JP4380482B2 - 内燃機関の吸気流量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関のＥＧＲ流量制御に係り、特に、加減速時を含めて所定のＥＧＲ率を制御する装置および制御方法に関する。

内燃機関の排気ガス成分の規制強化、さらに、燃費向上の要求から、内燃機関にＥＧＲをかけて制御する方法が知られている。

ＥＧＲをかけることによって、内燃機関の燃焼しない温度を低下でき、ＮＯｘ発生を抑える効果がある。また、吸気管内負圧を減らすことになり、ポンピングロスを低減できるので、燃費が向上できる。

本発明に関係する技術として、「特許文献１」がある。

また、技術資料としては、「非特許文献１」のディーゼルエンジンに関する資料がある。

特開２００３−２９３７９６号公報 日経メカニカル２００２年４月号

これまでのＥＧＲ制御では、所定の排気ガス成分値、または燃料消費率となるように、台上エンジンでの性能評価マッチングを行うことによって、ＥＧＲ率を決めていた。しかし、インテークマニホールド内の圧力が大気よりも高くなるターボ付エンジンでは排気管側からインテークマニホールド側へのＥＧＲ流量を確保するためには、ターボ上流側の排気圧力を使ってインテークマニホールド側へ圧送する方法がとられている。しかし、排気管圧力とインテークマニホールド内圧力との差に応じた流量となるため、非定常状態ではＥＧＲ率を決めることが困難である。

本発明では、非定常状態でも所定のＥＧＲ率を達成できる様にデバイスを用意し、その制御を実現するものである。

上記課題を解決するために、非定常時も含めたＥＧＲ制御を行う運転領域全般にわたって、ＥＧＲ流量制御手段を設ける。

ＥＧＲ流量制御手段として、スロットル弁とＥＧＲ流量制御弁を用意して、それぞれ、弁開度を独立に制御することで必要な吸入空気量とＥＧＲ流量を確保できる。

この場合、エンジン回転数とエンジン負荷状態に応じて、インテークマニホールド内圧力，ＥＧＲ通路内の圧力，ターボ加給圧をそれぞれに測定または推定する手段を設けることで、エンジンモデルを制御装置内に持つことができる。

そして、エンジンモデルデータに基づき、ターボ加給圧とインテークマニホールド内圧力との差と必要吸入空気量の関係から、スロットル開度を演算する。

また、ＥＧＲ通路内圧力とインテークマニホールド内圧力との差とＥＧＲ流量の関係からＥＧＲ流量制御弁開度を演算する。

本発明によれば、従来よりもＥＧＲ率を高めることができるので、排気ガス中に含まれる酸素を完全燃焼させて、残った窒素量を再度吸入側に戻して、過剰な酸素量をほぼゼロにできるので、リーンバーンでありながら排気ガスはストイキで燃やした状態と等しくなり、排気ガス中のＮＯｘ発生を減らすことができる。また、排気ガス処理用の触媒はNOx吸着型触媒またはＮｏｘ吸蔵型触媒を使う必要もなく、三元触媒でも排気処理ができる効果がある。

図１に本発明に関する内燃機関の構成を示す。

内燃機関１００は、例えばディーゼルエンジンとして、インジェクタ１０１，電制スロットル１０４，水温センサ１１０，クランク角センサ１１１，カム角センサ１１２、からなっている。

燃料は燃料タンク１２５から高圧燃料ポンプ１１７により輸送され、コモンレールに蓄積され、インジェクタから燃焼室内に噴射される。コモンレール内の燃圧は燃圧センサで検出され、コントールユニットに入力されて、コントロールユニットから燃圧制御弁によって高圧燃料ポンプの昇圧力を調整して、所定の圧力で燃焼室内に燃料を噴射する。

図２にエンジン制御装置の概要を示す。

エンジン制御装置内には、数値・論理演算を行うＣＰＵ，ＣＰＵが実行するプログラム、及びデータを格納したＲＯＭ，データを一時的に記憶するＲＡＭ，センサからのアナログ電圧を取り込むＡ／Ｄ変換器，運転状態を示すスイッチを取り込むデジタル入力回路，パルス信号の時間間隔または、所定時間内のパルス数を計数をパルス入力回路、さらに、ＣＰＵの演算結果に基づきアクチュエータ（図示せず）のオン・オフを行う、デジタル出力，タイマ設定出力、そして、通信回路により、エンジン制御装置内のデータを外部に出力、または、外部からの通信コマンドによって内部状態を変更できる。

また、回転数は上記クランク角度センサやカム角センサのパルス間隔によらず、通信回路を通じて、他のコントロールユニットで計測された回転数を取り込んで、回転数とする構成であっても良い。

ターボは排気ガスによってタービンが回転され、タービンと同軸につながっいているインぺラで吸入空気が圧縮されてスロットル弁を通して、インテークマニホールドに供給されている。排気ガスがタービンに当たる面積を変えることで、タービンの回転力を可変にでき、例えば、低回転領域では面積を絞って回転力を高める。高回転領域に移るに従って面積を広げて回転力を低下させることて、ターボの加給力を制御することができる。

内燃機関とターボの配管の途中に分岐管を設けて、排気ガスの一部はＥＧＲ用クーラーを通して、ＥＧＲ弁に接続されている。ＥＧＲ弁は弁開度制御装置によって、所定の開度でインテークマニホールド内の吸入空気に混合される。このとき、ＥＧＲ流量はＥＧＲ流量センサによって測定される。ＥＧＲ弁は、ステッピングモータ、または、スロットル弁，スリーブ弁など、通路面積を可変する。

また、吸入空気量は吸入空気量計（エアフローメータ）によって測定されている。エアフローメータには通過する空気温度を測定する吸気温度センサが内蔵されている。エアフローメータが外気に近い場合は、吸入空気温度は外気温度にほぼ一致する。インペラから出た圧縮空気は加給されることで温度が上昇するので、インタークーラで冷却する。冷却された吸入空気はスロットル弁によって流量が制御される。

必要に応じて、インテークマニホールド内の温度と圧力を測定する温度センサと圧力センサを設けておく。

さらに、必要があればＥＧＲ流量センサの他に、ＥＧＲ制御弁の上流側と下流側両方の圧力，温度を測定する圧力センサと温度センサを設けておく。

内燃機関の排気管通路には、内燃機関と過給器との間にＥＧＲクーラーへの分岐管を設けておき、過給器の下流側にはすす(以下、ＰＭと称す)をトラップ機構（以下、ＤＰＦと称す）とＮＯｘ吸着触媒またはＮＯｘ吸蔵触媒が設けられて、排気ガス中のＰＭとＮＯｘをトラップする。

エンジン制御装置は、要求アクセルぺダル開度や回転数，水温等のセンサによる検出信号に基づき、定常ではリーンバーンに相当する空気過剰率を求めて、吸入空気量から１燃焼毎の燃料噴射量と燃料噴射タイミングを演算して、燃料噴射弁を制御する。また、DPFにトラップされたＰＭ量の推定値に基づき排気ガス温度を上昇させてＰＭを燃焼させる制御や、空燃比を一時的にリッチにして排気ガス中に還元成分としてＨＣ成分を多量に排気ガスに含ませる制御、または、内燃機関内の各気筒の排気行程で燃料を追加噴射することで排気ガス中にＨＣ成分を噴射する制御等を行う。さらに、必要に応じて、燃料に含まれる硫黄（Ｓ）化合物が触媒にトラップされたことを推定して、所定の空燃比と排気温度で排気ガスを制御することも行う。

図３に制御ブロック図を示す。

エンジン出力は燃料噴射量でほぼ決まるので、要求アクセルペダル開度と回転数から燃料噴射量（Ｑｆ）を演算する。

さらに、前記運転状態に応じて目標空燃比（ＴＡＢＦ）と目標ＥＧＲ量（ＴＥＧＲ）を計算する。

定常運転では、スロットルを通過する吸入空気量は過給器を通過する空気量と一致するので、ＴＱＡ＝Ｑｆ×ＴＡＢＦ×（１−ＴＥＧＲ）から求められる目標空気量ＴＱＡとなるように、スロットル弁開度を制御する。

同時に、目標ＥＧＲ流量ＴＱＥは排気ガス量ＱＥ［ｎ］と目標ＴＥＧＲで算出される。排気ガス量はむだ時間遅れ補正された値ＱＥ［］を使う。むだ時間遅れ補正は、以下のように行う。

排気ガス量ＱＥを所定時間毎または所定クランク角度毎にサンプリングして、排気ガス量データ列ＱＥ［］を記憶する。

あらかじめ測定したエンジン特性値から、エジン回転数と燃料噴射量から求める遅れ時間または遅れ角度に対応したサンプリングディレイナンバー（ｎ）を算出して、過去の排気ガス量データ列ＱＥ［］のｎ番目の過去サンプリング値を使って、上記目標ＥＧＲ流量ＴＱＥを求める。

ＥＧＲ流量センサを用いる場合は、目標ＥＧＲ流量ＴＱＥとＥＧＲ流量センサ出力値
ＱＥＲが一致するように、ＥＧＲ弁開度を制御する。

スロットル弁開度の制御は以下のように行う。

図４にスロットル弁制御ブロックを示す。

所定時間毎に、目標空気量ＴＱＡと実空気量ＱＡＲとの差ＤＱＡを計算する。

ＤＱＡ＝ＴＱＡ−ＱＡＲ
さらに、エンジン回転数と要求アクセルペダル開度から、あらかじめ設定したマップから、比例分係数ＫＰＡ，積分分係数ＫＩＡ，微分分係数ＫＤＡを求める。
スロットル開度制御量＝ＤＱＡ×ＫＰＡ＋ＤＱＡＳＵＭ×ＫＩＡ＋（ＤＱＡ
−ＤＱＡ［ｎ−１］）×ＫＤＡ
ここで、ＤＱＡＳＵＭ＝ＤＱＡ＋ＤＱＡＳＵＭ［ｎ−１］
［ｎ−１］は前回値を意味する。

同様に、ＥＧＲ弁開度制御量を以下のように求める。

図５にＥＧＲ弁制御ブロックを示す。

所定時間毎に、目標ＥＧＲ流量ＴＱＥと実ＥＧＲ流量ＱＥＲとの差ＤＱＥを計算する。

ＤＱＥ＝ＴＱＥ−ＱＡＥ
さらに、エンジン回転数と要求アクセルペダル開度から、あらかじめ設定したマップから、比例分係数ＫＰＥ，積分分係数ＫＩＥ，微分分係数ＫＤＥを求める。
ＥＧＲ弁開度制御量＝ＤＱＥ×ＫＰＥ＋ＤＱＥＳＵＭ×ＫＩＥ＋（ＤＱＥ
−ＤＱＥ［ｎ−１］）×ＫＤＥ
ここで、ＤＱＥＳＵＭ＝ＤＱＥ＋ＤＱＥＳＵＭ［ｎ−１］
［ｎ−１］は前回値を意味する。

過渡応答では、過給器の応答特性が遅いため、吸入空気量計ＱＡＲを用いて、スロットル開度を制御すると所定のＥＧＲ量を確保できない。

このため、加給器の応答特性に合わせたＱＡＲの補正係数を乗じる。

補正係数は排気量ＱＥと、過給器加給圧制御の関数として、エンジン特性に合わせた値を設定する。

図６に、従来の制御を示す。

要求アクセルペダル開度をスロットル弁開度に一致させるように制御すると、過給器の応答遅れのために、吸入空気量の減少はスロットル弁開度の減少と比例しない。応答遅れは過給器のインペラが持つイナーシャが原因である。一方、要求アクセルペダル開度に比例して、排気圧力は減少するので、過渡時はインテークマニホールド内圧力との差が減少する。よって、ＥＧＲ流量は減少するので、内燃機関に吸入される吸気量のＥＧＲ率は減少するので、ＮＯｘが増える問題がある。

図７に示すように本発明では、エンジンの運転状態に合わせてスロットル弁開度とEGR弁開度を協調することでＥＧＲ率を保ちながら、吸入空気量を制御することができる。すなわち、過給器の応答遅れを考慮して、スロットル弁を一時的に絞ることで、吸入空気量の減少を従来よりも速く開始させる。よってＥＧＲガス流量を確保することができＥＧＲ率を一定にできる。

図８に、制御動作をフローチャートに示す。

所定のタイマタスクにおいて、燃料噴射量を演算する。

さらに、目標空燃比を演算する。続いて、目標ＥＧＲ率を演算する。

次に、目標空燃比と目標ＥＧＲ率に基づいて、目標吸入空気量を演算する。

目標吸入空気量と実吸入空気量に基づき、スロットル弁開度制御量を演算する。

また、目標ＥＧＲ量を演算する。

目標ＥＧＲ流量と実ＥＧＲ流量に基づいて、ＥＧＲ弁開度制御量を演算する。

最後に、排気ガス量を演算してむだ時間補正用のデータのシフトを行う。

ＥＧＲ流量センサや吸入空気量計による弁制御を説明したが、さらに、制御精度を
高める方法として、インテークマニホールド内の圧力推定値を用いる。

インテークマニホールド内圧力推定値ＰＩＮは
（ＱＥＧＲ＋ＱＡＩＲ）×インテークマニホールド内ガス温度
／インテークマニホールド容積
ここで、ＱＥＧＲはＥＧＲガスの質量、ＱＡＩＲは吸入空気量の質量を意味する。

スロットル弁上流側圧力をＰＣＯＭＰ，スロットル弁面積係数ＫＡとすると、
ＱＡＩＲ＝ＫＡ×√（（ＰＣＯＭＰ−ＰＩＮ）／吸入空気温度）
ＥＧＲ弁上流側圧力をＰＥＸ，ＥＧＲ弁面積係数ＫＥとすると、
ＱＥＧＲ＝ＫＥ×√（（ＰＥＸ−ＰＩＮ）／排気ガス温度）
よって、
（ＰＣＯＭＰ−ＰＩＮ）∝（ＱＡＩＲ＾２）／（吸入空気温度×ＫＡ）
（ＰＥＸ−ＰＩＮ）∝（ＱＥＧＲ＾２）／（排気ガス温度×ＫＥ）
ＰＣＯＭＰ−ＰＥＸ∝（ＱＡＩＲ＾２）／（吸入空気温度×ＫＡ）
−（ＱＥＧＲ＾２）／（排気ガス温度×ＫＥ）
となる。

ここで、排気ガス温度をＥＧＲクーラー等で冷却することで、吸入空気温度程度にすることができれば、
（ＰＣＯＭＰ−ＰＥＸ）∝（ＱＡＩＲ＾２／ＫＡ−ＱＥＧＲ＾２／ＫＥ）
／吸入空気温度
と簡略化することができる。

よって、インテークマニホールド内圧力，スロットル弁上流側圧力ＰＣＯＭＰ，ＥＧＲ弁上流側圧力ＰＥＸを測定または推定・マッチング値を設定できれば、吸入空気量QCOMPやＥＧＲガス量ＱＥＧＲを測定することができる。

実際には圧力センサを複数設置することはコスト的に不利なので、インテークマニホールド内圧力センサのみ取り付けて、ＰＣＯＭＰ，ＰＥＸをエンジンに合わせて、あらかじめ測定して、エンジン回転数と要求アクセルペダル開度とをマップ値に入れておく手段を採用することもできる。

ＥＧＲ制御によって、ＮＯｘやスス発生量を低減できるがゼロにはできないため、排気系でＮＯｘを処理する必要がある。

例えば、排気ガス中に含まれるススをトラップするＤＰＦやＮＯｘ処理触媒を用いて、排気ガスを処理する。

ＤＰＦにトラップされるスス量が増えて、排気管圧力が上昇した場合、排気ガス温度を通常よりも高くして、ＤＰＦ内のススを焼き切る制御をエンジン制御装置に要求する。

また、ＮＯｘをトラップするＮＯｘ触媒にＮＯｘ量が増大した場合、排気ガス中に還元剤として燃料や尿素を噴霧して、ＮＯｘを還元して無害化する処理をエンジン制御装置に要求する。

エンジン制御装置は一時的に空燃比をストイキまたはややリッチにするため、ＥＧＲ量を増やして、吸入空気量を減らす処理をＥＧＲ制御装置に指令することになる。ＥＧＲ制御装置内部でも、上記排気ガス処理装置信号を受けて、スロットル弁開度やＥＧＲ弁開度を制御することも可能である。

つぎに、ＥＧＲ制御の診断方法を説明する。

図９にセンサの電圧の診断ブロック図を示す。

まず、吸入空気量計の出力電圧が所定電圧以内かどうかを判定する。

また、ＥＧＲ流量センサの出力電圧以内かどうかを判定する。

スロットル弁およびＥＧＲ制御弁のそれぞれの開度センサ電圧が所定電圧範囲内かどうかを判定する。同時に、開度センサは複数のポテンショメータを用意しておき、チャタリング時の対策を施す。すなわち、複数のポテンショメータ電圧の一つが正常範囲外となっても、残りのポテンショメータ電圧が所定電圧範囲内であれば、正常範囲内電圧を示すポテンショメータ電圧を採用する。

また、ＥＧＲ弁開度センサも電圧範囲が所定内かどうかを判定する。

以上のセンサ電圧診断の結果、所定範囲外であるセンサがあれば、センサ異常として、警告クランプを点灯させて、センサ修理をドライバに知らせる。

弁開度制御の診断を図１０に示す。

エンジン回転数と燃料噴射量から求められる要求吸入空気量に対して、実際の吸入空気量計出力が追従せず、乖離が大きいためにスロットル目標開度がアイドル状態以外で全閉状態、またはアイドル状態で全開に近い状態を所定時間以上継続した場合、スロットル制御異常が考えられる。

同様に、要求ＥＧＲ流量に対して実際のＥＧＲ流量が追従せず、乖離が大きいために
ＥＧＲ弁が全閉状態または全開状態を所定時間以上継続した場合はＥＧＲ弁制御の異常が考えられる。

ＥＧＲ弁の制御例として、ＥＧＲ流の脈動を抑えるため、エンジン回転数に応じて、
ＥＧＲ弁開度を所定幅で振動させて脈動をうち消すことで、ＥＧＲ流を一様の流れにすることで、インテークマニホールド内での混合むらを抑えることがある。

本発明は内燃機関のＥＧＲ量制御に係り、特にＮＯｘ排出量を低減する排気制御に最適な技術を提供することにある。

本発明の構成図。 コントロールユニットの構成図。 演算内容説明図。 スロットル弁制御説明図。 ＥＧＲ弁制御説明図。 従来制御の課題説明図。 本発明の制御タイミングチャート。 本発明の制御フローチャート。 センサ診断ブロック説明図。 制御診断ブロック説明図。

符号の説明

１００…内燃機関、１０１…インジェクタ、１０４…電制スロットル、１１０…水温センサ、１１１…クランク角センサ、１１２…カム角センサ、１１７…高圧燃料ポンプ、
１２５…燃料タンク。

Claims (6)

1. 内燃機関の吸入空気量を制御するスロットル弁と、
   排気ガスをインテークマニホールドに還流する流量を制御するＥＧＲ弁と、
   吸入空気を過給する過給器と、
   を備えた内燃機関の吸気流量制御装置において、
   運転状態に応じて目標ＥＧＲ率と目標空燃比を演算し、
   前記目標ＥＧＲ率と目標空燃比に基づき、内燃機関に必要な吸入空気量とＥＧＲ流量とが供給されるように前記スロットル弁と前記ＥＧＲ弁とを制御するとともに、
   前記過給器が作動している状態で、アクセルペダル開度が現在位置よりも小さくなった場合に、
   ＥＧＲ率が前記目標ＥＧＲ率と一致するように前記スロットル弁を一時的に絞ることを特徴とする吸気流量制御装置。
2. 請求項１に記載の吸気流量制御装置において、
   前記内燃機関に吸入空気量を測定する吸入空気量計をスロットル弁の上流または下流に設けて、
   前記内燃機関に必要な吸入空気量となるように、スロットル弁の目標通過面積または目標開度を演算する演算処理装置を設け、スロットル弁の実開度に基づいて通過面積を演算すると共に、前記目標通過面積または目標開度とを比較して、比較結果が一致するようにスロットル弁開度を制御することを特徴とする吸入空気量制御装置。
3. 請求項１に記載の吸気流量制御装置において、
   ＥＧＲ流量を測定するＥＧＲ流量センサを、ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲ弁の上流または下流に設け、必要なＥＧＲ流量となるように、ＥＧＲ弁の目標通路面積または目標開度を演算する演算処理装置を有し、
   ＥＧＲ弁の実開度に基づいて通路面積を演算すると共に、前記目標通過面積または目標開度とを比較して、比較結果が一致するようにＥＧＲ弁開度を制御することを特徴とする吸入空気量制御装置。
4. 請求項１に記載の吸入吸気量制御装置において、
   インテークマニホールド内の圧力を測定する圧力センサとインテークマニホールド内温度を測定する温度センサを設け、また、スロットル弁の実開度から通路面積を演算する手段を設けると共に、インテークマニホールド内の圧力と温度と通路面積に基づいて、スロットル弁を通過する吸入空気量を演算することを特徴とする吸気流量制御装置。
5. 請求項４に記載の吸入吸気量制御装置において、
   スロットル弁の上流側にも第２の圧力センサを設け、スロットル弁の上流側の圧力を測定する手段により、インテークマニホールド内の圧力との差圧を演算して、差圧とインテークマニホールド内温度と通路面積に基づいて、スロットル弁を通過する吸入空気量を演算することを特徴とする吸気流量制御装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関の吸入吸気量制御装置において、ＥＧＲ弁を通過するＥＧＲ流量センサまたはＥＧＲ弁の前後の圧力差を測定する差圧センサの出力に、エンジン回転数に応じた圧力の脈動を検出する手段を設けて、脈動を打ち消すようにＥＧＲ弁を所定の幅で振動させることを特徴とする吸気流量制御装置。

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