JP4197336B2 - 内燃機関の排気ガス還流装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の排気ガス還流装置に関する。
ディーゼルエンジンのような内燃機関においては、排気ガス浄化，特に、窒素酸化物の排出削減のためには、該排気ガス還流制御が重要となる。従来の排気ガス環流装置としては、例えば、特開２００３−８３０３４号公報，特許第３３２９７１１号公報，特表２００３−５１６４９６号公報に記載されているように、所定の排気ガス還流率となるように、排気ガス環流弁の開度を制御していた。
特開２００３−８３０３４号公報 特許第３３２９７１１号公報 特表２００３−５１６４９６号公報
しかしながら、排気ガス環流弁の開度を制御する従来の方式では、内燃機関の運転領域全て，特に、過渡的な運転条件変化に対して、排気ガス中の有害物質低減のため、排気ガス還流率を急変する必要が生じた場合、適正な制御を行うことが困難であるという問題があった。
本発明の目的は、内燃機関の排気ガス還流流量制御の応答速度及び精度の向上した排気ガス還流装置を提供することにある。
（１）上記目的を達成するために、本発明は、
内燃機関の排気ガス還流通路の還流流量を制御する還流ガス制御弁と、内燃機関の吸気通路の流量制御する吸気制御弁とを備えた内燃機関の排気ガス還流装置であって、前記還流ガス制御弁は、電子制御方式であり、前記吸気制御弁は、電子制御方式のスロットルアクチュエータで駆動されるものであり、前記吸気通路を流れる吸気流量を検出する吸気量検知器と、前記排気ガス還流通路を流れる排気ガスの質量流量を検出する還流量検知器と、前記吸気流量検知器によって検出された吸気流量と前記還流流量検知器によって検出された排気ガスの質量流量に基いて排気ガス還流率を求め、求められた排気ガス環流率が目標の環流率となるように、前記吸気制御弁の開度と前記還流ガス制御弁の開度を制御することで、前記排気ガスの質量流量に基づいて前記吸気制御弁の開度を制御する制御手段を備え、当該制御手段は、前記排気ガス還流率が急変する必要が生じた場合には、前記還流ガス制御弁若しくは前記吸気制御弁のいずれかを優先的に開度制御する機能を備えているものである。
かかる構成により、内燃機関の排気ガス還流流量制御の応答速度及び精度を向上し得るものとなる。
（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、前記環流率の目標値が急激に変化した場合には、前記吸気制御弁及び前記還流ガス制御弁の内、応答性の早い方の弁をフィードバック制御するようにしたものである。
（３）上記（１）において、好ましくは、前記還流ガス制御弁開度と、前記吸気制御弁開度と、前記環流率との組合せ状態によって定義される３次元マップを複数個備え、前記制御手段は、内燃機関の運転状態に応じた前記３次元マップを選択し、前記吸気流量検知器と前記還流流量検知器の出力に基いて求められた排気ガス環流率が目標の環流率となるように、前記吸気制御弁の開度と前記還流ガス制御弁の開度を制御するようにしたものである。
（４）上記（３）において、好ましくは、前記制御手段は、前記環流率の目標値が急激に変化した場合には、前記吸気制御弁及び前記還流ガス制御弁の内、応答性の早い方の弁を制御するようにしたものである。
（５）上記（２）〜（４）のいずれかにおいて、好ましくは、目標還流率の変化が所定の値より大きい場合は、前記吸入空気量制御弁の開度を優先的に制御するようにしたものである。
（６）上記（２）〜（４）のいずれかにおいて、好ましくは、目標還流率の変化が所定の値より小さい場合は、前記還流ガス制御弁の開度を優先的に制御するようにしたものである。
（７）上記（５），（６）のいずれかにおいて、好ましくは、前記吸入空気量制御弁の開度制御若しくは前記還流ガス制御弁の開度制御がオープンループ制御である。
（８）上記（７）において、好ましくは、前記吸入空気量制御弁の開度制御若しくは前記還流ガス制御弁の開度制御が目標値近傍に近づいたら、前記吸入空気量制御弁の開度制御若しくは前記還流ガス制御弁の開度制御がフィードバック制御に切り替わるようにしたものである。
本発明によれば、内燃機関の排気ガス還流流量制御の応答速度及び精度を向上することができる。
以下、図１〜図８を用いて、本発明の一実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置を用いたエンジンシステムの構成について説明する。ここでは、ディーゼルエンジンの構成を例として説明する。
図１は、本発明の一実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置を用いたエンジンシステムの構成について説明する。
エンジンに吸入される空気は、エアクリーナ１において吸気中の塵を除去される。そして、吸気流量検出器２によって、吸気流量Ｇ１が検出される。検出された吸気流量Ｇ１の信号は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２１及び排気ガス環流コントローラ（ＥＧＲＣＯＮＴ）２０に入力する。吸気は、ターボチャージャーのコンプレッサ３にて加圧され、吸気管４を通過し、吸気流量制御弁５で流量若しくは圧力が制御される。吸気は、さらに、吸気マニホールド６に流入し、エンジン７の各気筒に分配される。
吸気流量制御弁５の開度は、排気ガス環流コントローラ２０から出力される吸気流量制御信号ＣＴＨによって制御される。吸気流量制御弁５は、例えば、バタフライ式の弁であり、バタフライ弁の開度信号が検出され、開度信号θＴＨとして、排気ガス環流コントローラ２０に取り込まれる。
エンジン７に設けられた燃料噴射弁１９からは、エンジン７のシリンダに燃焼用燃料が供給される。燃料噴射弁１９への燃料供給は、燃料配管１８を介して燃料ポンプ１７が行われる。また、燃料噴射弁１９の噴射量は、ＥＣＵ２１によって制御され、ＥＣＵ２１は、燃料噴射量信号ＦＩＮＪを燃料噴射弁１９に供給する。
エンジン７で燃焼が終了した排気は、排気マニホールド８により集合され、ターボチャージャーのタービン９を通過した後、触媒１０，排気管１１を通って大気中に排気される。排気マニホールド８には分岐部１２が設けられており、エンジン７からの排気ガスの一部が分岐される。分岐された排気ガスは、還流ガスとして、還流管１３ａで導かれる。環流管１３ａには、還流ガス冷却器１４が設けられている。還流ガス冷却器１４によって冷却された還流ガスは、還流管１３ｂ，還流ガス制御弁１６を通過し、吸気マニホールド６に還流する。
還流ガス制御弁１６の開度は、排気ガス環流コントローラ２０から出力される環流ガス制御弁１６の開度制御信号ＣＥＧによって制御される。環流ガス制御弁１６は、例えば、シートバルブ式の弁であり、シートバルブのストローク量が検出され、ストローク信号ＳＴＥＧとして、排気ガス環流コントローラ２０に取り込まれる。環流ガス制御弁１６として、例えば、バタフライ式の弁を用いる場合には、バタフライ弁の開度信号が、排気ガス環流コントローラ２０に取り込まれる。
還流管１３ｂには、還流ガス流量検出器１５が設けられており還流管内部を流れる還流ガス流量Ｇ２を測定する。測定された環流ガス流量Ｇ２は、排気ガス環流コントローラ２０に入力する。なお、還流ガス冷却器１４は、還流ガスの温度を下げるため設けられているが、省略することも可能である。
ＥＣＵ２１には、エンジン７の回転数信号ＮＥや、吸気流量検出器２からの吸気流量信号Ｇ１等のほか図示されないエンジンや車両の状態を示す信号が入力する。ＥＣＵ２１は、これらの信号に基づいて演算等を行い、各種デバイスへ制御指令値として各種デバイスに送る。ＥＣＵ２１は、エンジン７の回転数信号ＮＥや吸気流量信号Ｇ１等の信号に基づいてエンジン７の運転状態を判定する。ＥＣＵ２１は、この運転状態に応じて、還流ガス還流率指令値ＲＳＥＴを排気ガス環流コントローラ２０に出力する。
排気ガス環流コントローラ２０は、吸気流量Ｇ１と環流ガス流量Ｇ２とから排気ガスの環流率Ｒを求める。そして、排気ガス環流コントローラ２０は、求められた環流率Ｒが還流ガス還流率指令値ＲＳＥＴと一致するように、吸気流量制御弁５および／または還流ガス制御弁１６の開度をフィードバック制御する。すなわち、本実施形態では、排気ガスの環流量が目標値となるように、還流ガス制御弁１６だけなく、吸気流量制御弁５をも制御する点に特徴がある。
次に、図２及び図３を用いて、本実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置における排気ガス環流コントローラの制御内容について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置の制御系のブロック図である。図３は、本発明の一実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置における排気ガス環流コントローラの制御内容を示すフローチャートである。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
図２に示すように、排気ガス環流コントローラ２０には、ＥＣＵ２１が出力する還流ガス還流率指令値ＲＳＥＴ，吸気流量検出器２によって検出された吸気流量信号Ｇ１及び還流ガス流量検出器１５によって検出された還流ガス流量Ｇ２が入力する。排気ガス環流コントローラ２０は、排気ガスの環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴとなるように、還流ガス制御弁１６に開度制御信号ＣＥＧを出力し、吸気流量制御弁５に吸気流量制御信号ＣＴＨを出力し、これらの弁１６，５を制御する。なお、排気ガス環流コントローラ２０は、排気ガスの環流率Ｒを、吸気流量信号Ｇ１及び還流ガス流量Ｇ２から、（Ｇ２／（Ｇ１＋Ｇ２））として算出する。
なお、以下の説明において、吸気流量制御弁５の応答性が、還流ガス制御弁１６の応答性よりも早いものとする。具体的には、吸気流量制御弁５は、例えば、ボア径が５０φのバタフライ弁とし、還流ガス制御弁１６が、例えば、シート径が３０φのシート弁とすると、このとき、吸気流量制御弁５の応答性が、還流ガス制御弁１６の応答性よりも早いものとなる。
次に、図３を用いて、排気ガス環流コントローラの制御内容について説明する。なお、以下の制御内容は、全て排気ガス環流コントローラ２０によって実行される。
図３のステップｓ１００において、排気ガス環流コントローラ２０は、吸気流量信号Ｇ１及び還流ガス流量Ｇ２から、排気ガスの環流率Ｒを、（Ｇ２／（Ｇ１＋Ｇ２））として算出する。
次に、ステップｓ１１０において、ＥＣＵ２１から入力した排気ガスの環流率Ｒの目標値ＲＳＥＴの変化分ΔＲＳＥＴが、予め設定されている基準値ΔＲ０よりも大きいか否かを判定する。変化分ΔＲＳＥＴが、基準値ΔＲ０よりも大きい場合には、ステップｓ１２０に進み、そうでない場合にはステップｓ１５０に進む。すなわち、ステップｓ１１０では、排気ガスの環流率Ｒの目標値ＲＳＥＴが大きく変化したか否かを判定する。内燃機関の過渡的な運転条件変化があり、排気ガス中の有害物質低減のため、排気ガス還流率を急変する必要が生じたか否かを判定する。
変化分ΔＲＳＥＴが基準値ΔＲ０よりも大きい場合，すなわち、排気ガス還流率を急変する必要が生じた場合には、ステップｓ１２０において、ステップｓ１１０で算出された排気ガスの環流率Ｒが、排気ガスの環流率Ｒの目標値ＲＳＥＴと等しいか否かを判定する。
環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴより大きい場合には、ステップｓ１３０において、吸気流量制御弁５に出力する開度制御信号ＣＴＨを減少させ、吸気流量制御弁５の開度が小さくなるように制御する。そして、ステップｓ１２０に戻り、環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴに等しくなるまで繰り返される。
一方、環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴより小さい場合には、ステップｓ１４０において、吸気流量制御弁５に出力する開度制御信号ＣＴＨを増加させ、吸気流量制御弁５の開度が大きくなるように制御する。そして、ステップｓ１２０に戻り、環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴに等しくなるまで繰り返される。
以上のように、ステップｓ１２０，ｓ１３０，１４０の処理を繰り返すことにより、環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴに等しくなるまでフィードバック制御される。このとき、吸気流量制御弁５の応答性が、還流ガス制御弁１６の応答性よりも早いものとしているので、排気ガス還流率を急変する必要が生じた場合でも、速やかに排気ガス環流率を所定の目標値に変更することが可能となる。
一方、ステップｓ１１０の判定で、変化分ΔＲＳＥＴが基準値ΔＲ０以下と判定された場合，すなわち、排気ガス還流率の変化がそれほど大きくない場合には、ステップｓ１５０において、ステップｓ１１０で算出された排気ガスの環流率Ｒが、排気ガスの環流率Ｒの目標値ＲＳＥＴと等しいか否かを判定する。
環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴより大きい場合には、ステップｓ１６０において、還流ガス制御弁１６に出力する開度制御信号ＣＥＧを減少させ、還流ガス制御弁１６の開度が小さくなるように制御する。そして、ステップｓ１５０に戻り、環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴに等しくなるまで繰り返される。
一方、環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴより小さい場合には、ステップｓ１７０において、還流ガス制御弁１６に出力する開度制御信号ＣＥＧを増加させ、還流ガス制御弁１６の開度が大きくなるように制御する。そして、ステップｓ１５０に戻り、環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴに等しくなるまで繰り返される。
以上のように、ステップｓ１５０，ｓ１６０，１７０の処理を繰り返すことにより、環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴに等しくなるまでフィードバック制御される。このとき、還流ガス制御弁１６の応答性は、吸気流量制御弁５の応答性よりも遅いものであるということは、より微妙な開度制御が可能であり、正確に、排気ガス環流率を所定の目標値に変更することが可能となる。
なお、以上の説明では、吸気流量制御弁５の応答性が、還流ガス制御弁１６の応答性よりも早いものとしたが、逆に、還流ガス制御弁１６の応答性が、吸気流量制御弁５の応答性よりも早い場合もある。具体的には、吸気流量制御弁５は、例えば、ボア径が３０φのバタフライ弁とし、還流ガス制御弁１６が、例えば、シート径が５０φのシート弁とすると、このとき、還流ガス制御弁１６の応答性が、吸気流量制御弁５の応答性よりも早いものとなる。このような場合には、排気ガス還流率を急変する必要が生じた場合には、応答性の早い還流ガス制御弁１６を制御し、急変が不要の場合には、応答性の遅い吸気流量制御弁５を制御して制御精度が向上するようにする。
以上のようにして、排気ガス還流率を急変する必要が生じた場合には、応答性の早い方の制御弁を制御することにより、急激な変化にも対応でき、一方、急変が不要な場合には、応答性の遅い方の制御弁を制御することにより、制御精度を向上することができる。
次に、図４を用いて、本実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置における排気ガス環流コントローラのフィードバック制御方法について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置において、エンジン７の吸気側の吸気流量制御弁５から排気側のターボチャージャーのタービン９までをモデル化した図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
図４において、吸気流量制御弁５を通過する流量と圧力をそれぞれＧ１，ｐ１とし、ターボチャージャーのタービン９を通過する流量と圧力をそれぞれＧ３，ｐ３とし、還流ガス制御弁１６においてエンジン７を基準にしてエンジン７の排気側である還流管１３ａを通過する流量と圧力をそれぞれＧ２，ｐ２とすると、この系の関係は、以下の式（１），式（２），式（３）の連立方程式で表わすことができる。
Ｇ１＋Ｇ２＝Ｇ３＝ｆ３（ｎｅ，ηｖ，ｐ２） …（１）
Ｇ１＝ｆ１（ｐ１，ｐ２，ζ） …（２）
Ｇ２＝ｆ２（ｐ２，ｐ３，ζ’） …（３）
ここで、ｎｅ：エンジン回転数、η：エンジンの体積効率、ｖ：エンジン排気量、ｐ１：吸気圧力、ｐ２：エンジンの背圧、ｐ３：ターボチャージャーのタービン背圧、ζ：吸気流量制御弁損失係数、ζ’：還流ガス制御弁損失係数、ｆ１：吸気流量制御弁流量特性、ｆ２：還流ガス制御弁流量特性である。
一方、還流ガス還流率Ｒは、上述したように、Ｒ＝Ｇ２／（Ｇ１＋Ｇ２）で与えられる。つまり、吸気流量制御弁５を通過する流量Ｇ１と還流ガス制御弁を通過する流量Ｇ２の値が求まれば一義的に確定する。
ここで、式（２）で示される通り、吸気流量制御弁５を通過する流量Ｇ１は、損失係数ζ，つまり吸気流量制御弁５弁の開度により制御可能である。同様に、式（３）で示される通り、還流ガス制御弁１６を通過する流量Ｇ２は、損失係数ζ’，つまり還流ガス制御弁１６の弁開度により制御可能である。つまり、流量Ｇ１，Ｇ２の値を基に、吸気流量制御弁５の弁開度と還流ガス制御弁１６弁開度との指令系にフィードバック系を組むことにより、還流ガス還流率Ｒを制御できることになる。
さらに、この場合予め吸気流量制御弁５および還流ガス制御弁１４の流量特性を把握して置くことにより、制御速度の向上が可能となる。すなわち、例えば、吸気流量制御弁５を駆動して吸気流量を変化させた場合の単位時間当たりの流量変化分と、還流ガス制御弁１４を駆動して吸気流量を変化させた場合の単位時間当たりの流量変化分とを予め把握する。そして、吸気流量制御弁５を駆動して吸気流量を変化させた場合の単位時間当たりの流量変化分が、還流ガス制御弁１４を駆動して吸気流量を変化させた場合の単位時間当たりの流量変化分よりも早い場合、すなわち、吸気流量制御弁５の応答性が還流ガス制御弁１６の応答性よりも早い場合には、排気ガス還流率を急変する必要が生じた場合には、吸気流量制御弁５を制御することにより、速やかに排気ガス環流率を所定の目標値に変更することが可能となり、制御速度が向上する。
次に、図５及び図６を用いて、本実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置に用いる還流ガス流量検出器１５の構成について説明する。
図５は、本発明の一実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置に用いる還流ガス流量検出器の第１の構成を示す部分断面図である。図６は、本発明の一実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置に用いる還流ガス流量検出器の第２の構成を示す部分断面図である。
図５に示す還流ガス流量検出器１５は、環流管内部の圧力により、環流ガス流量を測定するものである。還流管１３ｂの内壁面の一部には、絞り部１５３が形成されている。低圧側圧力検知器１５２は、絞り部１５３に検知部が開口するように設けられている。高圧側圧力検知器１５１は、絞り部１５３が設けられていない場所の環流管１３ｂに検知部が開口するように設けられている。低圧側圧力検知器１５２と、高圧側圧力検知器１５１とにより、還流管１３ｂの内部の圧力を測定する。低圧側圧力検知器１５２は、絞り部１５３に設けられることにより、ベルヌーイの定理によるベンチュリ効果を利用することができる。排気ガス環流コントローラ２０は、２個の圧力検知器１５１，１５２の圧力差から、還流管１３ｂの内部の還流ガス流量Ｇ２を検知することができる。さらに、環流管１３ｂの内部を流れる環流ガスの温度を検出する温度センサ１５４を備えている。排気ガス環流コントローラ２０は、圧力検知器１５１，１５２の圧力差から求められた還流ガス流量Ｇ２を、温度センサ１５４によって検出された環流ガス温度によって補正する。なお、還流ガス流量検出器１５の内部に、圧力検知器１５１，１５２の圧力差から還流ガス流量Ｇ２を求め、さらに、温度センサ１５４によって検出された環流ガス温度によって補正するための回路素子を備え、還流ガス流量検出器１５が、環流ガス流量Ｇ２の検出信号を排気ガス環流コントローラ２０に出力するようにしてもよいものである。
図６に示す還流ガス流量検出器１５Ａは、熱線式検知器により、環流ガス流量を測定するものである。還流ガス流量検出器１５６は、還流管１３ｂの壁面に設置されている。また、還流ガス流量検出器１５６には、検知エレメント１５７が設けられており、還流管１３Ｂの内部の還流ガス流量を測定している。検知エレメント１５７には電流が流され、一定温度となるように加熱されている。環流ガスの流量に応じて、検知エレメント１５７から奪われる熱量が変化する。このとき、検知エレメント１５７の温度が一定となるように制御することにより、検知エレメント１５７を流れる電流が環流ガス流量を示す信号となる。この方式では、熱線式検知器を用いるので、質量流量つまりＧ２を直接測定することができる。
以上は、還流ガス流量検出器１５の構成の説明であるが、吸気流量検出器２としても、図５に示した圧力を検知する方式のものや、図６に示した熱線式のものを用いることができる。
次に、図７及び図８を用いて、本実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置に用いる吸気流量制御弁５の特性について説明する。
図７，図８は、本発明の一実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置に用いる吸気流量制御弁の駆動方式の違いによる特性を示す図である。図７，図８において、横軸は時間を示し、縦軸は吸気流量制御弁の弁開度を示している。縦軸の弁開度は、最大開度のときを１００％として、百分率で示している。
図７において、実線Ｘ１は、吸気流量制御弁５として、電子制御方式のスロットルアクチュエータを用いた場合の弁開度の特性を示している。実線Ｘ２は、吸気流量制御弁５として、負圧式のスロットルアクチュエータを用いた場合の弁開度の特性を示している。
実線Ｘ２で示す負圧式アクチュエータでは、弁開度Ａと全開点であるＢのみの２開度しか制御できず還流ガス還流率を前述のフィードバック制御するのが困難である。
一方、実線Ｘ１で示すように、電子制御方式のスロットルアクチュエータを用いた場合、弁開度０から全開点Ｂまで無段階に制御可能であり、フィードバック制御を容易に実現できる。よって、本実施形態に用いる吸気流量制御弁５としては、電子制御方式のスロットルアクチュエータを用いるのが好適である。
次に、図８は、電子制御方式のスロットルアクチュエータの駆動方式の違いによる特性の違いを説明している。実線Ｙ１は、直流電動機によりスロットルバルブを駆動する方式のスロットルアクチュエータにおける応答性を示している。実線Ｙ１は、ステップモータによりスロットルバルブを駆動する方式のスロットルアクチュエータにおける応答性を示している。
ステップモータは、駆動パルスに応じた回転をするためオープンループ制御が可能であるが、図中の実線Ｙ２で示す特性のように、直流電動機方式に比べて応答速度が遅いものである。一般にステップモータは脱調を回避する等の制約から高速化が困難であり、高速化を求める場合ステップモータの大型化ひいてはコスト高を招くものである。
これに対して、直流電動機は、小型で高回転タイプの物が容易に入手でき、さらに、位置のフィードバック制御を行うことで、小型，高速で低コストの駆動原として好適である。
また、制御分解能の観点で見た場合、ステップモータでは駆動ステップが制御分解能となり、高速化と相反する。一方、直流電動機方式の場合、フィードバック制御に用いる位置検出センサの分解能により決まり、ポテンショメータ等の連続出力方式のものを使用すれば容易に高分解能なフィードバック系が成立する。
したがって、電子制御方式のスロットルアクチュエータの駆動源としては、直流電動機が好適である。なお、ブラシレスモータを採用した場合でも、直流電動機と同様な結果が得られる。
以上説明したように、本実施形態によれば、排気ガス還流率を急変する必要が生じた場合でも、応答性の早い方の制御弁を制御することにより、急激な変化にも対応でき、一方、急変が不要な場合には、応答性の遅い方の制御弁を制御することにより、制御精度を向上することができる。
次に、図９〜図１１を用いて、本発明の他の実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置を用いたエンジンシステムの構成は、図１に示したものと同様である。
図９は、本発明の他の実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置の制御系のブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。図１０は、本発明の他の実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置に用いるマップの構成図である。図１１は、本発明の他の実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置における排気ガス環流コントローラの制御内容を示すフローチャートである。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。
図９に示すように、本実施形態では、排気ガス環流コントローラ２０Ａは、その内部に３次元マップ２０Ｂを備えている。排気ガス環流コントローラ２０Ａには、ＥＣＵ２１が出力する還流ガス還流率指令値ＲＳＥＴ，吸気流量検出器２によって検出された吸気流量信号Ｇ１，還流ガス流量検出器１５によって検出された還流ガス流量Ｇ２，吸気流量制御弁５からの開度信号θＴＨ及び還流ガス制御弁１６からのストローク信号ＳＴＥＧが入力する。
排気ガス環流コントローラ２０Ａは、排気ガスの環流率Ｒを、吸気流量信号Ｇ１及び還流ガス流量Ｇ２から、（Ｇ２／（Ｇ１＋Ｇ２））として算出する。排気ガス環流コントローラ２０Ａは、排気ガスの環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴとなるように、最初にマップ２０Ｂを用いて、還流ガス制御弁１６に開度制御信号ＣＥＧや、吸気流量制御弁５に吸気流量制御信号ＣＴＨを出力し、さらに、フィードバック制御により、還流ガス制御弁１６に開度制御信号ＣＥＧを出力し、吸気流量制御弁５に吸気流量制御信号ＣＴＨを出力し、これらの弁１６，５を制御する。
次に、図１０を用いて、３次元マップ２０Ｂの内容について説明する。マップ２０Ｂは、新気通路開度θＴＨ（％）と、環流通路開度ＳＴＥＧ（％）と、環流率Ｒ（％）との３次元マップである。新気通路開度θＴＨ（％）は、吸気流量制御弁５がバタフライ式の弁の場合、最大開度を１００％として、開度信号θＴＨを百分率で示したものである。環流通路開度ＳＴＥＧ（％）は、環流ガス制御弁１６がシートバルブ式の弁の場合、シートバルブの最大ストローク量を１００％として、ストローク信号ＳＴＥＧを百分率で示したものである。
図１０は、あるエンジンの運転状態時において、上述した式（１），式（２），式（３）を解いた結果を示している。ここでは、図示の関係で、吸気流量制御弁５の指示範囲は開度５％から２５％まで、同様に還流ガス制御弁１４の指示範囲は開度０％から６０％までとなっている。３次元のマップ上の格子点は、還流ガス還流率を満足する吸気流量制御弁５弁および還流ガス制御弁の弁開度の関係を示している。３次元マップ２０Ｂは、エンジンの各運転状態に対応する複数の３次元マップを設けている。そして、エンジンの運転状態に応じたマップを使用して、そのマップ上の格子点を選ぶことにより、オープンループ制御によっても還流ガス還流率を制御することもできる。
ここで、図１０に示した吸気流量制御弁５と還流ガス制御弁１６の弁開度変化に対するガス還流率の変化を見た場合、吸気流量制御弁５の開度変化に対するガス還流率の変化割合の方が、吸気流量制御弁５の開度変化に対するガス還流率の変化割合よりも大きくなっている。さらに、電子制御方式のスロットルアクチュエータでは弁開度が０％から１００％まで動作するのに１００ｍｓｅｃ以下のものが実用化されており、図１０中の５％から２５％の領域は２０ｍｓｅｃ程度で動作可能である。従って、図１０に示した例では、吸気流量制御弁５の応答性が、還流ガス制御弁１６の応答性よりも早く、還流ガス還流率指令値ＲＳＥＴが、例えばパルス的に急変した場合でも、電子制御方式のスロットルアクチュエータである吸気流量制御弁５を主にして動作させれば、パルス的な指令値の変動にも対応できる。すなわち、過渡的なエンジン運転状態の変化にも対応できる。
次に、図１１を用いて、排気ガス環流コントローラ２０Ｂの制御内容について説明する。なお、以下の制御内容は、全て排気ガス環流コントローラ２０Ｂによって実行される。また、図３と同一ステップ番号は、同一の処理内容を示している。本実施形態では、図３の処理に対して、ステップｓ２１０〜ｓ２４０の処理が追加されている。
図１１のステップｓ１００において、排気ガス環流コントローラ２０Ｂは、吸気流量信号Ｇ１及び還流ガス流量Ｇ２から、排気ガスの環流率Ｒを、（Ｇ２／（Ｇ１＋Ｇ２））として算出する。
次に、ステップｓ１１０において、ＥＣＵ２１から入力した排気ガスの環流率Ｒの目標値ＲＳＥＴの変化分ΔＲＳＥＴが、予め設定されている基準値ΔＲ０よりも大きいか否かを判定する。変化分ΔＲＳＥＴが、基準値ΔＲ０よりも大きい場合には、ステップｓ２１０に進み、そうでない場合にはステップｓ２３０に進む。すなわち、ステップｓ１１０では、排気ガスの環流率Ｒの目標値ＲＳＥＴが大きく変化したか否かを判定する。内燃機関の過渡的な運転条件変化があり、排気ガス中の有害物質低減のため、排気ガス還流率を急変する必要が生じたか否かを判定する。
変化分ΔＲＳＥＴが基準値ΔＲ０よりも大きい場合，すなわち、排気ガス還流率を急変する必要が生じた場合には、ステップｓ２１０において、そのときのエンジンの運転状態に応じた３次元マップ２０Ｂを用いて、還流ガス還流率指令値ＲＳＥＴに対応する環流率Ｒと、環流通路開度ＳＴＥＧ（％）とから、目標とする新気通路開度θＴＨ（％）を求める。
そして、ステップｓ２２０において、目標とする新気通路開度θＴＨ（％）となるための開度制御信号ＣＴＨを吸気流量制御弁５に出力して、吸気流量制御弁５の開度が目標とする新気通路開度θＴＨ（％）となるように、オープンループで制御する。このように、オープンループで新気通路開度θＴＨ（％）となるように、吸気流量制御弁５の開度を制御することで速やかに目標とする新気通路開度θＴＨ（％）付近に制御することができる。
次に、ステップｓ１２０において、ステップｓ１１０で算出された排気ガスの環流率Ｒが、排気ガスの環流率Ｒの目標値ＲＳＥＴと等しいか否かを判定する。
環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴより大きい場合には、ステップｓ１３０において、吸気流量制御弁５に出力する開度制御信号ＣＴＨを減少させ、吸気流量制御弁５の開度が小さくなるように制御する。そして、ステップｓ１２０に戻り、環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴに等しくなるまで繰り返される。
一方、環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴより小さい場合には、ステップｓ１４０において、吸気流量制御弁５に出力する開度制御信号ＣＴＨを増加させ、吸気流量制御弁５の開度が大きくなるように制御する。そして、ステップｓ１２０に戻り、環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴに等しくなるまで繰り返される。
以上のように、ステップｓ１２０，ｓ１３０，１４０の処理を繰り返すことにより、環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴに等しくなるまでフィードバック制御される。以上のように、吸気流量制御弁５の応答性が、還流ガス制御弁１６の応答性よりも早いので、非気ガス還流率を急変する必要が生じた場合でも、速やかに排気ガス環流率を所定の目標値に変更することが可能となる。
一方、ステップｓ１１０の判定で、変化分ΔＲＳＥＴが基準値ΔＲ０以下と判定された場合，すなわち、排気ガス還流率の変化がそれほど大きくない場合には、ステップｓ２３０において、そのときのエンジンの運転状態に応じた３次元マップ２０Ｂを用いて、還流ガス還流率指令値ＲＳＥＴに対応する環流率Ｒと、新気通路開度θＴＨ（％）とから、目標とする環流通路開度ＳＴＥＧ（％）を求める。
そして、ステップｓ２４０において、目標とする環流通路開度ＳＴＥＧ（％）となるための開度制御信号ＣＥＧを還流ガス制御弁１６に出力して、還流ガス制御弁１６の開度が目標とする環流通路開度ＳＴＥＧ（％）となるように、オープンループで制御する。
次に、ステップｓ１５０において、ステップｓ１１０で算出された排気ガスの環流率Ｒが、排気ガスの環流率Ｒの目標値ＲＳＥＴと等しいか否かを判定する。
環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴより大きい場合には、ステップｓ１６０において、還流ガス制御弁１６に出力する開度制御信号ＣＥＧを減少させ、還流ガス制御弁１６の開度が小さくなるように制御する。そして、ステップｓ１５０に戻り、環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴに等しくなるまで繰り返される。
一方、環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴより小さい場合には、ステップｓ１７０において、還流ガス制御弁１６に出力する開度制御信号ＣＥＧを増加させ、還流ガス制御弁１６の開度が大きくなるように制御する。そして、ステップｓ１５０に戻り、環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴに等しくなるまで繰り返される。
以上のように、ステップｓ１５０，ｓ１６０，１７０の処理を繰り返すことにより、環流率Ｒが目標値ＲＳＥＴに等しくなるまでフィードバック制御される。このとき、還流ガス制御弁１６の応答性は、吸気流量制御弁５の応答性よりも遅いものであるということは、より微妙な開度制御が可能であり、正確に、排気ガス環流率を所定の目標値に変更することが可能となる。
なお、以上の説明では、吸気流量制御弁５の応答性が、還流ガス制御弁１６の応答性よりも早いものとしたが、逆に、還流ガス制御弁１６の応答性が、吸気流量制御弁５の応答性よりも早い場合もある。このような場合には、排気ガス還流率を急変する必要が生じた場合には、応答性の早い還流ガス制御弁１６を最初にオープンループで制御し、次にフィードバック制御し、急変が不要の場合には、応答性の遅い吸気流量制御弁５を制御して制御精度が向上するようにする。
以上説明したように、本実施形態によれば、排気ガス還流率を急変する必要が生じた場合でも、応答性の早い方の制御弁を最初オープンループで制御することにより、速やかに目標開度付近に弁を移動し、次にフィードバック制御することにより、目標開度に収束させることにより、急激な変化にも対応でき、一方、急変が不要な場合には、応答性の遅い方の制御弁を制御することにより、制御精度を向上することができる。
図１は、本発明の一実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置を用いたエンジンシステムの構成について説明する。 図２は、本発明の一実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置の制御系のブロック図である。 図３は、本発明の一実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置における排気ガス環流コントローラの制御内容を示すフローチャートである。 図４は、本発明の一実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置において、エンジンの吸気側の吸気流量制御弁から排気側のターボチャージャーのタービンまでをモデル化した図である。 図５は、本発明の一実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置に用いる還流ガス流量検出器の第１の構成を示す部分断面図である。 図６は、本発明の一実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置に用いる還流ガス流量検出器の第２の構成を示す部分断面図である。 図７は、本発明の一実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置に用いる吸気流量制御弁の駆動方式の違いによる特性を示す図である。 図８は、本発明の一実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置に用いる吸気流量制御弁の駆動方式の違いによる特性を示す図である。 図９は、本発明の他の実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置の制御系のブロック図である。 図１０は、本発明の他の実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置に用いるマップの構成図である。 図１１は、本発明の他の実施形態による内燃機関の排気ガス還流装置における排気ガス環流コントローラの制御内容を示すフローチャートである。

Claims (8)

  1. 内燃機関の排気ガス還流通路の還流流量を制御する還流ガス制御弁と、内燃機関の吸気通路の流量制御する吸気制御弁とを備えた内燃機関の排気ガス還流装置であって、
    前記還流ガス制御弁は、電子制御方式であり、
    前記吸気制御弁は、電子制御方式のスロットルアクチュエータで駆動されるものであり、
    前記吸気通路を流れる吸気流量を検出する吸気量検知器と、
    前記排気ガス還流通路を流れる排気ガスの質量流量を検出する還流量検知器と、
    前記吸気流量検知器によって検出された吸気流量と前記還流流量検知器によって検出された排気ガスの質量流量に基いて排気ガス還流率を求め、求められた排気ガス環流率が目標の環流率となるように、前記吸気制御弁の開度と前記還流ガス制御弁の開度を制御することで、前記排気ガスの質量流量に基づいて前記吸気制御弁の開度を制御する制御手段を備え、
    当該制御手段は、前記排気ガス還流率が急変する必要が生じた場合には、前記還流ガス制御弁若しくは前記吸気制御弁のいずれかを優先的に開度制御する機能を備えていることを特徴とする内燃機関の排気ガス還流装置。
  2. 請求項１記載の内燃機関の排気ガス還流装置において、
    前記制御手段は、前記環流率の目標値が急激に変化した場合には、前記吸気制御弁及び前記還流ガス制御弁の内、応答性の早い方の弁をフィードバック制御することを特徴とする内燃機関の排気ガス還流装置。
  3. 請求項１記載の内燃機関の排気ガス還流装置において、さらに、
    前記還流ガス制御弁開度と、前記吸気制御弁開度と、前記環流率との組合せ状態によって定義される３次元マップを複数個備え、
    前記制御手段は、内燃機関の運転状態に応じた前記３次元マップを選択し、前記吸気流量検知器と前記還流流量検知器の出力に基いて求められた排気ガス環流率が目標の環流率となるように、前記吸気制御弁の開度と前記還流ガス制御弁の開度を制御することを特徴とする内燃機関の排気ガス還流装置。
  4. 請求項３記載の内燃機関の排気ガス還流装置において、
    前記制御手段は、前記環流率の目標値が急激に変化した場合には、前記吸気制御弁及び前記還流ガス制御弁の内、応答性の早い方の弁を制御することを特徴とする内燃機関の排気ガス還流装置。
  5. 請求項２若しくは４のいずれかに記載の内燃機関の排気ガス還流装置において、
    目標還流率の変化が所定の値より大きい場合は、前記吸入空気量制御弁の開度を優先的に制御することを特徴とする内燃機関の排気ガス還流装置。
  6. 請求項２若しくは４のいずれか記載の内燃機関の排気ガス還流装置において、
    目標還流率の変化が所定の値より小さい場合は、前記還流ガス制御弁の開度を優先的に制御することを特徴とする内燃機関の排気ガス還流装置。
  7. 請求項５若しくは６のいずれか記載の内燃機関の排気ガス還流装置において、
    前記吸入空気量制御弁の開度制御若しくは前記還流ガス制御弁の開度制御がオープンループ制御であることを特徴とする内燃機関の排気ガス還流装置。
  8. 請求項７記載の内燃機関の排気ガス還流装置において、
    前記吸入空気量制御弁の開度制御若しくは前記還流ガス制御弁の開度制御が目標値近傍に近づいたら、前記吸入空気量制御弁の開度制御若しくは前記還流ガス制御弁の開度制御がフィードバック制御に切り替わることを特徴とする内燃機関の排気ガス還流装置。
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