JP5111534B2

JP5111534B2 - 内燃機関のｅｇｒ制御装置

Info

Publication number: JP5111534B2
Application number: JP2010022650A
Authority: JP
Inventors: 隆信市原; 和彦兼利; 隆史松村
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2030-02-04
Also published as: JP2011157942A

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれるＮＯｘ等の低減のためにＥＧＲ流量を制御するＥＧＲ制御装置に関する。

内燃機関（エンジン）の燃費向上のため、ディーゼルエンジンやリーンバーンエンジンが有望とされている。しかし、ディーゼルエンジンやリーンバーンエンジンは排気ガスにＮＯｘを多く含む傾向がある。排気ガスに含まれるＮＯｘを低減するには燃焼温度を低下させることが有効であり、排気ガスの一部を吸気側に戻して燃焼制御を行う排気ガス再循環（ＥＧＲ）制御が従来より行われている。

また、ガソリンエンジンではＥＧＲ導入によりノッキングの抑制，排気温度の低下を図り燃費を向上したエンジンが実用化されている。

過給エンジンにおいては過給域で吸気管の圧力が増加すると必要なＥＧＲ量が得られない場合が有る。このため近年では過給器（コンプレッサ）上流にＥＧＲを導入してＥＧＲ量を増加できる低圧ＥＧＲシステムの実用化が検討されている。

特許文献１では吸入空気量センサと、吸気管に設けられる圧力センサによりＥＧＲ量を推定してＥＧＲ弁を制御するものが開示されている。

また、特許文献２では吸入空気量センサと、吸気管に設けられる酸素濃度センサの検出信号によりＥＧＲ量を推定してＥＧＲ弁を制御するものが開示されている。

特開平５−２３１２４４号公報特開２００９−７４４５９号公報

一般にＥＧＲ量を制御するためのＥＧＲ弁は、制御信号が入力されてから実際のＥＧＲ弁開度が目標値となるまでに応答遅れを生じる。このため加減速等の過渡運転時ではＥＧＲ量を速やかに推定してＥＧＲ弁を制御することが望ましい。

上記特許文献１ではＥＧＲ量の推定のために吸気管に設けられる圧力センサを使用するが、吸気管圧力はスロットル弁下流の吸気管にＥＧＲガスが充填されてから上昇するので、ＥＧＲ量の推定に吸気管の容量に応じた応答遅れを生じる。これにより加減速等の過渡運転時にＥＧＲ量の推定値に誤差を生じることとなる。

上記特許文献２ではＥＧＲ量の推定のために酸素濃度センサを使用するが、酸素濃度センサは応答遅れが大きく、ＥＧＲ量の推定に応答遅れを生じる。これにより加減速等の過渡運転時はＥＧＲ量の推定値に誤差を生じてしまう。

このため上記従来技術では過渡運転時にＥＧＲ量を排気ガス低減に適した目標値に制御できず、ＮＯｘやＰＭを多く排出してしまうという課題があった。

また、上記特許文献１の圧力センサによりＥＧＲ量を推定する方式では、バルブタイミングの機差ばらつき等によりＥＧＲ量が同一であっても吸気管圧力がばらつくためＥＧＲ量を精度良く推定することが困難であった。

さらに上記特許文献２の吸気管に設けられる酸素濃度センサによりＥＧＲ量を推定する方式においては、吸気管の酸素濃度が排気管に比べて高く、一般に酸素濃度が高い条件では酸素濃度センサの検出精度が低下するのでＥＧＲ量の推定精度が低下する。

このため上記従来技術では定常運転時でもＥＧＲ量の推定誤差を生じ、ＮＯｘやＰＭの排出量が増加する場合があった。

本発明のＥＧＲ制御装置は、主にコンプレッサ上流にＥＧＲガスを導入する低圧ＥＧＲ通路を備えた内燃機関に適用され、ＥＧＲ量を高応答かつ高精度に推定し、ＮＯｘやＰＭの排出量を低減することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の第１の構成は、排気管と吸気管を連通するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に取り付けられたＥＧＲ弁と、前記吸気管に流入する吸入空気量を検出する空気量検出手段を備えた内燃機関に適用され、
前記吸気管と前記ＥＧＲ通路の合流部下流の前記吸気管内に設けられる流量調節弁または絞り部と、前記流量調節弁または絞り部の上流位置の圧力と下流位置の圧力、または上流位置と下流位置の圧力差を検出する圧力検出手段と、前記吸気管内の吸気温度を検出する手段と、前記流量調節弁または絞り部の開口面積を算出する手段と、前記流量調節弁または絞り部の上流位置の圧力と下流位置の圧力差と、前記開口面積と、前記吸気温度から前記流量調節弁または絞り部を通過する混合ガスの流量を算出するガス流量算出手段と、前記混合ガスの流量と前記吸入空気量の差分で算出されるＥＧＲガスの流量に応じて前記ＥＧＲ弁の開度を制御する手段とで構成される。

本発明の第２の構成は、前記ガス流量算出手段が、前記ＥＧＲ弁が閉じているときに、前記空気量検出手段による吸入空気量検出値より、前記混合ガスの流量算出値を校正するようにした。

本発明の第３の構成は、前記ガス流量算出手段は、前記ＥＧＲ弁が閉じている状態で、アイドリングを含む低負荷時、または減速時に前記空気量検出手段による吸入空気量の検出値より、前記混合ガスの流量算出値を校正するようにした。

本発明の第１のＥＧＲ制御装置の構成によれば、前記流量調節弁または絞り部の上流位置の圧力と下流位置の圧力差によりＥＧＲ量を高応答に推定することができ、加減速等の過渡運転時でもＥＧＲ量を排気ガス低減に最適な量に制御することができるので、ＮＯｘ，ＰＭの排出量を低減できる。

本発明の第２のＥＧＲ制御装置の構成によれば、吸入空気量検出手段により混合ガス量の算出値を校正することによりＥＧＲ量を高精度に推定でき、常にＥＧＲ量を排気ガス低減に最適な量に制御することができるので、ＮＯｘ，ＰＭの排出量を低減できる。

本発明の第３のＥＧＲ制御装置の構成によれば、ＥＧＲ弁を閉じた状態またはＥＧＲ弁を強制的に閉じた状態で前記校正を実施するにあたり、前記校正を低負荷時，減速時に実施することでＥＧＲ弁の洩れによるＥＧＲ量推定の誤差を低減できる。またＥＧＲ弁を強制的に閉じることによるＮＯｘ等の排出量の増加を防止できる。

本発明のＥＧＲ制御装置によれば、ＥＧＲ量を高応答かつ高精度に推定し、常に排気ガス低減に最適なＥＧＲ量に制御することができるので、過渡運転時や定常運転時のＮＯｘ，ＰＭの排出量を低減することができる。

本発明のＥＧＲ制御装置をエンジンに適用したときの構成例。本発明のＥＧＲ制御装置のハード構成図。本発明のＥＧＲ制御装置のフローチャート。本発明のＥＧＲ制御装置の補正特性を示す図。本発明のＥＧＲ制御装置の校正部のフローチャート。

以下、本発明の実施例を説明する。

本発明のＥＧＲ制御装置をディーゼルエンジンに適用した実施例について説明する。ここで本発明のＥＧＲ制御装置はディーゼルエンジンに限定されず、ＥＧＲ流量を制御するガソリンエンジンにも適用可能である。

図１に示されるディーゼルエンジン（以下、エンジン１と云う）の吸入空気は、吸気管２に設けられるエアクリーナ３より取り込まれ、ターボチャージャ４のコンプレッサ４Ａによって過給される。ここで吸入空気量は吸入空気量センサ１５によって計測される。過給された空気はインタークーラ５によって冷却され、インテークマニホールド８を経て燃焼室９内に吸入される。吸入空気量はターボチャージャ４（可変容量）の過給効率およびスロットル弁６により制御される。スロットル弁６にはスロットル弁を駆動するためのモーター（図示略），スロットル開度を検出する開度センサ１９が設けられる。

エンジン１には燃焼室８内に燃料を噴射する燃料噴射弁１０が取り付けられる。

排気管１１から、インテークマニホールド８の集合部にＥＧＲガスを導入する高圧ＥＧＲ通路２５が設けられ、高圧ＥＧＲ通路２５にはＥＧＲ弁２６、およびＥＧＲクーラー２７が装着される。

排気管１１のタービン４Ｂの下流には触媒２８，ＤＰＦ２９が設けられる。ＤＰＦ２９の下流の排気管１２からＥＧＲガスを取り入れ、吸気管２のコンプレッサ４Ａの上流にＥＧＲガスを導入する低圧ＥＧＲ通路１３が設けられる。低圧ＥＧＲ通路１３にはＥＧＲ弁１４，ＥＧＲクーラー１７が設けられる。

本発明のＥＧＲ制御装置では、吸入空気とＥＧＲガスの混合ガスの流量を検出して、ＥＧＲ流量を推定するため、スロットル弁６（吸気絞り部）の上流の吸気通路の圧力と、下流の吸気通路の圧力の圧力差を検出可能な圧力センサ２０が設けられる。２１，２２は圧力導入部である。ここで本実施例の圧力センサ２０はスロットル弁上流，下流の差圧を検出できるほか、スロットル弁上流の吸気通路の絶対圧も検出できる構成としている。上記絶対圧を検出するセンサは圧力センサ２０（差圧センサ）とは別に設けるようにしても良い。また、スロットル弁６の上流の吸気通路の絶対圧力と、下流の吸気通路の絶対圧力を検出する圧力センサをそれぞれ設け、スロットル弁上流，下流の差圧を算出するようにしても良い。

インタークーラ５の下流には吸気温度センサ１８が設けられる。

エンジン制御装置３０は、ＥＧＲ制御装置の機能を含み、各センサの信号を取り込み、制御量を演算し各アクチュエータへ制御信号を出力する。

エンジン制御装置３０の構成を図２に示す。エンジンのクランク角度位置，回転速度を検出するためのクランク角センサ（図示略），吸入空気量センサ１５，吸気温度センサ１８，スロットルセンサ１９，圧力センサ２０等の信号は入力回路３１を介してマイクロコンピュータ３２に取り込まれる。マイクロコンピュータ３２にはＣＰＵ３３，ＲＯＭ（読み出し用メモリ）３４，ＲＡＭ（書き込み用メモリ）３５を内蔵している。

マイクロコンピュータ３２では燃料噴射量（噴射弁パルス幅），スロットル弁開度（目標値），ＥＧＲ弁開度（目標値）等が演算され、出力回路３６を介して、燃料噴射弁１０，スロットル弁６，ＥＧＲ弁１４およびＥＧＲ弁２６等の各アクチュエータに出力される。

本発明のＥＧＲ制御装置（エンジン制御装置）におけるＥＧＲ流量の推定方法について図３のフローチャートにより説明する。

以下のＥＧＲ流量の推定の演算は、所定の周期ごとに実施され、例としては１０msec周期ごとに実施される。

ステップ１００で低圧ＥＧＲ通路よりＥＧＲガスを導入する条件であるかを判定する。一般に、コンプレッサ４Ａによる過給でインテークマニホールド８の圧力が上昇し、排気管との差圧が減少することで必要なＥＧＲ流量が得られないときに低圧ＥＧＲ通路よりＥＧＲガスを導入する。

ＥＧＲガスを導入する条件であれば、ステップ１１０，ステップ１２０でＥＧＲ流量を推定するために必要なパラメータ：吸入空気量Ｑａ，吸気温度Ｔｔ，スロットル弁開度α、およびスロットル弁上流と下流の圧力差ΔＰ，スロットル弁上流の絶対圧Ｐｔを各センサの信号より取り込む。

次にステップ１３０で排気ガス低減に適した目標ＥＧＲ率Ｒｔを読み込む。目標ＥＧＲ率は予めメモリ（ＲＯＭ３４）に記憶されており、一般に負荷，回転数に対するマップで設定される。

次にステップ１４０で、吸入空気量Ｑａと目標ＥＧＲ率Ｒｔより目標ＥＧＲ流量Ｑｅｔを下式で算出する。

Ｑｅｔ＝Ｑａ×（Ｒｔ／１−Ｒｔ） …（式１）
ここで吸入空気量は、ターボチャージャ（過給効率）やスロットル弁の制御により排気ガス低減に適した量に調節されている。

次にステップ１５０で、吸入空気とＥＧＲガスの混合ガス量（全吸入ガス量）の推定値Ｑｇを、スロットル弁上流と下流の圧力差ΔＰ，スロットル弁上流の絶対圧Ｐｔ，吸気温度Ｔｔ、およびスロットル弁の開口面積（絞り開口面積）Ａ₂より下式で算出する。

ここでスロットル弁の開口面積Ａ₂は、スロットル弁開度センサによるスロットル開度検出値より算出される。

ここで圧力差ΔＰよる全吸入ガス量の推定精度を確保するため、ΔＰが所定値以上となるようスロットル弁開度が制御される。

このときΔＰが大きいとポンプ損失が増加するので、全吸入ガス量が変動したときにスロットル弁開度を調整してΔＰを必要最小限の値となるように制御する。具体的には全吸入ガス量が少ないときは、ガス量検出のために必要な圧力差を確保するためスロットル弁開度を小さくし、全吸入ガス量が多いときは、スロットル弁の圧損によりポンプ損失が増加しないようスロットル弁開度を大きくする。

また、ΔＰは吸気脈動の影響で変動するので圧力センサ信号にフィルタ処理等を実施して変動分を低減することが望ましい。

次にステップ１６０で現在ＥＧＲ流量の推定値Ｑｅを、全吸入ガス量推定値Ｑｇと吸入空気量Ｑａの差（Ｑｇ−Ｑａ）で算出する。

ここで、吸入空気量Ｑａは吸気管の吸入空気量センサ位置からスロットル弁までの輸送遅れを考慮して補正するようにしても良い。

このようにしてスロットル弁上流と下流の圧力差より算出されるＥＧＲ流量の推定値は、スロットル弁から燃焼室までの吸気管容量による輸送遅れの影響を受けず、従来のインテークマニホールドの絶対圧力を検出してＥＧＲ流量の推定を行う方式に対し、ＥＧＲ流量の推定の応答遅れを低減できる。

また、従来の吸気管に設けられる酸素濃度センサの信号よりＥＧＲ流量の推定を行う方式では２００〜３００ms程度の大きな応答遅れを生じるのに対し、本発明のＥＧＲ流量推定方式ではＥＧＲ流量の推定の応答遅れは数１０ms程度に低減できる。

次にＱｅと目標ＥＧＲ流量Ｑｅｔの偏差を算出し、ＱｅがＱｅｔに一致するよう、ＥＧＲ弁開度をフィードバック制御する。

ステップ１７０で、ＥＧＲ弁開度（開口面積）のフィードバック補正量ＣＥＧＲを下式により算出する。

ＣＥＧＲ_n＝ＣＥＧＲ_n-1＋ＤＥＧＲ …（式３）
ＤＥＧＲ：計算周期あたりの補正量更新値
ＣＥＧＲ_n ：今回補正量計算値
ＣＥＧＲ_n-1：前回補正量計算値
ＤＥＧＲは図４に示す偏差Ｑｅ−Ｑｅｔに対する補正特性等（テーブル）で予めメモリに記憶され、偏差Ｑｅ−Ｑｅｔに対する補正量をテーブルから読み出しＤＥＧＲとする。

次にステップ１８０で、目標ＥＧＲ弁開度を下式等で算出し、ＥＧＲ弁に制御信号を出力する。

目標ＥＧＲ弁開度(開口面積)ＡＥＧＲ＝ＡＥＧＲＢＳ×(１＋ＣＥＧＲ) …（式４）
ＡＥＧＲＢＳ：開口面積基本値
ＡＥＧＲＢＳ（開口面積基本値）は、負荷，回転等に対するマップで予めメモリに記憶されている。

ここで、ＥＧＲ流量の推定精度を向上するために、ステップ１５０の全吸入ガス量Ｑの計算値を予め以下に示す手順で校正するようにしてもよい。

図５のステップ２００で校正条件が成立しているかを判定する。校正条件としてはアイドリング時，定常運転時，減速時などが挙げられる。ＥＧＲ弁が閉じているときには、全吸入ガス量Ｑｇが吸入空気量Ｑａと一致することから、校正はＥＧＲ弁が閉じているときに実施する。ここでＥＧＲ弁の洩れがあると校正時に誤差を生じるので排気圧力の比較的小さい低負荷時や減速時に校正すると良い。

校正条件が成立していればステップ２１０でＥＧＲ弁が閉じているかを判定する。ここで校正のために短時間ＥＧＲ弁を強制的に閉じるようにしても良い。

また、ＥＧＲ弁を強制的に閉じて校正を実施する場合は、校正を燃焼温度の低い低負荷時，減速時に実施することでＥＧＲ弁を閉じることによるＮＯｘ等の排出量の増加を防止できる。

ＥＧＲ弁が閉じていればステップ２２０で吸入空気量センサによる吸入空気量の検出値Ｑａを読み込む。

式２よりＱｇの校正係数をＫｃとして、下式が得られる。

ＥＧＲ弁が閉じているとき、Ｑｇ＝Ｑａとなるので、式５に代入するとＫｃは下式で算出できる。

このとき算出された校正係数Ｋｃを、メモリに記憶しておき、以後全吸入ガス量Ｑｇを図３のステップ１５０で算出するときにＫｃを読み込み、式６によりＱｇを算出する。

ここで、吸入空気量の異なる複数の運転条件で校正係数Ｋｃを求め、運転条件ごとに校正係数Ｋｃを、メモリに記憶しておくようにしてもよい。

これにより、スロットル弁の汚損によるスロットル開口面積（絞り断面積）の変化，スロットル開度センサの誤差，圧力センサや吸気温度センサの誤差等による全吸入ガス量Ｑｇの推定誤差を低減することができる。

さらに本ＥＧＲ流量の推定方式によれば、吸入空気量センサが誤差を持つ場合でも、校正によりＱｇの推定値が吸入空気量センサとほぼ同じ割合の誤差を持つようになるので、下式で示されるようにＥＧＲ率には吸入空気量センサの誤差の影響が無く、吸入空気量センサの誤差によりＥＧＲ率の制御誤差が生じにくいという利点がある。

これにより、ＥＧＲ率の制御精度が向上し、エンジンのＮＯｘ等の排出量を低減することができる。

ステップ２４０では校正終了後（校正係数Ｋｃ計算後）に校正終了フラグをセットする。

本発明は、内燃機関制御に関連したものであり、自動車だけでなく船舶用エンジンや建設機用エンジン，半固定発電機用エンジンにも適用可能である。

６スロットル弁（絞り部）
９燃焼室
１３低圧ＥＧＲ通路
１４ＥＧＲ弁
１５吸入空気量センサ
１８吸気温度センサ
２０圧力センサ

Claims

排気管と吸気管を連通するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に取り付けられたＥＧＲ弁と、前記吸気管に流入する吸入空気量を検出する空気量検出手段を備えた内燃機関に適用され、
前記吸気管と前記ＥＧＲ通路の合流部下流の前記吸気管内に設けられる流量調節弁または絞り部と、前記流量調節弁または前記絞り部の上流位置の圧力と下流位置の圧力、または上流位置と下流位置の圧力差を検出する圧力検出手段と、前記吸気管内の吸気温度を検出する手段と、前記流量調節弁または絞り部の開口面積を算出する手段と、前記流量調節弁または前記絞り部の上流位置の圧力と下流位置の圧力差と、前記開口面積と、前記吸気温度から前記流量調節弁または前記絞り部を通過する混合ガスの流量を算出するガス流量算出手段と、前記混合ガスの流量と前記吸入空気量の差分で算出されるＥＧＲガスの流量に応じて前記ＥＧＲ弁の開度を制御する手段を有することを特徴とするＥＧＲ制御装置。
前記ガス流量算出手段は、前記ＥＧＲ弁が閉じているときに、前記空気量検出手段による吸入空気量検出値より、前記混合ガスの流量算出値を校正することを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ制御装置。
前記ガス流量算出手段は、前記ＥＧＲ弁が閉じている状態で、アイドリングを含む低負荷時、または減速時に前記空気量検出手段による吸入空気量の検出値より、前記混合ガスの流量算出値を校正することを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ制御装置。