JP4349221B2

JP4349221B2 - 内燃機関のｅｇｒ制御装置

Info

Publication number: JP4349221B2
Application number: JP2004189256A
Authority: JP
Inventors: 孝志中沢; 孝暢池内
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2024-06-28
Also published as: DE602005025175D1; JP2006009717A; ATE491085T1; CN1721683A; EP1612391B1; EP1612391A2; EP1612391A3; US20060102148A1; US7104260B2; CN100359154C

Description

本発明は、排気系から排気の一部を吸気系に還流するＥＧＲ（排気還流）通路にＥＧＲ弁を備え、ＥＧＲ弁によりＥＧＲ量を制御する内燃機関のＥＧＲ制御装置に関し、特にサージ（トルク変動）悪化を回避するためのＥＧＲ制御装置に関する。

特許文献１では、エンジンのクランク角速度情報に基づいて、エンジンで発生するサージを検出するためのサージレベル指標値を算出するサージレベル指標値算出手段と、上記サージレベル指標値と判定閾値とを比較してサージレベルを判定するサージレベル判定手段とを備え、上記サージレベルの変化及び上記サージレベルに基づいてＥＧＲ弁の開度を制御している。

ＥＧＲ弁、特にステップモータ式ＥＧＲ弁の開度の制御に際しては、エンジン回転数とエンジン負荷とに基づく基本ＥＧＲ量に、上記サージレベルの変化及び上記サージレベルに基づいて増減される目標値に基づくリミット値を乗算して、ＥＧＲ量を算出し、このＥＧＲ量に基づいてステップモータ式ＥＧＲ弁のモータ目標位置を求め、モータ目標位置と現在のモータ位置との比較結果に応じて、ステップモータ式ＥＧＲ弁を駆動している。

特許文献２では、大気圧と吸入負圧をそれぞれモニタして吸気／排気圧力比を算出し、ＥＧＲ流量で割ることにより実開口面積を算出することで、ＥＧＲ弁の開口面積ずれ（初期／劣化）を推定している。
特開２００２−０４８０１１号公報特開２０００−１９９４５４号公報

サージの悪化を検出してＥＧＲ量を補正する場合、環境変化による耐ＥＧＲ率の低下と、ＥＧＲ弁の開口面積ずれ（初期／劣化）とでは、フィードバック補正量の反映の仕方を変えないと、誤反映してしまう。
上記理由により、特許文献１のような乗算補正（すなわちゲイン補正）では、環境変化には対応できるものの、ＥＧＲ弁の開口面積ずれには対応できず、運転点がずれると、再びサージレベル判定するまでサージ悪化となる。

またＥＧＲ弁開口面積を補正する別手段として、特許文献２のように、大気圧と吸入負圧をそれぞれモニタすることで、ＥＧＲ弁の開口面積ずれを推定するものがあるが、大気圧センサと吸入負圧センサが必要であり、コスト増となってしまう。
本発明は、このような実状に鑑み、サージ悪化の原因を環境変化と部品バラツキとに切り分けて考えると、環境変化と部品バラツキとが重なったときにサージが発生することから、環境変化のみではサージが発生しないようにＥＧＲ率を抑えることを前提に、部品バラツキによるサージ悪化に確実に対応できるようにすることを目的とする。

このため、本発明では、目標ＥＧＲ率と実ＥＧＲ率との差、基本燃料噴射量、変速機のギヤ位置及び定常走行中であるか否かに基づいて、ＥＧＲ弁開口面積ばらつきによるサージ悪化指標値を誤算出しない車両安定状態にあるか否かを判定し、車両安定状態にある時に機関の回転変動に基づいてサージ悪化指標値を算出し、前記サージ悪化指標値と判定閾値とを比較してサージ悪化の有無を判定し、前記サージ悪化有りの判定に基づいて、目標ＥＧＲ量に対する補正値を算出し、エンジン運転状態から算出される目標ＥＧＲ量に対し前記補正値を加減算して目標ＥＧＲ量を補正する構成とする。

ＥＧＲ弁の開口面積ずれによるサージ悪化に対し、加減算補正、すなわちオフセット補正を行うことで、補正値を正しく反映でき、燃費と運転性を両立できる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す車両用エンジン（内燃機関）のシステム図である。
エンジン１の各気筒の燃焼室には、エアクリーナ２から吸気ダクト３、スロットル弁４、吸気マニホールド５を経て空気が吸入される。吸気マニホールド５の各ブランチ部には各気筒毎に燃料噴射弁６が設けられている。但し、燃料噴射弁６は燃焼室内に直接臨ませる配置としてもよい。

燃料噴射弁６は、ソレノイドに通電されて開弁し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁（インジェクタ）であって、後述するエンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）１２からの駆動パルス信号により通電されて開弁し、図示しない燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータにより所定圧力に調整された燃料を噴射供給する。
エンジン１の各燃焼室には点火プラグ７が設けられており、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させる。点火プラグ７の点火時期もＥＣＵ１２により制御される。

エンジン１の各燃焼室からの排気は、排気マニホールド８を介して排出される。また、排気マニホールド８からＥＧＲ通路９が導出され、これによりＥＧＲ弁１０を介して排気の一部を吸気マニホールド５に還流している。ＥＧＲ弁１０の開度もＥＣＵ１２により制御される。
ＥＣＵ１２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種センサからの入力信号を受け、これらに基づいて、燃料噴射弁６、点火プラグ７、ＥＧＲ弁１０などの作動を制御する。

前記各種センサとしては、エンジン１のクランク軸回転に同期して４気筒の場合クランク角１８０°毎に基準クランク角信号（ＲＥＦ信号）を発生しその周期よりエンジン回転数Ｎｅを検出可能なクランク角センサ１３、吸気ダクト３内で吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ１４、スロットル弁４の開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１５、エンジン１の冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ１６、車速ＶＳＰを検出する車速センサ１７、更にはイグニッションスイッチ１８などが設けられている。

また、エンジン１の出力軸は、ロックアップクラッチ付きのトルクコンバータを備える自動変速機（図示せず）に連結されるが、自動変速機制御用のコントロールユニット（以下Ａ／Ｔ−ＣＵという）２０とＥＣＵ１２とは通信線によりつながっており、ＥＣＵ１２には、Ａ／Ｔ−ＣＵ２０から、ギヤ位置情報、ロックアップ情報が入力されている。
ＥＣＵ１２によるＥＧＲ弁１０の制御は、次のように行う。エンジン１の運転条件に基づいて設定される目標ＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を目標ＥＧＲ弁開口面積に変換し、この目標ＥＧＲ弁開口面積をＥＧＲ弁開度に変換し、これに基づいてＥＧＲ弁１０を制御する。ＥＧＲ弁１０をステップモータにより駆動する場合は、目標ＥＧＲ量（率）を目標ステップ数に変換し、これに基づいてＥＧＲ弁１０を制御する。

ここにおいて、本発明では、エンジンの回転変動に基づいてサージ悪化指標値を算出し、サージ悪化指標値と判定閾値とを比較してサージ悪化の有無を判定し、サージ悪化有りの判定に基づいて、目標ＥＧＲ量（目標ＥＧＲ弁開口面積又は目標ステップ数）を補正することにより、サージ悪化を回避する。
但し、環境変化（大気圧、湿度、吸気温度）、吸気計量、ＥＧＲ弁開口面積など、ＥＧＲ量を変動させる要因は様々あり、サージ悪化しても切り分けが困難である。

また、サージ悪化判定後の制御反映先をよく吟味しないと、誤反映する。
例えばＥＧＲ弁開口面積ばらつきによりサージ悪化した場合、開口面積ずれを補正すればよいが、目標ＥＧＲ率を補正してしまうと、運転点により開口面積〜ＥＧＲ率が異なるため、ある領域ではサージ収束するが、別の運転点ではサージ悪化してしまう。
逆に環境変化により燃焼限界（＝耐ＥＧＲ率）が低下した場合は、やはり運転点により開口面積〜ＥＧＲ率が異なるため、ＥＧＲ弁開口面積に反映すると、誤反映となる。

上記問題をフィードバック頻度を稼ぐことで解決する考え方もできるが、サージ悪化指標値は、加減速や走行抵抗変化により誤算出することが我々の実験で確認できており、サージ判定できない走行シーンではサージ悪化を対策することができない。
そこで、本発明では、環境変化、吸気計量がばらついてもサージ悪化しないよう適合する（ＥＧＲ率を抑える）ことで、ＥＧＲ弁開口面積ばらつきによるサージ悪化を検出し、目標ＥＧＲ弁開口面積又は目標ステップ数に対する補正値を算出し、目標ＥＧＲ弁開口面積又は目標ステップ数に対し前記補正値を加減算補正（オフセット補正）することにより、サージを回避する。すなわちＥＧＲ弁が基準開口面積に対し開側にばらついている場合は、開口面積又はステップ数を減算補正することにより、サージを収束させる。尚、部品特性（＝ＥＧＲ弁開口面積）がばらついているので、開口面積又はステップ数の補正値は全運転領域においてに一律に反映させればよい。

次に具体的な制御について図２のフローチャートにより説明する。
図２はＥＣＵ１２にて時間同期で１０ｍｓ毎に実行されるＥＧＲ制御（目標ステップ数）補正ルーチンのフローチャートである。
Ｓ１では、エンジンの回転変動に基づいて単位時間当たりのサージ悪化指標値ＦＩＬＤを算出する。

具体的には、回転同期（ＲＥＦ信号割込み）で実行される別ルーチンにより、ＲＥＦ信号の周期ＴＲＥＦ(ms)を計測し、この周期ＴＲＥＦに基づいて、エンジン回転数Ｎｅ(rpm) ＝３０／ＴＲＥＦ（４気筒エンジンの場合）を算出する。そして、このエンジン回転数Ｎｅの変動量を算出し、これをサージ悪化指標値ＦＩＬＤとする。
但し、エンジンの回転変動の中には、燃焼安定度と無関係なノイズ成分が含まれていることから、特開平７−２５９６２７号公報にて知られているような手法により、ノイズ成分は除去する。すなわち、燃焼安定度の善し悪しは、回転変動の周波数特性に反映されることから、エンジンの回転変動を検出するが、検出した回転変動成分の中から、エンジン回転周波数で正規化した第１のＢＰＦ（バンドパスフィルタ）、第１のＢＲＦ（バンドリジェクトフィルタ）により、クランク角センサの加工誤差に起因するノイズ成分を除去し、また、変速比を検出しこれに応じて係数を設定した第２のＢＲＦにより、車両駆動系の歪みに起因するノイズ成分を除去し、更に、時間同期で、第２のＢＰＦにより、人間に不快な振動を与える回転変動成分（周波数成分）を抽出し、得られた信号について実効値計算を行い、サージ悪化指標値ＦＩＬＤを算出する。

Ｓ２では、車両が安定状態か否かを判定する。ここで、車両が安定状態か否かは、次の（１）〜（５）の条件が全て満たされているか否かにより判定する。
（１）ＥＧＲ領域である（ＥＧＲＱ＞０）。すなわち、ＥＧＲの実行中であることを条件とする。
（２）目標ＥＧＲ率と実ＥＧＲ率との差が所定値以下である。すなわち、ＥＧＲ制御が収束し、過渡状態でないことを条件とする。

（３）ギヤ位置が所定回連続して同一である。すなわち、変速中でないことを条件とする。
（４）シリンダ吸入空気量に基づいて算出される基本燃料噴射量Ｔｐが、所定範囲内である。
（５）定常走行中である（＃ＦＣＮＳＴ２＝１）。

＃ＦＣＮＳＴ２は、下記の条件（５−１）〜（５−３）により、算出される。
（５−１）車速変化分（ＤＶＳＰ）判定
所定回続けて、ＤＶＳＰ＜所定値の時、＃ＦＤＶＬＬＣ＝１とする。
所定回続けて、ＤＶＳＰ≧所定値の時、＃ＦＤＶＬＬＣ＝０とする。
（５−２）回転変化分（ＤＮｅ）判定
所定回続けて、ＤＮｅ＜所定値の時、＃ＦＤＮＬＬＣ＝１とする。

所定回続けて、ＤＮｅ≧所定値の時、＃ＦＤＮＬＬＣ＝０とする。
（５−３）定常判定
非ロックアップ状態で、＃ＦＤＶＬＬＣ＝１（車速変化小）の状態が所定時間継続している時、又は、ロックアップ状態で、＃ＦＤＮＬＬＣ＝１（回転変化小）の状態が所定時間継続している時、＃ＦＣＮＳＴ２＝１（定常）とする。

非ロックアップ状態で、＃ＦＤＶＬＬＣ＝０（車速変化大）の状態が所定時間継続している時、又は、ロックアップ状態で、＃ＦＤＮＬＬＣ＝０（回転変化大）の状態が所定時間継続している時、＃ＦＣＮＳＴ２＝０（定常ではない）とする。
上記の判定の結果、車両安定状態でない場合、すなわち（１）〜（５）の条件が１つでも満たされていない場合は、Ｓ３、Ｓ４へ進んで、サージ悪化指標値（積算値）ＳＦＩＬＤを０、積算時間ＴＩＭＥを０にし、現在の目標ステップ数補正値ＥＬＣＦＢ（初期値は０）を維持したまま、後述するＳ１５へ進む。

上記の判定の結果、車両安定状態の場合、すなわち（１）〜（５）の条件が全て満たされている場合は、Ｓ５へ進む。
Ｓ５では、次式のごとく、サージ悪化指標値（積算値）ＳＦＩＬＤに、最新の単位時間当たりのサージ悪化指標値ＦＩＬＤを加算する。
ＳＦＩＬＤ＝ＳＦＩＬＤ（前回値）＋ＦＩＬＤ
Ｓ６では、次式のごとく、積算時間ＴＩＭＥに、本ルーチンの実行時間隔Δｔを加算する。

ＴＩＭＥ＝ＴＩＭＥ（前回値）＋Δｔ
Ｓ７では、積算時間ＴＩＭＥが予め定めたサンプリング時間ＴＩＭＥ０（例えば２秒）に達したか否かを判定する。
達しない場合は、そのまま、すなわち現在の目標ステップ数補正値ＥＬＣＦＢ（初期値は０）を維持したまま、後述するＳ１５へ進む。

達した場合（ＴＩＭＥ≧ＴＩＭＥ０の場合）は、Ｓ８以降へ進む。
Ｓ８では、積算時間ＴＩＭＥをクリアする（ＴＩＭＥ＝０）。
Ｓ９では、ギヤ位置毎の、エンジン回転数とエンジン負荷のマップから、サージ悪化判定用の判定閾値ＥＬＳＬを算出する。
Ｓ１０では、サージ悪化指標値（積算値）ＳＦＩＬＤと判定閾値ＥＬＳＬとを比較し、ＳＦＩＬＤ≧ＥＬＳＬ（サージ悪化状態）か否かを判定する。

ＳＦＩＬＤ＜ＥＬＳＬで、サージ悪化状態でない場合は、現在の目標ステップ数補正値ＥＬＣＦＢ（初期値は０）を維持したまま、後述するＳ１４へ進む。
ＳＦＩＬＤ≧ＥＬＳＬで、サージ悪化状態の場合は、Ｓ１１以降へ進む。
Ｓ１１では、次式のごとく、目標ステップ数補正値ＥＬＣＦＢに、所定値ΔＳを加算する。

ＥＬＣＦＢ＝ＥＬＣＦＢ（前回値）＋ΔＳ
ここで、目標ステップ数補正値ＥＬＣＦＢの初期値は０であり、イグニッションＯＦＦ→ＯＮの際に、初期設定される。
また、所定値ΔＳは最小のステップ数とするが、１相励磁と２相励磁との切換えが可能で、１相励磁（弱励磁）により０．５ステップずつ駆動できる場合は、例えば０．５とする。

Ｓ１２では、目標ステップ数補正値ＥＬＣＦＢを予め定めた最大値ＥＬＣＦＢＭＸと比較し、ＥＬＣＦＢ＞ＥＬＣＦＢＭＸか否かを判定し、ＮＯの場合は、そのまま、ＹＥＳの場合は、Ｓ１３で、ＥＬＣＦＢ＝ＥＬＣＦＢＭＸとする（リミッタ手段）。この後、Ｓ１４へ進む。尚、最大値ＥＬＣＦＢＭＸは、ＥＧＲ弁の想定される最大の開口面積ばらつきによる流量変動分をステップ数に換算したもので、例えば１．５ステップとする。

Ｓ１４では、次の積算のため、サージ悪化指標値（積算値）ＳＦＩＬＤをクリアする（ＳＦＩＬＤ＝０）。
Ｓ１５では、次式のごとく、エンジン回転数及びエンジン負荷から定められる基準目標ステップ数から、目標ステップ数補正値ＥＬＣＦＢを減算して、最終的な目標ステップ数を求める。

目標ステップ数＝基準目標ステップ数−ＥＬＣＦＢ
このようにして目標ステップ数が定まると、ＥＧＲ弁駆動用のステップモータに対し、指令信号が出力される。
図３はＥＧＲ制御のタイムチャートであり、サージレベルが悪化して、サージ悪化指標値（積算値）ＳＦＩＬＤが判定閾値を超えると、目標ステップ数補正値ＥＬＣＦＢが初期値（０）から所定値ΔＳ増大せしめられ、その分、目標ステップ数が減少側に補正されることを示している。

図４はステップ数とＥＧＲ流量との関係を示しており、設計中央値に対し、部品ばらつきにより流量増加側の状態となった場合、サージ悪化が検知されて、目標ステップ数がオフセット補正される結果、ＥＧＲ流量特性を設計中央値に戻すことが可能となる。これに対し、ゲイン補正では、ＥＧＲ流量特性を設計中央値に戻すことができない。
本実施形態によれば、エンジンの回転変動に基づいてサージ悪化指標値を算出し、前記サージ悪化指標値と判定閾値とを比較してサージ悪化の有無を判定し、前記サージ悪化有りの判定に基づいて、目標ＥＧＲ量に対する補正値を算出し、目標ＥＧＲ量に対し前記補正値を加減算して目標ＥＧＲ量を補正する構成とすることにより、ＥＧＲ弁の開口面積ずれによるサージ悪化に対し、加減算補正、すなわちオフセット補正を行うことで、補正値を正しく反映でき、燃費と運転性（サージ改善）を両立できる。

また、本実施形態によれば、イグニッションＯＮ中は、前記サージ悪化有りの判定をする毎に、前記補正値に所定値を加算することで前記補正値を増大させることにより、サージ悪化を確実に回避することができる。
また、本実施形態によれば、前記補正値が予め定められた最大値を超えたときに前記補正値を最大値に規制するリミッタ手段を備えることにより、過補正を防止できる。

また、本実施形態によれば、イグニッションＯＦＦ→ＯＮの際に、前記補正値を予め定められた初期値とすることにより、環境変化と部品ばらつきとが悪い方向に重ならない限りサージ悪化を生じない点を考慮して、過去の履歴による必要以上の補正を回避できると共に、イグニッションＯＦＦ中のメモリ機能を簡素化できる。
また、本実施形態によれば、前記サージ悪化有りの判定をした運転領域にかかわらず、全運転領域で、前記補正値により目標ＥＧＲ量を補正することにより、部品バラツキの特性を考慮して、簡易な制御とすることができる。

また、本実施形態によれば、前記目標ＥＧＲ量の代わりに、目標ＥＧＲ弁開口面積又は目標ステップ数を用い、前記補正値として、目標ＥＧＲ弁開口面積又は目標ステップ数に対する補正値を算出し、目標ＥＧＲ弁開口面積又は目標ステップ数に対し前記補正値を加減算して目標ＥＧＲ弁開口面積又は目標ステップ数を補正することにより、すなわち、フィードバック補正量を開度に反映せず、目標ＥＧＲ弁開口面積又は目標ステップ数に反映することにより、ＥＧＲ弁開口面積ずれに確実に対応できるのみならず、ＥＧＲ弁の径やストロークなどの部品特性が変更された場合でも、開口面積〜ステップ数特性を修正することで容易に対応することができ、結果、適合工数を削減することができる。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図ＥＧＲ制御（目標ステップ数）補正ルーチンのフローチャートタイムチャートステップ数とＥＧＲ流量との関係を示す図

符号の説明

１エンジン
５吸気マニホールド
６燃料噴射弁
７点火プラグ
８排気マニホールド
９ＥＧＲ通路
１０ＥＧＲ弁
１２ＥＣＵ
１３クランク角センサ

Claims

排気系から排気の一部を吸気系に還流するＥＧＲ通路にＥＧＲ弁を備え、ＥＧＲ弁によりＥＧＲ量を制御する内燃機関のＥＧＲ制御装置において、
目標ＥＧＲ率と実ＥＧＲ率との差、基本燃料噴射量、変速機のギヤ位置及び定常走行中であるか否かに基づいて、ＥＧＲ弁開口面積ばらつきによるサージ悪化指標値を誤算出しない車両安定状態にあるか否かを判定する安定状態判定手段と、
車両安定状態にある時に、機関の回転変動に基づいてサージ悪化指標値を算出する手段と、
前記サージ悪化指標値と判定閾値とを比較してサージ悪化の有無を判定する手段と、
前記サージ悪化有りの判定に基づいて、目標ＥＧＲ量に対する補正値を算出する手段と、
エンジン運転状態から算出される目標ＥＧＲ量に対し前記補正値を加減算して目標ＥＧＲ量を補正する手段と、
を設けたことを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御装置。
イグニッションＯＮ中は、前記サージ悪化有りの判定をする毎に、前記補正値に所定値を加算することで前記補正値を増大させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関のＥＧＲ制御装置。
前記補正値が予め定められた最大値を超えたときに前記補正値を最大値に規制するリミッタ手段を備えることを特徴とする請求項２記載の内燃機関のＥＧＲ制御装置。
イグニッションＯＦＦ→ＯＮの際に、前記補正値を予め定められた初期値とすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関のＥＧＲ制御装置。
前記目標ＥＧＲ量の代わりに、目標ＥＧＲ弁開口面積を用い、前記補正値として、目標ＥＧＲ弁開口面積に対する補正値を算出し、目標ＥＧＲ弁開口面積に対し前記補正値を加減算して目標ＥＧＲ弁開口面積を補正することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関のＥＧＲ制御装置。
ＥＧＲ弁がステップモータにより駆動される場合に、前記目標ＥＧＲ量の代わりに、目標ステップ数を用い、前記補正値として、目標ステップ数に対する補正値を算出し、目標ステップ数に対し前記補正値を加減算して目標ステップ数を補正することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関のＥＧＲ制御装置。