JP2012251509A - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＥＧＲバルブの前後の差圧を検出することなく、過渡時におけるＥＧＲ制御を効果的に行う。
【解決手段】ＥＧＲ通路が接続された位置の吸気圧を吸入空気量に基づいて推定し（Ｓ１１）、ＥＧＲ通路が接続された位置の排気圧を吸入空気量に基づいて推定する（Ｓ１２）。Ｓ１２で算出した第１推定排気圧に、応答遅れを考慮した所定の遅れ処理を行って第２推定排気圧を算出する（Ｓ１６）。そして、過渡時には、推定吸気圧と第１推定排気圧との差圧と、推定吸気圧と第２推定排気圧との差圧と、差もしくは比率からバルブ面積補正値を算出し（Ｓ１７）、このバルブ面積補正値でＥＧＲ制御弁の基準バルブ面積を補正する（Ｓ１８）。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の排気還流装置に関する。
特許文献１には、ＥＧＲバルブの前後差圧に基づいて算出された仮想ＥＧＲ率と、エンジン回転速度に基づいて算出された目標ＥＧＲ率との差に基づいて、ＥＧＲバルブ開度を補正することにより、急加速時のＥＧＲ制御を効果的に行うことができるエンジンのＥＧＲクーラーシステムが開示されている。
特開２００４−１５０３４３号公報
しかしながら、このような特許文献１においては、ＥＧＲバルブの前後の差圧を検出するＥＧＲバルブ差圧センサを設ける必要があり、その分コストが増加してしまうという問題がある。
そこで、本発明の内燃機関の排気還流装置は、過渡時において、吸入空気量に基づいて推定された推定吸気圧と、吸入空気量に基づいて推定された第１推定排気圧に応答遅れを考慮した所定の遅れ処理を行って算出された第２推定排気圧との差圧に基づいて排気還流弁の弁開度を補正することを特徴としている。
本発明によれば、排気還流通路の接続位置の推定吸気圧と、応答遅れを考慮した排気還流通路の接続位置の第２推定排気圧との差に応じて、排気還流弁の弁開度を補正することで、排気還流弁の前後の圧力を測定するセンサがなくても、ＥＧＲ率が一定となるように排気還流弁の弁開度を制御することができる。
本発明に係る内燃機関の排気還流装置の全体的な構成を模式的に示した説明図。 内燃機関の吸気圧と排気圧を説明する模式図。 吸入空気量と、排気圧Ｐ２と吸気圧Ｐ１との差圧との相関を示す説明図。 定常状態におけるＥＧＲ制御弁の弁開度の演算内容を示すブロック図。 過渡時バルブ面積の演算内容を示すブロック図。 過渡時における各種パラメータの変化を示すタイミングチャート。
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る内燃機関の排気還流装置の全体的な構成を示しており、内燃機関１には、吸気通路２と排気通路３とが接続されている。吸気マニホールド４を介して内燃機関１に接続された吸気通路２には、スロットル弁５が設けられていると共に、その上流側には吸入空気量を検出するエアフローメータ６、エアクリーナ７が設けられている。エアフローメータ６は、温度センサを内蔵するものであって、吸気温度を検出可能となっている。排気マニホールド８を介して内燃機関１に接続された排気通路３には、排気浄化用として、三元触媒等の排気触媒９が設けられている。
また、この内燃機関１は、吸気通路２に配置されたコンプレッサ１１と排気通路３に配置されたタービン１２とを同軸状に備えたターボ過給機１０を有している。コンプレッサ１１は、スロットル弁５よりも上流側で、エアフローメータ６よりも下流側に位置している。タービン１２は、排気触媒９よりも上流側に位置している。尚、図１中の１３は、スロットル弁５の下流側に設けられたインタークーラである。
吸気通路２には、コンプレッサ１１を迂回してコンプレッサの上流側と下流側とを接続する吸気バイパス通路１４が接続されている。吸気バイパス通路１４には、吸気バイパス通路１４内の吸気流量を制御する吸気バイパス弁１５が介装されている。
排気通路３には、タービン１２を迂回してタービン１２の上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路１６が接続されている。排気バイパス通路１６には、排気バイパス通路１６内の排気流量を制御するウエストゲート弁１７が介装されている。
また、内燃機関１は、排気還流（ＥＧＲ）を行うもので、排気通路３と吸気通路２との間には、ＥＧＲ通路（排気還流通路）２０が設けられている。ＥＧＲ通路２０は、その一端が排気触媒９の下流側の位置で排気通路３に接続され、その他端がエアクリーナ７の下流側となりコンプレッサ１１の上流側となる位置で吸気通路２に接続され、吸気圧と排気圧の圧力差を利用することで、過給時であっても、排気の一部を吸気通路２に還流させることが可能な構成となっている。このＥＧＲ通路２０には、ＥＧＲ制御弁２１とＥＧＲクーラ２２が介装されている。ＥＧＲ制御弁２１の弁開度は、コントロールユニット２５によって制御され、運転条件に応じた所定のＥＧＲ率を得るようになっている。例えば、低速低負荷域ではＥＧＲ率が最大となり、機関回転数、負荷が高くなるに従い、ＥＧＲ率が減少していく。
コントロールユニット２５は、上述したエアフローメータ６の検出信号のほか、クランクシャフト（図示せず）のクランク角を検出するクランク角センサ２６、吸気マニホールド４内の吸気温を検出する吸気温センサ２７、タービン１２上流側の排気温度を検出する排気温センサ２８、アクセルペダル（図示せず）の踏込量を検出するアクセル開度センサ２９、大気圧を検出する大気圧センサ３０等のセンサ類の検出信号が入力されている。
そして、コントロールユニット２５は、これらの検出信号に基づいて、内燃機関１の点火時期や空燃比等の制御を実施すると共に、ＥＧＲ制御弁２１の弁開度を制御して排気通路３から吸気通路２に排気の一部を還流する排気還流制御（ＥＧＲ制御）を実施している。尚、スロットル弁５、吸気バイパス弁１５、ウエストゲート弁１７の弁開度もコントロールユニット２５により制御されている。
図２は、本実施形態の内燃機関１の吸気圧と排気圧を説明する模式図である。吸気通路２におけるエアクリーナ７等の吸気系部品による圧力損失は、擬似的にオリフィス４１とみなすことができる。この擬似オリフィス４１においては、吸入空気量が多くなるほど、擬似オリフィス４１前後での差圧が大きくなる。ここで、この擬似オリフィス４１は吸気系部品であり、この擬似オリフィス４１の径に相当する圧力損失は変化するものではない。そこで、吸気通路２のＥＧＲ通路２０が接続された位置であるＥＧＲ噴き出し部よりも上流側の吸気系部品を一つの擬似オリフィス４１と見なせば、このＥＧＲ噴き出し部における吸気圧Ｐ１は、この擬似オリフィス４１を通過する吸入空気量から算出することが可能であり、その値は擬似オリフィス４１を通過する吸入空気量が多くなるほど大きくなる。
また排気通路３におけるマフラー（図示せず）や床下触媒（図示せず）等の排気系部品による圧力損失も、同様に、擬似的にオリフィス４２とみなすことができる。この擬似オリフィス４２においても、排気量が多くなるほど、擬似オリフィス４２前後での差圧が大きくなる。ここで、この擬似オリフィス４２は排気系部品であり、この擬似オリフィス４２の径に相当する圧力損失は変化するものではない。そこで、排気通路３のＥＧＲ通路２０が接続された位置であるＥＧＲ取り出し部よりも下流側の排気系部品を一つの擬似オリフィス４２と見なせば、このＥＧＲ取り出し部における排気圧Ｐ２は、この擬似オリフィス４２を通過する排気量から算出することが可能となる。ここで排気量は、吸入空気量に比例するので、ＥＧＲ取り出し部における排気圧Ｐ２は、吸入空気量から算出することが可能となる。ＥＧＲ取り出し部における排気圧Ｐ２も、吸入空気量が多くなるほど大きくなる。
ここで、ベルヌーイの定理に基づく関係から、吸入空気量と、排気圧Ｐ２と吸気圧Ｐ１との差圧の平方根との間には、図３に示すように、比例関係が成立する。また排気圧Ｐ２と吸気圧Ｐ１の圧力差の平方根と、排気還流量との間にも比例関係が成立する。従って、吸入空気量と排気還流量の間にも比例関係（ＥＧＲ率一定）が成立することになる。つまり、吸気圧Ｐ１と排気圧Ｐ２の圧力差を利用して排気の一部を吸気通路２に還流させる構成では、ＥＧＲ制御弁２１の弁開度が一定であれば、吸入空気量が変化しても、吸入空気量と排気還流量の比率は一定となるので、ＥＧＲ率は一定となる。
図４は、定常状態におけるＥＧＲ制御弁２１の弁開度の演算内容を示すブロック図である。
Ｓ１では、トルクと機関回転数から目標ＥＧＲ率算出マップを用いて目標ＥＧＲ率を算出する。トルクは、例えば、アクセル開度センサ２９の検出値に基づいて算出され、機関回転数は、クランク角センサ２６の検出値に基づいて算出される。目標ＥＧＲ率算出マップは、例えば、内燃機関１の運転領域毎に目標ＥＧＲ率が割り付けられたものである。
Ｓ２では、目標ＥＧＲ率をＥＧＲ制御弁２１の開口面積に変換する。排気触媒９の下流からコンプレッサ１１上流側に排気の一部を還流させる本実施形態では、空気量に関係なくＥＧＲ制御弁２１の開口面積を決めることで、ＥＧＲ率が定まるためである。
Ｓ３では、推定排温から密度補正係数算出マップを用いて排気密度補正係数を算出する。推定排温は、例えば、エアフローメータ６で検出された吸入空気量と、クランク角センサ２６の検出値に基づいて算出された機関回転数とを用いて推定される。具体的には、吸入空気量と機関回転数毎に作成したマップとを用いて算出されている。
Ｓ４では、Ｓ２で算出したＥＧＲ制御弁２１の開口面積を、Ｓ３で算出した排気密度補正係数で除して、基準バルブ面積を算出する。
Ｓ５では、基準バルブ面積をＥＧＲ制御弁２１の弁開度に変換する。そして、変換された弁開度となるようにＥＧＲ制御弁２１を制御する。基準バルブ面積が大きくなるほど、ＥＧＲ制御弁２１の弁開度は大きくなる。
そして、過渡時においては、上述した基準バルブ面積に過渡補正（バルブ面積補正値による補正）を行って過渡時バルブ面積を算出し、この過渡時バルブ面積をＥＧＲ制御弁２１の弁開度に変換し、変換された弁開度となるようにＥＧＲ制御弁２１を制御する。
図５は、過渡時バルブ面積の演算内容を示すブロック図である。Ｓ１１では、エアフローメータ６で検出した吸入空気量から推定吸気圧算出マップを用いて前記ＥＧＲ噴き出し部の吸気圧である推定吸気圧を算出する。前記ＥＧＲ噴き出し部の吸気圧は、この位置よりも上流側に存在するエアクリーナ７等の吸気系部品による圧力損失をオリフィスと仮定すれば、吸入空気量から算出することができる。吸入空気量が多くなるほど、算出される推定吸気圧の値は大きくなる。
Ｓ１２では、エアフローメータ６で検出した吸入空気量から第１推定排気圧算出マップを用いて前記ＥＧＲ取り出し部の排気圧である第１推定排気圧を推定する。前記ＥＧＲ取り出し部の排気圧は、この位置よりも下流側に存在する図示しない床下触媒やマフラー等の排気系部品による圧力損失をオリフィスと仮定すれば、吸入空気量から算出することができる。Ｓ１２に算出される第１推定排気圧は、一次遅れや無駄時間といった応答遅れを考慮していない値である。吸入空気量が多くなるほど、算出される第１推定排気圧の値は大きくなる。
Ｓ１３では、Ｓ１１で算出した推定吸気圧と、Ｓ１２で算出した第１推定排気圧との差分をとり、一次遅れや無駄時間といった応答遅れを無視した（考慮しない）場合の差圧、換言すれば定常時における差圧を算出する。
吸入空気量が変化した場合の圧力変化の遅れは、吸入空気量を検出したエアフローメータ６の位置と、圧力損失が生じる部位が異なることから起こるものである。つまり、吸入空気量から排気圧力を推定する場合、エアフローメータ６の位置から前記ＥＧＲ取り出し部までのガスの移送遅れが存在するため、前記ＥＧＲ取り出し部に発生する排気圧が変化するタイミングもそれに伴って遅れることになる。そこで、このような応答遅れを、本実施形態では、一次遅れの時定数、無駄時間として取り扱う。
Ｓ１４では、機関回転数から時定数算出マップを用いて、吸入空気量が変化した場合の圧力変化の遅れ（一次遅れ）の時定数を算出する。機関回転数が大きくなるほど、算出される時定数の値は小さくなる。
Ｓ１５では、機関回転数から無駄時間算出マップを用いて、無駄時間を算出する。無駄時間は、具体的には、燃焼室に閉じこめらえたガス（吸気）が、燃焼室から排出されるまでの時間であり、機関回転数が大きくなるほど、算出される無駄時間の値は小さくなる。
Ｓ１６では、Ｓ１２で算出された第１推定排気圧に、Ｓ１４で算出された時定数とＳ１５で算出された無駄時間を用いて所定の遅れ処理を行い、一次遅れや無駄時間といった応答遅れを考慮した第２推定排気圧を算出する。
Ｓ１７では、Ｓ１１で算出した推定吸気圧と、Ｓ１６で算出した第２推定排気圧との差分をとり、一次遅れや無駄時間といった応答遅れを考慮した場合の差圧、換言すれば過渡時における差圧を算出すると共に、この過渡時における差圧と、Ｓ１３で算出した一次遅れや無駄時間といった応答遅れを無視した（考慮しない）場合の差圧と、の差もしくは比率からバルブ面積補正値を算出する。
吸入空気量が変動する過渡時には、吸入空気量が増加する場合にはＥＧＲ率が低下し、吸入空気量が減少する場合にはＥＧＲ率が増加することになる。吸入空気量が増加する場合、すなわち推定吸気圧と第１推定排気圧との差圧に対して、推定吸気圧と第２推定排気圧の差圧が小さい場合には、前記ＥＧＲ取り出し部における排気圧力の上昇遅れによりＥＧＲ率が低下し、推定吸気圧と第１推定排気圧との差圧に対して、推定吸気圧と第２推定排気圧の差圧が大きい場合には、前記ＥＧＲ取り出し部における排気圧力の減少遅れによりＥＧＲ率が増加する。
従って、Ｓ１７で算出されるバルブ面積補正値は、例えば、一次遅れや無駄時間を無視した（考慮しない）場合の差圧に対して、一次遅れや無駄時間を考慮した場合の差圧が小さくなるほど、排気還流量が多くなるように大きな値となり、一次遅れや無駄時間を無視した（考慮しない）場合の差圧に対して、一次遅れや無駄時間を考慮した場合の差圧が大きくなるほど、排気還流量が少なくように小さい値となる。
Ｓ１８では、上述した基準バルブ面積に、Ｓ１７で算出したバルブ面積補正値を乗じることにより、基準バルブ面積に過渡補正を施し過渡時バルブ面積を算出する。これにより、過渡時のＥＧＲ率を安定させることができる。
図６は、過渡時における各種パラメータの変化を示すタイミングチャートである。
吸入空気量が変化する過渡時において、前記ＥＧＲ取り出し部における排気圧は、吸入空気量が変化したタイミングから遅れて変化する。そのため、吸入空気量が増加する場合、前記ＥＧＲ取り出し部と前記ＥＧＲ噴き出し部との差圧が吸入空気量の変化から遅れて増加し、排気還流量は図６中に実線で示すように吸入空気量の変化から遅れて増加することになるため、その間にＥＧＲ率は、図６中に実線で示すように低下してしまうことになる。
吸入空気量が増加した際に、ＥＧＲ率を一定に保つためには、吸入空気量が変化する際に、図６中に破線で示すように、排気還流量を吸入空気量と同等の変化率で増加させる必要がある。
そこで、増加した吸入空気量に見合う排気還流量が得れるように、前記ＥＧＲ取り出し部と前記ＥＧＲ噴き出し部との差圧が上昇するのに先だって、図６中に破線で示すように、ＥＧＲ制御弁２１の弁開度を増加させる。
このとき、前記ＥＧＲ取り出し部と前記ＥＧＲ噴き出し部との差圧をセンサ等で計測し、その結果を用いてＥＧＲ制御弁２１の弁開度操作を行っていては、現象にＥＧＲ制御弁２１の弁開度操作が追いつかないため、前記ＥＧＲ取り出し部と前記ＥＧＲ噴き出し部との差圧を推定し、ＥＧＲ制御弁２１の弁開度を先行して補正する。
前記ＥＧＲ取り出し部における推定排気圧は、一次遅れや無駄時間を無視した（考慮しない）場合には、図６中に一定鎖線で示す第１推定排気圧となり、一次遅れや無駄時間を考慮した場合には、図６中に実線で示す第２推定排気圧となる。前記ＥＧＲ取り出し部における排気圧が、図６中に一点鎖線で示す第１推定排気圧のように変化すれば、ＥＧＲ制御弁２１の弁開度が一定であっても、排気還流量は、図６中の破線のように変化するためＥＧＲ率は一定となる。しかし、前記ＥＧＲ取り出し部における排気圧は、実際には、図６中に実線で示す第２推定排気圧のように変化するため、ＥＧＲ率を一定にするためには、同一タイミングにおける第１推定排気圧との差だけ、排気圧が不足していることになる。そこで、この排気圧の不足分が補われるように、バルブ面積補正値が算出し、ＥＧＲ制御弁２１の過渡時における弁開度を補正する。
以上説明してきたように、本実施形態においては、吸気通路２のＥＧＲ通路２０の接続位置（ＥＧＲ噴き出し部）の推定吸気圧と、排気通路３のＥＧＲ通路２０の接続位置（ＥＧＲ取り出し部）における応答遅れを考慮した第２推定排気圧との差に応じて、ＥＧＲ制御弁２１の弁開度を補正することで、過渡時においても精度よくＥＧＲ率を制御する（一定に保つ）ことができる。
そして、前記ＥＧＲ噴き出し部及び前記ＥＧＲ取り出し部における圧力は吸入空気量から推定するため、ＥＧＲ制御弁２１の前後の圧力を測定するセンサがなくても、ＥＧＲ率が一定となるようにＥＧＲ制御弁２１の弁開度を制御することができる。
また、排気圧への排気ガス温度の影響を考慮すれば、上述した過渡時バルブ面積を排気ガスの温度に応じてさらに補正するようにしてもよい。
１…内燃機関
２…吸気通路
３…排気通路
５…スロットル弁
６…エアフローメータ
９…排気触媒
１０…ターボ過給機
１１…コンプレッサ
１２…タービン
１３…インタークーラ
２０…ＥＧＲ通路
２１…ＥＧＲ制御弁
２５…コントロールユニット

Claims (4)

  1. 吸気通路に排気の一部を還流させる排気還流通路が接続され、前記排気還流通路に設けられた排気還流弁の弁開度に応じて、吸気通路に流れ込む排気還流量が制御される内燃機関の排気還流装置において、
    前記内燃機関は、過給機を有し、
    前記排気還流通路は、その一端が前記過給機のコンプレッサよりも上流側で前記吸気通路に接続され、他端が前記過給機のタービンよりも下流側で前記排気通路に接続され、
    前記コンプレッサよりも上流側で吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
    前記排気還流通路が接続された位置の吸気圧を前記吸入空気量に基づいて推定する推定吸気圧算出手段と、
    前記排気還流通路が接続された位置の排気圧を前記吸入空気量に基づいて推定する第１推定排気圧算出手段と、
    前記第１推定排気圧推定手段で算出された第１推定排気圧に、応答遅れを考慮した所定の遅れ処理を行う第２推定排気圧算出手段と、を有し、
    過渡時には、前記推定吸気圧と第２推定排気圧算出手段で算出された第２推定排気圧との差圧に基づいて前記排気還流弁の弁開度を補正することを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
  2. 過渡時には、前記推定吸気圧と前記第１推定排気圧との差圧と、前記推定吸気圧と前記第２推定排気圧との差圧とに基づいて前記排気還流弁の弁開度を補正することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
  3. 過渡時において、前記推定吸気圧と前記第１推定排気圧との差圧に対して、前記推定吸気圧と前記第２推定排気圧の差圧が小さい場合には、排気還流量が多くなるように前記排気還流弁の弁開度を補正し、前記推定吸気圧と前記第２推定排気圧の差圧が大きい場合には、排気還流量が少なくなるように前記排気還流弁の弁開度を補正することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気還流装置。
  4. 前記第２推定排気圧算出手段において、前記第１推定排気圧に対する所定の遅れ処理は、内燃機関の機関回転数に応じて設定された時定数及び無駄時間による処理であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気還流装置。
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