JP2008045406A - Egr制御装置 - Google Patents

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Tsugufumi Aikawa
嗣史 藍川
Hisashi Oki
久 大木
Kiyoshi Fujiwara
清 藤原
Tomoumi Yamada
智海 山田
Takashi Koyama
崇 小山
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Toyota Motor Corp
トヨタ自動車株式会社
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Abstract

【課題】ターボチャージャ装置を電動機の駆動によりアシストした場合でも、排気エミッションの悪化を防ぐことのできるEGR制御装置を提供する。
【解決手段】本発明のEGR制御装置は、電動機10dのアシスト力の可変制御が可能なインバータ11と、排気ガスをタービンロータ10aへ供給する排気通路7の開度の可変制御が可能な可変ノズル10eと、EGR通路22を通過して吸気通路2に還流する排気ガスの排気量の可変制御が可能なEGRバルブ23と、内燃機関1の運転状態を判定し、判定結果から所定条件は満たされたと判断した場合には、インバータ11に対して電動機10dのアシスト力を増加させる増加制御と、可変ノズル10eに対して排気通路7の開度を閉じ側にさせる開度変更制御と、EGRバルブ23に対して排気ガスの排気量を増加させる排気量変更制御と、を行うECU17と、を備えている。
【選択図】図1

Description

本発明は、内燃機関からの排気ガスの一部を内燃機関の吸気通路に還流させるEGR制御装置に関する。
内燃機関の排気ガスの一部を吸気系に再循環させ燃焼室に供給する排気ガス再循環制御装置すなわちEGR制御装置が知られている。内燃機関の排気ガスは酸素濃度が低く、燃焼に寄与しない不活性気体として機能する。このため、燃焼室にこの排気ガスを供給することにより機関の燃焼空気過剰率が低下して、燃焼による窒素酸化物すなわちNOxの発生が抑制される。
一般に、燃焼室に還流させる排気ガス量すなわちEGR量が増加するにつれて発生するNOx量は低下するが、EGR量を過度に増大すると燃焼室内の酸素量が不足して燃焼状態が悪化する問題がある。特にディーゼル機関では、EGR量が増大すると排気中のパティキュレートが増加したり、排気スモークが発生する等の問題が生じる。
そこで、EGRにより排気中のNOxを抑制する場合には、燃焼の悪化やパティキュレートの増大が生じない範囲でNOxの抑制効果が最大になるようにEGR量を制御する必要がある。このように、NOxの発生量を適切に抑制するためにEGR量を制御するEGR制御装置の例としては、例えば特許文献1に記載されたものがある。特許文献1に記載の装置では、ディーゼル機関のEGR通路上にはEGRガス量を調節するEGRバルブを配置し、排気通路には可変ノズルを有するターボチャージャと、排気中のNOx濃度を検出するNOxセンサとを配置する。
ここで、この機関の電子制御ユニットすなわちECUは、NOxセンサで検出したNOx濃度が運転条件に応じて定めた目標NOx濃度になるようにEGRバルブ開度を制御し、EGRガス量をフィードバック制御する。更に、ECUは、EGRバルブが全開になった状態では、可変ノズルをNOxセンサ出力に応じてフィードバック制御することにより、排気NOx濃度が目標NOx濃度になるようにEGRガス量をフィードバック制御する。
特開2001−152879号公報
上記のEGR制御装置によれば、EGRバルブが全開になった状態では、可変ノズルをフィードバック制御することにより、排気圧力が低くEGRバルブのみではEGRガス量を制御できない場合にも十分な量のEGRガスを燃焼室に供給可能となる。しかしながら、燃焼室に排気ガスを還流させる際に、大気から新たに吸入された空気すなわち新気を導入するために、ターボチャージャ装置を電動機の駆動によりアシストすると、過給圧が増加して排気圧が減少する。これにより、排気ガスの一部を吸気系に再循環させるEGR量が減少してしまうため、排気エミッションが悪化してしまう。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、ターボチャージャ装置を電動機の駆動によりアシストした場合でも、排気エミッションの悪化を防ぐことのできるEGR制御装置を提供することを目的とする。
本発明に係るEGR制御装置は、内燃機関からの排気ガスにより作動される排気タービンによるコンプレッサの駆動が電動機のアシスト力により選択的に補助されるようになっており、排気ガスの一部を内燃機関の吸気通路にEGR通路を通過させて還流させるEGR制御装置であって、電動機のアシスト力の可変制御が可能なアシスト力可変手段と、排気ガスを排気タービンへ供給する排気通路の開度の可変制御が可能な開度可変手段と、EGR通路に配置され、EGR通路を通過して吸気通路に還流する排気ガスの排気量の可変制御が可能な排気量可変手段と、内燃機関の運転状態を判定し、判定結果から所定条件は満たされたと判断した場合には、アシスト力可変手段に対して電動機のアシスト力を増加させる増加制御と、開度可変手段に対して排気通路の開度を閉じ側にさせる開度変更制御と、排気量可変手段に対して排気ガスの排気量を増加させる排気量変更制御と、を行う制御手段と、を備えていることを特徴とする。
本発明に係るEGR制御装置によれば、内燃機関の運転状態が制御手段により判定され、判定結果から所定条件は満たされたと判断された場合には、増加制御と、開度変更制御と、排気量変更制御と、が制御手段により行われる。これにより、例えば、大気から新たに吸入された空気すなわち新気を導入するために、排気タービンを電動機の駆動によりアシストする場合でも、所定条件が満たされれば、増加制御と、開度変更制御と、排気量変更制御と、が制御手段により行われる。このため、過給圧が増加しても排気圧が減少することがないため、排気ガスの一部を吸気系に再循環させるEGR量が減少することが防がれる。この結果、排気エミッションの悪化を防ぐことができる。
また、本発明に係るEGR制御装置では、制御手段は、内燃機関の負荷量に基づいて内燃機関の運転状態を判定し、判定結果から、内燃機関の負荷量が所定負荷量以上かつ所定範囲内であるという条件は満たされたと判断した場合には、アシスト力可変手段に対して電動機のアシスト力を増加させる増加制御を行うのが好ましい。
このようにすれば、内燃機関の負荷量に基づいて内燃機関の運転状態が制御手段により判定され、判定結果から、内燃機関の負荷量が所定負荷量以上かつ所定範囲内であるという条件は満たされたと判断した場合には、アシスト力可変手段に対して電動機のアシスト力を増加させる増加制御が制御手段により行われる。これにより、例えば、コンプレッサがあまり駆動しないために内燃機関に空気が吸入されず、内燃機関の負荷量が所定負荷量以上の所定範囲内となった場合に、アシスト力可変手段に対して電動機のアシスト力を増加させる増加制御が行われる。この結果、増加されたアシスト力によりコンプレッサが駆動されるため、内燃機関に空気が吸入されるようになる。
また、本発明に係るEGR制御装置では、制御手段は、内燃機関の負荷量に基づいて内燃機関の運転状態を判定し、判定結果から、内燃機関の負荷量が所定負荷量以上かつ所定範囲内であるという条件は満たされたと判断した場合には、開度可変手段に対して排気通路の開度を閉じ側にさせる開度変更制御、又は、排気量可変手段に対して排気ガスの排気量を増加させる排気量変更制御、を行うのが好ましい。
このようにすれば、内燃機関の負荷量に基づいて内燃機関の運転状態が制御手段により判定され、判定結果から、内燃機関の負荷量が所定負荷量以上かつ所定範囲内であるという条件は満たされたと判断した場合には、開度変更制御又は排気量変更制御が制御手段により行われる。これにより、例えば、コンプレッサがあまり駆動しないために内燃機関に空気が吸入されず、内燃機関の負荷量が所定負荷量以上の所定範囲内となった場合に、開度変更制御又は排気量変更制御が行われる。この結果、例えば、上記したように内燃機関に空気が吸入される際に、NOxの発生を抑制するために排気ガスの一部を内燃機関の吸気通路に還流させることが必要になった場合に、開度可変手段に対して排気通路の開度を閉じ側にさせる開度変更制御、又は、排気量可変手段に対して排気ガスの排気量を増量させる排気量変更制御が行われる。この結果、排気ガスの一部が内燃機関の吸気通路に還流されて、NOxの発生を抑制することができる。
また、本発明に係るEGR制御装置では、制御手段は、増加制御により増加される電動機のアシスト力を予測し、予測したアシスト力に基づいて、開度可変手段に対して排気通路の開度を補正させるのが好ましい。
このようにすれば、増加制御により増加される電動機のアシスト力が制御手段により予測され、予測されたアシスト力に基づいて、開度可変手段に対して排気通路の開度が制御手段により補正させられる。これにより、予測されたアシスト力に基づいて排気通路の開度が補正されるため、排気通路の開度のズレの発生を防止することができる。この結果、排気エミッションの悪化を確実に防ぐことができる。
また、本発明に係るEGR制御装置では、機械動力により発電する発電手段を更に備え、アシスト力可変手段は、発電手段の発電能力の範囲内で、発電手段の発電による電動機のアシスト力の可変制御が可能であるのが好ましい。
このようにすれば、アシスト力可変手段は、発電手段の発電能力の範囲内で、発電手段の発電により電動機のアシスト力の可変制御を行う。これにより、電動機のアシスト力の可変制御が、発電手段の発電だけを用いて行われるので、安定した状態で、排気エミッションの悪化を防ぐことができる。
また、本発明に係るEGR制御装置では、アシスト力可変手段は、内燃機関の負荷量が所定負荷量以下であるという制御手段による判定に基づいて、発電手段の発電による電動機のアシスト力の可変制御が可能であるのが好ましい。
このようにすれば、内燃機関の負荷量が所定負荷量以下であるという制御手段による判定に基づいて、発電手段の発電による電動機のアシスト力の可変制御が、アシスト力可変手段により行われる。これにより、内燃機関の負荷量が所定負荷量以下である場合に、より安定した状態で、電動機のアシスト力の可変制御が行われるので、排気エミッションの悪化を防ぐことができる。
本発明によれば、ターボチャージャ装置を電動機の駆動によりアシストした場合でも、排気エミッションの悪化を防ぐことが可能となる。
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。尚、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
(第一実施形態)
図1は、本発明のEGR制御装置が適用された内燃機関の第一実施形態を示している。EGR制御装置は、排気ガスの一部を内燃機関1の吸気通路2に、EGR通路22を通過させて還流させる装置である。この内燃機関1は、吸気通路2からシリンダ3内に空気を取り込むとともに燃料噴射弁4からシリンダ3内に燃料を直接噴射してシリンダ3内で燃料混合気を形成する筒内噴射式ガソリンエンジンとして構成されている。シリンダ3内で形成された燃料混合気は点火プラグ5で着火されて燃焼し、その燃焼エネルギーでピストン6が往復駆動される。なお、内燃機関1には複数のシリンダ3が設けられているが、図1では単一のシリンダ3のみが代表して示されている。吸気をコンプレッサロータ10bや内燃機関1へ供給する吸気通路2、及び、排気ガスをタービンロータ10aや外部へ供給する排気通路7はそれぞれ吸気弁8及び排気弁9によってシリンダ3に対して開閉される。内燃機関1は燃料噴射弁4から吸気通路2に燃料を噴射するいわゆるポート噴射式のガソリンエンジンであってもよいし、軽油を燃料としたディーゼルエンジンであってもよい。
吸気通路2と排気通路7との間には、この間をまたぐように、ターボチャージャ10が設けられている。ターボチャージャ10は、排気通路7に収容される排気タービンとしてのタービンロータ10aと、吸気通路2に収容されるコンプレッサとしてのコンプレッサロータ10bと、両ロータ10a,10bを同軸に連結するスピンドル10cとを備え、排気通路7の排気ガスによる排気エネルギーを利用してタービンロータ10a、スピンドル10c、及びコンプレッサロータ10bを一体的に回転作動させて吸気通路2の吸気をシリンダ3に過給する周知の過給装置である。但し、本実施形態のターボチャージャ10は、スピンドル10cを駆動する電動機10dを備えた電動機付きターボチャージャとして構成されている。電動機10dは例えばスピンドル10cにロータを取り付け、かつスピンドル10cの周囲にステータを配置することによって構成することができる。
電動機10dはバッテリ12からインバータ11を介して供給される電力によりスピンドル10cを正逆両方向に回転駆動できるとともに、スピンドル10cによって駆動されることにより発電を行うこともできる。このように、インバータ11は、電動機10dのアシスト力を増加させるなど可変制御することが可能である。このインバータ11のアシスト力により、スピンドル10cの回転駆動が選択的に補助される。電動機10dが生成した電力はインバータ11を介してバッテリ12に充電される。
このように電動機10dにてスピンドル10cの回転を変化させ、又は電動機10dにて発電を行うことにより、タービンロータ10aに導かれる排気流量とコンプレッサロータ10bによる吸気の過給効果との対応関係が変化する。従って、インバータ11はアシスト力可変手段として機能する。なお、電動機10dの正転は、ターボチャージャ10のタービンロータ10aが排気によって回される際の回転方向に相当する。ターボチャージャ10のタービンロータ10a側には、排気ガスをタービンロータ10aへ供給する排気通路7の開度の可変制御が可能な開度可変手段として、電動機10dの他に可変ノズル10eが設けられてもよい。後述のECU17は、可変ノズル10eの開度を後述の所定開度にさせる開度変更制御を行う。なお、開度可変手段としては、可変ノズル10eすなわちバリアブルノズル機構の代わりに、ウェストゲートバルブ機構が設けられてもよい。
吸気通路2のコンプレッサロータ10bよりも上流側には、上流側から、エアフィルタ13、エアフローメータ31が配置され、コンプレッサロータ10bよりも下流側にはインタークーラ14及びスロットルバルブ15が配置される。また、排気通路7のタービンロータ10aよりも下流側に排気浄化用の触媒16が設けられる。エアフローメータ31は、外部から吸気通路2に取り込まれる空気の流量を検出する。
スロットルバルブ15は、エンジンコントロールユニットすなわちECU17にてスロットル電動機18を操作することによりその開度が制御されるいわゆる電子制御式スロットルバルブである。ECU17はCPU及びその動作に必要な周辺装置としてのRAM、ROM、入出力インターフェース等を備えたコンピュータとして構成されており、ROMに記録された各種のプログラムに従って、内燃機関1及びそれに付属する各種の装置の動作を制御する。スロットルバルブ15の開度制御のため、ECU17にはペダル位置センサ19が検出するアクセルペダル20の操作量の情報と、スロットル開度センサ21が検出するスロットルバルブ15の開度の情報とが入力される。
また、ECU17は、スロットルバルブ15の開度の他にも、燃料噴射弁4による燃料噴射時期、点火プラグ5の点火時期、排気通路7と吸気通路2とを結ぶEGR通路22に配置された外部EGR調整装置すなわちEGRバルブ23の開度、吸気弁8の開閉タイミングを変化させる可変動弁機構26の動作等を制御する。EGR通路22は、内燃機関1とターボチャージャ10との間の排気通路7上のサージタンク30から分岐して延びており、内燃機関1とターボチャージャ10との間の吸気通路2上のサージタンク29に接続されている。なお、EGRバルブ23は、ECU17からの指示に応じて、EGR通路22の開度が調整される電子制御式の流量制御弁である。このEGRバルブ23によって、EGR通路22を通過して吸気通路2に還流する排気ガスの排気量の可変制御が可能となる。従って、EGRバルブ23は排気量可変手段として機能する。
上述した各種の装置類の動作を内燃機関1の運転状態に応じて適切に制御するため、ECU17には、上述したペダル位置センサ19及びスロットル開度センサ21が検出する情報の他に、吸気圧センサ27が検出する吸気通路2の圧力すなわち吸気管圧力、クランク角センサ28が検出するクランク角にそれぞれ対応した情報が入力される。吸気圧センサ27は、EGR通路22が接続されたサージタンク29の付近に設置されている。吸気圧センサ27の検出圧力は、シリンダ3内に取り込まれる全てのガス量、つまり吸気通路2に取り込まれた空気量と、EGR通路22を介して取り込まれる外部EGRガスの量と、シリンダ3内に残される内部EGRガスの量の合計値に対応する。その他にも内燃機関1の冷却水温度、排気通路7における空燃比、可変ノズル10eの開度、燃料噴射弁4により検出されたオイルの粘性等がセンサにて検出されてECU17に入力されるが、それらの図示は省略した。ECU17による燃料噴射弁4、点火プラグ5、EGRバルブ23の制御の手順は公知の内燃機関に対するものと同様でよく、本発明の要旨ではないのでここでは説明を省略する。
ECU17は、後述する内燃機関1の運転状態を判定し、判定結果から、後述する所定条件は満たされたと判断した場合には、増加制御、開度変更制御、及び排気量変更制御を行う。増加制御とは、インバータ11に対して行う、電動機10dのアシスト力を増加させる制御のことである。また、開度変更制御とは、可変ノズル10eに対して行う、排気通路7の開度を閉じ側にさせる制御のことである。また、排気量変更制御とは、EGRバルブ23に対して行う、排気ガスの排気量を増加させる制御のことである。
EGR量に関しては、ECU17がEGRバルブ23の開度、又は可変動弁機構26による吸気弁8及び排気弁9のそれぞれの開時期のオーバーラップ量を調整することにより所定の目標値に向かって制御される。これにより、上記の排気量変更制御が行われる。ここでいうEGR量の目標値はシリンダ3内における燃焼状態を内燃機関1の運転状態からみて最適に制御するために必要な値である。EGR量の目標値は各種のセンサからの検出信号に基づいてECU17により演算されるものでもよいし、内燃機関1の運転状態を表すEGR量以外の物理量の目標値によって潜在的に特定されるものでもよい。なお、ターボチャージャ10の可変ノズル10eの開度を調整することによってもEGR量は調整可能である。
また、上述したターボチャージャ10の電動機10dはインバータ11を介してECU17により操作される。例えば排気エネルギーによるタービンロータ10aの回転のみでは十分な過給効果が得られない場合には、ECU17からの過給指示に応じた過給効果が得られるようにバッテリ12からインバータ11を介して電動機10dに電力が供給されて電動機10dが正転駆動される。内燃機関1の減速時のように過給効果を必要としないにも拘わらずタービンロータ10aが回転している場合、つまりタービンロータ10aの回転エネルギーが余っている場合には、ECU17からの発電指示に応じてインバータ11の動作状態が切り替えられて電動機10dで発電が行われ、そこで得られた電力がインバータ11を介してバッテリ12に充電される。このような過給圧を制御する目的におけるターボチャージャ10の電動機10dの操作は他の電動機付きターボチャージャの制御と同様に行ってよい。
インバータ11は、機械動力により交流発電する発電手段として機能するオルタネータ32と接続されている。このため、インバータ11は、オルタネータ32の発電能力の範囲内で、オルタネータ32の発電による電動機10dのアシスト力の可変制御が可能である。なお、インバータ11は、内燃機関1の負荷量が所定負荷量以下であるというECU17による判定に基づいて、オルタネータ32の発電による電動機10dのアシスト力を可変制御することが可能である。このECU17による判定は、ECU17に入力される上記センサからの検出信号に基づいて行われる。
また、ECU17は、内燃機関1の負荷量に基づいて内燃機関1の運転状態を判定し、判定結果から、内燃機関1の負荷量が所定負荷量以上かつ所定範囲内であるという条件は満たされたと判断した場合には、上記した増加制御を行う。更に、ECU17は、上記したように、内燃機関1の負荷量が所定負荷量以上かつ所定範囲内であるという条件は満たされたと判断した場合には、上記した開度変更制御又は排気量変更制御を行う。また、ECU17は、上記の増加制御により増加される電動機10dのアシスト力を予測し、予測したアシスト力に基づいて、可変ノズル10eに対して排気通路7の開度を補正させる。
ここで、例えば、内燃機関1に排気ガスを還流させる際に、大気から新たに吸入された空気すなわち新気を導入するため、電動機10dを操作してターボチャージャ10の過給効果を変化させた場合、排気通路7の排気背圧がタービンロータ10aの駆動状態に応じて変化し、それに伴ってシリンダ3に残される燃焼ガスの量、つまり内部EGR量も変化する。そこで、ECU17は図2に示したEGR補正制御ルーチンを所定の間隔で繰り返し実行することにより、電動機10d、可変ノズル10e、及びEGRバルブ23の駆動制御状態に応じてEGR量を補正する。この図2のルーチンを実行することによりECU17は制御手段として機能する。
図2のEGR補正制御ルーチンにおいて、ECU17はまずステップS10で、過給効果の制御のために電動機付きターボチャージャ10の動作であるMAT(Motor Assist Turboの略)動作を行うための所定条件は満たされたか否かを判断する。より詳しくは、ステップS10では、ECU17が、内燃機関1の負荷量に基づいて内燃機関1の運転状態を判定し、判定結果から、MAT動作が要求されている状態であるか否かが判断される。MAT動作の要求は、内燃機関1の負荷量が所定負荷量以上かつ所定範囲内であるという条件が満たされたときに、行われる。過給効果の調整のためにECU17が実行する電動機10dの制御プログラムにおいて電動機10dを駆動するための条件を監視し、その条件が満たされているか否かに応じて判別フラグの状態を変化させることにより、ステップS10にて所定条件が満たされたか否かを判別することができる。
ステップS10にて電動機10dの動作が要求されていない場合には今回のEGR補正制御ルーチンを終了する。一方、動作が要求されている場合にはステップS11へ進み、増加制御、開度変更制御、及び排気量変更制御が行われる。増加制御とは、インバータ11に対して行う、電動機10dのアシスト力を増加させる制御のことである。また、開度変更制御とは、可変ノズル10eに対して行う、排気通路7の開度を閉じ側にさせる制御のことである。また、排気量変更制御とは、EGRバルブ23に対して行う、排気ガスの排気量を増加させる制御のことである。
大気から新たに吸入された空気すなわち新気を導入するために、内燃機関1の負荷量が所定負荷量以上かつ所定範囲内となる場合に、ターボチャージャ10が電動機10dの駆動によりアシストされ、過給圧が増加して排気圧が減少する。これにより、排気ガスの一部が吸気系に再循環されてEGR量が減少する際に、開度変更制御により排気通路7の開度が閉じ側に制御されるとともに、排気量変更制御によりEGRバルブ23が開き側に制御されて排気ガスの排気量や排気圧が増加する。これにより、ターボチャージャ10を電動機10dの駆動によりアシストして過給圧が増加した場合でも、EGR量が減少することが防がれて、排気エミッションの悪化を防ぐことができる。
ここで、内燃機関1の負荷量が所定負荷量以上かつ所定範囲内であることについて、図3を用いて説明する。図3は、内燃機関1の負荷量とエンジン回転数との関係を示したグラフである。縦軸は負荷量の大きさを示し、横軸はエンジン回転数を示している。排気ガスを吸気系に再循環させることが必要となる、上記した所定範囲内であるEGR領域とは、負荷量が略所定量以下であり、かつ、エンジン回転数が略所定数以下となる領域である。このEGR領域内において、内燃機関1の負荷量が略所定負荷量以上である領域については、図3の斜線によって示されている。
(第二実施形態)
次に本発明の第二実施形態を、図4及び図5を用いて説明する。この実施形態では、上記した第一実施形態とは、EGR補正制御ルーチンの内容が異なっており、ECU17が図4のEGR補正制御ルーチンを所定の周期で繰り返すことにより制御手段として機能する。内燃機関1及びその付属装置の構成は図1と同じである。
図4のEGR補正制御ルーチンにおいて、ECU17はまずステップS20で、後述する所定条件は満たされたか否か、すなわち、電動機10dの動作が要求されたか否かを判断する。ステップS20にて電動機10dの動作が要求されていない場合には今回のEGR補正制御ルーチンを終了する。一方、動作が要求されている場合にはステップS21へ進み、増加制御、開度変更制御、及び排気量変更制御が行われる。
ここで、ステップS20において満たされたか否かが判断される所定条件について、図5を用いて説明する。図5は、内燃機関1の負荷量とエンジン回転数との関係を示したグラフである。所定条件の第一例として、エンジン回転数が減少するほど、負荷量も減少するが、これに応じて過給圧も減少する。このため、実際の過給圧が所定の過給圧より低い場合には、上記所定の条件が満たされたと判断され、MAT動作により過給圧を上昇させるとともに、新気の新気量及びEGR量を増やし、排気エミッションを低減することができる。
また、所定条件の第二例として、エンジン回転数が減少するほど、負荷量も減少するが、これに応じて新気量も減少する。このため、実際の新気量が所定の新気量より少ない場合には、上記所定の条件が満たされたと判断され、MAT動作により新気量を増加させるとともに、EGR量を増やし、排気エミッションを低減することができる。
更に、所定条件の第三例として、エンジン回転数が減少するほど、負荷量も減少するが、これに応じてターボチャージャ10のターボ回転数も減少する。このため、実際のターボ回転数が所定のターボ回転数より少ない場合には、上記所定の条件が満たされたと判断され、MAT動作によりターボ回転数を増加させるとともに、新気量及びEGR量を増やし、排気エミッションを低減することができる。
(第三実施形態)
次に本発明の第三実施形態を、図6を用いて説明する。この実施形態では、上記した第一及び第二実施形態とは、EGR補正制御ルーチンの内容が異なっており、ECU17が図6のEGR補正制御ルーチンを所定の周期で繰り返すことにより制御手段として機能する。内燃機関1及びその付属装置の構成は図1と同じである。
図6のEGR補正制御ルーチンにおいて、ECU17はまずステップS30で、MAT動作を行うための所定条件は満たされたか否かを判断する。より詳しくは、ステップS30では、ECU17が、内燃機関1の負荷量に基づいて内燃機関1の運転状態を判定し、判定結果から、MAT動作が要求されている状態であるか否かが判断される。ステップS30にて電動機10dの動作が要求されていない場合には今回のEGR補正制御ルーチンを終了する。一方、動作が要求されている場合にはステップS31へ進む。
ステップS31では、ECU17が、上記した増加制御を行うことにより増加される電動機10dのアシスト力を予測し、予測したアシスト力にするために電動機10dに入力すべき入力電力を求める。そして、次のステップS32では、求められた入力電力に基づく増加制御と、開度変更制御と、排気量変更制御とが行われる。
入力電力の求め方の第一例として、内燃機関1のエンジン回転数が増加するほど、入力電力も増加させて求める方法がある。ここで、エンジン回転数が高いほど、これに応じて要求される新気量が多くなる。このため、電動機10dに入力すべき入力電力も大きくなる。この結果、入力電力を大きくしたMAT動作により過給圧を上昇させるとともに、新気の新気量及びEGR量を増やし、排気エミッションを低減することができる。
また、入力電力の求め方の第二例として、内燃機関1の負荷量が高くなるほど、入力電力も増加させて求める方法がある。ここで、負荷量が高いほど、これに応じて要求される新気量が多くなる。このため、電動機10dに入力すべき入力電力も大きくなる。この結果、入力電力を大きくしたMAT動作により過給圧を上昇させて負荷量を低くするとともに、新気の新気量及びEGR量を増やし、排気エミッションを低減することができる。
更に、入力電力の求め方の第三例として、内燃機関1の冷却水温度が高くなるほど、入力電力も増加させて求める方法がある。ここで、冷却水温度が高いほど、これに応じて要求されるEGR量が多くなる。このため、電動機10dに入力すべき入力電力も大きくなる。この結果、入力電力を大きくしたMAT動作により過給圧を上昇させるとともに、新気の新気量及びEGR量を増やし、排気エミッションを低減することができる。
なお、ここでは、ステップS31で、増加される電動機10dのアシスト力を予測し、予測したアシスト力にするために電動機10dに入力すべき入力電力を求めたが、所定の過給圧になるようにMAT動作を制御してもよい。例えば、内燃機関1の運転状態としてエンジン回転数、負荷量、又は水温と過給圧との関係を示すマップに基づいて所定の過給圧を求め、求められた過給圧になるようにMAT動作を制御する。なお、このマップは、ECU17が備えるROMに記憶されている。所定過給圧の求め方の第一例として、エンジン回転数が高くなるほど、所定過給圧も高くして求める方法がある。ここで、エンジン回転数が高いほど、これに応じて要求される新気量が多くなる。このため、求められる所定過給圧も高くなる。この結果、所定過給圧が高くなるようなMAT動作により過給圧を上昇させるとともに、新気の新気量及びEGR量を増やし、排気エミッションを低減することができる。
また、所定過給圧の求め方の第二例として、内燃機関1の負荷量が高くなるほど、所定過給圧も高くして求める方法がある。ここで、負荷量が高いほど、これに応じて要求される新気量が多くなる。このため、求められる所定過給圧も高くなる。この結果、所定過給圧が高くなるようなMAT動作により過給圧を上昇させて負荷量を低くするとともに、新気の新気量及びEGR量を増やし、排気エミッションを低減することができる。
更に、所定過給圧の求め方の第三例として、内燃機関1の冷却水温度が高くなるほど、所定過給圧も高くして求める方法がある。ここで、冷却水温度が高いほど、これに応じて要求されるEGR量が多くなる。このため、求められる所定過給圧も高くなる。この結果、所定過給圧が高くなるようなMAT動作により過給圧を上昇させるとともに、新気の新気量及びEGR量を増やし、排気エミッションを低減することができる。
また、上記では、所定の過給圧になるようにMAT動作を制御する方法について説明したが、ターボチャージャ10の所定のターボ回転数になるように、MAT動作を制御してもよい。例えば、内燃機関1の運転状態としてエンジン回転数、負荷量、又は水温とターボ回転数との関係を示すマップに基づいて所定のターボ回転数を求め、求められたターボ回転数になるようにMAT動作を制御する。ターボ回転数の求め方の第一例として、エンジン回転数が高くなるほど、ターボ回転数も高くして求める方法がある。ここで、エンジン回転数が高いほど、これに応じて要求される新気量が多くなる。このため、求められるターボ回転数も高くなる。この結果、ターボ回転数が高くなるようなMAT動作により過給圧を上昇させるとともに、新気の新気量及びEGR量を増やし、排気エミッションを低減することができる。
また、ターボ回転数の求め方の第二例として、内燃機関1の負荷量が高くなるほど、ターボ回転数も高くして求める方法がある。ここで、負荷量が高いほど、これに応じて要求される新気量が多くなる。このため、求められるターボ回転数も高くなる。この結果、ターボ回転数が高くなるようなMAT動作により過給圧を上昇させるとともに、新気の新気量及びEGR量を増やし、排気エミッションを低減することができる。
更に、ターボ回転数の求め方の第三例として、内燃機関1の冷却水温度が高くなるほど、ターボ回転数も高くして求める方法がある。ここで、冷却水温度が高いほど、これに応じて要求されるEGR量が多くなる。このため、求められるターボ回転数も高くなる。この結果、ターボ回転数が高くなるようなMAT動作により過給圧を上昇させるとともに、新気の新気量及びEGR量を増やし、排気エミッションを低減することができる。
(第四実施形態)
次に本発明の第四実施形態を、図7を用いて説明する。この実施形態では、上記した第三実施形態のステップS32の後に、後述するステップS43及びS44が続く内容となっており、ECU17が図7のEGR補正制御ルーチンを所定の周期で繰り返すことにより制御手段として機能する。内燃機関1及びその付属装置の構成は図1と同じである。
図7のEGR補正制御ルーチンにおいて、ECU17はまずステップS40〜S42のそれぞれにおいて、上記したステップS30〜S32のそれぞれと同じ制御を行う。なお、ステップS41では、予測されたアシスト力に制御して所定のターボ回転数にするために電動機10dに入力すべき目標入力電力が求められている。ステップS43では、この求められた目標入力電力と、実際に入力されている電力である実入力電力との差に基づいて、更に追加入力が必要な必要入力電力を求める。そして、この必要入力電力に相当する、可変ノズル10eの開度を補正するための開度の補正量を算出する。
より詳しくは、ステップS43では、内燃機関1の運転状態としてエンジン回転数、負荷量、又は水温と必要入力電力との関係を示すマップに基づいて開度の補正量を算出する。そして、次のステップS44では、求められた開度補正量に基づく、可変ノズル10eの開度の補正が、ECU17により可変ノズル10eに対して行われる。開度補正量の求め方の第一例として、ステップS41で求められた目標入力電力と、実際に入力されている電力である実入力電力とを比較する方法がある。目標入力電力よりも実入力電力の方が高い場合は、可変ノズル10eが所定の開度よりも開いていることが原因であり、排気のエネルギーがターボチャージャ10に与えられていない。このため、可変ノズル10eを閉じ側に制御して補正する。
一方、目標入力電力よりも実入力電力の方が低い場合は、可変ノズル10eが所定の開度よりも閉じていることが原因であり、排気のエネルギーがターボチャージャ10に与えられ過ぎている。このため、可変ノズル10eを開き側に制御して補正する。この結果、可変ノズル10eのヒステリシスなどによるズレを防ぐことが可能となり、EGR量を増やして排気エミッションを低減することができる。
また、開度補正量の求め方の第二例として、ステップS41で求められた目標入力電力から予測される目標ターボ回転数と、実入力電力から予測される実ターボ回転数とを比較する方法がある。目標ターボ回転数よりも実ターボ回転数の方が低い場合は、可変ノズル10eが所定の開度よりも開いていることが原因であり、排気のエネルギーがターボチャージャ10に与えられていない。このため、可変ノズル10eを閉じ側に制御して補正する。
一方、目標入力電力よりも実入力電力の方が高い場合は、可変ノズル10eが所定の開度よりも閉じていることが原因であり、排気のエネルギーがターボチャージャ10に与えられ過ぎている。このため、可変ノズル10eを開き側に制御して補正する。この結果、可変ノズル10eのヒステリシスなどによるズレを防ぐことが可能となり、EGR量を増やして排気エミッションを低減することができる。
(第五実施形態)
次に本発明の第五実施形態を、図8を用いて説明する。この実施形態では、上記した第四実施形態のステップS41が省略された内容となっており、ECU17が図8のEGR補正制御ルーチンを所定の周期で繰り返すことにより制御手段として機能する。内燃機関1及びその付属装置の構成は図1と同じである。
図8のEGR補正制御ルーチンにおいて、ECU17はまずステップS50,S51のそれぞれにおいて、上記したステップS40,S42のそれぞれと同じ制御を行う。ステップS52では、例えば、内燃機関1の運転状態としてエンジン回転数、負荷量、又は水温とEGRバルブ23のバルブ開度との関係を示すマップに基づいて所定の目標バルブ開度を求め、求められた目標バルブ開度になるように実際の実バルブ開度に対する補正量を算出する。そして、次のステップS53では、算出されたバルブ開度の補正量を用いて、バルブ開度が補正される。EGRバルブ23は、バルブの配管の目詰まりなどで、実際の実EGR量が目標のEGR量とずれる場合がある。実EGR量が目標EGR量よりも少ない場合はEGRバルブ23が開き側に制御されて補正される。一方、実EGR量が目標EGR量よりも多い場合はEGRバルブ23が閉じ側に制御されて補正される。この結果、EGR量を適切に制御して排気エミッションを低減することができる。
(第六実施形態)
次に本発明の第六実施形態を、図1を用いて説明する。この実施形態では、上記した五つの実施形態の増加制御において、インバータ11がオルタネータ32の発電能力の範囲内で、MAT動作を行う内容となっており、ECU17が上記したEGR補正制御ルーチンを所定の周期で繰り返すことにより制御手段として機能する。内燃機関1及びその付属装置の構成は図1と同じである。バッテリ12からインバータ11を介しての電力の持ち出しをすることなくMAT動作を行うことにより、安定した排気エミッションの低減を行うことができる。
なお、内燃機関1の負荷量は所定負荷量以下であるというECU17による判定に基づいて、オルタネータ32の発電による電動機10dのアシスト力の可変制御が可能であるようにしてもよい。ここで、判定に用いる基準としては、上記した所定の負荷量の他に、所定の燃料噴射量や所定の吸気された空気量としてもよい。使用頻度が高い、すなわち頻繁に起こりうる、所定負荷量以下となる軽負荷領域では、バッテリ12からインバータ11を介しての電力の持ち出しをすることなくMAT動作を行うことにより、より安定した排気エミッションの低減を行うことができる。一方、使用頻度が低い、すなわちあまり起こらない、所定負荷量より大きい高負荷領域では、バッテリ12からインバータ11を介しての電力を持ち出しても、バッテリ12が上がってしまう可能性は低いため、バッテリ12からインバータ11を介しての電力を持ち出して排気エミッションの低減を行うことができる。
ここで、ライトや電装品などが使用されている場合は、MAT動作を行うための電力の入力がECU17によって制限される。より詳しくは、ライトや電装品などが使用されているために、電力負荷が発生している場合には、オルタネータ32やバッテリ12の電力容量を超えた電力使用が発生する可能性があるため、MAT動作を行うための電力の入力がECU17によって制限される。
本実施形態において、EGRガスが還流されて使用されるEGR使用領域でMAT動作によるアシストが無くなりそうになった場合は、可変ノズル10eが所定開度になるよう開き側に調整される。EGR使用領域では、MAT動作のアシストによる過給圧の増加分だけエキマニ圧が増加するように、可変ノズル10eの開度が調整されるが、MAT動作のアシストが無くなってしまうと過給圧が減少してしまうため、可変ノズル10eが所定開度になるよう開き側に調整して、エキマニ圧を減少させる。これにより、排気行程におけるポンプ損を減らすことが可能となる。
(第七実施形態)
次に本発明の第七実施形態を、図1を用いて説明する。この実施形態では、上記した六つの実施形態において、燃料噴射弁4により検出されたオイルの粘性が硬い、すなわち粘性が所定の粘性より高い場合には、MAT動作を行うための電力の入力がECU17によって制限される。例えば、極限まで低い水温である極低水温の場合には、オイル粘度が所定の粘度より高くなる。このため、水温によって入力電力の制限を行うか否かがECU17によって判断される。オイルの粘性が所定の粘性より高いために潤滑が不十分となりMAT動作も不十分となる場合に、入力電力を制限することによって、不要なMAT動作を防止して、ターボチャージャ10を保護することができる。
(第八実施形態)
次に本発明の第八実施形態を、図1を用いて説明する。この実施形態では、上記した第四実施形態において、燃料噴射弁4により検出されたオイルの粘性が硬い、すなわち粘性が所定の粘性より高い場合には、ターボチャージャ10のターボ回転数がECU17によって制限される。例えば、極限まで低い水温である極低水温の場合には、オイル粘度が所定の粘度より高くなる。このため、水温によって入力電力の制限を行うか否かがECU17によって判断される。オイルの粘性が所定の粘性より高いために潤滑が不十分となりMAT動作も不十分となる場合に、ターボ回転数を制限することによって、不要なMAT動作を防止し、ターボチャージャ10を保護することができる。
(作用及び効果)
本実施形態のEGR制御装置によれば、内燃機関1の運転状態が判定され、判定結果から所定条件は満たされたと判断された場合には、増加制御と、開度変更制御と、排気量変更制御と、が制御手段により行われる。これにより、例えば、新気を導入するためにMAT動作を行う場合でも、所定条件が満たされれば、増加制御と開度変更制御と排気量変更制御とがECU17により行われる。このため、過給圧が増加しても排気圧が減少することがないため、EGR量が減少することが防がれる。この結果、排気エミッションの悪化を防ぐことができる。
また、内燃機関1の負荷量に基づいて運転状態が判定され、判定結果から、内燃機関1の負荷量が所定負荷量以上かつ所定範囲内であるという条件は満たされたと判断された場合には、MAT動作による増加制御が行われる。これにより、例えば、コンプレッサがあまり駆動しないために内燃機関1に空気が吸入されず、内燃機関1の負荷量が所定負荷量以上の所定範囲内となった場合に、MAT動作による増加制御が行われる。この結果、増加されたアシスト力によりコンプレッサが駆動されるため、内燃機関1に空気が吸入されるようになる。
また、内燃機関1の負荷量に基づいて運転状態が判定され、判定結果から、内燃機関1の負荷量が所定負荷量以上かつ所定範囲内であるという条件は満たされたと判断された場合には、開度変更制御又は排気量変更制御がECU17により行われる。これにより、例えば、コンプレッサがあまり駆動しないために内燃機関1に空気が吸入されず、内燃機関1の負荷量が所定負荷量以上の所定範囲内となった場合に、開度変更制御又は排気量変更制御が行われる。この結果、例えば、上記したように内燃機関1に空気が吸入される際に、NOxの発生を抑制するために排気ガスの一部を内燃機関1の吸気通路2に還流させることが必要になった場合に、可変ノズル10eに対して排気通路7の開度を閉じ側にさせる開度変更制御、又は、EGRバルブ23に対して排気ガスの排気量を増量させる排気量変更制御が行われる。この結果、排気ガスの一部が内燃機関1の吸気通路2に還流されて、NOxの発生を抑制することができる。
また、上記の増加制御により増加される電動機のアシスト力が予測され、予測されたアシスト力に基づいて、可変ノズル10eに対して排気通路7の開度がECU17により補正させられる。これにより、予測されたアシスト力に基づいて排気通路7の開度が補正されるため、排気通路7の開度のズレの発生を防止することができる。この結果、排気エミッションの悪化を確実に防ぐことができる。
また、インバータ11は、オルタネータ32の発電能力の範囲内で、オルタネータ32の発電により電動機10dのアシスト力の可変制御を行う。これにより、電動機10dのアシスト力の可変制御が、オルタネータ32の発電だけを用いて行われるので、安定した状態で、排気エミッションの悪化を防ぐことができる。
また、内燃機関1の負荷量が所定負荷量以下であるというECU17による判定に基づいて、オルタネータ32の発電による電動機10dのアシスト力の可変制御が、インバータ11により行われる。これにより、内燃機関1の負荷量が所定負荷量以下である場合に、電動機10dのアシスト力の可変制御が行われるので、より安定した状態で、排気エミッションの悪化を防ぐことができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明に係る過給機は、電動機付ターボチャージャに限られるものではなく、電動機によりコンプレッサを駆動する電動コンプレッサであってもよい。このコンプレッサは、ターボチャージャのコンプレッサ部と同様の構成を有する回転翼による遠心圧縮機であっても、その他の軸流圧縮機やいわゆるスーパーチャージャーであってもよい。
本発明の第一実施形態に係るEGR制御装置が適用された内燃機関の構成を示す図である。 図1のECUにて実行されるEGR補正制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 内燃機関の負荷量とエンジン回転数との関係の一例を示したグラフである。 ECUにて実行されるEGR補正制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 内燃機関の負荷量とエンジン回転数との関係の一例を示したグラフである。 ECUにて実行されるEGR補正制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 ECUにて実行されるEGR補正制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 ECUにて実行されるEGR補正制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
符号の説明
1…内燃機関、2…吸気通路、3…シリンダ、4…燃料噴射弁、5…点火プラグ、6…ピストン、7…排気通路、8…吸気弁、9…排気弁、10…ターボチャージャ、10a…タービンロータ、10b…コンプレッサロータ、10c…スピンドル、10d…電動機、10e…可変ノズル、11…インバータ、12…バッテリ、13…エアフィルタ、14…インタークーラ、15…スロットルバルブ、16…触媒、17…ECU、18…スロットル電動機、19…ペダル位置センサ、20…アクセルペダル、21…スロットル開度センサ、22…EGR通路、23…EGRバルブ、26…可変動弁機構、27…吸気圧センサ、28…クランク角センサ、29,30…サージタンク、31…エアフローメータ、32…オルタネータ。

Claims (6)

  1. 内燃機関からの排気ガスにより作動される排気タービンによるコンプレッサの駆動が電動機のアシスト力により選択的に補助されるようになっており、前記排気ガスの一部を前記内燃機関の吸気通路にEGR通路を通過させて還流させるEGR制御装置であって、
    前記電動機のアシスト力の可変制御が可能なアシスト力可変手段と、
    前記排気ガスを前記排気タービンへ供給する排気通路の開度の可変制御が可能な開度可変手段と、
    前記EGR通路に配置され、前記EGR通路を通過して前記吸気通路に還流する前記排気ガスの排気量の可変制御が可能な排気量可変手段と、
    前記内燃機関の運転状態を判定し、判定結果から、所定条件は満たされたと判断した場合には、前記アシスト力可変手段に対して前記電動機のアシスト力を増加させる増加制御と、前記開度可変手段に対して前記排気通路の開度を閉じ側にさせる開度変更制御と、前記排気量可変手段に対して前記排気ガスの排気量を増加させる排気量変更制御と、を行う制御手段と、を備えている
    ことを特徴とするEGR制御装置。
  2. 前記制御手段は、前記内燃機関の負荷量に基づいて前記内燃機関の運転状態を判定し、判定結果から、前記内燃機関の負荷量が所定負荷量以上かつ所定範囲内であるという条件は満たされたと判断した場合には、前記アシスト力可変手段に対して前記電動機のアシスト力を増加させる増加制御を行う
    ことを特徴とする請求項1に記載のEGR制御装置。
  3. 前記制御手段は、前記内燃機関の負荷量に基づいて前記内燃機関の運転状態を判定し、判定結果から、前記内燃機関の負荷量が所定負荷量以上かつ所定範囲内であるという条件は満たされたと判断した場合には、前記開度可変手段に対して前記排気通路の開度を閉じ側にさせる開度変更制御、又は、前記排気量可変手段に対して前記排気ガスの排気量を増加させる排気量変更制御、を行う
    ことを特徴とする請求項2に記載のEGR制御装置。
  4. 前記制御手段は、前記増加制御により増加される前記電動機のアシスト力を予測し、予測したアシスト力に基づいて、前記開度可変手段に対して前記排気通路の開度を補正させる
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のEGR制御装置。
  5. 機械動力により発電する発電手段を更に備え、
    前記アシスト力可変手段は、前記発電手段の発電能力の範囲内で、前記発電手段の発電による前記電動機のアシスト力の可変制御が可能である
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のEGR制御装置。
  6. 前記アシスト力可変手段は、前記内燃機関の負荷量が所定負荷量以下であるという前記制御手段による判定に基づいて、前記発電手段の発電による前記電動機のアシスト力の可変制御が可能である
    ことを特徴とする請求項5に記載のEGR制御装置。
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