JP2015124675A - Pumping control method of engine and pumping control device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an engine control method which can enhance engine thermal efficiency even if an engine operation gas flow rate becomes large, and even in a high-EGR condition, and an engine.SOLUTION: An oxygen concentration of intake air sucked into a compressor 9 is measured, an oxygen concentration of intake air at an engine inlet is measured, an exhaust emission recirculation rate is calculated from these oxygen concentrations, exhaust emission recirculation gas flow rates at a low-pressure recirculation circuit 3 and a high-pressure recirculation circuit 4, and an engine operation flow rate are calculated from the exhaust emission recirculation rate, the exhaust emission recirculation amounts of the low-pressure recirculation circuit 3 and the high-pressure recirculation circuit 4 are adjusted from the calculated exhaust emission recirculation gas flow rate and the engine operation flow rate, and an engine intake/exhaust pressure difference is optimally controlled.

Description

本発明は、標排気再循環率における低圧再循環回路と高圧再循環回路での、各排気再循環量を制御するためのエンジンのポンピング制御方法及びポンピング制御装置に関するものである。   The present invention relates to a pumping control method and a pumping control device for an engine for controlling each exhaust gas recirculation amount in a low pressure recirculation circuit and a high pressure recirculation circuit at a target exhaust gas recirculation rate.

ディーゼルエンジンの排気再循環（ＥＧＲ）システムに関しては、ＥＧＲガスをタービン下流側からコンプレッサ上流側へ環流させる低圧ループ排気再循環（LowPressureLoopEGR（ＬＰＬ−ＥＧＲ））システムとタービンの上流側からコンプレッサ下流側へ環流させる高圧ループ排気再循環（HighPressureLoopEGR（ＨＰＬ−ＥＧＲ））システムとが知られている。   Regarding the diesel engine exhaust gas recirculation (EGR) system, a low pressure loop exhaust gas recirculation (LowPressureLoopEGR (LPL-EGR)) system that circulates EGR gas from the turbine downstream side to the compressor upstream side and from the turbine upstream side to the compressor downstream side A high-pressure loop exhaust recirculation (HighPressureLoopEGR (HPL-EGR)) system for recirculation is known.

ＬＰＬ−ＥＧＲシステムは、ＥＧＲガスを環流させた場合でもタービンにおける膨張比が低下しないため、ターボを好条件下で作動させることが可能である。   The LPL-EGR system can operate the turbo under favorable conditions because the expansion ratio in the turbine does not decrease even when the EGR gas is circulated.

また、ＨＰＬ−ＥＧＲシステムは、ＥＧＲガスを環流することでエンジン出口における圧力が低下するため、ポンピングロスを増加させることなくＥＧＲガスを環流することができる。   Further, the HPL-EGR system can circulate EGR gas without increasing the pumping loss because the pressure at the engine outlet is reduced by circulating EGR gas.

特開２００９−４７１３０号公報JP 2009-47130 A

しかしながら、ＬＰＬ−ＥＧＲシステムは、エンジン運転条件が高回転高負荷時のようにエンジン作動ガス流量が多くなる条件の場合、エンジンの排気圧力が増加し、ポンピングロスが上昇し、正味熱効率を低下させるという課題があった。   However, in the LPL-EGR system, when the engine operating conditions are such that the engine working gas flow rate is increased as in the case of high rotation and high load, the exhaust pressure of the engine increases, the pumping loss increases, and the net thermal efficiency decreases. There was a problem.

また、ＨＰＬ−ＥＧＲシステムは、高ＥＧＲ条件下においてはタービン膨張比が低下してターボでの仕事が低下するため吸入空気量が減少し、燃焼悪化を招き、正味熱効率を低下させるという課題があった。   Further, the HPL-EGR system has a problem that under high EGR conditions, the turbine expansion ratio is reduced and the work in the turbo is reduced, so that the amount of intake air is reduced, the combustion is deteriorated, and the net thermal efficiency is lowered. It was.

本発明の目的は、エンジン作動ガス流量が多くなるときや高ＥＧＲ条件のときであってもエンジン熱効率を高くできるエンジン制御方法及びエンジンを提供することにある。   An object of the present invention is to provide an engine control method and an engine capable of increasing the engine thermal efficiency even when the engine working gas flow rate is increased or when the EGR condition is high.

上述の目的を達成するため、本発明は、エンジンの吸排気路に接続されたターボチャージャと、そのタービンからの排出ガスをコンプレッサの吸気側に戻す低圧再循環回路と、前記タービンの入口側の排ガスを前記コンプレッサの吐出側へ戻す高圧再循環回路とを備え、目標排気再循環率における前記低圧再循環回路と前記高圧再循環回路での、各排気再循環量を制御するためのエンジンのポンピング制御方法において、前記コンプレッサに吸い込まれる吸気の酸素濃度を計測すると共に前記エンジン入口の吸気の酸素濃度を計測し、これらの酸素濃度から排気再循環率を算出し、その算出した排気再循環率から、前記低圧再循環回路と前記高圧再循環回路での各排気再循環ガス流量とエンジン作動流量を算出し、その算出した各排気再循環ガス流量とエンジン作動流量から、前記低圧再循環回路と前記高圧再循環回路の各排気再循環量を調節して、エンジン吸排気圧力差を最適に制御するものである。   To achieve the above object, the present invention includes a turbocharger connected to an intake / exhaust passage of an engine, a low-pressure recirculation circuit for returning exhaust gas from the turbine to an intake side of a compressor, and an inlet side of the turbine. A high-pressure recirculation circuit for returning the exhaust gas to the discharge side of the compressor, and pumping the engine for controlling each exhaust gas recirculation amount in the low-pressure recirculation circuit and the high-pressure recirculation circuit at a target exhaust gas recirculation rate In the control method, the oxygen concentration of the intake air sucked into the compressor is measured, the oxygen concentration of the intake air of the engine inlet is measured, an exhaust gas recirculation rate is calculated from these oxygen concentrations, and the calculated exhaust gas recirculation rate is calculated. The exhaust gas recirculation gas flow rate and the engine operating flow rate in the low pressure recirculation circuit and the high pressure recirculation circuit are calculated, and the calculated exhaust gas recirculation From the scan rate and the engine operation flow, to adjust the respective exhaust gas recirculation amount of the high-pressure recirculation circuit and said low pressure recirculation circuit, is to optimally control the engine intake and exhaust pressure difference.

前記コンプレッサと前記タービンの各出入口圧力を計測し、その計測値と前記算出した各排気再循環ガス流量とエンジン作動流量を基に、コンプレッサとタービンのマップにより適正な圧力比と膨張比を求め、その求めた圧力比と膨張比となるように、前記低圧再循環回路と前記高圧再循環回路の各排気再循環量を調節してもよい。   Measure the inlet and outlet pressures of the compressor and the turbine, and based on the measured values and the calculated exhaust recirculation gas flow rate and the engine operating flow rate, obtain an appropriate pressure ratio and expansion ratio from the compressor and turbine map, The exhaust gas recirculation amounts of the low pressure recirculation circuit and the high pressure recirculation circuit may be adjusted so that the obtained pressure ratio and expansion ratio are obtained.

前記コンプレッサに吸い込まれる吸気の酸素濃度を計測すると共に前記エンジン入口の吸気の酸素濃度を計測するとき、エンジン排気側の酸素濃度を計測し、これら３つの酸素濃度から排気再循環率を算出してもよい。   When measuring the oxygen concentration of the intake air sucked into the compressor and measuring the oxygen concentration of the intake air at the engine inlet, the oxygen concentration on the engine exhaust side is measured, and the exhaust gas recirculation rate is calculated from these three oxygen concentrations. Also good.

また、エンジンの吸排気路に接続されたターボチャージャと、そのタービンからの排出ガスをコンプレッサの吸気側に戻す低圧再循環回路と、前記タービンの入口側の排ガスを前記コンプレッサの吐出側へ戻す高圧再循環回路とを備え、目標排気再循環率における前記低圧再循環回路と前記高圧再循環回路での、各排気再循環量を制御するためのエンジンのポンピング制御装置において、前記コンプレッサに吸い込まれる吸気の酸素濃度を計測する低圧側酸素濃度センサと、前記エンジン入口の吸気の酸素濃度を計測する高圧側酸素濃度センサと、これら酸素濃度センサの計測値から排気再循環率を算出し、その算出した排気再循環率から、前記低圧再循環回路と前記高圧再循環回路での各排気再循環ガス流量とエンジン作動流量を算出し、その算出した各排気再循環ガス流量とエンジン作動流量から、前記低圧再循環回路と前記高圧再循環回路の各排気再循環量を調節して、エンジン吸排気圧力差を最適に制御する制御部とを備えたものである。   A turbocharger connected to the intake / exhaust passage of the engine; a low-pressure recirculation circuit that returns exhaust gas from the turbine to the intake side of the compressor; and a high pressure that returns exhaust gas on the inlet side of the turbine to the discharge side of the compressor In the pumping control apparatus for an engine for controlling each exhaust gas recirculation amount in the low pressure recirculation circuit and the high pressure recirculation circuit at a target exhaust gas recirculation rate, the intake air sucked into the compressor The low pressure side oxygen concentration sensor for measuring the oxygen concentration of the engine, the high pressure side oxygen concentration sensor for measuring the oxygen concentration of the intake air at the engine inlet, and the exhaust gas recirculation rate were calculated from the measured values of these oxygen concentration sensors, From the exhaust gas recirculation rate, calculate the exhaust gas recirculation gas flow rate and the engine operating flow rate in the low pressure recirculation circuit and the high pressure recirculation circuit, A controller that optimally controls the difference between the intake and exhaust pressures of the engine by adjusting the exhaust gas recirculation amounts of the low pressure recirculation circuit and the high pressure recirculation circuit from the calculated exhaust gas recirculation gas flow rate and the engine operating flow rate; It is equipped with.

前記コンプレッサの入口圧を計測するコンプレッサ入口圧力センサと、前記コンプレッサの出口圧を計測するコンプレッサ出口圧力センサと、前記タービンの入口圧を計測するタービン入口圧力センサと、前記タービンの出口圧を計測するタービン出口圧力センサとを備え、前記制御部が、前記コンプレッサ入口圧力センサ、前記コンプレッサ出口圧力センサ、前記タービン入口圧力センサ及び前記タービン出口圧力センサの計測値と前記コンプレッサと前記タービンの各出入口圧力と前記算出した各排気再循環ガス流量とエンジン作動流量を基に、コンプレッサとタービンのマップにより適正な圧力比と膨張比を求め、その求めた圧力比と膨張比となるように、前記低圧再循環回路と前記高圧再循環回路の各排気再循環量を調節してもよい。   Compressor inlet pressure sensor for measuring the compressor inlet pressure, compressor outlet pressure sensor for measuring the compressor outlet pressure, turbine inlet pressure sensor for measuring the turbine inlet pressure, and turbine outlet pressure. A turbine outlet pressure sensor, and the controller is configured to measure the compressor inlet pressure sensor, the compressor outlet pressure sensor, the turbine inlet pressure sensor, the measured value of the turbine outlet pressure sensor, and the inlet and outlet pressures of the compressor and the turbine. Based on the calculated exhaust recirculation gas flow rate and engine operating flow rate, an appropriate pressure ratio and expansion ratio are obtained from a compressor and turbine map, and the low pressure recirculation is performed so that the obtained pressure ratio and expansion ratio are obtained. The exhaust gas recirculation amount of the circuit and the high pressure recirculation circuit may be adjusted.

エンジン排気側の酸素濃度を計測する排気側酸素濃度センサを備え、前記制御部が、前記低圧側酸素濃度センサ、前記高圧側酸素濃度センサ及び前記排気側酸素濃度センサの計測値から排気再循環率を算出するように形成されてもよい。   An exhaust-side oxygen concentration sensor for measuring the oxygen concentration on the engine exhaust side, and the control unit determines an exhaust gas recirculation rate from the measured values of the low-pressure side oxygen concentration sensor, the high-pressure side oxygen concentration sensor, and the exhaust-side oxygen concentration sensor. May be calculated.

本発明のエンジンのポンピング制御方法及び制御装置によれば、エンジン作動ガス流量が多くなるときや高ＥＧＲ条件のときであってもエンジン熱効率を高くできる。   According to the pumping control method and control device for an engine of the present invention, the engine thermal efficiency can be increased even when the engine working gas flow rate is increased or when the EGR condition is high.

本発明の一実施の形態に係るエンジンの説明図である。It is explanatory drawing of the engine which concerns on one embodiment of this invention. エンジンの体積効率マップの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the volumetric efficiency map of an engine. コンプレッサマップの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of a compressor map. タービンマップの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of a turbine map. 処理の流れを示す流れ図である。It is a flowchart which shows the flow of a process. 制御装置のブロック図である。It is a block diagram of a control apparatus. ＥＧＲ率等の算出に用いるパラメータの説明図である。It is explanatory drawing of the parameter used for calculation, such as an EGR rate.

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。   Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

図１に示すように、エンジンＥのポンピング制御装置１は、ターボチャージャ２と、低圧再循環回路（低圧ＥＧＲ回路）３と、高圧再循環回路（高圧ＥＧＲ回路）４とを備える。エンジンＥは、ディーゼルエンジンからなる。   As shown in FIG. 1, the pumping control device 1 for the engine E includes a turbocharger 2, a low pressure recirculation circuit (low pressure EGR circuit) 3, and a high pressure recirculation circuit (high pressure EGR circuit) 4. Engine E consists of a diesel engine.

ターボチャージャ２は、エンジンＥの排気路６に設けられたタービン７と、エンジンＥの吸気路８に設けられたコンプレッサ９とを備える。タービン７は、排ガスの流れを受けて回転するタービンホイール（図示せず）を有する。タービンホイールは、ベーン開度が調節できるように形成されており、ベーン開度を調節することでタービン効率を調節できるようになっている。コンプレッサ９は、タービン７からの動力を受けて駆動されるようになっている。   The turbocharger 2 includes a turbine 7 provided in the exhaust passage 6 of the engine E and a compressor 9 provided in the intake passage 8 of the engine E. The turbine 7 has a turbine wheel (not shown) that rotates in response to the flow of exhaust gas. The turbine wheel is formed so that the vane opening degree can be adjusted, and the turbine efficiency can be adjusted by adjusting the vane opening degree. The compressor 9 is driven by receiving power from the turbine 7.

低圧ＥＧＲ回路３は、タービン７からの排ガスをコンプレッサ９の吸気側に戻すべくタービン７より下流側の排気路６とコンプレッサ９より上流側の吸気路８とを接続する低圧再循環路（低圧ＥＧＲ路）１０と、低圧ＥＧＲ路１０に設けられたＥＧＲクーラ１１と、ＥＧＲクーラ１１よりも吸気路８側の低圧ＥＧＲ路１０に設けられ低圧ＥＧＲ路１０内のＥＧＲガスの流量を調節するための低圧ＥＧＲバルブ１２とを備える。   The low-pressure EGR circuit 3 connects a low-pressure recirculation path (low-pressure EGR) that connects an exhaust path 6 downstream of the turbine 7 and an intake path 8 upstream of the compressor 9 to return exhaust gas from the turbine 7 to the intake side of the compressor 9. Path) 10, an EGR cooler 11 provided in the low pressure EGR path 10, and a flow rate of EGR gas in the low pressure EGR path 10 provided in the low pressure EGR path 10 on the intake path 8 side of the EGR cooler 11 is adjusted. And a low pressure EGR valve 12.

高圧ＥＧＲ回路４は、タービン７の入口側の排ガスをコンプレッサ９の吐出側へ戻すべくタービン７より上流側の排気路６とコンプレッサ９より下流側の吸気路８とを接続する高圧再循環路（高圧ＥＧＲ路）１３と、高圧ＥＧＲ路１３に設けられたＥＧＲクーラ１４と、ＥＧＲクーラ１４よりも吸気路８側の高圧ＥＧＲ路１３に設けられ高圧ＥＧＲ路１３内のＥＧＲガスの流量を調節するための高圧ＥＧＲバルブ１５とを備える。   The high-pressure EGR circuit 4 connects the exhaust passage 6 upstream of the turbine 7 and the intake passage 8 downstream of the compressor 9 to return exhaust gas on the inlet side of the turbine 7 to the discharge side of the compressor 9. High-pressure EGR path) 13, EGR cooler 14 provided in high-pressure EGR path 13, and high-pressure EGR path 13 on the intake path 8 side of EGR cooler 14 are adjusted to adjust the flow rate of EGR gas in high-pressure EGR path 13. And a high pressure EGR valve 15 for the purpose.

また、ポンピング制御装置１は、制御部（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）１６を備える。図６に示すように、ＥＣＵ１６は、エンジンＥの体積効率マップ１７と、ターボチャージャ２のコンプレッサマップ１８と、ターボチャージャ２のタービンマップ１９とを備える。   The pumping control device 1 includes a control unit (ECU: engine control unit) 16. As shown in FIG. 6, the ECU 16 includes a volume efficiency map 17 of the engine E, a compressor map 18 of the turbocharger 2, and a turbine map 19 of the turbocharger 2.

図２に示すように、体積効率マップ１７は、エンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）と体積効率ηvol（％）との関係を表したものである。 As shown in FIG. 2, the volume efficiency map 17 represents the relationship between the engine speed Ne (rpm) and the volume efficiency η vol (%).

図３に示すように、コンプレッサマップ１８は、コンプレッサ９の作動ガス流量ＭＦcmpと、コンプレッサ出入口の圧力比ＰＲcmpとの関係を表したものである。コンプレッサマップ１８は、例えば、環状の効率線３１の中心に近づくほど高効率を示すようになっている。紙面の左右において最も左側に位置する効率線はサージライン３２である。 As shown in FIG. 3, the compressor map 18 represents the relationship between the working gas flow rate MF cmp of the compressor 9 and the pressure ratio PR cmp at the compressor inlet / outlet. For example, the compressor map 18 shows higher efficiency as it approaches the center of the annular efficiency line 31. The efficiency line located on the leftmost side on the left and right sides of the paper is the surge line 32.

図４に示すように、タービンマップ１９は、タービン７の作動ガス流量ＭＦtrbと、タービン出入口圧の圧力比ＥＲtrbとの関係を表したものである。タービンマップ１９においてその効率は図のような等値線で表される（ここでの各効率線は等値線を表しており、流量と膨張比に対して連続して効率が変化していることを表現している。つまりこの場合は、任意の可変翼開度1条件に対して図４の様なマップが割当てられる。したがって異なる可変翼の開度ごとには、それぞれ別のこのようなマップが割当てられる）。 As shown in FIG. 4, the turbine map 19 represents a relationship between the working gas flow rate MF trb of the turbine 7 and the pressure ratio ER trb of the turbine inlet / outlet pressure. In the turbine map 19, the efficiency is represented by an isoline as shown in the figure (Each efficiency line here represents an isoline, and the efficiency changes continuously with respect to the flow rate and the expansion ratio. In other words, in this case, a map such as that shown in Fig. 4 is assigned to an arbitrary variable blade opening 1 condition, so that each different variable blade opening has a different type. Map is assigned).

また、ＥＣＵ１６には、コンプレッサ９に吸い込まれる吸気の酸素濃度を計測する低圧側酸素濃度センサ２３と、コンプレッサ９の出口側の吸気の酸素濃度を計測する高圧側酸素濃度センサ２４と、コンプレッサ入口圧を計測するコンプレッサ入口圧力センサ２５と、コンプレッサ出口圧を計測するコンプレッサ出口圧力センサ２６と、タービン入口圧を計測するタービン入口圧力センサ２７と、タービン出口圧を計測するタービン出口圧力センサ２８と、吸気路８に吸い込まれる空気の流量を計測する空気流量センサ２９と、エンジン回転数を検出する回転数センサ３０と、低圧ＥＧＲバルブ１２と、高圧ＥＧＲバルブ１５と、タービン７のベーン３６とが信号線を介して接続されている。   The ECU 16 also includes a low-pressure oxygen concentration sensor 23 that measures the oxygen concentration of the intake air sucked into the compressor 9, a high-pressure oxygen concentration sensor 24 that measures the oxygen concentration of the intake air on the outlet side of the compressor 9, and a compressor inlet pressure. , A compressor outlet pressure sensor 26 for measuring compressor outlet pressure, a turbine inlet pressure sensor 27 for measuring turbine inlet pressure, a turbine outlet pressure sensor 28 for measuring turbine outlet pressure, and intake air An air flow rate sensor 29 for measuring the flow rate of air sucked into the passage 8, a rotational speed sensor 30 for detecting the engine rotational speed, the low pressure EGR valve 12, the high pressure EGR valve 15, and the vane 36 of the turbine 7 are signal lines. Connected through.

ＥＣＵ１６は、ＮＯｘの排出量が少なくなるように目標ＥＧＲ率を設定すると共に、目標ＥＧＲ率における低圧ＥＧＲ回路３と高圧ＥＧＲ回路４での、各排気再循環量を制御する。ＥＣＵ１６は、モデルベースにより目標ＥＧＲ率における最適な吸入空気量とエンジン吸排気圧力となるような各ＥＧＲガス流量（ＥＧＲ回路３、４のＥＧＲガス流量）を算出し，酸素濃度センサ２３、２４からの値を基にＥＧＲガス流量を変化させるように（ＥＧＲバルブ開度を駆動するアクチュエータなどに対して）フィードバック制御を行う。   The ECU 16 sets the target EGR rate so that the NOx emission amount decreases, and controls the exhaust gas recirculation amounts in the low pressure EGR circuit 3 and the high pressure EGR circuit 4 at the target EGR rate. The ECU 16 calculates each EGR gas flow rate (EGR gas flow rate of the EGR circuits 3 and 4) such that the optimum intake air amount and engine intake / exhaust pressure at the target EGR rate are obtained based on the model base, and the oxygen concentration sensors 23 and 24 Based on this value, feedback control is performed so as to change the EGR gas flow rate (for an actuator that drives the EGR valve opening).

かかるフィードバック制御を行うとき、ＥＣＵ１６は、まず、低圧ＥＧＲ回路３及び高圧ＥＧＲ回路４におけるそれぞれのＥＧＲガスの酸素濃度をコンプレッサ９入口前およびエンジンＥ入口前の酸素濃度センサ２３、２４で調べる。このとき、エンジン排ガスの酸素濃度は、燃料流量と吸入空気量とＥＧＲガス流量から計算により求める。なお、エンジン排ガスの酸素濃度は酸素濃度センサで計測するものとしてもよい。すなわち、ポンピング制御装置１が、エンジン排気側の酸素濃度を計測する排気側酸素濃度センサ４０（図１参照）を備えるものとし、ＥＣＵ１６が、低圧側酸素濃度センサ２３、高圧側酸素濃度センサ２４及び排気側酸素濃度センサ４０の計測値から排気再循環率を算出するものとしてもよい。このように、コンプレッサ９に吸い込まれる吸気の酸素濃度を計測すると共にエンジンＥ入口の吸気の酸素濃度を計測するとき、エンジンＥ排気側の酸素濃度を計測し、これら３つの酸素濃度から排気再循環率を算出するものとすると、ＥＣＵ１６の負荷を低減でき、より正確な排気再循環率を得ることができる。   When performing such feedback control, the ECU 16 first checks the oxygen concentration of each EGR gas in the low pressure EGR circuit 3 and the high pressure EGR circuit 4 with the oxygen concentration sensors 23 and 24 before the compressor 9 inlet and before the engine E inlet. At this time, the oxygen concentration of the engine exhaust gas is obtained by calculation from the fuel flow rate, the intake air amount, and the EGR gas flow rate. The oxygen concentration in the engine exhaust gas may be measured by an oxygen concentration sensor. That is, the pumping control device 1 includes an exhaust-side oxygen concentration sensor 40 (see FIG. 1) that measures the oxygen concentration on the engine exhaust side, and the ECU 16 includes a low-pressure-side oxygen concentration sensor 23, a high-pressure-side oxygen concentration sensor 24, and The exhaust gas recirculation rate may be calculated from the measured value of the exhaust-side oxygen concentration sensor 40. In this way, when measuring the oxygen concentration of the intake air sucked into the compressor 9 and measuring the oxygen concentration of the intake air at the inlet of the engine E, the oxygen concentration on the exhaust side of the engine E is measured, and the exhaust gas is recirculated from these three oxygen concentrations. If the rate is calculated, the load on the ECU 16 can be reduced, and a more accurate exhaust gas recirculation rate can be obtained.

次にＥＣＵ１６は、実験結果などによるエンジン体積効率と前述の酸素濃度の計測値及び吸入空気量の計測値から各ＥＧＲ回路３、４を環流するガス流量を算出する。   Next, the ECU 16 calculates the gas flow rate circulating through the EGR circuits 3 and 4 from the engine volume efficiency based on the experimental results, the measured oxygen concentration value, and the measured intake air amount.

この後、ＥＣＵ１６は、ターボチャージャ２のコンプレッサ９入口圧、エンジンＥ入口圧、コンプレッサマップ及びタービンマップからタービン及びコンプレッサの効率を求め、エンジン吸排気圧力を求め、タービン及びコンプレッサの効率とエンジン吸排気圧力とが適正となるようにフィードバック制御を行う。   Thereafter, the ECU 16 obtains the turbine and compressor efficiencies from the compressor 9 inlet pressure of the turbocharger 2, the engine E inlet pressure, the compressor map and the turbine map, obtains the engine intake and exhaust pressure, and determines the turbine and compressor efficiency and the engine intake and exhaust. Feedback control is performed so that the pressure is appropriate.

次にＥＧＲ率の計算方法を図７に基づいて説明する。   Next, a method for calculating the EGR rate will be described with reference to FIG.

図７記載のパラメータは、
ＭＮ＿ａｉｒ：吸入空気の単位時間当たりのモル数［ｋｍｏｌ／ｓ］
ＭＮ＿ｅｇｒ：ＥＧＲガスの単位時間当たりのモル数［ｋｍｏｌ／ｓ］
ＭＮ＿ｅｘｈ：エンジンの排ガスの単位時間当たりのモル数［ｋｍｏｌ／ｓ］
ＭＮ＿ｉｎｔ：エンジンに吸入される吸気ガスの単位時間当たりのモル数
ＶＰ＿Ｏ2ａｉｒ：吸入空気中の酸素体積濃度（体積分率又はモル分率）［％］
ＶＰ＿Ｏ2ｅｘｈ：排ガス中の酸素体積濃度（体積分率又はモル分率）［％］
ＶＰ＿Ｏ2ｉｎｔ：エンジン入口の酸素体積濃度
（体積分率又はモル分率）［％］
である。 The parameters described in FIG.
MN_air: Number of moles of intake air per unit time [kmol / s]
MN_egr: Number of moles of EGR gas per unit time [kmol / s]
MN_exh: Number of moles of engine exhaust gas per unit time [kmol / s]
MN_int: number of moles of intake gas sucked into the engine per unit time VP_O 2 air: oxygen volume concentration (volume fraction or mole fraction) in intake air [%]
VP_O 2 exh: oxygen volume concentration in exhaust gas (volume fraction or mole fraction) [%]
VP_O 2 int: oxygen volume concentration at the engine inlet
(Volume volume or mole fraction) [%]
It is.

図７に示すように、エンジンの吸入空気、ＥＧＲガス及び排気ガスに関して、各点における酸素のモル数とそれぞれの点の関係を考える。   As shown in FIG. 7, regarding the engine intake air, EGR gas, and exhaust gas, the relationship between the number of moles of oxygen at each point and each point is considered.

このとき以下の関係が成り立つ。
［エンジン吸気ガス中の酸素モル数］＝
［吸入空気中の酸素モル数］＋［環流されるＥＧＲガス中の酸素モル数］ At this time, the following relationship holds.
[Number of moles of oxygen in engine intake gas] =
[Number of moles of oxygen in the intake air] + [Number of moles of oxygen in the recirculated EGR gas]

したがって、
ＶＰ＿Ｏ2ａｉｒ＋ＶＰ＿Ｏ2ｅｘｈ＝ＶＰ＿Ｏ2ｉｎｔ Therefore,
VP_O 2 air + VP_O 2 exh = VP_O 2 int

各点において計測される酸素濃度により表すと、   Expressed by the oxygen concentration measured at each point,

となる。これをＭＮ＿ｅｇｒについて解くと、 It becomes. Solving this for MN_egr,

これにより、エンジン作動ガス全体についてのＥＧＲガス流量のモル数が求まる。なお、ＶＰ＿Ｏ2ｅｘｈは、燃料流量とＭＮ＿ｅｘｈから求まる。ＭＮ＿ｅｘｈは、回転数センサ３０で計測されるエンジン回転数と、体積効率マップ１７と、ＭＮ＿ｉｎｔとから求まる。ＭＮ＿ｉｎｔは、エンジンＥのインテークマニホールド３５の圧力Ｐ及び温度Ｔと、エンジンＥの単位時間当たりの体積Ｖとに基づいて気体の状態方程式（ＰＶ＝ｍＲＴ）から求められる。 As a result, the number of moles of the EGR gas flow rate for the entire engine working gas is obtained. Note that VP_O 2 exh is obtained from the fuel flow rate and MN_exh. MN_exh is obtained from the engine speed measured by the speed sensor 30, the volumetric efficiency map 17, and MN_int. MN_int is obtained from the gas state equation (PV = mRT) based on the pressure P and temperature T of the intake manifold 35 of the engine E and the volume V of the engine E per unit time.

次に同様にしてＬＰＬ−ＥＧＲのみより環流されるＥＧＲガスのモル数を求めると、式（３）となる。   Next, when the number of moles of EGR gas recirculated only from LPL-EGR is obtained in the same manner, Equation (3) is obtained.

ここで、
ＭＮ＿ｅｇｒｌｐ：ＬＰＬ−ＥＧＲガスの単位時間当たりのモル数
［ｋｍｏｌ／ｓ］
ＶＰ＿Ｏ2ｃｍｐ：コンプレッサ入口での酸素体積濃度
（体積分率又はモル分率）［％］ here,
MN_egrlp: Number of moles of LPL-EGR gas per unit time
[Kmol / s]
VP_O 2 cmp: oxygen volume concentration at the compressor inlet
(Volume volume or mole fraction) [%]

これにより、ＬＰＬ−ＥＧＲによるＥＧＲガスとエンジン作動ガス全体についてのモル数が求まったので、ＨＰＬ−ＥＧＲにおけるＥＧＲガスのモル数は式（４）のように求まる。   As a result, the number of moles of the EGR gas by LPL-EGR and the entire engine working gas is obtained, and therefore the number of moles of EGR gas in HPL-EGR is obtained as shown in Equation (4).

したがって、モル数すなわちガス体積に基づくＥＧＲ率ＥＧＲＲν［％］は、式（５）となる。   Therefore, the EGR rate EGRRν [%] based on the number of moles, that is, the gas volume, is expressed by Equation (5).

ガス質量に基づくＥＧＲ率ＥＧＲＲｍを求める場合、簡易的に式（６）として求めることができる。   When calculating | requiring the EGR rate EGRRm based on gas mass, it can calculate | require simply as Formula (6).

詳細なガス質量に基づくＥＧＲ率を求める場合は、主要なガス成分Ｎ2、Ｏ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏなどを仮定した組成により、はじめに空気について便覧などを参照して質量割合を調べ、これを初期条件として、以上で求めたモル数に基づくＥＧＲ率の結果をもとに燃焼後のガス組成を繰り返し計算により求めることができる。 When calculating the EGR rate based on the detailed gas mass, the mass ratio is first determined by referring to the manual for air, etc., with the composition assuming the main gas components N 2 , O 2 , CO 2 , H 2 O, etc. With this as an initial condition, the gas composition after combustion can be obtained by repeated calculation based on the result of the EGR rate based on the number of moles obtained above.

また、ＥＧＲ率と吸入空気量及びＥＧＲガス流量の関係は、式（７）により定義される。   Further, the relationship between the EGR rate, the intake air amount, and the EGR gas flow rate is defined by Equation (7).

ここで、
ＭＦ＿ａｉｒ：吸入空気質量流量
ＭＦ＿ｅｇｒ：ＥＧＲガス質量流量 here,
MF_air: intake air mass flow rate MF_egr: EGR gas mass flow rate

このため、以上にて求めたＥＧＲ率と計測される吸入空気量からＥＧＲガス流量は上式を変形して式（８）として求められる。   For this reason, the EGR gas flow rate is obtained as an equation (8) by modifying the above equation from the EGR rate obtained above and the measured intake air amount.

エンジン吸入ガスＭＦ＿ｉｎｔ［ｋｇ／ｓ］は、以下の式（９）として求められる。   The engine intake gas MF_int [kg / s] is obtained as the following equation (9).

次に、ＥＣＵ１６が行うエンジンＥのポンピング制御方法を流れ図に基づいて説明する。   Next, a pumping control method for the engine E performed by the ECU 16 will be described based on a flowchart.

ＥＣＵ１６は、目標ＥＧＲ率を設定し、ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率となるようにＥＧＲ制御をするとき、エンジンＥのポンピング制御を行う。   The ECU 16 sets the target EGR rate and performs pumping control of the engine E when performing EGR control so that the EGR rate becomes the target EGR rate.

図５に示すように、ポンピング制御を行う場合、先ず、ステップＳ１でコンプレッサ９に吸い込まれる吸気の酸素濃度を計測すると共に、コンプレッサ９の出口側の吸気の酸素濃度を計測する。このとき、酸素濃度の計測は、吸気路８のそれぞれの位置に設けられた低圧側酸素濃度センサ２３及び高圧側酸素濃度センサ２４で行う（図１及び図６参照）。   As shown in FIG. 5, when pumping control is performed, first, the oxygen concentration of the intake air sucked into the compressor 9 is measured in step S1, and the oxygen concentration of the intake air on the outlet side of the compressor 9 is measured. At this time, the oxygen concentration is measured by the low-pressure side oxygen concentration sensor 23 and the high-pressure side oxygen concentration sensor 24 provided at the respective positions of the intake passage 8 (see FIGS. 1 and 6).

この後、ステップＳ２で、ＥＧＲ率を算出し、ステップＳ３でＥＧＲガス流量とエンジン作動流量とを算出する。   Thereafter, in step S2, an EGR rate is calculated, and in step S3, an EGR gas flow rate and an engine operating flow rate are calculated.

また、ステップＳ１〜ステップＳ３と並行してステップＳ４を行っておく。ステップＳ４では、コンプレッサ入口圧、コンプレッサ出口圧、タービン入口圧及びタービン出口圧を計測する。これらの計測は、それぞれの位置の吸気路８及び排気路６に設けられたコンプレッサ入口圧力センサ２５、コンプレッサ出口圧力センサ２６、タービン入口圧力センサ２７及びタービン出口圧力センサ２８で行う。   Further, step S4 is performed in parallel with step S1 to step S3. In step S4, the compressor inlet pressure, the compressor outlet pressure, the turbine inlet pressure, and the turbine outlet pressure are measured. These measurements are performed by a compressor inlet pressure sensor 25, a compressor outlet pressure sensor 26, a turbine inlet pressure sensor 27, and a turbine outlet pressure sensor 28 provided in the intake passage 8 and the exhaust passage 6 at the respective positions.

ステップＳ５では、ステップＳ３の算出値とステップＳ４の計測値とに基づいてコンプレッサマップ１８及びタービンマップ１９により適正な圧力比及び膨張比を算出する。   In step S5, an appropriate pressure ratio and expansion ratio are calculated by the compressor map 18 and the turbine map 19 based on the calculated value in step S3 and the measured value in step S4.

この後、ステップＳ６にて、ＥＧＲ率及びエンジン吸排気圧力差をコントロールする。これらのコントロールは、高圧ＥＧＲバルブ１５、低圧ＥＧＲバルブ１２及びタービン７のベーン開度をモデルベース制御・協調制御することにより行う。   Thereafter, in step S6, the EGR rate and the engine intake / exhaust pressure difference are controlled. These controls are performed by model-based control and coordinated control of vane openings of the high pressure EGR valve 15, the low pressure EGR valve 12, and the turbine 7.

このように、コンプレッサ９に吸い込まれる吸気の酸素濃度を計測すると共にエンジンＥ入口の吸気の酸素濃度を計測し、これらの酸素濃度から排気再循環率を算出し、その算出した排気再循環率から、低圧ＥＧＲ回路３と高圧ＥＧＲ回路４での各ＥＧＲガス流量とエンジン作動流量を算出し、その算出した各ＥＧＲガス流量とエンジン作動流量から、低圧ＥＧＲ回路３と高圧ＥＧＲ回路４の各ＥＧＲガス流量を調節して、エンジン吸排気圧力差を最適に制御するものとしたため、エンジン作動ガス流量が多くなるときには、低圧ＥＧＲ回路３のＥＧＲガス流量に対する高圧ＥＧＲ回路４のＥＧＲガス流量の比を大きくしてポンピングロスを防ぐことができ、高ＥＧＲ条件のときには、逆に低圧ＥＧＲ回路３のＥＧＲガス流量の比を大きくしてタービン膨張比が低下するのを防ぐことができ、任意のＥＧＲ条件下でのエンジンＥのポンピングを最適にでき、高いエンジン熱効率を実現することができる。   Thus, the oxygen concentration of the intake air sucked into the compressor 9 is measured, the oxygen concentration of the intake air at the inlet of the engine E is measured, the exhaust gas recirculation rate is calculated from these oxygen concentrations, and the calculated exhaust gas recirculation rate is calculated. The EGR gas flow rate and the engine operating flow rate in the low pressure EGR circuit 3 and the high pressure EGR circuit 4 are calculated, and each EGR gas in the low pressure EGR circuit 3 and the high pressure EGR circuit 4 is calculated from the calculated EGR gas flow rate and engine operating flow rate. Since the engine intake / exhaust pressure difference is optimally controlled by adjusting the flow rate, when the engine working gas flow rate increases, the ratio of the EGR gas flow rate of the high pressure EGR circuit 4 to the EGR gas flow rate of the low pressure EGR circuit 3 is increased. Pumping loss can be prevented, and when the EGR condition is high, the EGR gas flow rate ratio of the low pressure EGR circuit 3 is increased. Can turbine expansion ratio is prevented from decrease, can optimally the pumping of the engine E in any EGR conditions, it is possible to achieve high engine thermal efficiency.

また、コンプレッサ９とタービン７の各出入口圧力を計測し、その計測値と前記算出した各ＥＧＲガス流量とエンジン作動流量を基に、コンプレッサ９とタービン７のマップ１８、１９により適正な圧力比と膨張比を求め、その求めた圧力比と膨張比となるように、低圧ＥＧＲ回路３と高圧ＥＧＲ回路４の各ＥＧＲガス流量を調節するものとしたため、簡易な構造で安価にエンジンＥの熱効率を高くできる。   Further, the inlet / outlet pressures of the compressor 9 and the turbine 7 are measured, and based on the measured values, the calculated EGR gas flow rates, and the engine operating flow rates, the maps 18 and 19 of the compressor 9 and the turbine 7 are used to determine an appropriate pressure ratio. The expansion ratio is obtained, and the respective EGR gas flow rates of the low pressure EGR circuit 3 and the high pressure EGR circuit 4 are adjusted so that the obtained pressure ratio and expansion ratio are obtained. Therefore, the thermal efficiency of the engine E can be reduced with a simple structure at low cost. Can be high.

１ ポンピング制御装置
２ ターボチャージャ
３ 低圧ＥＧＲ回路（低圧再循環回路）
４ 高圧ＥＧＲ回路（高圧再循環回路）
６ 排気路
７ タービン
８ 吸気路
９ コンプレッサ
１６ ＥＣＵ（制御部）
１７ 体積効率マップ
１８ コンプレッサマップ（コンプレッサのマップ）
１９ タービンマップ（タービンのマップ）
２３ 低圧側酸素濃度センサ
２４ 高圧側酸素濃度センサ
４０ 排気側酸素濃度センサ
Ｅ エンジン 1 Pumping control device 2 Turbocharger 3 Low pressure EGR circuit (Low pressure recirculation circuit)
4 High pressure EGR circuit (High pressure recirculation circuit)
6 Exhaust path 7 Turbine 8 Intake path 9 Compressor 16 ECU (control unit)
17 Volumetric efficiency map 18 Compressor map (compressor map)
19 Turbine map (turbine map)
23 Low pressure side oxygen concentration sensor 24 High pressure side oxygen concentration sensor 40 Exhaust side oxygen concentration sensor E Engine

Claims (6)

エンジンの吸排気路に接続されたターボチャージャと、そのタービンからの排出ガスをコンプレッサの吸気側に戻す低圧再循環回路と、前記タービンの入口側の排ガスを前記コンプレッサの吐出側へ戻す高圧再循環回路とを備え、
目標排気再循環率における前記低圧再循環回路と前記高圧再循環回路での、各排気再循環量を制御するためのエンジンのポンピング制御方法において、
前記コンプレッサに吸い込まれる吸気の酸素濃度を計測すると共に前記エンジン入口の吸気の酸素濃度を計測し、これらの酸素濃度から排気再循環率を算出し、その算出した排気再循環率から、前記低圧再循環回路と前記高圧再循環回路での各排気再循環ガス流量とエンジン作動流量を算出し、
その算出した各排気再循環ガス流量とエンジン作動流量から、前記低圧再循環回路と前記高圧再循環回路の各排気再循環量を調節して、エンジン吸排気圧力差を最適に制御することを特徴とするエンジンのポンピング制御方法。 A turbocharger connected to the intake / exhaust passage of the engine, a low pressure recirculation circuit for returning exhaust gas from the turbine to the intake side of the compressor, and a high pressure recirculation for returning the exhaust gas on the inlet side of the turbine to the discharge side of the compressor With circuit,
In the engine pumping control method for controlling each exhaust gas recirculation amount in the low pressure recirculation circuit and the high pressure recirculation circuit at a target exhaust gas recirculation rate,
The oxygen concentration of the intake air sucked into the compressor is measured, the oxygen concentration of the intake air at the engine inlet is measured, the exhaust gas recirculation rate is calculated from these oxygen concentrations, and the low pressure recirculation rate is calculated from the calculated exhaust gas recirculation rate. Calculate each exhaust recirculation gas flow rate and engine operating flow rate in the circulation circuit and the high pressure recirculation circuit,
The engine intake / exhaust pressure difference is optimally controlled by adjusting the exhaust gas recirculation amounts of the low pressure recirculation circuit and the high pressure recirculation circuit from the calculated exhaust gas recirculation gas flow rate and engine operating flow rate. Engine pumping control method. 前記コンプレッサと前記タービンの各出入口圧力を計測し、その計測値と前記算出した各排気再循環ガス流量とエンジン作動流量を基に、コンプレッサとタービンのマップにより適正な圧力比と膨張比を求め、その求めた圧力比と膨張比となるように、前記低圧再循環回路と前記高圧再循環回路の各排気再循環量を調節する請求項１記載のエンジンのポンピング制御方法。   Measure the inlet and outlet pressures of the compressor and the turbine, and based on the measured values and the calculated exhaust recirculation gas flow rate and the engine operating flow rate, obtain an appropriate pressure ratio and expansion ratio from the compressor and turbine map, 2. The engine pumping control method according to claim 1, wherein the exhaust gas recirculation amounts of the low pressure recirculation circuit and the high pressure recirculation circuit are adjusted so that the obtained pressure ratio and expansion ratio are obtained. 前記コンプレッサに吸い込まれる吸気の酸素濃度を計測すると共に前記エンジン入口の吸気の酸素濃度を計測するとき、エンジン排気側の酸素濃度を計測し、これら３つの酸素濃度から排気再循環率を算出する請求項１又は請求項２に記載のエンジンのポンピング制御方法。   When measuring the oxygen concentration of the intake air sucked into the compressor and measuring the oxygen concentration of the intake air at the engine inlet, the oxygen concentration on the engine exhaust side is measured, and the exhaust gas recirculation rate is calculated from these three oxygen concentrations. The engine pumping control method according to claim 1 or 2. エンジンの吸排気路に接続されたターボチャージャと、そのタービンからの排出ガスをコンプレッサの吸気側に戻す低圧再循環回路と、前記タービンの入口側の排ガスを前記コンプレッサの吐出側へ戻す高圧再循環回路とを備え、
目標排気再循環率における前記低圧再循環回路と前記高圧再循環回路での、各排気再循環量を制御するためのエンジンのポンピング制御装置において、
前記コンプレッサに吸い込まれる吸気の酸素濃度を計測する低圧側酸素濃度センサと、前記エンジン入口の吸気の酸素濃度を計測する高圧側酸素濃度センサと、これら酸素濃度センサの計測値から排気再循環率を算出し、その算出した排気再循環率から、前記低圧再循環回路と前記高圧再循環回路での各排気再循環ガス流量とエンジン作動流量を算出し、
その算出した各排気再循環ガス流量とエンジン作動流量から、前記低圧再循環回路と前記高圧再循環回路の各排気再循環量を調節して、エンジン吸排気圧力差を最適に制御する制御部とを備えたことを特徴とするエンジンのポンピング制御装置。 A turbocharger connected to the intake / exhaust passage of the engine, a low pressure recirculation circuit for returning exhaust gas from the turbine to the intake side of the compressor, and a high pressure recirculation for returning the exhaust gas on the inlet side of the turbine to the discharge side of the compressor With circuit,
In an engine pumping control device for controlling each exhaust gas recirculation amount in the low pressure recirculation circuit and the high pressure recirculation circuit at a target exhaust gas recirculation rate,
The low pressure side oxygen concentration sensor for measuring the oxygen concentration of the intake air sucked into the compressor, the high pressure side oxygen concentration sensor for measuring the oxygen concentration of the intake air at the engine inlet, and the exhaust gas recirculation rate from the measured values of these oxygen concentration sensors. And calculating the exhaust gas recirculation gas flow rate and the engine operating flow rate in the low pressure recirculation circuit and the high pressure recirculation circuit from the calculated exhaust gas recirculation rate,
A controller for optimally controlling the difference between the intake and exhaust pressures of the engine by adjusting the exhaust gas recirculation amounts of the low pressure recirculation circuit and the high pressure recirculation circuit from the calculated exhaust gas recirculation gas flow rate and engine operating flow rate; An engine pumping control device comprising: 前記コンプレッサの入口圧を計測するコンプレッサ入口圧力センサと、前記コンプレッサの出口圧を計測するコンプレッサ出口圧力センサと、前記タービンの入口圧を計測するタービン入口圧力センサと、前記タービンの出口圧を計測するタービン出口圧力センサとを備え、
前記制御部が、前記コンプレッサ入口圧力センサ、前記コンプレッサ出口圧力センサ、前記タービン入口圧力センサ及び前記タービン出口圧力センサの計測値と前記コンプレッサと前記タービンの各出入口圧力と前記算出した各排気再循環ガス流量とエンジン作動流量を基に、コンプレッサとタービンのマップにより適正な圧力比と膨張比を求め、その求めた圧力比と膨張比となるように、前記低圧再循環回路と前記高圧再循環回路の各排気再循環量を調節する請求項４記載のエンジンのポンピング制御装置。 Compressor inlet pressure sensor for measuring the compressor inlet pressure, compressor outlet pressure sensor for measuring the compressor outlet pressure, turbine inlet pressure sensor for measuring the turbine inlet pressure, and turbine outlet pressure. A turbine outlet pressure sensor,
The control unit measures the measured values of the compressor inlet pressure sensor, the compressor outlet pressure sensor, the turbine inlet pressure sensor, and the turbine outlet pressure sensor, the inlet and outlet pressures of the compressor and the turbine, and the calculated exhaust recirculation gases. Based on the flow rate and the engine operating flow rate, an appropriate pressure ratio and expansion ratio are obtained from a compressor and turbine map, and the low pressure recirculation circuit and the high pressure recirculation circuit are adjusted so as to obtain the obtained pressure ratio and expansion ratio. The engine pumping control device according to claim 4, wherein each exhaust gas recirculation amount is adjusted. エンジン排気側の酸素濃度を計測する排気側酸素濃度センサを備え、前記制御部が、前記低圧側酸素濃度センサ、前記高圧側酸素濃度センサ及び前記排気側酸素濃度センサの計測値から排気再循環率を算出するように形成された請求項４又は５記載のエンジンのポンピング制御装置。   An exhaust-side oxygen concentration sensor for measuring the oxygen concentration on the engine exhaust side, and the control unit determines an exhaust gas recirculation rate from the measured values of the low-pressure side oxygen concentration sensor, the high-pressure side oxygen concentration sensor, and the exhaust-side oxygen concentration sensor. 6. The engine pumping control device according to claim 4 or 5, wherein the engine pumping control device is configured to calculate the value.
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