WO2011027439A1 - 内燃機関のｅｇｒ制御システム - Google Patents

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知由 小郷
孝 小川
勝広 伊藤
一康 岩田
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an EGR control system for an internal combustion engine.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to improve the control accuracy of EGR control performed based on the volumetric efficiency and the density of gas sucked into the cylinder.
  • An EGR control system for an internal combustion engine for solving the above-described problems is An EGR device that causes a portion of the exhaust gas of the internal combustion engine to flow into the intake passage as EGR gas; EGR gas amount adjusting means for adjusting the flow rate of EGR gas flowing into the intake passage by the EGR device; The flow rate of EGR gas sucked into the cylinder is acquired based on the volumetric efficiency of the internal combustion engine and the density of gas sucked into the cylinder of the internal combustion engine, and the EGR gas is calculated based on the flow rate of the acquired EGR gas.
  • Control means for controlling the amount adjusting means has means for acquiring the composition of the gas sucked into the cylinder, acquires the density of the gas sucked into the cylinder based on the acquired composition, and the acquired gas density and A flow rate of EGR gas sucked into the cylinder is acquired based on volumetric efficiency.
  • the density of the gas sucked into the cylinder depends on the flow rate of EGR gas flowing into the intake passage and the composition of the EGR gas. Since it changes, the density of the gas sucked into the cylinder is not constant.
  • the composition of the gas sucked into the cylinder can be acquired, and the density of the gas sucked into the cylinder can be acquired based on the acquired composition. Therefore, it is possible to accurately acquire the density of the gas sucked into the cylinder that fluctuates due to the introduction of the EGR gas.
  • the flow rate of the gas sucked into the cylinder is obtained, and based on this, the flow rate of the gas sucked into the cylinder is taken.
  • the flow rate of EGR gas is acquired. Therefore, even when the composition of the gas sucked into the cylinder changes due to the introduction of the EGR gas, the flow rate of the EGR gas sucked into the cylinder can be obtained with high accuracy. Thereby, it becomes possible to improve the control accuracy of the EGR control performed based on the volumetric efficiency and the density of the gas sucked into the cylinder.
  • control means has means for acquiring an EGR rate that is a ratio of a flow rate of EGR gas sucked into the cylinder with respect to a flow rate of gas sucked into the cylinder. Based on this, the composition of the gas sucked into the cylinder can be acquired.
  • the composition of the gas sucked into the cylinder changes depending on the EGR rate of the gas sucked into the cylinder. Therefore, by obtaining the composition of the gas sucked into the cylinder based on the EGR rate, the density of the gas sucked into the cylinder can be obtained with high accuracy, and therefore the flow rate of the gas sucked into the cylinder can be accurately obtained. Can be acquired. As a result, the flow rate of the EGR gas sucked into the cylinder can be obtained with high accuracy.
  • control means has means for acquiring the composition and temperature of burned gas discharged from the internal combustion engine, and based on at least one of the acquired composition and temperature of burned gas, The composition of the gas sucked into the cylinder can be acquired.
  • the composition of the gas sucked into the cylinder changes depending on the composition of the EGR gas in the gas sucked into the cylinder. Since the EGR gas is a part of the burned gas discharged from the internal combustion engine, the composition of the EGR gas in the gas sucked into the cylinder can be estimated based on the composition and temperature of the burned gas. Therefore, by obtaining the composition of the gas sucked into the cylinder based on the composition and temperature of the burned gas, the density of the gas sucked into the cylinder can be obtained with high accuracy, and therefore the gas sucked into the cylinder. Can be obtained with high accuracy. As a result, the flow rate of the EGR gas sucked into the cylinder can be obtained with high accuracy.
  • control means can obtain the composition and temperature of burned gas discharged from the internal combustion engine based on the air-fuel ratio.
  • Combusted gas composition and temperature vary depending on the fuel combustion conditions in the internal combustion engine.
  • the air-fuel ratio is the quantity that most directly affects the fuel combustion conditions.By obtaining the composition and temperature of the burned gas based on the air-fuel ratio, the composition of the burned gas can be accurately determined without depending on sensing. Since the temperature can be acquired, the density of the gas sucked into the cylinder can be acquired with high accuracy. As a result, the flow rate of the EGR gas sucked into the cylinder can be obtained with high accuracy.
  • the apparatus further includes an air amount acquisition unit that acquires an amount of air flowing into the intake passage, and the control unit is based on the volume efficiency of the internal combustion engine and the density of the gas sucked into the cylinder of the internal combustion engine.
  • the amount of gas sucked into the cylinder is acquired, and the flow rate of EGR gas sucked into the cylinder is acquired based on the difference between the acquired amount of gas and the amount of air acquired by the intake air amount acquisition means. can do.
  • the flow rate of the gas sucked into the cylinder can be obtained with high accuracy. Based on the calculation for subtracting the air amount from the flow rate of the gas sucked into the cylinder, the flow rate of the EGR gas can be obtained with high accuracy.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram schematically showing a schematic configuration of an internal combustion engine to which an EGR control system for an internal combustion engine according to this embodiment is applied, and an intake system and an exhaust system thereof.
  • Engine 1 is a diesel engine having four cylinders 17. Each cylinder 17 communicates with the intake passage 8 via the intake manifold 2. Further, it communicates with the exhaust passage 9 via the exhaust manifold 3. It has a compressor 6 provided in the intake passage 8 and a turbine 7 provided in the exhaust passage 9, and a turbocharger 5 that performs supercharging using the energy of the exhaust.
  • An intercooler 4 for cooling the supercharged intake air is provided in the intake passage 8 downstream of the compressor 6.
  • An air flow meter 19 that measures the amount of air flowing into the intake passage 8 is provided in the intake passage 8 upstream of the compressor 6.
  • the exhaust manifold 3 and the intake passage 8 communicate with each other through an EGR passage 15. A part of the exhaust gas is recirculated to the intake passage 8 via the EGR passage 15.
  • the EGR passage 15 is provided with an EGR valve 18 that adjusts the flow rate of EGR gas that is exhaust gas flowing into the intake passage 8 via the EGR passage 15. By adjusting the opening degree of the EGR valve 18, the flow rate of the EGR gas can be adjusted.
  • the EGR valve 18 corresponds to the EGR gas amount adjusting means in the present invention.
  • the intake manifold 2 is provided with an intake pressure sensor 13 for measuring the gas pressure in the intake manifold 2 and an intake air temperature sensor 14 for measuring the temperature of the gas in the intake manifold 2.
  • An exhaust gas purification device 12 is provided in the exhaust passage 9 on the downstream side of the turbine 7.
  • the exhaust purification device 12 stores NOx in the exhaust when the exhaust air-fuel ratio is lean, releases NOx stored when the exhaust air-fuel ratio becomes rich, and reduces and purifies the NOx in the presence of a reducing agent.
  • a catalyst and a particulate filter that collects particulate matter in the exhaust;
  • This system includes an ECU 16 that controls the operating state of the engine 1.
  • the ECU 16 includes an accelerator opening sensor 10 that measures the depression amount of the accelerator pedal and a crank angle sensor 11 that measures the angle of the crankshaft of the engine 1. Measurement data is input.
  • the ECU 16 acquires the operating state of the engine 1 and the driver's request based on the measurement data input from these various sensors, and performs known fuel injection control and the like in addition to EGR control based on that.
  • the total gas amount (referred to as cylinder intake gas amount) sucked into the cylinder 17 is calculated based on the volumetric efficiency of the engine 1 and the density of gas sucked into the cylinder 17, and the calculated cylinder
  • the amount of EGR gas is calculated by subtracting the amount of air measured by the air flow meter 19 from the amount of intake gas.
  • the EGR rate is calculated based on the calculated EGR gas amount, and the opening degree of the EGR valve 18 is feedback-controlled so that the EGR rate matches a target value determined according to the operating condition of the engine 1.
  • the EGR rate is an amount defined as a ratio of the EGR gas amount to the cylinder intake gas amount.
  • the EGR rate is a parameter that directly influences engine performance such as combustion characteristics, exhaust characteristics, and fuel efficiency characteristics, and the target value is determined according to the operating condition so as to satisfy the requirements such as exhaust regulations and fuel efficiency requirements.
  • a characteristic point of the EGR control of the present embodiment uses a value calculated based on the composition of the cylinder intake gas as the cylinder intake gas density used in the calculation for calculating the cylinder intake gas amount from the volume efficiency and the cylinder intake gas density. Is a point.
  • the density of this cylinder intake gas has been conventionally substituted by a constant such as air density.
  • the cylinder intake gas density changes depending on the amount of EGR gas and the composition of the EGR gas.
  • the accuracy of the cylinder intake gas amount calculated from the volumetric efficiency and the cylinder intake gas density is lowered. Therefore, the accuracy of the EGR gas amount calculated by subtracting the air amount from the cylinder intake gas amount is also lowered, and as a result, the control accuracy of the EGR control may be lowered.
  • the cylinder intake gas density used in the calculation for calculating the cylinder intake gas amount from the volumetric efficiency and the cylinder intake gas density is determined based on the EGR gas amount and the EGR gas composition. Was calculated each time.
  • the cylinder intake gas amount can be calculated by reflecting the change in the density of the cylinder intake gas due to the introduction of the EGR gas, so that the EGR gas amount sucked into the cylinder can also be calculated with high accuracy. Therefore, highly accurate EGR control can be performed.
  • FIGS. 2 and 3 are flowcharts of the EGR control of this embodiment described above.
  • the processing represented by this flowchart is repeatedly executed by the ECU 16 at predetermined intervals while the engine 1 is operating.
  • step S101 the ECU 16 acquires the load and rotation speed of the engine 1.
  • the load APO is acquired based on the measurement data obtained by the accelerator opening sensor 10, and the rotational speed Ne is obtained based on the measurement data obtained by the crank angle sensor 11.
  • step S102 the ECU 16 obtains a reference volume efficiency ⁇ v0 .
  • the reference volumetric efficiency is the volumetric efficiency of the engine 1 at a predetermined reference temperature and reference pressure. A value obtained by a test or the like in advance for each load and rotation speed is mapped and stored in the ECU 16.
  • the ECU 16 acquires the reference volume efficiency ⁇ v0 by searching this map using the load APO and the rotational speed Ne acquired in step S101.
  • step S103 the ECU 16 acquires a gas pressure P in (hereinafter referred to as intake manifold pressure) and a temperature T in (hereinafter referred to as intake manifold temperature) in the intake manifold 2.
  • intake manifold pressure a gas pressure P in
  • T in a temperature T in
  • the ECU 16 obtains the intake manifold pressure P in on the basis of the measured data by the intake pressure sensor 13, and acquires the intake manifold temperature T in based on the measurement data obtained by the intake air temperature sensor 14.
  • step S104 ECU 16 acquires the current volumetric efficiency eta v.
  • the reference volumetric efficiency eta v0 obtained in step S102 by correcting using the intake manifold pressure P in and the intake manifold temperature T in acquired in step S103, acquires the current volumetric efficiency eta v.
  • the volume efficiency ⁇ v is calculated based on the following equation.
  • step S105 ECU 16 obtains the stroke volume V h of the engine 1.
  • the stroke volume V h is a constant determined by the structure of the engine 1.
  • step S106 the ECU 16 acquires the density of the cylinder intake gas.
  • the air density ⁇ a at the intake manifold pressure P in and the intake manifold temperature T in is provisionally set as the cylinder intake gas density.
  • the cylinder intake gas density is calculated in consideration of the EGR gas, and the cylinder intake gas amount is calculated from the calculated cylinder intake gas density and the volumetric efficiency.
  • a provisional value is used.
  • step S107 the ECU 16 calculates a cylinder intake gas amount G cyl .
  • the cylinder intake gas amount G cyl is calculated by the following equation.
  • step S108 the ECU 16 acquires a fresh air amount Gn flowing into the intake passage 8.
  • the fresh air amount is acquired based on the measurement data obtained by the air flow meter 19.
  • step S109 the ECU 16 obtains an EGR gas amount G egr sucked into the cylinder 17.
  • the EGR gas amount is acquired by subtracting the fresh air amount G n acquired in step S108 from the cylinder intake gas amount G cyl acquired in step S107.
  • step S110 the ECU 16 acquires the EGR rate R egr .
  • the EGR rate is acquired by calculating the ratio between the EGR gas amount G egr acquired in step S109 and the cylinder intake gas amount G cyl acquired in step S107.
  • the above processing is processing for calculating the EGR rate by a conventional method using provisional air density as the cylinder intake gas density.
  • the feature point of this embodiment is that the cylinder intake gas density is recalculated based on the EGR rate and the composition and temperature of the EGR gas, and the same process as the above process is executed again using the density. Thus, the EGR rate is calculated again. This process will be described with reference to FIG.
  • step S 111 ECU 16 obtains the fuel injection amount G f and the air amount G a. These values are obtained by reading values used in a separately executed fuel injection control routine.
  • the fuel injection control is assumed to be a general fuel injection control of a diesel engine, and a detailed description thereof is omitted.
  • step S112 the ECU 16 acquires the air-fuel ratio A / F.
  • the air amount referred to here is the amount of air finally involved in combustion, and is different from the fresh air amount G n measured by the air flow meter 19.
  • step S113 the ECU 16 acquires the composition and temperature T ex of the EGR gas.
  • the carbon dioxide concentration D co2 in the burned gas discharged from the engine 1 to the exhaust manifold 3 is calculated based on the air-fuel ratio acquired in step S112, and this is acquired as the composition of EGR gas.
  • the temperature of the burned gas discharged from the engine 1 to the exhaust manifold 3 is calculated, and this is acquired as the temperature T ex of the EGR gas.
  • a relational expression for calculating the temperature of burned gas from the air-fuel ratio an expression obtained experimentally is used.
  • step S114 the ECU 16 obtains the cylinder intake gas density ⁇ in .
  • the cylinder intake gas density ⁇ in is calculated based on the carbon dioxide concentration D co2 of the EGR gas acquired in step S113 and the temperature T ex of the EGR gas and the EGR rate R egr calculated in step S110.
  • the higher the carbon dioxide concentration D co2 in the EGR gas the higher the rate of change of the cylinder intake gas density due to the introduction of the EGR gas.
  • FIG. 5 as the temperature T ex of the EGR gas is high, the rate of change of the decreasing side of the cylinder intake gas density due to the EGR gas is introduced is increased.
  • step S115 the ECU 16 performs the calculation of the EGR rate described with reference to FIG. 2 again using the cylinder intake gas density ⁇ in considering the EGR rate acquired in step S114.
  • step S115 the ECU 16 calculates a cylinder intake gas amount G cyl .
  • the volume efficiency ⁇ v acquired in step S104, the engine speed Ne acquired in step S101, the stroke volume V h acquired in step S105, and the EGR rate R egr acquired in step S114 are considered.
  • the cylinder intake gas amount ⁇ in is used to calculate the cylinder intake gas amount G cyl ′ by the following equation.
  • step S ⁇ b > 116 the ECU 16 acquires a new air amount G n ′ flowing into the intake passage 8 based on measurement data obtained by the air flow meter 19.
  • step S117 the ECU 16 obtains an EGR gas amount G egr ′ sucked into the cylinder 17.
  • the EGR gas amount is acquired by subtracting the fresh air amount G n ′ acquired in step S116 from the cylinder intake gas amount G cyl ′ acquired in step S115.
  • step S118 the ECU 16 acquires the EGR rate R egr ′.
  • the EGR rate is acquired by calculating the ratio between the EGR gas amount G egr ′ acquired in step S117 and the cylinder intake gas amount G cyl ′ acquired in step S115.
  • the opening degree of the EGR valve 18 is feedback-controlled based on the comparison between the acquired EGR rate and the target EGR rate determined according to the operating conditions (load, rotation speed) of the engine 1.
  • the EGR control system of the present embodiment performs calculation for calculating the cylinder intake gas amount from the volume efficiency and the cylinder intake gas density twice. That is, the first calculation using the air density temporarily as the cylinder intake gas density is performed. Then, a second calculation is performed using the density calculated in consideration of the EGR rate obtained as the first calculation result and the EGR gas composition and EGR gas temperature separately obtained from the air-fuel ratio as the cylinder intake gas density. By performing these two calculations, the cylinder intake gas amount can be accurately calculated even when the density of the cylinder intake gas changes due to the introduction of the EGR gas.
  • the ECU 16 that executes the processing of the flowchart described above corresponds to the control means in the present invention.
  • step S103 an example in which the acquisition of gas pressure and temperature in the intake manifold 2 in step S103 is sensed and acquired by the intake pressure sensor 13 and the intake temperature sensor 14 has been described.
  • the operating conditions of the engine 1 and the engine may be estimated by a model based on one environmental condition or the like.

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Abstract

　体積効率及び気筒に吸入されるガスの密度に基づくＥＧＲ制御の制御精度を向上させることを課題とする。内燃機関の排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に流入させるＥＧＲ装置と、前記ＥＧＲ装置によって前記吸気通路に流入するＥＧＲガスの流量を調節するＥＧＲガス量調節手段と、前記内燃機関の体積効率及び前記内燃機関の気筒に吸入されるガスの密度に基づいて前記気筒に吸入されるＥＧＲガスの流量を取得し、当該取得されるＥＧＲガスの流量に基づいて前記ＥＧＲガス量調節手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記気筒に吸入されるガスの組成を取得する手段を有し、当該取得されるガス組成に基づいて前記気筒に吸入されるガスの密度を取得し、当該取得されるガス密度及び体積効率に基づいて前記気筒に吸入されるＥＧＲガスの流量を取得する。

Description

内燃機関のＥＧＲ制御システム
　本発明は、内燃機関のＥＧＲ制御システムに関する。
　内燃機関の排気の一部を吸気系に再循環させるＥＧＲ装置を備えた内燃機関において、体積効率に基づいて内燃機関の気筒に吸入されるＥＧＲガス量を算出し、当該算出されるＥＧＲガス量に基づいて、ＥＧＲ率を目標値に制御する技術が知られている（例えば特許文献１を参照）
特開２０００－２２０５１０号公報
　体積効率に基づいて気筒に流入するＥＧＲガス量を算出する計算には、気筒に吸入されるガスの密度が必要になる。気筒に吸入されるガスは、ＥＧＲ装置を備えた内燃機関の場合には空気とＥＧＲガスとが混合したものであるから、気筒に吸入されるガスの密度は、ＥＧＲガスの流量や組成に依存して変化する。そのため、気筒に吸入されるガスの密度を定数とみなしてＥＧＲガス量の計算を行なっていた従来のＥＧＲ制御では、精度良くＥＧＲ制御を行なうことができない可能性があった。
　本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、体積効率及び気筒に吸入されるガスの密度に基づいて行なわれるＥＧＲ制御の制御精度を向上させることを目的とする。
　上記の課題を解決するための本発明に係る内燃機関のＥＧＲ制御システムは、
　内燃機関の排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に流入させるＥＧＲ装置と、
　前記ＥＧＲ装置によって前記吸気通路に流入するＥＧＲガスの流量を調節するＥＧＲガス量調節手段と、
　前記内燃機関の体積効率及び前記内燃機関の気筒に吸入されるガスの密度に基づいて前記気筒に吸入されるＥＧＲガスの流量を取得し、当該取得されるＥＧＲガスの流量に基づいて前記ＥＧＲガス量調節手段を制御する制御手段と、
を備え、
　前記制御手段は、前記気筒に吸入されるガスの組成を取得する手段を有し、当該取得される組成に基づいて前記気筒に吸入されるガスの密度を取得し、当該取得されるガス密度及び体積効率に基づいて前記気筒に吸入されるＥＧＲガスの流量を取得することを特徴とする。
　上記構成のようにＥＧＲ装置を備え吸気通路にＥＧＲガスが導入される内燃機関では、気筒に吸入されるガスの密度は、吸気通路に流入するＥＧＲガスの流量やＥＧＲガスの組成に依存して変化するので、気筒に吸入されるガスの密度は一定ではない。本発明のＥＧＲ制御システムによれば、気筒に吸入されるガスの組成を取得することができ、当該取得される組成に基づいて気筒に吸入されるガスの密度を取得することができる。従って、ＥＧＲガスの導入に起因して変動する気筒に吸入されるガスの密度を精度良く取得することが可能となる。そして、内燃機関の体積効率と、このようにして取得される気筒に吸入されるガスの密度と、に基づいて、気筒に吸入されるガスの流量を取得し、これに基づいて気筒に吸入されるＥＧＲガスの流量を取得する。従って、ＥＧＲガスの導入により気筒に吸入されるガスの組成が変化する場合においても、気筒に吸入されるＥＧＲガスの流量を精度良く取得することができる。これにより、体積効率及び気筒に吸入されるガスの密度に基づいて行なわれるＥＧＲ制御の制御精度を向上させることが可能となる。
　上記構成において、前記制御手段は、前記気筒に吸入されるガスの流量に対する前記気筒に吸入されるＥＧＲガスの流量の比率であるＥＧＲ率を取得する手段を有し、当該取得されるＥＧＲ率に基づいて前記気筒に吸入されるガスの組成を取得することができる。
　ＥＧＲ装置を備え吸気通路にＥＧＲガスが導入される内燃機関では、気筒に吸入されるガスの組成は、気筒に吸入されるガスのＥＧＲ率に依存して変化する。従って、気筒に吸入されるガスの組成をＥＧＲ率に基づいて取得することにより、気筒に吸入されるガスの密度を精度良く取得することができ、従って気筒に吸入されるガスの流量を精度良く取得することができる。これにより、気筒に吸入されるＥＧＲガスの流量を精度良く取得することが可能となる。
　上記構成において、前記制御手段は、前記内燃機関から排出される既燃ガスの組成及び温度を取得する手段を有し、当該取得される既燃ガスの組成及び温度の少なくとも一方に基づいて、前記気筒に吸入されるガスの組成を取得することができる。
　ＥＧＲ装置を備え吸気通路にＥＧＲガスが導入される内燃機関では、気筒に吸入されるガスの組成は、気筒に吸入されるガス中のＥＧＲガスの組成に依存して変化する。ＥＧＲガスは内燃機関から排出される既燃ガスの一部であるから、気筒に吸入されるガス中のＥＧＲガスの組成は、既燃ガスの組成や温度に基づいて推定できる。従って、気筒に吸入されるガスの組成を既燃ガスの組成や温度に基づいて取得することにより、気筒に吸入されるガスの密度を精度良く取得することができ、従って気筒に吸入されるガスの流量を精度良く取得することができる。これにより、気筒に吸入されるＥＧＲガスの流量を精度良く取得することが可能となる。
　上記構成において、前記制御手段は、空燃比に基づいて前記内燃機関から排出される既燃ガスの組成及び温度を取得することができる。
　既燃ガスの組成や温度は内燃機関における燃料の燃焼条件に依存して変化する。空燃比は燃料の燃焼条件に最も直接的に影響する量であり、空燃比に基づいて既燃ガスの組成及び温度を取得することによって、センシングに依存せずに精度良く既燃ガスの組成や温度を取得することができるので、気筒に吸入されるガスの密度を精度良く取得することができる。これにより、気筒に吸入されるＥＧＲガスの流量を精度良く取得することが可能となる。
　上記構成において、前記吸気通路に流入する空気量を取得する空気量取得手段を更に備え、前記制御手段は、前記内燃機関の体積効率及び前記内燃機関の気筒に吸入されるガスの密度に基づいて前記気筒に吸入されるガス量を取得し、当該取得されるガス量と前記吸入空気量取得手段により取得される空気量との差に基づいて、前記気筒に吸入されるＥＧＲガスの流量を取得することができる。
　上述したように、本発明によれば、ＥＧＲガスの導入により気筒に吸入されるガスの密度が変動する場合であっても、気筒に吸入されるガスの流量を精度良く取得することができるので、当該気筒に吸入されるガスの流量から空気量を差し引く計算に基づいて、ＥＧＲガスの流量を精度良く取得することが可能となる。
　本発明によれば、体積効率及び気筒に吸入されるガスの密度に基づいて行なわれるＥＧＲ制御の制御精度を向上させることが可能となる。
実施例に係る内燃機関とその吸気系及び排気系の概略構成を示す図である。 実施例に係るＥＧＲ制御のフローチャートである。 実施例に係るＥＧＲ制御のフローチャートである。 ＥＧＲガス中のＣＯ２濃度と、ＥＧＲガス導入による気筒に吸入されるガスの密度の変化率と、の関係を示す図である。 ＥＧＲガスの温度と、ＥＧＲガス導入による気筒に吸入されるガスの密度の変化率と、の関係を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
　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概念図である。
　エンジン１は４つの気筒１７を有するディーゼルエンジンである。各気筒１７は吸気マニホールド２を介して吸気通路８に連通する。また、排気マニホールド３を介して排気通路９に連通する。吸気通路８に設けられたコンプレッサ６及び排気通路９に設けられたタービン７を有し、排気のエネルギーを利用して過給を行うターボチャージャ５を備えている。
　コンプレッサ６より下流側の吸気通路８には過給された吸気を冷却するインタークーラ４が設けられている。コンプレッサ６より上流側の吸気通路８には吸気通路８に流入する空気量を測定するエアフローメータ１９が設けられている。
　排気マニホールド３と吸気通路８とは、ＥＧＲ通路１５によって連通している。ＥＧＲ通路１５を介して排気の一部が吸気通路８に再循環する。ＥＧＲ通路１５には、ＥＧＲ通路１５を介して吸気通路８に流入する排気であるＥＧＲガスの流量を調節するＥＧＲ弁１８が設けられている。ＥＧＲ弁１８の開度を調節することにより、ＥＧＲガスの流量を調節することができる。ＥＧＲ弁１８が本発明におけるＥＧＲガス量調節手段に相当する。
　吸気マニホールド２には、吸気マニホールド２におけるガスの圧力を測定する吸気圧センサ１３と、吸気マニホールド２におけるガスの温度を測定する吸気温センサ１４とが備えられている。
　タービン７より下流側の排気通路９には、排気浄化装置１２が備えられている。排気浄化装置１２は排気空燃比がリーンの場合に排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気空燃比がリッチ化した場合に吸蔵していたＮＯｘを放出し還元剤存在下で該ＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ触媒と、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と、を有している。
　このシステムには、エンジン１の運転状態を制御するＥＣＵ１６が備えられている。ＥＣＵ１６には上記の吸気圧センサ１３、吸気温センサ１４、エアフローメータ１９の他、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１０とエンジン１のクランクシャフトの角度を測定するクランク角度センサ１１による測定データが入力される。ＥＣＵ１６はこれら各種センサから入力される測定データに基づいてエンジン１の運転状態や運転者の要求を取得し、それに基づいてＥＧＲ制御の他既知の燃料噴射制御等を行う。
　ここで、本実施例に係るＥＧＲ制御について説明する。
　本実施例のＥＧＲ制御では、エンジン１の体積効率及び気筒１７に吸入されるガスの密度に基づいて気筒１７に吸入される全ガス量（気筒吸入ガス量という）を算出し、当該算出した気筒吸入ガス量からエアフローメータ１９で測定される空気量を減算することによって、ＥＧＲガス量を算出する。そして、算出したＥＧＲガス量に基づいてＥＧＲ率を算出し、このＥＧＲ率がエンジン１の運転条件に応じて定められる目標値に一致するように、ＥＧＲ弁１８の開度をフィードバック制御する。ここで、ＥＧＲ率とは、気筒吸入ガス量に対するＥＧＲガス量の比率として定義される量である。ＥＧＲ率は燃焼特性、排気特性、燃費特性等の機関性能に直接影響するパラメータであり、その目標値は排気規制や燃費要求等の要請を満たすように運転状態に応じて定められている。
　本実施例のＥＧＲ制御の特徴点は、体積効率及び気筒吸入ガスの密度から気筒吸入ガス量を算出する計算において用いる気筒吸入ガスの密度として、気筒吸入ガスの組成に基づいて算出する値を用いる点である。
　この気筒吸入ガスの密度は、従来、空気密度などの定数で代用していた。しかしながら、ＥＧＲ装置を備え吸気系にＥＧＲガスが導入される内燃機関の場合、気筒吸入ガスの密度はＥＧＲガス量やＥＧＲガスの組成の変化に依存して変化するので、気筒吸入ガスの密度を空気密度で近似してしまうと、体積効率と気筒吸入ガスの密度から算出される気筒吸入ガス量の精度が低くなる。従って、気筒吸入ガス量から空気量を減算して算出されるＥＧＲガス量の精度も低くなり、結果としてＥＧＲ制御の制御精度の低下を招く可能性がある。
　この点に鑑みて、本実施例のＥＧＲ制御システムでは、体積効率と気筒吸入ガスの密度とから気筒吸入ガス量を算出する計算において用いる気筒吸入ガスの密度を、ＥＧＲガス量及びＥＧＲガスの組成を考慮してその都度算出するようにした。これにより、ＥＧＲガスの導入に起因する気筒吸入ガスの密度の変化を反映させて気筒吸入ガス量を算出することができるので、気筒に吸入されるＥＧＲガス量も精度良く算出することができる。従って、高精度のＥＧＲ制御を行なうことが可能となる。
　ここで、本実施例のＥＧＲ制御について、図２及び図３に基づいて説明する。図２及び図３は上述した本実施例のＥＧＲ制御のフローチャートである。このフローチャートで表される処理は、ＥＣＵ１６によってエンジン１の稼働中所定間隔で繰り返し実行される。
　ステップＳ１０１において、ＥＣＵ１６は、エンジン１の負荷及び回転数を取得する。本実施例では、アクセル開度センサ１０による測定データに基づいて負荷ＡＰＯを取得するとともに、クランク角度センサ１１による測定データに基づいて回転数Ｎｅを取得する。
　ステップＳ１０２において、ＥＣＵ１６は、基準体積効率ηｖ０を取得する。基準体積効率とは、所定の基準温度及び基準圧力におけるエンジン１の体積効率であり、負荷及び回転数毎に予め試験等により調べた値をマップ化してＥＣＵ１６に記憶させておく。ＥＣＵ１６は、このマップをステップＳ１０１で取得した負荷ＡＰＯ及び回転数Ｎｅを用いて検索することにより基準体積効率ηｖ０を取得する。
　ステップＳ１０３において、ＥＣＵ１６は、吸気マニホールド２におけるガスの圧力Ｐｉｎ（以下、インマニ圧力という）及び温度Ｔｉｎ（以下、インマニ温度という）を取得する。本実施例では、吸気圧センサ１３による測定データに基づいてインマニ圧力Ｐｉｎを取得するとともに、吸気温センサ１４による測定データに基づいてインマニ温度Ｔｉｎを取得する。
　ステップＳ１０４において、ＥＣＵ１６は、現在の体積効率ηｖを取得する。本実施例では、ステップＳ１０２で取得した基準体積効率ηｖ０を、ステップＳ１０３で取得したインマニ圧力Ｐｉｎ及びインマニ温度Ｔｉｎを用いて補正することによって、現在の体積効率ηｖを取得する。ここでは、基準圧力Ｐ０、基準温度Ｔ０とした場合に、次の式に基づいて体積効率ηｖを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　ステップＳ１０５において、ＥＣＵ１６は、エンジン１の行程容積Ｖｈを取得する。行程容積Ｖｈはエンジン１の構造によって定まる定数である。
　ステップＳ１０６において、ＥＣＵ１６は、気筒吸入ガスの密度を取得する。ここではインマニ圧力Ｐｉｎ及びインマニ温度Ｔｉｎでの空気密度γａを、暫定的に気筒吸入ガスの密度とする。上述したように本実施例のＥＧＲ制御においては、ＥＧＲガスを考慮して気筒吸入ガスの密度を算出して、該算出される気筒吸入ガスの密度と体積効率とから気筒吸入ガス量を算出することを特徴としているが、この段階ではまだこのＥＧＲガスを考慮した気筒吸入ガスの密度が取得されていないため、暫定的な値を用いる。
　ステップＳ１０７において、ＥＣＵ１６は、気筒吸入ガス量Ｇｃｙｌを算出する。本実施例では、ステップＳ１０４で取得した体積効率ηｖと、ステップＳ１０１で取得したエンジン１の回転数Ｎｅと、ステップＳ１０５で取得した行程容積Ｖｈと、ステップＳ１０６で取得した気筒吸入ガス密度の暫定値γａと、を用いて、次の式で気筒吸入ガス量Ｇｃｙｌを算出する。
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　なお、この式自体は公知であり、次の体積効率の定義式、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
において、分母のＧｈに次の関係式、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
を代入し、Ｇｃｙｌについて解くことによって得られる。
　ステップＳ１０８において、ＥＣＵ１６は、吸気通路８に流入する新気量Ｇｎを取得する。本実施例では、エアフローメータ１９による測定データに基づいて新気量を取得する。
　ステップＳ１０９において、ＥＣＵ１６は、気筒１７に吸入されるＥＧＲガス量Ｇｅｇｒを取得する。本実施例では、ステップＳ１０７で取得した気筒吸入ガス量Ｇｃｙｌから、ステップＳ１０８で取得した新気量Ｇｎを減算することによってＥＧＲガス量を取得する。
　ステップＳ１１０において、ＥＣＵ１６は、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒを取得する。本実施例では、ステップＳ１０９で取得したＥＧＲガス量ＧｅｇｒとステップＳ１０７で取得した気筒吸入ガス量Ｇｃｙｌとの比を計算することによってＥＧＲ率を取得する。
　以上の処理は、気筒吸入ガスの密度として暫定的に空気密度を用いて、従来通りの方法でＥＧＲ率を算出する処理である。本実施例の特徴点は、この後、このＥＧＲ率及びＥＧＲガスの組成及び温度に基づいて気筒吸入ガスの密度を再計算し、その密度を用いて上記の処理と同様の処理を再度実行することによって、再度ＥＧＲ率を計算する点である。この処理について図３に基づいて説明する。
　ステップＳ１１１において、ＥＣＵ１６は、燃料噴射量Ｇｆ及び空気量Ｇａを取得する。これらの値は別途実行される燃料噴射制御ルーチンで用いられた値を読み込むことで取得する。燃料噴射制御は、一般的なディーゼルエンジンの燃料噴射制御とし詳細な説明は割愛する。
　ステップＳ１１２において、ＥＣＵ１６は、空燃比Ａ／Ｆを取得する。本実施例では、ステップＳ１１１で取得した燃料噴射量Ｇｆ及び空気量Ｇａから空燃比を取得する。なお、ここでいう空気量とは、最終的に燃焼に関与する空気量であって、エアフローメータ１９によって測定される新気量Ｇｎとは異なる。
　ステップＳ１１３において、ＥＣＵ１６は、ＥＧＲガスの組成及び温度Ｔｅｘを取得する。本実施例では、ステップＳ１１２で取得した空燃比に基づいて、エンジン１から排気マニホールド３に排出される既燃ガス中の二酸化炭素濃度Ｄｃｏ２を算出し、これをＥＧＲガスの組成として取得する。また、ステップＳ１１２で取得した空燃比に基づいて、エンジン１から排気マニホールド３に排出される既燃ガスの温度を算出し、これをＥＧＲガスの温度Ｔｅｘとして取得する。空燃比から既燃ガスの温度を算出する関係式は、実験的に求めた式を用いる。
　ステップＳ１１４において、ＥＣＵ１６は、気筒吸入ガス密度γｉｎを取得する。本実施例では、ステップＳ１１３で取得したＥＧＲガスの二酸化炭素濃度Ｄｃｏ２及びＥＧＲガスの温度Ｔｅｘと、ステップＳ１１０で算出したＥＧＲ率Ｒｅｇｒと、に基づいて、気筒吸入ガス密度γｉｎを算出する。図４に示すように、ＥＧＲガス中の二酸化炭素濃度Ｄｃｏ２が高いほど、ＥＧＲガスが導入されることによる気筒吸入ガス密度の増加側への変化率が高くなる。一方、図５に示すように、ＥＧＲガスの温度Ｔｅｘが高いほど、ＥＧＲガスが導入されることによる気筒吸入ガス密度の減少側への変化率が高くなる。また、これらの変化の傾向は、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒが高くなるほど大きくなる。このように、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒと、ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度Ｄｃｏ２と、ＥＧＲガス温度Ｔｅｘと、に基づくことにより、現状の気筒吸入ガス密度γｉｎを精度良く取得することができる。
　ステップＳ１１５以降の処理では、ＥＣＵ１６は、ステップＳ１１４で取得したＥＧＲ率を考慮した気筒吸入ガス密度γｉｎを用いて、図２に基づいて説明したＥＧＲ率の計算を再度実行する。
　まず、ステップＳ１１５において、ＥＣＵ１６は、気筒吸入ガス量Ｇｃｙｌを算出する。本ステップでは、ステップＳ１０４で取得した体積効率ηｖと、ステップＳ１０１で取得したエンジン１の回転数Ｎｅと、ステップＳ１０５で取得した行程容積Ｖｈと、ステップＳ１１４で取得したＥＧＲ率Ｒｅｇｒを考慮した気筒吸入ガス密度γｉｎと、を用いて、次の式で気筒吸入ガス量Ｇｃｙｌ’を算出する。
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　ステップＳ１１６において、ＥＣＵ１６は、吸気通路８に流入する新気量Ｇｎ’をエアフローメータ１９による測定データに基づいて取得する。
　ステップＳ１１７において、ＥＣＵ１６は、気筒１７に吸入されるＥＧＲガス量Ｇｅｇｒ’を取得する。ここでは、ステップＳ１１５で取得した気筒吸入ガス量Ｇｃｙｌ’から、ステップＳ１１６で取得した新気量Ｇｎ’を減算することによってＥＧＲガス量を取得する。
　ステップＳ１１８において、ＥＣＵ１６は、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒ’を取得する。ここでは、ステップＳ１１７で取得したＥＧＲガス量Ｇｅｇｒ’とステップＳ１１５で取得した気筒吸入ガス量Ｇｃｙｌ’との比を計算することによってＥＧＲ率を取得する。
　この後、取得したＥＧＲ率とエンジン１の運転条件（負荷、回転数）に応じて定められた目標ＥＧＲ率との比較に基づいてＥＧＲ弁１８の開度をフィードバック制御する。
　以上説明したフローチャートに従ってＥＧＲ制御を行なうことにより、本実施例のＥＧＲ制御システムでは、体積効率と気筒吸入ガスの密度とから気筒吸入ガス量を算出する計算を２回行なう。すなわち、まず気筒吸入ガスの密度として空気密度を暫定的に用いる初回の計算を行なう。そして、当該初回の計算結果として得られたＥＧＲ率と別途空燃比から求めたＥＧＲガス組成及びＥＧＲガス温度を考慮して算出した密度を気筒吸入ガスの密度として用いる２回目の計算を行なう。これら２回の計算を行なうことにより、ＥＧＲガスの導入に起因して気筒吸入ガスの密度が変化する場合においても、精度良く気筒吸入ガス量を算出することを可能にした。気筒吸入ガス量を精度良く算出することができることで、気筒吸入ガスから空気量を減算して算出されるＥＧＲガス量の精度も向上させることが可能となった。これにより、体積効率及び気筒吸入ガスの密度に基づいて行なわれるＥＧＲ制御の制御精度を向上させることが可能となった。本実施例において、以上説明したフローチャートの処理を実行するＥＣＵ１６が、本発明における制御手段に相当する。
　なお、本実施例では、ステップＳ１０３における吸気マニホールド２におけるガスの圧力及び温度の取得を吸気圧センサ１３及び吸気温センサ１４によってセンシングして取得する例について説明したが、エンジン１の運転条件やエンジン１の環境条件等に基づいてモデルによってこれらを推定するようにしても良い。
１     エンジン
２     吸気マニホールド
３     排気マニホールド
４     インタークーラ
５     ターボチャージャ
６     コンプレッサ
７     タービン
８     吸気通路
９     排気通路
１０   アクセル開度センサ
１１   クランク角度センサ
１２   排気浄化装置
１３   吸気圧センサ
１４   吸気温センサ
１５   ＥＧＲ通路
１６   ＥＣＵ
１７   気筒
１８   ＥＧＲ弁
１９   エアフローメータ

Claims (5)

  1. 　内燃機関の排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に流入させるＥＧＲ装置と、
    　前記ＥＧＲ装置によって前記吸気通路に流入するＥＧＲガスの流量を調節するＥＧＲガス量調節手段と、
    　前記内燃機関の体積効率及び前記内燃機関の気筒に吸入されるガスの密度に基づいて前記気筒に吸入されるＥＧＲガスの流量を取得し、当該取得されるＥＧＲガスの流量に基づいて前記ＥＧＲガス量調節手段を制御する制御手段と、
    を備え、
    　前記制御手段は、前記気筒に吸入されるガスの組成を取得する手段を有し、当該取得される組成に基づいて前記気筒に吸入されるガスの密度を取得し、当該取得されるガス密度及び体積効率に基づいて前記気筒に吸入されるＥＧＲガスの流量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。
  2. 　請求項１において、前記制御手段は、前記気筒に吸入されるガスの流量に対する前記気筒に吸入されるＥＧＲガスの流量の比率であるＥＧＲ率を取得する手段を有し、当該取得されるＥＧＲ率に基づいて前記気筒に吸入されるガスの組成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。
  3. 　請求項１又は２において、前記制御手段は、前記内燃機関から排出される既燃ガスの組成及び温度を取得し、当該取得される既燃ガスの組成及び温度の少なくとも一方に基づいて、前記気筒に吸入されるガスの組成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。
  4. 　請求項３において、前記制御手段は、空燃比に基づいて前記内燃機関から排出される既燃ガスの組成及び温度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。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項において、
    　前記吸気通路に流入する空気量を取得する空気量取得手段を更に備え、前記制御手段は、前記内燃機関の体積効率及び前記内燃機関の気筒に吸入されるガスの密度に基づいて前記気筒に吸入されるガス量を取得し、当該取得されるガス量と前記吸入空気量取得手段により取得される空気量との差に基づいて、前記気筒に吸入されるＥＧＲガスの流量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。
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