JP6098835B2 - エンジンの排気制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気制御装置に係わり、特に、ターボ過給機及びＥＧＲ装置を有するエンジンの排気制御装置に関する。

従来から、エンジンのエミッションを改善する目的などから、排気通路内の排気ガスの一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置が知られている。また、ターボ過給機のタービンの上流側の排気通路からターボ過給機のコンプレッサの下流側の吸気通路へ排気ガスを還流させる高圧ＥＧＲ装置、及び、ターボ過給機のタービンの下流側の排気通路からターボ過給機のコンプレッサの上流側の吸気通路へ排気ガスを還流させる低圧ＥＧＲ装置の２つのＥＧＲ装置を用いる技術も知られている（例えば特許文献１参照）。

一般的には、このような２つのＥＧＲ装置を用いた場合、低負荷・低回転数側に規定されたエンジンの運転領域では、高圧ＥＧＲ装置を作動させ、この高圧ＥＧＲ装置を作動させる領域よりも高負荷・高回転数側に規定されたエンジンの運転領域では、低圧ＥＧＲ装置を作動させている。なお、以下では、高圧ＥＧＲ装置を作動させるエンジンの運転領域を適宜「高圧ＥＧＲ領域」と呼び、低圧ＥＧＲ装置を作動させるエンジンの運転領域を適宜「低圧ＥＧＲ領域」と呼ぶ。

他方で、従来から、ターボ過給機として、可動式の複数のフラップ（言い換えると可動ベーン又はノズルベーン）をタービンの周囲に配設した可変ジオメトリーターボチャージャー（ＶＧＴ：Variable Geometry Turbocharger）が知られている。特許文献２には、そのようなターボ過給機とＥＧＲ装置とを用いたシステムにおいて、ＥＧＲ装置によって排気ガスを還流させるときは、フラップ開度を所定開度に機械的に固定する技術が記載されている。

特開２００７−３０３３８０号公報 特開平９−２８０１１９号公報

ところで、高圧ＥＧＲ領域では、エンジンの着火性やエミッションを改善すべく、高圧ＥＧＲ装置による排気ガス還流の制御性を最優先して、ターボ過給機のフラップ開度を制御することが望ましい。具体的には、高圧ＥＧＲ領域では、ターボ過給機の動作によって排気圧が変動することは望ましくない。
他方で、低圧ＥＧＲ領域では、低圧ＥＧＲ装置による排気ガス還流の制御性を確保しつつ、ターボ過給機にある程度の仕事を行わせるように、ターボ過給機のフラップ開度を制御することが望ましい。特に、低圧ＥＧＲ装置によって排気ガスが還流される経路が長いため、低圧ＥＧＲ装置による排気ガス還流の応答性が遅い点を考慮して、フラップ開度を制御することが望ましい。
以上のことから、高圧ＥＧＲ領域及び低圧ＥＧＲ領域のそれぞれに応じてターボ過給機のフラップ開度を制御することが望ましい。上述した特許文献１及び２のいずれにも、このようなＥＧＲ領域に応じてフラップ開度を制御することについては開示されていない。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、高圧ＥＧＲ領域及び低圧ＥＧＲ領域のそれぞれに応じてターボ過給機のフラップ開度を適切に制御することができるエンジンの排気制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、エンジンの排気制御装置であって、排気通路に設けられたタービンと吸気通路に設けられたコンプレッサとを備え、排気ガスによってタービンを回転させることによりコンプレッサを駆動して吸気を過給するターボ過給機であって、過給圧を調整可能な可動式のフラップを更に備えるターボ過給機と、エンジンの低負荷且つ低回転数側に規定された所定の第１運転領域において、ターボ過給機のタービンの上流側の排気通路からターボ過給機のコンプレッサの下流側の吸気通路へ排気ガスを還流させる高圧ＥＧＲ装置と、第１運転領域よりも高負荷且つ高回転数側に規定された第２運転領域において、ターボ過給機のタービンの下流側の排気通路からターボ過給機のコンプレッサの上流側の吸気通路へ排気ガスを還流させる低圧ＥＧＲ装置と、ターボ過給機のフラップの開度であるフラップ開度を制御するフラップ制御手段と、を有し、フラップ制御手段は、高圧ＥＧＲ装置が排気ガスを還流させている場合には、フラップ開度を所定の開度に固定し、低圧ＥＧＲ装置が排気ガスを還流させている場合には、フラップ開度をエンジンの運転状態に応じた開度に設定し、低圧ＥＧＲ装置が排気ガスを還流させている状態から、高圧ＥＧＲ装置及び低圧ＥＧＲ装置のいずれによっても排気ガスを還流させない状態へと移行した際に、フラップ開度をエンジンの運転状態に応じた開度に設定する制御を行い、この制御の後に、実過給圧がエンジンの運転状態に応じた目標過給圧に設定されるようにフラップ開度を制御する、ことを特徴とする。
このように構成された本発明においては、高圧ＥＧＲ装置を作動させている場合には、フラップ開度（ＶＧＴ開度）を所定の開度に固定するので、排気圧の変動を抑制して、高圧ＥＧＲ装置による排気ガス還流の制御性を効果的に確保することができ、エンジンの着火性やエミッションを改善することが可能となる。また、本発明によれば、低圧ＥＧＲ装置を作動させている場合には、フラップ開度をエンジンの運転状態に応じた開度に設定する制御（具体的にはフィードフォワード制御、言い換えるとオープン制御）を行い、緩やかなフラップ開度変化によって排気圧をコントロールするので、ターボ過給機による仕事の変化を緩やかにし、低圧ＥＧＲ装置による排気ガス還流の制御性を適切に確保することができる。その結果、要求噴射量を実現するのに必要な酸素濃度を適切に実現することができ、エンジンのスモークを抑制するために設定される燃料噴射量の制限に余裕を持たせることができると共に、燃費やエミッションを改善することができる。
また、本発明においては、低圧ＥＧＲ装置を作動させている状態から、高圧ＥＧＲ装置及び低圧ＥＧＲ装置のいずれも作動させない状態へと移行した際に、フラップ開度を目標過給圧に応じてダイナミックに変化させる制御（過給圧フィードバック制御）を即座に実行せずに、フラップ開度をエンジンの運転状態に応じた開度に設定する制御（フィードフォワード制御）を行うので、ターボ過給機の信頼性を確保しつつ、リニアな加速感及び燃費の改善を実現することが可能となる。

本発明において、好ましくは、フラップ制御手段は、低圧ＥＧＲ装置による排気ガスの還流が停止してから、実過給圧と目標過給圧との差が所定値以下になるまで、フラップ開度をエンジンの運転状態に応じた開度に設定する制御を継続し、実過給圧と目標過給圧との差が所定値以下になった後に、実過給圧が目標過給圧に設定されるようにフラップ開度を制御する。
このように構成された本発明においては、低圧ＥＧＲ装置の作動を停止してから、実過給圧と目標過給圧との差が所定値以下になるまで、フラップ開度をエンジンの運転状態に応じた開度に設定する制御（フィードフォワード制御）を継続するので、ターボ過給機の信頼性を効果的に確保することができると共に、リニアな加速感及び燃費の改善を効果的に実現することができる。

別の観点では、本発明は、エンジンの排気制御装置であって、排気通路に設けられたタービンと吸気通路に設けられたコンプレッサとを備え、排気ガスによってタービンを回転させることによりコンプレッサを駆動して吸気を過給するターボ過給機であって、過給圧を調整可能な可動式のフラップを更に備えるターボ過給機と、エンジンにおける低負荷且つ低回転数側に規定された所定の第１運転領域において、ターボ過給機のタービンの上流側の排気通路からターボ過給機のコンプレッサの下流側の吸気通路へ排気ガスを還流させる高圧ＥＧＲ装置と、第１運転領域よりも高負荷且つ高回転数側に規定された第２運転領域において、ターボ過給機のタービンの下流側の排気通路からターボ過給機のコンプレッサの上流側の吸気通路へ排気ガスを還流させる低圧ＥＧＲ装置と、ターボ過給機のフラップの開度であるフラップ開度を制御するフラップ制御手段と、を有し、フラップ制御手段は、高圧ＥＧＲ装置が排気ガスを還流させている場合には、フラップ開度を所定の開度に固定し、低圧ＥＧＲ装置が排気ガスを還流させている場合には、フラップ開度をエンジンの運転状態に応じた開度に設定し、低圧ＥＧＲ装置が排気ガスを還流させている場合には、フラップ開度の変化速度を所定値以下に制限して、フラップ開度を制御する。
このように構成された本発明においては、低圧ＥＧＲ装置を作動させている際に、フラップ開度をエンジンの運転状態に応じた開度に設定する制御を行うに当たって、フラップ開度の変化速度に対して制限を課すので、フラップ開度を緩やかに変化させて、低圧ＥＧＲ装置による排気ガス還流の制御性を効果的に確保することができる。

本発明のエンジンの排気制御装置によれば、高圧ＥＧＲ領域及び低圧ＥＧＲ領域のそれぞれに応じてターボ過給機のフラップ開度を適切に制御することができる。

本発明の実施形態によるエンジンの排気制御装置が適用されたエンジンシステムの概略構成図である。 本発明の実施形態によるターボ過給機のタービン室を拡大した縦断面図である。 本発明の実施形態による高圧ＥＧＲ領域、低圧ＥＧＲ領域及び非ＥＧＲ領域の説明図である。 本発明の実施形態による基本制御を示すフローチャートである。 本発明の実施形態によるＶＧＴ開度制御フローを示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの排気制御装置について説明する。

＜システム構成＞
まず、図１を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの排気制御装置が適用されたエンジンシステムについて説明する。図１は、本発明の実施形態によるエンジンの排気制御装置が適用されたエンジンシステムの概略構成図である。

図１に示すように、エンジンシステム２００は、主に、ディーゼルエンジンとしてのエンジンＥと、エンジンＥに吸気を供給する吸気系ＩＮと、エンジンＥに燃料を供給するための燃料供給系ＦＳと、エンジンＥの排気ガスを排出する排気系ＥＸと、エンジンシステム２００に関する各種の状態を検出するセンサ９９〜１２２と、エンジンシステム２００の制御を行うＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０と、を有する。

まず、吸気系ＩＮは、吸気が通過する吸気通路１を有しており、この吸気通路１上には、上流側から順に、外部から導入された空気を浄化するエアクリーナ３と、通過する吸気を圧縮して吸気圧を上昇させる、ターボ過給機５のコンプレッサ５ａと、通過する吸気流量を調整する吸気シャッター弁７と、通水された冷却水を用いて吸気を冷却する水冷式のインタークーラ８と、インタークーラ８に通水する冷却水の流量を制御する電動ウォータポンプ９と、インタークーラ８と電動ウォータポンプ９とを接続し、これらの間で冷却水を循環させる通路である冷却水通路１０と、エンジンＥに供給する吸気を一時的に蓄えるサージタンク１２と、が設けられている。
また、吸気系ＩＮにおいては、エアクリーナ３の直下流側の吸気通路１上には、吸入空気量を検出するエアフローセンサ１０１と吸気温度を検出する吸気温度センサ１０２とが設けられ、ターボ過給機５のコンプレッサ５ａには、このコンプレッサ５ａの回転数を検出するターボ回転数センサ１０３が設けられ、吸気シャッター弁７には、この吸気シャッター弁７の開度を検出する吸気シャッター弁位置センサ１０５が設けられ、インタークーラ８の直下流側の吸気通路１上には、吸気温度を検出する吸気温度センサ１０６と吸気圧を検出する吸気圧センサ１０７とが設けられ、サージタンク１２には、吸気マニホールド温度センサ１０８が設けられている。これらの、吸気系ＩＮに設けられた各種センサ１０１〜１０８は、それぞれ、検出したパラメータに対応する検出信号Ｓ１０１〜Ｓ１０８をＥＣＵ６０に出力する。

次に、エンジンＥは、吸気通路１（詳しくは吸気マニホールド）から供給された吸気を燃焼室１７内に導入する吸気バルブ１５と、燃焼室１７に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁２０と、始動時などでの着火を確保するための補助熱源としてのグロープラグ２１と、燃焼室１７内での混合気の燃焼により往復運動するピストン２３と、ピストン２３の往復運動により回転されるクランクシャフト２５と、燃焼室１７内での混合気の燃焼により発生した排気ガスを排気通路４１へ排出する排気バルブ２７と、を有する。更に、エンジンＥには、このエンジンＥの出力を利用して発電するオルタネータ２６が設けられている。
また、エンジンＥには、エンジンＥなどを冷却する冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ１０９と、クランクシャフト２５のクランク角度を検出するクランク角センサ１１０と、油圧及び／又は油温を検出する油圧／油温センサ１１１と、オイルレベルを検出する光学式オイルレベルセンサ１１２と、が設けられている。これらの、エンジンＥに設けられた各種センサ１０９〜１１２は、それぞれ、検出したパラメータに対応する検出信号Ｓ１０９〜Ｓ１１２をＥＣＵ６０に出力する。

次に、燃料供給系ＦＳは、燃料を貯蔵する燃料タンク３０と、燃料タンク３０から燃料噴射弁２０に燃料を供給するための燃料供給通路３８とを有する。燃料供給通路３８には、上流側から順に、低圧燃料ポンプ３１と、高圧燃料ポンプ３３と、コモンレール３５とが設けられている。また、低圧燃料ポンプ３１には燃料ウォーマー３２が設けられ、高圧燃料ポンプ３３には燃圧レギュレータ３４が設けられ、コモンレール３５にはコモンレール減圧弁３６が設けられている。
また、燃料供給系ＦＳにおいては、高圧燃料ポンプ３３には、燃料温度を検出する燃料温度センサ１１４が設けられ、コモンレール３５には、燃圧を検出する燃圧センサ１１５が設けられている。これらの、燃料供給系ＦＳに設けられた各種センサ１１４、１１５は、それぞれ、検出したパラメータに対応する検出信号Ｓ１１４、Ｓ１１５をＥＣＵ６０に出力する。

次に、排気系ＥＸは、排気ガスが通過する排気通路４１を有しており、この排気通路４１上には、上流側から順に、通過する排気ガスによって回転され、この回転によって上記したようにコンプレッサ５ａを駆動する、ターボ過給機５のタービン５ｂと、排気ガスの浄化機能を有するディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）４５及びディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel particulate filter）４６と、通過する排気流量を調整する排気シャッター弁４９と、が設けられている。ＤＯＣ４５は、排出ガス中の酸素を用いて炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）などを酸化して水と二酸化炭素に変化させる触媒であり、ＤＰＦ４６は、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集するフィルタである。
また、排気系ＥＸにおいては、ターボ過給機５のタービン５ｂの上流側の排気通路４１上には、排気圧を検出する排気圧センサ１１６と排気温度を検出する排気温度センサ１１７とが設けられ、ＤＯＣ４５の直上流側及びＤＯＣ４５とＤＰＦ４６との間には、それぞれ、排気温度を検出する排気温度センサ１１８、１１９が設けられ、ＤＰＦ４６には、このＤＰＦ４６の上流側と下流側との排気圧の差を検出するＤＰＦ差圧センサ１２０が設けられ、ＤＰＦ４６の直下流側の排気通路４１上には、酸素濃度を検出するリニアＯ₂センサ１２１と排気温度を検出する排気温度センサ１２２とが設けられている。これらの、排気系ＥＸに設けられた各種センサ１１６〜１２２は、それぞれ、検出したパラメータに対応する検出信号Ｓ１１６〜Ｓ１２２をＥＣＵ６０に出力する。

更に、本実施形態では、ターボ過給機５は、排気エネルギーが低い低速回転時でも効率良く過給を行えるように小型に構成されていると共に、タービン５ｂの全周を囲むように複数の可動式のフラップ５ｃが設けられ、これらのフラップ５ｃによりタービン５ｂへの排気の流通断面積（ノズル断面積）を変化させるようにした可変ジオメトリーターボチャージャー（ＶＧＴ：Variable Geometry Turbocharger）として構成されている。例えば、フラップ５ｃは、ダイヤフラムに作用する負圧の大きさが電磁弁により調節され、アクチュエータによって回動される。また、そのようなアクチュエータの位置により、フラップ５ｃの開度（フラップ開度であり、以下では適宜「ＶＧＴ開度」と呼ぶ。）を検出するＶＧＴ開度センサ１０４が設けられている。このＶＧＴ開度センサ１０４は、検出したＶＧＴ開度に対応する検出信号Ｓ１０４をＥＣＵ６０に出力する。

ここで、図２を参照して、本発明の実施形態によるターボ過給機５のフラップ５ｃについて具体的に説明する。図２は、ターボ過給機５のタービン室を拡大した縦断面の構成を模式的に示す。
図２に示すように、タービンケーシング１５３内に形成されたタービン室１５３ａには、そのほぼ中央部に配置されたタービン５ｂの周囲を取り囲むように複数の可動式のフラップ５ｃ、５ｃ、…が配設され、各フラップ５ｃはタービン室１５３ａの一方の側壁を貫通する支軸１３１ａにより回動可能に支持されている。各フラップ５ｃは、それぞれ支軸５ｄの回りに図２の時計回りに回動して、相互に近接するように傾斜すると、各フラップ５ｃの相互間に形成されるノズル１５５、１５５、…の開度（ノズル断面積）が小さく絞られて、排気流量の少ないときでも高い過給効率を得ることができる。一方、各フラップ５ｃを上記と反対側に回動させて、相互に離反するように傾斜させれば、ノズル断面積が大きくなるので、排気流量の多いときでも通気抵抗を低減して、過給効率を高めることができる。
また、リング部材１５７は、リンク機構１５８を介してアクチュエータのロッド１６３に駆動連結されており、該アクチュエータの作動によりリング部材１５７を介して各フラップ５ｃが回動される。すなわち、リンク機構１５８は、一端部をリング部材１５７に回動可能に連結された連結ピン１５８ａと、該連結ピン１５８ａの他端部に一端部を回動可能に連結された連結板部材１５８ｂと、該連結板部材１５８ｂの他端部に連結されると共に、タービンケーシング１５３の外壁を貫通する柱状部材１５８ｃと、該柱状部材１５８ｃのタービンケーシング１５３外へ突出する突出端部に一端部を連結された連結板部材１５８ｄとからなり、該連結板部材１５８ｄの他端部が連結ピン（図示せず）によりアクチュエータのロッド１６３に回動可能に連結されている。

図１に戻ると、本実施形態によるエンジンシステム２００は、更に、高圧ＥＧＲ装置４３及び低圧ＥＧＲ装置４８を有する。高圧ＥＧＲ装置４３は、ターボ過給機５のタービン５ｂの上流側の排気通路４１とターボ過給機５のコンプレッサ５ｂの下流側（詳しくはインタークーラ８の下流側）の吸気通路１とを接続する高圧ＥＧＲ通路４３ａと、高圧ＥＧＲ通路４３ａを通過させる排気ガスの流量を調整する高圧ＥＧＲバルブ４３ｂと、を有する。低圧ＥＧＲ装置４８は、ターボ過給機５のタービン５ｂの下流側（詳しくはＤＰＦ４６の下流側で且つ排気シャッター弁４９の上流側）の排気通路４１とターボ過給機５のコンプレッサ５ｂの上流側の吸気通路１とを接続する低圧ＥＧＲ通路４８ａと、低圧ＥＧＲ通路４８ａを通過する排気ガスを冷却する低圧ＥＧＲクーラ４８ｂと、低圧ＥＧＲ通路４８ａを通過させる排気ガスの流量を調整する低圧ＥＧＲバルブ４８ｃと、低圧ＥＧＲフィルタ４８ｄと、を有する。

高圧ＥＧＲ装置４３によって吸気系ＩＮに還流される排気ガス量（以下「高圧ＥＧＲガス量」と呼ぶ。）は、ターボ過給機５のタービン５ｂ上流側の排気圧と、吸気シャッター弁７の開度によって作り出される吸気圧と、高圧ＥＧＲバルブ４３ｂの開度とによって概ね決定される。また、低圧ＥＧＲ装置４８によって吸気系ＩＮに還流される排気ガス量（以下「低圧ＥＧＲガス量」と呼ぶ。）は、ターボ過給機５のコンプレッサ５ａ上流側の吸気圧と、排気シャッター弁４９の開度によって作り出される排気圧と、低圧ＥＧＲバルブ４８ｃの開度とによって概ね決定される。

ここで、図３を参照して、本発明の実施形態において、高圧ＥＧＲ装置４３が作動されるエンジンＥの運転領域（高圧ＥＧＲ領域）及び低圧ＥＧＲ装置４８が作動されるエンジンＥの運転領域（低圧ＥＧＲ領域）について説明する。図３は、横軸にエンジン回転数を示し、縦軸に燃料噴射量（エンジン負荷に相当する）を示しており、高圧ＥＧＲ領域及び低圧ＥＧＲ領域を模式的に表している。
図３に示すように、低負荷・低回転数側に規定されたエンジンＥの運転領域Ｒ１（第１運転領域に相当する）は、高圧ＥＧＲ装置４３が作動される高圧ＥＧＲ領域であり、この高圧ＥＧＲ領域Ｒ１よりも高負荷・高回転数側に規定されたエンジンＥの運転領域Ｒ２（第２運転領域に相当する）は、低圧ＥＧＲ装置４８が作動される低圧ＥＧＲ領域である。より詳しくは、低圧ＥＧＲ領域Ｒ２内の一部の領域（高圧ＥＧＲ領域Ｒ１との境界付近の領域）では、低圧ＥＧＲ装置４８だけでなく、高圧ＥＧＲ装置４３も作動される、つまり高圧ＥＧＲ装置４３及び低圧ＥＧＲ装置４８の併用領域となる。また、低圧ＥＧＲ領域Ｒ２よりも更に高負荷・高回転数側に規定されたエンジンＥの運転領域Ｒ３は、高圧ＥＧＲ装置４３及び低圧ＥＧＲ装置４８のいずれも作動されない領域（以下では適宜「非ＥＧＲ領域」と呼ぶ。）である。

図１に戻ると、本実施形態によるＥＣＵ６０は、上述した各種センサ１０１〜１２２の検出信号Ｓ１０１〜Ｓ１２２に加えて、外気温を検出する外気温センサ９８、大気圧を検出する大気圧センサ９９、及びアクセルペダル９５の開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ１００のそれぞれが出力した検出信号Ｓ９８〜Ｓ１００に基づいて、エンジンシステム２００内の構成要素に対する制御を行う。具体的には、ＥＣＵ６０は、ターボ過給機５のタービン５ｂにおけるフラップ５ｃの開度（ＶＧＴ開度）を制御すべく、このフラップ５ｃを駆動するアクチュエータ（不図示）に対して制御信号Ｓ１３０を出力する。また、ＥＣＵ６０は、吸気シャッター弁７の開度を制御すべく、吸気シャッター弁７を駆動するアクチュエータ（不図示）に対して制御信号Ｓ１３１を出力する。また、ＥＣＵ６０は、インタークーラ８に供給する冷却水の流量を制御すべく、電動ウォータポンプ９に対して制御信号Ｓ１３２を出力する。また、ＥＣＵ６０は、エンジンＥの燃料噴射量などを制御すべく、燃料噴射弁２０に制御信号Ｓ１３３を出力する。また、ＥＣＵ６０は、オルタネータ２６、燃料ウォーマー３２、燃圧レギュレータ３４及びコモンレール減圧弁３６を制御すべく、これらのそれぞれに対して制御信号Ｓ１３４、Ｓ１３５、Ｓ１３６、Ｓ１３７を出力する。また、ＥＣＵ６０は、高圧ＥＧＲバルブ４３ｂの開度を制御すべく、高圧ＥＧＲバルブ４３ｂを駆動するアクチュエータ（不図示）に対して制御信号Ｓ１３８を出力する。また、ＥＣＵ６０は、低圧ＥＧＲバルブ４８ｃの開度を制御すべく、低圧ＥＧＲバルブ４８ｃを駆動するアクチュエータ（不図示）に対して制御信号Ｓ１３９を出力する。また、ＥＣＵ６０は、排気シャッター弁４９の開度を制御すべく、排気シャッター弁４９を駆動するアクチュエータ（不図示）に対して制御信号Ｓ１４０を出力する。

＜基本制御＞
次に、図４を参照して、本発明の実施形態によるエンジンシステム２００において実施される基本制御について説明する。図４は、本発明の実施形態による基本制御を示すフローチャートである。このフローでは、要求噴射量などに応じた目標酸素濃度及び目標吸気温度を実現するための制御がなされる。また、このフローは、ＥＣＵ６０によって所定の周期で繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１１では、ＥＣＵ６０は、上述した各種センサ９８〜１２２が出力した検出信号Ｓ９８〜Ｓ１２２のうちの少なくとも一以上を取得する。
次いで、ステップＳ１２では、ＥＣＵ６０は、アクセル開度センサ１００が検出したアクセル開度（検出信号Ｓ１００に対応する）に基づいて、エンジンＥから出力させるべき目標トルクを設定する。
次いで、ステップＳ１３では、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１２で設定した目標トルクと、エンジン回転数とに基づいて、燃料噴射弁２０から噴射させるべき要求噴射量を設定する。
次いで、ステップＳ１４では、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１３で設定した要求噴射量と、エンジン回転数とに基づいて、燃料の噴射パターンと、燃圧と、目標酸素濃度と、目標吸気温度と、ＥＧＲ制御モード（高圧ＥＧＲ装置４３及び低圧ＥＧＲ装置４８の両方又は一方を作動させるモード、或いは高圧ＥＧＲ装置４３及び低圧ＥＧＲ装置４８のいずれも作動させないモード）とを設定する。
次いで、ステップＳ１５では、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１４で設定した目標酸素濃度及び目標吸気温度を実現する状態量を設定する。例えば、この状態量には、高圧ＥＧＲ装置４３によって吸気系ＩＮに還流させる排気ガス量（高圧ＥＧＲガス量）や、低圧ＥＧＲ装置４８によって吸気系ＩＮに還流させる排気ガス量（低圧ＥＧＲガス量）や、ターボ過給機５による過給圧などが含まれる。
次いで、ステップＳ１６では、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１５で設定した状態量に基づいて、エンジンシステム２００の各構成要素のそれぞれを駆動する各アクチュエータを制御する。この場合、ＥＣＵ６０は、状態量に応じた制限値や制限範囲を設定し、状態値が制限値や制限範囲による制限を遵守するような各アクチュエータの制御量を設定して制御を実行する。

＜ＶＧＴ開度制御＞
以下では、本発明の実施形態によるＶＧＴ開度制御について説明する。

最初に、本発明の実施形態によるＶＧＴ開度制御の概要について説明する。本実施形態では、ＥＣＵ６０は、高圧ＥＧＲ装置４３を作動させている場合（高圧ＥＧＲ領域Ｒ１）と、低圧ＥＧＲ装置４８を作動させている場合（低圧ＥＧＲ領域Ｒ２）と、高圧ＥＧＲ装置４３及び低圧ＥＧＲ装置４８のいずれも作動させていない場合（非ＥＧＲ領域Ｒ３）とで、ターボ過給機５のフラップ５ｃの開度（ＶＧＴ開度）を異なる態様にて制御する。なお、ＥＣＵ６０は、本発明における「フラップ制御手段」に相当する。

具体的には、ＥＣＵ６０は、高圧ＥＧＲ装置４３を作動させている場合には、ＶＧＴ開度を所定の開度に固定する、つまりＶＧＴ開度を変化させずに一定の開度に固定する。こうすることで、排気圧を変動させないようにして、高圧ＥＧＲ装置４３による排気ガス還流の制御性（高圧ＥＧＲバルブ４３ｂや吸気シャッター弁７などを制御して所望の高圧ＥＧＲガス量を実現するための制御性能を意味する。）を確保するようにする。なお、このようにＶＧＴ開度を制御した場合、ターボ過給機５は単なる排気抵抗物として働き、ほとんど過給を行わない。また、この場合の排気抵抗は、ほぼ一定になる。

他方で、ＥＣＵ６０は、高圧ＥＧＲ装置４３を作動させずに低圧ＥＧＲ装置４８のみを作動させている場合には、ＶＧＴ開度をエンジンＥの運転状態に応じた開度に設定する制御を行う。具体的には、ＥＣＵ６０は、エンジン回転数及び燃料噴射量に対して設定すべきＶＧＴ開度が対応付けられたマップを参照して、現在のエンジン回転数及び燃料噴射量に対応するＶＧＴ開度に設定する。この場合、ＥＣＵ６０は、エンジン回転数及び燃料噴射量に応じてＶＧＴ開度を設定し、目標過給圧に応じてＶＧＴ開度を変化させない。つまり、ＥＣＵ６０は、エンジン回転数及び燃料噴射量に基づいて、Ｆ／Ｆ制御（フィードフォワード制御、言い換えるとオープン制御）によってＶＧＴ開度を変化させ、実過給圧を目標過給圧に設定するための過給圧Ｆ／Ｂ制御（フィードバック制御）によってＶＧＴ開度をダイナミックに変化させない。更に、ＥＣＵ６０は、ＶＧＴ開度の変化速度を所定値以下に制限して、ＶＧＴ開度を変化させる制御を行う。
このようなＶＧＴ開度制御によれば、ＶＧＴ開度を緩やかに変化させて排気圧をコントロールすることができる。よって、ターボ過給機５の動作（ターボ過給機５による過給）を確保しつつ、ターボ過給機５による仕事の変化を緩やかにして、つまり排気圧の変化を緩やかにして、低圧ＥＧＲ装置４８による排気ガス還流の制御性（低圧ＥＧＲバルブ４８ｃや排気シャッター弁４９などを制御して所望の低圧ＥＧＲガス量を実現するための制御性能を意味する。）を適切に確保することができる。低圧ＥＧＲ装置４８は、排気ガスを還流する経路が長いため、応答性が悪いという特性があるが、上記のようにＶＧＴ開度を制御した場合、ターボ過給機５による仕事の変化が緩やかであるため、低圧ＥＧＲ装置４８の制御性を適切に確保することができるのである。その結果、所望の量の酸素をエンジンＥに適切に供給することができ、具体的には要求噴射量を適用するのに必要な酸素濃度を適切に実現することができ、エンジンＥのスモークを抑制するために設定される燃料噴射量の制限に余裕を持たせることができると共に、燃費やエミッションを改善することができる。

他方で、ＥＣＵ６０は、高圧ＥＧＲ装置４３及び低圧ＥＧＲ装置４８のいずれも作動させていない場合には、実過給圧を目標過給圧に設定するための過給圧Ｆ／Ｂ制御を用いて、ＶＧＴ開度を制御する。具体的には、ＥＣＵ６０は、吸気圧センサ１０７によって検出された吸気圧を実過給圧として用い、この実過給圧を監視しながら、実過給圧が目標過給圧に維持されるようにＶＧＴ開度をダイナミックに変化させる制御を行う。こうすることで、実過給圧を目標過給圧に適切に追従させるようにする。

更に、本実施形態では、ＥＣＵ６０は、低圧ＥＧＲ装置４８を作動させている状態から、低圧ＥＧＲ装置４８の作動を停止して高圧ＥＧＲ装置４３及び低圧ＥＧＲ装置４８のいずれも作動させない状態へと移行する際に、つまり低圧ＥＧＲ領域Ｒ２から非ＥＧＲ領域Ｒ３へと移行する際に、まず、上記した低圧ＥＧＲ装置４８を作動させている場合と同様のＶＧＴ開度制御を実行する。具体的には、ＥＣＵ６０は、低圧ＥＧＲ領域Ｒ２から非ＥＧＲ領域Ｒ３への移行時には、エンジン回転数及び燃料噴射量に対して設定すべきＶＧＴ開度が対応付けられたマップを参照して、現在のエンジン回転数及び燃料噴射量に対応するＶＧＴ開度に設定し（つまりＦ／Ｆ制御によりＶＧＴ開度を変化させ）、目標過給圧に基づいてＶＧＴ開度をダイナミックに変化させる過給圧Ｆ／Ｂ制御を即座に実行しない。こうすることで、過給圧Ｆ／Ｂ制御を即座に実行した場合の急峻な過給圧の変化（これは特に小型のターボ過給機５で顕著となる）に起因する、ターボ過給機５の信頼性の低下、急加速、及び燃費の悪化を抑制するようにする。
より詳しくは、ＥＣＵ６０は、低圧ＥＧＲ装置４８の作動が停止してから、吸気圧センサ１０７によって検出された実過給圧と目標過給圧との差が所定値以下になるまで、このようなＦ／Ｆ制御によるＶＧＴ開度の制御を継続する。そして、ＥＣＵ６０は、実過給圧と目標過給圧との差が所定値以下になった後に、上述したような、実過給圧が目標過給圧に維持されるようにＶＧＴ開度をダイナミックに変化させる過給圧Ｆ／Ｂ制御を実行する。

次に、図５を参照して、本発明の実施形態によるＶＧＴ開度制御の全体の流れについて具体的に説明する。図５は、本発明の実施形態によるＶＧＴ開度制御フローを示すフローチャートである。このＶＧＴ開度制御フローは、ＥＣＵ６０によって所定の周期で繰り返し実行される。また、ＶＧＴ開度制御フローは、エンジンＥの運転状態が、高圧ＥＧＲ装置４３及び低圧ＥＧＲ装置４８の作動が許可されるような状態である場合に実行されるものとする。

まず、ステップＳ２１では、ＥＣＵ６０は、高圧ＥＧＲ装置４３が作動中であるか否かを判定する。１つの例では、ＥＣＵ６０は、現在のエンジン回転数及び燃料噴射量に基づき、現在のエンジンＥの運転状態が、図３に示した高圧ＥＧＲ領域Ｒ１（厳密には高圧ＥＧＲ装置４３及び低圧ＥＧＲ装置４８が併用される低圧ＥＧＲ領域Ｒ２内の一部の領域も含む）の範囲内に含まれているか否かを判定することにより、ステップＳ２１の判定を行う。他の例では、ＥＣＵ６０は、高圧ＥＧＲ装置４３の高圧ＥＧＲバルブ４３ｂが開いているか否かを判定することにより、ステップＳ２１の判定を行う。

このような判定の結果、高圧ＥＧＲ装置４３が作動中であると判定された場合（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、処理はステップＳ２２に進み、ＥＣＵ６０は、ＶＧＴ開度を所定の開度に設定する。例えば、ＥＣＵ６０は、事前に定められた閉じ側の所定の開度に、ＶＧＴ開度を設定する。この場合、ＥＣＵ６０は、ＶＧＴ開度センサ１０４によって検出されたＶＧＴ開度を監視しながら、実際のＶＧＴ開度が所定の開度に固定されるように、ターボ過給機５のフラップ５ｃを駆動するアクチュエータに対する制御を行う。なお、点としての所定の開度にＶＧＴ開度を厳密に設定することに限定はされず、この所定の開度を基準とした或る微小な範囲内の開度にＶＧＴ開度を設定してもよい。

一方で、高圧ＥＧＲ装置４３が作動中であると判定されなかった場合（ステップＳ２１：Ｎｏ）、処理はステップＳ２３に進み、ＥＣＵ６０は、低圧ＥＧＲ装置４８が作動中であるか否かを判定する。１つの例では、ＥＣＵ６０は、現在のエンジン回転数及び燃料噴射量に基づき、現在のエンジンＥの運転状態が、図３に示した低圧ＥＧＲ領域Ｒ２（厳密には、低圧ＥＧＲ領域Ｒ２から、高圧ＥＧＲ装置４３及び低圧ＥＧＲ装置４８の併用領域を除いた領域）の範囲内に含まれているか否かを判定することにより、ステップＳ２３の判定を行う。他の例では、ＥＣＵ６０は、高圧ＥＧＲ装置４３の高圧ＥＧＲバルブ４３ｂが閉じており、且つ低圧ＥＧＲ装置４８の低圧ＥＧＲバルブ４８ｃが開いているか否かを判定することにより、ステップＳ２３の判定を行う。

このような判定の結果、低圧ＥＧＲ装置４８が作動中であると判定された場合（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、処理はステップＳ２４に進み、ＥＣＵ６０は、Ｆ／Ｆ制御によってＶＧＴ開度を制御する。具体的には、ＥＣＵ６０は、エンジン回転数及び燃料噴射量に対して設定すべきＶＧＴ開度が対応付けられたマップを参照して、現在のエンジン回転数及び燃料噴射量に対応するＶＧＴ開度に設定する。この場合にも、ＥＣＵ６０は、ＶＧＴ開度センサ１０４によって検出されたＶＧＴ開度を監視しながら、実際のＶＧＴ開度が現在のエンジン回転数及び燃料噴射量に対応するＶＧＴ開度に設定されるように、ターボ過給機５のフラップ５ｃを駆動するアクチュエータに対する制御を行う。また、上記したマップは、実験や所定の演算式などにより予め作成されるものであり、燃費を悪化させることなく目標過給圧に近い過給圧が得られ、且つターボ過給機５のタービン５ｂの過回転が生じないようなＶＧＴ開度が、エンジン回転数及び燃料噴射量ごとに対応付けられている。例えば、このマップでは、或る範囲内のＶＧＴ開度が規定されており、Ｆ／Ｆ制御によって設定されるＶＧＴ開度をこの範囲内に制限するようにしている。
更に、ＥＣＵ６０は、このようにＦ／Ｆ制御によってＶＧＴ開度を制御するに当たって、ＶＧＴ開度の変化速度に対して制限を課す。具体的には、ＥＣＵ６０は、ＶＧＴ開度の変化速度を所定値以下に制限して、ＶＧＴ開度を緩やかに変化させるようにする。これは、低圧ＥＧＲ装置４８によって排気ガスが還流される経路が長いため、ＶＧＴ開度変化に対する応答性が悪いので、ＶＧＴ開度の変化速度に対して制限を課して、このような応答性に対して対処しようとしたものである。

一方で、低圧ＥＧＲ装置４８が作動中であると判定されなかった場合（ステップＳ２３：Ｎｏ）、つまり高圧ＥＧＲ装置４３及び低圧ＥＧＲ装置４８のいずれも作動していない場合、処理はステップＳ２５に進み、ＥＣＵ６０は、過給圧Ｆ／Ｂ制御の許可条件が満たされているか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ６０は、過給圧Ｆ／Ｂ制御の許可条件として、（１）吸気圧センサ１０７によって検出された実過給圧と目標過給圧との差（絶対値）が所定値以下であること、（２）吸気圧センサ１０７によって検出された実過給圧の変化量が所定値以下であること、（３）アクセルペダル９５の操作量（具体的にはアクセル開度センサ１００によって検出されたアクセル開度の変化量）が所定値以下であること、のいずれかを用いる。

このような判定の結果、過給圧Ｆ／Ｂ制御の許可条件が満たされていると判定された場合（ステップＳ２５：Ｙｅｓ）、処理はステップＳ２６に進み、ＥＣＵ６０は、過給圧Ｆ／Ｂ制御によってＶＧＴ開度を制御する。具体的には、ＥＣＵ６０は、吸気圧センサ１０７によって検出された実過給圧を監視しながら、この実過給圧が目標過給圧に維持されるようにＶＧＴ開度をダイナミックに変化させる制御を行う。この場合、ＥＣＵ６０は、エンジン回転数や燃料噴射量などに基づいて目標過給圧を設定し、この目標過給圧が実現されるようにＶＧＴ開度をＦ／Ｂ制御する。

一方で、過給圧Ｆ／Ｂ制御の許可条件が満たされていると判定されなかった場合（ステップＳ２５：Ｎｏ）、処理はステップＳ２７に進み、ＥＣＵ６０は、過給圧Ｆ／Ｂ制御を実行せずに、Ｆ／Ｆ制御によってＶＧＴ開度を制御する。具体的には、ＥＣＵ６０は、エンジン回転数及び燃料噴射量に対して設定すべきＶＧＴ開度が対応付けられたマップを参照して、現在のエンジン回転数及び燃料噴射量に対応するＶＧＴ開度に設定する。このマップは、実験や所定の演算式などにより予め作成されるものであり、上述したステップＳ２４において低圧ＥＧＲ装置４８の作動中に用いるマップとは異なり、燃費を悪化させることなくリニアな加速感が得られるような（言い換えると急加速が生じないような）ＶＧＴ開度が、エンジン回転数及び燃料噴射量ごとに対応付けられている。
なお、ＥＣＵ６０は、ステップＳ２７においてＦ／Ｆ制御によってＶＧＴ開度を制御する場合にも、ステップＳ２４においてＦ／Ｆ制御によってＶＧＴ開度を制御する場合と同様に、ＶＧＴ開度の変化速度に対して制限を課し、ＶＧＴ開度を緩やかに変化させるようにしてもよい。

＜作用効果＞
次に、本発明の実施形態によるエンジンの排気制御装置の作用効果について説明する。

本実施形態によれば、高圧ＥＧＲ装置４３を作動させている場合には、ＶＧＴ開度を所定の開度に固定するので、排気圧の変動を抑制して、高圧ＥＧＲ装置４３による排気ガス還流の制御性を確保することができ、エンジンＥの着火性やエミッションを改善することができる。また、本実施形態によれば、低圧ＥＧＲ装置４８を作動させている場合には、ＶＧＴ開度をエンジンＥの運転状態に応じた開度に設定するＦ／Ｆ制御を行い、緩やかなＶＧＴ開度の変化によって排気圧をコントロールするので、ターボ過給機５による過給を確保しつつ、ターボ過給機５による仕事の変化を緩やかにして、低圧ＥＧＲ装置４８による排気ガス還流の制御性を確保することができる。その結果、要求噴射量を適用するのに必要な酸素濃度を適切に実現することができ、エンジンＥのスモークを抑制するために設定される燃料噴射量の制限に余裕を持たせることができると共に（これにより要求噴射量を確実にエンジンＥに供給することができるようになる）、燃費やエミッションを改善することができる。加えて、ターボ過給機５のタービン５ｂの過回転を防止するように規定されたマップを用いてＶＧＴ開度を制御することで、このようなタービン５ｂの過回転を適切に防止することができる。
特に、本実施形態では、Ｆ／Ｆ制御によってＶＧＴ開度を制御するに当たって、ＶＧＴ開度の変化速度に対して制限を課すので、ＶＧＴ開度を緩やかに変化させて、低圧ＥＧＲ装置４８による排気ガス還流の制御性を効果的に確保することができる。

更に、本実施形態によれば、低圧ＥＧＲ領域Ｒ２から非ＥＧＲ領域Ｒ３へと移行する際に、過給圧Ｆ／Ｂ制御を即座に実行するのではなく、ＶＧＴ開度をエンジンＥの運転状態に応じた開度に設定するＦ／Ｆ制御を行うので、過給圧Ｆ／Ｂ制御を即座に実行した場合の急峻な過給圧の変化に起因する、ターボ過給機５の信頼性の低下（ターボ過給機５の破損など）、急加速、及び燃費の悪化を抑制することができる。つまり、本実施形態によれば、ターボ過給機５の信頼性を確保しつつ、リニアな加速感及び燃費の改善を実現することができる。
特に、本実施形態では、低圧ＥＧＲ装置４８の作動を停止してから、実過給圧と目標過給圧との差が所定値以下になるまで、Ｆ／Ｆ制御によるＶＧＴ開度の制御を継続するので、このような効果を確実に得ることが可能となる。

＜変形例＞
上述した実施形態では、ＶＧＴ開度のＦ／Ｆ制御において、エンジン回転数及び燃料噴射量に基づいてＶＧＴ開度を設定していたが、このように設定したＶＧＴ開度を、外気温や大気圧やエンジン水温に応じて補正してもよい。

また、上述した実施形態では、図３に示したマップに基づいて、実行するＶＧＴ開度制御を切り替える例を示したが、つまり、エンジンＥの運転状態が高圧ＥＧＲ領域、低圧ＥＧＲ領域及び非ＥＧＲ領域のいずれに属するかに応じてＶＧＴ開度制御を切り替える例を示したが、これに限定はされない。例えば、図３に示したマップに関わらずに、低圧ＥＧＲ装置４８の信頼性の観点から、低圧ＥＧＲ装置４８の使用が許可されない場合があり、つまり、エンジンＥの運転領域が低圧ＥＧＲ領域であっても低圧ＥＧＲ装置４８が作動されない場合があり、その場合には、Ｆ／Ｆ制御ではなく過給圧Ｆ／Ｂ制御によってＶＧＴ開度を制御するのがよい。

１ 吸気通路
５ ターボ過給機
５ａ コンプレッサ
５ｂ タービン
５ｃ フラップ
４１ 排気通路
４３ 高圧ＥＧＲ装置
４３ｂ 高圧ＥＧＲバルブ
４８ 低圧ＥＧＲ装置
４８ｃ 低圧ＥＧＲバルブ
６０ ＥＣＵ
２００ エンジンシステム
Ｅ エンジン

Claims (3)

1. エンジンの排気制御装置であって、
   排気通路に設けられたタービンと吸気通路に設けられたコンプレッサとを備え、排気ガスによって上記タービンを回転させることにより上記コンプレッサを駆動して吸気を過給するターボ過給機であって、過給圧を調整可能な可動式のフラップを更に備える上記ターボ過給機と、
   エンジンにおける低負荷且つ低回転数側に規定された所定の第１運転領域において、上記ターボ過給機のタービンの上流側の排気通路から上記ターボ過給機のコンプレッサの下流側の吸気通路へ排気ガスを還流させる高圧ＥＧＲ装置と、
   上記第１運転領域よりも高負荷且つ高回転数側に規定された第２運転領域において、上記ターボ過給機のタービンの下流側の排気通路から上記ターボ過給機のコンプレッサの上流側の吸気通路へ排気ガスを還流させる低圧ＥＧＲ装置と、
   上記ターボ過給機のフラップの開度であるフラップ開度を制御するフラップ制御手段と、を有し、
   上記フラップ制御手段は、
   上記高圧ＥＧＲ装置が排気ガスを還流させている場合には、上記フラップ開度を所定の開度に固定し、上記低圧ＥＧＲ装置が排気ガスを還流させている場合には、上記フラップ開度をエンジンの運転状態に応じた開度に設定し、
   上記低圧ＥＧＲ装置が排気ガスを還流させている状態から、上記高圧ＥＧＲ装置及び上記低圧ＥＧＲ装置のいずれによっても排気ガスを還流させない状態へと移行した際に、上記フラップ開度をエンジンの運転状態に応じた開度に設定する制御を行い、この制御の後に、実過給圧がエンジンの運転状態に応じた目標過給圧に設定されるように上記フラップ開度を制御する、ことを特徴とするエンジンの排気制御装置。
2. 上記フラップ制御手段は、上記低圧ＥＧＲ装置による排気ガスの還流が停止してから、上記実過給圧と上記目標過給圧との差が所定値以下になるまで、上記フラップ開度をエンジンの運転状態に応じた開度に設定する制御を継続し、上記実過給圧と上記目標過給圧との差が上記所定値以下になった後に、上記実過給圧が上記目標過給圧に設定されるように上記フラップ開度を制御する、請求項１に記載のエンジンの排気制御装置。
3. エンジンの排気制御装置であって、
   排気通路に設けられたタービンと吸気通路に設けられたコンプレッサとを備え、排気ガスによって上記タービンを回転させることにより上記コンプレッサを駆動して吸気を過給するターボ過給機であって、過給圧を調整可能な可動式のフラップを更に備える上記ターボ過給機と、
   エンジンにおける低負荷且つ低回転数側に規定された所定の第１運転領域において、上記ターボ過給機のタービンの上流側の排気通路から上記ターボ過給機のコンプレッサの下流側の吸気通路へ排気ガスを還流させる高圧ＥＧＲ装置と、
   上記第１運転領域よりも高負荷且つ高回転数側に規定された第２運転領域において、上記ターボ過給機のタービンの下流側の排気通路から上記ターボ過給機のコンプレッサの上流側の吸気通路へ排気ガスを還流させる低圧ＥＧＲ装置と、
   上記ターボ過給機のフラップの開度であるフラップ開度を制御するフラップ制御手段と、を有し、
   上記フラップ制御手段は、
   上記高圧ＥＧＲ装置が排気ガスを還流させている場合には、上記フラップ開度を所定の開度に固定し、上記低圧ＥＧＲ装置が排気ガスを還流させている場合には、上記フラップ開度をエンジンの運転状態に応じた開度に設定し、
   上記低圧ＥＧＲ装置が排気ガスを還流させている場合には、上記フラップ開度の変化速度を所定値以下に制限して、上記フラップ開度を制御する、ことを特徴とするエンジンの排気制御装置。

Images