JP4720712B2

JP4720712B2 - 内燃機関の再循環排気ガス供給制御装置

Info

Publication number: JP4720712B2
Application number: JP2006283465A
Authority: JP
Inventors: 寛真西岡; 太郎青山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2026-10-18
Also published as: JP2008101504A

Description

本発明は内燃機関の再循環排気ガス供給制御装置に関する。

吸気通路と排気通路とを再循環排気（以下、ＥＧＲと言う。）ガス通路により互いに連結し、機関負荷があらかじめ定められた設定負荷よりも低いときにはＥＧＲガスを供給し、機関負荷が設定負荷よりも高いときにはＥＧＲガスの供給を停止するようにした内燃機関が公知である（特許文献１参照）。機関高負荷運転時には多量の空気を燃焼室内に送り込む必要があり、そこでこの内燃機関では高負荷運転時にＥＧＲガスの供給を停止するようにしている。

特開平１１−２９４２６５号公報

しかしながら、ＥＧＲガス通路内を流通するＥＧＲガス内には、未燃燃料（炭化水素）のほか、主として固体炭素又は有機可溶成分（ＳＯＦ）などからなる粒子状物質も含まれており、この燃料又は粒子状物質がＥＧＲガス通路内壁面上に付着し冷却され堆積すると、ＥＧＲガス通路の流路面積が低下する。あるいはＥＧＲガス通路内に配置されたＥＧＲ制御弁に燃料又は粒子状物質が付着し堆積すると、ＥＧＲガス制御弁が固着するおそれもある。いずれにしても実際に供給されるＥＧＲガス量が正規の量から逸脱するおそれがある。

前記課題を解決するために１番目の発明によれば、吸気通路と排気通路とを再循環排気ガス通路により互いに連結し、機関運転状態に応じて再循環排気ガスの供給の実行及び停止を制御するようにした内燃機関の再循環排気ガス供給制御装置において、再循環排気ガス通路内に堆積した燃料又は粒子状物質の量があらかじめ定められた許容上限よりも多いか否かを判断し、該燃料又は粒子状物質の量が許容上限よりも多いと判断されたときには再循環排気ガスの供給を停止すべきときであっても、再循環排気ガスを一時的に供給するようにしている。

また、２番目の発明によれば１番目の発明において、燃料又は粒子状物質の量が許容上限よりも多いと判断されたときには、わずかばかりの量の再循環排気ガスを供給するようにしている。

また、３番目の発明によれば１番目の発明において、再循環排気ガス通路内に該再循環排気ガス通路内を流通する再循環排気ガスを冷却するための冷却装置が配置されており、該冷却装置の冷却性能を表す冷却性能代表値を求め、該冷却性能代表値が許容下限よりも小さいときに、再循環排気ガス通路内に堆積した燃料又は粒子状物質の量が許容上限よりも多いと判断するようにしている。

また、４番目の発明によれば１番目の発明において、機関負荷があらかじめ定められた設定負荷よりも低いときには再循環排気ガスを供給し、機関負荷が該設定負荷よりも高いときには再循環排気ガスの供給を停止するようにしている。

ＥＧＲガス通路内に堆積する燃料又は粒子状物質の量を低減でき、したがって実際のＥＧＲガス量が正規の量から逸脱するのを阻止できる。

図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。しかしながら本発明を火花点火式内燃機関に適用することもできる。

図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口はエアフローメータ８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内には電気制御式スロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は排気後処理装置２０に連結される。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とはＥＧＲガス供給管１２を介して互いに連結され、ＥＧＲガス供給管１２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１３が配置される。また、ＥＧＲガス供給管１２周りにはＥＧＲガス供給管１２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１４が配置される。図１に示される実施例では冷却装置１４は比較的小径の複数のガス通路を備えており、これらガス通路内をＥＧＲガスが流通せしめられる。これらガス通路周りには機関冷却水が導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１５を介してコモンレール１６に連結される。このコモンレール１６内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１７から燃料が供給され、コモンレール１６内に供給された燃料は各燃料供給管１５を介して燃料噴射弁３に供給される。

排気後処理装置２０は排気タービン７ｂの出口に連結された排気管２１と、排気管２１に連結された触媒コンバータ２２と、触媒コンバータ２２に連結された排気管２３とを具備する。触媒コンバータ２２内には触媒２４を担持したパティキュレートフィルタ２５が配置される。また、排気管２３には触媒コンバータ２２から排出された排気ガスの温度を検出するための温度センサ２６と、触媒コンバータ２２から排出された排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ２７とが配置される。触媒コンバータ２２から排出された排気ガスの温度はＮＯｘ吸蔵還元触媒２４及びパティキュレートフィルタ２５の温度を表している。

一方、図１に示されるように排気マニホルド５には燃料添加弁２８が取り付けられる。この燃料添加弁２８にはコモンレール１６から燃料が供給され、燃料添加弁２８から排気マニホルド５内に燃料が添加される。本発明による実施例ではこの燃料は軽油からなる。なお、燃料添加弁２８を排気管２１に取り付けることもできる。

触媒２４は貴金属触媒及びＮＯｘ吸収剤を具備したＮＯｘ吸蔵還元触媒から構成することができる。機関吸気通路、燃焼室２及びＮＯｘ吸蔵還元触媒２４上流の排気通路内に供給された空気及び燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯｘ吸収剤は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘの吸放出作用を行う。放出されたＮＯｘは排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ，ＣＯによって還元される。この場合、ＮＯｘ吸収剤からＮＯｘを放出するためにＮＯｘ吸収剤内に流入する排気ガスをリッチに切り換えるべきときに燃料添加弁２８から燃料が添加される。あるいは、触媒２４又はパティキュレートフィルタ２５を昇温すべきときにも、燃料添加弁２８から燃料が添加される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。エアフローメータ８、温度センサ２６、及び空燃比センサ２７の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏み込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４０が接続され、負荷センサ４０の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４１が接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４１からの出力パルスに基づいて機関回転数Ｎが算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０駆動装置、ＥＧＲ制御弁１３、燃料ポンプ１７、及び燃料添加弁２８に接続される。

本発明による実施例では図２に示されるように、機関負荷率ＫＬがあらかじめ定められた設定負荷率ＫＬＸよりも低いときに、機関運転状態に応じた量のＥＧＲガスが機関に供給される。これに対し、機関負荷率ＫＬが設定負荷率ＫＬＸよりも高いときには、ＥＧＲガスの供給が停止される。機関負荷率ＫＬが大きいときには多量の空気を機関に供給しなければならないからである。ここで、機関負荷率ＫＬ（％）は全負荷に対する機関負荷の割合をいう。

冒頭でも述べたように、ＥＧＲガス中には燃焼室２から排出された未燃燃料（炭化水素）や粒子状物質が含まれており、図１に示される内燃機関では燃料添加弁２８から添加された燃料の一部も含まれるおそれもある。この燃料又は粒子状物質がＥＧＲガス供給管１２の内壁面上に付着し冷却され堆積すると、ＥＧＲガス供給管１２の流路面積が低下する。特に、冷却装置１４では、ＥＧＲガスは比較的小径のガス通路内を流通するようになっているので、これらガス通路が燃料又は粒子状物質によって目詰まりするおそれがある。あるいは、ＥＧＲガス制御弁１３が固着するおそれもある。いずれにしても実際に供給されるＥＧＲガス量が正規の量から逸脱するおそれがある。

一方、機関高負荷運転時のように排気ガス温度が高いときに、ＥＧＲガス供給管１２内にＥＧＲガスを流通させると、ＥＧＲガス供給管１２内に堆積した燃料又は粒子状物質が気化され、ＥＧＲガス供給管１２内の燃料または粒子状物質の量を低減することができる。

そこで本発明による実施例では、ＥＧＲガス供給管１２内に堆積した燃料又は粒子状物質の量があらかじめ定められた許容上限よりも多いか否かを判断し、燃料又は粒子状物質の堆積量が許容上限よりも多いときには、機関負荷率ＫＬが上述の設定負荷率ＫＬＸ（図２）よりも大きいときであっても、ＥＧＲガスを供給するようにしている。

この場合のＥＧＲガス供給量はわずかばかりの量に設定される。このようにすると、ＥＧＲガス供給による吸入空気量の減少幅を小さくすることができ、したがってＥＧＲガス供給による機関出力の低下幅を小さくすることができる。次いで、燃料又は粒子状物質の堆積量があらかじめ定められた設定量まで減少すると、ＥＧＲガス供給が停止される。

本発明による実施例では、燃料又は粒子状物質の堆積量が許容上限よりも多いか否かが次のようにして判断される。すなわち、例えば冷却装置１４内における燃料又は粒子状物質の堆積量が増大し冷却装置１４のガス通路の一部が燃料又は粒子状物質によって目詰まりすると、ＥＧＲガスと機関冷却水との接触面積が低下し、斯くして冷却装置１４の冷却効率が低下する。この場合、燃料又は粒子状物質の堆積量が多いときには少ないときに比べて、冷却装置１４の冷却効率は低くなる。したがって、冷却装置１４の冷却効率は冷却装置１４内又はＥＧＲガス供給管１２内における燃料又は粒子状物質の堆積量を表しているといえる。

そこで本発明による実施例では、冷却装置１４の冷却効率をあらわす代表値ＥＴＡを求め、この冷却効率代表値ＥＴＡが許容下限ＥＬよりも小さいときに、燃料又は粒子状物質の堆積量が許容上限よりも多いと判断するようにしている。この場合の許容下限ＥＬは燃料又は粒子状物質の堆積量についての許容上限に対応する。

本発明による実施例では、冷却効率代表値ＥＴＡは冷却効率代表値の変化量ΔＥＴＡを求め、この変化量ΔＥＴＡを積算することにより冷却効率代表値ＥＴＡが求められる（ＥＴＡ＝ＥＴＡ＋ΔＥＴＡ）。概略的に言えば、ＥＧＲガス量ＥＧＲが多くなると冷却装置１４内に新たに流入して堆積する燃料または粒子状物質の量が多くなり、その結果冷却装置１４の冷却効率が低下する。一方、ＥＧＲガスの温度を表す排気ガス温度Ｔｅｘが高くなると、気化して冷却装置１４内から除去される燃料または粒子状物質の量が多くなり、その結果冷却装置１４の冷却効率が上昇する。そこで変化量ΔＥＴＡは図３（Ａ）に示されるようにＥＧＲガス量ＥＧＲがゼロのときにはゼロとなり、ＥＧＲガス量ＥＧＲが多くなるにつれて減少し、ＥＧＲガス量ＥＧＲが少ないときには正値となり多いときには負値となるように設定される。また、変化量ΔＥＴＡは図３（Ｂ）に示されるように排気ガス温度Ｔｅｘが高くなるにつれて増大し、排気ガス温度Ｔｅｘが低いときには負値となり高いときには正値となるように設定される。変化量ΔＥＴＡは図３（Ｃ）に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ３２内に記憶されている。

すなわち、図４にＸで示されるようにＫＬ＞ＫＬＸとなるとＥＧＲガスの供給が開始される。その結果、ＥＧＲガス量ＥＧＲ及び排気ガス温度Ｔｅｘに応じて定まる変化量ΔＥＴＡでもって冷却効率代表値ＥＴＡが更新される。次いで、図４にＹで示されるようにＫＬ＜ＫＬＸとなってもＥＴＡ＜ＥＬであると、ＥＧＲガスの供給が停止されず、ＥＧＲガスの供給が継続される。この場合のＥＧＲガス量ＥＧＲはわずかばかりのｅとされる。その結果、冷却効率代表値ＥＴＡは増大し、次いで図４にＺで示されるように設定値ＥＲに達するとＥＧＲガスの供給が停止される。

もっとも、ＥＴＡ＜ＥＬのときにＥＧＲガスの温度を表す排気ガス温度Ｔｅｘが低いと、このとき冷却装置１４内に流入するＥＧＲガスによって、冷却装置１４内における燃料又は粒子状物質の堆積量を減少させることができず、むしろ燃料又は粒子状物質の堆積量が増大するおそれもある。そこで本発明による実施例では、排気ガス温度Ｔｅｘがあらかじめ定められた設定値Ｔ１よりも低いときには、ＥＴＡ＞ＥＬであっても、ＥＧＲガスの供給を停止するようにしている。

図５は本発明による実施例のＥＧＲガス供給制御ルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。

図５を参照すると、まずステップ１００では冷却効率代表値ＥＴＡの変化量ΔＥＴＡが図４（Ｃ）のマップから算出される。続くステップ１０１では機関負荷率ＫＬが設定負荷率ＫＬＸよりも小さいか否かが判別される。ＫＬ＜ＫＬＸのときには次いでステップ１０２に進み、機関運転状態に応じた量のＥＧＲガスが供給される。これに対し、ＫＬ≧ＫＬＸのときには次いでステップ１０３に進み、フラグＸＳＣがセットされているか否かが判別される。このフラグＸＳＣはＫＬ≧ＫＬＸのときにＥＧＲガスを供給すべきときにセットされ（ＸＳＣ＝１）、それ以外はリセットされる（ＸＳＣ＝０）ものである。フラグＸＳＣがリセットされているときには次いでステップ１０４に進み、冷却効率代表値ＥＴＡが許容下限ＥＬよりも大きいか否かが判別される。ＥＴＡ＞ＥＬのときには次いでステップ１０５に進み、フラグＸＳＣがリセット状態に保持され、続くステップ１０６ではＥＧＲガスの供給が停止される。

これに対し、ＥＴＡ≦ＥＬのときにはステップ１０４からステップ１０７に進み、排気ガス温度Ｔｅｘが設定温度Ｔ１よりも高いか否かが判別される。Ｔｅｘ≦Ｔ１のときにはステップ１０６に進んでＥＧＲガスの供給が停止される。これに対し、Ｔｅｘ＞Ｔ１のときには次いでステップ１０８に進み、フラグＸＳＣがセットされ、続くステップ１０９ではＥＧＲガス量ＥＧＲがわずかばかりの量ｅに設定され、ＥＧＲガスが供給される。

フラグＸＳＣがセットされると次の処理サイクルではステップ１０３からステップ１１０に進み、冷却効率代表値ＥＴＡが設定値ＥＲよりも小さいか否かが判別される。ＥＴＡ＜ＥＲのときには次いでステップ１０８に進み、フラグＸＳＣがセット状態に保持され、続くステップ１０９ではわずかばかりの量ｅだけＥＧＲガスが供給され続ける。これに対し、ＥＴＡ≧ＥＲになるとステップ１１０からステップ１０５に進み、フラグＸＳＣがリセットされ、続くステップ１０６ではＥＧＲガスの供給が停止される。

これまで述べてきた実施例では、冷却性能代表値ＥＴＡが許容下限ＥＬよりも小さいときに、燃料又は粒子状物質の堆積量が許容上限よりも多いと判断するようにしている。しかしながら、例えば車両走行距離や機関運転時間が許容上限を越えたときに燃料又は粒子状物質の堆積量が許容上限よりも多いと判断することもできる。あるいは、例えば機関運転状態に応じて定まる排気ガス中の燃料または粒子状物質の濃度をあらかじめ求めて記憶しておき、この濃度とＥＧＲガス量とからＥＧＲガス供給管１２内に流入する燃料又は粒子状物質の量を求め、燃料又は粒子状物質の流入量の積算値が許容上限よりも多きいいときに燃料又は粒子状物質の堆積量が許容上限よりも多いと判断することもできる。

更に、冷却装置１４の冷却効率代表値を算出するのではなく、例えば冷却装置上下流におけるＥＧＲガスの温度差又は機関冷却水温の温度差を検出し、この温度差から冷却装置１４の冷却効率を求めるようにしてもよい。

内燃機関の全体図である。ＥＧＲガス供給の実行及び停止を説明する図である。冷却効率代表値の変化量ΔＥＴＡを示すマップである。機関負荷率ＫＬ、ＥＧＲガス量ＥＧＲ及び冷却効率代表値ＥＴＡを示すタイムチャートである。ＥＧＲガス供給制御ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１機関本体
４吸気マニホルド
５排気マニホルド
１２ＥＧＲガス供給管
１４冷却装置

Claims

吸気通路と排気通路とを再循環排気ガス通路により互いに連結し、機関運転状態に応じて再循環排気ガスの供給の実行及び停止を制御するようにした内燃機関の再循環排気ガス供給制御装置において、再循環排気ガス通路内に堆積した燃料又は粒子状物質の量があらかじめ定められた許容上限よりも多いか否かを判断し、該燃料又は粒子状物質の量が許容上限よりも多いと判断されたときには再循環排気ガスの供給を停止すべきときであっても、再循環排気ガスを一時的に供給するようにした内燃機関の再循環排気ガス供給制御装置。
再循環排気ガス通路内に該再循環排気ガス通路内を流通する再循環排気ガスを冷却するための冷却装置が配置されており、該冷却装置の冷却性能を表す冷却性能代表値を求め、該冷却性能代表値が許容下限よりも小さいときに、再循環排気ガス通路内に堆積した燃料又は粒子状物質の量が許容上限よりも多いと判断するようにした請求項１に記載の内燃機関の再循環排気ガス供給制御装置。
機関負荷があらかじめ定められた設定負荷よりも低いときには再循環排気ガスを供給し、機関負荷が該設定負荷よりも高いときには再循環排気ガスの供給を停止するようにした請求項１に記載の内燃機関の再循環排気ガス供給制御装置。