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JP2006161569A - 内燃機関のegr制御装置 - Google Patents

内燃機関のegr制御装置 Download PDF

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JP2006161569A JP2004350020A JP2004350020A JP2006161569A JP 2006161569 A JP2006161569 A JP 2006161569A JP 2004350020 A JP2004350020 A JP 2004350020A JP 2004350020 A JP2004350020 A JP 2004350020A JP 2006161569 A JP2006161569 A JP 2006161569A
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正二郎 琴岡
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晋 纐纈
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Abstract

【課題】 所望のEGR量を得ることができ、且つ、システムの簡略化を図ることができる内燃機関のEGR制御装置を提供する。
【解決手段】 大量EGRが要求される場合に、EGR弁(26)の開度を全開方向に連続制御し、更に、吸気絞り弁(12)の開度を全閉方向に連続制御する大量EGR制御手段(44)を具備し、制御手段は、吸気絞り弁の開度に対してEGR量の変化が小さい不感領域では、吸気絞り弁によるEGR量のフィードバック制御を制限する一方、EGR弁によるEGR量のフィードバック制御を実施して補完する。
【選択図】 図2

Description

本発明は、内燃機関のEGR制御装置に係り、詳しくは、大量EGRを行う内燃機関に好適なEGR制御装置に関する。
この種のEGR制御装置は、排ガスの一部がEGR通路を介して吸気通路に還流され、燃焼室に供給される。そして、この排ガスの再循環量(EGR量)をフィードバック制御することにより、良好な燃焼状態の確保及び排ガス浄化の促進を図る。
ここで、従前のEGR制御装置では、EGR通路内の流量を制御するEGR弁のみの開度調整を行っていたが、近年の内燃機関は大量EGR(高EGR率)での運転が要求されることから、上記EGR弁の他、吸気通路内の流量を制御する吸気絞り弁の開度調整も行われている(例えば、特許文献1参照)。これにより、例えば、不完全燃焼による一酸化炭素の排出を利用した筒内リッチの要求にも対応可能となり、また、NOx(窒素酸化物)の抑制や排気浄化触媒の昇温化も図られる。
特開2001−152879号公報
ところで、上記従来の技術では、EGR弁と吸気絞り弁とを併用してそれぞれ連続制御しており、更なるEGR量を得る場合には、EGR弁の開度を全開方向に向けて制御した後にこの開度を全開状態で固定しつつ、吸気絞り弁を絞る。つまり、吸気絞り弁の開度を全閉方向に向けて制御するという、EGR弁から吸気絞り弁への切り換えが行われる。
しかしながら、本願発明者は、この吸気絞り弁の全開状態と全閉状態との間には、吸気通路と排気通路との圧力差の変化が小さい等に起因した不感領域が存在することを認識している。より詳しくは、EGR量は、吸気絞り弁の開度の変化に対して変化率一定では追随せず、吸気絞り弁の開度が全開状態に近づくに連れて殆ど変化しなくなる。このEGR量の変化が未だ小さく、吸気絞り弁の開度に対して僅かながらに増加する領域を不感領域とする。一方、EGR量は、例えば吸気絞り弁の開度がその全閉状態の約20〜40%に達したときには急激に増加する。このEGR量の変化が大きく、急激に増加する領域を反応領域とする。なお、EGR量は、EGR弁の開度の変化に対しては吸気絞り弁に比して線形的に追随する。
すなわち、更なるEGR量を得るために、EGR弁から吸気絞り弁に切り換えられて吸気絞り弁の開度を全閉方向に向けて制御しても、上記不感領域ではEGR量の変化が小さいので、吸気絞り弁の開度が略全閉状態に達した時点でも所望のEGR量が得られないとの問題がある。
この問題は、吸気絞り弁の操作量、すなわち、吸気絞り弁に対する制御ゲインを不感領域では大きい値に設定すれば解決可能であるが、これでは、不感領域及び反応領域の双方の領域に亘るマッチングが必要となるし、しかも、このマッチング自体も困難であることから、システムの簡略化が図れないとの懸念がある。
このように、EGR弁と吸気絞り弁との切り換えに対しては何等かの措置が必要になるが、上記従来の技術ではこの点については格別な配慮がなされていない。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、所望のEGR量を得ることができ、且つ、システムの簡略化を図ることができる内燃機関のEGR制御装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するべく、請求項1記載の内燃機関のEGR制御装置は、内燃機関の吸気通路に配設された吸気絞り弁と、吸気通路と排気通路とを接続するEGR通路に配設されたEGR弁とを含み、EGR弁の開度及び吸気絞り弁の開度をそれぞれ連続制御することにより、EGR量をフィードバック制御する内燃機関のEGR制御装置において、大量EGRが要求される場合に、EGR弁の開度を全開方向に制御し、更に、吸気絞り弁の開度を全閉方向に制御する大量EGR制御手段を具備し、制御手段は、吸気絞り弁の開度に対してEGR量の変化が小さい不感領域では、吸気絞り弁によるEGR量の制御を制限する一方、EGR弁によるEGR量の制御を実施して補完することを特徴としている。
また、請求項2記載の発明では、制御手段は、不感領域では、吸気絞り弁の開度を吸気絞り弁の開度に対してEGR量の変化が大きい反応領域へ移行させる所定開度にまで直ちに絞って固定する一方、EGR弁によるEGR量の制御を実施して補完することを特徴としている。
更に、請求項3記載の発明では、制御手段は、吸気絞り弁の開度が所定開度に絞られた後、EGR弁の開度が全開となった場合には、EGR弁によるEGR量の制御を制限する一方、吸気絞り弁によるEGR量の制御を実施することを特徴としている。
更にまた、請求項4記載の発明では、制御手段は、不感領域にて、EGR量を増加すべく吸気絞り弁の開度を全開状態から所定開度にする場合と、EGR量を減少すべく吸気絞り弁の開度を所定開度から全開状態にする場合とでは、ヒステリシスを持たせて不感領域を回避するための切り換えの閾値を異ならしめることを特徴としている。
従って、請求項1記載の本発明の内燃機関のEGR制御装置によれば、吸気絞り弁が全開状態と全閉状態との間には不感領域、つまり、EGR量の変化が未だ小さく所望のEGR量を得られない領域が存在する。しかし、この場合には、大量EGR制御手段が吸気絞り弁によるEGR量の制御を制限し、EGR弁によるEGR量の制御を実施して上記制限分を補完することから、不感領域が存在しても所望のEGR量が得られる。
更に、吸気絞り弁によるEGR量の制御を制限するので、不感領域では吸気絞り弁によるEGR量のフィードバック制御がなくなる、換言すれば、この不感領域では吸気絞り弁に対する制御ゲインの設定が不要になる。この結果、システムの簡略化が図られる。
また、請求項2記載の発明によれば、大量EGR制御手段は、不感領域では吸気絞り弁の開度を一気に閉弁させ、不感領域から反応領域に到達させてEGRをより導入し易い状態にしている。そして、EGR弁によるEGR量の制御を実施し、連続制御がなされない吸気絞り弁の動作を補っている。従って、高精度・高応答なシステムが構築される。
しかも、吸気絞り弁の開度は固定されていることから、開度の連続制御が行われる吸気絞り弁の開閉動作が少なくなり、吸気絞り弁の耐久性向上が図られる。特に、吸気絞り弁がブラシ付きタイプの場合には、摺動面の摩耗が顕著に抑制される。
更に、請求項3記載の発明によれば、吸気絞り弁に対する制御ゲインは、EGR弁によるEGR量の制御が制限されるとき、すなわち、反応領域についてのみ設定すれば済み、不感領域から反応領域の全領域における制御ゲインのマッチングが不要になる。よって、システムのより一層の簡略化が図られる。
更にまた、請求項4記載の発明によれば、EGR弁の開度が吸気絞り弁にとって不感領域に該当する開度にて変動し続けた場合にも、吸気絞り弁の全開状態と固定される所定開度との頻繁な切り換えが回避可能となる。従って、吸気絞り弁のバタツキが抑制され、この点も吸気絞り弁の耐久性向上に寄与する。
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図1はディーゼルエンジン用に具体化されたEGR制御装置である。
同図に示されるように、ディーゼルエンジン2の吸気通路4には過給機6が設けられており、図示しないエアクリーナから取り入れられた吸入空気は、コンプレッサ8により過給された後にインタークーラ10を経て燃焼室16に導入される。
また、吸気通路4の適宜位置には吸気絞り弁12が配設されており、モータ等により駆動されるバタフライ弁体14の開閉動作により吸入空気の流量を制御し、後述の如く排ガスの再循環量(EGR量)も制御する。なお、本実施形態の吸気絞り弁12は、ブラシ付き、つまり、磁界を発生させるコイルにブラシを用いて電流を流すタイプのものである。
エンジン2の排気通路20にはコンプレッサ8と同軸上に結合されたタービン22が設けられ、燃焼後の排ガスによってコンプレッサ8及びタービン22が回転駆動される。
また、吸気通路4と排気通路20とはEGR通路24により連結され、このEGR通路24の適宜位置にはEGR弁26が配設されている。このEGR弁26はモータ等により駆動されるポペット弁体28を備え、この弁体28の開閉動作によりEGR量を制御する。なお、本実施形態のEGR弁26は、ブラシレス、つまり、ブラシを用いずに磁界を発生させるコイルに電流を流すタイプのものである。
車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置(ROM,RAM,BURAM等)、中央処理装置(CPU)、タイマカウンタ等を備えたECU(電子コントロールユニット)40が設置されており、吸気絞り弁12やEGR弁26の開度の連続制御を含めたエンジン2の総合的な制御が行われる。
ECU40の入力側には、エンジン2の吸入空気量に応じた電圧を出力するエアフローセンサ30、吸気圧を検出する吸気圧センサ32、吸気温を検出する吸気温センサ34、エンジン2の回転速度を検出する回転速度センサ36、運転者によるアクセル開度を検出するアクセルセンサ38等の各種センサ類が接続されている。一方、ECU40の出力側には、上述の吸気絞り弁12やEGR弁26の他、燃料噴射弁18等の各種デバイス類が接続されている。
ここで、ECU40は、燃料噴射弁18を対象とした燃料噴射制御部42と、吸気絞り弁12やEGR弁26を対象とした大量EGR制御部(大量EGR制御手段)44とを備えており、更なるEGR量が要求された場合、つまり、大量EGRが要求された場合には、目標の空気過剰率となるように、吸気絞り弁12の弁体14の開度やEGR弁26の弁体28の開度を連続制御することにより、EGR量をフィードバック制御している。
具体的には、燃料噴射制御部42では、例えば回転速度センサ36からの回転速度やアクセルセンサ38からのアクセル開度から燃料噴射量等を設定し、これらの設定値に基づいて燃料噴射弁18を駆動制御してエンジン2を運転する。
また、大量EGR制御部44では、上記回転速度及び燃料噴射量に基づいて目標の空気過剰率を制御マップから設定し、目標のEGR量を算出する。一方、この大量EGR制御部44では、エアフローセンサ30からの1秒あたりの新気量の他、1秒あたりの燃料噴射量、理論空燃比やEGR通路24からの排ガス中の空気相当量に基づいて実際の空気過剰率を算出し、実際のEGR量を算出する。なお、上記EGR通路24からの排ガス中の空気相当量は、例えば吸気圧センサ32からの吸気圧、吸気温センサ34からの吸気温に基づいて燃焼室16への1秒あたりの全吸入量を求め、この全吸入量から上記新気量を減算すれば1秒あたりに供給されるEGR量が求められるので、このEGR量と前回演算された実際の空気過剰率とから求めることができる。
そして、本実施形態では、上記算出された目標のEGR量と実際のEGR量との偏差をフィードバックし、PID制御部46にて設定された制御ゲインから指示値を得て、この指示値により吸気絞り弁12の弁体14の回動量やEGR弁26の弁体28のリフト量を連続制御する。この結果、要求したEGR量が得られ、目標の空気過剰率に近づくことになる。
ところで、大量EGR制御部44では、更なるEGR量が要求された場合には、EGR弁26の開度を全開方向に制御した後にEGR弁26から吸気絞り弁12への切り換えが行われている。ここで、この大量EGR制御部44は、吸気絞り弁12が全開状態から全閉方向に向かう過程には不感領域、つまり、EGR量の変化が未だ小さい領域が存在することを鑑み、この不感領域では吸気絞り弁12によるEGR量の制御を制限してオープン制御を実施する一方、この制限分を補完すべく、EGR弁26によるEGR量のフィードバック制御を実施している。
より具体的には、図2に示されるように、更なるEGR量の増量要求に対してEGR弁26の開度が全開状態(100%)に達すると、EGR量が未だ不足している旨が判別される。しかし、この時点は、吸気絞り弁12の開度が全開状態(100%)であり、吸気絞り弁12にとっては不感領域である。そこで、吸気絞り弁12の開度の連続制御を制限、つまり、吸気絞り弁12の開度を瞬時に所定開度Aの開度まで絞る(I参照)。この所定開度Aとは、EGRの影響が少ない開度、例えば吸気絞り弁12の全閉状態(0%)に対して約20〜40%程度の開度が相当する。これにより、吸気絞り弁12にとっては不感領域から反応領域(吸気絞り弁12の開度に対してEGR量の変化が大きい領域)に直ちに移行され、不感領域が回避される。
続いて、吸気絞り弁12の開度は上記所定開度Aのまま固定される(II参照)。このように、開度を全開状態(100%)から一気に絞り、且つ、固定することによって、吸気絞り弁12の動作は連続制御時の動作とは異なって不連続になるものの、不感領域が回避されることから、排ガスは吸気通路4内により導入され易い状態になる。
この動作と同時に、EGR弁26は連続制御される。詳しくは、EGR弁26の開度は全開状態(100%)から所定開度Cにまで少しずつ閉じられる(II参照)。これは、吸気絞り弁12の開度を所定開度Aまで絞ったことに伴って瞬間的に増大したEGR量を抑えて補完するためである。この結果、当該所定開度Cに達する時点のEGR量は、EGR弁26の最初の全開状態(100%)に達した時点と同じ割合で増量される。
その後、EGR弁26の開度は再び全開状態(100%)に向けて少しずつ開かれる(II参照)。これにより、上記所定開度Aの固定によるEGR量の増分も補完され、EGR量は同じ割合のまま滑らかに増量される。これらI及びIIにて示された期間がEGR弁26によるEGR量の制御期間となる。
上記の如くEGR弁26の開度が再び全開状態(100%)に達すると、EGR弁26の開度の連続制御が制限、つまり、EGR弁26の開度を全開状態(100%)まま固定し、吸気絞り弁12による連続制御が実施され、失火を防止するための吸気絞り制限値に達するまで全閉状態(0%)に向けて徐々に絞られる(III参照)。これにより、EGR量は同じ割合のまま更に増量され、所望のEGR量が得られるとEGR増量時の動作が終了する。
次に、大量EGR制御部44では、EGR量の減量が要求された場合には、EGR弁26の開度を全開状態(100%)にしたまま、吸気絞り弁12による連続制御が実施され、上記所定開度Aに達するまで全開状態(100%)に向けて徐々に開く(IV参照)。そして、上記所定開度Aに達すると、吸気絞り弁12の開度の連続制御が制限、つまり、吸気絞り弁12の開度を所定開度Aのまま固定する(V参照)。この動作と同時に、EGR弁26は連続制御される。具体的には、EGR弁26の開度が全開状態(100%)から所定開度Bに達するまで少しずつ閉じられる(V参照)。これにより、EGR量は吸気絞り弁12による連続制御の場合と同じ割合のまま滑らかに減量される。
なお、この所定開度BはEGR弁26の全閉状態(0%)であっても良いが、図示のように、当該全閉状態よりも大きな開度に設定することで、燃焼室16へのガスの供給により吸気絞り弁12の下流の圧力が急激に低下することを防止し、トルク変動を抑制できる。ただし、この所定開度Bは、上記期間IIにおける所定開度C以上の開度には設定されない。なぜならば、EGR量の増量要求を受けて吸気絞り弁12の開度が所定開度Aに切り換わった際に瞬時に増大したEGR量を抑えるべくEGR弁26が所定開度Cまで連続して絞られるが、この所定開度C以上の開度に達した結果、吸気絞り弁12が全開状態(100%)に戻ってしまい、吸気絞り弁12とEGR弁26との切り換えバタツキが発生するからである。
EGR弁26の開度が上記所定開度Bに達したときには、吸気絞り弁12の開度を瞬時に全開状態(100%)にまで開ける(V参照)。EGR量をより一層減少させるには、吸気絞り弁12の開度を上記所定開度Aよりも大きく設定する必要があるものの、上記所定開度Aよりも大きな開度は、吸気絞り弁12にとって不感領域だからである。
続いて、この動作と同時に、EGR弁26の開度は所定開度Bから少しずつ開かれる(VI参照)。これは、吸気絞り弁12の開度を全開状態(100%)まで開いたことに伴って瞬間的に減少したEGR量を補完するためである。この結果、当該所定開度Bに達する時点後のEGR量も同じ割合で減量される。
その後、EGR弁26の開度は再び全閉状態(0%)に向けて少しずつ閉じられる(VI参照)。これにより、EGR量は同じ割合のまま滑らかに減量され、所望のEGR量が得られるとEGR減量時の動作が終了する。そして、これらV及びVIにて示された期間がEGR弁26によるEGR量の制御期間となる。
以上のように、本実施形態は、ブラシ付きの吸気絞り弁12の動作回数を減らす一方、ブラシレスのEGR弁26の動作回数を増やし、且つ、EGR量の連続的な制御を行わせる点を主眼としたものである。
そして、不感領域は、大量EGR制御部44が吸気絞り弁12の開度を一気に閉弁或いは開弁することにより回避される。特に、EGR量の増量時に、吸気絞り弁12の開度を一気に閉弁すれば反応領域に到達し、排ガスを吸気通路4内により導入し易い状態になることから、この時点からEGR弁26によるEGR量の制御を実施すれば、連続制御がなされない吸気絞り弁12の動作を補うことができる。従って、不感領域が存在しても、吸気絞り弁12の開度が吸気絞り制限値に達するまでの期間内には、所望のEGR量が得られ、高精度・高応答なシステムが構築できる。
また、吸気絞り弁12の開度は上記II及びVにて示された期間では固定されており、上記IIIとIVにて示された期間のみが吸気絞り弁12によるEGR量の制御期間となる。すなわち、従来の吸気絞り弁によるEGR量の制御期間に比して上記II及びVの分だけ短期間となる。従って、吸気絞り弁12の開閉動作が少なくなり、吸気絞り弁12の耐久性向上が図られる。特に、本実施形態の如くのブラシ付きの吸気絞り弁12の場合には、摺動面の摩耗が顕著に抑制され、耐久性が大幅に向上する。
更に、不感領域にて、EGR量増量時に吸気絞り弁12の開度を全開状態(100%)から所定開度Aにする場合と、EGR量減量時に吸気絞り弁12の開度を所定開度Aから全開状態(100%)にする場合とでは、ヒステリシスを持たせている。換言すれば、EGR量増量時には、EGR弁26が最初の全開状態(100%)に達した時点が該当するのに対し、EGR量減量時には、EGR弁26が所定開度Bに達した時点が該当し、不感領域を回避するための切り換えの閾値を異ならしめている。これにより、EGR弁26の開度が吸気絞り弁12にとって不感領域に該当する開度にて変動し続けた場合にも、吸気絞り弁12が全開状態(100%)に固定される場合と、所定開度A(約20〜40%)に固定される場合との頻繁な切り換えが回避可能となる。この結果、吸気絞り弁12のバタツキが抑制され、この点も吸気絞り弁12の耐久性向上に寄与する。
更にまた、吸気絞り弁12の開度を一気に閉弁或いは開弁させて不感領域を回避するので、この不感領域では吸気絞り弁12に対する制御ゲインの設定が全く不要になる。この結果、システムの簡略化が図られる。
また、図3に示されるように、吸気絞り弁12に対する制御ゲインは、EGR弁26によるEGR量の制御が制限される場合、すなわち、所定開度Aよりも右側に位置する反応領域だけをターゲットとした制御ゲイン(図中、実線で示す)の設定で済み、不感領域についての制御ゲイン(図中、点線で示す)の設定が不要になる。更に、この反応領域について設定された制御ゲインは小さな値で足りる。
しかも、不感領域から反応領域の全領域における制御ゲインのマッチング(図中、矢印付きの点線で示す)も不要になるので、システムのより一層の簡略化が図られる。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、大量EGR制御部44にてエアフローセンサ30等の値から実際のEGR量を算出しているが、この算出値に代えて、実際のEGR量の検出値を用いたEGR量のフィードバック制御であっても良い。
また、上記実施形態では、目標の空気過剰率となるように、吸気絞り弁12やEGR弁26を連続制御することにより、EGR量をフィードバック制御しているが、必ずしもこの例に限定されるものではなく、EGR制御に反映される値であれば、例えば、目標の吸気O2濃度となるように、吸気絞り弁12やEGR弁26を連続制御することにより、EGR量をフィードバック制御しても良い。
更に、上記実施形態ではディーゼルエンジン2用のEGR制御装置の説明がなされているが、例えばガソリンエンジン用のEGR制御装置であっても良く、これはEGR通路24からの排ガス中の空気相当量等を考慮しないことで達成可能となる。
本発明の一実施形態に係るEGR制御装置を示す全体構成図である。 図1のEGR制御装置によるEGR弁と吸気絞り弁との切り換えに関するタイミングチャートである。 図1のEGR制御装置による吸気絞り弁の開度とEGR量の特性及び制御ゲインとの関係を示す図である。
符号の説明
2 エンジン
4 吸気通路
12 吸気絞り弁
20 排気通路
24 EGR通路
26 EGR弁
40 ECU(電子コントロールユニット)
44 大量EGR制御部(大量EGR制御手段)
46 PID制御部

Claims (4)

  1. 内燃機関の吸気通路に配設された吸気絞り弁と、前記吸気通路と排気通路とを接続するEGR通路に配設されたEGR弁とを含み、該EGR弁の開度及び前記吸気絞り弁の開度をそれぞれ連続制御することにより、EGR量をフィードバック制御する内燃機関のEGR制御装置において、
    大量EGRが要求される場合には、前記EGR弁の開度を全開方向に制御し、更に、前記吸気絞り弁の開度を全閉方向に制御する大量EGR制御手段を具備し、
    該制御手段は、前記吸気絞り弁の開度に対してEGR量の変化が小さい不感領域では、該吸気絞り弁によるEGR量の制御を制限する一方、前記EGR弁によるEGR量の制御を実施して補完することを特徴とする内燃機関のEGR制御装置。
  2. 前記制御手段は、前記不感領域では、前記吸気絞り弁の開度を該吸気絞り弁の開度に対してEGR量の変化が大きい反応領域へ移行させる所定開度にまで直ちに絞って固定する一方、前記EGR弁によるEGR量の制御を実施して補完することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関のEGR制御装置。
  3. 前記制御手段は、前記吸気絞り弁の開度が前記所定開度に絞られた後、前記EGR弁の開度が全開となった場合には、該EGR弁によるEGR量の制御を制限する一方、前記吸気絞り弁によるEGR量の制御を実施することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関のEGR制御装置。
  4. 前記制御手段は、前記不感領域にて、前記EGR量を増加すべく前記吸気絞り弁の開度を全開状態から前記所定開度にする場合と、前記EGR量を減少すべく前記吸気絞り弁の開度を前記所定開度から全開状態にする場合とでは、ヒステリシスを持たせて前記不感領域を回避するための切り換えの閾値を異ならしめることを特徴とする請求項2に記載の内燃機関のEGR制御装置。
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