JPWO2014119182A1 - 内燃機関の排気還流制御装置及び排気還流制御方法 - Google Patents

Abstract

ＥＧＲ制御弁（２１）が固着している場合、ＥＧＲ制御弁（２１）の弁開度ＥＧＲＶＯが、弁開度閾値ＥＧＲＶＯｔｈよりも大きい場合には、吸入空気量の制限値Ｑｌｉｍを、所定量Ｑｌｉｍ１に設定する。また、ＥＧＲ制御弁（２１）が固着している場合、ＥＧＲ制御弁（２１）の弁開度ＥＧＲＶＯが、弁開度閾値ＥＧＲＶＯｔｈ以下の場合には、吸入空気量の制限値Ｑｌｉｍを、所定量Ｑｌｉｍ２に設定する。

Description

本発明は、過給機の上流側に排気の一部を還流する内燃機関の排気還流制御装置及び排気還流制御方法に関する。

運転状態に応じた量の排気ガスを吸気系に還流するような内燃機関において、排気系から吸気系に排気を還流するＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ制御弁の故障診断を実施するようにしたものが従来から知られている。

例えば、特許文献１には、排気通路と吸気通路とを繋ぐＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ制御弁の故障診断を実施し、その結果、ＥＧＲ制御弁が開いた状態で固着する開故障が生じている判定されると、内燃機関の出力を制限するフェイルセーフ制御を行うようにした技術が開示されている。

この特許文献１においては、上記フェイルセーフ制御を行うことで、ＥＧＲ制御弁が開いた状態で固着した際に内燃機関の高出力運転が回避されるため、高温のＥＧＲガスによってＥＧＲ制御弁や吸気系が過度に加熱されることがなく、ＥＧＲ制御弁の二次故障や内燃機関の性能悪化を防止することが可能となっている。

しかしながら、この特許文献１においては、ＥＧＲ制御弁が開いた状態で固着した際に、ＥＧＲ率が過大になることによって生じる燃焼悪化や失火によるエンストを防止できないという問題がある。

特開平９−２５８５２号公報

そこで、本発明は、吸入空気量が所定量よりも大きくなると、ＥＧＲ制御弁の弁開度に応じた量の排気が還流し、吸入空気量が上記所定量以下になると、上記ＥＧＲ制御弁の弁開度に関わらず排気がほとんど還流しない内燃機関の排気還流装置において、上記ＥＧＲ制御弁が固着した際には、内燃機関が失火しないように吸入空気量に制限を加えることを特徴としている。

本発明によれば、ＥＧＲ制御弁が固着したと判定された際には、吸入空気量に制限が加えられることになり、吸気系に還流する排気の量（ＥＧＲ量）が減少して、内燃機関の失火が防止され、エンストや、内燃機関が始動不能状態に陥ることを回避することができる。

本発明が適用される内燃機関の全体構成を示すシステム図。 吸入空気量とＥＧＲ率の相関を模式的に示した説明図。 所定量Ｑｌｉｍ２算出テーブル。 吸入空気量の制限値Ｑｌｉｍが所定量Ｑｌｉｍ２に設定された場合のＥＧＲ率の減速時の変化を模式的に示した特性図。 吸入空気量の制限値Ｑｌｉｍが所定量Ｑｌｉｍ２に設定された場合のＥＧＲ率の減速時の変化を模式的に示した特性図。 ＥＧＲ率が失火限界ＥＧＲ率を越えないようにするための制御の流れの一例を示すフローチャート。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明が適用される内燃機関１の全体構成を示すシステム図である。

内燃機関１は、駆動源として自動車等の車両に搭載されるものであって、吸気通路２と排気通路３とが接続されている。吸気マニホールド４を介して内燃機関１に接続された吸気通路２には、スロットル弁５が設けられていると共に、その上流側には吸入空気量を検出するエアフローメータ７が設けられている。排気マニホールド８を介して内燃機関１に接続された排気通路３には、排気浄化用として、三元触媒等の排気触媒９が設けられている。

また、この内燃機関１は、吸気通路２に配置されたコンプレッサ１１と排気通路３に配置されたタービン１２とを同軸上に備えたターボ過給機１０を有している。コンプレッサ１１は、スロットル弁５よりも上流側に位置していると共に、エアフローメータ７よりも下流側に位置している。タービン１２は、排気触媒９よりも上流側に位置している。なお、図１中の１３は、スロットル弁５の下流側に設けられたインタークーラである。

吸気通路２には、コンプレッサ１１を迂回してコンプレッサの上流側と下流側とを接続するリサーキュレーション通路１４が接続されている。リサーキュレーション通路１４には、リサーキュレーション通路１４内の吸気流量を制御するリサーキュレーション弁１５が設けられている。

排気通路３には、タービン１２を迂回してタービン１２の上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路１６が接続されている。排気バイパス通路１６には、排気バイパス通路１６内の排気流量を制御するウエストゲート弁１７が設けられている。

また、内燃機関１は、排気還流（ＥＧＲ）が実施可能なものであって、排気通路３と吸気通路２との間には、ＥＧＲ通路２０が設けられている。ＥＧＲ通路２０は、その一端が排気触媒９の下流側の位置で排気通路３に接続され、その他端がエアフローメータ７の下流側となりコンプレッサ１１の上流側となる位置で吸気通路２に接続されている。このＥＧＲ通路２０には、ＥＧＲ制御弁２１とＥＧＲクーラ２２が設けられている。ＥＧＲ制御弁２１の弁開度は、運転条件に応じた所定のＥＧＲ率が得られるように、コントロールユニット２５によって制御される。

コントロールユニット２５には、上述したエアフローメータ７の検出信号のほか、クランクシャフト（図示せず）のクランク角を検出するクランク角センサ２６、アクセルペダル（図示せず）の踏込量を検出するアクセル開度センサ２７、ＥＧＲ制御弁２１の弁開度を検出するＥＧＲ制御弁開度センサ２８等のセンサ類の検出信号が入力されている。

そして、コントロールユニット２５は、これらの検出信号に基づいて、内燃機関１の吸入吸気量、点火時期、空燃比等の制御を実施すると共に、上述したようにＥＧＲ制御弁２１の弁開度を制御して排気通路３から吸気通路２に排気の一部を還流する排気還流制御（ＥＧＲ制御）を実施している。なお、スロットル弁５、リサーキュレーション弁１５、ウエストゲート弁１７の弁開度もコントロールユニット２５により制御されている。リサーキュレーション弁１５としては、コントロールユニット２５により開閉制御されるものではなく、コンプレッサ１１下流側の圧力が所定圧力以上となったときのみ開弁するようないわゆる逆止弁を用いることも可能である。

上述した内燃機関１においては、排気の一部をタービン１２の下流側からコンプレッサ１１の上流側にＥＧＲガスとして還流する構成となっており、定常状態であれば、基本的にはＥＧＲ制御弁２１の弁開度（開口率）によってＥＧＲ率が決定する。

詳述すると、上述した内燃機関１においては、図２に示すように、吸入空気量が所定量Ｑｌｉｍ１よりも大きくなると、吸入空気量の多寡に関わらずＥＧＲ制御弁２１の弁開度だけでＥＧＲ率が決まり、吸入空気量が上記所定量Ｑｌｉｍ１以下となる極小量になると、ＥＧＲ制御弁２１の弁開度に関わらず排気（ＥＧＲガス）がほとんど還流せず、ＥＧＲ率がほぼゼロとなる。

図２は、ＥＧＲ制御弁２１の弁開度を異なる３つの弁開度（大、中、小）とした場合の吸入空気量とＥＧＲ率の相関を模式的に示したものである。なお、この図２における３つの弁開度のうち、相対的に最も大きい弁開度のときのＥＧＲ率は、吸入空気量が上記所定量Ｑｌｉｍ１よりも大きくなると、内燃機関１が失火する所定の失火限界ＥＧＲ率を上回っている。また、この図２における３つの弁開度のうち、中間の弁開度のときのＥＧＲ率と、相対的に最も小さい弁開度のときのＥＧＲ率は、吸入空気量が上記所定量Ｑｌｉｍ１より大きくなっても、定常状態では上記失火限界ＥＧＲ率よりも小さくなっている。

ここで、ＥＧＲ制御弁２１が固着した場合、固着した弁開度で吸入空気量が上記所定量Ｑｌｉｍ１より大きくなったときのＥＧＲ率が上記失火限界ＥＧＲ率よりも小さければ、定常状態では内燃機関は失火することはない。

しかしながら、減速時においては、スロットル弁５の弁開度が小さくなり吸入空気量が減少しているにも関わらず排気系では排気の応答の遅れにより減速直前の排圧がしばらく維持されることになるため、その間ＥＧＲ制御弁２１の弁開度が一定であっても、相対的にＥＧＲ量が増えてＥＧＲ率が一時的に大きくなってしまう。

すなわち、定常状態ではＥＧＲ率が上記失火限界ＥＧＲ率を下回るような弁開度でＥＧＲ制御弁２１の弁開度が固着した場合、このような減速過渡時においては、ＥＧＲ率が一時的に上記失火限界ＥＧＲ率よりも大きくなって、内燃機関１が失火してしまう可能性がある。

また、ＥＧＲ制御弁２１において、固着した弁開度で吸入空気量が上記所定量Ｑｌｉｍ１より大きくなったときのＥＧＲ率が上記失火限界ＥＧＲ率以上であれば、定常状態であっても、吸入空気量が上記所定量Ｑｌｉｍ１より大きくなると内燃機関１が失火してしまうことになる。

そこで、本実施例では、ＥＧＲ制御弁２１が固着した場合に、吸入空気量に制限を加えることで、吸気通路２に還流する排気の量（ＥＧＲ量）を減少させ、内燃機関１のＥＧＲ率が減速時においても上記失火限界ＥＧＲ率を越えることがないように制御する。

すなわち、ＥＧＲ制御弁２１が予め設定された所定の弁開度閾値ＥＧＲＶＯｔｈ（詳細は後述）よりも大きい弁開度で固着した場合には、吸入空気量の上限が上記所定量Ｑｌｉｍ１となるように、吸入空気量の制限値Ｑｌｉｍを上記所定量Ｑｌｉｍ１とする。また、ＥＧＲ制御弁２１が上記弁開度閾値ＥＧＲＶＯｔｈ以下の弁開度で固着した場合には、吸入空気量の上限が第２所定量としての所定量Ｑｌｉｍ２（詳細は後述）となるように、吸入空気量の制限値Ｑｌｉｍを上記所定量Ｑｌｉｍ２とする。

ここで、上記弁開度閾値ＥＧＲＶＯｔｈは、吸入空気量が上記所定量Ｑｌｉｍ１より大きくなった場合に、ＥＧＲ率が定常状態で上記失火限界ＥＧＲ率となる弁開度に相当する。

なお、図２において、上記所定量Ｑｌｉｍ１は、ＥＧＲ率が急激に立ち上がり始める吸入空気量よりもわずかに小さい値に設定されているが、これは実際の吸入空気量は定常状態でも厳密には微小変動してしまう可能性があり、定常状態での微小変動により吸入空気量が上記所定量Ｑｌｉｍ１を越えてしまっても、ＥＧＲ率が上記失火限界ＥＧＲ率以上とならないようにするためである。

また、上記所定量Ｑｌｉｍ２は、上記所定量Ｑｌｉｍ１よりも大きい値であって、ＥＧＲ制御弁２１の固着した際の弁開度が大きいほど小さくなるように設定されている。この所定量Ｑｌｉｍ２は、ＥＧＲ制御弁２１の固着した際の弁開度を用い、例えば、図３に示すような所定量Ｑｌｉｍ２算出テーブルから算出される。

上述したように、定常状態でのＥＧＲ率が上記失火限界ＥＧＲ率を下回るような弁開度であっても、減速時にはＥＧＲ率が一時的に大きくなってしまうため、減速時のＥＧＲ率が上記失火限界ＥＧＲ率より大きくなってしまう場合があるが、この減速時のＥＧＲ率の一時的な増加量は、吸入空気量の変化と相関があり、減速時における吸入空気量の変化が大きくなるほど大きくなる傾向がある。

そのため、本実施例における上記所定量Ｑｌｉｍ２は、この減速過渡時におけるＥＧＲ率の一時的増加を考慮して、ＥＧＲ制御弁２１の固着した際の弁開度が大きいほど小さくなるように設定されている。つまり、ＥＧＲ制御弁２１の固着した弁開度が、定常状態で上記失火限界ＥＧＲ率未満となるような弁開度であれば、ＥＧＲ制御弁２１の固着した弁開度に応じて、吸入空気量の制限を緩和する。

詳述すると、上記所定量Ｑｌｉｍ２は、ＥＧＲ制御弁２１の固着した弁開度が所定の微小開度である第１弁開度ＥＧＲＶＯ１以下の場合、内燃機関１の最大吸入空気量に設定される。つまり、ＥＧＲ制御弁２１の固着時の弁開度が微小開度であれば、実質的に吸入空気量の制限は行われない。また、ＥＧＲ制御弁２１の固着した弁開度が上記第１弁開度ＥＧＲＶＯ１よりも大きく上記弁開度閾値ＥＧＲＶＯｔｈ以下の場合、上記所定量Ｑｌｉｍ２は、内燃機関１の最大吸入空気量より小さく、かつ固着した弁開度が大きくなるほど小さくなるよう設定されている。つまり、ＥＧＲ制御弁２１の固着時の弁開度が、上記第１弁開度ＥＧＲＶＯ１よりも大きく上記弁開度閾値ＥＧＲＶＯｔｈ以下の場合には、吸入空気量の制限が行われる。

なお、上記所定量Ｑｌｉｍ１と上記所定量Ｑｌｉｍ２は、上述したように、互いに異なる状況を前提として設定されるものであるため、ＥＧＲ制御弁２１の固着した弁開度が上記弁開度閾値ＥＧＲＶＯｔｈのときに不連続となっている。

図４、図５は、吸入空気量の制限値Ｑｌｉｍが上記所定量Ｑｌｉｍ２に設定された場合のＥＧＲ率の減速時の変化を模式的に示した特性図である。

図４は、ＥＧＲ制御弁２１の固着した弁開度が上記第１弁開度ＥＧＲＶＯ１よりも僅かに大きい第２弁開度ＥＧＲＶＯ２の場合を示している。ＥＧＲ制御弁２１の固着した弁開度が上記第２弁開度ＥＧＲＶＯ２の場合、減速前の吸入空気量（スロットル弁開度）はあまり制限されておらず、減速前後での吸入空気量変化が大きいため、減速時のＥＧＲ率の一時的な増加量も大きくなるが、もともとのＥＧＲ率が小さいので、上記失火限界ＥＧＲ率を越えることはない。

図５は、ＥＧＲ制御弁２１の固着した弁開度が上記第１弁開度ＥＧＲＶＯ１よりも上記弁開度閾値ＥＧＲＶＯｔｈに近い第３弁開度ＥＧＲＶＯ３の場合を示している。ＥＧＲ制御弁２１の固着した弁開度が上記第３弁開度ＥＧＲＶＯ３の場合、減速前の吸入空気量（スロットル弁開度）は上記所定量Ｑｌｉｍ２によって制限されており、減速前後での吸入空気量変化が小さくなるため、減速時のＥＧＲ率の一時的な増加量も小さくなり、上記失火限界ＥＧＲ率を越えることはない。

以上説明してきたように、ＥＧＲ制御弁２１が固着した場合、減速時であっても内燃機関１が失火しないように吸入空気量に制限を加えることによって、内燃機関１の失火が防止され、エンストや内燃機関１が始動不能状態になることを回避することができる。また、ＥＧＲ制御弁２１が仮に固着しても、内燃機関１は運転可能なので、当該内燃機関１を駆動源とする車両は、ＥＧＲ制御弁２１の固着を修理するために、整備工場等まで安全に自走可能である。

そして、ＥＧＲ制御弁２１の固着した弁開度に応じて、吸入空気量の制限値Ｑｌｉｍに用いる上記所定量Ｑｌｉｍ１と上記所定量Ｑｌｉｍ２を使い分けることで、ＥＧＲ制御弁２１の固着した弁開度が定常状態で上記失火限界ＥＧＲ率未満となるような弁開度であれば、ＥＧＲ制御弁２１の固着に伴う内燃機関の失火防止を図りつつ、ＥＧＲ制御弁２１が固着した際の内燃機関の出力を相対的に向上させることができる。従って、ＥＧＲ制御弁２１が固着した開度が小さいほど、ＥＧＲ制御弁２１の固着を修理するために、整備工場等に速やかに向うことができる。

なお、ＥＧＲ制御弁２１が固着した場合には、例えば警告ランプ等を点灯する等して運転者に告知するようにすれば、可及的速やかに整備工場等で修理することが可能となる。

図６は、ＥＧＲ制御弁２１が固着してもＥＧＲ率が上記失火限界ＥＧＲ率を越えないようにするための制御の流れの一例を示すフローチャートである。図６に示す制御ルーチンは、例えば、内燃機関１の運転中、所定時間毎にコントロールユニット２５内で実行されるものである。

Ｓ１では、内燃機関１の機関回転数Ｎｅ、ＥＧＲ制御弁２１の弁開度ＥＧＲＶＯを読み込む。機関回転数Ｎｅは、上述したクランク角センサ２６の出力信号に基づき算出される。弁開度ＥＧＲＶＯは、上述したＥＧＲ制御弁開度センサ２８で検出されるＥＧＲ制御弁２１の弁開度である。

Ｓ２では、ＥＧＲ制御弁２１が固着しているか否かを判定する。ＥＧＲ制御弁２１の固着判定は、例えば、検出された弁開度ＥＧＲＶＯが、目標ＥＧＲ制御弁開度から乖離し、かつ検出された上記弁開度ＥＧＲＶＯが所定時間不変のとき、ＥＧＲ制御弁２１が固着していると判定する。ＥＧＲ制御弁２１が、固着していると判定されるとＳ３へ進み、固着していなければ今回のルーチンを終了する。

Ｓ３では、検出されたＥＧＲ制御弁２１の弁開度ＥＧＲＶＯが、上記弁開度閾値ＥＧＲＶＯｔｈよりも大きいか否かを判定し、上記弁開度ＥＧＲＶＯが上記弁開度閾値ＥＧＲＶＯｔｈよりも大きい場合にはＳ４へ進み、上記弁開度ＥＧＲＶＯが上記弁開度閾値ＥＧＲＶＯｔｈ以下の場合にはＳ５へ進む。

Ｓ４では、吸入空気量の制限値Ｑｌｉｍを、上記所定量Ｑｌｉｍ１に設定する。これにより、吸入空気量の上限値が上記所定量Ｑｌｉｍ１となる。

Ｓ５では、検出されたＥＧＲ制御弁２１の弁開度ＥＧＲＶＯに基づき、上記所定量Ｑｌｉｍ２を算出する。上記所定量Ｑｌｉｍ２は、上述したように、ＥＧＲ制御弁２１の固着した弁開度が大きいほど小さくなるように設定された値であって、例えば、上述した図３に示すような所定量Ｑｌｉｍ２算出テーブルをコントロールユニット２５内に記憶させておくことで算出される。そして、Ｓ６へ進んで、吸入空気量の制限値Ｑｌｉｍを、上記所定量Ｑｌｉｍ２に設定する。

そして、Ｓ７では、機関回転数Ｎｅ、Ｓ４またはＳ６で設定された吸入空気量の制限値Ｑｌｉｍに基づき、吸入空気量が上記制限値Ｑｌｉｍとなるスロットル弁開度制限値ＴＶＯｌｉｍを算出する。

Ｓ８では、アクセルペダルの踏み込み量に基づいて設定される目標スロットル弁開度ｔＴＶＯと、Ｓ７で算出されたスロットル弁開度制限値ＴＶＯｌｉｍとを比較し、上記目標スロットル弁開度ｔＴＶＯがスロットル弁開度制限値ＴＶＯｌｉｍよりも大きい場合には、目標スロットル弁開度ｔＴＶＯをスロットル弁開度制限値ＴＶＯｌｉｍで制限する。

すなわち、上記目標スロットル弁開度ｔＴＶＯがスロットル弁開度制限値ＴＶＯｌｉｍよりも大きい場合には、スロットル弁開度制限値ＴＶＯｌｉｍを目標スロットル開度として、スロットル弁５を制御する。

Claims (6)

1. スロットル弁の上流側に位置する過給機と、上記過給機の上流側に排気の一部を還流するＥＧＲ通路と、上記ＥＧＲ通路の途中に配置されたＥＧＲ制御弁と、上記ＥＧＲ制御弁の弁開度を検出可能なＥＧＲ制御弁開度検出手段と、を有し、吸入空気量が所定量より大きくなると、上記ＥＧＲ制御弁の弁開度に応じた量の排気が還流し、吸入空気量が上記所定量以下になると、上記ＥＧＲ制御弁の弁開度に関わらず排気がほとんど還流しない内燃機関の排気還流装置において、
   上記ＥＧＲ制御弁の固着の有無を判定するＥＧＲ制御弁固着判定手段と、
   上記ＥＧＲ制御弁が固着した際には、内燃機関が失火しないように吸入空気量に制限を加える吸入空気量制限手段と、を有する内燃機関の排気還流制御装置。
2. 内燃機関が失火する所定の失火限界ＥＧＲ率より大きくなるような弁開度で上記ＥＧＲ制御弁が固着した場合には、吸入空気量が上記所定量に制限される請求項１に記載の内燃機関の排気還流制御装置。
3. 内燃機関が失火する所定の失火限界ＥＧＲ率以下となるような弁開度で上記ＥＧＲ制御弁が固着した場合には、吸入空気量が上記所定量より大きい第２所定量に制限される請求項１または２に記載の内燃機関の排気還流制御装置。
4. 上記第２所定量は、上記ＥＧＲ制御弁の固着した弁開度が大きいほど小さくなるよう設定されている請求項３に記載の内燃機関の排気還流制御装置。
5. 上記第２所定量は、上記ＥＧＲ制御弁の固着した弁開度が微小開度であれば、当該内燃機関の最大吸入空気量に設定される請求項３または４に記載の内燃機関の排気還流制御装置。
6. 吸入空気量が所定量より大きくなるとＥＧＲ通路の途中に配置されたＥＧＲ制御弁の弁開度に応じた量の排気が過給機の上流側に還流し、吸入空気量が上記所定量以下になると上記ＥＧＲ制御弁の弁開度に関わらず排気がほとんど上記過給機の上流側に還流しない内燃機関において、
   上記ＥＧＲ制御弁が固着した際には、当該内燃機関が失火しないように、吸入空気量を制限することで過給機の上流側に還流される排気還流量を制御する内燃機関の排気還流制御方法。

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