JP2018071357A

JP2018071357A - 内燃機関の排気還流装置

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Publication number: JP2018071357A
Application number: JP2016207968A
Authority: JP
Inventors: 彰紀森島; Akinori Morishima; 卓伊吹; Taku Ibuki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-10-24
Filing date: 2016-10-24
Publication date: 2018-05-10
Anticipated expiration: 2036-10-24
Also published as: JP6575480B2

Abstract

【課題】ＥＧＲガスの還流時の吸気温度を高精度に制御することが可能な内燃機関の排気還流装置を提供する。【解決手段】排気還流装置は、排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲクーラと、ＥＧＲ通路からＥＧＲクーラをバイパスするバイパス通路と、ＥＧＲクーラへ流れるガス量とバイパス通路へ流れるガス量の流量比を調整する流量比調整弁と、ＥＧＲ率を調整するＥＧＲ率調整弁と、ＥＧＲ率調整弁と流量比調整弁とを制御する制御装置と、を備える。制御装置は、筒内に吸入される吸気の温度を目標温度に近づけるようにフィードバック制御によって流量比を決定する。この際、制御装置は、ＥＧＲ率が高いほどフィードバック制御の制御ゲインを小さな値とするように構成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の排気還流装置に関し、より詳しくは、内燃機関から排気されるガスの一部を吸気系へ還流する排気還流動作（Exhaust Gas Recirculation；ＥＧＲ）を行う内燃機関の排気還流装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、ＥＧＲクーラ付きＥＧＲ装置が開示されている。この装置では、ＥＧＲクーラを通過するＥＧＲガスと通過しないＥＧＲガスとの混合比を調整する流量比調整弁を備えている。そして、この装置では、ＥＧＲクーラを通過したＥＧＲガスと通過しないＥＧＲガスとが混合された後のＥＧＲガスの温度を検出し、この温度が目標のＥＧＲ温度になるようにフィードバック制御によって流量比調整弁の弁開度が調整される。

特開２００１−０４１１１０号公報特開２００８−１７５１０１号公報特開２００９−１２１３５８号公報特開２０１０−１２１５５４号公報

上記従来の技術では、ＥＧＲガス温度を目標温度に近づけることができる。しかしながら、ＥＧＲガス温度を目標温度に近づけたとしても、新気とＥＧＲガスとの合流後の吸気温度を、目標とする吸気温度に制御することは難しい。吸気温度の変化度合は、ＥＧＲガスの温度だけでなく、ＥＧＲガスの還流量、すなわちＥＧＲ率にも関連するからである。そこで、吸気温度を目標吸気温度に近づけるようにフィードバック制御によって混合比を決定する制御が考えられる。しかしながら、このようなフィードバック制御では、制御ゲインの設定に課題がある。すなわち、ＥＧＲ率が高いほどＥＧＲガス温度が吸気温度に与える影響が大きくなる。このため、フィードバック制御においてＥＧＲ率が高い場合に最適な制御ゲインを設定すると、ＥＧＲ率が低い場合における吸気温度の変化が緩慢となってしまう。一方、フィードバック制御においてＥＧＲ率が低い場合に最適な制御ゲインを設定すると、ＥＧＲ率が高い場合において吸気温度の変化が過剰となるおそれがある。このように、フィードバック制御において制御ゲインを一定の値に設定すると、ＥＧＲ率の高低によって制御追従性に差が生じてしまい、吸気温度を高精度に制御することができないおそれがある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、ＥＧＲガスの還流時の吸気温度を高精度に制御することが可能な内燃機関の排気還流装置を提供することを目的とする。

本発明は、内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲクーラと、ＥＧＲ通路からＥＧＲクーラをバイパスするバイパス通路と、ＥＧＲクーラへ流れるガス量とバイパス通路へ流れるガス量の流量比を調整する流量比調整弁と、ＥＧＲ通路を介して内燃機関の筒内に還流されるＥＧＲガスの、筒内の吸気全体に占める割合であるＥＧＲ率を調整するＥＧＲ率調整弁と、ＥＧＲ率調整弁と流量比調整弁とを制御する制御装置と、を備える排気還流装置を対象としている。制御装置は、内燃機関の運転状態に基づいて、ＥＧＲ率調整弁の操作量を決定するように構成されている。また、制御装置は、筒内に吸入される吸気の温度を目標温度に近づけるようにフィードバック制御によって流量比を決定するように構成されている。さらに、制御装置は、ＥＧＲ率が高いほどフィードバック制御の制御ゲインを小さな値とするように構成されている。

ＥＧＲクーラを通るＥＧＲ経路はＥＧＲクーラをバイパスするＥＧＲ経路よりも冷却効率が高い。本発明によれば、筒内に吸入される吸気の温度が目標温度に近づくようにフィードバック制御によって流量比が決定される。また、ＥＧＲ率が高いほど還流ガスの温度が混合ガスの温度に与える影響が大きくなる。本発明によれば、ＥＧＲ率が高いほどフィードバック制御の制御ゲインが小さくされる。これにより、実際の吸気温度の目標温度への追従性をＥＧＲ率によらず一定に近づけることができる。このような制御によって、ＥＧＲによる排気ガス還流時の吸気温度を高精度に制御することが可能となる。

本発明の実施の形態の排気還流装置が適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。流量比Ｒに対する吸気温度の変化をＥＧＲ率毎に比較した図である。ＥＧＲ率に対する制御ゲインの重み付け係数を示す図の一例である。実施の形態１のシステムが吸気温度制御を行う際に実行するルーチンのフローチャートである。本発明の実施の形態の排気還流装置が適用されるエンジンシステムの構成の変形例を示す図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図を参照して説明する。

［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態の排気還流装置が適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、車両等の移動体に搭載される直列３気筒ディーゼルエンジンとして構成されている。但し、内燃機関１０の種別、気筒数および気筒配列はこれに限定されない。内燃機関１０の各気筒には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。

吸気通路１２には、過給機１６のコンプレッサ１６ａが設置されている。コンプレッサ１６ａは、排気通路１４に配置されたタービン１６ｂの回転により駆動される。コンプレッサ１６ａよりも下流側の吸気通路１２には、水冷式のインタークーラ１８が配置されている。インタークーラ１８よりも下流側の吸気通路１２は、内燃機関１０の吸気マニホールド（図示しない）に接続されている。

また、本実施の形態のシステムは、排気通路１４が接続されている排気マニホールド（図示しない）と、インタークーラ１８よりも下流側の吸気通路１２とを接続するＥＧＲ通路２０を備えている。ＥＧＲ通路２０にはＥＧＲ弁２２が設けられている。ＥＧＲ弁２２は、ＥＧＲ通路２０を介して内燃機関１０の筒内に還流されるＥＧＲガスの、当該筒内の吸気全体に占める割合であるＥＧＲ率を調整する。ＥＧＲ通路２０においてＥＧＲ弁２２の排気側にはＥＧＲクーラ２４が備えられている。ＥＧＲ通路２０にはＥＧＲクーラ２４をバイパスするバイパス通路２６が設けられている。ＥＧＲ通路２０から分岐したバイパス通路２６が再びＥＧＲ通路２０に合流する箇所には、ＥＧＲクーラ２４を流れる排気（ＥＧＲガス）とバイパス通路２６を流れる排気（ＥＧＲガス）との流量比を調整するための流量比調整弁２８が設けられている。

また、本実施の形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０を備えている。ＥＣＵ３０は、エンジンシステムの全体を総合制御する制御装置であって、本発明に係る制御装置はＥＣＵ３０の一つの機能として具現化されている。ＥＣＵ３０は、少なくとも入出力インタフェースとメモリとＣＰＵとを備えている。入出力インタフェースは、内燃機関１０および移動体に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、内燃機関１０が備えるアクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられる。ＥＣＵ３０が信号を取り込むセンサには、吸気通路１２におけるＥＧＲ通路２０との接続部よりも下流側を流れる吸気の温度、すなわち内燃機関１０の筒内に吸入される吸気の温度を検出する温度センサ３２が含まれる。ＥＣＵ３０が操作信号を出すアクチュエータには、上述したＥＧＲ弁２２や流量比調整弁２８が含まれる。メモリには、内燃機関１０を制御するための各種の制御プログラム、マップ等が記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。なお、ＥＣＵ３０に接続されるアクチュエータやセンサは図中に示す以外にも多数存在するが、本明細書においてはその説明は省略する。

［実施の形態１の動作］
ＥＣＵ３０により実行されるエンジン制御にはＥＧＲ制御が含まれる。本実施の形態のＥＧＲ制御では、ＥＧＲ率、またはこれと相関を有するＥＧＲガス量等の状態量が、エンジン回転速度及び噴射量等の運転状態から定まる目標値となるように、フィードバック制御等によってＥＧＲ弁２２の操作量が決定される。

また、ＥＣＵ３０により実行されるエンジン制御には吸気温度制御が含まれる。本実施の形態の吸気温度制御では、ＥＧＲガスを筒内に還流している場合において、吸気通路１２に導入されるＥＧＲガスの温度を調整することにより、筒内に吸入される吸気の温度をエンジン回転速度及び噴射量等の運転状態から定まる目標吸気温度に近づくように制御するものである。

なお、ＥＧＲクーラ２４を通過するＥＧＲ経路は、バイパス通路２６を通過するＥＧＲ経路よりも冷却効率が高い。そこで、吸気温度の調整には、流量比調整弁２８が使用される。以下の説明では、筒内に還流される総ＥＧＲガス量をGegr、ＥＧＲクーラ２４を通過するＥＧＲガスの流量をGegrC、バイパス通路２６を通過するＥＧＲガスの流量をGegrCbpと表記する。本実施の形態の吸気温度制御では、総ＥＧＲガス量Gegrに対するＥＧＲクーラ２４を通過するＥＧＲガスの流量GegrCの割合を流量比Ｒと定義し、実際の吸気温度が目標吸気温度に近づくために要求される流量比Ｒを算出する。そして、算出された流量比Ｒを実現するように流量比調整弁２８の操作量（開度）を決定することにより、吸気温度を目標吸気温度に制御する。以下、本実施の形態の吸気温度制御について更に詳しく説明する。

本実施の形態の吸気温度制御では、先ず、エンジン回転速度、筒内に吸入される新気量Ga、排気通路１４へ排気されるガスの排気温度等の状態量を用いて、目標吸気温度を実現するために要求されるＥＧＲガス流量GegrC及びGegrCbpを算出する。そして、算出されたＥＧＲガス流量GegrC及びGegrCbpを用いた次式（１）を用いて、ベースとなる流量比Ｒを算出する。
流量比Ｒ＝GegrC／（GegrC＋GegrCbp）＝GegrC／Gegr ・・・（１）

また、本実施の形態の吸気温度制御では、筒内に吸入される実際の吸気温度が目標吸気温度に近づくように、フィードバック制御によってＥＧＲガスの流量GegrCを補正する。具体的には、先ず、以下の式によってＥＧＲガス流量GegrCの補正量Qfbが算出される。なお、以下の式において、ベース比例ゲイン、ベース積分ゲイン及びベース微分ゲインは、フィードバック制御の比例項、積分項及び微分項の制御ゲインをそれぞれ示している。また、dtnは、温度センサ３２によって検出される吸気温度の実値と目標吸気温度の偏差である。算出された補正量Qfbは、ＥＧＲガス流量GegrCに加算される。これにより、ＥＧＲガス流量GegrCが補正される。
Qfb＝QfbPn＋QfbIn＋QfbDn ・・・（２）
比例項：QfbPn＝ベース比例ゲイン×dTn ・・・（３）
積分項：QfbIn＝QfbIn-1＋ベース積分ゲイン×dTn ・・・（４）
微分項：QfbDn＝ベース微分ゲイン×（dTn−dTn-1）・・・（５）

ここで、吸気温度制御において行なわれるフィードバック制御には、以下の課題がある。図２は、流量比Ｒに対する吸気温度の変化をＥＧＲ率毎に比較した図である。この図に示すように、流量比Ｒに対する吸気温度の変化度合は、ＥＧＲ率が高いほど大きくなっている。これは、ＥＧＲ率が高いほど吸気に占めるＥＧＲガス量の割合が高くなるため、ＥＧＲ率が高いほど吸気温度に対するＥＧＲガスの温度変化の影響度が高くなることに起因する。このため、流量比Ｒを操作量とするフィードバック制御において、目標吸気温度と実際の吸気温度との差を、一定の制御ゲインを用いて流量比Ｒに反映させることとすると、実際のＥＧＲ率の高低によって吸気温度の目標吸気温度への収束性及び追従性に差が生じてしまう。具体的には、例えば低ＥＧＲ率のときに最適な制御ゲインを設定すると、高ＥＧＲ率のときに操作量が過大となり吸気温度に過剰なハンチングが発生してしまうおそれがある。また、高ＥＧＲ率のときに最適な制御ゲインを設定すると、低ＥＧＲ率のときに操作量が緩慢となり吸気温度の収束性が悪化するおそれがある。

そこで、本実施の形態の吸気温度制御では、フィードバック制御における制御ゲインにＥＧＲ率に応じた重み付けを行うこととしている。図３は、ＥＧＲ率に対する制御ゲインの重み付け係数を示す図の一例である。重み付け係数は、制御ゲインに乗算する係数であって、この図に示すように、ＥＧＲ率が高いほど小さな値に設定されている。このような制御によれば、ＥＧＲ率が高いほどフィードバック制御の制御ゲインが小さな値に設定されるので、ＥＧＲ率の差に起因するフィードバック制御の収束性及び追従性のばらつきを小さくすることができる。これにより、幅広いＥＧＲ率においてフィードバック制御の収束性及び追従性を確保することが可能となる。

［実施の形態１の具体的処理］
次に、フローチャートを参照して、実施の形態１において実行される吸気温度制御の具体的処理について説明する。図４は、実施の形態１のシステムが吸気温度制御を行う際に実行するルーチンのフローチャートである。なお、図４に示すルーチンは、ＥＣＵ３０によって所定の制御周期で繰り返し実行される。

図４に示すルーチンでは、先ず、総ＥＧＲガス量Gegrが取得される（ステップＳ２）。ここでは、具体的には、エンジン回転速度、新気量Ga、過給圧、インテークマニホールドのガス温度等の状態量が取得される。そして、これらの状態量を用いた公知の手法によって、総ＥＧＲガス量Gegrが推定される。次に、流量比Ｒが算出される（ステップＳ４）。ここでは、具体的には、ステップＳ２において取得された状態量の引数としたマップを用いて、目標吸気温度を実現するために要求されるＥＧＲガス流量GegrCが算出される。そして、上記ステップＳ２において取得された総ＥＧＲガス量Gegrと本ステップにおいて算出されたＥＧＲガス流量GegrCを上式（１）に代入することにより、流量比Ｒが算出される。また、ステップＳ４の処理と並行して、現在のＥＧＲ率が推定される（ステップＳ６）。ここでは、具体的には、現在の新気量Ga、総ＥＧＲガス量Gegrを用いた以下の式（６）によって現在のＥＧＲ率が推定される。
ＥＧＲ率（％）＝Gegr／（Ga＋Gegr）×１００・・・（６）

次に流量比調整弁２８の開度が算出される（ステップＳ８）。ここでは、具体的には、上記ステップＳ４において算出された流量比Ｒを実現するための流量比調整弁２８の開度が、マップから算出される。

次に、温度センサ３２を用いて現在の吸気温度の実値が検出される（ステップＳ１０）。次に、ステップＳ１０において検出された吸気温度の実値と目標吸気温度の偏差dTnが算出される（ステップＳ１２）。次に、吸気温度制御のフィードバック制御に用いる制御ゲインが算出される（ステップＳ１４）。ここでは、具体的には、図３に示すマップを用いて、上記ステップＳ６において推定されたＥＧＲ率に対応する重み付け係数が算出される。そして、算出された重み付け係数を比例項、積分項及び微分項の各ベース制御ゲインに乗算することにより、各フィードバック項で用いる制御ゲインが算出される。

次に、フィードバック制御によって流量比調整弁２８の開度が補正される（ステップＳ１６）。ここでは、具体的には、上記ステップＳ１０において算出された偏差dTnを用いて、ＥＧＲガス流量GegrCが補正される。次に、補正後のＥＧＲガス流量GegrCを用いて、流量比Ｒが算出される。そして、算出された流量比Ｒを実現するための流量比調整弁２８の開度が、マップから算出される。

このように、上述した実施の形態１のシステムによれば、フィードバック制御における制御ゲインにＥＧＲ率に応じた重み付けが行われる。これにより、幅広いＥＧＲ率において安定したフィードバック制御の収束性及び追従性を確保することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムでは、ＥＧＲ弁２２と流量比調整弁２８とを備えるシステムについて説明したが、これらの弁の構成は図１のものに限られない。図５は、本発明の実施の形態の排気還流装置が適用されるエンジンシステムの構成の変形例を示す図である。図５に示すシステムの構成では、ＥＧＲ弁２２と流量比調整弁２８に変えて制御弁４０、４４を備えている点を除き、図１に示すシステムと同様の構成を備えている。制御弁４０は、ＥＧＲ通路２０において、バイパス通路２６との接続部よりも吸気側且つＥＧＲクーラ２４よりも排気側となる位置に配置されている。制御弁４０は、ＥＧＲクーラ２４を通過するＥＧＲガス流量GegrCを調整することができる。また、制御弁４２は、バイパス通路２６の途中に配置されており、バイパス通路２６を通過するＥＧＲガス流量GegrCbpを調整することができる。このように構成された図５に示すシステムでは、ＥＧＲ制御による総ＥＧＲガス量、及びフィードバック制御による補正後のＥＧＲガス流量GegrCが実現されるように制御弁４０、４２を操作することにより、図１に示すシステムと同様の制御を行うことができる。

また、上述した実施の形態１のシステムでは、フィードバック制御によってＥＧＲクーラ２４を通過するＥＧＲガス流量GegrCを補正する構成とした。しかしながら、フィードバック制御による補正対象はこれに限らず、流量比Ｒやバイパス通路２６を通過するＥＧＲガス流量GegrCbpに補正を施す構成でもよい。また、フィードバック制御の構成は上述した制御の構成に限られず、比例項、積分項及び微分項を何れかを用いた構成であればよい。

また、上述した実施の形態１のシステムでは、吸気温度の取得に温度センサ３２を用いたが、公知の手法を採用して運転状態から推定する構成でもよい。また、ＥＧＲ率の推定や総ＥＧＲガス量の取得等の方法についても上述の方法に限られず、センサ等を用いて直接検出する構成でもよいし、他のセンサを用いて推定する構成でもよい。

１０内燃機関
１２吸気通路
１４排気通路
１６過給機
１６ａコンプレッサ
１６ｂタービン
１８インタークーラ
２０ＥＧＲ通路
２２ＥＧＲ弁
２４ＥＧＲクーラ
２６バイパス通路
２８流量比調整弁
３０ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
３２温度センサ
４０制御弁
４２制御弁

Claims

内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲクーラと、
前記ＥＧＲ通路から前記ＥＧＲクーラをバイパスするバイパス通路と、
前記ＥＧＲクーラへ流れるガス量と前記バイパス通路へ流れるガス量の流量比を調整する流量比調整弁と、
前記ＥＧＲ通路を介して前記内燃機関の筒内に還流されるＥＧＲガスの、前記筒内の吸気全体に占める割合であるＥＧＲ率を調整するＥＧＲ率調整弁と、
前記ＥＧＲ率調整弁と前記流量比調整弁とを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記ＥＧＲ率調整弁の操作量を決定し、
前記筒内に吸入される吸気の温度を目標温度に近づけるようにフィードバック制御によって前記流量比を決定するように構成され、
前記制御装置は、前記ＥＧＲ率が高いほど前記フィードバック制御の制御ゲインを小さな値とするように構成されていることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。