(57)【要約】【課題】実験値やエンジンの吸排気の脈動による誤差を排除して、ＥＧＲガス流量の予測精度を向上するＥＧＲガス流量の予測方法及びエンジンを提供する。【解決手段】ＥＧＲガス流量ｍｅｇｒの予測方法は、パラメータを取得するステップと、ＥＧＲバルブ２４の開度Ｘｅｇｒ及び圧力比Ｐ２／Ｐ１に基づいて予測値ｍ１を算出するステップと、エンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑｅに基づいて補正係数αを算出するステップと、予測値ｍ１に補正係数αを乗算して、ＥＧＲガス流量ｍｅｇｒを算出するステップと、を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともＥＧＲバルブを有してなる流量調節装置により調節されたＥＧＲガス流量を予測する方法であって、
前記ＥＧＲバルブの開度、その前後の圧力比、エンジンのエンジン回転数、及び燃料噴射量を少なくとも含むパラメータを取得するステップと、
前記パラメータの開度及び圧力比に基づいて予測値を算出するステップと、
前記パラメータのエンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて補正係数を算出するステップと、
前記予測値に前記補正係数を乗算して、前記流量調節装置により調節されたＥＧＲガス流量を算出するステップと、を含むことを特徴とするＥＧＲガス流量の予測方法。
【請求項２】
前記補正係数を算出するステップは、前記パラメータのエンジン回転数及び燃料噴射量に対して、実測した実ＥＧＲガス流量と前記予測値との差分をゼロにする値が設定された補正係数マップデータを参照して、その値を前記補正係数として算出するステップである請求項１に記載のＥＧＲガス流量の予測方法。
【請求項３】
ＥＧＲ通路に少なくともＥＧＲバルブを有してなる流量調節装置を備えるエンジンにおいて、
前記ＥＧＲバルブの開度及びその前後の圧力比に基づいて算出された予測値に、当該エンジンのエンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて設定された補正係数を乗算して算出されたＥＧＲガス流量に応じて、前記ＥＧＲバルブを調節する制御を行う制御装置を備えたことを特徴とするエンジン。
【請求項４】
前記補正係数が、実測した実ＥＧＲガス流量と、前記予測値との差分をゼロにする値に設定された請求項３に記載のエンジン。
【請求項５】
前記流量調節装置が、前記ＥＧＲバルブに加えて、ＥＧＲガスの逆流を防止するリード弁を有してなる請求項３又は４に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＥＧＲガス流量の予測方法及びエンジンに関し、より詳細には、ＥＧＲガス流量の予測精度を向上するＥＧＲガス流量の予測方法及びエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
排気通路に排出された排気ガスをＥＧＲガスとして吸気通路に還流するＥＧＲシステムを備えたエンジンが提案されている。このエンジンにおいては、エンジンからのＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量を効率よく減少するための制御を行う際などにおいて、気筒内に流入させるＥＧＲガス流量を最適化している。このようにＥＧＲガス流量を最適化するためには、ＥＧＲバルブによって調節されるＥＧＲガス流量を予測することが不可欠となっている。
【０００３】
これに関して、吸気通路や排気通路を流れる流体の脈動によって、ＥＧＲガス流量の予測精度が低下するという問題があった（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−０２４１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、実験値から作成したマップによる誤差やエンジンの吸排気の脈動による誤差を排除して、ＥＧＲガス流量の予測精度を向上することができるＥＧＲガス流量の予測方法及びエンジンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成する本発明のＥＧＲガス流量の予測方法は、少なくともＥＧＲバルブを有してなる流量調節装置により調節されたＥＧＲガス流量を予測する方法であって、前記ＥＧＲバルブの開度、その前後の圧力比、エンジンのエンジン回転数、及び燃料噴射量を少なくとも含むパラメータを取得するステップと、前記パラメータの開度及び圧力比に基づいて予測値を算出するステップと、前記パラメータのエンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて補正係数を算出するステップと、前記予測値に前記補正係数を乗算して、前記流量調節装置により調節されたＥＧＲガス流量を算出するステップと、を含むことを特徴とする方法である。
【０００７】
また、上記の目的を達成する本発明のエンジンは、ＥＧＲ通路に少なくともＥＧＲバルブを有してなる流量調節装置を備えるエンジンにおいて、前記ＥＧＲバルブの開度及びその前後の圧力比に基づいて算出された予測値に、当該エンジンのエンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて設定された補正係数を乗算して算出されたＥＧＲガス流量に応じて、前記ＥＧＲバルブを調節する制御を行う制御装置を備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
ここでいうＥＧＲガス流量とは、ＥＧＲ通路を通過後の流量調節装置によって調節されたＥＧＲガスの流量のことである。このＥＧＲガス流量としては、質量流量（体積流量と密度との積）や体積流量を例示できる。
【０００９】
また、流量調節装置は、ＥＧＲ通路の内部を流れるＥＧＲガスの流量を調節する機能や、その機能に加えて、ＥＧＲガスの逆流を防止する機能を有したものである。具体的に、この流量調節装置としては、開度を調節自在のＥＧＲバルブのみを有したものを例示でき、そのＥＧＲバルブに加えて、ＥＧＲガスの逆流を防止するリード弁を有したものも例示できる。
【００１０】
また、予測値とは、ＥＧＲバルブの開度及びその前後の圧力比に基づいて算出されるＥＧＲガスの流量のことである。この予測値としては、ＥＧＲバルブの開度及びその前後の圧力比に基づいたＥＧＲバルブの有効断面積を用いたＥＧＲバルブを通過する等エントロピー流の関係式により算出される値を例示できる。
【００１１】
なお、ＥＧＲバルブを通過する等エントロピー流の関係式は、以下の数式（１）で表される。ここで、式中のｍ１を予測値、Ａｅを有効断面積、Ｐ１を流量調節装置の上流側の圧力、Ｐ２を流量調節装置の下流側の圧力、Ｔ１を流量調節装置の上流側のＥＧＲガスの温度、ｋを比熱比とする。また、有効断面積Ａｅは、ＥＧＲバルブの開度及びその前後の圧力比Ｐ２／Ｐ１に基づくものとする。
【数１】
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【００１２】
また、補正係数とは、予め実験や試験によりエンジンの吸排気の脈動による流量の変化も合わせて実ＥＧＲガス流量を実測し、そのときの予測値とその実ＥＧＲガス流量との差分に基づいて設定される。より詳しくは、この補正係数は、エンジン回転数及び燃料噴射量に対して、実測した実ＥＧＲガス流量と予測値との差分をゼロにする値が設定された補正係数マップデータを用いて算出される。
【発明の効果】
【００１３】
上記のＥＧＲガス流量の予測方法によれば、予測された予測値に、エンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて実測した実ＥＧＲガス流量と予測値との差分をゼロにする値に設定された補正係数を用いることで、予測値を算出する際に用いられる実験値から作成したマップによる誤差やエンジンの吸排気の脈動による誤差を排除することができる。これにより、ＥＧＲガス流量の予測精度を向上することができる。
【００１４】
このように、ＥＧＲガス流量を高精度に予測することで、上記のエンジンにおいては、エンジンの運転状態に応じた適切なＥＧＲガスを還流させることができるので、気筒から排出されるＮＯｘの排出量を低減できると共に、燃費を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態からなるエンジンの構成図である。
【図２】ＥＧＲバルブの開度及びその前後の圧力比に基づいた有効断面積が設定された有効断面積マップデータである。
【図３】エンジン回転数及び燃料噴射量に基づいた補正係数が設定された補正係数マップデータである。
【図４】本発明の実施形態からなるＥＧＲガス流量の予測方法を例示するフロー図である。
【図５】実測したＥＧＲガス流量と予測したＥＧＲガス流量との関係を例示した相関図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明のエンジン１０の実施形態の構成を例示している。このエンジン１０は、ＥＧＲ通路２２に流量調節装置としてＥＧＲバルブ２４とリード弁２５とを備え、エンジン１０の排気ガスＧ１中のＮＯｘの排出量等を制御する際に、このＥＧＲバルブ２４に調節されたＥＧＲガス流量ｍｅｇｒを予測するものである。
【００１７】
なお、以下の実施形態では、ターボチャージャ１２のコンプレッサ１２ａの下流にＥＧＲガスＧ２を還流するハイプレッシャーＥＧＲシステムを例に説明するが、コンプレッサ１２ａの上流にＥＧＲガスＧ２を還流するロープレッシャーＥＧＲシステムでもよい。
【００１８】
また、ＥＧＲガス流量ｍｅｇｒは、質量流量を例に説明するが、この質量流量から密度を除算した体積流量としてもよい。
【００１９】
エンジン１０においては、吸気通路１１へ吸入された吸気Ａ１が、ターボチャージャ１２のコンプレッサ１２ａにより圧縮されて高温になり、インタークーラ１３で冷却される。その後、この吸気Ａ１は、インテークマニホールド１４からエンジン本体１５の気筒１６に供給される。気筒１６に供給された吸気Ａ１は、燃料噴射弁１７から噴射された燃料と混合されて燃焼して熱エネルギーを発生させた後に、排気ガスＧ１となる。
【００２０】
このときに発生した熱エネルギーが、クランクシャフト１８を回転させ、その回転動力が、図示しない動力伝達機構により駆動輪に伝達される。
【００２１】
そして、その排気ガスＧ１は、エキゾーストマニホールド１９を経由して排気通路２０へ排気される。この排気された排気ガスＧ１は、ターボチャージャ１２のタービン１２ｂを駆動した後に排気ガス浄化装置２１で浄化されてから大気中へ放出される。
【００２２】
また、排気ガスＧ１の一部は、排気通路２０からＥＧＲ通路２２へ分岐し、ＥＧＲクーラー２３で冷却された後に、ＥＧＲバルブ２４により流量を調節されてＥＧＲガスＧ２として吸気通路１１に還流される。なお、ＥＧＲガスＧ２は、リード弁２５により逆流が防止される。
【００２３】
このようなエンジン１０において、ＥＧＲバルブ２４の開度Ｘｅｇｒ及びその前後の圧力比Ｐ２／Ｐ１に基づいて算出された予測値ｍ１に、エンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑｅに基づいて設定された補正係数αを乗算して算出されたＥＧＲガス流量ｍｅｇｒに応じて、ＥＧＲバルブ２４を調節する制御を行う制御装置３０を備えて構成される。
【００２４】
制御装置３０は、各種処理を行うＣＰＵ、その各種処理を行うために用いられるプログラムが一時的に格納されるＲＯＭ、処理結果を読み書き可能なＲＡＭ、及び各種インターフェースなどから構成される。
【００２５】
この制御装置３０は、信号線を介して第一圧力センサ３１、第二圧力センサ３２、温度センサ３３、回転数センサ３５、アクセル開度センサ３６、及びＮＯｘセンサ３７などの各種センサに接続される。また、この制御装置３０は、信号線を介して燃料噴射弁１７、及びＥＧＲバルブ２４に接続される。
【００２６】
制御装置３０は、複数の実行プログラムがＲＡＭに記憶されており、これらの実行プログラムがＣＰＵによりＲＡＭからＲＯＭに読み出されることで、それぞれ予め指定された
処理を行う。この実行プログラムとしては、回転数センサ３５、アクセル開度センサ３６、及びＮＯｘセンサ３７のそれぞれの検出値に基づいてエンジン１０の運転状態や運転者の要求を取得し、それに基づいて燃料噴射弁１７及びＥＧＲバルブ２４を調節するプログラムを例示できる。また、この実行プログラムとしては、ＥＧＲバルブ２４に調節されたＥＧＲガス流量ｍｅｇｒを予測するプログラムであるＥＧＲガス流量モデルを例示できる。
【００２７】
第一圧力センサ３１は、流量調節装置へ流入するＥＧＲガスＧ２の圧力、つまり、ＥＧＲバルブ２４に流入する圧力を検出するセンサである。この第一圧力センサ３１は、エキゾーストマニホールド１９に配置されているが、ＥＧＲバルブ２４の上流に配置されていればよく、ＥＧＲクーラー２３とＥＧＲバルブ２４との間に介在してもよい。
【００２８】
第二圧力センサ３２は、流量調節装置から流出するＥＧＲガスＧ２の圧力、つまり、リード弁２５から流出するＥＧＲガスＧ２の圧力を検出するセンサである。この第二圧力センサ３２は、インテークマニホールド１４に配置されているが、リード弁２５の下流に配置されていればよい。
【００２９】
温度センサ３３は、流量調節装置へ流入するＥＧＲガスＧ２の温度、つまりＥＧＲバルブ２４へ流入するＥＧＲガスＧ２の温度を検出するセンサである。この温度センサ３３は、ＥＧＲバルブ２４の上流で、且つＥＧＲクーラー２３の下流に配置されていればよい。
【００３０】
ＥＧＲガス流量モデルは、ＥＧＲバルブ２４の開度Ｘｅｇｒ及びその前後の圧力比Ｐ２／Ｐ１に基づいて算出された予測値ｍ１に、エンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑｅに基づいて設定された補正係数αを乗算してＥＧＲガス流量ｍｅｇｒを算出する実行プログラムである。このＥＧＲガス流量モデルは、エンジン１０が運転中に、所定の時間毎、あるいは、エンジン１０の燃焼サイクル毎に実行される。
【００３１】
予測値ｍ１は、ＥＧＲバルブ２４を通過する等エントロピー流の関係式から算出される。このＥＧＲバルブ２４を通過する等エントロピー流の関係式は、以下の数式（１）に表される。ここで、式中のｍ１を予測値、Ａｅを有効断面積、Ｐ１を流量調節装置の上流側の圧力、Ｐ２を流量調節装置の下流側の圧力、Ｔ１を流量調節装置の上流側のＥＧＲガスの温度、ｋを比熱比とする。
【数１】
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【００３２】
有効断面積Ａｅは、ＥＧＲガス流量ｍｅｇｒを目標値にするためのＥＧＲバルブ２４の開度を調節する制御によって変化する静的なパラメータに基づく有効断面積である。より詳しくは、この有効断面積Ａｅは、ＥＧＲバルブ２４の開度Ｘｅｇｒ及びその前後の圧力比Ｐ２／Ｐ１に基づいた有効断面積である。
【００３３】
この有効断面積Ａｅは、図２に示す有効断面積マップデータＭ１により算出される。この有効断面積マップデータＭ１は、互いに直交する三本の数直線で構成される３次元の座標における、ｘ軸をＥＧＲバルブ２４の前後の圧力比Ｐ２／Ｐ１に、ｙ軸をＥＧＲバルブ
２４の開度Ｘｅｇｒに、ｚ軸を有効断面積Ａｅに設定した三次元のマップデータである。この有効断面積マップデータＭ１は、予め実験や試験により作成され、制御装置３０のＲＡＭに記憶され、適宜読み出される。
【００３４】
補正係数αは、図３に示す補正係数マップデータＭ２により算出される。この補正係数マップデータＭ２は、互いに直交する三本の数直線で構成される３次元の座標における、ｘ軸をエンジン１０の燃料噴射量Ｑｅに、ｙ軸をエンジン回転数Ｎｅに、ｚ軸を補正係数αに設定した三次元のマップデータである。この補正係数マップデータＭ２は、予め実験や試験により作成され、制御装置３０のＲＡＭに記憶され、適宜読み出される。
【００３５】
補正係数αは、エンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑｅに基づいて、エンジン１０の吸排気の脈動による流量の変化も合わせて実測した実ＥＧＲガス流量ｍａと、前述した予測値ｍ１との差分Δｍをゼロにする値に設定される。
【００３６】
なお、この補正係数マップデータＭ２は以下の手順で作成される。予め実験や試験により、エンジン１０の運転状況を変化させて、そのときの実ＥＧＲガス流量ｍａが実測される。また、そのときの入口圧力Ｐ１、出口圧力Ｐ２、温度Ｔ１が実測される。加えて、ＥＧＲバルブ２４の開度Ｘｅｇｒ及び圧力比Ｐ２／Ｐ１と、エンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑｅも実測される。
【００３７】
実測した値を上記の数式（１）に代入すると、予測値ｍ１が求められる。この予測値ｍ１と、実ＥＧＲガス流量ｍａとを比較して、差分Δｍを算出する。そして、このときのエンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑｅとの関係から、図３に示した補正係数マップデータＭ２が作成される。
【００３８】
以下、このエンジン１０におけるＥＧＲガス流量ｍｅｇｒの予測方法を、図４のフロー図を参照しながら制御装置３０の機能として以下に説明する。なお、この予測方法は、エンジン１０が運転中に、所定の時間毎、あるいは、エンジン１０の燃焼サイクル毎に実行される。
【００３９】
まず、ステップＳ１０では、制御装置３０が各パラメータを取得する。この各パラメータとは、ＥＧＲバルブ２４の開度Ｘｅｇｒ、入口圧力Ｐ１、出口圧力Ｐ２、温度Ｔ１、エンジン回転数Ｎｅ、及び燃料噴射量Ｑｅである。
【００４０】
次いで、ステップＳ２０では、制御装置３０が、ＥＧＲバルブ２４の開度Ｘｅｇｒ及びその前後の圧力比Ｐ２／Ｐ１と、有効断面積マップデータＭ１とを参照することで、有効断面積Ａｅを算出する。次いで、ステップＳ３０では、制御装置３０が、上記の数式（１）を用いて、予測値ｍ１を算出する。
【００４１】
次いで、ステップＳ４０では、制御装置３０が、エンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑｅと、補正係数マップデータＭ２とを参照することで、補正係数αを算出する。次いで、ステップＳ５０では、制御装置３０が、予測値ｍ１と補正係数αとを乗算して、ＥＧＲガス流量ｍｅｇｒを算出して、スタートへ戻る。そして、エンジン１０が停止するまで、ＥＧＲガス流量ｍｅｇｒを算出し続ける。
【００４２】
図５は、実測したＥＧＲガス流量ｍｅｇｒと、実施形態の予測方法で算出されたＥＧＲガス流量ｍｅｇｒとの関係を例示している。このように、実測したＥＧＲガス流量ｍｅｇｒと、上記の実施形態の予測方法で算出されたＥＧＲガス流量ｍｅｇｒとは、略一致した値を示す。
【００４３】
以上のような制御を行うようにしたことで、予測値ｍ１を算出する際に用いられる実験値から作成したマップによる誤差やエンジン１０の吸排気の脈動による誤差を排除することができるので、ＥＧＲガス流量ｍｅｇｒの予測精度を向上することができる。
【００４４】
上記の実施形態では、流量調節装置としてＥＧＲバルブ２４とリード弁２５とを有したものを例に説明したが、流量調節装置としてＥＧＲバルブ２４のみを有したものにも適用可能である。
【００４５】
リード弁２５が無い場合でも、ＥＧＲガス流量ｍｅｇｒは、エンジン１０の吸排気の脈動の影響を受ける。そこで、ＥＧＲバルブ２４のみを有したエンジン１０の制御装置３０も上記と同様に、予め実験や試験により、予測値ｍ１と実ＥＧＲガス流量ｍａとの差分Δｍをゼロにする補正係数αを求めておく。そして、その補正係数αと予測値ｍ１とを乗算して、ＥＧＲガス流量ｍｅｇｒを算出することで、その予測精度を向上できる。
【００４６】
また、上記の実施形態では、ＥＧＲバルブ２４を通過する等エントロピー流の関係式から算出される予測値ｍ１のみを用いる構成を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、予測値が、ＥＧＲバルブ２４を通過する等エントロピー流の関係式から算出される予測値ｍ１と、エンジン１０の吸排気の脈動によるリード弁２５が汲み出す汲み出し量として算出される予測値ｍｅｇｒ２とを比較して、値の大きい方として算出されるようにしてもよい。
【００４７】
エンジン１０の吸排気の脈動による汲み出し量としては、以下の数式（２）で表される。ここで、式中のｍ２を予測値、Ｒをガス定数、Ｖｅｇｒを一気筒あたりの汲み出し体積量、Ｎｅをエンジン回転数、Ｎｃｙｌを気筒数とする。また、汲み出し体積量Ｖｅｇｒは、ＥＧＲバルブの開度及びその前後の圧力比Ｐ２／Ｐ１に基づくものとする。
【数２】
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【００４８】
汲み出し体積量Ｖｅｇｒは、エンジン１０の運転状況によって変化する動的なパラメータ、つまり、吸排気の脈動によって汲み出される体積量である。より詳しくは、この汲み出し体積量Ｖｅｇｒは、ＥＧＲバルブ２４の開度Ｘｅｇｒ及びその前後の圧力比Ｐ２／Ｐ１に基づいた３次元のマップデータから算出できる。
【００４９】
この汲み出し体積量Ｖｅｇｒを算出するマップデータは、互いに直交する三本の数直線で構成される３次元の座標における、ｘ軸をＥＧＲバルブ２４の前後の圧力比Ｐ２／Ｐ１に、ｙ軸をＥＧＲバルブ２４の開度Ｘｅｇｒに、ｚ軸を汲み出し体積量Ｖｅｇｒにそれぞれ設定した三次元のマップデータである。このマップデータは、予め実験や試験により作成され、制御装置３０のＲＡＭに記憶され、適宜読み出される。
【００５０】
予測値が、ＥＧＲバルブ２４を通過する等エントロピー流の関係式から算出される予測値ｍ１と、エンジン１０の吸排気の脈動によるリード弁２５が汲み出す汲み出し量として算出される予測値ｍ２とを比較して、値の大きい方として算出されると、予測精度の向上に有利になる。
【００５１】
更に、このように高精度にＥＧＲガス流量ｍｅｇｒを予測することが可能になることで
、制御装置３０によるＥＧＲバルブ２４の開度Ｘｅｇｒの調節はより高精度になり、適切なＥＧＲ制御を行うことができる。
【００５２】
上記のように予測値ｍ１を算出する際に用いられる実験値から作成したマップによる誤差やエンジン１０の吸排気の脈動による誤差を排除することができるので、特に、精度が低下していた低回転高負荷域でのＥＧＲモデルの予測精度が向上する。この結果、通常、ＮＯｘセンサやλセンサなどによるフィードバックによるＥＧＲバルブ２４の開度の調節が追い付けない急激な加速時に、上記の補正によるフィードフォワード制御の精度が向上し、様々な加速条件でも適切なＥＧＲ制御ができるようになる。
【符号の説明】
【００５３】
１０  エンジン
２２  ＥＧＲ通路
２４  ＥＧＲバルブ
２５  リード弁
Ｘｅｇｒ  開度
Ｐ２／Ｐ１  圧力比
ｍ１  予測値
Ｎｅ  エンジン回転数
Ｑｅ  燃料噴射量
α  補正係数
ｍｅｇｒ  ＥＧＲガス流量
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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