JP2008169724A - 内燃機関における排気再循環制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの還流量を精度良く制御することができる排気再循環制御装置を提供する。
【解決手段】制御コンピュータＣは、圧力検出器３０によって得られた流量調整弁２９よりも上流の排気ガス供給通路２８内の圧力と、圧力検出器３１によって得られたインテークマニホールド１６内の圧力との差と、所定の算出式とを用いて、推定排気ガス還流量を算出する。制御コンピュータＣは、推定排気ガス還流量と、エアフローメータ２５によって得られた吸入空気量の情報とから推定排気ガス還流率を算出する。制御コンピュータＣは、推定排気ガス還流率と予め設定された目標排気ガス還流率との偏差を用いて、基本フィードバック補正項の値を算出すると共に、算出した基本フィードバック補正項と補正係数との積を算出する。補正係数は、エンジン回転数と、流量調整弁２９のベース弁開度率とを変数として規定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関における排気再循環制御装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガスの一部を吸気通路に還流させて窒素酸化物の発生を低減する手段は、よく知られた技術である（例えば特許文献１参照）。排気ガスを吸気経路に還流する通路上には排気ガス還流制御弁が介在されており、排気ガス還流制御弁の弁開度を調整することによって排気ガスの還流量が調整される。

特許文献１に開示の排気ガス還流制御装置では、排気ガスが混入された吸入空気中の酸素濃度を検出し、この検出された酸素濃度の情報に基づいて、検出される酸素濃度を目標酸素濃度に収束させるように排気ガス還流制御弁の弁開度をフィードバック制御している。
特開昭６３-５５３５５号公報

しかし、吸入空気量が増大するほど、排気ガス還流制御弁の弁開度の変化に対する排気ガス還流率〔＝排気再循環量／（排気再循環量＋吸入空気量）〕の変化（以下、ＥＧＲ率感度という）が少なくなるという特性がある。さらに、ＥＧＲ率感度は、排気ガス還流制御弁の弁開度に応じても変わる。そのため、酸素濃度という１つの情報のみでは、排気ガス還流率を精度良く制御することができない。

本発明は、排気ガス還流率を精度良く制御することを目的とする。

本発明は、排気経路から吸気経路へ排気ガスを供給する排気ガス供給経路と、前記排気ガス供給経路における排気ガスの供給流量を調整する供給流量調整手段と、排気ガス還流率を計測する計測手段と、吸入空気量反映要素を検出する吸入空気量反映要素検出手段と、前記排気ガス還流率と目標還流率との偏差を解消するように、前記供給流量調整手段の供給流量調整状態をフィードバック制御する制御手段とを備えた内燃機関における排気再循環制御装置を対象とし、請求項１の発明は、前記制御手段が、前記偏差に関するフィードバック補正項として、吸入空気量反映要素と供給流量調整状態とを変数として含むフィードバック補正項を用い、前記フィードバック補正項は、前記偏差を解消するための基本フィードバック補正項に対し、吸入空気量反映要素と供給流量調整状態とを変数とする補正係数を掛けた補正項であることを特徴とする。

吸入空気量反映要素と供給流量調整状態との両方を考慮したフィードバック制御が行われるため、排気ガス還流率が精度良く制御される。
好適な例では、前記基本フィードバック補正項は、前記偏差と、前記吸入空気量反映要素検出手段によって検出された吸入空気量反映要素とを変数とした補正項である。

好適な例では、前記吸入空気量反映要素検出手段は、エンジン回転数検出手段であり、前記吸入空気量反映要素は、エンジン回転数である。

本発明は、排気ガス還流率を精度良く制御することができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
図１に示すように、ディーゼルエンジン１０（内燃機関）は、複数の気筒１１を備えており、シリンダヘッド１２には気筒１１毎に燃料噴射ノズル１３が取り付けられている。燃料は、燃料ポンプ１４及びコモンレール１５を経由して燃料噴射ノズル１３へ供給され、燃料噴射ノズル１３は、各気筒１１内に燃料を噴射する。

シリンダヘッド１２にはインテークマニホールド１６が接続されている。インテークマニホールド１６は、吸気通路１７に接続されており、吸気通路１７は、エアクリーナ１８に接続されている。吸気通路１７の途中には過給機１９のコンプレッサ部１９１が介在されている。過給機１９は、排気ガス流によって作動される公知の可変ノズル式ターボチャージャーである。

吸気通路１７の途中にはインタークーラー２７及びスロットル弁２０が設けられている。スロットル弁２０は、エアクリーナ１８を経由して吸気通路１７に吸入される空気流量を調整するためのものである。スロットル弁２０は、図示しないアクセルペダルの操作に伴って開度調整される。吸気通路１７及びインテークマニホールド１６は、吸気経路を構成する。

アクセルペダルの踏み込み角は、アクセル開度検出器２１によって検出される。図示しないクランクシャフトの回転角度（クランク角度）は、クランク角度検出器２２によって検出される。アクセル開度検出器２１によって得られた踏み込み角検出情報、及びクランク角度検出器２２によって得られたクランク角度検出情報は、制御コンピュータＣに送られる。制御コンピュータＣは、踏み込み角検出情報及びクランク角度検出情報に基づいて、燃料噴射ノズル１３における燃料噴射期間（噴射開始時期及び噴射終了時期）を算出して制御する。

又、制御コンピュータＣは、クランク角度検出器２２によって検出されるクランク角度の時間変化からエンジン回転数を算出する。クランク角度検出器２２及び制御コンピュータＣは、吸入空気量反映要素検出手段としてのエンジン回転数検出手段を構成する。

過給機１９のコンプレッサ部１９１より上流の吸気通路１７にはエアフローメータ２５が配設されている。エアフローメータ２５は、吸気通路１７内における空気流量を検出する。エアフローメータ２５によって検出された空気流量の情報は、制御コンピュータＣに送られる。

シリンダヘッド１２にはエキゾーストマニホールド２３が接続されている。エキゾーストマニホールド２３は、排気通路２４に接続されている。排気通路２４上にはＮＯｘ触媒を用いた排気浄化装置２６が介在されている。気筒１１から排出される排気ガスは、エキゾーストマニホールド２３、排気通路２４及び排気浄化装置２６を経由して大気に放出される。エキゾーストマニホールド２３及び排気通路２４は、排気経路を構成する。

スロットル弁２０よりも下流の吸気通路１７とエキゾーストマニホールド２３とは、排気ガス供給通路２８を介して接続されており、排気ガス供給通路２８には流量調整弁２９が介在されている。排気ガス供給通路２８は、排気経路から吸気経路へ排気ガスを供給する排気ガス供給経路である。

図２に示すように、流量調整弁２９は、ソレノイドコイル２９１への通電によって駆動される弁体２９２が弁孔２９３を開閉する電磁式ポペット弁型である。図２において実線で示す弁体２９２は、弁孔２９３を閉じる位置にあり、鎖線で示す弁体２９２は、弁孔２９３を閉じる位置から最大に離れた位置にある。流量調整弁２９における弁開度が零（弁が閉じ位置にある状態）である場合には、エキゾーストマニホールド２３内の排気ガスが排気ガス供給通路２８を経由して吸気通路１７へ流出不能である。流量調整弁２９における弁開度が零でない場合には、エキゾーストマニホールド２３内の排気ガスは、排気ガス供給通路２８を経由して吸気通路１７へ流出可能である。図２における矢印は、排気ガスの流れる方向を表す。弁開度が最大であるときの状態（弁体２９２が弁孔２９３を閉じる位置から最大に離れた状態）は、弁開度率１００％であり、弁開度が零であるときの状態は、弁開度率０％である。弁体２９２が弁孔２９３を閉じる位置から最大に離れた距離をＬｏとすると、弁体２９２が弁孔２９３を閉じる位置から距離Ｌｘ離れたときの弁開度率は、１００×Ｌｘ／Ｌｏ（％）である。

流量調整弁２９は、制御コンピュータＣの制御を受ける。制御コンピュータＣは、ソレノイドコイル２９１への通電をデューティ比制御しており、流量調整弁２９における弁開度率は、デューティ比が高くなるほど、大きくなる。弁開度率は、流量調整弁２９の供給流量調整状態を表す。流量調整弁２９は、排気ガス供給通路２８における排気ガス供給流量を制御する供給流量調整手段である。

流量調整弁２９よりも上流の排気ガス供給通路２８には圧力検出器３０が配設されている。圧力検出器３０は、流量調整弁２９よりも上流の排気ガス供給通路２８の圧力を検出する。圧力検出器３０によって検出された圧力の情報は、制御コンピュータＣに送られる。

インテークマニホールド１６には圧力検出器３１が配設されている。圧力検出器３１は、インテークマニホールド１６内の圧力（過給圧）を検出する。圧力検出器３１によって検出された過給圧の情報は、制御コンピュータＣに送られる。制御コンピュータＣは、エンジン回転数や燃料噴射量等に基づいて、予め設定されたマップから目標過給圧を決定する。又、制御コンピュータＣは、前記した燃料噴射期間から燃料噴射量を算出する。そして、制御コンピュータＣは、圧力検出器３１によって検出される過給圧が目標過給圧になるように、過給機１９のタービン部１９２におけるベーン開度を制御する。

制御コンピュータＣは、流量調整弁２９の弁開度情報、圧力検出器３０，３１によって得られた圧力情報、エンジン回転数情報、図４に示す補正係数マップＭｐの情報等を用いて、流量調整弁２９の開度のフィードバック制御を行なう。補正係数マップＭｐは、エンジン回転数Ｎと、流量調整弁２９のベース弁開度率Ｂｂとを変数として規定された補正係数を表す。ベース弁開度率Ｂｂとは、エンジン回転数と燃料噴射量とから決められる弁開度率のことである。例えば、エンジン回転数Ｎが１２００ｒｐｍであって、ベース弁開度率Ｂｂが２５％であれば、補正係数は、１．０である。

以下においては、このフィードバック制御の内容を説明する。
制御コンピュータＣは、圧力検出器３０によって得られた圧力と、圧力検出器３１によって得られた圧力との差圧（流量調整弁２９の前後の差圧）と、流量調整弁２９の弁開度率と、所定の算出式とを用いて、排気ガス還流量を算出する。以下、この算出された排気ガス還流量を推定排気ガス還流量と言うことにする。制御コンピュータＣは、推定排気ガス還流量と、エアフローメータ２５によって得られた吸入空気量の情報とから排気ガス還流率〔＝推定排気ガス循環量／（推定排気ガス循環量＋吸入空気量）〕を算出する。以下においては、算出された排気ガス還流率を推定排気ガス還流率と言うことにする。

制御コンピュータＣは、推定排気ガス還流率と予め設定された目標排気ガス還流率との偏差〔＝推定排気ガス還流率−目標排気ガス還流率〕を算出する。そして、制御コンピュータＣは、算出した偏差を用いて予め設定された基本フィードバック補正項の値を算出すると共に、算出した基本フィードバック補正項と補正係数との積〔＝（基本フィードバック補正項）×（補正係数）〕を算出する。以下においては、基本フィードバック補正項と補正係数との積を拡張フィードバック補正項と言うことにする。本実施形態では、基本フィードバック補正項＝（積分項）＋（比例項）である。積分項は、ＥＧＲ率偏差の１次元マップ（前回値とマップ値との加減算）から求められ、比例項は、ＥＧＲ率偏差の１次元マップ（マップ値）から求められる。例えば、偏差が（−０．１）であって、（積分項）＝０．５、（比例項）＝４．０というように特定された場合には、（基本フィードバック補正項）＝４．５となる。

ここで用いられる補正係数は、図４に示す補正係数マップＭｐから選択される。制御コンピュータＣは、算出したエンジン回転数Ｎと算出した燃料噴射量とからベース弁開度率Ｂｂを特定し、この特定したベース弁開度率Ｂｂと算出したエンジン回転数Ｎとから補正係数を特定する。例えば、算出したエンジン回転数Ｎが１２００ｒｐｍであって、特定したベース弁開度率Ｂｂが２５％である場合には、補正係数は１．０となる。この例において偏差が（−０．１）であれば、拡張フィードバック補正項は、〔（積分項）＋（比例項）〕×（補正係数）＝（０．５＋４．０）×１．０＝４．５となる。

制御コンピュータＣは、算出した拡張フィードバック補正項とベース弁開度率Ｂｂとの和｛ベース弁開度率Ｂｂ＋〔（積分項）＋（比例項）〕×（補正係数）｝を算出する。そして、制御コンピュータＣは、算出した弁開度率を流量調整弁２９に指令する。例えば、ベース弁開度率Ｂｂ＝２５％であって拡張フィードバック補正項＝４．５であれば、指令弁開度率は、２９．５％となる。流量調整弁２９は、指令された弁開度率となるように動作する。このときの流量調整弁２９の動作は、偏差（−０．１）を解消するように働く動作である。

ベース弁開度率が２５％であってエンジン回転数Ｎが２４００ｒｐｍであれば、補正係数は１．４となる。この例において偏差が（−０．１）であれば、拡張フィードバック補正項は、〔（積分項）＋（比例項）〕×（補正係数）＝（０．５＋４．０）×１．４＝６．３となる。ベース弁開度率Ｂｂ＝２５％であれば、指令弁開度率は、（２５％＋６．３°）＝３１．３％となる。

圧力検出器３０，３１及び制御コンピュータＣは、排気ガス還流率を計測する計測手段を構成する。又、制御コンピュータＣは、排気ガス還流率と目標還流率との偏差を解消するように、前記供給流量調整手段の供給流量調整状態をフィードバック制御する制御手段である。

本実施形態では以下の効果が得られる。
（１）図３のグラフにおける曲線Ｅ１は、エンジン回転数が１２００ｒｐｍのときの弁開度率と排気ガス還流率との関係を示し、曲線Ｅ２は、エンジン回転数が２４００ｒｐｍのときの弁開度率と排気ガス還流率との関係を示す。曲線Ｅ１，Ｅ２からわかるように、流量調整弁２９の弁開度の変化に対する排気ガス還流率の変化（以下、ＥＧＲ率感度という）は、エンジン回転数＝１２００ｒｐｍのときの方がエンジン回転数＝２４００ｒｐｍのときよりも大きい。このように、ＥＧＲ率感度は、エンジン回転数（換言すると吸入空気量）に応じて変わる。又、ＥＧＲ率感度は、流量調整弁２９の弁開度に応じても変わる。

本実施形態では、吸入空気量を反映するエンジン回転数と、流量調整弁２９の弁開度（供給流量調整状態）とを考慮したフィードバック制御が行われるため、排気ガスの還流量が目標排気ガス還流率となるように精度良く制御される。

（２）エンジン回転数は、吸入空気量を反映する要素として好適である。
本発明では以下のような実施形態も可能である。
○基本フィードバック補正項は、偏差とエンジン回転数とを変数として求めるようにしてもよい。

○排気ガス還流率を、{排気ガス還流率＝〔（シリンダに吸入されるガスの流量）−（シリンダに吸入される新気の流量）〕／（シリンダに吸入されるガスの流量）}のように求めてもよい。

○図４の補正係数と基本フィードバック補正項との積の値（拡張フィードバック項の値）のマップを予め設定しておき、ベース弁開度率情報とエンジン回転数情報とから該マップにおける拡張フィードバック項の値を選択するようにしてもよい。このようにすれば、補正係数と基本フィードバック補正項との積の計算を制御コンピュータＣで行なう必要がなくなる。

○吸入空気量反映要素として、エンジン回転数の代わりに、エアフローメータ２５によって検出される吸入空気量の情報を用いてもよい。
○排気ガス供給通路２８内の排気ガス流量を直接検出することで排気ガス還流率を計測するようにしてもよい。

○本発明をガソリンエンジンに適用してもよい。

一実施形態を示す排気ガス浄化装置の全体構成図。 流量調整弁を示す側断面図。 エンジン回転数と弁開度率と排気ガス還流率との関係を示すグラフ。 補正係数マップＭｐを表す表図。

符号の説明

１０…内燃機関としてのディーゼルエンジン。１６…吸気経路を構成するインテークマニホールド。１７…吸気経路を構成する吸気通路。２２…吸入空気量反映要素検出手段としてのエンジン回転数検出手段を構成するクランク角度検出器。２３…排気経路を構成するエキゾーストマニホールド。２４…排気経路を構成する排気通路。２８…排気ガス供給経路としての排気ガス供給通路。２９…供給流量調整手段としての流量調整弁。３０，３１…還流率を計測する計測手段を構成する圧力検出器。Ｃ…エンジン回転数検出手段及び計測手段を構成すると共に、制御手段である制御コンピュータ。Ｎ…エンジン回転数。

Claims (3)

1. 排気経路から吸気経路へ排気ガスを供給する排気ガス供給経路と、前記排気ガス供給経路における排気ガスの供給流量を調整する供給流量調整手段と、排気ガス還流率を計測する計測手段と、吸入空気量反映要素を検出する吸入空気量反映要素検出手段と、前記排気ガス還流率と目標還流率との偏差を解消するように、前記供給流量調整手段の供給流量調整状態をフィードバック制御する制御手段とを備えた内燃機関における排気再循環制御装置において、
   前記制御手段は、前記偏差を解消するためのフィードバック補正項として、吸入空気量反映要素と供給流量調整状態とを変数として含むフィードバック補正項を用い、前記フィードバック補正項は、前記偏差を解消するための基本フィードバック補正項に対し、吸入空気量反映要素と供給流量調整状態とを変数とする補正係数を掛けた補正項である内燃機関における排気再循環制御装置。
2. 前記基本フィードバック補正項は、前記偏差と、前記吸入空気量反映要素検出手段によって検出された吸入空気量反映要素とを変数とした補正項である請求項１に記載の内燃機関における排気再循環制御装置。
3. 前記吸入空気量反映要素検出手段は、エンジン回転数検出手段であり、前記吸入空気量反映要素は、エンジン回転数である請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の内燃機関における排気再循環制御装置。

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