JP5953918B2 - 内燃機関とその制御方法 - Google Patents

Description

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。

ここで、ｍ_ｅｇｒ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（［ｍ^２］）、Ｐ_ｉｎをＥＧＲバルブの入口の圧力（［Ｐａ］）、Ｐ_ｏｕｔをＥＧＲバルブの出口の圧力（［Ｐａ］）、Ｔ_ｉｎ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ｘ_ｅｇｒとバルブ間差圧Ｐ_ｉｎ−Ｐ_ｏｕｔの関数として、下記の数式（９）より表すことができる。

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（Ｖ_１）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（Ｖ_２）を表した、一気筒当りのＥＧＲガス汲み出し体積流量（Ｖ_{ｅｇｒ＿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。

ここで、流量係数をμ（［−］）、ＥＧＲ弁の有効開口面積をＡ（［ｍ^２］）、ＥＧＲ弁の入口の圧力をＰ_ｉｎ（［Ｐａ］）、ＥＧＲ弁の出口の圧力をＰ_ｏｕｔ（［Ｐａ］）、ＥＧＲ弁の入口温度をＴ_ｉｎ（［Ｋ］）、ガス比熱をＲ（［Ｊ／ｋｇＫ］）、比熱比をｋ（［−］）、エンジン回転数をｎ_ｅｎｇ（［ｒｐｍ］）、クランク形式から求まる値をＢ（［−］）、及び気筒数をＮ_ｃｙｌ（［−］）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（ｘ_ｅｇｒ）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（ｘ_ｅｇｒ）と、現圧力比（Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ）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（Ｖ_１）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（ｘ_ｅｇｒ）と、現圧力比（Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ）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（Ｖ_{ｅｇｒ＿ｐｕｍｐ}）を求めて、前記数式（２）より前記第２体積流量（Ｖ_２）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（Ｖ_１）と前記第２体積流量（Ｖ_２）の大きい方にガス密度を乗じて前記質量流量（ｍ_ｅｇｒ）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（ｍ_ｅｇｒ）となるように制御するときに、前記質量流量（ｍ_ｅｇｒ）をガス密度で除して算出した値を前記第１体積流量（Ｖ_１）と前記第２体積流量（Ｖ_２）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（Ｖ_１）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（Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ）とに応じた第１目標開度（ｘ_{ｅｇｒ＿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（Ｖ_２）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（Ｖ_{ｅｇｒ＿ｐｕｍｐ}）と、現圧力比（Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ）とに応じた第２目標開度（ｘ_{ｅｇｒ＿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（ｘ_{ｅｇｒ＿１}）と前記第２目標開度（ｘ_{ｅｇｒ＿２}）の小さい方を前記開度（ｘ_ｅｇｒ）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。

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１に示す内燃機関の制御を示した概略図である。 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。 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。 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。 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。 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ｘ_ｎに固定し、ＥＧＲバルブ１２の出入口の圧力比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎを変化させたときのＥＧＲガスの体積流量Ｖ_ｅｇｒを、エンジン回転数ｎ_１、ｎ_２、及びｎ_３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ｘ_ｎに固定し、ＥＧＲバルブ１２の出入口の圧力比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ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Ｖ_{ｅｇｒ＿ｐｕｍｐ}をエンジン回転数ｎ_１、ｎ_２、及びｎ_３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Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎとＥＧＲガスの体積流量Ｖ_ｅｇｒ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Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎの増加と共に体積流量Ｖ_ｅｇｒが線形に減少し、圧力比Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎが１で体積流量Ｖ_ｅｇｒが０となる。この傾向Ｆ１はエンジン回転数ｎ_１、ｎ_２、及びｎ_３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ｘ_ｎ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ｘ_ｎと圧力比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ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Ｆ２_１〜Ｆ２_３は、圧力比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ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Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎの増加に伴い体積流量Ｖ_ｅｇｒは線形に減少するが、そのラインはエンジン回転数ｎ_１、ｎ_２、及びｎ_３によりオフセットされる。

この体積流量Ｖ_ｅｇｒ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）Ｖ_{ｅｇｒ＿ｐｕｍｐ}として表すと図４となり、エンジン回転数ｎ_１、ｎ_２、及びｎ_３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ｘ_ｎ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ｍ_ｅｇｒ（［ｋｇ／ｓ］）は、次に示す数式（３）が成り立つ。

ここで、ＥＧＲバルブ１２の入口の圧力をＰ_ｉｎ（［Ｐａ］）、ＥＧＲバルブ１２の入口温度をＴ_ｉｎ（［Ｋ］）、ガス定数をＲ（［Ｊ／ｋｇＫ］）、ＥＧＲガスの体積流量をＶ_ｅｇｒ（［ｍ^３／ｓ］）とする。

ＥＧＲガスの体積流量Ｖ_ｅｇｒ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Ｖ_１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Ｖ_２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。

第１体積流量Ｖ_１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。

ここで、μを流量係数（［−］）、ＡをＥＧＲバルブ１２の有効開口面積（［ｍ^２］）、Ｐ_ｉｎをＥＧＲバルブ１２の入口の圧力（［Ｐａ］）、Ｐ_ｏｕｔ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。

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Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎと、係数μ・Ａに基づくＥＧＲバルブ１２の開度ｘ_ｎ−１、ｘ_ｎ−２、及びｘ_ｎ−３を表したマップである。ＥＧＲバルブ１２の開度ｘ_ｎ−１、ｘ_ｎ−２、及びｘ_ｎ−３が異なると、その傾きは異なる。

第２体積流量Ｖ_２は、一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量をＶ_{ｅｇｒ＿ｐｕｍｐ}とすると、次に示す数式（２）で表すことができる。

ここで、エンジン回転数をｎ_ｅｎｇ（［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Ｎ_ｃｙｌ（［−］）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Ｖ_{ｅｇｒ＿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Ｖ_{ｅｇｒ＿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。

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Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎと、一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量をＶ_{ｅｇｒ＿ｐｕｍｐ}に基づくＥＧＲバルブ１２の開度ｘ_ｎ−１、ｘ_ｎ−２、及びｘ_ｎ−３を表したマップである。ＥＧＲバルブ１２の開度ｘ_ｎ−１、ｘ_ｎ−２、及びｘ_ｎ−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Ｖ_ｅｇｒを、傾向Ｆ１で表すことができる体積流量Ｖ_１と傾向Ｆ２で表すことができる体積流量Ｖ_２で表すことができるので、ＥＧＲガスの質量流量ｍ_ｅｇｒ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ｘ_ｅｇｒからＥＧＲガスの質量流量ｍ_ｅｇｒ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ｘ_ｅｇｒ、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Ｐ_ｏｕｔ、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Ｐ_ｉｎ、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Ｔ_ｉｎ、及びクランク角センサ２７で検知されたエンジン回転数ｎ_ｅｎｇ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ｘ_ｅｇｒと、ＥＧＲバルブ１２の出入口の圧力比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ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Ｖ_１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ｘ_ｅｇｒと、ＥＧＲバルブ１２の出入口の圧力比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎとに応じた一気筒当りのＥＧＲガスの汲み出し体積流量Ｖ_{ｅｇｒ＿ｐｕｍｐ}を算出する。次に、上記の数式（２）より、第２体積流量Ｖ_２を算出する。

次に、上記の数式（４）より、第１体積流量Ｖ_１と第２体積流量Ｖ_２の値の大きい方をＥＧＲガスの体積流量Ｖ_ｅｇｒとし、次に、上記の数式（３）より、ＥＧＲガスの質量流量ｍ_ｅｇｒ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ｍ_ｅｇｒ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Ｖ_１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Ｖ_２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ｘ_ｅｇｒから、ＥＧＲガスの質量流量ｍ_ｅｇｒ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ｍ_ＮＯｘ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ｍ_ＮＯｘを抑制することができる目標吸気酸素濃度ｍ_{Ｏ２＿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ｍ_ａｉｒ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ｍ_ｅｇｒとを用いるとする。

まず、ＮＯｘ排出量ｍ_ＮＯｘを低く抑えるための目標吸気酸素濃度ｍ_{Ｏ２＿ｄｅｍ}に応じたＥＧＲバルブ１２の開度ｘ_ｅｇｒ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ｍ_ａｉｒ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ｍ_ｅｇｒとから、実際の吸気酸素濃度ｍ_Ｏ２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ｍ_{Ｏ２＿ｄｅｍ}と実際の吸気酸素濃度ｍ_Ｏ２との偏差から、ＥＧＲバルブ１２の開度ｘ_ｅｇｒ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ｍ_ｅｇｒからＥＧＲバルブ１２の開度ｘ_ｅｇｒ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ｍ_ｅｇｒ、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Ｐ_ｏｕｔ、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Ｐ_ｉｎ、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Ｔ_ｉｎ、及びクランク角センサ２７で検知されたエンジン回転数ｎ_ｅｎｇを入力する。次に、数式（３）より、ＥＧＲガスの体積流量Ｖ_ｅｇｒを算出する。このＥＧＲガスの体積流量Ｖ_ｅｇｒをそれぞれ第１体積流量Ｖ_１、また第２体積流量Ｖ_２とする。

次に、第１体積流量Ｖ_１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Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎとに応じたＥＧＲバルブ１２の第１目標開度ｘ_{ｅｇｒ＿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Ｖ_{ｅｇｒ＿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Ｖ_{ｅｇｒ＿ｐｕｍｐ}と、ＥＧＲバルブ１２の出入口の圧力比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎとに応じたＥＧＲバルブ１２の第２目標開度ｘ_{ｅｇｒ＿２}を算出する。

次に、下記の数式（７）より、第１目標開度ｘ_{ｅｇｒ＿１}と第２目標開度ｘ_{ｅｇｒ＿２}の小さい方をＥＧＲバルブ１２の開度ｘ_ｅｇｒとする。

これにより、必要なＥＧＲガスの質量流量ｍ_ｅｇｒから、ＥＧＲバルブ１２の開度ｘ_ｅｇｒ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ｍ_ＮＯｘ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ｍ_ＮＯｘを抑制することができる目
標吸気酸素濃度ｍ_{Ｏ２＿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ｍ_ａｉｒを用いるとする。

ＭＡＦセンサ２５で検知された吸入吸気量ｍ_ａｉｒの変化に応じて、目標吸気酸素濃度ｍ_{Ｏ２＿ｄｅｍ}が変化しないように、変化した吸入吸気量ｍ_ａｉｒの値に応じて必要なＥＧＲガスの質量流量ｍ_ｅｇｒを算出し、その質量流量ｍ_ｅｇｒから算出したＥＧＲバルブ１２の開度を開度ｘ_ｅｇｒ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ｍ_ａｉｒとＥＧＲガスの質量流量ｍ_ｅｇｒを用いて算出可能な吸気酸素濃度ｍ_Ｏ２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ｍ_{Ｏ２＿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ｍ_{Ｏ２＿ｄｅｍ}と変化した吸入吸気量ｍ_ａｉｒから必要なＥＧＲガスの質量流量ｍ_ｅｇｒを算出し、その必要な質量流量ｍ_ｅｇｒからＥＧＲバルブ１２の開度ｘ_ｅｇｒ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ｘ_ｅｇｒからＥＧＲガスの質量流量ｍ_ｅｇｒ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ｍ_ｅｇｒを求め、その質量流量ｍ_ｅｇｒからＥＧＲバルブ１２の開度ｘ_ｅｇｒ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（Ｖ_１）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（Ｖ_２）を表した、一気筒当りのＥＧＲガス汲み出し体積流量（Ｖ_{ｅｇｒ＿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。
   
   
   ただし、
   μ：流量係数（［−］）
   Ａ：ＥＧＲ弁の有効開口面積（［ｍ^２］）
   Ｐ_ｉｎ：ＥＧＲ弁の入口の圧力（［Ｐａ］）
   Ｐ_ｏｕｔ：ＥＧＲ弁の出口の圧力（［Ｐａ］）
   Ｔ_ｉｎ：ＥＧＲ弁の入口の温度（［Ｋ］）
   Ｒ：ガス比熱（［Ｊ／ｋｇＫ］）
   ｋ：比熱比（［−］）
   ｎ_ｅｎｇ：エンジン回転数（［ｒｐｍ］）
   Ｂ：クランク形式から求まる値（［−］）
   Ｎ_ｃｙｌ：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（ｘ_ｅｇｒ）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（ｘ_ｅｇｒ）と、現圧力比（Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ）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（Ｖ_１）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（ｘ_ｅｇｒ）と、現圧力比（Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ）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（Ｖ_{ｅｇｒ＿ｐｕｍｐ}）を求めて、前記数式（２）より前記第２体積流量（Ｖ_２）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（Ｖ_１）と前記第２体積流量（
   Ｖ_２）の大きい方にガス密度を乗じて前記質量流量（ｍ_ｅｇｒ）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（ｍ_ｅｇｒ）となるように制御するときに、
   前記質量流量（ｍ_ｅｇｒ）をガス密度で除して算出した値を前記第１体積流量（Ｖ_１）と前記第２体積流量（Ｖ_２）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（Ｖ_１）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（Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ）とに応じた第１目標開度（ｘ_{ｅｇｒ＿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（Ｖ_２）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（Ｖ_{ｅｇｒ＿ｐｕｍｐ}）と、現圧力比（Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ）とに応じた第２目標開度（ｘ_{ｅｇｒ＿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（ｘ_{ｅｇｒ＿１}）と前記第２目標開度（ｘ_{ｅｇｒ＿２}）の小さい方を前記開度（ｘ_ｅｇｒ）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（Ｖ_１）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（Ｖ_２）を、一気筒当りのＥＧＲガス汲み出し体積流量（Ｖ_{ｅｇｒ＿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。
   
   
   ただし、
   μ：流量係数（［−］）
   Ａ：ＥＧＲ弁の有効開口面積（［ｍ^２］）
   Ｐ_ｉｎ：ＥＧＲ弁の入口の圧力（［Ｐａ］）
   Ｐ_ｏｕｔ：ＥＧＲ弁の出口の圧力（［Ｐａ］）
   Ｔ_ｉｎ：ＥＧＲ弁の入口の温度（［Ｋ］）
   Ｒ：ガス比熱（［Ｊ／ｋｇＫ］）
   ｋ：比熱比（［−］）
   ｎ_ｅｎｇ：エンジン回転数（［ｒｐｍ］）
   Ｂ：クランク形式から求まる値（［−］）
   Ｎ_ｃｙｌ：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（ｘ_ｅｇｒ）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（ｘ_ｅｇｒ）と、現圧力比（Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ）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（Ｖ_１）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（ｘ_ｅｇｒ）と、現圧力比（Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ）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（Ｖ_{ｅｇｒ＿ｐｕｍｐ}）を求めて、前記数式（２）より前記第２体積流量（Ｖ_２）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（Ｖ_１）と前記第２体積流量（Ｖ_２）の大きい方にガス密度を乗じて前記質量流量（ｍ_ｅｇｒ）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（ｍ_ｅｇｒ）となるように制御するときに、
   前記質量流量（ｍ_ｅｇｒ）をガス密度で除して算出した値を前記第１体積流量（Ｖ_１）と前記第２体積流量（Ｖ_２）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（Ｖ_１）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（Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ）とに応じた第１目標開度（ｘ_{ｅｇｒ＿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（Ｖ_２）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（Ｖ_{ｅｇｒ＿ｐｕｍｐ}）と、現圧力比（Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ）とに応じた第２目標開度（ｘ_{ｅｇｒ＿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（ｘ_{ｅｇｒ＿１}）と前記第２目標開度（ｘ_{ｅｇｒ＿２}）の小さい方を前記開度（ｘ_ｅｇｒ）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。