JP6809447B2 - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関から排気されるガスの一部を吸気系へ還流する排気還流動作（Exhaust Gas Recirculation：ＥＧＲ）を行う内燃機関の排気還流装置に関する。
従来、例えば特許文献１には、ＥＧＲクーラ付きＥＧＲ装置が開示されている。この装置では、ＥＧＲクーラを通過するＥＧＲガスと通過しないＥＧＲガスとの流量比を調整する流量比調整弁を備えている。そして、この装置では、ＥＧＲクーラを通過したＥＧＲガスとＥＧＲクーラを通過しないＥＧＲガスとが混合された後のＥＧＲガスの温度を検出し、この温度が目標のＥＧＲ温度になるようにフィードバック制御によって流量比調整弁の弁開度が調整される。
特開２００１−０４１１１０号公報
上記従来の技術では、還流するＥＧＲガス温度を目標温度に近づけることができる。しかしながら、ＥＧＲガス温度を目標温度に近づけたとしても、新気とＥＧＲガスとの合流後の吸気温度を、目標とする吸気温度に制御することは難しい。吸気温度の変化度合は、ＥＧＲガスの温度だけでなく、ＥＧＲガスの還流量にも関連するからである。そこで、吸気温度を目標吸気温度に近づけるようにフィードバック制御によってEGRクーラを通るEGRガスとEGRクーラを通らないEGRガスの流量比を決定する制御が考えられる。しかしながら、このようなフィードバック制御では、制御ゲインの設定に課題がある。すなわち、ＥＧＲ量が多いほどＥＧＲガス温度が吸気温度に与える影響が大きくなる。このため、フィードバック制御においてＥＧＲ量が多い場合に最適な制御ゲインを設定すると、ＥＧＲ量が少ない場合における吸気温度の変化が緩慢となってしまう。一方、フィードバック制御においてＥＧＲ量が少ない場合に最適な制御ゲインを設定すると、ＥＧＲ量が多い場合において吸気温度の変化が過剰となるおそれがある。このように、フィードバック制御において制御ゲインを一定の値に設定すると、ＥＧＲ量によって制御追従性に差が生じてしまい、吸気温度を高精度に制御することができないおそれがある。
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、ＥＧＲガスの還流時の吸気温度を高精度に制御することが可能な内燃機関の排気還流装置を提供することを目的とする。
第１の発明は、内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲ冷却システムと、前記ＥＧＲ冷却システムを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記内燃機関の筒内に吸入される吸気の温度を目標温度に近づけるように前記ＥＧＲ冷却システムの冷却効率をフィードバック制御するように構成され、前記制御装置は、還流するＥＧＲ量が少ないほど冷却効率の変化量を大きくするように構成されていることを特徴とする。
第２の発明は、第１の発明において、前記制御装置は、還流するＥＧＲ量が少ないほど前記フィードバック制御の制御ゲインを大きな値とするように構成されていることを特徴とする。
第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、前記ＥＧＲ冷却システムは、ＥＧＲクーラと、前記ＥＧＲクーラをバイパスするバイパス通路と、前記ＥＧＲクーラへ流れるガス量と前記バイパス通路へ流れるガス量の流量比を調整する流量比調整弁と、を備え、前記制御装置は、前記筒内に吸入される吸気の温度を前記目標温度に近づけるように前記流量比調整弁の開度をフィードバック制御するように構成されていることを特徴とする。
第４の発明は、第１の発明から第３の発明のいずれかにおいて、前記制御装置は、ＥＧＲ率が低いほど前記冷却効率の変化量を大きくするように構成されていることを特徴とする
本発明によれば、筒内に吸入される吸気の温度が目標温度に近づくようにフィードバック制御によってＥＧＲ冷却システムの冷却効率が決定される。また、ＥＧＲ量が多いほど還流するＥＧＲガスの温度が吸気の温度に与える影響が大きくなる。本発明によれば、ＥＧＲ量が少ないほど冷却効率の変化量が大きくされる。これにより、実際の吸気温度の目標温度への追従性をＥＧＲ量によらず一定に近づけることができる。このような制御によって、ＥＧＲによる排気ガス還流時の吸気温度を高精度に制御することが可能となる。
実施例１の排気還流装置が適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。 流量比Ｒに対する吸気温度の変化をＥＧＲ量毎に比較した図である。 ＥＧＲ量に対する制御ゲインの重み付け係数を示す図の一例である。 実施例１の吸気温度制御を行う際のフローチャートである。 実施例２の排気還流装置が適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。 ＥＧＲ量とＥＧＲ率に対する制御ゲインの重み付け係数を示す図の一例である。
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
実施例１
図１は、実施例１の排気還流装置が適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。図１に示すように、本実施例のシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、車両等の移動体に搭載される直列３気筒ディーゼルエンジンとして構成されている。但し、内燃機関１０の種別、気筒数および気筒配列はこれに限定されない。内燃機関１０の各気筒には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。
吸気通路１２には、過給機のコンプレッサ１６ａが設置されている。コンプレッサ１６ａは、排気通路１４に配置されたタービン１６ｂの回転により駆動される。コンプレッサ１６ａよりも下流側の吸気通路１２には、水冷式のインタークーラ１８が配置されている。インタークーラ１８よりも下流側の吸気通路１２は、内燃機関１０の吸気マニホールド（図示しない）に接続されている。
また、本実施例のシステムは、排気通路１４が接続されている排気マニホールド（図示しない）と、インタークーラ１８よりも下流側の吸気通路１２とを接続するＥＧＲ通路２０を備えている。ＥＧＲ通路２０にはＥＧＲ弁２２が設けられている。ＥＧＲ弁２２は、ＥＧＲ通路２０を介して内燃機関１０の筒内に還流されるＥＧＲガス量を調整する。ＥＧＲ通路２０においてＥＧＲ弁２２の上流にはＥＧＲクーラ２４が備えられている。ＥＧＲ通路２０にはＥＧＲクーラ２４をバイパスするバイパス通路２６が設けられている。ＥＧＲ通路２０から分岐したバイパス通路２６が再びＥＧＲ通路２０に合流する箇所には、ＥＧＲクーラ２４を流れるＥＧＲガスとバイパス通路２６を流れるＥＧＲガスとの流量比を調整するための流量比調整弁２８が設けられている。
また、本実施例のシステムは、ＥＣＵ３０を備えている。ＥＣＵ３０は、エンジンシステムの全体を総合制御する制御装置であって、本発明に係る制御装置はＥＣＵ３０の一つの機能として具現化されている。ＥＣＵ３０は、少なくとも入出力インタフェースとメモリとＣＰＵとを備えている。入出力インタフェースは、内燃機関１０および移動体に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、内燃機関１０が備えるアクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられる。ＥＣＵ３０が信号を取り込むセンサには、吸気通路１２におけるＥＧＲガス導入部よりも下流側を流れる吸気の温度、すなわち内燃機関１０の筒内に吸入される吸気の温度を検出する温度センサ３２が含まれる。ＥＣＵ３０が操作信号を出すアクチュエータには、上述したＥＧＲ弁２２や流量比調整弁２８が含まれる。メモリには、内燃機関１０を制御するための各種の制御プログラム、マップ等が記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。なお、ＥＣＵ３０に接続されるアクチュエータやセンサは図中に示す以外にも多数存在するが、本明細書においてはその説明は省略する。
ＥＣＵ３０により実行されるエンジン制御にはＥＧＲ制御が含まれる。本実施例のＥＧＲ制御では、ＥＧＲ量、またはこれと相関を有するＥＧＲ率等の状態量が、エンジン回転速度及び燃料噴射量等の運転状態から定まる目標値となるように、フィードバック制御等によってＥＧＲ弁２２の操作量が決定される。
また、ＥＣＵ３０により実行されるエンジン制御には吸気温度制御が含まれる。本実施例の吸気温度制御では、ＥＧＲガスを筒内に還流している場合において、吸気通路１２に導入されるＥＧＲガスの温度を調整することにより、筒内に吸入される吸気の温度をエンジン回転速度及び噴射量等の運転状態から定まる目標吸気温度に近づくように制御するものである。
なお、ＥＧＲクーラ２４を通過するＥＧＲ経路は、バイパス通路２６を通過するＥＧＲ経路よりも冷却効率が高い。そこで、吸気温度の調整には、流量比調整弁２８が使用される。以下の説明では、筒内に還流される総ＥＧＲ量をGegr、ＥＧＲクーラ２４を通過するＥＧＲ量をGegrC、バイパス通路２６を通過するＥＧＲ量をGegrCbpと表記する。本実施例の吸気温度制御では、総ＥＧＲ量Gegrに対するＥＧＲクーラ２４を通過するＥＧＲ量GegrCの割合を流量比Ｒと定義し、実際の吸気温度が目標吸気温度に近づくために要求される流量比Ｒを算出する。そして、算出された流量比Ｒを実現するように流量比調整弁２８の操作量（開度）を決定することにより、吸気温度を目標吸気温度に制御する。以下、本実施例の吸気温度制御について更に詳しく説明する。
本実施例の吸気温度制御では、先ず、エンジン回転速度、筒内に吸入される新気量Ga、排気通路１４へ排気されるガスの排気温度等の状態量を用いて、目標吸気温度を実現するために要求されるＥＧＲ量GegrC及びGegrCbpを算出する。そして、算出されたＥＧＲガス流量GegrC及びGegrCbpを用いた次式（１）を用いて、ベースとなる流量比Ｒを算出する。
流量比Ｒ＝GegrC／(GegrC+GegrCbp)＝GegrC／Gegr ・・・（１）
また、本実施例の吸気温度制御では、筒内に吸入される実際の吸気温度が目標吸気温度に近づくように、フィードバック制御によってＥＧＲ量GegrCを補正する。具体的には、先ず、以下の式によってＥＧＲ量GegrCの補正量Qfbが算出される。なお、以下の式において、ベース比例ゲイン、ベース積分ゲイン及びベース微分ゲインは、フィードバック制御の比例項、積分項及び微分項の制御ゲインをそれぞれ示している。また、dT n は、温度センサ３２によって検出される吸気温度の実値と目標吸気温度の偏差である。算出された補正量Qfbは、ＥＧＲ量GegrCに加算される。これにより、ＥＧＲ量GegrCが補正される。
補正量：Qfb＝QfbP n ＋QfbI n ＋QfbD n ・・・（２）
比例項：QfbP n ＝ベース比例ゲイン×dT n ・・・（３）
積分項：QfbI n ＝QfbI n-1 ＋ベース積分ゲイン×dT n ・・・（４）
微分項：QfbD n ＝ベース微分ゲイン×(dT n −dT n−1 ) ・・・（５）
ここで、吸気温度制御において行なわれるフィードバック制御には、以下の課題がある。図２は、流量比Ｒに対する吸気温度の変化を総ＥＧＲ量毎に比較した図である。この図に示すように、流量比Ｒに対する吸気温度の変化度合は、総ＥＧＲ量が多いほど大きくなっている。これは、総ＥＧＲ量が多いほど吸気温度に対するＥＧＲガスの温度変化の影響度が高くなることに起因する。このため、流量比Ｒを操作量とするフィードバック制御において、目標吸気温度と実際の吸気温度との差を、一定の制御ゲインを用いて流量比Ｒに反映させることとすると、実際の総ＥＧＲ量によって吸気温度の目標吸気温度への収束性及び追従性に差が生じてしまう。具体的には、例えば総ＥＧＲ量が少ないときに最適な制御ゲインを設定すると、総ＥＧＲ量が多いときに操作量が過大となり吸気温度に過剰なハンチングが発生してしまうおそれがある。また、総ＥＧＲ量が多いときに最適な制御ゲインを設定すると、総ＥＧＲ量が少ないときに操作量が緩慢となり吸気温度の収束性が悪化するおそれがある。
そこで、本実施例の吸気温度制御では、フィードバック制御における制御ゲインに総ＥＧＲ量に応じた重み付けを行うこととしている。図３は、総ＥＧＲ量に対する制御ゲインの重み付け係数を示す図の一例である。重み付け係数は、制御ゲインに乗算する係数であって、この図に示すように、総ＥＧＲ量が多いほど小さな値に設定することで、冷却効率の変化量を小さくする。このような制御によれば、総ＥＧＲ量が多いほどフィードバック制御の制御ゲインが小さな値に設定されるので、総ＥＧＲ量の差に起因するフィードバック制御の収束性及び追従性のばらつきを小さくすることができる。これにより、幅広い総ＥＧＲ量においてフィードバック制御の収束性及び追従性を確保することが可能となる。
図４は、実施例１の吸気温度制御を行う際のフローチャートである。図４を参照して本実施例において実行される吸気温度制御の具体的処理について説明する。なお、図４に示すフローは、ＥＣＵ３０によって所定の制御周期で繰り返し実行される。
図４に示すルーチンでは、先ず、目標吸気温度が設定される（ステップＳ１）。目標吸気温度は、その時の運転状態に応じて適宜適切な温度が設定される。次に、温度センサ３２を用いて現在の吸気温度の実値が検出される（ステップＳ２）。次に、ステップＳ１において設定した目標吸気温度と、ステップＳ２で取得した実吸気温度との偏差dT n が算出される（ステップＳ３）。
次に、現在の排気温度が取得される（ステップＳ４）。具体的にはエンジン回転速度、新気量Ga、過給圧、吸気温度等の状態量から、公知の手法によって現在の排気温度が推定される。次に、総EGR量が取得される（ステップＳ５）。総EGR量も種々の状態量から公知の方法で推定される。
次に、流量比Ｒが算出される（ステップＳ６）。ここでは、具体的には、種々の状態量の引数としたマップを用いて、目標吸気温度を実現するために要求されるＥＧＲ量GegrCが算出される。そして、上記ステップＳ５において取得された総ＥＧＲ量Gegrと本ステップにおいて算出されたＥＧＲガス流量GegrCを上式（１）に代入することにより、流量比Ｒが算出される。次に、流量比調整弁２８の開度が算出される（ステップＳ７）。ここでは、具体的には、上記ステップＳ６において算出された流量比Ｒを実現するための流量比調整弁２８の開度が、マップから算出される。
次に、吸気温度制御のフィードバック制御に用いる制御ゲインが算出される（ステップＳ８）。ここでは、具体的には、図３に示すマップを用いて、上記ステップＳ５において推定されたＥＧＲ量に対応する重み付け係数が算出される。そして、算出された重み付け係数を比例項、積分項及び微分項の各ベース制御ゲインに乗算することにより、各フィードバック項で用いる制御ゲインが算出される。次に、フィードバック制御によって流量比調整弁２８の開度が補正される（ステップＳ９）。
このように、本実施例のシステムによれば、フィードバック制御における制御ゲインにＥＧＲ量に応じた重み付けが行われる。これにより、幅広いＥＧＲ量において安定したフィードバック制御の収束性及び追従性を確保することが可能となる。
また、上述した実施例１のシステムでは、フィードバック制御によってＥＧＲクーラ２４を通過するＥＧＲガス流量GegrCを補正する構成とした。しかしながら、フィードバック制御による補正対象はこれに限らず、流量比Ｒやバイパス通路２６を通過するＥＧＲガス流量GegrCbpに補正を施す構成でもよい。また、フィードバック制御の構成は上述した制御の構成に限られず、比例項、積分項及び微分項の何れかを用いた構成であればよい。
実施例２
本実施例においては、実施例１と共通する部分の説明は省略する。
図５は、実施例２の排気還流装置が適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。本実施例のシステムの構成では、実施例１のＥＧＲ弁２２と流量比調整弁２８に代えて制御弁４０、４２を備えている。制御弁４０は、ＥＧＲ通路２０において、バイパス通路２６の分岐部よりも下流且つＥＧＲクーラ２４よりも上流となる位置に配置されている。制御弁４０は、ＥＧＲクーラ２４を通過するＥＧＲ量GegrCを調整することができる。また、制御弁４２は、バイパス通路２６の途中に配置されており、バイパス通路２６を通過するＥＧＲ量GegrCbpを調整することができる。
このように構成された図５に示すシステムでは、ＥＧＲ制御による総ＥＧＲ量、及びフィードバック制御による補正後のＥＧＲ量GegrCが実現されるように制御弁４０、４２を操作することにより、実施例１と同様の制御を行うことができる。
ところで、上述した実施例１、実施例２のシステムでは、総ＥＧＲ量に基づいてＥＧＲクーラ２４を通過するＥＧＲ量GegrCを補正したが、ＥＧＲ率も考慮に入れてＥＧＲ量GegrCを補正してもよい。図６は総ＥＧＲ量とＥＧＲ率に対する制御ゲインの重み付け係数を示す図の一例である。図６に示すように、ＥＧＲ率が高いほど重み付け係数を小さな値に設定するような構成としてもよい。これは、総ＥＧＲ量が一定であってもＥＧＲ率が高いほど吸気温度に対するＥＧＲガスの温度変化の影響度が高くなるためである。ＥＧＲ率の取得方法の具体例としては、現在の新気量Ga、総ＥＧＲガス量Gegrを用いた以下の式（６）によって現在のＥＧＲ率が推定される。
ＥＧＲ率＝Gegr／(Ga＋Gegr)×１００ ・・・（６）
また、上述した実施例１、実施例２のシステムでは、吸気温度の取得に温度センサ３２を用いたが、公知の手法を採用して運転状態から推定する構成でもよい。また、総ＥＧＲ量やＥＧＲ率の取得の方法についても上述の方法に限られず、センサ等を用いて直接検出する構成でもよいし、他のセンサを用いて推定する構成でもよい。
また、上述した実施例１、実施例２のシステムでは、ＥＧＲクーラ２４を通過するＥＧＲ量GegrCを補正することにより、吸気温度を高精度に制御したが、バイパス通路２６を備えないシステムにおいて、総ＥＧＲ量に基づいてＥＧＲクーラ２４自体の冷却効率を補正するようにしてもよい。具体的には、総ＥＧＲ量に基づいてＥＧＲクーラ２４に供給する冷却水の流量を補正することにより、ＥＧＲクーラ２４自体の冷却効率を補正する構成でもよい。
１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
１６ａ コンプレッサ
１６ｂ タービン
１８ インタークーラ
２０ ＥＧＲ通路
２２ ＥＧＲ弁
２４ ＥＧＲクーラ
２６ バイパス通路
２８ 流量比調整弁
３０ ＥＣＵ
３２ 温度センサ
４０ 制御弁
４２ 制御弁

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
    前記ＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲ冷却システムと、
    前記ＥＧＲ冷却システムを制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記内燃機関の筒内に吸入される吸気の温度を目標温度に近づけるように前記ＥＧＲ冷却システムの冷却効率をフィードバック制御するように構成され、
    前記制御装置は、還流するＥＧＲ量が少ないほど前記冷却効率の変化量を大きくするように構成されていることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
  2. 前記制御装置は、還流するＥＧＲ量が少ないほど前記フィードバック制御の制御ゲインを大きな値とするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
  3. 前記ＥＧＲ冷却システムは、ＥＧＲクーラと、前記ＥＧＲクーラをバイパスするバイパス通路と、前記ＥＧＲクーラへ流れるガス量と前記バイパス通路へ流れるガス量の流量比を調整する流量比調整弁と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記筒内に吸入される吸気の温度を前記目標温度に近づけるように前記流量比調整弁の開度をフィードバック制御するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気還流装置。
  4. 前記制御装置は、ＥＧＲ率が低いほど前記冷却効率の変化量を大きくするように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気還流装置。
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