JP2005214043A - エンジンのｅｇｒ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス中のＮＯｘを減少させるため、吸気通路に再循環させるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブにおいて、広い流量範囲に亘ってＥＧＲガス流量の制御性を向上させるとともに、大量のＥＧＲガスの還流を可能とする。
【解決手段】エンジンの排気通路３と吸気通路２とを連結するＥＧＲ通路７に、弁開度が連続的に可変な複数のＥＧＲバルブ９１、９２を設置する。複数のＥＧＲバルブ９１、９２は、一つのＥＧＲバルブが所定の開度に達するまでは他のＥＧＲバルブが閉鎖され、所定の開度に達した後、他のＥＧＲバルブが開き始めるよう制御される。複数のバルブの流量特性は広範囲でほぼ線形となり、良好な制御性が確保され、さらに、ＥＧＲガスの還流量も増大させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主にエンジンの排気ガス中のＮＯｘを除去するため、排気ガスを吸気通路に再循環するエンジンにおいて、再循環する通路に設置され、排気ガス（ＥＧＲガス）の流量を制御するＥＧＲバルブに関するものである。

車両用エンジン、特にディーゼルエンジンに対する、特にディーゼルエンジン排気ガスの規制は、近年、逐次強化されるとともに、将来もより厳しい規制が実施される傾向にある。ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンと比べもともと熱効率が高く、ＣＯ_２の排出量はその分少なくなるという特性を有しているものの、パティキュレート（、ＰＭ）及びＮＯｘについては、その低減が強く要請されている。

ＮＯｘを低減させる技術としては、エンジンの排気ガスを吸気通路に再循環してシリンダ内の燃焼を制御する技術、つまりＥＧＲ技術がよく知られており、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンを問わず、車両用エンジンにおいては広く実施されている。そして最近では、強化されるＮＯｘの規制に対応すべく、シリンダ内に再循環するＥＧＲガス量を大幅に増大させることあるいはＥＧＲガスを冷却して再循環させることが行われるようになった。また、刻々変化するエンジンの運転状況に応じて、再循環するＥＧＲガス量を、精密にかつ応答性よく制御することも重要となっている。

シリンダ内に再循環するＥＧＲガス量を制御するには、エンジンの排気通路から分岐して排気通路と吸気通路とを連結するＥＧＲ通路にＥＧＲバルブを設置し、その開度を調節する。このようなＥＧＲバルブを備えた従来のディーゼルエンジンを、図６に基づいて説明する。

ディーゼルエンジン１は、吸気通路２と排気通路３とを備え、さらに、吸気通路２に設置されたコンプレッサ及び排気通路に設置されたコンプレッサ駆動タービンからなるターボチャージャ４を備えている。ターボチャージャ４のコンプレッサにより圧縮された空気は、インタークーラー５を通過し、ここで冷却水により冷却され温度が低下した状態で、エンジン本体６のシリンダ内に供給される。シリンダから排出された排気ガスは、排気通路３に設置されたコンプレッサ駆動タービンを経て、出口から排気される。

エンジンの排気ガスを吸気通路に還流するため、排気通路３から分岐し排気通路３と吸気通路２とを連結するＥＧＲ通路７が設けられる。ＥＧＲ通路７の途中には、ＥＧＲクーラー８及びＥＧＲバルブ９が配置されており、還流するＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラー８によって冷却されるとともに、ＥＧＲバルブ９によってその流量が制御される。ＥＧＲバルブ９としては、通常はきのこ形の弁体を有するポペットバルブが使用され、その開度、つまりリフトは、パルスモーター等の電気的アクチュエータやダイヤフラムを備えた負圧式のアクチュエータによって調節される。

ディーゼルエンジン１の作動中は、適正量のＥＧＲガスをシリンダ内に供給される空気と混合して還流させるよう、後述のＥＧＲ率が運転状況に応じて設定されており、ＥＧＲバルブ９はＥＧＲガスの流量をそのＥＧＲ率に見合う流量に制御する。また、その制御方法としては、エンジンへの供給空気量を設定されたＥＧＲ率における供給空気量とするように、ＥＧＲバルブ９でＥＧＲガスの流量を変化させて供給空気量をフィードバック制御することも行われている。

ところで、このようなＥＧＲ装置において、ＥＧＲバルブを複数個並列して設け、それぞれの開度を調節してＥＧＲガスの流量を制御することは従来から知られている。例えば、特開平７−２４７９１１号公報には、ＥＧＲガス通路の途中に多数の分岐通路を設け、分岐通路の各々にオンオフ作動のＥＧＲバルブを設置して、これらのＥＧＲバルブを順次開放することによりＥＧＲガスの流量を制御する技術が開示されている。また、特開２００２−２５６９８３号公報には、開度が段階的に変更可能な多段式バルブと開度が連続的に変更可能なバルブとを組み合わせ、流量が増大すると多段式バルブの開度をステップ状に増加させるＥＧＲバルブ装置が記載されている。
特開平７−２４７９１１号公報 特開２００２−２５６９８３号公報

前述したように、ＥＧＲバルブはエンジンの運転状況に応じて、再循環するＥＧＲガス量を、精密にかつ応答性よく制御する必要がある。適正なＥＧＲ率（シリンダ内に供給されるＥＧＲガス量と供給空気量との比率）はエンジンの運転状況に応じて変化し、ＥＧＲ率がその適正値よりも小さい場合、つまりＥＧＲガス量が最適量より少ない場合には、ＮＯｘの排出量が増加する。逆にＥＧＲガス量が最適量よりも多くなったときは、シリンダ内の燃焼性が悪化し、排気ガス中のＰＭあるいは未燃焼成分が増大するとともに、エンジンの運転性にも悪影響を及ぼすこととなる。

ＥＧＲバルブとして通常採用されるポペット弁は、一般的に、リフト（開度）が所定値となるまではリフトと流量がほぼ比例するものの、それ以上のリフトではリフトの変化に対し流量の変化が小さくなって流量が飽和する特性を有し、開度−流量特性が線形ではない。また、大量のＥＧＲガスを還流させるには、口径の大きなＥＧＲバルブを用いなければならないが、大口径のバルブは、バルブの開き始め直後等リフトが小さいときに感度が高いという流量特性を持っている。つまり、小リフト時において、リフトの変化量に対する流量の変化量の比率が大きく、僅かなリフト量の相違が大きな流量の相違をもたらし、制御性が良好でない。

前記特許文献１又は特許文献２に記載されたＥＧＲバルブのように、並列して設けられた複数のバルブを順次開いていくときは、大口径のバルブの小リフト時における制御性の問題は生じないが、例えば特許文献１のＥＧＲバルブでは、各バルブはオンオフ作動であるから、ＥＧＲガスの精密な流量制御のためには、非常に多数のバルブが必要となり、事実上、緻密な流量制御はきわめて困難である。

また、特許文献２のＥＧＲバルブは、図７に示されるように、連続的にリフトが可変な連続式バルブと、段階的にリフトが可変な多段式バルブとが組み合わされている。この場合の流量制御においては、多段式バルブのリフトが切り替わる際に、連続式バルブのリフト量が大きく変化することになる。すなわち、ある一定の流量までは連続的にリフトが可変なバルブが開いて全開付近に達し、それを僅かに超える流量が要求された時点で、多段式バルブが開方向に切り替わり、これを通過する流量はステップ状に増加する。このとき、連続的にリフトが可変なバルブのリフト量は、要求された流量に対応するようほぼ全閉付近まで急激に低下することになる（図７のリフト量の変化を表すグラフ参照）。このようなリフト量の急激な変化を正確に制御するのは、やはりきわめて困難で、オーバーシュートなどの結果を生じやすい。要求される流量が低下して多段式バルブが閉方向に切り替わるときも、同様な問題が発生する。

上記の課題に鑑み、本発明は、複数のバルブを並列に設けることにより、小流量時においても制御性よくＥＧＲガスの流量を制御しながら、大量のＥＧＲガスの還流を可能とすることを目的とする。さらに、本発明は、前述の複数のバルブを有するＥＧＲバルブの従来技術と比較して、精密な制御を容易とし制御性を向上させたものである。すなわち、本発明は、
「エンジンの排気ガスを排気通路から分岐して吸気通路に再循環するＥＧＲ装置において、
前記排気通路と前記吸気通路とを連結するＥＧＲ通路に、再循環される排気ガスの流量を制御するため、弁開度が連続的に可変な複数のＥＧＲバルブを設置し、さらに、前記複数のＥＧＲバルブは、一つのＥＧＲバルブが所定の開度に達するまでは他のＥＧＲバルブが閉鎖され、所定の開度に達した後、他のＥＧＲバルブが開き始めるよう制御する」
ことを特徴とするＥＧＲ装置となっている。

本発明の一つの実施例として、請求項２に記載のように、前記ＥＧＲ通路を複数の分岐通路に分割し、前記複数のＥＧＲバルブを前記複数の分岐通路にそれぞれ設置することができる。

また、本発明において、前記複数のＥＧＲバルブは、前記所定の開度に達するまではほぼ線形の開度―流量特性を有するポペットバルブとすることが望ましい。

そして、本発明のＥＧＲ装置では、再循環される排気ガスの流量とエンジンへの供給空気量との比率、つまりＥＧＲ率をエンジンの運転状況に応じて決定するため、請求項４に記載のように、エンジンへの供給空気量をその運転状況に対応して設定する手段を備えており、さらに、その設定されたエンジンへの供給空気量を目標値として、複数のＥＧＲバルブの弁開度を変更することにより、前記エンジンへの供給空気量をフィードバック制御するように構成することが望ましい。

本発明では、ＥＧＲ通路に、弁開度が連続的に可変な複数のＥＧＲバルブを並列して設置している。このため、各バルブが大口径のものでなくとも流量を増加できるので、小流量時における制御性を確保しながら大流量のＥＧＲガスを還流させることができる。

さらに、本発明では、複数のＥＧＲバルブは、一つのＥＧＲバルブが所定の開度に達するまでは他のＥＧＲバルブが閉鎖され、所定の開度に達した後、他のＥＧＲバルブが開き始めるよう制御される。これにより、小流量時には単一のバルブのみで制御されるので、バルブリフトの変化量に対する流量の変化量の比率、つまり感度が過大となることはなく、ＥＧＲガスの流量の制御性は良好となる。そして、そのバルブが所定の開度に達した後には他のバルブが開き始めるが、このとき他のバルブのリフトは閉鎖状態から連続的に変化するので、流量は徐々に増加する。したがって、所定の開度に達したバルブのリフトが、図７に示されるような急変を起こすことはなく、安定性及び応答性に優れた流量制御を行うことができる。

請求項2のように、ＥＧＲ通路を複数の分岐通路に分割し、複数のＥＧＲバルブを分岐通路にそれぞれ設置したときは、弁ケース内に弁座を複数有する特殊なバルブを用いることなく、同一のバルブを複数使用することができるため、ＥＧＲ装置を安価に構成できる。

請求項3のように、複数のＥＧＲバルブを、前記所定の開度に達するまではほぼ線形の開度−流量特性を有するポペット弁とした場合は、合成された流量特性が広い範囲に亘ってほぼ線形の特性となる。この線形の開度−流量特性を有する範囲においては、リフトの単位変化量に対する流量の変化量はほぼ等しく、安定した制御を容易に行うことが可能となる。

ＥＧＲ装置では、エンジンの運転状況に応じて適正量のＥＧＲガスを還流させるため、ＥＧＲ率をエンジンの運転状況に応じて設定する。前述の、ＥＧＲ率を適正値とするようエンジンへの供給空気量をフィードバック制御する制御方法では、ＥＧＲバルブのリフトを変えてＥＧＲガスの流量を変更することにより供給空気量を調節するが、そもそもフィードバック制御では、制御系の安定性が損なわれるとハンチング等を生じ、目標の供給空気量になかなか収束させることができない。したがって、フィードバック制御を基本とするこの制御方法では、安定性がより強く要求される。請求項４に記載のように、こうした制御方法に本発明のＥＧＲバルブを適用した場合には、リフトと流量との間における線形の開度−流量特性に伴って、フィードバック制御の安定性が大きく向上し、ＥＧＲ率の制御を良好に実行することができる。

以下、図面に基づいて、本発明のＥＧＲバルブ装置について説明する。図１は、本発明にかかるＥＧＲ装置の全体図であり、従来例（図６）のものと同一の部材には同一の番号が付してある。

ディーゼルエンジン１は、ターボチャージャ４を備え、そのコンプレッサにより圧縮された空気は、吸気通路2に介在されたインタークーラー５を通過し、温度が低下した状態で、エンジン本体６のシリンダ内に供給される。シリンダから排出された排気ガスは、排気通路３に設置されたコンプレッサ駆動タービンを経て、出口から排気される。これらの構成は、従来例のものと基本的に変わりはない。なお、ここではターボチャージャ付ディーゼルエンジンに本発明を適用した例を示すけれども、本発明は、これに限らず、自然吸気式ディーゼルエンジンやガソリンエンジンにも適用できる。

排気ガス中のＮＯｘの低減を主な目的として、エンジンの排気ガスを吸気通路に還流するため、ＥＧＲ通路７が排気通路３から分岐している。ＥＧＲ通路７はその途中で分岐管７１、７２に分割され、それぞれの分岐管にＥＧＲバルブ９１、９２が設置される。各々のＥＧＲバルブ９１、９２は、連続的にリフト及び流量が可変なポペットバルブであって、同一のバルブが並列して用いられているが、場合によっては、サイズの異なるものを用いることも可能である。分岐管７１、７２のＥＧＲバルブの出口側は吸気通路２に連結され、吸気通路２には、吸気絞り弁１０が設置されている。また、吸気絞り弁１０の上流には空気質量流量センサ１１が取り付けてあり、ＥＧＲ率や燃料噴射量の制御に使用される。

ＥＧＲバルブ９１、９２の各々は、図２の曲線ａ及び曲線ｂに示すような、同一の開度−流量特性を有している。すなわち、リフトが小さい小流量時には、リフトと流量はほぼ比例する線形の特性で、リフトが大きくなる領域では流量の変化量は少なくなり飽和する特性となっている。通常のポペットバルブでは、流量が全開時の５０〜７０％となるリフトに達するまでは、ほぼ線形の特性を示し、本発明のＥＧＲバルブ９１，９２もこのようなバルブが使用されている。

本発明では、ＥＧＲバルブ９１が線形の特性を示す所定のリフトＬ１に達するまでは、他方のＥＧＲバルブ９２を全閉に維持し、その後、ＥＧＲバルブ９１及び９２の開度を徐々に増加するよう制御する。このとき、ＥＧＲバルブ９１、９２の合成された開度−流量特性は、図２における曲線ｃのようになる。なお、曲線ｄは単一の大口径バルブを用いたときの開度−流量特性を表すものである。

このように、バルブが並列に使用されているので、個々のＥＧＲバルブ９１，９２における全開時の流量はそれほど大流量である必要はなく、ＥＧＲバルブ９１の開き始めにおける線形の特性の傾きは、曲線ｄと比較して小さい。このため、小流量時において、リフトの変化に対する流量の変化は、大口径のバルブほど急激なものではなく、ＥＧＲガス流量の正確な制御を実施することができる。

ＥＧＲバルブ９１のリフトが所定のリフトＬ１（このときの流量Ｆ１は全開時の流量の５０〜７０％）となるまでは、ＥＧＲバルブ９１のみのリフトにより線形の特性が得られる。そして、Ｌ１に到達すると、それまで閉じていたＥＧＲバルブ９２がリフトを開始する。その後の流量は、ＥＧＲバルブ９１の流量（曲線ａ）と、ＥＧＲバルブ９２の流量（曲線ｂ）とを合成したものとして決定される。この場合、ＥＧＲバルブ９１のリフトによる流量の増加は非常に少ないので、実質的にはＥＧＲバルブ９２のリフトによる流量増加が支配的となり、広い流量範囲に亘ってほぼ線形の特性が維持されることとなる。

次いで、本発明のＥＧＲバルブ９１、９２を用いたＥＧＲ装置の制御方法について、フローチャートによって説明する。まず、図３のフローは、運転状況に応じて設定されたＥＧＲ率に一致させるよう、ＥＧＲガスの流量を変化させて供給空気量をフィードバック制御する場合の制御手順を示すものである。

車両エンジンの作動中は、刻々変化するエンジン回転数Ｎｅ及び運転者によるアクセル踏込み量Ａｃｌが検出され、その信号はエンジン電子制御ユニット（ＥＣＵ）に伝達される（Ｓ１）。ＥＣＵではこれらの信号に基づいて燃料噴射量（負荷）Ｑを決定し（Ｓ２）、決定された噴射量の燃料が、燃料噴射装置からエンジンシリンダ内に供給される。同時にＥＣＵは、運転状況に応じて適正なＥＧＲ率とするために、ＥＧＲ率マップＭを用いて負荷Ｑとエンジン回転数Ｎｅに対応するＥＧＲ率を決定し（Ｓ３）、さらに、そのＥＧＲ率に応じて目標となる供給空気量Ａを決定する（Ｓ４）。つまり、シリンダ内にはＥＧＲガスと空気が混合され供給されるので、ＥＧＲガス量が多くなればその分供給空気量が減少する関係にあり、ＥＧＲ率が定まれば目標となる供給空気量Ａは決定されることとなる。なお、ＥＧＲ率マップＭを用いる代わりに、負荷Ｑとエンジン回転数Ｎｅに対応して直接目標の供給空気量を決定するマップを使用してもよい。

目標となる供給空気量Ａを決定した後には、ＥＧＲバルブ９１，９２を操作してＥＧＲガスの流量を調節し、供給空気量がその目標値となるよう供給空気量のフィードバック制御が実行される（Ｓ５）。そのため、エンジンの吸気通路２に設置された空気質量流量センサ１１でエンジンへの実際の供給空気量を検出する。図４のフィードバック制御のブロック線図に示されるとおり、目標となる供給空気量Ａは検出された実供給空気量と比較され、その誤差はコントローラに伝達される。コントローラは、ＰＩ（比例＋積分）動作又はＰＩＤ（比例＋積分＋微分）動作を行うコントローラであり、誤差をゼロとするためにＥＧＲバルブ９１，９２のリフトを増減させる量を演算する。

ＥＧＲバルブ９１，９２は、コントローラにより演算された量のリフトを増減してＥＧＲガスの流量を制御し、その結果、エンジンへの供給空気量を増減する。このとき、図２に示すとおり、本発明のＥＧＲバルブ９１，９２の合成流量特性は広範囲で線形を保つので、そのリフトの変化量に対する流量の変化量が一定であって、安定した制御が可能となりフィードバック制御の制御性が格段に向上する。供給空気量が目標値と一致すると、シリンダ内のＥＧＲガスと空気は設定されたＥＧＲ率となる。

図５は、上記の制御方法とは別のＥＧＲ率の制御方法を示すものである。この制御方法では、図３の制御方法と同じく、ＥＣＵには負荷Ｑとエンジン回転数Ｎｅに応じてＥＧＲ率を決定するマップが格納されており、それによって適正量のＥＧＲ率を決定する（Ｓ３）。次いで、ここでは、そのＥＧＲ率に対応するＥＧＲガスの流量を定める（Ｓ４）。

ＥＧＲガスの流量が決定されると、図２に示すＥＧＲバルブの開度−流量特性によって、その流量に対応するバルブリフトが決定される。その流量がＦ１以下であれば、ＥＧＲバルブ９１のみをリフトさせてＥＧＲバルブ９２を全閉とする（Ｓ５）。ＥＧＲガスの流量がＦ１を超えると、ＥＧＲバルブ９２をリフトさせることが必要となる。このときのＥＧＲバルブ９１、９２のリフトは、やはり開度−流量特性で決定され（Ｓ６）、ＥＧＲバルブ９１はＬ１以上のリフトとなる。図５の制御方法では、負荷Ｑとエンジン回転数ＮｅによってＥＧＲ率を決定するマップを使用し、ＥＧＲ率からＥＧＲ流量及びＥＧＲバルブのリフトを順次決定しているが、例えば、負荷Ｑとエンジン回転数Ｎｅとをパラメータとして直接ＥＧＲバルブのリフトを決定するマップを使用し、これによってＥＧＲバルブを制御するようにしてもよい。

なお、いずれの制御方法によるにしても、過給による吸気圧力の上昇等に起因して還流するＥＧＲガスの量が不足するような場合には、吸気絞り弁１０によって吸気通路２を絞り、ＥＧＲガスの量を確保することができる。この際は、吸気絞り弁１０とＥＧＲバルブ９１、９２とを協調して制御することが好ましい。

また、これらの制御方法では、ＥＧＲバルブ９１のリフトがＬ１にまで達しＥＧＲバルブ９２が開き始めた後においても、ＥＧＲバルブ９１のリフトをさらに増加させるよう制御している。しかし、場合によっては、ＥＧＲバルブ９１のリフトをＬ１のままとし、Ｆ１以上の流量についてはＥＧＲバルブ９２のリフトにより補充するような作動をさせることも可能である。

前述のＥＧＲ装置では、ＥＧＲ通路７に２つの分岐管７１、７２を設け、これにＥＧＲバルブ９１、９２をそれぞれ設置しているが、必要に応じて３つ以上の分岐管及びＥＧＲバルブを設けることができるのは明らかである。さらに、複数のＥＧＲバルブを共通の弁ケースに収容しこの弁ケースをＥＧＲ通路に接続して、分岐管を設けない構成とすることもできる。

以上詳述したとおり、本発明では、弁開度が連続的に可変な複数のＥＧＲバルブを並列し、一つのＥＧＲバルブが所定の開度に達した後、他のＥＧＲバルブが開き始めるよう制御する。したがって、各バルブが大口径のものでなくとも流量を増加できるので、制御性を確保しながら大流量のＥＧＲガスを還流させることができる。

本発明に基づくＥＧＲ装置の全体図である。 本発明のＥＧＲバルブの流量特性を示す図である。 本発明のＥＧＲバルブを用いた、フィードバック制御によるＥＧＲ率の制御方法を示すフローチャートである。 図３のフィードバック制御のブロック線図である。 本発明のＥＧＲバルブを用いた、ＥＧＲ率の別の制御方法を示すフローチャートである。 従来のＥＧＲ装置の全体図である。 従来のＥＧＲバルブの一例を示す図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ ターボチャージャ
５ インタークーラー
６ エンジン本体
７ ＥＧＲ通路
７１、７２ 分岐管
８ ＥＧＲクーラー
９、９１、９２ ＥＧＲバルブ
１０ 吸気絞り弁
１１ 空気質量流量センサ

Claims (4)

1. エンジンの排気ガスを排気通路（３）から分岐して吸気通路（２）に再循環するＥＧＲ装置において、
   前記排気通路（３）と前記吸気通路（２）とを連結するＥＧＲ通路（７）に、再循環される排気ガスの流量を制御するため、弁開度が連続的に可変な複数のＥＧＲバルブ（９１、９２）を設置し、さらに、前記複数のＥＧＲバルブ（９１，９２）は、一つのＥＧＲバルブが所定の開度に達するまでは他のＥＧＲバルブが閉鎖され、所定の開度に達した後、他のＥＧＲバルブが開き始めるよう制御されることを特徴とするＥＧＲ装置。
2. 前記ＥＧＲ通路（７）は複数の分岐通路（７１，７２）を有し、前記複数のＥＧＲバルブ（９１，９２）は前記複数の分岐通路（７１，７２）にそれぞれ設置されている請求項１記載のＥＧＲ装置。
3. 前記複数のＥＧＲバルブは、前記所定の開度に達するまではほぼ線形の開度―流量特性を有するポペット弁である請求項１又は請求項２に記載のＥＧＲ装置。
4. 前記ＥＧＲ装置は、再循環される排気ガスの流量とエンジンへの供給空気量との比率をエンジンの運転状況に応じて決定するため、前記エンジンへの供給空気量をその運転状況に対応して設定する手段を備えており、さらに、その設定された前記エンジンへの供給空気量を目標値として、前記複数のＥＧＲバルブ（９１，９２）の弁開度を変更することにより、前記エンジンへの供給空気量をフィードバック制御する制御装置を有する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＥＧＲ装置。

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