WO2013168674A1 - 内燃機関とその制御方法 - Google Patents

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WO2013168674A1
WO2013168674A1 PCT/JP2013/062763 JP2013062763W WO2013168674A1 WO 2013168674 A1 WO2013168674 A1 WO 2013168674A1 JP 2013062763 W JP2013062763 W JP 2013062763W WO 2013168674 A1 WO2013168674 A1 WO 2013168674A1
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egr
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volume flow
egr valve
valve
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PCT/JP2013/062763
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良文 花村
充宏 阿曽
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いすゞ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine that includes an EGR (exhaust gas recirculation) system and controls the flow rate of the recirculated EGR gas, and a control method therefor.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • an EGR (exhaust gas recirculation) system is provided to keep NOx (nitrogen oxides) in the exhaust gas of an internal combustion engine such as a diesel engine low.
  • the detectable physical quantity is fed back, and the EGR valve provided in the EGR passage is controlled so as to coincide with a predetermined target value of the physical quantity, thereby adjusting the mass flow rate of the recirculated EGR gas.
  • This apparatus converts a target exhaust gas recirculation amount set as a mass flow rate into a volumetric flow rate, and determines a target area of the exhaust gas recirculation path based on the target exhaust gas recirculation amount as the volume flow rate (see, for example, Patent Document 1). ).
  • This apparatus can set the mass flow rate of the exhaust gas according to the operating conditions, and can achieve highly accurate control of the target area of the exhaust gas recirculation path.
  • the volume flow rate of the EGR gas is proportional to the 1/2 power of the front-rear differential pressure in a constant passage area of the exhaust gas recirculation path. Based on the pressure difference from the atmospheric pressure, the target area for obtaining the target exhaust gas recirculation amount is obtained.
  • the control logic of the internal calculation model for calculating the engine intake / exhaust system state quantity is calculated by the control logic of the EGR gas.
  • the mass flow rate is calculated.
  • the mass flow rate of the EGR gas passing through the EGR valve can be treated as an isentropic flow of the nozzle, and can be expressed by the following mathematical formula (8).
  • m egr is the mass flow rate of EGR gas passing through the EGR valve ([kg / s])
  • ⁇ is the flow coefficient ([ ⁇ ])
  • A is the effective opening area of the EGR valve ([m 2 ])
  • P in is the pressure at the inlet of the EGR valve ([Pa])
  • P out is the pressure at the outlet of the EGR valve ([Pa])
  • T in is the temperature at the inlet of the EGR valve ([K])
  • R is the gas constant ([ J / kgK])
  • k is the specific heat ratio ([ ⁇ ]).
  • the EGR gas flow coefficient ⁇ multiplied by the effective opening area A of the EGR valve is experimentally determined to obtain ⁇ ⁇ A (hereinafter referred to as the isentropic flow coefficient of the nozzle), and the EGR valve opening x egr and the differential pressure between the valves As a function of P in -P out , it can be expressed by the following mathematical formula (9).
  • this function is given as an interpolated value from a map obtained in advance from experimental results.
  • the differential pressure at the inlet / outlet of the EGR valve is small and may become negative depending on the operating condition.
  • a reed valve (check valve) is provided in the EGR passage to prevent backflow of EGR gas and pump out EGR gas by utilizing periodic differential pressure fluctuation caused by pulsation of the cylinder intake / exhaust stroke.
  • Patent Document 1 is also a method of controlling based on the target exhaust gas recirculation amount as a volume flow rate and the differential pressure between the intake pressure and the exhaust pressure, but the mass flow rate of EGR gas is the same as that of the nozzle. Since it is a condition that it can be expressed by an entropy flow, it cannot be applied to an internal combustion engine provided with a reed valve.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an internal combustion engine capable of accurately calculating the mass flow rate of EGR gas even if a reed valve (check valve) is provided in the EGR passage. And a control method thereof.
  • the internal combustion engine of the present invention for solving the above-mentioned object is an internal combustion engine having an EGR system having an EGR valve and a check valve in an EGR passage, and the relationship between the opening degree of the EGR valve and the mass flow rate of EGR gas. Is represented using a first volume flow rate of EGR gas that can be expressed using an isentropic flow equation of the nozzle of the EGR valve and a second volume flow rate of EGR gas pumped out by the check valve. Configured.
  • a check valve is provided in the EGR passage, and even when the mass flow rate of the EGR gas cannot be expressed only by the isentropic flow of the nozzle, the opening degree of the EGR valve and the mass flow rate of the EGR gas are accurately calculated. A relationship can be expressed.
  • control device includes the following formula (1) obtained by dividing the equation of the isentropic flow of the nozzle by the gas density, which represents the first volume flow rate (V 1 ): EGR gas pumping volume flow rate per cylinder (V egr_pump ) representing 2 volume flow rate (V 2 ) and the following equation (2) multiplied by the number of differential pressure fluctuations per unit time.
  • the flow coefficient is ⁇ ([ ⁇ ])
  • the effective opening area of the EGR valve is A ([m 2 ])
  • the EGR valve inlet pressure is P in ([Pa])
  • the EGR valve outlet pressure is P out ([Pa])
  • EGR valve inlet temperature T in [K]
  • gas specific heat R [J / kgK]
  • specific heat ratio k [-]
  • engine speed n eng [Rpm]
  • the value obtained from the crank type is B ([ ⁇ ])
  • the number of cylinders is N cyl ([ ⁇ ]).
  • the value B obtained from the crank type is a value of 360 / ⁇ when the crank type is an ⁇ ° crank.
  • the crank type is 180 ° crank, so that it is 2, and when it is an in-line six cylinder, the crank type is 120 ° crank, it is 3.
  • the control device controls the EGR valve to an opening degree (x egr ) corresponding to a target value of the state quantity of the internal combustion engine
  • a coefficient of an isentropic flow equation of the nozzle From the first opening degree map of the EGR valve based on the pressure ratio before and after the EGR valve, the expression of the isentropic flow of the nozzle according to the opening degree (x egr ) and the current pressure ratio (P out / P in )
  • the control device controls the EGR valve so that the mass flow rate (m egr ) of the EGR gas according to the target value of the state quantity of the internal combustion engine
  • the mass flow rate ( The value calculated by dividing m egr ) by the gas density is used as the first volume flow rate (V 1 ) and the second volume flow rate (V 2 )
  • the coefficients of the isentropic flow equation of the nozzle and the EGR valve from the first opening degree map of the EGR valve based on the pressure ratio across the coefficients of equation isentropic flow nozzle calculated from the first volume flow (V 1) by the equation (1) and (mu ⁇ a)
  • the mass flow rate of EGR gas can be calculated with high accuracy.
  • EGR control which has a mass flow rate calculation model of EGR gas, and controllability can be improved.
  • an opening calculation model of the EGR valve is easily obtained, it can be used not only for feedback control but also for feedforward control, and further controllability can be improved.
  • FIG. 1 is a plan view showing an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing control of the internal combustion engine shown in FIG.
  • FIG. 3 is a graph obtained by measuring the volume flow rate of EGR gas when the opening degree of the EGR valve of the internal combustion engine shown in FIG. 1 is constant, and the volume flow rate that can be expressed by the isentropic flow of the nozzle and the lead The volume flow rate pumped out by the valve.
  • FIG. 4 is a graph obtained by measuring the volume flow rate of EGR gas per cylinder when the opening of the EGR valve of the internal combustion engine shown in FIG. 1 is made constant.
  • FIG. 5 is a graph showing a first opening degree map and a second opening degree map, and (a) is an EGR based on the coefficient of the isentropic flow equation of the nozzle of the EGR valve and the pressure ratio of the inlet and outlet of the EGR valve.
  • FIG. 6B is a first opening degree map showing the opening degree of the valve
  • FIG. 5B is a second opening degree showing the opening degree of the EGR valve based on the EGR gas pumping volume flow rate per cylinder and the pressure ratio of the inlet and outlet of the EGR valve. It is a degree map.
  • FIG. 6 is a block diagram showing an EGR gas mass flow rate calculation model of the internal combustion engine according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram showing an opening calculation model of the EGR valve of the internal combustion engine according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram showing EGR control of the internal combustion engine according to the embodiment of the present invention.
  • an internal combustion engine and a control method thereof will be described with reference to the drawings.
  • an in-line four-cylinder diesel engine will be described as an example.
  • the present invention is not limited to a diesel engine, but can be applied to a gasoline engine.
  • the number of cylinders and the arrangement of cylinders are limited. do not do.
  • Note that the dimensions of the drawings are changed so that the configuration can be easily understood, and the ratios of the thicknesses, widths, lengths, and the like of the respective members and parts do not necessarily match the ratios of actually manufactured parts.
  • an engine (internal combustion engine) 1 includes an engine body 2, an exhaust passage Ex, an intake passage In, and an EGR (exhaust gas recirculation) passage Eg, and further, an exhaust manifold 3, an inlet manifold 4, and a variable A turbocharger 5 comprising a turbine 5a and a compressor 5b, an air cleaner 6, an intercooler 7, an intake throttle 8, an aftertreatment device 9 comprising a DOC (diesel oxidation catalyst) 9a and a DPF (collector) 9b, and EGR (exhaust gas recirculation) ) System 10 is provided.
  • DOC diesel oxidation catalyst
  • DPF collector 9b
  • EGR exhaust gas recirculation
  • the engine 1 also includes an EGR cooler 11, an EGR valve (EGR valve) 12, and a reed valve (check valve) 13 in the EGR system 10.
  • EGR valve EGR valve
  • check valve reed valve
  • the engine 1 includes an ECU (control device) 20 called an engine control unit. Also, a first pressure sensor (pressure sensor at the inlet of the EGR valve 12) 21, a second pressure sensor (pressure sensor at the outlet of the EGR valve 12) 22, a first temperature sensor 23 (temperature sensor at the inlet of the EGR valve 12), A second temperature sensor (temperature sensor at the outlet of the EGR valve 12) 24, a MAF sensor (intake air amount sensor) 25, a NOx sensor 26, and a crank angle sensor 27 are also provided.
  • a first pressure sensor pressure sensor at the inlet of the EGR valve 12
  • a second pressure sensor pressure sensor at the outlet of the EGR valve 12
  • a second temperature sensor temperature sensor at the outlet of the EGR valve 12
  • MAF sensor intake air amount sensor
  • NOx sensor 26 a NOx sensor 26
  • crank angle sensor 27 crank angle sensor
  • the ECU 20 is a microcontroller that comprehensively performs electrical control in charge of control of the engine 1 by an electric circuit, and an EGR system having an EGR gas mass flow rate calculation model S1 and an EGR valve opening calculation model S2.
  • a control means S3 is provided, and the opening degree of the EGR valve 12 is controlled based on the signals detected by the sensors 21 to 27.
  • the engine 1 includes a so-called high-pressure EGR system 10 that recirculates EGR gas from the upstream side of the exhaust gas of the turbocharger 5, the differential pressure at the inlet / outlet of the EGR valve 12 is reduced, and the negative pressure may be reduced depending on the operating state. It becomes. Therefore, the reed valve 13 is provided in the EGR passage Eg to prevent the backflow of the EGR gas and pump out the EGR gas by using the periodic differential pressure fluctuation caused by the pulsation of the cylinder intake / exhaust stroke.
  • the present invention uses a method for calculating the mass flow rate of EGR gas in the engine 1 having the reed valve 13 in the EGR passage Eg. This method will be described.
  • FIG. 3 and FIG. 4 show the results when the volume flow rate of the EGR gas is measured.
  • FIG. 3 shows the volume flow rate V egr of EGR gas when the opening ratio of the EGR valve 12 is fixed to the threshold value xn and the pressure ratio P out / P in of the inlet / outlet of the EGR valve 12 is changed. It is plotted by the difference between 1 , n 2 , and n 3 .
  • FIG. 4 shows the EGR gas pumping volume flow rate V egr_pump per cylinder when the opening degree of the EGR valve 12 is fixed to the threshold value xn and the pressure ratio P out / P in of the inlet / outlet of the EGR valve 12 is changed. It is plotted with the difference between the engine speeds n 1 , n 2 , and n 3 .
  • the tendency of the pressure ratio P out / P in and the volume flow rate V egr of the EGR gas can be divided into two layers.
  • the volume flow rate V egr decreases linearly as the pressure ratio P out / P in increases, and the volume flow rate V egr becomes 0 when the pressure ratio Pout / Pin is 1.
  • This tendency F1 is on the same line even when the engine speeds n 1 , n 2 , and n 3 are different.
  • the inclination varies with the opening degree xn of the EGR valve 12.
  • the tendency F1 are dependent on the degree x n and the pressure ratio P out / P in the EGR valve 12, a phenomenon that can be represented using the formula isentropic flow nozzle of the EGR valve 12.
  • the trends F2 1 to F2 3 tend to occur when the pressure difference between the inlet and outlet of the EGR valve 12 is small or a negative pressure around 1 of the pressure ratio P out / P in.
  • the volume flow rate V egr decreases linearly, but the line is offset by engine speeds n 1 , n 2 , and n 3 .
  • V egr When this volume flow rate V egr is expressed as a volume flow rate of pumping EGR gas per cylinder (also referred to as a volume flow rate of EGR gas pumped by pumping) V egr_pump , FIG. 4 is obtained, and engine speeds n 1 , n 2 , and n Regardless of 3 , it changes on the same line. Although not shown in this figure, if the opening degree xn of the EGR valve 12 is different, the line is also different.
  • the trend F2 is a phenomenon in which the EGR gas is pumped out by utilizing the periodic differential pressure fluctuation caused by the pulsation of the cylinder intake / exhaust stroke, with the reed valve 13 working effectively.
  • the mass flow rate m egr ([kg / s]) of EGR gas of the engine 1 having the reed valve 13 in the EGR passage Eg is expressed by the following mathematical formula (3).
  • the pressure at the inlet of the EGR valve 12 is P in ([Pa])
  • the inlet temperature of the EGR valve 12 is T in ([K])
  • the gas constant is R ([J / kgK])
  • the volume of the EGR gas Let the flow rate be V egr ([m 3 / s]).
  • the volume flow rate V egr of the EGR gas is the trend F1, that is, the first volume flow rate V 1 that can be expressed using the equation of the isentropic flow of the nozzle of the EGR valve 12, and the trend F2, can be represented by the second maximum value of the volume flow V 2 which is pumped by the reed valve 13 can be expressed by equation (4) shown below.
  • the first volume flow rate V 1 can be expressed by the following formula (1) obtained by dividing the isentropic flow formula of the nozzle of the EGR valve 12 by the gas density.
  • k is the specific heat ratio ([ ⁇ ]).
  • the product of the flow coefficient ⁇ and the effective opening area A of the EGR valve 12, that is, the coefficient ⁇ ⁇ A (hereinafter referred to as the coefficient ⁇ ⁇ A) of the isentropic flow equation of the nozzle of the equation (1) is experimentally determined. It can represent with numerical formula (5) shown in.
  • a map that can be represented by the mathematical formula (5) is a first opening degree map M1 shown in FIG.
  • This first opening degree map M1 shows the opening degree x n ⁇ 1 , x n ⁇ 2 , and x n ⁇ of the EGR valve 12 based on the pressure ratio P out / P in of the inlet / outlet of the EGR valve 12 and the coefficient ⁇ ⁇ A.
  • 3 is a map representing 3 .
  • the second volume flow rate V 2 can be expressed by the following equation (2), where EGR gas pumping volume flow rate per cylinder is V egr_pump .
  • the engine speed is n eng ([rpm])
  • the value obtained from the crank type is B ([ ⁇ ])
  • the number of cylinders of the engine body 2 is N cyl ([ ⁇ ]).
  • the value B obtained from the crank type of this embodiment is 360 / ⁇ when the crank type is ⁇ ° crank.
  • the crank type is a 120 ° crank. Therefore, it becomes 3.
  • This mathematical formula (2) may be a product of EGR gas pumping volume flow rate V egr_pump per cylinder and the number of periodic differential pressure fluctuations caused by pulsation of the cylinder intake / exhaust stroke performed per second.
  • V egr_pump is the volumetric flow rate of pumping EGR gas per cylinder, and can be expressed by the following equation (6).
  • a map that can be represented by the mathematical formula (6) is a second opening degree map M2 shown in FIG.
  • This second opening degree map M2 shows the opening ratio x n-1 of the EGR valve 12 based on the pressure ratio P out / P in of the inlet / outlet of the EGR valve 12 and the volume flow rate of pumping EGR gas per cylinder based on V egr_pump , It is a map showing xn-2 and xn-3 . If the opening degrees x n-1 , x n-2 , and x n-3 of the EGR valve 12 are different, the lines are different.
  • volume flow V egr of the EGR gas that varies in two trends F1 and F2
  • volume flow V 1 and tendency can be represented by the tendency F1 Since it can be represented by the volume flow rate V 2 that can be represented by F2, the mass flow rate megr of EGR gas can be calculated with high accuracy.
  • the mass flow rate calculation model S1 (a method for calculating the mass flow rate m egr of EGR gas from the opening degree x egr of the EGR valve 12) will be described with reference to FIG.
  • (1) to (4) represent the above mathematical expressions (1) to (4).
  • the mass flow rate calculation model S1 is detected by the opening degree x egr of the EGR valve 12 corresponding to the target value of the state quantity of the engine 1 (for example, the NOx emission amount detected by the NOx sensor 26), and the second pressure sensor 22.
  • the engine speed n eng detected by the crank angle sensor 27 is input.
  • the coefficient of the isentropic flow equation of the nozzle according to the opening degree x egr of the EGR valve 12 and the pressure ratio P out / P in of the inlet / outlet of the EGR valve 12 ⁇ ⁇ A is calculated.
  • the first volume flow rate V 1 is calculated from the above mathematical formula (1).
  • the EGR gas pumping volume flow rate per cylinder corresponding to the opening degree x egr of the EGR valve 12 and the pressure ratio P out / P in of the inlet / outlet of the EGR valve 12 V egr_pump is calculated.
  • the second volume flow rate V 2 is calculated from the above mathematical formula (2).
  • the larger one of the first volume flow rate V 1 and the second volume flow rate V 2 is defined as the EGR gas volume flow rate V egr, and then from the above equation (3), The mass flow rate m egr of the EGR gas is calculated.
  • the EGR gas mass flow rate m egr can be expressed using the equation of the isentropic flow of the nozzle of the EGR valve 12. It can be calculated from the first volume flow rate V 1 that can be generated and the periodic differential pressure fluctuation caused by the pulsation of the cylinder intake / exhaust stroke, that is, the second volume flow rate V 2 pumped out by the pumping operation.
  • the mass flow rate m egr of the EGR gas can be accurately calculated from the opening degree x egr of the EGR valve 12, it can be applied to the control of the EGR valve 12 having the EGR gas mass flow rate calculation model S1. , Controllability can be improved.
  • the target value is set as the target intake oxygen concentration m O2_dem that can suppress the NOx emission amount m NOx.
  • the intake air amount m air detected by the MAF sensor 25 and the mass flow rate m egr of the EGR gas calculated by the EGR gas mass flow rate calculation model S1 are used as the detectable physical quantities.
  • the opening degree x egr of the EGR valve 12 is determined according to the target intake oxygen concentration m O2_dem for keeping the NOx emission amount m NOx low, and the ECU 20 controls the EGR valve 12.
  • an actual intake oxygen concentration m O2 is calculated from the intake air intake amount m air detected by the MAF sensor 25 and the mass flow rate m egr of the EGR gas calculated by the mass flow rate calculation model S1, and the value is calculated. Feedback. From the deviation between the target intake oxygen concentration m the actual intake and O2_dem oxygen concentration m O2, adjusting the opening x egr of the EGR valve 12.
  • the EGR valve 12 is controlled in accordance with the target value of the state quantity (for example, NOx emission amount) of the engine 1, and a detectable physical quantity that changes with the control is fed back.
  • the EGR system 10 can be controlled so as to match the target value of the EGR system, and the controllability of the EGR system 10 can be improved.
  • FIG. 7 shows an EGR valve opening calculation model (a method of calculating the opening x egr of the EGR valve 12 from the mass flow rate m egr of EGR gas) S2, which is an inverse model of the EGR gas mass flow calculation model S1.
  • EGR valve opening calculation model a method of calculating the opening x egr of the EGR valve 12 from the mass flow rate m egr of EGR gas
  • S2 is an inverse model of the EGR gas mass flow calculation model S1.
  • the opening calculation model S ⁇ b > 2 includes an EGR gas mass flow rate m egr , an outlet pressure P out detected by the second pressure sensor 22, and a first pressure sensor 21.
  • the detected pressure P in at the inlet of the EGR valve 12, the temperature T in at the inlet of the EGR valve 12 detected by the first temperature sensor 23, and the engine speed n eng detected by the crank angle sensor 27 are input.
  • the volume flow rate V egr of EGR gas is calculated from Equation (3).
  • the volume flow rate V egr of the EGR gas is defined as a first volume flow rate V 1 and a second volume flow rate V 2 , respectively.
  • the coefficient ⁇ ⁇ A of the isentropic flow equation of the nozzle is calculated from the equation (1) using the first volume flow rate V 1 .
  • the first target opening degree x egr_1 of the EGR valve 12 corresponding to the coefficient ⁇ ⁇ A and the pressure ratio P out / P in of the inlet / outlet of the EGR valve 12 is calculated. To do.
  • the EGR gas pumping volume flow rate V egr_pump per cylinder is calculated from the formula (2) using the second volume flow rate V2.
  • the EGR valve 12 of the EGR valve 12 according to the EGR gas pumping volume flow rate V egr_pump per cylinder and the pressure ratio P out / P in of the inlet / outlet of the EGR valve 12 is referred to. 2 Calculate the target opening x egr_2 .
  • the smaller one of the first target opening x egr_1 and the second target opening x egr_2 is defined as the opening x egr of the EGR valve 12 from the following mathematical formula (7).
  • the present invention is applied to the control of the EGR valve 12 having the EGR valve opening degree calculation model S2. And controllability can be improved.
  • the EGR valve opening calculation model S2 is obtained by converting the EGR gas mass flow calculation model S1 into an inverse model, and can be easily obtained.
  • the target value is set as the target intake oxygen concentration m O2_dem that can suppress the NOx emission amount m NOx.
  • the intake air amount m air detected by the MAF sensor 25 is used as a detectable physical quantity.
  • the EGR valve 12 is controlled in accordance with the target value of the state quantity (for example, NOx emission amount) of the engine 1, and the detectable physical quantity that changes due to the disturbance at that time is a predetermined physical quantity target value. Therefore, the EGR system 10 can be feedforward controlled so that the controllability of the EGR system 10 can be further improved.
  • the target value of the state quantity for example, NOx emission amount
  • the method for controlling the opening degree of the EGR valve 12 shown in FIG. 8 is EGR control using the NOx emission amount as a control amount, and the opening degree of the EGR valve 12 is controlled by feedback control (also referred to as PID control) and feedforward control. How to control.
  • the intake air intake amount m air detected by the MAF sensor 25 and the EGR gas mass flow rate m egr are detected as physical quantities as shown in FIG. feeding back the calculated possible intake oxygen concentration m O2 using, as the predetermined physical quantity, and controls the opening degree of the EGR valve 12 so as to coincide with the target intake oxygen concentration m O2_dem.
  • the difference between the target emission amount of NOx and the actual emission amount can be adjusted.
  • the EGR gas mass flow rate m egr is accurately calculated from the opening degree x egr of the EGR valve 12 by feedback control using the EGR gas mass flow rate calculation model S1, and accurate numerical values are fed back. Therefore, the controllability of the EGR system 10 can be improved.
  • the mass flow rate m egr of the EGR gas required according to the disturbance is obtained, and the opening x egr of the EGR valve 12 is accurately calculated from the mass flow rate megr. Since the deviation between the target value and the actual value can be suppressed, controllability can be further improved.
  • control method using the NOx emission amount as the control amount has been described as an example.
  • the present invention is not limited to this, and for example, the air-fuel ratio or PM (particulate matter) may be used as the control amount.
  • the present invention can also be applied to a control method using only feedback control, cascade control in which a plurality of feedback controls function together, and the like.
  • EGR gas mass flow rate calculation model S1 using the above formulas (1) to (6), or the EGR valve opening calculation model S2 using the above formulas (1) to (5) and (7). Can be easily applied to an engine having no reed valve, and the controllability of the EGR valve 12 can be improved.
  • the internal combustion engine of the present invention can accurately calculate the mass flow rate of the EGR gas from the opening degree of the EGR valve, and can accurately calculate the opening degree of the EGR valve from the mass flow rate of the EGR gas.
  • the controllability of the EGR system can be improved by applying it to various control methods such as feedback control and feedforward control, so an engine equipped with an EGR system having a reed valve in the EGR passage is mounted. It can be used for vehicles such as trucks.

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Abstract

　ＥＧＲ通路ＥｇにＥＧＲバルブ１２とリードバルブ１３とを有するＥＧＲシステム１０を備え、ＥＧＲバルブ１２の開度ｘｅｇｒとＥＧＲガスの質量流量ｍｅｇｒとの関係を、ＥＧＲバルブ１２のノズルの等エントロピー流れの式を用いて表せるＥＧＲガスの第１体積流量Ｖ１と、リードバルブ１３により汲み出されるＥＧＲガスの第２体積流量Ｖ２とを用いて表す制御装置２０を備えるので、ＥＧＲ通路にリードバルブ（逆止弁）を備えても、精度良くＥＧＲガスの質量流量を算出することができる。

Description

内燃機関とその制御方法
　本発明は、ＥＧＲ（排ガス再循環）システムを備え、還流するＥＧＲガスの流量を制御する内燃機関とその制御方法に関する。
　従来技術においては、ＥＧＲ（排ガス再循環）システムを備えて、ディーゼルエンジンなどの内燃機関の排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低く抑えている。このとき、検出可能な物理量をフィードバックし、予め定められた物理量の目標値と一致するようにＥＧＲ通路に備えたＥＧＲバルブを制御して、還流するＥＧＲガスの質量流量を調節している。
　そこで、質量流量として設定された目標排気還流量を体積流量に変換し、該体積流量としての目標排気還流量に基づき前記排気還流経路の目標面積を決定する装置がある（例えば、特許文献１参照）。この装置は、運転条件に応じて、排ガスの質量流量を設定することができ、排気還流経路の目標面積の高精度な制御を図ることができる。
　上記の装置は、ＥＧＲガスの体積流量が、排気還流経路の一定の通路面積において、前後差圧の１／２乗に比例することから、体積流量としての目標排気還流量と、吸気圧と排気圧との差圧とに基づいて、目標排気還流量を得られる目標面積を求めている。
　現状の技術では、ＥＧＲガスの質量流量を直接検出することは困難であり、そこで、上記の装置のように、エンジン吸排気系状態量を計算で求める内部演算モデルの制御ロジックで、ＥＧＲガスの質量流量を算出している。
　通常、ＥＧＲバルブを通過するＥＧＲガスの質量流量はノズルの等エントロピー流れとして扱うことができるので、下記の数式（８）より表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ここで、ｍｅｇｒをＥＧＲバルブを通過するＥＧＲガスの質量流量（［ｋｇ／ｓ］）、μを流量係数（［－］）、ＡをＥＧＲバルブの有効開口面積（［ｍ２］）、ＰｉｎをＥＧＲバルブの入口の圧力（［Ｐａ］）、ＰｏｕｔをＥＧＲバルブの出口の圧力（［Ｐａ］）、ＴｉｎをＥＧＲバルブの入口の温度（［Ｋ］）、Ｒをガス定数（［Ｊ／ｋｇＫ］）、ｋを比熱比（［－］）とする。
　ＥＧＲガスの流量係数μにＥＧＲバルブの有効開口面積Ａを掛け合わせたμ・Ａ（以下、ノズルの等エントロピー流れの係数という）を実験的に求め、ＥＧＲバルブ開度ｘｅｇｒとバルブ間差圧Ｐｉｎ－Ｐｏｕｔの関数として、下記の数式（９）より表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　実質この関数は予め実験結果より求められたマップからの補間値として与えられる。
　エンジンの仕様によっては、ＥＧＲバルブの出入口の差圧が小さく、運転状態により負圧となるものがある。このようなエンジンではＥＧＲ通路内にリードバルブ（逆止弁）を設け、ＥＧＲガスの逆流を防ぐと共に、シリンダ吸排気行程の脈動により生じる周期的な差圧変動を利用してＥＧＲガスを汲み出している。
　このように、ＥＧＲバルブの出入口の差圧が小さく、又は負圧となるような状態ではリードバルブが有効に働き、ＥＧＲガスを汲み出すポンピング動作によりＥＧＲガスの流れが生じるため、ノズルの等エントロピー流れでは表せず、上記の数式（８）による質量流量の算出ができない。
　また、前述の特許文献１の方法も、体積流量としての目標排気還流量と、吸気圧と排気圧との差圧とに基づいて制御する方法であるが、ＥＧＲガスの質量流量がノズルの等エントロピー流れで表せることが条件であるため、リードバルブも設けた内燃機関では適用することができない。
特開平１０－１８９１８号公報
　本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、ＥＧＲ通路にリードバルブ（逆止弁）を備えても、精度良くＥＧＲガスの質量流量を算出することができる内燃機関とその制御方法を提供することである。
　上記の目的を解決するための本発明の内燃機関は、ＥＧＲ通路にＥＧＲ弁と逆止弁とを有するＥＧＲシステムを備える内燃機関において、前記ＥＧＲ弁の開度とＥＧＲガスの質量流量との関係を、前記ＥＧＲ弁のノズルの等エントロピー流れの式を用いて表せるＥＧＲガスの第１体積流量と、前記逆止弁により汲み出されるＥＧＲガスの第２体積流量とを用いて表す制御装置を備えて構成される。
　この構成によれば、ＥＧＲ通路に逆止弁を備え、ＥＧＲガスの質量流量をノズルの等エントロピー流れのみで表すことができない場合でも、正確にＥＧＲ弁の開度とＥＧＲガスの質量流量との関係を表すことができる。
　また、上記の内燃機関において、前記制御装置が、前記第１体積流量（Ｖ１）を表した、前記ノズルの等エントロピー流れの式をガス密度で除した下記の数式（１）と、前記第２体積流量（Ｖ２）を表した、一気筒当りのＥＧＲガス汲み出し体積流量（Ｖｅｇｒ＿ｐｕｍｐ）と単位時間当りの差圧変動の回数とを乗じた下記の数式（２）と、を備える。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　ここで、流量係数をμ（［－］）、ＥＧＲ弁の有効開口面積をＡ（［ｍ２］）、ＥＧＲ弁の入口の圧力をＰｉｎ（［Ｐａ］）、ＥＧＲ弁の出口の圧力をＰｏｕｔ（［Ｐａ］）、ＥＧＲ弁の入口温度をＴｉｎ（［Ｋ］）、ガス比熱をＲ（［Ｊ／ｋｇＫ］）、比熱比をｋ（［－］）、エンジン回転数をｎｅｎｇ（［ｒｐｍ］）、クランク形式から求まる値をＢ（［－］）、及び気筒数をＮｃｙｌ（［－］）とする。
　ここでいう、クランク形式から求まる値Ｂは、クランク形式がα°クランクの場合に３６０／αとなる値である。例えば、内燃機関の気筒配列が直列四気筒の場合では、クランク形式が１８０°クランクであるため２となり、また、直列六気筒であれば、クランク形式が１２０°クランクであるため３となる。
　この構成によれば、ＥＧＲ弁の開度からＥＧＲガスの質量流量を、又はＥＧＲガスの質量流量からＥＧＲ弁の開度を正確に算出することができる。これにより、ＥＧＲ通路に逆止弁を備える内燃機関でも、ＥＧＲガスの質量流量を制御することができる。
　加えて、上記の内燃機関において、前記制御装置が、前記ＥＧＲ弁を内燃機関の状態量の目標値に応じた開度（ｘｅｇｒ）に制御するときに、ノズルの等エントロピー流れの式の係数とＥＧＲ弁の前後の圧力比に基づくＥＧＲ弁の第１開度マップから、前記開度（ｘｅｇｒ）と、現圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）に応じたノズルの等エントロピー流れの式の係数（μ・Ａ）を求めて、前記数式（１）より前記第１体積流量（Ｖ１）を算出する第１手段と、一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量とＥＧＲ弁の前後の圧力比に基づくＥＧＲ弁の第２開度マップから、前記開度（ｘｅｇｒ）と、現圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）に応じた内燃機関の一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量（Ｖｅｇｒ＿ｐｕｍｐ）を求めて、前記数式（２）より前記第２体積流量（Ｖ２）を算出する第２手段と、前記第１手段と前記第２手段の後に、前記第１体積流量（Ｖ１）と前記第２体積流量（Ｖ２）の大きい方にガス密度を乗じて前記質量流量（ｍｅｇｒ）を算出する第３手段と、を備えると、ＥＧＲ弁の開度から正確にＥＧＲガスの質量流量を算出することができる。これにより、所謂フィードバック制御に上記のＥＧＲガスの質量流量の算出モデルを用いることができるので、ＥＧＲシステムの制御性の向上を図ることができる。
　さらに、上記の内燃機関において、前記制御装置が、前記ＥＧＲ弁を内燃機関の状態量の目標値に応じたＥＧＲガスの質量流量（ｍｅｇｒ）となるように制御するときに、前記質量流量（ｍｅｇｒ）をガス密度で除して算出した値を前記第１体積流量（Ｖ１）と前記第２体積流量（Ｖ２）として用いて、ノズルの等エントロピー流れの式の係数とＥＧＲ弁の前後の圧力比に基づくＥＧＲ弁の第１開度マップから、前記第１体積流量（Ｖ１）から前記数式（１）により算出されるノズルの等エントロピー流れの式の係数（μ・Ａ）と、現圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）とに応じた第１目標開度（ｘｅｇｒ＿１）を求める第４手段と、一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量とＥＧＲ弁の前後の圧力比に基づくＥＧＲ弁の第２開度マップから、前記第２体積流量（Ｖ２）から前記数式（２）より算出される一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量（Ｖｅｇｒ＿ｐｕｍｐ）と、現圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）とに応じた第２目標開度（ｘｅｇｒ＿２）を求める第５手段と、前記第４手段と前記第５手段の後に、前記第１目標開度（ｘｅｇｒ＿１）と前記第２目標開度（ｘｅｇｒ＿２）の小さい方を前記開度（ｘｅｇｒ）とする第６手段と、を備えると、必要なＥＧＲガスの質量流量から正確にＥＧＲ弁の開度を算出することができる。これにより、所謂フィードフォワード制御に上記のＥＧＲ弁の開度の算出モデルを用いることができるので、よりＥＧＲシステムの制御性の向上を図ることができる。
　本発明によれば、ＥＧＲ通路にリードバルブ（逆止弁）を備えても、精度良くＥＧＲガスの質量流量を算出することができる。これにより、ＥＧＲガスの質量流量算出モデルを有するＥＧＲ制御に適用することができ、制御性を向上することができる。また、ＥＧＲ弁の開度算出モデルも容易に求められるため、フィードバック制御のみならずフィードフォワード制御にも活用でき更なる制御性の向上を図ることができる。
図１は、本発明に係る実施の形態の内燃機関を示した平面図である。 図２は、図１に示す内燃機関の制御を示した概略図である。 図３は、図１に示す内燃機関のＥＧＲバルブの開度を一定にしたときの、ＥＧＲガスの体積流量を計測したグラフであり、ノズルの等エントロピー流れで表すことができる体積流量と、リードバルブにより汲み出される体積流量とを示す。 図４は、図１に示す内燃機関のＥＧＲバルブの開度を一定にしたときの、一気筒当たりのＥＧＲガスの汲み出し体積流量を計測したグラフである。 図５は、第１開度マップと第２開度マップを示したグラフであり、（ａ）は、ＥＧＲバルブのノズルの等エントロピー流れの式の係数とＥＧＲバルブの出入口の圧力比に基づくＥＧＲバルブの開度を示した第１開度マップであり、（ｂ）は、一気筒あたりのＥＧＲガス汲み出し体積流量とＥＧＲバルブの出入口の圧力比に基づくＥＧＲバルブの開度を示した第２開度マップである。 図６は、本発明に係る実施の形態の内燃機関のＥＧＲガスの質量流量算出モデルを示したブロック図である。 図７は、本発明に係る実施の形態の内燃機関のＥＧＲ弁の開度算出モデルを示したブロック図である。 図８は、本発明に係る実施の形態の内燃機関のＥＧＲ制御を示したブロック線図である。
　以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関とその制御方法について、図面を参照しながら説明する。この実施の形態は、直列四気筒のディーゼルエンジンを例に説明するが、本発明はディーゼルエンジンに限定せずに、ガソリンエンジンにも適用することができ、その気筒数や、気筒の配列は限定しない。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように寸法を変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さなどの比率も必ずしも実際に製造するものの比率とは一致させていない。
　まず、本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関について、図１及び２を参照しながら説明する。図１に示すように、エンジン（内燃機関）１は、エンジン本体２、排気通路Ｅｘ、吸気通路Ｉｎ、及びＥＧＲ（排ガス再循環）通路Ｅｇを備え、さらに、エキゾーストマニホールド３、インレットマニホールド４、可変タービン５ａとコンプレッサ５ｂからなるターボチャージャー５、エアクリーナー６、インタークーラー７、吸気スロットル８、ＤＯＣ（ディーゼル酸化触媒）９ａとＤＰＦ（捕集装置）９ｂからなる後処理装置９、及びＥＧＲ（排ガス再循環）システム１０を備える。
　また、このエンジン１は、ＥＧＲシステム１０に、ＥＧＲクーラー１１、ＥＧＲバルブ（ＥＧＲ弁）１２、及びリードバルブ（逆止弁）１３を備える。
　加えて、図２に示すように、このエンジン１は、エンジンコントロールユニットと呼ばれるＥＣＵ（制御装置）２０を備える。また、第１圧力センサ（ＥＧＲバルブ１２の入口の圧力センサ）２１、第２圧力センサ（ＥＧＲバルブ１２の出口の圧力センサ）２２、第１温度センサ２３（ＥＧＲバルブ１２の入口の温度センサ）、第２温度センサ（ＥＧＲバルブ１２の出口の温度センサ）２４、ＭＡＦセンサ（吸入空気量センサ）２５、ＮＯｘセンサ２６、及びクランク角センサ２７も備える。
　このＥＣＵ２０は、電気回路によってエンジン１の制御を担当している電気的な制御を総合的に行うマイクロコントローラであり、ＥＧＲガス質量流量算出モデルＳ１とＥＧＲ弁開度算出モデルＳ２とを有するＥＧＲシステム制御手段Ｓ３を備え、各センサ２１～２７の検知した信号に基づいて、ＥＧＲバルブ１２の開度を制御している。
　このエンジン１は、ターボチャージャー５の排ガス上流側からＥＧＲガスを還流させる、所謂高圧式のＥＧＲシステム１０を備えているため、ＥＧＲバルブ１２の出入口の差圧が小さくなり、運転状態によっては負圧となる。そこで、ＥＧＲ通路Ｅｇ内にリードバルブ１３を設け、ＥＧＲガスの逆流を防ぐと共に、シリンダ吸排気行程の脈動により生じる周期的な差圧変動を利用してＥＧＲガスを汲み出すことができる。
　しかし、このエンジン１は、ＥＧＲ通路Ｅｇにリードバルブ１３を備えるため、従来の方法では、ＥＧＲガスの質量流量を正確に算出することができない。そこで、本発明ではＥＧＲ通路Ｅｇにリードバルブ１３を有するエンジン１において、ＥＧＲガスの質量流量を算出する方法を用いている。この方法について説明する。
　ここで図３と図４にＥＧＲガスの体積流量を計測したときの結果を示す。図３は、ＥＧＲバルブ１２の開度を閾値ｘｎに固定し、ＥＧＲバルブ１２の出入口の圧力比Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎを変化させたときのＥＧＲガスの体積流量Ｖｅｇｒを、エンジン回転数ｎ１、ｎ２、及びｎ３の違いでプロットしたものである。図４は、ＥＧＲバルブ１２の開度を閾値ｘｎに固定し、ＥＧＲバルブ１２の出入口の圧力比Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎを変化させたときの一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量Ｖｅｇｒ＿ｐｕｍｐをエンジン回転数ｎ１、ｎ２、及びｎ３の違いでプロットしたものである。
　図３に示すように、圧力比Ｐｏｕｔ／ＰｉｎとＥＧＲガスの体積流量Ｖｅｇｒの傾向は二つに層別することができる。図中の傾向Ｆ１は圧力比Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎの増加と共に体積流量Ｖｅｇｒが線形に減少し、圧力比Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎが１で体積流量Ｖｅｇｒが０となる。この傾向Ｆ１はエンジン回転数ｎ１、ｎ２、及びｎ３の違いにおいても同一ライン上にあり、この図では示していないがＥＧＲバルブ１２の開度ｘｎが異なれば傾きも異なる。
　つまり、傾向Ｆ１はＥＧＲバルブ１２の開度ｘｎと圧力比Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎに依存するものであり、ＥＧＲバルブ１２のノズルの等エントロピー流れの式を用いて表すことができる現象である。
　一方、傾向Ｆ２１～Ｆ２３は、圧力比Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎの１近辺で、ＥＧＲバルブ１２の入口と出口の圧力差が小さい場合か、負圧の場合に生じる傾向であり、圧力比Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎの増加に伴い体積流量Ｖｅｇｒは線形に減少するが、そのラインはエンジン回転数ｎ１、ｎ２、及びｎ３によりオフセットされる。
　この体積流量Ｖｅｇｒを一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量（ポンピングにより汲み出されるＥＧＲガスの体積流量ともいう）Ｖｅｇｒ＿ｐｕｍｐとして表すと図４となり、エンジン回転数ｎ１、ｎ２、及びｎ３によらず同一のライン上で変化する。この図では示していないがＥＧＲバルブ１２の開度ｘｎが異なればラインも異なる。
　つまり、傾向Ｆ２はリードバルブ１３が有効に働き、シリンダ吸排気行程の脈動により生じる周期的な差圧変動を利用してＥＧＲガスを汲み出している現象である。
　ＥＧＲ通路Ｅｇ内にリードバルブ１３を有するエンジン１のＥＧＲガスの質量流量ｍｅｇｒ（［ｋｇ／ｓ］）は、次に示す数式（３）が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　ここで、ＥＧＲバルブ１２の入口の圧力をＰｉｎ（［Ｐａ］）、ＥＧＲバルブ１２の入口温度をＴｉｎ（［Ｋ］）、ガス定数をＲ（［Ｊ／ｋｇＫ］）、ＥＧＲガスの体積流量をＶｅｇｒ（［ｍ３／ｓ］）とする。
　ＥＧＲガスの体積流量Ｖｅｇｒは、図３及び図４より、傾向Ｆ１、つまりＥＧＲバルブ１２のノズルの等エントロピー流れの式を用いて表すことのできる第１体積流量Ｖ１と、傾向Ｆ２、つまりリードバルブ１３により汲み出される第２体積流量Ｖ２の最大値で表すことができ、次に示す数式（４）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　第１体積流量Ｖ１は、ＥＧＲバルブ１２のノズルの等エントロピー流れの式をガス密度で除した、次に示す数式（１）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　ここで、μを流量係数（［－］）、ＡをＥＧＲバルブ１２の有効開口面積（［ｍ２］）、ＰｉｎをＥＧＲバルブ１２の入口の圧力（［Ｐａ］）、ＰｏｕｔをＥＧＲバルブ１２の出口の圧力（［Ｐａ］）、ｋを比熱比（［－］）とする。
　流量係数μとＥＧＲバルブ１２の有効開口面積Ａの積、つまり数式（１）のノズルの等エントロピー流れの式の係数μ・Ａ（以下、係数μ・Ａという）は実験的に求められ、次に示す数式（５）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　この数式（５）で表すことができるマップを、図５の（ａ）に示す第１開度マップＭ１とする。この第１開度マップＭ１は、ＥＧＲバルブ１２の出入口の圧力比Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎと、係数μ・Ａに基づくＥＧＲバルブ１２の開度ｘｎ－１、ｘｎ－２、及びｘｎ－３を表したマップである。ＥＧＲバルブ１２の開度ｘｎ－１、ｘｎ－２、及びｘｎ－３が異なると、その傾きは異なる。
　第２体積流量Ｖ２は、一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量をＶｅｇｒ＿ｐｕｍｐとすると、次に示す数式（２）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　ここで、エンジン回転数をｎｅｎｇ（［ｒｐｍ］）、クランク形式から求まる値をＢ（［－］）、エンジン本体２の気筒数をＮｃｙｌ（［－］）とする。この実施の形態のクランク形式から求まる値Ｂは、クランク形式がα°クランクの場合に３６０／αとなる。この実施の形態では、エンジン１の気筒配列が直列四気筒であり、クランク形式が１８０°クランクであるため、２となるが、例えば、直列六気筒であれば、クランク形式が１２０°クランクであるため、３となる。
　この数式（２）は、一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量Ｖｅｇｒ＿ｐｕｍｐと、一秒間に行われるシリンダ吸排気行程の脈動により生ずる周期的な差圧変動の回数の積であればよい。
　一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量をＶｅｇｒ＿ｐｕｍｐは実験的に求められ、次に示す数式（６）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　この数式（６）で表すことができるマップを、図５の（ｂ）に示す第２開度マップＭ２とする。この第２開度マップＭ２は、ＥＧＲバルブ１２の出入口の圧力比Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎと、一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量をＶｅｇｒ＿ｐｕｍｐに基づくＥＧＲバルブ１２の開度ｘｎ－１、ｘｎ－２、及びｘｎ－３を表したマップである。ＥＧＲバルブ１２の開度ｘｎ－１、ｘｎ－２、及びｘｎ－３が異なると、そのラインは異なる。
　上記の構成によれば、ＥＧＲ通路Ｅｇにリードバルブ１３を設けることで、二つの傾向Ｆ１とＦ２で変化するＥＧＲガスの体積流量Ｖｅｇｒを、傾向Ｆ１で表すことができる体積流量Ｖ１と傾向Ｆ２で表すことができる体積流量Ｖ２で表すことができるので、ＥＧＲガスの質量流量ｍｅｇｒを精度良く算出することができる。
　次に、上記の数式（１）～（６）、及び図５の（ａ）に示す第１開度マップＭ１と図５の（ｂ）に示す第２開度マップＭ２とを用いたＥＧＲガス質量流量算出モデルＳ１（ＥＧＲバルブ１２の開度ｘｅｇｒからＥＧＲガスの質量流量ｍｅｇｒを算出する方法）について、図６を参照しながら説明する。なお、図中の（１）～（４）は上記の数式（１）～（４）を示す。
　まず、この質量流量算出モデルＳ１は、エンジン１の状態量の目標値（例えば、ＮＯｘセンサ２６の検知するＮＯｘ排出量）に応じたＥＧＲバルブ１２の開度ｘｅｇｒ、第２圧力センサ２２で検知されたＥＧＲバルブ１２の出口の圧力Ｐｏｕｔ、第１圧力センサ２１で検知されたＥＧＲバルブ１２の入口の圧力Ｐｉｎ、第１温度センサ２３で検知されたＥＧＲバルブ１２の入口の温度Ｔｉｎ、及びクランク角センサ２７で検知されたエンジン回転数ｎｅｎｇを入力する。
　次に、第１開度マップＭ１を参照して、ＥＧＲバルブ１２の開度ｘｅｇｒと、ＥＧＲバルブ１２の出入口の圧力比Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎとに応じたノズルの等エントロピー流れの式の係数μ・Ａを算出する。次に、上記の数式（１）より、第１体積流量Ｖ１を算出する。
　一方、第２開度マップＭ２を参照して、ＥＧＲバルブ１２の開度ｘｅｇｒと、ＥＧＲバルブ１２の出入口の圧力比Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎとに応じた一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量Ｖｅｇｒ＿ｐｕｍｐを算出する。次に、上記の数式（２）より、第２体積流量Ｖ２を算出する。
　次に、上記の数式（４）より、第１体積流量Ｖ１と第２体積流量Ｖ２の値の大きい方をＥＧＲガスの体積流量Ｖｅｇｒとし、次に、上記の数式（３）より、ＥＧＲガスの質量流量ｍｅｇｒを算出する。
　このＥＧＲガス質量流量算出モデルＳ１によれば、ＥＧＲ通路Ｅｇにリードバルブ１３を設けても、ＥＧＲガスの質量流量ｍｅｇｒを、ＥＧＲバルブ１２のノズルの等エントロピー流れの式を用いて表すことができる第１体積流量Ｖ１と、シリンダ吸排気行程の脈動による生じる周期的な差圧変動、つまりポンピング動作により汲み出される第２体積流量Ｖ２とから、算出することができる。
　これにより、ＥＧＲバルブ１２の開度ｘｅｇｒから、ＥＧＲガスの質量流量ｍｅｇｒを精度良く算出することができるため、ＥＧＲガス質量流量算出モデルＳ１を有するＥＧＲバルブ１２の制御に適用することができ、制御性を向上することができる。
　例えば、ＮＯｘセンサ２６で検知されるＮＯｘ排出量ｍＮＯｘを制御量とするＥＧＲシステム１０の制御において、目標値を、ＮＯｘ排出量ｍＮＯｘを抑制することができる目標吸気酸素濃度ｍＯ２＿ｄｅｍとして設定し、検出可能な物理量として、ＭＡＦセンサ２５で検知される吸入吸気量ｍａｉｒと、ＥＧＲガスの質量流量算出モデルＳ１で算出されるＥＧＲガスの質量流量ｍｅｇｒとを用いるとする。
　まず、ＮＯｘ排出量ｍＮＯｘを低く抑えるための目標吸気酸素濃度ｍＯ２＿ｄｅｍに応じたＥＧＲバルブ１２の開度ｘｅｇｒが定められ、ＥＣＵ２０はＥＧＲバルブ１２を制御する。次に、ＭＡＦセンサ２５で検知された吸入吸気量ｍａｉｒと、質量流量算出モデルＳ１で算出されたＥＧＲガスの質量流量ｍｅｇｒとから、実際の吸気酸素濃度ｍＯ２を算出して、その値をフィードバックする。目標吸気酸素濃度ｍＯ２＿ｄｅｍと実際の吸気酸素濃度ｍＯ２との偏差から、ＥＧＲバルブ１２の開度ｘｅｇｒを調節する。
　以上の動作により、エンジン１の状態量（例えば、ＮＯｘ排出量）の目標値に応じてＥＧＲバルブ１２を制御し、その制御に伴って変化する検出可能な物理量をフィードバックし、予め定められた物理量の目標値と一致するようにＥＧＲシステム１０を制御することができ、ＥＧＲシステム１０の制御性を向上することができる。
　次に、上記のＥＧＲガス質量流量算出モデルＳ１の逆モデルであるＥＧＲ弁開度算出モデル（ＥＧＲガスの質量流量ｍｅｇｒからＥＧＲバルブ１２の開度ｘｅｇｒを算出する方法）Ｓ２について、図７を参照しながら説明する。なお、図中の（１）、（２）、（３）、（７）は上記の数式（１）、（２）、（３）、（７）を示す。
　まず、この開度算出モデルＳ２は、図７に示すように、ＥＧＲガスの質量流量ｍｅｇｒ、第２圧力センサ２２で検知されたＥＧＲバルブ１２の出口の圧力Ｐｏｕｔ、第１圧力センサ２１で検知されたＥＧＲバルブ１２の入口の圧力Ｐｉｎ、第１温度センサ２３で検知されたＥＧＲバルブ１２の入口の温度Ｔｉｎ、及びクランク角センサ２７で検知されたエンジン回転数ｎｅｎｇを入力する。次に、数式（３）より、ＥＧＲガスの体積流量Ｖｅｇｒを算出する。このＥＧＲガスの体積流量Ｖｅｇｒをそれぞれ第１体積流量Ｖ１、また第２体積流量Ｖ２とする。
　次に、第１体積流量Ｖ１を用いて数式（１）より、ノズルの等エントロピー流れの式の係数μ・Ａを算出する。次に、第１開度マップＭ１を参照して、係数μ・Ａと、ＥＧＲバルブ１２の出入口の圧力比Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎとに応じたＥＧＲバルブ１２の第１目標開度ｘｅｇｒ＿１を算出する。
　一方、第２体積流量Ｖ２を用いて数式（２）より、一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量Ｖｅｇｒ＿ｐｕｍｐを算出する。次に、第２開度マップＭ２を参照して、一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量Ｖｅｇｒ＿ｐｕｍｐと、ＥＧＲバルブ１２の出入口の圧力比Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎとに応じたＥＧＲバルブ１２の第２目標開度ｘｅｇｒ＿２を算出する。
　次に、下記の数式（７）より、第１目標開度ｘｅｇｒ＿１と第２目標開度ｘｅｇｒ＿２の小さい方をＥＧＲバルブ１２の開度ｘｅｇｒとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　これにより、必要なＥＧＲガスの質量流量ｍｅｇｒから、ＥＧＲバルブ１２の開度ｘｅｇｒを精度良く算出することができるため、ＥＧＲ弁開度算出モデルＳ２を有するＥＧＲバルブ１２の制御に適用することができ、制御性を向上することができる。また、このＥＧＲ弁開度算出モデルＳ２は、前述のＥＧＲガスの質量流量算出モデルＳ１を逆モデルに変換したものであり、容易に求めることができる。
　例えば、ＮＯｘセンサ２６で検知されるＮＯｘ排出量ｍＮＯｘを制御量とするＥＧＲシステム１０の制御において、目標値を、ＮＯｘ排出量ｍＮＯｘを抑制することができる目標吸気酸素濃度ｍＯ２＿ｄｅｍとして設定し、検出可能な物理量として、ＭＡＦセンサ２５で検知される吸入吸気量ｍａｉｒを用いるとする。
　ＭＡＦセンサ２５で検知された吸入吸気量ｍａｉｒの変化に応じて、目標吸気酸素濃度ｍＯ２＿ｄｅｍが変化しないように、変化した吸入吸気量ｍａｉｒの値に応じて必要なＥＧＲガスの質量流量ｍｅｇｒを算出し、その質量流量ｍｅｇｒから算出したＥＧＲバルブ１２の開度を開度ｘｅｇｒに制御する。
　以上の動作により、エンジン１の状態量（例えば、ＮＯｘ排出量）の目標値に応じてＥＧＲバルブ１２を制御し、そのとき外乱によって変化する検出可能な物理量が、予め定められた物理量の目標値から変化しないように、ＥＧＲシステム１０をフィードフォワード制御することができ、ＥＧＲシステム１０の制御性をより向上することができる。
　次に、本発明に係る実施の形態の内燃機関の制御方法の一例について、図８を参照しながら説明する。図８に示すＥＧＲバルブ１２の開度を制御する方法は、ＮＯｘ排出量を制御量とするＥＧＲ制御であり、フィードバック制御（ＰＩＤ制御ともいう）とフィードフォワード制御により、ＥＧＲバルブ１２の開度を制御する方法である。
　図６に示すＥＧＲガス質量流量算出モデルＳ１を用いたフィードバック制御では、図８に示すように検出可能な物理量として、ＭＡＦセンサ２５で検知される吸入吸気量ｍａｉｒとＥＧＲガスの質量流量ｍｅｇｒを用いて算出可能な吸気酸素濃度ｍＯ２をフィードバックし、予め定められた物理量として、目標吸気酸素濃度ｍＯ２＿ｄｅｍと一致するようにＥＧＲバルブ１２の開度を制御している。これにより、ＮＯｘの目標排出量と実際の排出量との差を調節することができる。
　また、図７に示すＥＧＲ弁開度算出モデルＳ２を用いるフィードフォワード制御では、図８に示すように外乱（ここでは、例えば吸入吸気量などが変化した場合のことをいう）が起きた場合に、目標吸気酸素濃度ｍＯ２＿ｄｅｍと変化した吸入吸気量ｍａｉｒから必要なＥＧＲガスの質量流量ｍｅｇｒを算出し、その必要な質量流量ｍｅｇｒからＥＧＲバルブ１２の開度ｘｅｇｒを制御している。これにより、外乱によりＮＯｘの目標排出量と実際のＮＯｘの排出量との差が大きく変化しないよう調節することができる。
　この制御方法によれば、ＥＧＲガス質量流量算出モデルＳ１を用いたフィードバック制御で、ＥＧＲバルブ１２の開度ｘｅｇｒからＥＧＲガスの質量流量ｍｅｇｒを正確に算出し、精度良い数値をフィードバックすることができるので、ＥＧＲシステム１０の制御性を向上することができる。
　一方、ＥＧＲ弁開度算出モデルＳ２を用いるフィードフォワード制御で、外乱に応じて必要なＥＧＲガスの質量流量ｍｅｇｒを求め、その質量流量ｍｅｇｒからＥＧＲバルブ１２の開度ｘｅｇｒを正確に算出し、目標値と実値との偏差を抑制することができるので、より制御性の向上を図ることができる。
　この実施の形態では、ＮＯｘの排出量を制御量とした制御方法を例に説明したが、本発明はこれに限定せず、例えば空燃比やＰＭ（微粒子状物質）を制御量としてもよい。また、フィードバック制御とフィードフォワード制御とを組み合わせた制御方法の他、フィードバック制御のみの制御方法や、複数のフィードバック制御を一体として機能させるカスケード制御などにも適用することができる。
　加えて、上記の数式（１）～（６）を用いたＥＧＲガスの質量流量算出モデルＳ１、又は上記の数式（１）～（５）と（７）を用いたＥＧＲ弁開度算出モデルＳ２は、リードバルブを持たないエンジンに関しても容易に適用可能であり、ＥＧＲバルブ１２の制御性を向上することができる。
　本発明の内燃機関は、ＥＧＲバルブの開度からＥＧＲガスの質量流量を精度良く算出し、また、ＥＧＲガスの質量流量からＥＧＲバルブの開度を精度良く算出することができる。これにより、フィードバック制御、及びフィードフォワード制御など様々な制御方法に適用して、ＥＧＲシステムの制御性を向上することができるので、特にＥＧＲ通路にリードバルブを有するＥＧＲシステムを備えたエンジンを搭載したトラックなどの車両に利用することができる。
１　エンジン
２　エンジン本体
３　エキゾーストマニホールド
４　インレットマニホールド
５　ターボチャージャー
６　エアクリーナー
７　インタークーラー
８　吸気スロットル
９　後処理装置
１０　ＥＧＲシステム
１１　ＥＧＲクーラー
１２　ＥＧＲバルブ
１３　リードバルブ（逆止弁）
２０　ＥＣＵ（制御装置）
Ｓ１　ＥＧＲガス質量流量算出モデル
Ｓ２　ＥＧＲ弁開度算出モデル（逆モデル）

Claims (8)

  1. 　ＥＧＲ通路にＥＧＲ弁と逆止弁とを有するＥＧＲシステムを備える内燃機関において、
    　前記ＥＧＲ弁の開度とＥＧＲガスの質量流量との関係を、前記ＥＧＲ弁のノズルの等エントロピー流れの式を用いて表せるＥＧＲガスの第１体積流量と、前記逆止弁により汲み出されるＥＧＲガスの第２体積流量とを用いて表す制御装置を備えることを特徴とする内燃機関。
  2. 　前記制御装置が、前記第１体積流量（Ｖ１）を表した、前記ノズルの等エントロピー流れの式をガス密度で除した下記の数式（１）と、
    　前記第２体積流量（Ｖ２）を表した、一気筒当りのＥＧＲガス汲み出し体積流量（Ｖｅｇｒ＿ｐｕｍｐ）と単位時間当りの差圧変動の回数とを乗じた下記の数式（２）と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     　ただし、
    μ：流量係数（［－］）
    Ａ：ＥＧＲ弁の有効開口面積（［ｍ２］）
    Ｐｉｎ：ＥＧＲ弁の入口の圧力（［Ｐａ］）
    Ｐｏｕｔ：ＥＧＲ弁の出口の圧力（［Ｐａ］）
    Ｔｉｎ：ＥＧＲ弁の入口の温度（［Ｋ］）
    Ｒ：ガス比熱（［Ｊ／ｋｇＫ］）
    ｋ：比熱比（［－］）
    ｎｅｎｇ：エンジン回転数（［ｒｐｍ］）
    Ｂ：クランク形式から求まる値（［－］）
    Ｎｃｙｌ：気筒数（［－］）
  3. 　前記制御装置が、前記ＥＧＲ弁を内燃機関の状態量の目標値に応じた開度（ｘｅｇｒ）に制御するときに、
    　ノズルの等エントロピー流れの式の係数とＥＧＲ弁の前後の圧力比に基づくＥＧＲ弁の第１開度マップから、前記開度（ｘｅｇｒ）と、現圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）に応じたノズルの等エントロピー流れの式の係数（μ・Ａ）を求めて、前記数式（１）より前記第１体積流量（Ｖ１）を算出する第１手段と、
    　一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量とＥＧＲ弁の前後の圧力比に基づくＥＧＲ弁の第２開度マップから、前記開度（ｘｅｇｒ）と、現圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）に応じた内燃機関の一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量（Ｖｅｇｒ＿ｐｕｍｐ）を求めて、前記数式（２）より前記第２体積流量（Ｖ２）を算出する第２手段と、
    　前記第１手段と前記第２手段の後に、前記第１体積流量（Ｖ１）と前記第２体積流量（Ｖ２）の大きい方にガス密度を乗じて前記質量流量（ｍｅｇｒ）を算出する第３手段と、
    を備えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
  4. 　前記制御装置が、前記ＥＧＲ弁を内燃機関の状態量の目標値に応じたＥＧＲガスの質量流量（ｍｅｇｒ）となるように制御するときに、
    　前記質量流量（ｍｅｇｒ）をガス密度で除して算出した値を前記第１体積流量（Ｖ１）と前記第２体積流量（Ｖ２）として用いて、
    　ノズルの等エントロピー流れの式の係数とＥＧＲ弁の前後の圧力比に基づくＥＧＲ弁の第１開度マップから、前記第１体積流量（Ｖ１）から前記数式（１）により算出されるノズルの等エントロピー流れの式の係数（μ・Ａ）と、現圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）とに応じた第１目標開度（ｘｅｇｒ＿１）を求める第４手段と、
    　一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量とＥＧＲ弁の前後の圧力比に基づくＥＧＲ弁の第２開度マップから、前記第２体積流量（Ｖ２）から前記数式（２）より算出される一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量（Ｖｅｇｒ＿ｐｕｍｐ）と、現圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）とに応じた第２目標開度（ｘｅｇｒ＿２）を求める第５手段と、
    　前記第４手段と前記第５手段の後に、前記第１目標開度（ｘｅｇｒ＿１）と前記第２目標開度（ｘｅｇｒ＿２）の小さい方を前記開度（ｘｅｇｒ）とする第６手段と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
  5. 　ＥＧＲ通路にＥＧＲ弁と逆止弁とを有するＥＧＲシステムを備える内燃機関の制御方法において、
    　前記ＥＧＲ弁の開度からＥＧＲガスの質量流量を算出するときに、又は前記質量流量から前記ＥＧＲ弁の開度を算出するときに、前記ＥＧＲ弁のノズルの等エントロピー流れの式を用いて表せるＥＧＲガスの第１体積流量と、前記逆止弁により汲み出されるＥＧＲガスの第２体積流量とを用いることを特徴とする内燃機関の制御方法。
  6. 　前記第１体積流量（Ｖ１）を、前記ノズルの等エントロピー流れの式をガス密度で除した下記の数式（１）より表し、
    　前記第２体積流量（Ｖ２）を、一気筒当りのＥＧＲガス汲み出し体積流量（Ｖｅｇｒ＿ｐｕｍｐ）と単位時間当りの差圧変動の回数とを乗じた下記の数式（２）より表すことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の制御方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
     　ただし、
    μ：流量係数（［－］）
    Ａ：ＥＧＲ弁の有効開口面積（［ｍ２］）
    Ｐｉｎ：ＥＧＲ弁の入口の圧力（［Ｐａ］）
    Ｐｏｕｔ：ＥＧＲ弁の出口の圧力（［Ｐａ］）
    Ｔｉｎ：ＥＧＲ弁の入口の温度（［Ｋ］）
    Ｒ：ガス比熱（［Ｊ／ｋｇＫ］）
    ｋ：比熱比（［－］）
    ｎｅｎｇ：エンジン回転数（［ｒｐｍ］）
    Ｂ：クランク形式から求まる値（［－］）
    Ｎｃｙｌ：気筒数（［－］）
  7. 　前記ＥＧＲ弁を内燃機関の状態量の目標値に応じた開度（ｘｅｇｒ）に制御するときに、
    　ノズルの等エントロピー流れの式の係数とＥＧＲ弁の前後の圧力比に基づくＥＧＲ弁の第１開度マップから、前記開度（ｘｅｇｒ）と、現圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）に応じたノズルの等エントロピー流れの式の係数（μ・Ａ）を求めて、前記数式（１）より前記第１体積流量（Ｖ１）を算出する第１工程と、
    　一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量とＥＧＲ弁の前後の圧力比に基づくＥＧＲ弁の第２開度マップから、前記開度（ｘｅｇｒ）と、現圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）に応じた内燃機関の一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量（Ｖｅｇｒ＿ｐｕｍｐ）を求めて、前記数式（２）より前記第２体積流量（Ｖ２）を算出する第２工程と、
    　前記第１工程と前記第２工程の後に、前記第１体積流量（Ｖ１）と前記第２体積流量（Ｖ２）の大きい方にガス密度を乗じて前記質量流量（ｍｅｇｒ）を算出する第３工程と、を含むことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の制御方法。
  8. 　前記ＥＧＲ弁を内燃機関の状態量の目標値に応じたＥＧＲガスの質量流量（ｍｅｇｒ）となるように制御するときに、
    　前記質量流量（ｍｅｇｒ）をガス密度で除して算出した値を前記第１体積流量（Ｖ１）と前記第２体積流量（Ｖ２）として用いて、
    　ノズルの等エントロピー流れの式の係数とＥＧＲ弁の前後の圧力比に基づくＥＧＲ弁の第１開度マップから、前記第１体積流量（Ｖ１）から前記数式（１）により算出されるノズルの等エントロピー流れの式の係数（μ・Ａ）と、現圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）とに応じた第１目標開度（ｘｅｇｒ＿１）を求める第４工程と、
    　一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量とＥＧＲ弁の前後の圧力比に基づくＥＧＲ弁の第２開度マップから、前記第２体積流量（Ｖ２）から前記数式（２）より算出される一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量（Ｖｅｇｒ＿ｐｕｍｐ）と、現圧力比（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）とに応じた第２目標開度（ｘｅｇｒ＿２）を求める第５工程と、
    　前記第４工程と前記第５工程の後に、前記第１目標開度（ｘｅｇｒ＿１）と前記第２目標開度（ｘｅｇｒ＿２）の小さい方を前記開度（ｘｅｇｒ）とする第６工程と、を含むことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の制御方法。
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