JP4979773B2 - 内燃機関ｅｇｒ装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃（ＩＣ）エンジン、特に、過給自動車ディーゼルエンジン用の排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置に関する。

エンジン吸気系に排気ガスの一部を再循環させることによりＮＯｘエミッションを低減することが可能であることが知られている。現在のアプリケーションでは、ＥＧＲガスは、ターボ過給機タービン上流の排気マニホルドから分岐して、ターボ過給機コンプレッサ上流の吸気ダクトに接続されたＥＧＲダクトを通って送られる。ＥＧＲ流は、排気マニホルドと吸気ダクトとの間の自然の圧力差により確保されている。ＥＧＲ流量および温度は、ＥＧＲダクトに沿って配置されたＥＧＲバルブおよびＥＧＲクーラを介してそれぞれ制御されている。

この配置は、現在のアプリケーション、すなわち、現在の排出基準（例えば、欧州におけるユーロ４規定は、ＮＯｘに対して０．２５ｇ／ｋｍの基準を設定している）を克服するために設計されたアプリケーションには好適である。しかしながら、将来的な基準はより著しく厳しくなることが予想され、特に、ユーロ５に対するＮＯｘ基準は現在の基準より２０％低い。これは、総排気流量の６５％の予想値まで、ＥＧＲ質量流量を相当に増加させる必要がある。新たな規定に対して、公知の配置では、ＥＧＲクーラおよびバルブの寸法および重量を許容不可能なほどに増大させることとなる。しかも、ＥＧＲバルブの可動部分の増大された質量は、許容不可能なほどに応答時間を遅延させることとなる。

上記タイプの従来技術のシステムに関連する他の問題は、このＥＧＲ流が、油滴、炭化水素、化学的に反応性のＰＭなどの粒状物質（ＰＭ）形成体の前駆体をいまだ多く含んでいることである。従って、このシステムは、新たなＰＭ規定に対応するためには好適ではない。

これらの問題を解決するために、新規のＥＧＲスキームが提案されてきており、これらにおいては、ＥＧＲダクトは、排気後処理ユニットの下流の排気マニホルドから分岐している。これらのシステムは、一般に「低圧ＥＧＲ」と称されている。低圧回路スキームは、以下の２つの重要な利点を有している：再循環された排気ガスがより低温であること（従って、冷却器の寸法を実質的に大きくする必要がない）、ならびに、ＰＭ前駆体を含まないことである。より一般的に、さらなる有益性はまた、触媒により低減されることで炭化水素のレベルが低いガスが再循環されることである。

しかしながら、低圧システムは、ＥＧＲダクトの両端の間での不十分な圧力差からなる欠点を被る。実際に、一定の運転条件下では、後処理ユニットの下流の排気管内の圧力が吸気ダクト内の圧力に接近する可能性があり、従って、ＥＧＲダクトを通るガスの自然な流れが損なわれ得る。

この問題に対する異なる解法が提案されてきており、これらの提案には、ＥＧＲダクト入口の下流の排気ダクトおよびＥＧＲダクト出口の上流の吸気ダクトにおけるスロットルデバイスの使用、ならびに、ＥＧＲダクト内におけるコンプレッサの使用が含まれている。しかしながら、公知の解法のいずれも、ＥＧＲ質量流量および動的応答の制御という観点で、完全に満足であると判明していない。

本発明の目的は、従来技術の欠点を有さないＥＧＲ制御装置を発明することである。

この範囲は、請求項１において請求されているエンジンＥＧＲ装置により達成される。

図１は、本発明によるＥＧＲ装置のスキームである。 図２は、駆動モータの電機子電圧の関数として図１の装置のＥＧＲコンプレッサの速度を表す図である。 図３は、モータの電機子電圧の関数としてＥＧＲコンプレッサの質量流量を表す図である。 図４は、モータ等価回路のスキームである。 図５は、第１のコンプレッサ作動サイクルを表す図である。 図６は、第２のコンプレッサ作動サイクルを表す図である。 図７は、時間の関数としてモータ電機子電圧を表す例示的な図である。 図８は、時間の関数としてモータ電機子電圧を示す他の例示的な図である。 図９は、ＥＧＲコンプレッサの好ましい実施形態の概略断面図である。

本発明の非限定的な実施形態が、添付の図面を参照して本明細書中に後述されている。
図１を参照すると、符号１は、ＩＣエンジン４の排気系２から吸気系３に排気ガスの再循環をもたらすＥＧＲ装置を指す。

エンジン４は過給ディーゼルエンジンであり、複数のシリンダ５、図示されていない公知のバルブシステムを介してこれらのシリンダに選択的に接続されている吸気マニホルド６および排気マニホルド７を含む。

吸気系３は、吸気マニホルド６に接続されている吸気ダクト１２に沿って、直列に接続されているエアフィルタ９、過給コンプレッサ１０およびインタークーラ１１を含む。

排気系２は、排気ダクト１６に沿って直列に接続されているタービン１３、排気後処理装置１４および消音器１５を含む。後処理装置は、触媒コンバータ１７および粒状物質（ＰＭ）フィルタ１８を含む。

コンプレッサ１０およびタービン１３は、それぞれロータ（図示せず）を有しており、このロータは、従来の様式で共通のシャフト１９によって互いに固定的に接続されている。

本発明のＥＧＲ装置は、排気ダクト１６を吸気ダクト１２に接続するＥＧＲダクト２０を有する。より具体的には、ＥＧＲダクト２０は、排気ダクト１６における後処理装置１４の下流、すなわち、後処理装置１４と消音器１５との間に位置された吸気分岐点２１から、吸気ダクト１２におけるコンプレッサ１０の上流、すなわち、エアフィルタ９とコンプレッサ１０との間に位置された排気分岐点２２まで延在する。排気ガスは、典型的なパラメータが約４５０℃および２×１０^５Ｐａから３×１０^５Ｐａとなる排気マニホルドから再循環されずに、温度が約２５０℃であると共に圧力が約１．０５×１０^５Ｐａから１．２×１０^５Ｐａである可能性がある後処理装置１４の下流から再循環されるため、よって、この装置はいわゆる「低圧」ＥＧＲシステムである。

ＥＧＲ装置１は、さらに、ＥＧＲダクト２０に沿って位置されると共に、それぞれ、再循環される排気ガスの温度および質量流量を制御するためのＥＧＲクーラ２３およびＥＧＲコンプレッサ２４を有する。

ＥＧＲクーラ２３は、エンジン冷却水を排気ガスのための冷却流体として用いる従来型の気体／液体熱交換器である。ＥＧＲクーラ２３はまた、システム全体の寸法を小型化するために、コンプレッサ筐体内に組み込まれていることが可能である。

ＥＧＲコンプレッサ２４は、回転式容積型コンプレッサ、例えば回転式ベーンコンプレッサである。ＥＧＲコンプレッサ２４は、詳細に後述されているとおり再循環ガス質量流量が制御されるよう、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）２７の制御モジュール２６により速度制御されている電動機２５により駆動される。速度制御された容積型ＥＧＲコンプレッサ２４を使用することにより、排ガス規制の必要性に応じたＥＧＲ質量流量の判定および制御が可能となり、排ガス規制の必要性は、次いで、各エンジン作動条件について判定されることが可能である。特に、最適なＥＧＲパーセント値は、加速ペダルの位置および速度（位置誘導）、エンジン毎分回転数、ならびに、周囲温度などの作動パラメータに応じて、ルックアップテーブル２８に基づき、それ自体公知である様式でＥＣＵにより判定されることが可能である。ここで、このような作動パラメータは、ＥＣＵ２７に対する入力であるシグナルＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４により表されている。従って、コンプレッサの目標速度は、エンジン速度自体に依存することなく、エンジン作動条件に応じて判定されることが可能である。

モータ２５の速度は、電機子電圧を変更することにより制御される。定常条件において、モータ２５の速度／電機子電圧特性曲線（図２）は準線形である。ＥＧＲ流量はコンプレッサ２４の速度に比例するため、ＥＧＲ質量流量要求とモータの電機子電圧との間にも、定常条件において同様の準線形関係が存在する（図３）。それ故、モータ２５の電機子電圧を制御することによりＥＧＲ質量流量を制御することが可能である。

明らかに、動的条件においては、ＥＧＲ流量における変動はコンプレッサ速度の変化を必要とし、従って、コンプレッサ抵抗トルクにおける変動をもたらす。

上記に基づくと共に制御の観点からは、ＥＣＵからのＥＧＲ流量要求は、モータ２５に対する速度設定点としてみなされることが可能であり、コンプレッサ抵抗トルクにおける変動は外乱としてみなされることが可能である。

抵抗トルクは、特に摩擦により不確定になる場合があるが、所望の速度参照値を目標とする電動機に対するフィードフォーワード制御を提供するために、電動機／コンプレッサユニットのモデルに基づいている状態オブザーバを介して推定することが可能である。

システムの主な構成要素（コンプレッサ、電動機、制御ストラテジー）に対する数学的表現を本明細書中以下に記載する。これは、以下の異なるアプローチにより成すことが可能である。ここに提示されているものはモデルの複雑さと工学的目的との間の好適な選択肢を表し、他のモデルも可能であることは明らかである。

電圧電機子を変更して作動されるＤＣ電動機の場合、基本的なモデルは以下の式により定義される。

これは、図４のスキームによる電動機の電機子回路にわたる電圧平衡を表し、ここで、
ｉ_ａは電機子電流であり、
Ｒ_ａは電機子相当抵抗であり、
Ｌ_ａは電機子相当インダクタンスであり、
Ｖ_ａは電機子電圧であり、
ＫΦは総磁束であり、および
ωはモータ速度であって、かつ、

である。
これはモータシャフトでのトルク平衡を表し、ここで、鉄損は無視されていると共に、すでに定義した符号に追加して、
Ｊは回転質量の慣性モーメントであり、
β_ｃωは摩擦トルクであり、および
Ｃ_ｒはコンプレッサ２４により加えられた抵抗トルクである。

コンプレッサ抵抗トルクＣ_ｒは、ベーン間の各空間中の流体に対してコンプレッサ２４によりなされるポリトロープ仕事Ｌ_ｃに依存する。ｉ枚のベーンがある場合、

であり、式中、Ｐ_ａはコンプレッサ２４により吸収される動力であり、η_ｍｅｃｈおよびη_{ｃｏｍｐｒ，ｐｏｌ}は、コンプレッサの機械的効率およびポリトロープ圧縮効率である。

送出圧力レベルに依存するコンプレッサ２４の可能な作動サイクルを表す、図５および６の図を参照すると、

であり、従って、

であり、式中、
Ｖ_ｍｉｎ、Ｖ_ｍａｘは、それぞれ、ベーン間の空隙の最低体積および最大体積であり、
η_{ｃｏｍｐｒ，ｐｏｌ}およびη_ｍｅｃｈは、圧縮ポリトロープ効率および機械的効率であり、
Ｐ_ｓｕｃは、コンプレッサの吸引側での圧力であり、
Ｐ_ｄｅｌは、コンプレッサの送出側、すなわち分岐点２２での圧力であり、
ρはガス密度であり、および
ｍはポリトロープ指数である。

表記を簡素化するために、η_{ｃｏｍｐｒ，ｐｏｌ}およびη_ｍｅｃｈは、これ以降、１に等しいとみなした。しかしながら、より包括的な表記のために、以下の式に適切な値を挿入することが容易に可能である。

上記モデルに基づいて、状態オブザーバの式は以下のとおりである。

式中、
ｉ_{ａ＿ｍｅａｓ}は実測電機子電流であり、
Ｃ_{ｒ＿ｎｏｍ}は式［５］から既知であり、および
Ｌ_１，Ｌ_２は、状態オブザーバの速度を判定するフィードバックゲインである。

上記式では、ゲインＬ_１およびＬ_２を制御理論に基づいて推定することが可能である。例えば、これらは、オブザーバの閉ループ状態マトリックスの固有値を組み込むことにより判定することが可能である。

上記状態オブザーバに基づいて推定された抵抗トルク値Ｃ_ｒ＋ΔＣ_ｒおよびモータ目標速度に基づいて、参照電機子制御電圧を推定することが可能である。

モータ２５の動的応答を最適化するために、算出公称制御電圧を、ゼロおよび１極を有する補償器を介してフィルタすることが可能である。補償器は、ラプラス変換において、以下の式によって得られる。

これは、非補償電機子参照電圧Ｖ_{ａ_ｒｅｆ}がステップ関数である場合、図７の図による時間領域において表されることが可能であり、ここで、補償値Ｖ_{ａ_ｆｆ}曲線は各ステップの前部にスパイクを有し、スパイクの各々は、所望の電圧変動と同一方向の、急速に減少する一時的な電圧「オーバーシューティング」を表している。

あるいは、スパイクは、短いオーバーシューティングステップまたは図８に示されるとおりステップ状のパルス（各パルスは１つまたは複数のステップを含む）により代替されることが可能である。

上述のフィードフォーワード制御に追加して、速度設定点の観点で正確であるか、または電動機−コンプレッサ速度における誤差が固定許容可能値未満である制御系をもたらすために、フィードバック速度制御を提供することが可能である。この目的のために、従来のＰＩＤコントローラを用いることが可能である。

この場合、電機子電圧は以下のとおり提供されることが可能である。

上記式において、ΔＶ_{ａ_ｆｂ}は以下のとおりである。

ゲインＫ_ｐおよびＫ_ｉおよびＫ_ｄは、アセンブリの動的応答を設定するために調節することが可能である。

この制御のスキームが図１に示されている。

この様式においては、最適な動的応答はフィードフォーワード制御により保証され、最適な正確性はフィードバック制御により保証される。

代替としては、計測電機子電流ｉ_{ａ_ｍｅａｓ}と算出公称電機子電流ｉ_{ａ_ｎｏｍ}との差に基づいたさらなる比例フィードバックを追加することが可能である。

本発明の実施形態によれば、コンプレッサ２４は、図９に概略的に示されているとおり、単一ベーン、偏心ロータコンプレッサであることが可能である。

コンプレッサ２４は、軸Ａの円柱状空隙３０を画定する筐体２９を含む。実質的に径方向の吸気ポート３１および送出ポート３２が空隙３０に連通している。コンプレッサ２４は、軸Ａに対して平行であるがオフセットされた軸を有する偏心ロータ３３をさらに含む。単一ベーン３４は、ポート３１とポート３２との間に位置される筐体２９の座部３５に収容されると共に、ロータ３３の外側面３７上をシールして摺動するようバネ３６によりロータ３３に対して付勢されている。

この種のコンプレッサは、従来の回転式ベーンコンプレッサに対して低い摩擦および良好な動的挙動により、特に有効であることが証明されている。

点２２での圧力値を低下させて、これにより、ＥＧＲ流を補助するかまたはコンプレッサの仕事を低減するために、吸気ダクト１２におけるエアフィルタ９とＥＧＲ排気分岐点２２との間にスロットルバルブ４０（図１）を任意に設けることとしてもよい。

低圧ＥＧＲ装置のフレームにおける、過給コンプレッサ１０の吸気管上流にＥＧＲガスが提供される容積型コンプレッサの使用はＥＧＲ流量の独立した制御をもたらし、この制御は、エンジン速度自体および総排気ガス流量から独立してエンジンの各作動条件におけるいずれの所望のレベルでも設定可能である。容積型コンプレッサ２４は、それ自体加圧機能よりも主に移送および計量機能を有し、この目的のために、分岐点２２が、圧力値が低く、実質的に一定である過給コンプレッサ１０の上流にあることが重要である。

容積型コンプレッサ２４は、ＥＧＲバルブと共に分取を可能とする。

モータにより吸収される将来的なトルクを測定する数学的モデルに基づいた電動機制御の一部は、設定するために長期の実験を必要とすると共にシステムが老化する間のパラメータ変動に対応していないルックアップテーブルを必要とせずに高い応答性を提供する。

明らかに、記載されたＥＧＲ装置は、特許請求の範囲から逸脱することなく変更されることが可能である。

特に、電動機は異なるタイプであることができ、作動量は、例えば、電流、衝撃係数、周波数等といった電圧電機子以外であって、普通、用いられるモータのタイプに好適であるいずれかの量であることが可能である。

フィードバック制御は、タイプ、例えばＰＩタイプといったいずれかの公知のタイプのものであることが可能である。

ＥＣＵ中のＥＧＲ流量の評価（エンジン速度および負荷の関数として）は、異なる方法においても行われることが可能である（モデルベースの推定、複合ルックアップテーブル／モデルベース等）。

Claims (7)

1. タービンおよび後処理装置を介してＩＣエンジンからの排気ガスの流れを導く排気ダクト、過給コンプレッサを介してＩＣエンジンへ吸気を導く吸気ダクト、前記後処理装置の下流の点で前記排気ダクトを前記コンプレッサの上流の点で前記吸気ダクトに接続するＥＧＲダクトを含むＩＣエンジン用のＥＧＲ装置であって、
   前記ＥＧＲダクトに沿ったＥＧＲクーラおよび容積型コンプレッサと、
   前記容積型コンプレッサを駆動する電動機と、
   前記ＩＣエンジンの作動パラメータによって、ＥＧＲ流量要求に応答して前記電動機を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段が、前記電動機と前記容積型コンプレッサのモデルに基づいて、前記容積型コンプレッサの抵抗トルクを推定する状態オブザーバを有することを特徴とするＥＧＲ装置。
2. 前記電動機が、電機子電圧を変更することにより速度制御されるＤＣモータであることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ装置。
3. 前記制御手段が、過渡的電圧において、電圧変化と同一の方向への電圧オーバーシューティングを生じさせる制御電圧補償器を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＥＧＲ装置。
4. 前記制御電圧補償器が、ゼロ点および１つの極を有することを特徴とする請求項３に記載のＥＧＲ装置。
5. 前記制御手段が、モデルベースフィードフォーワード制御手段およびフィードバック制御手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のＥＧＲ装置。
6. 前記フィードバック制御手段がＰＩタイプのものであることを特徴とする請求項５に記載のＥＧＲ装置。
7. 前記フィードバック制御手段がＰＩＤタイプのものであることを特徴とする請求項５に記載のＥＧＲ装置。

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