JP6210153B2 - 排気再循環制御装置及び排気再循環制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気再循環制御装置及び排気再循環制御方法に関する。

内燃機関のノッキング防止や燃費改善等を目的として、排気ガスの一部を吸気側に再循環させる排気再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が知られている。そして、ＪＰ２０１２−５１２９８８Ａには、単位時間当たりに燃焼室に入る混合気の総質量に対する、単位時間当たりに吸気回路に入る再循環排気ガス（ＥＧＲガス）の質量の割合をＥＧＲ率［％］とし、ノッキング防止及び燃費改善に最適なＥＧＲ率と内燃機関の圧縮比との関係が示されている。具体的には、内燃機関の負荷率が５０％以上である高負荷の場合は、圧縮比の３倍から１３を減じた値（許容差：２）、負荷率が５０％未満である低負荷の場合は、圧縮比の３倍から１３を減じた値（許容差：５）とされている。

ところで、一般的に、ＥＧＲ装置は排気通路から分岐して吸気通路に合流するＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路の流路を開閉するＥＧＲバルブとを備え、ＥＧＲバルブが目標ＥＧＲ率に応じて開き、排気側と吸気側との差圧を利用してＥＧＲガスを吸気側へ流す構成となっている。そして、コントローラは、内燃機関の運転状態に目標ＥＧＲ率を設定し、点火時期を目標ＥＧＲ率に応じて制御する。したがって、実際にＥＧＲバルブを通過したＥＧＲガス量（実ＥＧＲガス量）が目標ＥＧＲガス量よりも少ない場合には、目標ＥＧＲ率になっていることを前提として補正した点火時期で運転するとノッキングが発生することがある。

上述した目標ＥＧＲガス量と実ＥＧＲガス量との乖離は、排気側と吸気側との差圧が小さい場合に生じ易い。排気触媒等の排気系は冷えているほど圧力損失が小さくなるので、例えば排気系が冷えた状態でＥＧＲバルブを開いた場合に、排気通路の圧力が低いために排気側と吸気側との差圧が小さくなる。また、吸入空気量が少ないほど排気流量も少なくなり、排気側の圧力が高まり難くなるので、結果的に排気側と吸気側との差圧は小さくなる。

つまり、吸入空気量が少ないほど、目標ＥＧＲガス率に対して実ＥＧＲガス率が小さくなってノッキングが生じる可能性が高まる。

しかしながら、上記文献では、吸入空気量について考慮せずに、負荷が同じであれば機関回転速度によらず同じＥＧＲ率を設定しているので、例えば、低回転高負荷領域、つまり負荷が高くても吸入空気量は少ない領域では、目標ＥＧＲガス量と実ＥＧＲガス量との乖離に起因するノッキングが発生し易くなる。

そこで、本発明では、目標ＥＧＲ率と実ＥＧＲ率との乖離が生じやすい状態であっても、ノッキングの発生を抑制し得るようにＥＧＲ装置を制御するＥＧＲ制御装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、排気再循環制御装置は、内燃機関の排気ガスの一部をターボ過給機のタービンよりも排気流れ下流側の排気通路から、ターボ過給機のコンプレッサよりも吸気流れ上流側かつエアフローメータより吸気流れ下流側の吸気通路に還流させる排気再循環通路と、吸気通路に還流させる排気ガスの量を調整する再循環制御弁と、を含む。さらに、排気再循環制御装置は、内燃機関の吸入空気量が少ないほど低い目標再循環率を設定する再循環率設定手段を備え、目標再循環率に応じて再循環制御弁の開度を制御する。

図１は、本実施形態を適用する内燃機関システムの構成図である。 図２は、目標ＥＧＲ率マップの一例を示す図である。 図３は、本実施形態による目標ＥＧＲ率マップの一例を示す図である。 図４は、本実施形態による目標ＥＧＲ率マップの他の例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態を適用する内燃機関システムの構成図である。

内燃機関１の吸気通路２には、吸気流れの上流側から、エアフローメータ３、ターボ過給機４のコンプレッサ４Ａ、スロットルチャンバ５、インタークーラ一体側のコレクタタンク６が配置されている。

なお、本システムは、コンプレッサ４Ａの上流側と下流側とを連通するリサーキュレーション通路１３と、減速時に開弁してコンプレッサ４Ａの下流側から上流側へ吸気を戻すリサーキュレーションバルブ１４とを備える。

一方、排気通路７には、排気流れの上流側から、ターボ過給機４のタービン４Ｂ、マニホールド触媒８、床下触媒９が配置されている。なお、本システムは、タービン４Ｂの上流側と下流側とを連通するバイパス通路１５と、バイパス通路１５の流路を開閉するバルブ１６と、を備える。

マニホールド触媒８及び床下触媒９は、いずれも排気浄化用の触媒装置である。マニホールド触媒８は、排気ができるだけ高温のまま流入するように、タービン４Ｂの下流側の近い位置に配置される。床下触媒９はマニホールド触媒８よりも大容量で、車両の床下に配置される。

また、本システムは、排気再循環装置（以下、「ＥＧＲ装置」ともいう）を備える。ＥＧＲ装置は、排気通路７のマニホールド触媒８と床下触媒９との間から分岐して、吸気通路２のコンプレッサ４Ａより上流側かつエアフローメータ３より下流側に合流する排気再循環通路（以下、「ＥＧＲ通路」ともいう）１０と、ＥＧＲ通路１０を通過する排気ガス（以下、「ＥＧＲガス」ともいう）の量を調節する再循環弁（以下、「ＥＧＲ弁」ともいう）１１と、を含んで構成される。さらに、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲガスクーラ１２を含んでもよい。

上記のように、本実施形態のＥＧＲ装置は、排気ガスの一部をタービン４Ｂの下流側からコンプレッサ４Ａの上流側かつエアフローメータ３の下流側に再循環させる、いわゆるロープレッシャーＥＧＲ装置である。

上述した内燃機関システムは、内燃機関１の回転速度（以下、エンジン回転速度ともいう）を検出するクランク角センサ１８と、アクセルペダル開度センサ１９と、を更に備え、これらのセンサ及びエアフローメータ３の検出値がコントローラ１００に読み込まれる。コントローラ１００は、読み込んだ検出値に基づいて、点火制御、燃料噴射制御、スロットルバルブ開度制御、ＥＧＲ装置の制御（ＥＧＲ制御）等を実行する。

ＥＧＲ制御では、コントローラ１００は、まず運転状態（例えばエンジン回転速度と負荷）に基づいてマップ検索等により目標ＥＧＲ率を決定し、ＥＧＲ弁１１を目標ＥＧＲ率に応じた開度に制御する。目標ＥＧＲ率の設定方法については後述する。なお、目標ＥＧＲ率に応じたＥＧＲ弁１１の開度は、目標ＥＧＲ率とＥＧＲ弁１１の開度との関係を予めマップ化しておき、このマップを検索することによって求める。

目標ＥＧＲ率を決定したら、コントローラ１００は、目標ＥＧＲ率に基づいて点火時期を設定する。

次に、目標ＥＧＲ率の設定方法について説明する。

図２は、公知の目標ＥＧＲマップの一例を示す図である。このマップは、ノッキング防止や燃費改善の観点から目標ＥＧＲ率を設定したものであり、負荷が同じであればエンジン回転速度によらず目標ＥＧＲ率は同じであり、エンジン回転速度が同じであれば負荷が高いほど目標ＥＧＲ率は大きくなっている。

ＥＧＲ装置は、排気側と吸気側との差圧を利用して排気ガスを吸気側へ還流させるものである。排気ガスをスロットルチャンバ５の下流側に還流させる、いわゆるハイプレッシャーＥＧＲ装置であれば、吸気側が負圧なので排気側と吸気側との差圧が高まり易い。しかし、ロープレッシャーＥＧＲ装置では、吸気側が大気圧なので、排気側の圧力が低くなるほど差圧も小さくなり、排気ガスを還流させることが難しくなる。そして、排気系統（マニホールド触媒８、床下触媒９、排気通路自体等）の温度が低いほど排気系統の圧力損失は小さくなるので、排気系統が低温の状態では排気通路７の圧力が高まり難い。また、エンジン回転速度が低くなるほど、吸入空気量は少なくなり、これに伴い排気流量も少なくなって、排気側の圧力が高まり難くなる。その結果、差圧が生じ難くなる。

したがって、例えば、長時間のアイドリング運転により排気系統の温度が低下した状態から、ＥＧＲ制御を行う低回転高負荷領域へ運転点が移行した場合には、差圧が小さいために目標ＥＧＲ率の達成に必要なＥＧＲガス量が還流せずに、実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に対して低くなる。

また、点火時期は、ノッキングの発生を抑制できるだけのＥＧＲガス量が導入されることを前提として、目標ＥＧＲ率が大きいほど進角側に制御される。したがって、目標ＥＧＲ率が大きいほど、目標ＥＧＲ率と実際のＥＧＲ率とが乖離した場合にノッキングが発生し易くなる。

すなわち、図２のＥＧＲマップのような目標ＥＧＲ率を設定すると、低回転高負荷領域では、特に排気系統が低温の場合にノッキングが発生し易くなる。ノッキングが発生すると、内燃機関１の劣化が促進されるだけでなく、ハイオク燃料仕様車であれば、燃料性状判定においてハイオク燃料を使用しているにもかかわらずレギュラー燃料を使用していると誤判定される可能性がある。上記のように誤判定されると、レギュラー燃料でもノッキングが発生しないように点火時期が遅角補正されて内燃機関１の出力が低下するので、低回転速度領域以外の、ノッキングが発生し難い領域の運転性まで低下してしまう。

上述したノッキングを防止する方法として、図２のＥＧＲマップで設定するＥＧＲ率を、目標ＥＧＲ率と実際のＥＧＲ率との乖離があってもノッキングが発生しないような値、つまり、排気系統が低温の場合を前提とした小さめの値にする方法がある。しかし、このような目標ＥＧＲ率を設定すると、高回転領域のように、吸入空気量が多いことにより差圧が高まり易い領域では、必要以上に小さい目標ＥＧＲ率となり、ＥＧＲ制御による燃費改善効果が小さくなってしまう。

そこで、本実施形態では、以下に説明するように目標ＥＧＲ率を設定する。

図３は、本実施形態で用いる目標ＥＧＲ率マップである。図３の目標ＥＧＲ率マップは、同一負荷であればエンジン回転速度が高くなるほど目標ＥＧＲ率が大きく、同一エンジン回転速度であれば負荷が大きくなるほど目標ＥＧＲ率が大きくなっている。そして、図３の各ＥＧＲ率を示す曲線は、等吸入空気量曲線と一致する。すなわち、図３の目標ＥＧＲ率マップは、吸入空気量に基づいた目標ＥＧＲ率が設定されており、吸入空気量が多いほど目標ＥＧＲ率は大きく、吸入空気量が少ないほど目標ＥＧＲ率は小さくなっている。

なお、実際の制御においては、コントローラ１００が、図２の目標ＥＧＲ率マップで設定した目標ＥＧＲ率を結果的に図３の目標ＥＧＲ率マップに示す目標ＥＧＲ率となるように、エアフローメータ３で検出した吸入空気量に基づいて補正してもよい。この場合、吸入空気量が少ないほど目標ＥＧＲ率を小さくする補正量が大きくなる。また、吸入空気量が多いほど目標ＥＧＲ率を大きくする補正量が大きくなる。

上記のように目標ＥＧＲ率を設定することで、図３の目標ＥＧＲ率マップでは、図２の目標ＥＧＲ率マップに比べて、低回転速度領域では目標ＥＧＲ率が小さく、高回転速度領域では目標ＥＧＲ率が大きくなっている。

低回転速度領域の目標ＥＧＲ率が小さければ、排気側と吸気側との差圧が小さくても目標ＥＧＲ率を達成し易くなるので、上述したような、低回転高負荷領域でのノッキングが発生し難くなる。

また、高回転速度領域では、吸入空気量が多いことにより差圧が生じ易いので、目標ＥＧＲ率と実際のＥＧＲ率との乖離が生じ難く、ノッキングが発生し難い。したがって、図３の目標ＥＧＲ率マップのように、より低い負荷から大きな目標ＥＧＲ率を設定することで、ＥＧＲガス導入による燃費改善効果を高めることができる。

ところで、目標ＥＧＲ率マップは図３に示したものに限られるわけではなく、所定の吸入空気量範囲毎に目標ＥＧＲ率がステップ的に変化するようにしてもよい。例えば、図４に示すように、運転領域を吸入空気量に応じて領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃに分割し、各領域内は一律の目標ＥＧＲ率で、吸入空気量が多い領域ほど大きな目標ＥＧＲ率を設定したマップでもよい。

上記のように目標ＥＧＲ率が所定の吸入空気量範囲毎にステップ的に変化する目標ＥＧＲ率マップにすると、運転状態の変化量が小さければ目標ＥＧＲ率は変動しなくなる。つまり、運転中の目標ＥＧＲ率の変動が少なくなる。これにより、目標ＥＧＲ率の変化に伴う点火時期補正やＥＧＲ弁１１の開閉動作が煩雑になることを回避できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

Claims (3)

1. 内燃機関の排気ガスの一部を、ターボ過給機のタービンよりも排気流れ下流側の排気通路から、ターボ過給機のコンプレッサよりも吸気流れ上流側の吸気通路に還流させる排気再循環通路と、
   前記吸気通路に還流させる排気ガスの量を調整する再循環制御弁と、
   を含む排気再循環装置を制御する排気再循環制御装置において、
   目標再循環率が等しい運転点を繋いだ曲線が前記内燃機関の吸入空気量が等しい運転点を繋いで得られる等吸入空気量曲線と一致し、かつ前記内燃機関の吸入空気量が少ないほど低くなる目標再循環率を設定する再循環率設定手段を備え、
   前記目標再循環率に応じて前記再循環制御弁の開度を制御する排気再循環制御装置。
2. 請求項１に記載の排気再循環制御装置において、
   前記再循環率設定手段は、前記目標再循環率を所定の吸入空気量範囲では変化させない排気再循環制御装置。
3. 内燃機関の排気ガスの一部を、ターボ過給機のコンプレッサよりも吸気流れ上流側の吸気通路に再循環させる排気再循環通路と、
   前記吸気通路に再循環させる排気ガスの量を調整する再循環制御弁と、
   を含む排気再循環装置を制御する排気再循環制御方法において、
   目標再循環率が等しい運転点を繋げると、前記内燃機関の吸入空気量が等しい運転点を繋げて得られる等吸入空気量曲線と一致する曲線が得られるように、かつ前記吸入空気量が少ないほど低い値となるように目標再循環率を設定し、
   前記目標再循環率に応じて前記再循環制御弁の開度を制御する排気再循環制御方法。

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