JP2006214275A - Exhaust circulating device of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排気の一部を吸気へ還流する内燃機関の排気還流装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine that recirculates part of exhaust gas to intake air.
内燃機関の燃焼過程においては、混合気中の不活性成分を多くすると、単位発熱量当たりのガス量の増加により燃焼温度が下がり、排気に含まれるNOxの排出量が少なくなるため、内燃機関から排出された排気の一部を吸気側に還流させ、混合気の燃焼温度を下げて排気中のNOxを低減する排気還流いわゆるEGR(Exhaust Gas Recirculation)が従来から広く採用されている。 In the combustion process of an internal combustion engine, increasing the amount of inert components in the air-fuel mixture decreases the combustion temperature due to an increase in the amount of gas per unit calorific value, and the amount of NOx contained in the exhaust gas decreases. Exhaust gas so-called EGR (Exhaust Gas Recirculation), in which a part of the discharged exhaust gas is recirculated to the intake side and the combustion temperature of the air-fuel mixture is lowered to reduce NOx in the exhaust gas, has been widely used.
このEGRを行うと、火炎核の生成遅れ,火炎伝幡遅れなどが発生するため、内燃機関の運転状態に応じた適切な制御が必要となり、安定した燃焼状態を維持するためにEGR制御に係る種々の提案がなされている。 When this EGR is performed, a delay in the generation of flame nuclei, a delay in flame propagation, and the like occur. Therefore, appropriate control according to the operation state of the internal combustion engine is necessary, and in order to maintain a stable combustion state, the EGR control is concerned. Various proposals have been made.
例えば、特許文献1には、排気管の触媒下流側とマフラ上流側との間から延出した排気還流通路に流量センサを介装するとともに、上記排気還流通路の吸気管への合流部に制御弁を設け、前記流量センサからの信号に基づいて前記制御弁の弁開度を制御し、上記排気還流通路を流れる排気の流量が目標値となるようフィードバック制御することにより、大量の排気還流を実行する際に、正確な還流ガスの調量と混合を可能とするEGRの制御技術が開示されている。
For example, in
近年、自動車用の内燃機関においては排気規制の強化に伴いEGR大量化の要求が高まっている。ガソリンの場合は筒内噴射化により、燃料噴射の自由を生かし成層燃焼を実現することで燃費を向上する一方で、内燃機関から排出されるNOx排出量が増大する。この課題に対して燃焼系での対応として大量のEGRガスを積極的に還流させる傾向がある。特にディーゼル内燃機関においては、排気の課題であるNOxとPMの同時低減するために、コモンレールによる燃料圧力の高圧化によって燃料噴霧の微粒化の促進を図り、混合気とより均一化することによりEGRの大量化を実現している。EGRガスの還流を実施する運転条件は燃焼状態から制約されているものの、より多くのEGRを還流する運転領域においては、内燃機関に吸入される新気と同等あるいはそれ以上のEGRガスの還流が要求される。また、実際の車両においては常に運転状態が変化していることから、過渡変化に対応できるEGR制御の高応答,高制度化が要求される。 In recent years, in an internal combustion engine for automobiles, there is an increasing demand for increasing the amount of EGR with the tightening of exhaust regulations. In the case of gasoline, the in-cylinder injection improves the fuel efficiency by realizing stratified combustion by utilizing the freedom of fuel injection, while increasing the NOx emission amount emitted from the internal combustion engine. There is a tendency to actively recirculate a large amount of EGR gas as a countermeasure in the combustion system for this problem. In particular, in diesel internal combustion engines, in order to simultaneously reduce NOx and PM, which is an exhaust issue, fuel spray atomization is promoted by increasing the fuel pressure by the common rail, and the EGR is made more uniform by making the mixture more uniform. Is realized. Although the operating conditions for performing EGR gas recirculation are limited by the combustion state, in the operating region where more EGR is recirculated, the recirculation of EGR gas equal to or higher than the fresh air sucked into the internal combustion engine is performed. Required. Moreover, since the driving state is always changing in an actual vehicle, high response and high institution of EGR control that can cope with transient changes are required.
ところでEGRの流量を調整するEGR制御弁は、熱的な制約により吸気側に介装されているのが一般的である。このような装置構成においては、排気脈動の影響によりEGR配管内ではEGRガスの逆流あるいは脈動が生じる。前記、特開平6−74100号公報のEGR制御方法においては、ホットワイヤ式の流量センサをEGR配管上に介装し、流量センサの信号に基づいて上記制御弁の弁開度を制御する技術が提案されているが、ホットワイヤ式の流量センサは、原理的に逆流を検知することは困難であり、ホットワイヤを適用する場合は、逆流を抑制する手段を追加するか、逆流の影響の少ない取付け位置に介装しなければ計量精度が著しく低下してしまう。 Incidentally, an EGR control valve that adjusts the flow rate of EGR is generally provided on the intake side due to thermal restrictions. In such an apparatus configuration, backflow or pulsation of EGR gas occurs in the EGR pipe due to the influence of exhaust pulsation. In the EGR control method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-74100, there is a technique in which a hot wire type flow sensor is interposed on an EGR pipe and the valve opening degree of the control valve is controlled based on a signal from the flow sensor. Although it has been proposed, it is difficult in principle to detect a reverse flow with a hot wire type flow sensor. When a hot wire is applied, a means for suppressing the reverse flow is added or the influence of the reverse flow is small. If it is not interposed at the mounting position, the measurement accuracy will be significantly reduced.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、流量センサの取付け位置をEGR制御弁から所定の距離内に配置することで、EGRガスの還流量の大小に関係なく、かつ過渡変化時においてもEGR還流量の目標値に対して常に正確なEGRガス量の調整を可能とする排気還流装置及び制御方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and by arranging the mounting position of the flow sensor within a predetermined distance from the EGR control valve, regardless of the amount of recirculation of the EGR gas, and at the time of transient change, too. It is an object of the present invention to provide an exhaust gas recirculation device and a control method that can always adjust the EGR gas amount accurately with respect to the target value of the EGR recirculation amount.
本発明による内燃機関の排気還流装置及び制御方法は、排気経路と吸気経路との間に連結された排気の一部を還流するための配管と、排気の還流量を調整する制御弁が前記配管に介装された排気還流装置において、排気の還流量を検知する流量センサを前記制御弁より吸気側に配置することを特徴とする。 An exhaust gas recirculation apparatus and control method for an internal combustion engine according to the present invention includes a pipe for recirculating a part of exhaust gas connected between an exhaust path and an intake path, and a control valve for adjusting a recirculation amount of the exhaust gas. In the exhaust gas recirculation device interposed in the exhaust gas recirculation apparatus, a flow rate sensor for detecting the exhaust gas recirculation amount is disposed on the intake side of the control valve.
もしくは、排気経路と吸気経路との間に連結された排気の一部を還流するための配管と、排気の還流量を調整する制御弁が前記配管に介装された排気還流装置において、排気の還流量を検知する流量センサを前記制御弁から前記配管直径の4倍以内の距離に配置し、流量センサ信号をフィードバック制御し、運転状態に応じてEGR制御弁の開度を調整することを特徴とする。 Alternatively, in an exhaust gas recirculation device in which a pipe for recirculating a part of exhaust gas connected between the exhaust path and the intake path and a control valve for adjusting the exhaust gas recirculation amount are interposed in the pipe, A flow rate sensor for detecting a recirculation amount is arranged at a distance within 4 times the pipe diameter from the control valve, the flow rate sensor signal is feedback-controlled, and the opening degree of the EGR control valve is adjusted according to the operating state. And
もしくは、排気の還流量を調整する制御弁が吸気経路に直接接続された構成においては、流量センサを前記制御弁の上流(排気側)で、かつ排気を還流する配管直径の3倍以内の距離に配置し、流量センサ信号をフィードバック制御し、運転状態に応じてEGR制御弁の開度を調整することを特徴とする。 Alternatively, in a configuration in which a control valve for adjusting the exhaust gas recirculation amount is directly connected to the intake path, the flow sensor is located upstream (exhaust side) of the control valve and within a distance of three times the diameter of the pipe through which the exhaust gas is recirculated. The flow rate sensor signal is feedback-controlled, and the opening degree of the EGR control valve is adjusted according to the operating state.
以上に説明した本発明によれば、排気経路と吸気経路との間に連結された排気の一部を還流するための配管と、排気の還流量を調整する制御弁が前記配管に介装された排気還流装置において、排気の還流量を検知する流量センサを前記制御弁から所定の距離に配置することで、課題であるEGRガスの逆流や脈動による計量誤差を抑制することができ、流量センサ信号のフィードバック制御により、機関の運転状態の変化に応じて排気の還流量が目標値となるように前記制御弁の開度を制御することが可能となるために、常に正確なEGRガス量を還流することが可能となるため、内燃機関から排出されるNOxを大幅に低減することができる。 According to the present invention described above, a pipe for recirculating a part of the exhaust gas connected between the exhaust path and the intake path, and a control valve for adjusting the recirculation amount of the exhaust gas are interposed in the pipe. In the exhaust gas recirculation device, the flow rate sensor for detecting the recirculation amount of the exhaust gas is disposed at a predetermined distance from the control valve, so that the measurement error due to the backflow or pulsation of the EGR gas, which is a problem, can be suppressed. The feedback control of the signal makes it possible to control the opening degree of the control valve so that the exhaust gas recirculation amount becomes a target value in accordance with changes in the operating state of the engine. Since it is possible to recirculate, NOx discharged from the internal combustion engine can be greatly reduced.
以下、本発明の実施の形態について図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に本実施形態に係る排気還流装置の構成図を示す。本図に示すように、本実施形態に係る排気環流装置1は、内燃機関の排気を吸気側へ環流させる装置であり、ディーゼル内燃機関を搭載した車両に適用したものである。本発明は、ディーゼル内燃機関に限らずガソリン内燃機関にも適用可能である。内燃機関2は、ターボチャージャ3を備えており、吸気マニホルドなどからなる吸気経路4が接続されている。また、内燃機関2には、排気マニホルドなどからなる排気経路5が接続されている。
FIG. 1 shows a configuration diagram of an exhaust gas recirculation apparatus according to the present embodiment. As shown in the figure, the exhaust
内燃機関2には、燃焼室に燃料を噴射するインジェクタ6が設けられている。インジェクタ6は、燃料を燃焼室へ供給する燃料噴射手段であり、内燃機関2に形成されるシリンダごとに設置されている。EGRを環流する配管7の途中にはEGRクーラ8が設けられている。
The
EGRクーラ8は、環流配管7を流通するEGRガスを冷却する冷却手段である。EGRクーラ8としては、例えば、水冷式のものが用いられ、冷却水の循環により環流配管7を流通するEGRガスを冷却する。また、EGRクーラ8は、積層型,多管型など何れの型式のものを用いてもよい。
The EGR
環流配管7の途中であってEGRクーラ8の下流側にはEGR制御弁10が設けられている。EGR制御弁10は、環流配管7を開閉する弁体であり、弁体の開閉によりEGRガスの環流量を調整する。図1では、EGRクーラ8が排気側に配置された構成例を示しているが、EGRクーラ8とEGR制御弁10の配置関係については特に制約はない。
An
環流配管7の途中には流量センサ9が設けられている。図1において、流量センサ9は、EGR制御弁10の配置に対して上流に配置されているが、図2に示したとおり、EGR制御弁10から還流配管径Dの4倍以内の距離に配置されていれば、上流,下流のどちらに配置されていても問題はない。流量センサ9は、例えばホットワイヤなどを利用した熱式の流量センサであり、還流配管7を流通するEGRガスの質量流量を直接検知する。
A
排気環流装置1には、ECU11が設けられている。ECU11は、排気環流装置の装置全体の制御を行うものであり、CPU,ROM,RAMを含むコンピュータを主体として構成されている。ROMには、排気環流ルーチンを含む各種制御ルーチンが記憶されている。ECU11には、流量センサ9が接続され流量センサ9の出力信号を入力する。また、ECU11は各インジェクタ6と接続され、インジェクタ6に噴射制御信号を出力する。また、ECU11はEGRクーラ8やEGR制御弁10と接続され、EGRクーラ8に冷却制御信号やEGR制御弁10にEGR制御信号を出力する。流量センサ9の信号のフィードバック制御により、機関の運転状態の変化に応じて常に最適なEGRの還流量を吸気側へ供給することができる。
The exhaust
なお、図1において、符号12は吸気流量計、符号13はインタークーラ、符号14は吸気絞り弁、符号15は触媒である。
In FIG. 1,
EGR制御弁10は、熱的な制約により吸気側に介装されているのが一般的である。次に図3のように、EGR制御弁10を吸気側に配置した場合における、還流配管7のほぼ中間点におけるクランク角に対する質量流量の変動、すなわち還流配管7内の逆流及び脈動状態について図4を用いて説明する。
The
図4は還流配管7の中間点におけるEGR制御弁10の開度の逆流及び脈動影響を示す。条件は機関回転数1500rpm ・正味平均有効圧(BMEP)2.6bar・吸気絞り弁開度50deg の結果である。EGR制御弁開度20deg では逆流が発生し、40deg 以上では逆流が殆ど発生していない。還流配管内の逆流発生の有無は、EGR制御弁10の開度に依存することが分かる。これは、EGR制御弁10の開度が小さい場合には、還流配管7内の平均流量が小さいことやEGR制御弁10上流は排気脈動振幅の影響が大きいことにより、振幅の下限値が負の値となり逆流するためである。一方、EGR制御弁10の開度が大きい場合には、還流配管7内の平均流量が大きいため、排気脈動振幅の下限値が負の値に到達しづらくなるため逆流は小さくなる。
FIG. 4 shows the backflow and pulsation effects of the opening degree of the
次に、EGR制御弁からの距離と内燃機関の運転条件の違いによる逆流及び脈動の影響について、図5と図6を用いて説明する。図5に示したEGR制御弁10から排気側に還流配管径の1倍,2.5倍,4倍,7倍の距離に相当する4箇所について、吸気絞り弁開度50deg ,EGR制御弁開度20deg と一定にした場合の、それぞれ1500rpm ・
BMEP2.6bar,2000rpm・BMEP2bar,3000rpm・BMEP2barの結果を図6に示す。1500rpm においてEGR制御弁10からの距離が4倍以上離れた位置での還流配管7内では、逆流が発生している。これは、EGR制御弁10の開度が小さいとEGR制御弁10が固定端、すなわち脈動の「節」となり、還流配管入口が開口端なので脈動の「腹」となるため、EGR制御弁10から遠ざかるに従い脈動振幅が大きくなるためである。また、機関回転数が高くなると単位時間あたりに還流配管7内を流れるEGRガスの平均流量が大きくなるため、排気脈動振幅の下限値が負の値に到達しづらくなり逆流は小さくなる。以上を整理すると機関の運転状態やEGR制御弁10の開度によって大小は異なるが、EGR制御弁10の上流、すなわち排気側の還流配管7内ではEGR制御弁10に近いほど逆流は少ないと言える。
Next, the effects of backflow and pulsation due to differences in distance from the EGR control valve and operating conditions of the internal combustion engine will be described with reference to FIGS. From the
The results of BMEP 2.6 bar, 2000 rpm ·
したがって、流量センサをEGR制御弁から排気側に配置する場合は、EGR制御弁からの距離で還流配管径の4倍以下の距離に近接配置するのが好ましい。 Therefore, when the flow sensor is disposed on the exhaust side from the EGR control valve, it is preferable that the flow sensor be disposed close to a distance that is not more than four times the reflux pipe diameter from the EGR control valve.
次にEGR制御弁下流、すなわち吸気側の還流配管7内の脈動について説明する。吸気側の還流配管7内の脈動について確認するため、図7のように還流配管の中間点にEGR制御弁10を配置した。EGR制御弁10からの距離は、排気側の場合とは逆に、吸気側に還流配管径の1倍,2.5 倍,4倍,7倍の距離に相当する4箇所について確認した結果である。また、その他の条件は図6の場合と同様である。1500rpm においてEGR制御弁10からの距離が7倍以上離れた位置ではじめて逆流が発生していることが分かる。これは、前記のとおりEGRバルブから遠ざかるに従い脈動振幅が大きくなることが原因であるが、排気側に比べ吸気側は脈動振幅が小さいため1D,2.5D ,4Dの距離では逆流が発生しないためである。
Next, the pulsation in the EGR control valve downstream, that is, in the intake
このことからEGR制御弁の吸気側に流量センサを配置する場合は、逆流や脈動という観点においては、排気側に配置する場合に比べてEGR制御弁と流量センサの距離間を離して配置しても問題ない。しかしながら、EGR制御弁は吸気絞り弁に近いほど応答性が向上し、過渡時の制御性が向上すると考えられるため、EGR制御弁を吸気絞り弁により近いところに配置するのが理想である。 For this reason, when the flow sensor is arranged on the intake side of the EGR control valve, the distance between the EGR control valve and the flow sensor is arranged farther from the viewpoint of backflow and pulsation than in the case of arrangement on the exhaust side. There is no problem. However, it is considered that the closer the EGR control valve is to the intake throttle valve, the better the response and the better the controllability at the time of transition. Therefore, it is ideal to arrange the EGR control valve closer to the intake throttle valve.
よって以上のことから、流量センサをEGR制御弁の吸気側に配置する場合は、EGR制御弁と吸気絞り弁との距離の制約から排気側配置の場合と同様にEGR制御弁から還流配管径の4倍以下のところに配置するのが好ましい。また、吸気側に配置する場合は、
EGR制御弁により煤の付着など汚損に対しても有利である。さらに吸気側に配置し、
EGR制御弁に近づけると偏流の影響を受ける可能性がある。したがって、図9の構成のように近接配置をする場合は、EGR制御弁10と流量センサ9の間にハニカムやフィルタなどEGRガスの流れを整流化するための手段16を設けると、より安定して計量することが可能である。
Therefore, when the flow rate sensor is arranged on the intake side of the EGR control valve, the recirculation pipe diameter of the EGR control valve is reduced from the EGR control valve in the same manner as in the case of the exhaust side arrangement due to the restriction of the distance between the EGR control valve and the intake throttle valve. It is preferable to arrange it at 4 times or less. Also, when placing on the intake side,
The EGR control valve is also advantageous for fouling such as fouling. Furthermore, arrange on the intake side,
If it is close to the EGR control valve, it may be affected by drift. Therefore, in the case of the close arrangement as in the configuration of FIG. 9, it is more stable if a means 16 for rectifying the flow of EGR gas such as a honeycomb or a filter is provided between the
図10,図11に最適な排気還流装置構成とその場合の逆流及び脈動について説明する。EGR制御弁10は、図10に示したとおり、吸気経路4からほぼ3Dの距離に配置している。図11から排気側,吸気側共に逆流が発生しないことが分かる。
The optimum exhaust gas recirculation device configuration and backflow and pulsation in that case will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 10, the
本発明は、逆流検地が可能な流量センサを適用する場合にも有効であるが、ホットワイヤなどの逆流検知が困難である加熱素子を使用した流量センサを適用する場合はより効果的である。逆流検地機能の有無については特に制約はない。 The present invention is effective when a flow sensor capable of detecting a reverse flow is applied, but is more effective when applying a flow sensor using a heating element such as a hot wire that is difficult to detect a reverse flow. There is no particular restriction on the presence or absence of the backflow detection function.
1…排気環流装置、2…内燃機関、3…ターボチャージャ、4…吸気経路、5…排気経路、6…インジェクタ、7…還流配管、8…EGRクーラ、9…流量センサ、10…EGR制御弁、11…ECU、12…吸気流量計、13…インタークーラ、14…吸気絞り弁、15…触媒、16…整流化手段。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
A control valve for adjusting the exhaust gas recirculation amount is directly connected to the intake passage, and a flow sensor is disposed on the exhaust side of the control valve and at a distance within three times the diameter of the pipe through which the exhaust gas is recirculated. An exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine that performs feedback control and adjusts the opening degree of an EGR control valve according to an operating state.
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