JP5843014B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、過給機の上流側に排気の一部を還流する内燃機関に関する。

排気通路と吸気通路とに接続されたＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に介装されたＥＧＲ制御弁と、を有し、運転状態に応じて排気ガスの一部を吸気系に導入するＥＧＲを実施することで、内燃機関の排気性能向上や燃費改善を図る技術が従来から知られている。

吸気通路に導入されるＥＧＲ量は、ＥＧＲ通路が接続された位置の吸気通路内の吸気圧力と、ＥＧＲ通路が接続された位置の排気通路内の排気圧力との差圧（圧力差）が一定であれば、ＥＧＲ通路に介装されたＥＧＲ制御弁の開度によって決定される。このようなＥＧＲを実施する内燃機関においては、長期に亙って使用していると、吸排気系の圧力損失の変化により、ＥＧＲ制御弁の開度で決まるＥＧＲ率が所期の値から変化し、実際に還流するＥＧＲ量が、目標値に対してずれてしまう可能性がある。

そこで、例えば、特許文献１には、所定の過渡状態において、吸気通路に導入されるＥＧＲ量が変更される前後での吸気温度の温度変化量から、内燃機関の吸排気系の圧力損失の変化の有無を診断する技術が開示されている。

しかしながら、吸気温度の温度変化量から吸排気系の圧力損失の変化の有無を診断する場合、吸気通路に導入されるＥＧＲガスの温度が低いと、ＥＧＲガスの導入による吸気の温度変化量は小さくなる。そのため、ＥＧＲ通路にＥＧＲクーラが設けられ、吸気通路に導入されるＥＧＲガスが冷却されていると、吸気温度の温度変化量から内燃機関の吸排気系の圧力損失の変化の有無を診断できなくなる虞がある。

特開２００８−２２３５５４号公報

本発明は、過給機よりも上流側から排気の一部をＥＧＲとして還流する内燃機関において、吸入空気量から推定されるＥＧＲ制御弁の前後の推定圧力差と、実測された上記ＥＧＲ制御弁の前後の実前後差圧と、を比較することで、吸排気系の圧力損失の変化を検出することを特徴としている。

本発明によれば、吸気通路に導入されるＥＧＲガスの温度にかかわらず、ＥＧＲ制御弁が一定開度であってもＥＧＲ量が所期の値から変化する吸排気系の圧力損失の変化を検出することが可能となる。

本発明に係る内燃機関の全体構成を示すシステム図。 第１実施例における制御内容を示したブロック図。 他の実施例を模式的に示した説明図。 他の実施例を模式的に示した説明図。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明が適用される内燃機関１の全体構成を示すシステム図である。

内燃機関１は、駆動源として自動車等の車両に搭載されるものであって、吸気通路２と排気通路３とが接続されている。吸気マニホールド４を介して内燃機関１に接続された吸気通路２には、スロットル弁５が設けられていると共に、その上流側には吸入空気量を検出するエアフローメータ６、エアクリーナ７が設けられている。排気マニホールド８を介して内燃機関１に接続された排気通路３には、排気浄化用として、三元触媒等の排気触媒９が設けられている。

また、この内燃機関１は、吸気通路２に配置されたコンプレッサ１１と排気通路３に配置されたタービン１２とを同軸上に備えたターボ過給機１０を有している。コンプレッサ１１は、スロットル弁５よりも上流側に位置していると共に、エアフローメータ６よりも下流側に位置している。タービン１２は、排気触媒９よりも上流側に位置している。なお、図１中の１３は、スロットル弁５の下流側に設けられたインタークーラである。

吸気通路２には、コンプレッサ１１を迂回してコンプレッサの上流側と下流側とを接続するリサーキュレーション通路１４が接続されている。リサーキュレーション通路１４には、リサーキュレーション通路１４内の吸気流量を制御するリサーキュレーション弁１５が介装されている。

排気通路３には、タービン１２を迂回してタービン１２の上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路１６が接続されている。排気バイパス通路１６には、排気バイパス通路１６内の排気流量を制御するウエストゲート弁１７が介装されている。

また、内燃機関１は、排気還流（ＥＧＲ）が実施可能なものであって、排気通路３と吸気通路２との間には、ＥＧＲ通路２０が設けられている。ＥＧＲ通路２０は、その一端が排気触媒９の下流側の位置で排気通路３に接続され、その他端がエアクリーナ７の下流側となりコンプレッサ１１の上流側となる位置で吸気通路２に接続されている。このＥＧＲ通路２０には、電制のＥＧＲ制御弁２１とＥＧＲクーラ２２が介装されている。ＥＧＲ制御弁２１の開度は、運転条件に応じた所定のＥＧＲ率が得られるように、コントロールユニット２５によって制御される。

コントロールユニット２５は、上述したエアフローメータ６の検出信号のほか、クランクシャフト（図示せず）のクランク角を検出するクランク角センサ２６、アクセルペダル（図示せず）の踏込量を検出するアクセル開度センサ２７、ＥＧＲ制御弁２１の開度を検出するＥＧＲ制御弁開度センサ２８、ＥＧＲ制御弁２１の上流側のＥＧＲ通路２０内の圧力Ｐ１を検出する上流側圧力センサ２９、ＥＧＲ制御弁２１の下流側のＥＧＲ通路２０内の圧力Ｐ２を検出する下流側圧力センサ３０、ノッキングを検出するノックセンサ３１等のセンサ類の検出信号が入力されている。

そして、コントロールユニット２５は、これらの検出信号に基づいて、内燃機関１の点火時期や空燃比等の制御を実施すると共に、ＥＧＲ制御弁２１の開度を制御して排気通路３から吸気通路２に排気の一部を還流する排気還流制御（ＥＧＲ制御）を実施している。なお、スロットル弁５、リサーキュレーション弁１５、ウエストゲート弁１７の開度もコントロールユニット２５により制御されている。リサーキュレーション弁１５としては、コントロールユニット２５により開閉制御されるものではなく、コンプレッサ１１下流側の圧力が所定圧力以上となったときのみ開弁するようないわゆる逆止弁を用いることも可能である。

吸気通路２に設けられたターボ過給機１０のコンプレッサ１１の上流側からＥＧＲが導入される構成では、ＥＧＲ通路２０が接続された位置の排気通路３内の排気圧力Ｐｅと、ＥＧＲ通路２０が接続された位置の吸気通路２内の吸気圧力Ｐｉとの圧力差でＥＧＲが導入される。

ここで、ベルヌーイの定理に基づく関係から、吸入空気量と、排気圧力Ｐｅと吸気圧力Ｐｉとの圧力差の平方根との間には、比例関係が成立する。また排気圧力Ｐｅと吸気圧力Ｐｉの圧力差の平方根と、ＥＧＲ量（排気還流量）との間にも比例関係が成立する。従って、吸入空気量とＥＧＲ量の間にも比例関係（ＥＧＲ率一定）が成立することになる。つまり、吸気圧力Ｐｉと排気圧力Ｐｅの圧力差を利用して排気の一部を吸気通路２に還流させる構成では、ＥＧＲ制御弁２１の開度（開口面積）が一定であれば、吸入空気量が変化しても、吸入空気量とＥＧＲ量の比率は一定となるので、ＥＧＲ率は一定となる。

しかしながら、例えば、腐食等により排気系のマフラー（図示せず）に穴があいたり、エアクリーナ７に目詰まりが生じたりする等して内燃機関１の吸排気系の圧力損失が変化し、吸気圧力Ｐｉと排気圧力Ｐｅの圧力差が変化すると、ＥＧＲ制御弁１２の開度（開口面積）に対応したＥＧＲ率が変化することになり、実際に吸気通路２に還流するＥＧＲ量が目標ＥＧＲ量から乖離することになる。

そこで、本実施例では、吸入空気量から推定されるＥＧＲ制御弁２１の前後の圧力差の指標となる推定圧力差と、上流側圧力センサ２９及び下流側圧力センサ３０の検出値より実測されたＥＧＲ制御弁２１の実前後差圧と、を比較することで、内燃機関１の吸排気系の圧力損失に変化が生じたか否かを判定する。

そして、内燃機関１の吸排気系の圧力損失の変化が大きくなり、失火あるいはノッキングを引き起こす可能性がある場合には、ＥＧＲを禁止する。

具体的には、吸排気系の圧力損失が増大し、実前後差圧が、そのときの吸入空気量に応じて決定される上限側閾値を上回る場合には、目標ＥＧＲ量に対して実際に吸気通路２に導入される実ＥＧＲ量が多くなるため（目標ＥＧＲ率に対して実際のＥＧＲ率が大きくなるため）、失火を回避するためにＥＧＲを禁止する。そして、吸排気系の圧力損失が減少し、実前後差圧が、そのときの吸入空気量に応じて決定される下限側閾値を下回る場合には、目標ＥＧＲ量に対して実際に吸気通路２に導入される実ＥＧＲ量が少なくなるため（目標ＥＧＲ率に対して実際のＥＧＲ率が小さくなるため）、ノッキングを回避するためにＥＧＲを禁止する。

このように、推定された上下限側閾値と実測された実前後差圧とを比較することで、吸気通路２に導入されるＥＧＲガスの温度にかかわらず、ＥＧＲ制御弁２１が一定開度であってもＥＧＲ量が所期の値から変化する吸排気系の圧力損失の変化を検出することが可能となる。

図２は、上述した第１実施例における内燃機関１の制御内容を示すブロック図である。

Ｓ１では、エアフローメータ６で検出された吸入吸気量に基づいて、ＥＧＲ制御弁２１の前後差圧の上限側閾値と下限側閾値を算出する。Ｓ２では、上流側圧力センサ２９及び下流側圧力センサ３０の検出値から、ＥＧＲ制御弁２１の実前後差圧を算出する。

Ｓ３では、Ｓ１で算出された上限側閾値及び下限側閾値と、Ｓ２で算出された実前後差圧とを比較して、吸排気系の圧力損失の変化を検出する。すなわち、実前後差圧が上限側閾値を上回る場合、及び実前後差圧が下限側閾値を下回る場合、吸排気系の圧力損失が変化したと判定する。

Ｓ４では、Ｓ３での判定結果を参照してＥＧＲ制御を実施する。すなわち、Ｓ３にて、吸排気系の圧力損失が変化したと判定されていればＥＧＲを禁止し、そうでなければＥＧＲを実施可能とする。

なお、上述した実施例では、推定圧力差として吸入空気量から上限側閾値及び下限側閾値を算出しているが、推定圧力差として吸入空気量からＥＧＲ制御弁２１の前後の圧力差そのものである推定前後差圧を算出し、実前後差圧がこの推定前後差圧に対して所定割合以上乖離している場合に吸排気系の圧力損失が変化したと判定することも可能である。

そして、例えば、ＥＧＲ制御弁２１の開度が全開になると、ＥＧＲ通路２０が接続された位置での吸気通路２内の吸気圧力ＰｉとＥＧＲ通路２０が接続された位置での排気通路３内の排気圧力Ｐｅとの圧力差からＥＧＲガスは吸気通路２に導入されるものの、ＥＧＲ制御弁２１の前後差圧は小さくなり、吸排気系の圧力損失変化との区別が難しくなる。つまり、ＥＧＲ制御弁２１の開度が大きくなるほど、ＥＧＲ制御弁２１の前後差圧は相対的に小さくなるため、吸排気系の圧力損失変化との区別が難しくなる。

そこで、実前後差圧が下限側閾値よりも小さい場合には、ＥＧＲ制御弁開度センサ２８で検出されるそのときのＥＧＲ制御弁２１の実開度を用いて、吸排気系の圧力損失の変化によりＥＧＲ制御弁２１の前後差圧が小さくなったのか、あるいはＥＧＲ制御弁２１の故障による開度異常でＥＧＲ制御弁２１の前後差圧が小さくなったのか、を判定する前後差圧低下要因診断を合わせて実施するようにしてもよい。

具体的には、ＥＧＲ制御弁２１の実開度が目標開度に対して所定割合以上乖離していなければ、吸排気系の圧力損失により実前後差圧が下限側閾値よりも小さくなったと判定する。そして、ＥＧＲ制御弁２１の実開度が、目標開度に対して所定割合以上乖離し、目標開度に対して開側に大きく開いた開度になっていれば、ＥＧＲ制御弁２１の故障により実前後差圧が下限側閾値よりも小さくなったと判定する。このときの判定結果は、例えばコントロールユニット２５内に記憶しておくことで、整備工場等で整備点検する際に、電子システム診断テスタいわゆるコンサルトを用いて確認することが可能である。

なお、前後差圧低下要因診断を実施する場合には、前後差圧低下要因診断の実施中にノッキングが発生してしまう可能性があるので、前後差圧が下限側閾値よりも小さいと判定された時点で、ノッキング回避のために点火時期の所定量リタードすることが望ましい。そして、前後差圧低下要因診断が終了した時点でＥＧＲを停止すればよい。

また、ノッキングを検出すると点火時期を遅角してノッキングの発生を抑制するノッキング回避制御が実施される場合、ノッキング回避制御の実施にあたっては、設定値（目標点火時期）に対して所定量以上は遅角しないといった遅角量の上限（遅角限界）が設定されることになる。点火時期の遅角限界は内燃機関１の各運転点毎に決まる。つまり、点火時期の遅角限界は、機関回転速度や機関負荷によって決定される。

そして、ＥＧＲ制御弁２１の前後差圧と吸入空気量からＥＧＲ率は推定できるため、図３に示すように、縦軸をＥＧＲ制御弁２１の前後差圧、横軸を吸入空気量とすると、ＥＧＲ率に応じた特性線が描くことができる。図３に示す特性線Ｌ１〜Ｌ４はＥＧＲ率に応じた特性線であり、Ｌ１はＥＧＲ率１０％、Ｌ２はＥＧＲ率７％、Ｌ３はＥＧＲ率５％、Ｌ４はＥＧＲ率３％の場合を示している。

そこで、例えば、前後差圧と吸入空気量が図３中のＡ点のときに、このときの運転状態（運転点）における点火時期の遅角限界（最大遅角量）が、ＥＧＲ率のずれに換算して５％であるなら、図３中のＡ’点における前後差圧を下限側閾値とする。また、例えば、前後差圧と吸入空気量が図３中のＢ点のときに、このときの運転状態（運転点）における点火時期の遅角限界（最大遅角量）が、ＥＧＲ率のずれに換算して３％であるなら、図３中のＢ’点における前後差圧を下限側閾値とする。

すなわち、各運転点毎の点火時期の遅角限界をＥＧＲ率のずれ量である許容ＥＧＲ率ずれ量に換算し、各運転点毎に換算された許容ＥＧＲ率ずれ量に応じて下限側閾値を変更するようにしてもよい。ここで許容ＥＧＲ率ずれ量は、ＥＧＲ率がずれていたとしてもノッキング回避制御によりノッキングが回避可能なＥＧＲ率のずれ幅である。

また、上述したようにＥＧＲ制御弁２１の開度に応じてＥＧＲ制御弁２１の前後差圧が影響を受けるので、図４に示すように、ＥＧＲ制御弁２１の開度に応じて上限側閾値及び下限側閾値を変化させるようにしてもよい。

図４は、点火時期の遅角限界を運転状態によらず一定として、ＥＧＲ制御弁２１の開度が小さい場合の上限側閾値及び下限側閾値と、ＥＧＲ制御弁２１の開度が大きい場合の上限側閾値及び下限側閾値と、比較して示した説明図である。

図４中に実線で示す特性線Ｍ１はＥＧＲ制御弁２１の開度が所定の小開度のときの上限側閾値であり、図４中に実線で示す特性線Ｍ２はＥＧＲ制御弁２１の開度が所定の小開度のときの下限側閾値である。また、図４中に破線で示す特性線Ｎ１はＥＧＲ制御弁２１の開度が所定の大開度のときの上限側閾値であり、図４中に破線で示す特性線Ｎ２はＥＧＲ制御弁２１の開度が所定の大開度のときの下限側閾値である。このように、上限側閾値及び下限側閾値は、ＥＧＲ制御弁２１の開度が大きくなるほど相対的に小さくなるよう設定するようにしてもよい。

そして、ＥＧＲ制御弁２１の開度に応じて上限側閾値及び下限側閾値を変化させるともに、下限側閾値については、各運転点毎の点火時期の遅角限界をＥＧＲ率のずれ量である許容ＥＧＲ率ずれ量に換算し、各運転点毎に換算された許容ＥＧＲ率ずれ量に応じてさらに変更するようにしてもよい。

Claims (5)

1. スロットル弁の上流側に位置する過給機と、該過給機よりも上流側から排気の一部を吸気通路に導入するＥＧＲ通路と、上記ＥＧＲ通路の途中に配置されたＥＧＲ制御弁と、を有する内燃機関において、
   吸入空気量から推定される上記ＥＧＲ制御弁の前後の推定圧力差と、実測された上記ＥＧＲ制御弁前後の実前後差圧と、を比較することで、吸排気系の圧力損失の変化を検出する内燃機関であって、
   上記推定圧力差は、吸入空気量から推定される上記ＥＧＲ制御弁の推定前後差圧に対する上限側閾値及び下限側閾値であり、
   上記実前後差圧が上記上限側閾値を上回る場合、もしくは上記実前後差圧が上記下限側閾値を下回る場合に、吸排気系の圧力損失に変化があったと判定し、
   目標ＥＧＲ率に応じて、上記上限側閾値及び上記下限側閾値を変化させる内燃機関。
2. 上記実前後差圧が上記上限側閾値よりも大きい場合、または上記実前後差圧が上記下限側閾値よりも小さい場合には、ＥＧＲを禁止する請求項１に記載の内燃機関。
3. 上記ＥＧＲ制御弁の実開度を検出する手段を有し、
   上記実前後差圧が上記下限側閾値よりも小さい場合、上記ＥＧＲ制御弁の実開度が目標開度に対して所定割合以上乖離していない開度であれば、吸排気系の圧力損失により上記推定前後差圧と上記実前後差圧との間に変化が生じたと判定し、上記ＥＧＲ制御弁の実開度が目標開度に対して上記所定割合以上乖離した開度であれば、上記ＥＧＲ制御弁の故障により上記推定前後差圧と上記実前後差圧との間に変化が生じたと判定する請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 上記実前後差圧が上記下限側閾値よりも小さい場合には、内燃機関の点火時期を遅角化した上で、上記ＥＧＲ制御弁の実開度を用いた判定を実施する請求項３に記載の内燃機関。
5. 内燃機関のノッキングを検出するノック検出手段と、
   ノッキングを検出するとノッキングが検出されないように内燃機関の点火時期を遅角するリタード制御手段と、を有し
   上記下限側閾値は、上記リタード制御手段における点火時期の遅角限界に応じて変化する請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関。

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