JP2012167638A

JP2012167638A - 内燃機関の排気ガス再循環制御方法

Info

Publication number: JP2012167638A
Application number: JP2011030803A
Authority: JP
Inventors: Tadao Ogawa; 忠男小川
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2012-09-06

Abstract

【課題】過給機と排気ガス再循環装置とを備える内燃機関において、圧縮された新気の圧力が排気ガスの圧力を上回る運転領域で新気が排気側に流れることを抑制し得る排気ガス再循環方法を提供する。
【解決手段】内燃機関が、過給機と、排気ガス再循環制御弁を有する排気ガス再循環装置とを備えてなり、排気ガス再循環制御弁の下流位置の排気ガス再循環通路における新気の存在を検知して排気ガスの還流を制御する内燃機関の排気ガス再循環制御方法であって、排気ガス再循環制御弁を開弁している際の前記新気の量又は濃度が一定値を超えたか否かを判定し、一定値を超えたと判定した場合に強制的に排気ガス再循環制御弁を全閉にし、排気ガス再循環制御弁が全閉状態における内燃機関の運転状態を検知し、検知した内燃機関の運転状態が低回転高負荷域外におけるものである場合、又は吸入空気の圧力が排気ガスの圧力を下回る運転状態である場合に、運転状態に応じた目標弁開度になるように排気ガス再循環制御弁を開弁する。
【選択図】図２

Description

本発明は、過給機を備える内燃機関において排気ガスの一部を吸気通路に還流させる内燃機関の排気ガス再循環制御方法に関するものである。

従来、ターボチャージャを備える内燃機関において、排気ガスの一部を吸気通路に還流させて、燃費の向上を図ることが行われている。例えば特許文献１のものでは、ターボチャージャのタービンより上流位置とコンプレッサより下流位置とを接続して排気ガスの一部を還流する第一ＥＧＲ通路と、タービンより下流位置とコンプレッサより上流位置とを接続する第二ＥＧＲ通路とを備え、コンプレッサより下流で、かつ第一ＥＧＲ通路の吸気通路との接続部まで通路部分であるＥＧＲ還流部を流れる吸気中の酸素の割合を取得し、取得した割合が目標酸素割合になるように、第二ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ制御弁の開度を制御するものである。

このように、ＥＧＲ還流部を流れる吸気中の酸素の割合によりＥＧＲ制御弁の開度を制御することにより、第二ＥＧＲ通路から吸気通路に還流した後、燃焼室に供給されるまでの排ガスの応答遅れの影響を排除するものである。

ところで、この特許文献１においては、ターボチャージャにより吸入空気を圧縮しているとともに、第一ＥＧＲ通路による、いわゆる高圧ループ式排気ガス再循環を実施している。このような内燃機関にあっては、コンプレッサにより過給された吸入空気となる新気の圧力が、排気ガス再循環を実施している際の内燃機関の運転領域によっては、排気ガスの圧力より高くなる場合がある。

この種の高圧ループ式排ガス再循環では、排気ガスは、排気ガスの圧力に依存して還流するものであるので、排気ガスの圧力が新気の圧力より低くなると吸気通路に流入しにくくなる。また、新気の圧力が高い場合、新気がＥＧＲ通路を介して排気通路に流入し、タービンを介してその下流にある触媒に流入する可能性がある。このように、新気が触媒に達すると、触媒内の雰囲気が排気ガスの浄化に必要な酸素量より過剰な状態となって、排気ガス浄化能力が低下する可能性がある。

特開２０１０‐１６８９５８号公報

そこで本発明は以上の点に着目し、圧縮された吸入空気となる新気の圧力が排気ガスの圧力を上回る内燃機関の運転領域において、新気が排気側に流れることを抑制し、そのような運転領域直前まで排気ガスの一部を還流して、燃費の向上を図ることを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の排気ガス再循環制御方法は、内燃機関が、タービン及びコンプレッサを備える過給機と、排気ガスの一部をタービン上流の排気通路からコンプレッサ下流の吸気通路に運転状態により開度が制御される排気ガス再循環制御弁を有する排気ガス再循環通路を介して還流する排気ガス再循環装置とを備えてなり、排気ガス再循環通路における新気の存在を検知して排気ガスの還流を制御する内燃機関の排気ガス再循環制御方法であって、排気ガス再循環制御弁を開弁している際の、吸気通路から排気ガス再循環通路に流入する新気の量又は濃度が一定値を超えたか否かを判定し、一定値を超えたと判定した場合に強制的に排気ガス再循環制御弁を全閉にし、排気ガス再循環制御弁が全閉状態における内燃機関の運転状態を検知し、検知した内燃機関の運転状態が低回転高負荷域外におけるものである場合、又は吸入空気の圧力が排気ガスの圧力を下回る運転状態である場合に、運転状態に応じた目標弁開度になるように排気ガス再循環制御弁を開弁することを特徴とする。

このような構成によれば、排気ガス再循環通路に流入する新気の量が増大したときに排気ガス再循環制御弁を全閉にするので、コンプレッサにより圧縮された新気が排気ガス再循環装置経由で（シリンダを迂回して）排気通路に流れ込むことを抑止できる。このように排気ガス再循環制御弁を制御することにより、排気ガスの還流停止直前まで排気ガスを還流させることが可能になり、早期に排気ガス再循環制御弁を全閉にすることによるポンピングロスを低減して燃費を向上させることが可能になる。

しかも、排気ガス再循環制御弁を全閉にした後、運転状態が低回転高負荷以外の状態であるか、若しくは吸入空気の圧力が排気ガスの圧力を下回る運転状態となると、その時の運転状態に応じた目標弁開度になるように排気ガス再循環制御弁の開度を制御するので、排気ガスの還流が可能な適時に還流を再開でき、速やかに排気ガス再循環制御弁の開度を目標弁開度にする応答性を向上させることが可能になる。

本発明は、以上説明したような構成であり、排気ガス再循環通路における新気の量又は濃度が一定値を超えた場合に、排気ガス再循環制御弁を全閉にしてコンプレッサにより圧縮された新気が排気ガス再循環装置を介して排気通路に流れ込むことを抑制するので、排気ガスの還流停止直前まで排気ガスを還流させることができ、よってポンピングロスを低減して燃費を向上させることができる。

本発明の実施形態のエンジンの概略構成説明図。同実施形態の制御手順を示すフローチャート。同実施形態の作用を説明するための吸気圧と排圧との変化を示すグラフ。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

このエンジン１００は、二気筒３６０°位相のもので、シリンダ１と、各シリンダ１に吸入空気を供給するための吸気通路２と、排気ガスを排出するための排気通路３と、排気通路３に配置されるタービン４ａ及び吸気通路２に配置されるコンプレッサ４ｂを備える排気タービン式のターボチャージャ４とを基本的に備えている。

吸気通路２には、コンプレッサ４ｂ以外に、エアクリーナ７、エアフロメータ６、吸気絞り弁８、インタークーラ９及び電子制御式スロットル弁（以下、スロットル弁と称する）１０を、吸気通路２の上流から下流に向かってこの順に配置している。すなわち、エアクリーナ７の下流、したがって吸気絞り弁８の上流に、空気流量を検出するためのエアフロメータ６を配置する。このように、吸気通路２は、エアクリーナ７の下流に、エアフロメータ６、吸気絞り弁８、インタークーラ９及びスロットル弁１０を配置しているので、その全長が長くなる。

また、エアフロメータ６と吸気絞り弁８との間の吸気通路２には、スロットル弁１０の上流でインタークーラ９の下流に通じる吸気バイパス通路２４ａと吸気バイパス通路２４ａを開閉する吸気バイパス弁２４ｂとからなる過給圧迂回機構２４が設けてある。

各シリンダ１に対して、点火プラグ１５及び燃料噴射弁１６が取り付けてある。燃料噴射弁１６には、デリバリパイプ１７を介して高圧燃料ポンプ１８から燃料が供給される。

排気通路３には、タービン４ａ以外に、空燃比センサ２０、三元触媒２１及びリアＯ₂センサ２２を、排気通路３の上流から下流に向かってこの順に配置している。すなわち、タービン５の下流に空燃比センサ２０が配置され、その空燃比センサ２０の下流に三元触媒２１が、さらに三元触媒２１の下流にリアＯ₂センサ２２が配置される構成である。空燃比センサ２０及びリアＯ₂センサ２２は、後述する電子制御装置３３に電気的に接続される。

ターボチャージャ４は、この分野でよく知られたものを適用することができ、過給圧を制御するために、タービン４ａの上流と下流とを連通可能にする排気バイパス通路２３ａを備え、その排気バイパス通路２３ａを開閉するウェイストゲート弁２３ｂを備えている。

エンジン１００は、吸気通路２と排気通路３との間に、エアクリーナ７を介して吸気通路２に流入する新気に排気ガスを混合するための、いわゆる高圧ループ式の排気ガス再循環装置（以下、ＥＧＲ装置と称する）２５を備えている。吸気通路２と排気通路３とを選択的に連通する排気ガス再循環管路（以下、ＥＧＲ管路と称する）２６と、ＥＧＲ管路２６に設けられてＥＧＲ管路２６を通過する排気ガスの一部つまりＥＧＲガスの量を制御する排気ガス再循環制御弁（以下、ＥＧＲ弁と称する）２７とを備えている。ＥＧＲ管路２６は、その一端が吸気通路２を構成する吸気マニホルド２ａに接続され、かつその他端が排気通路３を構成する排気マニホルド３ａに接続される。

このＥＧＲ装置２５に対して、ＥＧＲ管路２６におけるＥＧＲ弁２７の下流の領域、つまりＥＧＲ弁２７と吸気マニホルド２ａ（または、サージタンク）との間のＥＧＲ管路２６内に流入する新気の量又は濃度を検知するための酸素濃度センサ４０を設けている。酸素濃度センサ４０は、酸素濃度の変化に対して直線的に例えば出力電圧を変化させるものである。また、吸気マニホルド２ａには吸気圧を検出するための吸気圧センサ４１を設けている。

電子制御装置３３は、プロセッサ３３ａ、メモリ３３ｂ、入力インターフェース３３ｃ、出力インターフェース３３ｄなどを備えるコンピュータシステムである。入力インターフェース３３ｃには、エアフロメータ６から出力される空気流量信号ａ、車速を検出する車速センサから出力される車速信号ｂ、エンジン回転数を検出する回転数センサから出力される回転数信号ｃ、スロットル弁１０の開度すなわちスロットル開度を検出するスロットルセンサから出力されるスロットル開度信号ｄ、吸気マニホルド２ａの上流に吸気マニホルド２ａと一体であるサージタンク（図示しない）に取り付けられて吸気圧を検出する吸気圧センサ４１から出力される吸気圧信号ｅ、冷却水温を検出する水温センサから出力される水温信号ｆ、空燃比センサ２０から出力される第一空燃比信号ｇ、リアＯ₂センサから出力される第二空燃比信号ｈ、酸素濃度センサ４０から出力される酸素濃度信号ｑ、例えば排気マニホルド３ａに取り付けられて排気ガスの圧力（以下、排圧と称する）を検出するための排圧センサ４２から出力される排圧信号ｒなどが入力される。また出力インターフェース３３ｄからは、吸気絞り弁８に対して絞り弁開度信号ｋ、スロットル弁１０に対して弁駆動信号ｍ、ＥＧＲ弁２７に対してＥＧＲ弁開度信号ｎ、燃料噴射弁１５に対して燃料噴射信号ｏ、点火プラグ１６に対して点火信号ｐなどが出力される。

これに加えて、電子制御装置３３には、ＥＧＲ装置２５のためのＥＧＲ制御プログラムが格納してある。この実施形態のＥＧＲ制御プログラムは、ＥＧＲ弁２７の下流位置のＥＧＲ管路２６内に流入した新気の量又は濃度が一定値を超えたか否かを判定し、一定値を超えたと判定した場合に強制的にＥＧＲ弁２７を全閉にし、ＥＧＲ弁２７が全閉状態におけるエンジン１００の運転状態を検知し、検知したエンジン１００の運転状態が低回転高負荷域外におけるものである場合、又は吸入空気の圧力が排圧を下回る運転状態である場合に、運転状態に応じた目標弁開度になるようにＥＧＲ弁２７を開弁するように構成されている。このＥＧＲ制御プログラムによる制御手順を、図２により説明する。

まずステップＳ１において、ＥＧＲ弁２７より下流位置のＥＧＲ管路２６に新気が一定値を上回って存在し、かつ平均吸気圧が所定値を上回っているか否かを判定する。つまり、ターボチャージャ４により新気が圧縮されて吸気圧が上昇している状態において、新気が一定値より多く、しかも吸気圧の平均値が所定値を上回って上昇している運転状態を判定する。このような場合、吸気圧が排圧を上回っている。

一定値は、ＥＧＲ弁２７より下流位置のＥＧＲ管路２６に新気が確実に存在することを検出し得る値により設定する。この場合、一定値が低いと、瞬間的にＥＧＲ管路２６に新気が進入してその後吸気マニホルド２ａに出ることを判定する恐れがあるので、一定値は例えば、酸素濃度センサ４０を介して検出されるＥＧＲ管路２６内の酸素濃度と比較すべき閾値として、酸素濃度１０パーセントのように設定する。ちなみに、この値は通常、地表の大気中の平均酸素濃度（約２１パーセント）を超えることはない。

吸気圧の平均値は、運転状態に無関係に所定時間毎に吸気圧を検出し、検出した吸気圧の複数に基づいて例えば移動平均により演算する。あるいは、燃料噴射量を演算するに際して吸気圧を検出する場合は、その際に検出した吸気圧の複数に基づいて演算するものであってもよい。

ステップＳ１において、新気が一定値を上回って存在し、かつ平均吸気圧が所定値を上回っていると判定した場合、ステップＳ２において、この時のエンジン１００の運転状態にかかわらずＥＧＲ弁２７を強制的に全閉にする。

ステップＳ３では、エンジン１００の運転状態が、低回転高負荷域以外でのものか否かを判定する。そしてこの時点のエンジン１００の運転状態が、例えば低回転低負荷域であると判定した場合は、ステップＳ４において、ＥＧＲ弁２７を目標弁開度になるように開弁する。

以上において、エンジン１００が例えば低回転高負荷域で運転している場合、その時の運転状態に応じた目標弁開度したがって目標ＥＧＲ率になるように、ＥＧＲ弁２７を開く制御をしていると、図３に示すように、コンプレッサ４ｂにより新気が圧縮されて吸気圧が排圧を上回ることがある（図中の区間Ａ、Ｂ）。このような運転状態、つまり吸気圧と排圧とに差がある運転状態では、その差によって圧縮された新気がＥＧＲ弁２７の下流位置のＥＧＲ管路２６に流入することで、ＥＧＲガスが吸気通路２に還流しなくなる。そして、流入した新気（の量）が一定値を超え、しかもこの時の平均吸気圧が所定値を超えた場合（ステップＳ１にて「Ｙｅｓ」）、ＥＧＲ弁２７の下流位置のＥＧＲ通路２６に新気が確実に存在するものとなる。

この結果によりＥＧＲ弁２７を全閉にする（ステップＳ２）ことにより、ＥＧＲガスの還流は中止される。これとともに、ＥＧＲ弁２７が全閉になったことで、ＥＧＲ弁２７の下流位置に流入した新気は、この時及びこの時以降に吸気圧が高くなっても、排気マニホルド３ａつまり排気通路３に流入することがない。つまり、新気がＥＧＲ管路２６を吹き抜けて排気通路３に達することを抑制することができる。

したがって、三元触媒２１に新気が流れ込み、三元触媒２１内の酸素量が必要以上に増加して、浄化性能を低くすることを抑制することができる。さらには、このように、ＥＧＲ弁２７を全閉にする直前までＥＧＲガスを還流することができるので、例えば吸気圧が排圧より高くなったことのみでＥＧＲ弁２７を全閉にするようにして早期にＥＧＲ弁２７を全閉にする場合に比べて、ポンピングロスを低減することができる。

この後、運転状態が変化した場合、例えば低回転高負荷以外の運転状態となった場合は（ステップＳ３にて「Ｙｅｓ」）、この時の運転状態に対応して設定され目標弁開度になるようにＥＧＲ弁２７を開弁して、ＥＧＲガスの還流を再開する。この場合、どの運転領域で運転しているかを判断してＥＧＲ弁２７を開くので、排気ガスの還流が可能な適時に速やかに還流を再開でき、速やかにＥＧＲ弁２７の開度を目標弁開度にする応答性を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態においては、新気が一定値を超えてＥＧＲ弁２７の下流位置のＥＧＲ通路２６に存在し、かつ平均吸気圧が所定値を上回っている場合に、ＥＧＲ弁２７を全閉にするように制御するものを説明したが、平均吸気圧如何を問わず新気が一定値を超えてＥＧＲ弁２７の下流位置のＥＧＲ通路２６に存在することを判定した場合に、ＥＧＲ弁２７を全閉にするものであってもよい。この場合、酸素濃度センサ４０の取付位置を、吸気マニホルド２ａとＥＧＲ通路２６との接続部分に近いＥＧＲ通路２６に設定して、新気がＥＧＲ弁２７に達するまでに確実に新気の存在を判定できるようにするものが好ましい。

また、酸素濃度センサ４０に代えて、ＥＧＲ弁２７の下流位置のＥＧＲ通路２６内の気体温度を検知するための温度センサとするものであってもよい。ＥＧＲ通路２６内の気体温度は、ＥＧＲ通路２６内に流入した新気の量又は濃度を示唆するものといえる。ＥＧＲガスは高温であり、ＥＧＲ通路２６に新気が逆流しなければＥＧＲ通路２６内の温度は十分に高いと考えられるからである。この場合には、ＥＧＲ弁２７を開弁している最中に温度センサを介して検知した気体温度を閾値と比較して、気体温度が閾値を下回ったときにＥＧＲ弁２７を全閉することとする。

温度センサではなく、ＥＧＲ通路２６におけるガスの流れの方向及び流量を検知するフローセンサを採用することも考えられる。吸気通路２側から排気通路３側に流れるガスの流量が閾値を上回ったならば、ＥＧＲ弁２７を全閉するのである。

酸素濃度センサ４０または上記の温度センサ等は、ＥＧＲ弁２７の下流位置に限らず、ＥＧＲ管路２６上の任意位置に設置することが可能である。もっとも、ＥＧＲ弁２７の下流位置に設置することが、新気の迂回流入を防止する観点から望ましいことはいうまでもない。

さらに上記実施形態にあっては、吸気圧センサ４１と排圧センサ４２とで吸気圧と排圧とを個別に検出していたが、吸気圧と排圧との差圧を検知することができる差圧センサを両者に代えて使用するものであってもよい。

さらには、上記実施形態では、ＥＧＲ弁２７を全閉にした運転状態において、低回転高負荷域以外でエンジン１００を運転していることを判定した場合に、ＥＧＲ弁２７を開弁してＥＧＲガスの還流を再開するように制御するが、上記実施形態のステップＳ３に代えて、吸気圧が排圧より低くなったことを判定するものであってよい。すなわち、上述したように、ターボチャージャ４が作動している状態の低回転高負荷域においては、吸気圧が排圧より高くなることがあり、その時には新気が排気通路３に吹き抜けることを抑制するためにＥＧＲ弁２７を全閉にするものである。

それゆえ、低回転高負荷域以外の運転領域にあっては、ＥＧＲガスの還流を実施している際にこのような吸気圧と排圧との逆転現象が発生しないので、吸気圧が排圧より低くなる運転領域においてエンジン１００を運転していることを判定して、その運転領域における運転状態に対応する目標弁開度になるようＥＧＲ弁２７を開弁するように制御するものである。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の活用例として、ターボチャージャを備え、例えば２気筒あるいは３気筒のように吸気脈動が大きなガソリン及びディーゼルエンジンが挙げられる。

２…吸気通路
３…排気通路
４…ターボチャージャ
２５…排気ガス再循環装置
２６…排気ガス再循環通路
２７…排気ガス再循環制御弁
３３…電子制御装置

Claims

内燃機関が、タービン及びコンプレッサを備える過給機と、排気ガスの一部をタービン上流の排気通路からコンプレッサ下流の吸気通路に運転状態により開度が制御される排気ガス再循環制御弁を有する排気ガス再循環通路を介して還流する排気ガス再循環装置とを備えてなり、排気ガス再循環通路における新気の存在を検知して排気ガスの還流を制御する内燃機関の排気ガス再循環制御方法であって、
排気ガス再循環制御弁を開弁している際の、吸気通路から排気ガス再循環通路内における新気の量又は濃度が一定値を超えたか否かを判定し、
一定値を超えたと判定した場合に強制的に排気ガス再循環制御弁を全閉にし、
排気ガス再循環制御弁が全閉状態における内燃機関の運転状態を検知し、
検知した内燃機関の運転状態が低回転高負荷域外におけるものである場合、又は吸入空気の圧力が排気ガスの圧力を下回る運転状態である場合に、運転状態に応じた目標弁開度になるように排気ガス再循環制御弁を開弁する内燃機関の排気ガス再循環制御方法。