JP2016513193A - Ｅｇｒ制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ＥＧＲの制御範囲を拡張することで、低温燃焼を実現するための安定したＥＧＲ流量を確保可能な制御方法及び装置を提供することを目的とするものであり、上述の目的を達成するため、エンジンの燃焼室から排出される排気ガスの再循環を制御するためのＥＧＲ制御方法であって、エンジン状態及び供給ガス状態に関するデータを取得するデータ取得ステップと、前記データに基づいて供給ガスの現ＥＧＲ率を計算する現ＥＧＲ率計算ステップと、予め作成された目標ＥＧＲ率マップにおいて前記データと対応付けられる要求ＥＧＲ率を設定する要求ＥＧＲ率設定ステップと、前記要求ＥＧＲ率と現ＥＧＲ率との差を計算する誤差算出ステップと、前記差に応じて供給ガスの吸入側の圧力を調節して排気ガスの再循環量を変化させることで、現ＥＧＲ率を要求ＥＧＲ率に追従させる制御ステップとを含むＥＧＲ制御方法を提供する。【選択図】なし

Description

本発明は、例えば、ディーゼルエンジンなどのような燃焼システムにおいて、燃焼後に排出される排気ガスを再循環させる排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ。以下、「ＥＧＲ」と略する）の制御に関し、特に、低温燃焼を実現するため、燃焼室内に多量の排気ガス再循環を供給することができる制御方法及び装置に関する。

低温燃焼技術は、大型ディーゼルエンジンなどのような燃焼システムにおいて問題視されている、煤（Ｓｏｏｔ）、ＮＯｘなどのような排気・排出物を画期的に低減させることができる新たな燃焼技術であって、低温燃焼技術の実用化を図るためには、とりわけ、多量のＥＧＲを精密に制御する必要がある。このため、従来、低圧又は高圧ＥＧＲ供給システムにおいては、過給機（ターボチャージャー）の後端に、ＥＧＲガス供給流路と高圧ＥＧＲ弁を設け、該ＥＧＲ弁を制御することで、燃焼室へ供給されるＥＧＲガスの供給率を調節する方式が採用されている。

しかし、上述した従来の方式では、ＥＧＲ率が僅か０〜４０％に過ぎないため、低温燃焼を実現するために必要な６０％以上のＥＧＲ率を供給するのに限界があり、過給機（ターボチャージャー）のような補機類の運転点の変化に応じてＥＧＲ率が従属的に変化するようになり、ＥＧＲ率の正確な制御を行うことができないという問題が生じる。この問題は、低温燃焼技術の実用化に大きな障害となっている。

本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決するために案出されたものであり、本発明の目的は、ＥＧＲの制御範囲を拡張することで、低温燃焼を実現するための安定したＥＧＲ流量を確保し、他の補機類に従属することなく、低圧ＥＧＲ供給システムのみを用いてＥＧＲ量の精密な制御を行うことができる制御方法を提供することにある。

上述の目的を達成するための本発明の一実施形態に係るＥＧＲ制御方法は、エンジンの燃焼室から排出される排気ガスの再循環を制御するためのＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）制御方法であって、エンジンの運転状態に関するデータを取得するデータ取得ステップと、前記データに基づいて供給ガスの現ＥＧＲ率を計算する現ＥＧＲ率計算ステップと、予め作成された目標ＥＧＲ率マップにおいて前記データと対応付けられる要求ＥＧＲ率を設定する要求ＥＧＲ率設定ステップと、前記要求ＥＧＲ率と現ＥＧＲ率との差を計算する誤差算出ステップと、前記差に応じて供給ガスの吸入側の圧力を調節して排気ガスの再循環量を変化させることで現ＥＧＲ率を要求ＥＧＲ率に追従させる制御ステップと、を含むことができる。

前記エンジンの運転状態に関するデータは、エンジン速度、供給燃料量及び吸入空気量を含むことを特徴とする。

また、前記制御ステップは、供給ガスの吸入側に設けられ、吸入負圧を調節するための吸気圧力制御弁の開度、及び、排気ガスの排出側に設けられ、排気ガスを供給ガスの吸入側に導入するためのＥＧＲ弁の開度を互いに調整することで行われることを特徴とする。

また、前記排気ガスは、排気ガスの排出側から分岐したＥＧＲ供給流路に沿って供給ガスの吸入側に導入され、前記ＥＧＲ供給流路は、過給機（ターボチャージャー）のような補機類に従属していない独立したループを形成することを特徴とする。

また、前記制御ステップでは、吸入空気量の実測定値、及び目標ＥＧＲ率マップを用いたＰＩＤ制御によって要求ＥＧＲ率を満足させるように制御されることを特徴とする。

上述の目的を達成するための本発明の一実施例に係るＥＧＲ制御装置は、速度センサと空気流量計を含むエンジン；吸気圧力制御弁及びＥＧＲ弁の開度を制御するアクチュエータ；及び、前記エンジンからエンジンの運転状態に関するデータを取得し、該取得したデータと予め格納された目標ＥGＲ率マップに基づいて、実ＥＧＲ量と要求ＥＧＲ量を計算し、前記計算の結果、実ＥＧＲ量と要求ＥＧＲ量との間に差が生じる場合、前記アクチュエータに制御信号を伝達するエンジン制御ユニット；を含み、前記エンジン制御ユニットは、前記差に応じて供給ガスの吸入側圧力を調節して排気ガスの再循環量を変化させることで、現ＥＧＲ量を要求ＥＧＲ量に追従させることを特徴とする。

また、前記エンジンの運転状態に関するデータは、エンジン速度、供給燃料量及び吸入空気量を含むことを特徴とする。

本発明によれば、低圧ＥＧＲ弁（Ｌｏｗ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＥＧＲ Ｖａｌｖｅ）の開度と、吸気圧力制御弁（ＩＰＣＶ：Ｉｎｈａｌａｔｉｏｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ）の開度とを互いに調整することで、ＥＧＲ率の制御範囲を拡張することができ、これにより、低温燃焼を実現するための大量のＥＧＲ流量を安定的に供給することが可能である。

尚、従来の高圧ＥＧＲ弁（Ｈｉｇｈ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＥＧＲ Ｖａｌｖｅ）システムでは、ＥＧＲ量を制御する際に、過給機のような補機類と従属関係にあるが、本発明において使用される低圧ＥＧＲ弁システムによれば、上述の問題を構造的に解決することで、ＥＧＲ量の独立した制御を行うことが可能となり、ＥＧＲの精密な制御が行うことができるという効果が得られる。

本発明の好適な実施例に係るＥＧＲ制御システムの構造を概略的に示す図である。 本発明の好適な実施例に係るＥＧＲ制御ロジックの概念を示すダイヤグラムである。 本発明の好適な実施例に係るＥＧＲ制御ロジックを示すフローチャートである。 本発明の好適な実施例に係るＥＧＲ制御システムの数値解釈モデルを示す図である。 低圧ＥＧＲ弁のみを単独使用する場合における数値解釈結果を示すグラフである。 低圧ＥＧＲ弁の開度とＩＰＣＶの開度とを同時に制御する場合における数値解釈結果を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、添付の図面を参照してより詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施例に係るＥＧＲ制御システムの構造を概略的に示す図である。
図１に示されるように、本発明の一実施形態に係るＥＧＲ制御システム１００は、流量計（ＭＡＦ）８と、空気フィルタ（Ａ／Ｆ）７を通って吸入される外気を燃焼室１に供給する吸気マニホールド２側に設けられ、吸気負圧を調節する吸気圧力制御弁（ＩＰＣＶ）５と、排気マニホールド３側から分岐したＥＧＲ供給流路４上に設けられ、燃焼室１にて燃焼して排出される排気ガスを吸気マニホールド２側に導入するＥＧＲ弁６とを含む。ＥＧＲ弁６は、例えば、低圧ＥＧＲ弁（ＬＰ−ＥＧＲ Ｖｌｖ）であることができる。さらに、ＥＧＲ供給流路４は、過給機のような補機類に従属していない低圧ＥＧＲループ（ＬＰ−ＥＧＲ Ｌｏｏｐ）を形成することが好ましい。

本発明のＥＧＲ制御システム１００は、燃焼室１に供給されるＥＧＲ流量の調節を、ＥＧＲ弁６のみに依存して行うのではなく、ＥＧＲ弁６の開度（ｄｕｔｙ）と、吸気圧力制御弁５の開度との２つの変数を調整することで、ＥＧＲの制御範囲を、従来の限界（０〜４０％）より拡張したことに特徴がある。

図２は、本発明の一実施例に係るＥＧＲ制御ロジックの概念を示すダイヤグラムである。
図２に示されるように、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）は、エンジン（Ｅ／Ｇ）に設けられた速度センサ、空気流量計などから、エンジンのｒｐｍ、燃料量（Ｆｕｅｌ Ｑ）及び空気量（Ａｉｒ Ｑ）などに関する測定データを取得し、該測定データと、それ自体に格納された目標ＥＧＲ率マップとに基づいて、実ＥＧＲ量と要求ＥＧＲ量とを計算する。計算の結果、実ＥＧＲ量と要求ＥＧＲ量との間に差がある場合、ＥＣＵは、実ＥＧＲ量を要求ＥＢＲ量に追従させるためにアクチュエータに制御信号を送達する。該制御信号に基づいて、吸気圧力制御弁（ＩＰＣＶ）の開度及びＥＧＲ弁（例えば、低圧ＥＧＲ弁（ＬＰ−ＥＧＲ Ｖｌｖ））の開度を調節することにより、要求ＥＧＲ量を満足する大量のＥＧＲをエンジンに供給するようになる。尚、要求ＥＧＲ率を満足する正確な制御を行うためには、吸入空気量の実測定値及び目標ＥＧＲ率マップを用いたＰＩＤ制御（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ）を行うことが好ましい。

図３は、本発明の一実施例に係るＥＧＲ制御ロジックを示すフローチャートである。
図３に示されるように、先ず、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）は、エンジンから低温燃焼を行うための目標ＥＧＲ量（Ｔａｒｇｅｔ ＥＧＲ Ｑｕａｎｔｉｔｙ）又は要求ＥＧＲ率（Ｄｅｍａｎｄ ＥＧＲ Ｒａｔｅ）を計算可能な情報、例えば、現在のｒｐｍ情報及び実燃料量（Ａｃｔｕａｌ Ｆｕｅｌ Ｑｕａｎｔｉｔｙ；Ｆｕｅｌ Ｑ）情報を獲得する（Ｓ３０１）。

次に、予め事前実験により作成された目標ＥＧＲ率マップ（Ｔａｒｇｅｔ ＥＧＲ Ｒａｔｅ Ｍａｐ）において、現在のｒｐｍ及び実燃料量（Ｆｕｅｌ Ｑ）と対応付けられる要求ＥＧＲ率を設定する（Ｓ３０３）。

下記の表１に、本発明の一実施例に係る目標ＥＧＲ率マップ（％）を示す。

次に、流量計により計測された吸入空気量（Ｆｒｅｓｈ Ａｉｒ Ｑｕａｎｔｉｔｙ；Ａｉｒ Ｑ）と、ＥＣＵ上で非ＥＧＲ空気量の計算表（Ｎｏｎ−ＥＧＲ Ａｉｒ Ｑ Ｔａｂｌｅ）から現在の実ＥＧＲ量（Ａｃｔｕａｌ ＥＧＲ Ｒａｔｅ）を計算する（Ｓ３０５）。ここで、実ＥＧＲ量は、非ＥＧＲ空気量の表（Ｎｏｎ−ＥＧＲ Ａｉｒ Ｑｕａｎｔｉｔｙ）から算出された空気量から、流量計による測定値を除した値であり、次の数１のように計算される。

下記の表２に、本発明の一実施例に係る非ＥＧＲ空気量の計算表（ｋｇ／ｈ）を示す。

次に、ＥＣＵにおいて計算された実ＥＧＲ量（Ａｃｔｕａｌ ＥＧＲ Ｒａｔｅ）と、要求ＥＧＲ量（Ｄｅｍａｎｄ ＥＧＲ Ｒａｔｅ）とを比較して、次の数２に示すように誤差（Ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）を計算する（Ｓ３０7）。

目標ＥＧＲ量と実ＥＧＲ量との間に差が生じる場合、低圧ＥＧＲ弁（ＬＰ−ＥＧＲ Ｖｌｖ）の開度と、吸気圧力制御弁（ＩＰＣＶ）の開度とを調節し、ＰＩＤ制御を行うことで、目標ＥＧＲ量に追従させる（Ｓ３０９）。即ち、吸気圧力制御弁（ＩＰＣＶ）を制御して吸気マニホールド側の吸入負圧を調節することで、ＥＧＲ弁側から要求ＥＧＲ率を満足する大量のＥＧＲが導入されるように制御する。

最後に、実ＥＧＲ量が目標ＥＧＲ量を追従するようになると、ＰＩＤ制御を終了する。
図４は、本発明の好適な実施例に係るＥＧＲ制御システムの数値解釈モデルを示す図である。

本発明者は、本発明に係るＥＧＲ制御の効果を検証するため、数値解釈モデルを構築した。数値解釈モデルとしては、排気規制基準“Ｔｉｅｒ ４ Ｆｉｎａｌ”を満足する、出願人により製造された“ＤＬ０６”ディーゼルエンジンを対象としてウェーブリカルド（ＷＡＶＥ＿Ｒｉｃａｒｄｏ）モデリングによる１−Ｄ解釈モデルを使用した。また、従来のシステムと比較するため、低圧ＥＧＲ弁のみを単独使用する場合と、吸気圧力制御弁と低圧ＥＧＲ弁とを共に使用する場合とに分けて結果の分析を行った。

低圧ＥＧＲのみを使用する場合は、図５に示されるように、ＥＧＲ供給量は、約３０％の程度が限界であることが示された。

これに対し、吸気圧力制御弁（ＩＰＣＶ）を共に使用する場合、図６に示されるように、ＩＰＣＶと低圧ＥＧＲ弁との開度調節レートによって、要求ＥＧＲ率を、１００％にまで充足できることが示された。

上述のように、本発明のＥＧＲ制御によれば、低温燃焼の実現及び実用化に大きな障害となっている、多量のＥＧＲ供給に関する問題を確実に解決できるという、効果の顕著な向上が得られる。

以上、本発明の好適な実施形態によれば、ＥＧＲ弁及び吸気制御弁（ＩＰＣＶ）の開度を同時に調整することでＥＧＲ率の制御範囲を拡張することができ、これにより、低温燃焼を実現するための大量のＥＧＲ流量を安定的に供給することが可能である。特に、従来のＥＧＲシステムでは、ＥＧＲ率は、約４０％に限界があったが、本発明に係るＥＧＲ制御システムでは、１００％に達する充分なＥＧＲ量の供給が可能となり、ＥＧＲ供給の問題を確実に解決することができる。

また、ターボチャージャーのような補機類に従属していない低圧ＥＧＲループを用いることで、補機類の運転点が変化する場合においても、ＥＧＲ率が従属的に変化することがないため、ＥＧＲ率をより正確に制御することができる。また、流量計により測定された吸入空気量のみを用いた制御ロジックによって正確なＥＧＲ率の制御を行うことが可能となり、また、吸入空気量の実測定値及び目標ＥＧＲ率マップを用いたＰＩＤ制御によって要求ＥＧＲ率を満足する正確なＥＧＲ制御を行うことが可能である。

以上、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明してきたが、本発明の属する技術分野の当業者であれば、本発明を、その技術的思想や必須要素を変更することなく、種々に変更して実施可能であることを理解できる。

従って、本明細書に示される好適な実施形態は、あらゆる面で例示的なものに過ぎず、本発明を限定するものではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲の記載によって決定付けられ、特許請求の範囲に記載された範囲及びその均等な範囲から導出される全ての変更又は変形の形態は、本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

Claims (7)

1. エンジンの燃焼室から排出される排気ガスの再循環を制御するためのＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）制御方法であって、
   エンジンの運転状態に関するデータを取得するデータ取得ステップと、
   前記データに基づいて供給ガスの現ＥＧＲ率を計算する現ＥＧＲ率計算ステップと、
   予め作成された目標ＥＧＲ率マップにおいて前記データと対応付けられる要求ＥＧＲ率を設定する要求ＥＧＲ率設定ステップと、
   前記要求ＥＧＲ率と現ＥＧＲ率との差を計算する誤差算出ステップと、
   前記差に応じて供給ガスの吸入側の圧力を調節して排気ガスの再循環量を変化させることで現ＥＧＲ率を要求ＥＧＲ率に追従させる制御ステップと、を含むＥＧＲ制御方法。
2. 前記制御ステップは、供給ガスの吸入側に設けられ、吸入負圧を調節するための吸気圧力制御弁の開度、及び、排気ガスの排出側に設けられ、排気ガスを供給ガスの吸入側に導入するためのＥＧＲ弁の開度を互いに調整することで行われることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ制御方法。
3. 前記排気ガスは、排気ガスの排出側から分岐したＥＧＲ供給流路に沿って供給ガスの吸入側に導入され、前記ＥＧＲ供給流路は、過給機（ターボチャージャー）のような補機類に従属していない独立したループを形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のＥＧＲ制御方法。
4. 前記制御ステップでは、吸入空気量の実測定値、及び目標ＥＧＲ率マップを用いたＰＩＤ制御によって要求ＥＧＲ率を満足させるように制御されることを特徴とする請求項１又は２に記載のＥＧＲ制御方法。
5. 前記エンジンの運転状態に関するデータは、エンジン速度、供給燃料量及び吸入空気量を含むことを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ制御方法。
6. 速度センサと空気流量計を含むエンジン；
   吸気圧力制御弁及びＥＧＲ弁の開度を制御するアクチュエータ；及び
   前記エンジンからエンジンの運転状態に関するデータを取得し、該取得したデータと、予め格納された目標ＥGＲ率マップに基づいて実ＥＧＲ量と要求ＥＧＲ量を計算し、前記計算の結果、実ＥＧＲ量と要求ＥＧＲ量との間に差が生じる場合、前記アクチュエータに制御信号を伝達するエンジン制御ユニット；を含み、
   前記エンジン制御ユニットは、前記差に応じて供給ガスの吸入側圧力を調節して排気ガスの再循環量を変化させることで、現ＥＧＲ量を要求ＥＧＲ量に追従させることを特徴とするＥＧＲ制御装置。
7. 前記エンジンの運転状態に関するデータは、エンジン速度、供給燃料量及び吸入空気量を含むことを特徴とする請求項６に記載のＥＧＲ制御装置。

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