CN104271934A - 内燃机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种内燃机，具备在EGR通路(Eg)上具有EGR阀(12)和导向阀(13)的EGR系统(10)，其具备控制装置(20)，使用通过EGR阀(12)的喷嘴的等熵流的式子来表示的EGR气体的第1体积流量(V₁)、以及通过导向阀(13)抽出的EGR气体的第2体积流量(V₂)，来表示EGR阀(12)的开度(x_egr)与EGR气体的质量流量(m_egr)之间的关系，因此即使在EGR通路上设置有导向阀(止回阀)，也能够高精度地计算EGR气体的质量流量。

Description

内燃机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种内燃机及其控制方法，该内燃机具备EGR(废气再循环)系统，控制回流的EGR气体的流量。

背景技术

在现有技术中，设置EGR(废气再循环)系统来将柴油发动机等内燃机的废气中的NOx(氮氧化物)抑制得较低。此时，反馈能够检测的物理量，将EGR通路上所设置的EGR阀控制成使得该物理量与预先设定的物理量的目标值一致，调节回流的EGR气体的质量流量。

因此，有如下装置，即将设定为质量流量的目标排气回流量转换为体积流量，根据作为该体积流量的目标排气回流量，决定上述排气回流路径的目标面积(例如，参照专利文献1)。该装置根据运转条件能够设定废气的质量流量，能够实现排气回流路径的目标面积的高精度控制。

在上述装置中，EGR气体的体积流量在排气回流路径一定的通路面积中与前后差压的1/2次方成比例，因此根据作为体积流量的目标排气回流量、以及吸气压与排气压的差压，来求出得到目标排气回流量的目标面积。

在现有技术中，难以直接检测EGR气体的质量流量，因此像上述装置那样，通过由计算来求出发动机吸排气系统状态量的内部运算模型的控制逻辑，来计算EGR气体的质量流量。

通常情况下，经过EGR阀的EGR气体的质量流量可以作为喷嘴的等熵流来处理，因此能够通过下述的数学式(8)来表示。

[数学式8]

$m_{\mathrm{egr}}=\mathrm{\μ}\·A\·\frac{P_{\mathrm{in}}}{\sqrt{R\·T_{\mathrm{in}}}}\sqrt{\frac{2k}{k-1}\·[{\left(\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}}\right)}^{\frac{k+1}{k}}]}...\left(8\right)$

在此，将m_egr设为经过EGR阀的EGR气体的质量流量([kg/s])，将μ设为流量系数([-])，将A设为EGR阀的有效开口面积([m²])，将P_in设为EGR阀的入口的压力([Pa])，将P_out设为EGR阀的出口的压力([Pa])，将T_in设为EGR阀的入口的温度([K])，将R设为气体常数([J/kgK])，将k设为比热比([-])。

通过实验求出EGR气体的流量系数μ乘以EGR阀的有效开口面积A的μ·A(以下，称为喷嘴的等熵流的系数)，作为EGR阀开度x_egr和阀间差压P_in-P_out的函数，能够通过下述的数学式(9)来表示。

[数学式9]

μ·A＝f(x_egr，P_in-P_out)…(9)

实质上该函数作为与预先通过实验结果求出的映射之间的插值而被提供。

根据发动机的规格，存在EGR阀的出入口的差压小，因运转状态而成为负压的情况。在这种发动机中，在EGR通路内设置导向阀(止回阀)，防止EGR气体的逆流，并且利用因气缸吸排气冲程的波动而产生的周期性的差压变动来抽出EGR气体。

这样，在EGR阀的出入口的差压小，或成为负压的状态下，导向阀有效地工作，通过抽出EGR气体的泵送动作而产生EGR气体的流动，因此无法通过喷嘴的等熵流来表现，无法通过上述数学式(8)来计算质量流量。

此外，前述的专利文献1的方法也是根据作为体积流量的目标排气回流量、以及吸气压与排气压的差压来进行控制的方法，但通过喷嘴的等熵流来表现EGR气体的质量流量是其条件，因此在还设置有导向阀的内燃机中无法适用专利文献1的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-18918号公报

发明内容

发明要解决的课题

本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的在于提供一种内燃机及其控制方法，在EGR通路上即使设置有导向阀(止回阀)，也能够高精度地计算EGR气体的质量流量。

用于解决课题的方案

用于实现上述目的的本发明的一种内燃机，具备在EGR通路上具有EGR阀和止回阀的EGR系统，并具备控制装置，该控制装置使用通过上述EGR阀的喷嘴的等熵流的式子来表示的EGR气体的第1体积流量、以及通过上述止回阀抽出的EGR气体的第2体积流量，来表示上述EGR阀的开度与EGR气体的质量流量之间的关系。

根据该结构，即使在EGR通路上设置有止回阀，无法仅通过喷嘴的等熵流来表示EGR气体的质量流量的情况下，也能够准确地表示EGR阀的开度与EGR气体的质量流量之间的关系。

此外，在上述内燃机中，上述控制装置中设置有下述的数学式(1)及数学式(2)，上述数学式(1)表示上述第1体积流量(V₁)，是上述喷嘴的等熵流的式子除以气体密度的数学式，上述数学式(2)表示上述第2体积流量(V₂)，是将每一气缸的EGR气体抽出体积流量(V_{egr_pump})和每单位时间的差压变动的次数相乘的数学式。

[数学式1]

$V_1=\mathrm{\μ}\·A\·\sqrt{\frac{2k}{k-1}\·R\·T_{\mathrm{in}}\·[{\left(\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}}\right)}^{\frac{k+1}{k}}]}...\left(1\right)$

[数学式2]

$V_2=V_{\mathrm{egr}\_\mathrm{pump}}\·\frac{n_{\mathrm{eng}}}{60}\·\frac{B}{N_{\mathrm{cyl}}}...\left(2\right)$

在此，将流量系数设为μ([-])，将EGR阀的有效开口面积设为A([m²])，将EGR阀的入口的压力设为P_in([Pa])，将EGR阀的出口的压力设为P_out([Pa])，将EGR阀的入口温度设为T_in([K])，将气体比热设为R([J/kgK])，将比热比设为k([-])，将发动机转速设为n_eng([rpm])，将根据曲柄形式求出的值设为B([-])，将气缸数设为N_cyl([-])。

在此所说的根据曲柄形式求出的值B在曲柄形式为α°曲柄的情况下是360/α的值。例如，在内燃机的气缸排列为直列四缸的情况下，曲柄形式为180°曲柄，因此B为2，此外，若是直列六缸，则曲柄形式为120°曲柄，因此B为3。

根据该结构，能够根据EGR阀的开度准确地计算EGR气体的质量流量，或根据EGR气体的质量流量准确地计算EGR阀的开度。由此，即使在EGR通路上设置有止回阀的内燃机中，也能够控制EGR气体的质量流量。

此外，在上述内燃机中，上述控制装置具备第1机构、第2机构及第3机构，在将上述EGR阀控制为与内燃机的状态量的目标值相应的开度(x_egr)时，上述第1机构根据基于喷嘴的等熵流的式子的系数及EGR阀的前后的压力比的EGR阀的第1开度映射，求出与上述开度(x_egr)及当前压力比(P_out/P_in)相应的喷嘴的等熵流的式子的系数(μ·A)，并通过上述数学式(1)计算上述第1体积流量(V₁)，上述第2机构根据基于每一气缸的EGR气体的抽出体积流量及EGR阀的前后的压力比的EGR阀的第2开度映射，求出与上述开度(x_egr)及当前压力比(P_out/P_in)相应的内燃机的每一气缸的EGR气体的抽出体积流量(V_{egr_pump})，并通过上述数学式(2)计算上述第2体积流量(V₂)，在上述第1机构和上述第2机构之后，上述第3机构在上述第1体积流量(V₁)和上述第2体积流量(V₂)中的较大的一方乘上气体密度来计算上述质量流量(m_egr)，此时，能够根据EGR阀的开度准确地计算EGR气体的质量流量。由此，在所谓反馈控制中能够使用上述的EGR气体的质量流量的计算模型，因此能够提高EGR系统的控制性。

此外，在上述内燃机中，上述控制装置具备第4机构、第5机构及第6机构，在将上述EGR阀控制为与内燃机的状态量的目标值相应的EGR气体的质量流量(m_egr)时，将上述质量流量(m_egr)除以气体密度来计算出的值用作上述第1体积流量(V₁)和上述第2体积流量(V₂)，上述第4机构根据基于喷嘴的等熵流的式子的系数及EGR阀的前后的压力比的EGR阀的第1开度映射，求出与根据上述第1体积流量(V₁)通过上述数学式(1)计算的喷嘴的等熵流的式子的系数(μ·A)、及当前压力比(P_out/P_in)相应的第1目标开度(x_{egr_1})，上述第5机构根据基于每一气缸的EGR气体的抽出体积流量及EGR阀的前后的压力比的EGR阀的第2开度映射，求出与根据上述第2体积流量(V₂)通过上述数学式(2)计算的每一气缸的EGR气体的抽出体积流量(V_{egr_pump})、及当前压力比(P_out/P_in)相应的第2目标开度(x_{egr_2})，在上述第4机构和上述第5机构之后，上述第6机构将上述第1目标开度(x_{egr_1})和上述第2目标开度(x_{egr_2})中较小的一方设为上述开度(x_egr)，此时，能够根据所需的EGR气体的质量流量准确地计算EGR阀的开度。由此，能够在所谓前馈控制中使用上述的EGR阀的开度的计算模型，因此能够进一步提高EGR系统的控制性。

发明效果

根据本发明，在EGR通路上即使设置有导向阀(止回阀)，也能够高精度地计算EGR气体的质量流量。由此，能够适用于具有EGR气体的质量流量计算模型的EGR控制，能够提高控制性。此外，还能够容易求出EGR阀的开度计算模型，因此除了反馈控制以外，还能够应用于前馈控制，能够实现控制性的进一步提高。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的内燃机的俯视图。

图2是表示图1所示的内燃机的控制的概略图。

图3是表示将图1所示的内燃机的EGR阀的开度设为一定时计测EGR气体的体积流量的图表，表示能够通过喷嘴的等熵流表示的体积流量、以及通过导向阀抽出的体积流量。

图4是表示将图1所示的内燃机的EGR阀的开度设为一定时计测每一气缸的EGR气体的抽出体积流量的图表。

图5是表示第1开度映射和第2开度映射的图表，(a)是表示基于EGR阀的喷嘴的等熵流的式子的系数及EGR阀的出入口的压力比的EGR阀的开度的第1开度映射，(b)是表示基于每一气缸的EGR气体抽出体积流量及EGR阀的出入口的压力比的EGR阀的开度的第2开度映射。

图6是表示本发明的实施方式的内燃机的EGR气体的质量流量计算模型的框图。

图7是表示本发明的实施方式的内燃机的EGR阀的开度计算模型的框图。

图8是表示本发明的实施方式的内燃机的EGR控制的框线图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式的内燃机及其控制方法。本实施方式以直列四缸的柴油发动机为例进行说明，但本发明不限定于柴油发动机，也适用于汽油发动机，其气缸数、气缸的排列没有限定。另外，关于附图，为了容易理解结构，改变了尺寸，各构件、各部件的板厚及宽度、长度等的比率也不一定与实际制造时的比率一致。

首先，参照图1及图2说明本发明的第1实施方式的内燃机。如图1所示，发动机(内燃机)1具备发动机主体2、排气通路Ex、吸气通路In及EGR(废气再循环)通路Eg，还具备排气歧管3、进气歧管4、由可变涡轮5a和压缩机5b构成的涡轮增压机5、空气净化器6、中冷器7、吸气节流阀8、由DOC(柴油氧化催化剂)9a和DPF(捕集装置)9b构成的后处理装置9、及EGR(废气再循环)系统10。

此外，该发动机1在EGR系统10中设置有EGR冷却器11，EGR阀(EGRValve)12及导向阀(止回阀)13。

此外，如图2所示，该发动机1具备被称为发动机控制单元的ECU(控制装置)20。此外，还具备第1压力传感器(EGR阀12的入口的压力传感器)21、第2压力传感器(EGR阀12的出口的压力传感器)22、第1温度传感器23(EGR阀12的入口的温度传感器)、第2温度传感器(EGR阀12的出口的温度传感器)24、MAF传感器(吸入空气量传感器)25、NOx传感器26及曲柄角传感器27。

该ECU20是通过电气回路负责发动机1的控制的综合进行电气控制的微控制器，具备具有EGR气体质量流量计算模型S1和EGR阀开度计算模型S2的EGR系统控制机构S3，根据各传感器21～27检测的信号，控制EGR阀12的开度。

该发动机1由于具备使EGR气体从涡轮增压机5的废气上游侧回流的所谓高压式的EGR系统10，因此EGR阀12的出入口的差压减小，根据运转状态会成为负压。因此，在EGR通路Eg内设置导向阀13，防止EGR气体的逆流，并且能够利用因气缸吸排气冲程的波动而产生的周期性的差压变动来抽出EGR气体。

但是，该发动机1在EGR通路Eg上具备导向阀13，因此通过现有的方法无法准确地计算EGR气体的质量流量。因此，在本发明中，在EGR通路Eg上具有导向阀13的发动机1中，使用计算EGR气体的质量流量的方法。对该方法进行说明。

在此，图3和图4表示计测了EGR气体的体积流量时的结果。图3中按不同的发动机转速n₁、n₂及n₃描绘了将EGR阀12的开度固定于阈值x_n、改变EGR阀12的出入口的压力比P_out/P_in时的EGR气体的体积流量V_egr。图4中按不同的发动机转速n₁、n₂及n₃描绘了将EGR阀12的开度固定于阈值x_n、改变EGR阀12的出入口的压力比P_out/P_in时的每一气缸的EGR气体的抽出体积流量V_{egr_pump}。

如图3所示，可以将压力比P_out/P_in和EGR气体的体积流量V_egr的趋势分为两层。图中的趋势F1中，随着压力比P_out/P_in的增加，体积流量V_egr线性减小，在压力比Pout/Pin为1时，体积流量V_egr成为0。该趋势F1在不同发动机转速n₁、n₂及n₃时也在同一线上，虽然在该图中没有图示，但若EGR阀12的开度x_n不同，则斜率也不同。

即，趋势F1取决于EGR阀12的开度x_n和压力比P_out/P_in，是可以用EGR阀12的喷嘴的等熵流的式子来表示的现象。

另一方面，趋势F2₁～F2₃是在压力比P_out/P_in为1的附近在EGR阀12的入口和出口的压力差小的情况或在负压的情况下产生的趋势，随着压力比P_out/P_in的增加，体积流量V_egr线性减小，但其线根据发动机转速n₁、n₂、及n₃而偏移。

若将该体积流量V_egr表示为每一气缸的EGR气体的抽出体积流量(还称为通过泵送(Pumping)抽出的EGR气体的体积流量)V_{egr_pump}，则成为图4，与发动机转速n₁、n₂及n₃无关地在同一线上变化。虽然在该图中没有图示，但若EGR阀12的开度x_n不同，则线也不同。

即，趋势F2是导向阀13有效地工作、利用因气缸吸排气冲程的波动而产生的周期性的差压变动来抽出EGR气体的现象。

在EGR通路Eg内具有导向阀13的发动机1的EGR气体的质量流量m_egr([kg/s])有如下数学式(3)成立。

[数学式3]

$m_{\mathrm{egr}}=\frac{P_{\mathrm{in}}}{R\·T_{\mathrm{in}}}\·V_{\mathrm{egr}}...\left(3\right)$

在此，将EGR阀12的入口的压力设为P_in([Pa])，将EGR阀12的入口温度设为T_in([K])，将气体常数设为R([J/kgK])，将EGR气体的体积流量设为V_egr([m³/s])。

EGR气体的体积流量V_egr由图3及图4能够通过可用趋势F1即EGR阀12的喷嘴的等熵流的式子来表示的第1体积流量V₁、以及趋势F2即通过导向阀13抽出的第2体积流量V₂的最大值来表示，能够用如下数学式(4)来表示。

[数学式4]

V_egr＝max(V₁，V₂)…(4)

第1体积流量V₁可以通过EGR阀12的喷嘴的等熵流的式子除以气体密度的以下数学式(1)来表示。

[数学式1]

$V_1=\mathrm{\μ}\·A\·\sqrt{\frac{2k}{k-1}\·R\·T_{\mathrm{in}}\·[{\left(\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}}\right)}^{\frac{k+1}{k}}]}...\left(1\right)$

在此，将μ设为流量系数([-])，将A设为EGR阀12的有效开口面积([m²])，将P_in设为EGR阀12的入口的压力([Pa])，将P_out设为EGR阀12的出口的压力([Pa])，将k设为比热比([-])。

流量系数μ与EGR阀12的有效开口面积A之积即数学式(1)的喷嘴的等熵流的式子的系数μ·A(以下称为系数μ·A)通过实验求出，可用以下数学式(5)来表示。

[数学式5]

$\mathrm{\μ}\·A=f(x_{\mathrm{egr}},\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}})...\left(5\right)$

将能够通过该数学式(5)表示的映射(Map)设为图5(a)所示的第1开度映射M1。该第1开度映射M1是表示基于EGR阀12的出入口的压力比P_out/P_in和系数μ·A的EGR阀12的开度x_n-1、x_n-2及x_n-3的映射。若EGR阀12的开度x_n-1、x_n-2及x_n-3不同，则其斜率不同。

第2体积流量V₂当将每一气缸的EGR气体的抽出体积流量设为V_{egr_pump}，则可通过以下数学式(2)来表示。

[数学式2]

$V_2=V_{\mathrm{egr}\_\mathrm{pump}}\·\frac{n_{\mathrm{eng}}}{60}\·\frac{B}{N_{\mathrm{cyl}}}...\left(2\right)$

在此，将发动机转速设为n_eng([rpm])，将根据曲柄(Crank)形式求出的值设为B([-])，将发动机主体2的气缸数设为N_cyl([-])。根据本实施方式的曲柄形式求出的值B在曲柄形式为α°曲柄的情况下为360/α。在本实施方式中，发动机1的气缸排列为直列四缸，曲柄形式为180°曲柄，因此B为2，例如若为直列六缸，则曲柄形式为120°曲柄，因此B为3。

该数学式(2)只要是每一气缸的EGR气体的抽出体积流量V_{egr_pump}和在一秒期间进行的气缸吸排气冲程的波动所引起的周期性的差压变动的次数之积即可。

每一气缸的EGR气体的抽出体积流量V_{egr_pump}通过实验求得，可通过以下数学式(6)来表示。

[数学式6]

$V_{\mathrm{egr}\_\mathrm{pump}}=f(x_{\mathrm{egr}},\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}})...\left(6\right)$

将能够通过该数学式(6)表示的映射设为图5(b)所示的第2开度映射M2。该第2开度映射M2是表示基于EGR阀12的出入口的压力比P_out/P_in和每一气缸的EGR气体的抽出体积流量V_{egr_pump}的EGR阀12的开度x_n-1、x_n-2及x_n-3的映射。若EGR阀12的开度x_n-1、x_n-2及x_n-3不同，则其线不同。

根据上述结构，通过在EGR通路Eg上设置导向阀13，能够将按两个趋势F1和F2变化的EGR气体的体积流量V_egr通过能够用趋势F1表示的体积流量V₁和能够用趋势F2表示的体积流量V₂来表示，因此能够高精度地计算EGR气体的质量流量m_egr。

接着，参照图6说明使用了上述数学式(1)～(6)及图5(a)所示的第1开度映射M1和图5(b)所示的第2开度映射M2的EGR气体质量流量计算模型S1(根据EGR阀12的开度x_egr计算EGR气体的质量流量m_egr的方法)。另外，图中的(1)～(4)表示上述数学式(1)～(4)。

首先，该质量流量计算模型S1输入与发动机1的状态量的目标值(例如，NOx传感器26所检测的NOx排出量)相应的EGR阀12的开度x_egr、通过第2压力传感器22检测的EGR阀12的出口的压力P_out、通过第1压力传感器21检测的EGR阀12的入口的压力P_in、通过第1温度传感器23检测的EGR阀12的入口的温度T_in、及通过曲柄角传感器27检测的发动机转速n_eng。

接着，参照第1开度映射M1，计算与EGR阀12的开度x_egr及EGR阀12的出入口的压力比P_out/P_in对应的喷嘴的等熵流的式子的系数μ·A。接着，通过上述数学式(1)计算第1体积流量V₁。

另一方面，参照第2开度映射M2，计算与EGR阀12的开度x_egr及EGR阀12的出入口的压力比P_out/P_in相应的每一气缸的EGR气体的抽出体积流量V_{egr_pump}。接着，通过上述数学式(2)计算第2体积流量V2。

接着，通过上述数学式(4)，将第1体积流量V₁和第2体积流量V₂的值大的一方设为EGR气体的体积流量V_egr，接着，通过上述数学式(3)计算EGR气体的质量流量m_egr。

根据该EGR气体质量流量计算模型S1，即使在EGR通路Eg上设置导向阀13，也能够根据能够用EGR阀12的喷嘴的等熵流的式子表示的第1体积流量V₁、以及因气缸吸排气冲程的波动而产生的周期性的差压变动即通过泵送动作抽出的第2体积流量V₂，计算EGR气体的质量流量m_egr。

由此，由于能够根据EGR阀12的开度x_egr高精度地计算EGR气体的质量流量m_egr，因此能够适用于具有EGR气体质量流量计算模型S1的EGR阀12的控制，能够提高控制性。

例如，在将通过NOx传感器26检测的NOx排出量m_NOx作为控制量的EGR系统10的控制中，将目标值设定为能够抑制NOx排出量m_NOx的目标吸入氧浓度m_{O2_dem}，作为能够检测的物理量，使用通过MAF传感器25检测的吸入空气量m_air、以及通过EGR气体的质量流量计算模型S1计算的EGR气体的质量流量m_egr。

首先，与用于降低NOx排出量m_NOx的目标吸入氧浓度m_{O2_dem}相应的EGR阀12的开度x_egr被确定，ECU20控制EGR阀12。接着，根据通过MAF传感器25检测的吸入空气量m_air以及通过质量流量计算模型S1计算的EGR气体的质量流量m_egr，计算实际的吸入氧浓度m_O2，并反馈其值。根据目标吸入氧浓度m_{O2_dem}与实际的吸入氧浓度m_O2的偏差，调节EGR阀12的开度x_egr。

通过以上动作，能够根据发动机1的状态量(例如，NOx排出量)的目标值控制EGR阀12，反馈伴随着该控制而变化的能够检测的物理量，能够将EGR系统10控制成使得该物理量与预先确定的物理量的目标值一致，能够提高EGR系统10的控制性。

接着，参照图7说明上述EGR气体质量流量计算模型S1的逆模型即EGR阀开度计算模型(根据EGR气体的质量流量m_egr计算EGR阀12的开度x_egr的方法)S2。另外，图中的(1)、(2)、(3)、(7)表示上述数学式(1)、(2)、(3)、(7)。

首先，该开度计算模型S2如图7所示输入EGR气体的质量流量m_egr、通过第2压力传感器22检测的EGR阀12的出口的压力P_out、通过第1压力传感器21检测的EGR阀12的入口的压力P_in、通过第1温度传感器23检测的EGR阀12的入口的温度T_in、及通过曲柄角传感器27检测的发动机转速n_eng。接着，根据数学式(3)计算EGR气体的体积流量V_egr。将该EGR气体的体积流量V_egr分别设为第1体积流量V₁及第2体积流量V₂。

接着，使用第1体积流量V₁通过数学式(1)计算喷嘴的等熵流的式子的系数μ·A。接着，参照第1开度映射M1，计算与系数μ·A及EGR阀12的出入口的压力比P_out/P_in对应的EGR阀12的第1目标开度x_{egr_1}。

另一方面，使用第2体积流量V2通过数学式(2)计算每一气缸的EGR气体的抽出体积流量V_{egr_pump}。接着，参照第2开度映射M2，计算与每一气缸的EGR气体的抽出体积流量V_{egr_pump}以及EGR阀12的出入口的压力比P_out/P_in对应的EGR阀12的第2目标开度x_{egr_2}。

接着，通过下述的数学式(7)，将第1目标开度x_{egr_1}和第2目标开度x_{egr_2}中小的一方设为EGR阀12的开度x_egr。

[数学式7]

x_egr＝min(x_{egr_1}，x_{egr_2})…(7)

由此，能够根据所需的EGR气体的质量流量m_egr高精度地计算EGR阀12的开度x_egr，因此能够适用于具有EGR阀开度计算模型S2的EGR阀12的控制，能够提高控制性。此外，该EGR阀开度计算模型S2是将前述的EGR气体的质量流量计算模型S1转换成逆模型而得到的，能够容易求得。

例如，在将通过NOx传感器26检测的NOx排出量m_Nox作为控制量的EGR系统10的控制中，将目标值设定为能够抑制NOx排出量m_NOx的目标吸入氧浓度m_{O2_dem}，作为能够检测的物理量，使用通过MAF传感器25检测的吸入空气量m_air。

以不使目标吸入氧浓度m_{O2_dem}根据通过MAF传感器25检测的吸入空气量m_air的变化而变化的方式，根据变化的吸入空气量m_air的值，计算所需的EGR气体的质量流量m_egr，将根据该质量流量m_egr计算的EGR阀12的开度控制为开度x_egr。

通过以上动作，根据发动机1的状态量(例如，NOx排出量)的目标值控制EGR阀12，能够以此时因干扰而变化的能够检测的物理量不从预先确定的物理量的目标值发生变化的方式，前馈控制EGR系统10，能够进一步提高EGR系统10的控制性。

接着，参照图8说明本发明的实施方式的内燃机的控制方法的一例。图8所示的控制EGR阀12的开度的方法是将NOx排出量作为控制量的EGR控制，是通过反馈控制(还称为PID控制)和前馈控制来控制EGR阀12的开度的方法。

在使用图6所示的EGR气体质量流量计算模型S1的反馈控制中，如图8所示，反馈使用能够检测的物理量即通过MAF传感器25检测的吸入空气量m_air和EGR气体的质量流量m_egr能够计算的吸入氧浓度m_O2，以使得与预先确定的物理量即目标吸入氧浓度m_{O2_dem}一致的方式控制EGR阀12的开度。由此，能够调节NOx的目标排出量与实际的排出量之差。

此外，在使用图7所示的EGR阀开度计算模型S2的前馈控制中，如图8所示，在产生了干扰(在此例如指吸入空气量等发生了变化的情况)的情况下，根据目标吸入氧浓度m_{O2_dem}和变化的吸入空气量m_air，计算所需的EGR气体的质量流量m_egr，根据该所需的质量流量m_egr控制EGR阀12的开度x_egr。由此，能够调节成不会因干扰而导致NOx的目标排出量与实际的NOx的排出量之差大幅变化。

根据该控制方法，通过使用了EGR气体质量流量计算模型S1的反馈控制，能够根据EGR阀12的开度x_egr准确地计算EGR气体的质量流量m_egr，能够反馈高精度的数值，因此能够提高EGR系统10的控制性。

另一方面，通过使用了EGR阀开度计算模型S2的前馈控制，能够根据干扰求出所需的EGR气体的质量流量m_egr，根据该质量流量m_egr准确地计算出EGR阀12的开度x_egr，抑制目标值与实际值的偏差，因此能够进一步提高控制性。

在本实施方式中，以将NOx的排出量作为控制量的控制方法为例进行了说明，但本发明不限定于此，例如也可以将空燃比、PM(颗粒状物质)作为控制量。此外，除了组合了反馈控制和前馈控制的控制方法以外，还能够适用于只有反馈控制的控制方法、将多个反馈控制设为一体来发挥功能的串级控制等。

此外，使用了上述数学式(1)～(6)的EGR气体的质量流量计算模型S1或使用了上述数学式(1)～(5)及(7)的EGR阀开度计算模型S2还能够容易适用于没有导向阀的发动机，能够提高EGR阀12的控制性。

工业上的可利用性

本发明的内燃机能够根据EGR阀的开度高精度地计算EGR气体的质量流量，此外能够根据EGR气体的质量流量高精度地计算EGR阀的开度。由此，能够适用于反馈控制及前馈控制等各种控制方法来提高EGR系统的控制性，因此尤其是能够用于搭载有包括在EGR通路上具有导向阀的EGR系统的发动机的卡车等车辆上。

符号说明

1 发动机

2 发动机主体

3 排气歧管

4 进气歧管

5 涡轮增压机

6 空气净化器

7 中冷器

8 吸气节流阀

9 后处理装置

10 EGR系统

11 EGR冷却器

12 EGR阀

13 导向阀(止回阀)

20 ECU(控制装置)

S1 EGR气体质量流量计算模型

S2 EGR阀开度计算模型(逆模型)

Claims (8)

1.一种内燃机，具备在EGR通路上具有EGR阀和止回阀的EGR系统，其特征在于，

具备控制装置，该控制装置使用通过上述EGR阀的喷嘴的等熵流的式子来表示的EGR气体的第1体积流量、以及通过上述止回阀抽出的EGR气体的第2体积流量，来表示上述EGR阀的开度与EGR气体的质量流量之间的关系。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，

上述控制装置中设置有下述的数学式(1)及数学式(2)，

上述数学式(1)表示上述第1体积流量(V₁)，是上述喷嘴的等熵流的式子除以气体密度的数学式，

上述数学式(2)表示上述第2体积流量(V₂)，是将每一气缸的EGR气体抽出体积流量(V_{egr_pump})和每单位时间的差压变动的次数相乘的数学式，

[数学式1]

$V_1=\mathrm{\μ}\·A\·\sqrt{\frac{2k}{k-1}\·R\·T_{\mathrm{in}}\·[{\left(\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}}\right)}^{\frac{k+1}{k}}]}\·\·\·\left(1\right)$

[数学式2]

$V_2=V_{\mathrm{egr}\_\mathrm{pump}}\·\frac{n_{\mathrm{eng}}}{60}\·\frac{B}{N_{\mathrm{cyl}}}\·\·\·\left(2\right)$

其中，

μ：流量系数([-])

A：EGR阀的有效开口面积([m²])

P_in：EGR阀的入口的压力([Pa])

P_out：EGR阀的出口的压力([Pa])

T_in：EGR阀的入口的温度([K])

R：气体比热([J/kgK])

k：比热比([-])

n_eng：发动机转速([rpm])

B：根据曲柄形式求出的值([-])

N_cyl：气缸数([-])。

3.根据权利要求2所述的内燃机，其特征在于，

上述控制装置具备第1机构、第2机构及第3机构，

在将上述EGR阀控制为与内燃机的状态量的目标值相应的开度(x_egr)时，

上述第1机构根据基于喷嘴的等熵流的式子的系数及EGR阀的前后的压力比的EGR阀的第1开度映射，求出与上述开度(x_egr)及当前压力比(P_out/P_in)相应的喷嘴的等熵流的式子的系数(μ·A)，并通过上述数学式(1)计算上述第1体积流量(V₁)，

上述第2机构根据基于每一气缸的EGR气体的抽出体积流量及EGR阀的前后的压力比的EGR阀的第2开度映射，求出与上述开度(x_egr)及当前压力比(P_out/P_in)相应的内燃机的每一气缸的EGR气体的抽出体积流量(V_{egr_pump})，并通过上述数学式(2)计算上述第2体积流量(V₂)，

在上述第1机构和上述第2机构之后，上述第3机构在上述第1体积流量(V₁)和上述第2体积流量(V₂)中的较大的一方乘上气体密度来计算上述质量流量(m_egr)。

4.根据权利要求2所述的内燃机，其特征在于，

上述控制装置具备第4机构、第5机构及第6机构，

在将上述EGR阀控制为与内燃机的状态量的目标值相应的EGR气体的质量流量(m_egr)时，

将上述质量流量(m_egr)除以气体密度来计算出的值用作上述第1体积流量(V₁)和上述第2体积流量(V₂)，

上述第4机构根据基于喷嘴的等熵流的式子的系数及EGR阀的前后的压力比的EGR阀的第1开度映射，求出与根据上述第1体积流量(V₁)通过上述数学式(1)计算的喷嘴的等熵流的式子的系数(μ·A)、及当前压力比(P_out/P_in)相应的第1目标开度(x_{egr_1})，

上述第5机构根据基于每一气缸的EGR气体的抽出体积流量及EGR阀的前后的压力比的EGR阀的第2开度映射，求出与根据上述第2体积流量(V₂)通过上述数学式(2)计算的每一气缸的EGR气体的抽出体积流量(V_{egr_pump})、及当前压力比(P_out/P_in)相应的第2目标开度(x_{egr_2})，

在上述第4机构和上述第5机构之后，上述第6机构将上述第1目标开度(x_{egr_1})和上述第2目标开度(x_{egr_2})中较小的一方设为上述开度(x_egr)。

5.一种内燃机的控制方法，该内燃机具备在EGR通路上具有EGR阀和止回阀的EGR系统，该内燃机的控制方法的特征在于，

在根据上述EGR阀的开度来计算EGR气体的质量流量时，或根据上述质量流量来计算上述EGR阀的开度时，使用通过上述EGR阀的喷嘴的等熵流的式子来表示的EGR气体的第1体积流量、以及通过上述止回阀抽出的EGR气体的第2体积流量。

6.根据权利要求5所述的内燃机的控制方法，其特征在于，

通过上述喷嘴的等熵流的式子除以气体密度的下述的数学式(1)表示上述第1体积流量(V₁)，

通过将每一气缸的EGR气体抽出体积流量(V_{egr_pump})和每单位时间的差压变动的次数相乘的下述的数学式(2)来表示上述第2体积流量(V₂)，

[数学式1]

$V_1=\mathrm{\μ}\·A\·\sqrt{\frac{2k}{k-1}\·R\·T_{\mathrm{in}}\·[{\left(\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}}\right)}^{\frac{k+1}{k}}]}\·\·\·\left(1\right)$

[数学式2]

$V_2=V_{\mathrm{egr}\_\mathrm{pump}}\·\frac{n_{\mathrm{eng}}}{60}\·\frac{B}{N_{\mathrm{cyl}}}\·\·\·\left(2\right)$

其中，

μ：流量系数([-])

A：EGR阀的有效开口面积([m²])

P_in：EGR阀的入口的压力([Pa])

P_out：EGR阀的出口的压力([Pa])

T_in：EGR阀的入口的温度([K])

R：气体比热([J/kgK])

k：比热比([-])

n_eng：发动机转速([rpm])

B：根据曲柄形式求出的值([-])

N_cyl：气缸数([-])。

7.根据权利要求6所述的内燃机的控制方法，其特征在于，

包括第1工序、第2工序及第3工序，

在将上述EGR阀控制为与内燃机的状态量的目标值相应的开度(x_egr)时，

在上述第1工序中，根据基于喷嘴的等熵流的式子的系数及EGR阀的前后的压力比的EGR阀的第1开度映射，求出与上述开度(x_egr)及当前压力比(P_out/P_in)相应的喷嘴的等熵流的式子的系数(μ·A)，并通过上述数学式(1)计算上述第1体积流量(V₁)，

在上述第2工序中，根据基于每一气缸的EGR气体的抽出体积流量及EGR阀的前后的压力比的EGR阀的第2开度映射，求出与上述开度(x_egr)及当前压力比(P_out/P_in)相应的内燃机的每一气缸的EGR气体的抽出体积流量(V_{egr_pump})，并通过上述数学式(2)计算上述第2体积流量(V₂)，

在上述第1工序和上述第2工序之后，在上述第3工序中，在上述第1体积流量(V₁)和上述第2体积流量(V₂)中的较大的一方乘上气体密度来计算上述质量流量(m_egr)。

8.根据权利要求6所述的内燃机的控制方法，其特征在于，

包括第4工序、第5工序及第6工序，

在将上述EGR阀控制为与内燃机的状态量的目标值相应的EGR气体的质量流量(m_egr)时，

将上述质量流量(m_egr)除以气体密度来计算出的值用作上述第1体积流量(V₁)和上述第2体积流量(V₂)，

在上述第4工序中，根据基于喷嘴的等熵流的式子的系数及EGR阀的前后的压力比的EGR阀的第1开度映射，求出与根据上述第1体积流量(V₁)通过上述数学式(1)计算的喷嘴的等熵流的式子的系数(μ·A)、及当前压力比(P_out/P_in)相应的第1目标开度(x_{egr_1})，

在上述第5工序中，根据基于每一气缸的EGR气体的抽出体积流量及EGR阀的前后的压力比的EGR阀的第2开度映射，求出与根据上述第2体积流量(V₂)通过上述数学式(2)计算的每一气缸的EGR气体的抽出体积流量(V_{egr_pump})、及当前压力比(P_out/P_in)相应的第2目标开度(x_{egr_2})，

在上述第4工序和上述第5工序之后，在上述第6工序中，将上述第1目标开度(x_{egr_1})和上述第2目标开度(x_{egr_2})中的较小的一方设为上述开度(x_egr)。