JP4713437B2 - 内燃機関の排気ガス再循環装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の排気ガス再循環装置に関する。
内燃機関における排気ガスの窒素酸化物放出量低減には、排気ガスを吸気側に循環させる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation ）による燃焼温度の抑制が有効である。以下、このＥＧＲによって吸気側に再循環される排気ガスを「ＥＧＲガス」と記載する。
ここでＥＧＲが有効に実施されるためには、排気側から吸気側に向かってＥＧＲガスが逆流することなく流れる必要がある。従って排気側の圧力が吸気側の圧力よりも高い必要がある。しかしながら過給器を用いた内燃機関では、吸気側の圧力が排気側の圧力よりも高くなる状況が発生する。そこで、排気ガスを循環させる通路にＥＧＲ制御弁を設けること、及び、ＥＧＲガスの圧力を検知して、逆流が発生している状況では当該ＥＧＲ制御弁を閉めることが知られている（特開２００４−１００５０８号公報）。
特開２００４−１００５０８号公報
上記従来技術では、ＥＧＲガスの逆流を感知してからＥＧＲ弁の閉弁制御を行う。このため、ＥＧＲガスの流れる方向が順流から逆流に変化する際、検出器の応答遅れ時間に加え、計算処理による判定時間とＥＧＲ制御弁の駆動時間については逆流状態が継続してしまう。ここでＥＧＲガスが逆流すると、内燃機関での燃焼条件が制御装置内で想定されている状況と異なってしまうため、適切な空燃費等が達成されず、内燃機関の排気等に悪影響を及ぼすおそれがある。そこで、逆流を防ぐために排気ガス再循環を行う条件を、逆流が発生しにくい運転状態に制限することが必要となり、排気ガス再循環の効果を有効に生かすことができないという課題がある。
上記課題を解決するため、例えば、特許請求の範囲に記載の如く構成すればよい。



本発明によれば、ＥＧＲガスの逆流を防止することができるので、排気ガス再循環を実施できる運転条件、及び再循環させるＥＧＲガスの量を増やすことができる。従って、内燃機関の出力を低下させることなく排気ガスの有害成分を低減出来る。
以下、図面を用いて、本発明の実施形態を説明する。
図１に、本発明の第一の実施例にかかるエンジンの制御装置の構成図を示す。エンジン１９の吸気側には、上流からエアクリーナ１７，エアフローセンサ２，過給器のコンプレッサ６（ｂ），インタークーラ１６，吸入空気量を調整するスロットルバルブ１３，吸気管２０，インジェクタ５が配置されている。
過吸器は、排気通路内に設けられたタービン６（ａ）と、吸気通路内に設けられたコンプレッサ６（ｂ）とを備えている。当該タービン６（ａ）は排気ガスにより駆動され、これに連結されたコンプレッサ６（ｂ）が駆動される。これにより、コンプレッサ６（ｂ）は吸気を圧縮して吸気圧力を上昇させる。すなわち、過給器によって排気ガスの運動エネルギの一部を回収することができる。またインタークーラ１６は、コンプレッサ６（ｂ）により圧縮された空気を冷却する。これによって吸気の膨張を抑制し、圧縮効率を向上させる。
エンジン１９に吸入される空気量は、スロットルバルブ１３により制御される。スロットルバルブ１３は吸気通路内に設けられたバタフライ弁の角度を制御することにより、吸入空気量を制御する。本実施例の制御を実施する場合は、スロットルバルブ１３は電子制御スロットルバルブであることが好ましい。電子制御スロットルバルブとはモータ等の電気式アクチュエータによってスロットルバルブを駆動する装置であり、応答性がよいという特徴がある。
コントロールユニット（以下、「ＥＣＵ」という）８はエアフローセンサ２による吸気量の検出値の入力を受け、当該吸気量がアクセルペダル開度や補機の駆動状況によって定まる必要な吸気量となるようにスロットルバルブ１３の開度を制御する。
本実施例においては、吸気管２０には吸気圧センサ１４が配されている。吸気圧センサ
１４により吸気管２０内の圧力を検出することで、以下に説明するように好適な吸気量制御が可能となる。
エンジン１９の排気管２３には排気圧センサ３が設けられている。また、エンジン１９の排気側には、排気管２３から吸気管２０へ排気を再循環するＥＧＲ流路９が設けられている。このＥＧＲ流路９には、再循環される排気ガス（以下、「ＥＧＲガス」という）を冷却するＥＧＲクーラ１０，ＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲ制御弁１１が設置されている。また、このＥＧＲ流路９中には、ＥＧＲ流量を検出するＥＧＲ流量センサ１２を配している。
ＥＣＵ８は、アクセル開度αやブレーキ状態などのユーザ要求，車速などの車両状態，エンジン冷却水温や排気温度などのエンジン運転条件に応じて、エンジン１９の燃焼モードや制御量などを決定する。そして、前述のスロットルバルブ１３の開度及びインジェクタ５の燃料噴射量を制御する。なお本実施例のインジェクタ５は燃焼室１８に直接燃料噴射する形式としている。
より具体的に説明すると、ＥＣＵ８は、アクセル開度センサ１の開度信号αに基づいて目標エンジントルクを演算し、当該目標エンジントルクに基づいて燃料噴射弁５の燃料噴射量を演算する。さらにＥＣＵ８は、演算した燃料噴射量に対し、スロットルバルブ１３の開度信号θｔｐ，ＥＧＲ制御弁１１の開度信号θｅｇｒ，コンプレッサ６（ｂ）の過給圧Ｐｔｉｎの出力値の少なくとも一つを用いて、補正を行う。
本実施例における制御フローチャートを図５に示す。また、図２に本実施例の制御によるＥＧＲガスの流量（以下「ＥＧＲ流量」という）の変化を示す。
図２は横軸にエンジン１９の運転時間を取り、縦軸にＥＧＲ流量を取ったグラフである。ここでＥＧＲ流量は、排気側から吸気側に流れる順流状態を正とし、吸気側から排気側に流れる逆流状態を負とする。図２は、順流状態のＥＧＲ流量が次第に減少し、本実施例の制御を実施しなければ逆流状態が発生するようなエンジン１９の運転条件を示している。
まず、本実施例のＥＧＲ弁の制御装置は起動すると、図５に示す計測と演算と制御信号の発信を周期的に繰り返す。
最初に吸気管２０に配された吸気圧センサ１４の検出値，排気管２３に配された排気圧センサ３の検出値，ＥＧＲ流路９に配されたＥＧＲ流量センサ１２の値を読み込む（ステップ１００１）。
次に吸気圧センサ１４の検出値と排気圧センサの検出値の差を算出して、ＥＧＲガスの流れ方向を判別する。すなわち、吸気圧センサ１４の検出値（吸気圧）の方が排気圧センサ３の検出値（排気圧）よりも低いときは、ＥＧＲガスが排気側から吸気側に流れている順流状態と判断できる。一方、吸気圧センサ１４の検出値（吸気圧）の方が排気圧センサ３の検出値（排気圧）よりも高いときは、ＥＧＲガスが吸気側から排気側に流れる逆流状態と判断できる(ステップ１００２)。そこで吸気圧の方が排気圧よりも高いときはＥＧＲ制御弁１１を閉弁する（ステップ１００５）。これによりＥＧＲガスの逆流を防止する。
逆に、ステップ１００２において順流状態と判断されたときは、次のステップに進む
（ステップ１００２）。この場合において、ＥＧＲ流量センサ１２によって検出される
ＥＧＲガス流量の検出値がゼロの場合、ＥＧＲガスが流れていないと判別できる。そこでＥＧＲ流量の検出値がゼロの場合は制御弁を閉弁する（ステップ１００３）。ここで
「ＥＧＲ流量の検出値がゼロ」とは、ＥＧＲ流量センサの検出値が厳密にゼロである場合のみならず、ＥＧＲ流量の検出値が、ＥＧＲ流量を制御する目的からみて実質的にゼロとみなし得る所定範囲以内（０±α以内）になった場合も含む意味である。
一方、ＥＧＲ流量センサ１２によるＥＧＲ流量の検出値がゼロで無い場合は順流状態と判別して次のステップ１００４に移る（ステップ１００３）。この場合において、ＥＧＲ流量センサ１２の検出値よりＥＧＲ流量が予め定められた閾値以下の場合は、ＥＧＲ制御弁１１を閉弁する（ステップ１００４）。ＥＧＲ流量が逆流状態に近くなっていると判断できるからである。
以上の制御によれば、図２の点線に示すように、ＥＧＲ流量の検出値が所定の閾値を下回ったところでＥＧＲ制御弁１１を閉弁し、ＥＧＲ流量を実質的にゼロに制御することができる。これにより、その後に吸気側と排気側の圧力の大小関係が逆転しても、吸気側から排気側に向かう逆流が発生することを防止できる。本実施例は、後述する他の実施例と比較して制御内容が単純になる利点がある。
なお、ここで用いる閾値は実験により定める。例えば、複数の閾値についてエンジン
１９を運転する実験を行う。そして、それぞれの閾値について発生した逆流値の平均値を算出し、当該平均値が最も低くなる閾値を採用することができる。
本発明の第二の実施例を、図６，図３を用いて説明する。なお、前提となるエンジン制御システムは基本的に第一の実施例と同様であり、図１に示す通りである。
前述の第一の実施例では、ＥＧＲ制御弁を閉じるか否かの判断する閾値を予め定めた固定値としていたが、本実施例では、計測したＥＧＲ流量の変化に基づいて、ＥＧＲ流量が順流から逆流に切り換わるタイミングを推定し、当該タイミングからＥＧＲガスの流れを遮断するのに必要な時間を逆算して、ＥＧＲ制御弁を閉じるか否かの判断する閾値を算出する点を特徴とする。従ってこの閾値の定め方以外の構成，効果については第一の実施例と同様である。以下、相違点を中心に説明する。
本実施例において、ＥＧＲ弁の制御装置は、起動すると、周期的に計測と演算と制御信号の発信を繰り返す。
最初に、吸気管２０に配された吸気圧センサ１４の検出値，排気管に配された排気圧センサの検出値，ＥＧＲ流路９に配されたＥＧＲ流量センサ１２の値を読み込む（ステップ１００１）。
次に、吸気圧センサ１４の検出値と排気圧センサの検出値の差を算出して、ＥＧＲの流れ方向を判別する（ステップ１１０２）。なお、ここでは一回の圧力差の測定結果ではなく、複数のタイミングでの圧力差の平均値を求め、当該平均値が所定の閾値以上であるか否かによりＥＧＲ制御弁の開閉を判断する。すなわち、複数回の平均値において、吸気側の圧力の方が排気側の圧力より所定以上大きい場合は、逆流状態が継続していると考えられるので、ＥＧＲ制御弁を閉弁する（ステップ１００５）。逆に吸気側と排気側の圧力差の平均値が所定の閾値より小さい場合は、順流状態と判別してＥＧＲ制御弁の開弁を開始し（ステップ１１５１）、次のフローに移る（ステップ１１０２）。
続いて、ＥＧＲ流量センサ１２によるＥＧＲ流量の検出値がゼロの場合、ＥＧＲが流れていないと判別して制御弁を閉弁する（ステップ１００３）。一方ＥＧＲ流量センサ１２によるＥＧＲ流量の検出値がゼロで無い場合は順流状態と判別して次のフローに移る（ステップ１００３）。ステップ１００１からステップ１００３までの処理は実施例１と同様であるので、詳細な説明は割愛する。
ステップ１１０４では、複数の異なるタイミングにおけるＥＧＲ流量の検出値に基づいて、ＥＧＲ流量の時間変化を特定の関数で近似する。例えば、前回以前のＥＧＲ流量の検出値と今回のＥＧＲ流量の検出値を用いて回帰計算を行い、ＥＧＲ流量の時間変化を一次式で近似する。
そして、当該近似式に基づいてＥＧＲ流量が順流から逆流に切り換わる時刻である逆流到達時間を算出する。すなわち、上記一次式で近似されたＥＧＲ流量がゼロになる時刻を算出する。
続いてステップ１１０５に進み、逆流発生の可能性を判断する。ここで、ステップ1104で算出した逆流到達時間がマイナスである場合は、近似式の傾きが正、すなわち増加傾向である場合である。この場合は、ＥＧＲ流量が増加していると考えられるので、現時点では逆流の可能性は無いと判断できる。従って、ステップ１１５では算出した逆流到達時間がマイナスか否かを判断し、マイナスである場合には処理を終了して、スタートに戻る
（ステップ１１０５）。一方、この逆流到達時間がマイナスでなければ、現時点で逆流の可能性があると判別して次のステップ１１０６に進む（ステップ１１０５）。
なお、ＥＧＲ流量の変化が小さく、ほぼ横ばいである場合には、上記のようにして求められる逆流到達時間が非常に大きな値となり、演算結果にエラーが生じる可能性がある。そこで、求められた逆流到達時間が所定の閾値より大きい場合には、ステップ１１０５が前回実行されたときの逆流到達時間の値を保持することが望ましい。
ステップ１１０６では、逆流到達時間と予め定めた応答遅れ時間の差より閾値を算出する。ここで応答遅れ時間は、センサの検出遅れ、ＥＧＲ制御弁１１を駆動して閉弁状態に至るまでの弁駆動時間による遅れ、及びこれらの検出，判断，駆動に伴う演算時間による遅れなどの遅延要因の時間合計である。従って、算出した逆流到達時間から応答遅れ時間だけ遡った時刻を求め、当該時刻における前述の近似式の値を閾値とする。
なお、上記応答遅れ時間には、上述のような制御系の構成上必然的に発生する遅れ時間に加えて余裕時間を加えてもよい。また、近似式を用いて求められる閾値に所定の余裕幅を加えた値を閾値としてもよい。このようにすることで、ＥＧＲ流量の変化率が大きく、近似式の精度が悪い場合でもＥＧＲガスの逆流を防ぐことができる。
ステップ１１０７では、ＥＧＲ流量センサ１２によるＥＧＲ流量の検出値がステップ
１１０６で算出した閾値以下であるか否かを判断する。ここでＥＧＲ流量の検出値が閾値以下の場合は、ＥＧＲ制御弁１１を閉弁する（ステップ１００５）。逆流状態に近くなっていると判断できるからである。一方、ＥＧＲ流量の検出値が閾値より大きいときは、処理を終了してスタートに戻る（ステップ１１０７）。
以上の制御によれば、図３に示すように、ＥＧＲ流量の検出値が所定の閾値を下回ったところでＥＧＲ制御弁１１を閉弁し、ＥＧＲ流量を実質的にゼロに制御することができる。これにより、その後に吸気側と排気側の圧力の大小関係が逆転しても、吸気側から排気側に向かう逆流が発生することを防止できる。本実施例によれば、第一の実施例に比べて逆流状態発生の判定精度が向上される。また逆流発生により近いタイミングまでＥＧＲガスの再循環を行うことができるので、エンジン１９においてＥＧＲを用いて排気を改善できる運転領域が拡大される。
本発明の第三の実施例を、図７，図４を用いて説明する。なお、前提となるエンジン制御システムは基本的に第一及び第二の実施例と同様であり、図１に示す通りである。
本実施例では、ＥＧＲ制御弁の動作に必要な時間等をより詳細に考慮して、ＥＧＲ制御弁を閉じるか否かを判断する閾値を算出する点を特徴とする。従ってこの閾値の定め方以外の構成，効果については第一及び第二の実施例と同様である。以下、相違点を中心に説明する。
図４は本発明の装置における制御方法の一例を示したものであり、これの具体的な制御フローチャートを図７に示す。
本実施例において、ＥＧＲ弁の制御装置は、起動すると、周期的に計測と演算と制御信号の発信を繰り返す。ステップ１００１から１１０５までの処理は第二の実施例と同様である。ステップ１１０５において、逆流到達時間がマイナスでなければ、現時点で逆流の可能性があると判別して次のステップ１２０６に進む。
ステップ１２０６では、予め定めた計算に用いるデータ数より今回の計算に掛かる演算時間を算出する。
次にステップ１２０７において、測定したＥＧＲ制御弁１１の弁開度θに基づいて、現在の弁開度から目標の弁開度まで駆動するのに必要な時間（弁駆動時間）を算出する。この計算にはＥＧＲ制御弁１１を駆動するモータの動作特性を考慮して、駆動の加速時と定速時それぞれに掛かる時間を算出する。
加速時の時間Ｃと、この間の駆動開度Ａは一定値とし、定角速度Ｂでの駆動時間については、（θ−Ａ）×Ｂにて算出する。ここで、ＥＧＲ弁の駆動時間と弁開度と回転角速度の関係を図８および図９に示す。尚、制御弁の方式がバタフライ方式で無い場合は、適用弁の動作特性に合わせた動作時間計算を行うものとする。
次にステップ１２０８に進み、検定により予め定めたセンサの検出遅れ時間と算出した演算時間、及び前述の弁駆動時間を合計し、応答遅れの合計時間を算出する。この応答遅れの合計時間とステップ１１０４で求めた逆流到達時間との差を算出し、これを残り時間とする。
ここで前記残り時間（α）、測定から逆流到達までの予測時間（β）、制御弁の駆動に必要な時間（γ）、閾値の算出に必要な時間（δ）、測定手段の測定応答遅れ時間（η）とした場合、α＝β−γ−δ−ηの数式を用いて算出する。
この残り時間が計測サイクル時間と比較して短ければ、次の判定までに逆流となる可能性が高いと判別して、残り時間がゼロになった時点でＥＧＲ制御弁１１を閉弁する（ステップ１２１２）。
この残り時間が計測サイクル時間と比較して短くなければ、次の判定までに逆流となる可能性が低いと判別して、処理を終了して次回の計測に移る（ステップ１２１０）。
本実施例では、流量変化と応答遅れ時間の特性を考慮した分、第一及び第二の実施例に比べて制御内容が緻密になっており、ＥＧＲガス逆流の判定制度が向上するという利点がある。
図１０及び図１１を用いて、本発明の他の実施形態を説明する。
実施例１乃至３では、ＥＧＲガスの流量を検出するＥＧＲ流量センサ１２を用いてEGR流量を検出したが、本実施例では吸気管と排気管とＥＧＲ管それぞれに流れるガスの温度を測定することでＥＧＲの流れ方向及び流量を測定する。なお、ＥＧＲ制御弁１１を閉弁するか否かの判断については、実施例１乃至３のいずれかに示す処理を用いるので、説明を省略する。
温度の異なった２種類のガスＴ４とＴ６を混合し、混合ガスの温度Ｔ５の相対値（Ｔ５−Ｔ６）／（Ｔ４−Ｔ６）は混合比にほぼ一致する。この混合比と吸気管２０に取り付けたエアフローセンサ２によって得られた吸入空気流量の積を求めることで、ＥＧＲ流量が算出される。更に同様の構成を排気側にも配置すれば逆流の流量が算出されるため、流れ方向の判別が可能となる。
低流量においては脈動流の影響から測定精度が低くなるが、計測応答性が良く、エアフローセンサの検出温度が利用できることから、簡素な構成でＥＧＲガスの流量と流れ方向の測定が可能になるという利点がある。
図１２及び図１３を用いて、本発明の他の実施形態を説明する。
図１２は図１に示すエンジン制御装置の変形例を示すブロック図である。この実施例では、ＥＧＲ通路を二つに分岐させ、それぞれの分岐点から吸気通路に合流する点までの管路長を異ならせている。また、当該ＥＧＲ通路の分岐点に三方弁を用いてＥＧＲ制御弁
９１を構成する。これによりＥＧＲ制御弁は、第一のＥＧＲ通路９２を介してＥＧＲガスを通過させる状態と、当該第一のＥＧＲ通路よりも管路長が長い第二のＥＧＲ通路９３を介してＥＧＲガスを通過させる状態と、ＥＧＲガスの通過を遮断する閉弁状態とを切り換えることが出来る。なお、特に説明しない構成については図１と同様である。
ここで、第一のＥＧＲ通路と第二のＥＧＲ通路との切り換えは、ＥＣＵ８がエアフローセンサ２の出力信号に基づいて脈動周期を検出し、この脈動周期と予め定めた閾値を比較することによって行う。この方法によれば、ＥＧＲガス脈動の慣性効果を適用することが可能となり、ＥＧＲが順流となる運転領域を拡大できるという利点がある。
図１３は、ＥＧＲガスクーラ１０を、ＥＧＲ制御弁９１で分岐した後の片側のＥＧＲ通路に配置した点で図１２に示す実施例と異なる。特に説明しない構成については図１及び図１２に示す実施例と同様である。この方法によれば、図１２に示す実施例と同様の効果を奏する他に、混合ガスの温度を制御することが出来る。また、片側の通路にガス冷却器を設けないことにより、ガス冷却器による圧力損失を削減することを選択出来るようになる。
本発明の一実施例におけるエンジン制御装置の構成図。 本発明の一実施例における制御内容を示す図。 本発明の一実施例における制御内容を示す図。 本発明の一実施例における制御内容を示す図。 本発明の一実施例における制御内容を示すフローチャート。 本発明の一実施例における制御内容を示すフローチャート。 本発明の一実施例における制御内容を示すフローチャート。 ＥＧＲ制御弁の制御特性の一例を示す図。 ＥＧＲ制御弁の制御特性の一例を示す図。 本発明の他の実施例におけるＥＧＲガス流量の計測方法を示す図。 本発明の他の実施例におけるＥＧＲガス流量の計測方法を示す図。 本発明の他の実施例におけるエンジン制御装置の構成図。 本発明の他の実施例におけるエンジン制御装置の構成図。
符号の説明
１ アクセル開度センサ
２ エアフローセンサ
３ 排気圧センサ
５ インジェクタ
６（ａ） タービン
６（ｂ） コンプレッサ
７ 触媒
８ ＥＣＵ
９ ＥＧＲ流路
１０ ＥＧＲクーラ
１１ ＥＧＲ制御弁
１２ ＥＧＲ流量センサ
１３ スロットルバルブ
１４ 吸気圧センサ
１５ 燃料ポンプ
１６ インタークーラ
１７ エアクリーナ
１８ 燃焼室
１９ エンジン
２０ 吸気管
２１（ａ） 触媒診断用センサ上流側
２１（ｂ） 触媒診断用センサ下流側
２２ 燃料配管
９１ ＥＧＲ制御弁
９２ 第一のＥＧＲ通路
９３ 第二のＥＧＲ通路

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気ガスを排気通路から吸気通路に循環させる排気ガス再循環通路に設けられたＥＧＲ制御弁と、
    前記排気ガス再循環通路を流れるＥＧＲガスの流量を測定する測定手段と、
    前記測定手段からの入力を受け、当該ＥＧＲガスの流れ方向が前記内燃機関の排気側から吸気側に流れている順流状態であって、前記ＥＧＲガスの流量が所定の閾値よりも小さいときは、前記ＥＧＲ制御弁を閉じる制御手段と、
    吸気の流量を計測する吸気流量計測手段と、
    前記排気ガス再循環通路は、第一の通路と当該第一の通路よりも管路長が長い第二の通路とを備え、
    前記制御手段は、前記ＥＧＲガスの流れ方向が前記内燃機関の排気側から吸気側に流れている順流状態であって、計測された吸気の流量の脈動周期が所定の閾値よりも大きいときは前記第一の通路を選択し、当該吸気の流量の脈動周期が前記閾値以下であるときは前記第二の通路を選択することを特徴とするＥＧＲ制御弁の制御装置。
  2. 請求項１において、
    前記排気ガス再循環通路は分岐点を有し、当該分岐点から吸気通路までのそれぞれの管路長を異ならせることにより前記第一の通路及び第二の通路を形成し、
    前記ＥＧＲ制御弁は、当該分岐点に配置された三方弁であることを特徴とするＥＧＲ制御弁の制御装置。
  3. 請求項１において、
    前記第一の通路に、前記ＥＧＲガスを冷却する冷却手段を設けることを特徴とするＥＧＲ制御弁の制御装置。
  4. 請求項１において、
    前記吸気通路と前記排気ガス循環通路との合流点より前記内燃機関側に設けられ、前記吸気と前記ＥＧＲガスとの混合気の温度を計測する温度計測手段と、
    前記第一の通路若しくは前記第二の通路に設けられ、前記ＥＧＲガスを冷却する冷却手段とを備え、
    前記制御手段は、前記混合気の温度が所定の目標値となるように、前記第一の通路を通るＥＧＲガスの流量と、前記第二の通路を通るＥＧＲガスの流量とを制御することを特徴とするＥＧＲ制御弁の制御装置。
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