの一例を示す。本実施形態の切替噴射量閾値マップを示す。本実施形態の切替噴射量閾値とヒステリシス値との関係を示すイメージ図である。燃料噴射量と目標排気酸素濃度との関係を説明する図である。燃料噴射量と目標新気量との関係を説明する図である。

符号の説明

１エンジン制御システム
２インジェクター（燃料噴射手段）
３新気量センサー
４排気酸素濃度センサー
６ＥＧＲ手段（排気環流手段）
７ＥＣＭ（排気環流制御手段）
１０エンジン
１３吸気通路
１４排気通路

Claims

エンジンの気筒内に燃料を噴射するための燃料噴射手段と、上記気筒内に導入される新気量を算出するための新気量算出手段と、上記気筒から排出される排気中の酸素濃度を算出するための排気酸素濃度算出手段と、上記気筒の排気の一部を上記気筒に環流するための排気環流手段と、上記新気量算出手段および上記排気酸素濃度算出手段の算出値に基づいて上記排気環流手段を制御可能な排気環流制御手段とを備え、
上記排気環流制御手段は、
予め上記燃料噴射手段の１サイクル当たりの燃料噴射回数に応じた切替噴射量閾値を各々設定すると共に、
上記エンジンの排気環流を行うに際して、上記燃料噴射手段の１サイクル当たりの燃料噴射量が上記切替噴射量閾値を超える場合に、上記排気酸素濃度算出手段で算出された排気酸素濃度を基に上記排気環流手段を制御し、上記燃料噴射手段の１サイクル当たりの燃料噴射量が上記切替噴射量閾値未満の場合に、上記新気量算出手段で算出された新気量を基に上記排気環流手段を制御することを特徴とするエンジン制御システム。
上記エンジンの排気環流を行うに際して、上記燃料噴射手段の１サイクル当たりの燃料噴射量が上記切替噴射量閾値と同一だった場合には、上記排気酸素濃度、あるいは新気量を基に上記排気環流手段を制御する請求項１記載のエンジン制御システム。
上記切替噴射量閾値は、上記燃料噴射手段の１サイクル当たりの燃料噴射回数が多いほど、大きく設定される請求項１または２記載のエンジン制御システム。
上記排気環流手段は、上記排気通路と上記吸気通路とを連通するための排気環流通路と、その排気環流通路に配置され該排気環流通路の流量を調整するための排気環流弁とを備え、その排気環流弁が上記排気環流制御手段により開閉制御される請求項１から３いずれかに記載のエンジン制御システム。