JP4285528B2 - 内燃機関の排気再循環システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気再循環システムに関する。

内燃機関において燃料が燃焼する際に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）の量を低減する技術として、排気の一部を吸気系に再循環させる排気再循環装置が知られている。

また、より広い運転領域においてＥＧＲを実施可能にする技術として、ターボチャージャのタービンより上流の排気通路とターボチャージャのコンプレッサより下流の吸気通路とを接続する高圧ＥＧＲ通路を介して排気の一部を内燃機関に再循環させる高圧ＥＧＲ手段と、タービンより下流の排気通路とコンプレッサより上流の吸気通路とを接続する低圧ＥＧＲ通路を介して排気の一部を内燃機関に再循環させる低圧ＥＧＲ手段とを備え、内燃機関の運転状態に応じて高圧ＥＧＲ手段と低圧ＥＧＲ手段とを併用又は切り替えて排気を再循環させる排気再循環システムが提案されている（例えば特許文献１を参照）。
特開２００５−０７６４５６号公報 特開２００４−０２７９５６号公報 特開平０９−１５１７６１号公報

一般に低圧ＥＧＲ通路の配管経路が長いため、低圧ＥＧＲ通路中に存在する排気の量が比較的多い。そのため、内燃機関の運転状態が変化しても、変化前の運転状態において内燃機関から排出されて未だ低圧ＥＧＲ通路中に残存している排気が全て内燃機関の気筒に吸入されるまでに比較的長い期間を要する。この期間中は、変化後の運転状態において内燃機関から排出された排気とはその排気特性（排気成分濃度、温度等）が異なる排気が内燃機関に吸入されることになるため、吸気酸素濃度（又はＥＧＲ率）が所望の目標吸気酸素濃度（又は目標ＥＧＲ率）からずれて排気エミッションの悪化や燃焼不良等を招く虞があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高圧ＥＧＲ手段と低圧ＥＧＲ手段とを併用する内燃機関の排気再循環システムにおいて、内燃機関の運転状態が変化する時における吸気酸素濃度の制御応答性を向上させ、エミッションの悪化や燃焼の不安定化を抑制する技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る内燃機関の排気再循環システムは、内燃機関の吸気通路にコンプレッサを有し且つ内燃機関の排気通路にタービンを有するターボチャージャと、タービンより上流の排気通路とコンプレッサより下流の吸気通路とを接続する高圧ＥＧＲ通路を介して排気の一部を内燃機関に再循環させる高圧ＥＧＲ手段と、タービンより下流の排気通路とコンプレッサより上流の吸気通路とを接続する低圧ＥＧＲ通路を介して排気の一部を内燃機関に再循環させる低圧ＥＧＲ手段と、高圧ＥＧＲ通路に設けられ高圧ＥＧＲ通路の流路断面積を変更する高圧ＥＧＲ弁と、低圧ＥＧＲ通路に設けられ低圧ＥＧＲ通路の流路断面積を変更する低圧ＥＧＲ弁と、内燃機関の運転状態に応じて定められる基本高圧ＥＧＲ弁開度に高圧ＥＧＲ弁の開度を制御するとともに、内燃機関の運転状態に応じて定められる基本低圧ＥＧＲ弁開度に低圧ＥＧＲ弁の開度を制御するＥＧＲ制御手段と、を備えている。

ここで、「基本高圧ＥＧＲ弁開度」とは、内燃機関の定常運転時に高圧ＥＧＲ手段によって内燃機関に再循環する排気（以下「高圧ＥＧＲガス」という）の量が所定の基本高圧ＥＧＲガス量となるように予め定められる高圧ＥＧＲ弁の開度の規定値であり、内燃機関の運転状態に応じて定まる。また、「基本低圧ＥＧＲ弁開度」とは、内燃機関の定常運転時に低圧ＥＧＲ手段によって内燃機関に再循環する排気（以下「低圧ＥＧＲガス」という）の量が所定の基本低圧ＥＧＲガス量となるように予め求められる低圧ＥＧＲ弁の開度の規定値であり、内燃機関の運転状態に応じて定められる。

なお、「基本高圧ＥＧＲガス量」及び「基本低圧ＥＧＲガス量」は、内燃機関の吸気酸素濃度が、排気エミッション、燃費特性、燃焼特性等の機関特性を最適化するように予め求められる目標吸気酸素濃度となるようにような高圧ＥＧＲガス量及び低圧ＥＧＲガス量の規定値であり、内燃機関の運転状態に応じて定められる。なお、基本高圧ＥＧＲガス量や基本低圧ＥＧＲガス量は、ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率になるように定められるものであっても良い。ここで、ＥＧＲ率とは、内燃機関に吸入される吸気中に占める、排気再循環システムによって内燃機関に再循環する排気の割合である。

内燃機関の定常運転時において高圧ＥＧＲ弁の開度が基本高圧ＥＧＲ弁開度に制御され、且つ、低圧ＥＧＲ弁の開度が基本低圧ＥＧＲ弁開度に制御されることで、高圧ＥＧＲガス量が基本高圧ＥＧＲガス量に制御され、且つ、低圧ＥＧＲガス量が基本低圧ＥＧＲガス量に制御される。これにより、上述したような各種機関特性に関して最適化された条件下で内燃機関の定常運転が行われることになる。

そして、本発明の内燃機関の排気再循環システムは、前記ＥＧＲ制御手段が、内燃機関が燃料カット運転状態に移行する直前における内燃機関の運転状態に基づいて、燃料カット運転状態に移行した後における前記低圧ＥＧＲ弁の開弁又は閉弁を制御し、燃料カット運転状態に移行する直前における内燃機関の運転状態と、燃料カット運転状態に移行した後における前記低圧ＥＧＲ弁の開弁又は閉弁の制御状態と、に基づいて、燃料カット運転中に前記低圧ＥＧＲ通路内に存在しているガスの特性を推定し、内燃機関が燃料カット運転状態から復帰する時、燃料カット運転状態から復帰する直前に低圧ＥＧＲ通路内に存在しているガスの前記推定された特性に基づいて基本高圧ＥＧＲ弁開度を補正し、内燃機関が燃料カット運転状態から復帰してから、燃料カット運転状態から復帰する直前に前記低圧ＥＧＲ通路内に存在しているガスが全て内燃機関に吸入されるまでの所定期間、該補正後の開度に高圧ＥＧＲ弁の開度を制御することを特徴とする。

ここで、「排気の特性」としては、例えば排気中の二酸化炭素等の不活性成分の濃度や排気温度等を例示できる。また、「所定期間」とは、内燃機関の運転状態が変化してから、高圧ＥＧＲ弁開度を基本高圧ＥＧＲ弁開度に制御し、且つ、低圧ＥＧＲ弁開度を基本低圧ＥＧＲ弁開度に制御した場合の吸気酸素濃度（又はＥＧＲ率）が所望の目標吸気酸素濃度（又は目標ＥＧＲ率）になるまでの期間である。すなわち、所定期間とは、低圧ＥＧＲ通路中に残存している、変化前の運転状態において内燃機関から排出された排気（以下「残存低圧ＥＧＲガス」という）が、全て内燃機関に吸入され終わるまでの期間と言うこともできる。

本発明によれば、この所定期間中における高圧ＥＧＲ弁の開度は、基本高圧ＥＧＲ弁開度を残存低圧ＥＧＲガスの特性に基づいて補正した開度に制御される。すなわち、所定期間中、変化後の運転状態において内燃機関から排出される排気とは特性の異なる残存低圧ＥＧＲガスと、比較的応答性良く変化後の運転状態において内燃機関から排出される排気に入れ替わる高圧ＥＧＲガスと、が内燃機関に再循環することによって定まる吸気酸素濃度（又はＥＧＲ率）が、現在の内燃機関の運転状態に応じて定められる目標吸気酸素濃度（又は目標ＥＧＲ率）となるように、高圧ＥＧＲ弁開度が決定される。

これにより、吸気酸素濃度（又はＥＧＲ率）が好適に目標吸気酸素濃度（又は目標ＥＧＲ率）に制御されることになり、内燃機関の運転状態が変化する時の吸気酸素濃度（又はＥＧＲ率）の制御応答性を向上させることができる。その結果、エミッションの悪化や燃焼の不安定化を好適に抑制することが可能になる。

本発明は、特に内燃機関が燃料カット運転状態から復帰する時の吸気酸素濃度（又はＥ
ＧＲ率）の制御に適用して好適である。

その場合、ＥＧＲ制御手段は、内燃機関が燃料カット運転状態に移行する直前における内燃機関の運転状態に基づいて、燃料カット運転中の残存低圧ＥＧＲガスの特性を推定することができる。

例えば、内燃機関が定常運転状態から燃料カット運転状態に移行する場合には、燃料カット運転状態への移行時点から燃料カット運転状態から復帰するまでの燃料カット運転中、低圧ＥＧＲ弁を閉弁し、内燃機関が燃料カット運転状態から復帰した時点から前記所定期間中、前記定常運転状態に基づいて基本高圧ＥＧＲ弁開度を補正し、該補正後の開度に高圧ＥＧＲ弁を制御するようにしてもよい。

燃料カット運転状態に移行する直前の内燃機関の運転状態が定常運転状態である場合、内燃機関から排出されて排気系に存在する排気の特性は、排気の流通経路全体に亘って略一様である。従って、定常運転状態から燃料カット運転状態に移行した時点で低圧ＥＧＲ弁を閉弁することによって、低圧ＥＧＲ通路全体に亘って略一様の特性を有する排気を低圧ＥＧＲ通路中に残留させることができる。

定常運転状態の内燃機関から排出される排気の特性は定常運転状態に基づいて推定することができる。従って、内燃機関が燃料カット運転状態から復帰後に低圧ＥＧＲ手段によって排気の再循環を行った時に、燃料カット運転状態から復帰後の運転状態において内燃機関から排出される排気とは排気特性の異なる排気ではあるが推定によってその特性が既知である排気を、低圧ＥＧＲガスとして内燃機関に再循環させることができる。

よって、この既知の排気特性に基づいて、該既知の特性を有する低圧ＥＧＲガスと燃料カットから復帰後の運転状態に対応する特性を有する高圧ＥＧＲガスとが内燃機関に再循環した場合に、吸気酸素濃度（又はＥＧＲ率）が目標吸気酸素濃度（又は目標ＥＧＲ率）となるように、高圧ＥＧＲ弁開度及び低圧ＥＧＲ弁開度を制御することができる。その結果、内燃機関が燃料カット運転状態から復帰後の前記所定期間中における吸気酸素濃度（又はＥＧＲ率）の制御応答性を好適に向上させることが可能になる。

一方、燃料カット運転状態に移行する直前の内燃機関の運転状態が過渡運転状態である場合、内燃機関の運転状態は時間変動するため、内燃機関から排出されて排気系に存在する排気の特性は、排気の流通経路上の位置によって異なる特性を有する。よって、燃料カット運転中に低圧ＥＧＲ弁を閉弁して過渡運転状態の内燃機関から排出された排気を低圧ＥＧＲ通路に残留させても、燃料カット運転状態からの復帰後に既知の特性を有する排気を低圧ＥＧＲガスとして内燃機関に再循環させることは困難である。

そこで、内燃機関が過渡運転状態から燃料カット運転状態に移行する場合には、燃料カット運転状態への移行時点から燃料カット運転状態から復帰するまでの燃料カット運転中、低圧ＥＧＲ弁を開弁し、内燃機関が燃料カット運転状態から復帰した時点から前記所定期間中、基本高圧ＥＧＲ弁開度と比較して開き側の開度に高圧ＥＧＲ弁を制御するようにしてもよい。

こうすることで、燃料カット運転中に低圧ＥＧＲ通路内に残留している排気は吸気系に放逐され、代わりに新気が低圧ＥＧＲ通路に流入することになる。新気の特性は既知であるから、内燃機関が燃料カット運転状態から復帰後にその特性が既知であるガス（すなわち新気）を低圧ＥＧＲガスとして内燃機関に再循環させることができる。

よって、この既知の新気の特性に基づいて、該既知の特性を有する低圧ＥＧＲガス（実
際には新気）と燃料カットから復帰後の運転状態に対応する特性を有する高圧ＥＧＲガスとが内燃機関に再循環した場合に、吸気酸素濃度（又はＥＧＲ率）が目標吸気酸素濃度（又は目標ＥＧＲ率）となるように、前記所定期間中の高圧ＥＧＲ弁開度及び低圧ＥＧＲ弁開度を制御することができる。この場合、前記所定期間中は実質的に高圧ＥＧＲ手段のみで目標吸気酸素濃度（又は目標ＥＧＲ率）の達成を図ることになる。その結果、内燃機関が燃料カット運転状態から復帰後の前記所定期間中における吸気酸素濃度（又はＥＧＲ率）の制御応答性を好適に向上させることが可能になる。

なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。

本発明により、高圧ＥＧＲ手段と低圧ＥＧＲ手段とを併用する内燃機関の排気再循環システムにおいて、内燃機関の運転状態が変化する時における吸気酸素濃度の制御応答性を向上させ、エミッションの悪化や燃焼の不安定化を抑制することが可能になる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本実施例の内燃機関の排気再循環システムを適用する内燃機関の吸気系、排気系、及び制御系の概略構成を模式的に示す図である。図１に示す内燃機関１は４つの気筒２を有する水冷式４サイクルディーゼルエンジンである。

内燃機関１の気筒２には、吸気マニホールド１７及び排気マニホールド１８が接続されている。吸気マニホールド１７には吸気管３が接続されている。吸気マニホールド１７の上流の吸気管３には、吸気管３の流路断面積を変更することで吸気管３を流れる吸気の流量を調節可能な第２吸気絞り弁９が設けられている。第２吸気絞り弁９は、電動アクチュエータによって開閉される。第２吸気絞り弁９より上流の吸気管３には吸気を冷却するインタークーラ８が設けられている。インタークーラ８より上流の吸気管３には、排気のエネルギーを駆動源として作動するターボチャージャのコンプレッサ１１が設けられている。コンプレッサ１１より上流の吸気管３には、吸気管３の流路断面積を変更することで吸気管３を流れる吸気の流量を調節可能な第１吸気絞り弁６が設けられている。第１吸気絞り弁６は、電動アクチュエータによって開閉される。

一方、排気マニホールド１８には排気管４が接続されている。排気管４の途中には、ターボチャージャのタービン１２が設けられている。このターボチャージャは、タービン１２の排気流量特性を変更可能なノズルベーン５を有する可変容量型のターボチャージャである。タービン１２より下流の排気管４には、排気浄化装置１０が設けられている。排気浄化装置１０は、パティキュレートフィルタ（以下「フィルタ」という）１３を有して構成されている。フィルタ１３には吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下「ＮＯｘ触媒」という）が担持されている。排気がフィルタ１３を通過することで、排気中に含まれる粒子状物質が捕集されるとともに、排気が酸化雰囲気の時には排気中のＮＯｘが吸蔵される。排気浄化装置１０より下流の排気管４には、排気管４の流路断面積を変更することで排気管４を流れる排気の流量を調節可能な排気絞り弁１９が設けられている。排気絞り弁１９は、電動アクチュエータによって開閉される。なお、本実施例では排気絞り弁１９は排気浄化装置１０の直下流の排気管４に設けられているが、後述する低圧ＥＧＲ通路３１の接続部より下流の排気管４に設けることもできる。排気絞り弁１９を絞ることでフィルタ１３の温度を昇温させることができ、フィルタ１３に捕集された粒子状物質を酸化除去したり、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元したりすることができる。

内燃機関１には、排気管４を流れる排気の一部を低圧で吸気管３へ導き気筒２に再循環させる低圧ＥＧＲ装置３０が備えられている。低圧ＥＧＲ装置３０は、低圧ＥＧＲ通路３１、低圧ＥＧＲ弁３２、及び低圧ＥＧＲクーラ３３を有して構成されている。低圧ＥＧＲ通路３１は、排気絞り弁１９より下流の排気管４と、コンプレッサ１１より上流且つ第１吸気絞り弁６より下流の吸気管３とを接続している。低圧ＥＧＲ通路３１を通って排気が低圧で吸気管３へ導かれる。本実施例では、低圧ＥＧＲ通路３１を経由して気筒２に再循環する排気を低圧ＥＧＲガスと称している。

低圧ＥＧＲ弁３２は、低圧ＥＧＲ通路３１の流路断面積を変更することにより低圧ＥＧＲ通路３１を流れる排気の量を変更可能な流量調節弁である。低圧ＥＧＲガスの調量は低圧ＥＧＲ弁３２の開度を調節することによって行われる。なお、低圧ＥＧＲガスの調量は低圧ＥＧＲ弁３２の開度調節以外の方法によって行うこともできる。例えば、第１吸気絞り弁６の開度を調節することによって低圧ＥＧＲ通路３１の上流と下流との差圧を変化させることによっても低圧ＥＧＲガス量を調節することができる。

低圧ＥＧＲクーラ３３は、低圧ＥＧＲクーラ３３を通過する低圧ＥＧＲガスと内燃機関１を冷却する冷却水との間で熱交換をすることで低圧ＥＧＲガスを冷却する。

また、内燃機関１には、排気管４を流れる排気の一部を高圧で吸気管３へ導き気筒２に再循環させる高圧ＥＧＲ装置４０が備えられている。高圧ＥＧＲ装置４０は、高圧ＥＧＲ通路４１及び高圧ＥＧＲ弁４２を有して構成されている。高圧ＥＧＲ通路４１は、タービン１２より上流の排気管４と第２吸気絞り弁９より下流の吸気管３とを接続している。高圧ＥＧＲ通路４１を通って排気が高圧で吸気管３へ導かれる。本実施例では、高圧ＥＧＲ通路４１を経由して気筒２に再循環する排気を高圧ＥＧＲガスと称している。

高圧ＥＧＲ弁４２は、高圧ＥＧＲ通路４１の流路断面積を変更することにより高圧ＥＧＲ通路４１を流れる排気の量を変更可能な流量調節弁である。高圧ＥＧＲガスの調量は高圧ＥＧＲ弁４２の開度を調節することによって行われる。なお、高圧ＥＧＲガスの調量は高圧ＥＧＲ弁４２の開度調節以外の方法によって行うこともできる。例えば、第２吸気絞り弁９の開度を調節することによって高圧ＥＧＲ通路４１の上流と下流との差圧を変化させることによっても高圧ＥＧＲガス量を調節することができる。また、ノズルベーン５の開度を調節することによっても高圧ＥＧＲガス量を調節することができる。

内燃機関１には、機関の制御を行う電子制御装置（ＥＣＵ）２０が併設されている。ＥＣＵ２０は、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、中央演算装置（ＣＰＵ）、入出力ポート、デジタルアナログコンバータ（ＤＡコンバータ）、アナログデジタルコンバータ（ＡＤコンバータ）等を双方向バスで接続した公知の構成を有するマイクロコンピュータとして構成されている。

ＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転状態や運転者による要求に応じて燃料噴射制御等のディーゼルエンジンにおいて既知の諸基本制御を行う。そのために、本実施例における内燃機関１には、吸気管３に流入する新気の流量を検出するエアフローメータ７、内燃機関１の冷却水の温度を検出する水温センサ１４、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ１５、内燃機関１のクランクシャフトの回転位相（クランク角度）を検出するクランクポジションセンサ１６、その他ディーゼルエンジンが一般的に備えているセンサ類（図示省略）が設けられている。

これらのセンサは電気配線を介してＥＣＵ２０に接続され、各センサからの出力信号がＥＣＵ２０に入力されるようになっている。また、ＥＣＵ２０には、第１吸気絞り弁６、第２吸気絞り弁９、排気絞り弁１９、低圧ＥＧＲ弁３２、高圧ＥＧＲ弁４２を駆動するための駆動装置等の機器が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２０から出力される制御信号に従ってこれらの機器が制御される。

ＥＣＵ２０は、各センサによる検出値に基づいて内燃機関１の運転状態や運転者の要求を把握する。例えば、ＥＣＵ２０はクランクポジションセンサ１６から入力されるクランク角度から算出する機関回転数と、アクセル開度センサ１５から入力されるアクセル開度から算出する機関負荷とに基づいて内燃機関１の運転状態を検出する。そして、検出した機関運転状態や運転者の要求に基づいて低圧ＥＧＲ弁３２や高圧ＥＧＲ弁４２等を制御し、ＥＧＲガス量や吸入空気量の制御を行う。

次に、ＥＣＵ２０によって行われるＥＧＲ制御について説明する。

本実施例の排気再循環システムでは、ＮＯｘ排出量が所定の目標値を満たすように、内燃機関１の運転状態毎にＥＧＲ率の目標値（以下「目標ＥＧＲ率」という）が求められている。そして、高圧ＥＧＲ装置４０及び低圧ＥＧＲ装置３０を併用してＥＧＲを行うことで目標ＥＧＲ率を達成し、且つ、ＥＧＲの実施に起因する燃料消費量や燃焼特性等の機関特性が所定の要求を満足するために最適な高圧ＥＧＲガス量及び低圧ＥＧＲガス量の組み合わせ（又は全ＥＧＲガスにおける高圧ＥＧＲガス及び低圧ＥＧＲガスの分配比率）が求められ、基本高圧ＥＧＲガス量及び基本低圧ＥＧＲガス量としてＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶される。ここで、ＥＧＲ率とは、吸気中に占める全ＥＧＲガス（高圧ＥＧＲガスと低圧ＥＧＲガスとの合計）の割合であり、吸入空気量をＧｃｙｌ、エアフローメータ７で測定される新気量をＧｎとすれば、ＥＧＲ率＝（Ｇｃｙｌ−Ｇｎ）／Ｇｃｙｌで求められる。

そして、内燃機関１の定常運転時において低圧ＥＧＲガス量を基本低圧ＥＧＲガス量とするような低圧ＥＧＲ弁３２の開度として基本低圧ＥＧＲ弁開度が求められ、また、内燃機関１の定常運転時において高圧ＥＧＲガス量を基本高圧ＥＧＲガス量とするような高圧ＥＧＲ弁４２の開度として基本高圧ＥＧＲ弁開度が求められ、それぞれＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶される。

ＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転状態に応じてＲＯＭから基本低圧ＥＧＲ弁開度及び基本高圧ＥＧＲ弁開度を読み込み、低圧ＥＧＲ弁３２の開度が基本低圧ＥＧＲ弁開度となるように低圧ＥＧＲ弁３２を制御するとともに、高圧ＥＧＲ弁４２の開度が基本高圧ＥＧＲ弁開度となるように高圧ＥＧＲ弁４２を制御する。

図２は、内燃機関１の運転状態の領域毎に定められた、低圧ＥＧＲ装置３０及び高圧ＥＧＲ装置４０の切り替えパターンを示す図である。図２の横軸は内燃機関１の機関回転数を表し、縦軸は内燃機関１の機関負荷を表している。図２に示すように、内燃機関１が低負荷の運転状態では高圧ＥＧＲ装置４０のみを用いてＥＧＲを行う。この領域をＨＰＬ領域という。また、内燃機関１が中負荷の運転状態では高圧ＥＧＲ装置４０及び低圧ＥＧＲ装置３０を併用してＥＧＲを行う。この領域をＭＩＸ領域という。また、内燃機関１が高負荷の運転状態では低圧ＥＧＲ装置３０のみを用いてＥＧＲを行う。この領域をＬＰＬ領域という。ＬＰＬ領域より高負荷側の運転状態ではＥＧＲは行われない。

このように、内燃機関１の運転状態に応じて低圧ＥＧＲ装置４０及び高圧ＥＧＲ装置３０を併用或いは切り替えてＥＧＲを行うことによって、広い運転領域においてＥＧＲを実施し、ＮＯｘの発生量を低減することができる。

ここで、高圧ＥＧＲガスは排気マニホールド１８近傍と吸気マニホールド１７近傍とを接続する比較的経路長の短い高圧ＥＧＲ通路４１を流通して内燃機関１に再循環するため、高圧ＥＧＲ弁４２の開度の変更に対する高圧ＥＧＲガス量の変化の応答性が速い。また、内燃機関１の運転状態がある運転状態（第１運転状態とする）から異なる運転状態（第２運転状態とする）に変化する時、高圧ＥＧＲ通路４１中の高圧ＥＧＲガスは、比較的短時間で、第１運転状態の内燃機関１から排出された排気から、第２運転状態の内燃機関１から排出される排気に入れ替わる。

一方、低圧ＥＧＲガスの流通経路上には、経路長の長い低圧ＥＧＲ通路３１、流路容積の大きい低圧ＥＧＲクーラ３３やインタークーラ８等が存在するため、低圧ＥＧＲ弁３２の開度の変更に対する低圧ＥＧＲガス量の変化の応答性が遅い。また、内燃機関１の運転状態が上記と同様に変化する時、第１運転状態において内燃機関１から排出されて低圧ＥＧＲ通路３１に流入し、未だに吸気管３に流入せずに低圧ＥＧＲ通路３１中に残存している低圧ＥＧＲガス（以下「残存低圧ＥＧＲガス」という）が多く存在する。そのため、残存低圧ＥＧＲガスが全て内燃機関１に再循環し、第２運転状態の内燃機関１から排出される排気が低圧ＥＧＲガスとして内燃機関１に再循環するようになるまでに要する期間（以下「低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間」という）が比較的長い。

低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間中に内燃機関１に再循環する残存低圧ＥＧＲガスは、その成分濃度が第２運転状態の内燃機関１から排出される排気とは異なるため、内燃機関１の運転状態が上記と同様に変化する時、低圧ＥＧＲ弁３２を第２運転状態に対応する基本低圧ＥＧＲ弁開度に制御しても、低圧ＥＧＲガスによるＥＧＲ率への寄与が想定より過剰又は過少となる可能性がある。その場合、低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間中のＥＧＲ率が第２運転状態に対応する目標ＥＧＲ率と一致しなくなり、ＮＯｘ排出量の増大や燃焼の不安定化の原因となる虞があった。

そこで、本実施例の排気再循環システムでは、内燃機関１の運転状態が第１運転状態から第２運転状態に変化する際の上記低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間中において、高圧ＥＧＲ弁４２の開度を基本高圧ＥＧＲ弁開度から変化させることによって、残存低圧ＥＧＲガスが内燃機関１に再循環することに起因するＥＧＲ率のずれを補正するようにした。

詳細には、残存低圧ＥＧＲガスの成分濃度（二酸化炭素濃度、酸素濃度等）を第１運転状態に係る運転パラメータ（機関回転数、機関負荷等）に基づいて推定するとともに、低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間において、該推定された成分濃度の残存低圧ＥＧＲガスを低圧ＥＧＲ装置３０によって内燃機関１に再循環させ、且つ第２運転状態の内燃機関１から排出される排気を高圧ＥＧＲ装置４０によって内燃機関１に再循環させた場合のＥＧＲ率が、第２運転状態に対応する目標ＥＧＲ率となるように、高圧ＥＧＲ弁開度を求める。

これにより、低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間中におけるＥＧＲ率を好適に目標ＥＧＲ率に制御することができるので、内燃機関１の運転状態が変化した直後におけるＮＯｘ排出量の増大や燃焼の不安定化を抑制することができる。

以下、上記ＥＧＲ制御を内燃機関１が燃料カット運転状態（無負荷運転状態）から復帰する場合に適用した実施例について図３を参照して説明する。図３は、内燃機関１が燃料カット運転状態から復帰する時に実行されるＥＧＲ制御ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンはＥＣＵ２０のＲＯＭに予め記憶されたコンピュータプログラムであり、内燃機関１の運転中所定期間毎に実行される。

このＥＧＲ制御ルーチンが実行されると、まずＥＣＵ２０は内燃機関１の運転状態を検出する（ステップＳ３０１）。具体的には、クランクポジションセンサ１６によって検出されるクランク角度から機関回転数を算出するとともに、アクセル開度センサ１５によって検出されるアクセル開度から機関負荷を算出する。

ステップＳ３０１において検出した内燃機関１の運転状態が燃料カット運転を行うべき運転領域に属する運転状態である場合には、ＥＣＵ２０は、内燃機関１を燃料カット運転に移行させる（ステップＳ３０２）。

ここで、燃料カット運転に移行する直前における内燃機関１の運転状態が定常運転状態であったか過渡運転状態であったかを判定する（ステップＳ３０３）。

ステップＳ３０３において肯定判定された場合には、ＥＣＵ２０は低圧ＥＧＲ弁３２を全閉にする（ステップＳ３０４）。すなわち、燃料カット運転状態に移行する直前の内燃機関１が定常運転を行っていた場合には、燃料カット運転に移行すると同時に低圧ＥＧＲ弁３２を閉弁する。これにより、該定常運転中に内燃機関１から排出された排気が残留低圧ＥＧＲガスとして低圧ＥＧＲ通路３１中に一様に残留することになる

一方、ステップＳ３０３において否定判定された場合には、ＥＣＵ２０は低圧ＥＧＲ弁３２を全開にする（ステップＳ３０５）。すなわち、燃料カット運転状態に移行する直前の内燃機関１が過渡運転を行っていた場合には、燃料カット運転に移行すると同時に低圧ＥＧＲ弁３２を開弁する。この時、第１吸気絞り弁６及び第２吸気絞り弁９を開弁にする。これにより、該過渡運転中の内燃機関１から排出されて低圧ＥＧＲ通路３１中に残留していた非一様の未知の二酸化炭素濃度の排気は、燃料カット運転中に吸入され吸排気系を流通する空気によって低圧ＥＧＲ通路３１から追い出される。これにより、燃料カット運転中に吸入される空気が残留低圧ＥＧＲガスとして低圧ＥＧＲ通路３１中に一様に残留することになる。

その後、内燃機関１を燃料カット運転から復帰させる条件が成立した時、ＥＣＵ２０は燃料噴射を再開して内燃機関１を燃料カット運転状態から復帰させる（ステップ３０６）。そして、ＥＣＵ２０は、復帰後の運転状態に応じてＲＯＭから基本高圧ＥＧＲ弁開度及び基本低圧ＥＧＲ弁開度を読み込む（ステップＳ３０７）。

さらに、ＥＣＵ２０は、ＥＧＲ率が復帰後の運転状態に対応する目標ＥＧＲ率になるように、ステップＳ３０７で読み込んだ基本高圧ＥＧＲ弁開度を補正する（ステップＳ３０８）。

具体的には、燃料カットに移行する直前の内燃機関１の運転状態が定常運転状態だった場合には、該定常運転状態に係る運転パラメータ（機関回転数、機関負荷）に基づいて残存低圧ＥＧＲガス（この場合定常運転時に排出された排気）の二酸化炭素濃度を推定する。そして、低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間において、該推定された二酸化炭素濃度の残存低圧ＥＧＲガスを低圧ＥＧＲ装置３０によって内燃機関１に再循環させ、且つ燃料カットから復帰後の運転状態の内燃機関１から排出される排気を高圧ＥＧＲ装置４０によって内燃機関１に再循環させた場合のＥＧＲ率が、復帰後の運転状態に対応する目標ＥＧＲ率となるように、基本高圧ＥＧＲ弁開度を補正する。

また、燃料カットに移行する直前の内燃機関１の運転状態が過渡運転状態だった場合には、燃料カット運転中に吸入される空気の二酸化炭素濃度（又は酸素濃度）を検出又は推定する。そして、低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間において、該空気を低圧ＥＧＲ装置３０によって内燃機関１に再循環させ、且つ燃料カットから復帰後の運転状態の内燃機関１か
ら排出される排気を高圧ＥＧＲ装置４０によって内燃機関１に再循環させた場合のＥＧＲ率が、復帰後の運転状態に対応する目標ＥＧＲ率となるように、基本高圧ＥＧＲ弁開度を補正する。この場合は、換言すれば、目標ＥＧＲ率を高圧ＥＧＲガスのみで達成可能なように高圧ＥＧＲ弁４２の開度が求められることになる。

そして、ＥＣＵ２０は、ステップＳ３０７で読み込まれた基本低圧ＥＧＲ弁開度になるように低圧ＥＧＲ弁３２を制御するとともに、ステップＳ３０８で求められた高圧ＥＧＲ弁開度になるように高圧ＥＧＲ弁４２を制御する（ステップＳ３０９）。

ＥＣＵ２０は、ステップＳ３０９のように高圧ＥＧＲ弁４２及び低圧ＥＧＲ弁３２が制御された状態を低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間中に亘って継続させる。ここで、低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間は、復帰後の運転状態における低圧ＥＧＲガス流量と、低圧ＥＧＲ通路３１の容積や形状等に基づいて求められる。

そして、内燃機関１が燃料カットから復帰後低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間が経過した時点で（ステップＳ３１０）、ＥＣＵ２０は高圧ＥＧＲ弁４２を基本高圧ＥＧＲ弁開度に制御するとともに、低圧ＥＧＲ弁３２を基本低圧ＥＧＲ弁開度に制御する（ステップＳ３１１）。

ＥＣＵ２０がこのＥＧＲ制御ルーチンを実行することにより、内燃機関１が燃料カット運転状態から復帰した後の低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間中におけるＥＧＲ率を復帰後の運転状態に対応する目標ＥＧＲ率に制御することができ、該期間中のＮＯｘ排出量の増大や燃焼の不安定化を好適に抑制することが可能になる。

図４は、内燃機関１が定常運転状態（以下これを第１運転状態とする）から燃料カット運転状態に移行し、該燃料カット運転状態から復帰する場合に上記ＥＧＲ制御ルーチンを実行した時の燃料噴射量、ＥＧＲ率、高圧ＥＧＲ弁開度、高圧ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度、低圧ＥＧＲ弁開度、低圧ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度の時間推移を示すタイムチャートである。以下の説明では、燃料カットから復帰後の運転状態を第２運転状態とする。

図４（Ａ）に示すように、内燃機関１が第１運転状態中（時刻ｔ１以前）は燃料噴射量はＱ１で略一定であり、内燃機関１は定常運転を行っている。そして、時刻ｔ１において内燃機関１は無負荷状態となり、燃料噴射量が０に制御され、燃料カット運転状態に移行する。

この時、図４（Ｃ）、（Ｅ）に示すように、高圧ＥＧＲ弁開度及び低圧ＥＧＲ弁開度はともに全閉にされる。これにより、図４（Ｄ）、（Ｆ）に示すように、高圧ＥＧＲガス及び低圧ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度は、第１運転状態における内燃機関１から排出される排気の二酸化炭素濃度（Ｎ１）に維持される。

そして、時刻ｔ２において燃料カットからの復帰条件が成立し、内燃機関１は第２運転状態に移行し、燃料噴射量Ｑ２で燃料噴射が開始される。この時、高圧ＥＧＲ弁４２及び低圧ＥＧＲ弁３２をそれぞれ第２運転状態に対応した基本高圧ＥＧＲ弁開度ＢＨ２及び基本低圧ＥＧＲ弁開度ＢＬ２に制御した場合、図４（Ｄ）に示すように、高圧ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度は、第２運転状態の内燃機関１から排出された排気の二酸化炭素濃度Ｎ２に応答性良く変化するのに対し、図４（Ｆ）に示すように、低圧ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度は、残留低圧ＥＧＲガスが全て内燃機関１に再循環し切るまでの期間（時刻ｔ３までの期間）は、残留低圧ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度、すなわち第１運転状態の内燃機関１から排出された排気の二酸化炭素濃度Ｎ１から変化しない。

そのため、燃料カットからの復帰時（時刻ｔ２）において高圧ＥＧＲ弁４２及び低圧ＥＧＲ弁３２をそれぞれ第２運転状態に対応する基本高圧ＥＧＲ弁開度ＢＨ２及び基本低圧ＥＧＲ弁開度ＢＬ２に制御しても、ＥＧＲ率は第２運転状態に対応する目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒ２に満たなくなる。

それに対し、上記のＥＧＲ制御によれば、図４（Ｃ）に示すように、時刻ｔ２〜ｔ３の低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間中において高圧ＥＧＲ弁４２の開度を第２運転状態に対応する基本高圧ＥＧＲ弁開度ＢＨ２より開き側の開度ＢＨ２ｔに補正される。この補正量は、定常運転状態である第１運転状態に係る運転パラメータ（機関回転数、機関負荷）に基づいて推定可能な第１運転状態における内燃機関１から排出された排気の二酸化炭素濃度Ｎ１に応じて、予め定められたモデル計算又はマップにより求められる。

これにより、低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間中における低圧ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度が第２運転状態の内燃機関１から排出される排気の二酸化炭素濃度Ｎ２より低いことに起因するＥＧＲ率の過少分を相殺することができ、図４（Ｂ）に示すように、低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間中においても、ＥＧＲ率が第２運転状態に対応する目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒ２に好適に制御することができる。

なお、低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間Δｔ（＝ｔ３−ｔ２）は、低圧ＥＧＲ通路３１の容積や低圧ＥＧＲガス流量に基づいて計算することができる。

図５は、内燃機関１が過渡運転状態（以下これは第１運転状態とする）から燃料カット運転状態に移行し、該燃料カット運転状態から復帰する場合に上記ＥＧＲ制御ルーチンを実行した時の燃料噴射量、ＥＧＲ率、高圧ＥＧＲ弁開度、高圧ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度、低圧ＥＧＲ弁開度、低圧ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度の時間推移を示すタイムチャートである。以下の説明では、燃料カットからの復帰後の運転状態を第２運転状態とする。

図５（Ａ）に示すように、内燃機関１が第１運転状態中（時刻ｔ１以前）は過渡運転状態であるので、燃料噴射量は時間変動している。そして、時刻ｔ１において内燃機関１は無負荷状態となり、燃料噴射量が０に制御され、燃料カット運転状態に移行する。

この時、図５（Ｃ）に示すように、高圧ＥＧＲ弁開度は全閉にされる。これにより、図５（Ｄ）に示すように、高圧ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度は、第１運転状態から燃料カット運転状態に移行した時点において内燃機関１から排出された排気の二酸化炭素濃度に維持される。また、低圧ＥＧＲ弁開度は、図５（Ｅ）に示すように全開にされる。これにより、燃料カット時に吸入されて吸気管３や排気管４を（燃焼することなく単に）流通する空気が低圧ＥＧＲ通路３１に流入し、第１運転状態中に低圧ＥＧＲ通路３１に残留していた排気を低圧ＥＧＲ通路３１から追い出すので、図５（Ｆ）に示すように、低圧ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度は、吸入空気の二酸化炭素濃度に略等しくなる。これにより、過渡運転中の二酸化炭素濃度を推定することが困難な排気ではなく、二酸化炭素濃度が既知のガスである空気が低圧ＥＧＲ通路３１に残留することになる。

そして、時刻ｔ２において燃料カットからの復帰条件が成立し、内燃機関１は第２運転状態に移行し、燃料噴射量Ｑ２で燃料噴射が開始される。この時、高圧ＥＧＲ弁４２及び低圧ＥＧＲ弁３２をそれぞれ第２運転状態に対応した基本高圧ＥＧＲ弁開度ＢＨ２及び基本低圧ＥＧＲ弁開度ＢＬ２に制御した場合、図５（Ｄ）に示すように、高圧ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度は、第２運転状態の内燃機関１から排出された排気の二酸化炭素濃度Ｎ２に応答性良く変化するのに対し、図５（Ｆ）に示すように、低圧ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度は、残留低圧ＥＧＲガス（この場合空気）が全て内燃機関１に再循環し切るまでの期間（時刻ｔ３までの期間）は、残留低圧ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度、すなわち空気の二
酸化炭素濃度（略零）から変化しない。

そのため、燃料カットからの復帰時（時刻ｔ２）において高圧ＥＧＲ弁４２及び低圧ＥＧＲ弁３２をそれぞれ第２運転状態に対応する基本高圧ＥＧＲ弁開度ＢＨ２及び基本低圧ＥＧＲ弁開度ＢＬ２に制御しても、ＥＧＲ率は第２運転状態に対応する目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒ２に満たなくなる。

それに対し、上記のＥＧＲ制御によれば、図５（Ｃ）に示すように、時刻ｔ２〜ｔ３の低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間中において高圧ＥＧＲ弁４２の開度を第２運転状態に対応する基本高圧ＥＧＲ弁開度ＢＨ２より開き側の開度ＢＨ３に補正される。この補正量は、高圧ＥＧＲ弁４２を補正開度ＢＨ３に制御することによって、第２運転状態に対応する目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒ２を高圧ＥＧＲガスのみで達成可能なように計算される。このように、燃料カット中に、残留低圧ＥＧＲガスを、濃度不詳の過渡運転時の排気から濃度既知の空気に入れ替えたため、容易かつ精度良く補正開度ＢＨ３を計算することが可能となっている。

これにより、図５（Ｂ）に示すように、低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間中においても、ＥＧＲ率が第２運転状態に対応する目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒ２に好適に制御することができる。

なお、低圧ＥＧＲガス入れ替わり期間Δｔ（＝ｔ３−ｔ２）は、低圧ＥＧＲ通路３１の容積や低圧ＥＧＲガス流量に基づいて計算することができる。

以上述べた実施例は本発明を説明するための一例であって、本発明の本旨を逸脱しない範囲内において上記各実施例は組み合わせたり変更を加えることができる。

実施例１におけるＥＧＲ制御を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。 実施例１における高圧ＥＧＲ装置と低圧ＥＧＲ装置との切り替えパターンを示す図である。 実施例１におけるＥＧＲ制御ルーチンを示すフローチャートである。 実施例１におけるＥＧＲ制御を、内燃機関が定常運転状態から燃料カット運転状態に移行し、該燃料カット運転状態から復帰する場合に適用した場合の燃料噴射量、ＥＧＲ率、高圧ＥＧＲ弁開度、高圧ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度、低圧ＥＧＲ弁開度、低圧ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度の時間変化を示すタイムチャートである。 実施例１におけるＥＧＲ制御を、内燃機関が過渡運転状態から燃料カット運転状態に移行し、該燃料カット運転状態から復帰する場合に適用した場合の燃料噴射量、ＥＧＲ率、高圧ＥＧＲ弁開度、高圧ＥＧＲガスの二酸化炭素能動、低圧ＥＧＲ弁開度、低圧ＥＧＲガスの二酸化炭素濃度の時間変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 吸気管
４ 排気管
５ ノズルベーン
６ 第１吸気絞り弁
７ エアフローメータ
８ インタークーラ
９ 第２吸気絞り弁
１０ 排気浄化装置
１１ コンプレッサ
１２ タービン
１３ フィルタ
１４ 水温センサ
１５ アクセル開度センサ
１６ クランクポジションセンサ
１７ 吸気マニホールド
１８ 排気マニホールド
１９ 排気絞り弁
２０ ＥＣＵ
３０ 低圧ＥＧＲ装置
３１ 低圧ＥＧＲ通路
３２ 低圧ＥＧＲ弁
３３ 低圧ＥＧＲクーラ
４０ 高圧ＥＧＲ装置
４１ 高圧ＥＧＲ通路
４２ 高圧ＥＧＲ弁

Claims (3)

1. 内燃機関の吸気通路にコンプレッサを有し且つ前記内燃機関の排気通路にタービンを有するターボチャージャと、
   前記タービンより上流の排気通路と前記コンプレッサより下流の吸気通路とを接続する高圧ＥＧＲ通路を介して排気の一部を内燃機関に再循環させる高圧ＥＧＲ手段と、
   前記タービンより下流の排気通路と前記コンプレッサより上流の吸気通路とを接続する低圧ＥＧＲ通路を介して排気の一部を内燃機関に再循環させる低圧ＥＧＲ手段と、
   前記高圧ＥＧＲ通路に設けられ高圧ＥＧＲ通路の流路断面積を変更する高圧ＥＧＲ弁と、
   前記低圧ＥＧＲ通路に設けられ低圧ＥＧＲ通路の流路断面積を変更する低圧ＥＧＲ弁と、
   内燃機関の運転状態に応じて定められる基本高圧ＥＧＲ弁開度に前記高圧ＥＧＲ弁の開度を制御するとともに、内燃機関の運転状態に応じて定められる基本低圧ＥＧＲ弁開度に前記低圧ＥＧＲ弁の開度を制御するＥＧＲ制御手段と、
   を備え、
   前記ＥＧＲ制御手段は、
   内燃機関が燃料カット運転状態に移行する直前における内燃機関の運転状態に基づいて、燃料カット運転状態に移行した後における前記低圧ＥＧＲ弁の開弁又は閉弁を制御し、
   燃料カット運転状態に移行する直前における内燃機関の運転状態と、燃料カット運転状態に移行した後における前記低圧ＥＧＲ弁の開弁又は閉弁の制御状態と、に基づいて、燃料カット運転中に前記低圧ＥＧＲ通路内に存在しているガスの特性を推定し、
   内燃機関が燃料カット運転状態から復帰する時、燃料カット運転状態から復帰する直前に前記低圧ＥＧＲ通路内に存在しているガスの前記推定された特性に基づいて前記基本高圧ＥＧＲ弁開度を補正し、
   内燃機関が燃料カット運転状態から復帰してから、燃料カット運転状態から復帰する直前に前記低圧ＥＧＲ通路内に存在しているガスが全て内燃機関に吸入されるまでの所定期間、該補正後の開度に前記高圧ＥＧＲ弁の開度を制御する
   ことを特徴とする内燃機関の排気再循環システム。
2. 請求項１において、
   前記ＥＧＲ制御手段は、内燃機関が定常運転状態から前記燃料カット運転状態に移行する場合には、燃料カット運転中、前記低圧ＥＧＲ弁を閉弁し、内燃機関が燃料カット運転状態から復帰後の前記所定期間中、前記定常運転状態に基づいて前記基本高圧ＥＧＲ弁開度を補正し、該補正後の開度に前記高圧ＥＧＲ弁を制御する内燃機関の排気再循環システム。
3. 請求項１において、
   前記ＥＧＲ制御手段は、内燃機関が過渡運転状態から前記燃料カット運転状態に移行する場合には、燃料カット運転中、前記低圧ＥＧＲ弁を開弁し、内燃機関が燃料カット運転状態から復帰後の前記所定期間中、前記基本高圧ＥＧＲ弁開度と比較して開き側の開度に前記高圧ＥＧＲ弁を制御する内燃機関の排気再循環システム。
   

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