JP6489610B2

JP6489610B2 - 内燃機関のｅｇｒ制御装置及びｅｇｒ制御方法並びにｅｇｒ率推定方法

Info

Publication number: JP6489610B2
Application number: JP2015053665A
Authority: JP
Inventors: 進哉田中
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2019-03-27
Anticipated expiration: 2035-03-17
Also published as: JP2016173065A

Description

本発明は、内燃機関のＥＧＲ制御装置及びＥＧＲ制御方法並びにＥＧＲ率推定方法に関する。

従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関においては、排気中のＮＯ_X量を低減するために、排気再循環（ＥＧＲ：ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が備えられている。ＥＧＲ装置では、排気の一部が吸気側に戻されることにより、吸気中の酸素濃度が低下し、これにより燃焼温度が低下することで、ＮＯ_Xの発生が抑制される。

ＥＧＲ装置の一態様として、低圧ＥＧＲ系と高圧ＥＧＲ系とを備えたものがある。低圧ＥＧＲ系は、排気通路のうちの過給機の下流側から分岐して、吸気通路のうちの過給機の上流側に合流する低圧ＥＧＲ通路を介して、排気の一部を吸気側に戻す。高圧ＥＧＲ系は、排気通路のうちの過給機の上流側から分岐して、吸気通路のうちの過給機の下流側に合流する高圧ＥＧＲ通路を介して、排気の一部を吸気側に戻す。低圧ＥＧＲ通路及び高圧ＥＧＲ通路には、それぞれ低圧ＥＧＲ弁又は高圧ＥＧＲ弁が備えられ、これらのＥＧＲ弁の開度を調節することによって、それぞれのＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの流量が制御される。

吸気に混合されるＥＧＲガスの量は、内燃機関の燃焼性能や排気性能に影響を与えることから、低圧ＥＧＲガス及び高圧ＥＧＲガスの流量を精度よく制御することが重要となる。例えば、特許文献１には、複数のＥＧＲ通路を有する内燃機関において、空燃比センサで検出される酸素濃度に基づいて、低圧ＥＧＲ通路及び高圧ＥＧＲ通路を流れていたガスの流量を推定し、学習する技術が開示されている。

また、特許文献２には、内燃機関の吸気通路に吸入された空気の流量、吸気通路のガスの酸素濃度、排気浄化手段を通過するガスの流量、内燃機関の燃料噴射量、及びＥＧＲ弁前後の圧力差に基づいて、低圧ＥＧＲ通路及び高圧ＥＧＲ通路を通過しているガスの流量を推定する技術が開示されている。

特開２００８−３０３８２５号公報特開２００９−７４４５９号公報

しかしながら、高圧ＥＧＲ系及び低圧ＥＧＲ系は、ＥＧＲ通路の長さやＥＧＲ弁の前後の圧力差の違いから、応答速度が異なる。具体的には、低圧ＥＧＲ通路の長さは、高圧ＥＧＲ通路の長さよりも長い。また、吸気通路における低圧ＥＧＲ通路の合流位置は、過給機の上流側であるために、高圧ＥＧＲ通路が合流する過給機の下流側に比べて、圧力が低くなっている。したがって、高圧ＥＧＲ弁の前後の圧力差は、低圧ＥＧＲ弁の前後の圧力差よりも大きい。そのため、それぞれのＥＧＲ弁の開度を変化させてから、ＥＧＲ弁を通過したＥＧＲガスが内燃機関に吸入され、当該ＥＧＲガスが筒内の燃焼に影響を与えることにより排気の成分が変化するまでの時間が異なる。

内燃機関の燃焼性能や排気性能に影響し得るＥＧＲガスの量は、内燃機関の筒内に吸入される直前のインテークマニホールドにおける低圧ＥＧＲガス及び高圧ＥＧＲガスの総和である。したがって、上述のような応答速度も踏まえて、インテークマニホールドにおける総ＥＧＲ量を精度よく推定し、適切な量の低圧ＥＧＲガス及び高圧ＥＧＲガスを吸気通路に還流させることが望まれる。上記特許文献１及び２に記載の技術では、空燃比センサや差圧センサを用いてＥＧＲ量を推定しているが、上述の応答速度の違いまで考慮に入れて、それぞれのＥＧＲ量を適切な値に調節するものではない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、内燃機関に吸入される吸気中のＥＧＲ量を精度よく制御可能な、内燃機関のＥＧＲ制御装置及びＥＧＲ制御方法並びにＥＧＲ率推定法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、内燃機関の排気通路から分岐して吸気通路に合流する高圧ＥＧＲ通路と、前記高圧ＥＧＲ通路を流れる高圧ＥＧＲガスの流量を調節する高圧ＥＧＲ弁と、前記高圧ＥＧＲ通路の分岐位置よりも下流側で前記排気通路から分岐して前記高圧ＥＧＲ通路の合流位置よりも上流側で前記吸気通路に合流する低圧ＥＧＲ通路と、前記低圧ＥＧＲ通路を流れる低圧ＥＧＲガスの流量を調節する低圧ＥＧＲ弁と、を備えたＥＧＲシステムの制御を行うためのＥＧＲ制御装置において、低圧ＥＧＲ弁よりも下流側での前記低圧ＥＧＲガスのＮＯ_X濃度を示す第１のＮＯ_X濃度が変化してから、前記内燃機関から排出される排気のＮＯ_X濃度を示す第３のＮＯ_X濃度が変化するまでの遅れ時間を求める応答速度算出部と、前記第１のＮＯ_X濃度、及び、前記低圧ＥＧＲ通路の合流位置よりも下流側、かつ、前記高圧ＥＧＲ通路の合流位置よりも上流側での吸気のＮＯ_X濃度を示す第２のＮＯ_X濃度に基づいて、前記低圧ＥＧＲガスの希釈率を求める低圧ＥＧＲ率算出部と、前記内燃機関から排出される前記排気の酸素濃度を示す第１の酸素濃度、及び、前記希釈率に基づき、前記高圧ＥＧＲガスの混合前の吸気の酸素濃度を示す第２の酸素濃度を推定する酸素濃度算出部と、前記第２の酸素濃度、及び、前記遅れ時間に基づき、前記低圧ＥＧＲガスの流量及び前記高圧ＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲ制御部と、を備える、ＥＧＲ制御装置が提供される。

前記ＥＧＲ制御部は、前記遅れ時間に基づき、前記内燃機関に吸入される吸気中の前記第２の酸素濃度を推定し、前記内燃機関に吸入される吸気中の酸素濃度が目標値となるように、前記高圧ＥＧＲガスの流量を制御してもよい。

前記応答速度算出部は、さらに、前記第１のＮＯ_X濃度が変化してから、前記第２のＮＯ_X濃度が変化するまでの第２の遅れ時間を求め、前記低圧ＥＧＲ率算出部は、前記第２の遅れ時間に基づき、同一の低圧ＥＧＲガスが検出された前記第１のＮＯ_X濃度及び前記第２のＮＯ_X濃度を用いて、前記希釈率を求めてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、内燃機関の排気通路から分岐して吸気通路に合流する高圧ＥＧＲ通路と、前記高圧ＥＧＲ通路を流れる高圧ＥＧＲガスの流量を調節する高圧ＥＧＲ弁と、前記高圧ＥＧＲ通路の分岐位置よりも下流側で前記排気通路から分岐して前記高圧ＥＧＲ通路の合流位置よりも上流側で前記吸気通路に合流する低圧ＥＧＲ通路と、前記低圧ＥＧＲ通路を流れる低圧ＥＧＲガスの流量を調節する低圧ＥＧＲ弁と、を備えたＥＧＲシステムの制御を行うためのＥＧＲ制御方法において、低圧ＥＧＲ弁よりも下流側での前記低圧ＥＧＲガスのＮＯ_X濃度を示す第１のＮＯ_X濃度が変化してから、前記内燃機関から排出される排気のＮＯ_X濃度を示す第３のＮＯ_X濃度が変化するまでの遅れ時間を求めるステップと、前記第１のＮＯ_X濃度、及び、前記低圧ＥＧＲ通路の合流位置よりも下流側、かつ、前記高圧ＥＧＲ通路の合流位置よりも上流側での吸気のＮＯ_X濃度を示す第２のＮＯ_X濃度に基づいて、前記低圧ＥＧＲガスの希釈率を求めるステップと、前記内燃機関から排出される前記排気の酸素濃度を示す第１の酸素濃度、及び、前記希釈率に基づき、前記高圧ＥＧＲガスの混合前の吸気の酸素濃度を示す第２の酸素濃度を推定するステップと、前記第２の酸素濃度、及び、前記遅れ時間に基づき、前記低圧ＥＧＲガスの流量及び前記高圧ＥＧＲガスの流量を制御するステップと、を備える、ＥＧＲ制御方法が提供される。

以上説明したように、本発明によれば、内燃機関に吸入される吸気中のＥＧＲ量を精度よく制御することが可能になる。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関のＥＧＲシステムの概略構成を示す模式図である。同実施形態にかかるＥＧＲ制御装置の構成例を示すブロック図である。応答遅れ時間について示す説明図である。低圧ＥＧＲ弁及び高圧ＥＧＲ弁の制御について示す説明図である。同実施形態にかかるＥＧＲ制御方法の一例を示すフローチャートである。応答速度算出処理の一例を示すフローチャートである。高圧ＥＧＲ弁の制御処理の一例を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．内燃機関のＥＧＲシステム＞
まず、本発明の一実施形態にかかる内燃機関のＥＧＲシステムの構成例について説明する。図１は、内燃機関のＥＧＲシステム１０が適用された内燃機関１１の吸気系及び排気系の概略構成を模式的に示す図である。内燃機関１１は、例えば自己着火式の内燃機関であるディーゼルエンジンである。内燃機関１１は、例えば４つの気筒を備えている。各気筒には、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁が備えられている。各気筒は、インテークマニホールド１４及びエキゾーストマニホールド２２に連通している。

インテークマニホールド１４には吸気通路１５が接続されている。吸気通路１５には、エキゾーストマニホールド２２内の排気の一部を吸気通路１５に還流させるための高圧ＥＧＲ通路３１が接続されている。高圧ＥＧＲ通路３１の合流位置よりも上流側の吸気通路１５には、吸気の流入量を調節するための吸気スロットル弁１６が備えられている。吸気スロットル弁１６よりも上流側の吸気通路１５には、吸気を冷却するためのインタークーラー１８が備えられている。インタークーラー１８と吸気スロットル弁１６との間の吸気通路１５には、第２のＮＯ_X濃度センサ１７が備えられている。

インタークーラー１８よりも上流側の吸気通路１５には、過給機のコンプレッサ６１が備えられている。コンプレッサ６１よりも上流側の吸気通路１５には、排気通路２１を流れる排気の一部を吸気通路１５に還流させるための低圧ＥＧＲ通路４１が接続されている。低圧ＥＧＲ通路４１の合流位置よりも上流側の吸気通路１５には、吸気通路１５に流入する空気量を測定するエアフローメータ１３が備えられている。

エキゾーストマニホールド２２には、上述した高圧ＥＧＲ通路３１が接続されている。エキゾーストマニホールド２２には排気通路２１が接続されている。排気通路２１には、過給機のタービン６３が備えられている。エキゾーストマニホールド２２とタービン６３との間の排気通路２１には、第３のＮＯ_X濃度センサ２３及び空燃比センサ２５が備えられている。第３のＮＯ_X濃度センサ２３及び空燃比センサ２５は、エキゾーストマニホールド２２に備えられてもよい。

タービン６３よりも下流側の排気通路２１には、排気を浄化するための排気浄化装置２６が備えられている。排気浄化装置２６は、例えば、排気中の微粒子物質を捕集するパティキュレートフィルタや、排気中のＮＯ_Xを浄化するための触媒等を備える。排気浄化装置２６よりも下流側の排気通路２１には、上述した低圧ＥＧＲ通路４１が接続されている。低圧ＥＧＲ通路４１の分岐位置よりも下流側の排気通路２１には、排気の流量を絞ることによって、低圧ＥＧＲ通路４１の分岐位置での排気の圧力を高めるための排気コントロール弁２７が備えられている。排気コントロール弁２７によって排気の圧力を高めることにより、低圧ＥＧＲ通路４１の入口側と出口側との圧力差が形成され、低圧ＥＧＲ通路４１に排気が流れやすくなる。

なお、排気コントロール弁２７により圧力差を形成する手法に代えて、過給機のコンプレッサ６１よりも上流側の吸気通路１５に吸気スロットル弁を配置し、当該吸気スロットル弁の開度を制御することにより圧力差を形成することもできる。すなわち、当該吸気スロットル弁の開度を大きくすることによって、低圧ＥＧＲ通路４１の出口側の圧力を低下させて、圧力差を形成してもよい。

高圧ＥＧＲ通路３１には、高圧ＥＧＲ通路３１の流路面積を調節する高圧ＥＧＲ弁３３が備えられている。高圧ＥＧＲ弁３３は、高圧ＥＧＲ通路３１の流路面積を調節することにより、高圧ＥＧＲ通路３１を介してエキゾーストマニホールド２２から吸気通路１５に還流させる高圧ＥＧＲガスの量を調節する。低圧ＥＧＲ通路４１には、低圧ＥＧＲ通路４１の流路面積を調節する低圧ＥＧＲ弁４３が備えられている。低圧ＥＧＲ弁４３は、低圧ＥＧＲ通路４１の流路面積を調節することにより、低圧ＥＧＲ通路４１を介して排気通路２１から吸気通路１５に還流させる低圧ＥＧＲガスの量を調節する。低圧ＥＧＲ弁４３よりも下流側、すなわち、吸気通路１５側の低圧ＥＧＲ通路４１には、第１のＮＯ_X濃度センサ４５が備えられている。

低圧ＥＧＲ通路４１は高圧ＥＧＲ通路３１に比べて経路の長さが長い。一般的に、低圧ＥＧＲガスは、過給機のコンプレッサ６１の上流側に戻されるため、コンプレッサ６１への影響を考慮して排気浄化装置２６よりも下流側から低圧ＥＧＲ通路４１を分岐させる必要がある。特にディーゼルエンジンの場合、排気に微粒子物質が含まれる場合があることから、排気浄化装置２６よりも下流側から低圧ＥＧＲ通路４１を分岐させる必要性が高い。そのため、低圧ＥＧＲ通路４１の長さが比較的長くなる。

ＥＧＲシステム１０では、圧力差が生じたときに、高圧側から低圧側へとＥＧＲガスが流れるメカニズムを利用しており、高圧ＥＧＲ系及び低圧ＥＧＲ系では、それぞれＥＧＲ弁の前後の圧力差と、ＥＧＲ通路の流路面積とによりＥＧＲガスの流量特性が決められる。排気は、圧縮性の流体であるとともに、高温の気体であることから、周囲との温度差によって冷却されて体積が変化しやすい。したがって、ＥＧＲ通路の長さが長いほど、時系列でのＥＧＲガスの流量の推定が難しくなる。

そこで、本実施形態にかかるＥＧＲシステム１０では、経路の長さが長い低圧ＥＧＲ通路４１を流れる低圧ＥＧＲガスの流量を精度よく推定するために、第１のＮＯ_X濃度センサ４５、第２のＮＯ_X濃度センサ１７及び第３のＮＯ_X濃度センサ２３を用いる。これにより、推定された低圧ＥＧＲガスの流量と、推定あるいは検出が比較的容易な高圧ＥＧＲガスの流量とにより、内燃機関１１に吸入される吸気中の総ＥＧＲガスの流量が精度よく求められる。

＜２．ＥＧＲ制御装置（ＥＣＵ）＞
内燃機関のＥＧＲシステム１０には、ＥＧＲシステム１０を制御するための制御装置（ＥＣＵ：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）５０が備えられている。制御装置５０は、内燃機関１１の制御も実行可能に構成されている。本実施形態において、かかる制御装置５０がＥＧＲ制御装置に相当する。

図２は、本実施形態にかかるＥＧＲ制御装置としてのＥＣＵ５０の構成のうち、ＥＧＲ制御に関連する部分の機能構成を示すブロック図である。ＥＣＵ５０は、主としてマイクロコンピュータを備えて構成されており、応答速度算出部５１と、低圧ＥＧＲ率算出部５３と、酸素濃度算出部５５と、ＥＧＲ制御部５７とを備える。これらの各部は、具体的には、マイクロコンピュータによるプログラムの実行によって実現される機能部である。

ＥＣＵ５０は、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）やＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）等の記憶素子を備え、制御プログラムや各種制御に用いる情報、演算結果等が記憶素子に記憶される。また、ＥＣＵ５０は、エアフローメータ１３、第１のＮＯ_X濃度センサ４５、第２のＮＯ_X濃度センサ１７、第３のＮＯ_X濃度センサ２３及び空燃比センサ２５の出力信号を読み取り可能に構成されている。

ＥＣＵ５０は、エアフローメータ１３の出力信号に基づき、外部から吸気通路１５に吸入される空気（以下、「新気」ともいう。）の流量Ｖａを検出する。ＥＣＵ５０は、空燃比センサ２５の出力信号に基づき、内燃機関１１から排出される排気の酸素濃度を示す第１の酸素濃度Ｏｅｘを検出する。

ＥＣＵ５０は、第１のＮＯ_X濃度センサ４５、第２のＮＯ_X濃度センサ１７及び第３のＮＯ_X濃度センサ２３の出力信号に基づき、各センサが備えられた位置でのＮＯ_X濃度を検出する。第１のＮＯ_X濃度センサ４５で検出される第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐは、低圧ＥＧＲガスのＮＯ_X濃度を示す。第２のＮＯ_X濃度センサ１７で検出される第２のＮＯ_X濃度Ｎｉｎは、新気に対して低圧ＥＧＲガスが混合された後、高圧ＥＧＲガスが混合される前の吸気のＮＯ_X濃度を示す。第３のＮＯ_X濃度センサ２３で検出される第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘは、内燃機関１１から排出される排気のＮＯ_X濃度を示す。

（２−１．応答速度算出部）
ＥＣＵ５０の応答速度算出部５１は、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐが変化してから第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘが変化するまでの応答遅れ時間ΔＴを求める。かかる応答速度算出部５１は、低圧ＥＧＲ弁４３の開度が変化してから、低圧ＥＧＲ弁４３を通過した低圧ＥＧＲガスが内燃機関１１に吸入されて筒内の燃焼に影響が現れ、排気の成分が変化するまでの時間を推定する。

図３は、応答遅れ時間ΔＴについて示す説明図であり、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐ、第２のＮＯ_X濃度Ｎｉｎ、吸気酸素濃度Ｏｔｏｔａｌ、排気酸素濃度（第１の酸素濃度）Ｏｅｘ、排気のＮＯ_X濃度（第３のＮＯ_X濃度）Ｎｅｘの経時変化を模式的に示している。図３に示すように、時刻ｔ１において第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐが増大したとする。本実施形態では、第２のＮＯ_X濃度センサ１７の配置位置が第１のＮＯ_X濃度センサ４５の配置位置に近く、低圧ＥＧＲガスが新気によって希釈されて第２のＮＯ_X濃度Ｎｉｎは小さくなるものの、応答遅れがほとんどない状態で第２のＮＯ_X濃度Ｎｉｎが増大する。

一方、内燃機関１１に吸入される吸気の酸素濃度Ｏｔｏｔａｌや、排気の酸素濃度Ｏｅｘ及び排気のＮＯ_X濃度Ｎｅｘは、吸気あるいは排気がそれぞれの位置に到達するまでの時間分、応答遅れが生じる。応答速度算出部５１は、図３に示す、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐが変化してから第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘが変化するまでの応答遅れ時間ΔＴを求める、

例えば、応答速度算出部５１は、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐの変化速度（ｐｐｍ／μｓｅｃ．）が所定の閾値以上になったときに、この時刻から、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐの変化に対応して第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘに変化が現れる時刻までをカウントする。また、応答速度算出部５１は、通常の内燃機関１１の運転中において第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐの変化速度が増大することを待って、応答速度を求めてもよい。あるいは、応答速度算出部５１は、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐの変化速度の増大を創出するために、低圧ＥＧＲガスのＮＯ_X濃度が変化するように内燃機関１１を制御し、応答速度を求めてもよい。

さらには、あらかじめ実機を用いたシミュレーションによって求めた応答速度がＥＣＵ５０に記憶されていてもよい。この場合、ＥＣＵ５０は、応答速度算出部５１を備える代わりに、記憶素子に応答速度の情報を記憶する。ただし、ＥＧＲシステム１０の経年劣化等を反映して応答速度を求めるためには、ＥＣＵ５０が応答速度算出部５１を備えることが好ましい。

また、本実施形態のＥＧＲシステム１０は、第１のＮＯ_X濃度センサ４５の配置位置と第２のＮＯ_X濃度センサ１７の配置位置との間隔が比較的近く想定されている。そのため、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐが変化してから第２のＮＯ_X濃度Ｎｉｎが変化するまでの時間差を無視できるものとして、応答速度算出部５１は、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐの変化と第２のＮＯ_X濃度Ｎｉｎの変化との時間差を求めていない。ただし、応答速度算出部５１が、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐの変化と第２のＮＯ_X濃度Ｎｉｎの変化との時間差を求めるようにしてもよい。かかる時間差は、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐの変化と第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘの変化との時間差の求め方と同様の方法で求め得る。

（２−２．低圧ＥＧＲ率算出部）
低圧ＥＧＲ率算出部５３は、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐ及び第２のＮＯ_X濃度Ｎｉｎに基づいて、低圧ＥＧＲガスの希釈率Ａｌｐを求める。本実施形態にかかるＥＣＵ５０では、ＮＯ_X濃度に基づいて、低圧ＥＧＲ率が算出されるように構成されている。第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐは、低圧ＥＧＲガスの流量Ｖｌｐ中のＮＯ_X流量ｎ（ｎ／Ｖｌｐ）であり、第２のＮＯ_X濃度Ｎｉｎは、新気及び低圧ＥＧＲガスの合計流量Ｖａ＋Ｖｌｐ中のＮＯ_X流量ｎ（ｎ／Ｖａ＋Ｖｌｐ）であり、低圧ＥＧＲガスの希釈率Ａｌｐは下記式（１）で表すことができる。

また、低圧ＥＧＲ率算出部５３は、ある時刻における第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐと、当該時刻に第１のＮＯ_X濃度センサ４５の設置位置を通過した低圧ＥＧＲガスが第２のＮＯ_X濃度センサ１７の設置位置を通過する際の第２のＮＯ_X濃度Ｎｉｎとを用いて、低圧ＥＧＲガスの希釈率（Ｎｉｎ／Ｎｌｐ）を求めてもよい。具体的には、上述の応答速度算出部５１において、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐの変化と第２のＮＯ_X濃度Ｎｉｎの変化との時間差を求める場合、低圧ＥＧＲ率算出部５３は、当該応答速度を考慮して、対応する第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐ及び第２のＮＯ_X濃度Ｎｉｎを特定し、上記式（１）から低圧ＥＧＲガスの希釈率Ａｌｐを求めることができる。

（２−３．酸素濃度算出部）
酸素濃度算出部５５は、空燃比センサ２５の出力信号に基づき検出される第１の酸素濃度Ｏｅｘと、低圧ＥＧＲ率算出部５３で求められる希釈率Ａｌｐとに基づいて、高圧ＥＧＲガス混合前の吸気の酸素濃度を示す第２の酸素濃度Ｏｉｎを推定する。本実施形態のＥＧＲシステム１０では、低圧ＥＧＲガスの酸素濃度に近似する値として第１の酸素濃度Ｏｅｘが用いられる。したがって、酸素濃度が約２０％の空気である新気に対して低圧ＥＧＲガスが混合された後の第２の酸素濃度Ｏｉｎは、下記式（２）で表すことができる。

ここで、上記式（１）より、低ＥＧＲガスの流量Ｖｌｐは、下記式（３）で表すことができる。

上記式（２）及び（３）から、第２の酸素濃度Ｏｉｎは、下記式（４）で表すことができる。

したがって、酸素濃度算出部５５は、上記式（４）に基づき、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐ及び第２のＮＯ_X濃度Ｎｉｎを用いて、新気に対して低圧ＥＧＲガスが混合された状態での第２の酸素濃度Ｏｉｎを推定する。なお、新気の流量Ｖａは、エアフローメータ１３の出力信号に基づいて検出される値である。

（２−４．ＥＧＲ制御部）
ＥＧＲ制御部５７は、酸素濃度算出部５５で推定した第２の酸素濃度Ｏｉｎと、高圧ＥＧＲガスの酸素濃度に相当する第１の酸素濃度Ｏｅｘとに基づいて、内燃機関１１に吸入される吸気中の酸素濃度が目標値となるように、高圧ＥＧＲ弁３３及び低圧ＥＧＲ弁４３それぞれの開度を制御する。例えば、ＥＧＲ制御部５７は、あらかじめ格納したマップ情報を参照して、吸気中の酸素濃度の目標値に応じた制御指示値で低圧ＥＧＲ弁４３を制御する。これに伴って、上記の酸素濃度算出部５５において、高圧ＥＧＲガスが混合される前の吸気の第２の酸素濃度Ｏｉｎが求められる。ＥＧＲ制御部５７は、高圧ＥＧＲガスの酸素濃度に応じて高圧ＥＧＲガスの流量を適宜調節し、高圧ＥＧＲガスが混合された吸気の酸素濃度を目標値に制御する。

上述のとおり、高圧ＥＧＲ通路４１は、内燃機関１１のエキゾーストマニホールド２２から分岐して、インテークマニホールド１４の直前の吸気通路１５に合流しており、その経路の長さが比較的短く、高圧ＥＧＲガスが新気で希釈されることもない。したがって、本実施形態では、ＥＧＲ制御部５７は、高圧ＥＧＲガスの酸素濃度については、空燃比センサ２５の出力信号により検出される第１の酸素濃度Ｏｅｘの値を用いる。ただし、第１の酸素濃度Ｏｅｘと高圧ＥＧＲガスの酸素濃度とを内燃機関１１の運転状態に応じて関連付けしたマップ等を用いて、高圧ＥＧＲガスの酸素濃度を推定するようにしてもよい。

また、高圧ＥＧＲ通路４１の経路の長さは比較的短いことから、高圧ＥＧＲガスの流量の検出誤差は生じにくいため、流量計を用いて高圧ＥＧＲガスの流量を検出してもよいし、あらかじめシミュレーション等によって求めたマップ等を参照して得られる流量の値を用いてもよい。

新気の流量Ｖａはエアフローメータ１３の出力信号によって検出され、低圧ＥＧＲガスの流量Ｖｌｐは、上記式（３）から得られる。したがって、内燃機関１１に吸入される吸気の酸素濃度Ｏｔｏｔａｌは、下記式（５）で表すことができる。

上記式（５）より、高圧ＥＧＲガスの流量Ｖｈｐは、下記式（６）で表すことができる。

したがって、内燃機関１１に吸入される吸気の酸素濃度の目標値Ｏｔｇｔが定まれば、上記式（３）、（４）及び（６）の各式に基づいて、高圧ＥＧＲガスの流量Ｖｈｐ＿ｔｇｔが得られる。ＥＧＲ制御部５７は、高圧ＥＧＲガスの流量Ｖｈｐが目標値Ｖｈｐ＿ｔｇｔとなるように高圧ＥＧＲ弁４３を制御する。これにより、内燃機関１１に吸入される吸気の酸素濃度Ｏｔｏｔａｌが目標値Ｏｔｇｔとなるように精度よく調整される。

また、ＥＧＲ制御部５７は、内燃機関１１に吸入される吸気中のＥＧＲ量を変更する場合に、応答速度算出部５１で求められた応答速度を考慮して、低圧ＥＧＲ弁４３及び高圧ＥＧＲ弁３３の開度を変化させる時期を決定するようにしてもよい。例えば、低圧ＥＧＲ弁４３を作動してから、内燃機関１１の筒内での燃焼に影響が出るまでの応答速度を考慮して、低圧ＥＧＲガスの影響が出始めるまでの期間は、高圧ＥＧＲガスの流量を多くする等の制御を実行することができる。

図４は、高圧ＥＧＲ弁３３及び低圧ＥＧＲ弁４３の制御方法の一例を示す説明図であり、第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘ、吸気中の総ＥＧＲの流量、高圧ＥＧＲガスの流量Ｖｈｐ、高圧ＥＧＲ弁３３の操作指示値、低圧ＥＧＲガスの流量Ｖｌｐ、低圧ＥＧＲ弁４３の操作指示値の経時変化を示している。また、第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘ、吸気中の総ＥＧＲ流量、高圧ＥＧＲガスの流量Ｖｈｐ、及び高圧ＥＧＲ弁３３の操作指示値のグラフにおいて、実線が、本実施形態にかかるＥＣＵ５０による制御例を示し、一点鎖線が、対比例による制御例を示している。

例えば、時刻ｔ１１において、第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘが増加し始め、時刻ｔ１２において、第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘが所定の閾値Ｎｅｘ＿ｔｈに到達したとする。対比例の制御の場合、低圧ＥＧＲ弁４３への操作指示値の出力から、低圧ＥＧＲガスが内燃機関１１に到達して低圧ＥＧＲガスの流量Ｖｌｐの変化の影響が出始めるまでの応答遅れ時間ΔＴを考慮せずに、高圧ＥＧＲ弁３３及び低圧ＥＧＲ弁４３の開度が制御される。そのため、筒内での燃焼に低圧ＥＧＲガスの影響が出始める時刻ｔ１３までの間に、総ＥＧＲ流量が不足して、第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘが低減するまでに時間を要している。

これに対して、本実施形態にかかるＥＣＵ５０による制御例では、低圧ＥＧＲ弁４３への操作指示値の出力から、低圧ＥＧＲガスが内燃機関１１に到達して低圧ＥＧＲガスの流量Ｖｌｐの変化の影響が出始めるまでの応答遅れ時間ΔＴを考慮して、高圧ＥＧＲ弁３３及び低圧ＥＧＲ弁４３の開度が制御される。特に、応答遅れ時間ΔＴの間、推定される第２の酸素濃度Ｏｉｎと吸気酸素濃度の目標値Ｏｔｇｔとの差分に応じて、高圧ＥＧＲ弁３３の開度が制御されるため、この期間、高圧ＥＧＲ弁３３の制御指示値は、対比例に比べて大きくされている。そのため、筒内での燃焼に低圧ＥＧＲガスの影響が出始める時刻ｔ１３までの間に、高圧ＥＧＲガスの流量Ｖｈｐが増大し、第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘが短時間で低減している。

なお、図４に示した高圧ＥＧＲ弁３３及び低圧ＥＧＲ弁４３の制御例は一例にすぎず、低圧ＥＧＲガスの応答遅れ時間ΔＴを考慮した制御は、他の例であっても構わない。

＜３．ＥＧＲ制御方法＞
次に、本実施形態にかかるＥＧＲ制御装置（ＥＣＵ）５０によるＥＧＲ制御方法について説明する。図５〜図７は、ＥＣＵ５０によるＥＧＲ制御処理を示すフローチャートである。かかるＥＧＲ制御処理は、内燃機関１１の運転中に常時実行されてもよく、あるいは、所定の条件が成立したときに実行されてもよい。

まず、ステップＳ１０において、ＥＣＵ５０は、低圧ＥＧＲ弁４３の開度を変化させてから内燃機関１１の燃焼に影響が現れるまでの応答速度を算出する。本実施形態にかかるＥＣＵ５０は、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐが変化してから第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘが変化するまでの時間ΔＴを求める。

図６は、応答速度算出処理の一例を示すフローチャートである。かかる処理例では、まず、ステップＳ１１において、ＥＣＵ５０は、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐを継続的に読込み、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐの変化速度（ｐｐｍ／μｓｅｃ．）が所定の閾値以上になったか否かを判別する。当該変化速度が閾値未満の場合（Ｓ１１：Ｎｏ）、ＥＣＵ５０は、再度ステップＳ１１の判定を行う。ステップＳ１１の判定は、当該変化速度が閾値以上になるまで（Ｓ１１：Ｙｅｓ）繰り返される。

第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐの変化速度が閾値以上になった場合（Ｓ１１：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０はステップＳ１２に進んでタイマカウントを開始する。次いで、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１３に進んで、第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘを読込み、第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘが、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐの変化に応じて変化したか否かを判定する。第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘに変化が見られない場合、ＥＣＵ５０は、再度ステップＳ１３の判定を行う。ステップＳ１３の判定は、第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘに変化が見られるまで（Ｓ１３：Ｙｅｓ）繰り返される。

第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘに変化が見られた場合（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１４に進んでタイマ値を読込み、応答遅れ時間ΔＴを記憶素子等に記憶して、応答速度算出処理を終了する。なお、かかる応答速度の算出は、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐの変化に対する第３のＮＯ_X濃度Ｎｅｘの変化の応答速度だけでなく、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐの変化に対する第２のＮＯ_X濃度Ｎｉｎの変化の応答速度についても実施してもよい。

図５に戻り、ＥＣＵ５０は応答速度を算出した後、ステップＳ２０に進み、低圧ＥＧＲ弁４３の開度を制御する。例えば、ＥＣＵ５０は、あらかじめ格納したマップ情報を参照して、内燃機関１１に吸入される吸気の酸素濃度Ｏｔｏｔａｌの目標値Ｏｔｇｔに基づいて低圧ＥＧＲ弁４３の開度を決定してもよい。また、ＥＣＵ５０は、低圧ＥＧＲ弁４３と併せて排気コントロール弁２７の開度を制御してもよい。低圧ＥＧＲは、排気側の圧力が低いために低圧ＥＧＲ弁４３の開閉のみでは低圧ＥＧＲガスの導入量に限界があることから、例えば目標とする低圧ＥＧＲガスの流量が多いときには、ＥＣＵ５０は排気コントロール弁２７の開度を絞ることによって排気の圧力を高めるようにする。

次いで、ＥＣＵ５０は、ステップＳ３０に進み、低圧ＥＧＲガスの希釈率Ａｌｐを算出する。例えば、ＥＣＵ５０は、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐ及び第２のＮＯ_X濃度Ｎｉｎを読込み、上記式（１）から、低圧ＥＧＲガスの希釈率Ａｌｐ（＝Ｎｉｎ／Ｎｌｐ）を求める。次いで、ＥＣＵ５０は、ステップＳ４０に進み、高圧ＥＧＲガスが混合される前の吸気の酸素濃度を示す第２の酸素濃度Ｏｉｎを算出する。例えばＥＣＵ５０は、第１のＮＯ_X濃度Ｎｌｐ、第２のＮＯ_X濃度Ｎｉｎ、排気の酸素濃度（第１の酸素濃度）Ｏｅｘ、及び新気の流量Ｖａに基づき、上記式（４）から、第２の酸素濃度Ｏｉｎを算出する。

次いで、ＥＣＵ５０は、ステップＳ５０に進み、高圧ＥＧＲ弁３３の制御を行う。ここでは、低圧ＥＧＲ弁４３の制御指示値ではなく、算出された第２の酸素濃度Ｏｉｎと、応答速度を考慮した、内燃機関１１に吸入される吸気の酸素濃度Ｏｔｏｔａｌの目標値Ｏｔｇｔとに基づき、高圧ＥＧＲ弁３３が制御される。

図７は、ＥＧＲ制御処理の一例を示すフローチャートである。かかるＥＧＲ制御処理の例では、まず、ＥＣＵ５０は、ステップＳ５１において、高圧ＥＧＲガスが混合される前の吸気の酸素濃度（第２の酸素濃度）Ｏｉｎ、排気の酸素濃度（第１の酸素濃度）Ｏｅｘ、及び新気の流量Ｖａを読込む。次いで、ＥＣＵ５０は、ステップＳ５２において、上記式（６）から、内燃機関１１に吸入される吸気中の酸素濃度の目標値Ｏｔｇｔとなる高圧ＥＧＲガスの流量Ｖｈｐを求める。次いで、ＥＣＵ５０は、ステップＳ５３において、あらかじめ格納したマップ情報等を参照して、流量Ｖｈｐに応じた高圧ＥＧＲ弁３３の制御指示値を決定し、高圧ＥＧＲ弁３３を制御する。これにより、内燃機関１１に吸入される吸気中の酸素濃度Ｔｔｏｔａｌが目標値Ｔｔｇｔとなるように、総ＥＧＲ量が精度よく制御される。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は応用例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０ＥＧＲシステム
１１内燃機関
１３エアフローメータ
１４インテークマニホールド
１５吸気通路
１６吸気スロットル弁
１７第２のＮＯ_X濃度センサ
１８インタークーラー
２１排気通路
２２エキゾーストマニホールド
２３第３のＮＯ_X濃度センサ
２５空燃比センサ
２６排気浄化装置
２７排気コントロール弁
３１高圧ＥＧＲ通路
３３高圧ＥＧＲ弁
４１低圧ＥＧＲ通路
４３低圧ＥＧＲ弁
４５第１のＮＯ_X濃度センサ
５０制御装置
５１応答速度算出部
５３低圧ＥＧＲ率算出部
５５酸素濃度算出部
５７ＥＧＲ制御部
Ａｌｐ低圧ＥＧＲガスの希釈率
Ｎｌｐ第１のＮＯ_X濃度
Ｎｉｎ第２のＮＯ_X濃度
Ｎｅｘ第３のＮＯ_X濃度
Ｏｅｘ第１の酸素濃度
Ｏｉｎ第２の酸素濃度
Ｏｔｇｔ酸素濃度の目標値
Ｏｔｏｔａｌ吸気酸素濃度

Claims

内燃機関の排気通路から分岐して吸気通路に合流する高圧ＥＧＲ通路と、
前記高圧ＥＧＲ通路を流れる高圧ＥＧＲガスの流量を調節する高圧ＥＧＲ弁と、
前記高圧ＥＧＲ通路の分岐位置よりも下流側で前記排気通路から分岐して前記高圧ＥＧＲ通路の合流位置よりも上流側で前記吸気通路に合流する低圧ＥＧＲ通路と、
前記低圧ＥＧＲ通路を流れる低圧ＥＧＲガスの流量を調節する低圧ＥＧＲ弁と、
を備えたＥＧＲシステムの制御を行うためのＥＧＲ制御装置において、
低圧ＥＧＲ弁よりも下流側での前記低圧ＥＧＲガスのＮＯ_X濃度を示す第１のＮＯ_X濃度が変化してから、前記内燃機関から排出される排気のＮＯ_X濃度を示す第３のＮＯ_X濃度が変化するまでの遅れ時間を求める応答速度算出部と、
前記第１のＮＯ_X濃度、及び、前記低圧ＥＧＲ通路の合流位置よりも下流側、かつ、前記高圧ＥＧＲ通路の合流位置よりも上流側での吸気のＮＯ_X濃度を示す第２のＮＯ_X濃度に基づいて、前記低圧ＥＧＲガスの希釈率を求める低圧ＥＧＲ率算出部と、
前記内燃機関から排出される前記排気の酸素濃度を示す第１の酸素濃度、及び、前記希釈率に基づき、前記高圧ＥＧＲガスの混合前の吸気の酸素濃度を示す第２の酸素濃度を推定する酸素濃度算出部と、
前記第２の酸素濃度、及び、前記遅れ時間に基づき、前記低圧ＥＧＲガスの流量及び前記高圧ＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲ制御部と、
を備える、ＥＧＲ制御装置。
前記ＥＧＲ制御部は、前記遅れ時間に基づき、前記内燃機関に吸入される吸気中の前記第２の酸素濃度を推定し、前記内燃機関に吸入される吸気中の酸素濃度が目標値となるように、前記高圧ＥＧＲガスの流量を制御する、請求項１に記載のＥＧＲ制御装置。
前記応答速度算出部は、さらに、前記第１のＮＯ_X濃度が変化してから、前記第２のＮＯ_X濃度が変化するまでの第２の遅れ時間を求め、
前記低圧ＥＧＲ率算出部は、前記第２の遅れ時間に基づき、同一の低圧ＥＧＲガスが検出された前記第１のＮＯ_X濃度及び前記第２のＮＯ_X濃度を用いて、前記希釈率を求める、請求項１又は２に記載のＥＧＲ制御装置。
内燃機関の排気通路から分岐して吸気通路に合流する高圧ＥＧＲ通路と、
前記高圧ＥＧＲ通路を流れる高圧ＥＧＲガスの流量を調節する高圧ＥＧＲ弁と、
前記高圧ＥＧＲ通路の分岐位置よりも下流側で前記排気通路から分岐して前記高圧ＥＧＲ通路の合流位置よりも上流側で前記吸気通路に合流する低圧ＥＧＲ通路と、
前記低圧ＥＧＲ通路を流れる低圧ＥＧＲガスの流量を調節する低圧ＥＧＲ弁と、
を備えたＥＧＲシステムの制御を行うためのＥＧＲ制御方法において、
低圧ＥＧＲ弁よりも下流側での前記低圧ＥＧＲガスのＮＯ_X濃度を示す第１のＮＯ_X濃度が変化してから、前記内燃機関から排出される排気のＮＯ_X濃度を示す第３のＮＯ_X濃度が変化するまでの遅れ時間を求めるステップと、
前記第１のＮＯ_X濃度、及び、前記低圧ＥＧＲ通路の合流位置よりも下流側、かつ、前記高圧ＥＧＲ通路の合流位置よりも上流側での吸気のＮＯ_X濃度を示す第２のＮＯ_X濃度に基づいて、前記低圧ＥＧＲガスの希釈率を求めるステップと、
前記内燃機関から排出される前記排気の酸素濃度を示す第１の酸素濃度、及び、前記希釈率に基づき、前記高圧ＥＧＲガスの混合前の吸気の酸素濃度を示す第２の酸素濃度を推定するステップと、
前記第２の酸素濃度、及び、前記遅れ時間に基づき、前記低圧ＥＧＲガスの流量及び前記高圧ＥＧＲガスの流量を制御するステップと、
を備える、ＥＧＲ制御方法。