JP2013515895A - 燃焼エンジンのｅｇｒ率の測定及び制御のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃焼エンジン・システムのＥＧＲ率の測定及び制御のための方法及び装置を提供し、ＥＧＲクーラー、ＥＧＲバルブ及びタービンを備え、当該エンジンのシリンダを流れる総排気ガス質量流量（ｄｍ_Ｔｏｔ）と当該タービンを流れるタービン質量流量（ｄｍ_Ｔｕｒｂ）との差異から、ＥＧＲ質量流量（ｄｍ_ＥＧＲ）を決定する。

Description

本発明は、燃焼エンジンのＥＧＲ率の測定及び制御のための方法及び装置に関する。

燃焼エンジンのＮＯｘ排出物は、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を用いることにより、大きく減少させることができる。排気ガスが再循環されるのは、燃焼ガスの中の酸素含有量を減らすためである。これによって、火炎温度が下がり、次にエンジンのより少ないＮＯｘ排出物に帰結する。

それによって、ＮＯｘ排出物は、ＥＧＲ率の変化にとても敏感に反応する。

ＥＧＲ率は、再循環される排気ガスとシリンダ内の総ガスとの間の質量比によって与えられる。排出目標に従えば、２０％から６０％の間のＥＧＲ率が目標とされ、該排出目標は、ＮＯｘ減少率を約３倍から１０倍に導くものである。

ＥＧＲ率が増加することには、より高い煤煙排出物、しばしばより高い燃料消費、そして一般的にはエンジン摩耗の増加が伴うので、この技術は、必要とされる場所にのみ適用される。

従って、ＥＧＲ率の正確な検知と制御のコンセプトが、ＮＯｘ排出物の正確で再現可能な制御のために、重要で必須となっている。

複数のＥＧＲ質量流量又はＥＧＲ率の測定方法が周知となっている。

第一の最も広く知られた測定方法は、エンジンの吸入部における新鮮な空気の質量流量の測定である。この質量流量は、総シリンダ質量流量から減算されるが、該総シリンダ質量流量は、ブースト空気圧ｐ２、ブースト空気温度Ｔ２、エンジン速度、及びその他の量から得ることができ、それは図１で描かれているが、例えばクランク速度Ｃｒｓ及びカム速度Ｃａｓのセンサから得ることができる。

このコンセプトの第一の主要な問題が、正確性である。空気の質量流量の測定誤差は、空気の質量流量とＥＧＲ質量流量との間の割合によって増幅される。仮に、例えば８０ｋｇ／ｈの空気の質量流量に１０％の誤差（すなわち８ｋｇ／ｈ）が伴い、総ガス質量流量１００ｋｇ／ｈが測定されるなら、８ｋｇ／ｈの誤差を伴うＥＧＲ質量流量２０ｋｇ／ｈが得られ、それは４０％の相対誤差に対応する。

第二の主要な問題は時間遅延であり、空気測定装置とシリンダとの間の距離から生じる。過渡条件でも正確なＥＧＲ率を得るためには、時間遅延も考慮されなくてはならず、それは困難な課題である。

第二の可能性は、ＥＧＲ質量流量直接測定装置の使用である。様々な測定原理を適用することができ、例えば、ホット・フィルム測定、又は、ピート管やベンチュリ装置に渡る圧力差である。

正確性の観点から、この取り組み方法は、最も堅固なものである。しかし、最も有効なセンサは、悪化の伴う重大な問題を示し、該悪化は高荷重の煤煙による侵食環境によって引き起こされる。煤堆積物は、センサ要素の遮断にすら導き得る。更なる問題は、ＥＧＲラインにおける高レベルの振動である。これらの振動は、重大な測定誤差に導くであろう。

第三の可能性は、エンジンの吸入部又は排出部における酸素濃度（Ｏ_２又は空燃比ラムダ）の測定である。この酸素含有量からＥＧＲ率が直接計算されるが、それができるのは、仮に注入燃料の総量及び総ガス質量流量が分かっている場合である。後者は、第一の方法（図１）において、ｐ２、Ｔ２、エンジン速度、及びその他の量から得ることができる。

ＥＧＲ率の十分な正確性を実現するために、とりわけ低いＥＧＲ率が利用されるのであれば、酸素センサはとても正確でなくてはならず、それは頑丈なアプリケーションにおいて共通である。現在、市場では、当該正確性の必要条件を満たすセンサは入手できない。

第四の可能性は、シリンダの上流又は下流における二酸化炭素（ＣＯ_２）の測定であって、エンジンのテスト・ベンチで広く利用されている。ＥＧＲ率の計算は、酸素センサが用いられる際と同様の方法で行われる。

正確性の観点からの理想に関わらず、自動車用途に利用できるセンサは現在存在しない。

第五の可能性は、ＥＧＲラインに渡る圧力低下とタービン上流温度Ｔ３の測定である。ＥＧＲバルブの位置を考慮すると、ＥＧＲ質量流量は、スロットル方程式を用いて得ることができる。

ＥＧＲラインの流れ抵抗特性は、耐用年限に渡って大きく変化するが、それは煤堆積物、ＥＧＲ冷却機の付着物等を原因とする。付け加えて、ＥＧＲバルブ特性は大きく変化するが、それは生産物のバラつきを原因とする。従って、エンジンの耐用年限に渡って、この測定原則により、安定したＥＧＲ率を保証することは、大変困難である。

従って、本発明の主要な目的は、燃焼エンジン内のＥＧＲ率の測定及び制御のための方法及び装置を提供することであり、該方法及び装置は、上記の課題や欠点を克服する。

本発明の基本理念は、圧力センサ及び温度センサを用いたＥＧＲ率の決定である。ＥＧＲラインに渡る圧力低下から直接ＥＧＲ率を計算するのではなく、ＥＧＲ質量流量［ｄｍ_ＥＧＲ］は、シリンダを流れる総排気ガス質量流量［ｄｍ_Ｔｏｔ］とタービンを流れるタービン質量流量［ｄｍ_Ｔｕｒｂ］との間の差異から得られる。

これらの及び更なる目的は、燃焼エンジン内のＥＧＲ率の測定及び制御のための方法及び装置を用いて成し遂げられ、該方法及び装置は付随する請求項で述べられ、該請求項は、本記述の不可欠な部分を構成する。

本発明は、以下に詳述する記述から十全に明確になるが、該記述は、単なる実施例であって非限定的な例によってもたらされ、以下に付随する図面を参照して読まれるべきものである。

図１が示すのは、エンジン・サーキットの部分の概略図であって、該エンジン・サーキットは、本発明の方法を実行するためのセンサを含む。 図２が示すのは、制御回路のブロック図であって、該制御回路は、当該方法の一種を実行するためのものである。

複数の図面の同一の参照番号及び参照記号は、同一の又は機能的に等しい部分を意図している。

ＥＧＲ率又はＥＧＲ質量流量は、シリンダ内の総ガス質量流量及び燃料の質量流量とタービンを通るガスの質量流量との差異から決定される。

総ガス質量流量及びタービン質量流量の双方は、圧力センサｐ２（ブースト空気圧）、ｐ３（タービン吸入圧）、温度センサＴ２（ブースト空気温度）、及び仮に利用できるのであれば、ｐ４（タービン排出圧）、及びＴ３（タービン吸入温度）を用いたモデルから利用できる。

図１が示すのは、エンジン・サーキットの一部の周知の概略図であって、エンジン、ＥＧＲ冷却機、タービンを含み、ＥＧＲ冷却機の排出はシリンダの吸入に運ばれ、シリンダの排出はタービンに、及び、ＥＧＲバルブを通ってＥＧＲ冷却機の吸入に運ばれる。

任意で、この測定コンセプトの正確性を高めるため、タービン質量流量は、ＥＧＲバルブが閉鎖され、従ってＥＧＲ質量流量がゼロである際に、総ガス質量流量に一致するように、適合している。

本発明の基本理念は、圧力及び温度センサを用いたＥＧＲ率の決定である。ＥＧＲ率を、ＥＧＲラインに渡る圧力低下から直接計算するのではなく、ＥＧＲ質量流量ｄｍ_ＥＧＲは、シリンダを流れる総排気ガス質量流量ｄｍ_Ｔｏｔと、タービンを流れるタービン質量流量ｄｍ_Ｔｕｒｂとの差異から間接的に得られる。

総排気ガス質量流量ｄｍ_Ｔｏｔはモデルから得られ、該モデルにおいては、ストローク当たりのシリンダ内の総ガス・チャージが、ｐ２、Ｔ２、及び場合によりｐ３及びＴ３も利用して計算される。そのようなモデルは、しばしば「速度密度モデル」と呼ばれるが、広く用いられ知られている。

エンジン速度と共に、実際のガス質量流量は、ガス・チャージから計算することができる。そして、総排気ガス質量流量ｄｍ_Ｔｏｔは、総ガス質量流量及び燃料質量流量の合計として得られる。

タービン質量流量ｄｍ_Ｔｕｒｂは、モデルを用いて計算される。

仮に、固定配置タービンが用いられるなら、タービン質量流量ｄｍ_Ｔｕｒｂは、それぞれタービンの上流及び下流の圧力であるｐ３及びｐ４と、タービンの上流の温度Ｔ３から得られる。圧力ｐ３はセンサから得られ、圧力ｐ４はモデル又はセンサから得られる。Ｔ３は通常モデルから得られる。

仮に、可変配置タービン（ＶＧＴ）が用いられるなら、ＶＧＴの位置も、タービン質量流量ｄｍ_Ｔｕｒｂの決定に考慮されなければならない。

ウエイスト・ゲート・タービン（ｗａｓｔｅ ｇａｔｅ ｔｕｒｂｉｎｅ）の場合は、ウエイスト・ゲートの開放も、タービン質量流量ｄｍ_Ｔｕｒｂの決定に考慮されなくてはならない。

タービン質量流量ｄｍ_Ｔｕｒｂの計算は、周知の数式を適用してなされるが、該数式は例えば、スロットル方程式に類似する周知の数式を用いて決定されるタービン・モデルから算出され、例えば、Ｇｕｚｚｅｌｌａ，Ｏｎｄｅｒ：“Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ Ｓｙｓｔｅｍ”，ＩＳＢＮ３−５４０−２２２７４−ｘ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，Ｂｅｒｌｉｎ，２００４に記載されている。

ＥＧＲ質量流量ｄｍ_ＥＧＲは、総排気ガス質量流量ｄｍ_Ｔｏｔとタービン質量流量ｄｍ_Ｔｕｒｂとの差として直ちに得ることができる。

ｄｍ_ＥＧＲ＝ｄｍ_Ｔｏｔ−ｄｍ_Ｔｕｒｂ
本願発明の方法を適用することにより、他の方法に比較して複数の長所が存在する。
−タービンは、その流れ抵抗特性を耐用年限に渡ってほとんど変化させず、少なくともＥＧＲラインに比較すればなおさらである。
−シリンダとタービンとの間の距離は、エンジン吸入部とシリンダとの間の距離に比べてとても短い。従って、例えば空気質量流量測定コンセプトにおいて、重大な移送遅延は見られない。
−ｐ３センサは、質量流量測定装置に比べて安価の可能性がある。

任意で、ＥＧＲ質量流量ｄｍ_ＥＧＲの決定の正確性は、適応アルゴリズムを用いることにより高まる。ＥＧＲバルブが閉鎖している際、ＥＧＲ質量流量は、おおよそゼロである。「おおよそゼロ」が意味するのは、常に重要でない小さな値が存在するということであり、それはバルブが決して完全には閉鎖しないためである。

そのようなわけで、タービン質量流量ｄｍ_Ｔｕｒｂは総質量流量ｄｍ_Ｔｏｔに等しい。適応手順を可能とするため、ＥＧＲバルブが意図的に閉鎖されるか、又は、例えば加速の間のような、バルブがいかなる方法でも閉鎖される条件が利用される。タービンとシリンダ排出口はとても近いので、適応アルゴリズムは過渡運転の間ですら適用することができる。

図２が示すのは、適応アルゴリズムの非限定例のブロック図である。タービン質量流量ｄｍ_Ｔｕｒｂ又は総排気ガス質量流量ｄｍ_Ｔｏｔが、ＥＧＲバルブが閉鎖されている際に等しくなるように調整される適応アルゴリズムであればよい。

ｄｍ_Ｔｕｒｂの値に、積算器からのフィードバック・オフセット補正値が加わる。計算結果Ｒ１はｄｍ_Ｔｏｔの値から差し引かれ、ゲイン補正のブロックの入力に送られるが、該ゲイン補正は因数となることができ、総質量流量と補正タービン質量流量Ｒ１との間の差が乗じられる。

ゲイン補正の出力は、ＥＧＲバルブが閉鎖している場合のみ積算器に送られる。仮にＥＧＲバルブが閉鎖されていなければ、積算器の入力はゼロである。

適応アルゴリズムの可能な変形例において、タービン質量流量ｄｍ_Ｔｕｒｂに加わるオフセット補正の代わりに、その他のいかなる補正機構も適用することができる。

補正因数には、タービン質量流量ｄｍ_Ｔｕｒｂが乗じられることができる、又は、その他のいかなる数学的／代数的計算、例えば補正曲線や補正マップを用いることもできる。

タービン質量流量ｄｍ_Ｔｕｒｂではなく、総質量流量ｄｍ_Ｔｏｔを同じ方法で補正することができる。

積算器ではなく、補正曲線や補正マップも、オフセット補正、因数、または関数を計算するために用いることができる。

しかし、大原則は、いかなる補正も、積算器又は同種のメカニズムが、タービン及び総排気ガス質量流量がＥＧＲバルブが閉鎖された際に等しくなることを、最終的に強制するような補正であることにある。

より一般的には、エンジン・システム、又はより複雑なエンジン構造を持つシステムに二つ以上のタービンが存在する場合において、当該方法の大原則は同種のものである。

例えば、少なくとも二つのタービンを含むより複雑な構造が伴う場合、重要なのは、ＥＧＲコネクションのタービン下流のタービン質量流量ｄｍ_Ｔｕｒｂが決定されるということである。

高圧力ＥＧＲのためには、第一タービン又は第二タービンのタービン質量流量ｄｍ_Ｔｕｒｂが決定されなくてはならず、中圧力ＥＧＲのためには、第二タービンのタービン質量流量ｄｍ_Ｔｕｒｂが決定されなくてはならない。

本発明の方法は、プログラム・コーディング手段を備えるコンピュータのためのプログラムを通じて有利に実行することができ、該コーディング手段は、本プログラムがコンピュータで実行される際、当該方法の一つ以上のステップを実行するためのものである。従って、理解されるべきは、保護範囲が、コンピュータのためのそのようなプログラムに加えて、自身に記録されるメッセージを有するコンピュータ可読媒体に対して拡張されるということであり、前記コンピュータ可読媒体は、本プログラムがコンピュータ上で実行される際、当該方法の一つ以上のステップを実行するためのプログラム・コーディング手段を備える。

ここで主題となる発明の、多くの変化、修正、変更、及びその他の使用や適用は、当業者にとって、その好適実施例を開示する当該明細書及び付随する図面を検討した後、明白となるであろう。そのような変化、修正、変更、及びその他の使用や適用の全ては、本発明の精神及び範囲から離れることなく、本発明の対象となるものとみなされる。

更なる実施の詳細は述べられないが、それは当業者が上記の教示を根幹とする発明を実行することが可能だからである。

Ｃａｓ カム速度
Ｃｒｓ クランク速度
ｄｍ_ＥＧＲ ＥＧＲ質量流量
ｄｍ_Ｔｏｔ 総排気ガス質量流量
ｄｍ_Ｔｕｒｂ タービン質量流量
ｐ２ ブースト空気圧
ｐ３ タービン吸入圧
ｐ４ タービン排出圧
Ｒ１ 補正タービン質量流量
Ｔ２ ブースト空気温度
Ｔ３ タービン吸入温度

エンジン速度と共に、実際のガス質量流量は、ガス・チャージから計算することができる。そして、総排気ガス質量流量ｄｍ_Ｔｏｔは、実際のガス質量流量及び燃料質量流量の合計として得られる。

Claims (14)

1. 燃焼エンジン・システム内のＥＧＲ率の測定及び制御方法において、前記システムは、少なくともＥＧＲ冷却器、ＥＧＲバルブ及びタービンを備え、前記方法は、エンジン・シリンダを流れる総排気ガス質量流量（ｄｍ_Ｔｏｔ）と、前記タービンを流れるタービン質量流量（ｄｍ_Ｔｕｒｂ）との差異から、ＥＧＲ質量流量（ｄｍ_ＥＧＲ）を決定するステップを有することを特徴とする方法。
2. 前記総排気ガス質量流量（ｄｍ_Ｔｏｔ）が、
   −ストローク当たりのシリンダ内の総ガス・チャージが、エンジン吸入部におけるブースト空気圧（ｐ２）、エンジン吸入部におけるブースト空気温度（Ｔ２）、及び可能であれば、タービン吸入圧（ｐ３）及びタービン吸入温度（Ｔ３）を用いて計算されるステップと；
   −エンジン速度と共に、ガス・チャージからの実際のガス質量流量を計算するステップと；
   −総ガス質量流量と燃料質量流量の合計として、前記総排気ガス質量流量（ｄｍ_Ｔｏｔ）を得るステップと；
   から得られることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 更なる適用のステップにおいて、タービン質量流量（ｄｍ_Ｔｕｒｂ）と総排気ガス質量流量（ｄｍ_Ｔｏｔ）が、前記ＥＧＲバルブが閉鎖されている際に等しくなるように、タービン質量流量（ｄｍ_Ｔｕｒｂ）又は総排気ガス質量流量（ｄｍ_Ｔｏｔ）が調整されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 以下のステップ、すなわち：
   −前記タービン質量流量（ｄｍ_Ｔｕｒｂ）の値に、フィードバック補正値を加算又は乗算し、又は、前記タービン質量流量（ｄｍ_Ｔｕｒｂ）の値に、積算器、補正曲線又は補正マップからもたらされるフィードバック補正因数を個々に、加算又は乗算するステップと；
   −前記加算又は乗算のステップの結果を、前記排気ガス質量流量（ｄｍ_Ｔｏｔ）の値に加算するステップと；
   −前記加算のステップの結果にゲイン補正を適用するステップと；
   −前記ＥＧＲバルブが閉鎖されている場合にのみ、前記積算器に前記適用のステップの結果を送り、前記ＥＧＲバルブが閉鎖されていない場合には、前記積算器の入力をゼロとするステップとを有することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記タービン質量流量（ｄｍ_Ｔｕｒｂ）及び前記排気ガス質量流量（ｄｍ_Ｔｏｔ）が、相互に交換されていることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 固定配置タービンの場合に、前記タービン質量流量（ｄｍ_Ｔｕｒｂ）が、前記タービンの上流及び下流の圧力（ｐ３、ｐ４）のそれぞれと、前記タービンの上流の温度（Ｔ３）とから得られ、前記下流の圧力（ｐ３）はセンサから得られ、前記下流の圧力（ｐ４）は、モデルから又はセンサから得られ、上流の温度（Ｔ３）は、センサ又はモデルから得られることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 可変配置タービン（ＶＧＴ）の場合に、更に、ＶＧＴの位置にも基づいて、前記タービン質量流量（ｄｍ_Ｔｕｒｂ）が決定されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. ウエイスト・ゲート・タービン（ｗａｓｔｅ ｇａｔｅ ｔｕｒｂｉｎｅ）の場合に、ウエイスト・ゲートの開放にも基づいて、前記タービン質量流量（ｄｍ_Ｔｕｒｂ）が決定されることを特徴とする、請求項６又は７に記載の方法。
9. 二つ以上のタービンの場合に、ＥＧＲコネクションの下流のタービンのタービン質量流量（ｄｍ_Ｔｕｒｂ）が決定されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
10. 高圧力ＥＧＲに対しては、第一又は第二タービンのタービン質量流量（ｄｍ_Ｔｕｒｂ）が決定され、中圧力ＥＧＲに対しては、第二タービンのタービン質量流量（ｄｍ_Ｔｕｒｂ）が決定されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 燃焼エンジン・システム内のＥＧＲ率の測定及び制御のための装置において、前記エンジン・システムは、少なくともＥＧＲ冷却器、ＥＧＲバルブ、及びタービンを備え、前記装置は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法を実行する手段を備え、前記手段は、エンジンの上流及び下流並びに前記タービンの上流及び下流に配置された複数の圧力及び温度センサを備えることを特徴とする装置。
12. 請求項１１に記載の、燃焼エンジン・システム内のＥＧＲ率の測定及び制御のための装置を備える車両。
13. コンピュータ・プログラムであって、請求項１乃至１０に記載のステップの全てを実行するよう適合されたコンピュータ・プログラム・コードを有し、前記プログラムはコンピュータ上で実行されることを特徴とするコンピュータ・プログラム。
14. コンピュータ可読媒体であって、前記媒体は自らに記録されるプログラムを有し、前記コンピュータ可読媒体は、請求項１乃至１０に記載のステップの全てを実行するよう適合されたコンピュータ・プログラム・コード手段を有し、前記プログラムはコンピュータ上で実行されることを特徴とする、コンピュータ可読媒体。