JP3780614B2 - Internal combustion engine having a turbocharger and an exhaust gas recirculation device - Google Patents

Internal combustion engine having a turbocharger and an exhaust gas recirculation device Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気ガスの一部を気筒内へ再循環させることにより、排気ガスの主成分である不活性ガスの有する大きな熱容量によって燃焼温度を低下させ、ＮＯx の発生量を低減する排気再循環が公知である。再循環させる排気ガス量が多いほど、ＮＯx の発生量を大幅に低減することができるが、その一方で新気が気筒内へ流入し難くなって新気量が減少するために、適当な空気過剰率を実現することができなくなる。再循環させる排気ガス量は、通常、再循環排気ガス量／気筒内のガス量（新気及び再循環排気ガス量）で示されるＥＧＲ率によって表される。空気過剰率は空燃比／理論空燃比（１４．７）であり、空燃比とは新気量／燃料噴射量である。排気再循環を実現するための排気再循環装置は、機関排気系と機関吸気系とを連通する連通路と、この連通路に配置された再循環排気ガス量を制御するためのＥＧＲ制御弁とを具備している。
【０００３】
特開平２−６１３４７号公報には、各機関運転状態において必要とされる機関出力を得るための必要燃料噴射量を決定し、この機関運転状態における必要燃料噴射量に対する目標空気過剰率を実現するために、ＥＧＲ制御弁の開度制御により再循環排気ガス量を調整して必要新気量が気筒内へ供給されるようにすることが開示されている。
【０００４】
また、実開平３−６１１２７号公報には、タービンへ提供される排気ガス圧力を可変とするための可変ノズルを具備してコンプレッサによる過給圧を制御する可変ノズル式ターボチャージャを備える内燃機関において、機関運転状態毎の目標空気過剰率を実現するために、可変ノズルの開度制御により過給圧を調整して、必要燃料噴射量に対する必要新気量が気筒内へ供給されるようにすることが開示されている。
【０００５】
排気再循環装置のＥＧＲ制御弁の開度制御及びターボチャージャの可変ノズルの開度制御は、一般的に、早期に目標空気過剰率を実現するために、実際の空気過剰率と目標空気過剰率との偏差が大きいほど開閉速度が大きくされる。内燃機関がこのような排気再循環装置とターボチャージャとを備える場合に、目標空気過剰率を実現するために前述したＥＧＲ制御弁及び可変ノズルの開度制御をそのまま実施すると、実際の空気過剰率が目標空気過剰率よりリッチである時には、新気量を増加するために、ＥＧＲ制御弁は、実際の空気過剰率と目標空気過剰率との偏差に基づく閉速度で閉側に制御されて再循環排気ガス量が減少されると共に、可変ノズルは、実際の空気過剰率と目標空気過剰率との偏差に基づく閉速度で閉側に制御されて過給圧が増加されることになる。また、実際の空気過剰率が目標空気過剰率よりリーンである時には、新気量を減少するために、ＥＧＲ制御弁は、実際の空気過剰率と目標空気過剰率との偏差に基づく開速度で開側に制御されて再循環排気ガス量が増加されると共に、可変ノズルは、実際の空気過剰率と目標空気過剰率との偏差に基づく開速度で開側に制御されて過給圧が減少されることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
可変ノズル式ターボチャージャは、タービン及びコンプレッサの比較的大きな慣性力が存在するために、可変ノズルの開度に応じた過給圧が実現されるまでに比較的大きなタイムラグが発生し、排気再循環装置においてもＥＧＲ制御弁の開度に応じた再循環排気ガス量が実現されるまでにある程度のタイムラグが発生する。それにより、前述のように排気再循環装置及び可変ノズル式ターボチャージャの両方を目標空気過剰率に向けて制御すると、実際の空気過剰率は、早期に目標空気過剰率に達するが、その後、ターボチャージャ及び排気再循環装置の応答遅れによって目標空気過剰率を越えて変化し、結果的に空気過剰率がハンチングする。それにより、目標空気過剰率を下回る時にはスモーク及びパティキュレートの発生量が増加し、目標空気過剰率を上回る時には、この時のＥＧＲ制御弁開度における再循環排気ガス量が減少するためにＮＯx の発生量が増加する。
【０００７】
従って、本発明の目的は、ターボチャージャ及び排気再循環装置を備え、機関運転状態により定まる必要燃料噴射量に対して目標空気過剰率が実現されるように、過給圧及び再循環排気ガス量を制御する内燃機関において、空気過剰率のハンチングを抑制することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載のターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関は、機関運転状態により定まる必要燃料噴射量に対して機関運転状態毎の目標空気過剰率が実現されるように、過給圧及び再循環排気ガス量を制御する内燃機関において、現在の機関運転状態における理想的な空気過剰率とＥＧＲ率との関係式を把握し、前記過給圧は現在の空気過剰率と前記目標空気過剰率との偏差に応じて制御され、前記再循環排気ガス量は現在のＥＧＲ率と前記関係式における現在の空気過剰率に対するＥＧＲ率との偏差に応じて制御されることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項２に記載のターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関は、請求項１に記載のターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関において、前記ターボチャージャは、コンプレッサの過給圧を制御するためにタービンへ提供される排気ガスの圧力を変化させる可変ノズルを具備し、前記過給圧は、前記可変ノズルによって現在の空気過剰率と前記目標空気過剰率との偏差に応じて制御されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項３に記載のターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関は、請求項１又は２に記載のターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関において、機関定常運転時に前記目標空気過剰率及び前記関係式における前記目標空気過剰率に対するＥＧＲ率が実現された場合には、前記関係式を満足するように空気過剰率及びＥＧＲ率を徐々に増加させることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による可変ノズル式ターボチャージャ及び排気再循環装置を備えた内燃機関を示す概略図である。同図において、１はディーゼル機関本体、２は機関吸気系、３は機関排気系である。機関吸気系２は、最も下流側に位置するインテークマニホルド２ａと、インテークマニホルド２ａの直上流側に位置するサージタンク２ｂと、サージタンク２ｂに接続された吸気通路２ｃとを有している。
【００１２】
機関排気系３は、最も上流側に位置するエキゾーストマニホルド３ａと、エキゾーストマニホルド３ａに接続された排気通路３ｂとを有している。吸気通路２ｃと排気通路３ｂとは、排気再循環通路４ａによって接続され、この排気再循環通路４ａには再循環排気ガス量を制御するためのＥＧＲ制御弁４ｂが設けられている。こうして、排気再循環通路４ａとＥＧＲ制御弁４ｂとによって排気再循環装置４が構成される。また、吸気通路２ｃにおける排気再循環通路４ａの接続部より上流側には、可変ノズル式ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａが配置され、排気通路３ｂの排気再循環通路４ａの接続部より下流側には、可変ノズル式ターボチャージャ５のタービン５ｂが配置されている。この可変ノズル式ターボチャージャ５は、タービンへ流入する排気ガスの圧力を制御するための可変ノズルを有している。
【００１３】
６は各気筒毎の燃焼室内へ燃料を噴射するための燃料噴射弁である。２０は、燃料噴射弁６における燃料噴射量制御、排気再循環装置４のＥＧＲ制御弁４ｂの開度制御、及び可変ノズル式ターボチャージャ５の可変ノズルの開度制御を担当する制御装置である。この制御装置２０には、機関回転数を検出するための回転センサ２１、アクセルペダルの踏み込み量を検出するためのアクセルペダルストロークセンサ２２、新気量を検出するためのエアフローメータ２３、排気通路３ｂに配置され排気ガス中の酸素濃度に基づき混合気空燃比を検出するための空燃比センサ２４、サージタンク２ｂ内のガス圧力を検出するための圧力センサ２５、及びサージタンク２ｂ内のガス温度を検出するための温度センサ２６等が接続されている。
【００１４】
制御装置２０による前述の制御は、図２に示すフローチャートに従って実施される。まず、ステップ１０１において、回転センサ２１及びアクセルペダルストロークセンサ２２によって現在の機関回転数ＮＥ及び現在の機関負荷としてのアクセルペダルの踏み込み量Ｌが検出される。次に、ステップ１０２において、機関回転数ＮＥ及び機関負荷Ｌとに基づき必要燃料噴射量Ｑが決定される。この決定には図示せぬマップ等が使用され、機関回転数ＮＥ及び機関負荷Ｌが高いほど必要燃料噴射量Ｑは多く決定される。
【００１５】
次に、ステップ１０３において、エアフローメータ２３により検出される新気重量ＧＮと燃料噴射量Ｑとによって現在の空気過剰率λｎ（新気重量／必要燃料噴射量／１４．７）が算出される。新気重量ＧＮ／燃料噴射量Ｑは現在の空燃比であり、この空燃比は空燃比センサ２４によって検出するようにしても良い。
【００１６】
次に、ステップ１０４において、圧力センサ２５及び温度センサ２６とによってサージタンク２ｂ内、すなわち、機関吸気系２における排気再循環通路４ａの接続部より下流側のガス圧力Ｐ及びガス温度Ｔが検出され、次式（１）によって再循環排気ガス重量ＧＥＧＲが算出され、次式（２）によって現在のＥＧＲ率γｎが算出される。ここで、圧力及温度が検出されるガスは、新気と再循環排気ガスとの混合ガスである。
ＧＥＧＲ＝ｆ（Ｐ／Ｔ）−ＧＮ （１）
γｎ＝ＧＥＧＲ／（ＧＮ＋ＧＥＧＲ） （２）
【００１７】
次に、ステップ１０５において、今回の機関負荷Ｌと前回の機関負荷Ｌ’とがほぼ等しいか否かが判断される。この判断が否定される時、すなわち、アクセルペダルの踏み込み量が変化した時には、ステップ１０６において、機関回転数ＮＥ及び機関負荷Ｌに基づく現在の機関運転状態に適した最適空気過剰率λｔが決定される。このマップにおいて、最適空気過剰率λｔは、全体的に機関負荷Ｌが高いほど小さく、すなわち、リッチ側となるように設定されている。
【００１８】
各機関運転状態毎に、スモーク及びパティキュレートをあまり発生させない最適な空気過剰率と、ＮＯx をあまり発生させない最適なＥＧＲ率との組み合わせが存在する。次に、ステップ１０７に進み、現在の機関運転状態に適したこの最適ＥＧＲ率γｓが図示せぬマップ等を使用して決定される。図３は、最適な空気過剰率とＥＧＲ率との関係を示すマップである。同図において、ｐは特定機関運転状態における最適な空気過剰率λｔと最適なＥＧＲ率γｓとの組み合わせを示す点である。λａは、この特定機関運転状態において、最適な空気過剰率λｔと最適なＥＧＲ率γｓとの組み合わせが実現された場合と同じＮＯx 発生量となる排気ガス再循環を停止した時の空気過剰率であり、λｂは、この特定機関運転状態において、最適な空気過剰率λｔと最適なＥＧＲ率γｓとの組み合わせが実現された場合と同じパティキュレート発生量となる排気ガス再循環を停止した時の空気過剰率である。λｃは、λａとλｂの中心点であり、すなわち、λｃ＝（λａ＋λｂ）／２によって算出される値である。
【００１９】
機関過渡状態を介してこの特定機関運転状態となる時には、前述した点ｐと、空気過剰率λｃ及びＥＧＲ率０％の点ｑとを通る直線Ｍ上に機関過渡運転時における空気過剰率とＥＧＲ率を存在させれば、パティキュレート及びＮＯx の両方の発生量を許容範囲内に抑え、良好な排気エミッションを実現することが可能となる。本フローチャートでは、ステップ１０８において、現在の機関運転状態に対応する直線Ｍを算出する。
【００２０】
次に、ステップ１０９において、詳しくは後述される第１フラグＦ１は０とされ、ステップ１１０において、現在の空気過剰率λｎに対して直線Ｍの関係を満たすＥＧＲ率γｔを算出する。次に、ステップ１１１において、現在の機関運転状態における最適空気過剰率λｔを目標値として現在の空気過剰率λｎとの偏差Δλを算出し、ステップ１１２において、この偏差Δλに基づき図示せぬマップ等によって開閉速度が決定され可変ノズル式ターボチャージャ５の可変ノズルの開度制御が実施される。この開閉速度は、例えば、単位時間当たりの開閉度（％／ｓ）である。この開閉速度は、偏差Δλが正値である場合、すなわち、現在の空気過剰率λｎが目標空気過剰率λｔより小さい（リッチ）場合には、閉速度となり、偏差Δλの絶対値が大きいほど早い閉速度が設定される。また、偏差Δλが負値である場合、すなわち、現在の空気過剰率λｎが目標空気過剰率λｔより大きい（リーン）場合には、開速度となり、偏差Δλの絶対値が大きいほど早い開速度が設定される。
【００２１】
次に、ステップ１１３において、現在の空気過剰率λｎに対して直線Ｍの関係を満たすＥＧＲ率γｔを目標値として現在のＥＧＲ率γｎとの偏差Δγを算出し、ステップ１１４において、この偏差Δγに基づき図示せぬマップ等によって開閉速度が決定され排気再循環装置４のＥＧＲ制御弁４ｂの開度制御が実施される。この開閉速度は、例えば、単位時間当たりの開閉度（％／ｓ）である。この開閉速度は、偏差Δγが正値である場合、すなわち、現在のＥＧＲ率γｎが目標ＥＧＲ率γｔより小さい場合には、開速度となり、偏差Δγの絶対値が大きいほど早い開速度が設定される。また、偏差Δγが負値である場合、すなわち、現在のＥＧＲ率γｎが目標ＥＧＲ率γｔより大きい場合には、閉速度となり、偏差Δγの絶対値が大きいほど早い閉速度が設定される。
【００２２】
次に、ステップ１１５において第１フラグＦ１が０であるか否かが判断される。機関過渡状態の時には、ステップ１０６でこの第１フラグＦ１は０とされているために、この判断は肯定されてステップ１１６に進み、今回の機関負荷Ｌを前回の機関負荷Ｌ’として記憶して終了する。次回の処理において、アクセルペダルの踏み込み量に変化がない場合には、ステップ１０５における判断が肯定されてステップ１１７に進み、現在の空気過剰率λｎが前回のステップ１０６で決定された目標空気過剰率λｔとほぼ等しいか否かが判断される。この判断が肯定される時にはステップ１１８に進み、現在のＥＧＲ率γｎが前回のステップ１１０で決定された目標ＥＧＲ率γｔとほぼ等しいか否かが判断される。いずれかの判断が否定される時、すなわち、目標空気過剰率λｔ及びこの目標空気過剰率λｔに対する最適なＥＧＲ率γｓが実現されていない時には、これらが実現されるまでステップ１０９以降の処理が実施される。
【００２３】
このような可変ノズル及びＥＧＲ制御弁の開閉制御に関して、例えば、図３において機関運転状態が変化して最適な空気過剰率とＥＧＲ率との組み合わせが点ｕから点ｐへ変化する場合について従来と比較して説明する。従来では、このような場合において、空気過剰率だけに注目し、現在の空気過剰率λｎが目標空気過剰率λｔに達するまで、両者の偏差に応じた閉速度でＥＧＲ制御弁を閉側に制御して再循環排気ガス量を減少させると共に、この偏差に応じた閉速度で可変ノズルを閉側に制御して過給圧を高めていた。このような制御では、目標空気過剰率λｔが達成された時にＥＧＲ制御弁及び可変ノズルの開度変化が中止されるが、二点鎖線で示すように、可変ノズル式ターボチャージャ及び排気再循環装置の応答遅れによって、実際の再循環排気ガス量は減少すると共に実際の新気量は増加するために、空気過剰率が目標空気過剰率λｔを越えて増加し、ＥＧＲ制御弁及び可変ノズルは開側に制御される。
【００２４】
しかしながら、両者の応答遅れによって空気過剰率は再び目標値を越えて下回り、このようにして空気過剰率がハンチングする。このようなハンチングが発生すると、空気過剰率が、目標空気過剰率を下回る時にはスモーク及びパティキュレートの発生量が増加し、目標空気過剰率を上回る時には、この時のＥＧＲ制御弁開度における再循環排気ガス量が減少するためにＮＯx の発生量が増加する。
【００２５】
しかしながら、本フローチャートの制御によれば、可変ノズルは、目標空気過剰率λｔと現在の空気過剰率λｎとの偏差に応じた閉速度で閉側に制御されるが、ＥＧＲ制御弁は、現在の空気過剰率λｎに対する最適なＥＧＲ率γｔを目標値として現在のＥＧＲ率γｎとの偏差に応じた閉速度で閉側に制御される。このようにして実際の空気過剰率λｎが増加すると、それに伴って直線Ｍ上の目標ＥＧＲ率γｔも大きくなり、遂には、点線で示すように、目標空気過剰率λｔが実現される以前に、目標ＥＧＲ率γｔが実際のＥＧＲ率γｎを上回り、ＥＧＲ制御弁は開弁されるようになる。
【００２６】
それにより、目標空気過剰率λｔが実現された時に、可変ノズル式ターボチャージャの応答遅れによってさらに過給圧が増加するが、この時、再循環排気ガス量は、排気再循環装置の応答遅れによって増加傾向にあり、従来のように、いずれも新気量が増加する方向に応答遅れが発生し、空気過剰率が目標値を大幅に越えてハンチングすることはない。また、このように、目標空気過剰率が実現される直前に再循環排気ガス量が増加されると、同じ過給圧でも気筒内へ新気が入り難くなるために、それによっても可変ノズル式ターボチャージャの応答遅れによる空気過剰率のハンチングが抑制される。本フローチャートは、ＥＧＲ率が現在の空気過剰率に対する最適なＥＧＲ率に向けて制御されるために、従来に比較してＮＯx 発生量を低減することができる。
【００２７】
アクセルペダルの踏み込み量に変化がなく、目標空気過剰率λｔ及び目標ＥＧＲ率γｔ（γｓ）が実現された際には、ステップ１１９に進み、詳しくは後述される第２フラグＦ２が０であるか否かが判断される。当初、この判断は肯定されてステップ１２０に進み、第１フラグＦ１は１とされる。次に、ステップ１２１において、現在の機関運転状態における目標空気過剰率λｔには１より大きな係数ａが乗算され、さらに大きな（さらにリーン側の）新たな目標空気過剰率λｔが算出され、ステップ１２２において、この新たな目標空気過剰率λｔに対して直線Ｍの関係を満たす目標ＥＧＲ率γｔが算出される。次に、ステップ１０９及び１１０における処理を行うことなくステップ１１１以降の処理が実施され、可変ノズル及びＥＧＲ制御弁は、新たな目標空気過剰率λｔ及び目標ＥＧＲ率γｔに向けて制御される。
【００２８】
この時、第１フラグＦ１は１とされているために、ステップ１１５における判断が否定されてステップ１２３に進む。ステップ１２３では、新たな目標空気過剰率λｔ及び目標ＥＧＲ率γｔに向けて可変ノズル及びＥＧＲ制御弁が制御された後の空気過剰率λｎ’がステップ１０３と同様に算出され、ステップ１２４では、新たな目標空気過剰率λｔ及び目標ＥＧＲ率γｔに向けて可変ノズル及びＥＧＲ制御弁が制御された後のＥＧＲ率γｎ’がステップ１０４と同様に算出される。次に、ステップ１２５において、この空気過剰率λｎ’がステップ１０３において算出された空気過剰率、すなわち、新たな目標空気過剰率λｔ及び目標ＥＧＲ率γｔに向けて可変ノズル及びＥＧＲ制御弁が制御される以前の空気過剰率λｎより大きいか否かが判断される。この判断が肯定される時には、ステップ１２６において、ステップ１２４において算出されたＥＧＲ率γｎ’がステップ１０４において算出されたＥＧＲ率、すなわち、新たな目標空気過剰率λｔ及び目標ＥＧＲ率γｔに向けて可変ノズル及びＥＧＲ制御弁が制御される以前のＥＧＲ率より大きいか否かが判断される。
【００２９】
いずれの判断も肯定される時、すなわち、可変ノズル式ターボチャージャにより空気過剰率を向上させることができると共に排気再循環装置によりＥＧＲ率を向上させることができる場合には、ステップ１２７において第２フラグＦ２は０とされる。一方、いずれかの判断が否定される時、すなわち、可変ノズルの開度を小さくしても空気過剰率を向上させることができなくなった場合、又は、ＥＧＲ制御弁の開度を大きくしてもＥＧＲ率を向上させることができなくなった場合には、ステップ１２８において第２フラグＦ２は１とされる。
【００３０】
このようにして第２フラグＦ２が１とされると、ステップ１１９における判断が否定され、目標空気過剰率λｔ及び目標ＥＧＲ率γｔを大きくすることは中止される。このように、本フローチャートでは、アクセルペダルの踏み込み量が変化しない機関定常時に、当初の目標空気過剰率及び目標ＥＧＲ率が実現された際には、空気過剰率及びＥＧＲ率を、可変ノズル式ターボチャージャ及び排気再循環装置によっていずれかの増加限界となるまで、算出された直線Ｍの関係を満たすように徐々に増加するようになっている。こうして、可能な限り空気過剰率及びＥＧＲ率が向上されるために、パティキュレートの発生量及びＮＯx の発生量を限界まで低減することができる。
【００３１】
前述の実施形態は、空気過剰率を増加させる場合について説明したが、空気過剰率を減少させる場合においても、同様に、目標空気過剰率が実現される時において、ターボチャージャの応答遅れによる新気量増減方向と、排気再循環装置の応答遅れにより新気量増減方向とが互いに相反するために、空気過剰率のハンチングを抑制することができる。最後に、本実施形態において、空気過剰率を変化させるための過給圧制御に可変ノズル式ターボチャージャを使用したが、これは本発明を限定するものではなく、一般的なウエストゲート通路を有するターボチャージャを使用して、ウエストゲート通路を通過させる排気ガス量を調節するようにしても良い。
【００３２】
【発明の効果】
このように、本発明によるターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関によれば、機関運転状態により定まる必要燃料噴射量に対して機関運転状態毎の目標空気過剰率が実現されるように、過給圧及び再循環排気ガス量を制御する内燃機関において、現在の機関運転状態における理想的な空気過剰率とＥＧＲ率との関係式を把握し、過給圧は現在の空気過剰率と目標空気過剰率との偏差に応じて制御され、再循環排気ガス量は現在のＥＧＲ率と把握した関係式における現在の空気過剰率に対するＥＧＲ率との偏差に応じて制御されるために、目標空気過剰率が実現される時のターボチャージャの応答遅れに伴う新気量増減方向と、排気再循環装置の応答遅れに伴う新気量増減方向とが互いに相反し、目標空気過剰率に向かいターボチャージャ及び排気再循環装置の両方を制御するために両者の応答遅れが新気量増加又は減少方向で一致する従来と比較して、空気過剰率のハンチングを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による可変ノズル式ターボチャージャ及び排気再循環装置を備えた内燃機関の概略図である。
【図２】燃料噴射量制御、排気再循環装置のＥＧＲ制御弁の開度制御、及び可変ノズル式ターボチャージャの可変ノズルの開度制御のためのフローチャートである。
【図３】空気過剰率とＥＧＲ率との関係を示すマップである。
【符号の説明】
１…ディーゼル機関本体
２…機関吸気系
３…機関排気系
４…排気再循環装置
４ａ…排気再循環通路
４ｂ…ＥＧＲ制御弁
５…可変ノズル式ターボチャージャ
５ａ…コンプレッサ
５ｂ…タービン
５ｃ…可変ノズル
２０…制御装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal combustion engine including a turbocharger and an exhaust gas recirculation device.
[0002]
[Prior art]
By recirculating a portion of exhaust gas into the cylinders, the large heat capacity possessed by the inert gas is a main component of the exhaust gas lowers the combustion temperature, in known exhaust gas recirculation to reduce the generation amount of the NO x is there. As the amount of exhaust gas to be recirculated increases, the amount of NO x generated can be significantly reduced. On the other hand, the amount of fresh air is reduced because it becomes difficult for fresh air to flow into the cylinder. The excess air ratio cannot be realized. The amount of exhaust gas to be recirculated is usually represented by an EGR rate represented by the amount of recirculated exhaust gas / the amount of gas in the cylinder (fresh air and recirculated exhaust gas amount). The excess air ratio is air / fuel ratio / theoretical air / fuel ratio (14.7), and the air / fuel ratio is fresh air amount / fuel injection amount. An exhaust gas recirculation device for realizing exhaust gas recirculation includes a communication path that connects an engine exhaust system and an engine intake system, and an EGR control valve that controls the amount of recirculated exhaust gas disposed in the communication path. It has.
[0003]
In Japanese Patent Laid-Open No. 2-61347, a required fuel injection amount for obtaining an engine output required in each engine operating state is determined, and a target excess air ratio with respect to the required fuel injection amount in the engine operating state is realized. Therefore, it is disclosed that the recirculated exhaust gas amount is adjusted by controlling the opening degree of the EGR control valve so that the necessary fresh air amount is supplied into the cylinder.
[0004]
Japanese Utility Model Laid-Open No. 3-61127 discloses an internal combustion engine having a variable nozzle type turbocharger that has a variable nozzle for changing the exhaust gas pressure provided to a turbine and controls a supercharging pressure by a compressor. In order to realize the target excess air ratio for each engine operating state, the supercharging pressure is adjusted by controlling the opening degree of the variable nozzle so that the required fresh air amount with respect to the required fuel injection amount is supplied into the cylinder. It is disclosed.
[0005]
In general, the opening control of the EGR control valve of the exhaust gas recirculation apparatus and the opening control of the variable nozzle of the turbocharger are performed in order to realize the target excess air ratio at an early stage. The larger the deviation, the greater the opening / closing speed. When the internal combustion engine includes such an exhaust gas recirculation device and a turbocharger, if the above-described EGR control valve and variable nozzle opening control are performed as they are in order to realize the target excess air ratio, the actual excess air ratio Is richer than the target excess air ratio, the EGR control valve is controlled to close at a closing speed based on the deviation between the actual excess air ratio and the target excess air ratio to increase the fresh air volume. As the circulating exhaust gas amount is reduced, the variable nozzle is controlled to close at a closing speed based on the deviation between the actual excess air ratio and the target excess air ratio, and the supercharging pressure is increased. Further, when the actual excess air ratio is leaner than the target excess air ratio, the EGR control valve has an opening speed based on the deviation between the actual excess air ratio and the target excess air ratio in order to reduce the amount of fresh air. The recirculated exhaust gas amount is increased by being controlled to the open side, and the variable nozzle is controlled to the open side based on the deviation between the actual excess air ratio and the target excess air ratio to reduce the supercharging pressure. Will be.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Since variable nozzle turbochargers have a relatively large inertial force of the turbine and compressor, a relatively large time lag occurs before the supercharging pressure corresponding to the opening of the variable nozzle is realized, and exhaust gas recirculation Even in the apparatus, a certain time lag occurs until a recirculated exhaust gas amount corresponding to the opening degree of the EGR control valve is realized. As a result, when both the exhaust gas recirculation device and the variable nozzle type turbocharger are controlled toward the target excess air ratio as described above, the actual excess air ratio reaches the target excess air ratio at an early stage. Due to the response delay of the charger and the exhaust gas recirculation device, the excess air ratio changes beyond the target excess air ratio. As a result, the excess air ratio hunts. Thereby, when below the target excess air ratio is increased amount of smoke generated and particulates, when exceeding the target excess air ratio, NO x to the recirculation exhaust gas amount of the EGR control valve opening at this time is reduced The amount of generation increases.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a turbocharger and an exhaust gas recirculation device, so that the target excess air ratio is realized with respect to the required fuel injection amount determined by the engine operating state, and the boost pressure and the recirculated exhaust gas amount In an internal combustion engine that controls the hunting, excess air ratio hunting is suppressed.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
An internal combustion engine comprising the turbocharger and the exhaust gas recirculation device according to claim 1 according to the present invention is configured so that a target excess air ratio for each engine operating state is realized with respect to a required fuel injection amount determined by the engine operating state. In an internal combustion engine that controls the supercharging pressure and the amount of recirculated exhaust gas, the relational expression between the ideal excess air ratio and the EGR ratio in the current engine operating state is grasped, and the supercharging pressure is calculated as follows. The recirculated exhaust gas amount is controlled according to a deviation between the current EGR rate and the EGR rate with respect to the current excess air rate in the relational expression. And
[0009]
An internal combustion engine comprising the turbocharger and the exhaust gas recirculation device according to claim 2 according to the present invention is an internal combustion engine comprising the turbocharger and the exhaust gas recirculation device according to claim 1, wherein the turbocharger is a compressor. A variable nozzle that varies the pressure of the exhaust gas provided to the turbine to control the supercharging pressure, the supercharging pressure being a deviation between a current excess air ratio and the target excess air ratio by the variable nozzle; It is controlled according to.
[0010]
An internal combustion engine comprising the turbocharger and the exhaust gas recirculation device according to claim 3 according to the present invention is an internal combustion engine comprising the turbocharger and the exhaust gas recirculation device according to claim 1 or 2, wherein When the EGR rate with respect to the target excess air ratio and the target excess air ratio in the relational expression is realized, the excess air ratio and the EGR ratio are gradually increased so as to satisfy the relational expression.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic view showing an internal combustion engine equipped with a variable nozzle turbocharger and an exhaust gas recirculation device according to the present invention. In the figure, 1 is a diesel engine body, 2 is an engine intake system, and 3 is an engine exhaust system. The engine intake system 2 includes an intake manifold 2a located on the most downstream side, a surge tank 2b located immediately upstream of the intake manifold 2a, and an intake passage 2c connected to the surge tank 2b.
[0012]
The engine exhaust system 3 has an exhaust manifold 3a located on the most upstream side and an exhaust passage 3b connected to the exhaust manifold 3a. The intake passage 2c and the exhaust passage 3b are connected by an exhaust recirculation passage 4a, and the exhaust recirculation passage 4a is provided with an EGR control valve 4b for controlling the amount of the recirculated exhaust gas. Thus, the exhaust gas recirculation device 4 is constituted by the exhaust gas recirculation passage 4a and the EGR control valve 4b. Further, the compressor 5a of the variable nozzle turbocharger 5 is disposed upstream of the connection portion of the exhaust gas recirculation passage 4a in the intake passage 2c, and downstream of the connection portion of the exhaust gas recirculation passage 4a of the exhaust passage 3b. The turbine 5b of the variable nozzle turbocharger 5 is disposed. The variable nozzle turbocharger 5 has a variable nozzle for controlling the pressure of exhaust gas flowing into the turbine.
[0013]
Reference numeral 6 denotes a fuel injection valve for injecting fuel into the combustion chamber for each cylinder. A control device 20 is in charge of controlling the fuel injection amount in the fuel injection valve 6, the opening control of the EGR control valve 4 b of the exhaust gas recirculation device 4, and the opening control of the variable nozzle of the variable nozzle turbocharger 5. The control device 20 includes a rotation sensor 21 for detecting the engine speed, an accelerator pedal stroke sensor 22 for detecting the amount of depression of the accelerator pedal, an air flow meter 23 for detecting a fresh air amount, and an exhaust passage 3b. The air-fuel ratio sensor 24 for detecting the mixture air-fuel ratio based on the oxygen concentration in the exhaust gas, the pressure sensor 25 for detecting the gas pressure in the surge tank 2b, and the gas temperature in the surge tank 2b A temperature sensor 26 and the like for detection are connected.
[0014]
The above-described control by the control device 20 is performed according to the flowchart shown in FIG. First, at step 101, the rotation speed sensor 21 and the accelerator pedal stroke sensor 22 detect the current engine speed NE and the accelerator pedal depression amount L as the current engine load. Next, at step 102, the required fuel injection amount Q is determined based on the engine speed NE and the engine load L. For this determination, a map or the like (not shown) is used, and the higher the engine speed NE and the engine load L, the larger the required fuel injection amount Q is determined.
[0015]
Next, at step 103, the current excess air ratio λn (fresh air weight / necessary fuel injection amount / 14.7) is calculated from the fresh air weight GN detected by the air flow meter 23 and the fuel injection amount Q. The fresh air weight GN / fuel injection amount Q is the current air-fuel ratio, and this air-fuel ratio may be detected by the air-fuel ratio sensor 24.
[0016]
Next, in step 104, the pressure sensor 25 and the temperature sensor 26 detect the gas pressure P and the gas temperature T in the surge tank 2b, that is, downstream of the connection portion of the exhaust gas recirculation passage 4a in the engine intake system 2. The recirculated exhaust gas weight GEGR is calculated by the following equation (1), and the current EGR rate γn is calculated by the following equation (2). Here, the gas whose pressure and temperature are detected is a mixed gas of fresh air and recirculated exhaust gas.
GEGR = f (P / T) −GN (1)
γn = GEGR / (GN + GEGR) (2)
[0017]
Next, in step 105, it is determined whether or not the current engine load L and the previous engine load L ′ are substantially equal. When this determination is denied, that is, when the amount of depression of the accelerator pedal has changed, in step 106, the optimum excess air ratio λt suitable for the current engine operating state based on the engine speed NE and the engine load L is determined. The In this map, the optimum excess air ratio λt is set to be smaller as the engine load L is higher as a whole, that is, to be on the rich side.
[0018]
For each engine operating state, there is a combination of the optimal excess air ratio not less to generate smoke and particulates, the optimum EGR rate does not significantly generate NO x. Next, the routine proceeds to step 107 where the optimum EGR rate γs suitable for the current engine operating state is determined using a map or the like (not shown). FIG. 3 is a map showing the relationship between the optimal excess air ratio and the EGR ratio. In the figure, p is a point indicating a combination of an optimal excess air ratio λt and an optimal EGR rate γs in a specific engine operating state. λa, in this particular engine operating condition, the optimal excess air ratio λt and optimal EGR rate γs with the excess air ratio when the combination has stopped the same NO x generation amount to become exhaust gas recirculation and if it is realized in Λb is the value when the exhaust gas recirculation is stopped when the combination of the optimal excess air ratio λt and the optimal EGR rate γs is realized in this specific engine operating state. The excess air ratio. λc is the center point of λa and λb, that is, a value calculated by λc = (λa + λb) / 2.
[0019]
When this specific engine operation state is established through the engine transient state, the excess air rate and EGR during the engine transient operation are on a straight line M passing through the point p described above and the point q having the excess air ratio λc and the EGR rate of 0%. If the rate is present, it is possible to suppress the generation amount of both particulates and NO x within an allowable range and to realize good exhaust emission. In this flowchart, in step 108, a straight line M corresponding to the current engine operating state is calculated.
[0020]
Next, in step 109, a first flag F1, which will be described in detail later, is set to 0. In step 110, an EGR rate γt that satisfies the relationship of the straight line M with respect to the current excess air ratio λn is calculated. Next, in step 111, a deviation Δλ from the current excess air ratio λn is calculated using the optimum excess air ratio λt in the current engine operating state as a target value. In step 112, a map or the like (not shown) based on the deviation Δλ is calculated. Thus, the opening / closing speed is determined, and the opening degree of the variable nozzle of the variable nozzle turbocharger 5 is controlled. The opening / closing speed is, for example, an opening / closing degree (% / s) per unit time. When the deviation Δλ is a positive value, that is, when the current excess air ratio λn is smaller (rich) than the target excess air ratio λt, the opening / closing speed becomes the closing speed, and the higher the absolute value of the deviation Δλ is, the faster the opening / closing speed is. The closing speed is set. Further, when the deviation Δλ is a negative value, that is, when the current excess air ratio λn is larger than the target excess air ratio λt (lean), the opening speed is obtained, and the larger the deviation Δλ is, the faster the opening speed is. Is set.
[0021]
Next, in step 113, a deviation Δγ from the current EGR rate γn is calculated using the EGR rate γt satisfying the relationship of the straight line M with respect to the current excess air ratio λn as a target value. In step 114, the deviation Δγ is calculated. Based on the map or the like (not shown), the opening / closing speed is determined, and the opening degree control of the EGR control valve 4b of the exhaust gas recirculation device 4 is performed. The opening / closing speed is, for example, an opening / closing degree (% / s) per unit time. This opening / closing speed is an opening speed when the deviation Δγ is a positive value, that is, when the current EGR rate γn is smaller than the target EGR rate γt, and a faster opening speed is set as the absolute value of the deviation Δγ is larger. The When the deviation Δγ is a negative value, that is, when the current EGR rate γn is larger than the target EGR rate γt, the closing speed is set, and the higher the deviation Δγ is, the faster the closing speed is set.
[0022]
Next, in step 115, it is determined whether or not the first flag F1 is zero. When the engine is in a transient state, since the first flag F1 is set to 0 in step 106, this determination is affirmed and the routine proceeds to step 116, where the current engine load L is stored as the previous engine load L ′. finish. If there is no change in the amount of depression of the accelerator pedal in the next processing, the determination in step 105 is affirmed and the routine proceeds to step 117, where the current excess air ratio λn is the target excess air ratio determined in the previous step 106. It is determined whether or not it is substantially equal to λt. When this determination is affirmative, the routine proceeds to step 118, where it is determined whether or not the current EGR rate γn is substantially equal to the target EGR rate γt determined in the previous step 110. When any judgment is denied, that is, when the target excess air ratio λt and the optimum EGR rate γs with respect to the target excess air ratio λt are not realized, the processing after step 109 is performed until these are realized. Is done.
[0023]
With regard to such variable nozzle and EGR control valve opening / closing control, for example, in the case where the engine operating state changes in FIG. 3 and the optimum combination of excess air ratio and EGR ratio changes from point u to point p, Comparison will be described. Conventionally, in such a case, attention is paid only to the excess air ratio, and until the current excess air ratio λn reaches the target excess air ratio λt, the EGR control valve is controlled to close at a closing speed corresponding to the deviation between the two. As a result, the amount of recirculated exhaust gas is reduced, and the supercharging pressure is increased by controlling the variable nozzle to the closing side at the closing speed corresponding to the deviation. In such control, when the target excess air ratio λt is achieved, the opening changes of the EGR control valve and the variable nozzle are stopped, but as shown by the two-dot chain line, the variable nozzle type turbocharger and the exhaust gas recirculation device Because the actual recirculation exhaust gas amount decreases and the actual new air amount increases due to the response delay of the engine, the excess air ratio increases beyond the target excess air ratio λt, and the EGR control valve and the variable nozzle are opened. Controlled to the side.
[0024]
However, the excess air ratio falls below the target value again due to the response delay of both, and the excess air ratio hunts in this way. When such hunting occurs, the amount of smoke and particulates increases when the excess air ratio falls below the target excess air ratio, and when the excess air ratio exceeds the target excess air ratio, the recirculation at the EGR control valve opening at this time generation amount of the NO x to the amount of exhaust gas is decreased is increased.
[0025]
However, according to the control of this flowchart, the variable nozzle is controlled to close at a closing speed corresponding to the deviation between the target excess air ratio λt and the current excess air ratio λn, but the EGR control valve The optimum EGR rate γt with respect to the excess air ratio λn is set as a target value and controlled to the closing side at a closing speed corresponding to the deviation from the current EGR rate γn. When the actual excess air ratio λn increases in this way, the target EGR rate γt on the straight line M increases accordingly, and finally, as shown by the dotted line, before the target excess air ratio λt is realized, The target EGR rate γt exceeds the actual EGR rate γn, and the EGR control valve is opened.
[0026]
As a result, when the target excess air ratio λt is achieved, the supercharging pressure further increases due to the response delay of the variable nozzle turbocharger. At this time, the recirculated exhaust gas amount depends on the response delay of the exhaust gas recirculation device. As in the past, there is a response delay in the direction in which the amount of fresh air increases, and the excess air ratio does not significantly exceed the target value for hunting. Also, if the amount of recirculated exhaust gas is increased immediately before the target excess air ratio is realized, it becomes difficult for fresh air to enter the cylinder even at the same supercharging pressure. Hunting of excess air ratio due to the response delay of the turbocharger is suppressed. This flowchart for the EGR rate is controlled towards the optimum EGR rate for the current air excess ratio can be compared to conventional reducing NO x emissions.
[0027]
When there is no change in the amount of depression of the accelerator pedal and the target excess air ratio λt and the target EGR rate γt (γs) are realized, the routine proceeds to step 119, where the second flag F2 described later is 0 in detail. It is determined whether or not. Initially, this determination is affirmed and the routine proceeds to step 120 where the first flag F1 is set to 1. Next, in step 121, the target excess air ratio λt in the current engine operating state is multiplied by a coefficient a larger than 1, and a new target excess air ratio λt that is larger (further on the lean side) is calculated. The target EGR rate γt that satisfies the relationship of the straight line M with respect to the new target excess air ratio λt is calculated. Next, the processing after step 111 is performed without performing the processing in steps 109 and 110, and the variable nozzle and the EGR control valve are controlled toward the new target excess air ratio λt and the new target EGR rate γt.
[0028]
At this time, since the first flag F1 is set to 1, the determination in step 115 is denied and the process proceeds to step 123. In step 123, the excess air ratio λn ′ after the variable nozzle and the EGR control valve are controlled toward the new target excess air ratio λt and the target EGR rate γt is calculated in the same manner as in step 103. In step 124, the new excess air ratio λn ′ is calculated. The EGR rate γn ′ after the variable nozzle and the EGR control valve are controlled toward the target excess air ratio λt and the target EGR rate γt is calculated in the same manner as in step 104. Next, in step 125, the variable nozzle and the EGR control valve are controlled so that the excess air ratio λn ′ is the excess air ratio calculated in step 103, that is, the new target excess air ratio λt and the target EGR rate γt. It is determined whether or not the excess air ratio λn is greater than the previous one. When this determination is affirmative, in step 126, the EGR rate γn ′ calculated in step 124 is changed toward the EGR rate calculated in step 104, that is, the new target excess air rate λt and the target EGR rate γt. It is determined whether or not the EGR rate before the nozzle and the EGR control valve are controlled is larger.
[0029]
If both determinations are affirmative, that is, if the excess air ratio can be improved by the variable nozzle turbocharger and the EGR ratio can be improved by the exhaust gas recirculation device, the second flag is set in step 127. F2 is set to zero. On the other hand, when any judgment is denied, that is, when the excess air ratio cannot be improved even if the opening of the variable nozzle is reduced, or even when the opening of the EGR control valve is increased. If the EGR rate cannot be improved, the second flag F2 is set to 1 in step 128.
[0030]
When the second flag F2 is set to 1 in this way, the determination in step 119 is denied, and increasing the target excess air ratio λt and the target EGR rate γt is stopped. As described above, in this flowchart, when the initial target excess air ratio and the target EGR ratio are realized at the time of engine steady state where the amount of depression of the accelerator pedal does not change, the excess air ratio and the EGR ratio are represented by the variable nozzle type turbo. By the charger and the exhaust gas recirculation device, it gradually increases so as to satisfy the relationship of the calculated straight line M until any increase limit is reached. Thus, since the excess air ratio and the EGR ratio are improved as much as possible, the generation amount of particulates and the generation amount of NO x can be reduced to the limit.
[0031]
In the above-described embodiment, the case where the excess air ratio is increased has been described. However, even when the excess air ratio is decreased, similarly, when the target excess air ratio is realized, the fresh air due to the response delay of the turbocharger. Since the amount increase / decrease direction and the fresh air amount increase / decrease direction conflict with each other due to the response delay of the exhaust gas recirculation device, hunting of the excess air ratio can be suppressed. Finally, in the present embodiment, a variable nozzle type turbocharger is used for supercharging pressure control for changing the excess air ratio, but this does not limit the present invention and has a general wastegate passage. A turbocharger may be used to adjust the amount of exhaust gas that passes through the wastegate passage.
[0032]
【The invention's effect】
Thus, according to the internal combustion engine including the turbocharger and the exhaust gas recirculation device according to the present invention, the target excess air ratio for each engine operating state is realized with respect to the required fuel injection amount determined by the engine operating state. In an internal combustion engine that controls the boost pressure and the amount of recirculated exhaust gas, the relational expression between the ideal excess air ratio and the EGR ratio in the current engine operating condition is grasped, and the boost pressure is determined based on the current excess air ratio and the target. The recirculated exhaust gas amount is controlled according to the deviation between the current EGR rate and the EGR rate with respect to the current excess air rate in the grasped relational expression. When the excess rate is realized, the new air amount increase / decrease direction due to the delay in response of the turbocharger and the new air amount increase / decrease direction due to the response delay of the exhaust gas recirculation device are contradictory to each other. Compared to conventional both response delay to control both Yaja and exhaust gas recirculation device is a match in the fresh air amount increasing or decreasing direction, it is possible to suppress the hunting of the air ratio.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an internal combustion engine equipped with a variable nozzle turbocharger and an exhaust gas recirculation device according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for fuel injection amount control, opening control of an EGR control valve of an exhaust gas recirculation device, and opening control of a variable nozzle of a variable nozzle turbocharger.
FIG. 3 is a map showing a relationship between an excess air ratio and an EGR ratio.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Diesel engine main body 2 ... Engine intake system 3 ... Engine exhaust system 4 ... Exhaust gas recirculation device 4a ... Exhaust gas recirculation passage 4b ... EGR control valve 5 ... Variable nozzle type turbocharger 5a ... Compressor 5b ... Turbine 5c ... Variable nozzle 20 …Control device

Claims (3)

機関運転状態により定まる必要燃料噴射量に対して機関運転状態毎の目標空気過剰率が実現されるように、過給圧及び再循環排気ガス量を制御する内燃機関において、現在の機関運転状態における理想的な空気過剰率とＥＧＲ率との関係式を把握し、前記過給圧は現在の空気過剰率と前記目標空気過剰率との偏差に応じて制御され、前記再循環排気ガス量は現在のＥＧＲ率と前記関係式における現在の空気過剰率に対するＥＧＲ率との偏差に応じて制御されることを特徴とするターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関。In an internal combustion engine that controls the boost pressure and the amount of recirculated exhaust gas so that the target excess air ratio for each engine operating state is realized with respect to the required fuel injection amount determined by the engine operating state, in the current engine operating state The relationship between the ideal excess air ratio and the EGR ratio is grasped, and the supercharging pressure is controlled according to the deviation between the current excess air ratio and the target excess air ratio, and the recirculated exhaust gas amount is An internal combustion engine comprising a turbocharger and an exhaust gas recirculation device that is controlled according to a deviation between an EGR rate of the engine and an EGR rate with respect to a current excess air ratio in the relational expression. 前記ターボチャージャは、コンプレッサの過給圧を制御するためにタービンへ提供される排気ガスの圧力を変化させる可変ノズルを具備し、前記過給圧は、前記可変ノズルによって現在の空気過剰率と前記目標空気過剰率との偏差に応じて制御されることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関。The turbocharger includes a variable nozzle that changes a pressure of exhaust gas provided to a turbine to control a supercharging pressure of a compressor, and the supercharging pressure is determined by the variable nozzle and a current excess air ratio. 2. An internal combustion engine comprising a turbocharger and an exhaust gas recirculation device according to claim 1, wherein the internal combustion engine is controlled in accordance with a deviation from a target excess air ratio. 機関定常運転時に前記目標空気過剰率及び前記関係式における前記目標空気過剰率に対するＥＧＲ率が実現された場合には、前記関係式を満足するように空気過剰率及びＥＧＲ率を徐々に増加させることを特徴とする請求項１又は２に記載のターボチャージャ及び排気再循環装置を備える内燃機関。When the EGR ratio with respect to the target excess air ratio and the target excess air ratio in the relational expression is realized during engine steady operation, the excess air ratio and the EGR ratio are gradually increased so as to satisfy the relational expression. An internal combustion engine comprising the turbocharger according to claim 1 or 2 and an exhaust gas recirculation device.
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