JPH0886249A

JPH0886249A - リーンバーンエンジンの排気還流制御装置

Info

Publication number: JPH0886249A
Application number: JP6223450A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Itoyama; 浩之糸山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1994-09-19
Filing date: 1994-09-19
Publication date: 1996-04-02

Abstract

(57)【要約】【目的】リーンバーンエンジンにおいて、リーン運転
条件において大気の湿度が燃焼安定性に与える影響を少
なくする。【構成】リーンバーンエンジンにおいて、リーン運転
条件における目標排気還流率をリーン燃焼に及ぼす湿度
の影響を除去しうる範囲に設定するリーン側目標排気還
流率設定手段ｆと、設定された目標排気還流率となるよ
うにエンジンに排気を還流する排気還流手段ｇとを備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、リーンバーンエンジン
の排気還流制御装置の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車用エンジン等にあっては、排気ガ
ス中の有害成分であるＮＯｘの発生を抑制するために、
吸気管に不活性の排気ガスを再循環させる、いわゆる排
気還流制御装置が設けられている。

【０００３】また、自動車用エンジン等にあっては、運
転条件に応じて目標空燃比を理論空燃比より大きい例え
ば１６〜２２程度のリーン空燃比にするリーン運転条件
を設定し、燃料供給量を制御する、いわゆるリーンバー
ンエンジンがある。リーン空燃比の混合気で運転するこ
とにより、理論空燃比と同一のトルクを発生するのに吸
入空気量が多くなってポンピングロスが減るとともに、
燃焼ガスの比熱比が大きくなって、燃費の向上がはから
れる。

【０００４】従来のリーンバーンエンジンに備えられる
排気還流制御装置は、目標空燃比をリーン空燃比にする
リーン運転条件では、ＮＯｘの発生量が少ないこともあ
って、排気還流を停止するようになっている(特開昭５
８−１６５５５７号公報、参照)。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、大気の湿度
が変化すると、吸入空気の湿度が変化し、エンジンの燃
焼室内における燃焼速度が吸入空気中の水分の影響を受
けて変化する。すなわち、吸入空気の湿度が低いと、エ
ンジンの燃焼速度が速く、湿度が高くなるのに伴って燃
焼速度が遅くなる。

【０００６】特に、吸入空気量が多いリーン運転条件で
は大気の湿度の影響を受けて燃焼が不安定になりやす
く、燃焼が不安定になるのに伴ってサージが生じるの
で、サージトルクのレベルが安定限界レベルに近くなる
ようにリーン運転条件での目標空燃比を設定する必要が
あり、燃費の改善代が小さくなるという問題点がある。

【０００７】従来の安定度制御技術としては、例えば特
開昭５８−１１０８５１号公報に開示されているよう
に、大気の湿度を検出するセンサを備え、検出された大
気の湿度が高い程、排気還流量を少なくするように制御
するものがある。

【０００８】しかしながら、このような従来装置にあっ
ては、大気の湿度を検出するセンサを必要とし、製品の
コストアップを招くという問題点が考えられる。

【０００９】本発明は上記の問題点に着目し、リーンバ
ーンエンジンのリーン運転条件において大気の湿度が燃
焼安定性に与える影響を少なくすることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
運転状態に応じて空燃比を理論空燃比よりリーン化する
リーンバーンエンジンにおいて、リーン空燃比運転時に
排気還流を行うと、排気還流率をリーン燃焼に及ぼす湿
度の影響を除去しうる範囲に設定する手段を備える。

【００１１】請求項２記載のリーンバーンエンジンの排
気還流制御装置は、図９に示すように、エンジンの運転
状態を検出する運転条件検出手段ａと、検出された運転
状態に応じて空燃比を理論空燃比よりリーン化するリー
ン運転条件を判定する運転条件判定手段ｂと、判定され
た運転条件に応じてリーン側の目標空燃比を設定する目
標空燃比設定手段ｃと、設定された目標空燃比に応じて
燃料供給量を演算する燃料供給量演算手段ｄと、演算さ
れた燃料供給量となるようにエンジンに燃料を供給する
燃料供給手段ｅと、リーン運転条件における目標排気還
流率をリーン燃焼に及ぼす湿度の影響を除去しうる範囲
に設定するリーン側目標排気還流率設定手段ｆと、設定
された目標排気還流率となるようにエンジンに排気を還
流する排気還流手段ｇと、を備える。

【００１２】請求項３記載のリーンバーンエンジンの排
気還流制御装置は、請求項２に記載の発明において、リ
ーン側目標排気還流率設定手段として、リーン運転条件
における目標排気還流率を吸入空気全体の水分量に対し
て新気の水分量が所定値以下となるように設定する。

【００１３】請求項４記載のリーンバーンエンジンの排
気還流制御装置は、請求項３に記載の発明において、リ
ーン側目標排気還流率設定手段として、リーン運転条件
における目標排気還流率を１８％以上に設定する。

【００１４】

【作用】請求項１記載のリーンバーンエンジンの排気還
流制御装置は、リーン空燃比運転時に排気還流を行う構
成としたため、リーン運転条件で水分の少ない排気が燃
焼室に還流されることにより、大気の湿度が高くなって
も、エンジンの燃焼室内に供給される水分量を低減し、
燃焼速度が遅くなることを抑制し、燃焼安定性を十分に
維持することができる。

【００１５】また、リーン運転条件でも排気還流を行う
ことにより、燃焼温度をさらに低下させて、ＮＯｘ排出
量を低減できる。

【００１６】請求項２記載のリーンバーンエンジンの排
気還流制御装置は、リーン運転条件において、リーン側
目標排気還流率設定手段に設定された目標排気還流率と
なるようにエンジンに排気を還流する。

【００１７】リーン運転条件で水分の少ない排気が燃焼
室に還流されることにより、大気の湿度が高くなって
も、エンジンの燃焼室内に供給される水分量を低減し、
燃焼速度が遅くなることを抑制し、燃焼安定性を十分に
維持することができる。

【００１８】また、リーン運転条件でも排気還流を行う
ことにより、燃焼温度をさらに低下させて、ＮＯｘ排出
量を低減できる。

【００１９】請求項３記載のリーンバーンエンジンの排
気還流制御装置は、リーン側目標排気還流率設定手段と
して、リーン運転条件における目標排気還流率を新気の
水分量より吸入空気全体の水分量が小さくなるように設
定したため、大気の湿度が高くなっても、エンジンの燃
焼室内に供給される水分量を低減し、燃焼速度が遅くな
ることを抑制し、燃焼安定性を十分に維持することがで
きる。

【００２０】請求項４記載のリーンバーンエンジンの排
気還流制御装置は、リーン側目標排気還流率設定手段と
して、リーン運転条件における目標排気還流率を１８％
以上に設定したため、大気の湿度が高くなっても、エン
ジンの燃焼室内に供給される水分量を低減し、燃焼速度
が遅くなることを抑制し、燃焼安定性を十分に維持する
ことができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。

【００２２】図１に示すように、エンジン１は吸気弁が
開かれるのに伴って吸気通路２からシリンダに混合気を
吸入し、この混合気をピストンで圧縮して、点火プラグ
６で着火燃焼させ、続いて排気弁７が開かれるのに伴っ
て排気が排気ポート８を介して排気通路３に排出され、
これらの各行程が連続して繰り返されるようになってい
る。

【００２３】吸気通路２の途中には吸気ポートに燃料を
噴射するインジェクタ７と、アクセルペダルに連動して
吸気を絞るスロットルバルブ８がそれぞれ設けられ、そ
の上流側には吸気量を検出するエアフロメータ９が設け
られる。

【００２４】排気通路３の途中には三元触媒１０が設置
され、排気中のＨＣ、ＣＯを酸化するとともに、ＮＯｘ
を還元する。

【００２５】インジェクタ７からの燃料噴射量、点火プ
ラグ６の点火時期等を制御するコントロールユニット１
２が設けられる。コントロールユニット１２には、エア
フロメータ９で検出される吸気量Ｑと、アイドルスイッ
チ信号ＳＷと、エンジン回転数センサ１３で検出される
エンジン回転数Ｎｅと、冷却水温センサ１４で検出され
る冷却水温度Ｔｗ等を入力して、基本燃料噴射量Ｔｐを
運転状態に応じて演算するとともに、点火時期を演算す
る。

【００２６】排気通路９の途中にＯ₂センサ１５が設置
される。コントロールユニット１２は、Ｏ₂センサ１５
で検出される排気中の酸素濃度に応じた出力ＶＯ₂を入
力して、予め設定されたリーン運転条件外で混合気が理
論空燃比となるように燃料噴射量を帰還制御して、三元
触媒１０での転化効率を最大限に維持し、また、リーン
運転条件で混合気が理論空燃比よりリーン側の空燃比と
なるように燃料噴射量を制御するようになっている。

【００２７】図２から図５のフローチャートにしたがっ
て、コントロールユニット１２で実行されるこれらの制
御動作を説明する。なお、以下の説明では、制御される
空燃比について、説明の便宜上、空燃比の逆数でかつ理
論空燃比との対比値（理論空燃比／空燃比に相当）であ
る燃空比という言葉を用いる。

【００２８】図２は運転条件に応じて目標とする燃空比
を設定するためバックグラウンドジョブとして処理され
るルーチンで、まずステップ１ではリーン運転条件にあ
るかどうかを判定するが、これは、機関の燃費、排気、
運転性等の各要求から、希薄燃焼させたい運転領域を設
定しておき、現在の運転条件が、このリーン運転条件に
あるかどうかを判定する。そして、リーン運転条件にあ
れば、ステップ２でリーン燃空比マップ（ＭＤＭＬＬ）
から、また、そうでなければ、非リーン燃空比マップ
（ＭＤＭＬＳ）から、それぞれマップ燃空比Ｍｄｍｌを
検索する。なお、各燃空比マップは、図６にも示すよう
に、エンジン負荷（燃料噴射パルス幅Ｔｐ）と回転数Ｎ
ｅによって割り付けられ、それぞれリーン燃空比と、非
リーン燃空比において、運転条件に応じた目標燃空比が
設定されている。

【００２９】ステップ４では、これら検索したマップ燃
空比Ｍｄｍｌを目標燃空比Ｔｄｍｌと置き換え、図３あ
るいは図４の制御ルーチンに移る。

【００３０】図３は、目標燃空比の補正値を算出するた
め回転域または気筒毎の基準信号に同期して行われるジ
ョブである。

【００３１】ステップ１１で求めた目標燃空比Ｔｄｍｌ
を、ステップ１２で補正燃空比Ｄｍｌ（現在の燃空比に
相当）と比較する。もし、ＤｍｌがＴｄｍｌよりも大き
いときはステップ１３に進み、目標燃空比が現在の燃空
比よりも大きく（リッチ）なったとして、空燃比変化速
度Ｄｄｍｌｒを前回の演算時のＤｍｌ_n-1に加え、さら
にステップ１５でＤｍｌの上限をＴｄｍｌまでに制限す
る。

【００３２】一方、ステップ１２でＤｍｌがＴｄｍｌよ
りも小さいときは、目標燃空比が現在の燃空比よりも小
さく（リーン）なったとして、ステップ１４で前回演算
時のＤｍｌ_n-1から空燃比変化速度Ｄｄｍｌｌを引き、
さらに、ステップ１６でＤｍｌの下限をＴｄｍｌに制限
する。

【００３３】このようにして、目標燃空比に応じて燃空
比を修正したら、ステップ１７に進み、エンジン回転数
に応じて規定された燃空比の下限値（リーン限界値）Ｄ
ｍｌｉｌｍを、図６のテーブルから検索する。このＤｍ
ｌｉｌｍは、エンジン回転数がアイドル付近のときは、
理論空燃比に相当する１.０の値をとり、回転数が高く
なるのにしたがって徐々にリーン側に変化し、所定回転
以上では一定のリーン値をとるように設定され、その回
転数のときの安定限界リーン空燃比に相当する。

【００３４】そして、ステップ１８で補正燃空比Ｄｍｌ
と下限値Ｄｍｌｉｌｍを比較し、もし、Ｄｍｌの方が小
さいとき、つまり空燃比としては、Ｄｍｌが下限値より
もリーン側のときは、ステップ１９でこの下限値Ｄｍｌ
ｉｌｍを補正空燃比Ｄｍｌとする。また、Ｄｍｌの方が
大きいときは、そのまま処理を終了する。

【００３５】このようにして、Ｄｍｌは、そのときの回
転数に応じて設定されるリーン限界値であるＤｍｌｉｌ
ｍと比較され、もし、リーン限界値よりもリーン側にあ
るときは、運転性を安定させるため、制御目標とする燃
空比として、このリーン限界値を用いるのである。

【００３６】このようにして、補正燃空比を算出した
ら、図４のフローチャートにしたがって、燃料の噴射量
を演算する。

【００３７】これは１０ｍｓ毎に繰り返されるジョブ
で、ステップ３１では制御目標燃空比Ｔｆｂｙａを、補
正燃空比Ｄｍｌを用いて、Ｔｆｂｙａ＝Ｄｍｌ＋Ｋｔｗ
＋Ｋａｓとして算出する。Ｋｔｗは水温増量、Ｋａｓは
始動後増量を示すもので、Ｋｔｗは水温が低いときほど
大きく、Ｋａｓは始動後の経過時間に応じて減少する。
ステップ３２でエアフローメータの出力である吸入空気
量ＱをＡ／Ｄ変換してリニアライズし、ステップ３３で
この吸入空気量Ｑと回転数Ｎとから、基本噴射量Ｔｐ
を、Ｔｐ＝Ｋ×Ｑ／Ｎとして算出し、これからＡｖｔｐ
を求める。なおＫは定数。

【００３８】そして、ステップ３４で燃料噴射量Ｔｉを
次のようにして算出する。

【００３９】Ｔｉ＝Ａｖｔｐ×Ｔｆｂｙａ×Ｋｔｒ×（α＋αｍ）＋Ｔｓ…（１）なお、Ｋｔｒは過渡時の空燃比補正係数、αは空燃比フ
ィードバック補正係数、αｍは空燃比学習補正係数であ
る。ただし、上記の式は既に本出願により多くの出願に
おいて提示されており、公知のものである。

【００４０】次いでステップ３５で燃料噴射をカットす
る運転条件にあるかどうかを判定し、燃料カット条件で
ないときは、演算した燃料噴射量Ｔｉを出力レジスタに
ストアし、またカット条件のときは無効噴射パルス幅Ｔ
ｓを、出力レジスタにストアすることで、次の噴射タイ
ミングでの燃料噴射に備えるのである。

【００４１】したがって、エンジンに供給される混合気
の空燃比は、基本的には、運転条件によって設定された
目標とするリーン空燃比に制御されるが、目標空燃比
は、そのエンジン回転数での安定限界のリーン空燃比に
相当するリーン限界値と比較され、もしリーン限界値よ
りも希薄側にあるときは、目標空燃比としてリーン限界
値が設定され、これ以上には空燃比をリーン化しない。
このため、リーン空燃比での運転領域は最大限に確保し
つつ、運転性の悪化を確実に回避することができる。

【００４２】そして、エンジン１の排気還流装置とし
て、吸気通路２と排気通路３を連通する排気還流通路４
が配設され、排気還流通路４の途中にはこれを開閉する
ＥＧＲ弁５が介装される。

【００４３】コントロールユニット１２は、エアフロメ
ータ９で検出される吸気量Ｑと、エンジン回転数センサ
１３で検出されるエンジン回転数Ｎと、冷却水温センサ
１４で検出される冷却水温度ＴＷ等に応じた排気還流率
の目標値を、出力性能と排気性能とがバランスするよう
に予め定めておき、この目標値のマップを参照すること
で現在の運転条件に合う目標排気還流量を求め、この目
標排気還流率を制御指令値に変換し、ＥＧＲ弁５に駆動
信号を出力する。

【００４４】ところで、空燃比が高いリーン運転条件で
は大気の湿度の影響を受けて燃焼が不安定になりやす
く、この燃焼の不安定に伴ってサージが生じるので、サ
ージトルクのレベルが安定限界レベルに近くなるように
リーン運転条件での目標空燃比を設定する必要があり、
燃費の改善代が小さくなるという問題点がある。

【００４５】これに対処して、本発明はリーン運転条件
において排気還流を行い、水分の少ない排気を新気と混
合させることにより、燃焼室に供給される混合気の水分
を減らして、大気の湿度が燃焼安定性に与える影響を少
なくする。

【００４６】このため、コントロールユニット１２はリ
ーン運転条件における目標排気還流率を設定したリーン
側目標排気還流率マップを予め定めておき、リーン運転
条件において、リーン側目標排気還流率マップを参照し
て目標排気還流率を求め、この目標排気還流率を制御指
令値に変換し、ＥＧＲ弁５に駆動信号を出力する。

【００４７】リーン側目標排気還流率マップには、リー
ン運転条件における目標排気還流率を新気の水分量より
吸入空気全体の水分量が小さくなるように、１８％以上
に設定する。

【００４８】図７のフローチャートは排気還流率を算出
するジョブとして処理されるルーチンを示しており、こ
れはコントロールユニット１２において所定周期毎に実
行される。

【００４９】まずステップＤ１で、現在の運転状態が理
論空燃比よりリーン側空燃比で運転されるリーン運転条
件かどうかを判定する。

【００５０】リーン運転条件と判定された場合、ステッ
プＤ２に進んで、リーン側排気還流率（ＥＧＲ率）Ｅｇ
ｒｌ＃より目標ＥＧＲ率Ｔｅｇｒを設定する。

【００５１】リーン運転条件外と判定された場合、ステ
ップＤ３に進んで、基本燃料噴射量Ｔｐが所定値Ｔｐｅ
＃を越えているかどうかを判定する。

【００５２】基本燃料噴射量Ｔｐが所定値Ｔｐｅ＃を越
えている場合、ステップＤ５に進んで目標ＥＧＲ率Ｔｅ
ｇｒを０として、排気還流を停止する。

【００５３】基本燃料噴射量Ｔｐが所定値Ｔｐｅ＃以下
の場合、ステップＤ４に進んで非リーン時ＥＧＲ率Ｅｇ
ｒｓ＃より目標ＥＧＲ率Ｔｅｇｒを設定する。

【００５４】このようにしてリーン運転条件で約１８％
程度の排気還流率で排気還流を行う構成としたため、大
気の湿度が高くなっても燃焼安定性を大きく損なうこと
を抑えられる。

【００５５】図８に、運転性許容限界に対する燃焼安定
限界空燃比であるサージ限界ラインと、開発目標（規制
値）のＮＯｘ排出量になる空燃比であるＮＯｘ限界ライ
ンをそれぞれ示している。これからもわかるように、リ
ーン運転条件で排気還流を行う本発明によって、サージ
限界ラインとＮＯｘ限界ラインを共にリーン側に移行さ
せることができる。この結果、大気の湿度に影響され
て、リーン運転条件における燃焼安定性が大気の湿度に
影響され難くして、常に安定した性能を発揮する能力、
いわゆるロバスト性を十分に確保できる。

【００５６】また、リーン運転条件でも排気還流を行う
ことにより、燃焼温度をさらに低下させて、ＮＯｘ排出
量を低減できる。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載のリー
ンバーンエンジンの排気還流制御装置は、リーン空燃比
運転時に排気還流を行うと、排気還流率をリーン燃焼に
及ぼす湿度の影響を除去しうる範囲に設定する構成とし
たため、リーン運転条件で水分の少ない排気が燃焼室に
還流されることにより、大気の湿度が燃焼安定性に与え
る影響を少なくし、サージに対する燃焼安定限界空燃比
をリーン化して燃費の改善代が大きくなるとともに、リ
ーン運転条件でも排気還流を行うことにより、燃焼温度
をさらに低下させて、ＮＯｘ排出量を低減できる。

【００５８】請求項２記載のリーンバーンエンジンの排
気還流制御装置は、リーン運転条件における目標排気還
流率をリーン燃焼に及ぼす湿度の影響を除去しうる範囲
に設定するリーン側目標排気還流率設定手段と、リーン
運転条件で設定された目標排気還流率となるようにエン
ジンに排気を還流する排気還流手段とを備えたため、リ
ーン運転条件で水分の少ない排気が燃焼室に還流される
ことにより、大気の湿度が燃焼安定性に与える影響を少
なくし、サージに対する燃焼安定限界空燃比をリーン化
して燃費の改善代が大きくなるとともに、リーン運転条
件でも排気還流を行うことにより、燃焼温度をさらに低
下させて、ＮＯｘ排出量を低減できる。

【００５９】請求項３記載のリーンバーンエンジンの排
気還流制御装置は、リーン側目標排気還流率設定手段と
して、リーン運転条件における目標排気還流率を吸入空
気全体の水分量に対して新気の水分量が所定値以下とな
るように設定したため、大気の湿度が高くなっても、エ
ンジンの燃焼室内に供給される水分を低減し、燃焼速度
が遅くなることを抑制し、燃焼安定性を十分に維持する
ことができる。

【００６０】請求項４記載のリーンバーンエンジンの排
気還流制御装置は、リーン側目標排気還流率設定手段と
して、リーン運転条件における目標排気還流率を１８％
以上に設定したため、大気の湿度が高くなっても、エン
ジンの燃焼室内に供給される水分を低減し、燃焼速度が
遅くなることを抑制し、燃焼安定性を十分に維持するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す排気還流装置のシステム
図。

【図２】同じくその制御動作を示すフローチャート。

【図３】同じくフローチャート。

【図４】同じくフローチャート。

【図５】同じく燃空比の割り付けマップを示す説明図。

【図６】同じくリーン下限値を設定したテーブルの説明
図。

【図７】同じくフローチャート。

【図８】同じく湿度のリーン燃焼への影響を示す線図。

【図９】請求項２記載の発明を示すクレーム対応図。

【符号の説明】

１エンジン２吸気通路３排気通路４排気還流通路５ＥＧＲ弁１２コントロールユニットａ運転条件検出手段ｂ運転条件判定手段ｃ目標空燃比設定手段ｄ燃料供給量演算手段、ｅ燃料供給手段ｆリーン側目標排気還流率設定手段ｇ排気還流手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】運転状態に応じて空燃比を理論空燃比より
リーン化するリーンバーンエンジンにおいて、リーン空燃比運転時に排気還流を行うと、排気還流率を
リーン燃焼に及ぼす湿度の影響を除去しうる範囲に設定
する手段を備えたことを特徴とするリーンバーンエンジ
ンの排気還流制御装置。
【請求項２】エンジンの運転状態を検出する運転条件検
出手段と、検出された運転状態に応じて空燃比を理論空燃比よりリ
ーン化するリーン運転条件を判定する運転条件判定手段
と、判定された運転条件に応じてリーン側の目標空燃比を設
定する目標空燃比設定手段と、設定された目標空燃比に応じて燃料供給量を演算する燃
料供給量演算手段と、演算された燃料供給量となるようにエンジンに燃料を供
給する燃料供給手段と、を備えるリーンバーンエンジンにおいて、リーン運転条件における目標排気還流率をリーン燃焼に
及ぼす湿度の影響を除去しうる範囲に設定するリーン側
目標排気還流率設定手段と、リーン運転条件で設定された目標排気還流率となるよう
にエンジンに排気を還流する排気還流手段と、を備えたことを特徴とするリーンバーンエンジンの排気
還流制御装置。
【請求項３】リーン側目標排気還流率設定手段として、
リーン運転条件における目標排気還流率を吸入空気全体
の水分量に対して新気の水分量が所定値以下となるよう
に設定したことを特徴とする請求項２記載のリーンバー
ンエンジンの排気還流制御装置。
【請求項４】リーン側目標排気還流率設定手段として、
リーン運転条件における目標排気還流率を１８％以上に
設定したことを特徴とする請求項３に記載のリーンバー
ンエンジンの排気還流制御装置。