JP2000110574A - ターボ過給機付エンジンの制御装置 - Google Patents

ターボ過給機付エンジンの制御装置

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JP2000110574A
JP2000110574A JP10279125A JP27912598A JP2000110574A JP 2000110574 A JP2000110574 A JP 2000110574A JP 10279125 A JP10279125 A JP 10279125A JP 27912598 A JP27912598 A JP 27912598A JP 2000110574 A JP2000110574 A JP 2000110574A
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exhaust gas
gas recirculation
variable
engine
control
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Tomomi Watanabe
友巳 渡辺
Hiroshi Hayashibara
寛 林原
Yuji Matsuo
祐児 松尾
Keiji Araki
啓二 荒木
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Mazda Motor Corp
Original Assignee
Mazda Motor Corp
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 排気還流が行なわれる運転領域において、タ
ーボ過給機のタービンへの排気流通面積を可変にする手
段の制御と排気還流弁の制御とを効果的に協調させるこ
とにより、NOx及びスモークを低減する効果を高める 【解決手段】 タービンに対し開度変更可能なノズルを
形成する可変翼を具備したターボ過給機と排気還流装置
とを備えたエンジンにおいて、可変翼及び排気還流弁を
制御する制御手段40を備える。この制御手段40は、
排気還流を行なわせる運転領域で、上記可変翼の開度を
部分開度の所定範囲内に調整しつつ、空燃比が目標空燃
比となるように排気還流弁のフィードバック制御を行な
うようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等に搭載さ
れるターボ過給機付エンジンの制御装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来、例えば特開平8−338318号
公報に示されるように、ディーゼルエンジンの排気ガス
を吸気通路内に還流させるEGR通路(排気還流通路)
と、このEGR通路に設けられて上記排気ガスの還流量
を調節するEGR弁(排気還流弁)とを有するディーゼ
ルエンジン用排気ガス還流装置において、NOxを低減
しつつスモークの発生を抑制すべく、空気過剰率(空燃
比)の目標値を定めて、これと検出値との偏差をなくす
ように、上記EGR弁を制御することが行われている。
【0003】すなわち、ディーゼルエンジンでは低中負
荷域等の空気過剰率が大きい運転領域で比較的多量のE
GRが行なわれることによりNOxが低減されるが、E
GRの増加によって空燃比が有る程度以下に小さくなる
とスモークが急激に増大する傾向が生じるので、NOx
低減とスモーク低減との両立を図るには、空燃比を所定
値に保つようにEGR量を調整することが要求される。
このため、上記公報の装置では、空燃比に対応する空気
過剰率の目標値を運転状態に応じて設定するとともに、
空気過剰率検出手段により実空気過剰率を検出し、この
実空気過剰率が上記目標空気過剰率よりも大きくなる
と、EGR弁を開いて排気還流量を増加させることによ
り実空気過剰率を小さくし、逆に実空気過剰率が目標空
気過剰率よりも小さくなると、上記EGR弁を閉じて排
気還流量を低下させ、あるいはカットすることにより、
実空気過剰率を大きくする制御を実行するようになって
いる。
【0004】また、例えば特開平10−47070号公
報に示されるように、ターボ過給機のタービンに対して
開度変更可能なノズルを形成する可変翼を設けることに
よって排気流通面積可変手段を構成し、運転状態に応じ
てタービンへの排気流通面積を変化させることによりタ
ービン効率を制御し得るようにしたターボ過給機付のエ
ンジンも知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記のようにタービン
への排気流通面積を可変にする手段を具備したターボ過
給機と、空燃比に応じて排気還流弁をフィードバック制
御するようにした装置とはそれぞれ知られているが、従
来では両者が互いに関係なく個別に作動されていた。つ
まり、EGRは低中負荷域等でエミッション対応のため
に行なわれ、一方、ターボ過給機のタービンへの排気流
通面積を可変にする手段は、主にエンジン出力性能向上
等のために制御されているが、エミッション改善のため
に充分に活用されていなかった。
【0006】なお、排気還流装置とターボ過給機とを備
える場合、排気還流が行われる部分負荷の運転領域で多
少は過給が行われることもあり、過給が行われると、充
填効率が高められるとともに排圧の上昇により排気還流
量が増加するというように、排気還流量や空燃比に影響
を及ぼすが、従来ではこのような点に充分配慮されてい
なかった。
【0007】本発明は、このような事情に鑑み、排気還
流が行なわれる運転領域において、ターボ過給機のター
ビンへの排気流通面積を可変にする手段の制御と排気還
流弁の制御とを効果的に協調させることにより、NOx
及びスモークを低減する効果を高めることができる過給
機付エンジンの制御装置を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】請求項1に係る発明は、
タービンへの排気流通面積を変化させる排気流通面積可
変手段を具備したターボ過給機と、上記タービンの上流
から排気ガスを取り出し排気還流弁を介して吸気系へ還
流させる排気還流装置とを備えたターボ過給機付エンジ
ンにおいて、少なくとも部分負荷領域で上記排気還流装
置による排気還流を行なわせ、この排気還流を行なわせ
る運転領域で、空燃比が所定空燃比となるように上記排
気流通面積可変手段の制御と上記排気還流弁の制御とを
共に行なう制御手段を備えたものである。
【0009】この発明の装置によると、排気還流が行な
われる運転領域で、上記排気流通面積可変手段が制御さ
れることにより、過給状態が制御されるとともに、排気
還流量に影響する排気圧力が調整される。そして、この
ような排気流通面積可変手段の制御と排気還流弁の制御
とが共に行われることにより、所定の空燃比となるよう
に排気還流量と新気量との割合が調整されつつ過給作用
で充填効率が高められて、その分だけ排気還流量及び新
気量が増加し、NOx及びスモークを低減する効果が高
められる。
【0010】この発明の装置において、排気還流を行な
わせる運転領域での上記制御手段による上記排気流通面
積可変手段の制御範囲を、排気流通面積の可変範囲のう
ちの最大側及び最小側を除く範囲であって、排気流通面
積可変手段の動作により過給圧が変化する所定範囲に設
定しておけば(請求項2)、排気流通面積の調整による
過給圧の制御が有効に行われる。
【0011】ターボ過給機は、排気流通面積可変手段と
してタービンに対し開度変更可能なノズルを形成する可
変翼を具備し、上記制御手段は、排気還流を行なわせる
運転領域で、上記可変翼の開度を部分開度の範囲内に調
整するとともに排気還流弁の制御を行なうようになって
いること(請求項3)が好ましい。このようにすると、
過給圧の制御が有効に行われるように可変翼の開度が調
整された状態で、排気還流弁の制御が行われる。
【0012】この場合に、上記制御手段による排気還流
弁の制御は、実際の空燃比が目標空燃比となるようにフ
ィードバック制御を行なうにしておけばよい(請求項
4)。
【0013】また、排気還流を行なわせる運転領域で上
記制御手段により設定される可変翼の開度の調整範囲
は、可変翼の動作により過給圧が変化する所定範囲とし
(請求項5)、とくに、可変翼の動作に応じた過給圧変
動範囲のうちの略中間点から上限近傍までの範囲に対応
する範囲とすること(請求項6)が好ましい。
【0014】このようにすると、適度に過給作用が高め
られ、かつ過給圧の制御を有効に行い得る状態が確保さ
れる。
【0015】上記制御手段による可変翼の制御は、例え
ば、吸気圧力検出手段により検出される過給圧が目標過
給圧となるようにフィードバック制御を行なうものであ
ればよい(請求項7)。このようにすると、過給圧が適
正に調整されつつ、この可変翼の制御と排気還流弁の制
御により所定空燃比となるように排気還流量が制御され
る。
【0016】上記制御手段による可変翼の制御は、可変
翼開度状態検出手段により検出される可変翼開度状態が
目標開度状態となるようにフィードバック制御を行なう
ものであってもよい(請求項8)。このようにすると、
可変翼開度状態が適正に調整されつつ、この可変翼の制
御と排気還流弁の制御により所定空燃比となるように排
気還流量が制御される。
【0017】また、請求項9に係る発明は、タービンへ
の排気流通面積を変化させる可変翼を具備したターボ過
給機と、上記タービンの上流から排気ガスを取り出し排
気還流弁を介して吸気系へ還流させる排気還流装置とを
備えたターボ過給機付エンジンにおいて、少なくとも部
分負荷領域で上記排気還流装置による排気還流を行なわ
せ、この排気還流を行なわせる運転領域で、上記可変翼
の開度を、部分開度であって可変翼の動作により過給圧
が変化する所定範囲内としつつ、空燃比が所定空燃比と
なるように制御する制御手段を備えたものである。
【0018】この発明の装置によると、排気還流が行な
われる運転領域で、上記ターボ過給機の可変翼が制御さ
れることにより、過給状態が制御されるとともに、排気
還流量に影響する排気圧力が調整される。そして、上記
可変翼の開度が、過給圧が変化する所定範囲内で、空燃
比が所定空燃比となるように制御されることにより、所
定の空燃比となるように排気還流量と新気量との割合が
調整されつつ過給作用で充填効率が高められ、効果的に
NOx及びスモークが低減される。
【0019】上記のような発明において、制御手段はア
イドル運転時には可変翼を全閉とするように制御すれば
よい(請求項10)。つまり、可変翼が閉じられること
で排気圧力が高められて排気還流の促進に有利となり、
かつ、アイドル運転時は排気量が少ないために可変翼を
全閉としても過度に排気圧力が上昇することはなく、燃
焼性や燃費の悪化を招くことはない。
【0020】また、エンジンの高回転高負荷時には可変
翼を全開、排気還流弁を全閉とするように制御すればよ
い(請求項11)。つまり、高回転高負荷時には排気量
が増大するので、排気圧力(エンジンに対する背圧)が
過度に上昇することを避けるべく可変翼が全開とされる
とともに、新気量を多くして出力を確保するために排気
還流弁が全閉とされる。
【0021】請求項12に係る発明は、タービンへの排
気流通面積を変化させる可変翼を具備したターボ過給機
と、上記タービンの上流から排気ガスを取り出し排気還
流弁を介して吸気系へ還流させる排気還流装置とを備え
たターボ過給機付エンジンにおいて、少なくとも部分負
荷領域で上記排気還流装置による排気還流を行なわせ、
この排気還流を行なわせる運転領域で、上記可変翼の開
度を部分開度の範囲に調整するとともに、実際の空燃比
が目標空燃比となるように排気還流弁のフィードバック
制御を行なう制御手段を備え、この制御手段により上記
可変翼の開度は、可変翼の動作に応じた過給圧変動範囲
のうちの略中間点から上限近傍までの範囲に対応する範
囲内で一定値に設定され、かつ、上記排気還流弁のフィ
ードバック制御によって空燃比が目標空燃比に収束しな
いときに可変翼の開度が変更されるようになっているも
のである。
【0022】この発明の装置によると、排気還流が行な
われる運転領域で、上記ターボ過給機の可変翼の開度が
過給圧変動範囲のうちの略中間点から上限近傍までの範
囲に対応する範囲内に設定されることにより、適度に過
給作用が高められ、充填効率が高められることで新気量
を確保しつつEGR量を増大させることができる。ま
た、この状態で、基本的には排気還流弁のフィードバッ
ク制御で空燃比が目標空燃比とされるが、目標空燃比に
収束しないときに可変翼の開度が変更されることにより
排気還流両及び新気量の調整が達成される。
【0023】また、請求項13に係る発明は、タービン
への排気流通面積を変化させる可変翼を具備したターボ
過給機と、上記タービンの上流から排気ガスを取り出し
排気還流弁を介して吸気系へ還流させる排気還流装置と
を備えたターボ過給機付エンジンにおいて、少なくとも
部分負荷領域で上記排気還流装置による排気還流を行な
わせ、この排気還流を行なわせる運転領域で、上記可変
翼の開度を部分開度の範囲に調整するとともに上記排気
還流弁を制御する制御手段を備え、この制御手段は、実
際の空燃比が目標空燃比となるように排気還流弁のフィ
ードバック制御を行なう一方、可変翼の開度を、可変翼
の動作により過給圧が変化する所定範囲内としつつ、吸
気圧力検出手段により検出される過給圧が目標過給圧と
なるようにフィードバック制御し、かつ、吸気圧と吸気
量からタービン効率を推定し、そのタービン効率に基づ
いて排気還流弁を制御するようになっているものであ
る。
【0024】この発明の装置によると、空燃比が目標空
燃比となるようにする排気還流弁のフィードバック制御
と、過給圧が目標過給圧となるようにする可変翼の開度
のフィードバック制御とにより、適度に過給が行なわれ
つつ排気還流量と新気量との割合が適正に調整され、か
つ、タービン効率に基づいた排気還流弁の制御により、
制御手段が適正に調整される。
【0025】上記のような発明はディーゼルエンジンに
効果的に適用され、この場合に、燃料系は、燃料噴射時
間及び噴射時期の制御が可能な燃料噴射弁と、各気筒の
燃料噴射弁に供給される燃料を蓄えるコモンレールとを
備えることが好ましい(請求項14)。このようにする
と、運転状態に応じて燃料噴射量の制御が適正に行なわ
れつつ、空燃比を目標空燃比とするように排気還流弁及
びターボ過給機の可変翼等の制御が行なわれる。
【0026】
【発明の実施の形態】図1は、本発明に係る制御装置を
備えたターボ過給機付エンジンの実施形態を示してい
る。図示のエンジンはディーゼルエンジンであり、その
エンジン本体1には吸気通路2及び排気通路3が接続さ
れている。また、このエンジンにはターボ過給機5が装
備され、このターボ過給機5は、吸気通路2に設けられ
たコンプレッサ6と、コンプレッサ6を排気エネルギー
により駆動するために排気通路3に設けられたタービン
7とを備えるとともに、後述のような可変翼8及びこれ
を駆動するアクチュエータ9からなる排気流通面積可変
手段を具備している。さらにこのエンジンには、EGR
通路11と、このEGR通路11に介設されたEGR弁
(排気還流弁)12とを有するEGR装置(排気還流装
置)が設けられている。
【0027】エンジン各部の構造を具体的に説明する
と、エンジン本体1の各シリンダ14には燃焼室内に燃
料を噴射する多噴口の燃料噴射弁15が配設されてい
る。これらの燃料噴射弁15の燃料入口側は分配通路1
6を介してコモンレール(共通管)17に接続され、こ
のコモンレール17が燃料噴射ポンプ18に接続されて
おり、燃料噴射ポンプ18から送給された燃料がコモン
レール17で蓄圧された上で各燃料噴射弁15に送られ
るようになっている。各燃料噴射弁15は、制御信号に
応じて燃料噴射時間及び噴射時期の制御が可能な構造と
なっている。各燃料噴射弁15の燃料出口側はリターン
通路19に接続されている。
【0028】上記吸気通路2には、その上流側から順に
エアフローセンサ21と、ターボ過給機5のコンプレッ
サ6と、インタークーラ22と、サージタンク23とが
配設されるとともに、サージタンク23に吸気圧力セン
サ24が設けられている。また、上記排気通路3には、
ターボ過給機5のタービン7と、触媒コンバータ25と
が配設されている。
【0029】上記ターボ過給機5は、図2に示すように
タービン7の周囲にノズルを形成する多数の可変翼8を
備えたVGT(バリアブルジオメトリーターボ)からな
っている。すなわち、このターボ過給機5(以下、VG
T5と呼ぶ)は、可変翼8の角度調節により、図2
(a)に示す全閉(流通面積最小)から図2(b)に示
す全開(流通面積最大)までにわたり可変翼8の開度つ
まりノズル開口面積(タービンへの排気流通面積)が可
変となり、これによってタービン効率が制御されるよう
に構成されている。
【0030】図1中に示すように上記可変翼8を駆動す
るアクチュエータ9は、デューティ制御可能な電磁弁2
6を介してバキュームポンプ27に接続され、上記電磁
弁26がデューティ制御されることでアクチュエータ9
に対する負圧と大気圧との導入割合が調整され、これに
よりVGT5の可変翼開度が制御されるようになってい
る。
【0031】また、上記EGR通路11は、その一端部
が排気通路3のタービン7の上流側に接続されるととも
に、他端部が上記吸気通路2のサージタンク23に接続
されている。また、上記EGR弁12は、デューティ制
御可能な電磁弁28を介してバキュームポンプ27に接
続され、上記電磁弁28がデューティ制御されることで
EGR弁12の負圧室に対する負圧と大気圧との導入割
合が調整され、これによりEGR弁12の開度が制御さ
れるようになっている。
【0032】上記燃料噴射弁15及び電磁弁26,28
にはコントロールユニット(ECU)30から制御信号
が出力される。このECU30には、上記エアフローセ
ンサ21及び吸気圧力センサ24からの信号が入力さ
れ、さらに、アクセル開度を検出するアクセル開度セン
サ31、エンジンのクランク角を検出するクランク角セ
ンサ32、上記コモンレール17内の燃料圧力を検出す
るコモンレール圧力センサ33等からの信号も入力され
るようになっている。
【0033】そして、上記ECU30から燃料噴射弁1
5に出力される制御信号により燃料噴射弁15からの燃
料噴射量及び噴射時期が制御され、また電磁弁26に出
力される制御信号(デューティ信号)によりVGT5の
可変翼開度が制御されるとともに、電磁弁28に出力さ
れる制御信号(デューティ信号)によりEGR弁12の
開度が制御されるようになっている。
【0034】上記ECU30は、図3に示すように、燃
料噴射弁15の燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手
段35と、コモンレール17内の燃料圧力を制御するコ
モンレール圧制御手段36と、少なくとも部分負荷領域
でEGRを行なわせるとともにこのEGRを行なわせる
運転領域で空燃比が所定空燃比となるように、上記VG
T5の制御とEGR弁12の制御とを関連づけて行なう
制御手段40とを有している。
【0035】上記燃料噴射量制御手段35は、アクセル
開度センサ31によって検出されたアクセル開度acc
elと、エンジン回転数検出手段34によってクランク
角信号の周期の計測等により検出されたエンジン回転数
Neとに基づき、予め設定されたマップ37からエンジ
ンの目標トルクtrqsolを読み出すとともに、この
目標トルクtrqsolと、エンジン回転数Neと、上
記エアフローセンサ21によって検出された実新気量F
Airとに基づき、予め設定された三次元マップ38か
ら目標燃料噴射量Fsolを読み出し、この目標燃料噴
射量Fsolと、コモンレール圧力センサ21によって
検出されたコモンレール17内の燃料圧力CRPとに基
づいて燃料噴射弁15の励磁時間を調節することによ
り、燃料噴射量を制御するように構成されている。
【0036】コモンレール圧力制御手段36は、上記目
標トルクtrqsolとエンジン回転数Neとに基づ
き、予め設定されたマップ39から目標コモンレール圧
力CRPsolを読み出し、この目標コモンレール圧力
CRPsolと検出された燃料圧力CRPとに基づいて
燃料系に設けられた図外の燃料圧力調整手段を制御する
ようになっている。
【0037】また、制御手段40は、EGR制御手段4
1と、VGT制御手段42と、これらの制御状態を運転
領域に応じて調整するための運転領域判別手段43とを
含んでいる。
【0038】上記EGR制御手段41は、後述のような
所定の部分負荷領域で、空燃比が目標空燃比A/Fso
lとなるようにEGR弁12をフィードバック制御す
る。すなわち、上記目標トルクtrqsolとエンジン
回転数Neとに基づいて予め設定されたマップ44から
目標空燃比A/Fsolが読み出され、この目標空燃比
A/Fsolと上記目標燃料噴射量Fsolとに基づ
き、目標新気量演算部45によりエンジン本体1の燃焼
室に吸入される新気の目標新気量FAsolが演算さ
れ、この目標新気量FAsolの演算値とエアフローセ
ンサ33で検出された実新気量FAirとが上記EGR
制御手段41に入力される。そして、EGR制御手段4
1により目標新気量FAsolと実新気量FAirとの
差に応じた制御信号がEGR弁駆動のための電磁弁28
に出力されることにより、目標新気量FAsolと実新
気量FAirとの差をなくするようにEGR弁12の開
度がフィードバック制御される。
【0039】上記VGT制御手段42は、EGRが行な
われる運転領域で、上記VGT5の可変翼開度を、全開
と全閉との間の部分開度の範囲内であって、可変翼8の
動作によって過給圧が変化する所定範囲内に保つように
しつつ、過給圧が目標過給圧となるようにVGT5の可
変翼をフィードバック制御する。すなわち、上記目標ト
ルクtrqsolとエンジン回転数Neとに基づいて予
め設定されたマップ46から目標過給圧Bstsolが
読み出され、制御手段42により目標過給圧Bstso
lと実過給圧Bstとの差に応じた制御信号がVGT駆
動用の電磁弁26に出力されることにより、目標過給圧
Bstsolと実過給圧Bstとの差をなくすようにV
GT5の可変翼開度がフィードバック制御される。
【0040】上記運転領域判別手段43は、エンジン負
荷に相当する値(目標トルクtrqsolまたはアクセ
ル開度Accelあるいは目標燃料噴射量Fsol)と
エンジン回転数Neとに基づいて運転領域を判別する。
そして、この運転領域判別手段43による運転領域の判
別に基づき、EGR制御手段41とVGT制御手段42
の制御状態が変更される。
【0041】例えば、予め図4に示すように運転領域が
アイドル運転領域A、部分負荷領域B、高負荷運転領域
C及び減速領域Dに区分される。そして運転領域判別手
段43による判別に基づき、部分負荷領域Bでは目標新
気量FAsolと実新気量FAirとの差に応じたEG
R弁12のフィードバック制御、及び目標過給圧Bst
solと実過給圧Bstとの差に応じたVGT5のフィ
ードバック制御が上記EGR制御手段41及びVGT制
御手段42において行なわれる。一方、アイドル運転領
域A、高負荷領域C及び減速領域Dでは上記のような制
御が停止され、後にフローチャートの説明の中で詳しく
述べるようにEGR弁12及びVGT5の制御状態が変
更される。
【0042】上記部分負荷領域BでのVGT制御手段4
2による制御においてVGT5の可変翼開度は所定範囲
内で制御されるが、その可変翼開度の制御範囲の具体例
を図5を参照しつつ説明する。
【0043】図5はVGT5の可変翼開度と過給圧との
関係をエンジン回転数Neが15000rpmの場合と
2000rpmの場合とについて示している。この図の
ように、VGT5の可変翼開度が全開側の特定範囲(全
開から70%程度までの範囲)では過給圧が低い圧力に
保たれ、部分開度の範囲α(70%程度から40%程度
までの範囲)では可変翼開度が小さくなるにつれて過給
圧が上昇し、全閉側の特定範囲(40%程度から全閉ま
での範囲)では過給圧が高い圧力に保たれる。
【0044】そして、上記の全開側や全閉側の特定範囲
では、可変翼開度の変化に対して過給圧が略一定であっ
て、可変翼開度の調整による過給圧制御が困難であり、
しかも、可変翼開度が40%程度より絞られると背圧上
昇により燃費の悪化を招いて好ましくない。
【0045】従って、過給圧の制御性を確保するには可
変翼開度の変化に応じて過給圧が変化する可変翼開度を
上記部分開度の範囲αで制御することが必要であり、と
くに、燃費の悪化を避けつつ充分な過給作用を持たせる
には、過給圧変動範囲にうちの略中間点から上限近傍ま
での範囲に対応するような可変翼開度の範囲を制御範囲
とすることが好ましい。例えば可変翼開度の制御範囲を
40〜60%程度の範囲とすればよい。
【0046】上記制御手段40による制御の具体例を図
6のフローチャートによって説明する。
【0047】このフローチャートの処理がスタートする
と、先ずステップ1でエンジン回転数Ne、アクセル開
度Accel、吸入空気量FAir及び吸気圧力Bst
が読み込まれ、ステップS2で、アイドル運転領域Aか
否かが判定される。そして、アイドル運転領域Aであれ
ば、VGT5が可変翼全閉とされるとともにEGR弁1
2が全開とされる(ステップS3,S4)。
【0048】アイドル運転領域Aでなければ、ステップ
S5で高負荷領域Cか否かが判定される。そして、高負
荷領域Cであれば、VGT5がエンジン回転数Neに応
じた可変翼開度とされるとともに、EGR弁12が全閉
とされる(ステップS6,S7)。この場合、VGT5
の可変翼開度は高負荷低回転領域C1では全閉とされ、
高負荷中回転領域C2では回転数上昇に応じて開度が大
きくされ、高負荷高回転領域C2では全開とされる。
【0049】高負荷領域Cでなければ、ステップS8で
減速領域Dか否かが判定され、減速領域Dであればさら
にステップS9で燃料カット状態にあるか否かが判定さ
れる。そして、燃料カット状態の減速時にはVGT5が
可変翼全閉、EGR弁12が全開とされ(ステップS1
0,S11)、それ以外の減速時にはVGT5が可変翼
全閉、EGR弁12が全閉とされる(ステップS12,
S13)。
【0050】上記ステップS2,S5,S8の判定が全
てNOのときは部分負荷領域Bに有ることを意味する。
この場合の制御としては、ステップS14で目標過給圧
Bstsolが演算され、ステップS15で目標過給圧
Bstsolと吸気圧力(実過給圧)Bstとの偏差で
ある過給圧偏差が演算され、さらにステップS16で過
給圧偏差に応じてVGT駆動用のデューティDuが演算
される。続いてステップS17で上記デューティDuの
演算値が制御範囲の上限値より大か否かが判定され、そ
の判定がNOであればステップS18で制御範囲の下限
値より小か否かが判定される。すなわち、前述のように
VGT5の可変翼開度の制御範囲を例えば40〜60%
に制限すべく、それに対応する上記デューティの範囲が
予め設定され、その設定範囲の上限値及び下限値とデュ
ーティDuの演算値とが比較される。
【0051】そして、デューティDuの演算値が設定範
囲内にあればそのまま電磁弁に出力される(ステップS
19)。また、デューティDuの演算値が上限値より大
であれば上限値に変えられ(ステップS20)、下限値
より小であれば下限値に変えられて(ステップS2
1)、その変更後のデューティDuが電磁弁に出力され
る。
【0052】また、ステップS22で、EGR弁12の
エアフローフィードバック制御が行なわれる。すなわ
ち、目標新気量FAsolとエアフローセンサ21で検
出された実新気量FAirとの差に応じてEGR弁駆動
用デューティが演算されて、電磁弁28に出力される。
【0053】以上のような当実施形態の装置によると、
部分負荷領域Bでは、実新気量FAirが目標新気量F
Asolとなるように、つまり実空燃比が目標空燃比A
/FsolとなるようにEGR弁12のフィードバック
制御が行なわれるとともに、上記の図6のフローチャー
ト中のステップS14〜S21の処理によりVGT5の
可変翼開度が所定範囲内に制御され、過給状態もNOx
及びスモークの低減に有利なように制御される。
【0054】すなわち、EGR量が増加するとそれにつ
れてNOxが低減されるが、EGR率の増加によって空
燃比が小さくなりすぎると、新気量の減少により燃焼状
態が悪化してスモークが増大するため、NOxを低減し
つつスモークの増大を招かないような空燃比を目標空燃
比A/FsolとしてEGR弁12のフィードバック制
御が行なわれる。この場合に、このようなEGR弁12
の制御と併せてVGT5の可変翼開度が適度に絞られる
ように所定範囲内に制御される。これにより、過度の背
圧上昇による燃費の悪化を招かない範囲で、過給により
吸気の充填効率が高められるとともに、VGT5のノズ
ルが絞られて排気圧がある程度高くなることでEGRが
促進される。このためEGRによるNOx低減効果が高
められるとともに、新気量が確保されることでスモーク
を低減する効果も高められる。
【0055】このような作用を図7,図8によって具体
的に説明する。図7のグラフは中回転中負荷域(エンジ
ン回転数Neが2000rpm、正味平均有効圧力Pe
が5.7kg/cm2)で、VGTの可変翼開度及びEGR弁
の開度を種々変えた場合のNOx及びスモークの変化を
示している。同図において、細線で各ポイントをつない
だ複数のライン101〜105は、種々のEGR弁開度
においてそれぞれ、VGT5の可変翼開度を全開(10
0%)から全閉(0%)まで変えてNOx及びスモーク
の値を調べたものであり、EGR弁開度が小さい場合に
右下寄りのライン101となり、EGR弁開度が大きく
なるにつれてラインが左上側にずれる。
【0056】この図のように、EGR弁開度とNOx及
びスモークとの関係としては、EGR弁開度が大きくな
るにつれてNOxは減少するがスモークは増加する。ま
た、VGT5の可変翼開度とNOx及びスモークとの関
係を見た場合、VGT5の可変翼開度が60%程度以上
に大きけば充分な過給作用が得られず充填効率が低下す
ること等でスモークが増加し、60%程度から40%程
度までの範囲では可変翼開度を小さくしていくと過給に
より充填効率が高められるとともに排気圧の上昇により
適度にEGR量が増加されることでNOx及びスモーク
が減少していくが、さらに可変翼開度を小さくすると、
排気圧が上昇し過ぎてEGR量の増加により却って新気
量が減少することでスモークが増加する。
【0057】従って、NOx及びスモークの低減のため
にはVGT5の可変翼開度を40〜50%程度とするこ
とが好ましい。VGT5の可変翼開度を好ましい範囲に
調整しつEGR弁開度を変えた場合のNOx及びスモー
クの特性は同図中に太い実線110で示すようになり、
通常のターボ過給機(ノーマルターボ)を用いた場合の
特性(破線111)と比べると、例えばスモークを同程
度とする場合はNOxが大幅に減少し(矢印a)、NO
xを同程度とする場合はスモークが大幅に減少する(矢
印b)こととなる。
【0058】また、図8はEGRバルブを一定開度に保
った状態で、VGT5の可変翼開度と充填効率及びEG
R率(括弧書きで示す)との関係を示しており、線12
1は中速中負荷の運転状態(Ne=2000rpm、P
e=5.7kg/cm2)にある場合、線122はこれより低
速低負荷側の運転状態(Ne=1500rpm、Pe=
5.7kg/cm2)にある場合を示している。
【0059】この図のように、VGT5の可変翼開度が
70%程度から40%程度までは可変翼開度が小さくな
るにつれ、充填効率及びEGR量が共に増加し、NOx
及びスモークを低減することができる。とくに、中速中
負荷の運転状態では、低速低負荷側と比べて過給効率が
高いため充填効率及びEGR量の増加が大きく、NOx
及びスモークの低減効果が高められる。
【0060】ところで、当実施形態ではアイドル運転領
域、高負荷領域及び減速運転領域では、それぞれの運転
状態に適合するようなVGT5の可変翼開度及びEGR
弁12の制御が行なわれる。すなわち、アイドル運転領
域では、排気ガス量が少ないためVGT開度を全閉とし
ても背圧が過度に上昇することがなく、かつ、燃料噴射
量が少なくて空気過剰率が充分に大きいため、VGT開
度が全閉、EGR弁が全開とされることで可及的にEG
R量が多くされ、NOx低減が図られる。
【0061】また、高負荷領域では、出力性能向上のた
めEGR弁12が閉じられてEGRが停止される。そし
て、高負荷領域における低回転側ではVGT開度が小さ
くされることで過給効率が高められ、排気ガス量の多い
高負荷高回転領域ではVGT開度が大きくされることで
背圧上昇が避けられる。
【0062】さらに、減速運転領域では、減速直後に再
加速されるときの加速応答性の確保等のため、VGT開
度が全閉とされるとともに、燃料カット時以外はEGR
による再加速性の悪化を避けるべくEGR弁12が閉じ
られ、燃料カット時は背圧の上昇を避けるべくEGR弁
12が開かれる。
【0063】なお、運転領域に応じたVGTの制御は上
記実施形態のものに限定されず、例えば、高負荷領域で
筒内最高圧力(Pmax )が許容値を越えないように、目
標過給圧と実過給圧との比較に基づくVGTのフィード
バック制御を高負荷域まで行なうようにしてもよい。
【0064】コントロールユニット等の具体的構成も上
記実施形態に限定されず種々変更可能である。
【0065】例えば、図3に示す実施形態では、燃料噴
射量の制御にあたり、アクセル開度accel及びエン
ジン回転数Neに応じてマップ37で目標トルクtrq
solを求めた後、この目標トルクtrqsolとエン
ジン回転数Neと新気量とに応じてマップ38で目標燃
料噴射量Fsolを求めているが、これらのマップ3
7,38の替わりに、アクセル開度accel及びエン
ジン回転数Neに応じた目標燃料噴射量Fsolのマッ
プを予め設定しておき、アクセル開度accel及びエ
ンジン回転数Neに応じて目標燃料噴射量Fsolが直
接求められるようにしておいてもよい。このようにする
場合に、目標空燃比A/Fsolのマップ及び目標過給
圧Bstsolのマップは、エンジン回転数Neと目標
燃料噴射量Fsolとに対応づけたものとしておけばよ
い。
【0066】また、図3に示す実施形態における制御手
段40は、運転領域判別手段43により運転領域を判別
し、それに応じてEGR弁12及びVGTの制御状態を
変えるようにしているが、図9に示すように、タービン
効率推定手段50により、新気量及び吸気圧力に応じて
予め設定したマップからタービン効率を判別し、このタ
ービン効率に応じてEGR弁12及びVGT5の制御状
態を変えるようにしてもよい。この場合、タービン効率
が高い運転状態(中負荷中回転等の運転状態)では、前
述のようにVGT5のノズルを適度に絞ることでEGR
量及び新気量が共に増加してNOx低減及びスモーク低
減が可能となることから、EGR弁をフィードバック制
御するとともにVGT開度を所定範囲(例えば40〜6
0%程度)内で制御すればよい。一方、タービン効率が
低い運転状態(アイドル時等)のときには例えばVGT
開度を全閉、EGR弁開度を全開としておけばよい。
【0067】また、図3に示す実施形態における制御手
段40の中のVGT制御手段42は、目標新気量FAs
olと実新気量FAirとの偏差に応じてVGT5を制
御しているが、他の手法として、図10のように、目標
トルクtrqsol(またはアクセル開度accel)
とエンジン回転数Neとに応じて予め設定したマップ5
1から目標VGTポジションを演算し、この目標VGT
ポジションとポジションセンサ52により検出される実
VGTポジションとの偏差に応じポジション制御手段5
3によりVGT5のフィードバック制御を行なうように
してもよい。
【0068】このようなポジション制御手段63とマッ
プ51及びセンサ52は、図3中のVGT制御手段42
及びマップ46に替えて用いるようにしてもよく、また
これらと併用し、例えば高負荷領域では図3中のVGT
制御手段42によりVGT5を制御し、低,中負荷領域
ではポジション制御手段53によりVGT5を制御する
というように使い分けてもよい。
【0069】また、VGT5の可変翼開度がEGR量に
関係する(可変翼開度の変化に伴う排気圧力の変化によ
りEGR量が変る)ので、空燃比を目標空燃比A/Fs
olとするように目標新気量FAsolと実新気量FA
irとの偏差に応じてVGT5の可変翼開度を制御する
ようにしてもよい。
【0070】あるいは、基本的な制御としてはVGT5
の可変翼開度を所定範囲内で一定に設定した状態で、目
標新気量FAsolと実新気量FAirとの偏差に応じ
てEGR弁12をフィードバック制御するようにし、こ
れだけでは空燃比が目標空燃比A/Fsolに収束しな
いときに可変翼開度を変更するようにしてもよい。
【0071】また、上記実施形態ではターボ過給機が排
気流通面積可変手段として可変翼8を具備したVGT5
で構成されているが、排気流通面積可変手段は上記可変
翼8に限定されず、例えばタービン入口側に通路に一部
を開閉するバルブを設ける等により排気流通面積可変手
段を構成してもよい。
【0072】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、可変翼
等の排気流通面積可変手段を具備するターボ過給機と排
気還流装置とを備えたエンジンにおいて、少なくとも部
分負荷領域で排気還流を行なわせ、この領域で、空燃比
が所定空燃比となるように上記可変翼等の排気流通面積
可変手段の制御と上記排気還流弁の制御とを共に行なう
ようにしているため、排気還流が行なわれる運転領域
で、適度の過給を行ないつつ、所定の空燃比となるよう
に排気還流量と新気量との割合を調整することができ
る。従って、排気還流量と新気量との割合が適正に調整
されつつ過給作用で充填効率を高めて、排気還流量及び
新気量を増加させ、NOx及びスモークをより一層低減
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る制御装置を備えたターボ過給機付
エンジンの実施形態を示す概略図である。
【図2】ターボ過給機の一例としてVGTにおける可変
翼配設部分の構造の模式図である。
【図3】エンジンのコントロールユニットの具体的構成
を示すブロック図である。
【図4】運転状態に応じた制御のための運転領域の区分
を示す説明図である。
【図5】VGT可変翼開度と過給圧との関係を示すグラ
フである。
【図6】制御手段による制御動作を示すフローチャート
である。
【図7】VGTの可変翼開度及びEGR弁開度とNOx
およびスモークとの関係を示すグラフである。
【図8】VGT開度と空気充填効率との関係を示すグラ
フである。
【図9】エンジンのコントロールユニットの構成につい
ての別の実施形態を示すブロック図である。
【図10】VGT制御部分の別の実施形態を示すブロッ
ク図である。
【符号の説明】
1 エンジン本体 2 吸気通路 3 排気通路 5 ターボ過給機 8 可変翼 11 EGR通路 12 EGR弁 21 エアフローセンサ 24 吸気圧力センサ 30 コントロールユニット 40 制御手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F02D 41/04 305 F02D 41/04 305C 43/00 301 43/00 301R 301N F02M 25/07 550 F02M 25/07 550F 570 570P 570D (72)発明者 松尾 祐児 広島県安芸郡府中町新地3番1号 マツダ 株式会社内 (72)発明者 荒木 啓二 広島県安芸郡府中町新地3番1号 マツダ 株式会社内 Fターム(参考) 3G005 DA02 EA04 EA15 EA16 FA35 GA02 GA04 GC05 GC07 GD02 GD03 GD12 GD13 GD14 GD17 GD18 GE01 GE09 GE10 HA12 HA13 HA18 JA00 JA06 JA24 JA45 JA51 3G062 AA01 AA05 BA02 BA04 BA05 CA03 CA04 CA05 CA07 CA08 EA08 EB16 FA10 GA01 GA04 GA06 GA14 GA21 3G084 AA01 BA07 BA09 BA13 BA15 BA20 CA03 CA04 CA06 CA09 DA10 EB08 EB11 EC06 FA00 FA07 FA10 FA12 FA33 FA37 FA38 3G092 AA02 AA06 AA17 AA18 BB02 BB06 DB03 DC09 DE03S EC01 EC08 EC10 FA17 FA18 GA04 GA05 GA06 GA12 GA13 GA17 GA18 HA01X HA01Z HA16X HA16Z HB03Z HD07Z HE01Z HE03Z HF08Z 3G301 HA02 HA04 HA11 HA13 JA24 JA25 KA07 KA08 KA09 KA15 KA16 KA24 KA25 LB04 LB06 LB11 LC01 LC07 MA01 MA12 MA18 NC02 ND01 ND41 PA01A PA01Z PA16A PA16Z PB08Z PD15Z PE01Z PE03Z PF03Z

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 タービンへの排気流通面積を変化させる
    排気流通面積可変手段を具備したターボ過給機と、上記
    タービンの上流から排気ガスを取り出し排気還流弁を介
    して吸気系へ還流させる排気還流装置とを備えたターボ
    過給機付エンジンにおいて、少なくとも部分負荷領域で
    上記排気還流装置による排気還流を行なわせ、この排気
    還流を行なわせる運転領域で、空燃比が所定空燃比とな
    るように上記排気流通面積可変手段の制御と上記排気還
    流弁の制御とを共に行なう制御手段を備えたことを特徴
    とするターボ過給機付エンジンの制御装置。
  2. 【請求項2】 排気還流を行なわせる運転領域での上記
    制御手段による上記排気流通面積可変手段の制御範囲
    を、排気流通面積の可変範囲のうちの最大側及び最小側
    を除く範囲であって、排気流通面積可変手段の動作によ
    り過給圧が変化する所定範囲に設定したことを特徴とす
    る請求項1記載のターボ過給機付エンジンの制御装置。
  3. 【請求項3】 ターボ過給機は、排気流通面積可変手段
    としてタービンに対し開度変更可能なノズルを形成する
    可変翼を具備し、上記制御手段は、排気還流を行なわせ
    る運転領域で、上記可変翼の開度を部分開度の範囲内に
    調整するとともに排気還流弁の制御を行なうようになっ
    ていることを特徴とする請求項1または2記載のターボ
    過給機付エンジンの制御装置。
  4. 【請求項4】 上記制御手段による排気還流弁の制御
    は、実際の空燃比が目標空燃比となるようにフィードバ
    ック制御を行なうものであることを特徴とする請求項3
    記載のターボ過給機付エンジンの制御装置。
  5. 【請求項5】 排気還流を行なわせる運転領域で上記制
    御手段により設定される可変翼の開度の調整範囲は、可
    変翼の動作により過給圧が変化する所定範囲であること
    を特徴とする請求項3または4記載のターボ過給機付エ
    ンジンの制御装置。
  6. 【請求項6】 排気還流を行なわせる運転領域で上記制
    御手段により設定される可変翼の開度の調整範囲は、可
    変翼の動作に応じた過給圧変動範囲のうちの略中間点か
    ら上限近傍までの範囲に対応する範囲であることを特徴
    とする請求項5記載のターボ過給機付エンジンの制御装
    置。
  7. 【請求項7】 上記制御手段による可変翼の制御は、吸
    気圧力検出手段により検出される過給圧が目標過給圧と
    なるようにフィードバック制御を行なうものであること
    を特徴とする請求項3乃至6のいずれかに記載のターボ
    過給機付エンジンの制御装置。
  8. 【請求項8】 上記制御手段による可変翼の制御は、可
    変翼開度状態検出手段により検出される可変翼開度状態
    が目標開度状態となるようにフィードバック制御を行な
    うものであることを特徴とする請求項3乃至6のいずれ
    かに記載のターボ過給機付エンジンの制御装置。
  9. 【請求項9】 タービンへの排気流通面積を変化させる
    可変翼を具備したターボ過給機と、上記タービンの上流
    から排気ガスを取り出し排気還流弁を介して吸気系へ還
    流させる排気還流装置とを備えたターボ過給機付エンジ
    ンにおいて、少なくとも部分負荷領域で上記排気還流装
    置による排気還流を行なわせ、この排気還流を行なわせ
    る運転領域で、上記可変翼の開度を、部分開度であって
    可変翼の動作により過給圧が変化する所定範囲内としつ
    つ、空燃比が所定空燃比となるように制御する制御手段
    を備えたことを特徴とするターボ過給機付エンジンの制
    御装置。
  10. 【請求項10】 上記制御手段はアイドル運転時には可
    変翼を全閉とするように制御することを特徴とする請求
    項3乃至9のいずれかに記載のターボ過給機付エンジ
    ン。
  11. 【請求項11】 エンジンの高回転高負荷時には可変翼
    を略全開、排気還流弁を全閉とするように制御すること
    を特徴とする請求項3乃至10のいずれかに記載のター
    ボ過給機付エンジン。
  12. 【請求項12】 タービンへの排気流通面積を変化させ
    る可変翼を具備したターボ過給機と、上記タービンの上
    流から排気ガスを取り出し排気還流弁を介して吸気系へ
    還流させる排気還流装置とを備えたターボ過給機付エン
    ジンにおいて、少なくとも部分負荷領域で上記排気還流
    装置による排気還流を行なわせ、この排気還流を行なわ
    せる運転領域で、上記可変翼の開度を部分開度の範囲に
    調整するとともに、実際の空燃比が目標空燃比となるよ
    うに排気還流弁のフィードバック制御を行なう制御手段
    を備え、この制御手段により上記可変翼の開度は、可変
    翼の動作に応じた過給圧変動範囲のうちの略中間点から
    上限近傍までの範囲に対応する範囲内で一定値に設定さ
    れ、かつ、上記排気還流弁のフィードバック制御によっ
    て空燃比が目標空燃比に収束しないときに可変翼の開度
    が変更されるようになっていることを特徴とするターボ
    過給機付エンジンの制御装置。
  13. 【請求項13】 タービンへの排気流通面積を変化させ
    る可変翼を具備したターボ過給機と、上記タービンの上
    流から排気ガスを取り出し排気還流弁を介して吸気系へ
    還流させる排気還流装置とを備えたターボ過給機付エン
    ジンにおいて、少なくとも部分負荷領域で上記排気還流
    装置による排気還流を行なわせ、この排気還流を行なわ
    せる運転領域で、上記可変翼の開度を部分開度の範囲に
    調整するとともに上記排気還流弁を制御する制御手段を
    備え、この制御手段は、実際の空燃比が目標空燃比とな
    るように排気還流弁のフィードバック制御を行なう一
    方、可変翼の開度を、可変翼の動作により過給圧が変化
    する所定範囲内としつつ、吸気圧力検出手段により検出
    される過給圧が目標過給圧となるようにフィードバック
    制御し、かつ、吸気圧と吸気量からタービン効率を推定
    し、そのタービン効率に基づいて排気還流弁を制御する
    ようになっていることを特徴とするターボ過給機付エン
    ジンの制御装置
  14. 【請求項14】 上記エンジンはディーゼルエンジンで
    あり、燃料系は、燃料噴射時間及び噴射時期の制御が可
    能な燃料噴射弁と、各気筒の燃料噴射弁に供給される燃
    料を蓄えるコモンレールとを備えることを特徴する請求
    項1乃至13のいずれかに記載のターボ過給機付エンジ
    ンの制御装置
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