JPWO2010116484A1

JPWO2010116484A1 - 内燃機関のｅｇｒ制御システム

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Publication number: JPWO2010116484A1
Application number: JP2011508124A
Authority: JP
Inventors: 晃山下; 大木　久; 久大木; 由紀子松原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2009-04-06
Publication date: 2012-10-11
Anticipated expiration: 2029-04-06
Also published as: WO2010116484A1; EP2418371A4; JP5110203B2; EP2418371A1; EP2418371B1

Abstract

高圧ＥＧＲ通路（９）及び低圧ＥＧＲ通路（１２）を併用して排気の再循環を行うＥＧＲシステムにおいて、高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスとの比率を検出可能なＥＧＲ制御システムをより低コストで構成する。排気通路（４）におけるタービン（８）より上流側と吸気通路（３）におけるコンプレッサ（７）より下流側とを接続する高圧ＥＧＲ通路（９）と、排気通路（４）におけるタービン（８）より下流側と吸気通路（３）におけるコンプレッサ（７）より上流側とを接続する低圧ＥＧＲ通路（１２）と、排気通路（４）における高圧ＥＧＲ通路（９）の接続箇所より下流側において排気の所定の特性の変化を検出する検出手段（２０）と、排気の特性を変化させる変化手段（２１，２９）と、変化手段（２１，２９）により排気の特性を変化させてから当該特性の変化が検出手段（２０）により検出されるまでの遅れ時間に基づいて、全ＥＧＲガスにおける高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を取得する取得手段と、を備える。

Description

本発明は、内燃機関のＥＧＲ制御システムに関する。

排気通路に設けられたタービン及び吸気通路に設けられたコンプレッサを有するターボチャージャと、タービンより上流側の排気通路とコンプレッサより下流側の吸気通路とを接続する高圧ＥＧＲ通路と、タービンより下流側の排気通路とコンプレッサより上流側の吸気通路とを接続する低圧ＥＧＲ通路と、を備え、高圧ＥＧＲ通路及び低圧ＥＧＲ通路を併用して排気の一部を内燃機関の吸気系に再循環させるＥＧＲシステムが知られている。

例えば特許文献１には、吸気通路における低圧ＥＧＲ通路の接続部位よりも下流且つ高圧ＥＧＲ通路の接続部位よりも上流におけるＣＯ₂濃度と、吸気通路における高圧ＥＧＲ通路の接続部位よりも下流におけるＣＯ₂濃度と、内燃機関から排出されるＣＯ₂濃度と、を用いて取得される、内燃機関が吸入する吸気量に対する低圧ＥＧＲガス量の比率及び該吸気量に対する高圧ＥＧＲガス量の比率が、それぞれの目標値となるように制御するＥＧＲ制御システムが記載されている。

特開２００８−２６１３００号公報

高圧ＥＧＲ通路及び低圧ＥＧＲ通路を併用して排気の再循環を行うＥＧＲシステムでは、ＥＧＲ率を目標値に合わせるだけでなく、全ＥＧＲガス中の高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を目標値に合わせる必要がある。ＥＧＲ率が目標値に合っていても、高圧ＥＧＲガスの比率が過剰に高ければ、吸気温度が上昇し、ＥＧＲバルブやエンジン部品の信頼性の低下や排気悪化（ＮＯｘ増大）や燃費悪化を生じる可能性がある。逆に低圧ＥＧＲガスの比率が過剰に高ければ、吸気温度が低下し、排気悪化（ＨＣ増大）や燃焼不安定を生じる可能性がある。

従来のＥＧＲ制御では、トータルのＥＧＲ率を目標値に合わせるように吸気量や吸気Ｏ₂濃度を制御するため、高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率の目標値からのずれを検出することができない。

上記特許文献１に記載のシステムでは、３つのＣＯ₂濃度センサを備えることにより、吸気量に対する高圧ＥＧＲガスの比率及び低圧ＥＧＲガスの比率を独立に制御することが可能となっているが、搭載すべきセンサ数が多く、コストが高くなる問題がある。

また、吸気通路に温度センサを備え、高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスとの温度特性に相違があることを利用して高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を取得したり、或いは、高圧ＥＧＲ通路の接続箇所より上流側の吸気通路に空燃比センサを備え、高圧ＥＧＲガスと混合する前の状態のＥＧＲ率を取得することによって高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を取得したりすることも考えられるが、いずれの場合においても、温度センサや空燃比センサといった新規のセンサを追加搭載する必要があり、コストが高くなる問題がある。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高圧ＥＧＲ通路及び低圧ＥＧＲ通路を併用して排気の再循環を行うＥＧＲシステムにおいて、高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスとの比率を検出可能なＥＧＲ制御システムをより低コストで構成することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の内燃機関のＥＧＲ制御システムは、
内燃機関の排気通路に設けられたタービン及び該内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサを有する過給機と、
前記排気通路における前記タービンより上流側と前記吸気通路における前記コンプレッサより下流側とを接続する高圧ＥＧＲ通路と、
前記排気通路における前記タービンより下流側と前記吸気通路における前記コンプレッサより上流側とを接続する低圧ＥＧＲ通路と、
前記排気通路における前記高圧ＥＧＲ通路の接続箇所より下流側において排気の所定の特性の変化を検出する検出手段と、
前記排気の特性を変化させる変化手段と、
前記変化手段により前記排気の特性を変化させてから当該特性の変化が前記検出手段により検出されるまでの遅れ時間に基づいて、前記吸気通路に再循環する全ての排気における前記高圧ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に再循環する排気と前記低圧ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に再循環する排気の比率を取得する取得手段と、
を備えることを特徴とする。

排気の特性とは、変化手段によって意図的に変化を与えることが可能な排気の特性であり、例えば空燃比、酸素濃度、温度、圧力等である。検出手段は、この特性の変化を検出可能な手段であればどのようなものでも良い。つまり、変化手段により特性の変化させられた排気が検出手段の位置まで到達したことを検出可能であれば良い。必ずしも特性の値を測定可能である必要はない。検出手段としては、空燃比センサ、酸素濃度センサ、温度センサ等を例示できる。

出願人の鋭意研究により、変化手段によって排気の特性を変化させてから、当該特性の変化が検出手段によって検出されるまでの遅れ時間は、吸気通路に再循環する全ての排気（以下、全ＥＧＲガスという）における高圧ＥＧＲ通路を介して吸気通路に再循環する排気（以下、高圧ＥＧＲガスという）と低圧ＥＧＲ通路を介して吸気通路に再循環する排気（以下、低圧ＥＧＲガスという）の比率に対して、一定の関係を有することが見出された。

本発明は、この関係に基づくことによって、遅れ時間の実測値から現在の高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を取得することを旨とする発明である。

この遅れ時間の実測値は、変化手段によって排気の特性を変化させるタイミングと、当該特性の変化した排気が検出手段の位置に到達したことが検出手段により検出されるタイミングと、の時間差として、取得することができる。検出手段としては上記のような各種センサであって、他の目的のために備えられた既存のセンサ等を流用することができる。例えばパティキュレートフィルタやＮＯｘ触媒等の排気浄化装置を備えた内燃機関では、フィルタ再生処理やＮＯｘ還元処理等の排気浄化処理のために、空燃比センサや酸素濃度センサ等のセンサを既に備えているのが一般的である。これら既存のセンサを本発明における検出手段として利用して、遅れ時間の実測値を取得することができる。

本発明によれば、このようにして取得した遅れ時間の実測値に基づいて、上述した遅れ時間と高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率との関係を利用することにより、専用のセンサを新規に追加搭載することなく、高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を取得することができる。従って、高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を検出可能なシステムを低コストで構成することが可能となる。

前記取得手段は、
前記変化手段によって排気の特性を変化させてから当該特性の変化が前記検出手段によって検出されるまでの遅れ時間と、
前記変化手段によって排気の特性が変化させられる位置から前記検出手段により当該特性の変化が検出される位置までの排気の流通経路の容積と、
前記内燃機関の排気量と、
前記内燃機関の体積効率と、
前記内燃機関の吸入ガスの温度及び圧力と、
前記低圧ＥＧＲ通路を介して吸気通路に再循環する排気の温度及び圧力と、
前記内燃機関の回転数と、
に基づいて、前記比率を取得することができる。

上記遅れ時間をサイクル数で表すと、数１のようになる。

ここで、Ａは、変化手段によって排気の特性が変化させられる位置から、検出手段によりその特性の変化が検出される位置までの、排気の流通経路の容積である。βは、全ＥＧＲガス量に対する低圧ＥＧＲガス量の割合の逆数であり、全ＥＧＲガス量をＧｅｇｒ、低圧ＥＧＲガス量をＧｌｐｌとした場合に、β＝Ｇｅｇｒ／Ｇｌｐｌである。Ｖは、内燃機関の排気量である。ηは、内燃機関の体積効率である。αは、内燃機関の吸入ガスと低圧ＥＧＲガスとの間における温度及び圧力の相違に基づく補正係数であり、内燃機関の吸入ガスの温度をＴｂ、圧力をＰｂとし、低圧ＥＧＲガスの温度をＴａ、圧力をＰａとした場合、

である。

このサイクル数を内燃機関の回転数に基づいて時間に換算することにより、遅れ時間が得られる。βには全ＥＧＲガスにおける高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率の情報が含まれているので、遅れ時間の実測値と数１の式とに基づいてβを取得することにより、高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を取得することができる。

本発明において、
前記検出手段は、前記排気通路における前記高圧ＥＧＲ通路の接続箇所より下流且つ前記低圧ＥＧＲ通路の接続箇所より上流の排気の空燃比を測定する空燃比測定手段を有し、
前記変化手段は、前記空燃比測定手段による空燃比の測定が行われる位置より上流の排気に燃料を供給する燃料供給手段を有し、
前記取得手段は、前記燃料添加手段により排気に燃料を添加してから、当該燃料添加に伴う排気の空燃比の変化が前記空燃比測定手段により測定されるまでの遅れ時間に基づいて、前記比率を取得するようにしても良い。

上記構成によれば、燃料供給手段によって排気に燃料を供給することによって意図的に排気の空燃比を変化させ、当該燃料供給手段による排気への燃料供給を行ったタイミングと、当該燃料供給に伴う排気の空燃比の変化が空燃比測定手段によって検出されるタイミングと、から遅れ時間の実測値を取得することができる。そして、この遅れ時間の実測値に基づいて、上述した高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率と遅れ時間との関係を利用して、現状の高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を取得することができる。

ここで、パティキュレートフィルタの再生処理や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の還元処理等の排気浄化処理は、一般に排気への燃料供給を伴う。本発明において、取得手段は、このような排気浄化処理に伴って排気への燃料供給が行われるときに、高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率の取得を行うことができる。すなわち、比率の取得のために特別に燃料供給を行う必要は必ずしもなく、排気への燃料供給を伴う一般的な排気浄化処理が行われる機会を捉えて、比率の取得も並行して行うことができる。従って、比率の取得のために新規にセンサ等を追加搭載する必要がないだけでなく、比率の取得のためだけに燃料供給を行う必要もないので、比率の取得処理に起因して燃費性能への影響等が生じることもない。

上記構成において、空燃比測定手段が低圧ＥＧＲ通路の接続箇所より上流側の排気の空燃比を測定する手段であっても、低圧ＥＧＲ通路の接続箇所より下流側の排気の空燃比を測定する手段であっても、遅れ時間の実測値を取得することは可能である。従って、上述したような排気浄化処理その他の制御のために既設の空燃比測定手段を、それが低圧ＥＧＲ通路の接続箇所より上流側にあるか下流側にあるかに関わらず、本発明における遅れ時間の実測値を取得するために流用すればよい。そうすることにより、遅れ時間の実測値を取得するために新たに空燃比測定手段を追加搭載する必要がなくなるので、比率を取得可能なＥＧＲ制御システムを低コストで構成することが可能となる。

排気浄化処理に伴う燃料供給手段としては、排気通路に燃料添加を行う燃料添加弁や、ポスト噴射を行う燃料噴射弁等が用いられる。従って、これら既存の燃料供給手段を、本発明における比率の取得のために流用すれば良い。そうすることによって、比率の取得のために新規に燃料供給手段を追加搭載する必要がなくなるので、コスト増を抑制できる。

本発明において、
前記取得手段により取得される比率が所定の目標値になるように、前記高圧ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に再循環する排気の量及び前記低圧ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に再循環する排気の量を制御する制御手段を更に備えても良い。

所定の目標値とは、所望の燃費性能や排気性能が得られるように予め定められる、高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率である。本発明によれば、取得手段により現状の混合比率の値を取得することができるので、混合比率を目標値に一致させるように高圧ＥＧＲガス量や低圧ＥＧＲガス量をフィードバック制御することができる。これにより、高圧ＥＧＲ通路及び高圧ＥＧＲ通路を併用して排気の再循環を行うＥＧＲシステムにおいて、高コスト化を抑制しつつ、燃費性能や排気性能をより一層高めることが可能となる。

本発明において、
前記取得手段により取得される混合比率が所定の目標値から所定の閾値より大きく乖離している場合、前記制御手段に異常が発生していると判定する異常判定手段を更に備えても良い。

所定の閾値とは、制御手段が正常な場合に混合比率の現在値と目標値との間に生じ得る乖離の上限値に基づいて予め定められる。本発明によれば、取得手段により現状の混合比率の値を取得することができるので、現状の混合比率と目標値との比較に基づいて、現状の混合比率が異常であるか否かを判定することができる。

本発明によれば、高圧ＥＧＲ通路及び低圧ＥＧＲ通路を併用して排気の再循環を行うＥＧＲシステムにおいて、高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を検出可能なＥＧＲ制御システムを低コストで構成することが可能となる。

実施例に係るＥＧＲ制御システムを適用する内燃機関とそ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。実施例に係るＥＧＲ制御システムにおける還流遅れサイクル数と低圧ＥＧＲガス量との関係を示す図である。実施例における高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率の取得及び当該取得結果に応じたＥＧＲ制御の処理内容を表すフローチャートである。

実施例１に係る内燃機関のＥＧＲ制御システムを説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関のＥＧＲ制御システムを適用する内燃機関とそ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。図１においてエンジン１は４つの気筒２を備え、各気筒２には気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁２９が備えられている。エンジン１には、エンジン１のクランクシャフトの回転角度を測定するクランク角度センサ２２と、図示しないアクセルペダルの踏み込み量を測定するアクセル開度センサ２７と、が備えられている。各気筒２は吸気マニホールド５及び排気マニホールド６に連通している。

吸気マニホールド５には吸気通路３が接続されている。吸気通路３には、排気マニホールド６内の排気の一部を高温高圧で吸気通路３に導く高圧ＥＧＲ通路９が接続されている。本実施例においては、高圧ＥＧＲ通路９が、本発明における高圧ＥＧＲ通路に相当する。高圧ＥＧＲ通路９の接続部より上流側の吸気通路３には、吸気通路３の流路面積を変更可能な第１スロットル弁２３が備えられている。第１スロットル弁２３より上流側の吸気通路３には、吸気を冷却するインタークーラ１１が備えられている。インタークーラ１１より上流側の吸気通路３には、過給機のコンプレッサ７が備えられている。コンプレッサ７より上流側の吸気通路３には、排気通路４内の排気の一部を低温低圧で吸気通路３に導く低圧ＥＧＲ通路１２が接続されている。本実施例においては、低圧ＥＧＲ通路１２が、本発明における低圧ＥＧＲ通路に相当する。低圧ＥＧＲ通路１２の接続部より上流側の吸気通路３には、吸気通路３の流路面積を変更可能な第２スロットル弁２４が備えられている。第２スロットル弁２４より上流側の吸気通路３には、吸気通路３に流入する空気量を測定するエアフローメータ２５が備えられている。エアフローメータ２５より上流側の吸気通路３には、空気中の異物を取り除くエアクリーナ２６が備えられている。

排気マニホールド６には上述した高圧ＥＧＲ通路９が接続されており、排気マニホールド６と吸気通路３とを連通している。また、排気マニホールド６には、排気中に燃料を添加する燃料添加弁２１が備えられている。また、排気マニホールド６には排気通路４が接続されている。排気通路４には、過給機のタービン８が備えられている。タービン８より下流側の排気通路４には、排気浄化装置１７が備えられている。排気浄化装置１７は、排気中の微粒子物質（ＰＭ）を捕集するフィルタ１８及び吸蔵還元型ＮＯｘ触媒１９を有する。排気浄化装置１７より下流側の排気通路４における分岐部３０において、上述した低圧ＥＧＲ通路１２が排気通路４から分岐している。

高圧ＥＧＲ通路９には、高圧ＥＧＲ通路９の流路面積を変更する高圧ＥＧＲ弁１０が備えられている。高圧ＥＧＲ弁１０の開度を変更することによって、高圧ＥＧＲ通路９を介して吸気通路３に再循環する排気（以下、高圧ＥＧＲガスという）の流量を調節することができる。また、低圧ＥＧＲ通路１２には、低圧ＥＧＲ通路１２の流路面積を変更する低圧ＥＧＲ弁１４が備えられている。低圧ＥＧＲ弁１４の開度を変更することによって、低圧ＥＧＲ通路１２を介して吸気通路３に再循環する排気（以下、低圧ＥＧＲガスという）の流量を調節することができる。低圧ＥＧＲ弁より上流側（すなわち、排気通路４側）の低圧ＥＧＲ通路１２には、低圧ＥＧＲガスを冷却する低圧ＥＧＲクーラ１３が備えられている。

排気浄化装置１７について、排気浄化処理が行われる。すなわち、フィルタ１８に捕集されたＰＭの量が所定の基準量に達したと判定されたときに、燃料添加弁２１から排気中に燃料を添加することによって、フィルタ１８に捕集されたＰＭを酸化除去する処理を行う。また、ＮＯｘ触媒１９に吸蔵されたＮＯｘの量が所定の基準量に達したと判定されたときに、燃料添加弁２１から排気中に燃料を添加することによって、ＮＯｘ触媒１９に吸蔵されたＮＯｘをＮＯｘ触媒１９から放出させて還元浄化する処理を行う。また、ＮＯｘ触媒１９に吸蔵された硫黄の量が所定の基準量に達したと判定されたときに、燃料添加弁２１から排気中に燃料を添加することによって、ＮＯｘ触媒１９に吸蔵された硫黄を除去する処理を行う。

なお、排気浄化処理において排気浄化触媒１７より上流の排気に燃料を供給する手段としては、燃料添加弁２１による燃料添加の他に、燃料噴射弁２９によってポスト噴射を行ってもよい。ポスト噴射とは主たる燃料噴射の後に燃焼に関与しないタイミングで行う少量の副噴射である。

排気浄化処理において排気に供給する燃料量を制御するために、本実施例のシステムでは排気通路４における低圧ＥＧＲ通路１２の分岐部３０より下流側に空燃比センサ２０を備えている。空燃比センサ２０による排気の空燃比の測定値に基づいて、排気浄化処理を好適に実行するために必要な燃料が正確に排気に供給されるように、燃料添加弁２１による燃料添加や燃料噴射弁２９によるポスト噴射を制御する。

エンジン１にはエンジン１の運転を制御するコンピュータであるＥＣＵ２８が併設されている。ＥＣＵ２８には、上述したクランク角度センサ２２、エアフローメータ２５、空燃比センサ２０、アクセル開度センサ２７が接続されており、これら各センサによる測定データがＥＣＵ２８に入力される。また、ＥＣＵ２８には、上述した燃料噴射弁２９、高圧ＥＧＲ弁１０、第１スロットル弁２３、低圧ＥＧＲ弁１４、第２スロットル弁２４、燃料添加弁２１が接続されており、これら各機器の動作がＥＣＵ２８からの指令により制御される。ＥＣＵ２８はＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等を備えた既知の構成を有し、接続された上記各センサから入力される測定データからエンジン１の運転状態や運転者の要求を取得し、それに基づいて上記各機器の制御目標値を取得し、各機器の動作を制御する。

本実施例のＥＧＲ制御システムでは、高圧ＥＧＲ通路９及び低圧ＥＧＲ通路１２の２系統の通路を併用して排気の再循環を行う。このようなＥＧＲシステムでは、ＥＧＲ率を目標値に合わせるだけでなく、吸気通路３に再循環する全ての排気（以下、全ＥＧＲガスという）のうちの高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率も目標値に合わせる必要がある。ＥＧＲ率が目標値にあっていても、高圧ＥＧＲガスの比率が目標値より高くなれば、吸気温度が上昇し、エンジン１や吸気系の構成部品の信頼性の低下や排気悪化（ＮＯｘ増大）や燃費悪化を招く可能性がある。逆に低圧ＥＧＲガスの比率が目標値より高くなれば、吸気温度が低下し、排気悪化（ＨＣ増大）や燃焼不安定を招く可能性がある。

従って、現在の高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を取得し、その取得した値が目標値からずれている場合には、そのずれを解消するように高圧ＥＧＲガス量や低圧ＥＧＲガス量を制御する必要がある。

しかしながら、従来のＥＧＲ率のみを目標値に合わせるように吸気量や吸気Ｏ₂濃度を制御するシステムでは、高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を取得することはできない。また、ＣＯ₂濃度センサや空燃比センサや温度センサ等を吸気系や排気系に新規に追加搭載し、それらのセンサの測定値に基づいて高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を取得するシステムは既に提案されているものの、コストが高くなる問題があった。

そこで、本実施例のシステムでは、上述した排気浄化装置１７の排気浄化処理において排気への燃料供給を制御するために備えられた空燃比センサ２０を用いて、高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を実際値を取得するようにした。

具体的には、排気浄化処理の実施時に、燃料添加弁２１によって排気に燃料添加が行われてから、当該燃料添加に伴う空燃比のリッチ化が空燃比センサ２０によって検出されるまでの、遅れ時間Δｔを取得し、この遅れ時間Δｔに基づいて全ＥＧＲガス中の低圧ＥＧＲガスの比率を取得する。

以下、遅れ時間Δｔに基づく全ＥＧＲガス中の低圧ＥＧＲガスの比率の取得方法を説明する。

燃料添加弁２１によって排気に燃料添加が行われてから、当該燃料添加に伴う空燃比のリッチ化が空燃比センサ２０によって検出されるまでの遅れ時間Δｔは、燃料添加弁２１によって排気に燃料が添加される位置を通過した排気が、空燃比センサ２０によって空燃比の測定が行われる位置に到達するまでに要する時間に基づく。この考えに基づけば、遅れ時間Δｔは、サイクル数で数２の式のように表せる。

これを以下「還流遅れサイクル数」と称する。数２において、Ａは、燃料添加弁２１によって排気に燃料が添加される位置から空燃比センサ２０による空燃比の測定が行われる位置まで排気が流通する経路の通路容積である。βは、全ＥＧＲガスに対する低圧ＥＧＲガスの比率の逆数であり、全ＥＧＲガス量をＧｅｇｒ、低圧ＥＧＲガス量をＧｌｐｌとした場合に、β＝Ｇｅｇｒ／Ｇｌｐｌである。Ｖは、エンジン１の排気量である。ηは、エンジン１の体積効率である。αは、エンジン１の吸入ガスと低圧ＥＧＲガスとの間における温度及び圧力の相違に基づく補正係数であり、吸気マニホールド５における温度をＴｂ、圧力をＰｂとし、低圧ＥＧＲ通路１２における温度をＴａ、圧力をＰａとした場合、

である。

図２は、種々の低圧ＥＧＲガス量における還流遅れサイクル数を、数２の式による計算及び実測により求めてそれぞれプロットした図である。図２の横軸は低圧ＥＧＲガス量であり、縦軸は還流遅れサイクル数である。図２に示すように、数１による計算値は実測値をよく説明しており、低圧ＥＧＲガス量が多くなるほど還流遅れサイクル数は少なくなる傾向がある。

そして、この低圧ＥＧＲガス量と還流遅れサイクル数との関係を、エンジン１の回転数を変化させて（１２００〜２４００ｒｐｍ）調べると、この関係はエンジン１の回転数に依らないことが見出された。すなわち、還流遅れサイクル数は、エンジン１の回転数に依らず、低圧ＥＧＲガス量で略決まると考えられる。従って、等低圧ＥＧＲガス量条件では還流遅れサイクル数は一定だが、サイクル数を時間に換算すると、エンジン１の回転数が高くなるほど短くなるので、等低圧ＥＧＲガス量条件では、還流遅れは、エンジン１の回転数が高くなるほど短くなる傾向がある。

数２の式に基づいて、排気浄化処理時に取得した遅れ時間Δｔの実測値から、全ＥＧＲガス中の低圧ＥＧＲガスの比率の逆数βを取得することができる。このβに基づいて、高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を取得することができる。上述のように、遅れ時間Δｔの実測値は、排気浄化処理のために備えられた既存の空燃比センサ２０を用いて取得することができるので、高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を取得するために新規のセンサを追加搭載する必要がない。従って、高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率の現在値を取得可能なシステムを低コストで構成することができる。

このように、本実施例のシステムでは高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率の現在値を取得することができるので、この比率の目標値からのずれを検出することが可能である。従って、このずれを解消して比率を目標値に合わせるように高圧ＥＧＲガス量及び低圧ＥＧＲガス量を制御することができる。これにより、高圧ＥＧＲ通路９及び低圧ＥＧＲ通路１２を併用して排気の再循環を行うシステムにおいて、良好な燃費性能や排気性能を得ることができる。

本実施例においては、排気の空燃比が、本発明における排気の特性に相当し、空燃比センサ２０が、本発明における検出手段に相当する。また、排気浄化処理時に排気に燃料を添加する燃料添加弁２１又はポスト噴射を行う燃料噴射弁２９が、本発明における変化手段に相当する。

本実施例における高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率の取得及び当該取得結果に応じたＥＧＲ制御の処理内容について、図３のフローチャートに基づいて説明する。図３のフローチャートで表される処理は、エンジン１の稼働中、ＥＣＵ２８によって所定間隔おきに繰り返し実行される。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ２８は、エンジン１の運転状態を取得する。ここでは、ＥＣＵ２８はクランク角度センサ２２によるクランク角度の測定値とアクセル開度センサ２７によるアクセルペダルの踏み込み量とに基づいて、エンジン１の回転数及び負荷を取得する。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ２８は、排気に燃料添加を行う条件が成立しているか否かを判定する。上述したように、フィルタ１８に捕集されたＰＭの量が上述した基準量に達したか否か、ＮＯｘ触媒１９に吸蔵されたＮＯｘの量が上述した基準量に達したか否か、ＮＯｘ触媒１９に吸蔵された硫黄の量が上述した基準量に達したか否か、フィルタ１８に担持される触媒やＮＯｘ触媒１９を活性化させるべき条件が成立しているか否か等を判定する。ステップＳ１０２において排気燃料添加の実行条件が成立していると判定された場合（Ｙｅｓ）、ＥＣＵ２８はステップＳ１０３の処理に進む。ステップＳ１０２において排気燃料添加の実行条件が成立していないと判定された場合（Ｎｏ）、ＥＣＵ２８はこのフローチャートのルーチンを一旦抜ける。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ２８は、燃料添加弁２１により排気への燃料添加を実行する。なお、上述したように、ここでは燃料噴射弁２９によりポスト噴射を行っても良い。この時、ＥＣＵ２８は、燃料添加を実行した時刻を記憶しておく。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ２８は、ステップＳ１０３において実行した燃料添加に伴う排気の空燃比の変動が空燃比センサ２０によって検出されるタイミングを取得する。具体的には、空燃比センサ２０による測定値が添加燃料量に応じたリッチ空燃比に変化するのを検出し、その時刻を記憶する。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ２８は、ステップＳ１０３で取得した燃料添加の実行タイミングと、ステップＳ１０４で取得した燃料添加に伴う排気の空燃比の変動が検出されたタイミングと、の時間差から、遅れ時間Δｔを取得する。

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ２８は、ステップＳ１０５で取得した遅れ時間Δｔをサイクル数に換算して数２の式に代入して、全ＥＧＲガス中の低圧ＥＧＲガスの比率βの実際値を取得する。

ステップＳ１０７において、ＥＣＵ２８は、ステップＳ１０６で取得した比率βの実際値と目標値との偏差を取得し、その偏差の大きさが所定の上限値以下であるか否かを判定する。ステップＳ１０７において偏差が上限値以下であると判定された場合（Ｙｅｓ）には、ＥＣＵ２８はステップＳ１０８の処理に進む。一方、ステップＳ１０７において偏差が上限値を超えていると判定された場合（Ｎｏ）には、ＥＣＵ２８はステップＳ１１０の処理に進む。

ステップＳ１０８において、ＥＣＵ２８は、比率βの実際値と目標値との偏差に基づいて、比率βを目標値に近付けるための低圧ＥＧＲ弁１４の開度の補正量を取得する。

ステップＳ１０９において、ＥＣＵ２８は、ステップＳ１０８で取得した開度補正量に基づいて、低圧ＥＧＲ弁１４の開度補正を実行する。例えば、ステップＳ１０６で取得された比率βの実際値が目標値より小さかった場合、現状の低圧ＥＧＲガスの比率が過少であることを意味するので、低圧ＥＧＲ弁１４の開度を増加補正する。逆に、ステップＳ１０６で取得された比率βの実際値が目標値より大きかった場合、現状の低圧ＥＧＲガスの比率が過大であることを意味するので、低圧ＥＧＲ弁１４の開度を減少補正する。このように、本実施例のＥＧＲシステムでは、比率βの実際値を取得できるので、低圧ＥＧＲガスの比率や高圧ＥＧＲガスの比率の目標値からの乖離を検出することが可能となり、これらの比率を目標値に合わせるためのフィードバック制御を実行することが可能となる。

ステップＳ１０６で取得された比率βの実際値と目標値との偏差が上限値を超えている場合、ＥＣＵ２８は、ＥＧＲ制御システムに何らかの異常が発生していると判定し、ステップＳ１１０において異常発生を警告するＭＩＬ点灯を行うとともに、ステップＳ１１１においてアクセル開度制限を実施する。このように、本実施例のＥＧＲシステムでは、比率βの実際値を取得できるので、例えば、高圧ＥＧＲガスの比率や低圧ＥＧＲガスの比率が目標値から大幅に乖離しているにもかかわらずトータルのＥＧＲ率が目標値に合っているような状況においても、ＥＧＲシステムの異常を確実に検知することが可能となる。

本実施例においては、ステップＳ１０３〜ステップＳ１０６の処理を実行するＥＣＵ２８が、本発明における取得手段に相当する。また、ステップＳ１０７〜ステップＳ１０９の処理を実行するＥＣＵ２８が、本発明における制御手段に相当する。また、ステップＳ１０７、ステップＳ１１０〜ステップＳ１１１の処理を実行するＥＣＵ２８が、本発明における異常判定手段に相当する。

なお、以上述べた実施例は本発明を説明するための一例であって、本発明の本旨を逸脱しない範囲内において上記の実施例には種々の変更を加え得る。

例えば、本実施例における検出手段たる空燃比センサ２０は、排気浄化処理のために備えられたセンサであって、排気の空燃比を測定可能であるが、本発明の検出手段としては、燃料添加やポスト噴射に伴う排気の空燃比の変化を検出できれば十分であり、必ずしも空燃比の値を測定可能である必要はない。従って、例えばリニアな出力が得られる空燃比センサではなく、２値の出力が得られる酸素センサ等を本発明の検出手段として用いることもできる。

但し、当該センサが、本実施例における空燃比センサ２０のように、排気浄化処理その他の目的のためにシステムに既に搭載されている場合に、それを本発明における検出手段として流用するのが好ましい。つまり、当該センサが既設ではないシステムにおいて、高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を取得するためだけに新たに当該センサを搭載することは、コスト増につながるので、そのようなシステムに本発明を適用する場合には、その他の既設のセンサで本発明の検出手段として流用可能なセンサを用いるようにすることが好ましい。

本発明の検出手段としては、特性の変化した排気の到達を検出できるだけの能力があれば十分である。

本実施例では、意図的に変化させる排気の特性として排気の空燃比を利用し、空燃比の変化した排気の到達を検出する能力を有する手段として空燃比センサを用いる場合について説明したが、排気の特性としては、意図的に変化させることが可能な特性であればよく、例えば、酸素濃度、温度、圧力等でもよい。その場合、検出手段としては、酸素濃度センサ、温度センサ、圧力センサ等を用いることができる。但し、空燃比センサは応答が速いので、本実施例のように空燃比センサによって遅れ時間の実測値を取得するようにすることで、高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスの比率を精度良く取得することができる。

本実施例では、排気通路４における低圧ＥＧＲ通路１２の分岐部３０より下流側に空燃比センサ２０が備えられた構成について説明したが、空燃比センサ２０が分岐部３０より上流側に備えられている構成であっても、本実施例と同様に遅れ時間の測定に用いることができる。

１エンジン
２気筒
３吸気通路
４排気通路
５吸気マニホールド
６排気マニホールド
７コンプレッサ
８タービン
９高圧ＥＧＲ通路
１０高圧ＥＧＲ弁
１１インタークーラ
１２低圧ＥＧＲ通路
１３低圧ＥＧＲクーラ
１４低圧ＥＧＲ弁
１７排気浄化装置
１８フィルタ
１９吸蔵還元型ＮＯｘ触媒
２０空燃比センサ
２１燃料添加弁
２２クランク角度センサ
２３第１スロットル弁
２４第２スロットル弁
２５エアフローメータ
２６エアクリーナ
２７アクセル開度センサ
２８ＥＣＵ
２９燃料噴射弁
３０分岐部

Claims

内燃機関の排気通路に設けられたタービン及び該内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサを有する過給機と、
前記排気通路における前記タービンより上流側と前記吸気通路における前記コンプレッサより下流側とを接続する高圧ＥＧＲ通路と、
前記排気通路における前記タービンより下流側と前記吸気通路における前記コンプレッサより上流側とを接続する低圧ＥＧＲ通路と、
前記排気通路における前記高圧ＥＧＲ通路の接続箇所より下流側において排気の所定の特性の変化を検出する検出手段と、
前記排気の特性を変化させる変化手段と、
前記変化手段により前記排気の特性を変化させてから当該特性の変化が前記検出手段により検出されるまでの遅れ時間に基づいて、前記吸気通路に再循環する全ての排気における前記高圧ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に再循環する排気と前記低圧ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に再循環する排気の比率を取得する取得手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御システム。
請求項１において、
前記取得手段は、
前記変化手段によって排気の特性を変化させてから当該特性の変化が前記検出手段によって検出されるまでの遅れ時間と、
前記変化手段によって排気の特性が変化させられる位置から前記検出手段により当該特性の変化が検出される位置までの排気の流通経路の容積と、
前記内燃機関の排気量と、
前記内燃機関の体積効率と、
前記内燃機関の吸入ガスの温度及び圧力と、
前記低圧ＥＧＲ通路を介して吸気通路に再循環する排気の温度及び圧力と、
前記内燃機関の回転数と、
に基づいて、前記混合比率を取得することを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御システム。
請求項１又は２において、
前記検出手段は、前記排気通路における前記高圧ＥＧＲ通路の接続箇所より下流且つ前記低圧ＥＧＲ通路の接続箇所より上流の排気の空燃比を測定する空燃比測定手段を有し、
前記変化手段は、前記空燃比測定手段による空燃比の測定が行われる位置より上流の排気に燃料を供給する燃料供給手段を有し、
前記取得手段は、前記燃料添加手段により排気に燃料を添加してから、当該燃料添加に伴う排気の空燃比の変化が前記空燃比測定手段により測定されるまでの遅れ時間に基づいて、前記比率を取得することを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御システム。
請求項１又は２において、
前記検出手段は、前記排気通路における前記低圧ＥＧＲ通路の接続箇所より下流の排気の空燃比を測定する空燃比測定手段を有し、
前記変化手段は、前記空燃比測定手段による空燃比の測定が行われる位置より上流の排気に燃料を供給する燃料供給手段を有し、
前記取得手段は、前記燃料添加手段により排気に燃料を添加してから、当該燃料添加に伴う排気の空燃比の変化が前記空燃比測定手段により測定されるまでの遅れ時間に基づいて、前記比率を取得することを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御システム。
請求項３又は４において、
前記燃料供給手段は、前記空燃比測定手段による空燃比の測定が行われる位置より上流の排気通路に設けられた燃料添加弁を有し、該燃料添加弁により排気に燃料を添加することを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御システム。
請求項３又は４において、
前記燃料供給手段は、前記内燃機関の気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、主たる燃料噴射の後に該燃料噴射弁によりポスト噴射を行うことを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御システム。
請求項１〜６のいずれか１項において、
前記取得手段により取得される混合比率が所定の目標値になるように、前記高圧ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に再循環する排気の量及び前記低圧ＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に再循環する排気の量を制御する制御手段を更に備えることを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御システム。
請求項１〜７のいずれか１項において、
前記取得手段により取得される混合比率が所定の目標値から所定の閾値より大きく乖離している場合、前記制御手段に異常が発生していると判定する異常判定手段を更に備えることを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御システム。