JP2008175211A - 内燃機関のegr制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】直接噴射ガソリン機関において、成層燃焼から予混合燃焼(あるいはその逆)に切り換えられたときのEGR量の過不足を解消し、失火およびそれによるドライバビリティ(運転性)の悪化、燃料消費率の低下、エミッション性能の低下などを防止する。
【解決手段】検出された運転状態に応じて燃焼形態を切り換えると共に、EGRバルブ52を開閉駆動してEGR機構を作動させる内燃機関のEGR制御装置において、燃焼形態が切り換えられたとき、EGRバルブ52を開閉駆動すると共に、内燃機関のスロットル開度を調整するアクチュエータ(パルスモータ56)を駆動してEGR機構を作動させる。
【選択図】図10
【解決手段】検出された運転状態に応じて燃焼形態を切り換えると共に、EGRバルブ52を開閉駆動してEGR機構を作動させる内燃機関のEGR制御装置において、燃焼形態が切り換えられたとき、EGRバルブ52を開閉駆動すると共に、内燃機関のスロットル開度を調整するアクチュエータ(パルスモータ56)を駆動してEGR機構を作動させる。
【選択図】図10
Description
この発明は内燃機関のEGR制御装置に関する。
従来、吸気ポート噴射の火花点火式内燃機関において、燃費の改善および排気ガス浄化を目的として排気ガスの一部を吸気系に還流させるEGR制御が行われている。
ところで、近時、ガソリンを燃焼室に直接噴射して希薄成層燃焼させる、いわゆる直接噴射型のガソリン内燃機関が提案されているが、そのような機関においてもEGR制御が行われており、その例として、下記特許文献記載の技術を挙げることができる。
特開平9−32651号公報
直接噴射機関においては、低回転低負荷の運転領域では燃料を圧縮行程で噴射して空燃比が例えば30以上となる成層燃焼(超希薄成層燃焼)を生じさせると共に、高回転高負荷の運転領域では吸入行程で噴射して空燃比が例えば20以下の予混合燃焼(均一燃焼)を生じさせる。
成層燃焼域にあってはNOx(窒素酸化物)成分低減のためにEGR(還流)量(率)を増加させるのが望ましく、またEGR量を増加させても、図27に示す如く、成層化のためにEGR限界は高く、燃焼の安定性がそれほど変動しない。他方、予混合燃焼域にあっては、EGR量が増加するにつれて燃焼が不安定となるため、成層燃焼域に比してEGR限界は低く、必要とするEGR量は比較的小さい。
また、図28に示す如く、成層燃焼域にあってはNOx成分低減のために大量のEGRガスを必要とするが、スロットル開度が全開で運転されるために吸排気差圧が小さいことから、EGRガスを導入し難い。
他方、予混合燃焼域にあっては通常の吸気ポート噴射機関と同様にスロットル開度を介して負荷を制御するために吸排気差圧は十分にあるが、図27に示す如く、EGR量を増加させると燃焼が不安定になり、EGR限界は高くない。従って、EGRバルブ径は通常の吸気ポート噴射機関と同程度のもので足る。
このように、成層燃焼域と予混合燃焼域とではEGR限界が相違するが、他方、燃焼形態は、運転状態の変化に応じて成層燃焼と予混合燃焼の間で頻繁に切り換えられる。
従って、EGR(制御)バルブの特性を比較的EGR限界の低い予混合燃焼域を基準に設定すると、図29(a)(b)に示す如く、運転状態に応じて切り換えられて成層燃焼域となった場合にEGRバルブの応答性が十分ではなく、EGR還流量が不足する。他方、EGRバルブの特性を成層燃焼域を基準に設定すると、切り換えられて予混合燃焼域となった場合にEGRバルブの応答性が高くなり過ぎてEGR量が過剰になる。
このようなEGR量の過不足は、同図(c)に示す如く、燃焼が不安定となって失火を招き、ドライバビリティ(運転性)を低下させると共に、同図(d)に示す如く、未燃HCを増加させてエミッション性能を低下させる。
EGR量を低く設定すれば失火等は防止できるが、所期のエンジン性能を十分に活用することができず、燃費性能の点でも望ましくない。
その点で、上記した従来技術においては、成層燃焼から予混合燃焼に切り換えられた場合はEGRバルブの駆動速度を速くすると共に、予混合燃焼から成層燃焼に切り換えられた場合はEGRバルブの駆動速度を遅くすることが提案されている。
しかしながら、上記した従来技術は、成層燃焼域と予混合燃焼域でEGR制御を行って排気ガス浄化を図ると共に、燃焼状態の切り換えに伴う出力不足やトルクショックの低減を防止し、さらにはEGR率を変化させるときの過渡的な燃焼の悪化を防止することを課題としている。
従って、予混合燃焼への移行時にEGRバルブの駆動速度を速くするのは、燃焼の悪化を招くことなく機関出力増加要求への応答性を上げるためである。また、成層燃焼への移行時にEGRバルブの駆動速度を遅くするのは、過渡時の燃焼の悪化を回避するためである。
また、上記した従来技術においては、EGRバルブの閉方向の駆動速度を開方向に比して大きくすることも提案されているが、これも同様の理由に基づく。
即ち、従来技術の提案は燃焼状態に応じてEGRバルブの駆動速度を変化させることに止まり、異なる燃焼状態を有する機関においてEGR機構を改良し、よって燃焼状態に応じて過不足のないEGR量の実現を図ることについては提案するものではなかった。
従って、この発明の目的は上記した不都合を解消し、異なる燃焼状態を有する機関においてEGR機構を改良し、よって燃焼状態に応じて過不足のないEGR量を実現し、失火を防止すると共に、ドライバビリティ(運転性)の低下、燃料消費率の低下、あるいはエミッション性能の低下などを防止するようにした内燃機関のEGR制御装置を提供することにある。
上記の目的を達成するために、請求項1項にあっては、内燃機関の排気系と吸気系を接続して排気ガスの一部を吸気系に還流させるEGR通路と、前記EGR通路に設けられたEGRバルブからなるEGR機構、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段、前記検出された運転状態に応じて燃焼形態を切り換える燃焼形態切り換え手段、および前記検出された運転状態に応じて前記EGRバルブを開閉駆動して前記EGR機構を作動させるEGR機構作動手段を備える内燃機関のEGR制御装置において、前記内燃機関のスロットル開度を調整するアクチュエータを設けると共に、前記燃焼形態切り換え手段によって前記燃焼形態が切り換えられたとき、前記EGR機構作動手段は、前記EGRバルブを開閉駆動すると共に、前記アクチュエータを駆動して前記EGR機構を作動させる如く構成した。
請求項2項にあっては、前記EGR通路の前記EGRバルブに比して応答性の高い流量制御バルブを備えると共に、前記燃焼形態切り換え手段によって前記燃焼形態が切り換えられたとき、前記EGR機構作動手段は、前記EGRバルブと前記流量制御バルブを開閉駆動して前記EGR機構を作動させる如く構成した。
請求項3項にあっては、前記EGR機構は、前記EGR通路から分岐された分岐路と、前記分岐路に設けられた第2のEGRバルブと、および前記EGRバルブと前記第2のEGRバルブの下流に設けられた通路切り換えバルブとを備え、前記燃焼形態切り換え手段によって前記燃焼形態が切り換えられたとき、前記EGR機構作動手段は、前記通路切り換えバルブにより前記EGRバルブと前記第2のEGRバルブとを選択的に開閉駆動して前記EGR機構を作動させる如く構成した。
請求項4項にあっては、前記EGR機構は、前記EGRバルブの下流に設けられた第1の流量制御バルブと、前記EGR通路から分岐された分岐路と、前記分岐路に設けられた第2のEGRバルブと、および前記第2のEGRバルブの下流に設けられた第2の流量制御バルブとを備え、前記燃焼形態切り換え手段によって前記燃焼形態が切り換えられたとき、前記EGR機構作動手段は、前記EGRバルブと第1の流量制御バルブの組、および前記第2のEGRバルブと前記第2の流量制御バルブの組の少なくともいずれかを選択的に開閉駆動して前記EGR機構を作動させる如く構成した。
請求項1にあっては、内燃機関のスロットル開度を調整するアクチュエータを設けると共に、燃焼形態が切り換えられたとき、EGRバルブを開閉駆動すると共に、アクチュエータ、例えばパルスモータを駆動してEGR機構を作動させる如く構成したので、異なる燃焼状態を有する機関においてEGR機構を改良し、よって燃焼状態に応じて過不足のないEGR量を実現し、失火を防止すると共に、ドライバビリティ(運転性)の低下、燃料消費率の低下、あるいはエミッション性能の低下などを防止することができる。
さらに、アクチュエータが既存のものを利用することができる場合、構成としても簡易である。
請求項2にあっては、EGRバルブに比して応答性の高い流量制御バルブを備えると共に、燃焼形態が切り換えられたとき、EGRバルブと流量制御バルブを開閉駆動してEGR機構を作動させる如く構成したので、一層効果的に、燃焼状態に応じて過不足のないEGR量を実現し、失火を防止すると共に、ドライバビリティ(運転性)の低下、燃料消費率の低下、あるいはエミッション性能の低下などを防止することができる。
請求項3にあっては、EGR通路から分岐された分岐路と、分岐路に設けられた第2のEGRバルブと、およびEGRバルブと第2のEGRバルブの下流に設けられた通路切り換えバルブとを備え、燃焼形態が切り換えられたとき、前記EGR機構作動手段は、通路切り換えバルブによりEGRバルブと第2のEGRバルブ(のいずれか)を選択的に開閉駆動して前記EGR機構を作動させる如く構成したので、請求項1項で述べた作用効果に加え、異なる燃焼形態、より具体的には、成層燃焼と予混合燃焼のいずれに切り換えられたときでも上記した不都合を防止することができる。
請求項4にあっては、EGRバルブの下流に設けられた第1の流量制御バルブと、EGR通路から分岐された分岐路と、分岐路に設けられた第2のEGRバルブと、および第2のEGRバルブの下流に設けられた第2の流量制御バルブとを備え、燃焼形態が切り換えられたとき、EGRバルブと第1の流量制御バルブ、および第2のEGRバルブと第2の流量制御バルブを選択的に開閉駆動してEGR機構を作動させる如く構成したので、請求項3項で述べた作用効果に加え、2種のEGRバルブの径が極端に異なる場合にも上記した不都合を防止することができる。
以下、添付図面に即してこの発明の一つの実施の形態に係る内燃機関のEGR制御装置を説明する。
図1はその装置を全体的に示す概略図である。
図において、符号10は直列4気筒の内燃機関(以下「エンジン」という)を示す。吸気管12の先端に配置されたエアクリーナ14から導入された吸気は、サージタンク16を通り、スロットルバルブ18でその流量を調節されつつインテーク(吸気)マニホルド20を経て、2個の吸気バルブ(図示せず)を介して第1から第4シリンダ(気筒)22に流入する。図では1つのシリンダのみ示す。
各シリンダにはピストン24が移動自在に設けられると共に、その頂部に凹部が形成され、ピストン頂部とシリンダヘッド26の内壁との間には、燃焼室28が形成される。燃焼室28に臨む位置の中央付近には、インジェクタ(燃料噴射弁)30が設けられる。このように、この実施の形態に係るエンジン10は、ガソリン燃料を燃焼室に直接噴射する、直接噴射型のエンジンである。
インジェクタ30は燃料供給管34に接続され、燃料供給管34を通じて燃料タンク(図示せず)から燃料ポンプ(図示せず)によって加圧された燃料(ガソリン燃料)の供給を受け、開弁するとき、燃焼室28に直接噴射する。
また、各気筒の燃焼室28には点火プラグ36が配置される。点火プラグ36は点火コイルを含む点火装置(図示せず)から点火エネルギの供給を受け、所定の点火時期において噴射燃料と吸入空気の混合気を第1、第3、第4、第2シリンダの順で点火する。点火された混合気は燃焼して爆発し、ピストン24を駆動する。
燃焼後の排気ガスは、2個の排気バルブ(図示せず)を介してエキゾースト(排気)マニホルド40に排出され、排気管42を進んでNOx成分除去触媒装置44および三元触媒装置46に達し、そこで浄化されてエンジン外に排出される。
エキゾーストマニホルド40の下流において、排気管42はEGR通路50を介して吸気管12(より詳しくはインテークマニホルド)に接続され、排気ガスの一部を吸気系に還流する。
より具体的には、EGR通路50はエキゾーストマニホルド40の下流で触媒装置44,46の上流において排気管42に接続されると共に、他端が吸気管12にスロットルバルブ18の下流において接続される。
EGR通路50にはEGR通路50を開閉してEGR流量を調節するEGRバルブ(あるいはEGR制御バルブ)52が設けられ、それらが前記したEGR機構を構成する。
EGRバルブ52はソレノイド(図示せず)を有する電磁ソレノイドバルブからなり、ソレノイドがデューティ比駆動(PWM制御)されてリフト量が変化させられ、バルブ開度(開口面積)を段階的あるいは連続的に変化させる。
図2は、図1に示す装置の中のEGR機構に焦点をおいて機能的に示す説明図であるが、同図に良く示す如く、EGR通路50にはEGRバルブ52の配置位置の下流側(EGRガスの流れにおいて)に、流量制御バルブ54が設けられる。
流量制御バルブ54も電磁ソレノイドバルブからなり、デューティ比駆動されてそのリフト量を連続的に変化させる。流量制御バルブ54は、EGRバルブ52に比較して応答性が高い、より詳しくは、単位時間当たりのバルブ開度変化量が大きい特性を有する。
図1の説明に戻ると、スロットルバルブ18はパルスモータ(アクチュエータ)56に連結され、パルスモータ56によって駆動される。パルスモータ56にはスロットルセンサ58が接続され、パルスモータ回転量を通じてスロットル開度θTHに応じた信号を出力する。
ピストン24はクランクシャフト60に連結されると共に、クランクシャフト60の付近にはクランク角センサ62が配置される。クランク角センサ62は、クランクシャフト60に取りつけられたパルサ62aおよびそれに対向配置された磁気ピックアップ62bからなる。
クランク角センサ62は、特定のシリンダの所定クランク角度ごとに、即ち、クランク角度720度ごとに気筒判別用のCYL信号を、各シリンダの上死点(TDC。クランク角度180度)ごとにTDC信号を、TDC信号間隔を細分したクランク角度30度ごとにCRK信号を出力する。
吸気管12のスロットルバルブ18配置位置付近には絶対圧(MAP)センサ66が設けられ、スロットル下流の吸気圧力を図示しない通路を介して導入して吸気管内絶対圧PBAに応じた信号を出力する。また、吸気管12においてスロットルバルブ18の配置位置の上流側には吸気温センサ68が設けられ、吸入空気の温度TAに応じた信号を出力する。
また、シリンダ22の付近には水温センサ70が設けられ、シリンダ冷却水温TWに応じた信号を出力する。排気管42には触媒装置44,46の上流側においてO2 センサ(空燃比センサ)72が設けられ、排気ガス中の酸素濃度に比例した信号を出力すると共に、触媒装置44,46の下流側において排気温度センサ74が設けられ、排気ガス温度TEXに比例した信号を出力する。
さらに、エンジン10の適宜位置には大気圧センサ76が設けられ、エンジン10が位置する場所の大気圧PAに比例した信号を出力する。また、前記したEGRバルブ52の付近にはリフトセンサ78が設けられ、EGRバルブ52のリフト量(変位量)LACT、即ち、実EGR量に比例した信号を出力する。
さらに、アクセルペダル(図示せず)の付近にはアクセル開度センサ80が設けられ、運転者により操作されるアクセル開度(アクセルペダル踏み込み量)θAPに応じた信号を出力する。
これらセンサ出力は、電子制御ユニット(以下「ECU」という)82に送られる。ECU82はCPU,ROM,RAMなどからなるマイクロコンピュータを備える。
ECU82は上記したセンサ入力値に基づいて後述の如く燃料噴射制御およびEGR制御などを行う。また、ECU82はカウンタ(図示せず)を備え、クランク角センサ62が出力するCRK信号をカウントしてエンジン回転数NEを検出する。
次いで、この実施の形態に係る内燃機関のEGR制御装置の動作を説明する。
最初に、図3を参照してエンジン10についてEGR制御を含む、エンジン制御全体を説明する。
以下説明すると、S10でエンジン10の運転状態、例えばエンジン回転数NE、吸気管内絶対圧PBA(エンジン負荷)、実EGR(還流)量(率)LACTなどを検出する。即ち、それら運転状態を示すセンサ出力を読み込む。
次いでS12に進み、検出した運転状態に応じて燃焼形態を決定する。即ち、エンジン10は直接噴射型のエンジンであることから、検出した運転状態に応じて成層燃焼と予混合燃焼のうちのいずれかに決定あるいは切り換える。
より具体的には、検出したエンジン回転数NEと吸気管内絶対圧PBA(エンジン負荷)から図4に示すマップを検索し、燃焼形態を決定する。成層燃焼に決定し(切り換え)たときはフラグF.DISCのビットを1にセットすると共に、予混合燃焼に決定し(切り換え)たときはそのビットを0にリセットする。
次いでS14に進み、スロットル開度θTHを制御する。
ここで、図示の直接噴射型のエンジン10の制御について概説すると、先ず検出したエンジン回転数NEとアクセル開度θAPから目標トルクPMEを算出し、算出した目標トルクPMEと検出したエンジン回転数NEから目標空燃比KCMDを算出する。
目標空燃比KCMDは、より具体的には、点火プラグ36近傍の空燃比が負荷に関わらず12.0:1から15.0:1となると共に、筒内平均空燃比が高負荷かつ高回転時には12.0:1から22.0:1の間、低負荷かつ中低回転時にはそれを超えて60.0:1までの値となるように設定される。
燃料噴射時期は、予混合燃焼では吸入行程に設定され、その中の所定のクランク角度でガソリン(燃料)が噴射(供給)されると共に、成層燃焼時では圧縮行程に設定され、その中の所定のクランク角度でガソリンが噴射される。
他方、検出したエンジン回転数NEと吸気管内絶対圧PBAから基本燃料噴射量TIを算出し、次いで出力燃料噴射量TOUTを以下のように算出する。尚、燃料噴射量は全てインジェクタ30の開弁時間で算出する。
TOUT=TI×KCMDM×KEGR×KO2 ×KT+TT
TOUT=TI×KCMDM×KEGR×KO2 ×KT+TT
上記で、KCMDMは目標空燃比補正係数であり、前記した目標空燃比KCMDに充填効率補正を施して求める。尚、目標空燃比補正係数KCMDMも目標空燃比KCMDも、実際には、当量比で求められる。
KEGRはEGRによる補正係数であり、後述する目標EGR量に応じて算出する。また、KO2 はO2 センサ72の出力に基づく空燃比フィードバック補正係数である。さらに、KTは残余の乗算形式による補正項、TTは残余の加算形式による補正項である。
S14においてはエンジン回転数NE、吸気管内絶対圧PBA(エンジン負荷)および燃焼形態に応じてスロットル開度θTHの目標値を算出し、それに基づいてパルスモータ56に供給すべき操作量を算出し、駆動回路(図示せず)を介して出力する。尚、成層燃焼域にあってはスロットル開度θTHは全開もしくは大気圧近傍の吸気管内圧力が得られるほどの開度に制御される。
次いでS16に進み、前記したように燃料噴射量(出力燃料噴射量TOUT)を算出し、決定された燃焼形態に応じて吸入行程あるいは圧縮行程の所定のクランク角度で出力して燃料噴射量および時期を制御する。
次いでS18に進み、点火時期を制御する。これは、エンジン回転数NEと吸気管内絶対圧PBA(エンジン負荷)から基本点火時期を決定し、水温などで補正して出力点火時期を決定し、燃料が噴射された後、所定の間隔をおいて出力することで行う。
次いでS20に進み、EGR制御を行う。
図5はその作業を示すサブルーチン・フロー・チャートである。
以下説明すると、S100において前記したフラグF.DISCのビットが1にセットされているか否か判断し、肯定されるときはS102に進み、検出したエンジン回転数NEおよび吸気管内絶対圧PBAおよび燃焼形態から成層燃焼用目標EGR(還流)量(率)をEGRバルブ52のリフト量で算出する。
次いでS104に進み、成層燃焼用EGR制御パラメータを設定、即ち、EGRバルブ52および流量制御バルブ54のソレノイドに供給すべき通電量をそれぞれ算出し、S106に進み、成層燃焼用EGR制御アクチュエータ、即ち、EGRバルブ52および流量制御バルブ54を駆動する。
図6はその作業を示すサブルーチン・フロー・チャートであり、以下説明すると、S200でEGRバルブ52を開側(開き方向)へ駆動し、S202に進み、流量制御バルブ54も開側へ駆動する。
また、図5フロー・チャートにおいてS100において否定されるときはS108に進み、検出したエンジン回転数NEおよび吸気管内絶対圧PBAおよび燃焼形態から予混合燃焼用目標EGR量(率)をEGRバルブ52のリフト量で算出し、S110に進み、予混合燃焼用EGR制御パラメータを設定する。
即ち、成層燃焼の場合と同様に、EGRバルブ52および流量制御バルブ54のソレノイドに供給すべき通電量をそれぞれ算出し、S112に進み、予混合燃焼用EGR制御アクチュエータ(EGRバルブ52および流量制御バルブ54)を駆動する。
図7はその作業を示すサブルーチン・フロー・チャートであり、以下説明すると、S300でEGRバルブ52を閉側(閉じ方向)へ駆動し、S302に進み、流量制御バルブ54も閉側へ駆動する。
図8を参照して上記を説明する。
成層燃焼域ではEGR限界も高いことから、EGRバルブ52と流量制御バルブ54を共に開き方向に駆動する。これによってEGR量を増加させることができ、同図下部に示すように排ガス中のNOx成分を低減することができると共に、未燃HC(炭化水素)も低減することができ、エミッション性能を向上させることができる。
その後、エンジン負荷の増加に伴って燃焼形態が成層燃焼からEGR限界が比較的低い予混合燃焼に切り換えられたとする。従って図5フロー・チャートのS100の判断は否定されてS108以降に進んでEGRバルブ52および流量制御バルブ54が閉じ方向に駆動される。
流量制御バルブ54はEGRバルブ52に比して応答性が高い、即ち、単位時間当たりのバルブ開度変化が大きいことから、比較的短時間でオフ(全閉)状態となる。そして、流量制御バルブ54を所定時間保持した後、成層燃焼への切り換えに備えて再び開き方向に駆動しておく。
図9を参照して説明すると、EGRバルブ52と流量制御バルブ54の合成開度(開口面積)を同図(a)、流量制御バルブ54の開度(開口面積)を同図(b)とするとき、流量制御バルブ54を同図(b)に破線で示す如く駆動制御することで、同図(c)に示すような目標EGR量を実現することができる。
この実施の形態は上記の如く構成したので、EGR量の多い成層燃焼域からEGR量が比較的少ない予混合燃焼域に切り換えられたときも、高応答の流量制御バルブ54を用いることで、EGRバルブ52の応答遅れによってEGR量が過剰になることがない。
従って、図8に示す如く、燃焼変動がなくて失火が発生することがないことから、失火による未燃HCが排出されるのを有効に防止することができる。また、EGRバルブ52に加えて流量制御バルブ54を用いることで還流できるEGR量を増加することができ、成層燃焼域にあっては要求されるEGR限界までEGRガスを供給することができる。
尚、この発明の要旨はEGR機構の機械的な構成に基づく作動原理にあり、EGR制御自体にはないので、図8などにおいて目標EGR量などは単純化して示した。
図10はこの発明の第2の実施の形態に係る装置の動作を示す、図2と同様のEGR機構の説明図である。
第2の実施の形態に係る装置においては、パルスモータ56を介してスロットルバルブ18を制御するようにした。
吸気ポート噴射エンジンの場合、通常、必要とされるEGR量は、エンジン回転数NEおよび吸気管内絶対圧PBAに対して最適なエンジン性能が得られるように設定される。EGRバルブ径は最大EGR量に応じて設定され、EGR量が最大値未満のときはリフト量で調整している。
しかしながら、先にも述べた如く、成層燃焼域では必要とされるEGR量が大きいことに加え、スロットル全開で運転されることから吸排気差圧が激減し、前記したような不都合を生じている。
そこで、第2の実施の形態に係る装置においては、図11(a)に示す如く、正味燃料消費率がほとんど悪化しない範囲(PB1で示す)において、パルスモータ56を介してスロットルバルブ18を閉じ方向に制御することで、吸排気差圧を増加させ、還流できるEGR量を増加させるようにした。
これによって、同図(b)(c)に示す如く、EGRバルブ52のリフト量を、上記した制御を行わない場合(Aで示す)に比してBまで低減させることができ、リフト量最大値Bの範囲内で吸気負圧制御を行うことで上記した不都合を解消できると共に、EGRバルブ52もその分だけ小型化することができる。
図12を参照して上記をさらに説明すると、図12(a)に示す如く、EGRバルブ52の流量は、同一圧力では開度(開口面積)に比例するが、同図(b)に示す如く、同一開度では圧力2乗根に比例する。同図(c)に示す如く、低流量域では開度制御を行うと共に、開度がほぼ全開に達した後はスロットル開度による吸気負圧制御を行うことで、必要とする目標EGR量を応答遅れなく実現することができる。
上記を前提として図13および図14フロー・チャートを参照して第2の実施の形態に係る装置の動作を説明する。
尚、図13は、第1の実施の形態に係る図6と同様の成層燃焼用EGR制御アクチュエータの駆動処理のサブルーチン・フロー・チャート、図14は、第1の実施の形態に係る図7と同様の予混合燃焼用EGR制御アクチュエータの駆動処理のサブルーチン・フロー・チャートである。
以下説明すると、成層燃焼用EGR制御アクチュエータの駆動処理にあってはS400においてEGRバルブ52を開側(開き方向)へ駆動し、S402に進み、スロットル開度θTHの閉側(閉じ方向)補正値を算出する。
逆に、図14フロー・チャートに示す予混合燃焼用EGR制御アクチュエータの駆動処理にあってはS500においてEGRバルブ52を閉側(閉じ方向)へ駆動し、S502に進み、スロットル開度θTHの開側(開き方向)補正値を算出する。
尚、図13フロー・チャートのS402あるいは図14フロー・チャートのS502で算出された補正値に基づいて第1の実施の形態で述べた図3フロー・チャートのS14の処理において目標スロットル開度が補正される。
この実施の形態は上記の如く構成したので、EGR量の多い成層燃焼域からEGR量が比較的少ない予混合燃焼域に切り換えられたときも、応答遅れが生じることがなく、よって燃焼変動あるいは失火発生を防止することができ、失火による未燃HCが排出されるのを有効に防止することができる。
さらに、パルスモータ(アクチュエータ)が既存のものを利用することができる場合、構成としても簡易である。また、EGRバルブ52を小型化させることができる。
図15および図16はこの発明の第3の実施の形態に係る装置の動作を示す、第2の実施の形態に係る図13および図14と同様の成層燃焼用および予混合燃焼用EGR制御アクチュエータの駆動処理のサブルーチン・フロー・チャートである。
以下説明すると、成層燃焼用EGRアクチュエータの駆動処理にあってはS600においてEGRバルブ52を開側(開き方向)へ駆動し、S602に進み、スロットル開度θTHの閉側(閉じ方向)補正値を算出し、S604に進み、流量制御バルブ54を開側へ駆動する。
また、図16フロー・チャートに示す予混合燃焼用EGRアクチュエータの駆動処理にあってはS700においてEGRバルブ52を閉側(閉じ方向)へ駆動し、S702に進み、スロットル開度θTHの開側(開放方向)補正値を算出し、S704に進み、流量制御バルブ54を閉側へ駆動する。
即ち、第3の実施の形態は第1の実施の形態と第2の実施の形態を併合させたものであって、第2の実施の形態のスロットル開度制御に第1の実施の形態の流量制御バルブ制御を追加するようにした。
第3実施の形態は上記の如く構成したので、EGR量の多い成層燃焼域からEGR還流量が比較的少ない予混合燃焼域に切り換えられたときも、第2の実施の形態に比して応答遅れを生じるのを一層効果的に防止することができ、よって燃焼変動あるいは失火発生を一層効果的に防止することができる。
図17はこの発明の第4の実施の形態に係る装置の構成を示す、図2と同様のEGR機構の説明図である。
図示の如く、第4の実施の形態に係る装置においては、EGR通路50をEGRバルブ52の下流(EGRガスの流れにおいて)側で分岐させ、排気マニホルド40と他端で接続する分岐路88を形成し、そこに第2のEGRバルブ90を配置すると共に、分岐点、即ち、EGRバルブ52と第2のEGRバルブの下流に通路切り換えバルブ92を設けるように構成した。
即ち、複数個、より詳しくは2個のEGRバルブ52,90を並列に配置し、切り換えバルブ92を介してそのいずれかを選択的に使用するようにした。
第1ないし第3の実施の形態に係る装置は、成層燃焼域から予混合燃焼域に切り換えられた際にEGR量が過剰となるのを防止するには有効であるが、予混合燃焼域から成層燃焼域に移行する際の、EGRバルブ応答遅れによるEGR量が不足することによる排気ガス組成および燃料消費率の悪化に対しては、必ずしも有効ではなかった。
従って、第4の実施の形態に係る装置においては、EGRバルブ52の径を成層燃焼域で必要とされる最大EGR量を供給し得るほどの値に設定すると共に、第2のEGRバルブ90の径を予混合燃焼域で必要とされる最大EGR量を供給し得るほどの値に設定するように構成した。
換言すれば、第2のEGRバルブ90の径は、EGRバルブ52の径より小さく、換言すれば応答性が高いように設定する。また、バルブ径に応じて分岐路88もEGR通路50のそれに比して小径となるように設定する。
かかる2種のEGRバルブ52,90を並列に配置し、決定された燃焼形態(燃焼域)に応じて通路切り換えバルブ92を介してEGR通路50および分岐路88のいずれかを通ってEGRガスが吸気系に還流されるように、2種のEGRバルブ52,90のいずれかを選択的に使用するようにした。通路切り換えバルブ92は高応答のものを使用する。
図18および図19はこの発明の第4の実施の形態に係る装置の動作を示す、第2の実施の形態に係る図13および図14と同様の成層燃焼用および予混合燃焼用EGR制御アクチュエータの駆動処理のサブルーチン・フロー・チャートである。
図20タイム・チャートを参照しつつ図18および図19フロー・チャートを説明すると、成層燃焼用EGRアクチュエータの駆動処理にあってはS800において比較的容量の大きいEGRバルブ52を開側(開き方向)へ駆動し、S802に進み、大容量EGRバルブ52側へ、即ち、通路切り換えバルブ92をEGR通路50を開放するように駆動し、S804に進み、比較的容量の小さい第2のEGRバルブ90を閉側(閉じ方向)へ駆動する(図20(a)(b))。
また、図19フロー・チャートに示す予混合燃焼用EGRアクチュエータの駆動処理にあってはS900において第2のEGRバルブ90を開側(開き方向)へ駆動し、S902に進み、通路切り換えバルブ92を小容量EGRバルブ90側へ、即ち、分岐路88を開放するように駆動し、S904に進み、EGRバルブ52を閉側に駆動する(図20(a)(b))。
第4の実施の形態においては、成層燃焼から予混合燃焼へ切り換えられるときは高応答の通路切り換えバルブ92がEGR通路50を閉鎖するので、応答遅れが生じることがなく、よって図20(c)(d)に示すように燃焼変動を抑制することができると共に、エミッション性能も向上させることができる。
さらに、予混合燃焼から成層燃焼に切り換えられるときも、応答性の低い大型のEGRバルブ52が開側に駆動され始めた時点で応答性の高い第2のEGRバルブ90を全開にする。
即ち、EGRバルブ52の流量が第2のEGRバルブ90の流量以上になるまで第2のEGRバルブ90を併用するように通路切り換えバルブ92を制御することで、成層燃焼域への移行時の応答性を向上させることができ、その際のエミッション性能および燃費性能を向上させることができる。
第4の実施の形態は上記の如く構成したので、従前の実施の形態で述べたと同様の効果を得ることができると共に、予混合燃焼から成層燃焼に切り換えられたときのエミッション性能と燃費性能とを向上させることができる。
図21はこの発明の第5の実施の形態に係る装置の構造を示す、図2と同様のEGR機構の説明図である。
図示の如く、第5の実施の形態に係る装置においては、EGR通路50をEGRバルブ52の下流(EGRガスの流れにおいて)側で分岐させ、第4の実施の形態と同様に排気マニホルド40と他端で接続する分岐路88を形成し、そこに第2のEGRバルブ90を配置すると共に、EGRバルブ52の下流(EGRガスの流れにおいて)に第1ないし第3の実施の形態と同様に流量制御バルブ54を設け、さらに第2のEGRバルブ90の下流にも第2の流量制御バルブ94を設けるようにした。
即ち、先の第4の実施の形態においては2種のEGRバルブ52,90を設けたが、EGRバルブ52,90の径が極端に異なる場合、小径のEGRバルブ90の最大流量と大径のEGRバルブ52の最大流量が等しくなった後は、目標とするリフト量までに、やはり、EGR量が不足する不都合があった。
かかる不都合を解決するために、第5の実施の形態に係る装置においてはEGRバルブごとに流量制御バルブ54,94を設け、予混合燃焼から成層燃焼に切り換えられた際、EGRバルブ52と第2のEGRバルブ90を同時に使用し、切り換え時の応答性遅れを低減し、EGR量の不足を最小限度に止めるようにした。
尚、第5の実施の形態に係る装置においても、EGRバルブ52の径を成層燃焼域で必要とされる最大EGR量を供給し得るほどの値に設定すると共に、第2のEGRバルブ90の径を予混合燃焼域で必要とされる最大EGR量を供給し得るほどの値に設定する。
また、バルブ径に応じて分岐路88も、EGR通路50のそれに比して小径となるように設定する。さらに、流量制御バルブ54,94はEGRバルブ52および第2のEGRバルブ90に比して高応答のものを使用する。
図22および図23はこの発明の第5の実施の形態に係る装置の動作を示す、第4の実施の形態に係る図18および図19と同様の成層燃焼用および予混合燃焼用EGR制御アクチュエータの駆動処理のサブルーチン・フロー・チャートである。
図24タイム・チャートを参照しつつ説明すると、成層燃焼用EGRアクチュエータの駆動処理にあってはS1000において大容量のEGRバルブ52を開側(開放方向)へ駆動し、S1002に進み、第1の流量制御バルブ54を開側へ駆動し、S1004に進み、小容量の第2のEGRバルブ90を開側へ駆動し、S1006に進み、第2に流量制御バルブ94を開側へ駆動する。このように4種のバルブを全て開き方向に駆動する(図24(a)(b)(c))。
また、図23に示す予混合燃焼用EGRアクチュエータの駆動処理にあってはS1100においてEGRバルブ52を閉側へ駆動し、S1102に進み、第1の流量制御バルブ54を閉側へ駆動し、S1104に進み、第2のEGRバルブ90を開側へ駆動し、S1106に進み、第2に流量制御バルブ94を開側へ駆動する。このように4種のバルブの2種を閉じ方向に駆動すると共に、残りを開き方向に駆動する。
第5の実施の形態においては、成層燃焼から予混合燃焼へ切り換えられるとき、図24(a)(b)に示す如く、高応答の流量制御バルブ54がEGR通路50を閉鎖するので、応答遅れが生じることがなく、よって同図(c)(d)(e)に示すように燃焼変動を抑制することができると共に、エミッション性能も向上させることができる。
さらに、予混合燃焼から成層燃焼に切り換えられるときも、4種のバルブを全て開側に制御することで、同図(c)(d)(e)に示すように移行時の応答性を向上させることができ、エミッション性能および燃費性能を向上させることができる。
即ち、先の第4の実施の形態においては、図25に示す如く、過渡時に吸入空気量変化によるEGR流量変化が大きく、圧力変化を考慮してバルブ開度を制御する必要があった。
それに対し、第5の実施の形態においては、図26に示す如く、EGRバルブ52および第2のEGRバルブ90の下流に流量制御バルブ54,94を設けることにより、吸気圧力によることなく、開度(開口面積)に対する流量特性を所定の特性にすることができ、これによって予混合燃焼から成層燃焼に切り換えられたときの応答性を向上させることができる。
第5の実施の形態は上記の如く構成したので、第4の実施の形態で述べたと同様の効果を得ることができると共に、さらに予混合燃焼から成層燃焼に切り換えられたときの応答性を改善することができ、よってその際のエミッション性能と燃費性能を一層向上させることができる。
上記の如く、第1ないし第5の実施の形態において、内燃機関(エンジン10)の排気系(エキゾーストマニホルド40)と吸気系(吸気管12)を接続して排気ガスの一部を吸気系に還流させるEGR通路50と、前記EGR通路に設けられたEGRバルブ52からなるEGR機構、前記内燃機関の運転状態(例えばエンジン回転数NE、吸気管内絶対圧PBA(エンジン負荷)など)を検出する運転状態検出手段(クランク角センサ62、絶対圧センサ66、ECU82,S10)、前記検出された運転状態に応じて前記燃焼形態(より具体的には成層燃焼および予混合燃焼)を切り換える燃焼形態切り換え手段(ECU82,S12)、および前記検出された運転状態に応じて前記EGRバルブを開閉駆動して前記EGR機構を作動させるEGR機構作動手段(ECU82,S20)を備える内燃機関のEGR制御装置において、前記EGR通路に前記EGRバルブに比して応答性の高い流量制御バルブ54を設けると共に、前記燃焼形態切り換え手段によって燃焼形態が切り換えられたとき、前記EGR機構作動手段は、前記EGRバルブ52と流量制御バルブ54を開閉駆動して前記EGR機構を作動させる(ECU82,S20,S100からS112,S200,S202,S300,S302)如く構成した。
また、内燃機関(エンジン10)の排気系(エキゾーストマニホルド40)と吸気系(吸気管12)を接続して排気ガスの一部を吸気系に還流させるEGR通路50と、前記EGR通路に設けられたEGRバルブ52からなるEGR機構、前記内燃機関の運転状態(例えばエンジン回転数NE、吸気管内絶対圧PBA(エンジン負荷)、スロットル開度θTHなど)を検出する運転状態検出手段(スロットルセンサ58、クランク角センサ62、絶対圧センサ66、ECU82,S10)、前記検出された運転状態に応じて前記燃焼形態(より具体的には成層燃焼および予混合燃焼)を切り換える燃焼形態切り換え手段(ECU82,S12)、および前記検出された運転状態に応じて前記EGRバルブを開閉駆動して前記EGR機構を作動させるEGR機構作動手段(ECU82,S20)を備える内燃機関のEGR制御装置において、前記内燃機関のスロットル開度を調整するアクチュエータ(パルスモータ56)を設けると共に、前記燃焼形態切り換え手段によって燃焼形態が切り換えられたとき、前記EGR機構作動手段は、前記EGRバルブを開閉駆動すると共に、前記アクチュエータを駆動して前記EGR機構を作動させる(ECU82,S20,S100からS112,S400,S402,S500,S502,S14)如く構成した。
また、前記EGR通路の前記EGRバルブに比して応答性の高い流量制御バルブ52を備えると共に、前記燃焼形態切り換え手段によって前記燃焼形態が切り換えられたとき、前記EGR機構作動手段は、前記EGRバルブ52と流量制御バルブ54を開閉駆動して前記EGR機構を作動させる(ECU82,S20,S100からS112,S600からS604,S700からS704,S14)如く構成した。
また、前記EGR機構は、前記EGR通路50から分岐された分岐路88と、前記分岐路に設けられた第2のEGRバルブ90と、および前記EGRバルブ52と前記第2のEGRバルブ90の下流に設けられた通路切り換えバルブ92とを備え、前記燃焼形態切り換え手段によって前記燃焼形態が切り換えられたとき、前記EGR機構作動手段は、前記通路切り換えバルブにより前記EGRバルブと前記第2のEGRバルブ(のいずれか)を選択的に開閉駆動して前記EGR機構を作動させる(ECU82,S20,S100からS112,S800からS804,S900からS904)如く構成した。
また、前記EGR機構は、前記EGRバルブ52の下流に設けられた第1の流量制御バルブ54と、前記EGR通路50から分岐された分岐路88と、前記分岐路に設けられた第2のEGRバルブ90と、および前記第2のEGRバルブの下流に設けられた第2の流量制御バルブ94とを備え、前記燃焼形態切り換え手段によって前記燃焼形態が切り換えられたとき、前記EGR機構作動手段は、前記EGRバルブと第1の流量制御バルブ(の組)、および前記第2のEGRバルブと前記第2の流量制御バルブ(の組の少なくともいずれか)を選択的に開閉駆動して前記EGR機構を作動させる(ECU82,S20,S100からS112,S1000からS1006,S1100からS1106)如く構成した。
尚、この発明を直接噴射型のエンジンを例にとって説明したが、この発明は、通常の吸気ポート噴射エンジンがリーンバーン制御を行う場合にも妥当する。
10:内燃機関(エンジン)、12:吸気管、22:シリンダ(気筒)、28:燃焼室、30:インジェクタ(燃料噴射弁)、36:点火プラグ、50:EGR通路、52:EGRバルブ、54:流量制御バルブ、56:パルスモータ(アクチュエータ)、62:クランク角センサ、66:絶対圧(MAP)センサ、80:アクセル開度センサ、82:電子制御ユニット(ECU)、88:分岐路、90:第2のEGRバルブ、92:通路切り換えバルブ、94:第2の流量制御バルブ
Claims (4)
- a.内燃機関の排気系と吸気系を接続して排気ガスの一部を吸気系に還流させるEGR通路と、前記EGR通路に設けられたEGRバルブからなるEGR機構、
b.前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段、
c.前記検出された運転状態に応じて燃焼形態を切り換える燃焼形態切り換え手段、
および
d.前記検出された運転状態に応じて前記EGRバルブを開閉駆動して前記EGR機構を作動させるEGR機構作動手段、
を備える内燃機関のEGR制御装置において、前記内燃機関のスロットル開度を調整するアクチュエータを設けると共に、前記燃焼形態切り換え手段によって前記燃焼形態が切り換えられたとき、前記EGR機構作動手段は、前記EGRバルブを開閉駆動すると共に、前記アクチュエータを駆動して前記EGR機構を作動させることを特徴とする内燃機関のEGR制御装置。 - 前記EGR通路に前記EGRバルブに比して応答性の高い流量制御バルブを備えると共に、前記燃焼形態切り換え手段によって前記燃焼形態が切り換えられたとき、前記EGR機構作動手段は、前記EGRバルブと前記流量制御バルブを開閉駆動して前記EGR機構を作動させることを特徴とする請求項1項記載の内燃機関のEGR制御装置。
- 前記EGR機構は、前記EGR通路から分岐された分岐路と、前記分岐路に設けられた第2のEGRバルブと、および前記EGRバルブと前記第2のEGRバルブの下流に設けられた通路切り換えバルブとを備え、前記燃焼形態切り換え手段によって前記燃焼形態が切り換えられたとき、前記EGR機構作動手段は、前記通路切り換えバルブにより前記EGRバルブと前記第2のEGRバルブのいずれかを選択的に開閉駆動して前記EGR機構を作動させることを特徴とする請求項1項または2項記載の内燃機関のEGR制御装置。
- 前記EGR機構は、前記EGRバルブの下流に設けられた第1の流量制御バルブと、前記EGR通路から分岐された分岐路と、前記分岐路に設けられた第2のEGRバルブと、および前記第2のEGRバルブの下流に設けられた第2の流量制御バルブとを備え、前記燃焼形態切り換え手段によって前記燃焼形態が切り換えられたとき、前記EGR機構作動手段は、前記EGRバルブと前記第1の流量制御バルブの組、および前記第2のEGRバルブと前記第2の流量制御バルブの組の少なくともいずれかを選択的に開閉駆動して前記EGR機構を作動させることを特徴とする請求項1項または2項記載の内燃機関のEGR制御装置。
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