JP4449816B2 - Ｅｇｒガス流量の検出装置およびエンジンの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、排気の一部を吸気へ還流する内燃機関の排気還流ガスの流量検出装置及び制御方法に関する。

内燃機関の燃焼過程においては、混合気中の不活性成分を多くすると、単位発熱量当たりのガス量の増加により燃焼温度が下がり、排気に含まれるＮＯｘの排出量が少なくなるため、内燃機関から排出された排気の一部を吸気側に還流させ、混合気の燃焼温度を下げて排気中のＮＯｘを低減する排気還流いわゆるＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation) が従来から広く採用されている。

このＥＧＲを行うと、火炎核の生成遅れ，火炎伝幡遅れなどが発生するため、内燃機関の運転状態に応じた適切な制御が必要となり、安定した燃焼状態を維持するためにＥＧＲ制御に係る種々の提案がなされている。

例えば、特開平６−７４１００号公報には、排気管の触媒下流側とマフラ上流側との間から延出した排気還流通路に流量センサを介装するとともに、上記排気還流通路の吸気管への合流部に制御弁を設け、前記流量センサからの信号に基づいて前記制御弁の弁開度を制御し、上記排気還流通路を流れる排気の流量が目標値となるようフィードバック制御することにより、大量の排気還流を実行する際に、正確な還流ガスの調量と混合を可能とするＥＧＲの制御技術が開示されている。

特開平６−７４１００号公報

ＥＧＲガス中には高濃度の煤やエンジンオイルなどの汚損物質が含まれており、さらに高温であるため、前記特開平６−７４１００号公報に記載のように排気還流通路に流量センサを備えると、ＥＧＲガス中の汚損物質によりセンサの特性変化やセンサ内部の目詰によってＥＧＲガス流量の検出精度が低下したり、過熱によってセンサが破損したりする虞がある。前記特開平６−７４１００号公報においては、汚損防止のため流量センサ上部にフィルタを設ける事例が示されているが、ＥＧＲガス中に含まれるカーボン等の汚損物質には、数ミクロン程度の微小粒子が含まれていることから、これをフィルタで除去するのは困難である。

また排気還流通路は、排気脈動の影響を受けやすいため、排気還流通路内に逆流を生じたり、流量センサの応答性が低かったりすると、検出する流量誤差が大きくなるという課題がある。

さらに、通常のエンジンは複数気筒で構成されることが多いが、この場合には吸気管内でのガス流の偏流などにより、気筒毎のＥＧＲガス流量に偏差が生じる虞がある。気筒毎のＥＧＲガス流量の偏差が大きいと、ＥＧＲガス流量の多い気筒から大量の煤が排出されたり、逆にＥＧＲガス流量の少ない気筒から大量のＮＯｘが排出されたりする。このため、気筒毎のＥＧＲガス流量を推定し、エンジンを適切に制御することが望ましい。しかし従来技術においては、このような課題を解決する手段が無かった。

上記課題は、スロットル上流に第一のガス流量検出手段を備え、ＥＧＲガスと新気との合流部と吸気管コレクタの間に第二のガス流量検出手段を備えると共に前記第二のガス流量検出手段が検出したガス流量値と前記第一のガス流量検出手段が検出したガス流量値との差分に基づいて、シリンダ内に流入するＥＧＲガス流量を求めることを特徴とするEGRガス流量の検出装置により解決される。

また上記課題は、ＥＧＲガス流量の検出装置を備えて、エンジンクランク軸が２回転する間に少なくともエンジン気筒数個以上のＥＧＲガス流量の時系列値を用いて、気筒毎のＥＧＲガス流量を推定する手段を有し、前記手段によって推定された気筒毎のＥＧＲガス流量に関連して、気筒毎の燃料噴射タイミング、または気筒毎の燃料噴射回数、または気筒毎の燃料噴射量、または新気とＥＧＲガスとの混合制御手段の操作量を決めることを特徴とするエンジンの制御方法によっても解決される。

また、上記課題は、直噴エンジンにおいて、気筒毎のＥＧＲガス流量が多いと推定された気筒の燃料噴射タイミングを、ＥＧＲガス流量が少ないと推定された気筒の燃料噴射タイミングよりも進角することを特徴とするエンジンの制御方法により解決される。

また、より好ましくは、１行程内に複数回の燃料噴射を行う直噴エンジンにおいて、
ＥＧＲガス流量が多いと推定された気筒の１行程内での燃料噴射回数を、ＥＧＲガス流量が少ないと推定された気筒の１行程内での燃料噴射回数よりも多くすることを特徴とするエンジンの制御方法により解決される。

また、より好ましくは、１行程内に複数回の燃料噴射を行う直噴エンジンにおいて、
ＥＧＲガス流量が多いと推定された気筒の前段噴射量の割合を、ＥＧＲガス流量が少ないと推定された気筒の１行程内での前段噴射量の割合よりも多くすることを特徴とするエンジンの制御方法により解決される。

また、より好ましくは、直噴エンジンにおいて、ＥＧＲガス流量が多いと推定された気筒の１行程内での燃料噴射割合を、ＥＧＲガス流量が少ないと推定された気筒の１行程内での燃料噴射割合よりも多くすることを特徴とするエンジンの制御方法により解決される。

また、より好ましくは、気筒間のＥＧＲガス流量の偏差が所定値より小さくなるようにＥＧＲガスと新気との混合度合いを調整する混合制御手段の操作量を決めることを特徴とするエンジンの制御方法により解決される。

以上に説明したに本発明によれば、スロットル上流に設けた流量センサとＥＧＲガスと新気との合流部と吸気管コレクタの間に設けた流量センサを設けることで、高温，高濃度ダスト雰囲気のＥＧＲガス配管内に流量センサを設置しなくてもＥＧＲガス流量を検出することができる。これにより、流量センサの汚損による検出精度の低下や、過熱によるセンサの破損を防止することができる。

また、時系列に検出されたＥＧＲガス流量から気筒毎のＥＧＲ量を推定し、気筒毎の
ＥＧＲ量に関連して、燃料噴射時期，燃料噴射量，パイロット噴射割合を変えることで、煤とＮＯｘの同時低減を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づき説明する。

図１に本実施形態に係るＥＧＲガス流量検出装置の構成図を示す。本実施形態におけるＥＧＲガス流量検出装置は、ディーゼル内燃機関を搭載した車両に適用したものである。本発明は、ディーゼル内燃機関に限らずガソリン内燃機関にも適用可能である。内燃機関２は、４サイクル４気筒エンジンであり、ターボチャージャ３を備えており、エアクリーナ１７，インタークーラ１３，吸気マニホルド，コレクタ１６、などからなる吸気経路４が接続されている。また、内燃機関２には、排気マニホルド，触媒１５、などからなる排気経路５が接続されている。

内燃機関２には、燃焼室に燃料を噴射するインジェクタ６が設けられている。インジェクタ６は、燃料を燃焼室へ供給する燃料噴射手段であり、内燃機関２に形成されるシリンダごとに設置されている。ＥＧＲガスを環流する環流配管７の途中にはＥＧＲクーラ８が設けられている。

ＥＧＲクーラ８は、環流配管７を流通するＥＧＲガスを冷却する冷却手段である。EGRクーラ８としては、例えば、水冷式のものが用いられ、冷却水の循環により環流配管７を流通するＥＧＲガスを冷却する。また、ＥＧＲクーラ８は、積層型，多管型など何れの型式のものを用いてもよい。

環流配管７の途中であってＥＧＲクーラ８の下流側にはＥＧＲ制御弁１０が設けられている。ＥＧＲ制御弁１０は、環流配管７を開閉する弁体であり、弁体の開閉によりＥＧＲガスの環流量を調整する。図１では、ＥＧＲクーラ８が排気側に配置された構成例を示しているが、ＥＧＲクーラ８とＥＧＲ制御弁１０の配置関係については特に制約はない。

吸気経路４と環流配管７はスロットル１４の下流で接続され、この接続部とコレクタ
１６の間に、流量センサ９が設けられている。またエアクリーナ１７の下流には流量センサ１２が設けられている。なお流量センサ１２の取り付け位置は、吸気経路４と環流配管７の接続部より上流であれば、吸気経路４内のいずれの場所でもよい。流量センサ１２は吸気経路を通過する新気の質量流量を検知するものであり、流量センサ９は吸気経路を通過する新気とＥＧＲガス混合気の質量流量を検知するものである。ＥＧＲガスに新気が混ざることで、混合気の温度やカーボンダストやオイル等の汚損物質の濃度はＥＧＲガスに比べて大幅に低くなる。従って、流量センサ９の耐熱性や耐汚損性への要求は環流配管７内に流量センサを設ける場合に比べて大幅に緩くなる。

流量センサ９と１２は、応答速度が速く、また対汚損性が高いものが望ましく、このような流量センサとしては、例えばホットワイヤや半導体基板上に形成したホットフィルムなどを利用した熱式の流量センサがある。熱式の流量センサでは、センサを加熱することで、センサ表面に付着したオイルミストや水分を蒸発させ、カーボンなどの固形ダストがセンサに付着するのを防止できる。また、カーボンがセンサに付着した場合でも、加熱によってカーボンを焼失することができるため、ＥＧＲガスに対する耐汚損性が高い。

ＥＣＵ１１は、エンジン全体の制御を行うものであり、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されている。ＲＯＭにはエンジンの各種制御ルーチンが記憶されている。ＥＣＵ１１には、流量センサ９，１２が接続され流量センサ９，１２の出力信号を入力する。また、ＥＣＵ１１は各気筒のインジェクタ６と接続され、各インジェクタ６に独立に噴射制御信号を出力する。また、ＥＣＵ１１はＥＧＲ制御弁１０と接続され、ＥＧＲ制御弁１０にＥＧＲ制御信号を出力する。

またクランク角センサ１９で検出された機関２のクランク角信号がＥＣＵ１１に入力される。

本実施例におけるＥＧＲガス流量の検出方法について図２を用いて説明する。図２は、流量センサ９および流量センサ１２によって検出された流量の時間変化を示す。流量センサ９および流量センサ１２の検出値は所定時間毎にＥＣＵ１１に取り込まれる。ＥＣＵ11では流量センサ９で検出された新気とＥＧＲガスとの混合気流量値２０から流量センサ
１２で検出された新気の流量値２１を引くことで、ＥＧＲガス流量値２２を求めることができる。

なお、流量センサ９と流量センサ１２の位置間隔が大きいとき、またはガス速度が遅い場合には、流量センサ１２で検出した新気が流量センサ１２の位置に来るまでに時間差が大きくなり、同時刻の検出値を引き算したのでは、ＥＧＲガス流量の検出誤差が大きくなる。そこで、流量センサ１２で検出した新気が流量センサ１２の位置に到着するまでの時間遅れΔｔを推定し、図３に示すように流量センサ１２により求められた新気の流量値
２１をΔｔだけ遅らせた補正検出値２１′を求め、２０と２１′の差からＥＧＲガス流量２２′を求めるようにすると、ＥＧＲガスの検出精度を高めることができる。ここで、時間遅れΔｔは例えば式１によって推定できる。ｇ１は、流量センサ１２で検出した新気流量値であり、所定の時間毎に最新の検出値に更新される。Ｖは流量センサ１２から流量センサ９の間の吸気経路の体積、ρは新気の密度である。

次に、エンジンの各気筒に流入するＥＧＲガス量を推定する方法について図４及び図５を用いて説明する。図４において（Ａ）は、各気筒の吸気行程判別値である。各気筒が吸気行程にあるときに１、吸気行程以外の場合に０の値をとる。この吸気行程判別値は、
ＥＣＵ１１に取り込んだエンジンのクランク角センサ信号を用いて、ＥＣＵ１１内で作成される。本実施例においては、１番気筒，２番気筒，３番気筒，４番気筒の順で吸気行程がクランク角１８０度毎に切り替わる。図４(Ｂ)は流量センサ９および流量センサ１２によって検出された流量の時間変化を示す。２０は流量センサ９で検出された新気とＥＧＲガスとの混合気流量値２０，２１は流量センサ１２で検出された新気の流量値２１，２２は２０から２１を差し引いて求めたＥＧＲガス流量値である。図４（Ｃ）は、各気筒の
ＥＧＲガス流量の推定課程を示している。

図５にクランク軸が２回転した後の各気筒のＥＧＲガス量を求める手順を示す。処理
（５１）によって気筒番号がｎに設定され、処理（５２）で現在気筒のＥＧＲガス量が求まる配列ＥＧＲ（ｎ）が０に初期化される。処理（５３）で吸気行程判別信号により現在の気筒が吸気行程にあるか否かが判定され、吸気行程であれば、処理（５４）により流量センサ値から新気の流量値２１と新気とＥＧＲガスとの混合気流量値２０が読み込まれる。次に処理（５５）で、新気とＥＧＲガスとの混合気流量値２０と新気の流量値２１の差からＥＧＲ流量値２２が求められる。続いて処理（５６）により、ＥＧＲ流量値２２と流量の検出間隔δｔとの積がＥＧＲ（ｎ）へ足しこまれて、時間積分が行われる。処理
（５４）から処理（５６）が現在の気筒ｎの吸気行程中、繰り返されて、ＥＧＲ（ｎ）には、吸気行程間のＥＧＲガス流量の時間積分値、すなわち現在のシリンダ内に流入した
ＥＧＲガス量が求められる。吸気行程が終わると、処理（５７）で気筒番号ｎが次の気筒に更新され、処理（５２）に戻る。処理（５８）でｎ＞４になると、全ての気筒のＥＧＲガス量が配列ＥＧＲ（ｎ）に求まる。

なお、流量センサ９，１２の応答時間が吸気行程期間と同程度の場合は、流量センサは吸気行程内での細かい流量変動は捕らえられず、ほぼ吸気行程中の平均流量を検出すると考えられる。この場合には流量の積分時間間隔δｔを吸気行程期間とほぼ同じとして、吸気行程中で１回のみ流量を検出して、その流量値から現在気筒のＥＧＲガス量を求めてもよい。すなわちクランク軸が２回転する間に、各気筒について処理（５４）から（５６）を最低１回ずつ行うことで、気筒毎のＥＧＲ量を求めることができる。

気筒毎のＥＧＲ量に基づき、気筒毎に最適制御を行うことで、エンジンのエミッションを低減できる。次に、気筒毎の噴射時期の制御方法について図６を用いて説明する。図６は各気筒のＥＧＲ量に対する燃料噴射時期の補正特性を示している。本実施例では、気筒間の平均ＥＧＲ量を例えば次の算術平均で求める。

ＥＧＲ０＝｛ＥＧＲ（１）＋ＥＧＲ（２）＋ＥＧＲ（３）＋ＥＧＲ（４）｝／４
平均ＥＧＲ量ＥＧＲ０，吸入新気量，エンジン回転数などに基づき、ＥＣＵ１１内の
ＲＯＭに予め格納された運転マップに基づき、基準噴射時期Ｔｉ０を求める。次に、各気筒の燃料噴射時期を図６の補正特性に基づき決める。本補正特性では、気筒毎ＥＧＲ量がＥＧＲ０より多い場合は噴射時期が基準噴射時期より進角補正され、また気筒毎ＥＧＲ量がＥＧＲ０より少ない場合は噴射時期が基準噴射時期より遅角補正される。これは、次の理由による。気筒内に多くのＥＧＲガスが入っている場合は、不活性ガス濃度が高いため着火後の燃焼が緩慢となり煤が発生しやすくなる。この場合には、その気筒の燃料噴射時期を早めて熱発生を進角させることで燃焼期間を長くとり煤の発生を抑える必要がある。

一方、気筒内のＥＧＲガスが少ない場合には燃焼速度が上がるためＮＯｘ排出が増える。従ってその気筒の噴射時期を遅らすことで着火を遅くしてシリンダ内の最高到達温度を下げるのがＮＯｘ低減に有効である。

図７は、気筒毎の燃料噴射量を補正する例である。ＥＧＲ量が多い気筒では煤の発生を防止するため、燃料噴射量を少なくする必要がある。そこで図７の噴射量補正特性では、ＥＧＲ量の多い気筒では噴射量を減量補正する。一方、ＥＧＲ量が少なく煤に対して余裕がある気筒は噴射量を増量補正することでエンジンのトルク低下を防止する。

ディーゼルエンジンにおいては、パイロット噴射により主噴射後の着火遅れを低減することができる。そこで気筒毎のＥＧＲ量に従ってパイロット噴射の割合（全噴射量に対するパイロット噴射の量）を変える制御も考えられる。図８は、気筒毎ＥＧＲ量に対するパイロット噴射割合の補正特性を示している。ＥＧＲ量が平均ＥＧＲ量より多い気筒ではパイロット噴射の割合を増やすことで主燃焼の着火遅れを低減し、煤の発生を抑える。一方、ＥＧＲ量の少ない気筒では、パイロット噴射の割合を減らすことで、主燃焼の着火遅れを大きくしてＮＯｘの低減を図ることができる。パイロット噴射の割合は、パイロット噴射の噴射パルス幅、もしくはパイロット噴射の噴射回数によって変更することができる。具体的にはパイロット噴射の割合を多くするには、パイロット噴射の回数を増やすか、パイロット噴射の噴射パルス幅を広くすればよい。

その他に、ＥＧＲガスと新気との混合度合いを、気筒毎のＥＧＲ量偏差に基づき操作する制御方法も考えられる。図９，図１０を用いて、ＥＧＲガスと新気との混合度合いを、気筒毎のＥＧＲ量偏差に基づき操作する制御方法の一実施例について説明する。

図９はＥＧＲガスと新気の混合度合いを調整する手段の例を示している。環流配管７と吸気経路４の合流部の下流側に、バイパス管９１を設けて、バイパス管９１への混合気の配分量を、図示しないＥＣＵの指令値に基づき開度変更可能なバタフライ弁９３によって調整する。バイパス管９１内の断面には多孔板９２が設けられており、バイパス管内を流れるガスは多孔板９２が生成する乱流渦により混合が促進される。図９の混合調整手段を使えば、バタフライ弁９３を閉めると、バイパス管９１へのガス分配が多くなるので、
ＥＧＲガスと新気との混合度合いが強くなる。一方で、バイパス管９１での圧力損失は多孔板９２のために大きいので、バタフライ弁９３を閉めるに従って、新気，ＥＧＲガス混合気の圧力損失は大きくなる。従って、バタフライ弁９３の開度によって、ＥＧＲガスと新気の混合度合いと、圧力損失を調整できる。

図１０は気筒間のＥＧＲ量偏差（標準偏差）に対するバタフライ弁９３の開度の決め方を示している。気筒間のＥＧＲ量偏差が大きい場合にはバタフライ弁９３の開度を小さくして、新気とＥＧＲガスの混合をより促進するようにして、気筒間のＥＧＲ量偏差を小さくする。一方、気筒間のＥＧＲ量偏差が小さい場合にはバタフライ弁９３の開度を大きくして、混合気の圧力損失を低減する。このように、気筒間のＥＧＲ量偏差に基づいて、新気とＥＧＲガスの混合度合いを制御することによって、ＥＧＲガスの気筒間偏差と圧力損失の低減を図ることができる。

本実施形態に係るＥＧＲガス流量の検出装置を備えた機関の基本構成図。 本実施形態に係る新気流量，ＥＧＲガス流量，新気，ＥＧＲガス混合気流量の検出値の例。 本実施形態に係る新気の時間遅れ補正を考慮した場合の、ＥＧＲガス混合気流量の検出値の例。 本実施形態に係る気筒毎の吸気行程信号，新気，ＥＧＲガス，混合気流量の検出値の例。 本実施形態に係る気筒毎のＥＧＲガス量を求める手順。 本実施形態に係る気筒毎ＥＧＲ量に対する噴射時期補正パターン。 本実施形態に係る気筒毎ＥＧＲ量に対する噴射量補正パターン。 本実施形態に係る気筒毎ＥＧＲ量に対するパイロット噴射割合補正パターン。 新気とＥＧＲガスとの混合調整手段の例。 本実施形態に係る気筒間ＥＧＲ偏差とバタフライ弁開度パターン。

符号の説明

１…排気環流装置、２…機関、３…ターボチャージャ、４…吸気経路、５…排気経路、６…インジェクタ、７…環流配管、８…ＥＧＲクーラ、９，１２…流量センサ、１０…
ＥＧＲ制御弁、１１…ＥＣＵ、１３…インタークーラ、１４…スロットル、１５…触媒、１６…コレクタ、１７…エアクリーナ、１９…クランク角センサ、２０…新気とＥＧＲガス混合気流量検出値、２１…新気の流量値、２２…ＥＧＲガス流量値、９１…バイパス管、９２…多孔板、９３…バタフライ弁。

Claims (6)

1. ＥＧＲガス流量の検出装置を備えて、エンジンクランク軸が２回転する間に少なくともエンジン気筒数個以上のＥＧＲガス流量の時系列値を用いて、気筒毎のＥＧＲガス流量を推定する手段を有し、前記手段によって推定された気筒毎のＥＧＲガス流量に関連して、気筒毎の燃料噴射タイミング、または気筒毎の燃料噴射回数、または気筒毎の燃料噴射量、または新気とＥＧＲガスとの混合制御手段の操作量を決めることを特徴とするエンジンの制御方法。
2. 直噴エンジンにおいて、気筒毎のＥＧＲガス流量が多いと推定された気筒の燃料噴射タイミングを、ＥＧＲガス流量が少ないと推定された気筒の燃料噴射タイミングよりも進角することを特徴とする請求項１記載のエンジンの制御方法。
3. １行程内に複数回の燃料噴射を行う直噴エンジンにおいて、ＥＧＲガス流量が多いと推定された気筒の１行程内での燃料噴射回数を、ＥＧＲガス流量が少ないと推定された気筒の１行程内での燃料噴射回数よりも多くすることを特徴とする請求項１記載のエンジンの制御方法。
4. １行程内に複数回の燃料噴射を行う直噴エンジンにおいて、ＥＧＲガス流量が多いと推定された気筒の前段噴射量の割合を、ＥＧＲガス流量が少ないと推定された気筒の１行程内での前段噴射量の割合よりも多くすることを特徴とする請求項１記載のエンジンの制御方法。
5. 直噴エンジンにおいて、ＥＧＲガス流量が多いと推定された気筒の１行程内での燃料噴射割合を、ＥＧＲガス流量が少ないと推定された気筒の１行程内での燃料噴射割合よりも多くすることを特徴とする請求項１記載のエンジンの制御方法。
6. 気筒間のＥＧＲガス流量の偏差が所定値より小さくなるようにＥＧＲガスと新気との混合度合いを調整する混合制御手段の操作量を決めることを特徴とする請求項１記載のエンジンの制御方法。

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