JP6115571B2 - ディーゼルエンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気通路から吸気通路へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ装置を備えたディーゼルエンジンの制御装置に関する。

従来、例えば特開平５−２１５００４号公報に開示されるように、ＥＧＲ装置を備えた内燃機関が知られている。この装置では、筒内圧センサからの信号に基づいて筒内圧力最大値を検出する。そして、目標値とこの筒内圧力最大値との差が所定の安定限界値を超えたときに異常燃焼と判定し、ＥＧＲ率を減少方向に補正することとしている。

特開平５−２１５００４号公報

上記従来の技術では、異常燃焼と判定された場合にＥＧＲ率を減少方向に補正し燃焼改善を図ることとしているが、ＥＧＲ量を減らすことが常に燃焼改善に繋がるとは限らない。例えば、ＥＧＲ量を減量させた場合、燃焼不安定度は図７のグラフに示すように変化する。図７のグラフには、低外気温時および常温時におけるＥＧＲ量に対する燃焼不安定度（例えばトルク変動量）の変化がそれぞれ描かれている。このグラフに示すように、ＥＧＲ量が減量方向に推移すると、低外気温時および常温時ともに燃焼不安定度が即時に安定方向へ推移する。即時の燃焼の改善は、ＥＧＲ量の減量により吸気中の酸素濃度が増加したためである。しかしながら、その後のＥＧＲ量の減量は、低外気温時に限り燃焼が不安定方向へ急激に変化してしまう。これは、ＥＧＲ量の減量によって吸気温度および吸気圧が低下し燃焼悪化への寄与が大きくなるためである。このため、従来の一般的なＥＧＲ制御では、低温環境下において燃焼状態の悪化を抑制することが困難な場合があった。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、ＥＧＲ装置を備えたディーゼルエンジンにおいて、幅広い温度環境条件において燃焼状態の悪化を抑制することのできるディーゼルエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、排気通路から吸気通路へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ装置を備えたディーゼルエンジンの制御装置において、
前記ディーゼルエンジンの燃焼状態が悪化した場合に前記ＥＧＲ装置による排気還流量を減量する減量補正を行う制御手段と、
前記ディーゼルエンジンの着火時の筒内温度を取得する第１の取得手段と、
前記筒内温度が所定の閾値より小さい場合に、前記減量補正の実行を制限する制限手段と、
前記ディーゼルエンジンの着火時の筒内圧力と相関を持つ圧力相関値を取得する第２の取得手段と、
前記圧力相関値に応じて前記閾値を設定する手段と、
を備えることを特徴としている。
また、第２の発明は、上記の目的を達成するため、排気通路から吸気通路へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ装置を備えたディーゼルエンジンの制御装置において、
前記ディーゼルエンジンの燃焼状態が悪化した場合に前記ＥＧＲ装置による排気還流量を減量する減量補正を行う制御手段と、
前記ディーゼルエンジンの着火時の筒内温度を取得する第１の取得手段と、
前記筒内温度が所定の閾値より小さい場合に、前記減量補正の実行を制限する制限手段と、
前記ディーゼルエンジンの空燃比を取得する手段と、
前記空燃比が所定空燃比よりもリッチである場合に、前記制限手段の実行を禁止する手段と、
を備えることを特徴としている。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記制限手段は、前記筒内温度が前記閾値より小さい場合に、前記減量補正を停止するとともに前記排気還流量を増量する増量補正を行う手段であることを特徴としている。

第４の発明は、第１の発明において、
前記第２の取得手段は、前記ディーゼルエンジンの筒内へ吸入される空気の圧力を前記圧力相関値として取得することを特徴としている。

第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記筒内温度が閾値より小さい場合に、燃料噴射時期を進角側へ変更する手段を更に備えることを特徴としている。

第６の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記筒内温度が閾値より小さい場合に、パイロット噴射の噴射量を増量する手段を更に備えることを特徴としている。

第７の発明は、第１乃至第６の何れか１つの発明において、
前記制御手段は、前記ディーゼルエンジンの回転数の時間変動率を取得する手段を含み、前記時間変動率が所定の変動率よりも大きい場合に前記ＥＧＲ装置による排気還流量を減量することを特徴としている。

第１の発明によれば、燃焼状態が悪化した場合にＥＧＲ装置による排気還流量（ＥＧＲ量）を減量させる減量補正を行うディーゼルエンジンにおいて、着火時の筒内温度が閾値よりも小さい場合に、当該減量補正の実行が制限される。着火時の筒内温度が低い状態でＥＧＲ量を減量すると、吸気酸素濃度の増加による燃焼安定への寄与よりも吸気温度および吸気圧の低下による燃焼悪化の寄与が大きくなり燃焼状態が不安定方向へ推移する。このため、本発明によれば、筒内温度の状態に応じて減量補正を制限することができるので、幅広い温度環境条件において燃焼状態の悪化を抑制することができる。
また、第１の発明によれば、着火時の筒内圧力と相関を持つ圧力相関値に応じて閾値が設定される。燃焼が不安定となる着火時の筒内温度は筒内圧力に応じて変化する。このため、本発明によれば、圧力相関値に応じて閾値を可変に設定することにより燃焼が不安定となる時期を正確に特定することができる。
また、第２の発明によれば、ディーゼルエンジンの空燃比が所定空燃比よりもリッチである場合に減量補正の制限が禁止される。空燃比がリッチになるほど燃焼安定線の悪化は起き難い。このため、本発明によれば、燃焼安定線の悪化が起きない条件において不要なＥＧＲ量の制限がなされる事態を有効に抑止することができる。

第３の発明によれば、筒内温度が閾値よりも小さい場合に減量補正が停止されるとともにＥＧＲ量の増量補正が行われる。このため、本発明によれば、筒内温度が閾値よりも小さい場合にＥＧＲ量が増量されるので、吸気温度および吸気圧の低下に歯止めをかけて燃焼状態の悪化を防ぐことができる。

第４の発明によれば、ディーゼルエンジンの筒内へ吸入される吸気の圧力が圧力相関値として取得されるので、簡易な構成で圧力相関値を取得することが可能となる。

第５の発明によれば、ＥＧＲ量の減量の制限が行われた場合に燃料噴射時期が進角側に変更される。このため、本発明によれば、着火時期を進角させることができるので、燃焼安定性を高めてドライバビリティの低下を有効に抑制することができる。

第６の発明によれば、ＥＧＲ量の減量の制限が行われた場合にパイロット噴射の噴射量が増量される。このため、本発明によれば、筒内温度を高めることができるので、燃焼安定性を高めてドライバビリティの低下を有効に抑制することができる。

第７の発明によれば、エンジン回転数の時間変動率を用いて燃焼状態を正確に判断することが可能となる。

本発明の実施の形態としてのエンジンシステムの構成を示す図である。 燃焼不安定度、ＥＧＲ量および着火時の筒内温度（圧縮端温度）を示すタイミングチャートである。 ＥＧＲ量に対する燃焼不安定度の変化を低外気温時および高外気温時で比較した図である。 本発明の実施の形態のＥＧＲ制御について説明するためのタイミングチャートである。 ＥＧＲ量に対する燃焼不安程度の変化を、低大気圧時と高大気圧時とで比較する図である。 ＥＧＲ減量補正を制限する着火時の筒内温度と着火時の筒内圧力との関係を規定したマップの一例である。 低外気温時および常温時におけるＥＧＲ量に対する燃焼不安定度の変化を示す図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１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としてのエンジンシステムの構成を示す図である。本実施の形態のエンジンは、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には吸気マニホールド４と排気マニホールド６が取り付けられている。吸気マニホールド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。排気マニホールド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。本実施の形態の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。

本実施の形態のエンジンは、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の下流の位置と排気マニホールド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とバイパス通路３６が合流する箇所には、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。

本実施の形態のエンジンシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備える。ＥＣＵ５０は、エンジンシステム全体を総合制御する制御装置である。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。例えば、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、インタークーラ２２の出口付近には吸気温センサ６０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が取り付けられている。また、排気マニホールド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実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率になるようにフィードバック制御によってＥＧＲ弁３２が操作される。本実施の形態では、ＥＧＲ制御において、実際値と目標値との差分に基づくＰＩＤ制御が行われているものとするが、本発明の実施にあたっては、ＥＧＲ制御におけるフィードバック制御の具体的な方法に関する限定はない。

更に、本実施の形態のＥＧＲ制御では、燃焼が不安定になった場合にＥＧＲ量を減量するための処理（以下、「ＥＧＲ減量補正」と称する）が行われる。より詳しくは、ＥＧＲ減量補正では、燃焼の不安定度を表す値として、例えばエンジン回転速度の時間変動率（以下、「回転変動」という）を計算し、算出された回転変動が所定の閾値よりも大きい場合に目標ＥＧＲ率を低率側へ補正する。尚、本実施の形態では、ＥＧＲ減量補正において、回転変動の大きさに応じて補正量を設定するものとするが、本発明の実施にあたっては、補正量の具体的な算出方法に関する限定はない。

このように、ＥＧＲ減量補正によれば、燃焼が不安定な場合に筒内へ吸入される吸気の酸素濃度を高めることができるので、失火等による燃焼悪化を抑制してドライバビリティの悪化を防ぐことができる。但し、ＥＧＲ量を減量することが常に燃焼改善に繋がるとは限らない。図２は、燃焼不安定度、ＥＧＲ量および着火時の筒内温度（圧縮端温度）を示すタイミングチャートである。本実施の形態のＥＧＲ減量補正では、燃焼が不安定になるとＥＧＲ量が減量方向に制御される。このため、この図に示す例では、ＥＧＲ量が減量されることにより燃焼不安定度が安定方向に推移している。しかしながら、この図からも分かるように、ＥＧＲ量が減量されると吸気温度および吸気圧の低下によって筒内の圧縮端温度が低下する。このため、例えば低温環境下においてＥＧＲ量を減量し続けてしまうと、当該圧縮端温度が下がり過ぎてしまい燃焼状態が逆に悪化方向へ推移してしまうことが想定される。

図３は、ＥＧＲ量に対する燃焼不安定度の変化を低外気温時および高外気温時で比較した図である。この図に示す例では、高外気温時においてＥＧＲ量が減量方向に推移すると、燃焼不安定度は即時に安定方向へ推移した後ほぼ一定の値となる。これに対し、低外気温時においてＥＧＲ量が減量方向に推移すると、燃焼不安定度は安定方向へ推移するものの、さらにＥＧＲ量の減量を続けると燃焼状態が再度不安定方向に推移してしまう。このように、外気温等に影響により着火時の筒内温度が約１０００℃以下となると、ＥＧＲ減量による燃焼の不安定が起きてしまう。

そこで、本実施の形態のエンジンシステムでは、着火時の筒内温度を用いてＥＧＲ減量補正の実行可否を判断することとしている。以下、図４を参照して本発明の本実施の形態のＥＧＲ制御について詳細に説明する。図４は、本発明の実施の形態のＥＧＲ制御について説明するためのタイミングチャートである。この図に示す例では、ＥＣＵ５０は、時刻ｔ１において上述したＥＧＲ減量補正を実施している。ＥＣＵ５０は、ＥＧＲ減量補正の実施中において、吸気温センサ６０により計測された吸気温度および過給圧センサ５４により計測された過給圧等に基づいて着火時の筒内温度を推定する。そして、時刻ｔ２において推定された筒内温度が所定の閾値を下回ると、ＥＣＵ５０はＥＧＲ減量補正によるＥＧＲ量の減量を制限する。ここでは、具体的には、例えばＥＧＲ減量補正を停止してＥＧＲ量を最適な補正量で維持する（場合によってはＥＧＲ量を増量する増量補正を行う）方法や、着火時の筒内温度が閾値を下回らないように当該筒内温度に応じてＥＧＲ制御のフィードバックゲインを変化させる方法等を行うことができる。尚、所定の閾値は、燃焼不安定現象が発生する着火時の筒内温度として、実験等により定めた値（例えば１０００℃）を用いることができる。

以上のようなＥＧＲ制御によれば、ＥＧＲ量の減量により燃焼不安定となる場合を正確に特定してＥＧＲ減量補正を制限することができるので、幅広い運転領域において燃焼悪化によるドライバビリティの低下を抑制することができる。

また、上述した実施の形態１のエンジンシステムでは、着火時の筒内温度が所定の閾値よりも低い場合にＥＧＲ減量補正を制限することとしているが、この制御に加えて燃料噴射時期を進角させる制御や、パイロット噴射（予熱噴射）の噴射量を増量する制御を併せて実行することとしてもよい。このような制御によれば、燃焼安定性を更に高めてドライバビリティの低下を有効に抑制することが可能となる。尚、当該制御は、後述する実施の形態２および３のエンジンシステムにも適用することができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を参照して説明する。実施の形態２のエンジンシステムでは、筒内圧力に応じてＥＧＲ減量補正の実行可否を判断する点に特徴を有している。上述した実施の形態１のエンジンシステムでは、着火時の筒内温度に基づいてＥＧＲ減量補正の実行可否を判断することとしている。ここで、燃焼不安定度が悪化する着火時の筒内温度は筒内圧力の影響を受ける。図５は、ＥＧＲ量に対する燃焼不安程度の変化を、低大気圧時と高大気圧時とで比較した図である。図５に示す例では、低大気圧時には着火時の筒内温度が約１１００度以下の場合に燃焼不安定度が悪化しているのに対して、低大気圧時には着火時の筒内温度が約１０００度以下の場合に燃焼不安定度が悪化している。

そこで、本実施の形態２のエンジンシステムでは、公知の方法を利用して着火時の筒内圧力を計測或いは推定し、係る筒内圧力に応じてＥＧＲ減量補正の実行可否を判断する着火時の筒内温度の閾値を設定することとする。図６は、ＥＧＲ減量補正を制限する着火時の筒内温度と着火時の筒内圧力との関係を規定したマップの一例である。この図に示すように、着火時の筒内圧力が高いほど、ＥＧＲ減量補正を制限する着火時の筒内温度が低くなるように設定される。これにより、筒内圧力が低圧である環境下において、ＥＧＲ減量補正の実行領域が拡大されるので、ドライバビリティの低下の少ないエンジンシステムを提供することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態２のエンジンシステムでは、着火時の筒内圧力に基づいてＥＧＲ減量補正の実行可否を判断するための閾値を設定することとしている。しかしながら、閾値の設定に使用可能な値は、着火時の筒内圧力と相関を持つ値であればよく、例えば、着火時の筒内圧力に替えて過給圧センサ５４により計測された吸気圧を用いてもよい。

また、上述した実施の形態２のエンジンシステムでは、着火時の筒内圧力に基づいてＥＧＲ減量補正の実行可否を判断するための閾値を設定することとしているが、着火時の筒内圧力に応じてＥＧＲ制御のフィードバックゲインを変化させることとしてもよい。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について図を参照して説明する。実施の形態３のエンジンシステムでは、空燃比に応じてＥＧＲ減量補正の実行可否を判断する点に特徴を有している。すなわち、上述した実施の形態１のエンジンシステムでは、着火時の筒内温度に基づいてＥＧＲ減量補正の実行可否を判断することとしている。しかしながら、発明者の知見では、空燃比が空気過多の状態でないとＥＧＲ減量補正による燃焼不安定は発生しない。

そこで、本実施の形態３のエンジンシステムでは、公知の方法を利用して空燃比（Ａ／Ｆ）を計測或いは推定し、着火時の筒内温度が所定の閾値を下回り、且つ当該空燃比が所定の空燃比よりもリーンである場合に、ＥＧＲ減量補正の実行を禁止することとする。これにより、ＥＧＲ減量補正の実行可否判断をより正確に行うことができるので、ドライバビリティの低下の少ないエンジンシステムを提供することが可能となる。

２ エンジン本体
４ 吸気マニホールド
６ 排気マニホールド
８ インジェクタ
１０ 吸気通路
１２ 排気通路
１４ コンプレッサ
１６ タービン
１８ 可変ノズル
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
５８ エアフローメータ
６０ 吸気温センサ
６２ アクセル開度センサ

Claims (7)

1. 排気通路から吸気通路へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ装置を備えたディーゼルエンジンの制御装置において、
   前記ディーゼルエンジンの燃焼状態が悪化した場合に前記ＥＧＲ装置による排気還流量を減量する減量補正を行う制御手段と、
   前記ディーゼルエンジンの着火時の筒内温度を取得する第１の取得手段と、
   前記筒内温度が所定の閾値より小さい場合に、前記減量補正の実行を制限する制限手段と、
   前記ディーゼルエンジンの着火時の筒内圧力と相関を持つ圧力相関値を取得する第２の取得手段と、
   前記圧力相関値に応じて前記閾値を設定する手段と、
   を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。
2. 排気通路から吸気通路へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ装置を備えたディーゼルエンジンの制御装置において、
   前記ディーゼルエンジンの燃焼状態が悪化した場合に前記ＥＧＲ装置による排気還流量を減量する減量補正を行う制御手段と、
   前記ディーゼルエンジンの着火時の筒内温度を取得する第１の取得手段と、
   前記筒内温度が所定の閾値より小さい場合に、前記減量補正の実行を制限する制限手段と、
   前記ディーゼルエンジンの空燃比を取得する手段と、
   前記空燃比が所定空燃比よりもリッチである場合に、前記制限手段の実行を禁止する手段と、
   を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。
3. 前記制限手段は、前記筒内温度が前記閾値より小さい場合に、前記減量補正を停止するとともに前記排気還流量を増量する増量補正を行う手段であることを特徴とする請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
4. 前記第２の取得手段は、前記ディーゼルエンジンの筒内へ吸入される空気の圧力を前記圧力相関値として取得することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
5. 前記筒内温度が閾値より小さい場合に、燃料噴射時期を進角側へ変更する手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載のディーゼルエンジンの制御装置。
6. 前記筒内温度が閾値より小さい場合に、パイロット噴射の噴射量を増量する手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載のディーゼルエンジンの制御装置。
7. 前記制御手段は、前記ディーゼルエンジンの回転数の時間変動率を取得する手段を含み、前記時間変動率が所定の変動率よりも大きい場合に前記ＥＧＲ装置による排気還流量を減量することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載のディーゼルエンジンの制御装置。

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