JP2014240630A - 内燃機関のegr制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】過給機を搭載したエンジンのEGR弁の全閉制御時にEGR弁を確実に全閉状態に保持できるようにする。【解決手段】エンジン11の運転状態がEGR弁31を全閉状態に制御する所定運転状態(エンジン回転速度が所定値よりも低く且つ目標吸気圧が所定値よりも高い低回転高負荷運転状態)のときに、吸気バルブと排気バルブの目標バルブオーバーラップ量に応じてEGR弁31の制御デューティを補正してEGR弁31を全閉状態に保持するための保持力を補正する。これにより、目標バルブオーバーラップ量に応じて変化する実バルブオーバーラップ量に応じて吸気圧と排気圧との差圧(EGR弁31の前後の差圧)が変化してEGR弁31を全閉状態に保持するのに必要な保持力(適正保持力)が変化するのに対応して、EGR弁31の保持力を補正してEGR弁31の保持力を適正保持力に設定する。【選択図】図1

Description

本発明は、内燃機関のEGRガス流量を調節するEGR弁を備えた内燃機関のEGR制御装置に関する発明である。
内燃機関の排出ガスの一部をEGRガスとして吸気通路へ還流させる際のEGRガス流量をEGR弁で調節するEGR装置を備えたシステムでは、排気圧と吸気圧との差圧(つまりEGR弁の前後の差圧)によってEGR弁の開度が変化してしまう可能性がある。そこで、例えば、特許文献1(特許第3494831号公報)に記載されているように、排気圧と吸気圧との差圧に応じてEGR弁の開度を保持する際の保持力を設定するようにしたものがある。
特許第3494831号公報
内燃機関の吸入空気を過給する過給機を搭載したシステムでは、内燃機関が低回転高負荷運転状態のときに、排気行程から吸気行程で吸気圧が排気圧を上回る逆転状態になる期間がある。このため、内燃機関が低回転高負荷運転状態のときに、吸気バルブと排気バルブのバルブオーバーラップ量を大きくすることによって、逆転差圧(吸気圧と排気圧との差圧)を利用して筒内掃気(スカベンジング)を促進して過給性能を向上させるようにしたものがある。この場合、過給性能の向上によって逆転差圧が更に大きくなるため、EGR弁を全閉状態に制御していても、EGR弁を全閉状態に保持するための保持力が不足して、EGR弁が開弁してしまう可能性がある。その結果、EGR弁を介して排気通路へ新気が逆流して過給性能が悪化する等の不具合が生じる可能性がある。
そこで、上記特許文献1の技術を利用して、吸気圧と排気圧との差圧に応じてEGR弁を全閉状態に保持するための保持力を設定することが考えられる。しかし、この場合、実際に吸気圧と排気圧との差圧を検出してからEGR弁の保持力を設定するため、例えば、吸気圧と排気圧との差圧が増加したときに、その吸気圧と排気圧との差圧の変化(増加)に対してEGR弁の保持力の変化(増加)に遅れが生じてしまい、EGR弁を全閉状態に保持できなくなる可能性がある。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、EGR弁の全閉制御時にEGR弁を確実に全閉状態に保持することができる内燃機関のEGR制御装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、内燃機関(11)の排出ガスの一部をEGRガスとして吸気通路(23,24)へ還流させる際のEGRガス流量を調節するEGR弁(31)と、内燃機関(11)の吸入空気を過給する過給機(17)と、内燃機関(11)の吸気バルブと排気バルブのうちの少なくとも一方のバルブタイミングを変化させる可変バルブタイミング機構(32,33)とを備えた内燃機関のEGR制御装置において、内燃機関(11)の運転状態がEGR弁(31)を全閉状態に制御する所定運転状態のときに、吸気バルブと排気バルブの目標バルブオーバーラップ量又はこれと相関関係を有する情報(以下これらを「目標バルブオーバーラップ量情報」と総称する)に応じてEGR弁(31)を全閉状態に保持するための保持力を補正する保持力補正手段(37)を備えた構成としたものである。
過給機を搭載したシステムでは、目標バルブオーバーラップ量に応じて変化する実バルブオーバーラップ量に応じて過給性能が変化し、それに伴って吸気圧と排気圧との差圧(EGR弁の前後の差圧)が変化してEGR弁を全閉状態に保持するのに必要な保持力(適正保持力)が変化する。
このような特性を考慮して、本発明は、目標バルブオーバーラップ量情報(目標バルブオーバーラップ量又はこれと相関関係を有する情報)に応じてEGR弁を全閉状態に保持するための保持力を補正する。これにより、目標バルブオーバーラップ量に応じて変化する実バルブオーバーラップ量に応じて吸気圧と排気圧との差圧(EGR弁の前後の差圧)が変化してEGR弁の適正保持力が変化するのに対応して、EGR弁の保持力を補正してEGR弁の保持力を適正保持力に設定することができる。しかも、目標バルブオーバーラップ量情報に応じてEGR弁の保持力を補正するため、吸気圧と排気圧との差圧(EGR弁の前後の差圧)の変化に対して遅れることなくEGR弁の保持力を変化させることができ、EGR弁を確実に全閉状態に保持することができる。これにより、EGR弁を介して排気通路へ新気が逆流することを防止して、過給性能が悪化することを防止できる。
図1は本発明の一実施例におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。 図2はEGR弁の概略構成を示す図である。 図3は低回転高負荷運転時の吸気圧と排気圧の挙動を示すタイムチャートである。 図4はEGR制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 図5はデューティ算出ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。
以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図1に基づいてエンジン制御システムの概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン11の吸気管12(吸気通路)の最上流部には、エアクリーナ13が設けられ、このエアクリーナ13の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ14が設けられている。一方、エンジン11の排気管15(排気通路)には、排出ガス中のCO,HC,NOX 等を浄化する三元触媒等の触媒16が設置されている。
このエンジン11には、吸入空気を過給する排気タービン駆動式の過給機17が搭載されている。この過給機17は、排気管15のうちの触媒16の上流側に排気タービン18が配置され、吸気管12のうちのエアフローメータ14の下流側にコンプレッサ19が配置されている。この過給機17は、排気タービン18とコンプレッサ19とが一体的に回転するように連結され、排出ガスの運動エネルギで排気タービン18を回転駆動することでコンプレッサ19を回転駆動して吸入空気を過給するようになっている。
吸気管12のうちのコンプレッサ19の下流側には、モータ20によって開度調節されるスロットルバルブ21と、このスロットルバルブ21の開度(スロットル開度)を検出するスロットル開度センサ22とが設けられている。
更に、スロットルバルブ21の下流側には、吸入空気を冷却するインタークーラ(図示せず)がサージタンク23(吸気通路)と一体的に設けられている。尚、サージタンク23やスロットルバルブ21の上流側にインタークーラを配置するようにしても良い。サージタンク23には、エンジン11の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド24(吸気通路)が設けられ、各気筒毎に筒内噴射又は吸気ポート噴射を行う燃料噴射弁(図示せず)が取り付けられている。エンジン11のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ(図示せず)が取り付けられ、各点火プラグの火花放電によって各気筒内の混合気に着火される。
エンジン11の各気筒の排気口には排気マニホールド25(排気通路)が接続され、各気筒の排気マニホールド25の下流側の集合部が排気タービン18の上流側の排気管15に接続されている。また、排気タービン18の上流側と下流側とをバイパスさせる排気バイパス通路26が設けられ、この排気バイパス通路26に、排気バイパス通路26を開閉するウェイストゲートバルブ27が設けられている。
このエンジン11には、排気タービン18の上流側の排気通路(排気マニホールド25又は排気管15)から排出ガスの一部をEGRガスとしてスロットルバルブ21の下流側の吸気通路(サージタンク23又は吸気マニホールド24)へ還流させるHPL方式(高圧ループ方式)のEGR装置28が搭載されている。このEGR装置28は、排気タービン18の上流側の排気通路とスロットルバルブ21の下流側の吸気通路との間にEGR配管29が接続され、このEGR配管29に、EGRガスを冷却するEGRクーラ30と、EGRガス流量を調節するEGR弁31が設けられている。このEGR弁31は、DCモータ等のモータ(図示せず)によって開度が調整される。
また、エンジン11には、吸気バルブ(図示せず)のバルブタイミング(開閉タイミング)を変化させる吸気側可変バルブタイミング機構32と、排気バルブ(図示せず)のバルブタイミングを変化させる排気側可変バルブタイミング機構33が設けられている。
その他、エンジン11には、冷却水温を検出する冷却水温センサ34や、クランク軸(図示せず)が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ35等が設けられ、クランク角センサ35の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。また、サージタンク23には、吸気圧を検出する吸気圧センサ36が設けられている。
これら各種センサの出力は、電子制御ユニット(以下「ECU」と表記する)37に入力される。このECU37は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたROM(記憶媒体)に記憶された各種のエンジン制御用のプログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度(吸入空気量)等を制御する。
図2に示すように、EGR弁31は、ポペット式のEGR弁であり、スプリング38によって弁体39が閉弁方向(図2では上方向)へ付勢され、DCモータ等のモータ(図示せず)によって弁体39をスプリング38の付勢力(弾性力)に抗して開弁方向(図2では下方向)へ駆動するように構成されている。ECU37により制御デューティに応じてモータの駆動電流を制御してモータの駆動力を制御することでEGR弁31の開度(弁体39の開弁方向への移動量)が調整される。本実施例では、制御デューティがプラス値の場合に弁体39の開弁方向にモータの駆動力が作用し、制御デューティがマイナス値の場合に弁体39の閉弁方向にモータの駆動力が作用する。制御デューティが0(駆動電流が0)の場合でも、スプリング38の付勢力によってEGR弁31を全閉状態(弁体39が弁座40に当接した状態)に保持するための保持力が発生する。更に、制御デューティがマイナス値の場合には、弁体39の閉弁方向にモータの駆動力が作用するため、EGR弁31を全閉状態に保持するための保持力が増加する。尚、吸気圧が排気圧を上回る逆転状態になった場合には、その逆転差圧(吸気圧と排気圧との差圧)が弁体39の開弁方向に作用する。
ECU37は、後述する図4及び図5のEGR制御用の各ルーチンを実行することで、エンジン11の運転状態に基づいて目標EGR率を算出して、この目標EGR率とエンジン11の目標吸入空気量とに基づいて目標EGR開度を算出し、この目標EGR開度に基づいてEGR弁31の制御デューティを算出する。
過給機17を搭載したシステムでは、図3に示すように、エンジン11が低回転高負荷運転状態のときに、排気行程から吸気行程で吸気圧が排気圧を上回る逆転状態になる期間がある。このため、エンジン11が低回転高負荷運転状態のときに、吸気バルブと排気バルブのバルブオーバーラップ量を大きくすることによって、逆転差圧(吸気圧と排気圧との差圧)を利用して筒内掃気(スカベンジング)を促進して過給性能を向上させるようにしている。この場合、過給性能の向上によって逆転差圧が更に大きくなるため、EGR弁31を全閉状態に制御していても、EGR弁31を全閉状態に保持するための保持力が不足して、EGR弁31が開弁してしまう可能性がある。
この対策として、本実施例では、エンジン11の運転状態がEGR弁31を全閉状態に制御する所定運転状態(例えばエンジン回転速度が所定値よりも低く且つ目標吸気圧が所定値よりも高い低回転高負荷運転状態)のときに、吸気バルブと排気バルブの目標バルブオーバーラップ量又はこれと相関関係を有する情報(以下これらを「目標バルブオーバーラップ量情報」と総称する)に応じてEGR弁31の制御デューティを補正してEGR弁31を全閉状態に保持するための保持力を補正するようにしている。
過給機17を搭載したシステムでは、目標バルブオーバーラップ量に応じて変化する実バルブオーバーラップ量に応じて過給性能が変化し、それに伴って吸気圧と排気圧との差圧(EGR弁31の前後の差圧)が変化してEGR弁31を全閉状態に保持するのに必要な保持力(適正保持力)が変化する。
このような特性を考慮して、本実施例では、目標バルブオーバーラップ量情報(目標バルブオーバーラップ量又はこれと相関関係を有する情報)に応じてEGR弁31の制御デューティを補正してEGR弁31の保持力を補正する。これにより、目標バルブオーバーラップ量に応じて変化する実バルブオーバーラップ量に応じて吸気圧と排気圧との差圧(EGR弁31の前後の差圧)が変化してEGR弁31の適正保持力が変化するのに対応して、EGR弁31の保持力を補正してEGR弁31の保持力を適正保持力に設定する。
以下、本実施例でECU37が実行する図4及び図5のEGR制御用の各ルーチンの処理内容を説明する。
図4に示すEGR制御ルーチンは、ECU37の電源オン期間中(例えばイグニッションスイッチのオン期間中)に所定周期で繰り返し実行される。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ101で、エンジン11の運転状態(例えばエンジン回転速度とエンジン11の目標トルク等)に基づいて目標EGR率をマップ又は数式等により算出する。
この後、ステップ102に進み、エンジン回転速度とエンジン11の目標吸入空気量とに基づいてエンジン11の目標吸気圧をマップ又は数式等により算出する。ECU37は、目標吸気圧を実現するように過給機17(ウェイストゲートバルブ27)を制御する。
この後、ステップ103に進み、目標吸入空気量と目標EGR率とに基づいて目標EGR開度(EGR弁31の目標開度)をマップ又は数式等により算出する。
この後、ステップ104に進み、図5のデューティ算出ルーチンを実行することで、EGR弁31の基本デューティDuty0と第1及び第2の補正デューティDuty1,Duty2を算出する。
図5に示すデューティ算出ルーチンでは、まず、ステップ201で、目標EGR開度とエンジン回転速度と目標吸気圧とに基づいて基本デューティDuty0をマップ又は数式等により算出する。基本デューティDuty0のマップ又は数式等は、目標EGR開度が「0」の場合(つまりEGR弁31を全閉状態に制御する場合)には、基本デューティDuty0が「0(又はマイナス値)」となるように設定されている。
この後、ステップ202に進み、エンジン11の運転状態がEGR弁31を全閉状態に制御する所定運転状態であるか否かを判定する。ここで、所定運転状態は、エンジン回転速度が所定値(例えば2000rpm)よりも低く且つ目標吸気圧が所定値(例えば140kPa)よりも高い低回転高負荷運転状態である。この低回転高負荷運転状態では、EGR弁31の保持力を補正しないと、EGR弁31の保持力が不足して、EGR弁31が開弁してしまう可能性がある。
このステップ202で、エンジン11の運転状態が所定運転状態(低回転高負荷運転状態)ではないと判定された場合には、EGR弁31の保持力を補正する必要がないと判断して、ステップ203以降の処理を実行することなく本ルーチンを終了する。この場合、第1及び第2の補正デューティDuty1,Duty2は、両方とも「0」に設定される。
一方、上記ステップ202で、エンジン11の運転状態が所定運転状態(低回転高負荷運転状態)であると判定された場合には、EGR弁31の保持力を補正する必要があると判断して、ステップ203以降の処理を次のようにして実行する。
まず、ステップ203で、吸気バルブと排気バルブの目標バルブオーバーラップ量に基づいて第1の補正デューティDuty1をマップ又は数式等により算出する。目標バルブオーバーラップ量が大きくなるほど実バルブオーバーラップ量が大きくなって、吸気圧と排気圧との差圧(EGR弁31の前後の差圧)が大きくなり、EGR弁31を全閉状態に保持するのに必要な保持力(適正保持力)が大きくなる。
このような特性を考慮して、第1の補正デューティDuty1のマップ又は数式等は、目標バルブオーバーラップ量が大きくなるほど第1の補正デューティDuty1が大きくなってEGR弁31の保持力が大きくなるように設定されている。この第1の補正デューティDuty1のマップ又は数式等は、予め試験データや設計データ等に基づいて作成され、ECU37のROMに記憶されている。
尚、目標バルブオーバーラップ量情報として、吸気バルブタイミング(吸気バルブのバルブタイミング)や排気バルブタイミング(排気バルブのバルブタイミング)の目標位相を用いるようにしても良い。吸気バルブタイミングや排気バルブタイミングに応じてバルブオーバーラップ量が変化するため、吸気バルブタイミングや排気バルブタイミングの目標位相は、目標バルブオーバーラップ量と相関関係を有する情報となる。
この場合、例えば、吸気側可変バルブタイミング機構32と排気側可変バルブタイミング機構33を両方とも備えたシステムの場合には、吸気バルブタイミングの目標位相(例えば目標遅角量)と排気バルブタイミングの目標位相(例えば目標進角量)との和に基づいて第1の補正デューティDuty1をマップ又は数式等により算出する。
また、吸気側可変バルブタイミング機構32のみを備えたシステムの場合には、吸気バルブタイミングの目標位相(例えば目標遅角量)に基づいて第1の補正デューティDuty1をマップ又は数式等により算出する。
また、排気側可変バルブタイミング機構33のみを備えたシステムの場合には、排気バルブタイミングの目標位相(例えば目標進角量)に基づいて第1の補正デューティDuty1をマップ又は数式等により算出する。
この後、ステップ204に進み、目標バルブオーバーラップ量と実バルブオーバーラップ量との偏差の絶対値が所定値(例えば2℃A)よりも小さいか否かによって、実バルブオーバーラップ量が目標バルブオーバーラップ量付近になったか否かを判定する。
このステップ204で、目標バルブオーバーラップ量と実バルブオーバーラップ量との偏差の絶対値が所定値よりも大きいと判定された場合には、ステップ205の処理を実行することなく、本ルーチンを終了する。
その後、上記ステップ204で、目標バルブオーバーラップ量と実バルブオーバーラップ量との偏差の絶対値が所定値よりも小さいと判定された場合には、実バルブオーバーラップ量が目標バルブオーバーラップ量付近になったと判断して、ステップ205に進み、目標吸気圧と実吸気圧との偏差に基づいて第2の補正デューティDuty2をマップ又は数式等により算出する。
第2の補正デューティDuty2のマップ又は数式等は、目標吸気圧と実吸気圧との偏差が大きくなるほど第2の補正デューティDuty2が大きくなってEGR弁31の保持力が大きくなるように設定されている。この第2の補正デューティDuty2のマップ又は数式等は、予め試験データや設計データ等に基づいて作成され、ECU37のROMに記憶されている。
このようにしてEGR弁31の基本デューティDuty0と第1及び第2の補正デューティDuty1,Duty2を算出した後、図4のステップ105に進み、基本デューティDuty0と第1の補正デューティDuty1と第2の補正デューティDuty2とを用いて、次式により最終的な制御デューティDuty を求める。
Duty =Duty0−Duty1−Duty2
以上の処理により、エンジン11の運転状態が所定運転状態(低回転高負荷運転状態)の場合には、目標バルブオーバーラップ量(又はバルブタイミングの目標位相)に応じてEGR弁31の制御デューティを補正してEGR弁31の保持力を補正すると共に、目標吸気圧と実吸気圧との偏差に応じてEGR弁31の制御デューティを補正してEGR弁31の保持力を補正する。本実施例では、上記ステップ104(図5のルーチン)及び105の処理が特許請求の範囲でいう保持力補正手段としての役割を果たす。
以上説明した本実施例では、エンジン11の運転状態が所定運転状態(低回転高負荷運転状態)のときに、目標バルブオーバーラップ量(又はバルブタイミングの目標位相)に応じてEGR弁31の制御デューティを補正してEGR弁31を全閉状態に保持するための保持力を補正するようにしている。これにより、目標バルブオーバーラップ量に応じて変化する実バルブオーバーラップ量に応じて吸気圧と排気圧との差圧(EGR弁31の前後の差圧)が変化してEGR弁31の適正保持力が変化するのに対応して、EGR弁31の保持力を補正してEGR弁31の保持力を適正保持力に設定することができる。しかも、目標バルブオーバーラップ量(又はバルブタイミングの目標位相)に応じてEGR弁31の保持力を補正するため、吸気圧と排気圧との差圧(EGR弁31の前後の差圧)の変化に対して遅れることなくEGR弁31の保持力を変化させることができ、EGR弁31を確実に全閉状態に保持することができる。これにより、EGR弁31を介して排気通路へ新気が逆流することを防止して、過給性能が悪化することを防止できる。
更に、本実施例では、目標吸気圧と実吸気圧との偏差に応じてEGR弁31の制御デューティを補正してEGR弁31の保持力を補正するようにしているので、目標吸気圧と実吸気圧との偏差の影響も考慮してEGR弁31の保持力を補正することができ、EGR弁31の保持力をより確実に適正保持力に設定することができる。これにより、排気通路へ新気の逆流防止効果を高めて、筒内掃気(スカベンジング)性能を向上させることができる。
また、本実施例では、エンジン11の運転状態が低回転高負荷運転状態のときに、EGR弁31の保持力を補正するようにしているので、EGR弁31の保持力を補正しないとEGR弁31が開弁してしまう可能性がある低回転高負荷運転状態のときにのみ、EGR弁31の保持力を補正してEGR弁31を全閉状態に保持することができ、EGR弁31の保持力の補正を必要以上に行うことを防止できる。
尚、上記実施例では、ポペット式のEGR弁31を備えたシステムに本発明を適用したが、これに限定されず、EGR弁の構成を適宜変更しても良く、例えば、バタフライ式のEGR弁を備えたシステムに本発明を適用しても良い。
また、上記実施例では、排気タービン18の上流側の排気通路からスロットルバルブ21の下流側の吸気通路へEGRガスを還流させる方式のEGR装置28を採用した過給機付きエンジンに本発明を適用したが、これに限定されず、例えば、排気タービンの下流側の排気通路からスロットルバルブの下流側の吸気通路へEGRガスを還流させる方式のEGR装置を採用した過給機付きエンジンに本発明を適用しても良い。
更に、本発明は、排気タービン駆動式の過給機(いわゆるターボチャージャ)を搭載したエンジンに限定されず、機械駆動式の過給機(いわゆるスーパーチャージャ)や電動式の過給機を搭載したエンジンに適用しても良い。
11…エンジン(内燃機関)、17…過給機、23…サージタンク(吸気通路)、24…吸気マニホールド(吸気通路)、31…EGR弁、32,33…可変バルブタイミング機構、37…ECU(保持力補正手段)

Claims (4)

  1. 内燃機関(11)の排出ガスの一部をEGRガスとして吸気通路(23,24)へ還流させる際のEGRガス流量を調節するEGR弁(31)と、前記内燃機関(11)の吸入空気を過給する過給機(17)と、前記内燃機関(11)の吸気バルブと排気バルブのうちの少なくとも一方のバルブタイミングを変化させる可変バルブタイミング機構(32,33)とを備えた内燃機関のEGR制御装置において、
    前記内燃機関(11)の運転状態が前記EGR弁(31)を全閉状態に制御する所定運転状態のときに、前記吸気バルブと前記排気バルブの目標バルブオーバーラップ量又はこれと相関関係を有する情報(以下これらを「目標バルブオーバーラップ量情報」と総称する)に応じて前記EGR弁(31)を前記全閉状態に保持するための保持力を補正する保持力補正手段(37)を備えていることを特徴とする内燃機関のEGR制御装置。
  2. 前記目標バルブオーバーラップ量情報として、前記バルブタイミングの目標位相を用いることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関のEGR制御装置。
  3. 前記保持力補正手段(37)は、前記内燃機関(11)の目標吸気圧と実吸気圧との偏差に応じて前記保持力を補正することを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関のEGR制御装置。
  4. 前記所定運転状態は、前記内燃機関(11)の回転速度が所定値よりも低く且つ目標吸気圧が所定値よりも高い低回転高負荷運転状態であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の内燃機関のEGR制御装置。
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