JP2000205052A - 流量計測及び制御 - Google Patents

流量計測及び制御

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JP2000205052A
JP2000205052A JP11369359A JP36935999A JP2000205052A JP 2000205052 A JP2000205052 A JP 2000205052A JP 11369359 A JP11369359 A JP 11369359A JP 36935999 A JP36935999 A JP 36935999A JP 2000205052 A JP2000205052 A JP 2000205052A
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orifice
pressure difference
flow rate
exhaust
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ジョセフ コトウィッキ アラン
John David Russell
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Abstract

(57)【要約】 【課題】EGRのより正確なフィードバック制御を得る。 【解決手段】排気再循環システムは、排気マニフォール
ド48からの排気を内燃機関の吸気マニフォールド44へ導
く。排気マニフォールドからの排気は、吸気マニフォー
ルドへ入る前に、最初に流量制御弁200を通り、そして
計測オリフィスを通って、進む。オリフィス205前後の
圧力差が、圧力差及びオリフィス下流の圧力に基づく、
修正係数と共に用いられ、排気流量を計測し制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、オリフィスの上流
及び下流での圧力計測を用いて気流の計測及び制御を行
なうシステム及び方法に関し、より具体的にはオリフィ
スの上流の流量制御弁による排気再循環流量の計測に関
する。
【０００２】
【従来の技術】エンジン制御システムは、規制対象物の
排出抑制及び燃費向上のために、排気再循環（EGR）の
正確な制御を必要とする。ある種の排気再循環システム
は、排気マニフォールドと吸気マニフォールドとの間の
流路に配置された流量制御弁を用いて、排気マニフォー
ルドから吸気マニフォールドへ排気を再循環する。その
弁は流体圧で作動され、そして電子エンジン制御器によ
り制御されるのが、一般的である。
【０００３】排気再循環を制御する取組みの一つは、実
際の排気再循環流量が所望の排気再循環流量へ収束する
のを確実なものとするために、フィードバック変数を用
いることである。流量制御弁の上流の排気流路のオリフ
ィス前後で計測した圧力差を用いる方法がある。それ
で、その圧力差を、実際の排気再循環流量を推定するの
に用いることが出来る。EGRが用いられる領域で、排気
圧は僅かしか変化しないので、圧力差の計側値は、排気
流量に対する適切な相互関係を与える。更に、上流排気
マニフォールドの温度がエンジン運転状態に相互関係が
あることがあるので、温度影響を考慮することが出来、
さもなくば、比較的変動が小さいが故に、無視すること
も出来る。最終的に、排気再循環流量の実際値と所望値
との間の偏差は、流量制御弁へ送られる制御信号を生成
するのに、用いられる。それで、システムは、エンジン
及び構成部品の経時変化の影響を、システム中の他の誤
差と共に、補償することが出来る。その様なシステム
が、米国特許5,190,017号に開示されている。
【０００４】本願発明者は、オリフィスが弁の下流に配
置されている場合の、上記システムの欠点を認識した。
この構成において、排気からの流れは最初に流量制御弁
を通りそしてオリフィスを通って進み、吸気マニフォー
ルドへ入る。この場合において、（弁の下流の）オリフ
ィスの上流の圧力は大幅に変り、圧力差及び流量につい
てなされた仮定はもはや有効ではない。また、（弁の下
流の）オリフィスの上流の温度は、弁の中での流れの膨
張のために、もはやエンジン運転状態に対する直接的な
相互関係を持たない。それで、下流オリフィスによる圧
力差計測を用いる場合には、重大な計測誤差がある。
【０００５】より正確に流量を計測する取組みの一つ
に、オリフィス上流の絶対圧、オリフィス前後の圧力差
及び、オリフィス上流の温度を、計測することがある。
この方法において、圧力と温度との間の相互関係を、圧
力及び温度が大幅に変る場合の排気流量を計測するため
に、用いることが出来る。代わりに、この取組みを、弁
の上流の圧力、弁の前後の圧力差、弁の上流の温度及
び、弁の面積が、流量を計測するのに用いられる場合
に、流量制御弁と共に用いることが出来る。その様なシ
ステムは、米国特許4,406,161号に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】発明者は、上記取組み
の問題点を認識した。これらの取組みは、上流温度が既
知であることを、要する。それで、コストを上昇させる
センサーが必要とされるが、それは許容されることでは
ない。更に、エンジン運転状態に基く排気マニフォール
ドの温度予測値は、流量制御弁下流の温度を、正確に表
すものではない。更に、従来技術の取組みを流量制御弁
へ適用すると、弁位置又は面積を、計測しなければなら
ず、それがコストを上昇させてしまう。
【０００７】ここに記載された発明の目的は、上流の流
量制御弁及び下流計測オリフィスを持つ排気再循環シス
テムのための、排気再循環計測システム及び方法を提供
することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】内燃機関の排気マニフォ
ールドから吸気マニフォールドへの排気流量を計測する
流量計測システムにより、上述の目的が達成され、そし
て、従来の取組みの問題が解消される。このシステム
は、エンジンの排気マニフォールドと吸気マニフォール
ドとの間の排気再循環路に配置された可変オリフィスを
持つ流量制御弁、上記再循環路内で上記弁下流に配置さ
れた固定オリフィス領域及び、上記計測オリフィス下流
の第１圧力を計測し、上記計測オリフィス前後の圧力差
を計測し、そして、上記第１圧力及び上記圧力差に基き
質量流量を計算する、コンピューター、を有する。
【０００９】オリフィスが流量制御弁の下流にあるもの
において、オリフィス前後の圧力差とオリフィス下流の
絶対圧力との関数としての修正係数との組合わせを用い
ることにより、許容可能な性能を与え、従来の取組みの
食違いを回避した、流量計側値が得られる。別の言い方
をすれば、オリフィス前後の圧力差及びオリフィス下流
の圧力を用いての近似が、正確に流量を計測する。（流
量制御弁下流の）オリフィス上流の温度計測値は、本来
的に含まれている。この計測法は、弁の下流に配置され
たオリフィスを通る流れの特別な場合、つまり、流れが
内燃機関の排気マニフォールドを源としエンジンの吸気
マニフォールドへ出て行く場合、については正当化され
るものである。
【００１０】第１実施例としてここで言及されるこの実
施例は、オリフィス前後の圧力差と修正係数との積を用
い、修正係数は、オリフィス下流の圧力に関連する。
【００１１】
【発明の効果】本発明の上記観点の効果は、EGRのより
正確なフィードバック制御が得られる、ということであ
る。
【００１２】本発明の上述の観点の別の効果は、より正
確なフィードバック制御品質が、より良い燃料経済性及
び運転性をもたらすということである。
【００１３】本発明の上述の観点の更に別の効果は、一
定のフィードバック制御品質が、排出物の低下をもたら
すということである。
【００１４】本発明の上述の観点の更にまた別の効果
は、計測オリフィスの下流の圧力計測値が、EGR流の修
正係数を形成し、他の用途のためにマニフォールド圧力
を計測するという二重の目的を、達成するということで
ある。
【００１５】本発明のもう一つの観点によれば、更に計
測システムを進化させるために、流量制御弁及び面積固
定の計測オリフィスを通る場合の、エンジン排気からエ
ンジン吸気への流れを計測する方法により、第２の修正
係数が用いられる。その方法は、計測オリフィス前後の
圧力差を計測する工程、マニフォールド圧力を表す計測
オリフィス下流の圧力を計測する工程、上記下流圧力及
び上記圧力差に基き圧力及び温度の修正係数を計算する
工程、及び、上記下流圧力、上記圧力差及び上記修正値
に基き流量を計算する工程、を有する。
【００１６】流量制御弁が上流に配置され、計測オリフ
ィスが下流に配置され、そして双方が排気マニフォール
ドと吸気マニフォールドとの間にある構成において、マ
ニフォールド圧力及び計測オリフィス前後の圧力降下を
用いる更なる近似が、弁を通しての圧縮性流れの膨張故
に、圧力と温度との影響の両方を含むことを、見ること
が出来る。ここにおいて、第２実施例として言及され
る、この実施例は、追加のセンサーなしにここにおいて
先に説明された第１実施例に対して正確性の更なる向上
を得る。第２実施例において、用いられる追加の修正係
数があり、それは、オリフィス前後の圧力差とオリフィ
ス下流の圧力との両方の関数である。繰返すが、（流量
制御弁下流の）オリフィス上流の温度計側は、不要であ
る。
【００１７】本発明の上記観点の効果は、EGRのより正
確なフィードバック制御が得られるということである。
【００１８】本発明の上記観点の別の効果は、より正確
なフィードバック制御品質がより良好な燃料経済性及び
運転性をもたらすということである。
【００１９】本発明の上記観点の更に別の効果は、一様
なフィードバック制御品質が排出物を低減する、という
ことである。
【００２０】本発明の別の観点によれば、ハウジング、
該ハウジングに含まれ、ガス流路内に配置され上記流路
の入口部に接続される可変面積オリフィスを持つ流量制
御弁、上記流路内に配置され、上記流路の出口部に接続
される固定面積オリフィス、上記固定面積オリフィス前
後の圧力差を計測するために上記固定面積オリフィス前
後に接続される第１圧力センサー及び、出口圧力を計測
するために上記出口部に接続される第２圧力センサー、
を有する製造物により、上記目的が達成され、従来の取
組みの問題が解消される。
【００２１】本発明の上記観点の効果は、流量のより正
確なフィードバック制御が得られる、ということであ
る。
【００２２】本発明の、他の目的、特徴及び効果は、本
明細書の読者により、容易に理解されるであろう。
【００２３】ここで説明された目的及び効果は、本発明
が利用され、発明の実施の形態として言及される実施例
を読むことにより、より完全に理解されるであろう。
【００２４】
【発明の実施の形態】図１にシリンダーの一つが示され
ている、複数のシリンダーを有する内燃機関10は、電子
エンジン制御器12により制御される。エンジン10は、燃
焼室30及びシリンダー壁32を含み、その中に配置される
ピストン36はクランクシャフト40に接続されている。燃
焼室30は、吸気マニフォールド44及び排気マニフォール
ド48と、それぞれの吸気弁52及び排気弁54を介して、連
通する。排気酸素センサー16は、触媒コンバーター20上
流のエンジン10の排気マニフォールド48に接続される。
【００２５】吸気マニフォールド44は、絞り弁66を介し
てスロットル・ボディ64に連通する。吸気マニフォール
ド44が、制御器12からの信号（fpw）のパルス幅に比例
して、燃料を供給するためにそこに接続される燃料イン
ジェクター68を持つのが、示されている。エンジン10は
更に、制御器12に応答して、点火プラグ92を介して、燃
焼室30に対し点火火花を与えるために、一般的なディス
トリビューターレス点火システム88を、含む。ここで説
明されている実施例において、制御器12は一般的なマイ
クロコンピューターであって、マイクロプロセッサー・
ユニット102、入出力ポート104、電子メモリー・チップ
106、この特定の例においては、電子的にプログラム可
能なメモリーである電子メモリー・チップ106、ランダ
ム・アクセス・メモリー108及び一般的なデータ・バス
を含む。
【００２６】制御器12は、先に述べた信号に加えて、エ
ンジン10に接続されたセンサーから種々の信号を受け、
その信号には、スロットル・ボディ64に接続された質量
流量センサー110からの吸入質量流量（MAF）の計測値、
冷却ジャケット114に接続された温度センサー112からの
エンジン冷媒温度（ECT）、吸気マニフォールド44に接
続されたマニフォールド圧力センサー116からのマニフ
ォールド圧力（MAP）の計測値、絞り弁66に接続された
スロットル位置センサー117からのスロットル位置（T
P）の計測値、及び、エンジン回転数（N）を示す、クラ
ンクシャフト40に接続されたホール効果センサー118か
らのプロファイル点火ピックアップ信号（PIP）が、含
まれる。
【００２７】排気は、排気マニフォールド48、EGR弁組
立体200及びEGRオリフィス205に連通するEGRチューブ20
2により、吸気マニフォールド44へ輸送される。チュー
ブ202は、排気マニフォールド48と吸気マニフォールド4
4との間を連通するエンジン内部に配列された経路とす
ることも出来る。流量センサー206は、弁組立体200とオ
リフィス205との間のEGRチューブ202と連通する。流量
センサー206は吸気マニフォールド44とも連通する。別
の言い方をすれば、排気は、排気マニフォールド44か
ら、最初に弁組立体200を通りそしてEGRオリフィス205
を通り、吸気マニフォールド44まで、進む。EGR弁組立
体200は、オリフィス205の上流に配置されていると言う
事も出来る。
【００２８】流量センサー206は、マニフォールド圧力
（MAP）の計側値及びオリフィス205前後の圧力降下（D
P）を制御器12に対し与える。信号MAP及びDPは、ここで
特に図3〜5を参照して後述する様に、EGR流量を計算す
るのに用いられる。EGR弁組立体200は、EGRチューブ202
の可変面積絞りを制御し、それによりEGR流量を制御す
るための弁位置（不図示）を持つ。EGR弁組立体200は、
チューブ202を通るEGR流量を最小限制限するか又はチュ
ーブ202を通るEGR流量を完全に制限するかの、いずれか
を行なうことが出来る。バキューム・レギュレーター22
4が、EGR弁組立体200に接続される。バキューム・レギ
ュレーター224は、制御器12からの作動信号226を受け
て、EGR弁組立体200の弁位置を制御する。好ましい実施
例において、EGR弁組立体200は負圧作動弁である。しか
しながら、当業者には自明である様に、例えば、電気ソ
レノイド駆動の弁又はステップモーター駆動の弁の様
な、いかなる種類の流量制御弁を用いても良い。
【００２９】ここで図2A及び2B、特に図2Aを参照する
と、本発明の代替の実施例が示され、その中で、ハウジ
ング250が、入口端254と出口端256を持つ通路252を含
む。可変オリフィス258は、弁200の分配軸260により制
御される。ハウジング250はまた、弁200へ接続されたバ
キューム・レギュレーター224を保持し、それにより分
配軸260を制限する。通路252はまた、出口端256に接続
されたオリフィス205を持つ。圧力差センサー262はオリ
フィス前後の圧力差を計測し、圧力差信号266を回路268
へ与える。圧力センサー264は、計測通路269を介して出
口端256と連通して、オリフィス205下流の圧力を計測
し、回路268へ圧力信号270を与える。回路268は、この
分野の当業者に公知のマイクロプロセッサー回路を用い
てデジタル的にか又は、この分野の当業者に公知のアナ
ロク回路を用いるかの、いずれかで、信号266と270との
積を計算する。回路268はそして、この計算結果を、信
号272中に入れる。
【００３０】代替案として、圧力差センサー262及びセ
ンサー264は、図2Bに示される様に、第２連通路274を介
して、下流の流れ（不図示）と連通する。この実施例に
おいて、通路256及び274は、内燃機関の吸気マニフォー
ルドへ結合する様に適応されている。それで、通路274
及び256は、吸気マニフォールドを介して、流体連通状
態とされることとなる。回路268がまたセンサー264によ
り計測された圧力を表す信号276を与えるならば、その
様な構成は好ましい。
【００３１】ここで図３を参照すると、EGR流量（EM）
を計算するルーチンが記載されている。ステップ210に
おいて、信号MAPは制御器12によりセンサー206から読み
出され、オリフィス205下流の圧力の計測値を与える。
ステップ212において、オリフィス前後の圧力差DPがセ
ンサー206より読み出される。ステップ214において、EG
R流の圧縮性の影響を部分的に考慮する修正係数CF1が、
信号MAPにより計測された絶対圧として計算される。代
わりに、ステップ210で計測された下流圧力が大気に対
する相対圧力である場合には、修正係数CF1は大気に対
する相対圧力と大気による絶対圧力との合計として、計
算されることになろう。それで、ステップ216におい
て、EGR流量EMは、修正係数CF1、圧力差DP及び定数Kの
積の二乗根として計算される。定数Kは、種々の単位変
換及びオリフィス205の面積を考慮する校正項を、表
す。この方法において、弁200を通るEGR流の膨張のため
に生じる圧力及び温度の影響は充分に取り除かれ、そし
て、計測誤差が減少する。
【００３２】図３で説明したルーチンは、流れの源が排
気マニフォールド48で、受け部が内燃機関10の吸気マニ
フォールド44である場合の、最初に流量制御弁200を通
し次にオリフィス205を通しての膨張故に、流れの性質
を利用するものである。排気マニフォールドの圧力及び
温度そして吸気マニフォールド圧力（MAP）の範囲が典
型的なものであるが故に、オリフィス205前後の圧力差
（DP）とオリフィス205下流の圧力（MAP）との積を用い
て、オリフィス205上流の温度を計測する必要性なし
に、EGR流量を近似することが出来る。
【００３３】ここで図４を参照すると、EGR流量（EM）
を計算する別のルーチンが示されている。ステップ310
において、信号MAPが制御器12によりセンサー206から読
みだされ、オリフィス205下流の圧力を与える。そし
て、ステップ312において、オリフィス205前後の圧力差
DPが、制御器12によりセンサー206より読み出される。
ステップ314において、EGR流の圧縮性の影響を部分的に
考慮する修正係数CF1が、信号MAPにより計測された絶対
圧として計算される。ステップ310で計測された下流圧
力が大気に対する相対圧力であれば、代わりに、修正係
数CF1は、大気に対する相対圧と大気による絶対圧力と
の和として計算されるであろう。そして、ステップ316
において、修正係数CF2は、圧力差DP及び下流圧力MAPの
両方の積として計算され、ここで、Kは排気の特定の熱
の比を表している。修正係数CF2は更に、EGR流の圧縮性
の影響を考慮する。そして、ステップ318において、修
正係数CF3が、エンジンを通る流れMAFの関数として、計
算される。修正係数CF3は、排気圧力の変動を考慮す
る。関数hは、エンジンを通る空気流（MAF）に関連する
排気圧力に対する関数であり、実験的に求められる。加
えて、関数hは気圧に関する修正を含んでも良い。別の
言い方をすると、排気圧力はMAFと気圧との両方の関数
として計算される。排気圧力への気圧の影響も実験的に
求められる。気圧は、当業者に公知の方法を用いて、計
測若しくは予測することが出来る。そして、ステップ32
0において、EGR流量EMが、修正係数CF1, CF2, CF3、圧
力差DP及び定数Kの関数として、計算される。この方法
により、複雑さは増すが、弁200を通るEGR流の膨張によ
る圧力と温度の影響が更に取り除かれ、計測誤差が更に
減少する。
【００３４】以下に図５を参照すると、EGR流量を制御
するルーチンが記載されている。ステップ410におい
て、所望のEGR流量DESEMが、（信号PIPより求められ
る）エンジン回転数を含む、エンジン運転条件の関数と
して、計算される。そして、図３又は４のいずれかに従
い計算された値EMが、DESEMより引かれて、誤差信号ERR
ORを生成する。そして、ステップ414において、作動信
号226が信号ERRORの関数（f）として計算される。好ま
しい実施例において、関数（f）はPID制御器を表す。代
わりに、関数（f）が、この分野の当業者に公知のいか
なる種類のフィードバック若しくはフィードバック制御
器を、表しても良い。
【００３５】これで、好ましい実施の態様の説明を終了
する。この説明を読むことにより、当業者は、本発明の
思想及び範囲から逸脱することなしに、多くの変更案及
び修正案を想到するであろう。従って、発明の範囲は添
付の請求項により規定されるものと意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が利用されるエンジンのブロック図であ
る。
【図２Ａ】本発明の代替実施例を示す。
【図２Ｂ】本発明の代替実施例を示す。
【図３】EGR流量を制御するルーチンの高度なフローチ
ャートである。
【図４】EGR流量を制御するルーチンの高度なフローチ
ャートである。
【図５】EGR流量を制御するルーチンの高度なフローチ
ャートである。
【符号の説明】
12, 268 コンピューター 44 吸気マニフォールド 48 排気マニフォールド 200 流量制御弁 205 固定オリフィス
フロントページの続き (72)発明者 アラン ジョセフ コトウィッキ アメリカ合衆国 49690 ミシガン州 ウ ィリアムズバーグ エルク レイク トレ イル 9618 (72)発明者 ジョン デイヴィッド ラッセル アメリカ合衆国 48336 ミシガン州 フ ァーミントン ヒルズ ブライドル ヒル ズ ドライブ 27526

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内燃機関の排気マニフォールドから吸気マ
    ニフォールドへの排気流量を計測する流量計測システム
    であって、 上記排気マニフォールドと上記吸気マニフォールドとの
    間の排気再循環路に配置された可変オリフィスを持つ流
    量制御弁、 上記再循環路内であって上記弁下流に配置された固定オ
    リフィス領域、及び上記計測オリフィス下流の第１圧力
    を計測し、上記計測オリフィス前後の圧力差を計測し、
    そして、上記第１圧力及び上記圧力差に基き質量流量を
    計算する、コンピューター、 を有する、流量計測システム。
  2. 【請求項２】上記コンピューターが更に、上記第１圧力
    と上記圧力差との積に基き、上記流量を計算する、請求
    項１に記載のシステム。
  3. 【請求項３】上記コンピューターが更に、上記第１圧力
    と上記圧力差との和の関数により乗算された上記第１圧
    力と上記圧力差との積に基き、上記流量を計算する、請
    求項１に記載のシステム。
  4. 【請求項４】上記関数は、そのベキが排気の特性に関連
    するベキ関数である、請求項３に記載のシステム。
  5. 【請求項５】上記コンピューターが更に、上記計算され
    た質量流量に基き上記流量制御弁を制御する、請求項１
    に記載のシステム。
  6. 【請求項６】上記コンピューターが更に、エンジン運転
    状態に基き所望の再循環流量を計算し、そして、該所望
    の再循環流量及び上記計算された質量流量に基き上記流
    量制御弁を制御する、請求項５に記載のシステム。
  7. 【請求項７】上記コンピューターが更に、上記第１圧力
    及び上記圧力差に基き上記流量を計算する、請求項６に
    記載のシステム。
  8. 【請求項８】上記コンピューターが更に、上記第１圧力
    と上記圧力差との和の関数により乗算された上記第１圧
    力と上記圧力差との積に基き、上記流量を計算する、請
    求項６に記載のシステム。
  9. 【請求項９】上記関数は、そのベキが排気の特性に関連
    するベキ関数である、請求項８に記載のシステム。
  10. 【請求項１０】上記コンピューターは更に、上記第１圧
    力と上記圧力差との上記積の二乗根に基き、上記流量を
    計算する、請求項７に記載のシステム。
  11. 【請求項１１】上記コンピューターは更に、上記第１圧
    力と上記圧力差との上記和の上記関数により乗算された
    上記第１圧力と上記圧力差との上記積の二乗根に基き、
    上記流量を計算する、請求項８に記載のシステム。
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